박사학위 논문 (2011년 2월 숭실대학교 대학원 기계공학과 전 한 용, 지도교수 김 진 오)
재활 훈련 로봇 설계를 위한 인체 동역학 해석 및 실험
Analysis and Experiment of Human-Body Dynamics for Rehabilitation Robot Design
[국문초록]
본 논문은 재활 훈련 로봇 설계를 위한 인체 상지 및 하지의 동역학 해석과 실험을 다룬다.
상지 중 수관절의 해부학적 구조를 분석하여, 운동형상을 파악하고 운동을 발생시키는 주요 근육을 선정하였다. 수관절은 근육에 의해서 다양한 운동이 수행되기 때문에 수관절 근육의 동특성을 파악하기 위하여, 1자유도 진동 시스템으로 모델링하고 진동 응답을 이론적으로 해석하였다. 해석 결과 근육은 감쇠 값이 크기 때문에 진동을 거의 하지 않으며, 가진력 크기에 대하여 진동 응답 변위가 선형적으로 비례함을 확인하였다. 수관절에 대한 실험으로 주요 근육에서 표면 근전도(surface electromyogram) 신호를 측정하여 수관절 운동과의 연관성을 분석하였다. 측정된 근전도 신호의 제곱평균제곱근(root mean square)으로 크기를 계산하여, 근전도 신호 크기와 수관절 토크 및 수관절 근육 단면적간에 선형 비례관계가 있음을 밝혔다. 또한 수관절 운동에 관여하는 각 근육의 기여도를 분석한 결과, 운동을 발생시키는 가장 주도적인 두 개의 근육 중에서 한 근육의 기여도가 약 60%로서 일관성 있게 나타났다. 근전도 실험 결과를 바탕으로 가진력 함수를 유추하고, 기능적 전기 자극(functional electrical stimulation) 장치를 이용하여 근육에 전기 자극을 가하고 정상상태 응답인 수관절 각 변위를 측정하였다. 실험 결과 전기 자극의 입력 전류 크기에 대하여 각 변위가 선형적으로 비례하는 경향이 확인되었다. 이 결과로 전기 자극의 입력 전류 크기와 가진력 크기의 관계를 유추하였다.
손에 대해서도 해부학적 구조를 분석하여, 운동형상을 파악하고 주요 근육을 선정하였다. 손은 주로 도구를 사용하기 위하여 파지하는데, 원위지절골(distal phalanx)에 가장 큰 힘이 가해지므로, 원위 지절골에 대하여 정적인 상태인 파지력을 이론적으로 해석하였다. 손에 대한 실험으로 손가락의 굴곡근 중 천지굴근(flexor digitorum superficialis)에서 표면근전도 신호를 측정하고 제곱평균제곱근으로 크기를 계산하여, 원위 지절골에 가해지는 수직방향 힘 및 위치벡터 크기와 비교하였다. 그 결과 근전도 신호 크기와 수직방향 힘이 선형 비례관계가 있음을 밝혔다. 또한 위치벡터 크기가 증가할수록 근전도 신호 크기의 기울기도 증가함을 확인하였는데, 이론으로 해석한 파지력 결과와 경향이 잘 일치하였다.
인체 보행 운동은 하지의 각 관절이 유기적으로 움직이는 운동이므로, 하지의 관절인 고관절, 슬관절, 족관절의 골격 구조 및 운동형상을 분석하였다. 인체 보행 운동을 이론적으로 해석하여 신장, 보폭, 보행 속도의 변화에 따른 각 관절의 각 변위를 계산하는 식을 구하였다. 감속기가 포함된 모터에 의해 각 관절이 구동되는 보행보조 로봇으로 트레드밀에서 실험을 실시하였다. 계산된 각 변위를 보행보조 로봇의 구동기에 입력하여, 다양한 보폭 및 보행 속도에서 각 관절의 출력 각 변위를 측정하고 입력 각 변위와 비교하였다. 입력 각 변위와 출력 각 변위의 차이가 고관절에서는 5.22%, 슬관절에서는 2.97% 이내로 일치함을 확인하였다. 족관절은 유각기(swing phase)에서 인체 보행 패턴과 달라 각 변위 차이가 10도이나. 보행 운동에는 이상이 없음을 확인하였다.
[목 차]
1. 서 론
1.1 연구 배경
1.2 연구 목적 및 방법
2. 수관절의 동역학
2.1 근골격 구조 및 운동형상학
2.2 근육 동특성 해석
2.3 근전도 측정 실험
2.4 진동 응답 측정 실험
2.5 고찰
3. 손의 동역학
3.1 근골격 구조 및 운동형상학
3.2 파지력 해석
3.3 근전도 측정 실험
3.4 고찰
3.5 상지 재활 훈련 로봇의 알고리즘 제안
4. 하지의 동역학
4.1 인체 고정 좌표계
4.2 골격 구조 및 운동형상학
4.3 보행 운동학
4.4 고나절 각 변위 산출
4.5 보행 실험
4.6 고찰
5. 결 론