KR102680940B1 - 자기조립식 초소형 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상세하게는 스스로 특정 형상을 이룰 수 있는 자기조립식 구조를 이용하여 특정 벽 내부로 진입할 때 진입 공간을 최소화하는 형태로 주입되도록 하고, 주입 후 다시 특정 형상을 취하여 목표하는 기능을 수행할 수 있게 한 자기조립식 초소형 로봇 및 이의 다중 모드 조작 방법에 관한 것으로, 특정 벽 내부로 주입된 로봇의 기계적인 움직임을 보다 정확하게 제어할 수 있도록 외부자기장의 작용에 의해 결합 및 분리가 용이하게 제어될 수 있는 자기조립로봇의 다중 모드 조작 방법에 관한 것이다.

Description

자기조립식 초소형 로봇{Self-assembly ultra compact robot}

본 발명은 자기조립식 초소형 로봇에 관한 것으로, 상세하게는 스스로 특정 형상을 이룰 수 있는 자기조립식 구조를 이용하여 특정 벽 내부로 진입할 때 진입 공간을 최소화하는 형태로 주입되도록 하고, 주입 후 다시 특정 형상을 취하여 목표하는 기능을 수행할 수 있게 한 자기조립식 초소형 로봇에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 한국연구재단의 신진연구 지원사업과 공주대학교 연구년 지원사업으로 수행된 것으로, 특정 벽 내부로 진입된 로봇의 기계적인 움직임을 보다 정확하게 제어할 수 있도록 외부자기장의 작용에 의해 결합 및 분리가 용이하게 제어될 수 있는 자기조립식 초소형 로봇에 관한 것이다.

마이크로 로봇은 인체 치료를 위한 기존의 외과적 수술 방법을 효과적으로 대체할 수 있으며 최소 침습을 통해 치료가 가능하도록 하는 치료 장치이다. 특히, 외부 자기장으로 구동되는 초소형 로봇은 전기적으로 구동되는 초소형 로봇과는 달리 전지나 에너지 전달을 위한 유선 에너지 공급 장치가 필요 없으므로 초소형화에 유리하고 인체에 보다 안전하게 사용될수 있으며, 액추에이터등의 전기장치 없이 무선으로 구동이 가능하여 조향성이 우수하다는 장점이 있다.

이와 같은 장점으로 인해, 초소형 로봇은 안구, 혈관, 내장기관 등의 인체에 적용할 목적으로 활발하게 연구되고 있으며, 자기공명단층 촬영장치 등과 같은 장치에서 발생되는 외부 자기장으로 구동되는 마이크로 로봇은 전기적으로 구동되는 마이크로 로봇과는 달리 전지나 에너지 전달을 위한 유선 에너지 공급장치가 필요 없으므로 초소형화에 유리하고 인체에 보다 안전하게 사용될 수 있다는 장점으로 인하여 안구, 혈관, 내장기관 등의 인체에 적용할 목적으로 활발하게 연구되고 있다.

이는 특히 혈관치료를 위한 마이크로 로봇은 혈관 확장을 위한 스텐트 장착, 약물전달 및 조직검사 등의 역할을 수행할 수 있다.

이러한 의료용 마이크로 로봇과 관련된 기술의 예로 특허문헌 1 내지 3이 있다.

특허문헌 1은 끝단에 드릴링 팁이 형성되는 드릴링 몸체부; 내부에 자석이 배치되며, 드릴링 몸체부의 외측 둘레에 나선 결합되는 나선 결합 몸체부; 및 자석에 회전자기장을 제공하여, 드릴링 몸체부와 나선 결합 몸체부가 서로 동시에 나선 운동되거나, 나선 결합 몸체부가 드릴링 몸체부의 둘레에서 나선 운동이 되도록 제어하는 시스템 제어부를 포함하고, 드릴링 몸체부의 외측 둘레에는, 나선 결합 몸체부와 나선 결합되는 나선형 돌기가 형성되고, 드릴링 몸체부의 내부에는 약물이 탑재되는 중공 형상의 약물 탑재 공간이 형성되고, 드릴링 팁의 단부에는, 탑재된 약물을 외부로 분사하는 약물 분사홀이 형성되는 마이크로 로봇이고,

특허문헌 2는 자기장 구동형 마이크로 로봇으로, 외부 자기장에 의한 자기력에 의해 추진되며, 외부로 관통된 분출구가 형성된 약물 저장소가 복수 구비된 바디와; 바디의 추진 방향과 상이한 방향으로 외부 자기장에 의한 자기력 방향에 따라 각각 독립적으로 구동되어 각각의 약물 저장소 내 약물이 선택적으로 압출되게 하는 복수의 프레스를 포함하고, 약물 저장소는 2개 구비되어 각각 프레스가 하나씩 구비되며, 로봇의 추진방향과 2개의 프레스의 구동방향은 3축 좌표계를 기준으로 서로 수직을 이루는 자기장 구동형 마이크로 로봇이며,

특허문헌 3은 3차원 면에 배치되며, 자석으로 형성되는 구 형상의 제 1로봇 몸체부; 3차원 면을 경계로, 제 1로봇 몸체부와 접하도록 배치되며, 내부에 다수의 단위 자석이 균등 간격으로 배치되는 구 형상의 제 2로봇 몸체부; 및 제 1로봇 몸체부로 외부회전자기장을 제공하여, 제 1로봇 몸체부를 회전시킴과 동시에, 제 2로봇 몸체부의 회전을 동기시키는 제어부를 포함하고, 다수의 단위 자석은 제 2로봇 몸체부의 내측 둘레을 따라 균등 간격으로 배치되고, 다수의 단위 자석의 외측 둘레는 서로 접촉되도록 배치되는 의료용 롤링 마이크로 로봇이다.

