2013년도 재활로봇중개연구사업단

연구개발용역사업 제안요청서 목록

과제 번호	연구 형태	과 제 명	계약기간	연구비 (단위:천원)	과 제 관리자
1	개발	일상생활 수행용 능동 보조 외골격 로봇 팔 개발	계약일 ∼ 2014.11.30	252,500	임명준
2	개발	하지 외골격 로봇 시스템 및 구동모듈	계약일 ∼ 2014.11.30	300,000	송원경
3	개발	중증장애인의 사회참여 증진을 위한 손작업 로보틱가젯 개발	계약일 ∼ 2014.2.28	100,000	안광옥
4	기초	뇌졸중 환자 손의 신경역학적 정량화를 위한 기구 제작 및 분석	계약일 ∼ 2014.2.28	50,000	신준호
5	개발	유연한 착용형 손재활 로봇 개발	계약일 ∼ 2014.11.30	200,000	박대성
6	개발/응용	비침습적 뇌신경세포 신호 및 뇌피질전도를 사용한 뇌-기계 인터페이스 기반연구	계약일 ∼ 2014.2.28	260,000	최현
합 계				1,162,500

2013년도 재활로봇중개연구사업단

연구개발용역사업 제안요청서

연구과제명

일상생활 수행용 능동 보조 외골격 로봇 팔 개발

연구분야

중개연구

연구형태

개발

과제관리자

임명준 연구사

연 락 처

02-901-1903

연구기간

계약일 ∼ 2014. 11. 30

연 구 비

252,500천원

연구목적

○ 뇌병변 및 지체 장애인이 본인이 원하는 일상생활동작을 다른 사람의 도움 없이 수행할 수 있는 일상생활 수행용 능동 보조 외골격 로봇 팔 통합 시스템 개발

○ 평소에도 착용하여 상지의 근육을 훈련시킬 수 있도록 재활 운동 기구의 역할도 수행하는 로봇의 개발 및 로봇을 이용한 재활 프로세스 개발

○ 독립적인 일상생활동작을 목표로 재활 운동과 보조를 동시에 구현하여 상지의 움직임이 부자연스러운 장애인들의 생활 증진을 위한 유연한 외골격 로봇 팔의 개발

연구

필요성

○ 국내 뇌병변 및 지체장애 등으로 인해 근육의 약화나 신경 이상으로 상지의 움직임이 어려운 장애인들이 많은 수를 차지하고 있음.

○ 질병에 따라 증상의 차이는 있으나, 발병 후 근육위축이나 근육약화가 심해져 타인에 대한 의존도가 높아짐.

○ 타인에 대한 의존을 벗어나 독립적인 생활을 영위하려는 장애인들의 욕구는 강하나 생활을 보조할 수 있는 장비가 부족함.

○ 이런 욕구를 반영하여 일상생활에 동작을 보조하기 위한 장비들이 국내외에서 제작되었으나 대부분 외부에서 일상생활을 보조해주는 방식이라 본인의 신체를 사용하여 의지대로 팔을 움직여 일상생활을 영위하고자 하는 장애인들의 의사를 충분히 반영하지 못함.

○ 현재 시행되는 로봇 재활의 경우, 사용자가 독립적인 일상생활동작을 수행하기에는 한계가 있고 대부분 치료실에서의 상지 재활치료 기능에 국한됨.

○ 상지 재활 운동 및 보조기구의 역할을 동시에 할 수 있는 입는 로봇들도 해외에서 연구가 진행되고 있으나, 대부분 수동적인 관절 구조를 이용하여 중력 보상만 해주어 뇌병변 장애인과 같이 강직이 있는 장애인의 경우 팔을 원하는 경로로 움직이기 힘들어 외부의 도움이 없으면 사용하기에 무리가 있음.

○ 또한 이런 상지 재활 운동 및 보조 기구들은 기존의 단단한 소재를 이용한 메커니즘을 적용하여 로봇을 제작함으로써 제작 단가가 높아 실질적으로 장애인들이 구매해 사용하는데 무리가 있어 저렴한 로봇 팔에 대한 장애인들의 갈망이 높음.

○ 상대적으로 자유롭고 다양한 움직임이 요구되는 상지의 움직임에 대해 능동 보조 방식의 외골격 로봇 통합 시스템을 개발하여 독립적인 일상생활동작 기능의 향상 및 부가적인 작업 치료의 효과까지 기대할 수 있음.

연구내용

및 방법

○ 기반 기술 현황 및 수요 조사

- 능동 보조 알고리즘을 통한 일상생활 수행용 외골격 로봇 팔 개발 현황 조사

○ 일상생활 수행용 능동 보조 외골격 로봇 팔 개발

- 대상: 뇌졸중, 뇌손상, 근육병 및 척수손상 등으로 상지의 움직임이 부자연스러운 장애인 (필요시 상기 장애 영역 중 선택 가능)

- Spec.

• 구동 축: 3축 이상(어깨관절 및 팔꿈치관절 각 1축 이상 필수 포함)

• 측정: 힘 측정(경직 및 압력 측정), 각도 측정(관절각도 모니터)

• 모터 수: 최소 모터 수 3개 이상

• 사용자에 맞춰 프레임의 길이 조정이 가능해야 함.

• 사용자에 맞춰 경로 생성에 필요한 변수 조정이 가능해야 함.

• 스위치 외에 사용자의 의도를 파악하여 구동이 가능해야 함.

• 일상생활뿐만 아니라 상지 재활 운동을 위한 최소 스펙을 만족해야함.

