KR-102960771-B1 - Automatic Continuously Variable Transmission and Backdrivable Joint Actuator Using the Same

Abstract

본 발명은 자동 가변 변속기 및 이를 이용한 역구동형 관절 구동기에 관한 것으로서, 상기 자동 가변 변속기는 프레임과, 상기 프레임에 설치되어, 동력공급부로부터 인풋 동력을 입력받아, 상호 동일하거나 상이한 회전 속도를 갖는 복수의 아웃풋 동력을 출력하는 디퍼렌셜 기어 유닛과, 상기 디퍼렌셜 기어 유닛으로부터 상기 아웃풋 동력들을 입력받아, 상기 아웃풋 동력들에 대해 소정의 감속비를 갖는 회동력을 출력하는 디퍼렌셜 풀리 유닛을 구비한다. 본 발명에 따른 자동 가변 변속기 및 이를 이용한 역구동형 관절 구동기는 디퍼렌셜 기어 및 디퍼렌셜 풀리의 원리를 이용하므로 단일 구동기를 이용하더라도 사용자에게 충분한 보조력을 제공할 수 있고, 별도의 센서 없이도 역구동성을 보장하며, 장치의 크기 및 무게를 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

Inventors

• 김호영
• 윤정원

Assignees

• 광주과학기술원

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20240830

Claims (20)