이와 같이 다양한 의료용 로봇이 개발되어 있으나, 종전의 마이크로 로봇의 경우, 특정한 형상이 항상 유지되도록 구성됨에 따라, 마이크로 로봇을 활용하기 위해 인체에 주입할 때, 침습 범위가 넓어짐에 따라 손상되는 부위가 넓어지고, 침습이 가능한 범위가 한정적이라는 단점이 있었다.

이러한 단점을 개선하여 본 출원인이 개발한 것이 특허문헌 4의 기술이다.

특허문헌 4는 다수개의 로봇모듈로 구성되는 초소형 로봇에 있어서, 로봇모듈은, 규칙적인 원호형상 또는 다각형 형상의 단면으로 일정간격 돌출되어 형성되어 양측에 일정한 경사를 가지는 경사부가 형성되고, 하단 양측에 모서리부가 형성되는 본체부; 본체부의 모서리부 일측에 형성되는 제1연결부와 모서리부 타측에 형성되는 제2연결부; 본체부에 적어도 하나 이상 구비되며 자성을 가지는 자성체; 및 본체부의 경사부 타측에 형성되는 홈부를 포함하여 이루어지고, 초소형 로봇은 로봇모듈이 제1연결부 및 제2연결부에 의해 다수개로 연결되어 구성되도록 이루어지는 초소형 로봇이다.

본 출원인에 의해 개발된 특허문헌 4의 기술은 초소형 로봇의 주입 시에는 초소형 로봇이 일렬로 나열되는 체인형상으로 구성되도록 하여 침습 범위를 최소화할 수 있고, 주입 후에는 다각형 등의 특정형상으로 결합되는 형태를 이루어 원하는 기능을 수행할 수 있는 장점이 있다.

즉, 특허문헌 4의 기술인 SAMM(self-assembled magnetic millirobot)은 의료용 주사방식으로 최소침습적인 활용이 가능한 자기조립 능력을 갖춘 것으로 자성체로 구성된 다수의 모듈로 이루어져 있어 외부자기장의 도움 없이 스스로 조립되거나 외부자기장의 작용으로 분해될 수 있으며, tumbling 운동, 소형 로봇 ling 운동, 카고(cargo) 포획 및 운반 운동 등 다양한 기계적 움직임을 구형할 수 있다.

그러나 이렇게 다양한 기계적 움직임의 구현은 외부자기장의 작용에 의해 용이하게 제어될 수 있고, 또한 이러한 기계적 움직임 제어를 통해 생성할 수 있는 조건과 그 구동 방법을 개발 및 SAMM을 최소침습적으로 활용하기 위하여 의료용 주사방식으로 삽입하거나 회수할 수 있는 방법 등에 대한 연구 및 개발이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-1471526호 대한민국 등록특허 제10-1458938호 대한민국 등록특허 제10-1470941호 대한민국 등록특허 제10-2077400호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 소정의 공간 내부로 진입할 때 진입 공간을 최소화하는 형태로 주입되도록 하고, 주입 후 다시 특정 형상을 취하여 목표하는 기능을 수행할 수 있게 한 자기조립식 초소형 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히 본 발명은 주입된 로봇의 기계적인 움직임을 보다 정확하게 제어할 수 있도록 외부자기장의 작용에 의해 결합 및 분리가 용이하게 제어될 수 있는 자기조립식 초소형 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 자기조립식 초소형 로봇은 다수의 로봇모듈이 조립되어 구성되는 초소형 로봇에 있어서, 상기 로봇모듈은 이웃하는 것과 조립되는 일측 단부에는 호형결합홈부가 형성되고, 타측 단부에는 상기 호형결합홈부와 결합되는 호형결합돌출부가 형성된 모듈본체와; 상기 모듈본체의 내부에 매설되어 이웃하는 모듈에 설치된 것과 상호 작용하여 조립된 초소형 로봇이 규칙적인 직선형상, 원호형상 또는 다각형의 형상을 이루게 하는 자성체를 포함하고, 상기 초소형 로봇은 상기 로봇모듈이 적어도 상기 호형결합홈부와 호형결합돌출부가 서로 접촉 지지되어 다수개로 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 로봇모듈은 초소형 로봇이 원호형상이나 다각형 형상으로 변형되었을 때 안쪽을 향한 벽에 서로 접촉되어 지지하는 경사접촉부가 형성된 것이 바람직하다.

상기 호형결합돌출부의 바깥쪽 단부와 호형결합홈부의 안쪽에는 각각 지지턱부가 더 형성된 것이 바람직하다.

상기 초소형 로봇은 상기 자성체간에 발생되는 자기력이나 외부자기장에 의해 원호 또는 다각형 형상으로 결합되거나, 체인형상으로 분리되는 것이 바람직하다.

상기 초소형 로봇은 다수의 로봇모듈에 의해 체인형상으로부터 다각형 또는 원호형상으로 변형될 수 있어, 외부자기장에 의해 다각형 또는 원호형상으로 변형될 때 중앙에 카고 고정홈이 형성되며, 상기 카고 고정홈을 통해 카고의 외부를 파지할 수 있도록 하여 카고를 특정한 목표지점까지 이동시킬 수 있게 한 것이 바람직하다.

