KR20150061554A - 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 필요에 따라 선택적으로 구동력을 인가하거나 차단할 수 있는 수 있는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에 관한 발명으로서, 구동력을 인가받아 상기 구동력과 연동되되 상기 구동력으로부터 차동되는 적어도 3개의 출력을 발생시키는 차동기어부; 상기 차동기어부에 구동력을 전달하며, 상기 차동기어부로부터 멀어지거나 근접하는 방향으로 이동함으로써 상기 차동기어부에 착탈되게 마련되는 구동부; 상기 구동부와 상기 차동기어부 사이의 이격 간격을 조절하여 상기 구동부를 상기 차동기어부에 착탈시키는 구출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇{ROBOT USING MULTY-OUT DIFFERENTIAL GEAR}
본 발명은 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하나의 동력을 인가받아 3개 이상으로 차동되는 출력을 획득할 수 있는 다중 출력 차동 기어에 필요에 따라 선택적으로 구동력을 인가하거나 차단할 수 있는 수 있는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에 관한 것이다.
배관 시설은 각종 산업 기반시설의 구조물 중 하나로 마치 인체의 혈관처럼 국토 곳곳에 분포하며 각종 에너지자원의 공급로로서 자리 잡고 있다. 그러나, 이러한 배관 시설은 주로 지하에 매설되므로, 일정기간의 경과로 내부 벽면의 부식 및 외부환경에 의한 파손시 점검 및 교체에 많은 어려움이 있다.
따라서, 배관은 지속적으로 노후화되고 있으며, 이러한 과정에서 발생하는 각종 결함들은 매년 크고 작은 배관 관련 사고를 발생시키고 있다. 그러나, 인력과 기술의 부족으로 배관에 대한 체계적이며 주기적인 점검은 현실적으로 이루어지기 어려운 실정이다.
이와 관련하여, 배관 내부를 검사할 수 있는 로봇들이 개발되었으며, 현재 많은 연구가 진행중이다. 그러나, 기존의 로봇들은 배관의 형태에 따라 각각의 바퀴들의 운동 상태를 개별적으로 조절하기 위하여 각각의 바퀴마다 개별적으로 구동부(액츄에이터)를 설치하여 로봇을 대형화시키는 문제점이 발생한다.
결국, 하나의 구동부를 이용하면서, 배관 형태에 따른 각각의 운동부들의 속도를 조절할 수 있는 로봇에 대한 관심이 급증하고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 구동부와 차동기어부 사이의 이격 간격을 조절함으로써 필요에 따라 차동기어부에 구동력을 인가하거나 차단할 수 있는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇을 제공함에 있다.
또한, 간단한 구성을 통해 파이프 내벽면을 따라 운동하는 로봇의 벽면 부착력을 향상시킬 수 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 구동력을 인가받아 상기 구동력과 연동되되 상기 구동력으로부터 차동되는 적어도 3개의 출력을 발생시키는 차동기어부; 상기 차동기어부에 구동력을 전달하며, 상기 차동기어부로부터 멀어지거나 근접하는 방향으로 이동함으로써 상기 차동기어부에 착탈되게 마련되는 구동부; 상기 구동부와 상기 차동기어부 사이의 이격 간격을 조절하여 상기 구동부를 상기 차동기어부에 착탈시키는 구출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에 의해 달성된다.
여기서, 상기 차동기어부는, 상기 구동부로부터 구동력을 전달받아 회전하는 구동전달부; 상기 구동전달부의 일면에 장착되며, 외부 저항의 인가시 상기 구동전달부와 상이한 회전 속도를 갖는 제1 출력을 발생하는 제1 출력기어와 상기 제1 출력기어와 연동하여 중간출력을 발생하는 중간 기어를 구비하는 제1 차동기어부; 상기 제1 차동기어부로부터 상기 중간 출력을 전달받으며, 외부 저항의 인가시 상기 중간 출력과 상이한 회전 속도를 갖는 제2 출력을 발생하는 제2 출력기어와 상기 제2 출력기어와 연동함으로써 상기 제2 출력과 상이한 회전 속도를 갖는 제3 출력기어를 구비하는 제2 차동기어부;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구출부는, 상기 구동부의 외면으로부터 상기 중심축의 방사방향을 따라 연장되는 프레임; 상기 프레임을 관통하되 상기 슬라이딩 기어에 연결되는 축부재;를 포함하며, 상기 축부재에 하중을 인가함으로써 상기 구동전달부와 상기 구동부 사이의 이격 간격을 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구출부는 상기 축부재의 상기 프레임측 단부에 마련되며, 상기 축부재에 하중 인가시 상기 축부재가 상기 프레임으로부터 이탈하는 것을 방지하는 핸들부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구출부는 상기 축부재의 상기 슬라이딩 기어 측 단부에 마련되어 상기 축부재에 탄성력을 인가하는 탄성부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 출력기어, 제2 출력기어 및 제3 출력기어로부터 발생하는 출력과 각각 연동하며, 외부 저항을 인가받아 제1 출력기어, 제2 출력기어 및 제3 출력기어 중 적어도 어느 하나로 전달하는 복수개의 운동부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 운동부는 상기 제1 출력기어, 제2 출력기어 및 제3 출력기어로부터 각각 연장되며 상기 구동부의 중심축을 중심으로 서로 120°의 각도를 이루며 이격되는 제1 운동부, 제2 운동부 및 제3 운동부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 운동부, 제2 운동부 또는 제3 운동부는 한 쌍으로 마련되어 상기 차동기어부의 길이방향을 따라 서로 이격되도록 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 운동부가 운동면에 접촉한 상태를 유지하도록 상기 운동부와 상기 차동기어부 사이의 이격 간격을 조절하는 간격 조절부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 간격조절부는, 상기 구동부의 외면상에 마련되어 상기 구동부의 길이방향을 따라 이동가능하게 마련되는 슬라이더; 상기 슬라이더로부터 연장되며 상기 한 쌍의 운동부 중 어느 하나에 연결되는 제1 연결부재; 상기 슬라이더로부터 연장되며 상기 한 쌍의 운동부 중 다른 하나에 연결되는 제2 연결부재;를 포함하며, 상기 슬라이더의 움직임에 따라 상기 제1 연결부재 및 상기 제2 연결부재는 상기 한 쌍의 운동부를 서로 근접하는 방향 또는 서로 멀어지는 방향으로 운동시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 출력기어는 내주면에는 톱니가 형성되고, 상기 중간기어는 상기 제1 출력기어의 내부에 상기 제1 출력기어의 내측으로부터 이격되게 마련되며, 상기 제1 차동기어부는 상기 제1 출력기어의 톱니와 상기 중간기어의 외주면에 동시에 치합하는 제1 유성기어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 출력기어 및 상기 제3 출력기어의 내주면에는 톱니가 형성되고, 상기 제2 차동기어부는 상기 제2 출력기어의 톱니와 치합하며 상기 제2 출력기어와 연동하여 회전하는 제2 유성기어부; 상기 제2 유성기어부 및 상기 제3 출력기어의 톱니와 동시에 치합하며, 상기 제2 유성기어 및 상기 제3 출력기어와 연동하여 회전하는 제3 유성기어;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 출력기어, 제2 출력기어 및 제3 출력기어는 상기 운동부와 연동하여 외부 저항을 인가받도록 외주면에 톱니가 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 차동기어부는 복수개의 출력기어를 구비하며, 상기 복수개의 출력기어들은 외부 저항의 인가시 각각 상기 구동전달부로부터 제공되는 구동력과는 상이한 회전 속도를 갖는 복수개의 출력들을 발생하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 이동경로에 곡선이 형성되는 곡관이라 할지라도 그 내부를 용이하게 이동할 수 있는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇이 제공된다.
