보고서 정보
주관연구기관 |
서울대학교 Seoul National University |
연구책임자 |
박재흥
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2017-11 |
과제시작연도 |
2016 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201900027429 |
과제고유번호 |
1711043591 |
사업명 |
개인연구지원 |
DB 구축일자 |
2020-09-19
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키워드 |
재활 로봇.요통.허리 통증.유연한 액추에이터.직렬 탄성 액추에이터.빅 3.요부 안정화 운동.코어 운동.항중력 기구.rehabilitation robots.lumbar pain.low back pain.compliant actuator.series elastic actuator.the big 3.lumbar stabilization exercise.core exercise.anti-gravity assistance.
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초록
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□ 연구의 목적 및 내용
선행 연구에서 개발된 낮은 강성의 직렬 탄성 액추에이터는 사람과 직접 상호작용하는 경우에도 정확한 힘을 출력하고 유지하는데 있어 우수한 성능을 가진다. 본 연구에서는 이러한 특성을 응용하여 세계적으로 가장 심각한 질병중 하나인 요통의 운동 치료에 적용하려고 시도하였다. 요부 안정화 운동은 대표적인 보존적 치료 방법 중 하나로서 요통 완화와 허리 기능 향상에 도움을 주는 운동이다. 다만 요부 안정화 운동은 맨손 운동이므로 부하를 조절하기 어려우며 상하지에 무리를 줄 수 있다. 따라서 힘이 부족한 노인,
□ 연구의 목적 및 내용
선행 연구에서 개발된 낮은 강성의 직렬 탄성 액추에이터는 사람과 직접 상호작용하는 경우에도 정확한 힘을 출력하고 유지하는데 있어 우수한 성능을 가진다. 본 연구에서는 이러한 특성을 응용하여 세계적으로 가장 심각한 질병중 하나인 요통의 운동 치료에 적용하려고 시도하였다. 요부 안정화 운동은 대표적인 보존적 치료 방법 중 하나로서 요통 완화와 허리 기능 향상에 도움을 주는 운동이다. 다만 요부 안정화 운동은 맨손 운동이므로 부하를 조절하기 어려우며 상하지에 무리를 줄 수 있다. 따라서 힘이 부족한 노인, 과체중 환자, 상하지에 질환을 가진 사람들에게는 수행이 어렵다. 또한 이를 보완하기 위한 기존 방법들도 척추에 부담을 주거나 정확한 부하 조절이 정확하지 않은 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 낮은 강성의 직렬 탄성 액추에이터를 활용하여, 기존의 운동과 동일한 근육을 자극할 수 있으면서도 부하를 조절할 수 있으며 상․하지의 부담을 줄여 기존에 운동을 수행할 수 없던 환자들도 운동 가능하도록 하는 로봇의 개발을 연구의 목적과 내용으로 하고 있다.
□ 연구결과
본 연구의 결과는 다음과 같이 크게 로봇 기구 설계 및 제작, 직렬 탄성 액추에이터의 제어, 로봇을 이용한 운동 효과 검증의 세 가지로 나누어진다.
1. 로봇 기구 설계 및 제작 : 안정화 운동 로봇의 대상 운동 형태를 정하기 위해, 적은 동작으로도 허리 안정성을 높이는데에 효과적인 운동인 Mcgill의 빅 3 동작을 문헌조사를 통해 선정하였다. 그리고 빅 3에 대한 자세를 간단한 링크와 조인트로 정역학적 해석 및 단순화를 진행하였다. 이 분석으로부터 기존 방법보다 직렬 탄성 액추에이터를 사용하는 것이 정확한 부하 조절에 있어서 우수할 수 있음을 확인하였으며, 이를 바탕으로 설계 방향을 세워 기구를 설계하였다. 설계 요구 사항은 상하지의 부담을 줄일 수 있으면서도 부하를 조절할 수 있고 기존 운동과 유사한 근육 훈련이 가능하도록 하는 것이다. 제작된 로봇은 1자유도를 가지며 직렬 탄성 액추에이터를 가지고 있는 두 개의 항중력 베드 모듈로 이루어졌고, 운동하는 사람은 이 위에 누워 자세를 취한 후 운동을 수행할 수 있다.
