KR20240061161A

KR20240061161A - 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템

Info

Publication number: KR20240061161A
Application number: KR1020220142515A
Authority: KR
Inventors: 김성훈; 지동민
Original assignee: 원광대학교산학협력단
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2024-05-08

Abstract

본 발명은 다축 제어와 4개의 코일을 이용하여 마이크로 나노 로봇의 3차원 이동을 제어할 수 있는 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 고정 프레임에 결합되는 제1 조인트부, 제1 조인트부에 회전 가능하게 결합되는 길이 조절부재 및 길이 조절부재에 회전 가능하게 결합되는 제2 조인트부를 각각 포함하는 복수의 다축 제어장치, 복수의 다축 제어장치에 회전 가능하게 결합되는 연결 플레이트 및 연결 플레이트에 결합되는 틸팅 모터부, 틸팅 모터부에 연결되는 틸팅 기어부 및 틸팅 기어부에 연결되는 틸팅 코일부를 각각 포함하는 복수의 자기장 발생장치를 포함할 수 있다.

Description

코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템{COIL TILTING BASED MICRO NANO ROBOT CONTROL SYSTEM}

본 발명은 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다축 제어와 4개의 코일을 이용하여 마이크로 나노 로봇의 3차원 이동을 제어할 수 있는 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로 로봇은 마이크로 크기의 로봇을 말하며, 형태와 용도에 따라 의료, 우주, 국방 산업 등에 다양하게 응용될 수 있다. 마이크로 로봇은 내부에 영구자석이 삽입되어 이동이 제어될 수 있다.

마이크로 로봇을 이동시키기 위해서는 자기장을 이용한다. 자기장을 생성하기 위한 마이크로 로봇의 구동 시스템은, 기본적인 전자석 코일 시스템과 1개의 회전축을 이용하여 마이크로 로봇의 평면 구동이 가능한 구동장치를 가지고 있다.

여기서, 전자석 코일은 전류를 흘려서 중심축 방향으로 자기장을 생성하도록 구리선 등의 전도성 와이어를 축을 중심으로 파이(pi) 방향으로 감은 물체를 말한다. 전자석 코일의 전류가 제어됨에 따라 자기장이 생성되며, 생성된 자기장에 의해 마이크로 로봇의 이동 속도 및 방향이 제어될 수 있다.

그러나, 기존의 전자석 코일은 한 방향으로만 자기장이 생성되어, 마이크로 로봇의 이동을 2차원적으로만 제어할 수 있다.

마이크로 로봇을 3차원적으로 이동시키기 위해서는 복수의 코일이 필요하고, 고전력 및 고가의 전자기 시스템이 필요하며, 마이크로 로봇의 이동 제어를 위한 복잡한 알고리즘이 필요하다.

즉, 전자석 코일 시스템은 마이크로 로봇을 3차원적으로 이동시키기 위해서 3차원 공간에서 임의의 자기장 벡터를 순시적으로 형성하기 위한 6개(x축, y축, z축 각각 한 쌍씩 총 3쌍) 이상의 코일 파트가 필요하다.

한국등록특허 제10-1003132호(2010.12.15, 등록)

따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명은 다축 제어와 4개의 코일을 이용하여 마이크로 나노 로봇의 3차원 이동을 제어할 수 있는 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 코일의 틸팅과 평행이동을 통해 코일의 중심이 되는 트래핑 포인트를 제어하고, 코일에서 발생하는 자기장의 세기를 제어하여 트래핑 포인트에 위치한 마이크로 나노 로봇의 높이를 제어할 수 있는 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템은 고정 프레임에 결합되는 제1 조인트부, 제1 조인트부에 회전 가능하게 결합되는 길이 조절부재 및 길이 조절부재에 회전 가능하게 결합되는 제2 조인트부를 각각 포함하는 복수의 다축 제어장치, 복수의 다축 제어장치에 회전 가능하게 결합되는 연결 플레이트 및 연결 플레이트에 결합되는 틸팅 모터부, 틸팅 모터부에 연결되는 틸팅 기어부 및 틸팅 기어부에 연결되는 틸팅 코일부를 각각 포함하는 복수의 자기장 발생장치를 포함할 수 있다.

또한, 틸팅 기어부는, 틸팅 모터부에 결합되는 기어 본체, 기어 본체의 내측에 배치되고 틸팅 모터부의 회전축에 연결되는 제1 기어, 기어 본체의 내측에 배치되고 제1 기어에 맞물리는 제2 기어 및 기어 본체의 내측에 배치되고 제2 기어에 맞물리는 제3 기어를 포함할 수 있다.