- 구성

• 사용자에 맞춰 조절이 가능한 입는 프레임 제작 (1가지)

• 관절의 각도 및 힘 측정 장치 개발 (1종)

• 신체 정보를 이용한 입력 기전 개발 (1종)

• 의자나 휠체어 등에 탈부착이 용이한 프레임 제작 (우대사항)

- 성능 검증 자료

• 다수의 포커스 그룹 미팅을 통한 needs 수렴

○ 일상생활 수행용 능동 보조 외골격 로봇 팔 구조 설계

- 일상생활 동작을 수행하는 동안 움직이는 관절의 수를 파악하기 위한 비장애인의 일상생활 동작 분석 및 구조 해석

- 사람 팔의 모델링 및 실험을 통해 동작 성능에 영향을 미칠 수 있는 사람의 특성들(팔 길이, 팔 둘레 길이, 구부렸을 때 팽창 정도, 관절의 강직도 등)을 파악하여 디자인에 반영

- 다양한 디자인의 성능을 실험하기 위해 관절의 강직도와 같은 사람의 신체적 특성을 변경할 수 있고, 팔에 걸리는 힘과 관절의 각도를 측정할 수 있는 요소를 포함한 사람 팔 형태의 실험용 mock-up 설계 및 제작

- 유연하고 불규칙한 곡면 위에서도 잘 작동하는 힘 측정 및 관절각도 측정 기법을 개발하여 사용자의 안전성 및 시스템의 안정성을 확보

- 동작 분석을 통한 일상생활 관절 분석 자료 및 모델을 통한 관절의 분석으로 구동할 관절의 수를 최적화

- 파악한 필수 구동 관절 중 일상생활 동작 중 동시에 움직이는 관절을 파악하여 관절을 선정하고, 이 관절들의 동시 구동이 가능하도록 기법을 개발하여 사용하는 구동기의 수를 최적화

- 시스템의 구동을 위해 단순한 스위치뿐만 아니라 생체 신호 및 가능한 신체의 움직임을 이용한 사용자 의도파악 용 입력 기전을 개발하여 로봇의 사용성을 향상

- 시스템 구동에 적합한 배터리 및 제어 보드를 선정 혹은 제작하여 시스템의 휴대성을 향상

- 의자나 휠체어 등에 탈부착이 용이한 프레임을 설계하여 원하는 장소에서 쉽게 부착하여 사용할 수 있도록 하여 시스템의 사용성을 향상 (우대사항)

○ 장애인 및 임상전문가 포커스 그룹을 통한 피드백

- 장애인 및 임상전문가 포커스 그룹 (총 2개 그룹)을 최소 각 5명 이상 조직 후 최소 2개월 1회 이상 회의 실시 (그룹당 최소 7회 이상 실시)

- 장애인 포커스 그룹 결과(착용 유지 시간, 장/탈착 시간, 로봇의 크기, 일상생활동작 시간 등)를 파악하여 디자인에 반영

- 임상 전문가 포커스 그룹(의사 및 재활 치료사)을 통해 로봇 구동 시 발생할 수 있는 장애인의 신체적 특성을 파악하여 디자인에 반영

- 포커스 그룹 미팅을 통해 일상생활동작 보조 동작 및 로봇으로 할 수 있는 재활 치료법을 파악하여 재활 치료 프로세스 개발

- 수요파악, 디자인, 알고리즘, 로봇설계 및 제작 등 전반적인 분야에 포커스 그룹 결과를 필수적으로 반영

※ 연구책임자는 국립재활원이 지정하는 자문위원으로 구성된 자문위원회(자문비, 회의비 수반)를 운영해야 한다.

※ 자문회의 결과는 국립재활원과 상의하여 연구에 반영한다.

<참고>

평가항목	단위	세계최고수준 (보유국, 기업)	현재 국내 최고수준	개발목표치
착용부 무게	kg	2.5 (네덜란드, Armon)	x	1.5
맞춤 조절 가능 부위	개	2	x	2
Active 관절 수	개	0	x	3
가격	$	3,000	x	2,000
일상생활 동작수행 능력	Modified Barthel Index (100점 만점)	Hybrid Assistive Limb (일본, Cyberdyne社)	RoboWear ((주)NT리서치)	착용 가능한 상지 재활 로봇 개발

추진일정

No	연구내용	1차년도
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
1	Kick off Meeting
2	문헌 고찰 및 선행연구조사
2	포커스그룹미팅 (장애인 및 임상)
3	재활치료 프로세스 개발
4	일상생활 수행 알고리즘 개발
5	로봇팔 개념 설계
6	다양한 입력기전 개발
7	힘 및 각도 측정법 개발
8	안전제어 기법 개발
10	제어 알고리즘 개발
11	로봇팔 설계 및 제작 (Mock up)
12	로봇팔 설계 및 제작 (시제품)
13	중간/최종보고서 작성 및 보고

1. Kickoff 미팅: 1개월

2. 포커스그룹미팅 (장애인 및 임상) : 1개월~14개월

3. 일상생활수행알고리즘개발 : 2개월 ~ 3개월

4. 재활치료프로세스 개발 : 4개월~5개월

5. 힘/각도측정법/안전제어기법개발: 4개월~6개월

6. 다양한 입력기전 개발 : 7개월

7. 로봇팔 설계 및 제작 (Mock-up) : 7개월

8. 중간보고: 8개월

9. 로봇팔 성능 평가 : 9개월~11개월

10. 로봇팔 제작 (시제품) : 11개월

11. 로봇 동작 시험: 12개월~13개월

12. 최종보고: 14개월

※ 성능 검증 포함시 우대함

※ 관련 기업 참여시 우대함

※ 사업종료 전에 외부전문기관에 정산을 의뢰하여 그 결과를 최종보고 시에 제출해야 한다.

※ 착수·중간·주간공정·월간·최종 보고를 국립재활원이 지정하는 일자에 맞춰 보고서 제출 및 발표로 수행해야 하며 국립재활원이 수시 보고를 요청할 때에는 그에 응해야 한다.(단, 공정보고는 보고서 제출만 수행한다.)

기대효과

○ 유연한 일상생활 수행용 능동 보조 외골격 로봇 팔의 보급을 통하여 상지 장애인들이 독립적인 일상생활을 수행함으로써 장애인들의 사회참여증진을 통해 삶의 질을 높일 수 있음.

○ 사용자가 약간의 근력(Grade 1~2)만 있을 때에도 로봇 팔의 도움을 받아 필요한 일상생활 동작을 수행할 수 있도록 함으로써, 뇌졸중, 뇌손상, 근육병 및 척수손상 장애인의 일상생활 동작 독립성을 극대화할 수 있음.

○ 보조와 재활의 역할을 동시에 수행할 수 있으므로 장애인이 본인의 의지로 뚜렷한 동기를 가지고 매일 반복적으로 재활 운동을 수행할 수 있어 상태 호전에 도움을 줄 수 있을 것이라 기대함.

○ 포커스 그룹을 통해 장애인들의 요구를 최대한 충족시키는 일상생활 수행용 능동 보조 외골격 로봇 팔의 개발이 가능할 것이라 기대함.

