KR101380996B1 - 자기장 센서를 이용한 마이크로 로봇 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기장 센서를 이용한 마이크로 로봇 제어장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 반지름이 서로 동일하고 서로 이격되어 있는 동축의 제1 및 제2 원형코일을 포함하며, 상기 이격된 공간상의 일부 공간에 균일 자기장 영역을 형성하여 상기 균일 자기장 영역 내에 있는 마이크로 로봇의 방향을 제어하는 방향제어 코일부와, 상기 균일 자기장 영역을 형성하기 위하여 제1 및 제2 원형코일에 동일한 전류 방향을 갖는 전류 값을 각각 공급하는 전원공급부와, 상기 제1 및 제2 원형코일의 외부에 각각 이격 배치되어 제1 및 제2 자기장 크기를 감지하는 제1 및 제2 자기장 센서, 및 상기 전원공급부를 제어하되, 상기 제1 및 제2 자기장 크기의 차이가 오차 범위 이내이면 상기 제1 및 제2 원형코일에 기 공급된 전류 값을 유지하도록 제어하고, 상기 오차 범위를 벗어나면 상기 제1 원형코일 또는 제2 원형코일의 전류 값을 조절하도록 제어하는 전류량 제어부를 포함하는 마이크로 로봇 제어장치를 제공한다.
상기 자기장 센서를 이용한 마이크로 로봇 제어장치에 따르면, 두 원형코일의 외측에 각각 배치된 자기장 센서들의 센싱 값을 이용하여 외란에 의한 자기장 세기를 보상할 수 있으며 보다 균일한 자기장을 형성할 수 있는 이점이 있다.

Description

자기장 센서를 이용한 마이크로 로봇 제어장치{Apparatus for controlling micro robot using magnetic sensors}

본 발명은 자기장 센서를 이용한 마이크로 로봇 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자기장 센서를 이용하여 주변의 외란을 보상할 수 있는 마이크로 로봇 제어장치에 관한 것이다.

최근 마이크로 로봇을 이용한 외과적 수술 및 생명공학 분야에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.

기존의 전자기장을 이용한 마이크로 로봇의 제어는 헬름홀츠 코일을 이용하여 코일 사이에 균일한 자계를 형성하여 로봇의 방향을 제어하고 맥스웰 코일을 이용하여 로봇의 이동 속도 제어를 한다. 관련된 배경기술은 국내특허등록 제1128045호에 개시되어 있다.

도 1은 일반적인 원형코일에서의 전자기장을 나타낸다. 원형코일에 전류를 인가하면 자장이 발생한다. 원형코일 중심에서 발생되는 전자기장의 세기는 원형코일 중심에서 가장 크고 중심에서 멀어질수록 점차 작아진다. 이러한 원리를 이용하여 헬름홀츠 코일과 맥스웰 코일을 구성할 수 있다.

도 2는 기존의 헬름홀츠 코일의 구성도이다. 헬름홀츠 코일은 마이크로 로봇의 방향을 제어하는 방향제어 코일로서, 코일 1,2를 포함하는 한 쌍의 원형코일로 구성된다. 도 2의 (a)를 참조하면, 두 원형코일의 규격(반지름, 코일 감은수)은 서로 동일하고, 두 원형코일 사이의 거리는 코일의 반지름(R)과 같다. 원형코일에 인가되는 전류의 크기 및 방향은 두 원형코일 모두에 대해 동일하다. 마이크로 로봇은 자화되어 있어야 하며 두 원형코일 사이의 공간에 위치한다.

도 2의 (b)와 같이, 두 원형코일에 의해 형성되는 자기장의 세기는 각각의 코일에서 생성되는 자기장의 합이다. 즉, 두 원형코일에 의해 형성된 자기장을 합하면 코일 사이에서 '균일 자기장 영역'이 형성된다. 자화된 마이크로로봇은 균일 자기장 영역 내에서는 자기장 방향과 일치하는 방향으로 회전한다.

