이 논문에서는 전자기구동시스템을 기반으로 이동 및 드릴링 기능을 수행하는 의료용 마이크로로봇 시스템을 제작하고 평가하였다. 마이크로로봇은 너무 작아 내부에 배터리나 제어장치를 삽입 할수 없다. 이 결점을 극복하기 위하여 외부에서 전자기 코일 시스템을 이용하여 전자기장의 힘으로 마이크로로봇을 구동 시킨다. 전자기 구동 코일 시스템은 x, y, z 각축에 사각형 타입의 헬름홀쯔 코일 3 쌍과 z축에 솔레노이드형 맥스웰 코일 1 쌍이 배치 되어 있고, 각 코일에 인가되는 전류값의 조절에 따라 구동에 필요한 자기장을 발생 시킨다. 다양한 실험을 통하여 우리는 제안된 시스템을 이용하여 마이크로로봇이 3 차원 공간에서 이동 가능하며 드릴링 기능을 수행할 수 있다는 것을 보였다.
이 논문에서는 전자기구동시스템을 기반으로 이동 및 드릴링 기능을 수행하는 의료용 마이크로로봇 시스템을 제작하고 평가하였다. 마이크로로봇은 너무 작아 내부에 배터리나 제어장치를 삽입 할수 없다. 이 결점을 극복하기 위하여 외부에서 전자기 코일 시스템을 이용하여 전자기장의 힘으로 마이크로로봇을 구동 시킨다. 전자기 구동 코일 시스템은 x, y, z 각축에 사각형 타입의 헬름홀쯔 코일 3 쌍과 z축에 솔레노이드형 맥스웰 코일 1 쌍이 배치 되어 있고, 각 코일에 인가되는 전류값의 조절에 따라 구동에 필요한 자기장을 발생 시킨다. 다양한 실험을 통하여 우리는 제안된 시스템을 이용하여 마이크로로봇이 3 차원 공간에서 이동 가능하며 드릴링 기능을 수행할 수 있다는 것을 보였다.
In this study, a novel electromagnetic microrobot system with locomotion and drilling functions in threedimensional space was developed. Because of size limitations, the microrobot does not have actuator, battery, and controller. Therefore, an electromagnetic actuation (EMA) system was used to drive...
In this study, a novel electromagnetic microrobot system with locomotion and drilling functions in threedimensional space was developed. Because of size limitations, the microrobot does not have actuator, battery, and controller. Therefore, an electromagnetic actuation (EMA) system was used to drive the robot. The proposed EMA system consists of three rectangular Helmholtz coil pairs in x-, y- and z-axes and a Maxwell coil pair in the z-axis. The magnetic field generated in the EMA coil system could be controlled by the input current of the EMA coil. Finally, through various experiments, the locomotion and drilling performances of the proposed EMA microrobot system were verified.
In this study, a novel electromagnetic microrobot system with locomotion and drilling functions in threedimensional space was developed. Because of size limitations, the microrobot does not have actuator, battery, and controller. Therefore, an electromagnetic actuation (EMA) system was used to drive the robot. The proposed EMA system consists of three rectangular Helmholtz coil pairs in x-, y- and z-axes and a Maxwell coil pair in the z-axis. The magnetic field generated in the EMA coil system could be controlled by the input current of the EMA coil. Finally, through various experiments, the locomotion and drilling performances of the proposed EMA microrobot system were verified.
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문제 정의
(4) 마이크로로봇을 활용해 뇌질환 치료를 하면 최소침습뿐만 아니라 비침습적인 방법으로도 치료가 가능할 것으로 예상된다.(4) 이 논문에서는 뇌수두증 치료에 활용할 수 있는 마이크로로봇의 이동과 치료 메커니즘을 개발하고 다양한 실험을 통해 그 활용 가능성을 검증하려고 한다.
본 논문에서는 x, y, z축 상에 3쌍의 헬름홀쯔 코일이 존재하고 z축 상에 1쌍의 맥스웰 코일만 있는 구조의 시스템에서 마이크로로봇이 3차원 공간을 이동하기 위한 구동 방식을 제안 하였다. 또한, 마이크로로봇은 공간상에서 움직이기 때문에 중력 보상에 대한 부분도 고려하여 구동 방식에 포함하였다.
