Journal Archive

Journal of Korea Robotics Society - Vol. 10 , No. 3

[ ARTICLE ]
The Journal of Korea Robotics Society - Vol. 10, No. 3, pp.162-170
Abbreviation: J Korea Robot Soc
ISSN: 1975-6291 (Print) 2287-3961 (Online)
Print publication date Aug 2015
Received 3 Feb 2015 Revised 5 Mar 2015 Accepted 29 Apr 2015
DOI: https://doi.org/10.7746/jkros.2015.10.3.162

국립재활원 외골격 로봇(NREX)의 손 모듈 개발
송준용1 ; 송원경

Development of Robotic Hand Module of NRC Exoskeleton Robot (NREX)
Jun-Yong Song1 ; Won-Kyung Song
1Department of Rehabilitative & Assistive Technology, National Rehabilitation Center (swjli@korea.kr)
This project was supported by the Research Program of National Rehabilitation Research Institute, Korea National Rehabilitation Center [NRCTR-IN13004, NRCTR-IN14006, NRCTR-IN15005].
Corresponding Author : Department of Rehabilitative & Assistive Technology, National Rehabilitation Center, 58 Samgaksan-ro, Gangbuk-gu, Seoul, 142-884, Koreawksong@nrc.go.kr


© Korea Robotics Society All rights reserved
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

This paper describes the development of a hand module of NREX (National Rehabilitation Center Robotic Exoskeleton) designed to assist individuals with sustained neurological impairments such as stroke and spinal cord injuries. To construct a simple and lightweight hand module, the robotic hand adopts a mechanism driven by a motor and moved by two four-bar linkages. The motor facilitates the flexion-extension movements of the thumb and the other four fingers simultaneously. Thus, an individual using the robotic hand module can effectively grip and release objects related to daily life activities. The robotic hand module has been designed to cover the range of motion with respect to its link distance. This hand module can be used in therapeutic rehabilitation as well as for daily life assistance. In addition, this hand module can either be mounted on an NREX or used as a standalone module.


Keywords: Hand, Exoskeleton, Rehabilitation, Grip, Range of Motion, Activities of Daily Living, Assistive Technology

1. 서 론

일상생활보조와 재활치료에 있어 손은 매우 중요한 기능을 가진다. 머리 빗기, 물 마시기, 물건 옮기기와 같은 작업에 있어서 손의 기능이 제대로 되지 않는다면 일상생활 활동에 상당한 불편함이 따른다[1,2]. 손은 많은 관절과 근육이 상호작용하여 동작하고 상지의 말단자(End-effector)로 작용하므로 일상생활 동작을 하는 데 있어서 가장 중요한 부분이다[3]. 특히 선천적 장애나 후천적 사고로 인해 손의 운동기능과 감각 기능이 부족한 사람에게 손의 기능을 향상시키거나 유지시킬 수 있다면 일상생활 자립에도 유용하다[4].

로봇기술이나 보조기술(Assistive Technology)관점에서 손의 기능을 보조, 운동 또는 훈련시키거나 평가하는 시스템이 개발되거나 제품화되고 있다. 연구개발 수준의 로봇으로는 KAIST의 손 재활 로봇 기구[4], 서울대에서 개발중인 SNU Exo-Glove[5], University of California의 HOWARD[6] 등이 있다. KAIST의 손 재활 로봇 기구는 양손 겸용의 시스템이라 부피가 크고, 엄지의 CMC관절이 자유롭게 움직일 수 있도록 하기 위한 기구로 인하여 시스템이 복잡하고 무게도 무거워 일상생활에 사용하기에는 부적합하다. HWARD는 손의 근력 회복에는 도움이 되지만[6] 손을 고정되어 있는 기구에 고정시켜서 사용을 해야 한다.

