[논문]회전관성형 주행 메커니즘을 가진 내시경 로봇의 연구

이재우

doi:10.5762/kais.2016.17.6.521

회전관성형 주행 메커니즘을 가진 내시경 로봇의 연구
Research of Colonoscope Robot With Rotary Inertia Type Locomotion Mechanism 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.6, 2016년, pp.521 - 526

이재우 (와세다 대학교 창조 이공학 연구과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 환자의 대장 내에서 자율적으로 이동이 가능한 자율주행 형 대장 내시경의 주행 메커니즘으로서 회전관성을 이용하여 환자의 장내 주행이 가능한 새로운 주행메커니즘의 설계 방법에 대해 제안한다. 상업용 대장 내시경은 시술할 때 환자에게 장시간의 고통과 불쾌감을 제공하여 환자들이 시술을 꺼리게 되어 내시경 검사가 필요한 대장 암 등의 조기 진단에 차질을 빚고 있다. 이 문제를 해결하기 위하여 환자의 장관 내에서 자율적으로 이동함으로써 불쾌감이나 고통을 줄일 수 있는 로봇 형 차세대 내시경에 대한 연구가 진행되어 왔다. 회전관성을 이용하는 주행 메커니즘에서는 회전관성을 일으키기 위하여 flywheel을 모터로 구동하여 에너지를 저장한다. flywheel에 의한 에너지 저장과 방출에 의하여 장내에서 로봇이 주행할 때 일어나는 stick-slip 현상을 효율적으로 극복할 수 있다. 이를 위해 flywheel의 속도제어가 가능하고 고주파 노이즈에 강건한 제어기를 설계하고 구현하였다. 여기서 제시하는 회전관성을 이용한 주행 메커니즘은 다른 메커니즘에 비해 구조가 간단할 뿐 아니라 주행도 효율적임을 실험을 통하여 증명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper suggests a new design that makes use of rotary inertia that can allow autonomous movement of an autonomous colonoscope robot in the colon of a patient as a locomotive mechanism. As commercial colonoscopy causes a lengthy time of pain and discomfort to the patients when colonoscopy patients are reluctant to receive surgery, there is a tendency to avoid the test in the early diagnosis of colorectal cancer. To solve this problem, research has been conducted on the next generation of robotic colonoscopes that can reduce the discomfort and pain by moving autonomously within the colon of the patients. In the driving mechanism utilizing the rotational inertia, a flywheel is driven by a motor to store energy and produce rotational inertia. By the energy stored and released by the flywheel, the stick phenomenon that occurs when the robot is running in the intestine can be overcome effectively. To do this, a controller that can control the velocity of the flywheel and is robust to high frequency noise was designed and implemented. The driving mechanism using the rotational inertia presented here showed that the structure is also effective and the experiment can be run easily compared to another mechanism.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 환자의 대장 내에서 자율적으로 이동이 가능한 자율주행 형 대장 내시경의 주행 메커니즘으로서 회전관성을 이용하여 환자의 장내 주행이 가능한 새로운 주행메커니즘의 설계 방법에 대해 제안한다.
본 연구에서는 (1) 인체의 대장 속에서도 원활히 움직일 수 있는 새로운 형태의 장내 주행 메커니즘인 회전 관성형 주행메커니즘을 제안하였다. 이것은 로봇에 부착되어 있는 flywheel의 회전관성을 이용하여 로봇의 장내 주행을 원활히 한다.

