KR101394798B1 - 관 내 주행을 위한 마이크로 로봇, 및 마이크로 로봇 시스템. - Google Patents

Abstract

일 실시예에 마이크로 로봇 시스템은 관의 길이 방향에 대하여 수직인 방향을 회전축으로 하여 회전가능하며, 내부에 캐비티를 포함하는 하우징(110), 및 상기 하우징(110)의 캐비티에 삽입되는 영구자석(120)을 포함하는 적어도 두 개 이상의 마이크로 로봇 모듈(100), 및 상기 각 모듈의 일 단을 연결하는 연결부재(200)를 포함하는 마이크로 로봇, 및 상기 마이크로 로봇(1)이 지나가는 관의 길이 방향에 대하여 수직인 방향으로 상기 로봇의 외부에서 자기장을 형성하는 제어장치(300)를 포함하며, 상기 제어장치(300)는 상기 자기장의 방향을 변화시켜서 상기 마이크로 로봇의 움직임을 제어할 수 있다.

Description

관 내 주행을 위한 마이크로 로봇, 및 마이크로 로봇 시스템. {A microrobot and microrobot system manipulated by external magnetic field for motion in tubular shape}

일 실시예에 따른 외부자기장을 이용한 관 내 주행을 위한 마이크로 로봇, 및 마이크로 로봇 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 외부 자기장의 방향을 변화시켜 비대칭성 마찰력을 이용해 관의 길이 방향으로 주행하도록 하는 마이크로 로봇, 및 마이크로 로봇 시스템에 관한 것이다.

외부자기장으로 구동되는 마이크로 로봇은 전기적으로 구동되는 마이크로 로봇과는 달리 전지나 에너지 전달을 위한 유선 에너지 공급 장치가 필요 없으므로 소형화에 유리하고 인체에 보다 안전하게 사용될 수 있다는 장점으로 인하여 안구, 혈관, 내장기관 등의 인체에 적용할 목적으로 활발하게 연구되고 있다.

특히 혈관치료를 위한 마이크로 로봇은 혈관 확장을 위한 스텐트 장착, 약물전달 및 조직검사 등의 역할을 수행할 수 있다. 그러나 혈관 내에서 구동되는 마이크로 로봇은 심장 박동에 의해 맥동류가 불가피하게 발생하게 되는데, 기존에는 혈관치료용 마이크로 로봇의 안정적인 구동을 위한 외부자기장 제어 방법에만 집중된 연구를 수행하였다.

예를 들어, 마이크로 로봇을 맥동류 내에서 위치 유지하기 위해서 회전하거나 주기적으로 변화하는 자기장을 이용해 마이크로 로봇이 유체내부에서 헤엄치는 운동을 생성하거나 자기장의 구배(Gradient)를 이용하여 마이크로 로봇을 매 순간 밀고 당기는 방법을 이용하는 대한 연구가 있었다. 그러나 이러한 외부자기장 제어에만 의존한 구동 방법은 시스템이 복잡해지고 추가적인 에너지소모가 발생하는 단점이 있다.

기존에 개발되던 마이크로로봇들은 대부분 혈관의 맥동류 환경을 고려하지 못하였다. 따라서 정밀한 제어가 어렵고 경우에 따라서는 마이크로로봇이 치명적인 부위로 이동하여 문제가 발생할 가능성이 있었다. 이러한 문제를 제어적으로 해결하기 위해서 피드백 제어가 사용되기도 하지만 제어 프로그램 자체가 복잡해지고 추가적인 장비들을 필요로 하는 등 시스템이 복잡해지는 문제가 있다. 또한 맥동류 보상에 추가적으로 에너지가 요구되기 때문에 효율성이 떨어지게 된다.

