KR101790297B1 - 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치 및 동작 방법 - Google Patents

마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치 및 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치는 가상의 육면체 구조물을 서로 다른 방향으로 순차적으로 권선된 복수의 코일로 이루어진 코일 블록, 상기 복수의 코일 각각에 전류를 공급하는 전류 공급부, 및 상기 전류 공급부를 통해 상기 코일 블록의 복수의 코일 각각에 인가되는 전류를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 코일 블록은 복수개이며, 상기 복수의 코일 블록은 작업공간(Working space) 내 마이크로 로봇의 가상의(임의의) 초기 위치를 기준으로 동일한 반경에 위치한다.

Description

마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치 및 동작 방법{Device for controlling a magnetic field for driving the micro robot and method thereof}
본 발명은 마이크로 로봇 기술에 관한 것으로, 특히 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 기술에 관한 것이다.
일반적으로 마이크로 로봇은 내부에 영구자석이 삽입된 수 mm 이하의 작은 이동체를 의미한다. 예컨대, 마이크로 로봇은 도 1의 (a)와 같이 손가락과 비교해서 매우 작은 크기일 수 있으며, 이를 확대하면 도 1의 (b)와 같은 형태일 수 있다. 이러한 마이크로 로봇은 도 1의 (c)와 같이 인체의 특정 기관을 목표로 하여 인체 내부를 이동할 수 있다.
일반적으로, 마이크로 로봇을 구동(이동)시키기 위해서는 자기장을 이용한다. 이러한 자기장을 생성허가 위한 자기장 형성 장치는 도 2의 (a) 내지(e)와 같이 여러 개의 전자석 코일이 조합되어 구현될 수 있다. 여기서, 전자석 코일이란 전류를 흘려서 중심축 방향으로 자기장을 생성하도록 구리선 등의 전도성 와이어를 축을 중심으로 pi(파이) 방향으로 감은 물체를 말한다.
이와 같이 전자석 코일들 각각의 전류가 제어됨에 따라 자기장이 생성되며, 생성된 자기장에 의해 마이크로 로봇의 속도 및 방향이 제어될 수 있다.
그러나, 기존의 전자석 코일은 한 방향으로만 자기장이 생성되어, 자기력선이 거의 코일이 놓인 방향으로만 생성된다. 즉, 기존의 전자석 코일 쌍 중에서 코일이 정렬된 방향으로만 자기장 생성이 가능하다. 또한, 기존의 자기장 형성 장치에서 여러 개의 코일이 상호작용하여 만드는 공간 즉, 마이크로 로봇이 구동되는 워킹 스페이스(working space)는 두 개의 코일(한 쌍)의 중간 지점에 존재한다.
따라서, 기존의 자기장 형성 장치는 3차원 공간에서 임의의 자기장 벡터를 순시적으로 형성하기 위해서 6개(x축, y축, z축 각각 한 쌍씩 총 3쌍) 이상의 코일 파트가 필요하다. 또한, 기존의 자기장 형성 장치는 워킹 스페이스를 둘러싸는 코일의 규모에 비해 코일들의 중앙부에서 형성되는 워킹 스페이스의 영역이 작고, 워킹 스페이스 접근에 코일 구조물이 물리적 장애 요소로 작용한다.
본 발명의 목적은 마이크로 로봇 구동을 위해 무지향성 자기장을 형성하는 자기장 제어 장치 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.
전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치는 가상의 육면체 구조물을 서로 다른 방향으로 순차적으로 권선된 복수의 코일로 이루어진 코일 블록, 상기 복수의 코일 각각에 전류를 공급하는 전류 공급부, 및 상기 전류 공급부를 통해 상기 코일 블록의 복수의 코일 각각에 인가되는 전류를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 코일 블록은 복수개이며, 상기 복수의 코일 블록은 작업공간(Working space) 내 마이크로 로봇의 임의의 초기 위치를 기준으로 동일한 반경에 위치한다.
상기 코일 블록은 상기 복수의 코일 중, 제1 코일이 제1 방향으로 상기 가상의 육면체 구조물에 권선되며, 상기 제1 코일 위에 제2 코일이 제2 방향으로 권선되며, 상기 제2 코일 위에 제3 코일이 제3 방향으로 권선된다.
상기 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치는 상기 가상의 육면체 구조물의 안쪽에 위치한 자성체 물체의 코어를 더 포함하다.
상기 코어는 구형(Globular Shape) 또는 다면체(Polyhedron Shape)의 형태이다.
상기 복수의 코일 간에 서로 전류가 통하지 않도록, 상기 복수의 코일 간에 소정 거리만큼 공간이 존재한다.
상기 복수의 코일 간에 서로 전류가 통하지 않도록, 상기 복수의 코일 각각의 사이에 절연막이 위치한다.