상용화된 제품으로는 Tyromotion의 Amadeo[7,8], Kinetic muscles의 Hand Mentor[9], SaeboFlex[10] 등이 있다. Amadeo는 각각의 손가락을 운동시킬 수 있고 손 재활에는 유용하게 쓰이지만

데스크톱 형태의 고정된 시스템에 손을 고정시켜 사용을 해야 한다. Hand Mentor는 공압을 이용한 인공근육을 사용해서 공기압축기가 필요하고 엄지 손가락을 보조해주는 기능이 없다. SaeboFlex는 스프링을 이용하여 기본자세가 손목과 손가락을 신전시켜서 사용자가 물건을 잡을 때는 스스로의 힘으로 굽혀야 한다. 최근 Armeo Power라는 외골격 로봇에 굽히고 펴는 것을 감지할 수 있는 센서만을 장착한 모듈인 ManovoSpring이 함께 적용될 수 있도록 하고 있다[11].

재활훈련기기로서 상지 재활보조기기에 대한 많은 연구가 진행되고 있고 상용화된 로봇이 임상에 적용되고 있지만 손을 보조하는 재활보조로봇에 대한 연구는 아직 미비한 수준이다. 기존에 연구되거나 상용화된 손을 보조하는 치료용 재활보조기기는 대부분 개개의 손가락을 훈련시키기 위해 기구적으로 복잡하고 무게와 부피가 커서 로봇을 착용하고 활동하는데 무리가 있다. 반대로 편의성 및 기구를 단순화시켜 엄지를 제외한 네 개의 손가락에만 기구를 장착하여 훈련시키는 형태도 있지만 전반적으로 복잡한 시스템과 높은 가격으로 인해 널리 보급되지 못하고 있는 것이 현실이다[12].

위에서 언급한 여러 가지 문제점들을 해결하기 위하여 국립재활원에서는 장애 등으로 인해 손의 근력이 없거나 약한 사람을 위하여 손으로 하는 일상생활과 관련된 동작들이나 손 근육의 운동을 도와줄 수 있는 손 모듈 장치를 개발하였다. 이 손가락 재활모듈은 Fig. 1과 같이 국립재활원에서 기존에 개발한 상지외골격로봇(NREX)[13,14]에 손 기능을 추가하여 사용자의 상지 운동뿐만이 아니라 일상생활에까지 도움을 줄 수 있다. 기존의 NREX는 손기능이 없어서 상지의 근위부 훈련만 가능하였다. NREX에 손기능이 추가 되면 상지의 원위부 훈련도 함께 가능하게 된다.


Fig. 1. 

Developed NREX[12].



개발된 손가락 재활모듈은 뇌졸중으로 인한 편마비나 척수손상으로 인하여 마비가 있는 손에 로봇 기구를 착용하여 엄지와 나머지 네 손가락을 동시에 재활치료 관점에서 훈련시킬 수 있다. 또한, 일상생활에 있어 잡기 동작의 보조도 가능하다. 기존의 복잡하고 큰 손재활 보조기기들의 문제점들을 해결하기 위해 기구적으로 간단하게 하고 로봇 손 모듈의 크기를 최소화 하였다.

이를 위하여 2개의 4절 링크 구조의 구동 메커니즘을 이용하였고[4], 한 개의 모터로 엄지와 나머지 네 손가락을 동시에 굽히거나 펼 수 있도록 하여 잡는 동작을 구현하였다. 모터와 감속기, 제어기가 하나의 모듈로 된 보편적 구동모듈을 구동기로 선택하여 구성하는 부품의 수를 최소화 할 수 있었다. 기구 개선을 통해 현재 로봇 손 모듈의 전체 무게가 160g 이하로 사용자가 로봇을 착용하여 일정 시간 이상 사용을 하더라도 무리가 없도록 구현하였다.

2장에서는 손 모듈의 손가락 관절운동범위(Range of Motion) 분석 및 제작에 대한 내용을 기술한다. 3장에서는 시제품의 기구 개선 내용에 대해 기술한다. 마지막, 4장에서는 손 모듈에 대해 요약하고 향후 사용 방향에 대해 언급한다.


