KR20050086773A - 표준화 로터리 액튜에이터 - Google Patents

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KR20050086773A
KR20050086773A KR1020057009362A KR20057009362A KR20050086773A KR 20050086773 A KR20050086773 A KR 20050086773A KR 1020057009362 A KR1020057009362 A KR 1020057009362A KR 20057009362 A KR20057009362 A KR 20057009362A KR 20050086773 A KR20050086773 A KR 20050086773A
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델버트 테사르
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델버트 테사르
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Abstract

로터리 액튜에이터가 쉘, 출력부 플레이트, 및 쉘 내에 출력부 플레이트를 보유하는 크로스-롤러 베어링을 포함한다. 쉘 내에 배치된 원동기는 쉘 내의 기어 트레인에 토크를 제공한다. 기어 한 쌍은 크로스-롤러 베어링의 한쪽 면에 배치되며, 기어 트레인 내의 하나 이상의 기어와 맞추어 진다. 실시예에 따라, 기어 트레인은 유성 에피사이클릭 또는 편심 하이포사이클릭 형태일 수 있다.

Description

표준화 로터리 액튜에이터{STANDARDIZED ROTARY ACTUATOR}
본 발명은, 2002년 11월 25일 출원된 미국 예비 특허 출원 제 60/429,276 호를 우선권으로 한다.
본 발명은, 통상 로터리 출력 장치, 그리고 특히 자동화 기계에 사용되는 로터리 액튜에이터(rotary actuator)에 관한 것이다.
오늘날 개발된 대부분의 자동화 기계 시스템들은, 표준화된 설계를 거의 또는 전혀 채용하지 않는 고유하고 맞춤 설계되는(custom) 1회성 시스템으로 제작된다. 이러한 1회성 설계 방법은 시스템의 비교적 높은 가격을 야기하고 새로운 기술의 변화 및 확산을 느리게 수용하도록 야기하는 경향이 있다.
맞춤 설계되는 기계 설계 방법의 또 다른 바람직하지 않은 효과는 빠르게 쇠퇴하는 것이다. 통상 작동 인터페이스들이 장애가 되고, 유지 훈련이 복잡하며, 그리고 유지를 위한 세부적인 방법은 영구적이고 비싼 사용자의 의무가 된다.
종종, 자동화 기계 시스템의 설계자들은 먼저 기계 조인트의 설계에 직면하고, 비교적 표준화된 기계 조인트 해결책이 없어서, 기계 조인트는 플레이트, 빔, 및 베어링과 같은 기초적인 표준 구성 요소로부터 시작하여 수행되어야 한다.
충분히 단단한 기계 조인트를 제공하도록, 기계 설계자들은 원동기(prime mover), 원동기용 출력 공급원, 조인트용 위치 및 속도 피드백 센서들, 원동기용 제어 시스템, 필요한 모든 가선(wiring), 및 어떠한 필요한 중간 기어 트레인(geartrain)과 출력 전달 부재를 특정하고 선택한다. 일반적으로, 이러한 구성 요소들은 분리된 구성 요소일 수 있다. 특정 구성 요소들이 관련 구성 요소와 조화되어 작동하도록 설계될 수 있음에도, 다양한 작동 조건 하에서 다양한 구성 요소가 함께 적절히 작동할 수 있는 것을 보장하도록 비교적 높은 정도의 공학적 노력이 여전히 반드시 필요하다.
일체화가 어느 정도의 성공을 달성해 왔던 하나의 영역은 원동기와 기어 트레인의 일체화이다. 원동기와 기어 트레인을 포함하는 모듈은 "기어모터(gearmotor)" 또는 "기어헤드 모터(gearhead motor)"로서 공지되어 있다. 소정의 성공에도 불구하고, 이러한 일체화는 부적합한 기어 트레인 설계의 사용으로 손해가 존재하였으며, 그로 인하여 이러한 모듈의 전반적인 효과가 제한되어 왔다.
사용 가능한 모든 과학이 실현 가능한 모든 결과를 야기한 종래 개념으로, 기어 트레인의 개발 작업은 수년간 매우 정체되어 왔다. 통상적으로 중량, 백래쉬(backlash), 소음, 가격, 및 추측되는 복잡성으로 인해, 시스템 설계자들은 기어 트레인 전체를 제거하는 것을 선호하였다.
하이포사이클릭 기어 트레인(hypocyclic gear train)은 19세기 말에 최초 개발되어 특허되었다. 특허 상의 다른 파동이 1930년대 중반에 발생하였다. 소정의 공업 생산업자들은, 하이포사이클릭 기어 트레인을 사용하는 기어 트랜스미션을 현재 제조하나, 그 설계는 오래된 설계의 모방으로 균형을 목적으로 한 베어링, 원형 힘 경로부(force path), 및 2개의 대립되는 워블 플레이트 기어(wobble plate gear)를 포함한다. 균형 문제는 특정 범위에서 워블 기어 설계의 사용을 제한하여 왔지만, 이러한 기어를 위한 구동 편심이 3% 또는 그 이하 정도로 비교적 적은 한, 정밀 균형의 현대적 방법을 사용하여 균형이 잘 잡힐 수 있다.
최근 제조된 소정의 하이포사이클릭 기어 트레인에서, 오직 하나의 워블 플레이트 기어 메쉬(wobble plate gear mesh)가 사용된다. 이러한 설계는, 플레이트를 통해 핀을 사용하여 토크를 출력부 플레이트에 전달하며 다른 수준의 복잡성 및 임계 공차를 갖는 소정의 치수를 부가한다.
아마도 30년간, 저속에서 높은 토크를 제조하는 필요 조건을 구비한 하이포사이클릭 모터의 설계에 대해서 낮은 수준의 관심이 보여져 왔다. 상기 하이포사이클릭 모터는 작동하지만, 누구도 지금까지 동심 회전 출력 샤프트에 그러한 높은 토크를 얻는 만족할만한 수단을 발견하지 못하여 왔다.
사이클로이드 구동 기어 트레인의 적어도 3개의 주된 변화가 현재 존재한다. 이는 스미토모(SUMITOMOTM)(일본), 테이진 세이키(TEIJIN SEIKITM)(일본), 및 안단텍스(ANDANTEXTM)(프랑스)에 의해 제조된 설계를 포함한다. 이러한 설계들은 모두 기어를 다르게한 듀얼 워블 플레이트(dual wobble plate)에 의하고, 균형을 위해 180도의 위상 반전을 설정하며, 정밀한 사이클로이드 표면 또는 편심 듀얼 세트 중 어느 하나에 의해 구동된다. 이러한 장치의 입력부와 출력부 사이의 힘 경로는 길고 우회적이며, 포함된 모든 힘을 유지하는 넓고 매우 무거운 후프 구조체(hoop structure)를 필요로 한다.
이러한 장치는 굴곡진 표면 위에 있는 롤러들과 출력부 플레이트에 최종적인 구동을 제공하기 위한 캔틸레버(cantilever) 핀을 사용한다. 또한 이러한 형식의 구동은 추가적인 베어링에 지지되는 작은 출력부 샤프트에 연결된다. 이 모든 것은 기어 트레인의 강성 부족 및 컴플라이언스(compliance)를 상당히 증가시킨다. 고유한 기하학적 구조, 복잡성, 체적 및 중량 때문에, 이러한 기어 트레인이 자급식의 액튜에이터 모듈에 통합되기 매우 어렵다.
본 발명의 형상 및 이점의 보다 완벽한 이해를 위하여, 첨부된 도면으로 본 발명을 상세히 설명한다. 다른 도면에서 상응하는 도면 번호는 이에 상응하는 부분을 나타내며;
도 1은, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 로터리 액튜에이터의 절단 사시도이며;
도 2는, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 로터리 액튜에이터의 절단 사시도이며;
도 3은, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 로터리 액튜에이터의 절단 사시도이며;
도 4는, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 로터리 액튜에이터의 절단 사시도이며;
도 5는, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 로터리 액튜에이터의 절단 사시도이며;
도 6은, 본 발명의 제 6 실시예에 따른 로터리 액튜에이터의 절단 사시도이며;
도 7은, 본 발명의 제 7 실시예에 따른 로터리 액튜에이터의 절단 사시도이며;
도 8은, 본 발명의 특정 실시예들에 따른 로터리 액튜에이터의 절단 사시도이며;
도 9는, 본 발명의 특정 실시예들에 따른 로터리 액튜에이터의 절단 사시도이며;
도 10은, 본 발명의 특정 실시예들에 따른 로터리 액튜에이터의 절단 사시도이며;
도 11은, 본 발명의 특정 실시예들에 따른 로터리 액튜에이터의 절단 사시도이며; 그리고
도 12는, 본 발명의 특정 실시예들에 따른 로터리 액튜에이터의 절단 사시도이다.
전술한 바와 같이, 자동화 기계 시스템은 일반적으로 맞춤 설계되고 1회성이며 대체로 처음부터(ground up) 설계되는 시스템이다. 여기에서 개시된 표준화 로터리 액튜에이터의 발명자는 동작 제어 시스템의 실시를 위해 필요한 공학상의 맞춤 정도는 여기에서 개시된 형식의 표준화 모듈 개발 및 사용을 통해 철저하게 감소될 수 있다는 것을 믿는다.
자동화 기계를 위한 "맞춤 설계" 딜레마의 해결책으로서, 본 발명자는 표준화 액튜에이터, 링크, 엔드-이펙터 기기(end-effector tool), 제어부, 및 요구에 의해 조립 가능하며 표준화 작동 시스템 소프트웨어에 의해 작동 가능한 관련 구성 요소를 포함한 표준화 빌딩 블록을 사용하는 개방형 설계의 실시를 제안한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 원동기, 기어 트레인, 및 로터리 기계 조인트를 단일 패키지에서 포함하는 통합된 표준화 로터리 액튜에이터를 제공한다. 이러한 부재들은 자급식의 단일 모듈 내에서 통합되며, 상기 모듈은 매우 다양한 실시의 필요 조건들을 만족시키도록 크기 변경이 용이하다. 로터리 액튜에이터는 최소의 임계 공차로 맞추어진 5개 정도의 적은 주된 부분들을 포함하여, 다양한 공차 및 온도에 대체로 영향이 없는 시스템을 이끈다.
