환자이승로봇에 탑승한 환자의 이송을 위한 주행에 있어서 초기 가속 구간과 최종 감속 구간에는 관성에 의해 환자의 흔들림이 발생한다. 본 연구에서는 이를 최소화하기위해 호이스트 모듈에 스마트 와이어 메커니즘을 적용하였다. 스마트 와이어의 메커니즘은 [Fig. 3]에 설명되어 있다. [Fig. 3(a)]의 각각의 부품을 스마트 와이어 핀이라고 정의한다. 또한 [Fig. 3(b)]와 같이 여러 개의 스마트 와이어 핀이 직렬로 연결된 형태를 스마트 와이어라고 정의하였다. 이러한 스마트 와이어 핀들이 호이스트 벨트를 감싸며 연결되어 있고, 호이스트에 의해서 슬링바가 상승하게 되면 상단이 쐐기모양으로 설계된 각 스마트 와이어 핀들이 서로 밀착하게 된다. 이를 통해 유연하게 움직이던 스마트 와이어가 강체의 특성을 띄게 되면서 이동중에 또는 가감속 순간에 발생하는 환자의 흔들림을 감소시킬 수 있다.

[Fig. 3] 
Smart wire: (a) smart wire pin and smart wire (b) smart wire applied hoist module

스마트 와이어 메커니즘 적용을 통한 흔들림 제어 성능 평가를 위해 2 m 직선 거리를 주행 속도는 2.3 m/s, 3.0 m/s, 그리고 3.5 m/s로 왕복주행 하면서 발생하는 흔들림(roll, pitch, yaw) 각도를 측정하였다. 스마트 와이어를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우의 성능 차이는 [Fig. 4]와 같이 나타났다.

[Fig. 4] 
Sway angle of the patient

각 주행 속도에 따른 흔들림 제어 성능을 평가를 통해 모든 주행 속도 조건에서 스마트 와이어를 적용한 경우에 흔들림이 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 특히 Z축 중심의 회전을 나타내는 yaw 각도에서는 최고 300%의 흔들림 감소 효과를 나타냄으로써 스마트 와이어를 통한 흔들림 제어가 가능한 것을 확인할 수 있었다. 이는 이송중인 환자가 느끼는 불편함의 개선에 현저한 기여를 할 수 있다.

호이스트 모듈에 부가 기능으로 개발된 두번째 기능은이승로봇의 운용 중 발생할 수 있는 돌발상황에 대응하기 위한 환자 안전성 확보 메커니즘이다. 개발한 환자이승 로봇은 배터리 기반의 전동 시스템으로 배터리가 방전될 경우, 환자의 안전을 확보하기 위한 대응방안이 반드시 필요하다. 환자의 안전을 위해 요구되는 기능으로는 전원이 차단되면서 환자의 자중에 의해 환자가 하강되는 것을 방지하기 위한 제동 메커니즘(brake mechanism)과 호이스트에 의해 이승된 환자를 안정하게 하강시키기 위한 수동 하강 메커니즘(manual lowering mechanism) 이다.

호이스트 모듈의 전원이 방전된 상황에서 환자의 안전을 위한 제동 메커니즘의 구현을 위해 [Fig. 4(a)]와 같이 구동 메커니즘으로 웜기어 모듈이 장착된 감속기어가 적용된 모터 모듈을 사용하였다. 이를 통해 전원이 차단된 상황에서도 환자가 하강하는 사고를 방지할 수 있다.

호이스트 모듈의 전원이 방전되었을 때, 환자의 안전이 확보되면 환자를 안전하게 하강시켜야 한다. 웜기어 기반의 구동 모듈은 전원이 차단되면 제동 기능에 의해 회전이 불가하기 때문에 이러한 구조에서는 환자의 하강이 불가능하다. 따라서 수동형 환자 하강 메커니즘(manual patient lowering mechanism)이 필수적이다. 이 때문에 대부분의 호이스트 기반 이승 시스템에는 수동 하강 메커니즘이 포함되어 있다^[4]. 이를 위해 본 연구에서는 [Fig. 5(b)]에서와 같이 기어로 연결되지 않은 모터 축(shaft)의 후면에 육각 렌치를 사용하여 모터의 축을 수동으로 회전을 할 수 있도록 육각 렌치 형상으로 샤프트를 연장하였다. 이를 통해 비상 상황 시, 육각 렌치를 사용하여 모터 샤프트를 강제 회전시켜 안전한 환자의 하강을 가능하게 하였다.

[Fig. 5] 
Patient Safety Mechanism (a) Worm-geared motor module (b) Modified motor module with manual driver mechanism

