KR20110000779A - 3차원 전자기 구동장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 새들(saddle) 형태로 코일이 형성되어 있으므로 관성이 작아 회전에 필요한 모멘트가 작고, 작은 전류값으로도 마이크로로봇을 작동할 수 있는 3차원 전자기 구동장치에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 3차원 전자기 구동장치는, 마이크로로봇을 자화시키고 진행방향을 결정하는 헬름홀츠코일과 유니폼새들코일 및 상기 마이크로로봇의 자화력과 상호작용하여 마이크로로봇의 추진력을 제공하는 맥스웰코일과 그레디언트새들코일을 포함하여 x, y, z축 공간상에 설치되는 3차원 전자기 구동장치에 있어서, y-z축 평면에 평행하도록 임의의 공간을 중심으로 대향 배치되어 고정설치되는 한 쌍의 헬름홀츠코일; 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일과 이웃하여 y-z축 평면에 평행하도록 상기 공간을 중심으로 대향 배치되어 고정설치되는 한 쌍의 맥스웰코일; 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일의 안측을 가로질러 위치하되, x축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되는 한 쌍의 유니폼새들코일; 및 상기 한 쌍의 유니폼새들코일의 안측으로 위치하고, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일의 내측을 가로질러 위치하되, x축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되는 한 쌍의 그레디언트새들코일;을 포함하여 구성된다.
마이크로 로봇, 혈관, 코일, 헬름홀츠 코일, 맥스웰 코일, 자화, 자성, 전자기장, 유니폼 새들코일, 그레디언트 새들코일

Description

3차원 전자기 구동장치{Three-dimension eletromagnetic actuation device}
본 발명은 3차원 전자기 구동장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 새들(saddle) 형태로 코일이 형성되어 있으므로 관성이 작아 회전에 필요한 모멘트가 작고, 한 쌍의 코일이 대칭형으로서, 무게가 한쪽으로 편중되어 있지 않기 때문에 회전시 안정적이며, 유니폼새들코일 및 그레디언트새들코일의 회전시 차지하는 공간이 작아 장치의 설치공간이 상대적으로 작고, 종래의 코일시스템과 등가를 이루기 위해 필요한 마이크로로봇의 구동 전류값이 작은 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 쌍 으로 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 평면상에서 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 원하는 방향으로 회전하게 된다.
그리고 원하는 이동방향으로 회전한 뒤 맥스웰코일(14)을 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 구동평면에 수직축을 중심으로 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, 새들(saddle) 형태로 코일이 형성되어 있으므로 관성이 작아 회전에 필요한 모멘트가 작고, 한 쌍의 코일이 대칭형으로 무게가 한쪽으로 편중되어 있지 않기 때문에 회전시 안정적이며, 유니폼새들코일 및 그레디언트새들코일의 회전시 차지하는 공간이 작아 작업공간이 상대적으로 작고, 종래의 코일시스템과 등가를 이루기 위해 필요한 마이크로로봇의 구동 전류값이 작은 3차원 전자기 구동장치를 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 3차원 전자기 구동장치는, 마이크로로봇을 자화시키고 진행방향을 결정하는 헬름홀츠코일과 유니폼새들코일 및 상기 마이크로로봇의 자화력과 상호작용하여 마이크로로봇의 추진력을 제공하는 맥스웰코일과 그레디언트새들코일을 포함하여 x, y, z축 공간상에 설치되는 3차원 전자기 구동장치에 있어서, y-z축 평면에 평행하도록 임의의 공간을 중심으로 대향 배치되어 고정설치되는 한 쌍의 헬름홀츠코일; 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일과 이웃하여 y-z축 평면에 평행하도록 상기 공간을 중심으로 대향 배치되어 고정설치되는 한 쌍의 맥스웰코일; 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일의 안측을 가로질러 위치하되, x축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되는 한 쌍의 유니폼새들코일; 및 상기 한 쌍의 유니폼새들코일의 안측으로 위치하고, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일의 내측을 가로질러 위치하되, x축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되는 한 쌍의 그레디언트새들코일;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 맥스웰코일의 내측에 상기 헬름홀츠코일이 위치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, "U" 자형의 프레임, 상기 프레임의 각 단부에서 내측으로 형성된 복수 쌍의 코일권취링을 포함하는 메인케이싱을 포함하여 구성되고, 상기 복수 쌍의 코일권취링 중 외측의 코일권취링에 상기 맥스웰코일이 권취되고, 상기 복수 쌍의 코일권취링 중 내측의 코일권취링에 상기 헬름홀츠코일이 권취되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일의 내측을 가로질러 위치하고 x축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되는 외측원통형케이싱을 포함하여 구성되고, 상기 외측원통형케이싱의 외주면 양측에 상기 한 쌍의 유니폼새들코일이 각각 권취되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 외측원통형케이싱의 외주면에는 상기 임의의 공간과 연통되도록 제1관통홀이 구비된 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 외측원통형케이싱의 일단부에는 기어부가 구비된 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 외측원통형케이싱의 외주면에 구름접촉되어 지지하는 베어링수단이 구비된 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 한 쌍의 유니폼새들코일의 안측으로 위치하고, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일의 내측을 가로질러 위치하며, x축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되는 내측원통형케이싱을 포함하여 구성되고, 상기 내측원통형케이싱의 외주면 양측에 상기 한 쌍의 그레디언트새들코일이 각각 권취되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 내측원통형케이싱의 외주면에는 상기 임의의 공간과 연통되도록 제2관통홀이 구비된 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 유니폼새들코일 및 상기 그레디언트새들코일은 상호 고정되어 동시에 회전하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일은 전류 방향이 동일한 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 한 쌍의 유니폼새들코일은 전류 방향이 동일한 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 한 쌍의 맥스웰코일은 전류 방향이 상이한 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 한 쌍의 그레디언트새들코일은 전류 방향이 상이한 것을 특징으로 한다.
