KR101543708B1 - 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇 및 이를 포함하는 마그네틱 나선 로봇 시스템 - Google Patents

이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇 및 이를 포함하는 마그네틱 나선 로봇 시스템 Download PDF

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KR101543708B1 KR1020150008560A KR20150008560A KR101543708B1 KR 101543708 B1 KR101543708 B1 KR 101543708B1 KR 1020150008560 A KR1020150008560 A KR 1020150008560A KR 20150008560 A KR20150008560 A KR 20150008560A KR 101543708 B1 KR101543708 B1 KR 101543708B1
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장건희
이원서
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇은 외부의 둘레 면에 형성되는 나선형의 돌기, 및 내부에 중공된 형태로 형성되는 공간부를 포함하는 외부 몸체; 상기 공간부에 회전 가능하게 삽입 배치되는 내부 몸체; 상기 외부 몸체에 삽입 배치되고, 외부 자기장에 의해 상기 외부 몸체의 회전 동작을 제어하는 외부 자석; 및 상기 내부 몸체에 삽입 배치되고, 상기 외부 자기장에 의해 상기 내부 몸체의 회전 동작을 제어하는 내부 자석을 포함한다.

Description

이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇 및 이를 포함하는 마그네틱 나선 로봇 시스템{DUAL-BODY MAGNETIC HELICAL ROBOT AND MAGNETIC HELICAL ROBOT SYSTEM COMPRISING THE SAME}
본 발명의 실시예들은 유체 환경 내에서 이동과 드릴링 운동, 화물 운반 및 전달이 가능한 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇 및 이를 포함하는 마그네틱 나선 로봇 시스템에 관한 것이다.
혈관 질환의 전통적 치료 방법은 대퇴동맥을 통해 카테터를 삽입한 후 의사의 수동 조작으로 혈관을 넓히고, 넓힌 혈관을 유지시켜 줄 수 있는 기구를 장착하는 순서로 진행되며, 이를 관상동맥 형성술이라고 한다.
그러나, 카테터는 구조적인 특성으로 인해 복잡한 혈관에 적용하기가 어려우며 시술의 성공이 의사의 숙련도에 크게 영향을 받는 경향이 있다. 최근 여러 선진 연구기관에서 이러한 카테터의 단점을 극복할 수 있는 방법으로 무선 구동이 가능한 혈관치료용 마그네틱 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되었다.
지금까지 개발된 마그네틱 로봇은 주로 드릴링 운동을 이용하여 막혀있는 혈관을 뚫거나, 목표지점까지 화물을 운반하여 전달하는 역할에 초점을 두고 개발되었다. 그러나, 기존의 관상동맥 형성술을 대체하기 위해서는 협착된 혈관을 넓힐 수 있는 드릴링 능력과 이를 유지시키기 위한 기구를 옮길 수 있는 화물의 운반 및 전달 능력을 모두 갖고 있어야 한다.
따라서, 혈관 질환을 효과적으로 치료하기 위해 혈관 내 이동과 드릴링 운동, 화물의 운반 및 전달이 가능한 마그네틱 로봇의 개발이 필요한 실정이다.
관련 선행기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1083345호(발명의 명칭: 혈관치료용 마이크로 로봇 및 마이크로 로봇 시스템, 등록일자: 2011년 11월 08일)가 있다.
본 발명의 일 실시예는 혈관 질환을 효과적으로 치료하기 위해 혈관 내 이동과 드릴링 운동, 화물의 운반 및 전달 능력을 갖는 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇 및 이를 포함하는 마그네틱 나선 로봇 시스템을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇은 외부의 둘레 면에 형성되는 나선형의 돌기, 및 내부에 중공된 형태로 형성되는 공간부를 포함하는 외부 몸체; 상기 공간부에 회전 가능하게 삽입 배치되는 내부 몸체; 상기 외부 몸체에 삽입 배치되고, 외부 자기장에 의해 상기 외부 몸체의 회전 동작을 제어하는 외부 자석; 및 상기 내부 몸체에 삽입 배치되고, 상기 외부 자기장에 의해 상기 내부 몸체의 회전 동작을 제어하는 내부 자석을 포함한다.
상기 외부 몸체는 상기 외부 자석의 삽입 배치를 위해, 상기 나선형의 돌기 사이의 외부 둘레 면에 일정 깊이로 파인 홈 형태로 형성되는 외부 자석 슬롯을 더 포함할 수 있다.
상기 내부 몸체는 상기 내부 자석의 삽입 배치를 위해, 외부의 둘레 면에 일정 깊이로 파여서 홈 형태로 형성되는 내부 자석 슬롯을 포함할 수 있다.
상기 내부 몸체는 화물을 적재할 수 있도록, 일정 크기로 절개된 절개 면을 따라 일정 깊이의 공간으로 형성되는 화물 적재 공간을 포함할 수 있다.
