KR20140079631A - 하이브리드 액추에이터 - Google Patents

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KR20140079631A
KR20140079631A KR1020120147915A KR20120147915A KR20140079631A KR 20140079631 A KR20140079631 A KR 20140079631A KR 1020120147915 A KR1020120147915 A KR 1020120147915A KR 20120147915 A KR20120147915 A KR 20120147915A KR 20140079631 A KR20140079631 A KR 20140079631A
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hydraulic
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operating chamber
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KR1020120147915A
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신완재
임현섭
이석원
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현대자동차주식회사
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    • F15B2211/7051—Linear output members

Abstract

본 발명은, 내부에 작동유가 채워지며, 내부의 공간과 연통되도록 유입구 및 유출구가 마련되되, 상기 유입구 및 유출구에서 유량의 조절이 가능하도록 구성되어 내부에 작동유가 유입 및 유출되는 하우징; 상기 하우징의 내부에 마련되어, 하우징의 내부 공간을 제1작동실과 제2작동실로 구획하며, 상기 제1작동실 또는 제2작동실을 향해 이동되도록 구성되고, 중단부에 유량조절밸브가 마련되어, 이동시 제1작동실과 제2작동실 사이의 작동유 통과 유량을 조절하도록 구성된 피스톤; 상기 유입구 및 유출구와 연결되며, 상기 하우징 내부에 작동유가 공급되어 상기 피스톤을 이동시키기 위한 구동력을 제공하는 유압구동원; 및 상기 피스톤과 연결되며, 상기 피스톤을 이동시키기 위한 전기적 구동력을 제공하는 전기구동원;을 포함하여 구성되는 하이브리드 액추에이터가 소개된다.

Description

하이브리드 액추에이터{HYBRID ACTUATOR}
본 발명은 액추에이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액추에이터를 동작시키는 데 필요한 동력원을 이원화하여 다양한 힘 제어 동작을 구현하도록 한 하이브리드 액추에이터에 관한 것이다.
일반적으로, 액추에이터는 시스템을 움직이거나 제어하는 데 쓰이는 기계장치로서, 전기나 유압, 압축 공기 등을 동력원으로 사용하여 액추에이터의 제어 동작이 이루어진다.
이러한, 액추에이터는 통상 하우징 내부에 피스톤(플런저)이 내장되며, 상기 피스톤이 상기한 동력원을 통해 이동 동작에 필요한 동력을 제공받아 하우징의 길이방향으로 이동됨으로써, 해당 시스템의 동작을 구현하게 된다.
이때, 상기 동력원으로서 전기적으로 구동되는 모터 등이 사용되는 경우에는, 상기 피스톤에 모터가 연결되며, 상기 모터와 피스톤 사이에는 모터의 회전운동을 피스톤의 직선운동으로 변환시키기 위한 변환기구가 설치됨으로써, 피스톤을 이동 동작시키게 된다.
그리고, 상기 동력원으로 유압 등의 작동유체가 사용되는 경우에는, 상기 하우징의 내부에 작동유체가 채워지며, 유압펌프 등을 통해 상기 하우징 내부에 작동유체가 유입 및 유출되면서 상기 피스톤을 밀게 됨으로써, 상기 피스톤을 이동 동작시키게 된다.
그러나, 상기한 종래의 액추에이터들은 전술한 바와 같이, 기계식 또는 유압식 중 어느 하나의 동력원만으로 동작이 이루어지게 됨으로써, 다양한 힘 제어 및 서보제어가 필요한 기계장치 또는 시스템, 특히 로봇 등에 액추에이터를 적용하는데에 한계가 있었다.
한편, 종래에 한국 공개특허공보 공개번호 10-1995-0012178호의 "액추에이터 및 액추에이터시스템"이 소개된바 있다.