○ 유연한 소재를 사용하고 구동기의 수를 최소화함으로써 로봇 제작 단가를 낮춰 필요장애인들이 쉽게 접근하여 사용할 수 있을 것이라 기대함.

○ 국내제작으로 가격을 낮춰 사회서비스 및 펀드운용 등이 유리해 필요장애인이 쉽게 접근하여 사용할 수 있을 거라 기대함.

○ 국내시장 및 해외수출을 기대할 수 있음.

최종결과물

○ 실험용 mock-up 완성품 1세트 및 관련 여분의 자재

○ 일상생활 수행용 능동 보조 외골격 로봇 팔 완성품 1세트 및 관련 여분의 자재

- 관련 소스코드, 프로젝트파일, 실행파일

- 관련 부품 목록

○ 포커스 그룹 (장애인 및 임상전문가) 기록 및 결과 반영 사항

- 디자인 반영 사항

- 일상생활동작 및 재활치료 프로세스 반영 사항

○ 중간보고서 및 최종 보고서 각 1부

○ 관련 특허 1종 이상

○ 관련 논문 1종 이상 (SCI급 논문 우대)

○ 상기 내용에 대한 관련 HW 및 SW, 사용방법

※ 개발 프로그램의 소스파일, 실행파일을 납품 시에 제출해야 하며 소스파일별 기능 설명을 최종 보고서에 탑재해야 한다. 아울러, 하드웨어 구성에 활용된 부품 일람표와 향후 개발계획 내지 실용화 방안 등도 탑재해야 한다.

※ 본 과제로 수행된 결과물(지식재산권 포함)은 국립재활원에 귀속된다.

※ 논문 1건, 특허출원 1건을 국립재활원 이름으로 진행한다.(관련비용은 사업수행에 포함)

활용계획

○ 개인 판매 및 펀드조성을 통한 대여 및 지원

○ 장애인의 일상생활동작 향상을 위한 공적급여 제공 제품으로 등록

○ 병원 등 재활 기관에 판매하여 재활 기구로 활용

○ 국내 및 해외 판매

2013년도 재활로봇중개연구사업단

연구과제명

하지 외골격 로봇 시스템 및 구동모듈

연구분야

중개연구

연구형태

개발

과제관리자

송원경 연구관

연 락 처

02-901-1905

연구기간

계약일 ∼ 2014. 11. 30

연 구 비

300,000천원

연구목적

○ 보행을 보조하고 관련 재활훈련을 할 수 있는 휴대형 하지 외골격 로봇 및 구동모듈 개발

○ 보행 자세 기법 및 훈련 프로그램 개발

○ 기존에 개발 되거나 개발 중인 보행과 관련된 외골격 로봇 기술의 임상 연계 촉진

연구

필요성

○ 뇌졸중 장애인 등에 대하여 보행 등 일상생활 보조가 필요함.

○ 근력 강화, 체중지지, 반복훈련이 요구 됨.

○ 착용할 수 있으며 경량화 된 휴대형 로봇은 필요한 상황에서 적절한 힘, 움직임을 제공할 수 있으면서 사용자의 의도를 반영하여야 함.

- 강성 변화가 가능하면 우대 함.

※ 로봇 구성, 구동방식, 구동모듈개요, 주요 대상군 및 작업에 대하여 과제계획서에 구체적으로 제안 바람.

연구내용

및 방법

○ 편마비 환자 또는 장애인의 환측에 착용하여 보행을 보조할 수 있는 로봇 하드웨어 및 소프트웨어 개발

○ 효과적인 구동 방식 제안 및 구현

○ 휴대형 경량 하지 외골격 시스템 설계 및 제작

○ 경량의 소형 제어 인터페이스 및 제어기 개발

○ 자발적 운동기능을 촉진하면서 필요시 보조할 수 있는 제어기법 개발

○ 게임 인터페이스를 통한 운동 프로그램 개발

※ 과제계획에 임상시험 또는 평가 포함 시 우대 함.

※ 기업 참여 또는 주관시 가점을 부여함.

※ 연구기간 동일 포커스그룹, 전문가자문회의는 각각 최소 1회/3개월, 1회/6개월 씩 진행하기 바람.

평가항목	단위	세계최고수준 (보유국, 기업)	현재 국내 최고수준	개발목표치
시스템 무게	kg	5kg이상 (미국 Tibion)		4kg 이내
보행속도 향상	%	7%~10% (미국, Washington Univ.)		15%

※ 상기의 평가항목 외에 계획서에 관절 수, 구동 방식, 특징 등의 개발목표치를 기술하기 바람.

추진일정

1. Kickoff 미팅: 1개월

2. 구동 방식 평가, 기구부 설계 제작: 1개월 ~ 9개월

3. 제어인터페이스 제작; 6개월~9개월

4. 제어기 최적기법 개발: 9~10개월

5. 훈련용 게임 인터페이스 개발: 11~12개월

6. 로봇 성능 평가: 10개월~12개월

7. 로봇 동작 시험: 13개월~15개월

8. 중간보고: 9개월

9. 최종보고: 15개월

※ 로봇의 하드웨어 및 소프트웨어의 완성도를 중심으로 진행함.

※ 임상에서의 가능성 테스트 포함 시 우대함. 임상 적용을 위한 사전 준비에 대한 일정을 고려할 경우 가점을 부여함.

※ 성능 검증 포함시 우대 함.

※ 관련 기업 참여시 우대함.

※ 사업종료 전에 외부전문기관에 정산을 의뢰하여 그 결과를 최종보고 시에 제출해야 한다.

※ 착수·중간·월간·최종보고를 국립재활원이 지정하는 일자에 맞춰 보고서 제출(단, 착수보고는 제외) 및 발표로 수행해야 하며 국립재활원이 수시 보고를 요청할 때에는 그에 응해야 한다.

기대효과

○ 정상 보행이 어려운 장애인 및 환자의 삶의 질 향상에 기여

○ 보행에 최적인 구동방식을 활용하게 1개 장애인군에 우선 적용하고 이후 다른 장애인군으로 확장함.