또한, 틸팅 코일부는, 제3 기어의 중심축을 관통하는 고정 샤프트, 고정 샤프트에 결합되는 링크 부재 및 링크 부재에 연결되는 코일 부재를 포함할 수 있다.

또한, 제1 조인트부는, 고정 프레임에 결합되는 제1 조인트 결합부재 및 제1 조인트 결합부재에 회전 가능하게 결합되는 제1 조인트 회전부재를 포함하고, 제2 조인트부는, 길이 조절부재에 결합되는 제21 베어링 부재를 포함하는 제21 조인트 회전부재 및 제21 조인트 회전부재에 결합되고 연결 플레이트가 결합되는 제22 베어링 부재를 포함하는 제22 조인트 회전부재를 포함할 수 있다.

또한, 복수의 다축 제어장치 각각은, 길이 조절부재에 결합되는 길이 변환 측정부재를 더 포함할 수 있다.

또한, 연결 플레이트의 중심을 관통하여 결합되고 복수의 자기장 발생장치의 중심으로 연장되는 온열 코일을 더 포함할 수 있다

또한, 복수의 자기장 발생장치의 투영면과 마주보도록 고정 프레임에 결합되는 마이크로 로봇 수용부를 더 포함할 수 있다.

또한, 고정 프레임에 결합되어 마이크로 나노 로봇의 위치를 측정하는 마이크로 로봇 위치 측정기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명은 다축 제어와 4개의 코일을 이용하여 마이크로 나노 로봇의 3차원 이동을 제어할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 코일의 틸팅과 평행이동을 통해 코일의 중심이 되는 트래핑 포인트를 제어하고, 코일에서 발생하는 자기장의 세기를 제어하여 트래핑 포인트에 위치한 마이크로 나노 로봇의 높이를 제어할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템의 복수의 다축 제어장치를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템의 다축 제어장치를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 제어장치의 제1 조인트부를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 제어장치의 제2 조인트부를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템의 복수의 자기장 발생장치를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템의 자기장 발생장치를 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템의 자기장 발생장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템을 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템의 온열 코일을 설명하기 위한 부분 사시도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하 본 발명의 실시예들에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템(100)에 대하여 도 1 내지 도 10을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템을 도시한 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템(100)은 복수의 다축 제어장치(110), 연결 플레이트(120) 및 복수의 자기장 발생장치(130)를 포함할 수 있다.

복수의 다축 제어장치(110)는 고정 프레임(10)에 결합될 수 있다. 고정 프레임(10)은 복수의 다축 제어장치(110)를 지면으로부터 일정 높이에서 지지하는 역할을 할 수 있다. 고정 프레임(10)은 수직 프레임(11), 수평 프레임(12), 상부 프레임(13) 및 지지 프레임(14)을 포함할 수 있다.

수직 프레임(11)은 지면과 수직으로 배치되고, 복수로 구성될 수 있다. 수직 프레임(11)은 수평 프레임(12), 상부 프레임(13) 및 지지 프레임(14)과 결합될 수 있다.

수평 프레임(12)은 지면과 수평으로 수직 프레임(11)에 결합될 수 있다. 수평 프레임(12)은 복수로 구성될 수 있고, 수직 프레임(11)을 서로 연결할 수 있다.

상부 프레임(13)은 수직 프레임(11)의 최상단에 결합될 수 있다. 상부 프레임(13)에는 복수의 다축 제어장치(110)가 결합될 수 있다.

지지 프레임(14)은 지면이 맞닿는 수직 프레임(11)의 최하단에 결합될 수 있다. 지지 프레임(14)은 대략 ㄴ자로 형성되고, 수직 프레임(11)에 가해지는 하중을 분산시켜 고정 프레임(10)이 흔들리지 않도록 할 수 있다.

복수의 다축 제어장치(110)의 일단은 고정 프레임(10)에 결합되고, 타단에는 연결 플레이트(120)가 결합될 수 있다. 복수의 다축 제어장치(110)는 길이 및 회전 각도를 조절하여 연결 플레이트(120)에 결합된 복수의 자기장 발생장치(130)의 위치를 변경할 수 있다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 복수의 다축 제어장치(110)는 제1 조인트부(111), 길이 조절부재(112) 및 제2 조인트부(113)를 포함할 수 있다.

제1 조인트부(111)는 고정 프레임(10)에 결합될 수 있다. 제1 조인트부(111)는 볼트 너트와 같은 별도의 체결부재(미도시됨)로 고정 프레임(10)의 연결 프레임(15)에 결합되고, 상부 프레임(13)에 결합되는 연결 프레임(15)을 통해 상부 프레임(13)에 결합될 수 있다.