이러한 맥동류 문제를 구조적으로 해결하기 위한 시도로 강아지풀을 모사한 로봇이 제시되었다. 이러한 형태의 로봇은 벽을 지지하면서 전진하기 때문에 유체의 흐름에 민감하게 반응하지 않고 안정적으로 구동할 수 있다. 하지만 섬모와 벽의 접촉각을 변화시킬 수 없기 때문에 단방향 운동밖에 할 수가 없다. 따라서 사용에 상당한 제한이 있고 특히 목표지점까지 도달한 뒤 되돌아 나올 수 없어 로봇을 회수하기 힘든 문제점이 있다. 게다가 전기시스템을 사용하기 때문에 소형화의 제한, 무선구동 시간의 제한, 감전의 위험 등 인체 내부에서 적용되기 위해서는 극복해야할 문제점들이 있다.

공개특허(제10-2004-0108277호)는 인체의 소화기에 삽입되는 캡슐형 로봇 시스템에 관한 것으로서, 인체의 내장을 진단 또는 치료하기 위한 캡슐형 로봇 시스템에 있어서, 치료 또는 진단 도구가 탑재되는 본체와, 상기 본체에 설치되어 인체의 외부에서의 자기장의 변화에 의하여 상기 본체의 이동을 제어하는 외력반응부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따른 목적은, 유체의 흐름에 저항하여 벽을 지지하면서 안정적으로 구동되지만 로봇을 구성하는 각각의 몸체가 회전하여 방향을 전환할 마이크로 로봇을 제공하는 것이다.

또한, 일 실시예에 따른 다른 목적은, 외부 자기장의 방향을 변화시켜 비대칭성 마찰력을 이용해 안정적으로 관의 길이 방향으로 주행하도록 하는 마이크로 로봇 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 일 실시예에 따른 다른 목적은, 구동시스템으로 자기장을 사용하여 소형화, 무선구동, 안전성 측면을 효과적으로 개선하는 것이다.

일 실시예에 따른 관 내 주행을 위한 마이크로 로봇 모듈(100)은, 관의 길이 방향에 대하여 수직인 회전축을 중심으로 회전가능하며, 내부에 캐비티를 포함하는 하우징(110), 상기 하우징의 캐비티에 삽입되는 영구자석(120)을 포함하고, 상기 관 외부에서의 자기장의 변화에 의하여 상기 모듈(100)의 움직임이 제어될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 하우징(110)의 일 면에 부착되어 상기 모듈(100)이 회전 할 때 회전반경을 제한 할 수 있으며, 탄성력이 있는 재질로 구성된 다리부재(130)를 더 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 다리부재(130)는 곡률을 가진 플레이트로 형성되고, 상기 다리부재(130)의 양 단은 관 내부와 접촉하도록 형성되며, 상기 모듈(100)이 회전하는 경우, 회전하는 방향에 위치한 다리부재(130)의 마찰력이 회전 반대 방향에 위치한 다리부재의 마찰력보다 클 수 있다.

일측에 따르면, 상기 모듈(100)은 상기 회전축을 중심으로 180도 이상 회전가능하여, 이동방향 전환이 가능하다.

일 실시예에 따른 마이크로 로봇(1)은, 관의 길이 방향에 대하여 수직인 회전축을 중심으로 회전가능한 하우징(110)을 구비하는 적어도 두 개의 마이크로 로봇 모듈(100), 상기 하우징(110)의 일 면에 부착되고, 상기 하우징(110)의 회전방향 양 단부가 상기 관 내부와 접촉하는 다리부재, 및 상기 각 모듈(100)의 일 단을 연결하는 연결부재(200)를 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 하우징(110)의 내부에 고정되는 영구자석(120)을 더 포함하고, 상기 관 외부의 자기장 변화에 따라 상기 영구자석(120)은 상기 하우징(110)을 회전시킬 수 있다.

일측에 따르면, 상기 다리부재(130)는 이동 방향 전방으로 굽어진 곡면 플레이트로 형성될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 연결부재(200)는 상기 각 모듈(100)의 회전축에 대해서 회전 가능하도록 결합될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 연결부재(200)는 상기 각 하우징의 상측 및 하측에 이격되게 복수 개로 마련될 수 있다.

