2.1 로봇 설계 개요

작업 목적에 기반한 로봇의 설계에서는 로봇이 수행할 작업을 정의하고, 그 작업을 수행할 수 있도록 로봇을 설계한다. 그리고 제작된 로봇을 구동하여 목적된 작업이 합당하게 수행되는지 검증하는 것으로 설계가 완료된다. 이러한 설계 과정 중에서 가장 먼저 이루어지는 작업은 동적 특성 분석이다. 수행할 작업에 대하여 동역학적 관점에서 기구 요소를 모델링하고 동특성 해석을 진행한다. 동특성 해석의 결과를 바탕으로 링크의 길이와 동력을 정의하는 등의 상세 설계를 진행하며, 설계의 검토 및 성능시험을 통해 수정을 거쳐 로봇을 완성한다^[18].

환자의 치료 효과를 높이기 위해서는 작업 특성과 목적이 고려된 로봇에서 재활 치료를 받아야 할 뿐만 아니라, 동시에 높은 무결성을 가진 안전한 로봇을 통해 안전성을 보장받아야 한다. 그림 1은 작업의 목적과 환자의 안전을 고려한 상지 재활치료 로봇의 설계 과정을 보여준다.

그림 1. 작업과 안전을 고려한 재활 치료 로봇의 설계 과정

Fig. 1. Design procedure for rehabilitation robot considered both task and safety

2.2 2-Axis Robot Manipulator

본 연구의 로봇 시스템은 재활치료를 위한 로봇 본체와 말단장치, 재활치료 프로그램을 표시할 모니터, 그리고 제어기로 구성된다.

로봇은 2축의 움직임으로 구동되며, 로봇의 말단장치는 모니터가 탑재된 테이블 위를 평면으로 이동한다. 환자는 모니터에 나타난 화면의 지시를 따르는 것으로 재활치료 운동을 수행한다. 제안하는 로봇은 본체로부터 제어기까지 이르는 모든 물리적 시스템을 하나의 장치에 통합하여 구성하였으며, 그림 2는 상지 재활치료 로봇 시스템 구성을 나타낸다.

그림 2. 상지 재활치료 로봇의 시스템 구성

Fig. 2. System configuration of upper-limb rehabilitation robot

상기 로봇은 2-자유도 병렬 로봇으로서, 지면과 수평한 X-Y 평면상으로 가동되는 로봇이다. 그림 3은 로봇 암의 구조를 보여준다. 로봇 암은 병렬로봇의 구조를 가지며, 모터 2개를 사용하여 총 2-자유도의 움직임으로 동작할 수 있도록 설계하였다. 2축 병렬로봇의 경우에 의도하지 않은 말단장치의 자유 회전을 방지하기 위하여 로봇 암과 평행한 4절 링크를 설계하여 적용하는 경우가 많다. 그러나 4절 링크 구조를 적용하면 로봇의 동작범위가 제한되는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 그림 4와 같이 LM(Linear Motion) 가이드를 구성하여 로봇 말단장치의 회전을 방지하고 더불어 로봇 암의 강성을 보완하는 구조로 설계하였다.

그림 3. 설계된 2-자유도 델타로봇

Fig. 3. Designed 2-axis delta robot

또한, 그림 4의 원으로 표시된 부위와 같이 LM 가이드의 레일을 고정하는 나사부에 체결 나사를 대신하여 스토퍼를 적용함으로써 기계적 한계 범위를 설정할 수 있으며, 최대 동작범위를 X축 방향으로 600mm, Y축 방향으로 375mm로 설정하였다. 이에 따라 설계의 변경이나 부품의 재가공 없이 스토퍼의 장착 위치를 변경하여 기계적 동작 한계 범위를 쉽게 변경할 수 있게 하였다.

그림 4. 로봇 본체의 구성

Fig. 4. Configuration of the robot body

2.3 로봇 기구학 설계

2축 병렬로봇의 기구학은 다관절 로봇의 기구에 비하여 상대적으로 복잡도가 낮아 D-H 파라미터를 정의하지 않아도 간단히 기구학을 정의할 수 있다. 본 연구에서는 참고문헌 ^[19]에서 제안한 방법을 참조하여 기하학적 구조만으로 기구학을 구성하였다.