도 3은 도 2에 맥스웰 코일이 배치된 구성도이다. 맥스웰 코일은 마이크로 로봇의 이동속도를 제어하는 이동속도제어 코일로서 코일A,B를 포함하는 한 쌍의 원형코일로 구성된다. 도 3의 (a)에서 안쪽에 있는 한 쌍의 코일은 헬름홀츠 코일(오렌지색), 바깥쪽에 있는 한 쌍의 코일은 맥스웰 코일(녹색 참조)이다. 맥스웰 코일을 구성하는 두 코일 A,B의 규격(반지름, 코일 감은수)은 서로 동일하고, 두 코일 A,B 사이의 거리는 코일의 반지름에

을 곱한 값과 같다. 또한 두 코일 A,B에 인가되는 전류의 크기는 동일하되 방향은 반대이다. 이는 앞서 헬름홀츠 코일의 경우와는 구별된다.

도 3의 (b)를 참조하면, 두 코일 A,B에 의해서 형성된 자기장의 세기는 각각의 코일에서 생성되는 자기장의 합이다. 다만, 헬름홀츠 코일과는 달리 두 코일 A,B의 전류 방향이 반대이므로, 두 코일 A,B에 의해 형성된 자기장을 합하면 두 코일 사이에서 '균일 경사 자기장 영역'이 형성된다. 여기서, 균일 경사 자기장의 기울기는 마이크로 로봇의 이동 속도를 제어하는 요소로서, 자화된 마이크로 로봇은 균일한 경사 자기장 영역 내에서 자기장의 기울기에 대응하는 속도로 이동한다.

그런데 이상과 같은 종래의 마이크로 로봇 제어에서는 전자기장의 형성 시에 공급 전원이 불안정하거나 의도하지 않은 주변 자기장 등의 외적인 원인이 발생하게 되면, 미리 의도한 균일 자기장 및 균일 경사 자기장을 형성하는 데에 어려움이 있으며 그에 따른 마이크로 로봇의 정밀한 제어가 힘들 수 있다.

본 발명은 자기장 센서를 이용하여 주변의 외란에 강인하게 동작할 수 있으며 보다 균일한 자기장을 형성할 수 있는 자기장 센서를 이용한 마이크로 로봇 제어장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 반지름이 서로 동일하고 서로 이격되어 있는 동축의 제1 및 제2 원형코일을 포함하며, 상기 이격된 공간상의 일부 공간에 균일 자기장 영역을 형성하여 상기 균일 자기장 영역 내에 있는 마이크로 로봇의 방향을 제어하는 방향제어 코일부와, 상기 균일 자기장 영역을 형성하기 위하여 제1 및 제2 원형코일에 동일한 전류 방향을 갖는 전류 값을 각각 공급하는 전원공급부와, 상기 제1 및 제2 원형코일의 외부에 각각 이격 배치되어 제1 및 제2 자기장 크기를 감지하는 제1 및 제2 자기장 센서, 및 상기 전원공급부를 제어하되, 상기 제1 및 제2 자기장 크기의 차이가 오차 범위 이내이면 상기 제1 및 제2 원형코일에 기 공급된 전류 값을 유지하도록 제어하고, 상기 오차 범위를 벗어나면 상기 제1 원형코일 또는 제2 원형코일의 전류 값을 조절하도록 제어하는 전류량 제어부를 포함하는 마이크로 로봇 제어장치를 제공한다.

여기서, 상기 전류량 제어부는, 상기 제1 및 제2 자기장 크기의 차이가 오차 범위 이내로 수렴할 때까지 상기 제1 원형코일 또는 제2 원형코일의 전류 값을 조절할 수 있다.

또한, 상기 제1 자기장 센서는, 상기 제1 원형코일의 외측에서 관측되는 상기 제1 원형코일에서 발생한 자기장 크기 및 상기 제2 원형코일에서 발생한 자기장의 합을 측정하고, 상기 제2 자기장 센서는, 상기 제2 원형코일의 외측에서 관측되는 상기 제2 원형코일에서 발생한 자기장 크기 및 상기 제1 원형코일에서 발생한 자기장의 합을 측정할 수 있다.

여기서, 상기 마이크로 로봇 제어장치는, 제1 및 제2 원형코일의 외측면에 각각 배치된 동축의 제3 및 제4 원형코일을 포함하며, 상기 일부 공간에 균일 경사 자기장 영역을 형성하여 상기 마이크로 로봇의 속도를 제어하는 속도제어 코일부를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 전원공급부는, 상기 균일 경사 자기장 영역을 형성하기 위하여 제3 및 제4 원형코일에 서로 반대의 전류 방향을 갖는 전류 값을 각각 공급할 수 있다.