일 실시예에 따른 관 내 주행을 위한 마이크로 로봇 시스템에 있어서, 관의 길이 방향에 대하여 수직인 방향을 회전축으로 하여 회전가능하며, 내부에 캐비티를 포함하는 하우징(110), 및 상기 하우징의 캐비티에 삽입되는 영구자석(120)을 포함하는 적어도 두 개의 마이크로 로봇 모듈(100), 및 상기 각 모듈(100)의 일 단을 연결하는 연결부재(200)를 포함하는 마이크로 로봇(1), 및 상기 마이크로 로봇(1)이 지나가는 관의 길이 방향에 대하여 수직인 방향으로 상기 로봇(1)의 외부에서 자기장을 형성하는 제어장치(300)를 포함하며, 상기 제어장치(300)는 상기 자기장의 방향을 변화시켜서 상기 마이크로 로봇(1)의 움직임을 제어할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 하우징(110)의 일 면에 부착되어 상기 모듈(100)이 회전 할 때 회전반경을 제한 할 수 있으며, 탄성력이 있는 재질로 구성된 다리부재(130)를 더 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 다리부재(130)는 곡률을 가진 플레이트로 형성되고, 상기 다리부재(130)의 양 단은 관 내부와 접촉하도록 형성되며, 상기 모듈(100)이 회전하는 경우, 회전하는 방향에 위치한 다리부재(130)의 마찰력이 회전 반대 방향에 위치한 다리부재의 마찰력보다 클 수 있다.

일측에 따르면, 상기 제어 장치(300)는 상기 모듈이 일 방향으로 회전하여 회전하는 방향의 다리부재(130)의 마찰력이 회전 반대 방향의 다리부재(130)의 마찰력보다 커질 때, 자기장의 방향을 반대로 변경하여 상기 모듈(100)을 이미 회전된 방향과 반대 방향으로 회전하도록 하여 상기 마이크로 로봇(1)을 관의 길이 방향으로 이동시킬 수 있다.

일측에 따르면, 상기 제어 장치(300)는 자기장의 방향을 교대로 변화시켜 상기 마이크로 로봇(1)을 이동시킬 수 있다.

일측에 따르면, 상기 제어장치(300)는 상기 마이크로 로봇 모듈(100)이 180도 이상으로 회전될 수 있도록 자기장을 변화시켜 상기 마이크로 로봇(1)의 주행 방향을 변경할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 일 실시예에 따른 마이크로 로봇이 외부 자기장을 이용하며 유체의 흐름에 저항하여 벽을 지지하면서 안정적으로 구동되지만 로봇을 구성하는 각각의 몸체가 회전하여 방향을 하면서 주행이 가능하도록 이동시킬 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 마이크로 로봇 시스템을 이용하여 외부 자기장의 방향을 변화시켜 마이크로 로봇의 다리부재의 비대칭성 마찰력을 이용해 안정적으로 관의 길이 방향으로 주행하도록 할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 구동시스템으로 자기장을 사용하여 소형화, 무선구동, 안전성 측면을 효과적으로 개선할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 관 내를 주행하는 마이크로 로봇의 일 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 관 내를 주행하는 복수의 마이크로 로봇 모듈을 연결한 마이크로 로봇을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도3은 일 실시예에 따른 마이크로 로봇에 고정되어있는 xyz 좌표계의 x-y 평면상에서 진동하는 외부 자기장(a)을 3차원 상의 임의의 방향으로 변경시키기 위하여 절대좌표계 XYZ를 기준으로 오일러 각의 z-x-z변환을 시키는 과정(b)을 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 마이크로 로봇에 반시계 방향의 외부자기장이 인가되는 경우의 이동 진행과정(a)과 시계방향의 외부자기장이 인가되는 경우의 이동 진행과정(b)을 나타낸 도면이다.
도 5는 180도 회전하는 외부자기장으로 일 실시예에 따른 마이크로 로봇의 이동방향을 180도 변화시키는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 관 내를 주행하는 마이크로 로봇 및 제어장치를 포함하는 마이크로 로봇 시스템을 나타낸 사시도이다.
도7은 일 실시예에 따른 직경 18mm의 수직한 아크릴 관에서 주행하는 마이크로 로봇의 이동모습을 나타낸 도면이다.
도 8는 관 직경, 진동하는 외부자기장의 주파수, 진동하는 외부자기장의 최대 회전각도에 따른 마이크로 로봇(1)의 이동속도의 변화를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 일 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 관 내를 주행하는 마이크로 로봇(1)의 일 모듈(100)을 나타낸 사시도이다.

