KR101939581B1 - 보행 재활 로봇 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동으로 보행 재활 훈련이 가능한 보행 재활 로봇 및 그 제어 방법을 제공하는 것이 그 기술적 과제이다. 이를 위해, 본 발명의 보행 재활 로봇의 제어 방법은, 운전 모드를 입력받는 단계, 발 디딤부에 구비된 압력 검출부를 통해 측정된 탑승자 양 발의 압력 중심점(Center of Pressure)(COP)의 위치 및 속도 중 적어도 하나를 기초로 탑승자의 보행 의도를 감지하는 단계, 그리고 탑승자의 보행 의도가 감지되면, 입력된 운전 모드에 따라 구동 모터에 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 인가하여 발 디딤부를 보행 궤적에 따라 움직임으로써 상기 탑승자의 보행을 보조하는 단계를 포함한다.

Description

보행 재활 로봇 및 그 제어 방법{Gait rehabilitation robot and control method thereof}

본 발명은 보행 재활 로봇 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 보행 재활 로봇은 하지 마비나 근력 저하 등의 원인으로 거동이 불편해진 환자의 재활 치료에 사용되는 로봇이다.

고령화로 인해 뇌졸중으로 인한 중추 신경계 질환의 대표 질환의 환자들이 급속히 늘어나고 있다. 이러한 환자에게서 빈번히 발생하는 하지의 운동 능력 저하로 인해 환자가 서기, 걷기, 이동 등 일상생활의 여러 동작을 수행하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, 거동이 불편해진 환자의 재활 치료를 위한 보행 재활 기술의 개발이 지속적으로 이루어지는 추세이다.

도 1은 종래의 보행 운동 기구를 개략적으로 나타낸 도면이다.

종래의 보행 운동 기구는, 도 1에 도시된 바와 같이, 지지판(30)과, 소정 간격만큼 이격되어 평행하고 대칭되게 상기 지지판(30)에서 기립되어 구비된 좌우측 프레임(10, 20)과, 상지의 힘이 전달되는 손잡이(100)와, 손잡이(100) 하부에 결합된 손잡이 레버(200)의 말단과 좌우측 프레임(10, 20)에 일단이 고정 결합되는 제1 손잡이 링크(300)와, 제1 손잡이 링크(300)의 타단과 결합되어 상지의 힘을 전후 방향으로 전달하는 제2 손잡이 링크(400)와, 좌우측 프레임(10, 20)의 좌우 제2 세로바(12, 22)에 연결되는 하중 링크(500)와, 하중 링크(500)의 말단부에 결합되어 보행궤적이 구현되도록 제1 궤적 링크와 제2 궤적 링크로 구성된 궤적링크(600)와, 제1 궤적 링크와 연결되고 발의 누름으로 하지의 힘이 전달되는 발 디딤부와, 그리고 제2 손잡이 링크(400)의 말단 및 제2 궤적 링크 사이에 연결되어 회전함에 따라 상지 운동과 하지 운동이 계속적으로 반복 수행될 수 있도록 하는 회전 링크(700)을 포함한다. 따라서, 이러한 기술구성을 제공하므로, 보행 궤적의 구현으로 상체와 하체의 힘을 서로 보상하여 균형감 있는 보행 훈련을 가능하게 할 수 있다.

하지만, 종래의 보행 운동 기구는, 장애인이 직접 자신의 신체 능력으로 보행 재활 훈련을 하는 수동 타입이므로, 중증의 뇌졸중 장애인이 사용하기 위해서는 여러 명의 치료사를 필요로 한다. 즉, 중증의 뇌졸중 장애인의 경우 마비 측의 신체를 컨트롤할 수 있는 능력이 현저히 낮기 때문에 보행 재활 훈련을 하는 데 있어 여러 명의 치료사가 필요하다.

또한, 중증의 뇌졸중 장애인의 경우, 보행 재활 시 반장슬(무릎의 과도한 펴짐 현상)이 발생해 무릎 관절에 부상이 발생되는 문제점이 있어, 이를 방지하기 위해 치료사의 물리력으로 반장슬을 제어해야 함으로 인해 연속적인 보행 재활 훈련에 한계가 있다.

