KR20050104023A

KR20050104023A - Micro robot using linear actuator

Info

Publication number: KR20050104023A
Application number: KR1020040029178A
Authority: KR
Inventors: 김병규; 류재욱; 박종오; 윤석진
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2005-11-02
Also published as: KR100618120B1

Abstract

본 발명은 인체내에서 사용 가능한 이동형 마이크로로봇으로서, 전방 몸체와 후방 몸체를 포함하는 내부가 빈 중공형 프레임과, 상기 전방 몸체와 후방 몸체 사이에 위치하는 선형 왕복운동 액츄에이터와, 상기 액츄에이터의 동작을 제어하는 컨트롤시스템과, 상기 액츄에이터에 구동력을 인가하는 전원공급장치와, 마찰을 증가시켜 미끄러짐을 방지하는 클램퍼를 포함하여 구성되는 선형 액츄에이터를 이용한 마이크로로봇을 제공한다.The present invention provides a movable microrobot that can be used in a human body, the hollow hollow frame including a front body and a rear body, a linear reciprocating actuator positioned between the front body and the rear body, and the operation of the actuator. It provides a micro robot using a linear actuator comprising a control system for controlling, a power supply for applying a driving force to the actuator, and a clamper to increase the friction to prevent slipping.

Description

Micro Robot Using Linear Actuator {MICRO ROBOT USING LINEAR ACTUATOR}

본 발명은 선형 액츄에이터 이용한 마이크로로봇에 관한 것으로, 내부가 빈 중공형 몸체 내부에 선형적으로 동작하는 액츄에이터를 구비하여 인체 내부의 미끄럽고 평탄하지 않은 환경에서도 이동이 용이한 새로운 이동메카니즘을 갖는 마이크로로봇에 관한 것이다.The present invention relates to a micro-robot using a linear actuator, the micro-robot having a new moving mechanism that is easy to move even in a slippery and unstable environment inside the human body by having a linear actuator inside the hollow hollow body It is about.

점점 복잡해지고 다양화 되어 가는 질병의 보다 정확한 진단을 위해서는 내시경 진료가 필수적이다. 그러나 기존의 내시경은 크기가 크고 이를 이용한 치료 또한 쉽지 않으며, 내시경 진단은 환자에게 거부감과 불쾌감을 느끼게 한다. 이로 인하여 크기가 보다 작고, 기존의 내시경의 기능을 똑같이 수행할 수 있으며, 인체 장기내의 연동 운동에 의존하여 수동적으로 이동하는 것이 아닌 능동적 이동형 내시경 로봇의 개발이 절실하다. Endoscopy is essential for more accurate diagnosis of increasingly complex and diversified diseases. However, conventional endoscopes are large in size and difficult to treat using them, and endoscopy makes patients feel rejected and uncomfortable. Because of this, the size is smaller, the function of the existing endoscope can be performed in the same way, and active movement endoscope robot is urgently needed instead of passive movement depending on the peristalsis movement in the human organs.

능동형 내시경은 기존의 내시경으로는 불가능한 자율, 능동형 이동 메커니즘과, 또한 의사가 환자의 몸 밖에서 환자의 몸 상태를 관찰할 수 있도록 내시경로봇의 몸체에 카메라와 배터리 그리고 그 밖의 각종 센서가 부착될 수 있어야 한다. 이를 위해서는 내부가 빈 중공형의 로봇이 필요하며, 중공형의 형태를 유지하기 위해서는 또한 간단한 형태의 새로운 액츄에이터가 필요하다. 또한, 인체의 장과 같이 유연하며 그 직경이 균일하지 않은 관 내부에서 자유로이 이동할 수 있는 새로운 이동 메커니즘이 필요하다. Active endoscopes must be equipped with autonomous, active movement mechanisms that are impossible with conventional endoscopes, and a camera, battery, and other sensors can be attached to the body of the endoscope robot so that the doctor can observe the patient's condition outside the patient's body. do. This requires a hollow robot with a hollow interior, and a new actuator in a simple form to maintain the hollow shape. In addition, there is a need for a new moving mechanism that can move freely inside a tube that is flexible and inhomogeneous, such as the human intestine.

따라서, 본 발명의 목적은 중공형 내시경(Hollow type endoscope)으로 이용될 수 있는 이동형 로봇(Locomotive robot)을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a locomotive robot that can be used as a hollow type endoscope.

