KR20210124562A - 이동형 마이크로로봇 제어장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이동형 마이크로로봇 제어장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이동형 마이크로로봇 제어장치 및 이를 포함하는 이동형 마이크로로봇 제어시스템은 2개의 전자석코일을 포함하는 자기장 생성부; 상기 자기장 생성부를 회전이동 시킬 수 있는 회전이동부; 및 상기 자기장 생성부를 선형이동 시킬 수 있는 선형이동부;를 포함하는 마이크로로봇 제어장치를 이용함으로써, 전자석 개수를 줄여 전원공급용 파워 개수를 감소시키고, 전력 사용량을 줄임으로써 효율적인 장치/시스템 운용이 가능하며 장치/시스템을 감소화 함으로써 시술 공간강 장치 설치 및 운용에 효율성을 기할 수 있을 뿐만 아니라 기존 설비(엑스레이 등)와 호환하여 사용하는데 편의성이 증대되는 효과가 있다.
Description
본 발명은 이동형 마이크로로봇 제어장치에 관한 것이다.
인체 내 마이크로 로봇을 인체 외부에서 구동하기 위한 전자기장 장치들이 개발되고 있다. 인체 내 시술 목적에 따라 유선 또는 무선의 마이크로로봇이 활용되고 있으며, 전자기장 장치를 통해 자기장의 방향과 크기를 제어하여 마이크로로봇을 구동하는 기술들이 알려진바 있거나 개발 중에 있다. 구체적으로 예를 들면, 인체 내 질환 부위 및 마이크로로봇의 운동 특성을 고려하여 다수 개의 전자석/영구자석을 배치하고 고정형 또는 이동형의 시스템 구조를 갖는 전자기장 제어장치가 개발되고 있다.
기 개발된 전자기장 제어장치는 사용하는 전자석의 개수가 많아, 장치 크기가 커져서 시술 공간상 장치설치 및 운용이 효율적이지 못하고, 전자석 개수 증가에 따른 전원공급용 파워 개수 증가로 인해, 전력사용량이 증가하는 등 다양한 운용 관점에서 비효율적이다.
한편, 영구자석을 활용한 자기장 제어장치의 경우, 사용되는 자석의 개수는 적으나 마이크로로봇을 제어하는데 한계가 있다. 더불어 영구자석은 자화 값이 일정하여 로봇과 자석간의 거리변화, 자석의 방향전환을 통해 로봇을 구동하므로 제어 성능에 한계가 있으며, 모터를 이용하여 영구자석의 제어공간을 확보하고 있으나, 모터 이동의 시간차로 인해 실시간 자기장 제어에 어려움이 있다.
또한, 기존 전자기장 제어장치는 장치의 크기, 전자석 또는 영구자석의 배치방향의 한계로 인해 기 설치되어 있는 엑스레이(x-ray) 장치와 호환하여 사용하는데 어려움이 있는 문제점이 있다.
본 발명자들은 상술한 종래 기술의 문제점들을 해결하고자 본 발명의 이동형 마이크로로봇 제어장치 및 이를 포함하는 이동형 마이크로로봇 제어시스템을 완성하였다.
본 발명은 상술한 종래 기술상의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 2차원 평면상에 상호 대칭되도록 배치되는 2개의 전자석 코일을 포함하는 자기장 생성부, 상기 자기장 생성부를 회전이동 시킬 수 있는 회전이동부 및 상기 자기장 생성부를 선형이동 시킬 수 있는 선형이동부를 포함하는 이동형 마이크로로봇 제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 베드, 베드의 길이방향으로 양측면에 구비되는 이동형 마이크로로봇 제어장치, 베드의 길이방향으로 일 말단에 구비되는 엑스레이 장치 및 상기 이동형 마이크로로봇 제어장치 및 엑스레이 장치를 제어하기 위한 제어장치를 포함하고, 상기 이동형 마이크로로봇 제어장치는 2차원 평면상에 상호 대칭되도록 배치되는 2개의 전자석 코일을 포함하는 자기장 생성부, 상기 자기장 생성부를 회전이동 시킬 수 있는 회전이동부 및 상기 자기장 생성부를 선형이동 시킬 수 있는 선형이동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 관점에 따른 이동형 마이크로로봇 제어장치는 2차원 평면상에 상호 대칭되도록 배치되는 2개의 전자석 코일을 포함하는 자기장 생성부; 상기 자기장 생성부를 회전이동 시킬 수 있는 회전이동부; 및 상기 자기장 생성부를 선형이동 시킬 수 있는 선형이동부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 2차원 평면과 30 내지 90°를 이루는 2차원 평면상에 상호 대칭되도록 배치되는 2개의 전자석 코일을 포함하는 자기장 생성부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 전자석 코일은 솔레노이드 코일일 수 있고, 솔레노이드 코일은 중심부에 상사정성체로 이루어진 자기코어 및 자기코어 외부에 코일이 권선되어 구성될 수 있다. 또한 전자석 코일은 에어코어 형태로 사각코일, 원형코일, 새들코일로 구성될 수도 있다. 한편, 상기 솔레노이드 코일은 자기장 집속을 위해서 자기코어가 코일로 권취되지 않은 코어 돌출부를 포함할 수 있다. 상기 코어 돌출부는 솔레노이드 코일의 내경과 동일한 직경을 갖는 원통 형상이거나, 코어 돌출부가 시작되는 부분의 직경은 상기 솔레노이트 코일의 내경과 동일하고 상기 코어 돌출부 말단의 직경은 솔레노이드 코일의 내경에 비해 상대적으로 작을 수 있으며, 상기 코어 돌출부의 형상은 원뿔대 형상 또는 원통형과 원뿔대가 결합된 형상 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 코어 돌출부는 솔레노이드 코일 외경과 동일한 직경을 가질 수도 있다.
