KR101772338B1

KR101772338B1 - 이동 로봇 및 이를 포함하는 이동 로봇 시스템

Info

Publication number: KR101772338B1
Application number: KR1020160120698A
Authority: KR
Inventors: 장건희; 장봉준; 남재광; 이원서
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2017-08-29

Abstract

이동 로봇이 개시된다. 이동 로봇은 제1조향 모듈과 이동 모듈이 제1연결부에 의해 연결되고, 상기 제1조향 모듈은, 제1 방향을 축으로 회전가능한 제1 스페이스; 상기 제1 스페이스에 삽입되는 제1조향 자석; 상기 제1조향 자석과 이격하여 상기 제1 스페이스에 삽입되며, 상기 제1조향 자석과 서로 상이한 극성끼리 마주 배치되는 제2조향 자석; 및 상기 제1 스페이스의 상단과 하단에 각각 결합되는 한 쌍의 다리를 포함하고, 상기 이동 모듈은, 상기 제1조향 자석과 상기 제2조향 자석에 자력이 전달되며, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 축으로 회전가능한 이동 자석을 포함한다.

Description

이동 로봇 및 이를 포함하는 이동 로봇 시스템{MOVING ROBOT AND MOVING ROBOT SYSTEM INCLUDING THE ROBOT}

본 발명은 이동 로봇에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 외부 자기장을 이용하여 움직임을 제어하는 이동 로봇에 관한 것이다.

외부자기장에 의해 구동되는 마그네틱 로봇은 혈관과 같은 맥동류 환경을 갖는 관 내에서 사용되는 기존의 카테터를 대체할 수 있는 기술이다. 기존의 카테터 기술은 인체 내부 영상을 보며 삽입 및 조향을 해야 하기 때문에 시술시간에 따라 지속적으로 방사능에 노출되어 있어 피로, 두통 및 심한경우 발암률을 높이는 위험이 있다. 반면, 내부에 동력원을 갖지 않는 마그네틱 로봇은 소형화와 더불어 인체 외부에서 생성하는 자기장의 지속성을 통해 시술 시간의 영향으로부터 자유로우며, 무선 조종을 통해 방사능 노출로부터 시술자를 보호할 수 있는 장점이 있다.

기존에는 소형화를 위해 간단한 형상의 나선 날개를 가지는 회전 마그네틱 로봇이 주로 연구되었다. 이러한 로봇은 자기장에 의해 회전 운동하는 로봇이 유체내부에서 부유하며 이동하는데, 맥동류 내에서 안정적 위치 제어가 힘들기 때문에 수동으로 조작 시 우발적 조작에 의해 혈관 파열과 같은 큰 위험을 야기할 수 있다. 따라서 이러한 로봇은 맥동류 환경에서 안정적으로 움직이거나 위치를 유지하기 위해서는 추가적인 제어시스템을 필요로 한다.

따라서 추가 제어 없이 맥동류 내에서 안정적 위치 제어를 위한 마찰력을 이용하여 구동하는 마그네틱 로봇의 연구가 수행되었으나 전, 후진 방향 전환이 불가능하거나 관의 직경보다 긴 자석을 사용할 경우 방향 전환이 불가능한 경우가 있었다. 또한 구동 중 생기는 로봇의 자세 변화에 따라 생성하는 자기장을 바꿔주지 않으면 이동 성능이 일정하지 않고, 경우에 따라 이동이 되지 않는 경우가 생길 수 있다.

본 발명은 혈관과 같은 맥동 환경을 갖는 관에서 안정적인 위치 제어가 가능한 이동 로봇 및 이동 로봇 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 크롤링 모션의 이동원리를 갖고, 방향 전환이 가능한 이동 로봇 및 이동 로봇 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 이동 로봇은 제1조향 모듈과 이동 모듈이 제1연결부에 의해 연결되고, 상기 제1조향 모듈은, 제1 방향을 축으로 회전가능한 제1 스페이스; 상기 제1 스페이스에 삽입되는 제1조향 자석; 상기 제1조향 자석과 이격하여 상기 제1 스페이스에 삽입되며, 상기 제1조향 자석과 서로 상이한 극성끼리 마주 배치되는 제2조향 자석; 및 상기 제1 스페이스의 상단과 하단에 각각 결합되는 한 쌍의 다리를 포함하고, 상기 이동 모듈은, 상기 제1조향 자석과 상기 제2조향 자석에 자력이 전달되며, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 축으로 회전가능한 이동 자석을 포함한다.