또한, 본 발명의 목적은 인체 내부와 같이 평탄하지 않고 미끄러운 환경에서도 이동이 용이한 마이크로로봇을 제공하는데 있다.It is also an object of the present invention to provide a microrobot that is easy to move even in a non-flat and slippery environment such as the inside of a human body.

뿐만 아니라, 본 발명의 목적은 구조가 간단하고, 제작 및 활용이 용이한 새로운 마이크로로봇을 제공하는데 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a new microrobot with a simple structure, easy to manufacture and use.

기타, 본 발명의 다른 목적 및 특징은 이하의 상세한 설명에서 명확히 나타날 것이다.Other objects and features of the present invention will become apparent from the following detailed description.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전방 몸체와 후방 몸체를 포함하는 내부가 빈 중공형 프레임과, 상기 전방 몸체와 후방 몸체 사이에 위치하는 선형 왕복운동 액츄에이터와, 상기 액츄에이터의 동작을 제어하는 컨트롤시스템과, 상기 액츄에이터에 구동력을 인가하는 전원공급장치와, 마찰을 증가시켜 미끄러짐을 방지하는 클램퍼를 포함하여 구성되는 선형 액츄에이터를 이용한 마이크로로봇을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a hollow hollow frame including a front body and a rear body, a linear reciprocating actuator positioned between the front body and the rear body, and a control for controlling the operation of the actuator. Provided is a microrobot using a linear actuator including a system, a power supply for applying a driving force to the actuator, and a clamper for increasing friction to prevent slippage.

상기 액츄에이터는 스프링 형태의 형상기억합금 액츄에이터 또는 압전 선형 액츄에이터를 사용하여 선형적인 왕복운동에 의하여 상기 프레임을 반복적으로 일방향 또는 양방향으로 이동시킨다. 형상기억합금 액츄에이터의 경우 외부의 제어신호에 따라 전류가 인가되어 저항에 의한 열이 발생되면 온도 변화로 인한 형상 변화, 예를 들어 스프링의 신장 또는 수축이 발생된다. 이러한 변형을 통해 선형적인 운동을 유발할 수 있다. 한편, 압전 액츄에이터는 전기적 신호에 따른 변위를 발생시킴으로써 선형적인 운동을 유발할 수 있다. The actuator repeatedly moves the frame in one or two directions by linear reciprocating motion using a spring-shaped shape memory alloy actuator or a piezoelectric linear actuator. In the case of the shape memory alloy actuator, when a current is applied according to an external control signal to generate heat due to a resistance, a shape change due to a temperature change, for example, extension or contraction of a spring occurs. This deformation can lead to linear motion. On the other hand, the piezoelectric actuator may cause a linear motion by generating a displacement in accordance with the electrical signal.

상기 액츄에이터가 스프링 형태의 형상기억합금인 경우, 상기 형상기억합금의 변형에 대하여 반대적인 변형력(deformation force)을 제공하는 바이어스(bias) 스프링을 포함한다. If the actuator is a shape memory alloy in the form of a spring, it comprises a bias spring that provides a deformation force opposite to the deformation of the shape memory alloy.

상기 바이어스 스프링은 스프링 형태의 형상기억합금 또는 일반적인 스틸 스프링을 사용할 수 있다. 또한, 탄성력을 가지는 벨로우즈를 사용할 수도 있다. 하나의 형상기억합금 액츄에이터만을 사용하는 경우는 액츄에이터의 제어에 필요한 전력소모가 작은 장점이 있다.The bias spring may use a spring-shaped shape memory alloy or a general steel spring. It is also possible to use a bellows having elastic force. When only one shape memory alloy actuator is used, the power consumption required for controlling the actuator is small.

본 발명의 마이크로로봇은 표면에 적어도 하나의 클램퍼를 구비하여 이동 방향을 하나의 방향으로만 제어할 수 있다. 상기 클램퍼로는 바늘 형태의 마이크로 훅이 바람직하다. The microrobot of the present invention is provided with at least one clamper on the surface to control the movement direction in only one direction. The clamper is preferably a micro hook in the form of a needle.

상기 컨트롤시스템은 액츄에이터의 구동을 전기적으로 제어하는 원격 시스템이 바람직하며, 인체 내부에서 마이크로로봇이 이동하는 것을 제어할 수 있도록 무선시스템인 것이 바람직하다. 한편 전원공급장치도 무선으로 전력을 공급할 수 있는 장치가 바람직하며, 일예로서 마이크로 배터리를 사용할 수 있을 것이다. The control system is preferably a remote system that electrically controls the driving of the actuator, and preferably a wireless system to control the movement of the microrobot within the human body. On the other hand, the power supply is also preferably a device that can supply power wirelessly, as an example will be able to use a micro battery.