한편, 전자석 코일은 자기장의 세기 증가를 위해서 자기 차폐부를 포함할 수 있다. 자기코어 및 자기코어 외부에 코일이 권선된 구성의 전자석 코일에서 자기 차폐부는 코일이 권선된 코일 권선부의 외곽에 위치하여 코일 권선부의 전부 또는 일부를 감싸는 형태로 구성될 수 있고, 코일 권선부와 자기 차폐부의 길이비는 4 내지 1 : 1 내지 3일 수 있고, 바람직하게는 코일 권선부와 자기 차폐부의 길이비는 4:1, 3:1, 3:2, 4:3, 1:1일 일 수 있으며, 보다 바람직하게는 4:3의 길이비일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 회전이동부는 자기장 생성부의 일측면에 연결되어 자기장 생성을 원하는 관심영역을 중심으로 자기장 생성부가 원형으로 회전할 수 있도록 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 회전이동부는 두 개의 전자석 코일을 한 축으로 구성하여, 원형으로 회전운동을 할 수 있는 구동수단을 포함할 수 있고, 구동수단은 모터일 수 있다. 한편, 베드의 양측에 자기장 생성부를 설치할 경우 두 개의 회전이동부는 독립적으로 회전이동할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 선형이동부는 회전이동부의 일측면에 연결되어 자기장 생성을 원하는 관심영역으로 자기장생성부를 선형으로 이동시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 선형이동부는 베드의 양측에 길이방향으로 레일을 두어 베드와 동일한 길이까지 이동이 가능하게 할 수 있다. 또한 선형이동부는 외력에 의해 회전할 수 있는 바퀴부를 구비하게 하여 자기장 생성부를 베드의 길이방향으로 이동시켜 관심영역에 위치시킬 수 있다. 상기 바퀴부를 통해 선형이동을 할 수 있도록 하는 경우에는 관심영역으로 이동한 후 자기장 생성부를 해당 위치에 고정시키기 위해서 바퀴부의 회전을 제어할 수 있는 별도의 잠금장치를 구비할 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 관점에 따른 이동형 마이크로로봇 제어시스템은 베드; 베드의 길이방향으로 양측면에 구비되는 이동형 마이크로로봇 제어장치; 베드의 길이방향으로 일 말단에 구비되는 엑스레이 장치; 및 상기 이동형 마이크로로봇 제어장치 및 엑스레이 장치를 제어하기 위한 제어장치;를 포함하고, 상기 이동형 마이크로로봇 제어장치는 2차원 평면상에 상호 대칭되도록 배치되는 2개의 전자석 코일을 포함하는 자기장 생성부; 상기 자기장 생성부를 회전이동 시킬 수 있는 회전이동부; 및 상기 자기장 생성부를 선형이동 시킬 수 있는 선형이동부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 영상네비게이션 시스템을 더 포함할 수 있다. 영상내비게이션 시스템은 엑스레이(X-ray) 장치에 의해 획득된 인체 내 시술부위 및 마이크로로봇 위치를 토대로 3차원 시술환경, 마이크로로봇 이동경로, 마이크로로봇 위치, 자기장 생성부의 운전상태 (자기장 발생영역, 자기장 발생세기 등), 환자상태 등 마이크로로봇 제어시스템을 통해 시술을 진행함에 있어서 필요한 모든 정보를 모니터 등의 출력장치를 통해 제공함으로써 시술자가 원격제어장치를 통해 이동형 마이크로로봇 제어장치의 이동 및 자기장 발생 등을 실시간으로 제어하여 시술을 수행할 수 있도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 엑스레이 장치는 베드의 길이방향으로 일 말단에 구비될 수 있고, 일반적으로는 환자의 머리 부분에 구비될 될 수 있다. 엑스레이(X-ray) 장치는 인체 내 시술환경에서 인체 내 시술부위 확인, 마이크로로봇 위치, 마이크로로봇 이동경로 등의 정보를 실시간으로 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어장치는 이동형 마이크로로봇 제어장치의 자기장 생성부를 구성하는 전자석 코일에 인가되는 전류 및 회전이동부의 회전운동 및 선형이동부의 선형이동을 제어할 수 있도록 구성될 수 있고, 엑스레이(X-ray) 장치의 작동을 제어하여 시술부위, 마이크로로봇 위치 및 이동경로 등의 정보를 획득할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 이동형 마이크로로봇 제어장치 및 이를 포함하는 이동형 마이크로로봇 제어시스템은 2개의 전자석코일을 포함하는 자기장 생성부; 상기 자기장 생성부를 회전이동 시킬 수 있는 회전이동부; 및 상기 자기장 생성부를 선형이동 시킬 수 있는 선형이동부;를 포함하는 마이크로로봇 제어장치를 이용함으로써, 전자석 개수를 줄여 전원공급용 파워 개수를 감소시키고, 전력 사용량을 줄임으로써 효율적인 장치/시스템 운용이 가능하며 장치/시스템을 간소화함으로써 시술 공간강 장치설치 및 운용에 효율성을 