2. 직렬 탄성 액추에이터 (SEA) 의 제어 : 본 로봇의 경우 SEA로부터 출력되는 힘이 최종적인 제어 결과이며, 이를 통해 운동 부하를 조절하므로 정확한 힘 제어가 중요하다. 이를 위해 두 가지 문제를 해결하고자 하였다. 첫째는 스프링의 히스테리시스의 보상이다. 스프링은 우수한 선형성을 가지고 있으나 마찰손실로 인해 비선형적 히스테리시스가 필연적으로 존재한다. 본 연구에서는 기존 모델들 보다 적은 파라미터로도 연속적이고 좁고 구불구불한 스프링의 비선형적 히스테리시스를 잘 묘사할 수 있는 다항식 기반의 모델을 제안하였다. 실험을 통해 7-8%의 오차를 3-4% 수준으로 낮출 수 있음을 보였다. 둘째는 낮은 임피던스의 구현이다. 로봇의 특성상 SEA의 외부에서 사람이 자유로운 움직임을 하더라도 액추에이터는 정확한 힘을 구현할 수 있어야 한다. 개발된 SEA의 직동 부품으로 인한 정지마찰 특성으로 인해 이에 강건한 속도 피드백을 갖는 캐스캐이드 제어기를 사용하였고, 이 제어기의 임피던스를 낮추는 방법을 고안하였다. 먼저 유전 알고리즘을 이용한 게인 파라미터 최적화를 이용하여 게인 튜닝을 하였다. 그리고 기존의 모터 속도 피드백을 스프링 변형속도 피드백으로 바꿈으로서 외란을 내부루프가 빠르게 보상할 수 있도록 하였다. 두 가지 방법의 적용으로 인해 종전보다 80-90% 낮은 임피던스를 구현할 수 있었다.
3. 로봇을 이용한 운동 효과 검증 : 개발된 로봇을 이용한 효과 검증은 사람의 운동수행 관찰 연구를 통해 수행되었다. 기존의 운동과 로봇을 이용한 운동 시 근육의 활성도를 근전도 실험을 통해 측정하였으며, 이와 함께 설문도 함께 실시하였다. 1차 년도는 3명의 참가자를 대상으로, 2차 년도에는 20명의 참가자를 대상으로 실험을 수행하였다. 근전도 실험으로 부터 근육 활성의 유사도, 운동 부하 조절성에 대한 결과를 얻을 수 있었다. 2차 년도 실험을 기준으로유사도의 경우 5 가지 근육에 대해 코사인 유사도를 기준으로 세 가지 운동 모두 80%이상의 높은 유사도를 확인하였다. 운동 부하의 조절 경우, 세 가지 운동 중 컬업과 사이드브리지의 경우 큰 폭으로 뚜렷한 부하 조절이 되었으나, 버드독의 경우 부하 조절이 폭이 좁고 명료하지 않아 향후 개선이 필요함을 보였다.
□ 연구결과의 활용계획
본 연구 과제는 재활 로봇 분야에서 많이 시도되지 않았던 요통에 대한 재활을 대상으로 하였으며, 개발된 로봇은 형태 및 기능, 효과 등에서 독창성을 가지며, 관련된 기술은 현재 특허 출원 중이다. 향후 의학 분야와의 융합 연구를 통해 요통에 대한 치료 효과를 검증받는다면 본격적인 의료기기로서 활용될 수 있을 것이라 기대한다. 또한 지속적인 연구를 통해 기존의 운동보다 더 효과적인 운동형태를 개발할 수 있으며, 또한 허리의 상태에 대한 수치적 파악 등을 개발하는 데에도 이용될 수 있다. 궁극적으로는, 이 로봇을 상용화하여 각 병원과 가정에 보급함으로써 요통으로 인한 건강 문제를 해결할 수 있으리라 기대한다.
