제

11

장

–

재활 로봇

5 조 김원영 , 곽병기 , 김기섭 , 구본석 , 권준한 , 권현태 , 이석현 , 송경찬 , 1.

학습목표 2.

서론 3.

지능형 이동 보조 로봇 4.

작업 보조 로봇 5.

재활 치료 로봇

1.

학습목표

• 산업용 로봇과 재활로봇의 차이점을 알게 된다 • 지능형 휠체어의 센서들 ( 레이저 거리측정기 , 적외선 센서 , 음파 센서 ) 이 장애물 회피와 자율주행을 하는데 어떠한 역할을 하는지 알게 된다 .

• 지능형 이동 보조기기들의 자율 주행 시 공유제어 기법의 중요성을 자율 제어 기법과 비교하여 기술 할 수 있게 된다 .

• 작업 보조 로봇에서 위치제어를 어떻게 하는지 이해하게 된다 .

• 다양한 형태의 작업 보조 로봇에 대해 기술 할 수 있게 된다 .

• 재활 로봇을 구현할 때 , 접하게 될 실제적인 문제들에 대해 기술 할 수 있 게 된다 .

• 다양한 재활 치료 로봇 시스템에 대해 기술 할 수 있게 된다 .

• 로코맷 시스템과 같은 재활 치료 로봇을 이요한 임상 연구의 결과와 그 의 미에 대해 기술 할 수 있게 된다 .

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3/18 2.

서론

• 재활 로봇 공학은 기존의 산업용 로봇과 재활 의학이 융합된 새로운 분야이 며 , 기계공학 , 전자공학 , 의공학 , 보철학 , 자율이동 , 인공지능 , 센서 기술 등 의 여러 연구 분야를 포함한다 . 로봇 공학의 궁극적인 목표이다 재활 로봇 시스템이 장애인들이 일상생활을 하는데 있어서 필요로 하는 것들을 모두 만족시키도록 개발하는 것이 재활 . • 산업용 로봇은 보통 정형화된 환경에서 미리 정의된 작업을 수행하며 일반 적으로 사람으로부터 멀리 떨어진 곳에서 동작하지만 재활로봇은 이와는 전혀 다르다 , 재활로봇은 보통 신체적 장애를 가지고 있는 사람들에 의해 조 작되고 신문을 집는다거나 문을 여는 것과 같은 미리 프로그램 될 수 없는 작업들을 수행한다 .

• 이러한 재활 로봇은 크게

로봇 ,

3 가지로

셋째는 재활치료 로봇

이다 .

첫째는 이동 보조 로봇 , 둘째는 작업 보조

이 장에서는 세 종류의 재활 로봇의 최신 기술과 장단점에 대한 분석을 해 보고자 한다 .

3.

지능형 이동 보조 로봇

• 기존의 이동 보조 도구 ( 지팡이 , 보행기 , 수동휠체어 , 전동휠체어 , 스쿠터 ) 가 많은 장애인들의 필요를 만족시켜왔지만 , 특정부류의 장애인들에게는 여전히 기존의 도구를 사용하는 것이 어렵거나 불가능하다 . 이러한 사람들은 독립적인 이동이 불가능하기 때문에 수동휠체어에 앉은 채로 누군가가 휠체어를 밀어주는 것에 의존할 수 밖에없다 .

이러한 장애인들을 돕기 위하여 기존의 이동 로봇 분야에서 개발된 기술을 지능형 이동 보조 시스템을 개발하는 데에 적용하여

다양한 방식

으로 사용자의 주행에 도움을 제공한다 .

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입력장치

전동 휠체어에 사용되어온 조이스틱 , 공압스위치등이 적용되고 있고 음성 인식과 전기안구도 그리고 카메라를 이용한 사용자 머리의 위치와 방향을 계산하여 이용하는 방법도 사용되고있다

제어 프로그램

플라이머쓰 대학과 홍콩중문대학에서는 신경망을 사용하여 이미 습득된 경로를 재생성하는 휠체어를 개발했고 NavChair 는 장애물 밀도 분포도 를 사용하여 음파센서의 정보와 사용자 조이스틱 입력을 조합하며 , SWCS 와 SPAM 은 미리 정해놓은 규칙에 기반한 제어 방법을 사용한다 포용 제어구조를 사용하여 시본 행동 양식들을 결합하고 복잡한 행동방 식을 생성해내는 방법도 있다 .

