KR101040487B1 - 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇 및 그 구동방법에 관한 것으로, 모터(1)가 장착되며, 전후방으로의 연장길이를 가지는 다수의 직선형 돌기(11)가 표면 둘레에 형성되어 상기 직선형 돌기(11)의 높이와 갯수에 비례하는 표면 회전 마찰력을 가지는 직선돌기 직진체(10); 상기 직선돌기 직진체(10) 후방에 이격되게 설치되며, 표면 둘레에 나선형 돌기(21)가 전후방으로 연속형성되어 회전수에 비례하여 전방으로의 직진 이동변위를 가지는 나선돌기 회전체(20); 및 상기 나선돌기 회전체(20)가 상기 직선돌기 직진체(10)에 장착된 상기 모터의 회전축(1a)에 연동되어 회전되고, 상기 직선돌기 직진체(10)가 상기 나선돌기 회전체(20)의 직진 이동변위에 연동되어 직진이동되도록, 상기 모터의 회전축(1a)과 상기 나선돌기 회전체(20)를 축이음하며, 상기 직선돌기 직진체(10)와 나선돌기 회전체(20) 상호간에 임의의 상대각도를 형성가능하도록 전후 길이방향의 일부 또는 전체가 유연하게 굴곡변형 가능한 연질소재로 구성되는 연질 연결체(30);를 포함하여 구성되는 것을 기술적 요지로 하여, 나선형 표면 구조를 가지는 회전체를 이용함에 있어서, 장기 내벽과 무리하게 접촉되는 것을 방지할 수 있으면서도 장기 내벽의 형상에 맞추어 진행방향을 원활하게 전환, 제어가능하며, 간단한 구조로 구현가능하여 소형, 경량 및 저렴한 단가로 제작, 적용가능한 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇 및 그 구동방법에 관한 것이다.

나선형 구조물, 내시경 로봇, 생체내 이동형 시스템, 마이크로 로봇

Description

나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇{in-vivo moving robot having spiral surface structure}

본 발명은 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇에 관한 것으로, 나선형의 표면을 갖는 회전체를 생체 내벽이나 기타 점탄성체의 표면과 접촉하여 추진력을 발생시키는 메커니즘을 가지는 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇에 관한 것이다.

생체내 이동형 의료기기는 구강, 위장, 소장, 대장의 검사를 위해 식도를 통해 삽입되어 사용되는 캡슐형 내시경과, 항문으로 삽입되는 내시경 로봇이 있으며, 현재 상용화되어 있는 캡슐형 내시경의 경우, 일반 알약과 같이 구강을 통해 복용되며 자연스러운 소화과정을 통해 인체 내의 모든 소화기관을 거쳐 체외로의 배출이 이루어지게 된다.

이러한 과정을 거치는 동안 캡슐형 내시경은 장기 내부를 촬영한 영상 데이터를 체외의 데이터 저장장치로 전송하게 되어, 의료진은 내시경이 수행되는 동안 실시간으로 소화기관의 내부를 관찰할 수 있으며, 내시경 이후에는 저장된 영상 데이터를 이용하여 보다 면밀한 진단을 수행할 수 있다.

그러나, 이러한 캡슐 내시경은 체내로 투입되어 체외로 배출되는데 약 8 내지 12시간 가량이 소요되어 환자와 의료진에게 큰 번거로움이 발생하게 되며, 캡슐형 내시경이 이미 지나쳐 버린 부분은 다시 촬영할 수 없어 비효율적이라는 단점이 있었다.

이러한 단점을 해결하기 위한 종래기술로서, 한국공개특허 제2003-68110호의 스크류 타입의 관 내부 이동장치, 한국특허등록 제707395호의 캡슐형 내시경 장치, 한국특허등록 제707393호의 캡슐형 내시경 장치, 한국특허등록 제810732호의 캡슐형 내시경 장치, 한국공개특허 제2005-73166호의 내시경 장치를 포함한 다수가 개시되어 있으며, 이러한 종래기술들은 스크류 회전에 의해 그 이동속도와 방향을 제어하는 작동구조를 구현하고 있다.

그러나, 한국공개특허 제2003-68110호의 스크류 타입의 관 내부 이동장치의 경우, 다수의 스크류 구조체 및 모터를 병렬되게 배치하여야 하므로 사이즈가 커서 장기 내 투입 시 사용자에게 거부감을 일으키기 쉽고 단가가 비싸며, 다수의 스크류 구조체의 동시 구동 시 스크류 회전속도에 차이가 발생하게 되면 회전속도가 낮은 방향으로 진행방향이 꺾이게 되므로 명확하게 전, 후진을 컨트롤하기 힘들다는 문제점이 있다.

그리고, 한국특허등록 제707395호의 캡슐형 내시경 장치, 한국특허등록 제707393호의 캡슐형 내시경 장치, 한국특허등록 제810732호의 캡슐형 내시경 장치의 경우, 하나의 스크류 구조체로 구성되어 있으나 스크류 구조체의 회전력이 장기 내부 벽면에 무리하게 작용하게 되어 지속적인 사용 시 장기 내벽이 꼬이거나 비틀리게 되며, 외부에서 자기장을 걸어주어야 하므로 별도의 자기부여장치를 구비하여야 사용가능하다는 문제점이 있다.

