[논문]2 자유도 자동손목관절을 가진 근전 전동의수 개발

박세훈; 홍범기; 김종권; 홍응표; 문무성

doi:10.5302/j.icros.2011.17.8.824

2 자유도 자동손목관절을 가진 근전 전동의수 개발
Development of the Myoelectric Hand with a 2 DOF Auto Wrist Module 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.17 no.8, 2011년, pp.824 - 832

박세훈 (재활공학연구소) , 홍범기 (재활공학연구소) , 김종권 (재활공학연구소) , 홍응표 (재활공학연구소) , 문무성

Abstract ▼ AI-Helper

An essential consideration to differentiate prosthetic hand from robot hand is its convenience and usefulness rather than high resolution or multi-function of the robot hand. Therefore, this study proposes a myoelectric hand with a 2 DOF auto wrist module which has 6 essential functions of the human hand such as open, grasp, pronation, supination, extension, flexion, which improves the convenience of the daily life. It consists of the 3 main parts, the myoelectric sensor for input signal without additional attachment to operate the prosthetic hand, hand mechanism with high-torqued auto-transmission mechanism and self-locking module which guarantee the safety under the abrupt emergency and minimum power consumption, and dual threshold based controller to make easy for adopting the multi-DOF myoelectric hand. We prove the validity of the proposed system with experimental results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

물체를 파지직전까지는 빠르게 파지동작을 수행하고, 대상에 접촉한 후부터는 파지 대상을 고려하여 조심스럽게 파지동작을 수행한다. 그래서 본 논문에서는 물체를 파지 직전인 무부하에서는 유성 감속기(8:1)의 영향 없이 힘이 전달되어 고속, 저토크로 파지하고, 물체을 잡은 순간, 정밀한 제어를 위해 유성감속기가 작동하여 저속, 고토크로 동작하기 위한 자동 변속 메커니즘을 제안한다.
그래서 본 논문에서는 일상에서 다반사로 일어나는 일련의 파지행동을 보다 편리하게 함으로써 삶의 질을 한층 더 높이기 위해 6가지 손동작이 가능한 2자유도 자동 손목모듈 기능을 가진 3 finger 타입 근전 전동의수를 제안한다.
실제로 근전 전동의수로 컵이나, 뜨거운 냄비, 칼 등을 들고 옮기는 경우, 외부의 갑작스런 충격이나, 전원상의 문제로 인해 들고 있는 물건을 놓칠 경우 많은 문제점을 야기시킬 수 있다. 그래서, 본 논문에서는 근전 전동의수가 파지동작 후 대기상태에서는 손가락이 벌어지지 않도록 잠겨지는 자동 락킹 메커니즘을 구현하였고 대상물이 부서지거나 무리한 힘이 가해지지 않도록 정밀하게 제어하기 위해 저속으로 고토크를 낼 수 있는 자동 변속 메커니즘을 구현하였다.
특별한 몸동작이나 버튼, 스위치와 같은 부가장치의 부착 없이 사용자의 의도에 따라 전동의수를 동작시키기 위해서는 절단환자의 잔존근육으로부터 미세한 근육의 움직임을 파악하여 이를 전기적 신호로 만들어내는 근전센서가 절대적으로 필요하다. 본 논문에서는 3개의 접점을 가진 Envelop 형태의 건식 근전센서를 개발하였다. 계측용 센서[8]의 경우보다 안정된 신호를 정밀하게 측정하기 위해 별도의 Amp를 두고 Reference를 신체 다른 부위에 물리지만 근전 전동의수에는 구조적으로 장착이 불가능하다.
본 논문에서는 센서, 메커니즘, 제어기 순으로 설명하고 실험을 통해 파지, 내 · 외회전, 굴곡 · 신전동작을 구현하고자 한다.
계측용 센서[8]의 경우보다 안정된 신호를 정밀하게 측정하기 위해 별도의 Amp를 두고 Reference를 신체 다른 부위에 물리지만 근전 전동의수에는 구조적으로 장착이 불가능하다. 본 논문에서는 최근 별도의 Reference 없이 소켓장착에 유용한 3접점 센서[3]를 모델로 설계하였다. 이런 타입의 센서는 전동의수 제작 시 센서 관련 공정이 편리하고, Amp 일체형 이므로 공간적 제약이 없어 사용 및 관리가 편리하다.