(출처 : 한글요약문 4p)
Abstract
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□ Purpose& contents
The series elastic actuator with low stiffness, our previous research, has excellent properties in regulating the exact force in the interaction between robot and human. This study applies this property to rehabilitation exercise robot for low-back pain which is one of the mos
□ Purpose& contents
The series elastic actuator with low stiffness, our previous research, has excellent properties in regulating the exact force in the interaction between robot and human. This study applies this property to rehabilitation exercise robot for low-back pain which is one of the most serious diseases. The developed robot is to assist lumbar stabilization exercises which are representative conservative treatment method. The lumbar stabilization exercises are free exercises, but it is difficult to adjust the load and requires sufficient strength and control ability. Consequently, specific patients, such as weak and aged patients, obese patients, and those who have upper or lower limb disabilities, are unable to perform some of the exercises or may suffer muscle overload. This study targets to help variety patients to train muscles similar to the original big 3 by using the series elastic actuator (SEA) with low impedance to make exercise load adjustable.
□ Result
The result of the research comprised of 3 stages as follows.
1. Robot Design: McGill’s the big 3 exercises are chosen for its simplicity and effect as stabilization exercise. The design requirements are to reduce the burden on the upper and lower limbs, but also to adjust the load and allow for similar muscle training to the big 3 exercise. The exercises have been simplified to models with several links and joints, and models were analyzed with mechanical statics. From this analysis, it was confirmed that the use of the series elastic actuator in comparison with the conventional method can be excellent in the accurate load adjustment. Robot design was carried out considering the similarity of existing postures and the burden of the top and bottom. The developed robot has 2 sets of anti-gravity module with the SEA, and patients can perform the exercises by laying on the robot.
2. Control of series elastic actuator (SEA): To ensure consistent exercise result, accurate force control of the SEA is important. Two problems for this have been dealt with in this research. One of them is about spring hysteresis. Spring has good linearity between deformation and force but also contains non-linear hysteresis due to friction loss. This study suggested a polynomial-based model express spring hysteresis with fewer parameters than others. This result shows the error reduction to 3-4% from 7-8%. The second is impedance reduction. To make patient exercise by him or herself, the actuator should generate accurate force despite patients movement. The cascade controller is used to robust control for static friction made by linear motion parts in the developed SEA. Then the genetic algorithm was used to optimize the gain parameter for each actuator. Also changing feedback from motor velocity to spring deformation velocity in the inner loop of cascade controller made the actuator to compensate disturbance by external motion. These results show approximately 80-90% lower impedance than before.
3. Assessment of the robot-used exercises: The assessment was executed with the observation methods. Muscle activation measurement and questionnaire survey were performed to compare original and modified exercises with the robot. 3 people and 20 people were tested in the 1st and the 2nd year, respectively. Muscle activation similarity and exercise intensity adjustment possibility were able to achieve with the electromyograph test. Based on the 2nd year experiment result, cosine similarities between original exercises and exercises with the robot were higher than 80% in most of the big 3 exercises. In the case of adjustment of the exercise load, the curl-up and the side-bridge in the three exercises shows a large and clear load adjustment, but the case of bird-dog was narrow and not clear and needs improvement in the future works.
□ Expected Contribution
This study targeted low-back pain that is unusual in the rehabilitation robot field. Developed robot owns originality for its mechanism, feature, and effects, and the related technologies are patent pending. Further collaborative study with medical field to verify it’s effect as the low back pain treatment method, it could be used as the medical device. Also contains the possibility to develop more effective exercises than original and give a numerical index to diagnosis low back stability. Finally, it can be the key to solve low-back pain problems that global is suffering.
(출처 : SUMMARY 5p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 목차 ... 2
- 연구계획 요약문 ... 3
- 연구결과 요약문 ... 4
- 한글요약문 ... 4
- SUMMARY ... 5
- 연구내용 및 결과 ... 6
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 9
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 47
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 49
- 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 50
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 50
- 8. 참고문헌 ... 51
- 9. 연구성과 ... 54
- 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 54
- 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 55
- 12. 기타사항 ... 55
- 별첨1. 대 표 연 구 실 적 ... 56
- 별첨2. 세부 목표 관련 증빙 ... 70
- 끝페이지 ... 91
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