[논문]유연한 착용형 손 로봇 기술 동향

인현기; 정우석; 강병현; 이해민; 구인욱; 조규진

doi:10.5302/j.icros.2015.15.9029

유연한 착용형 손 로봇 기술 동향
Trend of Soft Wearable Robotic Hand 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.21 no.6, 2015년, pp.531 - 537

인현기 (서울대학교 기계항공공학부) , 정우석 (서울대학교 기계항공공학부) , 강병현 (서울대학교 기계항공공학부) , 이해민 (서울대학교 기계항공공학부) , 구인욱 (서울대학교 기계항공공학부) , 조규진 (서울대학교 기계항공공학부 및 정밀기계설계공동연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Hand function is one of the essential functions required to perform the activities of daily living, and wearable robots that assist or recover hand functions have been consistently developed. Previously, wearable robots commonly employed conventional robotic technology such as linkage which consists of rigid links and pin joints. Recently, as the interest in soft robotics has increased, many attempts to develop a wearable robot with a soft structure have been made and are in progress in order to reduce size and weight. This paper presents the concept of a soft wearable robot composed of a soft structure by comparing it with conventional wearable robots. After that, currently developed soft wearable robots and related issues are introduced.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

세 번째 요소로는 고정단(anchor) 설계이다. 고정단은 단단한 재료를 이용하여 제작되며 손에 고정이 잘 되어 힘을 전달할 수 있도록 도와주는 것을 목적으로 한다. 고정단은 하우징(housing)을 통해 구동부로 연결이 되어 하나의 단단한 구조와 같이 작용하며, 구동기의 와이어는 하우징과 고정단을 통해 목표 관절까지 연결이 된다.
본 논문에서는 개발되고 있거나 상용화된 손 부위의 로봇을 살펴 보았다. 기존에 주로 개발되던 강체 기반 착용형 로봇의 특징과 한계, 그리고 한계를 극복하기 위해 최근 개발되고 있는 유연한 착용형 로봇의 특징 및 한계를 살펴 보았다.
본 논문에서는 개발되고 있거나 상용화된 손 부위의 로봇을 살펴 보았다. 기존에 주로 개발되던 강체 기반 착용형 로봇의 특징과 한계, 그리고 한계를 극복하기 위해 최근 개발되고 있는 유연한 착용형 로봇의 특징 및 한계를 살펴 보았다.
본 논문에서는 링키지 구조를 이용한 전통적인 방식의 강체 기반 착용형 로봇(rigid wearable robot)의 특징 및 장단점을 소개하고, 강체 기반 착용형 로봇의 단점을 극복하기 위해 최근 대두되고 있는 유연한 착용형 로봇(soft wearable robot)을 본 연구실에서 수행된 관련 연구와 더불어 소개 하고자 한다.