2. 손 모듈의 설계 및 제작

국립재활원에서 진행한 사용대상자에 대한 포커스그룹 미팅에서 장애 등으로 인해 손의 근력이 없거나 약한 장애인들 중에 물 건을 잡는 것만 확실히 할 수 있으면 일상생활을 하는데 많은 도움이 된다는 의견이 다수 있었다[15]. 일상생활을 하는데 있어서 간병인이나 가족 이 보조를 해주어야 하는 일을 혼자서도 할 수 있게 되고 심지어 혼자 외출도 가능하다는 것이다. 이런 생활이 가능하도록 하려면 그립 기능이 확실하게 되는 로봇이 필요하고 구조가 간단하여 사용하기 편해야 한다. 손 모듈은 일상생활보조뿐만 아니라 일상생활과 관련된 다양한 치료 재활에도 활용될 수 있다.

손에는 많은 뼈와 관절이 있고 복잡한 동작이 가능하지만 일부 잡기 동작은 전기 모터 1개 만으로도 가능할 수 있다. 모터나 센서를 많이 사용하면 더 정확하고 다양하고 자연스러운 동작을 구현할 수 있다. 하지만 기구적으로 복잡해지고 무게의 증가로 인해 사용자가 착용하고 사용하는데 무리가 있다.

따라서 본 연구에서는 손 모듈의 무게 및 구조를 최소화하고 복잡도를 감소시켜 실용성을 제고하기 위해 모터를 1개만 사용하였다. 모터 1개로 엄지와 나머지 네 개의 손가락을 동시에 움직일 수 있도록 하기 위하여 2개의 4절 링크를 동시에 구동하는 메커니즘을 적용하였다.

손 모듈의 1차 시제품을 설계하고 운동범위(ROM)분석을 통해 기구를 제작하였다. 모터 구동축에서 엄지와 나머지 손가락들을 연결하는 링크의 축 간 거리를 변화시키면서 모터 구동축 및 각 손가락의 관절 운동범위, 물건을 잡기 위해 손가락을 최대한 굽힐 때와 펼 때 손가락 끝간 거리의 변화를 분석하였다.

2.1. 1차 시제품 모델링

설계는 3D CAD 도구인 SolidWorks를 이용하여 기본적인 구조를 모델링 하였다. 해부학적으로 손으로 잡기작업 수행 시 엄지는 굴곡/신전(Flexion/Extension) 및 내전/외전(Abduction/Adduction)이 동시에 이루어진다. 1차 시제품에서는 간단한 구조와 제어를 위해 엄지의 MCP Joint부분을 기구적으로 손바닥 안쪽으로 약간 누른 상태에서 집기 동작(Grip)이 가능하도록 설계를 하였다.

사람 손의 해부학적 구조는 Fig. 2와 같다. 5개의 손가락은 총 19개의 뼈와 14개의 관절로 이루어져 있다. 손가락뼈와 손목뼈가 만나는 CMC Joint는 엄지는 2자유도, 나머지 네 손가락은 1자유도를 갖는다.


Fig. 2. 

Bones and Joints of a Human Hand[16].



Fig. 3은 1차 시제품 각 링크 등의 명칭 및 기구 크기를 나타내었다. Link 1~3은 손가락을 고정하는 기구와 연결되는 링크이고 Link M은 모터 구동축과 다른 링크를 연결하는 링크이다.


Fig. 3. 

1st Version of Robotic Exoskeleton Hand Modeling.



2~5번 손가락의 PIP관절은 45도로 고정되어 있고, 네 손가락이 동시에 움직일 수 있도록 구성되어 있다. 단 5번 손가락(소지)의 경우 상황에 따라 기구부를 착용하지 않고 사용할 수 있다. DIP관절은 5개 손가락 모두 0도로 고정하였다.

손 모듈을 동작시키는 구동기는 구현의 편의성을 위하여 제어모듈을 포함하고 있는 ROBOTIS사의 Dynamixel RX-28을 이용하였다. 기본적인 사양은 Table 1과 같다.

Table 1. 

Specification of Dynamixel RX-28.


