Scapular-Stabilizing Rehabilitation Robot Based on Compensation Behavior Characteristics in Frozen Shoulder = 동결견의 보상행동 특성에 기반한 견갑 안정화 재활 로봇

국문 초록 (Abstract)

동결견은 점진적인 관절와상완(glenohumeral, GH) 강직과 관절가동범위 제한을 특징으로 하는 근골격계 질환으로, 환자들은 팔을 들어 올리는 과정에서 이를 보상하기 위해 과도한 견갑 상승을 나타낸다. 특히 견갑골의 과도한 상승은 임상적으로 어깨 으쓱임(shrugging)으로 관찰되며, 이는 정상적인 견갑상완 리듬(SHR)을 저해하는 주요 요인으로 작용한다. 따라서 재활 과정에서는 단순한 가동범위 확장뿐 아니라, 정상적인 SHR을 유도하기 위한 견갑 안정화가 필수적이다. 본 연구는 이러한 보상행동의 특성에 기반하여, 어깨 움직임의 필수 요소만을 재현하면서 병적인 견갑 상승을 선택적으로 억제하는 전략이 수동관절가동범위(PROM) 운동 중 생리적인 SHR을 회복할 수 있다는 가설을 제시하고 이를 검증하였다. 제안된 전략은 견갑골을 직접 제어하는 방식이 아니라, 건측에서 수집한 생리적 견갑 궤적을 기준으로 설정하고, PROM 수행 중 이 기준을 벗어나는 보상적 견갑 변위만을 외부에서 억제하는 방식으로 구현된다.
가설을 검증하기 위해 먼저 6자유도 기반의 초기 로봇(System I)을 개발하였다. System I은 건측에서 기록한 PROM 궤적을 최대 0.89º 이하의 정밀한 추종 오차로 재현하였으며, 모션캡처 분석 결과 로봇에 의해 유도된 상완 움직임과 높은 상관관계(R min = 0.876)를 보였다. 견갑골 상방회전 또한 일정 수준 이상의 상관 관계(R ≥ 0.743)를 나타냈다. 특히 견갑 억제 기전을 활성화한 조건에서는 SHR 패턴이 생리적 범위 내로 유지된 반면, 해당 기능을 비활성화할 경우 벌림과 굽힘 에서 각각 약 6.5º와 13.7º의 견갑 상승이 발생하였다. 이는 억제 기전이 부재할 때 동결견 특유의 보상 행동이 그대로 나타남을 확인한 것으로, 이를 통해 제안된 안정화 전략의 필연성과 유효성을 대조적으로 입증하였다.
System I은 동결견 환자에게서 나타나는 보상행동 특성에 기반한 견갑 안정화 전략의 생체역학적 타당성을 확인하였으나, 중복 자유도와 어깨 축 불일치로 인해 구조적·운용상의 한계가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 핵심 기능만을 남기고 구조를 단순화한 3자유도 기반의 향상형 로봇(System E)을 설계하였다. System E는 힘/토크(F/T) 센서 기반 견갑 감지 기전과 해부학적 축 정렬을 적용하였으며, 그 결과 기록 및 재생 전 과정에서 GH 축과 로봇 축 간의 불일치를 운동 조건에 따라 7–27% 개선하였다. 또한 구조적 단순화에도 불구하고 엔코더 값의 분석 결과, SHR 보전을 위한 견갑 억제 기능은 안정적으로 유지됨을 확인하였다. 억제 기전 활성 시 견갑 상승은 0º에 가깝게 통제된 반면, 비활성시에는 벌림(67º 거상 시)과 굽힘(68º 거상 시)에서 각각 약 7.7º와 13.2º의 견갑 상승이 관찰되어, 억제 기능에 따른 임상적 유효성의 차이를 명확히 입증하였다.
본 연구 결과는 보상 행동 특성에 기반한 견갑 안정화 전략과 이를 구현한 효율적인 로봇 시스템을 통해 PROM 수행 중 SHR을 효과적으로 보전할 수 있음을 입증한다. 또한, 구조가 단순화된 System E는 향후 보조 및 능동 관절가동범위 (AAROM/AROM) 재활로 확장할 수 있는 실용적 토대를 제공하며, 이는 환자 맞춤형 및 임상 적응형 상지 재활 시스템으로서의 높은 잠재력을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Frozen shoulder is a musculoskeletal disorder characterized by progressive glenohumeral (GH) stiffness and reduced range of motion; patients often exhibit scapular elevation as a compensatory mechanism when lifting the arm. Excessive scapular elevation presents clinically as shoulder shrugging and acts as a primary factor disrupting the physiological scapulohumeral rhythm (SHR). Since this elevation emerges as a compensatory biomechanical response to joint stiffness, it represents a clinically significant target for stabilization during rehabilitation. Based on these compensatory characteristics, this study hypothesizes that selectively suppressing pathological scapular elevation while reproducing essential shoulder kinematics can restore a more physiological SHR during passive range-of-motion (PROM) exercises. Rather than directly controlling all scapular movement, the proposed strategy uses the physiological trajectory of the contralateral limb as a reference, suppressing only the compensatory deviations observed during PROM.
