마이크로 로봇{MICRO ROBOT}
본 발명은 마이크로 로봇에 관한 것으로, 특히 구동수단에 의해 구동되는 다수개의 캠에 의해 다수개의 다리를 움직여 스스로 이동할 수 있는 마이크로 로봇에 관한 것이다. 내시경용 마이크로 로봇이란 그 속에 장기의 내부를 촬영할 수 있는 초소형 카메라를 비롯해 조직을 떼어내는 핀셋, 외부에 장기 내부 영상을 보낼 수 있는 통신장비, 기타 진단을 의한 장비 등 최첨단 장비가 탑재되어 의사가 암 조직을 만져보는 것과 같이 병증이 있는 부위를 검사하는 등 그 상태를 알아낼 수 있는 마이크로 로봇을 말한다. 이러한 마이크로 로봇을 개발되면 환자에게 큰 고통을 주지 않고 위, 소장 또는 대장 등의 내시경 촬영뿐만 아니라 간단한 수술, 약물주사 등이 가능하다. 그런데, 종래의 내시경용 마이크로 로봇의 하나인 자가구동 내시경은 자벌레(inch worm) 형태의 구동방식으로 공기에 의해 부풀려지는 집게(clamper)로 소장이나 대장 등의 벽에 지지하여 이동하는 방식이다. 이러한 방식은 미끄럽고 쉽게 변형되는 인체 내의 환경에서는 확실하게 지지력을 제공할 수 없거나, 심하게 지지력을 높이려 할 경우 연약한 장벽에 손상을 입힐 수 있는 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 고려하여 안출된 본 발명의 목적은 회전축을 중심으로 일정한 위상차를 가지며 순차적으로 배치된 다수개의 캠을 배치하여, 캠의 구동에 의하여 장착된 다수개의 다리의 운동으로 대장 등 내장의 내부에서 이동하면서 장 내부의 병변을 확인할 수 있는 마이크로 로봇을 제공함에 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예인 마이크로 로봇의 사시도를 나타낸 것이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예인 마이크로 로봇의 절개도를 나타낸 것이다. 도 3a는 본 발명의 일 실시예인 마이크로 로봇의 다수개의 캠에 대한 사시도 및 3 면도를 나타낸 것이다. 도 3b는 본 발명의 일 실시예인 마이크로 로봇의 캠을 확대한 사시도를 나타낸 것이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예인 마이크로 로봇의 다리를 확대한 사시도를 나타낸 것이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예인 마이크로 로봇의 캠과 다리의 조합에 의한 다리의 끝단 운동을 나타낸 것이다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예인 가이드수단을 가지는 마이크로 로봇의 사시도를 나타낸 것이다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예인 가이드수단을 가지는 마이크로 로봇의 내부를 보여주는 절개도를 나타낸 것이다. 도 8은 본 발명의 다른 실시예인 가이드 수단을 가지는 마이크로 로봇의 원형의 탄성체에 의해 묶여져 있는 다리의 운동을 나타낸 것이다. 도 9는 본 발명의 다른 실시예인 가이드 수단을 가지는 마이크로 로봇이 가이드에 의해 유연한 다리가 꺾임을 보인 사시도를 나타낸 것이다. ***** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***** 1 : 카메라 2 : 조명장치 3 : 다리 3' : 관통공 3a: 안쪽 끝단 3b : 바깥쪽 끝단 4 : 몸체 4' : 슬롯 5 : 캠 6 : 구동수단 6' : 회전축 7 : 스프링 8 : 핀 9 : 선형구동수단 10 : 가이드 11 : 유연한 다리 12 : 탄성체