상기 복수의 코일 블록은 상기 마이크로 로봇의 초기 위치를 기준으로 서로 대칭하게 위치한다.
상기 복수의 코일 블록은 상기 마이크로 로봇의 초기 위치를 중심으로 하는 정다각형의 형태로 회전대칭(rotational symmetry)적으로 위치한다.
기존에는 코일이 정렬된 방향(3차원 방향 중 하나의 방향)으로만 자기장이 생성되기 때문에, 코일이 정렬된 방향 외에는 자성체(마이크로 로봇)의 움직임 방향을 제어하지 못하지만, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치는 자기장를 생성하는 코일 큐브를 기준으로 3차원의 모든 방향으로 마이크로 로봇의 움직임을 제어할 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 코일 큐브를 대칭적으로 다수 나열하여, 복수의 코일 큐브 사이에는 큰 자기장을 생성하고 선형성 또한 보장할 수 있으며, 그 외의 방향으로는 자기장과 전류의 연산 결과에 따라 코일 큐브에 포함된 코일들의 전류를 조절함으로써, 복수의 코일 큐브 사이뿐만 아니라 그 외의 방향으로도 자기장을 생성시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 기존의 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 형성 기술을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 코일 블록을 형성하는 복수의 코일을 예시한 도며.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 코일 블록과 코어를 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치의 워크 스페이스를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다수의 코일 블록이 나열된 경우를 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 의료용 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치의 구현 형태를 예시한 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가급적 동일한 부호를 부여하고, 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치의 코일 구조를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치는 무지향성 자기장을 형성하기 위한 것으로서, 도 3에 도시된 바와 같이 육면체 형태의 코일 블록(100), 코어(200), 전류 공급부(미도시) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
전류 공급부는 코일 블록(100)을 이루고 있는 복수의 코일 각각에 전류를 공급한다. 제어부는 전류 공급부에서 코일 블록(100)의 복수의 코일 각각에 공급되는 전류를 수동 또는 자동으로 원하는 크기가 되도록 제어할 수 있다.
코일 블록(100)의 내부에는 코어(200)가 위치할 수 있다. 코어(200)는 자성체 물질로 이루어진 것으로써, 코일 블록(100)에서 발생하는 자기력선의 크기를 증폭하기 위한 것이다.
예컨대, 코어(200)는 구형(Globular Shape) 또는 다면체(Polyhedron Shape)의 자성체 코어일 수 있다. 또는, 코어(200)는 전류 공급부를 통해 코일 블록(100)의 복수의 코일에 동일한 전류를 공급할 때, 코일 블록(100)의 각 면(6개의 면)의 중앙 지점에서 발생하는 자기장이 동일한 크기로 발생할 수 있도록 그 형태 또는 위치가 조절될 수 있다.
또는, 코어(200)는 코일 블록(100)의 꼭지점들 각각에서 발생하는 자기장이 동일한 크기로 발생할 수 있도록 형태 또는 위치가 조절될 수 있다. 즉, 코어(200)는 복수의 코일에 동일한 전류를 공급하였을 때 코일 블록(100)의 사방에서 발생되는 자기장이 어느 한 쪽으로 쏠리지 않도록 위치가 조절될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 코일 블록(100)은 3개의 코일로 이루어질 수 있다. 또는, 코일 블록(100)을 이루는 복수의 코일은 3의 배수의 개수로 이루어 질 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 3개의 코일로 이루어진 경우를 예를 들어 설명한다.
코일 블록(100)을 이루는 복수의 코일 각각은 3차원 공간에 위치한 가상의 육면체 구조물을 둘러싸는(surrounded) 형태로 이루어 질 수 있다. 여기서, 복수의 코일은 각각 가상의 육면체 구조물을 x축 방향으로 둘러싸는 형태, y축 방향으로 둘러싸는 형태, 및 z축 방향으로 둘러싸는 형태일 수 있다.
예컨대, 코일 블록(100)을 이루고 있는 복수의 코일은 도 4의 (a)와 같이 가상의 육면체 구조물의 앞면, 뒷면, 좌측면 및 우측면을 둘러싸는 형태의 제1 코일(111), 도 4의 (b)와 같이 가상의 육면체 구조물의 좌측면, 윗면, 우측면, 아랫면을 둘러싸는 형태의 제2 코일(112), 및 도 4의 (c)와 같이 가상의 육면체 구조물의 앞면, 윗면, 뒷면, 아랫면을 둘러싸는 형태의 제3 코일(113)을 포함할 수 있다.
복수의 코일(제1, 제2, 제3 코일) 각각의 4면이 도 4의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이 평면의 형태일 수 있다. 또는, 전선 형태의 코일이 감겨진 형태로 4면이 이루어질 수 있다. 이때, 코일이 감겨지는 방향은 사전의 개발자에 의해 선택적으로 감겨질 수 있다.
