KR20100051290A - 동심 다축 제어 가능한 프로그래밍 전자석 액츄에이터 시스템 - Google Patents

동심 다축 제어 가능한 프로그래밍 전자석 액츄에이터 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른, 동심 다축 제어 가능한 프로그래밍 전자석 액츄에이터 시스템은, 영구자석이 마련된 지지부, 지지부에 회전운동 가능하도록 결합되며 복수의 전자석들이 마련된 제1 회전부, 제1 회전부에 회전운동 가능하도록 결합되며 영구자석이 마련된 제2 회전부 및 제1 회전부에 마련된 복수의 전자석들 중 어느 하나와 지지부에 마련된 영구자석 상호간에 인력이 작용하도록 하고 그 외의 전자석들은 척력이 작용하도록 하되 척력의 세기를 조절할 수 있다. 이를 위해서, 복수의 전자석들의 극성과 자력의 세기를 다양한 형태로 프로그래밍할 수 있는 제어부를 포함한다.
이에 따라서, 회전부의 회전각도 및 회전속도, 회전토크, 정지토크를 다양하게 제어가능하며 기존 액츄에이터에 일반적으로 요구되는 감속기어가 필요 없어서 내구성을 높이고 에너지 효율을 극대화할 수 있으며, 외부의 과도한 로드에 의한 기어의 마모 또는 파손의 위험도 없다.
토크를 크게 하기 위해서는 영구자석의 종류를 네오디뮴 또는 사마륨 마그넷으로 사용하며 갯수 및 크기를 크게 하면 된다.
액츄에이터, 전자석, 영구자석, 제어

Description

동심 다축 제어 가능한 프로그래밍 전자석 액츄에이터 시스템{Programming actuator system for concentric circle multiple axis control}
본 발명은 액츄에이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇의 관절 등과 같이 기계를 작동시키는데 이용되는 액츄에이터에 관한 것이다.
로봇 및 자동제어 장치에는 이를 구동하기 위한 액츄에이터가 필요하다. 일반적인 엑츄에이터는 DC 모터, 스텝모터, 서보모터등이 있는데 DC 모터와 스텝모터는 모터 내부 회전자의 극성을 단순 스위칭해줌으로써 반복 회전식 운동을 하도록 고안된 장치이다.
DC 모터에 회전각도를 측정하는 센서 와 감속기어등을 추가한 것이 서보모터라고 하는데 이를 통해서 회전 각도와 회전 속도를 제어할 수 있게 되는데 이러한 시스템을 통칭해서 액츄에이터라고 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 회전각도 및 회전속도, 회전토크, 정지토크를 다양하게 제어 가능하며 기존 액츄에이터에 일반적으로 요구되는 감속 기어가 필요 없고 에너지 효율을 극대화할 수 있으며, 외부의 과도한 로드에 의한 기어의 마모 또는 파손의 위험도 없는 액츄에이터 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 액츄에이터는, 영구자석이 마련된 지지부; 상기 지지부에 회전운동 가능하도록 결합되며, 복수의 전자석들이 마련된 제1 회전부; 상기 제1 회전부에 회전운동 가능하도록 결합되며, 영구자석이 마련된 제2 회전부; 및 상기 제1 회전부에 마련된 복수의 전자석들 중 어느 하나와 상기 지지부에 마련된 영구자석 상호간에 인력이 작용하고, 상기 제1 회전부에 마련된 복수의 전자석들 중 다른 하나와 상기 제2 회전부에 마련된 영구자석 상호간에 인력이 작용하도록, 상기 제1 회전부에 마련된 복수의 전자석들의 극성을 제어하는 제어부;를 포함한다.
그리고, 상기 제1 회전부에 마련된 복수의 전자석들은, 상기 지지부에 마련된 영구자석과 인력 또는 척력이 작용하는 제1 군의 전자석들과 상기 제2 회전부에 마련된 영구자석과 인력 또는 척력이 작용하는 제2 군의 전자석들을 포함하며, 상기 제1 군의 전자석들 중 상기 지지부에 마련된 영구자석과 인력이 작용하는 전자석의 위치에 의해, 상기 제1 회전부의 회전운동 방향이 결정되고, 상기 제2 군의 전자석들 중 상기 제2 회전부에 마련된 영구자석과 인력이 작용하는 전자석의 위치에 의해, 상기 제2 회전부의 회전운동 방향이 결정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 군의 전자석들 중 어느 하나는 상기 지지부 에 마련된 영구자석과 인력이 작용하고 나머지는 상기 지지부에 마련된 영구자석과 척력이 작용하도록, 상기 제1 군의 전자석들의 극성을 제어하고, 상기 제2 군의 전자석들 중 어느 하나는 상기 제2 회전부에 마련된 영구자석과 인력이 작용하고 나머지는 상기 제2 회전부에 마련된 영구자석과 척력이 작용하도록, 상기 제2 군의 전자석들의 극성을 제어하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1 회전부는, 상기 제1 군의 전자석들이 호를 따라 배치된 제1 몸체; 및 상기 제2 군의 전자석들이 호를 따라 배치된 제2 몸체;를 포함하며, 상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체는 상호 수직한 방향으로 결합되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 지지부에는, 다수의 영구자석들이 마련되고, 상기 제2 회전부에는, 다수의 영구자석들이 마련되고, 상기 제어부는, 상기 제1 회전부에 마련된 복수의 전자석들 중 일부의 전자석들과 상기 지지부에 마련된 다수의 영구자석들 상호간에 각각 인력이 작용하고, 상기 제1 회전부에 마련된 복수의 전자석들 중 다른 일부의 전자석들과 상기 제2 회전부에 마련된 다수의 영구자석들 상호간에 각각 인력이 작용하도록, 상기 제1 회전부에 마련된 복수의 전자석들의 극성을 제어할 수 있다.
