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    • 웨어러블 손 재활 장치 연구 동향

         김동현(KAIST 기계기술연구소) / 2020-12-14 오전 11:59:04



    사람의 손은 다른 동물과 가장 구분되는 신체 부위로 다양한 도구를 만들고 사용할 수 있도록 하여 문명의 발전에 크게 영향을 끼쳤다. 현대에도 손은 일상생활의 다양한 작업을 수행하는 데 중요하며, 최근 컴퓨터, 스마트폰 등 전자기기들이 증가함에 따라 손이 수행하는 작업의 종류가 더욱 증가하고 있다.

    이런 손의 다재다능함(versatility)은 크게 두 가지의 요소가 충족되어야 이룰 수 있다. 첫 번째로는 손끝, 손바닥 및 측면 등 다양한 부분을 활용하여 물체를 파지할 수 있어야 하며, 사람의 경우 길고 대립 동작(Opposition)이 가능한 엄지의 큰 작업 공간(Workspace)이 이를 가능하게 한다. 두 번째로는 물체와의 접촉점에서 힘을 적절한 세기와 방향으로 제어할 수 있어야 하는데, 이는 손 안쪽에 있는 근육인 내재근과 팔뚝 쪽에 있는 근육인 외재근의 통합된 제어를 통해 이루어진다.





    사람의 손은 이렇듯 일상생활을 위하여 매우 중요하지만, 신경 및 근골격계 질환에 의해 상대적으로 크게 영향을 받는 신체 부위다. 신경 및 근골격계 질환은 기존의 근육 활성 패턴을 변형시키고, 강직과 경직 등이 생겨 손가락이 움직일 수 있는 작업 공간이 줄어들게 되어 손의 기능이 떨어지게 된다. 이는 일상의 작업을 수행하기 어렵게 하여 삶의 질을 떨어뜨린다. 특히 신경계 질환 중 하나인 뇌졸중의 경우 나이가 많을수록 발생률이 높으며 사회가 고령화됨에 따라 그 인구가 늘어나고 있어 손 마비를 겪는 환자 또한 증가하고 있다.

    뇌졸중은 뇌혈관이 막혀 산소가 공급되지 않거나 (뇌경색), 출혈이 나타나 (뇌출혈) 해당 부위의 뇌가 손상되어 나타나는 신경학적 증상으로, 운동을 관장하는 운동 피질(motor cortex)이 영향을 받게 되면 운동 기능을 잃게 된다. 그러나 반복적인 운동 훈련을 하게 되면 손상 부위 주변부가 자극을 받아 구조 기능적으로 변화하고 재조직화되는 신경 가소성(neuro plasticity)을 통해 일부 운동기능의 회복이 가능하며 이를 신경 재활(Neurorehabilitation)이라 한다. 최근 웨어러블 로봇 기술이 발전함에 따라 재활 분야에도 그 활용이 확장되고 있으며, 손 기능 재활을 도와주기 위하여 다양한 웨어러블 로봇들이 개발되었다. 본문에서는 손 재활을 위해 최근 개발된 대표적인 웨어러블 로봇의 특징을 소개하며 손 기능의 효과적인 재활을 위한 로봇의 적용 방안에 대해 논의한다.






    외골격 로봇은 딱딱한 링크들로 이루어진 골격으로 구성되고 구동기를 통해 링크의 움직임을 만들어 줌으로써 골격을 착용한 사용자의 움직임을 보조해 주는 형태의 장치이다. 구동기와 링크의 움직임이 서로 일대일 대응되기 때문에 목표하는 움직임을 비교적 정확하게 만들어 주는 장점이 있다. 손 움직임 보조를 위해서도 많은 외골격 로봇이 개발되었는데, 구조적 특징에 따라 대표적인 장치를 꼽아보았다.





    Hand of hope[1]는 홍콩대학교에서 개발하여 Rehab-Robotics 사(홍콩)에서 제품화한 외골격 손 재활 장치이다. 본 장치는 각 손가락에 배치된 링크구조를 손 등 쪽에 배치된 선형 구동기(linear actuator)를 통해 구동된다. 손가락의 여러 관절을 링크 구조로 정해진 비율에 따라 굽혔다 펴는 단일자유도의 움직임을 만들어 낸다. Hand of hope는 근전도(electromyogram, EMG)를 표면 근전도 센서를 통해서 측정하고, 환자가 근전도 신호가 임계점에 도달하게 되면 장치가 움직이게 되어있다.

