WO2022103013A1 - 가중치 전류제어 기능을 포함하는 마이크로로봇 구동 시스템 및 이를 통한 마이크로로봇의 구동 방법 - Google Patents

가중치 전류제어 기능을 포함하는 마이크로로봇 구동 시스템 및 이를 통한 마이크로로봇의 구동 방법 Download PDF

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microrobot
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driving
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박종오
김창세
김자영
정성환
이한솔
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재단법인 한국마이크로의료로봇연구원
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    • A61B2560/0266—Operational features for monitoring or limiting apparatus function
    • A61B2560/0271—Operational features for monitoring or limiting apparatus function using a remote monitoring unit

Definitions

  • the present invention was made under the support of the Ministry of Health and Welfare under the project specific number 1465031028 and project number HI19C0656010020, the research and management agency of the project is the Korea Health Industry Development Institute, the research project name is "micro medical robot commercialization technology development project (R & D)", The research project name is "Development of capsule endoscope for capsule endoscope robot", the lead institution is Wooyoung Medical, and the research period is 2019.05.20 ⁇ 2022.12.31.
  • the present invention relates to a microrobot driving system including a weighted current control function and a method for driving a microrobot through the same, and more particularly, to a coil included in an electromagnetic field system by controlling the temperature of the coil through weighted current control, It relates to an apparatus and method for efficiently managing the temperature of a coil and an electromagnetic field system without a separate cooling device.
  • a procedure using microrobots for example, minimally invasive surgery, is a surgical method that can reduce the patient's pain and shorten the recovery period by enabling precise targeting of diseases and minimization of incisions. is in progress
  • the self-driving method includes a method of propelling using the pressure of gas generated by a mutual chemical reaction between an external fluid and a microrobot body, a method of using biological thrust such as movement of bacteria, and the like.
  • the self-driving method has limitations in that it is difficult to apply to the human body due to low control freedom, low control precision, and chemical/biological toxicity for driving the microrobot.
  • the micro-robot driving method using a magnetic field is a representative external driving method with high safety in the human body, and can be classified into a method using a permanent magnet or an electromagnetic driving coil device.
  • the micro-robot control method using an electromagnetic driving coil has the advantage of being able to precisely control the strength and direction of the magnetic field by controlling the current applied to the coil. It is one of the fields in which research is being conducted. In particular, there are many studies that use an external magnetic field to propel microrobots or drive them for treatment. Most of the studies are conducted on a two-dimensional plane or a study that can simply move in a three-dimensional space.
  • the medical device is partially or entirely composed of a magnetic material without a battery or a separate actuator.
  • This electromagnet-driven medical device can be controlled with a magnetic field generated by applying a current to a coil fixedly arranged outside. In this case, by controlling the intensity and direction of the current applied to each coil, desired driving of the medical device can be realized.
  • the method using the electromagnet is easier to control than the method using the permanent magnet, and the movement of the medical device can be quickly controlled according to the characteristics of the coil.
  • electromagnet cooling using water cooling and air cooling methods has a disadvantage in that there are many considerations for heat and noise, the system is complicated and the device is large, so the maintenance cost is high. receive a large And, in the case of a heat pipe, the configuration of an additional liquid cooling device is inevitably required, the weight of the entire system increases, and the magnetic field is attenuated due to the material properties and volume of the heat pipe.
  • the method of cooling the electromagnet through oil flow has a disadvantage in that it is necessary to fabricate an additional device for a channel for cooling and a hollow shaft for cooling the rotor.
  • the present inventors have invented a microrobot driving system that can control the temperature of each coil by weighting it according to the temperature of each coil, and it was confirmed that the temperature control effect thereof is extremely excellent.
  • Another object of the present invention is to provide a method of driving a microrobot for controlling a power supply unit so that a current of a specific value is applied to each coil by weighting according to the temperature of each coil.
  • Another object of the present invention is to provide a method of controlling an electromagnetic field system for driving a microrobot that adjusts the temperature of each coil by weighting it according to the temperature of each coil.
  • the present invention relates to a microrobot driving system including a weighted current control function and a method of driving a microrobot through the same.
  • the coil temperature can be adjusted.
  • the present inventors have thus confirmed that the temperature control effect of the coil and electromagnetic field system of the microrobot driving system and the microrobot driving method according to the present invention are remarkably excellent.
  • One aspect of the present invention includes: an electromagnetic field system comprising one or more coils receiving independent current from a power source and applying an electromagnetic field to the microrobot through each of the coils; a temperature sensing unit for measuring a temperature of the electromagnetic field system or the coil; a processing unit for receiving position information and direction information of the microrobot, receiving temperature information from the temperature sensing unit, and controlling the power supply unit to apply a current of a specific value to each of the coils; It is a microrobot driving system that controls the power supply so that a specific value of current ( I ) is applied to each coil by weighting according to the temperature of each coil.
  • micro-robot is a type of implantable medical device into the human body, and a mechanical/electronic micro-robot and a microcarrier for DDS including a permanent magnet or an elongated body as a millimeter-scale magnetic material such as a blood vessel robot and an active capsule endoscope.
  • a mechanical/electronic micro-robot and a microcarrier for DDS including a permanent magnet or an elongated body as a millimeter-scale magnetic material such as a blood vessel robot and an active capsule endoscope.
  • polymer/cell-based microrobots containing magnetic nanoparticles as micro/nano-scale magnetic materials such as microscaffolds, nanorobots, and macrophage robots for delivery of cell therapeutics, and others
  • Other types of micro-robots may be included.
  • the microrobot according to the present invention may further include at least one selected from the group consisting of a camera module, a location information providing unit, a driving unit, a treatment unit, a robot control unit, a data transmitting/receiving unit, and a wireless power receiving unit.
  • the coil may be one or more types of coils selected from a solenoid coil, a circular coil, a square coil, a Maxwell coil, a Helm-Heltz coil, and a saddle coil.
  • circular coil may be interpreted as a circular electromagnet, and the circular electromagnet refers to a ring-shaped magnet, that is, an endless magnet that does not show the effect of the magnetic force at the end.
  • one or more temperature sensing units may be included in each coil.
  • the electromagnetic field system may include a cooling unit for cooling each coil.
  • the processing unit may derive the current ( I ) of the specific value applied to each of the coils by the following ⁇ Equation 1>.
  • E is an identity matrix
  • D is a required magnetic force matrix and is defined as in ⁇ Equation 2>;
  • Q 0 is a weight matrix and is defined as in Equation 3 below;
  • X(P) is a unit magnetic field matrix, which is defined as in Equation 4 below,
  • B U (P) is the unit magnetic flux density of each coil at the center point of the Region Of Interest (ROI)
  • B Ux (P), B Uy (P), B Uz (P) are the x, y, and z axes is the partial derivative of B U (P) with respect to the direction, is the magnetization magnitude with respect to the driving direction of the microrobot, and V is the volume of the microrobot's magnetic material
  • ⁇ Equation 1> is a formula for deriving the required coil current, and it can be derived by configuring the following ⁇ Equation 5> in the form of a pseudo-inverse matrix.
  • Another aspect of the present invention is a method of driving a microrobot, which is driven by a microrobot driving system, comprising the following steps:
  • the control step may include a first receiving step of receiving temperature information of each coil of the electromagnetic field system; a second receiving step of receiving location information and direction information of the microrobot; a first calculation step of calculating a weight for each coil from the temperature information; a second calculation step of calculating a required torque and a required magnetic force from the position information and the direction information; and calculating a current value to be applied to each coil through the weight, the required torque, and the required magnetic force.
