1. 서 론
최근 급격한 인구 고령화로 인해 노인 질환 발 생률이 증가하고 있다[1]. 관절염, 인지 기능 저하, 뇌혈관질환(뇌졸중)은 일상생활에 장애를 일으켜 보 호자의 돌봄이 필요하다. 이를 치료하기 위해서는 신경계를 재조직하는 뇌 가소성(Neuro plasticity) 의 촉진을 위한 반복적인 운동치료가 권장된다[2]. 보행장애의 경우 운동치료 중 환자의 낙상을 예방 하기 위해 두세 명의 노동력이 필요하나[3], 현실 적인 문제로 간병인 1명이 환자의 기립을 돕거나 운동을 보조하며 손목이나 어깨 등을 다치는 경우 가 빈번한 상황이다[4]. 따라서, 재활보조기구의 사용은 재활치료의 효율을 높여 더 많은 이들에게 재활 기회가 돌아갈 뿐만 아니라, 노동력 보조를 통해 간병인의 삶의 질 개선으로 이어진다. 이를 위해 재활보조기구에 대한 많은 사회적 관심과 지 속적인 투자가 필요하다[5]. 이러한 흐름에 따라 현재 재활 산업은 그 중요성과 규모가 크게 증대 되고 있으며[6], 이에 대응하여 재활보조기구의 개 발과 함께 관련 기술 연구가 진행되고 있다.
이와 관련된 기존의 연구는 다음과 같다. Donghui Zhao 외 3인은 비전 센서와 웨어러블 관성 장치 를 이용한 비정상적인 보행을 구별하는 지능형 보 행 보조 로봇을 개발하였다[7]. Matevž Bošnak 외 1인은 사용자의 움직임에 따라 시스템을 직관 적으로 제어할 수 있는 인간-기계 인터페이스를 통해 낙상 예방 등 안전성을 높인 스마트 호이스 트 보행 재활 로봇을 제작하였다[8]. 백지훈은 의 자의 각도에 따른 하중 분포를 고려한 무동력 기 립 보조 의자를 개발하였다[9]. 백준영 등은 케이 블의 속도를 이용하여 사용자의 운동 속도가 떨어 지면 이를 감지하여 보조력을 제공함으로써 사용 자를 효과적으로 관리하는 오토 트레이닝 시스템 을 개발하였다[10]. 백승환 등은 상지 재활치료용 2축 델타 로봇을 개발하였는데, 로봇 말단 장치의 힘 초과, 로봇의 작동범위 초과 등의 안전장치를 고려해 사용자의 안전성을 강화하였다[11].
이처럼 재활보조기구는 각 목적에 따라 많은 연구 개발을 통해 발전하고 있지만, 대부분 한 가 지 목적에 집중하는 경향이 있다. 본 연구에서는 스스로 기립하고 거동할 수 있으며 사용자의 의지 에 따라 스스로 사용할 수 있는 능동 보행 보조기 구의 설계 방법을 제시하였고 직접 제작하여 그 실용성을 검증한다. 이는 기립에 필요한 힘을 기 구에 내장된 구동기가 대신해줄 수 있으므로 재활 치료 시 간병인의 노동력을 보조하여 장애인, 고 령자, 간병인 모두의 만족도를 높여 줄 것으로 기 대된다.
2. 능동형 기립-보조 보행기구의 설계
2.1 개념설계
Fig. 1은 본 연구 주제의 구조를 보인 것이다. 이는 능동형 기립-보행 보조기구로써 외부 동력을 이용하여 노약자, 장애인 그리고 환자의 재활 운 동치료를 보조한다. 실제 사람이 사용하므로 안정 성과 편의성을 설계에 중점적으로 반영한다. 기존 보행 보조기의 보행 보조 능력을 BLDC 인 휠 모 터(Brushless DC electric in-wheel motor)로 부 여하고 환자가 스스로 기립할 수 있도록 선형 구 동기(Linear actuator)를 이용해 기립 보조기능을 추가한다. 따라서, 본 기구는 환자 스스로 대부분 의 동작을 수행할 수 있으므로 기존의 여러 단점 을 크게 보완할 수 있다.
