KR20100136206A

KR20100136206A - 3차원 전자기 구동장치

Info

Publication number: KR20100136206A
Application number: KR1020090054447A
Authority: KR
Inventors: 박종오; 박석호; 이정주; 최종호; 유충선
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2010-12-28
Also published as: KR101084722B1

Abstract

본 발명은 마이크로로봇의 방향 및 3차원 위치제어, 마이크로로봇의 회전을 통한 드릴링이 가능할 수 있도록 제어하는 3차원 전자기 구동장치를 구현함으로써, 마이크로로봇의 안정적인 위치제어뿐만 아니라 드릴링이 가능하여 인체에 확장 적용할 시 혈관 내 자유로운 이동뿐만 아니라 막힌 부분을 드릴링하여 뚫는 의료적 기기로서의 역할을 할 수 있도록 하는 3차원 전자기 구동장치에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 3차원 전자기 구동장치는, 마이크로로봇을 자화시킴과 동시에 제자리회전시킴에 따라 정렬하는 헬름홀츠코일 및 상기 마이크로로봇의 자화력과 상호작용하여 마이크로로봇의 추진력을 제공하는 맥스웰코일을 포함하여 x, y, z축 공간상에 설치되는 3차원 전자기 구동장치에 있어서, x-y축 평면에 평행하게 고정설치되는 한 쌍의 제1헬름홀츠코일; y-z축 평면에 평행하게 고정설치되는 한 쌍의 제2헬름홀츠코일; z-x축 평면에 평행하게 고정설치되는 한 쌍의 제3헬름홀츠코일; z-x축 평면에 평행하게 고정설치되는 한 쌍의 제1맥스웰코일; 및 상기 한 쌍의 제1맥스웰코일의 배치와 수직이 되게 배치되고, 상기 y축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되는 한 쌍의 제2맥스웰코일;을 포함하여 구성된다.

마이크로, 로봇, 혈관, 코일, 헬름홀츠, 맥스웰, 자화, 자성, 전자기장

Description

3차원 전자기 구동장치{Three-dimension eletromagnetic drive device}

본 발명은 3차원 전자기 구동장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 마이크로로봇의 방향 및 3차원 위치제어, 마이크로로봇의 회전을 통한 드릴링이 가능할 수 있도록 제어하는 3차원 전자기 구동장치를 구현함으로써, 마이크로로봇의 안정적인 위치제어뿐만 아니라 드릴링이 가능하여 인체에 확장 적용할 시 혈관 내 자유로운 이동뿐만 아니라 막힌 부분을 드릴링하여 뚫는 의료적 기기로서의 역할을 할 수 있도록 하는 3차원 전자기 구동장치에 관한 것이다.

일반적으로 전자기를 이용한 마이크로로봇의 구동 시스템은, 기본적인 전자석 코일모듈과 1개의 회전축(Z축, 11)을 이용하여 마이크로로봇의 평면 구동이 가능한 구동장치를 포함하여 구성된다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 전자기 구동 마이크로로봇 구동모듈(10)은 헬름홀츠코일(Helmholtz Coil, 13)과 맥스웰코일(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 마이크로로봇의 회전과 이동을 가능하게 할 수 있다.

상술하면, 우선 헬름홀츠코일(13)을 이용하여 균일한 크기의 자속을 발생시켜 마이크로로봇을 자화시킨 뒤, 회전축(Z축, 11)을 이용하여 이동을 원하는 방향으로 회전하면, 마이크로로봇이 균일한 자속을 따라 회전하게 된다.

그리고 원하는 이동방향으로 회전한 뒤 헬름홀츠코일(13)과 맥스웰코일(14)을 동시에 이용하여 균일하게 증가하는 자속을 발생시키면 마이크로로봇은 자속이 증가하거나 감소하는 방향으로 이동한다.

따라서, 회전축(Z축, 11)의 평면(X-Y평면) 상에서 마이크로로봇이 원하는 평면 운동을 가능하게 할 수 있다.

