KR20180066836A - Propulsion system of micro-robot using wireless power transfer - Google Patents

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KR20180066836A
KR20180066836A KR1020170157018A KR20170157018A KR20180066836A KR 20180066836 A KR20180066836 A KR 20180066836A KR 1020170157018 A KR1020170157018 A KR 1020170157018A KR 20170157018 A KR20170157018 A KR 20170157018A KR 20180066836 A KR20180066836 A KR 20180066836A
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microrobot
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KR1020170157018A
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안승영
박재형
안장용
박범진
황가람
김동욱
이범선
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한국과학기술원
경희대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention provides a micro robot propulsion system using wireless power transmission, which includes a transmitting unit with an AC power source and an LC circuit, and a micro robot with an LC circuit. The AC power source is configured to be varied to a resonance frequency or a different frequency. Accordingly, the present invention can generate propulsive force by transmitting electric energy from the outside to the micro robot.

Description

무선전력 전송을 이용한 마이크로 로봇 추진 시스템{Propulsion system of micro-robot using wireless power transfer}Technical Field [0001] The present invention relates to a propulsion system for a micro-robot using wireless power transmission,

본 발명은 무선전력 전송을 이용한 마이크로 로봇 추진 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a micro robot propulsion system using wireless power transmission.

현재 의료기술 및 의학기술의 발전으로 인해, 현대사회의 기대수명은 시간이 갈수록 늘어나고 있는 추세이다. Today, due to advances in medical technology and medical technology, the life expectancy of modern society is increasing over time.

최근 마이크로 로봇의 개발과 연구로 인해 좁은 혈관에 마이크로 로봇을 삽입하는 기술들이 많이 소개되고 있다. Recently, the development and research of microrobots have introduced many technologies for inserting microrobots into narrow blood vessels.

하지만, 기존의 인체 삽입용 마이크로 로봇은 추진력만 얻을 수 있고, 내부 배터리를 이용하여 내부 촬영을 하는 등 보다 제한적인 역할을 할 수 밖에 없었고, 수술 시간 또한 짧을 수 밖에 없었다. However, the existing micro-robot for human body can only obtain propulsive force, and it plays a limited role such as internal shooting using the internal battery, and the operation time is short.

마이크로 로봇으로 전기적 에너지를 외부에서 꾸준히 전달할 수만 있다면, 마이크로 로봇이 수술할 수 있는 시간이 길어질 수 있을 뿐 아니라, 그 활용성이 무궁무진 할 수 있다.If a microrobot can steadily transfer electrical energy from the outside, the micro-robot can not only have a long time to operate, but also its usability can be unlimited.

본 발명은 마이크로 로봇으로 전기적 에너지를 외부에서 전달하여 추진력을 발생시킬 수 있는 방안을 제공하는 것에 과제가 있다.SUMMARY OF THE INVENTION [0006] The present invention is directed to providing a method for transferring electrical energy from a microrobot to generate driving force.

본 발명은 교류전원과 LC 회로를 구비한 송신부와; LC 회로를 구비한 마이크로 로봇을 포함하고, 상기 교류전원은 공진 주파수나 이와 다른 주파수로 가변되도록 구성된 무선전력 전송을 이용한 마이크로 로봇 추진 시스템을 제공한다. The present invention provides a liquid crystal display comprising: a transmission unit having an AC power source and an LC circuit; And a microrobot having an LC circuit, wherein the AC power source is configured to be variable in a resonance frequency or a different frequency.

여기서, 상기 공진 주파수와 다른 주파수의 교류전원이 인가되는 경우에, 상기 마이크로 로봇에 추진력이 발생될 수 있다. Here, when AC power having a frequency different from the resonance frequency is applied, propulsion may be generated in the microrobot.

상기 송신부와 마이크로 로봇 각각의 LC 회로는, 직렬 연결된 커패시터와 코일로 구성될 수 있다. The LC circuit of each of the transmitter and the microrobot may be constituted by a capacitor and a coil connected in series.

다른 측면에서, 본 발명은 교류전원과 LC 회로를 구비한 송신부와, LC 회로를 구비한 마이크로 로봇을 포함한 마이크로 로봇 추진 시스템의 구동방법으로서, 상기 교류전원은 공진 주파수나 이와 다른 주파수로 가변되며, 상기 공진 주파수와 다른 주파수의 교류전원이 인가되는 경우에, 상기 마이크로 로봇에 추진력이 발생되는 마이크로 로봇 추진 시스템의 구동방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of driving a microrobot propulsion system including a transmission unit having an AC power source and an LC circuit, and a microrobot having an LC circuit, wherein the AC power source is variable in a resonance frequency or a different frequency, And a driving force is generated in the microrobot when AC power of a frequency different from the resonance frequency is applied.