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 마이크로 로봇 몸체와, 상기 몸체 내에 장착되고 회전력을 발생시키는 구동수단에 연결된 회전축과, 상기 몸체 내에 상기 회전축을 중심으로 일정한 위상차를 가지며 순차적으로 배치되어 상기 회전축에 결합된 다수개의 캠과, 일단부가 상기 각각의 캠에 접하고 타단부가 상기 몸체 외부로 돌출하여 상기 캠의 회전에 의하여 움직일 수 있도록 몸체에 장착된 다수개의 다리와, 상기 몸체를 이동시키는 추진수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇을 제공한다. 상기 추진수단은 상기 캠의 회전축에 일정한 각도를 이루어 상기 캠의 외경 표면에 환형의 요홈부가 형성되어, 상기 다리의 일단부를 그 요홈부에 접하게 될 수 있다. 상기 요홈부는 곡면형으로 되며, 상기 요홈부에 접하는 상기 다리의 일단부는 곡면형으로 될 수 있다. 본 발명은 상기 다리의 내부에 상기 다리의 길이 방향으로 원통형의 공간을 두고, 그 내부에 스프링이 설치된 탄성수단을 추가적으로 포함할 수 있는 마이크로 로봇을 제공한다. 이때 상기 마이크로 로봇은 상기 다리의 측면에 직사각형 모양의 관통공을 형성하고 그 관통공을 관통하는 핀이 상기 몸체에 고정되는 다리고정수단을 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 다리는 각각 상기 타단부에 완충수단을 가질 수 있다. 상기 완충수단에 의해 장(腸)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 탄성수단은 각각의 캠에 접하는 상기 다리를 원형의 탄성체로 묶여져서 설치될 수도 있다. 이 경우 상기 탄성수단은 다리고정수단의 역할도 함께 한다. 또한, 상기 추진수단은 다수개의 격자가 형성되고 상기 몸체의 길이방향으로 직선운동을 하는 가이드와 상기 가이드를 구동하기 위한 구동수단을 포함하는 가이드수단이 상기 몸체에 장착되고, 상기 격자 각각에 다리를 관통시켜 상기 가이드수단의 안내에 따라 다리가 움직이게 되어 상기 마이크로 로봇의 몸체가 방향 전환을 할 수 있게 된다. 상기 가이드를 구동하기 위한 구동수단으로 전기모터, 형상기억합금 또는 공압실린더를 사용할 수 있다. 또한, 상기 몸체에 카메라 또는 조명장치가 추가적으로 장착되어 대장등 내장을 검사 또는 진단하게 된다. 또한, 상기 다수 개의 다리는 상기 각각의 캠에 서로 마주보는 한 쌍 씩 배치되거나 상기 캠의 회전축을 중심으로 방사적으로 일정한 각도를 이루어 상기 각각의 캠에 배치될 수도 있다 첨부된 도면에 도시된 실시예에 따라 본 발명에 따른 마이크로 로봇에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1과 2는 본 발명에 따른 일 실시예인 마이크로 로봇의 사시도 및 절개도를 나타낸 것이다. 도 1과 2에 도시된 바와 같이, 마이크로 로봇은 길이 방향으로 다수개의 슬롯(4')이 형성된 몸체(4)와, 상기 몸체(4) 내에 회전력을 발생시키는 구동수단(6)과, 상기 구동수단(6)에 연결된 회전축(6')과, 상기 몸체(4) 내에 상기 회전축(6')을 중심으로 일정한 위상차를 가지며 순차적으로 배치되어 상기 회전축에 결합된 다수개의 캠(5)과, 안쪽 끝단(3a)이 상기 각각의 캠(5)에 접하고 상기 각각의 슬롯(4')을 관통하여 상기 몸체(4)에 움직일 수 있도록 다리고정수단에 의해 고정된 다수개의 다리(3)와, 상기 각각의 다리(3)에 설치되어 복원력을 발생시키는 탄성수단과, 상기 몸체(4)를 이동시키는 추진수단을 포함하여 구성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 몸체(4)에는 카메라(1)와 조명장치(2)가 추가적으로 장착될 수 있다. 도 3a, 3b 및 5에 도시된 바와 같이, 상기 추진수단은 캠(5)의 회전축에 일정한 각도를 이루어 상기 캠의 외경 표면에 환형의 요홈부(5')가 형성되어, 캠(5)에 접하는 다리의 안쪽 끝단(3a)을 그 요홈부(5')에 접하게 되는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 상기 요홈부(5')는 U자형 같은 곡면형으로 되며, 상기 요홈부(5')에 접하는 상기 다리(3)의 안쪽 끝단(3a)은 곡면형으로 되는 것이 좋다. 