‘10년 QoLT 기술개발사업 신규과제 RFP(공고)

과제명 :  중증장애인용 QoLT기반 휠체어 결합형

하지 운동/재활훈련 시스템 개발

가. 개요

□ 개념 및 정의

그림 1. 중증장애인을 위한 휠체어 결합형 운동/재활훈련 시스템 개념도

o 본 시스템은 장시간 휠체어/침상생활을 하는 척수손상 장애인 및 뇌졸중 환자 등 중증장애인이 휠체어를 탄 상태에서 하지 운동/재활훈련을 할 수 있도록 하는 장치임.

o 휠체어 결합형 하지 운동/재활훈련 시스템은 휠체어의 고유기능이 가능하며 운동/재활훈련은 사용자가 원할 때 할 수 있도록 구성됨.

o 휠체어부는 전동휠체어와 같이 조이스틱 등의 명령입력을 받아 사용자의 이동을 지원해주는 역할을 하며, 필요 시 사용자를 일으켜 세울 수 있도록 하는 장치를 갖고 있음.

o 하지 외골격부의 각 관절(고관절, 슬관절 및 족관절)은 액추에이터에 의해 운동/재활훈련을 능동적으로 가능하게 해 줌. 외골격부의 운동자유도는 전체 12자유도로 구성되며 다자유도를 가진 관절의 일부 자유도는 인체 동작의 효율성을 고려하여 passive한 메커니즘으로 구성 가능함.

o 중증장애인의 장애정도에 따른 지능형 운동제어 알고리즘으로 사용자 맞춤형 운동/재활훈련 시스템을 구현하는 것을 주목적으로 함.

o 근경직 등 필요한 신체상태 모니터링 시스템을 갖추고 있으며, 가급적 EMG센서 등을 사용하지 않고 신뢰성 있는 sensorless 모니터링 시스템 구현하고 이를 이용하여 위험감지가 가능하도록 함.

나. 연구목표 및 내용

□  최종 목표 및 내용

o 최종 목표

: C5에서 L2까지 정도의 척수손상 장애인 및 뇌졸중 장애인 등 중증장애인용 신개념 휠체어 결합형 하지 운동/재활훈련 시스템 개발

o 확보기술 내용

목표	성능지표	설계범위
1.지능형 제어 알고리즘 개발	사용가능 장애인 범위	정상인대비 0~50%의 하지근력 장애인 사용가능
	운동부하 조절 가능 범위	설정 운동부하 0%에서 100%까지 전환가능
	전문가에 의한 운동/재활 훈련 효과가 구현되는 알고리즘	단순반복, 전문가 시나리오 구현 기능
2.신체 모니터링 시스템 개발	근경직 등 위험요소 파악 가능	0.1Nm 분해능 이내의 근력변화 감지
	Sensorless 방법에 의해 최소한의 센서 사용	신뢰성 있는 측정 또는 예측 방법 제시
3.중증 장애인용 외골격 시스템 개발	- 12 자유도로 구성 (다리 한 쪽이 고관절 3자유도, 슬관절 1자유도 족관절 2자유도로 구성) - 우측 설계범위 표의 최대 토크값은 모두 active한 경우이며 필요시 일부는 passive하게 할 수 있음	관절	동작	최대 토크	운동 범위
		고관절	Flexion/Extension	40Nm	-15~40deg
			Abduction/ Adduction	5Nm	-5~5deg
			Internal/External rotation	7Nm	-10~10deg
		슬관절	Flexion/Extension	25Nm	0~60deg
		족관절	Flexion/ Extension	2Nm	-15~10deg
			Inversion/ Eversion	1Nm	-5~5deg
4.휠체어 결합운용	사용자 체중	최대 80kg 가능
	가동시간	최소 1시간 자체 전원으로 구동 가능
	휠체어 크기	폭 750mm 이내, 길이 1150mm 이내

- 자체개발 기술

․ 장애정도에 따른 맞춤형 하지운동/재활훈련을 위한 지능형 제어 알고리즘 개발

‥사용자에 따른 운동부하를 효과적으로 조절 가능한 임피던스 제어 시스템

‥사용자의 장애정도에 따른 선택적 자유도 구속 및 운동범위의 선택이 가능하도록 H/W 및 S/W 방법에 의한 각 관절 자유도의 모듈화 구현

‥전문가에 의해 수행되는 효과적인 하지운동/재활 시나리오를 외골격 로봇의 S/W로써 구현해주는 지능형 고효율 제어 알고리즘 개발

․ 중증장애인용 신체모니터링 시스템 개발

‥최소한의 센서를 사용한 사용자의 근 경직 모니터링 및 위험 대처시스템 구현

‥적정 운동부하의 sensorless 모니터링 시스템 개발

․ 중증장애인용 12 자유도 하지 외골격 개발

‥중증장애인의 신체상태 분석을 바탕으로 하지 외골격 로봇 각 관절의 운동 메커니즘 최적설계 및 제작

‥다리 한 쪽이 고관절 3자유도, 슬관절 1자유도, 족관절 2자유도로 구성되며 인체의 운동 특성을 고려하여 각 관절의 active 및 passive 메커니즘의 조화를 효율적으로 설계

