KR20150042117A - 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 반지름보다 큰 거리로 상호 이격 배치되고 x축을 동축으로 하며 동일 방향의 전류가 흐르는 제1 및 제2 원형코일을 포함하는 제1 원형코일 쌍과, 반지름보다 큰 거리로 상호 이격 배치되고 y축을 동축으로 하며 동일 방향의 전류가 흐르는 제3 및 제4 원형코일을 포함하며, 상기 제1 원형코일 쌍과 함께 내부에 2차원 공간을 형성하는 제2 원형코일 쌍, 및 상기 2차원 공간 내에서 마이크로 로봇이 배치된 지점을 향해 균일 자기장 영역을 이동시켜 상기 마이크로 로봇의 정렬 방향을 설정 방향으로 조절하도록, 상기 제1 원형코일 쌍 또는 상기 제2 원형코일 쌍의 전류 값을 제어하는 전류 제어부를 포함하는 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치를 제공한다.
상기 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치에 따르면, 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 정렬 방향을 효과적으로 제어할 수 있으며 마이크로 로봇이 움직일 수 있는 작업 공간을 확장할 수 있는 이점이 있다.

Description

2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치{Apparatus for steering control of micro robot in 2D plane}

본 발명은 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원형코일에 의한 전자기장을 이용하여 마이크로 로봇을 제어할 수 있는 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치에 관한 것이다.

최근 마이크로 로봇을 이용한 외과적 수술 및 생명공학 분야에 대해 많은 연구가 진행되고 있다. 마이크로 로봇은 국소 부위의 수술에 사용되거나 특정 부위에 약물을 전달하는 의료용 및 단일세포 조작과 같은 생명 공학용 등으로 응용되고 있다.

일반적으로 마이크로 로봇은 전자기장에 의해서 방향 및 속도가 제어되며 전자기장에 반응하기 위해서 강자성체(Hard magnet) 또는 연자성체(Soft magnet) 성질을 가진다.

기존의 전자기장을 이용한 마이크로 로봇의 제어는 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)을 이용하여 코일 사이에 균일한 자기장(uniform magnetic field)를 형성하여 로봇의 방향을 제어하고 맥스웰 코일(Maxwell coil)을 이용하여 균일한 경사 자기장(uniform gradient of magnetic field)을 형성하여 로봇의 이동 속도 제어를 한다. 관련된 배경기술은 국내등록특허 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 자기 토크에 의해 자기장 방향과 일치하는 방향으로 정렬(회전)된다.

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.

이와 같이 전자기장을 이용한 마이크로 로봇의 제어는 헬름홀츠 코일을 이용하여 코일 사이에 균일한 자계를 형성하여 로봇의 정렬 방향을 제어하고 맥스웰 코일을 이용하여 균일한 경사 자계를 형성하여 로봇의 이동 및 속도를 제어한다.

한편 헬름홀츠 코일을 2쌍으로 구성하면 마이크로 로봇의 정렬 방향을 2차원 평면 상에서 제어할 수 있다. 도 4는 도 1의 헬름홀츠 코일을 두 쌍으로 구현한 2차원 평면에서의 제어 개념도이다. 한 쌍의 코일은 x축, 나머지 한 쌍의 코일은 y축 방향을 중심 축으로 하고 있다. 마이크로 로봇은 두 헬름홀츠 코일 쌍이 형성한 공간 내에서 그 방향 및 이동이 제어될 수 있다. 도 4에 도시된 자기장 방향은 단지 하나의 예로서 이는 조절될 수 있다.

여기서, 헬름홀츠 코일의 경우, 두 원형코일 사이의 거리는 반지름과 같아야 하는데, 2차원 코일 시스템의 구성에도 이를 적용하면 도 4와 같이 코일 간 겹침이 필요하게 되며 마이크로 로봇이 움직일 수 있는 작업 공간이 협소해지게 된다. 해당 작업 공간에는 카메라, 현미경 등의 부수적인 세팅 장치들이 설치되어야 하는데 이러한 부수적인 장치들을 설치하기에는 원형코일 사이의 공간이 매우 한정적이다. 따라서, 마이크로 로봇의 작업 공간을 넓힐 수 있는 코일 시스템이 요구된다.