Size (mm) 35.6 x 50.6 x 35.5
Weight (g) 72
Gear ratio 193:1
Stall Torque 3.7 Nm (at 18.5V, 1.9A)
No load Speed 85 rpm (at 18.5V)
Voltage (V) 12 ~ 18.5

손 재활에 있어서 손가락 관절에 필요한 토크 중에 물건을 잡는데 필요한 대략적 토크는 엄지의 경우 1.12Nm, 나머지 각 손가락 들은 0.58Nm[17]이다. 다섯 손가락을 모두 사용할 경우 3.44Nm의 토크가 필요한데 Dynamixel RX-28의 모터 사양이면 적절하다고 가정하였다.

Fig. 4는 2개의 4절 링크 구조를 그림으로 나타낸 것이다. 엄지 손가락의 CMC Joint와 나머지 네 손가락의 MCP Joint 위치는 고정되어 있다. 모터가 시계방향으로 회전을 하면 오른쪽 4절 링크 구조에 의해 엄지 손가락과 연결되는 Link 2가 아래 방향으로, 동시에 왼쪽의 4절 링크 구조에 의해 나머지 네 개의 손가락과 연결되는 Link 1이 위쪽 방향으로 움직이면서 손가락 끝이 서로 멀어진다. 반대로 모터가 반시계 방향으로 회전을 하면 Link 1은 아래쪽 방향으로, Link 2는 위쪽 방향으로 움직여 엄지 손가락과 나머지 네 개의 손가락 끝이 가까워져서 물건을 잡을 수 있다.


Fig. 4. 

4-Bar linkage Structures of a Robotic Exoskeleton Hand.



2.2. 손 모듈의 운동범위 분석

사람의 집기 동작은 Two-point pinch, Three-point pinch, Lateral pinch, Cylindrical Grasp, Full Grasp 등으로 구분할 수 있는데 기구적인 구조와 1자유도 구조에 적합한 Cylindrical Grasp을 적용하기로 하였다(Fig. 5).


Fig. 5. 

Cylindrical Grasp[18].



기구 제작에 앞서 손 모듈의 모터 회전축에서 엄지와 나머지 손가락들을 연결시키는 링크의 축 간 거리를 변화시키면서 모터와 손가락의 운동범위(Range of Motion)와 물 건을 잡기 위한 손가락 기구 끝간의 거리를 분석하였다.

운동범위 분석을 통해 손이 물건을 잡을 때(Grip)나 벌릴 때(Open)에 각 손가락이 움직이는 범위에 대해 알게 되면 다음 사항을 만족시킬 수 있다. 손가락을 구동할 때 손가락이 움직일 수 있는 운동범위를 벗어나 손가락에 무리가 되지는 않는 지를 알 수 있다. 구축으로 인해 손 근육이 굳은 사용자에게는 손가락 운동을 통한 근육 이완으로 운동범위 증가가 가능하다. 또한 일상생활에 사용되는 다양한 물건을 잡기에 적합한 기구의 링크 길이를 알 수 있다.

링크 길이의 변화에 따른 여러 가지 운동범위 분석에 필요한 로봇의 기구적인 길이와 각도의 명칭은 Fig. 6과 같다.


Fig. 6. 

Robotic Exoskeleton Hand.



각도 θM, θF1, θF2는 수평선을 기준으로 시계방향으로 회전하는 것을 +방향으로 정의한다. 엄지와 검지의 기구 끝부분 간의 거리인 DTI는 엄지를 고정하는 기구의 안쪽 끝부분(PT)에서 검지를 포함한 2~5번 손가락을 고정하는 기구의 안쪽 끝부분(PIF)까지의 측면도 상에서 직선 거리를 의미한다. 분석하고자 하는 값은 손가락을 최대한 벌렸을 때부터 오므릴 때까지 각도 θMF1, θF2의 운동범위와 거리 DTI의 운동범위로 총 4가지이다.

DTI의 경우 일상생활과 관련하여 필기도구를 집거나 종이 컵 등 다양한 물건을 잡기 위해서는 변화의 범위가 커야 하고 그 값이 최소 90mm 이상이어야 한다. 또한 DTI는 손가락을 포함하지 않은 기구의 안쪽 거리를 측정했기 때 문에 손가락의 두께를 생각하면 최소 20mm이상은 되어야 한다.

