KR20220129754A - Control method of medical robot bed for bedsore prevention using body pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 체압 센서를 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법에 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 체압 센서를 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a control method of a medical robot bed for preventing bedsores using a body pressure sensor, and more particularly, to a multi-parallelogram link structure in which elevating and lowering are independently controlled in the form of an elevating link module along the bed surface of the bed. A medical robot for preventing bedsores using a body pressure sensor, which has an excellent prevention effect on bedsores and skin diseases by arranging a plurality of descending link modules adjacent to each other in parallel and appropriately controlling the ascending and descending motions of the ascending and descending link modules according to the patient's nursing situation. It relates to the control method of the bed.
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.In general, medical beds used in hospitals have a structure in which a backrest or a footrest can be rotated at a certain angle for patients with reduced mobility and can be folded. Alternatively, it is divided into an electric type that adjusts the angle of the backrest by electric force using a hydraulic cylinder.
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. The manual medical bed has the advantage of being inexpensive in terms of not requiring a separate electric device, but there is a problem in that it is difficult for the patient who is uncomfortable in movement to use it himself because it takes a lot of force to adjust the angle of the backrest.
이러한 이유로 근래에는 구입비용이 다소 비싸더라도 환자 스스로 등받이 각도 등을 조절할 수 있는 전동 침대가 선호되고 있는 상황이다.For this reason, in recent years, even if the purchase cost is somewhat expensive, the electric bed that can adjust the angle of the backrest by the patient himself is preferred.
이러한 종래 의료용 전동 침대의 한가지 예가 국내 등록특허 10-0621349호(이하, ‘선행문헌’이라고 칭함)에 개시되어 있다.One example of such a conventional medical electric bed is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-0621349 (hereinafter referred to as 'prior literature').
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.Referring to FIGS. 1 and 2 of the prior literature, the conventional electric medical bed is largely located in a
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.The power module 40 is composed of a first actuator 41 and a second actuator 42, and each of the first actuators 41 applies power so that the backrest 21 is tilted, and the second actuator 42 gives power so that the leg support 22 is tilted.
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.In addition, the backrest part 21 is located on the upper surface of the
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.However, in the conventional electric bed for medical use configured as described above, the mat part is divided into a backrest part, a waist part, a joint part, and a leg support part so that it can be driven up and down, causing a critically ill patient who is difficult to move the body or lifting the leg. Postural modifications necessary for back treatment and nursing activities are possible to some extent, but in the case of a patient who cannot move while lying in bed, a specific body part of the patient is pressed on the bed for a long time, resulting in poor blood circulation, and There was a serious problem accompanied by complications such as bedsores and skin diseases as they could not be contacted.
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 체압 센서를 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention has been devised to solve the above problems, and the elevating link module of a multi-parallelogram link structure in which elevating and elevating link modules are independently controlled along the bed surface of the bed is adjacent to each other in parallel. To provide a control method of a medical robot bed for preventing bedsores using a body pressure sensor, which is excellent in preventing pressure ulcers and skin diseases by appropriately controlling the elevating and lowering operation of the elevating link modules according to the patient's nursing situation. aim to
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 체압 센서를 이용한 욕창예방 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 상시적으로 수집 및 동작 제어부로 전송하고, 상기 동작 제어부가 다수의 각 승하강 링크 모듈의 체압 센서로부터 수집된 체압 센싱 정보를 판독하여 특정 승하강 링크 모듈의 체압 센서로부터 전송된 체압 센싱 정보가 욕창이 발생될 수 있는 욕창 임계 압력인 32mmHg에 근접하는 경우, 상기 욕창 임계 압력에 근접하는 특정 승하강 링크 모듈이 욕창 임계 압력에 도달되기 직전에 특정 승하강 링크 모듈을 포함한 모든 승하강 링크 모듈이 평행한 초기의 제1 수직 위치(h1)에서 상기 욕창 임계 압력에 근접하는 특정 승하강 링크 모듈만을 상기 제1 수직 위치(h1)보다 상대적으로 낮은 제2 수직 위치(h2)로 하강시킨 후 기 설정된 일정 체류 시간동안 동작을 정지시키고, 상기 일정 체류 시간이 경과한 후에는 상기 제2 수직 위치(h1)에 정지되어 있던 특정 승하강 링크 모듈을 다시 원래의 제1 수직 위치(h1)로 상승시킴으로써 각 승하강 링크 모듈의 승하강 동작 및 수직 위치를 체압 센싱 정보에 따라 독립적으로 제어한다.According to an embodiment, a method for controlling a bed for pressure ulcer prevention medical robot using a body pressure sensor of the present invention for achieving the above object is a plurality of elevating and lowering in which the elevating and lowering are independently controlled by a parallelogram link on the upper surface of the bed support part. In the control method of a bedsore prevention medical robot bed in which link modules are adjacently arranged in parallel, and the operation of each elevating link module is controlled by a servo motor, each elevating link module through a body pressure sensor provided in the The body pressure sensing information for each part of the human body applied to the elevating link module is always collected and transmitted to the operation control unit, and the operation control unit reads the body pressure sensing information collected from the body pressure sensors of each elevating link module to specify When the body pressure sensing information transmitted from the body pressure sensor of the elevating link module approaches 32 mmHg, which is the pressure sore threshold pressure at which pressure sores can occur, just before the specific elevation link module close to the pressure sore threshold pressure reaches the pressure sore threshold pressure In the initial first vertical position (h1) in which all elevating link modules including a specific elevating link module are parallel, only a specific elevating link module close to the pressure sore threshold pressure is relatively higher than the first vertical position (h1). After descending to a lower second vertical position (h2), the operation is stopped for a preset dwell time, and after the predetermined dwell time has elapsed, the specific elevating link module that has been stopped at the second vertical position (h1) By raising it back to the original first vertical position (h1), the elevating operation and vertical position of each elevating link module are independently controlled according to the body pressure sensing information.