그러나, 상기한 종래 기술 역시 모터만으로 동작이 이루어지게 됨으로써, 다양한 힘 제어 및 서보제어가 필요한 기계장치에 적용하는 데에 한계가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1995-0012178 A.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 액추에이터를 동작시키는 데 필요한 동력원을 이원화하여 다양한 힘 제어 동작을 구현하도록 한 하이브리드 액추에이터를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 내부에 작동유가 채워지며, 내부의 공간과 연통되도록 유입구 및 유출구가 마련되되, 상기 유입구 및 유출구에서 유량의 조절이 가능하도록 구성되어 내부에 작동유가 유입 및 유출되는 하우징; 상기 하우징의 내부에 마련되어, 하우징의 내부 공간을 제1작동실과 제2작동실로 구획하며, 상기 제1작동실 또는 제2작동실을 향해 이동되도록 구성되고, 중단부에 유량조절밸브가 마련되어, 이동시 제1작동실과 제2작동실 사이의 작동유 통과 유량을 조절하도록 구성된 피스톤; 상기 유입구 및 유출구와 연결되며, 상기 하우징 내부에 작동유가 공급되어 상기 피스톤을 이동시키기 위한 구동력을 제공하는 유압구동원; 및 상기 피스톤과 연결되며, 상기 피스톤을 이동시키기 위한 전기적 구동력을 제공하는 전기구동원;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 유압구동원 및 전기구동원에 독립적 또는 복합적으로 동작신호를 인가하여 피스톤의 이동동작에 사용되는 구동력을 선택적으로 제어하며, 상기 유량조절밸브와 유입구 및 유출구의 개폐 정도를 조절하는 제어부;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 유압구동원은 유압펌프이며; 상기 제1작동실에 제1유입구 및 제1유출구가 마련되어 제1작동실에 작동유가 유입 및 유출되며; 상기 제2작동실에 제2유입구 및 제2유출구가 마련되어 제2작동실에 작동유가 유입 및 유출될 수 있다.
상기 전기구동원은 모터이며; 상기 모터와 피스톤은 변환수단에 의해 연결되어, 상기 변환수단에 의해 모터의 회전운동이 피스톤의 직선 왕복운동으로 변환되도록 구성될 수 있다.
상기 변환수단은 볼스크류일 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 유압에 의한 구동력과 모터의 의한 구동력이 독립적 또는 복합적으로 사용됨으로써, 낮은 속도의 큰 출력이 필요한 영역과 빠른 속도의 작은 출력이 필요한 영역을 모두 확보할 수 있게 된다. 따라서, 다양한 힘 제어가 필요한 로봇의 동작 구현시, 필요에 따라 로봇의 출력 성능을 향상시키는 것은 물론 동작 반응성을 향상시킬 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 의한 하이브리드 액추에이터의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 의한 하이브리드 액추에이터의 동작관계를 설명하기 위한 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 하이브리드 액추에이터의 구조를 나타낸 도면이며, 도 2는 본 발명에 의한 하이브리드 액추에이터의 동작관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 하이브리드 액추에이터는, 크게 하우징(10)과, 피스톤(20)과, 유압구동원(30)과, 전기구동원(40)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 하이브리드 액추에이터의 구성을 구체적으로 살펴보면, 내부에 작동유가 채워지며, 내부의 공간과 연통되도록 유입구 및 유출구가 마련되되, 상기 유입구 및 유출구에서 유량의 조절이 가능하도록 구성되어 내부에 작동유가 유입 및 유출되는 하우징(10); 상기 하우징(10)의 내부에 마련되어, 하우징(10)의 내부 공간을 제1작동실(10a)과 제2작동실(10b)로 구획하며, 상기 제1작동실(10a) 또는 제2작동실(10b)을 향해 이동되도록 구성되고, 중단부에 유량조절밸브(22)가 마련되어, 이동시 제1작동실(10a)과 제2작동실(10b) 사이의 작동유 통과 유량을 조절하도록 구성된 피스톤(20); 상기 유입구 및 유출구와 연결되며, 상기 하우징(10) 내부에 작동유가 공급되어 상기 피스톤(20)을 이동시키기 위한 구동력을 제공하는 유압구동원(30); 상기 피스톤(20)과 연결되며, 상기 피스톤(20)을 이동시키기 위한 전기적 구동력을 제공하는 전기구동원(40);을 포함하여 구성될 수 있다.