  • the calculating step calculates the current value ( I ) to be applied to each coil by the following ⁇ Equation 1>,
  • E is an identity matrix
  • D is a required magnetic force matrix and is defined as in ⁇ Equation 2>;
  • Q 0 is a weight matrix and is defined as in Equation 3 below;
  • X(P) is a unit magnetic field matrix, which is defined as in Equation 4 below,
  • B U (P) is the unit magnetic flux density of each coil at the center point of the Region Of Interest (ROI)
  • B Ux (P), B Uy (P), B Uz (P) are the x, y, and z axes is the partial derivative of B U (P) with respect to the direction, is the magnetization magnitude with respect to the driving direction of the microrobot, and V is the volume of the microrobot's magnetic material
  • Another aspect of the present invention is a method of controlling an electromagnetic field system for driving a microrobot, comprising the steps of:
  • a first receiving step of receiving temperature information of each coil of the electromagnetic field system a second receiving step of receiving location information and direction information of the microrobot; a first calculation step of calculating a weight for each coil from the temperature information; a second calculation step of calculating a required torque and a required magnetic force from the position information and the direction information; and calculating a current value to be applied to each coil through the weight, the required torque, and the required magnetic force.
  • the method for controlling the electromagnetic field system for driving the microrobot according to the present invention includes the same calculation step as the above-described method for driving the microrobot of the present invention, the overlapping content between the two avoids excessive complexity of the present specification. omit to do
  • the present invention relates to a microrobot driving system including a weighted current control function and a method of driving a microrobot through the same.
  • a microrobot driving system including a weighted current control function and a method of driving a microrobot through the same.
  • FIG. 1 is a view showing an operation flow of a microrobot driving system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram specifically showing an operation flow of a microrobot driving system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a temperature sensing unit of a microrobot driving system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing an electromagnetic field system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a process of deriving a magnetic field necessary for driving a microrobot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing the operation of the processing unit in driving the microrobot according to an embodiment of the present invention, and is a view showing a process of deriving a coil current required for driving the microrobot.
  • FIG. 7 is a graph showing an input current to each electromagnet coil when a weighted current control function according to an embodiment of the present invention is not applied.
  • FIG 8 is a graph showing an input current to each electromagnet coil when a weighted current control function according to an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 9 is a graph showing the amount of heat generated by each electromagnet coil when the weighted current control function according to an embodiment of the present invention is not applied.
  • FIG. 10 is a graph showing the amount of heat generated by each electromagnet coil when a weighted current control function according to an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 11 is a view showing the experimental results of driving the microrobot in the small intestine of a pig using the microrobot driving system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a graph showing the current induced in each electromagnet coil when the weighted current control function according to an embodiment of the present invention is not applied when the microrobot is driven in the small intestine of a pig.
  • FIG. 13 is a graph showing the current induced in each electromagnet coil when a weighted current control function according to an embodiment of the present invention is applied when the microrobot is driven in the small intestine of a pig.
  • FIG. 14 is a graph showing the calorific value of each electromagnet coil when the microrobot is driven in a pig small intestine when the weighted current control function according to an embodiment of the present invention is not applied.
  • 15 is a graph showing the calorific value of each electromagnet coil when the weighted current control function according to an embodiment of the present invention is applied when the microrobot is driven in the small intestine of a pig.
  • An electromagnetic field system comprising one or more coils receiving an independent current from a power source and applying an electromagnetic field to the microrobot through each of the coils;
  • a temperature sensing unit for measuring a temperature of the electromagnetic field system or the coil
  • a processing unit for receiving position information and direction information of the microrobot, receiving temperature information from the temperature sensing unit, and controlling the power supply unit to apply a current of a specific value to each of the coils;
  • the processing unit controls the power supply unit so that a current ( I ) of a specific value is applied to each of the coils by weighting them according to the temperature of each coil,
  • ⁇ unit means a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software.
  • ⁇ unit means a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software.
  • FIG. 1 is a view showing an operation flow of a microrobot driving system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram showing a detailed operation flow of a microrobot driving system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a temperature sensing unit of a microrobot driving system according to an embodiment of the present invention.
  • a microrobot driving system includes a processing unit 100 , a power supply unit 200 , an electromagnetic field system 300 , a microrobot 400 , a temperature sensing unit 500 , and a location information system. (600).
  • the electromagnetic field system 300 may include one or more coils, and each coil may independently receive current from the power supply unit 200 .
  • the coil may be one or more types of coils selected from a solenoid coil, a circular coil, a square coil, a Maxwell coil, a Helm-Heltz coil, and a saddle coil.
  • the electromagnetic field system 300 may generate a magnetic field for driving the microrobot 400 .
  • the microrobot 400 may include a magnetic material, and thus may be moved to a position desired by the user by the magnetic field generated by the electromagnetic field system 300 .
  • the location information system 600 may be included in the micro-robot 400, or is disposed outside the micro-robot to measure the location and direction of the micro-robot 400, and generate location information and direction information to the processing unit 100 can be sent to
  • the temperature sensing unit 500 may measure the electromagnetic field system 300 or a temperature of a coil included in the electromagnetic field system, and may generate temperature information and transmit it to the processing unit.
  • one or more temperature sensing units 500 may be included in each coil, and the temperature sensing unit 500 is provided in each of ten coils included in the electromagnetic field system to detect heat generated from the coils in real time. It can be measured, but is not limited thereto.
  • the processing unit 100 may receive the temperature information from the temperature sensing unit 500 and calculate by weighting the current required for each coil based on the temperature information of the coil, and may transmit this to the power supply unit.
  • the processing unit 100 may receive location information and direction information of the microrobot 400 from the location information system 600 .
  • FIG. 2 is a view showing an electromagnetic field system according to an embodiment of the present invention.
  • an electromagnetic field capable of generating a magnetic field by an electromagnet current may include an electromagnet coil including a plurality of coils.
  • Electromagnet coils include a number of coils: Maxwell coils (MC y1 , MC y2 , MCz 1 , MC z2 ), Helmholtz coils (HC y1 , HC y2 ) and Rectangular coils (RC).
  • xz_L1 , RC xz_L2 , RC xz_R1 , RC xz_r2 may be configured through an arrangement.
  • Maxwellian coil pairs (MC y1 , MC y2 , MCz 1 , MC z2 ) may be disposed with a distance of ⁇ 3 times ( ⁇ 3 R) of the radius of each Maxwellian coil.
  • the Helmholtz coil pairs HC y1 and HC y2 may be arranged to form a pair while being spaced apart by a distance of a radius of each Helmholtz coil.
  • the square coil (RC xz_L1 , RC xz_L2 , RC xz_R1 , RC xz_r2 ) is as shown in FIG. 2 , and the square coil pair is disposed at an angle of 45 degrees with respect to the Maxwellian coil pair (MCz 1 , MC z2 ), when viewed from the front It may be arranged to form a square.
  • each coil pair constituting the electromagnet coil may be installed to generate a uniform magnetic field and a gradient magnetic field in each axis in order to move the microrobot in a space with three degrees of freedom.
  • ten coils are arranged to form an electromagnet coil, but the arrangement method and the number of coils may be variously changed depending on the applied system.
  • FIG. 3 is a view showing a process of deriving a magnetic field necessary for driving the microrobot according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a view showing the operation of the processing unit in driving the microrobot according to an embodiment of the present invention
  • It is a diagram showing a process of deriving a coil current required for driving a microrobot.
