KR101194676B1 - 무선원격제어형 상하?좌우의 위치제어가 가능한 무선 서보 액츄에이터 - Google Patents

무선원격제어형 상하?좌우의 위치제어가 가능한 무선 서보 액츄에이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존 서보 액츄에이터가 회전제어의 구성만이 언급되어 있을 뿐, 플래칭 회전축으로 전달시키는 힘의 전달을 상하 높낮이 조절로 구동시킬 수가 없고, 외부기기를 별도로 설치해서 외부기기의 힘에 의해서 플래핑 회전축을 직접 이동시켜야 하는 문제점과, 전원을 외부에서 공급받도록 구성되고, 원격제어를 위해 유선으로 연결되어 있고, 무선으로 이더넷을 통한 네트워크 통신이 안되며, 원격지에 설치된 액츄에이터의 독자적인 시스템 제어를 하는 기능이 없으며, 플래핑 비행체의 회전축 이동과 지능형 로봇의 뷰어용 관절부분 , 산업용기기에 사용되는 원격스위치 및 정밀성이 요구되는 의료기기에 적용하기에는 기능적으로 상당한 제약을 가지고 있는 이러한 큰 문제점을 개선하고 해결하고자 제1 액츄에이터 본체(10a), 제1 구동모터(20a), 제1a 피니언기어(30a), 제2a 스퍼기어(40a), 제3a 스퍼 기어(50a), 제4a 스퍼 기어(60a), 제1 나사산형 샤프트(70a), 제1 최종출력기어(80a), 제1 링형 마그네틱(90a), 제1 홀센서(100a), 제1 액츄에이터 제어모듈(110a), 제1 무선전력충전모듈(120a), 제1 마이크로스위치(130a)로 이루어진 제1 무선 서보 액츄에이터와;, 제2 액츄에이터 본체(10b), 제2 구동모터(20b), 제1b 피니언기어(30b), 제2b 스퍼기어(40b), 제3b 스퍼 기어(50b), 제2 나사산형 샤프트(60b), 제2 최종출력기어(70b), 제2 링형 마그네틱(80b), 제2 홀센서(90b), 제2 액츄에이터 제어모듈(100b), 제2 무선전력충전모듈(110b), 제2 마이크로스위치(120b)로 이루어진 제2 무선 서보 액츄에이터가 구성됨으로서, 360도 회전하는 기존 서보 액츄에이터에 무선 제어 부분과 출력기어의 방식을 변경하여 힘의 전달을 상하, 좌우로 전달시킬 수 있고, 원격지로부터 무선제어신호를 수신받아 양방향 원격제어가 가능하며, 회전운동을 상하 직선운동 또는 좌우 직선운동으로 변경시켜 외부기기의 상,하 진폭과 회전축 이동, 위치제어, 속도조절시킬 수 있으며, 바닥의 무선전력충전모듈를 통해 수신되는 전력을 최대 효율을 낼 수 있도록 공진유도전기를 생성시켜 충전배터리를 충전시킬 수 있어, 포텐션메타를 마그네트로 사용함으로써 360도 제어와 360도 이상 되는 위상 제어를 할 수 있으며, 피드백 받는 부분에 물리적인 마찰이 없이 반영구적으로 사용할 수 있고, 기존 액츄에이터에 비해 기능적으로 우수성을 가질 수 있으며 모듈형으로 제작이 가능하여 기존 제품 대비 제작 시간을 단축 시킬 수 있고 원거리 무선원격제어가 가능하고 상하 높낮이 조절과 출력기어에 혼 기어를 같이 사용 할 경우 좌우의 위치제어가 가능한 무선 서보 액츄에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

무선원격제어형 상하?좌우의 위치제어가 가능한 무선 서보 액츄에이터{THE APPARATUS OF WIRELESS SERVO ACTUATOR}
본 발명은 360도 회전하는 기존 서보 액츄에이터에 무선 제어 부분과 출력기어의 방식을 변경하여 힘의 전달을 상하로 전달시켜 높낮이 조절이 가능하고, 출력기어에 혼 기어를 추가할 경우 좌우 회전운동도 함께 병행이 가능하며, 회전운동을 상하 직선운동 또는 좌우 직선운동으로 변경시켜 외부기기의 상,하 진폭과 높낮이 조절, 회전축 이동, 위치제어, 속도를 조절시킬 수 있는 무선원격제어형 상하?좌우의 위치제어가 가능한 무선 서보 액츄에이터에 관한 것이다.
기존의 서보 액츄에이터(Servo Actuator)는 주로 위치 제어를 목적으로 사용하며 충실하게 동작하기 위해서는, 빠르고 정밀도가 좋은 움직임이 요구된다.
목표 위치에 정밀도 있게 정지시키는 것을 "위치 결정" 이라고 하며,이러한 제어를 "위치 결정 제어"라고 부른다.
위치 결정 제어에는 항상 모터의 회전 상태를 정확하게 감지하기 위하여 모터의 회전 상태를 검출하는 검출기(인코더)가 장착되고 있다.
기존 서보 액츄에이터(Servo Actuator)는 포텐션미터(Potentiometer) 및 홀센서를 통해 위치 제어값을 피드백 받아 모터의 회전시 특정회전각도에서 정위치되도록 위치제어한다.
그러나, 기존 서보 액츄에이터는 회전운동상태에서 회전시 특정회전각도에서만 정위치시킬 수 있도록 회전제어의 구성만이 언급되어 있을 뿐, 플래핑 회전축의 위치를 이동시키고자 할 때는 플래칭 회전축으로 전달시키는 힘의 전달을 상하, 좌우로 구동시킬 수가 없어, 외부기기를 별도로 설치해서 외부기기의 힘에 의해서 플래핑 회전축을 직접 이동시켜야 하는 문제점이 있었다.
또한, 기존 서보 액츄에이터는 전원을 외부에서 공급받도록 구성되고, 원격제어를 위해 유선으로 연결되어 있어, 무선으로 이더넷을 통한 네트워크 통신이 안되어 원격지에 설치된 액츄에이터의 독자적인 시스템 제어가 없으며, 플래핑 비행체 및 산업기기 및 의료기기에 적용하기에는 상당한 제약을 가지고 있는 것이 가장 큰 문제점이 있었다.
미국공개특허공보 US2005/0269447(2005.12.8 공고)
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 360도 회전하는 기존 서보 액츄에이터에 무선 제어 부분과 출력기어의 방식을 변경하여 힘의 전달을 상하, 좌우로 전달시킬 수 있고, 원격지로부터 무선제어신호를 수신받아 양방향 원격제어가 가능하며, 회전운동을 상하 직선운동 또는 좌우 직선운동으로 변경시켜 외부기기의 상,하 진폭과 회전축 이동, 위치제어, 속도조절시킬 수 있으며, 바닥의 무선전력충전모듈을 통해 자체 유도전기를 생성시켜 충전배터리를 충전시킬 수 있어, 포텐션메타를 마그네트로 사용함으로써 360도 제어와 360도 이상 되는 위상 제어를 할 수 있으며, 피드백 받는 부분에 물리적인 마찰이 없이 반영구적으로 사용할 수 있고, 기존 액츄에이터에 비해 기능적으로 우수성을 가질 수 있으며 모듈형으로 제작이 가능하여 기존 제품 대비 제작 시간을 단축시킬 수 있고, 원거리 무선원격제어가 가능하고, 상하?좌우의 위치제어가 가능한 무선 서보 액츄에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 무선원격제어형 상하?좌우의 위치제어가 가능한 무선 서보 액츄에이터는
원격지의 메인제어보드로부터 무선제어신호를 수신받아 외부기기와 연결되는 회전자가 나사회전되면서 상하 직선운동이 되어 외부기기로 전해지는 힘의 전달을 상하로 전달시키거나, 또는 회전자가 나사회전되면서 좌우 직선운동이 되어 외부기기로 전해지는 힘의 전달을 좌우로 전달시켜 외부기기의 상,하 진폭과 높낮이 조절, 회전축 이동, 위치제어, 속도조절시키도록 구성됨으로서 달성된다.
상기 무선 서보 액츄에이터는
회전자가 본체의 상단 좌측 사이드 일측 또는 우측 사이드 일측에 돌출 형성되어 힘의 전달을 상하 또는 좌우로 전달시켜 외부기기의 상,하 진폭과 높낮이 조절, 회전축 이동, 위치제어, 속도조절시키는 제1 무선 서보 액츄에이터(1a)와,
회전자가 본체의 중앙 상단 방향으로 돌출 형성되어 힘의 전달을 상하 또는 좌우로 전달시켜 외부기기의 상,하 진폭과 높낮이 조절, 회전축 이동, 위치제어, 속도조절시키는 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 출력 토오크를 높이면서 최종 기어에서 회전을 출력시킬 수 있고, 모터의 회전시 특정회전각도에서 샤프트가 위, 아래에서 원하는 위치에 정위치 되도록 정밀하게 위치제어시킬 수 있어, 상하 또는 좌우 직선운동의 정밀위치제어가 필요한 지능형로봇, 산업기기 및 의료기기에까지 폭넓게 응용시킬 수 있고, 유선이 아닌 무선으로 원격제어할 수 있어 플로핑 비행체 및 고위험 산업기기에 적용시켜 설치할 수 있으며, 사용목적 및 장소에 따라 무선통신모듈을 탈부착시킬 수 있고, 포텐션메타를 마그네트로 사용함으로써 360도 제어와 360도 이상 되는 위상 제어를 할 수 있으며, 피드백 받는 부분에 물리적인 마찰이 없이 반영구적으로 사용할 수 있고, 무엇보다 기존에 비해 무선제어, 무선 충전, 유,무선 네트워크 통신등 다양한 기능과 같은 크기에 무게는 거의 동일하게 가볍게 제작할 수 있는 좋은 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무선원격제어형 상하?좌우의 위치제어가 가능한 무선 서보 액츄에이터(1)의 구성을 도시한 블럭도,
도 2는 본 발명에 따른 제1 무선 서보 액츄에이터(1a)의 구성을 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 제1 무선 서보 액츄에이터(1a)의 구성요소를 도시한 내부사시도,
도 4는 본 발명에 따른 제1 무선 서보 액츄에이터(1a)의 구성요소를 도시한 정단면도,
도 5는 본 발명에 따른 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)의 구성요소를 도시한 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)의 구성요소를 도시한 내부사시도,
도 7은 본 발명에 따른 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)의 구성요소를 도시한 정단면도,
도 8은 본 발명에 따른 제1 액츄에이터 제어모듈(110a)의 구성요소를 도시한 구성도,
도 9는 본 발명에 따른 제2 액츄에이터 제어모듈(100b)의 구성요소를 도시한 구성도,
도 10은 본 발명에 따른 제1 구동모터의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 11은 본 발명에 따른 제1 무선충전용 코일부(121a) 및 제2 무선충전용 코일부(111a)의 유도코일이 3중 환형 또는 3중 나선형으로 형성된 것을 도시한 일실시예도,
도 12는 본 발명에 따른 제1 무선전력충전모듈(120a), 제2 무선전력충전모듈(110a)의 구성요소를 도시한 구성도,
도 13은 본 발명에 따른 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)의 제2 나사산형 샤프트가 나사회전되면서 상승방향으로 직선운동하면서 외부기기로 전해지는 힘의 전달을 상방향으로 전달시키는 과정을 도시한 일실시예도,
도 14는 본 발명에 따른 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)의 제2 나사산형 샤프트가 나사회전되면서 하강방향으로 직선운동하면서 외부기기로 전해지는 힘의 전달을 하방향으로 전달시키는 과정을 도시한 일실시예도,
도 15는 본 발명에 따른 제1 무선 서보 액츄에이터(1a)의 제1 최종출력기어 상단 일측에 혼 기어를 추가해서 좌우 회전운동을 함께 병행하도록 것을 도시한 일실시예도,
도 16은 본 발명에 따른 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)의 제2 최종출력기어 상단 일측에 혼 기어를 추가해서 좌우 회전운동을 함께 병행하도록 것을 도시한 일실시예도,
도 17은 본 발명에 따른 제1 무선 서보 액츄에이터(1a)와 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)가 회전축 이동이 필요한 플래핑 액츄에이터에 구성되어, 상하 직선운동을 하면서 회전축을 이동시키는 과정을 도시한 일실시예도.
