KR102456895B1 - Microrobot driving system including weight current control function and driving method of microrobot through the same - Google Patents

Microrobot driving system including weight current control function and driving method of microrobot through the same Download PDF

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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. 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. By controlling the temperature of the coil, it is possible to effectively and efficiently control the electromagnetic field system and the temperature of the coil included in the electromagnetic field system.

Description

가중치 전류제어 기능을 포함하는 마이크로로봇 구동 시스템 및 이를 통한 마이크로로봇의 구동 방법 {Microrobot driving system including weight current control function and driving method of microrobot through the same}{Microrobot driving system including weight current control function and driving method of microrobot through the same}

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.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.

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. Micro-robot surgery, 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

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. Methods for controlling the movement of micro-robots can be divided into external driving and self driving methods. 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 propulsion such as movement of bacteria, and the like. However, the self-driving method has limitations in that it is difficult to apply in the human body due to low control freedom, low control precision, and chemical/biological toxicity for driving the microrobot.

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. 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. In particular, compared to the method using a permanent magnet, the micro-robot control method using an electromagnetic driving coil has a wide range of applications and is the most active due to the advantage that the strength and direction of the magnetic field can be precisely controlled by controlling the current applied to the coil. It is one of the areas 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 studies are conducted on a two-dimensional plane or a study that can simply move a three-dimensional space. In order to control the electromagnetic driving coil device using a magnetic field, the medical device is partially or entirely composed of a magnetic material without a battery or a separate actuator.

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.The 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, the 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.

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.However, heat is generated from the electromagnet when the microrobot is controlled using the electromagnet, and as the generated heat is significant, the operating time of the microrobot driving system is limited. Currently, as a method for cooling an electromagnet, a method of cooling the electromagnet using a water cooling type, an air cooling type, a heat pipe and an oil flow is known.

하지만, 수냉식 및 공래식 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.However, electromagnet cooling through water cooling and conventional methods has many considerations such as heat and noise, and the system is complicated and the device is large, so the maintenance cost is high. are greatly affected And, in the case of the heat pipe, 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. In addition, the method of cooling the electromagnet through the oil flow has a disadvantage in that it is necessary to manufacture an additional device for a channel for cooling and a hollow shaft for cooling the rotor.

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.Against this background, there is a need for a temperature control method that can reduce the size of the microrobot driving system, do not cause attenuation of the magnetic field, and efficiently manage the temperature of the electromagnet.

대한민국등록특허 제10-1830088호Republic of Korea Patent No. 10-1830088 미국공개특허 US2015/0188391 A1US Patent Publication US2015/0188391 A1

이에 본 발명자들은 각각의 코일의 온도에 따라 가중치를 부여하여 코일의 온도를 조절할 수 있는 마이크로로봇 구동 시스템을 발명하였으며, 이의 온도조절효과가 월등히 우수한 것을 확인하였다. Accordingly, the present inventors invented a microrobot driving system capable of controlling 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 was very excellent.

이에, 본 발명의 목적은 각각의 코일의 온도에 따라 가중치를 부여하여 각각의 코일에 특정 값의 전류가 인가되도록 전원부를 제어하는 마이크로로봇 구동 시스템을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a microrobot driving system that controls the power supply so that a current of a specific value is applied to each coil by weighting according to the temperature of each coil.

본 발명의 다른 목적은 각각의 코일의 온도에 따라 가중치를 부여하여 각각의 코일에 특정 값의 전류가 인가되도록 전원부를 제어하는 마이크로로봇의 구동 방법을 제공하는 것이다. 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.

본 발명의 또 다른 목적은 각각의 코일의 온도에 따라 가중치를 부여하여 각각의 코일의 온도를 조절하는 마이크로로봇의 구동을 위한 전자기장 시스템의 제어 방법을 제공하는 것이다.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.

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.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.

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. The present inventors have confirmed that the temperature control effect of the coil and electromagnetic field system of the microrobot driving system according to the present invention and the method of driving the microrobot through this is remarkably excellent.

이하 본 발명을 더욱 자세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

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.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 the location information and direction information of the microrobot, receiving temperature information from the temperature sensing unit, and controlling the power supply unit so that a current of a specific value is applied to each of the coils; It is a microrobot driving system that controls the power supply so that a current ( I ) of a specific value is applied to each coil by weighting according to the temperature of each coil.