또한 일 실시예에 따라, 상기 동작 제어부는, In addition, according to an embodiment, the operation control unit,
각 승하강 링크 모듈에서의 최대 체압은 하기 수식 1에 의해 산출되고,The maximum body pressure in each elevating link module is calculated by
(수식 1) (Formula 1)
(여기서, Pmi는 승하강 링크 모듈 i의 최대 압력, Pij는 i번째 승하강 링크 모듈의 j번째 센서에서 측정된 체압, M은 각 승하강 링크 모듈의 체압 센서 수이다.)(Where Pmi is the maximum pressure of the elevating link module i, Pij is the body pressure measured by the j-th sensor of the i-th elevating link module, and M is the number of body pressure sensors of each elevating link module.)
에러(error) ei는 하기 수식 2에 의해 산출되고,The error ei is calculated by
(수식 2) (Equation 2)
(여기서, 는 목표 압력값, 는 건반 i의 최대 압력, 는 건반 입력이다.)(here, is the target pressure value, is the maximum pressure of key i, is keyboard input.)
전체 에러(eRMS)는 하기 수식 3에 의해 산출되며,The total error (e RMS ) is calculated by
(수식 3) (Equation 3)
(여기서, N은 승하강 링크 모듈 수이다.) (Where N is the number of elevating link modules.)
상기 수식에 의해 산출된 전체 에러값이 0으로 수렴하도록 동작 제어부가 각 승하강 링크 모듈의 승하강 동작 및 수직 위치를 독립적으로 제어한다.The operation control unit independently controls the elevating operation and vertical position of each elevating link module so that the total error value calculated by the above equation converges to 0.
또한 일 실시예에 따라, 상기 동작 제어부는, PI(Proportional-Integral) 제어 방식 또는 IP(Integral-Proportional) 제어 방식의 동작 제어부가 이용된다.In addition, according to an embodiment, the operation controller of the PI (Proportional-Integral) control method or the IP (Integral-Proportional) control method is used as the operation controller.
또한 일 실시예에 따라, 상기 동작 제어부는 각 승하강 링크 모듈에 구비된 서보 모터와 CAN(Controller Area Network) 통신에 의해 연결된다.In addition, according to an embodiment, the operation control unit is connected to the servo motor provided in each elevating link module by CAN (Controller Area Network) communication.
또한 일 실시예에 따라, 상기 승하강 링크 모듈은, 적어도 두 개 이상의 평행사변형 링크들이 수평선 상에서 나란히 연결 배치되고, 상기 각 평행사변형 링크들의 사이에 배치되는 링크는 단일의 링크를 서로 공유하는 다중 평행사변형 링크 구조를 갖는다.In addition, according to an embodiment, the elevating link module, at least two or more parallelogram links are arranged to be connected side by side on a horizontal line, and the links arranged between each of the parallelogram links are multiple parallelograms sharing a single link with each other It has a quadrilateral link structure.
또한 일 실시예에 따라, 상기 다중 평행사변형 링크의 사이에 공유되는 링크 중 맨 가운데에 위치한 링크는 결합축의 수직 위치가 좌우의 다른 링크들보다 하방에 위치한 위상 옵셋 링크이다.Also, according to an embodiment, a link located in the middle among the links shared between the multiple parallelogram links is a phase offset link in which the vertical position of the coupling axis is lower than other links on the left and right.
또한 일 실시예에 따라, 상기 위상 옵셋 링크는 서보 모터가 결합된 구동 링크이다.Also, according to an embodiment, the phase offset link is a drive link coupled with a servo motor.
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.The present invention, as described above, arranges a plurality of elevating link modules that are independently controlled in the form of elevating link modules along the bed surface in parallel and adjacent to each other, and the elevating link module according to the patient's treatment or nursing situation. Excellent medical care that can prevent serious side effects such as pressure sores and skin diseases that occur when the patient's body is pressed on the bed for a long time and blood circulation is not smooth or does not come in contact with air by properly controlling the elevating operation of the descending link modules It works.
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 발명에 따른 승하강 링크 모듈의 동작 메카니즘을 보인 개략도
도 8은 본 발명 체압 센서를 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법의 제어 시스템을 나타낸 블록도
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 PI(Proportional-Integral) 제어 방식의 동작 제어부의 블록도
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 IP(Integral-Proportional) 제어 방식의 동작 제어부의 블록도
도 11은 PI 제어 방식의 동작 제어부 실험 결과를 보여주는 그래프
도 12는 IP 제어 방식의 동작 제어부 실험 결과를 보여주는 그래프1 is a perspective view showing the entire medical power bed of the present invention;
2 is an enlarged perspective view of the elevating link module according to an embodiment of the present invention;
3 is an exploded perspective view of FIG. 2
Figure 4 is an enlarged perspective view of the elevating link module according to another embodiment according to the present invention
5 is an exploded perspective view of FIG. 4 ;
6 is a schematic state diagram for explaining the link operation of the elevating link module of FIG. 4, (a) is a normal motion state in the case of a single parallelogram link, (b) is abnormal due to the occurrence of a switching point in (a) The motion state, (c) is a normal motion state in which the occurrence of a turning point is prevented by applying the double parallelogram link according to the present invention
7 is a schematic diagram showing the operating mechanism of the elevating link module according to the present invention
8 is a block diagram showing a control system of a control method of a medical robot bed for preventing bedsores using a body pressure sensor of the present invention.
