[논문]척수손상환자를 위한 보행보조 재활 로봇 개발

장인훈; 이덕연; 정준영; 이동욱; 이호길; 박현섭

doi:10.5302/j.icros.2010.16.9.860

문제 정의

따라서 본 논문에서는 Rewalk과 기존의 수동 보조기로부터 로봇 보조기의 신규 개념을 정의하고 로봇 보조기의 보행관련기술을 분석하고자 한다. 이를 위해 착용형 보행보조 로봇 플랫폼 ROBIN-P1을 설계 제작 하였는데 II 장에서는 로봇 보조기 신규 Concept 및 구성 요소의 설계와 관련한 내용에 대해 기술한다.
움직일 준비가 안 되었는데 갑자기 로봇이 움직인다던지 원하는 반응이 느리다면 사용자가 놀라거나 답답함을 느낄 것이기 때문에, 착용형 로봇의 경우 사용자 의도감지가 중요하게 된다. 따라서 본 연구에서는 보행의도 인식을 위해 그림 5와 같은 센서 시스템을 개발하였다.
이러한 분석을 토대로 Perry[6]가 제시한 8개의 보행단계(phase of gait)상에서 각 단계에 대한 hip과 knee joint의 변화를 통해 원하는 걸음걸이를 편집할 수 있다. 본 연구에서는 유각기(swing phase)에서의 foot clearance문제를 해결할 목적으로 주로 사용하였다.

가설 설정

그림1. (a) RGO(Reciprocating Gait Orthosis)와 (b) 장하지 보조기.
가정1: 하반신 마비환자의 보행에는 환자가 스스로 중심을 잡을 수 없기 때문에 목발을 이용하여 보행을 한다.
가정2: 목발을 이용한 보행에서 좌우로의 무게중심 이동은 환자 스스로 할 수 있다.
가정3: 안정적인 보행을 위해 최소한의 관절운동을 행한다.
따라서 골반은 전달요인과 이동시스템 양쪽에 모두 관여하는 부분이 된다. 결과적으로 정상인의 보행모델에서 수동적 전달요인은 이동 시스템(locomotor) 위에 놓여서 운반되어진다고 가정하고 있다.

