KR102586633B1 - 인공지능을 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명 인공지능을 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법은, 침대 받침부의 상면에 평행사변형 링크에 의해 승하강이 독립적으로 제어되는 다수의 승하강 링크 모듈이 인접하여 평행하게 배치되고, 상기 각 승하강 링크 모듈이 서보 모터에 의해 동작이 제어되는 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법에 있어서, 상기 각 승하강 링크 모듈에 구비된 체압 센서를 통해 각 승하강 링크 모듈에 가해지는 인체의 부위별 체압 센싱 정보를 수집 및 동작 제어부로 전송하고, 상기 동작 제어부가 수집된 체압 센싱 정보를 기 설정된 퍼지 논리 수식에 의해 퍼지 출력값을 산출함으로써 각 승하강 링크 모듈의 동작 및 위치를 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

인공지능을 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법 및 시스템 {Control method and system of medical robot bed for bedsore prevention using artificial intelligence}

본 발명은 인공지능을 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 침대의 베드면을 따라 승하강 링크 모듈 형태로 승하강이 독립적으로 제어되는 다중 평행사변형 링크 구조의 승하강 링크 모듈을 평행하게 인접하여 다수로 배치하고, 환자의 간호 상황에 맞게 상기 승하강 링크 모듈들의 승하강 동작을 적절히 제어함으로써 욕창이나 피부질환 등의 방지 효과가 우수한 인공지능을 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 병원에서 이용되는 의료용 침대는 거동이 불편한 환자들을 위하여 등받이 또는 발받침이 일정각도로 회동하여 접을 수 있는 구조로 되어 있으며, 보호자가 조작핸들을 돌려 등받이의 각도를 조절하는 수동식과 구동모터 또는 유압실린더를 이용하여 등받이의 각도를 전기력으로 조절하는 전동식으로 나뉜다.

수동식 의료용 침대는 별도의 전동식 장치가 필요하지 않다는 측면에서 가격이 저렴한 이점이 있으나, 등받이의 각도를 조절하기 위해서는 큰 힘이 소요되기 때문에 거동 자체가 불편한 환자 스스로 사용하기는 힘들다는 문제점이 있었다.

이러한 이유로 근래에는 구입비용이 다소 비싸더라도 환자 스스로 등받이 각도 등을 조절할 수 있는 전동 침대가 선호되고 있는 상황이다.

이러한 종래 의료용 전동 침대의 한가지 예가 국내 등록특허 10-0621349호(이하, ‘선행문헌’이라고 칭함)에 개시되어 있다.

상기 선행문헌의 도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 의료용 전동 침대는 크게 침대프레임(10)과, 상기 침대프레임(10) 상부에 위치하며 각각이 서로 회전 가능하게 결합된 등받이부(21) 및 다리받침부(22)를 포함하는 동작모듈(20)과, 상기 동작모듈(20)에 회전 가능하게 결합되어 외력의 의해서 구동하는 복수 개의 링크로 구성된 구동모듈(30)과, 상기 침대프레임(10) 하단에 위치하여 구동모듈(30)의 동작을 위한 외력을 제공하는 동력모듈(40)로 구성된다.

상기 동력모듈(40)은 제 1액츄에이터(41) 및 제 2액츄에이터(42)로 구성되어 각각의 제 1액츄에이터(41)는 등받이부(21)가 틸팅되도록 동력을 가해주고 제 2액츄에이터(42)는 다리받침부(22)가 틸팅되도록 동력을 가해준다.

또한, 상기 등받이부(21)는 침대프레임(10)의 상면에 위치하여 일단이 침대프레임(10)에 구비된 고정부(50)에 회전 가능하게 결합되어 구동모듈(30)에 의해서 타단이 상향 틸팅된다. 대퇴부(22a)는 일단이 고정부(50)의 타측에 회전 가능하게 결합되며 정강이부(22b)는 일단이 대퇴부(22a)의 타단에 회전 가능하게 결합되고 발판부(22c)는 일단이 대퇴부(22a)의 타단에 회전 가능하게 결합된다. 이와 같이 다리받침부(22)가 구성되어 침대프레임(10)에 결합된 구동모듈(30)에 의해서 다리받침부(22)가 상향으로 틸팅된다.

그러나, 이와 같이 구성된 종래 의료용 전동 침대는 매트 부분이 등받이부, 허리부, 관절부 및 다리받침부 등으로 나누어져 업다운 구동될 수 있음에 따라 신체를 움직이기가 힘든 중환자를 일으켜 앉히거나 다리를 들어 올리는 등의 치료 및 간호 활동에 필요한 자세 변형은 어느 정도 가능하나, 침대에 누워 거동할 수 없는 환자의 경우 환자의 특정 신체 부위가 침대 베드에 장시간 눌러 혈액 순환이 원활치 못하게 되고, 또 피부에 공기가 장시간 접촉되지 못함에 따라 욕창이나 피부질환 등의 합병증이 동반되는 심각한 문제점이 있었다.

