KR20220109820A - 마이크로 로봇 제어용 듀얼 하이브리드 전자석 모듈 - Google Patents

마이크로 로봇 제어용 듀얼 하이브리드 전자석 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 로봇 제어용 듀얼 하이브리드 전자석 모듈에 관한 것으로, 구체적으로, 마이크로로봇 제어에 영구자석 및 전자석을 포함하는 듀얼 하이브리드 전자석 모듈을 사용함으로써 사용되는 전자석의 수를 줄여 소비 전력 및 전자석 모듈에서 발생하는 발열량을 감소시킬 수 있는 전자기장 시스템에 관한 것으로, 마이크로로봇을 활용한 다양한 시술 및 수술에 활용될 수 있다.

Description

마이크로 로봇 제어용 듀얼 하이브리드 전자석 모듈 {Dual Hybrid Electromagnet Module for Controling Micro-robot}
본 발명은 마이크로 로봇 제어용 듀얼 하이브리드 전자석 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 마이크로로봇 제어에 영구자석 및 전자석을 포함하는 듀얼 하이브리드 전자석 모듈을 사용함으로써, 사용되는 전자석의 수를 줄여 소비 전력 및 전자석 모듈에서 발생하는 발열량을 감소시킬 수 있어 마이크로로봇을 이용한 장시간의 수술에 이용될 수 있는 전자기장 시스템에 관한 것이다.
인체 내 마이크로 로봇을 인체 외부에서 구동하기 위한 전자기장 장치들이 개발되고 있다. 인체 내 시술 목적에 따라 유선 또는 무선의 마이크로 로봇이 활용되고 있으며, 전자기장 장치를 통해 자기장의 방향과 크기를 제어하여 마이크로 로봇을 구동하는 기술들이 알려진 바 있거나 개발 중에 있다. 구체적으로, 인체 내 질환 부위 및 마이크로 로봇의 운동 특성을 고려하여 다수 개의 전자석/영구자석을 배치하고 고정형 또는 이동형의 시스템 구조를 갖는 전자기장 장치가 개발되고 있다.
기 개발된 전자기장 구동장치는 사용하는 전자석의 개수가 많아, 장치 크기가 커져서 시술 공간상 장치설치 및 운용이 효율적이지 못하고, 전자석 개수 증가에 따른 전원공급용 파워 개수 증가로 인해, 전력사용량이 증가하는 등 다양한 운용 관점에서 비효율적이다.
또한, 영구자석을 활용한 자기장 구동장치의 경우, 사용되는 자석의 개수는 적으나 마이크로 로봇을 제어하는데 한계가 있다. 더불어 영구자석은 자화 값이 일정하여 로봇과 자석 간의 거리변화, 자석의 방향전환을 통해 로봇을 구동하므로 제어 성능에 한계가 있으며, 모터를 이용하여 영구자석의 제어공간을 확보하고 있으나, 모터 이동의 시간차로 인해 실시간 자기장 제어에 어려움이 있다. 또한, 종래 공간상 경사자장과 균일자장을 변화시켜 로봇을 제어하는 방법의 경우, 위치정보 없이는 원하는 위치로의 로봇 집속이 어려운 한계가 있다.
본 발명자들은 상술한 종래 기술의 문제점들을 해결하고자 본 발명의 마이크로 로봇 제어용 듀얼 하이브리드 전자석 모듈 및 이를 이용한 마이크로 로봇 제어장치를 완성하였다.
이에 본 발명자들은 본 발명에 따른 전자기장 시스템이 마이크로로봇의 위치를 정확하게 제어하면서도, 전자석에서 발생하는 발열량 및 소비되는 전력을 월등히 감소시킬 수 있는 것을 확인하였다.
이에, 본 발명의 목적은 전자기장 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전자기장 시스템을 이용하여 마이크로로봇을 구동하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 마이크로 로봇 제어용 듀얼 하이브리드 전자석 모듈에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전자기장 시스템은 낮은 발열량과 소비전력으로도 마이크로로봇을 정밀하게 구동할 수 있다.
이하 본 발명을 더욱 자세히 설명하고자 한다.