    Tenoexo[2]는 스위스 공대에서 개발한 외골격 로봇으로 판 스프링을 손가락 등 쪽을 따라 배치하여 고정하고, 판 스프링을 밀고 당김으로써 손가락의 움직임을 만들어 낸다. Tenoexo는 각 손가락과 엄지를 굽혔다 펴는 단일 자유도를 보조할 수 있으며, 엄지의 경우 수동적으로 대립(opposition)의 정도를 조정하여 고정할 수 있다. Tenoexo는 링크를 사용하는 대신 판 스프링을 사용함으로써 손 주변부의 부피를 줄일 수 있었다.

    MAESTRO[3]는 미국 텍사스 오스틴 대학에서 개발한 외골격 로봇으로 손가락의 각 관절을 독립적으로 움직일 수 있도록 다자유도 보조가 가능하다. 본 장치는 일상생활에서 주로 사용하는 엄지, 검지, 중지의 움직임을 보조하며, 각 손가락은 3-자유도, 엄지는 4-자유도의 움직임을 보조한다. 링크로 이루어진 외골격 구조로 되어 있고, 각 링크의 관절부는 케이블을 통해 회전되어 손의 움직임을 만들어낸다. 케이블은 손 외부의 구동기를 통해 동력을 전달받는다.

    외골격 장치를 활용하면 의도한 동작을 비교적 정확하게 이룰 수 있으며, 손의 각 관절과 대응되는 링크를 추가하고 구동함으로써 다자유도의 움직임 또한 보조할 수 있다. 하지만, 보통 외부로 배치된 링크 구조나 구동기로 인해 부피가 커지고 무거워져 휴대하기 어렵기 때문에 일상생활에서 사용의 한계가 있다. 최근에는 이런 외골격 로봇의 단점을 극복하기 위해 유연한 구조로 이루어진 소프트 웨어러블 로봇 장치의 개발이 활발하다.





    최근 개발된 소프트 웨어러블 로봇은 크게 손 표면으로 배치된 케이블인 외건(exotendon)을 통해 구동되는 외건형 장치와 공기주머니(bladder)를 통해 움직임을 만드는 공압 구동형 장치로 구분할 수 있다.





    외건형 장치는 손 표면상에 배치된 외건을 외부로 배치된 구동기를 통해 작동하기 때문에 손에 착용 되는 메커니즘의 부피가 작고 무게가 가볍다. 외건은 고정되는 위치와 배치되는 경로에 따라서 다양한 움직임을 만들 수 있으며, 효과적으로 움직임을 만들기 위해서는 적절한 경로의 선정이 중요하다. 외건의 경로 및 재질에 따른 대표적인 외건형 장치는 Fig. 3과 같다.





    Bioservo Technologies사(스웨덴)의 SEM glove는 엄지, 중지, 네 번째 손가락의 바닥면을 따라 외건이 지나가며 각 손가락의 굽히는 방향의 움직임을 보조한다. SEM glove는 떨어진 파지력의 보조를 목적으로 하며, 손끝에 압력을 측정하는 FSR 센서가 부착되어 목표한 파지력을 이루어지도록 제어된다.

    미국 콜럼비아 대학교에서 개발한 외건형 장치[4]의 경우 외건을 각 손가락의 등쪽면으로 외건을 배치하여 모든 손가락을 동시에 펴는 움직임을 보조한다. 보통 뇌졸중으로 인해 손 마비를 겪는 환자의 경우 경직으로 손을 쉽게 펴지 못하기 때문에 이를 효과적으로 보조하기 위하여 설계되었다. 경직된 손가락을 펴는데 큰 토크가 필요하기 때문에 제한된 외건의 힘을 통해 큰 토크를 전달하기 위해 큰 모멘트암을 가지도록 설계되었다.

    서울대학교의 Exo-glove poly[5]의 경우 검지와 중지의 등 쪽과 바닥면에 각각 외건을 배치하여 굽힘과 신전을 모두 보조한다. 또한, 하나의 외건이 검지와 중지를 모두 지나가고 부족 구동(under actuation)을 통해 동시에 움직여 감싸는 물체의 모양에 맞춰 검지와 중지가 굽혀진다. Exo-glove poly는 손을 움직일 수 없는 환자의 일상생활을 보조하는 것을 목적으로 한다.

