[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

뇌졸중 등 신경질환자의 팔은 여러 관절에 걸쳐서 뻣뻣해지는 경직(spasticity)이 발생한다. 이런 경직은 움직임을 방해하고 통증을 유발해 일상생활을 불편하게 만든다. 경직으로 인해 관절이 뻣뻣한 정도(기계적인 저항)을 임상적으로 평가하는 방법들은 대부분 임상전문가의 손 감각이나 경험에 의존하는 경향이 있다. 따라서 진단 결과는 주관적이고 정성적이며, 때때로 평가자에 따라 결과가 달라지기도 한다.

많은 경우 임상전문가들은 손으로 환자 관절을 움직여보고, 손에 느껴지는 관절의 기계적인 저항력의 크기를 바탕으로 정성적으로 경직의 정도를 평가하고 진단한다. 변형된 애쉬워스 척도(MAS: Modified Ashworth Scale), 타디우 척도(Tardieu Scale) 등이 이 방식에 이용된다.

더불어 인간은 손이 두 개뿐이라 한 번에 한 관절/방향(자유도)의 기계적 저항만 평가할 수 있다. 기계적 저항은 관절 내에서 한 방향으로 나타나는 저항 외에도 다양하다. 다음으로 서로 다른 관절 사이, 또는 관절 안에서 다른 방향으로 일어나는 저항들이 결합된(coupled) 저항이 존재할 수 있는 것이다. 이런 저항은 신경질환의 영향으로 변할 수 있는데 평가자(사람)는 두 손만 이용해 저항을 측정하기 때문에 한계가 있다. 다른 관절 사이의 저항이 결합되거나, 관절 안에서 연결된 저항 변화는 평가할 수 없는 것이다. 따라서 높은 신뢰도와 정밀도를 가지는 ‘다관절‧다자유도 기계저항 측정 방법’이 필요했다.

다관절‧다자유도 기계저항 측정 방법으로 사람 대신 로봇을 이용하는 기술은 세계적인 연구기관인 MIT와 RIC(Rehabilitation Institute of Chicago) 등에서 제안돼 왔다. 그러나 로봇을 제어하는 부분이 까다로워 실제로 적용하기는 어려웠다. 로봇의 감속기 등에는 모델링하기 힘든 비선형성 마찰이 존재하는데 이 때문에 로봇의 힘을 제어하는 데 한계가 있었던 것이다.

따라서 로봇을 이용해 다관절‧다자유도 기계저항 측정을 하려면 지능적으로 제어돼야 한다. 비선형 마찰이 존재하더라도 로봇 스스로 제어해 고신뢰도-고정밀도로 다관절‧다자유도의 기계적 저항 측정하도록 하는 기술이 필요한 것이다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 dIMBIC(distal Internal Model Based Impedance Control)- based method를 개발했다. 이를 통해 ① 로봇이 손목과 아래팔(전완)에 작게 진동하는 힘을 가하고, ② 이와 동시에 손목과 아래팔 관절의 움직임과 힘을 측정하고, ③ 힘과 움직임의 측정치를 이용해 기계적인 저항을 정확하고 객관적이고 정량적이며 높은 신뢰도를 가지고 계산할 수 있는 방법을 개발했다.

이 로봇은 강상훈 UNIST 교수가 개발한 IMBIC(Internal Model Based Impedance Control)이라는 지능형 강인 임피던스 제어로 정밀하고 안전하게 조종된다. 이에 따라 로봇의 감속기 등의 비선형 마찰처럼 제어 성능을 떨어뜨릴 수 있는 요인이 있어도, 원하는 대로 강하고 안전하게 피험자의 손목과 아래팔에 힘을 가할 수 있다. 또한 이 로봇은 그동안 측정된 바 없는 비장애인의 손목과 아래팔 관절의 기계적인 저항값을 고정확도-고신뢰도로 측정해냈다.

이번 연구 결과는 세계 최초로 손목과 아래팔 다관절의 기계적인 저항을 정확하고 신뢰도 있게, 그리고 객관적이고 정량적으로 측정할 방법을 개발했다는 점에서 큰 의미가 있다. 또 비장애인의 손목과 아래팔의 기계적인 저항값을 보고한 것도 세계 최초다.