본 발명의 일 양태는, 제1하이브리드 전자석 모듈; 및 제2하이브리드 전자석 모듈;을 포함하고, 제1하이브리드 전자석 모듈은, 제1영구자석을 포함하는 제1자성체, 및 제1자성코어 및 제1자성코어에 권취되는 제1와이어를 포함하는 제1전자석을 포함하고, 제2하이브리드 전자석 모듈은, 제2영구자석을 포함하는 제2자성체, 및 제2자성코어 및 제2자성코어에 권취되는 제2와이어를 포함하는 제2전자석을 포함하고, 제1하이브리드 전자석 모듈과 제2하이브리드 전자석 모듈은 제1하이브리드 전자석 모듈의 중심축과 제2하이브리드 전자석 모듈의 중심축이 교차하여 교차점을 형성하도록 배치되는 것인, 전자기장 시스템이다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1전자석 또는 제2전자석은 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, 전자기장 시스템은 제1하이브리드 전자석 모듈과 제2하이브리드 전자석 모듈을 서로 연결하는 프레임부를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1영구자석 및 제2영구자석 중 하나 이상은 중공의 중심부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1하이브리드 전자석 모듈 및 제2하이브리드 전자석 모듈의 각각의 중심축이 교차하는 교차점을 기준으로 제1자성체보다 제1전자석이 제1하이브리드 전자석 모듈내에서 교차점으로부터 더 멀리 배치되고, 제1하이브리드 전자석 모듈 및 제2하이브리드 전자석 모듈 각각의 중심축이 교차하는 교차점을 기준으로 제2자성체보다 제2전자석이 제2하이브리드 전자석 모듈내에서 교차점으로부터 더 멀리 배치되는 것일 수 있다.
본 명세서 상의 용어 "교차점"은 제1하이브리드 전자석 모듈의 중심을 관통하는 가상의 축과 제2하이브리드 전자석 모듈의 중심을 관통하는 가상의 축이 만나는 가상의 지점을 의미하는 것으로, 이에 한정되는 것은 아니지만, 교차점은 마이크로로봇을 구동하고자 하는 영역인 관심영역 (Region of interest)내에 위치할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 다른 제1하이브리드 전자석 모듈 또는 제2하이브리드 전자석 모듈에서 교차점으로부터 제1전자석, 제1자성체 또는 제2전자석, 제2자성체 순서로 배치될 수 있다.
전자석이 교차점으로부터 더 가깝게 배치되는 경우, 주된 마이크로로봇의 제어장치인 전자석이 하단에 배치됨에 따라, 마이크로로봇의 동작을 제어하는 성능이 향상되며, 적은 전류변화로도 마이크로로봇을 세밀하게 조작할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1하이브리드 전자석 모듈의 중심축과 제2하이브리드 전자석 모듈의 중심축이 1 내지 90, 10 내지 80, 10 내지 70, 10 내지 60, 10 내지 50, 20 내지 80, 20 내지 70, 20 내지 60, 20 내지 50 또는 20 내지 40 도 중 어느 하나의 각도를 이루도록 제1하이브리드 전자석 모듈과 제2하이브리드 전자석 모듈이 배치되는 것일 수 있고, 예를 들어, 30도의 각도를 이루도록 제1하이브리드 전자석 모듈과 제2하이브리드 전자석 모듈이 배치되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1자성체 및 제1전자석의 자화 방향은 제1하이브리드 전자석 모듈의 중심축과 평행하고, 제2자성체 및 제2전자석의 자화 방향은 제2하이브리드 전자석 모듈의 중심축과 평행한 것일 수 있다. 따라서, 사용자는 각각의 하이브리드 전자석 모듈에 인가하는 전류의 방향과 양을 조절하여 각 하이브리드 전자석 모듈이 교차점을 향해 자기장 방향을 갖도록 제어하거나, 교차점의 반대방향으로 자기장 방향을 설정하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 교차점에 대한 제1자성체와 제2자성체 각각의 자기장 방향이 서로 반대되도록 제1자성체와 제2자성체가 배치되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1하이브리드 전자석 모듈의 중심축과 제2하이브리드 전자석 모듈의 중심축이 30 도를 이루도록 제1하이브리드 전자석 모듈과 제2하이브리드 전자석 모듈이 배치되면서, 교차점을 기준으로 제1자성체와 제2자성체의 자기장 방향이 서로 반대방향으로 배치될 수 있다. 제1하이브리드 전자석 모듈과 제2하이브리드 전자석 모듈이 상술한 것과 같이 배치되는 경우, 사용자는 각각의 하이브리드 전자석 모듈에서 전자석에 전류를 인가하지 않거나, 또는 전자석에 인가되는 전류의 방향 및 세기를 조절하여 관심영역 (Region of interest; ROI) 내에서 자기장의 방향을 -90 내지 60도로 자유롭게 조절하는 것이 가능하다 (도 4, 도 5a 내지 5d 참조)