1. 프레임; 상기 프레임에 설치되어, 동력공급부로부터 인풋 동력을 입력받아, 상호 동일하거나 상이한 회전 속도를 갖는 복수의 아웃풋 동력을 출력하는 디퍼렌셜 기어 유닛; 및 상기 디퍼렌셜 기어 유닛으로부터 상기 아웃풋 동력들을 입력받아, 상기 아웃풋 동력들에 대해 소정의 감속비를 갖는 회동력을 출력하는 디퍼렌셜 풀리 유닛;을 구비하고, 상기 디퍼렌셜 기어 유닛은 상기 동력공급부로부터 공급된 인풋 동력에 의해 회전하도록 상기 프레임에 설치되는 제1 디퍼렌셜 케이스; 상기 제1 디퍼렌셜 케이스에 대해 상대회전 가능하게, 상기 프레임 또는 제1 디퍼렌셜 케이스에 설치되는 제1 및 제2 출력기어; 및 상기 제1 디퍼렌셜 케이스, 제1 및 제2 출력기어에 사이에 설치되어 상기 인풋 동력을 상기 제1 및 제2 출력기어에 전달하는 제1 동력전달부;를 구비하고, 상기 제1 동력전달부는 상기 제1 및 제2 출력기어에 치합되는 제1 타이밍 벨트; 및 상기 제1 디퍼렌셜 케이스 상에 상기 제1 타이밍 벨트를 지지할 수 있도록 상기 제1 디퍼렌셜 케이스에 회전 가능하게 설치되며, 해당 제1 타이밍 벨트가 상기 제1 및 제2 출력기어에 치합되도록 가이드하는 다수의 제1 가이드 롤러;를 구비하고, 상기 제1 출력 기어는 내부에, 상기 제1 디퍼렌셜 케이스가 인입될 수 있도록 제1 중공이 형성되고, 상기 제1 중공의 내주면에 상기 제1 타이밍 벨트에 치합될 수 있는 다수의 기어이가 형성되고, 상기 제2 출력 기어는 상기 제1 디퍼렌셜 케이스에 회전 가능하게 설치되는, 자동 가변 변속기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 가이드 롤러들은 상기 제2 출력 기어를 중심으로 방사상으로 배열된, 자동 가변 변속기.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 타이밍 벨트는 외주면에 다수의 기어이가 형성되고, 상기 제1 출력기어의 내주면에 형성된 기어이 및 제2 출력기어의 외주면에 치합되도록 상기 제1 가이드 롤러들에 무한궤도 상으로 설치된, 자동 가변 변속기.
7. 제1항에 있어서, 상기 제1 출력기어는 회전 중심이, 상기 제1 디퍼렌셜 케이스의 회전 중심선 상에 위치하도록 상기 프레임에 설치되는, 자동 가변 변속기.
8. 제1항에 있어서, 상기 제2 출력기어는 상기 제1 디퍼렌셜 케이스의 회전 중심에 회전가능하게 설치되는, 자동 가변 변속기.
9. 제1항에 있어서, 상기 디퍼렌셜 풀리 유닛은 상기 제1 출력기어와 함께 회전하도록 상기 프레임에 마련된 제1 입력기어; 상기 프레임에 회전가능하게 설치되는 제2 입력기어; 상기 제2 출력기어의 회전력을 상기 제2 입력기어에 전달하는 제2 동력전달부; 상기 제2 입력기어에 대해 상대회전 가능하게 상기 프레임에 설치되며, 출력축에 연결된 제2 디퍼렌셜 케이스; 및 상기 제1 입력기어, 제2 입력기어 및 제2 디퍼렌셜 케이스에 설치되어 상기 출력축을 통해 상기 회동력이 출력되도록 상기 제1 및 제2 입력기어의 동력을 상기 제2 디퍼렌셜 케이스에 전달하는 제3 동력전달부;를 구비하고, 상기 제3 동력전달부는 상기 제1 및 제2 입력기어에 치합되는 제2 타이밍 벨트; 및 상기 프레임 및 제2 디퍼렌셜 케이스에 설치되어 상기 제1 및 제2 입력기어에 치합된 상기 제2 타이밍 벨트를 지지하는 다수의 가이드 롤러가 마련된 치합 가이드부;를 구비하고, 상기 제2 입력기어는 회전중심이 상기 제2 디퍼렌셜 케이스의 회전 중심선 상에 위치하도록 설치되는, 자동 가변 변속기.
