[논문]뇌졸중 환자용 동력보조형 상지재활훈련기의 설계

배주환; 문인혁

뇌졸중 환자용 동력보조형 상지재활훈련기의 설계
Design of Upper-limb Rehabilitation Device with Power-assist Function for Stroke Survivals 원문보기

재활복지공학회논문지 = Journal of rehabilitation welfare engineering & assistive technology, v.5 no.1, 2011년, pp.79 - 85

배주환 (동의대학교 지능시스템공학과) , 문인혁 (동의대학교 메카트로닉스공학과)

초록
AI-Helper

본 논문은 뇌졸중에 의한 상지 편마비 환자의 재활훈련을 위한 동력보조형 상지재활훈련기의 설계를 제안하였다. 설계된 상지재활훈련기는 3자유도를 가지고 있으며, 검지와 손목은 독립적으로, 그리고 나머지 손가락은 하나의 모듈로 굽힘과 폄 동작이 가능하다. 손목 기구는 복동식 공암실린더를, 손가락 기구에는 두 개의 전동식 선형구동기를 적용하여 동작을 보조하도록 하였다. 설계를 기반으로 프로토타입 상지재활훈련기를 제작하였으며, 0.8mm이내의 오차로 정상상태에 수렴하도록 위치제어기를 구현하였다. 실험의 결과로부터 동력보조용 상지훈련기가 실현가능함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposed a design of upper-limb rehabilitation device with power-assist function for stroke survivals. The designed upper-limb rehabilitation device has three degrees of freedom； it is possible to perform flexion and extension motions of wrist, index finger and the other fingers except the thumb independently. The power-assist for wrist motion is performed by a pneumatic double-acting cylinder, but the fingers are actuated by electrical linear actuators to assist motions. A prototype upper-limb rehabilitation device and its controller were implemented. The position controller showed 0.8 mm errors in the steady-state. Experimental results showed that the proposed upper-limb rehabilitation device with power-assist function is feasible.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 공압실린더와 전동식 선형 구동기를 적용한 뇌졸중 상지 편마비환자를 위한 동력 보조형 상지재활훈련기를 제안한다. 이를 위해, 2장에서 상지재활훈련기의 기구 설계 및 기구학적 해석에 대하여 기술하고, 3장에서는 2장의 기구학 해석을 바탕으로 상지재활훈련기의 손가락 기구와 손목기구의 위치제어방법을 포함한 제어시스템에 대해기술한다.
본 연구에서는 선형구동기를 적용한 상지 재활훈련기를 제안하였다. 기존의 DULEX의 설계에서 손목기구와 손가락 기구를 공압식 '공압실린더와 전동식 선형구동기를 사용하여 동작하도록 설계하였다.
전동식 선형구동기를 적용한 손가락기구의 위치제어기는 구동기 내부에 설치된 선형위치계를 이용하여 위치를 측정하고, PWM(pulse with modulation)으로 전류를 제어한다. 본 연구에서는 이러한 제어방법에 따라 손목기구와 손가락기구의 위치제어기를 설계하였다.
본 장에서는 공압실린더의 위치제어 특성을 확인하기 위해 공압실린더의 위치제어를 위한 기초실험환경을 구성하였다. 그림 8은 공압실린더의 기초실험환경이다.