    앞서 언급한 외건형 장치들은 외건이 유연한 케이블로 이루어져 있다. 이탈리아의 Idrogenet사의 Gloreha의 경우 당기는 방향의 힘만 제공하는 유연한 케이블이 아닌 밀고 당길 수 있는 push-pull 케이블을 각 손가락 등쪽면에 배치하여 각 손가락의 굽힘과 신전 양방향의 움직임을 보조하며, 운동 재활 훈련을 목적으로 한다.





    공압 구동형 손 재활 장치의 경우 손 등쪽으로 배치된 공기주머니(bladder)의 팽창과 수축할 때의 변형을 통해 굽힘과 신전의 움직임을 만들어낸다. 원하는 움직임을 만들어주는 공기주머니의 변형을 위해 부분별 형상 및 강성 설계가 중요하다.





    미국 하버드대학의 soft robotic glove[6]의 경우 (Fig. 4(a)) 두 개의 공기주머니를 세 개의 직물 층으로 만들어진 두 개의 포켓에 각각 배치하고 공기주머니를 선택적으로 공압을 가하여 굽힘과 신전을 움직임을 만들어 낸다. 가장 위층의 직물은 아래층의 직물에 비해서 더 많이 늘어날 수 있도록 주름진 구조로 이루어져, 공압을 인가하였을 때 위층과 아래층의 변형양의 차이에 의해 한쪽으로 굽어지게 된다.

    싱가포르 국립대학의 경우[7] (Fig. 4(b)), 하나의 공기주머니의 위쪽 면에 골판지 패턴의 주름을 만든 천을, 아랫면에는 탄성이 있는 천을 배치하여 공기주머니가 팽창과 수축함에 따라 굽힘과 신전이 각각 일어나도록 하였다.

    소프트 웨어러블 로봇은 가볍고 유연한 소재를 사용함으로써 휴대성과 사용성을 개선하였다. 하지만 손이 높은 자유도를 갖고 있는데, 비해 손가락과 엄지의 단일자유도의 움직임만을 보조하기 때문에, 다양한 파지 동작을 훈련하거나 보조하기 어렵다. 또한, 환자의 신경근 장애에 따라 관절 강성이 다양한 형태로 변하기 때문에 단일자유도를 보조는 환자별로 다른 움직임으로 이어지며, 특히 손가락을 펴는 상황에서 특정 관절이 과도하게 펴지는 부자연스러운 움직임을 야기할 수 있다. 이런 한계점을 극복하기 위해 소프트 웨어러블 로봇의 가볍고 콤팩트(compact)한 설계의 장점을 유지하면서도 손가락과 엄지의 다자유도 움직임이 가능한 웨어러블 로봇이 개발되었다.






    카이스트에서는 유연한 케이블로 된 외건으로 구동이 되면서 손가락 2-자유도와 엄지 2-자유도의 움직임을 보조하는 유연한 손 재활 로봇 CADEX (cable-actuated dexterous) glove를 개발하였다[8, 9]. 외건은 테프론 튜브를 포함하는 실리콘 장갑 구조, 골무, 및 플라스틱 반지 구조에 의해 경로가 가이드 되며, 외부에 배치된 구동기를 통해 당겨진다.







    CADEX glove는 다자유도의 움직임을 구현하면서도 작은 부피를 유지하기 위해서 손가락 힘줄의 구조 및 위치를 외건으로 모사하였다. 손가락 힘줄 구조에는 두 가지 특징이 있는데, 하나는 손가락폄근 힘줄(Fig. 6(a) 푸른색)이 그물 형태의 구조를 갖고 있고 손끝과 중간마디뼈 두 지점에 고정되어 힘줄의 힘을 분산시킨다는 것이고, 다른 하나는 외재근(손가락폄근)과 함께 내재근(Fig. 6(a) 붉은색) 힘줄 이 존재하여 손 허리 손가락(metacarpophalangeal, MCP) 관절의 움직이는 정도를 조절한다는 것이다.





