자주식 가정용 다목적 이승 장치 설계 및 제어

이승 장치를 지지하는 프레임의 구조는 Fig. 1과 같이 설계되었다. 레일은 장치를 사용하는 가정이나 병원에 별도의 공사 없이 설치 및 사용이 가능하도록 자주식으로 구성되었다. 프레임의 높이는 일반 가정집의 천장 높이보다 낮도록 2.1 m로 설계되었다. 길이는 통상적인 가정집의 크기를 고려하여 침상과 휠체어를 수용할 수 있는 3 m이다. 호이스트가 내장된 트롤리의 중앙에서 레일을 따라 단방향 이동이 가능하도록 설계하였다. 또한 하단에 바퀴를 설치하여 실내에서 이동 가능하도록 구성하였다. 또한 수동 메커니즘을 부착해 개호자에 의해 원하는 위치에 고정될 수 있다. 레일과 트롤리에 대해, ‘의료기기의 전기 기계적 안전에 관한 공통기준 및 시험방법’⁽⁶⁾을 기준으로 최대 135 kg까지 환자를 수용 가능하도록 설계 및 실험을 진행하였다.

Fig. 1

Design of lifting device

환자의 이승을 위한 상/하 제어는 트롤리에서 구동되며 이 트롤리 시스템(trolley system)은 Fig. 2와 Fig. 3의 구조로 설계되었다. 트롤리는 ‘H’단면 레일을 따라 움직이도록 이송 롤러(carrier roller)가 중앙에 대칭으로 장착되어 있다. 트롤리 프레임 좌/우로는 각각 제어 시스템(control system)과 모터 및 모터 드럼(winch drum)이 부착되어 있다. 모터 구동부에 대한 설계는 다음 항에서 기술된다. 모터 드럼에 환자의 무게를 지탱하는 줄이 감겨 있으며, 이는 힘 센서와 연결된 도르래에 수평 방향으로 한번 감긴 후, 롤러 1 에 걸쳐져 아래로 수직으로 떨어지는 구조이다.

Fig. 2

Trolley system (front)

Fig. 3

Trolley system (bottom)

롤러 1의 안쪽에는 수직 방향으로 두 개의 롤러가 추가로 부착되어 있으며, 롤러 1에서 줄이 좌/우로 치우치지 않도록 가이드 역할을 한다. Fig. 3과 같이 드럼에 감긴 줄은 드럼의 중앙에서 최대 2θ만큼 변위 각을 갖는다. 이때 θ가 2˚를 넘지 않도록 설계하였다⁽⁷⁾.

사용된 모든 롤러 및 도르래에 대한 정보와 각 부품에서 활용된 베어링의 스펙은 Table 1에 정리된 바와 같다. 활용된 롤러 중 가이드 롤러를 제외하고, 축 방향으로 하중이 가해지는 이송롤러, 도르래, 롤러 1 에 사용되는 베어링의 안전계수를 계산하여 1.5 이상이 되도록 적합한 부품을 선정하였다. 이송롤러의 경우 최대허용하중 135 kg에 트롤리 및 하니스의 무게 35 kg을 포함하여 170 kg의 하중에 대한 각 베어링의 안전계수를 확인하였다. 또한 도르래의 경우 트롤리 시스템의 무게를 제외한 140 kg에 양방향으로 장력이 작용하므로, 이의 두 배인 280 kg의 하중에 대한 안전계수를 확인하였다. 롤러 1은 트롤리의 무게를 제외한 140 kg에 대해 안전계수를 확인하였다.

Table 1

Roller specification

줄에 대한 정보는 Table 2에 정리되었다. 직경 8 mm의 등산용 줄을 사용하였다. 이 장치의 최대 하중인 170 kg에 의해 가해지는 약 1.67 kN의 인장력을 고려하여 인장 강도가 16.4 kN인 줄을 선정하였다.

Table 2

Component specification

모터 구동(motor actuator)에 활용된 부품과 해당 스펙은 Table 3에 제시된 바와 같다. 이 장치의 최대 허용 무게 135 kg에 하니스 및 슬링 무게 5 kg을 포함한 140 kg에 대해, 5 cm 반경의 모터 드럼에서 계산된 정적 토크는 1.372 Nm이다. 따라서 정적 토크가 2.4 Nm이고 감속비가 50:1인 감속기를 사용하였다.