10. 삭제
11. 삭제
12. 제9항에 있어서, 상기 치합 가이드부는 상기 제2 디퍼렌셜 케이스에 회전가능하게 설치되는 것으로서, 상기 제2 입력기어를 기준으로 방사상으로 배열된 다수의 제2 가이드 롤러; 상기 제1 입력기어의 외주면에 인접된 위치의 상기 프레임에 회전가능하게 지지된 다수의 제3 가이드 롤러;를 구비하고, 상기 제2 타이밍 벨트는 상기 제2 및 제3 가이드 롤러에 설치된, 자동 가변 변속기.
13. 제12항에 있어서, 상기 제2 타이밍 벨트는 외주면에 다수의 기어이가 형성되되, 상기 제1 출력기어의 외주면에 형성된 기어이 및 제2 출력기어의 외주면에 치합되도록 상기 제2 및 제3 가이드 롤러들에 무한궤도 상으로 설치된, 자동 가변 변속기.
14. 제9항에 있어서, 상기 제2 동력전달부는 상기 제2 출력기어의 회전축에 설치되는 제1 서브기어; 상기 제2 입력기어의 회전축에 설치되는 제2 서브기어; 및 상기 제2 출력기어의 동력이 상기 제2 입력기어에 전달되도록 상기 제1 및 제2 서브기어에 연결되는 전달 벨트;를 구비하는, 자동 가변 변속기.
15. 제1항에 있어서, 상기 디퍼렌셜 기어 유닛은 상기 제1 디퍼렌셜 케이스와 함께 회전하도록 상기 프레임에 설치되며, 상기 동력공급부에 연결되어 해당 동력공급부에 의해 회전하는 피동 기어;를 더 구비하는, 자동 가변 변속기.
16. 제9항에 있어서, 상기 제1 입력기어는 중앙에 인입구가 형성되고, 상기 제1 출력기어는 외주면이 상기 제1 입력기어의 내주면에 고정되도록 상기 내부공간에 인입되게 설치되는, 자동 가변 변속기.
17. 제1항에 있어서, 상기 디퍼렌셜 풀리 유닛은 제4 동력전달부에 의해 상기 제1 출력기어에 연결되어 해당 제1 출력기어와 함께 회전하도록 상기 프레임에 설치되는 제3 입력기어; 상기 제2 출력기어와 함께 회전하도록 상기 프레임에 마련된 제4 입력기어; 상기 제4 입력기어에 대해 상대회전 가능하게 상기 프레임에 설치되며, 출력축에 연결된 제3 디퍼렌셜 케이스; 및 상기 제3 및 제4 입력기어, 제3 디퍼렌셜 케이스에 설치되어 상기 출력축을 통해 상기 회동력이 출력되도록 상기 제3 및 제4 입력기어의 동력을 상기 제3 디퍼렌셜 케이스에 전달하는 제5 동력전달부;를 구비하고, 상기 제5 동력전달부는 상기 제3 및 제4 입력기어에 치합되는 제3 타이밍 벨트; 및 상기 제3 디퍼렌셜 케이스 상에 상기 제3 타이밍 벨트를 지지할 수 있도록 상기 제3 디퍼렌셜 케이스에 회전 가능하게 설치되며, 상기 제3 타이밍 벨트가 상기 제3 및 제4 입력기어에 치합되도록 해당 제3 타이밍 벨트를 지지하는 다수의 제4 가이드 롤러;를 구비하고, 상기 제3 입력기어는 내부에, 상기 제3 디퍼렌셜 케이스가 인입될 수 있도록 제2 중공이 형성되고, 상기 제2 중공의 내주면에, 상기 제3 타이밍 벨트가 치합될 수 있도록 다수의 기어이가 형성되고, 상기 제4 입력기어는 상기 제3 디퍼렌셜 케이스에 회전가능하게 설치되고, 상기 제3 타이밍 벨트는 외주면에 다수의 기어이가 형성되고, 상기 제3 입력기어의 내주면에 형성된 기어이 및 제4 입력기어의 외주면에 치합되도록 무한 궤도 상으로 상기 제4 가이드 롤러들에 설치된, 자동 가변 변속기.
18. 삭제
19. 삭제
20. 제17항에 있어서, 상기 제4 가이드 롤러들은 상기 제4 입력기어를 중심으로 방사상으로 배열된, 자동 가변 변속기.

