KR101470941B1 - 의료용 롤링 마이크로 로봇 및 이를 갖는 롤링 마이크로 로봇 시스템 - Google Patents

의료용 롤링 마이크로 로봇 및 이를 갖는 롤링 마이크로 로봇 시스템 Download PDF

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장건희
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 3차원 면에 배치되며, 자석으로 형성되는 구 형상의 제 1로봇 몸체부와; 상기 3차원 면을 경계로, 상기 제 1로봇 몸체부와 접하도록 배치되며, 내부에 다수의 단위 자석이 균등 간격으로 배치되는 구 형상의 제 2로봇 몸체부; 및 상기 제 1로봇 몸체부로 외부회전자기장을 제공하여, 상기 제 1로봇 몸체부를 회전시킴과 동시에, 상기 제 2로봇 몸체부의 회전을 동기시키는 제어부를 포함하는 의료용 롤링 마이크로 로봇을 제공한다. 또한, 본 발명은 의료용 롤링 마이크로 로봇 시스템도 제공한다.

Description

의료용 롤링 마이크로 로봇 및 이를 갖는 롤링 마이크로 로봇 시스템{MEDICAL ROLLING MICRO ROBOT AND ROLLING MICRO ROBOT SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 의료용 롤링 마이크로 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3차원 임의의 얇은 면에서 위치 유지, 위치 이동이 가능한 롤링 마이크로 로봇 및 이를 갖는 롤링 마이크로 로봇 시스템에 관한 것이다.
마이크로 로봇은 외부자기장에 의해 무선 구동이 가능해 배터리, 동력전달장치 등 복잡한 기계요소가 필요 없는 장치이다.
이러한 특징으로 인해 마이크로로봇은 효과적으로 소형화, 단순화가 가능하여 의료, 생물, 기계 등 다양한 응용분야에서 활발히 연구, 개발되고 있다.
종래에 개발되었던 롤링 마이크로로봇은 중력, 유체의 항력의 영향이 적은 2차원 면 환경에서만 구동이 가능하였다.
그러나, 실제 다양한 생물 현상, 물리 현상은 복잡한 3차원 면 환경에서 주로 발생되므로 중력, 유체의 항력, 마찰력 등을 극복하고 3차원 면 위에서 구동이 롤링 마이크로로봇의 메커니즘의 개발이 필요하다.
또한, 롤링 마이크로로봇은 약물 전달, 물체 전달 등에 응용될 때에는 다양한 외력에 대해 안정적으로 위치 유지 기능을 수행할 수 있어야 한다.
본 발명과 관련된 선행문헌으로는 대한민국 공개특허 공개번호 제10-2004-0013946호(2004.02.14)가 있다.
본 발명의 목적은, 3차원 임의의 얇은 면에서 위치 유지, 위치 이동이 가능한 롤링 마이크로 로봇 및 이를 갖는 롤링 마이크로 로봇 시스템을 제공함에 있다.
일 양태에 있어서, 본 발명은 3차원 면에 배치되며, 자석으로 형성되는 구 형상의 제 1로봇 몸체부와; 상기 3차원 면을 경계로, 상기 제 1로봇 몸체부와 접하도록 배치되며, 내부에 다수의 단위 자석이 균등 간격으로 배치되는 구 형상의 제 2로봇 몸체부; 및 상기 제 1로봇 몸체부로 외부회전자기장을 제공하여, 상기 제 1로봇 몸체부를 회전시킴과 동시에, 상기 제 2로봇 몸체부의 회전을 동기시키는 제어부를 포함하는 의료용 롤링 마이크로 로봇을 제공한다.
상기 제 2로봇 몸체부는, 상기 제 1로봇 몸체부 보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 다수의 단위 자석은, 상기 제 2로봇 몸체부의 내측 둘레을 따라 균등 간격으로 배치되고, 상기 다수의 단위 자석의 외측 둘레는 서로 접촉되도록 배치되는 것이 바람직하다.
상기다수의 단위 자석은, 쌍을 이루어 구성되는 것이 바람직하다.
상기 다수의 단위 자석의 착자 방향은, 회전 방향 또는 역회전 방향을 따라 서로 반대 방향을 이루도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 다수의 단위 자석의 착자 방향은, 상기 제 1로봇 몸체부의 중심에서, 구심력을 형성하는 축을 따라 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제 1로못 몸체부의 내부에는, 상기 다수의 단위 자석이 끼워져 고정되는 다수의 자석 슬롯이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제 1로봇 몸체부와, 상기 제 2로봇 몸체부는, F=-∇(m·B)과, T=m×B에 의해 평형 자세([π,θ]=[0°,0°])를 이루고,
상기 외부 회전 자기장이 제공되는 경우,