그림 5. 델타 로봇의 기구학적 구조

Fig. 5. Delta(parallel) robot structure for kinematic analysis

2축 병렬로봇의 기구학을 위한 로봇 기구 구조도는 그림 5에 나타내었으며, 여기서 $\theta_{1}$과 $\theta_{4}$는 모터에 의해서 구동되는 관절 각도이다. 나머지 $\theta_{2}$, $\theta_{3}$, $\theta_{5}$, $\theta_{6}$의 관절 각도는 $\theta_{1}$과 $\theta_{4}$에 의하여 기구적 폐구조로 결정된다. 그리고 $L_{1}$~$L_{6}$는 관절 사이의 거리이다. 2축 병렬로봇 관절 각도의 상관관계에 의하여 X-Y 각 방향으로의 거리에 대한 두 개의 식을 정의할 수 있으며 최종적으로 정의되는 말단장치의 좌표는 식 (1)과 같이 정의할 수 있다.

여기서 $P_{x}$와 $P_{y}$는 말단장치의 X-Y 평면상에서의 좌표이며, 말단장치의 좌표는 두 개의 식 중에서 어느 것을 적용하여도 폐구조로 이루어진 병렬로봇의 특성으로 인해 관절의 상관관계는 동일하게 계산된다. 로봇을 구동하기 위한 구동 관절은 $\theta_{1}$과 $\theta_{4}$에 해당하므로 역기구학은 $\theta_{1}$과 $\theta_{4}$의 관절 각도에 대한 방정식으로 정의된다. 이에 대한 과정과 결과 방정식은 참고 문헌 ^[19]에서 설명되어진다.

2.4 상지 재활치료 로봇 제작

그림 6은 상기 설계를 기반으로 제작된 상지 재활치료 로봇을 나타낸다. 로봇을 구동하기 위한 동력은 AC 서보 모터에서 공급되며, 감속기를 적용하였다. 두 관절은 400W 용량의 모터를 사용하였으며, 사용된 모터는 최대 토크는 3.82N·m, 순시 토크는 1.27N·m, 최대 회전속도는 3000rpm이다. 상지 재활치료 로봇은 사람을 대상으로 구동되는 로봇이므로 40N·m 이상의 높은 토크를 이용한 로봇의 구동이 필요하지 않는다. 따라서 모터의 용량을 상대적으로 크게 설정하여 10:1의 감속비를 적용하였다. 로봇 모터의 고장에 대한 대책으로 모터에 장착된 엔코더의 관절 회전각 참조뿐만 아니라 추가적으로 외부에 리졸버를 장착하여 각 관절의 회전 각도를 참조하였다. 이는 모터의 엔코더에 문제가 발생할 경우 의도치 않은 모터의 움직임으로 환자의 상해가 발생할 수 있음을 방지하기 위한 목적으로 구성되었다.

그림 6. 상지 재활치료 로봇

Fig. 6. Upper-limb rehabilitation robot

3.1 안전 제어 요소

모터로 구동되는 로봇은 환자나 치료사가 의도하지 않은 동작을 일으킬 수 있고, 이로 인해 환자는 긴장감과 불쾌감을 느낄 수 있으며, 경우에 따라 환자의 상해로도 이어질 수 있다. 따라서 모터로 전달되는 동력을 차단하기 위한 안전장치가 필요하며, 본 연구에서는 모터의 동력 차단을 위해 시스템의 여러 장치를 연동하여 다중화 하였다. 표 1은 본 연구에서 고려하는 안전 이상 상황을 나타낸다.

