KR101642022B1

KR101642022B1 - 치료용 이동 로봇 및 이의 제어 시스템

Info

Publication number: KR101642022B1
Application number: KR1020150109330A
Authority: KR
Inventors: 김성훈
Original assignee: 원광대학교산학협력단
Priority date: 2015-08-03
Filing date: 2015-08-03
Publication date: 2016-07-22

Abstract

치료용 이동 로봇 및 이의 제어 시스템이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇은, 외주면에 제1 나선이 형성되며, 자기극이 횡형으로 배치되는 제1 횡형 자석 및 자기극이 종형으로 배치되는 제1 종형 자석을 포함하는 제1 모듈; 및 상기 제1 나선과 반대 방향으로 외주면에 제2 나선이 형성되며, 자기극이 횡형으로 배치되는 제2 횡형 자석 및 자기극이 종형으로 배치되는 제2 종형 자석을 포함하는 제2 모듈을 포함하며, 상기 제1 및 제2 모듈은 착탈될 수 있다.

Description

치료용 이동 로봇 및 이의 제어 시스템{MOBILE ROBOT FOR TREATMENT AND CONTROL SYSTEM THEREOF}

본 발명은 치료용 이동 로봇 및 이의 제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 체내에서 자유롭게 이동할 수 있고, 두 개의 모듈이 분리 및 결합할 수 있는 치료용 이동 로봇 및 이의 제어 시스템에 관한 것이다.

치료를 위한 마이크로 로봇에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 예를 들어, 대장이나 소장과 같은 장기 내 이동을 위한 로봇, 원관과 같은 관탐사용 로봇, 장기나 원관보다 훨씬 미세한 공간인 혈관 내의 이동을 위한 로봇 등에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다.

이러한 로봇을 이용하여 종양 등의 표적 물체에 약물을 전달하거나 혈관 내의 혈전 등을 드릴링할 수 있으며, 로봇을 체내에서 이동시키기 위해 외부 자기장을 이용하는 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나, 로봇의 이동이 3차원 공간을 단순히 이동할 수 있는 것에 그치고 있다.

대한민국 공개특허 2013-0125054호 (2013.11.18. 공개)

"Magnetic Robot and Manipulation for Active-Locomotion With Targeted Drug Release", IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, VOL. 19, NO.5; Sung Hoon Kim and Kazushi Ishiyama, (2014.10. 공개)

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 체내에서 자유롭게 이동할 수 있고, 두 개의 모듈이 분리 및 결합할 수 있는 치료용 이동 로봇 및 이의 제어 시스템을 제공한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇은, 외주면에 제1 나선이 형성되며, 자기극이 횡형으로 배치되는 제1 횡형 자석 및 자기극이 종형으로 배치되는 제1 종형 자석을 포함하는 제1 모듈; 및 상기 제1 나선과 반대 방향으로 외주면에 제2 나선이 형성되며, 자기극이 횡형으로 배치되는 제2 횡형 자석 및 자기극이 종형으로 배치되는 제2 종형 자석을 포함하는 제2 모듈을 포함하며, 상기 제1 및 제2 모듈은 착탈될 수 있다.

또한, 상기 제1 모듈은, 내주면에 상기 제1 나선과 동일 방향으로 제3 나선이 형성되고, 상기 제2 모듈은, 내주면에 상기 제2 나선과 동일 방향으로 제4 나선이 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 내지 제4 나선은, 피치가 동일할 수 있다.

또한, 상기 제1 및 제2 모듈의 착탈이 일어나는 결합단에 상기 제1 및 제2 종형 자석이 배치되고, 상기 제1 및 제2 모듈의 비결합단에 상기 제1 및 제2 횡형 자석이 배치될 수 있다.

그리고, 상기 제1 및 제2 횡형 자석은, 자석의 세기가 서로 상이하고, 상기 제1 및 제2 종형 자석은, 자석의 세기가 서로 동일할 수 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제어 시스템은, 전술한 치료용 이동 로봇; 및 상기 이동 로봇에 자기장을 인가하여 상기 이동 로봇의 이동을 제어하는 제어 장치를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어 장치는, 3축 헬름홀츠 코일을 포함할 수 있다.

그리고, 상기 제어 장치는, 회전 자기장의 주파수와 세기에 의해 상기 3축 헬름홀츠 코일 내에 위치한 상기 치료용 이동 로봇의 이동을 제어할 수 있다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명에 따르면, 체내에서 자유롭게 치료용 이동 로봇이 이동할 수 있어, 타겟 지점에 정확하고 빠르게 도달할 수 있다.