‥편안함과 경량화를 추구하는 설계

․ 전동휠체어와 연계된 하지운동 시스템 구현

‥중증장애인의 독립적인 사용이 가능한 사용자 인터페이스 구현

‥전동휠체어와 하지 외골격부의 통합된 제어기 및 운용시스템 구현

- 기존기술 활용

․ 전동 휠체어 관련 기술

‥휠체어 구동부를 포함한 전체 시스템 설계

‥휠체어 제어부, 사용자와 인터페이스, 배터리

‥중증장애인을 위한 휠체어 조작 인터페이스

․ 하지 입는 로봇 설계 기술

‥노약자 및 장애인용 입는 로봇 관련 설계 기술

‥입는 로봇 관련 경량화 및 기구적인 효율적 설계 기술

‥입는 로봇 관련 구동메커니즘 설계 기술

․ 하지 입는 로봇 제어 기술

‥전기모터 관련 제어 기술

‥모터 및 감속기 선정 관련 기술

․ 로봇용 일반 기술:

‥메커니즘의 기구학적 분석 기술

‥로봇의 동역학적 분석 기술

‥경량화 설계 기술 및 진동 분석 기술

‥일반 직렬(serial) 메카니즘의 제어 기술

□ 연도별 목표 및 내용

<추진 마일스톤>

구 분	2010년	2011년	2012년	2013년
연도별 연구 목표	중증장애인 특성 파악 및 기반 설계	12자유도 하지 운동 시스템 및 제어 알고리즘 개발	하지운동부와 휠체어의 효율적 운용 및 신체 모니터링 시스템 개발	지능형 운동/재활훈련 시스템 완성 및 사용자 검증
연도별 연구 내용	o 중증장애인의 증상에 따른 신체특성 파악 및 요구 사항 분석 - C5부터 L2까지 척수손상 장애인의 신체상황 및 위험요소 파악 - 뇌졸중 장애인의 신체특징, 위험요소, 요구사항 조사/분석 - 사용자 장애 특성에 따른 하지 운동 메커니즘 설계 o 슬관절 운동시스템 개발 - 슬관절용 1자유도 운동 메커니즘 설계 및 제작 - 효율적 active 및 passive 메커니즘 조화 구현 - 장애정도에 따라 적정 부하를 조절하는 지능형 하이브리드 임피던스 제어기 구현	o 슬관절, 고관절 및 족관절 12자유도 운동시스템개발 - 3자유도 고관절 중증 장애인용 메커니즘 제작 - 2자유도 족관절 운동 메커니즘의 효율적 구현 - 고관절 및 슬관절 시스템 통합 o 장애정도에 따른 효율적 운동 제어 알고리즘 및 설계 최적화 - H/W 및 S/W에 의한 효율적 임피던스 구현 제어시스템 개발 - 장애정도에 따른 효과적 시스템 제어 알고리즘 개발 - 12자유도의 효과적 운용을 위한 최적 시스템 설계 검증	o 족관절을 포함한 12자유도 시스템 완성 - passive 및 active 시스템의 최적 조화 구현 - 휠체어와 연계된 제어기 및 운용 시스템 구현 - 장애상황에 따른 모듈식 자유도 구속 및 선택적 자유도 구현 o 중증장애인용 신체 모니터링 시스템 개발 - 최소한의 센서를 사용한 근 경직 모니터링 및 위험 대처 시스템 구현 - 신체상태 및 적정부하의 sensorless 모니터링 시스템 개발	o 지능형 운동/재활 훈련 제어 알고리즘 개발 - S/W에 의한 지능형 고효율 제어 알고리즘 구현 - 하지 운동부와 휠체어결합시스템의 안전성 및 편의성 보완 - 상용화를 위한 시스템 개선 및 보완 o 중증장애인 사용을 통한 개선 및 재활 훈련 시스템 완성 - 휴먼웨어 대상자의 사용을 통한 완성도 제고 - 다양한 운동 및 재활훈련으로 중증 장애인 삶의 질 제고
연도별 주요 결과물	o 1자유도 슬관절 운동 시스템	o 휠체어 결합형 12자유도 족관절, 슬관절 및 고관절 하지 운동시스템	o sensorless 신체 모니터링 시스템 o 선택적 자유도구현 하지운동 시스템	o 지능형 고효율 제어알고리즘 구현된 휠체어 결합형 운동/재활 시스템 o 실 사용자 대상 시험/평가 보고서
TRL	3단계	4단계	5단계	6단계

다. 추진체계 : 본 과제는 일반형으로 기획되었음

□ 주관기관 : 제한없음

□ 참여기관 : 제한없음

※ 산업체 참여 필수

라. 연구기간 및 연구비

□ 연구기간 : 2010년 ~ 2013년 (4년간)

□ 정부출연한도 : 2010년도 5.0억원 이내 (4년간 21.0억원 이내)

□ 연구비

(단위: 억원)

구분	2010년	2011년	2012년	2013년	총액
정부	5.0	5.0	5.5	5.5	21.0