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문제 정의
- 내시경로봇을 개발하기 위해서는 이 문제가 선결되어야 한다. 따라서, 본 논문에서는 이 문제를 극복하기 위해서 이동장치의 앞과 뒤에 있는 긴 다리들이 순차적으로 번갈아 가며 장을 지지게 함으로써, 미끄러짐을 제어하고 이동이 가능하게 하였다.
제안 방법
- Fig. 9 의 (b)와 같이 반경의 크기가 각각 25mm, 30mm, 35mm, 40mm 인 U 턴 형상의 경로를 스티로폼으로 제작하여 돼지대장을 올려놓고, 반경의 크기에 따른 로봇의 이동속도를 비교해 보았다.
- 따라서, 대장에서 로봇의 압력 인가시간을 조절하는 방식으로 대장의 영향을 받지 않는 팽창 및 수축시간을 찾아냈다. 그리고, 찾아낸 최적 압력인가시간을 이용하여 각각의 실험환경에 따른 로봇의 이동속도를 비교 평가하여, 로봇의 성능을 알아보았다.
- 33kPa 로 고정하고, 각각의 압력 인가시간을 조절하여 아크릴관 내에서의 로봇의 이동을 촬영한 후, 영상을 판독하여 이동속도를 측정하는 방식으로 실험을 수행하였다. 내측 지름이 20mm 인 아크릴 관에서 압력의 입력시간과 출력시간을 일정하게 증가시키며 이동실험을 수행하였다. 실험결과는 Fig.
- 돼지창자에서 로봇의 이동효율을 비교하기 위해 평면에 직선으로 늘어뜨린 돼지대장에서 로봇의 이동실험을 수행하였다. 이론속도와 수평면 위의 아크릴 관에서 속도, 돼지대장에서 속도 등을 비교해 본 결과, 아크릴관 내에서는 딱딱하고 미끄러운 표면으로 인해 다리에 미끄러짐이 발생해서 이론속도보다 약간 느리게 이동하였다.
- 이와 같은 자벌레 이동방식의 단점을 개선하기 위해, 자벌레 이동장치를 구성하는 세 부분을 공기의 이동이 가능하게 직렬로 연결시켰다. 또한 공압선의 내경, 뒷다리부와 신축부 사이의 구멍 직경, 신축부와 앞다리부 사이의 구멍 직경을 각각 다르게 함으로써, 하나의 공압선으로 기존의 자벌레 이동 방식과 같은 동작으로 한 방향으로의 이동이 가능한 방식이 개발되었다. 이러한 하나의 공압선을 이용한 자벌레 이동방식을 채택하여 대장내시경 로봇을 제안하였다.
- 또한 관탐사용 이동메커니즘으로 기 개발된 하나의 공압선을 이용한 자벌레 이동방식(13)을 채택함으로써 공압선으로 인한 저항을 줄여 이동성능을 크게 향상시킨 내시경로봇을 제안하였고, 가능성을 입증하기 위하여 주행특성 실험을 죽은 돼지의 대장을 대상으로 수행하였다.
- 또한 인체 대장을 두 가지 형태의 경로로 간단하게 모사하여 실험을 수행하였다. 수평면 위에 U턴 형상의 곡선 경로와 삼차원 상에 기울기를 가진 직선 경로를 돼지대장으로 만들어서 이동실험을 하였다.
- 제작된 압력제어시스템의 제어 변수에 따른 로봇의 이동속도를 측정하여 최적의 제어 변수를 알아보았다. 로봇 팽창 시 압력은 650kPa, 로봇 수축 시 압력은 17.33kPa 로 고정하고, 각각의 압력 인가시간을 조절하여 아크릴관 내에서의 로봇의 이동을 촬영한 후, 영상을 판독하여 이동속도를 측정하는 방식으로 실험을 수행하였다. 내측 지름이 20mm 인 아크릴 관에서 압력의 입력시간과 출력시간을 일정하게 증가시키며 이동실험을 수행하였다.