9 is a block diagram of an operation controller of a PI (Proportional-Integral) control method according to an embodiment of the present invention;
10 is a block diagram of an operation controller of an IP (Integral-Proportional) control method according to an embodiment of the present invention;
11 is a graph showing the experimental results of the operation control unit of the PI control method;
12 is a graph showing the experimental results of the operation control unit of the IP control method;
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.The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present specification, terms such as "comprise" or "have" to "include" are intended to designate that a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described in the present specification exists, but one It is to be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of or more other features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
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.Unless defined otherwise herein, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.
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.Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present specification. shouldn't
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 의료용 전동 침대의 구성 및 작동 관계에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation relationship of the medical power bed of the present invention will be described in detail as follows.
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.Figure 1 is a perspective view of the present invention as a whole medical power bed, Figure 2 is an enlarged perspective view of the elevating link module according to an embodiment according to the present invention, Figure 3 is an exploded perspective view of Figure 2 .
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 전동 침대의 구성을 살펴보기로 한다.Hereinafter, a configuration of a medical power bed according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3 .
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. First, the electric bed for medical use of the present invention is provided with a
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.For example, when a patient with poor movement is seated, the
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.In addition, a
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 서보 모터(390)가 각각 결합된다. On the other hand, as a characteristic component of the present invention, a plurality of elevating link modules in which elevating and lowering are independently controlled by a parallelogram link on the upper surface of each supporting
이 때, 상기 각 승하강 링크 모듈(300)에는 서보 모터(390)가 각각 하나씩 별도로 구비됨에 따라 상기 서보 모터(390)에 의해 각 승하강 링크 모듈(300)의 승하강이 독립적으로 제어될 수 있음은 이해 가능하다.At this time, as each of the elevating
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.Hereinafter, referring to FIGS. 2 and 3 , according to an embodiment, each of the elevating
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.More specifically, each of the elevating
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 서보 모터가 설치 가능하다.The longitudinal cross-sectional shape in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the
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.At this time, coupling ribs (no reference numerals) are formed in the
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.In addition, a plurality of
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.In addition, the
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.In addition, each of the
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.At this time, as described above, the
또한, 상술한 바와 같이 상기 하부 링크 프레임(320)에는 서보 모터(390)가 내설되며, 상기 서보 모터(390)의 회전축은 위상 옵셋 링크편(330)에 결합됨으로써 구동축으로 기능하게 된다. 그러므로, 상기 위상 옵셋 링크편(330)이 서보 모터(390)의 전기력에 의해 좌우로 구동시킴에 따라 이와 링크 결합된 제1 링크편(340) 및 제2 링크편(350)도 함께 동시에 좌우로 운동하게 된다.In addition, as described above, the
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.In addition, a
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.Meanwhile, FIG. 4 is an enlarged perspective view of the elevating link module according to another embodiment of the present invention, and FIG. 5 is an exploded perspective view of FIG. 4 and 5 are other embodiments of FIGS. 2 and 3 discussed above, illustrating that the elevating link module of the present invention is implemented in the form of a quadruple parallelogram link.
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.More specifically, the quadruple parallelogram link has a structure in which three links are shared between each parallelogram link, and the
그러므로, 일 실시예에서 살펴본 바와 같이 위성 옵셋 링크편(330)에 결합된 서보 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. Therefore, as shown in the embodiment, the phase offset
상기 4중 평행사변형 링크 구조는 2중 평행사변형 링크 구조보다 많은 링크편에 의해 지지되는 만큼 하중지지 및 동작신뢰성 측면에서 보다 안정성이 높은 구조이다.The quadruple parallelogram link structure has a higher stability in terms of load bearing and operation reliability as it is supported by more link pieces than the double parallelogram link structure.
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.6 is a schematic state diagram for explaining the link operation of the elevating link module of FIG. 4, (a) is a normal motion state in the case of a single parallelogram link, (b) is abnormal due to the occurrence of a switching point in (a) The motion state, (c) is a normal motion state in which the occurrence of a turning point is prevented by applying the double parallelogram link according to the present invention.
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.Hereinafter, referring to FIG. 6, referring to the link operation of the elevating link module according to the present invention, the attached FIG. 6a illustrates a case of a single parallelogram link to which the present invention is not applied. In this case, in the normal motion state, most of the links perform normal motion while maintaining the structure of the parallelogram link as a whole.
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. However, as shown in FIG. 6B , in the single parallelogram link structure of FIG. 6A , a change point problem in which the driven link does not properly follow the driving link in one direction may occasionally occur.
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.Here, the turning point is a phenomenon in which all links are placed on a straight line as in FIG. 6B. When the turning point occurs, the movement of the output link becomes unpredictable. In this case, unlike the normal motion in FIG. Abnormal motion that generates shock and vibration occurs.
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.Accordingly, as for the link in the elevating link module according to the present invention, the application of multiple parallelogram links of a type in which at least two or more parallelogram links are connected and installed is proposed in order to prevent the occurrence of such a turning point.
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.As an embodiment of such a multi-parallelogram link, a double parallelogram link may be applied as previously described in FIGS. 2 and 3 , an example of which is schematically illustrated in FIG. 6C .
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. The double parallelogram link shown in FIG. 6c has a shared link located in the middle, that is, the
그러므로, 2중 평행사변형 링크의 원운동 시 상기 위상 옵셋 링크편(330)에 의해 전환점의 발생이 방지되며, 이에 따라 비정상운동의 발생이 방지되는 효과를 갖게 된다.Therefore, during the circular motion of the double parallelogram link, the occurrence of the turning point is prevented by the phase offset
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.On the other hand, in a state in which the phase offset
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.On the other hand, in the state in which the phase offset
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. Therefore, it is possible to independently control the rise and fall of each elevating
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.Accordingly, in the case of a patient who has to lie in bed for a long time, the body condition must be changed periodically or by situation. It is possible to prevent serious side effects such as pressure sores, which may be caused by continuous compression, which impedes blood circulation or may not be able to contact the skin with air.