본 발명의 일 구현예에서, 제1전자석 및 제2전자석 중 하나 이상은 솔레노이드 코일을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기장 시스템은 제1하이브리드 전자석 모듈 및 제2하이브리드 전자석 모듈을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기장 시스템은 제1하이브리드 전자석 모듈 및 제2하이브리드 전자석 모듈에 전류를 인가하는 전원부를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기장 시스템은 냉각부를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 프레임부는 차폐재를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기장 시스템은 제1하이브리드 전자석 모듈 및 제2하이브리드 전자석 모듈의 위치를 이동시키는 암 (Arm)부를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기장 시스템은 베드를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1영구자석 및 제2영구자석은 사각형 또는 원통형인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 양태는, 다음 단계를 포함하는 마이크로로봇의 구동 방법이다:
전자기장 시스템에 전류를 인가하여 마이크로로봇을 관심영역 (Region Of Interest; ROI) 내로 이동시키는 구동 단계;를 포함하고, 전자기장 시스템은, 제1하이브리드 전자석 모듈; 및 제2하이브리드 전자석 모듈;을 포함하고, 제1하이브리드 전자석 모듈은, 제1영구자석을 포함하는 제1자성체, 및 제1자성코어 및 제1자성코어에 권취되는 제1와이어를 포함하는 제1전자석을 포함하고, 제2하이브리드 전자석 모듈은, 제2영구자석을 포함하는 제2자성체, 및 제2자성코어 및 제2자성코어에 권취되는 제2와이어를 포함하는 제2전자석을 포함하고, 제1하이브리드 전자석 모듈과 제2하이브리드 전자석 모듈은 제1하이브리드 전자석 모듈의 중심축과 제2하이브리드 전자석 모듈의 중심축이 교차하여 교차점을 형성하도록 배치되는 것임.
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, 제1전자석 또는 제2전자석은 솔레노이드 코일, 원형 코일, 사각 코일, 맥스웰 코일, 헬름헬츠 코일 및 새들 코일 중 선택되는 하나 이상의 형태의 코일일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기장 시스템은 제1하이브리드 전자석 모듈과 제2하이브리드 전자석 모듈을 서로 연결하는 프레임부를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1영구자석 및 제2영구자석 중 하나 이상은 중공의 중심부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1하이브리드 전자석 모듈 및 제2하이브리드 전자석 모듈의 각각의 중심축이 교차하는 교차점을 기준으로 제1자성체보다 제1전자석이 제1하이브리드 전자석 모듈내에서 교차점으로부터 더 멀리 배치되고, 제1하이브리드 전자석 모듈 및 제2하이브리드 전자석 모듈 각각의 중심축이 교차하는 교차점을 기준으로 제2자성체보다 제2전자석이 제2하이브리드 전자석 모듈내에서 교차점으로부터 더 멀리 배치되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1하이브리드 전자석 모듈의 중심축과 제2하이브리드 전자석 모듈의 중심축이 1 내지 90, 10 내지 80, 10 내지 70, 10 내지 60, 10 내지 50, 20 내지 80, 20 내지 70, 20 내지 60, 20 내지 50 또는 20 내지 40 도 중 어느 하나의 각도를 이루도록 제1하이브리드 전자석 모듈과 제2하이브리드 전자석 모듈이 배치되는 것일 수 있고, 예를 들어, 30도의 각도를 이루도록 제1하이브리드 전자석 모듈과 제2하이브리드 전자석 모듈이 배치되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 교차점에 대한 제1자성체와 제2자성체 각각의 자기장 방향이 서로 반대되도록 제1자성체와 제2자성체가 배치되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기장 시스템은 제1하이브리드 전자석 모듈 및 제2하이브리드 전자석 모듈을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기장 시스템은 제1하이브리드 전자석 모듈 및 제2하이브리드 전자석 모듈에 전류를 인가하는 전원부를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기장 시스템은 냉각부를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 프레임부는 차폐재를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기장 시스템은 제1하이브리드 전자석 모듈 및 제2하이브리드 전자석 모듈의 위치를 이동시키는 암 (Arm)부를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자기장 시스템은 베드를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1영구자석 및 제2영구자석은 사각형 또는 원통형인 것일 수 있다.