그러나 종래의 평면 전자기 구동 마이크로로봇 구동 모듈의 경우에는 평면 내에서만 구동이 가능하다. 그리고 코일모듈을 회전시켜야 하는 단점이 있는데, 이러한 코일모듈의 회전은 의료적인 적용에 있어서 작업할 수 있는 관심영역(ROI, Region of Interest)이 매우 적어지게 되어, 시스템의 활용성이 저하되는 문제점이 있다.

상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 마이크로로봇의 방향 및 3차원 위치제어, 마이크로로봇의 회전을 통한 드릴링이 가능할 수 있도록 제어하는 3차원 전자기 구동장치를 구현함으로써, 마이크로로봇의 안정적인 위치제어뿐만 아니라 드릴링이 가능하여 인체에 확장 적용할 시 혈관 내 자유로운 이동뿐만 아니라 막힌 부분을 드릴링하여 뚫는 의료적 기기로서의 역할을 할 수 있도록 하는 3차원 전자기 구동장치를 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 3차원 전자기 구동장치는, 마이크로로봇을 자화시킴과 동시에 제자리회전시킴에 따라 정렬하는 헬름홀츠코일 및 상기 마이크로로봇의 자화력과 상호작용하여 마이크로로봇의 추진력을 제공하는 맥스웰코일을 포함하여 x, y, z축 공간상에 설치되는 3차원 전자기 구동장치에 있어서, x-y축 평면에 평행하게 고정설치되는 한 쌍의 제1헬름홀츠코일; y-z축 평면에 평행하게 고정설치되는 한 쌍의 제2헬름홀츠코일; z-x축 평면에 평행하게 고정설치되는 한 쌍의 제3헬름홀츠코일; z-x축 평면에 평행하게 고정설치되는 한 쌍의 제1맥스웰코일; 및 상기 한 쌍의 제1맥스웰코일의 배치와 수직이 되게 배치되고, 상기 y축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되는 한 쌍의 제2맥스웰코일;을 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 제1헬름홀츠코일의 내측에 상기 제2헬름홀츠코일이 위치될 수 있다.

바람직하게, 상기 제2헬름홀츠코일의 내측에 상기 제3헬름홀츠코일이 위치될 수 있다.

바람직하게, 상기 제3헬름홀츠코일의 외측에 상기 제1맥스웰코일이 위치되어 상호결합될 수 있다.

바람직하게, 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일은 전류 방향이 동일할 수 있다.

바람직하게, 상기 한 쌍의 제2헬름홀츠코일은 전류 방향이 동일할 수 있다.

바람직하게, 상기 한 쌍의 제3헬름홀츠코일은 전류 방향이 동일할 수 있다.

바람직하게, 한 쌍의 제1맥스웰코일은 전류 방향이 상이할 수 있다.

바람직하게, 한 쌍의 제2맥스웰코일은 전류 방향이 상이할 수 있다.

바람직하게, 상기 마이크로로봇의 위치를 파악하기 위한 위치인식부; 및 상기 위치인식부에서 검출된 마이크로로봇의 움직임정보와 기입력된 마이크로로봇의 노선정보를 기반으로 상기 마이크로로봇의 궤적을 제어하기 위해 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일, 한 쌍의 제2헬름홀츠코일, 한 쌍의 제3헬름홀츠코일 및 상기 한 쌍의 제1맥스웰코일, 한 쌍의 제2맥스웰코일의 전류공급량을 제어하고, 상기 한 쌍의 제2맥스웰코일의 회전을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 위치인식부는 상기 마이크로로봇의 위치 판독을 위해, X-ray를 통한 영상인식 방법, 상기 마이크로로봇이 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 사용될 수 있다.

바람직하게, 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일, 한 쌍의 제2헬름홀츠코일, 한 쌍의 제3헬름홀츠코일, 상기 한 쌍의 제1맥스웰코일 및 상기 한 쌍의 제2맥스웰코일은 링형태의 코일 또는 같은 기능을 가지는 다른 형태, 예컨대, 사각형태의 코일일 수 있다.

