WO2023013802A1 - 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇 - Google Patents

자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇 Download PDF

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WO2023013802A1
WO2023013802A1 PCT/KR2021/010605 KR2021010605W WO2023013802A1 WO 2023013802 A1 WO2023013802 A1 WO 2023013802A1 KR 2021010605 W KR2021010605 W KR 2021010605W WO 2023013802 A1 WO2023013802 A1 WO 2023013802A1
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magnetic field
robot
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magnet
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이학준
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공주대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetic field-driven wireless gripper robot, and more particularly, to a magnetic-field driven wireless gripper robot capable of high degree of freedom of manipulation without greatly restricting the movement of the robot when transporting an object.
  • catheter-based instruments for treating vascular diseases are mainly used.
  • Catheter-based vascular disease treatment is a method that, when a blood vessel is blocked due to a thrombus or atheroma, inserts a catheter through the femoral artery to remove the thrombus or atheroma in the blood vessel through suction or ablation and dilate the blood vessel as needed. It is a method of treating vascular disease by using a balloon or stent.
  • Vascular disease treatment based on such a catheter is relatively simple and known as a procedure compared to vascular bypass surgery, which changes blood flow by connecting a new blood vessel next to a blocked blood vessel after opening the chest.
  • catheter-based therapy for vascular disease is basically possible only when a guide wire can be inserted into the blood vessel, so in the case of the coronary artery surrounding the actual heart, it is difficult to insert because there are so many branched blood vessels.
  • CTO chronic total occlusion
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Registration No. 10-1083345, registered on November 8, 2011
  • Patent Document 2 Republic of Korea Patent Registration No. 10-2195283, 2020.12.18. registration
  • Patent Document 1 includes a robot body that moves inside blood vessels of a subject; a driving unit provided on a predetermined portion of the robot body and driving the robot body; a treatment unit provided on a certain portion of the robot body to treat vascular disease; and a robot control unit for controlling the treatment unit, wherein the treatment unit includes a micro-drill provided at the front end of the robot body to physically treat a vascular disease.
  • Patent Document 2 includes a central axis and a body portion comprising a helical projection formed in a spiral shape along the circumference of the central axis;
  • a gripper comprising a cone portion formed on one side of the singi body portion and having a tapered shape having a narrower width toward one side, and a spiral tip formed in a spiral shape having a tapered shape along the outer circumferential surface of the cone portion; including,
  • the cone part is formed by combining the first half-cone part and the second half-cone part, which are formed identically, facing each other, and a pin joint is formed in each half-cone part to be coupled to the pin of the body part. is disclosed about.
  • the conventional technology as described above has a problem in that the movement of the robot is greatly restricted when transporting an object, and manipulation with a high degree of freedom such as separation and assembly is impossible.
  • an object of the present invention is to provide a magnetic field driven wireless gripper robot capable of removing tissue from blood vessels.
  • a magnetic field driven wireless gripper robot includes a gripper body 100 made of a material having elasticity; a pair of gripping parts 200 extending from both sides of the gripper body 100 and having a separation space 210 formed therein; a base magnet 300 fixed to the gripper body 100 to control alignment and movement of the robot; and a gripper magnet 400 rotatably provided at an end of the gripper 200 to control a gripper movement of the robot.
  • a fixing groove 110 is formed on one side of the gripper body 100 so that the base magnet 300 is inserted.
  • the pair of gripping parts 200 are formed to be symmetrical to each other, and grip the object with the same pressure toward the object in opposite directions.
  • a guide protrusion 220 having a coupling groove 221 is formed on the gripper 200 so that the gripper magnet 400 is rotatably coupled.
  • the guide protrusion 220 is characterized in that it is formed to have a predetermined curvature while protruding convexly toward the separation space 210 side of the gripping part 200.
  • a gripping groove 230 for gripping an object is formed between the guide protrusion 220 and the end of the gripping portion 200 .
  • the magnetic field-driven wireless gripper robot can perform various tasks such as gripping various objects within a blood vessel and transporting them to a corresponding point according to the opening and closing of the gripping part or removing tissue within a blood vessel. There are possible effects.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a magnetic field driven wireless gripper robot according to the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a control state according to the influence of an external magnetic field of the magnetic field driven wireless gripper robot according to the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing the magnet arrangement and elastic deformation of the gripper according to the present invention.
