KR20210025951A - 마이크로 로봇 및 이를 포함하는 마이크로 로봇 시스템 - Google Patents

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KR20210025951A
KR20210025951A KR1020190106035A KR20190106035A KR20210025951A KR 20210025951 A KR20210025951 A KR 20210025951A KR 1020190106035 A KR1020190106035 A KR 1020190106035A KR 20190106035 A KR20190106035 A KR 20190106035A KR 20210025951 A KR20210025951 A KR 20210025951A
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장건희
박지민
정은수
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

마이크로 로봇이 개시된다. 마이크로 로봇은 회전축; 상기 회전축에 고정 결합되는 메인 자석; 상기 회전축에 삽입되며, 상기 회전축에 대해 회전 가능한 제1지지 바디; 상기 제1지지 바디에 고정 결합하며, 상기 메인 자석과 상이한 크기의 자기 모멘트를 갖는 제1구동 자석; 및 상기 제1지지 바디의 외주면에 결합하는 복수 개의 제1다리들을 포함한다.

Description

마이크로 로봇 및 이를 포함하는 마이크로 로봇 시스템{Micro robot and micro robot system including the robot}
본 발명은 마이크로 로봇에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 외부 회전 자기장 제어로 이동 가능한 마이크로 로봇 및 이를 포함하는 마이크로 로봇 시스템에 관한 것이다.
혈관 질환의 전통적 치료방법은 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 마이크로 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되었다. 기존에 맥동류에서 구동할 때 혹은 드릴링할 때 등의 안정성을 확보하고 이동성을 향상시키기 위해 마이크로 로봇에 유연한 다리를 추가한 구조가 개발된 바 있으나, 고속으로 회전 시 다리가 혈관 손상을 일으킬 수 있는 문제가 있다.
본 발명은 혈관 내벽의 손상을 최소화할 수 있는 마이크로 로봇을 제공한다.
또한, 본 발명은 드릴링 공정이 안정적으로 수행되어 치료의 정확도를 향상시킬 수 있는 마이크로 로봇을 제공한다.
본 발명에 따른 마이크로 로봇은 회전축; 상기 회전축에 고정 결합되는 메인 자석; 상기 회전축에 삽입되며, 상기 회전축에 대해 회전 가능한 제1지지 바디; 상기 제1지지 바디에 고정 결합하며, 상기 메인 자석과 상이한 크기의 자기 모멘트를 갖는 제1구동 자석; 및 상기 제1지지 바디의 외주면에 결합하는 복수 개의 제1다리들을 포함한다.
또한, 상기 메인 자석은 상기 제1구동 자석보다 큰 자기 모멘트를 가질 수 있다.
또한, 상기 메인 자석을 사이에 두고 상기 제1지지 바디의 타 측에서 상기 회전축에 삽입되며 상기 회전축에 대해 회전 가능한 제2지지 바디; 상기 제2지지 바디에 고정 결합하며, 상기 메인 자석과 상이한 크기의 자기 모멘트를 갖는 제2구동 자석; 및 상기 제2지지 바디의 외주면에 결합하는 복수 개의 제2다리들을 포함할 수 있다.
또한, 상기 메인 자석은 상기 제2구동 자석보다 큰 자기 모멘트를 가질 수 있다.
또한, 상기 제2구동 자석은 상기 제1구동 자석과 동일한 크기의 자기 모멘트를 가질 수 있다.
또한, 상기 메인 자석은 원통형 자석으로, N극과 S극이 상기 회전축을 사이에 두고 마주 배치될 수 있다.
또한, 상기 회전축의 선단에 고정 결합하며, 상기 회전축과 일체로 회전되는 드릴 팁을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 로봇 시스템은 회전축에 메인 자석이 고정 결합되고, 외주면에 복수 개의 다리가 결합된 제1지지 바디가 제1구동 자석과 일체로 결합되어 상기 회전축에 삽입되고, 상기 제1지지 바디 및 상기 제1구동 자석이 상기 회전축에 대해 회전 가능한 마이크로 로봇; 및 상기 마이크로 로봇의 외부에 외부 회전 자기장을 생성하는 자기장 생성부를 포함하되, 상기 메인 자석과 상기 제1구동 자석은 상이한 크기의 자기 모멘트를 가질 수 있다.