또한, 상기 전류량 제어부는, 상기 제1 및 제2 원형코일의 전류 공급을 차단한 상태에서 상기 제1 및 제2 자기장 센서에서 관측된 제3 및 제4 자기장 크기의 차이가 임계 범위 이내이면 상기 제3 및 제4 원형코일에 기 공급된 전류 값을 유지하도록 제어하고, 상기 임계 범위를 벗어나면 상기 제3 원형코일 또는 제4 원형코일의 전류 값을 조절하도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 마이크로 로봇 제어장치는, 상기 마이크로 로봇의 현재 위치를 감시하는 영상감시부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 자기장 센서를 이용한 마이크로 로봇 제어장치에 따르면, 두 원형코일의 외측에 각각 배치된 자기장 센서들의 센싱 값을 이용하여 외란에 의한 자기장 세기를 보상할 수 있으며 보다 균일한 자기장을 형성할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 일반적인 원형코일에서의 전자기장을 나타낸다.
도 2는 기존의 헬름홀츠 코일의 구성도이다.
도 3은 도 2에 맥스웰 코일이 배치된 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자기장 센서를 이용한 마이크로 로봇 제어를 설명하는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자기장 센서를 이용한 마이크로 로봇 제어장치의 구성도이다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자기장 센서를 이용한 마이크로 로봇 제어를 설명하는 개념도이다.

도 4에는 제1 및 제2 원형코일(111,112)을 포함하여 로봇의 방향을 제어하는 방향제어 코일부(110), 제1 원형코일(111)의 외부에 이격 배치된 제1 자기장 센서(130), 제2 원형코일(112)의 외부에 이격 배치된 제2 자기장 센서(140)가 도시되어 있다.

마이크로 로봇의 이동 방향 제어를 위해서는 상기 제1 및 제2 원형코일(111,112)로 구성된 헬름홀츠 코일을 이용한다. 제1 및 제2 원형코일(111,112)은 서로 동축으로 평행하게 이격 배치되어 있으며, 반지름 및 코일 감은수가 서로 동일하고, 상호 동일한 방향의 전류가 인가된다. 여기서, 두 코일(111,112) 간의 간격은 코일(111)의 반지름과 동일한데, 물론 본 발명이 반드시 이에 한정되지는 않는다.

이러한 제1 및 제2 원형코일(111,112)은 그 이격된 공간상의 일부 공간에 균일 자기장 영역을 형성하여, 균일 자기장 영역 내에 있는 마이크로 로봇의 방향을 제어한다. 균일 자기장이 형성되는 원리는 앞서 도 2를 통해 설명한 바 있다. 즉, 도 4의 우측에 도시된 그래프(도 2에 대응)와 같이, 두 원형코일(111,112)에 의해 형성되는 자기장의 세기는 각각의 코일에서 생성되는 자기장의 합으로 표현된다. 두 원형코일(111,112)에 의해 형성된 자기장을 합하면 코일 사이에서 '균일 자기장 영역'이 형성된다. 이러한 균일 자기장 영역을 이용하면 해당 영역 내에서 마이크로 로봇의 이동 방향을 제어할 수 있다.

여기서, 각 코일(111,112)에 공급되는 전원 공급의 불안정, 주변 자기장의 외란 등이 발생할 경우, 상기 균일 자기장 영역의 자기장 세기는 의도한 세기와 다를 수 있고 균일하지 않을 수 있다.

이를 위해 본 실시예에서는 균일 자기장 영역의 실제 자기장 세기를 예측하기 위하여 균일 자기장 영역 외부에 대해 제1 및 제2 자기장 센서(130,140)를 제1 및 제2 원형코일(111,112)에 하나씩 배치하고 있다. 이때, 균일 경사 자기장 영역과 그 주변은 마이크로 로봇의 작업 영역에 해당되므로, 제1 및 제2 자기장 센서(130,140)는 마이크로 로봇의 작업에 방해되지 않도록 각 원형코일(111,112)의 외측에 설치된다. 각각의 자기장 센서(130,140)가 각 원형코일(111,112)의 위치보다 외부에 위치한 것은 도 4의 그래프에 도시된 세로 점선들을 통해서도 알 수 있다.