- 로봇의 성능을 알아보기 위해 압력을 고정하고, 압력 인가시간에 따른 로봇의 이동속도를 비교 평가하였다. 제작된 압력제어시스템의 제어 변수에 따른 로봇의 이동속도를 측정하여 최적의 제어 변수를 알아보았다.
- 3 과 같이 내부 압력변화에 의해서 풍선과 스프링이 트리거를 움직여서 다리가 펼쳐지고, 접혀지며 몸체를 고정시킬 수 있다. 로봇의 앞다리부와 뒷다리부의 몸체 및 캡, 트리거, 이음매, 마이크로 밸브 등의 대부분을 PEEK로 가공을 하였으며, 다리는 스테인레스스틸을 가공하여 만들었다. 그리고, 신축부는 산지름이 15mm, 골지름이 9mm, 피치가 2mm, 살두께가 0.
- 인체 대장은 직선의 경로뿐만 아니라, 곡선과 경사 등의 다양한 형상의 경로로 이루어져 있다. 로봇이 이러한 인체 대장에 적응하며 이동이 가능한지 알아보기 위해 수평면 위에서 돼지대장으로 다양한 반경의 곡선구간을 모사하여 로봇의 이동 실험을 수행하였다.
- 제안한 이동원리에 맞게 구동될 수 있게 로봇을 제작하고, 압력제어시스템을 구성하여 로봇의 이동 실험을 수행하였다. 먼저, 로봇을 아크릴관에서 이동실험을 수행하여 이동 가능성을 확인하고, 압력 인가시간과 속도의 상관관계를 분석하였다.
- 본 논문에서는 하나의 공압선 만으로 순차적인 동작의 자벌레 이동방식이 가능하고, 동기화된 다수의 긴 다리들과 긴 스트로크가 가능한 벨로우즈를 이용하여, 미끄러운 표면의 대장 내에서 이동이 가능한 대장내시경로봇을 제안하였다.
- 또한 인체 대장을 두 가지 형태의 경로로 간단하게 모사하여 실험을 수행하였다. 수평면 위에 U턴 형상의 곡선 경로와 삼차원 상에 기울기를 가진 직선 경로를 돼지대장으로 만들어서 이동실험을 하였다. 이러한 환경에서 로봇을 이동시킴으로써 간접적으로 인체 대장 내에서의 로봇의 적응성을 예측할 수 있었다.
- 압력은 팽창 시 650kPa, 수축 시 17.33kPa 로 고정하고, 시간은 팽창 시 0.7 초, 수축 시 1.2 초로 설정한 후, 벨로우즈의 단위시간당 스트로크를 통해서 계산한 이론속도와 아크릴관 내에서 로봇의 이동속도, 그리고, 돼지대장 내에서 로봇의 이동속도 등을 비교하였다. Fig.
- 양끝의 구속 외에는 외부의 영향을 받지 않는 상태의 돼지대장을 이용하여 기울기에 따른 로봇의 이동속도를 측정하였다. Fig.
- 또한 공압선의 내경, 뒷다리부와 신축부 사이의 구멍 직경, 신축부와 앞다리부 사이의 구멍 직경을 각각 다르게 함으로써, 하나의 공압선으로 기존의 자벌레 이동 방식과 같은 동작으로 한 방향으로의 이동이 가능한 방식이 개발되었다. 이러한 하나의 공압선을 이용한 자벌레 이동방식을 채택하여 대장내시경 로봇을 제안하였다. 로봇의 이동원리는 Fig.
- 이와 같은 기존의 자벌레 이동방식의 내시경 로봇의 문제점을 개선하여 본 논문에서는 전후방에 각각 6 개의 다리를 배치하여 안정적인 클램핑이 가능하도록 하였다.
-
3. 로봇 시스템 제작
제안된 이동원리에 따라 로봇을 제작하였다. 제작된 내시경로봇은 Fig.
