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KR102471779B1 - 마이크로 나노 로봇 제어 시스템 - Google Patents

마이크로 나노 로봇 제어 시스템 Download PDF

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Publication number
KR102471779B1
KR102471779B1 KR1020210072148A KR20210072148A KR102471779B1 KR 102471779 B1 KR102471779 B1 KR 102471779B1 KR 1020210072148 A KR1020210072148 A KR 1020210072148A KR 20210072148 A KR20210072148 A KR 20210072148A KR 102471779 B1 KR102471779 B1 KR 102471779B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
joint
micro
coupled
magnetic field
nano robot
Prior art date
Application number
KR1020210072148A
Other languages
English (en)
Inventor
김성훈
Original Assignee
원광대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 단일 코어를 이용하여 마이크로 로봇의 3차원 이동을 제어할 수 있는 마이크로 나노 로봇 제어 시스템에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 고정 프레임, 고정 프레임에 결합되는 제1 조인트부, 제1 조인트부에 회전 가능하게 결합되는 길이 조절부재 및 길이 조절부재에 회전 가능하게 결합되는 제2 조인트부를 각각 포함하는 복수의 다축 제어장치 및 복수의 다축 제어장치에 회전 가능하게 결합되는 자기장 발생장치를 포함할 수 있다.

Description

마이크로 나노 로봇 제어 시스템{MICRO NANO ROBOT CONTROL SYSTEM}
본 발명은 마이크로 나노 로봇 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 코어를 이용하여 마이크로 나노 로봇의 3차원 이동을 제어할 수 있는 마이크로 나노 로봇 제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 마이크로 로봇은 마이크로 크기의 로봇을 말하며, 형태와 용도에 따라 의료, 우주, 국방 산업 등에 다양하게 응용될 수 있다. 마이크로 로봇은 내부에 영구자석이 삽입되어 이동이 제어될 수 있다.
마이크로 로봇을 이동시키기 위해서는 자기장을 이용한다. 이러한 자기장을 생성하기 위한 마이크로 로봇의 구동 시스템은, 기본적인 전자석 코일 시스템과 1개의 회전축을 이용하여 마이크로 로봇의 평면 구동이 가능한 구동장치를 가지고 있다.
여기서, 전자석 코일은 전류를 흘려서 중심축 방향으로 자기장을 생성하도록 구리선 등의 전도성 와이어를 축을 중심으로 pi(파이) 방향으로 감은 물체를 말한다. 전자석 코일의 전류가 제어됨에 따라 자기장이 생성되며, 생성된 자기장에 의해 마이크로 로봇의 이동 속도 및 방향이 제어될 수 있다.
그러나, 기존의 전자석 코일은 한 방향으로만 자기장이 생성되어, 마이크로 로봇의 이동을 2차원적으로만 제어할 수 있다.
마이크로 로봇을 3차원적으로 이동시키기 위해서는 복수의 코일이 필요하고, 고전력 및 고가의 전자기 시스템이 필요하며, 마이크로 로봇의 이동 제어를 위한 복잡한 알고리즘이 필요하다.
즉, 전자석 코일 시스템은 마이크로 로봇을 3차원적으로 이동시키기 위해서 3차원 공간에서 임의의 자기장 벡터를 순시적으로 형성하기 위한 6개(x축, y축, z축 각각 한 쌍씩 총 3쌍) 이상의 코일 파트가 필요하다.
한국등록특허 제10-1003132호(2010.12.15, 등록)
따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명은 단일 코어를 이용하여 마이크로 나노 로봇의 3차원 이동을 제어할 수 있는 마이크로 나노 로봇 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 코일의 틸팅과 평행이동을 통해 코일의 중심이 되는 트래핑 포인트를 제어하고, 코일에서 발생하는 자기장의 세기를 제어하여 트래핑 포인트에 위치한 마이크로 나노 로봇의 높이를 제어할 수 있는 마이크로 나노 로봇 제어 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 코일과 연결되는 다축 제어장치의 길이와 각도를 제어하여 코일의 높이와 위치를 변경할 수 있는 마이크로 나노 로봇 제어 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 마이크로 나노 로봇 제어 장치는 고정 프레임, 고정 프레임에 결합되는 제1 조인트부, 제1 조인트부에 회전 가능하게 결합되는 길이 조절부재 및 길이 조절부재에 회전 가능하게 결합되는 제2 조인트부를 각각 포함하는 복수의 다축 제어장치 및 복수의 다축 제어장치에 회전 가능하게 결합되는 자기장 발생장치를 포함할 수 있다.