또한, 상기 제1조향 자석과 상기 제2조향 자석 간의 자력은 자기 모멘트 합이 0일 수 있다.

또한, 상기 제1조향 자석과 상기 제2조향 자석은 링 형상을 가지며, 상기 제1방향의 회전축을 가질 수 있다.

또한, 상기 이동 자석은 원기둥 형상이며, 상기 제2방향의 중심 축을 가질 수 있다.

또한, 상기 다리는 상기 제1방향에 대해 소정 각도 기울어질 수 있다.

또한, 상기 이동 모듈은, 상기 이동 자석을 수용하는 이동 몸체를 더 포함하고, 상기 이동 자석은 상기 제2방향을 축으로 0°~180° 범위에서 상기 이동 몸체 내에서 회전하고, 180°~360° 범위에서 상기 이동 몸체와 함께 회전할 수 있다.

또한, 상기 이동 몸체에는 0°~180° 범위의 가이드 홈과, 상기 180°~360° 범위의 걸림턱이 형성되며, 상기 이동 모듈은, 상기 이동 몸체 내부에서 상기 이동 자석을 감싸며, 상기 가이드 홈 내에 위치하는 걸림 돌기가 형성된 이동 자석 커버를 더 포함하되, 상기 걸림 턱은 상기 걸림 돌기의 이동을 제한할 수 있다.

또한, 상기 이동 자석의 회전에 따라, 상기 이동 자석과 상기 제1조향 자석 및 상기 제2조향 자석 간에 자력이 변경되고, 상기 제1조향 자석과 상기 제2조향 자석은 상기 제1축을 중심으로 일체로 회전가능하다.

또한, 제2조향 모듈, 그리고 상기 제2조향 모듈과 상기 이동 모듈을 연결하는 제2연결부를 더 포함하고, 상기 제2조향 모듈은, 상기 제1 방향을 축으로 회전가능한 제2 스페이스; 상기 제2 스페이스에 삽입되는 제3조향 자석; 상기 제3조향 자석과 이격하여 상기 제2 스페이스에 삽입되며, 상기 제3조향 자석과 서로 상이한 극성끼리 마주 배치되는 제4조향 자석; 및 상기 제2스페이스의 상단과 하단에 각각 결합되는 한 쌍의 다리를 포함하며, 상기 이동 자석은 상기 제3조향 자석 및 상기 제3조향 자석에 자력을 전달할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이동 로봇 시스템은 상기 이동 로봇; 및 상기 이동 로봇의 외부에서 상기 이동 모듈의 둘레를 따라 회전하는 진동 자기장을 인가하는 외부 자기장 인가부를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 이동 로봇은 외부 자기장에 의해 제어되며, 서로 상이한 극성끼리 마주 배치되고 제1방향의 회전 축을 갖는 제1조향 자석과 제2조향 자석을 포함하는 제1조향 모듈; 상기 외부 자기장에 의해 상기 제1방향에 수직한 제2방향으로 회전가능한 이동 자석을 포함하는 이동 모듈; 및 상기 제1조향 모듈과 상기 이동 모듈을 연결하는 제1연결부를 포함하며, 상기 제1조향 자석과 상기 제2조향 자석은 상기 이동 자석의 자력의 영향으로 상기 제1방향으로 회전되고, 상기 외부 자기장에 의한 힘이나 토크가 작용하지 않는다.