  • FIG. 4 is a graph showing the change in total potential energy of the magnetic field driven wireless gripper robot according to the amount of deformation of the gripper according to the present invention.
  • the magnetic field driven wireless gripper robot includes a gripper body 100 , a gripper 200 , a base magnet 300 and a gripper magnet 400 .
  • the gripper body 100 is preferably made of a material having elasticity, and the gripper 200 extending from the gripper body 100 is also made of the same material as the gripper body 100 .
  • the gripper body 1900 is formed to have a predetermined thickness, and gripping parts 200 are formed on both sides thereof.
  • a fixing groove 110 is formed on one side of the gripper body 100 to insert the base magnet 300 therein.
  • the gripping parts 200 are formed as a pair and extend from both sides of the gripper body 100 to form a separation space 210 therein.
  • the pair of gripping parts 200 are formed to be symmetrical to each other, and grip the object with the same pressure toward the object in opposite directions. Therefore, by pressing toward the object in opposite directions, the pair of gripping parts 200 grip the object with the same pressure.
  • the thickness or length of the pair of gripping parts 200 can be adjusted as much as possible during molding so as to have a desired elastic force.
  • the end of the gripping part 200 extends obliquely inward, when gripping an object, the object is prevented from easily escaping to the outside.
  • a guide protrusion 220 having a coupling groove 221 is formed on the gripper 200 so that the gripper magnet 400 is rotatably coupled thereto.
  • the guide protrusion 220 is formed in an optimal shape to prevent separation of the object while holding the object.
  • the guide protrusion 220 protrudes convexly toward the separation space 210 of the gripping part 200 and is formed to have a predetermined curvature.
  • a gripping groove 230 for gripping an object is formed between the guide protrusion 220 and the end of the gripping portion 200 .
  • the gripping groove 230 stably grips the object through the gripping groove 230 to prevent the object from being separated when the robot moves inside the blood vessel while holding the object.
  • the gripping unit 200 can grip objects such as surgical tools and drugs within blood vessels and transport them to the corresponding point, or perform tasks such as removing tissues within blood vessels. It can be gripped to perform various tasks.
  • the base magnet 300 is fixed to the gripper body 100 to control alignment and movement of the robot.
  • the base magnet 300 controls alignment and movement of the robot by an external magnetic field.
  • the gripper magnet 400 is rotatably provided at an end of the gripper 200 to control the motion of the gripper of the robot.
  • the gripper magnet 400 is preferably formed in a circular shape so as to freely rotate in the coupling groove 221 of the gripper 200 .
  • the movement of the gripper of the robot is controlled according to the strength of the external magnetic field.
  • the gripper 200 is maintained in a closed state by the attractive force between the gripper magnets 400, and the external magnetic field is weak.
  • the intensity of the magnetic field is strong, the open state is maintained by the repulsive force between the gripper magnets 400 .
  • the robot can move in the blood vessel by the base magnet 300 affected by the external magnetic field, and the gripper 200 is opened and closed by the gripper magnet 400 affected by the strength of the external magnetic field. Accordingly, it performs tasks such as gripping an object within a blood vessel.
  • the magnetic field-driven wireless gripper robot (MGR) placed in an external magnetic field converges to an equilibrium posture in which the total potential energy is minimized.
  • the magnetic field-driven wireless gripper robot has magnetic and elastic potential energy because it is composed of a gripper body made of a plurality of magnets and an elastic material. If the gripper magnet 400 can rotate freely and the base magnet 300 is relatively strong compared to the gripper magnet, the magnetic field driven wireless gripper robot is always aligned so that the total magnetic moment is parallel to the external magnetic field. At this time, the total potential energy of the magnetic field driven wireless gripper robot is determined by a total of five variables.
  • the strength of the external magnetic field, the alignment direction of the left and right gripper magnets, the amount of deformation of the gripper arm, and thus the equilibrium posture of the magnetic field driven wireless gripper robot placed in the externally applied magnetic field can be calculated by solving the minimum total potential energy problem.
  • a magnet placed in an external magnetic field receives a torque aligned parallel to the magnetic field.
  • the magnet may be replaced by a vector having the same magnitude as the magnetic dipole moment and a direction of the N pole.
  • the torque received by the magnet by the external magnetic field ( ) can be expressed by the following equation.
  • Equation 1 a magnet placed in a magnetic field has the following potential energy ( ) has
  • Equation 2 the magnetic force received by the magnet ( ) can be calculated.