여기서, 제1 자기장 센서(130)는 상기 제1 원형코일(111)의 외측에서 관측되는 상기 제1 원형코일(111)에서 발생한 자기장 크기 및 상기 제2 원형코일(112)에서 발생한 자기장의 합(=제1 자기장 크기)을 측정한다. 즉, 이 제1 자기장 센서(130)에 의해 관측되는 자기장 크기는 제1 원형코일(111)에 따른 자기장의 영향이 더욱 크게 작용할 것이다.

또한, 상기 제2 자기장 센서(140)는 상기 제2 원형코일(112)의 외측에서 관측되는 상기 제2 원형코일(112)에서 발생한 자기장 크기 및 상기 제1 원형코일(111)에서 발생한 자기장의 합(=제2 자기장 크기)을 측정한다. 즉, 이 제2 자기장 센서(140)에 의해 관측되는 자기장 크기는 제2 원형코일(112)에 따른 자기장의 영향이 더욱 크게 작용할 것이다.

여기서, 제1 자기장 센서(130)와 제2 자기장 센서(140)에서 계측된 각각의 자기장 크기가 의도한 값과 다를 경우에는 각 원형코일(111,112) 중 적어도 하나의 원형코일에 대한 전류 값을 조절하여 의도한 자기장이 발생하도록 한다.

여기서, 헬름홀츠 코일에 의해 형성되는 자기장의 합은 제1 및 제2 코일에 대해 서로 대칭되는 크기로 형성되므로, 제1 원형코일(111)의 근방에서 관측되는 자기장 크기는 제2 원형코일(112)의 근방에서 관측되는 자기장의 크기와 거의 동일하게 관측되어야 한다. 그러나, 각 원형코일(111,112)을 제조하는 과정에서 코일의 감은수와 반지름에 약간의 오차가 발생할 수 있다. 이러한 경우, 두 코일(111,112)에 동일한 전류 값을 인가하였음에도 불구하고, 의도한 균일 자기장 영역을 형성하지 못하거나 균일하지 못한 자기장을 형성하는 경우가 발생할 수 있다.

본 실시예에서는 제1 자기장 센서(130)와 제2 자기장 센서(140)의 센싱 값이 서로 동일하지 않고 센싱 값의 차이가 오차 범위를 벗어난 경우에는 제1 원형코일(111) 또는 제2 원형코일(112)의 전류 값을 조절하여 각각의 센싱 값이 서로 동일하도록(오차 범위에 들어오도록) 조절한다. 예를 들어, 제1 원형코일(111)의 전류 값을 증가 또는 감소시키거나 제2 원형코일(111)의 전류 값을 증가 또는 감소시킨다. 그 결과 보다 균일한 자기장을 형성할 수 있으며 의도한 자기장 세기를 형성할 수 있다.

도 4에는 제1 및 제2 원형코일(111,112)을 포함하는 방향제어 코일부(110)(헬름홀츠 코일)만 도시하고 있으나, 제3 및 제4 원형코일(미도시)를 포함하는 속도제어 코일부(맥스웰 코일)가 더 포함되어 동작될 수 있다.

마이크로 로봇의 이동 속도 제어를 위해서는 상기 제3 및 제4 원형코일로 구성된 맥스웰 코일을 이용한다. 이를 위해 도 4의 제1 및 제2 원형코일(111,112)의 외측면에 각각 제3 및 제4 원형코일을 배치하면 된다. 제1 및 제2 원형코일과 제3 및 제4 원형코일의 배치 관계는 도 3의 구조를 참조한다. 물론, 제1 및 제2 자기장 센서(130,140)는 제1 및 제2 원형코일(111,112)의 외곽에 이격 배치되는 요소이므로, 제3 및 제4 원형코일의 외곽에도 이격 배치되어 있게 된다.

