KR102182447B1 - System for controlling micro robot using redundant of magnetic field - Google Patents

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KR102182447B1
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박종오
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전남대학교산학협력단
재단법인 한국마이크로의료로봇연구원
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Abstract

본 발명은 마이크로 로봇의 구동 자기장을 향상시키고 전자석 전류의 크기를 감소시킬 수 있는 전자석 배열의 자기장 여유도를 활용한 마이크로 로봇의 제어시스템에 관한 것으로, 다수의 코일로 구성되는 전자석 코일을 통해 마이크로 로봇을 구동하도록, 자속밀도(Bd) 및자기력(Fd)을 포함하는 요구자장을 입력하는 요구 모션 입력부와, 상기 요구자장이 입력되면, 상기 전자석 코일을 이루는 각각의 상기 코일의 자기장 여유도를 확인하여 전자석 인가전류를 산출하는 여유도 제어부와, 산출한 상기 전자석 인가전류에 근거하여 상기 전자석 코일에 대해 전자석 전류를 유도하는 전자석 전류인가부 및 상기 마이크로 로봇 구동을 위해 상기 전자석 전류인가부로부터 유도되는 전자석 전류에 의해 자기장을 발생시키는 상기 전자석 코일을 포함하는 마이크로 로봇 구동부를 포함하여 구성되고, 상기 전자석 코일은 관심영역(Region Of Interest, ROI) 내에 자기장을 발생시키는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a control system for a micro robot using a magnetic field margin of an electromagnet array capable of improving a driving magnetic field of a micro robot and reducing the magnitude of an electromagnet current, and a micro robot through an electromagnet coil composed of a plurality of coils. A required motion input unit for inputting a required magnetic field including a magnetic flux density (B d ) and a magnetic force (F d ) to drive, and when the required magnetic field is input, the magnetic field margin of each of the coils constituting the electromagnet coil is A margin control unit that checks and calculates the electromagnet applied current, an electromagnet current applying unit that induces an electromagnet current to the electromagnet coil based on the calculated electromagnet applied current, and the electromagnet current applying unit to drive the microrobot. And a micro-robot driving unit including the electromagnet coil that generates a magnetic field by an electromagnet current, and the electromagnet coil generates a magnetic field in a region of interest (ROI).

Description

자기장 여유도를 활용한 마이크로 로봇의 제어시스템{SYSTEM FOR CONTROLLING MICRO ROBOT USING REDUNDANT OF MAGNETIC FIELD}Control system of micro robot using magnetic field margin {SYSTEM FOR CONTROLLING MICRO ROBOT USING REDUNDANT OF MAGNETIC FIELD}

본 발명은 마이크로 로봇의 제어시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 마이크로 로봇의 구동 자기장을 향상시키고 전자석 전류의 크기를 감소시킬 수 있는 전자석 배열의 자기장 여유도를 활용한 마이크로 로봇의 제어시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a control system for a micro robot, and more particularly, to a control system for a micro robot using a magnetic field margin of an electromagnet array capable of improving the driving magnetic field of the micro robot and reducing the magnitude of the electromagnet current. .

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마이크로 로봇은 마이크로 크기의 로봇을 말하며, 형태와 용도에 따라 의료, 우주, 국방 산업 등에 다양하게 응용될 수 있다.Micro-robot refers to a micro-sized robot and can be variously applied to medical, space, and defense industries, depending on its shape and use.

일부 내시경 형태의 마이크로 로봇은 소장, 대장 내부의 영상 촬영용으로 사용되고 있으며, 그 크기는 수십 밀리미터 내지 수 마이크로미터 단위로 존재한다.Some endoscope-type microrobots are used for imaging the inside of the small intestine and large intestine, and their size exists in units of tens of millimeters to several micrometers.

의료용으로 사용되는 마이크로 로봇은 체내 삽입 시 최소 침습적이고 국소부위 접근이 자유로워 수술과 진단 과정에 사용된다. 이러한 마이크로 로봇은 인체 치료를 위한 기존의 외과적 수술 방법을 효과적으로 대체할 수 있는 장점이 있다.Micro-robots used for medical purposes are minimally invasive when inserted into the body and are freely accessible to local areas, so they are used for surgery and diagnosis. These micro-robots have the advantage of being able to effectively replace the existing surgical methods for human body treatment.

이와 같은 장점으로 인해, 마이크로 로봇은 안구, 혈관, 내장 기관 등의 인체에 적용할 목적으로 활발하게 연구가 이루어지고 있으며, 또한, 체내 종양 등의 표적 물체에 약물을 전달하거나 혈관 내의 혈전 등을 드릴링하기 위해 체내에서 이동시킬 수 있는 방법이 연구되고 있다.Due to these advantages, microrobots are being actively researched for application to human bodies such as eyes, blood vessels, and internal organs, and also deliver drugs to target objects such as internal tumors or drill blood clots in blood vessels. In order to do so, a method that can be moved in the body is being studied.

미세구조체 및 마이크로 로봇의 구동은 진동, 빛, 열, 정전기를 이용하거나, 직접적인 전기에너지를 전달하여 구동시키는 방법이 있다.Microstructures and microrobots can be driven by using vibration, light, heat, or static electricity, or by directly transmitting electrical energy.

특히, 외부 자기장으로 구동되는 마이크로 로봇은 전기적으로 구동되는 로봇과 달리 전지나 에너지 전달을 위한 유선 에너지 공급 장치가 필요없기 때문에 소형화에 유리하고, 인체에 보다 안전하게 사용될 수 있는 특징이 있다.Particularly, a microrobot driven by an external magnetic field does not require a battery or a wired energy supply device for energy transmission, unlike an electrically driven robot, so it is advantageous for miniaturization and can be used more safely for the human body.