또한, 상기 마이크로 로봇은 상기 메인 자석을 사이에 두고 상기 제1지지 바디의 타측에서 상기 회전축에 삽입되며, 서로 일체로 결합되어 상기 회전축에 대해 회전가능한 제2지지 바디와 제2구동 자석을 더 포함하되, 상기 제2구동 자석은 상기 메인 자석과 상이한 크기의 자기 모멘트를 가질 수 있다.
또한, 상기 자기장 생성부는, 상기 메인 자석과 상기 제1구동 자석의 스텝 아웃 주파수보다 작은 주파수를 갖는 외부 회전 자기장을 생성하는 제1모드와, 상기 메인 자석의 스텝 아웃 주파수보다 작고 상기 제1구동 자석의 스텝 아웃 주파수보다 큰 주파수를 갖는 외부 회전 자기장을 생성하는 제2모드를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 제1모드에서 치료부와 구동부가 저속으로 함께 회전하면서 다리에서 발생되는 추진력으로 마이크로 로봇이 이동하고, 제2모드에서 구동부의 회전이 최소화되고 치료부가 고속으로 회전하면서 드릴링 공정을 수행하므로 혈관 내벽의 손상이 최소화될 수 있다.
또한, 제2모드에서 구동부의 다리가 혈관 내벽에 지지되어 치료부의 회전축이 안정적으로 위치한 상태에서 드릴링 공정이 수행되므로 치료의 정확도가 높아질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 로봇 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 마이크로 로봇을 나타내는 단면도이다.
도 3 및 도 4는 외부 회전 자기장의 주파수에 따라 치료부와 구동부의 회전 운동을 보여주는 도면이다.
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.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 로봇 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 마이크로 로봇을 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 마이크로 로봇 시스템(10)은 마이크로 로봇(100)과 자기장 생성부(200)를 포함한다.
마이크로 로봇(100)은 신체 내의 관상 조직, 산업용 배관 등 다양한 유체 환경에서 이동 및 드릴링 공정을 수행할 수 있다. 본 발명에서는 마이크로 로봇(100)이 신체 내의 혈관 치료에 제공되는 것을 예를 들어 설명한다.
자기장 생성부는(200) 마이크로 로봇(100)의 외부에서 외부 회전 자기장을 생성한다. 자기장 생성부(200)는 마이크로 로봇(100)이 삽입된 환자의 외부에서 외부 회전 자기장을 생성한다. 자기장 생성부(200)는 다양한 크기의 주파수로 외부 회전 자기장을 생성할 수 있다.
마이크로 로봇(100)은 치료부(110)와 구동부(150)를 포함한다. 치료부(110)는 드릴링 공정을 수행하고, 구동부(150)는 마이크로 로봇(100)이 이동할 수 있는 추진력을 생성한다.
치료부(110)는 회전축(111), 메인 자석(115), 그리고 드릴 팁(121)을 포함한다.
회전 축(111)은 소정 길이를 갖는 로드 형상으로, 비자성체로 제공된다. 회전 축(111)의 후단에는 걸림턱(112)이 형성된다. 걸림턱(112)은 구동부(150)가 이탈하는 것을 방지한다.
메인 자석(115)은 원통 형상의 자석으로, 내측 공간으로 회전 축(111)이 삽입 고정된다. 메인 자석(115)은 N극과 S극이 회전 축을 사이에 두고 서로 마주 배치된다.
드릴 팁(121)은 회전 축(111)의 전단에 고정 결합한다. 드릴 팁(121)의 외주면에는 드릴링 공정을 위한 나선형 돌기가 형성된다. 드릴 팁(121)은 구동부(150)가 이탈하는 것을 방지한다.
