KR100254394B1 - 초소형 마이크로 로봇 및 그 구동방법 - Google Patents

초소형 마이크로 로봇 및 그 구동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초소형 마이크로 로봇에 관한 것으로, 전후방 각각의 좌우에 설치된 다리부(12, 14, 16, 18)와, 상기 전후방 다리부(12, 14, 16, 18)를 각각 서로 연결하는 전후방 프레임부(20, 30)와, 상기 전후방 프레임부(20, 30)를 서로 평행하게 연결하는 한쌍의 상하부 프레임부(40, 50)와, 상기 상하부 프레임부(40, 50)사이를 연결하는 복수개의 수직 지지부(60, 70, 80, 90)와, 상기 전후방 프레임부(20, 30)의 중간에 각각 설치되어, 상기 상하부 프레임부(40, 50)를 수직구동하는 제 1 및 제 3 정전 구동부(100, 300)와,
상기 상하부 프레임부(40, 50)상에서 각각 복수개 직렬로 설치되어, 상기 제 1 및 제 2 지지부(60, 70)사이, 상기 제 2 및 제 3 지지부(70, 80)사이, 상기 제 3 및 제 4 지지부(80, 90)사이에 각각 설치된 좌우압축 스프링(120, 140, 160)과, 상기 제 1 및 제 4 지지부(60, 90)의 중간에 각각 설치된 상하압축 스프링(110, 130)과, 상기 제 2 및 제 3 지지부(70, 80)사이의 중간에 설치되어 상기 상하 프레임부(40, 50)를 좌우이동하는 제 2 정전 구동부(200)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 전체 구조가 MEMS공정에 의해 제작되고, 빗살형 정전 구동기를 구동원으로 함으로서 혈관내 의료작업, 초소형 기기내부 검사등과 같이 극히 협소한 장소에서 각종 작업을 수행할 수 있는 이점이 있는 효과를 가진다.

Description

초소형 마이크로 로봇 및 그 구동방법
본 발명은 초소형 마이크로 로봇 및 그 구동방법에 관한 것으로, 특히 전체 구조가 MEMS(micro-electro-mechanical systems)공정에 의해 제작되고, 빗살형 정전 구동기를 구동원으로하여 혈관내 의료작업, 초소형 기기내부 검사등과 같이 극히 협소한 장소에서 각종 작업을 수행할 수 있는 초소형 마이크로 로봇 및 그 구동방법에 관한 것이다.
일반적인 초소형 로봇은 소형 모터 또는 예를 들어 Pb, Zr, Ti의 혼합체인 PZT와 같은 압전물질을 이용한 구동체를 채용하고 있지만, 이러한 구동체를 채용하여 제작한 로봇의 전체 크기는 최소 수 cm 이상이 되기 때문에 혈관 또는 초소형 기기의 내부에 사용하기에는 불가능하다는 문제가 있었다.