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 헬 름홀츠코일, 한 쌍의 유니폼새들코일 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일, 한 쌍의 그레디언트새들코일의 전류공급량을 제어하고, 상기 유니폼새들코일 및 그레디언트새들코일의 y축 회전량을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 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 한다.
바람직하게, 상기 마이크로로봇은 자화 가능한 강자성체(Ferro Magnet) 또는 이미 자화가 되어 있는 영구자석(Permanent Magnet) 중 어느 하나의 소재를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 새들(saddle) 형태로 코일이 형성되어 있으므로 관성이 작아 회전에 필요한 모멘트가 작다는 이점이 있다.
한 쌍의 코일이 대칭형으로서, 무게가 한쪽으로 편중되어 있지 않기 때문에 회전시 안정적이라는 이점이 있다.
유니폼새들코일 및 그레디언트새들코일의 회전시 차지하는 공간이 작아 장치의 설치공간이 상대적으로 작다는 이점이 있다.
종래의 코일시스템과 등가를 이루기 위해 필요한 마이크로로봇의 구동 전류 값이 작다는 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.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 개략적인 구성을 보여주는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 개략적인 구성을 보여주는 분해사시도이며, 도 4의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 개략적인 구성을 보여주는 평면도, (b)는 A-A단면도이고, 도 5의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 개략적인 구성을 보여주는 정면도, (b)는 B-B단면도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 동작 상태를 설명하기 위한 플로우챠트이다.
본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치는, 크게, 도 2, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, x, y, z축 공간상에 임의의 공간(S)을 중심으로 하여 설치되는 헬름홀츠코일(Helmholtz Coil, 110), 유니폼새들코일(Uniform saddle Coil, 120), 맥스웰코일(Maxwell Coil, 210), 그레디언트새들코일(Gradient saddle Coil, 220)을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 임의의 공간(S)은 마이크로로봇(MCRB)의 활동 범위에 준하는 공간이고, 상기 공간(S)을 중심으로 상기 헬름홀츠코일(110), 유니폼새들코일(120), 맥스웰코일(210), 그레디언트새들코일(220)이 배치된다.
이때, 상기 헬름홀츠코일(110), 유니폼새들코일(120)은 상기 마이크로로봇(MCRB)을 자화시키고 진행방향을 결정하기 위한 코일이고, 상기 맥스웰코일(210), 그레디언트새들코일(220)은 상기 마이크로로봇(MCRB)의 자화력과 상호작용하여 마이크로로봇(MCRB)의 추진력을 제공하기 위한 코일이다.
먼저, 상기 헬름홀츠코일(110) 및 맥스웰코일(210)에 대하여 설명하도록 한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 헬름홀츠코일(110)은 y-z축 평면에 평행하도록 임의의 공간(S)을 중심으로 대향 배치되어 고정설치되는 한 쌍으로 구성되고, 상기 맥스웰코일(210)은 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110)과 이웃하여 y-z축 평면에 평행하도록 상기 공간(S)을 중심으로 대향 배치되어 고정설치되어 한 쌍으로 구성된다. 이때, 상기 헬름홀츠코일(110)이 상기 맥스웰코일(210)의 내측에 위치된다.
즉, 한 쌍의 맥스웰코일(210)의 사이로 임의의 공간(S)을 확보하고, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110)이 상기 한 쌍의 맥스웰코일(210)의 사이로 설치되되 상기 공간(S)을 중심으로 대향되도록 설치될 수 있다. 이는, 본 발명의 실시예로 구현된 것으로서, 도시된 바와 다르게 헬름홀츠코일(110) 및 맥스웰코일(210)의 직경을 다르게 설정할 수 있는 것이고, 중요한 것은 헬름홀츠코일(110) 및 맥스웰코일(210)로 인가되는 전류량에 의해 전자기장을 제어하는 것으로, 헬름홀츠코일(110) 및 맥 스웰코일(210)에 권취되는 코일의 턴 수와 공급 전류량에 따라 전자기장을 제어하기 때문에, 헬름홀츠코일(110) 및 맥스웰코일(210)의 크기를 결정하는 것은 본 발명의 요지를 벗어날 것이다.
상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110) 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일(210)은 링형태의 코일으로서, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110)은 전류 방향이 동일하도록 구성되고, 상기 맥스웰코일(210)은 전류 방향이 상이하도록 구성된다.
상술한 바와 같이, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110)의 전류 방향이 동일하게 구성하는 것은 마이크로로봇(MCRB)을 자화시킴과 동시에 진행방향을 결정하기 위함이다.
즉, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110)은 상기 마이크로로봇(MCRB)의 유동방향을 x축으로 지정한다. 이는 상호 대향되는 한 쌍의 헬름홀츠코일(110) 사이의 전자기장의 방향을 정의해 줌으로써, x축 방향의 전자기장을 토대로 마이크로로봇(MCRB)의 이동 방향을 x축 방향으로 설정하는 것이다.
