KR101535520B1

KR101535520B1 - Wire rod having improved super-elastic characteristics and Tube continuum robot using the same

Info

Publication number: KR101535520B1
Application number: KR1020130130711A
Authority: KR
Inventors: 지광구; 김계리; 강성철; 이우섭
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-07-09
Also published as: KR20150049767A

Abstract

소정 온도 구간에서 초탄성을 가지는 형상기억합금 재질의 선재는, 적정할 열처리 공정에 의해 제1 변태온도를 가지는 제1부분과, 상기 제1 변태온도 보다 낮은 제2 변태온도를 가지는 제2부분을 포함하고, 상기 제1 변태온도 보다 낮은 온도에서 상기 제1부분은 초탄성을 상실하도록 구성되어, 서로 겹쳐진 튜브끼리의 상호 작용에 의해 동작하는 튜브 연속체 로봇에 이용될 수 있다. The shape memory alloy wire material having superelasticity at a predetermined temperature section has a first portion having a first transformation temperature and a second portion having a second transformation temperature lower than the first transformation temperature by an appropriate heat treatment process Wherein the first portion is configured to lose hyperelasticity at a temperature lower than the first transformation temperature and can be used in a tube continuum robot that operates by interaction of tubes overlapping with each other.

Description

[0001] The present invention relates to a wire rod having improved superelastic characteristics and a tube continuous robot using the wire rod having improved super-

본 발명은 길게 연장되는 선재 및 튜브형 선재를 이용한 튜브 연속체 로봇에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지름과 곡률이 서로 다른 복수의 튜브를 서로 겹쳐 움직임으로써, 튜브끼리의 상호작용을 이용해 동작하는 튜브 연속체 로봇에 적합하게 이용될 수 있는 선재(wire-rod) 및 그 제조 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a tube continuum robot using a wire rod and a tubular wire rod which are elongated in length, and more particularly, to a tube continuum robot which operates by using mutual action of tubes by mutually overlapping a plurality of tubes having different diameters and curvatures, And a method of manufacturing the wire-rod.

최소침습수술이란 배를 열지 않고 절개부위를 최소화해 시행하는 수술로, 절개 부위가 작아 흉터나 후유증이 거의 없고 회복이 빠른 장점이 있다. 이러한 최소침습수술을 시행하기 위해서 미세 수술용 기기들이 사용되어야 하며, 기기들의 제작 및 그 제어에 관한 연구가 진행되고 있다. Minimally invasive surgery is a minimally invasive procedure that does not open the abdomen. It has few scars or sequelae and has a rapid recovery. In order to perform minimally invasive surgery, microsurgical instruments should be used, and researches on manufacture and control of instruments are underway.

종래의 미세 수술용 기기로서 소위 "액티브 캐뉼라(active cannular)"로 불리는 튜브 연속체 로봇이 제안되어 있다. A tube continuum robot called "active cannular" has been proposed as a conventional micro-surgical instrument.

도 1은 종래의 튜브 연속체 로봇을 구성하는 복수의 튜브(10 내지 40)를 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 튜브들에 의해 구성된 튜브 연속체 로봇을 개념적으로 도시한 것이다. Fig. 1 shows a plurality of tubes 10 to 40 constituting a conventional tube continuum robot, and Fig. 2 conceptually shows a tube continuum robot constituted by the tubes of Fig.

도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 튜브(10 내지 40)은 직선부(11, 21, 31, 41)와, 상기 직선부에서 연장되어 소정의 곡률을 가지고 굴절되는 곡선부(12, 22, 32, 42)를 구비한다. As shown in FIG. 1, each of the tubes 10 to 40 includes straight portions 11, 21, 31 and 41, curved portions 12, 22, and 22 extending from the straight portion and being bent with a predetermined curvature, 32, and 42, respectively.

각각의 튜브(10 내지 40)는 초탄성 특성을 보이는 형상기억합금을 재료로 하며, 서로 길이, 지름 및 곡률이 서로 달라 서로 겹쳐져 움직일 수 있다. Each of the tubes 10 to 40 is made of a shape memory alloy exhibiting superelastic characteristics, and can be moved in a superposition manner with different lengths, diameters and curvatures.

도 2에 도시된 바와 같이 서로 겹쳐져 움직이는 튜브의 상호작용으로 인해 튜브 연속체 로봇의 최선단에 결합된 엔드 이펙터(end-effector)(미도시)의 위치가 제어될 수 있다. The position of the end-effector (not shown) coupled to the distal end of the tube continuum robot can be controlled by the interaction of the tubes overlapping each other as shown in Fig.

튜브 연속체 로봇은 상온 조건의 생체 외부(1)에 위치한 후단부를 동작 제어하여 튜브(10 내지 40)를 서로 회전 및/또는 평행 이동시킴으로써, 생체(2)의 내부의 작업 공간(3)에 삽입된 선단부가 공간(3)의 형상에 대응하여 적절히 굴곡되도록 한다. The tube continuum robot moves and / or translates the tubes 10 to 40 relative to each other by controlling the operation of the rear end located at the outside of the living body 1 under normal temperature conditions, So that the distal end portion is appropriately bent in correspondence with the shape of the space (3).

구체적으로 에너지 식을 사용해 서로 겹쳐진 튜브(10 내지 40)가 가질 수 있는 에너지를 최소화하는 결과 각도와 엔드 이펙터의 최종 위치를 예측하게 된다. Specifically, the energy equation is used to predict the resultant angle and the final position of the end effector, which minimizes the energy that the tubes 10 to 40 overlap each other.

각각의 튜브(10 내지 40)는 다른 튜브와 독립적으로 내부 회전 자유도 및 내부 평행 이동 자유도를 갖는다. Each of the tubes 10 to 40 has an inner rotation degree of freedom and an inner parallelism degree of freedom independently of the other tubes.

