KR101317817B1 - EMG feedback-based active training system for rehabilitation exercise - Google Patents
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Abstract
본 발명은 환자의 의지를 반영하여 운동기기를 구동시키는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는 상완의 근전도 신호를 이용하여 팔꿈치 관절의 능동적 훈련을 하게 하여, 편마비 환자의 재활훈련에 도움이되는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 상완의 이두근으로부터 근전도를 검출하는 근전도 검출부; 상기 검출된 근전도 신호(x)를 이용하되, a는 0.8 내지 1.2의 실수이며, b는 0.4 내지 1.2의 실수로 하여, 모터 토르크(y)를 y=axb 에 의해 구하여 모터 제어신호를 생성하는 제어부; 상기 제어부의 모터 제어신호에 의해 구동되며, 상완을 거치하는 상완 외골격부와 하완을 거치하는 하완 외골격부의 사이에 힌지 결합된 부분에 장착되어, 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동이 가능하도록 이루어진 모터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback that drives an exercise machine in consideration of the will of the patient. More specifically, the elbow joint is actively trained using the brachial electromyography signal, thereby rehabilitation of hemiplegic patients. The present invention relates to an active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback.
Active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback of the present invention, EMG detection unit for detecting the EMG from the biceps of the upper arm; A control unit that uses the detected EMG signal x, wherein a is a real number of 0.8 to 1.2, b is a real number of 0.4 to 1.2, and obtains a motor torque y by y = axb to generate a motor control signal. ; A motor driven by a motor control signal of the control unit and mounted to a hinge-coupled portion between the upper arm exoskeleton for mounting the upper arm and the lower arm skeleton for mounting the lower arm, such that the elbow joint can bend / shuck; It is characterized by including.
Description
본 발명은 환자의 의지를 반영하여 운동기기를 구동시키는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는 상완의 근전도 신호를 이용하여 팔꿈치 관절의 능동적 훈련을 하게 하여, 편마비 환자의 재활훈련에 도움이되는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to an active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback that drives an exercise machine in consideration of the will of the patient. More specifically, the elbow joint is actively trained using the brachial electromyography signal, thereby rehabilitation of hemiplegic patients. The present invention relates to an active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback.
경직은 뇌졸중 등 심혈관계 질환으로 야기된 중추신경의 손상 후 발생되며, 경직은 치료 없이 방치할 경우 관절의 변형이 불가피하므로 규칙적이고 지속적인 운동이 필요하다. 특히, 경직은 규칙적인 스트레칭이나 관절가동범위(rangeof motion, RoM) 내의 수동운동(passive movement)을 통해 완화될 수 있다.Stiffness occurs after damage to the central nervous system caused by cardiovascular diseases such as stroke. Stiffness requires regular and continuous movement because joint deformation is inevitable if left untreated. In particular, stiffness can be alleviated through regular stretching or passive movement within the range of motion (RoM).
재활 스트레칭은 치료사가 환자의 관절을 수동적으로 움직여 관절의 변형을 방지하며, 이를 통하여 현재의 관절가동범위를 유지시켜주거나 제한된 관절가동범위(limited RoM)를 증진시킬 수 있다. Rehabilitation stretching allows the therapist to manually move the patient's joints to prevent deformation of the joint, thereby maintaining the current range of motion or improving the limited range of motion.
국내 재활병원의 물리치료는 1일 1회 1시간 내에서 제한적으로 진행되며, 1회 치료시 치료사와 환자 모두 경제적, 시간적, 체력적 부담이 크며, 치료 후에도 치료 시의 회복 상태를 유지 및 증진시키기 위해 지속적인 운동치료가 절실하다. 이를 위해 반복적 과제 중심 훈련(task-oriented repetitive training)을 목적으로 한 로봇 재활 훈련이 도입, 적용되고 있다. Physical therapy in domestic rehabilitation hospitals is limited within 1 hour once a day, and both the therapist and the patient have a high economic, time, and physical burden in one treatment, and maintain and improve the recovery state after treatment. Continuous exercise therapy is urgently needed. To this end, robot rehabilitation training aimed at task-oriented repetitive training has been introduced and applied.
대표적인 예로 컴퓨터 기반의 등속성 동력계(isokinetic dynamometer), 연속 수동 운동(continuous passive motion, CPM) , 생체 신호 피드백 기반의 스트레칭기기(feedback-controlled and programmed stretching) 등이 있다. Representative examples include computer-based isokinetic dynamometers, continuous passive motion (CPM), and feedback-controlled and programmed stretching.