한편, 상기 한 쌍의 맥스웰코일(210)의 전류 방향을 상이하게 구성하는 것을 마이크로로봇(MCRB)의 추진력을 제공하기 위함이다.
즉, 한 쌍의 맥스웰코일(210)은 상기 공간에서 유기되는 전자기장의 세기를 x축 상에서 유도한다. 이는 상호 대향되는 한 쌍의 맥스웰코일(210) 사이의 전자기장의 세기를 정의해 줌으로써, 상기 마이크로로봇(MCRB)이 x축 방향으로 진행할 수 있도록 추진력을 제공하는 것이다.
예컨대, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110)에 인가되는 전류를 제어하여 상기 마이크로로봇(MCRB)의 진행방향을 x축의 양의 방향 또는 x축의 음의 방향으로 결정하고, 상기 한 쌍의 맥스웰코일(210)에 인가되는 전류를 제어하여 상기 마이크로로봇(MCRB)의 x축 방향으로의 진행속도와 세기를 결정하는 것이다.
상기 한 쌍의 유니폼새들코일(210) 및 상기 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)은 새들형태의 코일으로서, 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(210)은 전류 방향이 동일하도록 구성되고, 상기 그레디언트새들코일(220)은 전류 방향이 상이하도록 구성된다.
상술한 바와 같이, 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(210)의 전류 방향이 동일하게 구성하는 것은 마이크로로봇(MCRB)을 자화시킴과 동시에 진행방향을 결정하기 위함이다.
즉, 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(210)은 상기 마이크로로봇(MCRB)의 유동방향을 y축으로 지정한다. 이는 상호 대향되는 한 쌍의 유니폼새들코일(210) 사이의 전자기장의 방향을 정의해 줌으로써, y축 방향의 전자기장을 토대로 마이크로로봇(MCRB)의 이동 방향을 y축 방향으로 설정하는 것이다.
한편, 상기 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)의 전류 방향을 상이하게 구성하는 것을 마이크로로봇(MCRB)의 추진력을 제공하기 위함이다.
즉, 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)은 상기 공간에서 유기되는 전자기장의 세기를 y축 상에서 유도한다. 이는 상호 대향되는 한 쌍의 그레디언트새들코일(220) 사이의 전자기장의 세기를 정의해 줌으로써, 상기 마이크로로봇(MCRB)이 y축 방향으로 진행할 수 있도록 추진력을 제공하는 것이다.
예컨대, 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120)에 인가되는 전류를 제어하여 상기 마이크로로봇(MCRB)의 진행방향을 y축의 양의 방향 또는 y축의 음의 방향으로 결정하고, 상기 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)에 인가되는 전류를 제어하여 상기 마이크로로봇(MCRB)의 y축 방향으로의 진행속도와 세기를 결정하는 것이다.
비슷하게 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120)과 그레디언트새들코일(220)을 x축을 중심으로 회전시킬 수 있을 것이다.
예컨대, 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120)과 그레디언트새들코일(220)을 z축 방향으로 정렬시킬 수 있을 것이다. 이 때, 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120)에 인가되는 전류를 제어하여 상기 마이크로로봇(MCRB)의 진행방향을 z축의 양의 방향 또는 z축의 음의 방향으로 결정하고, 상기 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)에 인가되는 전류를 제어하여 상기 마이크로로봇(MCRB)의 z축 방향으로의 진행속도와 세기를 결정하는 것이다.
예컨대, 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120)과 그레디언트새들코일(220)을 임의 방향으로 정렬시킬 수 있을 것이다. 이 때, 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120)에 인가되는 전류를 제어하여 상기 마이크로로봇(MCRB)의 진행방향을 정렬된 축의 양의 방향 또는 정렬된 축의 음의 방향으로 결정하고, 상기 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)에 인가되는 전류를 제어하여 상기 마이크로로봇(MCRB)의 정렬된 축 방향으로의 진행속도와 세기를 결정하는 것이다.
한편, 상술한 바와 같은 한 쌍의 헬름홀츠코일(110) 및 한 쌍의 맥스웰코일(210)은 소정의 형상으로 형성되는 메인케이싱(300)에 구비될 수 있다. 즉, "U" 자형의 프레임(310), 상기 프레임(310)의 각 단부에서 내측으로 형성된 복수 쌍의 코일권취링(321, 323, 325, 327)을 포함하는 메인케이싱(300)을 포함하여 구성된 메이케이싱에 한 쌍의 헬름홀츠코일(110) 및 한 쌍의 맥스웰코일(210)이 권취되어 구성될 수 있으며, 상세하게, 상기 복수 쌍의 코일권취링(321, 323, 325, 327) 중 외측의 코일권취링(321, 323)에 상기 맥스웰코일(210)이 권취되고, 상기 복수 쌍의 코일권취링(321, 323, 325, 327) 중 내측의 코일권취링(325, 327)에 상기 헬름홀츠코일(110)이 권취되어 구성될 수 있다.