이 논문에서는 뇌 질환치료용 마이크로로봇을 위한 전자기 구동 시스템을 제안하였다. 기존에 제안된 시스템들은 인체에의 적용이나 코일 배치, 에너지적인 면에서 많은 문제점을 가지고 있었다.
제안 방법
θ 가 30, 40, 50, 60˚로 이동하는 실험에 대하여 각각을 5번씩 반복실험을 수행하였다.
3차원의 뇌실 팬텀 내에서 이동할 수 있고 막힌 부분을 드릴링 하는 가능성을 확인하기 위하여 뇌실 모형을 이용하여 마이크로로봇이 그 내부를 이동하는 실험을 수행하였다. 실제 인체의 뇌실 이미지로부터 뇌실의 3차원 형상을 추출하여 모형을 만들고 내부는 뇌액 점성과 비슷한 350cP의 실리콘 오일로 채워졌다.
또한, 마이크로로봇은 공간상에서 움직이기 때문에 중력 보상에 대한 부분도 고려하여 구동 방식에 포함하였다. 그리고 마이크로로봇의 드릴링 구동방식을 제안하였다. 실제 3차원 공간에서 임의 방향으로 마이크로로봇이 이동하는 실험과 뇌실 팬텀 내에서 마이크로로봇이 임의 경로로 움직이고, 아가로 막힌 부분을 뚫는 실험을 통해 제안된 전자기 구동 시스템 구동 방식에 대한 유용성을 증명하였다.
실제 인체의 뇌실 이미지로부터 뇌실의 3차원 형상을 추출하여 모형을 만들고 내부는 뇌액 점성과 비슷한 350cP의 실리콘 오일로 채워졌다. 그리고 팬텀의 한쪽 부분은 뇌막 대체물질로 0.25%의 염색된 아가를 채워 놓았다.
기초적인 이동실험은 α = 90˚인 경우, y-z 평면에서 마이크로로봇이 중력을 고려해 정확한 경로를 따라 움직이는지에 대한 실험을 실시 하였다.
전자기 구동 시스템의 중앙부에 관심영역이 위치하고 마이크로로봇의 이동실험을 수행할 수 있는 큐브나 팬텀을 놓을 수 있도록 하였다. 또한 마이크로로봇의 움직임을 정면에서 관찰할 수 있도록 동영상 촬영이 가능한 카메라(Cannon 450)를 위치시켰다.
우리는 이러한 문제점을 해결하고자 3쌍의 고정형 헬름 홀쯔 코일과 1쌍의 고정형 맥스웰 코일을 이용하여 기존의 전자기 구동 시스템과 동일한 기능을 수행하는 시스템을 제안하였다. 먼저 시스템에 대한 수학적 모델링을 통하여 이 시스템의 가능성을 확인하였다. 또한 실험을 통해 마이크로로봇이 3차원 공간상에서 이동 및 드릴링 기능을 수행할 수 있다는 것을 확인하였고, 뇌실 팬텀 내에서 이동하는 실험을 통해 유용성을 확인하였다.
먼저 제안된 시스템을 이용해서 관심영역 내에서 마이크로로봇(지름:2mm, 높이:2mm, 실린더 형태의 네오디뮴 자석, 질량:0.45g)이 원하는 각도로 정확하게 이동하는 지에 대한 실험을 실시하였다. 먼저 관심영역 내부에 350cP의 실리콘 오일로 채워진 큐브(20mmX10mmX20mm) 가 놓이게 되고 내부에 마이크로로봇을 위치 시켰다.
실험에서는 카메라를 통하여 육안으로 마이크로로봇을 관찰하고 복잡한 팬텀 내에서 마이크로로봇을 이동시켜야 한다. 상용 조이스틱을 이용하여 각 코일에 인가되어야 하는 전류를 제어하여, 마이크로로봇(지름:2mm, 높이:2mm, 실린더 형태의 네오디뮴 자석이 삽입된 표면이 거친 구 형태, 질량:0.54g, 지름:3.5mm)의 이동 및 드릴링 운동을 구현하였다. 실험 결과는 Fig.
