JP4499861B2 - 移動可能なマイクロマシンの移動制御システムおよび医用マイクロマシン誘導システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広汎な産業に用いられるマイクロマシンを対象としており、特に医療用として有用な生体内を移動可能なマイクロマシンの移動制御システムおよびそのためのマイクロマシンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロマシン技術は従来の機械では困難であった局部領域や極限領域での作業を可能とするものであり、発電および工場施設のメンテナンスシステムや医療用システム等への応用が期待されている。
【０００３】
特に、磁気力を駆動源とする磁気マイクロマシンは、エネルギー供給のためのケーブルを必要としないという特筆すべき特徴を持つ。このことから磁気マイクロマシンはケーブルや電源等の制約から離れ、シンプルな構造で所望の運動を実現することが出来る。すでにこれまでに、以上のような特長を生かした自律して移動可能な磁気マイクロマシンの試作・検討が行われており、本発明者らによって、既にワイヤレスで自律的に走行、飛行、および泳動が可能なマイクロマシンが開発され、かつ論文（仙道雅彦ら；電気学会マグネティックス研究会資料 ＭＡＧ-９８-２３８、島崎克彦ら；電気学会マグネティックス研究会資料 ＭＡＧ-９７-１８０）等で紹介している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このワイヤレスの泳動機構は、微生物の運動を模倣し、外部回転磁界によって微小磁石に働く磁気トルクを利用したものであり、マイクロマシンの医療への応用を考えた際、生体の主成分が血液や体液といった液体であることから、その運動方法としてこれらワイヤレスによる液体中の泳動の検討は不可欠といえる。
【０００５】
そこで、スパイラル形状のワイヤと微小磁石から構成されるマイクロマシンを基礎として、様々な粘性の液体中を泳動可能なスパイラル型磁気マイクロマシンの泳動特性を詳しく調べた結果、これらのマイクロマシンが静水中や流水中で良好な移動特性を示し、医用マイクロロボットへの応用上極めて有望なマイクロマシンであることが判明した。
【０００６】
また、生体中に限らず、これら自律して移動可能なマイクロマシンを目的の部位まで到達させるには、その進行方向を制御する必要があることは言うまでもない。
【０００７】
本発明の目的は、このような要求に応えるべく移動可能なマイクロマシンの移動制御システム並びにその移動制御システムに適したマイクロマシンとを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の移動可能なマイクロマシンの移動制御システムは、磁石の回転により推力を得るロボット本体に与える回転磁界を発生する磁界発生部と、前記ロボット本体の前記磁石が形成する磁界の向きと強さを検出して該検出した磁界の向きと強さから前記ロボット本体の３次元の位置および移動方向を検出する位置検出部と、前記位置検出部が検出した前記ロボット本体の３次元の位置および移動方向に基づき、前記ロボット本体を目的地へ到達させる方向へ向けるべく前記磁界発生部による回転磁界の向きを変更する磁界変向手段と、からなることを特徴としている。
上記構成の本発明によれば、投入されたロボット本体の位置は位置検出部で把握されており、回転磁界の向きを変えることで、進行しているロボットの方向制御を行いながらロボットを目的地へ確実に導くことができる。
【０００９】
本発明の移動可能なマイクロマシンの移動制御システムは、前記位置検出部が検出したロボット本体の３次元の位置および移動方向と、ロボット本体を到達させたい目的位置との情報に基づいて、ロボット本体が進行する最適条件での方向を割出し、前記磁界変向手段による回転磁界の向きの変更を制御する制御部を有してなることが好ましい。このようにすれば、ロボット本体を到達させたい目的位置のみを入力しておくだけで、自動的にロボット本体を目的位置に到達させることが可能となる。
【００１０】
本発明の移動可能なマイクロマシンの移動制御システムは、前記位置検出部が検出した前記ロボット本体の現在位置および移動方向と目標位置とから最適な進行経路を決定する経路決定手段を備え、前記磁界変向手段が、前記経路決定手段が決定した前記進行経路上を前記ロボット本体が移動するように、前記回転磁界の向きを変更することを特徴としている。
このようにすれば、前記ロボット本体は、外部から印加される回転磁界の回転面に垂直の姿勢を保ちながら推進を行う。このことから、磁界の回転面を変えることでマシンの推進方向も変えることができる。
【００１２】
本発明の医用マイクロマシン誘導システムは、略円柱状の本体形状を有し、その長手方向の軸と垂直方向に磁化方向を有する磁石と、前記軸を中心とした回転を該軸方向への推進力に変換するら旋構造とを備えた医用マイクロマシンと、前記磁石が形成する磁界の向きと強さを検出して該検出した磁界の向きと強さから前記医用マイクロマシンの３次元の位置および移動方向を検出する位置検出部と、前記医用マイクロマシンを回転させるよう前記磁石に対して回転磁界を発生する磁界発生部と、前記磁界発生部を駆動する電力を供給する電源装置と、前記電源装置の出力電力を制御する回転磁界制御手段と、からなることを特徴としている。
本発明の医用マイクロマシン誘導システムは、前記位置検出部が、前記磁石が形成する磁界の向きと強さを検出する複数の磁界検出部を有し、前記磁界検出部が検出した磁界の向きと強さから前記医用マイクロマシンの位置および移動方向を検出してもよい。
本発明の医用マイクロマシン誘導システムは、前記位置検出部が検出した前記医用マイクロマシンの現在位置と目標位置とから最適な進行経路を決定する経路決定手段を備え、前記回転磁界制御手段が、前記経路決定手段の出力に基づき、前記磁界発生部が発生する回転磁界の向きを変更するように前記電源装置の出力電力を制御してもよい。
本発明の医用マイクロマシン誘導システムは、前記医用マイクロマシンが、前記ら旋構造を長手方向の先端に備えてもよい。
本発明の医用マイクロマシン誘導システムは、前記医用マイクロマシンが、前記ら旋構造を長手方向の先端および後端に備えてもよい。
本発明の医用マイクロマシン誘導システムは、前記医用マイクロマシンが、前記ら旋構造を本体側面に備えてもよい。
本発明の医用マイクロマシン誘導システムは、前記ら旋構造が、スパイラル状のワイヤにより形成されてもよい。
本発明の医用マイクロマシン誘導システムは、前記位置検出部が、前記医用マイクロマシンを前記位置検出部による測定空間から遠ざけたときに、前記磁界検出部が検出した磁界強度に基づいて地磁気の影響を補正してもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の移動可能なマイクロマシンの移動制御システムを図面に基づき説明する。
【００１４】
まず図１は、本発明の実施の一形態であるマイクロマシンの移動制御システム構成を示すブロック図である。本実施形態の移動制御システムは、図１に示すように、後述するマイクロマシン本体１１に非接触にて回転力を付与するための回転磁界を形成する３対の磁界生成コイル１２Ｘ，１２Ｙ，１２Ｚと、各磁界生成コイル１２Ｘ〜１２Ｚに後述するコンピュ−タ５より出力される制御出力に基づいて電力を供給する電源装置１３と、前記マイクロマシン本体１１が形成する磁界を検出する磁気センサーユニット２および３と、該磁気センサーユニット２および３にて検出された磁界より、マイクロマシン本体１１の３次元的な現在位置を算出するとともに、その現在位置と目標の位置とから、最適な進行経路を割出し、その進行経路上をマイクロマシン本体１１が移動するように、その進路方向を決定して前記電源装置１３により印加される各磁界生成コイル１２Ｘ〜１２Ｚの電力を制御して各磁界生成コイル１２Ｘ〜１２Ｚにより形成される回転磁界を変更してマイクロマシン本体１１の進路を前記決定した進路方向へ変更させるコンピュ−タ５と、から構成されている。
【００１５】
この本実施形態に用いたマイクロマシン本体１１は、図２に示すような外観とされ、直径約２ｍｍで長さが約７.５ｍｍの円柱形磁石の先端部に長さ約４ｍｍのら旋構造を有する円錐型のドリル部を有する構造とされており、前記円柱形磁石としてはネオジウム鉄ボロン系磁石を使用し、その直径方法に磁化方向を有するように着磁されている。
【００１６】
このように、マイクロマシン本体１１に装着される磁石として前記ネオジウム鉄ボロン系磁石を用いることは、比較的軽量でかつ着磁力の大きなものが好ましが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の磁石を用いるようにしても良い。
【００１７】
