KR20100104504A - 2차원 평면 전자기 구동장치 및 구동방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2차원 평면 전자기 구동장치 및 구동방법에 관한 것으로서, 임의의 공간을 중심으로 대향 배치되는 적어도 한 쌍의 헬름홀츠 코일로 이루어진 방향정렬모듈이 공간을 중심으로 평면상에 등각(等角)으로 반복 배치되도록 구성되어, 마이크로 로봇을 진행방향으로 정렬시키는 로봇 정렬부; 및 평면을 대칭면으로 대향 배치되는 적어도 한 쌍의 맥스웰 코일로 이루어진 로봇추진모듈을 포함하여 구성되어, 정렬된 마이크로 로봇을 진행방향으로 추진시키는 로봇 추진부;를 포함하는 구동장치와 함께 임의의 공간을 중심으로 대향 배치되고, 전류 방향이 동일한 적어도 한 쌍의 헬름홀츠 코일로 이루어진 방향정렬모듈을 공간을 중심으로 평면상에 등각(等角)으로 반복 배치하는 단계; 평면을 대칭면으로 대향 배치되고, 전류 방향이 상이한 적어도 한 쌍의 맥스웰 코일로 이루어진 로봇추진모듈을 배치하는 단계; 공간에 마이크로 로봇을 배치한 상태에서, 로봇 정렬부를 이루는 각 헬름홀츠 코일을 제어하여 마이크로 로봇을 진행방향으로 정렬하고, 로봇 추진부를 이루는 맥스웰 코일의 전류공급량을 제어하여 마이크로 로봇을 진행방향으로 추진시키는 단계;를 포함하는 구동방법을 제공한다.
마이크로, 로봇, 혈관, 코일, 헬름홀츠, 맥스웰, 자화, 자성, 전자기장

Description

2차원 평면 전자기 구동장치 및 구동방법{ELECTROMAGNETIC BASED ACTUATION SYSTEM ON 2 DIMENSIONAL PLANE AND METHOD THE SAME}
본 발명은 2차원 평면 전자기 구동장치 및 구동방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 마이크로 로봇의 방향 및 위치 제어를 위한 4쌍의 코일을 가진 구조에서 3쌍의 코일만을 이용하여 4쌍의 코일을 가진 구조에서의 동작과 동일한 동작을 구현함으로써, 기존 시스템의 관심영역을 그대로 가지면서도 부피 및 전력소모량을 획기적으로 줄일 수 있는 마이크로 로봇의 2차원 이동 제어를 위한 2차원 평면 전자기 구동장치 및 구동방법에 관한 것이다.
일반적으로 전자기를 이용한 마이크로 로봇의 구동 시스템은, 기본적인 전자석 코일모듈과 1개의 회전축(Z축, 11)을 이용하여 마이크로 로봇의 평면구동이 가능한 구동장치를 포함하여 구성된다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 전자기 구동 마이크로 로봇 구동모듈(10)은 헬름홀츠 코일(Helmholtz Coil, 13)과 맥스웰 코일(Maxwell Coil, 14)의 쌍으로 이루어져 있으며 코일모듈을 하나의 회전축(Z축, 11)을 이용하여 회전할 수 있도록 구성된다.
이는, 회전축(Z축, 11)의 평면상에서 코일모듈 사이에 균일한 크기의 자속과 일정하게 크기가 증가하는 자속을 발생시키는 것으로, 이를 이용하여 마이크로 로봇의 회전과 이동을 가능하게 할 수 있다.
상술하면, 우선 헬름홀츠 코일(13)을 이용하여 균일한 크기의 자속을 발생시켜 마이크로 로봇을 자화시킨 뒤, 회전축(Z축, 11)을 이용하여 이동을 원하는 방향으로 회전하면, 마이크로 로봇이 균일한 자속을 따라 회전하게 된다.
그리고 원하는 이동방향으로 회전한 뒤 헬름홀츠 코일(13)과 맥스웰 코일(14)을 동시에 이용하여 균일하게 증가하는 자속을 발생시키면 마이크로 로봇은 자속이 증가하거나 감소하는 방향으로 이동한다.
따라서, 회전축(Z축, 11)의 평면(X-Y평면) 상에서 마이크로 로봇이 원하는 평면운동을 가능하게 할 수 있다.
한편, 종래의 다른 전자기 구동 마이크로 로봇 구동모듈은, 도 2에 도시된 바와 같이, 2쌍의 헬름홀츠 코일과 2쌍의 맥스웰 코일이 고정된 형태로 마이크로 로봇의 평면구동이 가능한 구조이다.