Fig. 1 Composition of the active standing-walking assistive device system
2.2 시스템 구성과 설계 방법
구조설계는 기구의 구동과 사용자의 자세에 따 른 전복 안정성을 확보하기 위하여 신체 분절법과 정역학을 이용한다. 신체 분절법이란 사용자를 총 8개의 부위로 분리하고, 각 분절의 무게중심을 이 용하여 사용자의 무게중심을 구하는 방법이다[12]. 사람의 무게중심을 토대로 각 부위에 가해지는 반 력을 구한다. 기립을 위해 설치된 발판(Footrest) 의 위치에 따라 사용자의 무게중심이 바뀌므로 회 전 점에 대한 모멘트 평형 방정식을 통해 전복 위험성을 평가한다. 발판은 기립 보조 이후 보행 보 조에 방해를 주므로 DC 모터를 이용해 접어서 사 용한다. BLDC 인 휠 모터, 선형 구동기, DC 모 터의 조작은 사용자 편의성을 고려하여 통합 그래 픽 유저 인터페이스(Graphic User Interface)를 통해 가능하도록 구성된다. 전체 시스템의 구성요 소는 Table 1을 통해 확인할 수 있다.
Table 1. Composition of the active standing-to-walking assistive device
기립 보조기능은 선형 구동기로 슬라이드–크랭 크 구조를 참고하여 구현한다. 이때, 기립 보조를 위한 링크의 끝점에서 반력은 실제 간병인이 사용 자의 기립을 보조하거나 손을 붙잡고 일어나는 경 우를 고려한다. 이는 기존의 사용자 경험을 기구 에 적용해 심리적 안정감과 기립을 위해 필요한 힘의 방향을 최대한 일치시켜 효율성을 높이기 위 해서다. 이를 위해 신체 분절법을 적용하여 탑승 자의 무게 중심점 이동 궤적을 파악한다.
기구의 전복 안정성 확보를 위하여 주요 부재 에 가해지는 최대 반력 계산, 움직이는 사람의 무 게중심을 고려한 모멘트 안정성 계산 등 이론적 유도를 수행하고 기구해석 소프트웨어를 이용하여 검증한다. 수치해석 프로그램과 유한요소해석(FEA, Finite Element Analysis) 프로그램을 이용하여 부재의 최대 응력을 확인하고 충분히 안전율이 확 보된 부재를 선정한다.
기능 및 순서는 다음과 같다. ①사용자는 앉은 자세에서 스스로 안전띠를 착용한다. ②기구의 터 치스크린을 통해 기립 보조기능을 시작한다. 이때 사용자는 기구의 발판을 밟고 있다. ③사용자가 원하는 위치 혹은 최고 위치에 도달하면 기립 보 조기능을 정지하고 다음 응답을 기다린다. ④사용 자는 발판에서 내려온 뒤 추후의 보행 보조에 방 해가 없도록 터치스크린 조작으로 발판을 상승시 킬 수 있다. ⑤발판 상승 이후 사용자는 다시 인 터페이스를 조작하여 보행 보조를 시작할 수 있 다. ⑥ 외부 조이스틱과 버튼을 통해 보행 보조 속도 단계 조절, 정지의 기능을 수행한다.
2.3 구조설계 수행
2.3.1 목표 대상
기계의 허용하중과 크기 등은 보행 보조를 필 요로 하는 환자는 다리의 힘이 부족하여 신체 무 게의 대부분을 기계에 의존하는 경우를 고려한다. 사이즈 코리아 8차 인체치수조사 결과 보고서를 참고하여 대한민국 50∼69세 사람의 평균 무게와 신장을 파악하였고[13], 목표 대상의 무게를 80 kgf, 신체를 170 cm로 설정하였다.
2.3.2 기립 보조기능 구동부 설계
2.3.2.1 신체 분절법을 이용한 시스템 모델링
사람의 기립 보조를 위해 필요한 힘은 선형 구 동기의 용량 선정에 중요한 요소이다. 이를 구하 기 위해 전체 시스템의 힘의 평형과 모멘트 평형 방정식을 사용하려면 사용자의 무게중심을 파악해 야 한다. 여기서는 부위별로 분리한 신체 분절법 을 이용하였다.