그러나 등속성 동력계는 높은 가격과 큰부피로 인해 특정 시설에만 구비되어 있어 현재 재활의 목적보다는 환자의 임상적 평가를 위해 주로 사용되고 있다. However, due to its high price and large volume, isokinetic dynamometers are currently only used in certain facilities and are mainly used for clinical evaluation of patients rather than for rehabilitation purposes.
연속 수동 운동 기기는 반복적 훈련 등이 어려우며, 환자의 기능 회복 면에서 큰 효과가 없다는 결과도 보고된 바 있다. 일반적으로, 로봇형 훈련시스템에 쓰이는 힘센서는 가해진 힘/토크와 모멘트의 성분을 측정하는 데에는 효과적이나, 기계적으로 미세한 근육의 움직임이나 환자의 의지를 직접적으로 관찰하거나 반영하기 어렵다는 단점이 있다. Continuous manual exercise equipment is difficult to repetitive training, and the results have been reported that there is no significant effect in the recovery of the function of the patient. In general, the force sensor used in the robotic training system is effective in measuring the components of applied force / torque and moment, but has a disadvantage in that it is difficult to directly observe or reflect the microscopic muscle movement or the patient's will.
최근 로봇형 훈련시스템에서 로봇을 이용한 운동치료의 효과를 증진시키기 위해 수동적 치료 방식을 벗어나 환자의 의지를 반영하여 기기를 구동시키는 능동형 훈련시스템, 즉 생체 신호 피드백 기반의 스트레칭기기이 연구되고 있다. Recently, in order to enhance the effect of exercise treatment using robots in robotic training systems, active training systems that drive devices by reflecting the patient's intention beyond passive treatment methods, that is, stretching devices based on biosignal feedback, have been studied.
능동형 훈련시스템은 훈련시 본인의 의지가 크게 반영되므로 수동적 재활에 비해 훈련효과가 크고, 신경과 근육의 재교육(re-education)효과도 기대할 수 있다Active training system reflects one's willingness in training, so training effect is greater than passive rehabilitation, and re-education effect of nerve and muscle can be expected.
본 발명은 근전도 신호를 이용하여 팔꿈치 관절의 능동적 훈련이 가능한 상지훈련시스템을 제공한다.The present invention provides an upper limb training system capable of active training of the elbow joint using the EMG signal.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상완의 근전도 신호에 의해 제어되며 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동을 1 자유도, 0~120도 범위 내에서 운동 가능하도록 이루어진 로보틱 외골격부를 구비한 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention, active upper extremity rehabilitation training with a robotic exoskeleton is controlled by the EMG signal of the upper arm and made to be able to exercise the elbow joint bending / shock within 1 degree of freedom, 0 ~ 120 degree range To provide a system.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 로보틱 외골격부의 회전축에 가변저항을 장착하여 팔꿈치 관절각도를 측정하도록 이루어지며, 근전도 신호와 각도 데이터를 동시에 검출하도록 이루어진 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an active upper extremity rehabilitation training system is made to measure the elbow joint angle by mounting a variable resistor on the rotation axis of the robotic exoskeleton, at the same time detect the EMG signal and the angle data.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 환자의 최대 수의적 수축 시의 근전도 신호를 기반으로 하여 팔꿈치 관절 토크를 추정하고, 추정된 팔꿈치 관절토크가 일정 수준 이상에 도달할 경우에만 등속 관절 운동이 가능하도록 이루어져, 운동 강도를 환자에 따라 임의로 설정할 수 있도록 이루어진 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to estimate the elbow joint torque on the basis of the EMG signal at the maximum voluntary contraction of the patient, and the constant velocity motion only when the estimated elbow joint torque reaches a certain level or more. It is possible to provide an active upper extremity rehabilitation training system that can be configured to be able to set the exercise intensity arbitrarily according to the patient.
또한, 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 환자의 의지를 반영한 능동적 운동을 유도함으로써 보다 효과적인 치료효과를 가져다 주는 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 제공하는 것이다.In addition, the active upper limb rehabilitation training system of the present invention is to provide an active upper limb rehabilitation training system that brings more effective therapeutic effect by inducing active exercise reflecting the will of the patient.