상기 화물 적재 공간은 상기 외부 자석 및 상기 내부 자석의 상호 작용에 따른 상기 외부 몸체와 상기 내부 몸체의 회전 동작에 의해, 상기 외부 몸체의 후단부에 일정 크기로 절개된 절개 면을 통해 개방되거나 폐쇄될 수 있다.
상기 화물 적재 공간은 상기 외부 자석 및 상기 내부 자석이 이루는 각도가 90도인 경우에 폐쇄되고, 상기 각도가 90도보다 작은 경우에 개방되되, 상기 각도가 0도인 경우에 완전 개방될 수 있다.
상기 각도는 상기 외부 자기장에 의한 외부 토크가 상기 외부 자석 및 상기 내부 자석의 상호 작용에 의한 내부 토크보다 작거나 같으면 90도를 유지하고, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크면 90도보다 작아지되, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크면 클수록 90도에서 0도로 점점 가까워질 수 있다.
상기 외부 자기장의 세기는 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크게 되는 조건을 만족하는 세기의 값 이상이고, 미리 설정된 허용치 이하인 것이 바람직하다.
상기 마그네틱 나선 로봇은 상기 외부 자기장에 의한 외부 토크가 상기 외부 자석 및 상기 내부 자석의 상호 작용에 의한 내부 토크보다 작은 경우, 상기 외부 몸체의 나선 운동을 통해 이동 및 드릴링 운동을 수행할 수 있다.
상기 외부 자기장의 세기는 0mG(밀리가우스) 이상이고, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크게 되는 조건을 만족하는 세기의 값 미만인 것이 바람직하다.
상기 외부 자석 및 상기 내부 자석은 N극 및 S극의 자석이 결합되어 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마그네틱 나선 로봇 시스템은 외부 자기장을 발생시키는 외부 자기장 발생 장치; 외부의 둘레 면에 형성되는 나선형의 돌기 및 내부에 중공된 형태로 형성되는 공간부를 포함하는 외부 몸체, 상기 공간부에 회전 가능하게 삽입 배치되는 내부 몸체, 상기 외부 몸체에 삽입 배치되고 상기 외부 자기장에 의해 상기 외부 몸체의 회전 동작을 제어하는 외부 자석, 및 상기 내부 몸체에 삽입 배치되고 상기 외부 자기장에 의해 상기 내부 몸체의 회전 동작을 제어하는 내부 자석을 포함하는 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇; 및 상기 마그네틱 나선 로봇의 위치를 파악 및 제어하는 위치 제어 장치를 포함한다.
상기 마그네틱 나선 로봇은 상기 외부 자기장에 의한 외부 토크가 상기 외부 자석 및 상기 내부 자석의 상호 작용에 의한 내부 토크보다 작은 경우, 상기 외부 몸체의 나선 운동을 통해 이동 및 드릴링 운동을 수행할 수 있다.
상기 외부 자기장 발생 장치는 상기 외부 자기장의 발생 시, 상기 이동 및 드릴링 운동을 위해, 0mG(밀리가우스) 이상, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크게 되는 조건을 만족하는 세기의 값 미만의 범위 내에서 상기 외부 자기장의 세기를 조절할 수 있다.
상기 내부 몸체는 화물을 적재할 수 있도록, 일정 크기로 절개된 절개 면을 따라 일정 깊이의 공간으로 형성되는 화물 적재 공간을 포함하고, 상기 외부 자기장 발생 장치는 상기 외부 자기장의 발생 시, 상기 외부 자기장에 의한 외부 토크가 상기 외부 자석 및 상기 내부 자석의 상호 작용에 의한 내부 토크보다 작거나 같게 되는 조건을 만족하는 세기의 값 미만으로 상기 외부 자기장의 세기를 조절하여 상기 화물 적재 공간을 개방된 상태로 제어하고, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크게 되는 조건을 만족하는 세기의 값 이상, 미리 설정된 허용치 이하의 범위 내에서 상기 외부 자기장의 세기를 조절하여 상기 화물 적재 공간을 폐쇄된 상태로 제어할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 혈관 내 이동과 드릴링 운동, 화물의 운반 및 전달 능력을 갖춤으로써 최소 침습으로 저비용, 고효율로 혈관 질환을 치료할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 혈관 내 이동과 드릴링 운동, 화물의 운반 및 전달 운동을 선택적으로 생성할 수 있도록 외부 자기장을 효율적으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇의 저면도이다.
도 3은 도 2의 A-A' 선에 따른 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 화물 적재 공간의 개폐 상태에 따른 자석 간의 각도를 나타난 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 자석 간의 각도와 외부 자기장 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실제 제작한 마그네틱 로봇 시제품을 통해 로봇의 치수를 보여주는 도면이다.
도 8 및 도 9는 화물 적재 장소가 열려있는 모습 및 닫혀있는 모습을 각각 보여주는 도면이다.
도 10은 제작된 상기 마그네틱 로봇 시제품의 내부 몸통과 외부 몸통에 삽입되는 원통형 네오디뮴 자석을 보여주는 도면이다.
