WO2022085896A1 - 혈관 시뮬레이터의 구동 시험을 위한 전자기 구동 장치 및 이의 구동 방법 - Google Patents

혈관 시뮬레이터의 구동 시험을 위한 전자기 구동 장치 및 이의 구동 방법 Download PDF

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module
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electromagnetic driving
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최현철
차경래
이주학
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재단법인 한국마이크로의료로봇연구원
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Definitions

  • the present invention was made under the support of the Ministry of Health and Welfare, with the project specific number 1465030163 and the project number HI17C2594010020, the research management agency of the project is the Korea Health Industry Development Institute, and the research project name is "Development of advanced medical technology virtual training system technology for cardiovascular diseases" , The research project name is "Development of virtual training simulator for cardiovascular surgery with AR technology", the lead institution is Korea Micro Medical Robot Research Institute, and the research period is 2017.12.20 ⁇ 2021.07.31.
  • the present invention relates to an electromagnetic driving device for driving a blood vessel simulator including a coil part, a ball joint part, a plate part, a module alignment part and a power supply part, and a driving method thereof, and the electromagnetic driving device and the driving method of the present invention. If used, it is possible to drive the microrobot from the current position and attitude to the target position and attitude.
  • a micro-robot that moves along a fluid having viscosity in a blood vessel has been continuously studied in order to treat diseases of a subject, such as a human body or an animal.
  • a subject such as a human body or an animal.
  • ethical regulations on animal experiments using laboratory animals as well as clinical experiments are getting stricter, research on various simulators that can replace animal experiments is being actively conducted.
  • the driving method of the micro-robot using a magnetic field has the advantage of being able to precisely control a relatively large force using an external magnetic field generating device (permanent magnet or electromagnet) as long as there is a magnetic material inside the micro-robot.
  • a driving method of driving the microrobot there is a method of generating a magnetic field having a desired strength and direction using a permanent magnet, an electromagnet, or a fixed electromagnet coil attached to a manipulator.
  • a driving method using an electromagnet has been studied a lot because the strength and direction of the magnetic field can be easily controlled only by controlling the strength and direction of the current applied to each coil.
  • a method using a coil array may control a magnetic field generated by arranging a plurality of coils at specific positions and controlling the intensity and direction of current applied to each coil.
  • the current applied to each coil can be controlled by calculating the strength and direction of the magnetic field required at this time. It can be aligned and driven in any direction.
  • the present inventors have tried to make an electromagnetic driving device capable of changing the central axis of the coil without fixing the coil to a specific position and inclination.
  • an electromagnetic driving device including a coil part, a ball joint part, a plate part, a module alignment part, and a power supply part was invented, and it was found that the micro-robot can be driven to a target position and posture by using the electromagnetic driving device of the present invention. Confirmed.
  • an object of the present invention to provide an electromagnetic driving device for driving a microrobot.
  • Another object of the present invention is to provide an electromagnetic drive array device including at least two electromagnetic drive devices.
  • Another object of the present invention is to provide a method of driving a microrobot using an electromagnetic driving device.
  • the above object can be achieved by an electromagnetic driving device for driving a microrobot and a method for driving a microrobot of the present invention.
  • a coil unit including a coil for generating at least one or more magnetic fields; a ball joint unit including a ball and a housing having a ball accommodating space into which the ball is inserted; a plate part including a plate disposed on one side of the coil part; a module alignment unit disposed on one side of the plate unit; and a power supply unit including a conductive wire, a power supply electrically connected to the coil and the conductive wire through the conductive wire, and a power controller provided on one side of the conductive wire.
  • the coil unit may include a coil.
  • the coil unit may be disposed at the bottom of the bed where the patient is placed.
  • the accessibility of the medical staff who operates the electromagnetic driving device to the patient may be increased.
  • the coil may be, for example, a solenoid coil, but is not limited thereto.
  • the coil may be connected to the power supply unit through a conductive wire, and generate a magnetic field by receiving a current from the power supply unit.
  • the coil unit may apply the generated magnetic field to a micro-robot provided with a magnetic material, and the micro-robot may receive a magnetic field through the magnetic material.
  • the magnetic material may be selected without limitation as long as it exhibits magnetism such as iron, nickel, cobalt, or an alloy thereof, or a permanent magnet.
  • the magnetic material may be a permanent magnet, but is not limited thereto.
  • the micro-robot may be inserted into the human body, for example, a capsule endoscope, a carrier carrying a therapeutic material, etc., but is not limited thereto.
  • the ball joint part may include a ball and a housing.
  • the ball joint part may further include a first support part coupled to one side of the ball.
  • the first support part may be connected to one side of the coil, and may be straight or T-shaped, for example, may be T-shaped, but is not limited thereto.
  • the ball joint portion may further include a second support portion coupled to the ball on the other side of the first support portion.
  • the first support part and the second support part may be coupled to the ball so as to face each other, and thus, the first support part and the second support part are symmetrical with respect to the center of the ball when the ball rotates. It may be moving as much as possible.
  • the second support part may have a hollow interior partly formed.
  • the housing may be cylindrical or spherical, for example, may be spherical, but is not limited thereto.
  • the housing may be provided with a ball accommodating space on the inside, so that the ball can be inserted into the housing.
  • the housing may further include a buffer member on the inside, but is not limited thereto.
  • the buffer member may be at least one selected from the group consisting of natural rubber, synthetic rubber, and spring, but is not limited thereto.
  • the housing may have a first opening partly open on one side and a second opening part on the other side part opening.
  • Diameters of the first opening and the second opening may be smaller than the diameter of the ball. Accordingly, the first opening and the second opening can be fixed as the ball is not separated from the housing.
  • the central axis of the coil may mean an axis perpendicular to a plane parallel to the plate in a state in which the electromagnetic driving device of the present invention does not operate, that is, in a state in which current is not supplied to the coil.
  • the central axis of the coil may be driven to be inclined by 0 to 60 degrees, 0 to 50 degrees, 0 to 40 degrees, or 0 to 30 degrees with respect to an axis perpendicular to a plane parallel to the plate, for example, , may be driven to be inclined by 0 to 30 degrees, but is not limited thereto.
  • the plate part may be disposed on one side of the coil part and include a plate having a through hole.
  • the housing may be inserted into the through hole of the plate so that the outer circumferential surface of the housing is coupled to the inner circumferential surface of the plate through hole, but is not limited thereto.
  • the housing may further include a support member to be coupled to the inner circumferential surface of the plate through hole, but is not limited thereto.
  • the housing may be coupled to the plate by a method such as bolting or welding. Accordingly, the housing may be completely fixed to the plate.
  • the module alignment unit may include a first module, a second module, and a slider.
  • the first module may be provided with a protrusion on one side.
  • the first module may further include a first moving member coupled to be movable in one axial direction, and the first moving member may be connected to the first power unit.
  • the second module may further include a second moving member coupled to be movable in one axial direction, and the second moving member may be connected to the second power unit.
  • the first module may be coupled to the slider to enable sliding driving with respect to the second module, and the slider may be disposed on the other side opposite to the protrusion of the first module.
  • the slider may be coupled to the second module to enable sliding driving with respect to the first module, and the second module may be disposed to face the first module with respect to the slider.
  • the second module may be arranged to be movable in an axial direction orthogonal to a longitudinal axis in which the first module is movable.
  • the first module and the second module relatively move in two orthogonal axial directions, so that the protrusion provided on one side of the first module moves and provides a torque to the second support to rotate the ball.
  • the module alignment unit can utilize the magnetic field near the central axis having the strongest magnetic field strength by varying the inclination of the central axis of the coil, it is possible to form a strong magnetic field with a small amount of current.
