WO2021080092A1 - 마이크로 로봇 제어장치 - Google Patents

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WO2021080092A1
WO2021080092A1 PCT/KR2020/001375 KR2020001375W WO2021080092A1 WO 2021080092 A1 WO2021080092 A1 WO 2021080092A1 KR 2020001375 W KR2020001375 W KR 2020001375W WO 2021080092 A1 WO2021080092 A1 WO 2021080092A1
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WO
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micro
robot control
control device
magnetic field
microrobot
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Application number
PCT/KR2020/001375
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English (en)
French (fr)
Inventor
박종오
김창세
김자영
강병전
최은표
홍아영
Original Assignee
전남대학교산학협력단
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Publication date
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/73—Manipulators for magnetic surgery
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/00147—Holding or positioning arrangements
    • A61B1/00158—Holding or positioning arrangements using magnetic field
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    • A61B34/30—Surgical robots
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • A61B34/73—Manipulators for magnetic surgery
    • A61B2034/731—Arrangement of the coils or magnets
    • A61B2034/733—Arrangement of the coils or magnets arranged only on one side of the patient, e.g. under a table
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2560/00—Constructional details of operational features of apparatus; Accessories for medical measuring apparatus
    • A61B2560/02—Operational features
    • A61B2560/0204—Operational features of power management
    • A61B2560/0209—Operational features of power management adapted for power saving

Definitions

  • the present invention was made by the project number HI19C0642 under the support of the Ministry of Health and Welfare, the research management institution of the project is the Korea Health Industry Development Institute, the name of the research project is “Development of technology for practical use of micro medical robots”, and the name of the research project is "Common commercialization of micro medical robots. Base Technology Development Center", the host institution is Korea Micro Medical Robot Research Institute, and the research period is from June 12 to 2022. December 31, 2019.
  • the present invention relates to a microrobot control apparatus having a circular coil and a solenoid coil.
  • Electromagnetic field-driven wired/wireless microrobots for diagnosis/treatment of vascular diseases are being developed.
  • Micro-robotic procedures using an electromagnetic field are effective for targeted treatment because precise targeting is possible for a target disease.
  • a streamlined micro-robot is usually used, and a wire or tube-type structure with magnetic bodies is used.
  • a device for driving a device consisting of a feeder device for inserting/retrieving a wired microrobot and an electromagnetic actuator (EMA) for controlling the direction of the wired microrobot is used.
  • EMA electromagnetic actuator
  • the previously developed electromagnetic field driving device has operational disadvantages due to the large number of electromagnets used.
  • the magnetic field driving device using magnets has a small number of magnets, but has limitations in controlling the microrobot. In the case of a technology for controlling a wired microrobot using two permanent magnets, it is difficult to control except in the direction in which the magnets are placed. In addition, when the control space of the permanent magnet is secured by using a motor, it is difficult to control the magnetic field in real time due to a time difference in motor movement.
  • the present inventors have completed the microrobot control apparatus of the present invention in order to solve the problems of the prior art described above.
  • the present invention was devised to solve the above-described problems in the prior art, and an object of the present invention is to control the direction and intensity of the current supplied to the magnetic field generator provided with a circular coil and a solenoid coil, thereby displacing the microrobot. It is to provide a micro-robot control device that can perform control.
  • Another object of the present invention is to provide a microrobot control device capable of controlling a streamlined microrobot by controlling the linear movement and rotational movement of the magnetic field generating unit.
  • Another object of the present invention is to provide a micro-robot control device that is easy to use by being compatible with a pre-installed X-ray device.
  • the microrobot control apparatus for achieving the above object includes (a-1) a circular coil, and (a-2) the same distance from the central axis of the circular coil on a two-dimensional plane on which the circular coil is disposed.
  • a magnetic field generator including first and second solenoid coils that are spaced apart from each other in the opposite direction.
  • the first and second solenoid coils may be arranged to form a magnetic field in the same direction.
  • the first and second solenoid coils may be wound in a state connected by a single wire.
  • the first and second solenoid coils may be separately wound by separate conductors.
  • the microrobot control device includes a rotating part that allows the magnetic field generator to freely rotate around a rotation axis formed in a direction orthogonal to a two-dimensional plane in which the circular coil is located from the center point of the circular coil. can do.
  • the microrobot control device may further include a bed fastening part for attaching to the lower side of the patient treatment bed.
  • the micro-robot control device provides a long-axis (x-axis) straight rail provided to perform linear motion in a direction parallel to the long-axis (x-axis) of the patient treatment bed. It may further include additionally.
  • the microrobot control device further includes a straight rail in a short axis direction (y-axis direction) orthogonal to the linear rail in the long axis direction, and the short axis direction straight rail includes the long axis direction straight rail.
  • the microrobot control device may further include a support part coupled to the circular coil and lower ends of the first and second solenoid coils and capable of adjusting height.
  • the support may additionally include a linear rail that enables linear motion of the magnetic field generating unit coupled to the upper end.
  • the micro-robot control device further includes a treatment unit that allows a patient to be treated to lie down, and the treatment unit is characterized in that the magnetic field generating unit is coupled to a lower end.
  • the microrobot control device is characterized in that the magnetic field generating unit is coupled by a straight rail additionally provided in the long axis (x-axis) direction at the lower end of the treatment unit.
  • the microrobot control apparatus can control a wired microrobot by using a simple two-dimensional planar coil structure including a circular coil and two solenoid coils provided opposite to the outside of the circular coil.