상기 초소형 로봇은 다수의 로봇모듈에 의해 체인형상으로 배열되었을 때 양단에 각각 배열된 머리, 꼬리 부분을 구성하는 로봇모듈의 자성체의 세기가 중간에 설치된 로봇모듈에 설치된 자성채의 세기보다 상대적으로 약한 세기를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 자기조립식 초소형 로봇은 다수개의 로봇모듈의 결합으로 구성하고, 자기력 또는 외부자기장에 의해 결합 및 분리가 용이하게 이루어지게 하고, 초소형 로봇을 원하는 목적지에 주입할 때에는 초소형 로봇이 일렬로 나열되는 체인형상을 이루게 함에 의해 초소형 로봇의 폭이 좁아져 로봇이 지나는 통로가 좁은 곳에도 용이하게 통과할 수 있음에 따라 로봇의 침습 범위를 최소화시킬 수 있고, 주입 후에는 로봇모듈들 사이의 결합 형태를 원하는 다각형 등의 특정형상으로 변형시킬 수 있음에 따라 목표하는 기능을 보다 쉽게 수행할 수 있게 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 초소형 로봇에 자성체를 구비하고 외부자기장을 통해 조립 또는 분해가 가능하도록 하여 외부의 물리적인 도움이 없이 필요한 형상으로 변형이 가능하여 필요한 작업을 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 내부에 별도의 배터리나 액추에이터를 설치하지 않아도 구동이 가능함에 따라 이들의 설치 공간을 줄여 초소형화가 가능하도록 하고, 구동시간 및 구동범위에 제약이 적게 받을 뿐만 아니라, 외부자기장에 의해 무선으로 구동이 이루어지게 함에 의해 방향의 변경이나 형태의 변형이 용이하여 조작을 쉽게 할 수 있는 효과가 있다.

특히 본 발명은 외부자기장의 제어 방법을 개선함에 따라 보다 효율적으로 초소형 로봇의 기계적 움직임을 제어할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자기조립식 초소형 로봇을 구성하는 로봇모듈의 사시도
도 2는 본 발명에 따른 자기조립식 초소형 로봇이 체인형태로 결합된 상태의 사시도
도 3은 본 발명에 따른 자기조립식 초소형 로봇이 특정 형태를 이룬 상태의 사시도
도 4는 본 발명에 따른 자기조립식 초소형 로봇에 구비된 자성체의 착자 세기 설명을 위한 정면도
도 5는 본 발명에 따른 자기조립식 초소형 로봇을 구성하는 모듈의 개수 및 종횡비(aspect ratio)에 따른 서로 다른 예의 초소형 로봇의 정면도
도 6은 본 발명에 따른 자기조립식 초소형 로봇이 카고(cargo) 포획 및 운반 운동하는 과정도
도 7은 본 발명에 따른 자기조립식 초소형 로봇에서 메트 마그네트 모먼트 변화, 조립강도 변화를 도시한 그래프
도 8은 본 발명에 따른 자기조립식 초소형 로봇에서 자기 에너지 변화, 자기장의 상대적 크기 변화그래프
도 9는 본 발명에 따른 자기조립식 초소형 로봇이 텀블링 운동(tumbling motion) 하기 위한 역학적 조건과 크롤링 운동(초소형 로봇ling motion)하기 위한 역락 조건을 도시한 그림
도 10은 본 발명에 따른 자기조립식 초소형 로봇의 구동 방식에 따른 자기장의 기하학적 표현 그래프

본 발명은 다양한 변경을 가하여 실시할 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명을 통해 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 초소형 로봇이 자성체를 구비하여 구성된 다수의 모듈로 이루어져 있어 외부자기장의 도움 없이 스스로 조립될 수 있을 뿐만 아니라, 외부자기장의 작용으로 분해 및 형태 변형이 용이하게 이루어질 수 있으며 특히, 외부자기장의 작용에 따라 효율적으로 제어됨에 따라 최소침습적 삽입 및 회수 능력뿐만 아니라 다중모델(multi-modal) 구동 동작을 구현할 수 있다.

본 발명에 따른 자기조립식 초소형 로봇은 도 2 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 다수의 로봇모듈(10)이 조립되어 구성되는 초소형 로봇(1)이다.

상기 로봇모듈(10)은 이웃하는 것과 조립되는 일측 단부에는 호형결합홈부(11a)가 형성되고, 타측 단부에는 상기 호형결합홈부와 결합되는 호형결합돌출부(11b)가 형성된 모듈본체(11)와; 상기 모듈본체의 내부에 매설되어 이웃하는 모듈에 설치된 것과 상호 작용하여 조립된 초소형 로봇이 규칙적인 직선형상, 원호형상 또는 다각형의 형상을 이루게 하는 자성체(12)를 포함한다.

초소형 로봇(1)은 다수의 로봇모듈(10)이 서로 결합된 상태에서 다각이나 원호형상을 이루었을 때 이웃하는 로봇모듈들에 이루어진 외주면이 완만하게 이어지는 형상을 갖게 하는 것이 바람직하고, 이를 위해 상기 모듈본체(11)는 사다리꼴 향상을 이루는 판체 형상으로 만들어진다.

즉, 상기 모듈본체(11)는 도 1 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 초소형 로봇이 원호형상이나 다각형 형상으로 변형되었을 때, 안쪽을 향한 벽에 서로 접촉되어 지지하는 경사접촉부(11s)가 형성되어 사다리꼴을 이루고 있으며, 내부에 자성체(12)가 매설되어 있다.