  • the module alignment unit may apply the magnetic field generated by the coil to a wide area by changing only the inclination of the coil without moving the coil. Accordingly, the drivable area of the microrobot using the electromagnetic driving device of the present invention can be expanded.
  • the power supply unit may include a conductive wire, a power supply, and a power controller.
  • the conductive wire may electrically connect the coil and the power supply, and may refer to wires used to transmit power or an electrical signal from the power supply to the coil, but is limited thereto not.
  • the power controller may be provided on one side of the conducting wire, but is not limited thereto.
  • the power controller serves to supply or cut off power or an electrical signal flowing through a conductor, such as a switch; Alternatively, it may include, but is not limited to, anything that can control the power or electrical signal flowing through the conductor, such as a current regulator, which controls the strength of the power or electrical signal flowing through the conductor.
  • a conductor such as a switch
  • the electromagnetic driving device may further include a position and attitude information measuring unit.
  • the position and posture information measuring unit may measure the current position and posture information of the microrobot by using an X-ray imaging device, an ultrasound imaging device, an image capturing device, or the like, but is not limited thereto.
  • the electromagnetic driving device may further include a storage unit for receiving the current position and posture information of the microrobot and storing the information.
  • the electromagnetic driving device may further include a calculator configured to receive the current position and attitude information and calculate the target position and attitude information using the received information.
  • the calculating unit may generate a control command for driving the micro-robot according to the target position and posture information.
  • the operation unit may transmit a control command to the module arrangement unit and/or the controller unit.
  • the module alignment unit may vary the central axis of the coil according to a control command.
  • the controller unit may vary the current applied to the coil in order to drive the microrobot to the target position and posture according to the control command.
  • an electromagnetic driving array device including at least two electromagnetic driving devices including a coil unit, a ball joint unit, and a module alignment unit.
  • the electromagnetic driving array device may include at least two electromagnetic driving devices including a coil unit, a ball joint unit, and a module alignment unit.
  • the electromagnetic driving array device drives the microrobot by securing a wide range of microrobot driving areas without moving the entire array device by changing only the alignment direction of the central axis of the coil included in the electromagnetic driving device. it could be
  • Another example of the present invention is to check the current position and posture information of the micro-robot, the position and posture checking step; A first coil part alignment step of aligning the coil to the current position of the micro-robot, and applying a current to the aligned coil; and a second coil part alignment step of aligning the coil to drive the microrobot to a target position and posture, and applying a current to the aligned coil.
  • the step of confirming the position and posture may be to receive the position and posture information of the microrobot from the position and posture information measurement unit.
  • the step of aligning the first coil part may be aligning the central axis of at least one coil to face the micro-robot according to the position and posture information of the micro-robot.
  • the first coil part alignment step may be to align the coil to the current position of the micro-robot, and apply a current to the aligned coil.
  • the first coil part alignment step may be to efficiently utilize a strong magnetic field formed in the central axis of the magnetic field by aligning the central axis of the coil toward the micro-robot.
  • the second coil part alignment step may be to change the central axis of the coil to drive the microrobot to the target position and posture.
  • the second coil part alignment step may be to apply a current to a coil having a variable central axis.
  • the second coil part alignment step only the central axis of the coil necessary to drive the microrobot to the target position and posture is changed, and the strong magnetic field formed in the central axis of the coil is efficiently reduced by applying current only to the changed coil.
  • the present invention relates to an electromagnetic driving device for a driving test of a blood vessel simulator and a driving method thereof, and more particularly, the electromagnetic driving device including a coil part, a ball joint part, a plate part, a module alignment part and a power supply part even with a small current A strong magnetic field can be efficiently generated.
  • the coil unit can be located at the bottom of the bed, access to the patient by the medical staff who operates the electromagnetic driving device in an emergency can be increased.
  • FIG. 1 shows an electromagnetic driving device for driving a microrobot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view illustrating a state in which an electromagnetic driving device is driven in two axes (xy-axis) according to an embodiment of the present invention.
  • 2B is a cross-sectional view illustrating a state in which the electromagnetic driving device is driven in two axes (yz-axis) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a virtual view illustrating a patient, a bed on which the patient is placed, and a coil unit included in the electromagnetic driving device of the present invention positioned at the lower end of the bed.
  • FIG. 4A is a virtual view illustrating a state in which a coil unit is aligned at a current position of a micro-robot within a micro-robot driving area according to an embodiment of the present invention.
  • 4B is a virtual view illustrating a micro-robot that has moved to a target position within a micro-robot driving area and a coil unit aligned with the micro-robot, according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view illustrating an electromagnetic drive array device for aligning and driving a microrobot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a virtual diagram illustrating a patient, an electromagnetic driving device applied to the patient, and a medical staff operating the electromagnetic driving device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating a method of driving an electromagnetic driving device according to an embodiment of the present invention.
  • a coil unit including a coil; a ball joint portion comprising a ball having a first support connected to the coil coupled to one side and a second support coupled to the other side, and a ball accommodating space inside, including a housing into which the ball can be inserted; a plate part disposed on one side of the coil part and including a plate connected to the housing; a module alignment part disposed on one side of the plate part, connected to the second support part, and including a protrusion; and a power supply unit including a conductive wire, a power supply electrically connected to the coil and the conductive wire through the conductive wire, and a power controller provided on one side of the conductive wire.
  • FIG. 1 shows an electromagnetic driving device for driving a microrobot according to an embodiment of the present invention.
  • the electromagnetic driving device includes a coil unit 100 including a solenoid coil 110 ; a ball joint 200 including a ball 210 to which the first support 231 and the second support 232 are coupled, and a housing 220 having a ball accommodating space 225; a plate part 300 disposed on one side of the coil part and including a plate 310 to which an outer circumferential surface of the housing is coupled; and a module alignment part 400 disposed on one side of the plate part and including a protrusion 410 connected to the second support part 232 .
  • the solenoid coil 110 may generate a magnetic field by receiving power from the power supply through the conductive wire 510 , but is not limited thereto.
  • the solenoid coil 110 may have a first support part 231 connected to one side in the central axis direction of the solenoid coil.
  • the other side of the first support portion 231 may be coupled to the ball 210 .
  • the shape of the first support part 231 may be a cylindrical or polyhedral shape, but the shape is not limited and may have any shape as long as it can connect the solenoid coil 110 and the ball 210 .
  • first support portion 231 may include a hollow interior, but is not limited thereto.
  • the ball 210 may be spherical.
  • the ball 210 may be inserted into the housing 220 having the ball accommodating space 225 .
  • the housing 220 may have a spherical shape to surround the spherical ball 210 as shown in FIG. 1 .
  • the housing 220 may include a first opening 221 having a part open on one side and a second opening 222 having a part on the other side open.
  • the first opening 221 and the second opening 222 may be provided to face each other.
  • the diameter of the first opening 221 and the second opening 222 may be smaller than the diameter of the ball. Accordingly, the housing 220 may be fixed to prevent the ball 210 from being separated from the housing.
  • the ball 210 may be connected to the second support 232 to face the first support 231 .
  • the second support part 232 may include a part of the hollow interior.
  • the plate part 300 may include a plate 310 having a through hole.
  • the module alignment unit 400 may include a first module 420 , a second module 430 , a moving member and a slider 440 .
  • a slider may be coupled to the first module 420 to enable sliding driving with respect to the second module 430 , and the slider 440 may be coupled to one side of the first module.
  • a slider may be coupled to the second module 430 to enable sliding driving with respect to the first module 420 , and the slider 440 may be coupled to one side of the second module.
  • the first module 420 and the second module 430 may be coupled to the slider so as to face both sides of the slider 440 .