한국 등록특허공보 제10-1661465호(등록일: 2016년 09월 26일)

본 발명의 기술적 과제는, 자동으로 보행 재활 훈련이 가능한 보행 재활 로봇 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 기술적 과제는, 치료사의 도움 없이도 반장슬을 억제시킬 수 있는 보행 재활 로봇을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 구동 모터로부터 동력이 전달되면 미리 정해진 보행 궤적에 따라 움직이는 발 디딤부를 포함하는 보행 재활 로봇의 제어 방법은, 운전 모드를 입력받는 단계, 발 디딤부에 구비된 압력 검출부를 통해 측정된 탑승자 양 발의 압력 중심점(Center of Pressure)(COP)의 위치 및 속도 중 적어도 하나를 기초로 탑승자의 보행 의도를 감지하는 단계, 그리고 상기 탑승자의 보행 의도가 감지되면, 상기 입력된 운전 모드에 따라 상기 구동 모터에 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 인가하여 상기 발 디딤부를 보행 궤적에 따라 움직임으로써 상기 탑승자의 보행을 보조하는 단계를 포함한다.

상기 입력된 운전 모드가 제1 모드이면, 상기 구동 모터에 미리 정해진 듀티비를 가지는 PWM 신호를 일정하게 인가할 수 있다.

상기 입력된 운전 모드가 제2 모드이면, 탑승자 양 발의 COP의 위치 및 속도를 기초로 구해지는 탑승자의 발목 토크를 계산하고, 상기 구동 모터에 상기 계산된 발목 토크에 비례하는 듀티비를 가지는 PWM 신호를 인가할 수 있다.

상기 방법은, 상기 탑승자의 양 발의 하중을 이용하여 자동 정지 조건을 만족하는지 판단하는 단계, 그리고 상기 자동 정지 조건이 만족하면 상기 탑승자의 보행을 보조하는 동작을 정지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 탑승자의 양 발의 하중 차이가 미리 정해진 기준 이상으로 일정 시간 이상 지속되면, 상기 자동 정지 조건이 만족될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 보행 재활 로봇은, 구동 모터로부터 동력이 전달되면 미리 정해진 보행 궤적에 따라 움직이는 발 디딤부, 운전 모드를 입력받는 입력부, 그리고 상기 발 디딤부에 구비된 압력 검출부를 통해 측정된 탑승자 양 발의 압력 중심점(Center of Pressure)(COP)의 위치 및 속도 중 적어도 하나를 기초로 탑승자의 보행 의도를 파악하고, 상기 탑승자의 보행 의도가 감지되면, 상기 입력된 운전 모드에 따라 상기 구동 모터에 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 인가하여 상기 발 디딤부를 보행 궤적에 따라 움직이게 하여 상기 탑승자의 보행을 보조하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 제어부는, 상기 입력된 운전 모드가 제1 모드이면, 상기 구동 모터에 미리 정해진 듀티비를 가지는 PWM 신호를 일정하게 인가할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 입력된 운전 모드가 제2 모드이면, 탑승자 양 발의 COP의 위치 및 속도를 기초로 구해지는 탑승자의 발목 토크를 계산하고, 상기 구동 모터에 상기 계산된 발목 토크에 비례하는 듀티비를 가지는 PWM 신호를 인가할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 탑승자의 양 발의 하중을 이용하여 자동 정지 조건을 만족하는지 판단하고, 상기 자동 정지 조건이 만족하면 상기 탑승자의 보행을 보조하는 동작을 정지시킬 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 보행 재활 로봇 및 그 제어 방법은 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 탑승자의 보행 의도를 검출하고, 보행 의도에 맞추어 보행 훈련을 지원할 수 있다.

또한 운전 모드에 따라 제어부에 의해 구동 모터의 회전수 등을 제어할 수 있어, 뇌졸중 장애인들의 보행 재활에 있어 환자와 치료사 모두에게 안정적이고 힘들지 않게 자동으로 보행 재활을 할 수 있고, 환자중심의 재활 훈련으로 몰입감을 높일 수 있다.

또한, 탑승자의 보행 의도에 맞추어 보행 재활 로봇을 자동 정지시킴으로써 안전 사고 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 종래의 보행 운동 기구를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 로봇을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 보행 재활 로봇에서 보행 궤도 레일 등을 제거하여 우측에서 바라본 도면이다.
도 4는 도 3의 보행 재활 로봇 중 링크 유닛을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2의 보행 재활 로봇에서 구동 모터, 동력 전달부, 그리고 링크 유닛이 보이도록 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 보행 재활 로봇에 반장슬 억제부가 장착된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 반장슬 억제부에 의해 반장슬이 억제된 상태를 하나의 보행 사이클을 통해 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 도 3의 보행 재활 로봇 중 하퇴 고정부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 하퇴 고정부의 하퇴 파지부가 위치 조절되는 상태를 화살표로 나타낸 도면이다.
도 10은 도 3의 보행 재활 로봇 중 입력부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 발 디딤부에 장착된 압력 검출부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 로봇의 제어 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 탑승자 발의 토크를 계산하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 로봇의 자동 정지 동작을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 로봇을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 보행 재활 로봇에서 보행 궤도 레일 등을 제거하여 우측에서 바라본 도면이고, 도 4는 도 3의 보행 재활 로봇 중 링크 유닛을 개략적으로 나타낸 도면이며, 그리고 도 5는 도 2의 보행 재활 로봇에서 구동 모터, 동력 전달부, 그리고 링크 유닛이 보이도록 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 로봇(100)은, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 발 디딤부(10)를 포함하는 보행 재활 로봇으로, 프레임부(110)와, 링크 유닛(130)과, 그리고 구동 모터(140)를 포함할 수 있다. 이하, 도 2 내지 도 5를 계속 참조하여, 각 구성요소에 대해 상세히 설명한다.