제1 조인트부(111)는 제1 조인트 결합부재(111a) 및 제1 조인트 회전부재(111b)를 포함할 수 있다. 제1 조인트부(111)는 일반적인 유니버셜 조인트(Universal Joint)일 수 있다.

제1 조인트 결합부재(111a)는 제1 고정부(111c)를 통해 고정 프레임(10)에 결합될 수 있다. 제1 고정부(111c)는 제1 조인트 결합부재(111a)를 고정 프레임(10)에 결합하기 위한 체결 수단일 수 있다.

제1 조인트 결합부재(111a)에는 제1 결합 베어링 부재(111d)로 제1 조인트 회전부재(111b)가 결합될 수 있다. 제1 결합 베어링 부재(111d)는 제1 조인트 결합부재(111a)와 제1 조인트 회전부재(111b)의 사이에 설치되고, 제1 조인트 결합부재(111a)로부터 제1 조인트 회전부재(111b)가 제1 회전(R1) 가능하도록 할 수 있다.

제1 조인트 회전부재(111b)의 일단은 제1 결합 베어링 부재(111d)를 통해 제1 조인트 결합부재(111a)에 제1 회전(R1) 가능하게 결합될 수 있다. 제1 조인트 회전부재(111b)의 타단은 길이 조절부재(112)가 결합될 수 있다.

제1 조인트 회전부재(111b)는 제1 조인트 결합부재(111a)로부터 제1 회전(R1)하여 길이 조절부재(112)의 각도를 조절할 수 있다.

길이 조절부재(112)는 제1 조인트부(111)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 구제척으로 길이 조절부재(112)는 제1 조인트부(111)의 제1 조인트 회전부재(111b)에 결합되고, 제1 조인트 결합부재(111a)로부터 제1 회전(R1)하는 제1 조인트 회전부재(111b)와 함께 회전할 수 있다.

길이 조절부재(112)는 리니어 모터(1121), 길이 조절부재 본체(1122), 길이 확장부재(1123), 측정부재 고정 브라켓(1124) 및 조인트 고정 브라켓(1125)을 포함할 수 있다.

리니어 모터(1121)의 일단은 제1 조인트부(111)에 결합될 수 있다. 리니어 모터(1121)의 타단 외측은 길이 조절부재 본체(1122)가 결합되고, 타단 내측은 길이 확장부재(1123)가 결합될 수 있다. 리니어 모터(1121)는 타단에 결합된 길이 확장부재(1123)에 길이 조절을 위한 구동력을 제공할 수 있다.

리니어 모터(1121)는 길이 조절되어 연결 플레이트(120)를 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동 및 틸팅 시킬 수 있다. 즉, 리니어 모터(1121)는 길이 조절을 통해 연결 플레이트(120)에 결합된 복수의 자기장 발생장치(130)를 수평 이동, 틸팅 및 상하 이동시킬 수 있다.

길이 조절부재 본체(1122)는 리니어 모터(1121)에 결합될 수 있다. 길이 조절부재 본체(1122)는 내부에 중공이 형성되어 길이 확장부재(1123)의 일부를 수용할 수 있다.

길이 확장부재(1123)는 길이 조절부재 본체(1122)의 내부에 설치되고, 리니어 모터(1121)에 연결될 수 있다. 길이 확장부재(1123)는 리니어 모터(1121)로부터 길이 조절을 위한 구동력을 제공받아 길이가 조절될 수 있다.

측정부재 고정 브라켓(1124)은 길이 조절부재 본체(1122)에 결합되고, 길이 조절부재 본체(1122)의 측면에 결합되는 길이 변환 측정부재(114)를 고정할 수 있다.

측정부재 고정 브라켓(1124)은 대략 장방형으로 형성되고, 내부에 중공(1124a)이 형성될 수 있다. 중공(1124a)에는 길이 조절부재 본체(1121)가 끼워질 수 있다. 측정부재 고정 브라켓(1124)의 일단에는 측정부재 끼움부(1124b)가 연결될 수 있다. 측정부재 끼움부(1124b)는 길이 변환 측정부재(114)의 배치 방향으로 절곡 형성되어 길이 변환 측정부재(114)에 끼워질 수 있다.

조인트 고정 브라켓(1125)의 일단은 길이 확장부재(1123)에 결합되고, 타단에는 제2 조인트부(113)가 결합될 수 있다. 조인트 고정 브라켓(1125)은 길이 변환 측정부재(114)의 배치 방향으로 돌출부(1125a)가 형성되어 길이 변환 측정부재(114)의 끝단과 결합될 수 있다.