운동범위 분석에 있어서 변수는 모터 회전 축에서 Link 1과 Link M을 연결하는 축과의 길이인 LM1과, Link M과 M과 Link 2가 연결되는 축에서부터 Link 2가 엄지를 고정하는 기구와 만나는 축까지의 거리인 L2까지 총 2개이다. LM1의 길이는 16~40mm로 그 간격을 8mm씩 증가시켰고, L2의 길이는 61~85mm로 그 간격을 8mm씩 증가시키면서 분석을 했다. 이때 LM2, L1, L3의 길이는 각각 16, 40, 35mm이다.

Table 2는 손가락의 관절 별 평균 운동범위를 나타낸다. MCP Joint에서는 평균적으로 30도까지 신전이 가능하지만 현재 모델링 된 손 모듈의 경우 θF2가 20도 이상 커지면 DTI가 필요 이상으로 너무 커진다. 따라서 사용자의 안전을 위해 θF2는 중립(Neutral) 상태에서 16도 이상으로 신전이 되지 않도록 기구적으로 제한을 두었다.

Table 2. 

Average ROM of fingers[19].


Joint Motion Avg. ROM (deg)
Thumb (CMC & MCP) Flexion 15
Extension 20
Abduction 70
Adduction -*
Thumb (IP) Flexion 80
Extension -*
Finger (MCP) Flexion 90
Extension 30
Finger (PIP) Flexion 100
Extension -*
Finger (DCP) Flexion 85~90
Extension -*
Average range-of-motion values are either 0 or not usually calculated.

LM1과 L2가 동시에 변할 때 각각의 운동범위 변화를 살펴보면 Fig. 7과 같다. Fig. 7을 살펴보면 2개의 변수에 대해 변화하는 운동범위의 양상을 조금 더 쉽게 한눈에 파악할 수 있다. 4개의 그림을 보면 LM1이 감소하고 L2가 증가함에 따라 4개의 변수(θM, θF1, θF2, DTI)에 대한 운동범위 값이 대체적으로 증가함을 알 수 있다.


Fig. 7. 

ROM with respect to LM1 and L2. (a) ROM of Motor with respect to LM1 and L2 (b) ROM of Thumb with respect to LM1 and L2 (c) ROM of Fingers with respect to LM1 and L2 (d) ROM of Tip-to-Tip Distance with respect to LM1 and L2.



조금 더 구체적인 분석을 위해 두 가지 변수 중에 한가지 변수가 일정한 상태에서 4개 운동범위의 변화에 대해 살펴보았다. Fig. 8은 L2=85mm일 때 각각의 운동범위 변화 값을 나타낸 그래프이다. (b)~(e) 그래프는 각각의 운동범위 최대값과 최소값을 영역형 그래프로 표시하였다.


Fig. 8. 

ROM with respect to LM1 (L2=85mm). (a) ROM with respect to LM1 (b) ROM of Motor, θM (c) ROM of Thumb, θF1 (d) ROM of Fingers, θF2 (e) ROM of Tip-to-Tip Distance, DTI.



분석 결과 LM1이 커질수록 모터의 운동범위(회전각도), 엄지(Thumb)의 운동범위, 엄지와 검지간의 거리(Tip-to-Tip Distance) 변화는 계속 줄어드는 경향을 보이는데 엄지를 제외한 나머지 손가락의 운동범위(ROM of Fingers)는 거의 변화가 없었다. 엄지를 제외한 나머지 손가락의 운동범위는 Link 1이 수직으로 서있는 경우가 가장 컸다. LM1을 더 짧게 하면 기구적으로 조립이 힘들고 모터의 토크가 작아지기 때문에 물건을 잡을 때 힘이 부족할 수 있다. 일상생활에 필요한 다양한 물건을 잡는다거나 기구적인 모양과 크기 등을 고려해 보았을 때 LM1은 16mm와 24mm가 적당하다고 볼 수 있다.