3.2 전원부 설계

재활치료용 로봇이나 의료용 기기의 전원부 설계는 환자의 안전에 가장 중요한 요소 중 하나이다. 일반적으로 220V의 전원을 사용하는 기기의 경우에는 환자를 감전시킬 수 있는 잠재적 요소가 있으므로 전원부는 반드시 안전을 고려하여 설계하여야 한다. 이를 위해 전원부는 전원선에서 발생하는 누설전류와 합선 등의 각종 문제가 직접 로봇이나 기기로 전달되는 상황을 방지하기 위해 전원 입력부를 기기로 공급되는 전기와 분리하여 구성하였다. 일반적으로 1:1 변압기를 사용하여 전원을 분리함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있으며, 전체 시스템 내부의 모든 부품으로 간접적으로 전원을 공급한다. 또한, 누설전류 및 잔류전류에 의한 감전을 예방하기 위하여 완벽한 접지 처리가 이루어져야 한다. 접지는 전원의 입력으로부터 로봇의 말단장치에 이르는 전 범위에 대하여 연결되어야 하며, 접지가 제대로 이루어지지 않으면 모터 등에서 발생하는 누설전류나 이상 잔류전류로 인해서 환자가 전기적 상해를 입을 수 있다.

그림 7. 전기회로 구조도

Fig. 7. Electrical circuit schematic

그림 8. 전원부 판넬

Fig. 8. Power control panel

그림 7은 설계된 전기 제어부의 회로도를 보여주며, 그림 8은 제작된 로봇의 전기 제어부를 나타낸다. 기기의 이상으로 발생하는 이상 전류를 차단하기 위하여 차단기와 퓨즈 회로를 구성하여 이중화하였으며, 차단기는 전체 소모되는 전력량을 기반으로 선정하였다. 표 2는 로봇의 전기기기를 보여준다. 전기기기의 총 부하 전류는 7.5A 이며, 기기에서 사용되는 전체 전력을 차단하는 차단기로 220V 20A의 용량을 선정하였다. 여기서, 총 소모 전류를 따져보면 10A나 15A의 낮은 용량으로도 차단기를 구성할 수 있지만, 서보 드라이브에서는 순간적으로 정격 전류를 넘어서는 경우가 발생할 수도 있으므로, 정상적인 작동을 방해받지 않는 범위를 고려하여 20A로 선정하였다. 합선 등으로 내부 전기기기의 문제가 발생할 때는 20A 이상의 전류가 순간적으로 흐를 수 있으므로 메인 차단기로 적절한 용량이다.

퓨즈는 차단기와 유사한 형태의 부품이지만, 차단기보다 작은 용량으로 민감하게 작동하여 빠른 전력차단을 실행한다. 퓨즈는 각 기기에 개별적으로 장착해야 한다. 이를 위해 퓨즈 회로를 구성하여 전원 분배를 통해 각 전기기기에 개별 전원을 공급하도록 구성 하였다. 서보 드라이브는 모터를 구동하는 전기기기로 로봇의 구동에 가장 중요한 전기부품이다. 또한, 서보 드라이브는 정격 전류를 초과하여 구동되는 경우가 있으므로 서보 드라이브 개별로 퓨즈를 장착 하였으며, 2대의 서보 드라이브에 각각 10A의 용량을 선정하여 장착하였다. DC SMPS는 2대당 한 개의 퓨즈를 장착하였으며, 24V 2.0A 출력의 기기 2대, 그리고 5V 5.0A 출력과 ±15V 1.0A 출력의 기기 2대에 각각 5A 용량의 퓨즈를 장착하였다.

노이즈 필터는 전기기기 간의 전기적 떨림의 전파를 차단하기 위해 사용되었으며, 센서 신호에도 영향을 주므로 반드시 적용되어야 하는 부품이다. 특히 서보 모터를 사용하는 경우에는 서보 드라이브에서 스위칭 노이즈가 발생하므로, 정상적인 신호처리 및 구동을 위해 적용이 필요하다. 노이즈 필터는 서보 드라이브에 각각 개별로 1개씩, 그리고 DC SMPS로 전달되는 전원에 묶어서 1개, 총 3개를 적용하였으며, 개별 최대 허용 전류는 10A이다.