도 11은 실험에서 화물 대신에 사용되는 구형의 황동을 보여주는 도면이다.
도 12는 제작된 마그네틱 로봇을 이용하여 모사 혈관 내에서 이동과 드릴링 운동을 수행하고, 화물을 운반 및 전달하는 모습을 보여주는 도면이다.
도 13은 도 12의 2단계에서 모사 혈전에 대한 마그네틱 로봇의 드릴링 운동 전의 모습을 보여주는 도면이다.
도 14는 도 12의 3단계에서 모사 혈전에 대한 마그네틱 로봇의 드릴링 운동 후의 모습을 보여주는 도면이다.
도 15는 도 12의 6단계에서 목표지점에서 화물의 전달 전, 마그네틱 로봇이 화물 적재 공간을 닫고 있을 때의 모습을 보여주는 도면이다.
도 16은 도 12의 7단계에서 화물 적재 공간을 열어 화물을 전달한 모습을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇의 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇의 저면도이며, 도 3은 도 2의 A-A' 선에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇(100)은 외부 몸체(110), 내부 몸체(120), 외부 자석(130), 및 내부 자석(140)을 포함한다.
상기 외부 몸체(110)는 후단에서 전단으로 갈수록 점진적으로 직경이 작아지는 콘(corn) 형태로 형성될 수 있다. 이러한 외부 몸체(110)는 돌기(112), 공간부(114), 및 외부 자석 슬롯(116)을 포함할 수 있다.
상기 돌기(112)는 상기 외부 몸체(110)의 외부의 둘레 면에 형성되며, 나선형의 구조를 가진다. 상기 돌기(112)는 상기 나선형의 구조를 통해 상기 외부 몸체(110)가 회전할 때 상기 마그네틱 나선 로봇(100)이 이동 및 드릴링 운동을 하도록 할 수 있다.
상기 공간부(114)는 상기 외부 몸체(110)의 내부에 중공된 형태로 형성된다. 상기 공간부(114)에는 후술할 상기 내부 몸체(120)가 삽입되어 배치될 수 있으며, 이때, 상기 내부 몸체(120)가 회전 가능하도록 상기 공간부(114)와 상기 내부 몸체(120) 사이에는 유격(틈새)이 존재할 수 있다.
또한, 상기 공간부(114)는 상기 외부 몸체(110)의 후단부에 절개되어 형성된 절개면을 통해 그 일부가 외부로 노출될 수 있다. 상기 공간부(114)의 노출 부분은 상기 내부 몸체(120)에 구비된 화물 적재 공간(124)의 개폐에 이용될 수 있다. 이에 대한 설명은 상기 화물 적재 공간(124)의 설명 시 자세히 살펴보기로 한다.
상기 외부 자석 슬롯(116)은 후술할 상기 외부 자석(130)의 삽입 배치를 위해, 상기 나선형의 돌기(112) 사이의 외부 둘레 면에 일정 깊이로 파인 홈 형태로 형성될 수 있다.
상기 외부 자석 슬롯(116)은 상기와 같이 원형의 홈 형태로 형성될 수 있지만, 이에 한정되지 않고 상기 외부 자석(130)의 모양에 따라 원형뿐만 아니라 타원형, 삼각형, 사각형 등의 홈 형태로 형성될 수도 있다.
상기 내부 몸체(120)는 상기 외부 몸체(110)의 공간부(114)에 회전 가능하게 삽입되어 배치된다. 이로써, 상기 마그네틱 로봇(100)은 상기 내부 몸체(120)와 상기 외부 몸체(110)의 이중 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 내부 몸체(110)와 상기 외부 몸체(120) 간에는 유격(g)이 있어 서로 구속되지 않는 구조를 취할 수 있다.
이러한 내부 몸체(120)는 내부 자석 슬롯(122), 및 화물 적재 공간(124)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 내부 자석 슬롯(122)은 후술할 상기 내부 자석(140)의 삽입 배치를 위해, 상기 내부 몸체(120)의 외부의 둘레 면에 일정 깊이로 파여서 홈 형태로 형성될 수 있다.
상기 내부 자석 슬롯(122)은 상기와 같이 원형의 홈 형태로 형성될 수 있지만, 이에 한정되지 않고 상기 내부 자석(140)의 모양에 따라 원형뿐만 아니라 타원형, 삼각형, 사각형 등의 홈 형태로 형성될 수도 있다.
상기 화물 적재 공간(124)은 화물을 적재할 수 있도록, 상기 내부 몸체(120)에 일정 크기로 절개된 절개 면을 따라 일정 깊이의 공간으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 화물은 스탠트 등의 고체 형태의 물질을 포함할 수 있으며, 나아가 약물 등과 같은 액체 상태의 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 약물이 상기 화물 적재 공간(124)에 적재되는 경우, 상기 화물 적재 공간(124)은 외부로의 누출을 방지할 수 있도록 씰링(sealing) 처리될 수 있다.
상기 화물 적재 공간(124)은 상기 외부 몸체(110)와 상기 내부 몸체(120)의 회전 동작에 의해, 상기 외부 몸체(110)의 후단부에 일정 크기로 절개된 절개 면을 통해 개방되거나 폐쇄될 수 있다.
즉, 상기 외부 몸체(110)와 상기 내부 몸체(120)는 상기 외부 자석(130) 및 상기 내부 자석(140)의 상호 작용에 따라 회전 동작할 수 있는데, 이러한 회전 동작을 통해 상기 화물 적재 공간(124)는 개방되거나 폐쇄될 수 있다.