그리고, 상기 제1 회전부의 회전운동 축과 상기 제2 회전부의 회전운동 축은 수직하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 지지부는, 다른 장치에 회전운동 가능하도록 결합되고, 상기 지지부의 회전운동 축은, 상기 제1 회전부의 회전운동 축 및 상기 제2 회전부의 회전 운동 축과 수직하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른, 액츄에이터는, 영구자석이 마련된 고정부; 상기 고정부에 회전운동 가능하도록 결합되며, 복수의 전자석들이 마련된 이동부; 및 상기 이동부에 마련된 복수의 전자석들 중 어느 하나와 상기 고정부에 마련된 영구자석 상호간에 인력이 작용하도록, 상기 이동부에 마련된 복수의 전자석들의 극성을 제어하는 제어부;를 포함한다.
그리고, 상기 전자석들 중 상기 고정부에 마련된 영구자석과 인력이 작용하는 전자석의 위치에 의해, 상기 이동부의 회전운동 방향이 결정되고, 상기 제어부는, 상기 전자석들 중 어느 하나는 상기 고정부에 마련된 영구자석과 인력이 작용하고 나머지는 상기 고정부에 마련된 영구자석과 척력이 작용하도록, 상기 전자석들의 극성을 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이동부는, 1축 회전운동 및 3축 회전운동 중 어느 하나로 운동할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른, 액츄에이터는, 영구자석이 마련된 고정부; 상기 고정부에 직선운동 가능하도록 결합되며, 복수의 전자석들이 마련된 이동부; 및 상기 이동부에 마련된 복수의 전자석들 중 어느 하나와 상기 고정부에 마련된 영구자석 상호간에 인력이 작용하도록, 상기 이동부에 마련된 복수의 전자석들의 극성을 제어하는 제어부;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 액츄에이터 시스템은 회전부 내에 있는 다수의 전자석의 세기와 극성 등을 다양하게 프로그래밍 할 수 있어서 회전각도및 회전속도, 회전토크, 정지토크 를 다양하게 제어가능 한 점에서 우수하며 또한 감속 기어가 필요없게 되어 전력손실을 최소화할 수 있고 기어및 시스템 파손의 위험이 없으며 가장 우수한 효율의 액추에이터 시스템이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터의 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 액츄에이터는, 지지부(10), 제1 회전부(100) 및 제2 회전부(200)를 구비한다.
제1 회전부(100)는 x-축에 평행한 제1축(1)에 의해 지지부(10)에 결합된다. 이에 따라, 제1 회전부(100)는 제1축(1)을 중심으로 회전운동 가능한데, 회전방향은 시계방향과 반시계방향 모두 가능하다.
제2 회전부(200)는 제1 회전부(100)에 결합되어 있다. 이에 따라, 제1 회전부(100)가 회전운동하면, 제2 회전부(200)는 제1 회전부(100)와 함께 회전운동하게 된다.
도 2에는 제1 회전부(100)가 반시계방향으로 회전된 상태를 도시하였고, 도 3에는 제1 회전부(100)가 시계방향으로 회전된 상태를 도시하였다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 회전부(200)는 y-축에 평행한 제2축(2)에 의해 제1 회전부(100)에 결합된다. 이에 따라, 제2 회전부(200)는 제2축(2)을 중심으로 회전운동 가능한데, 회전방향은 시계방향과 반시계방향 모두 가능하다.
도 4에는 제2 회전부(200)가 시계방향으로 회전된 상태를 도시하였고, 도 5에는 제2 회전부(200)가 반시계방향으로 회전된 상태를 도시하였다.
