[논문 리뷰] Design, Implementation and Evaluation of a Variable Stiffness Transradial Hand Prosthesis

Elif Hocaoğlu, Volkan Patoğlu|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 28.

Muscle activation and electromyography studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 볼든 케이블 기반의 이형성 인대와 비선형 스프링을 사용한 가변 스프링 강성 구동(VSA)을 갖춘 저비용, 맞춤형 전위측 손 보철물을 제시한다. 이는 위치와 강성의 동시에 제어를 가능하게 하며, sEMG 기반 원격 임피던스 제어를 통한 실험 평가에서 사용자가 다양한 물체를 자연스럽게 다룰 수 있었으며, 평균 적응 시간은 3.2분, 평균 쥐기/해제 시간은 각각 1.22초 및 0.82초를 기록하였다.

ABSTRACT

We present the design, implementation, and experimental evaluation of a low-cost, customizable, easy-to-use transradial hand prosthesis capable of adapting its compliance. Variable stiffness actuation (VSA) of the prosthesis is based on antagonistically arranged tendons coupled to nonlinear springs driven through a Bowden cable-based power transmission. Bowden cable-based antagonistic VSA can, not only regulate the stiffness and the position of the prosthetic hand, but also enables a light-weight and low-cost design, by opportunistic placement of motors, batteries and controllers on any convenient location on the human body, while nonlinear springs are conveniently integrated inside the forearm. The transradial hand prosthesis also features tendon driven underactuated compliant fingers that allow natural adaption of the hand shape to wrap around a wide variety of object geometries, while the modulation of the stiffness of their drive tendons enables the prosthesis to perform various tasks with high dexterity. The compliant fingers of the prosthesis add inherent robustness and flexibility, even under impacts. The control of the variable stiffness transradial hand prosthesis is achieved by an sEMG based natural human-machine interface.

연구 동기 및 목표

• 기능적 적응성을 향상시키기 위해 저비용, 맞춤형, 쉽게 사용할 수 있는 전위측 손 보철물에 가변 스프링 강성 구동(VSA)을 도입하고자 한다.
• 현재의 미오전기 보철물의 높은 기각률 문제를 해결하고자 설계와 제어를 단순화하면서도 민첩성과 내구성을 향상시키고자 한다.
• 사용자 의도에 따라 강성을 조절하는 sEMG 기반 원격 임피던스 제어 인터페이스를 통해 자연스러운 인간-기계 상호작용을 실현하고자 한다.
• 다양한 물체 형상에 자연스럽게 적응하고 충격에 견딜 수 있는, 불가촉성의 자동 조절 손가락을 통합하고자 한다.
• 실생활 작업에서 인간 자원 봉사자를 대상으로 보철물의 사용성, 반응 시간, 내구성에 중점을 두고 검증하고자 한다.

제안 방법

• 중앙 집중식 액추에이터 없이도 강성과 위치를 조절할 수 있도록, 전위측에 비선형 스프링을 통합한 볼든 케이블 기반 이형성 VSA를 사용하였다.
• 실리콘 고무와 ABS로 제작된 톱니 기반의 불가촉성 손가락을 사용하여 물체 형상에 대한 수동적이고 유연한 적응을 가능하게 하였다.
• 상지, 가슴, 어깨에서의 표면 EMG 신호를 사용하여 사용자 의도를 추론하고 실시간으로 강성을 조절하는 sEMG 기반 원격 임피던스 제어기를 구현하였다.
• 모터, 배터리, 제어기 등을 신체(예: 상지 또는 흉부)에 장착하여 손의 무게를 줄이고 사용자 친화성을 향상시켰다.
• 모듈성과 맞춤형 설계를 고려하여, 향후 보다 기능적인 엄지나 미학적 실현을 위한 보철 장갑을 쉽게 통합할 수 있도록 설계하였다.
• 16종의 다양한 물체를 대상으로 사용자 연구를 수행하여 쥐기 성능, 반응 시간, 충격 내성에 대한 평가를 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용, 맞춤형 전위측 손 보철물에 VSA를 적용하여 일상적인 조작 작업에 필요한 민첩성을 확보할 수 있는가?
• RQ2 볼든 케이블 기반 이형성 VSA는 경량성과 저비용 설계를 유지하면서도 위치와 강성의 동시에 제어를 효과적으로 가능하게 하는가?
• RQ3 sEMG 기반 원격 임피던스 제어는 사용자 의도와 작업 요구사항에 맞는 직관적이고 실시간 강성 조절을 가능하게 하는가?
• RQ4 사용자가 비정형 환경에서 이 보철물에 얼마나 빨리 적응하고 안정적으로 쥐기 작업을 수행할 수 있는가?
• RQ5 유연성 있는 불가촉성 손가락의 통합은 충격이나 불확실성 상황에서도 내구성과 자연스러운 물체 상호작용을 향상시키는가?

주요 결과

• 봉사자들은 평균 3.2 ± 1.3분의 적응 시간을 기록하며 보철물에 빠르게 적응하고 조작 작업을 성공적으로 완수하였다. 이는 훈련 부담이 낮음을 시사한다.
• 평균 쥐기 시간은 1.218 ± 0.564초, 해제 시간은 0.819 ± 0.48초로, 상용 기기 수준의 성능을 보였다.
• 실리콘 고무와 ABS 재질의 유연한 손가락은 사용자 테스트 중 반복적인 충격에 노출되었음에도 손상 없이 높은 내구성을 보였다.
• sEMG 기반 원격 임피던스 인터페이스를 통해 효과적인 강성 조절이 가능하여, 다양한 유연성과 형상의 물체를 안전하게 쥐는 데 성공하였다.
• 시스템의 모듈식 설계 덕분에 향후 보다 기능적인 엄지나 보철 장갑 등의 향상 요소를 핵심 기능에 영향을 주지 않고 쉽게 통합할 수 있었다.
• 시험 후 인터뷰를 통한 사용자 피드백은 손가락의 수동 지지 기능이 충분하고 사용 가능하다는 점을 확인하였으며, 功能성에 대한 불만은 없었다.