3. 기대효과

이번 연구로 보고된 비장애인의 손목과 아래팔의 기계적인 저항값은 환자의 기계적 저항과 비교할 수 있는 기준 값(baseline value)로 사용될 수 있다. 이와 더불어 인간이 손목과 아래팔을 어떻게 제어하는지에 대한 연구에도 기여할 수 있다. 손목과 아래팔의 수학적‧역학적 모델링에 이 값을 이용할 수 있기 때문이다.

이 방법은 특히 뇌졸중 등 신경질환자의 진단보조와 진단에 따른 환자맞춤형(patient-specific), 장해맞춤형(impairment-specific) 정밀재활치료에 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 이에 따라 더 많은 장애인이 자신이 원하는 직업으로 복귀할 수 있도록 돕는 선진국형 재활 패러다임에 기여할 수 있을 것이다. 이를 통해 환자 가족이나 보호자의 사회적‧경제적 부담(2004년 뇌병변 등으로 인한 요양 급여비용: 1조 5000억 원)을 줄이는 데에도 일조할 것으로 기대된다.

이 기술은 현재 선진국 주도의 재활로봇 연구 분야에서 빠른 추격자(fast-follower)가 아닌 시장선도자(first-mover)로서 연간 25% 이상 빠르게 성장하고 있는 재활로봇 시장의 세계 시장 선보가 가능케 할 기술로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 관절의 기계적 저항

손목 관절이 굽혀지고 펴지는 방향의 기계적인 저항은 환자의 아래팔과 손을 각각 임상전문가의 양손으로 잡고 움직이면서 측정한다. 환자의 손목에서 움직임에 반해 발생하는 힘을 임상전문가가 손 감각으로 느끼면서 평가하는 것이다. 같은 움직임에 대해 큰 힘이 발생하면 기계적 저항이 큰 것이다.

2. 관절의 기계적 임피던스

공학적인 용어로 관절의 움직임과 관절에서 발생하는 힘 사이의 함수(전달함수) 관계를 나타낸다. 예를 들어 용수철의 경우 용수철 상수(강성, stiffness)값이 용수철의 움직임과 그 움직임에 따라 용수철에서 발생하는 힘 사이의 관계를 나타내주는 기계적 임피던스 값이다. 관절의 경우 기계적 임피던스 값은 가해지는 힘 혹은 움직임의 주파수에 따라서 서로 다른 값을 보인다. 임상에서 측정하는 움직임에 반해 환자의 관절에서 발생하는 힘은 변위에 기계적 임피던스를 곱함으로서 알 수 있다. 그러므로 기계적 임피던스는 기계적 저항의 객관적인 평가 지표다.

3. 내부모델제어 기반 강인 임피던스 제어(Internal Model Based Impedance Control; IMBIC)

강상훈 교수가 내부모델제어(Internal Model Control)와 시간지연을 이용한 제어기법(Time Delay Control), 두 지능형 강인 제어기법의 장점을 모아서 만들어진 제어기다. 내부모델제어 기법은 화학공정 제어 방법으로 이론적 공정모델의 출력과 실제 공정 출력의 차이를 제어기에 되먹이는 방식이다. 시간지연을 이용한 제어 기법은 로봇의 복잡한 비선형 동역학 모델을 사용하는 대신 수백‧수천분의 1초 전에 로봇에서 측정한 데이터를 지능적으로 활용하여 복잡한 비선형 동역학을 정확하게 추정‧보상하는 방법이다. 별다른 수학적 모델 없이 로봇 관절 움직임과 토크 값, 그리고 미리 설정된 내부모델과 실제 로봇의 거동의 차이 값을 이용해 로봇에 존재하는 감속기 마찰 등 여러 가지 모델링되지 않은 동역학 및 외란 등에도 원하는 바대로 로봇을 제어할 수 있다.

4. 웰치스의 주기성도표(Welch’s periodogram)

P. D. Welch가 개발한, 각각의 주파수에서 신호의 파워를 추정해주는 방법이다. 즉 스펙트럼 밀도(spectral density)를 추정하는 한 방법이다.

[붙임] 그림 설명