또한, 제1 조인트부는, 고정 프레임에 결합되는 제1 조인트 결합부재 및 제1 조인트 결합부재에 회전 가능하게 결합되는 제1 조인트 회전부재를 포함하고, 제2 조인트부는, 길이 조절부재에 결합되는 제21 베어링 부재를 포함하는 제21 조인트 회전부재 및 제21 조인트 회전부재에 결합되고 자기장 발생장치가 결합되는 제22 베어링 부재를 포함하는 제22 조인트 회전부재를 포함할 수 있다.
또한, 복수의 다축 제어장치 각각은, 길이 조절부재에 결합되는 길이 변환 측정부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 자기장 발생장치에 연결되는 코일 냉각장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 자기장 발생장치의 투영면과 마주보도록 고정 프레임에 결합되는 마이크로 로봇 수용부를 더 포함할 수 있다.
또한, 고정 프레임에 결합되어 마이크로 로봇의 위치를 측정하는 마이크로 로봇 위치 측정기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 나노 로봇 제어 시스템은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명은 단일 코어를 이용하여 마이크로 로봇의 3차원 이동을 제어할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 코일의 틸팅과 평행이동을 통해 코일의 중심이 되는 트래핑 포인트를 제어하고, 코일에서 발생하는 자기장의 세기를 제어하여 트래핑 포인트에 위치한 마이크로 로봇의 높이를 제어할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 코일과 연결되는 다축 제어장치의 길이와 각도를 제어하여 코일의 높이와 위치를 변경할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 나노 로봇 제어 시스템을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 나노 로봇 제어 시스템의 복수의 다축 제어장치를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 나노 로봇 제어 시스템의 다축 제어장치를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 제어장치의 제1 조인트부를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 제어장치의 제2 조인트부를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 제어장치의 제2 조인트부의 조향 각도를 설명하기 위한 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 나노 로봇 제어 시스템의 자기장 발생장치를 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 나노 로봇 제어 시스템의 자기장 발생장치를 도시한 측면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 나노 로봇 제어 시스템을 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로 나노 로봇의 이동을 설명하기 위한 이미지이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 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 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로 나노 로봇 제어 시스템에 대하여 도 1 내지 도 10을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 나노 로봇 제어 시스템을 도시한 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 나노 로봇 제어 시스템(100)은 고정 프레임(110), 복수의 다축 제어장치(120) 및 자기장 발생장치(130)를 포함할 수 있다.
고정 프레임(110)은 복수의 다축 제어장치(120)를 지면으로부터 일정 높이에서 지지하는 역할을 할 수 있다. 고정 프레임(110)은 수직 프레임(111), 수평 프레임(112), 상부 프레임(113) 및 지지 프레임(114)을 포함할 수 있다.
수직 프레임(111)은 지면과 수직으로 배치되고, 복수로 구성될 수 있다. 수직 프레임(111)은 수평 프레임(112), 상부 프레임(113) 및 지지 프레임(114)과 결합될 수 있다.
수평 프레임(112)은 지면과 수평으로 수직 프레임(111)에 결합될 수 있다. 수평 프레임(112)은 복수로 구성될 수 있고, 수직 프레임(111)을 서로 연결할 수 있다.
상부 프레임(113)은 수직 프레임(111)의 최상단에 결합될 수 있다. 상부 프레임(113)에는 도 2에 도시된 연결 프레임(115)을 통해 복수의 다축 제어장치(120)가 결합될 수 있다.
지지 프레임(114)은 지면이 맞닿는 수직 프레임(111)의 최하단에 결합될 수 있다. 지지 프레임(114)은 대략 ㄴ자로 형성되고, 수직 프레임(111)에 가해지는 하중을 분산시켜 고정 프레임(110)이 흔들리지 않도록 할 수 있다.