본 발명의 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 상완의 이두근으로부터 근전도를 검출하는 근전도 검출부; 상기 검출된 근전도 신호(x)를 이용하되, a는 0.8 내지 1.2의 실수이며, b는 0.4 내지 1.2의 실수로 하여, 모터 토르크(y)를 y=axb에 의해 구하여 모터 제어신호를 생성하는 제어부;상기 제어부의 모터 제어신호에 의해 구동되며, 상완을 거치하는 상완 외골격부와 하완을 거치하는 하완 외골격부의 사이에 힌지 결합된 부분에 장착되어, 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동이 가능하도록 이루어진 모터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback of the present invention, EMG detection unit for detecting the EMG from the biceps of the upper arm; By using the detected EMG signal x, a is a real number of 0.8 to 1.2, b is a real number of 0.4 to 1.2, and the motor torque y is obtained by y = ax b to generate a motor control signal. A motor driven by a motor control signal of the controller, mounted on a hinged portion between the upper arm exoskeleton for mounting the upper arm and the lower arm skeleton for mounting the lower arm, such that the elbow joint can bend / shuck It characterized by including.
또한, 본 발명의 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 상완의 삼두근으로부터 근전도를 검출하는 근전도 검출부; 상기 검출된 근전도 신호(x)를 이용하되, -0.8 내지 -1.2의 실수이며, b는 0.4 내지 1.2의 실수로 하여, 모터 토르크(y)를 y=axb 에 의해 구하여 모터 제어신호를 생성하는 제어부; 상기 제어부의 모터 제어신호에 의해 구동되며, 상완을 거치하는 상완 외골격부와 하완을 거치하는 하완 외골격부의 사이에 힌지 결합된 부분에 장착되어, 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동이 가능하도록 이루어진 모터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, EMG feedback-based active upper extremity rehabilitation training system of the present invention, EMG detection unit for detecting the EMG from the triceps of the upper arm; By using the detected EMG signal x, a real number of -0.8 to -1.2, b is a real number of 0.4 to 1.2, and the motor torque y is y = ax b. A control unit for obtaining a motor control signal; A motor driven by a motor control signal of the control unit and mounted to a hinge-coupled portion between the upper arm exoskeleton for mounting the upper arm and the lower arm skeleton for mounting the lower arm, such that the elbow joint can bend / shuck; It is characterized by including.
또한, 본 발명의 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 상완거치대와, 상기 상완거치대 좌우 양측에 장착되는 상완거치대 고정부를 포함하는 상완 외골격부; 하완거치대와, 상기 하완거치대 좌우 양측에 장착되는 하완거치대 조절부를 구비하되, 상기 하완거치대 조절부는 통공형태의 조절용 주로를 구비하며, 하안거치대의 외측에 위치된 하안거치대 고정자가 상기 조절용 주로를 따라 이동되어 고정됨에 의해, 길이 조정이 가능하도록 이루어진 하안 외골격부; 상완거치대 고정부와 하완거치대 조절부가 상완거치대의 좌우 양측에서 각각 힌지 결합되되, 일측의 힌지 결합부에는 모터가 장착되는 관절부; 상기 모터의 회전축에 장착되어 각도신호를 검출하는 회전각도 센서를 구비하는 센서회전각도 검출부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the EMG-based active upper extremity rehabilitation training system of the present invention, the brachial exoskeleton including a brachial rest, and the upper arm rest fixing portion mounted to the left and right sides of the upper arm rest; A lower armrest holder and a lower armrest control member are provided on both left and right sides of the lower armrest holder, wherein the lower armrest adjusting part includes a hole for adjusting a through hole, and a lower footrest stator positioned on the outside of the lower footrest moves along the adjustment head. By being fixed, the lower exoskeleton made to be adjustable in length; The upper arm rest fixing unit and the lower arm rest adjusting unit are hinged on the left and right sides of the upper arm rest, respectively, the hinge coupling of one side of the joint portion is mounted motor; A sensor rotation angle detection unit mounted to a rotation shaft of the motor and including a rotation angle sensor detecting an angle signal; Characterized in that it comprises a.
또한, 본 발명은, 근전도를 검출하는 근전도 검출부, 상기 근전도 검출부의 출력신호에 의해 모터제어신호를 생성하는 제어부, 상기 제어부로부터 수신된 모터제어신호에 의해 모터를 구동시켜 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동이 가능하도록 이루어진 로보틱 외골격부를 구비하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템에 있어서, 상기 제어부가, 최대 수의적 수축 시의 근전도 신호를 기반으로 하여 팔꿈치 관절 토크를 추정하고, 상기 팔꿈치 관절 토크에 따라 운동강도를 차등 제어하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention, the EMG detection unit for detecting the EMG, the control unit for generating a motor control signal in accordance with the output signal of the EMG detection unit, by driving the motor by the motor control signal received from the control unit bending / braking motion of the elbow joint In the EMG-based active upper extremity rehabilitation training system having a robotic exoskeleton configured to enable the control, the control unit estimates elbow joint torque based on the EMG signal at the maximum voluntary contraction, and the elbow joint torque It characterized in that it is made to differentially control the exercise intensity.