상기 프레임은 내부가 비어 있어 내부에 송수신 장치, 무선 카메라, LED, 가속도 센서, 힘 센서, 가속도 센서, 온도 센서, Ph 센서 등의 부가 장치를 포함하기 용이하고, 전체적인 구성이 간단하여 제작 및 이용이 매우 편리하다.Since the frame is empty, it is easy to include additional devices such as a transceiver, a wireless camera, an LED, an acceleration sensor, a force sensor, an acceleration sensor, a temperature sensor, a Ph sensor, etc., and the overall structure is simple to manufacture and use. Very convenient.

이하에서는 도면을 참조하며 구체적인 실시예를 통하여 본 발명에 따른 마이크로로봇의 구조 및 이동메카니즘을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the structure and the moving mechanism of the microrobot according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로로봇의 모식도를 보여준다. 본 실시예에서는 양방향성(two-way)을 가지는 스프링(spring) 형태의 형상기억합금(Shape Memory Alloy : SMA) 액츄에이터(7)를 이용하였다. 몸체(1)는 캡슐 내시경에 적합하도록 원통형으로 되어 있으며, 부피를 최소화시키도록 몸통에 방사상으로 이동편(3)이 가이드 레일(2) 상에 위치해 있다. 가이드 레일(2)은 이동편(3)이 앞쪽 또는 뒤쪽으로 움직일 때 가이드의 역할을 해준다. 1 shows a schematic diagram of a microrobot according to a first embodiment of the present invention. In this embodiment, a shape memory alloy (SMA) actuator 7 having a spring shape having a two-way is used. The body 1 is cylindrical to fit the capsule endoscope, and the moving piece 3 is located on the guide rail 2 radially to the body to minimize the volume. The guide rail 2 serves as a guide when the moving piece 3 moves forward or backward.

마이크로로봇이 양방향으로 이동할 수 있도록 스프링 형태의 형상기억합금 액츄에이터(7)는 전방과 후방에 각각 하나씩 두 개의 액츄에이터가 한 쌍으로 구성되어 있고, 각 액츄에이터의 일단은 공통전극(6)에 다른 일단은 전극(4)에 연결되어 있으며, 이는 상기 이동편(3)을 앞뒤로 이동시키는 구동기의 역할을 한다. 몸체(1)의 가운데 부분은 중공형태로 비어 있는 것을 볼 수 있으며 이는 카메라, 배터리 그리고 센서 등을 부착하는데 필요한 공간이 된다. 식별번호 8은 몸체 내부에 카메라가 장착되었을 경우 전방을 관측할 수 있는 창에 해당한다.The spring-shaped shape memory alloy actuator 7 is composed of two pairs of actuators, one at the front and one at the rear, so that the microrobot can move in both directions, and one end of each actuator is connected to the common electrode 6. It is connected to the electrode 4, which serves as a driver for moving the moving piece 3 back and forth. The center part of the body 1 can be seen to be hollow in a hollow form, which is a space required for attaching a camera, a battery and a sensor. Identification number 8 corresponds to a window for viewing the front when the camera is mounted inside the body.

상기 액츄에이터(7)는, 몸체(1)의 길이 방향으로 스프링 형태의 형상기억합금과 바이어스 스프링이 하나의 모듈로 구성되어 있으며, 도 1의 실시예에서는 몸체(1)의 외주면을 따라 다수의 모듈(90°마다 하나의 모듈씩 총 4개의 모듈)이 포함되어 있다. 이와 같이 다수의 모듈로 구성되는 액츄에이터는, 전체의 모듈을 동시에 제어하여 하나의 이동 사이클을 이루는 것 보다, 각 모듈을 순차적으로 제어되어 하나의 이동 사이클을 이루는 것이 바람직하며, 실험에 의하여 이동효율이 (4개의 모듈을 순차적으로 제어하였을 때) 4배 향상되는 것을 확인하였다.The actuator 7 includes a spring-shaped shape memory alloy and a bias spring as one module in the longitudinal direction of the body 1, and in the embodiment of FIG. 1, a plurality of modules along the outer circumferential surface of the body 1. (Four modules, one module every 90 °). As described above, an actuator composed of a plurality of modules preferably controls each module sequentially to form one movement cycle rather than simultaneously controlling all the modules to form one movement cycle. It was confirmed that the improvement was four times (when four modules were sequentially controlled).

