KR20230129190A - 손실 메카트로닉스 시스템 및 추정 방법 - Google Patents
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Abstract
메카트로닉 시스템에서 힘과 모터 토크를 추정하기 위한 방법 및 시스템이 본원에 제공된다. 이러한 방법 및 시스템은 소규모 메카트로닉스 시스템, 특히 진단 분석 시스템의 주사기, 밸브 및 카트리지 로더 또는 도어 개폐 메커니즘의 개선된 제어에 적합하다. 상기 방법은 마찰을 보상하고 다양한 2차 효과를 설명할 수 있으므로 보다 정확한 압력 추정을 가능하게 하며, 그럼으로써 주사기 작동을 개선할 수 있다. 상기 방법은 힘 또는 모터 토크의 개선된 추정을 더 가능하게 하여 샘플 카트리지 및 카트리지 로더 또는 도어 개폐 시스템과 인터페이스하는 작동 가능 밸브의 개선된 제어를 허용할 수 있다. 이러한 시스템을 교정하는 방법도 제공된다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 1월 13일에 출원된 미국 가출원 번호 63/136,739에 대한 우선권을 주장하며, 상기 가출원 전체 내용은 본 명세서에 참조로 편입된다.
연방 정부 지원 연구 및 개발 하에 이루어진 발명에 대한 권리에 대한 진술
본 발명은 ACC-NJ가 MCDC에 수여한 계약 번호 W15QKN-16-9-1002 하에서 미국 정부 지원으로 이루어졌다. 상기 정부는 본 발명에 대한 특정 권리를 갖는다.
본 발명은 메카트로닉스 시스템, 특히 진단 분야의 소규모, 고정밀 디바이스의 제어를 위한 개선된 디바이스 및 방법에 관한 것이다.
본원은 일반적으로 다음과 같은 것에 관한 것이다: 2020년 2월 18일에 발행된 "Molecular Diagnostic Assay System"이라는 제목의 미국 특허 번호 10,562,030; 2019년 7월 9일에 발행된 "Encoderless Motor with Improved Granularity and Methods of Use"라는 제목의 미국 특허 번호 10,348,225; 2021년 1월 13일에 출원된 "Encoderless Motor with Improved Quantization and Methods of Use and Calibration"이라는 제목의 미국 임시 특허 출원 번호 63/136,766; 2002년 2월 25일 출원된 "Fluid Processing and Control"이라는 제목의 미국 특허 번호 8,048,386; 및 2000년 8월 25일 출원된 "Fluid Control and Processing System"이라는 제목의 미국 특허 번호 6,374,684; 이들 각각은 모든 목적을 위해 그 전체가 본원에 포함된다.
본 발명자들은 기존의 분자 진단 분석 시스템(예: Cepheid의 GeneXpert® 시스템)을 개선하는 방법 및 시스템을 개발했다. 본원에서 설명된 새로운 분자 진단 분석 시스템 및 방법은 일반적으로 크기가 작고 무게가 가벼운 배터리에 의해 옵션으로 전원을 공급받는 의료 진단 디바이스에 관한 것이며, 그래서 환자가 병원, 실험실, 심지어 약국에서 멀리 떨어져 있을 수 있는 어떤 위치에서도 완전히 휴대할 수 있도록 허용한다. 상기 진단 디바이스는 완전히 자동화된 분자 진단 분석을 (옵션으로는 동시에 여러 병원체를 선택적으로 검출하기 위해) 수행하고 정확한 결과를 신속하게 (일반적으로 1 또는 2시간 이내 및 15-20분만큼 빠르게) 얻을 수 있다. 그것은 하나 이상의 미리 제조된 분석 카트리지를 사용하여 작동하기 쉽고 환자가 특정 병원체를 보유하고 있는지 또는 특정 질병 상태에 시달리고 있는지 여부를 나타내는 테스트 결과를 신속하게 얻을 수 있다.
이러한 분자 진단 분석 시스템은 거의 모든 환경에서 신속한 배치 및 완전한 작동의 강점을 가진 최초의 진정한 현장 진단 도구이다. 배치 가능성, 신속하고 정확한 진단 기능, 기술적 정교함과 작동 용이성의 조합은 이러한 분자 진단 분석 시스템을 신흥 시장을 위한 궁극적인 솔루션이자 의료 진단 테스트의 미래를 정의하는 혁신적인 트렌드 세터로 만든다. 이러한 휴대용 진단 시스템의 개발은 최근 몇 년 동안 최첨단 기술의 현저한 발전을 나타내지만, 특히 내부에 배치된 소규모 메카트로닉스 시스템에 대해 그런 시스템의 제어 정확도를 지속적으로 개선하여 신뢰성과 결과의 일관성을 보장할 필요가 있다.
본 발명은 개선된 진단 분석 시스템 그리고 제어 및 추정 방법에 관한 것이다. 이러한 시스템은 다음을 포함하는 다양한 하위 어셈블리들에 속한 개선 사항들을 포함할 수 있다: 도어 구동 어셈블리, 카트리지 로더, 주사기 구동부 및 밸브 구동. 이러한 서브어셈블리 중 임의의 것이 이러한 진단 분석 시스템에 개별적으로 또는 임의의 다른 서브어셈블리와 결합하여 포함될 수 있어 본원에서 설명된 바와 같은 개선된 성능 측면을 제공할 수 있음이 이해된다.
일 양태에서, 본 발명은 위치, 속도 또는 일반화 힘 (generalized force) 중 적어도 하나를 제어하기 위한 손실 메카트로닉 시스템에 관한 것이다. 여기서 일반화 힘이라는 용어는 메카트로닉 시스템의 힘, 토크 또는 압력 출력을 의미하는 것으로 간주될 것이다. 일부 실시예에서, 상기 시스템은 다음의 것들을 포함한다: 모터 구동기; 상기 모터 구동기에 따라 일반화 힘을 인가하도록 구성된 모터; 모터-적용된 일반화 힘, 마찰 및 점성 항력에 따라 일반화 힘을 전달하도록 구성된 손실 트랜스미션; 및 제어 유닛. 제어 유닛은 적어도 하나의 모터 특성, 모터 구동 브리지 전류 및 전압 및 적어도 하나의 트랜스미션 특성을 사용하여 일반화 힘을 계산하기 위한 명령어들이 기록된 메모리를 갖는 프로세서를 포함할 수 있다. 유리하게는 제어 유닛은 이러한 계산을 실시간으로 수행할 수 있다. 모터 특성에는 다음 중 임의의 것이 포함될 수 있다: 전압, 속도, 위치, 상전류, 상저항, 모터 상수(kt). 트랜스미션 특성은 다음 중 임의의 것을 포함한다: 트랜스미션 기어비, 마찰 계수 및 점성 항력 계수. 본 명세서의 임의의 실시예는 주사기 구동, 밸브 구동, 카트리지 로더 또는 도어 개폐 메커니즘 중 적어도 하나에 적용될 수 있다.
일부 실시예에서, 트랜스미션은 역구동 가능하다. 상기 트랜스미션은 4-사분면 (four-quadrant) 작동을 가능하게 할 수 있다. 한 양태에서, 역구동 트랜스미션은 사용자에 의해 가해지는 힘이 입력으로 사용될 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 시스템의 사용자는 출력에 일반화 힘을 부여하고 입력에서 일반화 힘을 감지하여 사용자 의도를 전달할 수 있다. 예들은 사용자가 기구나 주사기 로드(rod)를 청소하겠다는 의사를 표시하기 위해 문이나 주사기를 위로 누르는 행위를 포함할 수 있지만 이에 국한되지는 않는다. 일부 실시예에서, 상기 시스템은 카트리지 로딩 캠 메커니즘에 대해 카트리지를 누르는 사용자 동작이 카트리지를 로딩하고 카트리지 처리를 시작하라는 사용자 요청을 알리는 카트리지 로딩 시스템을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 트랜스미션은 일반화 힘 출력을 나타내는 출력 토크를 갖는 회전식 트랜스미션이다. 일부 실시예에서, 상기 트랜스미션은 일반화 힘 출력, 예를 들어 힘 또는 압력을 나타내는 출력 힘을 갖는 선형 트랜스미션이다.
일부 실시예에서, 제어 유닛은: 모터 구동 전압, 모터 구동 브리지 전류 및 모터 구동 브리지 전압으로 모터 저항을 결정하도록 구성된다. 한 양태에서, 모터 권선은 공지된 도체 구성이고 모터 저항은 공지된 권선 온도에서 추가로 결정된다. 이러한 알려진 값은 제어 유닛의 비휘발성 메모리에 저장될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 유닛은 실시간으로 결정될 수 있는 모터 권선 저항과 권선 온도 사이의 알려진 관계로부터 모터 권선 온도를 결정한다. 일부 실시예에서, 모터 권선은 실질적으로 구리 구성으로 구축된다. 모터 권선 온도는 일반화 힘 출력에 대한 권선 온도의 영향을 보상하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 모터 권선 온도가 미리 결정된 임계값을 초과할 때 시스템 작동이 중단된다.
일부 실시예에서, 상기 시스템은 주사기 구동을 포함하고 일반화 힘 출력은 하나 이상의 작동 동안 주사기의 보호된 강제 정지 모션 (stop-on-force motion)에 사용된다. 이러한 작업은 다음의 것들 중 어느 하나를 포함할 수 있다: 주사기로 카트리지 바닥 위치 찾기, 주사기로 혼합 또는 반응 튜브 충진 중 적어도 하나를 수행하는 동안 과도한 흡입 및/또는 분배 힘 검출, 샘플 용량 적절성 판별. 일부 실시예에서, 보호된 강제 정지 모션은 압력 정지(stop-on-pressure)이다. 일부 실시예에서, 시스템은 주사기 구동으로 적용될 수 있고 일반화 힘 출력은 카트리지 무결성을 판별하는 수단으로 사용돤다. 일부 실시예에서, 카트리지 무결성은 카트리지 무결성 테스트 내에서 반응 용기의 누출로 인한 가압 손실을 감지함으로써 결정된다. 일부 실시예에서 보호된 강제 정지 모션은 도어 폐쇄를 방해하는 사용자의 손가락과 같은 장애물을 감지하기 위한 위험 제어 조치로서 사용된다.
또 다른 양태에서, 전술한 것들 중 임의의 것과 같은 손실 메카트로닉 시스템의 적용을 위한 교정 (calibration) 방법이 본원에서 제공된다. 보정 방법은 다음을 포함할 수 있다: 모터 권선 저항을 결정하고 트랜스미션을 확장한 다음 호환되는 계측 플랫폼으로 주행하는 동안 트랜스미션을 후퇴시키는 단계; 계측 플랫폼 및 일반화 힘으로부터 판독값을 기록하는 단계; 그리고 모터 kt 및 마찰 계수를 결정하기 위해 플랫폼에 의해 기록을 처리함으로써 계산하는 단계. 일부 실시예에서, 모터 kt 및 마찰 계수는 +/- 10% 정확도 내에서 손실 메카트로닉 시스템의 정확한 작동을 용이하게 하기 위해 손실 메카트로닉 시스템의 제어 유닛의 메모리에 저장된다. 일부 실시예에서, 전송은 4사분면 작동을 가능하게 하는 역구동 가능하다. 일부 실시예에서, 시스템 출력은 선형이다. 일부 실시예에서, 상기 선형 출력 시스템은 주사기 구동이다.
일부 구현예에서, 본 발명은 분석 카트리지(종종 "샘플 카트리지" 또는 "테스트 카트리지"라고도 함)를 수용하도록 구성된 진단 분석 시스템을 포함한다. 이러한 시스템은 본 명세서에 기술된 다양한 특징 및 서브어셈블리 중 임의의 하나 또는 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템은 예를 들어 임의의 도어 개폐 메커니즘 및 카트리지 로딩 시스템, 주사기 구동 및/또는 밸브 구동과 작동 가능하게 결합된 브러시리스 DC(BLDC) 모터를 포함한다.
일부 실시예에서, 시스템은 도어 개폐 메커니즘을 포함한다. 일부 실시예에서, 시스템은 카트리지 로딩 메커니즘을 포함한다. 일부 실시예에서, 시스템은 카트리지 로딩 메커니즘과 적응하여 결합되고 역구동 가능 트랜스미션 메커니즘에 의해 구동되는 도어 개폐 메커니즘을 포함한다.
일부 실시예에서, 시스템은 n상 BLDC 모터와 작동 가능하게 결합되고 BLDC 모터의 모니터링된 전류 드로우에 적어도 부분적으로 기초하여 제어되는 주사기 구동을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 시스템은, 어떤 외부 엔코더 하드웨어나 위치 센서도 사용하지 않으면서 각각 회전자 극들의 자기장을 감지하는 BLDC의 n개 전압 센서들에 의해 제공된 전압 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 n상 BLDC 모터와 작동 가능하게 결합된 주사기 구동부, 카트리지 로딩 메커니즘, 도어 메커니즘 및 밸브 구동 메커니즘 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예는 진단 분석 시스템을 위한 도어 작동 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 진단 분석 시스템의 섀시를 포함할 수 있다. 브러시리스 DC(BLDC) 모터를 진단 분석 시스템의 섀시에 연결할 수 있다. 역구동 가능 트랜스미션는 BLDC 모터에 의해 작동 가능할 수 있다. 상기 도어는 닫힌 위치에서 열린 위치로 (그리고 열린 위치에서 닫힌 위치로) 진단 분석 시스템의 섀시에 대해 움직일 수 있다. BLDC 모터는 BLDC 모터의 전류 측정값을 기반으로 역구동 가능한 트랜스미션을 작동하도록 구성될 수 있으며, 전류 측정값은 역구동 가능 트랜스미션에 대한 역구동 이벤트와 연관된다. 여기에서, 역구동 가능(backdrivable)이라는 용어는 고전적인 로봇 환경에서 트랜스미션의 출력으로부터 트랜스미션으로의 모터 구동 입력으로의 움직임의 전달의 용이성 레벨로서 취해질 것이다.
본 발명의 일부 실시예는 진단 분석 시스템용 도어 개폐 시스템을 작동하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법에서 진단 분석 시스템의 카트리지 수용 도어를 열라는 명령을 받을 수 있다. 역구동 가능 트랜스미션에 결합된 BLDC(브러시리스 DC) 모터는 닫힌 위치로부터 도어를 열도록 (또는 그 반대로) 작동될 수 있으며, 역구동 가능 트랜스미션은 도어 및 카트리지 로딩 메커니즘에 작동적으로 결합된다. 역구동 가능한 트랜스미션에 대해 발생하는 사용자가 문 위로 밀어 올리는 것과 같은 첫 번째 역구동 이벤트가 전류 모니터링을 기반으로 검출될 수 있다. 첫 번째 역구동 이벤트 검출에 기반하여, 도어를 열린 위치에 배치하는 BLDC 모터의 작동이 중지될 수 있고, 카트리지 로딩 메커니즘의 한 측면이 분석 카트리지를 수용하기 위한 위치에 배치될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예는 진단 분석 시스템용 주사기를 작동하기 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 진단 분석 시스템의 섀시를 포함할 수 있다. 브러시리스 DC(BLDC) 모터를 진단 분석 시스템의 섀시에 연결할 수 있다. 역구동 가능한 리드 스크류는 BLDC 모터에 의해 작동 가능할 수 있다. 플런저 로드(plunger rod)는 분석 카트리지의 주사기 통로에서 플런저 팁과 맞물리도록 리드 스크류에 의해 작동 가능할 수 있다. BLDC 모터는 BLDC 모터의 전류 소비 모니터링을 기반으로 리드 스크류를 작동하도록 구성될 수 있으며, 전류는 탈착식 분석 카트리지 내의 압력 변화와 연관된다.