제안 방법

2장의 손목기구 기구학적 해석을 이용하여 손목 의 각도를 제어하기 위한 위치제어기를 설계하였다. 그림 6은 손목기구의 위치제어기이다.
Mentor[5] 는 손가락과 손목을 감싸고 하나의 구동기로 동시에 신전되도록 설계되어, 환자의 손과 손목의 스트레칭과 근력훈련이 가능하다. Ueki[이의 연구에서는손의 16 자유도, 손목 2 자유도, 종 18 자유도를 가지는 메커니즘으로 상지 재활훈련기를 설계하였다. 이 상지재활훈련기는 건측의 세밀한 움직임을 데이터글러브로 측정하여 훈련기를 착용한 환측이 움직이도록 하는# controF 훈련을 제안하였다.
공압실린더는 양쪽에 공압을 입력하여 위치를 제어할 수 있는 복동식이며, 가동범위는 50mm, 최 대로 입 력가능한 압력은 IMPa이다. 공압실린더는 별도의 위치 센서가 없기 때문에 ±0.1mm의 정밀도를 가지는 선형 위치 계를 별도로 외부에 사용하여 공압실린더의 변위를 측정하였다.
기존의 DULEX의 설계에서 손목기구와 손가락 기구를 공압식 '공압실린더와 전동식 선형구동기를 사용하여 동작하도록 설계하였다. 그리고 공압실린더와 전동식 선형구동기의 제어시손가락기구의 굽힘의 실험도 수행하였다(그림 12 참조). 그림 12에서 실선은 기구학 해석을 이용한 스템을 설계하고 실험을 통해 제어시스템의 성능을 확인하였다.
손목기구는 공압실린더의 한쪽이 팔뚝지지부에연결되어 손바닥지지부를 밀거나 당길 수 있도록설계되 었으며, 손바닥지지부는 팔뚝지지부의 손목관절을 중심으로 회전하도록 연결되어 손목의 굽힘과폄이 가능하도록 설계하였다. 그리고 손가락기구는선형구동기의 한쪽이 손바닥지지부에 고정되어 손가락의 기절 골지지 부 (proximal phalange support part)를 당기거나 밀수 있으며, 중-말절골의 굽힘과폄은 기절골지지부의 회전과 연동으로 동작하도록설계하였다.
제안하였다. 기존의 DULEX의 설계에서 손목기구와 손가락 기구를 공압식 '공압실린더와 전동식 선형구동기를 사용하여 동작하도록 설계하였다. 그리고 공압실린더와 전동식 선형구동기의 제어시손가락기구의 굽힘의 실험도 수행하였다(그림 12 참조).
공기압축기를 포함한 공압제어회로는 공압기초실험과 동일하다. 먼저 손목기구의 위치제어기 검증을 위해 목표위치입력을 변화시켜 제어결과를 확인하였다.
본 연구에서는 상지재활훈련기와 제어시스템을구성하고 실험을 진행하였다. 그림 10은 상지재활훈련기의 구동실험환경이다.
본 연구에서는 전동식 선형구동기와 복동공압실린 더 (double-acting pneumatic cylinderX 각각 손가락기구와 손목기구에 적용한 상지재활훈련기의기구를 설계하였다(그림 3 참조). 그림 3(a)는 손목기구의 설계이고, 그림 3(b)는 손가락기구의 설계이다.
손가락기구의 굽힘의 실험도 수행하였다(그림 12 참조). 그림 12에서 실선은 기구학 해석을 이용한길이에 따른 예측되는 굽힘 각도를 나타내며, 점은 측정한 각도이다.
그림 3(a)는 손목기구의 설계이고, 그림 3(b)는 손가락기구의 설계이다. 손목기구는 공압실린더의 한쪽이 팔뚝지지부에연결되어 손바닥지지부를 밀거나 당길 수 있도록설계되 었으며, 손바닥지지부는 팔뚝지지부의 손목관절을 중심으로 회전하도록 연결되어 손목의 굽힘과폄이 가능하도록 설계하였다. 그리고 손가락기구는선형구동기의 한쪽이 손바닥지지부에 고정되어 손가락의 기절 골지지 부 (proximal phalange support part)를 당기거나 밀수 있으며, 중-말절골의 굽힘과폄은 기절골지지부의 회전과 연동으로 동작하도록설계하였다.
그림 5는 설계한 상지재활훈련기의 제어시스템을 나타낸다. 손목기구와 손가락기구는 서로 다른 구동 기를 사용하기 때문에 각각의 위치제어기를 설계하 였다. 공압실린더를 적용한 손목 기구의 위치제어기 는 실린더의 양단으로 공급되는 공압을 3-way 밸 브로 제어한다.
실험에 사용한 공기압축기의 최대 압력은 7kg/cm²^. 실험은 목표위치입 력을 순차적으로 변화시켜 제어결과를 확인하였다.
Ueki[이의 연구에서는손의 16 자유도, 손목 2 자유도, 종 18 자유도를 가지는 메커니즘으로 상지 재활훈련기를 설계하였다. 이 상지재활훈련기는 건측의 세밀한 움직임을 데이터글러브로 측정하여 훈련기를 착용한 환측이 움직이도록 하는# controF 훈련을 제안하였다. 그리고 Hioki[7l의 연구에서는 외골격형태가 아닌 손가락 끝에 기구를 연결하여 손가락의 훈련 가능한 재활훈련기를 제안하였다.
공압실린더를 적용한 손목 기구의 위치제어기 는 실린더의 양단으로 공급되는 공압을 3-way 밸 브로 제어한다. 이를 위해 실린더 내부 양단의 공압 을 측정 하기 위 한 압력센서 를 설치 하였다. 또한 공 압실린더의 길이는 별도로 장착된 선형위치계로 측 정된다.

대상 데이터

제작된 기기의 총 무게는 구동기를포함하여 504g이었다. 본 연구에서는 손가락기구와손목기구의 구동기로 표준형 공압실린더 (SMC model CDM2E20-50A, 한국SMC Co.)와 전동식 선형구동기(PQ12f, Firgelli Co.)를 사용하였다. 선형구동기는 양방향으로 힘의 전달이 가능하기 때문에점차적으로 관절의 ROM을 증가시키는 스트레칭뿐만 아니라 근력보조까지 가능하다.
그리고 (d)는 제어되는 동작을 보여주고 있다. 실험에서 목표입력은 초기 위치 10mm에서 2초, 4.5초, 8초에 30mm, 10mm, 20mm로 입력되었다. 실험 결과 손목 기구가 굽힘으로 동작하는 경우 공압실린더의 위치는 0.
제작된 기기의 총 무게는 구동기를포함하여 504g이었다. 본 연구에서는 손가락기구와손목기구의 구동기로 표준형 공압실린더 (SMC model CDM2E20-50A, 한국SMC Co.