본 발명은 이 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 전체 구조가 MEMS(micro-electro-mechanical systems)공정에 의해 제작되고, 빗살형 정전 구동기를 구동원으로하여 혈관내 의료작업, 초소형 기기내부 검사등과 같이 극히 협소한 장소에서 각종 작업을 수행할 수 있는 초소형 마이크로 로봇 및 그 구동방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명의 초소형 마이크로 로봇은, 전후방 각각의 좌우에 설치된 다리부와, 상기 전후방 다리부를 각각 서로 연결하는 전후방 프레임부와, 상기 전후방 프레임부를 서로 평행하게 연결하는 한쌍의 상하부 프레임부와, 상기 상하부 프레임부사이를 연결하는 복수개의 수직 지지부와, 상기 전후방 프레임부의 중간에 각각 설치되어, 상기 상하부 프레임부를 수직구동하는 제 1 및 제 3 정전 구동부와, 상기 상하부 프레임부상에서 각각 복수개 직렬로 설치되어, 상기 제 1 및 제 2 지지부사이, 상기 제 2 및 제 3 지지부사이, 상기 제 3 및 제 4 지지부사이에 각각 설치된 좌우압축 스프링과, 상기 제 1 및 제 4 지지부의 중간에 각각 설치된 상하압축 스프링과, 상기 제 2 및 제 3 지지부사이의 중간에 설치되어 상기 상하 프레임을 좌우이동하는 제 2 정전 구동부로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 초소형 마이크로 로봇의 구동방법은 마주보고 있는 빗형상체간에 서로 끌어당기는 정전력이 발생하여 제 1 지지부의 중간에 설치된 상하 압축 스프링을 압축하여 전방 다리부를 측벽에서 떨어지도록, 제 1 정전 구동부에 제 1 전압을 인가하는 단계와, 정전력에 의해 빗형상체간에 서로 끌어당기는 힘이 발생하여 좌우 압축 스프링이 압축되어, 상기 측벽에서 떨어져 있는 전방 다리부가 우측으로 이동하도록, 제 2 정전 구동부에 제 2 전압을 인가하는 단계와, 빗형상체간의 정전력이 소멸되어 압축되어 있던 상기 상하 압축 스프링이 팽창하여, 상기 전방 다리부가 다시 측벽에 밀착되도록, 상기 제 1 정전 구동부에 인가된 제 1 전압을 단절하는 단계와, 정전력에 의해 빗형상체간에 서로 끌어당기는 힘이 발생하여 제 4 지지부의 중간에 설치된 상하 압축 스프링이 압축되어, 후방 다리부가 측벽에서 떨어지도록, 제 3 정전 구동부에 제 3 전압을 인가하는 단계와, 빗형상체간의 정전력이 소멸됨에 따라 좌우 압축 스프링이 팽창되어, 측벽에서 떨어져 있는 후방 다리부가 우측으로 이동하도록 제 2 정전 구동부에 인가된 제 2 전압을 단절하는 단계와, 빗형상체간의 정전력의 소멸에 따라 상하 압축 스프링이 팽창하여, 후방 다리부가 다시 측벽에 밀착되도록 제 3 정전 구동부에 인가된 전압을 단절하는 단계가 포함된 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 초소형 마이크로 로봇의 구성을 나타내는 개략도이고,
도 2는 도 1에서 구동기로서 사용되는 빗살형 일렉트로스테틱 드라이브의 상세도이고,
도 3은 도 1의 A-A선 단면도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
12, 14, 16, 18 : 다리부 20 : 전방 프레임부
30 : 후방 프레임부 40 : 상부 프레임부
50 : 하부 프레임부 60, 70, 80, 90 : 수직 지지부
100 : 제 1 정전 구동부 120, 140, 160 : 좌우 압축 스프링
110, 130 : 상하 압축 스프링 200 : 제 2 정전 구동부
300 : 제 3 정전 구동부 400 : 측벽
본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하 첨부된 도면에 의해 본 발명에 따른 초소형 마이크로 로봇을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명의 초소형 마이크로 로봇의 구성을 나타내는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 초소형 마이크로 로봇은 전후방 각각의 좌우에 설치된 다리부(12, 14, 16, 18)와, 상기 전후방 다리부(12, 14, 16, 18)를 각각 서로 연결하는 전후방 프레임부(20, 30)와, 상기 전후방 프레임부(20, 30)를 서로 평행하게 연결하는 한쌍의 상하부 프레임부(40, 50)와, 상기 상하부 프레임부(40, 50)사이를 연결하는 복수개의 수직 지지부(60, 70, 80, 90)와, 상기 전후방 프레임부(20, 30)의 중간에 각각 설치되어, 상기 상하부 프레임부(40, 50)를 수직구동하는 제 1 및 제 3 정전 구동부(100, 300)와, 상기 상하부 프레임부(40, 50)상에서 각각 복수개 직렬로 설치되어, 상기 제 1 및 제 2 지지부(60, 70)사이, 상기 제 2 및 제 3 지지부(70, 80)사이, 상기 제 3 및 제 4 지지부(80, 90)사이에 각각 설치된 좌우압축 스프링(120, 140, 160)과, 상기 제 1 및 제 4 지지부(60, 90)의 중간에 각각 설치된 상하압축 스프링(110, 130)과, 상기 제 2 및 제 3 지지부(70, 80)사이의 중간에 설치되어 상기 상하 프레임부(40, 50)를 좌우이동하는 제 2 정전 구동부(200)로 이루어진다.