한국 등록특허 제10-0621349호 (2006.08.31. 등록) 한국 등록특허 제10-1709038호 (2017.02.15. 등록)

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 안출된 것으로, 침대의 베드면을 따라 승하강 링크 모듈 형태로 승하강이 독립적으로 제어되는 다중 평행사변형 링크 구조의 승하강 링크 모듈을 평행하게 인접하여 다수로 배치하고, 환자의 간호 상황에 맞게 상기 승하강 링크 모듈들의 승하강 동작을 적절히 제어함으로써 욕창이나 피부질환 등의 방지 효과가 우수한 인공지능을 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 의료용 로봇 침대의 제어 방법은 일 실시예에 따라, 침대 받침부의 상면에 평행사변형 링크에 의해 승하강이 독립적으로 제어되는 다수의 승하강 링크 모듈이 인접하여 평행하게 배치되고, 상기 각 승하강 링크 모듈이 서보 모터에 의해 동작이 제어되는 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법에 있어서, 상기 각 승하강 링크 모듈에 구비된 체압 센서를 통해 각 승하강 링크 모듈에 가해지는 인체의 부위별 체압 센싱 정보를 수집 및 동작 제어부로 전송하고, 상기 동작 제어부가 수집된 체압 센싱 정보를 기 설정된 퍼지 논리 수식에 의해 퍼지 출력값을 산출함으로써 각 승하강 링크 모듈의 동작 및 위치를 독립적으로 제어한다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 퍼지 논리 수식은,

오류(error) ei는 하기 수식 1에 의해 산출되고,

(수식 1)

(여기서, Pcu는 욕창 임계 압력, Pmi는 승하강 링크 모듈 i의 최대 압력, hi는 승하강 링크 모듈 i의 높이, ei는 Pcu와 Pmi의 차(Pcu-Pmi), ui(=hi)는 승하강 링크 모듈의 이동량이다.)

전체 오류는 하기 수식 2에 의해 산출되며,

(수식 2)

(여기서, N은 승하강 링크 모듈 수이다.)

i번째 승하강 모듈의 최대 압력 는 하기 수식 3에 의해 산출되며,

(수식 3)

(여기서, 상기 M은 각 승하강 링크 모듈의 체압 센서 수이고, Pij는 i번째 승하강 링크 모듈의 j번째 센서에서 측정된 체압이다.)

각 승하강 링크 모듈에서, 압력비 는 하기 수식 4에 의해 산출되며,

(수식 4)

(여기서, 는 번째 승하강 링크 모듈의 번째 센서에 걸리는 체압이다.)

상기 수식에 의해 산출된 퍼지 출력값을 통해 동작 제어부가 각 승하강 링크 모듈의 동작 및 위치를 독립적으로 제어한다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 퍼지 논리 수식에 의해 산출된 퍼지 출력값을 이용하여 각 승하강 링크 모듈의 동작 및 위치를 독립적으로 제어하는 데 실패한 경우, 다음 단계로, 상기 각 승하강 링크 모듈의 승하강 동작을 기 설정된 시간동안 반복적으로 제어한다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 승하강 링크 모듈을 홀수번째와 짝수번째로 구분한 뒤, 상기 홀수번째와 짝수번째 승하강 링크 모듈의 승하강 동작을 기 설정된 하강 시간(T1) 및 승강 시간(T2)동안 반복적으로 교대로 제어한다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 하강 시간(T1) 및 승강 시간(T2)의 합은 30분 이내이다.

한편, 본 발명 의료용 로봇 침대의 제어 시스템은 일 실시예에 따라, 침대 받침부의 상면에 평행사변형 링크에 의해 승하강이 독립적으로 제어되는 다수의 승하강 링크 모듈이 인접하여 평행하게 배치되고, 상기 각 승하강 링크 모듈이 서보 모터에 의해 동작이 제어되는 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 시스템에 있어서, 사용자 인터페이스부; 동작 제어부; 호스트 인터페이스부; 상기 각 승하강 링크 모듈에 구비된 서보 모터를 유무선 통신을 통해 연결하는 다중 서보통신부; 및 각 승하강 링크 모듈에 구비된 체압 센서를 유무선 통신을 통해 연결하는 다중 센서통신부;를 포함하여 구성된다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 체압 센서에는 체압 센싱 정보를 처리하기 위한 체압 센싱 정보 처리부가 더 구비된다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 호스트 인터페이스부는, 다중 서보통신부 및 다중 센서통신부와 CAN(Controller Area Network) 통신에 의해 연결된다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 동작 제어부는, 각 승하강 링크 모듈에 구비된 체압 센서를 통해 각 승하강 링크 모듈에 가해지는 인체의 부위별 체압 센싱 정보를 수집하고, 상기 수집된 체압 센싱 정보를 기 설정된 퍼지 논리 수식에 의해 퍼지 출력값을 산출함으로써 각 승하강 링크 모듈의 동작 및 위치를 독립적으로 제어한다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 동작 제어부는, 상기 퍼지 논리 수식에 의해 산출된 퍼지 출력값을 이용하여 각 승하강 링크 모듈의 동작 및 위치를 독립적으로 제어하는 데 실패한 경우, 다음 단계로, 상기 각 승하강 링크 모듈의 승하강 동작을 기 설정된 시간동안 반복적으로 제어한다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 침대 베드면을 따라 승하강 링크 모듈 형태로 승하강이 독립적으로 제어되는 승하강 링크 모듈을 평행하게 인접하여 다수로 배치하고, 환자의 치료 또는 간호 상황에 맞추어 상기 승하강 링크 모듈들의 승하강 동작을 적절히 제어함으로써 환자의 신체가 장시간 침대 베드에 눌려 혈액순환이 원활치 못하거나 공기와 접촉되지 못함에 따라 발생되는 욕창이나 피부질환 등의 심각한 부작용을 방지할 수 있는 우수한 의료 효과가 있다.

