Development of a 2-axis Delta Robot for Upper-limb Rehabilitation with Considering User Safety

사용자 안전요소를 고려한 상지 재활치료용 2축 델타로봇 개발

Abstract

In this study, an end-effector robot which is a two-axis delta robot type for upper-limb rehabilitation is designed. It is not only rehabilitation functions that has designed robot but also mechanical and electrical safety devices were constructed to ensure patient safety. By constructing the two-axis delta robot is combined with an LM guide, the operating range and rigidity required for rehabilitation were secured. The electrical safety system which is required for the medical robot was designed, and a safety strategy was established to ensure patient safety and it is applied in the integrated safety circuit. The safety is considered in whole design process from the robot's mechanical design to the electric control unit.

1. 서 론

인구 노령화에 따라 상지 및 하지의 재활치료 시장이 점차 증가하고 있으며, 이에 따라 상지 재 활 치료용 의료기기는 단순 운동기구보다 더 많은 기능과 성능을 보여주는 로봇의 형태로 진화하고 있다. 이러한 상지 재활치료를 포함하는 의료용 로봇은 기능적 성능과 기술 향상에 대하여 매우 높은 수준의 기기들을 보여주고 있으며, 높은 신 뢰성의 제어 전략과 추가 장치로 매우 인상적인 연구 성과를 거두고 있다[1-3]. 이 중, 상지 재활 치료용 로봇에 대한 연구는 주로 새로운 개념의 메커니즘을 적용하거나 제어 알고리즘을 도입하고 평가하는데 주제를 맞추고 있으며, 새로운 기구의 고안에 관한 연구도 구조 해석의 관점에서 다양한 시도를 하고 있다[4].

로봇이 가지는 운동학적/기구학적 구조에 관한 연구는 주로 외골격형 로봇에 대한 연구로 다양하 게 시도하였는데, 단순한 구조로 넓은 범위의 동 작을 생성하는 방안을 기구설계 과정에서 고려하 여 제시하거나[5], 인간-로봇 상호 작용에 대하여 물리적인 문제점을 개선하기 위해 외골격 로봇에 운동 범위의 여유를 부여하는 설계를 제안하였다 [6]. 케이블로 동작하는 기구 관절을 설계하여 동 력 모듈의 기구적 공간상의 제약을 줄이고 더 많 은 자유도를 확보하기도 하며[7-12], 로봇 관절 움직임의 엄밀한 동작을 확보하기 위하여 로봇의 관절을 동력 모듈과 일체형으로 설계하는 방법을 제시하였다[13,14].

한편, 상지 재활치료용 로봇의 설계에 대한 여 러 논문에서는 새로 고안된 구조의 기구 장치나 성능 향상을 위한 주변장치에 대한 주제를 주로 다루고 있으며, 재활치료용 로봇의 안전성을 확보 하는 설계 방안에 대해서는 깊이있게 다루지 않고 있다. 환자와 직접 점촉하는 재활치료용 로봇에 안전의 개념을 도입하기 위해서는 기계적 안전장치와 전기적 안전장치, 그리고 모터의 구동력을 제한하 고 물리적인 정지 힘을 가할 수 있는 장치가 설계 단계부터 고려되어야 한다. Rahman M. H. 등[15] 은 기계적 정지 장치에 해당하는 로봇 관절 가동 제한장치를 기구에 구성하여 관절의 한계 범위를 설정하였고, Khan A. M. 등[16]은 로봇 팔에 기계 적 제한장치를 적용하고 예기치 않은 로봇의 동작 에 대비한 전원 차단 기능을 구성하였다.

그러나 이러한 안전 기능을 다루는 연구에서도 로봇의 파손을 회피하거나 최소화하기 위한 장치를 구성하였을 뿐, 인체의 상해를 방지하거나 경감시 키기 위하여 안전장치의 다중화나 유기적인 연결은 다루고 있지 않다. 환자와 직접 접촉하는 재활치료 용 로봇은 안전에 대한 신뢰성이 기기 자체가 가 지는 기능과 더불어 매우 중요한 요소이며, 안전장 치의 유기적 상호 작용과 다중화는 안전 기능을 향상하기 위한 좋은 방안이 될 수 있다.