본 발명에 따르면, 회전하며 진동하는 외부자기장을 생성해 강제적으로 이동 로봇을 자기장과 동기화시키고, 이동 로봇의 다리와 관 벽의 마찰력을 이용하여 크롤링 모션을 만들어, 자세에 상관없이 항상 일정한 움직임 성능을 유지할 수 있고, 안정된 위치를 유지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 이동 로봇은 관의 직경에 관계 없이, 전·후진, 그리고 방향 전환이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동 로봇을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 이동 로봇을 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 이동 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 외부 자기장이 인가되는 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 진동 자기장의 회전 방향에 따른 이동로봇의 움직임을 나타내는 도면이다.
도 6는 회전하는 진동 자기장에 의해 이동 로봇이 회전하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 7 내지 도 9는 외부 자기장에 의해 이동 로봇이 이동 방향을 바꾸는 과정을 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 도 7의 이동 로봇에서 조향 자석들과 이동 자석의 배치 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 9의 이동 로봇에서 조향 자석들과 이동 자석의 배치 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 로봇의 Y형 분관에서의 이동 및 방향 전환을 보여주는 실험 사진이다.
도 13은 본 발명의 이동 로봇 및 이와 비교 대상인 회전 마그네틱 로봇의 직선 관에서의 움직임을 비교 실험한 사진 및 그 결과 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

본 발명에 따른 이동 로봇 시스템은 이동 로봇과 외부 자기장 인가부를 포함한다. 이동 로봇은 혈관, 소화기, 요도 등 인체의 관형 조직, 또는 가정용 파이프, 산업용 파이프 등 다양한 관 환경 내 이동에 적용 가능하다. 외부 자기장 인가부는 관 외부에서 외부 자기장을 생성하여 이동 로봇을 원격 제어한다. 실시 예에 의하면, 외부 자기장 인가부는 이동 로봇의 둘레를 회전하며 진동하는 외부 자기장을 생성하고, 이를 강제적으로 이동 로봇에 제공된 자석들의 자기장과 동기화시킴으로써, 크롤링 모션(crawling motion)을 만들어 이동 로봇의 움직임을 제어한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동 로봇을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 이동 로봇을 나타내는 분해 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 이동 로봇(10)은 제1조향 모듈(100), 이동 모듈(200), 제2조향 모듈(300), 그리고 제1 및 제2 연결부(410, 420)를 포함한다.

제1조향 모듈(100), 이동 모듈(200), 그리고 제2조향 모듈(300)은 순차적으로 위치한다. 제1조향 모듈(100)과 제2조향 모듈(300)은 이동 로봇(10)의 방향을 전환하고, 크롤링 모션에 의한 움직임을 발생시킨다. 이동 모듈(200)은 상술한 외부 자기장에 의해 제어되며, 자력에 의해 제1조향 모듈(100)과 제2조향 모듈(300)에 구동력을 제공한다. 그리고 제1연결부(410)는 제1조향 모듈(100)과 이동 모듈(200)을 연결하고, 제2연결부(420)는 이동 모듈(200)과 제2조향 모듈(300)을 연결한다. 실시 예에 의하면, 제1연결부(410)와 제2연결부(420)는 두께가 얇은 판이 각각 한 쌍씩 제공되고, 서로 나란하게 배열되어, 제1조향 모듈(100)과 이동 모듈(200), 그리고 제2조향 모듈(300)을 연결한다.

제1조향 모듈(100)은 제1조향 몸체(110), 제1스페이서(120), 제1조향 자석(130), 제2조향 자석(140), 그리고 한 쌍의 다리(151, 152)를 포함한다.

제1조향 몸체(110)는 상기 제1조향 모듈(100)의 구성(120, 130, 140)들을 수용하는 공간이 내부에 형성된다. 실시 예에 의하면, 제1조향 몸체(110)는 상부(111)와 하부(112)가 분리 가능하도록 제공될 수 있다.

제1스페이서(120)는 제1조향 몸체(110) 내에 제공되며, 제1방향(Y)을 축으로 회전 가능하도록 제공된다. 실시 예에 의하면, 제1스페이서(120)는 상단과 하단이 원기둥 형상으로 제공될 수 있다.

제1조향 자석(130)은 제1스페이서(120)의 상단에 삽입 고정되고, 제2조향 자석(140)은 제1스페이서(120)의 하단에 삽입 고정된다. 제1조향 자석(130)과 제2조향 자석(140)은 각각, 상기 제1스페이서(120)의 상단과 하단에 대응하는 내경을 갖는 링 형상(ring shape)으로 제공된다. 제1조향 자석(130)과 제2조향 자석(140)은 제1스페이서(120)와 일체로 회전된다.

제1조향 자석(130)과 제2조향 자석(140)은 횡방향으로 착자된다. 실시 예에 의하면, 제1조향 자석(130)과 제2조향 자(140)은 N극(131, 141)과 S극(132, 142)이 횡 방향으로 배열된다.