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. As used herein, the term “micro-robot” is a type of implantable medical device, a mechanical/electronic micro-robot and a DDS micro-robot 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. , can be classified into polymer/cell-based microrobots containing magnetic nanoparticles as micro/nano-scale magnetic materials such as micro-scaffolds for cell therapy delivery, nano-robots, and macrophage robots, and others Other types of micro-robots may be included.

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.The microrobot according to the present invention may further include one or more 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.

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.In one embodiment of the present invention, 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.

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.As used herein, the term “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 a demagnetizing force at the end.

본 발명의 일 구현예에서, 온도 센싱부는 각각의 코일에 하나 이상 포함되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, one or more temperature sensing units may be included in each coil.

본 발명의 일 구현예에서, 전자기장시스템은 각각의 코일을 냉각시키는 냉각부를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electromagnetic field system may include a cooling unit for cooling each coil.

본 발명의 일 구현예에서, 처리부는 하기 <수식 1>에 의해 각각의 상기 코일에 인가되는 상기 특정 값의 전류 (I)를 도출할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the processing unit may derive the current ( I ) of the specific value applied to each of the coils by the following <Equation 1>.

Figure 112020121345260-pat00001
<수식 1>
Figure 112020121345260-pat00001
<Formula 1>

상기 수식에서,In the above formula,

E는 단위행렬 (Identity matrix); E is an identity matrix;

D는 요구 자기력행렬로 하기 <수식 2>과 같이 정의되고;D is a required magnetic force matrix and is defined as in Equation 2 below;

Figure 112020121345260-pat00002
<수식 2>
Figure 112020121345260-pat00002
<Formula 2>

(Bd는 요구토크 (Desired Torque), Fd는 요구자기력 (Desired Force) 임)(B d is the desired torque, F d is the desired magnetic force)

Q0는 가중치행렬로 하기 <수식 3>과 같이 정의되고; Q 0 is a weight matrix and is defined as in Equation 3 below;

Figure 112020121345260-pat00003
<수식 3>
Figure 112020121345260-pat00003
<Equation 3>

(W i 는 i 번째 코일의 가중치임)( W i is the weight of the i-th coil)

X(P)는 단위 자기장 행렬로 하기 <수식 4>과 같이 정의되는 것인,X(P) is a unit magnetic field matrix, which is defined as in Equation 4 below,

Figure 112020121345260-pat00004
<수식 4>
Figure 112020121345260-pat00004
<Formula 4>

(B U (P)는 관심영역 (Region Of Interest; ROI) 중심점에서 각 코일의 단위자속밀도이고, B Ux (P), B Uy (P), B Uz (P)는 x, y, z축 방향에 대한 B U (P)의 편미분이고,

Figure 112020121345260-pat00005
는 마이크로로봇의 구동방향에 대한 자화크기이고, V는 마이크로로봇의 자성체 부피임)(B U (P) is the unit magnetic flux density of each coil at the center point of the region of interest (ROI), and 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,
Figure 112020121345260-pat00005
is the magnetization magnitude with respect to the driving direction of the microrobot, and V is the volume of the microrobot's magnetic material)

본 발명에 있어서, <수식 1>은 요구되는 코일전류를 도출하는 수식으로, 하기의 <수식 5>을 의사역행렬 형태로 구성하여 도출할 수 있다.In the present invention, <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.

Figure 112020121345260-pat00006
<수식 5>
Figure 112020121345260-pat00006
<Formula 5>

본 발명의 다른 양태는, 마이크로로봇 구동 시스템에 의해 구동되는, 다음 단계를 포함하는 마이크로로봇의 구동 방법이다: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:

전자기장 시스템의 각각의 코일에 특정 값의 전류를 인가하도록 제어하는 제어 단계; 및 상기 각각의 코일이 자기장을 통해 마이크로로봇을 구동하는 구동 단계;A control step of controlling to apply a current of a specific value to each coil of the electromagnetic field system; and a driving step in which each of the coils drives the microrobot through a magnetic field.

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.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.

