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문제 정의
- 예로써 Ireland Haptica사의 Guido 와 미국 Virginia 대학의 adaptive walker는 핸들 바의 force sensor에 의해 사용자의 보행의지를 파악하고 있고 독일의 IPA사의 Care-O-bot는 직접조절모드방식으로의 보행시스템을 갖추고 있다[8]. 따라서 본 연구에서는 보행제어 기술개발을 목적으로 수동워커(보행기)를 사용하는 노인군에 대하여 수동워커와 기존의 노인 보행보조로봇의 체중심 이동에 대한 시작 및 진행 속도의 비교분석과 수동워커의 지지면에서 좌우 및 전후 방향으로의 체중심 변화량을 분석하고 체중심변화를 고려한 보행보조로봇의 제어방법을 제안하고자 한다.
제안 방법
- 적외선 카메라가 인식할 수 있는 지름 10mm의 반사 마커를 기존 논문에서 주로 사용하고 있는 Helen Hayes Marker Set을 이용하여 인체의 해부학적 위치에 부착한 후 보행분석을 실시하였다[9]. 보행분석 시스템은 12대의 적외선 카메라 (Eagle 4, motion analysis USA), 10mm 반사마커, CCD 카메라 2대, 데이터 처리 장치, PC등으로 구성되어 있는 3차원 동작분석기(motion analysis, USA)를 이용하였다(그림 1). 보행분석에 대한 측정값의 신뢰도를 높이기 위해 측정 전 2~3분가량 일정거리를 왕복하게 한 후 실험하였다(그림 2).
- 보행분석과 식 (1)에 의해 얻어진 골반중심점을 이용하여 인체의 체중심 이동속도에 대한 변화를 비교분석 하고 보행동안 양손이 항상 수동워커나 보행보조로봇의 손잡이를 잡고 있으므로 양손마커의 중간점변화를 이동속도로 보았다. 평지보행에 대하여 보행 속도 및 BOS(지지면)에 대한 COP의 변화에 따른 동작분석 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였다.
- 보행분석 시스템은 12대의 적외선 카메라 (Eagle 4, motion analysis USA), 10mm 반사마커, CCD 카메라 2대, 데이터 처리 장치, PC등으로 구성되어 있는 3차원 동작분석기(motion analysis, USA)를 이용하였다(그림 1). 보행분석에 대한 측정값의 신뢰도를 높이기 위해 측정 전 2~3분가량 일정거리를 왕복하게 한 후 실험하였다(그림 2). 전체 피검자는 무작위로 수동워커와 보행보조로봇을 이용 순서에 관계없이 25M 왕복 3회 보행 중의 활보구간에 대한 이동속도 분석을 하였다.
- 보행분석을 실시하기 전 보정(calibration)을 통해 카메라에서 인식하는 반사마커의 오차를 최소화 하였다. 적외선 카메라가 인식할 수 있는 지름 10mm의 반사 마커를 기존 논문에서 주로 사용하고 있는 Helen Hayes Marker Set을 이용하여 인체의 해부학적 위치에 부착한 후 보행분석을 실시하였다[9].
- 따라서 인체의 체중심 위치변화 및 속도를 추정하고 기존의 노인을 위한 보행보조 로봇이 인체의 움직이는 속도변화와 동기화되지 못하고 다른 속도로 움직임으로서 지지하고 있는 상지관절에 부하로 작용할 수 있음을 알 수 있다. 본 연구에서 보행보조로봇의 속도 세팅 기준에 있어서 수동워커의 평균이동속도의 50%의 속도를 기준으로 ±20%의 속도변화제어를 적용하였으며 무엇보다도 피검자들에 대한 안전을 고려해서 실험을 하였다. 향후 연구에서는 피검자수를 더욱 확보하여 통계적 유의성을 보고자하고 속도 동기화 제어기법에 대한 연구가 계속 진행 될 것이다.
- 본 연구에서 주로 사용한 장비(Eagle 4, Motion Analysis USA)통해 수동워커 및 보행보조로봇의 노인보행에 대한 전반적인 보행분석 자료를 제시하고 있다(표 2). 수동워커 를 사용한 노인보행의 보행분석 결과에서 분속수 및 전체 보행 주기에서의 입각기와 유각기 비율이 정상기준과 비교해서 큰 차이가 없었지만 보행보조로봇을 이용한 분석결과에서 정상기준에 비교해서 분속수가 19% 낮게, 입각기 10% 높게, 유각기는 14% 낮게 나타났다.
- 보행분석을 실시하기 전 보정(calibration)을 통해 카메라에서 인식하는 반사마커의 오차를 최소화 하였다. 적외선 카메라가 인식할 수 있는 지름 10mm의 반사 마커를 기존 논문에서 주로 사용하고 있는 Helen Hayes Marker Set을 이용하여 인체의 해부학적 위치에 부착한 후 보행분석을 실시하였다[9]. 보행분석 시스템은 12대의 적외선 카메라 (Eagle 4, motion analysis USA), 10mm 반사마커, CCD 카메라 2대, 데이터 처리 장치, PC등으로 구성되어 있는 3차원 동작분석기(motion analysis, USA)를 이용하였다(그림 1).