도 2a 내지 2d는 상기 제1실시예에 따른 마이크로로봇의 이동메카니즘을 도식적으로 나타낸 것이다. 도 2a는 액츄에이터(7a, 7b)에 아무런 신장 및 수축 작용이 없는 상태를 보여주고 있다. 이 상태에서 컨트롤시스템(미도시)의 제어 신호에 의하여 전방 액츄에이터(7a)가 수축하고 후방 액츄에이터(7b)가 신장되면 이동편(6)은 도 2b에 도시된 바와 같이 앞쪽으로 이동한다. 이동편(6) 하부면의 클램퍼(9)는 마이크로 훅을 사용하였으며, 후방으로 경사진 형태를 취하고 있어 이동편(6)이 전방으로 이동할 때 상대적으로 접촉면과의 마찰이 낮아 이동편(6)의 전방 진행이 원활하게 된다. 이동편(6)의 전방으로 이동된 후, 컨트롤시스템의 제어 신호에 의하여 전방 액츄에이터(7a) 및 후방 액츄에이터(7b)가 원래의 길이로 복원되면 이동편(6)이 후방으로 이동하려는 힘이 상기 클램퍼(9)와 바닥면의 마찰에 의하여 억제되어 상대적으로 몸체(1)가 도 2c에 도시된 바와 같이 전방으로 이동하게 된다. 그 다음, 컨트롤시스의 제어 신호에 의하여 전방 액츄에이터(7a)가 신장하고 후방 액츄에이터(7b)가 수축되면(도 2d), 이동편(6)은 후방으로 힘을 받게 되지만 이 경우에도 상기 클램퍼(9)와 바닥면의 마찰에 의하여 억제되어 상대적으로 몸체(1)가 전방으로 이동하게 된다. 이러한 동작을 반복하여 몸체(1)는 마치 지렁이가 기어가듯이 앞으로 이동할 수 있게 된다. 본 실시예에서 하나의 액츄에이터는 이동을 위한 운동력을 제공하며, 다른 하나의 액츄에이터는 상기 운동력에 반대되는 복원력을 제공하게 된다.2A to 2D schematically show the moving mechanism of the microrobot according to the first embodiment. 2A shows a state in which the actuators 7a and 7b have no stretching and contracting action. In this state, when the front actuator 7a is contracted by the control signal of the control system (not shown) and the rear actuator 7b is extended, the movable piece 6 moves forward as shown in FIG. 2B. The clamper 9 of the lower surface of the moving piece 6 uses a micro hook, and has a form inclined to the rear, so that the moving piece 6 has a relatively low friction with the contact surface when the moving piece 6 moves forward. Forward progression is smooth. After moving to the front of the moving piece 6, when the front actuator 7a and the rear actuator 7b are restored to their original length by the control signal of the control system, the force to move the moving piece 6 backward is Suppressed by friction between the clamper 9 and the bottom surface, the body 1 is moved forward as shown in FIG. 2C. Then, when the front actuator 7a is extended and the rear actuator 7b is retracted (FIG. 2d) by the control signal of the control sheath, the movable piece 6 is forced to the rear but in this case also the clamper 9 ) Is restrained by friction between the bottom surface and the body 1 is moved forward. By repeating this operation, the body 1 can move forward as if the earthworm crawls. In this embodiment, one actuator provides an exercise force for movement, and the other actuator provides a restoring force opposite to the exercise force.

도 2a 내지 2d에 도시된 이동메카니즘에서는 두 개의 스프링형 형상기억합금 액츄에이터를 사용한 경우에 대한 실시예를 도시하였다. 그러나, 두 액츄에이터의 어느 하나를 일반적인 스틸 스프링으로 대치하고, 나머지 하나를 형상기억합금 액츄에이터를 사용하는 실시예도 가능하다. 이러한 실시예에서 형상기억합금 액츄에이터는 신장과 수축에 따른 운동력을 제공하고, 스틸 스프링은 상기 운동력에 반대되는 복원력을 제공하는 역할을 하게 된다. 이 경우, 하나의 형상기억합금 액츄에이터만을 제어하여 신장과 수축이 반복되도록 하여 도 2a 내지 2d에 도시된 바와 같은 이동메카니즘에 따라 몸체를 전방으로 이동시킬 수 있다. In the moving mechanism shown in FIGS. 2A to 2D, an example of the case of using two spring-type shape memory alloy actuators is illustrated. However, embodiments in which one of the two actuators is replaced with a general steel spring and the other uses a shape memory alloy actuator are also possible. In this embodiment, the shape memory alloy actuator provides the movement force according to the stretching and contraction, and the steel spring serves to provide a restoring force opposite to the movement force. In this case, only one shape memory alloy actuator is controlled so that the elongation and contraction may be repeated to move the body forward according to the movement mechanism as shown in FIGS. 2A to 2D.