본 연구에서는 2축 델타로봇 형태의 재활치료 용 로봇을 설계하였으며, 기구적 제약사항을 해결 하기 위하여 LM 가이드를 결합한 구조를 제시하 였다. 또한, 로봇의 설계 단계에서부터 기계적, 전 기적, 그리고 사용자 안전 요소를 고려하였으며, 각 안전이 필요한 상황에서 잘 동작할 수 있도록 구성하였다.

2. 상지 재활치료 2축 델타로봇의 설계

2.1 로봇의 설계 개요

작업 목적에 기반한 로봇의 설계에서는 로봇이 수행할 작업을 정의하고, 그 작업을 수행할 수 있 도록 로봇을 설계한다. 그리고 제작된 로봇을 구 동하여 목적된 작업이 합당하게 수행되는지 검증하는 것으로 설계가 완료된다. 구동될 로봇의 목 적을 충분히 달성할 수 있도록 링크의 길이와 동 력을 정의하는 등의 상세 설계를 진행하며, 설계 의 검토 및 성능시험을 통해 수정을 거쳐 로봇을 완성한다[17]. 이러한 일련의 과정은 TOD(Task- Oriented Design Approach)라고 할 수 있는데, 주로 로봇이 운용되는 상황이나 환경을 고려하여 기계적 구조의 설계 및 분석을 수행한다. 따라서 이 과정은 대상 작업의 목적에 부합하는 로봇 설 계에 매우 유용한 방법일 수 있다.

환자는 작업의 치료 효과를 보기 위하여 이러 한 작업 특성과 목적이 고려된 로봇에서 재활 치 료를 받아야 하는데, 이와 더불어 높은 무결성을 가진 안전한 로봇을 통해 안전성을 보장받아야 한 다. 이를 위해 본 논문에서는 Fig. 1과 같이 작업 의 목적과 환자의 안전이 고려된 재활 치료용 로 봇의 설계 과정을 제안한다.

로봇이 수행하여야 할 작업을 정의하고 분석하 고 나면, 먼저 그 작업을 수행하기에 적합한 로봇 의 기구적 구조를 정의하고 동작에 대한 특성을 해석한다. 로봇 기구적 구조가 정의되면 제어 전 략을 정의할 수 있는데, 이 제어 전략에는 안전 전략도 같이 포함된다. 환자와 밀접하게 접촉하여 구동되는 재활 치료용 로봇의 특성상, 환자의 상 태에 따라서 로봇의 동력 차단이 엄밀하게 이루어 져야 하므로, 환자의 상태를 관찰할 수 있는 장치 가 구성되어야 한다. 심박계나 심전도 센서를 사 용하여 생체신호 수집할 수 있으며, 이를 통해 환 자의 상태를 관찰할 수 있다.

Fig. 1 Design procedure for rehabilitation robot considered both task and safety

생체신호를 수집하는 생체신호 수집장치와 연동 할 수 있는 인터페이스 환경을 정의하여 안전 전 략으로 통합될 수 있도록 제어기를 설계한다. 또 한, 제어기에는 안전 시스템의 다중화와 상호 유 기적 통합이 구성되는데, 이를 통해 병렬안전을 구현할 수 있다. 로봇의 동작 범위에 대한 동력 제한과 과부하에 대한 동력 제한, 그리고 생체신 호에 의한 동력 제한을 모두 안전 시스템으로 통 합하여 제어기를 구성하였다.

최종적으로 기구의 설계와 해석, 그리고 제어기 설계가 완료되면 상세 설계의 단계에 들어가며, 이 과정에서는 모든 시스템이 통합되어 제작된다. 통합된 재활 치료용 로봇 시스템은 각 모듈의 개 별 시험과 통합 시험을 반복적으로 거치며, 이를 통해 기능적 성능과 안전 성능을 향상한다.