まず、本実施形態において、マイクロマシン本体１１が自律して移動可能となる原理について以下に説明すると、前記のようにマイクロマシン本体１１にはその直径方法に磁化方向を有するように着磁された円柱形磁石が搭載されており、前記磁界生成コイル１２Ｘ〜１２Ｚに適宜に電力が印加されて磁界が形成されると、磁石の磁化方向と磁界方向とが平行になるような回転力が発生し、マイクロマシン本体１１が回転するようになる。この回転運動は、前記円錐型のドリル部に伝達され、該ドリル部に形成されたら旋構造により円柱軸方向の推力に変換されてマイクロマシン本体１１が移動するようになる。
【００１８】
これらマイクロマシン本体１１の構造は、これらマイクロマシン本体１１を液体より固い固体ゲル質内を移動可能なものとするためには、マイクロマシン本体１１が周りの体ゲル質より受ける摩擦抵抗を低減できるように、全体の表面積が小さくなるような構造を有し、かつ前記ら旋構造をマイクロマシン本体１１が１回転する間に進む距離を比較的小さくするようにすることが好ましく、この観点から前記図２に示すような構造のマイクロマシン本体１１が好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらマイクロマシン本体の構造として、図９（ａ）に示すように、液体中をも効率良く移動できるように、円柱状の磁石の側面部分にもら旋構造を有するものや、図９（ｃ）方向転換や目的位置からの離脱を行い易くする目的で、その両端に円錐型のドリル部が形成されたものであっても良い。
【００１９】
また、これらドリル部の形状も前記円錐形に限定されるものではなく、図９（ｂ）に示すように、その他のドリル形状としても良い。
【００２０】
次いで、これらマイクロマシン本体１１の位置検出の方法について以下に説明する。まず、本実施形態のマイクロマシンの移動制御システムは１個のマイクロマシン本体１１の位置を検出する場合を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２１】
本発明のマイクロマシンの移動制御システムは、視覚的に遮蔽され、かつ測定空間（大域範囲）Ｒ内に存在するマイクロマシン本体１１の位置を検出する場合の例である。ここで、測定空間Ｒは例えば約３０ｃｍ×３０ｃｍ×３０ｃｍ立方体の空間に設定してある。
【００２２】
なお、マイクロマシン本体１１は実際には視覚的に遮蔽されていて目視することはできないが、図１においてはこれを透視した状態を図示しており、かつ移動によって３次元磁気センサーユニット（以下、単に磁気センサーユニットとも記す）２および３に対向した位置にある状態を示している。なお、図１において波線はマイクロマシン本体１１に装着された前記ネオジウム鉄ボロン系磁石による磁力線を模式的に示している。
【００２３】
本発明のマイクロマシンの移動制御システムには、位置検出されるマイクロマシン本体１１に対して、一対の例えばフラックゲートからなる磁気センサーユニット２および３が所定間隔、例えば１０ｃｍの間隔で磁気センサーユニット装着板１に装着してある。ここで、磁気センサーユニット装着板１は測定空間Ｒの一面の面積を有していて、この例では３０ｃｍ×３０ｃｍの面積に設定されており、左隅位置０を測定位置の原点に設定してある。
【００２４】
磁気センサーユニット２，３は磁界の強さおよび方向を検出する。磁気センサーユニット２，３からの出力は、Ａ／Ｄ変換器群４１およびインターフェース回路群４２からなる信号前処理回路４に供給され、磁気センサーユニット２，３からの出力がＡ／Ｄ変換器群４１にてデジタルデータに変換され、インターフェース回路群４２を介してコンピュ−タ５へ出力される。
【００２５】
この信号前処理回路４からの出力データは、コンピュ−タ５内部のデータバスに装着された位置検出処理基板５’に供給され、マイクロマシン本体１１の位置がコンピュ−タ５へ出力されて、該マイクロマシン本体１１の位置が、例えば３次元ワイヤフレームにて表示装置６に表示される。
【００２６】
この位置検出処理基板５’は、比較的高速の演算回路からなり、前記磁気センサーユニット２，３からの各出力信号に基づく出力データに基づいてマイクロマシン本体１１による磁気モーメントを算出する磁気モーメント演算手段５１と、マイクロマシン本体１１が測定空間Ｒ内で区分した予め定めた所定サイズのどの局所範囲内に存在するか否か、たとえば５ｃｍ×５ｃｍ×５ｃｍの立方体の空間の範囲内に存在するか否かを判別する局所範囲判別手段５２と、マイクロマシン本体１１が存在すると判別された局所範囲内におけるマイクロマシン本体１１の位置および移動方向を検出するマイクロマシン本体位置算出手段５３とを機能的に備えている。
【００２７】
磁気センサーユニット２，３はそれぞれ一対のフラックスゲートセンサから構成されている。磁気センサーユニット２，３について、磁気センサーユニット２を例に説明する。
【００２８】
磁気センサーユニット２を構成する一対のフラックスゲートセンサ中の一方のフラックスゲートセンサは、図３に示すように、基板２０と、基板２０上に設けたリング状コア２２と、リング状コア２２に巻回された励磁コイル２３と、励磁コイル２３が巻回されたリング状態コア２２に互いに直交して巻回された磁界検出コイル２４および２５とを備えている。
【００２９】
磁界検出コイル２４はＹ軸に直交し、磁界検出コイル２５はＸ軸に直交して、磁界検出コイル２５によってＸ軸方向磁界成分の強さおよび方向を検出し、磁界検出コイル２４によってＹ軸方向磁界成分の強さおよび方向を検出する。
【００３０】
さらに、キャリア周波数ｆｃの発振を行うキャリア発振器３０からの発振出力を受けてキャリア周波数ｆｃを分周器２１によって２分周し、該２分周出力によって励磁コイル２３を励磁する。
【００３１】
磁界検出コイル２５からの出力信号とキャリア発振器３０からの発振出力を乗算することにより同期検波回路２８にて同期検波し、同期検波回路２６からの出力をローパスフィルタ２７にて積分して、Ｘ軸方向磁界検出出力を得る。同様に、磁界検出コイル２４からの出力信号とキャリア発振器３０からの発振出力を乗算することにより同期検波回路２８にて同期検波し、同期検波回路２８からの出力をローパスフィルタ２９にて積分して、Ｙ軸方向磁界検出出力を得る。
【００３２】
磁気センサーユニット２の他方のフラックスゲートセンサは、磁気センサーユニット２の一方のフラックスゲートセンサと同様の構成であるが、一方のフラックスゲートセンサにおけるコイル２４、同期検波回路２８およびローパスフィルタ２９を除去した構成であり、図１および後記の図６に模式的に示すように、磁気センサーユニット２の他方のフラックスゲートセンサを形成する基板は、磁界検出コイルがＺ軸と直交するように磁気センサーユニット２の一方のフラックスゲートセンサを形成する基板２０の下面に直交してＴ字状に一体に設けてあって、磁界検出コイルからの出力を同期検波および積分してＺ軸方向磁界の強さおよび方向に基づくＺ軸方向磁界検出出力を得る。
【００３３】
したがって、磁気センサーユニット２からＸ、Ｙ、Ｚ軸方向磁界の強さに基づく出力が送出される。
【００３４】
ここで、フラックスゲートセンサからは、磁界検出コイルの巻線直交する方向からの外部磁界の強さに応じて出力電圧が出力され、この電圧の周波数はフラックスゲートセンサの励磁周波数ｆｃ／２の２倍のキャリア周波数ｆｃである。
【００３５】
次に、同期検波回路２６，２８について、図３に示す同期検波回路２６を例にして、同期検波回路を説明すれば、同期検波回路２６はキャリア発振器３０の出力を反転するインバータ２６１と、キャリア発振器３０の出力によって磁界検出コイル２５からの出力をオン・オフするスイッチ２６２と、インバータ２６１の出力によって磁界検出コイル２５の出力をオン・オフするスイッチ２６３と、スイッチ２６２の出力とスイッチ２６３の出力を増幅する演算増幅器２６４とからなり、演算増幅器２６４の出力をローパスフィルタ２７へ送出する。
【００３６】
分周器２１の出力は図４（ａ）に示す波形であり、磁界検出コイル２５の出力は図４（ｂ）に示す如くキャリア周波数ｆｃの信号であって正負の極性を有している。スイッチ２６２のオン・オフの波形は図４（ｃ）に示す如くであり、スイッチ２６３のオン・オフの波形は図４（ｄ）に示す如くであって、スイッチ２６２および２６３によって実質的に両波整流を行っていることになり、演算増幅器２６４の出力は図４（ｅ）に示す如くになる。Ｙ軸およびＺ軸方向磁界検出出力についても同様の処理がなされる。
【００３７】
なお、磁気センサーユニット３についても磁気センサーユニット２と同様に構成してあり、同様に３軸方向磁界の強さに基づく出力が得られる。
【００３８】
次に、磁気センサーユニット２を構成する磁界検出コイルから出力されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向磁界の強さおよび方向の出力について図５により説明する。図５において波線はマイクロマシン本体１１による磁力線を示している。
【００３９】