Fig. 9는 LM1=16mm일 때 각각의 운동범위 변화 값을 나타낸 그래프이다. 분석 결과 L2가 커질수록 모든 값들이 커지는 경향을 보였다. 그 중에 엄지의 운동범위의 값이 가장 작은 변화를 보였다.


Fig. 9. 

ROM with respect to L2 (LM1=16mm).



Fig. 10과 같이 엄지와 검지간의 거리는 L2가 짧아지면 엄지의 끝부분이 검지 손가락의 끝부분이 아니라 DIP나 PIP부분과 맞닿아 물건을 제대로 잡을 수 없는 형태를 보인다. 반대로 L2가 길어지면 엄지와 검지 손가락의 끝부분이 제대로 맞닿게 되므로 물건을 잡는데 문제가 없게 된다. 즉, DTI의 최소값이 작아져야 한다. 따라서 L2는 77, 85mm가 적당하다고 볼 수 있다. 분석한 결과를 토대로 최종 결정된 두 링크의 길이는 Table 3과 같다.


Fig. 10. 

Apparatus Problem with Respect to L2 Length. (a) L2=61mm (b) L2=69mm (c) L2=77mm (d) L2=85mm.



Table 3. 

Selected Link Length. Both numbers should be used in the real implementation.


Length of Link Length (mm)
L M1 16 or 24
L2 77 or 85

LM1이 16mm와 24mm인 경우와 L2가 77mm와 85mm에 대해 4가지 경우 각각의 운동범위를 분석해 보았고 그 결과는 Fig. 11과 같다. 운동범위 분석 결과를 보면 Fig. 11의 4가지 경우에서 엄지의 운동범위와 엄지와 검지간의 거리는 LM1=16mm, L2=85mm일 때가 가장 컸다.


Fig. 11. 

ROM with Respect to LM1 and L2. (a) LM1=16mm, L2=77mm (b) LM1=24mm, L2=77mm (c) LM1=16mm, L2=85mm (d) LM1=24mm, L2=85mm.



2.3. 1차 시제품 제작

운동범위 분석 결과에 근거하여 1차 시제품을 제작하였다. 기구 재료는 알루미늄을 절곡하여 만들었고 벨크로 등을 포함한 전체 무게는 160g정도 된다.

집기 성능을 알아보기 위해 물컵과 핸드크림 집기 테스트를 해보았다. Fig. 12와 같이 테스트 결과 물건을 잡아서 옮기는 데는 문제가 없었으나 장시간 착용시 기구적인 문제로 인해 엄지손가락이 많이 눌려 착용감이 좋지 않았다.


Fig. 12. 

Grip Test.




3. 시제품 개선

이 장에서는 1차 시제품을 사용한 후 문제가 되었던 착용감을 향상시키기 위해 기구적인 부분을 개선한 내용과 로봇 제작의 용이성, 경량화를 위해 기구 재료를 변경한 내용에 대해 기술하였다.

3.1. 착용감 개선

1차 시제품을 손에 착용하고 사용해 본 결과 2장에서 언급했듯이 기구가 엄지의 MCP Joint를 계속 누르고 있어서 물건을 잡는 동작은 잘 되는데 쥐고 펴는 동작을 할 때의 착용감이 좋지 않았다. 착용감 증진을 위해 Link 2, Link 3을 휘어서 엄지의 움직임이 편한 상태에서 기구가 동작할 수 있도록 기구를 개선하였다(Fig. 13, Fig. 14).


Fig. 13. 

Bended Linkages.




Fig. 14. 

Bended Links of Hand Module.



휜 두 링크의 각도(θL2, θL3)를 동일한 방향으로 같게 하면 그 각도가 커질수록 엄지와 다른 손가락과의 거리가 멀어져서 물건을 잡을 수 없게 된다. 또한 정면도(Fig. 15)나 평면도(Fig. 16를 보았을 때 링크의 거리가 맞지 않아 조립을 할 수가 없게 되고 강제로 끼워 맞춰서 조립을 하더라도 구동을 하게 되면 흔들림이 심하거나 마찰이 생겨 제대로 된 동작을 구현하기가 힘들다.