예를 들면, 상기 화물 적재 공간(124)은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 외부 자석(130) 및 상기 내부 자석(140)이 이루는 각도가 90도인 경우에 폐쇄되고, 상기 각도가 90도보다 작은 경우에 개방되되, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 각도가 0도인 경우, 즉 상기 외부 자석(130)과 상기 내부 자석(140)이 착자된 방향의 각도가 일치하는 경우에 완전 개방될 수 있다.
여기서, 상기 각도는 상기 외부 자기장에 의한 외부 토크가 상기 외부 자석(130) 및 상기 내부 자석(140)의 상호 작용에 의한 내부 토크보다 작거나 같으면 90도를 유지하고, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크면 90도보다 작아지되, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크면 클수록 90도에서 0도로 점점 가까워질 수 있다.
이때, 상기 외부 자기장의 세기는 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크게 되는 조건을 만족하는 세기의 값 이상이고, 미리 설정된 허용치 이하인 것이 바람직하다. 이에 대해서는 도 6 및 수학식 7을 참조하여 후술한다.
상기 외부 자석(130)은 상기 외부 몸체(110)에 삽입 배치된다. 구체적으로, 상기 외부 자석(130)은 상기 외부 몸체(110)에 구비된 외부 자석 슬롯(116)에 삽입되어 배치될 수 있다.
상기 외부 자석(130)은 외부 자기장에 의해 상기 외부 몸체(110)의 회전 동작을 제어한다. 여기서, 상기 외부 자기장은 자기 공명 단층 촬영 장치(MRI) 등과 같은 코일 장치인 외부 자기장 발생 장치에 의해 발생될 수 있다. 상기 외부 자석(130)은 상기 외부 자기장의 자기력에 영향을 받아 자화됨으로써 상기 외부 몸체(110)의 회전 동작을 제어할 수 있다.
상기 외부 자석(130)은 N극 및 S극의 자석이 결합되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 외부 자석(130)은 원통형으로 형성될 수 있다. 하지만, 상기 외부 자석(130)은 이에 한정되지 않고 상기 외부 자석 슬롯(116)의 구멍 모양에 따라 육면체 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
상기 내부 자석(140)은 상기 내부 몸체(120)에 삽입 배치된다. 구체적으로, 상기 내부 자석(140)은 상기 내부 몸체(120)에 구비된 내부 자석 슬롯(122)에 삽입되어 배치될 수 있다.
이때, 상기 내부 자석(140)은 상기 외부 자석(130)과 90도의 각도를 이룰 수 있다. 즉, 상기 내부 자석(140)과 상기 외부 자석(130)은 상기 마그네틱 로봇(100)의 운동이 발생하기 전이나 그 후에는 서로 90도의 각도를 이루도록 초기화될 수 있다.
상기 내부 자석(140)은 상기 외부 자기장에 의해 상기 내부 몸체(120)의 회전 동작을 제어한다. 즉, 상기 내부 자석(140)은 상기 외부 자기장 발생 장치에 의해 발생된 외부 자기장의 자기력에 영향을 받아 자화됨으로써, 상기 외부 몸체(110)의 회전 동작을 제어할 수 있다.
상기 내부 자석(140)은 N극 및 S극의 자석이 결합되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 내부 자석(140)은 원통형으로 형성될 수 있다. 하지만, 상기 내부 자석(140)은 이에 한정되지 않고 상기 내부 자석 슬롯(122)의 구멍 모양에 따라 육면체 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 마그네틱 나선 로봇(100)은 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 작은 경우, 상기 외부 몸체(110)의 나선 운동을 통해 이동 및 드릴링 운동을 수행할 수 있다.
즉, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 작으면, 상기 외부 몸체(110)와 상기 내부 몸체(120)는 서로 평형을 이룬 상태가 될 수 있다. 또한, 상기 외부 몸체(110)는 이러한 상태를 유지하면서 나선 운동을 할 수 있다. 이로써, 상기 마그네틱 나선 로봇(100)은 이동 및 드릴링 운동을 수행할 수 있게 된다.
이때, 상기 외부 자기장의 세기는 0mG(밀리가우스) 초과이고, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크게 되는 조건을 만족하는 세기의 값 미만인 것이 바람직하다. 이에 대해서는 도 6 및 수학식 7을 참조하여 후술한다.
한편, 상기 외부 자석(130) 및 상기 내부 자석(140)이 상기 외부 자기장 내에서 받는 자기 토크는 다음의 수학식으로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015005178315-pat00001
여기서, T는 외부 자기장에 의해 자석에 인가되는 자기 토크, m은 상기 외부 자석(130) 및 상기 내부 자석(140)의 자기 모멘트, B는 외부 자기장의 세기이다.