본 발명에서는 빗살형 일렉트로스테틱 드라이브를 구동기로 사용하였으며, 이 구동기는 도 2에 도시된 바와 같이, 상부의 빗형상체(2)에는 n개의 핑거(4)가 하방으로 돌출되고, 하부의 빗형상체(6)에는 n + 1개의 핑거(8)가 상방으로 돌출되며, 상하부 빗형상체(2)(6)의 각각의 중앙에 연결된 지지체(5)에 의해 지지되어 있으므로, 양 빗형상체에 전압이 인가되면 발생되는 정전력에 의해 상하부 빗형상체(2)(6)간에 서로 끌어당기는 힘이 발생한다.
이와같은 인가전압(V)대 정전력(Fe)간의 관계는 다음식과 같다.
Figure 1019970054167_B1_M0001
여기서, n1 은 두 빗형상체간의 간격g의 개수이고, n2 는 두 빗형상체간의 간격 g1 의 개수로서, 예를 들어 도 2에서는 각각 16과 15이며, εo 는 공기중에서 8.854× 10-12 인 공기의 유전상수이고, V는 전압이고, t는 핑거의 두께이고, g는 양 빗형상체의 각 측면사이의 간격이고, y는 양 빗형상체간에 전압이 인가되었을 때 수축되는 변위량이고, g1 는 상부 빗형상체와 하부 빗형상체 핑거의 상부부분 또는 하부 빗형상체와 상부 빗형상체 핑거의 하부부분의 간격이고, lf는 핑거의 각각의 폭길이이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서 이와 같은 빗살형 구동기는 스프링을 포함하는 모든 구조를 MEMS(micro-electro-mechanical systems)공정에 의해 제작하므로 전체의 크기를 불과 수백 μm( 10-6 m)이하로 제작가능하게 된다.
위의 식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 정전력은 도 2를 참조하면, 상하 양측의 빗형상체 사이에 인가되는 전압의 제곱에 비례하므로, 전압의 음양(+, -)에 관계없이, 언제나 당기는 힘만을 생성하게 되므로, 이와 같은 정전기력(electrostatic force)과 스프링의 강성으로 인한 스프링력(spring force)을 이용하여 본 발명에서 제안한 초소형 마이크로 로봇을 구동하게 된다.
한편, 각 정전 구동부의 지지체(5)는 도 1의 단면A를 나타내는 도 3에 도시된 바와 같이, 바닥면(25)으로 부터 일정의 상부에 부상되어, 메인 본체부와 스프링부는 폴리실리콘 층(35)으로 구성되고, 그 상부에 절연층(45)이 적층되고, 그 상부의 빗살형 구동부와 전극등은 폴리실리콘 층(55)으로 구성된다. 이때, 이 폴리실리콘 층(55)의 끝단은 바닥면(25)방향으로 굴절되어, 바닥면(25)상에 금속 또는 폴리실리콘으로 만들어진 도 1에 도시된 바와 같은 6개의 전극과 접촉하는 부분인 접촉부위(170)를 통하여, 각 정전구동부에 전압을 전달한다.
이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 초소형 마이크로 로봇의 작동을 설명하면 다음과 같다.
