거동이 불편한 노인 및 장애인의 이동을 위한 휠체어 사용 시, 사용하지 않는 상 하지의 근력 저하 등 운동 능력의 감소를 초래할 수 있다. 특히, 척수손상 및 뇌졸중 편마비와 같은 중증 장애인은 거동이 제한되어 운동이 부족하고 근력 유지가 어렵다. 본 논문에서는 이러한 중증 장애인의 특성을 고려하여 상 하지 운동 및 재활훈련이 가능한 지능형 휠체어 로봇 시스템을 설계하였다. 이 시스템은 전동 휠체어, 개인의 특성 파악을 위한 생체인식모듈, 그리고 상 하지 재활 로봇으로 구성되어 있다. 본 논문에서는 개발된 로봇의 설계 및 구성에 대해 설명하고 운용 방법을 제시한다. 또한, 제안한 시스템의 추종 성능을 검증하기 위하여, 비장애인 피험자를 대상으로 재활 운동 수행시 생체 신호 변화에 따른 위험상황 분석과 휠체어 로봇이 이동하면서 상 하지 재활운동 기능에 대한 성능평가를 수행한 결과, 피험자의 재활 운동 수행 시 위험상황 분석에 대한 평균 정확도는 86.7%, 관절각도 최대 오차는 상지 2.5도, 하지 2.3도로 재활 운동 수행에 충분한 추종성능을 나타냈다.
거동이 불편한 노인 및 장애인의 이동을 위한 휠체어 사용 시, 사용하지 않는 상 하지의 근력 저하 등 운동 능력의 감소를 초래할 수 있다. 특히, 척수손상 및 뇌졸중 편마비와 같은 중증 장애인은 거동이 제한되어 운동이 부족하고 근력 유지가 어렵다. 본 논문에서는 이러한 중증 장애인의 특성을 고려하여 상 하지 운동 및 재활훈련이 가능한 지능형 휠체어 로봇 시스템을 설계하였다. 이 시스템은 전동 휠체어, 개인의 특성 파악을 위한 생체인식모듈, 그리고 상 하지 재활 로봇으로 구성되어 있다. 본 논문에서는 개발된 로봇의 설계 및 구성에 대해 설명하고 운용 방법을 제시한다. 또한, 제안한 시스템의 추종 성능을 검증하기 위하여, 비장애인 피험자를 대상으로 재활 운동 수행시 생체 신호 변화에 따른 위험상황 분석과 휠체어 로봇이 이동하면서 상 하지 재활운동 기능에 대한 성능평가를 수행한 결과, 피험자의 재활 운동 수행 시 위험상황 분석에 대한 평균 정확도는 86.7%, 관절각도 최대 오차는 상지 2.5도, 하지 2.3도로 재활 운동 수행에 충분한 추종성능을 나타냈다.
When the eldery with limited mobility and disabled use a wheelchairs to move, it can cause decreased exercise ability like decline muscular strength in upper limb and lower extremities. The disabled people suffers with spinal cord injuries or post stroke hemiplegia are easily exposed to secondary pr...
When the eldery with limited mobility and disabled use a wheelchairs to move, it can cause decreased exercise ability like decline muscular strength in upper limb and lower extremities. The disabled people suffers with spinal cord injuries or post stroke hemiplegia are easily exposed to secondary problems due to limited mobility. In this paper, We designed intelligent wheelchair robot system for upper limb and lower extremities exercise/rehabilitation considering the characteristics of these severely disabled person. The system consists of an electric wheelchair, biometrics module for Identification characteristics of users, upper limb and lower extremities rehabilitation. In this paper, describes the design and configurations and of developed robot. Also, In order to verify the system function, conduct performance evaluation targeting non-disabled about risk context analysis with biomedical signal change and upper limb and lower extremities rehabilitation over wheelchair robot move. Consequently, it indicate sufficient tracking performance for rehabilitation as at about 86.7% average accuracy for risk context analysis and upper limb angle of 2.5 and lower extremities angle of 2.3 degrees maximum error range of joint angle.
When the eldery with limited mobility and disabled use a wheelchairs to move, it can cause decreased exercise ability like decline muscular strength in upper limb and lower extremities. The disabled people suffers with spinal cord injuries or post stroke hemiplegia are easily exposed to secondary problems due to limited mobility. In this paper, We designed intelligent wheelchair robot system for upper limb and lower extremities exercise/rehabilitation considering the characteristics of these severely disabled person. The system consists of an electric wheelchair, biometrics module for Identification characteristics of users, upper limb and lower extremities rehabilitation. In this paper, describes the design and configurations and of developed robot. Also, In order to verify the system function, conduct performance evaluation targeting non-disabled about risk context analysis with biomedical signal change and upper limb and lower extremities rehabilitation over wheelchair robot move. Consequently, it indicate sufficient tracking performance for rehabilitation as at about 86.7% average accuracy for risk context analysis and upper limb angle of 2.5 and lower extremities angle of 2.3 degrees maximum error range of joint angle.