도 1은 본 발명 의료용 전동 침대를 전체적으로 보인 사시도
도 2는 본 발명에 따른 승하강 링크 모듈을 일 실시예에 따라 확대하여 보인 요부 사시도
도 3은 도 2의 분해 사시도
도 4는 본 발명에 따른 승하강 링크 모듈을 다른 실시예에 따라 확대하여 보인 요부 사시도
도 5는 도 4의 분해 사시도
도 6은 도 4의 승하강 링크 모듈의 링크 동작을 설명하기 위한 개략적인 상태도로서, (a)는 단일 평행사변형 링크일 경우의 정상운동 상태, (b)는 (a)에서 전환점 발생에 따른 비정상운동 상태, (c)는 본 발명에 따라 2중 평행사변형 링크를 적용함에 따라 전환점의 발생이 방지된 정상운동 상태
도 7은 본 발명 인공지능을 이용한 욕창예방 로봇 침대의 제어 시스템을 나타낸 블록도
도 8은 서보 모터 드라이버의 제어 블록도
도 9는 본 발명 인공지능을 이용한 욕창예방 로봇 침대의 제어 방법을 나타낸 플로우챠트
도 10은 본 발명에 따른 센서 컨트롤러의 일부로서 퍼지 컨트롤러의 구조를 보인 블록도
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 지속시간 제어의 플로우차트

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 내지 "구비하다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 의료용 전동 침대의 구성 및 작동 관계에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 의료용 전동 침대를 전체적으로 보인 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 승하강 링크 모듈을 일 실시예에 따라 확대하여 보인 요부 사시도이며, 도 3은 도 2의 분해 사시도이다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 전동 침대의 구성을 살펴보기로 한다.

먼저, 본 발명 의료용 전동 침대는 통상 철재 구조물로 이루어진 침대 프레임(100)의 상단에 신체를 부위별로 받쳐 지지할 수 있는 받침 프레임(200)이 구비된다. 상기 받침프레임(200)은 등받침부(210), 허리받침부(220), 무릎받침부(230) 및 다리받침부(240) 등으로 분할되어 있으며, 상기 각 받침부(210, 220, 230, 240)의 승하강 또는 회동각도는 선택적으로 조절이 가능하다.

예컨대, 거동이 불편한 환자를 앉힐 때에는 상기 등받침부(210)를 상방으로 제껴 올릴 수가 있고, 한편 다리가 불편한 환자는 다리받침부(240)를 상방으로 상승시키는 등의 승하강 또는 회동각도의 조작이 가능하다.

또한 상기 침대 프레임(100)의 환자 머리쪽과 다리쪽에는 헤드보드(110)와 풋보드(120)가 각각 구비되어 있으며, 침대 프레임(100)의 측면에는 환자가 침대에서 굴러 떨어지는 것을 방지하기 위해 상하로 승하강 및 고정되는 안전바(130)가 더 구비된다.

한편, 본 발명의 특징적인 구성부로서 상기 받침 프레임(200)의 각 받침부(210, 220, 230, 240)의 상면에는 평행사변형 링크에 의해 승하강이 독립적으로 제어되는 다수의 승하강 링크 모듈(300)이 인접하여 평행하게 배치되고, 상기 각 승하강 링크 모듈(300)의 링크 결합축 중 하나에는 링크 구동을 위해 전기 모터(390)가 각각 결합된다.

이 때, 상기 각 승하강 링크 모듈(300)에는 전기 모터(390)가 각각 하나씩 별도로 구비됨에 따라 상기 전기 모터(390)에 의해 각 승하강 링크 모듈(300)의 승하강이 독립적으로 제어될 수 있음은 이해 가능하다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하면 일 실시예에 따라, 상기 각 승하강 링크 모듈(300)은 전체적으로 두 개의 평행사변형 링크 구조체들이 수평선 상에서 나란히 연결 배치된 형태를 갖는데, 상기 각 평행사변형 링크들의 사이에는 위상 옵셋 링크편(330)이 배치되며, 상기 2개의 평생사변형 링크 구조체가 위상 옵셋 링크편(330)을 서로 공유하는 구조를 갖는다. 이 때, 상기 위상 옵셋 링크편(330)은 링크 결합축(331)의 수직 위치가 좌우의 다른 링크들의 결합축(341, 351)보다 하방에 위치된다.

보다 구체적으로, 상기 각 승하강 링크 모듈(300)은, 좌우로 일정 길이를 갖고 하방으로 링크 결합을 위한 다수의 결합리브(311, 312, 313)가 일체로 돌출 형성된 상부 링크 프레임(310)과, 상기 상부 링크 프레임(310)과 전체적으로 서로 대향되는 구조를 가지며 상기 상부 링크 프레임(310)의 하방에 배치되어 링크 결합되는 하부 링크 프레임(320)으로 이루어진다.

상기 상부 링크 프레임(310) 및 하부 링크 프레임(320)의 길이방향과 수직한 방향에서의 종단면 형상은 각각 "

"와 "

"의 형상을 가지며, 이에 따라 상기 하부 링크 프레임(320)의 단면 내부에 전기 모터가 설치 가능하다.

이 때, 상기 하부 링크 프레임(320)에는 도 2 및 도 3에서 도시된 바와 같이 상부 링크 프레임(310)의 결합리브(311, 312, 313)와 동일한 형태로 결합리브(도면부호 없음)가 형성될 수 있으며, 또는 상기 하부 링크 프레임(320)에 결합리브 대신 결합공(도면부호 없음)만 형성하여도 평행사변형 링크로서 동일한 기능을 수행할 수 있는 바 하부 링크 프레임(320)의 구조에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 상기 상부 및 하부 링크 프레임(310, 320)의 각 결합리브(311, 312, 313) 사이에는 다수의 링크편들(330, 340, 350)이 결합되는데, 먼저 가운데 결합리브(311)에는 결합축(331)의 수직 위치가 좌우에 인접한 타 결합축(341, 351)보다 하방에 위치된 위상 옵셋 링크편(330)이 결합된다.

