[논문 리뷰] Automation of Prosthetic Upper Limbs for Transhumeral Amputees Using Switch-controlled Motors

Fahad Moazzam Dar, Umer Asgher외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 21.

Muscle activation and electromyography studies참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 기존의 케이블 구동 메커니즘을 단순 스위치 제어 전기 모터를 사용한 기계적 힘과 집게 기능으로 대체함으로써 저비용, 스위치 제어 자동화 시스템을 제안한다. 이 시스템은 사용자 노력 감소를 통해 사용성과 편안함을 향상시키며, 동시에 저비용성과 수리 용이성도 유지한다.

ABSTRACT

The issues of research required in the field of bio medical engineering and externally-powered prostheses are attracting attention of regulatory bodies and the common people in various parts of the globe. Today, 90 percent of prostheses used are conventional body powered cable-controlled ones which are very uncomfortable to the amputees as fairly large amount of forces and excursions have to be generated by the amputee. Additionally, its amount of rotation is limited. Alternatively, prosthetic limbs driven using electrical motors might deliver added functionality and improved control, accompanied by better cosmesis, however,it could be bulky and costly. Presently existing proposals usually require fewer bodily response and need additional upkeep than the cable operated prosthetic limbs. Due to the motives mentioned, proposal for mechanization of body-powered prostheses, with ease of maintenance and cost in mind, is presented in this paper. The prosthetic upper limb which is being automated is for Transhumeral type of amputees that is amputated from above elbow. The study consists of two main portions: one is lifting mechanism of the limb and the other is gripping mechanism for the hand using switch controls, which is the most cost effective and optimized solution, rather than using complex and expensive myoelectric control signals.

연구 동기 및 목표

• 높은 사용자 노력과 제한된 운동 범위로 인해 기존의 신체력 기반 보철물의 한계를 해결하기 위해.
• 미오전기 보철물의 높은 비용과 두꺼운 구조를 극복하면서도 기능 향상을 유지하기 위해.
• 기존의 전동 보철물 시스템에 비해 저비용이며 수리 가능한 전동 보철물 시스템을 개발하기 위해.
• 실용적인 구현을 위해 접근 가능한 구성 요소를 사용하여 실제 생활에서의 사용성을 향상시키기 위해.
• 사용자 노력 감소를 위해 사지의 들어 올리기 및 손의 집게 기능에 모두 스위치 제어 모터 메커니즘을 통합하기 위해.

제안 방법

• 스위치 제어 전기 모터를 사용하여 전완부 보철물의 들어 올리기 메커니즘을 자동화한다.
• 손의 집게 기능을 위해 별도의 스위치 제어 모터 시스템을 구현하여 수동 케이블 시스템을 대체한다.
• 표준 전자 및 기계적 구성 요소를 사용하여 모듈식이고 수리 가능한 시스템을 설계한다.
• 복잡한 미오전기 신호 처리나 근전도 센서를 피함으로써 단순성과 신뢰성을 우선시한다.
• 사용자가 간단한 기계적 스위치를 통해 모터를 활성화할 수 있는 제어 논리를 통합하여 정신적·신체적 부담을 최소화한다.
• 장기적인 사용성을 지원하기 위해 저전력 소비와 유지보수 용이성을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스위치 제어 모터 시스템이 전통적인 케이블 기반 메커니즘을 효과적으로 대체하여 사용자 노력 감소를 이룰 수 있는가?
• RQ2 스위치 제어 모터 시스템의 성능은 기존의 신체력 기반 보철물에 비해 사용성과 기능성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 복잡성과 유지보수 필요성을 증가시키지 않으면서도 저비용 비미오전기 제어 시스템이 보철물 기능을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 미오전기 신호 대신 단순한 스위치를 사용하여 신뢰성 있고 수리 가능하며 저비용의 전동 보철물 상지 부위를 개발하는 것이 가능한가?
• RQ5 자동화가 전완부 절단 환자에서 사용자 편안함과 제어 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 스위치 제어 모터 시스템은 전완부 절단 환자가 보철물을 작동시키기 위해 필요한 신체적 노력이 크게 감소함을 확인하였다.
• 전통적인 케이블 기반 보철물에 비해 기능적 성능이 향상되었으며, 특히 들어 올리기 및 집게 작업에서 두드러진 성과를 보였다.
• 미오전기 신호 대신 단순한 스위치를 사용함으로써 시스템의 복잡성과 비용이 감소했으며, 신뢰성 있는 제어를 유지하였다.
• 설계는 높은 수리 가능성과 수리 용이성을 입증하여 기존 전동 보철물의 핵심적인 한계를 해결하였다.
• 필수적인 기능성을 훼손하지 않으면서도 고가의 미오전기 보철물에 비해 실용적이고 저비용인 대안을 제공하였다.
• 내구성, 모듈성, 저운영 비용 덕분에 실제 현장 적용 가능성이 확인되었다.