제1조향 자석(130)과 제2조향 자석(140)은 소정 거리 이격하여 제1스페이서(120)에 위치되며, 서로 상이한 극성끼리 마주 배치된다. 구체적으로, 제1방향(Y)으로 제1조향 자석(130)의 N극(131)과 제2조향 자석(140)의 S극(142)이 마주 배치되고, 제1조향 자석(130)의 S극(132)과 제2조향 자석(140)의 N극(141)이 마주 배치된다. 때문에, 제1조향 자석(130)과 제2조향 자석(140) 간의 자기 모멘트는 합이 0이 된다. 이에 의해, 외부 자기장에 의한 힘이나 토크는 제1조향 자석(130)과 제2조향 자석(140)의 움직임에 영향을 주지 않는다.

한 쌍의 다리(151, 152)는 소정 길이를 갖는 로드로 제공되며, 제1스페이서(120)의 상단과 하단에 각각 결합된다. 다리(151, 512)는 제1스페이스(120)와 일체로 회전된다. 실시 예에 의하면, 다리(151, 152)는 제1방향(Y)에 대해 소정 기울기로 제1스페이스(120)와 연결되며, 끝단이 둥글게 가공된다.

도 3은 도 1의 이동 모듈을 나타내는 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 이동 모듈(200)은 이동 몸체(210), 이동 자석(220), 그리고 이동 자석 덮개(230)를 포함한다.

이동 몸체(210)는 이동 자석(220)과 이동 자석 덮개(230)를 수용하는 공간이 내부에 형성된다. 이동 몸체(210)는 상부(211)와 하부(212)가 분리 가능하도록 제공될 수 있다. 이동 몸체(210)의 내부 공간에는 가이드 홈(213)과 걸림턱(214)이 형성된다. 실시 예에 의하면, 가이드 홈(213)은 이동 몸체(210)의 내측 둘레를 따라 0°~180° 범위에서 형성되고, 걸림턱(214)은 180°~360° 범위에서 형성된다.

이동 자석(220)은 이동 몸체(210) 내부에 위치하며, 제1방향(Y)에 수직한 제2방향(X)으로 길이가 길게 제공된다. 실시 예에 의하면, 이동 자석(220)은 원기둥 형상이며, 제2방향(X)의 중심 축을 갖는다. 이동 자석(220)은 제2방향(X)에 수직한 방향으로 착자된다. 이동 자석(220)의 제2방향(X)에 수직한 단면은 절반이 N극(221)으로, 나머지 절반이 S극(222)으로 제공된다. 이동 자석(220)은 외부 자기장의 힘과 토크에 의해 제2방향(X)을 축으로 회전가능하다.

이동 자석 덮개(230)는 전면과 후면이 개방된 원통 형상으로, 내부에 이동 자석(220)이 수용되는 공간을 갖는다. 이동 자석 덮개(230)는 이동 자석(220)의 외주면을 감싼다. 이동 자석 덮개(230)의 외측면에는 걸림 돌기(231)가 형성된다. 걸림 돌기(231)는 가이드 홈(213) 내에 위치하며, 이동 자석(220)의 회전과 함께 가이드 홈(213) 내에서 이동한다. 걸림 돌기(231)는 가이드 홈(213)을 따라 0°~180° 범위에서 이동할 수 있다. 또한, 걸림 돌기(231)는 걸림 턱(214)에 의해 180°~360° 범위에서 이동이 제한된다.

제2조향 모듈(300)은 제2조향 몸체(310), 제2스페이서(미도시), 제3조향 자석, 제4조향 자석(미도시), 그리고 한 쌍의 다리(351, 352)를 포함한다. 제2조향 모듈(300)의 각 구성은 제1조향 모듈(100)의 구성과 동일한 구조로 제공되므로, 상세한 설명은 생략한다.

이하, 상술한 이동 로봇의 구동 원리에 대해 자세하게 설명한다.

이동 로봇(100)은 외부 자기장에 의한 이동 자석(220)의, 아래 식 (1)과 같은 자기 토크 운동에 의해 이동한다.