또한, 상기 위상 옵셋 링크편(330)의 좌측단에 형성된 결합리브(312)에는 제1 링크편(340)이 결합되며, 위상 옵셋 링크편(330)의 우측단 결합리브(313)에는 제2 링크편(350)이 힌지 결합된다. 이 때, 상기 제1 링크편(340) 및 제2 링크편(350)의 각 결합축(341, 351)은 상술한 위상 옵셋 링크편(330)의 결합축(331)보다 상방에 위치된다.

또한, 상기 각 링크편(330, 340, 350), 즉, 위상 옵셋 링크편(330a, 330b), 제1 링크편(340a, 340b) 및 제2 링크편(350a, 350b)은 모두 2개가 한쌍을 이루도록 일정 간격을 두고 좌우에 하나씩 분할 형성된다. 이에 따라, 상부 링크 프레임(310)이 하부 링크 프레임(320) 상에서 좌우로 링크 운동될 때 상기 링크의 좌우 운동방향과 수직한 측방으로 흔들림없이 안정적으로 지지되며 링크 운동될 수 있도록 한다.

이 때, 상술한 바와 같이 상부 링크 프레임(310)의 각 결합리브(311, 312, 313) 중 맨 가운데 위상 옵셋 링크편(330)이 결합되는 결합리브(311)는 타 결합리브(312, 313)보다 하방으로 길이가 더 길게 형성된다. 이에 따라 상기 가운데 위치한 결합축(331)의 수직 위치가 좌우의 다른 결합축(341, 351)보다 하방에 위치하게 된다.

또한, 상술한 바와 같이 상기 하부 링크 프레임(320)에는 전기 모터(390)가 내설되며, 상기 전기 모터(390)의 회전축은 위상 옵셋 링크편(330)에 결합됨으로써 구동축으로 기능하게 된다. 그러므로, 상기 위상 옵셋 링크편(330)이 전기 모터(390)의 전기력에 의해 좌우로 구동시킴에 따라 이와 링크 결합된 제1 링크편(340) 및 제2 링크편(350)도 함께 동시에 좌우로 운동하게 된다.

또한, 상기 각 상부 링크 프레임(310)의 상면에는 신체의 하중을 지지하기 위한 베드편(380)이 더 구비된다. 상기 베드편(380)은 예컨대, 스폰지의 외부에 방수피복이 마감 처리된 형태의 쿠션재일 수 있으며, 또는 쿠션감이 없는 딱딱한 나무 재질로도 구현될 수 있다.

한편, 도 4는 본 발명에 따른 승하강 링크 모듈을 다른 실시예에 따라 확대하여 보인 요부 사시도이고, 도 5는 도 4의 분해 사시도이다. 상기 도 4 및 도 5는 앞서 살펴본 도 2 및 도 3의 다른 실시예로서, 본 발명의 승하강 링크 모듈이 4중 평행사변형 링크 형태로 구현됨을 예시한다.

보다 구체적으로, 상기 4중 평행사변형 링크는 각 평행사변형 링크 사이에 3개의 링크를 공유하는 구조로서, 앞서 살펴본 2중 평행사변형 링크의 구조에 제3 링크편(360) 및 제4 링크편(370)이 추가된 구성을 갖는다. 이에 따라 상부 링크 프레임(310)에는 상기 제3 및 제4 링크편(360, 370)을 링크 결합하기 위한 결합리브(314, 315)와 결합축(361, 371)도 각각 더 형성된다.

그러므로, 일 실시예에서 살펴본 바와 같이 위성 옵셋 링크편(330)에 결합된 전기 모터(390)의 구동에 따라 위상 옵셋 링크편(330)이 구동되고, 이에 따라 상기 위상 옵셋 링크편(330)에 링크 결합된 제1 내지 제4 링크편(340, 350, 360, 370)도 함께 동시에 운동된다.

상기 4중 평행사변형 링크 구조는 2중 평행사변형 링크 구조보다 많은 링크편에 의해 지지되는 만큼 하중지지 및 동작신뢰성 측면에서 보다 안정성이 높은 구조이다.

도 6은 도 4의 승하강 링크 모듈의 링크 동작을 설명하기 위한 개략적인 상태도로서, (a)는 단일 평행사변형 링크일 경우의 정상운동 상태, (b)는 (a)에서 전환점 발생에 따른 비정상운동 상태, (c)는 본 발명에 따라 2중 평행사변형 링크를 적용함에 따라 전환점의 발생이 방지된 정상운동 상태이다.

이하, 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 승하강 링크 모듈의 링크 동작에 대해 살펴보면, 먼저 첨부된 도 6a은 본 발명이 적용되지 아니한 단일의 평행사변형 링크일 경우를 예시하고 있다. 이 경우 정상운동 상태에서는 각 링크들이 전체적으로 평행사변형 링크의 구조를 유지하면서 대부분 정상적인 운동을 하게 된다.

그러나, 도 6b에서 도시된 바와 같이 도 6a의 단일 평행사변형 링크 구조는 구동 링크의 일방향 운동에 있어서 피동 링크가 이를 제대로 추종하지 못하는 전환점(change point) 문제가 간혹 발생될 수 있다.

여기서, 상기 전환점이란 도 6b에서처럼 모든 링크가 일직선상에 놓이는 현상으로 이와 같이 전환점이 발생된 경우 출력링크의 운동은 예상이 불가능하게 되며, 이 경우 도 6a에서의 정상 운동과 달리 링크 운동 시 덜거덕거리는 충격과 진동이 발생되는 비정상 운동을 하게 된다.

이에 따라 본 발명에 따른 승하강 링크 모듈에서의 링크는 이러한 전환점의 발생을 원천 방지하기 위해서 적어도 둘 이상의 평행사변형 링크가 연결 설치된 형태의 다중 평행사변형 링크의 적용이 제안되는 바이다.