  • the microrobot is multiplied by the current ( I ) input to the electromagnetic field system and the unit magnetic field matrix (X(P)) at the center point of the region of interest (ROI). It is possible to calculate the magnetic field for actuation.
  • Equation 5 B d is the required torque (Desired Torque), F d is the required magnetic force (Desired Force).
  • B U (P) is the unit magnetic flux density of each coil at the center point of the region of interest
  • B Ux (P), B Uy (P), B Uz (P) are B U in the x, y, and z-axis directions.
  • is the partial derivative of (P) is the magnetization magnitude with respect to the driving direction of the microrobot
  • V is the volume of the magnetic material of the microrobot.
  • the required coil current (Desired current, I ) can be derived by configuring the equation in ⁇ Equation 5> in the form of a pseudo inverse matrix, and the relation for the derived coil current is the following ⁇ Equation 1> is the same as
  • E is an identity matrix
  • D is a required magnetic force matrix and is defined as in ⁇ Equation 2> below, in ⁇ Equation 2>, B d is a desired torque, and F d is a desired magnetic force (Desired Force).
  • Q 0 is a weight matrix and is defined as in Equation 3 below, where W i is the weight of the i-th coil.
  • Equation 5 is a unit magnetic field matrix, which can be derived from Equation 5, and is defined as Equation 4 below.
  • the processing unit 100 receives temperature information from the temperature sensing unit 500 of the electromagnetic field system 300 , sets a current weight W i based on the temperature information, and through the location information system
  • the coil current ( I ) can be calculated by receiving the magnetic forces (Bd, Fd) required to drive the microrobot.
  • the weight W i is always a positive value, and has the same number as the number of electromagnet coils.
  • the weight W i is configured in the form of a diagonal matrix in the weight matrix Q 0 as shown in Equation 3 above.
  • the weight matrix (Q 0 ) increases the weight ( W i ) for a specific coil with a high temperature ( W i > 1)
  • the power supply can control the current to supply the optimal current to the coil.
  • the processing unit can control the temperature by lowering the heating value of the coil expected to overheat or overheat the electromagnet, and according to the above process, the microrobot driving system according to the present invention generates a desired magnetic field and weights the temperature of the electromagnet coil It can be controlled by regulating.
  • the experiment shows the arrangement of Maxwell coils (MCy1, MCy2, MCz1, MCz2), Helmholtz coils (HCy1, HCy2) and Rectangular coils (RCxz_L1, RCxz_L2, RCxz_R1, RCxz_r2) of FIG. It was carried out using a conventional electromagnetic field system.
  • the control group input the required magnetic field in the z-axis direction to the processing unit (required torque (Bd) 0.01T, required magnetic force (Fd) 0.1T/m), and the required current ( I in each coil) through the following ⁇ Equation 5> ), the calorific value was measured for 10 seconds.
  • the experimental group input the required magnetic field in the z-axis direction in the same way as the control group (required torque (Bd) 0.01T, required magnetic force (Fd) 0.1T/m), and using the current value induced through ⁇ Equation 5>, Calculate the amount of heat generated in each coil, set a weight of 2.5 to the electromagnet coil with the highest heat output and a weight of 1 to the remaining coils, and then derive the required current ( I ) to which the weighting matrix is applied based on the following ⁇ Equation 1> did
  • Example 2 Confirmation of temperature control effect according to microrobot driving and weight current control
  • an ex-vivo experiment was performed by driving a microrobot in the form of a capsule endoscope using a pig's small intestine from the entrance of the small intestine to the exit of the small intestine while controlling the operation with a joystick.
  • the microrobot was controlled using the weighted current control method according to the present invention or was driven in the small intestine without the weighted current control method.
  • the microrobot was controlled on the X-Y plane, and it took 370 seconds one way and 608 seconds round trip to drive the microrobot from the entrance to the exit of the small intestine.
  • the required magnetic field input information for each time when the microrobot was driven was applied the same regardless of whether or not the weighted current control method was performed. At this time, the temperature of each coil and the current induced in the coil were measured in each case.
  • the present invention relates to a microrobot driving system including a weighted current control function and a method of driving a microrobot through the same, and more particularly, by controlling the temperature of a coil included in an electromagnetic field system through weighted current control, It relates to an apparatus and method for efficiently managing the temperature of a coil and an electromagnetic field system without a separate cooling device.

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Abstract

본 발명은 가중치 전류제어 기능을 포함하는 마이크로로봇 구동 시스템 및 이를 통한 마이크로로봇의 구동 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 마이크로로봇 구동 시스템 및 마이크로로봇의 구동방법은 코일의 온도에 따라 가중치를 부여하여 코일의 온도를 조절하여 전자기장 시스템 및 전자기장 시스템에 포함된 코일의 온도를 효과적이고 효율적으로 조절할 수 있다.

Description

가중치 전류제어 기능을 포함하는 마이크로로봇 구동 시스템 및 이를 통한 마이크로로봇의 구동 방법
본 발명은 보건복지부의 지원 하에서 과제고유번호 1465031028, 과제번호 HI19C0656010020에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국보건산업진흥원, 연구사업명은 "마이크로의료로봇실용화기술개발사업(R＆D)", 연구과제명은 "캡슐형 내시경 로봇용 캡슐내시경 개발", 주관기관은 (주)우영메디칼, 연구기간은 2019.05.20 ~ 2022.12.31이다.
본 발명은 가중치 전류제어 기능을 포함하는 마이크로로봇 구동 시스템 및 이를 통한 마이크로로봇의 구동 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전자기장 시스템에 포함된 코일을 가중치 전류제어를 통해 코일의 온도를 조절함으로써, 코일 및 전자기장 시스템의 온도를 별도의 냉각장치 없이도 효율적으로 관리할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
마이크로 로봇을 이용한 시술, 예를 들어, 최소 침습시술은 질환에 대한 정밀 타겟팅 및 절개부위의 최소화가 가능하여 환자의 고통을 줄일 수 있고, 회복기간도 짧게 할 수 있는 수술방법으로 최근에 많은 연구가 진행되고 있다.
마이크로 로봇의 움직임을 제어하기 위한 방법은 외부구동과 자체구동방식으로 나눌 수 있다. 자체 구동방식에는 외부유체와 마이크로 로봇 몸체 사이의 상호 화학반응에 의해 발생된 가스의 압력을 이용하여 추진하는 방식, 박테리아 움직임과 같은 생물학적 추진력을 이용하는 방식 등이 있다. 그러나 자체 구동방식은 마이크로 로봇 구동을 위한 낮은 제어 자유도, 낮은 제어 정밀도 및 화학/생물학적 독성문제 등으로 인하여 인체 내에 적용하기 어렵다는 한계가 있다.
자기장을 이용한 마이크로 로봇 구동방식은 인체 내 안전성이 높은 대표적인 외부 구동방식으로서, 영구자석 또는 전자기 구동코일 장치를 이용한 방법으로 구분할 수 있다. 특히, 영구자석을 이용한 방식과 비교하여 전자기 구동 코일을 이용한 마이크로 로봇 제어방식은 코일에 인가되는 전류를 제어하여 자기장의 세기 및 방향을 정밀하게 제어할 수 있다는 장점으로 인해 적용범위가 다양하고 가장 활발하게 연구가 진행되고 있는 분야 중 하나다. 특히, 외부 자기장을 이용해 마이크로 로봇을 추진하거나 치료를 위한 구동을 하는 연구가 많이 진행되고 있는데, 대다수의 연구가 2차원 평면상에서 이루어지거나, 3차원공간을 단순히 이동할 수 있는 연구가 주로 진행되고 있다. 전자기 구동코일 장치는 자기장을 이용하여 제어할 수 있도록 의료용 디바이스는 배터리나 별도의 구동기 없이 일부 또는 전체가 자성체로 구성된다.