Fig. 15. 

Front view of Robotic Hand Module.




Fig. 16. 

Top view of Robotic Hand Module.



다양한 크기의 물건을 잘 잡을 수 있도록 엄지 끝이 검지나 중지 끝과 잘 맞닿게 하기 위해서는 휜 두 링크의 휜 각도를 서로 다르게 하거나, 휜 방향도 기구 안쪽과 바깥쪽 중 적절히 잘 선택을 해야 한다. 링크의 휜 각도를 조금씩 조절해 가면서 최종적으로 Table 4와 같은 각도로 절곡하여 기구를 제작했고 착용감을 향상시킬 수 있었다.

Table 4. 

Bending Angle of Link.


Link Bending Angle (°)
θL2 15 (the exterior)
θL3 60 (the exterior)

3.2. 기구 재질 변경

제작의 용이성, 경량화를 위하여 3D 프린터를 이용하여 기구를 제작하고 기구의 재질을 변경하였다. 재질의 특성상 가공 및 제작에 한계가 있는 알루미늄으로는 제작하기 힘든 모양을 3D 프린터를 이용하면 쉽고 간단하면서도 저렴하게 제작을 할 수 있다. 비중이 알루미늄의 40% 이하인 ABS 재질로 부품을 제작하면 기존의 손 모듈에 비해 무게도 줄일 수 있다. 또한, 휘어진 기구를 보다 정확히 제작할 수 있어 구동시 마찰과 뒤틀림으로 인한 추가적인 휨을 예방할 수 있다. 이런 장점을 이용하여 ABS 재질로 손 모듈 부품을 제작하고 각 링크의 회전부분에 베어링을 사용하여 구동할 때 더 튼튼하고 부드럽게 동작되도록 기구를 개선하였다(Fig. 17). Fig. 18은 기존의 NREX에 손 모듈이 장착된 모습이다.


Fig. 17. 

Improved Robotic Exoskeleton Hand of NREX.




Fig. 18. 

NREX with the Robotic Hand Module.



다음은 손 모듈 기구의 재질 변경 전/후를 비교한 표이다. Table 5와 같이 기구의 무게는 재질 변경 전에 비해 변경 후에 30%이상 줄였고, 제작에 따른 가공 비용 또한 인건비를 감안하더라도 상당히 줄일 수 있었다. 제작 시간도 알루미늄으로 제작을 할 때는 가공업체에 맡겨 입고되기까지 3일 이상이 소요되는 반면에 ABS로 제작을 했을 때는 550분 정도 소요되었다. 제작한 기구 표면을 후처리 하는 정도에 따라서 시간이 달라질 수 있지만 1개의 제품 모듈을 3D프린터로 기구제작부터 조립까지 약 10시간이 소요되었다. 3D프린터를 이용한 기구 제작으로 사용자 손의 크기에 따른 개별 제작도 가능하기 때문에 맞춤형 개념의 기구제작을 통해 사용자의 착용감이나 사용성을 더욱 높일 수 있을 것이다.

Table 5. 

Comparison of robotic exoskeleton hands.


Item Beforematerial change Aftermaterial change
Material Aluminum Plastic (ABS)
Weight 51g 35.5g
Number of parts 8 7
Production cost ₩1,122,000 Under ₩30,000
Production time Over 3 days About 10 Hours


4. 결 론

본 고에서는 국립재활원에서 개발 중인 손 모듈의 링크의 축 간 거리를 변화시키면서 모터 및 각 손가락의 운동범위, 잡는 동작을 수행하는 동안 손가락을 최대한 벌렸을 때 손가락 끝간 거리의 변화를 분석한 결과를 토대로 손 모듈을 제작한 내용에 대해 기술하였다. 또한 착용감 증진 및 구동에 있어서 문제점을 해결하기 위하여 구조 및 재료를 바꾸는 기구 개선 내용에 대해 기술하였다. 이 손 모듈은 사용자의 손가락 운동에 사용될 뿐만 아니라 국립재활원에서 기존에 개발한 NREX에 장착하면 상지의 근위부 훈련뿐만 아니라 원위부 훈련도 함께 가능하다. 또한 시각적 피드백 장치[13]와 연동도 가능할 것이다. 간단한 손 모듈은 상지운동 뿐만 아니라 일상생활 보조에도 다양하게 사용될 수 있어서 사용자의 삶의 질 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.