상기한 기술 구성요소들에 대해 부연하면, 먼저 하우징(10)은 내부에 작동실이 조성되어, 상기 작동실 내부에 작동유가 채워지며, 상기 작동실 내부 공간과 연통되도록 적어도 한 쌍 이상의 유입구 및 유출구가 마련된다.
이때, 상기 유입구 및 유출구에는 상기 유입구 및 유출구를 통과하는 유량을 조절하는 유량조절수단이 마련될 수 있으며, 바람직하게는 조절밸브가 설치되어 유량을 조절할 수 있게 된다.
그리고, 상기 유입구 및 유출구에는 후술하는 유압펌프 및 유압모터가 연결되어 하우징(10)의 내부에 작동유를 공급할 수 있게 된다.
상기 피스톤(20)은, 상기 하우징(10)의 내부에 마련되어, 상기 하우징(10)의 길이방향으로 직선 이동되는 것으로, 상기 하우징(10) 내부의 작동실 공간을 제1작동실(10a)과 제2작동실(10b)로 구획하게 된다. 즉, 상기 피스톤(20)의 일측부의 공간에 제1작동실(10a)이 마련되며, 상기 피스톤(20)의 타측부의 공간에 제2작동실(10b)이 마련될 수 있다.
이때, 상기 제1작동실(10a)과 제2작동실(10b)에는 유입구 및 유출구가 각각 개별 설치될 수 있다. 즉, 상기 제1작동실(10a)에 제1유입구(11a) 및 제1유출구(11b)가 마련되어 제1작동실(10a)에 작동유가 유입 및 유출되며, 상기 제2작동실(10b)에 제2유입구(12a) 및 제2유출구(12b)가 마련되어 제2작동실(10b)에 작동유가 유입 및 유출되도록 구성될 수 있다.
이러한, 상기 피스톤(20)은 원판형의 형상으로 형성되는데, 상기 피스톤(20)의 일정 반경 위치에 상응하는 중단부에는 유량조절밸브(22)가 설치됨으로써, 상기 피스톤(20)의 이동시 제1작동실(10a)과 제2작동실(10b) 사이의 작동유 통과 유량을 조절하게 된다.
상기 유압구동원(30)은 바람직하게는 유압펌프일 수 있다. 이러한, 상기 유압구동원(30)은 상기 제1유입구(11a) 및 제1유출구(11b)와, 제2유입구(12a) 및 제2유출구(12b)와 연결됨으로써, 상기 제1작동실(10a) 및 제2작동실(10b) 내부에 작동유를 공급하게 되며, 이에 상기 작동유가 피스톤(20)을 가압하게 되는바, 작동유의 공급 유량 제어에 의해 상기 피스톤(20)을 제1작동실(10a) 측 또는 제2작동실(10b) 측으로 직선 이동시킬 수 있다.
상기 전기구동원(40)은, 바람직하게는 전기적으로 구동되는 모터일 수 있다. 이러한, 상기 전기구동원(40)은 상기 피스톤(20)과 연결되는 것으로, 상기 피스톤(20)을 이동시키기 위한 전기적 구동력을 제공하게 된다.
여기서, 상기 모터와 피스톤(20)은 변환수단(21)에 의해 연결될 수 있는데, 상기 변환수단(21)은 모터의 회전운동을 직선 왕복운동으로 변환시키는 구조로서, 상기 피스톤(20)을 제1작동실(10a) 측 또는 제2작동실(10b) 측으로 직선 이동시킬 수 있다.
이때, 상기 변환수단(21)은 바람직하게는 볼스크류 구조일 수 있다. 즉, 모터의 축이 리드스크류를 이루며, 상기 리드스크류에 볼스크류너트가 끼워져 회전하되, 상기 볼스크류너트가 피스톤(20)에 결합되어 상기 리드스크류의 길이방향을 따라 피스톤(20)이 직선 이동하는 구조일 수 있다. 다만, 상기한 변환수단(21)이 볼스크류 구조에 한정되는 것은 아니며, 회전운동을 직선운동으로 변환시시킬 수 있는 다양한 구조가 채용될 수 있을 것이다.