외부에서의 자기장의 변화에 의하여 상기 모듈(100)의 움직임을 제어할 수 있는 마이크로 로봇 모듈(100)은 관 내 주행을 위하여, 관의 길이 방향에 대하여 수직인 방향을 회전축으로 하여 회전가능하며, 내부에 캐비티를 포함하는 하우징(110), 및 상기 하우징(110)의 캐비티에 삽입되는 영구자석(120)을 포함한다. 또한, 상기 하우징(110)의 일 면에 부착되어 상기 모듈(100)이 회전 할 때 회전반경을 제한 할 수 있으며, 탄성력이 있는 재질로 구성된 다리부재(130)를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 다리부재(130)는 곡률을 가진 플레이트로 형성 될 수 있다. 상기 곡률을 가진 플레이트는 탄성이 있는 구부러진 금속 또는 플라스틱 재질의 얇은 판 또는 얇은 실리콘으로 구성될 수 있다.

탄성이 있는 재질로 상기 다리부재(13)를 구성하는 것은 관의 크기가 달라져도 관과 다리가 접촉을 유지하기 위한 것이며, 관의 사이즈가 다소 변화하여도 마이크로 로봇 모듈(100)은 유연하게 전진하는 동작이 가능하며 다리부재(130)는 관 내벽을 지지하고 있기 때문에 외부의 저항에 안정적으로 위치를 유지할 수 있다.

상기 다리부재(130) 관 내와 계속 접촉하면서 벽을 긁게 되기 때문에, 벽의 가장자리가 날카로운 경우에 벽에 스크래치를 낼 수 있다. 따라서, 상기 다리부재(130)의 가장자리는 최대한 뭉툭한 형태로 구성하는 것이 바람직하며, 상기 로봇(1)을 실리콘 재질로 구성한다면 이러한 스크래치의 발생을 방지할 수 있다.

상기 다리부재(130)의 양 단은 관 내부 벽과 접촉하게 되며, 상기 모듈(100)이 회전하는 경우, 회전하는 방향의 다리부재(130)와 관내의 벽 사이의 마찰력은 상기 모듈(100)이 회전하는 방향으로 관내 벽을 누르게 되므로, 회전 반대 방향의 다리부재의 마찰력보다 크게 된다.

이 경우에, 상기 다리부재(130)가 벽과 비스듬하게 접촉해 있는 경우 동일한 접촉이라고 해도 미끄러지는 방향에 따라 마찰력이 달라지는 비대칭성 마찰력이 발생하는 상황이 된다. 비대칭성 마찰력은 회전방향이 달라지게 되면 좌우의 마찰력이 다르게 되나, 외부 힘에 대한 전체적인 합력은 관의 길이방향 쪽으로 작용하게 된다. 따라서, 이러한 비스듬한 접촉에 의해 비대칭성 마찰력에 의하여 상기 로봇(1)이 관의 길이방향으로 전진 할 수 있다.

상기 모듈(100)은 180도 이상 회전하여 이동방향 전환이 가능하며, 이에 대해서는 도 5와 함께 후술한다.

도 2는 일 실시예에 따른 관 내를 주행하는 복수의 마이크로 로봇 모듈(100)을 연결한 마이크로 로봇(1)을 개략적으로 도시한 사시도이다.

상기 로봇(1)은, 관의 길이 방향에 대하여 수직인 방향을 회전축으로 하여 회전가능하며 내부에 캐비티를 포함하는 하우징(110), 및 상기 하우징(110)의 캐비티에 삽입되는 영구자석(120)을 포함하는 적어도 두개 이상의 마이크로 로봇 모듈(100), 및 상기 각 모듈(100)의 일 단을 연결하는 연결부재(200)를 포함하며, 외부에서의 자기장의 변화에 의하여 상기 로봇(1)의 움직임을 제어할 수 있다.