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.Meanwhile, although only the case of the double parallelogram link is exemplified in FIG. 6C, the application of the multiple parallelogram link is also possible. For example, it is possible to apply a quadruple parallelogram link as in the other embodiments of the present invention as described in FIGS. 4 and 5, and in this case, more robust load support than the double parallelogram link, as well as more reliable suppression of the occurrence of a turning point This can be achieved, and accordingly, it is possible to obtain the effect of improving the reliability of the operation.
도 7은 본 발명에 따른 승하강 링크 모듈의 동작 메카니즘을 보인 개략도이다.7 is a schematic diagram showing an operating mechanism of the elevating link module according to the present invention.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 승하강 링크 모듈(300)의 동작 메카니즘을 설명하면, 서보 모터(390)는 회전 각도로 입력을 받으며, 서보 모터(390)와 연결된 링크편(330, 340, 350)의 길이(r)에 따라 상부 링크 프레임(310)의 높이값(h)이 정해진다.Hereinafter, the operation mechanism of the elevating
또한, 동작시키고 싶은 높이를 아래의 수식 1, 2에 대입하면 필요한 서보 모터(390)의 회전 각도를 구할 수 있다.In addition, by substituting the desired height into
(수식 1) (Formula 1)
(수식 2) (Equation 2)
여기서 는 승하강 링크 모듈(300)의 회전각도이고, 은 승하강 링크 모듈(300)의 회전반경, 그리고 는 승하강 링크 모듈(300)의 높이(수직 위치)로서, h1은 승하강 링크 모듈(300)이 평행한 초기의 수직 위치, h2는 승하강 링크 모듈(300)이 △h만큼 하강한 상태의 수직 위치이다.here is the rotation angle of the elevating
본 발명 체압 센서를 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법은, 침대 받침부의 상면에 평행사변형 링크에 의해 승하강이 독립적으로 제어되는 다수의 승하강 링크 모듈(300)이 인접하여 평행하게 배치되고, 상기 각 승하강 링크 모듈이 서보 모터(390)에 의해 동작이 제어된다.In the control method of the medical robot bed for bedsore prevention using the body pressure sensor of the present invention, a plurality of elevating
이를 위해, 먼저 상기 각 승하강 링크 모듈(300)에 구비된 체압 센서(1510)를 통해 각 승하강 링크 모듈(300)에 가해지는 인체의 부위별 체압 센싱 정보를 상시적으로 수집 및 동작 제어부로 전송한다. To this end, first, through the
이어서, 상기 동작 제어부(1200)가 다수의 각 승하강 링크 모듈(300)의 체압 센서(1510)로부터 수집된 체압 센싱 정보를 판독하여 특정 승하강 링크 모듈(300)의 체압 센서(1510)로부터 전송된 체압 센싱 정보가 욕창이 발생될 수 있는 욕창 임계 압력인 32mmHg에 근접하는 경우, 상기 욕창 임계 압력에 근접하는 특정 승하강 링크 모듈(300)이 욕창 임계 압력에 도달되기 직전에 특정 승하강 링크 모듈(300)을 포함한 모든 승하강 링크 모듈(300)이 평행한 초기의 제1 수직 위치(h1)에서 상기 욕창 임계 압력에 근접하는 특정 승하강 링크 모듈(300)만을 상기 제1 수직 위치(h1)보다 상대적으로 낮은 제2 수직 위치(h2)로 하강시킨 후 설정된 일정 체류 시간동안 동작을 정지시킨다.Then, the
다음으로, 상기 일정 체류 시간이 경과한 후에는 상기 제2 수직 위치(h1)에 정지되어 있던 특정 승하강 링크 모듈(300)을 다시 원래의 제1 수직 위치(h1)로 상승시킴으로써 각 승하강 링크 모듈(300)의 승하강 동작 및 수직 위치를 체압 센싱 정보에 따라 독립적으로 제어하게 된다.Next, each elevating link by elevating the specific elevating
예컨대, 상기 일정 체류 시간은 승하강 링크 모듈(300)이 내려가는 시간과 내려간 후 체압이 안정되는 시간을 고려하여 주기는 5초(sec) 이상 설정할 수 있다.For example, the period of the predetermined residence time may be set to 5 seconds (sec) or more in consideration of the time for the elevating
도 8은 본 발명 체압 센서를 이용한 욕창예방 로봇 침대의 제어 시스템을 나타낸 블록도이다.8 is a block diagram illustrating a control system for a bed ulcer prevention robot bed using a body pressure sensor of the present invention.
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.The
또한, 상기 제어 시스템(1000)에는 체압 센서(1510)의 체압 센서 신호를 처리하기 위한 센서 신호 처리부(1600)가 더 구비될 수 있다.In addition, the
일 실시예에 따라, 상기 호스트 인터페이스부(1100), 다중 서보통신부(1400) 및 다중 센서통신부(1500)는 CAN(Controller Area Network) 통신에 의해 연결될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the
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. More specifically, the
이 때, 상기 사용자 인터페이스부(1100)는 침대의 동작 모드를 지시하는 티치 펜던트(Teach Pendant)일 수 있다. At this time, the
또한, 상기 CAN(Controller Area Network) 통신이란, 차량 내에서 호스트 컴퓨터 없이 마이크로 컨트롤러나 장치들이 서로 통신하기 위해 설계된 표준 통신 규격이다.In addition, the CAN (Controller Area Network) communication is a standard communication standard designed for microcontrollers or devices to communicate with each other without a host computer in a vehicle.