여기서, 각 코일은 가상의 육면체 구조물을 층층이 둘러싸는 형태일 수 있다. 예컨대, 제1 코일(111)은 가상의 육면체 구조물을 x축 방향으로 둘러싸고, 제2 코일(112)은 제1 코일(111)이 둘러싸진 가상의 육면체 구조물을 y축 방향으로 둘러싸며, 제3 코일(113)은 제1 코일(111) 및 제2 코일(112)이 둘러싸진 가상의 육면체 구조물을 z축 방향으로 둘러싸는 형태일 수 있다. 이를 위해, 제1 내지 제3 코일(111~113)의 내부 폭(inner width)은 서로 다를 수 있다.
아울러, 가상의 육면체 구조물을 둘러싸는 순서는 바뀔 수 있다. 예컨대, 제3 코일(113)이 가장 먼저 가상의 육면체 구조물을 z축 방향으로 둘러싸고, 제1 코일(111)이 제3 코일(113)이 둘러싸진 가상의 육면체 구조물을 x축 방향으로 둘러싸고, 제2 코일(112)이 제3 코일(113)과 제1 코일(111)이 둘러싸진 가상의 육면체 구조물을 y축 방향으로 둘러싸는 형태일 수 있다.
이와 같이, 코일 블록(100)은 도 5와 같이 가상의 육면체 구조물을 코일이 층층이 둘러싸는 형태로 이루어질 수 있다. 이때, 가상의 육면체 구조물 내부에는 코어(200)가 위치함에 따라, 가장 안쪽에 위치한 코일과 코어(200) 사이에는 공간이 존재하여 서로 접촉되지 않거나, 사이에 절연 물질이 위치하여 서로 전류가 통하지 않는 절연 상태일 수 있다.
아울러, 가상의 육면체 구조물을 층층이 둘러싸는 복수의 코일(111, 112, 113) 또한 서로 절연될 수 있다. 예컨대, 복수의 코일(111,112,113) 각각은 서로 기설정된 소정 너비만큼 이격될 수 있다. 이와 같이, 제1 내지 제3 코일(111~113) 각각의 사이에는 약간의 공간이 존재함으로써, 제1 내지 제3 코일(111~113)은 서로 전류가 통하지 않은 절연 상태일 수 있다. 또는, 제1 내지 제3 코일(111~113) 각각의 사이에는 절연물질이 위치할 수 있다. 예컨대, 피복 전선과 같이 제1 내지 제3 코일(111~113) 각각 코일 외부에 절연물질이 코팅되어 있을 수 있다. 또는, 제1 내지 제3 코일(111~113) 사이에 절연막이 위치할 수 있다.
이와 같이 형성된 코일 블록(100)에 전류 공급부를 통해 전류가 인가되면, 코일 블록(100)의 바깥으로 자기장이 형성된다. 이와 같이 형성된 자기장에 의해 도 6에 도시된 바와 같이 코일 블록(100)의 바깥 부분으로 워크스페이스(workspace)(400)가 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치는 자성체의 마이크로 로봇을 구동하기 위해 복수의 코일 블록을 이용할 수 있다. 예컨대, 도 7에 도시된 바와 같이 같은 동일한 방향으로 코일이 둘러싸여 자기력선의 방향이 동일한 복수의 코일 블록(100_1, 100_2)이 나열되면, 하나의 코일 블록(100)보다 큰 자기력선을 형성할 수 있다.
만약, 전력 공급부를 통해 복수의 코일 블록(100_1, 100_2)에 감겨진 코일들에 동일한 전력이 인가되는 경우, 복수의 코일 블록(100_1, 100_2)에서 가장 바깥쪽(outside)에 감겨진 코일의 방향으로 가장 높은 밀도의 자기력선이 형성될 수 있다.
복수의 코일 블록(100_1, 100_2) 사이의 공간에 높은 밀도의 자기력선이 형성되나, 복수의 코일 블록(100_1, 100_2) 각각의 바깥쪽으로도 자기력선이 형성된다. 이에 따라, 복수의 코일 블록(100_1, 100_2)의 사이 공간뿐만 아니라 복수의 코일 블록(100_1, 100_2) 주변의 모든 방향으로도 자성체(마이크로 로봇)의 움직임을 가능하게 한다. 즉, 제어부는 전력 공급부를 통해 복수의 코일 블록(100_1, 100_2) 각각에 감겨진 코일들에 인가되는 전력을 조절함으로써, 마이크로 로봇의 움직임을 3차원(앞뒤, 상하 및 좌우 방향)으로 제어할 수 있다.
상기에서는 복수의 코일 블록을 2개인 경우를 예를 들었으나, 복수의 코일 블록은 그 이상의 개수일 수 있다. 이때, 복수의 코일 블록은 작업공간 내 마이크로 로봇의 임의의 초기 위치를 기준으로 동일한 반경(거리)에 위치할 수 있다.