본 발명의 일 구현예에서, 산출 단계는 하기 <수식 1>에 의해 각 코일에 인가될 전류 값 (I)을 산출하고, In one embodiment of the present invention, the calculating step calculates the current value ( I ) to be applied to each coil by the following <Equation 1>,

Figure 112020121345260-pat00007
<수식 1>
Figure 112020121345260-pat00007
<Formula 1>

상기 수식에서,In the above formula,

E는 단위행렬 (Identity matrix); E is an identity matrix;

D는 요구 자기력행렬로 하기 <수식 2>과 같이 정의되고;D is a required magnetic force matrix and is defined as in Equation 2 below;

Figure 112020121345260-pat00008
<수식 2>
Figure 112020121345260-pat00008
<Formula 2>

(Bd는 요구토크 (Desired Torque), Fd는 요구자기력 (Desired Force) 임)(B d is the desired torque, F d is the desired magnetic force)

Q0는 가중치행렬로 하기 <수식 3>과 같이 정의되고; Q 0 is a weight matrix and is defined as in Equation 3 below;

Figure 112020121345260-pat00009
<수식 3>
Figure 112020121345260-pat00009
<Equation 3>

(W i 는 i 번째 코일의 가중치임)( W i is the weight of the i-th coil)

X(P)는 단위 자기장 행렬로 하기 <수식 4>과 같이 정의되는 것인,X(P) is a unit magnetic field matrix, which is defined as in Equation 4 below,

Figure 112020121345260-pat00010
<수식 4>
Figure 112020121345260-pat00010
<Formula 4>

(B U (P)는 관심영역 (Region Of Interest; ROI) 중심점에서 각 코일의 단위자속밀도이고, B Ux (P), B Uy (P), B Uz (P)는 x, y, z축 방향에 대한 B U (P)의 편미분이고,

Figure 112020121345260-pat00011
는 마이크로로봇의 구동방향에 대한 자화크기이고, V는 마이크로로봇의 자성체 부피임)(B U (P) is the unit magnetic flux density of each coil at the center point of the region of interest (ROI), and 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,
Figure 112020121345260-pat00011
is the magnetization magnitude with respect to the driving direction of the microrobot, and V is the volume of the microrobot's magnetic material)

본 발명의 또 다른 양태는, 다음 단계를 포함하는 마이크로로봇의 구동을 위한 전자기장 시스템의 제어 방법이다:Another aspect of the present invention is a method for controlling an electromagnetic field system for driving a microrobot, comprising the steps of:

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.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.

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.Since 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

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.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. By controlling the temperature of the coil, it is possible to effectively and efficiently control the electromagnetic field system and the temperature of the coil included in the electromagnetic field system.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇 구동 시스템의 작동 흐름을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기장 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇 구동을 위해 필요한 자기장을 도출하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇 구동에서의 처리부의 구동을 보여주는 것으로, 마이크로로봇의 구동을 위해 요구되는 코일전류를 도출하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가중치 전류제어 기능이 적용되지 않았을 때의 각 전자석 코일에 대한 입력전류를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가중치 전류제어 기능이 적용되었을 때의 각 전자석 코일에 대한 입력전류를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가중치 전류제어 기능이 적용되지 않았을 때의 각 전자석 코일의 발열량을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가중치 전류제어 기능이 적용되었을 때의 각 전자석 코일의 발열량을 나타낸 그래프이다.1 is a view showing an operation flow of a microrobot driving system according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing an electromagnetic field system according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a process of deriving a magnetic field necessary for driving a microrobot according to an embodiment of the present invention.
4 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.
5 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.
6 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.
7 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 not applied.
8 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.

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. The above-described objects, features and advantages will become more clear through the detailed description to be described later with reference to the accompanying drawings, and accordingly, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains to easily implement the technical idea of the present invention You can do it. In addition, in the description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

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.Throughout the specification, when a part is said to "comprising or including" a certain component, it does not exclude other components unless otherwise stated, meaning that other components may be further included. do. In addition, the term “…unit” described in the specification means a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software. Furthermore, "a or an", "one", and like related terms in the context of describing the present invention are used in both the singular and the plural unless otherwise indicated herein or otherwise clearly contradicted by the context. It can be used in the meaning of including.

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.In addition, when a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in between. It should be understood that there is On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle. Other expressions describing the relationship between elements, such as "between" and "immediately between" or "neighboring to" and "directly adjacent to", etc., should be interpreted similarly.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇 구동 시스템의 작동 흐름을 보여주는 도면이다.1 is a view showing an operation flow of a microrobot driving system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 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.Referring to FIG. 1 , a microrobot driving system according to an embodiment 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 . ) may be included.

