WO2012036426A2 - 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 시스템, 이의 기어 모듈 및 이의 제어방법 - Google Patents

두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 시스템, 이의 기어 모듈 및 이의 제어방법 Download PDF

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Definitions

  • a planetary gear system using two input characteristics a gear module having the same, and a control method thereof. More specifically, a planetary gear system using two input characteristics having a gear shifting effect using two motor characteristics, a gear module having the same, and a control method thereof are disclosed.
  • actuators driving robots and mechanical systems must be capable of high speed, low torque and low speed, high torque motion. If the actuator can generate high torque even at high speed, it can satisfy all of these driving requirements, but this requires the use of a high capacity motor.
  • the use of high capacity motors increases the weight and size of the system. In addition, it becomes an element that makes it difficult to manufacture the system small.
  • the transmission gear system is used to satisfy the characteristics of high speed-low torque and low speed-high torque in the process of transmitting engine rotational force to the driving wheels.
  • the use of a shift gear system is more efficient because it allows the engine to run at an energy efficient engine speed.
  • a planetary gear system using two input characteristics for receiving respective driving forces from two driving units having different characteristics and outputting the combined force of the two driving forces, a gear module having the same, and a control method thereof This is provided.
  • a planetary gear system using two input characteristics a gear module having the same, and a control method thereof, which can combine the two input characteristics to produce a high-low torque or low-high torque output as needed.
  • a planetary gear system using two input characteristics which can be effectively employed in a small system using a small motor, and easily modularized to enable cost reduction and mass production, and a gear module having the same and a control method thereof are provided.
  • the gear system is a third gear formed to mesh with at least one of the first gear portion, the second gear portion formed to engage with the first gear portion, the first gear portion or the second gear portion.
  • a gear source, and a driving source for generating a driving force wherein two gear parts of the first to third gear parts are input parts to receive respective driving force from the driving source, and the other gear part is the respective driving force. It becomes the output part that exports the combined force.
  • the gear module is to engage with at least one of the first gear portion to which the first driving force is transmitted, the second gear portion to which the second driving force is transmitted, and the first gear portion or the second gear portion. It includes a third gear portion formed, the output force of the driving force input to the first gear portion and the second gear portion through the third gear portion.
  • the gear system receives the driving force from two drive units having different characteristics and outputs the combined force, thereby providing output of various speed and torque combinations as necessary. This can achieve the effect of gear shifting.
  • the combination of the two input characteristics can produce a high-low torque or low-high torque output as needed, so that even a small robot can freely change the output characteristics.
  • the maximum speed and the maximum torque can be increased compared to the size and weight of the motor used, and the energy use can be adjusted according to the load of the motor, thereby improving energy efficiency.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic view of a gear system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the gear system of FIG.
  • 3 to 5 are perspective views schematically showing the input-output relationship of the planetary gear system using two input characteristics
  • FIG. 9 is a view schematically showing a state in which a configuration for preventing a back drive is mounted on one drive unit of a gear system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view schematically showing a state in which a flywheel for preventing a back drive is mounted on one drive unit of a gear system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a state in which one driving source for inputting driving force is applied as a manual input in a gear system according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view showing a state in which a differential gear is applied to the gear system according to the fifth embodiment of the present invention.
  • Gear system 100 is a system that can produce a variety of output by synthesizing the characteristics of two different drive units.
  • the gear system 100 may be utilized in various fields that require a change in output characteristics according to a situation. In other words, the output of the high-low torque or the output of the low-high torque can be freely converted through one gear system 100.
  • the gear system 100 includes a first gear unit 110, a second gear unit 120, and a third gear unit 130. Particularly, two gear parts are input parts to which driving force is input, and the other gear part is output part to which the combined force of the driving force is output.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic view of a gear system according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 2 is an exploded perspective view schematically showing the gear system of FIG.
  • the first gear part 110 and the second gear part 120 are positioned to mesh with each other.
  • the third gear unit 130 is formed to mesh with at least one of the first gear unit 110 or the second gear unit 120.
  • the first to third gear parts 110, 120, and 130 are illustrated as sun gears of planetary gears, planetary gears connected to carriers, and ring gears. That is, the planetary gear unit including sun gear, carrier, planetary gear and ring gear is used as the gear system 100 according to the first embodiment of the present invention. However, it is obvious that other gears may be used in which the two gear parts are input parts. The following description will be given by exemplifying that a planetary gear unit is used.
  • the first gear unit 110 may include a sun gear shaft 112 connected to the sun gear 111 and the sun gear 111 to transmit the driving force to the sun gear 111 or to receive the driving force from the sun gear 111.
  • the second gear unit 120 is connected to the carrier 122 and at least one planetary gear 121 capable of rotating in a state seated on one side of the carrier 122, and the other side of the carrier 122 is formed It may include a carrier shaft 123 for transmitting a driving force.
  • the sun gear 111 is placed between the planetary gears 121 and has a shape in which each meshes with each other. Therefore, in general, the rotational direction of the sun gear 111 and the rotational direction of the planetary gear 121 is reversed.
  • the second gear unit 120 may rotate and revolve the planetary gear 121 due to the rotation of the carrier 122.
  • the third gear unit 130 becomes a ring gear.
  • a ring gear is preferably formed so that the internal gear is formed inside the ring shape.
  • the third gear part 130 which is illustrated as a ring gear, is externally engaged with the outer side of the planetary gear of the second gear part 120. Therefore, the third gear part 130 rotates by the rotation of the second gear part 120.
  • two gear parts of the first to third gear parts 110, 120, and 130 become input parts.
  • two gears receive driving force from the driving unit.
  • 3 to 5 are shown for more detailed description.
  • 3 to 5 are perspective views schematically showing the input-output relationship of the planetary gear system using two input characteristics.
  • the first gear part 110 and the second gear part 120 become input parts, and driving force is input (In1, In2) through the two gear parts 110 and 120.
  • the input force of the driving force input as described above is output through the third gear unit 130. Therefore, while adjusting the gear characteristics of the first gear unit 110 and the second gear unit 120 or the characteristics of the driving force transmitted to the gear unit (110, 120) while varying the output of the third gear unit 130 Can be generated.
  • the first gear part 110 and the third gear part 130 become input parts to input driving force (In1, In2), and the second gear part 120 becomes an output part to increase the combined force. Output.
  • the second gear part 120 and the third gear part 130 become input parts to input driving force (In1, In2), and the first gear part 110 becomes an output part. Output the force.
  • the gear part corresponding to the input / output part may vary according to the characteristics of the object to which the gear system is applied and the manufacturing method, and the force transmission principle is as described above.
  • the following is a third gear, which is an input part and includes a first gear unit 110 including the sun gear 111 and a second gear unit 120 including the planetary gear 121 and the carrier 122.
  • a description will be given based on an example in which the unit 130 becomes an output part.
  • the first gear unit 110 and the second gear unit 120 receive respective driving forces from different driving sources 140.
  • the driving source may include a first driving unit 141 and a second driving unit 142.
  • the driving source 140 may be used a variety of driving force transmission unit, such as a motor, a pump, a cylinder that can transfer the driving force. In the following examples it is illustrated that a motor is used.
  • the first driving unit 141 inputs a driving force to the first gear unit 110.
  • the first connecting gear 113 is rotated by the rotation of the first drive unit, and the sun gear 111 is rotated while the sun gear shaft 112 is rotated.
  • the second driving unit 142 inputs a driving force to the second gear unit 120 through the second connecting gear 124.
  • the first driving unit 141 and the second driving unit 142 preferably have different outputs.
  • the first driving unit 141 and the second driving unit 142 illustrated as a motor have different capacities or different reduction ratios.
  • the first driving unit 141 is set to have a low maximum driving speed but a maximum driving torque having a high characteristic (low speed-high torque), and the second driving unit 142 has a high maximum driving speed but a maximum driving torque is It can be set to have a low characteristic (high speed-low torque). That is, the characteristics of the first driving unit 141 and the second driving unit 142 may be set to be opposite to each other. Therefore, it is possible to control the characteristics of the driving force output to the third gear unit 130 by adjusting the characteristics of each driving force.
  • the first driving unit 141 or the second driving unit 142 may input a driving force through the worm gears 143 and 144.
  • the worm gears 143 and 144 may be connected to the first connecting gear 113 and the second connecting gear 124, respectively.
  • Through such worm gears (143, 144) it is possible to prevent the back drive of the drive unit due to the interference between the two inputs. That is, when two motors are used, a back drive may be generated by a motor having a low deceleration transmission ratio by a motor having a high deceleration transmission ratio. Therefore, when the difference between the reduction ratios of the two motors is large, the worm gears 143 and 144 may be further added to prevent the back drive.
