선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 뇌졸중환자의 4개 손가락의 유연성 재활운동은 굳어 있는 4개 손가락을 유연하게 하는데 목적이 있고, 이 재활운동은 4개 손가락의 이동궤도를 따라 펴고 구부리는 반복되는 운동과정에서 손가락의 굳은 정도가 점점 부드러워져 많이 펴고 구부릴 수 있다. 재활로봇을 이용한 4개 손가락 유연성 재활운동을 안전하게 실시하기 위해서는 기준힘을 설정하고, 그 것을 기준으로 로봇을 제어해야 한다.
- 논문 [1-6]에서 개발한 시스템은 손가락 재활운동을 위해서는 완전하게 뒤로 젖힐 수 있어야 하나[7], 그렇게 할 수 없는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 주먹을 쥔 상태에서 손가락을 완전히 뒤로 젖힐 수 있는 직교형 4개 손가락 재활로봇기구를 설계하였다. 매트랩(Matlab)을 이용하여 4개 손가락 재활로봇기구의 각 링크의 길이를 결정하였고, 이것을 토대로 직교형 4개 손가락 재활로봇기구를 설계 및 제작하였으며, 기구의 운동시 손가락의 안전을 위해 힘제어에 사용되는 4개 손가락 2축 힘센서를 설계 및 제작하였다.
- 본 논문에서는 뇌졸중환자의 4개 손가락 유연성 재활운동을 실시할 수 있는 4개 손가락 재활로봇을 개발하였다. 4개 손가락의 재활로봇기구가 안전하게 동작됨을 확인하였고, 제작한 2축 힘센서는 손가락에 가해지는 힘을 안전하게 측정됨을 확인하였으며, 고속제어장치는 4개 손가락 재활로봇을 안전하게 제어함을 확인하였다.
- 실험대상자는 뇌졸중환자가 대부분 손가락에 통증을 느낄 수 없으므로 20~30대 정상인 남성을 대상으로 실험을 실시하여 개발한 재활로봇의 기본 특성을 파악하고자 한다. 유연성 재활운동을 위한 기준힘 설정값의 특성실험은 5명의 남성을 대상으로 실시하였다.
제안 방법
- 4개 손가락 2축 힘센서의 정격출력을 결정하고, 비직선성 오차, 재현성오차, 상호간섭오차를 계산하기 위한 특성실험은 다축 힘/모멘트센서의 교정장치[8]를 이용하여 2축 힘센서의 Fx 힘센서와 Fy 힘센서에 10N부터 100N까지 10N단계로 증가 및 감소순으로 힘을 가하여 각각 3회씩 실시하였다. 각 힘센서의 정격출력은 100 N일 때의 출력값을 평균하여 결정하였고, Fx 힘센서의 정격출력은 0.
- 그 결과, 중지재활로봇을 위한 링크6과 링크 (3+4)의 길이는 각각 76 mm와 225 m이었다. 4개 손가락 중 가장 긴 손가락인 중지의 재활운동을 할 수 있으면 그보다 길이가 짧은 손가락은 충분히 궤적운동을 실시할 수 있으므로 각각의 4개 재활로봇의 조립배치 등을 고려하여 나머지 3개 손가락 재활로봇의 링크 6과 링크 (3+4)의 길이도 중지재활로봇의 링크길이와 같게 결정하였다.
- 4개 손가락 중 가장 길이가 긴 중지가 뒤로 젖혀지는 궤적을 따라 움직이는 시뮬레이션은 각 손가락이 완전히 굽혀져 있는 상태(주먹을 가볍게 쥔 상태)로부터 시작하여 손가락을 일직선으로 편상태로부터 뒤쪽으로 85°까지 젖혀지는 것으로 실시하였다.
- 3이며, 8절점 6면체 블록을 선택하였다. 격자(mesh) 크기는 해석하고자 하는 평행평판보를 길이방향으로는 0.5 mm 간격, 두께방향으로는 4등분, 폭방향으로는 8등분하였다. 그림 7(a)는 2축 힘센서를 유한요소법으로 해석하기 위해 격자를 나눈 모습을 나타내고, 그림 7(b)와 (c)는 각각의 정격힘이 가해졌을 때의 센서 감지부의 변형된 모습을 나타내고 있으며, 모두 센서의 구조를 모델링할 때 예상했던 모습으로 변형되었다.
- 9N이었다. 따라서 유연성 재활운동을 위한 기준힘은 4개 손가락의 안전을 고려하여 각각 13.0N, 14.0N, 13.0N, 10.0N으로 결정하였다. 그림 10(a)~(d)는 4개 손가락 재활로봇을 이용한 각 손가락의 유연성 재활운동과정을 나타낸 사진이고, 이것은 4개의 각 손가락이 굽어진 상태에서 완전히 펴지는 상태까지를 나타낸 것이며, 다시 원위치로 돌아올 경우에는 사진의 역순이다.