- 제안한 이동원리에 맞게 구동될 수 있게 로봇을 제작하고, 압력제어시스템을 구성하여 로봇의 이동 실험을 수행하였다. 먼저, 로봇을 아크릴관에서 이동실험을 수행하여 이동 가능성을 확인하고, 압력 인가시간과 속도의 상관관계를 분석하였다.
- 로봇의 성능을 알아보기 위해 압력을 고정하고, 압력 인가시간에 따른 로봇의 이동속도를 비교 평가하였다. 제작된 압력제어시스템의 제어 변수에 따른 로봇의 이동속도를 측정하여 최적의 제어 변수를 알아보았다. 로봇 팽창 시 압력은 650kPa, 로봇 수축 시 압력은 17.
- 5 로 제어 신호를 프로그래밍하였다. 프로그래밍된 신호를 DAQ 보드를 통해 Festo 사의 비례제어밸브가 압력의 세기 및 압력의 인가시간을 제어할 수 있게 압력제어시스템을 구성하였으며, 구성된 장치들의 사양은 Table 2 과 같다.
대상 데이터
- 로봇의 앞다리부와 뒷다리부의 몸체 및 캡, 트리거, 이음매, 마이크로 밸브 등의 대부분을 PEEK로 가공을 하였으며, 다리는 스테인레스스틸을 가공하여 만들었다. 그리고, 신축부는 산지름이 15mm, 골지름이 9mm, 피치가 2mm, 살두께가 0.5mm 인 폴리에틸렌 재질의 Fig. 4 와 같은 특성을 갖는 벨로우즈를 사용했다. 그 외의 자세한 로봇의 재원은 Table 1 에 정리 된 바와 같다.
- 제안하는 대장내시경로봇은 Fig. 1 과 같이 앞부분이 반구형에 긴 몸체를 이루며, 몸체 앞과 뒤에 여섯 쌍의 다리가 있으며, 중간은 벨로우즈로 되어 있다. 로봇의 뒷부분에는 공압선이 연결되어 있어서 외부에서 공압을 이용하여 작동하게 되어 있다.
데이터처리
- 6 과 같이 제작된 로봇과 압력제어시스템으로 구성되어 있다. 로봇을 구동하기 위해 공기압축장치와 진공발생기를 동력으로 사용하여, PC 기반 제어프로그램인 National Instruments 사의 LabVIEW8.5 로 제어 신호를 프로그래밍하였다. 프로그래밍된 신호를 DAQ 보드를 통해 Festo 사의 비례제어밸브가 압력의 세기 및 압력의 인가시간을 제어할 수 있게 압력제어시스템을 구성하였으며, 구성된 장치들의 사양은 Table 2 과 같다.
성능/효과
- (3) 뒷다리가 장기를 고정하여, 뒤로 밀리지 않으면서 벨로우즈는 일정길이로 늘어난다. 그리고, 앞다리는 완전히 접히며 벨로우즈가 늘어난 만큼 앞으로 움직인다.
- 또한, 팽창시간이 너무 짧으면 스트로크가 충분하게 발생하지 않고, 너무 길면 내부 압력 상승에 비해 벨로우즈의 늘어나는 비율이 작아져서 오히려 속도가 저하되는 걸 알 수 있었다. 결과적으로 팽창시간 0.6 초, 수축시간 0.8 초에서 이동속도가 76.9mm/s 로 가장 높았으며, 이 조건이 아크릴관내에서 로봇이동 시 최적의 압력 인가시간임을 알 수 있었다.
- 결론적으로 본 논문에서 제안한 하나의 공압선을 이용한 자벌레 이동방식의 대장내시경로봇은 돼지대장의 체외 실험에서 좋은 이동성능을 보여줌으로써, 대장내시경 로봇의 현실화에 좀더 가까이 다가갈 수 있는 방법을 제시했다고 생각된다.
