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KR20150090354A - 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 방법 - Google Patents

보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 방법 Download PDF

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KR20150090354A
KR20150090354A KR1020140010427A KR20140010427A KR20150090354A KR 20150090354 A KR20150090354 A KR 20150090354A KR 1020140010427 A KR1020140010427 A KR 1020140010427A KR 20140010427 A KR20140010427 A KR 20140010427A KR 20150090354 A KR20150090354 A KR 20150090354A
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signal
robot
assist robot
muscle
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윤성조
서진호
허용석
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한국로봇융합연구원
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Abstract

본 발명은 보행 보조 로봇에 관한 것으로서, 더 상세하게는 보행 보조 로봇 외골격 안쪽에 의복형 착용 도구를 구비하고, 그 의복 착용 도구에 재활 치료의 대상이 되는 근육의 신경근 접합부를 자극할 수 있는 위치에 설정되도록 위치를 결정하여 전극을 부착하고, 재활 치료 대상이 되는 마비된 신체 부분의 수의근 생체 신호(예를 들면, EMG: ElectroMyoGram)를 이용하여 마비된 신체 부분의 하나 이상의 수의근을 자극하도록 하고, 보행 보조 로봇 외골격의 액츄에이터를 그 생체 신호를 이용하여 제어하는 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 장치 및 방법에 대한 것이다.