  • the first gear unit 110 and the second gear unit 120 synthesizes the driving force by receiving the driving force from the first driving unit 141 and the second driving unit 142, and the synthesized driving force is the third gear unit. It is output through 130.
  • the third connecting gear 131 rotates by the rotation of the third gear unit 130, and the driving force is output through the output shaft 133 while the output gear 132 meshed with the third connecting gear 131 rotates. Therefore, various robots, mechanical systems, etc. connected to the output shaft 133 may be driven.
  • the encoder may be mounted on the output shaft of each drive unit.
  • a bearing may be provided between each gear and the shaft, the position of the planetary gear unit is preferably fixed, but the rotation is free.
  • the gear system 100 is the first gear unit 110 to which the first driving force is transmitted, the second gear unit 120 to which the second driving force is transmitted, and the first driving force and the second driving force is synthesized It may be in the form of a gear module consisting of a third gear unit 130 to output. In this case, it is preferable that the first driving force and the second driving force have different output characteristics.
  • gear modules can be used by connecting various drive units (motors, etc.) as needed.
  • the module may be integrally formed by including a motor having a specific gear ratio.
  • the gear module may further include a worm gear to prevent the back drive of the driving unit to be connected.
  • 6 to 8 illustrate a method of operating and controlling the planetary gear system 100 using two input characteristics having the above configuration.
  • FIGS. 6 and 7 are schematic views for explaining the principle of the synthesis of the force of the gear system 100 according to the first embodiment of the present invention
  • Figure 8 is a synthesized according to the operation of the gear system 100 Torque-speed graph.
  • the first driving unit 141 and the second driving unit 142 each have a first rotational angular velocity () and a second rotational angular velocity (), and have a first gear ratio r 1 and a second.
  • the reduction gears 145 and 146 may be further included in the first driving unit 141 or the second driving unit 142.
  • the number of teeth of the sun gear 110 of the first gear unit 110 is referred to as z a
  • the number of teeth of the third gear unit 130 illustrated as a ring gear is referred to as z c .
  • FIG. 7A schematically shows an ecology in which only the first driving unit 141 is driven and the second driving unit 142 is stopped.
  • the first driving unit 141 is a certain angle Rotate, and the second drive unit does not rotate.
  • the rotation of the first drive unit 141 causes the sun gear 111 to rotate in a specific direction, whereby the third gear unit 130 has a specific output angle.
  • the micro output angle of the third gear unit 130 with respect to the rotation angle of the first drive unit 141 is as follows.
  • the output characteristic is determined by the rotational angular velocity of the first drive unit 141 and the number of gear teeth of the first and third gear units 110 and 130.
  • FIG. 7B schematically shows an ecology in which only the second driving unit 142 is driven and the first driving unit 141 is stopped.
  • the second driving unit 142 is a certain angle Rotate, and the first drive unit does not rotate.
  • the planetary gear 121 rotates in a specific direction by the rotation of the second drive unit 142, whereby the third gear unit 130 has a specific output angle.
  • the micro output angle of the third gear unit 130 with respect to the rotation angle of the second drive unit 142 is as follows.
  • the output characteristic is determined by the rotational angular velocity of the second drive unit 142 and the number of gear teeth of the second and third gear parts 120 and 130.
  • FIG. 7C illustrates a case in which both the first and second driving units 141 and 142 are driven.
  • the output speed equations for the inputs of the two driving units 141 and 142 are as follows.
  • Equation 5 the output can be obtained by synthesizing two motor characteristics.
  • a graph combining the two motor characteristics can be seen through FIG. 8.
  • graph (a) of FIG. 8 is a torque-speed graph of a motor having a low maximum driving speed but a high maximum driving torque due to a high reduction ratio characteristic.
  • graph (b) is a torque-speed graph of a motor having a high maximum driving speed but a low maximum driving torque due to the low reduction ratio characteristic.
  • Graph (c) shows a form similar to the characteristic graph of the two-speed gearbox when using a shifting gear such as an automobile. In the case of the gear system 100 according to the present invention, only two small motors can be used to obtain these characteristic results. It is.
  • the robot is driven at high speed (high speed-low torque) at low load and low speed (low speed-high torque) at high load, so it usually operates mainly in the area like the graph (c). Therefore, there is no need to use complex and large gear system or high capacity motor like shift gear system of automobile, and it is effective for small robot system by producing gear shifting effect by properly combining these characteristics using only two small motors. It can provide a gear system that can be applied to.
  • the output characteristics in which the two input characteristics are combined may have various characteristics by the gear ratio and the number of gear teeth of the gear in the process of transmitting the characteristics and rotational force of each driving unit to the input part.
  • Such a gear system 100 or gear module can be employed in a variety of small robots, devices, systems. In addition, it can be applied to various fields that require a system that rotates at various forces or speed, such as a rotary wheel drive or joint drive.
  • FIG. 9 is a view schematically showing a state in which a configuration for preventing a back drive is mounted on one drive unit of a gear system according to a second embodiment of the present invention.
  • the gear system 200 of the present embodiment has a worm gear 143, 144 (see FIG. 2) that can prevent the back drive unlike the gear system 100 of the first embodiment (see FIG. 1). Not applied, other configurations are applied, thus further improving energy efficiency.
  • the motor of the second drive unit 242 that outputs a relatively low torque itself Rotating backdrives can be generated. Then, the high torque characteristic may not come out of the output.
  • the back drive may be suppressed by applying a reverse current to the motor of the second driving unit 242, or as shown in FIG. 9, a separate configuration of the second driving unit 242 may be used. Can be mounted on the motor.
  • a brake type electromagnetic brake or a mechanical brake braking by mechanical operation may be applied, and a bearing-type one- One-way bearings or clutch bearings may be applied.
  • the electromagnetic brake is a brake to which a braking method using an electromagnetic force is applied, thereby preventing the back drive.
  • the one-way bearing and the clutch bearing provide rotational force in only one direction, and the rotation in the other direction freely rotates like a general bearing. Therefore, by attaching the one-way bearing to the fixed portion (the portion where rotation does not occur) and the second drive unit 242, the rotational force of the motor is transmitted to the planetary gear system 200 in one direction, and the second drive unit 242 is provided. When not driving, the rotation in the reverse direction (back drive) can be prevented when only the first driving unit 241 is driven.
  • the second drive unit 242 having a relatively low torque output can be prevented from generating a back drive by attaching a configuration 243 such as a separate brake or bearing.
  • a configuration 243 such as a separate brake or bearing.
  • it can achieve good energy efficiency compared to other gears (general spur gear, etc.).
  • FIG. 10 is a view schematically illustrating a state in which a flywheel for preventing a back drive is mounted on one drive unit of a gear system according to a third embodiment of the present invention.
  • the gear system 300 of the present embodiment is equipped with a flywheel 343 having a large rotational inertia to the motor of the second drive unit 342 in order to prevent the back drive. Since the flywheel 343 tends to maintain the current movement phenomenon, the flywheel 343 has a low torque in the process of transmitting the rotation of the motor of the first drive unit 341 having a high torque to the third gear part 330 which is an output part. The phenomenon in which the second gear unit 320 coupled to the second driving unit 342 having the torque is backdriven may be reduced or prevented. Therefore, when the flywheel 343 is applied, the back drive can be prevented by applying only reverse current without a separate brake.
  • the fly wheel 343 has a large rotational inertia, for example, in the case of an automobile, it is used to maintain the rotational force of the engine. Used. Therefore, when the flywheel is coupled in a general motor system (system driving a drive shaft by one motor), the inertia may be added as much as it may deteriorate the speed conversion characteristic of the motor.
  • the instantaneous acceleration and the sudden speed change are the motors having excellent acceleration / deceleration characteristics, that is, the first driving unit ( Using the motor of 341, the motor having low acceleration / deceleration characteristics, that is, the motor of the second drive unit 342, accelerates once and then maintains a constant speed without rapidly changing the speed of the first drive unit 341.
  • the overall output speed can be adjusted by using the speed change of the motor, thereby reducing the energy loss due to the rapid speed change of the high speed motor generated during the high speed driving.
  • the gear system 300 of the present embodiment is a redundant degree of freedom system in which two inputs are output as one output, the final output is not generated by controlling the motors of the two driving units 341 and 342 at a specific speed. You may.
