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문제 정의
- 개선한 NREX를 이용해서 개선 전후(어깨 관절의 회전 유무) 사용자가 같은 동작을 했을 때 얼마나 쉽게 동작을 수행할수 있는지 비교하기 위하여 간단한 실험을 진행하였다. 외골격 로봇의 효과를 평가하기 위해서 표면 근전도 신호[13]나 힘/토크 센서 신호를 이용하는 등의 방법들이 있는데, 본 논문에서는 힘 /토크 센서 신호를 이용하는 방법을 선택하였고 그 센서 신호의 크기가 작을 수록 쉽게 동작을 수행한 것으로 볼 수 있다.
제안 방법
- 1장에서 살펴본 NREX의 문제점을 개선하기 위하여 다음의 총 3개 수동관절을 추가하였다. [Fig.
- 4]) 중 2개인 로봇의 어깨 굴곡/신전 (Flexion/Extension), 내/외회전(Internal/External Rotation) 움직임을 고정시키거나 회전이 가능하게 하였고, 6축 힘/토크 센서로 각 축에 대한 힘과 토크를 측정하였다. 6축 힘/토크 센서는 ATI사의 mini45가 사용되었으며, 사용자의 상완(Upper arm)을로봇 팔에 고정시키는 부위에 1개를 부착하여 사용자의 팔과 로봇 사이에 발생하는 전체적인 힘과 토크를 측정하였다([Fig. 9]).
- NREX는 가볍고 저렴하며 사용자의 자연스러운 움직임이 가능하도록 전기 모터를 적게 사용하고 단순하게 설계하여 구현하였다. 기본적으로는 모터가 없는 수동관절을 사용하고 꼭 필요한 관절에만 모터를 추가하였다.
- NREX는 외골격 로봇과 말단장치 로봇의 특징을 적절히 혼합하여 최대한 간단하면서도 필요한 기능들은 추가하여 제작하였다. 손(Hand)에서 상완(Upper arm)까지는 벨크로 스트랩을 이용해 사용자의 팔을 로봇에 착용하여 기구에 고정하는 외골격 로봇이다.
- . NREX에서 집중하고 있는 일상생활과 관련된 동작에 대해 힘/토크 센서를 이용하여 로봇의 착용성을 살펴 보았다.
- 비장애인 20명을 대상으로 실험을 진행하였고, 4개의 목표물에 대해 각 축 별로 힘과 토크의 변화, 각 목표물별 전체 힘의합, 토크의 합 변화를 분석해 보았다. 개선 전과 개선 후의 경우 뻗기 시간이 다르기 때문에 동일한 시간에 대해 비교하기 위하여 모든 힘과 토크 값은 시간으로 나누어 시간에 대해 정규화(Normalization)된 평균값으로 비교를 하였다. 데이터의 크기는 절대값으로 계산하였다.
- 개선된 NREX는 [Fig. 5]와 같이 개선전보다 총 3개의 수동 관절을 추가하였고 양팔에 모두 대응 가능하도록 제작하였다. 먼저 로봇 거치대 부근의 스카라와 유사한 구조에 1개의 추가 수동관절 #1 (Additional Joint for Shoulder Abduction/ Adduction, AJ_SAA)을 추가하여 개선 전에는 수평면에서 회전 운동만 가능했던 움직임을 직선 운동이 가능하게 하여 더 부드러운 어깨 움직임이 가능해졌다.
- NREX는 가볍고 저렴하며 사용자의 자연스러운 움직임이 가능하도록 전기 모터를 적게 사용하고 단순하게 설계하여 구현하였다. 기본적으로는 모터가 없는 수동관절을 사용하고 꼭 필요한 관절에만 모터를 추가하였다. 모터로 구동되는 관절이 많아 질수록 기구의 복잡도가 높아지고 제어에 어려움이 커지기 때문에 실용성은 감소될 수 있다.
- 본 고에서는 국립재활원에서 개발했던 상지재활로봇 NREX에 수동관절을 추가 적용하여 사용자가 움직일 때 로봇과 사용자 간의 연결 부위에서 발생하는 힘과 토크를 감소시켜 착용성을 향상시켰다. 사용자의 어깨가 보다 자유롭게 회전이될 수 있도록 상지 운동 기구를 구현하면, 해당되는 회전축과 관련된 움직임을 포함하는 상지 운동을 할 때 상지의 힘이 덜든다는 것을 확인하였다.