이러한 다중 평행사변형 링크의 일 실시예로서, 앞서 도 2 및 도 3에서 살펴본 바와 같이 2중 평행사변형 링크가 적용될 수 있으며, 이에 대한 예시는 도 6c에 개략적으로 도시되어 있다.

도 6c에 도시된 2중 평행사변형 링크는 맨 가운데에 위치한 공유 링크, 즉 위상 옵셋 링크편(330)의 결합축(331)이 좌우 다른 타 링크들의 결합축(341, 351)보다 수평선 상에서 하방에 위치한 위상 옵셋 링크 형태를 갖는다.

그러므로, 2중 평행사변형 링크의 원운동 시 상기 위상 옵셋 링크편(330)에 의해 전환점의 발생이 방지되며, 이에 따라 비정상운동의 발생이 방지되는 효과를 갖게 된다.

한편, 상기 위상 옵셋 링크편(330)이 수직하게 세워진 상태에서는 상부 링크 프레임(310)이 가장 고점에 위치된 상태가 되고, 이 때 승하강 링크 모듈(300)은 상승된 상태가 된다.

반면, 상기 위상 옵셋 링크편(330)이 좌우로 회동된 상태에서는 상부 링크 프레임(310)이 가장 저점에 위치된 상태가 되고, 이에 따라 상기 승하강 링크 모듈(300)은 하강된 상태가 된다.

그러므로, 상기와 같이 각 승하강 링크 모듈(300)의 상승 및 하강을 독립적으로 제어할 수 있게 되고, 이에 따라 상기 각 각 승하강 링크 모듈(300)의 상부 링크 프레임(310) 및 베드편(380)의 상면이 수평면 상에서 나란히 평면을 이루거나 올록볼록한 요철면을 이루도록 형상을 전환할 수가 있게 된다.

이에 따라 장시간 침대에 누워 있어야 하는 환자의 경우 주기적 또는 상황별로 몸상태롤 바뀌어줘야 하는데, 본 발명의 상기 각 승하강 링크 모듈의 상승 또는 하강 동작을 독립적으로 제어함으로써 환자의 특정 신체 부위가 체중에 의해 계속적으로 눌려 혈액 순환이 방해받거나 또는 피부에 공기가 접촉되지 못하여 초래될 수 있는 욕창 등의 심각한 부작용이 방지될 수 있게 된다.

한편, 앞서 도 6c에서는 2중 평행사변형 링크의 경우만을 예시하고 있으나, 다중 평행사변형 링크의 적용도 얼마든지 가능하다. 예컨대, 상술한 도 4 및 도 5에서 살펴본 본 발명의 다른 실시예에서처럼 4중 평행사변형 링크의 적용이 가능하며, 이 경우 2중 평행사변형 링크보다 보다 견고한 하중지지는 물론 전환점의 발생이 더욱 확실히 억제될 수 있으며, 이에 따라 동작의 신뢰성이 제고되는 효과를 얻을 수 있게 된다.

도 7은 본 발명 인공지능을 이용한 욕창예방 로봇 침대의 제어 시스템을 나타낸 블록도이다.

본 발명의 제어 시스템(1000)은 사용자 인터페이스부(1100), 동작 제어부(1200), 호스트 인터페이스부(1300), 상기 각 승하강 링크 모듈(300)에 구비된 서보 모터(1410)를 유무선 통신을 통해 연결하는 다중 서보통신부(1400), 및 각 승하강 링크 모듈(300)에 구비된 체압 센서(1510)와 센서 컨트롤러(1520)를 유무선 통신을 통해 연결하는 다중 센서통신부(1500)를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 제어 시스템(1000)에는 체압 센서(1510)의 체압 센서 신호를 처리하기 위한 센서 신호 처리부(1600)가 더 구비될 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 호스트 인터페이스부(1100), 다중 서보통신부(1400) 및 다중 센서통신부(1500)는 CAN(Controller Area Network) 통신에 의해 연결될 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명의 제어 시스템(1000)은 16개의 승하강 링크 모듈(300)을 구동하기 위한 16개의 서보 모터 드라이버(1420)와 이들과 CAN(Controller Area Network) 통신으로 연결되는 사용자 인터페이스부(1100), 동작 제어부(1200) 및 호스트 인터페이스부(1300)를 포함하여 구성될 수 있다.

이 때, 상기 사용자 인터페이스부(1100)는 침대의 동작 모드를 지시하는 티치 펜던트(Teach Pendant)일 수 있다.

또한, 상기 CAN(Controller Area Network) 통신이란, 차량 내에서 호스트 컴퓨터 없이 마이크로 컨트롤러나 장치들이 서로 통신하기 위해 설계된 표준 통신 규격이다.

일 실시예에 따라, 본 발명의 서보 모터(1410)는 16개의 3상 BLDC 모터가 사용될 수 있으며, 상기 서보 모터(1410)를 각각 승하강 구동하기 위한 서보 모터 드라이버(1420)는 홀센서 신호를 이용한 구형파 구동 방식의 드라이버가 이용될 수 있다.

일례로, 상기 서보 모터 드라이버(1420)는 각 승하강 링크 모듈(300)에 실장될 수 있으며, 상기 서보 모터 드라이버(1420)와 통신하는 호스트 인터페이스부(1300)는 2개의 CAN 통신 포트와 1개의 RS485 통신 포트를 포함할 수 있다.

또한, 상기 서보 모터 드라이버(1420)는 위치제어 또는 속도제어가 가능하며, 상기 위치제어 및 속도제어 모드를 CAN 메시지로 실시간으로 설정할 수 있다. 또한, 16개의 서보 모터 드라이버(1420)의 ID인식은 각 드라이버(1420)의 I/O를 이용하여 순차적으로 설정될 수 있다.