바람직하게, 상기 마이크로로봇은 자화 가능한 강자성체(Ferro Magnet) 또는 이미 자화가 되어 있는 영구자석(Permanent Magnet) 중 어느 하나의 소재를 사용할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 마이크로로봇의 방향 및 3차원 위치제어 및 마이크로로봇의 회전을 통한 드릴링이 동시에 가능하다는 이점이 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 3차원 전자기 구동장치는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, x, y, z축 공간상에 임의의 공간(S)을 중심으로 하여 설치되는 제1 헬름홀츠코일(HC1), 제2헬름홀츠코일(HC2), 제3헬름홀츠코일(HC3), 제1맥스웰코일(MC1), 제2맥스웰코일(MC2)을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 임의의 공간(S)은 마이크로로봇(MCRB)의 활동 범위에 준하는 공간이고, 상기 공간(S)을 중심으로 상기 제1헬름홀츠코일(HC1), 제2헬름홀츠코일(HC2), 제3헬름홀츠코일(HC3), 제1맥스웰코일(MC1), 제2맥스웰코일(MC2)이 배치된다.

이때, 상기 제1헬름홀츠코일(HC1), 제2헬름홀츠코일(HC2), 제3헬름홀츠코일(HC3)은 마이크로로봇(MCRB)을 자화시키고 정렬하기 위한 코일이고, 상기 제1맥스웰코일(MC1), 제2맥스웰코일(MC2)은 상기 마이크로로봇(MCRB)의 자화력과 상호작용하여 마이크로로봇(MCRB)의 추진력을 제공하기 위한 코일이다.

먼저, 상기 제1헬름홀츠코일(HC1), 제2헬름홀츠코일(HC2), 제3헬름홀츠코일(HC3)에 대하여 설명하도록 한다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1헬름홀츠코일(HC1)은 x-y축 평면에 평행하게 고정설치되어 한 쌍으로 구성되고, 상기 제2헬름홀츠코일(HC2)은 y-z축 평면에 평행하게 고정설치되어 한 쌍으로 구성되며, 상기 제3헬름홀츠코일(HC3)은 z-x축 평면에 평행하게 고정설치되어 한 쌍으로 구성된다.

이때, 제1헬름홀츠코일(HC1)보다 제2헬름홀츠코일(HC2)을 반경을 작게하여 상기 제2헬름홀츠코일(HC2)이 상기 제1헬름홀츠코일(HC1)의 내측에 위치되고, 제2헬름홀츠코일(HC2)보다 제3헬름홀츠코일(HC3)을 반경을 작게하여 상기 제3헬름홀츠 코일(HC3)이 상기 제2헬름홀츠코일(HC2)의 내측에 위치된다.

즉, 제1헬름홀츠코일(HC1)의 사이로 임의의 공간(S)을 확보하고, 상기 제1헬름홀츠코일(HC1)의 사이로 설치되되 상기 공간(S)을 중심으로 대향되도록 제2헬름홀츠코일(HC2)을 구성하며, 상기 제2헬름홀츠코일(HC2)의 사이로 설치되되 상기 공간(S)을 중심으로 대향되도록 제3헬름홀츠코일(HC3)을 구성할 수 있으며, 제2헬름홀츠코일(HC2)은 제1헬름홀츠코일(HC1)보다 소형화된 구조로 제1헬름홀츠코일(HC1)의 안측 공간에 설치될 수 있고, 제3헬름홀츠코일(HC3)은 제2헬름홀츠코일(HC2)보다 소형화된 구조로 제2헬름홀츠코일(HC2)의 안측 공간에 설치될 수 있으며, 이는, 본 발명의 실시예로서 구현된 것으로, 도시된 바와 다르게 제1헬름홀츠코일(HC1), 제2헬름홀츠코일(HC2) 및 제3헬름홀츠코일(HC3)의 직경을 다르게 설정할 수 있는 것이고, 이는 제1헬름홀츠코일(HC1), 제2헬름홀츠코일(HC2) 및 제3헬름홀츠코일(HC3)로 인가되는 전류량에 의해 전자기장을 제어하는 것으로, 제1헬름홀츠코일(HC1), 제2헬름홀츠코일(HC2) 및 제3헬름홀츠코일(HC3)에 권취되는 코일의 턴 수와 공급 전류량에 따라 전자기장을 제어하기 때문에, 제1헬름홀츠코일(HC1), 제2헬름홀츠코일(HC2) 및 제3헬름홀츠코일(HC3)의 크기를 결정하는 것은 본 발명의 요지를 벗어날 것이다.