자기장을 이용한 구동 방법은 여러 코일 시스템을 연계하여 사용하며, 각 코일은 입력되는 전기 에너지의 제어를 통하여, 각 코일의 자기장 상관 관계에 따라 미세구조체 또는 마이크로 로봇을 구동하게 된다.A driving method using a magnetic field is used in conjunction with several coil systems, and each coil drives a microstructure or a micro robot according to the magnetic field correlation of each coil through control of input electrical energy.

마이크로 로봇의 구동시스템은 기본적인 전자석 코일 시스템과 1개의 회전축을 이용하여 마이크로 로봇의 평면 구동이 가능하도록 하고 있다. 코일 시스템은 헬름홀츠 코일(Helmholtz Coil)과 맥스웰 코일(Maxwell Coil)이 쌍으로 이루어져 있다.The driving system of the micro-robot uses a basic electromagnet coil system and one rotating shaft to enable the plane to drive the micro-robot. The coil system consists of a pair of Helmholtz coils and Maxwell coils.

이러한 마이크로 로봇의 구동시스템은 회전축의 평면상에서 코일 모듈 사이에 균일한 크기의 자속과 일정하게 크기가 증가하는 자속을 발생 시키는 것으로 헬름헬츠 코일을 이용하여 균일한 크기의 자속을 발생시켜 마이크로 로봇을 자화시킨 뒤, 회전축을 이용하여 이동을 원하는 방향으로 회전하면, 마이크로 로봇이 균일한 자속을 따라 회전하게 된다.The driving system of such a micro robot generates a magnetic flux of uniform size and a magnetic flux that increases in size between the coil modules on the plane of the rotation axis, and magnetizes the micro robot by generating a magnetic flux of uniform size using the Helm Heltz coil. After that, when the movement is rotated in the desired direction using the rotation axis, the microrobot rotates along a uniform magnetic flux.

다음으로, 헬름홀츠 코일의 바깥쪽에 나란히 위치하는 맥스웰 코일)에 서로 반대방향으로 동일한 전류를 인가하여, 코일 권선 중심축 방향으로 일정하게 증가하는 자속을 발생시키면 마이크로 로봇은 헬름홀츠 코일에 의해 정렬된 방향을 따라 이동한다.Next, when the same current is applied in opposite directions to Maxwell's coils located side by side on the outside of the Helmholtz coils, and a magnetic flux that constantly increases in the direction of the central axis of the coil winding is generated, the microrobot moves the direction aligned by the Helmholtz coil Move along.

이때, 맥스웰 코일에 인가하는 전류의 크기를 이용하여 거리에 따른 자속 변화율을 조절함으로써 마이크로 로봇에 인가되는 추진력을 제어할 수 있고, 전류의 인가 방향을 반대로 함으로써 반대방향으로 추진하도록 제어할 수 있다.At this time, by adjusting the rate of change of magnetic flux according to the distance using the magnitude of the current applied to the Maxwell coil, the propulsion force applied to the microrobot can be controlled, and the propulsion in the opposite direction can be controlled by reversing the application direction of the current.

그러나, 상기와 같은 종래 기술에서는 전자석 자기장 발생의 전형적 선형대수 수식화로 인해 요구자장(자속밀도(B), 자기력(F))에 대한 항상 고정된 전류가 도출되고 있다.However, in the prior art as described above, a constant current for the required magnetic field (magnetic flux density (B), magnetic force (F)) is always derived due to the typical linear algebraic formula of the generation of the electromagnetic magnetic field.

따라서, 마이크로 로봇의 구동상태 및 구동환경에 따라 구동 자기장의 제어를 고려할 수 없어 마이크로 로봇의 운영에 효율성이 떨어진다는 단점이 있다.Therefore, there is a disadvantage in that the efficiency of the operation of the micro-robot is inferior because it is not possible to consider the control of the driving magnetic field according to the driving state and the driving environment of the micro-robot.

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대한민국 등록특허 제10-1450091호(2014.10.06., 등록)Korean Patent Registration No. 10-1450091 (2014.10.06., registered)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 전자석 배열의 자기장 여유도를 활용함으로써 마이크로 로봇의 구동 자기장을 향상시킬 수 있는 자기장 여유도를 활용한 마이크로 로봇의 제어시스템의 제공을 목적으로 한다.The present invention was conceived to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a control system for a microrobot using a magnetic field margin that can improve the driving magnetic field of the microrobot by utilizing the magnetic field margin of the electromagnet array. To do.

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또한, 본 발명은 요구 자장을 위해 도출되는 전자석 전류의 크기를 감소시켜 소비전력을 줄일 수 있는 자기장 여유도를 활용한 마이크로 로봇의 제어시스템의 제공을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a control system for a micro-robot utilizing a magnetic field margin capable of reducing power consumption by reducing the magnitude of an electromagnet current derived for a required magnetic field.