본 발명의 일부 실시예는 진단 분석 시스템용 주사기를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 브러시리스 DC(BLDC) 모터에 전원을 공급하라는 명령이 수신될 수 있다. BLDC 모터는 역구동 가능 리드 스크류를 돌리도록 작동 가능할 수 있다. 플런저 로드는 리드 스크류에 연결되어 리드 스크류에 의해 움직일 수 있다. 분석 카트리지의 주사기 통로 내에서 플런저 팁과 맞물리도록 플런저 로드를 이동하기 위해 BLDC 모터에 전원이 공급될 수 있다. 탈착 가능한 분석 카트리지의 품질을 판별하기 위해 BLDC 모터의 작동과 연관된 적어도 하나의 전류가 모니터될 수 있다. BLDC 모터의 전류 변화가 검출될 수 있다. BLDC 모터의 작동은 전류의 변화 검출에 기반하여 탈착 가능 분석 카트리지 내에서 변경될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예는 밸브 구동 메커니즘을 작동하기 위한 방법에 관한 것이다. 밸브 구동부를 특정 위치로 이동하기 위해 섀시에 연결된 브러시리스 DC(BLDC) 모터에 전원을 공급하라는 명령이 수신될 수 있다. 밸브 구동부는 제거 가능한 분석 카트리지의 밸브 본체 위치를 회전하도록 구성될 수 있다. BLDC 모터와 밸브 구동 사이에 트랜스미션이 연결될 수 있다. BLDC 모터는 어떤 외부 위치 센서나 인코더 하드웨어도 포함하지 않지만, 회전자 자기장을 측정하는 복수의 홀 효과 센서를 포함할 수 있다. BLDC 모터는, 센서에 의해 생성된 정현파 신호에 기반하여 밸브 구동부를 특정 위치로 이동시키기 위해 BLDC 모터의 샤프트를 특정 회전 수만큼 회전시키도록 전력을 공급받을 수 있다.
일부 실시예는 밸브 구동 메커니즘을 작동하기 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 밸브 구동 메커니즘 섀시를 포함할 수 있다. 브러시리스 DC(BLDC) 모터가 섀시에 연결될 수 있다. BLDC 모터는 외부 위치 또는 인코더 하드웨어를 포함하지 않지만 복수의 홀 효과 센서를 포함할 수 있다. 트랜스미션이 BLDC 모터에 결합될 수 있다. 트랜스미션에 밸브 구동부가 연결될 수 있다. 밸브 구동부는 제거 가능한 분석 카트리지의 밸브 본체 위치를 회전하도록 구성될 수 있다. 센서에서 생성된 신호들을 분석한 것을 기반으로 밸브 구동 출력의 위치가 판별될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일부 실시예에 따른 진단 분석 시스템의 사시도이다.
도 1b는 일부 실시예에 따른 진단 분석 시스템의 분해도이다.
도 2a-2c는 일부 실시예에 따른 브러시리스 DC(BLDC) 모터의 사시도이다.
도 2d는 일부 실시예에 따라 모터 회전자의 기계적 각위치를 결정하는 데 사용되는 BLDC 모터에 근접한 고유 자기장 센서의 정현파 가변 전압 출력 패턴의 그래프이다.
도 3은 일부 실시예에 따라 BLDC 모터를 제어하기 위한 회로도이다.
도 4a는 일부 실시예에 따른 도어 개방 메커니즘의 사시도이다.
도 4B-4E는 일부 실시예에 따라 사용 중인 진단 분석 시스템의 단면도이다.
도 5a는 일부 실시예에 따라 사용 중인 진단 분석 시스템의 단면도이다.
도 5B 및 5C는 일부 실시예에 따라 진단 분석 시스템의 태양들을 작동하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 6a 및 6b는 일부 실시예에 따른 밸브 구동 메커니즘의 사시도이다.
도 6c는 일부 실시예에 따라 밸브 구동 위치에 대한 출력 신호에 관한 그래프이다.
도 7-도 8은 일부 실시예에 따라 진단 분석 시스템에 사용하기 위한 초음파 혼 어셈블리를 도시한다.
도 9a-도 9b는 일부 실시예에 따라 분석 카트리지를 로딩하는 동안 그리고 로딩한 후의 진단 분석 시스템의 단면도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예에 따른 분석 카트리지의 단면도를 예시한다.
도 11-도 12는 일부 실시예에 따른 압력 감지 제어 도면을 도시한다.
도 13은 트랜스포머로서 리드스크류 액추에이터 트랜스미션의 모델링을 도시한 도면이며, 도 14는 일부 실시예에 따른 대응하는 제어 도면을 도시한다.
도 15는 마찰을 설명하는 리드스크류 액추에이터 트랜스미션의 모델링을 예시하고, 도 16-도 17은 일부 실시예에 따른 대응하는 제어 도면을 도시한다.
도 18은 일부 실시예에 따른 메카트로닉 시스템에 대한 제어 도면을 도시한다.
도 19는 일부 실시예에 따른 메카트로닉 시스템에 대한 제어 도면을 도시한다.
도 20은 일부 실시예에 따른 메카트로닉 시스템에 대한 토크 대 각도 곡선이다.
도 21a-d는 마찰의 효과를 나타내는 추정된 주사기 압력(PSI) 대 측정된 압력(PSI)을 도시한다.
도 21b-21d는 일부 실시예에 따른 대안의 압력 감지 방법을 도시한다.
도 21c는 일부 실시예에 따른 압력 감지의 마찰 보상 방법을 도시한다.
도 22 내지 도 23은 주사기 시스템에 대한 힘 데이터의 곡선 피트를 도시하고, 도 23은 일부 실시예에 따라 주사기 시스템에 대한 추정 압력 대 측정 압력을 예시한다.
도 24는 N=40에서의 트랜스미션 특성화를 도시하고, 도 25는 대표적인 모터의 트랜스미션 특성화를 도시한다.
도 26은 일부 실시예에 따라 플로팅된 주사기로부터의 힘 데이터 대 측정된 힘 데이터를 도시한다.
도 27은 일부 실시예에 따라 가압 동안 그리고 감압 동안 마찰 보상 방법을 사용한 압력 비교를 도시한다.
도 28은 일부 실시예에 따라 가압 동안 그리고 감압 동안 마찰 보상 방법을 사용한 압력 비교를 도시한다.
도 29는 종래의 카트리지 무결성 테스트를 보여준다.
도 30은 일부 실시예에 따른 개선된 카트리지 무결성 테스트를 도시한다.
도 31은 일부 실시예에 따른 카트리지 무결성 테스트 결과를 도시한다.
도 32는 일부 실시예에 따라 "양호" 대 "불량" 카트리지 카트리지 무결성 테스트를 검출하기 위한 최적 임계값을 도시한다.
도 33은 일부 실시예에 따라 모터 토크 추정에 사용하기 위한 밸브 토크 대 전압의 플롯을 도시한다.
도 1b는 일부 실시예에 따른 진단 분석 시스템의 분해도이다.
도 2a-2c는 일부 실시예에 따른 브러시리스 DC(BLDC) 모터의 사시도이다.
도 2d는 일부 실시예에 따라 모터 회전자의 기계적 각위치를 결정하는 데 사용되는 BLDC 모터에 근접한 고유 자기장 센서의 정현파 가변 전압 출력 패턴의 그래프이다.
도 3은 일부 실시예에 따라 BLDC 모터를 제어하기 위한 회로도이다.
도 4a는 일부 실시예에 따른 도어 개방 메커니즘의 사시도이다.
도 4B-4E는 일부 실시예에 따라 사용 중인 진단 분석 시스템의 단면도이다.
도 5a는 일부 실시예에 따라 사용 중인 진단 분석 시스템의 단면도이다.
도 5B 및 5C는 일부 실시예에 따라 진단 분석 시스템의 태양들을 작동하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 6a 및 6b는 일부 실시예에 따른 밸브 구동 메커니즘의 사시도이다.
도 6c는 일부 실시예에 따라 밸브 구동 위치에 대한 출력 신호에 관한 그래프이다.
도 7-도 8은 일부 실시예에 따라 진단 분석 시스템에 사용하기 위한 초음파 혼 어셈블리를 도시한다.
도 9a-도 9b는 일부 실시예에 따라 분석 카트리지를 로딩하는 동안 그리고 로딩한 후의 진단 분석 시스템의 단면도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예에 따른 분석 카트리지의 단면도를 예시한다.
도 11-도 12는 일부 실시예에 따른 압력 감지 제어 도면을 도시한다.
도 13은 트랜스포머로서 리드스크류 액추에이터 트랜스미션의 모델링을 도시한 도면이며, 도 14는 일부 실시예에 따른 대응하는 제어 도면을 도시한다.
도 15는 마찰을 설명하는 리드스크류 액추에이터 트랜스미션의 모델링을 예시하고, 도 16-도 17은 일부 실시예에 따른 대응하는 제어 도면을 도시한다.
도 18은 일부 실시예에 따른 메카트로닉 시스템에 대한 제어 도면을 도시한다.
도 19는 일부 실시예에 따른 메카트로닉 시스템에 대한 제어 도면을 도시한다.
도 20은 일부 실시예에 따른 메카트로닉 시스템에 대한 토크 대 각도 곡선이다.
도 21a-d는 마찰의 효과를 나타내는 추정된 주사기 압력(PSI) 대 측정된 압력(PSI)을 도시한다.
도 21b-21d는 일부 실시예에 따른 대안의 압력 감지 방법을 도시한다.
도 21c는 일부 실시예에 따른 압력 감지의 마찰 보상 방법을 도시한다.
도 22 내지 도 23은 주사기 시스템에 대한 힘 데이터의 곡선 피트를 도시하고, 도 23은 일부 실시예에 따라 주사기 시스템에 대한 추정 압력 대 측정 압력을 예시한다.
도 24는 N=40에서의 트랜스미션 특성화를 도시하고, 도 25는 대표적인 모터의 트랜스미션 특성화를 도시한다.
도 26은 일부 실시예에 따라 플로팅된 주사기로부터의 힘 데이터 대 측정된 힘 데이터를 도시한다.
도 27은 일부 실시예에 따라 가압 동안 그리고 감압 동안 마찰 보상 방법을 사용한 압력 비교를 도시한다.
도 28은 일부 실시예에 따라 가압 동안 그리고 감압 동안 마찰 보상 방법을 사용한 압력 비교를 도시한다.
도 29는 종래의 카트리지 무결성 테스트를 보여준다.
도 30은 일부 실시예에 따른 개선된 카트리지 무결성 테스트를 도시한다.
도 31은 일부 실시예에 따른 카트리지 무결성 테스트 결과를 도시한다.
도 32는 일부 실시예에 따라 "양호" 대 "불량" 카트리지 카트리지 무결성 테스트를 검출하기 위한 최적 임계값을 도시한다.
도 33은 일부 실시예에 따라 모터 토크 추정에 사용하기 위한 밸브 토크 대 전압의 플롯을 도시한다.
I. 시스템 개요
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 생물학적 샘플을 테스트하기 위한 시스템(10)의 투시도를 도시한다. 시스템(10)의 컴팩트 폼 팩터는 무선으로 또는 로컬 컴퓨터 또는 클라우드 기반 네트워크와 직접 (유선) 통신할 수 있는 휴대용 샘플 테스트 디바이스를 제공한다. 이와 같이, 시스템(10)은 모바일 진단 센터를 포함하는 현장 진료 애플리케이션, 신흥 국가 및 의사 사무실 실험실에서 유리하게 사용될 수 있다.
시스템(10)은 생물학적 샘플을 수용하도록 구성되고 특정 분석을 수행하도록 적응된 일회용 분석 카트리지와 함께 사용 가능하다. 상기 시스템과 카트리지는 매우 유연하며 핵산 및 단백질을 포함한 다양한 분석물을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 상기 시스템 및 분석 카트리지를 사용하여 검출될 수 있는 비제한적인 예시적 분석물, 유기체 및 질병 상태는 핵산, DNA, RNA, 단백질, 박테리아, 바이러스 및 건강 관련 감염 (MRSA, C.디피실(C.Difficile), VRE (Vancomycin resistance enterococcus), 모로바이러스 (Norovirus)), 치명적인 전염병(MTB/RIF, Flu, RSV, EV), 성 건강(CT/NG, GBS), 종양학(예: 유방암 또는 방광암) 및 유전학(FII/FV)을 포함한 다양한 병원성 질병 상태에 대한 질병 특이적 마커를 포함한다, 일부 실시예에서, 시스템(10)은 통합된 근거리 통신 능력(예를 들어, RFID, 레이저 스캐닝)을 통해 카트리지 유형을 식별할 수 있고, 따라서 적절한 분석 루틴을 카트리지에 적용할 수 있다. 일부 실시예에서, 카트리지 식별은 블루투스 기술, RFID 태그, 바코드, QR 라벨 등을 사용한다.
분석 카트리지가 일단 시스템(10) 내부에 물리적으로 삽입되고 시스템(10)에 의해 초기화되면, 상기 시스템은 일부 실시예에서 샘플 준비, 핵산 증폭 및 분석물 검출 프로세스를 포함할 수 있는 시료 처리 기능을 수행할 것이다. 상기 검출 프로세스의 결과는 무선으로 또는 유선으로 로컬 컴퓨터 또는 클라우드 기반 네트워크에 직접 업로드될 수 있다. 유리하게는, 상기 로컬 컴퓨터는 시스템을 제어하고 네트워크와 통신하도록 특별히 설계된 소프트웨어 애플리케이션을 갖는 태블릿 또는 휴대폰과 같은 무선 통신 디바이스일 수 있다.
시스템(10)은 외부 전원에 의해 전력을 공급받을 수 있고, 정전 또는 현장 사용의 경우 무정전 파워 서플라이(예: 배터리)를 특징으로 할 수 있다. 무정전 파워 서플라이(uninterruptable power supply, UPS)는 시스템의 현장 사용을 허용하고 일부 실시예에서는 적어도 하루, 바람직하게는 최대 2일 동안 시스템에 전력을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, UPS는 최대 4시간의 연속 작동을 허용한다. 이 외부 모습에 도시된 바와 같이, 시스템(10)은 분석 카트리지(미도시)를 수용하기 위한 외부 쉘(12) 및 도어(14)를 포함할 수 있다. 외부 쉘(12)의 상이한 스타일은 특정 사용자에 의해 필요에 따라 구성될 수 있다. 전형적으로, 외부 쉘(12)은 예를 들어 경화된 중합체 또는 금속 구조 내의 구성요소를 보호하고 지지하기 위해 실질적으로 강성인 재료로 형성된다. 여기에 도시되지는 않았지만, 일부 실시예에서 외부 쉘(12)은 현장 사용을 위해 심하게 울퉁불퉁(장갑)하게 될 수 있거나, 여기에 도시된 바와 같이 의사 사무실 사용을 위해 장식적으로 만들어질 수 있다.
도 1b는 (외부 셸이 없는) 시스템(10)의 분해도를 도시하며 주요 서브시스템은 외부에 도시되어 있다. 상기 서브시스템의 개요는 아래에 제공된다. 각 서브시스템에 대한 추가 세부 정보는 다음 섹션에서 설명된다.
