A wearable rehabilitation robot for shoulder abduction, which is frequently used in activities in daily living and where the rehabilitation treatment is important, is necessary for patients. In the case of shoulder abduction, not only does a large torque that can lift the arm more than 10 Nm, but also minimizes the compressive force to the shoulder joint and follows scapulohumeral rhythm (SHR). Shoulder abduction robots using various actuators such as tendon-driven, pneumatic, and motor-gear systems have been developed, but many studies have focused only on the purpose of lifting the arm with a large torque without considering SHR or required force/energy increases rapidly in a high degree. In this paper, a wearable rehabilitation robot for shoulder abduction using a petal mechanism was designed to solve these problems. This mechanism converts linear motion into rotation motion and has not only a high mechanical advantage but also minimizes the compressive force applied to the shoulder joint. Additionally, to satisfy the SHR, a double-petal mechanism was applied that displaced the two petal mechanisms by mimicking the scapula and humerus, respectively. When the same force is applied to the two actuators in a static condition, the angle ratio of the double-petal mechanism maintains close to 2, and it is confirmed that a maximum torque output of 12.6 Nm is generated at 90 degrees. After that, because of evaluating the rehabilitation performance of the proposed mechanism through user tests, not only did sEMG decrease by 34.63 % on average when actively supported but also trajectory errors with SHR are reduced.
일상생활에서 사용빈도가 높고 재활의 필요성이 높은 어깨 외전의 경우 환자들을 위한 착용형 재활로봇이 필수적이다. 어깨 외전의 경우 팔 전체를 들어올릴 수 있는 10 Nm 이상의 큰 토크, 어깨 관절에 가해지는 압축력의 최소화, 그리고 견갑상완리듬을 따라 보조해주는 것이 중요하다. 이를 위해, 텐던-구동, 공압, 모터 등 다양한 구동기를 사용한 어깨 외전 로봇이 제안되었지만, 많은 연구에서 견갑상완리듬을 고려하지 않고 큰 토크로 팔을 들어올리는 목적에만 집중하거나, 높은 각도에서 필요한 힘/에너지가 기하급수적으로 증가하는 문제가 존재한다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 보완하기 위하여 종이접기 중 페탈 접기를 모방한 페탈 메커니즘을 제안하였다. 해당 메커니즘은 선형운동을 회전운동으로 변환시키는 메커니즘으로 구조 내부에 시저 메커니즘 형태를 가지고 있어 역학적 이득이 높을 뿐 아니라, 어깨 관절에 가해지는 압축력도 최소화된다. 추가적으로, 견갑상완리듬을 만족하기 위해 두개의 페탈 메커니즘을 각각 어깨뼈와 위팔뼈를 모사하여 어긋나게 배치하는 더블-페탈 메커니즘을 적용했다. 정적 환경에서 두 구동기에 동일한 힘을 인가할 때 더블-페탈 메커니즘의 각도 비율이 2에 가깝게 유지하며 90 도에서 최대 12.6 Nm의 토크출력이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 그 이후, 5명을 대상으로 진행한 유저테스트를 통해 제안한 메커니즘의 재활 성능을 평가해본 결과, 능동 보조를 받았을 때 평균 34.63 %의 근신호가 감소했을 뿐만 아니라 견갑상완골의 경로의 경우 견갑상완리듬과 적은 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