도 6에는, 도 1에 도시된 액츄에이터를 분해하여 도시한 분해 사시도를 도시하였다. 도시된 바에 따르면, 제1축(1)은 하나의 축으로 구현되지만, 제2축(2)은 분리된 2개의 축(2-1, 2-2)으로 구현되어 있음을 알 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 회전부(100)는 제1 몸체(110)와 제2 몸체(120)가 상호 수직한 방향으로 결합되어 있는 형상이다. 제1 몸체(110)의 내부에는 호를 따라 전자석들(미도시)이 배치되어 있다. 마찬가지로, 제2 몸체(120)의 내부에도 호를 따라 전자석들(미도시)이 배치되어 있다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 회전부(200)는 제1 지지편(210), 제2 지지편(220) 및 몸체(230)를 구비한다. 제1 지지편(210)과 제2 지지편(220)은 몸체(230)의 양단에 결합된다.
몸체(230)의 내부에는 영구자석(미도시)이 배치되어 있다. 이 영구자석은 제1 회전부(100)의 제2 몸체(120) 내부에 배치된 전자석들에 자기장을 제공한다. 이에 따라, 몸체(230)의 내부에 마련된 영구자석과 제1 회전부(100)의 제2 몸체(120) 내부에 배치된 전자석들 각각에는 인력 또는 척력이 작용하는데, 작용하는 자기력의 종류는 전자석의 극성에 따라 결정된다.
이와 같은 성질을 이용하여, 제2 회전부(200)는 도 1, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 회전운동하게 되며, 그 회전각을 제어할 수 있게 된다. 제2 회전부(200)가 회전운동하는 원리 및 제2 회전부(200)의 회전각을 제어하는 방법에 대 한 구체적인 설명은 후술한다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 지지부(10)는 제1 지지대(11), 제2 지지대(12) 및 몸체(13)를 구비한다. 제1 지지대(11), 제2 지지대(12)는 몸체(13)의 양단에 결합된다.
몸체(13)의 내부 중앙에는 영구자석(미도시)이 배치되어 있다. 이 영구자석은 제1 회전부(100)의 제1 몸체(110) 내부에 배치된 전자석들에 자기장을 제공한다. 이에 따라, 몸체(13)의 내부에 마련된 영구자석과 제1 회전부(100)의 제1 몸체(110) 내부에 배치된 전자석들 각각에는 인력 또는 척력이 작용하는데, 작용하는 자기력의 종류는 전자석의 극성에 따라 결정된다.
이와 같은 성질을 이용하여, 제1 회전부(100)는 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 회전운동하게 되며, 그 회전각을 제어할 수 있게 된다.
이하에서는, 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 제1 회전부(100)가 회전운동하는 원리 및 제1 회전부(100)의 회전각을 제어하는 방법에 대해 상세히 설명한다. 이를 설명하기 위해, 도 7에는 도 1에 도시된 액츄에이터를 중앙에서 yz-평면으로 절단한 단면도를 도시하였다.
전술했었던 바와 같이, 제1 몸체(110)의 내부에는 호를 따라 전자석들(115-1 내지 115-7)이 배치되어 있고, 지지대(10)의 내부 중앙에는 영구자석(15)이 배치되어 있음을, 도 7을 통해 확인할 수 있다.
또한, 제1 회전부(100)의 내부에는 전자석들(115-1 내지 115-7)의 극성을 제어하는 제어부(130)가 마련되어 있음을 도 7을 통해 확인할 수 있다.
제어부(130)는 전자석들(115-1 내지 115-7)에 전류를 각각 인가하는 구동회들과 이 구동회로의 전류 인가 방향을 제어하는 중앙 제어부로 구현할 수 있다. 전자석들(115-1 내지 115-7) 각각에 대한 전류 인가 방향들은 각기 다를 수 있다. 전자석들(115-1 내지 115-7)의 극성은 전류 인가 방향에 따라 결정되므로, 전자석들(115-1 내지 115-7)의 극성을 제각각으로 설정할 수 있다.
도 7에 도시된 바에 따르면, 1) 제4 전자석(115-4)은 영구자석(15)과 인력이 작용하도록 극성이 설정되어 있고, 2) 제4 전자석 이외의 나머지 전자석들(115-1, 115-2, 115-3, 115-5, 115-6 및 115-7)은 영구자석(15)과 척력이 작용하도록 극성이 설정되어 있다.
제4 전자석(115-4)만이 영구자석(15)과 인력이 작용하고, 나머지 전자석들(115-1, 115-2, 115-3, 115-5, 115-6 및 115-7)은 영구자석(15)과 척력이 작용하므로, 영구자석(15)에 가장 가까이 위치하게 되는 전자석은 제4 전자석(115-4)이다.
액츄에이터가 도 7에 도시된 바와 같은 상태에서, 영구자석(15)의 N-극과 가까운 쪽(즉, 제1 몸체(110)의 외곽에 인접한 쪽)에 대한 전자석들(115-1 내지 115-7)의 극성을 도 8에 나타내었다.
도 8에 도시된 바와 같이, 영구자석(15)의 N-극과 가까운 쪽의 극성이 S-극인 전자석은 제4 전자석(EM4)(115-4) 뿐이다. 이에 따라, 제4 전자석(115-4)만이 영구자석(15)과 인력이 작용하게 된다.