브러시리스 DC(brushless DC, BLDC) 모터를 사용하는 다양한 서브시스템이 개시된다. 일반적으로, 각 모터는 인쇄 회로 기판(PCB) 기판에 장착되는 고정자 어셈블리를 가질 수 있고, 리드 스크류와 같은 역구동 가능 트랜스미션 (backdrivable transmission) 메커니즘을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 그러한 BLDC 모터는 트리거 도구로서 각위치 및 힘 기반 전류 모니터링을 결정하기 위해 아날로그 센서(예를 들어, 홀 센서)를 사용한다. 그러한 BLDC 모터는 회전자를 포함할 수 있으며, 다수의 자석들이 그 회전자 위에 배치되고 상기 회전자는 적어도 모터의 위상만큼 많은 센서를 갖는 기판 상의 고정자에 장착된다. 3개의 센서들이, 회전자의 변위가 상기 센서들로부터의 측정값을 기반으로 제어될 수 있도록 배치되며, 그럼으로써 위치 기반 센서나 인코더 하드웨어를 사용할 필요 없이 향상된 해상도와 세분성을 제공한다. 그래서, 본원에서 설명된 BLDC 모터는 인코더 하드웨어를 사용할 필요가 없으며 그 모터들의 연관된 구동 트레인은 위치 센서를 사용할 필요가 없다. 예를 들어, 상기 시스템은 역구동 가능한 리드 스크류에 결합되는 출력 샤프트를 갖는 브러시리스 BLDC 모터를 포함하는 주사기 구동 메커니즘(16)을 포함할 수 있다. 상기 리드 스크류는 탈착식 분석 카트리지의 플런저 팁과 인터페이스할 수 있는 플런저 로드를 구동한다. 이러한 주사기 구동 메커니즘(16)은 도어 구동 메커니즘(18)과 PCB(30)를 공유할 수 있다. 상기 도어 구동 메커니즘에는 역구동 가능한 리드 스크류에 결합된 출력 샤프트를 구비한 BLDC 모터도 포함된다. 주사기 구동 메커니즘(16) 및 도어 구동 메커니즘(18)의 모터들은 PCB 보드의 반대편에 직접 장착된 것으로 도시되어 있지만, 이것은 중요하지 않으며 두 모터 모두 동일한 면에 장착될 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 모터는 자신의 PCB에 장착될 수 있다. 향상된 해상도 및 세분성으로 인해 정확도 및 효율성이 향상되고 이러한 모터에 의해 구동되는 메커니즘의 추가 소형화를 허용하므로 이러한 BLDC 모터를 활용하는 것이 유리하다. 그러나, 그러한 BLDC 모터의 사용이 요구되지 않고 본 명세서에 기술된 임의의 메커니즘도 원하는 경우 종래의 유형 모터에 의해 또한 구동될 수 있지만, 일부 실시예에 대해 추가 센서 및/또는 회로가 필요할 수 있음을 이해해야 한다.
위에서 언급한 바와 같이, BLDC 모터는 복수의 홀 효과 센서를 포함하지만 BLDC 외부에 어떤 통상적인 인코더 하드웨어도 포함하지 않는다는 점에서 독특하다. 일부 실시예에서, 주사기 구동 메커니즘 및 도어 구동 메커니즘, 그리고 관련 서브시스템은 위치 센서를 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, BLDC의 회전자 및 출력 샤프트의 각위치는 PCB 상의 회로 및 아날로그 센서의 정현파 출력으로부터 단독으로 유도될 수 있다. 따라서, 종래의 위치 센서(예: 인코더, 광 센서 등)는 본 발명에서 사용되는 BLDC 모터와 함께 사용하는 것이 필요하지 않다. BLDC 모터가 원활한 토크 생성을 제공하기 위해서, 사인파 정류와 같은 모터 제어 기술이 구현될 수 있다. 또한, 높은 전자 구동 효율로 고속 작동을 달성하기 위해 펄스 폭 변조 구현이 이용될 수 있다.
또한, 상기 메커니즘의 리드 스크류가 역구동 가능하기 때문에, 힘 기반 이동 종료 탐지를 사용하여 상기 메커니즘을 구동하기 위한 시작점과 정지점을 결정할 수 있다. 힘 기반 이동 종료 탐지는, BLDC 모터의 전류를, 예를 들면, 힘 기반 이벤트가 발생할 때 표준에서 벗어날 (증가 또는 감소) 브리지 회로의 전류를 모니터링하여 유도될 수 있다. 따라서, 이 벗어남을 트리거 이벤트로 사용하여 BLDC 모터를 시작, 중지, 반전, 감속 및/또는 가속할 수 있다. 예를 들어, 주사기 구동 메커니즘(16)의 경우에서 구동 전류 및 전압 감지는 압력과 상관관계가 있을 수 있으므로 BLDC 모터 속도의 실시간 조정에 의해 플런저 로드에 일정하거나 의도적으로 변화하는 압력을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 이는 카트리지 압력을 모니터하기 위한 인라인 압력 센서에 대한 필요성을 줄여준다.
밸브 구동 메커니즘(20)은 동일한 유형의 BLDC 모터를 유사하게 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 밸브 구동 메커니즘(20)은, 제거 가능한 분석 카트리지의 밸브를 회전시키기 위한 턴테이블형 밸브 구동부로 궁극적으로 출력되는 웜 구동 기어 트레인을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 웜 구동 메커니즘은 전술한 주사기 구동 및 도어 구동 메커니즘에서처럼 역구동 가능하지 않다. 그러나, 동일한 유형의 홀 효과 위치 결정 및 힘 기반 트리거링(전류 모니터링)은 밸브 구동 메커니즘에 사용될 수 있다. 예를 들어, 밸브 구동부를 회전시키는 것이 예기치 않게 훨씬 더 적거나 더 많은 전류를 필요로 하면, 이러한 이벤트는 분석 카트리지의 걸림 또는 고장을 표시할 수 있다. 여기에서, 힘 기반 트리거링을 사용하여 카트리지 무결성 오작동을 감지할 수 있다.
초음파처리 혼 (Sonication horn horn) 메커니즘(22)은 밸브 구동 메커니즘(20)과 부분적으로 통합된다. 초음파처리 혼 메카니즘(22)은 예를 들어 카트리지 내의 표적 샘플을 용해시키기 위해, 프로그램 가능한 기간 동안 프로그램 가능한 초음파처리 전력을 카트리지에 인가할 수 있다. 일부 실시예에서, 초음파처리 혼 메커니즘(22)은 약 30kHz 이상, 약 40kHz 이상, 예컨대 약 50kHz (예를 들어, 50.5kHz)의 주파수에서 진동을 인가하기 위해 공진 압전 액추에이터를 사용할 수 있다. 초음파처리 혼 메카니즘(22)은 공진 주파수를 결정하기 위해 전압 여기와 관련하여 측정된 전류의 위상을 사용하는 제어 회로를 포함한다. 상기 주파수는 미리 설정된 위상 관계를 유지하기 위해 제어 회로에 의해 조정될 수 있으므로 초음파처리 중에 변경되는 공진 주파수를 추적할 수 있다. 일부 실시예에서, 전압 여기의 진폭은 명령된 전력 레벨을 유지하기 위해 지속적으로 조정될 수 있다. 이러한 기능을 기반으로 상기 제어 회로는 혼의 전력 출력을 실시간으로 최대화할 수 있다.
시스템(10)은 도어 구동 메커니즘(18)에 의해 동력을 공급받는 도어 구동 및 카트리지 로딩 시스템(24)을 또한 포함한다. 도어 구동 메커니즘(18)의 리드 스크류는 도어(14)를 열고 닫을 뿐만 아니라 어세이 카트리지(32)를 결합하고 흡입하기 위해 도어 구동 및 카트리지 로딩 시스템(24)에게 전력을 출력한다.
후방 섀시 부분(26) 및 전방 섀시 부분(28)은 시스템(10)을 위한 구조적 지지뿐만 아니라 다른 서브시스템을 위한 장착 설비를 제공한다. 상기 섀시 부분들은 일반적으로 시스템(10)에 더 작은 전체 풋프린트를 제공하고 시스템(10)의 휴대성을 가능하게 하기 위해 연장된다. 일부 실시예에서, 시스템은 다음의 풋프린트를 가질 수 있다: 9.1" x 3.0" x 4.2", 그리고 무게는 대략 2.2lbs. 세장형 (elongated) 회로 기판 또는 PCB(30)는 일반적으로 섀시 부분의 풋프린트와 일치한다. PCB(30)는 시스템(10)을 제어하는데 필요한 프로세서, 서브 프로세서, 메모리 및 제어 회로의 대부분 또는 전부를 포함한다. 그러나, 앞서 언급된 BLDC 모터는 PCB(30)에 별도로 연결되는 제어 회로를 갖는 자신의 인쇄 회로 기판과 통합될 수 있다. PCB(30)는 통신 회로 측면(예를 들어 근거리 통신 회로, USB, 무선) 및 전원 공급 회로를 또한 포함한다.
시스템(10)은 액체 용해성인 체액(예: 혈액, 소변, 타액) 또는 고체(예: 토양, 포자, 화학 잔류물)와 같은 물질의 샘플을 수납하고 유지하도록 일반적으로 구성된 다양한 유형의 분석 카드리지들(32)과 호환된다. 분석 카트리지(32)는 하나 이상의 유체 채널 및 연결 포트를 갖는 벽 구조일 수 있다. 분석 카트리지(32)는 상대적으로 작을 수 있어서 쉽게 손에 들고, 휴대할 수 있고, 그리고/또는 일회용이 될 수 있다. (시스템(10)와 함께 사용 가능한) 이러한 카트리지의 예는 미국 특허 No. 6,660,228, 국제공개특허 No. WO 2014052671 A1, 미국 특허 No. 6,374,684에서 개시되며, 이들 각각은 모든 목적을 위해 본원에 참조로서 편입된다.
분석 카트리지(32)는 열 순환 및 검출 모듈(34)과 인터페이스하는 카트리지 본체로부터 바깥쪽으로 연장되는 반응 용기(33)를 포함할 수 있다. 상기 모듈(34)은 분석 카트리지(32)의 한 양상에 에너지를 전달하고 에너지를 제거하도록 구성된 하나 이상의 장치를 포함한다. 그러한 디바이스는 이중 열전기 냉각기를 포함할 수 있다. 상기 모듈(34)은 또한 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이 하나 이상의 검출 양상을 포함한다.
II. 브러시리스 DC(BLDC) 모터 아키텍처
도 2a는 본 발명의 일부 실시예와 함께 사용하기 위한 브러시리스 DC(BLDC) 모터(100)의 요소를 예시하는 평면도이다. BLDC 모터에 대한 자세한 내용은 2019년 7월 9일에 발행된 "Encoderless Motor with Improved Granularity and Methods of Use"라는 제목의 미국 특허 10,348,225 및 동시에 출원된 "Encoderless Motor with Improved Quantization and Methods of Use and Calibration" 제목의 미국 임시 특허 출원 [변호서 서류 번호 085430-1233014-015600US] 에서 확인될 수 있으며, 이 출원들 각각은 모든 목적을 위해 본원에 참조로서 편입된다.
일 양태에서, BLDC 모터는 필터링 또는 잡음 감소에 대한 어떠한 필요도 없이 완만하게 변화하는 홀 효과 전압을 생성하도록 구성된 회전자와 고정자를 포함한다. 일부 실시예에서, 이 특징은 고정자의 자기 코어를 넘어 거리를 연장하는 회전자 내의 영구 자석을 사용함으로써 제공된다. 일부 실시예에서, BLDC 모터는 센서로부터 수신된 측정된 전압 패턴에 기초하여 모터가 제어될 수 있도록 위치가 정해진 모터의 위상들만큼 많은 홀 효과 센서들을 포함한다. 일부 실시예에서, 이것은 측정된 전압 파형이 교차하도록 고정자 주위에 방사상으로 센서를 이격시키는 것을 포함한다. 예를 들어, 3상 BLDC는 서로 방사형으로 40도 이격된 3개의 홀 효과 센서를 포함할 수 있으며, 그래서 상기 시스템이 40도 증분 내에서 센서의 위치를 제어할 수 있도록 한다.
일부 실시예에서, 모터는 중심으로부터 방사상으로 연장되는 9개의 극 치형(pole teeth)들을 갖는 내부 고정자 어셈블리(101)를 포함하고, 각 극 치형은 극 슈(103)에서 끝나고, 각 극 치형은 전자기 코일(102)을 제공하는 권선을 갖는다. 상기 모터는 외부 원통형 스커트(105)를 갖는 외부 회전자(104) 및 스커트(105)의 내주 주위에 교번 극성으로 배열된 12개의 영구 자석(106)을 더 포함한다. 상기 영구 자석은 상기 극 슈(pole shoe)의 외부 곡면에 매우 근접한 회전자용 원통형 내부 표면을 제공하도록 형성된다. 이 예에서 상기 BLDC 모터는 3상 12극 모터이다. 도 2a에서는 도시되지 않지만 제어가 제공되어, 당업계에 잘 알려진 바와 같이 회전자를 구동하기 위해 영구 자석(106)과의 전자기적 상호 작용을 제공하는 코일들(102) 내 전류를 스위치한다.
극 치형 및 극의 수, 및 실제로 내부 고정자와 외부 회전자의 개시는 예시적이며 다양한 상이한 디자인의 모터로 작동 가능한 본 발명을 제한하지 않는다는 점에 유의해야 한다.
도 2b는 도 2a의 모터의 부분 단면 측면도이며, 외부 회전자(104)의 원통형 스커트(105)의 내주 주위에 배열된 12개의 영구 자석(106) 중 하나에 근접하여 극 슈(103)에서 끝나는 9개의 극 치형 및 코일을 보여주기 위해 절단되었다. 고정자 어셈블리(101)의 극 치형 및 폴 슈는 상기 코어의 일부이고 라인(204)의 높이에서 상기 코어의 원위 말단을 한정한다. 고정자 어셈블리(101)는 이 구현에서 기판(201) 상에서 지지되며, 일부 실시예에서는 영구 자석(106)의 필드와 상호 작용하여 회전자를 구동하는 전자기장을 제공하는 코일(102)로의 전류 스위칭을 관리하기 위한 제어 및 트레이스를 포함하는 인쇄 회로 기판(PCB)이다. 기판으로서의 PCB는 인코딩 및 정류를 위한 제어 회로를 또한 포함할 수 있다. 회전자(104)는 구동 샤프트(107)에 의해 고정자 어셈블리(101)와 물리적으로 맞물리는데, 이는 회전자를 정밀하게 회전하도록 가이드하기 위해 고정자에 있는 베어링 어셈블리와 맞물린다. 이 구현에서 구동 샤프트(107)는 PCB(107)에서의 목적을 위해 개구부를 통과하고 기계 디바이스를 구동하기 위해 맞물릴 수 있다.