또한, 두 개의 모듈이 분리 및 결합할 수 있어, 약물 전달 등에 활용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 분리 상태를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 결합 상태를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제1 모듈의 나선 구조를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제2 모듈의 나선 구조를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제1 및 제2 모듈의 나선 구조에 따라 제작된 시제품을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제1 모듈의 제1 횡형 자석의 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제1 모듈의 제1 종형 자석의 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제어 시스템의 개념을 도시한 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제어 시스템에 의해 가해지는 자기장을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제어 시스템에 의해 치료용 이동 로봇의 제1 구름 운동을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제어 시스템에 의해 치료용 이동 로봇의 제2 구름 운동을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제어 시스템에 의해 치료용 이동 로봇의 회전 운동을 설명하기 위한 도면이다

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 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 구성 요소를 지칭한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "이루어지다(made of)"는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 분리 상태를 도시한 단면도이다. 또한, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 결합 상태를 도시한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇(100)은 제1 모듈(110) 및 제2 모듈(120)을 포함하며, 상기 제1 모듈(110) 및 제2 모듈(120)은 분리 및 결합이 가능하다.

구체적으로, 제1 모듈(110)은 외주면에 제1 나선(111)이 형성되며, 자기극이 횡형으로 배치되는 제1 횡형 자석(115) 및 자기극이 종형으로 배치되는 제1 종형 자석(117)을 포함한다. 또한, 제2 모듈(120)은 외주면에 제2 나선(121)이 형성되며, 자기극이 횡형으로 배치되는 제2 횡형 자석(125) 및 자기극이 종형으로 배치되는 제2 종형 자석(127)을 포함한다.

이때, 제1 및 제2 모듈(110, 120)은 제 1 및 제2 종형 자석(117, 127)의 상호 자기력에 의해 결합될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 종형 자석(117)은 자기극이 S극-N극으로 배치되고, 제2 종형 자석(127)은 자기극이 S극-N극으로 배치됨으로써(자기극이 제1 종형 자석(117) N극-S극, 제2 종형 자석(127)이 N극-S극으로 반대로 배치될 수도 있음), 상기 제 1 및 제2 종형 자석(117, 127)의 인력에 의해 서로 결합할 수 있다. 또한, 외부 자기장을 가하여 제1 및 제2 모듈(110, 120)을 회전시킬 수 있고, 상기 제1 및 제2 모듈(110, 120)에 형성된 제1 및 제2 나선(111, 121)의 나선 방향이 서로 반대 방향이므로, 그 추진력에 의해 결합된 제 1 및 제2 모듈(110, 120)을 서로 분리할 수 있다. 특히, 외부 자기장이 가해지는 방향을 180도 반전시키면 제1 및 제2 나선(111, 121)에 의한 추진력의 방향을 180도 바꿀 수 있으므로, 자기장 방향을 빠르게 바꾸어 제1 및 제2 모듈(110, 120)의 착탈 동작을 가능하게 할 수 있다.

이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇(100)은 제1 모듈(110) 및 제2 모듈(120)이 결합된 상태로 이동함으로써 종양 등이 있는 목표 지점에 도달할 수 있고, 목표 지점에 도달한 후 결합되어 있던 제1 모듈(110) 및 제2 모듈(120)을 착탈시켜 치료용 이동 로봇(100)의 내부에 있는 약물 등을 종양 등의 타겟에 정확히 전달할 수 있게 된다. 이러한 치료용 이동 로봇(100)의 이동 과정에 대해서는 후술하여 상세히 살펴 보도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제1 모듈의 나선 구조를 도시한 단면도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제2 모듈의 나선 구조를 도시한 단면도이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제1 및 제2 모듈의 나선 구조에 따라 제작된 시제품을 도시한 도면이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 모듈(110) 및 제2 모듈(120)은 각각 외주면에 제1 나선(111) 및 제2 나선(121)이 형성되며, 제1 나선(111) 및 제2 나선(121)은 그 나선 방향이 서로 반대로 형성된다. 제1 나선(111) 및 제2 나선(121)이 반대로 형성되어 제1 모듈(110) 및 제2 모듈(120)이 회전함으로써 발생하는 추진력이 서로 반대가 된다. 이에 따라, 제1 모듈(110) 및 제2 모듈(120)의 운동 방향이 서로 반대가 된다.

