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Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering - Vol. 30 , No. 3

[ Article ]
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering - Vol. 30, No. 3, pp.239-248
Abbreviation: Trans. Korean Soc. Noise Vib. Eng.
ISSN: 1598-2785 (Print) 2287-5476 (Online)
Print publication date 20 Jun 2020
Received 13 Dec 2019 Revised 08 Jan 2020 Accepted 17 Jan 2020
DOI: https://doi.org/10.5050/KSNVE.2020.30.3.239

자주식 가정용 다목적 이승 장치 설계 및 제어
설유선* ; 박노철** ; 배영걸

Design and Control of Multipurpose Self-propelled Home Lifting Device
Yusun Shul* ; No-Cheol Park** ; Yeong-Geol Bae
*Yonsei University, College of Mechanical Engineering, Student
**Member, Yonsei University, College of Mechanical Engineering, Professor
Correspondence to : Member, Auracare, Senior Researcher E-mail : ygbae@auracare.co.kr
‡ Recommended by Editor Jun hong Park


© The Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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Abstract

There has been an increase in the demand for a device that can be used for care or rehabilitation of the elderly and disabled, owing to the increase in the number of elderly people and the interest with regard to the quality of life of the disabled. We herein propose a lifting device for the elderly and disabled, which performs functions, such as patient weight compensation function to reduce the physical burden on the caregiver, as well as basic lifting and exercise functions. The trolley and rail are designed to minimize the height of the device in consideration of its use in houses that have low ceilings. The designed rail was demonstrated for safety via a static analysis on ANSYS workbench software. Experiments were conducted to verify every purposed performance of the manufactured lifting device.


Keywords: Home Lifting Device, Multipurpose Device
키워드: 가정용 이승 장치, 다목적 장치

1. 서 론

통계청 자료(2015)에 따르면 우리나라는 이미 고령화 사회에 진입하였으며 2020년 이후에는 고령 인구가 전체인구의 20 % 이상인 초고령사회에 진입한다. 또한 장애인의 삶의 질 향상 등에 관한 관심이 증대됨에 따라, 고령자와 장애인을 위한 재활 및 돌봄에 대한 수요가 증가하고 있다. 하지만 돌봄의 수요 증가에 비해 간호 인력이 부족한 상황이다. 우리나라의 인구당 활동 간호사 수는 OECD 평균의 절반에도 미치지 못하는 매우 낮은 수준이다(1). 특히 고령자에 대한 돌봄은 젊은 사람들이 기피하는 직업으로 나타난다(2). 고령화, 장애인의 삶의 질 향상 기대, 간호 인력의 부족과 같은 이유로 돌봄 및 재활에 로봇을 적용하고자 하는 관심이 증대되고 있다(3).

돌봄 분야 중에서도 특히 이승은 환자의 무게를 지탱해야 하기에 간병인의 물리적 부담이 크다. 한국산업안전보건공단에서 작성된 ‘보건 및 사회복지업 사고사례’에 기술된 요양보호사의 사고사례를 보면 23개의 사고사례 중 환자의 이승과 관련된 사례가 7개로 큰 비중을 차지하고 있다.

따라서 이승 장치의 개발이 활발히 이루어지고 있으며 해외의 경우 미국, 스웨덴, 일본 등에서 다양한 형태의 장비가 개발되어 전문 병원에서 활용되고 있다. 하지만 대부분 고가의 장비이며 설치가 어려워 일반 가정에서 활용하기에는 한계가 있다. 미국 ARETECH사의 ZeroG(4)라는 제품이나 한국 이지스텝 사의 워킹레일(5)이라는 제품 등을 예로 들 수 있다. 모두 고가이며 활용을 위해 집을 개조하는 공사가 필요하다는 공통점이 있다. 가정용 이승 장치의 경우 리프트가 활용되고 있으나, 병원에서 활용되는 이승 장치가 재활운동에도 활용되는 것에 비하여 사용 기능에 제한이 있으며 사용 과정에서 욕창 등의 부작용이 수반되기도 한다. 따라서 가정에서 활용 가능하며 이승 이외에도 추가적인 운동 기능 구현이 가능한 이승 장치 개발의 필요성이 제기된다.