구동부(150)는 제1지지 바디(151), 제1구동자석(155), 제1다리(157), 제2지지 바디(161), 제2구동자석(165), 그리고 제2다리(167)를 포함한다.
제1지지 바디(151)는 원통 형상으로, 내측으로 회전 축(111)이 삽입된다. 제1지지 바디(151)는 메인 자석(115)과 드릴 팁(121) 사이에 위치한다. 제1지지 바디는(151) 회전 축(111)에 대해 상대 회전 가능하다. 제1지지 바디(151)는 비자성체로 제공된다.
제1구동 자석(155)은 제1지지 바디(151)와 동일한 직경을 갖는 원통 형상으로, 제1지지 바디(151)와 일체로 결합한다. 제1구동 자석(155)은 제1지지 바디(151)와 드릴 팁(121) 사이에 위치한다. 제1구동 자석(155)은 제1지지 바디(151)에 의해 메인 자석(115)과의 자기 결합이 차단된다. 제1구동 자석(155)의 내측으로 회전 축(111)이 삽입된다. 제1구동 자석(155)은 제1지지 바디(151)와 일체로 회전 축(111)에 대해 상대 회전 가능하다. 제1구동 자석(1555)은 메인 자석(115)과 상이한 크기의 자기 모멘트를 갖는다. 실시 예에 의하면, 제1구동 자석(155)은 메인 자석(115)보다 작은 크기의 자기 모멘트를 갖는다.
제1다리(157)는 복수 개가 제1지지 바디(151)의 외주면 둘레를 따라 서로 이격하여 배치되며, 일단이 제1지지 바디(151)와 결합한다. 제1다리(157)는 두께가 얇은 사각 판상으로, 유연한 재질로 제공된다. 실시 예에 의하면, 제1다리(157)는 제1지지 바디(151)의 둘레를 따라 3개 제공된다.
제2지지 바디(161)는 원통 형상으로, 내측으로 회전 축(111)이 삽입된다. 제2지지 바디(161)는 메인 자석(115)을 기준으로 제1지지 바디(151)의 반대편에 위치한다. 제2지지 바디(161)는 메인 자석(115)과 걸림 턱(112)의 사이에 위치한다. 제2지지 바디(161)는 제1지지 바디(151)와 동일한 형상 및 재질로 제공될 수 있다.
제2구동 자석(165)은 제2지지 바디(161)와 동일한 직경을 갖는 원통 형상으로, 제2지지 바디(161)와 일체로 결합한다. 제2구동 자석(165)은 제2지지 바디(161)와 걸림 턱(112) 사이에 위치한다. 제2구동 자석(165)은 제2지지 바디(161)에 의해 메인 자석(115)과의 자기 결합이 차단된다. 제2구동 자석(165)의 내측으로 회전 축(111)이 삽입된다. 제2구동 자석(165)은 제2지지 바디(161)와 일체로 회전 축(111)에 대해 상대 회전 가능하다. 제2구동 자석(165)은 메인 자석(115)과 상이한 크기의 자기 모멘트를 갖는다. 제2구동 자석(165)은 메인 자석(115)보다 작은 크기의 자기 모멘트를 갖는다. 제2구동 자석(165)은 제1구동 자석(155)과 동일한 크기의 자기 모멘트를 가질 수 있다.
제2다리(167)는 복수 개가 제2지지 바디(161)의 외주면 둘레를 따라 서로 이격하여 배치되며, 일단이 제2지지 바디(161)와 결합한다. 제2다리(167)는 두께가 얇은 사각 판상으로, 유연한 재질로 제공된다. 실시 예에 의하면, 제2다리(167)은 제2지지 바디(161) 둘레를 따라 3개 제공된다.
이하, 상술한 자기장 생성부(200)를 통한 마이크로 로봇(100)의 동작 과정에 대해 설명한다.
마이크로 로봇(100)의 자석(115, 155, 165)이 외부 자기장 내에서 받는 자기 토크는 다음의 식으로 표현할 수 있다.