본 발명에 따르면, 송신부에서 인가하는 교류전류의 주파수를 적절하게 조절함으로써, 무선전력 전송뿐만 아니라 자기력을 통해 수신부의 마이크로 로봇을 추진할 수 있게 된다. According to the present invention, by appropriately adjusting the frequency of the alternating current applied by the transmitter, it is possible to propel the microrobot of the receiver through the magnetic force as well as the wireless power transmission.

도 1은 본 발병의 실시예에 따른 무선전력 전송을 이용한 마이크로 로봇 추진 시스템을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 로봇 추진 시스템에서 소스코일에서 발생하는 자기장과 로드코일에서 발생하는 유도전류로 인해 생성되는 추진력을 설명한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소스코일에 흐르는 전류의 위상과 로드코일에 흐르는 전류의 위상에 따른 유도전류과 발생하는 힘의 크기를 보여주는 그래프.
1 illustrates a microrobot propulsion system using wireless power transmission according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining a magnetic field generated in a source coil in a microrobot propulsion system according to an embodiment of the present invention and a propulsive force generated by an induction current generated in a load coil. FIG.
FIG. 3 is a graph showing a phase of a current flowing in a source coil and a magnitude of an induced current and a generated force according to a phase of a current flowing in a load coil according to an embodiment of the present invention. FIG.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

본 발명에서는, 마이크로 로봇이 무선전력 전송에 사용되는 수신코일인 로드코일을 통해 추진력을 받음과 동시에 전기적 에너지도 전달받을 수 있는 구조와 방법에 대하여 제안한다.The present invention proposes a structure and a method by which a microrobot receives a thrust via a load coil, which is a reception coil used for wireless power transmission, and receives electrical energy.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송을 이용한 마이크로 로봇 추진 시스템을 도시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a microrobot propulsion system using wireless power transmission according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 마이크로 로봇 추진 시스템(10)은 교류전류인 소스전류(IS)가 흐르면서 자기장을 발생시키는 송신부(100)와, 송신부(100)에서 발생한 시변 자기장을 받아 유도전압으로 변환하여 유도전류가 흐르는 수신부(200)로 구성될 수 있다. 1, the microrobot propulsion system 10 of the present embodiment includes a transmission unit 100 for generating a magnetic field with a source current I s flowing as an alternating current, And a receiving unit 200 for converting an induced voltage into an induced voltage and flowing an induced current.

여기서, 수신부(200)는 무선전력 전송의 대상인 로드로서 마이크로 로봇에 해당된다.Here, the receiving unit 200 corresponds to a microrobot as a load that is a target of wireless power transmission.

송신부(100)는 전력원인 교류전원(PS)과 송신부(100)의 LC 회로를 구성하는 소스커패시터(CS) 및 소스코일(LS)을 포함할 수 있으며, 소스커패시터(CS) 및 소스코일(LS)은 직렬 연결될 수 있다. 이때, 교류전원(PS)은 수신부인 마이크로 로봇의 추진력을 발생시키기 위해, 출력되는 신호의 주파수를 가변하도록 구성될 수 있다.Transmitter 100 is a power causes the AC power supply (P S) and may comprise a source capacitor (C S) and the source coil (L S) constituting the LC circuit of the transmission unit 100, a source capacitor (C S) and The source coil L S can be connected in series. At this time, the AC power source P S may be configured to vary the frequency of the output signal in order to generate the driving force of the microrobot, which is the receiving unit.

그리고, 수신부(200)는 이의 LC 회로를 구성하는 로드커패시터(CL)와 로드코일(LL)을 포함할 수 있으며, 로드커패시터(CL)와 로드코일(LL)은 직렬 연결될 수 있다.The receiving unit 200 may include a load capacitor C L and a load coil L L constituting the LC circuit thereof and the load capacitor C L and the load coil L L may be connected in series .

이러한 구조를 이용한 무선전력 전송에서는, LC 공진을 이용하여 송신부(100)의 회로의 저항 성분을 최소화하고, 수신부(200)에도 LC 공진 구조로 설계하여 전력 전송 효율을 최대화하는 특징을 갖고 있다. In the wireless power transmission using this structure, the resistance component of the circuit of the transmitter 100 is minimized by using the LC resonance, and the receiver 200 is also designed to have the LC resonance structure to maximize the power transmission efficiency.