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문제 정의
본 논문에서는 노인 및 장애인의 특성 및 이동성을 고려하여 상·하지 운동 및 재활훈련이 가능한 지능형 휠체어 로봇 시스템을 제안하였다.
본 논문에서는 이러한 중증 장애인의 특성 및 이동성을 고려하여 상·하지 운동 및 재활훈련이 가능한 지능형 휠체어 로봇 시스템을 제안한다.
이에, 기본적인 휠체어 로봇에 상·하지 재활 기능을 탑재하고, 사용자의 생체신호를 인식하여 지능적인 재활이 가능하도록 설계하였으며, 사용자 친화적이고 효율적인 인터페이스를 제공하고자 한다.
본 논문에서는 이러한 중증 장애인의 특성 및 이동성을 고려하여 상·하지 운동 및 재활훈련이 가능한 지능형 휠체어 로봇 시스템을 제안한다. 제안된 시스템의 주된 목적은 노인 및 장애인이 일상생활의 모든 동작을 가능한 한 혼자 수행할 수 있도록 유도하고 이차적인 기능장애의 정도를 최소한으로 줄이는 것이다. 이에, 기본적인 휠체어 로봇에 상·하지 재활 기능을 탑재하고, 사용자의 생체신호를 인식하여 지능적인 재활이 가능하도록 설계하였으며, 사용자 친화적이고 효율적인 인터페이스를 제공하고자 한다.
제안 방법
그리고 상·하지 재활 로봇은 휠체어 부착형으로 제작하였고, 재활 환자가 휠체어에 탑승하여 상·하지 재활을 할 때, 환자의 의지와 무관하게 재활될 가능성이 존재함으로써, 이를 해결하기 위해서, 재활 정도를 모니터링 하면서, 재활이 가능하도록 시스템을 설계하였다.
주변 환경의 정보를 획득하는 센서 신호 처리와 모터 제어는 실시간으로 이루어지며, 스마트폰을 휠체어 로봇에 도킹할 수 있게 제작하여, 보조 컨트롤 보드 역할 및 서비스 어플을 수행할 수 있도록 설계하였다. 또한, 부가 인터페이스를 추가하여 이동량 및 운동기능성 정도를 사용자가 파악할 수 있는 지능형 재활 모니터링 시스템을 설계하였다. 그림 3은 스마트폰 도킹시스템의 구성도이다.
그리고 상·하지 재활 로봇은 휠체어 부착형으로 제작하였고, 재활 환자가 휠체어에 탑승하여 상·하지 재활을 할 때, 환자의 의지와 무관하게 재활될 가능성이 존재함으로써, 이를 해결하기 위해서, 재활 정도를 모니터링 하면서, 재활이 가능하도록 시스템을 설계하였다. 또한, 사용자 친화적 인터페이스를 위해 기존의 스마트폰을 사용할 수 있는 스마트폰 도킹 시스템 및 터치스크린 인터페이스 모듈을 탑재하였다. 그림 1은 제안한 시스템의 전체 구성도 이다.
본 논문에서 구현된 휠체어 로봇시스템은 중량을 줄이기 위해 조립식 설계 및 알루미늄강 소재를 이용하여 60Kg이하로 개발되었다. 또한, 사용자의 움직임에 부드러움을 주기 위해 8방향 주행이 가능하도록 설계되었고, 하지 재활로봇과의 탈부착을 용이하기 위해 발걸이부 앞뒤 45도로 반 고정식으로 설치 가능하게 제작되었다. 구현된 휠체어 로봇 시스템은 사용자의 편의를 제공하기 위해 터치스크린 및 조이스틱 제어가 가능하고, GPS 기능을 탑재하여 사용자의 일정범위 이외에서의 휠체어 기능을 강제 상실, 또는 중앙센터로의 호출할 수 있는 기능이 탑재되었다.
또한, 상·하지 재활운동의 추종 성능을 분석하기 위하여 피험자는 휠체어에 앉은 상태에서 상·하지 재활 로봇을 팔과 다리에 착용하고 재활 운동을 수행하였다.