○ 추가적 생체 신호 활용시 우대

최종결과물

○ 보행에 최적화 된 로봇구동모듈을 포함한 로봇기구부 1종 이상 (오른다리/왼다리가 다른 경우 각각 1종 이상)

○ 휴대성이 높은 제어기 및 전원부

○ 관련 도면 및 부품목록표 (Bill of Materials)

○ 관련 소스코드, 프로젝트파일, 실행파일 (개발에 있어 범용 개발툴을 사용하는 것을 권장함. 예: Labview 등)

○ 소모성 부품 및 스페어 자재

○ 제어기법 및 동작설명

○ 시험 데이터

○ 중간보고서, 최종보고서

○ 관련 논문 1종 이상

○ 관련 특허 1종 이상

○ 훈련용 게임 (선택사항, 계획서에 명시 요망)

○ 상기 내용에 대한 관련 HW 및 SW, 사용방법, 문제해결방법 포함

※ 결과물의 수량 등은 계획서에 제안 바람.

※ 결과물에 대한 향후 활용계획을 계획서에 명기 바람.

※ 개발 프로그램의 소스파일, 실행파일을 납품 시에 제출해야 하며 소스파일별 기능 설명을 최종 보고서에 탑재해야 한다. 아울러, 하드웨어 구성에 활용된 부품 일람표와 향후 개발계획 내지 실용화 방안 등도 탑재해야 한다.

※ 본 과제로 수행된 결과물(지식재산권 포함)은 국립재활원에 귀속되는 것을 원칙으로 하되 별도의 사항에 대해서는 계획서에 기재한다.

활용계획

○ 보행에 적합한 구동모듈은 다양한 장애군을 돕는 시스템 개발 및 적용에 활용

○ 완성도 제고를 통하여 임상으로의 적용 가능 (과제 달성도 여부에 따라 차년도 과제와 연계할 수 있음.)

○ 휴대성이 높은 로봇 개발에 활용 가능함.

○ 관련 시장 창출이 가능함.

연구개발용역사업 제안요청서

2013년도 재활로봇중개연구사업단

연구개발용역사업 제안요청서

연구과제명

중증장애인의 사회참여 증진을 위한 손작업 로보틱가젯 개발

연구분야

중개연구

연구형태

개발

과제관리자

안광옥 연구사

연 락 처

02-901-1975

연구기간

계약일 ~ 2014. 2. 28.

연 구 비

100,000천원

연구목적

◯ 국립재활원 재활로봇 중개연구 사업단의 ‘중증장애인의 사회참여 증진을 위한 손작업 로보틱가젯 개발’ 과제에서 설계한 손작업서비스를 구현할 로보틱가젯의 시작품 제작

연구

필요성

○ 시작품 제작을 통하여 내부과제에서 도출된 손작업 서비스를 구현할 수 있는 기술 검증

○ 완성도 높은 시제품을 본격적으로 개발하기 이전에 도출한 손작업서비스의 기술적인 구현가능성 검증

연구내용

및 방법

○ 손작업 로보틱가젯은 복합작업모듈부와 팔동작을 하는 로보틱 암 구동부, 이를 장착할 수 있는 장착모듈과 시스템을 제어할 수 있는 제어부, 제어부에 명령을 내리는 안드로이드기반의 애플리케이션으로 구성함.

○ 복합작업모듈

- 복합작업모듈 크기는 140mm×190mm×40mm 이내로 함

- 스마트 단말기 거치 기능

⦁적용 스마트 단말기 크기: 5 ~ 10 inch

⦁설치 자세(수평/수직)는 조절 할 수 있도록 함

- 컵 홀더 기능

⦁전자동으로 돌출되고 복귀는 인력으로 함

⦁다양한 종류의 Holder로 교체 및 컵 크기에 따른 크기 조절 가능

- 카드 홀더 기능

⦁최소 2개의 카드와 명함 보관 기능(신용카드, 신분증, 명함, 받은 명함)

⦁선택한 카드 및 명함의 자동돌출과 카드삽입은 인력을 사용함

- 선행 개발된 ‘중증장애인의 스마트 단말기 접근성 향상을 위한 시스템 개발’에서 개발된 시스템의 스마트 단말기 부착 부를 대신하여 개발될 복합작업모듈의 장착이 가능하게 함.

○ 로봇틱 암 구동부

- 마운팅 시스템을 제외한 5kg 내로 경량의 로봇 팔 기구 제작

- x, y, z의 3축 위치제어

- 가반하중 1kg

- Roll, Pitch 회전각은 모터로 제어

- Yaw 회전각은 고정

- 사용자의 충돌 안전을 확보하기 위해 구동 영역 제한

- 복합작업모듈 탈부착 가능

- DC 전원 구동

○ 장착모듈

- 휠체어 또는 침대에 부착할 수 있는 장착모듈 구성

- 전동휠체어 2개 제품(Permobil C500, Invacare FDX)에 장착함

○ 시스템 제어부 및 애플리케이션

- 로봇 구동부의 동작 제어부는 블루투스기반으로 스마트단말기와 연동함.

- 안드로이드 기반의 애플리케이션을 컨트롤하여 4~5개의 입력된 기능 구현 및 미세조정 가능

- 네트워크 인터페이스를 지원하여 축 확장이 간편

- 비상정지 기능

평가항목	단위	세계최고수준 (보유국, 기업)	현재 국내 최고수준	개발목표치
시스템 무게 (마운팅모듈 및 제어부 별도)	kg	5kg (캐나다, Kinova JACO)		5kg 이내
자유도	DOF	6DOF (캐나다, Kinova JACO)		6DOF 이내
가반하중	kg	1.5kg (캐나다, Kinova JACO)		1kg
시스템 전체 길이	cm	90cm (캐나다, Kinova JACO)		85cm

○ 연구책임자는 국립재활원이 지정하는 자문위원으로 구성된 자문위원회(자문비, 회의비 수반)를 운영해야 함.

○ 자문위원회의 결과는 국립재활원과 상의하여 연구에 반영함.

○ 국립재활원 연구팀과 공동연구를 진행함.

추진일정

○ 착수(Kick-off) 미팅: 1개월

○ 복합작업모듈

- 스마트단말기 거치대 설계 및 제작

- 컵 홀더, 마이크 홀더 설계 및 제작

- 카드 홀더 설계 및 제작

○ 로보틱 암 구동부

- 구동부 기구 설계 및 부품가공, 기구 조립

- 구동부 제어기 설계 및 제작, 제어프로그램 개발

- 전원부 제작

○ 애플리케이션 개발(안드로이드 기반)

○ 마운팅 모듈 설계 및 제작

○ 기구 통합 및 동작실험: 6-7개월

○ 주간공정보고는 발표로 진행함.