BERMF(t)=B0(0,cos2πft,sin2πft)에 의해 서로 동기화되어 회전운동되고,
Figure 112014049915704-pat00001
을 만족하면, 상기 3차원면을 따라 상대위치를 일정하게 유지하며 회전 이동되되,
Figure 112014049915704-pat00002
은 자석의 자기모멘트,
Figure 112014049915704-pat00003
는 외부자기장의 세기이고,
Figure 112014049915704-pat00004
는 외부회전자기장의 세기, f는 외부회전자기장의 주파수, t는 시간이고,
Figure 112014049915704-pat00005
은 제 1로봇 몸체부의 반경,
Figure 112014049915704-pat00006
는 제 2로봇 몸체부의 반경,
Figure 112014049915704-pat00007
는 제 1,2로봇 몸체부에 삽입되어 있는 자석 및 단위 자석의 개수인 것이 바람직하다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 상기 의료용 롤링 마이크로 로봇을 포함하는 롤링 마이크로 로봇 시스템을 제공한다.
본 발명은 3차원 임의의 얇은 면에서 위치 유지, 위치 이동이 가능한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 의료용 롤링 마이크로 로봇을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 의료용 롤링 마이크로 로봇의 회전 이동을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 의료용 롤링 마이크로 로봇의 실제 제작된 시제품과 제작 치수를 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명의 의료용 롤링 마이크로 로봇의 실험을 보여주는 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 의료용 롤링 마이크로 로봇 및 이를 갖는 롤링 마이크로 로봇 시스템을 설명한다.
도 1은 본 발명의 의료용 롤링 마이크로 로봇을 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 의료용 롤링 마이크로 로봇의 회전 이동을 보여주는 도면이다.
상기 롤링 마이크로 로봇 시스템은 상기 로봇의 구성을 포함하기 때문에, 이를 설명함에 포함하여 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조 하면, 본 발명의 의료용 롤링 마이크로 로봇 시스템은, 의료용 롤링 마이크로 로봇(1)과, 외부 회전 자기장을 제공하는 자기장 제공부(310)와, 로봇(1)의 위치를 파악 및 제어하는 위치 제어부(미도시)를 포함한다.
본 발명의 의료용 롤링 마이크로 로봇(1)은 크게 제 1로봇 몸체부(100)와, 제 2로봇 몸체(200)와, 제어부로 구성된다.
상기 제 1로봇 몸체부(100)와 제 2로봇 몸체부(200)는 구형으로 형성되고, 서로 다른 크기로 형성된다.
제 1로봇 몸체부(100)는 구형으로 형성되고, 3차원 면에 배치되며, 자석으로 형성된다. 즉, 구형의 자석이다.
제 2로봇 몸체부(200)는 구형으로 형성되고, 상기 3차원 면(10)을 경계로, 상기 제 1로봇 몸체부(100)와 접하도록 배치되며, 내부에 다수의 단위 자석(210)이 균등 간격으로 배치된다.
상기 제 2로봇 몸체부(200)는, 상기 제 1로봇 몸체부(100) 보다 크게 형성된다.
상기 다수의 단위 자석(210)은, 상기 제 2로봇 몸체부(200)의 내측 둘레를 따라 균등 간격으로 배치된다.
또한, 상기 다수의 단위 자석(210)의 외측 둘레는 서로 접촉되도록 배치된다.
이에 더하여, 상기다수의 단위 자석(210)은, 쌍을 이루어 구성된다. 도 1,2에서는 단위 자석(210)이 두 쌍을 이루는 것을 대표적인 예로 보여준다.
상기 다수의 단위 자석(210)의 착자 방향(도면에서 화살표 방향)은, 회전 방향 또는 역회전 방향을 따라 서로 반대 방향을 이루도록 형성된다.
또한, 상기 다수의 단위 자석(210)의 착자 방향은, 상기 제 1로봇 몸체부(100)의 중심에서, 구심력을 형성하는 축을 따라 형성된다.
상기 제 1로봇 몸체부(100)의 내부에는, 상기 다수의 단위 자석(210)이 끼워져 고정되는 다수의 자석 슬롯(201)이 형성된다.
상기 다수의 자석 슬롯(201)은 단위 자석(210)의 형상에 따라 결정된다.
또한, 제 2로봇 몸체부(200)는 서로 탈착 가능하게 두 개의 반구 형상으로 형성될 수 있다.