또한, 재활 운동 수행시 효율적인 재활 운동이 가능하도록 사용자의 생체신호(맥박, 혈압, 근전도)를 측정하여 획득한 데이터를 분석하여 재활에 따른 생체 신호 변화 결과를 피드백할 수 있는 모듈을 설계하였고, 그림 4는 재활 운동에 따른 생체신호 분석 시스템의 구성도이다.
또한, 한 다리 당 고관절 1자유도, 슬관절 1 자유도 및 발목관절 1 자유도로 양쪽 다리에 총 6 자유도를 가지고 구현된 하지재활로봇시스템은 고관절, 슬관절, 발목관절 재활 운동이 가능하고 휠체어에 탈부착이 가능한 페달식 운동기로 구현되었으며, 흴체어 의자와 폐달과의 길이 조절이 가능하도록 설계하였고, 상지재활로봇시스템과 공용의 모터/감속기를 사용함으로써 통합제어가 가능하게 구현하였다. 그림 6은 본 논문에서 개발한 하지재활로봇 시스템의 구현결과이고, 표 2는 제품사양이다.
본 논문에서 구현된 휠체어 로봇시스템은 중량을 줄이기 위해 조립식 설계 및 알루미늄강 소재를 이용하여 60Kg이하로 개발되었다. 또한, 사용자의 움직임에 부드러움을 주기 위해 8방향 주행이 가능하도록 설계되었고, 하지 재활로봇과의 탈부착을 용이하기 위해 발걸이부 앞뒤 45도로 반 고정식으로 설치 가능하게 제작되었다.
본 논문에서 제안한 시스템의 추종 성능을 검증하기 위하여, 비장애인 피험자를 대상으로 재활 운동 수행시 생체 신호 변화에 따른 위험상황을 분석하기 위해 사용자의 생체신호(맥박, 혈압, 체온)를 측정하여 획득한 데이터를 분석하였고, 휠체어 로봇을 이동시키면서 상·하지 재활운동의 추종 성능을 분석하였다.
이때, 상지와 하지 재활을 분류하여 각각 독립적으로 실험을 수행하였고, 상·하지 재활 로봇의 관절가동범위는 각각 0 ~ 90도이고, 각각 100회씩 반복운동 후 관절의 오차를 측정하였다.
재활 운동 수행시 생체 신호 변화에 따른 위험상황을 분석하기 위해 피험자가 재활 운동을 30분간 10회 수행 지능형 상 · 하지 재활 휠체어 로봇 시스템의 관절각도 분석하면서 주기적(1분)으로 생체 데이터(맥박, 혈압, 체온) 300개를 획득하였고, 신경망 알고리즘으로 학습 후 분석 하였다.
본 논문에서 제안한 상·하지 재활 휠체어 로봇은 휠체어 앞쪽에는 모니터가 부착되어 있으며, 인터페이스로는 스마트폰 도킹 시스템과 터치 스크린을 사용하였다. 주변 환경의 정보를 획득하는 센서 신호 처리와 모터 제어는 실시간으로 이루어지며, 스마트폰을 휠체어 로봇에 도킹할 수 있게 제작하여, 보조 컨트롤 보드 역할 및 서비스 어플을 수행할 수 있도록 설계하였다. 또한, 부가 인터페이스를 추가하여 이동량 및 운동기능성 정도를 사용자가 파악할 수 있는 지능형 재활 모니터링 시스템을 설계하였다.
대상 데이터
본 논문에서 시스템은 사용자 탑승이 가능한 지능형 전동 휠체어, 개인의 특성 파악을 위한 생체인식모듈, 그리고 상·하지 재활 로봇으로 구성되어 있다.
본 논문에서 제안한 상·하지 재활 휠체어 로봇은 휠체어 앞쪽에는 모니터가 부착되어 있으며, 인터페이스로는 스마트폰 도킹 시스템과 터치 스크린을 사용하였다.
상·하지 재활로봇 시스템은 휠체어 부착형으로 팔과 다리에 착용하는 형태의 로봇이며, 모터에 의해 팔과 다리의 각 관절이 제어되어 사용자의 재활 훈련을 능동적으로 보조해준다. 상지 재활 로봇은 한 팔당 3자유도로 주관절, 견관절, 어깨관절 각 1자유도로 구성하였다. 하지 재활 로봇은 한 다리 당 고관절 1자유도, 슬관절 1 자유도및 발목관절 1 자유도로 양쪽 다리에 총 6 자유도를 가지며 6개의 축이 모터에 의해 구동된다.