즉, 도 2에 도시된 종래의 전자기 구동 마이크로 로봇 구동모듈은 2쌍의 헬름홀츠 코일(HCX, HCY)과 2쌍의 맥스웰 코일(MCX, MCY)로 이루어지고, 각 헬름홀츠 코일(HCX, HCY) 및 각 맥스웰 코일(MCX, MCY)에 공급되는 전류의 세기를 조절함으로써 마이크로 로봇을 평면상에서 임의의 방향으로 정렬시키거나 정렬된 방향으로 추진할 수 있도록 되어 있다.
이는 코일 사이의 관심영역(S, ROI:Region of Interest) 내 평면상에서 2쌍 의 헬름홀츠 코일(HCX, HCY)에 인가되는 전류의 세기와 방향을 조절함으로 임의의 방향으로 균일한 자기장을 형성시킬 수 있고, 이를 통하여 관심영역 내의 상자성체 마이크로 로봇을 정렬시킬 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 마이크로 로봇이 정렬된 상태에서, 2쌍의 맥스웰 코일(MCX, MCY)에 같은 기울기의 자기장을 발생시키면, 상기 마이크로 로봇은 정렬된 방향으로 자기력이 발생되어 추진하게 된다.
이때, 맥스웰 코일(MCX, MCY)에 의해 발생되는 자기장의 기울기를 조절함으로써 마이크로 로봇에 인가되는 추진력을 제어할 수 있고, 자기장 기울기의 방향을 정반대로 함으로써 추진방향을 반대방향으로 추진하도록 제어할 수 있다. 따라서, 관심영역관심영역(S) 내의 평면인 X-Y평면 상에서 마이크로 로봇을 원하는 방향으로 평면운동시킬 수 있다.
그러나 도 2에 도시된 종래의 전자기 구동 마이크로 로봇 구동모듈은 4쌍의 코일, 즉, 2쌍의 헬름홀츠 코일(HCX, HCY)과 2쌍의 맥스웰 코일(MCX, MCY)을 사용하기 때문에 부피가 크고 전력소모가 많다는 단점이 있다.
이러한 단점 때문에 의료적인 적용에 있어서 마이크로 로봇의 이동능력에 비해서 전자기 구동 마이크로 로봇 구동모듈의 체적이 크고 전력소모가 커 시스템의 활용성이 저하되는 문제점이 발생되고 있다.
상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 최소 수량의 코일을 이용하여 전자기 구동 마이크로 로봇 구동모듈을 구축하고, 각 코일에 공급되는 전류를 제어함으로써, 마이크로 로봇의 변위 제어를 수행할 수 있는 2차원 평면 전자기 구동장치 및 구동방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 기존 전자기 구동 마이크로 로봇 구동모듈과 비교하여 동일한 관심영역과 성능을 가지면서도 체적과 소모전력을 줄임으로써 전자기 구동 마이크로 로봇 구동모듈의 운용 범위를 넓힐 수 있는 2차원 평면 전자기 구동장치 및 구동방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 전자기 구동 마이크로 로봇 구동모듈의 회동을 방지하여 시스템의 안전성과 무소음 시스템을 구현함에 따라, 전자기 구동 마이크로 로봇 구동모듈을 의료기기로 적용할 경우 환자에 대한 위압감을 최소화할 수 있는 2차원 평면 전자기 구동장치 및 구동방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 2차원 평면 전자기 구동장치는, 임의의 공간을 중심으로 대향 배치되는 적어도 한 쌍의 헬름홀츠 코일로 이루어진 방향정렬모듈이 상기 공간을 중심으로 평면상에 등각(等角)으로 반복 배치되도록 구성되어, 상기 마이크로 로봇을 진행방향으로 정렬시키는 로봇 정렬부; 및 상기 평면을 대칭면으로 대향 배치되는 적어도 한 쌍의 맥스웰 코일로 이루어진 로 봇추진모듈을 포함하여 구성되어, 상기 정렬된 마이크로 로봇을 상기 진행방향으로 추진시키는 로봇 추진부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 로봇 정렬부는, 상기 공간을 중심으로 대향 배치되는 적어도 한 쌍의 X축 헬름홀츠 코일; 및 상기 X축 헬름홀츠 코일과 직교되어 상기 공간을 중심으로 대향 배치되는 적어도 한 쌍의 Y축 헬름홀츠 코일;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게, 상기 X축 헬름홀츠 코일은 상기 Y축 헬름홀츠 코일의 내측 공간에 설치되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게, 상기 로봇 추진부는, 상기 X축 헬름홀츠 코일 및 상기 Y축 헬름홀츠 코일과 수직되는 Z축 맥스웰 코일로 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 마이크로 로봇의 위치를 파악하기 위한 위치인식부; 및 상기 위치인식부에서 검출된 마이크로 로봇의 움직임정보와 기입력된 마이크로 로봇의 노선정보를 기반으로 상기 마이크로 로봇의 궤적을 제어하기 위해 상기 로봇 정렬부를 이루는 각 헬름홀츠 코일 및 상기 로봇 추진부를 이루는 맥스웰 코일의 전류공급량을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게, 상기 