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.According to an embodiment, the
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.For example, the
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.In addition, the
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. Here, since the
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 승하강 동작 및 수직 위치를 수행하게 된다. The
일 실시예에 따라, 상기 체압 센서(1510)는 FSR방식의 박막 체압 센서를 적용할 수 있다. 상기 체압 센서(1510)는 각각의 승하강 링크 모듈에 실장되며 M개의 체압 센서(1510)들이 센서 컨트롤러(1520)에 연결된다. 그러면 N개의 센서 컨트롤러(1520)는 CAN통신을 통해 NM개의 체압 센싱 정보를 동작 제어부(1200)로 전송하며, NM이 클수록(NM의 갯수가 많을수록) 체압 센싱 지도의 해상도가 커진다. According to an embodiment, the
그러나, N과 M은 물리적인 이유와 실용적인 이유로 적정 갯수로 그 수가 제한됨이 바람직하며, 상기 체압 센서는 사용 전에 캘리브레이션되어 080mmHg의 체압 센싱 정보를 동작 제어부로 전송하도록 구성될 수 있다.However, it is preferable that N and M are limited to an appropriate number for physical and practical reasons, and the body pressure sensor is calibrated before use to 0 It may be configured to transmit body pressure sensing information of 80 mmHg to the operation control unit.
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.Accordingly, when a control command is transmitted from the
본 발명에서는 이러한 서보 모터의 승하강 및 수직 위치를 독립적으로 제어하기 위한 동작 제어부로서, PI 제어 방식과 IP 제어 방식의 동작 제어부가 이용될 수 있다.In the present invention, as the operation control unit for independently controlling the elevation and vertical position of the servo motor, the operation control unit of the PI control method and the IP control method may be used.
PI 제어 방식은 지령값과 측정값의 오차 및 오차의 적분값에 비례하는 출력을 발생하는 반면, IP 제어 방식은 지령값과 측정값의 오차의 적분값과 측정값에 비례하는 출력을 발생한다. The PI control method generates an output proportional to the error of the command value and the measured value and the integral value of the error, whereas the IP control method generates an output proportional to the integral value of the error between the command value and the measured value and the measured value.
IP 제어기의 경우 전달함수에 영점이 존재하지 않으므로 오버슈트 및 안정화 시간 등을 원하는 특성이 되도록 제어이득을 설정하기가 용이하며, 동일한 크기의 오버슈트를 기준으로 할 때 PI 제어 방식보다 이득을 더 크게 할 수 있다. 즉, 대역폭을 크게 할 수 있어 외란(disturbance)에 대해 더 좋은 응답 특성을 갖게 된다. In the case of IP controller, since there is no zero point in the transfer function, it is easy to set the control gain so that overshoot and stabilization time are desired characteristics. can do. That is, since the bandwidth can be increased, better response characteristics to disturbance are obtained.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 PI(Proportional-Integral) 제어 방식의 동작 제어부의 블록도이다. 9 is a block diagram of an operation controller of a PI (Proportional-Integral) control method according to an embodiment of the present invention.
승하강 링크 모듈의 수직 위치 이동량(△h, 도 7 참조)은 현재 체압과 임계 체압(32mmHg)과의 차이에 대해 조정되는 것으로 모델링할 수 있다.The vertical position movement amount (Δh, see FIG. 7) of the elevating link module can be modeled as being adjusted for the difference between the current body pressure and the critical body pressure (32 mmHg).
PI 제어 방식의 동작 제어부를 1차 시스템으로 가정하고, 폐루프(Closed loop) 전달 함수로 표현하면 하기 수식 3과 같다.Assuming that the operation control unit of the PI control method is a primary system, it is expressed as a closed loop transfer function as shown in
(수식 3) (Equation 3)
(수식 4) (Equation 4)
여기서, Pmi는 i번째 승하강 링크 모듈의 최대 압력, kp는 비례항, ki는 적분항, Here, Pmi is the maximum pressure of the i-th elevating link module, kp is a proportional term, ki is an integral term,
상기 수식 4에서 PI 제어 방식의 동작 제어부인 경우, 에 영점이 존재하고 있으며, 이 영점의 영향으로 인해 오버슈트(overshoot)의 크기가 증가한다. 그러므로 PI 제어 시스템에서 이러한 영점에 의한 오버슈트 응답의 문제점은 IP 제어 방식의 동작 제어부를 사용하면 해결할 수 있다.In the case of the operation control unit of the PI control method in
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 IP(Integral-Proportional) 제어 방식의 동작 제어부의 블록도이다. 10 is a block diagram of an operation controller of an IP (Integral-Proportional) control method according to another embodiment of the present invention.
IP 제어 방식의 동작 제어부는 체압의 오차(e)를 비례 제어하는 PI 제어 방식의 동작 제어부와 달리 출력되는 체압 센싱 정보에 대해 비례 제어를 수행한다.The operation controller of the IP control method performs proportional control on the output body pressure sensing information, unlike the operation controller of the PI control method that proportionally controls the body pressure error (e).
도 10의 블록도를 전달함수로 나타내면 하기 수식 5와 같다.When the block diagram of FIG. 10 is expressed as a transfer function, it is shown in
(수식 5) (Equation 5)
수식 5의 IP 제어 방식의 동작 제어부에서는 PI 제어 방식의 영점이 제거되어 오버슈트가 작아지도록 제어가 가능하게 된다.In the operation control unit of the IP control method of
PI 제어 방식 및 IP 제어 방식의 제어 성능 실험예Example of control performance of PI control method and IP control method
본 실험예에서는 각 승하강 링크 모듈(300)에 걸린 체압과 욕창 임계 압력과의 에러(e)를 조절하기 위해 PI 제어 방식 및 IP 제어 방식의 동작 제어부(1200)를 각각 적용하여 실험을 수행하였다. 승하강 링크 모듈(300)의 높이(h, 수직 위치)는 PI 또는 IP 제어 방식의 동작 제어부(1200)에 의해 제어하였다.In this experimental example, in order to control the error (e) between the body pressure applied to each elevating
그리고 각 승하강 링크 모듈(300)에서의 최대 체압은 하기 수식 6에 의해 산출된다. And the maximum body pressure in each elevating
(수식 6) (Equation 6)
여기서, Pmi는 i번째 승하강 링크 모듈의 최대 압력, Pij는 i번째 승하강 링크 모듈의 j번째 센서에서 측정된 체압, M은 각 승하강 링크 모듈의 체압 센서 수이다. Here, Pmi is the maximum pressure of the i-th elevating link module, Pij is the body pressure measured by the j-th sensor of the i-th elevating link module, and M is the number of body pressure sensors of each elevating link module.