본 발명은 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 정렬 방향을 효과적으로 제어할 수 있으며 마이크로 로봇이 움직일 수 있는 작업 공간을 확장할 수 있는 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 반지름보다 큰 거리로 상호 이격 배치되고 x축을 동축으로 하며 동일 방향의 전류가 흐르는 제1 및 제2 원형코일을 포함하는 제1 원형코일 쌍과, 반지름보다 큰 거리로 상호 이격 배치되고 y축을 동축으로 하며 동일 방향의 전류가 흐르는 제3 및 제4 원형코일을 포함하며, 상기 제1 원형코일 쌍과 함께 내부에 2차원 공간을 형성하는 제2 원형코일 쌍, 및 상기 2차원 공간 내에서 마이크로 로봇이 배치된 지점을 향해 균일 자기장 영역을 이동시켜 상기 마이크로 로봇의 정렬 방향을 설정 방향으로 조절하도록, 상기 제1 원형코일 쌍 또는 상기 제2 원형코일 쌍의 전류 값을 제어하는 전류 제어부를 포함하는 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치를 제공한다.

여기서, 상기 전류 제어부는, 상기 2차원 공간의 중앙 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 x축 방향으로 정렬하고자 하는 경우, 상기 제1 및 제2 원형코일의 전류 값을 동일한 값으로 제어하고, 상기 2차원 공간의 중앙 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 y축 방향으로 정렬하고자 하는 경우, 상기 제3 및 제4 원형코일의 전류 값을 동일한 값으로 제어할 수 있다.

또한, 상기 전류 제어부는, 상기 제1 및 제2 원형코일의 전류 값을 달리 조절하면 상기 균일 자기장 영역이 x축에 대해 좌우 이동 가능하고, 상기 제3 및 제4 원형코일의 전류 값을 달리 조절하면 상기 균일 자기장 영역이 y축에 대해 전후 이동 가능하되, 상기 균일 자기장 영역은 전류 값이 작은 원형코일 측으로 이동하며 전류 값의 차이가 클수록 상기 2차원 공간의 중앙 지점으로부터 멀어질 수 있다.

또한, 상기 중앙 지점으로부터 x축 방향으로 임의 거리 이격된 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 x축 방향으로 정렬하고자 하는 경우, 상기 마이크로 로봇이 배치된 지점에 대응하는 값으로 상기 제1 및 제2 원형코일 간의 전류 비를 조절하여 상기 균일 자기장 영역을 상기 마이크로 로봇이 위치한 지점으로 이동시키고, 상기 중앙 지점으로부터 y축 방향으로 임의 거리 이격된 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 y축 방향으로 정렬하고자 하는 경우, 상기 마이크로 로봇이 배치된 지점에 대응하는 값으로 상기 제3 및 제4 원형코일 간의 전류 비를 조절하여 상기 균일 자기장 영역을 상기 마이크로 로봇이 위치한 지점으로 이동시킬 수 있다.

그리고, 상기 마이크로 로봇의 방향 제어장치는, 상기 제1 및 제2 원형코일의 외측에 각각 배치되고 반대 방향의 전류가 흐르는 동축의 제5 및 제6 원형코일을 포함하는 제3 원형코일 쌍, 및 상기 제3 및 제4 원형코일의 외측에 각각 배치되고 반대 방향의 전류가 흐르는 동축의 제7 및 제8 원형코일을 포함하는 제4 원형코일 쌍을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 전류 제어부는, 상기 2차원 공간의 중앙 지점으로부터 y축 또는 x축 방향으로 임의 거리 이격된 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을, 이격된 방향과 수직인 x축 또는 y축 방향으로 정렬하고자 하는 경우, 상기 제1 및 제4 원형코일 쌍 또는 상기 제2 및 제3 원형코일 쌍의 전류 값을 제어할 수 있다.

