최근 수정 시각 : 2022-04-03 00:41:04

재활로봇

재활(再活)로봇
파일:HAL.jpg
日本사이버다인社의 재활로봇 HAL[1]



1. 개요2. 보조로봇과의 차이3. 종류4. 재활로봇의 원리5. 효과6. 나라별 개발사례
6.1. 한국6.2. 일본6.3. 미국
7. 한계





1. 개요

재활로봇(영어: Rehabilitation robot / 일본: リハビリロボット)은 질병이나 사고에 의한 팔다리 마비등, 신체에 발생한 문제를 원래 상태로 회복시키기 위한 목적의 로봇이다. 고령화 사회진입과 저출산에 의한 의료 인력 부족, 로봇 산업 발전 등에 따라 최근 각광 받고 있는 분야이다.

2. 보조로봇과의 차이

파일:엔젤로.jpg
재활로봇[2] 보조로봇[3]

재활로봇과 보조로봇은 형태가 비슷하지만 그 목적이 다르다.
  • 재활로봇은 신체능력 회복의 목적으로 사용되는 로봇이다. 이는 사용자가 질병이나 사고에 의해 뇌졸중, 뇌 마비 등이 생겨 신체를 제대로 움직일 수 없을 때 원래의 상태로 돌아오기까지의 기간을 단축하기 위한 것이다. 그러므로 재활로봇은 회복 이후에 환자가 로봇의 도움 없이도 자립하여 생활할 수 있다.
  • 보조로봇은 신체능력 강화의 목적으로 사용되는 로봇이다. 비장애인이 작업 현장에서 무거운 물체를 보다 쉽게 들 수 있도록 하여 노동 효율을 늘리거나 노화 등에 의해 근력이 약화된 경우에 근력 강화를 위한 것이다. 그러므로 보조로봇은 사용자가 로봇없이는 신체능력 강화의 효과를 볼 수 없다.

3. 종류

재활로봇은 형태에 따라 상반신 재활로봇하반신 재활로봇으로 구분된다.
  • 상반신 재활로봇의 경우 많은 기술력이 요구되는데, 이는 상반신이 하반신에 비해 움직임이 복잡하기 때문이다. 특히, 손의 움직임을 로봇으로 구현하기 위한 연구가 활발하다.
  • 하반신 재활로봇은 보행, 기립, 균형 기능 등의 회복을 위해 사용된다. 과거 여러 명의 치료사가 동반되었던 하반신 물리치료도 로봇을 이용하여 인력 부담을 줄일 수 있게 되었다.

4. 재활로봇의 원리

재활로봇은 사고, 신호송출, 신호검출, 작동, 피드백의 5가지 과정을 거쳐 구동되며 인간이 움직이는 원리와 동일하다. 다만, 신경계의 역할은 컴퓨터와 센서가 대신하고, 근육의 역할은 모터가 대신한다.
  • 사고
사람은 움직이고 싶을 때 가장 먼저 뇌로 움직이고 싶은 동작을 상상한다. '걷고 싶다 '라고 생각하면, 뇌는 신경을 통해 전기적 신호를 동작에 수행에 필요한 근육으로 내보낸다. 다만, 뇌졸중 등에 의해 뇌 기능에 장애가 생긴다면 이 과정이 불가능해진다. 그럴 경우, 다른 뇌 부분을 이용하여 움직임을 보충할 수 있게 촉진하도록 신체에 반복 자극을 주는 치료법 등이 가능하다.
  • 신호송출
정상인의 몸에서는 뇌에서 보내진 신호를 각각의 근육이 받고 생각한 동작에 맞추어 필요한 힘만큼 근육을 움직일 수 있다.

  • 신호검출
이 과정에서 부터 재활로봇의 역할이 시작된다.
뇌에서 신경을 통해 근육으로 보내진 신호는 매우 미약한 신호 "생체전위신호"로서 피부 등으로부터 새어나온다. 재활로봇은 센서를 통해 다양한 정보를 조합해 사용자가 어떠한 동작으로 수행하고자 하는지 인식한다.

  • 작동
검출된 생체전위 신호를 토대로 모터를 구동시킨다. 이 때, 제어 시스템과 모터 관절의 자유도에 따라 작동의 자연스러움이나 정확성이 차이난다.

  • 피드백
동작을 완수한 이후에도 동작에 이상은 없는지, 완벽하게 마무리가 되었는지 등의 판단이 필요하며 이를 뇌가 인지하여 피드백한다.

5. 효과

재활로봇은 뇌졸중, 척수 손상, 뇌 손상 등으로 중앙 및 주변 신경계 손상 환자를 대상으로 신경 가소성[4]을 중심으로 한 재활치료 목적으로 사용된다.

국내 모 병원에서 불완전 척수손상 환자들을 대상으로 재활로봇을 활용하여 신체에 반복자극을 가한 결과, 보행기능이 2.2배, 균형감각이 1.2배 향상되었다는 보고가 존재한다.

6. 나라별 개발사례

6.1. 한국

  • 2020년 11월 개최된 사이배슬론 대회에서 카이스트 공경철 교수 연구팀의 엔젤로보틱스 팀이 EXO[5]종목에서 1위, 3위를 기록하였다.

6.2. 일본

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6.3. 미국

7. 한계

  • 낮은 속도, 비싼 가격[6] 등의 문제는 당연한 것이다.
  • 현재의 재활로봇은 자유도가 매우 낮다. 재활효과를 극대화 하기 위해서는 정확한 움직임을 여러 번 반복하여 신경가소성을 일깨워야 하는데, 낮은 자유도로는 인체의 유연하고 다각도의 다양한 움직임을 구현할 수 없다.
  • 재활로봇의 자유도를 높이기 위해서는 각 관절에 모터를 많이 장착하여야 하는데, 사용되는 전력량이 많아져 배터리의 크기도 커지게 된다.[7] 그렇기에 병원 치료실에서나 사용할 수 밖에 없다.
  • 또한, 높은 자유도를 위해 복잡한 구조를 가지게 된다면 기계 특성상 고장이 많이 날 수 밖에 없다.
  • 그러므로 높은 자유도, 낮은 설계 난이도를 가진 재활로봇의 형태가 요구되어진다.

[1] 재활로봇의 가장 대표적인 예시. 일본 뿐만 아니라 전세계에서 의료기기로 인정받아 활용되고 있다.[2] KAIST 공경철 연구팀의 엔젤로보틱스. 2021년 사이배슬론대회에 참가하여 1, 3등을 차지했다.[3] 일본의 어토운. 공항에서 활용되고 있다.[4] 뇌가 외부 환경의 양상에 따라 스스로 구조와 기능을 변화 시키는 특성[5] 외골격 로봇을 이용한 종목[6] 현재는 상용화가 많이 진행되어 일반인도 쉽게 구할 수 있지만 보급화까지는 시간이 소요될 것으로 보인다.[7] 현재 전기자동차의 상용화가 늦어지고 있는 이유이기도 하다.

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