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문제 정의
- 본 논문에서는 그림 1의 목의 굴곡과 신전인 전후 운동과 좌우 옆으로 굽히기의 2자유도 스트레칭 운동이 가능한 맥킨지 운동용 경부용 재활로봇을 제안한다. 이 로봇은 스트레칭 운동 외에도 머리의 움직임을 고정하여 사용자가 수의적으로 목 근육을 긴장시키는 목 근육 등척성 운동 기능도 가능하다.
- 본 논문에서는 약화되거나 통증이 있는 경부 근골격계에 적용 가능한 맥킨지 운동용 경부근육 재활로봇을 제안하였다. 목의 전후 운동과 좌우 옆으로 굽히기의 2자유도 스트레칭 운동과 등척성 운동이 가능한 로봇을 설계하고 프로토타입 로봇을 제작하여 실험을 통해 그 성능을 평가하였다.
제안 방법
- 스트레칭 운동 시 제어성능은 사용자가 설정한 각도에 대한 응답속도를 저항식 회전각도 센서로 측정하였다. 그리고 3차원 동작측정 장치를 이용하여 기구부의 운동 궤적과 사용자의 운동궤적을 측정하여 평가 하였다.
- 그리고 스트레칭 시 사용자에게 맞는 운동 각도를 구현할 수 있도록 모터를 개조하여 기구부 전후좌우방향의 각도를 측정하였다.
- 두 번째로 등척성 운동시 근육의 수축정도를 평가하였다. 이를 위해 그림 10과 같이 머리 고정 기구부에 힘이 가하는 방향에 따라 압력센서를 부착하고, 목의 힘으로 가하는 힘과 동시에 목 근육의 수축정도를 근전도(EMG)를 측정하여 평가하였다.
- 두 번째로 사용자가 기구부를 착용하고 스트레칭 운동을 수행하였을 때에 사용자의 궤적과 기구부의 궤적이 일치하는지를 평가하였다. 그림 8은 공간상 절대좌표계를 설정해 두고, 사용자의 머리와 얼굴과 어깨 부위에 마커를 부착하고, 총 8대의 적외선 카메라를 이용하여 머리와 기구부의 움직임을 동시에 측정하는 실험환경을 나타낸다.
- 스트레칭 운동 시에는 사용자의 가동범위에 대한 기구부 위치측정을 수행하고, 사용자가 기구부를 착용하였을 때 사용자의 운동궤적과 기구부의 운동궤적이 일치하는지 확인하기 위해 3차원 동작측정을 통해 평가하였다. 등척성 운동에 대해서는 5명의 피험자들을 통해 기구부에 가해지는 압력에 따라 각 운동방향에 따른 근육의 근전도 측정실험으로 재활로봇의 성능을 확인하였다. 그 결과 목 근육의 MAV와 머리가 기구를 미는 힘은 유의한 상관관계를 나타내었다.
- 본 논문에서는 약화되거나 통증이 있는 경부 근골격계에 적용 가능한 맥킨지 운동용 경부근육 재활로봇을 제안하였다. 목의 전후 운동과 좌우 옆으로 굽히기의 2자유도 스트레칭 운동과 등척성 운동이 가능한 로봇을 설계하고 프로토타입 로봇을 제작하여 실험을 통해 그 성능을 평가하였다. 스트레칭 운동 시에는 사용자의 가동범위에 대한 기구부 위치측정을 수행하고, 사용자가 기구부를 착용하였을 때 사용자의 운동궤적과 기구부의 운동궤적이 일치하는지 확인하기 위해 3차원 동작측정을 통해 평가하였다.
- 목의 전후 운동과 좌우 옆으로 굽히기의 2자유도 스트레칭 운동과 등척성 운동이 가능한 로봇을 설계하고 프로토타입 로봇을 제작하여 실험을 통해 그 성능을 평가하였다. 스트레칭 운동 시에는 사용자의 가동범위에 대한 기구부 위치측정을 수행하고, 사용자가 기구부를 착용하였을 때 사용자의 운동궤적과 기구부의 운동궤적이 일치하는지 확인하기 위해 3차원 동작측정을 통해 평가하였다. 등척성 운동에 대해서는 5명의 피험자들을 통해 기구부에 가해지는 압력에 따라 각 운동방향에 따른 근육의 근전도 측정실험으로 재활로봇의 성능을 확인하였다.
- 실험에서는 피험자가 본 연구에서 개발된 프로토타입 경부용 맥킨지 재활로봇을 착용하고 스트레칭과 등척성 운동시의 각 성능을 평가하였다. 스트레칭 운동시에는 사용자의 가동범위에 대한 기구부 위치측정을 수행하고, 등척성 운동에 대해서는 고정된 기구를 머리의 최대 힘을 이용해 기구를 미는 동안 힘과 목 근육의 근전도(EMG)를 측정하여 평가하였다. 5명의 피험자(25±3세) 실험을 수행하였으며, 목 근육 EMG와 동시에 머리 착용부의 접촉 압력을 측정하여 두 데이터의 상관관계를 분석하였다.
- 실험에서는 먼저 본 연구에서 제작한 경부근육 재활로봇의 제어에 관한 기능적 평가를 수행하였다. 그림 6은 스트레칭 및 등척성 운동의 실험환경이다.