상기 하우징(110)은 상기 연결부재(200)에 연결되기 위한 캡을 더 포함할 수 있고, 상기 캡은 상기 연결부재(200)가 회전하는 회전축으로 작용할 수 있는 돌출부를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 연결부재(200)는 상기 하우징(100)에 연결되기 위한 구멍을 포함한다.

상기 하우징(110)과 상기 연결부재(200)가 연결되는 과정에서, 상기 연결부재가 상기 캡을 중심으로 회전이 가능해야 하기 때문에 다소 느슨한 형태로 결합이 되어야 한다.

상기 캡은 상기 하우징에 나사 형태로 결합이 될 수 있으며, 상기 연결부재(200)의 구멍을 끼울 수 있는 지름이 작은 허리부분을 더 포함할 수 있다. 상기 하우징(110)의 일단, 캡의 허리부분, 캡의 뚜껑부분의 순서로 배열이 될 수 있으며, 캡의 나사선은 상기 허리부분을 더 지나서 위치될 수 있다.

상기 연결부재(200)의 구멍 크기는 회전이 용이할 수 있을 정도의 크기가 되어야 하나, 상기 연결부재(200)가 상기 하우징(100)의 캡에 연결되는 과정에서 상하로 과도하게 흔들려서는 안되기 때문에 상기 캡의 허리 부분의 높이는 상기 연결부재(200)의 두께보다 다소 큰 수준에서 결정될 수 있다.

상기 연결부재(200)는 상기 각 하우징(110)의 상측 및 하측에 이격되게 부착될 수 있다. 상기 연결부재(200)가 각 하우징(110)의 일측에만 연결되는 경우에는 상기 모듈(110)이 전진하는데 방해가 될 수 있도록 상기 하우징 캡의 연결부위를 중심으로 과도하게 흔들릴 수 있기 때문에, 상기 하우징(110)의 상측 및 하측 양측에 상기 연결부재(200)를 부착하는 것이 바람직하다.

도3은 일 실시예에 따른 마이크로 로봇(1)에 고정되어있는 xyz 좌표계의 x-y 평면상에서 진동하는 외부 자기장(a)을 3차원 상의 임의의 방향으로 변경시키기 위하여 절대좌표계 XYZ를 기준으로 오일러 각의 z-x-z변환을 시키는 과정(b)을 나타낸 도면이다.

상기 로봇(1)은 임의의 각도와 크기를 갖고 주기적으로 진동하는 외부 자기장에 의하여 구동되도록 상기 모듈(110) 내부에 영구자석(120)이 삽입되어 있어 진동하는 외부 자기장과 같은 방향으로 진동하며 앞으로 나아가게 된다.

상기 모듈(110)의 캐비티에 삽입되어 있는 영구자석(120)은 외부자기장에 의하여 다음의 식 (1)과 같은 자기토크를 받는다.

(1)

는 외부자기장에 의해 발생하는 자기토크,

는 공기의 투자율,

는 자석의 자기 모멘트,

는 임의의 방향으로 균일한 외부자기장의 자계 강도이다. 외부자기장은 상기 로봇(1)에 고정되어 있는 xyz 좌표계의 x축 방향으로 상기 로봇(1)을 전진운동 시키기 위하여 다음의 식(2)과 같이 주기적으로 진동한다.

(2)

는 진동하는 외부자기장의 자계강도의 진폭,

는 진동하는 외부자기장의 최대회전각도,

는 진동하는 외부자기장의 주파수이다.

도3은 3차원 구동을 위하여 오일러 각을 도입한 것이다. 상기 로봇(1)에 고정된 xyz 좌표계는 절대좌표계 XYZ를 기준으로 z-x-z회전을 하여 임의의 방향으로 방향을 전환할 수 있다. 회전 결과 다음의 식 (3)과 같이 3차원상의 임의의 방향 구동을 위해 생성해 주어야할 외부자기장의 식을 계산할 수 있다.