전자기장 시스템(300)은 하나 이상의 코일을 포함할 수 있고, 각각의 코일은 전원부(200)로부터 독립적으로 전류를 공급받을 수 있다. The electromagnetic field system 300 may include one or more coils, and each coil may receive current independently from the power supply unit 200 .

코일은 솔레노이드 코일, 원형 코일, 사각 코일, 맥스웰 코일, 헬름헬츠 코일 및 새들 코일 중 선택되는 하나 이상의 형태의 코일일 수 있다.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 Helmheltz coil, and a saddle coil.

전자기장 시스템(300)은 마이크로로봇(400)의 구동을 위한 자기장을 생성할 수 있다.The electromagnetic field system 300 may generate a magnetic field for driving the microrobot 400 .

마이크로로봇(400)은 자성체를 포함할 수 있으며, 이에 따라 전자기장 시스템(300)에서 생성되는 자기장에 의해 사용자가 원하는 위치로 이동될 수 있다.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 .

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.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

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 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The temperature sensing unit 500 may measure the temperature of the electromagnetic field system 300 or a coil included in the electromagnetic field system, and may generate temperature information and transmit it to the processing unit. For example, one or more temperature sensing units 500 may be included in each coil, but the present invention is not limited thereto.

처리부(100)는 온도 센싱부(500)로부터 온도정보를 송신받고, 위치정보시스템(600)으로부터 마이크로로봇(400)의 위치정보 및 방향정보를 송신받을 수 있다.The processing unit 100 may receive temperature information from the temperature sensing unit 500 , and may receive position information and direction information of the microrobot 400 from the location information system 600 .

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기장 시스템을 나타낸 도면이다.2 is a view showing an electromagnetic field system according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 전자석 전류에 의해 자기장을 발생시킬 수 있는 전자기장 다수의 코일로 이루어지는 전자석 코일을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , an electromagnetic field capable of generating a magnetic field by an electromagnet current may include an electromagnet coil composed of a plurality of coils.

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.Electromagnet coils include a number of coils, namely, a Maxwell coil (MC y1 , MC y2 , MCz 1 , MC z2 ), a Helmholtz coil (HC y1 , HC y2 ) and a Rectangular coil (RC). xz_L1 , RC xz_L2 , RC xz_R1 , RC xz_r2 ).

맥스웰 코일 쌍(MCy1, MCy2, MCz1, MCz2)은 각 맥스웰 코일의 반지름의 √3배 (√3R)의 거리를 두어 서로 배치될 수 있다.The Maxwellian coil pairs (MC y1 , MC y2 , MCz 1 , MC z2 ) may be disposed with a distance of √3 times (√3R) of the radius of each Maxwellian coil.

헬름홀츠 코일 쌍(HCy1, HCy2)은 각 헬름홀츠 코일의 반지름의 거리만큼 이격되어 쌍을 이루도록 배치될 수 있다.The Helmholtz coil pairs HC y1 and HC y2 may be arranged to form a pair by being spaced apart by a distance of a radius of each Helmholtz coil.

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.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 arranged 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.

특히, 전자석 코일을 이루는 각 코일 쌍은 마이크로 로봇을 3자유도 공간에서 움직이기 위해서 각 축으로 균일자계와 경사자계를 생성하도록 설치될 수 있다.In particular, 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.

또한, 본 발명에서는 10개 코일을 배열하여 전자석 코일을 이루도록 구성하고 있으나, 적용하는 시스템에 따라 배열 방식 및 코일의 수는 다양하게 변경될 수 있다.In addition, in the present invention, 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.

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.3 is a view showing a process of deriving a magnetic field necessary for driving a microrobot according to an embodiment of the present invention, and 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.

도 3을 참조하면, 마 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.Referring to FIG. 3, as shown in Equation 5 below, the current ( I ) input to the electromagnetic field system is multiplied by 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 driving the robot.

Figure 112020121345260-pat00012
<수식 5>
Figure 112020121345260-pat00012
<Formula 5>

이때, 수식 5에서 Bd는 요구토크 (Desired Torque), Fd는 요구자기력 (Desired Force)이다.In Equation 5, B d is the desired torque, and F d is the desired magnetic force.