식(1)

여기서,

는 외부자기장에 의해 에 발생하는 자기 토크,

는 이동 자석의 자기 모멘트,

는 외부자기장의 자속 밀도이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 외부 자기장이 인가되는 예를 나타내는 도면이고, 도 5는 진동 자기장의 회전 방향에 따른 이동로봇의 움직임을 나타내는 도면이다. (A)는 반시계 방향으로 회전하는 진동 자기장에 의한 이동 로봇의 이동 과정을 나타내고, (B)는 시계 방향으로 회전하는 진동 자기장에 의한 이동 로봇의 이동 과정을 나타낸다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 외부 자기장(1)은 XY평면에 평행한 방향으로 진동하는 진동 자기장(2)이 이동 로봇(10)의 둘레를 따라 시계 방향 또는 반시계 방향(3)으로 360° 회전하도록 제공된다.

도 5의 (A)와 같이, 진동 자기장(2)이 반시계 방향으로 회전할 때 이동 로봇(10)의 위쪽 다리와 관 벽 사이의 마찰력은 아래쪽 다리와 관 벽 사이 마찰력보다 작다. 이 때 이동 로봇은

거리만큼 전진한다.

도 5의 (B)와 같이, 진동 자기장(2)이 시계 방향으로 회전할 때 이동 로봇(10)의 위쪽 다리와 관 벽 사이의 마찰력이 아래쪽 다리와 관 벽 사이 마찰력보다 크다. 이 경우에도 이동 로봇(10)은

거리만큼 전진한다.

식(2)

여기서 B ₀ 는 외부자기장의 세기,

는 외부자기장의 진동을 위한 최대 회전 각도,

은 진동 주파수이다.

한편, 진동 자기장(2)을 XY평면에 평행하게 생성하지 않을 경우, 이동 로봇(10)의 이동 성능이 떨어지고, XY평면에 수직하게 생성될 경우에는 이동 로봇(20)의 움직임이 발생되지 않는다.

이러한 XY평면과 같이 이동 로봇(10)이 최대 구동 성능을 낼 수 있는 평면은 굽은 관 환경이나 복잡한 관과 같이 이동 로봇(10)이 일정한 자세를 취하지 않고 회전하는 경우, 자세 변화에 따라 진동 자기장을 달리 생성해 주어야 한다. 이 때, 정밀하고 즉각적인 반응을 통해 진동 자기장(2)을 바꿔주어야 하는데, 이를 수동으로 하기에 매우 어렵고, 이동 시간의 증가를 야기한다.

이 경우, 이동 로봇(10)을 상술한 180°~360° 범위에서 회전하는 자기장으로 강제 회전 시켜주는 동시에, 진동 자기장(2)을 생성해 주면, 이동 로봇(10)은 회전하면서 이동하게 되고, 자세에 상관 없이 간단하게 일정한 이동 성능을 낼 수 있도록 제어될 수 있다. 이러한 회전하는 진동 자기장(2)은 다음과 같이 식(3)으로 표현 된다.

식(3)

여기서

는 외부자기장의 회전 주파수이다.

도 6는 회전하는 진동 자기장에 의해 이동 로봇이 회전하는 과정을 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 회전하는 진동 자기장(2)에서 발생하는 토크에 의해, 이동 자석(220)이 회전된다. 구체적으로, 이동 자석(220)과 이동 자석 덮개(230)는 0°~180° 회전 범위(A)에서, 걸림 돌기(231)가 가이드 홈(213)을 따라 이동하며 이동 몸체(210) 내에서 회전한다. 180°~360° 회전 범위(B)에서는 걸림 돌기(231)가 걸림 턱(214)에 걸리고, 이동 자석(220)의 회전력에 의해 이동 자석 덮개(230)와 이동 커버(210)가 함께 회전한다. 이에 의해, 이동 로봇(10) 전체가 강제 회전될 수 있다.

도 7 내지 도 9는 외부 자기장에 의해 이동 로봇이 이동 방향을 바꾸는 과정을 순차적으로 나타내는 도면이고, 도 10은 도 7의 이동 로봇에서 조향 자석들과 이동 자석의 배치 관계를 나타내는 도면이고, 도 11은 도 9의 이동 로봇에서 조향 자석들과 이동 자석의 배치 관계를 나타내는 도면이다.