  • the magnet receives a force moving to a position where the strength of the magnetic field is strong.
  • the magnetic field produced by the magnet ( )Is as follows.
  • the magnetic potential energy of the magnetic field driven wireless gripper robot is as follows.
  • , , , , , , , , , , is the total magnetic moment ( ), and the magnetic moment and magnetic field of the base magnet 300 and the left and right gripper magnets 400. denotes the magnetic field applied by the external coil system.
  • the gripper magnet 400 can freely rotate inside the elastic gripper body 100 . Therefore, the end of each gripping part 200 does not receive any torque from the magnet, and only the magnetic force between the two magnets acts. Therefore, the deformation of the gripping part 200 can be explained using the Euler-Bernoulli beam model. At this time, assuming that the gripping part 200 has the same shape and has an isotropic uniform cross section, a relatively small deformation compared to the length of the beam satisfies the following equation.
  • the equilibrium posture of the magnetic field-driven wireless gripper robot is a posture in which the potential energy of Equation 8 is minimized.
  • the magnetic field driven wireless gripper robot has two rotatable gripper magnets 400 and a fixed base magnet 300.
  • the gripper magnets 400 are aligned in the horizontal direction by mutual interaction, and an attractive force acts. Therefore, the gripping part 200 takes a closed posture.
  • the external magnetic field is always applied in a vertical direction. Accordingly, the two gripper magnets 400 are aligned parallel to the base magnet 300, and the gripper 200 is opened by a repulsive force.
  • the alignment direction of the gripper magnet 400 converges to the equilibrium position very quickly compared to the deformation of the gripper 200 due to the low moment of inertia of the cylindrical structure. Therefore, it can be seen that the gripper magnet 400 always satisfies the following conditions regardless of the amount of deformation during the deformation of the gripper 200 .
  • class Means the net torque acting on the left and right magnets. From Equation 10, the alignment direction of the magnets can be expressed as a variable dependent on the amount of deformation of the gripper 200. Therefore, in Equation 9, a nonlinear minimization problem for four independent variables can be reduced to a problem for two independent variables.
  • FIG. 4 shows a change in the total potential energy of the magnetic field driven wireless gripper robot according to the amount of deformation.
  • a gradient is formed in a direction in which two magnets meet. Therefore, in any posture, the magnetic field driven wireless gripper robot is in a closed posture.
  • a magnetic field is applied from the outside, it can be seen that a minimum occurs in the open posture of the gripping part. This minimum becomes deeper as the strength of the external magnetic field increases.
  • the gripper opens. As a result, the gripper movement of the magnetic field driven wireless gripper robot can be controlled using the strength of the external magnetic field.
  • the movement and alignment of the magnetic field driven wireless gripper robot is controlled by an external magnetic field.
  • the magnetic field driven wireless gripper robot has an external magnetic field and a total magnetic moment ( ) are aligned, and they are subjected to a force moving in the direction where the strength of the magnetic field is strong.
  • the magnetic torque and magnetic force that the magnetic field driven wireless gripper robot receives from the external magnetic field can be calculated through Equations 1 and 3.
  • Equation 8 the potential energy of Equation 8 can be simply expressed through the following assumptions.
  • the total magnetic moment of the magnetic field-driven wireless gripper robot is the same as that of the base magnet.
  • Equations 10 and 11 Means the distance between the two gripper magnets and the strength of the external magnetic field. Equations 10 and 11 are arranged as follows.
  • the magnetic field-driven wireless gripper robot according to the present invention can greatly contribute to carrying out various tasks such as gripping various objects within a blood vessel and transporting them to a corresponding point according to opening and closing of the gripping part or removing tissue within a blood vessel.

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Abstract

본 발명은 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물체의 운반 시 로봇의 움직임이 크게 제한되지 않으며, 자유도 높은 조작이 가능한 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇에 관한 것이다. 본 발명에 따른 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇은 탄성을 갖는 재질로 이루어진 그리퍼 바디(100); 상기 그리퍼 바디(100)의 양측에서 연장되어 그 내부에 이격공간(210)이 형성되는 한 쌍의 파지부(200); 상기 그리퍼 바디(100)에 고정되어 로봇의 정렬과 이동을 제어하는 베이스 자석(300); 및 상기 파지부(200)의 단부에 회전 가능하게 구비되어 로봇의 그리퍼 운동을 제어하는 그리퍼 자석(400);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇
본 발명은 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물체의 운반 시 로봇의 움직임이 크게 제한되지 않으며, 자유도 높은 조작이 가능한 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇에 관한 것이다.
