한국정밀공학회지 제 32 권 제 10 호 pp. 879-883

J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 32, No. 10, pp. 879-883

ISSN 1225-9071(Print), ISSN 2287-8769(Online)

October 2015 / 879

http://dx.doi.org/10.7736/KSPE.2015.32.10.879

◆ 특집 ◆ 고령자 및 장애인을 위한 보조 기술

착용형 하지 로봇을 이용한 편마비 보행 재활 훈련 효과에 관한연구

Study on Efficacy of Gait Training for Hemiplegia Patients Using Lower-Limb Wearable Robot

지영훈1, 윤덕원

2, 장혜연

2, 이동복

2, 압둘마난칸

3, 김솔

4, 김미정

5, 한정수

6, 한창수

7,�

Younghoon Ji1, Deokwon Yun

2, Hyeyoun Jang

2, Dongbock Lee

2, Abdul Manan Khan

3,

Sol Kim4, Mijung Kim

5, Jungsoo Han

6, and Changsoo Han

7,�

1 한양대학교 메카트로닉스공학과 (Department of Mechatronics Engineering, Hanyang University)

2 한양대학교 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Hanyang University)

3 한양대학교 기계설계공학과 (Department of Mechanical Design Engineering, Hanyang University)

4 고영테크놀러지 제어기술부 (Control Technology Department, Koh Young Technology)

5 한양대학교 의학과 (Department of Medicine, Hanyang University)

6 한성대학교 기계시스템공학과 (Department of Mechanical System Engineering, Hansung University)

7 한양대학교 로봇공학과 (Department of Robot Engineering, Hanyang University)

� Corresponding author: cshan@hanyang.ac.kr, Tel: +82-31-400-5247

Manuscript received: 2015.8.19. / Revised: 2015.9.1. / Accepted: 2015.9.4.

Conventional gait rehabilitation requires at least three therapists in a traditional rehabilitation

training program. Several robots have been developed to reduce human burden and increase

rehabilitation efficacy. In this study, we present a lower-limb wearable robot (WA-H) for gait

rehabilitation of hemiplegia patients, and propose a protocol of 12 weeks gait rehabilitation training

program using WA-H. To identify the efficacy of the robot and protocols, we conducted a clinical

study with two actual hemiplegia patients and observed a chronological change of ambulation

ability through four assessments. We discovered the progression of results by 6 minute walking

test, TUGT (Timed Up and Go Test), SPPB (Short Physical Performance Battery), BBS (Berg

Balance Test), and Fugl-Meyer score. The torques generated in the normal side and paralyzed

side of the patient became similar, indicating rehabilitation. The result also showed the walking of

the paralysis patient improved and imbalance motion had considerable improved performance.

KEYWORDS: Gait rehabilitation (보행 재활), Lower-limb exoskeleton robot (하지 외골격 로봇), Rehabilitation robot (재활로봇),

Hemiplegia gait training (편마비 보행 훈련), Wearable robot (착용형 로봇)

1. 서론

평균 수명의 연장으로 세계적으로 고령 인구가

증가하고 있으며 우리나라 또한 예외는 아니다.1

이와 함께 뇌졸중 또한 꾸준하게 발생하고 있으나

의학의 발전으로 인해 사망률은 줄어 들고 있다.2

__________

Copyright Ⓒ The Korean Society for Precision Engineering This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which

permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

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이로 인해 뇌졸중 발병 이후 후유증으로 인해 어

려움을 겪는 경우가 많다. 2010년의 경우 우리나라

에서 뇌졸중으로 인해 소요되는 사회적 비용은 약

4조 1,700억원에 이른다.3 뇌졸중 생존자는 편마비

등의 운동기능장애, 인지 및 지각장애, 감각장애,

언어장애 등 여러 후유 장애를 동반한다.4 그 중

편마비로 인한 하지 운동 기능 장애는 환자의 보

행능력을 저하시켜 발병자의 이동 능력을 감소시

켜 기본적인 생활을 불가능하게 하고, 사회 참여

기회를 방해함으로 삶의 질을 악화시킨다.5 이러한

기능 장애는 발병 후 수행되는 재활 치료에 따라

호전될 수 있다. 편마비로 인한 보행 장애의 경우

발병자의 하체를 외부의 도움으로 움직여 정상 보

행을 경험시키는 방법으로 훈련하여 회복시킬 수

있다.6 이러한 보행 재활 훈련은 발병 이후 최대한

빠른 시일 내에 이루어져야 큰 효과를 볼 수 있

다.7 하지만 물리치료사가 환자의 상체, 하체를 수

동적으로 움직여서 이루어지는 기존의 전통적인

훈련 방법으로는 여러 안전 장치와 환자 1명 당

2~3명의 물리치료사를 필요로 하기 때문에 훈련

비용이 높아 시행하기 어렵다.