여기서, 제3 및 제4 원형코일은 서로 동축으로 평행하게 배치되며, 상호 간에 반지름 및 코일 감은수가 동일하고, 서로 반대 방향의 전류가 인가된다. 이러한 제3 및 제4 원형코일은 그 이격된 공간상의 상기 일부 공간에 균일 경사 자기장 영역을 형성하여 마이크로 로봇의 속도를 제어한다. 균일 경사 자기장이 형성되는 원리는 앞서 도 3을 통해 설명한 바 있다. 이러한 균일 경사 자기장 영역을 이용하면 마이크로 로봇의 이동 속도를 제어할 수 있다. 즉, 마이크로 로봇은 균일한 경사 자기장 영역 내에서 자기장의 기울기에 대응하는 속도로 이동한다.

도 4의 경우 헬름홀츠 코일에 따른 '균일 자기장 영역'이 일부 공간 상에 형성된 것을 도시하고 있으나, 이와 같이 맥스웰 코일이 더 부가되는 경우에는 그에 따른 균일 경사 자기장 영역도 함께 형성된다.

일반적으로 제1 및 제2 원형코일(111,112)에 흐르는 전류 값이 동일하면 균일 자기장 영역은 두 코일(111,112) 사이 공간 중에서도 중심 공간에 형성된다. 또한, 제3 및 제4 원형코일에 흐르는 전류 값이 동일하면 균일 경사 자기장 영역은 두 코일(171,172) 사이 공간 중에서도 중심 공간에 형성된다.

여기서, 제1 및 제2 원형코일(111,112)에 흐르는 전류 값에 차등을 주면, 균일 자기장 영역의 위치를 중심으로부터 좌측 또는 우측으로 이동시킬 수 있다. 또한, 그 외곽에 배치된 제3 및 제4 원형코일에 흐르는 전류 값에 차등을 주면, 균일 경사 자기장 영역의 위치 또한 중심에서 좌측 또는 우측으로 이동시킬 수도 있다.

앞서, 제1 및 제2 원형코일(111,112)로 구성된 헬름홀츠 코일의 경우 각 코일(111,112)의 전류 값 조절을 통해 두 자기장 센서(130,140)의 센싱 값이 오차 범위에 들어오도록 제어하는 방법을 설명한 바 있다.

이외에도, 제1 및 제2 원형코일(111,112)에 전류 공급을 중단하고, 제3 및 제4 원형코일만 동작시킨 상태에서 제1 및 제2 자기장 센서(140)에 의한 각각의 센싱 값을 얻은 다음, 두 센싱 값의 차이가 임계 범위를 벗어나면 제3 및 제4 원형코일 중 적어도 하나의 원형코일의 전류 값을 조절하여, 두 센싱 값이 임계 범위 이내에 들어오도록 제어할 수 있다.

제1 및 제2 원형코일(111,112)에 전류 공급을 중단한 경우, 제1 자기장 센서(130)에서는 제3 원형코일의 외측에서 관측되는 제3 원형코일에서 발생한 자기장 크기 및 제4 원형코일에서 발생한 자기장의 합(=제3 자기장 크기)이 측정된다. 또한, 제2 자기장 센서(140)에서는 제4 원형코일의 외측에서 관측되는 제4 원형코일에서 발생한 자기장 크기 및 제3 원형코일에서 발생한 자기장의 합(=제4 자기장 크기)이 측정된다.

도 3을 참조하면, 경사 자기장의 경우, 맥스웰 코일을 구성하는 각 코일에 전류 방향을 달리하여 제3 및 제4 원형코일 사이에 균일한 기울기를 가지고 형성되는 자기장이다. 따라서 도 3과 같은 경우에는 제3 원형코일(코일A)의 근방에서 관측되는 자기장 크기는 제4 원형코일(코일B)의 근방에서 관측되는 자기장의 크기보다 작은 것을 알 수 있으며, 그 차이 값은 존재하되 차이 값이 임계 범위 이내에 있어야 원하는 기울기를 가질 수 있다.

따라서, 제1 자기장 센서(130)와 제2 자기장 센서(140)에서 계측된 각각의 자기장 크기가 의도한 값과 다를 경우에는 제3 및 제4 원형코일 중 적어도 하나의 원형코일에 대한 전류 값을 조절하여 의도한 값이 발생하도록 한다. 예를 들어, 제1 자기장 센서(130)와 제2 자기장 센서(140)의 센싱 값의 차이가 임계 범위를 벗어난 경우는 의도한 기울기 범위보다 작거나 더 큰 기울기로 자기장이 형성된 경우로서, 제3 원형코일 또는 제4 원형코일의 전류 값을 조절하여 두 센싱 값의 차이가 임계 범위에 들어오도록 조절한다.