상기 모듈본체(11)는 도 1에 도시한 바와 같이, 이웃하는 것과 접촉되었을 때 서로 어긋나는 것을 방지하여 모듈들 사이의 결합력을 높을 수 있게 구조를 변경하였으며, 이러한 결합구조는 상기한 호형결합홈부(11a)와 호형결합돌부(11b)이다.

도 2 내지 도 5에 도시한 바와 같이 어느 하나의 로봇모듈에 형성된 호형결합홈부(11a)는 이웃하는 로봇모듈에 형성된 호형결합돌부(11b)에 결합되어 다수의 로봇모듈이 서로 연결될 수 있으며, 이 호형결합홈부(11a)와 호형결합돌부(11b)의 중심이 로봇모듈들의 작동 기준이 된다.

즉, 도 2에 도시한 바와 같이 체인형태로 다수의 로봇모듈이 연결되어 이루어진 초소형 로봇(1)은 상기 호형결합홈부(11a)와 호형결합돌부(11b)의 중심점을 기준으로 회동되어 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이 원호형상 또는 다각형의 형상을 이루게 된다.

또한 상기 호형결합돌출부(11b)의 바깥쪽 단부와 호형결합홈부(11a)의 안쪽에는 각각 지지턱부(11d)가 더 형성되어 있다.

상기 지지턱부(11d)는 도 2에 도시한 바와 같이 체인형태로 로봇모듈들이 연결될 때 이웃 로봇모듈과 지지되는 면적을 넓힘에 의해 모듈들 사이의 결합이 안정을 이룰 수 있게 한다.

상기 자성체(12)는 이웃하는 모듈본체에 설치된 것과 상호 작용하여 로봇모듈들이 서로 연결된 상태를 유지하게 하는 것으로, NdFeB(네오디움)자석 등의 자성을 가지는 다양한 종류의 자석 중 어느 하나로 구성될 수 있다.

상기한 바와 같이 구성된 로봇모듈로 이루어진 상기 초소형 로봇은 상기 자성체간에 발생되는 자기력에 의해 서로 결합되어 도 2에 도시한 바와 같이, 체인형상을 이룬다.

도 2에 도시한 바와 같이, 체인 형상을 각 로봇모듈의 기하학적 중심부에는 동일한 자기모멘트의 세기를 갖는 자성체가 일정한 방향으로 삽입되어 있으나 머리, 꼬리에 설치되는 로봇모듈에는 상대적으로 약한 세기를 갖는 자성체가 삽입되는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명의 초소형 로봇은 도 2에 도시한 바와 같이, 직선 체인형상을 이룬 상태에서 의료용 주사방식으로 특정 부위에 최소 침습적 삽입이 가능하고, 이렇게 원하는 곳으로 침습된 초소형 로봇은 각 모듈 사이의 자기적인 상호작용에 의해 외부의 도움 없이 링 형태로 자기 조립되거나 외부의 작용에 의해 머리-꼬리 분리점을 기준으로 직선 체인 형태로 분해되며, 삽입과정 중 주사기에서 일부 돌출된 로봇모듈은 모듈 사이의 자기적 상호작용으로 순차적으로 자기조립 될 수 있다.

상기한 바와 같이 초소형 로봇의 머리, 꼬리에 설치되는 로봇모듈에는 상대적으로 약한 세기를 갖는 자성체를 설치함에 따라 다각형 형태로 회전 대칭 배열된 초소형 로봇은 자기조립, 분해 상태 모두에서 유효한 네트 마그네트 모먼트(net magnetic moment)를 갖는다.

또한, 초소형 로봇(1)을 주사방식으로 다시 회수하기 위해 자석이 부착된 주사기의 플런저(plunger) 끝을 분해 상태의 초소형 로봇의 머리 또는 꼬리 모듈과 접촉하여 잡아당김으로써 다시 주사기로 회수할 수 있다.

외부자기장에 의해 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같은 원호 또는 다각형 형상으로 변형되거나 체인형태로 분리될 수 있다.

상기 로봇모듈(10)의 모듈의 개수 및 종횡비(aspect ratio)에 따라 도 5에 도시한 바와 같이, 다양한 원호 또는 다각형 형상을 이룰 수 있다.

또한 상기 초소형 로봇은 상기한 바와 같이, 다수의 로봇모듈에 의해 체인형상으로부터 다각형 또는 원호형상으로 변형될 수 있으며, 외부자기장에 의해 다각형 또는 원호형상으로 변형될 때에는 도 6에 도시한 바와 같이, 중앙에 카고 고정홈이 형성되며, 상기 카고 고정홈을 통해 카고의 외부를 파지할 수 있도록 하여 카고를 특정한 목표지점까지 이동시킬 수 있다.

상기 초소형 로봇에 가해지는 외부자기장은 전자기구동시스템의 의해 발생되도록 이루어지며, 상기 전자기구동시스템은 서로 직교하는 3축 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)로 구성될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 자기조립식 초소형 로봇의 작동 과정을 상세하게 설명한다.

먼저, 도 2에 도시한 바와 같이 체인형상으로 분해된 상태의 네트 마그네트 모먼트()는

수식 1 : 이고,

여기서 는 도 2에 도시한 바와 같이 체인형상으로 배열된 로봇모듈 들 중 중간에 배열된 로봇모듈들에 구비된 자성체의 자기모멘트의 세기이고,

는 체인형상으로 배열된 로봇모듈 머리와 꼬리에 배열된 로봇모듈들에 구비된 자성체의 자기모멘트의 세기임.

도 3 내지 도 4 (a)에 도시한 바와 같이 조립된 상태에서는 네트 마그네트 모먼트()는

수식 2 : 이다.