상기 근전도 검출부는 2 또는 3개의 차동전극으로 이루어진다.The EMG detector is composed of two or three differential electrodes.
상기 모터는 25 Nm 이상의 토르크를 가지는 모터이다.The motor is a motor having a torque of 25 Nm or more.
상기 모터는 감쇠비가 230:1인 기어헤드를 장착하고 있다.The motor is equipped with a gearhead with a damping ratio of 230: 1.
상기 회전각도 측정센서는 가변저항(potentiometer)이다.The rotation angle measuring sensor is a potentiometer.
상기 하안 외골격부는 하안을 묶기 위한 벨트를 더 포함한다.The lower eye exoskeleton further includes a belt for tying the lower eye.
상기 관절부는 1 자유도(degrees of freedom),0도~120도범위 내에서 운동 가능도록 이루어진다.The joint part is made to be capable of movement within 1 degree of freedom, 0 degrees to 120 degrees.
또한, 본 발명의 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템의 구동방법은, 환자의 최대 수의적 수축(maximalvoluntary contraction, MVC) 시의 근전도 신호를 검출하며, 검출된 근전도 신호를 통해 팔꿈치 관절 토크를 추정하여 관절가동범위(rangeof motion, RoM)가 설정되는 관절가동범위 설정단계; 환자에 의해 입력된 사용자 설정 운동강도 목표치(역치, threshold)를 읽어들이는 운동강도 목표치 설정단계; 관절가동범위 설정단계에서 설정된 관절가동범위가 기 설정된 등속관절운동 기준치보다 이상이고, 사용자 설정 운동강도 목표치가 설정된 관절가동범위 내이라면, 모터를 초기화하는 모터 여자여부 판단단계; 모터가 구동됨에 됨에 따라 운동을 하게 되는 환자의 근전도 신호를 검출하며, 모터의 회전축에 장착된 회전각도 측정센서에 의해 각도 신호를 검출하여, 근전도 신호와 각도 신호를 수신하여 저장 및 출력하는 운동중 신호검출단계; 운동중 신호검출단계에서 검출된 근전도 신호가, 운동강도 목표치보다 크거나 같다면, 근전도 신호에 따른 모터 토르크를 추정하여 모터 제어신호를 생성하여 모터로 전송하고 운동중 신호검출단계로 되돌아가는 모터 제어신호 갱신여부 판단단계;를 포함하여 이루어진다.In addition, the method of driving an active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback of the present invention detects an EMG signal at the maximum voluntary contraction (MVC) of a patient and estimates elbow joint torque based on the detected EMG signal. Joint movement range setting step of setting a range of motion (Rom); An exercise intensity target value setting step of reading a user set exercise intensity target value (threshold) input by the patient; A motor excitation determining step of initializing a motor if the joint movement range set in the joint movement range setting step is greater than the preset constant velocity joint motion reference value and the user set exercise intensity target value is within the set joint movement range; It detects EMG signals of patients who are exercising as the motor is driven, and detects angle signals by the rotation angle measuring sensor mounted on the rotating shaft of the motor, and receives and stores EMG signals and angle signals. Signal detection step; If the EMG signal detected in the signal detection step during exercise is greater than or equal to the exercise intensity target value, the motor torque according to the EMG signal is estimated to generate a motor control signal, transmit it to the motor, and return to the signal detection step during exercise. Determining whether or not to update the signal.
상기 관절가동범위 설정단계에서 팔꿈치 관절 토크(y)는 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)에 대해 y=axb (단, 이두근의 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)일 경우 a는 0.8 내지 1.2의 실수이며 b는 0.4 내지 1.2의 실수이고, 삼두근의 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)일 경우 a는 -0.8 내지 -1.2의 실수이며 b는 0.4 내지 1.2의 실수임)에 의해 구하여 진다.The elbow joint torque (y) in the joint movement range setting step is y = ax b with respect to the EMG signal (x) at the maximum voluntary contraction. (However, in the case of the EMG signal at the maximum voluntary contraction of the biceps, a is a real number from 0.8 to 1.2, b is a real number from 0.4 to 1.2, and the EMG signal at the maximum voluntary contraction of the triceps. a is a real number of -0.8 to -1.2 and b is a real number of 0.4 to 1.2).
