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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 스스로 거동할 수 없는 중증뇌졸중환자의 손목재활운동을 위한 손목굽힘 재활로봇을 개발한다. 손목굽힘 재활운동 중 회전력을 측정하기 위한 3축 힘센서를 설계 및 제작하였고, 재활로봇의 본체를 설계 및 제작하였으며, 정상인을 대상으로 손목굽힘 유연성 재활운동을 통해 개발한 손목굽힘 재활로봇의 특성실험을 실시하였다.
- 본 논문에서 개발한 손목굽힘 재활로봇을 뇌졸중환자에게 적용할 수 있는지를 확인하기 위한 손목굽힘 유연성 재활운동을 실시하였다. 특성실험에 참가한 중증뇌졸중환자는 오른손을 거의 움직일 수 없는 상태였고, 예손재활병원에서 전문재활치료사의 도움을 받아 하루에 30분씩 실시하였다.
- 본 논문에서는 중증뇌졸중환자가 병실 혹은 가정의 침대에서 누운 채로 손목굽힘 재활운동을 할 수 있는 손목굽힘 재활로봇 개발하였다. 재활로봇의 핵심부품 중의 하나인 3축 힘센서를 설계 및 제작하였고, 특성실험 결과 센서의 상호간섭오차, 재현도오차 등이 우수하여 개발한 재활로봇에 사용할 수 있었다.
제안 방법
- 3축 힘센서는 본 논문에서 저자의 논문[14]에 따라 제작하였고, 손목재활운동시 손목굽힘모터가 손목에 가해지는 힘 Fz(손바닥을 지면과 수직으로 세운 상태(손고정대에 고정한 상태)에서 손바닥 방향으로 가하는 힘)를 측정하며, 긴급상황발생시 손을 당기거나 밀 때 발생하는 힘 Fx와 손을 수직방향으로 올리거나 내릴 때 발생하는 힘 Fy를 측정한다. 즉, 힘 Fz은 재활로봇이 손바닥 혹은 손등을 밀을 때 발생되는 힘이고, 힘 Fx는 손을 당기거나 밀을 때 발생되는 힘(손목굽힘력)이며, Fy는 손을 아래나 위로 움직였을 때 발생되는 힘이다.
- 특성실험은 다축 힘/모멘트센서 교정기[15]에 3축 힘센서를 고정한 후 각 센서의 정격힘을 가하고 고성능측정장치(DMP40)로 측정하는 방법으로 실시하였다. 3축 힘센서의 각 센서의 정격출력을 검출하기 위해서는 각 센서의 정격힘을 각각 3번씩 가한 후 측정한 값을 평균하여 구하였고, 재현도오차와 비직선성오차를 구하기 위해 각 센서의 정격힘의 10%씩 증가순과 감소순으로 실험을 실시하였으며, 상호간섭오차를 파악하기 위해서는 한 방향의 정격힘을 가한 후 힘을 가하는 방향 이외의 힘센서로부터 출력되는 값들을 측정하였다. 3축 힘센서의 정격출력, 재현도오차, 비직선성오차는 Table 1에 나타낸 것과 같고, 정격출력은 0.
- Fig. 1은 제작된 손목굽힘 재활로봇을 나타내고 있고, 본 논문에서 개발한 3축 힘센서와 고속제어장치 등을 이용하여 구성되었으며, 중증뇌졸중환자가 입원 병실에서 누운 채로 손목굽힘 재활운동을 받을 수 있도록 설계 및 제작되었다. 로봇은 로봇몸체(robot body), 손고정대(hand fixing block), 손고정접착천(hand fixture velcro), 팔고정대(arm fixing block), 팔고정 접착천 (arm fixture velcro), 상하이동지지대(up-down supporter), 손목굽힘모터(rotating motor), 3축 힘센서(three-axis force sensor), 고속제어장치(high-speed controller), 축전지 (battery) 등으로 구성되었다.
- 본 논문에서 제작한 3축 힘센서는 본 절의 마지막 부분에 자세히 설명한다. 고속제어장치는 본 논문에서 제작한 것이고, 3축 힘센서로부터 출력되는 힘들을 측정하고, 힘 Fz값에 따라 모터의 좌우회전을 제어하며, 긴급상황이 발생하였을 경우에는 측정되는 힘 Fx와 Fy에 따라 모터를 초기상태로 되돌리는 역할을 한다. 본 논문에서 제작한 고속제어장치는 본 절의 마지막 부분에 자세히 설명한다.