이론/모형

본 연구의 상지재활훈련기는 이전의 연구[12]에서 제시한 DULEX의 설계를 적용하였다. 표 1은 인체치수를 참조한 손의 각 부위의 길이와, 동작 자유도, 그리고 가동범위 (range of motion, ROM)를 나타낸 상지 재활훈련기의 설계 파라미터이다.

성능/효과

1mm의 오차 이내로 제어됨을 확인하였다. 따라서 굽힘과 폄의 양방향 구동이 가능하면서, 구동력도 충분한 선형 구동기를 적용한 상지재활훈련기는 재활 훈련뿐만 아니라 동력보조도 가능함을 알 수 있었다.
5초, 8초에 30mm, 10mm, 20mm로 입력되었다. 실험 결과 손목 기구가 굽힘으로 동작하는 경우 공압실린더의 위치는 0.5초 이내에 목표위치에 수렴하였다. 그리고 손목기구가 폄으로 동작하는 경우에는 1 초 이내에 목표위치에 수렴하였다.
그림 9(b)와 (c)에서 점선은 설치된 공압실린더의 아래 입력단의 압력과 밸브 동작이고, 실선은 위쪽 입력단의 압력과밸브 동작이다. 실험결과 3초에 0mm에서 30mm로제어입력을 변경되었고, 그에 따라 제어기는 위치를제어하기 위해 양단의 밸브를 제어하여 압력차를발생시켰다. 그 결과 공압실린더의 위치가 이동하였고 4.
그림 12에서 실선은 기구학 해석을 이용한 스템을 설계하고 실험을 통해 제어시스템의 성능을 확인하였다. 실험결과 공압실린더는 0.8mm의 오차 이내로 제어되었고, 전동식 선형구동기는 0.1mm의 오차 이내로 제어됨을 확인하였다. 따라서 굽힘과 폄의 양방향 구동이 가능하면서, 구동력도 충분한 선형 구동기를 적용한 상지재활훈련기는 재활 훈련뿐만 아니라 동력보조도 가능함을 알 수 있었다.
점선은 목표입력이고, 실전은 구동기의 동작을 나타낸다. 실험결과 전동식 선형구동기는 초기위치 58.2mm에서 목표 위치 5L2mm로 제어될 때 오버슈트 없이 0.1mm의 오차 내에서 목표 위치에 수렴하였다. 이것은 손가락기구에서 약 0.
이러한 일련의 실험결과로부터 본 연구에서 제안한 전동식 선형구동기와 공압실린더를 적용한 상지재활훈련기는 비교적 동작의 정확성을 보여주었으며, 구동기의 작동력에 의한 동력보조도 가능함을확인할 수 있었다.

후속연구

그리고 4장에서는 실험을 통해 제어시스템과 상지재활훈련기의 성능을 보인다. 이 결과로부터 우리는 개발된 동력보조형 상지재활훈련기가 상지의 재활훈련에 적용 가능함을 제시한다.
향후에는 동력보조를 위한 인터페이스와 재활 훈련 시 발생할 수 있는 경련과 같은 문제를 해결할 수 있는 생체신호피드백(bio-feedback) 기능을 가진 제어시스템을 연구할 예정이다.

참고문헌 (12)

http://kostat.go.kr
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상세보기
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상세보기
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M. Hioki, H. Kawasaki, H. Sakaeda, Y. Nishimoto, and T. Mouri, "Finger rehabilitation system using multi - fingered haptic interface robot controlled by surface electromyogram", Proc. of the 2010 3rd IEEE RAS & EMBS, Tokyo, Japan, pp.276-281, Sep. 2010.
Y. Hasegawa, Y. Mikami, K. Watanabe, Z. Firouzimehr, and Y. Sankai, "Wearable handing support system for paralyzed patient", in Proc. 2008 IEEE/RSJ International Conf. on Intelligent Robots and Systems, Nice, France, pp.741-746, Sept. 2008.
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. Ortner, B.Z. Allison, G. Korisek, H. Gaggl, and G. Pfurtscheller, "An SSVEP BCI to Control a Hand Orthosis for Persons With Tetraplegia", IEEE Trans on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol.19, no.1, pp.1-5, 2011.

상세보기
http://www.myomo.com
김영민, 문인혁, "뇌졸증 환자를 위한 착용형 손 재활훈련기기, DULEX", 제어로봇시스템학회논문지, 제16권, 10호, 제어로봇시스템공학회, pp.919-926, 2010. 10.

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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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