위치인식부는 상기 마이크로 로봇의 위치 판독을 위해, X-ray를 통한 영상인식 방법, 상기 마이크로 로봇이 경유해야 할 경로를 도시한 지도와 더불어 내부 위치인식 장치를 이용한 상대적 위치정보 인식 방법, 현미경에 의한 위치 검출 방법, 카메라 시스템을 이용한 위치정보를 식별 방법 중 어느 하나의 방법이 사용되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 헬름홀츠 코일 및 맥스웰 코일은 원형 코일인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 맥스웰 코일은 코일의 전류 방향이 상이한 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 헬름홀츠 코일의 전류 방향이 동일한 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 마이크로 로봇은 자화 가능한 강자성체(Ferro Magnet) 또는 이미 자화가 되어 있는 영구자석(Permanent Magnet) 중 어느 하나의 소재를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 2차원 평면 전자기 구동방법은, (a) 임의의 공간을 중심으로 대향 배치되고, 전류 방향이 동일한 적어도 한 쌍의 헬름홀츠 코일로 이루어진 방향정렬모듈을 상기 공간을 중심으로 평면상에 등각(等角)으로 반복 배치하는 단계; (b) 상기 평면을 대칭면으로 대향 배치되고, 전류 방향이 상이한 적어도 한 쌍의 맥스웰 코일로 이루어진 로봇추진모듈을 배치하는 단계; (c) 상기 공간에 마이크로 로봇을 배치한 상태에서, 상기 로봇 정렬부를 이루는 각 헬름홀츠 코일을 제어하여 상기 마이크로 로봇을 진행방향으로 정렬하고, 상기 로봇 추진부를 이루는 맥스웰 코일의 전류공급량을 제어하여 상기 마이크로 로봇을 상기 진행방향으로 추진시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, (c) 단계 이후에, (d) 마이크로 로봇의 움직임정보와 기입력된 마이크로 로봇의 노선정보를 기반으로 상기 마이크로 로봇의 궤적을 검출하고, 상기 검출된 궤적을 근거로 하여 상기 로봇 정렬부를 이루는 각 헬름홀츠 코일 및 상 기 로봇 추진부를 이루는 맥스웰 코일의 전류공급량을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 마이크로 로봇 제어를 위한 코일 시스템 구조 및 이를 이용한 2차원 평면 전자기 구동장치는, 2쌍의 헬름홀츠 코일과 1쌍의 맥스웰 코일을 상호 수직방향으로 배치하고, 헬름홀츠 코일 및 맥스웰 코일로 공급되는 전류량을 제어하여 마이크로 로봇에 대한 변위 제어를 수행토록 함에 따라, 코일 시스템의 회동 공간을 필요로 하지 않아 시스템의 공간 활용 능력이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 부피 면에서 맥스웰 코일이 내부에 설치됨으로써 약 18% 정도의 감소를 확인할 수 있다.
또한, 본 발명은 소화기관 이동로봇, 혈관 이동로봇, 망막 이동로봇, 뇌피질 이동로봇 등으로 적용될 수 있어 의료 로봇의 기반 기술을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전자기 구동장치를 고정화된 구조로 구현함으로써, 전자기 구동장치의 구동을 위한 소음을 제거하여 환자에 대한 진료의 안정성 및 편의성을 제공하는 효과가 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 바람직한 실시예를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 2차원 평면 전자기 구동장치는, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 크게, 로봇 정렬부(100), 로봇 추진부(200), 위치인식부(300), 제어부(400)를 포함하여 구성된다.
상기 로봇 정렬부(100)는, 임의의 공간(S)을 중심으로 대향 배치되는 적어도 한 쌍의 헬름홀츠 코일(Helmholtz Coil)로 이루어진 방향정렬모듈(a)이 상기 공간(S)을 중심으로 평면상에 등각(等角)으로 반복 배치되도록 구성되어, 상기 마이크로 로봇(MCRB)을 진행방향으로 정렬시킨다.
상기 로봇 추진부(200)는, 상기 평면을 대칭면으로 대향 배치되는 적어도 한 쌍의 맥스웰 코일(Maxwell Coil)로 이루어진 로봇추진모듈(b)을 포함하여 구성되어, 상기 정렬된 마이크로 로봇(MCRB)을 상기 진행방향으로 추진시킨다.
상기 마이크로 로봇(MCRB)은 자화 가능한 강자성체(Ferro Magnet) 또는 이미 자화가 되어 있는 영구자석(Permanent Magnet)으로 구성되어, 마이크로 로봇의 외부에 형성된 전자기장에 의해 자화되고, 이를 기반으로 구동력이 제공된다.
먼저, 상기 로봇 정렬부(100)에 대하여 설명하도록 한다.