특정 실시예들에서, 본 발명의 로터리 액튜에이터 모듈은 표준화된 기하학적 구조 및 크기로 제조될 수 있다. 표준 크기의 적정한 세트는 기계 설계 표준을 촉진한다. 퍼스널 컴퓨터 구성을 위해 채용된 표준과 유사한 방법으로, 이러한 표준은 기계 설계자들이 요구되는 기계를 조립하거나 재구성하는 것을 가능하게 한다. 표준을 사용하는 것은 새로운 기술의 확산을 가능하게 하며, 비용은 감소하는 반면, 성능을 증가시키는 경향이 있다.
본 발명의 하나의 목적은, 싼 가격, 적은 중량 및 적은 체적으로 대량 생산이 가능하며, 높은 수준의 성능 역시 유지되는 표준화 로터리 액튜에이터를 제조하는 것이다. (예를 들어 낮고, 중간이며, 높은) 다양한 수준의 견고성이 다양한 실시예를 개발될 수 있다.
본 발명은, 특정한 특징적 형상을 공유하는 다양한 실시예에서 새로우며 고도의 성능이 있는 로터리 액튜에이터이다. 통상, 본 발명의 낮은 가격형에서도 높은 수준의 성능이 유지된다. 실시에 의하여, 각각의 실시예들은 하나 또는 그 이상의 소정의 이점들을 생성하는 형상들을 내재한다.
본 발명의 특정 실시예들의 새로운 설계는, 최소 개수의 부분 및 최소화된 파라미터 리스트를 사용하는 간결한 디자인을 제공하며, 이로 인하여 조용하고 효율적인 작업 동안 우수한 간결성, 견고성 및 로드 용량을 나타내는 비교적 작은 형태 인자를 야기하며, 이는 조립이 용이하고, 다양한 품질 수준에서 대량 생산을 위해 이상적으로 설계될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들은, 복잡한 작업 주기를 갖는 기술을 요하는 계에서의 실시 형식으로, 저속 및 높은 토크의 실시에 있어서 특히 유용할 수 있다. 이러한 실시 형식의 예는, 로봇, 세포 및 항공기 액튜에이터 생산 형식을 포함한다.
여기에서 개시된 로터리 액튜에이터는, 전에 개발된 어떠한 로터리 액튜에이터보다 간결하고, 보다 간단하고, 보다 용이하게 조립 가능하고, 보다 값이 쌀 가능성을 갖는다. 또한, 이러한 장치는 전에 개발된 어떠한 로터리 액튜에이터보다 낮은 관성을 보이고, 보다 높은 강성을 제공하도록 구성될 수 있다.
제 1 실시예에서, 본 발명은, 그 내부에 배치된 유성 케이지(planetary cage)를 갖는 액튜에이터 쉘(actuator shell)을 포함하는 로터리 액튜에이터이다. 상기 액튜에이터 쉘에 단단히 고정된 제 1 원동기부 및 상기 제 1 원동기부에 근접하게 위치하고 상기 제 1 원동기부에 대해 이동할 수 있는 제 2 원동기부를 갖는 원동기는 상기 유성 기어 케이지(planetary gear cage)에 단단히 고정된다. 크로스-롤러 베어링(cross-roller bearing)은 쉘 내부의 출력부 부착 플레이트(output attachment plate)에 배치된다. 쉘 기어(shell gear)는 상기 액튜에이터 쉘에 단단히 고정되며, 출력 기어(output gear)는 상기 출력부 부착 플레이트에 단단히 고정된다. 하나 또는 그 이상의 유성 기어(planetary gear)는, 상기 유성 케이지 내에 배치되며, 상기 쉘 기어에 맞추어진 제 1 기어부와 상기 제 1 기어부에 근접하게 위치하여 상기 출력 기어에 맞추어진 제 2 기어부를 각각 갖는다.
제 2 실시예에서, 본 발명은 그 내부에 배치된 편심 케이지(eccentric cage) 및 원동기를 구비한 액튜에이터 쉘을 포함하는 로터리 액튜에이터이다. 상기 원동기의 제 2 원동기부가 상기 편심 케이지에 단단히 고정되는 동안, 제 1 원동기부는 상기 쉘에 단단히 고정된다. 크로스-롤러 베어링은 상기 쉘 내부에서 출력부 부착 플레이트를 보호한다. 쉘 기어는 상기 액튜에이터 쉘에 단단히 고정되며, 출력 기어는 상기 출력부 부착 플레이트에 단단히 고정된다. 상기 편심 케이지 근처에 배치된 편심은, 상기 쉘 기어에 맞추어진 제 1 기어부와, 제 1 기어부에 근접하게 위치하여 상기 출력 기어에 맞추어진 제 2 기어부를 각각 갖는다.
제 3 실시예에서, 본 발명은 원동기 및 두 단계의 유성 기어세트를 그 내부에 갖는 액튜에이터 쉘을 포함하는 로터리 액튜에이터이다. 상기 원동기는 상기 액튜에이터 쉘에 대해 상기 기어세트의 제 1 단계 플래닛 기어 케이지를 회전 운동하도록 연결된다. 샤프트는, 이에 단단히 고정된 샤프트 기어를 가지며, 상기 액튜에이터 쉘 내부에 배치된다.
또한, 제 3 실시예에서, 제 2 유성 기어 케이지는 제 1 유성 기어 케이지 및 샤프트에 대해 회전 운동 가능하며, 상기 제 2 유성 기어 케이지에 단단히 고정된 케이지 기어를 갖는다. 상기 제 1 유성 기어 케이지에 배치된 하나 또는 그 이상의 제 1 단계 유성 기어는, 상기 샤프트 기어에 맞추어진 제 1 기어부 및 상기 제 1 기어부에 근접하게 위치하여 상기 케이지 기어에 맞추어진 제 2 기어부를 각각 갖는다. 크로스-롤러 베어링은 쉘 내부에서 출력부 부착 플레이트를 보호한다.
액튜에이터를 벗어나서, 기계적인 출력의 전달을 실행하도록, 상기 쉘 기어는 상기 액튜에이터 쉘에 단단히 고정되며, 출력 기어는 상기 출력부 부착 플레이트에 단단히 고정된다. 최종적으로, 하나 또는 그 이상의 제 2 단계 유성 기어는 상기 쉘 기어에 맞추어지는 제 1 기어부 및 상기 제 1 기어부에 근접하게 위치하고 상기 출력 기어에 맞추어지는 제 2 기어부를 각각 가지며, 상기 제 2 유성 기어 케이지 내에 배치된다.
본 발명의 다양한 실시예들의 제조 및 사용이 이하 상세히 개시되는 동안, 본 발명은 적용 가능한 많은 발명 개념을 제공하고, 이는 광범위하고 다양한 특정한 상황에서 구현될 수 있음이 주지되어야 한다. 이하 개시될 특정 실시예들은 본 발명의 제조 및 사용을 특정한 방법으로 설명하기 위함이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
본 발명의 특정 실시예들은 싼 가격으로 대량 생산 가능하고 높은 수준의 성능을 여전히 유지할 수 있는 표준 로터리 액튜에이터이다. (예를 들어 낮고, 중간이며, 높은) 다양한 수준의 견고성은 다양한 실시예에서 채용될 수 있다. 사실, 여기에서 개시될 액튜에이터의 소정의 개념이 다양한 실시예에서 사용 가능한 다용도의 액튜에이터를 여전히 제공하는 동안, 플라스틱으로 제조되거나 또는 금속으로 형성된 부분들이 비용을 절감하도록 사용될 수 있는 기초적인 설계에서도 충분히 견고한 것으로 발견될 수 있다. 이러한 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 휴대용 기기, 교육용 로봇, 장난감 및 차량을 포함한다.
본 발명은, 소정의 특징적 형상을 공유하는 다양한 실시예들에서 높은 성능을 갖는, 새로운 로터리 액튜에이터이다. 실시예에 의해, 각각의 실시예들은 하나 또는 그 이상의 특정 장점들을 생성하는 형상을 포함한다.
본 발명의 특정 실시예들의 새로운 설계는, 적은 수의 부분 및 최소화된 파라미터 리스트를 사용하여 간결한 디자인을 제공하며, 이로 인하여 조용하고 효율적인 작업 동안 우수한 간결성, 견고성 및 로드 용량을 나타내는 비교적 작은 형태 인자를 허용한다. 이는 조립이 용이하도록 설계되어 다양한 품질 수준에서 대량 생산을 위해 이상적이다.
통상적으로, 이러한 액튜에이터들은 견고성이 우수하도록 설계되고, 온도 및 공차 효과에 비교적 영향이 없다. 본 발명의 액튜에이터들은, 높은 강성의 크로스-롤러 베어링을 가로지르는 비교적 짧은 힘 경로를 포함하며, 이로 인하여 강성 및 강도를 최대화한다. 특정 실시예들에서는, 본 발명의 액튜에이터가 표준적인 부착 구조물들을 포함한다.
표준화를 촉진하도록, 본 발명의 로터리 액튜에이터는 표준화된 "빌딩 블록"으로서 시스템 내에 구성될 수 있다. 이러한 빌딩 블록은, 예를 들면, 지능형일 수 있고, 적용 가능하며, 최고의 수행성을 갖는 외피를 위해 제공되며, 간결하고 견고하며, 그 구조적 설계 내에서 최적화되며, 세계 어디에 있는 기술자들에 의해서 빠르게 교체되도록 표준화된 인터페이스를 제공하며, 그리고 제조에 있어서 경제 규모의 이점을 갖도록 충분히 대량으로 제조될 수 있다.
원동기의 필요 조건은 D.C. 무브러쉬 모터(D.C. brushless motor) 또는 스위치드 릴럭턴스 모터(switched reluctance motor) 중 어느 것에 의해서도, 실린더형 또는 펜케익형을 중 어느 것에서도 만족될 수 있다. 기어 트레인은 대량 생산 시에 고유하고, 간결하고, 견고하며, 생산비용 절감 효과가 있을 수 있다.