6 /18 센서 : 지능형 이동 보조 시스템이 장애물을 회피 하기 위해서는 주변을 인지할 수 있는 센서들이 필요하다 .

초음파거리측정센서

: 현존 하는 센서 중에서 가장 많이 이용되는센서 , 센서에서 발사된 음파가 정면에 있는 물체에 부딪쳐서 반사되어 올 때 가장 정확하다 .

적외선 센서

: 소리대신 빛을 발사하기 떄문에 소리를 흡수하는 물체보다는 어두운 물체를 잘 인식하지 못한다 . 또한 투명하거나 굴절하는 표면을 갖는 물체를 잘 인식하지 못한다 .

이러한 두 센서는 크기가 작고 , 가격이 저렴하며 , 널리 알려져 있기 때문에 아직까지 가장 많이 사용하고 있다 . 이 두센서의 가장 큰 단점은 계단이 나 보도블록의 끝 , 구덩이 같은 급강하 지형을 잘 감지하지 못한다는 것이다 .

레이저 측정기

: 레이저 거리 측정기는 장애물이나 급강하 지형을 더 정확하고 미리 감지해 낼 수 있다 . 그러나 가격이 비싸고 , 부피가 크며 많은 양의 전력을 소모하기 때문에 이동 보조 로봇시스템에 충분한 개수의 레 이저측정기를 설치하기는 힘들다 .

레이저 스트라이퍼

: 이는 다른 대안으로서 레이저 방사체와 CCD 카메라의 결합체로 이루어 져있는데 카메라 에 잡힌 직선 띠 모양의 레이저 스트라이프의 영상으로 장애물이나 급강하 지형까지의 거리를 계산 할 수 있고 가격도 레이저 측정기보다 저렴하지만 , 유리나 어두운 표면같은 곳에서의 오류가 발생한다 , 현재까지 지능형 이동 보조 시스템에 사용된 사례는 없다 .

기계시각

: 앞으로 가장 전망이있는 감지방법으로 카메라와 컴퓨터 소프트웨어를 이용한다 . 크기가 작아 여러 위치에 쉽게 설치할 수 있고 측정 범위도 다른 센서들에 비해 훨씬 넓다 .

지능형 이동 보조시스템을 성공적으로 상품화하는데 가장 큰 걸림돌은 아직까지 정확하고 저렴하고 작고 가벼우며 , 환경조건의 영향을 받지않고 전력소모가 작은 센서가 없다는것 이다 . 이러한 조건들을 만족 시키는 센서가 없기 때문에 다양한 종류의 센서로부터 오는 정보들을 종합하여 파악한다 . 이러한 이유로 초음파거리측정센서와 적외선센서의 조합은 자주 사용되고 있다 .

작동모드 작동방식에 따라 3 가지로 분류됨

첫번째

: 지능형 이동 보조 시스템은 자동제어 로봇과 아주 유사한 방식 으로 작동한다 . 사용자는 목표를 지정하고 지능형 휠체어가 목표점까 지 경로를 계획하고 실행하는 것을 모두 감독한다 동 보조 시스템은 미리 입력되어 있지 않은 장애물을 회피하거나 미지 의 지역을 주행할 수 없기 때문에 , . 이러한 종류의 이 대부분의 시간을 같은 공간에서 보 내는 사용자에게 적합하다 .

두번째

: 지능형 이동 보조 시스템은 장애물 회피 기능만 제공하고 , 경로 의 계획 및 주행 등의 다른 작업은 사용자에게 맡기는 경우다 는 사용자에게만 유용하다

세번째

키고 , : .