복수의 다축 제어장치(120)의 일단은 고정 프레임(110)에 결합되고, 타단에는 자기장 발생장치(130)가 결합될 수 있다. 복수의 다축 제어장치(120)는 길이 및 회전 각도를 조절하여 자기장 발생장치(130)의 위치를 변경할 수 있다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 복수의 다축 제어장치(120)는 제1 조인트부(121), 길이 조절부재(122) 및 제2 조인트부(123)를 포함할 수 있다.
제1 조인트부(121)는 고정 프레임(110)에 결합될 수 있다. 제1 조인트부(121)는 볼트 너트와 같은 별도의 체결부재(미도시됨)로 고정 프레임(110)의 연결 프레임(115)에 결합되고, 상부 프레임(113)에 결합되는 연결 프레임(115)을 통해 상부 프레임(113)에 결합될 수 있다.
제1 조인트부(121)는 제1 조인트 결합부재(121a) 및 제1 조인트 회전부재(121b)를 포함할 수 있다. 제1 조인트부(121)는 일반적인 유니버셜 조인트(Universal Joint)일 수 있다.
제1 조인트 결합부재(121a)는 제1 고정부(121c)를 통해 고정 프레임(110)에 결합될 수 있다. 제1 고정부(121c)는 제1 조인트 결합부재(121a)를 고정 프레임(110)에 결합하기 위한 체결 수단일 수 있다.
제1 조인트 결합부재(121a)에는 제1 결합 베어링 부재(121d)로 제1 조인트 회전부재(121b)가 결합될 수 있다. 제1 결합 베어링 부재(121d)는 제1 조인트 결합부재(121a)와 제1 조인트 회전부재(121b) 사이에 설치되고, 제1 조인트 결합부재(121a)로부터 제1 조인트 회전부재(121b)가 제1 회전(R1) 가능하도록 할 수 있다.
제1 조인트 회전부재(121b)의 일단은 제1 결합 베어링 부재(121d)를 통해 제1 조인트 결합부재(121a)에 제1 회전(R1) 가능하게 결합될 수 있다. 제1 조인트 회전부재(121b)의 타단은 길이 조절부재(122)가 결합될 수 있다.
제1 조인트 회전부재(121b)는 제1 조인트 결합부재(121a)로부터 제1 회전(R1)하여 길이 조절부재(122)의 각도를 조절할 수 있다.
길이 조절부재(122)는 제1 조인트부(121)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 구제척으로 길이 조절부재(122)는 제1 조인트부(121)의 제1 조인트 회전부재(121b)에 결합되고, 제1 조인트 결합부재(121a)로부터 제1 회전(R1)하는 제1 조인트 회전부재(121b)와 함께 회전할 수 있다.
길이 조절부재(122)는 리니어 모터(1221), 길이 조절부재 본체(1222), 길이 확장부재(1223), 측정부재 고정 브라켓(1224) 및 조인트 고정 브라켓(1225)을 포함할 수 있다.
리니어 모터(1221)의 일단은 제1 조인트부(121)에 결합될 수 있다. 리니어 모터(1221)의 타단 외측은 길이 조절부재 본체(1222)가 결합되고, 타단 내측은 길이 확장부재(1223)가 결합될 수 있다. 리니어 모터(1221)는 타단에 결합된 길이 확장부재(1223)에 길이 조절을 위한 구동력을 제공할 수 있다.
길이 조절부재 본체(1222)는 리니어 모터(1221)에 결합될 수 있다. 길이 조절부재 본체(1222)는 내부에 중공이 형성되어 길이 확장부재(1223)의 일부를 수용할 수 있다.
길이 확장부재(1223)는 길이 조절부재 본체(1222)의 내부에 설치되고, 리니어 모터(1221)에 연결될 수 있다. 길이 확장부재(1223)는 리니어 모터(1221)로부터 길이 조절을 위한 구동력을 제공받아 길이가 조절될 수 있다.
측정부재 고정 브라켓(1224)은 길이 조절부재 본체(1222)에 결합되고, 길이 조절부재 본체(1222)의 측면에 결합되는 길이 변환 측정부재(124)를 고정할 수 있다.
측정부재 고정 브라켓(1224)은 대략 장방형으로 형성되고, 내부에 중공(1224a)이 형성될 수 있다. 중공(1224a)에는 길이 조절부재 본체(1221)가 끼워질 수 있다. 측정부재 고정 브라켓(1224)의 일단에는 측정부재 끼움부(1224b)가 연결될 수 있다. 측정부재 끼움부(1224b)는 길이 변환 측정부재(124)의 배치 방향으로 절곡 형성되어 길이 변환 측정부재(124)에 끼워질 수 있다.