이러한 단점을 해결하기 위해 최근에는 1~2명

의 치료사만으로 보행 재활 훈련이 가능한 보행 재

활 훈련 로봇들이 개발되고 있다. 스위스 Hocoma사

의 Locomat은 트레드밀 위에서 완전 마비환자나

편마비 환자에게 외골격 형태의 로봇을 하지에 착

용시켜 정상인의 보행을 경험할 수 있도록 각 관

절을 수동적으로 움직여 준다.8 이와 비슷한 제품

으로는 한국의 ㈜피엔에스미캐닉스에서 개발한

Walkbot이 있으며 Locomat과 거의 동일한 기능을

제공하고 있다.9 이러한 시스템들은 보행 환경을

제공하는 트레드밀과 착용자의 안전과 체중 지지

를 도와줄 수 있는 리프트, 착용자의 관절 움직임

을 도와주는 외골격 로봇이 하나로 결합된 형태의

시스템이다. 이는 설치하기 위한 초기 비용이 높

고 큰 공간을 차지하며 트레드밀 이라는 제한된

환경에서만 보행 훈련이 가능하다. 본 연구팀은

이러한 단점을 극복하기 위해 트레드밀과 리프트

가 구비된 기존의 재활 병원 및 가정에서 바로 적

용 가능한 보행 재활 훈련용 하지 착용형 외골격

로봇(WA-H, Walking Assist for Hemiplegia)을 개발하

였다. 이렇게 트레드밀과 리프트가 분리된 시스템

은 앞서 말한 일체형 시스템에 비해 비교적 적은

비용으로 시스템을 도입할 수 있으며, 환자의 질

환 정도에 따라 평지나 야외 환경과 같은 다양한

환경에서의 보행 훈련을 제공할 수 있다.

Fig. 1 Walking assist robot for hemiplegia, WA-H

본 논문에서는 WA-H를 사용한 편마비 환자의

보행 재활 훈련 방법을 제시하고, 제시된 방법을

2명의 편마비 환자에게 적용하여 훈련 효과를 확

인하였다.

2. WA-H를 사용한 보행 재활 훈련

2.1 WA-H 하드웨어 및 제어 알고리즘

보행 시 하지 관절의 주된 움직임은 시상면에

서 이루어진다. 따라서 WA-H는 착용자의 시상면

에서의 슬관절과 고관절의 움직임을 도울 수 있도

록 구동기를 사용하였다. 또한 보행 시 무게중심

이동을 위해 관상면 상에서 일어나는 인체의 고관

절 움직임을 모사할 수 있도록 수동형 관절을 사

용하였으며 고관절의 위치를 착용자의 관절에 맞

출 수 있도록 위치 조절 메커니즘을 설계하였다.

발목 관절은 시상면 상의 인체 움직임을 모사할

수 있는 1자유도 수동형 관절을 설계하였으며 족

하수 방지를 위해 스프링을 사용하여 배측 굴곡을

도울 수 있도록 설계하였다. 모든 관절은 신체의

한계 구동범위 이상 동작되는 것을 방지하기 위해

움직임이 제한되도록 설계하였다. 허리 체결부는

기존 의료용 보조기에 사용되는 맞춤형 허리 체결

부를 사용하였으며, 허벅지와 종아리 부분의 체결

은 상용 보조기를 사용하였다. Fig. 1에서는 WA-H

의 전체적인 구조를 확인할 수 있다.

WA-H는 마비측과 정상측을 다른 방식으로 제

어된다. 정상측은 각 구동부의 마찰력을 보상해주

어 착용자의 움직임에 로봇이 방해하지 않도록 제

어하였다. 또한 보행을 지원할 수 있도록 Assist 알

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고리즘을 구축하여 보행을 도울 수 있도록 하였다.

마비측은 모델 보상 이후 PD 제어기를 구축하여

미리 입력된 보행 궤적을 추종할 수 있도록 제어

하였다. 목표 궤적의 재생 시간은 보행 속도에 맞

추어 조절할 수 있도록 하였다. 또한 목표 궤적은

정상측 다리에서 Heel strike가 일어날 때 재생되며,

정상측 Heel strike는 인솔센서를 통해 감지하였다.

