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KR101962043B1 - 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇 - Google Patents

외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇 Download PDF

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KR101962043B1
KR101962043B1 KR1020170169511A KR20170169511A KR101962043B1 KR 101962043 B1 KR101962043 B1 KR 101962043B1 KR 1020170169511 A KR1020170169511 A KR 1020170169511A KR 20170169511 A KR20170169511 A KR 20170169511A KR 101962043 B1 KR101962043 B1 KR 101962043B1
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KR
South Korea
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ssmm
magnetic
rolling
robot
magnetic field
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KR1020170169511A
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전승문
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공주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)에 관한 것으로서, 스피리콘 형태의 SSMM이 롤링 동작하여 표면상에서 안정적이고 효과적으로 움직일 수 있는 새로운 유형의 롤링 자기 로봇을 제안하는 것이다.
동시에, 이러한 본 발명의 SSMM을 조작하기 위하여 새로운 유형의 외부 흔들림 자기장(EWMF)을 제안하고, 제안된 EWMF를 통해 조작되는 SSMM의 동작의 안정성을 검증한다.
이러한 본 발명에 따른 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇은, 약물 전달, 개료 구성 및 유체 제어와 같은 다양한 의학 응용 분야에서의 확용이 기대된다.

Description

외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇{A SPHERICON-SHAPED MAGNETIC MILLIROBOT ROLLING ON A SURFACE ACTUATED BY AN EXTERNAL WOBBLING MAGNETIC FIELD}
본 발명은 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되되, 인가된 외부 흔들림 자기장에 의해 직선방향으로 전진 또는 후진하고, 직선 외의 방향으로는 동작하지 않도록 견디는 힘이 작용하는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇에 관한 것이다.
구체적으로는, 비콘(BICONE) 형태의 조립체를 중심축인 어느 하나의 꼭지점에서부터 다른 하나의 꼭지점까지 슬라이스하여 절단하고, 절단된 2개부의 절단면 일측에 실리더리컬 자석이 삽입될 수 있도록 자석홈을 형성하고, 절단된 2개부의 절단면 각각의 상호 마주하는 위치에 돌기와 홈이 형성되되,
절단된 2개부 중 어느 하나를 90° 회전시켜 1개부에 형성된 돌기와 다른 1개부에 형성된 홈이 마주하도록 위치시켜, 상기 돌기와 홈의 결합으로 절단된 2개부를 결합시킴으로써 형성된 롤링 콘(ROLLING CONE) 형태를 갖는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇에 외부 흔들림 자기장을 인가하여 작동시킬 수 있도록 한다.
마그네틱 로봇은 인체 내부에 삽입되어 의료 행위를 수행할 수 있다.
특히, 마그네틱 로봇은 그 크기가 작아 인체 내부를 이동하며 질병을 진단하거나 약물을 전달하는 등 의사가 직접 시술을 수행하기 어려운 부위에 대한 의료 행위를 수행하기 용이하다.
이와 같이, 다양한 용도로 사용되는 마그네틱 로봇은 작은 단위로 구성되어, 외부로부터 인가받은 자력을 통해 동작되는데, 밀리 단위의 미세 크기로 구성되기 때문에 자력만으로 동작을 유도하는 것에 대하여 정밀 유도가 어려운 문제점이 있고, 뿐만 아니라, 약물 전달 또는 시술의 목적으로 로봇을 특정 위치에 정지시키는 경우에는, 유체의 흐름(예를 들면, 혈액의 흐름 등)에 의해서 위치가 변경되지 않도록 소정의 에너지(자력)를 과소비해야 하는 문제점이 있다.
본 출원인은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 직선 방향성을 갖고 전진 또는 후진되는 형태인 스피리콘 형태의 구조물을 로봇의 형태로 구성하여, 정밀 유도가 가능하도록 함과 동시에, 스피리콘 형태이기 때문에 직선 방향 외의 다른 방향으로 동작하지 않도록 버티는 성질을 아용하여 로봇이 투입된 대상의 자세만 유지시키면 장시간 동안 자가위치가 유지될 수 있도록 하는 마그네틱 로봇을 제공하고자 한다.
한편, 스피리콘 형태의 로봇에 자석을 구비하여, 외부로부터 인가된 자력을 통해 로봇의 동작을 유도하는 기술은 검색되지 않고 있다.