  • a simple two-dimensional planar coil structure including a circular coil and two solenoid coils provided opposite to the outside of the circular coil.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a magnetic field generating unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a method of winding a wire of a solenoid coil according to an embodiment of the present invention.
  • 3A to 3C are simulation diagrams showing a magnetic field region formed according to the current direction of a circular coil and a solenoid coil, and a moving direction of a streamlined microrobot.
  • FIG. 4 is a view showing the linear movement and rotational movement of the micro-robot control device applied to the existing patient treatment bed.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of a streamlined micro-robot controlled by a micro-robot control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a patient lying down on a patient treatment bed.
  • FIG. 7 is a front view of a case where a micro-robot control device according to an embodiment of the present invention is installed on a previously installed patient bed.
  • FIG. 8 is a perspective view as viewed from below when a micro-robot control device according to an embodiment of the present invention is installed on a previously installed patient bed.
  • FIG. 9 is a block diagram showing an embodiment of a rail system including both a long-axis direction (x-axis direction) straight rail and a short-axis direction (y-axis direction) straight rail enabling both x-axis and y-axis movement of the magnetic field generating unit .
  • FIG. 10 is a front view of a case where a microrobot control device according to an embodiment of the present invention is installed on a previously installed patient bed, and is a front view of a case in which the rotating part in the embodiments of FIGS. 7 and 8 is a hollow type.
  • FIG. 11 is a perspective view viewed from below when a microrobot control device according to an embodiment of the present invention is installed on a previously installed patient bed. It is a perspective view as seen from.
  • FIG. 12 is a perspective view of the bed integrated micro-robot control device as viewed from below.
  • FIG. 13 is a view showing linear movement and rotational movement in a state in which a microrobot control device including a longitudinal rotation unit is applied to an existing patient treatment bed.
  • FIG. 14 is a perspective view of an embodiment of the present invention provided to allow a magnetic field generating unit to move linearly on a height-adjustable support part.
  • a magnetic field generating unit (a-1) circular coils, and (a-2) first and second solenoid coils arranged in opposite directions by the same distance from the central axis of the circular coil on a two-dimensional plane on which the circular coil is disposed.
  • a magnetic field generating unit (b) a power supply unit for supplying power to the magnetic field generating unit.
  • FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a magnetic field generating unit according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a configuration diagram illustrating a method of winding a wire of a solenoid coil according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a magnetic field generating unit 110 of a microrobot control apparatus according to an embodiment of the present invention, a circular coil 111 constituting the magnetic field generating unit, and a direction opposite to each other by the same distance from the central axis of the circular coil 111.
  • the first and second solenoid coils 112 and 113 disposed to be spaced apart from each other are shown.
  • the two-dimensional plane on which the circular coil 111 is disposed is defined as an x-y plane, and a linear axis orthogonal to the x-y plane is defined as a z-axis.
  • the circular coil 111 of the present invention is connected to a power supply unit 120 capable of passing a current by applying a voltage to the circular coil 111, and the direction and intensity of the current flowing on the conductor of the circular coil 111 are measured. By adjusting, it is possible to control the formation of the magnetic field in the z-axis direction.
  • the first and second solenoid coils 112 and 113 they are arranged to form a magnetic field in the same direction. In order to form a magnetic field in the same direction in the first and second solenoid coils 112 and 113, the first and second solenoid coils must be arranged in parallel, and the conductors must be wound so that current can flow in the same rotational direction.
  • the first and second solenoid coils 112 and 113 may be wound in a state connected by a single wire (reference: left view of FIG. 2 ).
  • the conductor wires are arranged so that the direction of rotation of the current flow formed when the current is applied to the first and second solenoid coils is the same. It must be wound up.
  • a magnetic field can be formed in the same direction.
  • the first and second solenoid coils 112 and 113 may be connected together to the power supply unit 120 connected to the circular coil, and in this case, the power supply unit 120 may have a plurality of output channels.
  • first and second solenoid coils 112 and 113 may be connected to an additional separate power supply unit other than the power supply unit 120 connected to the circular coil.
  • the first and second solenoid coils 112 and 113 may have separate conductors wound separately.
  • the current flowing through the first and second solenoid coils Since the directions can be controlled respectively, the direction of rotation of the conductors wound around the first and second solenoid coils does not need to be specified, and the direction of rotation of the current flow formed in the first and second solenoid coils is the same, respectively.
  • the magnetic field in the same direction can be formed by controlling the direction of the current of.
  • the first and second solenoid coils 112 and 113 may be respectively connected to two separate power supplies.
  • the above-described power supply unit may additionally include a cooling unit for cooling heat generated during operation.
  • the shape of the circular coil 111 shown in FIG. 1 is exemplary, and any shape in which a magnetic field can be formed in the z-axis direction may be used without limitation. Specifically, for example, it may be a circular shape or any one shape selected from a variety of regular polygonal shapes.
  • the circular coils are arranged in opposite directions by the same distance from the central axis of the circular coil on a two-dimensional plane (xy plane).
  • the solenoid coil may be disposed so as to be spaced apart and perpendicular to the solenoid coil while a predetermined imaginary straight line dividing the circular coil shape to be symmetrical passes a midpoint in the length direction of the solenoid coil.
  • the distance between the circular coil and the solenoid coil may be appropriately adjusted for convenience of device manufacturing and use, and as a specific example, the solenoid coil may be manufactured to be adjacent to the outer periphery of the circular coil.
