KR20180075755A - 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치 - Google Patents

모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 작동유 직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치 에 대한 것이다. 보다 상세하게는 전기 모터를 포함하며, 전기동력을 발생시키는 전기모터부; 출력 포트를 구비한 기어 펌프를 포함하며, 상기 전기동력을 인가 받아, 유압동력을 발생시키는 유압 기어 펌프부; 상기 유압동력에 의한 작동유를 엑츄에이터에 인가하기 위한 작동유토출포트; 상기 작동유를 상기 출력 포트로부터 상기 작동유 토출 포트로 이송하는 유압로; 상기 유압로 일측에 구비되어 유압로 압력을 측정하는 압력센서; 고RPM-저토크인 상기 전기동력을, 저RPM-고Torque로 변환하여, 상기 유압 기어 펌프로 인가하는 동력변환부;및 상기 유압로 압력 측정값을 기반으로 상기 전기 모터의 작동을 제어하는 작동제어부;를 포함하며, 상기 전기모터부와, 상기 유압피스톤펌프와, 상기 유압로 및 상기 동력변환부가 내부에 배치되어 밀폐되고, 구동용 전원 및 제어 신호를 인가하기 위한 전원-제어선 커넥터를 구비하는 케이스부를 포함하는 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치에 관한 것이다.

Description

모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치{SMALL HYDRAULIC SYSTEM INTEGRATED WITH MOTOR AND DOUBLE ROWS PHASE DISPLACEMENT TYPE EXTERNAL PUMP AND BUILT-IN HYDRAULIC CIRCUIT}
본 발명은 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 작동유 직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치 에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 유압 펌프를 이용하며 필요한 크기의 출력을 확보하고, 일반적인 유압 동력 발생장치에서 사용하는 복잡한 제어 시스템을 대신하여, 상대적으로 정밀제어가 가능한 전기모터로 작동유의 유량을 직접 제어하며, 복열위상식 기어펌프와 전기모터를 일체형으로 집적하여 소형화한 모터와 유압펌프가 일체화되고, 작동유 직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치에 관한 것이다.
로봇 산업은, 그 수적인 측면은 물론이고 적용 분야도 급격히 확대 되고 있다. 각종 자동화 생산 설비에 적용되어, 대량 생산 산업의 근간이 되고 있으며, 재난 현장과 같은 극한 상황에서 인간을 대신한 작업에 투입되는 목적으로 개발되고 있기도 하다.
전통적인 전천후 이동 수단인 무한궤도를 이용한 운송장치 대신에, 4족 보행 동물의 외형과 그 보행 매커니즘을 이용한 4족 보행 로봇, 회전 스크류 회전 방식이 아닌 어류의 외형으로, 좌우로 움직이는 꼬리 지느러미를 이용한 어류형 수중 잠수 로봇 등, 많은 분야에서, 특정한 기능 구현에 치중하고 그 외형 "기능에 충실한 기계"에 불과했던, '로봇'이, 이제는 다양한 기능을 가장 효과적으로 수행할 수 있도록, 그 외형과 크기가 실제 생명체와 유사하도록 개발되고 있다.
특히 최근에는 인간의 외형을 모사한 휴머노이드 로봇(humanoid robot)의, 기계 및 제어 시스템의 개발이 활발해지고 있으며, 더욱이 엄청난 기술 발전 속도로 인간의 두뇌까지 따라잡고 있는, 인공지능 기술이 접목될 경우에는, 인간의 외형으로 2족 보행을 하며, 인간의 정교한 팔과 손의 움직임으로, 인간의 일을 대신하는 시대가 현실화 될 것이다.
이처럼 다양한 방면에서 로봇 시스템의 효용성을 높이기 위해서는, 필요한 출력으로 정밀한 제어가 가능한 구동시스템이 필수적이다. '움직임'을 위해서는 구동시스템이 필수적이지만, 생물체가 구비한 구동 시스템에 버금가는 효율적인 인공 구동 시스템은 개발되지 못했다. 물리적으로 작은 부피를 차지하면서도, 엄청난 힘과 속도를 구비한 구동 시스템에 필적할만한 기계적 구동 시스템은 아직 현실화 하지 못한 것이다.