다만, 자력으로 로봇의 동작을 유도하기 위한 알고리즘을 구현하는 기술로서, 공개특허공보 제10-2006-0036112호의 의료 장치, 의료 장치 유도 시스템, 캡슐형 의료 장치 및 캡슐형 의료 장치 유도 장치가 기재되어 있으나,
상기 기술은, 로봇의 구조는 물론, 상기 로봇의 동작을 유도하기 위한 알고리즘도 본 출원인이 개발한 알고리즘과 상이하다.
공개특허공보 제10-2006-0036112호(2006.04.27.)
본 발명의 목적은, 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되되, 인가된 외부 흔들림 자기장에 의해 직선방향으로 전진 또는 후진하고, 직선 외의 방향으로는 동작하지 않도록 견디는 힘이 작용하는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)을 제공하는데 있다.
구조적으로는,
비콘(BICONE) 형태의 조립체를 중심축인 어느 하나의 꼭지점에서부터 다른 하나의 꼭지점까지 슬라이스하여 절단하고, 절단된 2개부의 절단면 일측에 실리더리컬 자석이 삽입될 수 있도록 자석홈을 형성하고, 절단된 2개부의 절단면 각각의 상호 마주하는 위치에 돌기와 홈이 형성되되,
절단된 2개부 중 어느 하나를 90° 회전시켜 1개부에 형성된 돌기와 다른 1개부에 형성된 홈이 마주하도록 위치시켜, 상기 돌기와 홈의 결합으로 절단된 2개부를 결합시킴으로써 형성된 롤링 콘(ROLLING CONE) 형태를 갖는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇에 외부 흔들림 자기장을 인가하여 작동시킬 수 있도록 하고,
효과적으로는,
스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)이 롤링 동작하여 표면상에서 안정적이고 효과적으로 움직일 수 있는 새로운 유형의 롤링 자기 로봇을 제안함과 동시에, 이러한 본 발명의 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)을 조작하기 위하여 새로운 유형의 외부 흔들림 자기장(EWMF)을 제안하고, 제안된 EWMF를 통해 조작되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)의 동작의 안정성을 검증함으로써,
약물 전달, 개료 구성 및 유체 제어와 같은 다양한 의학 응용 분야에서의 확용이 기대되는, 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)을 제공하는데 있다.
상술된 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에 따른 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)은, 직선방향으로 직진 또는 후진만 가능한 스피리콘 형태를 갖는 자성 밀리로봇으로서, 내부에 자석을 포함하고, 외부로부터 인가되는 외부 자기장에 의해 롤링 동작하여 직진 또는 후진한다.
이때, SSMM은 구체적으로는 비콘(BICONE) 형태의 조립체를 슬라이스하여 절단한 뒤, 하나의 것을 기준으로 다른 하나의 것을 90° 회전시켜 재 결합시킨 형태의 스피리콘 형태의 로봇이다.
또한, 상기 자석은 955,000A/m의 자성, 2mm의 직경 및 2mm의 길이를 갖는 원통형 NdFeB계 자석이다.
또한, 비콘(BICONE) 형태의 조립체의 꼭지각은 90°이다.
또한, 상기 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)이 시작점에 위치한다고 가정하였을 때 y축 방향으로 동작하여 원뿔운동 됨으로 인해 형성된 반원의 외주연 아크 Ti는 아래의 수학식으로 표현된다.
Figure 112017123205735-pat00001
(이때, r은 SSMM의 반경이고,
Figure 112017123205735-pat00002
는 i번째 호에서의 x축으로부터 SSMM의 순간 중심 회전선의 각도이다. 이러한 각
Figure 112017123205735-pat00003
는 SSMM이 동작함에 따라
Figure 112017123205735-pat00004
에서
Figure 112017123205735-pat00005
라디안까지 연속적으로 변한다.)
또한, 상기 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)이 직선운동하는 경우, x, y축 평면에서 로봇의 y방향 동작을 생성할 수 있는 EWMF는 아래의 수학식을 통해 산출된다.
Figure 112017123205735-pat00006
(여기서, B0은 EWMF의 크기이고, ω는 EWMF의 각속도이다. 위와 아래의 방정식은 SSMM이 y축 방향으로 동작하여 원뿔운동 됨으로 인해 형성된 반원의 외주연 아크 중 각각 홀수 및 짝수의 아크를 이동하는 SSMM에 대응된다.)