일반적으로 앉은 자세에서 일어서기 동작은 전신의 체중이동 능력과 허벅지와 종아리의 다양한 근육 그룹의 상호작용을 통해 수행된다[14]. 이들 을 모두 고려하여 사용자를 기립하기 위한 정확한 힘을 계산하기는 매우 복잡하다. 그러나 뇌졸중 환자의 앉고 일어서기 동작 연구에서 주요 근육 감소는 허벅지 근육인 넙다리 네갈래근과 뒤넙다 리근으로 나타났다[15]. 따라서 종아리 부분은 사 용자의 힘으로 버틸 수 있는 상태라고 가정하고 기립에 필요한 힘을 유도하였다.
Fig. 2는 신체 분절법에 따라 기립 동작이 필요 한 인체 모델을 ∼로 나누어서 평면 좌표계로 표시한 것이다. 왼쪽 아래의 원점 A를 기준으로 각각의 (x, y)는 무게중심 좌표이고 화살표 방향은 힘(반력)의 방향이다. ∼는 보행 보조기구의 링크 요소의 주요 지점들을 나타낸다. 아래는 사용자가 기립 보조 시에 발을 두는 발판이다. , 는 선형 구동기의 출력에 의한 반력이고, , 는 기립 링크 끝단에서 기구와 사용자를 연결하 는 끈의 장력에 의해 발생하는 반력이고 , 는 사용자와 기구의 무게에 의한 반력이다.
Fig. 3은 기립 자세를 고정했을 때로, 고관절을 상체와 일치된 방향으로 무릎 위부터 머리까지( ∼) 하나의 강체로 가정한 자유물체도이다. 의 크기는 사용자의 무게(종아리, 발의 무게 제외) 와 각도에 따라 변동이 일어난다. Fig. 3의 각 점 의 좌표와 하중에 의한 모멘트 평형 방정식을 세 워 반력 를 구하였다. 이를 통해 힘의 평형 방 정식으로 사용자의 무릎에 가해지는 반력을 구할 수 있다.
Fig. 2 F.B.D. of total system
Fig. 3 F.B.D. of ∼
Table 2. Reaction force with traction angle
Table 2는 견인 각도에 따른 와 의 값을 나타낸 것이다. 여기서, 각도를 90도로 하면, 반력 는 최댓값으로 인체의 몸무게에 해당하는 784 N이 된다.
2.3.2.2 기립 보조용 선형 구동기 선정
Fig. 4는 기립 보조기능을 수행하는 구동부의 자유물체도로 최대 하중이 발생하는 90도를 나타 낸다. 정역학 평형 방정식에 의해 힘 , 를 구한다. 이때, 선형 구동기의 위치에 따라 반력 의 크기가 변화하기 때문에 기립 링크의 목표 높이를 설정하여 그에 합당한 궤적을 구해야 한다. 앉은 자세에서 일어서기 위해 60 cm를 목표 로 설정한다. 와 은 선형 구동기의 길이()와 관계없이 고정된 값을 가지므로 이를 미지수 , 에 대한 평형 방정식 풀이에 이용한다. 평형 방 정식 풀이로 각도를 구하면 각 링크 및 선형 구동 기의 좌표를 나타낼 수 있다.
Fig. 4 F.B.D. of actuator link part (Max. force)
Fig. 5 Simulation of actuator unit
Fig. 5는 선형 구동기의 구동 길이(37.5∼57.5 cm) 범위에서 링크의 궤적과 그때의 반력을 구하 는 수치해석 과정을 보인다. 이때 선형 구동기의 최대 출력()은 크기는 2609 N이다. 이와 안전율 을 고려하여 4000 N의 선형 구동기를 선정하였다.
