[논문]관절 경직 환자의 물리 치료를 위한 공압 구동형 하이브리드 로봇 개발

최현석; 최철우; 한창수; 한정수

관절 경직 환자의 물리 치료를 위한 공압 구동형 하이브리드 로봇 개발
Development of the Hybrid Type Robot Using a Pneumatic Actuator For Physical Therapy Of Ankylosis 원문보기

본 논문에서는 관절 경직 환자의 재활 치료를 위한 공압 실린더를 이용한 하이브리드형 로봇을 연구 개발하였다. 공압 실린더는 우수한 컴플라이언스를 가지고 있고 부피나 중량에 비해 높은 구동력을 가지고 있다 낮은 강성을 지닌 공압 구동기는 안정이 보장되어야 하는 물리 치료용 로봇의 구현에 적용하기 적당하다. 본 연구에서 제안한 로봇 시스템은 직렬형과 병렬형을 결합한 하이브리드 형으로 위치 결정부와 자세 결정부로 구분되며 하이브리드 구조를 통해 넓은 작업영역과 구동력을 얻을 수 있었다. 슬라이딩 모드 제어기를 이용하여 로봇 시스템의 공압 서보시스템의 추종성과 안정성을 얻을 수 있었으며 실험을 통하여서 개발된 시스템에 대한 검증을 하였다.

In this paper. the pneumatic service robot with a hybrid type is developed. A pneumatic has the advantages of good compliance , high Payload-to-weight and payload-to-volume ratios. high speed and force capabilities. Using pneumatic actuators. which have low stiffness. the service robot can guarantee safety. By suggesting a new serial-parallel hybrid type for the service robot which separates into Positioning motion and orienting motion, we can achieve large workspace and high strength-to-moving-weight ratio at the same time. A sliding mode controller can be designed for tracking the desired output using the Lyapunov stability theory and structural properties of pneumatic servo systems. Through many experiments of circular trajectory. the Pneumatic service robot is evaluated and verified.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

물리 치료에서는 운동을 위한 여러가지 기구들이 활용되고 있다. 본 논문에서는 견관절(Shoulder joint)의 운동 물리 치료를 위한 로봇 시스템을 개발하였다. 운동 치료에서 로봇 시스템은 환자의 경직된 관절의 운동을 도와주며 치료를 위한 관절의 운동 궤적을 만들어주는 역할을 한다' 그림 1은 본 연구에서 목표로 한 견관절과 물리 치료를 위한 운동 형태를 나타내고 있다.
병렬부의 첨단부의 위치와 방향운동은 서로 간섭현상을 발생 일으킨다[14]. 본 논문에서는 이러한 병렬부에 간섭현상을 무시하였다. 왜냐하면 병렬부 첨단부의 간섭에 의한 위치변화가 병렬부 전체 작동 영역에 비교해서 그림 6과 같이 미세한 수준이기 때문에, 아주 높은 정밀도가 필요하지 않은 경우의 물리 치료 로봇에서는 충분히 무시할 수 있다.
본 연구에서는 견관절의 경직환자의 물리치료를 위한 공압 액츄에이터와 하이브리드 형태를 응용한 물리 치료용 로봇을 개발하였다.