반구 형상을 이루는 제 2로봇 몸체부(200)의 일면부에 상기 자석 슬롯들(201)이 형성될 수 있다.
상기 제어부는 자기장 제공부(미도시)의 구동을 제어한다.
상기 자기장 제공부는 제어부의 제어에 의해 상기 제 1로봇 몸체부(100)로 외부회전자기장을 제공하여, 상기 제 1로봇 몸체부(100)를 회전시킴과 동시에, 상기 제 2로봇 몸체부(200)의 회전을 동기시킨다.
상기 제 1로봇 몸체부와, 상기 제 2로봇 몸체부는, F=-∇(m·B)과, T=m×B에 의해 평형 자세([π,θ]=[0°,0°])를 이룬다.
상기 외부 회전 자기장이 제공되는 경우, BERMF(t)=B0(0,cos2πft,sin2πft)에 의해 서로 동기화되어 회전운동된다.
또한, 상기 제 1로봇 몸체부(100)와, 상기 제 2로봇 몸체부(200)는 2r2=n2r1을 만족하면, 상기 3차원면(10)을 따라 상대위치를 일정하게 유지하며 회전 이동된다.
여기서,m은 자석의 자기모멘트, B는 외부자기장의 세기이고, B0는 외부회전자기장의 세기, f는 외부회전자기장의 주파수, t는 시간이고,
r1은 제 1로봇 몸체부(100)의 반경, r2는 제 2로봇 몸체부(200)의 반경, n2는 제 1,2로봇 몸체부(100,200)에 삽입되어 있는 자석 및 단위 자석의 개수이다.
도 3은 본 발명의 의료용 롤링 마이크로 로봇의 실제 제작된 시제품과 제작 치수를 보여주는 사진이고, 도 4는 본 발명의 의료용 롤링 마이크로 로봇의 실험을 보여주는 사진이다.
도 3 및 도 4를 참조 하여, 실제 실험을 통해 상기 마이크로 로봇과 그 구동 방법에 따른 결과를 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 조립 전 제 1,2로봇 몸체부(100,200)를 보여주고, 열경화수지로 제작되었고, 그 내부에는 단위 자석이 4개(
Figure 112014049915704-pat00008
=4)를 갖는 실린더형 단위 자석(210)이 삽입될 수 있는 자석 슬롯(201)이 형성된다.
또한, 제작에 사용된 모든 자석은 955,00 A/m의 착자 세기를 갖는 네오디뮴 자석을 사용한다.
먼저, 제작된 제 1로봇 몸체부(100)과 제 2로봇 몸체부(200)의 위치 유지 능력을 확인하기 위해, 도 2와 같이 외부자기장이 없는 조건하에 수평면 상에 놓인 제 1로봇 몸체부(100)와 제 2로봇 몸체부(200)의 위치 변화에 따라 자기 힘, 자기 토크의 변화를 계산한다.
도면 2는 제 1로봇 몸체부(100)과 제 2로봇 몸체부(200)가 자기 평형 자세 ([
Figure 112014049915704-pat00009
,
Figure 112014049915704-pat00010
]=[
Figure 112014049915704-pat00011
,
Figure 112014049915704-pat00012
])에서 제 1로봇 몸체부(100)가 수평면 위를 미끄러짐 없이 좌우로 구른다고 할 때 제 1로봇 몸체부(100)가 받는 자기 힘과 자기 토크의 세기를 나타낸다.
제 1로봇 몸체부(100)의 위치 변화에 따른 자기 힘과 자기 토크의 변화를 고려할 때 제안된 마이크로 로봇(1)은 외란에 대해 효과적으로 평형 자세로 복원할 수 있음을 알 수 있다.
제작된 마이크로로봇(1)의 이동 운동 능력을 확인하기 위하여 도 4와 같이 수직면(19), 물로 채워진 나선형 튜브(21)에서 외부회전자기장(8)에 의한 이동 모습을 확인하였다.
마이크로 로봇(1)은 실리콘 재질로 만들어진 두께 0.7mm의 수직면 상에서 원형 경로(20)를 따라 회전속도 0-5Hz 범위, 14mT 세기의 외부회전자기장에 의해 안정적으로 위치 유지, 위치 이동 운동을 보여주었다.
또한 마이크로로봇(1)은 물로 채워진 나선형 튜브(21) 상에서도 안정적으로 중력, 유체의 항력을 극복하며 튜브(21)를 따라 안정적으로 상승하는 운동을 보여주었다.
이상, 상기의 구성 및 실시예를 통해, 본 발명의 의료용 롤링 마이크로로봇은 복잡하고 다양한 3차원 면 환경에서 효과적으로 위치 유지, 위치 이동을 할 수 있다.
구성 번호 '20'은 원형 경로이다.
또한, 본 발명에 따르는 실시예는 생물, 의료, 기계 등 다양한 응용 분야에 효과적으로 적용할 수 있다.
이상, 본 발명의 의료용 롤링 마이크로 로봇 및 이를 갖는 마이크로 로봇 시스템에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 3차원 면
100 : 제 1로봇 몸체부
200 : 제 2로봇 몸체부
201 : 자석 슬롯
210 : 단위 자석