(3)

는 i번째 각도의 코사인함수,

는

i번째 각도의 사인함수이고 아래첨자 α, β,γ 는 도면 3에 표시된 오일러 각이다.

식(3)과 같은 자기장을 인가해주면 상기 로봇(1)은 관을 따라 좌우로 회전하면서 다리로 벽면을 밀게 되고 이때 발생하는 비 대칭성 마찰력으로 앞으로 전진 할 수 있다. 이동방향을 180도 변화시키는 경우에는α, β,γ에 각각 180도, 0도, 0도 혹은 0도, 0도, 180도를 대입하면 된다.

도 4는 일 실시예에 따른 마이크로 로봇에 반시계 방향의 외부자기장이 인가되는 경우의 이동 진행과정(a)과 시계방향의 외부자기장이 인가되는 경우의 이동 진행과정(b)을 나타낸 도면이다. 도면4는 주기적으로 진동하는 외부자기장에 의하여 상기 마이크로 로봇(1)이 구동되는 모습을 나타내고 있다.

상기 로봇(1)의 유연한 다리는 관의 벽면에 비스듬하게 접촉해 있으며 외부자기장에 의하여 상기 로봇(1)이 회전할 때 마찰력을 발생시킨다. 이때 발생하는 마찰력은 비대칭성 마찰력으로 마찰이 일어나는 방향에 따라 마찰의 크기가 다르게 나타난다. 이러한 방향에 따라 달라지는 마찰력은 다리부재(130)의 양 단부가 관 내 벽면과 비스듬하게 접촉하기 때문에 발생하며 상기 로봇(1)이 회전할 때 전진방향의 상기 다리부재(130) 양 단부에서 서로 다른 크기와 방향의 마찰력을 발생시킨다. 이때 발생된 마찰력의 전체 합력에 의해 상기 로봇(1)이 앞으로 전진 할 수 있게 된다.

도 4(a)와 (b)는 각각 마이크로 로봇(1)이 반시계 방향과 시계방향으로 회전할 때 발생하는 힘을 나타낸 것이다. 회전하는 방향에 따라 마이크로로봇의 다리가 받는 비대칭성 마찰력의 크기와 방향은 변하지만 합력은 항상 상기 로봇(1)이 전진하는 방향으로 받기 때문에 도면 4에서 나타난 것처럼 외부자기장이 좌우로 만큼 회전할 때마다 Δx만큼 이동할 수 있다.

도 5는 180도 회전하는 외부자기장으로 일 실시예에 따른 마이크로 로봇(1)의 이동방향을 180도 변화시키는 과정을 나타낸 도면이다.

상기 마이크로 로봇의 모듈(110)은 회전축을 기준으로 자유롭게 회전할 수 있기 때문에 외부자기장을 180도 회전시켜주면 상기 모듈(110)도 외부자기장에 따라 회전하게 된다. 따라서 마이크로로봇은 관의 협소한 공간 내에서 효율적으로 이동방향을 전환할 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 관 내를 주행하는 마이크로 로봇(1) 및 제어장치(300)를 포함하는 마이크로 로봇 시스템을 나타낸 사시도이다. 도 6은 일 응용례로써 사람의 혈관 내를 지나가는 마이크로 로봇(1) 및 사람의 신체 외에 위치하여 상기 로봇(1)에 미치는 자기장의 방향을 변화시킬 수 있는 제어장치(300)를 도시하고 있다.

이러한 마이크로 로봇 시스템은 관의 길이 방향에 대하여 수직인 방향을 회전축으로 하여 회전가능하며, 내부에 캐비티를 포함하는 하우징(110), 및 상기 하우징(110)의 캐비티에 삽입되는 영구자석(120)을 포함하는 적어도 두 개 이상의 마이크로 로봇 모듈(100), 및 상기 각 모듈의 일 단을 연결하는 연결부재(200)를 포함하는 마이크로 로봇, 및 상기 마이크로 로봇(1)이 지나가는 관의 길이 방향에 대하여 수직인 방향으로 상기 로봇의 외부에서 자기장을 형성하는 제어장치(300)를 포함하며, 상기 제어장치(300)는 상기 자기장의 방향을 변화시켜서 상기 마이크로 로봇의 움직임을 제어할 수 있다.