References
1. Radomski, MV, Latham, CAT, “Occupational therapy for physical dysfunction”, (2008), 6th, Lippincott Williams & Wilkins, -1132.
2. Kim, K, Song, WK, Lee, J, Lee, HY, Park, DS, Ko, BW, Kim, J, “Kinematic analysis of upper extremity movement during drinking in hemiplegic subjects”, Clinical Biomechanics, 2014, March, 29(3), p248-256.
3. Dahlgren, A, Karlsson, AK, Lundgren-Nilsson, A, Fride, J, Claesson, L, "Activity performance and upper extremity function in cervical spinal cord injury patients according to the Klein-Bell ADL Scale", Spinal Cord, (2007), 45, p475-484.
4. Gwang, MinGu, Phyung, HunChang, , "Design of a Novel 1 DOF Hand Rehabilitation Robot for Activities of Daily Living (ADL) Training of Stroke Patients", Journal of Institute of Control. Robotics and Systems, (2010), 16(9), p833-839.
5. In, HyunKi, Cho, KyuJin, "Analysis of the Force on the Finger Joints by a Joint-less Wearable Robotic Hand SNU Exo-Glove", Converging Clinical Engineering Research on Neurorehabilitation Biosystems & Biorobotics, (2013), 1, p93-97.
6. Takahashi, CD, Der-Yeghiaian, L, Le, VH, Cramer, SC, "A Robotic Device for Hand Motor Therapy After Stroke", . Chicago. IL. USA, (2005), 9th International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR), Chicago, IL, USA, p17-20.
7. Sale, P, , "Recovery of hand function with robot-assisted therapy in acute stroke patients, a randomized-controlled trial." Int J Rehabil Res, (2014), 37(3), p236-42.
8. Park, JinHyuck, “Effect of Robot-assisted Hand Rehabilitation on Hand Fuction in Chronic Stroke Patients”, Journal of Korea Robotics Society, (2013), 8(4), p273-282.
9. http://www.kineticmuscles.com/hand-physical-therapy-hand-mentor.html.
10. http://www.saebo.com/products/saeboflex/.
11. http://www.hocoma.com/products/armeo/ manovospring/.
12. Yu, HongSeon, Kim, MinCheol, Song, JaeBok, "Tendon-driven Adaptive Robot Hand", Journal of Korea Robotics Society, (2014), 9(4), p258-263.
13. Song, WK, Kim, Y, Jung, JY, "Usability testing of 2D and 3D displays in an immersive upper extremity exercise testbed", Control, Automation and Systems (ICCAS), International Conference on, 2013, Oct, p1439-1443.
14. Song, WonKyung, Song, WonJin, Jung, JiYoung, "NREX: NRC Robotic Exoskeleton,", Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI), International Conference, (2013), p454-456.
15. Lee, Jeongsu, Kim, Jongbae, Song, WonKyung, "Users' Requirements of the Assistive System for the Disabled and Elderly", HCI, (2011), 2011(1), p334-336.
16. Heo, P, Gu, GM, Lee, SJ, Rhee, K, Kim, J, "Current Hand Exoskeleton Technologies for Rehabilitation and Assistive Engineering", International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, (2012), 13(5), p807-824.
17. Kawasaki, H, , “Development of a hand motion assist robot for rehabilitation therapy by patient self-motion control”, Proc. of the IEEE 10th Int. Conf. on Rehabilitation Robotics, (2007), p234-240.
18. http://vr.tu-freiberg.de/actioncapture/gallery.html.
19. http://www.omeri.com/wp/wp-content/uploads/orthopedi c-assessment-sample.pdf.