분해된 상태의 초소형 로봇(10)도 각 모듈 간의 상호작용이 존재하므로 조립된 상태보다 다소 작은 세기의 메트 마그네트 모먼트를 갖으며, 이에 따라 초소형 로봇(1)은 자기조립, 분해 상태에 관계없이 외부에서 작용하는 자기장에 의해 유효한 구동력을 제공받을 수 있다.

도 7 (a)는 초소형 로봇의 모듈 개수와 과 사이의 크기 비의 변화에 따른 네트 마그네트 모멘트의 크기 변화 그래프, (b)는 모듈에 삽입되는 자석의 방향과 종횡비의 변화에 따른 초소형 로봇의 상대적 자기조립 강도의 변화 그래프, (c) 는 모듈의 개수와 종횡비의 변화에 따른 초소형 로봇의 상대적 자기조립 강도의 변화 그래프이다.

도 7 (a)에 도시한 바와 같이, 자기 조립된 초소형 로봇이 서로 다른 자기모멘트 비(dipole ratio, )를 갖는 경우 모듈 개수에 따른 초소형 로봇의 상대적인 네크 마그메트 모멘트의 크기()의 변화를 나타낸 것으로, 초소형 로봇의 모듈 수가 증가할 수록 자기모멘트의 비가 작아질수록 모멘트의 크기()이 증가하지만 그 증가폭은 점차 둔화되는 것을 알 수 있으며, 이때 초소형 로봇의 모듈 수가 증가할수록 연결부위의 개수가 늘어나고 구조가 복잡해질 수 있으며, 초소형 로봇의 자기모멘트 강도비가 너무 작은 경우 머리, 꼬리 모듈이 충분한 자기조립 능력을 갖기 어려울 수 있으므로 초소형 로봇의 목적에 따라 적절한 모듈 개수와 쌍극자 비율(dipole ratio) 선정이 필요하다.

임의의 자기장(B) 내에 존재하는 임의의 자성체(자기모멘트, magnetic dipole) m의 정적자기에너지(E)는 수식 3으로 나타낼 수 있다.

수식 3 :

수식 3으로부터 자기장 내에 위치한 자성체는 자신의 자기에너지가 최소화될 수 있는 평형 자세로 수렴하도록 작용하는 구속력을 받는 것을 알 수 있고, 도 4 (b)에 도시한 바와 같이 임의의 n개의 모듈로 이루어진 초소형 로봇(1)의 k번째 모듈의 자석이 다른 자석들에 의해 받는 자기장은 다음과 같이 포인트 쌍극 모델(point-dipole model)을 이용하여 수식 4로 나타낼 수 있다.

수식 4 :

여기서, 는 각각 k-1번째 모듈과 k번째 모듈이 이루는 각도, 초소형 로봇의 내접원의 직경, 각 모듈의 수평 방향을 기준으로 한 삽입된 자석의 자기모멘트 방향, 초소형 로봇의 내접원 직경에 대한 각 모듈의 수직 두께의 상대적인 비(, aspect ratio), 진공의 투자율, i번째 자석의 무게중심과 k번째 자석의 무게중심 사이 벡터 및 그 크기, i번째 모듈 자석의 자기모멘트 벡터(, )를 의미한다.

이때, 은 초소형 로봇의 머리 모듈이 기준 좌표계의 축과 이루는 각도이다. 수식 3 및 4로부터 그림2와 같이 임의의 초소형 로봇이 공간 내 균일하게 분포하는 외부자기장 내에서 갖는 정적 자기에너지는 다음과 같이 수식 5로 나타낼 수 있다.

수식 5 :

여기서, 는 외부자기장 벡터, 는 로서 각 모듈에 사용된 자석의 잔류 자기(Remanence)의 세기()에 대한 외부자기장의 세기()의 상대적인 비를 의미한다.

인 자기 조립된 초소형 로봇은 유효한 을 갖고 있으므로 외부자기장이 작용하는 경우 자유평면 내에서는 해당 방향으로 정렬할 수 있으므로 초소형 로봇의 자기에너지는 과 외부자기장의 작용 방향에는 무관하다고 할 수 있으며, 수식 5에서 임의의 두 모듈 사이의 자세 변화()에 따른 자기에너지의 변화율은 해당 모듈들이 자기조립이나 분해 상태를 유지할 수 있는 강도(자기조립 모멘트)를 의미한다.

초소형 로봇의 자기조립 강도가 클수록 초소형 로봇이 중력, 마찰력, 외부자기장 등 각종 외란을 극복하거나 초소형 로봇 내부에 물체를 탑재한 채로 자기조립 상태를 유지할 수 있는 능력이 우수하다고 할 수 있으며,의 값에 따른 초소형 로봇의 자기조립 능력의 변화 특성을 살펴보기 위하여 수식 6과 같이 무차원화된 자기조립 강도를 정의할 수 있다.

수식 6 :

수식 6은 초소형 로봇을 구성하는 모든 모듈 사이의 각도가 균일하게 미소 변화한다고 할 때, 전체 모듈의 평균적인 자기조립 강도를 나타내는 것으로, 수식 6을 이용하여 자기조립 강도가 우수한 초소형 로봇의 기하학적, 자기적 조건을 유도할 수 있으며, 도 7 (b)에서는 외부자기장의 작용이 없을 때의 초소형 로봇의 자기조립 능력을 평가하기 위해 단위 크기()를 갖는 초소형 로봇이 모듈 내 삽입되는 자석의 각도()와 종횡비(aspect ratio, )의 변화에 따라 보이는 자기조립 강도( 의 변화를 관찰하였고, 초소형 로봇의 각 모듈에 삽입되는 자석의 각도가 모듈의 방향과 나란한 경우에는 종횡비의 값에 관계없이 가장 큰 조립 강도를 갖는 것을 알 수 있었다.