조인트 고정 브라켓(1225)의 일단은 길이 확장부재(1223)에 결합되고, 타단에는 제2 조인트부(123)가 결합될 수 있다. 조인트 고정 브라켓(1225)은 길이 변환 측정부재(124)의 배치 방향으로 돌출부(1225a)가 형성되어 길이 변환 측정부재(124)의 끝단과 결합될 수 있다.
즉, 조인트 고정 브라켓(1225)은 길이 조절부재(122)와 제2 조인트부(123)를 결합시키고, 길이 조절부재(122)와 길이 변환 측정부재(124)를 연결시키는 역할을 할 수 있다.
이에 따라 길이 조절부재(122)는 측정부재 고정 브라켓(1224)과 조인트 고정 브라켓(1225)으로 길이 변환 측정부재(124)와 결합될 수 있다.
제2 조인트부(123)는 길이 조절부재(122)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 제2 조인트부(123)는 다축 제어장치(120)의 길이 조절부재(122)와 자기장 발생장치(130)를 연결할 수 있다.
제2 조인트부(123)는 제21 조인트 회전부재(123a) 및 제22 조인트 회전부재(123b)를 포함할 수 있다. 제2 조인트부(123)는 일반적인 유니버셜 조인트(Universal Joint)일 수 있다.
제21 조인트 회전부재(123a)는 길이 조절부재(122)의 조인트 고정 브라켓(1225)에 결합될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 조인트 회전부재(123a)의 내부에는 제21 베어링 부재(123a1)가 설치되고, 제21 베어링 부재(123a1)와 길이 조절부재(120)의 조인트 고정 브라켓(1225)이 결합될 수 있다.
제21 베어링 부재(123a1)는 제1 반경을 가지는 외측 둘레부(C1), 제1 반경보다 작은 제2 반경을 가지고 외측 둘레부(C1)의 내측에 위치하는 내측 둘레부(C2) 및 외측 둘레부(C1)와 내측 둘레부(C2) 사이에 위치하는 회전 베어링부재(B)를 포함할 수 있다.
이에 따라 제21 조인트 회전부재(123a)는 제21 베어링 부재(123a1)를 중심으로 길이 조절부재(122)로부터 제3 회전(R3)할 수 있다.
제22 조인트 회전부재(123b)의 일단은 제2 결합 베어링 부재(123d)로 제21 조인트 회전부재(123a)에 결합되고, 타단에는 자기장 발생장치(130)가 결합될 수 있다. 제2 결합 베어링 부재(123d)는 제21 조인트 회전부재(123a)와 제22 조인트 회전부재(123b) 사이에 설치되고, 제21 조인트 회전부재(123a)로부터 제22 조인트 회전부재(123b)가 제2 회전(R2) 가능하도록 할 수 있다.
제22 조인트 회전부재(123b)는 제2 고정부(123c)를 통해 자기장 발생장치(130)에 결합될 수 있다. 제2 고정부(123c)는 제22 조인트 회전부재(123b)를 자기장 발생장치(130)에 결합하기 위한 체결 수단일 수 있다.
보다 구체적으로, 제22 조인트 회전부재(123b)의 내부에는 제22 베어링 부재(123b1)가 설치되고, 제22 베어링 부재(123b1)와 제2 고정부(123c)가 결합될 수 있다.
제22 베어링 부재(123b1)는 제1 반경을 가지는 외측 둘레부(C1), 제1 반경보다 작은 제2 반경을 가지고 외측 둘레부(C1)의 내측에 위치하는 내측 둘레부(C2) 및 외측 둘레부(C1)와 내측 둘레부(C2) 사이에 위치하는 회전 베어링부재(B)를 포함할 수 있다.
이에 따라 제22 조인트 회전부재(123b)는 제22 베어링 부재(123b1)를 중심으로 제2 고정부(123c)로부터 제4 회전(R4)할 수 있다.
즉, 제2 조인트부(123)는 제21 베어링 부재(123a1)를 중심으로 길이 조절부재(122)로부터 회전하고, 제22 베어링 부재(123b1)를 중심으로 자기장 발생장치(130)로부터 회전할 수 있다.