아울러, 본 발명은 제어부(50)의 구성이 더 포함되어 구성될 수 있다. 즉, 상기 제어부(50)에서는 상기 유압구동원(30) 및 전기구동원(40)에 독립적 또는 복합적으로 동작신호를 인가하여 피스톤(20)의 이동동작에 사용되는 구동력을 선택적으로 제어하는 역할을 하게 된다. 이에, 상기 제어부(50)는 상기한 동력원의 선택적 제어에 따라 상기 유량조절밸브(22)와 유입구 및 유출구의 개폐 정도를 조절함으로써, 피스톤(20)의 이동 동작을 제어할 수 있게 된다.
본 발명의 동작 관계를 구체적으로 살펴본다.
본 발명의 하이브리드 액추에이터는, 빠른 속도로 작은 출력과 미세 동작이 필요한 경우에는 모터를 구동시켜 피스톤(20)을 동작시키며, 낮은 속도로 큰 출력이 필요한 경우에는 유압펌프를 구동시켜 피스톤(20)을 동작시킨다.
그러나, 상기한 모터 및 유압펌프가 반드시 개별 동작되는 것은 아니며, 필요에 따라 모터 및 유압펌프를 복합적으로 구동시켜 동시에 제어할 수 있다.
이에, 상기 모터의 구동에 따른 피스톤(20)의 동작관계를 살펴보면, 모터를 구동시켜 모터의 축을 회전시키면, 모터에서 제공되는 회전 구동력이 변환수단(21)을 통해 직선운동으로 변환되어 상기 피스톤(20)이 직선으로 이동된다.
이때, 상기 유량조절밸브(22)는 제어부(50)에 의해 개방 조절되어 상기 유량조절밸브(22)를 통해 작동유가 통과됨으로써, 상기 피스톤(20)의 이동 동작에 대한 작동유의 저항력을 저감시키게 되는바, 피스톤(20)의 이동동작이 신속하게 이루어지게 된다.
또한, 이와 함께 제2작동실(10b)에 마련된 제2유입구(12a) 및 제2유출구(12b)를 통해 작동유가 순환 공급되되, 상기 제2유입구(12a)에서 유입되는 유량과 제2유출구(12b)를 통해 유출되는 유량을 서로 다르게 조절하여 피스톤(20)의 미세 압력을 조절할 수 있다.
이때, 상기 제2유입구(12a) 및 제2유출구(12b)를 통한 미세 압력 조절시, 상기 모터가 함께 구동되어, 피스톤(20)이 이동하는 거리만큼 제2유입구(12a) 및 제2유출구(12b)의 유출입 유량을 조절할 수 있는데, 상기 피스톤(20)에 마련된 유량조절밸브(22)는 폐쇄된 상태일 수 있다. 또한, 상기 제2유입구(12a) 및 제2유출구(12b)를 통해 제2작동실(10b)에 유출입되는 유량 차이만큼 제1유입구(11a) 및 제1유출구(11b)를 통해 제1작동실(10a)에 유출입되는 작동유의 유량을 보상하여 피스톤(20)의 미세압력을 조절할 수 있다.
반면, 상기 유압펌프의 구동에 따른 피스톤(20)의 동작관계를 살펴보면, 유압펌프를 구동하여 제1작동실(10a)에 마련된 제1유입구(11a) 및 제1유출구(11b)를 통해 작동유를 공급하되, 상기 제1유입구(11a)에서 유입되는 유량과 제1유출구(11b)를 통해 유출되는 유량을 서로 다르게 조절하게 된다.
이에, 상기 제1작동실(10a)에 공급되는 작동유의 유량이 변경됨에 따라 상기 제1작동실(10a)의 체적이 변경되는데, 이때 상기 유량조절밸브(22)는 제어부(50)의 제어 조작에 의해 폐쇄됨으로써, 상기 피스톤(20)에 작동유의 유량 변경에 대한 저항력이 발생되는바, 피스톤(20)을 제1작동실(10a) 또는 제2작동실(10b) 측으로 이동시킬 수 있게 된다.