또한, 상기 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)이 경사면에서 동작하기 위한 EWMF 조건은 x, y축 평면으로부터의 표면 각도(α)와 y축으로부터 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)의 롤링 방향 각도(β)를 이용하여 아래의 수학식으로 산출된다.
Figure 112017123205735-pat00007
또한, 상기 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)은 자외선 경화형 아크릴 플라스틱으로 제작된다.
또한, 상기 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)은 정적 마찰 계수(μ)가 0.84인 고무 플레이트 또는 0.36인 실리콘 플레이트 중 어느 하나의 것의 표면에서 롤링 동작한다.
또한, 상기 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)이 동작하기 위한 EWMF의 조건은, B0=10mT 및 ω=2π rad/s(1Hz)이다.
이때, 상기 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)이 작동 가능한 최대 표면각도(α) 조건은 고무 플레이트 상의 표면을 롤링 동작하는 경우 표면각도(α)가 35°이고, 실리콘 플레이트 상의 표면을 롤링 동작하는 경우 표면각도(α)가 20°이되, 이 값들은 상기 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)의 y축 기준의 롤링 방향 각도(β)가 증가함에 따라 감소된다.
본 발명에 따른 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇에 의하면, 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)이 롤링 동작하여 표면상에서 안정적이고 효과적으로 움직일 수 있는 새로운 유형의 롤링 자기 로봇을 제안함과 동시에, 이러한 본 발명의 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)을 조작하기 위하여 새로운 유형의 외부 흔들림 자기장(EWMF)을 제안하고, 제안된 EWMF를 통해 조작되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)의 동작의 안정성을 검증함으로써,
약물 전달, 개료 구성 및 유체 제어와 같은 다양한 의학 응용 분야에서의 확용이 기대된다.
이에 따라, 본 발명에서는 상기의 스피리콘 형태로 구성된 로봇에 자기장을 인가하는 경우, 직선방향으로 동작되고, 자기장을 인가하지 않는 경우 자기 자리를 유지할 수 있도록 함으로써,
약물전달이나 유체를 제어하는 용도에 사용되는 로봇에 있어서, 상기 로봇이 투입된 대상(인체 등)의 자세를 유지시키는 경우, 장시간 동안 위치가 유지되어 효율적인 목적 달성을 실현할 수 있도록 하는, 로봇을 제공하고자 한다.
이에 따라, 로봇이 장시간 위치를 유지해야 하는 경우, 유지를 위한 에너지의 낭비가 없는 효과도 갖을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)을 나타낸 것으로서, (a) 내지 (d)를 통해 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)을 형성하는 일예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)의 기하학적 중심의 변형을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)의 롤링 콘의 동작을 생성하기 위해 필요한 EWMF를 나타낸 것이다.
도 4는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)을 조작하는데 필요한 네비게이션 시스템의 설정을 나타내는 것이다.
도 5는 실험에 사용된 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)을 나타낸 것이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 사항은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.
본 발명은 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(Sphericon-Shaped Magnetic Millirobot, SSMM)에 관한 것이다.
구체적으로는, 비콘(BICONE) 형태의 조립체를 중심축인 어느 하나의 꼭지점에서부터 다른 하나의 꼭지점까지 슬라이스하여 절단하고, 절단된 2개부의 절단면 일측에 실리더리컬 자석이 삽입될 수 있도록 자석홈을 형성하고, 절단된 2개부의 절단면 각각의 상호 마주하는 위치에 돌기와 홈이 형성되되,
절단된 2개부 중 어느 하나를 90° 회전시켜 1개부에 형성된 돌기와 다른 1개부에 형성된 홈이 마주하도록 위치시켜, 상기 돌기와 홈의 결합으로 절단된 2개부를 결합시킴으로써 형성된 롤링 콘(ROLLING CONE) 형태를 갖는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇에 외부 흔들림 자기장을 인가하여 작동시킬 수 있도록 한다.
이때, 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(Sphericon-Shaped Magnetic Millirobot, SSMM)은, 그 형태가 스피리콘 형태임에 따라 외부에서 자기장이 인가되면 직선방향으로 전진 또는 후진하고, 직선 외의 방향으로는 동작하지 않도록 견디는 힘이 작용한다.