현재 일반적인 로봇 장치에 사용되고 있는 구동 시스템은 유압식 구동장치로서, "밀폐된 용기에 담긴 비압축성 유체에 가해진 압력은 유체의 모든 지점에 같은 크기로 전달된다"는 파스칼의 원리 또는 유체 압력 전달 원리를 이용한 장치이다.
도 1에 일반적인 유압 장치의 구성 요소를 나타내었다. 도 1에서 확인할 수 있듯이, 일반적인 유압장치는 크게 유압발생부, 유압제어부, 유압 구동부로 구분할 수 있다. 유압발생부는 유압을 생성하는 부분으로서, 전체 장치의 에너지 생성장치인 전동기 또는 모터, 이 에너지를 이용하여 유압을 발생시키는 유압펌프 및 기타 부속품으로 구성될 수 있다.
유압 발생부에서 생성된 유압은 유압제어부에서, 크기, 방향, 속도가 제어되어, 기계적인 일을 수행하는 유압 구동부로 인가된다. 이러한 현재의 유압 장치는 고출력이 요구되는 굴삭기, 크레인 등에 적용될 수 있는 큰 힘을 낼 수 있어서, 현재의 중대형 산업용 로봇 장치에 적용되는 구동 시스템의 대부분을 차지하고 있다.
그러나 이러한 유압장치는, 그 구조가 복잡할 뿐만 아니라, 유압 에너지를 제어하기 위한 핵심 구성인 유압 제어부의 부피가 커서, 소형화에는 한계가 있다.
반면에 앞서 설명한 바와 같은 동물형 로봇, 인간형 로봇 등과 같은 유기체의 외형을 모사한 소형 로봇시스템에서는, 괴력의 힘보다는 작업 분야에 맞는 적절한 힘을 필요로 한다. 즉, 수천만년 동안의 진화 단계에서 해당 유기체가 채택한, 가장 효과적인 외형 구조를 효과적으로 사용할 수 있을 정도의 힘이 필요하며, 이러한 외형 구조와 힘이 결합함으로써, 기존의 로봇 시스템이 할 수 없었던, 다양하면서도 복잡한 작업을 보다 유연하게 대응할 수 있는 로봇 시스템에 적용이 가능하게 된다.
따라서, 유압 펌프를 이용하며 필요한 크기의 출력을 확보하고, 일반적인 유압 동력 발생장치에서 사용하는 복잡한
제어 시스템을 대신하여, 상대적으로 정밀제어가 가능한 전기모터로 작동유의 유량을 직접 제어하며, 유압펌프와 전기모터를 일체형으로 집적하여 소형화한 유압 동력 발생장치가 개발된다면, 향후 다양한 로봇 시스템에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것으로 예상된다.
한국 공개특허 10-2004-0031433
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유압 동력 발생 장치의 필수 요소를 케이스부(500) 내부에 모두 집적하여, 일체형으로 제작하였다. 또한 기계적 에너지 발생장치인 모터부(100)에서, 유압 에너지 발생 장치인 복열위상식 기어펌프부(300)에 이르기까지의 에너지 전달 과정에, 에너지의 주요한 구성 요소인, 힘(force)의 크기를 변환할 수 있는 장치를 배치함으로써, 소형 로봇 시스템의 관절시스템에서 요구하는 작동압을 발생시키면서도, 종래의 고출력 유압 발생장치에 비해서 소형화가 가능한 모터와 펌프가 일체화되고, 작동유 직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은, 전기 모터를 포함하며, 전기동력을 발생시키는 전기모터부; 출력 포트를 구비한 기어 펌프를 포함하며, 상기 전기동력을 인가 받아, 유압동력을 발생시키는 유압 기어 펌프부; 상기 유압동력에 의한 작동유를 엑츄에이터에 인가하기 위한 작동유토출포트; 상기 작동유를 상기 출력 포트로부터 상기 작동유 토출 포트로 이송하는 유압로; 상기 유압로 일측에 구비되어 유압로 압력을 측정하는 압력센서; 고RPM-저토크인 상기 전기동력을, 저RPM-고Torque로 변환하여, 상기 유압 기어 펌프로 인가하는 동력변환부;및 상기 유압로 압력 측정값을 기반으로 상기 전기 모터의 작동을 제어하는 작동제어부;를 포함하며, 상기 전기모터부와, 상기 유압피스톤펌프와, 상기 유압로 및 상기 동력변환부가 내부에 배치되어 밀폐되고, 구동용 전원 및 제어 신호를 인가하기 위한 전원-제어선 커넥터를 구비하는 케이스부를 포함하는 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 상기 전기모터는 BLDC(Brushless DC) 모터인 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 BLDC 모터의 회전수를 제어하기 위한 엔코더 또는 ESC(Electric Speed Controller)를 포함하는 모터제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 기어 펌프는, 상부 구동기어와 하부 구동기어가 기어치 위상차를 갖고 앞뒤로 위치된 주 구동축; 및 상기 상부 구동기어와 맞물린 상부 종동기어및 상기 하부구동기어와 맞물린 하부 종동기어를 구비한 종동축;를 구비하여, 상기 상부 구동기어와 상기 하부 