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문제 정의
- 본 논문에서는 무관절 형태의 삼지를 가진 2자유도 (degree of freedom, DOF) 근전의수를 제안하고 의수의 파지 동작 수행에서 안정적인 파지를 위한 제어시스템을 제안한다. 제안된 근전의수는 손 기능을 수행하는 기계식 의수, 근전위 신호를 검출하는 근전위 센서(surface myoelectric sensor), 의 수의 동작과 파지력 을 제어 하는 제 어시스템 그리고 의수의 동력원인 충전용 배터리로 구성되어 있다.
- 본 논문에서는 파지와 손목 회전의 2자유도 기능을 가진 2자유도 근전의수를 제안하였다. 설계된 의수는 2단 기계식 자동 감속기를 채택하여, 부하에 따라 자동으로 변속하여 파지의 제어에 유리하면서도 파지력을 증가할 수 있도록 하였다.
- C 수동 소자로 구성하였기 때문에 능동소자를 이용한 BRF보다는 대역폭이 커지고, 이로 인해 근전위 신호의 중심주파수 성분도 함께 감쇄되는 현상이 발생한다. 본 연구에서는 BRF의 영향으로 감쇄된 근전위 신호의 중심주파수 성분을 보상하기 위하여 BRF의 출력단에 최대 60dB의 증폭 이득을 갖는 교류증폭기(AC amplifier)를 사용하였다. 이때 교류증폭기의 입력단은 사용자의 잔존근육 상태에 따른 근전위 신호의 최종 MAV 출력신호 크기를 조정하기 위해 수동으로 가변저항을 조정할 수 있도록 설계되었다.
가설 설정
- 본 연구에서 제안된 두 제어기의 동작 모드 변환은 두 근육에서 동시 수의수축이 발생하여 두 개의 근전위센서 출력신호가 미리 설정된 문턱치보다 크게 된 후 수의 수축이 해제되어 두 센서의 신호가 모두 문턱치보다 작아지면 이루어 진다. 최초 제어부에 전원이 투입되면 손 제어기 동작 모드만 수행이 가능하고(그림 5 (a) 참조) 손목 제어기의 동작 모드는 수행이 불가능하다. 그러나 두 근육의 동시 수의수축이 발생하여 두 근전위 센서 출력신호가 미리 설정된 문턱치보다 크게 된 후 수의수축이 해제되어 두 센서의 신호가 문턱치보다 작아지면, 손 제어기의 동작 모드는 멈추고 손목 제어기의 동작 모드만 수행된다(그림 5 (b) 참조).
- 형태로 설계하였다. 근전위 신호의 평균전도속도를 4m/sec로 가정하고, 근전위 신호의 대표적인 중심주파수를 90Hz, 110Hz로 설정하였을 때 각 중심주파수가 최대의 출력을 가지는 전극부의 두 입력전극사이 간격은 각각 22mm, 20mm, 18皿1로. 계산되었다.
제안 방법
- 게이지와 증폭기로 구성되어 있다. 4절 링크구조에서 레버는 0 에서 150N 까지의 파지력에 대하여 선형적인 굽힘응력이 측정될 수 있도록 설계되었다. 스트레인 게이지는 full-bridge 형태로서 레버의 상단에 길이 방향으로 부착된다.
- )가 사용되었다. DC 모터 구동IC의 제어 입 력단자 4개 (INI, IN2, INC, STB) 중 두개(INI, IN2)의 단자를 제어하여 모터의 정역 회전을 구현하였으며, 제어기에서 출.력되는 PWM 듀티(duty)를 사용하여 모터의 출력을 제어하였다.
- 각 손가락은 무관절 형태이다. 검지와 중지는 서로 커넥팅 로드(connecting rod)로 결합되어 있으며 이 두 손가락과 엄지 사이는 링크 구조로 이루어져 파지 및 손의 폄 동작이 엄지와 검지가 항상 동시에 작동되는 인체의 손동작을 모방하여 설계되었다. 특히 파지동작을 수행할 때는 엄지와 검지의 끝이 서로 맞닿게 되어 작은 물체를 잡을 수 있는 집 7](pinch) 동작이 가능하도록 설계되었다.