먼저, 본 발명에서 설명되는 AMOS형 무선 서보 액츄에이터에서 AMOS 는 본 출원인인 "주식회사 아모스텍( AMO STEC)"의 " AMOS "를 의미한다.
본 발명에 따른 무선원격제어형 상하?좌우의 위치제어가 가능한 무선 서보 액츄에이터는 본 출원인이 출원하여 등록받은 특허등록 제10-1080826호("양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터")를 개선하여, 무선 제어 부분과 출력기어의 방식을 변경하여 힘의 전달을 상하, 좌우로 전달시킬 수 있고, 회전운동을 상하 직선운동 또는 좌우 직선운동으로 변경시켜 외부기기의 상,하 진폭과 회전축 이동, 위치제어, 속도조절시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 메인제어보드로부터 원격무선제어신호를 송신받고, 이에 다른 응답신호를 수신할 수 있고, 메인제어보드로부터 무선전기를 수신받아 유기전력을 생성시켜 충전시킬 수 있으며, 이웃하는 또 다른 무선 서보 액츄에이터와 네트워크망을 형성시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 무선원격제어형 상하?좌우의 위치제어가 가능한 무선 서보 액츄에이터(1)의 구성을 도시한 블럭도에 관한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 제1 무선 서보 액츄에이터(1a)의 구성을 도시한 사시도에 관한 것이며, 도 3은 본 발명에 따른 제1 무선 서보 액츄에이터(1a)의 구성요소를 도시한 내부사시도에 관한 것이고, 도 4는 본 발명에 따른 제1 무선 서보 액츄에이터(1a)의 구성요소를 도시한 정단면도에 관한 것이며, 도 5는 본 발명에 따른 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)의 구성요소를 도시한 사시도에 관한 것이고, 도 6은 본 발명에 따른 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)의 구성요소를 도시한 내부사시도에 관한 것으로, 이는 원격지로부터 무선제어신호를 수신받아 외부기기와 연결되는 회전자가 나사회전되면서 상하 직선운동이 되어 외부기기로 전해지는 힘의 전달을 상하로 전달시키거나, 또는 회전자가 나사회전되면서 좌우 직선운동이 되어 외부기기로 전해지는 힘의 전달을 좌우로 전달시켜 외부기기의 상,하 진폭과 회전축 이동, 위치제어, 속도조절시키는 역할을 한다.
상기 무선 서보 액츄에이터(1)는 상단 회전자와 내측에 제1, 2 나사산형 샤프트가 있어 제1, 2최종출력기어와 동일한 회전력과 동일한 토오크(Torque)로 회전시키고, 회전시 제1,2 링형 마그네틱의 자기장 힘의 변화를 제1, 2 홀센서가 검출하여 증폭된 값을 제1,2 액츄에이터 제어모듈로 피드백시켜서 설정된 회전각도에 맞게 제1,2 나사산형 샤프트가 특정위치에 상하 직선운동 또는 좌우 직선운동이 되도록 제어된다.
상기 무선 서보 액츄에이터(1)는 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 무선 서보 액츄에이터(1a), 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)로 구성된다.
여기서, 무선 서보 액츄에이터(1)가 제1 무선 서보 액츄에이터(1a), 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)로 구성되는 이유는 외부기기와 연결되는 위치, 무게, 용도에 따라 기능과 역할이 서로 다르기 때문에 형상과 구조를 변경한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 제1 무선 서보 액츄에이터(1a)에 관해 설명한다.
상기 제1 무선 서보 액츄에이터(1a)는 회전자가 본체의 상단 좌측 사이드 일측 또는 우측 사이드 일측에 돌출 형성되어 힘의 전달을 상하 또는 좌우로 전달시켜 외부기기의 상,하 진폭과 회전축 이동, 위치제어, 속도조절시키는 역할을 한다.
이는 제1 액츄에이터 본체(10a), 제1 구동모터(20a), 제1a 피니언기어(30a), 제2a 스퍼기어(40a), 제3a 스퍼 기어(50a), 제4a 스퍼 기어(60a), 제1 나사산형 샤프트(70a), 제1 최종출력기어(80a), 제1 링형 마그네틱(90a), 제1 홀센서(100a), 제1 액츄에이터 제어모듈(110a), 제1 무선전력충전모듈(120a), 제1 마이크로스위치(130a)로 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 제1 액츄에이터 본체(10a)에 관해 설명한다.
상기 제1 액츄에이터 본체(10a)는 사각박스형상의 구조로 이루어져서 각 기기를 외압으로부터 보호하고 지지하는 역할을 한다.
이는 상단 좌측 사이드 일측 또는 우측 사이드 일측에 회전자(140a)가 돌출되어 형성되고, 제1 최종출력기어가 회전을 하면 내측에 있는 제1 나사산형 샤프트가 회전하면서 위, 아래로 이동을 하도록 지지하고, 각 기기를 외압의 충격으로부터 보호하기 위해, 플라스틱 재질 또는 알루미늄 재질 그리고 기어의 견고성과 마모를 작게 하기 위하여 티타늄 재질 등으로 이루어진다.
내부공간에 상층과 중간층, 그리고, 하층으로 나뉘어 구성된다.
상기 상층에는 제1a 피니언기어, 제2a 스퍼 기어, 제3a 스퍼 기어, 제4a 스퍼 기어, 제1 나사산형 샤프트의 상단부, 제1 최종출력기어, 제1 링형 마그네틱, 제1 홀센서가 구성된다.
상기 중간층에는 제1 나사산형 샤프트의 중하단부, 제1 샤프트 가이드, 제1 구동모터, 제1 마이크로스위치가 구성된다.
상기 하층에는 제1 액츄에이터 제어모듈, 제1 무선전력충전모듈, 제1 충전용배터리, 제1 유선통신용 커넥터소켓이 구성된다.
본 발명에 따른 제1 액츄에이터 본체의 상층, 중간층, 하층에는 제1 구동모터(20a), 제1a 피니언기어(30a), 제2a 스퍼기어(40a), 제3a 스퍼 기어(50a), 제4a 스퍼 기어(60a), 제1 나사산형 샤프트(70a), 제1 최종출력기어(80a), 제1 링형 마그네틱(90a), 제1 홀센서(100a), 제1 액츄에이터 제어모듈(110a), 제1 무선전력충전모듈(120a), 제1 마이크로스위치(130a)를 1:1로 수납해서 조립할 수 있도록 수납틀이 미리 형성됨으로서, 조립이 간단하게 슬림하게 제작할 수가 있다.
본 발명에 따른 제1 액츄에이터본체의 상단면에는 회전자(140a)가 돌출되어 형성된다.
여기서, 회전자(140a)는 이중원판형상으로 형성된다.
상기 회전자는 지능형로봇 및 RC, 산업기기나 의료기기의 부속품과 결합되어 1°~360°회전과 360도 이상의 각도 상에서 제어신호에 따라 위치제어가 되도록 구성된다. 즉, 360도 이상 되는 720도, 1080도, 1440도, 1800도, 2160도, 2520도, 2880도, 3240도 등 그 이상의 특정회전각도 상에서 정위치시키는 매개체 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 제1 구동모터(20a)에 관해 설명한다.
상기 제1 구동모터(20a)는 제1 액츄에이터 본체의 내부 일측에 내장되어 회전력(토오크)을 생성시키는 역할을 한다.
이는 도 10에 도시한 바와 같이, DC 모터(21a)와 BLDC 모터(22a)로 구성된다.
상기 DC 모터(21a)는 제1 충전용배터리로부터 공급되는 전압의 변동이 없는 직류(DC)전압으로 작동되어 회전력(토오크)을 생성시키는 역할을 한다.
이는 고정자로 영구자석을 사용하고, 전기자로 코일을 사용하여 구성된다.
즉, 전기자에 흐르는 전류의 방향을 전환함으로써, 자력의 반발, 흡입력으로 회전력을 생성시킨다.
본 발명에 따른 DC 모터는 일측에 제1 액츄에이터 제어모듈의 DC 드라이버가 연결되고, 타측에 제1a 피니언기어가 연결된다.
상기 DC 모터는 기동 토크가 크고, 인가전압에 대하여 회전특성이 직선적으로 비례하고, 입력전류에 대하여 출력 토크가 직선적으로 비례하며, 출력 효율이 높은 특성을 가진다.
즉, 흘린 전류에 대해 토크는 선형 비례하고, 토크에 대해 회전수는 선형 반비례하므로, 큰 힘이 필요할 때는 전류를 많이 흘려 보내면 된다.
본 발명에서는 회전수나 토크를 일정하게 제어를 하기 위해, 전류를 제1 액츄에이터 제어모듈의 제1 마이컴부에서 제어하여 회전수와 토크를 제어하도록 구성된다.
상기 BLDC 모터(22)는 DC모터를 구동하게 하는 브러쉬가 없는 DC모터로 구동드라이버로 구동되어 회전력(토오크)을 생성시키는 역할을 한다.
이는 영구자석으로 된 회전자와 권선으로 되어 있는 스테이터 폴로 구성된다.
즉, 영구자석 회전자와 전류가 인가된 권선으로부터 생성되는 자기장 사이의 관계에 의해 전기에너지가 회전자를 회전시킴으로서 기계적인 에너지로 변환된다.
상기 BLDC 모터는 일측에 제1 액츄에이터 제어모듈의 DC 드라이버가 연결되고, 타측에 제1a 피니언기어가 연결된다.
다음으로, 본 발명에 따른 제1a 피니언기어(30a)에 관해 설명한다.
상기 제1a 피니언기어(30a)는 제1 구동모터의 회전 축 상단에 위치되어, 회전속도(RPM)를 감속시키고 토오크를 증가시키는 역할을 한다.
이는 제1 구동모터와 연결되는 위치에 모터 샤프트가 구성된다.
상기 제1a 피니언기어는 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 제2a 스퍼기어의 제2a-1 스퍼기어와 맞물리며 회전시킨다.
다음으로, 본 발명에 따른 제2a 스퍼기어(40a)에 관해 설명한다.
상기 제2a 스퍼기어(40a)는 상단부, 하단부의 층상 구조로 이루어지고, 상단에 제1a 스퍼기어와 맞물리며 형성되어, 회전속도(RPM)를 감속시키는 역할을 한다.
이는 제4a 스퍼기어와 동일선상의 회전축에 형성되어, 제1a 스퍼기어로부터 전달받은 회전력(토오크)를 공회전시켜 감속시킨다.
그리고, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 제1a 스퍼기어와 맞물리면서 회전력을 전달받는 제2a-1 스퍼기어(41a)가 구성되고, 제2a-1 스퍼기어(40a) 하단에 공회전되는 제2a-2 스퍼기어(42a)가 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 제3a 스퍼기어(50a)에 관해 설명한다.
상기 제3a 스퍼기어(50a)는 제1a 스퍼기어와 동일선상의 회전축상에 형성되고, 제4a 스퍼기어와 맞물리면서 제1 구동모터의 회전력(토오크)을 전달시켜, 회전속도(RPM)를 감속시키고 토오크를 증가시키는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 제4a 스퍼기어(60a)에 관해 설명한다.
상기 제4a 스퍼기어(60a)는 제2a 스퍼기어와 동일선상의 회전축상에 형성되고, 상단부와 하단부의 층상구조로 형성되며, 하단부가 제1 최종출력기어와 맞물리면서 제1 최종출력기어로 회전력을 전달시키는 역할을 한다.