도 2에 도시된 바와 같이, 서로 겹쳐진 튜브(10 내지 40) 각각을 적절히 회전 및/또는 평행 이동시킴으로써, 기기가 삽입되는 공간(3)의 형상에 대응하여 튜브(10 내지 40)가 적절히 굴곡될 수 있고, 최종적으로 엔드 이펙터를 원하는 위치에 위치시킬 수 있다. As shown in Fig. 2, by suitably rotating and / or translating each of the overlapping tubes 10-40, the tubes 10-40 are properly bent, corresponding to the shape of the space 3 into which the instrument is to be inserted And finally, the end effector can be positioned at a desired position.

상술한 바와 같이, 튜브 연속체 로봇은 초탄성을 나타내는 형상기억합금으로 되어 있다. 튜브의 재료로 형상기억합금을 쓰는 이유는 높은 탄성변형율 때문이다. 곡선부위가 바깥 튜브에 들어가 직선이 되면 대략 2% (인장변형 기준) 이상의 탄성변형이 가능해야 하는데 일반금속은 0.5%를 넘기 힘들다. 따라서 형상기억합금의 초탄성 (최대 8%)을 이용한다.As described above, the tube continuum robot is a shape memory alloy showing superelasticity. The reason why the shape memory alloy is used as the material of the tube is the high elastic strain rate. When the curve enters the outer tube and becomes straight, elastic deformation of about 2% (tensile strain standard) or more should be possible, but it is difficult to exceed 0.5% of ordinary metal. Therefore, the superelasticity (maximum 8%) of the shape memory alloy is used.

이러한 로봇의 가장 큰 문제점은 서로 겹쳐진 튜브 사이에 큰 마찰이 발생하여 움직임이 원활하지 못하고, 나아가 마찰에 의한 파손이 발생할 수 있다는데 있다. The biggest problem of such a robot is that a large friction is generated between the overlapped tubes, so that the movement is not smooth, and furthermore, damage due to friction may occur.

특히 직경이 큰 외측 튜브(예를 들어, 튜브(10))의 직선부(11)를 그에 삽입되는 내측튜브(20)의 곡선부(22)가 통과할 때, 내측튜브(20)의 곡선부(22)가 외측 튜브(10)의 직선부(11)를 통과하면서 크게 변형이 일어나므로, 두 개의 튜브간에 큰 마찰이 생기게 된다. 그 결과 움직임이 원활하지 못하고, 튜브(대개 외측튜브) 쪽의 파손이 일어날 수 있다. The straight portion 11 of the larger diameter outer tube (e.g. tube 10) passes through the curved portion 22 of the inner tube 20 when the curved portion 22 of the inner tube 20, A great deformation occurs as the tube 22 passes through the linear portion 11 of the outer tube 10, resulting in a large friction between the two tubes. As a result, the movement is not smooth and the tube (usually the outer tube) side breakage may occur.

또한, 더 넓은 작업 공간에 접근하기 위해서는 굴곡이 더 큰 곡선부를 구비한 튜브가 필요하게 되는데, 곡선부의 굴곡이 클수록 튜브의 강성이 세므로, 일단 내측 튜브를 외측 튜브에 삽입하는 것이 매우 어렵고, 삽입된 후에도 동작에 따른 튜브간 마찰로 인해 파손을 초래한다. Further, in order to approach a wider work space, a tube having a curved portion with a greater curvature is required. It is very difficult to insert the inner tube into the outer tube once the curvature of the curved portion is greater, Even after it has been damaged due to friction between tubes due to operation.

미국 특허출원공개 제2013/0018303호U.S. Patent Application Publication No. 2013/0018303

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 초탄성 특성이 개선되어, 외부와 온도가 상이한 작업 영역에 그 일부가 삽입되어 작업을 수행하는 튜브 연속체 로봇 등에 적절히 이용될 수 있는 선재를 제공하는 것을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a wire rod which can be suitably used for a tube continuous robot or the like which performs work by inserting a part thereof into a work area having a different super- The purpose is to provide.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 소정 온도 구간에서 초탄성을 가지는 형상기억합금 재질의 선재로서, 제1 변태온도를 가지는 제1부분과, 상기 제1 변태온도 보다 낮은 제2 변태온도를 가지는 제2부분을 포함하고, 상기 제1 변태온도 보다 낮은 온도에서 상기 제1부분은 초탄성을 상실하는 것을 특징으로 하는 선재가 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a wire of a shape memory alloy material having superelasticity at a predetermined temperature interval, the wire having a first portion having a first transformation temperature and a second portion having a second transformation temperature lower than the first transformation temperature, And a second portion having a second transformation temperature, wherein at a temperature lower than the first transformation temperature, the first portion loses hyperelasticity.

일 실시예에 따르면, 상기 제1부분과 상기 제2부분은 상기 선재의 길이방향으로 배치되고, 상기 제1부분은 상기 제1 변태온도 이상의 온도를 가지는 작업 영역 내로 삽입되고, 상기 제2부분은 상기 제2 변태온도 이상과 상기 제1 변태온도 미만의 온도를 가지는 상기 작업 영역의 외부에 위치하도록 할 수 있다. According to one embodiment, the first portion and the second portion are disposed in the longitudinal direction of the wire rod, and the first portion is inserted into a working region having a temperature equal to or higher than the first transformation temperature, And can be located outside the work area having a temperature higher than the second transformation temperature and lower than the first transformation temperature.

또한, 상기 선재는 직선부와, 상기 직선부의 선단에서 소정 곡률을 가지로 굴곡되는 곡선부를 포함하고, 상기 제1부분은 적어도 상기 곡선부를 포함할 수도 있다. Further, the wire rod may include a straight portion and a curved portion curved at a predetermined curvature at the tip of the straight portion, and the first portion may include at least the curved portion.