프레임부(110)는, 본 발명의 보행 재활 로봇(100)의 뼈대 역할을 하는 구성요소로, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 수평 받침부(111)와 이의 양측에 각각 수직되게 놓이는 수직 받침부(112)를 포함할 수 있다. 나아가, 도시되지는 않았지만, 외관 및 안전을 위해, 수직 받침부(112) 및 이에 구비되는 링크 유닛(130) 등은 커버 부재(미도시)에 의해 덮일 수 있다. 나아가, 발 디딤부(10)가 보행 궤적을 그리는 동안 발 디딤부(10)가 접하거나 떨어질 수 있도록, 도 2에 도시된 바와 같이 보행 궤도 레일(120)이 수평 받침부(111)에 더 구비될 수 있다.

링크 유닛(130)은, 발 디딤부(10)에 보행 궤적을 제공하는 구성요소로, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 발 디딤부(10)와 프레임부(110) 사이에 구비될 수 있다.

예를 들어, 링크 유닛(130)은, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 링크 부재(131), 제2 링크 부재(132), 제3 링크 부재(133), 그리고 제4 링크 부재(134)를 포함할 수 있다. 제1 링크 부재(131)는 구동 모터(140)의 동력을 제일 먼저 전달 받는 구성요소로 제1 링크 부재(131)의 일단은 제1 힌지(H1)를 통해 수직 받침부(112)에 회동 가능하게 구비될 수 있다. 제2 링크 부재(132)는 그 중심 부분에 벤딩부(132a)를 가지는 절곡된 형상을 하며 제2 링크 부재(132)의 일단은 제2 힌지(H2)를 통해 제1 링크 부재(131)의 타단에 회동 가능하게 구비될 수 있다. 제3 링크 부재(133)의 일단은 제3 힌지(H3)를 통해 제2 링크 부재(132)의 타단에 회동 가능하게 구비될 수 있고 제3 링크 부재(133)의 타단은 발 디딤부(10)에 구비될 수 있다. 제4 링크 부재(134)의 일단은 제4 힌지(H4)를 통해 제2 링크 부재(132)의 벤딩부(132a)에 회동 가능하게 구비되고, 제4 링크 부재(134)의 타단은 제5 힌지(H5)를 통해 수직 받침부(112)의 상부에 회동 가능하게 구비되어, 제4 힌지(H4)를 원호를 그리며 이동시킴과 동시에 제4 힌지(H4)에 미치는 하중을 지지할 수 있다. 따라서, 제4 힌지(H4)가 제4 링크 부재(134)에 의해 원호를 그리면서 이동되는 동안 절곡된 형상의 제2 링크 부재(132) 또한 이동되면서 제2 링크 부재(132)의 타단에 제3 힌지(H3)에 의해 회동 가능하게 구비된 제3 링크 부재(133) 및 발 디딤부(10)에 보행 궤적을 제공할 수 있다(도 7 참조).

나아가, 도 4에 도시된 바와 같이, 발 디딤부(10)가 제일 아래에 위치될 때, 제4 및 제5 힌지(H4)(H5)는, 수평 받침부(111)에 수직한 가상의 수직선(VL) 상에 아래에서 위로 간격을 두고 순차적으로 위치될 수 있고, 제2 힌지(H2)와 제1 힌지(H1)는 가상의 수직선(VL) 뒤(탑승자를 기준으로 뒤)로 간격을 두고 순차적으로 위치될 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 힌지(H2)는 제1 힌지(H1) 보다 높고 제5 힌지(H5)보다 낮게 위치될 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 링크 부재(132)는 벤딩부(132a)에서 둔각(θ)을 이루며 절곡될 수 있다.

