KR20040110566A

KR20040110566A - Micro robot

Info

Publication number: KR20040110566A
Application number: KR1020030039919A
Authority: KR
Inventors: 김병규; 정재훈; 탁영훈; 박종오
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2003-06-19
Publication date: 2004-12-31
Also published as: KR100540757B1

Abstract

PURPOSE: A micro robot is provided to examine intragastric condition without causing damage to a patient, by permitting the micro robot to move in a desired direction in the stomach of the patient. CONSTITUTION: A micro robot comprises a main body unit(100); a tail unit(200) which rotates centering from a point in the main body unit such that the main body moves in a liquid; and a driving unit(300) having an end arranged in the main body unit such that the driving unit is rotatable. The driving unit is connected to the tail unit and generates driving forces to rotating the tail unit. The main body unit is equipped with a camera(110) for obtaining image information.

Description

Micro Robots {MICRO ROBOT}

본 발명은 마이크로 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로 로봇의 이동에 관한 것이다.The present invention relates to a micro robot, and more particularly to the movement of the micro robot.

내시경은 주로 인체 내의 장기(臟器)의 병변을 수술 없이 검사 또는 치료하는 경우에 사용된다. 그러나, 대장 내시경 진료를 받을 경우 고통과 불쾌감이 크기 때문에 환자들로부터 환영받지 못했다. 이는 대장이 매우 깊은 각도로 구부러져 있기 때문에 대장 내시경 시술 시 환자가 받는 고통과 병변 판단율이 의사의 경험과 숙련도에 크게 좌우되기 때문이다.Endoscopy is mainly used for the examination or treatment of lesions of organs in the human body without surgery. However, patients who received colonoscopy were not welcomed because of the high pain and discomfort. This is because the bowel is bent at a very deep angle, and the pain and lesion judgment rate suffered by the colonoscopy procedure greatly depends on the doctor's experience and skill.

최근에는 대장 내시경 시술의 이런 문제를 개선하기 위해서 가상 내시경 (Virtual Colonoscopy) 또는 유전자 검사법 등이 등장하기도 했다. 그러나 이것은 의사가 환부를 직접적으로 보고 처치하거나 생검 (生檢;Biopsy)등을 할 수 없기 때문에 간접적인 방법으로 평가된다. 또한, 삼킬 수 있는 캡슐을 개발하여 소장의 영상정보를 외부로 전송시킴으로써 그 동안 전통적인 내시경으로는 볼 수 없던 소장 부위를 진단하게 함으로써 의료적 진단의 범위를 넓히고자 했다.Recently, to overcome this problem of colonoscopy, virtual colonoscopy or genetic testing has emerged. However, this is assessed indirectly because doctors cannot directly see and treat the affected area or perform a biopsy. In addition, by developing a swallowable capsule to transmit the image information of the small intestine to the outside of the small intestine that has not been seen by conventional endoscopes to expand the scope of medical diagnosis.

이러한 종래의 마이크로 캡슐형 내시경은 내부에 장착된 카메라 시스템에서얻은 정보를 무선 송신 모듈을 이용하여 외부에 보냄으로써 이전까지는 검사가 어려웠던 소장 영역까지 검사 영역을 확장할 수 있었다.Such a conventional microcapsule type endoscope can extend the inspection area to the small intestine region, which has been difficult to test by sending information obtained from an internally mounted camera system to the outside using a wireless transmission module.

그러나, 이러한 무선 카메라 시스템을 장착한 마이크로 캡슐의 장기(臟器) 내 이동은 장기(臟器)의 자연스러운 연동 운동에만 의존하기 때문에 위나 대장 같이 그 직경이 소장에 비하여 상대적으로 큰 부분에서는 양호한 영상정보를 얻을 수 없는 문제점이 있다.However, the long-term movement of the microcapsules equipped with such a wireless camera system depends only on the natural peristalsis of the organs. There is a problem that can not be obtained.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 위 내부의 상태를 관찰하기 위하여 내부에서 원하는 방향으로의 이동이 가능하도록 하여 환자의 고통없이 위 내부의 상태를 검사할 수 있는 마이크로 로봇을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a micro robot capable of inspecting the state of the stomach without pain of the patient by enabling movement in a desired direction from the inside to observe the state of the stomach in order to solve the above problems. There is.

본 발명의 또다른 목적은 액체가 채워진 대상의 내부를 자유롭게 이동할 수 있는 수단을 제공하여 그 내부의 상태를 능동적으로 관찰할 수 있는 마이크로 로봇을 제공하는 데 있다.Still another object of the present invention is to provide a micro robot capable of actively observing a state inside the liquid by providing a means for freely moving the inside of the liquid-filled object.