예를 들어, 외부 자기장을 y-z 평면 상에서 반시계 방향(CCW)에서 가할 경우, 제1 나선(111)이 왼나사 방향이고, 제2 나선(121)이 오른나사 방향이면, 제1 모듈(110) 및 제2 모듈(120)이 서로 멀어지는 방향으로 제1 모듈(110) 및 제2 모듈(120)의 추진력이 발생하고, 상기 추진력이 제 1 및 제2 종형 자석(117, 127)의 인력보다 큼에 따라 제1 모듈(110) 및 제2 모듈(120)이 분리될 수 있다. 역으로, 외부 자기장을 y-z 평면 상에서 시계 방향(CW)에서 가할 경우, 제1 나선(111)이 왼나사 방향이고, 제2 나선(121)이 오른나사 방향이면, 제1 모듈(110) 및 제2 모듈(120)이 서로 가까워지는 방향으로 제1 모듈(110) 및 제2 모듈(120)의 추진력이 발생하고, 제1 모듈(110) 및 제2 모듈(120)이 결합될 수 있다.

또한, 도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 모듈(110) 및 제2 모듈(120)은 각각 내주면에 제3 나선(113) 및 제4 나선(123)이 형성되며, 제3 나선(113)은 제1 나선(111)과 같은 나선 방향을 가지고, 제4 나선(123)은 제2 나선(121)과 같은 나선 방향을 가질 수 있다. 즉, 제3 나선(113) 및 제4 나선(123)은 그 나선 방향이 서로 반대로 형성되며, 각각은 외주면에 있는 나선과 동일한 방향으로 나선이 형성된다.

내주면에 나선이 없는 경우, 외부의 나선에 의한 마찰이 낮으면 추진력이 낮게 발생할 수 있고, 특히 유체 내에서 치료용 이동 로봇(100)을 내부에 위치한 스텐트 등 다른 구조물과 분리하기 어려울 수 있다. 그러나, 내부에 나선이 잇는 경우, 외부의 마찰력이 낮아도 내부의 나선과 이에 맞닿은 내부에 있는 스텐트 등의 구조물과의 마찰에 의해 원활하게 치료용 이동 로봇(100)을 이동시키고, 스텐트 등 다른 구조물과 쉽게 분리할 수 있다. 즉, 내외부에 나선이 있을 경우에는 내부의 마찰력과 외부의 마찰력 중 하나만 있더라도 이동 로봇(100)의 이동에 필요한 추진력을 얻을 수 있다.

도 5를 참조하면, 제1 모듈(110)은 외주면에 제1 나선(111), 내주면에 상기 제1 나선(111)과 동일 방향으로 제3 나선(113)이 형성되고, 제2 모듈(120)은 외주면에 제2 나선(121), 내주면에 상기 제2 나선(121)과 동일 방향으로 제4 나선(123)이 형성된다. 이때, 상기 제1 내지 제4 나선(111, 113, 121, 123)은 피치가 서로 동일하게 설계될 수 있다. 이에 따라, 나선에 의해 발생되는 추진력보다 자기 토크에 의한 추진력의 더 크게 되며, 치료용 이동 로봇(100)의 전후 이동은 자기 토크에 의한 발생효과가 영향이 더 크게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제1 모듈의 제1 횡형 자석의 구조를 도시한 도면이다. 또한, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제1 모듈의 제1 종형 자석의 구조를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 제1 모듈(110)의 제1 횡형 자석(115)은 자기극이 상기 제1 모듈(110)의 길이 방향에 수직으로 배치된다. 물론, 도면에는 도시하지 않았으나, 제2 모듈(120)의 제2 횡형 자석(125)도 자기극이 상기 제2 모듈(120)의 길이 방향에 수직으로 배치된다.

도 7을 참조하면, 제1 모듈(110)의 제1 종형 자석(117)은 자기극이 상기 제1 모듈(110)의 길이 방향에 수평으로 배치된다. 물론, 도면에는 도시하지 않았으나, 제2 모듈(120)의 제2 종형 자석(127)도 자기극이 상기 제2 모듈(120)의 길이 방향에 수평으로 배치된다.