  • the motor of the second driving unit 342 equipped with the flywheel 343 is accelerated, no load is generated on the actual output, and only the flywheel 343 may be accelerated. Acceleration of the motor of the second drive unit 342 equipped with 343 is made easier, and when the actual load is driven by using the rotational force of the flywheel 343 that has been accelerated once, the current is driven in the stationary state. Can consume less This current consumption increases the energy efficiency and the required torque for acceleration in the stationary state is small, it is possible to apply a small capacity motor.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a state in which one driving source for inputting driving force is applied as a manual input in a gear system according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • the driving unit is not coupled to the second gear unit 420 in the present embodiment, the driving force applied by the manual operation of the operator may be input to the second gear unit 420.
  • the driving force applied to the second gear unit 420 may be applied by a manual device 442 such as a pedal of the bicycle.
  • the output shaft can be driven only by the manual device 442, and the third gear unit 430, that is, the output shaft can be driven using the motor of the first drive unit 441 and the manual device 442 simultaneously. It may be.
  • FIG. 12 is a view showing a state in which a differential gear is applied to the gear system according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the gear system 500 of the present embodiment is a differential gear system in which two inputs generated by two gear parts generate an output through one gear part, and the first gear part 510 and Each of the second gear parts 520 includes differential side gears 511 and 521 corresponding to each other, and the third gear part 530 has a differential side of the first gear part 510 and the second gear part 520. And a ring gear 532 to which a pair of differential pinion gears 531 are coupled between the gears 511 and 521. In addition, the ring gear 532 may be engaged with the drive pinion gear 551 of the drive shaft 550 to rotate the drive shaft 550 through the rotation of the ring gear 532.
  • the differential side gear 511 of the first gear unit 510 and the differential side gear 521 of the second gear unit 520 become input parts that receive respective driving forces from the driving source
  • the third gear unit ( 530 may be an output part for outputting the combined force of each driving force to the output.
  • the present invention is not limited thereto, and the three gear units 510, 520, and 530 may be selectively two input parts and one output part.
  • differential gear system 500 has three rotation shafts and one shaft provided therein, similarly to the planetary gear system 100 of the first embodiment described above, two rotation shafts are input and one rotation shaft is used. With outputs, two inputs can be combined into one output.
  • the method of synthesizing the two motor characteristics presented in the above-described embodiments may be applied to the planetary gear or the differential gear according to the manufacturing method or the purpose of use, but is not limited thereto.
  • the shaft can be applied to all gear systems.
  • the above-described gear module that is, a gear module in which two inputs are generated as one output may be provided and used in the transportation device.
  • the transport apparatus includes a gear module having a first gear portion and a second gear portion to which different input characteristics can be transmitted, and a third gear portion whose output is generated as an output, and the first gear portion or the first gear portion.
  • Such a transport device may be an electric bicycle in which at least one gear part is electrically driven.
  • the first driving force input to the first gear unit may be a manual input that the user can adjust and input
  • the second driving force input to the second gear unit may be a driving force generated by an electric supply. Therefore, the first gear portion or the second gear portion can be selectively driven in accordance with a place such as a flat surface or a hill, and the energy efficiency can be improved. For example, when climbing a hill or the like, it is preferable to use the second gear portion driven by electricity supply rather than using the first gear portion by manual input. At this time, a motor having a low speed-high torque characteristic may be used as the second gear part.
  • the transport device to which the gear module is applied is not limited to the electric bicycle, and it can be applied to other transport devices or transportation means.
  • one gear unit of the two gear units for inputting the driving force is described as a gear unit for manual input and the other gear unit is a gear unit for inputting the driving force by electric supply, the present invention is not limited thereto. All may be comprised by the gear part driven by manual input, and two gear parts may be comprised by the gear part which generate
  • the above-mentioned gear system that is, a gear system in which the first gear portion and the second gear portion are input parts receiving respective driving forces from the driving source, and the third gear portion is an output part for outputting the sum of the sum of the driving forces.
  • the transport apparatus may include a gear system including such gear units and a controller configured to control an output by controlling driving force transmitted to selected gear units among the gear units, respectively.
  • the transport apparatus may be, for example, an electric bicycle in which at least one of the first gear portion and the second gear portion, which are input parts, is electrically driven.
  • the driving force input to the first gear unit may be a manual input that can be adjusted by the user
  • the driving force input to the second gear unit may be a driving force generated by an electric supply. Therefore, the first gear portion or the second gear portion can be selectively driven, thereby improving energy efficiency.
  • a second gear portion driven by electricity supply can be used, rather than using the first gear portion by manual input.
  • a motor having a low speed-high torque characteristic may be used as the second gear part.
  • the vehicle to which the above-described gear system is applicable is not limited to the electric bicycle, and it is natural that it can be applied to other transportation devices.
  • the driving force input to the first gear portion and the second gear portion may be different manual inputs, or both may be driving forces generated by electricity supply.

Abstract

두 개의 모터 특성을 이용하여 기어 변속의 효과를 갖는 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 시스템, 이를 갖는 기어 모듈 및 이의 제어방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 기어 시스템은 제 1 기어부, 상기 제 1 기어부와 맞물려 돌아가도록 형성된 제 2 기어부, 상기 제 1 기어부 또는 제 2 기어부 중 적어도 하나와 맞물려 돌아가도록 형성된 제 3 기어부, 그리고 구동력을 발생시키는 구동원을 포함하고, 상기 제 1 내지 제 3 기어부 중 두 개의 기어부가 상기 구동원으로부터 각각의 구동력을 전달 받는 입력파트가 되고, 나머지 하나의 기어부가 상기 각각의 구동력이 합성된 합력을 내보내는 출력파트가 된다. 이와 같은 구성에 의해 두 개의 입력 특성을 조합하여 필요에 따라 고속-저토크 또는 저속-고토크의 출력을 생산할 수 있어 소형 로봇이라도 자유 자재로 출력 특성을 변화시킬 수 있다.

Description

두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 시스템, 이의 기어 모듈 및 이의 제어방법
두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 시스템, 이를 갖는 기어 모듈 및 이의 제어방법이 개시된다. 보다 자세하게는 두 개의 모터 특성을 이용하여 기어 변속의 효과를 갖는 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 시스템, 이를 갖는 기어 모듈 및 이의 제어방법이 개시된다.
일반적으로 로봇 및 기계 시스템을 설계 할 때 이를 구동하기 위한 모터 및 감속 기어 비의 선택이 중요하다. 즉, 로봇 및 기계 시스템이 작동하기 위해서 최대 속도 및 최대 토크를 선정하고 이를 만족하는 모터를 선택하여야 한다. 하지만 대부분의 기계 시스템의 경우 큰 부하(하중)에서의 구동(고 토크)은 저속으로, 작은 부하(하중)에서의 구동(저 토크)은 고속으로 동작하는 경우가 많다. 예를 들어 사람의 팔의 동작 및 이를 모방한 로봇 팔의 경우 춤을 추는 동작(무거운 물체를 들지 않는 경우)은 빠른 속도로 관절을 구동하며, 무거운 물체를 들어서 옮기는 동작에서는 저속으로 구동한다.
이와 같은 경우는 자동차의 주행에서도 볼 수 있다. 정지 상태에서의 가속 또는 오르막길 주행 등에서는 높은 토크가 필요하기 때문에 높은 감속기어로써 저속으로 주행하며, 가속 후 또는 평지 주행에서는 낮은 감속 기어를 사용하여 고속으로 주행한다.
이러한 이유로 로봇 및 기계 시스템을 구동하는 엑추에이터는 고속-저 토크 운동 및, 저속- 고 토크 운동을 할 수 있어야 한다. 만약 고속에서도 고 토크를 생성할 수 있는 엑추에이터를 사용한다면 이와 같은 구동 요건을 모두 만족 시킬 수 있지만, 이를 위해서는 고 용량의 모터를 사용해야 하는 단점이 있다. 고 용량의 모터 사용은 시스템의 무게 및 크기를 증가 시키는 요인 이 된다. 또한, 시스템을 소형으로 제작하기 어렵게 하는 요소가 된다.
따라서 자동차의 경우 엔진의 회전력을 주행 바퀴에 전달하는 과정에서 변속 기어 시스템을 사용하여 고속-저 토크, 저속-고 토크의 특성을 만족 하도록 하고 있다. 또한 변속 기어 시스템의 사용은 에너지 효율적인 엔진의 회전수로 구동할 수 있게 하기 때문에 그 효율성이 더욱 높다.
그러나 빈번하게 구동 방향 및 구동 속도가 변화될 필요성이 있는 로봇에는 기계적인 기어 변환에 의한 변속 시스템의 사용은 사실상 어렵다.