○ 월간보고는 격주로 발표하는 주간공정보고의 발표와 발표자료 취합의 제출로 함.

○ 중간평가는 보고서 제출과 발표로 진행함.(평가는 필요시 과제담당자와 논의 조정가능): 4개월

○ 최종 보고 및 보고서 제출: 7개월

○ 사업종료 전에 외부전문기관에 정산을 의뢰하여 그 결과를 최종보고 시에 제출해야 함.

○ 착수·월간·중간·최종 보고를 국립재활원이 지정하는 일자에 맞춰 보고서 제출 및 발표로 수행해야 하며 국립재활원이 수시 보고를 요청할 때에는 그에 응해야 함.

기대효과

○ 손작업용 로보틱가젯은 중증 장애인의 스마트단말기 접근성 향상을 통해 간편하게 스마트 단말기를 사용할 수 있게 함.

○ 스마트단말기 사용을 통한 정보 접근성 향상 외에, 사회 참여활동에 필요한 손작업을 보조하여, 비장애인과의 상호관계에 있어 최소한의 도움으로 장애인의 사회진출을 촉진시킬 것으로 기대됨.

○ 급격히 증가하는 노인인구와 스마트단말기 확대에 따른 비장애인들의 생활환경에 까지 응용할 수 있을 것으로 기대됨.

○ ‘스마트 디바이스로 로보틱가젯을 제어하는 기술’과 ‘스마트 디바이스로 다양한 손작업을 수행하는 기술’등의  특허 출원이 기대됨.

최종결과물

○ 로보틱가젯 시작품 제작

- 로보틱가젯을 구성하는 복합작업모듈, 로보틱 암 구동부, 장착부,

제어부에 대한 설계도

- 복합작업모듈 1개

- 소형모터를 적용한 최대 6자유도 이내의 로보틱 암 구동부 1개

- 전동휠체어 장착모듈 2개

- 제어모듈 1개 및 제어프로그램

- 애플리케이션

○ 로보틱가젯 개발 관련 결과보고서

○ 개발 프로그램의 소스파일, 실행파일을 납품 시에 제출해야 하며 소스파일별 기능 설명을 최종 보고서에 수록해야 한다. 아울러, 하드웨어 구성에 활용된 부품 일람표와 향후 개발계획 내지 실용화 방안 등도 수록해야 함.

○ 본 과제로 수행된 결과물(지식재산권 포함)은 국립재활원에 귀속된다.

○ 논문 1건 이상, 특허출원 1건 이상을 국립재활원 이름으로 진행함.(관련비용은 사업수행비에 포함)

활용계획

○ C4 이상인 중증의 경수환자가 사용하는 전동휠체어에 부착해 일상생활 지원.

○ 상지마비장애인의 전동휠체어 및 휠체어에 부착해 일상생활 지원.

○ 장애인의 침대에 부착해 일상생활 지원.

○ 노인생활 지원과 비장애인의 일상생활에 까지 범위를 확대할 것임.

○ 국립재활원 재활로봇중개연구사업과 연계 가능.

2013년도 재활로봇중개연구사업단

연구개발용역사업 제안요청서

연구과제명	뇌졸중 환자 손의 신경역학적 정량화를 위한 기구 제작 및 분석
연구분야	중개연구	연구형태	기초
과제관리자	신준호 과장	연 락 처	02-901-1884
연구기간	계약일 ∼ 2014. 2. 28	연 구 비	50,000천원
연구목적	○ 현재 손의 조절과 협응의 평가를 위해 이용하고 있는 도구들은 많지 않고, 제한점이 있으며, 일반적으로 통용되는 객관적 평가 도구가 없음. ○ 따라서, 손의 조절과 협응 평가 도구 개발을 통해 향후 뇌졸중 환자의 경직 평가 및 향후 상지 재활로봇에 적용할 수 있도록 함 ○ 뇌졸중에 의해 나타나는 개별 수지 독립성 (finger independence)과 다수지 공동성(multi-digit synergies)을 신경역학적 관점에서 측정하고 분석할 수 있는 방법을 개발함.
연구 필요성	○ 뇌졸중 후 손에 대한 객관적인 연구가 부족함 ○ 손의 신경학적 회복에 대한 객관적인 지표를 제시할 수 있는 도구가 부족하여, 치료의 효과 등을 제대로 평가할 수 있는 도구는 없음. ○ 뇌졸중 후 손의 경직에 대한 연구에도 이용될 수 있음. ○ 뇌졸중환자의 손의 움직임에 대한 분석은 로봇 연구에 있어서 가장 큰 장애물 중의 하나임.
연구내용 및 방법	○ 양 손의 2,3,4,5 수지의 내재근/ 외재근의 최대 힘 정량적 측정 평가 도구 개발 - 양 손의 힘 측정은 동시에 이루어 질 수 있어야 함 - 기본적인 힘 측정 자세는 앉은 자세에서 이루어짐 - 수지굽힘근육 (finger flexor)의 힘 측정을 기본으로 함 - 수지굽힘근육의 힘 측정을 손목의 각도에 따라 구분하여 평가할 수 있도록 함 - 수지폄근육 (finger extensor)의 힘 측정에 대해서는 계획안을 제시하여야 함 ○ 뇌졸중에 의해 나타나는 개별 수지 독립성 (finger independence)을 신경역학적 관점에서 측정하는 방법 개발 ※ 관련 특허 보유시 우대 ※ 연구책임자는 국립재활원이 지정하는 자문위원으로 구성된 자문위원회(자문비, 회의비 수반)를 운영해야 한다. ※ 자문회의 결과는 국립재활원과 상의하여 연구에 반영한다.
추진일정	○ Kick-off 미팅: 1개월 ○ 문헌고찰 및 선행연구조사: 1-2개월 ○ 손의 내재근 및 외재근 최대 힘 측정에 대한 알고리즘 개발: 2-3개월 ○ 손의 내재근/외재근 최대 힘 측정 장치 설계: 3-4개월 ○ 손의 내재근/외재근 최대 힘 측정 장치 개발 : 3-5개월 ○ 손의 내재근/외재근 최대 힘 측정 동작 시험: 6-7개월 ○ 월간보고/중간보고/최종보고: 매월/4개월/7개월 ※ 임상에서의 가능성 테스트 포함 시 우대함. 임상 적용을 위한 사전 준비에 대한 일정을 고려할 경우 가점을 부여함. ※ 손의 힘 측정 관련 논문/특허 보유시 가점을 부여함. ※ 사업종료 전에 외부전문기관에 정산을 의뢰하여 그 결과를 최종보고 시에 제출해야 한다. ※ 착수·중간·최종 보고를 국립재활원이 지정하는 일자에 맞춰 보고서 제출 및 발표로 수행해야 하며 국립재활원이 수시 보고를 요청할 때에는 그에 응해야 한다. (평가에 대해서는 필요시 과제 담당자와 논의 조정 가능) ※ 격주보고, 주간보고, 현장실사 등은 과제 담당자와 논의하여 조정한다.
기대효과	○ 뇌졸중 이후 손가락 역학에 대한 정량적 평가 ○ 손가락의 역학에서 얻어진 정보는 상지 재활로봇에 접목될 수 있음 ○ 손가락 경직에 대한 객관적 평가 도구 개발로도 연계 가능 ○ 경직 조절을 위한 시술의 객관적 평가 가능 ○ 척수손상 환자의 수부 근력 평가 도구로 이용될 수 있을 것임
최종결과물	○ 개별 손가락의 내재근/외재근의 최대 힘 측정 평가에 관한 최종 보고서 - 보고서에 개별 수지 독립성을 신경역학적 관점에서 측정하는 방법을 제시하여야 함. ○ 개별 손가락의 내재근과 외재근의 최대 힘 측정 도구 Hardware 1종 ○ 개별 손가락의 내재근과 외재근의 최대 힘 측정 도구 Software 1종 ○ 시험데이터 ○ 관련부품목록 ※ 개발 프로그램의 소스파일, 실행파일을 납품 시에 제출해야 하며 소스파일별 기능 설명을 최종 보고서에 탑재해야 한다. 아울러, 하드웨어 구성에 활용된 부품 일람표와 향후 개발계획 내지 실용화 방안 등도 탑재해야 한다. ※ 본 과제로 수행된 결과물(지식재산권 포함)은 국립재활원에 귀속된다. ※ 최소 SCI 논문 1건을 국립재활원 이름으로 진행한다. (관련비용은 사업수행에 포함)
활용계획	○ 국립재활원 입원 및 외래 뇌졸중 환자를 대상으로 한 손의 역학적 평가 ○ 국립재활원 입원 및 외래 척수손상 환자를 대상으로 한 수부 근력 평가