제안 방법

이것은 로봇에 부착되어 있는 flywheel의 회전관성을 이용하여 로봇의 장내 주행을 원활히 한다. (2) 장 내를 주행하는 로봇의 구동 장치로서 PWM의 고주파에 의한 인체영향을 회피하기 위하여 op-amp를 이용한 구동회로를 개발하였다. 그리고 실험을 통하여 (3) 로봇설계에 필요한 파라미터들 구하였다.
Fig. 2에 나타낸 바와 같이 나선 각도(screw angle)은 각각 4º, 8º, 12º 의 세 종류로 설계하였으며, 나선 수(number of screw)는 1줄과 2줄 나사의 형태로 하였다.
(2) 장 내를 주행하는 로봇의 구동 장치로서 PWM의 고주파에 의한 인체영향을 회피하기 위하여 op-amp를 이용한 구동회로를 개발하였다. 그리고 실험을 통하여 (3) 로봇설계에 필요한 파라미터들 구하였다. 마지막으로 위의 주행 로봇이 (4)대장 내에서 원활히 운동함을 확인하였다.
나선 각도가 주행성능에 주는 영향을 조사하기 위해 설계파라미터(design parameter)로서 나선각도(screw angle), 나선 수(number of screw), 핀 선단부의 반경(radius of fin edge)을 다르게 설계하였다. Fig.
이 방식에서는 6개의 다리를 클램프처럼 사용하여 장벽을 밀고 나아갈 수 있는 시스템을 개발하였다. 다리는 로봇의 앞쪽과 뒤쪽에 3개씩 설치하여 전후진이 가능하도록 하였다.
디지털 방식은 PWM을 사용하므로 고주파 펄스가 의료기기에 영향을 미칠 영향을 고려하지 않으면 안 된다. 따라서 일반적으로 사용되는 디지털 방식의 속도제어 드라이버를 사용하지 않고 본 연구에서는 아날로그 feedback 방식의 속도 제어 드라이버를 설계하였다. 이렇게 함으로써 PWM 파형을 사용하지 않고서도 DC 모터를 구동할 수가 있다.
1배에서 100배까지의 조정이 가능하지만 실제로는 속도 feedback이 기능하도록 하려면 고배율로 설정해 놓을 필요가 있다. 또한 이 가변저항과 병렬로 고용량의 세라믹 컨덴서를 삽입하여 모터의 발진을 막는 효과가 있도록 설계하였다. 이상의 설계사항을 이용하여 실제로 제작한 보드는 Fig.
2에 나타낸 바와 같이 나선 각도(screw angle)은 각각 4^º, 8^º, 12^º 의 세 종류로 설계하였으며, 나선 수(number of screw)는 1줄과 2줄 나사의 형태로 하였다. 또한 핀 선단부의 반경(radius of fin edge)은 R1.5와 R1.0의 두 종류로 설계하였다.
로봇의 제어장치로서 DC motor driver와 제어용 알고리즘을 개발하였다. DC motor driver는 Fig.
로봇의 주행실험성능을 확인하기 위하여 나선각도, 나선수, 핀 선단부 형상의 변화를 설계 변수로 하여 변수 값을 바꿔가면서 주행 실험을 수행하고 성능지표로서 추진효율을 기록하였다.
원통 모양의 비닐 파이프위에 절단하여 펼친 돼지의 내장을 깔고 비닐파이프에 clip으로 고정하였다. Fig.
2010년에는 한국 항공대학교의 Park 등이 장벽을 밀 수 있는 Clamping Leg을 사용하는 Inchworm 방식의 locomotion을 제안하였다[4]. 이 방식에서는 6개의 다리를 클램프처럼 사용하여 장벽을 밀고 나아갈 수 있는 시스템을 개발하였다. 다리는 로봇의 앞쪽과 뒤쪽에 3개씩 설치하여 전후진이 가능하도록 하였다.
이 방식은 기존의 방식이 주로 인치웜(inchworm)의 locomotion이 대장의 직경이 달라짐에 따라 추진력이 변하는 문제를 극복하지 못한 데 비하여 마치 지네처럼 40여개의 발을 부착하여 이를 캠 주위에 45º간격으로 8개씩 부착하여 모두 5개의 cam을 사용하여 주행하는 방법을 사용하여 대장의 내경이 달라지더라도 이를 극복할 수 있는 방안을 제시하였다.

대상 데이터

Flywheel의 직경은 ∅20mm, 높이는 15mm의 구리소재의 원형 봉을 소재로 하였다.
D/A보드에서의 속도 지령전압을 입력하는 회로이다. 본 연구에서 사용된 보드는 Contec (사)의 DA12-16(PCI type)이다. 이 보드의 최대 출력전류는 5mA이다.

이론/모형

이렇게 함으로써 PWM 파형을 사용하지 않고서도 DC 모터를 구동할 수가 있다. 모터 드라이버의 제어방법으로는 속도 제어를 사용하였다. 속도 제어를 하면 회전 관성 형에 있어서 flywheel의 회전속도를 미리 정하여 입력할 수 있다.

