뇌졸중 환자 재활 위한 외골격 로봇 구동의 혁신

최근 뇌의 질환, 그 중에서도 뇌졸중 환자들이 늘어나고 있는 상황 에서 뇌졸중 환자들의 재활에도 많은 관심이 쏠리고 있다. 뇌졸중 환자들은 독립성과 삶의 질을 되찾기 위해 효율적인 재활과 개선이 시급하다. 그러나 전통적인 물리 치료 수단만으로는 효과적인 재활 을 기대할 수 없는 것이 현실이다.  종종 뇌졸중 직후(아마도 1~2일 이내) 환자는 뇌졸중으로 마비된 팔다리를 사용하는 방법을 다시 배울 수 있도록 집중 치료실에서 물리 치료를 받는 경우가 많다. 효과적인 치료는 신경근 생리학(neuromuscular physiology) 의 원리를 기반으로 해야 하며, 진정한 기능 회복을 위해 조정된 움직임과 힘을 사용하여 사람 관절 사이의 신경학적 결합을 활용 할 수 있다. 어깨 재활은 어깨의 복잡성과 운동 범위로 인해 전통 적인 치료 형태에 상당한 장애가 되기 때문에 물리 치료의 가장 어려운 형태 중 하나로 간주된다. 

‘Harmony’라고 불리는 새로 개발된 외골격 로봇은 뇌졸중 생존자를 위한 어깨 치료의 효과를 크게 향상시킬 수 있는 매우 민 감하고 반복 가능한 플랫폼을 만들어 이러한 문제를 정확하게 해 결하도록 설계되었다. Harmonic Bionics는 혁신적인 재활 로봇 플랫폼을 개발하기 위해 2016년에 설립되었다. 그들의 Harmony 외골격은 환자의 어깨, 팔, 손목을 감싸고 관절에 힘을 주어 환자가 다양한 동적 운 동 작업을 수행할 수 있도록 돕는다. 이를 통해 어깨 거들과 볼 및 소켓 관절 사이에서 발생하는 특정 리듬을 다시 학습하여 운동 범 위를 최대화하여 손상된 신경근 기능을 교정할 수 있다. 
물리 치료사가 환자의 팔을 움직이고 움직임을 관찰하도록 돕 는 반면, 외골격은 적극적인 환자 참여를 장려하고 치료사가 팔을 마사지하거나 한 번에 여러 환자를 모니터링할 수 있도록 하는 패 러다임을 만든다. 이 플랫폼은 환자와 병원 모두에게 더 효과적인 치유를 촉진하고 좋은 결과를 유도한다.

재활 로봇은 고급 액추에이터 기술과 2㎑의 속도로 모션 데이 터를 수집하는 일련의 센서를 사용한다. 이 데이터는 사용자가 운 동 중 다양한 수준의 저항에 대한 반응 제어를 제공하는 알고리 즘에 입력된다. 설계자들은 팔을 움직일 때 외골격이 환자의 골격 구조와 동축으로 움직일 수 있도록 큰 모멘트 하중을 견딜 수 있 는 롤러 베어링이 필요했다. 이것은 회복을 돕기 위해 인간 신경 계의 왼쪽과 오른쪽 절반의 입증된 신경학적 결합을 이용하는 양 손 치료를 가능하게 하며, 또한 베어링은 작고 가벼우며 낮은 마 찰 계수(CoF)를 제공해야 했다. Harmonic Bionics의 제품 개발 책임자인 Rohit Varghese는 로봇의 하중 요구 사항과 제한된 공간을 언급하면서 “우리와 같은 외골격은 매우 독특한 문제를 가지고 있다. 이를 만족시킬 수 있는 베어링은 거의 없다. IKO의 CRBH 및 CRBF 크로스 롤러 베 어링은 아주 잘 맞았다”라고 말했다.