2.2 2축 델타 로봇의 기구설계

전체 로봇 시스템은 Fig. 2와 같이 환자의 재활 치료를 위한 로봇 본체와 말단장치, 재활 치료 프 로그램을 표시할 모니터, 그리고 제어기로 구성되 어 있다. 로봇은 2축의 움직임으로 구동되며, 로봇 의 말단장치는 모니터가 탑재된 테이블 위를 평면 으로 이동한다. 환자는 모니터에 나타난 화면의 지 시를 따르는 것으로 재활 치료 운동을 수행한다. 로봇 본체로부터 제어기까지 이르는 모든 물리적 시스템을 하나의 장치에 통합하여 구성하였다.

로봇은 2자유도 델타로봇의 형태로 구성하였다. 지면과 수평한 X-Y 평면상으로 가동되는 로봇이다. Fig. 2는 작업의 형태와 로봇의 구성, 기구 제 원이다. 테이블을 포함한 전체 로봇의 높이는 환 자의 신체 크기를 고려하여 최소 650mm에서 최 대 800mm까지 조절할 수 있다. 환자는 로봇이 장착된 테이블의 모니터를 보고 재활 치료 프로그 램을 수행하게 되는데, 로봇이 테이블에 밀착된 상 태로 구동되면 로봇 암이 모니터의 일부를 가리게 되는 경우가 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서 는 로봇 암을 테이블 상판으로부터 약 550mm 상 향된 높이로 구성하였다. 커버를 포함한 높이는 484mm이다. 로봇의 말단장치는 카본 파이프를 이용하여 아래로 길게 늘어뜨리고, 환자가 잡을 그리퍼는 모니터를 보호하기 위하여 장착된 아크 릴 커버와 약 20mm의 간격을 두고 위치한다. 로 봇 말단장치와 환자와의 기본 간격은 285mm 이 상으로 설정하였고, 로봇의 움직임에 따라 가변할 수 있다. 환자와의 최소 거리는 150mm 이상이 다. 기본 간격 및 최소 거리의 기준은 환자와 마 주한 테이블 끝 단으로 설정한다.

Fig. 2 System configuration of rehabilitation robot

로봇 암의 구조는 Fig. 3에 나타내었다. 2축 델 타로봇의 경우에 의도하지 않은 말단장치의 자유 회전을 방지하기 위하여 로봇 암과 평행한 4절 링크를 설계하여 적용하는 경우가 많은데, 4절 링 크 구조를 적용하면 로봇의 동작 범위가 제한되는 단점이 있다. 이를 해결하기 위하여 본 연구에서 는 Fig. 4와 같이 LM(Linear Motion) 가이드를 구성하여 로봇 말단장치의 회전을 방지하고 더불 어 로봇 암의 강성을 보완하는 구조를 설계하여 적용하였다.

또한, LM 가이드를 적용한 경우에 로봇의 동작 범위를 제한하는 기계적 스토퍼의 적용이 비교적 단순하게 설계될 수 있다. Fig. 4의 원으로 표시된 부위와 같이 LM 가이드의 레일을 고정하는 나 사부에 체결 나사를 대신하여 스토퍼를 적용함으 로써 기계적 한계 범위를 설정하였다. 본 연구에 서는 최대 동작 범위를 X축 방향으로 600mm, Y 축 방향으로 375mm로 설정하였다. 설계의 변경 이나 부품의 재가공 없이 스토퍼의 장착 위치를 변경하여 기계적 동작 한계 범위를 쉽게 변경할 수 있다.