이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 자기장 센서들의 피드백 값을 이용하여 외란에 의한 자기장 세기를 보정할 수 있으며, 그에 따라 보다 균일한 자기장을 형성할 수 있고, 의도한 크기의 자기장 세기를 형성할 수 있다.

이하에서는 상기의 내용을 바탕으로 본 발명의 실시예에 따른 자기장 센서를 이용한 마이크로 로봇 제어장치에 관하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자기장 센서를 이용한 마이크로 로봇 제어장치의 구성도이다.

여기서, 마이크로 로봇(10)은 전자기장에 의해서 방향 및 속도가 제어되며 전자기장에 반응하기 위해서 강자성체(Hard magnet) 또는 연자성체(Soft magnet) 성질을 가진다.

상기 마이크로 로봇 제어장치(100)는 방향제어 코일부(110), 전원공급부(120), 제1 자기장 센서(130), 제2 자기장 센서(140), 전류량 제어부(150), 영상감시부(160)를 포함한다.

상기 방향제어 코일부(110)는 제1 및 제2 원형코일(111,112)을 포함하며, 앞서 설명한 바와 같이 제1 및 제2 원형코일(111,112) 간의 이격된 공간상의 일부 공간에 균일 자기장 영역을 형성하여 상기 균일 자기장 영역 내에 있는 마이크로 로봇(10)의 방향을 제어한다. 즉, 마이크로 로봇(10)은 상기 균일 자기장 영역에 표시된 자기장 방향(화살표 참조; 오른쪽 방향)으로 이동한다. 도 6에서 균일 자기장 영역의 경우 다른 주변 영역과 달리 자기장 크기가 동일(화살표 길이가 동일)한 것을 확인할 수 있다.

상기 전원공급부(120)는 상기 균일 자기장 영역을 형성하기 위하여 제1 및 제2 원형코일(111,112)에 동일한 전류 방향을 갖는 전류 값을 각각 공급한다. 즉, 전원공급부(120)는 제1 및 제2 원형코일(111,112)이 헬름홀츠 코일로 동작하도록 각 코일에 전류 값을 제공한다.

제1 및 제2 자기장 센서(130,140)는 상기 제1 및 제2 원형코일(111,112)의 외부에 각각 이격 배치되어 제1 및 제2 자기장 크기를 감지한다. 즉, 제1 원형코일(111)의 외부에 이격 배치된 제1 자기장 센서(130)는 해당 위치에서 관측되는 두 코일(111,112)의 자기장 합인 제1 자기장 크기를 감지한다. 그리고, 제2 원형코일(112)의 외부에 이격 배치된 제2 자기장 센서(140)는 해당 위치에서 관측되는 두 코일(111,112)의 자기장 합인 제2 자기장 크기를 감지한다. 자기장 센서(130,140)는 자기장 크기를 감지할 수 있는 공지된 다양한 센서 형태가 적용될 수 있다.

상기 전류량 제어부(150)는 상기 일부 공간에 균일 자기장 영역을 형성하기 위한 제1 및 제2 원형코일(111,112)의 전류 값을 결정하고, 이를 전원공급부(120)로 전달한다. 여기서, 상기 일부 공간에 균일 자기장 영역을 형성하기 위한 제1 원형코일 및 제2 원형코일의 전류 값은 전류량 제어부에 미리 DB화되어 있을 수 있다. 그런데, 전원 공급부가 불안정하거나 주변 자기장에 의해 외란이 발생하는 경우에는 DB화된 정보에 따라 전류를 공급하여도 의도한 균일 자기장을 형성할 수 없는 경우가 발생하게 된다.

이에 따라, 전류량 제어부(150)는 전원공급부(120)를 제어하되, 각 자기장 센서(130,140)에서 관측된 제1 및 제2 자기장 크기의 차이가 기 설정된 오차 범위 이내이면 의도한 균일 자기장이 형성되고 있다고 판단하고, 제1 및 제2 원형코일(111,112)에 기 공급된 전류 값을 유지하도록 제어한다.