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그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and other objects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

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상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 자기장 여유도를 활용한 마이크로 로봇의 제어시스템은, 다수의 코일로 구성되는 전자석 코일을 통해 마이크로 로봇을 구동하도록, 자속밀도(Bd) 및 자기력(Fd)을 포함하는 요구자장을 입력하는 요구 모션 입력부와, 상기 요구자장이 입력되면, 상기 전자석 코일을 이루는 각각의 상기 코일의 자기장 여유도를 확인하여 전자석 인가전류를 산출하는 여유도 제어부와, 산출한 상기 전자석 인가전류에 근거하여 상기 전자석 코일에 대해 전자석 전류를 유도하는 전자석 전류인가부 및 상기 마이크로 로봇 구동을 위해 상기 전자석 전류인가부로부터 유도되는 전자석 전류에 의해 자기장을 발생시키는 상기 전자석 코일을 포함하는 마이크로 로봇 구동부를 포함하여 구성되고, 상기 전자석 코일은 관심영역(Region Of Interest, ROI) 내에 자기장을 발생시키는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the control system of the micro-robot using the magnetic field margin according to the embodiment of the present invention is to drive the micro-robot through an electromagnet coil composed of a plurality of coils, magnetic flux density (B d ) and A required motion input unit for inputting a required magnetic field including magnetic force (F d ), and a margin control unit for calculating an electromagnet applied current by checking the magnetic field margin of each of the coils constituting the electromagnet coil when the requested magnetic field is input And, an electromagnet current application unit for inducing an electromagnet current to the electromagnet coil based on the calculated electromagnet applied current, and the electromagnet for generating a magnetic field by an electromagnet current induced from the electromagnet current application unit for driving the microrobot. It is configured to include a micro-robot driving unit including a coil, and the electromagnet coil is characterized in that it generates a magnetic field in a region of interest (ROI).

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또한, 본 발명에 따른 마이크로 로봇의 제어시스템은, 상기 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 위치 인식부를 더 포함하고, 상기 요구 모션 입력부는 상기 위치 인식부를 통해 인식하는 상기 마이크로 로봇의 위치에 근거하여 상기 요구자장을 입력하는 것을 특징으로 한다.In addition, the control system of the microrobot according to the present invention further includes a position recognition unit for recognizing the position of the microrobot, and the request motion input unit is based on the position of the microrobot recognized through the position recognition unit. It is characterized by inputting a magnetic field.

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또한, 본 발명에 따른 마이크로 로봇의 제어시스템에서, 상기 요구 모션 입력부를 통해 입력되는 상기 요구자장은 <식1>의 행렬을 통해 정의되는 것을 특징으로 한다.In addition, in the microrobot control system according to the present invention, the request magnetic field input through the requested motion input unit is defined through a matrix of <Equation 1>.

Figure 112019032732719-pat00001
<식1>
Figure 112019032732719-pat00001
<Equation 1>

여기서,

Figure 112019032732719-pat00002
는 요구토크(Desired Torque),
Figure 112019032732719-pat00003
는 요구자기력(Desired force),
Figure 112019032732719-pat00004
는 ROI(관심영역) 중심점에서 각 코일의 단위자속밀도,
Figure 112019032732719-pat00005
는 마이크로 로봇의 구동방향에 대한 자화 크기,
Figure 112019032732719-pat00006
는 x, y, z 축 방향에 대한
Figure 112019032732719-pat00007
편미분, V는 마이크로 로봇 자성체 부피, I는 각 코일의 전류, X(P)는 단위전류에 대한 자기장 행렬을 나타낸다.here,
Figure 112019032732719-pat00002
Is the Desired Torque,
Figure 112019032732719-pat00003
Is the desired force,
Figure 112019032732719-pat00004
Is the unit magnetic flux density of each coil at the center of the ROI (region of interest),
Figure 112019032732719-pat00005
Is the magnetization size for the driving direction of the microrobot,
Figure 112019032732719-pat00006
Is for the x, y, z axis directions
Figure 112019032732719-pat00007
Partial derivative, V is the volume of the microrobot magnetic body, I is the current of each coil, and X(P) is the magnetic field matrix for the unit current.

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또한, 본 발명에 따른 마이크로 로봇의 제어시스템에서, 상기 여유도 제어부는 하기의 <식2>를 통해 전자석 인가전류를 산출하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the control system of the microrobot according to the present invention, the margin control unit is characterized in that the electromagnet applied current is calculated through the following <Equation 2>.

Figure 112019032732719-pat00008
<식2>
Figure 112019032732719-pat00008
<Equation 2>

여기서, I는 각 코일의 전류, X(P)는 단위전류에 대한 자기장 행렬, E는 단위 행렬,

Figure 112019032732719-pat00009
는 요구토크(Desired Torque),
Figure 112019032732719-pat00010
는 요구자기력(Desired force), Z는 비용함수, I0는 유도인가전류, k는 가중치 함수를 나타낸다.Here, I is the current of each coil, X(P) is the magnetic field matrix for the unit current, E is the unit matrix,
Figure 112019032732719-pat00009
Is the Desired Torque,
Figure 112019032732719-pat00010
Is the desired force, Z is the cost function, I 0 is the induced applied current, and k is the weight function.

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또한, 본 발명에 따른 마이크로 로봇의 제어시스템을 이루는 상기 전자석 코일은 다수의 맥스웰 코일(Maxwell coil), 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil) 및 사각 코일(Rectangular coil)의 배열로 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the electromagnet coil constituting the control system of the microrobot according to the present invention is characterized in that it is composed of an array of a plurality of Maxwell coils, Helmholtz coils, and rectangular coils.

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본 발명의 자기장 여유도를 활용한 마이크로 로봇의 제어시스템은 마이크로 로봇의 구동을 위한 요구자장에 대해 각각의 전자석 코일의 자기장 여유도를 평가하여 전자석 인가전류를 유도함으로써 마이크로 로봇의 구동 자기장을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.The control system of the microrobot using the magnetic field margin of the present invention can improve the driving magnetic field of the microrobot by inducing the applied current of the electromagnet by evaluating the magnetic field margin of each electromagnet coil with respect to the required magnetic field for driving the microrobot. There is an advantage to be able to.