상기 로봇 정렬부(100)는 임의의 공간(S)을 중심으로 대향 배치되는 적어도 한 쌍의 헬름홀츠 코일로 이루어진 방향정렬모듈(a)이 상기 공간(S)을 중심으로 평면상에 등각(等角)으로 반복 배치되도록 구성되어, 상기 마이크로 로봇(MCRB)을 진행방향으로 정렬시키는 부분으로서, 본 실시예에서는 상기 공간(S)을 중심으로 대향 배치되는 한 쌍의 X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 상기 X축 헬름홀츠 코일(HCX)과 직교되어 상기 공간(S)을 중심으로 대향 배치되는 한 쌍의 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)로 이루어진다.
상세하게는, 도 4에 도시된 바와 같이, 마이크로 로봇(MCRB)의 활동 범위에 준하는 임의의 공간(S)을 확보하고, 상기 공간(S)을 중심으로 서로 수직으로 배치되는 X축 헬름홀츠 코일(HCX)과 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)이 구비된다.
상기 X축 헬름홀츠 코일(HCX)은 상기 공간(S)을 중심으로 대향 배치되어 한 쌍으로 구성되고, 상기 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)은 상기 공간(S)을 중심으로 대향 배치되어 한 쌍으로 구성되되 상기 X축 헬름홀츠 코일(HCX)과 수직으로 설치된다. 이때, 상기 X축 헬름홀츠 코일(HCX)은 상기 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)의 내측 공간에 설치된다.
이는, 본 발명의 실시예로서 구현된 것으로, 도시된 바와 다르게 X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)의 직경을 다르게 설정할 수 있는 것이고, 이는 X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)로 인가되는 전류량에 의해 전자기장을 제어하는 것으로, X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)에 권취되는 코일의 턴 수와 공급 전류량에 따라 전자기장을 제어하기 때문에, X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)의 크기를 결정하는 것은 본 발명의 요지를 벗어날 것이다.
한편, 상기 X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)은 코일의 전류 방향이 동일하게 구성되고, 원형 코일로 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY) 의 전류 방향이 동일하게 구성하는 것은 마이크로 로봇(MCRB)의 자화 및 마이크로 로봇(MCRB)의 진행방향으로의 정렬을 결정하기 위함이다.
상기 한 쌍의 X축 헬름홀츠 코일(HCX)은 상기 마이크로 로봇(MCRB)의 유동 방향을 X축으로 지정하고, 상기 한 쌍의 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)은 상기 마이크로 로봇(MCRB)의 유동 방향을 Y축으로 지정한다. 이는 상호 대향되는 X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY) 사이의 전자기장의 방향을 정의해 줌으로써, X축 및 Y축 방향의 전자기장을 토대로 마이크로 로봇(MCRB)의 이동 방향을 XY 평면상으로 설정하는 것이다.
따라서, X축 및 Y축으로 구비되는 X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)에 의해 마이크로 로봇(MCRB)의 이동 방향이 결정된다.
상기 마이크로 로봇(MCRB)은 상기 공간(S)의 중심에 안착되며, X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)로부터 유기되는 전자기장의 방향에 따라 마이크로 로봇(MCRB)의 방향이 제어된다. 필요에 따라 상기 공간(S)은 환자에 대한 진료 공간이고, 상기 마이크로 로봇(MCRB)은 환자의 신체 내부 혈관으로 투입된다. 혈관 내부는 혈류에 의한 부하가 발생되며, 마이크로 로봇(MCRB)은 혈류 부하에 비례하는 전자기장의 세기를 제공받는다.
다음으로, 상기 로봇 추진부(200)에 대하여 설명하도록 한다.
상기 로봇 추진부(200)는 전술한 X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)이 배치된 XY평면을 대칭면으로 하여 서로 대향되도록 배치되는 적어도 한 쌍의 맥스웰 코일로 이루어진 로봇추진모듈(b)을 포함하여 구성되어, 상기 정렬된 마이크로 로봇(MCRB)을 상기 진행방향으로 추진시키는 부분으로서, 본 실시예에서는 하나의 로봇추진모듈(b), 즉, 한 쌍의 맥스웰 코일(이하, "Z축 맥스웰 코일(MCZ)"이라고 통칭함)로만 이루어져 최소한의 코일로 구성되도록 하였다.
상세하게는, 본 실시예의 한 쌍의 Z축 맥스웰 코일(MCZ)은 상기 X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)과 서로 수직이 되도록 구성된다. 즉, X축 헬름홀츠 코일(HCX)이 X축으로 구성되고, Y축 헬름홀츠 코일(HCY)이 Y축으로 구성되며, Z축 맥스웰 코일(MCZ)이 Z축으로 구성되는 것이다. 그리고 상기 Z축 맥스웰 코일(MCZ)은 코일의 전류 방향이 서로 상이하고, 원형의 코일로 형성될 수 있다.