- 또한 미끌림 센서의 출력을 통해 파지한 물체와의 접촉 수직력 변화가 설정치보다 크면 손 제어기는 파지한 물체가 미끌림이 발생한 것으로 인식하여 기준 파지력을 높임으로써 모터의 출력 토크를 증가 시킨다. 결국 파지한 물체의 실제 파지력을 높여서 미끌림을 방지하도록 하였다. 그리고 파지력 센서의 출력이 미리 설정된 최대 파지력에 도달하면 파지 동작 수행을 위한 근전위 신호가 입력되어도 손 제어기는 모터의 구동을 정지시켜서 의수의 기구적인 파손을 방지하고 배터리의 전류 소모를 줄이도록 설계되었다.
- 근전위 신호의 절대 평균값을 얻기 위한 MAV 회로는 클램프(clamp) 회로를 이용한 배전압기(voltage doubler)와 첨두치 검출회로(peak detector)5. 구성하였고, 적분기integrated circuit)를 거쳐 리플을 제거한 최종 MAV 신호가 출력되도록 설계되었다.
- 결국 파지한 물체의 실제 파지력을 높여서 미끌림을 방지하도록 하였다. 그리고 파지력 센서의 출력이 미리 설정된 최대 파지력에 도달하면 파지 동작 수행을 위한 근전위 신호가 입력되어도 손 제어기는 모터의 구동을 정지시켜서 의수의 기구적인 파손을 방지하고 배터리의 전류 소모를 줄이도록 설계되었다. 이러한 파지력/미끌림 제어가 수행되면 손 제어기 동작 모드의 폄 동작 수행 이외에는 제어 모드를 벗어나지 못하며 손목 제어기 동작 모드로 변환되어도 파지력/미끌림 제어는 수행된다.
- 모터 출력 은 마찰 유성감속기 (friction planetary gear)에 의해 1/14로 1차 감속되고, 부하로부터 전달되는 역토크를 방지하기 위한 잠금장치 (lock element) 가마찰 유성감속기와 연결되어 있다. 그리고 파지부하에 따라 자동으로 파지 력 (grip force)을 증가시 키 기 위하여 유성 기 어와 조합된 2단 기계식 자동변속기(automatic transmission)를 설계하였다. 파지 부하가 작을 때는 유성기어의 특성을 이용하여 1단으로 모터 동력을 전달한다.
- )의 내부 신호원을 사용하였다. 디지털 신호 분석 시스템의 출력 스위치를 이용하여 각 센서의 입력 전극에 가상의 근전위 신호를 제어하였다. 가상의 근전위 신호가 입력되지 않을 때 출력은 시스템의 잡음이 입력되어 출력 신호의 DC 옵셋 전압(offset voltage)으로 나타나고 +lmV 정현파의 가 상근 전위 신호가 입력될 때 가상 근전위 신호에 대한 MAV 출력 신호가 나타난다.
- 마지막으로 상지 절단장애자를 대상으로 사용 편리성에 대해 실험하였다. 피검자는 현재 외국 제품 근전의수를 2년 동안 사용해온 장애인이다.
- 미끌림 센서는 손의 엄지 끝에 위치한 눌림판, 탄성체 저항, 그리고 그림 9와 같은 형상의 방사형 회로로 구성하여 제작하였다. 방사형 회로는 서로 120°의 각을 가진 세 개의 전기적인 회로로 이루어져 있으며, 방사형 회로 위에 놓인 탄성체 저항은 압력이 증가함에 따라 저항값이 감소하는 특성을 가지고 있다.
- 근육의 수축 정도를 인식하는 대표적인 방법으로는 출력되는 근전위 신호의 절대 평균값으로 표현되는 MAV 신호의 크기를 미리 정해둔 문턱치와 비교하는 것이다. 본 논문에서 제안하는 근전의수용 제어시스템은 두 부위의 근육에서 검출한 근전위 신호를 사용하여 사용자의 의도를 인식하고 근전의 수를 제어하였다.