따라서, 모터로 구동되는 소형 로봇 및 기계 시스템에도 이와 같은 변속 기어 시스템의 효과를 적용 할 필요성이 있으며, 이로 인해 로봇의 최대 구동 토크 및 최대 구동 속도를 향상 시킬 수 있으며, 에너지 측면에서 효율적인 구동을 할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 서로 다른 특성을 갖는 두 개의 구동유닛으로부터 각각의 구동력을 입력 받아 두 개의 구동력의 합력을 출력하는 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 시스템, 이를 갖는 기어 모듈 및 이의 제어방법이 제공된다.
또한, 두 개의 입력 특성을 조합하여 필요에 따라 고속-저토크 또는 저속-고토크의 출력을 생산할 수 있는 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 시스템, 이를 갖는 기어 모듈 및 이의 제어방법이 제공된다.
또한, 소형 모터를 사용하여 소형 시스템에도 효과적으로 채용될 수 있고, 비용절감 및 대량생산이 가능하도록 모듈화가 용이한 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 시스템, 이를 갖는 기어 모듈 및 이의 제어방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따른 기어 시스템은 제 1 기어부, 상기 제 1 기어부와 맞물려 돌아가도록 형성된 제 2 기어부, 상기 제 1 기어부 또는 제 2 기어부 중 적어도 하나와 맞물려 돌아가도록 형성된 제 3 기어부, 그리고 구동력을 발생시키는 구동원을 포함하고, 상기 제 1 내지 제 3 기어부 중 두 개의 기어부가 상기 구동원으로부터 각각의 구동력을 전달 받는 입력파트가 되고, 나머지 하나의 기어부가 상기 각각의 구동력이 합성된 합력을 내보내는 출력파트가 된다.
본 발명의 실시예에 따른 기어 모듈은 제 1 구동력이 전달되는 제 1 기어부, 제 2 구동력이 전달되는 제 2 기어부, 그리고 상기 제 1 기어부 또는 제 2 기어부 중 적어도 하나와 맞물려 돌아가도록 형성된 제 3 기어부를 포함하고, 상기 제 3 기어부를 통하여 상기 제 1 기어부 및 제 2 기어부에 입력된 구동력의 합력이 출력된다.
본 발명의 실시예에 따른 기어 시스템의 제어방법은 상기 기어 시스템이 저속-고 토크의 구동을 하는 경우에는, 상기 저속-고 토크 특성을 갖는 모터만이 구동되고, 상기 기어 시스템이 고속-저 토크의 구동을 하는 경우에는, 상기 고속-저 토크 특성을 갖는 모터만을 구동하거나, 상기 저속-고 토크 특성을 갖는 모터와 고속-저 토크 특성을 갖는 모터를 동시에 구동한다. 또한, 상기 기어 시스템이 상기 고속-저 토크 모터의 최대 토크 영역 안에서 구동하는 경우에는, 상기 저속-고 토크 특성을 갖는 모터와 고속-저 토크 특성을 갖는 모터에 동일한 전류를 공급하여 동일한 토크를 생성하도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기어 시스템이 서로 다른 특성을 갖는 두 개의 구동 유닛으로부터 구동력을 입력 받아 그 합력을 출력함으로써, 필요에 따라 다양한 속도, 토크 조합의 출력을 제공할 수 있다. 이로 인해 기어 변속의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 두 개의 입력 특성을 조합하여 필요에 따라 고속-저토크 또는 저속-고토크의 출력을 생산할 수 있어 소형 로봇이라도 자유 자재로 출력 특성을 변화시킬 수 있다.
또한, 소형 모터를 사용하여 소형 시스템에도 효과적으로 채용될 수 있고, 비용절감 및 대량생산이 가능하도록 모듈화가 용이하다.
또한, 사용 모터의 크기 및 무게에 비해 최대 속도 및 최대 토크가 증가할 수 있고, 모터의 부하에 따라 에너지 사용을 조절할 수 있어 에너지 효율이 좋아진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 시스템의 개략적인 모습을 도시한 사시도,
도 2는 도 1의 기어 시스템을 개략적으로 도시한 분해사시도,
도 3 내지 도 5는 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 시스템의 입출력 관계를 개략적으로 도시한 사시도,
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 시스템의 힘의 합성 원리를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면, 및
도 8은 기어 시스템의 작동에 따른 합성된 토크-속도 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 기어 시스템의 하나의 구동유닛에 백드라이브를 방지하기 위한 구성이 장착된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 발명의 제3 실시예에 따른 기어 시스템의 하나의 구동유닛에 백드라이브를 방지하기 위한 플라이휠이 장착된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 기어 시스템에서 구동력을 입력하기 위한 하나의 구동원이 수동 입력으로 적용된 상태를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 제5 실시예에 따른 기어 시스템에 차동기어가 적용된 상태를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 기어 시스템(100)은 서로 다른 두 개의 구동유닛의 특성을 합성하여 다양한 출력을 낼 수 있는 시스템이다. 이러한 기어 시스템(100)은 상황에 따라 출력 특성의 변화가 필요한 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 즉, 하나의 기어 시스템(100)을 통하여 고속-저토크의 출력 또는 저속-고토크의 출력을 자유 자재로 변환할 수 있는 것이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 기어 시스템(100)은 제 1 기어부(110), 제 2 기어부(120), 그리고 제 3 기어부(130)를 포함한다. 특히, 이 중 두 개의 기어부가 구동력이 입력되는 입력파트가 되고, 나머지 하나의 기어부가 구동력의 합력이 출력되는 출력파트가 된다.
보다 자세한 설명을 위해 도 1 및 도 2를 제시한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기어 시스템의 개략적인 모습을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 기어 시스템을 개략적으로 도시한 분해사시도이다.
제 1 기어부(110)와 제 2 기어부(120)는 서로 맞물려 돌아가도록 위치된다. 그리고 제 3 기어부(130)는 제 1 기어부(110) 또는 제 2 기어부(120)중 적어도 하나와 맞물려 돌아가도록 형성된다.
이하 실시예 에서는 제 1 기어부 내지 제 3 기어부(110, 120, 130)을 유성기어의 선기어, 캐리어에 연결된 유성기어, 그리고 링기어로 예시한다. 즉 본 발명의 제1 실시예에 따른 기어 시스템(100)에 선기어, 캐리어, 유성기어 및 링기어로 이루어진 유성기어유닛이 사용되는 것으로 예시한다. 그러나 두 개의 기어부가 입력파트가 되는 다른 형상의 기어가 사용될 수 있음은 당연하다. 이하는 유성기어유닛이 사용되는 것으로 예시하여 설명한다.
제 1 기어부(110)는 선기어(111) 및 선기어(111)와 연결되어 구동력을 선기어(111)에 전달하거나 선기어(111)로부터 구동력을 전달받는 선기어축(112)를 포함할 수 있다. 제 2 기어부(120)는 캐리어(122)와 캐리어(122)어의 일측 상에 안착된 상태로 자전할 수 있는 적어도 하나 이상의 유성기어(121), 및 캐리어(122)의 타측으로 연결 형성되어 구동력을 전달하는 캐리어축(123)을 포함할 수 있다.
선기어(111)는 유성기어(121)의 사이에 게재되어 각각이 서로 맞물려 돌아가는 형상을 취한다. 따라서 일반적으로 선기어(111)의 회전방향과 유성기어(121)의 회전방향은 반대가 된다. 그리고 제 2 기어부(120)는 캐리어(122)의 회전으로 인해 유성기어(121)의 자전 및 공전을 가능하게 한다.
제 3 기어부(130)는 링기어가 된다. 이러한 링기어는 링 형상의 내부에 내접기어가 형성되게 형성되는 것이 바람직하다. 링기어로 예시되는 제 3 기어부(130)는 제 2 기어부(120)의 유성기어의 외측에 외접하여 맞물리게 위치된다. 따라서, 제 2 기어부(120)의 회전에 의해 제 3 기어부(130)가 회전한다.
이러한 서로간의 맞물림으로 인하여 각각의 기어부의 회전이 서로 영향을 받아 입력된 힘이 합성되어 출력된다.
이때 제 1 기어부 내지 제 3 기어부(110, 120, 130) 중 두 개의 기어부가 입력파트가 된다. 즉, 구동유닛으로부터 구동력을 전달받는 기어부가 두 개가 되는 것이다.
보다 구체적인 설명을 위해 도 3 내지 도 5를 제시한다. 도 3 내지 도 5는 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 시스템의 입출력 관계를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3을 참고하면, 제 1 기어부(110) 및 제 2 기어부(120)가 입력파트가 되어 상기 두 개의 기어부(110, 120)를 통해 구동력이 입력(In1, In2)된다. 이렇게 입력된 구동력의 합력이 제 3 기어부(130)를 통하여 출력(Out)된다. 따라서 제 1 기어부(110) 및 제 2 기어부(120)의 기어 특성을 조절하거나 이러한 기어부(110, 120)에 전달되는 구동력의 특성을 조절하면서 다양한 출력을 제 3 기어부(130)를 통하여 발생시킬 수 있다.