가설 설정

O: 기능이 유용함.

제안 방법

3자유도 근전 전동의수 구현을 위해 제안된 생체신호인근전신호를 추출하기 위한 근전센서, 추출된 센서로부터 기구부를 구동하기 위한 제어부, 동작을 구현하는 메커니즘을 검증하고자 한다.
또한 향후 근전 전동의수의 상태를 검사/진단 하기 위하여 RS-232통신 인터페이스를 구현하였다. 구현된 제어기는 그림 20과 같이 근전전동의수에 장착가능 하도록 소형화하였다.
그래서 본 논문에서는 단지 2개의 근전 센서를 이용하여 Envelop EMG 신호를 모드 변환하는 알고리즘을 적용하였다. 센서는 일상생활에서 구현되는 팔이나 다른 손동작에 의해 오동작이 일어나지 않고, 다른 근육의 움직임에 간섭을 받지 않기 위해, 그림 14와 같이 굴곡, 신전근에 부착하였다.
근육에서 나온 10mV이하의 미세신호를 근전의수의 제어신호(0~5V)로 사용하기 위해 먼저 대역필터(0~1kHz)를 통과시켜 몸동작에서 발생하는 저주파 노이즈와 그 외 고주파 노이즈가 제거된다. 그리고 1차 증폭 후 일상생활에서 사용되는 가정용 전자제품의 상용 노이즈를 제거하기 위해 60hz노치필터를 설계하였다. 필터를 통과한 순수 근전신호는 2단 증폭단에 의해 0 ~5V로 증폭되어 전동의수의 제어신호로 사용된다.
1ms 단위로 신호를 샘플링하고 평균값를 통해 고주파 노이즈를 제거하였다. 그리고 CO, C1, C2 신호 분류를 통해 독립된 3축 모터 드라이버를 구동하여 근전신호의 크기에 따라 속도제어를 하여 근전 전동의수를 동작시킨다. 또한 향후 근전 전동의수의 상태를 검사/진단 하기 위하여 RS-232통신 인터페이스를 구현하였다.
또한 손목 모듈은 표 3과 같이 좌 · 우 360도 회전 및 약 100o의 굴곡 · 신전이 가능하도록 구현하였다.
그리고 CO, C1, C2 신호 분류를 통해 독립된 3축 모터 드라이버를 구동하여 근전신호의 크기에 따라 속도제어를 하여 근전 전동의수를 동작시킨다. 또한 향후 근전 전동의수의 상태를 검사/진단 하기 위하여 RS-232통신 인터페이스를 구현하였다. 구현된 제어기는 그림 20과 같이 근전전동의수에 장착가능 하도록 소형화하였다.
필터를 통과한 순수 근전신호는 2단 증폭단에 의해 0 ~5V로 증폭되어 전동의수의 제어신호로 사용된다. 마지막으로 Raw EMG 가 아닌 Envelop EMG 신호를 얻기 위해 500hz 저역 통과필터를 구현하였다.
그림 23. 모드 변환 알고리즘을 이용한 3자유도 근전 전동의수 6가지 동작구현.
왜냐하면, 근전 전동의수는 의사의 처방전을 필요로 하는데 이때 근전 신호값이 20 이상이어야 한다. 본 논문에서는 효과적인 제어를 위해 이중 문턱치 제어방법[11]을 사용하여 제어신호를 구분하고 편의상 주요 문턱치 값과 보조 문턱치 값을 40과 20으로 설정하였다.
대부분 상지 절단환자는 팔꿈치 사용이 가능하고 손목이 없기 때문에 굴곡 · 신전, 내 · 외회전이 불가능하기 때문에 파지기능이 있는 근전 전동의수를 착용하더라도 파지전의 손목기능을 몸을 비틀거나, 좌우로 움직이면서 구현하므로 일상생활에 사용하기에는 많은 애로사항이 있다. 서랍장 열고 닫기, 문 열기, 물병에 물 채우기 등 일상생활에서 일어나는 대부분의 동작을 효율적으로 구현하기 위해 2자유도 자동 손목모듈을 구현하였다.