특정 실시예들에서, 크로스-롤러 베어링은 자체적으로 조인트 베어링을 형성하도록 사용된다. 크로스-롤러 베어링은 강성을 위해서뿐만 아니라 그 적합한 기하학적 형태의 구성으로 인하여 채용된다. 특정 실시예들에서는, 이와 동시에 크로스-롤러 베어링이 주된 기어 트레인 베어링으로서 작용한다. 우수한 정밀도를 갖는 작은 크기의 액튜에이터는 분리되거나 또는 조합되어서 요구되는 위치상의 정확도 필요 조건을 만족하도록 사용될 수 있다.
제조 단위로서, 본 발명의 로터리 액튜에이터 모듈은, 단순한 전달 장치로서, 컨베이어의 구동부로서, 또는 자유도 2인 조작기에서 조인트 액튜에이터로서 직접적으로 사용될 수 있다. 한편 매우 복잡한 경우에는 자유도 10 및 그 이상을 갖는 매우 높은 기술을 요하는 조작기가 요구에 의해 조립될 수 있다. 상기 시스템들 각각 필요에 의해, 모두 동일한 인터페이스를 구비하며, 그리고 모두 동일한 유지상의 필요 조건들을 구비하며, 각각의 실시 단위에서 아마도 오직 5개의 기본적인 크기로부터 조립될 수 있으며, 그리고 가격 감소, 성능 증가 및 그러한 시스템의 설계를 개방하도록 통일된 하나의 소프트웨어 패키지에 의해 모두 구동된다.
도 1
도 1은, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 로터리 액튜에이터(100)의 절단 사시도를 묘사한다. 도 1에서 도시되는 로터리 액튜에이터(100)는, 매우 견고하며 높은 수준의 강성 및 충격 보호 성능을 갖도록 구성될 수 있다.
로터리 액튜에이터(100)와 같은 로터리 액튜에이터는 소정의 기하학적 형태의 구성을 갖는다. 이와 같은 구성 중 하나로서, 로터리 액튜에이터는 "펜케익" 형태를 갖아서, 중앙선을 따라 두께 면에서 비교적 좁으며, 지름 면에서 비교적 넓다. 도 1에서 도시된 로터리 액튜에이터(100)는 이와 같은 기하학적 형태를 갖는다. 대안적인 실시예들에서, 로터리 액튜에이터는 기하학적으로 "커피 캔" 형태로서, 중앙선을 따라 비교적 넓고, 지름 면에서 비교적 좁다. 도 2의 로터리 액튜에이터(200)는 이와 같은 형식의 형태이다.
통상, 펜케익형은 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)에 의해 구동되며 저속에서 보다 높은 토크를 제조하는데 적합하다. "커피캔"형은 통상 얇고/기술을 요하는 일련의 로봇 조작부와 같은 기계에서 사용되는데 적합하다. 이러한 형태는 SRM과 비교하여 다소 낮은 토크와 높은 속도 범위를 갖는 DC 무브러쉬 모터에 의해 보통 구동된다.
통상, 복잡성을 최소화하는 동시에 가능한 많은 설계 목표를 만족하는 것이 바람직하다. 가능하다면 이러한 설계 조합의 기준이 기능들을 조합하는 것이 바람직하다. 특정 실시예들에서 본 발명의 로터리 액튜에이터는, 단지 로터리 출력을 조인트에 제공할 뿐만 아니라, 조인트 그 자체로서 기능을 하고, 외부로부터의 추가적인 로터리 베어링 구조를 제조하기 위해 충분한 구조적 강도를 내재하도록 구성된다.
특정 실시예들에서, 로터리 액튜에이터 입/출력부 부착 구조체로의 퀵-체인지(quick-change) 인터페이스를 포함하는 것은 설계자에게 요구되는 기계의 조립 기능을 제공한다. 이러한 퀵-체인지 인터페이스의 일 실시예의 기하학적 구조는 이하 도 8과 연계하여 상세히 개시한다. 특정 실시예들에서, 자급식 액튜에이터는, 전자, 브레이크, 버스, 센서, 베어링, 모터, 기어 트레인, 및 모든 필요한 부착물 및 인터페이스를 포함하는 기계 복잡성의 80% 또는 그 이상을 내재할 수 있다.
로터리 액튜에이터(100)는 내부 불기어(bull gear)(104) 및 선기어(sun gear)(106)를 로터리 액튜에이터(100)의 부착 구성 성분의 일부분으로서 사용하며, 주된 크로스-롤러 베어링(108)에 의해 분리된다. 불기어(104) 및 선기어(106)는, 샤프트(116)에 고정되어 가압되며 베어링(114)에 의해 지지되는 플래닛 기어(110 및 112)에 의해 구동되며, 상기 샤프트(116)는 플래닛 케이지(planet cage)(118)의 측면을 통해 통과한다.
불기어(104) 및 선기어(106)가 로터리 액튜에이터(100)의 구조의 일부분이기 때문에, 강성이 커지는 반면에 필요한 중량은 감소한다. 또한, 이러한 설계는 큰 지름을 갖는 크로스-롤러 베어링(108)을 채용하기 때문에, 로터리 액튜에이터(100)의 구조적 강성 또한 매우 증진된다. 특정 실시예들에서, 베어링 레이스(bearing race)는, 설계의 구조적 통합성을 증진시키도록 불기어(104) 및/또는 선기어(106)에 직접적으로 장치될 수 있다. 적은 필요 조건을 갖는 실시예들에서, 볼베어링이 크로스-롤러 베어링(108) 대신 사용될 수 있다. 따라서, 부분들의 개수의 감소 및 단순화된 조립을 통해 중량 면에서 보다 가볍고, 보다 효율적인 로터리 액튜에이터(100)가 제조될 수 있다. 플래닛(110 및 112)은 생산의 단순화를 보다 증진시키도록 퍼그슨 패러독스 기어 트레인 메커니즘(Ferguson paradox gear train mechanism)에서 사용될 수 있다.
원동기(122)의 자기 디스크(120)는, 원동기(122)와 기어 트레인(124) 사이에서 가능한 가장 단순한 구성을 형성하도록 플래닛 케이지(118)에 단단히 부착된다. 플래닛 케이지(118) 및 자기 디스크(120)는, 불기어(104) 내의 볼베어링(126) 및 고정 샤프트(stationary shaft)(130) 위의 니들 베어링(needle bearing)(128)에 의해 지지된다. 이러한 설계는 로터리 액튜에이터(100)의 작동 구조체가 충격에 가장 잘 저항할 수 있도록 매우 견고한 지지 효과를 제공한다.
반응성을 추가적으로 갖는 것이 바람직한 경우, 관성을 감소시키도록 플래닛 케이지(118)가 가볍게 제조될 수 있다. 플래닛(planet)(110 및 112)의 개수는 2개 정도로 적거나, 9개 정도로 클 수 있으며, 이는 비교적인 치수, 속도, 요구되는 강성, 관성 필요 조건, 로딩을 위해 필요한 크기의 이(tooth) 및 기타 인자들에 의한다.
샤프트(130) 위의 베어링(132)은 로터리 액튜에이터(100)의 출력부 부착 플레이트(134)를 추가적인 지지 기능을 제공하도록 사용된다. 강성이 중요하게 고려되는 경우, 쉘(102) 및 플레이트(134) 위에 있는 근접한 구조체의 부착부는, 시스템의 결과적인 구조적 강성을 최대화하도록 베어링(108)에 매우 근접하게 배치될 수 있다. 로터리 액튜에이터(100)에서 필드(field)(136)는 자기 디스크(120)보다 크다. 이러한 추가적인 크기는 필드(136) 내의 단부 회전을 수용한다.
도 2
도 1에서 도시된 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)용 기하학적 구조는, 토크를 최대화하도록 설계되며, 이러한 설계는 높은 회전 속도가 주된 고려사항이 아닌 실시에 있어서 최적화될 수 있다. 매우 다양한 가로 세로의 비를 고려하여 SRM 및 DC 원동기 모두에서 채용될 수 있다. 스위치드 릴럭턴스 모터에 비교하여 비교적 보다 높은 속도 및 비교적 보다 낮은 토크 D.C. 무브러쉬 모터와 같은 실린더형 원동기가 주어지면, 액튜에이터(100)의 구조는 기하학적으로 팬케익 형태의 로터리 액튜에이터(100)의 모든 특징을 갖는 기하학적으로 커피캔 형태로 수정될 수 있다. 이와 같은 액튜에이터가 도 2에서 도시되고 (200)으로 지시된다.
일 실시예에서, 로터리 액튜에이터(200)는 도 1의 로터리 액튜에이터(100)보다 10배 빠른 속도로 작동될 수 있으나, 10배 적은 토크를 제공할 수 있다. 로터리 액튜에이터(200)에서, 이동하는 구조체 내에서의 관성이 많이 고려되고, 그리고 보다 낮은 토크 용량이 기대되기 때문에, 기어이 내의 응력은 보다 적게 고려된다.
도 2는 로터리 액튜에이터(200)를 절단 사시도로서 묘사한다. 로터리 액튜에이터(200)는 전형적으로 로터리 액튜에이터(100)보다 길며, 플래닛 케이지(218)의 강성을 보다 많이 고려한다. 따라서, 추가적인 지지가 베어링(226)에 의해 제공되며, 상기 베어링(226)은 액튜에이터(200)의 부착되는 강한 쉘(202) 내에서 끼워 넣어 진다. 로터리 액튜에이터(200)의 설계를 단순화하기 위해, 플래닛(210 및 212)이 베어링(214)에 의해 지지되며, 상기 베어링(214)은 샤프트(216) 위에서 작동하고, 상기 샤프트(216)는 플래닛 케이지(218)의 강성을 보다 증가시키기 위해 플래닛 케이지(218) 내에 고정되도록 가압된다.
출력부 부착 플레이트(234) 및 중앙 고정 샤프트(230)는 베어링(232)에 의해 상호 지지된다. 통상, D.C. 모터의 높은 속도 때문에, 플래닛 케이지(218)의 구조는 관성을 감소시키도록 경량화될 것이며, 베어링(208, 214, 및 226)은 이러한 높은 속도 체제에 적합하도록 선택될 것이다.
