[논문]보행보조로봇을 위한 다중 생체/역학 센서의 신호 분석 및 사용자 의도 감지

장은혜; 전병태; 지수영; 이재연; 조영조

[국내논문] 보행보조로봇을 위한 다중 생체/역학 센서의 신호 분석 및 사용자 의도 감지
Detection of Implicit Walking Intention for Walking-assistant Robot Based on Analysis of Bio/Kinesthetic Sensor Signals 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.5 no.4, 2010년, pp.294 - 301

장은혜 (한국전자통신연구원 융합기술연구부문 로봇) , 전병태 (한경대학교 웹정보공학과) , 지수영 (한국전자통신연구원 융합기술연구부문 로봇) , 이재연 (한국전자통신연구원 융합기술연구부문 로봇) , 조영조 (한국전자통신연구원 융합기술연구부문 로봇)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to produce a convenient robot for the aged and the lower limb disabled, it is needed for the research detecting implicit walking intention and controlling robot by a user's intention. In this study, we developed sensor module system to control the walking- assist robot using FSR sensor and tilt sensor, and analyzed the signals being acquired from two sensors. The sensor module system consisted of the assist device control unit, communication unit by wire/wireless, information collection unit, information operation unit, and information processing PC which handles integrated processing of assist device control. The FSR sensors attached user's the palm and the soles of foot are sensing force/pressure signals from these areas and are used for detecting the walking intention and states. The tilt sensor acquires roll and pitch signal from area of vertebrae lumbales and reflects the pose of the upper limb. We could recognize the more detailed user's walking intention such as 'start walking', 'start of right or left foot forward', and 'stop walking' by the combination of FSR and tilt signals can recognize.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 하반신 마비환자의 보행보조를 목적으로 한 로봇을 제어하기 위한 사용자 의도를 확인하고자 하였다. 환자들의 상체기능은 정상이라는 점을 감안하여, 3족보행 (양손의 지팡이를 짚고 한 걸음 걷는 보행)을 기반으로 한 보행보조로봇을 제어하고자 할 때, 사용자의 의식적인 조작 없이 자연스럽게 묵시적으로 의도를 획득할 수 있는 상체 정보를 고려하였다.
본 연구의 목적은 하반신 마비환자의 보행보조로봇을 통제하기 위한 사용자의 보행 의도를 파악하는 것으로, 사용자의 보행 의도를 파악을 위하여 저항 센서와 기울기 센서를 사용하였다. 각 센서 신호의 특성을 이용하고 융합함으로써 보행보조로봇에 사용할 수 있는 사용자 의도를 파악할 수 있었다.
본 연구의 목적은 하반신 마비환자의 보행보조로봇을 통제하기 위한 사용자의 보행 의도를 파악하는 것으로, 사용자의 보행 의도를 파악을 위하여 저항 센서와 기울기 센서를 사용하였다. 각 센서 신호의 특성을 이용하고 융합함으로써 보행보조로봇에 사용할 수 있는 사용자 의도를 파악할 수 있었다. 저항 및 기울기 센서 신호의 융합은 보다 정확한 보행 의도를 감지하고, 추후 정량적 분석을 통하여 보행보조로봇의 제어를 위한 신호로서 활용이 가능할 것이다.