Description

보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 장치 및 방법{Muscle rehabilation training method and apparatus using walking-assistive robot}
본 발명은 보행 보조 로봇에 관한 것으로서, 더 상세하게는 보행 보조 로봇 외골격 안쪽에 의복형 착용 도구를 구비하고, 그 의복 착용 도구에 재활 치료의 대상이 되는 근육의 신경근 접합부를 자극할 수 있는 위치에 설정되도록 위치를 결정하여 전극을 부착하고, 재활 치료 대상이 되는 마비된 신체 부분의 수의근 생체 신호(예를 들면, EMG: ElectroMyoGram)를 이용하여 마비된 신체 부분의 하나 이상의 수의근을 자극하도록 하고, 보행 보조 로봇 외골격의 액츄에이터를 그 생체 신호를 이용하여 제어하는 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 장치 및 방법에 대한 것이다.
일반적으로 착용식 외골격 보행 보조 로봇은 인체의 내골격 구조에 대응되는 외골격 구조의 외형으로 구현되고, 이를 착용한 사용자가 움직이고자 하는 동기 신호를 수신하면, 해당 동기 신호에 대응되는 모터, 유압실린더, 인공근육 등의 액추에이터를 작동시킴으로써, 사용자의 근력을 지원하는 로봇이다.
이러한 착용식 외골격 보행 보조 로봇은 크게 사용자의 상반신 근육의 근력을 지원하는 상지 구조물 및 사용자의 하반신 근육의 근력을 지원하는 하지 구조물로 구분되는데, 여기서 하지 구조물의 경우, 사용자의 신발에 착용되는 신발 착용부가 각각 구비된 한 쌍의 다리 구조체, 한 쌍의 다리 구조체를 사용자의 허리에 착용되는 골반 구조체에 각각 회동 가능하게 연결하는 한 쌍의 고관절 구조체를 포함하여 이루어진다.
도 1은 이와 같은 하지 구조물에 해당하는 착용식 외골격 보행 보조 로봇의 고관절 구조체(30)를 골반 구조체(10)에 조립된 상태로 도시한 사시도이다. 일반적인 착용식 외골격 보행 보조 로봇용 고관절 구조체(30)는, 일단이 골반 구조체(10)에 수평인 제1축(1)을 기준으로 회동가능하게 설치되는 긴 막대 형상의 회동부재(31), 이 회동부재(31)의 타단에 설치되는 회동체(32), 수직인 제2축(2)을 기준으로 회동 가능하게 회동체(32)의 하측에 설치되며 다리 구조체의 상단부가 제3축(3)을 기준으로 회동 가능하게 연결되는 연결체(33) 및 회동부재(31)의 회동 범위를 제한하도록 골반 구조체(10)에 설치되는 한 쌍의 스토퍼(34)로 이루어진다.
이와 같은 종래의 착용식 외골격 보행 보조 로봇용 고관절 구조체(30)는, 그 동작이 인체의 고관절과 최대한 유사하게 구현될 수 있도록 서로 직각을 이루는 세 개의 축(1, 2, 3)을 기준으로 각각 회동될 수 있게 설계되었다.
그러나 이 고관절 구조체(30)는 다리 구조체를 통해 인가되는 충격과 외력이 연결체(33)와 회동체(32)를 통해 회동부재(31)의 타단에 전달되면, 이 충격과 외력은 상당한 길이를 갖는 회동부재(31)를 거쳐 그 일단의 골반 구조체(10)와의 연결 부분에 집중 인가된다.
따라서 회동부재(31)와 골반 구조체(10)의 연결 부분은, 회동부재(31)를 통해 전달되면서 회동부재(31)의 길이로 인해 증폭되어 굽힘력, 회전력, 비틀림력 형태로 인가되는 충격과 외력에 의해, 그 내구성이 취약한 문제점이 있으며, 이러한 문제점은 사용자가 착용식 외골격 보행 보조 로봇을 착용하고 고중량물에 대한 양중작업 등 고부하 작업을 진행할 때에 더욱 부각될 수 있다.
이를 보완하기 위해, 회동부재(31)와 골반 구조체(10)의 연결 부분에 고하중을 지지할 수 있는 큰 용량의 감속기나 추가적인 베어링을 설치하기도 하지만, 이 경우 로봇의 제조 단가와 중량이 상승하는 단점이 있다.
그리고 이처럼 긴 길이의 회동부재(31)의 동작이 회동부재(31)와 골반 구조체(10)의 연결 부분, 즉 한 점으로 지지된 상태로 이루어짐에 따라, 고부하 작업시에 회동부재(31)의 동작이 불안정해져서 이 회동부재(31)의 타단에 설치된 다리 구조체의 동작이 전체적으로 불안정해지는 문제점이 있다.
한편, 일반적인 착용식 외골격 보행 보조 로봇용 고관절 구조체에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 회동부재(31)의 회동 범위를 제한하는 한 쌍의 스토퍼(34)가 골반 구조체(10)의 회동부재(31) 일단의 상측과 하측에 각각 별도로 구비된다.
그런데, 이러한 고관절 구조체가 적용되는 착용식 외골격 보행 보조 로봇의 경우 보행을 제어하여 보행에 실제 사용하는 근육을 재활하는데 사용될 뿐이었다. 따라서, 신경계를 복원하거나 생체 정보에 따른 재활에 한계가 있다는 문제점이 있었다.
따라서, 신경계를 회복시키기 위해서는 별도의 전기자극 시설이 있는 병원이나, 재활 의료기기를 사용하여 별도의 시간을 들여서 재활 치료를 받아야 하는 문제점이 있었다.
또한, 착용형 외골격 보행 보조 로봇의 경우 제어신호에 의해 하나 이상의 액츄에이터를 제어하여 보행 장애가 있는 환자가 이동하거나 보행 동작을 재활하는데, 환자 관점에서 착용형 외골격 보행 보조 로봇의 동작에 수동적으로 대처하게 되어 재활 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
1. 유럽공개특허번호 제EP002448540호 2. 한국공개특허번호 제10-2012-0023735호 3. 한국등록특허번호 제10-1316840호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 보행 보조 로봇을 착용하고 이동하는 동안 마비된 신체 부분의 수의근을 자극하여 근력 및 신경계를 동시에 복원하는 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 환자의 의도대로 보행을 제어하여 보행에 실제 사용하는 근육을 재활할 수 있는 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 장치 및 방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
본 발명은 보행 보조 로봇을 착용하고 이동하는 동안 마비된 신체 부분의 수의근을 자극하여 근력 및 신경계를 동시에 복원하는 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 장치를 제공한다.
상기 근육 재활 훈련 제어 장치는,
보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 장치에 있어서,
생체를 센싱하여 센싱 정보를 생성하는 센싱부;
상기 센싱 정보를 이용하여 생체 신호를 검출하는 생체 신호 생성부;
검출된 생체 신호를 이용하여 펄스를 생성하는 펄스 발생기;
생성된 펄스를 이용하여 전극을 생성하는 다수의 전극 자극 패드;
검출된 생체 신호를 이용하여 상기 보행 보조 로봇의 제어 신호를 생성하는 제어 신호 발생기; 및