여기서, 상기 전류 제어부는, 상기 중앙 지점으로부터 y축 방향으로 임의 거리 이격된 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 x축 방향으로 정렬하고자 하는 경우, 상기 제1 및 제2 원형코일에 동일 전류를 인가하여 상기 마이크로 로봇을 x축 방향으로 정렬하는 동시에, 상기 제7 및 제8 원형코일에 각각 마이크로 로봇의 이격 거리와 비례하는 전류를 인가하여 상기 마이크로 로봇이 상기 중앙 지점으로 이끌려가지 않고 현재 위치를 유지하도록 제어하고, 상기 중앙 지점으로부터 x축 방향으로 임의 거리 이격된 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 y축 방향으로 정렬하고자 하는 경우, 상기 제3 및 제4 원형코일에 동일 전류를 인가하여 상기 마이크로 로봇을 y축 방향으로 정렬하는 동시에, 상기 제5 및 제6 원형코일에 각각 마이크로 로봇의 이격 거리와 비례하는 전류를 인가하여 상기 마이크로 로봇이 상기 중앙 지점으로 이끌려가지 않고 현재 위치를 유지하도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 전류 제어부는, 상기 마이크로 로봇의 정렬 방향을 x,y축에 대해 기울임 있는 방향으로 제어하고자 하는 경우, 상기 제1 내지 제4 원형코일 쌍에 포함된 모든 원형코일의 전류 값을 복합적으로 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치에 따르면, 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 정렬 방향을 효과적으로 제어할 수 있으며 마이크로 로봇이 움직일 수 있는 작업 공간을 확장할 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 도 1의 헬름홀츠 코일을 두 쌍으로 구현한 2차원 평면에서의 제어 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 코일 사이의 거리가 코일의 반지름보다 큰 경우의 자기장 영역을 나타낸다.
도 6은 도 5의 두 원형코일의 전류량에 따른 균일 자기장 영역의 위치 변화를 나타낸다.
도 7은 도 5의 적용에 따른 자기장 영역의 축소를 설명하는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 로봇의 방향 제어장치의 구성도이다.
도 9 내지 도 11은 도 8을 이용한 제1 내지 제3 실시예에 따른 마이크로 로봇의 제어 개념을 나타낸다.

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

본 발명은 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치에 관한 것으로, 전자기장을 이용하여 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 정렬 방향을 제어할 수 있다. 본 발명의 실시예의 경우 기존의 헬름홀츠 코일과는 달리, 코일 사이의 거리에 대한 제한이 없으며 코일 사이의 거리를 자유롭게 조절할 수 있다.

본 발명의 경우 도 4와 유사한 2차원 코일 시스템을 제안하되, 도 4의 경우와 달리 코일 사이의 거리가 코일의 반지름보다 큰 형태를 사용한다. 본 실시예에 관한 상세한 설명에 앞서, 코일 사이의 거리와 반지름 간의 관계에 따른 자기장 영역의 크기 변화에 관하여, 한 쌍의 원형코일을 예시로 하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에서 원형코일 사이의 거리가 코일의 반지름보다 큰 경우의 자기장 영역을 나타낸다. 도 5의 (a)를 참조하면 두 원형코일은 서로 동축으로 평행하게 배치되어 있고 반지름 및 코일 감은수가 서로 동일하다. 단, 두 원형코일 사이의 거리 D는 반지름 R보다 큰 거리로 이격되어 있다. 도 5의 (b)를 참조하면 두 원형코일 사이의 공간상에 균일 자기장 영역이 형성되며, 균일 자기장 영역이 형성되는 원리는 앞서 도 2를 통해 설명한 바 있다. 자화된 마이크로 로봇은 균일 자기장 영역 내에서는 자기장 방향과 일치하는 방향으로 정렬(회전)된다.

여기서, D>R인 도 5의 경우, D=R인 도 2의 경우(도 5의 점선 그래프 참조)보다 균일 자기장 영역의 크기가 줄어든 것을 확인할 수 있으며, 이러한 경우 마이크로 로봇의 방향을 제어할 수 있는 영역 또한 축소되게 된다.

다만, 본 실시예에 따르면, 두 원형코일에 흐르는 전류량을 조절하여 균일 자기장 영역의 위치를 자유자재로 이동시킬 수 있다. 이때, 균일 자기장 영역은 두 원형코일 중 공급된 전류 값이 작은 원형코일 쪽으로 이동하게 되며, 이는 이하의 도 6을 참조한다.