기할 수 있을 뿐만 아니라 기존 설비(엑스레이 등)와 호환하여 사용하는데 편의성이 증대되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 마이크로로봇 제어장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석 코일 중 솔레노이트 코일을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석 코일 중 사각코일, 원형코일,새들코일을 보여주는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석 코일 중 원통 형상의 코어 돌출부를 갖는 전자석 코일의 일례를 나타낸다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석 코일 중 말단이 점차 좁아지는 형상의 코어 돌출부를 갖는 자기장 집속형 전자석 코일의 일례를 나타낸다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석 코일 중 솔레노이드 코일 외경과 동일한 직경을 갖는 코어 돌출부를 갖는 균일 자계 확장형 전자석 코일의 일례를 나타낸다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통 형상의 코어 돌출부를 갖는 전자석 코일을 한 쌍으로 하여 각각의 코일에 동일 회전 방향으로 전류가 흐르는 경우 발생하는 자기장 영역을 나타내는 시뮬레이션 도면이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통 형상의 코어 돌출부를 갖는 전자석 코일을 한 쌍으로 하여 각각의 코일에 반대 회전 방향으로 전류가 흐르는 경우 발생하는 자기장 영역을 나타내는 시뮬레이션 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석 코일 중 자기장 세기 증가를 위한 자기 차폐부를 포함하는 솔레노이드 코일의 일례를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 차폐부를 포함하는 전자석 코일에서 코일 권선부 및 자기 차폐부에 대한 길이비에 따른 관심영역 내 자기장 세기를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 생성부와 회전이동부를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 마이크로로봇 제어장치의 다양한 응용 실시예들 중 회전이동을 통한 공간 내 자기장 생성 시뮬레이션을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 마이크로로봇 제어장치의 다양한 응용 실시예들 중 선형이동을 통한 공간 내 자기장 생성 시뮬레이션을 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 마이크로로봇 제어장치의 다양한 응용 실시예들 중 경사 자계 생성 자기장 시뮬레이션을 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 마이크로로봇 제어장치의 다양한 응용 실시예들 중 균일 자계 형성 자기장 시뮬레이션을 보여주는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 마이크로로봇 제어시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석 코일 중 솔레노이트 코일을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석 코일 중 사각코일, 원형코일,새들코일을 보여주는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석 코일 중 원통 형상의 코어 돌출부를 갖는 전자석 코일의 일례를 나타낸다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석 코일 중 말단이 점차 좁아지는 형상의 코어 돌출부를 갖는 자기장 집속형 전자석 코일의 일례를 나타낸다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석 코일 중 솔레노이드 코일 외경과 동일한 직경을 갖는 코어 돌출부를 갖는 균일 자계 확장형 전자석 코일의 일례를 나타낸다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통 형상의 코어 돌출부를 갖는 전자석 코일을 한 쌍으로 하여 각각의 코일에 동일 회전 방향으로 전류가 흐르는 경우 발생하는 자기장 영역을 나타내는 시뮬레이션 도면이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통 형상의 코어 돌출부를 갖는 전자석 코일을 한 쌍으로 하여 각각의 코일에 반대 회전 방향으로 전류가 흐르는 경우 발생하는 자기장 영역을 나타내는 시뮬레이션 