또한, 비콘(BICONE) 형태의 조립체의 꼭지점의 꼭지각은 90°로 구성된다.
이에 따라, 본 발명에서는 상기의 스피리콘 형태로 구성된 로봇에 자기장을 인가하는 경우, 직선방향으로 동작되고, 자기장을 인가하지 않는 경우 자기 자리를 유지할 수 있도록 함으로써,
약물전달이나 유체를 제어하는 용도에 사용되는 로봇에 있어서, 상기 로봇이 투입된 대상(인체 등)의 자세를 유지시키는 경우, 장시간 동안 위치가 유지되어 효율적인 목적 달성을 실현할 수 있도록 하는, 로봇을 제공하고자 한다.
이에 따라, 로봇이 장시간 위치를 유지해야 하는 경우, 유지를 위한 에너지의 낭비가 없는 효과도 갖을 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)은 첨부된 도면의 도 1을 참조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)을 나타낸 것으로서, (a) 내지 (d)를 통해 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)을 형성하는 일예를 나타내는 도면이다.
첨부된 도면의 도 1에 의하면,
본 발명에 따른 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)은 절단되는 축을 기준으로 하였을 때 이의 수직되는 방향의 축을 기준으로 4개의 동일한 크기를 갖는 반원 중, 2개가 대칭되고, 또한 절단되는 축을 기준으로 90°기울어지도록 나머지 2개의 반원이 대칭된 형태로 구성됨으로써, 총 4회의 연속적인 원뿔운동(도 1의 Arc1 ~ Arc4)을 하여 직선방향으로 이동될 수 있다. 도 1의 Arc5 및 Arc6은 2회의 원뿔운동을 더 진행한 것이다.
이때, 원뿔운동이라 함은, 4개의 반원의 각각의 외주면이 지면에 닿으면서 운동하는 것을 의미한다. 그리고 외주면이 지면에 닿으면서 운동한다는 것은 도 1의 (d)에 도시된 회전 중심선(instant cetral line of rotation)을 참조할 수 있다. 그리고 이러한 원뿔운동을 통해 직선운동하는 동작을 롤링 동작으로 지칭한다.
그리고 도 1의 (e)를 참조하여, 본 발명에 따른 SSMM이 x, y 평면의 시작점(Arc1 부근)에 위치한다고 가정하였을 때, y방향으로 동작하여 원뿔운동됨으로 인해 형성된 반원의 외주연 아크(도 1의 (e) 에 도시된 Wobbling motion)인 Ti는 다음의 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112017123205735-pat00008
이때, r은 SSMM의 반경이고,
Figure 112017123205735-pat00009
는 i번째 호에서의 x축으로부터 SSMM의 순간 중심 회전선의 각도이다.
이러한 각
Figure 112017123205735-pat00010
는 SSMM이 동작함에 따라
Figure 112017123205735-pat00011
에서
Figure 112017123205735-pat00012
라디안까지 연속적으로 변한다.
이러한 [수학식 1]에서 자석을 구비한 SSMM의 기하학적 중심의 변형은 도 2와 같이 도출될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)의 기하학적 중심의 변형을 설명하기 위한 도면이다.
즉, 도 2는 단위 반경(r=1)을 갖는 SSMM의 기하학적 중심과 구름 원뿔 운동의 퀘도를 나타낸 것으로서, SSMM의 기하학적 중심은 롤링 콘의 동작 중에 반 사인 곡선(semi-sinusoidally)으로 변화한다.
이러한 도 2와 도 1의 (e)를 참조하면, SSMM의 기하학적 중심이 반 정현차 형태로 변하는 흔들림(wobbling) 운동을 하는 표면상에서 SSMM이 이동하는 것을 나타내고 있으며, 이는 직선운동으로서 직진 또는 후진하는 것을 알 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 SSMM은 반구의 모든 점과 선이 매 회전마다 표면에 닿는 선 접촉을 통해 전체 표면을 전개한다. 이에 따라 SSMM이 상대적으로 큰 최대 정적 마찰력에 의해 지지되는 안정된 동작을 할 수 있도록 한다.
이와 같이 SSMM이 표면의 임의의 방향(직진 또는 후진)을 따라 동작하는 경우, 로봇에 삽입된 자석의 방향이 항상 자기 토크 방정식을 기반으로 적용되는 방향을 따르는 것으로 간주할 수 있다.