본 발명은 마이크로 로봇 제어용 듀얼 하이브리드 전자석 모듈에 관한 것으로, 구체적으로, 마이크로로봇 제어에 영구자석 및 전자석을 포함하는 듀얼 하이브리드 전자석 모듈을 사용함으로써 사용되는 전자석의 수를 줄여 소비 전력 및 전자석 모듈에서 발생하는 발열량을 감소시킬 수 있는 전자기장 시스템에 관한 것으로, 마이크로로봇을 활용한 다양한 시술 및 수술에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기장 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 하이브리드 전자석 모듈을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 하이브리드 전자석 모듈을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기장 시스템의 관심영역 (Region of interest; ROI) 내의 자기장방향 제어범위를 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기장 시스템에서 각 하이브리드 전자석 모듈의 인가 전류 값에 따른 자기장방향을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기장 시스템의 시작품을 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기장 시스템의 시작품이 마이크로 로봇을 구동하는 장면을 촬영한 사진이다.
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.
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.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기장 시스템 (1000)을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 전자기장 시스템 (1000)은 제1하이브리드 전자석 모듈 (100), 제2하이브리드 전자석 모듈 (200), 프레임 (300), 본체부 (400), 암 (Arm) (500) 및 베드 (600)를 포함할 수 있다.
제1하이브리드 전자석 모듈 (100)은 제2하이브리드 전자석 모듈 (200)과 프레임 (300)을 통해서 연결될 수 있고, 프레임 (300)을 통해 연결된 제1하이브리드 전자석 모듈 (100) 또는 제2하이브리드 전자석 모듈 (200) 중 하나 이상은 암 (500)의 일단에 연결되도록 배치될 수 있다.
제1하이브리드 전자석 모듈 (100) 및 제2하이브리드 전자석 모듈 (200)은 본체부 (400)에 포함된 전원부 (미도시)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 제1하이브리드 전자석 모듈 (100) 또는 제2하이브리드 전자석 모듈 (200)은 암 (500)의 내부 또는 외부에 배치된 전선을 통해 전원부로부터 전력을 공급받을 수 있다. 이때, 프레임 (300)은 내부에 전선을 포함할 수 있고, 이에 따라 전원부로부터 공급되는 전력이 암 (500)을 거쳐 프레임 (300)을 통해 제2하이브리드 전자석 모듈 (200)로 공급될 수 있다.
또한, 제1하이브리드 전자석 모듈 (100) 및 제2하이브리드 전자석 모듈 (200)은 전원부로부터 각 하이브리드 전자석 모듈 (100, 200)에 직접 연결된 전선을 통해 전력을 공급받을 수 있다.
제1하이브리드 전자석 모듈 (100) 및 제2하이브리드 전자석 모듈 (200)은 베드 (600)를 향하도록 배치될 수 있고, 이에, 대상이 베드 (600)에 위치하는 경우 베드 (600)의 상측에 위치하는 관심영역 내에서 마이크로로봇을 제어하도록 구동될 수 있다.
본체부 (400)는 전원부 (미도시)를 포함할 수 있다.
전원부는 본체부 (400)내에서 암을 통하여, 또는 직접 제1하이브리드 전자석 모듈 (100) 및 제2하이브리드 전자석 모듈 (200)에 전류를 인가할 수 있다. 그리고, 후술할 바와 같이 일 실시예에 따른 전자기장 시스템 (1000)은 듀얼 하이브리드 전자석 모듈 (100, 200)을 사용함에 따라, 기존에 전자석만을 포함하고 있는 전자기장 시스템에 비해 전력 소비량이 적어 전원부는 적은 양의 전류만을 각 하이브리드 전자석 모듈 (100, 200)에 공급하여 효율적으로 마이크로로봇을 제어할 수 있다.