여기서, 상기 BLDC 서보 모터(1410)는 홀센서의 신호정보만으로도 충분한 위치제어가 가능하므로 3상의 홀센서로 위치 정보를 계산하는 알고리즘을 본 발명의 제어 시스템에 탑재하고, CAN 통신과 RS485 통신 지원을 행하도록 서보 모터 드라이버(1420)의 하드웨어를 구성할 수 있다.

상기 동작 제어부(1200)는 호스트 인터페이스부(1300)의 CAN 통신을 통해 위치 및 속도 제어 명령을 서보 모터 드라이버(1420)로 전달하고, 상기 서보 모터 드라이버(1420)에 의해 각 서보 모터(1410)에 대한 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 출력을 행하게 된다.

도 8은 서보 모터 드라이버의 제어 블록도이다.

이에 따라 동작 제어부(1200)로부터 CAN 통신을 통해 16개의 승하강 링크 모듈(300) 각각에 설치된 서보 모터 드라이버(1420)로 제어 명령이 전달되면, 상기 서보 모터 드라이버(1420)가 각각의 승하강 링크 모듈(300)을 제어하여 욕창 예방을 위해 독립적으로 승하강 구동되어진다.

도 9는 본 발명 인공지능을 이용한 욕창예방 로봇 침대의 제어 방법을 나타낸 플로우챠트이다.

본 발명 제어 방법은 1단계 퍼지체압 제어(체압 제어)와 2단계 지속시간 제어로 나누어 제어될 수 있다.

1단계 퍼지체압 제어는 동작 제어부에 프로그래밍된 퍼지 논리 시스템(Fuzzy Logic System; FLS)에 의해 수행될 수 있다.

상기 퍼지 논리 시스템(FLS)은 입력 데이터 세트를 스칼라 출력 데이터에 대한 비선형 매핑으로 정의할 수 있으며, 상기 퍼지 논리 시스템은 퍼지화, 규칙 확인, 추론, 디퍼지화의 4개의 주요 부분으로 구성될 수 있다.

상기 퍼지 논리 시스템의 퍼지 논리 과정은 다음과 같다.

첫째, 명확한 입력 데이터 세트를 수집하여 퍼지 언어 변수, 퍼지 언어 용어 및 멤버십 함수를 사용하여 퍼지 집합으로 변환한다. (이 단계는 퍼지화라고 알려져 있음)

이후, 일련의 규칙에 기초하여 추론이 이루어진다.

마지막으로, 퍼지 출력값은 디퍼지화 단계에서 멤버쉽 함수를 사용하여 결정되어진다.

이 때, 상기 각 승하강 링크 모듈(300)에 걸린 압력과 욕창 임계 압력과의 에러를 조절하기 위한 센서 컨트롤러(1520)로서 퍼지 컨트롤러를 사용하며, 상기 퍼지 컨트롤러의 구조는 도 10과 같다.

도 10은 본 발명에 따른 센서 컨트롤러의 일부로서 퍼지 컨트롤러의 구조를 보인 블록도이다.

도 10을 참조하면, 체압 센서(1510)는 각 승하강 링크 모듈(300)에 장착되어 있으며, 상기 승하강 링크 모듈(300)의 높이는 상기 퍼지 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다.

여기서, Pcu는 욕창 임계 압력, Pmi는 승하강 링크 모듈 i의 최대 압력, hi는 승하강 링크 모듈 i의 높이, ei는 Pcu와 Pmi의 차(Pcu-Pmi), ui(=hi)는 승하강 링크 모듈의 이동량이다.

또한, 오류(error) ei는 하기 수식 1에 의해 계산될 수 있다.

(수식 1)

또한, 상기 전체 오류는 다음의 수식 2에 의해 계산될 수 있다.

(수식 2)

상기 N은 승하강 링크 모듈 수이다.

또한, i번째 승하강 모듈의 최대 압력 는 하기 수식 3에 의해 구해질 수 있다.

(수식 3)

상기 M은 각 승하강 링크 모듈의 체압 센서 수이다.

여기서, 상기 M은 각 승하강 링크 모듈의 체압 센서 수이고, Pij는 i번째 승하강 링크 모듈의 j번째 센서에서 측정된 체압이다.

또한, 각 승하강 링크 모듈에서, 압력비 는 하기 수식 4에 의해 구해질 수 있다.

, i=1,2,....N, j=1,2...M (수식 4)

여기서, Pij는 i번째 승하강 링크 모듈의 j번째 센서에서 측정된 체압이다.

상술한 과정을 통해, 퍼지 컨트롤러에 의해 욕창 방지를 위한 승하강 링크 모듈의 퍼지체압 제어를 수행할 수 있다.

즉, 상기 퍼지 컨트롤러는 동작 제어부(1200)로서 기능하며, 상술한 과정을 통해 도출된 오류(error) ei 값이 0이 될 때까지 동작 제어부(1200)는 서보 모터 드라이버(1420)를 통해 승하강 링크 모듈의 이동량(ui)을 반복적으로 제어한다. 따라서, 상기 퍼지 컨트롤러는 오류(error) ei 값이 0에 수렴하도록 서보 모터 드라이버(1420)를 통해 각각의 승하강 링크 모듈(300)의 이동량(ui)을 반복적으로 제어함으로써 욕창 예방을 위해 상기 각각의 승하강 링크 모듈(300)을 독립적으로 승하강 구동한다.

한편, 상기 1단계의 퍼지체압 제어가 실패한 경우(예로서, 환자가 심한 과체중인 경우)에는 2단계로서 지속시간 제어를 수행하게 된다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 지속시간 제어의 플로우차트를 보여준다.