    손가락은 총 세 가지의 외건에 의해 움직임이 보조되며, 그 배치는 Fig. 6(b)와 같다. 손가락폄근(extensor digitorum communis, EDC) 외건은 손가락 힘줄 구조를 모사하여 그물 형태이며 손끝과 중간마디뼈에 고정된다. EDC 외건은 모든 손가락 관절을 펴는 역할을 한다. 내재근(lumbricalis/interossei, LUM/INT) 외건은 MCP 관절의 바닥쪽을 지나고 근위지절(proximal inter phalangeal, PIP) 관절 부근에서 EDC 외건과 연결된다. LUM/INT 외건은 PIP 관절을 펴고, MCP 관절을 굽히는 역할을 한다. 깊은손가락굽힘근(flexor digitorum profundus, FDP) 외건은 손가락 바닥쪽을 지나 모든 관절을 굽히는 역할을 한다. 세 가지의 외건을 조합하여 PIP와 MCP 관절을 독립적으로 움직이는 2-자유도의 움직임 보조가 가능하다.

    이와 같은 생체 모사 구조는 기존 하나의 지점에 고정되고 하나의 가닥으로 이루어진 외건 메커니즘과 다르게 환자의 관절 강성과 관계없이 손가락을 과도한 신전 없이 자연스럽게 펼 수 있게 한다[9](Fig. 7). EDC 외건과 LUM/INT 외건의 보조 비율을 조정함으로써 MCP 관절의 과신전 없이 건강인의 자발적 손가락 움직임에 가깝게 손가락을 펼 수 있으며 (Fig 7(c)), 그물 형태의 구조에 의해 EDC의 힘을 두 지점으로 분산함으로써 원위지절(distal inter phalangeal, DIP) 관절의 과신전을 방지할 수 있다. (Fig. 7(d)). 생체 모사 구조는 손가락 끝의 힘의 방향 또한 EDC, LUM/INT, FDP 외건의 보조 정도의 조절을 통해 제어 할 수 있어 더 안정적인 파지를 가능하게 한다[10].









    다양한 파지 동작을 만들기 위해서 엄지가 큰 작업 공간을 가질 수 있도록 하는 것이 중요하다. 큰 작업공간을 가능하게 하는 것은 손목 허리 관절(CMC 관절)이 안장 모양의 관절로 2-자유도의 움직임이 가능하기 때문이다. CADEX glove는 4개의 외건을 통해 엄지의 2-자유도 움직임을 구현했다 (Fig. 6(b)). 대립 동작(opposition, OP) 외건은 엄지 MCP 관절의 바깥쪽 측면에서 시작하여 손바닥 쪽의 손목 중앙을 지나가게 배치되어 CMC 관절의 굽힘과 벌림의 조합된 움직임인 대립 동작을 만든다. 복원 동작(reposition, RP) 외건은 엄지 MCP 관절의 안쪽 측면에서 시작하여 손등 쪽을 지나도록 배치가 되어 CMC 관절의 폄과 모음의 조합된 움직임인 복원 동작을 만든다. 그리고 엄지폄근(extensor pollicis longus, EPL) 외건과 엄지 굽힘 근(flexor pollicis longus, FPL) 외건은 각각 엄지의 등 쪽과 바닥 쪽을 지나가며, 엄지 모든 관절의 폄과 굽힘 동작을 만든다.

    엄지의 움직임을 최대한 방해하지 않기 위해서 엄지 두덩 부위와 손금에 의해 접히는 부분을 최대한 실리콘 구조로 덮지 않도록 설계하였고, 엄지를 덮는 실리콘 구조와 손에 착용 되는 주된 실리콘 구조를 분리시켰다.

    OP와 RP 외건은 다른 엄지 관절 움직임에는 영향이 적고 CMC 관절의 독립적인 움직임을 가능하게 하여 (Fig. 8), 엄지가 다양한 위치에서 굽힘과 신전이 가능하게 하여 다양한 파지 동작을 가능하게 한다.









    CADEX glove의 서로 다른 역할을 하는 7개의 외건을 다양한 패턴으로 보조함으로써 다양한 자세의 파지를 수행할 수 있었다. (Fig. 9). 특히, 엄지의 자유도가 증가함에 따라 엄지와 손가락 옆면을 활용하여 파지하는 lateral grasp, 손가락과 엄지 끝으로 파지하는 pinching, 손가락, 손바닥, 엄지를 활용하여 잡는 power grasp가 가능하였으며, 파지 동작 간의 전환을 통해서 물체의 손안 조작(in-hand manipulation)이 가능하였다.