일반적으로 혈관 질환 치료를 위해서는 카테터(catheter)를 기반으로 하는 혈관 질환 치료용 기구들이 주로 사용되고 있다.
카테터를 기반으로 하는 혈관 질환 치료법은 혈관이 혈전 또는 죽상종으로 인하여 막히는 경우 대퇴동맥을 통해 카테터를 삽입하여 흡입 또는 절제를 통해 혈관 내의 혈전 또는 죽상종을 제거하고 필요에 따라 혈관을 팽창시킬 수 있는 풍선이나 스텐트를 사용함으로써 혈관 질환을 치료하는 방법이다.
이러한 카테터를 기반으로 하는 혈관 질환 치료법은 가슴을 개복한 뒤 막힌 혈관 옆으로 새로운 혈관을 연결하여 혈액의 흐름을 바꿔주는 혈관 우회술에 비하여 비교적 간단하고 시술로 알려져 있다.
그러나, 카테터를 기반으로 하는 혈관 질환 치료법은 기본적으로 혈관 내부로 가이드 와이어가 삽입될 수 있는 경우에만 가능한 것이므로, 실제 심장을 둘러싸고 있는 관상동맥의 경우에는 매우 많은 분기된 혈관들이 있으므로 삽입에 어려움이 있고 특히, 만성완전협착(CTO : Chronic Total Occlusion)의 경우에는 혈관이 완전히 막혀 석회화되어 굳어지므로 가이드 와이어가 삽입되기 어려운 문제점이 있다.
특히, 만성완전협착의 경우에는 카테터 이용시 수술 성공률이 50% 내지 60% 정도에 머물러 있어 새로운 대안이 절실히 필요한 상황이다.
이러한 문제를 해결하기 위한 기술의 일예가 하기 특허문헌 1(대한민국 등록특허공보 제10-1083345호, 2011.11.08. 등록) 내지 특허문헌 2(대한민국 등록특허공보 제10-2195283호, 2020.12.18. 등록)에 개시되어 있다.
특허문헌 1에는 피검체의 혈관 내부를 이동하는 로봇 본체; 상기 로봇 본체의 일정부분에 구비되고 상기 로봇 본체를 구동하게 하는 구동부; 상기 로봇 본체의 일정부분에 구비되어 혈관 질환을 치료하는 치료부; 및 상기 치료부를 제어하는 로봇 제어부;를 포함하고, 상기 치료부는 상기 로봇 본체의 선두부에 구비되어 혈관 질환을 물리적으로 치료하는 마이크로드릴을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇에 대해 개시되어 있다.
특허문헌 2에는 중심축과, 상기 중심축의 둘레를 따라 나선형상으로 형성되는 나선형 돌기를 포함하여 이루어지는 바디부; 싱기 바디부의 일측에 형성되며 일측으로 향할수록 폭이 좁아지는 테이퍼 형상으로 이루어지는 콘부와, 상기 콘부의 외주면을 따라 테이퍼 형상을 가지는 나선형상으로 형성되는 나선팁을 포함하여 이루어지는 그리퍼;를 포함하고, 상기 콘부는 동일하게 형성되는 제1하프콘부 및 제2하프콘부가 서로 마주보며 결합되어 형성되되, 각각의 상기 하프콘부에는 핀조인트가 형성되어 상기 바디부의 핀과 결합되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 나선형 마그네틱 로봇에 대해 개시되어 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 기술은 물체의 운반 시 로봇의 움직임이 크게 제한되는 한편, 분리 및 조립 등의 자유도 높은 조작이 불가능하다는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 외부 자기장의 변화에 따라 혈관 내에서 이동이 가능하고, 파지부의 개폐에 따라 혈관 내에서 다양한 물체를 파지하여 해당 지점까지 운반시키거나 또는 혈관 내 조직을 떼어내는 작업 등을 수행할 수 있는 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇은 탄성을 갖는 재질로 이루어진 그리퍼 바디(100); 상기 그리퍼 바디(100)의 양측에서 연장되어 그 내부에 이격공간(210)이 형성되는 한 쌍의 파지부(200); 상기 그리퍼 바디(100)에 고정되어 로봇의 정렬과 이동을 제어하는 베이스 자석(300); 및 상기 파지부(200)의 단부에 회전 가능하게 구비되어 로봇의 그리퍼 운동을 제어하는 그리퍼 자석(400);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 그리퍼 바디(100)의 일측에는 베이스 자석(300)이 삽입되도록 고정홈(110)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 한 쌍의 파지부(200)는 서로 대칭을 이루도록 형성되고, 서로 반대방향에서 물체를 향해 동일한 압력으로 물체를 파지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 파지부(200)에는 그리퍼 자석(400)이 회전 가능하게 결합되도록 결합홈(221)을 갖는 가이드돌기(220)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가이드돌기(220)는 파지부(200)의 이격공간(210)측으로 볼록하게 돌출되되 소정의 곡률을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가이드돌기(220)와 파지부(200)의 단부 사이에는 물체의 파지를 위한 파지홈(230)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇이 갖는 자기 포텐셜 에너지는,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000001