구동 모터(140)는, 링크 유닛(130)을 자동으로 구동시키기 위한 구성요소로, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 프레임부(110)에 구비될 수 있다. 구체적으로, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 구동 모터(140)는 수평 받침부(111)에 구비될 수 있고, 나아가 동력 전달부(150)를 통해 제1 링크 부재(131)로 동력을 전달할 수 있다.

예를 들어, 동력 전달부(150)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 구동축(driving shaft)(151), 제1 풀리-벨트(first pulley-belt)(152), 그리고 제2 풀리-벨트(second pulley-belt)(153)를 포함할 수 있다. 구동축(151)은 수평 받침부(111)에 회동 가능하게 구비될 수 있고, 제1 풀리-벨트(152)는 구동 모터(140)의 동력을 구동축(151)으로 전달하는 역할을 할 수 있으며, 그리고 제2 풀리-벨트(153)는 구동축(151)의 동력을 제1 링크 부재(131)로 전달하는 역할을 할 수 있다. 나아가, 제1 및 제2 풀리-벨트(152)(153)는 오른발이 놓이는 발 디딤부와 왼발이 놓이는 발 디딤부 간의 정확한 시간 차를 주기 위해 2개의 타이밍 풀리timing pulley)와 이를 연결하는 타이밍 벨트(timing belt)로 이루어질 수 있다.

따라서, 이러한 기술구성이 제공되므로, 구동 모터(140)의 구동으로 링크 유닛(130)이 발 디딤부(10)에 보행 궤적을 연속적으로 제공할 수 있어, 자동으로 보행 재활 훈련이 가능할 수 있다. 특히, 후술할 운전 모드에 따라 제어부(미도시)에 의해 구동 모터(140)의 회전수 등을 제어할 수 있어, 뇌졸중 장애인들의 보행 재활에 있어 환자와 치료사 모두에게 안정적이고 힘들지 않게 자동으로 보행 재활을 할 수 있고, 환자중심의 재활 훈련으로 몰입감을 높일 수 있다.

이와 더불어, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 로봇(100)은, 도 3, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 반장슬 억제부(160)를 더 포함할 수 있다.

도 6은 도 5의 보행 재활 로봇에 반장슬 억제부가 장착된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 7은 반장슬 억제부에 의해 반장슬이 억제된 상태를 하나의 보행 사이클을 통해 개략적으로 나타낸 도면이다.

반장슬 억제부(160)는, 편 마비로 인한 무릎 펴짐 현상을 방지하여 무릎 관절에 가해지는 충격을 최소화하기 위한 구성요소로, 도 3, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 링크 유닛(130)에 구비될 수 있다.

예를 들어, 반장슬 억제부(160)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 높이 조절 부재(161)와 반장슬 억제봉(162)을 포함할 수 있다. 높이 조절 부재(161)는 제4 링크 부재(134)에 상하 이동 가능하게 구비될 수 있고, 반장슬 억제봉(162)은 높이 조절 부재(161)에 구비되며 탑승자의 무릎 관절이 접히도록 높이 조절 부재(161)에서 탑승자 측으로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 발이 바닥을 디디는 순간 반장슬 억제봉(162)이 탑승자의 무릎 관절의 뒷 부분을 가압하게 되므로, 하나의 보행 사이클(1 Gait Cycle)이 이루어지는 동안, 탑승자의 무릎의 펴짐 현상을 막을 수 있다. 궁극적으로, 치료사의 도움 없이도 반장슬(무릎의 과도한 펴짐 현상)을 억제시킬 수 있어, 환자중심의 연속적인 재활 훈련의 효과를 더욱 높일 수 있다.

나아가, 도 6에 도시된 바와 같이, 반장슬 억제봉(162)은 수평 실린더(163)를 통해 높이 조절 부재(161)에 전후(탑승자를 기준으로 전후) 이동 가능하게 구비될 수 있고, 반장슬 억제봉(162)에 의해 무릎 관절 측에 가해지는 충격을 흡수하기 위해 수평 실린더(163)와 반장슬 억제봉(162) 사이에 코일 스프링 등의 충격 흡수 부재(164)가 구비될 수 있으며, 그리고 반장슬 억제봉(162)은 수평 실린더(163)에 수직되게 놓일 수 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 높이 조절 부재(161)는 제4 링크 부재(134)에 형성되는 높이 조절홈(165)에 끼워지되 마그네틱(166)에 의해 착탈 가능하게 구비될 수 있다. 따라서, 별도의 볼트를 풀거나 조이는 조장이 필요 없어 착탈이 용이할 수 있다.