- 따라서 본 논문에서는 주먹을 쥔 상태에서 손가락을 완전히 뒤로 젖힐 수 있는 직교형 4개 손가락 재활로봇기구를 설계하였다. 매트랩(Matlab)을 이용하여 4개 손가락 재활로봇기구의 각 링크의 길이를 결정하였고, 이것을 토대로 직교형 4개 손가락 재활로봇기구를 설계 및 제작하였으며, 기구의 운동시 손가락의 안전을 위해 힘제어에 사용되는 4개 손가락 2축 힘센서를 설계 및 제작하였다.
- 시뮬레이션에서 링크4와 링크6의 연결지점 (x, y)의 이동에 따라 링크1의 수평 이동거리와 링크2의 수평이동거리, 링크2와 링크3이 이루는 각 θ1이 변화되고, 이것에 의해 각 손가락은 폄과 구부림의 운동을 할 수 있다. 본 논문에서는 측정한 손가락의 길이의 폄과 구부림의 운동을 할 수 있는 링크1과 링크2의 길이를 결정하였을 때 링크3과 4의 수평과 수직 움직이는 거리를 알기 위해 매트랩을 이용하여 시뮬레이션을 실시하였다.
- 그림 10(a)~(d)는 4개 손가락 재활로봇을 이용한 각 손가락의 유연성 재활운동과정을 나타낸 사진이고, 이것은 4개의 각 손가락이 굽어진 상태에서 완전히 펴지는 상태까지를 나타낸 것이며, 다시 원위치로 돌아올 경우에는 사진의 역순이다. 특성실험은 4개 손가락 재활로봇의 손지지대에 밸크로(velcro)로 손목을 고정하고, 각 손가락을 손가락 고정링크에 나사를 이용하여 안전하게 고정한 후 제어장치에 각 손가락의 설정된 기준힘 설정값이 2축 힘센서로 출력될 때까지 각 손가락의 위치경로(궤도)를 따라 손가락을 뒤로 잡아당기며, 이후에는 손가락 운동링크를 다시 초기위치로 돌아가게 제어한다.
- 유연성 재활운동을 위한 기준힘 설정값의 특성실험은 5명의 남성을 대상으로 실시하였다. 특성실험은 엄지손가락 재활로봇의 손지지대에 밸크로(velcro)로 손목을 고정하고, 엄지손가락을 손가락 고정링크에 나사를 이용하여 안전하게 고정한 후 수동으로 제어장치를 제어하여 손가락에 통증이 올 때까지 손가락을 뒤로 잡아당기며, 이때 손가락 운동링크의 2축 힘 센서로부터 출력되는 측정값을 읽는 순서로 실시하였다. 실험은 각 실험자를 대상으로 각각 3번씩 실시되었고, 그것을 평균하여 각 실험자의 측정한 값으로 나타내었으며, 5명의 실험자의 평균값은 각각 15.
대상 데이터
- 그림 5는 제작한 재활로봇의 기계장치의 사진을 나타내고 있고, 이것은 검지재활로봇기구, 중지재활로봇기구, 약지재활 로봇기구, 소지재활로봇기구을 하나로 조합된 것이다. 4개 손가락 재활로봇은 손지지대(몸체), 각 손가락 재활로봇기구의 상하이송기구, 전후이송기구, 힘측정/전달기구, 제어장치 등으로 구성되어 있다. 손지지대(몸체)는 환자의 왼손의 등을 접촉시켜 고정시키고, 전후이송기구가 부착되며, 속이 비어 있는 사각기둥 형상이다.
- 그림 10. 4개 손가락 재활로봇을 이용한 유연성운동의 특성 실험.
- 그림 9. 4개 손가락 재활운동을 위한 실험장치.
- 이 동작을 반복하면 점점 더 손가락의 굳은 정도가 부드러워져 많이 펴질 수 있고 손가락의 유연성이 좋아질 수 있다. 사용된 제어장치는 12비트의 아날로그/디지털컨버터(A/D converter)를 가지고 있고 처리속도가 150 MHz인 DSP(Digital Signal Processor)로 제작된 것이다.
- 5 mV/V, 각 센서의 정격하중은 각각 100 N이다. 센서의 크기가 길이 42mm, 높이 25mm, 폭 12mm이고, 스트레인게이지의 부착위치가 길이 방향 으로는 평판보의 끝지점으로부터 1.5mm지점, 폭 방향 으로는 폭의 중심선상(1/2)이고, 스트레인게이지의 부착 위치에서의 변형률은 약 250um/m로 결정하였다. 2축 힘 센서의 각 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 이용하였다.