본 발명에 따른 마이크로로봇의 큰 특징중의 하나는 몸체 표면에 바닥면과 마찰을 유발할 뿐만 아니라 몸체의 이동을 일방향으로만 유도할 수 있는 클램퍼를 구비한다는 것이다. 이와 같은 클램퍼는 지렁이의 몸통에 형성되어있는 각모(setae)와 유사한 역할을 하는데, 그 형태를 한쪽으로 경사진 바늘 모양으로 구성되도록 하여 일방향으로의 이동은 원활하고 반대 방향으로 이동시에는 마찰이 커지게 하는 것이 바람직하다. 도 3은 클램퍼의 일예를 도시한 것으로 도 1의 실시예에서 이동편(13)의 표면에 하나 이상의 클램퍼(14)가 형성된 것을 보여주고 있다. 이러한 클램퍼는 마이크로 훅의 형태를 지니며 모두 일방향으로 경사져 있는 것을 볼 수 있다. 따라서, 한쪽 방향으로는 마찰력을 증대 시키고 반대 방향으로는 마찰력을 현저히 감소시키며, 그 크기가 매우 미세하여 유연하고 미끄러운 인체 환경에서의 이동에 적합하다. 마이크로 훅의 직경은 대략 수십 ~ 수백 ㎛의 크기를 갖도록 하여 인체 장기에 손상과 고통을 거의 주지 않도록 하는 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 직경이 약 180㎛인 바늘 모양의 마이크로 훅을 사용하였다. One of the great features of the microrobot according to the present invention is that the body surface has a clamper which not only causes friction with the bottom surface but also induces the movement of the body in only one direction. This clamper plays a role similar to the setae formed in the body of the earthworm, and its shape is composed of a needle shape inclined to one side so that movement in one direction is smooth and friction is increased when moving in the opposite direction. It is desirable to. 3 shows an example of a clamper, which shows that at least one clamper 14 is formed on the surface of the moving piece 13 in the embodiment of FIG. 1. These clampers take the form of micro hooks and can be seen to be inclined in one direction. Therefore, the frictional force is increased in one direction and the frictional force is significantly reduced in the opposite direction, and its size is very fine, which is suitable for movement in a flexible and slippery human environment. The diameter of the micro hook is preferably about tens to hundreds of micrometers, so that damage and pain to the human organs are hardly caused. In this embodiment, a needle-shaped micro hook having a diameter of about 180 μm was used.

한편, 본 발명에서는 클램퍼의 또 다른 예로서 전기적인 자극을 받으면 인체내의 내피 표면에 대하여 접착성을 갖는 물질을 사용할 수도 있다. 이러한 물질을 클램퍼로 사용하게 되면, 몸체의 앞부분 및 뒷부분의 표면에 각각 클램퍼 물질을 부착하고, 각각 별도의 전기적 제어에 의하여 접착력을 부여함으로써 마이크로로봇의 일방향 또는 양방향 운동을 제어할 수 있게 된다. 예를 들어, 전방 클램퍼에 전계를 가하여 (인체내의) 바닥면에 부착되도록 한 채로 후방 몸체를 이동시키고, 반대로 후방 클램퍼에 전계를 가하여 바닥면에 부착시키고 전방 클램퍼의 접착은 해소되도록 한 채로 전방 몸체를 이동시킬 수 있다. Meanwhile, in the present invention, as another example of the clamper, a material having adhesion to an endothelial surface in the human body may be used when subjected to electrical stimulation. When such a material is used as a clamper, it is possible to control the unidirectional or bidirectional movement of the microrobot by attaching the clamper material to the front and rear surfaces of the body, respectively, and giving adhesive force by separate electrical controls. For example, the front body is moved with an electric field applied to the front clamper so that it is attached to the bottom surface (in the human body), whereas the front body is applied with an electric field to the rear clamper to attach it to the floor surface and the front clamper is released. Can be moved.