도 4를 참고하면, 제 1 기어부(110) 및 제 3 기어부(130)가 입력파트가 되어 구동력을 입력(In1, In2)하고, 제 2 기어부(120)가 출력파트가 되어 합력을 출력(Out)한다. 또한, 도 5를 참고하면, 제 2 기어부(120) 및 제 3 기어부(130)가 입력파트가 되어 구동력을 입력(In1, In2)하고, 제 1 기어부(110)가 출력파트가 되어 합력을 출력(Out)한다. 이렇게 입출력 파트에 해당하는 기어부는 기어 시스템이 적용되는 대상의 특성 및 제작 방법 등에 따라 변할 수 있으며, 힘의 전달 원리는 위에 설명한 것과 같다.
이하는 선기어(111)를 포함하는 제 1 기어부(110) 및 유성기어(121)와 캐리어(122)를 포함하는 제 2 기어부(120)가 입력파트가 되고 링기어로 예시되는 제 3 기어부(130)가 출력파트가 되는 예를 기준으로 설명한다.
제 1 기어부(110) 및 제 2 기어부(120)는 서로 다른 구동원(140)으로부터 각각의 구동력을 전달 받는 것이 바람직하다. 이때 구동원은 제 1 구동유닛(141) 및 제 2 구동유닛(142)를 포함할 수 있다. 이러한 구동원(140)은 구동력을 전달할 수 있는 모터, 펌프, 실린더 등 다양한 구동력 전달 유닛이 사용될 수 있다. 이하 실시예 에서는 모터가 사용되는 것으로 예시한다.
제 1 구동유닛(141)은 제 1 기어부(110)에 구동력을 입력한다. 이때, 제 1 구동유닛의 회전에 의해 제 1 연결기어(113)가 회전하고, 이에 따라 선기어축(112)이 회전하면서 선기어(111)가 회전한다.
이와 마찬가지로, 제 2 구동유닛(142)은 제 2 연결기어(124)를 통해 제 2 기어부(120)에 구동력을 입력한다.
제 1 구동유닛(141) 및 제 2 구동유닛(142)은 서로 다른 출력을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어 모터로 예시되는 제 1 구동유닛(141) 및 제 2 구동유닛(142)은 서로 다른 용량을 갖거나 서로 다른 감속비를 갖는 것이 바람직하다.
보다 자세하게, 제 1 구동유닛(141)은 최대 구동 속도는 낮으나 최대 구동 토크는 높은 특성(저속-고 토크)을 갖게 설정하고, 제 2 구동유닛(142)은 최대 구동속도는 높으나 최대 구동 토크는 낮은 특성(고속-저 토크)을 갖게 설정할 수 있다. 즉, 제 1 구동유닛(141)과 제 2 구동유닛(142)의 특성을 서로 반대되게 설정할 수 있다. 따라서, 각각의 구동력의 특성을 조절하여 제 3 기어부(130)로 출력되는 구동 합력의 특성을 제어할 수 있는 것이다.
한편, 제 1 구동유닛(141) 또는 제 2 구동유닛(142) 중 적어도 하나는 웜기어(143, 144)를 통해 구동력을 입력할 수 있다. 이러한 웜기어(143, 144)는 각각 제 1 연결기어(113) 및 제 2 연결기어(124)와 연결될 수 있다. 이러한 웜기어(143, 144)를 통하여 두 개의 입력간의 간섭으로 인한 구동유닛의 백드라이브를 방지할 수 있다. 즉, 두 개의 모터를 사용하는 경우에 낮은 감속 전달 비를 가지는 모터는 높은 감속 전달 비를 가지는 모터의 구동에 의해 백드라이브가 발생할 수 있다. 따라서 두 개의 모터의 감속 전달 비의 차이가 큰 경우에는 웜기어(143, 144)를 더 추가하여 백드라이브를 방지할 수 있는 것이다.
그 외에 구동력이 입력으로 전달될 때 평기어, 베벨기어, 벨트 구동 등 일반적인 모든 동력 전달 시스템을 사용할 수 있다.
제 1 구동유닛(141) 및 제 2 구동유닛(142)으로부터 구동력을 입력받아 제 1 기어부(110) 및 제 2 기어부(120)가 구동력을 합성하고, 이렇게 합성된 구동력은 제 3 기어부(130)를 통해 출력된다. 제 3 기어부(130)의 회전에 의해 제 3 연결기어(131)이 회전하고, 이와 맞물린 출력기어(132)가 회전하면서 출력축(133)을 통해 구동력이 출력된다. 따라서 출력축(133)과 연결된 다양한 로봇, 기계 시스템 등을 구동할 수 있다.
한편, 도시하지는 않았으나, 구동유닛의 구동 속도 및 각도를 측정하기 위해 각각의 구동유닛의 출력축에 엔코더를 장착할 수 있다. 또한, 각각의 기어와 축 사이에는 베어링이 구비될 수 있으며, 유성기어유닛의 위치는 고정되되 회전은 자유롭게 하는 것이 바람직하다.
일측에 따르면, 기어 시스템(100)은 제 1 구동력이 전달되는 제 1 기어부(110), 제 2 구동력이 전달되는 제 2 기어부(120), 그리고 상기 제 1 구동력 및 제 2 구동력을 합성력을 출력하는 제 3 기어부(130)로 이루어지는 기어 모듈 형태일 수 있다. 이때 제 1 구동력 및 제 2 구동력은 서로 다른 출력 특성을 갖는 것이 바람직하다.
이러한 모듈화로 인해, 크기, 무게, 생산 비용을 줄일 수 있고 대량생산이 가능할 수 있다. 이러한 기어 모듈은 필요에 따라 다양한 구동유닛(모터 등)을 연결해 사용할 수 있다. 또는, 특정 기어 비를 갖는 모터를 포함하여 일체로 모듈화 할 수도 있다. 기어 모듈은 연결되는 구동유닛의 백드라이브를 방지하기 위해 웜기어를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 시스템(100)의 작동 및 제어 방법을 설명하기 위해 도 6 내지 도 8을 제시한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기어 시스템(100)의 힘의 합성 원리를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이고, 도 8은 기어 시스템(100)의 작동에 따른 합성된 토크-속도 그래프이다.
도 6을 참고하면, 제 1 구동유닛(141) 및 제 2 구동유닛(142)은 각각 제 1 회전각속도() 및 제 2 회전각속도()를 갖고, 제 1 기어 비(r1) 및 제 2 기어 비(r2)를 갖는다. 이때, 제 1 구동유닛(141) 또는 제 2 구동유닛(142)에는 감속 기어(145, 146)가 더 포함될 수 있다.
제 1 기어부(110)의 선기어(110)의 잇수를 za 라고 하고 링기어로 예시되는 제 3 기어부(130)의 잇수를 zc 라고 한다. 이때 구동유닛(141, 142)의 회전력이 입력파트인 기어부(110, 120)에 입력(In1, In2)로 전달되는 과정에서 기어비와 잇수를 조절하여 다양한 출력(Out) 특성을 생성할 수 있다.
도 7의 (a)는 제 1 구동유닛(141)만을 구동시키고 제 2 구동유닛(142)은 정지한 생태를 개략적으로 나타낸다. 이를 참고하면, 제 1 구동유닛(141)이 일정각도
Figure PCTKR2011006696-appb-I000001
회전하고, 제 2 구동유닛은 회전하지 않는다. 제 1 구동유닛(141)의 회전에 의해 선기어(111)가 특정 방향으로 회전하게 되고 이에 의해 제 3 기어부(130)가 특정 출력각도
Figure PCTKR2011006696-appb-I000002
를 갖는다.
제 1 구동유닛(141)의 회전 각도에 대한 제 3 기어부(130)의 미소 출력각도는 아래와 같다.
Figure PCTKR2011006696-appb-I000003
Figure PCTKR2011006696-appb-I000004
상기 수학식 1의 미소 출력각도를 속도로 변환하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
Figure PCTKR2011006696-appb-I000005
따라서, 제 1 구동유닛(141)의 회전각속도와 제 1 및 제 3 기어부(110, 130)의 기어 잇수에 의해 출력 특성이 결정된다.