제4 전자석(115-4)을 제외한 나머지 전자석들(EM1, EM2, EM3, EM5, EM6 및 EM7)(115-1, 115-2, 115-3, 115-5, 115-6 및 115-7)은 영구자석(15)의 N-극과 가까운 쪽의 극성이 N-극이므로, 이들은 영구자석(15)과 척력이 작용하게 된다.
한편, 영구자석(15)과 척력이 작용하는 전자석들 중 영구자석(15)과 인력이 작용하는 제4 전자석(115-4)에 인접하는 전자석일 수록 자기장의 세기는 다른 전자석들 보다 작다.
이는, 제어부(130)가 제4 전자석(115-4)에 인접하는 전자석일 수록 전자석으로 인가되는 PWM 전류의 듀티-비를 낮추는 방법에 의해 가능하다. 이와 같이, 제4 전자석(115-4)에 인접하는 전자석일 수록 자기장의 세기를 작게 하는 이유는, 보다 안정적으로 제4 전자석(115-4)이 영구자석(15)과 인접한 위치에 있도록 하기 위함이다.
제1 회전부(100)의 회전운동 방향은 전자석들(115-1 내지 115-7) 중 영구자석(15)과 인력이 작용하는 전자석의 위치에 의해 결정된다.
따라서, 제1 회전부(100)를 반시계방향으로 회전시키려면, 제어부(130)는 1) 제3 전자석(115-3)이 영구자석(15)과 인력이 작용하고, 2) 제3 전자석 이외의 나머지 전자석들(115-1, 115-2, 115-4, 115-5, 115-6 및 115-7)은 영구자석(15)과 척력이 작용하도록 전자석들(115-1 내지 115-7)을 제어하면 된다.
그러면, 제3 전자석(115-3)이 영구자석(15)에 가장 가까이 위치하게 되어, 제1 회전부(100)가 반시계방향으로 회전하게 되는데, 그 결과를 도 9에 도시하였다. 그리고, 도 9에 도시된 바와 같은 상태에서, 영구자석(15)의 N-극과 가까운 쪽(즉, 제1 몸체(110)의 외곽에 인접한 쪽)에 대한 전자석들(115-1 내지 115-7)의 극성을 도 10에 나타내었다.
도 9에 도시된 상태에서 제1 회전부(100)를 반시계방향으로 더욱 회전시키려면, 제어부(130)는 1) 제2 전자석(115-2)이 영구자석(15)과 인력이 작용하고, 2) 제2 전자석 이외의 나머지 전자석들(115-1, 115-3, 115-4, 115-5, 115-6 및 115-7)은 영구자석(15)과 척력이 작용하도록 전자석들(115-1 내지 115-7)을 제어하면 된다.
그러면, 제2 전자석(115-2)이 영구자석(15)에 가장 가까이 위치하게 되어, 제1 회전부(100)가 반시계방향으로 더 회전하게 되는데, 그 결과를 도 11에 도시하였다. 그리고, 도 11에 도시된 바와 같은 상태에서, 영구자석(15)의 N-극과 가까운 쪽(즉, 제1 몸체(110)의 외곽에 인접한 쪽)에 대한 전자석들(115-1 내지 115-7)의 극성을 도 12에 나타내었다.
한편, 도 11에 도시된 상태에서 제1 회전부(100)를 "시계방향"으로 회전시키려면, 제어부(130)는 1) 제3 전자석(115-3)이 영구자석(15)과 인력이 작용하고, 2) 제3 전자석 이외의 나머지 전자석들(115-1, 115-2, 115-4, 115-5, 115-6 및 115-7)은 영구자석(15)과 척력이 작용하도록 전자석들(115-1 내지 115-7)을 제어하면 된다.
그러면, 제3 전자석(115-3)이 영구자석(15)에 가장 가까이 위치하게 되어, 제1 회전부(100)가 시계방향으로 회전하게 되며, 그 결과는 도 9에 도시된 바와 같다. 그리고, 도 9에 도시된 바와 같은 상태에서, 영구자석(15)의 N-극과 가까운 쪽(즉, 제1 몸체(110)의 외곽에 인접한 쪽)에 대한 전자석들(115-1 내지 115-7)의 극성은 도 10에 나타낸 바와 같다.
이하에서는, 도 1, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 제2 회전부(200)가 회전운동하는 원리 및 제2 회전부(200)의 회전각을 제어하는 방법에 대해 상세히 설명한다. 이를 설명하기 위해, 도 13에는 도 1에 도시된 액츄에이터를 중앙에서 zx-평면으로 절단한 단면도를 도시하였다.
전술했었던 바와 같이, 제1 회전부(100)의 제2 몸체(120) 내부에는 호를 따라 전자석들(125-1 내지 125-7)이 배치되어 있고, 제2 회전부(200)의 몸체(230) 내부 중앙에는 영구자석(235)이 배치되어 있음을, 도 13을 통해 확인할 수 있다.