일반적인 유니버셜 조인트는 최대로 회전할 수 있는 각도가 30도로 한정되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이 제1 조인트부(121)는 조향 각도 30도 이내의 범위에서 회전하지만, 제2 조인트부(123)는 조향 각도 30도보다 큰 범위에서 회전하기 때문에 자기장 발생장치(130)를 회전시키는데 한계가 있다.
본 실시예에 따른 마이크로 나노 로봇 제어 시스템(100)에 의하면 제2 조인트부(123)의 상 하단에 제21 베어링 부재(123a1)와 제22 베어링 부재(123b1)를 결합하여 일반적인 유니버셜 조인트의 조향 각도를 90도까지 증가시킬 수 있다.
따라서 자기장 발생장치(130)의 각도 조절시 자기장 발생장치(130)가 기울어짐에 따라 제2 조인트부(123)의 부족한 조향 각도에 의해 제21 조인트 회전부재(123a)와 제22 조인트 회전부재(123b)가 충돌하게 되면, 제21 베어링 부재(123a1)와 제22 베어링 부재(123b1)에 의해 자동으로 90도 조향 각도가 가능한 위치로 제2 조인트부(123)가 회전하여 자기장 발생장치(130)의 각도를 자유롭게 조절할 수 있다.
복수의 다축 제어장치(120)는 길이 변환 측정부재(124)를 더 포함할 수 있다.
길이 변환 측정부재(124)는 길이 조절부재(122)에 결합될 수 있다. 길이 변환 측정부재(124)는 길이 조절부재(122)의 길이 조절부재 본체(1222)에 결합되는 측정부재 고정 브라켓(1224)에 형성된 측정부재 끼움부(1224b)에 끼워질 수 있다.
길이 변환 측정부재(124)의 끝단은 조인트 고정 브라켓(1225)의 돌출부(1225a)에 결합될 수 있다.
길이 변환 측정부재(124)는 길이 조절부재(122)의 길이를 측정할 수 있다. 길이 변환 측정부재(124)는 통상의 포텐셜 미터일 수 있다.
자기장 발생장치(130)는 복수의 다축 제어장치(120)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 자기장 발생장치(130)는 자기장을 발생시켜 마이크로 나노 로봇을 이동시킬 수 있다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 자기장 발생장치(130)는 자기장 본체(131), 자기장 발생 코일(132), 전원 연결부(133) 및 냉각장치 연결부(134)를 포함할 수 있다.
자기장 본체(131)는 상면, 하면 및 상면과 하면을 연결하는 측면으로 이루어질 수 있다. 자기장 본체(131)의 내부에는 자기장 발생 코일(132)이 수용되고, 측면에는 전원 연결부(133)가 형성되며, 상면과 하면 각각에는 냉각장치 연결부(134)가 형성될 수 있다.
자기장 발생 코일(132)은 자기장 본체(131)의 내부에 수용될 수 있다. 자기장 발생 코일(132)은 전원 연결부(133)에서 인가되는 전원의 전류 세기에 따라 자기장을 발생시킬 수 있다. 여기서 발생되는 자기장의 세기에 따라 마이크로 나노 로봇의 높이를 제어할 수 있다.
전원 연결부(133)는 자기장 본체(131)의 측면에 형성될 수 있다. 전원 연결부(133)는 전원 제공장치(미도시됨)와 연결되어 전원 제공장치로부터 전원을 인가받을 수 있다.
냉각장치 연결부(134)는 자기장 본체(131)의 하면에 형성되는 제1 냉각장치 연결구(134a)와 자기장 본체(131)의 상면에 형성되는 제2 냉각장치 연결구(134b)를 포함할 수 있다.