따라서, [수학식 1]과 SSMM의 기구학적 구속조건에서 수평 x, y 평면에서 로봇의 y방향 wobbling 모션을 정확하게 생성할 수 있는 필드인 외부 흔들림 자기장Ewxternal wobbling magnetic field, EWMF)은 아래의 [수학식 2]를 통해 산출될 수 있다.
Figure 112017123205735-pat00013
여기서, B0은 EWMF의 크기이고, ω는 EWMF의 각속도이다.
또한, 위와 아래의 방정식은 도 1의 (e)에 도시된 홀수 및 짝수 호 상을 이동하는 로봇에 대응된다.
아울러, 임의의 표면에서 SSMM이 경사면에서 롤링 동작을 생성하기 위해 필요한 EWMF 조건은 회전행렬을 사용하여 [수학식 3]과 같이 산출될 수 있다.
즉, EWMF 조건은 x,y축 평면으로부터의 표면 각도(α)와 y축으로부터 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)의 롤링 방향 각도(β)를 이용하여 [수학식 3]으로 산출되는 것이다.
Figure 112017123205735-pat00014
여기서, α는 수평 xy 평면으로부터의 표면 각도이고, β는 표면상의 y축으로부터 SSMM의 롤링 방향 각도이다.
도 3은 도 2에 도시된 SSMM의 y축 롤링 운동을 생성할 수 있는 단위크기인 2π rad/s(1Hz)의 각속도를 갖는 EWMF(α=0, β=0)의 예를 나타낸 것이다.
즉, 도 3은 도 2에 도시된 SSMM의 롤링 콘의 동작을 생성하기 위해 필요한 EWMF를 나타낸 것이다.
이하에서는, 상술된 SSMM과 EWMF를 검증하기 위하여 실험을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
SSMM이 다양한 표면 조건에서 동작하는데 필요한 다양한 EWMF를 생성하고 제어하기 위한 네비게이션 시스템을 제작하였다.
이는 첨부된 도면의 도 4를 참조할 수 있는데, 도 4는 SSMM을 조작하는데 필요한 네비게이션 시스템의 설정을 나타내는 것으로서, 이를 참조하면 MNS는 축을 따라 균일한 자기장을 생성할 수 있는 3쌍의 균일한 코일(x축 헬름홀츠 코일Helmholtz Coil, HC), y축의 균일한 새들코일(Uniform Saddle Coil, USCy) 및 z축의 균일한 새들코일(Uniform Saddle Coil, USCz))로 구성된다.
이러한 각 코일들은 제어 패널(control panel)에 통합된 프로그래밍 가능한 전원 공급 장치(programmable power supply)에 연결된다.
이러한 첨부된 도면의 도 4에 기반한 네비게이션 시스템을 통해 실험을 수행한 결과, [표 1]과 같은 결과가 나타났다.
Coil Radius (mm) Wire diameter (mm) Coil turns
x축 HC 216.0 1.0 430
y축 USCy 167.5 1.2 400
z축 USCz 133.8 1.2 320
이를 기반으로, 각각의 코일 전류를 [수학식 2] 및 [수학식 3]를 통해 SSMM의 롤링 동작을 효과적으로 조작할 수 있음을 알 수 있었다.
이때, 본 실험에서 사용된 SSMM은 첨부된 도면의 도 5를 참조할 수 있는데, 도 5는 실험에 사용된 SSMM을 나타낸 것이다.
도 5에 따른 SSMM은 r=10mm인 SSMM1과 r=5인 SSMM2를 사용하였으며, 이는 멀티 제트 몰딩 기반의 3차원 인쇄 기술을 사용하여 자외선 경화형 아크릴 플라스틱으로 제작하였다.
도 5의 (a)는 SSMM1 및 SSMM2를 나타낸 것이고, (b)는 정사각형 회로에서 SSMM1 및 SSMM2의 롤링 동작을 나타낸 것이며, (c)는 SSMM의 원하는 압연 방향과 관측된 압엽 방향 사이의 편차 각을 나타낸 것이다.