제안 방법

보행보조로봇의 최근 연구 동향을 살펴보면, Berkeley 대학에서 군인의 보행을 혁신적으로 향상시켜주는 군인용 로봇 시스템 (BLEEX)을 개발하였고^[5], 보행 재활과 관련하여 MIT 대학(Michigan Technological University) Herr 연구팀에서 AAFO (Active Ankle Foot Orthosis)를 개발한 바 있다^[6]. 이는 Drop-foot 환자를 위하여 발목의 임피던스를 조절하는 착용형 보조기이며, 기기의 토크를 제어하기 위하여 스프링을 이용한 SEA를 적용하였다. Hocoma社에서는 좌우 대칭 착용형 로봇으로 체중을 지지할 수 있는 장치와 트레드밀로 구성된 LOKOMAT을 개발하였다.
또한 서강대에서는 입는 로봇인 SUBAR를 개발하였으며, 이 로봇은 캐스터 워커와 외골격착용부로 구성되어 상용화 단계에 있다[13]. 캐스터 워커에 조향 장치를 두어 사용자가 진행 방향을 조정하고, 주행시 사용자가 지지할 수 있도록 하였고, 대부분 무거운 주변 장치를 탑재하였다. 외골격 착용부는 실제 사용자가 입을 수 있도록 경량화되었다.
반면, 정상인의 근력 증폭 및 노약자의 보행보조를 위한 HAL-5에서는 근전도 신호를, 하반신 마비환자의 보행 보조를 위한 로봇인 HAL-5 Type-C에서는 FRF(Floor reaction force)을 이용하여 중력의 중심(COG: Center of Gravity)의 위치를 확인함으로써 사용자의 의도를 측정하였다^[22]. 재활공학연구소의 동력보행보조기 또한 근전도 생체신호를 이용하여 보행의도를 확인하고 발바닥의 압력분포가 측정되는 발센서를 활용하여 체중심의 위치를 측정하여 보행이 안정적인 단계인지를 확인하였다^[12]. 이러한 생체역학신호는 근육의 활동에 앞서 측정이 가능하기 때문에 사용자의 보행의도를 측정하기 위한 유용하고 신뢰로운 정보이며, 조이스틱이나 버튼과 같은 수동 컨트롤러보다 더 쉽게 조작이 가능할 뿐 아니라 무의식적 인터페이스에 의해 직접적으로 사용자의 의도를 측정할 수 있다^[22].
본 연구에서는 하반신 마비환자의 보행보조를 목적으로 한 로봇을 제어하기 위한 사용자 의도를 확인하고자 하였다. 환자들의 상체기능은 정상이라는 점을 감안하여, 3족보행 (양손의 지팡이를 짚고 한 걸음 걷는 보행)을 기반으로 한 보행보조로봇을 제어하고자 할 때, 사용자의 의식적인 조작 없이 자연스럽게 묵시적으로 의도를 획득할 수 있는 상체 정보를 고려하였다. 즉, 사용자들이 보행을 하기 위하여 지팡이를 뻗을 때, 손바닥에 가해지는 힘과 상체의 기울기 신호를 활용하여 사용자의 보행 의도를 감지하고자 하였고, 이를 위하여 저항센서 모듈 시스템을 구성하고, 저항신호와 기울기 신호의 특성을 분석하였다.