- 실험에서는 피험자가 본 연구에서 개발된 프로토타입 경부용 맥킨지 재활로봇을 착용하고 스트레칭과 등척성 운동시의 각 성능을 평가하였다. 스트레칭 운동시에는 사용자의 가동범위에 대한 기구부 위치측정을 수행하고, 등척성 운동에 대해서는 고정된 기구를 머리의 최대 힘을 이용해 기구를 미는 동안 힘과 목 근육의 근전도(EMG)를 측정하여 평가하였다.
- 두 번째로 등척성 운동시 근육의 수축정도를 평가하였다. 이를 위해 그림 10과 같이 머리 고정 기구부에 힘이 가하는 방향에 따라 압력센서를 부착하고, 목의 힘으로 가하는 힘과 동시에 목 근육의 수축정도를 근전도(EMG)를 측정하여 평가하였다. 이때 전후방향 운동시에는 흉골설골근(sternohyoid)과 승모근(trapezius), 그리고 좌우방향 운동시에는 목빗근(sternocleido-mastoid)에 EMG 전극을 부착하여 측정하였다(그림 11 참조).
- 등척성 운동시에는 기구부는 고정시켜두고, 사용자가 수의적으로 목운동을 함으로써 목 근육의 근력을 강화시킬 수 있다. 이를 위해 본 논문에서는 고정된 기구부에 사용자가 힘을 가할 시, 사용자의 힘이 모터로는 전달되지 않고 모터의 구동력만 전달 될 수 있도록 웜기어 구조를 적용하였다. 사용자는 머리를 고정시키는 기구부를 착용하기 때문에, 머리를 고정하는 기구부 안쪽의 전후좌우 4방향에 압력센서를 부착함으로써 사용자가 수의적으로 가하는 힘을 측정할 수 있다.
- 총 3명의 피험자들이 전방향 운동 시 근수축이 일어나는 흉골설골근에 대해 실험을 진행하였으며, 피험자가 수의적으로 힘의 세기를 강·중·약 3단계로 나눠 머리로 가해지는 힘과 그때의 목 근전도 신호를 확인하였다
대상 데이터
- 스트레칭 운동시에는 사용자의 가동범위에 대한 기구부 위치측정을 수행하고, 등척성 운동에 대해서는 고정된 기구를 머리의 최대 힘을 이용해 기구를 미는 동안 힘과 목 근육의 근전도(EMG)를 측정하여 평가하였다. 5명의 피험자(25±3세) 실험을 수행하였으며, 목 근육 EMG와 동시에 머리 착용부의 접촉 압력을 측정하여 두 데이터의 상관관계를 분석하였다.
- EMG는 Delsys사의 BAGNOLI 4 EMG System 장비를 이용하여 10만배 증폭하여 측정하였다. 총 25±3세의 피험자 5명이 실험에 참여하였으며, 전후좌우 각각의 방향으로 3번씩 최대의 힘으로 등척성 운동을 진행하였다.
데이터처리
- 실험결과, 근력 운동시 머리 기구부에 사용자가 가한 힘에 따라 압력센서의 출력과 근전도 신호가 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 이와 같이 측정한 결과에서 EMG의 절대 평균값 ( mean absolute value, MAV)을 구하여, 머리 힘의 분산분석을 수행하여 등척성 운동의 유의성을 평가하였다.
성능/효과
- 등척성 운동에 대해서는 5명의 피험자들을 통해 기구부에 가해지는 압력에 따라 각 운동방향에 따른 근육의 근전도 측정실험으로 재활로봇의 성능을 확인하였다. 그 결과 목 근육의 MAV와 머리가 기구를 미는 힘은 유의한 상관관계를 나타내었다. 이러한 실험의 결과로부터 본 논문에서 제안한 맥킨지 운동용 경부용 재활로봇이 운동의 강도조절이나 정확한 운동범위의 설정 등의 정량적 재활운동이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
- (c) 와 (d)의 그래프는 각각 좌우방향 운동에 대한 시간에 따른 EMG와 압력센서의 출력을 측정한 결과이다. 실험결과, 근력 운동시 머리 기구부에 사용자가 가한 힘에 따라 압력센서의 출력과 근전도 신호가 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 이와 같이 측정한 결과에서 EMG의 절대 평균값 ( mean absolute value, MAV)을 구하여, 머리 힘의 분산분석을 수행하여 등척성 운동의 유의성을 평가하였다.
- 점선은 명령 값, 실선은 제어된 출력이다. 이 실험결과에서는 시간 지연은 있었으나 목표 각도에 수렴하는 것을 알 수 있었다.
- 그 결과 목 근육의 MAV와 머리가 기구를 미는 힘은 유의한 상관관계를 나타내었다. 이러한 실험의 결과로부터 본 논문에서 제안한 맥킨지 운동용 경부용 재활로봇이 운동의 강도조절이나 정확한 운동범위의 설정 등의 정량적 재활운동이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 향후에는 가정에서 장기간 사용할 수 있도록 기구부의 안전성을 보완할 예정이며, 이를 이용하여 가정에서 장기간 맥킨지 운동용 재활로봇을 사용시 경부통증 완화에 유효하다는 사실을 평가하는 것이 향후 과제이다.
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