제1 냉각장치 연결구(134a)는 도 9에서 설명할 코일 냉각장치(240)의 냉각수 제공부(241)와 연결되어 냉각수를 공급받을 수 있다. 제2 냉각장치 연결구(134b)는 도 9에서 설명할 코일 냉각장치(240)의 냉각수 회수부(242)와 연결되어 자기장 본체(131)의 내부를 순환한 냉각수를 회수할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 나노 로봇 제어 시스템을 도시한 사시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 나노 로봇 제어 시스템(200)은 고정 프레임(210), 복수의 다축 제어장치(220), 자기장 발생장치(230), 코일 냉각장치(240), 마이크로 로봇 수용부(250) 및 마이크로 로봇 위치 측정기(260)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 고정 프레임(210), 복수의 다축 제어장치(220) 및 자기장 발생장치(230)는 도 1에서 설명한 일 실시예에 따른 마이크로 나노 로봇 제어 시스템(100)의 고정 프레임(110), 복수의 다축 제어장치(120) 및 자기장 발생장치(130)의 구성과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
코일 냉각장치(240)는 자기장 발생장치(230)에 연결될 수 있다. 코일 냉각장치(240)는 내부에 냉각수를 저장하고, 냉각수 제공부(241)와 냉각수 회수부(242)를 포함할 수 있다.
냉각수 제공부(241)는 자기장 발생장치(230)와 연결되어 냉각수를 제공하고, 냉각수 회수부(242)는 자기장 발생장치(230)와 연결되어 냉각수를 회수할 수 있다.
코일 냉각장치(240)는 자기장 발생장치(230)의 내부에 수용된 자기장 발생 코일(미도시됨)을 쿨링할 수 있다. 코일 냉각장치(240)는 자기장 발생장치(230)를 쿨링할 수 있어, 자기장 발생장치(230)에서 발생하는 열에 따른 마찰력을 감소시키고 자기장 발생 코일의 수명을 연장시킬 수 있다.
마이크로 로봇 수용부(250)는 자기장 발생장치(230)의 투영면과 마주보도록 고정 프레임(210)에 결합될 수 있다. 마이크로 로봇 수용부(250)는 자기장 발생장치(230)의 아래에 위치할 수 있다.
마이크로 로봇 수용부(250)는 일정 크기를 가지는 용기이고, 용기의 내부가 특정 유체로 채워질 수 있다. 특정 유체에는 마이크로 나노 로봇(1)이 수용될 수 있다.
마이크로 로봇 위치 측정기(260)는 고정 프레임(210)에 결합되어 마이크로 로봇 수용부(250)에 수용된 마이크로 나노 로봇(1)의 위치를 측정할 수 있다. 여기서 마이크로 나노 로봇(1)은 자기장 발생장치(230)에서 발생되는 자기장의 세기에 따라 마이크로 로봇 수용부(250) 내에서 높이 방향(Z축)으로 이동하고, 자기장 발생장치(230)의 회전 각도에 따라 마이크로 로봇 수용부(250) 내에서 수평 방향(X축, Y축)으로 이동할 수 있다.
마이크로 로봇 위치 측정기(260)는 적어도 두개로 구성되어 고정 프레임(210)에 결합될 수 있다. 마이크로 로봇 위치 측정기(260)는 X축 및 Y축 방향으로 이동하는 마이크로 나노 로봇(1)의 위치를 측정하는 제1 위치 측정기(261)와 Z축 방향으로 이동하는 마이크로 나노 로봇(1)의 위치를 측정하는 제2 위치 측정기(262)를 포함할 수 있다.
마이크로 로봇 위치 측정기(260)는 영상 카메라일 수 있고, 도면에서 도시된 위치로 한정하지 않는다.
마이크로 로봇 위치 측정기(260)는 X축, Y축 및 Z축 각각에서 마이크로 나노 로봇(1)의 위치를 측정하여 3차원적으로 마이크로 나노 로봇(1)의 위치를 인식할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 나노 로봇 제어 시스템(100)의 마이크로 나노 로봇(1) 제어 방법에 대하여 설명한다.
마이크로 나노 로봇 제어 시스템(100)은 하나의 자기장 발생장치(130)를 사용하여 마이크로 나노 로봇(1)의 3차원 이동을 제어할 수 있다. 마이크로 나노 로봇 제어 시스템(100)은 자석이 최대 자기장 지점을 향해 이동하고 그 곳에 머무르는 경향을 이용하여, 자기장 발생장치(130)의 중심축과 일치하는 트래핑 포인트를 만들어 마이크로 나노 로봇(1)을 위치시킬 수 있다.
트래핑 포인트는 자기장 발생장치(130)의 중심축과 일치하는 단일 지점으로, 단일 지점을 향해 모든 방향에서 가리키는 자기장 공간 분포가 생성될 수 있다. 마이크로 나노 로봇(1)은 자기장 발생장치(130)의 틸팅과 평행 이동에 따라 변경되는 트래핑 포인트로 밀려 이동할 수 있다.