도 6은 도 5의 두 원형코일의 전류량에 따른 균일 자기장 영역의 위치 변화를 나타낸다. 두 원형코일의 전류량이 동일한 (b)의 경우, 균일 자기장 영역은 두 코일의 중심 영역의 위치에 형성된다. 또한 좌측 원형코일의 전류 값이 우측보다 더 작은 (a)의 경우, 균일 자기장 영역은 좌측 원형코일에 치우치는 방향으로 이동한다. 그 반대의 경우인 (c) 역시 상기의 원리에 따른다. 또한 이를 바탕으로, 균일 자기장 영역은 두 원형코일에 공급된 전류 값의 차가 클수록, 좌측 또는 우측 원형코일에 근접한 위치(좌측 외곽 또는 우측 외곽)로 점차 이동한다.

도 7은 도 5의 적용에 따른 자기장 영역의 축소를 설명하는 개념도이다. 도 7의 (a)는 d=r인 도 4와 같은 2차원 헬름홀츠 코일 시스템을 평면적으로 도시한 것이다. 다만, 도 7의 (a)는 설명의 편의를 위하여 도 4와 같은 코일 간의 겹침 표현은 생략한 것이므로 육안으로 d가 r보다 커보이는 것은 무시하도록 한다.

도 7의 (b)는 d<r인 코일 두 쌍을 이용한 코일 시스템이다. 이와 같이 d>r인 경우는 d=r인 경우에 비하여 균일한 자기장 영역(점선 영역)이 줄어들고 마이크로 로봇의 방향 제어 가능 영역이 축소되는 것을 확인할 수 있다.

도 7의 (b)의 구성에서, 만약 마이크로 로봇이 점선 영역의 외부 위치에 존재하면 마이크로 로봇의 방향 제어가 불가능하게 된다. 이러한 경우 마이크로 로봇이 위치한 지점 측으로 상기 점선 영역을 좌우 또는 상하로 이동시킬 필요가 있으며, 이는 앞서 도 6의 원리를 이용하면 된다. 이렇게 점선 영역을 이동시키면 마이크로 로봇의 방향 제어 영역 및 그 작업 공간을 확장시킬 수 있다.

이하의 본 발명의 실시예는 코일 간의 거리가 길어지면서 오히려 줄어드는 마이크로 로봇의 방향 제어 영역을 확장시키기 위한 방법으로 도 8과 같은 장치를 사용한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 로봇의 방향 제어장치의 구성도이다. 도 8은 각각의 원형코일을 임의 반지름으로 도시하고 있으며, x축을 중심축으로 하는 코일과 y축을 중심 축으로 하는 코일 간에 서로 겹침이 없는 것으로 도시하고 있다. 물론, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

본 실시예의 경우, d>r로 구현하면서 협소해지는 마이크로 로봇의 방향 제어 영역(점선 영역)을 도 8과 같이 상하 좌우 이동시키는 것을 통해 마이크로 로봇의 방향 제어 영역을 확장시킬 수 있다. 즉, 보다 넓은 영역에서 마이크로 로봇을 정렬하여 작동시키기 위해서는 균일 자기장 영역을 마이크로 로봇의 위치를 향해 이동시키면 된다.

이하의 본 발명의 실시예에서는 마이크로 로봇이 존재하는 지점을 향하여 균일 자기장 영역을 이동시켜서 해당 지점에 있는 마이크로 로봇을 원하는 방향으로 정렬시키고, 이에 더하여 상기 정렬 과정에서 마이크로 로봇이 주변 자기장의 영향에 의해 현재 위치로부터 외부로 이동하지 않도록, 주변 자기장과 반대의 자력(힘)을 가하여 보상하도록 한다.

이하의 본 실시예에 따른 마이크로 로봇의 정렬 과정은 마이크로 로봇이 해당 정렬 방향을 향해 이동하기 이전에 수행되는 과정이다. 즉, 일반적으로 마이크로 로봇의 제어는, 원하는 방향으로 정렬을 수행한 다음 실질적인 이동(거리 상의 이동) 제어를 수행한다. 따라서, 본 실시예에 따른 마이크로 로봇의 정렬 과정은 마이크로 로봇의 실질적인 이동 이전에 수행되는 과정임을 이해하여야 한다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 로봇의 방향 제어 장치(100)는 제1 내지 제4 원형코일 쌍을 포함한다. 여기서, 제1 및 제2 원형코일 쌍은 현재 마이크로 로봇이 위치한 지점 상으로 균일 자기장 영역을 이동시키는 역할을 하고, 제3 및 제4 원형코일은 마이크로 로봇이 원하는 방향으로 정렬된 상태에서 외부로 이동하지 않도록 보상하는 역할을 한다.