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또한, 본 발명에 따른 자기장 여유도를 활용한 마이크로 로봇의 제어시스템은 요구 자장을 위해 도출되는 전자석 전류의 크기를 감소시켜 소비전력을 줄일 수 있고, 그로 인해 전자석 코일의 발열량을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.In addition, the control system of the microrobot using the magnetic field margin according to the present invention can reduce power consumption by reducing the magnitude of the electromagnet current derived for the required magnetic field, thereby reducing the amount of heat generated by the electromagnet coil. There is this.

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아울러, 본 발명에 따른 자기장 여유도를 활용한 마이크로 로봇의 제어시스템은 최대 발생 자기장의 향상으로 마이크로 로봇을 구성하는 자성체의 부피를 감소시킬 수 있어 마이크로 로봇의 크기를 줄일 수 있는 이점이 있다.In addition, the control system of the microrobot using the magnetic field margin according to the present invention has an advantage of reducing the size of the microrobot by reducing the volume of the magnetic body constituting the microrobot by improving the maximum generated magnetic field.

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도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 자기장 여유도를 활용한 마이크로 로봇의 제어시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 2는, 본 발명에 따른 마이크로 로봇 구동부를 이루는 전자석 코일의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3의 (a)는 도 2에 나타낸 전자석 코일의 상면도이고, (b)는 전자석 코일의 정면도를 나타낸다.
도 4는, 종래기술과 본 발명의 마이크로 로봇의 제어시스템을 통한 자기장 여유도 제어기술의 성능을 비교한 예시도이다.
도 5는, 도 4의 시뮬레이션 결과를 실제 자기력 측정을 통해 비교한 그래프를 나타낸다.1 is a block diagram schematically showing the configuration of a control system of a microrobot using a magnetic field margin according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view schematically showing the configuration of an electromagnet coil constituting a microrobot driving unit according to the present invention.
3(a) is a top view of the electromagnet coil shown in FIG. 2, and (b) is a front view of the electromagnet coil.
4 is an exemplary view comparing the performance of the conventional technology and the magnetic field margin control technology through the control system of the microrobot of the present invention.
5 shows a graph comparing the simulation result of FIG. 4 through actual magnetic force measurement.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.Hereinafter, a detailed description of a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the embodiments according to the concept of the present invention can be modified in various ways and have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the present specification or application. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to a specific form of disclosure, and it should be understood that all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention are included.

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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.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. Should be.

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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.On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in the middle. Other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "just between" or "adjacent to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.

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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.The terms used in the present specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of a set feature, number, step, action, component, part, or combination thereof, but one or more other features or numbers It is to be understood that the possibility of addition or presence of, steps, actions, components, parts, or combinations thereof is not preliminarily excluded.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기장 여유도를 활용한 마이크로 로봇의 제어시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 블럭도이고, 도 2는 마이크로 로봇 구동부를 이루는 전자석 코일의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 3의 (a)는전자석 코일의 상면도이고, 도 3의 (b)는 전자석 코일의 정면도를 나타낸다.1 is a block diagram schematically showing the configuration of a control system of a microrobot using a magnetic field margin according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view schematically showing the configuration of an electromagnet coil constituting a microrobot driving unit, Fig. 3(a) is a top view of an electromagnet coil, and Fig. 3(b) is a front view of an electromagnet coil.

도면을 참조하면, 본 발명의 마이크로 로봇의 제어시스템(10)은 요구 모션 입력부(100), 여유도 제어부(200), 전자석 전류인가부(300), 마이크로 로봇 구동부(400) 및 위치 인식부(500)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to the drawings, the control system 10 of the micro-robot of the present invention includes a required motion input unit 100, a margin control unit 200, an electromagnet current application unit 300, a micro-robot driving unit 400, and a position recognition unit ( 500) can be included.

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요구 모션 입력부(100)는 전자석 코일(410)을 통해 발생되는 전자석 자기장으로 마이크로 로봇(도시하지 않음)을 구동하도록, 자속밀도 및 자기력을 포함하는 요구자장을 입력할 수 있다.The required motion input unit 100 may input a required magnetic field including magnetic flux density and magnetic force to drive a microrobot (not shown) with an electromagnet magnetic field generated through the electromagnet coil 410.

여유도 제어부(200)는 요구 모션 입력부(100)를 통해 요구자장이 입력되면, 전자석 코일(410)을 이루는 각각의 코일의 자기장 여유도를 확인하여 가장 효율적인 전자석 전류를 유도하도록 전자석 인가전류를 산출할 수 있다.When the required magnetic field is input through the requested motion input unit 100, the margin control unit 200 checks the magnetic field margin of each coil constituting the electromagnet coil 410 and calculates the applied current of the electromagnet to induce the most efficient electromagnet current. can do.

전자석 전류인가부(300)는 여유도 제어부(200)를 통해 산출한 전자석 인가전류에 근거하여 전자석 코일에 대해 전자석 전류를 유도하고, 마이크로 로봇 구동부(400)는 전자석 전류인가부(300)로부터 유도되는 전자석 전류에 의해 자기장을 발생시켜 마이크로 로봇을 구동시킬 수 있다.The electromagnet current applying unit 300 induces an electromagnet current to the electromagnet coil based on the applied electromagnet current calculated through the margin control unit 200, and the microrobot driving unit 400 is derived from the electromagnet current applying unit 300 The microrobot can be driven by generating a magnetic field by the electromagnet current.

