KR101045377B1 - 초소형 로봇 및 초소형 로봇의 구동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 초소형 로봇은 소정의 길이를 가지는 본체와, 상기 본체의 외주면에 설치되는 것으로 탄성변형에 의해 굴신 가능하며 후방 측으로 경사진 복수개의 이송다리들과, 상기 본체의 내부에 설치되는 자성체 또는 제 1자력 발생수단과, 상기 본체와 인접되는 측에 설치되며 세관에 삽입된 본체에 견인력과 반발력을 작용시켜 상기 본체를 세관의 벽측으로 교번 이동시킴으로써 상기 이송다리를 굴신시키는 제 2자력 발생수단을 포함한다.

로봇, 초소형, 혈관, 세관, 이송다리,굴신,

Description

초소형 로봇 및 초소형 로봇의 구동 방법{micro robot and driving system of the same}

본 발명은 초소형 로봇에 관한 것으로, 더 상세하게는 자력에 의해 움직이는 섬모의 운동을 이용하여 관로를 이송하는 초소형 로봇 및 구동방법에 관한 것이다.

일반적으로 관로의 탐사를 위한 초소형 로봇은 세관 또는 인체의 혈관, 장등을 이동하면서 관 내부의 촬영 또는 치료하기 위한 것으로, 통신장비, 촬영장비 또는 진단을 위한 첨단장비가 설치된다. 이러한 초소형의 로봇은 소형관등의 탐사 시 상기와 같은 촬영 및 치료 뿐만 아니라 간단한 청소, 코팅 등이 가능하다.

이러한 초소형 로봇의 일예로는 자벌레(inch worm) 형태의 구동방식이 있다. 이 구동방식은 공기에 의해 부풀려지는 클램퍼(clamper)로 혈관, 소장이나 대장 등의 벽에 지지하여 이동하는 방식이다. 그러나, 이러한 방식은 미끄럽고 쉽게 변형되는 인체 내의 환경에서는 확실하게 지지력을 제공할 수 없으며, 심하게 지지력을 높이려 할 경우 연약한 장벽에 손상을 입힐 수 있는 문제점이 있다. 특히 클램퍼의 팽창으로 인해 혈관 또는 장(腸) 내벽에 압박을 가해 장(腸)에 심각한 국소 출혈을 일으킬 수도 있다.

등록특허 제 0402920호에는 마이크로 로봇이 개시되어 있다. 개시된 마이크로 로봇은 몸체에 설치된 구동수단에 의해 회전하는 회전축과, 상기 회전축을 중심으로 위상차를 가지는 복수개의 캠에 의해 구동되는 복수개의 다리와, 상기 몸체를 이동시키는 추진수단을 구비한다.

그리고 등록특허 제 0387119호에는 편심된 축의 회전에 의한 끝단부의 타원운동으로 다수개의 다리를 움직여 스스로 이동할 수 있는 마이크로 로봇이 개시되어 있으며, 등록특허 제 0486702호에는 매스들의 간격변화와 요동운동으로 이동하는 마이크로 로봇이 개시되어 있다.

상술한 바와 같이 구성된 마이크로 로봇들은 구동수단에 의한 기계적 구동에 의해 이동이 이루어지게 되므로 구조가 상대적으로 복잡하여 소형화가 어렵다. 특히 인체의 내부 즉, 혈관은 상대적으로 신축성이 양호하고, 서로 다른 직경을 가지는 연결구조를 가지고 있으므로 로봇의 직경이 한정적이거나 가변량이 상대적으로 작은 경우 봇의 이동이 원활하게 이루어지지 않게 된다. 또한 상술한 바와 같은 종래의 로봇은 이동을 위하여 이송 지지력을 높이려 할 경우 연약한 내벽에 손상을 입힐 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 외부로부터 가하여지는 자력에 의해 다리를 굴신시켜 신체 내의 혈관 또는 세관의 내부를 전진 시킬 수 있는 초소형 로봇과 이의 구동방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 다리들의 움직임 위치를 제어하여 원하는 방향으로 이동시킬 수 있도록 조향이 가능한 초소형 로봇 및 이의 구동방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초소형 로봇은 소정의 길이를 가지는 본체와, 상기 본체의 외주면에 설치되는 것으로 탄성변형에 의해 굴신 가능하며 후방 측으로 경사진 복수개의 이송다리들과, 상기 본체의 내부에 설치되는 자성체 또는 제 1자력 발생수단과,