  • a detailed state of the two-axis driving of the first module and the second module is shown in FIGS. 2A and 2B.
  • the first module 420 may include a protrusion 410 on one side.
  • the protrusion 410 may be inserted into the hollow of the second support 232 .
  • the protrusion 240 of the module alignment unit 200 may be provided on one side of the first module to be movable on the xy plane through the movement of the first module 251 and the second module 252 .
  • FIG. 2A is a cross-sectional view illustrating a state in which an electromagnetic driving device is driven in two axes (xy-axis) according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2B is an electromagnetic driving device in two axes (yz-axis) according to an embodiment of the present invention ) is a cross-sectional view showing how it is driven.
  • the first module 420 of the module aligning unit 400 may be disposed at the lower end of the plate unit 300 to enable parallel movement in one axial direction, for example, FIG. It may be movable in the x-axis direction shown in 2a.
  • the x-axis direction may mean an axial direction parallel to the central axis (dotted line portion) of the ball housing when defining a Cartesian coordinate system on a plane, as shown in FIG. 2A .
  • the second module 430 may be disposed at the lower end of the plate part 300 to enable parallel movement in one axial direction, and for example, may be movable in the y-axis direction shown in FIG. 2B .
  • the y-axis direction may mean an axial direction orthogonal to the longitudinal direction of the first module 420 movable in the x-axis direction, as shown in FIG. 2B .
  • the first module 420 may include a first power member (not shown) for providing power and a first moving member (not shown).
  • the second module 430 may include a second power member (not shown) for providing power and a second moving member (not shown).
  • the module alignment unit 400 may be capable of two-axis driving.
  • the two-axis driving of the module alignment unit is the same as the driving method of a general motorized stage. That is, the screw thread or the ball screw is rotated by the rotation of the motor, and the slider moving along the linear guide while being connected to the ball screw can move forward and backward.
  • the forward/backward control of the slider is controllable according to the rotation direction of the motor.
  • the protrusion 410 inserted into the hollow of the second support part 232 may transmit torque to the second support part.
  • the ball 210 to which the second support part 232 is coupled may be rotated by a rotational force transmitted from the protrusion 410 .
  • FIG 3 is a virtual view illustrating a patient, a bed on which the patient is placed, and a coil unit included in the electromagnetic driving device of the present invention positioned at the lower end of the bed.
  • the microrobot 5 may be inserted into a patient's body, and the coil unit 100 may be disposed at the lower end of the bed. Accordingly, access to the patient by the medical staff who operates the electromagnetic driving device in an emergency can be increased.
  • 4A and 4B are virtual views illustrating a state in which a coil unit is aligned with a micro-robot within a micro-robot driving area according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetic field can be formed, that is, the coil whose central axis is aligned with the driving region of the microrobot and the current position of the microrobot.
  • the central axes of the first coil 131 , the second coil 132 , and the third coil 133 are aligned toward the microrobot located at the upper end of the first coil 131 side.
  • the strong magnetic field formed in the central axis of the coil can be efficiently utilized.
  • the micro-robot is driven to a target position, and accordingly, it can be seen that the coil has a variable central axis.
  • the central axes of the third coil 133 , the fourth coil 134 , and the fifth coil 135 are aligned with the microrobot 5 located on the fourth coil 134 side.
  • the central axis of the coil varies and/or aligns the central axes of the third coil 133, the fourth coil 134, and the fifth coil 135 aligned toward the microrobot, and the third coil 133, the fourth
  • the strong magnetic field formed in the central axis of the coil can be efficiently utilized.
  • FIG. 5 is a plan view illustrating an electromagnetic drive array device for aligning and driving a microrobot according to an embodiment of the present invention.
  • the electromagnetic drive array device may include 6 ⁇ 6 coils (A1 to A6, B1 to B6, C1 to C6, D1 to D6, E1 to E6, and F1 to F6).
  • 6 ⁇ 6 coils A1 to A6, B1 to B6, C1 to C6, D1 to D6, E1 to E6, and F1 to F6.
  • FIG. 5 A) of FIG. 5 indicated by a broken line shows a microrobot controllable area using coils A1 to A3, coils B1 to B3, and coils C1 to C3 according to an embodiment of the present invention.
  • the power supply unit 500 includes a power controller 530 provided on one side of a conductor 510, a power supply 520 electrically connected to the coil 110 and the conductor 510 through the conductor 510, and the solenoid coil 110. It could be
  • the power supply 520 may include a device for generating a current.
  • the conductive wire 510 may connect the power supply 520 and at least one solenoid coil 110 .
  • the conductive wire 510 may connect the power supply 520 and two coils, but is not limited thereto.
  • the power controller 530 is, for example, a device that can be turned on-off, such as a switch, and a device for controlling the current flowing through the conductor, such as (on) or not (off) the current flowing through the conductor. it could mean
  • the power supply unit 500 may control the current applied to the coil by the power supply 520 by distinguishing the coil that needs to provide current and the coil that needs to cut off the current through the power controller 530 .
  • the power supply unit 500 through the power controller unit 530 by blocking the current applied to the coil that does not affect the driving of the micro-robot, so that an unnecessary magnetic field is not generated, it may be to efficiently supply power .
  • the number ratio of the power controller 530 and the solenoid coil 110 may be 1:1, and in this case, the power controller 530 individually controls the wires connecting the power supply 520 and the coil, so that the individual coils Each current can be applied or cut off.
  • the solenoid coil 110 may independently vary the inclination of the central axis.
  • FIG. 6 is a virtual diagram illustrating a patient, an electromagnetic driving device applied to the patient, and a medical staff operating the electromagnetic driving device according to an embodiment of the present invention.
  • the patient waits while lying on the bed 8, and the electromagnetic driving autonomous device disposed at the bottom of the bed drives the current position of the microrobot 5 inserted into the patient's body, and the target position
  • the medical staff 9 may operate the controller joystick in order to move to the .
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating a method of driving an electromagnetic driving device according to an embodiment of the present invention.
  • the driving method of the microrobot may include a position and posture checking step ( S100 ), a first coil part alignment step ( S200 ), and a second coil part alignment step ( S300 ).
  • the position and posture confirmation step S100 may be to confirm the current position and posture of the micro-robot by receiving the current position and posture information of the micro-robot from the position and posture information measurement unit.
  • the first coil part alignment step ( S200 ) may be to align the central axis of the at least one or more solenoid coils 110 toward the micro-robot 5 according to the position and attitude information of the micro-robot.
  • the first coil part alignment step ( S200 ) may be performed to efficiently utilize the strong magnetic field formed in the central axis direction of the coil.
  • the coil 100 so that a magnetic field is formed in accordance with the propulsion direction, propulsion force and alignment direction of the micro-robot for driving the micro-robot 5 according to the target position and attitude information calculated by the calculation unit. It may be to control the current applied to the.
  • the second coil part alignment step ( S300 ) may be to apply current efficiently by applying current only to a coil required to drive the microrobot 5 in the target movement direction.
  • the strength and direction of the magnetic field generated when a unit current is applied to the coil can be checked through pre-calculated data or through simulation.
  • the required strength of the magnetic field and the inclination of the central axis of the coil can be calculated.
  • the strength of the current to be applied to each coil and the inclination of the central axis of the coil can be calculated.
  • the present invention provides a coil unit including a coil generating at least one magnetic field; a ball joint unit including a ball and a housing having a ball accommodating space into which the ball is inserted; a plate part including a plate disposed on one side of the coil part; a module alignment part disposed on one side of the plate part; and a power supply unit including a conductive wire, a power supply electrically connected to the coil and the conductive wire through the conductive wire, and a power controller provided on one side of the conductive wire.