이는 제3a 스퍼기어와 맞물리면서 회전력을 전달받는 제4a-1 스퍼기어(61a)가 구성되고, 제4a-1 스퍼기어(61a) 하단에 제1 최종출력기어와 맞물리면서 회전력을 전달시키는 제4a-2 스퍼기어(62a)가 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 제1 나사산형 샤프트(70a)에 관해 설명한다.
상기 제1 나사산형 샤프트(70a)는 제1 액츄에이터 본체(10a)의 상단 좌측 사이드 일측 또는 우측 사이드 일측에 돌출되어 형성된 회전자를 하나의 축으로 연결시켜, 회전자를 동일한 회전속도와 동일한 토오크(Torque)로 회전시키면서, 상하 또는 좌우로 직선운동시키는 역할을 한다.
이는 둘레를 따라 나사산이 형성된 샤프트가이드(71a)가 구성된다. 그리고, 샤프트 상에 제1 최종출력기어가 일체형으로 형성되어, 제1 최종출력기어를 통해 회전력을 전달받아 회전자를 동일한 회전속도와 동일한 토오크로 회전시키도록 구성된다.
상기 회전자는 외부기기와 직접 연결되어 제1 나사산형 샤프트의 힘을 외부기기로 전달시키는 역할을 한다.
상단면의 회전자와 하단면의 회전자 사이를 하나의 축으로 연결시키되, 제1 최종출력기어와 제1 링형 마그네틱을 축 관통시켜 연결시킨다.
이로 인해, 제1 최종출력기어에 제4a 스퍼기어의 제4a-2 스퍼기어가 연결되어, 회전력이 전달되어 상단면의 회전자를 동일한 회전속도 및 동일한 토오크로 회전시키게 된다.
다음으로, 본 발명에 따른 제1 최종출력기어(80a)에 관해 설명한다.
상기 제1 최종출력기어(80a)는 제1 나사산형 샤프트 상에 위치되어 제4a 스퍼기어와 연결되면서, 제4a 스퍼기어로부터 회전력을 전달받아 내부에 형성된 제1 나사산형 샤프트를 회전시키는 역할을 한다.
이는 제1 나사산형 샤프트 상에 관통되어 위치되고, 제4a 스퍼기어의 제4a-2 스퍼 기어와 연결되어 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 제1 링형 마그네틱(90a)에 관해 설명한다.
상기 제1 링형 마그네틱(90a)은 제1 나사산형 샤프트에 관통되면서 제1 최종출력기어의 하단에 위치되어, 1°~360°회전시 자기장의 편향값을 제1 홀 센서로 전달시키는 역할을 한다.
이는 링형상으로 형성되어, 상단에 제1 최종출력기어가 구성되고, 하단에 제1 홀센서가 구성된다.
기존의 서보 액츄에이터(Servo Actuator)는 주로 위치 제어를 목적으로 사용하며 충실하게 동작하기 위해서는, 빠르고 정밀도가 좋은 움직임이 요구된다.
목표 위치에 정밀도 있게 정지시키는 것을 "위치 결정" 이라고 하며,이러한 제어를 "위치 결정 제어"라고 부른다.
위치 결정 제어에는 항상 제1 구동모터의 회전 상태를 정확하게 감지하기 위하여 모터의 회전 상태를 검출하는 제1 링형 마그네틱과 제1 홀센서가 장착된다.
본 발명에서는 제1 최종출력기어의 하단에 제1 링형 마그네틱을 설치함으로서, 제1 최종출력기어의 회전시 발생되는 자기장 값을 제1 홀센서를 통해 검출해서 피드백 제어용으로 사용할 수 있어, 제1 구동모터의 회전시 특정회전각도에서 정위치되도록 정밀하게 위치제어시킬 수 있으며, 제1 액츄에이터 본체 내부에 각 기기를 내장시켜 구성함으로서, 슬림하게 제작할 수 있고, 지능형로봇, 산업기기 및 RC(Radio Control) 뿐만 아니라 의료기기에까지 널리 광범위하게 사용할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 제1 홀센서(100a)에 관해 설명한다.
상기 제1 홀센서(100a)는 제1 링형 마그네틱 하단에 위치되어, 회전자의 위치와 연관된 자계의 이동을 감지하여 제1 링형 마그네틱으로부터 전달받은 자기장의 편향값을 전압으로 바꿔 제1 액츄에이터제어모듈로 전달시키는 역할을 한다.
기존 액츄에이터의 경우 마그네트 신호만 받아서 신호를 증폭하여 디지털 처리하는 과정만 있으나, 본 발명에서는 제1 홀센서 신호를 증폭한 신호와 되먹임 되어진 신호를 증폭하여 위치제어에 정확도를 높이는 효과를 가질 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 제1 액츄에이터 제어모듈(110a)에 관해 설명한다.
상기 제1 액츄에이터 제어모듈(110a)은 원격지의 메인제어보드로부터 무선제어신호를 수신받아, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하고, 홀센서에서 인식된 값과 제1 마이크로스위치에서 인식된 값(계수값)을 비교한 후, 비교된 값을 증폭시켜, 피드백시키고, 그 피드백 값과 입력(명령값)을 PID 제어하여 설정된 회전각도에 맞게 제1 나사산형 샤프트를 좌우 직선운동 또는 상하 직선운동시키도록 정밀제어하는 역할을 한다.
이는 도 8에 도시한 바와 같이, 제1 무선통신모듈(Wireless Communication Module)(111a), 제1 유선통신용 커넥터소켓(112a), 제1 유무선통신스위칭부(113a), 제1 데이터인터페이스부(114a), 제1 IP통신용스위칭부(115a), 제1 DC-DC 컨버터부(116a), 제1 마이컴부(117a), 제1 증폭부(118a), 제1 AD컨버터(119a), 제1 모터 드라이버(110a-1)로 구성된다.
상기 제1 무선통신모듈(Wireless Communication Module)(111a)는 2.4GHz 및 5.6GHz의 무선모듈로 이루어져 원격지의 메인제어보드와 제1 무선송수신안테나(111a-1)를 통해 무선통신망을 형성시켜 메인제어보드로부터 원격제어신호를 수신받아 제1 마이컴부로 전달시키는 역할을 한다.
이는 지그비(Zigbee) 및 와이파이(WIFI)통신으로 구성된다.
여기서, 지그비(Zigbee)는 저전력 무선 근거리 표준 통신 기술을 의미한다.
가격이 저렴하고, 전력소모가 매우 적고, 크기와 프로그램이 작으며, 근거리에서 속도가 크게 빠르지 않고, 네트워크 사용 빈도가 드문 경우에 가장 적합한 특징을 가진다.
일반적인 배터리로도 1년 이상을 사용할 수 있고, 전송속도는 2.4GHz 대역에서 최대 250 Kbps, 칩의 가격은 $1 정도이다.
네트워크에 최대 65,536개의 노드를 붙일 수 있고, 스타(Star), 클러스터 트리(uster Tree) 및 메쉬(Mesh) 네트워크 망까지도 지원이 된다.
EEE 802.15.4의 PHY 및 MAC 표준을 바탕으로 지그비(ZigBee) 연합(기업체 및 연구소 등)이 중심이 되어 상위계층인 네트워크 및 응용 계층의 ZigBee 스펙을 제정하였다.
전송거리는 10~75m range, 75m/1mW(0dBm)이하, 30mA 이하이고, 2.4GHz 하드웨어의 경우 30m/indoor, over 100m/outdoor이며, 배터리 수명은 100~1,000day이상의 수명을 유지할 수가 있다.
이러한 지그비(ZigBee)의 특성을 이용하여, 메인 제어보드와 저속 통신으로 근거리에서 제어명령데이터를 송수신할 수 있도록 구성된다.
지그비의 경우 근거리와 로컬 네트워크망 등 가까운 거리에서 액츄에이터 제어에 사용하며, 와이파이(WIFI)의 경우 원거리 무선 원격제어를 위하여 AP(액서스포인트)를 통하여 TCP/IP 통신망 즉 이더넷(Ethernet) 망을 이용하여 무선 서보 액츄에이터를 제어할 수 있는 무선 모듈 등으로 다양한 네트워크 제어가 가능하다
상기 메인제어보드(5)는 외부기기의 상,하 진폭과 회전축 이동, 위치제어, 속도조절시키는 제어명령데이터를 제1 무선 서보 액츄에이터의 제1 무선통신모듈로 제어명령데이터를 송신시키고, 이에 따른 응답신호로서, 제1 무선 서보 액츄에이터의 동작상태를 수신받으며, 제1 무선 서보 액츄에이터로 무선전기를 송신시키는 역할을 한다. 이는 무선 서보 액츄에이터와 지그비망을 통해 서로 연결되어, 양방향 데이터 통신이 되도록 통신연결시키는 지그비통신모듈과, 무선 서보 액츄에이터로 상,하 진폭과 회전축 이동, 위치제어, 속도조절시키는 제어명령데이터를 송신시켜, 무선 서보 액츄에이터의 위치제어 및 진폭크기를 무선으로 제어시키는 메인제어부와, 컨버터부, 인버터부, 전자기파공명안테나으로 이루어져 1m~5m의 근거리에서 무선 서보 액츄에이터로 무선전기를 송신시키는 무선전기송신부가 구성된다.
본 발명에 따른 제1 무선통신모듈(Wireless Communication Module)(111)은 전단 일측에 2.4GHz 및 5.6GHz 등의 무선모듈 제1 무선송수신안테나(111a-1)가 구성된다.
상기 제1 유선통신용 커넥터소켓(112a)은 유선통신망을 형성시키는 역할을 한다.
이는 제1 유무선통신스위칭부의 스위칭신호에 의해 유선통신망으로 전환된다.
상기 제1 유무선통신스위칭부(113a)는 평상시에는 무선통신망을 형성시키다가 외부에서 제1 유선통신용 커넥터소켓에 케이블이 연결되면 자동으로 무선통신을 오프시키고, 유선통신망을 형성시키는 역할을 한다.
상기 제1 데이터인터페이스부(114a)는 제1 유무선통신스위칭부를 통해 수신되는 데이터 신호를 제1 마이컴부에서 처리할 수 있도록 레벨을 맞춰서 설정시키는 역할을 한다.
이는 PWM 통신과 TCP/IP 통신을 통해 외부 컨트롤러와 데이터 인터페이스로 상호 연결시키도록 하기 위해, PWM 통신모듈과 TCP/IP 통신모듈로 구성된다.
상기 PWM(Pulse Wide Modulation) 통신모듈은 단방향 통신을 하며, 입력 리플레시 주파수는 50Hz(20mS)이고, 펄스 와이드 범위는 0.9~2.1mS, 센터(Center)는 1.5mS인 특성을 갖는다.
상기 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol ) 통신모듈은 네트워크 전송 프로토콜로, 이웃하는 또 따른 무선 서보 액츄에이터로 데이터를 전송할 수 있어 네트워크망으로 연결시킬 수가 있다.
상기 제1 IP통신용스위칭부(115a)는 이더넷통신케이블을 통해 제1 마이컴부에서 연산한 결과값을 메인제어보드로 전송시킬 수 있도록 스위칭시키는 역할을 한다.
여기서, 제1 마이컴부에서 연산한 결과값은 메인제어보드의 제어명령데이터에 따른 응답신호로서, 상,하 진폭과 회전축 이동, 위치제어, 속도조절되는 제1 무선 서보 액츄에이터의 동작상태 결과값을 말한다.
이는 IP 통신용 포트로써 이더넷 통신이 구성되고, 결과값을 메인제어보드에 전송시키며, IP제어신호도 수신할 수 있는 양방향 통신포트로 구성된다.
상기 제1 DC-DC 컨버터부(116a)는 제1 충전용배터리로부터 공급받은 전원을 DC-DC 스텝 다운시켜 제1 마이컴부로 전원을 인가시키는 역할을 한다.