이 때, 최대 체압값이 32mmHg가 넘으면 욕창이 발생될 수 있는 욕창 임계 압력을 초과하게 되어 일정시간이 지속되면 실제 욕창이 발생하게 된다.At this time, when the maximum body pressure exceeds 32 mmHg, the pressure sore at which a pressure sore can occur is exceeded, and when a predetermined period of time continues, a pressure sore actually occurs.
또한, 에러(error) ei는 하기 수식 7에 의해 계산될 수 있다.Also, the error ei may be calculated by
(수식 7) (Equation 7)
여기서, 는 목표 압력값, 는 건반 i의 최대 압력, 는 건반 입력이고 이때, 전체 에러는 다음과 같이 계산한다.here, is the target pressure value, is the maximum pressure of key i, is the keyboard input, and the total error is calculated as follows.
또한, 상기 전체 에러는 하기 수식 8에 의해 계산될 수 있다. Also, the total error may be calculated by
(수식 8) (Equation 8)
상기 N은 승하강 링크 모듈 수이다. Where N is the number of elevating link modules.
상기 수식에 따라 승하강 링크 모듈의 높이(h, 수직 위치)를 조절하며, 변화된 높이에 대해 체압값의 변동이 발생할 때의 의 특성을 비교 검토하였다.Adjusts the height (h, vertical position) of the elevating link module according to the above formula, characteristics were compared and reviewed.
상술한 과정을 통해, 본 실험에서는 PI 또는 IP 제어 방식의 동작 제어부를 각각 적용하여 승하강 링크 모듈의 높낮이를 조절하고, 각 승하강 링크 모듈에 걸린 에러를 제거하여, 전체 에러가 0에 수렴하게 하는 것을 실험 목표로 설정하였다. Through the above-described process, in this experiment, the height of the elevating link module is adjusted by applying the operation control unit of the PI or IP control method, respectively, and the error applied to each elevating link module is removed, so that the total error converges to 0. was set as the experimental goal.
상기 승하강 링크 모듈을 하강시킬수록 해당 승하강 링크 모듈에 걸리는 체압도 같이 낮아지는 특성이 있지만, 다만 승하강 링크 모듈이 급격히 하강할 경우 환자에게 무리가 갈 수 있으므로 주변 승하강 링크 모듈과의 높이차를 줄이는 방향으로 높이 조절을 제어함이 바람직하다. As the elevating link module is lowered, the body pressure applied to the elevating link module also decreases as the elevating link module is lowered. It is desirable to control the height adjustment in the direction of reducing the difference.
본 실험에서는 단계적으로 승하강 링크 모듈이 하강하고, 최소한의 움직임으로 전체 에러가 0이 되는 것을 비교 검토하였다.In this experiment, it was compared and reviewed that the elevating link module descends step by step and the total error becomes 0 with minimal movement.
예컨대, 승하강 링크 모듈이 내려가는 시간과 내려간 후 체압이 안정되는 시간을 고려하여 동작 제어부의 타이머 주기는 5초(sec) 이상으로 설정하였다.For example, the timer period of the operation control unit was set to 5 seconds or more in consideration of the time for the elevating link module to descend and the time for body pressure to be stabilized after descending.
실험에 사용한 PI 제어 방식의 동작 제어부 파라메터 값은 아래 표 1과 같다.Table 1 below shows the parameter values of the motion controller of the PI control method used in the experiment.
PI 제어 방식의 동작 제어부 실험에서 체압 센서를 장착한 의료용 로봇 침대에서 175cm, 88kg의 성인남자를 대상으로 바로 누운 자세에 대해 체압 제어를 시험하였다. 비례항만 갖는 경우(P 제어)와 비례-적분항을 갖는 경우(PI 제어)로 나누어서 실험하였다. In the motion control experiment of the PI control method, the body pressure control was tested for the supine position on a 175 cm, 88 kg adult male in a medical robot bed equipped with a body pressure sensor. The experiment was divided into a case with only a proportional term (P control) and a case with a proportional-integral term (PI control).
도 11은 PI 제어 방식의 동작 제어부 실험 결과를 보여주는 그래프이다.11 is a graph showing the experimental results of the operation control unit of the PI control method.
도 11에서 보는 것과 같이 적분(I) 제어를 하는 경우의 PI 제어가 잔류 편차를 줄여주고 있기 때문에 더 빠르게 전체 에러가 0으로 수렴하는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 11 , since the PI control in the case of the integral (I) control reduces the residual deviation, it can be confirmed that the total error converges to 0 more quickly.
하기 표 2는 상기 PI 제어 방식의 수치 데이터를 정리한 실험 결과표이다. (하기에서 건반은 승하강 링크 모듈을 지칭한다.)Table 2 below is an experimental result table summarizing the numerical data of the PI control method. (In the following, the keyboard refers to the elevating link module.)
(mmHg)Maximum body pressure after control
(mmHg)
(m m)keyboard height
(mm)
한편, 실험에 사용한 IP 제어 방식의 동작 제어부 파라메터 값은 아래 표 3과 같다.Meanwhile, the operation control parameter values of the IP control method used in the experiment are shown in Table 3 below.