따라서, 도 10에 도시된 바와 같이, X축 헬름홀츠 코일(HCX)과 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)과의 상호작용에 의해서 자기장의 방향이 Field map에서 보여지는 것과 같이 45도 방향으로 정해졌다면, 마이크로 로봇(MCRB)은 45도 방향으로 정렬되고, 이후 Z축 맥스웰 코일의 자기장이 작용하게 되면 X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)의 자기장과 상호작용에 의해 Force map에서 보여지는 것과 같이 45도 방향으로 최종 추진력이 가해지는 것이다.
즉, 상기 X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)의 상호작용에 의한 자기장의 방향이 45도 방향인 상태에서, 상기 Z축 맥스웰 코일에 의해 X축과 Y축 방향으로 기울기가 일정한 자기장이 형성되면, 상기 X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)의 상호작용에 의한 자기장과 상기 Z축 맥스웰 코일(MCZ)에 의해 발생되는 일정한 기울기의 자기장에 의해 마이크로 로봇(MCRB)에 45도 방향으로의 추진력이 가해지는 것이다.
상세하게, 마이크로 로봇을 상기 X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)의 상호작용에 의해 자기장의 방향을 정렬시키고자 하는 방향으로 발생시키고 Z축 맥스웰 코일(MCZ)을 이용하여 X축과 Y축 방향으로 동일한 기울기의 자기장을 형성시키면 마이크로 로봇(MCRB)이 정렬된 방향으로 자기력이 발생하게 되어 추진하게 된다.
다음으로, 상기 위치인식부(300) 및 제어부(400)에 대하여 설명하도록 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 위치인식부(300)는, 상기 공간(S)상에서 유동하는 마이크로 로봇(MCRB)의 위치를 파악하기 위한 부분이고, 상기 제어부(400)는 상기 위치인식부(300)에서 검출된 마이크로 로봇(MCRB)의 움직임정보와 기입력된 마이크로 로봇(MCRB)의 노선정보를 기반으로 상기 마이크로 로봇(MCRB)의 궤적을 제어하기 위해 상기 X축 헬름홀츠 코일(HCX), Y축 헬름홀츠 코일(HCY) 및 Z축 맥스웰 코일(MCZ)의 전류공급량을 제어하는 부분이다.
상기 제어부(400)는 상기 X축 헬름홀츠 코일(HCX), Y축 헬름홀츠 코일(HCY) 및 Z축 맥스웰 코일(MCZ)에 대한 각각의 전류 제어를 수행하여 각 코일(HCX, HCY, MCZ)로부터 유기되는 전자기장의 세기 및 방향을 설정함에 따라 마이크로 로봇(MCRB)의 평면이동방향 및 추진력을 결정하고, 이처럼 마이크로 로봇(MCRB)의 평면이동방향 및 추진력을 결정하여 마이크로 로봇(MCRB)이 2차원 유동할 수 있게 한다.
즉, 상기 마이크로 로봇(MCRB)이 기설정된 타겟(도 6 참조) 위치로 유동시키기 위한 X축 헬름홀츠 코일(HCX), Y축 헬름홀츠 코일(HCY) 및 Z축 맥스웰 코일(MCZ)의 전류값제어로서, 위치인식부(300)에서 검출된 마이크로 로봇(MCRB)의 현재 위치 정보 및 설정된 타겟에 대응하는 마이크로 로봇(MCRB)의 노선 정보를 토대로 X축 헬름홀츠 코일(HCX), Y축 헬름홀츠 코일(HCY) 및 Z축 맥스웰 코일(MCZ)에 대한 전자기장의 세기 및 방향이 설정되는 것이다.
한편, 전술된 위치인식부(300)는 마이크로 로봇(MCRB)이 인체로 인입될 경우, X-ray를 통한 영상인식 방법이 적용될 수 있으며, 필요에 따라 기존의 지도 예컨대, 마이크로 로봇(MCRB)이 경유해야 할 인체 혈관을 도시한 지도와 더불어 내부 위치인식 장치를 이용한 상대적 위치정보 인식 방법이 사용될 수 있다. 또는, 마이크로 로봇(MCRB)이 노출되어 있을 경우, 현미경과 카메라 시스템 등을 이용한 위치정보를 식별할 수 있을 것이다.
기존에 제안된 전자기 구동장치와의 차이점을 비교하기 위해 도 8에 기존 전자기 구동장치(상측)와 본 발명의 일실시예에 따른 전자기 구동장치(하측)를 나타내었다.
먼저, 비교를 위하여 같은 관심영역(공간(S), ROI)을 갖는 두 가지의 전자기 구동장치에 있어서, 각 코일의 배치와 같은 힘을 발생시킬 수 있는 코일의 권선수와 거리 등을 비교할 수 있도록 하였다.