생성된 제어신호에 따라 상기 보행 보조 로봇을 구동하는 액츄에이터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 센싱부는 생체 중 마비된 신체 부분을 센싱하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 생체 신호는 EMG(ElectroMyoGram) 신호인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다수의 전극 자극 패드는 상기 보행 보조 로봇의 외골격 안쪽에 착용되는 의복형 착용 도구에 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 방법에 있어서, 생체를 센싱하여 센싱 정보를 생성하는 단계; 센싱 정보를 이용하여 생체 신호를 검출하는 단계; 검출된 생체 신호를 이용하여 펄스를 생성하는 단계; 생성된 펄스를 이용하여 전극을 생성하는 단계; 검출된 생체 신호를 이용하여 상기 보행 보조 로봇의 제어 신호를 생성하는 단계; 및 생성된 제어신호에 따라 상기 보행 보조 로봇을 구동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 방법을 제공한다.
이때, 상기 생체를 센싱하는 단계는 생체 중 마비된 신체 부분을 센싱하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 보행 보조 로봇을 착용하고 이동하는 동안에 마비된 신체 부분의 수의근을 자극하여 근력 및 신경계를 복원할 수 있으므로, 환자는 전기 자극 물리 치료 등을 받기 위한 별도의 시간 및/또는 비용을 마련할 필요가 없다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 환자의 의도대로 보행을 제어하여 보행에 실제 사용하는 근육을 재활할 수 있기 때문에, 환자는 보행 보조 로봇을 이용하여 이동하는 경우(보행 훈련 포함) 단순히 이동 수단으로서의 역할뿐만 아니라 정상적인 보행을 수행하기 위한 근육을 사용하도록 재활 치료를 받을 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 차용식 외골격 보행 보조 로봇에 적용되는 관절 구조체를 보여주는 사이도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 근육 재활 훈련 제어 장치(200)의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 근육 재활 훈련 제어 장치(200)의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 상기 근육 재활 훈련 제어 장치(200)는, 생체를 센싱하는 센싱부(201), 센싱 정보를 이용하여 생체 신호를 검출하는 생체 신호 생성부(210), 검출된 생체 신호를 이용하여 펄스를 생성하는 펄스 발생기(220), 생성된 펄스를 이용하여 전극을 생성하는 다수의 전극 자극 패드(240), 검출된 생체 신호를 이용하여 보행 보조 로봇(270)의 제어 신호를 생성하는 제어 신호 발생기(250), 및 생성된 제어신호에 따라 상기 보행 보조 로봇을 구동하는 액츄에이터(260) 등을 포함하여 구성된다.
센싱부(201)는 생체(Bio) 센서를 이용하여 환자의 생체 부분 중 마비된 신체 부분을 센싱하는 것을 특징으로 한다. 특히, 마비된 신체 부분의 수의근을 센싱한다. 생체 센서는 측정 대상물로부터 정보를 얻을 때 생물학적 요소를 이용하거나 또는 생물학적 요소를 모방하는 것을 사용하여 색, 형광, 전기 신호 등과 같이 인식 가능한 유용한 신호로 변환시켜주는 기능을 수행한다.
본 발명의 일실시예에서는 생체 센서 중 표면 근전도(EMG: ElectroMyoGram) 센서를 이용한다. EMG 신호란 사람의 근육 활동을 직접적으로 반영하여 나타낼 수 있는 중요한 생물학적 신호이다. EMG는 많은 근육 섬유로부터 나오는 전기적인 신호를 측정하는 것이다. 이것은 피부에 직접 부착되어 근육이 활동할 때 나오는 전기적 신호를 추출하기 때문에 비교적 정확하다.
따라서 사용자의 피부 표면의 EMG 신호를 체크하면 보행 보조 로봇(270)의 움직임을 미리 예측할 수 있다. 피부 표면에 부착되어 근전도 신호를 추출하는 표면 근전도 센서는 Ag/Cl 패치와 바이폴라 스냅전극을 이용하여 추출한다.
생체 신호 생성부(210)는 EMG 신호를 추출하여 이 신호를 입력으로 하는 회로부이다. 이를 위해, 생체 신호 생성부(210)에는 노치 필터(Notch Filter), 로우 패쓰 필터, 하이 패쓰 필터, 클리핑 회로 등이 구성된다.
또한, 제어신호 발생기(250)는 검출된 EMG 신호를 이용하여 보행 보조 로봇의 외골격을 움직이는 액츄에이터(260)를 제어하는 제어신호를 생성한다. 즉, 생체 신호를 이용하여 의복 착용 도구에 구비된 전극에 재활 치료 대상이 되는 마비된 신체 부분의 근육을 자극하여 근력을 회복시키는 보행 보로 로봇(270)의 제어 신호를 생성한다.
또한, 펄스 발생기(220)는 생체 신호인 EMG 신호를 이용하여 의복형 착용 도구에 구비된 전극 자극 패드(240)에 신경계를 회복시키기 위한 전기 자극 신호를 생성한다.
전극 생성기(230)는 펄스 발생기(220)에 의해 생성된 펄스 신호에 따라 전극을 생성하여 전극 자극 패드(240)에 공급한다.
전극 자극 패드(240)는 다수로 구성되어, 상기 보행 보조 로봇(270)의 외골격 안쪽에 착용되는 의복형 착용 도구에 구성된다.
특히, 전극 자극 패드(240)는 탄소분말(또는 카본블랙)과 같은 전기 전도율이 높은 재료를 함유한 실리콘 고무 소재를 소정 두께의 유연한 가요성 패드 부재로 성형하여 제공될 수 있다. 따라서, 이러한 전극 자극 패드(240)를 인체의 피부에 접촉시킴으로써 전기 자극용 전류를 피부에 전달할 수 있다.
보행 보조 로봇(270)에는 외골격 안쪽에 의복형 착용 도구(미도시)가 구비될 수 있다. 따라서, 그 의복형 착용 도구에 재활 치료의 대상이 되는 근육의 신경근 접합부를 자극할 수 있는 위치로 설정되도록 위치를 결정하여 전극 자극 패드(240)를 부착한다.
이러한 전기 자극 패드(240)의 작동을 위해 재활 치료 대상이 되는 마비된 신체 부분의 수의근 생체 신호를 이용하여 마비된 신체 부분의 하나 이상의 수의근을 자극하도록 하고, 보행 보조 로봇 외골격의 액츄에이터(260)를 그 생체 신호를 이용하여 제어한다.
물론, 본 발명의 일실시예서는 액츄에이터(260)의 동작을 생체 신호를 이용하여 기술하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 힘 센서 신호, 근경도 센서 신호 등의 동기 신호도 가능하다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 센싱부(201)를 이용하여 생체를 센싱하여 센싱 정보를 생성한다(단계 S310).
생체 신호 생성부(210)는 상기 센싱 정보를 이용하여 생체 신호를 검출 한다(단계 S320).
검출된 생체 신호를 이용하여 펄스를 생성하고, 생성된 펄스를 이용하여 전극을 생성하여 전극 자극을 실행한다(단계 S330 내지 S333).
이와 동시에, 검출된 생체 신호를 이용하여 상기 보행 보조 로봇의 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어신호에 따라 액츄에이터(도 2의 260)를 동작시켜 상기 보행 보조 로봇을 구동한다(단계 S340 내지 S343).
이후, 센싱 위치가 변경되었는지를 판단하여 센싱 위치가 변경되지 않으면 일정시간 경과후 전극 자극 및/또는 보행 보조 로봇의 동작을 중지한다(단계 S335,S350).
이와 달리, 단계 S335에서, 센싱 위치가 변경되었으면, 단계 S310 내지 단계 S335)를 변복 수행한다.
200: 근육 재활 훈련 제어 장치
201: 센싱부
210: 생체 신호 생성부
220: 펄스 발생기
230: 전극 생성기
240: 전극 자극 패드
250: 제어 신호 발생기
260: 액츄에이터
270: 보행 보조 로봇