- 그림 5는 손과 손목 제어기의 동작 알고리즘을 보여준다. 본 연구에서 제안된 두 제어기의 동작 모드 변환은 두 근육에서 동시 수의수축이 발생하여 두 개의 근전위센서 출력신호가 미리 설정된 문턱치보다 크게 된 후 수의 수축이 해제되어 두 센서의 신호가 모두 문턱치보다 작아지면 이루어 진다. 최초 제어부에 전원이 투입되면 손 제어기 동작 모드만 수행이 가능하고(그림 5 (a) 참조) 손목 제어기의 동작 모드는 수행이 불가능하다.
- 본 연구에서 제안된 제어시스템은 두 개의 제어기와 안정적인 파지동작을 수행하기 위한 파지력 센서, 미끌림 센서로 구성되어 있다. 각 제어기는 고속 CPU를 채용하고, 실시간 커널을 이용하여 구현되었다.
- 본 연구에서는 소형 표면 근전위 센서를 설계하기 위해 전극부는 기준전극이 두 입력전극의 가운데에 나란히 배치된 형태로 설계하였다. 근전위 신호의 평균전도속도를 4m/sec로 가정하고, 근전위 신호의 대표적인 중심주파수를 90Hz, 110Hz로 설정하였을 때 각 중심주파수가 최대의 출력을 가지는 전극부의 두 입력전극사이 간격은 각각 22mm, 20mm, 18皿1로.
- 상용화된 근전위 센서 13E12513]와 본 연구에서 제작된 근전위 센서인 KOREC sensor와의 성능 비교를 위하여 가상의 근전위 신호를 근전위 센서의 입력 전극에 입력하였다. 가상의 근전위 신호는 +lmV 정현파를 출력할 수 있으며 출력 신호의 주파수를 가변시킬 수 있는 디지털 신호 분석시스템(dynamic signal analysis : 35670A, Agilent Co.
- 상용화된 근전의수 sensorhand[10]와 개발된 근전의 수를 표 3에서 비교하였다. 개발된 근전의수의 동작범위와 최대파 지력은 상용화된 근전의수 보다 우수하나 파지속도와 파지력 제어에서는 다소 불리한 면이 있다.
- 근전의수를 제안하였다. 설계된 의수는 2단 기계식 자동 감속기를 채택하여, 부하에 따라 자동으로 변속하여 파지의 제어에 유리하면서도 파지력을 증가할 수 있도록 하였다. 잔존근육에서 근전위 신호를 검출하는 근전위 센서는 기존의 상용화된 센서와 본 연구에서 제작된 KOREC 센서를 비교한 결과 가상 근전위 신호를 이용한 실험에서 옵셋 전압을 고려한 전원잡음에 의한 상승치는 KOREC 센서가 0.
- 그리고 기어비 30:1의 하모닉(harmonic) 기어를 사용하여 동력 전달축의 변화 없이 2차로 감속하여 동력을 전달한다. 손목 모듈의 최종 회전 속도는 14rr)m으로 정역 회전이 가능하도록 설계하였다.
- 그러나 사용한 근전의수는 1자 유도로써 손목의 회전 기능이 없는 근전의수였다. 손목 회전과 손가락 파지, 동작 모드 변환을 위한 두 근육의 동시 수의수축 훈련을 약 10분 정도 수행하였다. 실험 결과, 피검자는 개발된 의수의 4가지 동작을 쉽게 구현하였으며 각 동작 구현에 있어서 편하며, 빨리 익숙해 질 수 있다는 의견을 제시하였다.