제안 방법

가장 큰 압력을 받는 3번 축의 공압 액츄에이터에 대해 부하의 유무에 따른 추종성능을 실험하였고 전체 시스템에서 환자와 로봇이 결합된 상태로 물리 치료 운동 궤적의 구현 실험을 하였다. 실험은 동적 모델을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우로 비교하여 동적 모델의 적용에 대한 타당성을 검증하였다.
높은 하중과 그리고 큰 작업공간이 필요한 작업환경에 사용하기 위해, 그림3과 같이 큰 작업공간을 가지는 PRRR 직렬구조와 높은 가반 하중을 견딜 수 있는 3RPS 병렬구조로 이루어진 하이브리드형 6자유도 로봇을 제안하였다.
르봇과 환자가 직접적 접촉을 하는 로봇 구조체의 직렬부축3과 병렬부는 공압 액츄에이터를 사용해, 충격을 흡수하고 외부 힘의 변화에 유연하게 대응하도록 하였다.
물리 치료용 로봇의 요구 조건을 만족시키기 위해 기구적으로 직렬형과 병렬형 로봇을 결합한 하이브리드형 기구 메커니즘을 구성함으로써 넓은 동작영역과 높은 자유도를 확보하였으며 중복적인 안전장치를 적용하여 안전성을 확보하였다. 또한 구동기로써 공압 액츄에이터를 사용하여 시스템의 유연성을 높였다.
본 연구에서 개발한 물리 치료용 로봇 시스템은 위험상황에 대한 안전장치와 직렬형/병렬형 로봇의 복합 형태인 하이브리드 로봇 메커니즘, 제어기 그리고 로봇과 환자를 연결하는 견 관절고정기구(Shoulder harness)로 구성되어 있다. 시스템의 사양을 보면 최대 허용 하중은 25kgf이며 80 x 80xl00cnf의 동작 영역을 가지고 있다.
하이브리드형 공압 서비스 로봇은 넓은 동작 영역을 구현하고 높은 하중에 견디는 성능을 보여주었다. 슬라이딩 모드 제어기를 사용하여 공압 액츄에이터의 비선형성을 극복하고 주어진 목표위치를 만족하도록 제어하였다. 개발된 시스템을 이용하여 실제 사람의 견관절부에 대한 동작 실험 결과 시스템의 안전성을 확인할 수 있었으며 치료 운동 동작의 구현 성능을 확인할 수 있었다.
제안된 제어기에는 시스템의 추종 성능을 향상시키기 위해 동역학적인 영향인 하중의 변화, 마찰려 외란을 고려하였다. 실험에서 동적 모델의 적용에 의한 시스템의 추종성능 변화 실험을 하였다.
가장 큰 압력을 받는 3번 축의 공압 액츄에이터에 대해 부하의 유무에 따른 추종성능을 실험하였고 전체 시스템에서 환자와 로봇이 결합된 상태로 물리 치료 운동 궤적의 구현 실험을 하였다. 실험은 동적 모델을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우로 비교하여 동적 모델의 적용에 대한 타당성을 검증하였다.
제안된 제어기에는 시스템의 추종 성능을 향상시키기 위해 동역학적인 영향인 하중의 변화, 마찰려 외란을 고려하였다. 실험에서 동적 모델의 적용에 의한 시스템의 추종성능 변화 실험을 하였다.
그림 10은 실험을 위해 로봇과 환자를 연결한 사진이다. 환자에게 장착된 고정기구는 수지로 제작되었으며 불필요한 관절의 동작을 고정하고 로봇과 안정되게 고정되도록 설계 되었다.
환자의 견관절부가 약 5cm의 직경의 원운동을 5초에 1회하는 속도로 움직이도록 로봇에 운동 명령을 주었을 때 궤적 추종 성능을 실험하였다. 그림 10은 실험을 위해 로봇과 환자를 연결한 사진이다.

이론/모형

본 연구에서 적용한 그림 4와 같은 병렬 구조부는 Lee와 Shah[14] 가 제안한 3RPS 병렬 매니풀레이터로서 선형 액츄 에이터의 베이스(fixed base) 부분에 회전 조인트, 플랫폼 (mcving platform) 부분에는 볼 조인트를 설치하여 2개의 회전과 1개의 병진 운동, 즉 3자유도를 가지는 구조이다.

성능/효과

슬라이딩 모드 제어기를 사용하여 공압 액츄에이터의 비선형성을 극복하고 주어진 목표위치를 만족하도록 제어하였다. 개발된 시스템을 이용하여 실제 사람의 견관절부에 대한 동작 실험 결과 시스템의 안전성을 확인할 수 있었으며 치료 운동 동작의 구현 성능을 확인할 수 있었다. 앞으로 보다 다양한 관절부의 치료를 위한 인체와 로봇 사이의 결합기구와 운동에 대한 연구와 개발이 필요하다고 생각된다.
물리 치료용 로봇의 요구 조건을 만족시키기 위해 기구적으로 직렬형과 병렬형 로봇을 결합한 하이브리드형 기구 메커니즘을 구성함으로써 넓은 동작영역과 높은 자유도를 확보하였으며 중복적인 안전장치를 적용하여 안전성을 확보하였다. 또한 구동기로써 공압 액츄에이터를 사용하여 시스템의 유연성을 높였다.
실험결과, 서보 모터에서 발생하는 오차는 미소하였으며 시스템의 대부분의 오차는 공압부에서 발생하고 있다. 오차의 정도는 수mm단위였으며 실제 환자의 치료에 있어서 이러한 오차는 치료 운동에 큰 영향을 미치지 않았다.
하중이 부가된 경우, 피스톤의 위치가 최대값이 되었을 때 오차가 발생하였고 시간 지연도 발생하였으나, 그 값이 적으므로, 제어기의 성능은 충분하다고 볼 수 있다. 실험결과를 통하여 슬라이딩 모드제어기의 성능을 검증할 수 있었다.(그림 10)
제어기에서 동적 모델을 적용한 경우와 기구모델만을 적용한 경우를 비교 실험 하였으며 동적모델을 적용한 제어기에서 보다 좋은 추종성을 보여주었다.
환자의 어깨에 대한 회전운동에 적용한 결과 부드러운 운동 특성을 확인할 수 있었으며 원하는 운동 궤적을 얻을 수 있었다.

후속연구

개발된 시스템을 이용하여 실제 사람의 견관절부에 대한 동작 실험 결과 시스템의 안전성을 확인할 수 있었으며 치료 운동 동작의 구현 성능을 확인할 수 있었다. 앞으로 보다 다양한 관절부의 치료를 위한 인체와 로봇 사이의 결합기구와 운동에 대한 연구와 개발이 필요하다고 생각된다.

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