또한, 한국공개특허 제2005-73166호의 내시경 장치의 경우, 전방 구조체와 후방 구조체를 스크류로 연결하여 스크류의 신장이동 변위에 비례하여 전방 구조체 를 전진시킨 후 스크류의 축소이동 변위에 비례하여 후방 구조체를 당겨 함께 전진시키고 있으나, 스크류가 정, 역방향으로 2차례 회전되어야만 1차례의 전진이 이루어질 수 있어 신속한 검사가 어려우며, 전방 구조체와 후방 구조체가 스크류에 의해 일체로 연결되어 있어 구부러진 형태를 가지는 장기 내벽부에서는 원활한 진행이 어렵고 전방 구조체와 후방 구조체 사이에 장기가 끼여 손상될 수 있다는 문제점이 있다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 나선형 표면 구조를 가지는 회전체를 이용함에 있어서, 장기 내벽과 무리하게 접촉되는 것을 방지할 수 있으면서도 장기 내벽의 형상에 맞추어 진행방향을 원활하게 전환, 제어가능하며, 간단한 구조로 구현가능하여 소형, 경량 및 저렴한 단가로 제작, 적용가능한 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇 및 그 구동방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 모터(1)가 장착되며, 전후방으로의 연장길이를 가지는 다수의 직선형 돌기(11)가 표면 둘레에 형성되어 상기 직선형 돌기(11)의 돌출높이와 갯수에 비례하는 표면 회전 마찰력을 가지는 직선돌기 직진체(10); 상기 직선돌기 직진체(10) 후방에 이격되게 설치되며, 표면 둘레에 나선형 돌기(21)가 전후방으로 연속형성되어 회전수에 비례하여 전방으로의 직진 이동변위를 가지는 나선돌기 회전체(20); 및 상기 나선돌기 회전체(20)가 상기 직선돌기 직진체(10)에 장착된 상기 모터의 회전축(1a)에 연동되어 회전되고, 상기 직선돌기 직진체(10)가 상기 나선돌기 회전체(20)의 직진 이동변위에 연동되어 직진이동되도록, 상기 모터의 회전축(1a)과 상기 나선돌기 회전체(20)를 축이음하며, 상기 직선돌기 직진체(10)와 나선돌기 회전체(20) 상호간에 임의의 상대각도를 형 성가능하도록 전후 길이방향의 일부 또는 전체가 유연하게 굴곡변형 가능한 연질소재로 구성되는 연질 연결체(30);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇를 기술적 요지로 한다.

여기서, 상기 직선돌기 직진체(10)는, 진행방향의 전방단부에 카메라 모듈(2)이 장착되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 나선돌기 회전체(20)는, 0.2 이하의 낮은 마찰계수를 가지는 DLC(diamond-like carbon) 코팅층(미도시)이 표면에 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 나선돌기 회전체(20)는, 상기 나선형 돌기(21)를 포함한 전체가 유연하게 굴곡변형 가능한 연질소재로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 나선돌기 회전체(20)는, 상기 나선돌기 회전체(20)의 길이방향을 따라 연속하여 중공형성된 중공부(22)가 구비되어, 설정압을 초과하여 외압이 작용하는 경우 외압의 초과정도에 비례하여 외경이 유연하게 축소변형되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 나선돌기 회전체(20)는, 진행방향의 후방단부에 생체 외부 취출용 와이어(5)가 연결되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 연질 연결체(30)는, 상기 모터의 회전축(1a)에 연결되는 연질소재의 전방연결부; 상기 전방연결부의 후방단부에 전달된 회전각 변위와 동일한 회전각 변위를 가지도록, 경질소재로 구성되어 상기 전방연결부의 후방단부에 연결되는 경질계합부(31); 상기 경질계합부(31)의 회전각 변위와 동일한 회전각 변위를 가지도록, 경질소재로 구성되어 상기 경질계합부(31)에 계합되는 경질피계합 부(32); 및 상기 경질계합부(31) 및 피경질계합부(31)의 회전각 변위가 상기 나선돌기 회전체(20)에 전달되도록, 전방단부가 상기 경질피계합부(32)에 연결되고, 후방단부가 상기 나선돌기 회전체(20)에 연결되는 연질소재의 후방연결부(33);를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 연질 연결체(30)는, 전체가 연질소재로 형성되어, 상기 모터의 회전축(1a)에 전방단부가 연결되고 상기 나선돌기 회전체(20)에 후방단부가 연결되는 것이 바람직하다.