상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3)은 링형태의 코일으로서, 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 상기 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2) 및 상기 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3)은 전류 방향이 동일하도록 구성된다.

상술한 바와 같이, 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3)의 전류 방향이 동일하게 구성하는 것은 마이크로로봇(MCRB)을 자화시킴과 동시에 제자리에서 3차원 입체 회전이 가능하도록 입체회전의 방향을 결정하기 위함이다.

즉, 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1)은 상기 마이크로로봇(MCRB)의 유동 방향을 z축으로 지정하고, 상기 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2)은 상기 마이크로로봇(MCRB)의 유동 방향을 x축으로 지정하며, 상기 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3)은 상기 마이크로로봇(MCRB)의 유동 방향을 y축으로 지정한다.

이는 상호 대향되는 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3) 사이의 전자기장의 방향을 정의해 줌으로써, x축, y축 및 z축 방향의 전자기장을 토대로 마이크로로봇(MCRB)의 정렬 방향을 x, y, z축으로 이루어진 3D 공간상으로 설정하는 것이다.

예컨대, x축과 이루는 각이 30°, y축과 이루는 각이 40°, z축과 이루는 각이 50°인 방향으로 상기 마이크로로봇(MCRB)의 정렬 방향을 결정하고자 한다면, 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3)에 인가되는 전류의 크기를 각각 제어함에 따라 상기 마이크로로봇(MCRB)의 정렬 방향을 결정할 수 있는 것이다.

한편, 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3)에 인가되는 전류의 크기를 각각 제어하면, 상기 마이크로로봇(MCRB)의 정렬 방향을 결정뿐만 아니라 제자리에서 입체회전이 가능하게 한다.

즉, 상기 마이크로로봇(MCRB)의 정렬 방향을 결정된 상태에서, 상기 마이크로로봇(MCRB)의 진행방향을 기준축으로 하여 상기 마이크로로봇(MCRB)이 제자리 회전할 수 있도록 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3)에 인가되는 전류의 크기가 일정한 주기로 변화시키는 것이다.

상술한 바와 같이, 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3)에 인가되는 전류의 크기를 제어함으로써, 상기 마이크로로봇(MCRB)의 진행방향을 결정하고, 상기 마이크로로봇(MCRB)의 회전(드릴링)이 가능하게 할 수 있다.

한편, 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1)은 원형케이스(c1)에 수용되어 권취될 수 있고, 상기 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2)은 원형케이스(c2)에 수용되어 권취될 수 있으며, 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3)은 원형케이스(c3)에 수용되어 권취될 수 있다.

다음으로, 상기 제1맥스웰코일(MC1), 제2맥스웰코일(MC2)에 대하여 설명하도록 한다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1맥스웰코일(MC1)은 z-x축 평면에 평행하게 고정설치되어 한 쌍으로 구성되고, 상기 제2맥스웰코일(MC2)은 상기 한 쌍의 제1맥스웰코일(MC1)의 배치와 수직이 되게 배치되고, 상기 y축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되어 한 쌍으로 구성된다.

이때, 상기 제3헬름홀츠코일(HC3)의 외측에 상기 제1맥스웰코일(MC1)이 위치되어 상호결합되도록 구성되고, 상기 제3헬름홀츠코일(HC3)과 상기 제1맥스웰코일(MC1)의 반경이 유사하도록 하여 구성될 수 있으며, 상기 제2맥스웰코일(MC2)은 상기 한 쌍의 제1맥스웰코일(MC1)의 내측을 가로지르도록 위치되어 상기 y축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되며, 서보모터 등과 같은 회전수단(미도시)과 연동하여 회전운동가능하게 된다.