인 것을 특징으로 한다. (여기서,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000002
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000003
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000004
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000005
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000006
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000007
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000008
는 각각 총 자기모멘트(
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000009
), 베이스 자석과 좌, 우 그리퍼 자석의 자기모멘트와 자기장,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000010
는 외부 코일시스템에 의해 인가된 자기장.)
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇은 파지부의 개폐에 따라 혈관 내에서 다양한 물체를 파지하여 해당 지점까지 운반시키거나 또는 혈관 내 조직을 떼어내는 등의 다양한 작업을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 파지부의 단부에 그리퍼 자석을 회전 가능하게 구비함으로써 로봇의 그리퍼 운동을 정밀하게 제어하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇을 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇의 외부 자기장 영향에 따른 제어상태를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 파지부의 자석 배치와 탄성 변형을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 파지부의 변형량에 따른 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇의 총 포텐셜 에너지의 변화를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇은 그리퍼 바디(100), 파지부(200), 베이스 자석(300) 및 그리퍼 자석(400)을 포함한다.
상기 그리퍼 바디(100)는 탄성을 갖는 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 그리퍼 바디(100)로부터 연장되는 파지부(200) 또한 그리퍼 바디(100)와 동일한 재질로 이루어진다.
상기 그리퍼 바디(1900)는 소정의 두께를 갖도록 형성되며, 그 양측에 파지부(200)가 형성된다.
상기 그리퍼 바디(100)의 일측에는 베이스 자석(300)이 삽입되도록 고정홈(110)이 형성된다.
상기 파지부(200)는 한 쌍으로 이루어지며, 상기 그리퍼 바디(100)의 양측에서 연장되어 그 내부에 이격공간(210)이 형성된다.
상기 한 쌍의 파지부(200)는 서로 대칭을 이루도록 형성되고, 서로 반대방향에서 물체를 향해 동일한 압력으로 물체를 파지한다. 따라서, 서로 반대방향에서 물체를 향해 가압함으로써 한 쌍의 파지부(200)가 동일한 압력으로 물체를 파지하게 된다. 특히, 상기 한 쌍의 파지부(200)는 원하는 값의 탄성력을 갖도록 성형 시 두께 또는 길이를 얼마든지 조절할 수 있다.
한편, 상기 파지부(200)의 단부가 내측으로 경사지게 연장 형성됨으로써 물체를 파지한 경우 물체가 외부로 쉽게 이탈되지 않도록 한다.
상기 파지부(200)에는 그리퍼 자석(400)이 회전 가능하게 결합되도록 결합홈(221)을 갖는 가이드돌기(220)가 형성된다.
상기 가이드돌기(220)는 물체를 파지한 상태에서 물체의 이탈을 방지하기 위하여 최적의 형상으로 형성된다.
이에, 상기 가이드돌기(220)는 파지부(200)의 이격공간(210)측으로 볼록하게 돌출되되 소정의 곡률을 갖도록 형성된다.
상기 가이드돌기(220)와 파지부(200)의 단부 사이에는 물체의 파지를 위한 파지홈(230)이 형성된다.
상기 파지홈(230)은 물체를 파지한 상태에서 로봇이 혈관 내부를 이동하는 경우, 상기 파지홈(230)을 통해 물체를 안정적으로 파지하여 물체의 이탈을 방지하게 되는 것이다.