또한, 모터(1)가 중앙에 장착, 고정되며, 전후방으로의 연장길이를 가지는 다수의 직선형 돌기(11)가 표면 둘레에 형성되어 상기 직선형 돌기(11)의 높이와 갯수에 비례하는 표면 회전 마찰력을 가지는 직선돌기 직진체(10); 상기 직선돌기 직진체(10) 후방에 이격되게 설치되고, 표면 둘레에 나선형 돌기(21)가 전후방으로 연속형성되어 회전수에 비례하여 전방으로의 직진 이동변위를 가지며, 중앙에 제1연장홀(24)이 전후방으로 관통형성된 나선돌기 회전체(20); 상기 직선돌기 직진체(10) 중앙에 위치되는 모터의 회전축(1a)과 상기 나선돌기 회전체(20)의 중앙부를 축이음하며, 상기 직선돌기 직진체(10)와 나선돌기 회전체(20) 상호간에 임의의 상대각도를 형성가능하도록 전후 길이방향의 일부 또는 전체가 유연하게 굴곡변형 가능한 연질소재로 구성되고, 중앙에 상기 제1연장홀(24)에 연통되는 제2연장홀(34)이 연속형성되는 연질 연결체(30); 상기 모터의 회전축(1a)에 연결형성되는 제1기어부(41), 상기 연질 연결체(30)의 전방부에서 상기 와이어(5) 연장홀 둘레에 연결형성되는 제2기어부(42), 상기 제1기어부(41)와 제2기어부(42) 사이에 상기 제 1, 2연장홀(24, 34)에 연통되는 이격공간(44)을 제공하면서 상기 제1기어부(41)와 제2기어부(42)를 기어연결하는 제3기어부(43)가 구비되는 기어박스(40); 및 전방단부가 상기 제1, 2연장홀(24, 34) 및 기어박스의 이격공간(44)을 순차적으로 통과하여 상기 직선돌기 직진체(10)에 연결되어, 상기 나선돌기 회전체(20)와 연질 연결체(30)의 회전력을 전달받지 않고 상기 직선돌기 직진체(10)의 직선이동변위에 대응되는 이동변위만을 가지는 와이어(5);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇를 다른 기술적 요지로 한다.

그리고, 상기 와이어(5)는, 생체 외부로 인출하기 위한 가압력을 전달하는 인출수단인 것이 바람직하다.

또한, 상기 와이어(5)는, 생체 내부에 삽입된 상태의 상기 모터(1)에 생체 외부에서 전력을 공급하는 전력공급수단인 것도 바람직하다.

그리고, 직선형 돌기(11)와 생체 내벽과의 마찰에 의해 전후방으로의 이동변위만을 가지는 직선돌기 직진체(10)와, 나선형 돌기(21)와 생체 내벽과의 접속에 의해 회전이동변위를 가지는 나선돌기 회전체(20)를, 유연하게 굴곡변형 가능한 연질소재로 구성된 연질 연결체(30)로 연결하여, 상기 나선돌기 회전체(20)의 회전에 의해 생성되는 직진 이동변위에 대응되는 변위로 상기 직선돌기 직진체(10)를 이동시킴과 동시에, 생체 내벽의 굴곡형상에 따라 이에 순응하여 상기 연질 연결체(30)가 굴곡되면서 이동이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇의 구동방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.

여기서, 모터(1)의 몸체부는 상기 직선돌기 직진체(10)에 장착, 고정되고 상 기 모터의 회전축(1a)은 상기 연질 연결체(30)에 연결되어, 상기 직선돌기 직진체(10)의 회전 정지 마찰력을 토대로 상기 나선돌기 회전체(20)의 스크류 회전 및 이동이 이루어지는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명은, 직선돌기 직진체의 직선형 돌기가 제공하는 표면회전 마찰력에 의해 점탄성체인 장기 내벽상에 안정되게 접속, 지지된 상태에서, 나선돌기 회전체의 나선형 돌기가 그 회전수 및 단위길이당 권선수에 비례하여 직진 이동변위를 명확하게 형성하게 된다는 효과가 있다.

또한, 나선돌기 회전체의 회전에 의해 생성되는 직진 이동변위에 대응되는 변위로 로봇 전체의 전, 후진이 명확하게 이루어지게 됨에 따라, 나선형 구조체를 이용한 기존의 구조와 비교하여, 나선 구동 메커니즘의 추진효율과 작동 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있다는 다른 효과가 있다.

또한, 직선돌기 직진체와 나선돌기 회전체를 유연하게 굴곡변형 가능한 연질 연결체로 연결함으로써, 생체 내벽의 굴곡형상에 적응하여 연질 연결체가 자연히 굴곡되면서 생체 내벽의 형상에 맞추어 방향의 전환이 자동으로 이루어지게 되어 보다 향상된 추진효율을 확보할 수 있다는 다른 효과가 있다.

그리고, 나선형 표면 구조를 가지는 회전체를 이용함에 있어서, 장기에 작용하게 되는 회전 접촉압력이 전, 후방에서 직선형 돌기와 나선형 돌기로 분산되어 작용하게 되어, 나선형 돌기가 장기 내벽과 무리하게 접촉, 고착되는 것을 방지할 수 있어 의학적 안전성을 보다 향상시킬 수 있다는 다른 효과가 있다.

또한, 모서리 부분을 라운딩 처리하고, 표면 거칠기를 개선하여 의학적 안전성을 확보하는 외에도, 나선돌기 회전체의 표면에 생체적합성과 저마찰 특성을 가지는 코팅층을 형성하여, 생체 표면과 최소한의 고착이 이루어진 상태에서, 즉, 나선형 돌기와 장기 내벽간의 마찰력이 아닌 나선형 돌기의 형상적인 특성만이 작용하는 상태로, 구동, 사용이 이루어지게 함으로써 생체 표면의 손상을 최소화 할 수 있어 의학적 안전성을 보다 향상시킬 수 있다는 다른 효과가 있다.

또한, 직선형 돌기의 높이와 갯수에 비례하는 표면 회전 마찰력을 부여하게 되고, 나선형 돌기의 회전수 및 단위길이당 권선수에 비례하여 전방으로의 직진 이동변위를 부여하게 되므로, 응용될 의료 환경 및 조건을 고려하여 직선형 돌기의 길이, 갯수, 나선형 돌기의 돌출높이, 단위 길이당 권선수 등의 인자를 적절하게 조정하여 적용함으로써 추진효율을 최적화시킬 수 있다는 다른 효과가 있다.