전자석 전류인가부(300)로부터 유도되는 전자석 전류는 마이크로 로봇 구동부(400)를 통해 관심영역(ROI) 내에 자기장을 발생시키고, 그에 따라 마이크로 로봇이 요구된 동작으로 구동된다.The electromagnet current induced from the electromagnet current application unit 300 generates a magnetic field in the region of interest ROI through the microrobot driving unit 400, and accordingly, the microrobot is driven in a required motion.

전자석 전류에 의해 자기장을 발생시킬 수 있는 마이크로 로봇 구동부(400)는 도 2, 도 3의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 다수의 코일로 이루어지는 전자석 코일(410)을 포함할 수 있다.The microrobot driving unit 400 capable of generating a magnetic field by an electromagnet current may include an electromagnet coil 410 made of a plurality of coils, as shown in FIGS. 2 and 3 (a) and (b). have.

특히, 전자석 코일(410)은 다수의 코일 즉, 맥스웰 코일(Maxwell coil)(410_1, 410_2, 410_3, 410_4), 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)(410_5, 410_6) 및 사각 코일(Rectangular coil)(410_7, 410_8, 410_9, 410_10)의 배열을 통해 구성될 수 있다.In particular, the electromagnet coil 410 is a plurality of coils, that is, Maxwell coils (410_ 1 , 410_ 2 , 410_ 3 , 410_ 4 ), Helmholtz coils (410_ 5 , 410_ 6 ) and square coils ( Rectangular coil) (410_ 7 , 410_ 8 , 410_ 9 , 410_ 10 ) may be configured through an arrangement.

맥스웰 코일 쌍(410_1와 410_2, 410_3와 410_4)은 각 맥스웰 코일의 반지름의 √3 배 (√3 R) 의 거리를 두어 서로 배치될 수 있다.The Maxwell coil pairs 410_ 1 and 410_ 2 , 410_ 3 and 410_ 4 may be disposed at a distance of √3 times (√3 R) of the radius of each Maxwell coil.

또한, 헬름홀츠 코일 쌍(410_5와 410_6)은 각 헬름홀츠 코일의 반지름의 거리만큼 이격되어 쌍을 이루도록 배치될 수 있다.In addition, the Helmholtz coil pairs 410_ 5 and 410_ 6 may be arranged to form a pair spaced apart by a distance of a radius of each Helmholtz coil.

사각 코일(410_7, 410_8, 410_9, 410_10)은 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 사각 코일 쌍은 맥스웰 코일 쌍(410_3, 410_4)을 기준으로 45도 각도로 배치되고 있어, 정면에서 보았을 때 정사각형을 이루도록 배치될 수 있다.Square coils (410_ 7 , 410_ 8 , 410_ 9 , 410_ 10 ) are arranged at an angle of 45 degrees based on Maxwell coil pairs (410_ 3 , 410_ 4 ) as shown in FIG. 3 (b) It can be arranged to form a square when viewed from the front.

특히, 전자석 코일(410)을 이루는 각 코일 쌍은 마이크로 로봇을 3자유도 공간에서 움직이기 위해서 각 축으로 균일자계와 경사자계를 생성하도록 설치될 수 있다.In particular, each pair of coils constituting the electromagnet coil 410 may be installed to generate a uniform magnetic field and a gradient magnetic field in each axis to move the microrobot in a space of three degrees of freedom.

또한, 본 발명에서는 10개 코일을 배열하여 전자석 코일(410)을 이루도록 구성하고 있으나, 적용하는 전자석 시스템에 따라 배열 방식 및 코일의 수는 다양하게 변경될 수 있다. In addition, in the present invention, 10 coils are arranged to form the electromagnet coil 410, but the arrangement method and the number of coils may be variously changed according to the applied electromagnet system.

여유도 제어부(200)에서는 이들 각각의 코일의 자기장 여유도를 확인함으로써 가장 효율적인 전자석 전류를 유도하도록 할 수 있다.The margin control unit 200 may induce the most efficient electromagnet current by checking the magnetic field margin of each of these coils.

전자석 코일(410)을 통해 발생되는 자기장, 즉 요구자장은 관심영역(ROI)의 중심점에서 발생될 수 있으며, 마이크로 로봇의 자화행렬(Md)을 기반으로 하는 자기장 행렬(X(P))을 통해 각 코일에 전류를 인가함으로써 유도될 수 있다.The magnetic field generated through the electromagnet coil 410, that is, the required magnetic field, can be generated at the center point of the ROI, and a magnetic field matrix (X(P)) based on the magnetization matrix (M d ) of the microrobot It can be induced by applying a current to each coil.

마이크로 로봇의 구동을 위하여 요구 모션 입력부(100)가 입력하는 요구자장은 다음의 <식1>을 통해 정의될 수 있다.The required magnetic field input by the requested motion input unit 100 for driving the microrobot may be defined through the following <Equation 1>.

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Figure 112019032732719-pat00011
<식1>
Figure 112019032732719-pat00011
<Equation 1>

여기서,

Figure 112020061824298-pat00012
는 요구토크(Desired Torque),
Figure 112020061824298-pat00013
는 요구자기력(Desired force),
Figure 112020061824298-pat00014
는 ROI(관심영역) 중심점에서 각 코일의 단위자속밀도를 나타내고,
Figure 112020061824298-pat00015
는 마이크로 로봇의 구동방향에 대한 자화 크기,
Figure 112020061824298-pat00016
는 x, y, z 축 방향에 대한
Figure 112020061824298-pat00017
편미분, V는 마이크로 로봇 자성체 부피, I는 각 코일의 전류, 그리고 X(P)는 단위전류에 대한 자기장 행렬을 나타낸다.here,
Figure 112020061824298-pat00012
Is the Desired Torque,
Figure 112020061824298-pat00013
Is the desired force,
Figure 112020061824298-pat00014
Represents the unit magnetic flux density of each coil at the center point of the ROI (region of interest),
Figure 112020061824298-pat00015
Is the magnetization size for the driving direction of the microrobot,
Figure 112020061824298-pat00016
Is for the x, y, z axis directions
Figure 112020061824298-pat00017
Partial derivative, V is the volume of the microrobot magnetic body, I is the current of each coil, and X(P) is the magnetic field matrix for the unit current.