모터 제어신호 갱신여부 판단단계에서, 근전도 신호(x)에 따른 모터 토르크(y)를 추정은 y=axb(단, 이두근의 근전도 신호(x)일 경우 a는 0.8 내지 1.2의 실수이며 b는 0.4 내지 1.2의 실수이고, 삼두근의 근전도 신호(x)일 경우 a는 -0.8 내지 -1.2의 실수이며 b는 0.4 내지 1.2의 실수임)에 의해 구하여 진다.In the step of determining whether to update the motor control signal, the estimation of the motor torque y according to the EMG signal x is y = ax b (where a is a real number of 0.8 to 1.2 when b is an EMG signal of the biceps. A real number of 0.4 to 1.2, and a MG signal x, where a is a real number of -0.8 to -1.2 and b is a real number of 0.4 to 1.2.
상기 팔꿈치 관절토크가 기 설정된 등속관절운동 기준치 이상일 경우에 상기 로보틱 외골격부는 등속 관절 운동을 하도록 이루어진다.When the elbow joint torque is equal to or greater than a predetermined constant joint motion reference value, the robotic exoskeleton is configured to perform constant velocity joint motion.
본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템에 따르면, 상완의 근전도 신호에 의해 제어되며 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동을 1 자유도, 0~120도 범위 내에서 운동 가능하도록 이루어진 로보틱 외골격부를 구비한 능동형 상지 재활 훈련 시스템으로서, 저가이며, 시간의 제한 없이 운동이 가능하고, 부피도 작아, 경제적, 시간적, 공간적으로 부담이 적도록 이루어져 있다.According to the active upper extremity rehabilitation training system of the present invention, an active upper limb having a robotic exoskeleton, which is controlled by an EMG signal of the upper arm and is capable of exercising the elbow joint's bending / knuckle within 1 degree of freedom and 0 to 120 degrees. As a rehabilitation training system, it is inexpensive, capable of exercising without time constraints, and has a small volume, so that it is economically, temporally and spatially light.
또한, 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 로보틱 외골격부의 회전축에 가변저항을 장착하여 팔꿈치 관절각도를 측정하도록 이루어지며, 근전도 신호와 각도 데이터를 동시에 검출하도록 이루어져, 보다 정밀한 제어 및 검사가 가능하다.In addition, the active upper extremity rehabilitation training system of the present invention is made to measure the elbow joint angle by mounting a variable resistor on the rotation axis of the robotic exoskeleton, it is made to detect the EMG signal and the angle data at the same time, more precise control and inspection is possible Do.
또한, 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 환자의 최대 수의적 수축 시의 근전도 신호를 기반으로 하여 팔꿈치 관절 토크를 추정하고, 추정된 팔꿈치 관절토크가 일정 수준 이상에 도달할 경우에만 등속 관절 운동이 가능하도록 이루어져, 운동 강도를 환자에 따라 임의로 설정할 수 있도록 이루어져, 맞춤형 제어 및 맞춤형 훈련이 가능하다.In addition, the active upper limb rehabilitation training system of the present invention estimates the elbow joint torque based on the EMG signal at the maximum voluntary contraction of the patient, and is constant velocity motion only when the estimated elbow joint torque reaches a predetermined level or more. It is made to be possible, made the exercise intensity can be set arbitrarily according to the patient, customized control and customized training is possible.
또한, 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 환자의 의지를 반영한 능동적 운동을 유도함으로써 보다 효과적인 치료효과를 가져다 준다.In addition, the active upper extremity rehabilitation training system of the present invention, by inducing active exercise that reflects the will of the patient brings a more effective therapeutic effect.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 개략적으로 설명하기 설명도이다.
도 2는 도 1의 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템의 구성을 설명하기 블럭도이다.
도 3은 도 1의 로보틱 외골격부의 사시도이다.
도 4는 도 1의 외골격부의 분해도이다.
도 5는 도 1의 제어부의 구동 흐름도의 일예이다.
도 6은 근전도 신호와 팔꿈치 관절 토크를 추정을 위한 실험결과로 정상인의 근전도 신호와 토크값의 관계를 나타낸다.
도 7은 근전도 신호와 팔꿈치 관절 토크를 추정을 위한 실험결과로 편마비 환자의 근전도 신호와 토크값의 관계를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 정상인에 적용한 결과의 일예이다.
도 9는 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 편마비 환자에 적용한 결과의 일예이다.1 is an explanatory diagram schematically illustrating an active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of an active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback of FIG. 1.
3 is a perspective view of the robotic exoskeleton of FIG. 1.
4 is an exploded view of the exoskeleton of FIG.