Fig. 3 Designed 2 axis delta robot

Fig. 4 Configuration of the robot body

로봇 암의 강성은 환자의 운동 힘에 대하여 충 분하다고 판단하여 로봇 암의 강성해석은 수행하 지 않았다. 다만, 로봇의 동역학적 특성에 이득을 가지기 위하여 로봇 암에는 경량 재질인 알루미늄 으로 사용되었고, 강건한 구조와 조립 정밀도를 확보하기 위하여 관절이 연결되는 각각의 암 자체 를 하나의 가공품으로 제작하였다. 로봇을 지탱하 는 서포트와 LM 가이드 지지부는 알루미늄의 재 질로 제작하고, 충분한 강성이 확보될 만큼의 큰 부피의 구조와 보강재를 채택하였다. 테이블은 철 의 재질을 사용하고 전동식 높이 조절 장치를 구 성하였다.

2.3 로봇 기구학 설계

2축 델타로봇의 기구학은 D-H 파라미터를 정 의하지 않아도 간단히 기구학을 정의할 수 있다. 본 연구에서는 Xudong Yang 등[18]이 제안한 방 법을 참조하여 기하학적 해석 방법으로 기구학을 구성하였다.

2축 델타로봇의 기구학을 위한 로봇 기구 구조 도는 Fig. 5에 나타내었으며, 여기서 과 는 모터에 의해서 구동되는 관절 각도이다. 나머지 , , , 의 관절 각도는 과 에 의하여 기구적 폐구조로 결정된다. 그리고 ~는 관절 사이의 거리이다. 모터가 장착된 각 관절의 회전 각 과 에 의하여 말단장치의 좌표는 아래의 식 (1)과 같이 정의할 수 있다.

\(\left. \begin{array} { l } { P _ { x } = \frac { 1 } { 2 } L _ { 5 } + L _ { 4 } \operatorname { cos } \theta _ { 4 } - L _ { 3 } \operatorname { cos } \theta _ { 3 } - \frac { 1 } { 2 } L _ { 6 } } \\ { P _ { y } = - L _ { 4 } \operatorname { sin } \theta _ { 4 } - L _ { 3 } \operatorname { sin } \theta _ { 3 } } \end{array} \right. \)

Fig. 5 Delta(parallel) robot structure for kinematic analysis

여기서 와 는 말단장치의 X-Y 평면상에서의 좌표이며, 말단장치의 좌표는 두 개의 식 중에서 어느 것을 적용하여도 폐구조로 이루어진 델타로 봇의 특성으로 인해 관절의 상관관계는 동일하게 계산된다.

로봇을 구동하기 위한 구동 관절은 과 에 해당하므로 역기구학은 과 의 관절 각도에 대 한 방정식으로 정의된다. 이에 대한 과정과 결과 방정식은 참고문헌의 논문에 정리되어 있다[18].

2.4 로봇 동력부와 주변장치의 설계 및 제작

로봇을 구동하기 위한 동력은 AC 서보 모터를 사용하여 공급하였고, 감속기를 적용하였다. 본 연 구에서는 두 구동 관절에 400W의 용량의 모터를 선정하여 사용하였다. 사용된 모터는 LS 산전의 FBL04AMK2로, 모터의 최대 토크는 3.82N·m, 순 시 토크는 1.27N·m, 최대 회전속도는 3000rpm이 다. 상지 재활치료 로봇은 사람을 대상으로 구동 되는 로봇이므로 40N·m 이상의 높은 토크를 이 용한 로봇의 구동이 필요하지 않으며, 상지 재활 치료 뿐만 아니라 상지의 경직 정도를 측정하는 실험을 병행하기 위해서 빠른 속도로 구동되어야 하는 특성까지 고려하여 감속비를 선정하였다. 또 한, 상지의 움직임과 운동 특징을 잘 검출하고 그 에 알맞은 기민한 모터의 움직임을 생성해 낼 수 있어야 하므로 감속기의 관성에 의한 영향을 최소 화하였다. 따라서 일반적인 산업용이나 협업로봇 에 사용되는 100:1 이상의 고감속비를 적용하지 는 않았고, 본 연구에서는 모터의 용량을 상대적 으로 크게 설정하고 10:1의 감속비를 적용하였다.