磁気センサーユニット２の位置Ｃにおける磁界の強さおよび方向をＡとし、磁界の強さおよび方向ＡのＸ軸方向磁界の強さ、Ｙ軸方向磁界の強さ、Ｚ軸方向磁界の強さをそれぞれＡｘ、Ａｙ、Ａｚとし、ｃｏｓα、ｃｏｓβ、ｃｏｓｙを磁界の強さおよび方向Ａの方向余波とすれば、Ａｘ＝Ａｃｏｓα、Ａｙ＝Ａｃｏｓβ、Ａｚ＝ｃｏｓｙであり、磁界検出コイル２５からはＡｘの出力が、磁界検出コイル２４からはＡｙの出力が、Ｚ軸方向の磁界検出コイルからはＡｚの出力が送出される。磁界の強さおよび方向Ａは、Ａ＝√（Ａｘ２＋Ａｙ２＋Ａｚ２）で与えられる。
【００４０】
磁気センサーユニット３についても磁気センサーユニット２の場合と同様であって、磁気センサーユニット３の位置Ｄにおける磁界の強さおよび方向をＢとして示してある。
【００４１】
図６は、磁気センサーユニット２と、磁気センサーユニット２の出力を処理する信号前処理回路４の構成を示している。
【００４２】
磁気センサーユニット２から出力されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向磁界の強さに基づく信号は、各別にＡ／Ｄ変換器４１１、４１２、４１３にて同時にＡ／Ｄ変換され、Ａ／Ｄ変換器４１１、４１２、４１３からのＡ／Ｄ変換出力は各別にインターフェース回路４２１、４２２、４２３を介して位置検出処理基板５’へ出力される。磁気センサーユニット３から出力されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向磁界の強さに基づく信号も同様に処理されて、位置検出処理基板５’へ出力される。
【００４３】
次に、位置検出処理基板５’における視覚的に遮蔽された状態のマイクロマシン本体１１の位置検出処理について図７および図８のフローチャートに基づいて説明する。
【００４４】
信号前処理回路４において信号処理された磁気センサーユニット２，３からの出力データを受けた位置検出処理基板５’では、マイクロマシン本体１１を遠ざけて磁気センサーユニット２，３にて地磁気を検出する状態にして地磁気を計測し、地磁気の補正を行う等の初期設定を行って、続いて、磁気センサーユニット２からの出力を読み込む磁界計測が行われる（ステップＳ１）。
【００４５】
この磁界計測においてＺ軸方向磁界の強さを求める磁界検出コイルは基板２０の表面に位置していないため、基板２０からＺ軸方向磁界検出コイルの巻回中心位置までの長さの補正を行って磁界計測を行う。
【００４６】
ステップＳ１に続いて、同期検波および積分された磁気センサーユニット２からの出力がＡ／Ｄ変換され（ステップＳ２）、Ａ／Ｄ変換された各磁気センサーユニット２，３からの出力を図示しないＡ／Ｄデータメモリに一旦記憶し、（ステップＳ３）、磁気センサーユニット３からの出力について実行されたか否かがチェックされ、全磁気センサーユニット２，３からの出力についてＡ／Ｄ変換がなされ、図示しないＡ／Ｄデータメモリに記憶がなされるまで繰り返す（ステップＳ４）。
【００４７】
ステップＳ４において全磁気センサーユニット２、３からの出力についてＡ／Ｄ変換がなされ、記憶されたとき、ステップＳ４に続いてマイクロマシン本体１１の位置およびその方向を算出する後記のステップＳ５が実行される。磁気センサーユニット２，３からの出力に基づきマイクロマシン本体１１の位置を求めるために、本明細書および図７のステップＳ５その他において、「逆問題を解き」、と記載してある。
【００４８】
ステップＳ５においてマイクロマシン本体１１の位置および移動方向が算出されると、算出されたマイクロマシン本体１１の位置および移動方向が表示装置６に、３次元ワイヤーフレーム表示される（ステップＳ６）。
【００４９】
次に逆問題の演算ルーチンを図８のフローチャートによって説明する。ステップＳ４に続いて逆問題を解く逆問題演算ルーチンに入ると、磁気センサーユニット２，３からの出力に基づいて、マイクロマシン本体１１の磁気モーメントが演算される（ステップＳ５１）。次いで、測定空間Ｒを所定の空間（局所範囲）に分割、例えば５ｃｍ×５ｃｍ×５ｃｍの立方体の空間に分割して、その分割されたいずれかの局所範囲内に逆問題の解が存在するか否かをチェックすることによってなされる（ステップＳ５２）。
【００５０】
ステップＳ５２における解の存在は、局所範囲を形成する６面体の各面における評価関数を磁気モーメントに基づき算出し、局所範囲を形成する６面体のうち１面でも評価関数の値の極性が異なる値の面が存在するか否かによって判別される。すなわち、局所範囲内にマイクロマシン本体１１が存在するときは、局所範囲を形成する６面体のうち１面でも評価関数の値の極性が異なる極性になったとき、局所範囲内にマイクロマシン本体１１が存在しないときは、局所範囲を形成する６面体の総ての面の評価関数の値の極性が同一極性になることからマイクロマシン本体１１の存否、すなわち解が存在するか否かが判別される。
【００５１】
ステップＳ５２におけるチェックによって、局所範囲内に逆問題の解が存在しないと判別されたとき、すなわち局所範囲内にマイクロマシン本体１１が存在しないと判別されたときは隣の局所範囲に移動して（ステップＳ５３）、測定空間Ｒの全部にわたって実行したか否かがチェックされ（ステップＳ５４）、測定空間Ｒ内の全部にわたって実行していないときは、ステップＳ５４に続いてステップＳ５２が実行される。
【００５２】
ステップＳ５４において測定空間Ｒ内の全部にわたって実行したときは測定空間Ｒに解が存在する局所空間が見つからなかったときであって、ステップＳ５４に続いて解なしの表示が表示装置６になされる（ステップＳ５５）。
【００５３】
ステップＳ５２において解が存在する局所範囲が見つかったときは、ステップＳ５２に続いて解が存在する局所範囲において、ニュートンラプソン法を適用して解を求め、求めた解が収束するか否かがチェックされる（ステップＳ５６）。ここで、収束は例えば評価関数の値が１０−３を閾値として、評価関数の値が１０−３以下になったら収束したと判別する。これは評価関数の値が０のとき真に収束であるからである。
【００５４】
ステップＳ５６において解が収束すると判別されたときは初期値の設定がなされる（ステップＳ５７）。ステップＳ５６において解が収束しないと判別されたときは、評価関数の最小値（＞０）を解とし（ステップＳ５８）、ステップＳ５８に続いて初期値の設定がなされる（ステップＳ５７）。この場合において初期値は、解が存在する局所範囲が求まったとき、その局所範囲内の中心位置を初期値とすることが好都合である。
【００５５】
上記のステップＳ５１〜ステップＳ５８では予め定めた領域内において解の存在を求め、その解が収束するか否かをチェックして初期値を設定しており、この解法を本明細書においては、局所解法とも記している。これは測定空間Ｒの領域より小さな空間内、すなわち５ｃｍ×５ｃｍ×５ｃｍの立方体の空間内におけるマイクロマシン本体１１の存在を求めているためである。
【００５６】
ステップＳ５７に続いて初期値に基づき解が存在した局所範囲においてニュートンラプソン法によって解を求め（ステップＳ５９）、ステップＳ６が実行される。ステップＳ５９を本明細書では局所解法とも記している。局所範囲内において解を求めているためである。
【００５７】
このように解が内部に存在する局所領域を求め、解が存在する局所領域内で解を求めるために、すなわち局所解法によってマイクロマシン本体１１の位置および方向を検出するために、測定空間Ｒ内を区分しないで順次解を求めていく場合に比較してきわめて早く解が得られ、すなわちマイクロマシン本体１１の位置および方向が得られる。
【００５８】
なお、マイクロマシン本体１１の数が増加しても、それぞれのマイクロマシン本体１１位置が、異なる局所範囲内に存在するときは、それぞれのマイクロマシン本体１１に対して順次収束解が求められる。
【００５９】
また、２つのマイクロマシン本体１１が同一の局所範囲内に存在するような場合は、２つのマイクロマシン本体１１による合成磁界のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の成分に基づいてマイクロマシン本体１１の位置が測定される。
【００６０】
上記した本発明の実施の一形態にかかるマイクロマシンの移動制御システムにおいて、測定空間Ｒを、例えば３０ｃｍ×３０ｃｍ×３０ｃｍの立方体として説明したが、この測定空間Ｒは使用するフラックスゲートセンサの感度および誤差とマイクロマシン本体１１の磁気モーメントによって定められる。
【００６１】
また分割した所定の範囲、すなわち局所範囲を５ｃｍ×５ｃｍ×５ｃｍの立方体としたが、この局所範囲はニュートンラプソン法による演算時に収束する程度の範囲に選択すればよく、マイクロマシン本体１１の数、マイクロマシン本体１１と磁気センサーユニットとの距離、磁気センサーユニットの感度、マイクロマシン本体１１の磁気モーメントに基づいて設定すればよい。
【００６２】
なお、上記した本発明の実施の一形態にかかるマイクロマシンの移動制御システムにおいては、視覚的に遮蔽されたマイクロマシン本体１１の位置および方向を検出する場合を例示したが、視覚的に遮蔽されていないマイクロマシン本体１１の位置および方向を測定する場合も同様である。