그리고, 생체내 이동형 로봇의 진행과 장기의 형상에 따른 방향전환이 장기 내벽과의 무리한 접속없이 원활하고 안전하게 이루어질 수 있어 작동 신뢰성과 안전성을 확보할 수 있으며, 하나의 모터와 나선형 구조체를 구비한 간단한 구조로 구현가능하여 소형, 경량 및 저렴한 단가로 제작가능함에 따라, 생체내 이동형 로봇의 상용화에 크게 기여할 수 있다는 다른 효과가 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 나선형 표면 구조를 가지는 생체 내 이동형 로봇 및 그 구동방법을 다음의 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇의 제1실시예를 도시한 측면도이고, 도 2는 도 1의 요부종단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇의 제2실시예를 도시한 요부종단면도이고, 도 4는 직선형 돌기의 갯수에 따른 직선돌기 회전체의 다양한 실시예를 도시한 사시도이고, 도 5는 나선돌기 회전체의 사시도이다.

도 6은 나선형 돌기의 돌출높이에 따른 나선돌기 회전체의 다양한 실시예를 도시한 측면도이고, 도 7a 내지 7c는 도 6에 도시된 나선돌기 회전체가 생체 장기 표면과 10 gf의 접촉력으로 접촉되고 35rpm으로 회전중인 상태에서 발생되는 추진력을 측정한 것을 표시한 그래프이며, 도 8은 나선형 돌기의 권선횟수 및 각도에 따른 나선돌기 회전체의 다양한 실시예를 도시한 측면도이고,

본 발명에 따른 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇의 제1실시예는, 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 크게 직선돌기 직진체(10), 나선돌기 회전체(20), 연질 연결체(30)로 이루어지며, 상기 직선돌기 직진체(10)의 표면 둘레에는 다수의 직선형 돌기(11)가 형성되고, 상기 나선돌기 회전체(20)의 표면 둘레에는 다수의 나선형 돌기(21)가 형성되며, 상기 연질 연결체(30)는 연질소재로 구성되어 상기 직선돌기 직진체(10)와 나선돌기 회전체(20)를 연결하는 구조를 가진다.

상기 직선돌기 직진체(10)는, 전후방으로의 연장길이를 가지는 다수의 직선 형 돌기(11)가 표면 둘레에 형성되어 상기 직선형 돌기(11)의 높이와 갯수에 비례하는 표면 회전 마찰력을 가지며, 상기 나선돌기 회전체(20)에 회전구동력을 제공하는 모터(1)가 장착되고, 진행방향의 전방단부에 카메라 모듈(2)이 장착된다.

도 4의 (a), (b), (c)는 상기 직선형 돌기(11)의 갯수에 따른 직선돌기 회전체(10)의 다양한 실시예를 도시한 사시도로, 상기 직선돌기 회전체(10)의 원통형 몸체부의 전, 후방 전길이에 걸쳐 일정한 돌출높이로 형성된 상기 직선형 돌기(11)가, 각각 6개, 10개, 20개소로 이격형성된 구조를 가지며, 상기 직선형 돌기(11)의 높이와 갯수에 비례하여 도 4의 (a) < 도 4의 (b) < 도 4의 (c)에 해당되는 표면 회전 마찰력을 부여하게 된다.

상기 나선돌기 회전체(20)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 직선돌기 직진체(10) 후방에 이격되게 설치되며, 표면 둘레에 나선형 돌기(21)가 전후방으로 연속형성되어 회전수에 비례하여 전방으로의 직진 이동변위를 가지며, 생체적합성과 0.2 이하의 낮은 마찰계수를 가지는 DLC(diamond-like carbon) 코팅층(미도시)이 표면에 형성된다.

DLC(diamond-like carbon)는 sp1, sp2와 sp3 혼성결합이 뒤섞여 있는 구조를 가지는 비정질 탄소 물질로, DLC 코팅은 비결정질의 탄소계 신소재로서 플라즈마 중의 탄소이온이나 활성화된 탄화수소 분자를 전기적으로 가속하여 높은 운동에너지로 기판에 충돌시킴으로써 생성되며, 뛰어난 경도와 내마모성, 전기절연성, 높은 광투과성, 굴절률, 화학적 안정성 및 내부식성, 다른 금속과의 내응착성, 고체 윤활막인 MoS₂에 버금가는 낮은 마찰계수를 가진다.

도 6의 (a), (b), (c)는 상기 나선형 돌기(21)의 돌출높이에 따른 나선돌기 회전체(20)의 다양한 실시예를 도시한 측면도로, 상기 나선돌기 회전체(20)의 직경 10 mm의 원통형 몸체부의 전, 후방 전길이를 단위길이로 하여, 단위길이당 6회의 권선수를 가지는 상기 나선형 돌기(21)가, 각각 1mm, 0.75mm, 0.5mm의 돌출높이를 가진다.

도 7a, 7b, 7c는, 도 6의 (a), (b), (c) 각각에 도시된 상기 나선돌기 회전체(20)를 돼지 소장 내벽 표면위체 10 gf의 하중으로 접촉시키고, 35rpm의 회전 속도로 회전시킨 상태에서, 축방향으로 발생되는 추진력을 35초간 측정한 것을 표시한 그래프로, 0.75 mm의 돌출높이를 갖는 나선형 돌기(21)가 형성된 로봇이 약 9 gf 내외의 가장 큰 추진력을 가지는 것을 확인할 수 있으며, 이를 돼지 소장 내부에 넣어 구동실험을 수행하였을 때 162 mm/min 에 해당되는 빠른 속도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.