5 is an example of a driving flowchart of the controller of FIG. 1.
6 shows the relationship between the EMG signal and the torque value of a normal person as an experimental result for estimating the EMG signal and the elbow joint torque.
7 shows the relationship between EMG signals and torque values in hemiplegic patients as experimental results for estimating EMG signals and elbow joint torques.
Figure 8 is an example of the results of applying the active upper extremity rehabilitation training system of the present invention to a normal person.
Figure 9 is an example of the results of applying the active upper extremity rehabilitation training system of the present invention to hemiplegic patients.
이하 본 발명의 일 실시예에 의한 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템의 구성 및 그 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration and manufacturing method of an active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 개략적으로 설명하기 설명도이며, 도 2는 도 1의 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템의 구성을 설명하기 블럭도로, 근전도 검출부(100), 회전각도 검출부(140), A/D변환부(180), 제어부(200), 모터(300), 로보틱 외골격부(400), 출력부(500), 메모리부(550)를 포함한다.1 is an explanatory diagram schematically illustrating an active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a block for explaining the configuration of the active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback of Figure 1 Road,
근전도 검출부(100)는 하나 이상의 근전도 전극(10), 근전도신호 전처리부(20)을 구비하여, 근전도를 검출하고 전처리를 하여 A/D변환부(180)으로 전송한다. The
근전도 전극(10)은 상완의 근육으로부터 근전도를 검출하는 것으로 다수개의 전극을 사용할 수 있다. 근전도 전극(10)은 2 또는 3개의 차동전극이 사용될 수 있으며, 상완 이두근(BB) 또는 상완 삼두근(TB)의 근전도를 검출할 수 있다.The
근전도신호 전처리부(20)는 근전도 전극(10)으로부터 검출된 근전도를 근전도신호 전처리부에서 증폭하고 잡음을 제거한다. 근전도신호 전처리부(20)는 근전도 전극(10)에서 검출된 근전도 신호를 1000배 증폭하고 전파 정류하여 2Hz 2차 버터워스 저역통과필터로 잡음 제거할 수 있다. The
회전각도 검출부(140)는 모터(300)의 회전축에 장착된 회전각도 측정센서(150)가 관절각도를 검출하고, 각도신호전처리부(160)에서 관절각도 신호의 잡음을 제거하는 등 전처리하여, A/D변환부(180)으로 전송한다. 각도신호전처리부(160)는 5Hz 2차 버터워스 저역통과필터로 이루어질 수 있다.The
제어부(200)는 근전도 검출부(100)로부터 수신된 신호로부터 연산처리하여 모터제어신호를 생성하여 모터(300)으로 전송한다. 모터제어신호는 최대 수의적 수축 시의 근전도 신호를 기반으로 하여 팔꿈치 관절 토크를 추정하고, 상기 팔꿈치 관절 토크에 따라 운동강도를 차등 제어, 즉 모터를 차등 제어하도록 이루어진다. 또한 모터(300)에 장착된 회전각도 측정센서로 부터 검출된 관절각도를 수신하고, 상기 관절각도 및 근전도 검출부(100)로부터 검출된 근전도 신호를 출력부(500)로 송신하여 출력하게 하며, 메모리부(550)으로 전송하여 저장한다. The
모터(300)는 로보틱 외골격부(400)의 관절부(440)의 일측에 회전축이 연결되어, 제어부(200)에서 수신되는 모터제어신호에 의해 구동된다. 본 발명에서는 모터 선정을 위해 정상인을 통한 예비실험을 행하였으며, 정상인 실험을 통해 얻은 최대 팔꿈치 토크는 25 Nm였고, 그 이상의 토크를 발생시킬 수 있는 모터를 선정하였다. 본 발명에서 모터(300)는 감쇠비가 230:1인 기어헤드를 장착하여 토크 범위를 만족시키도록 이루어질 수 있다. 모터(300)는 모터 전압 24V, 속도 33rpm, 토르크 29Nm를 사용할 수 있다.The
모터(300)의 회전축에는 팔꿈치 관절각도를 측정하기 위한 회전각도 측정센서가 장착되어 있으며, 경우에 따라서 상기 회전각도 측정센서는 가변저항(potentiometer)일 수 있다.The rotation axis of the
로보틱 외골격부(400)는 팔을 거치하여 관절을 움직이도록 보조하는 수단으로, 상완 외골격부(410), 관절부(440), 하안 외골격부(470)를 포함한다.The
상완 외골격부(410)는 상완을 안정적으로 올려 놓기 위한 상완의 거치대로, 일측에는 관절부(440)가 위치된다. 상완 외골격부(410)는 테이블 위 등에 놓여진 상태에서 상완을 거치하도록 이루어질 수 있다.The
관절부(440)는 상완 외골격부(410)와 하안 외골격부(470)의 사이에 위치되며, 적어도 일측에는 모터(300)의 회전축이 장착되고, 모터(300)의 구동에 의해 팔을 접고 피는 동작이 가능하도록 이루어진다. 상완 외골격부(410)와 하안 외골격부(470)는 힌지결합하되, 힌지결합된 부분의 일측에 모터(300)의 회전축이 장착되어, 모터에 의해 하안 외골격부(470)가 움직여 지도록 이루어질 수 있다.