또한, 상기 작업 영역은 생물의 생체 내이고, 상기 제1 변태온도 이상의 온도는 상기 생물의 체온이며, 상기 작업 영역의 외부의 온도는 상온일 수 있다. In addition, the working region is in vivo of the living organism, the temperature above the first transformation temperature is the body temperature of the organism, and the temperature outside the working region may be room temperature.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 선재를 제조하는 방법으로서, 형상기억합금 재질의 선재를 형성하는 단계 (a)와, 상기 선재가 상기 제1 변태온도를 가지도록 제1열처리를 수행하는 단계 (b)와, 상기 단계 (b)에서 열처리된 선재에서 상기 제1부분 및 제2부분을 설정하는 단계 (c) 및 상기 단계 (c)에서 설정된 제2부분이 상기 제2 변태온도를 가지도록 제2열처리를 수행하는 단계 (d)를 포함하는 선재 제조 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing the wire rod, the method comprising: (a) forming a wire material of a shape memory alloy material; performing a first heat treatment so that the wire material has the first transformation temperature b) setting the first portion and the second portion in the wire material heat-treated in the step (b), and setting the second portion at the second transformation temperature so that the second portion set in the step (c) And (d) a step of performing a heat treatment on the wire.

일 실시예에 따르면, 상기 제1열처리는 공기 순환식 열처리로에서 수행되며, 400도 내지 500도 온도에서 10분 내지 120분간 수행될 수 있다. According to one embodiment, the first heat treatment is performed in an air circulation type heat treatment furnace, and may be performed at a temperature of 400 to 500 degrees for 10 to 120 minutes.

또한, 상기 제2열처리는 상기 제2부분을 염 욕로에 침지한 상태로 수행되며, 500도 내지 550도 온도에서 1분 내지 60분간 수행될 수 있다. The second heat treatment may be performed while the second portion is immersed in a salt bath, and may be performed at a temperature of 500 to 550 degrees Celsius for 1 minute to 60 minutes.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 지름과 곡률이 서로 다른 복수의 튜브를 서로 겹쳐 움직임으로써, 튜브끼리의 상호작용으로 인해 최선단에 결합된 엔드 이펙터의 위치가 달라지는 튜브 연속체 로봇으로서, 상기 복수의 튜브 중 적어도 하나는 중공으로 형성된 상기 선재인 것을 특징으로 하는 튜브 연속체 로봇이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a tube continuum robot in which a plurality of tubes having different diameters and curvatures are moved so as to overlap with each other so that positions of end effectors coupled at the best ends are changed due to mutual action of the tubes, At least one of which is a wire rod formed in a hollow shape.

도 1은 종래의 튜브 연속체 로봇을 구성하는 복수의 튜브를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 튜브들에 의해 구성된 튜브 연속체 로봇을 개념적으로 도시한 것이다.
도 3은 형상기억합금의 온도에 따른 변태 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 형상기억합금의 온도에 따른 거동을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선재를 도시한 것이다.
도 6은 도 5의 선재의 거동 특성을 설명하기 위한 도면이다. Fig. 1 shows a plurality of tubes constituting a conventional tube continuous robot.
Fig. 2 conceptually illustrates a tube continuum robot constructed by the tubes of Fig.
3 is a graph for explaining the transformation characteristics according to the temperature of the shape memory alloy.
4 is a graph for explaining the behavior of the shape memory alloy according to temperature.
5 illustrates a wire rod according to an embodiment of the present invention.
Fig. 6 is a view for explaining the behavior characteristics of the wire rod of Fig. 5;

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, it is to be understood that the technical idea of the present invention and its essential structure and action are not limited by this embodiment.

본 발명을 이해하기 위해 본 발명의 구체적인 실시예의 설명에 앞서 형상기억합금의 특성에 대해 설명한다. Before explaining specific embodiments of the present invention for understanding the present invention, the characteristics of the shape memory alloy will be described.

도 3은 형상기억합금의 온도에 따른 변태(trasformation) 특성을 설명하기 위한 그래프이다. FIG. 3 is a graph for explaining the characteristics of the shape memory alloy according to temperature. FIG.

도 3에 도시된 바와 같이, 형상기억합금에서는 냉각 시 또는 가열시 순식간에 원자의 구조가 변화하는 소위 변태가 일어난다. 냉각시 고온상(오스테나이트)에서 저온상(마르텐사이트)으로 변태가 시작하는 온도를 Ms, 종료되는 온도를 Mf라 한다. 가열시 저온상에서 고온상으로 변태하기 시작하는 온도를 As, 종료되는 온도를 Af라 한다. As shown in Fig. 3, in the shape memory alloy, a so-called transformation occurs in which the structure of atoms changes during cooling or heating in an instant. The temperature at which the transformation starts from the high-temperature phase (austenite) to the low-temperature phase (martensite) during cooling is referred to as Ms, and the termination temperature is referred to as Mf. The temperature at which heat begins to transform from a low temperature to a high temperature during heating is denoted by As and the termination temperature is denoted by Af.

본 명세서에서는 형상기억합금에 있어 가열시 저온상에서 고온상으로의 변태가 종료되는 온도(Af)로서 형상기억합금이 초탄성을 가질 수 있는 온도를 "변태온도"로 칭한다. In the present specification, the temperature at which the shape memory alloy can have superelasticity as the temperature Af at which the transformation from the low temperature to the high temperature ends at the end of heating in the shape memory alloy is referred to as "transformation temperature ".