도 1은 본 발명에 따른 마이크로 로봇의 구성을 보여주는 구성도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a micro robot according to the present invention.

도 2는 도 1의 마이크로 로봇의 측면도이다.FIG. 2 is a side view of the micro robot of FIG. 1.

도 3은 도 1의 마이크로 로봇의 평면도이다.3 is a plan view of the micro robot of FIG. 1.

도 4는 본 발명에 따른 마이크로 로봇 및 외부장치로 구성된 마이크로 로봇 시스템의 구성을 보여주는 개념도이다.4 is a conceptual diagram showing the configuration of a micro robot system composed of a micro robot and an external device according to the present invention.

도 5는 도 1의 마이크로 로봇의 꼬리부의 움직임에 따른 형상 변화를 보여주는 그래프이다.5 is a graph showing a change in shape according to the movement of the tail of the micro-robot of FIG.

도 6은 도 1의 마이크로 로봇의 꼬리부의 움직임 및 주파수 변화에 따른 추력의 변화를 보여주는 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing a change in thrust according to the movement and the frequency change of the tail of the microrobot of FIG. 1.

도 7은 도 1의 마이크로 로봇의 듀티비의 일예를 나타낸 그래프이다.7 is a graph illustrating an example of a duty ratio of the micro robot of FIG. 1.

도 8은 도 1의 마이크로 로봇의 선회각도의 정의를 나타내는 그래프이다.8 is a graph showing the definition of the turning angle of the microrobot of FIG. 1.

도 9는 도 1의 마이크로 로봇의 듀티비에 따른 선회각도의 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 9 is a graph illustrating a change in turning angle according to the duty ratio of the micro robot of FIG. 1.

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

100 : 본체부 110 : 카메라장치100: main body 110: camera device

120 : 조명장치 130 : 송수신장치120: lighting device 130: transceiver

140 : 제어부 150 : 전원140: control unit 150: power

160 : 부력조절장치 200 : 꼬리부160: buoyancy control device 200: tail

300 : 구동부300 drive unit

본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 창출된 것으로서, 몸체부와; 상기 몸체부 내의 한 지점을 중심으로 하여 왕복 회전하여 액체 내에서 상기 몸체부가 이동하도록 하는 꼬리부와; 일단이 상기 몸체부에 회전 가능하게 설치되고 상기 꼬리부와 연결되어 상기 꼬리부를 왕복회전시키는 구동력을 발생시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇을 제공한다.The present invention has been created to achieve the object of the present invention as described above, the body portion; A tail configured to reciprocate about a point within the body to move the body within the liquid; One end is rotatably provided to the body portion is connected to the tail and provides a micro robot comprising a drive for generating a driving force for reciprocating the tail.

또한 본 발명은 액체가 담겨진 대상의 내부로 투입되어 그 내부를 이동하는로봇에 있어서, 몸체부와; 상기 몸체부 내의 한 지점을 중심으로 하여 왕복 회전하여 상기 대상의 내부에 담겨진 액체 내에서 상기 몸체부가 이동하도록 하는 꼬리부와; 일단이 상기 몸체부에 회전 가능하게 설치되고 상기 꼬리부와 연결되어 상기 꼬리부를 왕복회전시키는 구동력을 발생시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇을 제공한다.In another aspect, the present invention is a robot that is introduced into the inside of the object containing the liquid to move the inside, the body portion; A tail portion for reciprocating rotation about a point in the body portion to move the body portion within the liquid contained in the object; One end is rotatably provided to the body portion is connected to the tail and provides a micro robot comprising a drive for generating a driving force for reciprocating the tail.

또한 본 발명은 몸체부와; 굽이침 운동에 의하여 액체 내에서 상기 몸체부가 이동하도록 하는 꼬리부와; 일단이 상기 몸체부에 설치되어 상기 꼬리부와 연결되어 상기 꼬리부가 굽이침 운동을 하도록 구동력을 발생시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇을 제공한다.The present invention also the body portion; A tail for allowing the body to move in the liquid by bending motion; One end is provided in the body portion is connected to the tail and provides a micro-robot comprising a drive unit for generating a driving force for the tail portion to bend movement.

이하, 본 발명에 따른 마이크로 로봇에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, described in detail with reference to the accompanying drawings with respect to the micro robot according to the present invention.