데이터처리
재활 운동 수행시 생체 신호 변화에 따른 위험상황을 분석하기 위해 피험자가 재활 운동을 30분간 10회 수행 지능형 상 · 하지 재활 휠체어 로봇 시스템의 관절각도 분석하면서 주기적(1분)으로 생체 데이터(맥박, 혈압, 체온) 300개를 획득하였고, 신경망 알고리즘으로 학습 후 분석 하였다. 실험 결과에 대해 학습 데이터로부터의 영향을 최소화하고 신뢰성을 확보하기 위해 10-Fold 교차검증을 수행하였고, 표 3은 시스템의 위험상황 분석 정확도(단위:%) 결과이다. 피험자의 재활 운동 수행 시 위험상황 분석에 대한 평균 정확도는 86.
이론/모형
실험 데이터는 선형적인 관계가 아닌 실세계를 반영한 불규칙한 데이터를 사용했기 때문에 오차율을 측정해야 한다. 본 실험에서는 오차율 측정을 위해 식 (1)과 같이 RMSE를 사용하였다.
성능/효과
또한, 사용자의 움직임에 부드러움을 주기 위해 8방향 주행이 가능하도록 설계되었고, 하지 재활로봇과의 탈부착을 용이하기 위해 발걸이부 앞뒤 45도로 반 고정식으로 설치 가능하게 제작되었다. 구현된 휠체어 로봇 시스템은 사용자의 편의를 제공하기 위해 터치스크린 및 조이스틱 제어가 가능하고, GPS 기능을 탑재하여 사용자의 일정범위 이외에서의 휠체어 기능을 강제 상실, 또는 중앙센터로의 호출할 수 있는 기능이 탑재되었다. 그림 7은 본 논문에서 개발한 휠체어로봇 시스템의 구현결과이다.
본 논문에서 구현된 상지재활로봇시스템은 사용자의 주관절 재활이 가능하고 중력 보상 장치의 사용으로 착용자가 느끼는 로봇의 무게 부하를 제거하여 구현하였고, 하지재활로봇시스템과 공용의 모터/감속기를 사용함으로써 통합제어가 가능하게 구현하였다. 그림 5는 본 논문에서 개발한 상지재활로봇시스템의 구현결과이고, 표 1은 제품사양이다.
실험분석 결과, 상지 재활 로봇의 관절각도 평균 오차는 2.5도, 하지 재활 로봇의 관절각도 평균 오차는 2.3도로 재활 운동 수행에 충분한 추종성능을 나타냈다. 그림 10은 성능평가 결과를 보여준다.
제안한 시스템의 기능을 검증하기 위하여, 비장애인 피험자를 대상으로 휠체어 로봇이 이동하면서 상·하지 재활운동 기능에 대한 성능 평가를 수행한 결과 휠체어를 이동하면서 재활 훈련 수행 시 상지 재활 로봇의 관절각도 평균 오차는 2.5도, 하지 재활 로봇의 관절각도 평균오차는 2.3도로 재활 운동 수행에 충분한 추종성능을 나타냈다.
실험 결과에 대해 학습 데이터로부터의 영향을 최소화하고 신뢰성을 확보하기 위해 10-Fold 교차검증을 수행하였고, 표 3은 시스템의 위험상황 분석 정확도(단위:%) 결과이다. 피험자의 재활 운동 수행 시 위험상황 분석에 대한 평균 정확도는 86.7%로 나타났다.
후속연구
본 논문에서는 노인 및 장애인의 특성 및 이동성을 고려하여 상·하지 운동 및 재활훈련이 가능한 지능형 휠체어 로봇 시스템을 제안하였다. 노인 및 장애인의 경우 일상 생활에서 개발된 시스템을 이용함으로써 이동성 확보및 재활/운동에 대한 동시 접근이 가능할 것이다. 특히, 휠체어에 탑승하여 상·하지 재활에 대한 다양한 기능적 운동을 수행하는 것은 물론 재활정도를 파악하여 피드백이 가능하므로 재활훈련의 효과도 기대해 볼 수 있다.
3도로 재활 운동 수행에 충분한 추종성능을 나타냈다. 따라서, 향후에는 다양한 지능형 상·하지 운동/ 재활 알고리즘과 재활 컨텐츠에 대한 연구 및 본 논문에서 제안한 상·하지 재활운동이 가능한 휠체어 로봇에 대한 임상 평가를 수행할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
휠체어 로봇은 무엇으로 구분되는가?