3.3 제어 시스템 설계

병렬 안전 제어 시스템은 생체신호 센서와 힘 센서 정보, 비전 모니터링 시스템, Enable 스위치, 그리고 전기안전 장치와 다중으로 연동되어 로봇을 이용한 재활치료 과정에서 발생할 수 있는 모든 위험 요소에 의한 이상 현상을 관리할 수 있도록 설계하였다. 만약 이상상황이 감지될 경우 제어 시스템은 즉각적으로 로봇의 동력을 차단하고 브레이크를 작동시킨다. 소프트웨어 로직으로만 전원이나 동력을 차단하는 안전장치를 구성하는 경우 소프트웨어 자체의 오류 및 오동작으로 인해 안전장치가 동작하지 않는 경우가 발생할 수 있다. 따라서 제어 시스템은 모든 장치의 오류 및 오동작을 하나의 안전제어 상위제어기로 통합하여 제어하고, 최종 동작은 즉각적으로 전기신호를 차단할 수 있도록 구성하였다. 전기신호의 차단은 릴레이 회로를 이용하여 통합하였으며, 이는 최종적으로 서보 모터로 인가되는 전력을 차단하고 모터 브레이크의 잠금장치를 동작시켜 로봇의 움직임을 차단하는 역할을 한다.

그림 9. 병렬 안전 제어 시스템 구성도

Fig. 9. Configuration of parallel safety control system

그림 9는 안전관리 요소를 고려한 병렬 안전 제어 시스템의 구성도를 나타낸다. 병렬 안전 제어 시스템은 환자와 치료사가 접촉되는 하드웨어 장치부(User Interface)와 전기 제어부 내부의 회로(Electric Circuit), 그리고 상위제어기(Upper Controller)로 구성된다.

안전 제어 회로 구성을 위해 우선으로 구성되는 요소는 재활치료 프로그램을 수행하는 환자와의 접촉에 관한 것이다. 제안된 로봇 제어시스템은 환자와 접촉하는 그리퍼에 장착된 힘센서로부터 측정된 힘을 상위 제어기에서 감시하여 현재 운동강도에 비해 비정상적인 힘으로 감지되면 위험 상황으로 판단한다. 이와 더불어 환자의 상태를 파악할 수 있는 심박센서 등의 생체신호 센서를 사용하여 환자의 안전 상태를 감시한다. 또한, 운동 범위의 초과나 운동 속도의 이상을 감지할 수 있도록 그리퍼의 움직임을 추적하는 비전 모니터링 시스템을 구성하고, 이를 서보 모터의 각도를 이용한 기구학 결과 좌표와 비교하여 이상 동작 및 상황을 판단한다. 모든 안전장치가 감지되지 않는 순간에도 언제나 로봇의 동작을 즉각적으로 중지할 수 있는 Enable 스위치를 적용 하였다. Enable 스위치는 환자나 치료사의 판단으로 로봇을 즉각적으로 멈출 수 있도록 상위 제어기의 소프트웨어를 거치지 않고 전기회로에 직접 작용할 수 있도록 구성된다. 일반적인 기계 장치에서의 비상정지 스위치(Emergency switch)에 해당하는데, 의료기기에 사용되는 용어는 부정적인 의미의 단어나 비상, 응급 등의 단어를 사용하지 않기 때문에 Enable 스위치로 명명하였다. 환자와 치료사가 각각 1개씩 손에 쥐고 언제든 스위치의 버튼을 누를 수 있도록 하였으며, 2개의 Enable 스위치 중에서 어느 버튼이라도 누르게 되면 서보 드라이브에서 모터로 전달되는 동력이 즉각적으로 차단된다. 서보 드라이브는 자체 고장진단 기능이 있어서 모터의 과부하 및 오류를 감지하여 모터로 전달되는 전력을 자체적으로 차단한다.

구동 중에 즉각적으로 모터로 인가되는 전력이 차단되어도 로봇은 관성이나 환자에 의해 계속 움직일 수 있기 때문에 단지 모터에 전달되는 전력을 차단하는 것만으로는 환자의 안전이 보장된다고 할 수는 없다. 모터로 전달되는 전력을 차단함과 동시에 모터의 움직임도 구속을 해야 로봇은 완전히 정적인 상태가 되고, 이러한 상태가 되어야만 환자가 안전하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 모터에 브레이크를 적용하여 동력이 차단됨과 동시에 브레이크를 잠그는 회로를 구성하였다. 브레이크는 제동용과 유지용 브레이크로 구분되며, 모터 출력축에 장착된 기구의 관성이 크지 않아 본 연구에서는 유지용 브레이크를 적용하였다.