또한, 필요에 따라 차동기어부에 인가되는 구동력을 차단시킴으로써 사용자의 의도에 상관없이 로봇이 이동하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 로봇에 인가되는 구동력을 차단시킴으로써 배관 내부에 존재하는 로봇을 용이하게 배관의 외측으로 이탈시킬 수 있다.
또한, 로봇과 배관 내벽면 사이의 접촉 유지력을 향상시킴으로써 로봇이 배관 내부를 효율적으로 운동할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇을 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 2는 도 1의 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇을 개략적으로 도시한 분해사시도이고,
도 3은 도 1의 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에서 차동기어부를 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 4는 도 1의 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에서 차동기어부를 개략적으로 도시한 분해사시도이고,
도 5는 도 3의 차동기어부에서 제1 차동기어부를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 6은 도 3의 차동기어부에서 제2 차동기어부를 개략적으로 도시한 분해사시도이고,
도 7은 도 6에 따른 제2 차동기어부에서 제2 출력기어, 제3 출력기어, 제2 유성기어부 및 제3 유성기어부의 결합관계를 개략적으로 도시한 절개사시도이고,
도 8은 도 3의 차동기어부에서 각각의 출력기어들 사이의 연동관계를 개략적으로 도시한 그래프이고,
도 9는 도 1의 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에서 구출부가 작동되기 이전의 모습을 개략적으로 도시한 정면도이고,
도 10은 도 1의 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에서 구출부가 작동된 상태의 모습을 개략적으로 도시한 정면도이고,
도 11은 도 1의 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에서 운동부를 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 12는 도 11에 따른 운동부가 서로 이격된 상태의 모습을 개략적으로 도시한 정면도이고,
도 13은 도 12에 따른 운동부가 간격조절부에 의해 서로 근접하는 방향으로 움직이는 모습을 개략적으로 도시한 정면도이고,
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 출력 차동 기어를 이용하는 로봇을 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 15는 도 14에 따른 다중 출력 차동 기어를 이용하는 로봇에서 차동기어부를 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 16은 도 14에 따른 다중 출력 차동 기어를 이용하는 로봇에서 차동기어부를 개략적으로 도시한 분해사시도이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에 대하여 상세하게 설명한다.
이를 설명하기에 앞서, 설명의 편의를 위해 본 발명의 제1실시예에 따른 다중 출력 차동기어를 이용한 로봇(100)가 배관 내벽면을 따라 이동하는 인-파이프 로봇으로 사용되는 경우로 가정하여 설명한다.
다만, 인-파이프 로봇으로 한정되는 것은 아니며, 인간이 출입하기 어려운 공간으로 진입하여 내부 공간의 파손 등을 검사하거나, 내부 공간으로 특정한 물품을 운반하거나, 내부를 수리할 수 있는 로봇 등에 다각적으로 활용될 수 있음은 당연하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇을 개략적으로 도시한 분해사시도이다.
도 1 또는 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 다중 출력 차동기어를 이용한 로봇(100)은 차동기어부(110)의 각각의 출력기어들이 연동하여 배관 내부의 상태에 따라 스스로 속도를 조절함으로써 안정적인 주행을 할 수 있고, 필요에 따라 차동기어부(110)에 인가되는 구동력을 차단시킬 수 있는 것으로서, 차동기어부(110)와 구동부(150)와 구출부(160)와 운동부(170)와 간격 조절부(180)를 포함한다.
도 3은 도 1의 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에서 차동기어부를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 4는 도 1의 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에서 차동기어부를 개략적으로 도시한 분해사시도이다.
도 3 또는 도 4를 참조하면, 상기 차동기어부(110)는 후술할 구동부(110)로부터 구동력을 인가받아 3개의 출력기어로 출력을 전달할 수 있는 것으로서 후술할 운동부(170)로 인가되는 외부 저항에 의해 차동이 발생할 수 있는 것으로 구동력전달부(120)와 제1 차동기어부(130)와 제2 차동기어부(140)를 포함한다.
본 발명의 제1실시예에서 제1 차동기어부(130)와 제2 차동기어부(140)는 동일한 중심축(105)을 갖도록 마련될 수 있다.
상기 구동력전달부(120)는 후술할 구동부(150)가 착탈가능하게 마련되어 구동부(150)가 장착될 시 구동력을 인가받아 후술할 제1 차동기어부(130) 측으로 전달하며, 구동부(150)가 이탈되면 제1 차동기어부(130)로 인가되는 구동력을 차단시키는 것으로, 하우징(121)과 연결기어(123)를 포함한다.
상기 하우징(121)은 구동력전달부(120)의 메인프레임 역할을 수행하는 것으로 구동부(150)를 마주보는 면에 삽입홈(122)이 형성되는 부재로서, 삽입홈(122)을 통해 후술할 구동부(150)의 슬라이딩 기어(152)가 삽입되거나 이탈한다.
상기 연결기어(123)는 후술할 구동부(150)의 슬라이딩 기어(152)와 치합될 수 있는 것으로서, 슬라이딩 기어(152)와의 치합 여부에 따라 제1 차동기어부(130) 측으로 구동력을 전달하거나 차단하는 것이다.
즉, 연결기어(123)는 하우징(121) 내부에 수용되며, 후술할 구동부(150)의 회전축(151)을 중심으로 하는 가상의 원 상에 배치된다. 여기서, 연결기어(123)가 배치되는 가상의 원의 직경은 슬라이딩 기어(152)의 직경에 따라 달리 설정될 수 있다.
본 발명의 제1실시예에서의 연결기어(123)는 후술할 제1 마감부(115a) 상에 설치되어 슬라이딩 기어(152)의 회전과 연동하에 회전함으로써 차동기어부(130) 측에 구동력을 전달하도록 마련될 수 있다.
도 5는 도 3의 차동기어부에서 제1 차동기어부를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 차동기어부(130)는 구동력전달부(110)로부터 전달되는 구동력을 운동부(170) 측으로 전달함과 동시에 운동부(170)로부터 외부 저항 인가되면 제1 차동기어부(130)의 각 기어들이 연동하여 구동부(110)로부터 인가되는 구동력과는 상이한 회전 속도를 갖는 제1 출력을 발생하여 운동부(170)로 전달한다. 또한, 중간기어(133)으로부터 구동력보다 회전 속도가 감소된 중간 출력을 제2 차동기어부(140)에 전달한다. 본 발명의 제1실시예에 따른 제1 차동기어부(130)는 제1 출력기어(131)와 3개의 제1 유성기어(132)와 중간 기어(133)를 포함한다.
한편, 제1 차동기어부(130)의 양면에는 제1 출력기어(131)와 3개의 제1 유성기어(132)와 중간 기어(133)의 위치를 고정하는 제1 마감부(115)가 장착될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서는 제1 마감부(115)의 외면상에 연결기어(123)가 설치되고 제1 마감부(115)의 외면을 감싸는 하우징(121)이 설치되어 상술한 구동력전달부(110)를 구성한다.
한편, 제1 차동기어부(130)는 운동부(170)로부터 외부 저항이 인가됨과 동시에 구동력과 상이한 회전 속도를 갖는 제1 출력을 발생하고, 구동력보다 회전속도가 감소된 중간 출력을 발생한다.
여기서, 회전 속도의 감속비는 치합되는 기어비에 따라 달라지며, 즉 제1 출력기어(131)로부터 중간 기어(132)로 연동되는 경우에 제1 출력기어(131)의 내주면에 형성된 톱니의 기어 잇수와 중간 기어(133)의 기어 잇수의 비만큼 제1 출력이 중간 기어(133)로 전달된다. 이러한 수식은 후술할 본 발명의 제1실시예에 따른 작동방법에서 상세히 설명한다.
상기 제1 출력기어(131)는 내주면 및 외주면에 톱니가 형성되어 있으며, 내주면의 톱니는 제1 유성기어(132)와 치합하며, 외주면의 톱니는 후술할 제1 운동부(171)로 제1 출력을 전달하되 외부 저항을 인가받을 수 있다.