이처럼, 상기 파지부(200)는 혈관 내에서 시술 도구, 약물 등의 물체를 파지하여 해당 지점까지 운반시키거나 또는 혈관 내 조직을 떼어내는 작업 등을 수행할 수 있으며, 이에 한정하지 않고 다양한 물체를 파지하여 다양한 작업을 수행할 수 있다.
상기 베이스 자석(300)은 상기 그리퍼 바디(100)에 고정되어 로봇의 정렬과 이동을 제어한다.
즉, 상기 베이스 자석(300)은 외부 자기장에 의해 로봇의 정렬과 이동을 제어한다.
상기 그리퍼 자석(400)은 상기 파지부(200)의 단부에 회전 가능하게 구비되어 로봇의 그리퍼 운동을 제어한다.
상기 그리퍼 자석(400)은 상기 파지부(200)의 결합홈(221)에서 자유롭게 회전할 수 있도록 원형으로 형성되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 외부 자기장의 세기에 따라 로봇의 그리퍼 운동을 제어하게 되는데, 외부 자기장의 세기가 약한 경우에는 그리퍼 자석(400) 간의 인력에 의해 파지부(200)의 폐쇄상태를 유지하게 되고, 외부 자기장의 세기가 강한 경우에는 그리퍼 자석(400) 간의 척력에 의해 개방상태를 유지하게 된다.
이처럼, 본 발명은 외부 자기장의 영향을 받는 베이스 자석(300)에 의해 로봇이 혈관 내에서 이동이 가능하고, 외부 자기장의 세기 영향을 받는 그리퍼 자석(400)에 의해 파지부(200)가 개폐됨에 따라 혈관 내에서 물체를 파지하는 등의 작업을 수행하게 되는 것이다.
또한, 물체를 잡는 로봇의 그리퍼 운동과 로봇의 이동이 서로 독립적으로 이루어짐에 따라 자유도 높은 조작이 가능하다.
한편, 외부 자기장 내에 놓여있는 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇(MGR)은 총 포텐셜 에너지가 최소가 되는 평형 자세에 수렴한다. 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇은 도면 1의 (c)에서와 같이, 다수의 자석과 탄성 재질로 이루어진 그리퍼 바디로 이루어져 있기 때문에 자기와 탄성 포텐셜 에너지(magnetic and elastic potential energy)를 갖는다. 그리퍼 자석(400)이 자유롭게 회전이 가능하고, 베이스 자석(300)이 그리퍼 자석 대비 상대적으로 강하다면, 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇은 항상 총 자기 모멘트가 외부 자기장과 평행하도록 정렬한다. 이때, 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇의 총 포텐셜 에너지는 총 5개의 변수로 결정된다. 외부 자기장의 세기, 좌우 그리퍼 자석의 정렬 방향, 그리퍼 팔의 변형량, 따라서 외부에서 인가된 자기장 내에 놓인 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇의 평형 자세는 총 포텐셜 에너지의 최소값 문제를 풀어 계산할 수 있다.
외부 자기장 내에 놓여있는 자석은 자기장과 나란한 방향으로 정렬되는 토크를 받는다. 이때, 자석은 크기가 자기쌍극자모멘트(magnetic dipole moment)와 동일하고, 방향이 N극 방향인 벡터로 치환될 수 있다. 이때, 외부 자기장에 의해 자석이 받는 토크(
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000011
)는 다음과 같은 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000012
여기서, m과 B는 각각 자석의 자기모멘트(magnetic moment)와 외부 자기장을 의미한다. 수학식 1로부터 자기장 내에 놓인 자석은 다음의 포텐셜 에너지(
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000013
)를 갖는다.
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000014
수학식 2로부터 자석이 받는 자기력(
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000015
)을 계산할 수 있다.
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000016
따라서, 자석은 자기장의 세기가 강한 위치로 이동하는 힘을 받게 된다. 자석이 생성하는 자기장(
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000017
)은 다음과 같다.
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000018
주어진 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇(MGR)은 도면 3의 (a)와 같은 자석 배치를 가지게 되므로, 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇이 갖는 자기 포텐셜 에너지는 다음과 같다.
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000019
여기서,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000020
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000021
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000022
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000023
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000024
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000025
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000026
는 각각 총 자기모멘트(
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000027
), 베이스 자석(300)과 좌, 우 그리퍼 자석(400)의 자기모멘트와 자기장을 의미한다.