구동기어의 기어치 위상차로 인하여 맥동 저감된 출력을 가지는 복열위상 변위식 외접기어펌프인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 펌프 케이스 드레인 포트와 상기 유압로 사이에 구비되어, 상기 펌프 케이스 드레인 포트에서 출유된 드레인 작동유를 상기 유압로 이송하는 펌프 드레인 유압로를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 펌프 드레인 유압로의 일측에 구비되는 체크 벨브를 더 포함하며, 상기 작동 제어부가 상기 체크 벨브를 이용하여 상기 드레인 작동유의 유량을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 동력변환부는 기어 방식 또는 벨트-풀리방식 중 적어도 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 동력변환부는 펌프 샤프트의 회전수를 측정하는 회전각 센서를 포함하고, 상기 샤프트 회전수를 기반으로 상기 작동 제어부가 상기 전기모터 회전수 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 축압기와 상기 유압로 사이에 배치되며, 상기 작동유가 이송되는 축압기 유압로를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 축압기 유압로의 일측에 구비되는 파일럿 체크 밸브를 더 포함하여 상기 압력 센서의 측정값을 기반으로, 상기 작동 제어부가 상기 파일럿 체크벨브를 조절하여, 상기 엑츄에이터의 양방향 선형 유압 실린더 각각의 서로 다른 용적을 보상하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전원-제어선 커넥터는 방수, 방진, 내압 커넥터인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유압 동력 발생 장치의 필수 요소를 케이스부(500) 내부에 모두 집적하여, 일체형으로 제작하였다. 또한 기계적 에너지 발생장치인 모터부(100)에서, 유압 에너지 발생 장치인 복열위상식 기어펌프부(300)에 이르기까지의 에너지 전달 과정에, 에너지의 주요한 구성 요소인, 힘(force)의 크기를 변환할 수 있는 장치를 배치함으로써, 소형 로봇 시스템의 관절시스템에서 요구하는 작동압을 발생시키면서도, 종래의 고출력 유압 발생장치에 비해서 소형화가 가능한 장점이 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1. 일반적인 유압장치의 구성요소.
도 2. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치의 외형 사시도.
도 3a. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치의 유압회로
도 3b. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치의 측단면도
도 4. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치에 적용된 BLDC 모터와 BLDE 모터 제어부와 벨터-폴리 방식 동력변환부 및 복열 위상식 기어펌프의 배치 사시도.
도 5a. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압 힘 직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치에 적용된 복열위상 변위식 외접 기어펌프의 사시도
도 5b. 도 5a의 복열 위상 변위식 외접 기어펌의 주 구동축에 상부 구동기어와 하부 구동 기어의 기어치 위상차 배열 상태
도 5c. 도 5a의 복열 위상 변위식 외접 기어펌의 맥동 저감된 출력 특성.
도 6. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압 힘 직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치의 제어흐름에 따른 블럭 구성도
도 7. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압 힘 직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치를 유압작동 로봇팔에 적용한 개념도
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 (발명의 명칭)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터와 복열위상식 기어 펌프가 일체화되고, 유압 힘 직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치의 사시도를 도시 하였다.