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석 코일 중 자기장 세기 증가를 위한 자기 차폐부를 포함하는 솔레노이드 코일의 일례를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 차폐부를 포함하는 전자석 코일에서 코일 권선부 및 자기 차폐부에 대한 길이비에 따른 관심영역 내 자기장 세기를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 생성부와 회전이동부를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 마이크로로봇 제어장치의 다양한 응용 실시예들 중 회전이동을 통한 공간 내 자기장 생성 시뮬레이션을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 마이크로로봇 제어장치의 다양한 응용 실시예들 중 선형이동을 통한 공간 내 자기장 생성 시뮬레이션을 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 마이크로로봇 제어장치의 다양한 응용 실시예들 중 경사 자계 생성 자기장 시뮬레이션을 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 마이크로로봇 제어장치의 다양한 응용 실시예들 중 균일 자계 형성 자기장 시뮬레이션을 보여주는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 마이크로로봇 제어시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기고 한다. 이하, 첨부된 도면들을 함께 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 마이크로로봇 제어장치(100)를 설명하기 위한 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 마이크로로봇 제어장치(100)는 2차원 평면상에 상호 대칭되도록 배치되는 2개의 전자석 코일을 포함하는 자기장 생성부(110); 상기 자기장 생성부(110)를 회전이동 시킬 수 있는 회전이동부(120); 및 상기 자기장 생성부(110)를 선형이동시킬 수 있는 선형이동부(130);를 포함할 수 있다.
상기 2차원 평면과 30 내지 90°를 이루는 2차원 평면상에 상호 대칭되도록 배치되는 2개의 전자석 코일(111)을 포함하는 자기장 생성부를 더 포함할 수 있다.
상기 자기장 생성부(110)를 구성하는 전자석 코일(111)은 솔레노이드 코일(112)일 수 있고, 솔레노이드 코일(112)은 중심부에 상자성체로 이루어진 자기코어(112-1) 및 자기코어(112-1) 외부에 코일이 권선(112-2)되어 구성될 수 있다 (도 2). 이때, 코일이 권선되는 코일 권선부는 절연재료로 피막된 구리선, 알루미늄선으로 이루어진 코일이 연속적으로 고리모양으로 감겨진 형태로 구성될 수 있다. 또한, 전자석 코일(111)은 도 3에 나타낸 바와 같이 에어코어 형태로 사각코일(113), 원형코일(114), 새들코일(115)로 구성될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 코일의 형상은 예시적인 것으로 자기장이 형성될 수 있는 형상이면 제한 없이 사용가능하다.
상기 자기장 생성부(110)를 구성하는 전자석 코일(111)은 관심 영역에 자기장을 집속시키거나 자기장의 세기를 향상시키기 위해서 다양한 형태로 구성될 수 있다. 도 4a 내지 4c는 관심 영역에 자기장을 집속시켜 마이크로로봇을 제어할 수 있는 전자석 코일로써 상자성체로 이루어진 자기코어(116-1, 117-1, 118-1) 및 상기 자기코어 외부에 코일이 권선(116-2, 117-2, 118-2)되어 구성될 수 있다. 이때, 코일이 권선되는 코일 권선부는 절연재료로 피막된 구리선, 알루미늄선으로 이루어진 코일이 연속적으로 고리모양으로 감겨진 형태로 구성될 수 있다.
도 4a는 전자석 코일(111)의 다양한 응용실시예들 중 하나의 형태를 나타낸 것으로써, 자기코어(116-1)는 코일이 권취되지 않은 코어 돌출부를 포함할 수 있는 솔레노이드 코일이다. 상기 코어 돌출부는 솔레노이드 코일의 내경과 동일한 직경을 갖는 원통 형상이다. 도 4b는 말단이 점차 좁아지는 형상의 코어 돌출부를 갖는 자기장 집속형 전자석 코일의 일례를 나타낸다. 구체적으로 예를 들면, 코어 돌출부는 돌출이 시작되는 부분의 직경이 상기 솔레노이드 코일의 내경과 동일하고, 상기 코어 돌출부 말단의 직경은 솔레노이드 코일의 내경에 비해 상대적으로 작을 수 있다. 보다 더 구체적으로 예를 들면, 상기 코어 돌출부는 원뿔대 형상 또는 원통과 원뿔대가 결합된 형상일 수 있다. 이와 같이 말단이 점차 좁아지는 형상의 코어 돌출부를 갖는 자기장 집속형 전자석 코일을 사용하는 경우, 더욱 높은 밀도로 좁은 영역에 집속된 자기장을 구현할 수 있다.