이때 발생하는 한 주기 동안의 로렌츠 힘의 크기를 평균하여 구하면 아래 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다. (1) View the MathML source where View the MathML source and View the MathML source.

식 (1):

Figure pat00001
Equation (1):
Figure pat00001

이때, 기존의 공진 구조의 무선전력 전송을 마이크로 로봇에 적용하는 경우에, 송신부 전류인 소스전류(IS)와 동위상인 자기장(B)은 수신부 전류인 유도전류(IL)와 위상차(α)를 90도로 유지하게 된다. At this time, in the case where the wireless power transmission of the conventional resonance structure is applied to the microrobot, the magnetic field B, which is the same as the source current I S , is the phase difference between the induction current I L , To 90 degrees.

이에 따라, 한 주기 동안의 평균 힘은 0이 되어 실질적으로 추진력이 발생될 수 없게 된다.Accordingly, the average force during one period becomes zero, so that the thrust can not be substantially generated.

이에 대해, 본 실시예에 따르면 수신부(200)의 LC 회로가 공진을 회피할 수있도록 시스템(10)을 구성하게 되는데, 이를 위해 교류전원(PS)의 주파수(fs)를 수신부(200)의 공진 주파수(fr)와 다르게 가변하게 된다. 즉, fs ≠ fr (fr = 1/(2π

Figure pat00002
))가 되도록 교류전원(PS)의 주파수(fs)를 변경할 수 있다.According to the present embodiment, the system 10 is configured so that the LC circuit of the receiver 200 can avoid resonance. To do this, the frequency fs of the AC power P s is set to the frequency fs of the receiver 200 Which is different from the resonance frequency fr. That is, fs? Fr (fr = 1 / (2?
Figure pat00002
) It is to change the frequency (fs) of the AC power supply (P S) to be).

이처럼, 교류전원(PS)의 주파수를 조절함에 따라, 무선전력 전송과 함께 로렌츠 힘이 발생할 수 있는 시스템(10)이 구현되어, 수신부(200)는 전기적 에너지를 전달 받음과 함께 추진력을 받을 수 있게 된다.As described above, by adjusting the frequency of the AC power P S , the system 10 capable of generating the Lorentz force together with the wireless power transmission is implemented, and the receiving unit 200 receives the electric energy and receives the driving force .

이와 관련하여 도 2 및 3을 함께 참조하여 설명한다.2 and 3 together.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 로봇 추진 시스템에서 소스코일에서 발생하는 자기장과 로드코일에서 발생하는 유도전류로 인해 생성되는 추진력을 설명한 도면이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소스코일에 흐르는 전류의 위상과 로드코일에 흐르는 전류의 위상에 따른 유도전류과 발생하는 힘의 크기를 보여주는 그래프이다.2 is a view for explaining a magnetic field generated in a source coil and a thrust generated by an induction current generated in a load coil in a microrobot propulsion system according to an embodiment of the present invention. 3 is a graph showing a phase of a current flowing through a source coil and a magnitude of an induced current and a generated force according to a phase of a current flowing through the load coil according to an embodiment of the present invention.

앞서 언급한 바와 같이, 일반적으로 사용되는 무선전력 전송 즉 LC 공진 조건에 부합하는 LC 공진형 무선전력 전송에서는 소스코일(LS)과 로드코일(LL)의 1주기 동안의 힘이 0으로 나타나지만, 유도전류(IL)의 크기는 최대를 갖게 된다. As mentioned above, in the LC resonant wireless power transmission conforming to the commonly used radio power transmission or LC resonance condition, the force for one cycle of the source coil L S and the load coil L L appears as 0 , And the magnitude of the induced current (I L ) has a maximum value.

하지만, 소스전류(IS)의 주파수를 LC 공진 조건에 부합하지 않는 상태로 유지하게 되면, 소스전류(IS)(즉, 자기장)와 유도전류(IL) 사이에는 90도와 다른 위상 차이에 따라 자기력이 발생하게 된다. However, if the frequency of the source current I S is maintained in a state not conforming to the LC resonance condition, there is a phase difference of 90 degrees between the source current I S (i.e., the magnetic field) and the induced current I L A magnetic force is generated.

이를 이용하게 되면 무선전력 전송뿐만 아니라 자기력을 통해 수신부(200)의 마이크로 로봇을 추진할 수 있게 된다. The microrobot of the receiver 200 can be propelled not only by the wireless power transmission but also by the magnetic force.