상기 본체와 인접되는 측에 설치되며 세관에 삽입된 본체에 견인력과 반발 력을 작용시켜 상기 본체를 세관의 벽측으로 교번 이동시킴으로써 상기 이송다리를 굴신시키는 제 2자력 발생수단을 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 본체의 외주면에 설치되는 다리는 나선형으로 배열될 수 있다. 상기 제 1자력 발생수단은 길이 방향으로 설치되는 영구자석으로 이루어지며 자극이 영구자석의 길이 방향을 경계로 하여 좌우측에 배치된다.

상기 본체는 생체 적합한(biocompatible) 폴리머인 PDMS (polydimethylsiloxane)로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 본체에는 이송다리를 이용하여 본체의 이송방향을 제어하기 위한 조향수단을 더 구비한다. 상기 조향수단은 상기 본체의 내부에 설치되어 길이 방향으로 배열된 연결로드와, 상기 연결로드와 각각 연결되며 상기 이송다리가 설치되는 분기로드들과, 상기 본체에 설치되며 연결로드에 전기를 인가하여 연결로드에 대해 분기로드가 접히도록 하는 것으로 수신부를 가지는 조향제어부와, 상기 조향제어부에 전원을 공급하기 위한 전원공급수단을 구비한다. 여기에서 상기 연결로드와 분기로드는 스마트 머티리얼로 이루어질 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초소형 로봇의 구동방법은,

세관의 내부에 로봇을 삽입하는 로봇 삽입단계와,

상기 세관의 외부에서 상기 로봇에 설정된 극성의 자력을 가하여 세관의 일측벽으로 로봇의 본체를 이동시켜 이의 외주면에 설치되는 이송다리를 탄성변형 시켜 전진하는 제 1전진단계와,

상기 자력을 제거하여 탄성변형 된 이송다리를 복원시키는 이송다리 제1복원 단계와,

상기 로봇에 다른 극성의 자력을 가하여 상기 로봇 본체를 세관의 타측 벽측으로 이동시켜 타측의 이송다리를 탄성변형시킴으로써 전진하는 제 2전진단계와,

상기 로봇의 본체에 외부로부터 가하여지는 자력을 제거하여 탄성변형 된 다리가 펴지면서 로봇의 본체를 전진시키는 제2복원단계를 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 초소형 로봇 및 이의 구동방법은 외부로부터 가하여지는 자력에 의해 이동될 수 있으므로 구조가 상대적으로 간단하고, 세관의 내벽 즉, 혈관과 같은 내벽에 손상을 주지 않으면서 이동할 수 있다. 또한 본체의 외주면에 방사상으로 이송다리가 설치되어 있으므로 세관의 내부에서 로봇의 중심잡기가 용이하다.

특히 상기 이송다리의 신축작용에 로봇의 본체가 이동하게 되므로 세관의 직경이 가변되어도 원활한 이송이가능하다.

본 발명에 따른 초소형 로봇은 세관 또는 인체의 혈관, 장등을 이동하면서 관 내부의 촬영 또는 치료하기 위한 것으로, 그 일 실시예를 도 1 내지 도 6에 나타내 보였다.