이렇게 전자석으로 구동되는 의료용 디바이스는 외부에 고정 배치된 코일에 전류를 인가하여 생성된 자기장으로 제어가 가능하다. 이때, 각 코일에 인가되는 전류의 세기와 방향 등을 제어하게 되면 의료용 디바이스의 원하는 구동을 구현할 수 있다. 전자석을 이용한 방법은 영구자석을 이용한 방법에 비해서 제어가 용이하고, 코일의 특성에 따라 의료용 디바이스의 움직임이 빠르게 제어될 수 있다.
하지만, 전자석을 이용하여 마이크로 로봇의 제어시에 전자석에서는 열이 발생하게 되며, 발생하는 열이 상당함에 따라 마이크로로봇 구동 시스템의 운용시간에는 제약이 걸리게 된다. 현재 전자석을 냉각하기 위한 방법으로, 수냉식, 공랭식, 히트 파이프 및 오일 유동을 활용하여 전자석을 냉각하는 방법이 알려져 있다.
하지만, 수냉식 및 공랭식 방법을 통한 전자석 냉각은 열 및 소음등에 고려사항이 많고 시스템이 복잡하고 장치가 커져 유지비용이 높은 단점이 있으며, 공랭식의 경우 수냉식에 비해 열 제거용량이 적고 시스템 설계 구조에 영향을 크게 받는다. 그리고, 히트 파이프의 경우, 추가적인 액체 냉각 장치의 구성이 필연적으로 요구되며, 전체 시스템의 무게가 증가하고 히트파이프의 재료적 특성 및 부피에 의해 자기장의 감쇠가 발생하게 된다. 또한, 오일 유동을 통해 전자석을 냉각하는 방법은 냉각을 위한 채널 및 로터 냉각용 중공축에 대한 추가 장치의 제작이 필요한 단점이 존재한다.
이러한 배경에서, 마이크로로봇 구동 시스템의 크기를 소형화 하면서도, 자기장의 감쇠가 발생하지 않으며, 전자석의 온도를 효율적으로 관리할 수 있는 온도조절 방법에 대한 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
이에 본 발명자들은 각각의 코일의 온도에 따라 가중치를 부여하여 코일의 온도를 조절할 수 있는 마이크로로봇 구동 시스템을 발명하였으며, 이의 온도조절효과가 월등히 우수한 것을 확인하였다.
이에, 본 발명의 목적은 각각의 코일의 온도에 따라 가중치를 부여하여 각각의 코일에 특정 값의 전류가 인가되도록 전원부를 제어하는 마이크로로봇 구동 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 각각의 코일의 온도에 따라 가중치를 부여하여 각각의 코일에 특정 값의 전류가 인가되도록 전원부를 제어하는 마이크로로봇의 구동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 각각의 코일의 온도에 따라 가중치를 부여하여 각각의 코일의 온도를 조절하는 마이크로로봇의 구동을 위한 전자기장 시스템의 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 가중치 전류제어 기능을 포함하는 마이크로로봇 구동 시스템 및 이를 통한 마이크로로봇의 구동 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 마이크로로봇 구동 시스템 및 마이크로로봇의 구동방법은 코일의 온도에 따라 가중치를 부여하여 코일의 온도를 조절할 수 있다.
본 발명자들은 이에 본 발명에 따른 마이크로로봇 구동 시스템 및 이를 통한 마이크로로봇의 구동 방법의 코일 및 전자기장 시스템의 온도조절 효과가 월등히 우수한 것을 확인하였다.
이하 본 발명을 더욱 자세히 설명하고자 한다.
본 발명의 일 양태는, 전원부로부터 독립적인 전류를 공급받는 하나 이상의 코일을 포함하고, 각각의 상기 코일을 통해 마이크로로봇에 전자기장을 인가하는 전자기장시스템; 상기 전자기장 시스템 또는 상기 코일의 온도를 측정하는 온도 센싱부; 상기 마이크로로봇의 위치 정보 및 방향 정보를 수신받고, 상기 온도 센싱부로부터 온도 정보를 수신받으며, 각각의 상기 코일에 특정값의 전류가 인가되도록 상기 전원부를 제어하는 처리부;를 포함하고, 상기 처리부는 각각의 코일의 온도에 따라 가중치를 부여하여 각각의 상기 코일에 특정 값의 전류 (I)가 인가되도록 상기 전원부를 제어하는 것인, 마이크로로봇 구동 시스템이다.
본 명세서 상의 용어, "마이크로 로봇"은 인체 삽입형 의료기기의 일종으로, 혈관로봇, 능동캡슐 내시경과 같이 밀리미터 스케일 크기의 자성체로서 영구자석 또는 연장성체를 포함하는 기계/전자식 마이크로 로봇과 DDS용 마이크로캐리어, 세포 치료제 전달용 마이크로스캐폴드, 나노로봇, 대식세포로봇과 같은 마이크로/나노 스케일 크기의 자성체로서 자성 나노입자 (magnetic nanoparticles)를 포함하는 고분자/세포기반 마이크로 로봇으로 분류될 수 있으며, 그 외 다른 형태의 마이크로 로봇이 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로로봇은 카메라 모듈, 위치정보 제공부, 구동부, 치료부, 로봇 제어부, 데이터 송수신부 및 무선전력 수신부로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 코일은 솔레노이드 코일, 원형 코일, 사각 코일, 맥스웰 코일, 헬름헬츠 코일 및 새들 코일 중 선택되는 하나 이상의 형태의 코일일 수 있다.
본 명세서 상의 용어 "원형 코일"은 원형 전자석 (Circular electromagnet)으로 해석될 수 있으며, 원형 전자석은 고리모양의 자석, 즉 끝의 감자력의 영향이 나타나지 않는 무단 자석 (無端磁石)을 의미한다.
본 발명의 일 구현예에서, 온도 센싱부는 각각의 코일에 하나 이상 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기장시스템은 각각의 코일을 냉각시키는 냉각부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 처리부는 하기 <수식 1>에 의해 각각의 상기 코일에 인가되는 상기 특정 값의 전류 (I)를 도출할 수 있다.
Figure PCTKR2021014832-appb-I000001
<수식 1>
상기 수식에서,
E는 단위행렬 (Identity matrix);
D는 요구 자기력행렬로 하기 <수식 2>과 같이 정의되고;
Figure PCTKR2021014832-appb-I000002
<수식 2>
(Bd는 요구토크 (Desired Torque), Fd는 요구자기력 (Desired Force) 임)
Q0는 가중치행렬로 하기 <수식 3>과 같이 정의되고;
Figure PCTKR2021014832-appb-I000003
<수식 3>
(W i는 i 번째 코일의 가중치임)
X(P)는 단위 자기장 행렬로 하기 <수식 4>과 같이 정의되는 것인,
Figure PCTKR2021014832-appb-I000004
<수식 4>
(BU(P)는 관심영역 (Region Of Interest; ROI) 중심점에서 각 코일의 단위자속밀도이고, BUx(P), BUy(P), BUz(P)는 x, y, z축 방향에 대한 BU(P)의 편미분이고,
Figure PCTKR2021014832-appb-I000005
는 마이크로로봇의 구동방향에 대한 자화크기이고, V는 마이크로로봇의 자성체 부피임)
본 발명에 있어서, <수식 1>은 요구되는 코일전류를 도출하는 수식으로, 하기의 <수식 5>을 의사역행렬 형태로 구성하여 도출할 수 있다.
