신경재활을 위한 상지 외골격 로봇의 AAN 제어에 관한 연구

Abstract

최근 뇌졸중 등의 신경학적 질환으로 인한 재활의 수요가 급증하고 있다. 특히 상지 마비 환자들의 경우, 일상생활로의 복귀를 위하여 강도 높은 반복훈련을 받아야 한다. 지난 수년 간 재활훈련의 강도와 시간을 증가시킴과 동시에 치료사의 업무강도를 줄이기 위하여 상지 재활로봇이 개발되고 있다. 게다가 환자에게 재활치료에 대한 흥미와 동기부여를 유발하기 위하여 가상현실을 재활로봇과 조합한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 외골격형 타입의 재활로봇은 모든 관절을 독립적으로 운동시킬 수 있지만 자유도가 늘어날수록 메커니즘과 제어 알고리즘이 복잡해진다. 게다가 외골격 타입의 로봇은 사용자의 안전성과 로봇이 직접적으로 연관되어 있기 때문에 반드시 안전성을 고려해야한다. 재활치료를 위한 제어 연구의 경우, 환자가 로봇의 도움을 필요로 할 때에만 작용하는 제어기 연구가 진행되고 있고, 이의 재활효과가 좋다는 결과는 많이 나오지만 환자의 안전성을 고려한 제어기에 대한 연구는 미비하다. 본 논문에서는 이러한 재활 시스템을 위하여 AAN 제어라 불리는, 근력지원을 필요로 할 때에만 하는 제어를 제안한다. 제안한 AAN 제어는 오차 기반의 구동지원 제어와 목표지점까지 가이드를 하여 환자 스스로의 노력을 유도하기 위한 가상터널로 구성된다. 근력지원 제어기는 속도 기반의 조건을 만족하면 근력지원이 필요하다고 판단하여 구동되며, 가상터널을 위한 임피던스 제어기는 주어진 경로에서 크게 벗어날 경우에만 구동된다. 제안한 제어기를 4자유도 외골격형 로봇과 간단한 게임으로 구성된 재활 시스템에 적용하였으며, 여자유도를 이용한 관절범위 침해방지 알고리즘을 통해 관절각도를 제어한다. AAN 제어기의 각 인자들은 재활치료사에 의해 환자 상태에 따라 설정할 수 있다. 제안한 제어기는 건강한 피실험자를 통하여 그 성능을 검증하였다.