3개의 선형 홀 효과 센서(202a, 202b, 202c)가 도 2b에 도시되어 있으며. 기판(201)에 의해 지지되고, 회전자의 각위치를 인코딩하고 모터(100)에 대한 정류를 제공하는 프로세스에서 사용될 수 있는 가변 전압 패턴을 생성하기 위해 본 발명의 일부 실시예에 따라 전략적으로 위치된다. 도 2b에서 회전자(104)의 스커트(105)의 전체 높이는 치수 D로 표시된다. 치수 d1은 라인(204)에서 코어의 원위 단부 아래의 회전자 자석의 원위 단부의 연장을 나타낸다. 기존의 모터에서는 이 가장자리를 코어 끝 아래로 확장할 이유나 동기가 없으며, 특히 이것은 모터의 높이를 증가시킬 수 있고 회전자와 기판 사이에 증가된 간극이 필요하기 때문이다. 사실, 숙련된 기술자는 치수 D를 제한하여 그러한 확장이 없도록 할 것이며, 그 이유는 추가된 치수는 기존 모터에 불필요한 비용과 부피만 추가하기 때문이다. 더욱이, 회전자의 원위 단부에 있는 종래의 모터에서, 코어의 원위 단부의 높이 또는 그 위에서, 코일(102)에서의 전류의 스위칭은 상당한 전계 효과를 생성하고, 해당 위치에서 영구 자석을 감지하기 위해 배치된 홀 효과 센서에 의해 검출된 신호는 원활하게 변화하는 홀 효과 전압을 생성하지 않을 것이다. 오히려 기존 모터에서의 효과는 실질적으로 손상된 노이즈이다. 이 딜레마에 대한 기존의 접근 방식은 노이즈 필터링을 도입하거나 보다 일반적으로는 인코더를 활용하는 것이다.
철 코어의 원위 단부 아래로 회전자 자석을 연장하는 것은 홀 효과 센서에 의해 검출된 신호에 대한 고정자의 코일로부터의 스위칭 필드의 손상 효과를 피하게 한다. 상기 특별한 연장 d1은 특정 모터 배열에 특정한 여러 팩터들에 의존할 것이고, 일부 실시예에서는 1mm 이상(예를 들어, 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm 이상)일 것인 반면, 일부 실시예에서 상기 연장은 1mm 미만일 것이다. 일부 실시예에서, 상기 거리는 영구 자석의 크기 및/또는 자기장의 강도의 함수이다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 1mm의 연장은 노이즈 또는 포화 없이 가변 전압의 정현파 신호를 생성하기에 충분하다. 홀 효과 전압을 생성하기 위해 분리된 d2에 홀 효과 센서를 배치하면 노이즈 없이 원활하게 가변적인 전압이 생성된다. 일부 실시예에서, 홀 효과 센서는 노이즈 또는 포화가 없는 약 2볼트 내지 약 5볼트 범위의 완만하게 가변적인 DC 전압을 생성한다. 치수 d2는 센서의 선택, 회전자의 설계, 회전자의 영구 자석의 강도 및 당업자에게 잘 알려진 다른 요인에 따라 변할 수 있다. 센서의 포화를 피하고 실질적으로 노이즈가 없는 원활하게 가변적인 DC 전압을 생성하기 위해 임의의 특정 상황에 대해 실행 가능한 분리가 쉽게 발견될 수 있다.
도 2c는 도 2b의 화살표 3 방향에서 취한 기판(201)의 일부 평면도이며, 도 2b에서 볼 수 있는 회전자(104)의 원위 가장자리에 대한 홀 효과 센서(202a, 202b 및 202c)의 배치를 도시하며, 이는 도 2b에서 치수 d1만큼 코어의 원위 가장자리 아래로 확장하는 것으로 보일 수 있다. 도 2c에서, 12개의 영구 자석(106)을 포함하는 회전자(104)의 회전 트랙이 점선 윤곽선(302)으로 도시되어 있다. 상기 회전자는 정류의 세부사항에 따라 어느 한 방향(303)으로 회전한다.
이 비제한적인 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이, 각 홀 효과 센서(202a, 202b, 202c)는 회전자 자석의 원위 가장자리 바로 아래에 회전 자석의 중심 트랙의 내부를 향하여 반경 방향으로 배치된다. 홀 효과 센서(202b)는 회전자 자석의 회전 트랙을 따라 홀 효과 센서(202a)로부터 40도 원호(arc)에 배치된다. 유사하게, 홀 효과 센서(202c)는 홀 효과 센서(202b)로부터 회전자 트랙 주위에 추가의 40도에 위치한다.
도 2d는 3상 BLDC 모터에서 홀 효과 센서(202a, 202b 및 202c) 위로 회전자(104)의 영구 자석(106)을 통과시킴으로써 생성된 3개의 전압 패턴(401, 501 및 601)을 도시한다. 홀-효과 센서(202a) 위로 회전자(104)의 영구 자석(106)의 통과에 의해 생성된 정현파 가변 전압 패턴(401). 0도 시작점은 임의로 최대 전압점인 것으로 설정된다. 회전자가 완전히 360도 회전하면 3개의 완전한 사인 파형이 생성된다. 홀 효과 센서(202b) 위로 회전자(104)의 영구 자석(106)이 통과함으로써 생성된 전압 패턴(501). 또한, 홀 효과 센서(202b) 위로 회전자(104)의 영구 자석(106)이 통과함으로써 실질적으로 잡음이 없는 정현파 가변 전압 패턴(501)이 생성된다. 홀 효과 센서(202b)가 홀 효과 센서(202a)의 위치로부터 40도의 원호 길이에 위치하므로, 정현파 패턴(501)은 정현파 패턴(401)으로부터 120도 위상 편이된다. 또한, 홀 효과 센서(202c) 위로 회전자(104)의 영구 자석(106)의 통과함으로써 실질적으로 잡음이 없는 정현파 가변 전압 패턴(601)이 생성된다. 홀 효과 센서(202c)가 홀 효과 센서(202b)의 위치로부터 40도의 원호 길이에 위치하므로, 정현파 패턴(601)은 정현파 패턴(501)으로부터 120도만큼 위상 편이된다. 회전자가 360도 회전할 때마다 상기 패턴들이 반복된다.
상기 3개의 전압 패턴(401, 501 및 601)은 홀 효과 센서가 동일하고 동일한 거리에서 동일한 자기 프린지 필드를 감지하기 때문에 각각 실질적으로 동일한 최대 및 최소 피크를 갖는다. 더욱이, 패턴(401, 501 및 601)은 도 2d에 도시된 바와 같이 다수의 지점들에서, 예를 들면 지점들(402, 502 및 602)에서 교차한다. 이 예에서 하나의 패턴 교차점에서 다른 패턴 교차점까지의 상기 회전자의 물리적 회전은 모터 회전의 20도이므로, 계산된 양만큼의 각 전압 변화는 회전자의 20/20도, 즉 회전자의 1.00도 회전을 나타낸다. 이것은 단지 상기 방법을 설명하기 위한 비교적 총체적인 예이다. 일부 실시예에서, 모터 변위는 이들 신호들로부터 정해지고 제어될 수 있다. 한 양태에서, 제어 유닛은 개별 신호의 오류 정정 또는 필터링을 수행하지 않으면서 그리고 하드웨어 인코더 또는 전용 위치 센서 없이 상기 신호들로부터 모터 변위를 결정할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 제어 유닛은 모터 작동 동안에 개별 신호에 영향을 미칠 수 있는 임의의 2차 효과를 피하게 하는 3개의 신호들의 변환 매트릭스를 수행함으로써 상기 센서 신호들을 결합한다. 이 접근법은 미국 특허출원 [변호사 서류 No. 9085430-1229623-014010US]에서 더 상세하게 설명된다. 이 구현에서 각 카운트에 대한 회전자의 기계적 회전 변환은 약 0.0098도이다. 비트 분해능이 높은(또는 낮은) ADC를 사용하여 시스템의 분해능을 높일 (낮출) 수 있다. 예를 들어, 8비트 ADC를 사용하면 각 카운트를 약 0.078도로, 16비트 ADC는 각 카운트를 0.00031도로, 20비트 ADC를 사용하면 각 카운트를 약 0.00002도로 해결할 수 있다. 대안으로, 극들의 수를 늘리거나 줄이면 그에 따라 시스템의 해상도가 높아지거나 낮아질 것이다.
일부 실시예에서, 본 발명은 모터(100)에 의해 구동되는 메커니즘에 대한 고도의 정확도 및 정밀도를 제공한다. 11비트 ADC를 사용하는 위에서 설명한 비제한적인 예에서, 모터 위치는 기계적으로 0.0098도로 제어할 수 있다. 기어 감속과 결합하여 메커니즘의 병진 및 회전을 극도로 미세하게 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 모터(100)는 주사기-펌프 유닛이 진단 프로세스에서 유체를 흡입 및 배출하기 위한 변환 구동부에 결합된다.
도 3은 홀 효과 센서의 출력을 사용하여 모터(100)를 제어하기 위한 본 발명의 일부 실시예에서의 회로 및 상기한 바와 같이 센서에 의해 생성된 위상 분리된 곡선을 처리하는 고유한 방법을 도시하는 도면이다. 홀 효과 센서(202a, 202b, 202c)로부터 결정된 디코딩된 위치는 정류 목적으로 제공되며, 회전자 자석과 홀 효과 센서의 상호 작용에 의해 생성된 파형은 도 3에 도시된 바와 같이 멀티플렉서 회로에 제공된다. 상기 디코딩된 위치는 실시간 명령받은 위치에 따라 위치를 제어하기 위해 비례-적분-미분(PID) 동작 제어 회로에도 공급된다. 비제한적 예시적 실시예에서 전술한 바와 같이, ADC는 예를 들어 DRV8313 텍사스 인스트루먼트 모터 구동기 회로에 의해 구동될 수 있는 위상 분리된 파형 및 모터(100)의 직선 부분의 분할을 생성하기 위해 사용된다. 당업자는 상기 회로가 반드시 고유한 것은 아니라는 것을 이해할 것이며, 본 발명의 범위 내에 여전히 속하면서 사용될 수 있을 회로의 다른 배열이 있다는 것을 더 이해할 것이다. 일부 실시예에서 홀 효과 센서를 감지하고 모터 인코딩을 제공하기 위한 회로 및 코딩된 명령어는 PCB 상의 프로그래밍 가능한 시스템 온 칩(programmable system on a chip, PSoC)에서 구현될 수 있다. 상기 회로는 또한 PSoC에서 수행된 전류 및 전압 측정을 기반으로 모터에 의해 생성된 토크 값을 추정하기 위해 제공될 수 있는 토크 추정 회로를 포함할 수 있으며 그래서 더 큰 시스템 전체에서 추가 힘 센서가 필요하지 않게 한다.
III. 도어 개방 및 카트리지 로딩 서브시스템
또 다른 양태에서, 본 발명은 진단 분석 시스템으로부터 분석 카트리지를 수동 로딩 및 언로딩하는 것을 용이하게 하기 위해서 역구동 가능 메커니즘에 의해 구동되는 도어 개폐 및 카트리지 로딩 서브시스템을 제공한다. 일부 실시예에서, 상기 도어 개폐 메커니즘 및 카트리지 로딩 시스템은 조정된 움직임을 제공하도록 통합되어, 사용자가 수동으로 카트리지를 시스템에 밀어넣으면 전형적으로 상기 메커니즘의 역구동 검출시에 상기 시스템의 개방된 베이로의 카트리지의 수동 로딩이 베이 도어의 폐쇄를 개시하도록 한다. 이러한 메커니즘은 본 명세서에 기술된 바와 같이 BLDC 모터에 의해 구동될 수 있고, 모터 토크 추정을 이용하거나, 당업자에게 알려진 바와 같이 다양한 종래의 모터 및 접근 방식을 이용할 수 있다는 것이 이해된다. 이러한 구성의 예는 아래에 자세히 설명된다.
도 4a는 도어 개방 및 카트리지 로딩 서브시스템(100)의 사시도를 도시한다. 상기 시스템은 상술한 바와 같이 PCB(30')에 장착된 브러시리스 DC(BLDC) 모터(100)를 포함한다. BLDC 모터(100)는 리드 스크류(109)가 부착되는 출력 샤프트(미도시)를 포함한다. 리드 스크류(109)는 도어(14)를 개폐하고 카트리지 로딩 메커니즘에 동력을 공급하도록 작동하는 트랜스미션의 역구동 가능한 모습이다.
리드 스크류(109) 나사산은 브리지(108)의 너트와 맞물리므로 리드 스크류(109)가 회전할 때 브리지(108)는 리드 스크류(109)의 회전 방향에 따라 (도 4a에서 디바이스가 배향된 것처럼) 위쪽 또는 아래쪽으로 이동한다. 제1 랙 부분(110) 및 제2 랙 부분(112)이 브리지(108)에 부착된다. 두 랙 부분들은 "L"형 경로를 형성하는 랙(114) 및 캠 경로(116)를 포함하도록 연장된다.
한 쌍의 피니언 기어R(118)이 랙(114)과 맞물린다. 랙(114)의 상하 이동은 브리지(108) 및 리드 스크류(109)의 이동에 의해 초래되며, 이는 그에 따라 피니언들(118)이 회전하도록 한다. 피니언 기어들(118)은 후방 섀시 부분(26)과 같은 시스템(10)의 더 큰 부분에 부착되는 서브 프레임(122)에 의해 지지되는 공유 샤프트(121)에 의해 서로 연결된다. 각 피니언 기어(118)는 특정 인터페이스에서 피니언 기어(118)의 회전을 정지시키기 위한 핑거(124)를 포함한다.
각 피니언 기어(118)는 더 큰 도어 기어(126)와 통합된다. 따라서, 피니언 기어(118)와 도어 기어(126)는 동일한 RPM으로 회전한다. 도어 기어(126)는 도어(14)의 도어 랙(128)과 정합한다. 그래서, 도어 기어(126)가 회전하면 도어 랙(128)과 도어(14)는 도어 기어(126)가 회전하고 있는 방향에 따라 상하로 이동한다.
도 4b-4e는 분석 카트리지를 로딩하는 방법을 그래프로 도시한다. 도 4b에서, 카트리지(32)의 삽입을 수용하는 위치로 상기 시스템을 배치하기 위해 도어(14)를 열라는 명령이 BLDC 모터(100')에 송신된다. 이 명령을 받으면 시스템(100)은 BLDC 모터(100')를 작동시켜 리드 스크류(109)를 돌리게 한다. 이 동작은 브릿지(108) 및 부착된 랙 부분들(110/112)이 위쪽으로 움직이게 하고, 따라서 피니언 기어(118)와 도어 기어(126)의 회전을 시작하게 한다. 이러한 움직임은 도어 기어(126)가 도어 랙(128)에 대해 회전함에 따라 도어(14)가 위쪽으로 이동하게 할 것이다.
도어(14)가 완전히 열린 후, 피니언 기어(118)는 제1 및 제2 랙 부분(110/112)의 랙(114)에서 분리되며, 이는 계속하여 위쪽으로 이동한다. 제1 및 제2 랙 부분(110/112)의 상향 이동은 또한 카트리지 로딩 아암(130)이 제1 및 제2 랙 부분(110/112)의 캠 경로(116)를 따라 이동하도록 제한된 핀들(132)에 의해 작동되게 한다. 카트리지 로딩 아암(130)은 제1 아암 부분(136)을 상향 위치에 배치하는 피벗(134) 주위에서 회전하도록 이러한 움직임에 의해 강제된다.
제1 및 제2 랙 부분(110/112)은 리드 스크류(109)를 역 구동하는 힘 기반 이벤트가 발생할 때까지 위쪽으로 이동할 것이다. 이러한 이벤트는 예를 들어 브리지(108)가 정지부와 만나는 것 또는 제1 및 제2 랙 부분(110/112)이 카트리지 로딩 아암(130)에 대해 당기는 것일 수 있다. 역구동 이벤트는 BLDC 모터의 브리지 회로에서 전류의 변화로서 검출될 수 있다. 역구동 이벤트에 기초하여, BLDC 모터는 회전을 멈추고 표시된 위치에서 정지하라는 명령을 받는다. 유리하게는, 이 단계는 어떤 위치 센서의 도움 없이도 수행된다.