또한, 제1 회전부(100)의 내부에 마련된 제어부(130)는 제2 몸체(120) 내부에 마련된 전자석들(125-1 내지 125-7)의 극성도 제어한다.
이를 위해, 제어부(130)는 전자석들(125-1 내지 125-7)에 전류를 각각 인가하는 구동회들을 더 구비하고, 중앙 제어부가 이 구동회로들의 전류 인가 방향을 제어하게 된다.
전자석들(125-1 내지 125-7) 각각에 대한 전류 인가 방향들은 각기 다를 수 있다. 전자석들(125-1 내지 125-7)의 극성은 전류 인가 방향에 따라 결정되므로, 전자석들(125-1 내지 125-7)의 극성을 제각각으로 설정할 수 있다.
도 13에 도시된 바에 따르면, 1) 제4 전자석(125-4)은 영구자석(235)과 인력이 작용하도록 극성이 설정되어 있고, 2) 제4 전자석 이외의 나머지 전자석들(125-1, 125-2, 125-3, 125-5, 125-6 및 125-7)은 영구자석(235)과 척력이 작용하도록 극성이 설정되어 있다.
제4 전자석(125-4)만이 영구자석(235)과 인력이 작용하고, 나머지 전자석들(125-1, 125-2, 125-3, 125-5, 125-6 및 125-7)은 영구자석(235)과 척력이 작용하므로, 영구자석(235)에 가장 가까이 위치하게 되는 전자석은 제4 전자석(125-4)이다.
액츄에이터가 도 13에 도시된 바와 같은 상태에서, 영구자석(235)의 N-극과 가까운 쪽(즉, 제2 몸체(120)의 외곽에 인접한 쪽)에 대한 전자석들(125-1 내지 125-7)의 극성은 도 8에 도시된 바와 같이 할 수 있다.
제2 회전부(200)의 회전운동 방향은 전자석들(125-1 내지 125-7) 중 영구자석(235)과 인력이 작용하는 전자석의 위치에 의해 결정된다.
따라서, 제2 회전부(200)를 반시계방향으로 회전시키려면, 제어부(130)는 1) 제3 전자석(125-3)이 영구자석(235)과 인력이 작용하고, 2) 제3 전자석 이외의 나머지 전자석들(125-1, 125-2, 125-4, 125-5, 125-6 및 125-7)은 영구자석(235)과 척력이 작용하도록 전자석들(125-1 내지 125-7)을 제어하면 된다.
그러면, 제3 전자석(125-3)이 영구자석(235)에 가장 가까이 위치하게 되어, 제2 회전부(200)가 반시계방향으로 회전하게 되는데, 그 결과를 도 14에 도시하였다. 그리고, 도 14에 도시된 바와 같은 상태에서, 영구자석(235)의 N-극과 가까운 쪽(즉, 제2 몸체(120)의 외곽에 인접한 쪽)에 대한 전자석들(125-1 내지 125-7)의 극성은 도 10에 도시된 바와 같이 할 수 있다.
도 14에 도시된 상태에서 제2 회전부(200)를 반시계방향으로 더욱 회전시키려면, 제어부(130)는 1) 제2 전자석(125-2)이 영구자석(235)과 인력이 작용하고, 2) 제2 전자석 이외의 나머지 전자석들(125-1, 125-3, 125-4, 125-5, 125-6 및 125-7)은 영구자석(235)과 척력이 작용하도록 전자석들(125-1 내지 125-7)을 제어하면 된다.
그러면, 제2 전자석(125-4)이 영구자석(235)에 가장 가까이 위치하게 되어, 제2 회전부(200)가 반시계방향으로 더 회전하게 되는데, 그 결과를 도 15에 도시하였다. 그리고, 도 15에 도시된 바와 같은 상태에서, 영구자석(235)의 N-극과 가까운 쪽(즉, 제2 몸체(120)의 외곽에 인접한 쪽)에 대한 전자석들(125-1 내지 125-7)의 극성은 도 12에 도시된 바와 같이 할 수 있다.
한편, 도 15에 도시된 상태에서 제1 회전부(100)를 "시계방향"으로 회전시키려면, 제어부(130)는 1) 제3 전자석(125-3)이 영구자석(235)과 인력이 작용하고, 2) 제3 전자석 이외의 나머지 전자석들(125-1, 125-2, 125-4, 125-5, 125-6 및 125-7)은 영구자석(235)과 척력이 작용하도록 전자석들(125-1 내지 125-7)을 제어하면 된다.
그러면, 제3 전자석(125-3)이 영구자석(235)에 가장 가까이 위치하게 되어, 제2 회전부(200)가 시계방향으로 더 회전하게 되며, 그 결과는 도 14에 도시된 바와 같다. 그리고, 도 14에 도시된 바와 같은 상태에서, 영구자석(235)의 N-극과 가까운 쪽(즉, 제2 몸체(120)의 외곽에 인접한 쪽)에 대한 전자석들(125-1 내지 125-7)의 극성은 도 10에 나타낸 바와 같다.