의료용 로봇 침대의 승하강 링크 모듈(건반, 300)이 기 설정된 시간동안 반복적으로 욕창 예방 동작을 수행하며, 홀수번째 승하강 링크 모듈과 짝수번째 승하강 링크 모듈이 교대로 승하강 동작을 하게 된다.

즉, 기 설정된 일정 시간이 지나면 홀수번째 또는 짝수번째 승하강 링크 모듈이 하강하여 체압을 0으로 하거나, 상기 승하강 링크 모듈이 다시 상승되었을 때에는 체압 지속시간을 통상의 체위변동시간(2시간)보다 훨씬 짧게 하여 원리적으로 욕창이 발생하지 않도록 하였다. 또한, 상승된 승하강 링크 모듈은 임계 지속시간이 지나면 자동으로 다시 하강하여 인체에 눌린 해당 접촉 부분의 체압이 0으로 된다.

원리적으로 체압 조절을 위한 체위 변경 시간은 두 시간 이내이면 되는 것으로 알려져 있으나 가급적 상기 체위 변경 시간은 짧으면 짧을수록 좋으며, T1(=7min) 동안은 짝수번째 또는 홀수번째 승하강 링크 모듈이 하강하고, T2(=3min) 동안은 승하강 링크 모듈이 다시 상승하여 평탄한 침상 승하강 링크 모듈을 유지하는 것으로 정의되며, 상기 T1+T2(=10min)마다 승하강 링크 모듈이 승하강을 반복하도록 욕창 제어 프로그램을 작성하였다.

종래 가해진 압력의 강도 및 지속시간과 욕창의 발생에 관한 기존의 연구결과, 1회의 압력이 100mmHg이상에서는 30분에서, 압력이 45∼80mmHg에서는 1시간 이상의 압력을 가했을 때 신체에 조직학적 변화가 발생하는 것으로 알려져 있다.

이 때, 반복적으로 가해진 압력이 45∼60mmHg에서는 경도, 80mmHg에서는 중증도 혹은 중도의 조직학적인 변화가 발생한다고 하여 임상에서 일반적으로 추천하는 체위 변동시간인 2시간은 욕창의 예방에 충분하지 못하며, 효과적인 욕창예방을 위하여 체위 변동주기를 단축하거나 특수 매트리스를 사용하여 신체-침대면의 압력을 45mmHg이하로 줄일 것을 권장하고 있는 상황이다.

특히, 주목할 것은 종래 자동압력 조절 원통형 공기 매트리스에서는 욕창 예방에 충분한 압력의 감소는 있으나, 엉덩이 부위는 매트리스를 함께 사용하여야 한다고 하였다. 욕창의 발생을 유발하는 압력값의 하한치에 관한 명확한 기준치는 현재 없으나, 대략 임계압력 60mmHg 이상의 압력이 발생할 경우 욕창이 발생할 위험성이 커지는 것으로 알려져 있다.

따라서, 상기 선행 연구결과에 근거하여 100mmHg에서 30분만에 조직학적인 변화가 생기므로, 본 발명에서는 이보다 훨씬 이른 10분마다 체압을 변동하여 조직학적인 변화가 생기지 않도록 설정하였다.

이에 따라 T1, T2는 사용자 인터페이스부(1100)에서 설정 가능하도록 하여 욕창 예방 주기를 변경할 수 있도록 하였으며, 환자의 편안함과 효과적인 욕창 예방을 위해 최적으로 설정될 필요가 있다.

즉, 2단계 지속시간 제어는 승하강 링크 모듈(건반, 300)의 승하강 동작 및 승하강 동작의 지속시간을 기 설정된 시간만큼 강제적으로 수행하는 제어 방법이다.

상기 지속시간 제어의 과정을 요약하면 다음과 같다.

일례로, 홀수번째 또는 짝수번째의 승하강 링크 모듈(건반, 300)이 교대로 설정된 시간만큼 강제적으로 승하강시키는데, 상기 홀수번째 또는 짝수번째 승하강 링크 모듈(300)이 하강한 경우, 상기 하강한 승하강 링크 모듈(300)에 가해지는 체압은 0이 된다.

이어서, 일정 시간이 경과한 후 상기 하강한 승하강 링크 모듈(300)을 다시 위로 상승시키는 과정을 반복하게 된다.

이 때, 홀수번째와 짝수번째 승하강 링크 모듈의 교대 승강 시간(T1+T2)은 10분 이내로 진행될 수 있다.

그러므로, 상기와 같이 지속시간 제어를 수행하는 경우 인체의 체압을 분산시켜 욕창 발생을 원천적으로 예방할 수 있다.

즉, 1단계로 승하강 링크 모듈별로 각각 체압 센서를 부착하여 상기 체압 센서에 의해 직접 체압을 센싱하고, 상기 체압 센싱 정보를 동작 제어부에 전송하여 적절히 승하강 링크 모듈의 승하강을 퍼지체압 제어(인공지능 제어)를 통해 제어함으로써 인체의 체압을 분산하고 이를 통해 욕창을 방지할 수 있다.

또한, 예외적인 경우로서 과체중 등으로 인해 1단계 퍼지체압 제어가 실패하는 경우, 2단계 지속시간 제어를 통해 복수의 승하강 링크 모듈의 동작을 체압 임계지속시간 이내로 기 설정된 시간만큼 복수의 승하강 링크 모듈을 홀짝으로 교대로 승하강 동작시킴으로써 완전히 욕창을 예방할 수 있게 된다.

아울러 본 발명은 단지 앞서 기술된 일 실시예에 의해서만 한정된 것은 아니며, 장치의 세부 구성이나 개수 및 배치 구조를 변경할 때에도 동일한 효과를 창출할 수 있는 것이므로 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 구성의 부가 및 삭제, 변형이 가능한 것임을 명시하는 바이다.

