[논문]다중센서를 적용한 자동배변처리기용 제어기 설계

문인혁

문제 정의

먼저 인체의 배설물 특성을 분석하고 기초실험을 통해 다중센서의 특성을 보이고, 이로부터 대소변 감지 및 인식 방법을 기술한다. 그리고 대변과 소변에 따라 설정된 각각의 처리 방법에 따라 배변을 효율적으로 처리하는 배변처리 방법도 제시한다. 마지막으로 인공 대변과 인공소변을 이용한 실험을 통해 제어시스템의 성능을 평가한다.
본 논문에서는 대변과 소변을 효과적으로 구분하여 처리하기 위해 적외선 센서 (infrared sensor) 와 온도센서 (temperature sensor)를 이용한 자동배변 처리용 다중센서를 제안하고, 이다중센서에 의해 감지된 정보를 바탕으로 대소변을 인식 및 처리할 수 있는 자동 배변처리기의 제어기와 제어방법을 제시한다. 먼저 인체의 배설물 특성을 분석하고 기초실험을 통해 다중센서의 특성을 보이고, 이로부터 대소변 감지 및 인식 방법을 기술한다.
본 논문에서는 배변의 처리 상태에 따라 동작 시간을 조절한다. 즉, 대변을 처리해야 할 때에만 정확히 흡입 및 세척을 수행함으로써 불필요한 에너지의 소모나 세정수의 사용을 줄이는 것이다.
본 논문에서는 인체의 배변 특성을 분석하고, 자동 배변처리기의 대소변감지용 다중센서와 제어시스템의 설계하였다. 그리고 인공 대변과 인공소변을 이용한 실험에서 10회 실험에서 성공적으로 대변과 소변을 구분하는 결과를 얻었다.
본 논문은 고령인과 장애인, 장기요양 중증 환자의 배설물을 자동으로 처리하는 개인위생용 보조기기 (assistive product for personal care) 인, 자동배변처리 7](automatic evacuation dispose system)의 제어기 설계에 관 한 연구이다. 자동배변 처리기는 사용자의 배변을 센서로 감지하고, 오물통에 배설물을 흡입, 수집하며, 세정 및 세척을 자동으로 수행하는 기기이다.
본 연구에서는 소변이 비교적 일정한 온도 특성을 나타내는 것과, 대변과 소변의 물질 특성이 다르다는 것에 착안하여, 온도센서와 적외선 센서를 각각 소변과 대변을 감지하는데 사용하였다. 본장에서는 온도센서와 적외선센서의 대소변 감지를 위한 기초실험을 수행하였다.
본 연구에서는 자동배변 처리기의 프로토타입을 설계 및 제작하고, 실험을 통해 다중센서 및 제어기의 성능을 평가하였다. 그리고 ⑻의 연구와 본 연구의 자동 배변처리기의 처리 과정을 비교하였다.
사용하였다. 본장에서는 온도센서와 적외선센서의 대소변 감지를 위한 기초실험을 수행하였다.