Figure pat00001
식 (1)
여기서,
Figure pat00002
는 외부자기장에 의해 자석에 형성되는 자기 토크,
Figure pat00003
은 자석의 자기 모멘트,
Figure pat00004
는 외부자기장의 세기이다. 식 (1)로부터 마이크로 로봇(100)의 회전 운동을 생성하기 위한 외부 회전 자기장은 다음 식 (2)로 표현할 수 있다.
Figure pat00005
식 (2)
여기서
Figure pat00006
는 외부 회전 자기장의 세기,
Figure pat00007
는 외부 회전 자기장의 주파수,
Figure pat00008
는 시간이다.
위의 식 (2)에 따라 외부 회전 자기장을 이용하여 마이크로 로봇(100)의 회전 운동을 생성할 수 있다.
한편, 외부 자기장의 회전 주파수 크기를 증가시키면 마이크로 로봇(100)의 회전 운동이 외부 회전 자기장과 동기화되지 못하는 스텝 아웃(step-out)이 일어난다. 스텝 아웃이 일어나는 주파수는 자석(115, 155, 165)의 자기 모멘트와 비례하므로, 치료부(110)는 상대적으로 큰 자기 모멘트를 갖는 메인 자석(115)으로 인해 큰 스텝 아웃 주파수를 가지고, 구동부(150)는 상대적으로 작은 자기 모멘트를 갖는 구동 자석(155, 165)들로 인해 작은 스텝 아웃 주파수를 가지게 된다. 따라서 외부 회전 자기장의 주파수를 조절하여 구동부(150)의 선택적인 회전 운동을 생성할 수 있다.
상술한 스텝 아웃 주파수는 다음의 식 (3)으로 표현할 수 있다.
Figure pat00009
(3)
여기서
Figure pat00010
는 스텝 아웃 주파수,
Figure pat00011
는 항력 계수로, 표면 마찰, 유체 점도 및 로봇 형상 등에 따라 변한다.
치료부(110)와 구동부(150)는 자기 모멘트의 차이에 따라 서로 다른 크기의 스텝 아웃 주파수를 가진다. 따라서, 자기장 생성부(200)는 외부 회전 자기장의 주파수를 조절하여 치료부(110)와 구동부(150)의 선택적인 회전 운동을 생성할 수 있다.
도 3 및 도 4는 외부 회전 자기장의 주파수에 따라 치료부와 구동부의 회전 운동을 보여주는 도면이다.
먼저 도 3을 참조하면, 자기장 생성부(200)는 메인 자석(115)과 제1 및 제2구동 자석(155, 165)의 스텝 아웃 주파수보다 작은 주파수를 갖는 외부 회전 자기장(201)을 생성하는 제1모드를 포함한다.
자기장 생성부(200)가 메인 자석(115)과 제1 및 제2구동 자석(155, 165)의 스텝 아웃 주파수보다 작은 주파수를 가지는 외부 회전 자기장(201)을 생성하면, 치료부(110)와 구동부(150)가 모두 자기장 방향으로 정렬하며 회전 운동을 형성한다. 구동부(150)의 회전 운동으로, 유연한 다리(157, 167)가 회전하면서 혈관(30) 내에서 추진력을 생성하여 마이크로 로봇(100) 이 이동할 수 있다.
도 4를 참조하면, 자기장 생성부(200)는 메인 자석(115)의 스텝 아웃 주파수보다 작고 제1 및 제2구동 자석(155, 165)의 스텝 아웃 주파수보다 큰 주파수를 갖는 외부 회전 자기장(202)을 생성하는 제2모드를 포함한다.