다음으로, 상기 유니폼새들코일(120) 및 그레디언트새들코일(220)에 대하여 설명하도록 한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 유니폼새들코일(120)은 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110) 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일(210)의 안측을 가로질러 위치하되, x축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되어 한 쌍으로 구성되고, 상기 그레디언트새들코일(220)은 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120)의 안측으로 위치하고, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110) 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일(210)의 내측을 가로질러 위치하되, x축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되어 한 쌍으로 구성된다.
이때, 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120)은 외측원통형케이싱(400)의 외주면 양측에 각각 권취되는데, 상기 외측원통형케이싱(400)은 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110) 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일(210)의 내측을 가로질러 위치하고 x축을 회전 축으로 하여 회전자재하게 설치된다.
또한, 상기 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)은 내측원통형케이싱(500)의 외주면 양측에 각각 권취되는데, 상기 내측원통형케이싱(500)은 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120)의 안측으로 위치하고, 즉, 상기 외측원통형케이싱(400)의 내측에 위치하고, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110) 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일(210)의 내측을 가로질러 위치하며, x축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치된다.
한편, 상술한 유니폼새들코일(120) 및 그레디언트새들코일(220)의 형상 및 구성은 본 발명의 실시예로서 구현된 것으로, 도시된 바와 다르게 유니폼새들코일(120) 및 그레디언트새들코일(220)의 직경을 다르게 설정할 수 있는 것임과 동시에 유니폼새들코일(120) 및 그레디언트새들코일(220)의 위치 및 형상을 다르게 설정할 수 있는 것이고, 이는 유니폼새들코일(120) 및 그레디언트새들코일(220)로 인가되는 전류량에 의해 전자기장을 제어하는 것으로, 유니폼새들코일(120) 및 그레디언트새들코일(220)에 권취되는 코일의 턴 수와 공급 전류량에 따라 전자기장을 제어하기 때문에, 유니폼새들코일(120) 및 그레디언트새들코일(220)의 크기를 결정하는 것은 본 발명의 요지를 벗어날 것이다.
상술한 헬름홀츠코일(110), 맥스웰코일(210), 유니폼새들코일(120) 및 그레디언트새들코일(220)의 형상 및 구성에 대하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
코일을 이루는 도선에 전류가 인가되었을 때 발생되는 자기장은 다음의 비오-사바르 법칙(Biot-Savart's law)에 의해 나타낼 수 있다.
[식 1]
Figure 112009039208858-PAT00001
여기에서
Figure 112009039208858-PAT00002
,
Figure 112009039208858-PAT00003
,
Figure 112009039208858-PAT00004
,
Figure 112009039208858-PAT00005
,
Figure 112009039208858-PAT00006
은 각각 자기장의 세기, 전류값, differential vector of current path, vector from
Figure 112009039208858-PAT00007
to a point,
Figure 112009039208858-PAT00008
의 단위벡터를 나타낸다.
자기장 영역 내부에 놓인 영구자석으로 만들어진 마이크로로봇에 발생되는 자기력과 토크는 다음 식으로 나타내어 질 수 있다.
[식 2]
Figure 112009039208858-PAT00009
여기에서
Figure 112009039208858-PAT00010
은 영구자석에서 발생되는 자기력,
Figure 112009039208858-PAT00011
은 토크,
Figure 112009039208858-PAT00012
는 magnetic permeability of free space,
Figure 112009039208858-PAT00013
는 영구자석 및 강자석체의 체적,
Figure 112009039208858-PAT00014
는 the magnetization vector of a micro-robot, ▽는 델(Del)을 의미한다. 자기력은 자기장의 기울기에 비례하고, 토크는 자기장의 세기에 비례한다.
헬름홀츠코일은 두 개의 원형코일로 구성된다. 원형코일의 반지름 r과 두 코일 사이의 떨어진 거리d의 관계가 d=r의 관계를 가진다. x-축 헬름홀츠코일 의해 발생되는 각 방향의 자기장은 다음과 같이 표현된다.
[식 3]
Figure 112009039208858-PAT00015
한편,
Figure 112009039208858-PAT00016
는 x축 헬름홀츠 코일에 의해 발생되는 자기장,
Figure 112009039208858-PAT00017
는 축방향 자기장,
Figure 112009039208858-PAT00018
는 전류값,
Figure 112009039208858-PAT00019
는 헬름홀츠 코일의 반지름을 의미한다.
헬름홀츠코일은 중심부에서 x축을 따라 일정한 자기장을 형성시키기 때문에, 중심부에 위치한 마이크로로봇에 x축 방향으로 마이크로로봇을 회전할 수 있는 자기력을 발생시킨다.
맥스웰코일은 두 개의 원형코일로 구성된다. 원형코일의 반지름 r과 두 코일 사이의 떨어진 거리d의 관계가
Figure 112009039208858-PAT00020
의 관계를 가진다. x-축 맥스웰코일 의해 발생되는 각 방향의 자기장은 다음과 같이 표현된다.
[식 4]
Figure 112009039208858-PAT00021
한편, 상기
Figure 112009039208858-PAT00022
은 맥스웰 코일에 의해 발생되는 자기장,
Figure 112009039208858-PAT00023
은 축방향 기울기, x, y, z는 각 축의 좌표,
Figure 112009039208858-PAT00024
은 전류값,
Figure 112009039208858-PAT00025
은 맥스웰 코일의 반지름을 의미한다.