즉, 외주면의 톱니는 제1 운동부(171)로부터 외부 저항을 인가받음과 동시에 외부 저항과 연동하여 구동력과는 상이한 회전 속도를 갖는 제1 출력을 제1 운동부(171)로 전달한다.
상기 제1 유성기어(132)는 제1 출력기어(131)의 내주면에 치합하며, 3개가 제1 차동기어부(130)의 중심축(105)을 기준으로 각각 120° 각을 형성하도록 배치된다. 제1 유성기어(132)는 제1 출력기어(131)로부터 전달받는 외부 저항이 고려된 제1 출력을 후술할 중간 기어(123)로 전달한다.
다만, 제1 유성기어(132)의 개수 및 배열은 여기에 제한되는 것은 아니며 필요에 따라 자유롭게 개수 또는 배열을 선택할 수 있다.
상기 중간 기어(133)는 외부 저항이 없을시 회전을 하지 않으며, 외부 저항이 인가되면 제1 출력기어(131)와 연동하여 구동력보다 회전 속도가 감소된 중간 출력을 제2 차동기어부(140)로 전달한다.
상술한 제1 차동기어부(130)의 결합관계를 다시 설명하면, 제1 출력기어(131)의 내주면에 3개의 제1 유성기어(132)들이 각각 치합하며, 외주면에 이러한 제1 유성기어(132)들이 치합되도록 중간 기어(133)가 제1 유성기어(132)의 내측으로 배치된다.
달리 설명하면, 중간 기어(133)의 외주면을 따라 3개의 제1 유성기어(132)들이 치합하며, 이러한 제1 유성기어(132)들과 내주면에 형성된 톱니들이 치합되도록 제1 출력기어(131)가 배치된다. 여기서, 제1 출력기어(131)와 중간 기어(133)는 동일한 중심축(105)을 갖는 것이 바람직하다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 구동부(150)와 제1 차동기어부(130) 사이에는 제1 마감부(115a, 115b)가 형성되어, 제1 유성기어(132)가 각각 개별적으로 회전하도록 위치를 고정하여, 구동부(110)로부터의 구동력을 제1 유성기어(132)로 전달되도록 중간 역할을 수행할 수 있다.
도 6은 도 3의 차동기어부에서 제2 차동기어부를 개략적으로 도시한 분해사시도이고, 도 7은 도 6에 따른 제2 차동기어부에서 제2 출력기어, 제3 출력기어, 제2 유성기어부 및 제3 유성기어부의 결합관계를 개략적으로 도시한 절개사시도이고, 도 8은 도 3의 차동기어부에서 각각의 출력기어들 사이의 연동관계를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 상기 제2 차동기어부(140)는 중간 기어(133)으로부터 중간 출력을 전달받아 제2 출력기어(141) 및 제3 출력기어(142)를 통해 외부로 출력을 발생시키며, 운동부(170)로부터 외부 저항이 인가되면 제2 차동기어부(140)의 기어들이 연동하여 중간 출력과는 상이한 회전 속도를 갖는 제2 출력 및 제2 출력과는 상이한 회전 속도를 갖는 제3 출력을 제2 출력기어(141) 및 제3 출력기어(142)를 통해 각각 발생시킨다.
본 발명의 제1실시예에 따르면 제2 차동기어부(140)는 제2 출력기어(141)과 제3 출력기어(142)와 제2 유성기어(143)와 제3 유성기어(144)를 포함한다.
후술할 제2 운동부(172) 또는 제3 운동부(173)으로 외부 저항이 인가되지 않는다면 제2 출력기어(141)과 제3 출력기어(142)는 중간 출력과 동일한 출력을 각각 발생시키며, 외부 저항이 제2 출력기어(141) 또는 제3 출력기어(142) 측으로 인가되면 제2 출력기어(141)는 중간 출력과는 상이한 회전 속도를 갖는 제2 출력을 발생시키고 제3 출력기어(142)는 제2 출력기어(141)와 연동하여 제2 출력에서 차동된 제3 출력을 발생시킨다.
또한, 중간 출력이 없는 경우에 제2 출력기어(141) 측으로 외부 저항이 인가되면, 제2 출력기어(141), 제2 유성기어(143) 및 제3 유성기어(144)가 연동하여 제2 출력기어(141)가 회전하는 방향의 반대 방향으로 제3 출력기어(142)가 회전하게 된다.
상기 제2 출력기어(141)는 내주면 및 외주면에 톱니가 형성되어 있으며, 내주면의 톱니는 제2 유성기어(143)와 치합하며, 외주면의 톱니는 제2 운동부(172)로 제2 출력을 전달한다. 즉, 제2 출력기어(141)의 외주면에 형성된 톱니는 제2 운동부(172)로부터 외부 저항을 인가받음과 동시에 외부 저항과 연동되어 중간 출력과는 상이한 회전 속도를 갖는 제2 출력을 제2 운동부(172)로 전달한다.
상기 제3 출력기어(142)는 내주면 및 외주면에 톱니가 형성되어 있으며, 내주면의 톱니는 제3 유성기어(144)와 치합하며, 외주면의 톱니는 제3 운동부(173)로 제3 출력을 전달한다. 즉, 제3 출력기어(142)의 외주면에 형성된 톱니는 제3 운동부(173)로부터 외부 저항을 인가받음과 동시에 외부 저항과 연동되어 제2 출력과 상이한 회전 속도를 갖는 제3 출력을 제3 운동부(173)로 전달한다.
상기 제2 유성기어(143)는 제2 출력기어(141)의 내주면에 치합하고 제3 유성기어(144)와 각각 치합하며, 3개가 제2 차동기어부(140)의 중심축(105)을 기준으로 각각 120°의 각도를 형성하도록 배치된다. 제2 유성기어(143)는 제2 출력기어(141)로부터 전달받는 외부 저항을 후술할 제3 유성기어(144)로 전달한다.
다만, 제2 유성기어(143)의 개수 및 배열이 여기에 제한되는 것은 아니며 필요에 따라 자유롭게 개수 또는 배열의 선택이 가능함은 당연하다.
상기 제3 유성기어(144)는 제3 출력기어(142)의 내주면에 치합하고 제2 유성기어(143)와 치합하며, 3개가 제2 차동기어부(140)의 중심축(105)을 기준으로 각각 120°의 각도를 형성하도록 배치된다. 제3 유성기어(144)는 제3 출력기어(142)로부터 전달받는 외부 저항을 제2 유성기어(143)로 전달한다.
한편, 제3 유성기어(144)의 개수 및 배열은 상기 제2 유성기어(143)와 대응되도록 선택되는 것이 바람직하다.
다만, 제2 운동부(172) 및 제3 운동부(173)로부터 동시에 외부저항이 인가될 수도 있으나, 이러한 경우 제2 차동기어부(140)를 이루는 제2 출력기어(141), 제3 출력기어(142), 제2 유성기어(143) 및 제3 유성기어(144)들이 연동하게 되므로, 제2 운동부(172) 및 제3 운동부(173)로부터 인가되는 외부 저항들이 서로 상쇄 또는 보강되어 하나의 외부저항이 인가되는 것으로 볼 수 있으므로 제2 운동부(172) 또는 제3 운동부(173) 중 어느 하나로 외부저항이 인가되는 경우와 동일하다.
을 참조하여 제2 차동기어부(140)의 결합관계를 다시 설명하면, 제2 출력기어(141)의 내주면에 형성된 톱니와 제2 유성기어(143)들이 치합하며, 이러한 제2 유성기어(143)들은 서로 대응되는 각각의 제3 유성기어(144)들과 치합하게 된다. 또한, 제3 유성기어(144)들은 제3 출력기어(142)의 내주면에 형성된 톱니와 치합한다.