상기 수학식 1로부터 상기 마그네틱 로봇(100)의 나선 운동을 생성하기 위한 외부 회전 자기장은 다음 수학식 2로 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112015005178315-pat00002
여기서 B0는 외부 회전 자기장의 세기, f는 외부 회전 자기장의 주파수, t는 시간이다.
이때, 상기 외부 자석(130) 및 상기 내부 자석(140)이 생성하는 자기장은 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112015005178315-pat00003
여기서 μ0는 공간의 투자율, R은 상기 외부 자석(130) 및 상기 내부 자석(140)으로부터 임의의 지점까지의 벡터, R은 벡터 R의 크기이다.
본 실시예에서는 상기 수학식 3에 상기 수학식 1을 대입하면 상기 외부 몸체(110)와 상기 내부 몸체(120) 사이에 작용하는 내부 토크를 구할 수 있으며, 상기 외부 자석(130)과 상기 내부 자석(140) 간의 각도(θ)가 수직일 때, 상기 내부 토크는 최대가 된다. 이때의 최대 내부 토크는 상기 외부 자석(130)과 상기 내부 자석(140) 간의 거리 r을 이용해 하기의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있으며, r은 상기 마그네틱 로봇(100)의 구조에 의해 변하지 않는다.
[수학식 4]
Figure 112015005178315-pat00004
여기서, m은 상기 외부 자석(130)과 상기 내부 자석(140)의 자기 모멘트의 크기, r은 상기 외부 자석(130)과 상기 내부 자석(140) 간의 거리이다.
한편, 도 4에서와 같이 z방향 외부 자기장(BERMF)이 상기 마그네틱 로봇(100)에 가해지면, 상기 외부 자석(130) 및 상기 내부 자석(140)은 상기 외부 자기장에 의한 외부 토크와, 상기 외부 자석(130)과 상기 내부 자석(140) 간의 상호 작용에 의한 내부 토크가 평형을 이루는 방향으로 정렬하게 된다. 이때, 상기 외부 자석(130)과 상기 내부 자석(140)이 이루는 각도(θ)는 다음의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112015005178315-pat00005
위의 수학식 5를 통해 상기 화물 적재 공간(124)의 열림과 닫힘을 제어하기 위한 z방향 외부 자기장의 조건은 구체화 될 수 있다. 상기 화물 적재 공간(124)이 닫혀있을 때, 상기 외부 자석(130)과 상기 내부 자석(140)은 서로 수직을 이루고 있기 때문에, 상기 수학식 4의 내부 토크는 상기 화물 적재 공간(124)을 닫으려는 방향으로 작용하게 된다. 따라서, 상기 화물 적재 공간(124)을 닫은 상태로 이동과 드릴링 운동을 위한 나선 운동을 하려면, 상기 외부 토크의 크기는 최대 내부 토크보다 작아야 하며, 이때의 외부 자기장의 조건은 하기 수학식 6과 같다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 외부 자기장의 크기(B0)가 0 ~ Bopen 범위의 조건을 만족하는 경우, 상기 외부 자석(130)과 상기 내부 자석(140)이 이루는 각도(λ)는 90도가 된다. 따라서, 상기 화물 적재 공간(124)이 닫힌 상태에서, 상기 마그네틱 로봇(100)이 이동과 드릴링 운동을 하기 위해서, 상기 외부 자기장의 크기(B0)는 하기 수학식 6을 만족한다.
[수학식 6]
Figure 112015005178315-pat00006
한편, 상기 화물 적재 공간(124)을 열어 화물을 전달하기 위해서는, 상기 외부 자기장의 세기를 높여 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 커지도록 해야 한다. 그러나, 이때 상기 외부 토크가 너무 커서 상기 외부 자석(130)과 상기 내부 자석(140) 간의 각도가 일치하게 되면, 더 이상 상기 내부 토크가 존재하지 않기 때문에 화물 전달 후 상기 화물 적재 공간이 다시 닫힐 수 없다. 때문에 상기 외부 자기장은 미리 설정된 제한 조건 내에서 제어되어야 하며, 이를 나타내면 하기 수학식 7과 같다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 외부 자기장의 크기(B0)가 Bopen ~ Ballow 범위의 조건을 만족하는 경우, 상기 외부 자석(130)과 상기 내부 자석(140)이 이루는 각도(λ)는 90도보다 작아지며, 상기 Ballow의 값에 가까워질수록 점점 그 각도(λ)가 작아지게 된다. 이때, 상기 Ballow의 값을 초과하면, 상기 화물 적재 공간(124)이 닫힐 때의 마찰력(상기 외부 몸체(110)와 상기 내부 몸체(120) 간의 마찰력)때문에 닫히지 않는 상태가 되며, 상기 Ballow의 값을 초과하여 Bmax의 값에 가까워질수록, 상기 화물 적재 공간(124)이 강제로(억지로) 닫히게 되는 상황이 되어 손상 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 화물 적재 공간(124)의 개폐 운동을 위해서, 상기 외부 자기장의 크기(B0)는 하기 수학식 7을 만족한다.
[수학식 7]
Figure 112015005178315-pat00007
실시예