냉각시에는 발열반응이 가열시에는 흡열반응이 일어나므로 DSC (시차주사열분석기)로 각각의 온도를 측정하는 것이 가능하다. 예를 들어, Ni-Ti합금의 경우 Ni의 함량이나 열처리 온도를 변화시켜 변태온도 등을 조절할 수 있다. Since the exothermic reaction takes place at the time of cooling and the endothermic reaction occurs at the time of heating, it is possible to measure the respective temperatures by DSC (differential scanning calorimetry). For example, in the case of a Ni-Ti alloy, the transformation temperature and the like can be controlled by changing the content of Ni or the heat treatment temperature.

도 4는 형상기억합금의 온도에 따른 거동을 설명하기 위한 그래프이다. 도 4 (a) 내지 (c)에서 그래프의 세로축은 인장응력(kgf/mm²)을 나타내고, 가로축은 변형도(%)를 나타낸다. 4 is a graph for explaining the behavior of the shape memory alloy according to temperature. In Figs. 4 (a) to 4 (c), the vertical axis represents tensile stress (kgf / mm ² ) and the horizontal axis represents strain (%).

형상기억합금은 합금이 위치하는 온도에 따라 힘이 가해졌을 때 그 거동 특성이 달라진다.Shape memory alloys vary in their behavior when applied with a force depending on the temperature at which the alloy is located.

예를 들어, 도 4(a)는 -50℃인 환경, 도 4(b)는 -45℃인 환경, 도 4(c)는 -32℃인 환경에서의 변태온도가 약 -48℃인 형상기억합금의 거동 특성을 나타낸다.For example, Fig. 4 (a) shows an environment of -50 deg. C, Fig. 4 (b) shows an environment of -45 deg. And shows the behavior characteristics of the memory alloy.

변태온도 이하에서는 현상기억합금에 응력을 가해 변형시킨 후 응력을 제거하면 변형이 남아있는데, 이를 변태온도 이상으로 가열하면 원래의 형상으로 돌아가는데 이를 형상기억 효과라고 한다(도 4(a)). 이때의 변형은 낮은 응력에서 이루어지며 탄성이 작아 아주 유연하게 변형이 일어난다. Below the transformation temperature, stress is applied to the developing memory alloy to deform it, and when the stress is removed, the deformation remains. When heated to above the transformation temperature, it returns to its original shape, which is called a shape memory effect (Fig. 4 (a)). At this time, the deformation occurs at a low stress and the elasticity is small, so that the deformation occurs very smoothly.

변태온도 이상에서는 변형 후 응력을 제거하면 탄성적으로 원래의 형상으로 돌아오는 데 탄성한계가 일반 금속의 20배에 달해 초탄성 효과라고 한다(도 4(b) 및 도 4(c)). 이때, 온도가 높을수록 변형시키는 데 필요한 힘이 증가하게 된다(도 4(c)의 경우가 도 4(b)의 경우보다 인장응력이 크다). 즉, 형상기업합금은 주변 온도가 높아질수록 강성이 증가하여 딱딱하게 느껴진다.When the stress is removed above the transformation temperature, the elasticity is restored to its original shape by removing the stress after the deformation, and the elastic limit is 20 times as large as that of the common metal, so that it is a superelastic effect (Figs. 4 (b) and 4 (c)). At this time, the higher the temperature, the greater the force required to deform (the tensile stress in Fig. 4 (c) is greater than in Fig. 4 (b)). That is, as the ambient temperature increases, the shape of the enterprise alloy increases in rigidity and becomes harder.

변형온도가 더 높아지면 슬립(slip)에 의한 영구변형이 일어나게 되므로, 형상기억합금은 소정 온도 구간에서 초탄성을 가지는 것으로 이해할 수 있다. If the deformation temperature becomes higher, permanent deformation due to slip will occur. Therefore, it can be understood that the shape memory alloy has superelasticity at a predetermined temperature range.

도 2에 도시된 바와 같은 종래기술에 따른 튜브 연속체 로봇에서 내측 튜브(예를 들어 튜브(20))는 외측 튜브(예를 들어, 튜브 (10))에 삽입된 상태로 생체(2) 내 작업 부위에 도달하면, 작업시 곡선부(22)가 외측 튜브(10) 내부에서 평행 이동 및 회전 운동하는 동작이 반복적으로 일어난다. 2, the inner tube (e.g., tube 20) is inserted into the outer tube (e.g., tube 10) The operation of the curved portion 22 in parallel movement and rotational movement within the outer tube 10 occurs repeatedly.

특히, 내측 튜브(20)의 곡선부(22)는 외측 튜브(10)의 직선부(10) 내부에 동작할 때, 곡선부(22)는 실질적으로 직선 형태에 가깝게 변형된 상태가 된다. Particularly, when the curved portion 22 of the inner tube 20 operates inside the straight portion 10 of the outer tube 10, the curved portion 22 is deformed into a substantially straight shape.

곡선부(22)가 직선형으로 변형되는데는 힘이 많이 필요하며, 내측 튜브(20)와 외측 튜브(10) 간의 마찰이 커져서 움직임이 원활하지 못하고, 튜브에 마모가 발생하여 파손에 이르는 문제가 있음은 이미 설명하였다. A large amount of force is required for the curved portion 22 to be deformed in a straight line and the friction between the inner tube 20 and the outer tube 10 is increased so that the movement is not smooth and the tube is worn to cause breakage Has already been described.

서로 삽입되는 튜브 간의 마모 및 동작성의 문제는, 튜브가 전체가 작업 환경과 무관하게 초탄성을 가지면서도 유연한 거동 특성을 가지도록 하면 크게 경감시킬 수 있다. The problem of abrasion and cohesion between the tubes inserted into each other can be greatly alleviated if the tube has a superelastic yet flexible behavior characteristic regardless of the working environment as a whole.