도 10을 참고하면, 다축 제어장치(120)에 의해
Figure 112021064351040-pat00001
만큼 자기장 발생장치(130)가 회전하면 마이크로 나노 로봇(1)이
Figure 112021064351040-pat00002
dxy 만큼 이동할 수 있다. 또한, 전류의 세기에 따라 마이크로 나노 로봇(1)이
Figure 112021064351040-pat00003
dz 만큼 이동할 수 있다.
도면에서 마이크로 나노 로봇(1)은 Fmz, Fb, Fd, Fg, Fmxy의 힘이 발생할 수 있다. 여기서 Fmz는 자기장 발생장치(130)에 의해 생성되는 Z축 방향으로의 수직 자기력이고, Fb는 마이크로 로봇 수용부(250)에 채워진 유체에 의한 부력이고, Fd는 로봇 수용부(250)에 채워진 유체의 항력이고, Fg는 중력이며, Fmxy는 트래핑 포인트의 이동으로 인해 발생하는 수평 방향 자기력을 나타낼 수 있다.
마이크로 나노 로봇 제어 시스템(100)은 자기장 발생장치(130)에서 발생한 수직 자기력(Fmz)과 중력(Fg)의 차이로 마이크로 나노 로봇(1)의 부상과 침전, 즉 Z축 방향(높이)으로의 이동을 제어할 수 있다.
마이크로 나노 로봇(1)은 Fmz+Fb= Fg 일 때 유체 내의 일정 높이에서 평형 상태를 유지할 수 있다. 또한, 마이크로 나노 로봇(1)은 수평 방향 자기력(Fmxy)이 유체의 항력(Fd)보다 클 때 수평으로 이동할 수 있다.
마이크로 나노 로봇 제어 시스템(100)은 복수의 다축 제어장치(110)를 제어하는 메인 제어장치(미도시됨)를 더 포함할 수 있다. 메인 제어장치는 일반적인 CPU(Central Processing Unit)일 수 있다.
메인 제어장치는 아래의 수학식 1을 기초로 다축 제어장치(120)의 길이 조절부재(122)의 길이(L)를 제어할 수 있다. 메인 제어장치는 길이 조절부재(122)의 길이(L)를 조절함으로써 자기장 발생장치(130)의 회전과 평행 이동을 제어할 수 있다.
Figure 112021064351040-pat00004
Figure 112021064351040-pat00005
(2)
Figure 112021064351040-pat00006
(3)
여기에서 A는 제2 조인트부(123)를 구성하는 6개의 조인트의 중심 좌표, B는 제1 조인트부(121)를 구성하는 6개의 조인트의 중심 좌표, rot는 회전 행렬, Mov는 평행이동 벡터, 회전행렬 rot에서 (θ)는 제2 조인트부(123)의 롤(roll), (ф)는 제2 조인트부(123)의 피치(pitch), Movx는 제2 조인트부(123)의 x축 이동 위치, Movy는 제2 조인트부(123)의 y축 이동 위치, Movz는 제2 조인트부(123)의 z축 이동 위치를 의미할 수 있다.
제2 조인트부(123)는 제21조인트, 제22 조인트, 제23 조인트, 제24 조인트, 제25 조인트 및 제26 조인트 각 모서리 지점의 좌표가 회전 행렬 rot에 의해 원하는 회전각만큼 X축 및 Y축 회전이 되고, 각 모서리 지점 좌표가 평행 이동 벡터 Mov에 의해 이동할 수 있다.
여기서, 이동한 제2 조인트부(123)의 좌표 위치와 서로 연결된 제1 조인트부(121)의 좌표 위치 사이의 길이로 길이 조절부재(122)의 길이를 조절할 수 있다.
제2 조인트부(123)와 제1 조인트부(121)의 좌표는 각각 표 1과 표 2로 설정될 수 있다.