한편, 로봇 모터의 고장에 대한 대책으로 모터 에 장착된 엔코더의 관절 회전각 참조뿐만 아니라 추가적으로 외부에 리졸버를 장착하여 각 관절의 회전 각도를 참조하였다. 이는 모터의 엔코더에 문제가 발생할 경우에 의도치 않은 모터의 움직임 으로 환자의 상해가 발생할 수 있음을 방지하기 위한 목적으로 구성된다. 엔코더의 회전각 변위와 리졸버의 회전각 변위가 상이한 거동을 보일 때에 는 제어기에서 동력을 차단한다. 모터에 장착된 엔코더의 고장으로 회전각 데이터에 문제가 발생 하면 먼저 서보 드라이브에서 자체 진단기능을 통 해 모터의 동력을 차단하지만, 상위제어기에서도 리졸버를 참조하여 회전각 변위의 문제를 재차 점 검하는 방법으로, 이는 병렬안전 전략의 일환이다. 사용된 엔코더는 19bit 절대 변위 엔코더이며, 리 졸버는 절대위치형 아날로그 전압 타입으로 1회전 에 0~10V의 전압을 출력한다.

3. 전기 제어부 설계

3.1 안전제어 전략

상지 재활치료용 로봇은 치료과정에서 환자와 치료사가 의도하지 않은 동작을 발생시킬 수 있으 며, 이러한 모터의 동작으로 인해 환자는 긴장감, 두려움, 불쾌감을 느낄 수 있으며, 심각한 상해로 이어질 수도 있다. 따라서 안전에 이상을 감지하 는 순간에 모터의 동력을 차단하는 안전장치가 필 요한데, 본 연구에서는 안전상황을 대비하여 여러 장치를 연동하였다.

환자가 안전하기 위한 이상 상황을 Table 1에 정의하였다. 생체신호 이상, 환자로부터 전달된 말단장치의 힘 초과, 로봇의 작동범위 초과, 그리고 각 회로부품의 과부하 등의 상황과 조건에서 즉시 모터의 동력을 차단하고 브레이크를 잠그도록 다 중 안전회로가 구성되었다.

Fig. 6 Upper-limb rehabilitation robot

Table 1. Safety anomaly summary

전기신호의 차단은 릴레이 회로를 이용하여 통 합하였으며, 이는 최종적으로 서보 모터로 인가되 는 전력을 차단하고 모터 브레이크의 잠금장치를 동작시켜 로봇의 움직임을 차단한다.

3.2 전원부 설계

재활 치료용 로봇이나 의료용 기기의 전원부는 환자가 로봇에 접촉하고 있으므로 환자를 감전시 킬 수 있는 잠재적 요소가 있다. 따라서 전원부는 반드시 전기안전을 고려하여 감전이 발생하지 않 도록 설계하여야 한다. 누설전류 및 잔류전류에 의한 감전을 예방하기 위하여 완벽한 접지 처리가 이루어져야 한다. 접지는 전원의 입력으로부터 로 봇의 말단장치에 이르는 전 범위에 대하여 연결되 어야 하며, 접지가 제대로 이루어지지 않으면 모 터 등에서 발생하는 누설전류나 이상 잔류전류로 인해서 환자가 전기적 상해를 입을 수 있다.

Fig. 7 Electrical circuit schematic

Fig. 8 Power control panel

Fig. 7은 설계된 전기 제어부의 회로도이며, Fig. 8에서는 제작된 로봇 전기 제어부를 나타낸 다. 케이스 전체에 접지부를 형성하고 로봇으로 연결되는 부분에 절연 처리를 설계하여 구성하였 다. 기기의 이상으로 발생하는 이상 전류를 차단 하기 위하여 차단기와 퓨즈 회로를 구성하여 이중 화하였다. 이것으로 각 기기에 발생하는 과부하 상황을 대비할 수 있다.