이 논문은 돌봄 분야 중 가장 많은 사고의 우려가 있는 이승을 보조하는 기능을 갖추며, 간병인의 물리적 부담을 덜고, 추가적인 운동 보조 기능이 구현된 다목적 이승 로봇의 개발에 대하여 기술되었다.


2. 설계 및 해석
2.1 이승시스템 목표

이 장치는 와상환자의 이승 및 운동을 돕는 기구이다. 환자를 일으켜 세우거나 침대에서 휠체어로 옮겨 앉힐 때 간병인이 겪을 수 있는 근육통, 관절 손상 등의 문제 해결을 기대할 수 있다. 또한 모드 변경을 통해 환자의 관절 운동에도 활용될 수 있다.

2.2 이승 장치 설계
(1) 이승 장치 레일 구조

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

(2) 트롤리 시스템

환자의 이승을 위한 상/하 제어는 트롤리에서 구동되며 이 트롤리 시스템(trolley system)은 Fig. 2Fig. 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
Component Product Bearings Basic static load Safety coefficient
Guide Roller UMC15-5-5 No
bearing
- -
Carrier Roller UMJ50-30 6002ZZ 5.6 kN 3.36
Pulley MBGA80-5 6001ZZ 5.1 kN 1.86
Roller 1 RORA50-50 6002ZZ 5.6 kN 4.08
Roller 2 RORA20-30 696ZZ - -
Rollers TGRA30-30 698ZZ - -

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
Component Product Spec Value Safety coefficient
Rope Powerloc expert SP Maximum breaking strength 16.4 kN 9.83
Tension sensor CDES-2L Rated capacity 500 kg -
Indicator BS-205 series Baud rate 9600 -

(3) 모터 구동부

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
Component Product Spec Value Load
Motor MSMD082
G1T
Static torque 2.4 Nm 1.323 Nm
Speed reducer SPIH090S
050K
Reduction ratio 50:1 -
Servo amplifier MCDHT
3520
- - -

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.

rmin=0.535×d(1) 
rmax=0.55×d(2) 
hminimum0.374×dforhelicallygrooveddrums(3) 
2.065×r<p<2.18×r(4) 

Fig. 4 
Winch drum

Table 4 
Component specification
Diameter Groove radius (r) Groove depth (h) Pitch (p) Length
100 mm 4.3 mm 2.99 mm 9.3 mm 135 mm

2.3 레일 설계 및 해석

레일의 형상 및 치수는 ANSYS static structural 해석을 통해 선정되었다. 레일은 트롤리 구조의 높이를 최소화할 수 있도록 하며 프레임 상부에서 트롤리 및 환자의 하중을 견뎌야 한다. 트롤리와 슬링의 높이를 고려하여 레일의 단면 높이는 80 cm로 제한하였으며, 최대 170 kg(이 장치의 목표 허용 무게 135 kg과 트롤리 시스템 및 하니스 무게 34.1 kg)의 무게가 인가될 때 변형과 응력 집중 현상이 최소화되도록 최적화를 진행하였다.

길이 3 m의 레일에 대해 최대 170 kg의 하중에 대한 해석결과를 확인하였다. Fig. 5(a)와 같이 레일 단면 중앙에서 좌, 우로 2/3 지점에 각각 85 kgf가 인가되도록 설정하였다. 하중이 걸릴 경우 레일의 형상에 따라 중앙부에서의 최대 변형량이 1 mm에 근접하면서 최소한의 재료를 사용하도록, 설계 변수 연구를 통한 최적화를 진행하였다. 해석에 활용된 솔리드요소는 SOLID185이며, 요소의 크기는 3 mm로 설정하였다. 최적화 과정에서 단면의 변수는 Fig. 5(a)에 표시된 바와 같다. 또한 Fig. 5(b)와 같이 단순지지 조건으로 하여 Fig. 5(a)의 초기값을 기준으로 설계 변수 연구를 진행하였다.