그러나, 전류량 제어부(150)는 제1 및 제2 자기장 크기의 차이가 상기 오차 범위를 벗어나면 의도한 균일 자기장이 형성되지 않았다고 판단하고, 제1 원형코일111) 또는 제2 원형코일(112)의 전류 값을 앞서와 같이 조절하도록 제어한다. 이때, 상기 전류량 제어부(150)는, 상기 제1 및 제2 자기장 크기의 차이가 오차 범위 이내로 수렴할 때까지 제1 원형코일(111) 또는 제2 원형코일(112)의 전류 값을 조절한다. 이러한 동작에 따라, 더욱 균일한 자기장을 형성할 수 있으며, 마이크로 로봇(10)의 방향 또한 의도한 값으로 제어할 수 있다.

상기 영상감시부(160)는 상기 마이크로 로봇(10)의 현재 위치를 감시하는 부분이다. 물론, 이러한 영상감시부(160)는 마이크로 로봇(10)의 시간에 따른 위치를 바탕으로 속도 및 방향을 감지할 수 있다.

도 5의 경우, 코일 한 쌍을 이용하여 1축을 제어하고 있지만, 본 발명이 반드시 이에 한정되지 않는다. 즉, 현재의 제1 쌍의 코일 축(ex, x축)에 직교한 방향(ex, y축 또는 z축)으로 제2 쌍 또는 제3 쌍의 코일을 배치하여 2차원 또는 3차원의 코일 시스템으로 확장 적용이 가능하다.

도 5에는 설명의 편의를 위해 제3 및 제4 원형코일로 구성된 속도제어 코일부(맥스웰 코일)의 구성을 생략 도시한 것이다. 도 5에 속도제어 코일부가 부가될 경우, 제3 및 제4 원형코일은 도 3과 같이 제1 및 제2 원형코일(111,112)의 외측면에 각각 배치된다. 이에 따르면, 상기 일부 공간에 균일 경사 자기장 영역을 형성하여 균일 경사 자기장 영역 내에 있는 마이크로 로봇(10)의 이동 속도를 제어할 수 있다.

여기서, 전원공급부(120)는 상기 일부 공간에 균일 경사 자기장 영역을 형성하기 위하여 제3 및 제4 원형코일에 서로 반대의 전류 방향을 갖는 전류 값을 각각 공급한다. 즉, 전원공급부(120)는 제3 및 제4 원형코일이 맥스웰 코일로 동작하도록 각 코일에 전류 값을 제공한다.

앞서와 동일한 원리로 상기 전류량 제어부(150)는 상기 일부 공간에 균일 경사 자기장 영역을 형성하기 위한 제3 및 제4 원형코일의 전류 값을 결정하여 전원공급부(120)로 전달한다. 여기서, 상기 일부 공간에 균일 경사 자기장 영역을 형성하기 위한 제3 원형코일 및 제4 원형코일의 전류 값은 전류량 제어부(150)에 미리 DB화 되어 있을 수 있다. 그런데, 전원 공급부가 불안정하거나 주변 자기장에 의해 외란이 발생하는 경우에는 DB화된 정보에 따라 전류를 공급하여도 의도한 균일 자기장을 형성할 수 없는 경우가 발생하게 된다.

이에 따라, 상기 전류량 제어부(150)는, 상기 제1 및 제2 원형코일의 전류 공급을 차단한 상태에서 상기 제1 및 제2 자기장 센서(130,140)에서 관측된 제3 및 제4 자기장 크기의 차이 값을 분석한다. 이때, 제1 및 제2 원형코일의 전류 공급을 차단하였으므로, 제1 및 제2 자기장 센서(130,140)에서는 제3 및 제4 원형코일의 동작에 의해 발생하는 자기장이 관측됨은 자명하다.

만약, 제1 및 제2 자기장 센서(130,140)에서 관측된 제3 및 제4 자기장 크기의 차이가 임계 범위 이내이면 의도한 균일 경사 자기장이 형성되고 있다고 판단하고, 제3 및 제4 원형코일에 기 공급된 전류 값을 유지하도록 제어한다.

