선린대학 물리치료과

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데이터 기반의 새로운 고품질 치료법 제공하는 외골격 재활 로봇

게시일 2015-05-04 11:55

미국 텍사스 대 오스틴캠퍼스(University of Texas at Austin)의 공학부 연구자들이 척추 및 신경 손상으로 고통을 받는 환자들에게 데이터 기반의 새로운 고품질 치료법을 제공할 수 있는 2팔을 가지는 외골격 재활 로봇을 개발하였다. 이러한 종류의 로봇을 개발한 것은 최초이다.

기계공학 연구자인 아쉬스 데쉬판데(Ashish Deshpande)와 재활 및 신경근육 로봇 연구실(Rehabilitation and Neuromuscular Robotics Lab) 소속의 대학원생 연구팀은 자연스러운 움직임과 조절 가능한 힘 및 압력으로 상반신 전체에 대한 치료를 수행하는 하모니(HARMONY)라고 명명된 외골격 로봇을 설계하였다. 그리하여 이 외골격 로봇을 착용한 환자는 무게를 느끼지 못할 것이다. 하모니 외골격 로봇의 소프트웨어는 물리치료사 및 의사들이 환자에 대한 데이터를 추적 및 분석하고, 정밀한 치료를 수행할 수 있게 도움을 제공할 것이다.

연구자들은 하모니 외골격 로봇이 부상을 당한 환자들의 힘과 운동 능력을 회복하는 데에 도움이 되도록 사용될 것이라고 믿고 있다. 그리고 하모니 외골격 로봇은 환자가 식사하기와 옷 입기와 같은 일상 활동을 위한 협응력(coordination: 근육•신경기관•운동기관 등의 움직임에 대한 상호조정 능력을 의미함. 즉, 머리•어깨•입•팔•손가락 등을 시각적 탐사와 연결하여 움직이는 신체적 조절능력)을 회복하도록 도울 수 있다.

“하모니 외골격 로봇은 재활 및 신경근육 로봇 연구실에서 수년 동안 수행한 연구 및 개발의 절정이다. 하모니 외골격 로봇은 최적의 효능을 위한 맞춤형 치료를 제공하도록 특별히 설계되었다. 이 외골격 로봇은 환자의 신체 크기에 맞추어 조절될 수 있을 뿐만 아니라 개별 환자의 치료 필요성에 기초하여 부드럽거나 딱딱하게 프로그래밍될 수 있다”고 기계공학과 조교수인 아쉬스 데쉬판데가 말했다.

하모니 외골격 로봇의 설계는 환자의 상반신 전체를 수용한다. 이것은 단지 하나의 팔에 집중하고 쌍방향 훈련용으로 제한되는 종래의 기술과 차별되는 점이다.

하모니 외골격 로봇은 상반신의 각 측면 상에 위치한 3지점에서 환자와 연결되며, 자연스러운 동작이 가지는 넓은 범위를 포함하기 위하여 14개의 축을 가진다. 텍사스 대 오스틴캠퍼스의 연구팀은 2011년에 최초로 하모니 외골격 로봇 시작품을 몇 대 만들어 시험하였다. 연구팀은 2013년에 하드웨어를 선택하고 로봇을 제작하기 위하여 메카 로보틱스(Meka Robotics)와 협력하였다.

하모니 외골격 로봇은 초당 2,000번의 속도로 데이터를 수집하는 센서 묶음을 갖추고 있다. 이렇게 수집된 데이터는 즉각적인 맞춤형 로봇 상호작용을 위하여 로봇의 프로그램으로 보내진다. 그리고 연구자들은 하모니 외골격 로봇의 어깨 메커니즘을 물리치료사와 의사들로부터 조언을 받아 설계하였다. 그리하여 자연스럽고 조화된 운동을 가능하게 하며, 특히 팔 운동과 장기간의 관절 안정성에 불가결한 조화된 회전 운동인 견갑골과 상환골 사이의 조화된 반복운동을 쉽게 수행할 수 있게 한다.

연구자들은 하모니 외골격 로봇이 환자가 학습하는 구체적인 교정 방식에 적합하도록 변형될 수 있으므로 환자의 회복 시간을 단축시킬 수 있다고 믿고 있다. 하모니 외골격 로봇은 높은 수준의 힘과 토크 제어를 가져서 부적절하게 로봇으로 안내되는 훈련이 이루어지는 동안에 부드럽게 환자의 동작 궤도를 수정할 수 있다.

추가적으로 하모니 외골격 로봇은 훈련의 난이도 수준을 점차적으로 증가시키도록 프로그래밍될 수 있다. 물리치료사들은 하모니 외골격 로봇이 훈련 중에 수집한 이러한 데이터를 이용하여 환자의 진전 과정을 기록하고, 개별 환자에 맞추어 처방 계획을 조정할 수 있다.

재활용 상체 외골격은 부상 후에 힘과 운동 능력의 회복에 도움을 주는 것으로 나타났다. 그러나 전문가들은 환자가 일상 활동에 필요한 협응력을 회복하는 것을 돕는 외골격의 능력에 대하여 논쟁을 하고 있다.

하모니 외골격 로봇이 가지는 어깨 메커니즘은 일상 활동에 필요한 운동과 매우 유사한 운동 범위를 지원한다. 그리고 하모니 외골격 로봇이 이러한 활동을 모사하는 스크린 환경 또는 게임 환경과 궁극적으로 결합된다면 성공적인 재활학습으로 이어질 수 있다.

연구자들은 이제 하모니 외골격 로봇이 완성되었으므로 계속하여 소프트웨어를 개발하고, 2015년 여름에 피험자를 대상으로 시험을 준비할 예정이다. 텍사스 대 오스틴캠퍼스에서 수행되는 이 시험을 위한 등록은 2015년 6월에 시작될 것이며, 20명에서 30명 정도의 건강한 피험자가 대상이 될 것이다.

연구자들은 이번 시험을 마친 후에 뇌졸중 및 척수 손상을 가진 환자를 대상으로 연구를 수행하여 하모니 외골격 로봇이 가지는 효능을 통상적인 재활 치료와 비교할 계획이다.]