지금까지, 본 발명에 따른 액츄에이터에 대해, 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
본 실시예에서, 인력이 작용하는 영구자석과 전자석은 각각 1개씩인 것으로 상정하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 일 예에 불과하다. 따라서, 인력이 작용하는 영구자석과 전자석은 이와 다른 개수로 구현하는 것도 가능하다.
도 16에는 인력이 작용하는 영구자석과 전자석의 개수를 각각 3개로 구현한 경우를 예시하였다. 하지만, 이 역시 설명의 편의를 위한 일 예에 해당하는 것으로, 인력이 작용하는 영구자석과 전자석 각각의 개수를 3개 이외의 다른 개수로 구현하는 것도 가능함은 물론이다.
도 17에는 영구자석의 개수를 1개로 구현하고, 이 영구자석과 인력이 작용하는 전자석의 개수가 3개인 경우를 상정하였다. 1개의 영구자석과 인력이 작용하는 전자석의 개수를 3개로 구현한 것 역시 설명의 편의를 위한 일 예에 해당하는 것이므로, 3개가 아닌 다른 개수로 구현하는 것도 가능함은 물론이다.
한편, 영구자석의 개수를 복수로 하는 경우에는, 영구자석들과 인력이 작용하는 전자석들은 반드시 인접하게 위치할 필요는 없다. 도 18에는 영구자석들과 인력이 작용하는 전자석들이 인접하지 않은 경우를 예시하였다.
한편, 본 실시예에 따른 액츄에이터의 지지부(10)를 z-축에 평행한 제3축(미도시)을 중심으로 회전운동 가능하도록 다른 장치에 결합하여 구현하는 것이 가능하다. 이 경우, 회전방향은 시계방향과 반시계방향 모두 가능하도록 구현가능함은 물론이다.
지지부(10)에는 제1 회전부(100)가 결합되어 있고, 제1 회전부(100)에는 제2 회전부(200)가 결합되어 있으므로, 지지부(10)가 회전운동하게 되면, 제1 회전 부(100)와 제2 회전부(200)는 지지부(10)와 함께 회전운동하게 된다.
이와 같이, 제3축으로도 회전가능한 액츄에이터는 3축 방향의 회전운동이 필요한 장치 예를 들면, 로봇의 목 관절에 활용가능하다.
도 22에는 액츄에이터가 z-축에 평행한 제3축(3)으로 회전운동 가능하도록 하는 회전 지지부(600)를 도시하였다.
이때, 회전 지지부(600)에는 호를 따라 전자석들을 배치하고, 이들의 극성을 제어하는 제어소자를 마련할 수 있다. 다만, 액츄에이터의 지지부(10)에는 회전 지지부(600)에 배치된 전자석들과 인력 또는 척력이 작용하는 영구자석이 마련되어야 한다.
서로 수직하는 3개의 축들을 중심으로 각기 회전가능한 액츄에이터는 전술한 실시예와 다른 방식으로 구현하는 것이 가능하다. 도 19에는 머리(400)가 장착된 로봇의 목 관절용 액츄에이터(300)를 도시하였고, 도 20에는 18에 도시된 액츄에이터의 분해 사시도를 로봇의 머리(400)와 함께 도시하였다.
도 20에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 액츄에이터는 고정부(310)와 회전부(320)를 구비한다.
고정부(310)의 내부에는 반구면을 따라 전자석들(315)이 배치되어 있다. 그리고, 고정부(310)의 내부에 마련된 제어소자(미도시)는 이 전자석들(315)의 극성을 제어한다.
한편, 회전부(320)의 하부는 구-형상이며 상부는 로봇의 머리(400)가 장착될 수 있는 원통이 결합된 형상이다. 회전부(320)의 내부에는 3개의 영구자석(325)이 배치되어 있다.
이 영구자석들(325)은 고정부(310)의 내부에 배치된 전자석들(315)에 자기장을 제공한다. 이에 따라, 회전부(320)의 내부에 마련된 영구자석들(325)과 고정부(310)의 내부에 배치된 전자석들(315) 각각에는 인력 또는 척력이 작용하는데, 작용하는 자기력의 종류는 전자석의 극성에 따라 결정된다.
고정부(310)의 내부에 마련된 제어소자(미도시)는 전자석들(315)에 전류를 각각 인가하는 구동회들과 이 구동회로의 전류 인가 방향을 제어하는 중앙 제어부로 구현할 수 있다. 전자석들(315) 각각에 대한 전류 인가 방향들은 각기 다를 수 있다. 전자석들(315)의 극성은 전류 인가 방향에 따라 결정되므로, 전자석들(315)의 극성을 제각각으로 설정할 수 있다.