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Abstract

본 발명은 코일부, 볼 조인트부, 플레이트부, 모듈 정렬부 및 전원부를 포함하는 혈관 시뮬레이터의 구동 시험을 위한 전자기 구동 장치 및 이의 구동 방법에 관한 것으로, 본 발명의 전자기 구동 장치 및 이의 구동 방법을 이용하면, 마이크로 로봇의 현재 위치 및 자세로부터 목표 위치 및 자세로 구동하는 것이 가능하다.

Description

혈관 시뮬레이터의 구동 시험을 위한 전자기 구동 장치 및 이의 구동 방법
본 특허출원은 2020년 10월 19일에 대한민국 특허청에 제출된 대한민국 특허출원 제10-2020-0135554호에 대하여 우선권을 주장하며, 상기 특허출원의 개시 사항은 본 명세서에 참조로서 삽입된다.
본 발명은 보건복지부의 지원 하에서 과제고유번호 1465030163, 과제번호 HI17C2594010020에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국보건산업진흥원, 연구사업명은 "심혈관계질환 첨단 의료기술 가상훈련 시스템 기술 개발", 연구과제명은 "AR 기술 적용 심혈관계 시술 가상훈련 시뮬레이터 개발", 주관기관은 한국마이크로의료로봇연구원, 연구기간은 2017.12.20 ~ 2021.07.31이다.
본 발명은 코일부, 볼 조인트부, 플레이트부, 모듈 정렬부 및 전원부를 포함하는 혈관 시뮬레이터의 구동 시험을 위한 전자기 구동 장치 및 이의 구동 방법에 관한 것으로, 본 발명의 전자기 구동 장치 및 이의 구동 방법을 이용하면, 마이크로 로봇의 현재 위치 및 자세로부터 목표 위치 및 자세로 구동하는 것이 가능하다.
종래에, 인체, 동물 등 대상체의 질환을 치료하기 위하여 혈관 (blood vessel) 내에 점성 (viscosity)을 가진 유체를 따라 움직이는 마이크로 로봇 (micro robot)이 꾸준히 연구되고 있다. 또한, 임상 실험뿐만 아니라 실험 동물을 활용한 동물실험에 대한 윤리 규제가 심해지고 있기 때문에 동물실험을 대체할 수 있는 다양한 시뮬레이터에 대한 연구가 활발이 진행되고 있다. 특히 혈관내에서 마이크로 로봇 구동 실험을 위한 시뮬레이터와 호환 가능한 마이크로 로봇 구동장치에 대한 연구는 매우 중요하다.
많은 연구 중에서 마이크로 로봇을 구동하기 위해서 가장 많이 사용하는 방법은 자기장 (magnetic field)을 이용하는 것이다. 자기장을 이용한 마이크로 로봇의 구동 방식은, 마이크로 로봇 내부에 자성체만 있으면 외부의 자기장 발생 장치 (영구 자석 또는 전자석)을 이용하여 상대적으로 큰 힘을 정밀하게 제어할 수 있는 장점이 있다.
마이크로 로봇 구동의 구동 방법의 일 예로는, 매니퓰레이터에 부착된 영구 자석, 전자석 또는 고정된 형태의 전자석 코일을 이용하여 원하는 세기와 방향을 가지는 자기장을 생성하는 방법이 있다. 특히, 전자석을 이용한 구동 방법은 각 코일에 인가되는 전류의 세기와 방향 제어만으로 쉽게 자기장의 세기와 방향을 제어할 수 있기 때문에 많이 연구되고 있다.
이와 관련하여, 코일 어레이를 이용한 방법은 여러 개의 코일을 특정 위치에 배열하고 각 코일에 인가되는 전류의 세기와 방향 제어를 통해 발생되는 자기장을 제어할 수 있다. 이 방법을 활용하면 마이크로 로봇의 현재 위치에서 정렬하고자 하는 방향과 구동 방향이 결정되면 이 때에 필요한 자기장의 세기와 방향 등을 계산함으로써 각 코일에 인가되는 전류를 제어할 수 있어 최종적으로 마이크로 로봇을 원하는 방향으로 정렬 및 구동할 수 있다.
그러나, 코일이 특정 위치에 고정되어 있으므로 자기장을 제어할 수 있는 영역이 줄어들게 되고, 코일의 중심축 방향과 일치하는 곳에서 가장 강한 자기장을 만들어 낼 수 있는데 이를 적극 활용하지 못하므로, 자기장을 효율적으로 제어할 수 없는 문제점이 있다.
이에 본 발명자들은 코일이 특정 위치 및 기울기로 고정되지 않고, 코일의 중심축을 가변시킬 수 있는 전자기 구동 장치를 만들기 위하여 노력하였다.
그 결과, 코일부, 볼 조인트부, 플레이트부, 모듈 정렬부 및 전원부를 포함하는 전자기 구동 장치를 발명하였으며, 본 발명의 전자기 구동 장치를 이용하면 마이크로 로봇을 목표 위치 및 자세로 구동시킬 수 있음을 확인하였다.
이에, 본 발명의 목적은 마이크로 로봇의 구동을 위한 전자기 구동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전자기 구동 장치를 적어도 2개 이상 포함하는 전자기 구동 어레이 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전자기 구동 장치를 이용한 마이크로 로봇의 구동 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적은, 본 발명의 마이크로 로봇의 구동을 위한 전자기 구동 장치 및 마이크로 로봇의 구동 방법에 의하여 달성될 수 있다.
본 발명의 일 예는, 적어도 하나 이상의 자기장을 생성하는 코일을 포함하는 코일부; 볼 및 내측에 볼이 삽입되는 볼 수용 공간을 구비한 하우징을 포함하는 볼 조인트부; 상기 코일부의 일 측에 배치되는 플레이트를 포함하는 플레이트부; 상기 플레이트부의 일 측에 배치되는 모듈 정렬부; 및 도선, 상기 코일과 상기 도선을 통하여 전기적으로 연결되는 파워 서플라이, 및 상기 도선의 일 측에 구비되는 파워 컨트롤러를 포함하는 전원부;를 포함하는 전자기 구동 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현예에서, 코일부는 코일을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 코일부는 환자가 배치되는 베드 하단에 배치되는 것일 수 있다.
코일부가 베드의 하단에 배치되는 경우, 전자기 구동 장치를 조작하는 의료진의 환자에 대한 접근성이 증대될 수 있다.
본 발명에 있어서 코일은, 예를 들어, 솔레노이드 코일인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 코일은 도선을 통하여 전원부와 연결되고, 전원부로부터 전류를 인가받아 자기장을 생성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 코일부는 생성된 자기장을 자성체가 구비된 마이크로 로봇에 인가하고, 상기 마이크로 로봇은 자성체를 통하여 자기장을 인가받는 것일 수 있다.
자성체는 철, 니켈, 코발트, 또는 이들의 합금, 또는 영구자석 등의 자성을 나타내는 것이면 제한 없이 선택 가능하며, 예를 들어, 자성체는 영구자석인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 마이크로 로봇은 인체에 삽입되는 것일 수 있으며, 예를 들어, 캡슐 내시경, 치료물질을 담지한 캐리어 등과 같은 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 볼 조인트부는 볼 및 하우징을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 볼 조인트부는 볼의 일 측에 결합되는 제1지지부를 더 포함하는 것일 수 있다.