다만, 제2 유성기어(143)의 하부와 제3 유성기어(144)의 상부가 치합하게 되므로, 제2 유성기어(143)과 제3 출력기어(142)가 직접적으로 치합하거나 또는 제3 유성기어(144)와 제2 출력기어(141)가 직접적으로 치합하는 것은 아니다.
다만, 이러한 결합에 의하여도 제2 출력기어(141)와 제3 출력기어(142)가 서로 간에 직접적인 영향을 주지 않도록 배치되지 않는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 제1실시예(100)에 따르면 제2 차동기어부(140)에서의 각 기어들의 위치를 고정하는 제2 마감부(145a,145b)가 형성되는 것이 바람직하다.
제2 마감부(145a 145b)는 중간기어(133)와 연결되고 제2 유성기어(143) 및 제3 유성기어(144)들이 각각 개별적으로 회전하도록 위치를 고정하여 중간출력이 발생하는 경우, 중간출력을 제2 유성기어(143)로 전달하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 차동기어부(110)와 구동부(150) 사이에는 각각의 출력기어(121, 131, 132)로부터 발생되는 출력을 후술할 운동부(170) 측으로 전달하는 출력전달부(111)가 더 구비될 수 있다.
상기 출력전달부(111)는 각각의 출력기어(131, 141, 142) 상에 치합되는 평기어(112a, 112b, 112c)와 각각의 출력기어(131, 141, 142)로부터 발생하는 출력을 각각의 평기어(112a, 112b, 112c)로부터 전달받는 출력전달축(113a, 113b, 113c)과 각각의 출력전달축(113a, 113b, 113c)과 연결되어 각각의 평기어(131, 141, 142)와 동일한 회전을 하는 베벨기어(114a, 114b, 114c)를 포함할 수 있다.
다만, 이러한 구성에 제한되는 것은 아니며, 출력기어(131, 141, 142)로부터 발생하는 출력을 전달할 수 있는 메카니즘이라면 어떠한 구성도 여기에 포함될 수 있음은 당연하다.
상기 구동부(150)는 차동기어부(110)에 근접하거나 멀어지는 방향으로 운동함으로써 구동력전달부(120)에 착탈가능하게 마련되어, 구동력전달부(120)에 장착되는 경우 차동기어부(110) 측으로 구동력을 인가하는 것으로 회전축(151) 상에 슬라이딩 기어(152)가 구비된다.
상기 슬라이딩 기어(152)는 회전축(151)에 구비됨으로써 회전축(151)과 동일한 회전을 하는 것으로서, 구동부(150)의 구동력이 차동기어부(110) 측으로 전달되거나 차단되도록 구동부(150)의 움직임에 따라 연결기어(123) 사이에 탈착된다.
즉, 구동부(150)는 차동기어부(110)에 근접하거나 멀어지는 방향으로 이동가능하며, 이러한 움직임을 통해 구동부(150)의 슬라이딩 기어(152)가 연결기어(123) 사이에 탈착되어 차동기어부(110)에 구동력이 전달되거나 차단된다.
도 9는 도 1의 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에서 구출부가 작동되기 이전의 모습을 개략적으로 도시한 정면도이고, 도 10은 도 1의 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에서 구출부가 작동된 상태의 모습을 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 9 또는 도 10을 참조하면, 상기 구출부(160)는 차동기어부(110)와 구동부(150) 사이의 이격 간격을 조절함으로써 구동부(150)로부터 발생하는 구동력을 차동기어부(110) 측에 전달하거나 차단하는 것으로 프레임(161)과 축부재(162)를 포함한다.
상기 프레임(161)는 구동부(150)의 외면상에 마련되되 중심축(151)을 중심으로 방사방향을 따라 연장되는 판 부재로서 후술할 축부재(162)의 이동을 안내하도록 구동부(150)의 이동방향을 따라 관통하는 홈이 형성될 수 있다.
또한, 후술할 제1 연결부재(181) 및 제2 연결부재(182)가 설치된 상태로 구동부(150)의 외면에서 구동부(150)의 길이방향을 따라 이동가능하게 마련되어 구동부(150)와 차동기어부(110) 사이의 이격 간격을 조절하는 간격 조절부(180)의 메인 프레임 역할도 동시에 수행할 수 있다.
상기 축부재(162)는 일단이 슬라이딩 기어(152)과 연결되되 프레임(161)을 통과하게 배치되는 부재로서, 밀리거나 당겨짐으로써 슬라이딩 기어(152)를 회전축(151)을 따라 슬라이딩시켜 슬라이딩 기어(152)를 연결기어(123)에 탈착시키는 것이다.
여기서, 본 발명의 제1실시예에서는 슬라이딩 기어(152)가 당겨지는 경우 슬라이딩 기어(162)가 연결기어(123) 측으로부터 이탈되어 구동력의 전달이 차단된다. 다만, 이러한 구조에 제한되는 것은 아니며 슬라이딩 기어(152)가 밀리는 경우 슬라이딩 기어(152)가 연결기어(123) 측으로부터 이탈되어 구동력의 전달이 차단될 수 있다.
한편, 슬라이딩 기어(152)가 구동부(150)의 회전축(151) 상에서 슬라이딩되더라도 슬라이딩 기어(152)와 회전축(151)이 동일한 회전을 할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 제1실시예에서는 축부재(162)의 구동전달부 측 단부에 마련되어 축부재(162)가 밀리거나 당겨지는 경우 탄성력을 인가하여 원상태로 복귀시키는 탄성부재(163)를 더 포함할 수 있다.
또한, 축부재(162)의 타단에는 슬라이딩 기어(152)가 밀리거나 당겨지는 경우, 축부재(162)가 프레임(161)으로부터 이탈하는 것을 방지하도록 핸들부(164)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 핸들부(164)는 축부재(162)의 직경보다 더 큰 폭 또는 길이를 갖도록 마련됨으로써 프레임(161)을 관통하는 축부재(162)가 프레임(161)으로부터 이탈하는 것을 방지하되, 핸들부(164)는 사용자가 축부재(162)를 용이하게 밀거나 당길 수 있는 손잡이 역할을 수행할 수 있다.
도 11은 도 1의 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에서 운동부를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 11을 참조하면, 상기 운동부(170)는 출력기어와 연동하여 출력기어들로부터 출력을 전달받아 운동하며, 운동시 발생하는 외부저항을 입력받아 각각의 출력기어 측으로 전달하는 것으로 제1운동부(171)와 제2운동부(172)와 제3운동부(173)를 포함한다.
상기 제1운동부(171)는 제1 출력기어(131)로부터 구동력 또는 제1 출력을 입력받아 운동함과 동시에 파이프 내부의 이동경로에 회전구간이 형성되거나 장애물이 존재하는 경우와 같은 외부저항요인이 발생하면, 외부저항을 다시 제1 출력기어(131) 측으로 전달하는 것이다.
본 발명의 제1실시예(100)에 따르면, 제1 운동부(171)는 2개가 한 쌍으로 둘 중 하나는 로봇(100)의 전단부 측을 향하고 나머지 하나는 로봇(100)의 후단부 측을 향하게 마련되며, 각각의 제1 운동부(171)는 베벨기어(114a)와 치합하여 출력기어(121) 측으로부터 제1 출력을 전달받고, 이를 후술할 바퀴부(1713)에 전달하는 기어 메카니즘(1711)과 기어 메카니즘(1711)으로부터 제1출력을 전달받아 운동하는 바퀴부(1713)와 바퀴부(1713)를 지지하는 지지부(1712)를 포함할 수 있다.
상기 기어 메카니즘(1711)은 서로 이격되어 치합하는 복수개의 평기어(1711a)와 베벨기어(1711b)로 구성되며, 평기어(1711a) 중 어느 하나는 베벨기어(1711b)와 동축을 가지며 동일한 회전을 한다.