기존에 제안된 전자기 구동장치에 있어서, X축 헬름홀츠 코일(HCX) 간의 거 리를 "r"로 정의하였을 때, Y축 헬름홀츠 코일(HCY) 간의 거리는 "
Figure 112009016277488-PAT00001
*r"로 정의되고, X축 맥스웰 코일(MCX)은 X축 헬름홀츠 코일(HCX)과 반경이 같고 중심부로부터 "
Figure 112009016277488-PAT00002
/2*r"만큼 이격된 것으로 정의하였을 때, X축 맥스웰 코일(MCX) 간의 거리는 "
Figure 112009016277488-PAT00003
*r"로 정의되고, Y축 맥스웰 코일(MCY) 간의 거리는 "
Figure 112009016277488-PAT00004
*r"로 정의된다. (도 8의 상측)
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 전자기 구동장치에 있어서, 상술한 바와 같은 정의 관계를 적용하면, X축 헬름홀츠 코일(HCX) 간의 거리는 "r"로 정의되고, Y축 헬름홀츠 코일(HCY) 간의 거리는 "
Figure 112009016277488-PAT00005
*r"로 정의되며, Z축 맥스웰 코일(MCZ)의 직경은
Figure 112009016277488-PAT00006
*r로 정의된다. (도 8의 하측)
이러한 가정 하에서 헬름홀츠 코일(HCX, HCY)은 두 가지의 전자기 구동장치에서 동일하기 때문에 비교대상에서는 제외하였고, 맥스웰 코일(MCX, MCY, MCZ)만을 비교대상으로 설정하였다.
두 시스템의 전력소모에 대한 비교를 아래의 [표 1]에 나타내었다.
구분 코일 반지름 권선비 저항비 파워소모비

기존
전자기
구동장치		 MCX r 2 4π*r
15.31π*r
MCY
Figure 112009016277488-PAT00007
*r		 4 11.31π*r
본 발명의
일실시예에
따른
전자기
구동장치
MCZ
Figure 112009016277488-PAT00008
/2*r
1.41π*r
1.4π*r
[표 1]에서 알 수 있듯이 기존 시스템에 비해서 제안된 시스템은 전력소모가 91% 감소한 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 2차원 평면 전자기 구동장치를 이용한 2차원 평면 전자기 구동방법은, (a) 임의의 공간(S)을 중심으로 대향 배치되고, 전류 방향이 동일한 적어도 한 쌍의 헬름홀츠 코일로 이루어진 방향정렬모듈(a)을 상기 공간(S)을 중심으로 평면상에 등각(等角)으로 반복 배치하는 단계; (b) 상기 평면을 대칭면으로 대향 배치되고, 전류 방향이 상이한 적어도 한 쌍의 맥스웰 코일로 이루어진 로봇추진모듈(b)을 배치하는 단계; (c) 상기 공간(S)에 마이크로 로봇(MCRB)을 배치한 상태에서, 상기 로봇 정렬부(100)를 이루는 각 헬름홀츠 코일을 제어하여 상기 마이크로 로봇(MCRB)을 진행방향으로 정렬하고, 상기 로봇 추진부(200)를 이루는 맥스웰 코일의 전류공급량을 제어하여 상기 마이크로 로봇(MCRB)을 상기 진행방향으로 추진시키는 단계; (d) 마이크로 로봇(MCRB)의 움직임정보와 기입력된 마이크로 로봇(MCRB)의 노선정보를 기반으로 상기 마이크로 로봇(MCRB)의 궤적을 검출하고, 상기 검출된 궤적을 근거로 하여 상기 로봇 정렬부(100)를 이루는 각 헬름홀츠 코일 및 상기 로봇 추진부(200)를 이루는 맥스웰 코일의 전류공급량을 제어하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
도 7에 도시된 바와 같이, S10 단계에서 피검사자의 혈관을 촬영한다. 혈관 촬영은 CT, MRI, X-ray 등으로 촬영될 수 있다. 촬영된 혈관 사진은 그래픽화된 정보로 저장되며, 혈관의 세분화된 위치 또는 특정 위치를 데이터화하여 전술된 타겟 위치까지의 경로 정보를 생성한다. 경로 정보는 현재의 마이크로 로봇(MCRB)의 위치로부터 타겟 위치까지의 혈관 경로로서, 마이크로 로봇(MCRB)이 혈관을 따라 타겟 위치까지 이동해야 할 경로이다.
따라서, S20 단계로 진입하여 검사자는 상기 혈관 경로 정보를 토대로 마이크로 로봇(MCRB)이 도착해야 할 타겟 위치를 설정한다. 그리고 S30 단계에서 상기 위치인식부(300)를 이용하여 현재 피검자의 혈관으로 투입된 마이크로 로봇(MCRB)을 지속적으로 촬영한다. 이는 마이크로 로봇(MCRB)의 이동 궤적과 상기한 타겟 위치까지의 경로를 매칭시키기 위한 것이다. 상기 위치인식부(300)는 X-ray를 통한 영상인식 방법이 적용되거나, 내부 위치인식 장치를 이용한 상대적 위치정보 인식 방법이 사용될 수 있다.
