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문제 정의
- 더욱이, 환자의 능동적인 보행 재활을 허락하기 위해 보행 동안 상하지 운동을 연동하는 개념의 재활 로봇은 제시되지 않고 있다. 따라서, 기존의 걸음 재활 로봇들의 단점을 극복하는 새로운 형태의 재활로봇의 기술 개발이 필요하고 본 논문에서는 새롭게 제시된 상하지 연동 보행재활로봇의 전체개요 및 로봇의 설계에 대해서 논한다.
- 있다. 따라서, 최근의 생체 역학 연구 결과들에 근거해서, 상하지가 연동된 보행 재활 로봇 장치를 제시하고자 한다. 그림 1 은 보행 동안 팔과 다리의 연동을 가능하개 하는 상-하지의 관계 도를 나타내고 있다.
- 본 논문에서는 상하지 연동된 새로운 보행 재활 로봇의 설계에 대해서 설명하였다. 제안된 로봇은 기존의 로봇에 비 해소형(comp故)으로 정상 보행 궤적을 생성시킬 수 있는 작업공간 (최대 보폭0.
- 따라서, 같은 보행 주기를 유지하면서 정상 보행 궤적을 구현하기 위해서는 상■하지의 운동 궤적을 설계하는 것이 중요한 이슈가 된다. 본 논문에서는 이상의 개념들을 이용해 새로운 보행 재활 로봇을 제시하고 상-하지의 보행 궤적 설계에 대해서도 논할 것이다
제안 방법
- 가능한 구조가 단순하면서, 자연스런 보행패턴 생성 및 다양한 지면에서의 보행연습을 허락하기 위하여 그림 2에 나타난 것 같이 보행재활시스템을 설계하였다. 보행 패턴 재생을 위해 제안된 로봇은 슬라이드장치 및 발지지장치, 상지 제어장치, 환자의 무게지지장치로 나눠진다.
- 나타나는 불확실성을 낮출 수 있도록 하였다. 궤적 생성알고리즘을 통해 구해진 궤적을 Virtual Rea旳 Toolbox를 통해 보행 모션을 시각적으로 구현하였고, 실제 적용 가능한 궤적으로 정상 보행을 나타내는지를 육안으로 확인하였다. 입력으로 주어진 변수들은 보폭(step) 길이, 보행 속도, 최대걸음 높이(maximum step height), 최대 회전 각으로 각각 0.
- 다양한 지면에서의 걸음 시뮬레이션도 가능하다. 그 외, 사용자 직관적인 보행패턴 변형 및 자연스런 가상환경 인터페이스를 허락하기 위하여 정상 보행 동안 발의 스윙과 손의 스윙이 일치하게 동작이 일어난다는 것에 착안하여 상지 입력장치를 설계하였다. 그림 3은 제안된 상하지 연동 보행 장치의 실제 제작된 그림을 나타내고 있다
- 이를 통해 추후 가상환경등과 연동되었을 때 가상환경과의 상호작용을 통한 효과적인 재활훈련이 가능하게 하였다. 또한 실시간 제어를 가능하게 하는 하드웨어, 소프트웨어 제어 시스템의 설계가 제시되었으며 동력학 시뮬레이션을 통해 제안된 보행궤적 및 제어기를 검증하였다. 추후과제로 정상인을 상대로 한 보행실험을 수행하고 주어진 궤적을 따라 상하지 연동을 통한 보행훈련 및 상지제어장치를 통해 보행의 속도를 변동시키는 보행속도 적응 알고리즘을 개발할 예정이다.
- 보행동안 팔의 회전이 180 도의 위상차를 가지고 동일한 진폭으로 움직인다고 가정하여 체인 및 기어, 샤프트(shaft)에 의해 양 팔에 위치한 회전 링크들이 연결되어 양팔 운동의 동기화를 구축하였다 이때, 무게지지대(b妙 support system)를 조절하는 것으로 회전 링크의 회전축이 환자의 어깨의 회전축과 평행하게 위치하도록 하였고, 회전링크 및 손잡이 사이에 베어링이 삽입된 수동병진 조인트(passive prisma前c joint)를 설치하여 팔의 회전 시 팔목 조인트의 회전에 의한 팔의 길이 변동을 대처할 수 있도록 하였다. 또한, 손잡이에는 마이크로 on/off 스위치가 장착되어 가상환경과 연결되었을 때 보행의 방향전환 및 기타 보행 제어를 위한 궤적생성의 입력 값으로 활용할 수 있도록 하였다. 그림 6은 상지입력장치의 설계된 3차원 CAD 모델을 나타내고 있다.