  • 3A to 3C are simulation diagrams showing a magnetic field region formed according to the current direction of a circular coil and a solenoid coil, and a moving direction of a streamlined microrobot.
  • the magnetic field generating unit 110 rotates around a rotating part 114 located on a rotating shaft located at the center of a circular coil, You can control the left-right free movement on the xy plane.
  • the rotating part 114 is not particularly limited as long as it has a shape that allows a circular coil to freely rotate, such as a cylindrical shape or a hollow cylindrical shape. However, in order to use it with the pre-installed imaging equipment, it must be manufactured using a material that does not affect the magnetic field and imaging performance.
  • the rotating part is manufactured in a cylindrical shape with a hollow formed as shown in FIGS. 10 to 13, thereby minimizing interference with magnetic field generation and imaging performance.
  • the microrobot of the present invention may be a magnetic body 510 having an N-pole 511 and an S-pole 512 formed thereon, or various microstructures combined with the magnetic body 510. It may be a streamlined microrobot 500 including a wire 520 connected to one end of the N-pole 511 or S-pole 512 of the magnetic body 510.
  • the magnetic field generating unit 110 may be used by being positioned at the bottom of various pre-installed medical beds.
  • the magnetic field generating unit 110 may be used by being attached to the lower side of the patient treatment bed, or may be used by placing the magnetic field generating unit 110 under the patient treatment bed by using a height-adjustable support.
  • a bed fastening unit 200 for attaching the magnetic field generating unit 110 to the lower side of the patient treatment bed may be further included.
  • the bed fastening part can be fixed by binding the rotating part 114 described above, and in this case, the circular coil 111 and the first and second solenoid coils 112 and 113 can freely rotate around the fixed rotating part. have.
  • the magnetic field generating unit 110 may perform a linear motion in a direction parallel to the long axis (x-axis) of the patient treatment bed.
  • the bed fastening unit may include a long-axis direction (x-axis direction) straight rail 301 provided in a direction parallel to the long-axis (x-axis) of the bed,
  • the linear rail 301 in the long axis direction described above various types and types of conventionally known linear rails may be used.
  • the straight rail is used with a material that does not affect the magnetic field and imaging performance in order to be used with the pre-installed imaging equipment like the rotating part 114. It must be manufactured. Specifically, for example, in order to apply a microrobot control device to an already installed x-ray equipment, a material that does not interfere with generation of a magnetic field and x-ray imaging should be used.
  • the diameter of the rotating part can be appropriately adjusted.
  • the rotating part is manufactured in a cylindrical shape with a hollow formed as shown in FIGS. 10 to 13, thereby minimizing interference with magnetic field generation and imaging performance.
  • the straight rail 301 may be more preferably installed to be spaced apart and positioned along both sides of the bed as shown in FIGS. 10 to 12 in order to reduce interference when using the imaging equipment.
  • the shape, type, and position of the rail can be variously modified.
  • it may additionally include a straight rail 302 in a short axis direction (y-axis direction) orthogonal to the linear rail 301 in the long axis direction, and the short axis direction straight rail 302 is the By being connected so as to be movable along the linear rail 301 in the long axis direction, the magnetic field generating unit 110 can freely move in a two-dimensional plane on the xy plane.
  • the magnetic field generating unit 110 may be used by being positioned under the patient treatment bed by using the height-adjustable support part 400.
  • the support part 400 may include a long-axis direction straight rail 401 attached to the upper end of the support part, and the magnetic field generation unit 110 through the long-axis direction straight rail 401 is the long axis (x-axis) of the patient treatment bed. You can do linear motion in a direction parallel to ).
  • the height-adjustable support part 400 does not necessarily include a straight rail 401, and may control the linear motion of the micro-robot controller by moving the support part itself.
  • the support part 400 may further include a wheel, sliding means, etc. at the lower end, and through this, the position of the magnetic field generating unit under the patient treatment bed can be freely controlled.
  • a straight rail in a short axis direction (y axis direction) orthogonal to the long axis direction straight rail 401 may be additionally included, and the short axis direction straight rail 401 ), the magnetic field generating unit 110 can freely move in a two-dimensional plane on the xy plane.
  • the micro-robot control device 110 can be applied to a patient treatment bed that is already installed using the bed fastening part 200 or the support part 400 as described above, but is a patient subject to treatment. It may be provided as an integrated micro-robot control device including a treatment unit 600 that can lie down.
  • the bed fastening part 200 may not be included, and a long-axis direction straight rail 301 may be directly coupled to the lower end of the treatment part 600 to be provided.
  • the magnetic field generating unit 110 may linearly move along the long-axis linear rail 301.
  • it may further include a short axis direction (y axis direction) straight rail 302 orthogonal to the long axis direction straight rail 301, the minor axis direction straight rail 302 is the By being connected to be movable along the linear rail 301 in the long axis direction, the magnetic field generating unit 110 can freely move in a two-dimensional plane on the xy plane.
  • a two-dimensional planar coil structure having a simple configuration including a circular coil 111 and first and second solenoid coils 112 and 113
  • the present invention relates to a microrobot control apparatus having a circular coil and a solenoid coil.