하안 외골격부(470)는 하완의 거치대로, 관절부(440)의 일측에 장착된다. 하안 외골격부(470)는 하안을 묶기 위한 벨트를 더 포함한다.The
출력부(500)는 제어부(200)에서 수신된 관절각도 및 근전도 신호를 출력한다.The
도 3은 도 1의 로보틱 외골격부의 사시도이며, 도 4는 도 1의 외골격부의 분해도이다. 3 is a perspective view of the robotic exoskeleton of FIG. 1, and FIG. 4 is an exploded view of the exoskeleton of FIG. 1.
본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템에서 팔꿈치 관절의 재활훈련을 위한 로보틱 외골격(400)은 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동을 구현하도록 1 자유도(degrees of freedom),0도~120도범위 내에서 운동 가능하도록 이루어져 있다.
로보틱 외골격부(400)는 상완 외골격부(410), 하안 외골격부(470)를 포함하며, 상완 외골격부(410)는 받침판(415), 상완거치대(420), 상완거치대 고정부(425)를 포함한다.The
받침판(415)은 테이블 등의 상면에 로보틱 외골격부(400)를 위치시킬때, 테이블 등의 상면과 접촉되는 것이다. The supporting
상완거치대(420)는 상완을 거치하는 수단으로, 받침판(415)의 상면에 상완거치대(420)를 고정시킨다.The
상완거치대 고정부(425)는 하안거치대 조절부(480)와 힌지결합되어 팔굽의 접었다 폈다 하는 등의 운동을 하도록 이루어진 것으로, 받침판(415)위에 상완거치대(420)가 위치되어 고정 장착되고, 좌우 상완거치대(420) 또는 받침판(415)의 좌우측에 고정 장착된다. 상완거치대 고정부(425) 좌우측 중의 하나의 일측에는 모터의 회전축이 삽입되어 장착되기위한 상완 회전축홀을 구비하며, 상기 상완 회전측홀의 외측에 모터 고정부(320)가 장착되고, 내측에는 하안 회전축홀을 가진 하안거치대 조절부(480)가 장착되되, 상완 회전축홀 및 하안 회전축홀에 모터의 회전축이 삽입되며, 모터 고정부(320)에 모터(300)가 고정 장착된다. 상완거치대 고정부(425) 좌우측 중의 다른 하나의 일측에는 상완 힌지봉홀을 구비하며, 상완 힌지봉홀의 내측에 하안 힌지봉홀 가진 하안거치대 조절부(480)가 장착되되, 상완 힌지봉홀 및 하안 힌지볼홀에 힌지봉(325)이 삽입되며, 상완 힌지봉홀의 외측에 부싱을 개제하여 나사로 조이도록 이루어져 있다. The upper arm
하안 외골격부(470)는 하안거치대(475), 하안거치대 조절부(480)를 포함한다.The
하안거치대(475)는 하완을 거치하는 수단으로, 2개의 하안거치대 조절부(480)의 사이에 장착되되, 하안거치대(475)의 외측 좌우측에 위치되는 하안거치대 고정자(482)가 하안거치대 조절부(480)의 조절용 주로(485) 상에 사용자의 하안 길이에 맞추어 조절하여 고정하도록 이루어진다. 경우에 따라서는 하안거치대 고정자(482)는 수나사형태로 이루어지고, 하안거치대(475)의 외측 좌우에는 다수의 홈이 구비되되, 상기의 홈은 암나사 형태로 이루어져 원하는 위치의 홈에 고정장착되도록 이루어질 수 있다. 또한 하안거치대(475)에 팔을 장착한 후, 하안거치대(475)와 팔을 묶는 벨트(484)를 더 구비 할 수 있다.The
하안거치대 조절부(480)는 일단이 상완거치대 고정부(425)의 내측에 고정되되, 하안거치대 조절부(480) 중의 하나는 하안 회전축홀을 구비하여, 상완 회전축홀과 함께 모터(300)의 회전축이 삽입되며, 하안거치대 조절부(480) 중의 다른 하나는 하완 힌지봉홀을 구비하여, 상완 힌지봉홀과 함께 힌지봉(325)이 삽입된다.The lower eye
상완거치대 고정부(425), 하안거치대 조절부(480), 모터(300), 힌지봉(325)은 관절부(440)를 형성한다.Upper arm
도 5는 도 1의 제어부의 구동 흐름도의 일예이다.5 is an example of a driving flowchart of the controller of FIG. 1.