실험에서는 카메라를 통하여 육안으로 마이크로로봇을 관찰하고 복잡한 팬텀 내에서 마이크로로봇을 이동시켜야 한다. 상용 조이스틱을 이용하여 각 코일에 인가되어야 하는 전류를 제어하여, 마이크로로봇(지름:2mm, 높이:2mm, 실린더 형태의 네오디뮴 자석이 삽입된 표면이 거친 구 형태, 질량:0.
기존에 제안된 시스템들은 인체에의 적용이나 코일 배치, 에너지적인 면에서 많은 문제점을 가지고 있었다. 우리는 이러한 문제점을 해결하고자 3쌍의 고정형 헬름 홀쯔 코일과 1쌍의 고정형 맥스웰 코일을 이용하여 기존의 전자기 구동 시스템과 동일한 기능을 수행하는 시스템을 제안하였다. 먼저 시스템에 대한 수학적 모델링을 통하여 이 시스템의 가능성을 확인하였다.
전자기 구동 시스템의 중앙부에 관심영역이 위치하고 마이크로로봇의 이동실험을 수행할 수 있는 큐브나 팬텀을 놓을 수 있도록 하였다.
마이크로로봇의 3차원 공간 내 이동을 위해 마이크로로봇을 원하는 방향으로 정렬시키고, 이동하고자 하는 방향으로 추진력을 발생시켜야 한다. 제안된 전자기 구동 시스템을 이용하여 마이크로로봇을 임의 방향으로 정렬하기 위해서는 x, y, z축에 배치된 3쌍의 헬름홀쯔 코일을 이용한다. 3쌍의 헬름홀쯔 코일에 발생되는 자기장의 세기와 방향을 조절하여 임의 방향으로 일정한 세기의 균일한 자기장을 형성시켜 주면 마이크로로봇은 그 방향으로 정렬된다.
4와 같이 전자기 구동 시스템을 설계 및 제작하였다. 제안된 코일 시스템은 3쌍의 헬름홀쯔 코일이 각 축 방향으로 서로 수직하게 배치되어 있고 z축 방향으로 고정형 맥스웰 코일이 배치 되여 있다. 사용된 코일의 사양은 Table 1에 나타내었다.
대상 데이터
코일에 전류를 인가하기 위해 컴퓨터로 제어 가능한 전원 공급장치 4대(Agilent 6652A, California Instruments MX15, 3001iX)를 사용하였다. 전류 값을 제어하기 위해 LabVIEW프로그램과 PXI 제어 장치(National Instruments)를 사용하였고, 팬텀 에서 마이크로로봇의 이동실험을 위해 속도와 방향을 조절할 수 있도록 2개의 상용 조이스틱을 사용하였다.
데이터처리
θ 가 30, 40, 50, 60˚로 이동하는 실험에 대하여 각각을 5번씩 반복실험을 수행하였다. 이미지 분석을 통하여 실험에 대한 결과분석을 수행하였다.
이론/모형
코일에 전류를 인가하기 위해 컴퓨터로 제어 가능한 전원 공급장치 4대(Agilent 6652A, California Instruments MX15, 3001iX)를 사용하였다. 전류 값을 제어하기 위해 LabVIEW프로그램과 PXI 제어 장치(National Instruments)를 사용하였고, 팬텀 에서 마이크로로봇의 이동실험을 위해 속도와 방향을 조절할 수 있도록 2개의 상용 조이스틱을 사용하였다.
성능/효과
25% 아가를 뚫을 수 있다는 것을 확인했다. 결론적으로 제안된 전자기 구동시스템은 간단한 코일 시스템을 가지면서도 기존의 전자기 구동시스템과 동일한 성능을 구현할 수 있는 전자기 구동 마이크로로봇 시스템임을 검증할 수 있었다.