이는 DC/DC 스텝 다운 컨버터로서 제1 마이컴부에 안정화된 전원을 공급하며, 제1 구동모터의 구동 토오크로 인한 전원 흔들림이 발생하여도 제1 마이컴부에 안정화된 전원을 공급한다.
상기 제1 마이컴부(117a)는 제1 무선통신모듈, 제1 유무선통신스위칭부, 제1 데이터인터페이스부, 제1 IP통신용스위칭부, 제1 정류회로부, 제1 DC-DC 컨버터부와 연결되어, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하고, 제1 홀센서에서 인식된 값과 제1 마이크로스위치에서 인식된 값(계수값)을 비교한 후, 비교된 값을 증폭시켜, 피드백시키고, 그 피드백 값과 입력(명령값)을 PID 제어하여 설정된 회전각도에 맞게 제1 나사산형 샤프트를 좌우 직선운동 또는 상하 직선운동시키도록 정밀제어하는 역할을 한다.
이는 제1 DC-DC 컨버터로부터 안정화된 전원(3.3V)을 인가 받고, 송신단자(TXD)에 시그널 데이터 인터페이스가 연결되어 외부 컨트롤러와 데이터 통신을 하고, 오실레이터(OSC) 단자에 크리스탈 발진소자가 연결되어 수십Mhz로 발진되며, 출력단자는 제1 모터드라이버의 정회전모드와 역회전모드가 연결되어, 제1 모터드라이버 쪽으로 PWM구동신호를 출력시켜 1~360°중 0.2~0.5°각도씩 정(역)회전시켜 특정회전각도에 정위치되도록 위치제어하고, 입력단자에 증폭부가 연결되어, 증폭된 제1 홀 서 측정값을 입력받도록 구성된다.
즉, 제1 홀센서에서 회전자의 위치와 연관된 자계의 이동을 감지하고, 제1 링형 마그네틱으로부터 전달받은 자기장의 편향 값과 되먹임 되어진 회전자 위치 신호를 증폭하고 디지털 전압으로 바꿔 제1 마이컴부(CPU)로 전달시켜 줌으로써 기존 액츄에이터 보다 오차가 작은 위치제어를 할 수 있다.
명령데이터를 받은 제1 마이컴부는 입력 단자로 부터 제1 홀센서의 피드백 값과 PID(Proportional-Integral-Derivative 비례적분미분) 제어과정을 거쳐 결과값을 제1 모터 드라이버로 출력시킨다.
상기 PID제어기는 피드백제어기의 형태를 가지고 있으며, 제어하고자 하는 대상의 출력 값(output)을 측정하여 이를 원하고자 하는 참조 값(reference value) 혹은 설정 값(set point)과 비교하여 오차(error)를 계산하고, 그 오차 값을 이용하여 제어에 필요한 제어 값을 계산하는 구조를 갖는다.
본 발명에 따른 PID제어기는 수학식 1과 같이, 세 개의 항(비례항, 적분항, 미분항)을 더하여 제어 값(MV: Manipulated Variable)을 계산하도록 구성된다.
Figure 112012038729769-pat00001
이 항들은 각각 오차값, 오차값의 적분, 오차값의 미분에 비례하기 때문에 비례-적분-미분 제어기(Proportional-Integral-Derivative)라는 명칭을 가진다.
상기 비례항은 현재상태에서의 오차값의 크기에 비례한 제어작용을 한다.
상기 적분항은 정상상태 오차를 없애는 작용을 한다.
상기 미분항은 출력값의 급격한 변화에 제동을 걸어 오버슛을 줄이고 안정성을 향상시킨다.
이처럼 본 발명에 따른 제1 마이컴부에서는 PID제어기를 통해 제어하고자 하는 대상의 출력값(output)을 측정하여 이를 원하고자 하는 참조값(reference value) 혹은 설정값(set point)과 비교하여 오차(error)를 계산하고, 그 오차값을 이용하여 1~360°회전각도 중 0.2~0.5°각도씩 회전시켜 특정회전각도에 정위치 되도록 정확한 제어값을 계산할 수가 있다.
본 발명에 따른 제1 마이컴부에서는 1~360°회전각도 중 0.2~0.5°각도씩 회전시켜 특정회전각도에 정위치시켜, 제1 나사산형 스크류가 프로그램 설정된 높이까지 상하 또는 좌우로 구동되도록 테이블화되어 설정된다.
또한, 본 발명에 따른 제1 마이컴부에서는 제1 유선통신용 커넥터소켓에 유선 커넥터가 삽입되면, 제1 유무선통신스위칭부에 스위칭신호를 보내어, 무선통신을 자동으로 오프시키도록 제어한다.
그리고, 제1 유선통신용 커넥터소켓에 의해 유선 커넥터가 삽입되어 유선통신을 로 사용할 경우, 제어신호와 전원전압이 사용되는데, 무선 충전과는 달리 유선으로 제1 충전용배터리의 충전이 되도록 구성된다.
이때, 유선통신을 통해 제1 충전용배터리를 충전시키는 스위칭 회로와 충전회로가 구성된다.
상기 제1 증폭부(118a)는 제1 홀센서에서 측정된 값을 증폭시켜 AD컨버터로 전달시키는 역할을 한다.
이는 OP앰프로 구성된다.
상기 제1 AD컨버터(119a)는 제1 증폭부에서 증폭된 값을 AD 변환시켜 제1 마이컴부로 전달시키는 역할을 한다.
상기 제1 모터 드라이버(110a-1)는 제1 마이컴부의 제어하에 구동모터를 시계방향과 반시계방향으로 PWM 구동시키는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 제1 무선전력충전모듈(120a)에 관해 설명한다.
상기 제1 무선전력충전모듈(120a)은 외부의 메인제어보드부터 전송된 무선전기를 수신받아 유기전력을 생성시켜 충전시키는 역할을 한다.
이는 도 12에 도시한 바와 같이, 제1 무선충전용 코일부(121a), 제1 정류회로부(122a), 제1 충전제어회로부(123a), 제1 충전용배터리(124a)로 구성된다.
상기 제1 무선충전용 코일부(121a)는 제1 액츄에이터 본체의 바닥층 일측에 설치되고, 환형상의 유도코일로 형성되어, 일측의 제1 공진형멀티루프어레이안테나(121a-1)로부터 전자기파 공진주파수를 수신받아, 유기전력을 생성시켜 제1 정류회로부로 전달시키는 역할을 한다.
상기 공진형유도코일의 공극간격(Ig)는 0.04~0.5cm로 하여, 환형 또는 나선형으로 부착되어 형성된다.
그리고, 본 발명에서는 공진형유도코일을 은(Au)과 구리(Cu)재질로 형성함으로서, 고주파노이즈를 제거할 수 있어, 소비전력의 손실을 막을 수 있고, 그로 인해 전자기파의 효율이 높아지는 효과가 있다.
또한, 공진형유도코일의 공극간격(Ig)을 0.04~0.5cm로 하고, 도 11에 도시한 바와 같이, 3중의 환형 또는 3중의 나선형으로 형성함으로서, 제1 무선충전용 코일부에서는 100KHz~10MHz의 공진주파수가 생성되며, 그이상의 공진주파수로도 매칭이 가능하다. 무게 및 작업의 공정성을 개선하기 위하여 공진형 멀티루프어레이 안테나는 다층 구조의 PCB에 패턴 안테나로 구현이 가능하다.
근거리 충전에 사용 할 경우 PCB 안테나 구조로 사용이 가능하고 사용하는 장소에 따라서 은과 구리가 조합된 재질의 공진형유도코일을 사용한 멀티루프어레이 안테나를 사용 할 수 있다.
즉, 제1 무선전력 안테나 코일에 의하여 유기된 신호는 가변캐패시터로 공진주파수를 100KHz~10MHz 또는 그 이상의 공진 주파수로 매칭을 시키는 매칭 주파수부로 구성된다.
매칭 주파수부는 주파수 공진 방식으로 전력송신 주파수와 수신 안테나의 주파수가 공진되어 최대의 효율을 얻을 수 있도록 가변캐패시터로 조정하여 공진주파수로 매칭을 시킬 수 있다. 가변캐패시티로 공진 주파수를 100KHz~10MHz 또는 그 이상의 공진주파수로 매칭을 시킬 수 있는 공진 주파수 매칭부로 구성된다.
상기 제1 정류회로부(122a)는 제1 무선충전용 코일부로 인가된 공진유기전력을 DC로 변환시켜 제1 충전제어회로부로 전달시키는 역할을 한다.
이는 쇼트키다이오드 조합으로 구성된다.
정류부는 AC 성분으로 DC 성분으로 컨버팅 시켜줘야 충전이 가능하기 때문에, 유기된 전력을 DC 성분으로 컨버팅시켜 주는 역할을 한다.
상기 제1 충전제어회로부(123a)는 제1 마이컴부의 제어신호에 따라 구동되어, 제1 정류회로부는 공진된 유기전력을 쇼트키다이오드를 통해 DC로 변환되어 구형파 펄스스위칭 방식을 이용하고 제1 충전제어회로부를 통해 전기를 인가받아 충전된 후, 각 기기에 전원을 공급시키는 역할을 한다.
이는 제1 무선충전용 코일부(121a) 상단에 위치된다.
그리고, DC 4.8 V or 6.0V/ 1200mA ~ 1600mA의 사각형 타입의 리튬이온전지 또는 스몰형 충전용 배터리로 구성된다.
상기 제1 무선충전용 코일부(121a), 제1 정류회로부(122a), 제1 충전제어회로부(123a), 제1 충전용배터리(124a)로 이루어진 제1 무선전력충전모듈(200a)은 다음과 같은 과정을 통해 무선충전된다.
먼저, 제1 무선충전용 코일부에 공진유기전력은 코일의 권선수 및 두께에 의하여 공진 유기전력이 결정된다.
본 발명에서는 4.0 ~ 6.0V의 250mA ~ 300mA 정도의 유기전력이 생성되며 거리에 따라서 유기전력은 변화된다..
여기서, 제1 무선충전용 코일부(121a)에 의해 생성되는 유기전력은 상당히 작아 충전용 배터리에 풀 충전은 어렵기 때문에, 제1 정류회로부는 제1 무선 서보 액츄에이터의 기본 전지 사용 시간을 연장하는 역할을 담당한다.
상기 제1 정류회로부를 거쳐게 되면 사용하는 장소에 따라 주기가 긴펄스형태 및 주기가 짧은 펄스 형태로 변환되어 배터리에 충전을 높일 수 있다.
여기서, DC 성분으로 충전을 하는 것이 보통이나 펄스성이 있는 전력파를 공급할 경우 제1 충전용배터리에 전력을 충전하는 시간도 그만큼 짧아지면서 충전 효과도 높일 수 있다.
제1 정류회로부에서 컨버팅 된 DC 전력은 제1 충전제어회로부에 의하여 제1 충전용배터리에 충전을 하게 되는데 충전을 하기 위해서는 PCM회로를 거쳐 안전하게 충전용배터리에 충전을 하게 된다,
그리고, 유선충전 또는 무선충전을 할 경우 충전 전압의 변동 및 이상유무를 판별하는 제1 충전제어회로부는 충전용배터리 전원이 완충되었을 때 자동으로 오토컷(Auto-Cut)시키는 역할을 한다.
이때, 오토컷(Auto-Cut)이 안될 경우 제1 충전용배터리는 계속적으로 충전을 하는 상태가 되므로 상대적으로 충전용배터리 및 주변 회로에 위험성이 있어 반드시 오토컷(Auto-Cut) 회로가 포함된다.
제1 충전제어회로부는 항상 제1 충전용배터리 전원 전압이 제1 마이컴부에 의해 항상 모니터링 할 수 있도록 구성되어 있어 전원 전압의 변동 및 이상 유무에 대하여 항상 실시간 대응을 할 수 있다.