한편, 상술한 제1맥스웰코일(MC1) 및 제2맥스웰코일(MC2)의 형상 및 구성은 본 발명의 실시예로서 구현된 것으로, 도시된 바와 다르게 제3헬름홀츠코일(HC3)과 제1맥스웰코일(MC1)의 직경을 다르게 설정할 수 있는 것임과 동시에 제2맥스웰코일(MC2)의 위치 및 형상을 다르게 설정할 수 있는 것이고, 이는 제1맥스웰코일(MC1) 및 제2맥스웰코일(MC2)로 인가되는 전류량에 의해 전자기장을 제어하는 것으로, 제1맥스웰코일(MC1) 및 제2맥스웰코일(MC2)에 권취되는 코일의 턴 수와 공급 전류량에 따라 전자기장을 제어하기 때문에, 제1맥스웰코일(MC1) 및 제2맥스웰코일(MC2)의 크기를 결정하는 것은 본 발명의 요지를 벗어날 것이다.

상기 한 쌍의 제1맥스웰코일(MC1)은 링 형태이고, 상기 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)는 사각 타입의 새들(saddle) 형태로서, 상기 제1맥스웰코일(MC1) 및 제2맥스웰코일(MC2)은 전류 방향이 상이하도록 구성된다.

상술한 바와 같이, 상기 한 쌍의 제1맥스웰코일(MC1) 및 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)의 전류 방향이 상이하게 구성하는 것은 마이크로로봇(MCRB)의 추진력을 제공하기 위함이다.

즉, 한 쌍의 제1맥스웰코일(MC1)은 상기 공간에서 유기되는 전자기장의 세기를 y축 상에서 유도하기 위한 것으로, 상기 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)은 상기 공간에서 유기되는 전자기장의 세기를 x축 또는 z축(x-y평면) 상에서 유도하기 위해 사용된다.

따라서, 전술한 바와 같은 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3)에 의해 마이크로로봇(MCRB)의 정렬 방향 및 자체회전을 결정하고, 상기 한 쌍의 제1맥스웰코일(MC1), 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)에 의해 마이크로로봇(MCRB)의 이동 속도 및 이동 방향을 결정한다.

여기서 상기 마이크로로봇(MCRB)은 자화 가능한 강자성체(Ferro Magnet) 또는 이미 자화가 되어 있는 영구자석(Permanent Magnet)으로 구성되어, 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3)의 전자기장에 의한 자력으로부터 자화되어 마이크로로봇(MCRB)의 진행 방향 및 회전이 제공되고, 상기 한 쌍의 제1맥스웰코일(MC1), 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)의 전자기장에 의한 자력으로부터 자화된 마이크로로봇(MCRB)의 이동 속도 및 이동 방향이 제공된다.

상기 마이크로로봇(MCRB)은 상기 공간(S)의 중심에 안착되며, 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3) 및 상기 한 쌍의 제1맥스웰코일(MC1), 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)로부터 유기되는 전자기장의 세기 및 방향에 따라 마이크로로봇(MCRB)의 방향 및 움직임이 제어된다. 필요에 따라 상기 공간(S)은 환자에 대한 진료 공간이고, 상기 마이크로로봇(MCRB)은 환자의 신체 내부 혈관으로 투입된다. 혈관 내부는 혈류에 의한 부하가 발생되며, 마이크로로봇(MCRB)은 혈류 부하에 비례하는 전자기장의 세기를 제공받는다.

한편, 상기 한 쌍의 제1맥스웰코일(MC1)은 원형케이스(c4)에 권취되어 수용될 수 있고, 상기 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)은 원통형케이스(c5)의 외주면 양측에 각각 권취되어 수용될 수 있으며, 상기 원통형케이스(c5)의 일측에는 서보모터 등과 같은 회전수단(미도시)과 연동하여 회전운동가능하게 하는 기어부(g)가 구비되어 있다.