형상기억합금이 초탄성을 가지면서도 유연한 거동 특성을 보인다는 의미는, 형상기억합금의 변태온도가 형상기억합금이 놓인 환경의 온도에 비해 약간 낮게 형성되어 있다는 것을 의미한다(도 4(b)와 같이 초탄성을 가지면서도 변형을 위한 인장응력이 지나치게 높지 않은 상태를 의미한다).The shape memory alloy exhibits a superelastic but flexible behavior meaning that the transformation temperature of the shape memory alloy is formed to be slightly lower than the temperature of the environment in which the shape memory alloy is placed (Fig. 4 (b) and And the tensile stress for deformation is not excessively high).

형상기억합금이 초탄성을 가지면서도 유연한 거동 특성을 가지는 경우, 적은 응력으로도 변형이 용이하지만 응력이 제거되는 즉시 형상이 원상태로 복귀하므로, 튜브 선단의 위치 제어가 용이하게 된다. When the shape memory alloy has superelastic and flexible behavior characteristics, deformation is easy even with a small stress. However, since the shape returns to the original shape immediately after the stress is removed, position control of the tip end of the tube is facilitated.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선재(200)를 도시한 것이다. 선재(200)는 소정 온도 구간에서 초탄성을 가지는 형상기억합금 재질로 이루어진다. 5 illustrates a wire 200 according to an embodiment of the present invention. The wire rod 200 is made of a shape memory alloy material having superelasticity at a predetermined temperature range.

선재(200)는 길이방향으로 배치되는 제1부분(210)과 제2부분(220)을 포함한다. 자세히 도시하지 않았지만 선재(200)는 중공으로 형성되어, 종래기술에서 설명한 튜브형 연속체 로봇에 이용될 수 있다. The wire 200 includes a first portion 210 and a second portion 220 arranged in the longitudinal direction. Although not shown in detail, the wire rod 200 is hollow and can be used for the tubular continuum robot described in the prior art.

제1부분(210)은 선재(200)의 선단부로서 튜브형 연속체 로봇의 작업 영역인 생물의 생체 내부로 그 일부 또는 전부가 삽입되는 부분이다. 제2부분(220)은 상기 작업 영역 즉 생체 외부에 위치하는 부분으로서, 선재(200)를 평행 및/또는 회전 운동시키기 위한 각종 액츄에이터가 결합될 수 있다. The first portion 210 is a tip portion of the wire 200, and is a portion into which a part or the whole of the living body is inserted into the living body, which is the working region of the tubular continuous robot. The second part 220 is a part located in the working area, i.e., outside the living body, and various actuators for parallel and / or rotational movement of the wire 200 may be combined.

선재(200)는 직선부와 소정 곡률을 가지로 굴곡되는 곡선부를 포함한다. 본 실시예에서는 제1부분(210)이 곡선부이고, 제2부분(220)이 직선부인 것으로 도시하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. The wire rod 200 includes a straight portion and a curved portion bent with a predetermined curvature. In the present embodiment, the first portion 210 is a curved portion and the second portion 220 is a straight portion, but the present invention is not limited thereto.

제1부분(210)은 곡선부의 일부이거나, 곡선부 전부와 직선부 일부일 수 있다. The first portion 210 may be part of a curved portion, or may be a portion of a curved portion and a portion of a straight portion.

선재(200)가 인체의 최소침습수술에 이용되는 튜브 연속체 로봇에 이용되는 경우, 제2부분(220)은 상온 (25도 정도)에서, 제1부분(210)은 체온(사람의 경우 약 36도 정도)에서 작동하게 된다. When the wire rod 200 is used in a tube continuum robot used for minimally invasive surgery of the human body, the second portion 220 is at normal temperature (about 25 degrees), the first portion 210 is at the body temperature Degree).

제2부분(220)이 초탄성을 나타내도록 하기 위해서는 제2부분(220)의 변태온도는 상온보다 약간 낮게 형성되어야 한다. In order for the second portion 220 to exhibit superelasticity, the transformation temperature of the second portion 220 should be formed to be slightly lower than the normal temperature.

또한, 생체에 들어가는 제1부분(210)이 체온에서 초탄성을 나타내도록 하기 위해서는 변태온도가 체온보다 낮도록 해야 한다. Further, in order for the first portion 210 of the living body to exhibit superelasticity at body temperature, the transformation temperature should be lower than the body temperature.

위와 같은 조건을 만족시키기 위해서, 선재(200)의 변태온도 자체를 상온보다 낮게 형성하는 것을 생각해 볼 수 있으나, 그 경우 다음과 같은 문제가 있다. 예를 들어, 선재(200)의 변태온도가 상온 (25도)보다 낮은 20도라고 하면 상온에 위치하는 제2부분(220)은 유연한 탄성을 보이지만(도 4(b)와 같은 거동 특성을 보이지만), 체온에서 거동하는 제1부분(210)은 변태온도와의 큰 온도차이로 변형에 필요한 힘이 커서 유연하지 못한 움직임을 보이게 된다(도 4(c)와 같은 거동 특성을 보인다). 결과적으로 생체 내에서 유연한 거동특성을 가질 필요가 있는 제1부분(210)의 강성이 지나치게 높아져서, 다른 튜브와의 관계에서 원활히 동작하기 어렵게 된다. In order to satisfy the above conditions, it is conceivable to form the transformation temperature of the wire 200 to be lower than the normal temperature. However, in this case, there is the following problem. For example, if the transformation temperature of the wire 200 is 20 degrees lower than the normal temperature (25 degrees), the second portion 220 located at room temperature shows a flexible elasticity (although it exhibits the behavior characteristics as shown in FIG. 4 (b) The first portion 210 acting at the body temperature has a large force required for the deformation due to a large temperature difference with the transformation temperature, resulting in an unflexible motion (the behavior characteristic shown in FIG. 4 (c) is shown). As a result, the rigidity of the first portion 210, which needs to have a flexible behavior characteristic in vivo, becomes excessively high, making it difficult to operate smoothly in relation to other tubes.