상기 제어 장치(300)는 상기 모듈(100)이 일 방향으로 회전하여 회전하는 방향의 다리부재(130)의 단부와 관 내 마찰력이 회전 반대 방향의 다리부재(130)의 단부와 관 내 마찰력보다 커질 때, 자기장의 방향을 반대로 변경하여 상기 모듈(100)을 이미 회전된 방향과 반대 방향으로 회전하도록 하여 상기 마이크로 로봇(1)을 관의 길이 방향으로 이동시킬 수 있다.

상기 제어 장치(300)는 앞서 말한 방식대로 자기장의 방향을 반복하여 반대로 변화시킴으로써, 상기 마이크로 로봇(1)을 관의 길이 방향으로 이동시킬 수 있다.

<실시예 >

마이크로 로봇(1)의 구동 특성을 알아보기 위하여 제안한 마이크로 로봇을 제작하고 두 가지 실험을 진행하였다. 이때 마이크로 로봇의 전체 크기는 높이 13mm, 길이 50mm 정도의 크기로 제작되었다.

도7은 일 실시예에 따른 직경 18mm의 수직한 아크릴 관에서 주행하는 마이크로 로봇(1)의 이동모습을 나타낸 도면이다. 실험 조건으로는 진동하는 외부자기장의 주파수는 15Hz, 진동하는 외부자기장의 최대 회전 각도는 90도로 설정하였다.

상기 마이크로로봇의 안정성을 검증하기 위하여 도면 7과 같이 물이 채워진 수직한 아크릴 관에서 이동속도를 측정하였다. 직경 18mm 및 21mm의 관에서 실험했을 때의 각각 가장 빨랐던 조건과 동일한 조건으로 수직한 아크릴 관에서 실험을 수행하여 표1과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 결과적으로 수평한 관에서의 실험과 비교해 보았을 때 이동속도는 감소하지만 중력을 극복하고 안정적으로 주행하는 모습을 확인할 수 있었다.

주행 환경			이동속도 (mm/s)
관의 직경 (mm)	진동하는 외부자기장의 주파수 (f:Hz)	진동하는 외부자기장의 최대 회전각도 ( , °)	수평관	수직관
18	15	90	200.00	60.00
21	20	90	294.12	90.91

두 번째로 물이 채워진 수평한 아크릴 관에서 이동속도에 영향을 주는 다양한 인자에 대한 특성을 관찰하였다. 마이크로 로봇의 이동속도에 영향을 주는 요소는 진동하는 외부자기장의 주파수, 진동하는 외부자기장의 최대 회전각도, 관 직경 등 여러 가지가 있으나 특히 영향이 큰 위의 3가지 요소에 의한 영향을 확인하였다.

도 8는 관 직경, 진동하는 외부자기장의 주파수, 진동하는 외부자기장의 최대 회전각도에 따른 마이크로 로봇(1)의 이동속도의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 8의 (a)와 (b)는 각각 관의 직경이 18mm인 경우와 21mm인 경우에 수평면 상에서 주파수 및 최대 회전각도를 변화시키면서 이동속도를 측정한 결과이다. 최대 회전각도를 90도까지 증가시키면서 이동속도를 측정하였다. 실험결과 두 관 모두에서 최대 회전각도가 클수록 이동속도가 빨라졌으며 주파수의 경우에는 주파수에 따라 이동속도가 증가하다가 다시 감소하는 경향이 있었다. 이는 마이크로로봇의 관성으로 인하여 주파수가 높은 경우 마이크로로봇이 외부자기장의 변화를 따라가지 못하기 때문이다.

마이크로로봇은 다양한 환경에서 다양한 목적을 수행하기 위하여 사용될 수 있다. 특히 관 환경의 경우에는 내부에 유체가 흐르는 경우가 많으며 이러한 유체의 저항을 극복하고 안정적으로 구동할 수 있는 능력은 마이크로로봇에 요구되는 능력중 하나이다.