- 그러나, 실험에 사용된 공기 압축장치와 진공발생기간의 용량차이로 인해 같은 크기의 구멍을 통해서 동작하기 위해서는 공기를 빼주는 시간을 더 길게 해줘야 한다. 두 압력발생 장치의 용량차이로 인해 발생되는 로봇의 이동속도 저하를 해결하기 위해 Fig. 4 와 같이 공기를 넣어줄 때는 작은 구멍을 통하게 하고, 공기를 빼줄 때는 큰 구멍을 통하게 하는 마이크로 밸브를 제작하여, 압력발생장치의 용량 차이로 인한 로봇의 성능저하를 줄일 수 있었다. 제작된 마이크로 밸브는 공기 흡입 시 0.
- 또한, 팽창시간이 너무 짧으면 스트로크가 충분하게 발생하지 않고, 너무 길면 내부 압력 상승에 비해 벨로우즈의 늘어나는 비율이 작아져서 오히려 속도가 저하되는 걸 알 수 있었다. 결과적으로 팽창시간 0.
- 11 과 같은 결과를 얻었다. 로봇의 이동속도는 수평에서 33mm/s 이며, 기울기가 증가함에 따라서 선형적으로 속도가 떨어지며 수직에서는 12.1mm/s의 속도가 측정되었다. 수직에서의 속도는 수평을 기준으로 약 37%의 이동효율을 보여주었다.
- 9 의 (b)와 같이 반경의 크기가 각각 25mm, 30mm, 35mm, 40mm 인 U 턴 형상의 경로를 스티로폼으로 제작하여 돼지대장을 올려놓고, 반경의 크기에 따른 로봇의 이동속도를 비교해 보았다. 실험결과는 Fig. 10 과 같이 13.11mm/s 에서 18.4mm/s까지 반경의 크기가 커질수록 로봇의 이동속도가 증가하였으며, 직선인 돼지대장에서의 이동속도에 비해 약 40~60%의 낮은 이동효율을 보여줬다. 이러한 속도 저하는 로봇의 길이에 비해 작은 반경을 가진 반원의 구간을 이동하면서 로봇의 벨로우즈가 굽혀지며 충분한 길이로 늘어나지 못하기 때문이다.
- 등이 선행연구로 진행되어 왔다. 이 중에서 자벌레 이동방식이 대장과 같이 유연하고 미끄러운 환경에서 가장 좋은 이동가능성을 보여 주었다. 자벌레 이동방식은 벨로우 즈를 이용하여 이동하기 때문에 인체의 대장과 같이 연하고 복잡한 형상의 환경에 적응하기 쉬우므로, 앞과 뒤에 있는 고정장치만 확실히 장 내벽에 고정될 수 있다면, 대장 내에서 이상적인 이동이 가능하다.
- 곡선경로에서는 반경이 작아질수록 속도가 저하되고, 기울기를 가진 경로에서는 기울기가 커질수록 속도가 저하된다. 이러한 두가지 환경에서의 이동실험 결과를 종합해 보면, 제안한 로봇은 장 굴곡의 반경이 25mm 이상이면 기울기에 상관없이 이동이 가능함을 알 수 있다.
- 돼지창자에서 로봇의 이동효율을 비교하기 위해 평면에 직선으로 늘어뜨린 돼지대장에서 로봇의 이동실험을 수행하였다. 이론속도와 수평면 위의 아크릴 관에서 속도, 돼지대장에서 속도 등을 비교해 본 결과, 아크릴관 내에서는 딱딱하고 미끄러운 표면으로 인해 다리에 미끄러짐이 발생해서 이론속도보다 약간 느리게 이동하였다. 그리고, 돼지대장에서는 점액 및 점탄성 특성이 로봇의 이동에 저항으로 작용해서 경질의 아크릴 관에서의 속도에 비해 43%저감된 33mm/s 로 이동하였다.
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