반대로, 만일 선재(200)의 변태온도가 상온 (25도)보다는 높고 체온(36도)보다는 낮은 30도 하면 체온에 위치하는 제1부분(210)은 유연한 탄성 거동을 보이지만(도 4(b)와 같은 거동 특성을 보이지만), 상온에서 거동하는 제2부분(220)은 초탄성을 상실하게 된다(도 4(a)와 같은 거동 특성을 보인다). 결과적으로 제2부분(220)은 작음 힘에도 쉽게 변형되고 변형 후 원상태로 복귀하지 못하므로, 튜브 연속체 로봇에서 선재(200) 전체를 평행 운동 및 회전 운동시키기 위한 충분한 강성을 가지지 못하게 된다. Conversely, if the transformation temperature of the wire 200 is higher than the normal temperature (25 degrees) and the body temperature is lower than the body temperature (36 degrees), the first part 210, which is located at the lower body temperature, And the second portion 220, which behaves at room temperature, loses the superelasticity (as shown in FIG. 4 (a)). As a result, the second portion 220 can not be easily deformed by the small force and can not return to the original state after the deformation, so that the tube continuum robot can not have sufficient rigidity to perform parallel movement and rotational movement of the entire wire 200.

따라서, 본 실시예에 따르면, 선재(200)의 제1부분(210)과 제2부분(220)이 서로 다른 변태온도를 가지도록 형성된다. Thus, according to the present embodiment, the first portion 210 and the second portion 220 of the wire 200 are formed to have different transformation temperatures.

제1부분(210)은 제1 변태온도 이상의 온도에서 초탄성을 가지도록 형성된다. 본 실시예에서는 상기 제1 변태온도 이상의 온도는 제1부분(210)이 삽입되는 생물의 체온이다.The first portion 210 is formed to have superelasticity at temperatures above the first transformation temperature. In this embodiment, the temperature above the first transformation temperature is the body temperature of the organism into which the first part 210 is inserted.

제2부분(220)은 제2 변태온도 이상의 온도에서 초탄성을 가지도록 형성된다. 상기 제2 변태온도는 상기 제1 변태온도보다 낮은 온도이다. The second portion 220 is formed to have superelasticity at temperatures above the second transformation temperature. And the second transformation temperature is lower than the first transformation temperature.

제2부분(220)은 상기 제2 변태온도 이상과 상기 제1 변태온도 미만의 온도를 가지는 상기 작업 영역의 외부에 위치하므로, 본 실시예에서 상기 제2 변태온도 이상과 상기 제1 변태온도 미만의 온도는 상온(25℃)이다.Since the second portion 220 is located outside the working region having a temperature higher than the second transformation temperature and lower than the first transformation temperature, in the present embodiment, the second portion 220 is less than the second transformation temperature and less than the first transformation temperature Is at room temperature (25 DEG C).

이하, 위와 같이 변태온도가 부분적으로 상이한 선재(200)를 형성하는 방법을 설명한다. Hereinafter, a method of forming the wire member 200 having a partially different transformation temperature will be described.

본 실시예에 따르면, 제2부분(220)은 변태온도가 20도, 제1부분(210)는 변태온도가 30도 정도인 것이 적절할 것으로 판단하여 열처리를 통하여 각기 다른 변태온도를 부여하였다. According to this embodiment, it is determined that the second portion 220 should have a transformation temperature of 20 degrees and the first portion 210 has a transformation temperature of about 30 degrees, so that different transformation temperatures are given through heat treatment.

먼저 합금조성이 50.8at%Ni-잔부 Ti 이고 외경이 2.0mm인 직선으로 된 선재를 준비한 다음, 곡선부의 직경이 80mm의 곡률이 되도록 변형 및 구속시킨 상태에서 제1 열처리를 수행하였다. First, a straight wire having an alloy composition of 50.8 at% Ni-remainder Ti and an outer diameter of 2.0 mm was prepared, and then the first heat treatment was performed under the condition that the curved portion had a curvature of 80 mm.

열처리의 목적은 형상기억효과 및 초탄성을 갖도록 미세조직을 변화시키기도 하고, 형상을 기억시키는 것이다. The purpose of the heat treatment is to change the microstructure to have shape memory effect and super elasticity, and to memorize the shape.

본 실시예에 따르면, 일반적인 공기순환식 열처리로를 이용해 480도에서 30분/ 60분/ 90분/ 120분/ 열처리한 다음 변태온도를 측정하였다. 그 결과 변태온도는 30분일 때 18도, 60분일 때 24도, 90분일 때 29도, 120분일 때 33도로 측정되었다. 열처리 시간이 길어질수록 변태온도가 상승하는 것을 알 수 있으며 이 결과를 이용하여 원하는 변태온도를 얻을 수 있다. According to this embodiment, the transformation temperature was measured after heat treatment at 480 ° C. for 30 minutes / 60 minutes / 90 minutes / 120 minutes using a general air circulation type heat treatment furnace. As a result, the transformation temperature was measured 18 degrees at 30 minutes, 24 degrees at 60 minutes, 29 degrees at 90 minutes, and 33 degrees at 120 minutes. It can be seen that the transformation temperature increases as the heat treatment time becomes longer, and the desired transformation temperature can be obtained by using this result.

