Design and validation of a 3-DOF wrist rehabilitation trainer with BP-PID impedance control

뇌졸중이나 팔에 심한 부상을 입은 사람은 손목이 뻣뻣해지고 반응이 없어지는 경우가 많습니다. 규칙적인 움직임이 없으면 관절 주변의 조직이 서로 달라붙을 수 있고, 뇌가 손을 제어하는 능력도 퇴화할 수 있습니다. 의사들은 이러한 뻣뻣함을 방서하고 신경이 회복되는 것을 돕기 위해 손목을 전체 가동 범위 내에서 움직이는 것이 필수적이라는 것을 알고 있습니다. 하지만 환자가 올바르게 움직이도록 유도하는 것은 어려운 일입니다. 인간의 손목은 문 경첩처럼 단일한 고정점을 중심으로 회전하는 것이 아니라, 손이 굽혀지거나 기울어지거나 비틀릴 때 중심점이 약간씩 이동하는 복잡한 3차원 경첩 구조를 가지고 있습니다. 만약 기계적 장치가 신체의 자연스러운 움직임과 일치하지 않는 고정된 점을 기준으로 손목을 강제로 움직이려 한다면, 통증을 유발하거나 근육에 무리를 주거나 심지어 관절을 손상시킬 수도 있습니다. 수년간 엔지니어들은 환자가 스스로 움직일 수 없을 때 적절한 도움을 제공하면서도, 정렬 불량 문제를 일으키지 않고 자연스럽게 손목을 움직여 줄 수 있는 로봇을 만들기 위해 고군분토해 왔습니다.

중국의 한 연구팀은 이 특정한 문제를 해결하기 위해 새로운 장치를 설계하고 테스트했습니다. 그들은 인체의 손목처럼 변화하는 중심점에 맞춰 스스로 물리적으로 조절되는 3차원 손목 트레이너를 제작했습니다. 손을 강제로 정해진 경로로 밀어 넣을 수 있는 기존의 기계들과 달리, 이 장치는 특별한 보상 구조를 사용합니다. 손목을 유연한 막대기가 약간 늘어나거나 줄어들 수 있는 형태라고 상상해 보십시오. 이 장치는 손이 움직임에 따라 그립이 회전 중심으로부터 더 가까워지거나 멀어질 수 있게 함으로써 이러한 동작을 모방합니다. 이러한 조정을 통해 기계의 회전축이 환자의 실제 관절과 일ally하게 유지되어, 두 중심점이 일치하지 않을 때 발생하는 고통스러운 마찰을 방지합니다. 이 장치는 손목을 위아래로 굽히는 동작, 옆으로 기울이는 동작, 그리고 손바닥이 위나 아래를 향하도록 전완을 비트는 동작 등 세 가지 뚜렷한 유형의 움직임을 안내할 수 있습니다.

장치가 안전하고 효과적으로 작동하는지 확인하기 위해, 연구진은 먼저 컴퓨터상에 기계의 가상 버전을 구축했습니다. 그들은 인간 팔의 무게와 기계 내부의 마찰력을 포함하여 다양한 조건 하에서 장치가 어떻게 움직이는지를 시뮬레이션했습니다. 이러한 컴퓨터 테스트를 통해 장치가 손목의 복잡한 결합된 움직임을 처리하는 동안 걸리거나 제어력을 잃지 않는다는 것을 밝혀냈습니다. 또한, 움직임의 방향과 마찰의 존재 여부에 따라 손목을 움직이는 데 필요한 힘이 달라진다는 사실도 발견했습니다. 이 정보는 기계의 '두뇌'인 제어 시스템을 설계하는 데 결정적인 역할을 했습니다.

연구진은 장치의 움직임을 관리하기 위해 정교한 제어 방법을 개발했습니다. 그들은 표준 제어 알고리즘과 신경망이라 불리는 인공지능의 한 종류를 결합했습니다. 이 시스템은 마치 자가 학습을 하는 운전자처럼 작동합니다. 고정된 규칙을 사용하는 대신, 컨트롤러는 기계가 가고자 하는 위치와 환자의 손목이 실제로 있는 위치 사이의 차이를 지속적으로 모니터링합니다. 그런 다음 오류를 수정하기 위해 실시간으로 자체 설정을 조정합니다. 이를 통해 기계는 인간 사지의 예측 불가능한 힘에 부드럽게 반응하며, 환자의 움직임을 완전히 대신하는 것이 아니라 딱 필요한 만큼의 도움만을 제공할 수 있습니다. 또한 연구진은 기계가 딱딱하고 경직된 것이 아니라 스프링처럼 부드럽고 순응적인 느낌을 주도록 '임피던스 제어(impedance control)' 전략을 프로그래밍했습니다. 이는 환자가 저항하거나 예상치 못한 움직임을 보일 때, 기계가 관절을 강제로 밀어붙이는 대신 부드럽게 양보하도록 보장합니다.

그 후 연구팀은 트레이너의 물리적 시제품을 제작하여 실제 환경에서 어떻게 작동하는지 확인하기 위해 세 명의 건강한 자원봉사자를 대상으로 테스트를 진행했습니다. 결과는 이 장치가 기존의 표준 기계들보다 더 넓은 범위의 움직임을 성공적으로 안내할 수 있음을 보여주었습니다. 구체적으로, 이 장치는 자원봉사자들이 기존 훈련의 한계보다 손목을 위아래로 31.5도 더 굽히고, 옆으로 28.5도 더 기울이며, 전완을 12.4도 더 비틀 수 있게 해주었습니다. 또한 기계는 원하는 움직임 경로를 높은 정밀도로 추적하여, 기존의 제어 방식에 비해 가해지는 힘의 오차를 거의 4분의 1에서 3분의 1 가까이 줄였습니다.

아마도 가장 중요한 점은, 연구진이 장치가 실제로 신체 활동을 돕고 있는지 확인하기 위해 자원봉사자들의 손목 근육 내 전기적 활동을 측정했다는 것입니다. 그들은 기계가 움직임을 보조할 때, 자원봉사자들이 스스로 움직이려 할 때나 움직임이 제한되었을 때보다 손목 근육이 훨씬 더 강력하게 활성화된다는 것을 발견했습니다. 근육의 전기 신호는 어떤 경우에는 최대 425%까지 증가했습니다. 이는 이 장치가 단순히 환자의 팔을 움직여 주는 것이 아니라, 근육과 신경을 적극적으로 자극하여 신체가 회복 과정에 참여하도록 독려한다는 것을 시사합니다. 기계의 움직임을 인체의 자연스러운 기하학적 구조에 맞추고 환자에게 적응하는 스마트 제어 시스템을 사용함으로써, 연구진은 기계적으로 견고할 뿐만 아니라 생물학적으로도 효과적인 손목 기능 회복 도구를 만들어냈습니다.