Figure PCTKR2021014832-appb-I000006
<수식 5>
본 발명의 다른 양태는, 마이크로로봇 구동 시스템에 의해 구동되는, 다음 단계를 포함하는 마이크로로봇의 구동 방법이다:
전자기장 시스템의 각각의 코일에 특정 값의 전류를 인가하도록 제어하는 제어 단계; 및 상기 각각의 코일이 자기장을 통해 마이크로로봇을 구동하는 구동 단계;
상기 제어 단계는, 전자기장 시스템의 각 코일의 온도 정보를 수신 받는 제1수신 단계; 마이크로로봇의 위치 정보 및 방향 정보를 수신 받는 제2수신 단계; 상기 온도 정보로부터 각각의 코일에 대한 가중치를 계산하는 제1계산 단계; 상기 위치 정보 및 상기 방향 정보로부터 요구 토크 및 요구 자기력을 산출하는 제2계산 단계; 및 상기 가중치, 상기 요구 토크 및 상기 요구 자기력을 통해 각 코일에 인가될 전류 값을 산출하는 산출 단계;를 포함함.
본 발명의 일 구현예에서, 산출 단계는 하기 <수식 1>에 의해 각 코일에 인가될 전류 값 (I)을 산출하고,
Figure PCTKR2021014832-appb-I000007
<수식 1>
상기 수식에서,
E는 단위행렬 (Identity matrix);
D는 요구 자기력행렬로 하기 <수식 2>과 같이 정의되고;
Figure PCTKR2021014832-appb-I000008
<수식 2>
(Bd는 요구토크 (Desired Torque), Fd는 요구자기력 (Desired Force) 임)
Q0는 가중치행렬로 하기 <수식 3>과 같이 정의되고;
Figure PCTKR2021014832-appb-I000009
<수식 3>
(W i는 i 번째 코일의 가중치임)
X(P)는 단위 자기장 행렬로 하기 <수식 4>과 같이 정의되는 것인,
Figure PCTKR2021014832-appb-I000010
<수식 4>
(BU(P)는 관심영역 (Region Of Interest; ROI) 중심점에서 각 코일의 단위자속밀도이고, BUx(P), BUy(P), BUz(P)는 x, y, z축 방향에 대한 BU(P)의 편미분이고,
Figure PCTKR2021014832-appb-I000011
는 마이크로로봇의 구동방향에 대한 자화크기이고, V는 마이크로로봇의 자성체 부피임)
본 발명의 또 다른 양태는, 다음 단계를 포함하는 마이크로로봇의 구동을 위한 전자기장 시스템의 제어 방법이다:
상기 전자기장 시스템의 각 코일의 온도 정보를 수신 받는 제1수신 단계; 상기 마이크로로봇의 위치 정보 및 방향 정보를 수신 받는 제2수신 단계; 상기 온도 정보로부터 각각의 코일에 대한 가중치를 계산하는 제1계산 단계; 상기 위치 정보 및 상기 방향 정보로부터 요구 토크 및 요구 자기력을 산출하는 제2계산 단계; 및 상기 가중치, 상기 요구 토크 및 상기 요구 자기력을 통해 각 코일에 인가될 전류 값을 산출하는 산출 단계.
본 발명에 따른 마이크로로봇의 구동을 위한 전자기장 시스템의 제어 방법은 전술한 본 발명의 마이크로로봇의 구동 방법과 같이 산출 단계를 동일하게 포함하므로, 둘 사이의 중복된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 회피하기 위해 생략한다.
본 발명은 가중치 전류제어 기능을 포함하는 마이크로로봇 구동 시스템 및 이를 통한 마이크로로봇의 구동 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 마이크로로봇 구동 시스템 및 마이크로로봇의 구동방법은 코일의 온도에 따라 가중치를 부여하여 코일의 온도를 조절하여 전자기장 시스템 및 전자기장 시스템에 포함된 코일의 온도를 효과적이고 효율적으로 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇 구동 시스템의 작동 흐름을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇 구동 시스템의 작동 흐름을 구체적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇 구동 시스템의 온도 센싱부를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기장 시스템을 나타낸 도면이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇 구동을 위해 필요한 자기장을 도출하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇 구동에서의 처리부의 구동을 보여주는 것으로, 마이크로로봇의 구동을 위해 요구되는 코일전류를 도출하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 가중치 전류제어 기능이 적용되지 않았을 때의 각 전자석 코일에 대한 입력전류를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가중치 전류제어 기능이 적용되었을 때의 각 전자석 코일에 대한 입력전류를 나타내는 그래프이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 가중치 전류제어 기능이 적용되지 않았을 때의 각 전자석 코일의 발열량을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가중치 전류제어 기능이 적용되었을 때의 각 전자석 코일의 발열량을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇 구동 시스템을 이용하여돼지의 소장에서 마이크로로봇을 구동한 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는 돼지 소장에서 마이크로로봇 구동 시, 본 발명의 일 실시예에 따른 가중치 전류제어 기능이 적용되지 않았을 때의 각 전자석 코일에 유도된 전류를 나타내는 그래프이다.
도 13은 돼지 소장에서 마이크로로봇 구동 시, 본 발명의 일 실시예에 따른 가중치 전류제어 기능이 적용된 경우의 각 전자석 코일에 유도된 전류를 나타내는 그래프이다.
도 14는 돼지 소장에서 마이크로로봇 구동 시, 본 발명의 일 실시예에 따른 가중치 전류제어 기능이 적용되지 않은 경우의 각 전자석 코일의 발열량을 나타낸 그래프이다.
도 15는 돼지 소장에서 마이크로로봇 구동 시, 본 발명의 일 실시예에 따른 가중치 전류제어 기능이 적용된 경우의 각 전자석 코일의 발열량을 나타낸 그래프이다.
전원부로부터 독립적인 전류를 공급받는 하나 이상의 코일을 포함하고, 각각의 상기 코일을 통해 마이크로로봇에 전자기장을 인가하는 전자기장시스템;
상기 전자기장 시스템 또는 상기 코일의 온도를 측정하는 온도 센싱부;
상기 마이크로로봇의 위치 정보 및 방향 정보를 수신받고, 상기 온도 센싱부로부터 온도 정보를 수신받으며, 각각의 상기 코일에 특정값의 전류가 인가되도록 상기 전원부를 제어하는 처리부;
를 포함하고,
상기 처리부는 각각의 코일의 온도에 따라 가중치를 부여하여 각각의 상기 코일에 특정 값의 전류 (I)가 인가되도록 상기 전원부를 제어하는 것인,
마이크로로봇 구동 시스템.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "~ 부"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 나아가, "일(a 또는 an)", "하나(one)", 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
또한, 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 이해 되어야할 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇 구동 시스템의 작동 흐름을 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇 구동 시스템의 작동 흐름을 구체적으로 보여주는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇 구동 시스템의 온도 센싱부를 나타내는 도면이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 마이크로로봇 구동 시스템은 처리부(100), 전원부(200), 전자기장 시스템(300), 마이크로로봇(400), 온도 센싱부(500) 및 위치정보시스템(600)을 포함할 수 있다.