도 7의 (b)는 제 2 구동유닛(142)만을 구동시키고 제 1 구동유닛(141)은 정지한 생태를 개략적으로 나타낸다. 이를 참고하면, 제 2 구동유닛(142)이 일정각도
Figure PCTKR2011006696-appb-I000006
회전하고, 제 1 구동유닛은 회전하지 않는다. 제 2 구동유닛(142)의 회전에 의해 유성기어(121)가 특정 방향으로 회전하게 되고 이에 의해 제 3 기어부(130)가 특정 출력각도
Figure PCTKR2011006696-appb-I000007
를 갖는다.
제 2 구동유닛(142)의 회전 각도에 대한 제 3 기어부(130)의 미소 출력각도는 아래와 같다.
Figure PCTKR2011006696-appb-I000008
Figure PCTKR2011006696-appb-I000009
상기 수학식 3의 미소 출력각도를 속도로 변환하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
Figure PCTKR2011006696-appb-I000010
따라서, 제 2 구동유닛(142)의 회전각속도와 제 2 및 제 3 기어부(120, 130)의 기어 잇수에 의해 출력 특성이 결정된다.
도 7의 (c)는 제 1 및 제 2 구동유닛(141, 142)이 모두 구동하는 경우를 나타낸다. 이 경우 두개의 구동유닛(141, 142)의 입력에 대한 출력 속도 식은 아래와 같다.
Figure PCTKR2011006696-appb-I000011
수학식 5를 이용하면 두개의 모터 특성을 합성하여 출력을 얻을 수 있다. 이와 같은 두개의 모터 특성을 합성한 그래프를 도 8을 통해 확인 할 수 있다.
도 8의 그래프(a)는 높은 감속비 특성으로 인해 최대 구동 속도는 낮으나 최대 구동 토크는 높은 모터의 토크-속도 그래프이다. 그리고 그래프(b)는 낮은 감속비 특성으로 인해 최대 구동 속도는 높으나 최대 구동 토크는 낮은 모터의 토크-속도 그래프이다.
결국, 제 1 구동유닛(141)이 높은 감속비 특성을 갖고, 제 2 구동유닛(142)이 낮은 감속비 특성을 갖는 경우에는 두 개의 입력을 합성하여 그래프(c)와 같이 고속도-저토크 또는 저속도-고토크의 출력을 모두 생성할 수 있는 것이다.
즉, 1개 구동유닛(예를 들어 1개의 모터)을 사용하는 경우에는 그래프(a) 또는 그래프(b)와 같이 높은 속도 또는 높은 토크의 어느 한 특성만을 나타낼 수 밖에 없다. 그러나 두 개의 구동유닛을 통한 두 개의 서로 다른 입력 특성을 합성함으로 인해 높은 속도를 갖거나 높은 토크를 갖는 모든 경우가 가능해 진 것이다. 그래프(c)는 자동차와 같은 변속 기어를 사용한 경우 2단 변속 기어의 특성 그래프와 유사한 형태를 나타내는데, 본 발명에 따른 기어 시스템(100)의 경우 2개의 소형 모터 만을 사용하여 이러한 특성 결과를 얻을 수 있는 것이다.
일반적인 로봇의 구동은 낮은 부하에서는 빠른 속도(고속도-저토크), 높은 부하에서는 낮은 속도(저속도-고토크)로 구동되기 때문에 보통 그래프(c)와 같은 영역에서만 주로 동작하게 된다. 따라서 자동차의 변속 기어 시스템과 같이 복잡하고 대형의 기어 시스템이나, 고용량의 모터를 사용할 필요 없이, 소형 모터 두 개만을 이용하여 이들의 특성을 적절히 합성하는 것에 의해 기어 변속 효과를 냄으로써 소형 로봇 시스템에 효율적으로 적용될 수 있는 기어시스템을 제공할 수 있는 것이다.
이렇게 두 개의 입력 특성이 합성된 출력 특성은, 각각의 구동유닛의 특성 및 회전력을 입력파트에 전달하는 과정에서, 기어 비 및 기어의 기어 잇수 등에 의해 다양한 특성을 가질 수 있다.
또한, 2단 변속 기어와 유사한 효과 및 특성을 얻음으로 인해, 부하(또는 구동 토크)에 따라 최적의(효율 적인인) 속도로 구동됨으로써 전류의 소비가 적도록 할 수 있다. 즉, 높은 토크로 구동하는 경우에는 높은 기어 감속 효과(저속-고 토크)를 가지는 하나의 구동유닛만을 구동하여 제 1 기어부(110) 또는 제 2 기어부(120) 중 하나의 기어부만을 통하여 구동력을 입력하는 제어방법을 통해, 구동 토크 대비 낮은 전류를 사용하도록 할 수 있다. 뿐만 아니라, 빠른 속도가 필요할 경우에는 고속-저 토크 특성을 갖는 구동유닛만을 구동하거나 두 개의 구동유닛을 모두 구동하여 제 1 기어부(110) 및 제 2 기어부(120)에 동시에 구동력을 입력하는 제어방법을 통해, 빠른 속도를 갖는 출력을 제공할 수 있다.
한편, 기어 시스템이 고속-중 토크로 구동하는 경우, 즉 고속-저 토크를 갖는 구동유닛의 최대 토크보다 작은 토크 영역에서 구동하는 경우에는, 두 개의 구동유닛의 전류를 동일하게 사용하도록 제어하는 것이 바람직하다. 따라서 두 개의 구동유닛이 동시에 동일한 토크를 생성한다. 이렇게 두 개의 구동유닛(모터)이 동일한 토크를 생성하도록 하여, 가능한 범위 내에서 동일한 힘을 내기 위해 두 개의 모터가 똑 같은 힘을 내는 것이 에너지 효율 측면에서 바람직하다.
상기와 같은 제어 방법으로 인해 모터의 과부하 등에 의한 많은 전류의 소모를 방지할 수 있다.
이러한 기어 시스템(100) 또는 기어 모듈은 다양한 소형 로봇, 장치, 시스템에 채용될 수 있다. 또한, 회전 형 바퀴 구동이나 관절 구동 등 다양한 힘 또는 속도로 회전하는 시스템이 필요한 다양한 분야에 적용될 수 있다.
한편, 이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 기어 시스템에 대해 상술하되, 전술한 제1 실시예의 기어 시스템과 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 기어 시스템의 하나의 구동유닛에 백드라이브를 방지하기 위한 구성이 장착된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 기어 시스템(200)은 전술한 제1 실시예의 기어 시스템(100, 도 1 참조)과 달리 백드라이브를 방지할 수 있는 웜기어(143, 144, 도 2 참조)가 적용되지 않고, 다른 구성이 적용되며, 따라서 에너지 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
전술한 것처럼, 고 토크를 출력으로 할 수 있는 제1 구동유닛(241)의 모터를 구동하여 높은 토크를 출력할 경우, 상대적으로 저 토크를 출력을 하는 제2 구동유닛(242)의 모터가 스스로 회전하는 백드라이브가 발생될 수 있다. 그러면, 고 토크 특성이 출력으로 나오지 않을 수 있다.
따라서 이와 같은 현상을 방지하기 위해, 제2 구동유닛(242)의 모터에 역전류를 인가하여 백드라이브를 억제하거나, 또는 도 9에 도시된 것처럼, 별도의 구성을 제2 구동유닛(242)의 모터에 장착할 수 있다.
여기서, 제2 구동유닛(242)의 모터에 장착할 수 있는 구성(243)으로는, 브레이크 타입의 전자 브레이크 또는 기계적인 작동에 의해 브레이킹을 하는 기계 브레이크가 적용될 수 있으며, 또한 베어링 타입의 원-웨이(one-way) 베어링 또는 클러치 베어링이 적용될 수 있다.
부연 설명하면, 전자 브레이크는 전자력을 이용하여 제동하는 방식이 적용되는 브레이크로서 이러한 작동에 의해 백드라이브를 방지할 수 있다. 그리고 원-웨이 베어링 및 클러치 베어링은 일방향으로만 회전력을 제공하고 타방향으로의 회전은 일반 베어링처럼 자유롭게 회전하는 특성이 있다. 따라서 원웨이 베어링을 고정 부위(회전이 일어 나지 않는 부분)과 제2 구동 유닛(242)에 장착함으로써 일방향으로는 모터의 회전력을 유성기어시스템(200)에 전달 하고, 제 2 구동 유닛(242)을 구동하지 않는 경우 제 1 구동 유닛(241)만을 구동 할 때 역방향으로의 회전(백드라이브)를 방지 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제2 실시예의 경우, 상대적으로 저 토크 출력을 갖는 제2 구동유닛(242)에 별도의 브레이크 또는 베어링과 같은 구성(243)을 장착함으로써 백드라이브가 발생되는 것을 저지할 수 있으며, 다른 기어들에 비해(일반적인 평기어 등)에 비해 우수한 에너지 효율을 얻을 수 있다.