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Abstract

본 발명은 원형 코일 및 솔레노이드 코일을 구비한 마이크로 로봇 제어장치에 관한 것이다. 본 발명의 마이크로 로봇 제어장치를 이용하는 경우, 유선 마이크로 로봇을 정밀하게 제어할 수 있고, 장치를 간소화 함으로써 시술 공간상 장치 설치 및 운용에 효율성을 기할 수 있다. 또한, 전자석 개수를 줄여 전원공급용 파워 개수를 감소시키고, 전력 사용량을 줄임으로써 효율적인 장치 운용을 기할 수 있다. 또한, 기 설치된 의료 장비와 호환하여 사용하는데 용이하다.

Description

마이크로 로봇 제어장치
본 발명은 보건복지부의 지원 하에서 과제번호 HI19C0642에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국보건산업진흥원, 연구사업명은 "마이크로의료로봇실용화기술개발", 연구과제명은 "마이크로의료로봇 실용화 공통기반 기술개발 센터", 주관기관은 한국마이크로의료로봇연구원, 연구기간은 2019.06.12 ~ 2022.12.31이다.
본 특허출원은 2019년 10월 21일에 대한민국 특허청에 제출된 대한민국 특허출원 제10-2019-0130720호에 대하여 우선권을 주장하며, 상기 특허출원의 개시 사항은 본 명세서에 참조로서 삽입된다.
본 발명은 원형 코일 및 솔레노이드 코일을 구비한 마이크로 로봇 제어장치에 관한 것이다.
혈관 질환의 진단/치료를 위한 전자기장 구동형 유/무선의 마이크로 로봇이 개발되고 있다. 전자기장을 이용한 마이크로 로봇 시술은 대상 질환에 대해 정밀 타겟팅이 가능하여 표적 치료에 효과적이다. 혈관 내 시술을 위해 보통 유선형의 마이크로 로봇을 사용하며, 자성체가 결합된 와이어 또는 튜브 형태의 구조를 활용한다. 구동을 위한 장치로, 유선 마이크로 로봇을 삽입/회수하기 위한 피더 (Feeder) 장치와 유선 마이크로 로봇의 방향을 제어하기 위한 전자기장 구동 장치 (Electromagnetic Actuator, EMA)로 구성된 장치가 이용되고 있다. 기 개발된 전자기장 구동장치는 사용하는 전자석 개수가 많아 운용적 단점을 가지고 있다. 다수의 전자석으로 인해 장치 크기가 커져 시술 공간상 장치 설치 및 운용이 비효율적인 측면이 있다. 또한, 전자석 개수에 따른 전원 공급용 파워 개수가 많아지고, 전력사용량이 증가하여 운용 측면에서 비효율적이다. 자석을 활용한 자기장 구동장치는 사용 자석 개수는 적으나 마이크로 로봇을 제어하는데 한계가 있다. 2개의 영구자석을 이용하여 유선 마이크로 로봇을 제어하는 기술의 경우, 자석이 배치된 방향 이외에는 제어하기가 어렵다. 또한, 모터를 이용하여 영구자석의 제어공간을 확보하는 경우, 모터 이동의 시간 차로 인해 실시간 자기장 제어에 어려움이 있다. 의료장비와의 호환성 측면에서, 기존 전자기장 구동장치는 장치의 크기, 전자석/자석의 배치 방향의 한계로 병원에 기 설치된 X-ray 장치와 호환하여 사용하는데 어려움이 있다. 기존 전자기장 장치는 장치에 X-ray 시스템을 직접 장착하는 방식으로 X-ray 시스템을 활용하고 있으며, X-ray 장치와 호환되는 방향이 결정되어 있어 활용성이 떨어진다.
본 발명자들은 상술한 종래 기술의 문제점들을 해결하고자 본 발명의 마이크로 로봇 제어장치를 완성하였다.
본 발명은 상술한 종래 기술 상의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 원형 코일 및 솔레노이드 코일을 함께 구비한 자기장 생성부에 대하여 공급되는 전류의 방향 및 세기를 제어함으로써, 마이크로 로봇의 변위 제어를 수행할 수 있는 마이크로 로봇 제어장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 자기장 생성부의 선형 이동 및 회전 이동을 제어함으로써, 유선형 마이크로 로봇을 제어할 수 있는 마이크로 로봇 제어장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 기 설치된 X-ray 장치와 호환하여 사용하는데 용이한 마이크로 로봇 제어장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 관점에 따른 마이크로 로봇 제어장치는 (a-1) 원형 코일, 및 (a-2) 원형 코일이 배치된 2차원 평면상에 원형 코일의 중심축으로부터 각각 동일한 거리만큼 정반대 방향으로 이격되어 배치된 제1 및 제2 솔레노이드 코일을 포함하는 자기장 생성부; 및
(b) 상기 자기장 생성부에 전원을 공급하는 전원공급부;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 솔레노이드 코일은 동일 방향의 자기장이 형성될 수 있도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 솔레노이드 코일은 한 가닥의 도선에 의해 연결된 상태로 권취된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 솔레노이드 코일은 각각 분리된 도선에 의해 별개로 권취된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 마이크로 로봇 제어장치는 원형 코일의 중심점으로부터 원형 코일이 위치한 2차원 평면과 직교하는 방향으로 형성된 회전축을 중심으로 상기 자기장 생성부가 자유롭게 회전할 수 있도록 하는 회전부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 마이크로 로봇 제어장치는 환자 시술용 베드 하방에 부착시키기 위한 베드 체결부를 추가적으로 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로 로봇 제어장치가 상기 환자 시술용 베드의 장축 (x축)과 평행한 방향으로 선형 운동을 할 수 있도록 구비된 장축 방향 (x축 방향) 직선형 레일을 추가적으로 