4.1 전기적 안전 실험

병렬 안전 제어 시스템 기반 재활치료 로봇의 전기적 안전을 검증하기 위해 보호접지접속의 임피던스, 접지누설전류, 접촉전류, 환자누설전류, 그리고 내전압 시험의 항목에 대하여 전기적 안전 실험을 진행하였다.

그림 10. 절연 다이어그램

Fig. 10. Insulation system diagram

그림 11. 전기적 안전 실험

Fig. 11. Electrical safety test

그림 10은 제작된 전기 제어부의 절연 다이어그램을 나타내며, 그림 11은 전기적 안전 실험 과정을 보여준다. 보호접지접속의 임피던스는 기기의 상단 외장 접지부, 기기 하단의 외장 접지부, 그리고 기기 내부의 접지부에 대하여 25A의 전류를 60초 동안 인가하여 시험한다. 접지 절연이 제대로 접속되지 않거나 파괴되는 경우에는 측정 부위로 인가되는 전압이 크게 강하하여 임피던스가 높게 계산된다. 보호접지접속과 관련한 최대 임피던스의 허용 값은 200mΩ이며, 제작한 전기 제어부에서는 표 3에서와 같이 모든 부위에서 최대 허용 임피던스를 초과하지 않는 것으로 측정되어 접지접속이 잘 이루어져 있음을 확인할 수 있다.

표 4는 접지누설전류와 접촉전류, 그리고 환자누설전류의 전기안전 시험 결과를 나타낸다. 접지누설전류는 전원부 절연의 내부 또는 외부 표면을 통해 접지선으로 흐르는 전류를 의미한다. 접촉전류는 환자가 접촉하도록 의도된 기기의 부분을 제외한 나머지 기기의 외장 부분이며, 환자를 포함한 사용자와 조작자가 접촉할 수 있는 부분으로 흐르는 전류를 의미한다. 과도한 누설전류가 발생하면 회로 차단기에 문제가 발생할 수 있다. 환자접촉전류는 환자가 접촉하도록 의도된 부위로 흐르는 전류를 의미한다. 환자가 치료를 수행하도록 접촉되는 부분은 완벽히 절연되어 누설전류가 발생하지 않도록 설계하여야 하며, 따라서 이에 대한 허용 전류는 10uA로 매우 낮게 규정하고 있다. 접지누설전류와 접촉전류를 최초로 시험하는 상태에서 각각 최대 3,482uA와 3,471uA의 누설전류가 측정되었다. 이는 누설 전류량이 높은 기기인 컴퓨터, 모니터 등의 전자기기를 로봇 전기제어부와 동일한 소켓의 전원에 연결하여 발생하는 문제이다. 최초에 측정된 접지누설전류는 접지누설전류의 경우에는 최대 허용 전류를 초과하지는 않지만, 접촉전류는 최대 허용 전류를 초과한다. 또한, 주변장치가 증가할수록 누설전류는 점차 누적되어 더 크게 인가될 수 있으므로 이를 최대한 낮추는 방안이 필요하여 절연 변압기를 전원부에 적용하였다. IEC 60601-1 규격에 적합한 절연 변압기를 전원 입력단에 적용하고 다시 측정한 결과 최대 접지누설전류는 80uA로, 그리고 접촉전류는 72uA로 대폭 줄었다. 또한, 최대 허용 전류를 초과하지 않으며, 전원부가 주변장치로부터 분리되어 주변장치가 증가되어도 누설전류는 높아지지 않음을 보였다.

환자접촉전류는 절연 변압기의 적용 여부와 관계없이 전혀 측정되지 않았다. 이를 통해 모터 및 전기장치의 접지 처리는 잘 이루어졌다고 볼 수 있으며, 더불어 환자가 접촉하는 그리퍼 부분의 절연처리도 잘 되어있음을 의미한다.