여기서, 기어 메카니즘(1711)의 베벨기어(1711b)는 출력전달부(111)의 베벨기어(114a)와 치합하여 제1출력을 전달받으며 베벨기어(1711b)는 복수개의 평기어(1711a)에 순차적으로 동력을 전달하여 바퀴부(1713)에 제1출력을 전달한다.
상기 지지부(1712)는 바퀴부(1713)를 지지하는 부재로서, 바퀴부(1713)의 양측면에 각각 설치된다. 여기서, 바퀴부(1713)의 일측에 설치되는 지지부(1712)는 기어 메카니즘(1711)을 구성하는 복수개의 평기어(1711a)들의 상대적인 위치를 고정하도록 복수개의 평기어(1711a)의 양측면을 마감하도록 마련될 수 있다.
즉, 지지부(1712) 중 어느 하나는 바퀴부(1713)를 지지하면서도 복수개의 평기어(1711a)들의 상대적인 위치를 고정하는 것과 동시에 바퀴부(1713)를 지지할 수 있다.
또한, 지지부(1712)는 기어 메카니즘(1711)을 구성하는 복수개의 평기어(1711a) 중에서 베벨기어(114a)와 치합하는 평기어의 중심축과 동일한 회동축을 가지는 회동부(1712a)와 회동부(1712a)로부터 바퀴부(1713) 측으로 연장되는 연장부(1712b)의 두 부분으로 구획될 수 있다.
여기서, 상기 회동부(1712a)는 원형의 부재로서, 회동축을 중심으로 회동가능하게 마련되어 한 쌍의 제1 운동부(171) 사이의 이격 간격을 조절하여 제1 운동부(171)가 파이프 내벽면 상에 접촉되는 상태를 유지할 수 있도록 한다.
한편, 상기 연장부(1712b)는 회동부(1712a)로부터 바퀴부(1713)까지 연장되는 부재로서, 파이프의 내경을 고려하여 연장부(1712b)의 길이 등의 요소를 달리 설정할 수 있다.
다만, 이러한 구성은 본 발명의 제1실시예(100)에 따라 차동기어부(110)로부터 운동부(170)로 출력이 전달되도록 구성된 구조의 일례에 해당하므로, 이러한 구성에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 제2운동부(172) 및 상기 제3운동부(173)도 제1운동부(171)와 동일한 구성으로 이루어지므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다. 다만, 제2운동부(172)는 제2 출력기어(141)를 통해 제2출력을 전달받고 외부저항을 전달하며, 제3운동부(173)는 제3 출력기어(142)를 통해 제3출력을 전달받고 외부저항을 전달한다.
한편, 본 발명의 제1실시예(100)에 따른 제1 운동부(171), 제2운동부(172) 및 제3운동부(173)의 배치관계를 다시 설명하면, 각각의 운동부들은 차동기어부(110)의 중심축을 기준으로 서로 120°의 간격을 형성하며 배치되며, 차동기어부(120)의 전면부에 배치된 운동부들(171a, 172a, 173a)는 동일한 동심원상에 배치되고, 차동기어부(110)의 후면부에 배치된 운동부들(171b, 172b, 173b)도 동일한 동심원상에 배치된다.
또한, 차동기어부(110)의 전면부에 배치된 운동부들(151a, 152a, 153a)이 형성하는 동심원의 지름과 차동기어부(110)의 후면부에 배치된 운동부들(151b, 152b, 153b)이 형성하는 동심원의 지름이 동일한 것이 바람직하다.
다만, 이러한 배치에 제한되는 것은 아니며 사용자의 의도에 따라 달리 설정될 수 있음은 당연하다.
도 12는 도 11에 따른 운동부가 서로 이격된 상태의 모습을 개략적으로 도시한 정면도이고, 도 13은 도 12에 따른 운동부가 간격조절부에 의해 서로 근접하는 방향으로 움직이는 모습을 개략적으로 도시한 정면도이다.
상기 간격조절부(180)는 상술한 지지부(1712)의 회동부(1712a)에 연결되어 회동부(1712a)를 회동시킴으로써 운동부(170)와 차동기어부(110) 사이의 이격 간격을 조절하는 것으로, 제1 연결부재(181)와 제2 연결부재(182)를 포함한다.
상기, 제1 연결부재(182) 및 제2 연결부재(183)가 제1 운동부(171)에 연결되는 경우로 설명하며, 제2 운동부(172) 및 제3 운동부(173)에도 실질적으로 동일하게 적용할 수 있음은 당연하다.
상기 제1 연결부재(182)는 일단은 프레임(161)에 연결되고 타단은 기어 메카니즘(1711)을 마감하는 지지부(1712) 중에서 회동부(1712a)의 하단 영역에 연결되는 부재이다.
상기 제2 연결부재(183)는 일단은 프레임(161)에 연결되고 타단은 제1 연결부재(182)가 연결된 지지부(1712)와 대향하는 지지부(1712')의 회동부(1712a')의 상단 영역에 연결되는 부재이다.
여기서, 프레임(161)이 차동기어부(110)와 멀어지는 방향으로 이동하면, 제1 연결부재(182)는 지지부(1712)를 반시계방향으로 회전시키고 제2 연결부재(183)는 지지부(1712')를 시계방향으로 회전시킴으로써 한 쌍의 제1 운동부(171) 사이의 이격 간격을 좁힌다.
이와 반대로, 프레임(161)이 차동기어부(110)에 근접하는 방향으로 이동하면, 제1 연결부재(182)는 지지부(1712)를 시계방향으로 회전시키고 제2 연결부재(183)는 지지부(1712')를 반시계방향으로 회전시킴으로써 한 쌍의 제1 운동부(171) 사이의 이격 간격을 넓힌다.
즉, 본 발명의 제1실시예에 따른 간격조절부(180)는 하나의 프레임(161)의 움직임을 통해 한 쌍의 제1 운동부(171) 사이의 이격 간격을 자유롭게 조절할 수 있어 작동의 용이성 및 편의성을 제공한다.
한편, 본 발명의 제1실시예와는 달리 제1 연결부재(181) 및 제2 연결부재(182)가 프레임(161) 상에 연결되는 것이 아니라, 별도의 구성인 슬라이더(미도시)에 설치될 수 있다.
상기 슬라이더(미도시)는 구동부(150)의 외면상에서 구동부(150)의 길이방향을 따라 이동가능하게 마련되는 부재이다. 여기서, 구동부(150)의 외면상에는 나사산이 형성되고, 슬라이더(미도시)의 내벽면에도 구동부(150)의 나사산에 대응되는 나사산이 형성되나 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 간격조절부(180)를 통해 제2운동부(172) 및 제3운동부(173)의 움직임도 제1운동부(151)와 동일하게 제어될 수 있다.
또한, 본 발명의 제1실시예에 따르면 구동부(150)의 둘레 방향을 따라 복수개가 마련되어 프레임(161)의 운동방향을 가이드하는 가이드부(184)를 더 포함할 수 있다.
하나의 프레임(161)을 통해 제1운동부(171)들 사이의 이격 간격, 제2운동부(172)들 사이의 이격 간격 및 제3운동부(173)들 사이의 이격 간격을 동시에 조절하기 위해서는 프레임(151)은 최초 상태와 평행한 상태를 유지하며 차동기어부(110) 측으로부터 멀어지거나 근접하는 방향으로 움직여야 한다.
이를 위해, 프레임(161)을 관통하며, 프레임(161)과 수직을 형성하는 복수개의 가이드부(184)를 설치함으로써 프레임(161)의 운동방향을 용이하게 조절할 수 있다.
지금부터는 상술한 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.
먼저, 본 발명의 제1실시예에 따른 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에서 구동력 및 외부저항을 인가받아 차동하며, 차동된 출력을 각각의 운동부(170)로 전달하는 차동기어부(110)의 작동에 대하여 설명한다.