환자들의 상체기능은 정상이라는 점을 감안하여, 3족보행 (양손의 지팡이를 짚고 한 걸음 걷는 보행)을 기반으로 한 보행보조로봇을 제어하고자 할 때, 사용자의 의식적인 조작 없이 자연스럽게 묵시적으로 의도를 획득할 수 있는 상체 정보를 고려하였다. 즉, 사용자들이 보행을 하기 위하여 지팡이를 뻗을 때, 손바닥에 가해지는 힘과 상체의 기울기 신호를 활용하여 사용자의 보행 의도를 감지하고자 하였고, 이를 위하여 저항센서 모듈 시스템을 구성하고, 저항신호와 기울기 신호의 특성을 분석하였다.
보행보조로봇을 위한 전체 저항 센서 모듈 시스템 구성도는 그림 1과 같다. 사용자의 의도를 감지하기 위하여 저항센서 (FSR: Force Sensing Resister)를 손바닥과 발바닥에 부착시키고, 기울기 센서를 등 부분에 부착시켰다. 센서가 부착된 상태에서 재활로봇(움직임 보조기구)을 착용하고 보행의 안전을 위하여 지팡이(crutch)를 사용하였다.
사용자의 의도를 감지하기 위하여 저항센서 (FSR: Force Sensing Resister)를 손바닥과 발바닥에 부착시키고, 기울기 센서를 등 부분에 부착시켰다. 센서가 부착된 상태에서 재활로봇(움직임 보조기구)을 착용하고 보행의 안전을 위하여 지팡이(crutch)를 사용하였다. 시스템은 사용자 보행 의도를 움직임 보조기구를 제어하는 보조기구 제어부, 유/무선 통신부, 정보 수집부, 정보 연산부, 보조기구 제어부 기능을 통합 처리해주는 휴대형 정보처리기(PC)로 구성하였다.
센서가 부착된 상태에서 재활로봇(움직임 보조기구)을 착용하고 보행의 안전을 위하여 지팡이(crutch)를 사용하였다. 시스템은 사용자 보행 의도를 움직임 보조기구를 제어하는 보조기구 제어부, 유/무선 통신부, 정보 수집부, 정보 연산부, 보조기구 제어부 기능을 통합 처리해주는 휴대형 정보처리기(PC)로 구성하였다.
기울기 센서는 제자리에서 지팡이에 힘을 가할 때와 걷기 위해 지팡이를 앞으로 뻗을 때의 동작을 구분하기 위하여 상체의 기울기 여부를 알아내는데 사용하였다. 정상인을 대상으로 한 번의 보행 주기 동안 3족 보행을 할 때 등에서 상체의 기울기 신호를 측정한다.
사용자 보행의도 분석을 위해 본 연구에서는 저항 센서와 기울기 센서를 동시에 사용하였다. 저항 센서는 지팡이와 발바닥에 부착하고, 기울기 센서는 등 부분에 부착하여 각 신호에 따른 특성을 조합(융합)하여 사용자 의도 분석을 수행하였다.
사용자 보행의도 분석을 위해 본 연구에서는 저항 센서와 기울기 센서를 동시에 사용하였다. 저항 센서는 지팡이와 발바닥에 부착하고, 기울기 센서는 등 부분에 부착하여 각 신호에 따른 특성을 조합(융합)하여 사용자 의도 분석을 수행하였다.