당업자에게 명백하듯이, 추가적인 플래닛들은 강성을 증가시키고, 백래쉬를 감소시키고, 그리고 복잡성 및 증가된 관성을 감소시키는 대신 위치적인 정확성을 증가시키는 경향이 있다. 넓은 기어 트레인 비율은, 다양한 단계 또는 퍼그슨 패러독스형의 에피사이클릭 기어 트레인(epicyclic gear train)의 사용을 필요로 한다. 통상, 플래닛 기어 케이지는 로터리 액튜에이터의 대부분의 복잡한 부분을 나타내며, 비용, 복잡성, 및 조립 문제를 부가한다.
대안적인 실시예들로서, 특정 경우, 혼합 기어(compound gear)가 사용될 수 있다. 그러나 이러한 기어 트레인은 내적인 제한 사항들을 갖는다. 이러한 형식의 기어 트레인은, 이러한 기어 트레인은 10 내지 1보다 크지 않은 실질적인 감소를 제공할 수 있다. 게다가, 이러한 기어 트레인은 심각한 백래쉬 및 놓은 회전 관성을 나타내는 경향이 있다. 최종적으로, 이들은 회전에 부응하도록 충분히 단단하지 않으며, 무겁고, 공간이 효율적이지 않다.
따라서, 로터리 원동기로 호환 가능한 그 기하학적 형태 때문에 에피사이클릭 기어 트레인이 로터리 액튜에이터용으로 보다 우수하다. 불행히도, 이러한 기어 트레인 또한 제한 사항이 있다. 이러한 메커니즘에서 실질적이고 최대의 기어 감소는 100:1의 크기이다. 물론, 혼합 에피사이클릭 기어 트레인은, 다수 단계의 사용을 통해 100:1보다 높은 감소를 제공할 수 있다. 그러나 혼합 기어크레인은 전술한 제한 사항들을 갖고 작용한다. 통상, 에피사이클릭 기어 트레인은 충분한 정도의 백래쉬를 나타내며, 높은 공차를 필요로 하며, 온도에 민감하다. 사실, 백래쉬는 온도 관련 치수 변경을 위하여 설계되어야 한다. 최종적으로, 에피사이클릭 기어 트레인에 사용되는 인벌류트 기어이(involute gear teeth)이는, 맞물리는 이가 1개 내지 2개 사이에서 유지되도록 종종 비교적 길게 설계된다. 이러한 기하학적 형태는 기저부에서의 로딩을 미끄러지는 속도만큼 증가시키고, 메커니즘의 강도 및 효율 모두를 감소시킨다.
전술한 에피사이클릭 기어크레인의 제한 사항을 극복하기 위해, 에피사이클릭 기어 트레인과 보통 연계된 모든 운동학상 필요 조건들을 만족시키는 동안 "워블" 플레이트 설계를 제공하는 편심에 의해 구동되는 단일 플래닛을 채용하는 부재들을 후술한다.
도 3
본 발명의 목적 중 하나는, 스위치드 릴럭턴스 또는 무브러쉬 D.C. 모터 그리고 다중-플래닛(multi-planet) 또는 편심 단일 플래닛 하이포사이클릭 기어 트레인 중 설계상의 선택의 간단한 연속으로 표준화된 전기-기계적 액튜에이터를 제공하는 것이다. 또한 이상적으로는 주된 설계 변경이 없는 경우 각각의 선택은 다른 것들을 위한 플러그-인(plug-in) 대안으로서 고려될 수 있다.
따라서, 본 발명의 특정 실시예들은, 도 1 및 도 2에서 사용된 다중-플래닛 기어 트레인 대신 단일 편심 플래닛 기어 트레인을 포함할 수 있다. 편심 플래닛 기어 트레인은 소정의 장점을 가지며, 이를 후술한다.
많은 실시예들에서, 본 발명의 액튜에이터는 하이포사이클릭 기어 트레인을 포함하며, 기어 감소비는 5000:1 정도로 높을 수 있다. 이러한 하이포사이클릭 기어 트레인 조립체들은, 접촉하는 시간에 15개까지 또는 그 이상의 이를 구비한 비교적 짧은 원호형 기어이를 포함할 수 있다.
하이포사이클릭 기어 트레인의 고유한 설계상의 특징은, 접촉 응력의 감소, 휨 응력의 감소, 보다 낮은 미끄러짐 속도, 에너지 손실의 감소, 및 이가 중앙 위치로 오는 경우 맞물림 부분을 미리 로딩(preloading)할 가능성을 제공한다.
하위 차수의 하모닉스(harmonics) 생성을 감소시키고 백래쉬와 로스트 모션(lost motion)을 제어하기 위해, 기어이가 중앙 위치 내로 올 때 각각의 기어이가 미끄러지듯 미리 로딩되도록 프로파일된다. 이렇게 미리 로딩되는 것은, 이가 중앙 위치 내로 올 때 상기 이와 이의 짝 사이에서 미세 간섭(slight interference)이 삽입되는 것을 통하여 달성된다. 특정 실시예들에서는, 이의 강성을 맞추고 폐쇄 소음을 감소하도록 캐비티(cavity)가 각각의 이 사이에 삽입될 수 있다.
원형 이 프로파일 기어 트레인은 다소 감소된 마모 및 소음을 나타내며, 부드럽고 점차적인 로드가 이 사이로 전달되고, 그리고 원호형의 이가 통상 인벌류트 이에 연계된 임계 공차를 필요로 하지 않으면서 임계 공차의 필요성이 감소되거나 제거된다. 외부의 인벌류트 이의 제거를 필요로 하지 않으면서 원형 이 프로파일은 증가된 강도 또한 나타난다. 최종적으로, 특정 실시예들에서, 기어이 짝 사이에서 미끄러짐 속도의 감소는 메커니즘 내에서 마찰에 의한 손실을 감소시킨다.
도 3은, 편심 하이포사이클릭 기어 트레인을 포함하는 로터리 액튜에이터(300)의 절단 사시도를 묘사한다. 로터리 액튜에이터(300)는 중앙 고정 샤프트(330)를 포함하며, 상기 중앙 고정 샤프트(330)는 회전 모터 전동자(320)를 지지하는 베어링(328)을 지지하며, 상기 회전 모터 전동자(320)는 편심(218)을 구동한다. 상기 편심(218) 위에 있는 지지 베어링(314)들은 워블 실린더를 구동하며, 상기 워블 실린더는 유성 기어(310 및 312)를 포함하며, 상기 유성 기어(310 및 312)는 주된 크로스-롤러 베어링(308)에 의해 분리된 선기어(306) 및 불기어(314)와 맞물린다.
선기어(306)가 출력부 부착 플레이트(334)에 직접적으로 부착되는 반면, 불기어(304)는 로터리 액튜에이터(300)의 쉘(302)에 직접적으로 부착된다. 모터 전동자(336)는 또한 액튜에이터 쉘(302)에 의하여 고정된다. (도시되지 않은) 단부 플레이트 나사들은 직접적이라기보다는 지지 베어링(328)용 고정 샤프트(330)를 잡아서 조립되도록 돕는다.
출력부 부착 플레이트(334) 내의 베어링(332)은 고정 샤프트(330)의 단부를 지지한다. 밀봉부(338)는 출력부 부착 플레이트(334)를 쉘(302)로부터 분리시키며, 크로스-롤러 베어링(308)을 부재들로부터 보호한다. 이러한 설계는, 편심(318) 위의 동작 및 힘의 변동을 지지하도록 추가적인 베어링(326)을 포함한다.
로터리 액튜에이터(300)는 그 내부의 단순함 면에서 주지할만하다. 모터 필드(336) 및 전동자(320), 편심(318), 유성 기어(310 및 312), 불기어와 선기어(304 및 306), 및 주된 롤러 베어링(308)은 로터리 액튜에이터(300)의 주된 구성 요소이다. 2차적인 구성 요소는 베어링(328, 332, 및 326)을 포함한다. 남은 부분들은 고정되어 있는 기계적 구성 요소이다.
로터리 액튜에이터(300)가 매우 높은 출력 밀도를 매우 작은 패키지에서 제공할 수 있더라도, 기어이 개수, 모터 와인딩(motor winding) 특징 및 전류, 전압 레벨과 같은 근소한 설계상의 변화에 의해 넓은 범위의 실시예들의 필요 조건에 적용될 수 있다. 로터리 액튜에이터(300)의 내부의 단순함 및 자유로운 변화는, 대부분의 부가적 구성 요소들의 대량 생산을 가능하게 하고, 이로 인하여 경제적인 규모 및 이에 부수하는 가격 감소를 제공한다. 로터리 액튜에이터(300)의 특징적인 실시예의 특징은, 시스템 설계자가 "맞춤 생산이 아닌(off-the-shelf)" 해법을 제공하도록 미리 선택된 표준화된 크기들 중 하나로 크기가 정해질 수 있다는 점이다. 이러한 액튜에이터의 표준화된 세트 중 하나의 예로서, 16개의 분리된 표준화된 크기의 액튜에이터가 넓은 범위의 설계상 실시예를 만족하도록 제공될 수 있다. 도 3에서 도시된 형식의 액튜에이터 세트는 표준화된 크기에 따라 구성될 수 있다. 예를 들어, 지름 0.25"부터 45"까지의 크기에 걸쳐 있는 16개의 액튜에이터 크기 세트는 많은 기계 종류의 구성을 지지할 수 있으며, 빠르게 조립되고 필요시 작동될 수 있다.
단순함은 보다 낮은 가격뿐만 아니라, 그 설계, 제조 및 작동 면에서 용인되는 구성 요소 또한 야기한다. 특히, 로터리 액튜에이터(300)는 온도 상의 다소 넓은 변화에 대해서 비교적 민감하지 않아야 한다.