도 4c에서, 분석 카트리지(32)는 그 분석 카트리지(32)의 일부가 제1 암 부분(136)과 접촉하게 될 때까지 시스템(10)에 삽입된다. 제1 아암 부분(136)에 대한 약간의 움직임은 BLDC 모터의 브리지 회로에서 전류의 변화로서 검출가능한 리드 스크류(109)에서의 또 다른 역구동 이벤트의 결과를 가져온다. 이 이벤트는 BLDC 모터가 카트리지를 포착하고 도어를 닫기 위해서 이전 도어 개방 단계에서 방향을 반대로 하라는 명령 역할을 한다.
도 4d에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 랙 부분(110/112)의 상향 이동은 핀(132)이 캠 경로의 길이에 관해 안내받도록 하며, 이는 차례로 카트리지 로딩 아암(130)이 시계 방향으로 회전하게 한다. 이것은 카트리지 로딩 아암(130)의 제2 아암 부분(138)이 상기 카트리지를 홈 위치로 안쪽으로 밀어 넣게 한다. 또한, 제1 및 제2 랙 부분(110/112)은 피니언 기어(118)의 핑거(124)가 제1 및 제2 랙 부분(110/112)의 노치(140)에 의해 회전될 때까지 상승되며, 이는 도어 기어(114)와 상호 작용하는 치형(114')을 갖는 도어 랙(114)에 대한 도어 기어(126)뿐만 아니라 랙(114)에 대한 피니언 기어(118)의 이동을 개시한다. 이러한 방식으로, 도어(14)는 폐쇄 위치를 향하여 하향 이동하게 된다.
도 4e에 도시된 바와 같이, 리드 스크류(109)의 지속적인 움직임에 의해 도어(14)가 하향 이동하여 도어가 완전히 폐쇄된다. BLDC 모터는 리드 스크류(109)에 대해 역구동하는 힘 기반 이벤트가 발생할 때까지 그렇게 하도록 전력이 공급된다. 이러한 이벤트는 예를 들어 브리지(108)가 정지부와 만나는 것 또는 제1 및 제2 랙 부분(110/112)이 카트리지 로딩 아암(130)에 대항하여 미는 것일 수 있다. 역구동 이벤트는 BLDC 모터의 브리지 회로에서 전류의 변화로서 검출될 수 있다. 역구동 이벤트의 방향에 기초하여, BLDC 모터는 회전을 멈추고 표시된 위치에서 정지하라는 명령을 받는다. 유리하게는, 이 단계는 어떤 위치 센서의 도움 없이도 수행된다.
IV. 주사기 구동 서브시스템
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 주사기 구동 메커니즘(16)의 모습들을 포함할 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 주사기 구동 메커니즘(16)은 전술한 바와 같이 BLDC 모터(200)를 포함한다. BLDC 모터(200)는 역구동 가능한 리드 스크류(209)에 연결된 출력 샤프트를 포함한다.
측방향 연장 아암(206)은 리드 스크류(209)에 나사 결합되는 너트를 포함한다. 상기 측방향 연장 아암(206)도 플런저 로드(208)에 부착된다. 측방향 연장 아암(206) 및 플런저 로드(208)는 리드 스크류(209)를 적절한 방향으로 회전시키도록 BLDC 모터(200)에 명령함으로써 하향 및 상향 구동될 수 있다.
분석 카트리지(32)가 고정되고 도어(14)가 닫힌 후, 주사기 구동 메커니즘(16)은 분석 카트리지(32)와 인터페이스하기 위해 사용될 수 있다. 분석 카트리지는 플런저 팁(212)을 갖는 플런저 로드(208)를 유지하는 주사기 통로(210)를 포함한다. 주사기 통로(210)로의 플런저 로드(208)의 하향 이동은 플런저 로드(208)의 팁이 플런저 팁(212)과 맞물리게 한다. 이러한 방식으로, 상기 결합된 플런저 팁(212) 및 플런저 로드(208)는 주사기 통로와 함께 분석 카트리지(32)를 가압/감압하는 주사기로서 기능한다. 분석 카트리지(32)의 프로그래밍된 펌핑은 유체가 분석에 영향을 미치기 위해 분석 카트리지(32)의 다양한 챔버로 그리고 그 챔버로부터 흐르게 한다.
플런저 팁(212)과 맞물린 후, 플런저 로드(208)는 BLDC 모터(200)에 의해 다양한 주사기 펌핑 알고리즘의 실행을 포함하여 주사기 통로(210) 내의 임의의 원하는 위치로 작동될 수 있다. BLDC 모터(200) 구동 전압 및 전류는 카트리지 압력을 모니터하기 위한 인라인 압력 센서의 필요성을 경감시키는 플런저 로드 압력을 결정하기 위해 지속적으로 모니터될 수 있다.
따라서, 리드 스크류(209)가 역구동될 수 있기 때문에 분석 카트리지(32) 내의 압력 감소는 고정식 플런저 로드(208)가 아래쪽으로 당겨지게 할 수 있다. 상기 압력 감소는 BLDC 모터(200)의 측정된 전류를 모니터하고, 상대적인 변화를 검출한 후 그에 따라 BLDC 모터(200)의 출력을 변경함으로써 검출될 수 있다. 유사하게, 분석 카트리지(32) 내의 압력 증가는 고정식 플런저 로드(210)가 위로 밀리도록 할 수 있다. 상기 압력 중가는 BLDC 모터(200)의 측정된 전류를 모니터하고, 상대적인 변화를 검출한 후 그에 따라 BLDC 모터(200)의 출력을 변경함으로써 검출될 수 있다. 유리하게는, 이것은 압력 센서의 도움 없이 수행될 수 있다.
다른 예에서, 움직이는 플런저 로드(208)와 연관된 전류는 압력 비율의 증가 또는 감소를 나타내는 변화에 대해 모니터될 수 있다. 따라서, 상대적인 변화를 검출한 후, 움직이는 플런저 로드(208)에 의해 가해지는 압력 비율을 증가시키거나 감소시키도록 BLDC 모터(200)의 출력이 변화될 수 있다. 유리하게는, 이것은 압력 센서의 도움 없이 수행될 수 있다.
어세이 카트리지의 적절한 로딩을 결정하고 그 카트리지의 무결성을 테스트하기 위해 앞서 언급한 BLDC 전류 모니터링 원리를 사용하는 방법(220)의 예가 도 5b에 도시된다. 분석 카트리지(32)는 도 5a에 도시된 바와 같이 이미 물리적으로 로딩되었다고 가정한다.
동작 222에서, 로딩 절차를 시작하라는 명령이 송신된다. 그 결과, 동작 224에서 초과 힘 (over force) 한계가 설정된다. 초과 힘 한계는 BLDC 모터(200)가 이 동작의 목적을 위해 플런저 로드(208)에 가할 수 있는 최대 힘이며, 이는 주사기 통로(210)의 바닥에 대해 플런저 팁(212)을 압축하는 플런저 막대(208)와 연관된다. 동작 226에서, BLDC 모터(200)는 플런저 로드(208)를 주사기 통로(210)로 이동시키도록 작동되고, 이는 플런저 로드(208)의 팁이 플런저 팁(212)과 맞물리게 한다. 동작 228에서 BLDC 모터(200)의 토크는. 플런저 로드(208)가 주사기 통로(210)의 바닥으로 이동했는지 여부를 판별하기 위해 도 2e의 토크 추정 회로 및 도 3a 내지 도 3c의 방법을 사용하여 지속적으로 모니터된다. 초과 힘 한계를 초과하지 않으면, 주사기 통로의 바닥이 발견되지 않아 로딩 절차가 동작 230에서 실패한 것으로 판단된다. 때때로, 플런저 팁(212)은 제조 오류 또는 물리적 결함으로 인해 누락될 수 있다. 어느 경우든, 플런저 로드(208)는 플런저 팁(212)에 대해 적절하게 바닥에 닿지 않고 주사기 통로(210)와의 가능한 이동의 끝을 만날 것이고, 따라서 초과 힘 한계를 초과하지 않을 것이다.
초과 힘 한계가 초과되면 플런저 로드(208)가 플런저 팁(212)을 주사기 통로(210)의 바닥으로 밀었다고 판단되고, 상기 방법(220)은 동작 232로 이동하며, 여기서 부족 힘 한계가 설정된다. 북족 힘 한계는 BLDC 모터(200)가 플런저 팁(212)의 압축 해제와 관련된 이 동작을 위해 플런저 로드(210)에 가할 수 있는 최대 힘이다. 동작 234에서 BLDC 모터(200)는 주사기 통로(210) 내에서 플런저 로드(210)를 위쪽으로 이동시키도록 작동된다. 작동(236)에서 BLDC 모터(200)의 토크는 부족 한계가 초과되었는지를 판단하기 위해 지속적으로 모니터링된다. 동작 228의 결과, 플런저 팁(212)은 고도로 압축될 것이다. 상기 부족 한계는 플런저 팁을 압축 해제하여 나중의 작동을 위해 플런저 팁(212)의 위치를 0으로 만드는 데 필요한 힘의 양이다. 부족 한계가 일단 초과하면, BLDC 모터(200)는 작동을 중단할 것이며 상기 방법은 동작 238로 이동하여 주사기가 진공을 끌어냈는지 여부가 판단된다. 이 동작에서, 분석 카트리지(32)의 밸브는 주사기 통로(210)를 대기로 밀봉하도록 작동되는데, 이는 이전 단계에서는 그렇지 않았다. 이것이 완료된 후, BLDC 모터(200)는 플런저 로드(208)를 주사기 통로(210) 내의 진공에 대항하여 위쪽으로 당기도록 작동된다. 플런저 로드(208)가 자유롭게 이동하지 않고 힘이 검출되면, 동작 240에서 진공이 확립되어 분석 카트리지(32)의 무결성이 포함되지 않은 것으로 판단된다. 플런저 로드(208)가 힘의 검출 없이 자유롭게 움직이면, 진공이 형성되지 않았으며 그래서 분석 카트리지(32)의 무결성이 손상되었다고 동작 242에서 판단된다.
분석 카트리지의 주사기 (즉, 플런저 로드(208), 주사기 통로(210) 및 플런저 팁(212))의 초기화를 결정하기 위해 앞서 언급한 BLDC 전류 모니터링 원리를 사용하는 방법(248)의 또 다른 예가 도 5c에 도시되어 있다. 분석 카트리지(32)는 도 5a에 도시된 바와 같이 이미 물리적으로 로딩되었으며, 그리고 도 5b에 도시된 것과 같이 카트리지가 적절하게 로딩되었다고 가정된다.
동작 250에서, 로딩 절차를 시작하라는 명령이 송신된다. 그 결과, 동작 252에서 상한 힘 한계(upper force limit)가 설정된다. 초과 힘 한계는 BLDC 모터(200)가 이 동작의 목적을 위해 플런저 로드(208)에 가할 수 있는 최대 힘이며, 이는 플런저 팁(212)을 주사기 통로(210)의 상부에서 (도 5a에 도시된 바와 같이 디바이스의 배향에 대해) 적절한 상향 위치에 배치하는 것과 연관된다.
동작 254에서, BLDC 모터(200)는 플런저 로드(208)를 주사기 통로(210) 내에서 위쪽으로 이동시키도록 작동되고, 이는 플런저 팁(212)이 주사기 통로(210) 내의 위치에서 위로 나오게 한다. 동작 256에서 BLDC 모터(200)의 토크는 도 3a-3c의 방법론 및 도 2e의 토크 추정 회로를 사용하여 지속적으로 모니터링된다.
일단 초과 힘 한계가 초과되면, 플런저 팁(212)이 위로 올라간 것으로 판단되며, 상기 방법(248)은 하단 힘 한계가 설정되는 동작 258로 이동한다. 하단 힘 한계는 BLDC 모터(200)가 이 동작의 목적을 위해 플런저 로드(210)에 가할 수 있는 최대 힘이며, 이는 플런저 팁(212)의 과도한 압축 없이 주사기 통로(210)의 바닥에 대해 플런저 팁(212)을 배치하는 것과 관련된다. 동작 260에서 BLDC 모터(200)는 주사기 통로(210) 내에서 플런저 로드(210)를 아래쪽으로 이동시키도록 작동된다. 동작 262에서, BLDC 모터(200)의 토크는, 동작 258에서 설정된 하단 힘 한계가 초과되었는지를 판단하기 위해 계속해서 모니터링된다. 일단 부족 한계가 초과되면, BLDC 모터(200)는 작동을 중지할 것이며, 플런저 팁(212)이 주사기 통로(210)의 바닥에 배치된 것으로 가정된다. 그 후, 상기 방법(248)은 주사기가 미리 결정된 양의 거리(예를 들어, 60mm)를 이동했는지가 판단되는 동작 238로 이동할 것이다. 이는 BLDC 모터(200)의 홀 효과 센서를 사용하여 리드 스크류(209)의 회전 수를 카운트하고 그 카운트를 주사기 로드(208)의 선형 이동량과 관련시킴으로써 수행된다. 어떤 경우에는, 상단 및 하단 힘 한계들은 주사기 통로(210) 내의 장애물 또는 과도한 마찰에 의해 유발될 것이다. 따라서, 플런저 로드(208)(즉, 주사기)가 장애물 없이 자유롭게 이동했는지 확인하기 위해 이동 체크 단계가 수행된다. 주사기 로드(208)가 적어도 미리 결정된 이동량을 이동했다면, 초기화가 성공적인 것으로 동작 266에서 판별된다. 그러나, 주사기 로드(208)가 적어도 미리 결정된 이동량을 이동하지 않았다면, 초기화가 성공적이지 않은 것으로 동작 268에서 판단된다.
V. 밸브 구동 서브시스템
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 밸브 구동 메커니즘(20)의 모습들을 포함할 수 있다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 밸브 구동 메커니즘(20)은 전술한 바와 같이 BLDC 모터(300)를 포함한다.
BLDC 모터(300)는 섀시(304)의 강성에 기여하는 복수의 보강 리브(306)를 갖는 섀시(304)에 장착된다. 섀시(304)는 BLDC 모터(300)의 고정자(308)용 마운트 역할을 하는 세장형 제1 부분(307)을 포함한다. 세장형 샤프트(310)는 BLDC 모터(300)로부터 연장되고 제1 웜(312)을 보유한다. 제1 웜(312)은 제2 웜(318)과 공유하는 샤프트(316)를 회전시키는 제1 웜 기어(314)와 협응하여 회전시킨다.
제2 웜 기어(318)는 제2 웜 기어(320)와 협응하여 회전시킨다. 제2 웜 기어(320)는 밸브 구동부(322)와 같은 턴테이블과 통합되며, 이는 분석 카트리지(32)의 회전 밸브 메커니즘과 협응하도록 구성된다. 밸브 구동부(322)는 섀시(304)의 세장형 제2 부분(324)에 장착된다. 세장형 제2 부분(324)은 초음파처리 혼 메카니즘(22)과 협응하기 위한 통로(325)를 포함한다.