도 4c는 솔레노이드 코일 외경과 동일한 직경을 갖는 코어 돌출부를 갖는 균일 자계 확장형 전자석 코일의 일례를 나타낸다. 본 실시예와 같이 솔레노이드 코일 외경과 동일한 직경을 갖는 코어 돌출부를 갖는 자기장 집속형 전자석 코일을 사용하는 경우, 균일한 세기로 더욱 넓게 형성된 자기장 영역을 구현할 수 있다.
도 5a 및 5b는 도 4a에 나타낸 전자석 코일(111) 한 쌍에 흐르는 전류 방향에 따라 형성되는 자기장 영역에 대한 시뮬레이션을 나타낸다. 자기코어(116-1) 외부에 권취된 각각의 코일(116-2)에 동일 회전 방향으로 전류가 흐르는 경우 도 5a의 탑뷰에서 보는 바와 같이, 상부 중앙에 원형상으로 자기장이 집속될 수 있다. 한편, 반대 회전 방향으로 전류가 흐르는 경우 도 5b의 탑뷰에서 보는 바와 같이, 상부 중앙에 타원형상으로 자기장이 집속될 수 있다.
상기 자기장 생성부(110)를 구성하는 전자석 코일(111)은 자기 차폐부를 구비하여 관심영역 내에 자기장 발생 세기를 증가시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석 코일 중 자기장 세기 증가를 위한 자기 차폐부를 포함하는 전자석 코일로써, 자기코어(119-1) 및 자기코어 외부에 코일이 권선(119-2)되어 구성될 수 있고, 자기 차폐부는 코일이 권선된 코일 권선부의 외곽에 위치하여, 코일 권선부의 전부 또는 일부분을 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 이때, 자기코어(119-1)는 연자성체 재질로 구성될 수 있고, 코일 권선부는 절연재료로 피막된 구리선, 알루미늄선으로 이루어진 코일이 연속적으로 고리모양으로 감겨진 형태로 구성될 수 있다.
상기 자기 차폐부는 외부 자기장에 의해 자화되는 연자성체로 구성될 수 있고, 연자성체의 재질은 순철, 전자연철, 규소강, 퍼멀로이(permalloy, Ni-Fe 계), Co-Fe계 합금(ex. VACOFULXTM), 센더스트(sendust, Fe-Al-Si계), Mn-Zn계 페라이트, Ni-Zn계 페라이트, Fe계 비정질합금, Co계 비정질합금, Fe계 박막 및 다층막, Co계 박막 및 다층막, 및 Ni계 박막 및 다층막으로 이루어진 군으로부터 선택되는 연자성체이나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 자기 차폐부의 길이를 조절하여 코일 권선부를 감싸는 영역을 조절할 수 있는 수단이 추가적으로 포함될 수 있다. 코일 권선부와 자기 차폐부의 길이비는 4 내지 1 : 1 내지 3일 수 있고, 바람직하게는 코일 권선부와 자기 차폐부의 길이비는 4:1, 3:1, 3:2, 4:3, 1:1일 일 수 있고, 보다 바람직하게는 4:3의 길이비를 갖는 것이다. 도 7은 코일 권선부 및 자기 차폐부에 대한 길이비에 따른 관심영역 내에 자기장 세기를 FEM 해석을 통해 비교한 것으로써, 자기 차폐부의 적용이 없는 경우, 관심영역 중심점에서의 자기장 세기는 약 2.5mT인 것을 알 수 있다. 자기 차폐부의 적용이 있고, 코일 권선부의 길이와 자기 차폐부의 길이의 비가 4:1인 경우에 관심영역 중심점에서의 자기장 세기는 약 3.3mT, 코일 권선부의 길이와 자기 차폐부의 길이의 비가 3:1인 경우에 관심영역 중심점에서의 자기장 세기는 약 3.5mT, 코일 권선부의 길이와 자기 차폐부의 길이의 비가 2:1인 경우에 관심영역 중심점에서의 자기장 세기는 약 3.6mT, 코일 권선부의 길이와 자기 차폐부의 길이의 비가 3:2인 경우에 관심영역 중심점에서의 자기장 세기는 약 3.9mT, 코일 권선부의 길이와 자기 차폐부의 길이의 비가 4:3인 경우에 관심영역 중심점에서의 자기장 세기는 약 4.1mT, 코일 권선부의 길이와 자기 차폐부의 길이의 비가 1:1인 경우에 관심영역 중심점에서의 자기장 세기는 약 3.8mT인 것을 알 수 있다. 실험 결과와 같이, 자기 차폐부의 길이가 늘어남에 따라 마이크로로봇의 관심영역 중심점에서의 자기장 세기는 점차 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나 자기 차폐부의 길이가 코일 권선부와 동일해질 때(1:1), 마이크로로봇의 관심영역 중심점에서의 자기장 세기가 감소하였다. 이는 코일 권선부의 끝에서 나오는 자기장이 magnetic field circuit 효과에 의해 자기 차폐부로 바로 흘러감에 따라 발생하는 효과이다. 이에, 자기 차폐부를 코일 권선부를 전부 감싸도록 구성하는 것 보다 일부 말단을 감싸지 않는 형태로 구성하는 것이 자기장 세기를 최대화시키는 것을 알 수 있다.