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로 로봇 제어장치는 상기 장축 방향 직선형 레일과 직교하는 단축 방향 (y축 방향) 직선형 레일을 추가적으로 포함하며, 상기 단축 방향 직선형 레일은 상기 장축 방향 직선형 레일을 따라 이동가능하도록 연결됨으로써, 상기 마이크로 로봇 제어장치의 x-y 평면 이동을 가능케 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로 로봇 제어장치는 상기 원형 코일 및 상기 제1 및 제2 솔레노이드 코일 하단에 결합되고 높이 조절이 가능한 지지부를 추가적으로 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 상기 지지부는 상단에 결합된 자기장 생성부의 직선 운동을 가능케 하는 직선형 레일을 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로 로봇 제어장치는 시술 대상인 환자가 누울 수 있는 시술부를 추가적으로 포함하며, 상기 시술부는 하단에 상기 자기장 생성부가 결합된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로 로봇 제어장치는 상기 시술부의 하단에 장축 (x축) 방향으로 추가적으로 구비된 직선형 레일에 의해 상기 자기장 생성부가 결합된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 마이크로 로봇 제어장치는, 원형 코일과 원형 코일 외측에 대향하여 구비된 두 개의 솔레노이드 코일을 포함하는 간단한 구성의 2차원 평면형 코일 구조를 이용함으로써, 유선 마이크로 로봇을 제어할 수 있고, 장치를 간소화 함으로써 시술 공간상 장치 설치 및 운용에 효율성을 기할 수 있다. 또한, 전자석 개수를 줄여 전원공급용 파워 개수를 감소시키고, 전력 사용량을 줄임으로써 효율적인 장치 운용을 기할 수 있다. 또한, 기 설치된 의료 장비와 호환하여 사용하는데 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 생성부를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 코일의 도선 권취 방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 3a 내지 도 3c는 원형 코일 및 솔레노이드 코일의 전류 방향에 따라 형성된 자기장 영역 및 유선형 마이크로 로봇의 이동 방향을 나타낸 시뮬레이션 도면이다.
도 4는 기존의 환자 시술용 베드에 적용한 상태의 마이크로 로봇 제어장치의 선형 이동 및 회전이동을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 로봇 제어장치에 의해 제어되는 유선형 마이크로 로봇의 일례를 나타낸 개념도이다.
도 6은 환자 시술용 베드에 환자가 누운 상태를 나타내는 구성도이다.
도 7은 기 설치된 환자용 베드에 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 로봇 제어장치를 설치한 경우의 정면도이다.
도 8은 기 설치된 환자용 베드에 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 로봇 제어장치를 설치한 경우의 하방에서 바라본 사시도이다.
도 9는 자기장 생성부의 x축 및 y축 이동을 모두 가능케 하는 장축 방향 (x축 방향) 직선형 레일과 단축 방향 (y축 방향) 직선형 레일을 모두 구비한 레일 시스템의 일 실시예를 나타내는 구성도이다.
도 10은 기 설치된 환자용 베드에 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 로봇 제어장치를 설치한 경우의 정면도로서 도 7 및 8의 실시예에서의 회전부가 중공형인 것을 특징으로 하는 경우의 정면도이다.
도 11은 기 설치된 환자용 베드에 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 로봇 제어장치를 설치한 경우의 하방에서 바라본 사시도로서 도 7 및 8의 실시예에서의 회전부가 중공형인 것을 특징으로 하는 경우의 하방에서 바라본 사시도이다.
도 12는 베드 통합형 마이크로 로봇 제어장치를 하방에서 바라본 사시도이다.
도 13은 종공형 회전부를 포함하는 마이크로 로봇 제어장치를 기존의 환자 시술용 베드에 적용한 상태에서의 선형 이동 및 회전이동을 나타내는 도면이다.
도 14는 높이 조절이 가능한 지지부 상에 자기장 생성부가 직선 이동 할 수 있도록 구비된 본 발명의 일 실시예에 대한 사시도이다.
(a-1) 원형 코일, 및 (a-2) 원형 코일이 배치된 2차원 평면상에 원형 코일의 중심축으로부터 각각 동일한 거리만큼 정반대 방향으로 이격되어 배치된 제1 및 제2 솔레노이드 코일을 포함하는 자기장 생성부; 및 (b) 상기 자기장 생성부에 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함하는 마이크로 로봇 제어장치.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 로봇의 구동 제어를 위한 전자기 코일 시스템에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 생성부를 설명하기 위한 구성도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 코일의 도선 권취 방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 로봇 제어장치의 자기장 생성부(110), 상기 자기장 생성부를 구성하는 원형 코일(111), 원형 코일(111)의 중심축으로부터 각각 동일한 거리만큼 정반대 방향으로 이격되어 배치된 제1 및 제2 솔레노이드 코일(112, 113)이 도시되어 있다.
본 명세서 전반에 걸쳐 상기 원형 코일(111)이 배치된 2차원 평면은 x-y 평면으로 정의되며, 상기 x-y 평면에 직교하는 직선 축은 z 축으로 정의된다.