다음으로 도 4a 내지 4e에는 본 발명의 제2실시예에 따른 마이크로로봇의 이동메카니즘을 도식적으로 나타내었다. 본 실시예에서는 운동력을 발생시키기 위하여 하나의 스프링형 형상기억합금 액츄에이터(7)만을 사용하고, 복원력을 발생시키기 위한 수단으로 원통형 벨로우즈(10)를 사용하였다. 상기 벨로우즈(10)는 프레임의 전방 몸체(1a)와 후방 몸체(1b) 사이에 위치하며, 그 내부에는 스프링형 형상기억합금 액츄에이터(7)가 위치한다. 상기 벨로우즈는 일정한 스프링력(spring rate)을 갖도록 탄성을 가진 물질로 형성되는 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 실리콘 벨로우즈를 사용하였으나 기타 물질도 사용하다. 전방 몸체(1a)와 후방 몸체(1b) 표면에는 각각 클램퍼로서 마이크로 훅(9a, 9b)이 장착되어 있는 것을 볼 수 있다. 앞서의 실시예와 마찬가지로 상기 마이크로 훅(9a, 9b)은 일방향으로 경사져 있는 것을 볼 수 있다. Next, FIGS. 4A to 4E schematically show the moving mechanism of the microrobot according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, only one spring-shaped shape memory alloy actuator 7 is used to generate the kinetic force, and a cylindrical bellows 10 is used as a means for generating the restoring force. The bellows 10 is located between the front body 1a and the rear body 1b of the frame, and a spring-shaped memory alloy actuator 7 is located therein. The bellows is preferably formed of a material having elasticity to have a constant spring rate. In this embodiment, silicon bellows is used, but other materials are also used. It can be seen that the micro hooks 9a and 9b are mounted on the front body 1a and the rear body 1b surfaces as clampers, respectively. Like the previous embodiment, it can be seen that the micro hooks 9a and 9b are inclined in one direction.

상기 제2실시예에 따른 마이크로로봇의 이동메카니즘을 살펴보면 다음과 같다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 최초 상태에서는 스프링형 형상기억합금 액츄에이터(7)에 아무런 신호도 인가되지 않아 벨로우즈(10)에도 상대적인 복원력이 발생되지 않는다. 스프링형 형상기억합금 액츄에이터(7)에 제어신호가 인가되어 수축되면 마이크로 훅(9a, 9b)이 바닥면과 접촉하여 발생되는 마찰력에 의하여 전방 몸체(1a)는 움직이지 않고 그대로 있으나 후방 몸체(1b)는 앞으로 이동하게 된다(도 4b). 이때, 상기 벨로우즈는 탄성력에 의하여 스프링형 형상기억합금 액츄에이터(7)의 수축 방향과 반대되는 복원력이 발생하게 된다. 따라서, 도 4c에 도시된 바와 같이 원래의 형태대로 복원되는데, 이 경우 마이크로 훅(9a, 9b)이 바닥면과 접촉하여 발생되는 마찰력에 의하여 후방 몸체(1b)는 움직이지 않고 그대로 있으나 전방 몸체(1a)는 앞으로 이동하게 된다. 이와 같은 동작이 반복되어 도 4d 및 4e에 도시된 바와 같이 몸체(1a, 1b)가 전방으로 이동 가능하게 된다. Looking at the movement mechanism of the micro robot according to the second embodiment as follows. As shown in FIG. 4A, in the initial state, no signal is applied to the spring-shaped shape memory alloy actuator 7 so that the relative restoring force is not generated in the bellows 10. When the control signal is applied to the spring-shaped shape memory alloy actuator 7 and contracted, the front body 1a is not moved by the friction force generated by the micro hooks 9a and 9b in contact with the bottom surface, but the rear body 1b does not move. ) Moves forward (Figure 4b). At this time, the bellows is a restoring force opposite to the contraction direction of the spring-shaped memory alloy actuator 7 by the elastic force. Thus, as shown in Figure 4c is restored to its original form, in this case, the rear body (1b) does not move by the friction force generated by the micro hooks (9a, 9b) in contact with the bottom surface, but the front body ( 1a) moves forward. This operation is repeated so that the bodies 1a and 1b are movable forward as shown in Figs. 4D and 4E.