성능/효과

과같이 유도할 수가 있다. (4)식으로부터 모터의 내부저항 R_i를 보상하여 역기전력 E를 계산하기 위해서 power OP amp의 출력전압 V에서 전류검출저항 R_m의 양단의 전압 V_m을 (1 + R_i/R_m)배 한 전압을 빼면 됨을 알 수가 있다.
flywheel에 의한 에너지 저장과 방출에 의하여 장내에서 로봇이 주행할 때 일어나는 stick-slip현상을 효율적으로 극복할 수 있다. 또한 여기서 제시하는 회전관성을 이용한 주행 메커니즘은 다른 메커니즘에 비해 구조가 간단할 뿐 아니라 주행도 효율적임을 실험을 통하여 증명하였다.
로봇이 대장 내부에서 원활하게 전진하기 위해서는 대장의 주름을 타고 전진하는 것이 하나의 방법이다. 로봇의 주름의 형상에 맞추어 로봇외부에 주름을 타고 갈 수 있도록 핀을 설계하여 부착하면 전진이 가능할 것으로 판단하였다. 이에 따라 로봇의 외부표면에 Fig.
그리고 실험을 통하여 (3) 로봇설계에 필요한 파라미터들 구하였다. 마지막으로 위의 주행 로봇이 (4)대장 내에서 원활히 운동함을 확인하였다.
이러한 결과로부터 나선각도를 크게 하면 회전수와 회전효율이 같이 증가하여 그 결과 추진거리도 같이 크게 늘어나는 것을 알 수 있었다.
으로부터 나선의 수가 늘어나면 성능이 저하되는 것으로 판단된다. 핀의 곡률반경인 Radius of fin 값을 변동시킴으로써 핀 선단부의 형상변화를 주었는데 곡률이 낮을수록 효율도 낮아짐을 볼 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	회전관성을 이용하는 주행 메커니즘에서 회전관성을 일으키기 위하여 어떤 모터를 구동하여 에너지를 저장하는가?	회전관성을 이용하는 주행 메커니즘에서는 회전관성을 일으키기 위하여 flywheel을 모터로 구동하여 에너지를 저장한다. flywheel에 의한 에너지 저장과 방출에 의하여 장내에서 로봇이 주행할 때 일어나는 stick-slip현상을 효율적으로 극복할 수 있다.
	inchworm의 주행을 모사하는 장 내 주행이 가능한 내시경이 가진 장점은 무엇인가?	내시경은 traction이라 불리는 모듈을 공기압을 이용하여 장의 직경방향으로 부풀려서 장벽을 잡는다. 이 때문에 traction 모듈은 gripper라고도 부르는데 장벽에 부담을 주지 않는다는 측면에서 장점이 있다.
	캠(Cam)구동 방식의 이동 메커니즘이란?	2001년도에 KAIST의 Park 등[3]은 캠(Cam)구동 방식의 이동 메커니즘을 제안하였다. 이 방식은 기존의 방식이 주로 인치웜(inchworm)의 locomotion이 대장의 직경이 달라짐에 따라 추진력이 변하는 문제를 극복하지 못한 데 비하여 마치 지네처럼 40여개의 발을 부착하여 이를 캠 주위에 45º간격으로 8개씩 부착하여 모두 5개의 cam을 사용하여 주행하는 방법을 사용하여 대장의 내경이 달라지더라도 이를 극복할 수 있는 방안을 제시하였다. 장의 직경 변화에 대처할 수 있다는 점에서 inchworm locomotion 방식에 비해 진일보하였으나 너무 기구적 매커니즘이 복잡하다는 면에서 단점도 있다.

참고문헌 (4)

Slatkin, A. B., Burdick, J., Grundfest, W., "The Development of a Robotic Endoscope", Proceedings of IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 162-171, Vol. 2, 1995. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/iros.1995.526155
Dario, P., Carrozza, M. C., Lencioni, L., Magnani, B., D'Attanasio, S., "A Micro Robotic System for Colonoscopy", Proceedings of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp 1567-1572, Vol. 2, 1997. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/ROBOT.1997.614363
J. S. Park, B. K. Kim, K. D. Kim, J. O. Park, S. H. Kim, Y. S. Hong, "Locomotive Mechanism with Cam for a Robotic Colonoscope", J. of KSME B, Vol. No. pp. 271-276, 2001.
H. J. Park, S. H. Leem, B. K. Kim, "Inchworm Like Robotic Colonoscope Using Legs for Clamping", Journal of KSME A, Vol. 34, No. 6, pp. 789-795, 2010.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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