제안 방법

그림 9에서 보여지는 BiomHED는 미국 카톨릭 대학과 국립보건원에서 뇌졸중 이후 손 기능이 마비된 장애인을 대상으로 개발한 와이어 구동 방식의 유연한 착용형 손 로봇이다 [17]. 4 개의 와이어를 엄지를 포함한 각각의 손가락마다 연결하였고 총 7 개의 모터를 사용하여 전체 시스템을 제어 하였다. 서로 다른 와이어를 당겼을 때 착용자의 손이 기구학적으로 어떻게 움직이는 지에 대한 임상 연구를 수행 하였고, 임상결과 BiomHED를 사용하였을 때 뇌졸중을 겪은 장애인의 검지 손가락의 운동 범위가 10 배까지 증가함을 보였다.
기존의 착용형 손 로봇의 경우 대부분 움켜쥐기(power grasp) 만이 가능하지만 Exo-Glove는 엄지의 내외전 구현을 통하여 움켜쥐기와 손가락 집기(pinch grasp)를 동시에 구현할 수 있다. 두 개의 모터를 사용하여 엄지 및 검지와 중지를 구동하며 slack enabling actuator를 사용함으로써 프리텐션에 의하여 장갑에 불필요한 마찰력과 힘이 작용하는 것을 방지한다. 검지와 중지는 차동 메커니즘 (differential mechanism)으로 연결이 되어있어 잡으려는 물체의 모양에 상관 없이 안정적인 파지를 할 수 있다.
특정 환자군을 대상으로 하지 않고 손가락에 힘이 부족한 사람들의 파지력을 보조하는 용도로 개발이 되었다. 모터와 스크류를 사용한 선형 액추에이터를 이용하여 와이어를 구동하고 각 액추에이터는 엄지, 중지 및 약지의 힘을 보조한다. 손가락끝에 FSR (Force sensing resistor) 센서를 통해 파지력을 측정하고, 손바닥에 내장된 힘센서를 통하여 와이어의 장력을 제어 한다.
손가락끝에 FSR (Force sensing resistor) 센서를 통해 파지력을 측정하고, 손바닥에 내장된 힘센서를 통하여 와이어의 장력을 제어 한다. 몸에 입는 구동부와 장갑부의 와이어를 탈부착 할 수있도록 만들어 사용성을 높였다.
모터와 스크류를 사용한 선형 액추에이터를 이용하여 와이어를 구동하고 각 액추에이터는 엄지, 중지 및 약지의 힘을 보조한다. 손가락끝에 FSR (Force sensing resistor) 센서를 통해 파지력을 측정하고, 손바닥에 내장된 힘센서를 통하여 와이어의 장력을 제어 한다. 몸에 입는 구동부와 장갑부의 와이어를 탈부착 할 수있도록 만들어 사용성을 높였다.

성능/효과

4 개의 와이어를 엄지를 포함한 각각의 손가락마다 연결하였고 총 7 개의 모터를 사용하여 전체 시스템을 제어 하였다. 서로 다른 와이어를 당겼을 때 착용자의 손이 기구학적으로 어떻게 움직이는 지에 대한 임상 연구를 수행 하였고, 임상결과 BiomHED를 사용하였을 때 뇌졸중을 겪은 장애인의 검지 손가락의 운동 범위가 10 배까지 증가함을 보였다.
그림 11에서 보여지는 RoboGlove는 미국 GM과 NASA에서 개발한 근력증강용 장갑으로 우주에서 활용하는 것을 궁극적인 목표로 하고 있다[19]. 세 개의 선형 액추에이터를 통하여 다섯 개 손가락을 구동하며 순간적으로 최대 22kg까지, 지속적으로 10kg의 힘을 낼 수 있다. 와이어의 힘이 손가락 마디에 골고루 분포될 수 있도록 와이어가 손가락에 고정된 단단한 고리를 감싸는 형태로 힘을 전달한다.
Bonbon은 (그림 4) 일본 Okayama University에서 개발하기 시작[13], Daiya Industry에서 상용화한 제품으로[12], 공압을 이용해 모든 손가락을 구동한다. 소형 이산화탄소 카트리지를 이용하여 휴대성을 높였으며 카트리지 하나로 약 100 회 이상 구동이 가능하다.
또한 손 로봇의 정보로부터 손가락 각 관절의 위치와 각도를 정확하게 계산하여 알아낼 수 있다. 이와 함께 위치기반 제어를 통하여 사용자 혹은 보조자가 원하는 손의 움직임을 구현할 수 있고, 각 관절의 각도가 허용 가능한 범위에 위치하는지 판단하여 로봇의 안전성을 향상시킬 수 있다.
그림 5는 서울대에서 개발중인 공압을 사용한 장갑으로[14], 기존의 인공근육만을 사용하는 디자인과는 달리 인공근육과 단단한 링키지를 결합하였다. 추가적인 링키지 구조를 사용함으로써 인공근육의 움직임이 손가락의 움직임과 최대한 일치할 수 있도록 하여 파지 효율을 높였다. 또한 링키지가 여분의 자유도를 갖게 하여, 손가락과 인공근육 회전중심의 불일치 문제를 해결하였다.