. 이러한 시스템은 효과적으로 경로를 계획하고 목표지까지 주행할 능력이 있 자동제어방식과 반자동 주행방식을 모두 제공하는 것이다 . 이 러한 종류의 지능형 이동 보조 시스템은 더넓은 범위의 요구를 만족시 이는 사용자가 주어진 작업에 적합한 작동 모드를 선택할 수 도 있고 , 시스템이 자동으로 선택할 수도 있다 .

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내부 기억지도와 지표점

자동 제어 모드로 동작하는 지능형 이동 보조 시스템은 내부에 기억된 지도를 바탕으로 주행한다 .

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미터지도 위상지도

자체 내에 거리 정보가 포함 거리 정보 없이 두 위치간의 연결 정보만을 포함

지역지도

– 이동장치와 함께 움직이는 지도

기타

– 바닥 표면에 미리 설치된 트랙을 따라가는 경우와 같은 내부 기 억 지도를 필요로 하지않는 경우도 있음 내부 기억 지도를 사용함에 있어서 가장 어려운 점은 주행 중인 지능형 이동 보조 장치가 매순간 지도상의 어느 위치에 있는지를 정확하게 파 악하는 것이고 이는 주로 주행 공간 내에 인위적으로 지표점을 추가하 여 쉽게 그 위치를 식별해 낼 수 있도록 한다 .

4.

작업 보조 로봇

작업 보조 로봇은 장애인들이 일상생활에서의 작업과 일터에서의 작업을 다른 사람의 도움 없이 수행할 수 있도록 돕는다 . 이러한 작업 보조 로봇 을 제어하기 위해 사용자는 여러 입력 기기와방식들을 이용한다 .

이러한 작업 보조 로봇은 다음의 3 가지로 분류될 수 있다 .

가 .

작업 특화형 기기 : 식사 보조나 책장을 넘기는 것 같은 단순한 작업수행 9 /18 나 .

작업대 기반 보조 로봇 여 작업을 보조 : 직장의 작업 환경에서 작업대에 로봇을 설치하 다 .

휠체어 장착형 작업 보조 로봇 : 전동 휠체어에 로봇을 장착하여 이동 보 조 및 작업 보조를 수행하도록 한다 .

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제어 인터페이스

작업 보조 로봇의 제어 인터페이스를 구성할 때에는 기능적은 측면에서 를 고려 해야한다 .

2 가지

첫째 둘째

사용자와 로봇간의 관계를 어떻게 제어할 것인가 로봇과 물체 사이의 관계를 어떻게 제어할 것인가 작업 보조 로봇을 제어할 때에는 일반적으로 조이스틱 는데 능숙함이 떨어질수도 있고 , , 키패드 , 호흡식입력기 등 의 전형적인 입력장치를 사용하지만 어떤 사용자들은 이러한 입력기를 조종하 작업이 입력장치에 비해 복잡할 경우 한계를 느 낄수도있다 . 물론 음성 인식 , 몸동작 인식 , 뇌와 컴퓨터 사이의 인터페이스 , 원격 조정등으로 제어의 질을 향상 시킬 수 있다 . 하지만 이러한 최신 기술도 신뢰성 과 복잡성 면에서 문제를 드러낸다 . 따라서 직관적이면서 효과적으로 사용자와 로봇 사이를 연결하는 인터페이스를 설계하는 것은 여전히 중요한 과제이다 .

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제어 모드

관절좌표계 로봇의 각각의 관절이 따로 제어된다 .

직교좌표계 – 로봇의 말단 중심점의 x,y,z 좌표 위치와 방향 ( 수직 , 수평 , 길이 방향으로의 회전각도 ) 이 직접 제 어 된다 .

정방향 기구학 된다 .

– 관절의 각도를 알고 있을 때 이로부터 직교좌표에서 로봇말단의 위치를 계산해내는데 사용 역방향 기구학 – 직교 좌표 내에서의 로봇말단의 위치 와 방향이 주어졌을 때 , 이에 해당하는 관절 각도가 무 엇인지를 알아낼 수 있다 .