이러한 SSMM은 955,000A/m의 자성(magnetization), 2mm의 직경, 2mm의 길이를 갖는 원통형 NdFeB계 자석을 삽입하였다. 또한, 다양한 조건에서의 SSMM 롤링 능력을 평가하기 위하여 SSMM가 롤링되는 표면에 정적 마찰 계수(μ)가 0.84인 고무와 0.36인 실리콘 플레이트를 사용하였다.
비자성 재료로 구성된 각도 조절 지그를 사용하여 수평 xy 평면에 대한 표면 각도(α, 도 4 참조)를 변경했다.
그리고 첨부된 도면의 도 5와 같이 EWMF를 검증하기 위하여 수평으로 배치된 고무 플레이트에 프로그램 된 경로를 따라 SSMM의 롤링 동작을 관찰했다.
B0=10mT, ω=2π rad/s, α=0, β=0의 값을 갖는 EWMF가 적용될 때 SSMM1은 도 1 및 도 2에서 설명된 흔들림 운동으로 y축을 따라 정확하게 굴러감을 확인하였다.
또한, SSMM1은 β를 각각 90°, 180°, 270°로 바꿀 때, x축과 y축 방향으로 굴러서 도 5의 (b)의 화살표 방향을 따라서 동작함을 알 수 있었고, 동일한 EWMF를 주었을 때, SSMM1의 반의 직경을 갖는 SSMM2는 SSMM1과 동일한 방향으로 동작하되, 절반 크기의 거리로 동작함을 알 수 있었다.
이러한 결과를 기반으로, SSMM의 롤링 거리는, SSMM의 반경에 비례함을 알 수 있었고, 이를 기반으로 동일한 EWMF가 적용된다면 반경이 큰 SSMM1이 상대적으로 반경이 작은 SSMM2에 비해 2배 많은 거리를 동작시킬 수 있음을 알 수 있었다.
또한, 도 5의 (c)를 기반으로 프로그램 된 원하는 압연 방향과 실제 동작하여 관측된 압연 방향 사이의 최대 편차 각(Φ)은 5°미만으로 측정되었다.
한편, 임의의 표면에서의 중력은, SSMM의 롤링 동작 중 미끄러지게 만들어 원하는 경로에서 벗어날 수 있다.
이러한 경우를 방지하기 위하여 제어 방법이나 보상된 EWMF를 적용할 수 있지만, SSMM이 지속적으로 롤링 동작을 생성할 수 있는 조건은 경사진 표면상의 롤링 대상물의 정적 마찰력을 고려하여 표면 각 (α)와 롤링 방향 (β)에 의존하는 것으로 간주할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에서는 SSMM이 수평 xy평면과 y축에서 롤링 방향으로 서서히 각도를 변화시킴으로써 SSMM이 상대적으로 정확한 롤링 동작을 생성할 수 있는 임계 표면 조건을 측정하였다.
SSMM의 관성 효과를 최소화하기 위해 B0=10mT 및 ω=0.2π rad/s(0.1Hz)의 값을 갖는 상대적으로 느린 EWMF를 적용하였다.
아래의 [표 2]는 본 실험에 사용된 SSMM이 5°미만의 편차로 원하는 경로를 따라 굴러갈 수 있는 고무 및 실리콘 플레이트의 임계 조건을 나타낸다.
SSMM Rubber plate (μ=0.84) Silicone plate (μ=0.36)
α(deg.) β(deg.) α(deg.) β(deg.)

SSMM1 (r=10mm)		 15 50 10 40
25 40 15 30
35 25 20 20

SSMM2 (r=5mm)		 15 35 10 30
25 25 15 20
35 10 20 10
이러한 [표 2]의 결과를 기반으로, SSMM이 롤링 동작을 일으킬 수 있는 고무 및 실리콘 플레이트의 최대 표면 각은 각각 35°및 20°인 것을 알 수 있었다.
구체적으로, [표 2]를 참조하면 SSMM1과 SSMM2의 β의 최대 값은 표면 각도(α)가 증가함에 따라 감소하는데, 이때 β의 최대 값이 증가할수록 SSMM의 롤링 동작에 대한 마찰력의 방향과 중력의 방향 사이의 각도가 증가함에 따라, 증가한 합력(net force)으로 인해 SSMM이 원하는 방향에서 벗어날 수 있다.