이와 더불어, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 로봇(100)은, 도 3, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 하퇴 고정부(170)를 더 포함할 수 있다.

도 8은 도 3의 보행 재활 로봇 중 하퇴 고정부를 개략적으로 나타낸 도면이며, 그리고 도 9는 도 8의 하퇴 고정부의 하퇴 파지부가 위치 조절되는 상태를 화살표로 나타낸 도면이다.

하퇴 고정부(170)는, 탑승자의 하퇴부를 고정시키기 위한 구성요소로, 도 3, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 링크 유닛(130)에 구비될 수 있다.

예를 들어, 하퇴 고정부(170)는, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상하 위치 조절부(171)와 하퇴 파지부(172)를 포함할 수 있다. 상하 위치 조절부(171)는 하퇴 파지부(172)의 상하 위치를 조절하는 구성요소로 제3 링크 부재(133)에 구비될 수 있고, 하퇴 파지부(172)는 탑승자의 하퇴부를 파지하는 구성요소로 상하 위치 조절부(171)에 의해 상하 위치가 조절될 수 있다. 따라서, 보행 재활 시 치료사의 도움 없이도 환자의 하퇴부의 외회전과 내회전을 억제할 수 있어, 환자중심의 연속적인 재활 훈련의 효과를 더욱 더 높일 수 있다.

여기서, 상하 위치 조절부(171)는, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 수직 실린더(171a)와 위치 조절 피스톤(171b)을 포함할 수 있다. 수직 실린더(171a)의 하단부는 제3 링크 부재(133)에 구비될 수 있고, 위치 조절 피스톤(171b)은 수직 실린더(171a)에 삽입되어 수직 실린더(171a)에 상하 이동되고 좌우 회전될 수 있으며 그 상단부에 하퇴 파지부(172)가 놓일 수 있다. 따라서, 하퇴 파지부(172)의 높이를 조절하여 하퇴 파지부(172)를 탑승자의 하퇴부에 맞출 수 있다.

나아가, 수직 실린더(171a)는, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 전후 위치 조절부(173)에 의해 제3 링크 부재(133)에 전후(탑승자를 기준으로 전후) 이동 가능하게 구비될 수 있다. 구체적으로, 전후 위치 조절부(173)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 제3 링크 부재(133)에 구비되는 전후 안내 레일(173a)과 수직 실린더(171a)에 구비되며 전후 안내 레일(173a)을 따라 이동되는 전후 이동 부재(173b)를 포함할 수 있다. 따라서, 하퇴 파지부(172)의 전후 위치를 조절하여 하퇴 파지부(172)를 전후 위치로 치우쳐진 탑승자의 하퇴부에 맞출 수 있다.

나아가, 전후 안내 레일(173a)은, 도 9에 도시된 바와 같이, 좌우 위치 조절부(174)에 의해 제3 링크 부재(133)에 좌우(탑승자를 기준으로 좌우) 이동 가능하게 구비될 수 있다. 구체적으로, 좌우 위치 조절부(174)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 제3 링크 부재(133)에 구비되는 좌우 안내 레일(174a)과 전후 안내 레일(173a)에 구비되며 좌우 안내 레일(174a)을 따라 이동되는 좌우 이동 부재(174b)를 포함할 수 있다. 따라서, 하퇴 파지부(172)의 좌우 위치를 조절하여 하퇴 파지부(172)를 좌우 위치로 치우쳐진 탑승자의 하퇴부에 맞출 수 있다.

이와 더불어, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 로봇(100)은, 도 10에 도시된 바와 같이, 입력부(181)와 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

도 10은 도 3의 보행 재활 로봇 중 입력부를 개략적으로 나타낸 도면이다.

입력부(181)는 프레임부(110)에 구비되며 운전 모드를 포함할 수 있고, 제어부는 운전 모드에 따라 구동 모터(140)가 제어되도록 설정된 프로그램에 의해 동작하는 하나 이상의 마이크로 프로세서로 구현될 수 있다. 따라서, 운전 모드에 따라 제어부에 의해 구동 모터(140)의 회전수 등을 제어할 수 있어, 뇌졸중 장애인들의 보행 재활에 있어 환자와 치료사 모두에게 안정적이고 힘들지 않게 자동으로 보행 재활을 할 수 있고, 환자중심의 재활 훈련으로 몰입감을 높일 수 있다.