- 본 연구에서는 BRF의 영향으로 감쇄된 근전위 신호의 중심주파수 성분을 보상하기 위하여 BRF의 출력단에 최대 60dB의 증폭 이득을 갖는 교류증폭기(AC amplifier)를 사용하였다. 이때 교류증폭기의 입력단은 사용자의 잔존근육 상태에 따른 근전위 신호의 최종 MAV 출력신호 크기를 조정하기 위해 수동으로 가변저항을 조정할 수 있도록 설계되었다. 근전위 신호의 절대 평균값을 얻기 위한 MAV 회로는 클램프(clamp) 회로를 이용한 배전압기(voltage doubler)와 첨두치 검출회로(peak detector)5.
- 이때 자동변속기의 출력 회전 속도는 8:1로 감속되 고, 최종 파지력 은 최대 140N 까지 증가된다. 자동변속기의 동력 전달축을 90도 변환하기 위하여 기어비 1:1의 베벨기어(bevel gear)를 사용하였고, 마지막으로 안전장치인 미끌림 클러치(slip clutch)7} 내장된 평기어 (spur gear)를 연결하여 손가락과 연결하였다(그림 1 참조).
- 전극부는 땀과 습기의 영향을 줄이기 위해 SUS440 금속 재료를 사용하여 피부와 접촉하는 전극으로 구성하였고, 근전위 신호의 전도속도(conduction velocity)[5]와 중심주파수(median frequency)[6]를 고려하여 두 입력 전극 사이의 간격 (inter-electrode distance)을 설정하였다. 근전위 센서에 내장된 회로부는 차동증폭기, 필터, 증폭기, 적분기 등으로 구성되어 있으며 최종 출력은 절대평균값으로 표현되는 MAV 신호이다.
- 제안된 근전의수는 손 기능을 수행하는 기계식 의수, 근전위 신호를 검출하는 근전위 센서(surface myoelectric sensor), 의 수의 동작과 파지력 을 제어 하는 제 어시스템 그리고 의수의 동력원인 충전용 배터리로 구성되어 있다.
- 제안된 제어시스템은 제어부와 파지력 센서 미끌림 센서로 구성되어 실시간으로 제어기가 동작하도록 프로그램 하였다. 가상의 근전위 신호와 미끌림 신호를 이용한 파지력 실험을 수행한 결과 본 연구에서 저]안한 제어시스템의 안정된 파지동작을 확인하였다.
- 스트레인 게이지는 full-bridge 형태로서 레버의 상단에 길이 방향으로 부착된다. 증폭기는 스트레인 게이지의 전압변동을 700배 이상 증폭되도록 설계되었다. 손 제어기는 증폭기의 출력신호를 받아서 실제 파지력을 계산하여 파지동작 수행 중 기준 파지력과 비교하는데 사용한다.
대상 데이터
- 가상의 근전위 신호는 +lmV 정현파를 출력할 수 있으며 출력 신호의 주파수를 가변시킬 수 있는 디지털 신호 분석시스템(dynamic signal analysis : 35670A, Agilent Co.)의 내부 신호원을 사용하였다. 디지털 신호 분석 시스템의 출력 스위치를 이용하여 각 센서의 입력 전극에 가상의 근전위 신호를 제어하였다.
- ) 를 채용하였고, 제어 프로그램은 실시간 커널인 uCOS-II에서 실행되도록 구현하였다. 두 제어기에서 사용된 DC 모터 구동 IC 는 모두 H 브리지 회로 (h-bridge circuit)가 내장된 pPD16805(NEC CO.)가 사용되었다. DC 모터 구동IC의 제어 입 력단자 4개 (INI, IN2, INC, STB) 중 두개(INI, IN2)의 단자를 제어하여 모터의 정역 회전을 구현하였으며, 제어기에서 출.
- 있다. 입력전극과 기준전극의 두께는 25nm로 설계하였고, 피부와 접촉하는 각 전극의 높이는 1.5mm 이상이 되도록 제작하였다 제작된 근전위 센서의 전체 크기는 19x28x12mm [WxDxH] 이다.
- 각 제어기는 고속 CPU를 채용하고, 실시간 커널을 이용하여 구현되었다. 파지력 센서는 스트레인 게이지를 사용하였고 미끌림 센서는 탄성체 저항(force sensing resistor : FSR)을 이용하여 제작하였다.