우선, 제1 원형코일 쌍은 제1 및 제2 원형코일(110,120)을 포함한다. 제1 및 제2 원형코일(110,120)은 반지름보다 큰 거리로 상호 이격 배치되고 x축을 동축으로 하며 서로 동일 방향의 전류가 흐른다.

제2 원형코일 쌍은 상기 제1 원형 코일 쌍과 함께 내부에 2차원 공간을 형성하는 것으로서, 제3 및 제4 원형코일(130,140)을 포함한다. 제3 및 제4 원형코일(130,140)은 반지름보다 큰 거리로 상호 이격 배치되고 y축을 동축으로 하며 동일 방향의 전류가 흐른다.

이러한 제1 또는 제2 원형코일 쌍은 2차원 평면 내의 임의 지점에 위치한 마이크로 로봇을 원하는 방향으로 정렬하기 위한 자계(균일 자기장 영역)를 상기 마이크로 로봇이 존재하는 지점 상에 형성시키는 역할을 한다.

본 발명의 실시예는 이러한 각 원형코일의 전류 값을 제어하는 전류 제어부(미도시)를 포함한다. 전류 제어부는 2차원 공간 내에서 마이크로 로봇이 배치된 지점을 향해 균일 자기장 영역을 이동시켜 상기 마이크로 로봇의 정렬 방향을 설정 방향으로 조절하도록, 상기 제1 원형코일 쌍 또는 상기 제2 원형코일 쌍의 전류 값을 제어한다.

가장 간단한 예로서, 만약 상기 2차원 공간의 중앙 지점(Center)에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 x축 방향으로 정렬하고자 하는 경우, 전류 제어부는 도 8에서 제1 및 제2 원형코일(110,120)의 전류 값을 동일한 값으로 제어하면 된다.

그 반대로, 상기 중앙 지점(Center)에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 y축 방향으로 정렬하고자 하는 경우, 제3 및 제4 원형코일(130,140)의 전류 값을 동일한 값으로 제어하면 된다. 이는 앞서 도 6의 (b)에서 두 코일의 전류 값이 동일한 경우 두 코일 간의 중앙 지점에 균일 자기장 영역이 형성되는 원리를 이용한 것이다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제1 및 제2 원형코일(110,120)의 전류 값을 달리 조절하면 상기 균일 자기장 영역이 x축에 대해 좌우 이동 가능하고, 상기 제3 및 제4 원형코일(130,140)의 전류 값을 달리 조절하면 상기 균일 자기장 영역이 y축에 대해 전후 이동 가능하다. 여기서, 상기 균일 자기장 영역은 전류 값이 작은 원형코일 측으로 이동하며 전류 값의 차이가 클수록 상기 2차원 공간의 중앙 지점으로부터 멀어지는 경향을 나타냄을 앞서 설명한 바 있다.

이하에서는 전류 제어부를 이용한 마이크로 로봇의 영역 확장 방법을 다양한 실시예를 통하여 설명한다.

먼저, 2차원 영역의 중앙 지점을 기준으로 현재 마이크로 로봇이 존재하는(떨어진) 방향과, 이 마이크로 로봇에 대한 원하는 정렬 방향이 상호 수평한 경우에 대한 전류 제어 예를 설명한다.

도 9는 도 8을 이용한 일 실시예에 따른 마이크로 로봇의 제어 개념을 나타낸다. 이러한 도 9는 상기 2차원 공간의 중앙 지점(C;Center)으로부터 x축 방향(화살표 방향)으로 임의 거리 이격된 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 x축 방향으로 정렬하고자 하는 경우이다. 마이크로 로봇의 음영 부분은 헤드(head)를 나타낸다. 헤드의 방향을 통해 마이크로 로봇의 정렬 방향을 알 수 있다.

여기서, 상기 균일 자기장 영역을 도 9의 현재 상기 마이크로 로봇이 위치한 지점으로 이동시키기 위해서는, 마이크로 로봇이 배치된 지점에 대응하는 값으로 상기 제1 및 제2 원형코일(110,120) 간의 전류 비를 조절하면 된다. 예를 들어, 제1 원형 코일(120)에 대한 제2 원형코일(110)의 비를 작게 할수록 균일 자기장 영역은 현재 마이크로 로봇이 위치한 양의 x축 방향으로 점차 이동할 것이다. 물론, 이와 달리 음의 x축 방향 상에 마이크로 로봇이 위치한 경우는 그 반대의 비를 적용하면 된다.