환자이승 작업중에 발생 가능한 다양한 위험 요소에 대한 대응을 위한 방안 중 하나로 환자이승로봇의 전복 경보 시스템을 개발하였다. 전복 방지를 위한 제어 기능을 추가하는 것은 비용 뿐만 아니라 시스템의 복잡도를 향상시킨다. 따라서 시스템의 안전한 운용 환경을 벗어나는 환경 조건에서 전복 경보를 발생시킴으로써 사용자에게 해당 환경을 벗어나 안전한 운용을 하도록 유도하는 데 전복 경보 시스템의 목적이 있다. 본 연구에서 개발한 환자이승로봇의 경사로 주행 성능 목표는 돌봄로봇 중 이승보조로봇 요구사항 및 시험방법의 정적 안정성 기준을 준용하여 설정되었다^[5]. 해당 기준에 의하면 지면(베이스)가 의도된 위치에서 전후방 경사가 10°인 경우, 베이스가 가장 불리한 상태에서 전후방 경사 7°, 좌우 경사가 5°인 환경에서 이승로봇이 전복되지 않아야 하는 조건이다. 해당 표준의 만족 여부의 평가를 위해 재활공학연구소의 성능평가 환경에서 개발된 이승로봇의 목표의 달성을 확인하였다. 전복경보 시스템의 경보발생 기준은 실제 시스템의 경사로 주행 가능한 경계치 보다 낮게 설정하였다. 주행면의 경사로 측정을 위해서 [Fig. 6]와 같이 3축 자이로 센서를 호이스트 제어 보드에 실장 하였다. 전복 위험 경사 기준 이상의 경사각이 인지되면 동일한 제어 보드에 실장 된 부저를 통해 전복 경보를 발생시켜 사용자에게 위험을 알리는 시스템이다. 개발된 전복 경보 시스템의 성능 평가를 통해 95%의 전복 경보 발생 정확도를 달성하였다.

[Fig. 6] 
Gyro sensor-based roll-over warning system

협소한 공간에서 이동성 향상을 위해서 본 연구에서는상용 조향 드라이브 휠(steering drive wheel)을 적용하여 전방향 이동을 위한 구동 시스템을 설계 및 제작하였다^[6]. 조향 드라이브 휠은 [Fig. 7]와 같이 휠을 회전시키는 모터(wheel drive motor)와 휠을 조향시키는 조향 모터(wheel steering motor)로 구성되어 있다. 즉, 사용된 조향 드라이브 휠은 휠의 Y축 중심의 회전(pitch 모션)과 Z축 중심의 조향(yaw motion)이 동시에 가능한 메커니즘이다.

[Fig. 7] 
Steering Drive Wheel (METALROTA SRL Co.) ^[7]

환자이승로봇의 전방향 주행을 위해 [Fig. 8]과 같이 4개의 캐스터와 2개의 조향 드라이브 휠을 사용하여 주행 메커니즘을 설계하였다. 사용자의 조향 제어 명령에 따라 두개의 조향 드라이브 휠이 주행 방향과 평행한 방향으로 조향이 된 후, 구동휠의 회전에 의해 이승로봇이 이동하는 형태이다. 사용된 4개의 캐스터는 우레탄 재질의 의료용 캐스트를 적용하였고, 환자이승로봇 전체를 지지하며 조향 드라이브 휠의 주행을 보조한다. 또한, 비평탄 노면 조건에서 모든 휠의 지면 접촉을 유지하기 위해 각 캐스터 휠과 조향 드라이브 휠에 서스펜션을 추가하였다. 개발된 조향 드라이브 휠 기반의 구동 모듈이 적용된 환자이승로봇은 전방향 이동이 가능하여 이승로봇의 전폭의 1/2수준의 회전 반경을 갖기 때문에 로봇의 가로 폭 이상의 공간에서 자유로운 이동이 가능하다. 이를 통해 협소공간에서 로봇의 이동성 향상을 달성하였다.

[Fig. 8] 
Patient Transfer Robot Driving Mechanism

본 연구에서 개발한 환자이승로봇은 요양병원, 재활병원 등 의료 시설에서 사용하기 위한 목적으로 개발되었다. 개발된 환자이승로봇은 [Fig. 9]과 같이 일반형 침대와 다양한 기능을 갖는 스마트 침대의 폭에 대응하기 위해 일반형과(1646×1837×818, 가로×높이×폭)과 광폭형(1892×1837×818)으로 제작되었기 때문에 돌봄을 주는 자가 이승로봇을 이동시키며 환자를 케어함에 있어서 안전상의 취약성이 존재한다. 즉, 환자가 탑승한 경우, 환자이승 작업자의 시야의 미확보로 인해 주변 시설물 또는 사람과의 충돌가능성이 존재한다.

[Fig. 9] 
Dimension of Patient Transfer Robot (mm scale) (a) Normal PTR (b) Wide PTR

전방 시설물 혹은 이동중인 사람과의 충돌 사고 위험을 최소화하기 위해 환자이승로봇 좌우측의 전후방 및 측방향에 각각 초음파 센서를 장착하여 장애물과의 거리를 측정하고 측정 거리에 따라 충돌 경보 및 자동 제동을 위한 능동 충돌안전 알고리즘을 개발 및 적용하였다. 충돌위험도는 식 (1)과 같이 초음파 센서로부터 측정된 장애물까지의 거리(d_obs)를 이승로봇의 주행 속도(v_PTR)로 나누어 충돌까지 소요 시간(TTC, time to collision)을 계산하였다^[8].

이승로봇과 장애물의 충돌을 방지하기 위해 사용자 스스로 이승로봇을 제동할 여유시간을 포함하는 충돌 경보 시점(t_w)과 사용자 제동 시 충돌이 발생하여 시스템이 자동으로 제동을 발생시키는 시점인(t_b)를 지정하고, t_b < TTC < t_w인 경우에는 충돌 경보를 발생시키고, TTC ≤ t_b인 경우에는 자동 제동을 수행하는 알고리즘 이다. [Fig. 10]은 개발된 능동안전시스템의 동작 컨셉을 나타낸다. 실험실 노면 환경에서 실험을 통해 능동안전시스템의 환자이승로봇 충돌 경보 발생 및 자동 제어를 위한 최적 파라메터 도출하였다.

[Fig. 10] 
Active safe system of Patient Transfer Robot