도 8의 (a), (b), (c)는 상기 나선형 돌기(21)의 권선횟수 및 각도에 따른 나선돌기 회전체(20)의 다양한 실시예를 도시한 측면도로, 상기 나선돌기 회전체(20)의 직경 10 mm의 원통형 몸체부의 전, 후방 전길이를 단위길이로 하여, 0.75mm의 돌출높이를 가지는 상기 나선형 돌기(21)가 단위길이당 각각 6회, 3회, 1.5회의 권선수를 가지며, 상기 나선형 돌기(21)의 권선수에 비례하여 도 8의 (a) > 도 8의 (b) > 도 8의 (c)에 해당되는 직선 이동변위 및 속도를 가지게 된다.

상기 나선돌기 회전체(20)는, 경질소재로 구성되어도 무방하나, 상기 나선형 돌기(21)를 포함한 전체를 유연하게 굴곡변형 가능한 연질소재로 구성하면 상기 나 선돌기 회전체(20)를 구성하는 연질소재의 물성 및 형상 특성에 의해 형성되는 설정압을 초과한 무리한 압력으로 상기 나선돌기 회전체(20)가 생체 장기 내벽과 접촉되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 나선돌기 회전체(20)를 유연하게 굴곡변형 가능한 연질소재로 구성함에 있어서는, 상기 나선돌기 회전체(20)의 길이방향을 따라 연속하여 중공형성된 중공부(22)를 형성하면, 설정압을 초과하여 상기 나선돌기 회전체(20)에 외압이 작용하는 경우 외압의 초과정도에 비례하여 상기 중공부(22)측으로 외면부가 자연히 밀려 이동되면서 외경이 유연하게 축소되고, 초과 외압이 작용하지 않으면 원래 형태로 복귀되는 변형이 자동으로 이루어지게 된다.

상기 나선돌기 회전체(20)의 후방단부에 생체 외부 취출용 와이어(5)를 상기 나선돌기 회전체(20)에 대해 자유롭게 회전가능하도록 베어링 연결하면, 상기 나선돌기 회전체(20)가 회전되더라도 상기 와이어(5)는 이에 연동하여 회전되지 않으면서, 상기 나선돌기 회전체(20)의 직선 이동변위에 해당되는 변위로만 함께 이동하게 되어, 그 꼬임이 방지되며, 본 발명을 생체 내에 삽입하여 필요한 내시경 검사를 완료한 후에는 상기 와이어(5)를 이용하여 본 발명을 생체 외부로 신속하게 강제 인출할 수 있다.

상기 연질 연결체(30)는, 상기 나선돌기 회전체(20)가 상기 직선돌기 직진체(10)에 장착된 상기 모터의 회전축(1a)에 연동되어 회전되고, 상기 직선돌기 직진체(10)가 상기 나선돌기 회전체(20)의 직진 이동변위에 연동되어 직진이동가능하도록 상기 모터의 회전축(1a)과 상기 나선돌기 회전체(20)를 축이음하며, 상기 직 선돌기 직진체(10)와 나선돌기 회전체(20) 상호간에 임의의 상대각도를 형성가능하도록 전후 길이방향의 일부 또는 전체가 유연하게 굴곡변형 가능한 연질소재로 구성된다.

상기 연질 연결체(30)를 형성함에 있어서는 상기 나선돌기 회전체(20)에 일체로 연결형성하고 그 전방단부를 상기 모터의 회전축(1a)에 조립이나 접착 등의 방식으로 고정, 연결시킴으로써 간단하게 구현가능하다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 경질소재로 구성되어 상기 모터의 회전축(1a)에 연결되는 경질계합부(31)와, 경질소재로 구성되어 상기 경질계합부(31)에 계합되는 경질피계합부(32)와, 상기 경질계합부(31) 및 피경질계합부(31)의 회전각 변위가 상기 나선돌기 회전체(20)에 전달되도록, 전방단부가 상기 경질피계합부(32)에 연결되고, 후방단부가 상기 나선돌기 회전체(20)에 연결되는 연질소재의 후방연결부(33)로 구성할 수도 있다.

상기와 같은 실시예를 적용함에 있어서는, 상기 모터의 회전축(1a)의 후단부가 상기 직선돌기 직진체(10) 내측에 위치되는지 또는 후방에 돌출되어 위치되는지에 따라, 상기 연질 연결체(30)의 전후 길이방향의 전체가 유연하게 굴곡변형되는지, 일부가 유연하게 굴곡변형되는지가 결정되게 된다.

상기 연질 연결체(30)는, 연질소재의 길이 비중이 커질수록 굴곡변형정도의 유연성은 향상되나, 상기 모터(1)의 회전력이 상기 나선돌기 회전체(20)에 명확하게 전달되기 어려우므로, 본 발명이 적용되는 신체 및 내장의 점막 상태, 의료 환경 및 조건 등을 고려하여 적정한 연질소재 길이를 적용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇의 제2실시예는, 도 3에 도시된 바와 같이, 크게 직선돌기 직진체(10), 나선돌기 회전체(20), 연질 연결체(30), 기어박스(40), 와이어(5)로 이루어지며, 상기 연질 연결체(30)가 상기 기어박스(40)에 구비된 다수의 기어를 매개로 하여 상기 직선돌기 직진체(10)와 나선돌기 회전체(20)를 연결하고, 상기 와이어(5)가 상기 나선돌기 회전체(20), 연질 연결체(30), 기어박스(40)에 형성된 중공의 공간을 이용해 상기 직선돌기 직진체(10)에서 상기 나선돌기 회전체(20) 후방까지 연장되는 구조를 가진다.