본 발명에 따른 마이크로 로봇은 도 1에 도시된 바와 같이, 몸체부(100)와; 상기 몸체부(100) 내의 한 지점을 중심으로 하여 왕복 회전하여 액체 내에서 상기 몸체부(100)가 이동하도록 하는 꼬리부(200)와; 일단이 상기 몸체부(100)에 회전 가능하게 설치되고 상기 꼬리부(200)와 연결되어 상기 꼬리부(200)를 왕복회전시키는 구동력을 발생시키는 구동부(300)를 포함하여 구성된다.Micro robot according to the present invention, as shown in Figure 1, the body portion 100; A tail portion 200 for reciprocating rotation about a point in the body portion 100 to move the body portion 100 in the liquid; One end is rotatably installed in the body portion 100 and is connected to the tail portion 200 is configured to include a drive unit 300 for generating a driving force for reciprocating the tail portion 200.

상기 몸체부(100)의 내부에는 도 1에 도시된 바와 같이, 주변에 대한 영상정보를 획득하기 위한 카메라장치(110)와, 상기 카메라장치(110)가 촬영할 수 있도록 촬영대상에 조명하여 주기 위한 조명장치(120)와, 상기 카메라장치(100)에서 촬영된 영상정보 및 로봇을 제어하기 위한 제어신호 등을 후술할 외부장치와 무선으로 송수신하기 위한 송수신장치(130), 상기 장치들의 제어를 위한 제어부(140)와, 상기 장치들의 작동을 위한 전원(150) 등이 탑재된다. 그리고 상기 몸체부(100)는 그 내부로 액체가 유입되지 않도록 방수처리되는 것이 바람직하며, 그 재질은 인체에 무해한 소재로 제작되는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 1, inside the body part 100, a camera device 110 for acquiring image information about the surroundings, and the camera device 110 is configured to illuminate a photographing target to be photographed. Lighting device 120, a transceiver 130 for wirelessly transmitting and receiving the external device to be described later, the image information and the control signal for controlling the robot, such as the camera device 100, for controlling the devices The controller 140 and a power supply 150 for operating the devices are mounted. And the body portion 100 is preferably waterproof so that liquid does not flow into it, the material is preferably made of a material harmless to the human body.

상기 카메라장치(110)는 위액 내부에 불순물이 많은 것을 고려하여, 그 렌즈의 표면을 가리지 않도록 액체 내에 잠기기 않는 몸체부(100)의 상측에 설치되는 것이 바람직하나, 반드시 그 위치가 한정되는 것은 아니다.The camera device 110 is preferably installed on the upper side of the body portion 100 which is not immersed in the liquid so as not to cover the surface of the lens in consideration of a lot of impurities in the gastric fluid, but the position is not necessarily limited. .

또한 상기 몸체부(100)의 내부에는 몸체부(100)의 균형유지 및 몸체부(100) 내부의 액체의 양을 조절 등의 자세제어를 위한 부력조절장치(160)가 추가로 탑재될 수 있다.In addition, the buoyancy control device 160 for posture control, such as maintaining the balance of the body portion 100 and the amount of liquid in the body portion 100 may be additionally installed inside the body portion 100. .

상기 구동부(300)는 도 1과 2에 도시된 바와 같이, 몸체부(100)의 일측에 형성된 입부(310)에 일단이 연결 설치되고, 상기 제어부(140) 및 전원(150)과 연결되어 제어부(140)의 제어신호에 의하여 작동한다. 특히 상기 구동부(300)는 보다 효율적으로 후술할 꼬리부(200)가 왕복 회전운동을 하도록 인체에 무해한 아피엠씨(IPMC; ionic polymer metal composite) 액츄에이터를 사용한다.1 and 2, one end of the driving unit 300 is installed and connected to the mouth portion 310 formed on one side of the body portion 100, and is connected to the control unit 140 and the power supply 150 to control the control unit. It operates by the control signal of 140. In particular, the drive unit 300 uses an ionic polymer metal composite (IPMC) actuator harmless to the human body so that the tail portion 200 to be described later to reciprocate rotation more efficiently.

상기 꼬리부(200)는 상기 구동부(300)를 매개로 하여 상기 몸체부(100)와 회전가능하게 연결설치되며, 회전 운동에 따른 주변의 유체 저항을 견딜 수 있는 강성을 가지는 부재로 제작될 수 있으나, 도 3에 도시된 바와 같이, 소위 올챙이 꼬리의 움직임과 유사한 운동을 할 수 있도록 주변의 유체 저항에 의하여 휠 수 있는소재로 제작될 수 있으며, 특히 상기 꼬리부(200)의 소재로는 인체에 무해한 피디엠에스(PDMS; polymethyl siloxane)를 사용하는 것이 바람직하다.The tail portion 200 is rotatably connected to the body portion 100 via the drive unit 300, it can be made of a member having a rigidity capable of withstanding the fluid resistance of the surroundings due to the rotational movement However, as shown in Figure 3, the so-called tadpole can be made of a material that can be bent by the fluid resistance of the surroundings to perform a similar movement of the tail, in particular the material of the tail 200 It is preferable to use PDMS (polymethyl siloxane) which is harmless.