다음으로, 위치인식부(100), 제어부(200)에 대하여 설명하도록 한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 위치인식부(100)는 상기 공간(S) 상에서 유동하는 마이크로로봇(MCRB)의 위치를 파악하기 위한 부분이고, 상기 제어부(200)는 상기 위치인식부(100)에서 검출된 마이크로로봇(MCRB)의 움직임정보와 기입력된 마이크로로봇(MCRB)의 노선정보를 기반으로 상기 마이크로로봇(MCRB)의 궤적을 제어하기 위해 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3) 및 상기 한 쌍의 제1맥스웰코일(MC1), 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)의 전류공급량을 제어하고, 상기 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)의 회전을 제어하는 부분이다.

상기 제어부(200)는 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3)에 대한 각각의 전류 제어를 수행하여 각 코일로부터 유기되는 전자기장의 세기를 조절하여 마이크로로봇(MCRB)의 진행 방향 및 자체 회전을 결정하고, 상기 한 쌍의 제1맥스웰코일(MC1), 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)에 대한 각각의 전류 제어를 수행하여 마이크로로봇(MCRB) 이동속도 및 세기를 결정하며, 상기 제2맥스웰코일(MC2)의 회전을 제어함에 따라 마이크로로봇(MCRB)의 x축 또는 z축(x-y평면) 운동을 가능하게 하여, 상기 마이크로로봇(MCRB)의 3차원 유동이 가능하게 한다.

즉, 마이크로로봇(MCRB)이 기 설정된 타겟 위치로 유동시키기 위한 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3) 및 상기 한 쌍의 제1맥스웰코일(MC1), 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)의 전류값제어, 상기 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)의 회전량제어로서, 위치인식부(100)에서 검출된 마이크로로봇(MCRB)의 현재 위치 정보 및 설정된 타겟에 대응하는 마이크로로봇(MCRB)의 노선 정보를 토대로 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3) 및 상기 한 쌍의 제1맥스웰코일(MC1), 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)에 대한 전자기장의 세기 및 방향이 설정되고, 상기 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)의 회전량이 설정되는 것이다.

한편, 전술된 위치인식부(100)는 마이크로로봇(MCRB)이 인체로 인입될 경우, X-ray를 통한 영상인식 방법이 적용될 수 있으며, 필요에 따라 기존의 지도 예컨대, 마이크로로봇(MCRB)이 경유해야 할 인체 혈관을 도시한 지도와 더불어 내부 위 치인식 장치를 이용한 상대적 위치정보 인식 방법이 사용될 수 있다. 또는, 마이크로로봇(MCRB)이 노출되어 있을 경우, 현미경과 카메라 시스템 등을 이용한 위치정보를 식별할 수 있을 것이다.

마지막으로, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 동작에 대하여 설명하도록 한다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 동작 상태를 설명하기 위한 플로우챠트로서, 도 7을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 동작을 설명하도록 한다.

1단계 - 마이크로로봇( MCRB ) 맵 설정

먼저, 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 마이크로로봇(MCRB)의 위치로부터 타겟 위치까지의 혈관 경로로서, 마이크로로봇(MCRB)이 혈관을 따라 타겟 위치까지 이동해야 할 경로이다.

2단계 - 타겟설정

다음으로, 검사자는 상기 혈관 경로 정보를 토대로 마이크로로봇(MCRB)이 도착해야 할 타겟 위치를 설정한다.

3단계 - 마이크로로봇( MCRB ) 감시

다음으로, 상기 위치인식부(100)를 이용하여 현재 피검자의 혈관으로 투입된 마이크로로봇(MCRB)을 지속적으로 촬영한다. 이는 마이크로로봇(MCRB)의 이동 궤적과 상기한 타겟 위치까지의 경로를 매칭시키기 위한 것이다. 상기 위치인식부(100)는 X-ray를 통한 영상인식 방법이 적용되거나, 내부 위치인식 장치를 이용한 상대적 위치정보 인식 방법이 사용될 수 있다.

4단계 - 마이크로로봇( MCRB ) 경로 산출

다음으로, 상기 제어부(200)는 위치인식부(100)에 의해 검출된 마이크로로봇(MCRB)의 현재 위치 정보와, 상기 혈관 경로 정보, 타겟 정보를 토대로 마이크로로봇(MCRB)이 이동해야 할 경로를 산출한다. 필요에 따라, 혈관의 크기나 피검자의 상태에 대응하도록 마이크로로봇(MCRB)의 이동속도 또는 이동력의 크기를 설정할 수 있을 것이다.