수식 5에서 B U (P)는 관심영역 중심점에서 각 코일의 단위자속밀도이고, B Ux (P), B Uy (P), B Uz (P)는 x, y, z축 방향에 대한 B U (P)의 편미분이고,

Figure 112020121345260-pat00013
는 마이크로로봇의 구동방향에 대한 자화크기이고, V는 마이크로로봇의 자성체 부피이다.In Equation 5, B U (P) is the unit magnetic flux density of each coil at the center point of the region of interest, and 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),
Figure 112020121345260-pat00013
is the magnetization magnitude with respect to the driving direction of the microrobot, and V is the volume of the microrobot's magnetic material.

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.And, as shown in Fig. 4, 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

Figure 112020121345260-pat00014
<수식 1>
Figure 112020121345260-pat00014
<Formula 1>

여기서, E는 단위행렬 (Identity matrix)이다.Here, E is an identity matrix.

그리고, D는 요구 자기력행렬로 하기 <수식 2>과 같이 정의되고, <수식 2>에서 Bd는 요구토크 (Desired Torque), Fd는 요구자기력 (Desired Force) 이다.And, D is a required magnetic force matrix and is defined as in <Equation 2>, in <Equation 2>, B d is a desired torque and F d is a desired magnetic force.

Figure 112020121345260-pat00015
<수식 2>
Figure 112020121345260-pat00015
<Formula 2>

Q0는 가중치행렬로 하기 <수식 3>과 같이 정의되고, 여기서 W i 는 i 번째 코일의 가중치이다.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.

Figure 112020121345260-pat00016
<수식 3>
Figure 112020121345260-pat00016
<Equation 3>

X(P)는 단위 자기장 행렬로 상기 <수식 5>에서 유도할 수 있으며, 하기 <수식 4>과 같이 정의된다.X(P) is a unit magnetic field matrix, which can be derived from <Equation 5>, and is defined as <Equation 4> below.

Figure 112020121345260-pat00017
<수식 4>
Figure 112020121345260-pat00017
<Formula 4>

따라서, 도 4를 참조하면, 처리부는 전자기장시스템은 온도 센싱부로부터 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.Therefore, referring to FIG. 4 , the processing unit receives the temperature information from the temperature sensing unit, sets the current weight ( W i ) based on the temperature information, and the electromagnetic field system receives the temperature information from the temperature sensing unit, and the magnetic force required for driving the microrobot through the location information system ( Bd, Fd) can be received and the calculation of the coil current ( I ) can be performed.

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.At this time, the weight Wi is always a positive value, and has the same number as the number of electromagnet coils. The weight Wi is configured in the form of a diagonal matrix in the weight matrix Q 0 as shown in Equation 3 above. In addition, the weighting matrix (Q 0 ) increases the weight ( Wi ) for a specific coil having a high temperature ( Wi > 1 ) so that the power supply unit can control the current to supply an optimal current to the corresponding coil.

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.Therefore, 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.

실시예 1: 가중치 전류제어에 따른 온도 조절 효과 확인Example 1: Confirmation of temperature control effect according to weighted current control

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. 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.

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. At this time, 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.

Figure 112020121345260-pat00018
<수식 5>
Figure 112020121345260-pat00018
<Formula 5>

그리고, 각 코일에서의 요구전류를 표 1 및 도 5에 나타내었고, 10초 동안 각 코일의 발열량을 표 3 및 도 7에 나타내었다. And, the required current in each coil is shown in Tables 1 and 5, and the amount of heat generated by each coil for 10 seconds is shown in Tables 3 and 7.

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. On the other hand, 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.

Figure 112020121345260-pat00019
<수식 1>
Figure 112020121345260-pat00019
<Formula 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.After that, the amount of heat generated in each coil for 10 seconds was calculated. At this time, the required current in each coil is shown in Tables 2 and 6, and the amount of heat generated in each coil for 10 seconds is shown in Tables 4 and 8. .