2.3.3 기립 보조 중 전복 안정성 평가 방법
인체 자세 변화 또는 돌발행동에 따라 무게중 심은 크게 변동된다. 이때 전복 사고를 유발할 수 있으므로, 이의 전복 안정성을 검증해야 한다. Fig. 2에서 반력 의 위치를 원점 A로 하였을 때, 회전점 B에서 모멘트의 합이 반시계 방향을 가지면 시스템은 전복 안정성을 확보하였다고 간주한다.
Fig. 6 Weight to balance moment with footrest position for overturning stability
Fig. 6은 위의 정의를 바탕으로 회전지점에서의 모멘트가 발판의 위치에 따라 평형상태를 만족하는 사용자의 몸무게를 그래프로 나타낸 것이다. 발판 의 위치가 63 cm에서 천이가 발생하는 것을 확인 할 수 있다. 영역 (a)는 음의 몸무게 영역이고 이 는 실제 존재하지 않으므로 항상 안정하다. 영역 (b) 우상귀는 전복 안정성을 만족하지 않는다. 본 연구에서 발판의 위치는 50 cm이므로 항상 안정 하며, 이는 시뮬레이션을 이용하여 검증되었다.
2.3.4 기구 부재의 선정
부재는 재질이 SM45C인 사각 강제로 선정하였 다. 기립 보조기능 수행 중 파손이 발생하지 않기 위해 상당 응력(Von-mises stress)이 강제의 최대 허용응력을 초과하지 않아야 안전하다고 판단할 수 있다. 유한요소해석 프로그램을 활용하여 해석 을 수행하고 최대허용응력을 초과하는 경우 부재 의 두께를 보강하고 반복 해석함으로써 적절한 안 전율을 가지는 부재의 두께를 결정한다.
Fig. 7은 그 해석의 예로 구속조건은 의 양단 끝을 고정하였고 입력 하중은 사용자의 체중인 80 kgf를 손잡이에 적용하였다.
Fig. 7 F.E. analysis of actuator unit
2.3.5 보행 보조기능 설계
보행 보조기능은 사용자가 자력으로 보행이 어 려운 경우 사용자의 명령에 따라 기구를 구동해 보행을 돕는 기능이다. 간결하고 작은 크기를 가 져서 기구에 적용이 용이한 일체형인 6.5인치 BLDC 인 휠 모터를 선정하였다. Fig. 8은 바퀴의 자유물체도를 나타낸 것으로 이를 이용하여 모터 의 토크를 결정할 수 있다.
이때 기구의 질량(M)은 20 kg이고, 사람의 질 량(m)은 80 kg으로 간주한다. 정지마찰계수()는 최대 0.3으로 가정하고 토크를 계산하면 11.76 N·m이다. 또한 바퀴의 주행속도는 성인 남자의 평균 속도의 50∼150 %를 고려하여 61.4∼184.2rpm으로 결정한다. 이를 기준으로 속도를 조절하 게 하여 사용자가 운동 강도를 설정할 수 있도록 하였다.
Fig. 8 F.B.D. of wheel
2.3.6 통합 제어 환경 구축
Fig. 9는 시스템의 전체적인 제어계통을 나타낸 것이다. 기립 보조기능(선형 구동기 제어), 보행 보조기능(BLDC 인 휠 모터 제어) 그리고 발판 위 치 제어(DC 모터 제어)는 마이크로컨트롤러를 이 용해 수행한다. 통합 제어 환경은 임베디드 컴퓨 터(Raspberry Pi 4)와 터치패널을 이용해 사용성 이 좋은 그래픽 유저 인터페이스(GUI)를 개발하여 이를 제어장치와 연계하여 개발한다. 모터의 분당 회전수는 마이크로컨트롤러로 펄스폭 제어(PWM) 를 통해 수행하였다. 이때 전류제어에 PID 제어 알고리즘을 적용하므로 좋은 성능을 유도하기 위 하여 제어기 튜닝작업을 수행하였다. 기립 보조를 담당하는 선형 구동기 조작, 보행을 위해 발판의 위치 제어를 담당하는 DC 모터 조작, 보행 보조를 담당하는 인 휠 모터 조작으로 나뉘어 사용자 의 안전을 위해 이전 조작이 완료된 후에 다음 단 계로 진행하도록 제어 알고리즘을 구성하였다.