- 보행분석에 대한 측정값의 신뢰도를 높이기 위해 측정 전 2~3분가량 일정거리를 왕복하게 한 후 실험하였다(그림 2). 전체 피검자는 무작위로 수동워커와 보행보조로봇을 이용 순서에 관계없이 25M 왕복 3회 보행 중의 활보구간에 대한 이동속도 분석을 하였다. 보행동안 수동워커는 피검자가 직접 이동하였고 그리고 보행보조로봇의 이동속도는 피검자의 직접조절방식에 의해 속도를 제어하였다.
- 보행분석과 식 (1)에 의해 얻어진 골반중심점을 이용하여 인체의 체중심 이동속도에 대한 변화를 비교분석 하고 보행동안 양손이 항상 수동워커나 보행보조로봇의 손잡이를 잡고 있으므로 양손마커의 중간점변화를 이동속도로 보았다. 평지보행에 대하여 보행 속도 및 BOS(지지면)에 대한 COP의 변화에 따른 동작분석 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였다.
- 본 연구는 인천광역시 부평구 지역 65세 이상 노인 중 임상적으로 합병증이나 외상이 없고 실험에 동의한 6명을 대상자로 선정하였다. 피험자는 평상 시 본인이 착용하던 신발, 그리고 보행에 지장을 주지 않는 짧은 하의를 착용하고 실험을 하였다(표 1).
대상 데이터
- 본 연구는 인천광역시 부평구 지역 65세 이상 노인 중 임상적으로 합병증이나 외상이 없고 실험에 동의한 6명을 대상자로 선정하였다. 피험자는 평상 시 본인이 착용하던 신발, 그리고 보행에 지장을 주지 않는 짧은 하의를 착용하고 실험을 하였다(표 1).
성능/효과
- 노인의 수동워커 보행 시 체중지지면에서의 골반 중심점 (COP: Center of Pelves)의 변위에 대한 결과를 보면 전후방측 변위보다는 좌우측방향으로 골반 중심점(COP: Center of Pelves) 변위량이 현저히 높게 나타났다. 전후방 측보다는 좌우측 균형능력이 부족한 만큼 좌우측균형에 대한 고려가 요구되어 진다.
- 625)를 보였다 (표 3). 대상자들의 수동워커를 이용한 평지 보행 시 BOS 의 면적중심점과 COP의 위치차이는 좌우측차이가 현저히 높았다.
- 하지만 본 연구에서는 보행보조로봇 및 수동워커를 고려한 체중심의 계산 및 효율성을 위하여 식 (1) & 식(2) 와 같이 정의했다. 본 논문에서 제안한 인체중심 계산법은 기존의 인체 체중심계산법과 정확한 값을 나타내지는 않지만, 골반의 중심 3차원좌표를 계산하여 골반에 위치하고 있는 체중심의 위치를 대변할 수 있다. 따라서 인체의 체중심 위치변화 및 속도를 추정하고 기존의 노인을 위한 보행보조 로봇이 인체의 움직이는 속도변화와 동기화되지 못하고 다른 속도로 움직임으로서 지지하고 있는 상지관절에 부하로 작용할 수 있음을 알 수 있다.
- 3m/s 의 속력으로 걸을 수 있는 능력이다[10]. 사회생활에서 요구되어지는 보행속력기준과 비교해서 이번 연구에서는 25m 왕복 3회 평지보행에서 얻어진 보행분석 속도결과(표 3)는 낮은 속도를 보였다.
- 본 연구에서 주로 사용한 장비(Eagle 4, Motion Analysis USA)통해 수동워커 및 보행보조로봇의 노인보행에 대한 전반적인 보행분석 자료를 제시하고 있다(표 2). 수동워커 를 사용한 노인보행의 보행분석 결과에서 분속수 및 전체 보행 주기에서의 입각기와 유각기 비율이 정상기준과 비교해서 큰 차이가 없었지만 보행보조로봇을 이용한 분석결과에서 정상기준에 비교해서 분속수가 19% 낮게, 입각기 10% 높게, 유각기는 14% 낮게 나타났다. 활보 길이 면에서는 수동워커는 정상기준에 72% 나타났고 보행보조로봇은 53%의 낮은 활보길이를 보였다.
- 수동워커 를 사용한 노인보행의 보행분석 결과에서 분속수 및 전체 보행 주기에서의 입각기와 유각기 비율이 정상기준과 비교해서 큰 차이가 없었지만 보행보조로봇을 이용한 분석결과에서 정상기준에 비교해서 분속수가 19% 낮게, 입각기 10% 높게, 유각기는 14% 낮게 나타났다. 활보 길이 면에서는 수동워커는 정상기준에 72% 나타났고 보행보조로봇은 53%의 낮은 활보길이를 보였다.
후속연구
- 본 연구에서 보행보조로봇의 속도 세팅 기준에 있어서 수동워커의 평균이동속도의 50%의 속도를 기준으로 ±20%의 속도변화제어를 적용하였으며 무엇보다도 피검자들에 대한 안전을 고려해서 실험을 하였다. 향후 연구에서는 피검자수를 더욱 확보하여 통계적 유의성을 보고자하고 속도 동기화 제어기법에 대한 연구가 계속 진행 될 것이다.
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