이와 동일한 원리로, 만약 상기 중앙 지점(C)으로부터 y축 방향으로 임의 거리 이격된 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 y축 방향으로 정렬하고자 하는 경우에는, 상기 마이크로 로봇이 배치된 지점에 대응하는 값으로 상기 제3 및 제4 원형코일(130,140) 간의 전류 비를 조절하여 상기 균일 자기장 영역을 상기 마이크로 로봇이 위치한 지점으로 이동시키면 된다.

이와 같이, x축(또는 y축) 상에 마이크로 로봇이 존재하고, 상기 마이크로 로봇의 정렬 방향을 그와 동일한 x축(또는 y축) 방향으로 조절해야 하는 경우에는, 간단히 제1 및 제2 원형코일의 비(또는 제3 및 제4 원형코일의 비)를 조절하면 되는 것을 알 수 있다.

그러나, 중앙 지점(C)으로부터 현재 마이크로 로봇이 존재하는 방향과, 마이크로 로봇이 정렬해야 하는 방향이 서로 수직인 경우에는 아래와 같이 제3 및 제4 원형코일 쌍을 더 사용하도록 한다.

여기서, 제3 원형코일 쌍은 제5 및 제6 원형코일(150,160)을 포함한다. 이러한 제5 및 제6 원형코일(150,160)은 제1 및 제2 원형코일(110,120)의 외측에 각각 배치되고 동축을 가지며 상호 반대 방향의 전류가 흐른다.

제4 원형코일 쌍은 제7 및 제8 원형코일(170,180)을 포함한다. 이러한 제7 및 제8 원형코일(170,180) 또한 제3 및 제4 원형코일(130,140)의 외측에 각각 배치되는 동축을 가지며 상호 반대 방향의 전류가 흐른다.

여기서, 상기 전류 제어부는, 상기 2차원 공간의 중앙 지점(C)으로부터 y축(또는 x축) 방향으로 임의 거리 이격된 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을, 이격된 방향과 수직인 x축(또는 y축) 방향으로 정렬하고자 하는 경우, 상기 제1 및 제4 원형코일 쌍(또는 상기 제2 및 제3 원형코일 쌍)의 전류 값을 제어한다.

이와 같이, 2차원 영역의 중앙 지점(C)을 기준으로 현재 마이크로 로봇이 존재하는(떨어진) 방향과, 이 마이크로 로봇에 대한 원하는 정렬 방향이 상호 수직인 경우에 대한 전류 제어 예는 다음과 같다.

도 10은 도 8을 이용한 제2 실시예에 따른 마이크로 로봇의 제어 개념을 나타낸다. 이러한 도 10은 상기 중앙 지점(C)으로부터 y축 방향(화살표 방향)으로 임의 거리 이격된 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 x축 방향으로 정렬하고자 하는 경우이다.

여기서, 상기 균일 자기장 영역을 도 10의 현재 마이크로 로봇이 위치한 지점으로 이동시키기 위해서는, 우선 상기 제1 및 제2 원형코일(110,120)에 동일 전류를 인가하여 상기 마이크로 로봇을 x축 방향으로 정렬하는 동시에, 상기 제7 및 제8 원형코일(170,180)에 각각 마이크로 로봇의 이격 거리와 비례하는 전류를 인가하여 상기 마이크로 로봇이 상기 중앙 지점으로 이끌려가지 않고 현재 위치를 유지하도록 제어한다.

그 이유는 다음과 같다. 현재 도 10과 같은 위치에 마이크로 로봇이 존재할 때, 제1 및 제2 원형코일(110,120)에 동일한 값의 전류를 흘려주면 도 6의 (b)의 원리에 의해 마이크로 로봇이 x축 방향으로 정렬이 되게 된다.