맥스웰코일은 중심부에서 x축을 따라 일정한 기울기의 자기장을 형성시키기 때문에, 중심부에 위치한 마이크로로봇에 x축을 따라 마이크로로봇을 추진할 수 있는 자기력을 발생시킨다.
본 발명은, 도 7에 도시된 바와 같이, 그레디언트새들코일 이라고 불리는 saddle형태의 gradient coil에 관한 것이다. 이 코일은 중심부에서 y축을 따라 큰 일정한 기울기의 자기장을 형성시킨다. 그레디언트새들코일은 직선부와 아크부로 분류할 수 있다. 직선부와 아크부 코일은 y축을 따라 일정한 기울기의 자기장을 형성시키도록 강제되어 진다. y축 방향으로 일정한 기울기의 자기장을 유도하기 위해서는 그레디언트새들코일의 직선부와 아크부의 기하학적인 치수가 도 8과 같은 조건을 만족해야 한다. 즉, 상기 그레디언트새들코일(220)의 각 부분을 도 7에서와 같이 코일의 반지름을 r, 직선부의 길이를 l, z축을 따라 위치한 직선부 코일 사이 의 거리를 d, y축을 따라 위치한 직선부 코일 사이의 거리를 h로 명시해 주었을 때, d=1.4420r, h=1.3857r, l=1.7321r을 만족해야 한다. 도 8은 그레디언트새들코일의 기하학적인 구조와 xy평면에서의 자기장 형성을 나타낸다. 중심부에서 자기장을 선형화할 수 있기 때문에 그레디언트새들코일에 의해 발생되는 자기장은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[식 5]
Figure 112009039208858-PAT00026
한편,
Figure 112009039208858-PAT00027
는 그레디언트새들코일에 의해 발생되는 자기장,
Figure 112009039208858-PAT00028
는 축방향 기울기, x, y, z 는 각 축의 좌표,
Figure 112009039208858-PAT00029
,
Figure 112009039208858-PAT00030
는 전류값,
Figure 112009039208858-PAT00031
는 코일의 반지름을 의미한다.
이것은 중심영역에서 그레디언트새들코일이 맥스웰코일보다 더 큰 기울기의 자기장을 형성시킬 수 있다는 것을 나타낸다.
본 실시예는 도 9처럼 유니폼새들코일 이라고 불리는 saddle형태의 코일에 관한 것이다. 이 코일은 중심부에서 y축을 따라 일정한 자기장을 형성시킨다. 유니폼새들코일은 직선부와 아크부로 분류할 수 있다. 직선부와 아크부 코일은 y축을 따라 일정한 세기의 자기장을 유도하기 위해서는 유니폼새들코일의 직선부와 아크 부의 기하학적인 치수가 도 10과 같은 조건을 만족해야 한다. 즉, 상기 유니폼새들코일(120)의 각 부분을 도 9에서와 같이 코일의 반지름을 r, 직선부의 길이를 l, z축을 따라 위치한 직선부 코일 사이의 거리를 d, y축을 따라 위치한 직선부 코일 사이의 거리를 h로 명시해 주었을 때, d=1.7321r, h=0.9869r, l=3.5r을 만족해야 한다. 도 10은 유니폼새들코일의 기하학적인 구조와 xy평면에서의 자기장 형성을 나타낸다. 중심부에서 자기장을 선형화할 수 있기 때문에 유니폼새들코일에 의해 발생되는 자기장은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[식 6]
Figure 112009039208858-PAT00032
한편, 상기
Figure 112009039208858-PAT00033
는 유니폼새들코일에 의해 발생되는 자기장,
Figure 112009039208858-PAT00034
는 축방향으로 발생되는 자기장,
Figure 112009039208858-PAT00035
는 전류값,
Figure 112009039208858-PAT00036
는 코일의 반지름을 의미한다.
이것은 중심영역에서 균일한 자기장을 형성시킬 수 있다는 것을 보여준다.
상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120) 및 상기 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)은 새들(saddle) 형태의 코일으로서, 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120)은 전류 방향이 동일하도록 구성되고, 상기 그레디언트새들코일(220)은 전류 방향이 상이하도록 구성된다.
상술한 바와 같이, 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120)의 전류 방향이 동일하 게 구성하는 것은 마이크로로봇(MCRB)을 자화시킴과 동시에 진행방향을 결정하기 위함이다.
먼저, 도 11을 이용하여 2차원 xy 평면상에서 마이크로 구동 방법을 설명하면 다음과 같다.
상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110)은 상기 마이크로로봇(MCRB)의 유동방향을 x축 방향으로 지정한다. 이는 상호 대향되는 한 쌍의 헬름홀츠코일(110) 사이의 전자기장의 방향을 x축 방향으로 정의해 줌으로써 마이크로로봇(MCRB)의 이동 방향을 x축 방향으로 설정하는 것이다.
상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120)은 상기 마이크로로봇(MCRB)의 유동방향을 y축 방향으로 지정한다. 이는 상호 대향되는 한 쌍의 유니폼새들코일(120) 사이의 전자기장의 방향을 y축 방향으로 정의해 줌으로써 마이크로로봇(MCRB)의 이동 방향을 y축 방향으로 설정하는 것이다.