- 실험대상자는 뇌졸중환자가 대부분 손가락에 통증을 느낄 수 없으므로 20~30대 정상인 남성을 대상으로 실험을 실시하여 개발한 재활로봇의 기본 특성을 파악하고자 한다. 유연성 재활운동을 위한 기준힘 설정값의 특성실험은 5명의 남성을 대상으로 실시하였다. 특성실험은 엄지손가락 재활로봇의 손지지대에 밸크로(velcro)로 손목을 고정하고, 엄지손가락을 손가락 고정링크에 나사를 이용하여 안전하게 고정한 후 수동으로 제어장치를 제어하여 손가락에 통증이 올 때까지 손가락을 뒤로 잡아당기며, 이때 손가락 운동링크의 2축 힘 센서로부터 출력되는 측정값을 읽는 순서로 실시하였다.
- 2축 힘 센서의 각 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 이용하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성계수가 70 GPa, 프와송의 비가 0.3이며, 8절점 6면체 블록을 선택하였다. 격자(mesh) 크기는 해석하고자 하는 평행평판보를 길이방향으로는 0.
- 손지지대(몸체)는 환자의 왼손의 등을 접촉시켜 고정시키고, 전후이송기구가 부착되며, 속이 비어 있는 사각기둥 형상이다. 이것의 크기는 폭 220 mm, 길이 451 mm, 높이 94 mm이다. 각 손가락 재활로봇기구의 상하이 송기구는 상하이송기구의 엘엠가이드 레일 위에 고정되어 있으며, 전후이송기구와 함께 4개 손가락에 가하는 힘을 발생하는 역할을 한다.
- 그림 5. 제작된 4개 손가락 재활로봇.
데이터처리
- 5mm지점, 폭 방향 으로는 폭의 중심선상(1/2)이고, 스트레인게이지의 부착 위치에서의 변형률은 약 250um/m로 결정하였다. 2축 힘 센서의 각 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 이용하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성계수가 70 GPa, 프와송의 비가 0.
성능/효과
- 4개 손가락의 재활로봇기구가 안전하게 동작됨을 확인하였고, 제작한 2축 힘센서는 손가락에 가해지는 힘을 안전하게 측정됨을 확인하였으며, 고속제어장치는 4개 손가락 재활로봇을 안전하게 제어함을 확인하였다. 4개 손가락 유연성 재활운동에 관한 특성실험을 20대 대학생 남성을 대상으로 실시한 결과, 4개 손가락 재활로봇은 4개 손가락에 힘을 주지 않은 상태에서 손가락을 뒤로 젖히고 굽히는 동작을 안전하게 수행할 수 있음을 확인하였다.
- 본 논문에서는 뇌졸중환자의 4개 손가락 유연성 재활운동을 실시할 수 있는 4개 손가락 재활로봇을 개발하였다. 4개 손가락의 재활로봇기구가 안전하게 동작됨을 확인하였고, 제작한 2축 힘센서는 손가락에 가해지는 힘을 안전하게 측정됨을 확인하였으며, 고속제어장치는 4개 손가락 재활로봇을 안전하게 제어함을 확인하였다. 4개 손가락 유연성 재활운동에 관한 특성실험을 20대 대학생 남성을 대상으로 실시한 결과, 4개 손가락 재활로봇은 4개 손가락에 힘을 주지 않은 상태에서 손가락을 뒤로 젖히고 굽히는 동작을 안전하게 수행할 수 있음을 확인하였다.
- Fx 힘센서의 오차는 유한요소해석 결과인 0.49938 mV/V을 기준으로 계산한 결과, 1.92% 이내이었고, Fy 힘센서의 오차는 유한요소해석 결과인 0.53491mV/V을 기준으로 계산한 결과, 2.49 % 이내이었다. 그리고 각 힘센서의 비직선성오차, 재현성오차, 상호간섭오차를 계산한 결과 각각 0.
- 4개 손가락 2축 힘센서의 정격출력을 결정하고, 비직선성 오차, 재현성오차, 상호간섭오차를 계산하기 위한 특성실험은 다축 힘/모멘트센서의 교정장치[8]를 이용하여 2축 힘센서의 Fx 힘센서와 Fy 힘센서에 10N부터 100N까지 10N단계로 증가 및 감소순으로 힘을 가하여 각각 3회씩 실시하였다. 각 힘센서의 정격출력은 100 N일 때의 출력값을 평균하여 결정하였고, Fx 힘센서의 정격출력은 0.50898 mV/V이었고 Fy 힘 센서의 정격출력은 0.54821mV/V이었다.