사용시, BLDC 모터(300)는 회전하도록 동력을 공급받아 전술한 웜 구동부들을 통해 밸브 구동부(322)를 회전시킨다. 밸브 구동부(322)는 실질적으로 감속되어 밸브 구동부(322)의 위치를 정할 때 매우 정밀함을 가능하게 한다. 주사기 구동 메커니즘(16)은 어떠한 위치 센서도 포함하지 않는데, 이는 고정자(308)의 각위치가 회전자 자석 극들의 변위를 측정하는 홀 효과 센서의 정현파 출력으로부터 그리고 최종 구동 기어비에 대한 지식에 의한 밸브 구동부의 위치를 통해서 단독으로 유도될 수 있기 때문이다.
상기 웜 구동부들은 전술한 주사기 구동부 및 도어 구동 메커니즘에서와 같이 역구동 가능하지 않다. 그러나, 동일한 유형의 홀 효과 위치 유도 및 힘 기반 트리거링은 밸브 구동 메커니즘을 위해 사용될 수 있다. 여기서 힘 기반 트리거링은 카트리지 무결성 오작동을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 밸브 구동부를 회전시키는 것이 예기치 않게 훨씬 더 적거나 더 많은 전력을 필요로 하면, 이러한 이벤트는 분석 카트리지의 걸림 또는 고장을 표시할 수 있다. 주사기 구동부, 도어 구동 메커니즘 및 밸브 구동 메커니즘 각각은 여기에 설명된 개선된 BLDC 모터를 활용하는 것으로 설명되지만, 상기 구동 및 메커니즘 중 일부 또는 모두는 기존 유형의 BLDC 모터, 서보 모터 또는 당업자가 이해할 수 있는 다른 적합한 모터를 또한 활용할 수 있지만, 일부 특징들은 추가 센서 또는 회로를 필요로 할 수 있다.
또한, BLDC 모터는 홀 효과 센서에 의해 생성된 정현파 신호에 기초한 센터링 프로토콜을 수행함으로써 밸브 구동 출력의 홈 및 센터 위치로 구성된다. 이렇게 하면 시간이 지남에 따라 기어 백래시(backlash)와 기어 마모를 보상할 수 있다. 이는 도 6c에 도시된 밸브 구동 위치 그래프에 대한 홀 전압 신호에 의해 예시된다. 도시된 바와 같이, 밸브 구동부(322)의 주어진 위치는 기어 백래시 및 마모에 따라 변할 수 있다.
VI. 초음파처리 혼 서브어셈블리 (Sonication Horn Subassembly)
일부 구현예에서, 초음파 혼 (ultrasonic horn) 서브어셈블리는 본 명세서에 기술된 바와 같은 진단 분석 시스템에서 사용하기 위해 제공된다. 일부 실시예에서, 초음파처리 혼 어셈블리는 초음파 혼, 혼 하우징, 스프링, 섀시 및 혼의 작동을 위해 구성된 제어 회로를 포함한다. 혼 하우징은 초음파 혼을 지지하고 고정하도록 구성되며 혼의 해제 및 체결 위치 사이에서의의 이동을 용이하게 하기 위한 스프링 코일과 시스템의 캠 메커니즘과 인터페이싱하기 위한 웨지(wedge)를 포함하여, 분리(하강) 및 체결(상승) 위치 사이에서 상기 혼의 이동을 작동하게 한다. 여기에서는 코일 스프링이 설명되었지만, 다양한 다른 유형의 스프링 또는 바이어싱 메커니즘이 사용될 수 있음이 이해된다. 분리 위치에서, 초음파 혼의 팁은 시스템에서 분석 카트리지의 로딩 및 제거를 용이하게 하기 위해 분석 카트리지가 놓이는 베이스 표면과 동일 평면이거나 아래에 있다. 쳬결 위치에서, 샘플 분석 준비 및/또는 처리 동안에 초음파처리 챔버 내에 포함된 유체 샘플에서 생물학적 물질의 초음파처리를 용이하게 하기 위해 분석 카트리지의 초음파처리 챔버의 돔형 부분과 체결되기 위해 초음파 혼의 팁이 베이스 표면 위로 연장된다. 일부 실시예에서, 상기 혼의 이동은 시스템의 도어와 같은 시스템의 하나 이상의 다른 이동 가능한 구성요소에 공통인 액추에이터 메커니즘에 의해 영향을 받는다. 혼 어셈블리는 인쇄 회로 기판과 같은 회로를 또한 포함하며, 시스템에 의한 초음파 혼의 작동을 용이하게 하기 위해 시스템 내의 대응하는 회로로의 전기 연결에 적합한 인터페이스를 갖는다.
일부 실시예에서, 진단 분석 시스템은, 카트리지의 초음파처리 챔버와 결합하고 접촉하기 위해서 혼이 분리 위치(카트리지 아래로 내려감)와 체결 위치(상승 카트리지 쪽으로 올라감) 사이에서 이동하도록 (도 9a-9b에 도시된 것과 같은) 분석 수행 동안에 똑바로 배치된다. 일부 실시예에서, 분리 위치 및 쳬결 위치에서 혼이 카트리지 및 진단 분석 시스템의 설계에 따라 카트리지에 대한 다양한 다른 배향 및/또는 위치에 있을 수 있도록 설계가 상이할 수 있다는 것이 이해된다.
도 7은 본 발명의 일부 실시예에 따른 진단 분석 시스템에서 사용하도록 구성된 초음파 혼 서브어셈블리(700)를 예시한다. 도 8은 도 7의 혼 어셈블리의 분해도를 도시한다. 이 실시예에서, 혼 서브어셈블리는 초음파 혼(710), 혼 하우징(720), 스프링 코일(730), 제어 회로(740) 및 섀시(750)를 포함한다. 혼 서브어셈블리는 시스템에 삽입하기 전에 단독의 서브어셈블리로 테스트될 수 있으며 필요에 따라 제거되거나 교체될 수도 있다.
초음파 혼(710)은 혼 하우징(720)에 스냅(snap)된다 (혼이 내부에 존재하는 것을 보여주기 위해 절취되어 도시됨). 상기 하우징은 혼을 하우징에 스냅핑함으로써 하우징에 대해 사전 결정된 배향 및 위치 내에서 혼을 배치하거나 시간을 기록하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 혼은 혼의 길이방향 축 주위에 완전히 축대칭이 아닌 형상들을 포함하는 설계일 수 있어서 하우징의 내부 부분 상의 대응하는 형상 또는 표면이 맞물려 상기 혼을 하우징 내부의 제 위치에 고정시켜 하우징 내부의 혼의 회전을 억제하도록 한다. 비축대칭 형상은 혼의 한쪽 또는 양쪽에 있는 평평한 부분, 또는 혼에서 바깥쪽으로 연장되는 돌출부 또는 탭 또는 혼이 전기적으로 연결되는 접점을 포함할 수 있지만, 이에 국한되지 않는다. 일부 실시예에서, 혼(720)은 서브어셈블리에 통합되고 제어 회로로 제어되어 특정 분석에 필요한 생물학적 물질을 용해시키기에 적합한 출력을 제공한다.
일부 양태에서, 초음파 혼은, 그 초음파 혼이 진단 분석 시스템 내에 배치된 분석 카트리지의 초음파처리 챔버에 대해 배치되는 이동 가능한 메커니즘 상에 장착된다. 일부 실시예에서, 상기 분석 카트리지는 도 10의 예에서 도시된 바와 같이, 초음파 혼의 돔형 출력부(711)의 둥근 팁(711A)에 대응하는, 아래쪽을 향하는 돔(그 돔의 외부 표면이 상기 분석 카트리지에 대해 볼록한 형상임)을 갖는 (도 10에서 배향된 것과 같이) 카트리지의 바닥에 위치한 초음파처리 챔버를 포함한다. 본 실시예에서는 상기 팁이 둥글지만, 돔 부분의 팁은 필요에 따라 평면형, 뾰족한형, 오목형, 볼록형, 둥글거나 돔형을 포함하지만 이에 국한되지 않는 다양한 형상으로 형성될 수 있음이 이해된다. 초음파처리 챔버의 돔 모양 부분과 둥근 혼 팁은, 세포 물질(예: 울퉁불퉁한 세포, 포자 등)을 용해하고 포함된 핵산을 최소한의 초음파 혼 전력 및 크기 요구 사항으로 유체 샘플로 방출하는 데 필요한 원하는 초음파 레벨에 효율적으로 도달하기 위해서 상기 혼으로부터 전송된 초음파 에너지를 집중시킨다. 본 명세서에서는 인터페이싱 캠 및 웨지가 설명되지만, 분리 위치와 체결 위치 사이에서 혼의 이동을 용이하게 하기 위해 바이어싱 부재와 함께 또는 바이어싱 부재 없이 다양한 다른 메커니즘이 사용될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 이러한 메커니즘은 리드 스크류, 케이블 등을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 초음파 혼이 초음파처리 챔버를 누르기 위해 배치되는 이동 가능한 메커니즘은 진단 분석 시스템의 다양한 다른 구성 요소의 움직임, 예를 들어 시스템의 도어 개방 및 닫기, 시스템에서 분석 카트리지의 로딩 및 배출, 시스템 내에서 밸브 어셈블리 및 주사기 어셈블리의 움직임에 영향을 주는 액추에이터들의 인터-커넥터 네트워크 내에서 통합된다. 이동가능 메커니즘이 하나 이상의 다른 구성요소의 액추에이터와 통합될 수 있거나 상기 이동가동 메커니즘이 다른 메커니즘 및 액추에이터와 완전히 독립적일 수 있다는 것이 인정된다.
도 9a-9b는 시스템의 도어의 폐쇄 및 분석 카트리지의 로딩과 협응하여 초음파 혼을 배치하는 메커니즘을 입증하는 시스템에 분석 카트리지를 로딩하는 동안 및 이후의 진단 분석 시스템의 단면도를 예시한다. 도 9a는 부분적으로 삽입된 분석 카트리지(32)를 도시하며, 여기에서 분석 카트리지 베이스의 원위 대향 부분이 배출/로딩 캠(1120)의 배출 치형과 맞물리기 시작한다. 캠(1120)의 이 위치에서, 상기 캠의 외부 표면은 혼 하우징의 웨지 부분(721)의 상부 표면(721)과 맞물린다.
분석 카트리지(32)가 더 완전히 삽입됨에 따라, 분석 카트리지는 방출 치형에 대해 가압하고 방출/로딩 캠(1120)은 시계 방향으로 회전하여, 완전히 로딩된 위치까지 카트리지를 안쪽으로 당기는 분석 카드리지의 분석 카트리지의 밑면에 캠의 로딩 치형이 맞물리게 한다. 방출/로딩 캠(120)이 회전함에 따라 캠의 외부 표면(1121)은 혼 하우징 슬라이드의 웨지 부분(721)의 웨지 팁(721a)을 따라 미끄러지며, 이는 혼 하우징을 카트리지로부터 분리 위치로 누르며, 이는 스프링 코일(730)을 부분적으로 압축한다. 분석 카트리지가 완전히 삽입되면, 웨지 팁(721a)은 캠(1120)의 둥근 부분의 안쪽으로 만곡된 부분(1121a) 내에 수용되어 혼 하우징(720)이 짧은 거리 위로 이동하도록 허용하여 코일이 적어도 부분적으로 감압되도록 하며, 그래서 초음파 혼의 둥근 팁(711a)이 분석 카트리지가 적재되었던 표면 위로 돌출하도록 하여, 초음파처리 챔버의 돔형 부분과 가압 결합하도록 한다. 도 9a 및 도 9b에서 볼 수 있듯이, 캠(1120)의 회전은 도어 랙 메커니즘의 제1 랙 부분(110)의 폐쇄 이동에 의해 작동되며, 이는 이 실시예에서 (화살표 방향으로의) 하향 이동이다. 상호 관련된 기어들의 네트워크를 통해, 도어의 이러한 폐쇄 이동은 도 9a의 개방 위치로부터 시스템(1000)의 도어(14)의 폐쇄를 또한 동시에 작동시켜, 카트리지를 로딩한 이후에, 도 9b에 도시된 바와 같이, 분석 카트리지(32)를 폐쇄 위치로 삽입하고 로딩하는 것을 용이하게 한다. 도어 랙 메커니즘의 이동은 본원에서 설명된 것과 같은 하나 이상의 모터에 의해 영향을 받을 수 있다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예에 따른 진단 분석 시스템에서 사용하기 위한 분석 카트리지의 단면도를 예시한다. 전술한 초음파처리 챔버(1210)의 돔형 부분(1211)은 분석 카트리지의 바닥면에 위치한다. 초음파처리 챔버(1210)는 분석 절차 동안 압력 변화를 발생시키기 위해 유체가 밸브 및 주사기의 움직임에 의해 이송되는 분석 카트리지 내의 채널들의 네트워크와 유체 연통한다. 샘플이 준비 및/또는 처리된 후, 준비된 유체 샘플은 반응 용기(33)의 챔버로 이송되고, 여기 수단 및 광학 검출 수단이 사용되어 (예를 들어, 박테리아, 바이러스, 병원체, 독소 또는 기타 표적 분석물인) 관심 대상 표적 분석물(예: 핵산)의 존재 또는 부존재를 광학적으로 감지한다. 그러한 반응 용기는 표적 분석물 검출에서 사용하기 위한 다양한 상이한 챔버, 도관, 마이크로-웰 어레이를 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 유체 샘플을 분석하기 위한 이러한 반응 용기의 예시적인 사용은 2000년 5월 30일 출원된 "화학 반응을 수행하기 위한 카트리지 (Cartridge for Conducting a Chemical Reaction)"라는 제목의 공동 양도된 미국 특허 번호 6,818,185에 설명되어 있으며, 그 전체 내용은 모든 목적을 위해 본원에 참조로서 포함된다.
VII. 모터 토크/힘 추정
일부 실시예에서, BLDC 모터 및 제어 회로의 양태는 위에서 설명된 진단 분석 모듈의 주사기 구동뷰, 밸브 구동부, 카트리지 로더/언로더 또는 도어 개폐와 같은 메카트로닉 시스템의 미세 조정 작동을 용이하게 하기 위해 모터 토크 또는 힘을 감지하는 데 사용될 수 있다. 기존 모듈에서, 토크 추정은 다양한 방식으로 수행될 수 있으며, 예를 들어 BLDC 모터에 입력된 전력은 모터에서 추출된 기계적 동력에 모터에 의해 소실된 전력(즉, 구리 손실)을 더한 것과 동일하다는 원리를 기반으로 토크를 추정한다. 이 원칙은 다음 방정식으로 정량화된다:
여기서 소실된 전력 는 다음으로부터 계산된다:
또는 이며, 이때에
위의 전력 균형 방정식을 참조하면 논리적으로 다음과 같다:
전력 변수의 대체는 다음과 같은 균형 방정식의 결과를 가져온다:
그래서, 모터 토크 에 대해 풀면, 다음 방정식의 결과가 얻어진다:
모터 토크에 대한 두 가지 가능한 계산 솔루션이 있으며, 이는 아래에서 보이는 것처럼 브리지 전류 를 사용하여 이전의 방정식에 의해 생성된 가장 긍정적인 그리고 가장 부정적인 토크 솔루션들이다:
그리고
모터 상수 및 기타 변수로부터 토크를 계산할 수 있는 경우, 모터 토크는 모터 상수 를 사용하여 계산될 수도 있다.