이에 따라, 전술한 바와 같은 헬름홀츠코일(110)이 x축 방향으로 마이크로로봇(MCRB)의 이동 방향을 설정하고, 상기 유니폼새들코일(120)이 y축 방향으로 마이크로로봇(MCRB)의 이동 방향을 설정한다. 수직 배치된 헬름홀츠코일과 유니폼새들코일에 의해 발생되는 각 방향의 자기장의 세기와 방향을 제어하게 되면 마이크로로봇(MCRB)은 xy 평면상에서 임의 방향으로 설정될 수 있게 된다.
한편, 상기 한 쌍의 맥스웰코일(210)은 상기 마이크로로봇(MCRB)의 추진방향을 x축 방향으로 지정한다. 이는 상호 대향되는 한 쌍의 맥스웰코일(210) 사이의 전자기장의 주 기울기 방향을 x축 방향으로 정의해 줌으로써 마이크로로봇(MCRB)의 자화방향과 상호작용하여 추진력을 x축 방향으로 설정하는 것이다.
상기 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)은 상기 마이크로로봇(MCRB)의 추진방향을 y축 방향으로 지정한다. 이는 상호 대향되는 한 쌍의 그레디언트새들코일(220) 사이의 전자기장의 주 기울기 방향을 y축 방향으로 정의해 줌으로써 마이크로로봇(MCRB)의 자화방향과 상호작용하여 추진력을 y축 방향으로 설정하는 것이다.
이에 따라, 전술한 바와 같은 맥스웰코일(210)과 그레디언트새들코일(220)을 이용하여 xy평면에서 발생되는 자기장의 기울기를 x축과 y축 방향을 같게 설정하면, 상기 마이크로로봇(MCRB)은 전술한 헬름홀츠코일(110)과 유니폼새들코일(120)에 의해 정렬된 방향으로 추진력이 제공될 수 있게 된다.
예컨대, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110)과 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120)에 인가되는 전류를 제어하여 상기 마이크로로봇(MCRB)의 진행방향을 xy평면상의 특정 방향으로 결정하고, 상기 한 쌍의 맥스웰코일(210)과 상기 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)에 인가되는 전류를 제어하여 x축과 y축 각각에 발생되는 자기장의 기울기를 같도록 하면 상기 마이크로로봇(MCRB)은 헬름홀츠코일(110)과 유니폼새들코일(120)에 의해 정렬된 방향으로 추진력이 발생하게 된다. 이 때 맥스웰코일(210)과 그레디언트새들코일(220)에 의해 발생되는 각 축방향의 기울기를 조절하여 마이크로로봇(MCRB)의 진행방향으로의 추진력을 조절하게 된다.
한편, 마이크로로봇(MCRB)의 3차원 구동을 위해서는 상기 작용평면을 3차원 공간으로 확장할 필요성이 있다. 도 11에서와 같이 xy평면으로 한정되었던 작용평 면을 3차원 공간으로 확장하기 위해서는 상기 유니폼새들코일(120)과 그레디언트새들코일(220)을 x축을 중심으로 회전시킴으로서 가능하다. 즉, x축 방향으로 고정 설치된 헬름홀츠코일(110)과 x축을 중심으로 회전하는 유니폼새들코일(120)을 이용하여 임의 작용평면 상에서 마이크로로봇(MCRB)을 특정 방향으로 정렬시키게 되고, 맥스웰코일(210)과 그레디언트새들코일(220)을 이용하여 평면상의 각 방향으로 기울기가 일정한 자기장을 발생시키게 되면 마이크로 로봇(MCRB)은 임의 작용평면 상에서 정렬된 방향으로 추진력이 발생하게 된다.
한편, 상기 외측원통형케이싱(400)의 외주면에는 상기 임의의 공간(S)과 연통되도록 제1관통홀(h1)이 구비되고, 상기 외측원통형케이싱(400)의 일단부에는 구동모터와 같은 회전구동수단과 연동하기 위한 기어부(410)가 구비되며, 상기 외측원통형케이싱(400)의 외주면에는 상기 외측원통형케이싱(400)의 회전시 구름접촉되어 지지하는 베어링수단(600)이 구비된다. 상기 베어링수단(600)은 상기 외측원통형케이싱(400)의 외주면과 구름접촉되는 롤러(R)가 구비된다.
또한, 상기 내측원통형케이싱(500)의 외주면에는 상기 임의의 공간(S)과 연통되도록 제2관통홀(h2)이 구비되고, 상기 외측원통형케이싱(400)과 상기 내측원통형케이싱(500)은 상기 제1관통홀(h1)과 상기 제2관통홀(h2)이 상호 연통하여 배열되도록 위치되어 상호 고정됨에 따라 상기 유니폼새들코일(120) 및 상기 그레디언트새들코일(220)이 상호 고정되어 동시에 회전하게 된다.
여기서, 상기 마이크로로봇(MCRB)은 자화 가능한 강자성체(Ferro Magnet) 또는 이미 자화가 되어 있는 영구자석(Permanent Magnet)으로 구성되어, 상기 한 쌍 의 헬름홀츠코일(110), 한 쌍의 유니폼새들코일(120)의 전자기장에 의한 자력으로부터 자화되어 마이크로로봇(MCRB)의 정렬 방향이 결정되고, 상기 한 쌍의 맥스웰코일(210), 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)의 전자기장에 의한 자력으로부터 자화되어 마이크로로봇(MCRB)의 이동 및 세기(추진력)가 제공된다.