본 발명의 원형 코일(111)은 원형 코일(111)에 전압을 인가하여 전류를 흘려 보낼 수 있는 전원 공급부(120)에 연결되고, 원형 코일(111)의 도선 상에 흐르는 전류의 방향 및 세기를 조절함으로써, z축 방향의 자기장 형성을 제어할 수 있다. 제1 및 제2 솔레노이드 코일(112, 113)의 경우, 동일 방향의 자기장이 형성될 수 있도록 배치된다. 제1 및 제2 솔레노이드 코일(112, 113)에 동일 방향의 자기장이 형성되기 위해서는 제1 및 제2 솔레노이드 코일이 평행하게 배치되어야 하며, 동일한 회전 방향으로 전류가 흐를 수 있도록 도선이 권취되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 및 제2 솔레노이드 코일(112, 113)은 한 가닥의 도선에 의해 연결된 상태로 권취된 것일 수 있다 (참고: 도 2의 좌측 도). 이 경우, 제1 및 제2 솔레노이드 코일(112, 113)에 흐르는 전류의 방향은 각각 제어될 수 없으므로, 제1 및 제2 솔레노이드 코일에 전류 인가 시 형성되는 전류 흐름의 회전 방향이 동일하도록 도선이 권취되어야 한다. 이로써, 동일한 방향으로 자기장이 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 솔레노이드 코일(112, 113)은 원형 코일에 연결된 전원 공급부(120)에 함께 연결될 수 있고, 이 경우, 전원 공급부(120)는 복수의 아웃풋 채널을 가진 것일 수 있다. 복수의 아웃풋 채널을 통해 각각의 채널에 연결된 디바이스에 인가되는 전압 및 전류량을 독립적으로 제어할 수 있다. 이 외에도 제1 및 제2 솔레노이드 코일(112, 113)은 원형 코일에 연결된 전원 공급부(120)가 아닌 추가적인 별도의 전원 공급부에 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 제1 및 제2 솔레노이드 코일(112, 113)은 각각 분리된 도선이 별개로 권취된 것일 수 있고, 이 경우, 제1 및 제2 솔레노이드 코일에 흐르는 전류의 방향은 각각 제어될 수 있으므로, 제1 및 제2 솔레노이드 코일에 권취된 도선의 회전 방향은 특정될 필요가 없으며, 제1 및 제2 솔레노이드 코일에 각각 형성되는 전류 흐름의 회전 방향이 동일해지도록 각각의 전류의 방향을 제어함으로써 동일 방향의 자기장을 형성시킬 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 솔레노이드 코일(112, 113)은 각각 별개인 두개의 전원 공급부에 각각 연결될 수 있다.
상술한 전원 공급부는 작동 시 발생한 열을 냉각시키기 위한 냉각부를 추가적으로 포함할 수 있다.
도 1에 도시한 원형 코일(111)의 형상은 예시적인 것이며, z축 방향으로 자기장이 형성될 수 있는 형상이면 제한 없이 사용 가능하다. 구체적으로 예를 들면, 원형상 또는 다양한 정다각형 형상 가운데 선택된 어느 하나의 형상일 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 솔레노이드 코일(112, 113)의 경우, 원형 코일이 배치된 2차원 평면(x-y 평면) 상에 원형코일의 중심축으로부터 각각 동일한 거리만큼 정반대 방향으로 이격되어 배치될 수 있으며, 원형 코일 형상이 대칭이 되도록 이분하는 소정의 가상의 직선이 솔레노이드 코일의 길이 방향의 중점을 지나가면서 솔레노이드 코일과 직교할 수 있도록 솔레노이드 코일이 배치될 수 있다. 원형 코일과 솔레노이드 코일의 거리는 장치 제조 및 사용 편의를 위해 적절히 조절될 수 있으며, 구체적인 일례로, 원형 코일의 외곽에 솔레노이드 코일이 인접하도록 제조될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 원형 코일 및 솔레노이드 코일의 전류 방향에 따라 형성된 자기장 영역 및 유선형 마이크로 로봇의 이동 방향을 나타낸 시뮬레이션 도면이다.
도 3a에 나타낸 것과 같이 원형 코일(111)에 전류를 흘려보내면 전류 방향에 따라, z축의 위, 아래 방향으로 자기장이 형성되어 자기장으로 제어할 수 있는 마이크로 로봇을 z축 방향으로 이동시킬 수 있다.
도 3b에서 볼 수 있는 바와 같이 제1 및 제2 솔레노이드 코일(112, 113)에 동일 회전 방향의 전류를 흘려보내면, 전류의 회전 방향에 따라 제1 및 제2 솔레노이드 코일(112, 113)과 평행한 축 방향 양쪽으로 자기장이 형성되어 자기장으로 제어할 수 있는 마이크로 로봇을 제1 및 제2 솔레노이드 코일(112, 113)과 평행한 축 방향으로 이동시킬 수 있다.
도 3c에서 볼 수 있는 바와 같이 원형 코일(111)과 제1 및 제2 솔레노이드 코일(112, 113)에 전류를 흘려보내면서, 원형 코일(111)에 흐르는 전류의 방향 및 세기, 그리고 제1 및 제2 솔레노이드 코일에 흐르는 전류 회전 방향 및 전류 세기를 조절함으로써 자기장으로 제어할 수 있는 마이크로 로봇의 이동 방향을 제어할 수 있다.