따라서, [표 2]의 제안된 결과들은, 롤링 속도, 정작 마찰 계수, 표면 각도, 롤링 방향의 특정 표면조건이 만족된다면, SSMM이 EWMF에 의해 작동되는 임의의 표면상에서 이동할 수 있음을 의미하는 것이고,
특히, β의 최대 값은 SSMM1 및 SSMM2에 대하여 각각 35°및 20°인 것을 알 수 있었다.
상기에서 도면을 이용하여 서술한 것은, 본 고안의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 고안이 도면의 구성에 한정되는 것이 아님은 자명하다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 비콘(BICONE) 형태의 조립체를 슬라이스하여 절단한 뒤, 하나의 것을 기준으로 다른 하나의 것을 90° 회전시켜 재 결합시킨 형태의 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇(SSMM)으로서,
    절단된 내면 일측에 형성된 자석홈에 자석을 포함하고, 외부로부터 인가되는 외부 자기장에 의해 롤링 동작하여 직진 또는 후진하는 것을 특징으로 하고,
    상기 SSMM이 시작점에 위치한다고 가정하였을 때 y축 방향으로 동작하여 원뿔운동 됨으로 인해 형성된 반원의 외주연 아크 Ti는 아래의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는, 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇.
    Figure 112019025302039-pat00027

    (이때, r은 SSMM의 반경이고,
    Figure 112019025302039-pat00028
    는 i번째 호에서의 x축으로부터 SSMM의 순간 중심 회전선의 각도이다. 이러한 각
    Figure 112019025302039-pat00029
    는 SSMM이 동작함에 따라
    Figure 112019025302039-pat00030
    에서
    Figure 112019025302039-pat00031
    라디안까지 연속적으로 변한다.)
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 자석은,
    955,000A/m의 자성, 2mm의 직경 및 2mm의 길이를 갖는 원통형 NdFeB계 자석인 것을 특징으로 하는, 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇.
  4. 청구항 2에 있어서,
    비콘(BICONE) 형태의 조립체의 꼭지각은 90°인 것을 특징으로 하는, 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇.
  5. 삭제
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 SSMM이 직선운동하는 경우, x, y축 평면에서 로봇의 y방향 동작을 생성할 수 있는 EWMF는 아래의 수학식을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는, 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇.
    Figure 112019025302039-pat00020

    (여기서, B0은 EWMF의 크기이고, ω는 EWMF의 각속도이다. 위와 아래의 방정식은 SSMM이 y축 방향으로 동작하여 원뿔운동 됨으로 인해 형성된 반원의 외주연 아크 중 각각 홀수 및 짝수의 아크를 이동하는 SSMM에 대응된다.)
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 SSMM이 경사면에서 동작하기 위한 EWMF 조건은 x, y축 평면으로부터의 표면 각도(α)와 y축으로부터 SSMM의 롤링 방향 각도(β)를 이용하여 아래의 수학식으로 산출되는 것을 특징으로 하는, 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇.
    Figure 112017123205735-pat00021

  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 SSMM은 자외선 경화형 아크릴 플라스틱으로 제작되는 것을 특징으로 하는, 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 SSMM은 정적 마찰 계수(μ)가 0.84인 고무 플레이트 또는 0.36인 실리콘 플레이트 중 어느 하나의 것의 표면에서 롤링 동작하는 것을 특징으로 하는, 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 SSMM이 동작하기 위한 EWMF의 조건은, B0=10mT 및 ω=2π rad/s(1Hz)인 것을 특징으로 하는, 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 SSMM이 작동 가능한 최대 표면 각도(α) 조건은 고무 플레이트 상의 표면을 롤링 동작하는 경우 표면각도(α)가 35°이고, 실리콘 플레이트 상의 표면을 롤링 동작하는 경우 표면각도(α)가 20°이되,
    상기 표면각도(α)는 상기 SSMM의 y축 기준의 롤링 방향 각도(β)가 증가함에 따라 감소되는 것을 특징으로 하는, 외부 흔들림 자기장에 의해 작동되는 스피리콘 형태의 자성 밀리로봇.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20060036112A (ko) 2003-08-06 2006-04-27 올림푸스 가부시키가이샤 의료 장치, 의료 장치 유도 시스템, 캡슐형 의료 장치 및캡슐형 의료 장치 유도 장치
KR101272156B1 (ko) * 2011-08-31 2013-06-05 전남대학교산학협력단 혈관치료용 마이크로로봇시스템 및 그 제어방법

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