, 여기에서
따라서, 종래의 접근 방식에서, (를 사용한) 에 대한 계산에 가장 가까운 계산된 솔루션 또는 이 올바른 솔루션이라고 가정된다. 다음 표는 위의 변수들을 정의한다.
| 변수 | 표기 | 세부 사항들 |
| 브리지 전압 | 모터 구동 전력 전자 디바이스에 공급되는 DC 버스 전압 | |
| 브리지 전류 | 버스 전압에 의해 모터 구동 전력 전자 디바이스에 공급되는 전류 | |
| 저역 통과 필터 대역폭 | 힘 계산에 사용된 저역 통과 필터의 Hz 단위 대역폭 | |
| 이산 시간 샘플 주기 | 이산 시간 제어 시스템에서 샘플 사이의 간격. | |
| 모터 토크 | 고정자 권선들에 의해 회전자에 적용되는 모터 토크 | |
| 모터 속도 | 모터의 각속도 | |
| 모터 토크 솔루션 | 모터 토크 솔루션 알고리즘에 의해 생성된 가장 긍정적인 그리고 가장 부정적인 토크 솔루션들 | |
| q, d 성분 | q,d 좌표계를 나타내는 토크 생성 (q) 및 비-토크-생성 (d) 벡터들과 일치하는 전압 또는 전류의 성분. | |
| 모터 전기 주파수 | 모터 전기 주파수 - 극-쌍들 수 및 모터 각속도 의 곱 (product)과 같은 값 | |
| 모터 상수 | 모터 토크와 모터 전류 사이() 및 모터 전압과 모터 각속도 사이 ()의 스케일링 관계를 결정하는 모터 상수. | |
| 모터 전압 | (q,d) 좌표계 내에서 모터 전압을 정의하는 벡터 | |
| 모터 전류 | (q,d) 좌표계 내에서 모터 전류를 정의하는 벡터 | |
| 모터 권선 전압 | 3상 인버터가 모터 권선에 인가하는 전압 | |
| EMF 전압 | 역기전력(Electro-motive Force)은 모터 회전자를 회전시킬 때 발생하는 개방 회로 전압 이다. | |
| 추정 또는 계산된 값 | 이는 필터링된 신호 표현을 포함하여 계산된 값을 나타낸다. "^" 지정이 없는 것은 감지 전의 실제 값을 나타낸다. | |
| 모터 저항 | 이것은 출력으로부터 "센터 탭"(CT)까지 측정된 권선 저항이며, 이는 권선을 따라 중간 지점에서 이루어진 접점이다. |
위의 원리는 쉽게 사용할 수 있는 전류 및 전압 측정을 기반으로 토크 값을 추정하는 데 의존할 수 있다. 이 기존 접근 방식은 많은 경우에 충분하지만 일부 경우, 특히 브리지 전류가 낮을 때 추정 토크 또는 힘이 정확하지 않을 수 있다. 또한 메카트로닉 시스템의 추정 및 결과 제어의 정확도를 저하시킬 수 있는 마찰 및 2차 효과(예: 고조파)와 같은 추가 변수가 있다. 모든 오류 원인을 고려할 때 편차는 +/-75% 정도일 수 있다. 다음은 연관된 메카트로닉 시스템의 제어 정확도를 개선하기 위해 압력 또는 힘 감지를 위해 사용될 수 있는 모터 토크 또는 힘을 추정하기 위한 대안의 실시예를 설명한다. 이러한 접근법은 본원에서 설명된 개념에 따라 메카트로닉 시스템의 동작을 제어하기 위해 기록된 컴퓨팅 명령 및 제어 알고리즘을 갖는 명령들을 구비한 프로세서 및 메모리를 갖는 제어 유닛을 이용함으로써 달성될 수 있다. 이러한 제어 디바이스는 Cyprus Semiconductor Corp에서 제공하는 회로들의 PSoC® 라인과 같은 저비용 프로그래밍 가능 시스템 온 칩 집적 회로를 사용하여 달성할 수 있다.일 양태에서, 본 발명은 본원에 설명된 진단 분석 모듈의 주사기 구동, 밸브 구동, 카트리지 로더/언로더 및 도어 개폐 시스템을 포함하는 다양한 메카트로닉스 시스템에서 활용될 수 있는 모터 토크 또는 힘을 판별하는 개선된 접근법에 관한 것이다. 여기에 설명된 방법은 위에서 언급한 메카트로닉 시스템 중 임의의 시스템을 작동시키는 제어 유닛의 펌웨어에서 구현될 수 있음을 알 수 있다.
A. 압력 감지
압력 감지와 관련하여, 상기 방법들은 이 측면을 다음 중 임의의 것을 포함하는 다른 절차에 통합할 수 있다: 압력 추정, 압력 교정, 압력 확인, 카트리지 무결성 테스트 및 자체 테스트. 여기에 설명된 접근 방식은 트랜스미션 특성을 설명하므로 압력을 추정함에 관하여 유리하다. 상기 주사기 트랜스미션 특성은 모터, 모터 구동 및 트랜스미션 마찰을 포함한다. 이러한 접근 방식은 주사기 트랜스미션 교정을 제공하여 보다 정확하게 주사기를 작동할 수 있도록 하는 데에도 활용될 수 있다. 일부 실시예에서, 이들 개선된 방법은 PCBA 하드웨어, 위치 제어 펌웨어 및 CLOAD 명령(예를 들어, 튜브 바닥 찾기에서 사용되는 "압력 정지 (stop-on-pressure)")을 변경하지 않고 종래의 진단 분석 모듈에서 구현될 수 있다.
다양한 이유로 정확한 압력 감지가 필요하다. 첫째, CLOAD와 관련하여, 흡입/분주 용량이 정확하도록 주사기 시스템이 주사기 하단 정지 위치를 정확하게 찾는 것이 중요하다. 둘째, 분석을 실행하기 전에 "누수" 카트리지를 식별하고 거부함으로써 카트리지 무결성을 판별하기 위해 정확한 압력 감지가 사용될 수 있다. 셋째, 압력 문제가 확인될 때에 (예: 환자 샘플의 점성이 너무 높거나 밸브 포트가 잘못 정렬됨), 처리를 중단하기 위해 정확한 압력 감지가 사용될 수 있다.
도 11은 액추에이터의 일부, 이 실시예에서 리드-스크류 힘 및 주사기 너트에서의 주사기 힘에 대한 준평형(quasi-equilibrium)에 의존하는 압력 감지에 대한 간단한 힘 균형 접근법을 도시한다. 도 12는 유사한 접근법을 도시하지만, 이 힘이 직접 측정되어 정확도를 향상시킬 수 있도록 리드-스크류를 따라 힘 센서를 더 포함한다.
도 13은 변압기로서 액추에이터 트랜스미션(예를 들어, 리드스크류)의 모델링을 예시하는 개략도이다. 도 14는 리드스크류 screw를 회전시키기 위한 "노력"을 추정함으로써 힘이 감지되는 대응 제어 도면을 도시한다.
도 15는 마찰을 추가로 설명하는 액추에이터 트랜스미션(예를 들어, 리드스크류)의 모델링을 예시하는 개략도이다. 도 16은 평형을 유지하기 위한 "노력"을 추정함으로써 힘이 측정되는 대응하는 제어 도면을 도시한다. 이 접근 방식은 드래그 토크와 하중에 따른 마찰 토크를 입력으로 활용한다. 이 접근 방식의 한 가지 단점은 노력의 측정이 하중에 따른 마찰과 항력에 의해 혼동된다는 것이다.
도 17은 모터 토크의 추정치가 버스 전압 모터 PWM%, 전원 버스 전압, 모터 속도, 권선 저항(T), 모터 상수 및 모터 구동 "왜곡"의 곱에 의해 결정되는 인가 전압에 의존하는 제어 도면이다. 이 접근 방식은 역기전력(back-emf )을 입력으로 추가로 활용한다. 대조적으로, 도 18은 트랜스미션을 교정되지 않은 스케일 팩터로 모델링하고 마찰, 온도 의존 및 비선형 효과를 무시한 이전 접근 방식을 도시한다. 위에서 언급한 바와 같이, 기존 접근 방식에서는 모든 오류 원인을 고려할 때 편차가 +/-75% 정도일 수 있다. 도 19는 일부 실시예에 따른 개선된 접근법을 예시하는 제어도이다. 이 접근 방식은 교정된 모터 전송 파라미터(굵게 표시된/파란색)를 활용하여 힘을 추정한다.
유리하게는, 전술한 접근 방식들은 주사기 압력을 실시간으로 추정할 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 전기 사이클 고조파 또는 가속 효과를 포함하는 2차 효과를 설명하기 위해 필터가 사용될 수 있다. 이러한 접근 방식은 모터, 모터 구동 및 트랜스미션을 포함하여 트랜스미션 특성을 설명하는 압력 감지를 또한 허용한다. 모터의 특성에는 권선 저항 Rm(Tw), 모터 상수 KTo 등이 있다. 모터 구동의 특성에는 브리지 전압, Vbuss, PWM 언더랩(Underlap), 델타 V(공칭) 및 교차 왜곡과 V(공칭)이 포함된다. 트랜스미션 특성에는 리드 스크류 마찰 계수(μk)와 주행 마찰 0이 포함된다.
i. 압력 추정
도 19에 도시된 바와 같이, 교정된 모터 전송 파라미터를 활용하여 압력 추정을 개선할 수 있다. 일부 실시예에서, 모터 토크를 감지하기 위해 다음 계산들이 사용될 수 있다. 첫 번째 방정식은 역 클라크 변환을 사용하여 세 PWM으로부터 Vq를 계산한 것이다:
=
클라크 변환 =
저항 측정은 다음 방정식으로부터 결정될 수 있다:
여기에서:
추정된 토크는 다음 방정식으로부터 결정될 수 있다:
여기에서:
리드 스크류 힘은 다음 방정식에서 유도될 수 있다:
여기에서:
마찰 계수를 결정하기 위해 다음 접근법이 사용될 수 있다. 도 20은 토크 대 변위의 플롯을 예시한다. 다시, 다음 방정식에서와 같이 델타 세타 = n 2e 에 대한 기계적 작업 방법이 사용될 수 있다:
(1)
다음과 같이 세팅한다.
α 항은 동일한 확장에서 후퇴하는 동안 기계 작업에 대한 확장 동안의 기계적 작업의 비율이다. 따라서, 첫 번째 방정식은 다음과 같이 쓸 수 있다:
이 방정식에서 마찰 계수의 추정치는 다음 방정식으로부터 결정될 수 있다:
S0
(2)
여기에서 β=(2π/p)*req1
마찰 계수(μs)의 계산은 임의의 구성요소 변동(예를 들어, 모터, 정렬, 제조/장착)을 선별하는 데 도움이 될 수 있고 임계값보다 높은 임의의 어셈블리를 거부하는 것을 도울 수 있다. 마찰 계수는 다음 식으로부터 구할 수 있다.
여기에서:
여기에서:
그리고
여기에서
리드 스크류 피치 = 6.35mm
r screw = 1000mm
도 21a-21d는 마찰의 효과를 예시하는 추정된 주사기 압력(PSI) 대 측정된 압력(PSI)을 예시한다. 도 21a는 종래의 통합 방법을 도시한다. 도 21a 및 21b는 모터 kt 및 마찰 보상이 적용되지 않을 때 추정의 정확성의 부족을 나타내는 압력 추정 오차를 도시한다. 여기에 설명된 모터 kt 및 마찰 보상 방법은 도 21c 및 21d에 도시되며, 이는 추정치에서 훨씬 더 높은 정확도를 보여준다.
마찰 아티팩트에 관하여, μs라는 항목은 마찰 계수에 대한 표기이다. 모듈의 기존 압력 감지 기술은 μK에 대해 보상하지 않는다. 압력 교정 설정과 관련하여, 동일한 설정이 본원에서 설명된 개선된 압력 감지 방식에 따라 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 자동 교정 프로세스는 카트리지 대신 특수화된 교정 기구를 활용함으로써 도입된다. 일부 실시예에서, 추가 교정은 25 PSI 미만의 압력에 대해 수행된다.
다른 양태에서, 상기 방법들은 모터 권선 저항을 추정하는 단계를 포함할 수 있다. 모터 저항(예: 권선 저항)은 힘 측정의 주요 구성 요소이다. 다음의 방정식들에서 볼 수 있듯이, 권선의 저항이 온도의 선형 함수이므로 온도 의존성도 존재한다 (아래 방정식들에서, RTC는 실내 온도에서 구리 와이어에 대한 것이며, 상이한 와이어 구성들은 상이한 스케일링을 가질 것이다):
여기에서:
권선 온도(Tw)는 또한 예를 들어 다음 방정식에 의해 추정될 수 있다:
여기에서:
압력 감지의 다양한 추가 모습들이 마찬가지로 펌웨어에서 구현될 수 있다. 예를 들어 Vq, 토크 및 힘 추정은 상기 시스템의 펌웨어에서 수행될 수 있다. 사용된 KTo 및 μs는 압력 교정 결과에서 얻을 수 있다. 저항 측정과 관련하여, 이것은 다중 권선(예: 3상 모터의 3개 권선)의 평균 저항을 나타낼 수 있으며, 전압은 하나의 권선에 인가되고 다른 두 권선은 동일한 전위에 연결될 수 있다. 모든 모터 파라미터들(μs, KTo, mR)은 주사기 제어 유닛 메모리에 저장될 수 있다. 일부 실시예에서, 사용된 VT 데이터 벡터는 토크, 저항, μs 및 압력을 포함할 수 있다.
iii. 압력 교정
압력 교정을 위해, (예를 들면, National Instrument DAQ와 유사한) 외부 부하 센서 및 데이터 수집 시스템가 사용되어 부하 센서로부터 힘 데이터를 획득할 수 있다. 획득된 힘 데이터는 로그 파일(예: CellCoreVT 로그)에 저장될 수 있다. 주사기 제어 유닛으로부터의 힘 데이터는 주사기 VT 로그 파일에도 기록될 수 있다. 상기 부하 센서는 카트리지가 로딩될 위치에 로딩되며 상기 시스템은 센서가 압력 데이터를 수집하는 동안 분배/흡입 주기를 수행한다.
수집된 센서 데이터로부터, 상기 시스템의 파라미터들이 추정될 수 있다. 예를 들어, 도 22에 도시된 바와 같이. 데이터 획득 시스템과 주사기로부터의 측정된 힘 데이터의 곡선 핏은 KTo 및 μs를 추정하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 주사기 제어 유닛 메모리에서 해당 파라미터들을 업데이트하기 위해 나중에 사용된다. 도 23은 주사기 어셈블리에 대한 추정된 압력 대 측정된 압력을 도시한다. 도 24는 N=40에서의 트랜스미션 특성화를 도시한다. 도 25는 각각의 모터의 트랜스미션 특성화를 도시한다.
iii. 압력 검증
교정 후, 업데이트된 KTo 및 μs로 압력 교정을 수행하여 압력을 확인할 수 있으며, 이를 압력 보정 검증이라고 한다. 주사기로부터의 추정된 힘 데이터는 도 26에 도시된 바와 같이 측정된 힘 데이터에 대해 플롯될 수 있다.