본 발명은 마이크로로봇의 구동을 위한 선형 액츄에이터로 압전 액츄에이터를 사용할 수도 있다. 도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 압전 선형 액츄에이터의 일예를 모식적으로 도시한 것이다. 그 동작의 원리를 살펴보면, 하부에 위치한 압전 구동기(30)에 일정한 파형의 전압을 인가하여 봉(31) 상에 위치하는 이동편(mobile element)(32)에 임팩트를 가함으로써 상기 이동편을 선형적으로 이동시킨다. The present invention may use a piezoelectric actuator as a linear actuator for driving the microrobot. 5 schematically shows an example of a piezoelectric linear actuator according to a third embodiment of the present invention. Looking at the principle of the operation, by applying a voltage of a constant waveform to the piezoelectric driver 30 located below the impact on the mobile element (32) located on the rod 31 to linearize the moving piece To the enemy.

도 6a 내지 6d는 상기 압전 선형 액츄에이터를 사용한 마이크로로봇의 이동메카니즘을 도식적으로 나타낸 것이다. 최초 멀리 떨어져 있는 이동편(32)(도 6a)을 구동전압을 압전 구동기(30)에 인가함으로써 전단부 방향으로 이동시켜 후방 몸체(1b)를 전방으로 이동시킨다(도 6b). 이 때 전방 몸체(1a)는 표면에 부착된 마이크로 훅(미도시)에 의하여 바닥면과 마찰력이 발생되어 후방으로 이동되지 않는다. 그 다음, 구동전압을 압전 구동기(30)에 인가하여 이동편(32)을 도 6c에서와 같이 후단부로 이동시킨다. 이때 후방 몸체(1b)는 표면에 부착된 마이크로 훅(미도시)에 의하여 바닥면과 마찰력이 발생되어 후방으로 이동되지 않는다. 그 다음, 구동전압을 압전 구동기(30)에 인가하여 상기 이동편(32)을 다시 전단부 방향으로 이동시킴으로써 후방 몸체(1b)를 전방으로 이동시킨다. 이와 같은 4단계의 이동을 반복함으로써 마이크로로봇이 전방으로 계속 이동할 수 있게 된다. 6a to 6d schematically show the moving mechanism of the microrobot using the piezoelectric linear actuator. By applying the driving voltage to the piezoelectric driver 30, the moving piece 32 (FIG. 6A), which is far away first, is moved in the front end direction to move the rear body 1b forward (FIG. 6B). At this time, the front body (1a) is generated by friction force with the bottom surface by a micro hook (not shown) attached to the surface does not move to the rear. Then, the driving voltage is applied to the piezoelectric driver 30 to move the moving piece 32 to the rear end as shown in Fig. 6C. At this time, the rear body 1b is generated by frictional force with the bottom surface by a micro hook (not shown) attached to the surface and is not moved backward. Then, a driving voltage is applied to the piezoelectric driver 30 to move the movable piece 32 back to the front end portion to move the rear body 1b forward. By repeating these four steps, the microrobot can continue to move forward.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 다양한 종류의 관 내 주행을 위한 스마트 캡슐의 구동 메커니즘을 제시하였다. 특히 본 발명의 마이크로로봇은 단단한 관 뿐 아니라 인체의 장과 같은 유연한 관 내부에서도 능동적으로 이동을 할 수 있도록 설계 되어 있으며, 스프링 형태의 형상기억합금 액츄에이터와 압전 선형 액츄에이터를 주 구동장치로 이용하였다. 이는 캡슐형 내시경에 장착될 정도로 크기가 작으며, 구동 메커니즘을 간단히 할 수 있는 장점이 있다. 캡슐형 몸체에 적합하도록 간단한 구조의 액츄에이터를 몸체 표면에 배치하여 부피를 최소화시켰으며, 클램퍼를 사용하여 추진력을 얻도록 하였다. 액추에이터를 모듈(module)로 구성하게 되면 본체와 액츄에이터가 쉽게 분리되어 제작 및 조립이 간편해진다. 배터리를 동력원으로 이용하여 무선으로 인체 내 식도 및 장과 같은 유연한 관 내부에서 능동적으로 정지 및 이동할 수 있으며, 프레임의 내부가 중공형태로 되어 있어, 원격측정장치(telemetry), 무선 카메라(wireless camera), LED 및 각종 센서 (힘 센서, 가속도 센서, 온도 센서, Ph 센서) 등을 부착하여 기능성 캡슐형 내시경으로 활용할 수 있다.As described above, the present invention has proposed a driving mechanism of a smart capsule for driving various types of pipes. In particular, the microrobot of the present invention is designed to be able to actively move within a flexible tube such as a human intestine as well as a rigid tube, and used a spring-shaped shape memory alloy actuator and a piezoelectric linear actuator as main driving devices. It is small enough to be mounted on a capsule endoscope and has the advantage of simplifying the driving mechanism. Actuators with a simple construction were placed on the body surface to minimize the volume and fit with the encapsulated body. When the actuator is configured as a module, the main body and the actuator are easily separated, thereby simplifying manufacturing and assembly. The battery can be used as a power source and can be stopped and moved actively in a flexible tube such as the esophagus and intestine in the human body wirelessly, and the inside of the frame is hollow so that telemetry and wireless camera can be used. It can be used as functional capsule endoscope by attaching LED and various sensors (force sensor, acceleration sensor, temperature sensor, Ph sensor).