자기장 생성부(200)가 메인 자석(115)의 스텝 아웃 주파수보다 작고 제1 및 제2구종 자석(155, 165)의 스텝 아웃 주파수 보다 큰 외부 회전 자기장(202)의 주파수를 생성하면, 구동부(150)는 외부 회전 자기장(202)과 동기화되지 못해 회전이 최소화되고, 치료부(110)만 회전 운동이 생성될 수 있다. 치료부(110)의 회전운동으로 드릴 팁(121)은 병변부(31)에 대해 드릴링 공정을 수행한다. 이 때 구동부(150)의 다리(157, 167)가 혈관(30) 내벽을 지지하므로, 드릴 팁(121)의 위치와 회전축(111)이 고정되어 치료의 정확도를 높이고, 혈관(30) 내벽의 손상을 최소화할 수 있다.
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.
100: 마이크로 로봇
110: 치료부
111: 회전축
115: 메인 자석
121: 드릴 팁
150: 구동부
151: 제1지지 바디
155: 제1구동자석
157: 제1다리
161: 제2지지 바디
165: 제2구동자석
167: 제2다리

Claims (10)

  1. 회전축;
    상기 회전축에 고정 결합되는 메인 자석;
    상기 회전축에 삽입되며, 상기 회전축에 대해 회전 가능한 제1지지 바디;
    상기 제1지지 바디에 고정 결합하며, 상기 메인 자석과 상이한 크기의 자기 모멘트를 갖는 제1구동 자석; 및
    상기 제1지지 바디의 외주면에 결합하는 복수 개의 제1다리들을 포함하는 마이크로 로봇.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 자석은 상기 제1구동 자석보다 큰 자기 모멘트를 가지는 마이크로 로봇.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 자석을 사이에 두고 상기 제1지지 바디의 타 측에서 상기 회전축에 삽입되며 상기 회전축에 대해 회전 가능한 제2지지 바디;
    상기 제2지지 바디에 고정 결합하며, 상기 메인 자석과 상이한 크기의 자기 모멘트를 갖는 제2구동 자석; 및
    상기 제2지지 바디의 외주면에 결합하는 복수 개의 제2다리들을 포함하는 마이크로 로봇.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 메인 자석은 상기 제2구동 자석보다 큰 자기 모멘트를 가지는 마이크로 로봇.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2구동 자석은 상기 제1구동 자석과 동일한 크기의 자기 모멘트를 가지는 마이크로 로봇.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 자석은 원통형 자석으로, N극과 S극이 상기 회전축을 사이에 두고 마주 배치되는 마이크로 로봇.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전축의 선단에 고정 결합하며, 상기 회전축과 일체로 회전되는 드릴 팁을 더 포함하는 마이크로 로봇.
  8. 회전축에 메인 자석이 고정 결합되고, 외주면에 복수 개의 다리가 결합된 제1지지 바디가 제1구동 자석과 일체로 결합되어 상기 회전축에 삽입되고, 상기 제1지지 바디 및 상기 제1구동 자석이 상기 회전축에 대해 회전 가능한 마이크로 로봇; 및
    상기 마이크로 로봇의 외부에 외부 회전 자기장을 생성하는 자기장 생성부를 포함하되,
    상기 메인 자석과 상기 제1구동 자석은 상이한 크기의 자기 모멘트를 갖는 마이크로 로봇 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 마이크로 로봇은 상기 메인 자석을 사이에 두고 상기 제1지지 바디의 타측에서 상기 회전축에 삽입되며, 서로 일체로 결합되어 상기 회전축에 대해 회전가능한 제2지지 바디와 제2구동 자석을 더 포함하되,
    상기 제2구동 자석은 상기 메인 자석과 상이한 크기의 자기 모멘트를 갖는 마이크로 로봇 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 자기장 생성부는,
    상기 메인 자석과 상기 제1구동 자석의 스텝 아웃 주파수보다 작은 주파수를 갖는 외부 회전 자기장을 생성하는 제1모드와,
    상기 메인 자석의 스텝 아웃 주파수보다 작고 상기 제1구동 자석의 스텝 아웃 주파수보다 큰 주파수를 갖는 외부 회전 자기장을 생성하는 제2모드를 포함하는 마이크로 로봇 시스템.
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