5단계- 한 쌍의 제1헬름홀츠코일 ( HC1 ), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일 ( HC2 ), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일( HC3 ) 전류 제어 및 드릴링 선택

다음으로, 상기 제어부(200)는 마이크로로봇(MCRB)의 경로에 따른 이동 방향을 토대로, 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3)로 공급해야 할 전류량을 산출한다. 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3)로 공급되는 전류는 마이크로로봇(MCRB)이 자화하고 원하는 방향으로 조향하기 위한 것으로, 혈류 량이나 혈관의 압력에 따라 가변된다.

다음으로, 마이크로로봇(MCRB)의 드릴링이 요구되는 경우에, 마이크로로 봇(MCRB)의 진행방향을 회전축으로 하여 상기 마이크로로봇(MCRB)이 자체회전할 수 있도록 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3)에 공급되는 전류를 주기적으로 변화시키도록 하여, 상기 마이크로로봇(MCRB)이 드릴링 기능을 수행할 수 있도록 한다.

6단계 - 한 쌍의 제1맥스웰코일( MC1 ), 한 쌍의 제2맥스웰코일( MC2 ) 전류 제어 및 한 쌍의 제2맥스웰코일( MC2 ) 회전 제어

다음으로, 상기 제어부(200)는 제1맥스웰코일(MC1) 및 제2맥스웰코일(MC2)을 기동 제어한다. 상기 제어부(200)는 기 설정된 마이크로로봇(MCRB)의 이동 방향에 따른 이동 속도에 대응하여 제1맥스웰코일(MC1) 및 제2맥스웰코일(MC2)을 구동하기 위한 제어신호를 생성한다. 이때, 별도의 전류증폭부(미도시)를 구비할 수 있으며, 이 전류증폭부는 제어부(200)의 제어신호에 응답하여 제1맥스웰코일(MC1) 및 제2맥스웰코일(MC2)로 해당 전류량을 공급한다. 전류량 설정은 마이크로로봇(MCRB)의 설정된 이동속도 또는 혈류 부하에 비례하여 각 맥스웰코일로 전류를 공급한다.

상세하게는, 상기 제1맥스웰코일(MC1)의 전류량을 제어하여 상기 마이크로로봇(MCRB)이 y축을 따라 이동할 수 있도록 하고, 상기 제2맥스웰코일(MC2)의 전류량 및 회전량을 제어하여 상기 마이크로로봇(MCRB)이 x축 또는 z축(x-y평면) 상에서 이동할 수 있도록 한다.

7단계 - 마이크로로봇( MCRB ) 궤적 검출

다음으로, 상기 제어부(200)는 마이크로로봇(MCRB)에 대한 움직임을 감지하고, 궤적에 대한 보정을 수행한다. 이는 혈류의 부하에 대응하기 위한 것으로, 본 과정에서 상기 위치인식부(100)를 통해 마이크로로봇(MCRB)의 궤적을 인지한다.

8단계 - 한 쌍의 제1헬름홀츠코일 ( HC1 ), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일 ( HC2 ), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일( HC3 ) 및 한 쌍의 제1맥스웰코일( MC1 ), 한 쌍의 제2맥스웰코일( MC2 ) 전류량 조절

다음으로, 판단한 결과 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3) 및 한 쌍의 제1맥스웰코일(MC1), 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)로 인가되는 전류량 정보 및 상기 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)의 회전량 정보를 기준으로 마이크로로봇(MCRB)의 유동 속도가 정상범위일 경우, 5단계로 피드백하여 기 설정된 마이크로로봇(MCRB)의 경로에 따라 한 쌍의 제1헬름홀츠코일(HC1), 한 쌍의 제2헬름홀츠코일(HC2), 한 쌍의 제3헬름홀츠코일(HC3) 및 한 쌍의 제1맥스웰코일(MC1), 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)로 인가되는 전류량을 조정하고, 상기 한 쌍의 제2맥스웰코일(MC2)의 회전량을 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 종래 2차원 평면 전자기 구동 시스템을 나타낸 구성도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 개략적인 구성을 보여주는 사시도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 개략적인 구성을 보여주는 일부분해사시도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 개략적인 구성을 보여주는 정면도.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 개략적인 구성을 보여주는 측면도.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 개념을 설명하기 위한 구성도.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 동작 상태를 설명하기 위한 플로우챠트.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