상기 마이크로로봇(MCRB)은 상기 공간(S)의 중심에 안착되며, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110), 한 쌍의 유니폼새들코일(120) 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일(210), 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)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.
다음으로, 위치인식부(700), 제어부(800)에 대하여 설명하도록 한다.
도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 위치인식부(700)는 상기 공간(S)상에서 유동하는 마이크로로봇(MCRB)의 위치를 파악하기 위한 부분이고, 상기 제어부(800)는 상기 위치인식부(700)에서 검출된 마이크로로봇(MCRB)의 움직임정보와 기입력된 마이크로로봇(MCRB)의 노선정보를 기반으로 상기 마이크로로봇(MCRB)의 궤적을 제어하기 위해 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110), 한 쌍의 유니폼새들코일(120) 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일(210), 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)의 전류공급량을 제어하고, 상기 유니폼새들코일(120) 및 그레디언트새들코일(220)의 x 축 회전량을 제어하는 부분이다.
상기 제어부(800)는 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110)과 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(210)에 대한 각각의 전류 제어를 수행하여 각 코일로부터 유기되는 전자기장의 세기를 조절하여 평면상에서 마이크로로봇(MCRB)의 진행 방향을 결정하고, 상기 한 쌍의 맥스웰코일(210)과 상기 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)에 대한 각각의 전류 제어를 수행하여 평면상에서 마이크로로봇(MCRB)의 정렬방향 이동속도 및 세기를 결정하며, 상기 유니폼새들코일(210)과 그레디언트새들코일(220)을 회전시킴으로서 작용평면을 회전시킴으로서 마이크로로봇(MCRB)의 3차원 유동이 가능하게 한다.
즉, 마이크로로봇(MCRB)이 기 설정된 타겟 위치로 유동시키기 위한 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110), 한 쌍의 유니폼새들코일(120) 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일(210), 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)의 전류값제어, 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120) 및 상기 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)의 x축 회전량제어로서, 위치인식부(700)에서 검출된 마이크로로봇(MCRB)의 현재 위치 정보 및 설정된 타겟에 대응하는 마이크로로봇(MCRB)의 노선 정보를 토대로 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110), 한 쌍의 유니폼새들코일(120) 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일(210), 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)에 대한 전자기장의 세기 및 방향이 설정되고, 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120) 및 상기 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)의 x축 회전량이 설정되는 것이다.
한편, 전술된 위치인식부(700)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 위치인식 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 6은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 동작 상태를 설명하기 위한 플로우챠트로서, 도 6을 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 도 착해야 할 타겟 위치를 설정한다.
3단계 - 마이크로로봇( MCRB ) 감시
다음으로, 상기 위치인식부(700)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(700)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(800)는 위치인식부(700)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 헬름홀츠코일 (210), 한 쌍의 유니폼새들코일 (120) 전류 제어
다음으로, 상기 제어부(800)는 마이크로로봇(MCRB)의 경로에 따른 이동 방향을 토대로, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일(110), 한 쌍의 유니폼새들코일(120)로 공급해야 할 전류량을 산출한다. 한 쌍의 헬름홀츠코일(110), 한 쌍의 유니폼새들코일(120)로 공급되는 전류는 마이크로로봇(MCRB)이 자화하고 원하는 방향으로 조향하기 위한 것으로, 혈류 량이나 혈관의 압력에 따라 가변된다.
6단계 - 한 쌍의 유니폼새들코일 (120) 및 한 쌍의 그레디언트새들코일 (220) x축 회전 제어와, 한 쌍의 맥스웰코일(210) 및 한 쌍의 그레디언트새들코일 (220) 전류 제어
다음으로, 상기 마이크로로봇(MCRB)의 이동 방향 및 이동 속도에 대응하는 방향에 맞도록 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120) 및 한 쌍의 그레디언트새들코일(220) x축 회전량을 제어하여 회전시킨다.
다음으로, 상기 제어부(800)는 맥스웰코일(210) 및 그레디언트새들코일(220)을 기동 제어한다. 상기 제어부(800)는 기 설정된 마이크로로봇(MCRB)의 이동 방향에 따른 이동 속도에 대응하여 맥스웰코일(210) 및 그레디언트새들코일(220)을 구동하기 위한 제어신호를 생성한다. 이때, 별도의 전류증폭부(미도시)를 구비할 수 있으며, 이 전류증폭부는 제어부(800)의 제어신호에 응답하여 맥스웰코일(210) 및 그레디언트새들코일(220)로 해당 전류량을 공급한다. 전류량 설정은 마이크로로봇(MCRB)의 설정된 이동속도 또는 혈류 부하에 비례하여 각 코일로 전류를 공급한다.
7단계 - 마이크로로봇( MCRB ) 궤적 검출
다음으로, 상기 제어부(800)는 마이크로로봇(MCRB)에 대한 움직임을 감지하고, 궤적에 대한 보정을 수행한다. 이는 혈류의 부하에 대응하기 위한 것으로, 본 과정에서 상기 위치인식부(700)를 통해 마이크로로봇(MCRB)의 궤적을 인지한다.