이와 함께, 상기 제1유입구(11a) 및 제1유출구(11b)를 통해 제1작동실(10a)에 유출입되는 유량 차이만큼 제2유입구(12a) 및 제2유출구(12b)를 통해 제2작동실(10b)에 유출입되는 작동유의 유량을 보상하여 피스톤(20)을 이동시킬 수 있다.
다만, 상기한 작동유의 동작 흐름에 본 발명이 제한되는 것은 아니며, 제어부(50)의 제어 설정에 따라 제1유입구(11a) 및 제2유출구(12b)만을 동작시키거나, 제1유출구(11b) 및 제2유입구(12a)만을 동작시켜 제1작동실(10a)과 제2작동실(10b) 사이의 유량을 조절할 수도 있을 것이다.
이와 같이, 본 발명은 유압에 의한 구동력과 모터의 의한 구동력이 독립적 또는 복합적으로 사용됨으로써, 낮은 속도의 큰 출력이 필요한 영역과 빠른 속도의 작은 출력이 필요한 영역을 모두 확보할 수 있게 된다. 따라서, 다양한 힘 제어가 필요한 로봇의 동작 구현시, 필요에 따라 로봇의 출력 성능을 향상시키는 것은 물론 동작 반응성을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10 : 하우징 10a : 제1작동실
10b : 제2작동실 20 : 피스톤
21 : 변환수단 22 : 유량조절밸브
30 : 유압구동원 40 : 전기구동원
50 : 제어부

Claims (5)

  1. 내부에 작동유가 채워지며, 내부의 공간과 연통되도록 유입구 및 유출구가 마련되되, 상기 유입구 및 유출구에서 유량의 조절이 가능하도록 구성되어 내부에 작동유가 유입 및 유출되는 하우징(10);
    상기 하우징(10)의 내부에 마련되어, 하우징(10)의 내부 공간을 제1작동실(10a)과 제2작동실(10b)로 구획하며, 상기 제1작동실(10a) 또는 제2작동실(10b)을 향해 이동되도록 구성되고, 중단부에 유량조절밸브(22)가 마련되어, 이동시 제1작동실(10a)과 제2작동실(10b) 사이의 작동유 통과 유량을 조절하도록 구성된 피스톤(20);
    상기 유입구 및 유출구와 연결되며, 상기 하우징(10) 내부에 작동유가 공급되어 상기 피스톤(20)을 이동시키기 위한 구동력을 제공하는 유압구동원(30);
    상기 피스톤(20)과 연결되며, 상기 피스톤(20)을 이동시키기 위한 전기적 구동력을 제공하는 전기구동원(40);을 포함하는 하이브리드 액추에이터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유압구동원(30) 및 전기구동원(40)에 독립적 또는 복합적으로 동작신호를 인가하여 피스톤(20)의 이동동작에 사용되는 구동력을 선택적으로 제어하며, 상기 유량조절밸브(22)와 유입구 및 유출구의 개폐 정도를 조절하는 제어부(50);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 액추에이터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유압구동원(30)은 유압펌프이며;
    상기 제1작동실(10a)에 제1유입구(11a) 및 제1유출구(11b)가 마련되어 제1작동실(10a)에 작동유가 유입 및 유출되며;
    상기 제2작동실(10b)에 제2유입구(12a) 및 제2유출구(12b)가 마련되어 제2작동실(10b)에 작동유가 유입 및 유출되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 액추에이터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기구동원(40)은 모터이며;
    상기 모터와 피스톤(20)은 변환수단(21)에 의해 연결되어, 상기 변환수단(21)에 의해 모터의 회전운동이 피스톤(20)의 직선 왕복운동으로 변환되도록 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 액추에이터.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 변환수단(21)은 볼스크류인 것을 특징으로 하는 하이브리드 액추에이터.
KR1020120147915A 2012-12-17 2012-12-17 하이브리드 액추에이터 KR20140079631A (ko)

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