본 발명에 따른 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇의 제2실시예의 상기 직선돌기 직진체(10), 나선돌기 회전체(20)의 표면구조, 연질 연결체(30)의 연결구조에 있어서는 상기 본 발명에 따른 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇의 제1실시예와 동일한 바, 그 상세한 설명의 중복을 생략하고, 이하에서는 상기 제1실시예와의 차이점을 가지는 구성에 대해 설명하기로 한다.

상기 직선돌기 직진체(10)의 중앙에 모터(1)가 장착되며, 상기 나선돌기 회전체(20)의 중앙에 제1연장홀(24)이 전후방으로 관통형성되고, 상기 연질 연결체(30)는 상기 직선돌기 직진체(10) 중앙에 위치되는 모터의 회전축(1a)과 상기 나선돌기 회전체(20)의 중앙부를 축이음하고, 중앙에 상기 제1연장홀(24)에 연통되는 제2연장홀(34)이 연속형성된 구조를 가진다.

상기 기어박스(40)는, 제1기어부(41), 제2기어부(42), 제3기어부(43)를 구비한 구조를 가지며, 상기 제1기어부(41)는 상기 모터의 회전축(1a)에 연결형성되고, 상기 제2기어부(42)는 상기 연질 연결체(30)의 전방부에서 상기 제2연장홀(34) 둘레에 연결형성되며, 상기 제3기어부(43)는 상기 제1기어부(41)와 제2기어부(42) 사이에 상기 제1, 2연장홀(24, 34)에 연통되는 이격공간(44)을 제공하면서 상기 제1기어부(41)와 제2기어부(42)를 기어연결한다.

상기 와이어(5)는, 전방단부가 후방으로부터 상기 제1, 2연장홀(24, 34) 및 기어박스의 이격공간(44)을 순차적으로 통과하여 상기 직선돌기 직진체(10)에 연결되어, 상기 나선돌기 회전체(20)와 연질 연결체(30)의 회전력을 전달받지 않고 상기 직선돌기 직진체(10)의 직선이동변위에 대응되는 이동변위만을 가지게 된다.

상기 와이어(5)와 접촉이 이루어지게 되는 상기 나선돌기 회전체(20), 연질 연결체(30)의 내면부는 윤활제를 도포하거나 필름, 코팅재 등으로 표면을 매끄럽게 마감처리하는 방법 등에 의해, 상기 나선돌기 회전체(20)나 연질 연결체(30)의 자유로운 동작을 저해하지 않으면서도, 상기 나선돌기 회전체(20)나 연질 연결체(30)의 회전동작에 무관하게 상기 와이어(5)를 안정되게 연장, 연결할 수 있다.

상기 와이어(5)는, 생체 외부로 인출하기 위한 가압력을 전달하는 인출수단일 수도 있으며, 상기 모터(1)에 전력을 공급하는 배터리(3)가 장착되지 않은 경우, 생체 내부에 삽입된 상태의 상기 모터(1)에 생체 외부에서 전력을 공급하는 전력공급수단일 수도 있다.

상기 모터(10)에 전력을 공급함에 있어서는, 본 발명의 제1실시예와 같이 상기 모터(1)에 전력을 공급하는 배터리(3)와, 상기 배터리(3)와 모터(1)의 작동여부 및 속도 등을 제어하는 컨트롤러(미도시)를 자체에 장착하거나, 본 발명의 제2실시 예와 같이 생체 외부의 전원공급장치와 연결하는 전력공급수단으로서의 와이어(5)를 상기 모터(1)에 연결시키는 실시예, 또는 전기적 접촉 브러시를 이용하는 기존의 공지기술 등을 적용하여 구현가능하다.

본 발명은 상기와 같은 구성을 가지는 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇은, 상기 직선형 돌기(11)와 생체 내벽과의 마찰에 의해 전후방으로의 이동변위만을 가지는 상기 직선돌기 직진체(10)와, 상기 나선형 돌기(21)와 생체 내벽과의 접속에 의해 회전이동변위를 가지는 상기 나선돌기 회전체(20)를, 유연하게 굴곡변형 가능한 연질소재로 구성된 상기 연질 연결체(30)로 연결한 구성을 가진다.

상기 모터(1)의 몸체부는 상기 직선돌기 직진체(10)에 장착하고, 상기 모터의 회전축(1a)은 상기 연질 연결체(30)에 연결하여, 상기 직선돌기 직진체(10)의 회전 정지 마찰력을 토대로 상기 나선돌기 회전체(20)의 스크류 회전 및 이동이 이루어지게 된다.