먼저 구동력전달부(120)의 작동에 대하여 살펴본다. 구동력전달부(120)의 연결기어(123) 사이에 슬라이딩 기어(151)가 장착되는 경우에 한하여 구동부(150)의 구동력이 차동기어부(110) 측으로 전달될 수 있으며, 슬라이딩 기어(151)가 연결기어(123) 사이로부터 이탈되면 구동부(150)로부터의 구동력의 전달이 차단된다.
여기서, 연결기어(123) 사이에 슬라이딩 기어(151)가 장착되는지 여부는 구출부(160)의 작동을 통해 결정된다. 구출부(160)의 핸들부(164)를 사용자가 직접 잡아당기거나 자동구동을 통해 잡아당기게 되면 구동부(150)가 차동기어부(110) 측으로부터 멀어지는 운동을 한다.
이때, 구동부(150)의 회전축(151)에 구비된 슬라이딩 기어(152)도 동시에 연결기어(123) 측으로부터 이탈하게 되며, 구동부(150)의 구동력이 차동기어부(110) 측으로 전달되지 않는다. 이를 "구동력 차단상태"라 정의한다.
이러한 "구동력 차단상태"는 운동중인 로봇(100)의 작동을 멈출 필요가 있을 때, 예를 들어 파이프 내부를 이동중인 로봇(100)이 장애물에 걸려 이동을 하지 못하는 경우, 로봇(100)이 파이프 내부의 목표 지점에 도달하여 파이프로부터 배출시킬 필요가 있는 경우 등이 있다.
다만, 이러한 "구동력 차단상태"에서는 구동력이 제1 차동기어부(130) 측으로 전달되지 않으므로, 이하, 슬라이딩 기어(152)가 연결 기어(123) 사이에 장착된 상태, 즉, "구동력 전달상태"에 있는 경우를 가정하고 이하 제1 차동기어부(130)에서의 작동을 설명한다.
여기서, 구동력전달부(120)는 구동부(150)로부터 전달되는 구동력을 전달하는 역할을 수행할 뿐, 구동력의 크기를 감쇄하거나 증가하는 것은 아니므로 구동부(150)로부터 전달되는 구동력과 동일한 크기의 구동력을 제1 차동기어부(130) 측으로 전달한다.
구동력전달부(120)로부터 구동력이 전달되는 동시에 제1운동부(171)로부터 제1 출력기어(131) 측으로 외부 저항이 인가되지 않는 경우를 설명하면, 구동전달부(120)로부터 전달되는 구동력이 제1 유성기어(132)로 전달되며, 제1 유성기어(132)는 중간기어(133)의 외주면을 따라 회전하며 제1 출력기어(131)를 구동부(110)의 회전방향과 동일한 회전 방향으로 회전하게 한다. 이때, 회전 속도는 제1 출력기어(131)의 기어 잇수와 제1 유성기어(132)의 기어 잇수의 비에 따라 달라진다.
이 경우, 중간 기어(133)는 정지상태에 있기 때문에 중간 출력도 0이 되며, 제2 차동기어부(140)도 외부 저항이 인가되지 않는다면 정지상태에 있게 된다.
다만, 제1 출력기어(131) 측으로 외부 저항이 인가된다면, 제1 출력기어(131)가 외부 저항에 의해 외부 동력의 회전속도와는 상이한 제1 출력을 발생하게 되고, 제1 차동기어부(130)의 기어들이 연동되고 중간기어(133)에서 중간 출력을 발생하게 된다. 이에 따라 중간기어(133)는 외부 동력에 대한 차동의 기능을 수행하게 된다.
한편, 제2 차동기어부(140)의 작동 방법에 대하여 살펴보면, 제2 차동기어부(140)로 전달되는 중간 출력이 0이라면 외부 저항이 인가되는지 여부에 따라 제2 출력기어(141) 및 제3 출력기어(142)에 의한 제2 출력 및 제3 출력에 영향을 미치게 된다. 외부 저항이 인가되지 않으면 상술한 바와 같이 중간출력이 제2 차동기어부(140)로 전달되지 않으므로 제2 출력 및 제3 출력 모두 발생하지 않으나, 외부 저항이 제2 출력기어(141)의 또는 제3 출력기어(142) 측으로 인가된다면 제2 출력기어(141)와 제3 출력기어(142)가 연동하여 회전하면서 제2 출력 및 제3 출력을 발생시킨다.
여기서, 중간 출력이 제2 차동기어부(140)로 인가되고 외부 저항이 제2 출력기어(141) 측으로 인가된다면 제2 출력기어(141) 는 중간 출력과는 상이한 회전 속도를 갖는 제2 출력을 발생시키고 이와 연동하는 제3 출력기어(142)는 제2 출력과는 상이한 회전 속도를 갖는 제3 출력을 발생하게 된다.
이와 반대로 외부 저항이 제3 출력기어(142) 측으로 인가되어도 상술한 제2 출력기어 측으로 외부 저항이 인가되는 경우와 동일한 작동을 수행하며, 제2 출력기어(141) 및 제3 출력기어(142) 측으로 모두 외부 저항이 인가된다면, 외부 저항이 상쇄 또는 보강되어 어느 하나의 외부 저항만이 인가되는 것으로 상술한 바와 같이 작동한다고 볼 수 있다. 즉, 제2 출력기어(141) 및 제3 출력기어(142)는 모두 차동의 기능을 수행하게 된다.
제1 출력기어(131), 제2 출력기어(141) 및 제3 출력기어(142)는 연동되는 기어들의 기어 잇수에 따라 회전 속도가 달라지나 동일한 회전 방향을 갖도록 회전하게 된다. 3개의 출력기어가 모두 같은 방향으로 같은 속도로 회전해야 한다면 내부에서 기어들의 상대속도는 0이지만, 서로 다른 속도를 가져야 한다면 즉 출력기어들이 차동의 기능을 수행한다면 각 출력기어들의 상대속도가 달라지며 이는 하기 수식으로 설명할 수 있다.
Figure pat00001
여기서 ω1 은 구동부(110)에서 인가되는 구동력의 회전속도를 의미하며, ω2 는 제1 출력기어(131)의 회전속도를 의미하며, ω5 는 제2 출력기어(141)의 회전속도를 의미하며, ω8 은 제3 출력기어(142)의 회전속도를 의미하며, ω4/1 는 구동력에 대한 중간 기어(133)의 상대속도를 의미하며, ω6/4 는 중간기어(133)에 대한 제2 유성기어(143)의 상대속도를 의미한다. 또한 n3 은 제1 유성기어(132)의 기어 잇수를 의미하며, n2 는 제1 출력기어(131)의 기어 잇수를 의미하며, n4 는 중간 기어(133)의 기어 잇수를 의미하며, n3 은 제1 유성기어(132)의 기어 잇수를 의미한다. 또한, n6 은 제2 유성기어(143)의 기어 잇수를 의미하며, n5 는 제2 출력기어의 기어 잇수(141)를 의미하며, n7 은 제3 유성기어(144)의 기어 잇수를 의미하고 n8 은 제3 출력기어(142)의 기어 잇수를 의미한다.
먼저 제1 출력기어의 속도(ω2), 제2 출력기어의 속도(ω5) 및 제3 출력기어의 속도(ω8)를 실선으로 표현하였으며, 외부 동력의 회전속도(ω1) , 외부동력에 대한 중간기어의 상대속도(ω4/1) 및 중간 기어에 대한 제2 유성기어의 상대속도(ω6/4)들은 각 순간을 점으로 표시하여 이들을 연결하는 연속적인 형태로 표현하였다. θ에 따라 기어들의 상대속도가 달라지면서 차동되는 것을 확인할 수 있다.