또한 무선으로 완충전이 되었을 경우 제1 충전제어회로부에서는 제1 충전용배터리 상태를 모니터링하여 메인제어보드에 무선으로 전력 공급 중단 요청을 하는 신호를 송출하는 구조로 되어 있어 제1 충전용배터리의 안전 및 보호를 할 수 있는 구조로 구성된다.
그리고, 유선 충전의 경우 완충 상태를 알 수 있는 인디케이터용 LED 램프가 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 제1 마이크로스위치(130a)에 관해 설명한다.
상기 제1 마이크로스위치(130a)는 제1 나사산형 샤프트의 밑단과 0.5~1cm 로 이격되어 위치되면서, 제1 나사산형 샤프트이 상하 직선운동 시 리미트 될 수 있게하여 제1 액츄에이터 제어모듈로 전달시키는 역할을 한다.
이는 제1 나사산형 샤프트의 시작점과 끝지점을 감지(터치)하도록 구성됨으로서, 제1 나사산형 샤프트가 리미트되는 것을 감지한다.
그리고, 본 발명에서는 제1 마이크로스위치 일측에 근접센서를 구성하여, 제1 나사산형 샤프트가 위, 아래로 이동할 경우 현재 제1 나사산형 샤프트가 아래 또는 윗부분에 위치하고 있는지 알 수 있게 하는 것이 특징이다.
상기 제1 마이크로스위치(130a)는 미소접점 간격과 스냅 동작기구로 구성되고, 규정된 동작과 규정된 힘으로 개폐동작을 하는 접점기구가 케이스로 덮여져 구성된다.
본 발명에 따른 제1 마이크로스위치는 제1 나사산형 샤프트의 온/오프 구동여부를 정확하게 감지할 수 있어 신뢰성이 높고, 성능이 우수하고, 소형, 높은 용량, 저가격, 보수점검이 용이한 특성을 가진다.
이하, 본 발명에 따른 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)에 관해 설명한다.
상기 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)는 회전자가 본체의 중앙 상단 방향으로 돌출 형성되어 힘의 전달을 상하 또는 좌우로 전달시켜 외부기기의 상,하 진폭과 높 낮이 조절, 회전축 이동, 위치제어, 속도조절시키는 역할을 한다.
이는 제2 액츄에이터 본체(10b), 제2 구동모터(20b), 제1b 피니언기어(30b), 제2b 스퍼기어(40b), 제3b 스퍼 기어(50b), 제2 나사산형 샤프트(60b), 제2 최종출력기어(70b), 제2 링형 마그네틱(80b), 제2 홀센서(90b), 제2 액츄에이터 제어모듈(100b), 제2 무선전력충전모듈(110b), 제2 마이크로스위치(120b)로 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 제2 액츄에이터 본체(10b)에 관해 설명한다.
상기 제2 액츄에이터 본체(10b)는 사각박스형상의 구조로 이루어져서 각 기기를 외압으로부터 보호하고 지지하는 역할을 한다.
이는 상단면에 회전자(140b)가 돌출되어 형성되고, 최종출력기어가 회전을 하면 내측에 있는 나사산형 샤프트가 회전하면서 위, 아래로 이동을 하도록 지지하고, 각 기기를 외압의 충격으로부터 보호하기 위해, 플라스틱 재질 또는 알루미늄 재질 그리고 기어의 견고성과 마모를 작게 하기 위하여 티타늄 재질 등으로 이루어진다.
내부공간에 상층과 중간층, 그리고, 하층, 바닥층으로 나뉘어 구성된다.
상기 상층에는 제1b 피니언기어, 제2b 스퍼 기어, 제3b 스퍼 기어, 제2 나사산형 샤프트의 상단부, 제2 최종출력기어, 제2 링형 마그네틱, 제2 홀센서가 구성된다.
상기 중간층에는 제2 나사산형 샤프트의 중단부, 제2 구동모터가 구성된다.
상기 하층에는 제2 나사산형 샤프트의 하단부, 제2 충전용배터리, 제2 마이크로 스위치가 구성된다.
상기 바닥층에는 제2 액츄에이터 제어모듈, 제2 무선전력충전모듈로 구성된다.
본 발명에 따른 제2 액츄에이터 본체의 상층, 중간층, 하층, 바닥층에는 제2 액츄에이터 본체(10b), 제2 구동모터(20b), 제1b 피니언기어(30b), 제2b 스퍼기어(40b), 제3b 스퍼 기어(50b), 제2 나사산형 샤프트(60b), 제2 최종출력기어(70b), 제2 링형 마그네틱(80b), 제2 홀센서(90b), 제2 액츄에이터 제어모듈(100b), 제2 무선전력충전모듈(110b), 제2 마이크로스위치(120b)를 1:1로 수납해서 조립할 수 있도록 수납틀이 미리 형성됨으로서, 조립이 간단하게 슬림하게 제작할 수가 있다.
본 발명에 따른 제2 액츄에이터본체의 상단면에는 회전자(140b)가 돌출되어 형성된다.
여기서, 회전자(140b)는 이중원판형상으로 형성된다.
상기 회전자는 지능형로봇 및 RC, 산업기기나 의료기기의 부속품과 결합되어 1°~360°회전과 360도 이상의 각도 상에서 제어신호에 따라 위치제어가 되도록 구성된다. 즉, 360도 이상 되는 720도, 1080도, 1440도, 1800도, 2160도, 2520도, 2880도, 3240도 등 그 이상의 특정회전각도 상에서 정위치시키는 매개체 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 제2 구동모터(20b)에 관해 설명한다.
상기 제2 구동모터(20b)는 제1 액츄에이터 본체의 내부 일측에 내장되어 회전력(토오크)을 생성시키는 역할을 한다.
이는 DC 모터와 BLDC 모터로 구성된다.
상기 DC 모터는 제1 충전용배터리로부터 공급되는 전압의 변동이 없는 직류(DC)전압으로 작동되어 회전력(토오크)을 생성시키는 역할을 한다.
이는 고정자로 영구자석을 사용하고, 전기자로 코일을 사용하여 구성된다.
즉, 전기자에 흐르는 전류의 방향을 전환함으로써, 자력의 반발, 흡입력으로 회전력을 생성시킨다.
본 발명에 따른 DC 모터는 일측에 제1 액츄에이터 제어모듈의 DC 드라이버가 연결되고, 타측에 제1b 피니언기어가 연결된다.
상기 DC 모터는 기동 토크가 크고, 인가전압에 대하여 회전특성이 직선적으로 비례하고, 입력전류에 대하여 출력 토크가 직선적으로 비례하며, 출력 효율이 높은 특성을 가진다.
즉, 흘린 전류에 대해 토크는 선형 비례하고, 토크에 대해 회전수는 선형 반비례하므로, 큰 힘이 필요할 때는 전류를 많이 흘려 보내면 된다.
본 발명에서는 회전수나 토크를 일정하게 제어를 하기 위해, 전류를 제1 액츄에이터 제어모듈의 제1 마이컴부에서 제어하여 회전수와 토크를 제어하도록 구성된다.
상기 BLDC 모터는 DC모터를 구동하게 하는 브러쉬가 없는 DC모터로 구동드라이버로 구동되어 회전력(토오크)을 생성시키는 역할을 한다.
이는 영구자석으로 된 회전자와 권선으로 되어 있는 스테이터 폴로 구성된다.
즉, 영구자석 회전자와 전류가 인가된 권선으로부터 생성되는 자기장 사이의 관계에 의해 전기에너지가 회전자를 회전시킴으로서 기계적인 에너지로 변환된다.
상기 BLDC 모터는 일측에 제1 액츄에이터 제어모듈의 DC 드라이버가 연결되고, 타측에 제1b 피니언기어가 연결된다.
다음으로, 본 발명에 따른 제1b 피니언기어(30b)에 관해 설명한다.
상기 제1b 피니언기어(30b)는 제1 구동모터의 회전 축 상단에 위치되어, 회전속도(RPM)를 감속시키고 토오크를 증가시키는 역할을 한다.
이는 제2 구동모터와 연결되는 위치에 모터 샤프트가 구성된다.
상기 제1b 피니언기어는 제2b 스퍼기어의 제2b-1 스퍼기어와 맞물리며 회전시킨다.
다음으로, 본 발명에 따른 제2b 스퍼기어(40b)에 관해 설명한다.
상기 제2b 스퍼기어(40b)는 상단부과 하단부의 층상 구조로 이루어지고, 상단부가 제3b 스퍼 기어와 맞물리며 형성되고, 하단부가 제1b 피니언기어와 맞물리며 형성되어, 제1b 피니언기어의 회전방향과 반대방향으로 회전되면서, 제3b 스퍼기어로 제1b 스퍼기어의 반대방향 회전력을 전달시키는 역할을 한다.
이는 제1b 피니언기어와 맞물리면서 회전력을 전달받는 제2b-1 스퍼 기어(41b)가 구성되고, 제2b-1 스퍼 기어의 상단에 제3b 스퍼기어의 제3b-1 스퍼기어와 맞물리면서, 제3b 스퍼기어로 회전력을 전달시키는 제2b-2 스퍼 기어(42b)가 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 제3b 스퍼기어(50b)에 관해 설명한다.
상기 제3b 스퍼기어(50b)는 상단부와 하단부의 층상구조로 이루어지고, 상단부가 제2 최종출력기어와 맞물리며 형성되고, 하단부가 제2b 스퍼기어와 맞물리며 형성되어, 제2b 스퍼기어의 회전방향과 반대방향으로 회전되면서, 제2 최종출력기어로 제2b 스퍼기어의 반대방향 회전력을 전달시키는 역할을 한다.
이는 제2b 스퍼 기어의 제2b-2 스퍼기어와 맞물리면서 회전력을 전달받는 제3b-1 스퍼 기어(51b)가 구성되고, 제3b-1 스퍼 기어의 상단에 제2 최종출력기어와 맞물리면서, 제2 최종출력기어로 회전력을 전달시키는 제3b-2 스퍼 기어(52b)가 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 제2 나사산형 샤프트(60b)에 관해 설명한다.
상기 제2 나사산형 샤프트(60b)는 제2 액츄에이터 본체(10b)의 중앙 일측에 돌출되어 형성된 회전자를 하나의 축으로 연결시켜, 회전자를 동일한 회전속도와 동일한 토오크(Torque)로 회전시키면서, 상하 또는 좌우로 직선운동시키는 역할을 한다.
이는 둘레를 따라 나사산이 형성된 샤프트가이드(61b)가 구성된다. 그리고, 제2 나사산형 샤프트 상에 제2 최종출력기어가 일체형으로 형성되어, 제2 최종출력기어를 통해 회전력을 전달받아 회전자를 동일한 회전속도와 동일한 토오크로 회전시키도록 구성된다.
상기 회전자는 외부기기와 직접 연결되어 제2 나사산형 샤프트의 힘을 외부기기로 전달시키는 역할을 한다.
상단면의 회전자와 하단면의 회전자 사이를 하나의 축으로 연결시키되, 제2 최종출력기어와 제2 링형 마그네틱을 축 관통시켜 연결시킨다.
이로 인해, 제2 최종출력기어에 제3b 스퍼기어의 제3b-2 스퍼기어가 연결되어, 회전력이 전달되어 상단면의 회전자를 동일한 회전속도 및 동일한 토오크로 회전시키게 된다.
다음으로, 본 발명에 따른 제2 최종출력기어(70b)에 관해 설명한다.
상기 제2 최종출력기어(70b)는 제1 나사산형 샤프트 상에 위치되어 제3b 스퍼기어와 연결되면서, 제3b 스퍼기어로부터 회전력을 전달받아 내부에 형성된 제2 나사산형 샤프트를 회전시키는 역할을 한다.
이는 제2 나사산형 샤프트 상에 관통되어 위치되고, 제3b 스퍼기어의 제3b-2 스퍼 기어와 연결되어 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 제2 링형 마그네틱(80b)에 관해 설명한다.