Description

자동 가변 변속기 및 이를 이용한 역구동형 관절 구동기{Automatic Continuously Variable Transmission and Backdrivable Joint Actuator Using the Same} 본 발명은 자동 가변 변속기 및 이를 이용한 역구동형 관절 구동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디퍼렌셜 기어 및 디퍼렌셜 풀리의 원리를 이용하여 작동하는 자동 가변 변속기 및 이를 이용한 역구동형 관절 구동기에 관한 것이다. 최근 일상 생활이 불가능한 신체능력을 가진 장애인, 환자 또는 노약자를 위한 착용형 로봇 또는 체력이나 신체 능력을 강화하기 위한 산업용 또는 군사용 착용형 로봇의 개발이 진행되고 있다. 장애인, 환자 또는 노약자를 위한 착용형 로봇의 경우에는 신체 능력, 요구되는 보조력의 크기 또는 역할에 따라 완전마비 장애인용 착용형 로봇과 노약자 또는 부분마비 환자 또는 장애인용 착용형 로봇으로 분류될 수 있다. 전자의 경우, 사용자에게 신체 능력이 없으므로, 사용자의 하지의 움직임에 대한 동작 의도 등은 로봇의 제어변수로 큰 의의가 없으므로, 착용형 로봇은 충분한 힘으로 사용자의 하지의 움직임을 대신하여 정확하게 보행 동작을 수행하면 될 수 있다. 따라서, 전자의 착용형 로봇의 경우에는 요구되는 구동력의 크기가 크고 그에 따라 구동장치, 배터리 및 골격구조가 큰 경우가 많다. 그러나, 후자의 착용형 로봇의 경우에는 사용자의 신체능력이 부족하여 이를 보조하기 위한 로봇이므로, 착용형 봇의 크기와 무게가 최소화되고 사용자의 동작 의도에 따라 정확한 보조력을 제공하는 것이 관건이 될 수 있다. 특히, 사용자의 움직임 또는 의도와 다른 로봇의 보조력 제공의 경우, 사용자의 불편함 또는 부상을 유발할 수 있으므로, 사용자의 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 정확하게 보조력을 제공할 필요가 있다. 그러나 종래의 로봇의 경우, 다수의 구동기가 요구되어 구조가 복잡하고, 특히 역구동 기능이 필요한 경우 높은 기계적 마찰과 낮은 효율성으로 인해 성능이 저하된다. 또한, 복잡한 기계적 구조로 인해 제조 비용이 높고 유지보수가 어려우며, 무게가 비교적 무거워 로봇의 전체 성능과 에너지 효율이 저하되는 단점이 있다. 도 1은 본 발명에 따른 자동 가변 변속기를 이용한 역구동형 관절 구동기에 대한 사시도이고, 도 2는 도 1의 자동 가변 변속기에 대한 사시도이고, 도 3 및 도 4는 도 1의 자동 가변 변속기에 대한 분리 사시도이고, 도 5 및 도 6은 도 1의 자동 가변 변속기에 대한 단면도이고, 도 7은 도 1의 자동 가변 변속기에 대한 사시도이고, 도 8은 도 1의 자동 가변 변속기에 대한 분리 사시도이고, 도 9는 도 1의 자동 가변 변속기에 대한 단면도이고, 도 10 및 도 11은 도 1의 자동 가변 변속기의 디퍼렌셜 기어 유닛 및 디퍼렌셜 풀리 유닛에 대한 개념도이고, 도 12 및 도 13는 도 1의 자동 가변 변속기에 대한 시뮬레이션 결과에 대한 그래프이고, 도 14는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자동 가변 변속기에 대한 사시도이고, 도 15는 도 14의 자동 가변 변속기에 대한 분리 사시도이고, 도 16은 도 14의 자동 가변 변속기에 대한 단면도이고, 도 17은 도 14의 자동 가변 변속기에 대한 분리 사시도이고, 도 18은 도 14의 자동 가변 변속기에 대한 단면도이고, 도 19 및 도 20은 도 14의 자동 가변 변속기의 디퍼렌셜 기어 유닛 및 디퍼렌셜 풀리 유닛에 대한 개념도이다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 자동 가변 변속기 및 이를 이용한 역구동형 관절 구동기에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 대하여, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있다는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 도 1 내지 도 11에는 본 발명에 따른 자동 가변 변속기(100)를 이용한 역구동형 관절 구동기(10)가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 상기 역구동형 관절 구동기(10)는 사용자가 착용하는 착용부재(20)와, 상기 착용부재(20)에 회동가능하게 설치되며, 상기 사용자의 신체 중 관절에 의해 움직이는 관절부분에 지지되는 링크부재(30)와, 상기 사용자의 관절부분의 움직임에 따라 상기 링크부재(30)에 회동력을 인가하는 자동 가변 변속기(100)를 구비한다. 