- 두 개의 컴퓨터가 제어를 위해 사용되었고, 하나는 훈련을 위한 보행 변수를 물리치료사가 조절하면서 훈련의 상태를 관찰하수 있는 모니터링 PC로 사용되고, 다른 하나는 EV-RT를 운영하는 임베디드 프로그램을 위한 PC로 사용되었다. 모니터링 PC에는 그림 9와 같이 GUI를 구성하여 물리치료사가 환자의 상태에 따라서 변수 조절 및 모니터링을 할 수 있도록 하였다. 개발된 GUI는 다양한 재활모드를 포함하고 보행재활시스템의 입력 출력 값을 모니터링 할 수 있다.
- 것 같이 보행재활시스템을 설계하였다. 보행 패턴 재생을 위해 제안된 로봇은 슬라이드장치 및 발지지장치, 상지 제어장치, 환자의 무게지지장치로 나눠진다. 슬라이드 장치는 회전 구동기에 의해 구동되는 벨트가 양 발에 위치해 있는 슬라이드 플랫폼에 연결되어 있고, 선형가이드(血竝 gudie)를따라 운동하는 슬라이드 플랫폼 위에 발지지장치가 연결되어 있는 구조로 되어있다.
- 병진조인트로 구성되어 있다. 보행동안 팔의 회전이 180 도의 위상차를 가지고 동일한 진폭으로 움직인다고 가정하여 체인 및 기어, 샤프트(shaft)에 의해 양 팔에 위치한 회전 링크들이 연결되어 양팔 운동의 동기화를 구축하였다 이때, 무게지지대(b妙 support system)를 조절하는 것으로 회전 링크의 회전축이 환자의 어깨의 회전축과 평행하게 위치하도록 하였고, 회전링크 및 손잡이 사이에 베어링이 삽입된 수동병진 조인트(passive prisma前c joint)를 설치하여 팔의 회전 시 팔목 조인트의 회전에 의한 팔의 길이 변동을 대처할 수 있도록 하였다. 또한, 손잡이에는 마이크로 on/off 스위치가 장착되어 가상환경과 연결되었을 때 보행의 방향전환 및 기타 보행 제어를 위한 궤적생성의 입력 값으로 활용할 수 있도록 하였다.
- 본 논문에서 제안된 보행재활로봇은 로봇이 평지 이외에 다양한 지면(평지, 계단, 경사등)을 생성시킬 수 있으며, 상하지 연동 개념을 이용하여 환자의 상지와 로봇 팔의 상호작용에 의해 보행패턴을 변화(ad祁tation) 시킬 수 있다. 단, 이때 환자는 상지를 움직이는데 크게 문제가 없어야 한다.
- 안전을 위해 슬라이더 장치의 선형가이드 양 쪽 끝에 2개의 리미트 스위치(롤러 타입)가 설치되어 비상 사태 시 구동기를 불능화시키기 위해 사용되었다. 부과적인 안전장치로 AC서보모터 및 BLDC 모터의 엔코더 값을 측정하여 제한 문턱 치 이상의 신호가 들어 올 경우 불능화 신호를 발생시켜 시스템을 정지시키도록 하였다. 표 1은 최종 설계된 재활로봇장치의 사양을 나타내고 있다.
- 보행 충격에 의한 외란에도 강건하고, 구현이 간단한 슬라이딩 모드 제어기 [1 기가슬라이드장치에 사용되었다. 상지 입력장치는 Maxon EPOS 제어기에 구현된 PID 제어기를 사용하여구동되 었고, 비 슷하게 발지 지 장치 에 사용되는 선형 구동기 는 8축 모션제어기에서 제공되는 궤적생성함수(ti面ectoiy generator fimction)를 사용하여 PID로 제어되었다. 위 3개의 구동기는 각각 독립적으로 제어되며 미리 생성된 보행궤적의 최대 오차를 줄이기 위해 독립적으로 변수들이 조절 되었다.
- 성 되었다. 상지제어장치의 모션은 단순 sinusoidal 궤적을 생성시키도록 설계되었고, 설계 변수로 최대 진폭(max amplitude) 및 팔 주파수(arm frequency)가 주어진다. 따라서, 팔 회전 각은 다음과 같이 구할 수 있다
- 상지제어장치의 모터로는 엔코더가장착된 250W의 Brushless 맥슨모터를 사용하여 최대 25Nm를발생시킬 수 있도록 감속기가 (감속비 10:1)가 선택되었다. 슬라이드장치에 사용되는 750W의 AC서보모터의 경우 최고 보행속도 2.3m/sec 이상 구현 가능하여 보행 재활에 필요한 정상 보행 속도(lm/s)를 만족하도록 하였다. 안전을 위해 슬라이더 장치의 선형가이드 양 쪽 끝에 2개의 리미트 스위치(롤러 타입)가 설치되어 비상 사태 시 구동기를 불능화시키기 위해 사용되었다.