- 실험하였다. 피검자는 현재 외국 제품 근전의수를 2년 동안 사용해온 장애인이다. 그러나 사용한 근전의수는 1자 유도로써 손목의 회전 기능이 없는 근전의수였다.
성능/효과
- 이것은 제작된 센서가 전원잡음에 대한 영향이 작다는 것을 의미한다. KOREC 센서의 출력이 상용화 된 센서의 출력보다 전반적으로 높게 나타났다. 이것은 두 센서의 설계에 있어서 회로부의 필터 성능 특성이 다르다는 것을 의미한다.
- 이것은 제작된 센서가 전원잡음에 대한 영향이 작다는 것을 의미한다. KOREC 센서의 출력이 상용화 된 센서의 출력보다 전반적으로 높게 나타났다. 이것은 두 센서의 설계에 있어서 회로부의 필터 성능 특성이 다르다는 것을 의미한다.
- 1V 높게 나타났다. 가상 근전위 신호가 전원잡음 성분인 60Hz가 입력되었을 경우에는 본 연구에서 제작된 KOREC 센서의 출력은 0.25V이고 상용화 된 센서의 출력은 0.17V로서 0.08V 높게 나타났다. 그러나 옵셋 전압을 고려한 전원잡음에 의한 상승치는 KOREC 센서가 0.
- 가상의 근전위 신호와 미끌림 신호를 이용한 파지력 실험을 수행한 결과 본 연구에서 저]안한 제어시스템의 안정된 파지동작을 확인하였다. 상지 절단 장애자를 대상으로 한 평가실험의 결과, 피검자의 근전위 신호에 의한 근전의 수의 구동에서 제어시스템의 소모전류는 평균 250mA, 순간 최대 전류는 1000mA 이었다.
- 08V 높게 나타났다. 그러나 옵셋 전압을 고려한 전원잡음에 의한 상승치는 KOREC 센서가 0.07V이고 상용화 된 센서는 0.17V로서 상용화 된 센서의 상승치가 0.1V 더 높았다. 이것은 제작된 센서가 전원잡음에 대한 영향이 작다는 것을 의미한다.
- 의수의 제어시스템에서 사용된 Li-Ion 배터리의 용량이 llOOmAh 이므로 시스템에 미치는 영향이 없는 것으로 판단된다. 그리고 사용된 배터리는 피검자의 일상생활에서 의수를 사용하는 평균 4시간은 충분히 가능한 것으로 판단된다. 그림 15는 실험에 참여한 피검자가 완성된 근전의수를 착용하고 물건을 파지하는 사진이다.
- 것을 보여준다. 그리고 절단장애인에 대한 실험에서 개발된 근전의수 제어시스템이 사용에 있어서 편하다는 의견을 제시하였다.
- 두 실험의 결과로부터 초기 가상 근전위 신호의 크기에 의해서 계산된 기준 파지력에 도달하는 실제 파지력 센서의 출력은 약 150msec 정도 소요되지만(그림 14 (b) 참조), 이후 가상 근전위 신호의 크기가 증가하여 제어기에서 계산되는 기준 파지력 이 증가함에 따라 실제 파지 력 센서 의 출력이 추정하는 시간은 50msec 이내로서 근전의수 제어시스템의 반웅시간인 3(Xtasec[9]와 비교하면 상당히 짧은 시간이다. 이것은 제안된 손 제어기가 절단장애인이 사용하는데 문제가 없다는 것을 의미한다.
- 제안된 근전위 센서의 MAV 출력신호의 상승과 하강 시간은 근전의 수 제어시스템의 반응시간인 300msec[9]와 비교하면 빠른 응답시간이다. 따라서 제안된 센서가 근전의수 제어시스템에서 충분히 사용이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
- KOREC 센서의 출력이 상용화 된 센서의 출력보다 전반적으로 높게 나타났다. 따라서 제작된 근전위 센서가 근전의수에 사용이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
- 본 논문에서 제안하는 근전의수의 제어시스템은 가상의 근 전위 신호를 이용한 실험에서 안정적인 파지 동작이 수행되는 것을 보여준다. 그리고 절단장애인에 대한 실험에서 개발된 근전의수 제어시스템이 사용에 있어서 편하다는 의견을 제시하였다.
