다중모드 이동과 형상 재구성을 위한 모듈형 마그네틱 밀리로봇 설계 및 제어

본 논문은 의료·생체 환경에서 요구되는 고유동성·다기능성을 갖춘 마그네틱 밀리로봇을 구현하기 위해, 세 가지 기능을 각각 담당하는 큐브형 모듈(프리, 고정, 그리퍼)을 설계하고, 2차원 평면 전자기 코일 시스템을 이용해 저강도(≤13 mT) 자기장으로 제어하는 플랫폼을 제시한다. 1. **모듈 설계** - 모든 모듈은 3 × 3 × 3 mm³의 정육면체 형태이며, 내부에 1 mm 구형 N40 영구자석을 삽입한다. - 프리 모듈은 자석이 회전 가능한 공동을 가지고 있어 균일장 토크가 가해질 때 마찰을 이용해 스틱‑슬립 방식으로 전진한다. - 고정 모듈은 자석을 고정시켜 전체 큐브가 회전하도록 하며, 구배장을 동시에 적용해 비대칭적인 힘을 얻어 ‘플립‑워킹’ 보행을 구현한다. - 그리퍼 모듈은 자석 방향을 특수하게 배치해 다른 모듈과의 쌍극자 상호작용을 최적화, 체인 형성 시 안정적인 도킹과 이후의 형태 변환(그리퍼 형태) 역할을 수행한다. 2. **전기·자기 구동 시스템** - X·Y 축에 각각 헬름홀츠(균일장)와 맥스웰(구배장) 코일 쌍을 배치한 2D 전자기 시스템을 구축하였다. 코일은 1 mm 구리선으로 감아 100~176턴을 갖고, 전류 0–1 A 구간에서 필드 강도를 선형적으로 제어한다. - 필드 표현식 B(r)=B₀+G·r 로, B₀는 균일장, G는 구배 행렬이며, 실험실 환경에서 ∇·B≈0를 만족하도록 설계하였다. - 전자기 시스템은 35 × 35 mm² 평면 작업공간을 제공하고, 코일 프레임과 카메라 마운트를 3D 프린팅 PLA로 제작해 전체 장비 부피와 전력 소모를 최소화하였다. 3. **제어 및 비전 시스템** - 30 fps USB 카메라와 LED 조명을 이용해 실시간 영상 획득 후, HSV 색상 마스크와 컨투어 분석으로 모듈 및 장애물 위치를 추출한다. - 작업공간을 이진 점유 그리드로 변환하고, 8‑연결 A* 알고리즘을 사용해 목표 지점까지 최적 경로를 생성한다. - 경로의 각 단계는 방향에 따라 헬름홀츠 펄스(토크)와 필요 시 맥스웰 구배(힘)를 조합한 전류 명령으로 변환되는 유한 상태 기계(FSM)로 구현된다. - 모듈이 예상 위치에 도달하지 못하면 전류를 0.1 A씩 증가시켜 필드 강도를 보강하고, 최대 시도 횟수를 초과하면 동작을 중단한다. 4. **실험 결과** - **단일 모듈 이동성**: 프리·고정 모듈 모두 1.5 mT 이하의 균일장으로 10 사이클당 평균 0.8 mm 전진을 달성, 기존 연구에서 요구되던 체인 기반 이동을 대체한다. - **다중모드 재구성**: 자기장 파형을 순차적으로 적용해(1) 체인 형성, (2) 체인→그리퍼 변환, (3) 체인→정사각형 변환, (4) 분해를 수행하였다. 체인→그리퍼 변환 성공률은 90 %였으며, 정사각형 변환은 모듈 기하학적 제약으로 성공률이 낮았다(≈55 %). - **폐쇄‑루프 내비게이션**: 미로 형태의 장애물 구역에서 고정 모듈을 목표 지점까지 이동시켰으며, 평균 12 초 내에 목표 도달, 경로 재계산 및 필드 강도 보정이 실시간으로 작동함을 확인하였다. 5. **비교 및 기여** - 기존 3D 전자기 시스템(40 mT, 100 × 100 mm²)과 비교해, 본 연구는 2D 코일로 13 mT 이하의 저강도 필드만으로도 단일 모듈 제어와 충돌‑프리 재구성을 구현한다. - 표 Ⅰ에서 제시된 바와 같이, 충돌 없는 재구성, 단일 모듈 제어, 폐쇄‑루프 경로 계획을 모두 만족하는 최초의 시스템이다. 6. **제한점 및 향후 과제** - 현재는 2D 평면에서만 동작하므로 3D 복합 환경으로 확장하려면 코일 배열 및 전장 모델링이 필요하다. - 비전 기반 추적은 투명 조직이나 혈류와 같은 복잡한 생체 매체에서 정확도가 떨어질 수 있어, 초음파·광학 융합 센서 개발이 요구된다. - 13 mT 이하의 필드 강도는 무게가 큰 화물 운반이나 고속 이동에 제한적이므로, 고출력 저전력 코일 설계와 효율적인 전력 관리 기술이 필요하다. 결론적으로, 이 논문은 저전력·소형 전자기 구동, 모듈별 맞춤형 자기 설계, 실시간 비전 피드백을 결합해 ‘단일 모듈 독립 제어와 충돌‑프리 재구성’을 최초로 구현함으로써, 의료·생체 응용을 위한 적응형 마그네틱 밀리로봇 개발에 중요한 기반을 제공한다.