이에 따라, 상기 나선돌기 회전체(20)의 회전에 의해 생성되는 직진 이동변위에 대응되는 변위로 상기 직선돌기 직진체(10)를 이동시킴과 동시에, 생체 내벽의 형상에 따라 상기 연질 연결체(30)가 굴곡된 방향을 향하여 이동이 이루어지는 방식으로 그 구동방법을 구현하게 된다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇 및 그 구동방법에 의하면, 상기 직선돌기 직진체의 직선형 돌 기(11)가 제공하는 표면회전 마찰력에 의해 점탄성체인 장기 내벽상에 안정되게 접속, 지지된 상태에서, 상기 나선돌기 회전체의 나선형 돌기(21)가 그 회전수 및 단위길이당 권선수에 비례하여 직진 이동변위를 명확하게 형성하게 된다.

상기 나선돌기 회전체(20)의 회전에 의해 생성되는 직진 이동변위에 대응되는 변위로 로봇 전체의 전, 후진이 명확하게 이루어지게 됨에 따라, 나선형 구조체를 이용한 기존의 구조와 비교하여, 나선 구동 메커니즘의 추진효율과 작동 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 직선돌기 직진체(10)와 나선돌기 회전체(20)를 유연하게 굴곡변형 가능한 상기 연질 연결체(30)로 연결함으로써, 생체 내벽의 굴곡형상에 적응하여 상기 연질 연결체(30)가 자연히 굴곡되면서 생체 내벽의 형상에 맞추어 방향의 전환이 자동으로 이루어지게 되어 보다 향상된 추진효율을 확보할 수 있다.

그리고, 나선형 표면 구조를 가지는 회전체를 이용함에 있어서, 장기에 작용하게 되는 회전 접촉압력이 전, 후방에서 상기 직선형 돌기(11)와 나선형 돌기(21)로 분산되어 작용하게 되어, 상기 나선형 돌기(21)가 장기 내벽과 무리하게 접촉, 고착되는 것을 방지할 수 있어 의학적 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 모서리 부분을 라운딩 처리하고, 표면 거칠기를 개선하여 의학적 안전성을 확보하는 외에도, 상기 나선돌기 회전체(20)의 표면에 생체적합성과 저마찰 특성을 가지는 코팅층을 형성하여, 생체 표면과 최소한의 고착이 이루어진 상태에서, 즉, 상기 나선형 돌기(21)와 장기 내벽간의 마찰력이 아닌 상기 나선형 돌기(21)의 형상적인 특성만이 작용하는 상태로, 구동, 사용이 이루어지게 함으로써 생체 표면의 손상을 최소화 할 수 있어 의학적 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.

상기 직선형 돌기(11)의 높이와 갯수에 비례하는 표면 회전 마찰력을 부여하게 되고, 상기 나선형 돌기(21)의 회전수 및 단위길이당 권선수에 비례하여 전방으로의 직진 이동변위를 부여하게 되므로, 응용될 의료 환경 및 조건을 고려하여 상기 직선형 돌기(11)의 길이, 갯수, 상기 나선형 돌기(21)의 돌출높이, 단위 길이당 권선수 등의 인자를 적절하게 조정하여 적용함으로써 추진효율을 최적화시킬 수 있다.

상기와 같이 생체내 이동형 로봇의 진행과 장기의 형상에 따른 방향전환이 장기 내벽과의 무리한 접속없이 원활하고 안전하게 이루어질 수 있어 작동 신뢰성과 안전성을 확보할 수 있으며, 하나의 모터와 나선형 구조체를 구비한 간단한 구조로 구현가능하여 소형, 경량 및 저렴한 단가로 제작가능함에 따라, 생체내 이동형 로봇의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.

도 1 - 본 발명에 따른 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇의 제1실시예를 도시한 측면도

도 2 - 도 1의 요부종단면도

도 3 - 본 발명에 따른 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇의 제2실시예를 도시한 요부종단면도

도 4 - 직선형 돌기의 갯수에 따른 직선돌기 회전체의 다양한 실시예를 도시한 사시도

도 5 - 나선돌기 회전체의 사시도

도 6 - 나선형 돌기의 돌출높이에 따른 나선돌기 회전체의 다양한 실시예를 도시한 측면도

도 7a 내지 7c - 도 6에 도시된 나선돌기 회전체가 생체 장기 표면과 10 gf의 접촉력으로 접촉되고 35rpm으로 회전중인 상태에서 발생되는 추진력을 측정한 것을 표시한 그래프

도 8 - 나선형 돌기의 권선횟수 및 각도에 따른 나선돌기 회전체의 다양한 실시예를 도시한 측면도

<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명>

1 : 모터 1a : 회전축

2 : 카메라 모듈 3 : 배터리

5 : 와이어 10 : 직선돌기 직진체

11 : 직선형 돌기 20 : 나선돌기 회전체

21 : 나선형 돌기 22 : 중공부

24 : 제1연장홀 30 : 연질 연결체

31 : 경질계합부 32 : 경질피계합부

33 : 후방연결부 34 : 제2연장홀

40 : 기어박스 41 : 제1기어부

42 : 제2기어부 43 : 제3기어부

44 : 이격공간

Claims (13)

1. 진행방향의 전방부에 위치되며, 전방단부에 카메라 모듈(2)이 장착되고, 전후방으로의 연장길이를 가지는 다수의 직선형 돌기(11)가 표면 둘레에 형성되어 상기 직선형 돌기(11)의 돌출높이와 갯수에 비례하는 표면 회전 마찰력을 가지는 직선돌기 직진체(10);

