최근 의료, 재활, 실버 분야에서의 로봇 적용에 대한 전망이 밝다. 개인 소득이 높아지고, 평균 수명이 증가했다. 그러다보니 사람들은 ‘보다 오래’ 살고 싶었던 시절을 지나 ‘보다 건강하게 오래’ 살고 싶어졌다. 그래서 이 부분의 로봇 연구는 활발히 진행되고 있으며, 전도유망하다. 특히 이번에 소개할 재활로봇은 동결견, 속칭 오십견의 치유를 도와주는 로봇으로서 ‘누구나’ 걸릴 수 있는, 흔한 질병에 대한 로봇의 적용이라는 점에서 더욱 눈에 띈다. 흔하다는 것은, 곧 시장성이 높다는 말과 일맥상통하기 때문이다. 

의료기술의 발전과 더불어 인류의 평균 수명이 점진적으로 증가하고 있다. 주위를 둘러보면 쉽게 고령자가 많다는 것을 새삼 느낄 수 있다. 최근 통계청 자료에 의하면 대한민국의 현재 평균 수명이 약 80세이며, 한 세대 전인 1980년대의 평균 수명이 약 65세인 것을 감안할 때, 평균 수명이 빠르게 증가함을 알 수 있다. 앞으로 10년 후에는 대한민국의 노인 인구 비율이 약 10% 정도 증가하여 전체 인구의 약 20%를 차지할 것으로 전망되고 있다. 

이러한 고령화 사회에서 신체 노화에 따른 질병 역시 빠르게 증가하고 있다. 그 중 대표적으로 오십견은 노인 인구의 80%가 겪는 흔한 질병이고, 오십견을 치료하기 위해서는 치료사에 의한 지속적인 재활이 요구된다. 

문제는 환자의 수는 급증하고 있는 반면에 치료를 보조할 수 있는 인원은 한정되어 있다는 점이다. 

하지만 이를 로봇으로 대체할 경우 인력부족문제를 해결하고 최소한의 관리만으로 많은 환자들을 치료할 수 있을 것이다. 

따라서 본 연구에서는 실제 환자들이 재활하는 동작을 모션캡쳐기술을 통해 사실적으로 재현하고, 환자가 타인의 도움 없이도 오십견 재활이 가능하도록 돕는 오십견 재활보조로봇의 개발을 제안했다.

효과적인 오십견 재활보조를 위해 다섯 가지 설계 콘셉트를 제시했다. 

첫 번째는 모션 캡처 기술을 이용해 실제 어깨 재활 시 의료적으로 필요한 동작을 로봇이 그대로 재현할 수 있도록 한다. 두 번째로는 어깨의 볼 관절 움직임을 자유롭게 표현할 수 있으며 양팔 모두 재활이 가능하도록 한다. 세 번째로는 가상의 물리시스템을 설계함으로써 환자의 선택에 따라 운동 저항 정도가 변화해 근육 재활이 가능하도록 한다. 네 번째는 사용자가 직접 로봇을 설정하고, 스스로 로봇을 동작시킬 수 있도록 한다. 다섯 번째로 환자의 어깨 고정부에 열선을 설치함으로써 단순히 어깨를 운동시키는 것만이 아니라 열선을 통한 어깨 찜질을 함께 함으로써 보다 나은 운동효과를 기대할 수 있도록 한다. 이러한 다섯 가지 콘셉트로부터 로봇의 세부 개발 목표를 설정했다.

전체적인 로봇의 구조는 프로파일로 제작된 밑판과 기둥 그리고 어깨 관절 메커니즘으로 구성된다. 특히, 어깨 관절 메커니즘은 롤, 피치, 요의 3축이 한 점에서 만나는 구조로 이루어져 있어 사람의 볼 관절 움직임을 표현할 수 있으며, 구조적으로 양 팔 모두 사용할 수 있도록 설계했다. 또한 한국인의 평균 몸 치수 데이터를 이용해 각 링크의 길이 및 구동 반경을 결정했다.

로봇에 사용될 모터 및 감속기는 사람과 로봇 링크들의 무게 및 길이들을 고려한 힘 해석을 통해 선정했다. 모터는 무게와 크기에 비해 높은 파워를 가지고 있는 150W급 맥슨 DC 모터를 사용했으며, 감속기는 백래쉬가 없고, 높은 토크를 전달할 수 있는 하모닉 기어를 적용했다. 특히 하모닉 기어에 타이밍 풀리를 추가해 가속함으로써 역구동이 용이하도록 감속비를 조절했다.

기본적으로 입력축과 출력축은 듀얼 베어링을 사용해 축이 흔들리지 않도록 했다. 모터가 타이밍 풀리를 거쳐 입력축을 회전시키면, 입력축과 고정된 하모닉 기어의 웨이브제너레이터가 회전해 입력축과 출력축이 감속되어 상대회전운동을 하게 된다. 이때 각 축은 듀얼 베어링을 이용해 양단을 고정시켜 흔들림이 발생하지 않도록 하는 것이 매우 중요하다. 이러한 관절 구조를 세 개의 구동축에 동일하게 적용하여 관절 메커니즘 설계를 수행했다.