상기 착용부재(20)는 사용자의 골반에 착용되는 것으로서, 사용자의 골반의 삽입되도록 삽입공간이 마련되게 환형으로 형성된다. 도면에 도시되진 않았지만, 착용부재(20)는 좌우측에 하방으로 연장된 연장부분이 마련되어 있다. 한편, 착용부재(20)는 도시된 예에 한정하는 것이 아니라 사용자의 골반 뿐 아니라 허벅지 등과 같은 다른 신체 부위에 착용할 수 있는 구조이면 무엇이든 적용가능하다. 링크부재(30)는 상단이 상기 착용부재(20)의 연장부분에 회동가능하게 연장되며, 하단은 사용자의 다리에 지지된다. 한편, 링크부재(30)는 도시된 예에 한정하는 것이 아니라 다리 외에도 팔 부분, 손 등과 같이 관절에 의해 움직이는 신체 부위에 지지될 수 있는 형상이면 무엇이든 적용 가능하다. 자동 가변 변속기(100)는 착용부재(20)에 설치되어 해당 링크부재(30)에 회동력을 제공한다. 본 발명의 자동 가변 변속기(100)를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 상기 자동 가변 변속기(100)는 프레임(200)과, 상기 프레임(200)에 설치되어, 동력공급부(210)로부터 인풋 동력을 입력받아, 상호 동일하거나 상이한 회전 속도를 갖는 복수의 아웃풋 동력을 출력하는 디퍼렌셜 기어 유닛(300)과, 상기 디퍼렌셜 기어 유닛(300)으로부터 상기 아웃풋 동력들을 입력받아, 상기 아웃풋 동력들에 대해 소정의 감속비를 갖는 회동력을 출력하는 디퍼렌셜 풀리 유닛(400)을 구비한다. 프레임(200)은 착용부재(20)의 연장부분에 설치되며, 좌우측면부에 각각 디퍼렌셜 기어 유닛(300) 및 디퍼렌셜 풀리 유닛(400)이 설치된다. 프레임(200)은 내부에 디퍼렌셜 기어 유닛(300) 및 디퍼렌셜 풀리 유닛(400)가 설치될 수 있도록 설치공간이 마련된다. 해당 프레임(200)은 상호 분리가능하게 결합된 다수의 블럭 구조물로 이루어진다. 한편, 상기 프레임(200)은 도시된 예에 한정하는 것이 아니라 디퍼렌셜 기어 유닛(300) 및 디퍼렌셜 풀리 유닛(400)이 용이하게 설치될 수 있는 구조이면 무엇이든 적용가능하다. 한편, 동력공급부(210)는 프레임(200)의 좌측면 상단에 회전가능하게 설치된 구동기어(211)와, 상기 구동기어(211)를 회전시키기 위해 상기 프레임(200)에 설치된 구동모터(212)와, 구동기어(211)와 후술되는 디퍼렌셜 기어 유닛(300)의 피동 기어(310)에 설치되는 구동벨트(213)를 구비한다. 구동모터(212)는 인가된 전기에 의해 회전력을 발생시키는 전기 모터가 적용되며, 프레임(200)의 우측면에 설치되어 해당 구동기어(211)를 회전시킨다. 여기서, 구동벨트(213)는 타이밍벨트가 적용되며, 구동기어(211)와 피동 기어(310)에 연결되어 구동기어(211)의 회전력을 입력 기어에 전달한다. 한편, 동력공급부(210)는 이에 한정하는 것이 아니라 해당 피동 기어(310)에 회전력을 인가할 수 있는 동력공급수단이면 무엇이든 적용가능하다. 디퍼렌셜 기어 유닛(300)은 상기 프레임(200)에 설치되며, 상기 동력공급부(210)에 연결되어 해당 동력공급부(210)에 의해 회전하는 피동 기어(310)와, 피동 기어(310)를 통해 상기 동력공급부(210)로부터 공급된 인풋 동력에 의해 회전하도록 상기 프레임(200)에 설치되는 제1 디퍼렌셜 케이스(320)와, 상기 제1 디퍼렌셜 케이스(320)에 대해 상대회전 가능하게, 상기 프레임(200) 또는 제1 디퍼렌셜 케이스(320)에 설치되는 제1 및 제2 출력기어(330,340)와, 상기 제1 디퍼렌셜 케이스(320), 제1 및 제2 출력기어(330,340)에 사이에 설치되어 상기 인풋 동력을 상기 제1 및 제2 출력기어(330,340)에 전달하는 제1 동력전달부(350)를 구비한다. 피동 기어(310)는 구동기어(211) 하측의 프