하이브리드 자석 배열을 이용한 소형 자석 로봇의 세미 5자유도 제어 = Semi Five-degree-of-freedom Control of a Miniature Magnetic Robot Using Hybrid Magnet Arrays

국문 초록 (Abstract)

비침습적 의료 시술에 대한 수요 증가와 함께, 체내 깊은 부위를 안전하고 정밀하게 조작할 수 있는 소형 자석 로봇 기술의 필요성이 높아지고 있다. 그러나 기존 전자석 기
반 자기장 시스템은 높은 전력 소모, 발열, 복잡한 제어 구조, 제한적 작업 공간 등 여러 제약을 지닌다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 영구자석 배열과 전자석 배열을
결합한 하이브리드 자기 구동 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 최적화된 영구자석과 전자석 배열을 통해 x, y, ϕ, θ 방향에서 로봇을 자연스럽게 정렬시키는 수동적 안정성(passive stability)을 제공하고, 전자석 배열은 추가적으로 z축 능동 제어를 담당한다. 이를 위해 자기 퍼텐셜 에너지 분포를 모델링하고 이를 기반으로 배열 구조를 최적화하였다. 본 시스템은 낮은 전력 소모·발열 특성과 함께 개방형 구조를 통해 기존 대비 넓은 작업 공간을 확보한다. 영구자석의 에너지 최소화 특성과 전자석 기반 보조 제어의 결합을 통해 z축 단일 feedback 제어만으로도 유체 내 소형 자석 로봇의 안정적인 부유가 가능하며, Hybrid Array를 로봇 팔에 부착하여 움직일 때, 소형 자석 로봇이 Array의 운동을 직관적으로 추종하는 4자유도 제어 메커니즘을 제시하였다. 이러한 특성으로 전류 제어와 더불어 병렬적으로 로봇 팔의 feedback 제어를 간단히 추가할 수 있으며, feedback 제어 시 위치 오차를 약 1mm 이내로 줄일 수 있었다. 나아가 전자석 파라미터 조정을 통해 θ 방향 일부 제어가 가능한 semi–5 DOF 확장성도 확인하였다. 종합하면, 본 연구는 기존 전자석 기반 시스템의 에너지 비효율·발열·복잡성·협소한 작업 공간을 극복하면서, 단순한 구조로 높은 정밀성과 반복성을 구현하는 새로운 비침습 자기 구동 플랫폼을 제시한다. 이는 의료·바이오 로보틱스 분야에서 소형 자석 로봇의 실용성과 응용 확장 가능성을 크게 높이는 기술적 기반을 제공한다

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the increasing demand for non-invasive medical procedures, there is a growing need for miniature magnetic robots capable of safely and precisely manipulating deep regions within the body. However, conventional electromagnet-based magnetic systems have several limitations, including high power consumption, heat generation, complex control structures, and restricted workspace. To address these issues, this study proposes a hybrid magnetic actuation system combining permanent magnet arrays with electromagnet arrays.
The proposed system provides passive stability by naturally aligning the robot in the x, y, ϕ, and θ directions through optimized permanent and electromagnet arrays, while the electromagnet array additionally handles active control along the z-axis. To achieve this, the magnetic potential energy distribution was modeled, and the array configuration was optimized based on this model. The system achieves low power consumption and heat generation while maintaining an open structure, resulting in a wider workspace compared to conventional systems.
By combining the energy-minimizing properties of permanent magnets with electromagnet-based auxiliary control, stable levitation of miniature magnetic robots in fluid can be achieved with z-axis single feedback control alone.
When the Hybrid Array is mounted on a robotic arm, a 4-degree-of-freedom control mechanism is realized, allowing the miniature robot to intuitively follow the motion of the array. With this configuration, simple addition of the robotic arm’s feedback control in parallel with current control reduces positioning errors to approximately 1 mm. Furthermore, adjustment of electromagnet parameters allows partial θ-direction control, demonstrating semi–5 DOF expandability.
In summary, this study presents a novel non-invasive magnetic actuation platform that overcomes the energy inefficiency, heat generation, complexity, and limited workspace of conventional electromagnet-based systems, while achieving high precision and repeatability with a simple structure. This platform provides a significant technological foundation for enhancing the practicality and application potential of miniature magnetic robots in medical and bio-robotics fields.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1.1. 연구의 배경과 목적 1
• 가. 연구의 배경 1
• 나. Magnet method 장점 1
• 다. 기존 시스템 단점 2
• 라. 본 시스템 제시 2
• II. 시스템 개요 3
• 2.1. 시스템 구성 3
• 가. Target 3
• 나. Hybrid Array 3
• 다. 작동 예시 4
• 2.2. Dipole model 기반 수식 함수화 5
• 가. Dipole model 기본 수식 5
• 나. 수식 함수화 6
• 2.3. 시스템 설계 조건 및 기준 7
• 가. Home Position 수렴 조건 7
• 나. 설계 기준 지표 8
• 2.4. 요약 정리 9
• III. 설계 최적화 및 제어 10
• 3.1. 영구자석/전자석 배열 최적화 10- ii -
• 가. 영구자석 배열 최적화 10
• 나. 전자석 배열 최적화 11
• 다. 최적화 결과 13
• 3.2. 제어 15
• 가. 제어 시퀀스 15
• 나. 제어 17
• 다. 방향 자유도 확장 18
• 3.3. 요약 정리 19
• IV. 실험 결과 및 분석 22
• 4.1. 시뮬레이션 및 결과 분석 22
• 가. 시뮬레이션 구성 22
• 나. 시뮬레이션 결과 및 분석 23
• 4.2. 실험 및 결과 26
• 가. 실험 세팅 26
• 나. 파이썬 코딩 26
• 다. 실험 내용 27
• 라. 실험 결과 및 분석 31
• Ⅴ. 결론 33
• 참고문헌 35