2013년도 재활로봇중개연구사업단

연구개발용역사업 제안요청서

연구과제명

유연한 착용형 손재활 로봇 개발

연구분야

중개연구

연구형태

개발

과제관리자

박대성 연구사

연 락 처

02-901-1914

연구기간

계약일 ∼ 2014. 11. 30

연 구 비

200,000천원

연구목적

○ 척수 손상으로 인해 손 기능이 제한된 사람의 일상생활 보조 및 재활 치료를 위한 유연한 형태의 착용형 로봇인 손재활 로봇을 경량, 유니버셜 디자인의 로봇으로 향상

○ 집중적이고 다양한 사용성 평가를 통하여 사용성 및 성능을 평가하고, 실생활에 실질적인 도움을 줄 수 있도록 평가 결과를 통한 디자인 개선

연구

필요성

○ 척수손상으로 손의 기능을 일부 상실하여, 물체를 잡거나 조작할 수 없어 독립적인 생활이 불가능한 장애인을 위한 일상생활 보조용 손재활 로봇 제작

○ 기존에 개발되고 있는 착용형 로봇들은 복잡하고 단단한 형태의 링크 구조로 이루어져 크기가 크고, 무겁고, 복잡한 구조를 가지고 있음. 이러한 제한 때문에 실생활에 자연스러운 형태로 사용하기에 한계가 있음.

○ 실생활에 이용 가능한 수준으로 고도화 하고, 안전성 및 안정성 향상을 위해 사용자 의견수렴과 평가를 통한 연구가 필요함.

○ 현재까지의 착용형 로봇 개발에 있어 다양한 사용자의 신체적 특성에 대한 연구가 부족함

○ 착용 후에도 손바닥 및 손목의 움직임이 자유롭지 못하여 물건을 집는 등의 실질적인 활용이 불가능함

○ 재활 및 일상생활 보조를 위하여 착용이 간편하고 경량인 손 외골격 기구 개발의 필요성이 절실한 실정임

연구내용

및 방법

○ 유연한 착용형 손 로봇 개발

주요대상: 능동적으로 손을 조작할 수 없는 손기능에 제한이 있는 척수손상장애인

Spec.

• 구동 방식: 와이어 구동 방식

• 특성: 잡기기능, 경량

• 구동 손가락: 엄지, 검지, 중지 (파지를 할 때 손목은 중립 또는 신전을 유지할 수 있을 것)

• 구성: 양손용 (왼손, 오른손) 2 Set (사용자에 따라 왼손 또는 오른손만으로 사용할 수 있도록 구성)

• 사용 구동기 수 : 한 손 1개 이상

• 파지 가능한 물체의 무게 : 500g 이상

• 가능한 Grasping motion : 잡기, 집기 필수

• 착용부 무게 : 200g 미만(배터리제외)

• Under-actuation 특성 모델링

○ 안전성과 사용자의 신체 특징이 반영된 디자인요소구현

사용자의 안전성에 영향을 미치는 디자인적 요소 파악

손바닥 및 손목이 자유로워 실질적 작업이 가능하도록 기구부 및 구동부 설계

척수손상환자(특히 경수 4,5,6)를 대상으로 포커스 그룹 미팅 후 의견을 반영하고, 일상생활을 보조할 수 있도록 개선사항에 대해 기술

사용자의 손가락 길이, 두께에 상관없이 착용할 수 있도록 구현(길이 조절부구현 또는 사이즈 극복방안마련)

실시간 힘 측정 센싱 요소 개발을 통한 사용자의 안전성 향상 및 잡기 동작의 안정성 향상

베터리, 마이크로 프로세서를 이용하여 시스템의 휴대성 향상(전체무게 500g미만)