특히 상기 꼬리부(200)는 그 재질이 쉽게 휠 수 있는 유연한 재질을 사용함으로써 올챙이 꼬리 또는 물고기가 물속에서 이동을 위한 움직임과 유사한 소위 굽이침 운동을 하도록 구성되는 것이 바람직하다.In particular, the tail portion 200 is preferably configured to perform a so-called bend movement similar to the movement of the tadpole tail or fish in the water by using a flexible material that can be easily bent material.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 마이크로 로봇의 작동 및 그 원리에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.With reference to the accompanying drawings, the operation of the microrobot and the principle thereof according to the present invention having the above configuration will be described in detail as follows.

본 발명에 따른 마이크로 로봇은 도 4에 도시된 바와 같이, 위장(S) 등에 투입되는데, 그 투입전에 로봇이 액체 내에서 이동할 수 있도록 위 내부에 물과 같은 액체를 주입하게 된다.As shown in FIG. 4, the micro robot according to the present invention is injected into the stomach (S) or the like, and the liquid is injected into the stomach, such as water, so that the robot can move in the liquid before the injection.

위장(S) 내부에 주입된 물은 시간의 흐름에 따라서 위장(S) 및 내장 등의 활동에 의하여 배출되게 되며, 위 내부에 투입된 로봇은 위 내부를 이동하면서 위 벽을 카메라장치(110)에 의하여 촬영하게 된다. 특히 도 2에 도시된 바와 같이, 위 내에 주입된 물의 배출과 함께 위 내부를 선회하면서 위의 내벽을 골고루 촬영하게 된다.The water injected into the stomach (S) is discharged by the activities of the stomach (S) and intestines according to the passage of time, and the robot injected into the stomach moves the stomach wall to the camera device 110 while moving inside the stomach. By shooting. In particular, as shown in Figure 2, the inner wall of the stomach is evenly taken while turning the inside of the stomach with the discharge of water injected into the stomach.

그리고 위 내부에 투입된 로봇은 제어장치(410) 및 모니터(420) 등으로 구성된 외부장치(400)에 의하여 촬영위치, 자세, 이동 방향 등이 제어된다.And the robot put into the inside is controlled by the external device 400 composed of the control device 410 and the monitor 420, the shooting position, posture, movement direction and the like.

본 발명에 따른 마이크로 로봇의 작동원리에 관하여 살펴보면 다음과 같다.Looking at the operation principle of the micro robot according to the present invention.

본 발명에 따른 마이크로 로봇의 작동원리는 소위 '올챙이 꼬리 운동 또는 굽이침 운동' 등에 의한 추진원리를 마이크로 로봇에 응용한 것으로서, 꼬리부(200)의 형상과 추력과의 관계를 수식으로 표현하면 다음과 같다.The operating principle of the microrobot according to the present invention is to apply the propulsion principle of the so-called tadpole tail movement or bend movement, etc. to the microrobot. Same as

수학식 1Equation 1

수학식 2Equation 2

여기서 C_D는 항력계수, ρ는 액체의 밀도, b는 꼬리부의 폭, v_n은 로봇의 속도, α는 꼬리부(200)가 기울어진 각도, h는 꼬리부(200)의 움직임에 대한 함수, f는 구동부(300)의 주파수, λ는 꼬리부(200)의 파장의 길이를 나타낸다.Where C _D is the drag coefficient, ρ is the density of the liquid, b is the width of the tail, v _n is the speed of the robot, α is the angle at which the tail 200 is tilted, and h is a function of the movement of the tail 200. , f is the frequency of the drive unit 300, λ represents the length of the wavelength of the tail 200.

상기 수학식 1 및 2는 논문 "올챙이의 유영의 전산유체역학 연구"(A Computational Fluid Dynamics Study of Tadpole Swimming, The Journal of Experimetal Biology 199, 1245-1260(1996), The company of Biologists Limited 1996)을 참조하였다.Equations 1 and 2 refer to the article "A Computational Fluid Dynamics Study of Tadpole Swimming, The Journal of Experimetal Biology 199, 1245-1260 (1996), The company of Biologists Limited 1996). Reference was made.