【００６３】
このようにして、前記位置検出処理基板５’により検出されたマイクロマシン本体１１の位置と移動方向（向き）とは、その座標データとして前記コンピュータ５に出力され、その現在位置の座標データとコンピュータ５において予め設定されている目的位置の座標データとから、目的位置への最適な経路がコンピュータ５の処理プログラムにより形成された経路決定手段５４により選出され、該選出された経路上をマイクロマシン本体１１が移動するように、逐次その方向が経路決定手段５４により決定されてその決定された方向へマイクロマシン本体１１が誘導される。
【００６４】
このマイクロマシン本体１１の誘導（方向変更）の手法は、前記マイクロマシン本体１１が前述のように磁界生成コイル１２Ｘ〜１２Ｚにより形成される回転磁界により発生する磁気トルク（回転）を利用して移動するが、この回転磁界の回転面を適宜に変更制御することでマイクロマシン本体１１の進行方向である向きを変更することができる。すなわち、回転磁界回転面に対して垂直方向に進行する本マイクロマシン本体１１の特徴を利用し、前記回転面を傾けることによりマイクロマシン本体１１の進行方向が変更される。このため、本実施形態では、これら回転磁界の回転面を変更するために、Ｘ方向，Ｙ方向，Ｚ方向の各方向に磁界を形成するための３組の磁界生成コイル１２Ｘ〜１２Ｚを用い、前記経路決定手段５４により決定された方向へマイクロマシン本体１１が向くような回転面となるように、各磁界生成コイル１２Ｘ〜１２Ｚに印加される電流の強さと位相とを演算により算出して制御する回転磁界制御手段５５が、プログラムにより形成されており、該回転磁界制御手段５５にて算出された電流の強さと位相情報とが前記電源装置１３に出力され、これら制御情報に基づき電源装置１３により磁界生成コイル１２Ｘ〜１２Ｚに印加される電流の強さと位相とが制御されて、マイクロマシン本体１１が目的の位置へ適宜に誘導されていく。
【００６５】
以下、本実施形態のマイクロマシンの移動制御システムを用い、移動する固体媒体として細菌培養用の培地寒天を用いた際の実験結果を示す。前記図２に示すマイクロマシン本体１１に、磁界強度１５０Ｏｅの回転磁界を印加すると回転運動を行い前記寒天培地中を移動した。その移動速度は、回転磁界の回転周波数に大きく依存し、周波数１Ｈｚでは、毎秒２ｍｍ、周波数５０Ｈｚでは、毎秒２０ｍｍの速度で進行した。さらに、回転磁界の磁界回転面を変化させることによりマイクロマシン本体１１は寒天中でその進行方向を変えることが可能であった。図１０はマイクロマシン本体１１の進行方向制御実験の一例であり、磁界回転周波数０.５Ｈｚ、磁界強度１５０Ｏｅにおいて、半径５０ｍｍで転回することが可能であり、スタート地点からゴール地点までの経路を、障害壁を回避しながら進行することが可能であった。
【００６６】
また、前記マイクロマシン本体１１を図９（ｃ）に示すような、円柱形磁石の両端にら旋形状を有するドリル部を有するものを用いることで、前記回転磁界を変更することにより、マイクロマシン本体１１の回転方向を容易に逆転でき、それによりロボットは後退できるので、適宜に切り返しを実施してより小さな回転半径で進行方向を変えることも可能である。
【００６７】
以上、説明したような本実施形態のマイクロマシンの移動制御システムを用いれば、例えば医療等へのマイクロマシンの応用を考えた場合においては、これらマイクロマシン本体１１を患部へ的確な経路を通じて誘導することが必須となるが、これらマイクロマシン本体１１を非接触にてその目的位置へ的確に誘導することが可能となり、本発明のマイクロマシンの移動制御システムはマイクロマシンの医療等への応用を考えた場合に、非常に重要な技術と成り得るものである。
【００６８】
以上、本発明の実施形態を図面により前記実施例にて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれることは言うまでもない。
【００６９】
【発明の効果】
本発明は次の効果を奏する。
【００７０】
（ａ）請求項１の発明によれば、投入されたロボット本体の位置は位置検出部で把握されており、回転磁界の向きを変えることで、進行しているロボットの方向制御を行いながらロボットを目的地へ確実に導くことができる。
【００７１】
（ｂ）請求項２の発明によれば、ロボット本体を到達させたい目的位置のみを入力しておくだけで、自動的にロボット本体を目的位置に到達させることが可能となる。
【００７２】
（ｃ）請求項３の発明によれば、前記ロボット本体は、外部から印加される回転磁界の回転面に垂直の姿勢を保ちながら推進を行う。このことから、磁界の回転面を変えることでマシンの推進方向も変えることができる。
【００７３】
（ｄ）請求項４の発明によれば、回転することによって推進力を得る推力発生部としてらせん、スクリュー等のメカ的手段が考えられる。この推力発生部は流体中の推進には好適であるが、本発明のマイクロマシンの進行先端にはドリル部が設けられているため、例え進行方向に固体ゲル状体が存在したとしても、マイクロマシンは移動可能であり、目的地に確実に到達できることになる。
【００７４】
（ｅ）請求項５の発明によれば、先端のドリル部を利用して進入した固体やゲル状体に対して、後端のドリル部を利用することによって後進推力が得られ、確実に目的地から離れることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のマイクロマシンの移動制御システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に用いたマイクロマシン本体の構造を示す外観図である。
【図３】本発明の実施形態に用いた磁気センサーユニットの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に用いた磁気センサーユニットにおける同期検波回路の作用の説明に供する模式説明図である。
【図５】本発明の実施形態に用いた磁気センサーユニットによる磁界強さの検出の説明図である。
【図６】本発明の実施形態に用いた磁気センサーユニットと信号前処理回路と位置検出処理基板との接続図である。
【図７】本発明の実施形態に用いた位置検出処理基板における処理内容を示すフロー図である。
【図８】本発明の実施形態に用いた位置検出処理基板における作用の説明に供するフロー図である。
【図９】本発明の好適なその他の形状のマイクロマシン本体の構造を示す外観図である。
【図１０】本発明の実施形態における進路変更の実験状況を示す図である。
【符号の説明】
１ 磁気センサーユニット装着板
２，３ 磁気センサーユニット
４ 信号前処理回路
５ コンピュータ
５’ 位置検出処理基板
６ 表示装置
１１ マイクロマシン本体
１２Ｘ，Ｙ，Ｚ 磁界生成コイル
２０ 基板
２２ リング状コア
２３ 励磁コイル
２４，２５ 磁界検出コイル
２６，２８ 同期検波回路
２７，２９ ローパスフィルタ
４１ Ａ／Ｄ変換器群
４２ インタフェース回路群
５１ 磁気モーメント演算手段
５２ 局所範囲判別手段
５３ マイクロマシン位置算出手段
５４ 経路決定手段
５５ 回転磁界制御手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、広汎な産業に用いられるマイクロマシンを対象としており、特に医療用として有用な生体内を移動可能なマイクロマシンの移動制御システムおよびそのためのマイクロマシンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロマシン技術は従来の機械では困難であった局部領域や極限領域での作業を可能とするものであり、発電および工場施設のメンテナンスシステムや医療用システム等への応用が期待されている。
【０００３】
特に、磁気力を駆動源とする磁気マイクロマシンは、エネルギー供給のためのケーブルを必要としないという特筆すべき特徴を持つ。このことから磁気マイクロマシンはケーブルや電源等の制約から離れ、シンプルな構造で所望の運動を実現することが出来る。すでにこれまでに、以上のような特長を生かした自律して移動可能な磁気マイクロマシンの試作・検討が行われており、本発明者らによって、既にワイヤレスで自律的に走行、飛行、および泳動が可能なマイクロマシンが開発され、かつ論文（仙道雅彦ら；電気学会マグネティックス研究会資料 ＭＡＧ-９８-２３８、島崎克彦ら；電気学会マグネティックス研究会資料 ＭＡＧ-９７-１８０）等で紹介している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このワイヤレスの泳動機構は、微生物の運動を模倣し、外部回転磁界によって微小磁石に働く磁気トルクを利用したものであり、マイクロマシンの医療への応用を考えた際、生体の主成分が血液や体液といった液体であることから、その運動方法としてこれらワイヤレスによる液体中の泳動の検討は不可欠といえる。
【０００５】