먼저 제 1 정전 구동기(100)에 전압(V1)이 인가되면, 정전력에 의해 빗형상체간에 서로 끌어당기는 힘이 발생하여 제 1 지지부(60)의 중간에 설치된 상하 압축 스프링(110)이 압축되어, 전방 다리부(12, 14)가 측벽(400)에서 떨어지게 된다. 이후, 제 2 정전 구동부(200)에 전압(V2)이 인가되면, 정전력에 의해 빗형상체간에 서로 끌어당기는 힘이 발생하여 좌우 압축 스프링(140)이 압축되어, 측벽(400)에서 떨어져 있는 전방 다리부(12, 14)가 우측으로 이동하게 된다. 이어서, 제 1 정전 구동부(100)에 인가된 전압(V1)을 단절하면, 빗형상체간의 정전력이 소멸되어 상하 압축 스프링(110)이 팽창하여, 다시 전방 다리부(12, 14)는 측벽(400)에 밀착된다.
이 상태에서, 제 3 정전 구동부(300)에 전압(V3)이 인가되면, 정전력에 의해 빗형상체간에 서로 끌어당기는 힘이 발생하여 제 4 지지부(90)의 중간에 설치된 상하 압축 스프링(130)이 압축되어, 후방 다리부(16, 18)가 측벽(400)에서 떨어지게 된다. 이후, 제 2 정전 구동부(200)에 인가된 전압(V2)을 단절하면, 빗형상체간의 정전력이 소멸되어 좌우 압축 스프링(140)이 팽창되어, 측벽(400)에서 떨어져 있는 후방 다리부(16, 18)가 우측으로 이동하게 된다. 이어서, 제 3 정전 구동부(300)에 인가된 전압(V3)을 단절하면, 빗형상체간의 정전력이 소멸되어 상하 압축 스프링(130)이 팽창하여, 다시 후방 다리부(16, 18)는 측벽(400)에 밀착된다.
이러한 과정을 반복하면, 우측 방향으로의 지속적인 이동이 발생되며, 좌측방향으로의 이동은 이와 반대로, 예를 들어 제 1정전 구동기(100)와 제 3 정전 구동기(300)의 구동순서를 바꾸어서 설정하면 발생이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 초소형 마이크로 로봇은 전체 구조를 MEMS 공정으로 제작함으로서, 전체의 크기를 불과 수백 μm이하로 제작가능하고, 빗살형 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터를 미소 구동기로 채용함에 의해 정밀 제어 구동이 가능하므로, 혈관내 의료작업, 초소형 기기내부 검사등과 같이 극히 협소한 장소에서 각종 작업을 수행할 수 있는 효과를 가진다.

Claims (6)

  1. 초소형 마이크로 로봇에 있어서,
    전후방 각각의 좌우에 설치된 다리부와,
    상기 전후방 다리부를 각각 서로 연결하는 전후방 프레임부와,
    상기 전후방 프레임부를 서로 평행하게 연결하는 한쌍의 상하부 프레임부와,
    상기 상하부 프레임부사이를 연결하는 복수개의 수직 지지부와,
    상기 전후방 프레임부의 중간에 각각 설치되어, 상기 상하부 프레임부를 수직구동하는 제 1 및 제 3 정전 구동부와,
    상기 상하부 프레임부상에서 각각 복수개 직렬로 설치되어, 상기 제 1 및 제 2 지지부사이, 상기 제 2 및 제 3 지지부사이, 상기 제 3 및 제 4 지지부사이에 각각 설치된 좌우압축 스프링과,
    상기 제 1 및 제 4 지지부의 중간에 각각 설치된 상하압축 스프링과,