Fig. 5 
Analysis conditions for parameter study

다양한 최적화 결과 중 몇 가지를 Table 5에 기재하였다. Model 2의 경우 변형량은 최저이지만, 부피가 다른 모델에 비해 크기 때문에 무겁고 제작비용이 증가한다는 단점이 있다. Model 3은 최대 변형량이 1 mm에 근접하며, Model 2에 비해 부피가 현저히 줄어든다. 또한 부피가 유사한 Model 1에 비해서도 변형량이 적기 때문에 최대 변형량이 1 mm에 근접하며 부피를 최소화하는 모델로써 적합하다. Model 3의 형상은 Fig. 6과 같으며 최종 선정되었다. 이에 대한 해석 결과는 Fig. 7과 같다. 레일 중앙에서의 최대 변형량은 1.066 mm로 환자의 하중에 의한 레일의 변형은 매우 적을 것이다.

Table 5 
Results of parameter study on rail cross section
Variables (Unit) Model 1 Model 2 Model 3
A (m) 90 90 86
B (m) 10 15 15
C (m) 60 50 50
D (m) 30 30 25
Maximum deformation (mm) 1.148 0.995 1.066
Volume (m3) 10.80×10-3 12.60×10-3 10.74×10-3


Fig. 6 
Selected cross section of rail (model 3)


Fig. 7 
Maximum deflection of selected model

레일의 응력 해석 결과는 Fig. 8(a), 8(b)로 각각 레일 상부와 하부에서 가장 응력이 집중되는 레일 가운데 부분을 나타낸다. 레일은 6082알루미늄으로 제작하며, 사용된 6082알루미늄 합금의 인장항복강도는 280 MPa이다. 이에 대하여 Fig. 8(a), Fig. 8(b)에서 최대 응력 11.73 Mpa과 비교하였을 때 안전계수는 23.87로 강건히 설계된 시스템임을 확인할 수 있다.

S=σsσ=28011.73=23.87,σs:tensilestress

Fig. 8 
Static analysis results of rail


3. 시스템 제어
3.1 제어부 구성

트롤리 시스템은 구동부, 센서부, MCU, 조작부로 구성된다. 구동부는 모터를 포함하며, 센서부를 통해 무게 측정 및 피드백이 가능하다. MCU를 통해 사용자 프로그래밍이 반영되며 조작부를 통해 이승 로봇의 구동 및 다양한 모드 구현이 가능하다.

모드 구현 시, 리프트 구동 방향 등의 신호가 주 제어기인 DSP 제어기에 전달되면 모터드라이버에서 PWM 방식으로 모터를 구동한다. DSP는 Texas Instruments의 TMS320F28335 칩이 내장된 보드(TR28335, 싱크웍스)를 활용하였다. 이때 모터의 엔코더에서 출력되는 펄스를 피드백하여 순간 위치 및 상승/하강 거리를 확인한다. 출력되는 펄스는 70 kHz로 지령이 입력되도록 기본값을 설정하여 제어하였다. 센서의 부하 값은 인디케이터를 통해 DSP 제어기에 전달되며 DSP에서는 이를 기준으로 리프트의 상승 또는 하강을 결정하고 결정된 방향으로 모터드라이버에 구동 명령을 전달한다. 이는 Fig. 9에 도식화되어있다.


Fig. 9 
System configuration diagram

3.2 모드별 제어 방법

이 장치는 사용 목적에 따라 다른 기능을 활용할 수 있도록 모드를 분류하여 구현되었다. 크게 환자의 이승을 돕는 모드와 관절 운동에 활용할 수 있는 운동 모드로 구분되어 있다. 환자의 이승을 돕는 모드는 리모콘 모드와 포스 제어 모드로 세부 분류된다.

(1) 리모콘 모드

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

(2) 포스 제어 모드

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 εup과 하강 시 고려되는 변수 εdown이다. 간병인이 하니스를 위로 올려 εεup보다 클 때 장치가 위로 올라가 이승하게 된다. 반대로 간병인이 하니스를 아래로 살짝 눌러 -εεdown보다 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

(3) 운동 모드

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


4. 제작 및 실험
4.1 제작

Fig. 13은 제작된 다목적 이승 로봇의 전체 시스템이다. 하단부에 장착된 바퀴로 시스템 전체의 이동이 가능하다. 높이 2.1 m의 양단 지주 사이에 레일이 연결되어 있고 레일 위로 트롤리의 수동 이동이 가능하다. 이승 대상자를 감싸는 슬링이 슬링 바에 6개의 고리로 연결되어 있다. 슬링 바는 트롤리의 구동부에 의해 작동하는 줄에 연결되어 있다.