사용자의 생체신호를 이용한 조작 1종, 컨트롤러를 이용한 조작 겸용방식구현 1종

안전제어 알고리즘 개발(안전장치 2중화, 비상정지버튼필수)

평가항목	단위	세계최고수준 (보유국, 기업)	현재 국내 최고수준	개발목표치
전체무게	g	539g (미국, Cyber Glove Sys.)		500g
자유도	DOF	1 DOF/Finger (미국, Cyber Glove Sys.)		1 DOF/Finger
핀치악력	N	12N (미국, Cyber Glove Sys.)		15N
크기	radius around the palm	6cm (미국, Cyber Glove Sys.)		2.5cm
Portability	-	not Portable (미국, Cyber Glove Sys.)		Portable

※ 기타사항

- 관련 특허 보유시 우대함

- 관련 기업 참여시 우대함

- 재활병원 또는 재활관련분야 대학과 연계하여 공동참여하는 경우 우대

- 최종결과물로 손재활로봇과 연동가능하여 재활 훈련할 수 있는 일상생활 재활훈련 게임 가상프로그램 또는 별도의 기구모듈(힘센싱판 등)을 추가 제작하는 경우 우대

※ 연구책임자는 국립재활원이 지정하는 자문위원으로 구성된 자문위원회(자문비, 회의비 수반)를 운영해야 한다.

※ 자문회의 결과는 국립재활원과 상의하여 연구에 반영한다.

추진일정

○ 포커스 그룹 미팅을 통한 사용자, 전문가의 요구파악

○ 프로토타입 제작(양손 1 set)

○ 힘센싱 요소 개발 및 제어 요소 개발

○ 배터리와 마이크로 프로세서를 이용하여 시스템의 휴대성 향상

○ 최종타입 제작(양손 1 set)

○ 장애인 당사자 사용성, 성능평가(10개월)

○ 중간보고: 8개월

○ 최종보고: 14개월

※ 사업종료 전에 외부전문기관에 정산을 의뢰하여 그 결과를 최종보고 시에 제출해야 한다.

※ 착수·주간공정(격주간 공정)·월간·중간·최종 보고를 국립재활원이 지정하는 일자에 맞춰 보고서 제출 및 발표로 수행해야 하며 국립재활원이 수시 보고를 요청할 때에는 그에 응해야 한다.(단, 공정보고는 보고서 제출만 수행한다.)

기대효과

○ 하나의 입는 손 재활 로봇으로 다양한 형태의 물체를 잡을 수 있으며 여러 형태의 일상생활을 보조할 수 있음.

○ 입는 손재활로봇을 이용하여 일상생활 보조를 함으로써 동시에 작업치료를 통한 재활운동 효과도 얻을 수 있음.

○ 기본적인 일상생활에 필요한 물체들을 잡을 수 있게 됨으로써, 24시간 보조가 필요한 것이 아니라, 부분적 독립적인 생활 또는 직장생활이 가능할 것이라 기대함.

○ 장애인의 자문과 임상실험을 통하여 제작하여 장애인의 요구와 안전을 최대한 충족시키는 로봇이 개발 될 것이라 기대함.

○ 착용의 간편성 및 경량화로 인한 보급 확대

○ 손 재활 및 근력보조 시장 활성화

○ 햅틱 및 가상환경 또는 e-training 시장으로 응용보급 가능

최종결과물

○ 착용형 유연한 손재활 로봇 오른손 2개, 왼손 2개

○ 사람 손 형태의 실험용 mock-up 1 Set(오른손1개, 왼손1개)

○ 장애인 및 전문가 포커스그룹회의

- 장애인 당사자 5명이상, 3회이상 회의 실시, 전문가포커스 5명이상, 3회 이상 실시

- 회의 주요내용을 제품에 반영여부를 중간보고, 최종보고에 기재할 것

○ 프로그램

- 구동부 제어 실행 파일, 소스코드, 헥사파일

- 제어 및 훈련을 할 수 있는 컴퓨터, 모니터 1 set

○ 최종 보고서

- 설계도면

- 설명서

- 사용자의 신체적 특징 해석 결과

- 제어 알고리즘에 대한 시뮬레이션 결과

- 부품목록표(회사명, 모델명, 규격, 가격, 구매처 등 명시)

※ 개발 프로그램의 소스파일, 실행파일을 납품 시에 제출해야 하며 소스파일별 기능 설명을 최종 보고서에 탑재해야 한다. 아울러, 하드웨어 구성에 활용된 부품 일람표와 향후 개발계획 내지 실용화 방안 등도 탑재해야 한다.

※ 본 과제로 수행된 결과물(지식재산권 포함)은 국립재활원에 귀속된다.

활용계획

○ 재활 병원, 기관 또는 개인에게 재활 및 보조 기구로 활용

○ 노약자 및 장애인 손 재활 및 일상생활 보조

○ 독자적 상품화로 타 시장(햅틱 등) 진출 가능

2013년도 재활로봇중개연구사업단

연구개발용역사업 제안요청서

연구과제명

비침습적 뇌신경세포 신호 및 뇌피질전도를 사용한 뇌-기계 인터페이스 기반연구

연구분야

중개연구

연구형태

개발/응용

과제관리자

최현 과장

연 락 처

02-901-1911

연구기간

계약일 ∼ 2014. 2. 28

연 구 비

260,000천원

연구목적

○ 비침습적 방법으로 획득한 뇌신경세포(neuron) 신호를 사용한, 3차원 동작 수행을 위한 뇌-기계 인터페이스(brain-machine interface, BMI)의 실현가능성을 확인

○ 뇌피질전도(electrocorticogram, ECoG)의 BMI 활용 가능성 검증

○ 비침습적 뇌 생체신호로 외골격 로봇을 제어하기 위한 신호처리 알고리즘 개발을 포함한 시스템 통합

○ 장애 유형별 BMI 수요 조사

○ BMI 관련 기술의 제분야 최신 현황 조사

연구

필요성

○ 뇌-기계 인터페이스(brain-machine interface, BMI)는 신경근육계 질환을 가진 환자 및 장애인을 보조할 수 있는 시스템으로 공학과 의학의 융합적, 다학제적 접근이 필수적임