2.2 실험 대상자

실험을 위해 총 2명의 만성기 편마비 환자를

선정하였다. 2명 모두 뇌졸중으로 인한 편마비 환

자로 타인의 도움 없이 독립 보행이 가능하지만

마비측 하지의 근력이 저하되고 보행 시 파행(절

룩거림, 족하수 등)이 뚜렷한 환자를 선정하였다.

평가 당시 대상자에 대한 정보를 Table 1에 정리하

였다. 환자들에게는 본 실험의 절차와 예상효과,

예상 위험 등에 대해 자세히 설명하였으며 실험을

위한 동의서를 받았다. 또한 한양대학교 기관생명

윤리심의위원회(IRB)를 통하여 본 임상 실험을 위

한 허가 절차를 진행하였다.

2.3 실험 방법

WA-H를 사용한 보행 훈련의 효과를 확인하기

위한 실험 절차를 수립하였다. 실험 대상자는 12주

동안 일주일에 3일씩 하루 45분의 훈련을 진행하여

총 27시간의 보행 훈련을 받았다. 매 주 훈련을 위

해 사용된 목표 궤적은 Fig. 2와 같다. 여기서 S1은

착용자의 보행 분석을 통해 얻은 환측의 슬관절과

고관절 각도 데이터이며, S6은 정상인의 표준 보행

각도 데이터이다. 주차 별 사용된 목표 궤적과 보

행 훈련 속도를 Table 2에서 확인할 수 있다. 훈련

첫 주 동안은 기계에 적응하기 위해 트레드밀에서

훈련하지 않고 평지에서 안전 리프트와 함께 장비

적응 훈련을 진행하였다. 로봇의 마비측에는 S1궤

적을 입력하였고, 정상측은 마찰 보상만 입력하였

다. 2주차부터는 트레드밀 위에서 훈련을 진행하였

다. 2주차때는 S1궤적을 마비측에 사용하여 훈련하

였으며 한 주 마다 1단계씩 7주차까지 증가시켰다.

훈련 시작 5분간은 1.5km/h의 속도로 훈련을 진행

하였다. 이후 35분간은 2.0km/h의 속도로 훈련을

진행하였으며, 마지막 5분은 다시 1.5km/h의 속도로

진행하였다. 7주차부터 12주차까지는 S6 궤적을 사

용하여 훈련을 진행하였다. 또한 최고속도를 2.5km/h

로 상향 조절하여 훈련하였다.

각 궤적은 한 주기 당 101개의 위치 데이터로

이루어져 있으며 점과 점 사이는 3차 다항식 보간

법을 S1과 S6를 제외한 나머지 궤적 S2-5는 다음

의 공식을 사용하여 정의하였다.

Table 1 Subjects information

Subject A B

Age/Sex 50/Man 59/Man

Height/Weight 171cm/66kg 165cm/64kg

Paralysis leg Right leg Right leg

Brunnstrom stage Stage 6 Stage 5

Fig. 2 Hip and knee joint desire trajectory (Subject A)

Table 2 Training schedule

Week Trajectory num. Treadmill vel.

1 S1 -

2 S1 1.5 km/h - 2.0 km/h

3 S2 1.5 km/h - 2.0 km/h

4 S3 1.5 km/h - 2.0 km/h

5 S4 1.5 km/h - 2.0 km/h

6 S5 1.5 km/h - 2.0 km/h

7-12 S6 1.5 km/h - 2.5 km/h

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Fig. 3 Experiment schedule summary

( 1)( ) 1( ) ( 6( ) 1( ))

5

nSn i S i S i S i

−= + − (1)

여기서 n은1부터 6사이의 정수 값을 가지며 궤

적 번호를 의미한다. i는 0부터 100사이의 정수 값

을 가지며 데이터 번호를 의미한다.

3. 보행 훈련 효과 평가

3.1 훈련 효과 확인을 위한 평가 항목

훈련의 효과를 검증하기 위해 실험 대상자에게

평가를 실시하였다. 평가가 진행되는 날에는 훈련

은 실시하지 않았다. 각 평가 마다 신경학적 검사

및 하지 기능 검사, 보행 분석을 실시 하였으며

훈련 전, 6주 훈련 후, 12주 훈련 후, 훈련 종료 후

12주 후 총 4번 진행하였다. 훈련 효과 평가를 위

해 보행분석기를 통한 보속, 분속, 보폭 등 보행지

표, 각 관절의 운동학, 운동역학적 데이터, self

selected gait speed, 신경학적 검사, 하지 기능 검사,

신체 계측 정보 등을 평가변수로 사용하였다. 신

경학적 검사는 dynamometer를 사용하여 근력을 측

정하였으며 관절 가동역 검사, 경직도 검사, 심부

건 반사, 병적반사, Fugl-Meyer score를 사용한 하지

기능 평가, Modified Ashworth Scale를 이용한 이환

측 경직 평가 등을 실시하였다. 하지 기능 검사로

는 TUGT (Time Up and Go Test)및 SPPB (Short

Physical Performance Battery)등 정적 및 동적 균형

검사를 실시하였다. 평가 항목과 실험일정에 대해

서는 Fig. 3에 정리하였다.