Fig. 9 Block diagram of system control
Fig. 10 Graphic user interface
Fig. 10과 같이 임베디드 컴퓨터에 터치스크린 을 연결하여 마이크로컨트롤러와 연계할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 또한 사용자가 터치스크 린 조작을 통해 기구를 편리하게 사용할 수 있는 그래픽 유저 인터페이스를 제작하였다.
3. 시제품 성능평가 및 결과 고찰
Fig. 11은 위 설계를 거쳐 최종적으로 제작한 시제품이다. 사용자는 터치스크린을 통해 기구 조 작으로 가능하다. 기립 보조는 선형 구동기 제어 로 구현하였고 사용자가 원하는 위치 혹은 최고 위치에 도달하면 정지한다. 기립 보조 완료 후 조 작으로 DC모터로 제어되는 발판을 원래의 위치로 복귀시킨다. 그리고 보행 보조기능 시작 여부 또 한 GUI를 조작하여 선택할 수 있다. 보행 보조기 능은 BLDC 인 휠 모터가 수행한다. 보행 보조 중 에는 조작의 편의성을 고려하여 외부 속도 조절 조이스틱과 정지 버튼을 추가하였다. 마이크로컨 트롤러, 모터 제어기 등 기구의 제어 구성요소는 기구 전면의 제어함(Control Box)에 설치하였다.
Fig. 11 Prototype of active standing-walking assistive device
Fig. 12 Pictures of prototype test
Fig. 12는 시제품 평가를 위해 키 170 cm, 몸 무게 62 kgf의 성인 남성이 시제품에 탑승하여 각 기능을 수행하고 있는 모습으로 기능 수행 과 정을 나타낸다.
① 안전띠 착용
② 기립 시작 버튼 터치
③ 기립 보조 동작 수행
④ 발판 상승 버튼 터치
⑤ 발판 위치 제어
⑥ 보행 보조 시작 버튼 터치
⑦ 보행 보조 동작 수행
기립 기능 검증을 위해 체중 대부분을 기구에 의존하거나 기립 손잡이에 매달리는 등 최악의 상 황에서 실시하였고, 정상 동작을 확인하였다. 기립 동작 수행 중 발판의 여부에 따른 전복 위험성 검 증을 수행하였다. 발판이 없었을 때 사용자가 무게 중심을 기구 바깥으로 향할 수 있어 전복의 위험 성이 있다. 이를 설계 과정에서 미리 반영하여 기 립 중 사용자가 발판을 밟고 있으면 어떤 행동을 취해도 전복에 대해 안정적으로 수행할 수 있도록 유도하였다. 또한, 성능 검증 과정에서 안전띠의 길이를 최소화하여 무게중심이 기구의 안정 범위 내에 위치하도록 강제하였다. 보행 보조기능 유무 에 따른 30 m 복도 왕복하는 시험 주행을 실시하 였다. 시험에 참여한 사용자의 경험을 조사하였고 그 결과 보행 보조기능이 없을 때는 기구의 무게를 미는 데 힘이 들었으나, 보행 보조기능을 이용하면 자유롭게 밀고 다닐 수 있다는 답변을 받았다.
위와 같이 능동 보행 보조기구의 시제품에 대 한 실용성을 검증하였다. 이를 통해 기립 보조, 보행 보조 모두 안정적으로 수행함을 보였다. 이 는 스스로 기립하고 거동할 수 있으며 사용자의 의지에 따라 스스로 사용할 수 있어야 한다는 연 구 목적에 부합한다.
4. 결 론
본 연구에서는 장애인과 고령자의 기립 및 보 행을 도와주기 위하여 인체공학적인 접근으로 기 구를 설계하고 능동형 기립-보행 보조기구를 개발 하였다. 이의 상세설계를 진행하고 실제 제작 및 시험하여 기립 보조, 보행 보조 모두 우수한 성능 을 보였다. 이는 기존에 한 가지 기능에 집중한 하체 재활 보조기구보다 효율적인 재활치료를 도 우며, 기립-보행을 연동한 다양한 운동프로그램에 적용할 수 있다. 재활 효율 향상뿐만 아니라, 환 자를 기립할 때 필요한 노동력 절감으로 재활 치 료사의 노동 강도의 큰 감소가 기대된다.