도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 생성부(110)는 원형 코일의 중심에 위치하는 회전축 상에 위치한 회전부(114)를 중심으로 회전함으로써 마이크로 로봇의 x-y 평면 상의 좌-우 자유 이동을 제어할 수 있다. 회전부(114)는 원기둥 형상 또는 중공형 원통 형상 등 원형 코일이 자유롭게 회전할 수 있도록 하는 형상이라면 특별한 제한이 없다. 다만, 기 설치된 이미징 장비와 함께 사용하기 위해서는 자기장 및 이미징 성능에 영향을 주지 않는 소재를 이용하여 제조하여야 한다. 구체적으로 예를 들면, 기 설치된 x-선 장비에 마이크로 로봇 제어장치를 적용하기 위해서는, 자기장 생성 및 x-선 촬영에 대한 간섭이 없는 소재를 이용하여야 한다. 회전부의 지름은 적절하게 조절될 수 있다. 바람직하게는 상기 회전부는 도 10 내지 13에 나타낸 바와 같은 중공이 형성된 원통 형상으로 제조함으로써, 자기장 생성 및 이미징 성능에 대한 간섭을 최소화시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 로봇 제어장치에 의해 제어되는 유선형 마이크로 로봇(500)의 일례를 나타낸 개념도이다. 본 발명의 마이크로 로봇은 N극(511)과 S극(512)이 형성된 자성체(510) 자체 또는 자성체(510)와 결합된 다양한 마이크로 구조체일 수 있다. 상기 자성체(510)의 N극(511) 또는 S극(512) 중 일 단에 연결된 와이어(520)를 포함하는 유선형 마이크로 로봇(500)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 생성부(110)는 기 설치된 다양한 의료용 베드의 하단에 위치시켜 사용할 수 있다. 상기 자기장 생성부(110)는 환자 시술용 베드 하방에 부착시켜 사용하거나, 높이 조절이 가능한 지지대를 사용하여 환자 시술용 베드 하방에 자기장 생성부(110)를 위치시켜 사용할 수 있다.
자기장 생성부(110)를 환자 시술용 베드 하방에 부착시켜 사용하는 경우, 상기 자기장 생성부(110)를 환자 시술용 베드 하방에 부착시키기 위한 베드 체결부(200)를 추가적으로 더 포함할 수 있다. 상기 베드 체결부는 상술한 회전부(114)를 결착시켜 고정시킬 수 있고, 이 경우, 고정된 회전부를 중심으로 원형 코일(111) 및 제1, 제2 솔레노이드 코일(112, 113)이 자유롭게 회전할 수 있다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 생성부(110)는 환자 시술용 베드의 장축(x축)과 평행한 방향으로 선형 운동을 할 수 있다. 상술한 자기장 생성부(110)의 선형 운동을 위해 상기 베드 체결부는 상기 베드의 장축 (x축)과 평행한 방향으로 구비된 장축 방향 (x축 방향) 직선형 레일(301)을 포함할 수 있고, 상술한 장축 방향 직선형 레일(301)로서 종래 공지된 다양한 형태 및 종류의 직선형 레일이 이용될 수 있다. 상기 직선형 레일(301)이 도 7 및 도 8에서와 같이 설치되는 경우, 직선형 레일은 회전부(114)와 마찬가지로 기 설치된 이미징 장비와 함께 사용하기 위해 자기장 및 이미징 성능에 영향을 주지 않는 소재를 이용하여 제조하여야 한다. 구체적으로 예를 들면, 기 설치된 x-선 장비에 마이크로 로봇 제어장치를 적용하기 위해서는, 자기장 생성 및 x-선 촬영에 대한 간섭이 없는 소재를 이용하여야 한다. 회전부의 지름은 적절하게 조절될 수 있다. 바람직하게는 상기 회전부는 도 10 내지 13에 나타낸 바와 같은 중공이 형성된 원통 형상으로 제조함으로써, 자기장 생성 및 이미징 성능에 대한 간섭을 최소화시킬 수 있다. 상기 직선형 레일(301)은 더욱 바람직하게는 이미징 장비 사용시 간섭을 줄이기 위해 도 10 내지 도 12에 나타낸 바와 같이 이격되어 베드 양 측을 따라 위치하도록 설치될 수 있다. 레일의 형상, 종류 및 위치는 다양하게 변형될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 장축 방향 직선형 레일(301)과 직교하는 단축 방향 (y축 방향) 직선형 레일(302)을 추가적으로 포함할 수 있고, 상기 단축 방향 직선형 레일(302)은 상기 장축 방향 직선형 레일(301)을 따라 이동 가능하도록 연결됨으로써, 상기 자기장 생성부(110)가 x-y 평면 상에서 자유롭게 2차원 평면 이동할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 생성부(110)는 높이 조절이 가능한 지지부(400)를 사용하여 환자 시술용 베드 하방에 위치시켜 사용할 수 있다. 상기 지지부(400)는 지지부 상단에 부착된 장축 방향 직선형 레일(401)을 포함할 수 있고, 상기 장축 방향 직선형 레일(401)을 통해 자기장 생성부(110)는 환자 시술용 베드의 장축 (x축)과 평행한 방향으로 선형 운동을 할 수 있다. 높이 조절이 가능한 지지부(400)는 반드시 직선형 레일(401)을 포함할 필요는 없으며, 지지부 자체의 이동에 의해 마이크로 로봇 제어장치의 직선 운동을 제어할 수 있다. 상기 지지부(400)는 하단에 바퀴, 슬라이딩 수단 등을 추가로 포함할 수 있으며, 이를 통해 환자 시술용 베드 하방에서의 자기장 생성부의 위치를 자유롭게 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 장축 방향 직선형 레일(401)과 직교하는 단축 방향 (y축 방향) 직선형 레일을 추가적으로 포함할 수 있고, 상기 단축 방향 직선형 레일은 상기 장축 방향 직선형 레일(401)을 따라 이동 가능하도록 연결됨으로써, 상기 자기장 생성부(110)가 x-y 평면 상에서 자유롭게 2차원 평면 이동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 로봇 제어장치(110)는 상술한 바와 같이 베드 체결부(200) 또는 지지부(400)를 이용하여 기 설치된 환자 시술용 베드에 적용하여 사용할 수 있으나, 시술 대상인 환자가 누울 수 있는 시술부(600)를 포함하는 일체형 마이크로 로봇 제어장치로서 제공될 수 있다. 