15개까지의 또는 그 이상의 기어이가 주어진 시간에 접촉할 수 있는 것을 특징으로 하는 하이포사이클릭 기어 트레인의 사용은 매우 많은 로드를 수용하는 기능을 주고, 백래쉬를 제거하며, 로스트 모션을 최소화하고, 그리고 비교적 적당한 수준의 기어이 응력을 구비하여 높은 수준의 충격에 저항하며, 이로 인하여 높은 내구성 및 감소된 마모 모두를 제공한다.
설계 파라미터의 수는 오히려 낮다. 넓은 범위에서 이들은 선택과 무관하며, 각각의 파라미터는 설계자들에게 분명하고 명백한 의미를 갖는다. 그러므로 로터리 액튜에이터(300)가 중량, 체적, 내구성, 출력 관성, 및 힘의 밀도 면에서 실행 상 우수할 뿐만 아니라, 대부분의 설계자들에 의해 용이하게 이해되므로, 많은 설계 단체에서 수용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 하이포사이클릭 기어 트레인 내에서 편심 오프셋(eccentric offset) e는 편심 원동기에 의해 구동되며 고정 샤프트 위의 베어링에 의해 지지된다. 불기어 및 선기어의 기어이 개수가 N1, N2로, 그리고 워블 플래닛 위에서 상응하게 맞물린 기어이 개수가 N1 1, N2 1로 각각 주어지면, 총 기어 트레인 비는 단순히, r=(N1 1N2)/(N1 1N2-N1N2 1)으로 주어진다.
비율은 10 대 1부터 5000 대 1까지의 범위를 가지며, 보다 높은 비율은, 실시예에 의해 높은 로드 용량, 적은 소음, 높은 정밀도, 또는 낮은 가격을 위해 설계 가능한 기하학적 형태의 기어이의 선택에 의한다. 특정 실시예들에서는, 적정한 비율은, 2개의 기어 사이의 이의 개수가 단일 이에 의해 변하는 것을 특징으로 하는 맞물린 기어를 사용하여 획득될 수 있다.
도 3에서 도시된 하이포사이클릭 기어 트레인과의 연결에서, 워블 기어(310 및 312)는 나란히 배치된다. 이러한 구성은 강도를 증진시키는 경향이 있다. 보다 낮은 기어 트레인 비를 위해, 기어(310)의 지름이 기어(312)의 지름에 비해 30% 정도 또는 그보다 더 크도록 다를 수 있다. 이러한 경우, 기어(310 및 312)는 다른 하나의 기어 내에 기어 하나가 놓이며, 그 결과 모든 기어의 맞물림이 단일 평면에서 발생한다.
하이포사이클릭 기어 트레인만이 직접적으로 에피사이클릭 설계에 적용될 수 있는 것이 아니라, 그 핵심 설계 파라미터들이 항상 설계자에게 보이며, 이로 인하여 이러한 설계 영역에서 부정적인 영향을 제거할 수 있다. 플래닛 기어가 흔들려서, 플래닛 기어는 평형추에 의해 균형되어야 한다. 많은 실시예들에서 필요한 평형추의 질량은 플래닛 기어 자체를 위한 질량보다 비교적 작다. 일 실시예에서, 플래닛 기어의 바디에 작은 구멍을 뚫어서 플래닛 기어가 균형을 잡는다.
도 4
도 4에서 도시되는 로터리 액튜에이터(400)는 지지 베어링(428)을 잡고 있는 중앙 고정 샤프트(430)를 포함하며, 상기 지지 베어링(428)은 편심(418)으로 구동하는 회전 모터 전동자(420)를 지지한다. 편심(418) 위의 지지 베어링(414)은 워블 실린더를 구동하며, 상기 워블 실린더는, 주된 크로스-롤러 베어링(408)에 의해 분리된 불기어(404) 및 선기어(406)와 맞물리는 유성 기어(410 및 412)를 포함한다.
로터리 액튜에이터(400)는 펜케익 구조를 사용하며, 이는 높은 토크/낮은 속도의 로터리 액튜에이터(400)를 제공하도록 SRM 원동기(422)를 포함한다.
출력부 부착 플레이트(434) 내의 베어링(432)은 고정 샤프트(430)의 단부를 지지한다. 밀봉부(438)는 출력부 부착 플레이트(434)를 쉘(402)로부터 분리하고, 크로스-롤러 베어링(408)을 부재들로부터 보호한다.
도 5
도 5는, 본 발명의 특정 실시예와 연계된 로터리 액튜에이터(500)의 제 5 실시예를 묘사한다.
하이포사이클릭 액튜에이터 개념을 위해 기하학적으로 다른 이러한 형식이 도 5에서 도시되며, 통상 (500)으로 지시된다. 도 5에서 도시된 바와 같이, 액튜에이터(500)의 불기어(504) 및 고정자(536)가 외부의 쉘(502)과 단단히 연결되고, 단부 플레이트(514)에 의해, 단부에서 폐쇄된다.
전동자(520)는 워블 플레이트 기어(510 및 512)를 포함하며, 이는 불기어(504) 및 선기어(506)와 맞물린다. 선기어(506)는 주된 크로스-롤러 베어링(508)에 의해 불기어(504)로부터 분리되며, 상기 크로스-롤러 베어링(508)은 또한 로터리 액튜에이터(500)가 포함되는 기계의 조인트를 위한 주된 베어링으로서 기능을 할 수 있다.
도 5에서 도시된 바와 같이, 액튜에이터(500)의 불기어(504) 및 고정자(536)는 강하게 외부 쉘(502)과 연결되고 플레이트(514)에 의해 단부에서 폐쇄된다.
또한, 로터리 액튜에이터(500)는, 워블 플레이트 기어(510 및 512)가 분리되지 않고, 진동 및 마모 효과를 감소하는 것을 보장하기 위해, 워블 플레이트 기어(510 및 512)의 맞물림을 미리 로딩하도록 베어링(542 및 544)을 더 포함한다.
베어링(542 및 544)은 제 2 편심 오프셋 e의 중심에 위치하며, 워블 전동자 편심(518)을 구비하여 180° 위상 반전된다. 베어링(542 및 544)은, 단부 플레이트(514) 및 출력 플레이트(534) 내에 장치된 원통형의 표면에서 회전되어 상기 플레이트들 모두 로터리 액튜에이터(500)의 중심선을 중심으로 한 동심원이다.
도 5에서 도시된 높은 토크, 낮은 출력 속도의 로터리 액튜에이터(500)는 하이포사이클릭 스위치드 릴럭턴스 모터와 하이포사이클릭 기어 트레인의 조합이며, 상기 하이포사이클릭 스위치드 릴럭턴스 모터는 표준형 스위치드 릴럭턴스 모터보다 5배 높은 토크를 생성할 수 있으며, 상기 하이포사이클릭 기어 트레인은 유사한 에피사이클릭 기어 트레인보다 5배까지 높은 로드 용량을 가질 수 있다. 따라서, 로터리 액튜에이터(500)는 특정 실시예에서 선행 기술에 비하여 25배까지 증가된 성능을 갖는다고 할 수 있다.
이러한 전체적인 25배의 성능 증가 인자는, 로터리 액튜에이터(500)에서, 5개의 기초 부재를 구비한다는 점, 5개의 추가적인 보조 베어링을 제거한다는 점, 그리고 만약 그러한 부분이 있다면 임의의 임계 공차를 갖는 치수를 포함하는 구성 요소가 거의 없다는 점에 의해 달성된다.
로터리 액튜에이터(500)에서는, 워블 모터 전동자(520)는 워블 플레이트 기어 한 쌍으로서 동일한 부분 내에서 포함된다. 로터리 액튜에이터(500)는 선행 기술에 비해 소정의 명백한 이점을 가지며, 이는; 오직 하나의 주된 크로스-롤러 베어링(508) 및 2개의 보조 베어링(542 및 544)의 필요; 그리고 각각의 전기적 사이클 동안 360도 X e(e는 워블 구성의 편심률)의 각도를 통해 전동자(520)가 작동되는 바와 같이 오직 한 번의 여파로 각각의 고정자 기둥이 on, off로 스위칭된다는 사실로 인해 단순화된 제어부 기술을 포함한다.
위의 결과는, 전동자(520)의 회전 속도에 비해 1/e의 각속도 비율로 전기적 사이클이 발생하는 자기 기어링(magnetic gearing)의 형태이다. 예를 들어, e = 0.015에서 전기적 필드의 각속도 및 워블 속도 wf = we = 6667이 주어질 때, 출력부 부착 플레이트(534)는 100RPM으로 회전하며, 100의 기어 감소 비율이 주어져서 출력 속도인 wo는 1RPM과 같다. 전기적 파장 때문에, 토크 리플(torque ripple)은 사실상 존재하지 않는다. 또한, e = 0.015로 주어지면, 완벽히 균형 잡힌 전동자(520)를 위해 r = 30e의 균형 질량(balancing mass)은 전동자(520) 질량의 오직 1/900 또는 0.111%가 제거될 필요가 있음을 의미한다. 액튜에이터(500)의 특성은, 특정하게 다양한 이와 같은 설계가 윈드 터빈(wind turbine)과 같은 기계적 출력 공급원으로부터 에너지를 제조하도록 역구동 가능한(backdriveable) 발전기로서 효율적으로 채용될 수 있다는 점이다.
적어도 도 3 내지 도 5에서 도시된 실시예에서, 하위 차수의 하모닉스의 생성을 감소하고, 백래쉬 및 로스트 모션을 제어하도록 각각의 기어이가 중앙에 올 때 각각의 기어이가 미끄러지듯 미리 로딩되도록 프로파일될 수 있다. 이렇게 미리 로딩되는 것은, 이가 중앙 위치에 올 때 상기 이와 이의 짝 사이에서 미세 간섭이 삽입되는 것을 통하여 달성된다. 특정 실시예들에서는, 이의 강성을 맞추고 폐쇄 소음을 감소하도록 캐비티가 각각의 이 사이에 삽입될 수 있다.
도 9는, 선기어/불기어 메커니즘(900) 내에서, 고정된 불기어(902) 바디 내에 선기어이가 진입하여 그 중앙 위치를 빠져나가는 때의 선기어이의 일련의 동작을 도시한다.