즉, 조인트 고정 브라켓(1125)은 길이 조절부재(112)와 제2 조인트부(113)를 결합시키고, 길이 조절부재(112)와 길이 변환 측정부재(114)를 연결시키는 역할을 할 수 있다.

이에 따라 길이 조절부재(112)는 측정부재 고정 브라켓(1124)과 조인트 고정 브라켓(1125)으로 길이 변환 측정부재(114)와 결합될 수 있다.

제2 조인트부(113)는 길이 조절부재(112)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 제2 조인트부(113)는 다축 제어장치(110)의 길이 조절부재(112)와 연결 플레이트(120)를 연결할 수 있다.

제2 조인트부(113)는 제21 조인트 회전부재(113a) 및 제22 조인트 회전부재(113b)를 포함할 수 있다. 제2 조인트부(113)는 일반적인 유니버셜 조인트(Universal Joint)일 수 있다.

제21 조인트 회전부재(113a)는 길이 조절부재(112)의 조인트 고정 브라켓(1125)에 결합될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 조인트 회전부재(113a)의 내부에는 제21 베어링 부재(113a1)가 설치되고, 제21 베어링 부재(113a1)와 길이 조절부재(112)의 조인트 고정 브라켓(1125)이 결합될 수 있다.

제21 베어링 부재(113a1)는 제1 반경을 가지는 외측 둘레부(C1), 제1 반경보다 작은 제2 반경을 가지고 외측 둘레부(C1)의 내측에 위치하는 내측 둘레부(C2) 및 외측 둘레부(C1)와 내측 둘레부(C2) 사이에 위치하는 회전 베어링부재(B)를 포함할 수 있다.

이에 따라 제21 조인트 회전부재(113a)는 제21 베어링 부재(113a1)를 중심으로 길이 조절부재(112)로부터 제3 회전(R3)할 수 있다.

제22 조인트 회전부재(113b)의 일단은 제2 결합 베어링 부재(113d)로 제21 조인트 회전부재(113a)에 결합되고, 타단에는 연결 플레이트(120)가 결합될 수 있다. 제2 결합 베어링 부재(113d)는 제21 조인트 회전부재(113a)와 제22 조인트 회전부재(113b) 사이에 설치되고, 제21 조인트 회전부재(113a)로부터 제22 조인트 회전부재(113b)가 제2 회전(R2) 가능하도록 할 수 있다.

제22 조인트 회전부재(113b)는 제2 고정부(113c)를 통해 연결 플레이트(120)에 결합될 수 있다. 제2 고정부(113c)는 제22 조인트 회전부재(113b)를 연결 플레이트(120)에 결합하기 위한 체결 수단일 수 있다.

보다 구체적으로, 제22 조인트 회전부재(113b)의 내부에는 제22 베어링 부재(113b1)가 설치되고, 제22 베어링 부재(113b1)와 제2 고정부(113c)가 결합될 수 있다.

제22 베어링 부재(113b1)는 제1 반경을 가지는 외측 둘레부(C1), 제1 반경보다 작은 제2 반경을 가지고 외측 둘레부(C1)의 내측에 위치하는 내측 둘레부(C2) 및 외측 둘레부(C1)와 내측 둘레부(C2) 사이에 위치하는 회전 베어링부재(B)를 포함할 수 있다.

이에 따라 제22 조인트 회전부재(113b)는 제22 베어링 부재(113b1)를 중심으로 제2 고정부(113c)로부터 제4 회전(R4)할 수 있다.

즉, 제2 조인트부(113)는 제21 베어링 부재(113a1)를 중심으로 길이 조절부재(112)로부터 회전하고, 제22 베어링 부재(113b1)를 중심으로 연결 플레이트(120)로부터 회전할 수 있다.

일반적인 유니버셜 조인트는 최대로 회전할 수 있는 각도가 30도로 한정되어 있다. 제1 조인트부(111)는 조향 각도 30도 이내의 범위에서 회전하지만, 제2 조인트부(113)는 조향 각도 30도보다 큰 범위에서 회전하기 때문에 연결 플레이트(120)를 회전시키는데 한계가 있다.

본 실시예에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템(100)에 의하면 제2 조인트부(113)의 상단 및 하단에 제21 베어링 부재(113a1)와 제22 베어링 부재(113b1)를 결합하여 일반적인 유니버셜 조인트의 조향 각도를 90도까지 증가시킬 수 있다.