여기서, 마이크로 로봇이 도 9와 같은 y=0인 x축 선상의 임의 지점에 있는 경우에는 문제가 되지 않지만, 도 10과 같이 y축 방향으로 임의 거리 떨어진 지점에 위치하고 있을 때 두 원형코일(110,120)에 동일한 전류를 흘려주면, 마이크로 로봇의 정렬 방향은 x축으로 세팅되지만 이와 동시에 2차원 공간의 중심점을 향하여 발생하는 자계 즉, 현재 마이크로 로봇의 위치에서 음의 y축 방향으로 발생하는 자계의 영향을 받아, 마이크로 로봇이 점점 중앙 지점(C)을 향해 아래로 이동하려는 경향을 보이게 된다.

본 실시예에서는 도 10과 같은 위치에 존재하는 마이크로 로봇에 대한 x축 방향의 정렬 시에, 상기 제7 및 제8 원형코일(170,180)에도 전류 값을 인가하면, 현재 마이크로 로봇이 위치한 지점으로부터 음의 y축 방향으로 발생하는 자계와 반대되는 자력을 발생시켜서 그 크기를 0으로 상쇄시킴에 따라, 상기 정렬된 마이크로 로봇이 현재의 위치를 유지할 수 있도록 한다. 여기서, 제7 및 제8 원형코일(170,180)에 인가되는 전류 값은 마이크로 로봇의 위치가 중앙 지점(C)에서 멀어질수록 큰 값을 사용하면 된다.

이와 반대로, 상기 중앙 지점으로부터 x축 방향으로 임의 거리 이격된 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 y축 방향으로 정렬하고자 하는 경우에도 상술한 바와 동일한 원리를 이용하면 된다. 즉, 전류 제어부는 상기 제3 및 제4 원형코일(130,140)에 동일 전류를 인가하여 상기 마이크로 로봇을 y축 방향으로 정렬하는 동시에, 상기 제5 및 제6 원형코일(150,160)에 각각 마이크로 로봇의 이격 거리와 비례하는 전류를 인가하여 상기 마이크로 로봇이 상기 중앙 지점으로 이끌려가지 않고 현재 위치를 유지하도록 제어한다.

도 11은 도 8을 이용한 제3 실시예에 따른 마이크로 로봇의 제어 개념을 나타낸다. 도 11은 상기 마이크로 로봇의 정렬 방향을 x,y축에 대해 기울임 있는 방향(화살표 방향)으로 제어하고자 하는 경우이다. 이러한 경우는 앞서 상술한 수평 방향과 수직 방향의 영역 확장 방법(도 9, 도 10)을 모두 이용하여 방향을 제어하도록 한다. 즉, 전류 제어부는 상기 제1 내지 제4 원형코일 쌍에 포함된 모든 원형코일(110~180)의 전류 값을 복합적으로 조절한다. 이에 따라, 도 11에 도시된 마이크로 로봇의 위치 지점으로 상기 균일 자기장 영역을 이동시켜서 마이크로 로봇을 원하는 방향으로 정렬함과 동시에, 마이크로 로봇이 현재의 위치를 벗어나지 않도록 보상할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따른 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치에 따르면, 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 정렬 방향을 효과적으로 제어할 수 있으며 마이크로 로봇이 움직일 수 있는 작업 공간을 확장할 수 있는 이점이 있다.

이러한 본 발명은 코일의 크기 및 코일 사이의 거리에 종속되지 않고 자유로운 치수로 코일을 설계하고 코일 사이의 거리를 조절할 수 있어 내부 공간의 확보 및 활용에 유리하다.

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: 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치
110: 제1 원형코일 120: 제2 원형코일
130: 제3 원형코일 140: 제4 원형코일
150: 제5 원형코일 160: 제6 원형코일
170: 제7 원형코일 180: 제8 원형코일

Claims (7)