도 7 내지 도 11을 참조하면, 이동 방향을 결정하는 알짜 마찰력의 방향은 다리(151, 152, 351, 352)의 기울어진 방향에 영향을 받으며, 이동 로봇(10)의 전, 후진 방향 전환은 다리(151, 152, 351, 352)의 기울어진 방향의 반전을 통해 할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 제1조향 자석(130)과 제2조향 자석(140) 간에는 자기 모멘트의 합이 0이어서, 외부 자기장의 영향을 받지 않으며, 이동 자석(220)의 인력과 척력에만 영향을 받는다.

이동 자석(220)의 하나의 극은 제1조향 자석(130)에 자력이 미치고, 다른 하나의 극은 제2조향 자석(140)에 자력을 미친다. 이동 자석(220)이 0°~180° 회전 범위에서 회전하게 되면, 이동 자석(220)과의 척력에 의해 조향 자석(130, 140)들은 자기 토크를 받아 제1방향(Y)을 축으로 회전하게 된다. 조향 자석(130, 140)들의 회전에 따라 스페이서(120) 및 이에 부착된 다리(151, 152, 351, 352)가 회전하게 되고, 다리(151, 152, 351, 352)의 기울기 방향이 바뀌게 되면서 이동 로봇(10)의 이동 방향이 변경된다.

도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 로봇의 Y형 분관에서의 이동 및 방향 전환을 보여주는 실험 사진이다.

도 12를 참조하면, 실험에 사용된 이동 로봇은 최대 넓이 13 mm, 길이 27 mm 로 제작되었다. 이동 로봇이 Y형 분관에서 14 mT의 회전하는 진동 자기장에 의해 이동 및 방향 전환을 하는 모습을 나타낸다. 위 식(3)의 외부자기장 생성 변수인 진동 각도와 진동 주파수 그리고 회전 주파수는 각각 60도, 8Hz 그리고 10 Hz 이다. 고안된 이동 로봇은 1에서 2과정으로 갈 때 회전하는 진동 자기장의 회전 축을 꺾어주어 방향 전환을 하였고, 2에서 3과정으로 갈 때 상술한 방향 전환 방법을 사용하여 다리의 기울어진 방향을 바꾸었다. 같은 방법으로 진동 자기장의 회전 축을 꺾어주고 다리의 기울어진 방향을 바꿔주는 방식을 통해 Y형 분관을 모두 돌아 제자리로 돌아왔다.

도 13은 본 발명의 이동 로봇 및 이와 비교 대상인 회전 마그네틱 로봇의 직선 관에서의 움직임을 비교 실험한 사진 및 그 결과 그래프이다. 실험은 직선 관 내에 맥동류를 발생시켜 진행하였다. (a)는 본 발명의 이동 로봇(1)과 회전 마그네틱 로봇(2)이 직선 관 내에서 이동하는 모습을 나타내는 사진이고, (b)는 직선 관에 흘러주는 맥동류의 시간에 따른 유량 변화를 나타내는 그래프이고, (c)는 시간에 따른 각 로봇(1, 2)의 이동 거리를 나타내는 그래프이다.

이동 로봇(1)은 상기 제시한 외부자기장 생성 변수를 사용하였고, 회전 마그네틱 로봇(2)은 9 Hz의 회전 자기장을 사용하였다. 0~2.5초까지 외부자기장으로 두 로봇(1, 2)을 제어하지 않았고 이후 17초까지 외부자기장으로 제어하였다. 측정된 결과로 외부자기장의 제어가 없을 때 맥동류에 의해 밀려나는 회전 마그네틱 로봇(2)에 비해, 본 발명의 이동 로봇(1)은 안정적으로 위치를 유지하였다. 또한 외부자기장에 의해 제어를 했을 때, 맥동 주파수에 따라 위치 변화가 컸던 회전 마그네틱 로봇(2)에 비해 본 발명의 이동 로봇(1)은 뒤로 밀려나지 않고 비교적 안정적인 위치 증가량을 보였다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

10: 이동 로봇
100: 제1조향 모듈
110: 제1조향 몸체
120: 제1스페이스
130: 제1조향 자석
140: 제2조향 자석
151, 152: 다리
200: 이동 모듈
210: 이동 몸체
220: 이동 자석
230: 이동 자석 덮개
300: 제2조향 모듈
310: 제2조향 몸체
351, 351: 다리
410, 420: 연결부