종횡비가 작을수록 초소형 로봇의 자석들 사이의 상대적인 거리가 가까워지므로(도 5 참조) 초소형 로봇의 자기조립 강도가 증가할 수 있을 알 수 있고, 종횡비가 상대적으로 작은 경우 더 얇은 모듈 두께()로 이루어진 초소형 로봇으로도 동일한 내부 공간()을 확보할 수 있으므로 초소형 로봇을 최소 침습적 활용하기에 더 적합하다.

도 7 (c)는 초소형 로봇의 모듈 개수에 따른 자기조립 강도의 변화를 나타낸 것으로, 초소형 로봇의 모듈 개수가 많아질수록 더 큰 자기조립 강도를 보이는데 이는 모듈 개수에 비례하여 자석의 수가 늘어나고 도 5에 도시한 바와 같이, 이에 따른 자석 사이의 상호작용이 더 커지기 때문이다.

수식 5 및 6에 의하면 외부자기장이 작용하는 경우(), 초소형 로봇의 자기에너지의 크기와 부호가 달라질 수 있으므로 외부자기장을 이용하여 자기조립된 초소형 로봇의 자기조립 강도를 변화시키거나 임계값 이상의 외부자기장을 이용하여 초소형 로봇을 분해할 수 있으나, 수식 6은 초소형 로봇 전체 모듈의 평균적인 자기조립 강도를 나타내므로 수식 6을 이용하여 초소형 로봇의 자기조립과 분해 상태를 구분하기는 어려움에 따라 초소형 로봇이 자기조립되어 있을 때 다음의 수식 7과 같이 모든 모듈의 자기에너지가 음의 값을 가지면 초소형 로봇은 완전 링(complete ring) 형태로 자기조립() 되었다고 판단할 수 있다.

수식 7 :

도 8 (a)는 외부자기장의 세기 변화에 따른 초소형 로봇의 각 모듈의 자기에너지 변화그래프, (b)는 의 크기와 외부자기장의 세기에 따른 초소형 로봇의 자기조립 및 분해 조건 그래프, (c)는 초소형 로봇의 분해를 위해 필요한 자기장 그래프, (d)는 자기조립 강도 대비 이 자기장의 상대적인 크기의 변화 그래프이다.

도 8 (a)는 초소형 로봇에 작용하는 외부자기장의 세기의 변화에 따라 나타나는 초소형 로봇의 각 모듈의 자기에너지 변화에서 그 변화율은 서로 다르지만 모두 선형적으로 변화함을 알 수 있다.

초소형 로봇은 도 4 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 기하학적, 자기적으로 대칭적이므로 각 모듈의 자기에너지도 대칭적으로 나타나고, 각 모듈의 에너지가 처음으로 양의 값으로 전환되는 외부자기장의 세기의 최소값을 라하며, 의 에 대한 상대적인 크기를 이라 한다.

도 8(a)의 경우 이다. 가 와 같거나 초과하는 경우에는 초소형 로봇의 4, 5번째 모듈들이 처음으로 양의 자기에너지를 가지게 되는데, 이 때 해당 모듈들의 정렬 상태가 변화하여 임에 따라 초소형 로봇은 더 이상 완전한 링 형태의 자기조립 상태를 유지할 수 없게 되고, 이 경우 초소형 로봇의 나머지 모듈들도 자기조립 상태에 비해 더 높은 자기에너지 상태로 변화하게 되므로 각 모듈들은 순차적으로 분해될 수 있다.

도 8 (b)는 도 8 (a)의 초소형 로봇에서 크기와 초소형 로봇을 분해하기 위해 필요한 사이에도 선형적인 관계가 있음을 나타낸 것으로, 이 결과로부터 초소형 로봇의 와 종횡비의 변화에 따라 초소형 로봇을 분해하기 위해 필요한 외부자기장의 세기를 선형적으로 예측할 수 있음을 알 수 있다.

도 8 (c)는 도 8 (a)의 초소형 로봇에서 모듈의 개수 변화에 따라 달라지는 의 값을 보여주는 것으로, 초소형 로봇의 모듈 개수가 많고 종횡비가 작을수록 초소형 로봇을 분해하기 위해서는 더 큰 외부자기장이 필요한 것을 알 수 있으며, 이로부터 모듈 개수가 많아질수록 초소형 로봇의 자기조립 강도가 증가하므로 이를 극복하고 분해 상태로 전환하기 위해 더 강한 외부자기장이 필요한 것을 알 수 있다.

즉, 초소형 로봇의 자기조립 강도가 클수록 초소형 로봇을 분해하기 위해 필요한 외부자기장의 세기도 증가한다. 다만 도 8 (d)와 같이 초소형 로봇의 모듈 개수가 증가할수록 이들의 상대적인 비()는 감소함을 보이는데, 이를 통해 초소형 로봇의 모듈 개수를 늘릴수록 초소형 로봇을 분해하기 위한 외부자기장의 세기의 증가율보다 초소형 로봇의 자기조립 강도의 증가율이 더 큰 것을 알 수 있다.