そこで、スパイラル形状のワイヤと微小磁石から構成されるマイクロマシンを基礎として、様々な粘性の液体中を泳動可能なスパイラル型磁気マイクロマシンの泳動特性を詳しく調べた結果、これらのマイクロマシンが静水中や流水中で良好な移動特性を示し、医用マイクロロボットへの応用上極めて有望なマイクロマシンであることが判明した。
【０００６】
また、生体中に限らず、これら自律して移動可能なマイクロマシンを目的の部位まで到達させるには、その進行方向を制御する必要があることは言うまでもない。
【０００７】
本発明の目的は、このような要求に応えるべく移動可能なマイクロマシンの移動制御システム並びにその移動制御システムに適したマイクロマシンとを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の移動可能なマイクロマシンの移動制御システムは、磁石の回転により推力を得るロボット本体に与える回転磁界を発生する磁界発生部と、前記ロボット本体の前記磁石が形成する磁界の向きと強さを検出して該検出した磁界の向きと強さから前記ロボット本体の３次元の位置および移動方向を検出する位置検出部と、前記位置検出部が検出した前記ロボット本体の３次元の位置および移動方向に基づき、前記ロボット本体を目的地へ到達させる方向へ向けるべく前記磁界発生部による回転磁界の向きを変更する磁界変向手段と、からなることを特徴としている。
上記構成の本発明によれば、投入されたロボット本体の位置は位置検出部で把握されており、回転磁界の向きを変えることで、進行しているロボットの方向制御を行いながらロボットを目的地へ確実に導くことができる。
【０００９】
本発明の移動可能なマイクロマシンの移動制御システムは、前記位置検出部が検出したロボット本体の３次元の位置および移動方向と、ロボット本体を到達させたい目的位置との情報に基づいて、ロボット本体が進行する最適条件での方向を割出し、前記磁界変向手段による回転磁界の向きの変更を制御する制御部を有してなることが好ましい。このようにすれば、ロボット本体を到達させたい目的位置のみを入力しておくだけで、自動的にロボット本体を目的位置に到達させることが可能となる。
【００１０】
本発明の移動可能なマイクロマシンの移動制御システムは、前記位置検出部が検出した前記ロボット本体の現在位置および移動方向と目標位置とから最適な進行経路を決定する経路決定手段を備え、前記磁界変向手段が、前記経路決定手段が決定した前記進行経路上を前記ロボット本体が移動するように、前記回転磁界の向きを変更することを特徴としている。
このようにすれば、前記ロボット本体は、外部から印加される回転磁界の回転面に垂直の姿勢を保ちながら推進を行う。このことから、磁界の回転面を変えることでマシンの推進方向も変えることができる。
【００１２】
本発明の医用マイクロマシン誘導システムは、略円柱状の本体形状を有し、その長手方向の軸と垂直方向に磁化方向を有する磁石と、前記軸を中心とした回転を該軸方向への推進力に変換するら旋構造とを備えた医用マイクロマシンと、前記磁石が形成する磁界の向きと強さを検出して該検出した磁界の向きと強さから前記医用マイクロマシンの３次元の位置および移動方向を検出する位置検出部と、前記医用マイクロマシンを回転させるよう前記磁石に対して回転磁界を発生する磁界発生部と、前記磁界発生部を駆動する電力を供給する電源装置と、前記電源装置の出力電力を制御する回転磁界制御手段と、からなることを特徴としている。
本発明の医用マイクロマシン誘導システムは、前記位置検出部が、前記磁石が形成する磁界の向きと強さを検出する複数の磁界検出部を有し、前記磁界検出部が検出した磁界の向きと強さから前記医用マイクロマシンの位置および移動方向を検出してもよい。
本発明の医用マイクロマシン誘導システムは、前記位置検出部が検出した前記医用マイクロマシンの現在位置と目標位置とから最適な進行経路を決定する経路決定手段を備え、前記回転磁界制御手段が、前記経路決定手段の出力に基づき、前記磁界発生部が発生する回転磁界の向きを変更するように前記電源装置の出力電力を制御してもよい。
本発明の医用マイクロマシン誘導システムは、前記医用マイクロマシンが、前記ら旋構造を長手方向の先端に備えてもよい。
本発明の医用マイクロマシン誘導システムは、前記医用マイクロマシンが、前記ら旋構造を長手方向の先端および後端に備えてもよい。
本発明の医用マイクロマシン誘導システムは、前記医用マイクロマシンが、前記ら旋構造を本体側面に備えてもよい。
本発明の医用マイクロマシン誘導システムは、前記ら旋構造が、スパイラル状のワイヤにより形成されてもよい。
本発明の医用マイクロマシン誘導システムは、前記位置検出部が、前記医用マイクロマシンを前記位置検出部による測定空間から遠ざけたときに、前記磁界検出部が検出した磁界強度に基づいて地磁気の影響を補正してもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の移動可能なマイクロマシンの移動制御システムを図面に基づき説明する。
【００１４】
まず図１は、本発明の実施の一形態であるマイクロマシンの移動制御システム構成を示すブロック図である。本実施形態の移動制御システムは、図１に示すように、後述するマイクロマシン本体１１に非接触にて回転力を付与するための回転磁界を形成する３対の磁界生成コイル１２Ｘ，１２Ｙ，１２Ｚと、各磁界生成コイル１２Ｘ〜１２Ｚに後述するコンピュ−タ５より出力される制御出力に基づいて電力を供給する電源装置１３と、前記マイクロマシン本体１１が形成する磁界を検出する磁気センサーユニット２および３と、該磁気センサーユニット２および３にて検出された磁界より、マイクロマシン本体１１の３次元的な現在位置を算出するとともに、その現在位置と目標の位置とから、最適な進行経路を割出し、その進行経路上をマイクロマシン本体１１が移動するように、その進路方向を決定して前記電源装置１３により印加される各磁界生成コイル１２Ｘ〜１２Ｚの電力を制御して各磁界生成コイル１２Ｘ〜１２Ｚにより形成される回転磁界を変更してマイクロマシン本体１１の進路を前記決定した進路方向へ変更させるコンピュ−タ５と、から構成されている。
【００１５】
この本実施形態に用いたマイクロマシン本体１１は、図２に示すような外観とされ、直径約２ｍｍで長さが約７.５ｍｍの円柱形磁石の先端部に長さ約４ｍｍのら旋構造を有する円錐型のドリル部を有する構造とされており、前記円柱形磁石としてはネオジウム鉄ボロン系磁石を使用し、その直径方法に磁化方向を有するように着磁されている。
【００１６】
このように、マイクロマシン本体１１に装着される磁石として前記ネオジウム鉄ボロン系磁石を用いることは、比較的軽量でかつ着磁力の大きなものが好ましが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の磁石を用いるようにしても良い。
【００１７】
まず、本実施形態において、マイクロマシン本体１１が自律して移動可能となる原理について以下に説明すると、前記のようにマイクロマシン本体１１にはその直径方法に磁化方向を有するように着磁された円柱形磁石が搭載されており、前記磁界生成コイル１２Ｘ〜１２Ｚに適宜に電力が印加されて磁界が形成されると、磁石の磁化方向と磁界方向とが平行になるような回転力が発生し、マイクロマシン本体１１が回転するようになる。この回転運動は、前記円錐型のドリル部に伝達され、該ドリル部に形成されたら旋構造により円柱軸方向の推力に変換されてマイクロマシン本体１１が移動するようになる。
【００１８】
これらマイクロマシン本体１１の構造は、これらマイクロマシン本体１１を液体より固い固体ゲル質内を移動可能なものとするためには、マイクロマシン本体１１が周りの体ゲル質より受ける摩擦抵抗を低減できるように、全体の表面積が小さくなるような構造を有し、かつ前記ら旋構造をマイクロマシン本体１１が１回転する間に進む距離を比較的小さくするようにすることが好ましく、この観点から前記図２に示すような構造のマイクロマシン本体１１が好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらマイクロマシン本体の構造として、図９（ａ）に示すように、液体中をも効率良く移動できるように、円柱状の磁石の側面部分にもら旋構造を有するものや、図９（ｃ）方向転換や目的位置からの離脱を行い易くする目的で、その両端に円錐型のドリル部が形成されたものであっても良い。
【００１９】
また、これらドリル部の形状も前記円錐形に限定されるものではなく、図９（ｂ）に示すように、その他のドリル形状としても良い。
【００２０】
次いで、これらマイクロマシン本体１１の位置検出の方法について以下に説明する。まず、本実施形態のマイクロマシンの移動制御システムは１個のマイクロマシン本体１１の位置を検出する場合を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２１】