제1지지부는 코일의 일 측에 연결되는 것일 수 있고, 직선형 또는 T자형인 것일 수 있으며, 예를 들어, T자형인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 볼 조인트부는 제1지지부의 타 측에 볼과 결합하는 제2지지부를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1지지부 및 제2지지부는 서로 대향되도록 볼과 결합하는 것일 수 있고, 따라서, 제1지지부 및 제2지지부는 볼이 회전할 경우 볼의 중심을 기준으로 서로 대칭되도록 이동하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제2지지부는 중공의 내부가 일부 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 하우징은 원기둥형 또는 구형인 것일 수 있으며, 예를 들어, 구형인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 하우징은 내측에 볼 수용 공간을 구비하여, 상기 볼이 하우징에 삽입 가능한 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 하우징은 내측에 완충부재를 더 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
완충부재는 천연 고무, 합성 고무 및 스프링으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 하우징은 일 측 일부가 개방된 제1개구부 및 타 측 일부가 개방된 제2개구부를 구비하는 것일 수 있다.
제1개구부 및 제2개구부의 지름은 볼의 지름보다 작은 것일 수 있다. 이에 따라, 제1개구부 및 제2개구부는 볼이 하우징으로부터 이탈되지 않게 함에 따라 고정할 수 있다.
본 발명에 있어서 코일의 중심축은 본 발명의 전자기 구동 장치가 작동하지 않는 상태, 즉, 코일에 전류가 공급되지 않는 상태에서 플레이트와 평행한 면에 대하여 수직인 축을 의미하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 코일의 중심축은 플레이트와 평행한 면에 대하여 수직인 축을 기준으로 0 내지 60도, 0 내지 50도, 0 내지 40도 또는 0 내지 30도 기울어지도록 구동하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 0 내지 30도 기울어지도록 구동하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 플레이트부는 코일부의 일 측에 배치되고, 관통공을 구비한 플레이트를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 하우징은 플레이트의 관통공에 삽입되어, 하우징의 외주면이 플레이트 관통공의 내주면에 결합하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 하우징은 지지 부재를 더 포함하여 플레이트 관통공의 내주면에 결합하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 하우징은 플레이트에 볼트 체결 또는 용접 등의 방법으로 결합하는 것일 수 있다. 이에 따라, 하우징은 플레이트에 완전히 고정되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 모듈 정렬부는 제1모듈, 제2모듈 및 슬라이더를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1모듈은 일 측에 돌출부가 구비된 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1모듈은 일 축 방향으로 이동 가능하도록 결합된 제1이동 부재를 더 포함하는 것일 수 있고, 제1이동 부재는 제1동력부와 연결되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제2모듈은 일 축 방향으로 이동 가능하도록 결합된 제2이동 부재를 더 포함하는 것일 수 있고, 제2이동 부재는 제2동력부와 연결되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1모듈은 제2모듈에 대하여 슬라이딩 구동이 가능하도록 슬라이더와 결합하고, 슬라이더는 제1모듈의 돌출부에 대향하여 타 측에 배치되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제2모듈은 제1모듈에 대하여 슬라이딩 구동이 가능하도록 슬라이더가 결합되고, 제2모듈은 슬라이더를 기준으로 제1모듈과 대향되도록 배치되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제2모듈은 제1모듈이 이동 가능한 길이 방향 축과 직교하는 축 방향으로 이동 가능하도록 배치되는 것일 수 있다.
따라서, 제1모듈 및 제2모듈은 직교하는 2개의 축 방향으로 상대적으로 이동함으로써, 제1모듈의 일 측에 구비된 돌출부가 이동하여 제2지지부에 회전력 (torque)을 제공하여 볼이 회전되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 모듈 정렬부는 코일의 중심축 기울기를 가변시킴으로써 자기장의 세기가 가장 강한 중심축 부근의 자기장을 활용할 수 있으므로, 적은 양의 전류로 강한 세기의 자기장을 형성시킬 수 있다.
또한, 모듈 정렬부는 코일을 이동시키지 않고 코일의 기울기만 가변시킴으로써, 코일이 생성한 자기장을 넓은 범위의 영역으로 인가할 수 있다. 따라서, 본 발명의 전자기 구동 장치를 이용한 마이크로 로봇의 구동 가능 영역이 확대될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전원부는 도선, 파워 서플라이 및 파워 컨트롤러를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 도선은 코일과 파워 서플라이를 전기적으로 연결하는 것일 수 있고, 파워 서플라이로부터 코일로 전력 또는 전기 신호를 보내기 위해 사용되는 전선류를 의미하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 파워 컨트롤러는 도선의 일 측에 구비되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
파워 컨트롤러는 예를 들어, 스위치와 같이 도선에 흐르는 전력 또는 전기신호를 공급 또는 차단하는 역할을 하는 것; 또는 전류 조절기와 같이 도선에 흐르는 전력 또는 전기 신호의 세기를 조절하는 역할을 하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 도선에 흐르는 전력 또는 전기 신호를 제어할 수 있는 것이라면 어떤 것이든 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기 구동 장치는 위치 및 자세 정보 측정부를 더 포함하는 것일 수 있다.
위치 및 자세 정보 측정부는 X-ray 촬영 장치, 초음파 이미지 장치, 영상 촬영 장치 등을 활용하여 마이크로 로봇의 현재 위치 및 자세 정보를 측정하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기 구동 장치는 마이크로 로봇의 현재 위치 및 자세 정보를 수신하고 상기 정보를 저장하기 위한 저장부를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기 구동 장치는 현재 위치 및 자세 정보를 수신하고, 이를 이용하여 목표 위치 및 자세 정보를 연산하는 연산부를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 연산부는 목표 위치 및 자세 정보에 따라 마이크로 로봇을 구동시키기 위한 제어 명령을 생성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 연산부는 제어 명령을 모듈 정렬부 및/또는 컨트롤러부로 송신하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 모듈 정렬부는 제어 명령에 따라, 코일의 중심축을 가변하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 컨트롤러부는 제어 명령에 따라, 마이크로 로봇을 목표 위치 및 자세로 구동하기 위하여, 코일에 인가되는 전류를 가변하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 예는 코일부, 볼 조인트부 및 모듈 정렬부를 포함하는 전자기 구동 장치를 적어도 2개 이상 포함하는 전자기 구동 어레이 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기 구동 어레이 장치는 코일부, 볼 조인트부 및 모듈 정렬부를 포함하는 전자기 구동 장치를 적어도 2개 이상 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기 구동 어레이 장치는 전자기 구동 장치에 포함되는 코일의 중심축 정렬 방향만 가변시킴으로써 어레이 장치 전체를 이동시키지 않고도 넓은 범위의 마이크로 로봇 구동 영역을 확보하여 마이크로 로봇을 구동하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 예는 마이크로 로봇의 현재 위치 및 자세 정보를 확인하는, 위치 및 자세 확인 단계; 마이크로 로봇의 현재 위치에 코일을 정렬시키고, 정렬된 코일에 전류를 인가하는 제1코일부 정렬 단계; 및 마이크로 로봇의 목표 위치 및 자세로 구동하기 위하여 코일을 정렬시키고, 정렬된 코일에 전류를 인가하는 제2코일부 정렬 단계를 포함하는 전자기 구동 장치의 구동 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 위치 및 자세 확인 단계는 위치 및 자세 정보 측정부로부터 마이크로 로봇의 위치 및 자세 정보를 제공받는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1코일부 정렬 단계는 마이크로 로봇의 위치 및 자세 정보에 따라 적어도 하나 이상의 코일의 중심축을 마이크로 로봇으로 향하도록 정렬시키는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1코일부 정렬 단계는 마이크로 로봇의 현재 위치에 코일을 정렬시키고, 정렬된 코일에 전류를 인가하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 제1코일부 정렬 단계는 코일의 중심축을 마이크로 로봇으로 향하도록 정렬시킴으로써 자기장의 중심축에서 형성되는 강한 자기장을 효율적으로 활용하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 제2코일부 정렬 단계는 마이크로 로봇의 목표 위치 및 자세로 구동하기 위하여 코일의 중심축을 가변시키는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 제2코일부 정렬 단계는 중심축이 가변된 코일에 전류를 인가하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 제2코일부 정렬 단계는 마이크로 로봇의 목표 위치 및 자세로 구동하기 위하여 필요한 코일의 중심축만 가변시키고, 가변된 코일에만 전류를 인가함으로써 코일의 중심축에서 형성되는 강한 자기장을 효율적으로 활용할 수 있다.