3.3 다중안전 회로 설계

안전제어 전략을 구현하기 위한 전기신호의 흐 름은 Fig. 9와 같이 구성되며, 환자와 치료사가 접촉되는 하드웨어 장치부(User Interface)와 전기 제어부 내부의 회로(Electric Circuit), 그리고 상 위제어기(Upper Controller)의 유기적인 흐름을 나타내었다.

Fig. 9 Configuration of safety circuit

모든 이상 상황은 하나의 릴레이 회로에 작용 하는데, 발생한 안전 이상 상황에서 릴레이 회로 는 즉각적으로 동력을 차단하고 모터에 장착된 브 레이크를 작동시킨다. 이 릴레이 회로는 생체신호 센서와 힘센서 정보, 비전 모니터링 시스템, Enable 스위치, 그리고 전기안전 장치로부터 다중 의 신호를 받아 구동된다.

4. 시스템 성능시험

4.1 로봇 성능시험

개발된 상지재활치료 로봇의 반복정밀도와 소음을 측정하였다. 본 논문에서는 로봇을 이용한 상지 재활 치료 로봇의 기능과 제어방법을 다루지 않고 로봇의 기본적인 성능에 대한 시험을 수행한다. Fig. 10은 로봇의 시험 장면이며, 완전 무향실에서 API사의 T3 레이저 트랙커를 활용하여 진행하였다.

Table 2. Repeatability test results

Fig. 10 Repeatability test

Fig. 11 Noise test

반복정밀도 시험은 1세트에 30회를 측정하고, 총 3세트 90회를 측정하였다. 임의의 3개 위치에 대하여 1세트를 진행하였고, X, Y, Z 3축의 반복 위치 오차를 정밀하게 측정하였다. 이에 대한 평 균을 Table 2에 나타내었다.

반복정밀도에 대한 개발 목표값은 ±0.1mm이 며, 시험 결과 개발 목표값을 충분히 달성하는 결 과를 보여준다.

소음 시험은 Fig. 11에서 보이는 바와 같이 완전 무향실에서 상지 재활치료 로봇의 1m 앞에 1 개의 마이크를 설치하여 30초 동안 측정한다. 측 정되는 시간 동안 로봇은 구동되고 있어야 하며, 30초 동안 측정된 평균값을 dB 단위로 표현하여 동작 소음을 평가한다. 소음 측정을 위한 시험은 총 5회를 반복하여 진행한다.

Table 3. Noise test results

작동 소음은 개발 목표인 40dB를 만족하였으 며, 최대 22.0dB로, 최소 21.1dB로 측정되었다.감 속비가 높지 않고 빠른 속도로 구동되지 않는 로 봇의 특징이 반영된 결과이다. 상지 재활치료 로 봇으로서의 목적에는 충분한 속도로 시험이 진행 되었다. 따라서 본 연구에서 개발된 로봇의 소음 수준은 양호한 것으로 판단한다.

4.2 전기안전시험

상지 재활치료 로봇의 전기적 안전을 확인하기 위하여 보호접지접속의 임피던스, 접지누설전류, 접촉전류, 환자누설전류, 그리고 내전압 시험의 항목에 대하여 전기안전 시험을 진행하였다. 식약처 의 의료기기 인증을 위한 기준치를 적용하여 시험 결과 적합성을 판단하였다.

Table 4. Impedance Measurement

Table 5. Leakage currents and patient auxiliary currents

보호접지접속의 임피던스 시험은 기기의 상단 외장 접지부, 기기 하단의 외장 접지부, 그리고 기 기 내부의 접지부에 대하여 60초 동안 25A의 전 류를 인가하여 시험하고, 측정된 전압강하를 고려 하여 임피던스를 계산한다. 보호접지접속과 관련한 최대 임피던스의 허용 값은 200mΩ인데, Table 4 와 같이 전기 제어부에서는 모든 부위에서 최대 허용 임피던스를 초과하지 않는 것으로 측정되어 접지접속이 잘 이루어져 있음을 확인할 수 있다.