HCy1 HC y1 HCy2 HC y2 RCxz-R1 RC xz-R1 RCxz-R2 RC xz-R2 RCxz-L1 RC xz-L1 RCxz-L2 RC xz-L2 MCz1 MC z1 MCz2 MC z2 MCy1 mc y1 MCy2 mc y2 입력전류 [A]Input current [A] -2.14-2.14 2.142.14 1.621.62 0.880.88 1.621.62 0.880.88 13.8913.89 -4.46-4.46 1.491.49 -1.49-1.49

HCy1 HC y1 HCy2 HC y2 RCxz-R1 RC xz-R1 RCxz-R2 RC xz-R2 RCxz-L1 RC xz-L1 RCxz-L2 RC xz-L2 MCz1 MC z1 MCz2 MC z2 MCy1 mc y1 MCy2 mc y2 입력전류 [A]Input current [A] -7.27-7.27 7.277.27 8.058.05 5.555.55 8.058.05 5.555.55 9.119.11 -5.56-5.56 5.085.08 -5.08-5.08

시간 (sec)time (sec) 코일당 발열량 (kJ)Heat output per coil (kJ) HCy1 HC y1 HCy2 HC y2 RCxz-R1 RC xz-R1 RCxz-R2 RC xz-R2 RCxz-L1 RC xz-L1 RCxz-L2 RC xz-L2 MCz1 MC z1 MCz2 MC z2 MCy1 mc y1 MCy2 mc y2 1One 18.2518.25 18.2518.25 10.4510.45 3.113.11 10.4510.45 3.113.11 772.12772.12 79.6779.67 8.908.90 8.908.90 22 36.5136.51 36.5136.51 20.8920.89 6.226.22 20.8920.89 6.226.22 1544.231544.23 159.34159.34 17.8017.80 17.8017.80 33 54.7654.76 54.7654.76 31.3431.34 9.339.33 31.3431.34 9.339.33 2316.352316.35 239.02239.02 26.6926.69 26.6926.69 44 73.0273.02 73.0273.02 41.7941.79 12.4412.44 41.7941.79 12.4412.44 3088.463088.46 318.69318.69 35.5935.59 35.5935.59 55 91.2791.27 91.2791.27 52.2352.23 15.5515.55 52.2352.23 15.5515.55 3860.583860.58 398.36398.36 44.4944.49 44.4944.49 66 109.52109.52 109.52109.52 62.6862.68 18.6618.66 62.6862.68 18.6618.66 4632.694632.69 478.03478.03 53.3953.39 53.3953.39 77 127.78127.78 127.78127.78 73.1273.12 21.7721.77 73.1273.12 21.7721.77 5404.815404.81 557.70557.70 62.2862.28 62.2862.28 88 146.03146.03 146.03146.03 83.5783.57 24.8824.88 83.5783.57 24.8824.88 6176.926176.92 637.38637.38 71.1871.18 71.1871.18 99 164.29164.29 164.29164.29 94.0294.02 27.9927.99 94.0294.02 27.9927.99 6949.046949.04 717.05717.05 80.0880.08 80.0880.08 1010 182.54182.54 182.54182.54 104.46104.46 31.1031.10 104.46104.46 31.1031.10 7721.157721.15 796.72796.72 88.9888.98 88.9888.98

시간 (sec)time (sec) 코일당 발열량 (kJ)Heat output per coil (kJ) HCy1 HC y1 HCy2 HC y2 RCxz-R1 RC xz-R1 RCxz-R2 RC xz-R2 RCxz-L1 RC xz-L1 RCxz-L2 RC xz-L2 MCz1 MC z1 MCz2 MC z2 MCy1 mc y1 MCy2 mc y2 1One 211.36211.36 211.36211.36 259.19259.19 123.26123.26 259.19259.19 123.26123.26 331.61331.61 123.49123.49 103.03103.03 103.03103.03 22 422.72422.72 422.72422.72 518.38518.38 246.53246.53 518.38518.38 246.53246.53 663.22663.22 246.97246.97 206.05206.05 206.05206.05 33 634.08634.08 634.08634.08 777.58777.58 369.79369.79 777.58777.58 369.79369.79 994.83994.83 370.46370.46 309.08309.08 309.08309.08 44 845.44845.44 845.44845.44 1036.771036.77 493.05493.05 1036.771036.77 493.05493.05 1326.441326.44 493.94493.94 412.11412.11 412.11412.11 55 1056.801056.80 1056.801056.80 1295.961295.96 616.32616.32 1295.961295.96 616.32616.32 1658.041658.04 617.43617.43 515.13515.13 515.13515.13 66 1268.161268.16 1268.161268.16 1555.151555.15 739.58739.58 1555.151555.15 739.58739.58 1989.651989.65 740.91740.91 618.16618.16 618.16618.16 77 1479.521479.52 1479.521479.52 1814.341814.34 862.85862.85 1814.341814.34 862.85862.85 2321.262321.26 864.40864.40 721.19721.19 721.19721.19 88 1690.881690.88 1690.881690.88 2073.542073.54 986.11986.11 2073.542073.54 986.11986.11 2652.872652.87 987.88987.88 824.21824.21 824.21824.21 99 1902.241902.24 1902.241902.24 2332.732332.73 1109.371109.37 2332.732332.73 1109.371109.37 2984.482984.48 1111.371111.37 927.24927.24 927.24927.24 1010 2113.602113.60 2113.602113.60 2591.922591.92 1232.641232.64 2591.922591.92 1232.641232.64 3316.093316.09 1234.851234.85 1030.271030.27 1030.271030.27