후속연구

로봇-인체 시스템의 움직임을 설계하고, 제어를 위해 예측하기 위해서는 추후 의학과 접목된 인체 특성 연구와 유연한 재질의 변형 특성에 관한 연구가 수행 되어야 할 것이다.
이 분야는 연구가 오래되지 않은 분야로 지속적인 연구를 통해 한계점들을 보완한다면, 최근 고령화로 인한 사회 구조의 변화 및 웰빙 기조에 맞물려 앞으로 더욱 성장할 것으로 기대된다.
하지만, 건강한 사람의 경우에도 손가락 구동 힘줄에 의해 관절에 힘줄의 길이 방향 힘이 전달되는 구조로 되어 있는 것으로 보아 인체의 관절이 일정 크기의 힘을 견딜 수 있을 것으로 예상된다. 하지만, 추후 연구를 통해 와이어 길이 방향의 힘이 인체 관절에 미치는 영향을 밝혀내야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마비 장애인들에게 착용형 로봇은 어떤 장점이 있는가?	착용형 로봇은 로봇이 신체와 독립적으로 움직이는 것이 아닌, 로봇이 사람의 신체 일부분에 부착되어 직접 신체를 움직이거나 힘을 전달 하는 기능을 수행한다. 대부분의 마비 장애인들은 손의 기능이 불편하더라도 팔의 기능을 일부 사용할 수 있기 때문에, 말단 작용기인 손의 위치 및 자세를 자신의 팔을 이용해서 직관적으로 정할 수 있는 장점이 있다. 또한, 자신의 신체를 사용한다는 만족감과 더불어 신체를 이용하면서 재활 치료 효과까지 얻을 수 있다.
	손 기능 보조 기기에는 무엇이 있는가?	손 기능 보조 기기로서 우선 로봇암(robot arm)과 말단 작용기(end effector)로 이루어진 JACO 2 [2]와 My spoon [3]과 같은 플랫폼형 로봇을 들 수 있다. 플랫폼형 로봇은 말단 작용기의 위치, 방향 및 말단 작용기의 고유한 자유도를 모두 제어 해야 하기 때문에 많은 자유도를 한꺼번에 직관적으로 제어 하기 어려워 움직임을 제한하여 제어하도록 하고 있다.
	로봇 플랫폼은 어떤 문제점이 있는가?	플랫폼형 로봇은 말단 작용기의 위치, 방향 및 말단 작용기의 고유한 자유도를 모두 제어 해야 하기 때문에 많은 자유도를 한꺼번에 직관적으로 제어 하기 어려워 움직임을 제한하여 제어하도록 하고 있다. 또한, 로봇 플랫폼은 신체와 직접적인 접촉을 하지 않기 때문에 신체의 움직임을 유발함으로써 얻을 수 있는 재활훈련효과를 기대하기는 어렵다.

참고문헌 (22)

S. H. Kim, Y. C. Byun, C. K. Son, Y. H. Lee, M. K. Lee, and et al, "2011 Research on The Actual Condition of The Disabled," Ministry of Health and Welfare and Korea Institute for Health and Social Affairs, Korea, Report, 2011.
KINOVA Robotics, "JACO2," 2015. [Online]. Available: http://kinovarobotics.com/.
SECOM, "My Spoon," 2015. [Online]. Available: http://www.secom.co.jp/english/myspoon/.
D. J. Reinkensmeyer, J. L. Emken, and S. C. Cramer, "Robotics, motor learning, and neurologic recovery," Annual Review of Biomedical Engineering, vol. 6, no. 1, pp. 497-525, Aug. 2004.

상세보기
B. H. Dobkin, "Strategies for stroke rehabilitation," The Lancet Neurology, vol. 3, no. 9, pp. 528-536, Sep. 2004.