제안 방법

그림2. 관절 위치 조정, 체 중심 정렬, 안정한 자세 유지 등 기구물로구성된로봇을인체에맞추는프로세스설계.
통상의 수동보조기를 기반으로 척수손상으로 인한 하반신 마비환자의 보행보조 재활로봇을 설계하였으며 4축의 모터 구동부를 가지는 6축 2족 착용형 보행로봇을 제안하였다. 그리고 로봇의 두 다리와 목발을 이용한 보행모델을 제안하였으며 엔코더 기반 관절각도 추출 시스템을 이용하여 보행패턴 생성 방법을 제안하였다.
이 문제를 해결하기 위한 기본 방법은 인체와 닿는 부분을 최소로 하는 것이다. 따라서 그림 3과 같이 발목 안쪽 지지대를 제외한 안쪽 지지대를 모두 제거하고 금속 밴드를 넓적다리에 두 개, 종아리에 하나, 발목에 하나씩 부착하였으며 벨트를 연결하여 착용하도록 하였다. 또한 척추를 지지하는 체간 고정부를 간소화하여 신체와 닿는 면적을 최소로 하였다.
따라서 손바닥과 발바닥 센서모듈로부터 받아들인 압력 데이터를 이용하여 상태를 모니터링하고 로봇보조기를 제어하기 위한 의도감지 알고리즘을 설계 하였다.
따라서 장하지 보조기는 전문가에 의한 취형과 석고를 이용한 캐스팅 작업 등을 통해 사용자의 관절위치와 신체 굴곡에 정확하게 대응되는 형태로 제작되어야한다. 따라서 하지마비환자의 보행을 위한 로봇 보조기는 일반적인 근력강화 로봇보다 로봇 의존도가 훨씬 더 높기 때문에 그림 2와 같은 통상적인 수동 보조기 수준의 맞춤작업 프로세스를 기반으로 프레임을 설계하였으며 관절 축에 모터 구동부를 장착하는 새로운 개념의 로봇보조기를 설계하였다.
하지만 카메라 기반 Motion Capture 시스템에서는 관절에 큰 각도 오차, 카메라 설치 공간 및 고비용 문제가 발생한다. 또한 보행 보조 재활 로봇에서는 다 축에 대한 각도 Data가 필요하지 않기 때문에 그림 8과 같은 엔코더 기반 관절각도 추출 시스템을 개발하였다. 측정되는 값은 보행할 때의 hip과 knee joint에서의 각도 값으로 파일로 저장되어 Gait Pattern Simulation에 이용된다.
또한 척추를 지지하는 체간 고정부를 간소화하여 신체와 닿는 면적을 최소로 하였다. 또한 착용밴드와 벨트에 의한 피부손상을 피하기 위해 쿠션이 있는 재질의 완충재를 넣어 제작하였다.
따라서 그림 3과 같이 발목 안쪽 지지대를 제외한 안쪽 지지대를 모두 제거하고 금속 밴드를 넓적다리에 두 개, 종아리에 하나, 발목에 하나씩 부착하였으며 벨트를 연결하여 착용하도록 하였다. 또한 척추를 지지하는 체간 고정부를 간소화하여 신체와 닿는 면적을 최소로 하였다. 또한 착용밴드와 벨트에 의한 피부손상을 피하기 위해 쿠션이 있는 재질의 완충재를 넣어 제작하였다.
또한, 보행 패턴 분석 툴을 이용하여 서로 다른 보행을 결정짓는 특징점을 시간축에 대해 hip과 knee joint에서의 각도 값을 이용하여 분석할 수 있다. 이러한 분석을 토대로 Perry[6]가 제시한 8개의 보행단계(phase of gait)상에서 각 단계에 대한 hip과 knee joint의 변화를 통해 원하는 걸음걸이를 편집할 수 있다.
로봇보조기를 착용한 동작실험은 앉고 서기, 그리고 평지보행에 대해서 이루어졌다.
모터 구동부를 설계하기 위해서는 우선 적절한 용량의 모터를 선정해야하는데 이를 위해 재활공학연구소에서 관련장비를 이용하여 정상인을 기준으로 평지보행과 계단보행 그리고 의자기립의 경우로 나누어 총 19종류의 동작에 대해 각 관절에 걸리는 토크를 측정하였다. 그림 4의 실험 결과에서 계단을 내려갈 때 슬관절(knee joint)에서 최대 토크 1.
따라서 로봇 환경에 맞는 최적의 보행 패턴을 찾는 것이 중요하다. 본 연구에서는 최적의 보행패턴을 찾기 위해 엔코더 기반 관절각도 추출 시스템과 gait 분석 및 편집 프로그램을 제작하였다. 그림 7은 이를 이용하여 최적의 보행 패턴을 생성하는 과정을 보여주고 있다.
손바닥 센싱 모듈과 동일한 기능을 가지며, push 버튼 인터페이스를 제공하여 여기로부터 센싱된 데이터를 수신하여 이를 디지털 데이터로 변환하고 호스트 모듈로 전송하는 기능을 추가하였다. Push 버튼은 walking(일반보행), stair-up/down, stand-up/sit- down 모드의 5개로 구성하였다.
이러한 가정 하에 엉덩이(hip), 무릎(knee), 발목(ankle)에 회전축을 가지는 6축 2족 보행로봇을 설계하였다. 이 가운데 실제 모터 구동축은 Hip joint와 Knee joint이며 Ankle joint는 전체 무게를 줄이기 위해 모터 구동부를 달지 않았으며 환자상태에 따라 고정하거나 자유롭게 움직일 수 있도록 설계되었다. 또한, 각 관절의 모터 구동부는 모터, 감속기, 엔코더 그리고 구동 모터 제어기로 구성되어져 있다.
이러한 가정 하에 엉덩이(hip), 무릎(knee), 발목(ankle)에 회전축을 가지는 6축 2족 보행로봇을 설계하였다. 이 가운데 실제 모터 구동축은 Hip joint와 Knee joint이며 Ankle joint는 전체 무게를 줄이기 위해 모터 구동부를 달지 않았으며 환자상태에 따라 고정하거나 자유롭게 움직일 수 있도록 설계되었다.
따라서 본 논문에서는 Rewalk과 기존의 수동 보조기로부터 로봇 보조기의 신규 개념을 정의하고 로봇 보조기의 보행관련기술을 분석하고자 한다. 이를 위해 착용형 보행보조 로봇 플랫폼 ROBIN-P1을 설계 제작 하였는데 II 장에서는 로봇 보조기 신규 Concept 및 구성 요소의 설계와 관련한 내용에 대해 기술한다. III 장에서는 로봇 보조기의 보행모델과 보행패턴 생성방법에 대해서 다루며 IV 장에서는 실험을 통해 개발된 로봇의 성능을 보이고 동작을 평가하도록 한다.
통상의 수동보조기를 기반으로 척수손상으로 인한 하반신 마비환자의 보행보조 재활로봇을 설계하였으며 4축의 모터 구동부를 가지는 6축 2족 착용형 보행로봇을 제안하였다. 그리고 로봇의 두 다리와 목발을 이용한 보행모델을 제안하였으며 엔코더 기반 관절각도 추출 시스템을 이용하여 보행패턴 생성 방법을 제안하였다.