도면을 참조하면, 초소형 로봇(10)은 탄성력을 가지는 다리의 탄성 변형력과 다리의 복원력을 이용하여 이동하는 것으로, 내부에 공간부(21)를 가지는 본체(20)와, 상기 본체(20)의 외주면에 소정의 패턴으로 배열 설치되는 복수개의 이송다 리(30)들과, 상기 본체(20)의 내부에 설치되는 자성체 또는 제 1자력 발생수단(40)과, 상기 본체(20)와 인접되는 측에 위치되어 상기 자력에 의해 본체(20)의 세관(100)의 내벽 측으로 이송시키기 제 2자력 발생수단(50)을 구비한다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 초소형 로봇을 구성요소 별로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

상기 본체(20)는 상기와 같이 내부 공간부(21)를 가지는 원통형의 형상으로 이루어지며, 본체(20)의 전면은 이송에 따른 저항을 줄이기 위하여 반구형의 형상으로 이루어질 수 있다. 도면에는 도시되어 있지 않으나 상기 본체가 별도의 부재로 이루어진 경우, 상기 본체의 외주면에는 세관(100)의 내면을 보호하고 외부의 충격 등으로부터 본체의 외면을 보호하기 위하여 본체 피복층이 형성될 수 있다. 상기 본체 또는 이의 피복층은 탄성력을 가지는 플랙시블한 합성수지재 예컨대, 생체 적합한(biocompatible) 폴리머인 PDMS(polydimethylsiloxane)로 이루어질 수 있다. 상기 본체의 형상은 도면에 원통형으로 형성된 것으로 도시되어 있으나 이에 한정되지 않고 세관의 내부 단면형상에 따라 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

상기 본체(20)에 설치되는 복수개의 이송다리(30)들은 도 1에 도시된 바와 같이 본체(20)의 외주면에 길이 방향으로 소정간격 이격되는 복수의 줄을 이룰 수 있도록 배열된다. 여기에서 상기 이송다리(30)들은 다리의 탄성변형 및 복원 시 세관(100)의 내부에서 본체(20)를 전진시킬 수 있도록 본체(20)를 충분히 지지할 수 있도록 조밀하게 배열함이 바람직하며, 이송다리(30)들은 반복 굴신 시 탄성력이 감소되지 않아야 함은 당연하다.

도 3에 도시된 바와 같이 본체(20)의 외주면에 이송다리(30)가 나선형으로 배열될 수 있다. 상기와 같이 본체(20)의 외주면에 이송다리(30)의 나선형 배열은 다리의 탄성변형에 의한 이송다리의 굴신 작용 시 본체(20)가 세관(100)의 내부에서 회전하면서 전진할 수 있다.

한편, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 본체(20)에는 이송다리(30)를 이용하여 본체(20)의 이송방향을 제어하기 위한 조향수단을 (60)을 더 구비한다. 상기 조향수단(60)은 상기 본체(20)의 내부에 설치되어 길이 방향으로 배열된 연결로드(61)와, 상기 연결로드(61)와 각각 연결되며 상기 이송다리(30)가 설치되는 분기로드(62)들을 구비한다. 여기에서 상기 분기로드(62)에 설치되는 다리는 본체(20)와 분리되는 구조를 가진다.

그리고 상기 본체(20)에는 연결로드(61)에 전기를 인가하여 연결로드(61)에 대해 분기로드(62)가 접히도록 하는 것으로 수신부(미도시)를 가지는 조향제어부(63)와, 상기 조향제어부(63)에 전원을 공급하기 위한 전원공급수단인 배터리(64)를 구비한다. 여기에서 상기 연결로드(61)와 분기로드(62)는 스마트 머티리얼(Smart Material - Artificial Muscles; 인공근육)로 이루어질 수 있다. 이 스마트 머티리얼은 전기활성 고분자로서 전기신호에 따라 길이가 조절되는 유전체 고분자나 전도성 고분자로 이루어질 수 있는 것으로, 전기신호를 입력하면 줄어들거나 늘어나는 것이다. 또한 물질에 따라 전기 신호뿐 아니라 화학물질이나 이온 등 다양한 조건에 반응해 길이가 변할 수 있다.

한편, 상기 본체(20)의 내부에 설치되는 제 1자력 발생수단(40)은 본체(20)의 내부에 길이 방향으로 설치되는 영구자석이 이용된다. 상기 영구자석은 길이 방향으로 N극과 S극이 배열되도록 함이 바람직하다. 도면에는 도시되어 있지 않으나 상기 본체의 내부에는 제 1자력발생수단의 대체 수단으로 자성체가 설치될 수 있다.