또한 실험을 통해 마이크로로봇이 3차원 공간상에서 이동 및 드릴링 기능을 수행할 수 있다는 것을 확인하였고, 뇌실 팬텀 내에서 이동하는 실험을 통해 유용성을 확인하였다. 다음으로 드릴링 기능에 대한 이론적 분석과, 실험을 통해 0.25% 아가를 뚫을 수 있다는 것을 확인했다. 결론적으로 제안된 전자기 구동시스템은 간단한 코일 시스템을 가지면서도 기존의 전자기 구동시스템과 동일한 성능을 구현할 수 있는 전자기 구동 마이크로로봇 시스템임을 검증할 수 있었다.
먼저 시스템에 대한 수학적 모델링을 통하여 이 시스템의 가능성을 확인하였다. 또한 실험을 통해 마이크로로봇이 3차원 공간상에서 이동 및 드릴링 기능을 수행할 수 있다는 것을 확인하였고, 뇌실 팬텀 내에서 이동하는 실험을 통해 유용성을 확인하였다. 다음으로 드릴링 기능에 대한 이론적 분석과, 실험을 통해 0.
그리고 마이크로로봇의 드릴링 구동방식을 제안하였다. 실제 3차원 공간에서 임의 방향으로 마이크로로봇이 이동하는 실험과 뇌실 팬텀 내에서 마이크로로봇이 임의 경로로 움직이고, 아가로 막힌 부분을 뚫는 실험을 통해 제안된 전자기 구동 시스템 구동 방식에 대한 유용성을 증명하였다.
실험결과에서 마이크로로봇의 이동방향이 원하는 방향으로 약 2 ~ 3˚의 오차내에서 정밀 하게 이동됨을 알 수 있다.
후속연구
(4) 마이크로로봇을 활용해 뇌질환 치료를 하면 최소침습뿐만 아니라 비침습적인 방법으로도 치료가 가능할 것으로 예상된다.(4) 이 논문에서는 뇌수두증 치료에 활용할 수 있는 마이크로로봇의 이동과 치료 메커니즘을 개발하고 다양한 실험을 통해 그 활용 가능성을 검증하려고 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
마이크로로봇의 결점은 무엇인가?
이 논문에서는 전자기구동시스템을 기반으로 이동 및 드릴링 기능을 수행하는 의료용 마이크로로봇 시스템을 제작하고 평가하였다. 마이크로로봇은 너무 작아 내부에 배터리나 제어장치를 삽입 할수 없다. 이 결점을 극복하기 위하여 외부에서 전자기 코일 시스템을 이용하여 전자기장의 힘으로 마이크로로봇을 구동 시킨다.
헬름홀쯔 코일은 마이크로로봇에 무엇을 발생시키는 역할을 하는가?
일반적으로 헬름홀쯔 코일은 내부에 균일한 크기의 자기장을 생성하여 마이크로로봇에 토크를 발생시키는 역할을 한다. (9,10) 마이크로로봇에 발생 되는 토크는 다음과 같다.
논문에서 제안한 뇌 질환치료용 마이크로로봇용 전자기 구동 시스템을 통해 어떠한 결과를 얻었는가?
우리는 이러한 문제점을 해결하고자 3쌍의 고정형 헬름 홀쯔 코일과 1쌍의 고정형 맥스웰 코일을 이용하여 기존의 전자기 구동 시스템과 동일한 기능을 수행하는 시스템을 제안하였다. 먼저 시스템에 대한 수학적 모델링을 통하여 이 시스템의 가능성을 확인하였다. 또한 실험을 통해 마이크로로봇이 3차원 공간상에서 이동 및 드릴링 기능을 수행할 수 있다는 것을 확인하였고, 뇌실 팬텀 내에서 이동하는 실험을 통해 유용성을 확인하였다. 다음으로 드릴링 기능에 대한 이론적 분석과, 실험을 통해 0.25% 아가를 뚫을 수 있다는 것을 확인했다. 결론적으로 제안된 전자기 구동시스템은 간단한 코일 시스템을 가지면서도 기존의 전자기 구동시스템과 동일한 성능을 구현할 수 있는 전자기 구동 마이크로로봇 시스템임을 검증할 수 있었다.
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