[논문]뇌졸중 환자의 일상생활 동작 훈련을 위한 1자유도 손 재활 로봇 설계

구광민; 장평훈; 손민균; 신지현

doi:10.5302/j.icros.2010.16.9.833

뇌졸중 환자의 일상생활 동작 훈련을 위한 1자유도 손 재활 로봇 설계
Design of a Novel 1 DOF Hand Rehabilitation Robot for Activities of Daily Living (ADL) Training of Stroke Patients 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.16 no.9, 2010년, pp.833 - 839

구광민 (KAIST 기계공학과) , 장평훈 (KAIST 기계공학과) , 손민균 (충남대학교병원 재활의학과) , 신지현 (충남대학교병원 재활의학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a novel 1 DOF hand rehabilitation robot is proposed in consideration of ADL training for stroke patients. To perform several ADL trainings, the proposed robot can move the thumb part and the part of 4 fingers simultaneously and realize the full ROM (Range of Motion) in grasp. Based on these characteristics, the proposed robot realizes several types of grasp such as cylindrical grasp, lateral grasp, and pinch grasp by using a passive revolute joint that can change the thumb movement direction. The movement of the thumb is driven by a cable mechanism and the part of 4 fingers is moved by a four-bar linkage mechanism.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

3D CAD 모델을 이용하여 II 장에서 정한 목표 작업을 구현할 수 있는지 SolidWorks 2010 Motion study를 통해 확인한다. 관절가동범위가 구현되는지 엄지손가락과 네 손가락이 동시에 움직일 때 충돌이 없는지 확인한다.
따라서 본 연구에서는 환자가 쉽게 착용할 수 있는 간단한 구조를 가지면서도 일상생활 동작을 수행할 수 있는 손 재활 로봇을 제안하고자 한다. 로봇은 다음과 같은 특징을 갖는다.
본 논문에서는 일상생활을 고려한 1자유도 손 재활 로봇을 설계하였다. 사람 손의 생체 역학적 특성을 고려하여 간단한 구조를 가지면서도 일상생활 동작을 구현할 수 있다.
펼치는 속도는 치료사가 수행할 때와 비슷하게 2초로 설정하였다. 이러한 조건에서 손을 펼 때 모터에서 얼마만큼의 토크가 요구되는지를 확인한다.

가설 설정

(b) 컵을 쥐는 동작에서는 손바닥과 약 90°방향으로 움직인다.
49mm[16])의 힘이 작용하는 것과 같다. 이를 바탕으로 설계된 4절 링크 끝 단에 30N의 접촉힘이 작용하고 있다고 가정한다. 환자의 손을 펼 때, 환자의 근 경직도에 인한 저항력은 펼치는 속도에 영향을 받는다.

제안 방법

1자유도로 엄지손가락과 네 손가락을 동시에 움직이도록 하기 위해 4절 링크를 설계하였고 엄지손가락을 위해 케이블 구동 메커니즘을 적용하였다. 엄지손가락의 움직이는 방향을 조절할 수 있도록 수동 회전 조인트를 설계하여 각각의 일상생활 동작에 맞는 엄지 손가락의 움직임 방향을 선택할 수 있게 하였다.
3D CAD 모델을 이용하여 II 장에서 정한 목표 작업을 구현할 수 있는지 SolidWorks 2010 Motion study를 통해 확인한다. 관절가동범위가 구현되는지 엄지손가락과 네 손가락이 동시에 움직일 때 충돌이 없는지 확인한다.
링크의 적당한 두께를 선정하기 위해 SolidWorks 2010 Simulation을 이용한 응력해석을 수행하여 각 링크의 두께를 선정하였다.
케이블 구동 메커니즘은 마찰과 백래쉬가 작다고 알려져 있으며, 협소한 공간을 고려해 모터를 피동부와 바로 연결시키지 않고 원하는 위치로 떨어트릴 수 있다는 장점을 갖는다[19]. 앞서 설계한 바와 같이 엄지손가락의 회전 방향을 수동으로 조절 하더라도 엄지손가락에 동력이 전달되게 하도록 케이블 구동 메커니즘을 설계하였다.
1자유도로 엄지손가락과 네 손가락을 동시에 움직이도록 하기 위해 4절 링크를 설계하였고 엄지손가락을 위해 케이블 구동 메커니즘을 적용하였다. 엄지손가락의 움직이는 방향을 조절할 수 있도록 수동 회전 조인트를 설계하여 각각의 일상생활 동작에 맞는 엄지 손가락의 움직임 방향을 선택할 수 있게 하였다.
II 장에서 목표 작업은 그림 3에 예로 나타난 쥐는 동작으로 설정하였다. 이를 구현하기 위해 III 장에서 엄지손가락의 움직이는 방향을 수동으로 조절하는 조인트를 설계하였다. 작업치료 그림 3(a),(b)일 때 엄지손가락의 움직임은 그림 9(a),(b)에 대응된다.
이를 구현하기 위해 수동으로 움직일 수 있는 조인트를 그림 9와 같이 설계하여, 각 손동작에 따른 엄지손가락의 움직이는 방향을 변화할 수 있도록 하였다. 그림 8 (a),(b)일 때의 움직임은 그림 9(a),(b)에 대응된다.
모터에는 엔코더가 내장되어 있어서 움직인 각도를 측정할 수 있다. 이를 바탕으로 각도가 가동범위를 벗어나게 되었을 때 초기 위치로 복구할 수 있도록 하였다. 초기위치는 환자의 굽힌 공동운동을 고려하여 살짝 쥔 상태로 설정하였다.
다양한 환자들이 착용할 수 있어야 하기 때문에 사람들의 손가락 길이에 맞게 조절할 수 있어야 한다. 한국인 인체측정조사[16]에 근거하여 20~60세 한국인의 90%가 착용가능하도록 설계한다. 손너비 70~89.
네 손가락 중의 일부만을 로봇과 연결할 수 있고, 엄지손가락의 움직이는 방향을 전환할 수 있게 하여 다양한 일상생활 동작을 수행할 수 있다. 환자가 사용할 때 손가락 길이에 맞게 조절이 가능하도록 길이 조절 링크를 설계하였고 환 측의 부위에 상관없이 양손에 모두 착용 가능하도록 설계 하였다. 기구학 시뮬레이션을 통해 목표작업인 물리치료와 작업치료 동작을 구현할 수 있음을 확인하였으며, 선정한 모터와 기어비는 동역학 시뮬레이션을 통해 치료를 수행하기에 적합함을 확인했다.