도 2에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 유압 동력 발생장치는, 유압 동력 발생에 필요한 모든 구성이 단일 구조체로 형성되어있으며, 유압호스커넥터(520) 및, 방수/방진/내압 커텍터(530) 등을 구비한 케이스부(500)의 내부에 배치되어있다.
유압호스커넥터(520)은 본 발명에 따른 소형 유압 동력 발생기와 외부의 엑츄에이터 사이의 작동유 교환을 위한 유압 호스 연결용 커넥터이다. 또한 방수/방진/내압 커넥터(530)는, 케이스부 내부에 장착된 전기 모터와 제어회로 및, 센서등에 사용되는 전력공급선과 제어신호선을 연결할 수 있는 포트로서, 유압 동력 발생기가 적용된 로봇 시스템의 사용환경에 상관없이, 전력과 신호의 안정적 전송을 위해서, 방수/방진/내압 기능을 구비할 수 있다.
압력 센서(540)는 유압로(400)의 압력을 측정하며, 부스팅포트는 본 발명에 의한 유압 발생기 내부의 초기 압력을 유지하기 위한 부스팅 시스템(boosting system)과 연결되는 포트이다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한, 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치의 유압회로도와 측단면도를 도시하였다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 유압 동력 발생장치는 모터부(100)와, 동력변환부(200)와 펌프(300), 유압로(400)를 포함할 수 있으며, 케이스부(500) 내부에 배치된다.
모터부(100)는 외부에서 전기에너지를 공급받아 기계에너지를 생성하고, 동력 변환부(300)는 모터부에서 생성된 기계에너지의 힘의 크기를 변환하여 복열위상식 기어펌프부로 인가한다. 복열위상식 기어펌프(300)부는 인가된 기계적에너지를, 맞물린 기어쌍의 회전을 이용하여 유압에너지로 변환한다. 복열위상식 기어펌프에 의해 가압되어 초툴된 유압 작동유는 유압로(400)를 통하여 이송되며, 케이스부(500)외부 엑츄에이터의 실린더로 유입되는 구조이다.
도 2 내지 도 3에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 유압 동력 발생 장치는, 유압 동력 발생 장치의 필수 요소를 케이스부(500) 내부에 모두 집적하여, 일체형으로 제작하였다. 또한 기계적 에너지 발생장치인 모터부(100)에서, 유압 에너지 발생 장치인 복열위상식 기어펌프부(300)에 이르기까지의 에너지 전달 과정에, 에너지의 주요한 구성 요소인, 힘(force)의 크기를 변환할 수 있는 장치를 배치함으로써, 소형 로봇 시스템의 관절시스템에서 요구하는 작동압을 발생시키면서도, 종래의 고출력 유압 발생장치에 비해서 소형화가 가능하였다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 유압펌프에 의해서 발생된 유량은 체크 벨브(401)와 파일럿 체크 벨브(402)를 통하여 선형 엑츄에이터에 전달된다. 유압 펌프는 양방향 복열위상식 기어펌프를 채용하여, 각각의 입출력 포트가 형성된다. 또한 펌프 케이스 압력을 유압로에 다시 전달하여, 유압회로를 폐회로로 구성함으로써, 유압의 힘 제어 정확성과 민첩성을 확보할 수 있다.
선형 엑츄에이터의 양방향 유압 실린더 각각의 용적이 틀리기 때문에, 축압기(403)와 파일럿 체크 벨브를 이용하여 이를 보상할 수 있다. 또한, 유압회로도에 도시된 바와 같이, 압력센서를 유압로(400)에 설치하여, 엑츄에이터의 실린더 용적 변화에 따른 유압로(400) 압력 변화를 측정하고, 이를 기반으로 하여 축압기와 파일럿 체크 벨브를 이용한 압력 보상이 가능하도록 한다.
체크벨브와 파일럿 체크 벨브를 포함한 유압로는 도 3b에 도시된 1, 2차 매니폴더의 내부에 형성되어있다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치에 적용된 BLDC 모터와 BLDE 모터 제어부와 벨터-폴리 방식 동력변환부 및 복열 위상식 기어펌프의 배치 사시도를 도시 하였다.