이러한 차동기어부(110)의 작동을 기초로 본 발명의 제1실시예에 따른 다중 출력 차동 기어를 이용하는 로봇(100)의 작동에 대하여 설명한다.
먼저, 파이프 내부가 직관인 경우에는 외부저항이 없는 경우로 추정할 수 있으므로 구동력과 동일한 크기의 제1출력이 제1 출력기어(131)로부터 제1운동부(171)에 전달된다. 이때, 제2 출력기어(141) 및 제3 출력기어(142)로부터 제2 출력 및 제3 출력이 발생하지 않으므로, 제2운동부(172) 및 제3운동부(173)는 제1 운동부와 동일한 회전 속도로 회전하게 된다.
다음으로, 파이프 내부가 곡관이거나 장애물이 있는 경우로 외부저항이 발생하는 경우에는 제1 운동부(171), 제2 운동부(172) 및 제3 운동부(173) 중 적어도 어느 하나로부터 외부 저항이 인가되며, 상술한 차동기어부(110)의 작동에 의해 각 운동부(170)의 회전속도가 달라진다. 이의 자세한 설명은 차동기어부(110)의 작동에서 상술하였으므로 여기서는 자세한 설명은 생략한다.
이하, 차동기어부(110)로부터 운동부(170)에 구동력이 전달되는 과정을 설명한다.
차동기어부(110)에 포함되는 각각의 출력기어(131, 141, 142)에는 출력전달부(111)의 평기어들이 적어도 하나씩 치합되어 출력기어(131, 141, 142) 측으로부터 구동력을 전달받는다. 이때, 출력기어(131, 141, 142)들의 회전속도와 이에 대응하는 평기어(112)들의 회전속도는 상이할 수 있으며, 이는 출력기어(131, 141, 142)와 평기어(112)의 기어 잇수에 따라 결정된다.
제1운동부(171)로 제1 출력을 전달하는 제1 출력기어(131)를 기준으로 설명하면, 제1 출력기어(131)는 출력전달부(111)의 평기어(112a)와 치합되며, 평기어(112a)의 중심축 상에는 출력전달축(113)이 구비된다.
즉, 출력전달축(113a) 상에 평기어(112a)가 구비되어 평기어(112a)와 출력전달축(113a)은 동일한 회전을 하며, 이러한 회전력을 출력전달축(113a)의 단부상에 구비된 베벨기어(114a) 측으로 전달한다.
여기서, 베벨기어(114a)는 기어 메카니즘(1711)에 포함되는 평기어와 치합되며, 종국적으로 구동력은 바퀴부(1713) 측으로 전달된다.
바퀴부(1713) 측으로 외부 저항이 인가되는 과정은 상술한 구동력 전달과정의 역방향으로 진행되므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
또한, 이러한 작동은 제2운동부(172) 및 제3 운동부(173)에서도 동일하게 작동한다.
한편, 본 발명의 제1실시예에 따른 다중 출력 차동 기어를 이용하는 로봇(100)이 곡관 내부를 이동하는 경우, 간격조절부(180)를 통해 운동부(170)과 곡관 내벽면 사이의 접촉을 유지시킬 수 있다.
이를 자세히 설명하면, 다중 출력 차동 기어를 이용하는 로봇(100)이 곡관 내부를 이동하는 경우 방사방향을 따라 원심력이 작용하므로, 로봇(100)은 방사방향 측 곡관 벽면에 근접하되 중심방향 측 곡관 벽면으로부터는 멀어지게 된다.
여기서, 방사방향 측 곡관 벽면에 근접하는 운동부(170) 사이의 이격 간격은 넓어질 필요성이 있으므로 간격조절부(180)는 프레임(161)이 차동기어부(110)에 근접하는 방향으로 이동시킴으로써 운동부(170) 사이의 이격 간격을 넓힌다.
또한, 중심방향 측 곡관 벽면에 근접하는 운동부(170) 사이의 이격 간격은 좁아질 필요성이 있으므로 프레임(161)을 차동기어부(110)와 멀어지는 방향으로 이동시킴으로써 운동부(171) 사이의 이격 간격을 좁힌다.
이와 같이, 파이프의 상황에 따라 적절히 운동부(170) 사이의 이격 간격을 조절함으로써 운동부(170)와 파이프 내벽면 사이의 접촉 유지력을 향상시킬 수 있다.
다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇에 대하여 설명한다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 출력 차동 기어를 이용하는 로봇을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 다중 출력 차동기어를 이용한 로봇(200)은 차동기어부(210)의 각각의 출력기어들이 연동하여 배관 내부의 상태에 따라 스스로 속도를 조절함으로써 안정적인 주행을 할 수 있고, 필요에 따라 차동기어부(210)에 인가되는 구동력을 차단시킬 수 있는 것으로서, 차동기어부(210)와 구동부(150)와 구출부(160)와 운동부(270)와 간격 조절부(280)를 포함한다.
도 15는 도 14에 따른 다중 출력 차동 기어를 이용하는 로봇에서 차동기어부를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 16은 도 14에 따른 다중 출력 차동 기어를 이용하는 로봇에서 차동기어부를 개략적으로 도시한 분해사시도이다.
도 15 또는 도 16을 참조하면, 상기 차동기어부(210)는 하나의 구동력을 통해 복수개의 차동되는 출력을 발생할 수 있는 것으로, 구동력전달부(220)와 제1 차동기어부(230)와 제2 차동기어부(240)를 포함하며, 구동력 전달부(220)와 제2 차동기어부(240)는 본 발명의 제1실시예(100)에서 설명한 것과 동일하므로 여기서 자세한 설명은 생략한다.
제1 차동기어부(230)는 제1 출력기어(231)와 3개의 제1 유성기어(232)와 제1 중간 기어(233)와 제4 출력기어(234)와 3개의 제4 유성기어(235)와 제2 중간 기어(236)를 포함한다.
또한, 제1 중간 기어(233)와 제4 유성기어(235) 사이에는 제3 마감부(237a, 237b)를 마련하여, 제1 중간 기어(233)에서 제4 유성기어(235)로 제1 중간 출력을 전달할 수 있고, 제4 출력기어(234)와 제4 유성기어(235)와 제2 중간 기어(236)의 위치를 고정할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 차동기어부(230)의 배치관계를 설명하면, 제1 실시예(100)에서의 제1 차동기어부(130)가 적어도 2개 이상으로 마련되어 회전축(151) 방향을 따라 서로 이웃하게 배치된 것이 제2 실시예(200)에서의 제1 차동기어부(230)의 구성에 해당된다.
상기 운동부(270)는 제1 출력기어(231), 제2 출력기어(141), 제3 출력기어(142) 및 제4 출력기어(234)와 연동되며, 각각의 출력기어들로부터 출력을 전달받아 운동하며, 운동시 발생하는 외부저항을 입력받아 각각의 출력기어 측으로 전달하는 것이다. 본 발명의 제2실시예(200)에 따른 운동부(270)는 제1운동부(271)와 제2운동부(272)와 제3운동부(273)와 제4 운동부(274)를 포함한다.
본 발명의 제2실시예(200)에 따르면 4개의 운동부(271,272,273,274)는 구동부(150)의 회전축(151)을 중심으로 각각의 운동부(270) 사이의 사이각이 90°로 등각을 이루도록 배치되나 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 각각의 운동부(270)들의 배치관계를 제외하고는 제1 실시예(100)에서 설명한 각각의 운동부(170)와 동일하므로 여기서 자세한 설명은 생략한다.
상기 간격조절부(280)도 각각의 운동부(270)와 연결되도록 4쌍의 연결부재(271, 272)로 마련되며, 이외의 것은 제1 실시예(100)에서 설명한 것과 동일하므로 여기서 자세한 설명은 생략한다.