불기어(902)와 체결되기 전인 T0 시각에서 선기어이의 최초의 위치는 (904)로 지시된다. T0으로부터 소정의 시간이 지난 후인 T1 시각에서 선기어이의 중앙 위치가 (904')로 지시된다.
특정 실시예들에서, 메커니즘(900)의 기하학적 형태는, 선기어이가 중앙 위치(904') 내로 이동할 때 미세 간섭이 마주칠 수 있도록 될 수 있다. 이러한 실시예들에서는 중앙 위치(904')에서의 기어이의 강성 및 간섭체의 수준이 불기어(902)와 선기어이의 윗면의 탄성 변형에 의해 생성된 힘을 결정할 것이다. 이러한 간섭체가, 선기어를 지지하는 베어링 중 어떤 것에서도, 어떠한 자유 동작을 감소시키거나 또는 제거하려는 경향이 있을 것이다. 도시된 선기어이의 강도를 감소시키도록 선기어이가 캐비티를 포함한다는 것을 도 9에서 볼 수 있으며, 이는 도 10 내지 도 12와 연계하여 상세히 후술한다.
만약 발생한다면 가장 많은 간섭 및 변형 지점인 T1 시각에, 선기어이는 불기어(902)와 연계되지 않고 움직일 것이다. T1 시각 이후인 T2 시각의 지점의 선기어이 위치는 (904")로 지시된다.
기어 메커니즘(900) 및 유사한 기어 메커니즘과 연계된 유용한 기어이의 기하학적 형태의 예시들이 도 10 내지 도 12에 도시된다. 도 10은, 바디(1002), 제 1 플랭크(flank)(1004), 제 2 플랭크(1006), 및 상기 바디(1002)의 위쪽에 배치된 원형 캐비티(1008)를 갖는 원호형의 기어이(1000)의 측면도를 묘사한다. 상기 캐비티(1008)의 위치 및 지름은 특정 실시예의 필요 조건에 의해 결정될 것이다. 통상, 캐비티(1008)의 지름이 증가되거나 또는 그 중앙축이 기어이(1000)의 최고점에 가까워지도록 움직임에 따라 기어이(1000)의 최고점에서 강성은 감소될 것이다. 캐비티(1008)의 지름이 감소되거나 또는 바디(1002) 안쪽에서 캐비티가 아래 방향으로 이동하는 것은 그 반대의 효과를 가질 것이며, 기어이(1002)의 최고점을 강화하는 경향이 있다.
도 11은, 바디(1102), 제 1 플랭크(1104), 제 2 플랭크(1106), 및 상기 바디(1102)의 위쪽에 배치된 원형 캐비티(1108)를 갖는 원호형 기어이(1100)의 측면도를 묘사한다. 기어이(1100)는, 기어이(1100)의 바디(1102)의 위쪽의 강도를 감소시키도록 원형 캐비티(1108) 위쪽에 있는 슬롯(1110)을 더 포함한다.
도 12는, 바디(1202), 제 1 플랭크(1204), 제 2 플랭크(1206) 및 상기 바디(1202)의 위쪽에 배치된 캐비티(1208)를 갖는 원호형 기어이(1200)의 측면도를 묘사한다. 캐비티(1208)는 2개의 원형 캐비티(1110 및 1112)의 조합으로, 기어이(1200)의 중심에서 중첩된다. 이러한 설계는 기어이(1200)의 위쪽에서 국지적은 강성을 보존한다.
전술한 실시예들에서, 이의 단부들은 이의 표면의 잔여부분보다 더 큰 연성을 필요로 할 수 있으며, 이는 통상은 강화되어야 한다. 특정 실시예들에서, 캐비티 또는 캐비티들은 구멍이 천공될 수 있으며, 및/또는 경화 전에 슬롯될 수 있다. 그 다음, 이의 표면이 경화될 것이다. 이의 끝부분은, 이의 변형 부분에서 피로 저항을 증진시키도록 국부적으로 어닐링될 수 있다. 특정 실시예들에서, 이러한 어닐링 부분이 레이져에 의해 실행될 수 있다.
적어도 도 3 내지 도 5에서 도시된 실시예를 위해, 이하 추가적인 특징이 언급된다: (a) 특정 실시예들에서, 평활도(smoothness)를 증가시키고, 기어이 충격으로부터의 소음을 감소시키고, 그리고 접촉 응력(contact Hertzian stress)을 감소시키도록 기어이가 원형 기어이이다. 다른 실시예들에서는, 삼각형의 기어이가 실시상의 필요 조건을 보다 잘 만족시킬 수 있다. 다른 실시예들에서는, 기어이의 기하학적 특정 형태가 실시상의 고유한 필요 조건들을 반드시 만족시키는 형태를 포함할 수 있다; (b) 가선은 외부 쉘 및 불기어의 일부분으로서 고정적인 고정부 내에 완전히 배치될 수 있다; (c) 액튜에이터를 통한 힘 경로가 짧다; (d) 전동자가 단단하고 얇은 판상형의 금속일 수 있다; (e) 만약 존재한다고 해도, 임계 치수가 거의 필요하지 않으며, 이로 인하여 제조 공차 및 실시상의 다양한 온도의 영향이 감소한다; (f) 짧은 기어이의 사용은 휨 응력을 감소시키고, 마찰에 의한 손실을 감소시킨다; (g) 30개까지의 이의 맞물림은 소음을 감소시키도록 천천히 맞추어지고 릴리싱 된다.
도 6
특정 실시예들은, 간결한 구성 내에서 높은 감소비의 강한 출력 기어 트레인을 구비한 단단한 로터리 액튜에이터를 필요로 할 수 있다. 그 특징에 의존하여, 팬케익형 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM) 원동기 또는 실런더형 무브러쉬 D.C. 모터(DCM) 중 어느 하나에 의해 이와 같은 액튜에이터가 구동될 수 있다. 도 6 및 도 7은 이러한 대안적인 실시예들의 절단 사시도이다.
도 7의 로터리 액튜에이터(700)가 원형의 펜케익 디스크 형태를 갖는 반면에, 도 6의 로터리 액튜에이터(600)는 "커피캔" 프로파일을 갖는다. 로터리 액튜에이터(700)가 2개의 벽 사이의 한정된 공간에서 유용한 반면에, 로터리 액튜에이터(600)는 로봇 공학에 사용되도록 설계된다. 로터리 액튜에이터(600 및 700) 모두 비교적 낮은 속도에서 비교적 높은 토크를 제공하는 것이 가능하다. 로터리 액튜에이터(600)는 일반적으로 로터리 액튜에이터(700)보다 높은 최고 속도 및 다소 낮은 최고 토크를 가질 것이며, 다른 모든 것들은 동일하다.
도 6은, 비교적 높은 속도의 D.C. 모터 필드(636)의 자기 실린더(620) 내에 에피사이클릭 기어 트레인(650)의 제 1 단계를 구비한 로터리 액튜에이터(600)의 절단 사시도이다. 플래닛(652 및 654)은 자기 실린더(620)가 부착된 플래닛 케이지(658) 내에서 베어링(656) 위에서 구동하며, 그 다음 상기 자기 실런더(620)는 베어링(660) 위에서 구동한다. 이러한 실시예는 기술을 요하는 기계에 사용되기에 이상적이다.
플래닛(652 및 654)은, 외부의 선기어(664) 및 로터리 액튜에이터(600)의 중앙 샤프트(630)에 부착된 외부의 고정식 불기어(662)를 이동시키며 구동하는 퍼그슨 패러독스 구성의 형태일 수 있다. 중앙 샤프트(630)는 기계적 볼트들을 사용하는 외부 쉘(602)에 부착된다.
특정 실시예들에서, 제 1 단계는 보다 높은 속도 및 보다 낮은 토크를 내면서 그 관성을 감소시키도록 설계될 수 있다. 유성 기어(652 및 654)는 비교적 좁으며 필요한 로드를 여전히 수용할 수 있다. 이러한 유성 기어(652 및 654)의 특정 설계 파라미터는 실시예에 의해 지시된다.
모터 구성 요소(620 및 636)와 제 1 단계 기어 트레인(650)의 외부 지름 사이는 교환적 관계(trade off)에 있을 수 있다. 자기 실린더(620) 및 필드(636)의 내부 지름이 작아질수록 제조되는 토크는 커진다. 이러한 설계에서 고정 샤프트(630)는 길면서 굴곡되기 쉽다. 그래서 샤프트(630)는 베어링(640)에 의해 지지된다.
선기어(664)는, 넓은 니들 베어링(628) 위에 구동하는 제 2 단계 에피사이클릭 기어 트레인(666)의 구동 케이지(618)에 단단히 고정되며, 상기 니들 베어링(628)은 베어링(614) 내에서 구동하는 플래닛 기어(610 및 612)를 수용한다. 이러한 플래닛 기어(610 및 612)는 내부의 고정 불기어(604)와 맞물리며, 상기 불기어(604)는 외부 쉘(602)에 부착되고 내부 선기어(606)는 출력부 부착 플레이트(634)에 직접적으로 부착된다.
밀봉부(668)는 부착 쉘(602)을 플레이트(634)로부터 분리시킨다. 선기어(664) 및 그 플래닛 케이지(658)는 베어링(670)을 지지하며, 상기 베어링(670)은 외부 쉘(602)에 의하여 적정 위치에 자리 잡는다. 베어링(670)을 지지하는 외부 쉘(602)의 형태는 외부 쉘(602)을 강도있게 할뿐만 아니라 중앙의 고정 샤프트(630)의 강도를 증진시킨다.
내부 선기어(606)는, 로터리 액튜에이터(600)의 출력 구조체를 더욱 강도있게 하도록 출력부 부착 플레이트(634)에 단단히 부착되며, 상기 출력부 부착 플레이트(634)는 베어링(632)을 포함한다.
에피사이클릭 기어 트레인의 제 2 단계(666)는 내부 불기어(604) 및 선기어(606)를 사용한다. 이러한 배열은 구조체의 기본적인 구성을 따르며, 무게를 최소화하는 동시에 로터리 액튜에이터(600)를 특히 견고하고 강하게 한다.