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자기장 행렬(X(P))은 전자석이 1A(단위전류)를 발생되는 자속밀도와 자속밀도의 기울기를 기반으로 마이크로 로봇을 이루는 자성체의 부피 및 자화 크기와의 연산을 통해 유도될 수 있다.The magnetic field matrix X(P) can be derived through calculation of the volume and magnetization size of the magnetic body constituting the microrobot based on the gradient of the magnetic flux density and the magnetic flux density at which the electromagnet generates 1A (unit current).

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상기와 같이, 아미크로 로봇의 구동을 위해 요구되는 자속밀도(요구토크)(Bd)와 자기력(Fd)이 입력되면, 여유도 제어부(200)에서는 여유도 제어 방정식, 즉 다음의 <식2>를 통해 자기장 여유도를 평가하여 전자석 인가전류를 산출할 수 있다.As described above, when the magnetic flux density (required torque) (B d ) and magnetic force (F d ) required for driving the AMICRO robot are input, the margin control equation, that is, the following <equation By evaluating the magnetic field margin through 2>, the applied current of the electromagnet can be calculated.

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Figure 112019032732719-pat00018
<식2>
Figure 112019032732719-pat00018
<Equation 2>

여기서, I는 각 코일의 전류, X(P)는 단위전류에 대한 자기장 행렬, E는 단위 행렬,

Figure 112020061824298-pat00019
는 요구토크(Desired Torque),
Figure 112020061824298-pat00020
는 요구자기력(Desired force), Z는 비용함수, I0는 유도인가전류, k는 가중치 함수를 나타낸다.Here, I is the current of each coil, X(P) is the magnetic field matrix for the unit current, E is the unit matrix,
Figure 112020061824298-pat00019
Is the Desired Torque,
Figure 112020061824298-pat00020
Is the desired force, Z is the cost function, I 0 is the induced applied current, and k is the weight function.

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상기의 여유도 제어 방정식은 전류계산을 위한 일반항(General Term)(

Figure 112020061824298-pat00021
)과 자기장 여유도를 활용하기 위한 여유도항(Redundant Term)(
Figure 112020061824298-pat00022
)으로 구분될 수 있다. 특히, 여유도항의 비용함수(Z)와 가중치함수(K)를 통해 가장 효과적인 전자석 인가전류를 산출할 수 있다.The above margin control equation is a general term for current calculation (
Figure 112020061824298-pat00021
) And Redundant Term (
Figure 112020061824298-pat00022
) Can be distinguished. In particular, the most effective electromagnet applied current can be calculated through the cost function (Z) and the weight function (K) of the marginal degree term.

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일반항(General Term)으로부터 유도된 인가전류(I0)는, 다음의 <식3>을 이용하여 정규화를 통해 1보다 작은 값으로 정규화되며(In), 그 값은 일반항의 유도 인가전류(I0)의 평균값(in_mean)과 연산되어 각 코일(411)에 가해지는 비용(Z)을 도출할 수 있다.The applied current (I 0 ) derived from the general term is normalized to a value less than 1 through normalization using the following <Equation 3> (I n ), and the value is the induced applied current (I It is calculated with the average value (i n_mean ) of 0 ) to derive the cost (Z) applied to each coil 411.

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Figure 112019032732719-pat00023
<식3>
Figure 112019032732719-pat00023
<Equation 3>

여기서, in_mean은 일반항의 정규화전류 평균, 그리고 In은 일반항의 정규화 전류행렬을 나타내다.Here, i n_mean is the average of the normalized current of the general term, and I n is the normalized current matrix of the general term.

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상기와 같이, 도출된 비용함수(Z)는 여유도항(Redundant Term)에 적용되어 Qnull을 계산하고 가중치 함수(K)에 적용된다.As described above, the derived cost function (Z) is applied to the redundant term to calculate Q null and applied to the weight function (K).

그리고, 각 코일에 효율적인 전류를 인가하기 위한 가중치(KC)를 다음의 <식4>를 통해 도출할 수 있다.And, a weight (K C ) for applying an efficient current to each coil can be derived through the following <Equation 4>.

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Figure 112019032732719-pat00024
<식4>
Figure 112019032732719-pat00024
<Equation 4>

여기서, L은 코일 수를 나타낸다.Here, L represents the number of coils.

다음에, 유도된 가중치(KC)는 다음의 <식5>에 적용되어 여유도항의 Qnull과 일반항의 I0와 연산되어 코일 개수에 대응되는 전류행렬(ΛC)(비용함수가 고려된 전류행렬)을 유도할 수 있다.Next, the derived weight (K C ) is applied to the following <Equation 5> and calculated with Q null in the margin term and I 0 in the general term, and the current matrix (Λ C ) corresponding to the number of coils (the cost function is considered Current matrix) can be derived.