내전압 시험은 그림 10의 그림에서 B, C, J 부분과 절연 변압기 단품에 대하여 시험하였다. 내전압 시험은 1분 동안에 고전압을 인가하여 발생하는 절연파괴 현상을 확인하였다. B, C, J 부분에서의 시험 전압은 AC 1,500Vrms이고, 절연 변압기는 시험 전압 AC 3,000Vrms를 인가한다. 1분 동안의 시험을 진행한 결과, 절연파괴는 발생하지 않았다.

4.2 안전 제어 실험

병렬 안전 제어 시스템은 그림 8에 나타낸 제어 흐름도를 확인하는 단계로 실험을 진행하였다. 실험은 표 1에서 언급한 이상 상황을 고려하여 Enable 스위치, Bio 시그널, 로봇 동작, 과부하 상황을 대상으로 이상 상황발생시 로봇의 동작 중단 여부를 검증하는 방식으로 진행되었다.

로봇 말단장치의 절대위치에 대한 비전 시스템 추적 성능을 검증하기 위해 로봇 좌표 (X, Y)를 기준으로 (-70, 0)에서 (50, 0)으로 설정하여 30회 반복 이동하여 성능을 검증하였다. 로봇 동작 실험은 사전에 설정된 로봇 동작 범위를 이탈시 로봇의 동력 차단과 브레이크 동작 여부를 검증하였다. 여기서 리졸버와 비전시스템을 통해 측정된 로봇 말단장치의 좌표가 설정한 오차범위 10mm를 초과하도록 로봇을 구동시켜 이상상황을 가정하였다. 말단장치 이동좌표는 3개로 설정하고, 각 점을 이동하여 30회 반복한 결과를 기반으로 오차를 계산하여 로봇 동작의 신뢰성을 검증하였다. Bio 시그널 실험은 심박계를 이용하여 100 bpm이 넘는 이상 상황의 발생을 가정하였다. 이를 위해 단일 실험 대상자에 심박계를 장착하여 격렬한 운동 후 설정된 심박수 초과에 따른 제어시스템의 정상 동작을 여부를 10회 반복하여 신뢰성을 검증하였다. Enable 스위치는 환자와 치료사가 각각 1개씩 가지며 스위치를 동작시켜 서보 드라이브의 동력전달 차단과 모터 브레이크의 정상 동작 여부를 검증하였다. 또한 과부하 상황은 퓨즈 스위치 동작에 따라 서보 드라이브로 인가되는 전원 차단 및 서보 드라이브의 비상 정지 여부를 검증 하였다. 그림 12는 주요 실험 설정 및 과정을 나타낸다.

그림 12. 주요 실험 설정 및 과정

Fig. 12. Main experimental setup and process

표 5는 병렬 안전 제어 실험 시나리오 및 결과를 나타낸다. 비전 시스템의 위치 추적 오차는 1.4mm 미만으로 나타났다. 추적 오차가 작을수록 로봇의 움직임에 대한 안전성이 강화됨을 의미하며, 비전 시스템을 통한 말단장치의 움직임을 추적하여 로봇 엔코더의 고장에 대비할 수 있다. 비전시스템의 위치 추적 오차가 2mm이내일 경우 안전을 위해 만족할 성능을 가질 수 있으며, 상기 결과는 제안한 시스템이 안전제어를 위한 충분한 성능을 가짐을 보여준다. 로봇 말단장치의 절대위치에 대한 비전 시스템의 추적 오차는 그림 13을 통해 확인할 수 있다. 로봇 구동의 경우 오차범위 10mm를 초과할 경우 위제어기는 이상 상황이 발생한 것으로 간주하여 동력이 정상적으로 차단되었다. Bio 시그널 실험의 경우, 심박수 100bpm을 넘어서는 순간 로봇이 정지함을 보여 제어 시스템이 정상 작동함을 보였다. Enable 스위치 동작에 따른 서보 드라이브의 동력 차단과 모터 브레이크 동작이 정상적으로 작동하였으며, 과부하 발생시 로봇의 동작이 정지되고 모터 브레이크가 정상적으로 작동함을 보였다.

그림 13. 비전 시스템의 추적 오차

Fig. 13. Tracking error of vision system