Claims (8)

  1. 3차원 면에 배치되며, 자석으로 형성되는 구 형상의 제 1로봇 몸체부;
    상기 3차원 면을 경계로, 상기 제 1로봇 몸체부와 접하도록 배치되며, 내부에 다수의 단위 자석이 균등 간격으로 배치되는 구 형상의 제 2로봇 몸체부; 및
    상기 제 1로봇 몸체부로 외부회전자기장을 제공하여, 상기 제 1로봇 몸체부를 회전시킴과 동시에, 상기 제 2로봇 몸체부의 회전을 동기시키는 제어부를 포함하고,
    상기 다수의 단위 자석은 상기 제 2로봇 몸체부의 내측 둘레을 따라 균등 간격으로 배치되고,
    상기 다수의 단위 자석의 외측 둘레는 서로 접촉되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 의료용 롤링 마이크로 로봇.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2로봇 몸체부는,
    상기 제 1로봇 몸체부 보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 의료용 롤링 마이크로 로봇.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 단위 자석은, 쌍을 이루어 구성되는 것을 특징으로 하는 의료용 롤링 마이크로 로봇.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 다수의 단위 자석의 착자 방향은,
    회전 방향 또는 역회전 방향을 따라 서로 반대 방향을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 의료용 롤링 마이크로 로봇.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 다수의 단위 자석의 착자 방향은,
    상기 제 1로봇 몸체부의 중심에서, 구심력을 형성하는 축을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 의료용 롤링 마이크로 로봇.
  7. 3차원 면에 배치되며, 자석으로 형성되는 구 형상의 제 1로봇 몸체부;
    상기 3차원 면을 경계로, 상기 제 1로봇 몸체부와 접하도록 배치되며, 내부에 다수의 단위 자석이 균등 간격으로 배치되는 구 형상의 제 2로봇 몸체부; 및
    상기 제 1로봇 몸체부로 외부회전자기장을 제공하여, 상기 제 1로봇 몸체부를 회전시킴과 동시에, 상기 제 2로봇 몸체부의 회전을 동기시키는 제어부를 포함하고,
    상기 제 1로못 몸체부의 내부에는,
    상기 다수의 단위 자석이 끼워져 고정되는 다수의 자석 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 하는 의료용 롤링 마이크로 로봇.
  8. 3차원 면에 배치되며, 자석으로 형성되는 구 형상의 제 1로봇 몸체부;
    상기 3차원 면을 경계로, 상기 제 1로봇 몸체부와 접하도록 배치되며, 내부에 다수의 단위 자석이 균등 간격으로 배치되는 구 형상의 제 2로봇 몸체부; 및
    상기 제 1로봇 몸체부로 외부회전자기장을 제공하여, 상기 제 1로봇 몸체부를 회전시킴과 동시에, 상기 제 2로봇 몸체부의 회전을 동기시키는 제어부를 포함하고,
    상기 제 1로봇 몸체부와, 상기 제 2로봇 몸체부는,
    상기 제 1로봇 몸체부와, 상기 제 2로봇 몸체부는, F=-∇(m·B)과, T=m×B에 의해 평형 자세([π,θ]=[0°,0°])를 이루고,
    상기 외부 회전 자기장이 제공되는 경우,
    BERMF(t)=B0(0,cos2πft,sin2πft)에 의해 서로 동기화되어 회전운동되고,
    2r2=n2r1을 만족하면, 상기 3차원면을 따라 상대위치를 일정하게 유지하며 회전 이동되되,
    m은 자석의 자기모멘트, B는 외부자기장의 세기이고, B0는 외부회전자기장의 세기, f는 외부회전자기장의 주파수, t는 시간이고,
    r1은 제 1로봇 몸체부의 반경, r2는 제 2로봇 몸체부의 반경, n2는 제 1,2로봇 몸체부에 삽입되어 있는 자석 및 단위 자석의 개수인 것을 특징으로 하는 의료용 롤링 마이크로 로봇.
KR20140063604A 2014-05-27 2014-05-27 의료용 롤링 마이크로 로봇 및 이를 갖는 롤링 마이크로 로봇 시스템 KR101470941B1 (ko)

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