- 비장애인 20명을 대상으로 실험을 진행하였고, 4개의 목표물에 대해 각 축 별로 힘과 토크의 변화, 각 목표물별 전체 힘의합, 토크의 합 변화를 분석해 보았다. 개선 전과 개선 후의 경우 뻗기 시간이 다르기 때문에 동일한 시간에 대해 비교하기 위하여 모든 힘과 토크 값은 시간으로 나누어 시간에 대해 정규화(Normalization)된 평균값으로 비교를 하였다.
- 8]). 상하좌우로 사용자의 움직임 크기가 상대적으로 큰 4개의 목표물만을 대상으로 실험을 진행하였고, 각각 추가한 어깨 관절의 회전이 불가능하도록 잠근 상태(개선전) 10회, 어깨 관절의 회전이 가능하도록 한 경우(개선 후) 10회씩 뻗기 작업을 수행하였다.
- 실험에서는 볼잠금핀([Fig. 6])을 사용하여 개선하면서 추가한 3개의 관절([Fig. 4]) 중 2개인 로봇의 어깨 굴곡/신전 (Flexion/Extension), 내/외회전(Internal/External Rotation) 움직임을 고정시키거나 회전이 가능하게 하였고, 6축 힘/토크 센서로 각 축에 대한 힘과 토크를 측정하였다. 6축 힘/토크 센서는 ATI사의 mini45가 사용되었으며, 사용자의 상완(Upper arm)을로봇 팔에 고정시키는 부위에 1개를 부착하여 사용자의 팔과 로봇 사이에 발생하는 전체적인 힘과 토크를 측정하였다([Fig.
- 사용자는 NREX를 착용한 후 팔을 편하게 내리고 있는 시작 위치에서 출발하여 3차원 공간상의 공 형태의 목표물을 손잡이를 잡은 손으로 도달하고 다시 시작 위치로 돌아온다. 실험은 목표물의 높이에 따른 차이와 뻗는 팔을 기준으로 같은쪽 목표물과 반대 쪽 목표물의 차이를 살펴보기 위하여 눈높이 위치에 반대 쪽 목표물 T1과 같은 쪽 목표물 T3, 배꼽높이의 반대 쪽 목표물 T4와 같은 쪽 목표물 T6에 대해 뻗기 작업을 수행하였다([Fig. 8]). 상하좌우로 사용자의 움직임 크기가 상대적으로 큰 4개의 목표물만을 대상으로 실험을 진행하였고, 각각 추가한 어깨 관절의 회전이 불가능하도록 잠근 상태(개선전) 10회, 어깨 관절의 회전이 가능하도록 한 경우(개선 후) 10회씩 뻗기 작업을 수행하였다.
- 개선한 NREX를 이용해서 개선 전후(어깨 관절의 회전 유무) 사용자가 같은 동작을 했을 때 얼마나 쉽게 동작을 수행할수 있는지 비교하기 위하여 간단한 실험을 진행하였다. 외골격 로봇의 효과를 평가하기 위해서 표면 근전도 신호[13]나 힘/토크 센서 신호를 이용하는 등의 방법들이 있는데, 본 논문에서는 힘 /토크 센서 신호를 이용하는 방법을 선택하였고 그 센서 신호의 크기가 작을 수록 쉽게 동작을 수행한 것으로 볼 수 있다.
- 일상생활과 관련된 뻗기 작업에 대하여 로봇과 사람과의접속 부위에 힘과 토크를 측정하였다. 이 때 수동관절을 추가 하면 로봇과 사람 사이에 상호작용으로 인하여 발생하는 힘과 토크가 감소하였다.
데이터처리
- 데이터의 크기는 절대값으로 계산하였다. 통계 프로그램은 SPSS를 사용 하였으며 대응표본 T검정으로 유의확률은 0.05를 적용하였다.
성능/효과
- 인구 고령화에 따라 뇌졸중 장애인도 매년 지속적으로 증가 하면서 사회적인 문제가 되고 있다. 2012년부터 2016년까지 뇌경색 환자는 연평균 1.8%, 뇌출혈 환자는 연평균 3.3% 증가했고, 뇌경색 환자의 진료비는 연평균 9.9%, 뇌출혈 환자의 진료비는 연평균 11.2% 증가했으며 그 중 대부분을 입원 진료비가 차지하였다[1]. 뇌졸중은 운동부족, 흡연, 잘못된 식습관 등 그 원인이 다양하며 뇌졸중 예방 및 발병을 없애기 위한 노력이 꾸준히 진행되고 있다.