- 제작된 고속제어장치를 이용하여 3축 힘센서로부터 출력되는 측정값들을 측정하기 위해서는 교정을 실시해야 한다. 교정은 3축 힘센서와 고속제어장치를 연결한 후 다축 힘/모멘트센서 교정기[15]에 3축 힘센서를 고정하고, 각 센서의 정격힘을 가한 후 고속제어장치의 증폭기를 조절하여 Fx센서, Fy센서, Fz센서는 100.0N(분해능: 0.1N)이 되도록 하였다.
- 그러므로 여러 번의 반복실험을 한 결과, 사람은 긴급상황에서 손을 위쪽 혹은 아래쪽으로 이동시겼고, 그 방향은 y방향의 힘 Fy이었다. 그래서 본 연구에서는 힘Fy가 20.0N 이상이 발생되었을 경우에는 긴급상황이 발생한 것으로 판단하여 로봇을 정지하고 손목굽힘력을 가하는 방향과 반대방향으로 회전시켜 초기위치로 되돌리도록 하였다.
- 5에서 나타낸 것과 같이 손과 팔을 각각의 고정대에 고정하고, 접착천을 이용하여 안전하게 고정한 후 고속제어장치를 동작시켜 반시계방향으로 사람이 통증을 느끼기 시작할 때까지 손목을 굽혔으며, 그때의 기준힘(Fz)와 모터의 회전각도를 측정하였다. 그리고 시계방향으로도 같은 방법으로 기준힘(Fz)와 모터의 회전각도를 측정하였다. 기준각도(0°)는 로봇에 손을 고정한 상태에서 팔의 축 방향으로 손바닥이 일직선이 되었을 때로 결정하였다.
- 손목굽힘 재활운동 중 회전력을 측정하기 위한 3축 힘센서를 설계 및 제작하였고, 재활로봇의 본체를 설계 및 제작하였으며, 정상인을 대상으로 손목굽힘 유연성 재활운동을 통해 개발한 손목굽힘 재활로봇의 특성실험을 실시하였다. 그리고 중증뇌졸중환자의 손목굽힘 유연성 재활운동을 실시하였다.
- 손목굽힘 유연성 재활 운동을 실시하기 위해서는 우선 손목의 반시계방향(오른손을 손바닥방향으로 굽히는 방향)과 시계방향(오른손을 손등방향으로 펴는 방향)의 힘을 측정해야 하고 그 결과를 운동을 위해 가해야 하는 반시계반향과 시계방향의 기준힘으로 정해야 한다. 기준힘 측정실험은 Fig. 5에서 나타낸 것과 같이 손과 팔을 각각의 고정대에 고정하고, 접착천을 이용하여 안전하게 고정한 후 고속제어장치를 동작시켜 반시계방향으로 사람이 통증을 느끼기 시작할 때까지 손목을 굽혔으며, 그때의 기준힘(Fz)와 모터의 회전각도를 측정하였다. 그리고 시계방향으로도 같은 방법으로 기준힘(Fz)와 모터의 회전각도를 측정하였다.
- 첫째, 손목굽힘 재활로봇의 제어장치를 초기화하고, 3축 힘센서의 동작과 긴급상황 응답기능의 동작을 확인하였다. 둘째, 문제가 없으면 로봇의 동작을 확인하고, 환자를 침대에 눕힌 다음 밸크로를 이용하여 손을 안전하게 고정시킨다. 세째, 로봇을 반시계방향과 시계방향으로 회전시켜 환자의 통증 정도를 파악하여 기준힘과 기준회전각을 정하여 로봇의 제어장치에 입력한다.
- 로봇몸체는 거동이 어려운 중증뇌졸중환자가 병실에서 손목 굽힘 재활운동을 실시할 수 있도록 40 mm×40 mm 강성재질 알루미늄사각봉을이용하여몸체크기가 800 mm×600 mm×400 mm가 되도록 제작되었고, 로봇의 모든 부품이 고정되며, 손목굽힘 재활운동 중 흔들림이 없이 안전하게 설계되었다.
- 네째, 손목굽힘 유연성 재활운동을 30분간 실시한다. 본특성실험에서는하루에 30분씩총 9일동안실시하였다.
- 팔고정대 및 팔고정 접착천은 손목굽힘 재활운동을 실시하기 위해 환자의 팔이 움직이지 못하도록 고정하는 역할을 하고, 이것은 로봇몸체와 상하이동지지대와 고정되었다. 상하이동지지대는 중증뇌졸중환자가 침대에 누워있는 침대의 높낮이가 다를 수 있으므로 로봇몸체에 높낮이를 조절하여 고정할 수 있도록 설계하였다. 그리고 손목굽힘모터를 고정하고 모터의 축에 연결된 회전블록과 3축 힘센서의 고정부를 고정하였으며, 모터의 회전축과 센서까지의 거리는 78 mm이다.