따라서 연결 플레이트(120)에 결합된 복수의 자기장 발생장치(130)의 각도 조절시 복수의 자기장 발생장치(130)가 기울어짐에 따라 제2 조인트부(113)의 부족한 조향 각도에 의해 제21 조인트 회전부재(113a)와 제22 조인트 회전부재(113b)가 충돌하게 되면, 제21 베어링 부재(113a1)와 제22 베어링 부재(113b1)에 의해 자동으로 90도 조향 각도가 가능한 위치로 제2 조인트부(113)가 회전하여 자기장 발생장치(130)의 각도를 자유롭게 조절할 수 있다.

복수의 다축 제어장치(110)는 길이 변환 측정부재(114)를 더 포함할 수 있다.

길이 변환 측정부재(114)는 길이 조절부재(112)에 결합될 수 있다. 길이 변환 측정부재(114)는 길이 조절부재(112)의 길이 조절부재 본체(1122)에 결합되는 측정부재 고정 브라켓(1124)에 형성된 측정부재 끼움부(1124b)에 끼워질 수 있다.

길이 변환 측정부재(114)의 끝단은 조인트 고정 브라켓(1125)의 돌출부(1125a)에 결합될 수 있다.

길이 변환 측정부재(114)는 길이 조절부재(112)의 길이를 측정할 수 있다. 길이 변환 측정부재(114)는 통상의 포텐셜 미터일 수 있다.

연결 플레이트(120)는 복수의 다축 제어장치(110)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 연결 플레이트(120)는 복수의 다축 제어장치(110)에 복수의 자기장 발생장치(130)를 연결시키는 기능을 할 수 있다.

즉, 연결 플레이트(120)의 상부에는 복수의 다축 제어장치(110)가 결합되고, 연결 플레이트(120)의 하부에는 복수의 자기장 발생장치(130)가 결합될 수 있다.

복수의 자기장 발생장치(130)는 연결 플레이트(120)에 결합되고, 자기장을 발생시켜 마이크로 나노 로봇을 이동시킬 수 있다. 복수의 자기장 발생장치(130)는 4방향으로 배치된 전자석 코일(이하에서 설명할 틸팅 코일부(133))에서 발생되는 자기장의 합성을 통해 원하는 방향의 자기장을 발생시킬 수 있다.

보다 구체적으로, 복수의 자기장 발생장치(130)는 회전 자기장과 경사 자기장을 발생시켜 마이크로 나노 로봇의 이동을 3차원으로 제어할 수 있다. 여기서 회전 자기장은 마이크로 나노 로봇의 조향 방향과 추진 방향을 조절할 수 있다. 경사 자기장은 마이크로 나노 로봇의 위치를 제어할 수 있다.

복수의 자기장 발생장치(130)는 각도 변화를 통해 트래핑 포인트(Trapping point)를 제어할 수 있다. 트래핑 포인트는 복수의 자기장 발생장치(130)의 중심축과 일치하는 단일 지점으로, 단일 지점을 향해 모든 방향에서 가리키는 자기장 공간 분포가 생성될 수 있다. 마이크로 나노 로봇은 복수의 자기장 발생장치(130)의 틸팅과 평행 이동에 따라 변경되는 트래핑 포인트로 밀려 이동할 수 있다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 복수의 자기장 발생장치(130)는 틸팅 모터부(131), 틸팅 기어부(132) 및 틸팅 코일부(133)를 포함할 수 있다.

틸팅 모터부(131)는 연결 플레이트(120)에 결합될 수 있다. 틸팅 모터부(131)는 틸팅 기어부(132)에 회전 동력을 제공하여 틸팅 기어부(132)에 연결된 틸팅 코일부(133)를 틸팅시킬 수 있다.

예를 들어, 틸팅 모터부(131)는 70kgf.cm 이상의 고 토크 기어드 모터일 수 있다. 틸팅 모터부(131)의 기어비는 294:1로 34RPM의 회전속도와 100kgf.cm의 높은 토크를 제공하며, 키 홈 샤프트 구조를 통해 높은 토크 전달을 할 수 있다.

틸팅 모터부(131)의 회전축(1311)에는 틸팅 기어부(132)가 연결될 수 있다.

틸팅 기어부(132)는 틸팅 모터부(131)에 연결되어 기어 구동을 위한 동력을 전달받을 수 있다. 틸팅 기어부(132)는 기어 본체(1321), 제1 기어(1322), 제2 기어(1323) 및 제3 기어(1324)를 포함할 수 있다.

기어 본체(1321)는 틸팅 모터부(131)에 결합될 수 있다. 기어 본체(1321)의 내측에는 제1 기어(1322), 제2 기어(1323) 및 제3 기어(1324)가 설치될 수 있다.