대상 데이터

유/무선 통신부는 저항 센서로부터 센싱된 데이터를 디지털 신호로 바꾸어 신호 분석 및 정보 처리부 전송하는 기능을 담당한다. 정보 송신 방식은 Zigbee 등과 같은 무선방식으로, 센서 및 통신 모듈의 크기는 가로 68mm, 세로 71mm, 높이 45mm이며, 양쪽 손목과 발목에 각각 모듈이 따로 부착되었다.
정보 수집부의 저항 센서, 기울기 센서, 손목 부착 모듈에서 전송되는 정보를 수집하였다. 저항 센서는 저항값이 변하면서 서로 다른 크기의 전압을 출력하는 센서이며, 사용자가 보행을 위하여 지팡이를 짚을 때 손바닥에 가해지는 힘을 측정하여 보행 의도 파악에 사용되었다.

성능/효과

그림 3은 등 중앙의 (a) 허리 위치, (b) 가슴 위치, (c) 어깨 위치에서 각 신호의 roll과 pitch의 특성을 보여주고 있다. 허리 위치에서 기울기 신호를 측정할 때 신호가 noise가 가장 적게 나타났으며, 안정적인 값을 보임을 알 수 있다.

후속연구

추후 실험을 통하여 저항 및 기울기 신호를 활용한 ‘정지’ 의도를 파악하는 작업이 필요하며, 센서 정보에 따라 향후 일어날 사용자의 패턴을 추정하는 작업이 요구된다.
각 센서 신호의 특성을 이용하고 융합함으로써 보행보조로봇에 사용할 수 있는 사용자 의도를 파악할 수 있었다. 저항 및 기울기 센서 신호의 융합은 보다 정확한 보행 의도를 감지하고, 추후 정량적 분석을 통하여 보행보조로봇의 제어를 위한 신호로서 활용이 가능할 것이다.
추후 실험을 통하여 저항 및 기울기 신호를 활용한 ‘정지’ 의도를 파악하는 작업이 필요하며, 센서 정보에 따라 향후 일어날 사용자의 패턴을 추정하는 작업이 요구된다. 또한, 정상 보행 뿐 아니라 경사로, 계단 등의 보행을 위한 신호분석 및 의도 감지와 다양한 상황에서의 보행 분석이 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보행보조로봇은 어떤 이용군에게 필요한 장비인가?	또한 교통사고 및 후천적 사고 등으로 인하여 중추신경계의 손상을 입은 환자들이 급증하고 있는 추세에 있으며, 이러한 환자들의 다수가 하반신 마비로 인하여 독립적 보행의 불가능으로 이동에 많은 제약을 받고 있는 실정이다. 이러한 고령화 문제 및 장애인 출현율의 상승 등으로 인하여 로봇 기술을 접목한 복지 및 재활로봇에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있는 가운데, 보행보조로봇은 노인 복지 및 중증 신경계 손상을 입은 환자에게 이동을 돕기 위하여 반드시 필요한 장비이다[3].
	보행보조로봇의 개발에 사용된 생체/역학센서는 무엇이 있는가?	보다 지능화되고 환자의 특성에 맞는 보행보조로봇의 개발을 위하여 자이로스코프(gyroscope)[14], 전기 측각기(electrogoniometer)[15-16], 기울기 센서(tilt sensor)[17], 가속도계(accelerometer)[18] 등의 다양한 생체/역학 센서가 활용되어 왔고, 마비된 운동기능을 복원하기 위하여 기능적 전기자극법(FES)을 로봇에 접목시키고자 하는 연구도 수행되어왔다[19-20]. 가장 최근에는 이러한 보행보조로봇을 제어하기 위하여 알고리즘들이 개발되고 있다.
	복지 및 재활로봇에 관한 연구를 활발히 하게된 배경은 무엇이 있는가?	최근 우리나라의 고령화 사회 진입 속도가 빨라지고 있는 가운데, 2030년경에는 국민의 21% 이상이 노인인 초고령 사회에 진입할 것으로 예측되고 있다. 이러한 고령화사회에 대비하기 위하여 거동이 불편한 노약자들을 위한 보행보조장비의 개발이 필수적이다. 보행은 인간의 신경과 근골격 등이 총괄적으로 사용되는 복잡한 과정이며, 신체가 입각기의 안정된 상태를 유지하는 동안 동시에 다른 한 체지가 몸을 앞으로 움직이게 하는 연속적이고 반복적인 동작으로[1], 나이가 듦에 따라 약화된 하지 근력 때문에 노인의 족저굴곡 토크발생 능력은 떨어지고, 이로 인하여 발목 관절을 이용한 추진력이 낮아지면서 노인의 보행 능력은 감소된다[2]. 또한 교통사고 및 후천적 사고 등으로 인하여 중추신경계의 손상을 입은 환자들이 급증하고 있는 추세에 있으며, 이러한 환자들의 다수가 하반신 마비로 인하여 독립적 보행의 불가능으로 이동에 많은 제약을 받고 있는 실정이다. 이러한 고령화 문제 및 장애인 출현율의 상승 등으로 인하여 로봇 기술을 접목한 복지 및 재활로봇에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있는 가운데, 보행보조로봇은 노인 복지 및 중증 신경계 손상을 입은 환자에게 이동을 돕기 위하여 반드시 필요한 장비이다[3].