S40 단계에서, 상기 제어부(400)는 위치인식부(300)에 의해 검출된 마이크로 로봇(MCRB)의 현재 위치 정보와, 상기 혈관 경로 정보, 타겟 정보를 토대로 마이크로 로봇(MCRB)이 이동해야 할 경로를 산출한다. 필요에 따라, 혈관의 크기나 피검자의 상태에 대응하도록 마이크로 로봇(MCRB)의 이동속도 또는 이동 포스의 크기를 설정할 수 있을 것이다.
S50단계로 진입하여, 상기 제어부(400)는 마이크로 로봇(MCRB)의 경로에 따른 이동 방향을 토대로, 상기 X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)로 공급해야 할 전류량을 산출한다. 상기 X축 헬름홀츠 코일(HCX) 및 Y축 헬름홀츠 코일(HCY)로 공급되는 전류는 마이크로 로봇(MCRB)의 자화 및 방향설정을 위한 것으로, 혈류량이나 혈관의 압력에 따라 가변된다. 그리고 S60 단계에서 상기 제어부(400)는 Z축으로 구비되는 Z축 맥스웰 코일(MCZ)을 기동 제어한다.
상기 제어부(400)는 기설정된 마이크로 로봇(MCRB)의 이동 방향에 따른 이동 속도에 대응하여 각각의 Z축 맥스웰 코일(MCZ)을 구동하기 위한 제어신호를 생성한다. 이에 따라, 제어부(400)는 각 Z축 맥스웰 코일(MCZ)들로 해당 전류량을 공급한다. 전류량 설정은 마이크로 로봇(MCRB)의 설정된 이동속도 또는 혈류 부하에 비례하여 각 Z축 맥스웰 코일(MCZ)로 전류를 공급한다.
S70 단계에서, 상기 제어부(400)는 마이크로 로봇(MCRB)에 대한 움직임을 감지하고, 궤적에 대한 보정을 수행한다. 이는 혈류의 부하에 대응하기 위한 것으로, 본 과정에서 상기 위치인식부(300)를 통해 마이크로 로봇(MCRB)의 궤적을 인지한다. 따라서, S80 단계를 통해, 상기 제어부(400)는 X축 헬름홀츠 코일(HCX), Y축 헬름홀츠 코일(HCY) 및 Z축 맥스웰 코일(MCZ)로 인가되는 전류량 정보를 토대로 마이크로 로봇(MCRB)의 움직임이 정상적인지를 판단한다. 예컨대, 각 X축 헬름홀츠 코일(HCX), Y축 헬름홀츠 코일(HCY) 및 Z축 맥스웰 코일(MCZ)로 인가된 전류량 정보를 기준으로 마이크로 로봇(MCRB)의 유동 속도가 기준치 이하일 경우, 혈류에 의한 부하가 큰 것으로 판단한다. 따라서, 제어부(400)는 S90 단계를 통해 각 X축 헬름홀츠 코일(HCX), Y축 헬름홀츠 코일(HCY) 및 Z축 맥스웰 코일(MCZ)로 인가되는 전류량을 보정하여 마이크로 로봇(MCRB)의 유동 속도를 보정한다.
반면, S80 단계에서 판단한 결과 코일 시스템으로 인가되는 전류량 정보를 기준으로 마이크로 로봇(MCRB)의 유동 속도가 정상범위일 경우, S40 단계로 피드백하여 기 설정된 마이크로 로봇(MCRB)의 경로에 따라 각 X축 헬름홀츠 코일(HCX), Y축 헬름홀츠 코일(HCY) 및 Z축 맥스웰 코일(MCZ)로 인가되는 전류량을 조정한다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.
도 1은 종래의 2차원 평면 전자기 구동장치를 나타낸 구성도.