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Figure 112019032732719-pat00025
<식5>
Figure 112019032732719-pat00025
<Equation 5>

이후, 다음의 <식6>을 통한 효율 최적화 평가를 수행하고, 그 중 가장 효과적인 전류벡터(IE)를 <식7>을 통해 도출할 수 있다.Thereafter, the efficiency optimization evaluation is performed through the following <Equation 6>, and the most effective current vector (IE) among them can be derived through <Equation 7>.

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Figure 112019032732719-pat00026
<식6>
Figure 112019032732719-pat00026
<Equation 6>

λ는 최적화 수(Optimization Number)를 나타낸다.λ represents an optimization number.

Figure 112020061824298-pat00027
<식7>
Figure 112020061824298-pat00027
<Equation 7>

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마이크로 로봇의 위치를 인식하는 위치 인식부(500)는 마이크로 로봇의 연속적인 구동을 위해 매 제어 흐름마다 마이크로 로봇의 위치 인식을 수행하고, 요구 모션 입력부(100)에서는 위치 인식부를 통해 인식하는 마이크로 로봇의 위치에 근거하여 입력되는 요구자장, 즉 자속밀도와 자기력의 요구입력을 도출할 수 있는 특징이 있다. The position recognition unit 500 for recognizing the position of the microrobot performs position recognition of the microrobot at each control flow for continuous operation of the microrobot, and the requested motion input unit 100 recognizes the microrobot through the position recognition unit. It has a characteristic that can derive the required magnetic field, that is, the required input of magnetic flux density and magnetic force, based on the position of.

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상술한 바와 같이, 본 발명에서는 전자석자기장(요구자장) 여유도를 활용함으로써 마이크로 로봇의 구동 자기장을 향상시킬 수 있다.As described above, in the present invention, it is possible to improve the driving magnetic field of the microrobot by utilizing an electromagnet magnetic field (required magnetic field) margin.

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도 4는 종래기술과 본 발명의 마이크로 로봇의 제어시스템을 통한 자기장 여유도 제어기술의 성능을 비교한 예시도이고, 도 5는 도 4의 시뮬레이션 결과를 실제 자기력 측정을 통해 비교한 그래프로 도 5의 (a)는 시뮬레이션 데이터, (b)는 측정값을 나타낸다.FIG. 4 is an exemplary view comparing the performance of the conventional technology and the magnetic field margin control technology through the control system of the microrobot of the present invention, and FIG. 5 is a graph comparing the simulation result of FIG. 4 through actual magnetic force measurement. In (a) shows simulation data, and (b) shows measured values.

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도 4의 자기장 여유도 제어기술의 성능 비교는 3차원 공간상에 최대로 가질 수 있는 자기력 분포를 시뮬레이션을 통해 평가하였다.The performance comparison of the magnetic field margin control technology of FIG. 4 evaluated the magnetic force distribution that can have the maximum in a three-dimensional space through simulation.

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도시한 바와 같이, 코일쌍 제어(Paired control)(a), 독립제어(independent control)(b), 본 발명에 따른 여유도 제어(redundant control)(c)의 시뮬레이션 결과를 살펴보며, 본 발명에 따른 여유도 제어(c)에서 가장 넓은 영역의 자기력을 가지는 것을 확인할 수 있다.As shown, looking at the simulation results of the coil pair control (a), the independent control (b), the redundant control (c) according to the present invention, the present invention According to the margin control (c), it can be seen that the magnetic force of the widest region is obtained.

한편, 도 5에 나타낸 바와 같이, 코일쌍 제어(Pair), 독립제어(Inde.), 여유도 제어(Redn.)의 그래프에서 본 발명에 따른 여유도 제어가 각 축방향(x, y, z)에 대해 코일쌍 제어 및 독립제어보다 더 큰 자기력을 갖는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, as shown in Fig. 5, in the graph of coil pair control (Pair), independent control (Inde.), and margin control (Redn.), the margin control according to the present invention is in each axis direction (x, y, z). ), it can be seen that it has a greater magnetic force than the coil pair control and independent control.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 로봇의 제어시스템은 마이크로 로봇의 구동을 위한 요구자장에 대해 각각의 전자석 코일의 자기장 여유도를 평가하여 전자석 인가전류를 유도함으로써 마이크로 로봇의 구동 자기장을 향상시킬 수 있고, 이를 통해 마이크로 로봇을 구성하는 자성체의 부피를 감소시킬 수 있어 마이크로 로봇의 크기를 줄일 수 있는 기술적 특징이 있다.As described above, the control system of the microrobot according to the present invention evaluates the magnetic field margin of each electromagnet coil with respect to the required magnetic field for driving the microrobot and induces the applied current of the electromagnet, thereby improving the driving magnetic field of the microrobot. There is a technical feature that can reduce the size of the micro-robot by reducing the volume of the magnetic material constituting the micro-robot through this.

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또한, 본 발명에서는 동일한 자기장 발생을 위해 사용되는 소비전력을 줄일 수 있고, 그로 인해 전자석 코일의 발열량을 감소시킬 수 있는 기술적 특징이 있다.In addition, in the present invention, there is a technical feature that can reduce the power consumption used for generating the same magnetic field, thereby reducing the amount of heat generated by the electromagnet coil.