예컨대, 사람의 신체 내를 유영하는 마이크로 로봇을 제어하는 의료용 자기장을 생성하는 경우 본 발명의 실시예에 따른 자기장 제어 장치의 도 8의 (a) 및 도 8의 (b)와 같은 형태로 구현될 수 있다.
일 예로서, 복수의 코일 블록은 마이크로 로봇의 초기 위치를 중심으로 회전대칭(rotational symmetry)적으로 위치할 수 있다. 예컨대, 도 8의 (a)를 참조하면 복수의 코일 블록(100_a, 100_b)은 검사 대상체(사람)의 인체를 유영하는 마이크로 로봇의 임의의 초기 위치(어느 한 점)를 기준으로 대칭적으로 위치할 수 있다.
도 8의 (a)에서는 마이크로 로봇을 기준으로 상하에 대칭적으로 복수의 코일 블록(100_a, 100_b)이 위치한 것을 예를 들었으나, 복수의 코일 블록은 좌우 또는 사선에 대칭적으로 위치할 수 있다.
다른 예로서, 복수의 코일 블록은 마이크로 로봇의 초기 위치를 중심으로 정다각형의 형태로 회전대칭적으로 위치할 수 있다. 예컨대, 복수의 코일 블록은 마이크로 로봇의 초기 위치를 기준으로 상하좌우측에 총 4개가 회전대칭적으로 위치할 수 있다. 또는, 복수의 코일 블록은 마이크로 로봇의 초기 위치를 기준으로 좌상측, 좌하측, 우상측, 우하측에 총 4개가 회전대칭적으로 위치할 수 있다. 나아가, 복수의 코일 블록은 마이크로 로봇의 초기 위치를 기준으로 상하좌우측 및 좌상측, 좌하측, 우상측, 우하측에 총 8개가 회전대칭적으로 위치할 수 있다. 아울러, 도 8의 (b)를 참조하면 복수의 코일 블록(100_c, 100_d, 100_e)은 마이크로 로봇의 가상의 초기 위치(어느 한 점)을 중심으로 정삼각형 형태를 이루도록 위치할 수 있다.
기존에는 코일이 정렬된 방향(3차원 방향 중 하나의 방향)으로만 자기장이 생성되기 때문에, 코일이 정렬된 방향 외에는 자성체(마이크로 로봇)의 움직임 방향을 제어하지 못하지만, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치는 자기장를 생성하는 코일 큐브를 기준으로 3차원의 모든 방향으로 마이크로 로봇의 움직임을 제어할 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 코일 큐브를 대칭적으로 다수 나열하여, 복수의 코일 큐브 사이에는 큰 자기장을 생성하고 선형성 또한 보장할 수 있으며, 그 외의 방향으로는 자기장과 전류의 연산 결과에 따라 코일 큐브에 포함된 코일들의 전류를 조절함으로써, 복수의 코일 큐브 사이뿐만 아니라 그 외의 방향으로도 자기장을 생성시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 코일 블록 111, 112, 113 : 제1, 제2, 제3 코일
200: 코어

Claims (8)

  1. 가상의 육면체 구조물을 둘러싸는 형태로, 서로 다른 방향으로 순차적으로 권선된 복수의 코일로 이루어진 코일 블록;
    상기 복수의 코일 각각에 전류를 공급하는 전류 공급부;
    상기 전류 공급부를 통해 상기 코일 블록의 복수의 코일 각각에 인가되는 전류를 제어하는 제어부; 및
    상기 가상의 육면체 구조물의 안쪽에 위치하여 자기력선의 크기를 조정하고, 구형(Globular Shape) 또는 다면체(Polyhedron Shape)의 형태인 자성체 물질의 코어
    를 포함하는 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코일 블록은,
    상기 복수의 코일 중, 제1 코일이 제1 방향으로 상기 가상의 육면체 구조물에 권선되며, 상기 제1 코일 위에 제2 코일이 제2 방향으로 권선되며, 상기 제2 코일 위에 제3 코일이 제3 방향으로 권선되는 것
    인 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 코일 간에 서로 전류가 통하지 않도록, 상기 복수의 코일 간에 소정 거리만큼 공간이 존재하는 것
    인 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 코일 간에 서로 전류가 통하지 않도록, 상기 복수의 코일 각각의 사이에 절연막이 위치하는 것
    인 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서, 복수의 코일 블록은,
    작업공간(Working space) 내 마이크로 로봇의 초기 위치를 기준으로 서로 대칭하게 위치한 것
    인 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서, 복수의 코일 블록은,
    상기 마이크로 로봇의 초기 위치를 중심으로 하는 정다각형의 형태로 회전대칭(rotational symmetry)적으로 위치한 것
    인 마이크로 로봇을 구동하기 위한 자기장 제어 장치.
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