本発明のマイクロマシンの移動制御システムは、視覚的に遮蔽され、かつ測定空間（大域範囲）Ｒ内に存在するマイクロマシン本体１１の位置を検出する場合の例である。ここで、測定空間Ｒは例えば約３０ｃｍ×３０ｃｍ×３０ｃｍ立方体の空間に設定してある。
【００２２】
なお、マイクロマシン本体１１は実際には視覚的に遮蔽されていて目視することはできないが、図１においてはこれを透視した状態を図示しており、かつ移動によって３次元磁気センサーユニット（以下、単に磁気センサーユニットとも記す）２および３に対向した位置にある状態を示している。なお、図１において波線はマイクロマシン本体１１に装着された前記ネオジウム鉄ボロン系磁石による磁力線を模式的に示している。
【００２３】
本発明のマイクロマシンの移動制御システムには、位置検出されるマイクロマシン本体１１に対して、一対の例えばフラックゲートからなる磁気センサーユニット２および３が所定間隔、例えば１０ｃｍの間隔で磁気センサーユニット装着板１に装着してある。ここで、磁気センサーユニット装着板１は測定空間Ｒの一面の面積を有していて、この例では３０ｃｍ×３０ｃｍの面積に設定されており、左隅位置０を測定位置の原点に設定してある。
【００２４】
磁気センサーユニット２，３は磁界の強さおよび方向を検出する。磁気センサーユニット２，３からの出力は、Ａ／Ｄ変換器群４１およびインターフェース回路群４２からなる信号前処理回路４に供給され、磁気センサーユニット２，３からの出力がＡ／Ｄ変換器群４１にてデジタルデータに変換され、インターフェース回路群４２を介してコンピュ−タ５へ出力される。
【００２５】
この信号前処理回路４からの出力データは、コンピュ−タ５内部のデータバスに装着された位置検出処理基板５’に供給され、マイクロマシン本体１１の位置がコンピュ−タ５へ出力されて、該マイクロマシン本体１１の位置が、例えば３次元ワイヤフレームにて表示装置６に表示される。
【００２６】
この位置検出処理基板５’は、比較的高速の演算回路からなり、前記磁気センサーユニット２，３からの各出力信号に基づく出力データに基づいてマイクロマシン本体１１による磁気モーメントを算出する磁気モーメント演算手段５１と、マイクロマシン本体１１が測定空間Ｒ内で区分した予め定めた所定サイズのどの局所範囲内に存在するか否か、たとえば５ｃｍ×５ｃｍ×５ｃｍの立方体の空間の範囲内に存在するか否かを判別する局所範囲判別手段５２と、マイクロマシン本体１１が存在すると判別された局所範囲内におけるマイクロマシン本体１１の位置および移動方向を検出するマイクロマシン本体位置算出手段５３とを機能的に備えている。
【００２７】
磁気センサーユニット２，３はそれぞれ一対のフラックスゲートセンサから構成されている。磁気センサーユニット２，３について、磁気センサーユニット２を例に説明する。
【００２８】
磁気センサーユニット２を構成する一対のフラックスゲートセンサ中の一方のフラックスゲートセンサは、図３に示すように、基板２０と、基板２０上に設けたリング状コア２２と、リング状コア２２に巻回された励磁コイル２３と、励磁コイル２３が巻回されたリング状態コア２２に互いに直交して巻回された磁界検出コイル２４および２５とを備えている。
【００２９】
磁界検出コイル２４はＹ軸に直交し、磁界検出コイル２５はＸ軸に直交して、磁界検出コイル２５によってＸ軸方向磁界成分の強さおよび方向を検出し、磁界検出コイル２４によってＹ軸方向磁界成分の強さおよび方向を検出する。
【００３０】
さらに、キャリア周波数ｆｃの発振を行うキャリア発振器３０からの発振出力を受けてキャリア周波数ｆｃを分周器２１によって２分周し、該２分周出力によって励磁コイル２３を励磁する。
【００３１】
磁界検出コイル２５からの出力信号とキャリア発振器３０からの発振出力を乗算することにより同期検波回路２８にて同期検波し、同期検波回路２６からの出力をローパスフィルタ２７にて積分して、Ｘ軸方向磁界検出出力を得る。同様に、磁界検出コイル２４からの出力信号とキャリア発振器３０からの発振出力を乗算することにより同期検波回路２８にて同期検波し、同期検波回路２８からの出力をローパスフィルタ２９にて積分して、Ｙ軸方向磁界検出出力を得る。
【００３２】
磁気センサーユニット２の他方のフラックスゲートセンサは、磁気センサーユニット２の一方のフラックスゲートセンサと同様の構成であるが、一方のフラックスゲートセンサにおけるコイル２４、同期検波回路２８およびローパスフィルタ２９を除去した構成であり、図１および後記の図６に模式的に示すように、磁気センサーユニット２の他方のフラックスゲートセンサを形成する基板は、磁界検出コイルがＺ軸と直交するように磁気センサーユニット２の一方のフラックスゲートセンサを形成する基板２０の下面に直交してＴ字状に一体に設けてあって、磁界検出コイルからの出力を同期検波および積分してＺ軸方向磁界の強さおよび方向に基づくＺ軸方向磁界検出出力を得る。
【００３３】
したがって、磁気センサーユニット２からＸ、Ｙ、Ｚ軸方向磁界の強さに基づく出力が送出される。
【００３４】
ここで、フラックスゲートセンサからは、磁界検出コイルの巻線直交する方向からの外部磁界の強さに応じて出力電圧が出力され、この電圧の周波数はフラックスゲートセンサの励磁周波数ｆｃ／２の２倍のキャリア周波数ｆｃである。
【００３５】
次に、同期検波回路２６，２８について、図３に示す同期検波回路２６を例にして、同期検波回路を説明すれば、同期検波回路２６はキャリア発振器３０の出力を反転するインバータ２６１と、キャリア発振器３０の出力によって磁界検出コイル２５からの出力をオン・オフするスイッチ２６２と、インバータ２６１の出力によって磁界検出コイル２５の出力をオン・オフするスイッチ２６３と、スイッチ２６２の出力とスイッチ２６３の出力を増幅する演算増幅器２６４とからなり、演算増幅器２６４の出力をローパスフィルタ２７へ送出する。
【００３６】
分周器２１の出力は図４（ａ）に示す波形であり、磁界検出コイル２５の出力は図４（ｂ）に示す如くキャリア周波数ｆｃの信号であって正負の極性を有している。スイッチ２６２のオン・オフの波形は図４（ｃ）に示す如くであり、スイッチ２６３のオン・オフの波形は図４（ｄ）に示す如くであって、スイッチ２６２および２６３によって実質的に両波整流を行っていることになり、演算増幅器２６４の出力は図４（ｅ）に示す如くになる。Ｙ軸およびＺ軸方向磁界検出出力についても同様の処理がなされる。
【００３７】
なお、磁気センサーユニット３についても磁気センサーユニット２と同様に構成してあり、同様に３軸方向磁界の強さに基づく出力が得られる。
【００３８】
次に、磁気センサーユニット２を構成する磁界検出コイルから出力されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向磁界の強さおよび方向の出力について図５により説明する。図５において波線はマイクロマシン本体１１による磁力線を示している。
【００３９】
磁気センサーユニット２の位置Ｃにおける磁界の強さおよび方向をＡとし、磁界の強さおよび方向ＡのＸ軸方向磁界の強さ、Ｙ軸方向磁界の強さ、Ｚ軸方向磁界の強さをそれぞれＡｘ、Ａｙ、Ａｚとし、ｃｏｓα、ｃｏｓβ、ｃｏｓｙを磁界の強さおよび方向Ａの方向余波とすれば、Ａｘ＝Ａｃｏｓα、Ａｙ＝Ａｃｏｓβ、Ａｚ＝ｃｏｓｙであり、磁界検出コイル２５からはＡｘの出力が、磁界検出コイル２４からはＡｙの出力が、Ｚ軸方向の磁界検出コイルからはＡｚの出力が送出される。磁界の強さおよび方向Ａは、Ａ＝√（Ａｘ２＋Ａｙ２＋Ａｚ２）で与えられる。
【００４０】
磁気センサーユニット３についても磁気センサーユニット２の場合と同様であって、磁気センサーユニット３の位置Ｄにおける磁界の強さおよび方向をＢとして示してある。
【００４１】
図６は、磁気センサーユニット２と、磁気センサーユニット２の出力を処理する信号前処理回路４の構成を示している。
【００４２】
磁気センサーユニット２から出力されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向磁界の強さに基づく信号は、各別にＡ／Ｄ変換器４１１、４１２、４１３にて同時にＡ／Ｄ変換され、Ａ／Ｄ変換器４１１、４１２、４１３からのＡ／Ｄ変換出力は各別にインターフェース回路４２１、４２２、４２３を介して位置検出処理基板５’へ出力される。磁気センサーユニット３から出力されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向磁界の強さに基づく信号も同様に処理されて、位置検出処理基板５’へ出力される。
【００４３】
次に、位置検出処理基板５’における視覚的に遮蔽された状態のマイクロマシン本体１１の位置検出処理について図７および図８のフローチャートに基づいて説明する。
【００４４】
信号前処理回路４において信号処理された磁気センサーユニット２，３からの出力データを受けた位置検出処理基板５’では、マイクロマシン本体１１を遠ざけて磁気センサーユニット２，３にて地磁気を検出する状態にして地磁気を計測し、地磁気の補正を行う等の初期設定を行って、続いて、磁気センサーユニット２からの出力を読み込む磁界計測が行われる（ステップＳ１）。