8단계 - 한 쌍의 헬름홀츠코일 (110), 한 쌍의 유니폼새들코일 (120) 및 한 쌍의 맥스웰코일(210), 한 쌍의 그레디언트새들코일 (220) 전류량 조절과 한 쌍의 유니폼새들코일(120) 및 한 쌍의 그레디언트새들코일 (220) x축 회전 제어
다음으로, 판단한 결과 한 쌍의 헬름홀츠코일(110), 한 쌍의 유니폼새들코일(120) 및 한 쌍의 맥스웰코일(210), 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)로 인가되는 전류량 정보 및 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120) 및 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)의 x축 회전량 정보를 기준으로 마이크로로봇(MCRB)의 유동 속도가 정상범위일 경우, 5단계로 피드백하여 기 설정된 마이크로로봇(MCRB)의 경로에 따라 한 쌍의 헬름홀츠코일(110), 한 쌍의 유니폼새들코일(120) 및 한 쌍의 맥스웰코일(210), 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)로 인가되는 전류량을 조정하고, 상기 한 쌍의 유니폼새들코일(120) 및 한 쌍의 그레디언트새들코일(220)의 x축 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 분해사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 개략적인 구성을 보여주는 평면도와 A-A단면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 개략적인 구성을 보여주는 정면도와 B-B단면도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 동작 상태를 설명하기 위한 플로우챠트.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 그레디언트새들코일.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 그레디언트새들코일의 기하학적 조건과 관심영역 내의 자기장 분포.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 유니폼새들코일.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 유니폼새들코일의 기하학적 조건과 관심영역 내의 자기장 분포.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 전자기 구동장치의 작용평면과 회전에 의한 마이크로로봇의 3차원 구동 개념을 설명하기 위한 개념도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110:맥스웰코일 120:유니폼새들코일
210:헬름홀츠코일 220:그레디언트새들코일
300:메인케이싱 310:프레임
320:코일권취링 400:외측원통형케이싱
410:기어부 500:내측원통형케이싱
600:베어링수단 700:위치인식부
800:제어부 MCRB:마이크로로봇
h1:제1관통홀 h2:제2관통홀

Claims (17)

  1. 마이크로로봇을 자화시키고 정렬방향을 결정하는 헬름홀츠코일 및 상기 마이크로로봇의 자화력과 상호작용하여 마이크로로봇의 추진력을 제공하는 맥스웰코일을 포함하여 x, y, z축 공간상에 설치되는 3차원 전자기 구동장치에 있어서,
    y-z축 평면에 평행하도록 임의의 공간을 중심으로 대향 배치되어 고정설치되는 한 쌍의 맥스웰코일;
    상기 한 쌍의 맥스웰코일과 이웃하여 y-z축 평면에 평행하도록 상기 공간을 중심으로 대향 배치되어 고정설치되는 한 쌍의 헬름홀츠코일;
    상기 한 쌍의 맥스웰코일 및 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일의 안측을 가로질러 위치하되, x축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되는 한 쌍의 유니폼새들코일; 및
    상기 한 쌍의 유니폼새들코일의 안측으로 위치하고, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일의 내측을 가로질러 위치하되, x축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되는 한 쌍의 그레디언트새들코일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 맥스웰코일의 내측에 상기 헬름홀츠코일이 위치되는 것을 특징으로 하 는 3차원 전자기 구동장치.
  3. 제2항에 있어서,
    "U" 자형의 프레임, 상기 프레임의 각 단부에서 내측으로 형성된 복수 쌍의 코일권취링을 포함하는 메인케이싱을 포함하여 구성되고, 상기 복수 쌍의 코일권취링 중 외측의 코일권취링에 상기 맥스웰코일이 권취되고, 상기 복수 쌍의 코일권취링 중 내측의 코일권취링에 상기 헬름홀츠코일이 권취되는 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 헬름홀츠코일 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일의 내측을 가로질러 위치하고 x축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되는 외측원통형케이싱을 포함하여 구성되고, 상기 외측원통형케이싱의 외주면 양측에 상기 한 쌍의 유니폼새들코일이 각각 권취되는 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 외측원통형케이싱의 외주면에는 상기 임의의 공간과 연통되도록 제1관 통홀이 구비된 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 외측원통형케이싱의 일단부에는 기어부가 구비된 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 외측원통형케이싱의 외주면에 구름접촉되어 지지하는 베어링수단이 구비된 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 유니폼새들코일의 안측으로 위치하고, 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일 및 상기 한 쌍의 맥스웰코일의 내측을 가로질러 위치하며, x축을 회전축으로 하여 회전자재하게 설치되는 내측원통형케이싱을 포함하여 구성되고, 상기 내측원통형케이싱의 외주면 양측에 상기 한 쌍의 그레디언트새들코일이 각각 권취되는 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 내측원통형케이싱의 외주면에는 상기 임의의 공간과 연통되도록 제2관통홀이 구비된 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유니폼새들코일 및 상기 그레디언트새들코일은 상호 동시에 회전하는 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 헬름홀츠코일은 전류 방향이 동일한 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 유니폼새들코일은 전류 방향이 동일한 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 맥스웰코일은 전류 방향이 상이한 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 그레디언트새들코일은 전류 방향이 상이한 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
  15. 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 맥스웰코일, 한 쌍의 유니폼새들코일 및 상기 한 쌍의 헬름홀츠코일, 한 쌍의 그레디언트새들코일의 전류공급량을 제어하고, 상기 유니폼새들코일 및 그레디언트새들코일의 x축 회전량을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 전자기 구동장치.
  16. 제15항에 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.
  17. 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.
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