- 그림 11의 4개 손가락 재활로봇을 이용한 각 손가락의 유연성 재활운동과정 중 각 손가락에 힘을 주지 않은 상태 (각 손가락을 힘을 주지 않고 자연스럽게 놓은 상태)에서 각 손가락에 가해지는 힘을 2축 힘센서를 이용하여 측정한 결과이다. 검지, 중지, 약지의 각 2축 힘센서 출력값은 손가락을 뒤로 젖힐 때는 시작 후 22초까지 각각의 0 N에서 각 손가락의 설정값까지 증가하고, 그 이후로는 감소하여 44초 부근에서 0 N으로 감소하였다. 소지의 각 2축 힘센서의 출력값은 3개의 손가락과 비슷한 경향을 보이고 있으나 17초에 설정값까지 도달함을 알 수 있다.
- 4개 손가락 중 가장 길이가 긴 중지가 뒤로 젖혀지는 궤적을 따라 움직이는 시뮬레이션은 각 손가락이 완전히 굽혀져 있는 상태(주먹을 가볍게 쥔 상태)로부터 시작하여 손가락을 일직선으로 편상태로부터 뒤쪽으로 85°까지 젖혀지는 것으로 실시하였다. 그 결과, 중지재활로봇을 위한 링크6과 링크 (3+4)의 길이는 각각 76 mm와 225 m이었다. 4개 손가락 중 가장 긴 손가락인 중지의 재활운동을 할 수 있으면 그보다 길이가 짧은 손가락은 충분히 궤적운동을 실시할 수 있으므로 각각의 4개 재활로봇의 조립배치 등을 고려하여 나머지 3개 손가락 재활로봇의 링크 6과 링크 (3+4)의 길이도 중지재활로봇의 링크길이와 같게 결정하였다.
- 성인 남자 10명의 손의 크기와 4개 손가락의 크기를 측정하여 평균한 값은 표 1에 나타낸 것 과 같이 검지가 101 mm, 중지가 114 mm, 약지가 105 mm, 소지가 87 mm이었고, 각 손가락의 마디의 길이는 표 1과 그림 1에 나타낸 것과 같으며, 4개 손가락을 일직선으로 편 상태에서 뒤로 젖혀지는 각도는 각각 약 85°이었다.
- 특성실험은 엄지손가락 재활로봇의 손지지대에 밸크로(velcro)로 손목을 고정하고, 엄지손가락을 손가락 고정링크에 나사를 이용하여 안전하게 고정한 후 수동으로 제어장치를 제어하여 손가락에 통증이 올 때까지 손가락을 뒤로 잡아당기며, 이때 손가락 운동링크의 2축 힘 센서로부터 출력되는 측정값을 읽는 순서로 실시하였다. 실험은 각 실험자를 대상으로 각각 3번씩 실시되었고, 그것을 평균하여 각 실험자의 측정한 값으로 나타내었으며, 5명의 실험자의 평균값은 각각 15.4N, 16.3N, 15.2N, 11.9N이었다. 따라서 유연성 재활운동을 위한 기준힘은 4개 손가락의 안전을 고려하여 각각 13.
- 유한요소법을 이용하여 2축 힘센서를 설계한 결과, 평행평판보 PPB1의 길이 l1은 10mm, 두께 t2는 2.1mm, 폭 b2는 12 mm이었고, 평행평판보 PPB2의 길이 l2은 8 mm, 두께 t2는 1.9 mm, 폭 b2는 12 mm이었다. 유한요소해석 결과를 토대로 2축 힘센서의 스트레인게이지 부착위치를 결정하였으며, 그것을 그림 6(b)에 나타내고 있다.
- 소지의 각 2축 힘센서의 출력값은 3개의 손가락과 비슷한 경향을 보이고 있으나 17초에 설정값까지 도달함을 알 수 있다. 이것은 4개 손가락 재활로봇의 각 손가락의 기구가 각 손가락 유연성 재활운동을 수행할 때각 손가락의 안전을 위해 설정한 설정값까지 손가락을 뒤로 젖히고, 그 이후에는 원상태로 복귀하는 동작을 안전하게 수행할 수 있음을 나타낸 것이다.
후속연구
- 따라서 본 논문에서 개발한 4개 손가락 재활로봇은 뇌졸중환자의 4개 손가락의 유연성 재활운동을 실시할 수 있을 것으로 생각되고, 추후 연구는 뇌졸중환자의 4개 손가락 재활을 위한 특성실험을 실시하는 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.