이하에서는 실제 실험을 통해 상기 마그네틱 로봇과 그 구동 방법이 어떤 결과를 가져왔는지에 대하여 기술한다.
도 7은 실제 제작한 마그네틱 로봇 시제품(20)을 통해 로봇의 치수를 보여주는 도면이고, 도 8 및 도 9는 화물 적재 장소가 열려있는 모습(21) 및 닫혀있는 모습(22)을 각각 보여주는 도면이다. 도 10은 제작된 상기 마그네틱 로봇 시제품의 내부 몸통과 외부 몸통에 삽입되는 원통형 네오디뮴 자석(23)을 보여주는 도면이고, 도 11은 실험에서 화물 대신에 사용되는 구형의 황동(24)을 보여주는 도면이다.
도 12는 상기 제작된 마그네틱 로봇(26)을 이용하여 모사 혈관(25) 내에서 이동과 드릴링 운동을 수행하고, 화물을 운반 및 전달하는 모습을 보여주는 도면이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 분지관 형태의 모사 혈관(25)에 탄산칼슘으로 구성된 모사 혈전(27)을 설치하였고, 화물 적재 공간에는 화물을 적재하였다.
먼저, 마그네틱 로봇(26)은 상기 수학식 6를 만족하는 4mT, 10Hz의 외부 회전 자기장에 의해, 상기 모사 혈관(25) 내에서 상기 화물의 방출 없이 나선 운동으로 전진 이동(1단계(28) -> 2단계(29))을 수행하고, 3단계(29)에서 상기 모사 혈전(27)에 대한 드릴링 운동을 수행한 후 목표 지점까지 이동(3단계(29) -> 4단계(30) -> 5단계(31) -> 6, 7단계(32))하였다. 상기 목표 지점에 도달 한 뒤에는 상기 수학식 7을 만족하는 8.5mT, 0Hz의 외부 자기장을 통해, 화물 적재 공간을 열고 상기 화물을 방출하여 상기 목표 지점에 전달하였다. 여기서, 상기 1단계(28)는 준비 상태를 나타내고, 상기 2, 3단계(29)는 전진 이동 및 모사 혈전(25)에 대한 드릴링 운동을 수행하는 과정을 나타내며, 상기 4단계(30)는 조향을 위해 이동하는 과정을 나타낸다. 또한, 상기 5단계(31)는 화물 적재 공간을 앞으로 하여 이동하는 과정을 나타내고, 상기 6, 7단계(32)는 목표 지점까지 이동 및 화물을 전달하는 과정을 나타낸다.
도 13은 도 12의 2단계(29)에서 모사 혈전(27)에 대한 마그네틱 로봇(26)의 드릴링 운동 전의 모습(33)을 보여주는 도면이고, 도 14는 도 12의 3단계(29)에서 모사 혈전(27)에 대한 마그네틱 로봇(26)의 드릴링 운동 후의 모습(34)을 보여주는 도면이다. 도 15는 도 12의 6단계(32)에서 목표지점에서 화물의 전달 전, 마그네틱 로봇(26)이 화물 적재 공간을 닫고 있을 때의 모습(35)을 보여주는 도면이고, 도 16은 도 12의 7단계(32)에서 화물 적재 공간을 열어 화물을 전달한 모습(36)을 나타낸 도면이다.
본 실험에서는 실제 물로 채워진 환경에서 이와 같이 마그네틱 로봇(26)이 상기의 이동과 드릴링 운동, 화물 운반 및 전달이 가능함을 보임으로써, 상기 마그네틱 로봇(26)이 효과적으로 혈관을 치료할 수 있다는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네틱 나선 로봇을 포함하여 마그네틱 나선 로봇 시스템을 구현할 수 있다.
상기 마그네틱 나선 로봇 시스템은 도면에는 도시되지 않았지만 외부 자기장 발생 장치, 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇, 및 위치 제어 장치를 포함할 수 있다.
상기 외부 자기장 발생 장치는 외부 자기장을 발생시키는 기능을 한다.
상기 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇은 상기 외부 자기장 발생 장치에 의해 발생된 외부 자기장에 의한 외부 토크가 상기 외부 자석 및 상기 내부 자석의 상호 작용에 의한 내부 토크보다 작은 경우, 그 외부 몸체의 나선 운동을 통해 이동 및 드릴링 운동을 수행할 수 있다.
이때, 상기 외부 자기장 발생 장치는 상기 외부 자기장의 발생 시, 상기 이동 및 드릴링 운동을 위해, 0mG(밀리가우스) 이상, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크게 되는 조건을 만족하는 세기의 값 미만의 범위 내에서 상기 외부 자기장의 세기를 조절할 수 있다.
또한, 상기 외부 자기장 발생 장치는 상기 외부 자기장의 발생 시, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 작거나 같게 되는 조건을 만족하는 세기의 값 미만으로 상기 외부 자기장의 세기를 조절하여 상기 화물 적재 공간을 개방된 상태로 제어할 수 있으며, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크게 되는 조건을 만족하는 세기의 값 이상, 미리 설정된 허용치 이하의 범위 내에서 상기 외부 자기장의 세기를 조절하여 상기 화물 적재 공간을 폐쇄된 상태로 제어할 수 있다.
상기 위치 제어 장치는 상기 마그네틱 나선 로봇의 위치를 파악 및 제어하는 기능을 한다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 외부 몸체
112: 돌기
114: 공간부
116: 외부 자석 슬롯
120: 내부 몸체
122: 내부 자석 슬롯
124: 화물 적재 공간
130: 외부 자석
140: 내부 자석