도 27은 제1 모터 설계에 대한 가압 및 감압 동안 마찰 보상 방법을 사용한 압력 비교를 보여준다. 도 28은 제2 모터 설계에 의한 가압 및 감압 동안 마찰 보상 방법을 사용한 압력 비교를 보여준다.
iv. 카트리지 무결성 테스트
또 다른 양태에서, 카트리지 무결성 테스트 방법이 본원에 제공된다. CIT(카트리지 무결성 테스트)는 반응 튜브에 누출이 있는지 판단한다. 이는 P1과 P2 사이의 압력 차이를 확인하여 수행될 수 있다. P1은 개방 포트(즉, 공기 챔버)에 대한 첫 번째 이동의 끝에서의 압력이고 P2는 반응 용기에 대한 두 번째 이동의 끝에서의 압력이다. 일반적으로 CIT를 통과하기 위해 P2 -P1이 4 PSI보다 커야 한다. 일부 실시예에서, 상기 모듈은 임의의 느린 누설을 허용하기 위해 제2 이동(P2)의 끝에서 지연을 도입함으로써 CIT를 수행하도록 구성될 수 있다. 이 시간 지연은 CIT 명령으로부터 구성 가능하다. 여기에 설명된 개선된 압력 감지 접근 방식에서, 상기 모듈은 CIT 명령에서의 시간 지연을 P1 및 P2 동작 시간에 추가할 수 있다.
기존 모듈에서, CIT 알고리즘은 P1 분배 이동보다 낮은 위치에서 시작하는 P2에 대한 주사기 분배 이동을 포함하고, 상기 이동들의 속도는 200μsteps/sec이며 이동 완료 시간은 4초이다. P1 및 P2 이동들은 복합적이며 이동 동안에 P1 및 P2 압력이 최대값이 되도록 시작 및 종료 위치가 다르다. 이러한 종래의 CIT는 도 29에 도시되어 있다.
본원에 기술된 개선된 압력 감지 접근법을 이용함에 있어서, CIT 알고리즘은 동일한 위치에서 시작하는 P1 및 P2에 대한 주사기 분배 이동을 포함할 수 있다. P1 및 P2 분배 이동은 반응 용기에 작은 누출이 있는 경우 압력이 떨어지는 것을 허용하기 위해 더 느려질 수 있다. 이동 완료까지의 시간은 4초 + CIT 시간 지연이다. P1 및 P2 이동은 기존 테스트와 유사할 수 있지만, 슬루 (slew) 끝에서 P1 및 P2 압력이 측정된다. 그러한 CIT의 예가 도 30에 도시된다.
도 31은 9개 모듈, 2개 유형의 카트리지 및 3개의 상이한 카트리지 유형으로부터의 CIT 결과를 도시한다. 24개의 양호한 카트리지와 24개의 불량 카트리지(즉, 구멍이 뚫린 카트리지)로 총 48회의 테스트 실행이 수행되었다. 각 모듈은 작동 가능하게 결합된 프로세서 모듈의 메모리에 기록된 소프트웨어로 프로그램된다. 도 32는 "양호" 대 "불량" 카트리지를 검출하기 위한 최적 임계값을 예시한다.
V. 자체 테스트
다른 양태에서, 상기 제어 유닛은 자체 테스트를 수행하도록 구성될 수 있다. 자체 테스트 절차는 분석을 실행하기 전에 시스템의 기능을 테스트한다. 일부 실시예에서, 자체 테스트 절차는 분석을 시작하기 위해 필요하고 충분한 작동 조건을 입증하는 역할을 하는 비교적 간단한 테스트일 수 있다.
vi. 압력 감지 알고리즘
다른 양태에서, 본 명세서에 기술된 개념에 따른 예시적인 압력 감지 알고리즘은 다음과 같이 제공된다:
| 단계 | 설명 | 공식 | 단위 |
| 1 |
모터 권선들에 걸쳐 인가된 전압 Vapplied를 계산한다. |
|
V |
| 2 |
확인된 권선 전류 iq를 계산한다. |
|
A |
| 3 | 모터 토크 을 계산한다. | N-m | |
| 4 |
주사기 리드 나사 너트의 순 모터 토크 을 계산한다. |
|
N-m |
| 5 |
시린지 너트 상의 이론적인 힘 을 계산한다. |
|
N |
| 6 |
주사기 너트 마찰 배율 계수를 적용하여 주사기에 가해지는 힘을 추정한다. |
|
N |
| 7 |
주사기 보어 단면적에 의해 추정된 힘을 스케일링함으로써 주사기 압력 을 추정한다. |
|
PSI |
위의 각 단계에 대한 자세한 내용은 아래에서 자세히 설명된다.
| 단계 | 세부 사항들 |
| 1 | 여기에서, 상기 인가된 모터 권선 전압은 모터 위치 루프; 모터 구동기에서의 PID 보상기로부터의 전압 피드백을 포함한다. |
| 2 | 여기에서 고정 좌표계(d,q)로 분해된 모터 전류를 계산한다. 고정 좌표계를 사용하면 3상 브러시리스 모터를 단상 DC 모터로 취급할 수 있다. iq는 모터에서의 토크-생성 전류이다. rm은 권선-중립 모터 저항이다. |
| 3 |
브러시리스 모터의 경우 모터 토크는 모터 회전에 대한 각 권선에 의해 생성되는 평균 토크에 위상 수 를 곱한 값이다. 옴니(Omni) 모터의 경우 는 3이며, 각 브러시리스 모터에는 3개의 위상이 있으므로, |
| 4 | 운동 방향과 반대 방향으로 작용하는 드래그 토크 가 있다. 여기에서 나사 상에서의 토크, 순 마찰 (net of friction)를 얻기 위해 이것을 뺀다. |
| 5 |
트랜스미션에 의해 생성된 힘은 입력 변위를 대응 출력 변위로 나눈 트랜스미션 비율이다. 피치 p의 리드 스크류의 경우, 트랜스미션 비율은 다음과 같다. |
| 6 |
여기에서, 곱셈 마찰 스케일링 효과 를 이론적인 힘에 적용하여, 주사기 힘을 결정한다. 여기에서 μk는 나사의 운동 마찰 계수이고 b는 트랜스미션 비율에 리드 나사산의 등가 반경 req을 곱한 알려진 트랜스미션 상수이다. 주사기 트랜스미션의 경우 b는 약 1이다. 양압력(positive pressure) (힘)에 대해 양의 모터 동력(예: 확장)이 가해지면 트랜스미션이 너트 마찰을 극복해야 하기 때문에 이론적 힘은 주사기 힘을 과대평가한다. 그래서 마찰 스케일링 효과는 주사기 힘 추정치를 약화시킨다. 반대로, 음의 모터 동력이면 (예: 후퇴 시), 트랜스미션이 힘을 견딜 때 마찰에 의해 도움을 받기 때문에 이론적인 힘은 주사기 힘을 과소평가한다. 그래서 이 경우의 힘을 계산하기 위해 마찰 스케일링 효과는 주사기 힘 추정치를 증폭한다. |
| 7 | 압력 추정치를 얻기 위해 주사기 구멍 면적에 의해 주사기 힘 추정치를 간단하게 크기 조정한다. |
압력 감지 신호 설명은 부록 A에 나와 있다.
B. 밸브 토크 추정
다른 양태에서, 밸브 토크 추정을 위한 방법이 제공된다. KTo의 값을 계산하기 위해, 도 37에 도시된 바와 같은 플롯이 사용될 수 있으며, 이는 최적 적합을 나타내며 0에서 인터셉트를 가정한다. 그런 다음 기울기 추정치를 사용하여 다음 방정식으로부터 KTo 값을 결정할 수 있다:
이 방정식으로부터 토크 상수 추정치 KTo는 다음으로서 계산될 수 있다:
위에서 논의된 방법, 시스템 및 디바이스는 예이며, 알고리즘 및 예의 변형이 실현될 수 있고 여전히 본 명세서에 설명된 발명의 개념을 유지하고 있음이 인식된다. 다양한 구성은 다양한 절차 또는 구성 요소를 적절하게 생략, 대체 또는 추가할 수 있다. 예를 들어, 대안적인 구성에서, 상기 방법들은 설명된 것과 다른 순서로 수행될 수 있으며, 그리고/또는 다양한 단계가 추가, 생략 및/또는 결합될 수 있다. 또한, 특정 구성에 대해 설명된 특징은 다양한 다른 구성에 결합될 수 있다. 구성의 상이한 측면과 요소는 유사한 방식으로 결합될 수 있다. 또한, 기술은 발전하고 설명된 구성요소 중 일부는 비제한적인 예로서 제공되며 따라서 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
예시적인 구성(구현 포함)의 철저한 이해를 제공하기 위해 구체적인 세부 사항이 설명에 제공되었다. 그러나 이러한 특정 세부 사항 없이 구성들이 실행될 수 있다. 예를 들어, 잘 알려진 회로, 프로세스, 알고리즘, 구조 및 기술은 구성이 모호해지는 것을 방지하기 위해 불필요한 세부 사항 없이 표시되었다. 이 설명은청구항들의 범위, 적용 가능성 또는 구성을 제한하지 않는 예시적인 구성을 제공한다. 오히려, 구성에 대한 앞선 설명은 설명된 기술을 구현하기 위한 가능하게 하는 설명을 당업자에게 제공할 것이다. 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 구성요소의 기능 및 배치에 다양한 변경이 이루어질 수 있다.
또한, 구성은 흐름도 또는 블록도로서 묘사되는 프로세스로서 기술될 수 있다. 각각은 작업을 순차적 프로세스로 설명할 수 있지만 일부 작업은 병렬 또는 동시에 수행될 수 있다. 또한, 방법의 예는 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어, 마이크로코드, 하드웨어 기술 언어 또는 이들의 조합에 의해 구현될 수 있다. 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어 또는 마이크로코드로 구현될 때 필요한 작업을 수행하기 위한 프로그램 코드 또는 코드 세그먼트는 저장 매체와 같은 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있다. 프로세서는 상기 설명된 작업들을 수행할 수 있다.
몇 가지 예시적인 구성을 설명했지만, 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 다양한 수정, 대체 구성 및 등가물이 사용될 수 있다. 예를 들어, 위의 요소들은 더 큰 시스템의 구성요소일 수 있으며, 여기서 다른 규칙이 우선하거나 본 발명의 적용을 수정할 수 있다. 또한 위의 요소들이 고려되기 전, 도중 또는 후에 여러 단계들이 수행될 수 있다. 따라서, 위의 설명은 특허청구범위를 제한하지 않는다. 본 출원에 인용된 모든 특허, 특허 출원 및 기타 간행물은 모든 목적을 위해 그 전체가 참조로 포함된다.
Claims (22)
- 위치, 속도 또는 일반화 힘 (generalized force) 중 적어도 하나를 제어하기 위한 손실 메카트로닉 시스템으로서, 상기 시스템은:
모터 구동기;
상기 모터 구동기에 따라 일반화 힘을 인가하도록 구성된 모터;
모터-적용된 일반화 힘, 마찰 및 점성 항력에 따라 일반화 힘을 전달하도록 구성된 손실 트랜스미션; 그리고
적어도 하나의 모터 특성, 모터 구동 브리지 전류, 전압 및 트랜스미션 특성을 포함하는 계산에 의해 상기 일반화 힘을 실시간으로 계산하기 위한 명령들이 기록된 메모리를 갖는 프로세서를 구비한 제어 유닛을 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 모터 특성은:
전압, 속도, 위치, 상전류, 상저항, 모터 상수(kt) 중 임의의 것을 포함하는, 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 트랜스미션 특성은: 마찰 계수 및 점성 항력 계수 중 임의의 것을 포함하는, 시스템.
- 임의의 이전 항에 있어서, 상기 트랜스미션은 4-사분면 (four-quadrant) 작동을 가능하게 하는 역구동 가능한, 시스템.
- 임의의 이전 항에 있어서, 상기 시스템의 사용자는 출력에 일반화 힘들을 부여하고 입력에서 상기 일반화 힘을 감지하여 사용자 의도를 전달할 수 있는, 시스템.
- 임의의 이전 항에 있어서, 상기 시스템은, 카트리지를 누르는 사용자가 상기 카트리지를 로드하고 카트리지 처리를 시작하라는 사용자 요청을 알리게 하도록 구성된 카트리지 로딩 시스템을 포함하는, 시스템.
- 임의의 이전 항에 있어서, 상기 트랜스미션은 일반화 힘 출력을 나타내는 출력 토크를 갖는 회전식 트랜스미션인, 시스템.
- 임의의 이전 항에 있어서, 상기 트랜스미션은 일반화 힘 출력을 나타내는 출력 힘을 갖는 선형 트랜스미션인, 시스템.
- 임의의 이전 항에 있어서, 상기 시스템은: 주사기, 밸브, 카트리지 로딩 또는 도어 개폐 메커니즘 중 적어도 하나에 적용되는, 시스템.
- 임의의 이전 항에 있어서, 상기 제어 유닛은:
모터 구동 전압, 모터 구동 브리지 전류 및 모터 구동 브리지 전압에 의해 모터 저항을 결정하도록 구성된, 시스템. - 제10항에 있어서, 상기 모터는 알려진 도체 구성의 모터 권선들을 포함하고, 상기 모터 저항은 알려진 모터 권선 온도에서 추가로 결정되며, 이는 상기 제어 유닛의 메모리에 저장되고 또한 실시간으로 상기 권선 온도는 모터 권선 저항과 권선 온도 사이의 알려진 관계로부터 결정되는, 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 모터 권선들은 실질적으로 구리 구성으로 구축된, 시스템.
- 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 모터 권선 온도는 일반화 힘 출력에 대한 권선 온도의 영향을 보상하기 위해 사용되는, 시스템.
- 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터 권선 온도가 미리 결정된 임계값을 초과할 때 상기 시스템의 작동이 중단되는, 시스템.
- 임의의 이전 항에 있어서, 상기 시스템은 주사기를 포함하고 상기 일반화 힘 출력은 다음 작업들:
주사기로 카트리지 바닥 찾기,
주사기로 혼합 또는 반응 튜브 충진 중 적어도 하나를 수행하는 동안 과도한 흡입 또는 분배 힘 검출, 그리고
샘플-볼륨의 적절성을 판별하기, 중 적어도 하나의 작업 동안 상기 주사기의 보호된 강제 정지 모션 (stop-on-force motion)에 사용되는, 시스템. - 제15항에 있어서, 상기 보호된 강제 정지 모션은 압력 정지 (stop-on-pressure)인, 시스템.
- 임의의 이전 항에 있어서, 상기 시스템은 주사기로서 적용되고 상기 제어 유닛은 상기 일반화 힘 출력이 카트리지 무결성을 판별하기 위해 카트리지 무결성 테스트 동안 사용되도록 구성된, 시스템.
- 제17항에 있어서, 상기 카트리지 무결성은 반응 용기 내 누출로 인한 가압 손실을 감지함으로써 결정되는, 시스템.
- 손실 메카트로닉 시스템에 적용하기 위한 교정 (calibration) 방법으로서, 상기 교정 방법은:
공칭 권선 저항을 가정하거나 모터 권선 저항을 결정하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 단계, 그리고
호환되는 계측 플랫폼으로 구동하는 동안 트랜스미션을 확장한 다음 그 트랜스미션을 후퇴시키는 단계;
상기 계측 플랫폼 및 일반화 힘으로부터의 판독값 (reading)을 기록하는 단계; 그리고
상기 플랫폼에 의해 기록들을 처리하여 모터 kt 및 마찰 계수를 계산하는 단계를 포함하는, 교정 방법. - 제19항에 있어서, 상기 시스템 출력은 선형인, 교정 방법.
- 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 선형 출력 시스템은 주사기인, 교정 방법.
- 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터 kt 및 마찰 계수는 +/- 10% 정확도 이내에서 상기 손실 메카트로닉 시스템의 정확한 작동을 용이하게 하기 위해 상기 손실 메카트로닉 시스템의 제어 유닛의 메모리에 저장되는, 교정 방법.
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