나아가, 도 11은 발 디딤부에 장착된 압력 검출부를 개략적으로 나타낸 도면이다. 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 로봇(100)은, 도 11에 도시된 바와 같이, 발 디딤부(10)에 구비되어 탑승자의 족압의 변화를 검출하는 압력 검출부(183)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 제어부(미도시)는, 압력 검출부(183)에서 검출된 족압의 변화에 따라 구동 모터(140)의 온/오프를 제어할 수 있다. 따라서, 환자가 짝다리를 짚는 등으로 오른발과 왼발 사이의 족압의 차이가 참조치(예를 들어, 30N) 이상으로 발생되면 구동 모터(140)를 정지시키는 방식으로, 환자중심의 안전한 재활 훈련이 가능할 수 있다.

또한, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 로봇(100)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 수평 받침부(111)에 구비되되 탑승자의 전방에 구비되는 거울(184)을 더 포함할 수 있다. 따라서, 환자가 거울(184)을 통해 자신의 모습을 볼 수 있어, 보행 재활의 몰입감을 더욱 높일 수 있다.

나아가, 도 2에 도시된 바와 같이, 거울(184)에는 탑승자에게 정보를 제공하기 위한 디스플레이부(184a)가 구비될 수 있다. 따라서, 환자가 거울을 통해 훈련 시간, 이동 거리, 보행 속도, 심박수 등의 정보를 볼 수 있어, 보행 재활의 몰입감을 더욱 더 높일 수 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 로봇의 제어 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.

도 12를 참고하면, 먼저 탑승자가 보행 재활 로봇(100)에 탑승할 때 넘어지는 것을 방지하기 위해서, 발 디딤부(10)를 정지 상태로 유지하기 위한 브레이크 기능을 온(ON) 시킬 수 있다(S1210). 이를 위해 보행 재활 로봇(100)은 발 디딤부(10)를 고정시키거나 링크 유닛(130)을 고정시키기 위한 브레이크 수단(도시하지 않음)을 구비할 수 있다.

보행 재활 로봇(100)의 브레이크 기능이 온 된 상태에서, 탑승자가 양 발을 발 디딤부(10)에 올려놓고 기립 자세를 취하면, 제어부는 양 발의 압력 중심점(Center of Pressure)(COP)을 측정할 수 있다. 이 상태에서 측정된 양 발의 COP를 기준점으로 정하고, 이후 탑승자의 보행 의도를 파악하거나, 발목 토크를 구하는데 이용할 수 있다. 물론 실시예에 따라서 발 디딤부(10)의 중심점을 기준점으로 정하는 것도 가능하다.

한편 탑승자가 보행 재활 로봇(100)에 탑승한 이후에, 탑승자 또는 훈련 보조자가 입력부(181)를 통해 운전 모드를 입력할 수 있다(S1220). 단계(S1220)에서 운전 모드는 탑승자의 양 발목에 일정한 토크를 보조해주는 일정 보조 모드(Constant Assist Mode)와 탑승자의 보행 의도에 따라 보조해주는 토크를 변화시키는 가변 보조 모드(Variable Assist Mode)를 포함할 수 있다.

한편 실시예에 따라서 운전 모드와 함께 보조해주는 토크의 세기를 미리 정해진 레벨(level)을 선택 받는 게인(gain) 설정 받을 수 있다(S1230). 여기서 레벨은 높음(high), 보통(medium), 낮음(Low) 등과 같이 설정될 수 있다. 물론 3가지 단계 이외에 더 많은 단계로 구분하는 것도 가능하며, 실시예에 따라서는 높음과 낮음으로만 구분하거나, 아예 레벨을 구분하지 않을 수도 있다.

다음으로 보행 재활 로봇(100)의 제어부는 탑승자 또는 훈련 보조자가 입력부(181)를 통해 동작 명령을 입력하면(S1240-Y), 브레이크 기능을 오프(OFF) 시킬 수 있다(S1250). 한편 동작 명령이 입력되지 않으면(S1240-N), 보행 재활 로봇(100)의 제어부는 브레이크 기능을 계속 온 상태로 유지함으로써 탑승자가 부상을 입는 것을 방지할 수 있다.

이후 보행 재활 로봇(100)의 제어부는 탑승자의 보행 의도를 감지할 수 있다(S1260). 단계(S1260)에서 제어부는 발 디딤부(10)에 구비된 압력 검출부(183)를 통해 측정된 탑승자 양 발의 압력 중심점(Center of Pressure)(COP)의 위치 및 속도 중 적어도 하나를 기초로 탑승자의 보행 의도를 파악할 수 있다.