즉, 상기 꼬리부(200)의 폭, 파장, 기울어진 각도 등의 형상과 구동부(300)의 주파수로 부터 로봇의 추력 및 속도 등을 구할 수 있다. 또한 상기 수학식 1 및 2로 부터, 도 5와 6에 도시된 바와 같이, 로봇의 꼬리부(200)의 형상 및 속도 등의 최적화가 가능하다.That is, the thrust and the speed of the robot can be obtained from the shape of the width, the wavelength, the inclination angle, and the like of the tail part 200 and the frequency of the driving part 300. In addition, from Equations 1 and 2, as shown in Figures 5 and 6, it is possible to optimize the shape and speed of the tail portion 200 of the robot.

한편 상기 구동부(300)의 듀티비(Duty ratio), 즉 구동부(300)의 온/오프(ON/OFF) 시간비에 의하여 로봇의 선회반경 등의 이동특성을 변화시킬 수 있는데, 도 7 내 지 9에 도시된 바와 같이, 듀티비를 크게 함(구동부의 온 시간을 오프 시간보다 길게 함)으로써 몸체부(100)가 일정한 선회각도(α)로 한쪽으로 선회시킬 수 있게 된다.The duty ratio of the driving unit 300, that is, the on / off time ratio of the driving unit 300 may change the movement characteristics such as the turning radius of the robot. As shown in Fig. 9, by increasing the duty ratio (making the driving time longer than the off time), the body portion 100 can be rotated to one side at a constant turning angle α.

한편 본 발명에 따른 마이크로 로봇은 인체의 장기, 즉 위 내부에 투입되어 위 내부의 상태 등을 관찰하는데 관하여 설명하고 있으나 본 발명에 따른 마이크로 로봇은 하수도 등의 액체가 담겨진 대상의 내부를 관측하는데 활용될 수 있다.Meanwhile, the microrobot according to the present invention has been described for observing the internal organs of the human body, that is, the inside of the stomach, and the like. Can be.

본 발명에 따른 마이크로 로봇은 인체의 장기의 연동운동에 의하여 수동적으로 이동하지 아니하고 적극적으로 이동하여 보다 효과적으로 관찰할 수 있는 이점이 있다.The microrobot according to the present invention has an advantage of observing more effectively by actively moving rather than passively moving by the peristalsis of the human organs.

또한 본 발명에 따른 마이크로 로봇은 위와 같이 액체가 있는 공간을 환자로 하여금 불편함을 주지 않고 적극적으로 이동하면서 관찰할 수 있는 이점이 있다.In addition, the micro-robot according to the present invention has the advantage of observing while actively moving the space with the liquid as described above without inconvenience to the patient.

또한 본 발명에 따른 마이크로 로봇은 액체가 담겨진 대상의 내부를 외부에서 무선으로 제어하면서 그 내부를 효과적을 관찰할 수 있는 이점이 있다.In addition, the micro-robot according to the present invention has an advantage of effectively observing the inside while wirelessly controlling the inside of the object in which the liquid is contained.

Claims

A body portion;

A tail configured to reciprocate about a point within the body to move the body within the liquid;

One end is rotatably installed in the body portion and is connected to the tail and a micro-robot comprising a drive unit for generating a driving force for reciprocating the tail.

The method of claim 1,

The body portion is a micro-robot, characterized in that the camera device for acquiring the image information of the surrounding.

The method of claim 2,

The camera device is a micro robot, characterized in that installed above the body portion.

The method of claim 2 or 3,

The body portion is a micro-robot, characterized in that the illumination device for illuminating a subject to be photographed so that the camera device can shoot.

The method of claim 2 or 3,

The body portion of the micro-robot, characterized in that it comprises a wireless transceiver for transmitting and receiving with the external device for controlling the image information and the robot photographed in the camera device.

The method according to any one of claims 1 to 3,

The drive unit is a micro robot, characterized in that the APMC (IPMC).

The method of claim 6,

Micro robot, characterized in that the movement of the body is controlled by adjusting the on / off time of the power applied to the APC (IPMC).

The method of claim 1,

And said tail portion is a member that is flexible when moving in liquid.

The method of claim 1,

The robot is a micro-robot, characterized in that the capsule-type robot that is injected into the organs of the human body.

The method of claim 1,

The organ is a micro robot, characterized in that the stomach.

The method of claim 1,

The body portion is a micro robot, characterized in that the buoyancy control device for controlling the posture of the body portion is further mounted.

In the robot which is injected into the inside of the object containing the liquid and moves therein,

A body portion;

A tail portion for reciprocating rotation about a point in the body portion to move the body portion within the liquid contained in the object;

A body portion;

A tail for allowing the body to move in the liquid by bending motion;

One end is installed in the body portion is connected to the tail and the micro-robot comprising a drive unit for generating a driving force for the tail portion to bend movement.