고정부(310)의 내부에 마련된 제어소자(미도시)는 전자석들 중 3개는 영구자석들(325)과 인력이 작용하도록 극성을 설정하고, 나머지 전자석들은 영구자석들(325)과 척력이 작용하도록 극성을 설정하여, 회전부(320)의 3축에 걸친 회전운동을 제어할 수 있다.
한편, 도 21에는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 양방향으로 직선운동가능한 액츄에이터(500)를 도시하였다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 액츄에이터(500)는 고정부(510)와 이동부(520)를 구비한다.
고정부(510)의 내부에는 전자석들(515)이 배치되어 있다. 그리고, 고정부(510)의 내부에 마련된 제어소자(미도시)는 이 전자석들(515)의 극성을 제어한다.
한편, 이동부(520)의 내부에는 3개의 영구자석(525)이 배치되어 있다. 이 영구자석들(525)은 고정부(510)의 내부에 배치된 전자석들(515)에 자기장을 제공한다. 이에 따라, 이동부(520)의 내부에 마련된 영구자석들(525)과 고정부(510)의 내부에 배치된 전자석들(515) 각각에는 인력 또는 척력이 작용하는데, 작용하는 자기력의 종류는 전자석의 극성에 따라 결정된다.
고정부(510)의 내부에 마련된 제어소자(미도시)는 전자석들(515)에 전류를 각각 인가하는 구동회들과 이 구동회로의 전류 인가 방향을 제어하는 중앙 제어부로 구현할 수 있다. 전자석들(515) 각각에 대한 전류 인가 방향들은 각기 다를 수 있다. 전자석들(515)의 극성은 전류 인가 방향에 따라 결정되므로, 전자석들(515)의 극성을 제각각으로 설정할 수 있다.
고정부(510)의 내부에 마련된 제어소자(미도시)는 전자석들 중 3개는 영구자석들(525)과 인력이 작용하도록 극성을 설정하고, 나머지 전자석들은 영구자석들(525)과 척력이 작용하도록 극성을 설정하여, 이동부(520)의 회전운동을 제어할 수 있다.
한편, 도 20와 도 21에서 제시한 액츄에이터의 경우도, 인력이 작용하는 영구자석과 전자석의 개수를 3개가 아닌 다른 개수로 구현하는 것이 가능함은 물론이다.
또한, 토크를 크게 하기 위해서는 영구자석의 종류를 네오디뮴 또는 사마륨 마그넷으로 사용하며 갯수 및 크기를 크게 하면 된다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지 만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터의 사시도,
도 2는 제1 회전부가 반시계방향으로 회전된 상태를 도시한 도면,
도 3은 제1 회전부가 시계방향으로 회전된 상태를 도시한 도면,
도 4는 제2 회전부가 시계방향으로 회전된 상태를 도시한 도면,
도 5는 제2 회전부가 반시계방향으로 회전된 상태를 도시한 도면,
도 6은, 도 1에 도시된 액츄에이터를 분해하여 도시한 분해 사시도,
도 7은, 도 1에 도시된 액츄에이터를 중앙에서 yz-평면으로 절단한 단면도,
도 8은, 액츄에이터가 도 7에 도시된 바와 같은 상태에서 전자석들의 극성을 나타낸 도면,
도 9는, 도 7에 도시된 액츄에이터의 제1 회전부가 반시계방향으로 회전된 상태를 도시한 도면,
도 10은, 액츄에이터가 도 9에 도시된 바와 같은 상태에서 전자석들의 극성을 나타낸 도면,
도 11은, 도 9에 도시된 액츄에이터의 제1 회전부가 반시계방향으로 더 회전된 상태를 도시한 도면,
도 12은, 액츄에이터가 도 11에 도시된 바와 같은 상태에서 전자석들의 극성을 나타낸 도면,
도 13은 도 1에 도시된 액츄에이터를 중앙에서 zx-평면으로 절단한 단면도,
도 14는, 도 13에 도시된 액츄에이터의 제2 회전부가 반시계방향으로 회전된 상태를 도시한 도면,
도 15는, 도 14에 도시된 액츄에이터의 제2 회전부가 반시계방향으로 더 회전된 상태를 도시한 도면,
도 16 내지 도 18은 인력이 작용하는 영구자석과 전자석의 개수를 변형하여 구현한 경우를 예시한 도면,
도 19은 머리가 장착된 로봇의 목 관절용 액츄에이터,
도 20는, 도 19에 도시된 액츄에이터의 분해 사시도,
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 양방향으로 직선운동가능한 액츄에이터를 도시한 도면, 그리고,
도 22은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액츄에이터의 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 제1축 2 : 제2축
10 : 지지부 11 : 제1 지지대
12 : 제2 지지대 13 : 몸체
15 : 영구자석 100 : 제1 회전부
110 : 제1 몸체 115-1 내지 115-7 : 전자석들
120 : 제2 몸체 125-1 내지 125-7 : 전자석들
130 : 제어부 200 : 제2 회전부
210 : 제1 지지편 220 : 제2 지지편
230 : 몸체 235 : 영구자석
300 : 액츄에이터 310 : 고정부
315 : 전자석 320 : 이동부
325 : 영구자석 500 : 액츄에이터
510 : 고정부 515 : 전자석
520 : 이동부 525 : 영구자석
3 : 제3축 600 : 회전 지지부