제1열처리를 통해 형성된 변태온도는 선재 전체에 걸쳐 동일하다. 체온에서 적합한 원하는 변태온도를 얻기 위해 제1열처리는 400 내지 500도 정도에서, 시간은 10분 내지 120 정도 수행하는 것이 좋다. 400도 이하의 온도에서는 합금에 형상의 기억이 되지 않고, 500도 이상에서는 원하는 변태온도를 얻기 어렵다. 본 실시예에서는 제1열처리를 통해 형성된 선재 전체의 변태온도가 29도가 되도록 480도에서 90분 열처리하였다. The transformation temperature formed through the first heat treatment is the same throughout the wire rod. In order to obtain a desired transformation temperature suitable for body temperature, it is preferable to perform the first heat treatment at about 400 to 500 degrees and the time for about 10 to 120 minutes. The shape is not memorized in the alloy at a temperature of 400 DEG C or lower and it is difficult to obtain a desired transformation temperature at 500 DEG C or higher. In this embodiment, the heat treatment was performed at 480 ° C. for 90 minutes so that the transformation temperature of the entire wire formed through the first heat treatment was 29 °.

다음으로, 제1열처리를 통해 형성된 선재(200)에서 제1부분(210)과 제2부분(220)을 형성할 부분을 설정한다. 상술한 바와 같이 제1부분(210)과 제2부분(220)은 선재의 용도 및 크기 등을 고려하여 다양하게 설정될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. Next, a portion for forming the first portion 210 and the second portion 220 in the wire 200 formed through the first heat treatment is set. As described above, it should be understood that the first portion 210 and the second portion 220 can be variously set in consideration of the use and size of the wire rod.

제1부분(210)과 제2부분(220)을 형성할 부분을 설정한 뒤, 염욕로(salt bath)에 제2부분(220)을 형성한 부분을 담그고, 염욕로를 가열하여 제2부분(220)에 대해 제2열처리를 수행한다. 염욕로에는 예를 들어 Na₂SO₃와 Na가 혼합된 용액이 수용될 수 있다. A portion where the first portion 210 and the second portion 220 are to be formed is set and then the portion where the second portion 220 is formed in the salt bath is immersed and the salt bath is heated, The second heat treatment is performed on the second substrate 220. In the case of the salt bath, for example, a solution in which Na ₂ SO ₃ and Na are mixed can be accommodated.

실온에서 적합한 원하는 변태온도를 얻기 위해 제2열처리는 500도 내지 550도 정도에서, 시간은 1분 내지 60 정도 수행하는 것이 좋다. 500도 이하에서는 변태온도를 낮추기가 어렵고 550도 이상에서 열처리하면 재질의 강도가 떨어져 (슬립변형이 쉽게 일어나) 탄성이 크게 나빠진다. In order to obtain an appropriate desired transformation temperature at room temperature, the second heat treatment is preferably performed at about 500 to 550 degrees Celsius and for about 1 to 60 times. Below 500 ° C, it is difficult to lower the transformation temperature, and when heat treated at 550 ° C or higher, the strength of the material decreases (slip deformation easily occurs) and the elasticity is greatly deteriorated.

본 실시예에 따르면, 염욕로의 용액을 530도로 가열하여 제2부분(220)에 대 정해 2분 정도 제2 열처리를 수행한 결과, 제2부분(220)의 변태온도(제2 변태온도)가 19도 정도로 낮아진 것을 확인하였다. According to this embodiment, the solution to the salt bath is heated to 530 ° C. and the second heat treatment is performed for about 2 minutes in the second portion 220. As a result, the transformation temperature (second transformation temperature) Was reduced to about 19 degrees.

도 6은 상기 방법에 의해 형성된 선재(200)의 거동 특성을 설명하기 위한 도면이다. 6 is a view for explaining the behavior characteristics of the wire 200 formed by the above method.

도 6에 도시된 바와 같이, Ni-Ti합금 재질의 선재(200)와 내경이 2.4mm인 스테인리스 튜브(100)를 준비하였다.As shown in FIG. 6, a wire 200 made of a Ni-Ti alloy material and a stainless steel tube 100 having an inner diameter of 2.4 mm were prepared.

도 6에서 자세히 도시하지는 않았지만, 스테인리스 튜브(100)는 전체적으로 인체 외부에 위치하고 있고, 그 선단부는 인체 내부로 통하는 비강과 맞닿아 있다. Although not shown in detail in FIG. 6, the stainless steel tube 100 is entirely located on the outside of the human body, and the distal end of the stainless steel tube 100 is in contact with the nasal passage leading to the inside of the human body.

도 6(a)에 도시된 바와 같이, 선재(200)는 상온에서 제2부분(220)이 초탄성을 보이고, 제1부분(210)은 주위 온도가 변태온도 이하이므로 초탄성이 상실되어 작은 힘으로도 쉽게 변형될 수 있는 상태이다. 6 (a), the second portion 220 of the wire rod 200 exhibits superelasticity at room temperature, and the first portion 210 has a superelastic loss due to the ambient temperature being below the transformation temperature, It can be easily deformed by force.

따라서, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 선재(200)가 스테인리스 튜브(100)에 삽입되는 경우, 제1부분(210)는 스테인리스 튜브(100) 안에서 쉽게 직선형으로 변형되어 스테인리스 튜브(100)와의 마찰을 최소화하면서 튜브(100) 내부를 통과할 수 있다. 6 (b), when the wire rod 200 is inserted into the stainless steel tube 100, the first portion 210 is easily deformed linearly in the stainless steel tube 100, and the stainless steel tube 100 And can pass through the inside of the tube 100 while minimizing friction with the tube 100.

도 6(c) 및 도 6(d)는 제1부분(210)이 튜브(100)의 선단부를 빠져 나와 생체 내부로 삽입된 상태를 도시한다. 6 (c) and 6 (d) show a state in which the first portion 210 is inserted into the living body through the distal end portion of the tube 100.