한편, 도 12는 IP 제어 방식의 동작 제어부 실험 결과를 보여주는 그래프이다.Meanwhile, FIG. 12 is a graph showing the experimental results of the operation control unit of the IP control method.
상기 PI 및 IP 제어 방식의 실험 결과를 비교하면, PI 제어 방식은 욕창 임계 압력값과의 오차를 비례제어하므로 0으로 수렴하는 시간이 더 빠른 것을 확인할 수 있었다. Comparing the experimental results of the PI and IP control methods, it was confirmed that the time to converge to zero was faster in the PI control method because the error with the pressure ulcer threshold was proportionally controlled.
반면, IP 제어는 안정적으로 0으로 수렴하지만 PI 제어 방식보다 시간이 더 더디고, 그동안 승하강 링크 모듈이 계속 진동하는 상태이기 때문에 환자가 편안함을 느끼지 못할 가능성이 있음을 관찰하였다.On the other hand, we observed that IP control stably converges to 0, but it takes longer than PI control method.
따라서, 상술한 바와 같이 다수의 승하강 링크 모듈로 구성된 의료용 로봇 침대의 각 승하강 링크 모듈별로 체압 센서를 실장한 뒤, 체압 센싱 정보에 따라 상기 각 승하강 링크 모듈을 PI 제어와 IP 제어 방식으로 나누어 동작 제어부의 제어 성능 실험을 각각 수행하였다. Therefore, as described above, after mounting a body pressure sensor for each elevating link module of the medical robot bed composed of a plurality of elevating link modules, the elevating link module is controlled by PI control and IP control method according to body pressure sensing information. Each of the control performance experiments of the motion controller was performed separately.
이를 위해 각 체압 센서를 통하여 신체의 부위별 체압을 측정 및 이를 피드백 제어하고, 각 승하강 링크 모듈에서 감지되는 체압을 욕창 임계 압력(32mmHg) 이내로 제어하는 방식을 통해 PI 제어 방식과 IP 제어 방식이 각각 0으로 수렴하기까지 승하강 링크 모듈의 동작 횟수를 비교 검토함으로써 욕창 제거를 위해 본 발명에 따른 로봇 침대에서는 PI 제어 방식이 압력 제어 속도나 승하강 링크 모듈의 이동량에서 IP 제어 방식보다 더 유리함을 실험을 통해 확인하였다. To this end, the PI control method and the IP control method are divided by measuring the body pressure for each part of the body through each body pressure sensor and feedback control thereof, and controlling the body pressure detected by each elevating link module to be within the pressure sore threshold pressure (32mmHg). By comparing and examining the number of operations of the elevating link module until each converges to 0, the PI control method is more advantageous than the IP control method in the pressure control speed or the movement amount of the elevating link module in the robot bed according to the present invention for the removal of bedsores. It was confirmed through an experiment.
따라서, 본 발명은 종래 욕창 매트리스나 공압실린더 제어 방식의 의료용 침대에서 보편적으로 사용하는 시간에 따른 단순 교대 승강 방법과는 달리 거동이 불편한 사용자의 평안도를 해치지 않으면서도 신체 부위별로 다르게 가해지는 체압을 독립적으로 분산 제어할 수 있는 효과를 확인할 수 있었다. Therefore, the present invention independently separates the body pressure applied differently for each body part without compromising the user's comfort, unlike the simple alternating lifting and lowering method according to time commonly used in conventional bedsore mattresses or pneumatic cylinder-controlled medical beds. It was possible to confirm the effect of being able to control the dispersion.
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.In addition, the present invention is not limited only by the above-described embodiment, and since it is possible to create the same effect even when changing the detailed configuration, number, and arrangement of the device, those of ordinary skill in the art will present the present invention It is specified that various additions, deletions, and modifications are possible within the scope of the technical idea of
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 : 서보 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 신호처리부100: bed frame 110: headboard
120: foot board 130: safety bar
200: support frame 300: elevating link module
310: upper link frame 320: lower link frame
330: phase offset link piece 340: first link piece
350: second link section 360: third link section
370: fourth link 380: bed
390: servo motor 1000: control system
1100: user interface unit 1200: operation control unit
1300: host interface unit 1400: multiple servo communication unit
1410: servo motor 1420: servo motor driver
1500: multi-sensor communication unit 1510: body pressure sensor
1520: sensor controller 1600: sensor signal processing unit
Claims (7)
상기 각 승하강 링크 모듈에 구비된 체압 센서를 통해 각 승하강 링크 모듈에 가해지는 인체의 부위별 체압 센싱 정보를 상시적으로 수집 및 동작 제어부로 전송하고,
상기 동작 제어부가 다수의 각 승하강 링크 모듈의 체압 센서로부터 수집된 체압 센싱 정보를 판독하여 특정 승하강 링크 모듈의 체압 센서로부터 전송된 체압 센싱 정보가 욕창이 발생될 수 있는 욕창 임계 압력인 32mmHg에 근접하는 경우,
상기 욕창 임계 압력에 근접하는 특정 승하강 링크 모듈이 욕창 임계 압력에 도달되기 직전에 특정 승하강 링크 모듈을 포함한 모든 승하강 링크 모듈이 평행한 초기의 제1 수직 위치(h1)에서 상기 욕창 임계 압력에 근접하는 특정 승하강 링크 모듈만을 상기 제1 수직 위치(h1)보다 상대적으로 낮은 제2 수직 위치(h2)로 하강시킨 후 기 설정된 일정 체류 시간동안 동작을 정지시키고,
상기 일정 체류 시간이 경과한 후에는 상기 제2 수직 위치(h1)에 정지되어 있던 특정 승하강 링크 모듈을 다시 원래의 제1 수직 위치(h1)로 상승시킴으로써 각 승하강 링크 모듈의 승하강 동작 및 수직 위치를 체압 센싱 정보에 따라 독립적으로 제어하는,
체압 센서를 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법.A medical robot for preventing bedsores in which a plurality of elevating link modules that are independently controlled by a parallelogram link on the upper surface of the bed support are adjacent and parallel to each other, and each elevating link module is controlled by a servo motor In the control method of the bed,
Through the body pressure sensor provided in each elevating link module, body pressure sensing information for each part of the human body applied to each elevating link module is constantly collected and transmitted to the operation control unit,
The operation control unit reads the body pressure sensing information collected from the body pressure sensors of each elevating link module, and the body pressure sensing information transmitted from the body pressure sensor of the specific elevating link module is set at 32 mmHg, which is a pressure sore threshold pressure at which pressure sores can occur. If close,
Immediately before the specific elevation link module approaching the pressure sore threshold pressure reaches the pressure sore threshold pressure, the pressure sore threshold pressure at the initial first vertical position (h1) in which all elevation link modules including the specific elevation link module are parallel. After lowering only a specific elevating link module close to the first vertical position (h1) to a relatively lower second vertical position (h2) than the first vertical position (h1) to stop the operation for a preset predetermined residence time,
After the predetermined residence time has elapsed, the elevating operation of each elevating link module and Independently controlling the vertical position according to the body pressure sensing information,
A method of controlling a bed for pressure ulcer prevention medical robot using a body pressure sensor.