이에, 재활이 가능한 휠체어 로봇에 대한 연구 개발이 요구되고 있으며, 중증 장애인이 일상생활에서 쉽게 운동/재활 훈련을 수행할 수 있도록 도와주는 휠체어 로봇에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 휠체어 로봇은 크게 수동형 휠체어와 전동 휠체어로 나뉘며, 특히 전동휠체어를 조작[1]하는 연구 및 이에 따른 다양한 제품이 개발되었다. 또한, 지능형 전동 휠체어에서 센서를 이용한 장애물 회피 및 내비게이션 기능 구현, 휠체어에서 재활 기능이 가능하게 하는 방법들에 대한 연구들이 진행 되고 있다[2].
본 논문에서 제안한 상·하지 운동 및 재활훈련이 가능한 지능형 휠체어 로봇 시스템은 어떻게 설계되었는가?
제안된 시스템의 주된 목적은 노인 및 장애인이 일상생활의 모든 동작을 가능한 한 혼자 수행할 수 있도록 유도하고 이차적인 기능장애의 정도를 최소한으로 줄이는 것이다. 이에, 기본적인 휠체어 로봇에 상·하지 재활 기능을 탑재하고, 사용자의 생체신호를 인식하여 지능적인 재활이 가능하도록 설계하였으며, 사용자 친화적이고 효율적인 인터페이스를 제공하고자 한다. 본 논문은 다음과 같이 구성되었다.
재활 로봇 관련 연구로 무엇이 있는가?
또한, 지능형 전동 휠체어에서 센서를 이용한 장애물 회피 및 내비게이션 기능 구현, 휠체어에서 재활 기능이 가능하게 하는 방법들에 대한 연구들이 진행 되고 있다[2]. 재활 로봇 관련 연구는 노약자 및 하지마비 장애인의 기립 및 보행을 보조해주는 외골격 로봇인 SUBAR[3], 중증 장애인의 보행 재활 훈련을 목적으로 Lokomat[4][5]과 같이 트레드밀, 체중 탈부하 장치와 외골격이 결합된 재활 로봇[6], 착용형 로봇 HAL 등이 개발되 었다[7]. 그러나 장치가 차지하는 공간이 크기 때문에 일반적으로 재활 센터에 설치되며 일상생활에서 사용하기에는 어려움이 있다.
참고문헌 (11)
S. Katsura and K. Ohnishi, "Semiautonomous wheelchair Based on quarry of environmental information," IEEE Trans. on Industrial Electronics Society, Vol. 53, No. 4, pp. 1373-1382, 2006.
Richard Simpson, Edmund LoPresti, Steve Hayashi, ,Illah Nourbakhsh and David Miller, "The Smart Wheelchair Component System," Journal of Rehabilitation Research and Development, Vol. 41, No. 3B, pp. 429-442, 2004.
B. Hwang, Y. Kang, and D. Jeon, "Introduction of the Wearable Robot SUBAR for Lower-Limb Assistance," in proc. of the 26th Japanese Conference on Advancement of Assistive and Rehabilitation Technology(JCAART), 2011.
S. Jezernik, G. Colombo and M. Morari,"Automatic Gait-Pattern Adaptation Algorithms for Rehabilitation With a 4-DOF Robotic Orthosis," IEEE Trans. on Robotics and Autom., vol.20, no.3, pp.574-582, 2004.
Hidler, J., Wisman, W., Neckel, N.,"Kinematic Trajectories while Walking within the Lokomat Robotic Cait-Orthosis," Clinical Biomechanics, Vol.23, No.10, pp.1251-1259, 2008.
Sakurai, T., Sankai, Y.,"Development of Motion Instruction System with Interactive Robot Suit HAL," Proceeding of the IEEE International Conference on Robotics and Biomimetisc, pp.1141-1147, 2009.
Yeon-Suk Choi, Byoung-Tae Park, Yong-Ju Choi, "Design and Implementation of Location Based Silver Town u-Service System," Journal of Korean Society for Internet Information, Vol.11, No.3, pp.53-63, 2010.
Chung-Sub Lee, Chang-Won Jeong, Su-Chong Joo, "Design and Implementation of Process Management Model applying Agent Technology," Journal of Korean Society for Internet Information, Vol.8, No.1, pp.57-70, 2007.
Moohyun Park, Chang-Won Jeong, Su-Chong Joo, "Design of platform supporting for healthcare context information service based on multi-agent," Journal of Korean Society for Internet Information, Vol.9, No.3, pp.9-24, 2008.
Sam-Gyu Lee, "Comparison of Treadmill and Swimming Exercises on the Cognitive Function in Cerebral Infarction Rats," American academy of physical medicine and rehabilitation, 2012.
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