접지누설전류와 접촉전류, 그리고 환자누설전류 의 전기안전 시험 결과는 Table 5에 나타내었다. 접지누설전류는 5,000uA, 접촉전류는 100uA로 허용 전류를 정의하고 있다. 특히 환자가 치료를 수행하도록 접촉되는 부분은 완벽히 절연되어 누 설전류가 발생하지 않도록 설계하여야 하며, 따라 서 이에 대한 허용 전류는 10uA로 매우 낮게 규정하고 있다.

Fig. 12 Insulation diagram

접지누설전류와 접촉전류를 최초로 시험하는 상 태에서 각각 최대 3,482uA와 3,471uA의 누설전 류가 측정되었는데, IEC 60601-1 규격에 적합한 절연 변압기를 전원 입력단에 적용하고 다시 측정 한 결과 최대 접지누설전류는 80uA로, 그리고 접 촉전류는 72uA로 대폭 줄었다. 모터 및 전기장치 의 접지 처리와 그리퍼 부분의 절연처리도 잘 되 어있어 환자접촉전류는 절연 변압기의 사용과 상 관없이 검출되지 않았다.

Fig. 12는 본 연구에서 제작된 전기 제어부의 절연 다이어그램을 나타낸다. 내전압 시험은 Fig. 12에서 B, C, J의 부분에 대하여, 그리고 절연 변 압기 단품에 대하여 시험하였다. 내전압 시험은 1 분 동안에 고전압을 인가하여 발생하는 절연파괴 현상을 확인한다. B, C, J 부분에서의 시험 전압 은 AC 1,500Vrms이고, 절연 변압기는 시험 전압 AC 3,000Vrms를 인가한다. 1분 동안의 시험을 진행한 결과, 절연파괴 현상은 발생하지 않았다.

5. 결 론

본 연구에서는 2축 델타 로봇 형태의 재활치료용 로봇을 설계하였다. 로봇의 재활 치료 기능을 구현할 수 있는 기구 구조를 고안하였으며, 환자의 안전을 확보하기 위한 기구 안전장치, 전기 안전장치, 안전제 어 전략 및 구현 방안에 대해서 제시하였다.

강건한 구조의 2자유도 로봇은 델타로봇의 특 징인 폐구조와 더불어 LM 가이드를 추가로 구성 하여 상지 재활 치료 프로그램을 수행하기에 적합 한 작동범위와 강성을 확보하였다. 모니터를 로봇 말단장치의 아래에 배치하여 환자는 모니터를 보 면서 게임 등의 치료 프로그램을 수행할 수 있도 록 구성하였다.

기계적 안전을 위하여 한계 범위를 쉽게 설정 할 수 있는 장치를 구성하였으며, 전기적 안전을 위해서 누설전류, 잔류전류, 접촉전류를 고려한 전 원부 및 접지 설계 방안을 제시하였다.

제작된 로봇은 반복정밀도와 소음의 측면에서 목표한 설계 수준을 만족하는 시험 결과를 나타내 었으며, 재활치료용 로봇의 성능으로 사용될 수 있는 결과를 나타내었다.

안전을 위한 안전제어 전략과 신뢰성 있는 유 기적인 동작 방안을 제시하였다. 이를 위해 전기 회로를 구성하여 통합 안전장치를 구성하였다. 모 든 안전장치는 각각의 안전 이상 상황에서 안정적 이고 기민하게 작동하였다.

본 연구에서 설계된 로봇은 기능의 구현과 더불 어 환자의 안전을 고려하였고 높은 신뢰성의 안전 기능을 가진 재활치료용 로봇의 설계 방법이라 할 수 있으며, 안전이 필요한 의료용 로봇 및 의료기 기의 설계에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

감사의 글

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으 로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. NRF-2020R1G1A1005721).