100 : 침대 프레임 110 : 헤드보드
120 : 풋보드 130 : 안전바
200 : 받침 프레임 300 : 승하강 링크 모듈
310 : 상부 링크 프레임 320 : 하부 링크 프레임
330 : 위상 옵셋 링크편 340 : 제1 링크편
350 : 제2 링크편 360 : 제3 링크편
370 : 제4 링크편 380 : 베드편
390 : 전기 모터 1000: 제어 시스템
1100: 사용자 인터페이스부 1200: 동작 제어부
1300: 호스트 인터페이스부 1400: 다중 서보통신부
1410: 서보 모터 1420: 서보 모터 드라이버
1500: 다중 센서통신부 1510: 체압 센서
1520: 센서 컨트롤러 1600: 센서 신호처리부

Claims (10)

1. 침대 받침부의 상면에 평행사변형 링크에 의해 승하강이 독립적으로 제어되는 다수의 승하강 링크 모듈이 인접하여 평행하게 배치되고, 상기 각 승하강 링크 모듈이 서보 모터에 의해 동작이 제어되는 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법에 있어서,
   상기 각 승하강 링크 모듈에 구비된 체압 센서를 통해 각 승하강 링크 모듈에 가해지는 인체의 부위별 체압 센싱 정보를 수집 및 동작 제어부로 전송하고,
   상기 동작 제어부가 수집된 체압 센싱 정보를 기 설정된 퍼지 논리 수식에 의해 퍼지 출력값을 산출함으로써 각 승하강 링크 모듈의 동작 및 위치를 독립적으로 제어하는,
   인공지능을 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 퍼지 논리 수식은,
   오류(error) ei는 하기 수식 1에 의해 산출되고,
   (수식 1)
   (여기서, Pcu는 욕창 임계 압력, Pmi는 승하강 링크 모듈 i의 최대 압력, hi는 승하강 링크 모듈 i의 높이, ei는 Pcu와 Pmi의 차(Pcu-Pmi)이다.)
   전체 오류는 하기 수식 2에 의해 산출되며,
   (수식 2)
   (여기서, N은 승하강 링크 모듈 번호이다.)
   i번째 승하강 모듈의 최대 압력 는 하기 수식 3에 의해 산출되며,
   (수식 3)
   (여기서, 상기 M은 각 승하강 링크 모듈의 체압 센서 수이고, Pij는 i번째 승하강 링크 모듈의 j번째 센서에서 측정된 체압이다.)
   각 승하강 링크 모듈에서, 압력비 는 하기 수식 4에 의해 산출되며,
   , i=1,2,....N, j=1,2...M (수식 4)
   (여기서, Pij는 i번째 승하강 링크 모듈의 j번째 센서에서 측정된 체압이다.)
   상기 수식에 의해 산출된 퍼지 출력값을 통해 동작 제어부가 각 승하강 링크 모듈의 동작 및 위치를 독립적으로 제어하는,
   인공지능을 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 퍼지 논리 수식에 의해 산출된 퍼지 출력값을 이용하여 각 승하강 링크 모듈의 동작 및 위치를 독립적으로 제어하는 데 실패한 경우,
   다음 단계로,
   상기 각 승하강 링크 모듈의 승하강 동작을 기 설정된 시간동안 반복적으로 제어하는,
   인공지능을 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 승하강 링크 모듈을 홀수번째와 짝수번째로 구분한 뒤,
   상기 홀수번째와 짝수번째 승하강 링크 모듈의 승하강 동작을 기 설정된 하강 시간(T1) 및 승강 시간(T2)동안 반복적으로 교대로 제어하는,
   인공지능을 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 하강 시간(T1) 및 승강 시간(T2)의 합은 30분 이내인,
   인공지능을 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법.
6. 침대 받침부의 상면에 평행사변형 링크에 의해 승하강이 독립적으로 제어되는 다수의 승하강 링크 모듈이 인접하여 평행하게 배치되고, 상기 각 승하강 링크 모듈이 서보 모터에 의해 동작이 제어되는 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 시스템에 있어서,
   사용자 인터페이스부; 동작 제어부; 호스트 인터페이스부; 상기 각 승하강 링크 모듈에 구비된 서보 모터를 유무선 통신을 통해 연결하는 다중 서보통신부; 및 각 승하강 링크 모듈에 구비된 체압 센서를 유무선 통신을 통해 연결하는 다중 센서통신부;를 포함하는,
   인공지능을 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 체압 센서에는 체압 센싱 정보를 처리하기 위한 체압 센싱 정보 처리부가 더 구비되는,
   인공지능을 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 시스템.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 호스트 인터페이스부는,
   다중 서보통신부 및 다중 센서통신부와 CAN(Controller Area Network) 통신에 의해 연결되는,
   인공지능을 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 시스템.
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 동작 제어부는,
   각 승하강 링크 모듈에 구비된 체압 센서를 통해 각 승하강 링크 모듈에 가해지는 인체의 부위별 체압 센싱 정보를 수집하고,
   상기 수집된 체압 센싱 정보를 기 설정된 퍼지 논리 수식에 의해 퍼지 출력값을 산출함으로써 각 승하강 링크 모듈의 동작 및 위치를 독립적으로 제어하는,
   인공지능을 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 동작 제어부는,
    상기 퍼지 논리 수식에 의해 산출된 퍼지 출력값을 이용하여 각 승하강 링크 모듈의 동작 및 위치를 독립적으로 제어하는 데 실패한 경우,
    다음 단계로,
    상기 각 승하강 링크 모듈의 승하강 동작을 기 설정된 시간동안 반복적으로 제어하는,
    인공지능을 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 시스템.

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