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통합제어

• • • • 한 개의 제어 인터페이스로 두 개 이상의 장치를 제어 할 때 필요하다 .

장애인들이 보다 더 독립적인 생활을 편리하게 할 수 있도록 해준다 .

하나의 입력기만을 사용할 때 그 입력기가 고장 났을때 사용자가 모든 시스템을 제어 할 수 없게 됨 통합 제어기를 사용할 경우 사용자가 보다 더 많 은 생각을 하도록 요구됨

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임상연구

,

안전성

• • • • • • 피츠버그 대학에서 RAPTOR 시스템을 사용했을 경우 기본 작업들을 수행 할 수 있는 능력과 사용자의 독립 성이 개선될 수 있는지에 대한 연구를 수행 보조 로봇을 사용 했을 경우에 작업독립성 , 작업 수행 시간 면에서 뚜렷한 개선을 보임 한 연구에서 개념 설계단계에서 부터 시작하여 모든 개발단계에서 사용자가 참여하였고 이는 사용자와 개 발자가 끝까지 상호 보완하며 성공적인 결과를 보였 다 .

대부분의 작업 보조 로봇은 안전성을 위해 제한된 작 업 공간 내에서 작은힘과 느린속도로 움직임 이는 단순히 더 강력한 전기모터를 사용한다고 해결 될 수 없다 .

기계 시각 , 근접 센서 등을 이용하여 사람과 물체를 구 분하고 자동으로 멈추는 등의 방법이 필요하다 .

14 /18 5.

재활 치료 로봇

• • • 운동 장애를 갖는 환자들의 사지 재활을 위해 물 리 치료사에 의해 전통적으로 행해지던 여러 물리 치료방법들이 여러 형태의 재활 치료 로봇을 통해 서 구현된다 .

대부분은 햅틱장치로써 , 환자가 로봇 장치를 통 해 움직임을 가하거나 로봇을 통해 전달되는 힘의 피드백을 느끼기도 하는 방식으로 컴퓨터와 상호 작용을 할 수 있도록 해준다 .

컴퓨터에 나타나는 정보로 자신의 작업 성능에 대 해 알 수 있다 .

15 /18 • • • • • • • • • •

상지 운동을 위한 재활 치료 로봇

어깨 , 팔굼치나 손의 관절의 움직임을 다룸 환자들이 손상된 팔과 손을 움직여서 목표물까지 도달할 수 있는 능력을 다시 회복하는 과정을 도와주도록 설 계되었다 .

MIT-MANUS – 로봇의 끝을 붙잡고 평면상에서 움직임으로써 컴퓨터 화면상의 커서를 움직이게 함 . 어깨와 팔꿈치를 움직이는 근육의 힘과 근육제어능력 개선 MIME – 환자의 팔은 부목을 통해 로봇과 고정되고 , 손목과 손을 고정하는 부목은 로봇의 말단과 연결 , 부목과 로봇의 말단 사이에 6 자유도 힘 / 토크 센서를 추가하여 환자의 팔에 가해지는 힘과 토크를 측정 . 어깨와 팔꿈치 의 재활운동 ARM Guide – 어졌다 . 단순하고 저가형인 시스템으로 뇌졸중 환자들이 목표물까지 움직이는 능력을 개선하도록 만들 환자의 팔은 부목에 고정되어 직선 궤도를 따라 한방향으로 운동하게되는데 직선 궤도의 방향을 도 평면에서 조절할 수 있도록 설계하여 환자에 의해 선택된 방향을 따라 로봇이 다 .

2 자유 1 자유도 직선 운동을 할 수 있

GENTLE/s + HapticMASTER –

등 환자의 팔을 줄에 매달아 팔 무게를 지탱해주며 , 수동 .

능동보조 .