이와 달리, 제3 및 제4 자기장 크기의 차이가 임계 범위를 벗어나면 의도한 균일 경사 자기장이 형성되지 않았다고 판단하고, 제3 원형코일 또는 제4 원형코일의 전류 값을 조절하도록 제어한다. 이때, 전류량 제어부(150)는, 제3 및 제4 자기장 크기의 차이가 임계 범위 이내로 수렴할 때까지 제3 원형코일 또는 제4 원형코일의 전류 값을 조절한다. 이러한 동작에 따라, 더욱 균일한 경사 자기장을 형성할 수 있으며, 마이크로 로봇(10)의 속도 또한 의도한 값으로 제어할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따른 자기장 센서를 이용한 마이크로 로봇 제어장치에 따르면, 두 원형코일의 외측에 각각 배치된 자기장 센서들의 센싱 값을 이용하여 외란에 의한 자기장 세기를 보상할 수 있으며 보다 균일한 자기장을 형성할 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 자기장 센서를 이용한 마이크로 로봇 제어방법
110: 방향제어 코일부 120: 전원공급부
130: 제1 자기장 센서 140: 제2 자기장 센서
150: 전류량 제어부 160: 영상감시부

Claims (6)

1. 반지름이 서로 동일하고 서로 이격되어 있는 동축의 제1 및 제2 원형코일을 포함하며, 상기 이격된 공간상의 일부 공간에 균일 자기장 영역을 형성하여 상기 균일 자기장 영역 내에 있는 마이크로 로봇의 방향을 제어하는 방향제어 코일부;
   상기 균일 자기장 영역을 형성하기 위하여 제1 및 제2 원형코일에 동일한 전류 방향을 갖는 전류 값을 각각 공급하는 전원공급부;
   상기 제1 및 제2 원형코일의 외부에 각각 이격 배치되어 제1 및 제2 자기장 크기를 감지하는 제1 및 제2 자기장 센서; 및
   상기 전원공급부를 제어하되, 상기 제1 및 제2 자기장 크기의 차이가 오차 범위 이내이면 상기 제1 및 제2 원형코일에 기 공급된 전류 값을 유지하도록 제어하고, 상기 오차 범위를 벗어나면 상기 제1 원형코일 또는 제2 원형코일의 전류 값을 조절하도록 제어하는 전류량 제어부를 포함하며,
   상기 제1 자기장 센서는, 상기 제1 원형코일의 외측에서 관측되는 상기 제1 원형코일에서 발생한 자기장 크기 및 상기 제2 원형코일에서 발생한 자기장의 합을 측정하고,
   상기 제2 자기장 센서는, 상기 제2 원형코일의 외측에서 관측되는 상기 제2 원형코일에서 발생한 자기장 크기 및 상기 제1 원형코일에서 발생한 자기장의 합을 측정하는 마이크로 로봇 제어장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전류량 제어부는,
   상기 제1 및 제2 자기장 크기의 차이가 오차 범위 이내로 수렴할 때까지 상기 제1 원형코일 또는 제2 원형코일의 전류 값을 조절하는 마이크로 로봇 제어장치.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 및 제2 원형코일의 외측면에 각각 배치된 동축의 제3 및 제4 원형코일을 포함하며, 상기 일부 공간에 균일 경사 자기장 영역을 형성하여 상기 마이크로 로봇의 속도를 제어하는 속도제어 코일부를 더 포함하고,
   상기 전원공급부는,
   상기 균일 경사 자기장 영역을 형성하기 위하여 제3 및 제4 원형코일에 서로 반대의 전류 방향을 갖는 전류 값을 각각 공급하는 마이크로 로봇 제어장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 전류량 제어부는,
   상기 제1 및 제2 원형코일의 전류 공급을 차단한 상태에서 상기 제1 및 제2 자기장 센서에서 관측된 제3 및 제4 자기장 크기의 차이가 임계 범위 이내이면 상기 제3 및 제4 원형코일에 기 공급된 전류 값을 유지하도록 제어하고, 상기 임계 범위를 벗어나면 상기 제3 원형코일 또는 제4 원형코일의 전류 값을 조절하도록 제어하는 마이크로 로봇 제어장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 마이크로 로봇의 현재 위치를 감시하는 영상감시부를 더 포함하는 마이크로 로봇 제어장치.

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