     


     



     


    손의 재활을 돕기 위해 다양한 형태의 손재활 장치들이 활발히 개발되고 있으며, 최근 가볍고 부피가 작은 소프트 웨어러블 장치에 대한 연구가 증가하고 있다. 손의 힘줄 구조를 모사함으로써 부피가 작으면서도 다자유도의 손동작을 보조해줄 수 있는 소프트 웨어러블 손 재활 장치를 만들 수 있고, 이를 통해 다양한 자세의 파지 동작을 구현할 수 있다. 이를 통해 일상생활의 다양한 파지 동작에 대한 보조 및 재활 훈련이 가능하다. 또한, 외재근과 내재근을 모사한 외건을 통해 신경근 장애에 의해 개인별로 다양한 관절강성을 갖는 환자에 대해 과도한 신전 없는 자연스러운 동작을 만들어 낼 수 있다.

    웨어러블 손 재활 로봇을 활용하여 효과적인 신경재활이 가능하게 하기 위해서는 로봇의 활용 방식에 대한 연구가 추가적으로 필요하다. 효과적인 재활에 있어서 가장 중요한 것은 환자 스스로 움직임 및 힘을 제어하려고 능동적으로 노력하는 것이다. 그렇기 때문에 현재의 운동 능력을 최대한 활용하도록 하면서 올바른 방향으로 힘을 낼 수 있도록 유도해 주는 것이 중요하다. 최대한 환자를 훈련에 집중시키기 위해서는 뇌로부터의 움직임의 의도에 따라 근육을 활성화하고, 움직임 및 물체를 잡을 때의 감촉과 압력에 대한 감각 신호가 뇌로 돌아오는 폐회로(loop)를 형성하는 것이 중요하며, 환자의 운동능력에 맞는 난이도의 훈련을 위해 보조의 정도를 조절하는 것이 중요하다. 최근 이를 위해 뇌파, 근전도와 같은 생체 신호의 측정을 통해 사용자의 동작 의도를 파악하고 재활 로봇의 제어에 활용하는 연구가 이루어지고 있다. 큰 자유도를 갖는 손의 경우 신경근 장애로 인한 환자의 제한된 생체신호를 활용하여 세밀한 움직임을 보조하는 방법과 환자의 운동능력에 따라 다자유도를 보조하는 패턴 및 정도에 대한 후속 연구가 필요하다.



    [참고문헌]

    [1] N. Ho et al., "An EMG-driven exoskeleton hand robotic training device on chronic stroke subjects: task training system for stroke rehabilitation," in 2011 IEEE international conference on rehabilitation robotics, 2011, pp. 1-5: IEEE.

    [2] T. Bützer, O. Lambercy, J. Arata, and R. Gassert, "Fully wearable actuated soft exoskeleton for grasping assistance in everyday activities," Soft robotics, 2020.

    [3] Y. Yun et al., "Maestro: an EMG-driven assistive hand exoskeleton for spinal cord injury patients," in 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2017, pp. 2904-2910: IEEE.

    [4] S. Park et al., "Multimodal sensing and interaction for a robotic hand orthosis," IEEE Rbotics and Automation Letters, vol. 4, no. 2, pp. 315-322, 2018.

    [5] B. B. Kang, H. Choi, H. Lee, and K.-J. Cho, "Exo-Glove Poly II: A polymer-based soft wearable robot for the hand with a tendon-driven actuation system," Soft robotics, vol. 6, no. 2, pp. 214-227, 2019.

    [6] L. Cappello et al., "Assisting hand function after spinal cord injury with a fabric-based soft robotic glove," Journal of neuroengineering and rehabilitaion, vol. 15, no. 1, p. 59, 2018.

    [7] H. K. Yap, J. H. Lim, F. Nasrallah, J. C. Goh, and R. C. Yeow, "A soft exoskeleton for hand assistive and rehabilitation application using pneumatic actuators with variable stiffness," in 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2015, pp. 4967-4972: IEEE.

    [8] D. H. Kim and H.-S. Park, "Cable Actuated Dexterous (CADEX) Glove for Effective Rehabilitation of the Hand for Patients with Neurological diseases," in 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2018, pp. 2305-2310: IEEE.

    [9] D. H. Kim, S. W. Lee, and H. S. Park, "Development of a biomimetic extensor mechanism for restoring normal kinematics of finger movements post-stroke," IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 27, no. 10, pp. 2107-2117, 2019.

    [10]    B. C. Vermillion, A. W. Dromerick, and S. W. Lee, "Toward restoration of normal mechanics of functional hand tasks post-stroke: Subject-specific approach to reinforce impaired muscle function," IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 27, no. 8, pp. 1606-1616, 2019.





     

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