전자기장 시스템(300)은 하나 이상의 코일을 포함할 수 있고, 각각의 코일은 전원부(200)로부터 독립적으로 전류를 공급받을 수 있다.
코일은 솔레노이드 코일, 원형 코일, 사각 코일, 맥스웰 코일, 헬름헬츠 코일 및 새들 코일 중 선택되는 하나 이상의 형태의 코일일 수 있다.
전자기장 시스템(300)은 마이크로로봇(400)의 구동을 위한 자기장을 생성할 수 있다.
마이크로로봇(400)은 자성체를 포함할 수 있으며, 이에 따라 전자기장 시스템(300)에서 생성되는 자기장에 의해 사용자가 원하는 위치로 이동될 수 있다.
위치정보시스템(600)은 마이크로로봇(400)에 포함될 수 있거나, 또는, 마이크로로봇 외부에 배치되어 마이크로로봇(400)의 위치 및 방향을 측정하고, 위치 정보 및 방향 정보를 생성하여 처리부(100)로 송신할 수 있다.
온도 센싱부(500)는 전자기장 시스템(300) 또는 전자기장 시스템에 포함된 코일의 온도를 측정할 수 있고, 온도 정보를 생성하여 처리부에 송신할 수 있다. 예를 들어, 온도 센싱부(500)는 각각의 코일에 하나 이상 포함되는 것일 수 있고, 온도 센싱부 (500)는 전자기장 시스템에 포함된 10개의 코일에 각각 구비되어 코일에서 발생되는 열을 실시간으로 측정할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
처리부(100)는 온도 센싱부(500)로부터 온도정보를 송신받아 코일의 온도 정보를 기준으로 각 코일에 필요한 만큼의 전류를 가중치를 두어 계산할 수 있으며, 이를 전원부로 송신할 수 있다. 처리부 (100)는 위치정보시스템(600)으로부터 마이크로로봇(400)의 위치정보 및 방향정보를 송신받을 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기장 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 전자석 전류에 의해 자기장을 발생시킬 수 있는 전자기장 다수의 코일로 이루어지는 전자석 코일을 포함할 수 있다.
전자석 코일은 다수의 코일 즉, 맥스웰 코일 (Maxwell coil)(MCy1, MCy2, MCz1, MCz2), 헬름홀츠 코일 (Helmholtz coil)(HCy1, HCy2) 및 사각 코일(Rectangular coil)(RCxz_L1, RCxz_L2, RCxz_R1, RCxz_r2)의 배열을 통해 구성될 수 있다.
맥스웰 코일 쌍(MCy1, MCy2, MCz1, MCz2)은 각 맥스웰 코일의 반지름의 √3 배 (√3 R)의 거리를 두어 서로 배치될 수 있다.
헬름홀츠 코일 쌍(HCy1, HCy2)은 각 헬름홀츠 코일의 반지름의 거리만큼 이격되어 쌍을 이루도록 배치될 수 있다.
사각 코일(RCxz_L1, RCxz_L2, RCxz_R1, RCxz_r2)은 도 2와 같이, 사각 코일 쌍은 맥스웰 코일 쌍(MCz1, MCz2)을 기준으로 45도 각도로 배치되고 있어, 정면에서 보았을 때 정사각형을 이루도록 배치될 수 있다.
특히, 전자석 코일을 이루는 각 코일 쌍은 마이크로 로봇을 3자유도 공간에서 움직이기 위해서 각 축으로 균일자계와 경사자계를 생성하도록 설치될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 10개 코일을 배열하여 전자석 코일을 이루도록 구성하고 있으나, 적용하는 시스템에 따라 배열 방식 및 코일의 수는 다양하게 변경될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇 구동을 위해 필요한 자기장을 도출하는 과정을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇 구동에서의 처리부의 구동을 보여주는 것으로, 마이크로로봇의 구동을 위해 요구되는 코일전류를 도출하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 하기 <수식 5>와 같이 전자기장시스템에 입력되는 전류(I)와 관심영역 (Region Of Interest; ROI) 중심점에서의 단위 자기장행렬(X(P))과의 곱을 통해 마이크로로봇 구동을 위한 자기장을 계산하는 것이 가능하다.
Figure PCTKR2021014832-appb-I000012
<수식 5>
이때, 수식 5에서 Bd는 요구토크 (Desired Torque), Fd는 요구자기력 (Desired Force)이다.
수식 5에서 BU(P)는 관심영역 중심점에서 각 코일의 단위자속밀도이고, BUx(P), BUy(P), BUz(P)는 x, y, z축 방향에 대한 BU(P)의 편미분이고,
Figure PCTKR2021014832-appb-I000013
는 마이크로로봇의 구동방향에 대한 자화크기이고, V는 마이크로로봇의 자성체 부피이다.
그리고, 도 4에 도시된 것과 같이, 요구되는 코일전류(Desired current, I)는 <수식 5>를 수식을 의사역행렬 행태로 구성하여 도출할 수 있으며, 도출된 코일전류에 대한 관계식은 하기 <수식 1>과 같다.
Figure PCTKR2021014832-appb-I000014
<수식 1>
여기서, E는 단위행렬 (Identity matrix)이다.
그리고, D는 요구 자기력행렬로 하기 <수식 2>과 같이 정의되고, <수식 2>에서 Bd는 요구토크 (Desired Torque), Fd는 요구자기력 (Desired Force) 이다.
Figure PCTKR2021014832-appb-I000015
<수식 2>
Q0는 가중치행렬로 하기 <수식 3>과 같이 정의되고, 여기서 W i는 i 번째 코일의 가중치이다.
Figure PCTKR2021014832-appb-I000016
<수식 3>
X(P)는 단위 자기장 행렬로 상기 <수식 5>에서 유도할 수 있으며, 하기 <수식 4>과 같이 정의된다.
Figure PCTKR2021014832-appb-I000017
<수식 4>
따라서, 도 4를 참조하면, 처리부(100)는 전자기장시스템(300)의 온도 센싱부(500)로부터 온도 정보를 수신받아 온도정보기반의 전류 가중치(W i)를 설정하고, 위치정보시스템을 통하여 마이크로로봇 구동을 위해 요구되는 자기력(Bd, Fd)을 수신받아 코일전류(I)의 계산을 수행할 수 있다.
이때, 가중치(Wi)는 항상 양수 (Positive Value)이며, 전자석코일의 개수와 동일한 수를 이루게 된다. 가중치(Wi)는 상기<수식 3>과 같이 가중치행렬(Q0)내에서 대각행렬형태로 구성된다. 그리고, 가중치행렬(Q0)은 온도가 높은 특정코일에는 가중치(Wi)를 높여(Wi > 1) 전원부가 해당 코일에 전류를 최적 전류를 공급할 수 있게 제어할 수 있다.
따라서, 처리부는 전자석 과열 또는 과열될 것으로 예상되는 코일의 발열량을 낮추어 온도를 조절할 수 있고, 상기 과정에 따라, 본 발명에 따른 마이크로로봇 구동 시스템은 원하는 자기장을 발생시킴과 동시에 전자석코일의 온도를 가중치 조절을 통해 제어할 수 있다.