일 실시예에 따른 마이크로로봇은 자기 토크와 비대칭성 마찰력을 이용하여 협소한 관 환경에서 안정적으로 움직이며 효과적으로 방향전환을 할 수 있다. 나아가 마이크로로봇이 인체 내에서 동작하는 경우 소형화와 안전성은 매우 중요한 문제라 할 수 있다. 제안된 마이크로로봇은 자기장으로 구동되어 소형화가 용이하며 감전의 위험이 없기 때문에 혈관계 및 소화계와 같이 관 형상을 갖는 인체 내부의 다양한 기관에 사용 될 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 본 명세서에 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

1: 마이크로 로봇
100: 마이크로 로봇 모듈
110: 하우징
120: 영구자석
130: 다리부재
200: 연결부재
300: 제어장치

Claims (10)

1. 관 내 주행을 위한 마이크로 로봇 모듈에 있어서,
   관의 길이 방향에 대하여 수직인 회전축을 중심으로 회전가능하며, 내부에 캐비티를 포함하는 하우징; 및
   상기 하우징의 캐비티에 삽입되는 영구자석;
   을 포함하고,
   상기 관 외부에서의 자기장의 변화에 의하여 상기 모듈의 움직임이 제어될 수 있는 마이크로 로봇 모듈.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 하우징의 일 면에 부착되어 상기 모듈이 회전 할 때 회전반경을 제한 할 수 있으며, 탄성력이 있는 재질로 구성된 다리부재를 더 포함하는 마이크로 로봇 모듈.
3. 제 2항에 있어서
   상기 다리부재는 곡률을 가진 플레이트로 형성되고, 상기 다리부재의 양 단은 관 내부와 접촉하도록 형성되는 마이크로 로봇 모듈.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 모듈은 상기 회전축을 중심으로 180도 이상 회전가능하여, 이동방향 전환이 가능한 마이크로 로봇 모듈.
5. 관 내 주행을 위한 마이크로 로봇에 있어서,
   관의 길이 방향에 대하여 수직인 회전축을 중심으로 회전가능한 하우징을 구비하는 적어도 두 개의 마이크로 로봇 모듈;
   상기 하우징의 일 면에 부착되고, 상기 하우징의 회전방향 양 단부가 상기 관 내부와 접촉하는 다리부재; 및
   상기 각 모듈의 일 단을 연결하는 연결부재;
   를 포함하는, 마이크로 로봇.
6. 제5항에 있어서,
   상기 하우징의 내부에 고정되는 영구자석을 더 포함하고, 상기 관 외부의 자기장 변화에 따라 상기 영구자석은 상기 하우징을 회전시키는 마이크로 로봇.
7. 제 5항에 있어서,
   상기 다리부재는 이동 방향 전방으로 굽어진 곡면 플레이트로 형성되는 마이크로 로봇.
8. 제5항에 있어서,
   상기 연결부재는 상기 각 모듈의 회전축에 대해서 회전 가능하도록 결합되는 마이크로 로봇.
9. 제5항에 있어서,
   상기 연결부재는 상기 각 하우징의 상측 및 하측에 이격되게 복수 개로 마련되는 마이크로 로봇.
10. 관 내 주행을 위한 마이크로 로봇 시스템에 있어서,
    관의 길이 방향에 대하여 수직인 방향을 회전축으로 하여 회전가능하며, 내부에 캐비티를 포함하는 하우징, 및 상기 하우징의 캐비티에 삽입되는 영구자석을 포함하는 적어도 두 개의 마이크로 로봇 모듈, 및 상기 각 모듈의 일 단을 연결하는 연결부재를 포함하는 마이크로 로봇; 및
    상기 마이크로 로봇이 지나가는 관의 길이 방향에 대하여 수직인 방향으로 상기 로봇의 외부에서 자기장을 형성하는 제어장치를 포함하며, 상기 제어장치는 상기 자기장의 방향을 변화시켜서 상기 마이크로 로봇의 움직임을 제어할 수 있는 마이크로 로봇 시스템.
    
    
    
    

Images