한편, 이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 기어 시스템에 대해 상술하되, 전술한 실시예들의 기어 시스템과 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 10은 발명의 제3 실시예에 따른 기어 시스템의 하나의 구동유닛에 백드라이브를 방지하기 위한 플라이 휠이 장착된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
이에 도시된 것처럼, 본 실시예의 기어 시스템(300)은 백드라이브를 방지하기 위해 회전 관성이 큰 플라이 휠(343)이 제2 구동유닛(342)의 모터에 장착된다. 이러한 플라이 휠(343)은 현재의 운동 현상을 유지하는 경향이 있기 때문에 고 토크를 갖는 제1 구동유닛(341)의 모터의 회전이 출력 파트인 제3 기어부(330)에 전달되는 과정에서 저 토크를 갖는 제2 구동유닛(342)에 결합된 제2 기어부(320)가 백드라이브되는 현상을 감소 또는 방지할 수 있다. 따라서, 이러한 플라이 휠(343)이 적용되는 경우 별도의 브레이크 없이도 역전류만을 인가함으로써 백드라이브를 방지할 수 있다.
플라이 휠(343)의 특성을 이용하여 백드라이브를 저지하는 방법에 대해 추가적으로 설명하면, 일반적으로 플라이 휠(343)은 큰 회전 관성을 갖기 때문에 예를 들면 자동차의 경우 엔진의 회전력을 유지하는 용도로 사용된다. 따라서 일반적인 모터 시스템(모터 1개에 의해 구동축을 구동하는 시스템)에서 플라이 휠이 결합되면 그만큼 관성이 추가되어 모터의 속도 변환 특성이 악화될 수 있다.
그러나, 본 실시예의 모터 시스템, 즉 기어 시스템(300)은 두 개의 모터를 이용하여 하나의 출력을 만들어 내는 것이기 때문에 순간적인 가속 및 급격한 속도 변화는 가감속의 특성이 우수한 모터, 즉 제1 구동유닛(341)의 모터를 이용하고, 가감속의 특성이 낮은 모터, 즉 제2 구동유닛(342)의 모터는 1회 가속시킨 후 급격하게 속도를 변화시키기 않고 일정한 속도를 유지하면서 제1 구동유닛(341)의 모터의 속도 변화를 이용하여 전체적인 출력 속도를 조절할 수 있으며, 이로 인해 고속 주행 중에 발생하는 고속 모터의 급격한 속도 변화에 따른 에너지 손실을 줄일 수 있다.
또한, 본 실시예의 기어 시스템(300)은 2개의 입력이 하나의 출력으로 나오는 여유자유도 시스템이기 때문에, 두 개의 구동유닛(341, 342)의 모터를 특정한 속도로 제어함으로써 최종 출력이 발생되지 않게 할 수도 있다. 부연 설명하면, 플라이 휠(343)이 장착된 제2 구동유닛(342)의 모터를 가속시킬 때 실제의 출력에 부하가 발생되지 않고 플라이 휠(343)만을 가속시킬 수 있으며, 이로 인해 플라이 휠(343)이 장착된 제2 구동유닛(342)의 모터의 가속이 보다 용이하게 이루어지고, 한번 가속된 플라이 휠(343)의 회전력을 이용하여 실제 부하를 구동할 때 정지 상태에서 구동되는 것보다 전류 소모를 적게 할 수 있다. 이와 같은 전류 소모로 인해 에너지 효율은 높아지고, 또한 정지 상태에서 가속을 위한 필요 토크가 작아짐으로써 소용량의 모터를 적용할 수 있게 된다.
한편, 이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 기어 시스템에 대해 상술하되, 전술한 실시예들의 기어 시스템과 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 기어 시스템에서 구동력을 입력하기 위한 하나의 구동원이 수동 입력으로 적용된 상태를 도시한 도면이다.
이에 도시된 것처럼, 본 실시예의 경우 제2 기어부(420)에 구동유닛이 결합되는 것이 아니라 제2 기어부(420)에는 작업자의 수동 동작에 의해 가해지는 구동력이 입력될 수 있다. 자전거의 페달 구조를 예를 들어 설명하면, 제2 기어부(420)에 가해지는 구동력은 자전거의 페달과 같은 수동 장치(442)에 의해 가해질 수 있는 것이다.
이러한 구성에 의해, 수동 장치(442)만으로 출력축을 구동할 수 있으며, 제1 구동유닛(441)의 모터 그리고 수동 장치(442)를 동시에 사용하여 제3 기어부(430), 즉 출력축을 구동할 수도 있다.
여기서, 수동 장치(442)에 의한 구동력 입력 시 제1 구동유닛(441)의 모터가 출력축을 반대 방향으로 회전시키기 위한 방향으로 회전하면 실제 수동 입력에 대한 출력축의 속도가 감소되기 때문에 기어비의 변환 효과를 발생시킬 수 있다. 따라서, 특정한 영역 내에서 무한 변속 기어와 같은 기능을 발생시킬 수 있다.
한편, 이하에서는 본 발명의 제5 실시예에 따른 기어 시스템에 대해 상술하되, 전술한 실시예들의 기어 시스템과 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 12는 본 발명의 제5 실시예에 따른 기어 시스템에 차동기어가 적용된 상태를 도시한 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 기어 시스템(500)은, 두 개의 기어부에 의해 발생하는 2개의 입력이 하나의 기어부를 통해 출력을 발생하는 차동 기어 시스템으로서, 제1 기어부(510) 및 제2 기어부(520) 각각은 상호 대응되는 차동사이드 기어(511, 521)를 포함하고, 제3 기어부(530)는 제1 기어부(510) 및 제2 기어부(520)의 차동사이드 기어(511, 521)의 사이에 결합되는 한 쌍의 차동피니언 기어(531)가 결합되는 링기어(532)를 포함한다. 또한 링기어(532)는 구동축(550)의 구동피니언 기어(551)와 맞물림 결합되어 링기어(532)의 회전을 통해 구동축(550)을 회전시킬 수 있다.
여기서, 제1 기어부(510)의 차동사이드 기어(511), 제2 기어부(520)의 차동사이드 기어(521)가 구동원으로부터 각각의 구동력을 전달 받는 입력파트가 되고, 제3 기어부(530)가 각각의 구동력이 합성된 합력을 출력으로 내보내는 출력파트가 될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 3개의 기어부(510, 520, 530)가 선택적으로 2개의 입력 파트 및 1개의 출력 파트가 될 수 있음은 당연하다.
이러한 차동 기어 시스템(500)은 전술한 제1 실시예의 유성기어 시스템(100, 도 1 참조)과 마찬가지로 3개의 회전축과 내부에 구비되는 1개의 축을 갖기 때문에 2개의 회전축을 입력으로 하고 하나의 회전축을 출력으로 하면 2개의 입력이 1개의 출력으로 합성될 수 있다.
이와 같이, 전술한 실시예들에서 제시되는 2개의 모터 특성을 합성하는 방법은 제작 방법 또는 사용 목적에 따라 유성기어 또는 차동기어에 적용되지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 세 개의 구동축과 내부에 1개의 축이 존재하는 모든 기어 시스템에 적용할 수 있음은 당연하다.
한편, 전술한 기어 모듈, 즉 2개의 입력이 하나의 출력으로 생성되는 기어 모듈은 운송 장치에 구비되어 사용될 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 운송 장치는, 서로 다른 입력 특성이 전달 가능한 제1 기어부 및 제2 기어부 그리고 이들의 합력이 출력으로 생성되는 제3 기어부를 갖는 기어 모듈과, 제1 기어부 또는 제2 기어부로 전달되는 구동력을 선택적으로 제어하여 제3 기어부로 출력되는 구동력을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
이러한 운송 장치는 적어도 하나의 기어부가 전기로 구동되는 전기 자전거일 수 있다. 이러한 전기 자전거의 겨우, 제1 기어부로 입력되는 제1 구동력은 사용자가 조절하여 입력할 수 있는 수동 입력일 수 있고, 제2 기어부로 입력되는 제2 구동력은 전기 공급에 의해 생성되는 구동력일 수 있다. 따라서, 평지 또는 언덕 등의 장소에 따라 제1 기어부 또는 제2 기어부를 선택적으로 구동시킬 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있다. 가령, 언덕 등을 오를 때 수동 입력에 의한 제1 기어부를 사용하는 것보다 전기 공급에 의해 구동되는 제2 기어부를 사용하는 것이 바람직하다. 이 때, 제2 기어부로는 저속-고토크 특성을 갖는 모터가 사용될 수 있다.