○ 국내외를 막론하고 현재 개발된 대부분의 BMI 는 장애인의 실제 일상생활의 수요를 적절히 충족하지 못하기 때문에, 실제 활용도가 극히 낮음

○ 대부분의 국내 BMI 연구는 뇌파를 사용하는 비침습적 시스템을 기반으로 하고 있으나, 이는 공간적 해상도가 낮아 미세 동작에는 한계가 있음

○ 세계최고 수준(예. 사지 마비 환자가 로봇팔을 사용하여 컵에 든 물을 마심)과의 큰 격차를 줄이기 위해서는, 해상도가 높은 뇌신호를 사용한 BMI 기반기술 확보가 절실히 요구됨

○ 이를 위하여 기존 뇌파 신호의 공간적 해상도를 높이거나 MEG 등 비침습적이면서도 뇌파에 비하여 공간적 해상도가 높은 신호를 사용할 필요가 있음. 또한 기능적 자기공명영상(functional magnetic resonance imaging, fMRI)이나 기능적 근적외선분광법(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)의 낮은 시간 해상력이 극복되면 이를 비침습적 BMI에 활용할 수 있을 것임

○ ECoG 는 뇌전증 환자의 진단을 위해 진료 현장에서 사용하고 있으므로, 침습적인 방법 중에서 BMI 신호로서의 활용 가능성이 기대됨. 두개 표면에서 측정하는 뇌파에 비하여 공간해상력이 높고 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)가 우월함

연구내용

및 방법

I. 비침습적 BMI 신호를 사용한 로봇 팔 구동

○ 정상인에서 기록된 뇌 신호를 이용한 운동 예측

정상 성인에서 상지를 사용한 “reaching” 단순과제 수행 시 뇌 신호 기록 및 저장

기록된 뇌신경세포 신호를 바탕으로 3차원 움직임의 궤적 추정

카메라를 사용, 물체 인식을 통한 시각적 피드백으로 보완

추후 자발적 움직임이 불가능한 중증장애인에게의 적용 가능성을 위하여 근전도 사용은 배제함

객관적인 성취도 측정 (3차원 동작 궤적과 실제 움직임 궤적의 일치도 (%)

○ 정상인에서 기록된 뇌 신호를 이용한 알고리즘 개발과 시스템 통합

- 정상 성인에서 상지를 사용한 “reaching” 단순과제 수행 시 뇌 신호 기록 및 저장

기록 저장된 신호를 사용하여 로봇 팔 제어를 위한 신호처리 알고리즘 개발

상용화된 로봇 팔(예: iARM, JACO 등) 구동에 적용

II.  ECoG 신호 활용 가능성 검증

○ 진단 목적으로 뇌전증(epilepsy) 환자의 신경운동피질에서 기록 저장된 뇌피질전도(electrocorticography, ECoG) 신호를 분석

- 진단목적으로 ECoG를 받는 환자들 중 운동감각피질에 ECoG를 가진 대상에게서 reaching 동작 수행 시의 신호를 기록

- 추후 연구를 위한 자료로 활용

III. 기반 기술 현황 및 수요 조사

○ 장애유형별 BMI 수요 조사

- 의사소통, 이동성, 손 기능, 자율신경계 기능, 기타 기능 망라

○ BMI 기술의 최신 현황 조사

- BMI 관련 센서 기술, 재료 및 생체적합성 기술, 신호처리와 모델링, 말단 장치 (Terminal Devices), 시스템 공학의 국내외 최신 현황 조사

※ 연구진으로 중개연구의 목적에 적절하도록 재활분야의 임상의사와 공학자의 협력적 중개연구 팀을 포함

※ 평가항목

평가항목	단위	세계최고수준 (보유국, 기업)	현재 국내 최고수준	개발목표치
비침습적으로 획득한 뇌신호로 재구성한 3차원 동작 궤적과 실제 움직임 궤적의 일치도	%	60-70% (미국 Brown대학, 미국 Duke대학)	자료 없음	70%

추진일정

○현황 및 수요조사: 1-2개월

○비침습적 신호 획득 및 처리 모듈 개발: 3-4개월

○제어 알고리즘 개발: 3-4개월

○중간보고 (필요시 과제 담당자와 논의 조정 가능): 3개월

○로봇제어 구동: 4-6개월

○ECoG 신호 획득: 3-5개월

○최종보고회 및 보고서 작성: 6개월

※ 중간·최종 보고를 국립재활원이 지정하는 일자에 맞춰 보고서 제출 및 발표로 수행해야 하며 국립재활원이 수시 보고를 요청할 때에는 그에 응해야 한다.

※ 월간 보고를 국립재활원이 지정하는 일자에 맞춰 서면으로 제출해야 한다.

기대효과

○ 보다 공간적 해상도가 높은 신호를 사용함으로써 BMI의 활용 영역을 확대할 수 있음.

○ 비침습적인 BMI를 개발하여 침습적 BMI 단점을 보완하고, 필요시 침습적 BMI 로 도약할 수 있는 기반 마련

○ 가진 대상자에서 보다 위험이 적은 침습적 방법인 ECoG를 기록하고  이를 사용한 BMI 가능성을 확인함.

○ 비침습적 신호를 기반으로 한 BMI 시스템은 향후 침습적 BMI의 대상자 선정에 활용할 수 있음.

최종결과물

○ 정상인 대상자에게서 비침습적 BMI 신호를 3차원 동작 실현

○ BMI 신호 분석, 로봇팔 제어 알고리즘 개발

○ 관련 특허출원 2건

※ 개발 프로그램의 소스파일, 실행파일을 납품 시에 제출해야 하며 소스파일별 기능 설명을 최종 보고서에 탑재해야 한다. 아울러, 하드웨어 구성에 활용된 부품 일람표와 향후 개발계획 내지 실용화 방안 등도 탑재해야 한다.

※ 본 과제로 수행된 결과물(지적재산권 포함)은 국립재활원에 귀속된다.

※ 특허출원 2건을 국립재활원 이름으로 진행한다.(관련비용은 사업수행에 포함)

활용계획

○ 차기년도 환자를 대상으로 한 연구에서 기반기술로 활용

○ 비침습적으로 획득 가능한 신호를 BMI 대상자 선정에 활용

○ ECoG 기반의 BMI 기반 확립

○ BMI 대상자의 훈련 프로토콜 마련의 기초자료 획득