능동 모드 3 가지 모드가 구현되었다 . 어깨와 팔굼치의 재활운동

WAM –

기민성과 역구동성이 매우 뛰어난 4 자유도 or7 자유도 로봇 팔 BAM – 6 자유도의 햅틱 로봇이며 , 작업 공간이 넓어서 몇걸음 걸으면서 팔을 완전히 펴는 작업을 수행할 수 있 다 . 이 로봇 시스템은 움직임을 제어하기 위해 에너지를 소모하는 브레이크를 사용하여 부상에 대한 위험을 방 지해준다 .

PHANTOM – 가상 환경 내의 로봇 시스템으로 능동 3 자유도 수동 3 자유도를 가진 로봇이다 . 뇌손상을 입은 후 8 년동안 일반적인 물리치료를 통해 회복을 얻지 못한 외상성 뇌손상환자가 가상환경 6 주간의 훈련으로 손가락 의 운동범위와 손가락의 힘에서 효과를 보였다 .

Rutgers Master II – 환자의 손가락에 힘을 가해줄 수 있는 햅틱 장갑의 형태로 네개의 공압 구동기를 사용하 여 엄지 , 검지 , 중지 , 약지 등 네 개의 손가락에 힘을 가해 주도록 설계되었다 . 적외선 센서와 홀 효과 센서를 사용 하여 손가락의 자세를 추정할 수 있다 .

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하지 운동을 위한 재활 치료 로봇

• • • 환자가 정상적인 걸음새를 회복할 수 있도록 도움 Lokomat 시스템 – 양다리를 움직이는 정형장치와 이 를 제어하는 컴퓨터 , 트레드밀 및 제중을 지지해주는 시스템으로 구성되있다 . 이 시스템은 다리 관절의 움 직임에만 중점을 두었기 떄문에 한계점을 갖고 있다 . 고관절 , 무릎 등의 움직임에만 중점을 두어 설계되었 기 때문에 걷는 동안 자연스러운 골반의 움직임을 구 현하는데 제한점을 가지고 있다 .

Gait Trainer 시스템 – 크랭크와 로커기어를 이용한 시스템으로 환자는 두개의 발판위에 서개 되고 체중 을 받쳐주는 지지장치에 의해 환자의 다리가 감당해 야 하는 무게를 줄여준다 . 이는 양발판을 이용해 환자 발의 위치만을 제어 할 수 있기 때문에 근력이 약해서 걸을 수 없는 환자들에게는 부적합하고 무릎 관절을 어느 정도 움직일 수 있는 환자에게 적합하다 .

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기존의 재활 치료와 로봇을 이용한 재활 치료의 비교

• 로봇을 이용한 재활치료는 2 가지 측면에서 기존 의 상지 재활치료에 질적 향상을 가져올 수 있다 .

1.

환자들이 충분한 시간 동안 재활 치료를 받지 못 하는 것과 같은 현재의 물리치료가 갖고 있는 문 제점들을 해결할 수 있다 • 2.

새로운 형태의 물리치료방법을 창출해 낼 수 있다 아마도 미래의 치료로봇은 자동화된 물리치료사 역할을 수행하는 것을 넘어서 다른 어떤 사람도 할 수 없는 일을 함으로써 물리 치료사들에게 매 우 가치 있는 도우미의 역할을 수행할 것이다 .

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재활 치료 로봇이 넘어서야 할 과제

• • • • • • 로봇이 환자에게 과도한 힘을 가하지 않고 안전하게 동작할 수 있다는 것이 먼저 증명되어야 한다 .

더 많은 수의 환자들에게 시험 평가를 해서 그 효과를 증명해 보여야만 한다 .

로봇은 주로 근육 힘의 증가 등의 낮은 수준의 능력평 가기준을 통해서 평가되어왔는데 , 더 전체적인 관점 에서 평가가 필요하다 .

현재까지 거의 대부분의 연구에서 뇌졸중 환자들만을 다루고 있는데 , 다른 종류의 질병을 가진 환자들에 대 한 로봇치료의 효과도 가능할것이다 .

로봇을 사용하는 물리치료사들에게 안전성과 장점을 납득시커야 한다 .

로봇치료의 경제적인 효과 또한 증명되어야 한다 .