상기 회전이동부(120)는 2차원 평면에 대칭되도록 배치된 두 개의 전자석 코일(111)의 중심축을 기준으로 전자석 코일(111)이 원형으로 회전할 수 있도록 자기장 생성을 원하는 관심영역의 타측에 자기장 생성부(110)와 연결되어 구성될 수 있다.
도 8은 두 개의 전자석 코일(111)을 포함하는 자기장 생성부(110)의 일측에 회전이동부(120)가 연결된 일례를 나타낸 것이다. 회전이동부(120)는 두 개의 전자석 코일(111)을 한 축으로 구성하여, 원형으로 회전운동을 할 수 있는 구동수단을 포함할 수 있고, 구동수단은 모터일 수 있다. 한편, 베드(210)의 양측에 자기장 생성부(110)를 설치할 경우 두 개의 회전이동부(120)는 독립적으로 회전이동할 수 있다. 상기 회전이동부(120)에 의해 자기장 생성부(110)를 회전이동하여 관심영역 내에 형성되는 자기장 평면에 대한 시뮬레이션 결과는 도 9에 나타내었다.
상기 선형이동부(130)는 회전이동부(120)의 하측면에 구비될 수 있고, 자기기장 생성부(110)를 자기장 형성을 원하는 관심영역으로 이동시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 선형이동부(130)는 베드(210)의 양측에 길이방향으로 레일을 두어 베드(210)와 동일한 길이까지 이동이 가능하게 할 수 있다. 또한 선형이동부(130)는 외력에 의해 회전할 수 있는 바퀴부를 구비하게 하여 자기장 생성부(110)를 베드(210)의 길이방향으로 이동시켜 관심영역에 위치시킬 수 있다. 상기 바퀴부를 통해 선형이동을 할 수 있도록 하는 경우에는 관심영역으로 이동한 후 자기장 생성부(110)을 해당 위치에 고정시키기 위해서 바퀴부의 회전을 제어할 수 있는 별도의 잠금장치를 구비할 수 있다. 상기 선형이동부(130)에 의해 자기장 생성부(110)를 선형이동하여 관심영역 내에 형성되는 자기장 평면에 대한 시뮬레이션 결과는 도 10에 나타내었다.
도 11과 도 12는 본 발명의 자기장 생성부(110)에 의해 형성되는 경사 자계 생성(도 11)과 균일 자계 생성(도 12)을 나타낸 것이다.
전자석 코일(111)에 전류의 방향과 크기를 조절하여 경사자계 또는 균일자계를 생성할 수 있다. 전류제어를 통해 경사자계 또는 균일자계의 방향, 세기를 조절하고, 입력되는 전류는 자기장제어수식을 통해 생성된다. 관심영역 내에서 원하는 경사, 균일 자기장의 방향, 크기를 요구값을 설정하여, 자기장 제어수식을 통해 필요한 전류값을 도출할 수 있다. 주로 균일자계는 마이크로로봇의 회전 동작을 위한 토크생성, 경사자계는 회전 또는 이동 동작을 위한 토크 및 구동력생성을 담당한다. 균일자계는 카테터로봇, 니들로봇과 같은 유선형 마이크로로봇을 제어하는데 사용될 수 있고, 경사자계는 유선형 마이크로로봇 뿐만 아니라, 캡슐로봇, 혈관로봇과 같은 무선형 마이크로로봇을 제어하는데 사용될 수 있으므로, 시술목표에 따라 선택적으로 사용이 가능하다.