제1 기어(1322)는 기어 본체(1321)의 내측에 배치되고 틸팅 모터부(131)의 회전축(1311)에 연결될 수 있다. 여기서 제1 기어(1322)는 19투스(tooth)를 가지는 기어일 수 있다.

제1 기어(1322)는 틸팅 모터부(131)로부터 회전 동력을 전달받아 회전할 수 있다. 제1 기어(1322)는 제2 기어(1323)에 맞물리고, 제2 기어(1323)를 회전시킬 수 있다.

제2 기어(1323)는 기어 본체(1321)의 내측에 배치되고 제1 기어(1322)에 맞물려 연결될 수 있다. 여기서 제2 기어(1323)는 25투스(tooth)를 가지는 기어일 수 있다.

제2 기어(1323)는 제1 기어(1322)의 회전에 따라 회전할 수 있다. 제2 기어(1323)는 제3 기어(1324)에 맞물리고, 제3 기어(1324)를 회전시킬 수 있다.

제3 기어(1324)는 기어 본체(1321)의 내측에 배치되고 제2 기어(1323)에 맞물려 연결될 수 있다. 여기서 제3 기어(1324)는 52투스(tooth)를 가지는 기어일 수 있다.

제3 기어(1324)는 제2 기어(1323)의 회전에 따라 회전할 수 있다. 제3 기어(1324)는 틸팅 코일부(133)와 연결되어 틸팅 코일부(133)를 회전시킬 수 있다.

틸팅 코일부(133)는 틸팅 기어부(132)에 연결될 수 있다. 틸팅 코일부(133)는 틸팅 기어부(132)에 의해 최대 45도까지 틸팅될 수 있으며, 각각 틸팅 각도가 제어될 수 있다. 즉, 연결 플레이트(120)에 결합되는 4개의 틸팅 코일부(133) 각각 틸팅 각도가 제어될 수 있다.

틸팅 코일부(133)는 4개가 각각 독립적으로 제어되기 때문에 각도 변화와 전류 제어(직류 전류 또는 교류 전류)에 따라 2개가 하나의 쌍으로 제어될 수 있다.

예를 들어, 틸팅 코일부(133)는 2개가 하나의 쌍으로 제어될 때, 교류 전류를 인가하면 회전 자기장이 생성되고, 직류 전류를 인가하면 경사 자기장이 생성될 수 있다. 즉, 틸팅 코일부(133)는 2개가 하나의 쌍으로 회전 자기장을 발생시키고, 나머지 2개가 하나의 쌍으로 경사 자기장을 발생시킬 수 있다.

또한, 틸팅 코일부(133)는 한 쌍(두 개)으로 회전 자기장을 생성하고, 하나로 경사 자기장을 생성하며, 나머지 하나에 직류 전류를 인가하여 트래핑 포인트를 생성할 수 있다. 이에 따라 틸팅 코일부(133)는 마이크로 나노 로봇의 독립적인 군집 제어를 수행할 수 있다.

이러한 틸팅 코일부(133)는 고정 샤프트(1331), 링크 부재(1332) 및 코일 부재(1333)를 포함할 수 있다.

고정 샤프트(1331)는 제3 기어(1324)의 중심축을 관통하여 제3 기어(1324)에 결합될 수 있다. 고정 샤프트(1331)는 제3 기어(1324)의 회전에 따라 함께 회전할 수 있다.

고정 샤프트(1331)의 양 단 각각에는 링크 부재(1332)가 결합될 수 있다.

링크 부재(1332)는 고정 샤프트(1331)에 결합될 수 있다. 링크 부재(1332)는 코일 부재(1333)와 연결되고, 코일 부재(1333)를 고정 샤프트(1331)에 연결시킬 수 있다.

코일 부재(1333)는 링크 부재(1332)에 연결될 수 있다. 코일 부재(1333)는 전원의 전류 세기에 따라 자기장을 발생시킬 수 있다. 여기서 발생되는 자기장의 세기에 따라 마이크로 나노 로봇의 높이를 제어할 수 있다.

코일 부재(1333)는 전원 제공장치(미도시됨)와 연결되어 전원 제공장치로부터 전원을 인가받을 수 있다.

이하, 코일 부재(1333)의 제어에 따른 자기장 변화를 설명한다.

이웃하지 않는 코일 부재(1333) 즉, 대각선 방향의 제1 코일 부재(1333a)와 제3 코일부재(1333c)를 한 쌍으로 제어하고 대각선 방향의 제2 코일 부재(1333b)와 제4 코일부재(1333d)를 한 쌍으로 제어하는 경우, 제1 코일 부재(1333a)와 제3 코일부재(1333c)에 교류 전원을 공급하여 회전 자기장을 발생시키고 제2 코일 부재(1333b)와 제4 코일부재(1333d)에 직류 전원을 공급하여 경사 자기장을 발생시키면 마이크로 나노 로봇의 틸팅과 이동을 제어할 수 있다.