상기 제2 링형 마그네틱(80b)은 제2 나사산형 샤프트에 관통되면서 제2 최종출력기어의 하단에 위치되어, 1°~360°회전시 자기장의 편향값을 제2 홀센서로 전달시키는 역할을 한다.
이는 링형상으로 형성되어, 상단에 제2 최종출력기어가 구성되고, 하단에 제2 홀센서가 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 제2 홀센서(90b)에 관해 설명한다.
상기 제2 홀센서(90b)는 제1 링형 마그네틱 하단에 위치되어, 회전자의 위치와 연관된 자계의 이동을 감지하여 제1 링형 마그네틱으로부터 전달받은 자기장의 편향값을 전압으로 바꿔 제1 액츄에이터제어모듈로 전달시키는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 제2 액츄에이터 제어모듈(100b)에 관해 설명한다.
상기 제2 액츄에이터 제어모듈(100b)은 원격지의 메인제어보드로부터 무선제어신호를 수신받아, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하고, 홀센서에서 인식된 값과 제2 마이크로스위치에서 인식된 값(계수값)을 비교한 후, 비교된 값을 증폭시켜, 피드백시키고, 그 피드백 값과 입력(명령값)을 PID 제어하여 설정된 회전각도에 맞게 제2 나사산형 샤프트를 좌우 직선운동 또는 상하 직선운동시키도록 정밀제어하는 역할을 한다.
이는 제2 무선통신모듈(Wireless Communication Module)(101b), 제2 유선통신용 커넥터소켓(102b), 제2 유무선통신스위칭부(103b), 제2 데이터인터페이스부(104b), 제2 IP통신용스위칭부(105b), 제2 DC-DC 컨버터부(106b), 제2 마이컴부(107b), 제2 증폭부(108b), 제2 AD컨버터(109b), 제2 모터 드라이버(100b-1)로 구성된다.
상기 제2 무선통신모듈(Wireless Communication Module)(101b)는 2.4GHz 및 5.6GHz 등의 무선모듈로 이루어져 원격지의 메인제어보드와 제2 무선송수신안테나(101b-1)를 통해 무선통신망을 형성시켜 메인제어보드로부터 원격제어신호를 수신받아 제2 마이컴부로 전달시키는 역할을 한다.
이는 지그비(Zigbee) 및 와이파이(WIFI)통신으로 구성된다.
여기서, 지그비(Zigbee)는 저전력 무선 근거리 표준 통신 기술을 의미한다.
가격이 저렴하고, 전력소모가 매우 적고, 크기와 프로그램이 작으며, 근거리에서 속도가 크게 빠르지 않고, 네트워크 사용 빈도가 드문 경우에 가장 적합한 특징을 가진다.
일반적인 배터리로도 1년 이상을 사용할 수 있고, 전송속도는 2.4GHz 대역에서 최대 250 Kbps, 칩의 가격은 $1 정도이다.
네트워크에 최대 65,536개의 노드를 붙일 수 있고, 스타(Star), 클러스터 트리(uster Tree) 및 메쉬(Mesh) 네트워크 망까지도 지원이 된다.
EEE 802.15.4의 PHY 및 MAC 표준을 바탕으로 지그비(ZigBee) 연합(기업체 및 연구소 등)이 중심이 되어 상위계층인 네트워크 및 응용 계층의 ZigBee 스펙을 제정하였다.
전송거리는 10~75m range, 75m/1mW(0dBm)이하, 30mA 이하이고, 2.4GHz 하드웨어의 경우 30m/indoor, over 100m/outdoor이며, 배터리 수명은 100~1,000day이상의 수명을 유지할 수가 있다.
이러한 지그비(ZigBee)의 특성을 이용하여, 메인 제어보드와 저속 통신으로 근거리에서 제어명령데이터를 송수신할 수 있도록 구성된다.
지그비의 경우 근거리와 로컬 네트워크망 등 가까운 거리에서 액츄에이터 제어에 사용하며, 와이파이 (WIFI)의 경우 원거리 무선 원격제어을 위하여 AP(액서스포인트)를 통하여 TCP/IP 통신망 즉 이더넷(Ethernet) 망을 이용하여 액츄에이터를 제어 할 수 있는 무선 모듈 등으로 다양한 네트워크 제어가 가능하다.
상기 메인제어보드(5)는 외부기기의 상,하 진폭과 회전축 이동, 위치제어, 속도조절시키는 제어명령데이터를 제2 무선 서보 액츄에이터의 제2 무선통신모듈로 제어명령데이터를 송신시키고, 이에 따른 응답신호로서, 제2 무선 서보 액츄에이터의 동작상태를 수신받으며, 제2 무선 서보 액츄에이터로 무선전기를 송신시키는 역할을 한다.
그리고, 본 발명에 따른 제2 무선통신모듈(Wireless Communication Module)(101b)은 전단 일측에 2.4GHz 및 5.6GHz 등의 무선모듈로 제2 무선송수신안테나(101b-1)가 구성된다.
상기 제2 유선통신용 커넥터소켓(102b)은 유선통신망을 형성시키는 역할을 한다.
이는 제2 유무선통신스위칭부의 스위칭신호에 의해 유선통신망으로 전환된다.
상기 제2 유무선통신스위칭부(103b)는 평상시에는 무선통신망을 형성시키다가 외부에서 제2 유선통신용 커넥터소켓에 케이블이 연결되면 자동으로 무선통신을 오프시키고, 유선통신망을 형성시키는 역할을 한다.
상기 제2 데이터인터페이스부(104b)는 제2 유무선통신스위칭부를 통해 수신되는 데이터 신호를 제2 마이컴부에서 처리할 수 있도록 레벨을 맞춰서 설정시키는 역할을 한다.
이는 PWM 통신과 TCP/IP 통신을 통해 외부 컨트롤러와 데이터 인터페이스로 상호 연결시키도록 하기 위해, PWM 통신모듈과 TCP/IP 통신모듈로 구성된다.
상기 PWM(Pulse Wide Modulation) 통신모듈은 단방향 통신을 하며, 입력 리플레시 주파수는 50Hz(20mS)이고, 펄스 와이드 범위는 0.9~2.1mS, 센터(Center)는 1.5mS인 특성을 갖는다.
상기 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol ) 통신모듈은 네트워크 전송 프로토콜로, 이웃하는 또 따른 제2 무선 서보 액츄에이터로 데이터를 전송할 수 있어 네트워크망으로 연결시킬 수가 있다.
상기 제2 IP통신용스위칭부(105b)는 이더넷통신케이블을 통해 제2 마이컴부에서 연산한 결과값을 메인제어보드로 전송시킬 수 있도록 스위칭시키는 역할을 한다.
여기서, 제2 마이컴부에서 연산한 결과값은 메인제어보드의 제어명령데이터에 따른 응답신호로서, 상,하 진폭과 회전축 이동, 위치제어, 속도조절되는 제2 무선 서보 액츄에이터의 동작상태 결과값을 말한다.
이는 IP 통신용 포트로써 이더넷 통신이 구성되고, 결과값을 메인제어보드에 전송시키며, IP제어신호도 수신할 수 있는 양방향 통신포트로 구성된다.
상기 제2 DC-DC 컨버터부(106b)는 제1 충전용배터리로부터 공급받은 전원을 DC-DC 스텝 다운시켜 제2 마이컴부로 전원을 인가시키는 역할을 한다.
이는 DC/DC 스텝 다운 컨버터로서 제2 마이컴부에 안정화된 전원을 공급하며, 제2 구동모터의 구동 토오크로 인한 전원 흔들림이 발생하여도 제2 마이컴부에 안정화된 전원을 공급한다.
상기 제2 마이컴부(107b)는 제2 무선통신모듈, 제2 유무선통신스위칭부, 제2 데이터인터페이스부, 제2 IP통신용스위칭부, 제2 정류회로부, 제2 DC-DC 컨버터부와 연결되어, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하고, 제2 홀센서에서 인식된 값과 제2 마이크로스위치에서 인식된 값(계수값)을 비교한 후, 비교된 값을 증폭시켜, 피드백시키고, 그 피드백 값과 입력(명령값)을 PID 제어하여 설정된 회전각도에 맞게 제2 나사산형 샤프트를 좌우 직선운동 또는 상하 직선운동시키도록 정밀제어하는 역할을 한다.
이는 제2 DC-DC 컨버터로부터 안정화된 전원(3.3V)을 인가받고, 송신단자(TXD)에 시그널 데이터 인터페이스가 연결되어 외부 컨트롤러와 데이터 통신을 하고, 오실레이터(OSC) 단자에 크리스탈 발진소자가 연결되어 수십MHz로 발진되며, 출력단자는 제2 모터드라이버의 정회전모드와 역회전모드가 연결되어, 제2 모터드라이버 쪽으로 PWM구동신호를 출력시켜 1~360°중 0.2~0.5°각도씩 정(역)회전시켜 특정회전각도에 정위치되도록 위치제어하고, 입력단자에 증폭부가 연결되어, 증폭된 제2 홀센서 측정값을 입력받도록 구성된다.
즉, 제2 홀센서에서 회전자의 위치와 연관된 자계의 이동을 감지하고, 제2 링형 마그네틱으로부터 전달받은 자기장의 편향 값과 되먹임 되어진 회전자 위치 신호를 증폭하고 디지털 전압으로 바꿔 제2 마이컴부(CPU)로 전달시켜 줌으로써 기존 액츄에이터 보다 오차가 작은 위치제어를 할 수 있다.
명령데이터를 받은 제2 마이컴부는 입력단자로부터 제2 홀센서의 피드백 값과 PID(Proportional-Integral-Derivative 비례적분미분) 제어과정을 거쳐 결과값을 제2 모터 드라이버로 출력시킨다.
상기 PID제어기는 피드백제어기의 형태를 가지고 있으며, 제어하고자 하는 대상의 출력 값(output)을 측정하여 이를 원하고자 하는 참조 값(reference value) 혹은 설정 값(set point)과 비교하여 오차(error)를 계산하고, 그 오차 값을 이용하여 제어에 필요한 제어 값을 계산하는 구조를 갖는다.
이처럼 본 발명에 따른 제2 마이컴부에서는 PID제어기를 통해 제어하고자 하는 대상의 출력값(output)을 측정하여 이를 원하고자 하는 참조값(reference value) 혹은 설정값(set point)과 비교하여 오차(error)를 계산하고, 그 오차값을 이용하여 1~360°중 0.2~0.5°각도씩 회전시켜 특정회전각도에 정위치되도록 정확한 제어값을 계산할 수가 있다.
본 발명에 따른 제2 마이컴부에서는 1~360°중 0.2~0.5°각도씩 회전시켜 특정회전각도에 정위치시켜, 제2 나사산형 스크류가 프로그램 설정된 높이까지 상하 또는 좌우로 구동되도록 테이블화되어 설정된다.
또한, 본 발명에 따른 제2 마이컴부에서는 제2 유선통신용 커넥터소켓에 유선 커넥터가 삽입되면, 제2 유무선통신스위칭부에 스위칭신호를 보내어, 무선통신을 자동으로 오프시키도록 제어한다.
그리고, 제2 유선통신용 커넥터소켓에 의해 유선 커넥터가 삽입되어 유선통신을 로 사용할 경우, 제어신호와 전원전압이 사용되는데, 무선 충전과는 달리 유선으로 제2 충전용배터리의 충전이 되도록 구성된다.
이때, 유선통신을 통해 제2 충전용배터리를 충전시키는 스위칭 회로와 충전회로가 구성된다.
상기 제2 증폭부(108b)는 제2 홀센서에서 측정된 값을 증폭시켜 제2 AD컨버터로 전달시키는 역할을 한다.
이는 OP앰프로 구성된다.
상기 제2 AD컨버터(109b)는 제2 증폭부에서 증폭된 값을 AD 변환시켜 제2 마이컴부로 전달시키는 역할을 한다.