초소형 로봇의 종횡비는 이러한 경향성에 거의 영향을 끼치지 않는 것으로 나타났으나 초소형 로봇의 모듈 개수가 증가할수록 핀 조인트의 개수와 사용되는 자석의 수가 늘어나므로 초소형 로봇의 구조가 복잡해지고 무거워질 수 있을 뿐만 아니라 또 8 (a)로부터 초소형 로봇의 모듈 개수가 증가하여도 초소형 로봇의 네트 마그네트 모먼트의 크기는 수렴하므로 외부자기장에 의한 구동력의 크기 또한 더 이상 증가하지 않는다. 그러므로 초소형 로봇의 허용되는 침습 범위, 목적 기능, 그리고 외부자기장발생장치(MNS)가 생성 가능한 최대 자기장의 세기를 고려하여 초소형 로봇의 적절한 모듈 개수와 종횡비를 선정할 필요가 있다.

한편, 분해 상태의 초소형 로봇에 작용하는 외부자기장을 점차적으로 감소시키면 초소형 로봇은 재조립될 수 있으나, 분해 상태의 초소형 로봇은 자기조립된 초소형 로봇보다 더 높은 자기에너지를 가지므로 보다 더 약한 외부자기장에 대해서도 양의 자기에너지를 가질 수 있어 비교적 분해 상태를 유지하기가 쉽다. 즉, 분해 상태의 초소형 로봇이 자기조립 상태로 재조립되기 시작하는 외부자기장의 임계값은 그 반대과정의 임계값() 보다 더 작다. 이 임계값을 라 한다. 다만 초소형 로봇은 재조립되는 과정에서 자기에너지의 변화가 각 모듈 간의 자세 변화에 민감하게 영향을 받으므로 은 실험적으로 측정하여 구할 수 있으며, 이와 같은 결과들로부터 외부자기장의 도움없이 자기조립할 수 있으면서도 외부자기장에 의해 자기조립 또는 분해 상태를 전환할 수 있는 적절한 구조의 초소형 로봇과 이를 구동할 수 있는 외부자기장의 조건을 수립할 수 있다.

초소형 로봇은 조립 또는 분해 상태 모두에서 유효한 자기모멘트(, )를 가지므로 외부자기장에 영향을 받으며, 외부자기장에 의해 임의의 자기모멘트(m) 가 받는 자기토크와 자기력은 다음의 수식 8과 9과 같이 나타낼 수 있다.

수식 8:

수식 9:

수식 8로부터 자기장의 세기와 방향을 이용하여 초소형 로봇의 정렬 방향(회전 운동)을 조절할 수 있으나, 초소형 로봇의 각 모듈의 자기모멘트는 서로 다른 방향으로 정렬되므로 외부자기장의 경사도(magnetic gradient)가 존재하면 초소형 로봇의 각 모듈은 수식 9에 의해 서로 다른 방향으로 자기력을 받게 되어 초소형 로봇의 자세가 변형될 수 있음에 따라 공간 내 균일하게 분포하는 균일 자기장(uniform magnetic field)을 이용함으로써 조립 또는 분해된 상태의 초소형 로봇의 자세의 변형을 최소화하면서도 초소형 로봇의 다양한 회전 운동을 발생시킬 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 자기조립식 초소형 로봇이 텀블 운동(tumbling motion)하기 위한 조건과, 크롤링 운동(초소형 로봇ling motion)하기 위한 조건을 도시한 것이다.

도 9 (a)에 도시한 바와 같이 바닥 마찰()이 존재하고, 만큼 기울어진 평면 위에 놓인 자기조립 상태의 초소형 로봇에 작용하는 자기장이 균일하고, 그 세기와 작용 방향이 각각 이라 하면 초소형 로봇이 중력을 극복하고 회전하기 위한 조건식은 다음의 수식 10으로 표현 가능하다.

수식 10 :

여기서, 는 각각 초소형 로봇과 지면의 접점을 기준으로 한 초소형 로봇의 모멘트, 초소형 로봇의 질량, 중력가속도, 기준좌표계의 x축에서 초소형 로봇의 기울어진 각도, 자기조립된 초소형 로봇의 유효회전반경을 의미한다.

초소형 로봇이 완전 원운동을 하는 경우 은 와 같고, 위 식에서는 초소형 로봇의 축방향 두께가 초소형 로봇의 직경에 비해 상대적으로 작으며 바닥 마찰 효과가 충분하다고 가정하였다.

한편, 초소형 로봇은 운동 중에도 자기조립 상태는 유지하여야 하므로 초소형 로봇에 작용하는 자기토크의 최대값을 고려하여 다음의 수식 11과 같이 초소형 로봇이 자기조립 상태를 유지하며 회전 운동을 생성하기 위한 자기장의 조건을 정리할 수 있다.

수식 11 :

여기서, 는 분해된 상태의 초소형 로봇을 유효회전반경()을 갖고 회전시키기 위해 요구되는 외부자기장의 최소 세기를 의미한다.

수식 11은 미끄러짐 효과, 유체 저항, 바닥과의 접착 효과 등 초소형 로봇을 일으켜 세우는데 방해가 되는 요소가 없다고 가정하였고, 도 9 (b)와 같이 초소형 로봇의 회전 운동 형태에 따라 은 그 크기가 달라질 수 있으며, 분해된 상태의 초소형 로봇을 회전 운동시키기 위한 자기장의 조건은 다음의 수식 12와 같이 나타낼 수 있다.

수식 12:

여기서, 는 분해된 상태의 초소형 로봇을 유효회전반경 을 갖고 회전시키기 위해 요구되는 외부자기장의 최소 세기를 의미하는 것으로서 초소형 로봇의 구동 조건에 따라 그 값은 달라질 수 있다.