또한, 향후 재활치료를 위한 반복운동 패턴 재 현 기능, IoT 기술과 연계한 원격 제어기능, 센서 를 이용한 신체 상태 측정 및 반응 등 다양한 기 술과 융합할 수 있는 하지 재활 치료의 플랫폼으 로써의 역할 수행이 기대된다.
사 사
본 연구는 2022년 한국기술교육대학교 LINC 3.0 사업의 지원으로 수행되었습니다.
이 논문은 2021년도 한국기술교육대학교 교수 교육연구진흥과제 지원에 의하여 연구되었음.
References
- Tiago S Jesus, Michel D Landry, "Global need: including rehabilitation in health system strengthening," THE LANCET, vol. 397, pp. 665-666, Feb., (2021).
- K. G. Choi, "Neurologic Diseases in the Elderly," Journal of the Korean Medical Association, vol. 48, pp. 140-146, Mar., (2005). https://doi.org/10.5124/jkma.2005.48.2.140
- Zafar Mirza, "Opening Gate for convergence of Disability and Aging : WHO Perspective," International Symposium on Rehabilitation Research, National Center, (2014).
- M. C. Chang, "Use of robots in rehabilitative treatment," J.of Korean Med Assoc, vol. 58, no. 2, pp. 141-146, Feb., (2015). https://doi.org/10.5124/jkma.2015.58.2.141
- G. S. Park, "Many elderly and women take care of their families, they have health problem due to 'fecal assistance and patient transfer'," Korea Broadcasting System, May (2023), https://news.kbs.co.kr/news/pc/view/view.do?ncd=7667366
- W. K. Song, "Prospect of Rehabilition Welfare Devices : Based om Assistive and Robotic Devices," J.of RWFAT, vol. 9, pp. 1-8, (2015).
- D. Zhao, J. Yang, M. O. Okoye and S. Wang, "Walking Assist Robot: A Novel Non-Contact Abnormal Gait Recognition Approach Based on Extended Set Membership Filter," in IEEE Access, vol. 7, pp. 76741-76753, (2019). https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2922258
- M. Bosnak and I. Skrjanc, "Embedded Control System for Smart Walking Assistance Device," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 25, no. 3, pp. 205-214, Mar. (2017). https://doi.org/10.1109/TNSRE.2016.2553369
- Ji-hoon Bae, "A Study on the Design of Non-motorized Lifting Chair considering Lifting Ang," Graduate School Kumoh National Institute of Technology Master's thesis, (2018).
- Jun-Young. Baek, et al., "A Study on the Development of Auto Training System with Training Assistance and Training Information Monitoring," Journal of the Korean Society of Industry Convergence, vol. 20, no. 4, pp. 333-338, (2017).
- Seung-Hwan Baek and Jun-Sik Lee, "Development of a 2-axis Delta Robot for Upper-limb Rehabilitation with Considering User Safety," Journal of the Korean Society of Industry Convergence, vol. 26, no. 1, pp. 15-26, (2023).
- Adolphe M. et al., "Center of Mass of Human's Body Segments," Mechanics and Mechanical Engineering, Lodz University of Technology, vol. 21, no. 3, pp. 486-497, (2017).
- "Korean Body Type Classification," Size Korea: Human Dimension Survey of Koreans, access Nov 28, https://sizekorea.kr/human-info/body-shape-class/std-body-size, (2023).
- I. S. Park and S. K. Ju, "A Comparison of Lower Limb Muscle Activity Affecting Sit-to-Stand Movement of Stroke Patients," PNF and Movement, vol. 16, no. 1, pp. 59-66, (2018).
- H. J. Park et al., "Study on asymmetrical EMG activation pattern of selected trunk and thigh muscles on gait velocity of individuals with post-stroke hemiparesis during sit-to-stand movement," Physical Therapy Korea, vol. 19, no.2, pp. 29-38, (2012). https://doi.org/10.12674/ptk.2012.19.2.029