[논문]지능형 내시경용 초소형 형상기억합금 엑츄에이터의 제작에 관한 연구

김민성; 박두환; 박현철; 이오걸; 이준탁

지능형 내시경용 초소형 형상기억합금 엑츄에이터의 제작에 관한 연구
A Study on the Fabrication of Micro Shape Memory Alloy Actuator for Smart Catheter 원문보기

김민성 (동아대학교 전기공학과) , 박두환 (동아대학교 전기공학과) , 박현철 (동아대학교 전기공학과) , 이오걸 (동의공업대 전기과) , 이준탁 (동아대학교 전기공학과)

A SMA actuator fabricated in this paper generates the large force and it's structure is very simple. The SMA actuator was fabricated by small size with diameter of 9mm and length of 27mm and also it's actuations toward all the directions can be acquired because of three springs which was fabricated with diameter of 2.4mm and 28 turns. We showed into applicability to smart catheter by analysing accurately the dynamic characteristics such as heading angle, force, displacement.

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문제 정의

그리고, 형상기억합금의 온도의 변화에 따라 그형상이 변하고 힘이 발생하는 원리를 이용해서 소형 로봇의 액츄에이터, 내시경의 액츄에이터 등 여러 분야에응용될 수 있다. 그러므로, 본 논문에서는 SMA 스프링을 이용한 지능형 내시경용 SMA 엑츄에이터를 최적의구조 및 동작 조건으로 설계 . 제작하였다.
[3〕. 따라서 본 논문에서는 발생력이 크고구조 및 제작이 간단한 SMA 엑츄에이터를 제작하였으며, 진행방향에 대해 모든 방향으로 동작이 가능한 구조적 특성을 가지고 있다.
본 논문에서는 체적당 큰 발생력을 가지고. 구조가 간단하며.
이는 제안하는 구조 및 동작 특성의 타당성을 검증하기 위한 것으로서. 실제 내시경용으로 제작할 경우 2mm이하의 외경으로 제작되어야하므로, 이에 대한 연구가 진행중이다. 제작된 엑츄에이터는 진행방향에 대한 모든 방향으로 동작이 가능하고, 구조가 간단하므로 지능 알고리즘등을 도입하여 초소형화시킨다면 원하는 혈관 위치 속으로 자유로이 이동하여검진 및 치료가 가능한 지능형 내시경으로서 응용이 가능할 것으로 예상된다.

제안 방법

전류, 변위. bending각을 측정하였다. 다음의그림 7, 8은 무시하고 측정하였다.
구조가 간단하며. 모든 방향으로 동작이 가능한 지능형 내시경용엑츄에이터를 제안하였고, 실제 제작하였다. 그리고, 제작된 SMA 엑츄에이터의 동작특성을 실험하여 실제 지능형 내시경용 초소형 엑츄에이터로서의 가능성을 보였다.
본 논문에서 사용된 SMA 스프링은 소선경 0.3mm, Ni-Ti alloy 50.22%, 69 ℃인 wire형태의 합금을 550 P에서 스프링 형태로 10분간 열처리하였다.
4mm. 턴수 28회로 제작되었고, 이 SMA 스프링에 대한 성능평가는 그림 2에서와 같이 변위 및 발생력을 측정하여알아 보았다.

대상 데이터

본 논문에서 실험용으로 제작한 SMA 엑츄에이터는두께 1mm. 지름 2.
본 논문에서 제작된 엑츄에이터는 그림 1에서 보는바와 같이 두 개의 링크와 내부에는 실리콘 튜브가 들어있고, 그 위에 bias 스프링이 감겨 있다. 그리고, 링크의 말단에 3개의 SMA 스프링이 늘어진 형태로 연결되어 있다.
#에는 전류를 인가하지 않고, 4에 100mA, 200mA, 300mA, 350mA를각각 10초간 인가하고, 20초간 냉각한 후 bending 각을 측정하였다. 본 논문에서 제작한 SMA 엑츄에이터의 heading각의 제어를 위한 전류는 100mA에서 350mA 까지 인가하였다.
8mm의 bias 스프링으로 구성되었다. 전체 외경 9mm, 길이 27mm의 소형으로 제작되었다.
제작된 SMA 스프링은 내경 1.8mm, 외경 2.4mm. 턴수 28회로 제작되었고, 이 SMA 스프링에 대한 성능평가는 그림 2에서와 같이 변위 및 발생력을 측정하여알아 보았다.
1mm. 지름 2.2mm 의 2개의 링크와 외경 2.4mm, 28turn의 SMA 스프링 3개, 외경 2.1mm의실리콘 튜브 1개, 외경 2.8mm의 bias 스프링으로 구성되었다. 전체 외경 9mm, 길이 27mm의 소형으로 제작되었다.

성능/효과

모든 방향으로 동작이 가능한 지능형 내시경용엑츄에이터를 제안하였고, 실제 제작하였다. 그리고, 제작된 SMA 엑츄에이터의 동작특성을 실험하여 실제 지능형 내시경용 초소형 엑츄에이터로서의 가능성을 보였다. 그러나 실제 내시경용 엑츄에이터로서의 사용을 위해서는 구동시간 및 냉각시에 저온의 형상으로 완전히복귀하는 시간을 더 단축시킬 필요가 있으므로 이에 대한 연구가 요청된다.
본 논문에서 제안한 엑츄에이터는 실제 내시경용 엑츄에이터보다 크게 제작되었다. 이는 제안하는 구조 및 동작 특성의 타당성을 검증하기 위한 것으로서.
때문이다. 실험 결과에서 본 엑츄에이터의 동작은 100mA에서 300mA까지 거의 선형적으로 변위가 변함을 알 수 있다. 그러므로.

후속연구

제작된 SMA 엑츄에이터의 힘의 크기와 변위를 측정하였고, 원하는 각도에 대한 전류의 크기를 측정하여 인체의 혈관내에 투입되는 지능형 내시경용 초소형 액츄에이터로서의 응용가능성이 기대된다.
실제 내시경용으로 제작할 경우 2mm이하의 외경으로 제작되어야하므로, 이에 대한 연구가 진행중이다. 제작된 엑츄에이터는 진행방향에 대한 모든 방향으로 동작이 가능하고, 구조가 간단하므로 지능 알고리즘등을 도입하여 초소형화시킨다면 원하는 혈관 위치 속으로 자유로이 이동하여검진 및 치료가 가능한 지능형 내시경으로서 응용이 가능할 것으로 예상된다.

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