그리고 상기 제 2자력 발생수단(50)은 초소형 로봇(10)이 삽입된 세관(100)의 외부에 설치되는 것으로, 상기 N극과 S극의 자력을 교번하여 상기 초소형 로봇(10)에 가할 수 있는 영구자석 또는 전자석으로 이루어질 수 있다.

상기 제 2자력 발생수단(50)은 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 세관의 주위를 따라 회전할 수 있는 구동수단(70)을 더 구비할 수 있다. 이 구동수단은 제 2자력 발생수단(50)인 전자석 또는 영구자석을 지지하는 메니퓰레이터 또는 세관을 감싸는 환형의 회전부재를 포함하여 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 초소형 로봇의 구동방법은 세관(100)의 내부에 로봇을 삽입하는 로봇 삽입단계와, 상기 세관(100)의 외부에서 상기 로봇에 설정된 극성의 자력을 가하여 세관의 일측벽으로 로봇의 본체(20)를 이동시켜 이의 외주면에 설치되는 이송다리(30)를 탄성변형 시켜 전진하는 제 1전진단계와, 상기 자력을 제거하여 탄성변형 된 이송다리(30)를 복원시키는 제 1이송다리복원단계와, 상기 로봇에 다른 극성의 자력을 가하여 상기 로봇 본체를 세관의 타측 벽측으로 이동시켜 타측의 이송다리(30)를 탄성변형시킴으로써 전진하는 제 2전진단계와, 상기 로봇의 본체(20)에 외부로부터 가하여지는 자력을 제거하여 탄성변형 된 다리가 펴지 면서 로봇의 본체를 전진시키는 제2이송다리 복원단계를 포함하다.

이하 본 발명에 따른 초소형 로봇의 작용과 이를 통하여 초소형 로봇의 구동방법을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 초소형 로봇(10)을 구동시키기 위해서는 도 6, 도 9a 내지 9e에 도시된 바와 같이 먼저 세관(100)에 초소형 로봇(10)을 삽입한다.(도 9a)

이 상태에서 도 9b에 도시된 바와 같이 본체(20)에 설치된 제 1자력 발생수단(40)의 N극과 대응되는 측에 제 2자석 발생수단(50)을 이용하여 자력(예컨대, N극)을 발생시킨다. 이와 같이 하면, 도 9b에 도시된 바와 같이 세관(100)의 내부의 초소형 로봇(10)의 본체가 제1,2자력발생수단(40)(50)으로부터 발생된 자력에 의해 반발력이 작용하게 됨으로써 초소형 로봇(10)의 세관(100)의 측면으로 이동하면서 이송다리(30)가 탄성 변형되면서 초소형 로봇(10)이 전진하게 된다.

이 상태에서 제 2자력 발생수단(50)에 의해 발생되는 자력을 제거하여 도 9c에 도시된 바와 같이 탄성변형된 이송다리(30)가 복원된다.

그리고 상기 제 2자력 발생수단(50)으로부터 본체(20)에 S극의 자력을 인가하여 상기 세관(100)의 내부에 위치되는 초소형 로봇(10)의 본체(20)를 세관(100)의 내부에서 상기 제 2자력 발생수단(50)측으로 이동시켜 이들의 사이에 위치되는이송다리(30)를 탄성 변형시킴으로써 초소형 로봇(10)의 전진시킨다. 상기 제 2자력 발생수단(50)으로부터 자력에 제거되면 상술한 같이 이송다리가 복원되면서 본체(20)를 세관(100)의 중앙부 측으로 이송시킨다. 이와 같은 방법의 반복으로 초소형 로봇(10)을 세관(100)의 내부를 따라 이송시킨다.

여기에서 상기 본체(20)의 외주면에 설치되는 이송다리(30)의 배열이 나선형으로 형성된 경우, 이동되는 과정에서 세관(100)의 내부에서 본체(20)가 회전될 수 있다.