본체부 (400)는 냉각부 (미도시)를 포함할 수 있고, 냉각부는 제1하이브리드 전자석 모듈 (100) 및 제2하이브리드 전자석 모듈 (200)을 냉각할 수 있다.
암 (500)은 본체부 (400)의 상단에 배치될 수 있다. 암 (500)은 제1하이브리드 전자석 모듈 (100) 및 제2하이브리드 전자석 모듈 (200)의 위치를 이동시킬 수 있고, 이에 따라, 사용자는 관심영역에 자기장을 인가하도록 각 하이브리드 전자석 모듈 (100, 200)을 이동시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 하이브리드 전자석 모듈을 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 하이브리드 전자석 모듈을 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 제1하이브리드 전자석 모듈 (100)은 제1자성체 (110) 및 제1전자석 (120)을 포함할 수 있고, 제2하이브리드 전자석 모듈 (200)은 제2자성체 (210) 및 제2전자석 (220)을 포함할 수 있다.
한편, 제1하이브리드 전자석 모듈 (100)과 제2하이브리드 전자석 모듈 (200)은 제1하이브리드 전자석 모듈의 중심축 (10)과 제2하이브리드 전자석 모듈의 중심축 (20)이 교차하여 교차점 (30)을 형성하도록 배치되는 것일 수 있다. 각 하이브리드 전자석 모듈의 중심축이 교차점 (30)을 형성하도록 배치되는 경우, 각 하이브리드 전자석 모듈에서 발생한 자기장은 교차점에서 집속될 수 있다.
제1하이브리드 전자석 모듈의 중심축 (10)과 제2하이브리드 전자석 모듈의 중심축 (20)은 일정한 각도 (30)를 형성하도록 배치될 수 있다. 두 중심축 (10, 20)이 이루는 각도는 1 내지 90, 10 내지 80, 10 내지 70, 10 내지 60, 10 내지 50, 20 내지 80, 20 내지 70, 20 내지 60, 20 내지 50 또는 20 내지 40 도 중 어느 하나일 수 있고, 예를 들어, 30도일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1자성체 (110)는 제1영구자석 (115)을 포함할 수 있고, 제2자성체 (210)는 제2영구자석 (215)을 포함할 수 있다.
제1영구자석 또는 제2영구자석은 네오디움자석, 페라이트 자석, 알리코 자석, 사마륨 코발트자석 및 고무자석 중 하나 이상 또는 이들의 조합일 수 있고, 예를 들어, 네오디움자석일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 제1자성체 (110)는 제1하이브리드 전자석 모듈 (100)에서 자화 방향이 제1하이브리드 전자석 모듈의 중심축 (10)과 평행한 방향이 되도록 배치될 수 있고, 제2자성체 (210)는 제2하이브리드 전자석 모듈 (200)에서 자화 방향이 제2하이브리드 전자석 모듈의 중심축 (20)과 평행한 방향이 되도록 배치될 수 있다.
제1자성체 (110) 및 제2자성체 (210)는, 교차점 (30)을 기준으로 제1자성체 (110)와 제2자성체 (210)의 자기장 방향이 서로 반대방향으로 배치되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2 내지 3과 같이 제1하이브리드 전자석 모듈 (110)에서는 제1영구자석 (115)의 S극이 프레임 (300)에 인접하게 배치되고, N극이 제1전자석 (120)과 인접하도록 배치될 수 있고, 제2하이브리드 전자석 모듈 (200)에서는 제2영구자석 (215)의 S극이 제2전자석 (220)과 인접하도록 배치되고, N극이 프레임 (300)과 인접하도록 배치될 수 있다.
그리고, 이처럼 제1자성체 (110) 및 제2자성체 (210)의 자기장 방향이 교차점 (30)을 기준으로 서로 반대가 되도록 배치되는 경우, 제1전자석 (120) 및 제2전자석 (220)에 전류가 인가되지 않아도 영구자석만으로도 관심영역 (Region of interest; ROI)에서 자기장의 방향을 특정 방향으로 설정할 수 있다.