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000028
는 외부 코일시스템에 의해 인가된 자기장을 의미한다. 도 1의 (c)에서와 같이, 그리퍼 자석(400)은 탄성의 그리퍼 바디(100) 내부에서 자유롭게 회전이 가능하다. 따라서, 각 파지부(200)의 끝단은 자석으로부터 어떠한 토크도 받지 않으며, 오직 두 자석 간의 자기력만 작용하게 된다. 따라서, 파지부(200)의 변형은 Euler-Bernoulli beam model을 이용하여 설명할 수 있다. 이때, 파지부(200)는 동일한 형태이며, 등방성의 균일한 단면을 가진다고 가정하면, 보의 길이 대비 상대적으로 적은 변형은 다음의 식을 만족한다.
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000029
여기서,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000030
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000031
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000032
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000033
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000034
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000035
,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000036
는 각각 파지부 끝단에 작용하는 외력의 수평 성분, 보의 등가 강성, 변형량, 탄성 계수, 폭, 길이, 높이를 의미한다. 수학식 6으로부터 파지부가 갖는 탄성 포텐 셜에너지(
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000037
)는 다음과 같다.
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000038
여기서,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000039
과
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000040
은 각각 좌, 우 파지부의 변형량을 의미한다. 따라서, 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇의 총 포텐셜 에너지(
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000041
)는 수학식 5와 수학식 6으로 표현되는 자기 포텐셜 에너지와 탄성 포텐셜 에너지의 합으로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000042
여기서,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000043
와
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000044
는 각각
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000045
와
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000046
이다. 따라서, 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇의 평형 자세는 수학식 8의 포텐셜 에너지가 최소가 되는 자세이다.
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000047
도 1의 (a)에서와 같이, 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇은 회전 가능한 2개의 그리퍼 자석(400)과 고정된 베이스 자석(300)을 갖는다. 외부 자기장이 없는 경우, 그리퍼 자석(400)은 서로의 상호작용에 의해 수평 방향으로 정렬되며, 인력이 작용한다. 따라서 파지부(200)는 닫힌 자세를 취하게 된다. 반면에, 외부에서 충분히 강한 자기장이 인가된 경우, 베이스 자석(300)이 그리퍼 자석 대비 상대적으로 강하므로, 외부 자기장은 항상 수직방향으로 인가된다. 따라서, 2개의 그리퍼 자석(400)은 베이스 자석(300)과 평행하도록 정렬되며, 척력에 의해 파지부(200)는 열리게 된다.
그리퍼 자석(400)의 정렬 방향은 원기둥 구조의 낮은 관성 모멘트로 인해 파지부(200)의 변형 대비 매우 빠르게 평형 자세에 수렴한다. 그러므로, 파지부(200)가 변형되는 과정 중에 그리퍼 자석(400)은 변형량에 상관없이 항상 다음의 조건을 만족한다고 볼 수 있다.
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000048
여기서,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000049
과
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000050
은 좌, 우 자석에 작용하는 총 토크(Net torque)를 의미한다. 수학식 10으로부터 자석의 정렬 방향을 파지부(200)의 변형량에 대한 종속 변수로 표현할 수 있다. 따라서, 수학식 9는 4개의 독립 변수에 대한 비선형 최소값문제(Nonlinear minimization problem)가 2개의 독립 변수에 대한 문제로 축소될 수 있다.
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000051
도 4는 변형량에 따른 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇의 총 포텐셜 에너지의 변화를 보여주고 있다. 도 4의 (a)에서와 같이, 외부 자기장이 없는 경우, 두 자석이 만나는 방향으로 그래디언트가 형성되어 있다. 따라서 어떠한 자세에서도 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇은 닫힌 자세가 된다. 반대로 도 4의 (b)와 (c)에서와 같이, 외부에서 자기장이 인가된 경우에는 파지부가 열린 자세에 극소가 발생하는 것을 볼 수 있다. 이러한 극소점은 외부 자기장의 세기가 증가할수록 깊어진다. 도 4의 (c)에서와 같이, 자기장의 세기가 닫힌 자세의 그래디언트 방향을 전환시킬 정도로 충분히 강하면 파지부는 열리게 된다. 결과적으로, 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇의 그리퍼 운동은 외부 자기장의 세기를 이용하여 제어될 수 있다.