제안 방법

이러한 일련의 실험 결과로부터 본 연구에서 제안한 다중센서 및 제어실험에서는 본 연구에서 제안한 제어기의 효율성을 확인하기 위해 ⑻의 처리 과정과 비교하였다. ⑻은 진공 모터의 강약조절이나, 물의 사용에 대한 조절이 없는 제어 방법을 사용하였으며, 배변이 검출이 되면 총 96초 동안 진공모터를 동작시켜 오물을 흡입하였다. 그리고 세정수를 이용한 세척은 총 4회(19초) 수행하였다.
평가하였다. 그리고 ⑻의 연구와 본 연구의 자동 배변처리기의 처리 과정을 비교하였다.
그리고 세정수를 이용한 세척은 총 4회(19초) 수행하였다. 그리고 대변과 소변을 구별하지 않고 동일한 처리 방법을 적용하였다. 그러나 일반적으로 배변 패턴이나 배변 시간, 양 등은 개개인에 따라 차이가 있다.
⑻은 진공 모터의 강약조절이나, 물의 사용에 대한 조절이 없는 제어 방법을 사용하였으며, 배변이 검출이 되면 총 96초 동안 진공모터를 동작시켜 오물을 흡입하였다. 그리고 세정수를 이용한 세척은 총 4회(19초) 수행하였다. 그리고 대변과 소변을 구별하지 않고 동일한 처리 방법을 적용하였다.
그림 1(b)는 온도센서와 적외선 센서를 부착한 기저귀 유닛(diaper unit)이다. 기저귀 유닛은 사용자에 신체에 직접적으로 접촉하여 사용자의 배변을 받아낼 수 있도록 설계되었다. 센서는 그림 1(b)와 같이 대변과 소변의 흡입 구 부근에 부착하였다.
이를 위해[9]의 연구에서는 자동 배변처리기의 배변을 감지하고. 대소변을 구분할 수 있는 배변 감지 모듈을 제안하였다. 그러나[9]에서는 실제 배변처리기에 적용하지 않아 감지 방법이나 제어기의 성능은 검증되지 않았다.
또한, 인공 소변 투입한 후, 일정 시간 뒤 인공대변을 투입했을 때 의 제어기의 동작도 확인하였다.
그리고 대변과 소변에 따라 설정된 각각의 처리 방법에 따라 배변을 효율적으로 처리하는 배변처리 방법도 제시한다. 마지막으로 인공 대변과 인공소변을 이용한 실험을 통해 제어시스템의 성능을 평가한다. 이 결과로부터 본 연구에서 제안한 자동배변 처리기의 제어시스템이 환자의 대변과 소변을 효과적으로 구분하고, 효율적으로 처리하는 것을 보인다.
제어기와 제어방법을 제시한다. 먼저 인체의 배설물 특성을 분석하고 기초실험을 통해 다중센서의 특성을 보이고, 이로부터 대소변 감지 및 인식 방법을 기술한다. 그리고 대변과 소변에 따라 설정된 각각의 처리 방법에 따라 배변을 효율적으로 처리하는 배변처리 방법도 제시한다.
5도이며, 사람 몸으로부터 배출되는 소변도 체온과 같다. 본 연구에서는 NTC형 서미스터 온도센서를 적용하였으며, 온도에 따른 서미스터의 저항 변화 특성은 휘스톤브릿지 회로와 차동 증폭 회로를 이용하여 온도와 비례한 전압으로 변환하였다. 온도 센서의 특성을 파악하기 위해, 섭씨 22도부터 36도까지 물의 온도를 2도 단위로 변화시키면서 기저귀 유닛에 투입하였을 때, 온도센서의 출력을 측정하였다.
본 연구에서는 대변과 소변에 따른 처리 동작을 각기 대변 처리 모드(feces disposal mode, FD mode), 소변처리모드(u 血 e disposal mode, UD mode)로 정의하였다 (그림 5참조). 그러나 대변처리모드는 소변처리모드보다 우선 하도록 하였다.
본 연구에서는 섭씨 36±1도의 온도를 가지는 인공대변 30g 과 인공소변 100mL을 각각 기저귀 유닛에 10회씩 투입하고, 센서의 출력과 제어기의 인식 결과를 평가하였다. 또한, 인공 소변 투입한 후, 일정 시간 뒤 인공대변을 투입했을 때 의 제어기의 동작도 확인하였다.
있다. 본 연구에서는 적외선 센서를 이용하여 대변을 인식하도록 하였다. 이를 위해 그림 1(a)와 같이 된장으로 만든 10g, 20g, 30g의 각기 다른 양의 인공대변을 기저귀 유닛에 투입하여 센서의 특성을 조사하였다.
온수 모듈은 물의 온도를 5초 내에 30도까지 제어 할 수 있는 상용화된 모듈을 사용하였다. 세정과 세척을 위한 물을 모아두는 물탱크의 물 부족과 오물을 수집하는 오물통의 넘침을 확인하기 위해 정전용량형 근접 센서를 사용하였다. 물통과 오물통의 용량은 4L로 설계하였다.
그림 8(b)는 인공 대변 80g을 2회, 30초 정도의 시간 간격을 두고 투입하고 측정한 결과이다. 실험 결과 배변이 투입될 때마다 적외선 센서가 인식하여 대변처리 동작을 수행하였다. 그 결과 기저귀 유닛에는 얼룩이 남지 않았고, 인공 대변 역시 모두 흡입하였다.
온도 센서의 특성을 파악하기 위해, 섭씨 22도부터 36도까지 물의 온도를 2도 단위로 변화시키면서 기저귀 유닛에 투입하였을 때, 온도센서의 출력을 측정하였다. 실험은 각 온도에서 5회씩 수행하였다. 그림 2와 같이 섭씨 22도에서 출력 전압은 0.
5cm의 원통형으로 만들었다. 실험은 각각의 인공 대변을 5회씩 투입하여 결과를 측정하였다. 그림 3은 인공 대변을 투입하지 않았을 때와, 투입했을 때의 측정된 적외선 센서의 출력 전압이다.
본 연구에서는 NTC형 서미스터 온도센서를 적용하였으며, 온도에 따른 서미스터의 저항 변화 특성은 휘스톤브릿지 회로와 차동 증폭 회로를 이용하여 온도와 비례한 전압으로 변환하였다. 온도 센서의 특성을 파악하기 위해, 섭씨 22도부터 36도까지 물의 온도를 2도 단위로 변화시키면서 기저귀 유닛에 투입하였을 때, 온도센서의 출력을 측정하였다. 실험은 각 온도에서 5회씩 수행하였다.
본 연구에서는 적외선 센서를 이용하여 대변을 인식하도록 하였다. 이를 위해 그림 1(a)와 같이 된장으로 만든 10g, 20g, 30g의 각기 다른 양의 인공대변을 기저귀 유닛에 투입하여 센서의 특성을 조사하였다. 인공대변은 지름 3.
먼저 그림 8(a)는 대변량이 적은 경우를 가정하여 인공 대변 80g을 1회 투입하였을 때의 결과이다. 초기 대변 감지에 의해 1회 3초간 세정 동작이 수행되었고 그 후 17초간 흡입함으로써 총 20초간 진공 모터가 동작하였다. 그리고 40초간 '대기' 상태 후 10초간 세척 동작을 수행한다.