한편, 제1 코일 부재(1333a)와 제3 코일부재(1333c)에 교류 전원을 공급하여 회전 자기장을 발생시키고 제2 코일 부재(1333b)와 제4 코일부재(1333d)에 임펄스 형식으로 직류 전원을 공급하여 경사 자기장을 발생시키면 마이크로 나노 로봇의 틸팅과 해머 드릴링 효과로 마이크로 나노 로봇의 이동을 제어할 수 있다.

여기서 해머 드릴링 효과는 마이크로 나노 로봇이 이동할 때 해머로 타격을 주듯이 일정 간격으로 마이크로 나노 로봇을 이동시켜 마이크로 나노 로봇의 드릴링이 가능하도록 하는 것으로, 임펄스 형식으로 직류 전원을 공급하면 발생할 수 있다.

또한, 이웃한 제1 코일 부재(1333a)와 제2 코일부재(1333b)를 한 쌍으로 제어하고 이웃한 제3 코일 부재(1333c)와 제4 코일부재(1333d)를 한 쌍으로 제어하는 경우, 제1 코일 부재(1333a)와 제2 코일부재(1333b)에 교류 전원을 공급하여 회전 자기장을 발생시키고 제3 코일 부재(1333c)와 제4 코일부재(1333d)에 직류 전원을 공급하여 경사 자기장을 발생시키면 마이크로 나노 로봇의 틸팅과 이동을 제어할 수 있다.

이렇게 코일 부재(1333)는 상황에 따라 4개를 모두 틸팅하거나 2개만 틸팅하여 회전 자기장을 발생시킬 수 있으며, 각각의 틸팅 각도를 실시간으로 제어할 수 있어 다양한 조합을 통해 다양한 방향의 회전 자기장 생성이 가능한 특징이 있다.

일 실시예에서, 코일 부재(1333)는 회전 자기장을 형성하는 한 쌍의 코일의 틸팅 각도와 인가되는 교류 전류의 위상차에 따라 회전 자기장의 분포 면적과 형상이 달라질 수 있다. 여기서 회전 자기장의 분포 면적과 형상에 따라 마이크로 나노 로봇이 구동하는 구동 영역(working space)이 변경될 수 있다.

예를 들어, 대각선의 코일 부재(1333)가 한 쌍으로 제어되거나 이웃한 코일 부재(1333)가 한 쌍으로 제어된다고 가정했을 때, 한 쌍의 코일이 각각 45도로 틸팅되어 상호 90도를 이루고, 교류 전류의 위상이 90도를 가지면 균일한 원 형태의 회전 자기장이 발생할 수 있다.

이에 따라 교류 전류의 위상을 90도로 고정한 상태에서 코일 부재(1333)의 틸팅 각도를 조절하면 회전 자기장의 분포 면적과 형상을 다르게 형성할 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템을 도시한 사시도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템(200)은 복수의 다축 제어장치(210), 연결 플레이트(220), 복수의 자기장 발생장치(230), 온열 코일(240), 마이크로 로봇 수용부(250) 및 마이크로 로봇 위치 측정기(260)를 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 복수의 다축 제어장치(210), 연결 플레이트(220) 및 복수의 자기장 발생장치(230)는 도 1에서 설명한 일 실시예에 따른 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템(100)의 복수의 다축 제어장치(110), 연결 플레이트(120) 및 복수의 자기장 발생장치(130)의 구성과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

온열 코일(240)은 연결 플레이트(220)의 중심을 관통하여 결합되고 복수의 자기장 발생장치(230)의 중심으로 연장될 수 있다. 온열 코일(240)은 고주파 자기장을 발생시켜 마이크로 나노 로봇의 온도를 상승시킬 수 있다.

여기서 고주파 자기장은 주변의 도전율이 높은 재료를 가열시키므로 온열 코일(240)과 코일 부재(2333) 사이의 이격 거리가 필요하다. 이에 온열 코일(240)의 구동시 코일 부재(2333)가 온열 코일(240)을 마주보지 않도록 코일 부재(2333)를 회전(R5, R6, R7, R8)시켜 코일 부재(2333)가 고주파 자기장의 영향을 받지 않도록 할 수 있다.