따라서, 송신부(100)에서 인가하는 교류전류의 주파수를 적절하게 조절함으로써, 마이크로 로봇은 무선전력 전송 중심으로 구동되거나 추진력 중심으로 구동될 될 수 있다.Thus, by appropriately adjusting the frequency of the alternating current applied by the transmitter 100, the microrobot can be driven to the center of the wireless power transmission or driven to the center of the propulsion force.

전술한 바와 같이, 본 실시예는 최근 발전하는 의료 기술에 사용되어 인체 내부의 삽입되는 마이크로 로봇에 적용될 수 있는데, 특히 이와 같은 마이크로 로봇은 무선전력 전송의 기술을 이용하기 때문에 내부 촬영, 발열을 이용한 암세포 제거 등 능동소자가 될 수 있다. 그리고, 기존의 배터리를 사용하여 수행했던 수술을 모두 포함할 뿐 아니라 그보다 진보된 기술로 사용될 수 있다.As described above, the present embodiment can be applied to a micro robot to be inserted into a human body, which is used in recently developed medical technology. In particular, since such a microrobot utilizes the technology of wireless power transmission, It can be an active device such as cancer cell removal. In addition to all the operations performed using existing batteries, it can be used as an advanced technology.

전술한 본 발명의 실시예는 본 발명의 일예로서, 본 발명의 정신에 포함되는 범위 내에서 자유로운 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 특허청구범위 및 이와 등가되는 범위 내에서의 본 발명의 변형을 포함한다.The embodiment of the present invention described above is an example of the present invention, and variations are possible within the spirit of the present invention. Accordingly, the invention includes modifications of the invention within the scope of the appended claims and equivalents thereof.

10: 마이크로 로봇 추진 시스템
100: 송신부
200: 수신부
PS: 교류전원
CS: 소스커패시터
LS: 소스코일
IS: 소스전류
CL: 로드커패시터
LL: 로드코일
IL: 유도전류10: Micro robot propulsion system
100:
200: Receiver
P S : AC power source
C S : Source capacitor
L S : source coil
I S : Source current
C L : load capacitor
L L : Load coil
I L : Inductive current

Claims (4)

교류전원과 LC 회로를 구비한 송신부와;
LC 회로를 구비한 마이크로 로봇을 포함하고,
상기 교류전원은 공진 주파수나 이와 다른 주파수로 가변되도록 구성된
무선전력 전송을 이용한 마이크로 로봇 추진 시스템.
A transmitter including an AC power source and an LC circuit;
And a microrobot provided with an LC circuit,
The AC power source is configured to be variable in a resonance frequency or a different frequency
Micro Robot Propulsion System Using Wireless Power Transmission.
제 1 항에 있어서,
상기 공진 주파수와 다른 주파수의 교류전원이 인가되는 경우에, 상기 마이크로 로봇에 추진력이 발생되는
무선전력 전송을 이용한 마이크로 로봇 추진 시스템.
The method according to claim 1,
When an AC power source having a frequency different from the resonance frequency is applied, propulsion is generated in the microrobot
Micro Robot Propulsion System Using Wireless Power Transmission.
제 1 항에 있어서,
상기 송신부와 마이크로 로봇 각각의 LC 회로는, 직렬 연결된 커패시터와 코일로 구성된
무선전력 전송을 이용한 마이크로 로봇 추진 시스템.
The method according to claim 1,
The LC circuit of each of the transmitter and the microrobot comprises a series circuit of a capacitor and a coil
Micro Robot Propulsion System Using Wireless Power Transmission.
교류전원과 LC 회로를 구비한 송신부와, LC 회로를 구비한 마이크로 로봇을 포함한 마이크로 로봇 추진 시스템의 구동방법으로서,
상기 교류전원은 공진 주파수나 이와 다른 주파수로 가변되며,
상기 공진 주파수와 다른 주파수의 교류전원이 인가되는 경우에, 상기 마이크로 로봇에 추진력이 발생되는
마이크로 로봇 추진 시스템의 구동방법.
1. A driving method of a microrobot propulsion system including a transmitting portion including an AC power source and an LC circuit, and a microrobot having an LC circuit,
The AC power source is variable in resonance frequency or different frequency,
When an AC power source having a frequency different from the resonance frequency is applied, propulsion is generated in the microrobot
A driving method of a microrobot propulsion system.
KR1020170157018A 2016-12-09 2017-11-23 Propulsion system of micro-robot using wireless power transfer KR20180066836A (en)

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