대상 데이터

자동 배변처리기는 크게 기저귀 유닛과 본체(main body)로 구분된다. 기저귀 유닛은 적외선 센서, 온도센서, 그리고 여러 유로를 연결한 노즐로 구성된다. 본체는 배설물 흡입/ 수집유닛 (suction/collecting unit), 세정/세척유닛 (washing unit)으로 구성된다.
또한 세정을 위한 물의 소모량도 줄였다. 본 연구에서는 총 2회 13 초간 세정수를 사용하였다. 즉 ⑻에 비해 워 터 펌프의 동작 시간을 6초 줄였다.
기저귀 유닛은 적외선 센서, 온도센서, 그리고 여러 유로를 연결한 노즐로 구성된다. 본체는 배설물 흡입/ 수집유닛 (suction/collecting unit), 세정/세척유닛 (washing unit)으로 구성된다. 그림 4의 굵은 실선은 배설물의 흡입 경로(excrement flow pathX, 이 중 쇄선은 공기의 경로(air flow pathX 나타낸다.
배설물 흡입/수집유닛에 사용된 진공 모터는 오물을 흡입하기 위한 음압 발생 뿐만 아니라 제어 방법에 따라 공기를 순환시켜 환자의 신체 및 기저귀 유닛을 건조시키는 데도 사용된다. 사용한 진공 모터는 구동 전압이 240V이고, 소모 전력 l, 300W, 정격전류 5.2A이다. 흡입과 건조는 압력의 세기가 다르기 때문에, 모터구동력을 '강'과 '약'의 두 가지로 제어할 수 있도록 구동회로도 설계하였다.
9A, Ikgecm² 부하 시정격 토수량이 분당l, 100cc±10% 인 제품을 사용하였다. 온수 모듈은 물의 온도를 5초 내에 30도까지 제어 할 수 있는 상용화된 모듈을 사용하였다. 세정과 세척을 위한 물을 모아두는 물탱크의 물 부족과 오물을 수집하는 오물통의 넘침을 확인하기 위해 정전용량형 근접 센서를 사용하였다.
흡입과 건조는 압력의 세기가 다르기 때문에, 모터구동력을 '강'과 '약'의 두 가지로 제어할 수 있도록 구동회로도 설계하였다. 워터 펌프는 사용 전압 24V에 lkgf/cm2 부하 시정격전류 0.5A~0.9A, Ikgecm² 부하 시정격 토수량이 분당l, 100cc±10% 인 제품을 사용하였다. 온수 모듈은 물의 온도를 5초 내에 30도까지 제어 할 수 있는 상용화된 모듈을 사용하였다.

데이터처리

대변처리 동작이 되면서, 세정수에 의해 온도 센서의 전압이 낮아지는 것도 볼 수 있다. 이러한 일련의 실험 결과로부터 본 연구에서 제안한 다중센서 및 제어실험에서는 본 연구에서 제안한 제어기의 효율성을 확인하기 위해 ⑻의 처리 과정과 비교하였다. ⑻은 진공 모터의 강약조절이나, 물의 사용에 대한 조절이 없는 제어 방법을 사용하였으며, 배변이 검출이 되면 총 96초 동안 진공모터를 동작시켜 오물을 흡입하였다.