도 13은 발명의 일 실시예에 따른 이동형 마이크로로봇 제어시스템(200)을 설명하기 위한 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 마이크로로봇 제어시스템(200)은 베드(210); 베드의 길이방향으로 양측면에 구비되는 이동형 마이크로로봇 제어장치(100); 베드의 길이방향으로 일 말단에 구비되는 엑스레이 장치(220); 및 상기 이동형 마이크로로봇 제어장치 및 엑스레이 장치를 제어하기 위한 제어장치(230);를 포함할 수 있고, 상기 이동형 마이크로로봇 제어장치는, 2차원 평면상에 상호 대칭되도록 배치되는 2개의 전자석 코일을 포함하는 자기장 생성부(110); 상기 자기장 생성부를 회전이동 시킬 수 있는 회전이동부(120); 및 상기 자기장 생성부를 선형이동 시킬 수 있는 선형이동부(130);를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로로봇 제어시스템(200)은 영상내비게이션 시스템(240)을 더 포함할 수 있다. 영상내비게이션 시스템(240)은 엑스레이(X-ray) 장치(220)에 의해 획득된 인체 내 시술부위 및 마이크로로봇 위치 정보를 토대로 3차원 시술환경, 마이크로로봇 이동경로, 마이크로로봇 위치 등의 정보와 자기장 생성부의 운전상태 (자기장 발생 영역, 자기장 발생 세기 등), 환자상태 등 마이크로로봇 제어시스템을 통해 시술을 진행함에 있어서 필요한 정보 등 마이크로로봇 제어시스템(200)을 운영함에 있어서 필요한 모든 정보를 모니터 등의 출력장치를 통해 제공함으로써 시술자가 제어장치를 통해 이동형 마이크로로봇 제어장치의 이동 및 자기장 발생 등을 실시간으로 제어하여 시술을 수행할 수 있도록 한다.
상기 이동형 마이크로로봇 제어장치(100)는 베드(210)의 길이방향으로 양측에 설치될 수 있고, 베드(210)의 길이방향에 따라 선형이동을 할 수 있는 선형이동부(130)가 구비되어 있어, 자기장 생성을 위한 관심영역으로 이동시 용이하게 이동형 마이크로로봇 제어장치(100)를 이동할 수 있다.
상기 엑스레이(X-ray) 장치(220)는 베드(210)의 길이방향으로 일 말단에 구비될 수 있고, 일반적으로는 환자의 머리 부분에 구비될 것이다.
엑스레이(X-ray) 장치는 시술환경에서 인체 내 시술부위 확인, 마이크로로봇 위치, 마이크로로봇 이동경로 등의 정보를 실시간으로 제공해 주기 위한 것이다. 예를 들어, 엑스레이(X-ray) 장치에 의해 인체 내 시술부위를 확인 및 마이크로로봇 위치확인 정보를 토대로 이동형 마이크로로봇 제어장치(100)를 선형이동시켜 시술하고자 하는 정확한 위치에 이동형 마이크로로봇 제어장치(100)를 위치시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 마이크로로봇 제어 시스템(200)은 상기 엑스레이(x-ray) 장치(220) 이외에 심박 및 호흡 등을 체크하는 신체 모니터링 장치, 산소공급 장치, 호흡마취 장치 등 다양한 의료기기들과 호환하여 사용할 수 있다.
상기 제어장치(230)는 이동형 마이크로로봇 제어장치(100)의 자기장 생성부(100)를 구성하는 전자석 코일(110)에 인가되는 전류 및 회전이동부(120)의 회전이동 및 선형이동부(130)의 선형이동을 제어할 수 있도록 구성된다. 또한 엑스레이(X-ray) 장치(220)의 작동을 제어하여 시술부위, 마이크로로봇 위치 및 이동경로 등의 정보를 획득할 수 있도록 구성된다. 제어장치(230)는 영상내비게이션 시스템(240)에 의해 제공되는 시술에 필요한 모든 정보를 토대로 이동형 마이크로로봇 제어시스템(200)을 이용하여 시술을 수행하는 시술자가 이동형 마이크로로봇 제어스스템을 구성하는 각각의 장치를 원격으로 자유롭게 제어할 수 있도록 구성된다.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
100: 이동형 마이크로로봇 제어장치
110: 자기장 생성부
111: 전자석 코일
112: 솔레노이드 코일, 112-1: 자기코어, 112-2: 코일
113: 사각코일
114 : 원형코일
115: 새들코일
116: 기본결합 솔레노이드 코일, 116-1: 자기코어, 116-2: 코일
117: 자기장 집속형 솔레노이드 코일, 117-1: 자기코어, 117-2: 코일
118: 균일 자계 확장형 솔레노이드 코일, 118-1: 자기코어, 118-2: 코일
119: 솔레노이드 코일, 119-1: 자기코어, 119-2: 코일
120: 회전이동부
130: 선형이동부
200: 이동형 마이크로로봇 제어시스템, 210: 베드, 220: 엑스레이(X-ray) 장치, 230: 제어장치, 240: 영상내비게이션 시스템
110: 자기장 생성부
111: 전자석 코일
112: 솔레노이드 코일, 112-1: 자기코어, 112-2: 코일
113: 사각코일
114 : 원형코일
115: 새들코일
116: 기본결합 솔레노이드 코일, 116-1: 자기코어, 116-2: 코일
117: 자기장 집속형 솔레노이드 코일, 117-1: 자기코어, 117-2: 코일
118: 균일 자계 확장형 솔레노이드 코일, 118-1: 자기코어, 118-2: 코일
119: 솔레노이드 코일, 119-1: 자기코어, 119-2: 코일
120: 회전이동부
130: 선형이동부
200: 이동형 마이크로로봇 제어시스템, 210: 베드, 220: 엑스레이(X-ray) 장치, 230: 제어장치, 240: 영상내비게이션 시스템
Claims (20)
- 2차원 평면상에 상호 대칭되도록 배치되는 2개의 전자석 코일을 포함하는 자기장 생성부;
상기 자기장 생성부를 회전이동 시킬 수 있는 회전이동부; 및