제 2 단계(666)에서, 속도가 보다 낮으므로 관성에 대한 염려가 줄어드나, 강도 및 로드 용량에 대해서는 늘어난다. 그러므로 제 2 단계(666)에서 제일 우선적으로 기어이 크기가 로드의 필요 조건을 충족시켜야 하고, 두 번째로 강도의 필요 조건을 충족시켜야 한다. 특정 실시예들에서, 이는 기하학적 형태가 허용할 수 있을 만큼 많은 플래닛(610 및 612)의 사용을 필요로 할 수 있다.
이러한 배치에서 주된 베어링은 크로스-롤러 베어링(608)이다. 이는 불기어(604) 및 쉘(602)을 선기어(606) 및 출력부 부착 플레이트(634)로부터 분리한다. 베어링(608)은 또한 이러한 액튜에이터를 사용하는 기계를 위한 로드 베어링의 임무를 수행한다. 베어링(608)의 위치 때문에 불기어(604)는 선기어(606)만큼 매우 단단하게 제조될 수 있다. 로드 하에서, 최대 강도 및 최소 변형을 위해 근접한 링크들의 부착은 반드시 베어링(608)에 근접해서 이루어져야 한다.
도 7
도 7은, 비교적 낮은 속도의 펜케익형 SRM용으로 구성된 본 발명의 로터리 액튜에이터(700)의 일 실시예를 절단 사시도로 묘사하며, 상기 SRM은 비교적 높은 토크를 제조한다. 이러한 설계를 위한 출력부 부착 플레이트(734)를 보다 강화하도록, 불기어(704)는 특히 강하게 제조되며 단단히 부착 쉘(702)에 부착되고 지지 베어링(732)은 주된 고정 샤프트(730)에 부착된다.
필드(736)와 협력하는 자기 디스크(720)는 플래닛 기어(710 및 712)용 제 1 단계 플래닛 케이지(718)를 직접 구동하며, 상기 플래닛 기어(710 및 712)는 베어링(714) 내에서 지지된다. 플래닛 케이지(718)는 충분한 구조적 강성을 유지하는 동안 플래닛 기어(710 및 712)를 수용하도록 반드시 조심스럽게 설계되어야 한다.
제 2 단계 플래닛 케이지(740)는 선기어(764)에 의해 구동되고 상기 선기어(764)에 단단히 부착되며, 상기 선기어(764)가 그 지지를 최대화하도록 3개의 베어링(742, 744, 및 746)에 의해 지지된다. 이러한 지지는, 베어링(752) 내에서 지지되는 제 2 단계 플래닛(748 및 750)에 의해 생성된 비틀림 모멘트에 저항하도록 내재된다. 제 1 단계 선기어(764) 및 불기어(762)는 외부형 기어이다. 베어링(732)은 선기어(764)의 이동 동안 제 1 기어 케이지(718)를 지지하며, 상기 선기어(764)는 제 2 플래닛 기어 케이지(740)를 구동한다.
제 2 단계 선기어(706) 및 불기어(704)는 내부형 기어이다. 구조체를 강화하도록, 이러한 배치가 로터리 액튜에이터(700)의 구조적인 기하학적 형태에 맞도록 돕는다. 선기어(706) 및 불기어(704)는 주된 크로스-롤러 베어링(708)에 의해 분리되며, 또한 상기 크로스-롤러 베어링(708)은 로터리 액튜에이터(700)가 포함된 조인트의 주된 베어링으로 작동하는 동안 기어 트레인 내의 주된 베어링으로서 작동한다. 강도를 최대화하도록, 외부 부착 쉘(702) 및 출력부 부착 플레이트(734)에 부착되는 것은 반드시 크로스-롤러 베어링(708)에 근접하게 배치되어야 한다.
제 2 단계에서 불기어(704) 및 선기어(706)가 비교적 지름이 크기 때문에, 이들은 플래닛(748 및 750) 및 보다 넓은 기어이를 수용할 수 있다. 따라서, 도 7에서 플래닛 기어(748 및 750)는, 플래닛 기어(710 및 712)에 비하여 비교적 큰 것으로 도시된다.
제 2 단계 기어 트레인에서 보다 낮은 속도 때문에 관성에 대한 염려가 기어이의 로드 용량에 대한 염려로 대체된다. 기어 트레인의 제 1 단계에서, 적은 범위에서 이는 사실이다. 제 1 단계의 외부의 외피는 제 2 단계의 외부의 외피보다 지름 면에서 작으며, 이는 보다 적은 로드를 수용하는 대신 보다 넓은 각속도 범위에서 작용하므로 적정하다.
도 8
도 8은, 본 발명의 특정 실시예와 연계되어 퀵-체인지 부착형 설계를 포함하는 로터리 액튜에이터(800)를 도시한다. 로터리 액튜에이터(800)는 불기어(804) 및 선기어(806)를 포함하는 액튜에이터 쉘(802)을 포함하며, 상기 불기어(804) 및 선기어(806)는 크로스-롤러 베어링(808)에 의해 분리된다. 플래닛 기어(810 및 812)는 불기어(804) 및 선기어(806)와 각각 맞물린다.
도 8에서 도시된 바와 같이, 액튜에이터(800)는, 제 1 기계적 링크(820)를 제 2 기계적 링크(822)에 단단히 연결한다. 제 2 기계적 링크(822)가 제 2 쐐기형 클램프(wedge clamp)(826)에 의해 출력부 부착 플레이트(834)에 단단히 연결되는 동안, 제 1 기계적 링크(820)는 제 1 쐐기형 클램프(824)에 의해 액튜에이터 쉘(802)에 단단히 연결된다. 일 실시예에서 각각의 쐐기형 클램프(824 및 826)는 반원형의 쐐기형 클램프 절반의 한 쌍의 형태이며, 외부의 밴드 클램프(band clamp)에 의해 액튜에이터(800)에 조여진다. 기타 동등한 구조체도 물론 본 발명의 개념 및 범위를 벗어나지 않으면서 사용될 수 있다.
도 8에서 도시된 실시예에서, 쐐기형 클램프(824 및 826)는 인장 메커니즘(tensioning mechanism)(828 및 830) 한 쌍에 의해 조여진다. 특정 실시예에 의해, 인장 메커니즘(828 및 830)은 쐐기형 클램프(824 및 826)와 일체화될 수 있으며 또는 쐐기형 클램프(824 및 826)를 두르는 분리된 밴드 클램프와 일체화될 수 있다.
각각의 쐐기형 클램프(824 및 826)는 일반적인 원뿔형 내부 표면 한 쌍을 포함하며, 쐐기형 클램프(824 및 826)의 내부 표면에서 함께 홈을 형성한다. 이러한 내부 표면들의 각각의 내부 프로파일은, 액튜에이터(800) 또는 기계적 링크(820 및 822) 중 하나 위의 외부 표면에서 짝지어지는 것에 따른다. 인장 메커니즘(828 및 830)이 조여짐에 따라, 일반적인 원뿔형 내부 표면과 짝지어진 외부 표면 사이의 일반적 힘은, 구성 성분들이 단단하고 강한 기계적 연결로서 짝지어지도록 할 것이다. 특정 실시예들에서, 쐐기형 클램프(824 및 826)의 설계는 크기에 대한 표준 세트 중 하나에 따를 수 있다. 표준화된 나사형 패스너(threaded fastener)용으로 채용된 분류 형식과 유사하게, 각각의 표준 크기 내에서, 둘 또는 그 이상의 강도의 분류가 있을 수 있다.
기계적 링크(820 및 822)는 서로 근접하게 위치하여 주된 크로스-롤러 베어링(808)에 근접하게 배치된다. 서로 근접하게 위치하여 기계적 링크(820 및 822)를 주된 크로스-롤러 베어링(808)에 근접하게 부착하는 이러한 방법에서, 조인트는 6개의 자유도 중 약 5개의 동작에 대해 단단히 저항하며, 남은 자유도는 원동기 및 기어 트레인 조합에 의해 제어됨을 볼 수 있다.
로터리 액튜에이터(800)를 통한 "힘 경로"는 매우 짧으며, 매우 단단한 기계적 구조체와 연결체 및 관련된 단단한 구조체의 조합을 통해 통과한다. 이러한 짧은 힘 경로 및 관련된 강판 구조체는, 로터리 액튜에이터(800)가 선행 기술에서와 같이 단지 토크 입력 장치의 역할을 하는 것이 아닌, 기계 자체를 위한 로터리 조인트로서 역할을 할 수 있게 한다.
로터리 액튜에이터(800)의 퀵-체인지 부착 구조체가 본 발명의 하나의 특정 실시예에 연결되는 것으로 보이더라도, 본 발명의 개념 및 범위를 벗어남이 없이, 도 8에서 도시되는 구조체는 여기에서 개시한 어떤 실시예와도 연결되어 채용될 수 있음이, 당업자들에게 자명하다. 단순함이 바람직한 경우, 인터페이스의 정확성 및 반복성이 높은 우선적이지 않는 경우 또는 시스템 외부에서의 액튜에이터의 퀵-체인지가 시스템 밖의 실시예에서 중요하게 고려되지 않는 경우 단순한 볼트 원이 적정함이 입증될 수 있다.