실시예 1: 가중치 전류제어에 따른 온도 조절 효과 확인
실험은 도 2의 맥스웰 코일 (Maxwell coil)(MCy1, MCy2, MCz1, MCz2), 헬름홀츠 코일 (Helmholtz coil)(HCy1, HCy2) 및 사각 코일(Rectangular coil)(RCxz_L1, RCxz_L2, RCxz_R1, RCxz_r2)의 배열된 전자기장 시스템을 사용하여 진행하였다.
이때, 대조군은 처리부에 z축 방향으로 요구자기장을 입력하였고 (요구토크(Bd) 0.01T, 요구자기력(Fd) 0.1T/m), 하기 <수식 5>를 통해 각 코일에서의 요구전류 (I)를 유도한 후, 10초 동안 발열량을 측정하였다.
Figure PCTKR2021014832-appb-I000018
<수식 5>
그리고, 각 코일에서의 요구전류를 표 1 및 도 5에 나타내었고, 10초 동안 각 코일의 발열량을 표 3 및 도 7에 나타내었다.
한편, 실험군은 대조군과 동일하게 z축 방향으로 요구자기장을 입력하였고 (요구토크(Bd) 0.01T, 요구자기력(Fd) 0.1T/m), <수식 5>를 통해 유도된 전류 값을 활용해 각 코일에서의 발열량을 계산하고, 발열량이 가장 높은 전자석 코일에 가중치 2.5를, 나머지 코일에 1의 가중치를 설정한 후, 하기 <수식 1>을 기반으로 가중치 행렬이 적용된 요구전류 (I)를 유도하였다.
Figure PCTKR2021014832-appb-I000019
<수식 1>
그 후, 각 코일에서의 10초동안의 발열량을 계산하였으며, 이때, 각 코일에서의 요구전류를 표 2 및 도 6에 나타내었고, 10초 동안 각 코일의 발열량을 표 4 및 도 8에 나타내었다.
HCy1 HCy2 RCxz-R1 RCxz-R2 RCxz-L1 RCxz-L2 MCz1 MCz2 MCy1 MCy2
입력전류 [A] -2.14 2.14 1.62 0.88 1.62 0.88 13.89 -4.46 1.49 -1.49
HCy1 HCy2 RCxz-R1 RCxz-R2 RCxz-L1 RCxz-L2 MCz1 MCz2 MCy1 MCy2
입력전류 [A] -7.27 7.27 8.05 5.55 8.05 5.55 9.11 -5.56 5.08 -5.08
시간 (sec) 코일당 발열량 (kJ)
HCy1 HCy2 RCxz-R1 RCxz-R2 RCxz-L1 RCxz-L2 MCz1 MCz2 MCy1 MCy2
1 18.25 18.25 10.45 3.11 10.45 3.11 772.12 79.67 8.90 8.90
2 36.51 36.51 20.89 6.22 20.89 6.22 1544.23 159.34 17.80 17.80
3 54.76 54.76 31.34 9.33 31.34 9.33 2316.35 239.02 26.69 26.69
4 73.02 73.02 41.79 12.44 41.79 12.44 3088.46 318.69 35.59 35.59
5 91.27 91.27 52.23 15.55 52.23 15.55 3860.58 398.36 44.49 44.49
6 109.52 109.52 62.68 18.66 62.68 18.66 4632.69 478.03 53.39 53.39
7 127.78 127.78 73.12 21.77 73.12 21.77 5404.81 557.70 62.28 62.28
8 146.03 146.03 83.57 24.88 83.57 24.88 6176.92 637.38 71.18 71.18
9 164.29 164.29 94.02 27.99 94.02 27.99 6949.04 717.05 80.08 80.08
10 182.54 182.54 104.46 31.10 104.46 31.10 7721.15 796.72 88.98 88.98
시간 (sec) 코일당 발열량 (kJ)
HCy1 HCy2 RCxz-R1 RCxz-R2 RCxz-L1 RCxz-L2 MCz1 MCz2 MCy1 MCy2
1 211.36 211.36 259.19 123.26 259.19 123.26 331.61 123.49 103.03 103.03
2 422.72 422.72 518.38 246.53 518.38 246.53 663.22 246.97 206.05 206.05
3 634.08 634.08 777.58 369.79 777.58 369.79 994.83 370.46 309.08 309.08
4 845.44 845.44 1036.77 493.05 1036.77 493.05 1326.44 493.94 412.11 412.11
5 1056.80 1056.80 1295.96 616.32 1295.96 616.32 1658.04 617.43 515.13 515.13
6 1268.16 1268.16 1555.15 739.58 1555.15 739.58 1989.65 740.91 618.16 618.16
7 1479.52 1479.52 1814.34 862.85 1814.34 862.85 2321.26 864.40 721.19 721.19
8 1690.88 1690.88 2073.54 986.11 2073.54 986.11 2652.87 987.88 824.21 824.21
9 1902.24 1902.24 2332.73 1109.37 2332.73 1109.37 2984.48 1111.37 927.24 927.24
10 2113.60 2113.60 2591.92 1232.64 2591.92 1232.64 3316.09 1234.85 1030.27 1030.27
실험결과, 도 5에서 확인할 수 있듯이, 가중치 전류제어의 미적용 시에는 MCz1코일에 13A 이상의 높은 입력전류가 인가되었으며, 도 7에서 확인할 수 있듯이, MCz1코일의 온도 또한 시간이 지남에 따라 다른 코일에 비해 온도가 크게 상승한 것으로 나타났다.
반면, 가중치 전류제어를 적용한 경우, 도 6에서 확인할 수 있듯이, MCz1코일에 가중치가 부여됨에 따라 MCz1 코일의 입력전류가 10A 이하로 인가되었으며, MCz1코일의 온도 또한, 상대적으로 크게 감소한 것을 확인하였다.
실시예 2: 마이크로로봇 구동 및 가중치 전류제어에 따른 온도 조절 효과 확인
도 11과 같이 돼지의 소장을 이용하여 캡슐 내시경 형태의 마이크로로봇을 조이스틱으로 동작을 제어하면서 소장의 입구부터 소장의 출구부분까지 구동시켜 ex-vivo 실험을 수행하였다.
마이크로로봇은 본 발명에 따른 가중치 전류 제어방법을 사용하여 제어하거나, 가중치 전류 제어방법 없이 소장내에서 구동시켰다. 마이크로로봇은 X-Y 평면상에서 제어되었으며, 마이크로로봇은 소장의 입구부분부터 출구까지 구동되는데 편도 370초, 왕복 608초의 시간이 소요되었다. 마이크로로봇 구동시 시간별 요구 자기장 입력정보는 가중치 전류 제어방법 수행 여부와 상관없이 동일하게 적용하였으며, 이때, 각각의 경우에 발생되는 각 코일의 온도 및 코일에 유도되는 전류를 측정하였다.