- 상용화된 근전위 센서와 본 연구에서 제작된 근전위 센서의 MAV 출력 신호의 상승 시간은 각각 155msec, 167msec 이고, 하강 시간은 각각 199msec, 230msec 로 나타났다. 제안된 근전위 센서의 MAV 출력신호의 상승과 하강 시간은 근전의 수 제어시스템의 반응시간인 300msec[9]와 비교하면 빠른 응답시간이다.
- 가상의 근전위 신호와 미끌림 신호를 이용한 파지력 실험을 수행한 결과 본 연구에서 저]안한 제어시스템의 안정된 파지동작을 확인하였다. 상지 절단 장애자를 대상으로 한 평가실험의 결과, 피검자의 근전위 신호에 의한 근전의 수의 구동에서 제어시스템의 소모전류는 평균 250mA, 순간 최대 전류는 1000mA 이었다. 사용된 배터리의 용량을 고려하면 근전의수를 사용하는 평균 4시간은 충분하고 판단된다.
- 손목 회전과 손가락 파지, 동작 모드 변환을 위한 두 근육의 동시 수의수축 훈련을 약 10분 정도 수행하였다. 실험 결과, 피검자는 개발된 의수의 4가지 동작을 쉽게 구현하였으며 각 동작 구현에 있어서 편하며, 빨리 익숙해 질 수 있다는 의견을 제시하였다.
- 설계된 의수는 2단 기계식 자동 감속기를 채택하여, 부하에 따라 자동으로 변속하여 파지의 제어에 유리하면서도 파지력을 증가할 수 있도록 하였다. 잔존근육에서 근전위 신호를 검출하는 근전위 센서는 기존의 상용화된 센서와 본 연구에서 제작된 KOREC 센서를 비교한 결과 가상 근전위 신호를 이용한 실험에서 옵셋 전압을 고려한 전원잡음에 의한 상승치는 KOREC 센서가 0.07V이고 상용화 된 센서는 0.17V로서 상용화 된 센서의 상승치가 0.1V 더 높았다. 이것은 제작된 센서가 전원잡음에 대한 영향이 작다는 것을 의미한다.
- 사용된 배터리의 용량을 고려하면 근전의수를 사용하는 평균 4시간은 충분하고 판단된다. 특히 상용화된 근전의수와 개발된 근전의수를 비교한 결과 근전의 수 사용자들이 민감하게 생각하는 무게에 있어서 개발된 의수가 90g 가벼운 것으로 나타났다, 따라서 실제로 상지 절단 장애인들이 일상생활에서 개발돤 근전의수를 장시간 사용할 때 산체적인 피로감을 덜어 주어 의수 사용에 많은 도움이 될 것으로 판단된다.
- 피검자의 근전위 신호에 의한 의수의 구동에서 제어시스템의 소모전류는 평균 250mA, 순간 최대 전류는 lOOOniA 이었다. 의수의 제어시스템에서 사용된 Li-Ion 배터리의 용량이 llOOmAh 이므로 시스템에 미치는 영향이 없는 것으로 판단된다.
후속연구
- 본 연구에서 제안한 근전의수가 보다 높은 안정성을 확보하고, 제품의 신뢰성을 높이기 위해서는 다양한 사용자를 대상으로 장시간에 걸친 실제 생활환경 실험을 수행할 필요가 있다. 이러한 실험이 완료되면 국내의 상지 절단 장애자들의 삶의 질 향상에 기여할 것으로 사료된다.
- 이러한 실험이 완료되면 국내의 상지 절단 장애자들의 삶의 질 향상에 기여할 것으로 사료된다.
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