모터부(100)에 적용할 수 있는 전기 모터는 여러 종류가 사용될 수 있는데, 바람직하게는 소형 BLDC(brushless DC,111) 모터를 사용할 수 있다.
BLDC 모터는 기계적 점점이 없으므로, 브러쉬모터(brushed motor)에 비하여 잡음이 적고, 마모가 없어서 반영구적이다. 또한 에너지 손실이 적고 정확한 회전속도 제어가 가능하다. 또한 BLDC 모터는 코일형태로 감긴 권선을 이용한 전자석과, 영구 자석 사이의 인력과 반발력을 이용한 것으로, 일반적으로는 엔코더나 홀센서와 같은 회전자 검출 센서를 포함하는 Sensored 모터와, 이러한 센서가 없는 Sensorless 모터로 나눌 수 있다. 기계적 접점이 없으므로, 잡음이 적고 신뢰성이 높아서 반영구적으로 사용이 가능하다. 또한 고속화 소형화, 경량화가 가능하며, 기계적 접점에 의한 에너지 손실이 없을 뿐만 아니라, 자석을 사용하기 때문에 저력 밀도와 효율성이 높다. 특히 Sensored 모터는 코일과 영구자석 수를 고려한 펄스 DC 전류 펄스 수에 따라 회전수가 정할 수 있으며, 센서로부터 실제 모터의 PRM 정보를 피드백(feedback)받을 수 있기 때문에, 모터의 속도 및 가변속제어가 용이한 장점이 있다.
도 4에 도시한 바와 같이 모터부(100)는 BLDC모터(111)를 제어하기 위한 엔코더(encoder) 혹은 ESC(electric speed controller)를 포함한 모터 제어부(120)를 포함할 수 있다. 엔코더를 포함한 제어부는 앞서 설명한 바와 같이 BLDC 모터의 제어편의 편의성과 정확성을 높일 수 있다.
일반적으로 전기모터에서 생성되는 기계적 에너지는 고RPM-저torque의 회전운동에너지이다. 동력변환부(200)에서는 이런 고RPM-저torque의 기계적 에너지를, 저RPM-고torque의 에너지로 변환하여, 펌프샤프트(301)를 회전시킨다.
앞서 설명한 바와 같이 동력 변환부(200)는 모터부에서 생성된 고RPM-저torque의 기계적 에너지를, 저RPM-고torque의 에너지로 변환한다.
도 4에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 동력변환부(200)는 기어식과 벨트-풀리 방식으로 구분하여 적용할 수 있으며, 본 도에서는 감속비 1:3으로 구성하였다. 용도에 따라서 모터의 토크가 크거나 정확한 회전비가 필요한 경우에는 기어식이 바람직할 수 있으며, 모터의 토크가 크지 않거나 정확한 회전비가 필요하지 않는 경우에는 벨트-풀리방식이 바람직할 수 있다. 벨트-풀리 방식에서는 풀리 직경비율을 조절하고, 기어식에서는 기어비를 조절하여, 감속비를 조절할 수 있는데, 본 발명에 의한 소형 유압 동력 발생 장치가 적용되는, 일반적인 소형 로봇에서 요구되는 작동힘(0~60bar, 40kg 미만급)을 구현하기 위하여 사용된다.
또한 본 발명의 일 실시에에 따른 소형 유압 동력 발생장치의 동력변환부는 장치 외곽에 배치하여, 커버를 제거하면 곧바로 그 형체가 들어나게 함으로써, 벨트와 풀리 및 기어의 정비 및 교체를 용이하게 하게 하였다. 또한 벨트-풀리 및 기어식 동력변환부를 거친 회전 운동 에너지를 측정하기 위한 회전각 센서를 더 포함하여, 측정된 회전수를 기반으로 전기 모터의 적정 회전수를 제어할 수 있다.
또한 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 유압 동력 발생장치에 적용된 복열위상식 기어 펌프는 모터 풀리와 벨트로 연결된 주 구동축 풀리로부터 회전 동력을 전달받아서 구동된다.