자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇의 이동과 정렬 운동은 외부 자기장에 의해 제어된다. 또한, 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇은 외부 자기장과 총 자기모멘트(
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000052
)가 일치하도록 정렬하며, 자기장의 세기가 강한 방향으로 이동하는 힘을 받게 된다. 이때, 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇이 외부 자기장으로부터 받는 자기 토크와 자기력은 수학식 1과 수학식 3을 통해 계산할 수 있다.
한편, 수학식 8의 포텐셜 에너지는 다음의 가정을 통해 간단하게 표현될 수 있다.
a. 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇의 총 자기모멘트는 베이스 자석의 자기모멘트와 동일하다.(
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000053
)
b. 파지부의 변형과 자석의 정렬은 좌, 우가 동일하다.(
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000054
)
가정 a는 베이스 자석이 그리퍼 자석보다 상대적으로 충분히 강할 때 성립한다. 또한 가정 b는 베이스 자석이 그리퍼 자석과 충분히 떨어져 있어 어떠한 자기장도 미치지 않는 경우에 성립한다. 따라서, 두 가정을 만족시키는 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇은 다음의 포텐셜 에너지를 갖는다.
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000055
여기서,
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000056
와
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000057
는 2개의 그리퍼 자석 사이의 거리와 외부 자기장의 세기를 의미한다. 수학식 10과 수학식 11은 다음과 같이 정리된다.
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000058
Figure PCTKR2021010605-appb-img-000059
따라서, 외부 자기장 내의 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇의 평형 자세는 수학식 14의 1개의 독립 변수로 이루어진 최소값 문제로 찾을 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.
본 발명에 따른 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇은 파지부의 개폐에 따라 혈관 내에서 다양한 물체를 파지하여 해당 지점까지 운반시키거나 또는 혈관 내 조직을 떼어내는 등의 다양한 작업을 수행하는데 크게 기여할 수 있다.

Claims (7)

  1. 탄성을 갖는 재질로 이루어진 그리퍼 바디(100);
    상기 그리퍼 바디(100)의 양측에서 연장되어 그 내부에 이격공간(210)이 형성되는 한 쌍의 파지부(200);
    상기 그리퍼 바디(100)에 고정되어 로봇의 정렬과 이동을 제어하는 베이스 자석(300); 및
    상기 파지부(200)의 단부에 회전 가능하게 구비되어 로봇의 그리퍼 운동을 제어하는 그리퍼 자석(400);을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 그리퍼 바디(100)의 일측에는 베이스 자석(300)이 삽입되도록 고정홈(110)이 형성되는 것을 특징으로 하는 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇.
  3. 청구항 1에 있어서,
    한 쌍의 파지부(200)는 서로 대칭을 이루도록 형성되고, 서로 반대방향에서 물체를 향해 동일한 압력으로 물체를 파지하는 것을 특징으로 하는 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 파지부(200)에는 그리퍼 자석(400)이 회전 가능하게 결합되도록 결합홈(221)을 갖는 가이드돌기(220)가 형성되는 것을 특징으로 하는 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 가이드돌기(220)는 파지부(200)의 이격공간(210)측으로 볼록하게 돌출되되 소정의 곡률을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 가이드돌기(220)와 파지부(200)의 단부 사이에는 물체의 파지를 위한 파지홈(230)이 형성되는 것을 특징으로 하는 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇이 갖는 자기 포텐셜 에너지는,
    Figure PCTKR2021010605-appb-img-000060
    인 것을 특징으로 하는 자기장 구동형 무선 그리퍼 로봇.
    (여기서,
    Figure PCTKR2021010605-appb-img-000061
    ,
    Figure PCTKR2021010605-appb-img-000062
    ,
    Figure PCTKR2021010605-appb-img-000063
    ,
    Figure PCTKR2021010605-appb-img-000064
    ,
    Figure PCTKR2021010605-appb-img-000065
    ,
    Figure PCTKR2021010605-appb-img-000066
    ,
    Figure PCTKR2021010605-appb-img-000067
    는 각각 총 자기모멘트(
    Figure PCTKR2021010605-appb-img-000068
    ), 베이스 자석과 좌, 우 그리퍼 자석의 자기모멘트와 자기장,
    Figure PCTKR2021010605-appb-img-000069
    는 외부 코일시스템에 의해 인가된 자기장.)
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