Claims (7)

  1. 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 장치에 있어서,
    생체를 센싱하여 센싱정보를 생성하는 센싱부;
    상기 센싱 정보를 이용하여 생체 신호를 검출하는 생체 신호 생성부;
    검출된 생체 신호를 이용하여 펄스를 생성하는 펄스 발생기;
    생성된 펄스를 이용하여 전극을 생성하는 다수의 전극 자극 패드;
    검출된 생체 신호를 이용하여 상기 보행 보조 로봇의 제어 신호를 생성하는 제어 신호 발생기; 및
    생성된 제어신호에 따라 상기 보행 보조 로봇을 구동하는 액츄에이터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱부는 생체 중 마비된 신체 부분을 센싱하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 생체 신호는 EMG(ElectroMyoGram) 신호인 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 전극 자극 패드는 상기 보행 보조 로봇의 외골격 안쪽에 착용되는 의복형 착용 도구에 구성되는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 장치.
  5. 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 방법에 있어서,
    생체를 센싱하여 센싱 정보를 생성하는 단계;
    상기 센싱 정보를 이용하여 생체 신호를 검출하는 단계;
    검출된 생체 신호를 이용하여 펄스를 생성하는 단계;
    생성된 펄스를 이용하여 전극을 생성하는 단계;
    검출된 생체 신호를 이용하여 상기 보행 보조 로봇의 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    생성된 제어신호에 따라 상기 보행 보조 로봇을 구동하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 생체를 센싱하는 단계는 생체 중 마비된 신체 부분을 센싱하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 생체 신호는 EMG(ElectroMyoGram) 신호인 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇을 이용한 근육 재활 훈련 제어 방법.



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