상기 동작 제어부는,
각 승하강 링크 모듈에서의 최대 체압은 하기 수식 1에 의해 산출되고,
(수식 1)
(여기서, Pmi는 승하강 링크 모듈 i의 최대 압력, Pij는 i번째 승하강 링크 모듈의 j번째 센서에서 측정된 체압, M은 각 승하강 링크 모듈의 체압 센서 수이다.)
에러(error) ei는 하기 수식 2에 의해 산출되고,
(수식 2)
(여기서, 는 목표 압력값, 는 건반 i의 최대 압력, 는 건반 입력이다.)
전체 에러(eRMS)는 하기 수식 3에 의해 산출되며,
(수식 3)
(여기서, N은 승하강 링크 모듈 수이다.)
상기 수식에 의해 산출된 전체 에러값이 0으로 수렴하도록 동작 제어부가 각 승하강 링크 모듈의 승하강 동작 및 수직 위치를 독립적으로 제어하는,
체압 센서를 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법.The method of claim 1,
The operation control unit,
The maximum body pressure in each elevating link module is calculated by Equation 1 below,
(Formula 1)
(Where Pmi is the maximum pressure of the elevating link module i, Pij is the body pressure measured by the j-th sensor of the i-th elevating link module, and M is the number of body pressure sensors of each elevating link module.)
The error ei is calculated by Equation 2 below,
(Equation 2)
(here, is the target pressure value, is the maximum pressure of key i, is keyboard input.)
The total error (e RMS ) is calculated by Equation 3 below,
(Equation 3)
(Where N is the number of elevating link modules.)
The operation control unit independently controls the elevating operation and vertical position of each elevating link module so that the total error value calculated by the above formula converges to 0,
A method of controlling a bed for pressure ulcer prevention medical robot using a body pressure sensor.
상기 동작 제어부는,
PI(Proportional-Integral) 제어 방식 또는 IP(Integral-Proportional) 제어 방식의 동작 제어부가 이용되는,
체압 센서를 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법.The method of claim 1,
The operation control unit,
An operation control unit of a PI (Proportional-Integral) control method or an IP (Integral-Proportional) control method is used,
A method of controlling a bed for pressure ulcer prevention medical robot using a body pressure sensor.
상기 동작 제어부는 각 승하강 링크 모듈에 구비된 서보 모터와 CAN(Controller Area Network) 통신에 의해 연결되는,
체압 센서를 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법.The method of claim 1,
The operation control unit is connected by CAN (Controller Area Network) communication with the servo motor provided in each elevating link module,
A method of controlling a bed for pressure ulcer prevention medical robot using a body pressure sensor.
상기 승하강 링크 모듈은,
적어도 두 개 이상의 평행사변형 링크들이 수평선 상에서 나란히 연결 배치되고, 상기 각 평행사변형 링크들의 사이에 배치되는 링크는 단일의 링크를 서로 공유하는 다중 평행사변형 링크 구조를 갖는,
체압 센서를 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법.The method of claim 1,
The elevating link module,
At least two or more parallelogram links are connected side by side on a horizontal line, and the links disposed between each parallelogram links have a multi-parallelogram link structure that shares a single link with each other,
A method of controlling a bed for pressure ulcer prevention medical robot using a body pressure sensor.
상기 다중 평행사변형 링크의 사이에 공유되는 링크 중 맨 가운데에 위치한 링크는 결합축의 수직 위치가 좌우의 다른 링크들보다 하방에 위치한 위상 옵셋 링크인,
체압 센서를 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법.6. The method of claim 5,
Among the links shared between the multiple parallelogram links, the link located in the middle is a phase offset link in which the vertical position of the coupling axis is lower than the other links on the left and right,
A method of controlling a bed for pressure ulcer prevention medical robot using a body pressure sensor.
상기 위상 옵셋 링크는 서보 모터가 결합된 구동 링크인,
체압 센서를 이용한 욕창예방 의료용 로봇 침대의 제어 방법.7. The method of claim 6,
The phase offset link is a drive link coupled with a servo motor,
A method of controlling a bed for pressure ulcer prevention medical robot using a body pressure sensor.
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2021
- 2021-03-17 KR KR1020210034427A patent/KR102606089B1/en active IP Right Grant
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Also Published As
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---|---|
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
X091 | Application refused [patent] | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
GRNT | Written decision to grant |