상기 제2 모터 드라이버(100b-1)는 제2 마이컴부의 제어하에 구동모터를 시계방향과 반시계방향으로 PWM 구동시키는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 제2 무선전력충전모듈(110b)에 관해 설명한다.
상기 제2 무선전력충전모듈(110b)은 외부의 메인제어보드부터 전송된 무선전기를 수신받아 유기전력을 생성시켜 충전시키는 역할을 한다.
이는 제2 무선충전용 코일부(111b), 제2 정류회로부(112b), 제2 충전제어회로부(113b), 제2 충전용배터리(114b)로 구성된다.
상기 제2 무선충전용 코일부(111b)는 제2 액츄에이터 본체의 바닥층 일측에 설치되고, 환형상의 유도코일로 형성되어, 일측의 제2 공진형멀티루프어레이안테나(111b-1)로부터 전자기파 공진주파수를 수신받아, 유기전력을 생성시켜 제2 정류회로부로 전달시키는 역할을 한다.
상기 공진형유도코일의 공극간격(Ig)는 0.04~0.5cm로 하여, 환형 또는 나선형으로 부착되어 형성된다.
그리고, 본 발명에서는 공진형유도코일을 은(Au)과 구리(Cu)재질로 형성함으로서, 고주파노이즈를 제거할 수 있어, 소비전력의 손실을 막을 수 있고, 그로 인해 전자기파의 효율이 높아지는 효과가 있다.
또한, 공진형유도코일의 공극간격(Ig)을 0.04~0.5cm로 하고, 도 11에 도시한 바와 같이 3중의 환형 또는 3중의 나선형으로 형성함으로서, 제2 무선충전용 코일부에서는 100KHz~10MHz의 공진주파수가 생성되며, 그이상의 공진주파수로도 매칭이 가능하다. 무게 및 작업의 공정성을 개선하기 위하여 공진형 멀티루프어레이 안테나는 다층 구조의 PCB에 패턴 안테나로 구현이 가능하다.
근거리 충전에 사용 할 경우 PCB 안테나 구조로 사용이 가능하고 사용하는 장소에 따라서 은과 구리가 조합된 재질의 공진형유도코일을 사용한 멀티루프어레이 안테나를 사용 할 수 있다.
이는 주파수 공진 방식으로 전력송신 주파수와 수신 안테나의 주파수가 공진되어 최대의 효율을 얻을 수 있도록 가변캐패시터로 조정하여 공진주파수로 매칭을 시킬 수 있다. 가변캐패시티로 공진 주파수를 100KHz~10Mhz 또는 그 이상의 공진주파수로 매칭을 시킬 수 있는 공진 주파수 매칭부가 구성된다.
상기 제2 정류회로부(112b)는 제2 무선충전용 코일부로 인가된 안테나 유기전력을 DC로 변환시켜 제2 충전제어회로부로 전달시키는 역할을 한다.
이는 쇼트키다이오드 조합으로 구성된다.
정류부는 AC 성분을 DC 성분으로 컨버팅 시켜줘야 충전이 가능하기 때문에, 유기된 전력을 DC 성분으로 컨버팅시켜 주는 역할을 한다.
상기 제2 충전제어회로부(113b)는 제2 마이컴부의 제어신호에 따라 구동되어, 제2 정류회로부는 공진된 유기전력을 쇼트키다이오드를 통해 DC로 변환되어 구형파 펄스스위칭 방식을 이용하고 제2 충전용배터리(114b)는 제2 충전제어회로부를 통해 전기를 인가받아 충전된 후, 각 기기에 전원을 공급시키는 역할을 한다.
이는 DC 4.8 V or 6.0V/ 400mA ~ 500mA의 사각형 타입의 리튬이온전지 또는 스몰형 충전용 배터리 3개로 병렬 연결로 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 제2 마이크로스위치(120b)에 관해 설명한다.
상기 제2 마이크로스위치(120b)는 제2 나사산형 샤프트의 밑단과 0.5~1cm간격으로 이격되어 위치되면서, 제2 나사산형 샤프트이 상하 직선운동 또는 좌우 직선운동시 접촉되는 제2 나사산형 샤프트와의 접점을 감지해서 제1 액츄에이터 제어모듈로 전달시키는 역할을 한다.
이는 제2 나사산형 샤프트의 시작점과 끝지점을 터치하도록 구성됨으로서, 제2 나사산형 샤프트가 리미트되는 것을 감지한다.
그리고, 본 발명에서는 제2 마이크로스위치 일측에 근접센서를 구성하여, 제2 나사산형 샤프트가 위, 아래로 이동할 경우 현재 제2 나사산형 샤프트가 아래 또는 윗부분에 위치하고 있는지 알 수 있게 하는 것이 특징이다.
상기 제2 마이크로스위치(120b)는 미소접점 간격과 스냅 동작기구로 구성되고, 규정된 동작과 규정된 힘으로 개폐동작을 하는 접점기구가 케이스로 덮여져 구성된다.
이하, 본 발명에 따른 무선 서보 액츄에이터의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.
본 발명에서는 제1 무선 서보 액츄에이터(1a)와 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)의 동작과정이 유사하므로, 제1 무선 서보 액츄에이터(1a)에 관해 설명한다. 그리고, 제1 구동모터로서 DC모터를 설치하여 설명한다.
먼저, 제1 무선통신모듈을 통해 제1 마이컴부로 메인제어보드의 제어명령데이터 신호가 입력되면, 제1 마이컴부가 구동된다.
이어서, 제1 마이컴부의 제어하에 제1 모터드라이버로 정회전모드 출력신호를 보내면, 제1 모터드라이버에서 정회전 모드가 구동되어 DC 모터를 구동시킨다.
이어서, DC모터가 회전되면, 회전력이 제1a 피니언기어에 전달되고, 회전수는 감소한다. 설계된 감속비에 의하여 토오크가 상승하게 된다.
토오크(Torque) = Stall Torque * 제1 스퍼 기어어비 * 기어효율
회전수(RPM) = 모터 RPM / 제1 스퍼 기어어비로 정의된다.
이어서, 제1a 피니언기어, 제2a 스퍼 기어, 제3a 스퍼 기어, 제4a 스퍼 기어로부터 회전력을 전달받아 제1 나사산형 샤프트의 제1 최종출력기어로 전달시킨다.
이어서, 제1 나사산형 샤프트의 제1 최종출력기어에 회전력이 전달되면, 제1 액츄에이터 본체의 상단면에 형성된 회전자를 동일한 회전속도와 동일한 토오크(Torque)로 회전시킨다.
이어서, 제1 링형 마그네틱에서 제1 최종출력기어가 1~360°자기장의 편향 값을 제1 홀센서로 전달시킨다.
상기 제1 홀센서는 360도 회전과 720도, 그 이상의 각도에서 회전을 할 경우 시작점의 위상과 정지할 위상의 지점을 수치 연산을 하여 제1 나사산형 샤프트가 회전할 횟수 및 정지 위치를 계산하여 제1 나사산형 샤프트가 위, 아래로 이동할 때 정지할 위치를 알 수 있다.
모든 1회전은 360도 회전을 기준으로 회전할 각도를 계산한다.
780도의 상향 회전의 경우 360도를 기준으로 2회전 일 때는 720도이므로 나머지 60도의 위치각은 되먹임되는 신호를 계산하여 나머지 60도 만큼 회전을 하여 780도에 맞는 위치에 정지를 하게 된다.
즉, 제1 홀센서에서 회전자의 위치와 연관된 자계의 이동을 감지하고, 제1 링형 마그네틱으로부터 전달받은 자기장의 편향값과 되먹임되어진 신호를 증폭하고 디지털 전압으로 바꿔 제1 마이컴부로 전달시키는 일련의 과정을 입력 신호의 값에 따라 회전과 위치각이 결정되게 된다.
360도보다 큰 회전 각을 먼저 산출한 후 나머지 360 이하의 값을 산출하므로써 회전 횟수와 위치 정지 각을 알 수 있는 것이다.
나머지 위치 각의 경우는 제1 마이컴부에서 PID제어기를 통해 제1 홀센서의 출력 값(output)을 측정하여 이를 원하고자 하는 참조 값(reference value) 혹은 설정 값(set point)과 비교하여 오차(error)를 계산하고, 그 오차 값을 이용하여 1~360°중 0.2~0.5°각도씩 회전시켜 특정회전각도에 정위치 되도록 정확한 제어 값을 계산한 후, 제1 모터 드라이버로 PWM 구동신호를 보낸다.
끝으로, DC 모터가 구동되고, 제1 액츄에이터 본체의 상단면에 형성된 회전자가 1~360°중 0.2~0.5°각도씩 회전되면서, 내부의 제1 나사산형 샤프트가 나사회전되어, 0.2mm~1.5mm씩 정밀제어되면서 상하로 직선운동을 하게 된다.
이때, 외부기기로 전해지는 힘의 전달을 상하 또는 좌우로 전달시켜 외부기기의 상,하 진폭과 회전축 이동, 위치제어, 속도조절시킨다.
도 13은 본 발명에 따른 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)의 제2 나사산형 샤프트가 나사회전되면서 상승방향으로 직선운동하면서 외부기기로 전해지는 힘의 전달을 상방향으로 전달시키는 과정을 도시한 일실시예도에 관한 것이고, 도 14는 본 발명에 따른 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)의 제2 나사산형 샤프트가 나사회전되면서 하강방향으로 직선운동하면서 외부기기로 전해지는 힘의 전달을 하방향으로 전달시키는 과정을 도시한 일실시예도에 관한 것이다.
이러한 동작과정으로 이루어진 본 발명에 따른 무선 서보 액츄에이터는 회전자가 1~360°중 0.2~0.5°각도씩 회전되면서, 내부의 제1,2 나사산형 샤프트가 나사회전되어, 0.2mm~1.5mm씩 정밀제어되면서 상하로 직선운동을 시킬 수가 있기 때문에, 도 17과 같은 회전축 이동이 필요한 플래핑 액츄에이터, 자동 개폐기, 카메라 및 뷰어 장치의 줌 조정용, 원격 스위치, 정밀 소형 비행체 랜딩 액츄에이터, 곤충 및 동물 로봇의 액츄에이터, 정밀 드릴탭 가공, 의료기기의 정밀성이 요구되는 약물 주사용 액츄에이터 기기, 가전 및 가스기기의 원격 밸브제어용 액츄에이터, 수직, 수평의 일정한 힘을 전달해 주는 부품 등에 응용시킬 수가 있다.
또한, 도 15 및 도 16에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 무선 서보 액츄에이터의 구성요소인 제1,2 최종출력기어에 혼 기아를 추가할 경우 기존 서보 액츄에이터와 같이 좌,우 운동을 할 수 있고, 또한 내부의 제1,2 나사산형 샤프트를 제거하고 혼 기어만 사용할 경우에 기존 액츄에이터와 같은 기능으로 좌우 회전 운동으로 구성될 수가 있다.