【００４５】
この磁界計測においてＺ軸方向磁界の強さを求める磁界検出コイルは基板２０の表面に位置していないため、基板２０からＺ軸方向磁界検出コイルの巻回中心位置までの長さの補正を行って磁界計測を行う。
【００４６】
ステップＳ１に続いて、同期検波および積分された磁気センサーユニット２からの出力がＡ／Ｄ変換され（ステップＳ２）、Ａ／Ｄ変換された各磁気センサーユニット２，３からの出力を図示しないＡ／Ｄデータメモリに一旦記憶し、（ステップＳ３）、磁気センサーユニット３からの出力について実行されたか否かがチェックされ、全磁気センサーユニット２，３からの出力についてＡ／Ｄ変換がなされ、図示しないＡ／Ｄデータメモリに記憶がなされるまで繰り返す（ステップＳ４）。
【００４７】
ステップＳ４において全磁気センサーユニット２、３からの出力についてＡ／Ｄ変換がなされ、記憶されたとき、ステップＳ４に続いてマイクロマシン本体１１の位置およびその方向を算出する後記のステップＳ５が実行される。磁気センサーユニット２，３からの出力に基づきマイクロマシン本体１１の位置を求めるために、本明細書および図７のステップＳ５その他において、「逆問題を解き」、と記載してある。
【００４８】
ステップＳ５においてマイクロマシン本体１１の位置および移動方向が算出されると、算出されたマイクロマシン本体１１の位置および移動方向が表示装置６に、３次元ワイヤーフレーム表示される（ステップＳ６）。
【００４９】
次に逆問題の演算ルーチンを図８のフローチャートによって説明する。ステップＳ４に続いて逆問題を解く逆問題演算ルーチンに入ると、磁気センサーユニット２，３からの出力に基づいて、マイクロマシン本体１１の磁気モーメントが演算される（ステップＳ５１）。次いで、測定空間Ｒを所定の空間（局所範囲）に分割、例えば５ｃｍ×５ｃｍ×５ｃｍの立方体の空間に分割して、その分割されたいずれかの局所範囲内に逆問題の解が存在するか否かをチェックすることによってなされる（ステップＳ５２）。
【００５０】
ステップＳ５２における解の存在は、局所範囲を形成する６面体の各面における評価関数を磁気モーメントに基づき算出し、局所範囲を形成する６面体のうち１面でも評価関数の値の極性が異なる値の面が存在するか否かによって判別される。すなわち、局所範囲内にマイクロマシン本体１１が存在するときは、局所範囲を形成する６面体のうち１面でも評価関数の値の極性が異なる極性になったとき、局所範囲内にマイクロマシン本体１１が存在しないときは、局所範囲を形成する６面体の総ての面の評価関数の値の極性が同一極性になることからマイクロマシン本体１１の存否、すなわち解が存在するか否かが判別される。
【００５１】
ステップＳ５２におけるチェックによって、局所範囲内に逆問題の解が存在しないと判別されたとき、すなわち局所範囲内にマイクロマシン本体１１が存在しないと判別されたときは隣の局所範囲に移動して（ステップＳ５３）、測定空間Ｒの全部にわたって実行したか否かがチェックされ（ステップＳ５４）、測定空間Ｒ内の全部にわたって実行していないときは、ステップＳ５４に続いてステップＳ５２が実行される。
【００５２】
ステップＳ５４において測定空間Ｒ内の全部にわたって実行したときは測定空間Ｒに解が存在する局所空間が見つからなかったときであって、ステップＳ５４に続いて解なしの表示が表示装置６になされる（ステップＳ５５）。
【００５３】
ステップＳ５２において解が存在する局所範囲が見つかったときは、ステップＳ５２に続いて解が存在する局所範囲において、ニュートンラプソン法を適用して解を求め、求めた解が収束するか否かがチェックされる（ステップＳ５６）。ここで、収束は例えば評価関数の値が１０−３を閾値として、評価関数の値が１０−３以下になったら収束したと判別する。これは評価関数の値が０のとき真に収束であるからである。
【００５４】
ステップＳ５６において解が収束すると判別されたときは初期値の設定がなされる（ステップＳ５７）。ステップＳ５６において解が収束しないと判別されたときは、評価関数の最小値（＞０）を解とし（ステップＳ５８）、ステップＳ５８に続いて初期値の設定がなされる（ステップＳ５７）。この場合において初期値は、解が存在する局所範囲が求まったとき、その局所範囲内の中心位置を初期値とすることが好都合である。
【００５５】
上記のステップＳ５１〜ステップＳ５８では予め定めた領域内において解の存在を求め、その解が収束するか否かをチェックして初期値を設定しており、この解法を本明細書においては、局所解法とも記している。これは測定空間Ｒの領域より小さな空間内、すなわち５ｃｍ×５ｃｍ×５ｃｍの立方体の空間内におけるマイクロマシン本体１１の存在を求めているためである。
【００５６】
ステップＳ５７に続いて初期値に基づき解が存在した局所範囲においてニュートンラプソン法によって解を求め（ステップＳ５９）、ステップＳ６が実行される。ステップＳ５９を本明細書では局所解法とも記している。局所範囲内において解を求めているためである。
【００５７】
このように解が内部に存在する局所領域を求め、解が存在する局所領域内で解を求めるために、すなわち局所解法によってマイクロマシン本体１１の位置および方向を検出するために、測定空間Ｒ内を区分しないで順次解を求めていく場合に比較してきわめて早く解が得られ、すなわちマイクロマシン本体１１の位置および方向が得られる。
【００５８】
なお、マイクロマシン本体１１の数が増加しても、それぞれのマイクロマシン本体１１位置が、異なる局所範囲内に存在するときは、それぞれのマイクロマシン本体１１に対して順次収束解が求められる。
【００５９】
また、２つのマイクロマシン本体１１が同一の局所範囲内に存在するような場合は、２つのマイクロマシン本体１１による合成磁界のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の成分に基づいてマイクロマシン本体１１の位置が測定される。
【００６０】
上記した本発明の実施の一形態にかかるマイクロマシンの移動制御システムにおいて、測定空間Ｒを、例えば３０ｃｍ×３０ｃｍ×３０ｃｍの立方体として説明したが、この測定空間Ｒは使用するフラックスゲートセンサの感度および誤差とマイクロマシン本体１１の磁気モーメントによって定められる。
【００６１】
また分割した所定の範囲、すなわち局所範囲を５ｃｍ×５ｃｍ×５ｃｍの立方体としたが、この局所範囲はニュートンラプソン法による演算時に収束する程度の範囲に選択すればよく、マイクロマシン本体１１の数、マイクロマシン本体１１と磁気センサーユニットとの距離、磁気センサーユニットの感度、マイクロマシン本体１１の磁気モーメントに基づいて設定すればよい。
【００６２】
なお、上記した本発明の実施の一形態にかかるマイクロマシンの移動制御システムにおいては、視覚的に遮蔽されたマイクロマシン本体１１の位置および方向を検出する場合を例示したが、視覚的に遮蔽されていないマイクロマシン本体１１の位置および方向を測定する場合も同様である。
【００６３】
このようにして、前記位置検出処理基板５’により検出されたマイクロマシン本体１１の位置と移動方向（向き）とは、その座標データとして前記コンピュータ５に出力され、その現在位置の座標データとコンピュータ５において予め設定されている目的位置の座標データとから、目的位置への最適な経路がコンピュータ５の処理プログラムにより形成された経路決定手段５４により選出され、該選出された経路上をマイクロマシン本体１１が移動するように、逐次その方向が経路決定手段５４により決定されてその決定された方向へマイクロマシン本体１１が誘導される。
【００６４】
このマイクロマシン本体１１の誘導（方向変更）の手法は、前記マイクロマシン本体１１が前述のように磁界生成コイル１２Ｘ〜１２Ｚにより形成される回転磁界により発生する磁気トルク（回転）を利用して移動するが、この回転磁界の回転面を適宜に変更制御することでマイクロマシン本体１１の進行方向である向きを変更することができる。すなわち、回転磁界回転面に対して垂直方向に進行する本マイクロマシン本体１１の特徴を利用し、前記回転面を傾けることによりマイクロマシン本体１１の進行方向が変更される。このため、本実施形態では、これら回転磁界の回転面を変更するために、Ｘ方向，Ｙ方向，Ｚ方向の各方向に磁界を形成するための３組の磁界生成コイル１２Ｘ〜１２Ｚを用い、前記経路決定手段５４により決定された方向へマイクロマシン本体１１が向くような回転面となるように、各磁界生成コイル１２Ｘ〜１２Ｚに印加される電流の強さと位相とを演算により算出して制御する回転磁界制御手段５５が、プログラムにより形成されており、該回転磁界制御手段５５にて算出された電流の強さと位相情報とが前記電源装置１３に出力され、これら制御情報に基づき電源装置１３により磁界生成コイル１２Ｘ〜１２Ｚに印加される電流の強さと位相とが制御されて、マイクロマシン本体１１が目的の位置へ適宜に誘導されていく。