도 8과 연계되어 도시되고 개시된 구조체들은, 여기에서 개시한 모든 로터리 액튜에이터에 적용된다. 여기에서 개시한 액튜에이터로부터의 기계의 기하학적 형태는 액튜에이터 자체보다 액튜에이터에 부착된 부재에 의해 주로 결정될 것이다. 실시에 따라서, 링크들은 서로 평행하거나, 서로에 대해 수직이거나, 또는 서로에 대해 어떠한 일반적인 공간적 방향으로 배치될 수 있다. 링크의 기하학적 형태는, 기계 설계자에게 맞춤 설계형 구성 요소의 필요 없이 시스템을 설계하도록 높은 자유도를 제공한다. 많은 실시예들에서, 표준화된 구성 요소의 사용 없이, 액튜에이터 및 이에 연결된 링크들의 대량 생산으로 인해 가격을 감소시킬 수 있다. 동시에, 표준화된 구성 요소를 사용하는 경우, 높은 정도의 보편성 및 융통성이 설계자에게 보장될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 상세히 기술되었으나, 첨부된 발명의 청구 범위의 설명으로서 본 발명의 개념 및 범위를 벗어나지 않으며 다양한 수정안으로 제조 가능함이 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (23)

  1. 액튜에이터 쉘;
    상기 액튜에이터 쉘 내에 배치된 유성 케이지;
    상기 액튜에이터 쉘에 단단히 고정된 제 1 원동기부 및 상기 제 1 원동기부에 근접하게 위치하고 상기 제 1 원동기부에 대해 이동 가능한 제 2 원동기부를 가지며, 상기 유성 기어 케이지에 단단히 고정되고, 그리고 상기 제 1 원동기부에 토크를 가할 수 있는 원동기;
    상기 액튜에이터 쉘에 단단히 고정된 제 1 베어링부 및 상기 제 1 베어링부에 대해 이동 가능한 제 2 베어링부를 갖는 크로스-롤러 베어링;
    상기 제 2 베어링부에 단단히 고정되는 출력부 부착 플레이트;
    상기 액튜에이터 쉘에 단단히 고정되는 쉘 기어;
    상기 출력부 부착 플레이트에 단단히 고정되는 출력 기어; 및
    상기 쉘 기어에 맞추어지는 제 1 기어부 및 상기 제 1 기어부에 근접하게 위치하고 상기 출력 기어에 맞추어지는 제 2 기어부를 각각 가지며, 상기 유성 케이지 내에 배치되는 하나 이상의 유성 기어를 포함하는, 로터리 액튜에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액튜에이터 쉘에 단단히 연결되는 제 1 구조적 링크 및 상기 출력부 부착 플레이트에 단단히 연결되는 제 2 구조적 링크를 더 포함하는, 로터리 액튜에이터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    퀵-체인지 부착 구조체들에 의해, 상기 제 1 링크가 상기 액튜에이터 쉘에 부착되고, 상기 제 2 링크가 상기 출력부 부착 플레이트에 각각 부착되는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    각각의 상기 퀵-체인지 부착 구조체들은
    상기 구조적 링크 내의 제 1 방사형 홈,
    상기 제 1 방사형 홈에 근접하게 위치하고, 상기 로터리 액튜에이터의 짝이 되는 부분 내에 있는 제 2 방사형 홈, 및
    상기 제 1 방사형 홈 및 상기 제 2 방사형 홈의 원주 둘레로 연장되는 방사형 클램프를 포함하는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 구조적 링크는 상기 크로스-롤러 베어링에 바로 근접하게 위치하여 상기 액튜에이터 쉘에 부착되고, 상기 제 2 구조적 링크는 상기 크로스-롤러 베어링에 바로 근접하게 위치하여 상기 출력부 부착 플레이트에 부착되는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
  6. 액튜에이터 쉘;
    상기 액튜에이터 쉘 내에 배치되는 편심 케이지;
    상기 액튜에이터 쉘에 단단히 고정된 제 1 원동기부 및 상기 제 1 원동기부에 대해 회전 운동 가능한 제 2 원동기부를 가지며, 상기 편심 케이지에 단단히 고정되고, 그리고 상기 제 1 원동기부에 토크를 가할 수 있는 원동기;
    상기 액튜에이터 쉘에 단단히 고정되는 제 1 베어링부 및 상기 제 1 베어링부에 대해 자유로이 회전 운동 가능한 제 2 베어링부를 갖는 크로스-롤러 베어링;
    상기 제 2 베어링부에 단단히 고정되는 출력부 부착 플레이트;
    상기 액튜에이터 쉘에 단단히 고정되는 쉘 기어;
    상기 출력부 부착 플레이트에 단단히 고정되는 출력 기어; 및
    상기 쉘 기어에 맞추어지는 제 1 기어부 및 상기 제 1 기어부에 근접하게 위치하고 상기 출력 기어에 맞추어지는 제 2 기어부를 가지며, 상기 편심 케이지 주변에 배치되는 편심부를 포함하는, 로터리 액튜에이터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 액튜에이터 쉘에 단단히 연결되는 제 1 구조적 링크 및 상기 출력부 부착 플레이트에 단단히 연결되는 제 2 구조적 링크를 더 포함하는, 로터리 액튜에이터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    퀵-체인지 부착 구조체들에 의해, 상기 제 1 링크가 상기 액튜에이터 쉘에 부착되고, 상기 제 2 링크가 상기 출력부 부착 플레이트에 각각 부착되는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    각각의 상기 퀵-체인지 부착 구조체들은
    상기 구조적 링크 내의 제 1 방사형 홈,
    상기 제 1 방사형 홈에 근접하게 위치하고, 상기 로터리 액튜에이터의 짝이 되는 부분 내에 있는 제 2 방사형 홈, 및
    상기 제 1 방사형 홈 및 상기 제 2 방사형 홈의 원주 둘레로 연장되는 방사형 클램프를 포함하는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 구조적 링크는 상기 크로스-롤러 베어링에 바로 근접하게 위치하여 상기 액튜에이터 쉘에 부착되고, 상기 제 2 구조적 링크는 상기 크로스-롤러 베어링에 바로 근접하게 위치하여 상기 출력부 부착 플레이트에 부착되는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
  11. 제 6 항에 있어서,
    하나 이상의 상기 제 1 기어부 및 상기 제 2 기어부는 원형 프로파일을 갖는 기어이들(gear teeth)을 채용하는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
  12. 제 11 항에 있어서,
    원형 프로파일을 갖는 상기 기어이들은 미세 간섭(slight interference)을 갖도록 치수를 갖는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    원형 프로파일을 갖는 하나 이상의 상기 기어이들이, 상기 기어이들의 강성을 감소시키도록 상기 기어이들 내부에 캐비티가 배치되는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
  14. 제 6 항에 있어서,
    하나 이상의 상기 제 1 기어부 및 상기 제 2 기어부 내에 있는 10개 이상의 기어이들이 임의의 시점에 접촉하는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
  15. 액튜에이터 쉘;
    상기 액튜에이터 쉘 내에 배치되는 제 1 유성 케이지;
    상기 액튜에이터 쉘에 단단히 고정된 제 1 원동기부 및 상기 제 1 원동기부에 대해 회전 운동 가능한 제 2 원동기부를 가지며, 상기 제 1 유성 기어 케이지에 단단히 고정되고, 그리고 상기 제 1 원동기부에 토크를 가할 수 있는 원동기;
    샤프트로서, 상기 샤프트에 단단히 고정되는 샤프트 기어를 갖는 샤프트;
    제 2 유성 기어 케이지로서, 상기 제 1 유성 기어 케이지 및 샤프트에 대해 회전 운동 가능하고, 상기 제 2 유성 기어 케이지에 단단히 부착되는 케이지 기어를 갖는 제 2 유성 기어 케이지;
    상기 샤프트 기어에 맞추어지는 제 1 기어부 및 상기 제 1 기어부에 근접하게 위치하고 상기 케이지 기어에 맞추어지는 제 2 기어부를 각각 가지며, 상기 제 1 유성 기어 케이지 내에 배치되는 하나 이상의 제 1 단계 유성 기어;
    상기 액튜에이터 쉘에 단단히 고정되는 제 1 베어링부 및 상기 제 1 베어링부에 대해 자유로이 회전 운동하는 제 2 베어링부를 갖는 크로스-롤러 베어링;
    상기 제 2 베어링부에 단단히 고정되는 출력부 부착 플레이트;
    상기 액튜에이터 쉘에 단단히 고정되는 쉘 기어;
    상기 출력부 부착 플레이트에 단단히 고정되는 출력 기어; 및
    상기 쉘 기어에 맞추어지는 제 1 기어부 및 상기 제 1 기어부에 근접하게 위치하고 상기 출력 기어에 맞추어지는 제 2 기어부를 각각 가지며, 상기 제 2 유성 기어 케이지 내에 배치되는 하나 이상의 제 2 단계 유성 기어를 포함하는, 로터리 액튜에이터.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 액튜에이터 쉘에 단단히 연결되는 제 1 구조적 링크 및 상기 출력부 부착 플레이트에 단단히 연결되는 제 2 구조적 링크를 더 포함하는, 로터리 액튜에이터.
  17. 제 16 항에 있어서,
    퀵-체인지 부착 구조체들에 의해, 상기 제 1 링크가 상기 액튜에이터 쉘에 부착되고, 상기 제 2 링크가 상기 출력부 부착 플레이트에 각각 부착되는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
  18. 제 17 항에 있어서,
    각각의 상기 퀵-체인지 부착 구조체들은
    상기 구조적 링크 내의 제 1 방사형 홈,
    상기 제 1 방사형 홈에 근접하게 위치하고, 상기 로터리 액튜에이터의 짝이 되는 부분 내에 있는 제 2 방사형 홈, 및
    상기 제 1 방사형 홈 및 상기 제 2 방사형 홈의 원주 둘레로 연장되는 방사형 클램프를 포함하는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 구조적 링크는 상기 크로스-롤러 베어링에 바로 근접하게 위치하여 상기 액튜에이터 쉘에 부착되고, 상기 제 2 구조적 링크는 상기 크로스-롤러 베어링에 바로 근접하게 위치하여 상기 출력부 부착 플레이트에 부착되는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
  20. 제 15 항에 있어서,
    하나 이상의 상기 제 1 기어부 및 상기 제 2 기어부는, 원형 프로파일을 갖는 기어이들을 채용하는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
  21. 제 20 항에 있어서,
    원형 프로파일을 갖는 상기 기어이들은 미세 간섭을 갖도록 치수를 갖는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
  22. 제 21 항에 있어서,
    원형 프로파일을 갖는 하나 이상의 상기 기어이들이, 상기 기어이들의 강성을 감소시키도록 상기 기어이들 내부에 캐비티가 배치되는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
  23. 제 15 항에 있어서,
    하나 이상의 상기 제 1 기어부 및 상기 제 2 기어부 내에 있는 10개 이상의 기어이들이 임의의 시점에 접촉하는 것을 특징으로 하는, 로터리 액튜에이터.
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