이렇게 하여 상기 다리의 안쪽 끝단(3a)은 상기 요홈부(5')를 이탈하지 않고 따라가게 된다. 특히, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 다수개의 캠(5)은 일정한 위상차를 가지며 순차적으로 회전축(6')에 결합되는데, 캠(5)의 수는 도 3a에서는 5개의 단으로 형성되어 있으나, 필요에 따라 그 이상 또는 그 이하의 개수로도 될 수 있다. 또한, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 구동수단(6)은 상기 캠(5)의 내부로 배치되어 마이크로 로봇의 공간상의 제약을 극복하고 길이의 축소를 이룰 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 탄성수단은 다리(3)의 내부에 다리(3)의 길이 방향으로 원통형의 공간을 두고, 그 내부에 스프링(7)이 설치되는 것을 특징으로 한다. 상기 스프링(7)은 상기 다리의 몸체 바깥쪽 끝단(3b)과 상기 핀에 의해 고정된다. 상기 탄성수단에 의하여 상기 캠(5)에 접하는 상기 다리의 끝단(3a)과 상기 캠(5)이 접촉을 유지하게 된다. 상기의 탄성수단의 경우, 도 2와 4에 도시된 바와 같이, 상기 다리고정수단은 상기 다리(3)의 측면에 직사각형 모양의 관통공(3')을 형성하고 그 관통공(3')을 관통하는 핀(8)이 상기 몸체에 고정되는 것을 특징으로 한다. 이 핀(8)에 의하여 상기 캠(5)의 구동시 상기 다리(3)의 바깥쪽 끝단(3b)이 타원운동을 하게 된다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이 다리(3)는 각각 바깥쪽 끝단(3b)에 완충수단을 가진다. 상기 완충수단은 바람직하게는 실리콘의 재질로 이루어져 있다. 상기 완충수단은 장(腸)이 손상되는 것을 방지하고 효과적으로 마이크로 로봇에 추진력을 더해 줄 수 있다. 상기 다수개의 다리(3)는 바람직하게는 상기 회전축을 중심으로 방사대칭적으로 장착되는 것이 좋다. 도 6에 도시된 바와 같이, 선택적으로 상기 탄성수단은 각각의 캠(5)에 접하는 다리(3)를 원형의 탄성체(12)로 묶여져서 설치될 수도 있다. 이 경우 상기 탄성수단은 다리(3)를 몸체(4)에 고정시키는 다리고정수단의 역할도 함께 하여, 별도의다리고정수단이 필요하지 않게 된다. 본 발명에 따른 일 실시예의 마이크로 로봇의 작동에 관하여 설명하면 다음과 같다. 먼저, 구동수단(6)의 구동에 의해 발생하는 회전력은 회전축(6')을 통하여 상기 회전축(6')에 연결된 다수개의 캠(5)에 전달되어 캠(5)이 회전하기 시작한다. 상기 캠(5)의 회전에 의해 캠(5)에 접하는 다리(3)가 일정한 운동을 하게 된다. 상기 탄성수단과 고정수단이 도 2와 도 4에 도시된 바와 같은 구조를 가진 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 다리의 바깥쪽 끝단(3b)이 타원운동을 하게 된다. 상기 다리의 바깥쪽 끝단(3b)은 장(腸)에 직접 닿아 상기의 타원운동에 의해 마이크로 로봇을 이동하게 한다. 그런데, 상기와 같은 구성을 가진 마이크로 로봇은 주위환경에 따라 방향이 전환되는 수동적인 방향 전환 능력만을 가지게 되는데, 수동적인 방향 전환 능력만으로는 예각의 굴곡 부위에서는 효과적으로 진행하기 힘들게 된다. 따라서, 경우에 따라서는 능동적인 방향 전환이 필요하다. 본 발명은 능동적인 방향 전환을 할 수 있는 마이크로 로봇을 제공하는 바, 도면과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 6과 7은 각각 본 발명의 다른 실시예로 가이드수단을 가지는 마이크로 로봇의 사시도 및 절개도를 나타낸 것이다. 