가령 좌측 발과 우측 발의 COP의 위치가 양 발의 기준점으로부터 일정 거리 이상 멀어지거나 멀어지는 속도가 일정 기준 이상이면 보행 의도가 있는 것으로 파악할 수 있다. 또는 발 디딤부(10)에 관성 센서를 부착하여 발 디딤부(10)의 속도를 구하고, 이를 기준으로 탑승자의 보행 의도를 파악하도록 구현하는 것도 가능하다.

탑승자의 보행 의도가 감지되면(S1260-Y), 제어부는 구동 모터(140)에 PWM 신호를 인가하여 발 디딤부(10)를 보행 궤적에 따라 움직임으로써 탑승자의 보행을 보조할 수 있다(S1270). 단계(S1270)에서 제어부는 구동 모터(140)에 인가되는 PWM 신호를 단계(S1220)에서 입력된 운전 모드에 따라 다르게 제어할 수 있다.

운전 모드가 일정 보조 모드(Constant Assist Mode)인 경우, 제어부는 구동 모터(140)에 미리 정해진 듀티비를 가지는 PWM 신호를 일정하게 인가함으로써, 탑승자의 양 발목에 일정한 세기의 토크를 보조할 수 있다. 단계(S1230)에서 설정된 게인(gain)에 대응하는 토크가 인가되도록 PWM 듀티비는 정해질 수 있다.

한편 운전 모드가 가변 보조 모드(Variable Assist Mode)인 경우, 제어부는 탑승자 양 발의 COP의 위치 및 속도를 기초로 구해지는 탑승자의 발목 토크를 계산하고, 구동 모터(140)에 앞서 계산된 발목 토크에 비례하는 듀티비를 가지는 PWM 신호를 인가할 수 있다. 가령 탑승자의 발목 토크의 세기가 커지면 탑승자가 더 강하게 보행 훈련을 하려는 것으로 판단하고 PWM 듀티비를 높게 가변시킴으로써, 탑승자의 발목에 더 강한 토크가 보조되도록 할 수 있다. 반대로 탑승자의 발목 토크의 세기가 작아지면 탑승자가 현재보다 약하게 보행 훈련을 하려는 것으로 판단하고 PWM 듀티비를 낮게 가변시킴으로써, 탑승자의 발목에 현재보다 약한 토크가 보조되도록 할 수 있다.

한편 실시예에 따라 COP에 의한 보행 의도를 파악하지 않고, 탑승자 또는 훈련 보조자가 보행 재활 로봇(100)에 구비된 동작 버튼(도시하지 않음)을 누르면 동작 명령을 입력하면(S1240-Y), 브레이크 오프 단계(S1250) 이후에 바로 단계(S1270)를 수행하도록 구현하는 것도 가능하다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 탑승자 발의 토크를 계산하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.

도 13에서 점(P_R)은 앞서 설명한 기준점이고 점(P_COP)은 COP를 나타낸 것이다. 그리고 COP에서 측정되는 하중, 즉 수직력(Force)을 양 점(Pr, Pcop) 사이의 거리와 곱하면 발목 토크를 구할 수 있다.

[수식 1]

여기서 τ는 탑승자 발목 토크이다.

D는 기준점과 COP 사이의 거리이다.

Force는 COP에서 구해지는 수직력이다.

수식 1을 이용하여 좌측 발목 토크(τ_L )와 우측 발목 토크(τ_R)를 계산한 후, 아래 수식 2에 적용하여 PWM OUTPUT을 계산할 수 있다. PWM OUTPUT은 좌측 발목 토크와 우측 발목 토크가 변화되면 함께 변화될 수 있다.

[수식 2]

PWM OUTPUT = Kτ×(τ_R+τ_L)

여기서 PWM OUTPUT은 구동 모터(140)에 인가되는 PWM 신호의 듀티비이다.

Kτ는 단계(S1230)에서 선택된 게인 레벨에 대응하여 정해지는 상수이다.

τ_R은 탑승자 우측 발목의 토크 세기이다.

τ_L은 탑승자 좌측 발목의 토크 세기이다.

가변 보조 모드에서, 제어부는 수식 2에서 계산된 PWM OUTPUT에 대응하는 듀티비를 가지도록 PWM 신호를 가변시키면서 구동 모터(140)에 인가할 수 있다.

다시 도 12를 참고하면, 제어부는 단계(S1270)를 수행하다가 입력부(181)를 통해 탑승자 또는 훈련 보조자로부터 동작 정지 명령이 입력되면(S1280-Y), 다시 구동 모터(140)에 PWM 신호 인가를 중단하여 정지시키고, 브레이크 기능을 다시 온(ON) 시킬 수 있다(S1210).

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 로봇의 자동 정지 동작을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.