특히, 제1 및 제2 모듈(110, 120)의 착탈이 일어나는 결합단에 상기 제1 및 제2 종형 자석(117, 127)이 배치되고, 상기 제1 및 제2 모듈(110, 120)의 비결합단에 상기 제1 및 제2 횡형 자석(115, 125)이 배치된다. 즉, 제1 및 제2 모듈(110, 120)이 결합하는 내측단에 상기 제1 및 제2 종형 자석(117, 127)이 배치되고, 제1 및 제2 모듈(110, 120)이 결합하지 않는 외측단에 상기 제1 및 제2 횡형 자석(115, 125)이 배치된다.

이에 따라, 종형 자석(117, 127)은 치료용 이동 로봇(100)의 분리되어 있던 제1 모듈(110)과 제2 모듈(120)을 다시 결합하는 역할을 한다. 그리고, 횡형 자석(115, 125)은 치료용 이동 로봇(100)을 구름 운동(rolling movement)시키거나 회전 운동(rotating movement)시키는 역할을 한다.

특히, 제1 및 제2 종형 자석(117, 127)은 자석의 세기가 서로 동일하고, 제1 및 제2 횡형 자석(115, 125)은 자석의 세기가 서로 상이할 수 있다. 제1 및 제2 횡형 자석(115, 125)은 자석의 세기가 다르면, 자기 토크에 의한 추진력이 제1 모듈(110)과 제2 모듈(120)이 다르게 되고, 더 큰 추진력을 가진 모듈에 의해 치료용 이동 로봇이 전진하거나 후진할 수 있다.

예를 들어, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 동일한 재료로 이루어진 제2 횡형 자석(125)이 제1 횡형 자석(115)보다 더 크면, 제2 횡형 자석(125)에 의한 추진력이 제1 횡형 자석(115)에 의한 추진력보다 더 크게 된다. 이에 따라, 제1 모듈(110)과 제2 모듈(120)이 결합된 상태에서 오른나사선이 형성된 제2 모듈(120)에 맞춰 시계 방향으로 자기장이 가해지면, 두 모듈(110, 120)이 서로 반대 방향으로 회전한다. 이때, 제2 모듈(120)은 제1 모듈(110) 측으로 이동하는 추진력이 발생되고, 제1 모듈(110)은 제2 모듈(120) 측으로 이동하는 추진력이 발생되나, 제2 모듈(120)의 추진력이 제1 모듈(110)의 추진력보다 크게 되어 치료용 이동 로봇(100)이 전진하게 된다. 만일, 반시계 방향으로 회전하면, 제2 모듈(120)은 제1 모듈(110) 반대 측으로 이동하는 추진력이 발생되고, 제1 모듈(110)은 제2 모듈(120) 반대 측으로 이동하는 추진력이 발생된다. 이때, 제1 및 제2 종형 자석(117, 127)의 인력보다 제1 및 제2 모듈(110, 120)의 추진력이 세면, 결합되어 있던 제1 및 제2 모듈(110, 120)이 분리된다.

이렇게 제1 및 제2 횡형 자석(115, 125)은 자석의 세기가 서로 상이하게 설계함으로써, 제1 나선(111)과 제2 나선(121) 간의 블레이드(blade)를 다르게 설계할 필요가 없고, 나선의 구조적 특성에 의한 추진력보다 자기 토크(magnetic torque)의 변화에 의한 추진력 발생 효과를 사용하게 된다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제어 시스템의 개념을 도시한 구성도이다. 또한, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제어 시스템에 의해 가해지는 자기장을 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제어 시스템(10)은 치료용 이동 로봇(100)과 상기 치료용 이동 로봇(100)을 제어하는 제어 장치(200)를 포함할 수 있다. 여기에서, 치료용 이동 로봇(100)은 앞에서 살펴 본 바와 같으므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

제어 장치(200)는 이동 로봇(100)에 자기장을 인가하여 상기 이동 로봇(100)의 이동을 제어한다. 구체적으로, 제어 장치(200)는 3축 헬름홀츠 코일(210), 전원 모듈(220), 제어 모듈(230), 입력 모듈(240), 저장 모듈(250), 출력 모듈(260) 등을 포함할 수 있다.

3축 헬름홀츠 코일(210)은 전원 모듈(220)로부터 전원을 공급받아 x축, y축, z축의 수직으로 일정한 자기장을 생성할 수 있다. 여기에서, 자기장은 회전 자기장의 주파수와 세기에 의해 3축 헬름홀츠 코일(210) 내에 위치한 치료용 이동 로봇(100)에 가해진다.