마이크로 로봇 수용부(250)는 복수의 자기장 발생장치(230)의 투영면과 마주보도록 고정 프레임(20)에 결합될 수 있다. 마이크로 로봇 수용부(250)는 자기장 발생장치(230)의 아래에 위치할 수 있다.

마이크로 로봇 수용부(250)는 일정 크기를 가지는 용기이고, 용기의 내부가 특정 유체로 채워질 수 있다. 특정 유체에는 마이크로 나노 로봇(1)이 수용될 수 있다.

마이크로 로봇 위치 측정기(260)는 고정 프레임(20)에 결합되어 마이크로 로봇 수용부(250)에 수용된 마이크로 나노 로봇(1)의 위치를 측정할 수 있다. 여기서 마이크로 나노 로봇(1)은 복수의 자기장 발생장치(230)에서 발생되는 자기장의 세기에 따라 마이크로 로봇 수용부(250) 내에서 높이 방향(Z축)으로 이동하고, 복수의 자기장 발생장치(230)의 회전 각도에 따라 마이크로 로봇 수용부(250) 내에서 수평 방향(X축, Y축)으로 이동할 수 있다.

마이크로 로봇 위치 측정기(260)는 적어도 두개로 구성되어 고정 프레임(20)에 결합될 수 있다. 마이크로 로봇 위치 측정기(260)는 X축 및 Y축 방향으로 이동하는 마이크로 나노 로봇(1)의 위치를 측정하는 제1 위치 측정기(261)와 Z축 방향으로 이동하는 마이크로 나노 로봇(1)의 위치를 측정하는 제2 위치 측정기(262)를 포함할 수 있다.

마이크로 로봇 위치 측정기(260)는 영상 카메라일 수 있고, 도면에서 도시된 위치로 한정하지 않는다.

상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100, 200: 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템
110, 210: 다축 제어장치
120, 220: 연결 플레이트
130, 230: 자기장 발생장치
240: 온열 코일
250: 마이크로 로봇 수용부
260: 마이크로 로봇 위치 측정기
1: 마이크로 나노 로봇

Claims

고정 프레임에 결합되는 제1 조인트부, 상기 제1 조인트부에 회전 가능하게 결합되는 길이 조절부재 및 상기 길이 조절부재에 회전 가능하게 결합되는 제2 조인트부를 각각 포함하는 복수의 다축 제어장치;
상기 복수의 다축 제어장치에 회전 가능하게 결합되는 연결 플레이트; 및
상기 연결 플레이트에 결합되는 틸팅 모터부, 상기 틸팅 모터부에 연결되는 틸팅 기어부 및 상기 틸팅 기어부에 연결되는 틸팅 코일부를 각각 포함하는 복수의 자기장 발생장치를 포함하는 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 틸팅 기어부는,
상기 틸팅 모터부에 결합되는 기어 본체, 상기 기어 본체의 내측에 배치되고 상기 틸팅 모터부의 회전축에 연결되는 제1 기어, 상기 기어 본체의 내측에 배치되고 상기 제1 기어에 맞물리는 제2 기어 및 상기 기어 본체의 내측에 배치되고 상기 제2 기어에 맞물리는 제3 기어를 포함하는 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템.
제2항에 있어서,
상기 틸팅 코일부는,
상기 제3 기어의 중심축을 관통하는 고정 샤프트, 상기 고정 샤프트에 결합되는 링크 부재 및 상기 링크 부재에 연결되는 코일 부재를 포함하는 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 조인트부는, 상기 고정 프레임에 결합되는 제1 조인트 결합부재 및 상기 제1 조인트 결합부재에 회전 가능하게 결합되는 제1 조인트 회전부재를 포함하고,
상기 제2 조인트부는, 상기 길이 조절부재에 결합되는 제21 베어링 부재를 포함하는 제21 조인트 회전부재 및 상기 제21 조인트 회전부재에 결합되고 상기 연결 플레이트가 결합되는 제22 베어링 부재를 포함하는 제22 조인트 회전부재를 포함하는 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 복수의 다축 제어장치 각각은,
상기 길이 조절부재에 결합되는 길이 변환 측정부재를 더 포함하는 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 연결 플레이트의 중심을 관통하여 결합되고 상기 복수의 자기장 발생장치의 중심으로 연장되는 온열 코일을 더 포함하는 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 복수의 자기장 발생장치의 투영면과 마주보도록 상기 고정 프레임에 결합되는 마이크로 로봇 수용부를 더 포함하는 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 고정 프레임에 결합되어 마이크로 나노 로봇의 위치를 측정하는 마이크로 로봇 위치 측정기를 더 포함하는 코일 틸팅 기반의 마이크로 나노 로봇 제어 시스템.