상세보기
L. A. Harvey and R. D. Herbert, "Muscle stretching for treatment and prevention of contracture in people with spinal cord injury," Spinal Cord, vol. 40, no. 1, pp. 1-9, Feb. 2002.

상세보기
M. M. Adams and A. L. Hicks, "Spasticity after spinal cord injury," Spinal Cord, vol. 43, no. 10, pp. 577-586, Apr. 2005.

상세보기
A. Chiri, N. Vitiello, F. Giovacchini, S. Roccella, F. Vecchi, and M. C. Carrozza, "Mechatronic design and characterization of the index finger module of a hand exoskeleton for post-stroke rehabilitation," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 17, no. 5, pp. 884-894, Oct. 2012.

상세보기
A. Wege and G. Hommel, "Development and control of a hand exoskeleton for rehabilitation of hand injuries," Proc. of Intelligent Robots and Systems 2005, Alberta, Canada, pp. 3046-3051, Aug, 2005,.
P. Stergiopoulos, P. Fuchs, and C. Laurgeau, "Design of a 2-finger hand exoskeleton for VR grasping simulation," Proc. of Eurohaptics, Dublin, Ireland, pp. 80-93, 2003.
H. In, B. B. Kang, M. Sin, and K.-J. Cho, "Exo-Glove: Soft wearable robot for the hand with soft tendon routing system," IEEE Robotics Automation Magazine, vol. 22, no. 1, pp. 97-105.
D. Sasaki, T. Noritsugu, M. Takaiwa, and H. Yamamoto, "Glove-type power assist device," PCT/JP2012/055694, 20-Sep-2012.
D. Sasaki, T. Noritsugu, M. Takaiwa, and H. Yamamoto, "Wearable power assist device for hand grasping using pneumatic artificial rubber muscle," Proc. of 13th IEEE International Workshop on Robot and Human Interactive Communication 2004, pp. 655-660, Sep. 2004.
I. Koo, B. B. Kang, and K.-J. Cho, "Development of hand exoskeleton using pneumatic artificial muscle combined with linkage," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, vol. 30, no. 11, pp. 1217-1224, Nov. 2013.

원문보기 상세보기
P. Polygerinos, Z. Wang, K. C. Galloway, R. J. Wood, and C. J. Walsh, "Soft robotic glove for combined assistance and at-home rehabilitation," Robotics and Autonomous Systems, in press.
T. Kline, D. Kamper, and B. Schmit, "Control system for pneumatically controlled glove to assist in grasp activities," Proc. of 9th International Conference on Rehabilitation Robotics 2005. Chicago, USA, pp. 78-81, Jun. 2005.
S. Lee, K. A. Landers, and H.-S. Park, "Development of a biomimetic hand exotendon device (BiomHED) for restoration of functional hand movement post-stroke," IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 22, no. 4, pp. 886-898, Jul. 2014.

상세보기
M. Nilsson, J. Ingvast, J. Wikander, and H. von Holst, "The soft extra muscle system for improving the grasping capability in neurological rehabilitation," Proc. of 2012 IEEE EMBS Conference on Biomedical Engineering and Sciences, pp. 412-417, Dec. 2012.
M. A. Diftler, C. A. Ihrke, L. B. Bridgwater, D. R. Davis, D. M. Linn, E. A. Laske, K. G. Ensley, and J. H. Lee, "RoboGlove - A robonaut derived multipurpose assistive device," Proc. of International Conference on Robotics and Automation 2014, HongKong, China, May 2014.
Idrogenet srl. (2014)., Gloreha(R). [Online]. Available: http://www.gloreha.com/.
H. M. Kim and G. S. Kim, "Design of rectangular-type fourfinger rehabilitation robot for stroke patient," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 19, no. 5, pp. 473-480, May 2013.

원문보기 상세보기
H. D. Lee and C. S. Han, "Technical trend of the lower limb exoskeleton system for the performance enhancement," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 20, no. 3, pp. 364-372, Mar. 2014.

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증