Claims (11)

  1. 영구자석이 마련된 지지부;
    상기 지지부에 회전운동 가능하도록 결합되며, 복수의 전자석들이 마련된 제1 회전부;
    상기 제1 회전부에 회전운동 가능하도록 결합되며, 영구자석이 마련된 제2 회전부; 및
    상기 제1 회전부에 마련된 복수의 전자석들 중 어느 하나와 상기 지지부에 마련된 영구자석 상호간에 인력이 작용하고, 상기 제1 회전부에 마련된 복수의 전자석들 중 다른 하나와 상기 제2 회전부에 마련된 영구자석 상호간에 인력이 작용하도록, 상기 제1 회전부에 마련된 복수의 전자석들의 극성을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 회전부에 마련된 복수의 전자석들은,
    상기 지지부에 마련된 영구자석과 인력 또는 척력이 작용하는 제1 군의 전자석들과 상기 제2 회전부에 마련된 영구자석과 인력 또는 척력이 작용하는 제2 군의 전자석들을 포함하며,
    상기 제1 군의 전자석들 중 상기 지지부에 마련된 영구자석과 인력이 작용하는 전자석의 위치에 의해, 상기 제1 회전부의 회전운동 방향이 결정되고,
    상기 제2 군의 전자석들 중 상기 제2 회전부에 마련된 영구자석과 인력이 작용하는 전자석의 위치에 의해, 상기 제2 회전부의 회전운동 방향이 결정되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 군의 전자석들 중 어느 하나는 상기 지지부에 마련된 영구자석과 인력이 작용하고 나머지는 상기 지지부에 마련된 영구자석과 척력이 작용하도록, 상기 제1 군의 전자석들의 극성을 제어하고,
    상기 제2 군의 전자석들 중 어느 하나는 상기 제2 회전부에 마련된 영구자석과 인력이 작용하고 나머지는 상기 제2 회전부에 마련된 영구자석과 척력이 작용하도록, 상기 제2 군의 전자석들의 극성을 제어하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 회전부는,
    상기 제1 군의 전자석들이 호를 따라 배치된 제1 몸체; 및
    상기 제2 군의 전자석들이 호를 따라 배치된 제2 몸체;를 포함하며,
    상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체는 상호 수직한 방향으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 지지부에는, 다수의 영구자석들이 마련되고,
    상기 제2 회전부에는, 다수의 영구자석들이 마련되고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 회전부에 마련된 복수의 전자석들 중 일부의 전자석들과 상기 지지부에 마련된 다수의 영구자석들 상호간에 각각 인력이 작용하고, 상기 제1 회전부에 마련된 복수의 전자석들 중 다른 일부의 전자석들과 상기 제2 회전부에 마련된 다수의 영구자석들 상호간에 각각 인력이 작용하도록, 상기 제1 회전부에 마련된 복수의 전자석들의 극성을 제어하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 회전부의 회전운동 축과 상기 제2 회전부의 회전운동 축은 수직하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 지지부는, 다른 장치에 회전운동 가능하도록 결합되고,
    상기 지지부의 회전운동 축은, 상기 제1 회전부의 회전운동 축 및 상기 제2 회전부의 회전운동 축과 수직하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  8. 영구자석이 마련된 고정부;
    상기 고정부에 회전운동 가능하도록 결합되며, 복수의 전자석들이 마련된 이동부; 및
    상기 이동부에 마련된 복수의 전자석들 중 어느 하나와 상기 고정부에 마련된 영구자석 상호간에 인력이 작용하도록, 상기 이동부에 마련된 복수의 전자석들의 극성을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 전자석들 중 상기 고정부에 마련된 영구자석과 인력이 작용하는 전자석의 위치에 의해, 상기 이동부의 회전운동 방향이 결정되고,
    상기 제어부는,
    상기 전자석들 중 어느 하나는 상기 고정부에 마련된 영구자석과 인력이 작용하고 나머지는 상기 고정부에 마련된 영구자석과 척력이 작용하도록, 상기 전자석들의 극성을 제어하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 이동부는,
    1축 회전운동 및 3축 회전운동 중 어느 하나로 운동하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  11. 영구자석이 마련된 고정부;
    상기 고정부에 직선운동 가능하도록 결합되며, 복수의 전자석들이 마련된 이동부; 및
    상기 이동부에 마련된 복수의 전자석들 중 어느 하나와 상기 고정부에 마련된 영구자석 상호간에 인력이 작용하도록, 상기 이동부에 마련된 복수의 전자석들의 극성을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
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