본 실시예의 경우, 베드 체결부(200)는 포함되지 않을 수 있으며, 시술부(600) 하단에 장축 방향 직선형 레일(301)이 바로 결합되어 구비될 수 있다. 상기 장축 방향 직선형 레일(301)을 따라 자기장 생성부(110)가 직선 이동할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 장축 방향 직선형 레일(301)과 직교하는 단축 방향(y축 방향) 직선형 레일(302)을 추가적으로 포함할 수 있고, 상기 단축 방향 직선형 레일(302)은 상기 장축 방향 직선형 레일(301)을 따라 이동 가능하도록 연결됨으로써, 상기 자기장 생성부(110)가 x-y 평면 상에서 자유롭게 2차원 평면 이동할 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 마이크로 로봇 제어장치(100)에 따르면, 원형 코일(111)과 제1 및 제2 솔레노이드 코일(112, 113)을 포함하는 간단한 구성의 2차원 평면형 코일 구조를 이용함으로써, 유선 마이크로 로봇을 제어할 수 있고, 장치를 간소화 함으로써 시술 공간상 장치 설치 및 운용에 효율성을 기할 수 있다. 또한, 전자석 개수를 줄여 전원공급용 파워 개수를 감소시키고, 전력 사용량을 줄임으로써 효율적인 장치 운용을 기할 수 있다. 또한, 기 설치된 의료 장비와 호환하여 사용하는데 용이하다.
본 발명은 원형 코일 및 솔레노이드 코일을 구비한 마이크로 로봇 제어장치에 관한 것이다.

Claims (12)

  1. (a-1) 원형 코일, 및 (a-2) 원형 코일이 배치된 2차원 평면상에 원형 코일의 중심축으로부터 각각 동일한 거리만큼 정반대 방향으로 이격되어 배치된 제1 및 제2 솔레노이드 코일을 포함하는 자기장 생성부; 및
    (b) 상기 자기장 생성부에 전원을 공급하는 전원공급부;
    를 포함하는 마이크로 로봇 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 솔레노이드 코일은 동일 방향의 자기장이 형성될 수 있도록 배치된 것인, 마이크로 로봇 제어장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 솔레노이드 코일은 한 가닥의 도선에 의해 연결된 상태로 권취된 것인, 마이크로 로봇 제어장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 솔레노이드 코일은 각각 분리된 도선에 의해 별개로 권취된 것인, 마이크로 로봇 제어장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 로봇 제어장치는 원형 코일의 중심점으로부터 원형 코일이 위치한 2차원 평면과 직교하는 방향으로 형성된 회전축을 중심으로 상기 자기장 생성부가 자유롭게 회전할 수 있도록 하는 회전부를 포함하는, 마이크로 로봇 제어장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 로봇 제어장치는 환자 시술용 베드 하방에 부착시키기 위한 베드 체결부를 추가적으로 더 포함하는, 마이크로 로봇 제어장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 마이크로 로봇 제어장치가 상기 베드의 장축 (x축)과 평행한 방향으로 선형 운동을 할 수 있도록 구비된 장축 방향 (x축 방향) 직선형 레일을 추가적으로 더 포함하는, 마이크로 로봇 제어장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 마이크로 로봇 제어장치는 상기 장축 방향 직선형 레일과 직교하는 단축 방향 (y축 방향) 직선형 레일을 추가적으로 포함하며, 상기 단축 방향 직선형 레일은 상기 장축 방향 직선형 레일을 따라 이동 가능하도록 연결됨으로써, 상기 마이크로 로봇 제어장치의 x-y 평면 이동을 가능케 하는, 마이크로 로봇 제어장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 로봇 제어장치는 상기 원형 코일 및 상기 제1 및 제2 솔레노이드 코일 하단에 결합되고 높이 조절이 가능한 지지부를 추가적으로 더 포함하는, 마이크로 로봇 제어장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 지지부는 상단에 결합된 자기장 생성부의 직선 운동을 가능케 하는 직선형 레일을 추가적으로 포함하는, 마이크로 로봇 제어장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 로봇 제어장치는 시술 대상인 환자가 누울 수 있는 시술부를 추가적으로 포함하며, 상기 시술부는 하단에 상기 자기장 생성부가 결합된 것인, 마이크로 로봇 제어장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 마이크로 로봇 제어장치는 상기 시술부의 하단에 장축(x축) 방향으로 추가적으로 구비된 직선형 레일에 의해 상기 자기장 생성부가 결합된 것인, 마이크로 로봇 제어장치.
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CN116019565A (zh) * 2022-10-28 2023-04-28 中国科学院深圳先进技术研究院 一种用于微型机器人的半开放式磁操控装置

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