Claims (15)

  1. 외부의 둘레 면에 형성되는 나선형의 돌기, 및 내부에 중공된 형태로 형성되는 공간부를 포함하는 외부 몸체;
    상기 공간부에 회전 가능하게 삽입 배치되는 내부 몸체;
    상기 외부 몸체에 삽입 배치되고, 외부 자기장에 의해 상기 외부 몸체의 회전 동작을 제어하는 외부 자석; 및
    상기 내부 몸체에 삽입 배치되고, 상기 외부 자기장에 의해 상기 내부 몸체의 회전 동작을 제어하는 내부 자석
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇.

  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 몸체는
    상기 외부 자석의 삽입 배치를 위해, 상기 나선형의 돌기 사이의 외부 둘레 면에 일정 깊이로 파인 홈 형태로 형성되는 외부 자석 슬롯을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇.

  3. 제1항에 있어서,
    상기 내부 몸체는
    상기 내부 자석의 삽입 배치를 위해, 외부의 둘레 면에 일정 깊이로 파여서 홈 형태로 형성되는 내부 자석 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇.

  4. 제1항에 있어서,
    상기 내부 몸체는
    화물을 적재할 수 있도록, 일정 크기로 절개된 절개 면을 따라 일정 깊이의 공간으로 형성되는 화물 적재 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇.