상기 자기장 생성부를 선형이동 시킬 수 있는 선형이동부;를 포함하는 이동형 마이크로로봇 제어장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 2차원 평면과 30 내지 90°를 이루는 2차원 평면상에 상호 대칭되도록 배치되는 2개의 전자석 코일을 포함하는 자기장 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
전자석 코일은 상자성체로 이루어진 자기코어 및 자기코어 외부에 코일이 권선되어 있는 솔레노이드 코일, 사각코일, 원형코일 및 새들코일로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 솔레노이드 코일은 자기코어 외부에 코일이 권취되어 있지 않은 코어 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 코어 돌출부는 돌출이 시작되는 부분의 직경이 상기 솔레노이드 코일의 내경과 동일하고, 상기 코어 돌출부 말단의 직경은 솔레노이드 코일의 내경보다 작은 것은 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 코어 돌출부는 상기 솔레노이드 코일 외경과 동일한 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 솔레노이드 코일은 자기 차폐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 솔레노이드 코일 중 코일이 권선된 코일 권선부와 자기 차폐부의 길이비는 4 내지 1 : 1 내지 3인 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 제어장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 회전이동부는 자기장 생성부의 일측면에 연결되어 자기장 생성을 원하는 관심영역을 중심으로 자기장 생성부가 원형으로 회전할 수 있도록 구비되는 되는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 선형이동부는 회전이동부의 일측면에 연결되어 자기장 생성을 원하는 관심영역으로 자기장생성부를 선형으로 이동시킬 수 있도록 구비되는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어장치. - 베드;
베드의 길이방향으로 양측면에 구비되는 이동형 마이크로로봇 제어장치;
베드의 길이방향으로 일 말단에 구비되는 엑스레이 장치; 및
상기 이동형 마이크로로봇 제어장치 및 엑스레이 장치를 제어하기 위한 제어장치;를 포함하고,
상기 이동형 마이크로로봇 제어장치는,
2차원 평면상에 상호 대칭되도록 배치되는 2개의 전자석 코일을 포함하는 자기장 생성부;
상기 자기장 생성부를 회전이동 시킬 수 있는 회전이동부; 및
상기 자기장 생성부를 선형이동 시킬 수 있는 선형이동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 2차원 평면과 30 내지 90°를 이루는 2차원 평면상에 상호 대칭되도록 배치되는 2개의 전자석 코일을 포함하는 자기장 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어시스템. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
전자석 코일은 상자성체로 이루어진 자기코어 및 자기코어 외부에 코일이 권선되어 있는 솔레노이드 코일, 사각코일, 원형코일 및 새들코일로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어시스템. - 제 13 항에 있어서,
상기 솔레노이드 코일은 자기코어 외부에 코일이 권취되어 있지 않은 코어 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어시스템. - 제 14 항에 있어서,
상기 코어 돌출부는 돌출이 시작되는 부분의 직경이 상기 솔레노이드 코일의 내경과 동일하고, 상기 코어 돌출부 말단의 직경은 솔레노이드 코일의 내경보다 작은 것은 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어시스템. - 제 14 항에 있어서,
상기 코어 돌출부는 상기 솔레노이드 코일 외경과 동일한 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어시스템. - 제 13 항에 있어서,
상기 솔레노이드 코일은 자기 차폐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어시스템. - 제 17 항에 있어서,
상기 솔레노이드 코일 중 코일이 권선된 코일 권선부와 자기 차폐부의 길이비는 4 내지 1 : 1 내지 3인 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇 제어장치. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 회전이동부는 자기장 생성부의 일측면에 연결되어 자기장 생성을 원하는 관심영역을 중심으로 자기장 생성부가 원형으로 회전할 수 있도록 구비되는 되는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어시스템. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 선형이동부는 회전이동부의 일측면에 연결되어 자기장 생성을 원하는 관심영역으로 자기장생성부를 선형으로 이동시킬 수 있도록 구비되는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로로봇 제어시스템.
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