참고문헌 (22)

J. Perry, "Kinesiology of lower extremity bracing", Clinical Orthopaedics and Related Research, Vol.102, pp.18-31, 1974.

상세보기
김헌희, 정진우, 장효영, 김진오, 변증남, "작업지향 설계를 위한 의복형 보행보조 로봇의 분류방법", 로봇공학회지 논문지, 제1권, 제1호, pp.1-8, 2006.
김경, 강승록, 박용군, 정구영, 권대규, "족관절 보조기를 착용한 고령자의 족관절 족저굴곡 토크 보조특성 분석", 로봇공학회 논문지, 제5권, 제1호 pp.48-54, 2010.
D. Winter, Biomechanics and Motor Control of Human Movement, Wiley-Interscience Publication, 1990.
H. Kazerooni, Ryan Steger, and Lihua Huang, "Hybrid control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX)", The International Journal of Robotics Research, Vol.25, pp.561-573, 2006.

상세보기
MIT media lab, URL: http://www.media.mit.edu/
S. Jezernik, G. Colombo, T. Kelly, H. Frueh, and M. Morari, "Robotic orthosis Lokomat: a rehabilitation and research tool", Neuromodulation, Vol.6, no.2, pp.108-115, 2003.

상세보기
Honda Ltd., URL: www.robotlegs.org.
Argo Medical Technologies Ltd., URL: http://www.argomedtec. com.
H. Kawamoto, and Y. Sankai, "Power assist method based on phase sequence and muscle force condition for HAL", Advanced Robotics, Vol.19, No.7, pp.717-734, 2005.

상세보기
J.W. Min, K. Lee, S.C. Lim, and D.S. Kwon, "Human-friendly interfaces of wheelchair robotics system for handicapped persons", Proceedings of the 2002 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Vol.2, pp.1505-1510, 2002.
강성재, 류제청, 김규석, 김영호, 문무성, "하반신 마비환자를 위한 동력보행보조기의 퍼지제어 기법 개발", 제어.로봇.시스템학회 논문지, 제15권, 제2호, pp.163-168, 2009.

원문보기 상세보기
전도영, 이용권, 최문택, 김문상 "프론티어 지능로봇사업단의 노인을 위한 Healthcare Robot 개발 소개", 대한전기학회지: 전기의 세계, 제58권, 제7호, pp. 45-53, 2009.
A. Williamson, F. Bloemhof, and H. Boom, H. (1990). "Automatic stance-swing phase detection from accelerometer data for peroneal nerve stimulation", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol.37, No.12, pp.1201-1208, 1990.

상세보기
A. Kostov, B.J. Andrew, D.B. Popovic, R.B. Stein, and W. Armstron, "Machine learning in control of functional electrical stimulation systems for locomotion", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol.42, No.6, pp.541-551, 1995.

상세보기
S.K. Ng, and H.J. Chizeck, "Fuzzy model identification for classification of gait events in paraplegics", IEEE Transactions on Fuzzy Systems, Vol.5, No.4, pp.536-544, 1997.

상세보기
R. Dai, R.B. Stei, B.J. Andrews, K.B. James, and M. Wieler, "Application of tilt sensors in functional electrical stimulation", IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, Vol.4, No.2, pp.63-72, 1996.

상세보기
J. Rose, and J.G. Gamble, Human walking. Williams & Wilkins 2nd Ed.(Philidelphia), 1994.
Y. Handa, T. Handa, M. Ichie, H. Murakami, N. Hoshimiya, S. Ishikawa, and K. Ohkubo, "Functional electrical stimulation (FES) systems for restoration of motor function of paralyzed muscle-versatile systems and a portable system", Frontiers of Medical and Biological Engineering, Vol.4, No.4, pp.241-255, 1992.

상세보기
박병림, 김민선, 김상수, 정동명, 홍승홍, "일측 마비환자의 전기자극에 의한 보행기능의 회복", 전자공학회지, 제29권, 제6호, pp.465-471, 1992.
B. Baker, "Walk of life", The Engineer, Vol.293, No.7750, pp.30-31, 6, 2008.
B. Miripour, Climbing and Walking Robot, K. Suzuki, G. Mito, H. Kawamoto, Y. Hasegawa, and Y. Sankai, "Intention-based walking support for paraplegia patients with robot suit HAL", pp.383-408, 2010.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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