본 발명의 혈관 시뮬레이터의 구동 시험을 위한 전자기 구동 장치 및 이의 구동 방법에 관한 것으로, 구체적으로, 코일부, 볼 조인트부, 플레이트부, 모듈 정렬부 및 전원부를 포함하는 전자기 구동 장치는 적은 전류로도 강한 세기의 자기장을 효율적으로 생성할 수 있다.
또한, 전자기 구동 장치 전체를 이동시키지 않고도, 넓은 범위의 마이크로 로봇의 구동 영역을 확보하여 마이크로 로봇을 구동할 수 있으므로, 의료 현장에서 의료진의 사용 편의성이 증대된다.
또한, 코일부를 베드 하단에 위치시킬 수 있으므로, 위급 상황시 전자기 구동 장치를 조작하는 의료진의 환자에 대한 접근성이 증대될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 마이크로 로봇의 구동을 위한 전자기 구동 장치를 나타낸 것이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따라 전자기 구동 장치가 2축 (xy축)으로 구동하는 모습을 나타낸 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따라 전자기 구동 장치가 2축 (yz축)으로 구동하는 모습을 나타낸 단면도이다.
도 3은 환자, 환자가 배치된 베드 및 베드의 하단에 위치하는 본 발명의 전자기 구동 장치에 포함된 코일부를 나타낸 가상도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따라, 마이크로 로봇 구동 영역 내에서 마이크로 로봇의 현재 위치에 코일부가 정렬된 상태를 나타낸 가상도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 마이크로 로봇 구동 영역 내에서 목표 위치로 이동한 마이크로 로봇과 마이크로 로봇에 정렬된 코일부를 나타낸 가상도이다.
도 5는 본 발명의 일 구체예에 따라 마이크로 로봇의 정렬 및 구동을 위한 전자기 구동 어레이 장치를 나타낸 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따라, 환자, 환자에 적용된 전자기 구동 장치 및 전자기 구동 장치를 조작하는 의료진을 나타낸 가상도이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따라, 전자기 구동 장치의 구동 방법을 나타낸 블록도이다.
코일을 포함하는 코일부; 일 측에 상기 코일에 연결된 제1지지부가 결합되고 타 측에 제2지지부가 결합된 볼, 및 내측에 볼 수용 공간을 구비하여, 상기 볼이 삽입 가능한 하우징을 포함하는 볼 조인트부; 상기 코일부의 일 측에 배치되고, 상기 하우징과 연결되는 플레이트를 포함하는 플레이트부; 상기 플레이트부의 일 측에 배치되고, 상기 제2지지부와 연결되며, 돌출부를 포함하는 모듈 정렬부; 및 도선, 상기 코일과 상기 도선을 통하여 전기적으로 연결되는 파워 서플라이, 및 상기 도선의 일 측에 구비되는 파워 컨트롤러를 포함하는 전원부;를 포함하는 전자기 구동 장치.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 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 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면을 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 마이크로 로봇의 구동을 위한 전자기 구동 장치를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 전자기 구동 장치는 솔레노이드 코일 (110)을 포함하는 코일부 (100); 제1지지부 (231) 및 제2지지부 (232)가 결합된 볼 (210), 볼 수용 공간 (225)을 구비한 하우징 (220)을 포함하는 볼 조인트부 (200); 코일부의 일 측에 배치되고, 하우징의 외주면이 결합되는 플레이트 (310)를 포함하는 플레이트부 (300); 및 플레이트부의 일 측에 배치되고, 제2지지부 (232)와 연결되는 돌출부 (410)를 포함하는 모듈 정렬부 (400)를 포함하는 것일 수 있다.
솔레노이드 코일 (110)은 전원부로부터 도선 (510)을 통하여 전력을 공급받음으로써 자기장을 생성하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
솔레노이드 코일 (110)은 솔레노이드 코일의 중심축 방향으로, 일 측에 제1지지부 (231)가 연결되는 것일 수 있다. 여기서, 제1지지부 (231)의 다른 일 측은 볼 (210)에 결합되는 것일 수 있다.
제1지지부 (231)의 형상은 원통형 또는 다면체형일 수 있으나, 그 형상을 한정하지 않고, 솔레노이드 코일 (110)과 볼 (210)을 연결할 수 있는 것이라면 어떤 형상을 갖더라도 무방하다.
또한, 제1지지부 (231)는 중공의 내부를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
볼 (210)은 구형인 것일 수 있다.
볼 (210)은 볼 수용 공간 (225)을 구비한 하우징 (220)에 삽입되는 것일 수 있다.
하우징 (220)은 도 1과 같이 구형인 볼 (210)을 감싸기 위하여 구형인 것일 수 있다.
또한, 하우징 (220)은 일 측 일부가 개방된 제1개구부 (221) 및 타 측 일부가 개방된 제2개구부 (222)를 구비하는 것일 수 있다.
도 1과 같이 제1개구부 (221) 및 제2개구부 (222)는 서로 대향되도록 구비되는 것일 수 있다.
제1개구부 (221) 및 제2개구부 (222)의 지름은 볼의 지름보다 작은 것일 수 있다. 따라서, 하우징 (220)은 볼 (210)이 하우징으로부터 이탈되지 않도록 고정할 수 있다.
볼 (210)은 제1지지부 (231)와 대향되도록 제2지지부 (232)와 연결되는 것일 수 있다.
제2지지부 (232)는 중공의 내부를 일부 포함하는 것일 수 있다.
플레이트부 (300)는 관통공을 구비한 플레이트 (310)를 포함하는 것일 수 있다.
모듈 정렬부 (400)는 제1모듈 (420), 제2모듈 (430), 이동 부재 및 슬라이더(440)를 포함하는 것일 수 있다.
제1모듈 (420)은 제2모듈 (430)에 대하여 슬라이딩 구동이 가능하도록 슬라이더가 결합되고, 슬라이더 (440)는 제1모듈의 일 측에 결합하는 것일 수 있다.
제2모듈 (430)은 제1모듈 (420)에 대하여 슬라이딩 구동이 가능하도록 슬라이더가 결합되고, 슬라이더 (440)는 제2모듈의 일 측에 결합하는 것일 수 있다.
제1모듈 (420) 및 제2모듈 (430)은 슬라이더 (440)의 양 측에 대향되도록 슬라이더에 결합하는 것일 수 있다. 제1모듈과 제2모듈의 2축 구동에 대한 자세한 모습은 도 2a 및 도 2b에 나타내었다.
제1모듈 (420)은 일 측에 돌출부 (410)를 포함하는 것일 수 있다.
돌출부 (410)는 제2지지부 (232)의 중공의 내부에 삽입되는 것일 수 있다.
모듈 정렬부 (200)의 돌출부 (240)는 제1모듈 (251) 및 제2모듈 (252)의 이동을 통하여, xy 평면상에서 이동이 가능하도록 제1모듈의 일 측에 구비되는 것일 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따라 전자기 구동 장치가 2축 (xy축)으로 구동하는 모습을 나타낸 단면도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따라 전자기 구동 장치가 2축 (yz축)으로 구동하는 모습을 나타낸 단면도이다.