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른, 양방향성 스프링 형태의 형상기억합금 액츄에이터를 이용한 마이크로로봇의 구조를 보여주는 모식도.1 is a schematic diagram showing the structure of a microrobot using a shape memory alloy actuator in the form of a bidirectional spring according to a first embodiment of the present invention.

도 2a 내지 2d는 도 1의 마이크로로봇의 이동메카니즘을 보여주는 순서도.2a to 2d are flow charts showing the movement mechanism of the microrobot of FIG.

도 3은 마이크로 훅의 일예를 도시한 모식도.3 is a schematic diagram showing an example of a micro hook.

도 4a 내지 4e는 본 발명의 제2실시예에 따른 마이크로로봇의 이동메카니즘을 보여주는 순서도.4a to 4e are flow charts showing the movement mechanism of the microrobot according to the second embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 압전 선형 액츄에이터의 구조를 보여주는 모식도.5 is a schematic diagram showing the structure of a piezoelectric linear actuator according to a third embodiment of the present invention.

도 6a 내지 6d는 도 5의 마이크로로봇의 이동메카니즘을 보여주는 순서도.6a to 6d are flow charts showing the movement mechanism of the microrobot of FIG.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ****** Explanation of symbols for main parts of drawing ***

1:몸체 2:가이드레일1: Body 2: Guy rail

3:이동편 4:전극3: movement 4: electrode

5:몸통 내부(중공) 6:공통전극5: Inner Body (Hollow) 6: Common Electrode

7:스프링형 액츄에이터 9:클램퍼7: spring type actuator 9: clamper

Claims

A hollow hollow frame including a front body and a rear body,

A linear reciprocating actuator positioned between the front body and the rear body,

A control system for controlling the operation of the actuator;

A power supply for applying a driving force to the actuator;

Configured with a clamper that increases friction to prevent slippage

Microrobot using linear actuator.

The microrobot of claim 1, wherein the actuator repeatedly moves the frame in one direction by linear reciprocating motion.

The microrobot of claim 1, wherein the actuator comprises at least one spring-shaped shape memory alloy.

4. The microrobot of claim 3, wherein the actuator comprises a spring-shaped shape memory alloy and a bias spring that provides a deformation force opposite to deformation of the shape memory alloy.

The method of claim 4, wherein the actuator, when the spring-shaped shape memory alloy and the bias spring as one module, is composed of a plurality of modules, each module is sequentially controlled to form a moving cycle Microrobot using linear actuator.

5. The microrobot according to claim 4, wherein the bias spring is a shape memory alloy in the form of a spring.

5. The microrobot of claim 4, wherein the bias spring is a steel spring.

5. The microrobot of claim 4, wherein the bias spring is a bellows.

According to claim 1, wherein the frame is cylindrical and at least one guide rail is formed on the outer peripheral surface of the frame, the clamper is located on the guide rail is a moving piece that is reciprocated in accordance with the linear movement of the actuator A microrobot using a linear actuator.

10. The microrobot of claim 9, wherein the guide rail is formed radially on an outer circumferential surface of the frame.

10. The microrobot according to claim 9, wherein at least one micro hook is attached to a surface of the movable piece.

The microrobot according to claim 1, wherein the clamper is attached to a surface of the frame.

13. The microrobot of claim 12, wherein the clamper is at least one micro hook.

13. The microrobot of claim 12, wherein the clamper is a material having an adhesive force by an electric field.

The microrobot of claim 1, wherein the actuator is a piezoelectric linear actuator.

The microrobot of claim 1, wherein an additional device such as a transceiver, a wireless camera, an LED, an acceleration sensor, a force sensor, an acceleration sensor, a temperature sensor, and a Ph sensor is included in the frame. .