대상 데이터

본 연구에서 로봇의 보행모델은 로봇의 두 다리와 목발을 이용한 3족 또는 4족 보행으로서 로봇을 착용하는 마비 환자가 목발을 이용하여 직접 신체의 중심을 잡아야 한다. 또한, 목발은 이동을 위해 직접적이고 능동적인 역할을 한다고 볼 수 있기 때문에 목발은 골반과 더불어 전달요인과 이동시스템 양쪽에 모두 관여하는 부분이 된다.
손바닥의 압력을 센싱할 수 있는 손바닥센서패드를 노출되지 않게 장갑 내부에 장착하였는데 센서패드는 Interlink Electronics Inc.에서 제작한 지름 0.72cm, 두께 0.46mm인 원형 모양의 압력센서를 사용하였다. 손바닥 센싱 모듈은 초당 5번의 데이터 전송 주기를 가진다.

이론/모형

또한 보행 보조 재활 로봇에서는 다 축에 대한 각도 Data가 필요하지 않기 때문에 그림 8과 같은 엔코더 기반 관절각도 추출 시스템을 개발하였다. 측정되는 값은 보행할 때의 hip과 knee joint에서의 각도 값으로 파일로 저장되어 Gait Pattern Simulation에 이용된다.

성능/효과

수동 보조기를 착용하고 평행봉을 이용한 환자의 보행실험에서 손바닥의 압력은 정상인에 비하여 크게 나타난다. 그리고 정상인의 보행 시 발뒤꿈치가 가장 먼저 지면에 닿고 중족골, 발끝의 순으로 닿는 것과 다르게 환자의 보행은 발끝은 거의 사용하지 않고 발뒤꿈치와 중족골이 거의 동시에 지면에 닿으며 발뒤꿈치의 압력이 가장 크게 나타남을 알 수 있다. 한편, 근전도 측정 결과 완전마비 환자의 경우 다리 근육에서는 신호가 전혀 나타나지 않았다.
그리고 제작된 재활로봇을 정상인과 하지마비환자에게 착용을 하여 앉고 일어서기, 보행과 관련한 기본 동작 실험을 진행하였으며 성공적인 움직임을 보였다.
76Nm/kg이 발생함을 알 수 있다. 따라서 60kg 환자를 기준으로 로봇무게와 마진을 감안하여 80kg을 기준으로 모터용량을 산출하면 최대 약 140Nm의 토크가 필요함을 알 수 있다. 그러나 이 경우에도 목발을 이용하면 0.
그 결과 유각기상(swing phase)의 로봇 다리가 충분한 foot clearance를 확보하지 못하고 발끌림 현상이 일어나게 된다. 이를 해결하기 위하여 보행 패턴 편집 툴을 이용한 보상이 필요하였으며, 로봇을 착용하고 보행을 할 때 무게중심을 옮기기 위해 좌우로 rolling 하는 정도를 원래보다 좀 더 크게 해야 함을 실험을 통해 확인할 수 있었다.

후속연구

그러나 아직 계단 오르내리기나 보폭의 자유로운 변경, 방향전환과 같은 도전 과제가 남아 있으며, 실제 환자가 로봇을 장시간 착용하고 일상생활을 하기에는 fitting부분에 보완이 좀 더 필요한 상황이다. 또한 걸음걸이도 보다 다양하게 적용하고 각 걸음걸이에 대한 특징을 비교분석하면 상황에 따라서 환자가 보다 적합한 보행패턴을 적용할 수 있을 것으로 생각된다. 향 후 연구가 계속 진행됨에 따라 이에 대한 보완과 성능개선이 이루어질 계획이다.
향 후 연구가 계속 진행됨에 따라 이에 대한 보완과 성능개선이 이루어질 계획이다. 아울러 개발된 로봇을 사용할 때, 사용가능한 환자 선정 기준 수립, 착용 훈련계획 수립 및 실질적인 건강 개선효과 등 다양한 임상의 절차 및 시험이 진행되어질 계획이다.
또한 걸음걸이도 보다 다양하게 적용하고 각 걸음걸이에 대한 특징을 비교분석하면 상황에 따라서 환자가 보다 적합한 보행패턴을 적용할 수 있을 것으로 생각된다. 향 후 연구가 계속 진행됨에 따라 이에 대한 보완과 성능개선이 이루어질 계획이다. 아울러 개발된 로봇을 사용할 때, 사용가능한 환자 선정 기준 수립, 착용 훈련계획 수립 및 실질적인 건강 개선효과 등 다양한 임상의 절차 및 시험이 진행되어질 계획이다.

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