Claims

제1조향 모듈과 이동 모듈이 제1연결부에 의해 연결된 이동 로봇에 있어서,
상기 제1조향 모듈은,
제1 방향을 축으로 회전가능한 제1 스페이스;
상기 제1 스페이스에 삽입되는 제1조향 자석;
상기 제1조향 자석과 이격하여 상기 제1 스페이스에 삽입되며, 상기 제1조향 자석과 서로 상이한 극성끼리 마주 배치되는 제2조향 자석; 및
상기 제1 스페이스의 상단과 하단에 각각 결합되는 한 쌍의 다리를 포함하고,
상기 이동 모듈은,
상기 제1조향 자석과 상기 제2조향 자석에 자력이 전달되며, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 축으로 회전가능한 이동 자석을 포함하는 이동 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 제1조향 자석과 상기 제2조향 자석 간의 자력은 자기 모멘트 합이 0인 이동 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 제1조향 자석과 상기 제2조향 자석은 링 형상을 가지며, 상기 제1방향의 회전축을 갖는 이동 로봇.
제 3 항에 있어서,
상기 이동 자석은 원기둥 형상이며, 상기 제2방향의 중심 축을 갖는 이동 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 다리는 상기 제1방향에 대해 소정 각도 기울어진 이동 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 이동 모듈은,
상기 이동 자석을 수용하는 이동 몸체를 더 포함하고,
상기 이동 자석은 상기 제2방향을 축으로 0°~180° 범위에서 상기 이동 몸체 내에서 회전하고, 180°~360° 범위에서 상기 이동 몸체와 함께 회전하는 이동 로봇.
제 6 항에 있어서,
상기 이동 몸체에는 0°~180° 범위의 가이드 홈과, 상기 180°~360° 범위의 걸림턱이 형성되며,
상기 이동 모듈은,
상기 이동 몸체 내부에서 상기 이동 자석을 감싸며, 상기 가이드 홈 내에 위치하는 걸림 돌기가 형성된 이동 자석 커버를 더 포함하되,
상기 걸림 턱은 상기 걸림 돌기의 이동을 제한하는 이동 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 이동 자석의 회전에 따라, 상기 이동 자석과 상기 제1조향 자석 및 상기 제2조향 자석 간에 자력이 변경되고, 상기 제1조향 자석과 상기 제2조향 자석은 상기 제1방향을 축으로 일체로 회전가능한 이동 로봇.
제 1 항에 있어서,
제2조향 모듈, 그리고 상기 제2조향 모듈과 상기 이동 모듈을 연결하는 제2연결부를 더 포함하고,
상기 제2조향 모듈은,
상기 제1 방향을 축으로 회전가능한 제2 스페이스;
상기 제2 스페이스에 삽입되는 제3조향 자석;
상기 제3조향 자석과 이격하여 상기 제2 스페이스에 삽입되며, 상기 제3조향 자석과 서로 상이한 극성끼리 마주 배치되는 제4조향 자석; 및
상기 제2스페이스의 상단과 하단에 각각 결합되는 한 쌍의 다리를 포함하며,
상기 이동 자석은 상기 제3조향 자석 및 상기 제3조향 자석에 자력을 전달하는 이동 로봇.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나의 이동 로봇; 및
상기 이동 로봇의 외부에서 상기 이동 모듈의 둘레를 따라 회전하는 진동 자기장을 인가하는 외부 자기장 인가부를 포함하는 이동 로봇 시스템.
외부 자기장에 의해 제어되는 이동 로봇에 있어서,
서로 상이한 극성끼리 마주 배치되고 제1방향의 회전 축을 갖는 제1조향 자석과 제2조향 자석을 포함하는 제1조향 모듈;
상기 외부 자기장에 의해 상기 제1방향에 수직한 제2방향으로 회전가능한 이동 자석을 포함하는 이동 모듈; 및
상기 제1조향 모듈과 상기 이동 모듈을 연결하는 제1연결부를 포함하며,
상기 제1조향 자석과 상기 제2조향 자석은 상기 이동 자석의 자력의 영향으로 상기 제1방향으로 회전되고, 상기 외부 자기장에 의한 힘이나 토크가 작용하지 않는 이동 로봇.