제1영구자석 (110) 및 제2영구자석 (210) 중 하나 이상은 중공의 중심부를 포함하는 것일 수 있고, 예를 들어, 도 3과 같이 제1영구자석 (110') 및 제2영구자석 (210') 모두 중공의 중심부를 포함하는 것일 수 있다.
제1전자석 (120)은 제1자성코어 (121) 및 제1자성코어 상에 권취되는 제1와이어를 포함할 수 있다.
제2전자석 (220)은 제2자성코어 (221) 및 제2자성코어상에 권취되는 제2와이어를 포함할 수 있다.
제1전자석 (120)과 제2전자석 (220)은 솔레노이드 코일, 원형 코일, 사각 코일, 맥스웰 코일, 헬름헬츠 코일 및 새들 코일 중 선택되는 하나 이상의 형태의 코일일 수 있고, 예를 들어, 솔레노이드 코일일 수 있다.
제1와이어 또는 제2와이어는 에나멜 와이어, 구리, 에나멜 구리 와이어, 에나멜 알루미늄 와이어일 수 있다.
프레임 (300)은 제1하이브리드 전자석 모듈 (100)과 제2하이브리드 전자석 모듈 (200)을 서로 연결할 수 있다.
프레임 (300)은 차폐재를 포함할 수 있고, 프레임 (300)에 차폐재가 포함되는 경우 제1하이브리드 전자석 모듈 (100) 및 제2하이브리드 전자석 모듈 (200) 각각에서 발생되는 자기장이 서로 간섭되는 것을 억제할 수 있다.
제1하이브리드 전자석 모듈 (100) 및 제2하이브리드 전자석 모듈 (200)에서, 교차점 (30)을 기준으로 제1자성체 (110)보다 제1전자석 (120)이 제1하이브리드 전자석 모듈 (100)내에서 교차점으로부터 더 멀리 배치될 수 있고, 제2자성체 (210)보다 제2전자석 (220)이 제2하이브리드 전자석 모듈 (200)내에서 교차점으로부터 더 멀리 배치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기장 시스템의 관심영역 (Region of interest; ROI) 내의 자기장방향 제어범위를 나타내는 도면이고, 도 5a 내지 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기장 시스템에서 각 하이브리드 전자석 모듈의 인가 전류 값에 따른 자기장방향을 나타내는 도면이다.
도 4 및 5a 내지 5d를 참조하면, 본 발명에 따른 전자기장 장치는 제1하이브리드 전자석 모듈 및 제2하이브리드 전자석 모듈이 30도 각도로 배치될 때, 관심영역에서 -90도 내지 60도 사이의 자기장방향 제어범위를 가질 수 있다.
구체적으로, 5a를 참조하면, 제1하이브리드 전자석 모듈 (S1)에 -15A의 전류를 인가하고, 제2하이브리드 전자석 모듈 (S2)에 -10A의 전류를 인가할 때 관심영역에서 자기장의 방향을 -90도로 제어할 수 있다. 이때, 제1하이브리드 전자석 모듈과 제2하이브리드 전자석 모듈은 전류의 인가와 상관없이 자기장을 형성하고. 제1영구자석과 제2영구자석의 자기장이 중첩되어 0도 방향의 자기장이 형성된다. 그리고, 제1전자석 및 제2전자석에 상기 각각의 전류가 인가되고 영구자석에 의해서 형성된 자기장과 모두 중첩되어 -90도 방향의 자기장이 형성된다.
또한, 도 5b를 참조하면, 제1하이브리드 전자석 모듈에 -15A의 전류를 인가하고, 제2하이브리드 전자석 모듈에는 전류를 인가하지 않는 경우, 제1전자석에 의해 형성되는 자기장이 제1영구자석 및 제2영구자석에 의해 형성되는 자기장과 중첩되어 -45도 방향의 자기장을 형성할 수 있다.
그리고, 5c를 참조하면, 제1하이브리드 전자석 모듈에 -5A의 전류를 인가하고, 제2하이브리드 전자석 모듈에 20A의 전류를 인가하는 경우, 제1전자석, 제2전자석, 제1영구자석 및 제2영구자석에서 발생하는 자기장이 모두 중첩되면서 45도 방향의 자기장을 형성할 수 있다.