1 : 무선 서보 액츄에이터
1a : 제1 무선 서보 액츄에이터
1b : 제2 무선 서보 액츄에이터
10a : 제1 액츄에이터 본체 20a : 제1 구동모터
30a : 제1a 피니언기어 40a : 제2a 스퍼기어
50a : 제3a 스퍼 기어 60a: 제4a 스퍼 기어
70a : 제1 나사산형 샤프트 80a : 제1 최종출력기어
90a : 제1 링형 마그네틱 100a : 제1 홀센서
110a : 제1 액츄에이터 제어모듈 120a : 제1 무선전력충전모듈
130a : 제1 마이크로스위치

Claims (6)

  1. 원격지의 메인제어보드로부터 무선제어신호를 수신받아 외부기기와 연결되는 회전자가 나사회전되면서 상하 직선운동이 되어 외부기기로 전해지는 힘의 전달을 상하로 전달시키거나, 또는 회전자가 나사회전되면서 좌우 직선운동이 되어 외부기기로 전해지는 힘의 전달을 좌우로 전달시켜 외부기기의 상,하 진폭과 높낮이 조절, 회전축 이동, 위치제어, 속도조절시키도록 무선 서보 액츄에이터로 이루어지고,
    상기 무선 서보 액츄에이터는
    회전자가 본체의 상단 좌측 사이드 일측 또는 우측 사이드 일측에 돌출 형성되어 힘의 전달을 상하 또는 좌우로 전달시켜 외부기기의 상,하 진폭과 높낮이 조절, 회전축 이동, 위치제어, 속도조절시키는 제1 무선 서보 액츄에이터(1a)와,
    회전자가 본체의 중앙 상단 방향으로 돌출 형성되어 힘의 전달을 상하 또는 좌우로 전달시켜 외부기기의 상,하 진폭과 높낮이 조절, 회전축 이동, 위치제어, 속도조절시키는 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)가 포함되어 구성되는 무선원격제어형 상하?좌우의 위치제어가 가능한 무선 서보 액츄에이터에 있어서,
    상기 제1 무선 서보 액츄에이터(1a)는
    사각박스형상의 구조로 이루어져서 각 기기를 외압으로부터 보호하고 지지하는 제1 액츄에이터 본체(10a)와,
    제1 액츄에이터 본체의 내부 일측에 내장되어 회전력(토오크)을 생성시키는 제1 구동모터(20a)와,
    제1 구동모터의 회전 축 상단에 위치되어, 회전속도(RPM)를 감속시키고 토오크를 증가시키는 제1a 피니언기어(30a)와,
    상단부, 하단부의 층상 구조로 이루어지고, 상단에 제1a 스퍼기어와 맞물리며 형성되어, 회전속도(RPM)를 감속시키는 제2a 스퍼기어(40a)와,
    제1a 스퍼기어와 동일선상의 회전축상에 형성되고, 제4a 스퍼기어와 맞물리면서 제1 구동모터의 회전력(토오크)을 전달시켜, 회전속도(RPM)를 감속시키고 토오크를 증가시키는 제3a 스퍼기어(50a)와,
    제2a 스퍼기어와 동일선상의 회전축상에 형성되고, 상단부와 하단부의 층상구조로 형성되며, 하단부가 제1 최종출력기어와 맞물리면서 제1 최종출력기어로 회전력을 전달시키는 제4a 스퍼기어(60a)와,
    제1 액츄에이터 본체(10a)의 상단 좌측 사이드 일측 또는 우측 사이드 일측에 돌출되어 형성된 회전자를 하나의 축으로 연결시켜, 회전자를 동일한 회전속도와 동일한 토오크(Torque)로 회전시키면서, 상하 또는 좌우로 직선운동시키는 제1 나사산형 샤프트(70a)와,
    제1 나사산형 샤프트 상에 위치되어 제4a 스퍼기어와 연결되면서, 제4a 스퍼기어로부터 회전력을 전달받아 내부에 형성된 제1 나사산형 샤프트를 회전시키는 제1 최종출력기어(80a)와,
    제1 나사산형 샤프트에 관통되면서 제1 최종출력기어의 하단에 위치되어, 1°~360°회전시 자기장의 편향값을 제1 홀 센서로 전달시키는 제1 링형 마그네틱(90a)과,
    제1 링형 마그네틱 하단에 위치되어, 회전자의 위치와 연관된 자계의 이동을 감지하여 제1 링형 마그네틱으로부터 전달받은 자기장의 편향값을 전압으로 바꿔 제1 액츄에이터제어모듈로 전달시키는 제1 홀센서(100a)와,
    원격지의 메인제어보드로부터 무선제어신호를 수신받아, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하고, 제1 홀센서에서 인식된 값과 제1 마이크로스위치에서 인식된 값(계수값)을 비교한 후, 비교된 값을 증폭시켜, 피드백시키고, 그 피드백 값과 입력(명령값)을 PID 제어하여 설정된 회전각도에 맞게 제1 나사산형 샤프트를 좌우 직선운동 또는 상하 직선운동시키도록 정밀제어하는 제1 액츄에이터 제어모듈(110a)과,
    외부의 메인제어보드부터 전송된 무선전기를 수신받아 유기전력을 생성시켜 충전시키는 제1 무선전력충전모듈(120a)와,
    제1 나사산형 샤프트의 밑단과 0.5~1cm간격으로 이격되어 위치되면서, 제1 나사산형 샤프트가 상하 직선운동 또는 좌우 직선운동시 접촉되는 제1 나사산형 샤프트와의 접점을 감지해서 제1 액츄에이터 제어모듈로 전달시키는 제1 마이크로스위치(130a)로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선원격제어형 상하?좌우의 위치제어가 가능한 무선 서보 액츄에이터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 액츄에이터 제어모듈(110a)은
    2.4GHz 및 5.6GHz의 무선모듈로 이루어져 원격지의 메인제어보드와 제1 무선송수신안테나를 통해 무선통신망을 형성시켜 메인제어보드로부터 원격제어신호를 수신받아 제1 마이컴부로 전달시키는 제1 무선통신모듈(Wireless Communication Module)(111a)과,
    유선통신망을 형성시키는 제1 유선통신용 커넥터소켓(112a)과,
    평상시에는 무선통신망을 형성시키다가 외부에서 제1 유선통신용 커넥터소켓에 케이블이 연결되면 자동으로 무선통신을 오프시키고, 유선통신망을 형성시키는 제1 유무선통신스위칭부(113a)와,
    제1 유무선통신스위칭부를 통해 수신되는 데이터 신호를 제1 마이컴부에서 처리할 수 있도록 레벨을 맞춰서 설정시키는 제1 데이터인터페이스부(114a)와,
    이더넷통신케이블을 통해 제1 마이컴부에서 연산한 결과값을 메인제어보드로 전송시킬 수 있도록 스위칭시키는 제1 IP통신용스위칭부(115a)와,
    제1 충전용배터리로부터 공급받은 전원을 DC-DC 스텝 다운시켜 제1 마이컴부로 전원을 인가시키는 제1 DC-DC 컨버터부(116a)와,
    제1 무선통신모듈, 제1 유무선통신스위칭부, 제1 데이터인터페이스부, 제1 IP통신용스위칭부, 제1 DC-DC 컨버터부와 연결되어, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하고, 제1 홀센서에서 인식된 값과 제1 마이크로스위치에서 인식된 값(계수값)을 비교한 후, 비교된 값을 증폭시켜, 피드백시키고, 그 피드백 값과 입력(명령값)을 PID 제어하여 설정된 회전각도에 맞게 제1 나사산형 샤프트를 좌우 직선운동 또는 상하 직선운동시키도록 정밀제어하는 제1 마이컴부(117a)와,
    제1 홀센서에서 측정된 값을 증폭시켜 제1 AD컨버터로 전달시키는 제1 증폭부(118a)와,
    제1 증폭부에서 증폭된 값을 AD 변환시켜 제1 마이컴부로 전달시키는 제1 AD컨버터(119a)와,
    제1 마이컴부의 제어하에 구동모터를 시계방향과 반시계방향으로 PWM 구동시키는 제1 모터 드라이버(110a-1)로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선원격제어형 상하?좌우의 위치제어가 가능한 무선 서보 액츄에이터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 무선전력충전모듈(120a)은
    제1 액츄에이터 본체의 바닥층 일측에 설치되고, 환형상의 공진유도코일로 형성되어, 제1 공진형멀티루프어레이안테나로 부터 생성된 전자기파 공명을 수신받아, 공진유기전력을 생성시켜 제1 정류회로부로 전달시키는 제1 무선충전용 코일부(121a)와,
    제1 무선충전용 코일부로 공진된 안테나 유기전력을 DC로 변환시켜 제1 충전제어회로부로 전달시키는 제1 정류회로부(122a)와,
    제1 마이컴부의 제어신호에 따라 구동되어, 제1 정류회로부를 통해 DC로 변환된 안테나 유기전력을 구형파 펄스스위칭 방식을 통해 제1 충전용배터리를 충전시키는 제1 충전제어회로부(123a)와,
    제1 충전제어회로부를 통해 전기를 인가받아 충전된 후, 각 기기에 전원을 공급시키는 제1 충전용배터리(124a)로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선원격제어형 상하?좌우의 위치제어가 가능한 무선 서보 액츄에이터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 무선 서보 액츄에이터(1b)는
    사각박스형상의 구조로 이루어져서 각 기기를 외압으로부터 보호하고 지지하는 제2 액츄에이터 본체(10b)와,
    제2 액츄에이터 본체의 내부 일측에 내장되어 회전력(토오크)을 생성시키는 제2 구동모터(20b)와,
    제2 구동모터의 회전 축 상단에 위치되어, 회전속도(RPM)를 감속시키고 토오크를 증가시키는 제1b 피니언기어(30b)와,
    상단부과 하단부의 층상 구조로 이루어지고, 상단부가 제3b 스퍼 기어와 맞물리며 형성되고, 하단부가 제1b 피니언기어와 맞물리며 형성되어, 제1b 피니언기어의 회전방향과 반대방향으로 회전되면서, 제3b 스퍼기어로 제1b 스퍼기어의 반대방향 회전력을 전달시키는 제2b 스퍼기어(40b)와,
    상단부와 하단부의 층상구조로 이루어지고, 상단부가 제2 최종출력기어와 맞물리며 형성되고, 하단부가 제2b 스퍼기어와 맞물리며 형성되어, 제2b 스퍼기어의 회전방향과 반대방향으로 회전되면서, 제2 최종출력기어로 제2b 스퍼기어의 반대방향 회전력을 전달시키는 제3b 스퍼기어(50b)와,
    제2 액츄에이터 본체(10b)의 중앙 일측에 돌출되어 형성된 회전자를 하나의 축으로 연결시켜, 회전자를 동일한 회전속도와 동일한 토오크(Torque)로 회전시키면서, 상하 또는 좌우로 직선운동시키는 제2 나사산형 샤프트(60b)와,
    제2 나사산형 샤프트 상에 위치되어 제3b 스퍼기어와 연결되면서, 제3b 스퍼기어로부터 회전력을 전달받아 내부에 형성된 제2 나사산형 샤프트를 회전시키는 제2 최종출력기어(70a)와,
    제2 나사산형 샤프트에 관통되면서 제2 최종출력기어의 하단에 위치되어, 1°~360°회전시 자기장의 편향값을 제2 홀 센서로 전달시키는 제2 링형 마그네틱(80b)와,
    제2 링형 마그네틱 하단에 위치되어, 회전자의 위치와 연관된 자계의 이동을 감지하여 제2 링형 마그네틱으로부터 전달받은 자기장의 편향값을 전압으로 바꿔 제2 액츄에이터제어모듈로 전달시키는 제2 홀센서(90b)와,
    원격지의 메인제어보드로부터 무선제어신호를 수신받아, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하고, 제2 홀센서에서 인식된 값과 제2 마이크로스위치에서 인식된 값(계수값)을 비교한 후, 비교된 값을 증폭시켜, 피드백시키고, 그 피드백 값과 입력(명령값)을 PID 제어하여 설정된 회전각도에 맞게 제2 나사산형 샤프트를 좌우 직선운동 또는 상하 직선운동시키도록 정밀제어하는 제2 액츄에이터 제어모듈(100b)와,
    외부의 메인제어보드부터 전송된 무선전기를 수신받아 공진유기전력을 생성시켜 충전시키는 제2 무선전력충전모듈(110b)와,
    제2 나사산형 샤프트의 밑단과 0.5~1cm간격으로 이격되어 위치되면서, 제2 나사산형 샤프트가 상하 직선운동 또는 좌우 직선운동시 접촉되는 제2 나사산형 샤프트와의 접점을 감지해서 제2 액츄에이터 제어모듈로 전달시키는 제2 마이크로스위치(120b)로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선원격제어형 상하?좌우의 위치제어가 가능한 무선 서보 액츄에이터.
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