- Total 값은 X, Y, Z 3개 축의 3차원 힘 및 토크의 합을 계산한 값이다. 각 축에 대한 목표물에 따른 힘의 변화를 살펴보면 힘은 X축에 대해서 55.8%([Table 1])로 가장 큰 감소를 보였고세 축의 합의 평균 힘은 31.6%([Table 3]) 감소하였다. 토크는 Y축에 대해서 56.
- 이것은 Z축의 회전(Flexion/ Extension)이 개선 전에는 불가능했지만 개선 후에는 가능하기 때문에 상지를 들고 위아래로 움직였을 때(목표물 T1, T3) 가 앞뒤로 움직였을 때(목표물 T4, T6) 보다 그 효과가 더 크다는 것을 알 수 있다. 또한 같은 높이에서 움직이는 팔을 기준으로 같은 쪽과 반대 쪽의 목표물에 대하여 비교했을 때(목표물 T3/T1, T6/T4)는 개선 전후 평균 힘 및 토크 값의 차이가 그렇게 크지 않음을 알 수 있었다. 이 결과는 개선 전과 후 모두 X축의 회전(Abduction/Adduction)이 되지 않기 때문에 같은 높이에서 좌우로만 움직임에 있어서는 그 결과에 큰 차이가 없다고 볼 수 있다.
- 피험자 및 목표물에 따라 조금씩 차이는 있었지만 대부분의 경우 기구 개선 전 뻗기 작업을 수행한 시간보다 기구 개선 후 뻗기 작업을 수행한 시간이 더 짧았다. 또한 힘과 토크의 크기를 살펴보았을 때 대부분의 경우에서 기구개선 전이 기구 개선 후보다 그 크기가 더 크다는 것을 확인할 수 있다.
- 5]와 같이 개선전보다 총 3개의 수동 관절을 추가하였고 양팔에 모두 대응 가능하도록 제작하였다. 먼저 로봇 거치대 부근의 스카라와 유사한 구조에 1개의 추가 수동관절 #1 (Additional Joint for Shoulder Abduction/ Adduction, AJ_SAA)을 추가하여 개선 전에는 수평면에서 회전 운동만 가능했던 움직임을 직선 운동이 가능하게 하여 더 부드러운 어깨 움직임이 가능해졌다.
- 11]은 4개의 목표물에 대해 각 축에 따른 힘과 토크의 변화를 그래프로 나타내었다. 목표물 T1, T3, T6에서 동일하게 Z축의 힘 값을 제외한 모든 값에서 통계적으로 유의미한 감소를 보였다. 이 결과는 기구 개선 전후를 비교했을 때 Z축 방향으로 움직이는 X축의 회전(Abduction /Adduction)이 되지 않기 때문이라고 할 수 있다.
- 본 고에서는 국립재활원에서 개발했던 상지재활로봇 NREX에 수동관절을 추가 적용하여 사용자가 움직일 때 로봇과 사용자 간의 연결 부위에서 발생하는 힘과 토크를 감소시켜 착용성을 향상시켰다. 사용자의 어깨가 보다 자유롭게 회전이될 수 있도록 상지 운동 기구를 구현하면, 해당되는 회전축과 관련된 움직임을 포함하는 상지 운동을 할 때 상지의 힘이 덜든다는 것을 확인하였다. 이를 통해 편마비를 가지거나 근력이 약한 장애인이 외골격 형태의 로봇을 착용했을 때 착용감을 향상시킬 수 있고 관절 회전 축의 오정렬로 인한 통증이나 불편함을 감소시켜 병원이나 시설에서 가정으로 복귀하여 더편하게 상지 운동을 할 수 있는 기구를 제공할 수 있다.
- 토크는 Y축에 대해서 56.2%([Table 2])로 가장 큰 감소를 보였고 세 축의 합의 평균 토크는 48.9%([Table 3]) 감소하였다.
후속연구
- 이러한 이유로 힘과 토크의 감소가 착용감의 향상으로 이어질 수 있다. 기구 개선 및 힘/토크 측정 실험의 결과로 미루어 볼 때 수동 회전 관절과 같은 간단한 기구를 추가한 것만으로 외골격 로봇의 크기 및 사용시 오정렬(Misalignment)로 인한 사용자의 통증 및 관절 손상 문제를 해결하는 하나의 방법으로 제시해 볼 수 있을 것으로 생각한다.
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