제어 모듈(230)은 전원 모듈(220)을 제어하여 전류의 출력값과 위상을 제어할 수 있고, 3축 헬름홀츠 코일(210) 내에 위치한 치료용 이동 로봇(100)의 회전 방향, 회전면, 3축 헬름홀츠 코일(210)에 의해 발생되는 결합된 자기장의 회전 방향을 제어할 수 있다. 이에 따라, 도 9에 도시한 바와 같이, 치료용 이동 로봇(100)에 회전 자기장을 가할 수 있다.

입력 모듈(240)은 사용자가 치료용 이동 로봇(100)의 이동을 조작하기 위한 수단으로서, 키보드, 마우스, 조이스틱 당업자가 채택 가능한 입력 수단을 사용할 수 있다.

저장 모듈(250)은 제어 장치(200)에서 처리되는 각종 정보 및 데이터를 저장하며, 인체 내부를 촬영한 영상 자료 등을 저장하는 역할을 한다.

출력 모듈(260)은 제어 장치(200)에서 처리되는 각종 정보 및 데이터를 제어 장치(200)의 사용자에게 제공하며, CT 등 인체 내부를 볼 수 있는 장치에 의해 얻어지는 영상 데이터 등을 디스플레이하는 역할을 한다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제어 시스템에 의해 치료용 이동 로봇의 제1 구름 운동을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제어 시스템에 의해 치료용 이동 로봇의 제2 구름 운동을 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇의 제어 시스템에 의해 치료용 이동 로봇의 회전 운동을 설명하기 위한 도면이다.

치료용 이동 로봇(100)에 가해지는 회전 자기장은 다음의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.

여기에서,

는 가해지는 회전 자기장,

는 자기장 세기,

는 각속도,

,

는 각각 고도, 방위각,

는 위상각이다. 이에, 이동 로봇(100)의 이동 방향은 가해지는 자기장의 평면(plane) 및 회전 방향에 의해 결정될 수 있다.

제어 장치(200)에 의해 가해지는 회전 자기장을 제어하여 치료용 이동 로봇(100)은 구름 운동(rolling movement) 및 회전 운동(rotating movement)을 할 수 있다.

구름 운동은 치료용 이동 로봇(100)이 모듈(110, 120)의 radial 방향으로 운동하는 제2 구름 운동(radial rolling movement)와 모듈(110, 120)의 longitudally 방향으로 운동하는 제1 구름 운동(longitudally rolling movement)이 가능하다. 여기에서, 제1 구름 운동과 제2 구름 운동은 치료용 이동 로봇(100)의 자세 또는 이동 로봇(100)이 이동하는 혈관이나 소장 등의 크기에 의해 결정될 수 있다.

또한, 회전 운동은 제1 및 제2 모듈(110, 120)이 longitudally 방향을 축으로 회전하는 것으로, 이에 의해 치료용 이동 로봇(100)이 추진력을 얻어 전진 또는 후진 운동을 할 수 있고, 자기장의 방향을 시계 방향에서 반시계 방향 또는 반시계 방향에서 시계 방향으로 전환하여 제1 및 제2 모듈(110, 120) 간의 착탈을 가능하게 할 수 있다. 이때, 제1 및 제2 모듈(110, 120)이 결합하여 이동할지 또는 제1 및 제2 모듈(110, 120) 간에 착탈 운동을 할지는 회전 자기장의 주파수와 세기에 의해 결정될 수 있다.

도 10을 참조하면, yz 평면으로 가해지는 회전 자기장에 의해 이동하던 이동 로봇(100)에 xy 평면으로 회전 자기장을 가하면, z축이 회전축이 되고, 제1 및 제2 횡형 자석(115, 125)에 의한 자기 토크에 의해 이동 로봇(100)이 90도 방향을 틀어서 이동한다.

또한, 도 11을 참조하면, 이동 로봇(100)의 길이 방향이 z축에 평행하게 위치하고, xy 평면으로 회전 자기장을 가하면, z축이 회전축이 되고, 제1 및 제2 횡형 자석(115, 125)에 의한 자기 토크에 의해 이동 로봇(100)이 이동한다.