- 둘째, 문제가 없으면 로봇의 동작을 확인하고, 환자를 침대에 눕힌 다음 밸크로를 이용하여 손을 안전하게 고정시킨다. 세째, 로봇을 반시계방향과 시계방향으로 회전시켜 환자의 통증 정도를 파악하여 기준힘과 기준회전각을 정하여 로봇의 제어장치에 입력한다. 네째, 손목굽힘 유연성 재활운동을 30분간 실시한다.
- 따라서 본 논문에서는 스스로 거동할 수 없는 중증뇌졸중환자의 손목재활운동을 위한 손목굽힘 재활로봇을 개발한다. 손목굽힘 재활운동 중 회전력을 측정하기 위한 3축 힘센서를 설계 및 제작하였고, 재활로봇의 본체를 설계 및 제작하였으며, 정상인을 대상으로 손목굽힘 유연성 재활운동을 통해 개발한 손목굽힘 재활로봇의 특성실험을 실시하였다. 그리고 중증뇌졸중환자의 손목굽힘 유연성 재활운동을 실시하였다.
- 8 V의 전압을 받아동작되고, 크리스탈로부터 30 MHz의 클럭을 받아 내부에서 5배 체배하여 150 MHz로 동작하며, 내부플래시 롬 혹은 오부 확장램에 저장된 프로그램의 명령에 따라 DSP를 동작시킨다. 스위치의 동작에 따라 3축 힘센서로부터 출력되는 신호를 증폭시킨 후 이것을 DSP내부의 AD컨버터로 받아들이고, 이 신호를 LCD에 나타냄과 동시에 외부 확장램에 저장 및 CAN 통신과 RS232C 통신을 이용하여 컴퓨터 혹은 다른 제어장치에 보낸다. 증폭부는 3축 힘센서로부터 출력되는 값을 증폭하는 역할을 하며, 통신부는 제어프로그램을 롬에 다운로드 혹은 컴퓨터와 인터페이스하는 역할을 한다.
- 본 논문에서 개발한 손목굽힘 재활로봇을 뇌졸중환자에게 적용할 수 있는지를 확인하기 위한 손목굽힘 유연성 재활운동을 실시하였다. 특성실험에 참가한 중증뇌졸중환자는 오른손을 거의 움직일 수 없는 상태였고, 예손재활병원에서 전문재활치료사의 도움을 받아 하루에 30분씩 실시하였다. Fig.
- 2는 본 논문에서 제작한 3축 힘센서의 사진이고, 이 센서의 Fx센서, Fy센서, Fz센서의 정격힘은 각각 100 N이며, 센서 전체의 크기가 38 mm×38 mm×12 mm이다. 특성실험은 다축 힘/모멘트센서 교정기[15]에 3축 힘센서를 고정한 후 각 센서의 정격힘을 가하고 고성능측정장치(DMP40)로 측정하는 방법으로 실시하였다. 3축 힘센서의 각 센서의 정격출력을 검출하기 위해서는 각 센서의 정격힘을 각각 3번씩 가한 후 측정한 값을 평균하여 구하였고, 재현도오차와 비직선성오차를 구하기 위해 각 센서의 정격힘의 10%씩 증가순과 감소순으로 실험을 실시하였으며, 상호간섭오차를 파악하기 위해서는 한 방향의 정격힘을 가한 후 힘을 가하는 방향 이외의 힘센서로부터 출력되는 값들을 측정하였다.
대상 데이터
- Fig. 2는 본 논문에서 제작한 3축 힘센서의 사진이고, 이 센서의 Fx센서, Fy센서, Fz센서의 정격힘은 각각 100 N이며, 센서 전체의 크기가 38 mm×38 mm×12 mm이다.
- Fig. 7은 오른손의 기준힘과 회전각도를 그래프로 나타내고 있고, 4명의 남자 대학학생이 실험에 참가하였다. Table 2는 각 사람의 기준힘, 굽힘회전 토크와 회전각도를 나타낸 것이고, 기준힘은 반시계 방향으로는 -12.
- 3의 (a)는 고속제어장치의 블록도, (b)는 제작한 고속제어장치의 사진을 각각 나타내고 있다. 고속 제어장치는 DSP(digital signal processor), 증폭기부 (amplifier), 통신부, 전원부, 스위치부 등으로 구성되었고, DSP(TMS320F2812(32bit /150MHz/150MIPS/150MMAC)는 128kword 용량의플레시 롬 (flash read only memory(ROM)), 1Mword 용량의 램(random access memory(RAM)), 최고 12.5 Mbps로 변환 가능한 AD 컨버터(12-bit ultra-fast analog/digital converter) 등으로 구성되었다. 이것은 전원부로부터 3.