도 2는 종래의 다른 2차원 평면 전자기 구동장치를 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 평면 전자기 구동장치의 개략적인 구성을 보여주는 사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 평면 전자기 구동장치를 나타내는 평면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 평면 전자기 구동장치의 개념을 설명하기 위한 구성도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 평면 전자기 구동장치의 사용 예를 설명하기 위한 구성도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 평면 전자기 구동장치의 동작 상태를 설명하기 위한 플로우챠트.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 평면 전자기 구동장치와 종래 구동장치를 비교하기 위한 구성도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 평면 전자기 구동장치를 나타내는 사진.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 평면 전자기 구동장치의 구동원리를 설명하기 위한 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100:로봇 정렬부 110:X축 헬름홀츠 코일
120:Y축 헬름홀츠 코일 200:로봇 추진부
210:Z축 맥스웰 코일 300:위치인식부
400:제어부 S:임의의 공간
MCRB:마이크로 로봇 a:방향정렬모듈
b:로봇추진모듈

Claims (12)

  1. 임의의 공간을 중심으로 대향 배치되는 적어도 한 쌍의 헬름홀츠 코일로 이루어진 방향정렬모듈이 상기 공간을 중심으로 평면상에 등각(等角)으로 반복 배치되도록 구성되어, 상기 마이크로 로봇을 진행방향으로 정렬시키는 로봇 정렬부; 및
    상기 평면을 대칭면으로 대향 배치되는 적어도 한 쌍의 맥스웰 코일로 이루어진 로봇추진모듈을 포함하여 구성되어, 상기 정렬된 마이크로 로봇을 상기 진행방향으로 추진시키는 로봇 추진부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 평면 전자기 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로봇 정렬부는,
    상기 공간을 중심으로 대향 배치되는 적어도 한 쌍의 X축 헬름홀츠 코일; 및 상기 X축 헬름홀츠 코일과 직교되어 상기 공간을 중심으로 대향 배치되는 적어도 한 쌍의 Y축 헬름홀츠 코일;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 2차원 평면 전자기 구동장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 X축 헬름홀츠 코일은 상기 Y축 헬름홀츠 코일의 내측 공간에 설치되는 것을 특징으로 하는 2차원 평면 전자기 구동장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 로봇 추진부는, 상기 X축 헬름홀츠 코일 및 상기 Y축 헬름홀츠 코일과 수직되는 Z축 맥스웰 코일로 이루어진 것을 특징으로 하는 2차원 평면 전자기 구동장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 로봇의 위치를 파악하기 위한 위치인식부; 및
    상기 위치인식부에서 검출된 마이크로 로봇의 움직임정보와 기입력된 마이크로 로봇의 노선정보를 기반으로 상기 마이크로 로봇의 궤적을 제어하기 위해 상기 로봇 정렬부를 이루는 각 헬름홀츠 코일 및 상기 로봇 추진부를 이루는 맥스웰 코일의 전류공급량을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 평면 전자기 구동장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 위치인식부는 상기 마이크로 로봇의 위치 판독을 위해, X-ray를 통한 영상인식 방법, 상기 마이크로 로봇이 경유해야 할 경로를 도시한 지도와 더불어 내부 위치인식 장치를 이용한 상대적 위치정보 인식 방법, 현미경에 의한 위치 검출 방법, 카메라 시스템을 이용한 위치정보를 식별 방법 중 어느 하나의 방법이 사용되는 것을 특징으로 하는 2차원 평면 전자기 구동장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 헬름홀츠 코일 및 맥스웰 코일은 원형 코일인 것을 특징으로 하는 2차원 평면 전자기 구동장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 맥스웰 코일은 코일의 전류 방향이 상이한 것을 특징으로 하는 2차원 평면 전자기 구동장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 헬름홀츠 코일의 전류 방향이 동일한 것을 특징으로 하는 2차원 평면 전자기 구동장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 로봇은 자화 가능한 강자성체(Ferro Magnet) 또는 이미 자화가 되어 있는 영구자석(Permanent Magnet) 중 어느 하나의 소재를 사용하는 것을 특징으로 하는 2차원 평면 전자기 구동장치.
  11. (a) 임의의 공간을 중심으로 대향 배치되고, 전류 방향이 동일한 적어도 한 쌍의 헬름홀츠 코일로 이루어진 방향정렬모듈을 상기 공간을 중심으로 평면상에 등 각(等角)으로 반복 배치하는 단계;
    (b) 상기 평면을 대칭면으로 대향 배치되고, 전류 방향이 상이한 적어도 한 쌍의 맥스웰 코일로 이루어진 로봇추진모듈을 배치하는 단계;
    (c) 상기 공간에 마이크로 로봇을 배치한 상태에서, 상기 로봇 정렬부를 이루는 각 헬름홀츠 코일을 제어하여 상기 마이크로 로봇을 진행방향으로 정렬하고, 상기 로봇 추진부를 이루는 맥스웰 코일의 전류공급량을 제어하여 상기 마이크로 로봇을 상기 진행방향으로 추진시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 평면 전자기 구동방법.
  12. 제11항에 있어서,
    (c) 단계 이후에,
    (d) 마이크로 로봇의 움직임정보와 기입력된 마이크로 로봇의 노선정보를 기반으로 상기 마이크로 로봇의 궤적을 검출하고, 상기 검출된 궤적을 근거로 하여 상기 로봇 정렬부를 이루는 각 헬름홀츠 코일 및 상기 로봇 추진부를 이루는 맥스웰 코일의 전류공급량을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 평면 전자기 구동방법.
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