마지막으로 상술한 바와 같이, 제1 및 제2 전자석에는 전류를 인가하지 않고 영구자석으로만 자기장을 형성하는 경우, 제1영구자석 및 제2영구자석이 배치되는 각도 (30도)에 따라서, 0도 방향으로 자기장을 형성하는 것이 가능하다.
이와 같이, 일 실시예에 따른 전자기장 시스템은 각각의 하이브리드 전자석 모듈이 전자석뿐만 아니라 영구자석을 포함하며, 하이브리드 전자석 모듈이 서로 일정 각도를 이루도록 배치됨에 따라 하이브리드 전자석 모듈에 전류인가 없이도 특정 방향으로의 자기장을 형성하는 것이 가능하다. 그리고, 각 하이브리드 전자석 모듈에 인가되는 전류의 방향 및 세기를 적절하게 조정함에 따라 관심영역에서 -90도 내지 60도 방향의 자기장을 자유롭게 형성하는 것이 가능하다.
따라서, 일 실시예에 따른 전자기장 시스템은 전류인가 없이도 특정방향으로의 자기장을 형성하는 것이 가능하여, 전자석의 소비전력과 발열이 없는 자기장 시스템을 구현할 수 있다. 또한, 시스템 전체에서 사용되는 전자석의 개수가 최소화되기 때문에 전원부의 사용전력을 감소시키고, 냉각부의 냉각용량을 감소시키거나 추가적인 냉각장치를 구성하지 않고 구동 가능하며, 시스템 전체의 소비 전력량 및 발열량이 최소화되어 장시간의 마이크로로봇을 이용한 시술 또는 수술에 활용 가능하다.
실시예 1: 전자기장 시스템의 마이크로로봇의 구동 확인
네오디움 영구자석 및 전자석을 포함하는 하이브리드 전자석 모듈을 각각 2개 제작하고, 이를 프레임에 연결시켜 로봇 암에 부착한 후, 마이크로로봇을 구동하는 실험을 진행하였다.
하이브리드 전자석 모듈에 전류를 인가하거나 인가하지 않으면서 각각의 하이브리드 전자석 모듈을 제어하였다. 시작품으로 제작된 캡슐형 로봇을 투명 플라스틱 원통형 환경내에 위치시키고, 하이브리드 전자석 모듈의 전류의 방향 및 세기를 변화시켜 로봇의 위치변화를 측정하였다.
측정결과, 도 6 내지 7에서 확인할 수 있듯이, 캡슐형 로봇의 5자유도, 즉, 위치이동 3자유도 및 각도이동 2자유도의 동작이 모두 세밀하게 제어됨을 확인하였으며, 이때. 전자기장 시스템 전체에 소비되는 전력이 현저하게 감소됨을 확인하였다.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.

Claims (18)

  1. 제1하이브리드 전자석 모듈; 및
    제2하이브리드 전자석 모듈;
    을 포함하고,
    상기 제1하이브리드 전자석 모듈은,
    제1영구자석을 포함하는 제1자성체, 및 제1자성코어 및 상기 제1자성코어에 권취되는 제1와이어를 포함하는 제1전자석을 포함하고,
    상기 제2하이브리드 전자석 모듈은,
    제2영구자석을 포함하는 제2자성체, 및 제2자성코어 및 상기 제2자성코어에 권취되는 제2와이어를 포함하는 제2전자석을 포함하고,
    상기 제1하이브리드 전자석 모듈과 상기 제2하이브리드 전자석 모듈은 상기 제1하이브리드 전자석 모듈의 중심축과 상기 제2하이브리드 전자석 모듈의 중심축이 교차하여 교차점을 형성하도록 배치되는 것인, 전자기장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자기장 시스템은 상기 제1하이브리드 전자석 모듈과 상기 제2하이브리드 전자석 모듈을 서로 연결하는 프레임부를 더 포함하는 것인, 전자기장 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1영구자석 및 제2영구자석 중 하나 이상은 중공의 중심부를 포함하는 것인, 전자기장 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1하이브리드 전자석 모듈 및 상기 제2하이브리드 전자석 모듈의 각각의 중심축이 교차하는 교차점을 기준으로 상기 제1자성체보다 상기 제1전자석이 제1하이브리드 전자석 모듈내에서 상기 교차점으로부터 더 멀리 배치되고,
    상기 제1하이브리드 전자석 모듈 및 상기 제2하이브리드 전자석 모듈 각각의 중심축이 교차하는 교차점을 기준으로 상기 제2자성체보다 상기 제2전자석이 제2하이브리드 전자석 모듈내에서 상기 교차점으로부터 더 멀리 배치되는 것인, 전자기장 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1하이브리드 전자석 모듈의 중심축과 상기 제2하이브리드 전자석 모듈의 중심축이 20 내지 40 도의 각도를 이루도록, 상기 제1하이브리드 전자석 모듈과 상기 제2하이브리드 전자석 모듈이 배치되는 것인, 전자기장 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1자성체 및 상기 제1전자석의 자화 방향은 상기 제1하이브리드 전자석 모듈의 중심축과 평행하고,