도 2a 및 2b를 참조하면, 모듈 정렬부 (400)의 제1모듈 (420)은 일 축 방향으로 평행 이동이 가능하도록 플레이트부 (300)의 하단에 배치되는 것일 수 있으며, 예를 들어, 도 2a에 도시된 x축 방향으로 이동이 가능한 것일 수 있다.
x축 방향은 도 2a에 도시된 바와 같이, 평면에 직교좌표계를 정의할 때, 볼 하우징의 중심축 (점선 부분)과 평행한 축 방향을 의미하는 것일 수 있다.
제2모듈 (430)은 일 축 방향으로 평행 이동이 가능하도록 플레이트부 (300)의 하단에 배치되는 것일 수 있으며, 예를 들어, 도 2b에 도시된 y축 방향으로 이동이 가능한 것일 수 있다.
y축 방향은 도 2b에 도시된 바와 같이, x축 방향으로 이동이 가능한 제1모듈 (420)의 길이 방향과 직교하는 축 방향을 의미하는 것일 수 있다.
제1모듈 (420)은 동력을 제공하는 제1동력 부재 (미도시) 및 제1이동 부재 (미도시)를 포함하는 것일 수 있다.
제2모듈 (430)은 동력을 제공하는 제2동력 부재 (미도시) 및 제2이동 부재 (미도시)를 포함하는 것일 수 있다.
즉, 제1모듈 (420)의 길이 방향 축과 제2모듈 (430)의 길이 방향 축은 서로 직교함으로써, 모듈 정렬부 (400)는 2축 구동이 가능한 것일 수 있다.
모듈 정렬부의 2축 구동은 일반적인 모터라이즈 스테이지의 구동 방법과 동일하다. 즉, 모터의 회전에 의해 나사산 또는 볼 스크류가 회전하게 되고 볼스크류와 연결되어 있으면서 리니어 가이드를 따라 움직이는 슬라이더가 전후진 운동을 할 수 있다. 여기서 슬라이더의 전후진 제어는 상기 모터의 회전 방향에 따라 제어 가능하다.
상기와 같은 모듈 정렬부 (400)의 2축 구동에 따라 제2지지부 (232)의 중공의 내부에 삽입된 돌출부 (410)가 제2지지부에 돌림힘 (torque)을 전달하는 것일 수 있다.
제2지지부 (232)가 결합된 볼 (210)은 돌출부 (410)로부터 전달받은 돌림힘에 의하여 회전하는 것일 수 있다.
도 3은 환자, 환자가 배치된 베드 및 베드의 하단에 위치하는 본 발명의 전자기 구동 장치에 포함된 코일부를 나타낸 가상도이다.
도 3을 참조하면, 마이크로 로봇 (5)은 환자의 체내에 삽입될 수 있고, 코일부 (100)는 베드의 하단에 배치될 수 있다. 이에 의해, 위급 상황시 전자기 구동 장치를 조작하는 의료진의 환자에 대한 접근성이 증대될 수 있다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 마이크로 로봇 구동 영역 내에서 마이크로 로봇에 코일부가 정렬된 상태를 나타낸 가상도이다.
도 4a를 참조하면, 자기장 형성이 가능한 영역 즉, 마이크로 로봇의 구동 영역과 마이크로 로봇의 현재 위치에 중심축이 정렬된 코일의 모습을 확인할 수 있다.
즉, 제1코일 (131) 측 상단에 위치한 마이크로 로봇을 향하여 제1코일 (131), 제2코일 (132) 및 제3코일 (133)의 중심축이 정렬되어 있다.
코일의 중심축이 마이크로 로봇을 향해 정렬된 제1코일 (131), 제2코일 (132) 및 제3코일 (133)에만 전류를 공급함으로써, 코일의 중심축에서 형성되는 강한 자기장을 효율적으로 활용할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 마이크로 로봇이 목표 위치로 구동되고, 이에 따라 중심축이 가변된 코일의 모습을 확인할 수 있다.
즉, 제4코일 (134) 측에 위치한 마이크로 로봇 (5)에 제3코일 (133), 제4코일 (134) 및 제5코일 (135)의 중심축이 중심축이 정렬되어 있다.
코일의 중심축이 마이크로 로봇을 향해 정렬된 제3코일 (133), 제4코일 (134) 및 제5코일 (135)의 중심축을 가변 및/또는 정렬하고, 제3코일 (133), 제4코일 (134) 및 제5코일 (136)에만 전류를 공급하고, 제1코일 (131) 및 제2코일 (132)에는 전류를 차단함으로써 코일의 중심축에서 형성되는 강한 자기장을 효율적으로 활용할 수 있다.
따라서, 적은 양의 전류로도 마이크로 로봇에 대하여 강한 세기의 자기장을 인가할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 구체예에 따라 마이크로 로봇의 정렬 및 구동을 위한 전자기 구동 어레이 장치를 나타낸 평면도이다.
도 5을 참조하면, 예를 들어, 전자기 구동 어레이 장치는 6 x 6개의 코일 (A1 내지 A6, B1 내지 B6, C1 내지 C6, D1 내지 D6, E1 내지 E6 및 F1 내지 F6,)을 포함하는 것일 수 있다.
파선으로 나타낸 도 5의 a)는 본 발명의 일 실시예에 따라, A1 내지 A3 코일, B1 내지 B3 코일 및 C1 내지 C3 코일을 이용한 마이크로 로봇 제어 가능 영역을 나타낸 것이다.
파선으로 나타낸 도 5의 b)는 본 발명의 일 실시예에 따라, C3 내지 C5 코일, D3 내지 D5 코일 및 E3 내지 E5 코일을 이용한 마이크로 로봇 제어 가능 영역을 나타낸 것이다.
또한, 도 5를 참조하면 코일부에 전원을 공급하거나 차단할 수 있는 전원부를 확인할 수 있다. 전원부 (500)는 도선 (510), 코일 (110)과 도선 (510)을 통하여 전기적으로 연결되는 파워 서플라이 (520) 및 솔레노이드 코일 (110)의 일 측에 구비되는 파워 컨트롤러 (530)를 포함하는 것일 수 있다.
파워 서플라이 (520)는 전류를 발생시키는 장치를 포함하는 것일 수 있다.
도선 (510)은 파워 서플라이 (520)와 적어도 하나 이상의 솔레노이드 코일 (110)을 연결하는 것일 수 있다. 예를 들어, 도 5와 같이, 도선 (510) 파워 서플라이 (520)와 2개의 코일을 연결하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
파워 컨트롤러 (530)는 예를 들어, 스위치와 같이 on-off될 수 있는 장치로서, 도선에 전류를 흐르게 하거나 (on), 또는 흐르지 않게 하는 (off) 것과 같이 도선에 흐르는 전류를 제어하는 장치를 의미하는 것일 수 있다.
따라서, 전원부 (500)는 파워 컨트롤러부 (530)를 통하여 전류의 제공이 필요한 코일과 전류의 차단이 필요한 코일을 구분하여 파워 서플라이 (520)가 코일에 인가하는 전류를 제어하는 것일 수 있다.
또한, 전원부 (500)는 파워 컨트롤러부 (530)를 통하여, 마이크로 로봇의 구동에 영향을 주지 않는 코일에 인가되는 전류를 차단함으로써, 불필요한 자기장이 생성되지 않게 하여 효율적으로 전력을 공급하는 것일 수 있다.
파워 컨트롤러 (530)와 솔레노이드 코일 (110)의 개수비는 1:1일 수 있고, 이 때, 파워 컨트롤러 (530)는 파워 서플라이 (520)와 코일을 연결하는 도선을 개별적으로 제어함으로써, 개별 코일 마다 전류를 인가하거나 차단할 수 있다.