즉, 본 발명의 제2실시예(200)에 따르면, 차동기어부(210)에 구비되는 출력기어가 총 4개로 마련되기 때문에, 이에 대응되도록 운동부(270) 및 간격조절부(280)의 연결부재(282,283)도 각각 4개로 마련된다.
물론, 제1 차동기어부(230)에 출력기어가 3개 이상으로 마련되는 것도 가능하므로, 이에 대응되는 유성기어 및 중간기어들이 더 추가될 수 있으며, 또한 운동부와 간격조절부의 연결부재들도 더 추가될 수 있다.
지금부터는 상술한 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇의 제2실시예(200)의 작동에 대하여 설명한다.
차동기어부(210)의 구성 중에서 구동력전달부(220) 및 제2 차동기어부(240)의 작동방법은 제1실시예(100)와 동일하며, 구출부(260)와 운동부(270)와 간격조절부(280)도 구성하는 요소의 개수만이 증가한 것이며 작동방법은 동일하다.
제1 차동기어부(230)의 작동에 대하여 설명한다. 구동력전달부(220)에서부터 제1 중간 기어(233) 까지의 구동력 및 제1 중간출력의 발생과정은 제1실시예(100)와 동일하다.
먼저, 제1 중간 기어(223)으로부터 제1 중간 출력이 발생하면 제1 중간 출력은 제2 중간출력 전달부(237)에 의하여 제1 중간 기어(223)와 연동되는 제4 유성기어(235)로 전달된다. 제 4 유성기어(235)로 전달된 제1 중간 출력은 제4 유성기어(235)가 제4 출력기어(234) 및 제2 중간기어(236)와 연동하면서, 제4 출력기어(234)로부터 외부저항이 인가되는지 여부에 따라 제2 중간기어(236)에서 제2 중간출력이 변환하게 된다.
제4 출력기어(234)로 외부 저항이 인가되어 제2 중간 기어(236)로부터 제2 중간 출력이 발생된다면, 이러한 제2 중간 출력은 제2 차동기어부(240)의 로 전달되어 제2 차동기어부(240)를 작동시키게 된다. 이 후의 제2 차동기어부(240)의 작동은 제1 실시예(100)에서의 작동과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100: 제1실시예에 따른 다중 출력 차동 기어를 이용하는 로봇
110: 차동기어부 120: 구동력전달부
130: 제1 차동기어부 140: 제2 차동기어부
150: 구동부 160: 구출부
170: 운동부 180: 간격조절부
200: 제2실시예에 따른 다중 출력 차동 기어를 이용하는 로봇
210: 차동기어부 220: 구동력전달부
230: 제1 차동기어부 240: 제2 차동기어부
250: 구동부 270: 운동부
280: 간격조절부

Claims (14)

  1. 구동력을 인가받아 상기 구동력과 연동되되 상기 구동력으로부터 차동되는 적어도 3개의 출력을 발생시키는 차동기어부;
    상기 차동기어부에 구동력을 전달하며, 상기 차동기어부로부터 멀어지거나 근접하는 방향으로 이동함으로써 상기 차동기어부에 착탈되게 마련되는 구동부;
    상기 구동부와 상기 차동기어부 사이의 이격 간격을 조절하여 상기 구동부를 상기 차동기어부에 착탈시키는 구출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 차동기어부는,
    상기 구동부로부터 구동력을 전달받아 회전하는 구동전달부; 상기 구동전달부의 일면에 장착되며, 외부 저항의 인가시 상기 구동전달부와 상이한 회전 속도를 갖는 제1 출력을 발생하는 제1 출력기어와 상기 제1 출력기어와 연동하여 중간출력을 발생하는 중간 기어를 구비하는 제1 차동기어부; 상기 제1 차동기어부로부터 상기 중간 출력을 전달받으며, 외부 저항의 인가시 상기 중간 출력과 상이한 회전 속도를 갖는 제2 출력을 발생하는 제2 출력기어와 상기 제2 출력기어와 연동함으로써 상기 제2 출력과 상이한 회전 속도를 갖는 제3 출력기어를 구비하는 제2 차동기어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 구출부는,
    상기 구동부의 외면으로부터 상기 회전축의 방사방향을 따라 연장되는 프레임; 상기 프레임을 관통하되 상기 슬라이딩 기어에 연결되는 축부재; 를 포함하며,
    상기 축부재에 하중을 인가함으로써 상기 구동전달부와 상기 구동부 사이의 이격 간격을 조절하는 것을 특징으로 하는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 구출부는 상기 축부재의 상기 프레임측 단부에 마련되며, 상기 축부재에 하중 인가시 상기 축부재가 상기 프레임으로부터 이탈하는 것을 방지하는 핸들부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 구출부는 상기 축부재의 상기 슬라이딩 기어 측 단부에 마련되어 상기 축부재에 탄성력을 인가하는 탄성부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 출력기어, 제2 출력기어 및 제3 출력기어로부터 발생하는 출력과 각각 연동하며, 외부 저항을 인가받아 제1 출력기어, 제2 출력기어 및 제3 출력기어 중 적어도 어느 하나로 전달하는 복수개의 운동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 운동부는 상기 제1 출력기어, 제2 출력기어 및 제3 출력기어로부터 각각 연장되며 상기 구동부의 중심축을 중심으로 서로 120°의 각도를 이루며 이격되는 제1 운동부, 제2 운동부 및 제3 운동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 운동부, 제2 운동부 또는 제3 운동부는 한 쌍으로 마련되어 상기 차동기어부의 길이방향을 따라 서로 이격되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 운동부가 운동면에 접촉한 상태를 유지하도록 상기 운동부와 상기 차동기어부 사이의 이격 간격을 조절하는 간격 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 간격조절부는,
    상기 구동부의 외면상에 마련되어 상기 구동부의 길이방향을 따라 이동가능하게 마련되는 슬라이더; 상기 슬라이더로부터 연장되며 상기 한 쌍의 운동부 중 어느 하나에 연결되는 제1 연결부재; 상기 슬라이더로부터 연장되며 상기 한 쌍의 운동부 중 다른 하나에 연결되는 제2 연결부재;를 포함하며,
    상기 슬라이더의 움직임에 따라 상기 제1 연결부재 및 상기 제2 연결부재는 상기 한 쌍의 운동부를 서로 근접하는 방향 또는 서로 멀어지는 방향으로 운동시키는 것을 특징으로 하는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇.
  11. 제 2항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 출력기어는 내주면에는 톱니가 형성되고,
    상기 중간기어는 상기 제1 출력기어의 내부에 상기 제1 출력기어의 내측으로부터 이격되게 마련되며,
    상기 제1 차동기어부는 상기 제1 출력기어의 톱니와 상기 중간기어의 외주면에 동시에 치합하는 제1 유성기어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇.
  12. 제 2항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 출력기어 및 상기 제3 출력기어의 내주면에는 톱니가 형성되고,
    상기 제2 차동기어부는 상기 제2 출력기어의 톱니와 치합하며 상기 제2 출력기어와 연동하여 회전하는 제2 유성기어부; 상기 제2 유성기어부 및 상기 제3 출력기어의 톱니와 동시에 치합하며, 상기 제2 유성기어 및 상기 제3 출력기어와 연동하여 회전하는 제3 유성기어;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇.
  13. 제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 출력기어, 제2 출력기어 및 제3 출력기어는 상기 운동부와 연동하여 외부 저항을 인가받도록 외주면에 톱니가 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇.
  14. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 차동기어부는 복수개의 출력기어를 구비하며,
    상기 복수개의 출력기어들은 외부 저항의 인가시 각각 상기 구동전달부로부터 제공되는 구동력과는 상이한 회전 속도를 갖는 복수개의 출력들을 발생하는 것을 특징으로 하는 다중 출력 차동 기어를 이용한 로봇.
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WO2023038383A1 (ko) * 2021-09-13 2023-03-16 주식회사 에이텍에이피 픽업로봇

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