도 5a에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압 힘 직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치에 적용된 복열위상 변위식 외접 기어펌프의 사시도를 도시하였다. 그리고, 도 5b에는 도 5a의 복열 위상 변위식 외접 기어펌의 주 구동축에 상부 구동기어와 하부 구동 기어의 기어치 위상차 배열 상태를 도시하였으며, 도 5c에는 도 5a의 복열 위상 변위식 외접 기어펌의 맥동 저감된 출력 특성을 도시 하였다.
도 5a에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 유압 동력 발생 장치에 적용된 복열 위상 변위식 외접기어펌프는, 전기모터로부터 회전 동력을 받는 주 구동축(310)과 주 구동축에 구비된 구동기어(311, 312)와 맞물려 회전하는 종동기어(321, 322)를 구비하는 종동축(320)으로 구성될 수 있다. 구동기어는 상부 구동기(311)와 하부 구동기어(312)로 구성되며, 종동기어는 상부 종동기어(321)와 하부 종동기어(322)로 구성된다. 상부 구동기어와 하부 구동기어의 기어치는 특정한 위상차를 가지는데, 이러한 기어치의 위상차는 기어펌프의 고질적인 문제점 중에 하나인 맥동 현상을 절감 시키는 효과가 있다.
도 5b와 도 5c를 참조하면, 복열 위상변위식 외접기어펌프에서는 상부 구동기어(311)와 상부 종동기어(321)로 인한 제1맥동패턴(A)과 하부구동기어(312)와 하부 종동기어(322)로 인한 제2맥동패턴(B)이 발생된다. 그러나, 상부구동기어(311)와 하부구동기어(312)의 기어치 위상차(Pangle)는 제1맥동패턴(A)과 제2맥동패턴(B)이 중첩된 위상차맥동중첩패턴(C)으로 전환됨으로써 맥동 저감된 출력 특성을 얻을 수 있다. 따라서 작동압을 정압에 가깝게 제어할 수 있으며, 진동 감소등의 효과를 얻을 수 있다. 또한 소형 로봇에 적용되기 위해서는, 작동압의 미세한 조절도 가능해야 유리한데, 일반적인 기어식 유압 펌프에 비해서 정압 특성이 뛰어나기 때문에, 제어 입력에 따른 출력의 선형성이 더 뛰어나기 때문에, 미세한 작동압 특성도 가질 수 있을 것으로 예상된다.
도 2 내지 도 5을 참조하면, 앞서 언급한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 유압 동력 발생장치는, 일반적으로 소형 로봇에서 요구되는 저용량의 작동압(0~60bar)에 대응 하기 위한 것이다. 이렇게 전체 작동압의 범위가 좁을 경우에는, 작동압을 제어할 때에는 높은 분해능과 일정한 유압을 유지지 특성이 필요하다. 따라서 본 발명의 일 실시에서 채용하고 있는 BLDC 모터와 복열 위상 변위식 기어 펌프, 그리고 이들 사이에 배치되는 동력 변환부가 유기적으로 동작함으로써, 외부 제어에 대한 반응 속도는 높이면서도, 정밀한 제어가 가능한 소형 유압 동력 발생 장치를 구현할 수 있다.
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치의 제어흐름에 따른 블럭 구성도를 도시하였다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 의한 유압 동력 발생장치는, 케이스부 외부에서 주입된 전기에너지를, 엑츄에이터에 작동유를 인가할 수 있는 유압에너지로 변환시킨다. 도 6과 같이 구성된 본 발명에 의한 소형 유압 동력 발생 장치는, 유압 작동유의 유량을 전기모터를 통하여 직접 제어함으로서 유량/압력제어 벨브 없이 유압 작동유를 이용한 엑츄에이터에 작동을 인가할 수 있으며, 모터와 펌프, 유압회로 및 축압기가 일체화되는 시스템을 구성할 수 있다.
도 7에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치를 유압작동 로봇팔에 적용한 개념도를 도시하였다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 소형 유압 동력 발생장치를 로봇팔의 회전형 엑츄에이터에 유압호스로 연결하여 작동유를 인가함으로써, 로봇팔의 유압 동력으로 사용할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 유압 동력발생장치는 기존 유압 발생장치에 비해 소형화 할 수 있으므로, 회전형 또는 선형 엑츄에이터와 일체형으로 제작할 수 도 있다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100. 모터부
110. 전기모터
111. BLDC 모터
120. 모터제어부
200. 동력 변환부
300. 복열 위상식 기어펌프부
310. 주 구동축
311. 상부 구동기어
312. 하부 구동기어
320. 종동축
321. 상부 종동기어
322. 하부 종동기어.