도 14를 참고하면, 제어부는 단계(S1270)를 수행하면서 탑승자의 양 발의 하중을 이용하여 자동 정지 조건이 만족하는지 판단할 수 있다(S1410, S1420). 구체적으로 제어부는 먼저 탑승자의 양 발의 하중 차이가 기준 이상인지 판단한다(S1410). 양 발의 하중 차이가 30N 이상이면 기준 이상인 것으로 판단하도록 구현할 수 있으나, 그 기준은 실시예에 따라서 다르게 설정될 수 있다. 가령 탑승자의 몸무게나 연령, 성별 등에 따라 기준을 다르게 설정할 수 있다.

다음으로 양 발의 하중 차이가 기준 이상이면(S1410-Y), 제어부는 양 발의 하중 차이가 기준 이상으로 유지되면서 일정 시간이 경과했는지 판단한다(S1420).

양 발의 하중 차이가 기준 이상으로 일정 시간이 경과하면(S1420-Y), 제어부는 자동 정지 조건이 만족한 것으로 판단하고 보행 재활 로봇(100)이 탑승자의 보행을 보조하던 동작을 자동으로 정지하도록 할 수 있다(S1430).

마지막으로 제어부는 브레이크 기능을 오프시킴으로써, 탑승자가 보행 재활 로봇(100)에서 내려올 때 발 디딤부(10)가 움직이지 않게 할 수 있다(S1440).

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10: 발 디딤부 100: 보행 재활 로봇
110: 프레임부 111: 수평 받침부
112: 수직 받침부 120: 보행 궤도 레일
130: 링크 유닛 131: 제1 링크 부재
132: 제2 링크 부재 132a: 벤딩부
133: 제3 링크 부재 134: 제4 링크 부재
140: 구동 모터 150: 동력 전달부
151: 구동축 152: 제1 풀리-벨트
153: 제2 풀리-벨트 160: 반장슬 억제부
161: 높이 조절 부재 162: 반장슬 억제봉
163: 수평 실린더 164: 충격 흡수 부재
165: 높이 조절홈 166: 마그네틱
170: 하퇴 고정부 171: 상하 위치 조절부
171a: 수직 실린더 171b: 위치 조절 피스톤
172: 하퇴 파지부 173: 전후 위치 조절부
173a: 전후 안내 레일 173b: 전후 이동 부재
174: 좌우 위치 조절부 174a: 좌우 안내 레일
174b: 좌우 이동 부재 181: 입력부
182: 제어부 183: 압력 검출부
184: 거울 184a: 디스플레이부
H1: 제1 힌지 H2: 제2 힌지
H3: 제3 힌지 H4: 제4 힌지
H5: 제5 힌지 VL: 가상의 수직선

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 구동 모터로부터 동력이 전달되면 미리 정해진 보행 궤적에 따라 움직이는 발 디딤부,
   운전 모드를 입력받는 입력부, 그리고
   상기 발 디딤부에 구비된 압력 검출부를 통해 측정된 탑승자 양 발의 압력 중심점(Center of Pressure)(COP)의 위치를 기초로 탑승자의 보행 의도를 파악하고, 상기 탑승자의 보행 의도가 감지되면, 상기 입력된 운전 모드에 따라 상기 구동 모터에 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 인가하여 상기 발 디딤부를 보행 궤적에 따라 움직이게 하여 상기 탑승자의 보행을 보조하도록 제어하는 제어부
   를 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 입력된 운전 모드가 가변 보조 모드이면, 탑승자 양 발의 COP의 위치 및 양 발의 COP에서 구해지는 수직력을 기초로 탑승자의 좌측 발목 토크 및 우측 발목 토크를 계산하고, 상기 좌측 발목 토크 및 상기 우측 발목 토크의 합에 비례하는 듀티비를 가지는 PWM 신호를 상기 구동 모터에 인가하고, 상기 탑승자의 양 발의 하중을 이용하여 자동 정지 조건을 만족하는지 판단하고, 상기 자동 정지 조건이 만족하면 상기 탑승자의 보행을 보조하는 동작을 정지시키며,
   상기 탑승자의 양 발의 하중 차이가 미리 정해진 기준 이상으로 일정 시간 이상 지속되면, 상기 자동 정지 조건이 만족되는 보행 재활 로봇.
7. 제 6 항에서,
   상기 제어부는,
   상기 입력된 운전 모드가 일정 보조 모드이면, 상기 구동 모터에 미리 정해진 듀티비를 가지는 PWM 신호를 일정하게 인가하는 보행 재활 로봇.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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