한편, 상기 제 2자력 발생수단(50)의 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 세관의 주위에서 회전시키는 경우 이송다리(30)의 연속적인 굴신작용에 의해 이송이 이루어질 수 있다. 상기와 같이 세관(100)의 주위에서 제 2자력 발생수단(50)이 회전하는 경우 초소형 로봇의 본체(20)에 설치되는 이송다리(30)는 나선형으로 배열된 것을 사용함이 바람직하다.

그리고 세관의 분기되어 초소형 로봇의 이송방향의 제어가 필요한 경우 조향수단(60)의 수신부(63a)에 신호를 송신하여 조향제어부(62)에 의해 상기 스마트 머티리얼로 일측 방향에 위치하는 연결로드(61)와 분기로드(62)에 전기를 인가하여 수축되도록 하고, 상술한 바와 같이 타측방향에 위치하는 열결로드와 분기로드를 굴신시킴으로써 이송방향을 제어 할 수 있다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 다른 초소형 로봇은 혈관, 장(腸) 내부와 같이 미끄럽고 변형되기 쉬운 환경뿐만 아니라 금속, 합성수지 등으로 이루어진 세관 내에서 뛰어난 이송력을 가진다. 또한 , 본 발명에 따른 초소형 로봇은 구조가 상대적으로 간단하고 효율적인 이송이 가능하므로 인체 내의 혈관, 대장, 소장 등의 검사 진단 및 수술에 활용될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

본 발명의 초소형 로봇은 인체의 혈관, 각종 장기의 검사장비, 금속 또는 합성수지 세관의 내부검사 등 다양한 분야에서 적용이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 초소형 로봇의 사시도,

도 2는 도 1에 도시된 초소형 로봇의 단면도,

도 3은 본 발명의 초소형 로봇의 다른 실시예를 도시한 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 초소형 로봇의 또 다른 실시예를 나타내 보인 종단면도,

도 5는 도 4에 도시된 초소형 로봇의 횡단면도,

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 초소형 로봇의 구동상태를 나타내 보인 사시도,

도 8 는 본 발명에 따른 초소형 로봇의 구동상태의 다른 실시예를 나타내 보인 단면도,

도 9a 내지 도 9e는 본 발명에 따른 초소형 로봇의 구동상태를 단계별로 나타내 보인 단면도.

Claims (6)

1. 소정의 길이를 가지는 본체(20)와, 상기 본체(20)의 외주면에 설치되는 것으로 탄성변형에 의해 굴신 가능하며 후방 측으로 경사진 복수개의 이송다리(30)들과, 상기 본체(20)의 내부에 설치되는 자성체 또는 제 1자력 발생수단(40)과,

   상기 본체(20)와 인접되는 측에 설치되며 세관에 삽입된 본체(20)에 견인력과 반발력을 작용시켜 상기 본체를 세관의 벽측으로 교번 이동시킴으로써 상기 이송다리를 굴신시키는 제 2자력 발생수단(50)을 포함하며,

   상기 본체(20)에는 이송다리(30)를 이용하여 본체의 이송방향을 제어하기 위한 조향수단(60)을 더 구비하며, 상기 조향수단(60)은 상기 본체(20)의 내부에 설치되어 길이 방향으로 배열된 연결로드(61)와, 상기 연결로드(61)와 각각 연결되며 상기 이송다리(30)가 설치되는 분기로드(62)들과, 상기 본체(20)에 설치되며 연결로드(61)에 전기를 인가하여 연결로드(61)에 대해 분기로드(62)가 접히도록 하는 것으로 수신부를 가지는 조향제어부(63)와, 상기 조향제어부(63)에 전원을 공급하기 위한 전원공급수단을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 초소형 로봇.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 본체(20)의 외주면에 설치되는 이송다리(30)가 나선형으로 배열된 것을 특징으로 하는 초소형 로봇.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 본체(20)와 이송다리(30)는 생체 적합한(biocompatible) 폴리머인 PDMS (polydimethylsiloxane)로 이루어진 것을 특징으로 하는 초소형 로봇.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,

   상기 연결로드(61)와 분기로드(62)는 스마트 머티리얼로 이루어진 것을 특징으로 하는 초소형 로봇.
6. 삭제

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