성능/효과

결국 총 80초간 진공모터가 동작하였다. ⑻에서 '강'으로 96 초 동작하였지만, 본 연구에서는 '강으로 40초 '약으로 40초 동작하여 에너지의 소모를 줄였다. 또한 세정을 위한 물의 소모량도 줄였다.
실험 결과 배변이 투입될 때마다 적외선 센서가 인식하여 대변처리 동작을 수행하였다. 그 결과 기저귀 유닛에는 얼룩이 남지 않았고, 인공 대변 역시 모두 흡입하였다.이 실험 결과 본 연구에서 제안한 제어기는 인공대변을 인식하고 그에 따라 효율적으로 흡입 및 세정을 수행함을 확인할 수 있었다.
그리고 인공 대변과 인공소변을 이용한 실험에서 10회 실험에서 성공적으로 대변과 소변을 구분하는 결과를 얻었다. 또한 대변과 소변의 인식 결과에 따라서 소변처리모드와 대변처리모드로 각각 제어 가능함을 확인하였다.
또한 대변과 소변의 인식 결과에 따라서 소변처리모드와 대변처리모드로 각각 제어 가능함을 확인하였다. 기존의 자동배변 처리기의 처리 방법과 비교실험을 통해 본 연구에서 제안한 제어기가 에너지와 물의 소모량을 줄이면서 효율적인 배변 처리를 수행하는 것을 확인하였다. 향후에는 실제 임상실험을 통해 사용자에 대한 사용성을 평가할 예정이다.
이 실험 결과 본 연구에서 제안한 제어기는 인공대변을 인식하고 그에 따라 효율적으로 흡입 및 세정을 수행함을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제안한 다중센서 및 제어기는 상황에 따라 대변과 소변을 인식하고 구분하여 처리할 뿐만 아니라 그 처리도 효율적으로 수행하는 것을 확인할 수 있었다.
그리고 인공 대변과 인공소변을 이용한 실험에서 10회 실험에서 성공적으로 대변과 소변을 구분하는 결과를 얻었다. 또한 대변과 소변의 인식 결과에 따라서 소변처리모드와 대변처리모드로 각각 제어 가능함을 확인하였다. 기존의 자동배변 처리기의 처리 방법과 비교실험을 통해 본 연구에서 제안한 제어기가 에너지와 물의 소모량을 줄이면서 효율적인 배변 처리를 수행하는 것을 확인하였다.
먼저, 인공 대변과 인공소변을 각각 10회 투입했을 때, 모두 대변과 소변을 정확히 구분하였다. 그림 7은 10회중 하나의 실험 결과이다.
03V로 나타났다. 이 결과는 대변의 양은 인식하기 어려우나, 인공 대변의 유무는 충분히 감지된다는 것을 보여준다.
마지막으로 인공 대변과 인공소변을 이용한 실험을 통해 제어시스템의 성능을 평가한다. 이 결과로부터 본 연구에서 제안한 자동배변 처리기의 제어시스템이 환자의 대변과 소변을 효과적으로 구분하고, 효율적으로 처리하는 것을 보인다.
그 결과 기저귀 유닛에는 얼룩이 남지 않았고, 인공 대변 역시 모두 흡입하였다.이 실험 결과 본 연구에서 제안한 제어기는 인공대변을 인식하고 그에 따라 효율적으로 흡입 및 세정을 수행함을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제안한 다중센서 및 제어기는 상황에 따라 대변과 소변을 인식하고 구분하여 처리할 뿐만 아니라 그 처리도 효율적으로 수행하는 것을 확인할 수 있었다.
즉 ⑻에 비해 워 터 펌프의 동작 시간을 6초 줄였다. 프로토타입 자동배변처리기는 3초간 약 5顷止물을 사용하기 때문에 제안한 제어기는 1회 동작 시약 lOOmL의 물을 절약할 수 있음을 알 수 있다. 그림 8(b)는 인공 대변 80g을 2회, 30초 정도의 시간 간격을 두고 투입하고 측정한 결과이다.

후속연구

기존의 자동배변 처리기의 처리 방법과 비교실험을 통해 본 연구에서 제안한 제어기가 에너지와 물의 소모량을 줄이면서 효율적인 배변 처리를 수행하는 것을 확인하였다. 향후에는 실제 임상실험을 통해 사용자에 대한 사용성을 평가할 예정이다.

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