- 3m/sec 이상 구현 가능하여 보행 재활에 필요한 정상 보행 속도(lm/s)를 만족하도록 하였다. 안전을 위해 슬라이더 장치의 선형가이드 양 쪽 끝에 2개의 리미트 스위치(롤러 타입)가 설치되어 비상 사태 시 구동기를 불능화시키기 위해 사용되었다. 부과적인 안전장치로 AC서보모터 및 BLDC 모터의 엔코더 값을 측정하여 제한 문턱 치 이상의 신호가 들어 올 경우 불능화 신호를 발생시켜 시스템을 정지시키도록 하였다.
- 각각의 다른 보행속도에 관해서 보폭 주기가 계산될 수 있고 보폭 주기에 따른 발가락 및 발등 위치에 대해 Cubic Spline 보간법을 이용하여 각각 구하였다. 이상과 같이, 슬라이드장치, 발지지장치, 상지입력장치 각각의 궤적생성으로부터 각 장치들이 같은 주기로 동기화되어 보행 속도의 변화에도 최종적으로 정상 보행 패턴을 유지하도록 하였다.
- 전체 로봇들을 포함한 시스템의 제어기 및 각 장치의 보행궤적을 검증하기 위해 동력학 시뮬레이션을 Matlab 내의 Sinunechanics, Simulink 및 Virtual Reality Toolbox를 사용하여 구현하였다 위 시뮬레이션을 통해 제어기의 안정성을 우선 검증하고, 생성된 궤적의 적정성을 검토하여 실제 재활 적용 때 나타나는 불확실성을 낮출 수 있도록 하였다. 궤적 생성알고리즘을 통해 구해진 궤적을 Virtual Rea旳 Toolbox를 통해 보행 모션을 시각적으로 구현하였고, 실제 적용 가능한 궤적으로 정상 보행을 나타내는지를 육안으로 확인하였다.
- 선형구동부。1, P2)는 마운팅에 의해서 슬라이드 플랫폼에 단단히 고정된다. 최종적으로 슬라이드 장치 플랫폼의 전 후진 운동 및 발지지대 플랫폼의 상하 및 피치 운동의 조합을 통해 다양한 지면에서의 보행궤적을 생성시키도록 설계되었다.
- 환자의 상체를 지지하기 위해서, 간단한 무게 지지대가 그림 7과 같이 설계되었다 제안된 무게지지대는 환자로 하여금 보행 동안 상하지가 움직일 때 자유롭게 움직일 수 있도록 허락하면서, 부분적으로 상지를 지지하고 환자가 로봇에서 떨어지는 것을 방지한다. 기존의 하니스(hamess)를 사용할 경우 환자의 상체 움직임이 불편하여 상하지 연동 재활의 효과를 반감시킬 수 있다.
대상 데이터
- 또한, 마찰, 댐핑 등과 같은 로봇 동력학에서 정확하게 알려지지 않은 변수들을 이용하여주어 진 궤적을 정확히 추종하는 것이 중요하기 때문에 슬라이드 장치의 AC 서보모터의 경우 강건제어기가 선택되었다. 보행 충격에 의한 외란에도 강건하고, 구현이 간단한 슬라이딩 모드 제어기 [1 기가슬라이드장치에 사용되었다. 상지 입력장치는 Maxon EPOS 제어기에 구현된 PID 제어기를 사용하여구동되 었고, 비 슷하게 발지 지 장치 에 사용되는 선형 구동기 는 8축 모션제어기에서 제공되는 궤적생성함수(ti面ectoiy generator fimction)를 사용하여 PID로 제어되었다.
- 4m/猝, 최고하중 43kg)가 사용되었다. 상지제어장치의 모터로는 엔코더가장착된 250W의 Brushless 맥슨모터를 사용하여 최대 25Nm를발생시킬 수 있도록 감속기가 (감속비 10:1)가 선택되었다. 슬라이드장치에 사용되는 750W의 AC서보모터의 경우 최고 보행속도 2.