대상 데이터

재활로봇이 이 이상의 힘을 낼 수 있도록 적합한 모터와 기어비를 선택한다. 모터는 Maxon사의 ECi40(70W), 기어는 삼익 THK사의 CSF 100:1 하모닉 드라이브를 사용하였다. 모터의 정격 토크는 58.

이론/모형

목표작업 중 물리치료의 경우를 동역학 시뮬레이션 툴인 SolidWorks 2010 Simulation을 이용하였다. 시뮬레이션 시나리오는 다음과 같다.
이에 대한 개념 설계안은 그림 5에 나타나있다. 손끝의 궤적을 모사할 수 있는 4절 링크는 도해적 방법 (Graphical synthesis analysis)[18]을 이용하여 설계하였다. 이를 바탕으로 그림 6과 같이 신전과 굴곡을 구현하였다.
엄지손가락의 움직임을 위해서 케이블 구동 메커니즘을 적용 하였다. 케이블 구동 메커니즘은 마찰과 백래쉬가 작다고 알려져 있으며, 협소한 공간을 고려해 모터를 피동부와 바로 연결시키지 않고 원하는 위치로 떨어트릴 수 있다는 장점을 갖는다[19].

성능/효과

(1) 1자유도의 간단한 구조를 갖지만 엄지손가락과 네 손가락의 동시 재활이 가능하다.
환자가 사용할 때 손가락 길이에 맞게 조절이 가능하도록 길이 조절 링크를 설계하였고 환 측의 부위에 상관없이 양손에 모두 착용 가능하도록 설계 하였다. 기구학 시뮬레이션을 통해 목표작업인 물리치료와 작업치료 동작을 구현할 수 있음을 확인하였으며, 선정한 모터와 기어비는 동역학 시뮬레이션을 통해 치료를 수행하기에 적합함을 확인했다.
07Nm, III 장 2 참고)로 역시 선정한 모터로 수행가능 함을 확인할 수 있다. 또한 EC-i40 모터의 특성곡선을 통해 저속에서는 더 큰 출력 토크 범위 안에서 사용할 수 있음을 확인하였다.
시뮬레이션 결과 최대 토크가 약 -2.6 Nm로서 선정한 모터로 구동 가능함을 확인하였다. 엄지손가락을 고려한 동시 움직임은 케이블 구동 메커니즘을 SolidWorks 2010에서 구현할 수 없어 접촉힘을 45N(3.