도 10 (a) 및 다음의 수식 13과 같이 표현되는 PMF(precession magnetic field)은 균일 자기장이 임의의 회전축을 중심으로 일정한 세차 각도()를 갖고 콘(cone)의 형태로 반복적으로 회전하는 자기장을 일컫는다.

수식 13 :

여기서, 는 각각 PMF의 각속도, 초소형 로봇의 회전운동 축방향의 단위 벡터, N에 수직인 단위 벡터이다. PMF를 이용함으로써 도 9 (b)와 같이 초소형 로봇의 머리 모듈과 꼬리 모듈이 순차적으로 바닥면을 접촉하며 전진 운동하는 crawling 운동을 만들 수 있다.

도 10 (b)의 회전자기장(RMF, rotating magnetic field)은 PMF가 인 특수한 경우에 해당하며 RMF를 이용하여 도 9 (a)와 같이 초소형 로봇의 tumbling 운동(순수 회전 운동)을 만들 수 있고, 이에 따라 PMF의 자기장의 세기, 방향, 회전 속도 등을 적절히 조절함으로써 초소형 로봇의 자기조립 및 분해 상태, 이동 방향 및 이동 속도를 제어할 수 있으며, 이러한 능력을 기초로 하여 초소형 로봇의 다양한(multi-modal) 운동 구현이 가능하다.

예를 들어, 초소형 로봇은 인체 내부와 같은 복잡한 환경에 의료용 주사기 방식으로 최소침습적으로 삽입된 후 목표 위치로 이동할 수 있고, 자기조립 능력을 활용해 체내 목표물을 포획하는 동작을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 초소형 로봇은 목표물을 탑재한 채로 장애물을 극복하며 이동한 후 분해 동작으로 목표물을 전달한 다음 체외로 최소침습적으로 회수되는 동작을 구현할 수 있다.

한편 복잡한 외란이 작용하는 환경에서 구동되는 초소형 로봇은 물리적인 운동 과정에서 자기조립 또는 분해 자세가 변형될 수 있고, 유체 저항, 관성 및 바닥 마찰 효과 등으로 인해 자기장의 변화 속도를 따라가지 못하는 스탭-아웃(step-out) 현상이 발생할 수 있음에 따라 초소형 로봇이 충분한 세기의 자기조립 강도를 갖고 준평형상태(quasi-static state)로 운동할 수 있도록 초소형 로봇의 운동 속도(외부자기장의 회전 속도)를 비교적 느린 속도로 조절하는 것이 필요하다.

1: 초소형 로봇
10: 로봇모듈
11: 모듈본체
11s: 경사접촉부 11a: 호형결합홈부
11b: 호형결합돌출부 11c: 직선지지턱부
11d: 지지턱부
12: 자성체
20: 카고 고정홈

Claims (6)

1. 다수의 로봇모듈(10)이 조립되어 구성되는 초소형 로봇(1)에 있어서,
   상기 로봇모듈(10)은 이웃하는 것과 조립되는 일측 단부에는 호형결합홈부(11a)가 형성되고, 타측 단부에는 상기 호형결합홈부와 결합되는 호형결합돌출부(11b)가 형성된 모듈본체(11)와;
   상기 모듈본체(11)의 내부에 매설되어 이웃하는 모듈에 설치된 것과 상호 작용하여 조립된 초소형 로봇이 규칙적인 직선형상, 원호형상 또는 다각형의 형상을 이루게 하는 자성체(12)를 포함하고,
   상기 초소형 로봇(1)은 상기 로봇모듈(10)이 적어도 상기 호형결합홈부(11a)와 호형결합돌출부(11b)가 서로 접촉 지지되어 다수개로 연결되는 것을 특징으로 하는 자기조립식 초소형 로봇.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 로봇모듈(10)은 초소형 로봇이 원호형상이나 다각형 형상으로 변형되었을 때 안쪽을 향한 벽에 서로 접촉되어 지지하는 경사접촉부(11s)가 형성된 것을 특징으로 하는 자기조립식 초소형 로봇.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 호형결합돌출부(11b)의 바깥쪽 단부와 호형결합홈부(11a)의 안쪽에는 각각 지지턱부(11d)가 더 형성된 것을 특징으로 하는 자기조립식 초소형 로봇.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 초소형 로봇(1)은 상기 자성체(12) 간에 발생되는 자기력이나 외부자기장에 의해 원호 또는 다각형 형상으로 결합되거나, 체인형상으로 분리되는 것을 특징으로 하는 자기조립식 초소형 로봇.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 초소형 로봇(1)은 다수의 로봇모듈(10)에 의해 체인형상으로부터 다각형 또는 원호형상으로 변형될 수 있어, 외부자기장에 의해 다각형 또는 원호형상으로 변형될 때 중앙에 카고 고정홈(20)이 형성되며,
   상기 카고 고정홈(20)을 통해 카고의 외부를 파지할 수 있도록 하여 카고를 특정한 목표지점까지 이동시킬 수 있게 한 것을 특징으로 하는 자기조립식 초소형 로봇.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 초소형 로봇(1)은 다수의 로봇모듈(10)에 의해 체인형상으로 배열되었을 때 양단에 각각 배열된 머리, 꼬리 부분을 구성하는 로봇모듈(10)의 자성체(12)의 세기가 중간에 설치된 로봇모듈(10)에 설치된 자성채(12)의 세기보다 상대적으로 약한 세기를 갖는 것을 특징으로 하는 자기조립식 초소형 로봇.