HC1:제1헬름홀츠코일

HC2:제2헬름홀츠코일

HC3:제3헬름홀츠코일

MC1:제1맥스웰코일

MC2:제2맥스웰코일

MCRB:마이크로로봇

100:위치인식부

200:제어부

Claims

마이크로로봇을 자화시킴과 동시에 제자리회전시킴에 따라 정렬하는 헬름홀츠코일 및 상기 마이크로로봇의 자화력과 상호작용하여 마이크로로봇의 추진력을 제공하는 맥스웰코일을 포함하여 x, y, z축 공간상에 설치되는 3차원 전자기 구동장치에 있어서,

x-y축 평면에 평행하게 고정설치되는 한 쌍의 제1헬름홀츠코일;

y-z축 평면에 평행하게 고정설치되는 한 쌍의 제2헬름홀츠코일;

z-x축 평면에 평행하게 고정설치되는 한 쌍의 제3헬름홀츠코일;

z-x축 평면에 평행하게 고정설치되는 한 쌍의 제1맥스웰코일; 및

상기 한 쌍의 제1맥스웰코일의 배치와 수직이 되게 배치되고, 상기 y축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되는 한 쌍의 제2맥스웰코일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
제1항에 있어서,

상기 제1헬름홀츠코일의 내측에 상기 제2헬름홀츠코일이 위치되는 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
제1항에 있어서,

상기 제2헬름홀츠코일의 내측에 상기 제3헬름홀츠코일이 위치되는 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
제1항에 있어서,

상기 제3헬름홀츠코일의 외측에 상기 제1맥스웰코일이 위치되어 상호결합된 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
제1항에 있어서,

상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일은 전류 방향이 동일한 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
제1항에 있어서,

상기 한 쌍의 제2헬름홀츠코일은 전류 방향이 동일한 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
제1항에 있어서,

상기 한 쌍의 제3헬름홀츠코일은 전류 방향이 동일한 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
제1항에 있어서,

한 쌍의 제1맥스웰코일은 전류 방향이 상이한 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
제1항에 있어서,

한 쌍의 제2맥스웰코일은 전류 방향이 상이한 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
제1항에 있어서,

상기 마이크로로봇의 위치를 파악하기 위한 위치인식부; 및

상기 위치인식부에서 검출된 마이크로로봇의 움직임정보와 기입력된 마이크로로봇의 노선정보를 기반으로 상기 마이크로로봇의 궤적을 제어하기 위해 상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일, 한 쌍의 제2헬름홀츠코일, 한 쌍의 제3헬름홀츠코일 및 상 기 한 쌍의 제1맥스웰코일, 한 쌍의 제2맥스웰코일의 전류공급량을 제어하고, 상기 한 쌍의 제2맥스웰코일의 회전을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
제10항에 있어서,

상기 위치인식부는 상기 마이크로로봇의 위치 판독을 위해, X-ray를 통한 영상인식 방법, 상기 마이크로로봇이 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 3차원 전자기 구동장치.
제1항에 있어서,

상기 한 쌍의 제1헬름홀츠코일, 한 쌍의 제2헬름홀츠코일, 한 쌍의 제3헬름홀츠코일, 상기 한 쌍의 제1맥스웰코일 및 상기 한 쌍의 제2맥스웰코일은 링형태의 코일인 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
제1항에 있어서,

상기 마이크로로봇은 자화 가능한 강자성체(Ferro Magnet) 또는 이미 자화가 되어 있는 영구자석(Permanent Magnet) 중 어느 하나의 소재를 사용하는 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.