To examine this hypothesis, a 6-degree-of-freedom (6-DoF) initial rehabilitation robot (System I) was developed. System I reproduced PROM trajectories recorded from the contralateral limb with a tracking error below 0.89º, and motion-capture analysis demonstrated a strong correlation between robot-driven and human humeral movements (R min = 0.876). Scapular upward rotation also showed a consistent degree of correlation (R ≥ 0.743) when accounting for multi-segment interactions. Notably, when the scapular suppression mechanism was activated, the resulting SHR pattern remained within a physiological range. In contrast, disabling this mechanism resulted in approximately 6.5º of scapular elevation during abduction and 13.7º during flexion, effectively reproducing the excessive scapular elevation typically observed as a compensatory behavior in frozen shoulder.
Although System I verified the biomechanical validity of the scapular stabilization strategy, redundant degrees of freedom and axial misalignment limited its structural and operational robustness. To address these issues, a refined 3-DoF system (System E) was developed by isolating only the essential functions and simplifying the mechanism. System E incorporated force/torque (F/T)-based scapular sensing and anatomically aligned joint axes, reducing the discrepancy between the glenohumeral (GH) and robot axes by 7–27% across recording and playback conditions. Despite this simplification, the system consistently maintained stable scapular suppression for SHR maintenance. With suppression active, scapular elevation remained near 0º, whereas deactivation resulted in elevations of approximately 7.7º during abduction (at 67º humeral elevation) and 13.2º during flexion (at 68º), clearly demonstrating the functional efficacy of the proposed suppression strategy.
These findings demonstrate that a scapular stabilization strategy grounded in compensatory behavior characteristics, when implemented in a mechanically efficient robotic system, can effectively preserve physiological SHR during PROM exercises. Furthermore, the simplified architecture of System E provides a practical foundation for extending this approach to active-assisted and fully active ROM rehabilitation, highlighting the potential as an individualized and clinically adaptable platform for upper-limb rehabilitation.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iii
• List of Tables vii
• List of Figures viii
• 1 INTRODUCTION 1
• 1.1 Motivation of Thesis 1
• 1.2 Research Hypothesis 2
• 1.3 Contributions of Thesis 3
• 1.4 Overview of Thesis 4
• 2 MEDICAL BACKGROUND & RELATED WORK 6
• 2.1 Biomechanics of the Shoulder 7
• 2.1.1 Shoulder Anatomy 7
• 2.1.2 Scapulohumeral Rhythm (SHR) 11
• 2.2 Frozen Shoulder and Associated Compensatory Movements 12
• 2.2.1 Pathophysiology of Frozen Shoulder 12
• 2.2.2 Compensatory Movement Patterns in Frozen Shoulder 14
• 2.3 Rehabilitation Approaches for Correcting Compensation 16
• 2.4 Limitations of Existing Robotic Systems 18
• 3 DEVELOPMENT OF A COMPENSATION-BEHAVIOR-BASED SCAPULAR STABILIZATION ROBOT 22
• 3.1 Design Objectives and Rehabilitation Strategy 24
• 3.1.1 Design Objectives 25
• 3.1.2 Rehabilitation Strategy 26
• 3.2 Mechanical Design 31
• 3.2.1 Shoulder ROM Exercise Mechanism 31
• 3.2.2 Compensation Suppression Mechanism 36
• 3.2.3 Actuation and Hardware Components 39
• 3.3 Motion Planning and Control 39
• 3.3.1 Setting Neutral Posture as Zero Position 40
• 3.3.2 Recording Phase 41
• 3.3.3 Playback Phase 44
• 3.3.4 Control Architecture 45
• 3.3.5 Safety Mechanisms 47
• 3.4 Encoder-Based Performance Evaluation 47
• 3.4.1 Experimental Setup 49
• 3.4.2 Analysis of Human ROM Response to Robot-Guided Motion Using Manual Measurement 51
• 3.4.3 Recorded Pattern from Unaffected Shoulder 54
• 3.4.4 Control Performance with Playback 58
• 3.4.5 Simulated Frozen Shoulder Analysis 58
• 3.4.6 Application of Unaffected Shoulder Data for Guiding Limited Shoulder Rehabilitation 63
• 3.5 Motion Capture–Based Analysis 65
• 3.5.1 Methodology 66
• 3.5.2 Experimental Protocol 72
• 3.5.3 User Response to Robot-Guided Motion 74
• 3.5.4 Evaluation of Scapular Stabilization 82
• 3.6 Conclusion 84
• 4 DESIGN REFINEMENT AND ENHANCEMENT OF THE SCAPULAR STABILIZATION ROBOT 87
• 4.1 Problems with Initial System 89
• 4.2 Hardware Improvement of the Enhanced System 93
• 4.2.1 Design Strategy for the Enhanced System 93
• 4.2.2 Mechanical Design of the Enhanced System 95
• 4.2.3 Hardware Components 102
• 4.3 Motion Planning and Control 102
• 4.3.1 Fixed Zero Position and Mode Switching 103
• 4.3.2 Recording Phase 103
• 4.3.3 Playback Phase 104
• 4.3.4 Safety 106
• 4.4 Experimental Evaluation 106
• 4.4.1 Objective 106
• 4.4.2 Methods 107
• 4.4.3 Validation of GH Axis Tracking Fidelity 110
• 4.4.4 Functional Preservation under Reduced DoFs 114
• 4.4.5 Encoder-Goniometer Fidelity Under Simulated Constraint 117
• 4.5 Conclusion 120
• 5 GENERAL DISCUSSION AND CONCLUSION 122
• 5.1 General Discussion 122
• 5.2 Conclusion 125
• Abstract (In Korean) 141
• Acknowledgement 143