Table 3

Motor component specification

또한, 모터에 연결되어 줄을 감는 모터 드럼은 효율을 높이게 되면 직경이 과도하게 커지게 되므로 85% 이상의 효율을 만족하도록 하였다⁽⁶⁾. 이때 모터 드럼의 직경은 100 mm로 설정하였고, 드럼 1회 회전 시 0.314 m가 권선된다. 프레임의 높이 2.1 m에서 침상의 평균 높이 0.6 m를 제외하면 요구되는 최소 권선 길이는 1.5 m이다. 직경 100 mm의 드럼에 권선 수를 6회로 할 때 권선 길이는 1.88 m로, 요구되는 최소 권선 길이가 만족되어 줄이 최소 6회 이상 감기도록 해야 한다. 또한, 드럼에 사용되는 줄의 직경이 8 mm이므로 줄이 홈을 이탈하는 것을 방지하기 위해 홈의 반경(r)과 깊이(h), 피치(p)에 대해 식 (1) ~ 식 (4)를 만족하여야 한다⁽⁸⁾. 해당 식을 만족하는 값을 찾아 Table 4의 결과로 설계 및 제작하였으며 그 결과는 Fig. 4에 제시되었다.

Fig. 4

Winch drum

Table 4

Component specification

리모콘 모드는 이 이승 로봇을 일반적인 타 제품들과 동일하게 사용할 수 있도록 한다. 상승과 하강을 리모콘만으로 작동할 수 있으며 Fig. 10의 알고리듬으로 구동된다.

Fig. 10

Algorithm of remote control mode

포스 제어 모드는 리모콘을 지속적으로 사용하지 않고도, 환자의 이승을 도울 수 있도록 한다. 포스 제어 모드의 원리는 Fig. 11에 나타난 바와 같다. 포스 제어 모드를 사용하기 위해서 리모콘을 이용하여 환자를 일정 높이로 들어 환자의 몸무게를 측정한 후, 이를 대상 무게(target value)로 설정한다. 이는 포스 제어 시 기준이 되는 무게로 환자 몸무게이다. 간병인이 환자를 살짝 들거나 아래로 내릴 경우 대상 무게와 힘 센서에서 인지하는 무게 사이의 차(ε)를 이용하여 장치가 위로 또는 아래로 움직이도록 한다. 줄의 탄성으로 인한 출렁거림에서 기인한 오차에 영향을 받지 않도록 간병인이 가해야 하는 최소한의 힘(error boundary, ε)을 찾아 설정해 주었다. 이 최소한의 힘에 대해서는 4.2절에서 기술되며, 이는 이승 시 고려해야 할 변수 ε_up과 하강 시 고려되는 변수 ε_down이다. 간병인이 하니스를 위로 올려 ε이 ε_up보다 클 때 장치가 위로 올라가 이승하게 된다. 반대로 간병인이 하니스를 아래로 살짝 눌러 -ε이 ε_down보다 클 때 장치가 아래로 내려가며 하강하게 된다. 포스 제어 모드에서도 비상시를 대비해 언제든 리모콘으로 상승과 하강을 조작할 수 있도록 하였다.

Fig. 11

Algorithm of force control mode

운동 모드는 환자의 상지 혹은 하지의 상하 반복 재활운동 시 이를 보조하는 기능이다. 기존에는 간병인이 환자의 무게를 지탱하며 재활운동을 진행하였다. 이 장치를 통해 환자의 신체(팔, 허리, 다리 등)를 슬링에 걸어 설정된 높이에 따라 기구에 장착된 슬링이 반복운동함으로써 관절 운동을 보조하여 간병인의 부담을 덜 수 있다. 상한 높이와 하한 높이를 설정해 주어, 정해진 구간 안에서 운동하도록 하되 운동에 효과적인 높이는 병원 및 재활원에서 설정 가능하도록 하였다. 이 경우에도 비상시를 대비해 운동 모드가 작동되도록 설정되어 있으며, 시작/정지 버튼을 통해 모드 동작을 제어할 수 있다. 작동 알고리듬은 Fig. 12와 같다.