3.2 훈련 결과

12주간의 훈련이 끝난 이후 보행 평가 지표를

처음의 것과 비교해 보았다. A환자는 6 min walking

test에서 1차 평가 때 420m를 걷고 4차 평가 때

485m 를 보행하여 보행 거리가 80m 증가하는 결

과를 보였다. TUGT 테스트에서도 1차 때 10.18초

의 기록에서 4차 평가에 7.6초를 기록하였으며,

SPPB검사 또한 10점에서 12점, BBS(Berg Balance

Test)는 52점에서 56점, Fugl-Meyer Score는 81점에

서 85점으로 향상되었다. 또한 Modified Ashworth

Scale도 1점에서 0점으로 하락하여 호전된 것을 확

인할 수 있었다. B 환자의 경우도 여러 검사에서

훈련이 효과 있음을 확인할 수 있었다. 6 min

walking test는 1차 평가 때 410m에서 4차 평가 결

과 455m로 45m증가하였으며 TUGT는 13.05초에서

10.56초로, SPPB는 10점에서 12점으로, BBS는 50점

에서 55점으로, Fugl-Meyer Score는 78점에서 80점

으로 향상되었음을 확인할 수 있었다. Fig. 4는 보

행 시 두 환자의 무릎에서 발생하는 모멘트 그래

프이다. 두 환자 모두 훈련이 진행됨에 따라 환측

과 건측의 모멘트 불균형이 나아지는 것을 확인할

수 있다. 두 환자 모두 훈련 전 보다 보행 시 균

형 능력이 상승하는 효과를 확인할 수 있었다. 이

Fig. 4 Knee joint moment (sagittal plane)

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로써 WA-H를 사용한 보행 훈련을 통해 착용자의

보행 능력을 개선할 수 있다는 가능성을 확인하였

다. 결과에 대해서는 Table 3에 정리하였다.

4. 결론

본 논문에서는 편마비 환자의 보행 훈련을 위

한 하지 착용형 외골격 로봇 WA-H를 사용하여 2

명의 편마비 환자에게 실제 적용 테스트를 하였다.

12주간의 훈련 끝에 두 환자 모두 보행 능력이 개

선되었다. 훈련이 끝난 12주 후에도 훈련으로 인

한 개선 사항들이 어느 정도 유지되는 것을 확인

할 수 있었다. 이로써 기존 보행 훈련 로봇보다

비교적 간단한 시스템을 사용한 외골격 로봇을 사

용한 보행 훈련으로도 보행 능력 개선 효과를 기

대할 수 있음을 확인하였다.

국내 실정상 본 연구에서와 같이 임상실험을

위해 피험자를 섭외하는 일은 어려운 점 중 하나

이다. 추후 연구에서는 더 많은 실험 대상을 통해

임상적 유효성을 검증하고, 설문조사를 추가하여 환

자의 심리상태를 반영하는 연구를 진행할 예정이다.

후 기

이 논문은 2014년도 및 2015년도 정부(미래창

조과학부)의 재원으로 한국연구재단(NRF-2015R1A

2A2A01002887) 및 한국연구재단-공공복지안전사업

(No.2010-0020487)의 지원을 받아 수행된 연구임.

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Table 3 Test list and result

Screening Type Subject A Subject B

Neurologic

examination

Modified

ashworth

Scale

Release

stiff knee

joint

Fugl-Meyer

Score

81→84→

86→85

78→79→

79→80

Lower limb

function test

6 min walk

test

1 : 420

2 : 465

3 : 500

4 : 485

1 : 410

2 : 425

3 : 452

4 : 455

Timed up

and go

1 : 10.18

2 : 11.37

3 : 10.61

4 : 7.6

1 : 13.05

2 : 11.5

3 : 10.1

4 : 10.56

Berg balance

test

52→56→

56→56

50→52→

53→55

Gait analysis Knee moment Improve balance