이론/모형
- 발판의 Y축 궤적은 발가락(toe) 및 발등(Imel)모션으로 구성되고, 그림 12에 나타난 것 같이 본 궤적은 인간의 정상보행궤적을 연구했던 연구 결과[16]를 기초로 다시 재생되었다. 각각의 다른 보행속도에 관해서 보폭 주기가 계산될 수 있고 보폭 주기에 따른 발가락 및 발등 위치에 대해 Cubic Spline 보간법을 이용하여 각각 구하였다. 이상과 같이, 슬라이드장치, 발지지장치, 상지입력장치 각각의 궤적생성으로부터 각 장치들이 같은 주기로 동기화되어 보행 속도의 변화에도 최종적으로 정상 보행 패턴을 유지하도록 하였다.
성능/효과
- 단, 이때 환자는 상지를 움직이는데 크게 문제가 없어야 한다. 게다가 제안된 재활 로봇은 최근에 개발된 다른 보행 재활로봇에 비해 정상 보행 궤적을 만족시키면서도 소형(compact)이고 각 장치가 모듈화로 분리조립이 가능하다. 위 특징으로 인해 제안된 보행재활로봇은 이동성이 좋고 경제성도 우수해 일반가정에서 원격 재활[1 이로 적용하기 쉽고, 병원의 실내에서도 손쉽게 설치 가능해 실용화 가능성이 기존 보행 재활 로봇에 비해 크다고 할 수 있다.
- 결론적으弓 기존에 제시된 보행 재활 로봇들은 시스템이 크고(bulky) 복잡하여 실용성이 떨어지거나[3-5], 로봇 플랫폼의 작업 공간이 적어 정상 보행 패턴의 자연스런 걸음을 만족하는 걸음 궤적을 생성시키는데 어려움이 있거나[6, 기, 다양한 지면을 제공하지 못하는 단점이들을 가지고 있다. 더욱이, 환자의 능동적인 보행 재활을 허락하기 위해 보행 동안 상하지 운동을 연동하는 개념의 재활 로봇은 제시되지 않고 있다.
- 8m)을 가지면서, 다양한 지면 (계단, 경사) 생성이 가능해 기존에 제시된 재활장치에 비해 설계 면에서 큰 장점을 가진다. 더군다나, 제안된 보행 재활 로봇은 보행 동안의 상하지를 연동시키는 것을 가능하게 하여 능동적으로 환자가 보행 재활동안 보행 속도등을 조절할 수 있도록 하여, 보행 동안 환자의 참여도를 크게 할 수 있다. 이를 통해 추후 가상환경등과 연동되었을 때 가상환경과의 상호작용을 통한 효과적인 재활훈련이 가능하게 하였다.
- 9도 이내 였다. 동력학 시뮬레이션 결과를 통해 구해진 제어 변수들을 실제 실험의 초기값으로 사용할 예정이고, 각 장치의 보행 궤적은 정상패턴의 보행궤적을 발생시키면서 적은 에러로 추종하는 것을 검증하였다.
- 게다가 제안된 재활 로봇은 최근에 개발된 다른 보행 재활로봇에 비해 정상 보행 궤적을 만족시키면서도 소형(compact)이고 각 장치가 모듈화로 분리조립이 가능하다. 위 특징으로 인해 제안된 보행재활로봇은 이동성이 좋고 경제성도 우수해 일반가정에서 원격 재활[1 이로 적용하기 쉽고, 병원의 실내에서도 손쉽게 설치 가능해 실용화 가능성이 기존 보행 재활 로봇에 비해 크다고 할 수 있다. 본 장에서는 제안된 재활 로봇의 구체적인 설계에 대해 설명 할 것이다.
- 대해서 설명하였다. 제안된 로봇은 기존의 로봇에 비 해소형(comp故)으로 정상 보행 궤적을 생성시킬 수 있는 작업공간 (최대 보폭0.8m)을 가지면서, 다양한 지면 (계단, 경사) 생성이 가능해 기존에 제시된 재활장치에 비해 설계 면에서 큰 장점을 가진다. 더군다나, 제안된 보행 재활 로봇은 보행 동안의 상하지를 연동시키는 것을 가능하게 하여 능동적으로 환자가 보행 재활동안 보행 속도등을 조절할 수 있도록 하여, 보행 동안 환자의 참여도를 크게 할 수 있다.
후속연구
- 또한 실시간 제어를 가능하게 하는 하드웨어, 소프트웨어 제어 시스템의 설계가 제시되었으며 동력학 시뮬레이션을 통해 제안된 보행궤적 및 제어기를 검증하였다. 추후과제로 정상인을 상대로 한 보행실험을 수행하고 주어진 궤적을 따라 상하지 연동을 통한 보행훈련 및 상지제어장치를 통해 보행의 속도를 변동시키는 보행속도 적응 알고리즘을 개발할 예정이다.
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