실험결과, 도 12 내지 13에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에 따른 가중치 전류 제어방법을 사용한 경우와 그렇지 않은 경우에 각각의 코일에 유도되는 전류의 크기가 변화하였다. 또한 도 14 내지 15에서 확인할 수 있듯이, 기존의 전류제어 방법을 사용한 경우에는 특정 코일 (MCz1, MCz2)에 전류가 집중되어 온도 (최대 약 53도)가 상대적으로 높았음을 확인하였다. 반면, 가중치 전류 제어방법을 활용한 경우에는 피드백되는 온도정보를 활용함에 따라 특정 코일의 온도가 크게 상승하지 않고 각 코일의 온도 상승을 균일하게 유지하고 코일의 최대 온도를 최대 41도로 제어할 수 있었으며, 기존의 제어방법에 비해 온도 상승량을 34% 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
본 발명은 가중치 전류제어 기능을 포함하는 마이크로로봇 구동 시스템 및 이를 통한 마이크로로봇의 구동 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전자기장 시스템에 포함된 코일을 가중치 전류제어를 통해 코일의 온도를 조절함으로써, 코일 및 전자기장 시스템의 온도를 별도의 냉각장치 없이도 효율적으로 관리할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

Claims (8)

  1. 전원부로부터 독립적인 전류를 공급받는 하나 이상의 코일을 포함하고, 각각의 상기 코일을 통해 마이크로로봇에 전자기장을 인가하는 전자기장시스템;
    상기 전자기장 시스템 또는 상기 코일의 온도를 측정하는 온도 센싱부;
    상기 마이크로로봇의 위치 정보 및 방향 정보를 수신받고, 상기 온도 센싱부로부터 온도 정보를 수신받으며, 각각의 상기 코일에 특정값의 전류가 인가되도록 상기 전원부를 제어하는 처리부;
    를 포함하고,
    상기 처리부는 각각의 코일의 온도에 따라 가중치를 부여하여 각각의 상기 코일에 특정 값의 전류 (I)가 인가되도록 상기 전원부를 제어하는 것인,
    마이크로로봇 구동 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 처리부는 하기 <수식 1>에 의해 각각의 상기 코일에 인가되는 상기 특정 값의 전류 (I)를 도출하고,
    Figure PCTKR2021014832-appb-I000020
    <수식 1>
    상기 수식에서,
    E는 단위행렬 (Identity matrix);
    D는 요구 자기력행렬로 하기 <수식 2>과 같이 정의되고;
    Figure PCTKR2021014832-appb-I000021
    <수식 2>
    (Bd는 요구토크 (Desired Torque), Fd는 요구자기력 (Desired Force) 임)
    Q0는 가중치행렬로 하기 <수식 3>과 같이 정의되고;
    Figure PCTKR2021014832-appb-I000022
    <수식 3>
    (W i는 i 번째 코일의 가중치임)
    X(P)는 단위 자기장 행렬로 하기 <수식 4>과 같이 정의되는 것인,
    Figure PCTKR2021014832-appb-I000023
    <수식 4>
    (BU(P)는 관심영역 (Region Of Interest; ROI) 중심점에서 각 코일의 단위자속밀도이고, BUx(P), BUy(P), BUz(P)는 x, y, z축 방향에 대한 BU(P)의 편미분이고,
    Figure PCTKR2021014832-appb-I000024
    는 마이크로로봇의 구동방향에 대한 자화크기이고, V는 마이크로로봇의 자성체 부피임)
    마이크로로봇 구동 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 코일은 솔레노이드 코일, 원형 코일, 사각 코일 및 새들 코일 중 선택되는 하나 이상의 형태의 코일인 것인, 마이크로로봇 구동 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 온도 센싱부는 상기 각각의 코일에 하나 이상 포함되는 것인, 마이크로로봇 구동 시스템.
  5. 마이크로로봇 구동 시스템에 의해 구동되는, 다음 단계를 포함하는 마이크로로봇의 구동 방법:
    전자기장 시스템의 각각의 코일에 특정 값의 전류를 인가하도록 제어하는 제어 단계; 및
    상기 각각의 코일이 자기장을 통해 마이크로로봇을 구동하는 구동 단계;
    상기 제어 단계는,
    전자기장 시스템의 각 코일의 온도 정보를 수신 받는 제1수신 단계;
    마이크로로봇의 위치 정보 및 방향 정보를 수신 받는 제2수신 단계;
    상기 온도 정보로부터 각각의 코일에 대한 가중치를 계산하는 제1계산 단계;
    상기 위치 정보 및 상기 방향 정보로부터 요구 토크 및 요구 자기력을 산출하는 제2계산 단계; 및
    상기 가중치, 상기 요구 토크 및 상기 요구 자기력을 통해 각 코일에 인가될 전류 값을 산출하는 산출 단계;
    를 포함함.
  6. 제5항에 있어서, 산출 단계는 하기 <수식 1>에 의해 상기 각 코일에 인가될 전류 값 (I)을 산출하고,
    Figure PCTKR2021014832-appb-I000025
    <수식 1>
    상기 수식에서,
    E는 단위행렬 (Identity matrix);
    D는 요구 자기력행렬로 하기 <수식 2>과 같이 정의되고;
    Figure PCTKR2021014832-appb-I000026
    <수식 2>
    (Bd는 요구토크 (Desired Torque), Fd는 요구자기력 (Desired Force) 임)
    Q0는 가중치행렬로 하기 <수식 3>과 같이 정의되고;
    Figure PCTKR2021014832-appb-I000027
    <수식 3>
    (W i는 i 번째 코일의 가중치임)
    X(P)는 단위 자기장 행렬로 하기 <수식 4>과 같이 정의되는 것인,
    Figure PCTKR2021014832-appb-I000028
    <수식 4>
    (BU(P)는 관심영역 (Region Of Interest; ROI) 중심점에서 각 코일의 단위자속밀도이고, BUx(P), BUy(P), BUz(P)는 x, y, z축 방향에 대한 BU(P)의 편미분이고,
    Figure PCTKR2021014832-appb-I000029
    는 마이크로로봇의 구동방향에 대한 자화크기이고, V는 마이크로로봇의 자성체 부피임)
    마이크로로봇의 구동 방법.
  7. 다음 단계를 포함하는 마이크로로봇의 구동을 위한 전자기장 시스템의 제어 방법:
    상기 전자기장 시스템의 각 코일의 온도 정보를 수신 받는 제1수신 단계;
    상기 마이크로로봇의 위치 정보 및 방향 정보를 수신 받는 제2수신 단계;
    상기 온도 정보로부터 각각의 코일에 대한 가중치를 계산하는 제1계산 단계;
    상기 위치 정보 및 상기 방향 정보로부터 요구 토크 및 요구 자기력을 산출하는 제2계산 단계; 및
    상기 가중치, 상기 요구 토크 및 상기 요구 자기력을 통해 각 코일에 인가될 전류 값을 산출하는 산출 단계.
  8. 제7항에 있어서, 산출 단계는 하기 <수식 2>에 의해 상기 각 코일에 인가될 전류 값 (I)을 산출하고,
    Figure PCTKR2021014832-appb-I000030
    <수식 2>
    상기 수식에서,
    E는 단위행렬 (Identity matrix);
    D는 요구 자기력행렬로 하기 <수식 3>과 같이 정의되고;
    Figure PCTKR2021014832-appb-I000031
    <수식 3>
    (Bd는 요구토크 (Desired Torque), Fd는 요구자기력 (Desired Force) 임)
    Q0는 가중치행렬로 하기 <수식 4>과 같이 정의되고;
    Figure PCTKR2021014832-appb-I000032
    <수식 4>
    (W i는 i 번째 코일의 가중치임)
    X(P)는 단위 자기장 행렬로 하기 <수식 5>과 같이 정의되는 것인,
    Figure PCTKR2021014832-appb-I000033
    <수식 5>
    (BU(P)는 관심영역 (Region Of Interest; ROI) 중심점에서 각 코일의 단위자속밀도이고, BUx(P), BUy(P), BUz(P)는 x, y, z축 방향에 대한 BU(P)의 편미분이고,
    Figure PCTKR2021014832-appb-I000034
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