   진행방향의 후방부에 위치되며, 상기 직선돌기 직진체(10)와 이격되게 설치되고, 표면 둘레에 나선형 돌기(21)가 전후방으로 연속형성되어 회전수에 비례하여 전방으로의 직진 이동변위를 가지며, 상기 나선형 돌기(21)를 포함한 전체가 유연하게 굴곡, 신축가능한 연질소재로 구성되는 나선돌기 회전체(20); 및

   후방의 상기 나선돌기 회전체(20)가 전방의 상기 직선돌기 직진체(10)에 장착된 모터(1)의 회전축(1a)에 연동되어 회전되고, 전방의 상기 직선돌기 직진체(10)가 후방의 상기 나선돌기 회전체(20)의 직진 이동변위에 연동되어 직진이동되도록, 상기 모터의 회전축(1a)과 상기 나선돌기 회전체(20)를 축이음하며, 상기 직선돌기 직진체(10)와 나선돌기 회전체(20) 상호간에 임의의 상대각도를 형성가능하도록 전후 길이방향의 일부 또는 전체가 유연하게 굴곡변형 가능한 연질소재로 구성되는 연질 연결체(30);

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 나선돌기 회전체(20)는,

   0.2 이하의 낮은 마찰계수를 가지는 DLC(diamond-like carbon) 코팅층이 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 나선돌기 회전체(20)는,

   상기 나선돌기 회전체(20)의 길이방향을 따라 연속하여 중공형성된 중공부(22)가 구비되어, 설정압을 초과하여 외압이 작용하는 경우 외압의 초과정도에 비례하여 외경이 유연하게 축소변형되는 것을 특징으로 하는 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇.
6. 제1항에 있어서, 상기 나선돌기 회전체(20)는,

   진행방향의 후방단부에 생체 외부 취출용 와이어(5)가 베어링 연결되는 것을 특징으로 하는 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇
7. 제1항에 있어서, 상기 연질 연결체(30)는,

   상기 모터의 회전축(1a)에 연결되는 연질소재의 전방연결부;

   상기 전방연결부의 후방단부에 전달된 회전각 변위와 동일한 회전각 변위를 가지도록, 경질소재로 구성되어 상기 전방연결부의 후방단부에 연결되는 경질계합부(31);

   상기 경질계합부(31)의 회전각 변위와 동일한 회전각 변위를 가지도록, 경질소재로 구성되어 상기 경질계합부(31)에 계합되는 경질피계합부(32); 및

   상기 경질계합부(31) 및 피경질계합부(31)의 회전각 변위가 상기 나선돌기 회전체(20)에 전달되도록, 전방단부가 상기 경질피계합부(32)에 연결되고, 후방단부가 상기 나선돌기 회전체(20)에 연결되는 연질소재의 후방연결부(33);

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇.
8. 제1항에 있어서, 상기 연질 연결체(30)는,

   전체가 연질소재로 형성되어, 상기 모터의 회전축(1a)에 전방단부가 연결되고 상기 나선돌기 회전체(20)에 후방단부가 연결되는 것을 특징으로 하는 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇.
9. 진행방향의 전방부에 위치되며, 전방단부에 카메라 모듈(2)이 장착되고, 모터(1)가 중앙에 장착, 고정되며, 전후방으로의 연장길이를 가지는 다수의 직선형 돌기(11)가 표면 둘레에 형성되어 상기 직선형 돌기(11)의 높이와 갯수에 비례하는 표면 회전 마찰력을 가지는 직선돌기 직진체(10);

   진행방향의 후방부에 위치되며, 상기 직선돌기 직진체(10)와 이격되게 설치되고, 표면 둘레에 나선형 돌기(21)가 전후방으로 연속형성되어 회전수에 비례하여 전방으로의 직진 이동변위를 가지며, 중앙에 제1연장홀(24)이 전후방으로 관통형성된 나선돌기 회전체(20);

   상기 직선돌기 직진체(10) 중앙에 위치되는 모터의 회전축(1a)과 상기 나선돌기 회전체(20)의 중앙부를 축이음하며, 상기 직선돌기 직진체(10)와 나선돌기 회전체(20) 상호간에 임의의 상대각도를 형성가능하도록 전후 길이방향의 일부 또는 전체가 유연하게 굴곡변형 가능한 연질소재로 구성되고, 중앙에 상기 제1연장홀(24)에 연통되는 제2연장홀(34)이 연속형성되는 연질 연결체(30);

   상기 모터의 회전축(1a)에 연결형성되는 제1기어부(41), 상기 연질 연결체(30)의 전방부에서 상기 제2연장홀(34) 둘레에 연결형성되는 제2기어부(42), 상기 제1기어부(41)와 제2기어부(42) 사이에 상기 제1, 2연장홀(24, 34)에 연통되는 이격공간(44)을 제공하면서 상기 제1기어부(41)와 제2기어부(42)를 기어연결하는 제3기어부(43)가 구비되는 기어박스(40); 및

   생체 내부에 삽입된 상태의 상기 모터(1)에 생체 외부에서 전력을 공급하는 전력공급수단이 되며, 전방단부가 상기 제1, 2연장홀(24, 34) 및 이격공간(44)을 순차적으로 통과하여 상기 직선돌기 직진체(10)에 연결되어, 상기 나선돌기 회전체(20)와 연질 연결체(30)의 회전력을 전달받지 않고 상기 직선돌기 직진체(10)의 직선이동변위에 대응되는 이동변위만을 가지는 와이어(5);

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나선형 표면 구조를 가지는 생체내 이동형 로봇.
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