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상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.The contents of the present invention have been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are only exemplary, and those of ordinary skill in the art will understand that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. will be. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

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10 : 마이크로 로봇의 제어시스템
100 : 요구 모션 입력부 200 : 여유도 제어부
300 : 전자석 전류인가부 400 : 마이크로 로봇 구동부
410 : 전자석 코일
410_1, 410_2, 410_3, 410_4 : 맥스웰 코일(Maxwell coil)
410_5, 410_6 : 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)
410_7, 410_8, 410_9, 410_10 : 사각 코일(Rectangular coil)
500 : 위치 인식부10: Micro robot control system
100: request motion input unit 200: margin control unit
300: electromagnet current applying unit 400: micro robot driving unit
410: electromagnet coil
410_ 1 , 410_ 2 , 410_ 3 , 410_ 4 : Maxwell coil
410_ 5 , 410_ 6 : Helmholtz coil
410_ 7 , 410_ 8 , 410_ 9 , 410_ 10 : Rectangular coil
500: location recognition unit

Claims (5)

다수의 코일로 구성되는 전자석 코일을 통해 마이크로 로봇을 구동하도록, 자속밀도(Bd) 및 자기력(Fd)을 포함하는 요구자장을 입력하는 요구 모션 입력부;
상기 요구자장이 입력되면, 상기 전자석 코일을 이루는 각각의 상기 코일의 자기장 여유도를 확인하여 전자석 인가전류를 산출하는 여유도 제어부;
산출한 상기 전자석 인가전류에 근거하여 상기 전자석 코일에 대해 전자석 전류를 유도하는 전자석 전류인가부; 및
상기 마이크로 로봇 구동을 위해 상기 전자석 전류인가부로부터 유도되는 전자석 전류에 의해 자기장을 발생시키는 상기 전자석 코일을 포함하는 마이크로 로봇 구동부를 포함하여 구성되고,
상기 전자석 코일은 관심영역(Region Of Interest, ROI) 내에 자기장을 발생시키고,
<식2>
Figure 112020061824298-pat00043

여기서, I는 각 코일의 전류, X(P)는 단위전류에 대한 자기장 행렬, E는 단위 행렬,
Figure 112020061824298-pat00044
는 요구토크(Desired Torque),
Figure 112020061824298-pat00045
는 요구자기력(Desired force), Z는 비용함수, I0는 유도인가전류, k는 가중치 함수를 나타내고,
상기 여유도 제어부는 상기 <식2>를 통해 전자석 인가전류를 산출하는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇의 제어시스템.A required motion input unit for inputting a required magnetic field including magnetic flux density (B d ) and magnetic force (F d ) to drive the microrobot through an electromagnet coil composed of a plurality of coils;
A margin control unit for calculating an applied current of the electromagnet by checking a magnetic field margin of each of the coils constituting the electromagnet coil when the required magnetic field is input;
An electromagnet current application unit for inducing an electromagnet current to the electromagnet coil based on the calculated electromagnet applied current; And
And a microrobot driving unit including the electromagnet coil for generating a magnetic field by an electromagnet current induced from the electromagnet current applying unit for driving the microrobot,
The electromagnet coil generates a magnetic field in a region of interest (ROI),
<Equation 2>
Figure 112020061824298-pat00043

Here, I is the current of each coil, X(P) is the magnetic field matrix for the unit current, E is the unit matrix,
Figure 112020061824298-pat00044
Is the Desired Torque,
Figure 112020061824298-pat00045
Is the desired force, Z is the cost function, I 0 is the induced applied current, k is the weight function,
The margin control system of the microrobot, characterized in that calculating the electromagnet applied current through the <Equation 2>. 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 위치 인식부를 더 포함하고,
상기 요구 모션 입력부는 상기 위치 인식부를 통해 인식하는 상기 마이크로 로봇의 위치에 근거하여 상기 요구자장을 입력하는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇의 제어시스템.
The method of claim 1,
Further comprising a location recognition unit for recognizing the location of the micro-robot,
The request motion input unit inputs the request magnetic field based on the position of the micro robot recognized through the position recognition unit.
 제 1 항에 있어서,
상기 요구 모션 입력부를 통해 입력되는 상기 요구자장은 <식1>의 행렬을 통해 정의되는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇의 제어시스템:
Figure 112019032732719-pat00028
<식1>
여기서,
Figure 112019032732719-pat00029
는 요구토크(Desired Torque),
Figure 112019032732719-pat00030
는 요구자기력(Desired force),
Figure 112019032732719-pat00031
는 ROI(관심영역) 중심점에서 각 코일의 단위자속밀도,
Figure 112019032732719-pat00032
는 마이크로 로봇의 구동방향에 대한 자화 크기,
Figure 112019032732719-pat00033
는 x, y, z 축 방향에 대한
Figure 112019032732719-pat00034
편미분, V는 마이크로 로봇 자성체 부피, I는 각 코일의 전류, X(P)는 단위전류에 대한 자기장 행렬을 나타냄.
The method of claim 1,
The control system of a microrobot, characterized in that the request magnetic field input through the requested motion input unit is defined through a matrix of <Equation 1>:
Figure 112019032732719-pat00028
<Equation 1>
here,
Figure 112019032732719-pat00029
Is the Desired Torque,
Figure 112019032732719-pat00030
Is the desired force,
Figure 112019032732719-pat00031
Is the unit magnetic flux density of each coil at the center of the ROI (region of interest),
Figure 112019032732719-pat00032
Is the magnetization size for the driving direction of the microrobot,
Figure 112019032732719-pat00033
Is for the x, y, z axis directions
Figure 112019032732719-pat00034
Partial derivative, V is the volume of the microrobot magnetic body, I is the current of each coil, and X(P) is the magnetic field matrix for the unit current.
 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 전자석 코일은 다수의 맥스웰 코일(Maxwell coil), 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil) 및 사각 코일(Rectangular coil)의 배열로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇의 제어시스템.
The method of claim 1,
The electromagnet coil is a control system of a microrobot, characterized in that it is composed of an arrangement of a plurality of Maxwell coils, Helmholtz coils, and rectangular coils.
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