400. 유압로
401. 체크벨브
402. 파일럿 체크 벨브
403. 축압기
500. 케이스부
510. 작동유토출포트
520. 유압호스 커넥터
530. 방수/방진/내압 커넥터
540 압력센서
550. 부스팅포트
600. 리니어 엑츄에이터

Claims (12)

  1. 전기 모터를 포함하며, 전기동력을 발생시키는 전기모터부;
    출력 포트를 구비한 기어 펌프를 포함하며, 상기 전기동력을 인가 받아, 유압동력을 발생시키는 유압 기어 펌프부;
    상기 유압동력에 의한 작동유를 엑츄에이터에 인가하기 위한 작동유토출포트;
    상기 작동유를 상기 출력 포트로부터 상기 작동유 토출 포트로 이송하는 유압로;
    상기 유압로 일측에 구비되어 유압로 압력을 측정하는 압력센서;
    고RPM-저토크인 상기 전기동력을, 저RPM-고Torque로 변환하여, 상기 유압 기어 펌프로 인가하는 동력변환부;및
    상기 유압로 압력 측정값을 기반으로 상기 전기 모터의 작동을 제어하는 작동제어부;및 상기 전기모터부와, 상기 유압피스톤펌프와, 상기 유압로 및 상기 동력변환부가 내부에 배치되어 밀폐되고, 구동용 전원 및 제어 신호를 인가하기 위한 전원-제어선 커넥터를 구비하는 케이스부를 포함하는 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기모터는 BLDC(Brushless DC) 모터인 것을 특징으로 하는 모터와 펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 BLDC 모터의 회전수를 제어하기 위한 엔코더 또는 ESC(Electric Speed Controller)를 포함하는 모터제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기어 펌프는,
    상부 구동기어와 하부 구동기어가 기어치 위상차를 갖고 앞뒤로 위치된 주 구동축;및
    상기 상부 구동기어와 맞물린 상부 종동기어, 및 상기 하부구동기어와 맞물린 하부 종동기어를 구비한 종동축;를 구비하여,
    상기 상부 구동기어와 상기 하부 구동기어의 기어치 위상차로 인하여 맥동 저감된 출력을 가지는 복열위상 변위식 외접기어펌프인 것을 특징으로 하는 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기어 펌프부는 펌프 케이스 드레인 포트를 구비하는 것을 특징으로 하는 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 펌프 케이스 드레인 포트와 상기 유압로 사이에 구비되어, 상기 펌프 케이스 드레인 포트에서 출유된 드레인 작동유를 상기 유압로 이송하는 펌프 드레인 유압로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 펌프 드레인 유압로의 일측에 구비되는 체크 벨브를 더 포함하며,
    상기 작동 제어부가 상기 체크 벨브를 이용하여 상기 드레인 작동유의 유량을 조절하는 것을 하는 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 동력변환부는 기어 방식 및 벨트-풀리방식 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 동력변환부는 펌프 샤프트의 회전수를 측정하는 회전각 센서를 포함하고, 상기 샤프트 회전수를 기반으로 상기 작동 제어부가 상기 전기모터 회전수 제어하는 것을 특징으로 하는 모터와 펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 축압기와 상기 유압로 사이에 배치되며, 상기 작동유가 이송되는 축압기 유압로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 축압기 유압로의 일측에 구비되는 파일럿 체크 밸브를 더 포함하여
    상기 압력 센서의 측정값을 기반으로, 상기 작동 제어부가 상기 파일럿 체크벨브를 조절하여, 상기 엑츄에이터의 양방향 선형 유압 실린더 각각의 서로 다른 용적을 보상하는 것을 특징으로 하는 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전원-제어선 커넥터는 방수, 방진, 내압 커넥터인 것을 특징으로 하는 모터와 복열위상식 기어펌프가 일체화되고, 유압직접제어를 위한 유압회로가 내장된 소형 유압 동력 발생장치.
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