도 6(c)와 같이, 제1부분(210)이 튜브(100)에서 빠져나온 직후에는 약간의 탄성에 의한 회복이 있으나 그 변형이 남아 있다. 하지만, 시간이 지나 제1부분(210)이 체온으로 가열되면 원래의 곡선 형상으로 회복된다. 체온은 제1부분(210)의 변태 온도 이상의 온도이므로, 제1부분(210)은 생체 내에서 초탄성 거동을 보인다.As shown in FIG. 6 (c), immediately after the first portion 210 exits the tube 100, there is a slight elastic recovery, but the deformation remains. However, when the first portion 210 is heated to body temperature over time, it is restored to its original curved shape. Since the body temperature is a temperature higher than the transformation temperature of the first portion 210, the first portion 210 exhibits superelastic behavior in vivo.

본 실시예에 따르면, 부위별로 변태온도가 상이한 선재를 제조하기 위해, 염욕로를 이용하였다. 염욕은 액체를 열매체로 사용하므로 매우 균일한 온도분포를 나타내지만 바로 위의 대기는 열처리에 영향을 줄 만큼 온도가 높지 않으므로 원하는 부분만 열처리하는 것이 가능하기 때문이다.According to this embodiment, in order to produce a wire rod having different transformation temperatures for each site, a bath bath was used. Since the bath uses a liquid as a heating medium, it exhibits a very uniform temperature distribution, but the upper atmosphere does not have a high temperature to affect the heat treatment, so it is possible to heat only the desired part.

작업 영역에 삽입되는 부분과 그와 온도가 상이한 작업 외 영역에 위치하는 부분의 변태 온도 및 기계적 특성을 다르게 형성된 본 실시예에 따른 선재에 의하면, 전체적으로 동일한 변태온도를 가지는 선재를 이용하는 경우에 비해 마찰이 1/3 정도 작고 내구성이 10배 이상 우수하다는 점을 확인할 수 있었다. According to the wire rod according to the present embodiment in which the transformation temperature and the mechanical characteristics of the portion inserted into the working region and the portion located in the out-of-working region different in temperature from each other are differently formed, compared with the case of using the wire rod having the same transformation temperature as the whole And the durability is 10 times or more.

따라서, 본 실시예에 따른 선재는, 복수의 튜브가 서로 겹쳐져 평형 및/또는 회전 운동함으로써 튜브간 마찰이 심한 튜브 연속체 로봇에 고곡률의 곡선부를 제공하기 위해 이용될 수 있을 것이다. Therefore, the wire rod according to the present embodiment can be used to provide a curved portion of a high curvature to a tube continuum robot in which a plurality of tubes overlap each other and balance and / or rotate to cause intertube friction.

다만, 본 실시예에 따른 선재는 소위 "액티브 캐뉼라"의 튜브 연속체 로봇에 한정적으로 이용되는 것은 아니며, 외부 공간과 온도가 상이한 작업 영역에 그 일부가 삽입되는 선재에 있어서, 선재가 전체적으로 초탄성을 가지면서도 유연한 거동 특성을 가지도록 할 필요가 있는 다양한 산업 분야에도 응용이 가능할 것이다.However, the wire rod according to the present embodiment is not limited to the tube continuous robot of the so-called "active cannula ". In the wire rod in which a part thereof is inserted into a work area having a temperature different from that of the external space, It can be applied to various industrial fields where it is necessary to have flexible behavior characteristics.

Claims

A tube continuum robot in which a plurality of tubes having different diameters and curvatures are moved so as to overlap with each other so that the positions of the end effectors coupled to the best ends are changed due to mutual action of the tubes,
The plurality of tubes including an outer tube and an inner tube inserted into the outer tube,
Wherein the inner tube includes a straight portion and a curved portion curved at a predetermined curvature at a tip of the straight portion,
Wherein the inner tube is formed of a wire material of a shape memory alloy material having a super elasticity at a predetermined temperature interval,
Wherein the inner tube includes a first portion having a first transformation temperature and a second portion having a second transformation temperature lower than the first transformation temperature,
Wherein the first portion loses superelasticity at a temperature lower than the first transformation temperature,
Wherein the first portion includes the curved portion,
Wherein the first portion of the inner tube is inserted into a working region having a temperature greater than or equal to the first transformation temperature through the inside of the outer tube located outside the working region having a temperature below the first transformation temperature A tubular continuum robot.

The method according to claim 1,
And the outside of the working region has a temperature higher than the second transformation temperature and lower than the first transformation temperature.

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The method according to claim 1,
Wherein the working region is in vivo of an organism and the temperature above the first transformation temperature is a body temperature of the organism,
And the temperature of the outside of the working area is room temperature.

10. A method of manufacturing a tube continuum robot according to any one of claims 1, 2, and 4,
And providing the wire rod,
Wherein providing the wire rod comprises:
(A) forming a wire rod of a shape memory alloy material;
(B) performing a first heat treatment so that the wire rod has the first transformation temperature;
(C) setting the first portion and the second portion in the wire material heat-treated in the step (b); And
And (d) performing a second heat treatment so that the second portion set in step (c) has the second transformation temperature.

6. The method of claim 5,
Wherein the first heat treatment is performed in an air circulation type heat treatment furnace.

The method according to claim 6,
Wherein the first heat treatment is performed at a temperature of 400 to 500 DEG C for 10 to 120 minutes.

6. The method of claim 5,
And the second heat treatment is performed while the second portion is immersed in a salt bath.

9. The method of claim 8,
Wherein the second heat treatment is performed at a temperature of 500 to 550 degrees Celsius for 1 to 60 minutes.

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