- 1은 제작된 손목굽힘 재활로봇을 나타내고 있고, 본 논문에서 개발한 3축 힘센서와 고속제어장치 등을 이용하여 구성되었으며, 중증뇌졸중환자가 입원 병실에서 누운 채로 손목굽힘 재활운동을 받을 수 있도록 설계 및 제작되었다. 로봇은 로봇몸체(robot body), 손고정대(hand fixing block), 손고정접착천(hand fixture velcro), 팔고정대(arm fixing block), 팔고정 접착천 (arm fixture velcro), 상하이동지지대(up-down supporter), 손목굽힘모터(rotating motor), 3축 힘센서(three-axis force sensor), 고속제어장치(high-speed controller), 축전지 (battery) 등으로 구성되었다. 로봇몸체는 거동이 어려운 중증뇌졸중환자가 병실에서 손목 굽힘 재활운동을 실시할 수 있도록 40 mm×40 mm 강성재질 알루미늄사각봉을이용하여몸체크기가 800 mm×600 mm×400 mm가 되도록 제작되었고, 로봇의 모든 부품이 고정되며, 손목굽힘 재활운동 중 흔들림이 없이 안전하게 설계되었다.
성능/효과
- 손목굽힘 유연성 재활운동 특성실험에서는 로봇이 기준힘을 기준으로 반시계방향과 시계방향으로 원활하게 동작되어 손목을 유연하게 하는 운동을 시킬 수 있을 것으로 생각된다. 그리고 개발한 재활로봇을 이용하여 정상인을 대상으로 긴급상황 특성실험을 실시한 결과, 로봇에 고정된 손을 아래방향(y방향)으로 눌렀을 때 로봇의 동작을 정지하고 초기위치로 복귀함을 확인하였다. 그리고 중증뇌졸중환자의 손목굽힘 유연성 재활운동을 실시한 결과, 사용에 안전함을 보였고 손목의 유연성이 증가됨을 확인하였다.
- 그리고 개발한 재활로봇을 이용하여 정상인을 대상으로 긴급상황 특성실험을 실시한 결과, 로봇에 고정된 손을 아래방향(y방향)으로 눌렀을 때 로봇의 동작을 정지하고 초기위치로 복귀함을 확인하였다. 그리고 중증뇌졸중환자의 손목굽힘 유연성 재활운동을 실시한 결과, 사용에 안전함을 보였고 손목의 유연성이 증가됨을 확인하였다.
- 이것은 개발한 손목굽힘 재활로봇이 긴급상황시 안전하게 동작됨을 나타낸다. 따라서 개발한 손목굽힘 재활로봇은 중증뇌졸중환자의 손목 굽힘 재활운동을 위한 안전성을 확보한 것으로 판단된다.
- 시계방향의 힘(손목을 뒤로 굽혔을 때 견디는 힘)이 반시계방향의 힘(손목을 앞으로 굽혔을 때 견디는 힘)이 보다 더 큰 것으로 나타났다. 그리고 회전각은 반 시계방향으로는 142.
- 0N일 때 수행하였다. 여러 번의 반복실험을 통해 PI 제어 게인을 얻었으며, 비례상수 Kp 값은 0.35, 적분상수 Ki 값은 0.12이었다. PI 제어시 도달시간은 1.
- 이 결과로 볼 때 환자의 손목이 반시계방향보다 시계방향으로 유연성과 굽힘력의 재활정도가 크게 향상된 것으로 판단된다. 이것은 시계방향으로 유연성 재활운동시 통증으로 인해 적게 굽힘력을 가했기 때문이다.
- 본 논문에서는 중증뇌졸중환자가 병실 혹은 가정의 침대에서 누운 채로 손목굽힘 재활운동을 할 수 있는 손목굽힘 재활로봇 개발하였다. 재활로봇의 핵심부품 중의 하나인 3축 힘센서를 설계 및 제작하였고, 특성실험 결과 센서의 상호간섭오차, 재현도오차 등이 우수하여 개발한 재활로봇에 사용할 수 있었다. 손목굽힘 유연성 재활운동 특성실험에서는 로봇이 기준힘을 기준으로 반시계방향과 시계방향으로 원활하게 동작되어 손목을 유연하게 하는 운동을 시킬 수 있을 것으로 생각된다.