다만, 기어 모듈이 적용되는 운송 장치는 전기 자전거에 한정되는 것은 아니며, 다른 운송 장치 또는 이동 수단에 적용될 수 있음은 당연하다. 또한, 구동력을 입력하는 2개의 기어부 중 하나의 기어부가 수동 입력을 위한 기어부이고 다른 하나의 기어부가 전기 공급에 의해 구동력을 입력하는 기어부라 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 2개의 기어부가 모두 수동 입력으로 구동되는 기어부로 구성되어도 무방하고, 2개의 기어부가 전기 공급에 의해 구동력을 생성하는 기어부로 구성되어도 무방하다.
한편, 전술한 기어 시스템, 즉 제1 기어부 및 제2 기어부가 구동원으로부터 각각의 구동력을 받아 입력파트가 되고 제3 기어부가 각각의 구동력이 합산된 합력을 내보내는 출력파트가 되는 기어 시스템 역시 운송 장치에 구비되어 사용될 수 있다. 부연 설명하면, 운송 장치는, 이러한 기어부들을 포함하는 기어 시스템과, 기어부 중 선택된 기어부들로 전달되는 구동력을 각각 제어하여 출력을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
운송 장치는, 예를 들면, 입력파트인 제1 기어부 및 제2 기어부 중 적어도 하나의 기어부가 전기로 구동되는 전기 자전거일 수 있다. 전기 자전거의 경우, 제1 기어부로 입력되는 구동력은 사용자가 조절할 수 있는 수동 입력일 수 있고, 제2 기어부로 입력되는 구동력은 전기 공급에 의해 생성되는 구동력일 수 있다. 따라서, 제1 기어부 또는 제2 기어부를 선택적으로 구동시킬 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있다. 예를 들면, 언덕 등을 오를 때 수동 입력에 의한 제1 기어부를 사용하는 것보다 전기 공급에 의해 구동되는 제2 기어부를 사용할 수 있다. 이 때, 제2 기어부로는 저속-고토크 특성을 갖는 모터가 사용될 수 있다.
다만, 여기서도 마찬가지로, 전술한 기어 시스템이 적용 가능한 운송 수단은 전기 자전거에 한정되는 것은 아니며, 다른 운송 장치에 적용될 수 있음은 당연하다. 또한, 제1 기어부 및 제2 기어부에 입력되는 구동력은 각각 다른 수동 입력일 수 있으며, 또는 모두 전기 공급에 의해 발생되는 구동력일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (20)

  1. 제 1 기어부;
    상기 제 1 기어부와 맞물려 돌아가도록 형성된 제 2 기어부;
    상기 제 1 기어부 또는 제 2 기어부 중 적어도 하나와 맞물려 돌아가도록 형성된 제 3 기어부; 및
    구동력을 발생시키는 구동원;
    을 포함하고, 상기 제 1 내지 제 3 기어부 중 두 개의 기어부가 상기 구동원으로부터 각각의 구동력을 전달 받는 입력파트가 되고, 나머지 하나의 기어부가 상기 각각의 구동력이 합성된 합력을 내보내는 출력파트가 되는 기어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동원은 서로 다른 출력을 가지는 제 1 구동유닛 및 제 2 구동유닛을 포함하는 기어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제 1 구동유닛 및 제 2 구동유닛은 각각 모터를 포함하고,
    상기 모터는 서로 다른 용량을 갖거나 서로 다른 감속비를 갖는 기어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모터 중 하나는 저속-고 토크 특성을 갖고, 다른 하나는 고속-저 토크 특성을 갖는 기어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 기어부는 선기어를 포함하고,
    상기 제 2 기어부는 유성기어 및 캐리어를 포함하고,
    상기 제 3 기어부는 링기어를 포함하고,
    상기 선기어 및 캐리어가 입력파트가 되고, 상기 링기어가 출력파트가 되는 기어 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 기어부는 선기어를 포함하고,
    상기 제 2 기어부는 유성기어 및 캐리어를 포함하고,
    상기 제 3 기어부는 링기어를 포함하고,
    상기 선기어 및 링기어가 입력파트가 되고, 상기 캐리어가 출력파트가 되는 기어 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 기어부는 선기어를 포함하고,
    상기 제 2 기어부는 유성기어 및 캐리어를 포함하고,
    상기 제 3 기어부는 링기어를 포함하고,
    상기 링기어 및 캐리어가 입력파트가 되고, 상기 선기어가 출력파트가 되는 기어 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제 1 구동유닛 또는 제 2 구동유닛 중 적어도 하나는 백드라이브를 방지하도록 웜기어를 통해 구동력을 전달하는 기어 시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제 1 구동유닛 또는 상기 제 2 구동유닛 중 적어도 하나에는 백드라이브를 방지하도록 전자 브레이크 또는 기계 브레이크가 결합되는 기어 시스템.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제 1 구동유닛 또는 상기 제 2 구동유닛 중 적어도 하나에는 원-웨이(one-way) 베어링 또는 클러치 베어링이 결합되는 기어 시스템.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 제1 구동유닛 또는 상기 제2 구동유닛 중 적어도 어느 하나에는 관성을 갖는 플라이 휠이 결합되는 기어 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 기어부 중 하나는 모터를 갖는 상기 구동원에 의해 구동력이 입력되고, 상기 제1 내지 제3 기어부 중 다른 하나에는 수동에 의해 발생되는 구동력이 입력되는 기어 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기어부 및 상기 제2 기어부 각각은 상호 대응되는 차동사이드 기어를 포함하고,
    상기 제3 기어부는 상기 제1 기어부 및 상기 제2 기어부의 상기 차동사이드 기어의 사이에 결합되는 한 쌍의 차동피니언 기어가 결합되는 링기어를 포함하고,
    상기 제1 기어부의 상기 차동사이드 기어, 상기 제2 기어부의 상기 차동사이드 기어 및 상기 제3 기어부의 상기 링기어 중 두 개의 기어부가 상기 구동원으로부터 각각의 구동력을 전달 받는 입력파트가 되고, 나머지 하나의 기어부가 상기 각각의 구동력이 합성된 합력을 출력으로 내보내는 출력파트가 되는 기어 시스템.
  14. 제 1 구동력이 전달되는 제 1 기어부;
    제 2 구동력이 전달되는 제 2 기어부; 및
    상기 제 1 기어부 또는 제 2 기어부 중 적어도 하나와 맞물려 돌아가도록 형성된 제 3 기어부;
    를 포함하고,
    상기 제 3 기어부를 통하여 상기 제 1 기어부 및 제 2 기어부에 입력된 구동력의 합력이 출력되는 기어 모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제 1 구동력과 제 2 구동력은 서로 다른 출력 특성을 갖는 기어 모듈.
  16. 제4항에 따른 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 기어 시스템이 저속-고 토크의 구동을 하는 경우에는, 상기 저속-고 토크 특성을 갖는 모터만이 구동되는 기어 시스템의 제어방법.
  17. 제4항에 따른 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 기어 시스템이 고속-저 토크의 구동을 하는 경우에는, 상기 고속-저 토크 특성을 갖는 모터만을 구동하거나, 상기 저속-고 토크 특성을 갖는 모터와 고속-저 토크 특성을 갖는 모터를 동시에 구동하는 기어 시스템의 제어방법.
  18. 제4항에 따른 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 기어 시스템이 상기 저속-중 토크의 구동을 하는 경우에는, 상기 저속-고 토크 특성을 갖는 모터와 고속-저 토크 특성을 갖는 모터에 동일한 전류를 공급하여 동일한 토크를 생성하도록 하는 기어 시스템의 제어방법.
  19. 제 1 구동력이 전달되는 제 1 기어부와, 제 2 구동력이 전달되는 제 2 기어부와, 상기 제 1 기어부 또는 상기 제 2 기어부 중 적어도 하나와 맞물려 돌아가도록 형성되어 상기 제 1 기어부 및 상기 제 2 기어부에 입력된 구동력의 합력이 출력되는 제 3 기어부를 포함하는 기어 모듈; 및
    상기 제1 기어부로 전달되는 상기 제1 구동력 또는 상기 제2 기어부로 전달되는 제2 구동력을 선택적으로 제어하여 상기 제3 기어부로 출력되는 구동력을 제어하는 제어부;
    를 포함하는 운송 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 운송 장치는 전기로 구동되는 전기 자전거이며,
    상기 제1 기어부로 입력되는 상기 제1 구동력은 수동 입력이고, 상기 제2 기어부로 입력되는 상기 제2 구동력은 전기 공급에 의해 생성되는 구동력인 운송 장치.
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