로봇의 제어기는 주제어기(DSP)와 모터제어기로 이루어져 있다. 주제어기와 모터제어기 간의 통신은 CAN(Controller Area Network)을 이용했고, 로봇의 상태를 볼 수 있는 LCD Panel만 SCI(Serial Communication Interface) 통신을 사용했다. 첫 번째 모터제어기는 로봇의 요 관절을 제어하는데 사용되고, 포토 인터럽트센서를 이용해 요 관절의 원점을 감지한다. 

두 번째 제어기는 로봇의 롤 관절과 피치 관절을 제어하고 두 개의 포토 인터럽트센서를 이용해 두 관절의 원점을 감지한다. 주제어기는 TI사의 TMS320F2812를 사용했고 제어주파수는 100Hz이다. CAN통신을 통해 실시간으로 모터를 제어하고, 로봇의 전반적인 작동 제어를 담당하고 있다. 

모터제어기는 로보큐브테크사의 CUBE DC2408-DID를 사용했다. 이는 200W급 모터를 2개 제어할 수 있으며, 주 제어기로부터 모터의 위치 명령을 받아 실시간 위치제어를 수행한다. 또한 모터에 흐르는 상전류치를 주제어기로 전송해 임피던스제어가 가능하도록 한다. 

이러한 기구부 및 전자부 설계로부터 오십견 재활 보조 로봇을 제작했다. 어깨를 고정하는 부분은 벨크로를 이용했고, 어깨가 고정되는 부분에 열선을 설치했다. 인간 팔의 움직임을 고려해 팔꿈치 부분에 스탑 경첩을 적용했으며, 사용자가 어깨를 고정한 뒤 로봇의 시작과 정지를 제어할 수 있도록 리모컨을 사용했다.

관절재활운동모드는 스스로 어깨를 움직이기 힘든 환자를 대상으로, 환자의 선택에 따라 로봇의 구동 속도와 각도범위수준, 운동종류가 조절되며 로봇이 자율적으로 환자의 어깨를 움직임으로써 어깨관절이 굳지 않게 도와준다. 관절재활운동모드에서 사용하는 운동은 정형외과를 통해서 오십견 재활 치료에 효과적인 동작들을 추천받아 선정했다. 이러한 동작들은 모션 캡처 장비로부터 100fps의 속도로 촬영되었으며, 3차원 공간에서의 부드럽고 자연스러운 운동 데이터들을 얻어냈다. 얻어진 운동 데이터는 풀리에 시리즈로 근사화되어 운동 범위 및 속도를 자유롭게 조절 할 수 있도록 했다.

재활운동모드는 주로 오십견을 극복한 환자들이나 부상을 당한 운동선수들이 어깨를 움직이는 회전근을 강화하기 위해 사용한다. 본 로봇에서는 전류 피드백을 통한 임피던스 제어를 이용해 가상의 스프링과 댐퍼를 설계하고, 환자가 운동을 하면 움직임을 저항하는 방식으로 근력을 강화할 수 있도록 도와주었다. 전류데이터는 실시간으로 모터제어기에서 수신하는데 감속기가 가지고 있는 마찰력과 회전관성 등의 요인으로 인하여 노이즈와 오프셋이 발생하게 된다. 이러한 전류 데이터의 노이즈를 줄이기 위해서 LPF(Low Pass Filter)를 사용했고, 오프셋이 발생하는 것을 방지하기 위해 HPF(High Pass Filter)를 사용함으로써 최종적으로 Band-Pass Filter를 구성했다. 사용자가 운동 강도를 조절할 수 있도록 레벨을 3가지로 나눴으며, 레벨이 높을수록 스프링계수가 높아져 로봇 관절의 저항이 커진다.

따라서, 사용자가 근육 재활 모드로부터 레벨을 점진적으로 증가시키면서 회전근을 효과적으로 강화시킬 수 있다.

개발된 오십견 재활보조로봇은 환자의 다양한 선택에 따라 양쪽어깨를 재활함으로써 개인에 따라 맞춤형 재활이 가능하다. 또한 오십견 뿐만 아니라 근력을 강화하기 위해서도 사용할 수 있어 다양한 증상의 환자들도 치료할 수 있다. 그리고 고가의 힘/모멘트 센서를 사용하지 않고 전류피드백을 이용해 임피던스제어를 수행함으로써 로봇제작비용을 약 350만 원정도로 낮출 수 있었다. 

본 로봇을 개발함으로써, 고령화 사회를 대비한 실버 로봇의 상용화 가능성을 엿볼 수 있었으며, 앞으로 다양한 실버 로봇들이 개발과 관련 시장 규모의 증대를 기대해본다.