- 중증뇌졸중환자의 손목굽힘 유연성 재활운동 결과, 반 시계방향의 측정힘과 측정각은 각각 2.2 N와 9.45° 증가하였고, 시계방향의 측정힘과 측정각은 각각 7.0 N와 10.80° 증가하였다
- 개발한 손목굽힘 재활로봇을이용하여 중증뇌졸중 환자의 손목굽힘 유연성운동을 실시하기 위해서는 무엇보다 중요한 것이 안전이므로 다음과 같은 순서에 의해 실시하였다. 첫째, 손목굽힘 재활로봇의 제어장치를 초기화하고, 3축 힘센서의 동작과 긴급상황 응답기능의 동작을 확인하였다. 둘째, 문제가 없으면 로봇의 동작을 확인하고, 환자를 침대에 눕힌 다음 밸크로를 이용하여 손을 안전하게 고정시킨다.
- 즉, 3축 힘센서가 정상적으로 동작되지 않을 경우는 손목굽힘모터가 최대로 회전할 수 있는 범위 제한을 주어 환자의 안전을 보장하는 것으로 이용된다. 특성실험 결과, 손목 굽힘 유연성 재활운동을 위한 기준힘과 회전각도 측정을 수행할 수 있음을 확인하였다.
- 피실험자의 기준힘 측정실험을 실시한 결과 반시계방향의 손목굽힘력은 15.1 N(굽힘회전 토크 1.178 Nm)이었고 회전각은 90.5° 이었으며, 시계방향의 손목굽힘력은 20.5N (굽힘 회전토크 1.599 Nm)이었고 회전각은 89.3°이었다.
후속연구
- 개발한 손목굽힘 재활로봇을 정상인 및 중증뇌졸중환자에게 적용시키기 위해서는 로봇의 긴급상황응답 특성실험을 실시해야 한다. Fig.
- 그러나 현재 개발된 다축 힘센서[11-13]는 크기, 가격 등의 대부분의 조건이 손목굽힘 재활로봇용으로는 적합하지 않다. 그러므로 스스로 거동할 수 없는 중증뇌졸중환자의 손목을 전문재활치료사가 수행하는 것과 유사하게 손목굽힘 유연성 재활운동을 시킬 수 있는 손목굽힘 재활로봇의 개발이 필요하다.
- 이것은 시계방향으로 유연성 재활운동시 통증으로 인해 적게 굽힘력을 가했기 때문이다. 따라서 본 논문에서 개발한 손목 굽힘 재활로봇을 중증뇌졸중환자에게 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 이를 위해서는 추후 임상실험을 실시해야 한다.
- 1 N이내이었으며, 이것은 로봇이 힘을 가할 때 기구학적으로 미소하게 y방향으로 밀기 때문이다. 본 연구에서 개발한 손목굽힘 재활로봇을 이용하여 정상인을 대상으로 손목굽힘 유연성 재활운동을 실시한 결과, 안전하게 동작되었으므로 정상인과 같은 방법으로 중증뇌졸중환자에게 적용시키면 안전하게 손목재활운동을 실시할 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 기 개발된 힘보강로봇[8-10]은 환자의 팔이 스스로 움직이거나 식사 등 간단한 일을 하기에 힘이 미약한 환자에게 힘을 보강해줄 수 있는 로봇이다. 스스로 거동이 어려운 중증뇌졸중환자의 재활치료를 위해서는 환자가 병실의 침대에 누워있는 상태에서 전문재활치료사가 재활 훈련을 시키는 것과 같은 효과를 낼 수 있는 중증뇌졸중환자를 위한 손목굽힘 재활로봇의 개발이 시급하다. 전문재활치료사가 재활훈련을 시키는 방법과 같은 중증뇌졸중환자를 위한 손목굽힘 재활로봇은 손목을 굽히고 펴는 힘을 측정하고 제어할 수 있도록 특별하게 설계되어야 한다.
- 1N이었다. 이 결과는 손목 굽힘 재활로봇을 이용하여 손목굽힘 유연성 재활운동시 기준힘을 가한 후 유지시간에서 기준힘을 유지하기 위한 페루프 제어를 실시하는데 활용할 수 있으리라 생각된다.
- 따라서 본 논문에서 개발한 손목 굽힘 재활로봇을 중증뇌졸중환자에게 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 이를 위해서는 추후 임상실험을 실시해야 한다.
- 3°까지 나타났다. 이와 같이 각 개인의 기준힘과 회전각도가 각각 다르기 때문에 유연성 손목재활운동을 실시하기 전에는 반드시 기준힘 측정실험을 실시해야 한다. 측정된 기준힘들은 손목굽힘 재활운동시 각 사람의 기준힘으로 이용되고 회전각도들은 각 측정된 값에 5°를 더하여 3축 힘센서에 문제가 발생하였을 경우 안전 제한 각도로 사용된다.
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