X Y Z
제21 조인트 131.557 47.8828 530
제22 조인트 -24.107 137.843 530
제23 조인트 -107.246 89.9903 530
제24 조인트 -107.246 -89.9903 530
제25 조인트 -24.107 - 137.843 530
제26 조인트 131.557 -47.8828 530
X Y Z
제11 조인트 126.397 106.06 0
제12 조인트 28.6519 162.493 0
제13 조인트 -155.049 56.4333 0
제14 조인트 -155.049 -56.4333 0
제15 조인트 28.6519 -162.493 0
제16 조인트 126.397 -106.06 0
수학식 1에서 식 (1)은 유니버셜 조인트인 제1 조인트부(121)와 제2 조인트부(123)를 고려하지 않고 다축 제어장치(120)의 길이 조절부재(122)의 길이(L)를 계산하는 수식을 나타내고 있다.
하지만 실제 다축 제어장치(120)는 유니버셜 조인트인 제1 조인트부(121)와 제2 조인트부(123)에 의해 자기장 발생 장치(130)가 이동한다. 이에, 제1 조인트부(121)와 제2 조인트부(123)가 이동하여 변동된 위치만큼 반대 방향으로 위치를 보정해야 한다.
보정에 따른 최종 다축 제어장치(120)의 길이 조절부재(122)의 길이(
Figure 112021064351040-pat00007
)는 아래의 수학식 2를 기초로 산출될 수 있다.
Figure 112021064351040-pat00008
Figure 112021064351040-pat00009
Figure 112021064351040-pat00010
(5)
Figure 112021064351040-pat00011
(6)
Figure 112021064351040-pat00012
(7)
Figure 112021064351040-pat00013
) (8)
여기에서
Figure 112021064351040-pat00014
는 수학식 1의 식 (1)에서 제2 조인트부(123)의 회전과 평행 이동에 대한 수식이고,
Figure 112021064351040-pat00015
,
Figure 112021064351040-pat00016
,
Figure 112021064351040-pat00017
는 제2 조인트부(123) 각각의 x, y, z 좌표이고,
Figure 112021064351040-pat00018
는 자기장 발생장치(130)의 이동 거리이고,
Figure 112021064351040-pat00019
은 제2 조인트부(123)의 최종 좌표를 의미할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200: 마이크로 나노 로봇 제어 시스템
110, 210: 고정 프레임
120, 220: 다축 제어장치
130, 230: 자기장 발생장치
240: 코일 냉각장치
250: 마이크로 로봇 수용부
260: 마이크로 로봇 위치 측정기
1: 마이크로 나노 로봇

Claims (6)

  1. 고정 프레임;
    상기 고정 프레임에 결합되는 제1 조인트부, 상기 제1 조인트부에 회전 가능하게 결합되는 길이 조절부재 및 상기 길이 조절부재에 회전 가능하게 결합되는 제2 조인트부를 각각 포함하는 복수의 다축 제어장치;
    상기 복수의 다축 제어장치에 회전 가능하게 결합되는 자기장 발생장치; 및
    일정 크기를 가지는 용기이고, 상기 용기의 내부가 특정 유체로 채워져 마이크로 나노 로봇이 수용되며, 상기 자기장 발생장치의 투영면과 마주보도록 상기 자기장 발생장치의 아래에서 상기 고정 프레임에 결합되는 마이크로 로봇 수용부를 포함하고,
    상기 제1 조인트부는, 상기 고정 프레임에 결합되는 제1 조인트 결합부재 및 제1 결합 베어링 부재로 상기 제1 조인트 결합부재에 회전 가능하게 결합되는 제1 조인트 회전부재를 포함하고,
    상기 제2 조인트부는, 상기 길이 조절부재에 결합되는 제21 베어링 부재를 포함하는 제21 조인트 회전부재 및 제2 결합 베어링 부재로 상기 제21 조인트 회전부재에 결합되고 상기 자기장 발생장치가 결합되는 제22 베어링 부재를 포함하는 제22 조인트 회전부재를 포함하여, 90도 회전 가능한 마이크로 나노 로봇 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 다축 제어장치 각각은,
    상기 길이 조절부재에 결합되는 길이 변환 측정부재를 더 포함하는 마이크로 나노 로봇 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 발생장치에 연결되는 코일 냉각장치를 더 포함하는 마이크로 나노 로봇 제어 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고정 프레임에 결합되어 마이크로 나노 로봇의 위치를 측정하는 마이크로 로봇 위치 측정기를 더 포함하는 마이크로 나노 로봇 제어 시스템.
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