도 6과 7에 도시한 바와 같이, 마이크로 로봇은 길이 방향으로 다수개의 슬롯(4')이 형성된 몸체(4)와, 상기 몸체(4) 내에 회전력을 발생시키는 구동수단(6)과, 상기 구동수단(6)에 연결된 회전축(6')과, 상기 몸체(4) 내에 상기 회전축(6')을 중심으로 일정한 위상차를 가지며 순차적으로 배치되어 상기 회전축에 결합된 다수개의 캠(5)과, 안쪽 끝단(3a)이 상기 각각의 캠(5)에 접하고 상기 각각의 슬롯(4')을 관통하여 상기 몸체(4)에 움직일 수 있도록 고정된 다수개의 다리(3)와, 상기 각각의 다리(3)에 설치되어 복원력을 발생시키는 탄성수단과, 상기 몸체(4)를 이동시키는 추진수단을 포함하여 구성된다. 상기 추진수단은 다수개의 격자가 형성되고 상기 몸체(4)의 길이방향으로 직선운동을 하는 가이드(10)와 상기 가이드(10)를 구동하기 위한 선형구동수단(9)을 포함하는 가이드수단이 상기 몸체(4)에 장착되고, 상기 격자 각각에 상기 다리(3)를 관통시켜 상기 가이드수단의 안내에 따라 상기 다리(3)가 움직이게 되는 것을 특징으로 한다. 상기 가이드수단의 선형구동수단(9)은 초소형 모터, 형상기억합금(SMA; shape memory alloy) 또는 공압실린더가 사용된다. 상기 추진수단이 가이드수단을 포함하는 경우, 상기 다리(3)는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 탄성수단인 각각의 캠(5)에 접하는 다리(3)를 원형의 탄성체((12)로 묶여져서 설치된다 이 경우 다리(3)를 몸체(4)에 고정시키는 별도의 다리고정수단이 필요하지 않게 된다. 또한 다리(11)의 재질은 캠(5)과 직접 닿는 부분의 끝단(11a)을 제외한 나머지 부분은 유연한 실리콘과 같은 재질로 되어 있어 가이드(10)에 의해 앞으로 또는 뒤로 휘게 되며, 장(腸)이 손상되는 것을 방지한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 몸체(4)에는 카메라와 조명장치가 추가적으로 장착될 수 있다. 상기 다수개의 다리(3)는 바람직하게는 상기 회전축을 중심으로 방사 대칭적으로 장착되는 것이 좋다. 특히, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 다수개의 캠(5)은 일정한 위상차를 가지며 순차적으로 회전축(6')에 결합되는데 캠(5)의 수는 도 3a에서는 5개의 단으로 형성되어 있으나, 필요에 따라 그 이상 또는 그 이하의 개수로도 될 수 있다. 또한, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 구동수단(6)은 상기 캠(5)의 내부로 배치하여 마이크로 로봇의 공간상의 제약을 극복하고 길이의 축소를 이룰 수 있다. 본 발명에 따른 다른 실시예의 마이크로 로봇의 작동에 관하여 설명하면 다음과 같다. 먼저, 구동수단(6)의 구동에 의해 발생하는 회전력은 회전축(6')을 통하여 상기 회전축(6')에 연결된 다수개의 캠(5)에 전달되어 캠(5)이 회전하기 시작한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 캠(5)의 회전에 의해 상기 캠(5)에 접하는 다리(3)가 직선 운동을 하게 된다. 이때 상기 유연한 실리콘으로 된 다리(11)는 상기 가이드(10)에 의해서 앞으로 또는 뒤로 휘게 된다. 즉 상기 유연한 다리(11)는 캠(5)의 회전에 의해 직선 운동만을 하고 상기 가이드(10)에 의하여 그 방향이 전방 또는 후방이 결정된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 캠(5)과 유연한 다리(11)의 동작을 예시하였다. (A)와 (B)는 90°의 캠(5) 위상차이를 가지고 있는 다리(11)의 위치를 예시한 것이다. (A)에서 보는 바로는 세로로 서 있는 한 쌍의 다리(11)가 캠(5)의 회전축으로부터 가장 먼 위치이고, 가로로 누워 있는 한쌍의 다리(11)가 가장 가까운 위치이다 이 두 위치의 차이가 다리(11)의 직선 변위를 만들게 된다. 