Fig. 13 
Full lift system

4.2 포스 제어 모드 오차 실험

이 이승 장치는 탄성이 있는 직경 8 mm의 직조 줄을 사용한다. 따라서 장치 구동 시 탄성에 의한 영향이 고려되어야 한다. 줄의 진동은 줄 자체의 구조적인 변경이 어려우며, 시간에 따른 길이 변화로 예측하기 어려운 시스템이다(9). 이 장치에서는 줄의 탄성으로 인한 영향이 크게 두 가지로 발생하는 것을 확인했다. 첫째는 동일 대상에 대해 모터의 작동 방향(위/아래 제어)에 따라 발생하는 측정 오차이다. 두 번째는 포스 제어 모드 시 외력을 가하고 손을 뗀 직후 발생하는 오버슈트에 의한 오차이다. 이를 분석 및 해결하기 위해 실험이 진행되었다.

(1) 상승 및 하강 시 오차 실험

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

(2) 오버슈트에 의한 오차 실험

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)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)
εdown 2 2.25 2.5 2.75 3
εup
4 Unstable Unstable Unstable Unstable Unstable
4.5 - - Unstable Stable Stable
4.75 - - Unstable Stable Stable
5 - - Stable Stable Stable

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(εup)은 5 kgf, 하강 시 최소 힘(εdown)은 4.5 kgf일 때 이 장치를 이용하여 안정적으로 포스 제어가 가능했다. 이때, εupεdown보다 크게 나타나는 이유는 앞서 서술된 첫 번째 오차 원인에서 기인한다고 판단가능하다.

Table 7 
Parameters for force control mode
Parameter Meaning Value
εup Minimum lifting force 5 kgf
εdown Minimum descending force 4.5 kgf

4.3 모드별 작동 실험

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


5. 결 론

이 논문에서는 고령자 및 장애인을 위한 이승 장치 개발이 기술되었다. 리모콘을 이용한 단순한 조작 기능 뿐만 아니라, 힘 센서 피드백을 통해 간병인의 직접적인 이승 작업의 물리적인 부담을 보조하는 기능이 구현된다. 또한 내재된 경로 제어를 통해 환자의 관절 운동을 도와주는 기능을 구현하였다. 천장고가 낮은 가정에서도 활용할 수 있도록 높이 2.1 m로 설계, 제작되었으며 구조해석을 통해 안전성을 검증하였다. 제작된 다목적 이승 장치를 활용하여 목표로 하였던 기능에 대한 실험을 수행하여 성능을 검증하였다. 이 연구에서 개발된 다목적 이승 장치는 연구적인 목적뿐만 아니라 병실, 가정 등 좁은 실내에서의 활용도가 기대된다.


기 호 설 명
Fa : 실제 힘
Ld : 이승 방향
Lmc : 이승 모드 변경
Le : 비상 신호
T.V.(target value) : 대상 무게
ε : 대상 무게(T.V.)와 순간 측정 무게의 차
εup : 이승을 위해 가해야 할 힘 설정값
εdown : 하강을 위해 가해야 할 힘 설정값
h : 순간 위치
hup : 운동 모드의 상한 높이
hdown : 운동 모드의 하한 높이

Acknowledgments

이 연구는 보건복지부 국립재활원 재활연구개발용역사업(R&D)재활로봇중개연구용역(NRCTREX18004)으로 수행되었습니다.


References
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Yusun Shul is a graduate student at Yonsei University, Dept. of Mechanical Engineering. She received B.S. in Dept. of Mechanical Engineering from Yonsei University in 2018.

No-Cheol Park received a B.S., M.S. and Ph.D. degree in Dept. of Mechanical Engineering from Yonsei University in 1986, 1988 and 1997 respectively. He is currently working in Yonsei University as a professor of the Mechanical Engineering. His research interests include the mechanical vibration and opto-mechatronics system.

Yeong-Geol Bae received B.S. and M.S. degrees in Mechatronics Engineering from Chungnam National University, in 2003 and 2006, respectively. He received Ph.D. degree from Department of Mechatronics Engineering at Chungnam National University in 2015. He worked as a post researcher in KAERI from 2015 to 2018. His research interests include robot manipulator design and control.