    상기 제 2 및 제 3 지지부사이의 중간에 설치되어 상기 상하 프레임을 좌우이동하는 제 2 정전 구동부로 이루어진 것을 특징으로 하는 초소형 마이크로 로봇.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전체 구조를 MEMS 공정으로 제작한 것을 특징으로 하는 초소형 마이크로 로봇.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 및 제 3 정전 구동부의 각각은 n개의 핑거가 하방으로 돌출된 상부의 빗형상체와, 상기 상부의 빗형상체의 핑거가 사이에 위치되도록 n + 1개의 핑거가 상방으로 돌출된 하부의 빗형상체와, 상기 상하부 빗형상체의 각각의 중앙에 연결된 지지체로 구성된 빗살형 일렉트로스테틱 구동기를 사용하는 것을 특징으로 하는 초소형 마이크로 로봇.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 지지체는 바닥면으로 부터 일정의 상부에 부상되어, 메인 본체부와 스프링부는 폴리실리콘 층으로 구성되고, 그 상부에 절연층이 적층되고, 그 상부의 빗살형 구동부와 전극등은 폴리실리콘 층으로 구성되며, 상기 빗살형 구동부와 전극 등을 이루는 폴리실리콘 층의 끝단은 바닥면방향으로 굴절되어, 상기 바닥면상에 금속 또는 폴리실리콘으로 만들어진 복수개의 전극과 접촉하는 접촉부위에서 상기 바닥면의 전극과 접촉하여 상기 정전구동부의 각각에 전압을 전달하는 것을 특징으로 하는 초소형 마이크로 로봇.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 정전 구동부의 각각은 인가전압(V)대 정전력(Fe)간에 다음식과 같은 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 초소형 마이크로 로봇.
    Figure 1019970054167_B1_M0001
    여기서, n1 은 두 빗형상체간의 간격g의 개수이고, n2 는 두 빗형상체간의 간격 g1 의 개수이며, εo 는 공기중에서 8.854× 10-12 인 공기의 유전상수이고, V는 전압이고, t는 핑거의 두께이고, g는 양 빗형상체의 각 측면사이의 간격이고, y는 양 빗형상체간에 전압이 인가되었을 때 수축되는 변위량이고, g1 는 상부 빗형상체와 하부 빗형상체 핑거의 상부부분 또는 하부 빗형상체와 상부 빗형상체 핑거의 하부부분의 간격이고, lf는 핑거의 각각의 폭길이이다.
  6. 초소형 마이크로 로봇의 구동 방법에 있어서,
    마주보고 있는 빗형상체간에 서로 끌어당기는 정전력이 발생하여 제 1 지지부의 중간에 설치된 상하 압축 스프링을 압축하여 전방 다리부를 측벽에서 떨어지도록, 제 1 정전 구동부에 제 1 전압을 인가하는 단계와,
    정전력에 의해 빗형상체간에 서로 끌어당기는 힘이 발생하여 좌우 압축 스프링이 압축되어, 상기 측벽에서 떨어져 있는 전방 다리부가 우측으로 이동하도록, 제 2 정전 구동부에 제 2 전압을 인가하는 단계와,
    빗형상체간의 정전력이 소멸되어 압축되어 있던 상기 상하 압축 스프링이 팽창하여, 상기 전방 다리부가 다시 측벽에 밀착되도록, 상기 제 1 정전 구동부에 인가된 제 1 전압을 단절하는 단계와,
    정전력에 의해 빗형상체간에 서로 끌어당기는 힘이 발생하여 제 4 지지부의 중간에 설치된 상하 압축 스프링이 압축되어, 후방 다리부가 측벽에서 떨어지도록, 제 3 정전 구동부에 제 3 전압을 인가하는 단계와,
    빗형상체간의 정전력이 소멸에 따라 좌우 압축 스프링이 팽창되어, 측벽에서 떨어져 있는 후방 다리부가 우측으로 이동하도록 제 2 정전 구동부에 인가된 제 2 전압을 단절하는 단계와,
    빗형상체간의 정전력의 소멸에 따라 상하 압축 스프링이 팽창하여, 후방 다리부가 다시 측벽에 밀착되도록 제 3 정전 구동부에 인가된 전압을 단절하는 단계가 포함된 것을 특징으로 하는 초소형 마이크로 로봇의 구동방법.
KR1019970054167A 1997-10-22 1997-10-22 초소형 마이크로 로봇 및 그 구동방법 KR100254394B1 (ko)

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