제안된 2자유도 자동 손목 모듈 역시 사용시 안전성을 고려하여 파지모듈에서 언급한 자동 락킹 메커니즘을 적용하여 그림 13과 같이 굴곡 · 신전, 내 · 외회전이 가능하도록 구현하였다. 소음을 최소화하기 위하여 모터 앞단에 마찰식 유성 감속기를 사용하였으며, 소형 경량의 고토크를 구현하기 위해 다단 유성 감속기를 부하쪽에 구현하였다. 전체무게는 290g 정도이고 정상인의 손동작 범위를 참고 하여 동작범위를 표 5와 같이 구현하였다.
연속적인 근전신호을 이용한 모드변환 알고리즘을 통해 3자유도 근전 전동의수 동작을 실시간으로 구현하기 위해 TMS320F2812 기반의 고속 제어기를 설계하였다.
자동 락킹 메커니즘은 그림 7과 같이 구동모터에 연결된 하단 커버, 스프링, 상단 커버 및 락 프레임으로 구성되어 있다. 자동 락킹 메커니즘은 상단 및 하단 커버와 연결된 스프링을 팽창 또는 수축시킴으로써 락 기능과 동력전달기능을 가능하도록 하였다. 정상상태에서 모터에서 부하쪽으로 동력을 전달하기 위해서는, 하단커버가 B 방향으로 회전하거나, 상단커버가 A 방향으로 회전하여, 커버를 감싸고 있는 스프링이 두 커버를 계속 조여준다.
자동손목모듈을 이용한 6개의 동작구현을 위해 그림 22는 2개의 근전센서로부터 추출한 근전신호로써, CO, C1, C2 의 분리 가능한 3종류의 근전신호를 연속적으로 구현하였다. 20이하의 미세신호는 센서와 피부의 불안전한 접촉에 따른 신호로써 동작구분을 위한 신호에는 그의 영향을 미치지 않는다.
제안된 2자유도 자동 손목 모듈 역시 사용시 안전성을 고려하여 파지모듈에서 언급한 자동 락킹 메커니즘을 적용하여 그림 13과 같이 굴곡 · 신전, 내 · 외회전이 가능하도록 구현하였다.
제어기 동작 블록도는 그림 19에서 알 수 있듯이 2개의 근 전센서로부터 추출된 신호는 16bit AD 컨버터를 거쳐 0.1ms 단위로 신호를 샘플링하고 평균값를 통해 고주파 노이즈를 제거하였다. 그리고 CO, C1, C2 신호 분류를 통해 독립된 3축 모터 드라이버를 구동하여 근전신호의 크기에 따라 속도제어를 하여 근전 전동의수를 동작시킨다.
개발된 3접점 EMG센서의 세부사양은 표 2와 같다. 증폭 비는 2,000에서 최대 100,000까지 조절 가능하도록 하였다. 왜냐하면 절단환자의 경우, 초기에는 절단부의 근육이 의도대로 잘 움직이지 않기 때문에 근육으로부터 나오는 신호가 매우 미약하여 증폭 비를 최대한 올려 근전 전동의수를 동작시킨다.
지금까지 2개의 센서를 이용하여 2자유도 손목모듈기능이 있는 근전 전동의수를 구현하였다. 단단부가 짧은 상지 절단 환자의 경우 적용이 가능하나 손목모듈이 다소 길기 때문에 단단부가 긴 절단환자의 경우, 개발된 의수를 착용할 경우, 팔 길이가 매우 길어져 미관상 좋지 않다.
5N의 파지력은 배터리 분리 후 그림 21(b)와 같이 자동 락킹 메커니즘에 의해 파지력을 유지함을 알 수 있다. 최근 각 손가락에 대한 파지를 보다 효과적으로 측정하기 위한 방법들이 개발되었으나[13], 본 논문에서는 상용화된 장비를 사용하여 데이터의 유효성을 확보하였다.
2자유도 자동손목모듈이 있는 3자유도 근전 전동의수는 그림 6과 같이 고 토크로 물체를 파지하기 위한 경량의 파지 메커니즘과 굴곡 · 신전, 내 · 외회전이 자동으로 가능한 자동 손목 메커니즘으로 나눌 수 있다. 파지 메커니즘은 3접점 파지 메커니즘을 이용하여 일반 성인의 2/3정도인 150N의 힘을 낼 수 있고, 자동 락킹메커니즘[4]과 변속기능을 이용하여 안전성과 전력소모를 최소화 하도록 설계하였다. 또한 손목 모듈은 표 3과 같이 좌 · 우 360도 회전 및 약 100o의 굴곡 · 신전이 가능하도록 구현하였다.