이에 따라, 솔레노이드 코일 (110)은 각각 독립적으로 중심축의 기울기가 가변될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따라, 환자, 환자에 적용된 전자기 구동 장치 및 전자기 구동 장치를 조작하는 의료진을 나타낸 가상도이다.
도 6을 참조하면, 환자는 베드 (8)에 누운 상태로 대기하고, 베드의 하단에 배치된 전자기 구동 자치가 구동하여 환자의 체내에 삽입된 마이크로 로봇 (5)의 현재 위치를 확인하고 목표 위치로 이동시키기 위하여 의료진 (9)이 컨트롤러 조이스틱을 조작하는 것일 수 있다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따라, 전자기 구동 장치의 구동 방법을 나타낸 블록도이다.
도 7을 참조하면, 마이크로 로봇의 구동 방법은 위치 및 자세 확인 단계 (S100), 제1코일부 정렬 단계 (S200) 및 제2코일부 정렬 단계 (S300)를 포함하는 것일 수 있다.
위치 및 자세 확인 단계 (S100)는 위치 및 자세 정보 측정부로부터 마이크로 로봇의 현재 위치 및 자세 정보를 인가받음으로써 마이크로 로봇의 현재 위치 및 자세를 확인하는 것일 수 있다.
제1코일부 정렬 단계 (S200)는 마이크로 로봇의 위치 및 자세 정보에 따라 적어도 하나 이상의 솔레노이드 코일 (110)의 중심축을 마이크로 로봇 (5)으로 향하도록 정렬시키는 것일 수 있다.
즉, 제1코일부 정렬 단계 (S200)는 코일의 중심축 방향에서 형성되는 강한 자기장을 효율적으로 활용하기 위하여 수행되는 것일 수 있다.
제2코일부 정렬 단계 (S300)는 연산부가 연산한 목표 위치 및 자세 정보에 따라 마이크로 로봇 (5)의 구동을 위하여 마이크로 로봇의 추진 방향, 추진력 및 정렬 방향에 맞게 자기장이 형성되도록 코일 (100)에 인가하는 전류를 제어하는 것일 수 있다.
제2코일부 정렬 단계 (S300)는 마이크로 로봇 (5)이 목표 이동 방향으로 구동되기 위하여 필요한 코일에만 전류를 인가함으로써, 효율적으로 전류를 인가하는 것일 수 있다.
종합하면, 마이크로 로봇의 현재 위치 및 자세와 코일의 정렬 방향이 설정되면 코일에 단위 전류를 인가했을 때 발생되는 자기장의 세기 및 방향을 미리 계산된 자료를 통하거나 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있다. 마이크로 로봇이 목표 위치 및 자세로 이동하기 위해 필요한 힘과 토크가 입력되면, 필요한 자기장의 세기 및 코일의 중심축 기울기를 계산할 수 있다. 또한, 각 코일의 조합으로 필요한 자기장의 세기 및 방향을 얻어야 하기 때문에 각 코일에 인가되어야 하는 전류의 세기와 코일 중심축의 기울기를 계산해 낼 수 있다. 이를 통하여 마이크로 로봇은 현재 위치 및 자세로부터 목표 위치 및 자세로 구동할 수 있다.
본 발명은 적어도 하나 이상의 자기장을 생성하는 코일을 포함하는 코일부; 볼 및 내측에 볼이 삽입되는 볼 수용 공간을 구비한 하우징을 포함하는 볼 조인트부; 상기 코일부의 일 측에 배치되는 플레이트를 포함하는 플레이트부; 상기 플레이트부의 일 측에 배치되는 모듈 정렬부; 및 도선, 상기 코일과 상기 도선을 통하여 전기적으로 연결되는 파워 서플라이, 및 상기 도선의 일 측에 구비되는 파워 컨트롤러를 포함하는 전원부;를 포함하는 전자기 구동 장치에 관한 것이다.

Claims (15)

  1. 코일을 포함하는 코일부;
    일 측에 상기 코일에 연결된 제1지지부가 결합되고 타 측에 제2지지부가 결합된 볼, 및 내측에 볼 수용 공간을 구비하여, 상기 볼이 삽입 가능한 하우징을 포함하는 볼 조인트부;
    상기 코일부의 일 측에 배치되고, 상기 하우징과 연결되는 플레이트를 포함하는 플레이트부;
    상기 플레이트부의 일 측에 배치되고, 상기 제2지지부와 연결되며, 돌출부를 포함하는 모듈 정렬부; 및
    도선, 상기 코일과 상기 도선을 통하여 전기적으로 연결되는 파워 서플라이, 및 상기 도선의 일 측에 구비되는 파워 컨트롤러를 포함하는 전원부;
    를 포함하는 전자기 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코일은 솔레노이드 코일인 것인, 전자기 구동 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1지지부 및 상기 제2지지부는 서로 대향되도록 볼에 결합하는 것인, 전자기 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2지지부는 중공의 내부를 일부 포함하는 것인, 전자기 구동 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 내측에 완충부재를 더 포함하는 것인, 전자기 구동 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 완충부재는 천연 고무, 합성 고무 및 스프링으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것인, 전자기 구동 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 상기 볼의 표면을 감싸도록 만곡되는 것인, 전자기 구동 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 일 측 일부가 개방된 제1개구부 및 타 측 일부가 개방된 제2개구부를 포함하는 것인, 전자기 구동 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1개구부 및 상기 제2개구부의 지름은 상기 볼의 지름보다 작은 것인, 전자기 구동 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 모듈 정렬부는
    상기 돌출부가 일측에 구비된 제1모듈;
    상기 제1모듈에 구비된 돌출부의 타 측에 배치되는 제2모듈; 및
    제1모듈과 제2모듈의 사이에 배치되는 슬라이더;를 포함하고,
    상기 제1모듈은 제2모듈에 대하여 슬라이딩 구동이 가능하도록 슬라이더와 결합하고, 슬라이더는 제1모듈의 돌출부에 대향하여 타 측에 배치되며,
    상기 제1모듈의 길이 방향 축과 상기 제2모듈의 길이 방향 축은 서로 직교하는 것인, 전자기 구동 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1모듈은 일 축 방향으로 이동 가능하도록 결합된 제1이동 부재 및 제1동력부를 더 포함하고, 상기 제2모듈은 일 축 방향으로 이동 가능하도록 결합된 제2이동 부재 및 제2동력부를 더 포함하고,
    상기 제1이동 부재는 제1동력부와 연결되고, 상기 제2이동 부재는 제2동력부와 연결된 것인, 전자기 구동 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2모듈은 제1모듈이 이동 가능한 일 축 방향과 직교하는 축 방향으로 이동 가능하도록 배치된 것인, 전자기 구동 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 전자기 구동 장치는 위치 및 자세 정보 측정부를 더 포함하는 것인, 전자기 구동 장치.
  14. 코일부, 볼 조인트부 및 모듈 정렬부를 포함하는 전자기 구동 장치를 적어도 2개 이상 포함하는 전자기 구동 어레이 장치.
  15. 다음의 단계를 포함하는 전자기 구동 장치의 구동 방법:
    마이크로 로봇의 현재 위치 및 자세 정보를 확인하는, 위치 및 자세 확인 단계;
    마이크로 로봇의 현재 위치에 코일의 중심축을 정렬시키고, 정렬된 코일에 전류를 인가하는 제1코일부 정렬 단계; 및
    마이크로 로봇의 목표 위치 및 자세로 구동하기 위하여 코일의 중심축을 가변시키고, 가변된 코일에 전류를 인가하는 제2코일부 정렬 단계.
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