그리고 (B)에서 즉, 캠(5)이 90°회전하면, 세로 쌍의 다리(11)와 가로 쌍의 다리(11)의 캠(5)으로 부터 거리가 (A)에서와 반대가 된다. 이때 멀리 떨어져 있던 다리(11)는 다리를 원형으로 묶고 있는 탄성체(12)에 의하여 복원된다. 즉, 중심으로부터 멀어지는 다리(11)에 부착된 탄성체(12)가 가까워지는 다리(11)를 끌어당기게 된다. 이렇게 함으로써 협소한 공간에 스프링과 같은 장치를 설치하지 않고도 다리(11)의 왕복운동을 가능하게 하였다. 도 9에 도시한 바와 같이, 가이드(10)의 작용에 따라 유연한 다리(11)가 휘어지는 방향이 결정된다. 상기 가이드(10)는 선형구동수단(9)에 의하여 각각 독립적으로 제어가 가능하며, 4개의 조합에 따라, 전진 또는 후진뿐만 아니라 필요한 방향으로의 방향전환도 가능하게 된다. 또한 선택적으로, 상기 두번째 실시예의 마이크로 로봇의 구성에 있어서, 상기 탄성수단은 상기 다리(3)의 내부에 상기 다리의 길이 방향으로 원통형의 공간을 두고, 그 내부에 스프링(7)이 설치되는 것일 수도 있다. 상기 스프링(7)은 상기 다리의 몸체 바깥쪽 끝단(3b)과 상기 핀에 의해 고정된다. 상기 탄성수단에 의하여 상기 캠(5)에 접하는 상기 다리의 끝단(3a)과 상기 캠(5)이 접촉을 유지하게 된다. 이 경우 상기 다리고정수단은 상기 다리(3)의 측면에 직사각형 모양의 관통공(3')을 형성하고 그 관통공(3')을 관통하는 핀(8)이 상기 몸체에 고정되는 것일 수 있다. 상기의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 다리(3)는 각각 바깥쪽 끝단(3b)에 완충수단의 끝단부를 가진다. 상기 완충수단은 바람직하게는 실리콘의 재질로 이루어져 있다. 상기 완충수단은 장이 손상되는 것을 방지하고 효과적으로 마이크로 로봇에 추진력을 더해 줄 수 있다. 또한 선택적으로, 상기 두번째 실시예의 마이크로 로봇의 구성에 있어서, 도 3a, 3b 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 추진수단은 캠(5)의 회전축에 일정한 각도를 이루어 상기 캠의 외경 표면에 환형의 요홈부(5')가 형성되어, 캠(5)에 접하는 다리의 안쪽 끝단(3a)을 그 요홈부(5')에 접하게 될 수 있다. 이 경우 상기 환형의 요홈부(5')가 회전축에 수직일 수도 있다. 바람직하게는 상기 요홈부(5')는 U자형 같은 곡면형으로 되며, 상기 요홈부(5')에 접하는 상기 다리(3)의 안쪽 끝단(3a)은 곡면형으로 되는 것이 좋다. 상기와 같은 추진수단에 의해 상기 다리의 안쪽 끝단(3a)은 상기 요홈부를 이탈하지 않고 따라가게 된다. 본 발명이 바람직한 실시예를 근거로 하여 기술되어 있으나, 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 제시된 특허청구범위에 따른 본 발명의 요지로부터 벗어나지 않는 마이크로 로봇이 있을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 마이크로 로봇은 구동수단에 의해 구동되는 다수개의 캠에 의해 다수개의 다리를 움직여 스스로 이동함으로써,인체 내부의 대장 등의 협소한 공간에서 다수개의 다리를 하나의 구동기만을 이용하여 이동할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 마이크로 로봇은 장(腸) 내부와 같이 미끄럽고 변형되기 쉬운 환경뿐만 아니라 딱딱한 배관과 같은 곳에서도 뛰어난 이동성능을 가진다. 따라서, 본 발명에 따른 마이크로 로봇은 보다 간단하면서도 효율적인 구조를 이용하여 인체 내의 대장, 소장 등의 검사 진단을 위한 내시경 또는 수술에 활용될 수 있으며, 제작이 용이하고 비용 절감의 효과가 있으며 전체적인 크기의 소형화 측면에서도 장점이 있다. 또한, 환자들의 고통을 덜어줄 수 있다. 또한, 본 발명은 내시경용뿐만 아니라 그 밖의 원관 및 거친 환경에서 이동할 수 있는 이동장치에 있어서도 새로운 방안이 될 수 있을 것이다. |