그리고, 도 12를 참조하면, yz 평면으로 시계 방향의 회전 자기장을 가하면, 제1 및 제2 횡형 자석(115, 125)의 크기가 상이하고, 제2 횡형 자석(125)이 제1 횡형 자석(115)보다 클 경우, 제2 모듈(120)의 추진력이 제1 모듈(110)의 추진력보다 커서 이동 로봇(100)이 앞으로 전진하게 된다. 이때, 제1 및 제2 종형 자석(117, 127) 간에 발생하는 인력에 의해 제1 모듈(110)과 제2 모듈(120)은 분리되지 않고, 결합된 상태를 유지하게 된다. 그런 후에, 이동 로봇(100)이 목적지에 도달하면, yz 평면으로 반시계 방향의 회전 자기장을 가하면, 제1 모듈(110)과 제2 모듈(120)이 서로 멀어지는 방향으로 회전함에 따라 분리될 수 있다. 이때, 제2 횡형 자석(125)이 제1 횡형 자석(115)보다 클 경우, 제2 횡형 자석(125)에 의한 힘이 제1 횡형 자석(115)에 의한 힘보다 크고, 제1 횡형 자석(115)에 의한 힘은 1 및 제2 종형 자석(117, 127) 간에 발생하는 인력보다 큰 상태가 된다. 그런 후에, 다시 yz 평면으로 시계 방향의 회전 자기장을 가하면, 제1 모듈(110)과 제2 모듈(120)이 서로 가까워지는 방향으로 회전함에 따라 결합될 수 있다.

전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 치료용 이동 로봇 및 이의 제어 시스템을 통해, 다양한 물체를 체내에서 이동시키고, 혈전을 드릴링하는 등 인체 내부의 치료를 효과적으로 수행할 수 있다. 그리고, 이동 로봇(100)의 크기에 따라 혈관용 혹은 장내 캡슐형 내시경 등 여러 방면에 활용이 가능할 것이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10: 치료용 이동 로봇의 제어 시스템
100: 치료용 이동 로봇
110: 제1 모듈 111: 제1 나선
113: 제3 나선 115: 제1 횡형 자석
117: 제1 종형 자석
120: 제2 모듈 121: 제2 나선
123: 제4 나선 125: 제2 횡형 자석
127: 제2 종형 자석
200: 제어 장치
210: 3축 헬름홀츠 코일 220: 전원 모듈
230: 제어 모듈 240: 입력 모듈
250: 저장 모듈 260: 출력 모듈

Claims

외주면에 제1 나선이 형성되며, 자기극이 횡형으로 배치되는 제1 횡형 자석 및 자기극이 종형으로 배치되는 제1 종형 자석을 포함하는 제1 모듈; 및
상기 제1 나선과 반대 방향으로 외주면에 제2 나선이 형성되며, 자기극이 횡형으로 배치되는 제2 횡형 자석 및 자기극이 종형으로 배치되는 제2 종형 자석을 포함하는 제2 모듈을 포함하며,
상기 제1 및 제2 모듈은 착탈이 가능한, 치료용 이동 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 제1 모듈은, 내주면에 상기 제1 나선과 동일 방향으로 제3 나선이 형성되고,
상기 제2 모듈은, 내주면에 상기 제2 나선과 동일 방향으로 제4 나선이 형성되는, 치료용 이동 로봇.
제 2항에 있어서,
상기 제1 내지 제4 나선은, 피치가 동일한, 치료용 이동 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 모듈의 착탈이 일어나는 결합단에 상기 제1 및 제2 종형 자석이 배치되고,
상기 제1 및 제2 모듈의 비결합단에 상기 제1 및 제2 횡형 자석이 배치되는, 치료용 이동 로봇.
제 4항에 있어서,
상기 제1 및 제2 횡형 자석은, 자석의 세기가 서로 상이하고,
상기 제1 및 제2 종형 자석은, 자석의 세기가 서로 동일한, 치료용 이동 로봇.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 치료용 이동 로봇; 및
상기 이동 로봇에 자기장을 인가하여 상기 이동 로봇의 이동을 제어하는 제어 장치를 포함하는, 치료용 이동 로봇의 제어 시스템.
제 6항에 있어서,
상기 제어 장치는,
3축 헬름홀츠 코일을 포함하는, 치료용 이동 로봇의 제어 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 제어 장치는,
회전 자기장의 주파수와 세기에 의해 상기 3축 헬름홀츠 코일 내에 위치한 상기 치료용 이동 로봇의 이동을 제어하는, 치료용 이동 로봇의 제어 시스템.