  5. 제4항에 있어서,
    상기 화물 적재 공간은
    상기 외부 자석 및 상기 내부 자석의 상호 작용에 따른 상기 외부 몸체와 상기 내부 몸체의 회전 동작에 의해, 상기 외부 몸체의 후단부에 일정 크기로 절개된 절개 면을 통해 개방되거나 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇.

  6. 제5항에 있어서,
    상기 화물 적재 공간은
    상기 외부 자석 및 상기 내부 자석이 이루는 각도가 90도인 경우에 폐쇄되고, 상기 각도가 90도보다 작은 경우에 개방되되, 상기 각도가 0도인 경우에 완전 개방되는 것을 특징으로 하는 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇.

  7. 제6항에 있어서,
    상기 각도는
    상기 외부 자기장에 의한 외부 토크가 상기 외부 자석 및 상기 내부 자석의 상호 작용에 의한 내부 토크보다 작거나 같으면 90도를 유지하고, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크면 90도보다 작아지되, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크면 클수록 90도에서 0도로 점점 가까워지는 것을 특징으로 하는 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇.

  8. 제7항에 있어서,
    상기 외부 자기장의 세기는
    상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크게 되는 조건을 만족하는 세기의 값 이상이고, 미리 설정된 허용치 이하인 것을 특징으로 하는 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇.

  9. 제1항에 있어서,
    상기 마그네틱 나선 로봇은
    상기 외부 자기장에 의한 외부 토크가 상기 외부 자석 및 상기 내부 자석의 상호 작용에 의한 내부 토크보다 작은 경우, 상기 외부 몸체의 나선 운동을 통해 이동 및 드릴링 운동을 수행하는 것을 특징으로 하는 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇.

  10. 제9항에 있어서,
    상기 외부 자기장의 세기는
    0mG(밀리가우스) 초과이고, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크게 되는 조건을 만족하는 세기의 값 미만인 것을 특징으로 하는 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇.

  11. 제1항에 있어서,
    상기 외부 자석 및 상기 내부 자석은
    N극 및 S극의 자석이 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇.

  12. 외부 자기장을 발생시키는 외부 자기장 발생 장치;
    외부의 둘레 면에 형성되는 나선형의 돌기 및 내부에 중공된 형태로 형성되는 공간부를 포함하는 외부 몸체, 상기 공간부에 회전 가능하게 삽입 배치되는 내부 몸체, 상기 외부 몸체에 삽입 배치되고 상기 외부 자기장에 의해 상기 외부 몸체의 회전 동작을 제어하는 외부 자석, 및 상기 내부 몸체에 삽입 배치되고 상기 외부 자기장에 의해 상기 내부 몸체의 회전 동작을 제어하는 내부 자석을 포함하는 이중 몸통 구조의 마그네틱 나선 로봇; 및
    상기 마그네틱 나선 로봇의 위치를 파악 및 제어하는 위치 제어 장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 나선 로봇 시스템.

  13. 제12항에 있어서,
    상기 마그네틱 나선 로봇은
    상기 외부 자기장에 의한 외부 토크가 상기 외부 자석 및 상기 내부 자석의 상호 작용에 의한 내부 토크보다 작은 경우, 상기 외부 몸체의 나선 운동을 통해 이동 및 드릴링 운동을 수행하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 나선 로봇 시스템.

  14. 제13항에 있어서,
    상기 외부 자기장 발생 장치는
    상기 외부 자기장의 발생 시, 상기 이동 및 드릴링 운동을 위해, 0mG(밀리가우스) 초과, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크게 되는 조건을 만족하는 세기의 값 미만의 범위 내에서 상기 외부 자기장의 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 나선 로봇 시스템.

  15. 제12항에 있어서,
    상기 내부 몸체는
    화물을 적재할 수 있도록, 일정 크기로 절개된 절개 면을 따라 일정 깊이의 공간으로 형성되는 화물 적재 공간을 포함하고,
    상기 외부 자기장 발생 장치는
    상기 외부 자기장의 발생 시, 상기 외부 자기장에 의한 외부 토크가 상기 외부 자석 및 상기 내부 자석의 상호 작용에 의한 내부 토크보다 작거나 같게 되는 조건을 만족하는 세기의 값 미만으로 상기 외부 자기장의 세기를 조절하여 상기 화물 적재 공간을 개방된 상태로 제어하고, 상기 외부 토크가 상기 내부 토크보다 크게 되는 조건을 만족하는 세기의 값 이상, 미리 설정된 허용치 이하의 범위 내에서 상기 외부 자기장의 세기를 조절하여 상기 화물 적재 공간을 폐쇄된 상태로 제어하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 나선 로봇 시스템.
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