1. 반지름보다 큰 거리로 상호 이격 배치되고 x축을 동축으로 하며 동일 방향의 전류가 흐르는 제1 및 제2 원형코일을 포함하는 제1 원형코일 쌍;
   반지름보다 큰 거리로 상호 이격 배치되고 y축을 동축으로 하며 동일 방향의 전류가 흐르는 제3 및 제4 원형코일을 포함하며, 상기 제1 원형코일 쌍과 함께 내부에 2차원 공간을 형성하는 제2 원형코일 쌍; 및
   상기 2차원 공간 내에서 마이크로 로봇이 배치된 지점을 향해 균일 자기장 영역을 이동시켜 상기 마이크로 로봇의 정렬 방향을 설정 방향으로 조절하도록, 상기 제1 원형코일 쌍 또는 상기 제2 원형코일 쌍의 전류 값을 제어하는 전류 제어부를 포함하는 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전류 제어부는,
   상기 2차원 공간의 중앙 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 x축 방향으로 정렬하고자 하는 경우, 상기 제1 및 제2 원형코일의 전류 값을 동일한 값으로 제어하고,
   상기 2차원 공간의 중앙 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 y축 방향으로 정렬하고자 하는 경우, 상기 제3 및 제4 원형코일의 전류 값을 동일한 값으로 제어하는 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 전류 제어부는,
   상기 제1 및 제2 원형코일의 전류 값을 달리 조절하면 상기 균일 자기장 영역이 x축에 대해 좌우 이동 가능하고, 상기 제3 및 제4 원형코일의 전류 값을 달리 조절하면 상기 균일 자기장 영역이 y축에 대해 전후 이동 가능하되,
   상기 균일 자기장 영역은 전류 값이 작은 원형코일 측으로 이동하며 전류 값의 차이가 클수록 상기 2차원 공간의 중앙 지점으로부터 멀어지는 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 중앙 지점으로부터 x축 방향으로 임의 거리 이격된 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 x축 방향으로 정렬하고자 하는 경우,
   상기 마이크로 로봇이 배치된 지점에 대응하는 값으로 상기 제1 및 제2 원형코일 간의 전류 비를 조절하여 상기 균일 자기장 영역을 상기 마이크로 로봇이 위치한 지점으로 이동시키고,
   상기 중앙 지점으로부터 y축 방향으로 임의 거리 이격된 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 y축 방향으로 정렬하고자 하는 경우,
   상기 마이크로 로봇이 배치된 지점에 대응하는 값으로 상기 제3 및 제4 원형코일 간의 전류 비를 조절하여 상기 균일 자기장 영역을 상기 마이크로 로봇이 위치한 지점으로 이동시키는 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 원형코일의 외측에 각각 배치되고 반대 방향의 전류가 흐르는 동축의 제5 및 제6 원형코일을 포함하는 제3 원형코일 쌍; 및
   상기 제3 및 제4 원형코일의 외측에 각각 배치되고 반대 방향의 전류가 흐르는 동축의 제7 및 제8 원형코일을 포함하는 제4 원형코일 쌍을 더 포함하며,
   상기 전류 제어부는,
   상기 2차원 공간의 중앙 지점으로부터 y축 또는 x축 방향으로 임의 거리 이격된 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을, 이격된 방향과 수직인 x축 또는 y축 방향으로 정렬하고자 하는 경우, 상기 제1 및 제4 원형코일 쌍 또는 상기 제2 및 제3 원형코일 쌍의 전류 값을 제어하는 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 전류 제어부는,
   상기 중앙 지점으로부터 y축 방향으로 임의 거리 이격된 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 x축 방향으로 정렬하고자 하는 경우,
   상기 제1 및 제2 원형코일에 동일 전류를 인가하여 상기 마이크로 로봇을 x축 방향으로 정렬하는 동시에, 상기 제7 및 제8 원형코일에 각각 마이크로 로봇의 이격 거리와 비례하는 전류를 인가하여 상기 마이크로 로봇이 상기 중앙 지점으로 이끌려가지 않고 현재 위치를 유지하도록 제어하고,
   상기 중앙 지점으로부터 x축 방향으로 임의 거리 이격된 지점에 배치되어 있는 마이크로 로봇을 y축 방향으로 정렬하고자 하는 경우,
   상기 제3 및 제4 원형코일에 동일 전류를 인가하여 상기 마이크로 로봇을 y축 방향으로 정렬하는 동시에, 상기 제5 및 제6 원형코일에 각각 마이크로 로봇의 이격 거리와 비례하는 전류를 인가하여 상기 마이크로 로봇이 상기 중앙 지점으로 이끌려가지 않고 현재 위치를 유지하도록 제어하는 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 전류 제어부는,
   상기 마이크로 로봇의 정렬 방향을 x,y축에 대해 기울임 있는 방향으로 제어하고자 하는 경우,
   상기 제1 내지 제4 원형코일 쌍에 포함된 모든 원형코일의 전류 값을 복합적으로 조절하는 2차원 평면에서 마이크로 로봇의 방향 제어장치.

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