    상기 제2자성체 및 상기 제2전자석의 자화 방향은 상기 제2하이브리드 전자석 모듈의 중심축과 평행한 것인, 전자기장 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 교차점에 대한 상기 제1자성체와 상기 제2자성체 각각의 자기장 방향이 서로 반대되도록 상기 제1자성체와 상기 제2자성체가 배치되는 것인, 전자기장 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1전자석 및 상기 제2전자석 중 하나 이상은 솔레노이드 코일을 포함하는 것인, 전자기장 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전자기장 시스템은 상기 제1하이브리드 전자석 모듈 및 상기 제2하이브리드 전자석 모듈을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것인, 전자기장 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전자기장 시스템은 상기 제1하이브리드 전자석 모듈 및 상기 제2하이브리드 전자석 모듈에 전류를 인가하는 전원부를 더 포함하는 것인, 전자기장 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전자기장 시스템은 냉각부를 더 포함하는 것인, 전자기장 시스템.
  12. 제2항에 있어서, 상기 프레임부는 차폐재를 포함하는 것인, 전자기장 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 전자기장 시스템은 상기 제1하이브리드 전자석 모듈 및 상기 제2하이브리드 전자석 모듈의 위치를 이동시키는 암 (Arm)부를 더 포함하는 것인, 전자기장 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 전자기장 시스템은 베드를 더 포함하는 것인, 전자기장 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1영구자석 및 상기 제2영구자석은 사각형 또는 원통형인 것인, 전자기장 시스템.
  16. 다음 단계를 포함하는 마이크로로봇의 구동 방법:
    전자기장 시스템에 전류를 인가하여 상기 마이크로로봇을 관심영역 (Region Of Interest; ROI) 내로 이동시키는 구동 단계;
    를 포함하고,
    상기 전자기장 시스템은,
    제1하이브리드 전자석 모듈; 및
    제2하이브리드 전자석 모듈;
    을 포함하고,
    상기 제1하이브리드 전자석 모듈은,
    제1영구자석을 포함하는 제1자성체, 및 제1자성코어 및 상기 제1자성코어에 권취되는 제1와이어를 포함하는 제1전자석을 포함하고,
    상기 제2하이브리드 전자석 모듈은,
    제2영구자석을 포함하는 제2자성체, 및 제2자성코어 및 상기 제2자성코어에 권취되는 제2와이어를 포함하는 제2전자석을 포함하고,
    상기 제1하이브리드 전자석 모듈과 상기 제2하이브리드 전자석 모듈은 상기 제1하이브리드 전자석 모듈의 중심축과 상기 제2하이브리드 전자석 모듈의 중심축이 교차하여 교차점을 형성하도록 배치되는 것임.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1하이브리드 전자석 모듈 및 상기 제2하이브리드 전자석 모듈의 각각의 중심축이 교차하는 교차점을 기준으로 상기 제1자성체보다 상기 제1전자석이 제1하이브리드 전자석 모듈내에서 더 멀리 배치되고,
    상기 제1하이브리드 전자석 모듈 및 상기 제2하이브리드 전자석 모듈 각각의 중심축이 교차하는 교차점을 기준으로 상기 제2자성체보다 상기 제2전자석이 제2하이브리드 전자석 모듈내에서 더 멀리 배치되는 것인, 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 교차점을 기준으로 상기 제1자성체와 상기 제2자성체의 자기장 방향이 서로 반대방향으로 배치되도록 상기 제1자성체와 상기 제2자성체가 배치되는 것인, 방법.
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