Fig. 12

Algorithm of exercise mode

첫째로, 줄이 감기면서 멈출 시와 풀리면서 멈출 시 동일 무게의 대상에 대해 힘 센서에서 측정되는 값에 오차가 발생한다. 힘 센서에 부착된 도르래에 가해지는 장력으로 무게가 측정되는데, 줄이 감길 때와 풀릴 때 도르래에 가해지는 장력에 차이가 존재하기 때문이다. 모터의 작동 방향에 따른 힘 센서 인식 오차의 경향성을 확인하기 위해 추가적인 실험을 진행하였다. 장치의 구조적인 영향을 제거하고 모터 작동 방향에 따른 힘 센서 측정 결과를 확인하기 위해, Fig. 14와 같이 힘 센서를 수직 방향으로 설치하였다. 실험 결과는 Fig. 15와 같다. 각각 37 kg, 60 kg, 72 kg의 물체에 대해 위로 올릴 때와 아래로 내릴 때 높이에 따른 힘 센서의 측정값이다. 이 실험을 통해 줄이 감길 때와 풀릴 때, 각각 측정 무게 및 측정 높이에 따른 인식 값을 확인하였다. 무게에 따른 영향을 확인하기 위해 대략 35 kg, 60 kg, 70 kg으로 기준을 잡고 실험 가능한 시편을 조합하여 실제로 37 kg, 60 kg, 72 kg에 대해 실험을 진행하였다. 측정 높이에 따라 영향은 0.3 kg 이내로 오차에 지배적인 영향을 주지 않는다. 모터의 작동 방향에 따른 오차는 무게가 증가함에 따라 증가하지만, 그 오차는 1.38 kg, 1.83 kg, 2 kg으로 모두 2 kg 남짓이다. 무게의 증가에 대한 오차 변화는 무시할만하다. 이러한 오차는 오버슈트에 의한 오차와 함께 반영되어 나타나며 포스 제어 모드의 변수 설정을 통해 극복되었다.

Fig. 14

Experiment setup

Fig. 15

Measured value of different masses due to moving direction

두 번째 오차는 포스 제어 모드에서 간병인이 슬링에 가한 외력을 제거한 직후 발생하는 오버슈트에서 기인한다. 특정 높이에서 줄이 외력에 의해 움직인 후 안정화되기까지 힘 센서에서 측정되는 값은 연속적으로 변한다. 이 경우는 첫 번째로 언급된 오차원인과 결합된 형태로만 측정가능하다. 또한 간병인이 포스 제어 모드를 활용하기 위해 가해야 하는 무게인 ε이 오버슈트 값 보다 작을 경우 의도된 방향과 다른 방향으로 움직여 시스템의 안정화에 방해 요인이 될 수 있다. 따라서 줄의 탄성으로 인한 오버슈트에 영향을 받지 않고 포스 제어 모드를 작동시키기 위해 적절한 경계값 설정이 필수적이다.

앞서 언급된 오차를 고려한 변수 설정을 위해 Fig. 16의 실험이 진행되었다. 70 kg의 대상 물체에 대해 포스 제어 모드로 상/하 제어할 경우, Fig. 16(a)와 Fig. 16(b)의 빨간색 상자에 표시된 것처럼 ε이 오버슈트 혹은 언더슈트 값보다 작을 경우 시스템이 출렁거리며 오작동 하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 16

Change of position values due to measured load of system for downward/upward/up&down force control with varying error boundaries

반면 ε이 오버슈트와 언더슈트 값에 비해 크게 선정된 경우 Fig. 16의 (c)와 (d)에서처럼 시스템을 포스 제어 모드로 상승 하강하였을 때, 측정 힘(load)에 오버슈트와 언더슈트가 발생하더라도 시스템의 위치(position)는 오버슈트 없이 안정화됨(파란색 표시)을 확인할 수 있다. 각각 다른 변수에 대해 시스템의 안정성을 확인한 결과 Table 6과 같았다.

Table 6

Parameter study for force control mode(Unit: kgf)

따라서 줄의 탄성에 의해 힘 센서에서 발생할 수 있는 두 가지 인식값 오차에 영향받지 않고 제어하기 위해 최대 135 kg의 무게에 적용 가능한 Table 7의 변수가 선정되었다. 환자 이승을 위해 가해야 하는 상승 시 최소 힘(ε_up)은 5 kgf, 하강 시 최소 힘(ε_down)은 4.5 kgf일 때 이 장치를 이용하여 안정적으로 포스 제어가 가능했다. 이때, ε_up이 ε_down보다 크게 나타나는 이유는 앞서 서술된 첫 번째 오차 원인에서 기인한다고 판단가능하다.

Table 7

Parameters for force control mode

제작된 이승 로봇을 활용하여 구현하고자 한 각 모드 별 기능의 작동 여부를 실험을 통해 확인하였다.

Fig. 17은 대부분의 이승 장치와 같이 리모콘만을 사용해 조작하는 운동 모드에 대한 실험 상황이다. Fig. 18은 간병인의 직접적인 이승을 보조하기 위한 포스 제어 모드의 실험 상황이다. 간병인이 환자가 앉아있는 하니스에 힘을 가해 이승/하강을 돕는 모습이다. Fig. 19 는 프로그램에 내재되어 있는 일정 경로 반복을 통한 관절 운동 실험의 상황을 나타낸다. 이러한 실험을 통해 이 장치를 이용하여 의도한 기능으로 작동하는 것을 검증하였다.

Fig. 17

Experiment for remote control mode

Fig. 18

Experiment for force control mode

Fig. 19

Experiment for exercise mode