후속연구

현재 목표작업을 구현할 수 있도록 추종경로를 설계하고 제어를 진행 중에 있다. 추후 계획은 이 로봇을 임피던스 컨트롤 등을 통해 목표작업을 구현할 수 있도록 제어하고 안정성을 충분히 검증한 후, 충남대학교 재활의학과에서 임상 실험을 수행할 계획이다. 추후 사용자 편의를 개선하여 재택치료의 용도로도 사용될 수 있을 것이다.
추후 계획은 이 로봇을 임피던스 컨트롤 등을 통해 목표작업을 구현할 수 있도록 제어하고 안정성을 충분히 검증한 후, 충남대학교 재활의학과에서 임상 실험을 수행할 계획이다. 추후 사용자 편의를 개선하여 재택치료의 용도로도 사용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	뇌졸중 환자의 90% 이상은 어떠한 증세가 나타나는가?	뇌졸중 환자의 90% 이상은 편마비(hemiplegia) 증세가 나타나게 되어 환 측(affected side)의 팔과 손, 다리에 걸쳐 반신마비 장애를 갖게 된다[4]. 뇌졸중 환자는 이런 갑작스런 장애로 인해 독립적인 일상생활이 불가능하게 되며 극심한 스트레스와 삶의 질 저하를 경험하게 된다[5].
	뇌졸중 환자에게 꼭 필요한 재활은 무엇인가?	뇌졸중 환자의 재활 목적은 환자 독립적으로 일상생활을 영위할 수 있도록, 환자의 장애를 최소화하는 것이다. 대부분의 일상생활 동작 수행과정에서 손동작이 수반되므로 손 재활은 꼭 필요하다[6]. 일반적으로 뇌졸중 환자의 재활은 몸통과 가까운 관절부터 회복이 일어나게 된다[7].
	뇌졸중이란 무엇인가?	뇌졸중(腦卒中, stroke)은 흔히 중풍(中風)으로 불리며 암, 심장질환과 함께 우리나라 3대 사망질환 중에 하나로 단일 질병으로는 사망률 1위인 심각한 질병이다[1]. 뇌졸중은 그 동안 혈관의 노화로 인한 중·장년층에서 많이 발병되었으나, 최근에는 식생활의 변화, 정신적 스트레스의 증가 등으로 나이와 성별에 무관하게 발병되고 있다[2].

참고문헌 (20)

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한방과 건강, “뇌졸 중 예방만이 최선의 치료다,” p. 26, 2007.
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성강주, 신원철, 장대일, 정경천, “순수 운동 편마비,” 대한 뇌졸중학회지, 제1권 제1호, 42-46, 1999.
최희정, 정성희, 홍여신, 김은만, 서문자, 김금순, 김인자, 조남옥, “뇌졸중 환자의 삶의 질,” 재활간호학회지, 제1권 제1호, pp. 111-123, 1998.
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박수현, 작업치료사를 위한 임상지침서, 군자출판사, 2006.
P. Stergiopoulos, P. Fuchs, and C. Laurgeau, “Design of a 2-finger hand exoskeleton for VR grasping simulation,” Eurohatics, 2003.
S. Ito, H. Kawasakia, Y. Ishigureb, M. Natsumec, T. Mouria, and Y. Nishimoto, “A design of fine motion assist equipment for disabled hand in robotic rehabilitation system,” Journal of the Franklin Institute, 2008.
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WaveFlex-www.ottobock.com
J. E. Adamson, C. E. Horton, and H. H. Crawford, “Sensory rehabilitation of the injured thumb,” Plastic and Reconstructive Surgery, vol. 40, no. 1, pp. 53-57, 1967.

상세보기
C. J. Winstein, D. K. Rose, S. M. Tan, R. Lewthwaite, H. C. Chui, and S. P. Azen, “A randomized controlled comparison of upper-extremity rehabilitation strategies in acute stroke: a pilot study of immediate and long-term outcomes,” Arch Phys Med Rehabil., vol. 85, 2004.
권혁철, (측정 및 평가)근육검진학, 정문각, 1996.
N. M. Thalmann, J. J. Zhang, and D. D. Feng, “Recent Advances in the 3D Physiological Human,” Springer-Verlag London, p. 58, 2009.
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H. Kawasaki, S. Ito, Y. Ishigure, Y. Nishimoto, T. Aoki, T. Mouri, H. Sakaeda, and M. Abe, “Development of a hand motion assist robot for rehabilitation therapy by patient self-motion control,” Proc. of the 2007 IEEE 10th Int. Conf. on Rehabilitation Robotics, pp. 234-240, 2007.
G. Erdman, Mechanism Design-Analysis and Synthesis, 4th Ed., Pearson Education, pp. 539-601, 1984.
P. H. Chang, S. H. Kang, H. S. Park, S. T. Kim, and J. H. Kim, “Active compliance control for the rehabilitation robot with cable transmission,” Proc. 8th Int. Conf. on Rehabilitation Robotics (ICORR), pp. 84-87, Daejeon, Korea, 2003.

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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