【００６５】
以下、本実施形態のマイクロマシンの移動制御システムを用い、移動する固体媒体として細菌培養用の培地寒天を用いた際の実験結果を示す。前記図２に示すマイクロマシン本体１１に、磁界強度１５０Ｏｅの回転磁界を印加すると回転運動を行い前記寒天培地中を移動した。その移動速度は、回転磁界の回転周波数に大きく依存し、周波数１Ｈｚでは、毎秒２ｍｍ、周波数５０Ｈｚでは、毎秒２０ｍｍの速度で進行した。さらに、回転磁界の磁界回転面を変化させることによりマイクロマシン本体１１は寒天中でその進行方向を変えることが可能であった。図１０はマイクロマシン本体１１の進行方向制御実験の一例であり、磁界回転周波数０.５Ｈｚ、磁界強度１５０Ｏｅにおいて、半径５０ｍｍで転回することが可能であり、スタート地点からゴール地点までの経路を、障害壁を回避しながら進行することが可能であった。
【００６６】
また、前記マイクロマシン本体１１を図９（ｃ）に示すような、円柱形磁石の両端にら旋形状を有するドリル部を有するものを用いることで、前記回転磁界を変更することにより、マイクロマシン本体１１の回転方向を容易に逆転でき、それによりロボットは後退できるので、適宜に切り返しを実施してより小さな回転半径で進行方向を変えることも可能である。
【００６７】
以上、説明したような本実施形態のマイクロマシンの移動制御システムを用いれば、例えば医療等へのマイクロマシンの応用を考えた場合においては、これらマイクロマシン本体１１を患部へ的確な経路を通じて誘導することが必須となるが、これらマイクロマシン本体１１を非接触にてその目的位置へ的確に誘導することが可能となり、本発明のマイクロマシンの移動制御システムはマイクロマシンの医療等への応用を考えた場合に、非常に重要な技術と成り得るものである。
【００６８】
以上、本発明の実施形態を図面により前記実施例にて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれることは言うまでもない。
【００６９】
【発明の効果】
本発明は次の効果を奏する。
【００７０】
（ａ）請求項１の発明によれば、投入されたロボット本体の位置は位置検出部で把握されており、回転磁界の向きを変えることで、進行しているロボットの方向制御を行いながらロボットを目的地へ確実に導くことができる。
【００７１】
（ｂ）請求項２の発明によれば、ロボット本体を到達させたい目的位置のみを入力しておくだけで、自動的にロボット本体を目的位置に到達させることが可能となる。
【００７２】
（ｃ）請求項３の発明によれば、前記ロボット本体は、外部から印加される回転磁界の回転面に垂直の姿勢を保ちながら推進を行う。このことから、磁界の回転面を変えることでマシンの推進方向も変えることができる。
【００７３】
（ｄ）請求項４の発明によれば、回転することによって推進力を得る推力発生部としてらせん、スクリュー等のメカ的手段が考えられる。この推力発生部は流体中の推進には好適であるが、本発明のマイクロマシンの進行先端にはドリル部が設けられているため、例え進行方向に固体ゲル状体が存在したとしても、マイクロマシンは移動可能であり、目的地に確実に到達できることになる。
【００７４】
（ｅ）請求項５の発明によれば、先端のドリル部を利用して進入した固体やゲル状体に対して、後端のドリル部を利用することによって後進推力が得られ、確実に目的地から離れることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のマイクロマシンの移動制御システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に用いたマイクロマシン本体の構造を示す外観図である。
【図３】本発明の実施形態に用いた磁気センサーユニットの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に用いた磁気センサーユニットにおける同期検波回路の作用の説明に供する模式説明図である。
【図５】本発明の実施形態に用いた磁気センサーユニットによる磁界強さの検出の説明図である。
【図６】本発明の実施形態に用いた磁気センサーユニットと信号前処理回路と位置検出処理基板との接続図である。
【図７】本発明の実施形態に用いた位置検出処理基板における処理内容を示すフロー図である。
【図８】本発明の実施形態に用いた位置検出処理基板における作用の説明に供するフロー図である。
【図９】本発明の好適なその他の形状のマイクロマシン本体の構造を示す外観図である。
【図１０】本発明の実施形態における進路変更の実験状況を示す図である。
【符号の説明】
１ 磁気センサーユニット装着板
２，３ 磁気センサーユニット
４ 信号前処理回路
５ コンピュータ
５’ 位置検出処理基板
６ 表示装置
１１ マイクロマシン本体
１２Ｘ，Ｙ，Ｚ 磁界生成コイル
２０ 基板
２２ リング状コア
２３ 励磁コイル
２４，２５ 磁界検出コイル
２６，２８ 同期検波回路
２７，２９ ローパスフィルタ
４１ Ａ／Ｄ変換器群
４２ インタフェース回路群
５１ 磁気モーメント演算手段
５２ 局所範囲判別手段
５３ マイクロマシン位置算出手段
５４ 経路決定手段
５５ 回転磁界制御手段
Claims (11)
- 磁石の回転により推力を得るロボット本体に与える回転磁界を発生する磁界発生部と、
前記ロボット本体の前記磁石が形成する磁界の向きと強さを検出して該検出した磁界の向きと強さから前記ロボット本体の３次元の位置および移動方向を検出する位置検出部と、
前記位置検出部が検出した前記ロボット本体の３次元の位置および移動方向に基づき、前記ロボット本体を目的地へ到達させる方向へ向けるべく前記磁界発生部による回転磁界の向きを変更する磁界変向手段と、
からなることを特徴とする移動可能なマイクロマシンの移動制御システム。 - 前記位置検出部が検出したロボット本体の３次元の位置および移動方向と、ロボット本体を到達させたい目的位置との情報に基づいて、ロボット本体が進行する最適条件での方向を割出し、前記磁界変向手段による回転磁界の向きの変更を制御する制御部を有してなる請求項１に記載の移動可能なマイクロマシンの移動制御システム。
- 前記位置検出部が検出した前記ロボット本体の現在位置および移動方向と目標位置とから最適な進行経路を決定する経路決定手段を備え、
前記磁界変向手段は、前記経路決定手段が決定した前記進行経路上を前記ロボット本体が移動するように、前記回転磁界の向きを変更することを特徴とする請求項２に記載の移動可能なマイクロマシンの移動制御システム。 - 略円柱状の本体形状を有し、その長手方向の軸と垂直方向に磁化方向を有する磁石と、前記軸を中心とした回転を該軸方向への推進力に変換するら旋構造とを備えた医用マイクロマシンと、
前記磁石が形成する磁界の向きと強さを検出して該検出した磁界の向きと強さから前記医用マイクロマシンの３次元の位置および移動方向を検出する位置検出部と、
前記医用マイクロマシンを回転させるよう前記磁石に対して回転磁界を発生する磁界発生部と、
前記磁界発生部を駆動する電力を供給する電源装置と、
前記電源装置の出力電力を制御する回転磁界制御手段と、
からなることを特徴とする医用マイクロマシン誘導システム。 - 前記位置検出部は、前記磁石が形成する磁界の向きと強さを検出する複数の磁界検出部を有し、前記磁界検出部が検出した磁界の向きと強さから前記医用マイクロマシンの位置および移動方向を検出することを特徴とする請求項４に記載の医用マイクロマシン誘導システム。
- 前記位置検出部が検出した前記医用マイクロマシンの現在位置と目標位置とから最適な進行経路を決定する経路決定手段を備え、
前記回転磁界制御手段は、前記経路決定手段の出力に基づき、前記磁界発生部が発生する回転磁界の向きを変更するように前記電源装置の出力電力を制御することを特徴とする請求項４に記載の医用マイクロマシン誘導システム。 - 前記医用マイクロマシンは、前記ら旋構造を長手方向の先端に備えることを特徴とする請求項４に記載の医用マイクロマシン誘導システム。
- 前記医用マイクロマシンは、前記ら旋構造を長手方向の先端および後端に備えることを特徴とする請求項４に記載の医用マイクロマシン誘導システム。
- 前記医用マイクロマシンは、前記ら旋構造を本体側面に備えることを特徴とする請求項４に記載の医用マイクロマシン誘導システム。
- 前記ら旋構造は、スパイラル状のワイヤにより形成されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一つに記載の医用マイクロマシン誘導システム。
- 前記位置検出部は、前記医用マイクロマシンを前記位置検出部による測定空間から遠ざけたときに、前記磁界検出部が検出した磁界強度に基づいて地磁気の影響を補正することを特徴とする請求項６に記載の医用マイクロマシン誘導システム。
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