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. As can be seen from the experimental results, as can be seen in FIG. 5 , when the weighted current control was not applied, a high input current of 13A or more was applied to the MC z1 coil, and as can be seen in FIG. 7 , the temperature of the MC z1 coil also changed over time. It was found that the temperature increased significantly.

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.On the other hand, when weighted current control is applied, as can be seen in FIG. 6 , as the weight is given to the MC z1 coil, the input current of the MC z1 coil was applied to 10A or less, and the temperature of the MC z1 coil also decreased relatively significantly. Confirmed.

Claims (8)

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.an electromagnetic field system including 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 so that a current of a specific value is applied to each of the coils;
including,
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,
microrobot drive system. 제1항에 있어서, 상기 처리부는 하기 <수식 1>에 의해 각각의 상기 코일에 인가되는 상기 특정 값의 전류 (I)를 도출하고,
Figure 112020121345260-pat00020
<수식 1>
상기 수식에서,
E는 단위행렬 (Identity matrix);
D는 요구 자기력행렬로 하기 <수식 2>과 같이 정의되고;
Figure 112020121345260-pat00021
<수식 2>
(Bd는 요구토크 (Desired Torque), Fd는 요구자기력 (Desired Force) 임)
Q0는 가중치행렬로 하기 <수식 3>과 같이 정의되고;
Figure 112020121345260-pat00022
<수식 3>
(W i 는 i 번째 코일의 가중치임)
X(P)는 단위 자기장 행렬로 하기 <수식 4>과 같이 정의되는 것인,
Figure 112020121345260-pat00023
<수식 4>
(B U (P)는 관심영역 (Region Of Interest; ROI) 중심점에서 각 코일의 단위자속밀도이고, B Ux (P), B Uy (P), B Uz (P)는 x, y, z축 방향에 대한 B U (P)의 편미분이고,
Figure 112020121345260-pat00024
는 마이크로로봇의 구동방향에 대한 자화크기이고, V는 마이크로로봇의 자성체 부피임)
마이크로로봇 구동 시스템.According to claim 1, wherein the processing unit derives the current ( I ) of the specific value applied to each of the coils by the following <Equation 1>,
Figure 112020121345260-pat00020
<Formula 1>
In the above formula,
E is an identity matrix;
D is a required magnetic force matrix and is defined as in Equation 2 below;
Figure 112020121345260-pat00021
<Formula 2>
(B d is the desired torque, F d is the desired magnetic force)
Q 0 is a weight matrix and is defined as in Equation 3 below;
Figure 112020121345260-pat00022
<Equation 3>
( W i is the weight of the i-th coil)
X(P) is a unit magnetic field matrix, which is defined as in Equation 4 below,
Figure 112020121345260-pat00023
<Formula 4>
(B U (P) is the unit magnetic flux density of each coil at the center point of the region of interest (ROI), and 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,
Figure 112020121345260-pat00024
is the magnetization magnitude with respect to the driving direction of the microrobot, and V is the volume of the microrobot's magnetic material)
microrobot drive system. 제1항에 있어서, 상기 코일은 솔레노이드 코일, 원형 코일, 사각 코일 및 새들 코일 중 선택되는 하나 이상의 형태의 코일인 것인, 마이크로로봇 구동 시스템.The microrobot driving system according to claim 1, wherein the coil is one or more types of coils selected from a solenoid coil, a circular coil, a square coil, and a saddle coil. 제1항에 있어서, 상기 온도 센싱부는 상기 각각의 코일에 하나 이상 포함되는 것인, 마이크로로봇 구동 시스템.The microrobot driving system according to claim 1, wherein at least one temperature sensing unit is included in each of the coils. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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