후속연구

단단부가 짧은 상지 절단 환자의 경우 적용이 가능하나 손목모듈이 다소 길기 때문에 단단부가 긴 절단환자의 경우, 개발된 의수를 착용할 경우, 팔 길이가 매우 길어져 미관상 좋지 않다. 그러므로 향후 다양한 형태의 절단환자에게 적용될 수 있도록 파지 및 손목모듈을 보다 최적화하여 작고 경량화를 위한 연구와 독창적인 형태의 변형가능한 기구부를 이용한 모듈개발 역시 절실히 요구된다[14].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	근전 전동의수는 어떻게 나누어지나?	근전 전동의수는 크게 3개의 손가락으로 파지하는 3 finger 타입에서 5개의 손가락으로 파지하는 5 finger 타입으로 나눌 수 있다. 5 finger 타입의 근전 전동의수의 경우[4-7] 다양한 파지기능이 있으며 다섯 손가락을 이용하여 물체를 보다 정밀하게 파지할 수 있는 장점이 있는 반면, 파지력이 80N 이하이며 가격이 매우 고가여서 국내에서는 사용자가 전무하다.
	3 finger 타입 근전 전동의수의 장점은?	5 finger 타입의 근전 전동의수의 경우[4-7] 다양한 파지기능이 있으며 다섯 손가락을 이용하여 물체를 보다 정밀하게 파지할 수 있는 장점이 있는 반면, 파지력이 80N 이하이며 가격이 매우 고가여서 국내에서는 사용자가 전무하다. 이에 반해 3 finger 타입의 경우 단순 파지기능 이지만, 파지력이 120N정도로 매우 강하고, 유지보수가 저렴하여 국내 대부분의 상지 절단환자가 사용하고 있다.
	5 finger 타입의 근전 전동의수의 장점은?	근전 전동의수는 크게 3개의 손가락으로 파지하는 3 finger 타입에서 5개의 손가락으로 파지하는 5 finger 타입으로 나눌 수 있다. 5 finger 타입의 근전 전동의수의 경우[4-7] 다양한 파지기능이 있으며 다섯 손가락을 이용하여 물체를 보다 정밀하게 파지할 수 있는 장점이 있는 반면, 파지력이 80N 이하이며 가격이 매우 고가여서 국내에서는 사용자가 전무하다. 이에 반해 3 finger 타입의 경우 단순 파지기능 이지만, 파지력이 120N정도로 매우 강하고, 유지보수가 저렴하여 국내 대부분의 상지 절단환자가 사용하고 있다.

참고문헌 (14)

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S. S. Ahn, Y. M. Kim, and Y. J. Lee, "A deformable spherical robot with two arms" Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 16, no. 11, pp. 1060-1067, 2010.

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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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