IKO 크로스 롤러 베어링, 높은 모멘트 하중 전달

IKO의 크로스 롤러 베어링은 콤팩트하고 견고하여 로봇 및 의료 장비에 매우 적합하다. 내륜과 외륜 사이에 롤러가 직각으로 교차 되어 있어 높은 회전 정밀도로 레이디얼 하중, 스러스트 하중, 모 멘트 하중을 동시에 처리할 수 있다. CRBH 크로스 롤러 베어링은 2,910~102,000N의 기본 동정격 하중, 2,430~207,000N의 기본 정정격 하중 및 20~250밀리미터의 샤프트 직경으로 제공된다.  이 시리즈는 또한 △고강성을 위해 내륜과 외륜을 하나의 구조로 일체화한 분리형 설계 △높은 회전 속도에서도 원활한 회전을 보장하는 원통형 롤러 사이의 분리기 등의 특징을 갖고 있다.
Harmonic Bionics는 기본 동정격 하중이 8,610N이고 기본 정 정격 하중이 10,600N인 모델을 선택했다. 이는 100Nm의 순간 하 중 요구 사항을 충족하기에 충분한 하중 전달 능력이다. 그리고 축 직경 40㎜, 외경 65㎜, 너비 10㎜, 0.15㎏의 가벼운 무게로 설 계자는 외골격의 제한된 공간에 크로스 롤러 베어링을 통합하는 데 문제가 없었다. 그 과정에서 그들은 IKO 엔지니어링 및 영업 관리자로부터 지원을 받았다. 
이 회사는 CRBH 크로스 롤러 베어링이 외골격에 가해지는 모 멘트 하중을 전달하는 가장 간단하고 콤팩트한 방법이며 환자에 게 ‘충분한 도움’을 제공한다는 사실을 발견했다. 이는 필요한 수 정 후 CRBH의 낮은 마찰계수 때문이다. 재활 로봇의 50개 이상 의 센서가 환자의 위치와 관절이 가하는 힘을 모니터링 하므로 낮은 마찰계수를 통해 시스템은 중력에 따라 환자가 받는 저항 및 지원 수준을 사용자 지정하는 알고리즘을 실행할 수 있다. 높은 마찰은 그렇지 않으면 센서 측정을 손상시킬 수 있다.
엔지니어들은 프로토타입 로봇을 제작하면서 IKO의 CRBF 베어 링이 가치 있는 도구라고 판단했다. CRBH 시리즈와 마찬가지로 CRBF에는 교차 롤러 설계가 있다. 내부 및 외부 링 모두에 장착 구멍 이 있으므로 엔지니어는 기계 가공, 특수 하우징 또는 마이크로미터 수준의 베어링 공차에 대한 고정 플레이트 없이 베어링을 설치할 수 있었다. 마운팅 홀은 회사가 생산 장치용 CRBH 시리즈로 전환하기 전에 공간을 절약하고 조립을 단순화했다.

뇌졸중 후 물리 치료와 생존자의 삶의 변화

재활 로봇은 뇌졸중 환자를 대상으로 한 파일럿 임상 연구 외에 도 건강한 사람을 대상으로 한 광범위한 임상 시험을 거쳤으며, Harmonic Bionics는 CRBH가 자신들의 기대에 부응하고 있다 고 말했다. Harmonic Bionics의 성공적인 상지 재활 외골격 로 봇 설계는 기계가 제한된 공간 내에서 큰 모멘트 부하를 처리해야 할 때 모든 롤러 베어링이 동일하게 생성되지 않는다는 것을 보여 준다. IKO의 CRBH 및 CRBF 크로스 롤러 베어링의 높은 모멘트 하중 처리 기능, 우수한 강성, 작은 크기 및 낮은 마찰 계수의 조 합 덕분에 Harmonic Bionics는 물리 치료에 혁신을 일으키고 많 은 뇌졸중 생존자의 삶을 개선할 태세를 갖추고 있다.

자료제공: IKO(www.ikont.com)