관절가동범위 설정단계로, 사용자(훈련자, 환자)의 최대 수의적 수축(maximalvoluntary contraction, MVC) 시의 근전도 신호를 검출하며, 검출된 근전도 신호를 통해 팔꿈치 관절 토크를 추정하여 관절가동범위(rangeof motion, RoM)가 설정된다(S100).In the step of setting the range of motion, the EMG signal is detected during the maximum voluntary contraction (MVC) of the user (trainer, patient), and the range of motion is estimated by estimating the elbow joint torque based on the detected EMG signal. RoM) is set (S100).
이때 팔꿈치 관절 토크(y)는 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)에 대해 y=axb에 의해 추정된다. The elbow joint torque y is estimated by y = ax b for the EMG signal x at the maximum voluntary contraction.
여기서 이두근의 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)일 경우 a는 0.8 내지 1.2의 실수이며, b는 0.4 내지 1.2의 실수이다. 또한 삼두근의 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)일 경우 a는 -0.8 내지 -1.2의 실수이며, b는 0.4 내지 1.2의 실수이다. Here, in the case of the EMG signal x at the maximum voluntary contraction of the biceps, a is a real number of 0.8 to 1.2, and b is a real number of 0.4 to 1.2. In the case of the EMG signal x at the maximum voluntary contraction of the triceps, a is a real number of -0.8 to -1.2, and b is a real number of 0.4 to 1.2.
운동강도 목표치 설정단계, 사용자(훈련자, 환자)에 의해 입력된 사용자 설정 운동강도 목표치(역치, threshold)를 읽어들인다(S110).In step S110 of setting the intensity target value, the user sets the exercise intensity target value (threshold, threshold) input by the user (trainer, patient) (S110).
모터 여자여부 판단단계로, 관절가동범위 설정단계(S100)에서 설정된 관절가동범위가 기 설정된 등속관절운동 기준치(경우에 따라서 공장 출하전 저장되어 있움)보다 이상이고, 사용자 설정 운동강도 목표치가 설정된 관절가동범위 내인지를 판단하여(S120), 그렇다면 모터를 초기화하여 모터제어신호를 생성하여 모터(300)로 전송하여 모터를 구동시키며, 그렇지 않다면 관절가동범위 설정단계(S100)로 되돌아 간다.In the step of determining whether the motor is excited, the joint movement range set in the joint movement range setting step (S100) is greater than the preset constant velocity joint motion reference value (stored before shipment in some cases), and the user set exercise intensity target value is set. It is determined whether it is within the operating range (S120), and if so, the motor is initialized to generate a motor control signal, which is transmitted to the
운동중 신호검출단계로, 모터(300)가 여자됨에 따라 사용자는 운동을 하게 되며, 이때 검출되는 근전도 신호와 회전각도 신호를 수신하여(S130), 메모리부(550)에 저장 및 출력부(500)로 출력한다(S140).In the step of detecting a signal during exercise, as the
모터 제어신호 갱신여부 판단단계로, 검출된 근전도 신호가 운동강도 목표치보다 크거나 같은지를 판단하여(S150), 그렇치 않다면 모터제어신호를 갱신할 필요없이 운동중 신호검출단계(S130)로 되돌아간다.In the step of determining whether the motor control signal is updated, it is determined whether the detected EMG signal is greater than or equal to the exercise intensity target value (S150). If not, the process returns to the signal detection step (S130) during exercise without updating the motor control signal.
모터 제어신호 갱신단계로, 검출된 근전도 신호가 운동강도 목표치보다 크거나 같다면 입력된 근전도 신호(x)에 의한 모터 토르크(y)를 상술한 y=axb에 의해 구하여 모터 제어신호를 생성하여 모터(300)로 전송하고 운동중 신호검출단계(S130)로 되돌아간다(S160). In the step of updating the motor control signal, if the detected EMG signal is greater than or equal to the exercise intensity target value, the motor torque (y) by the input EMG signal (x) is obtained by the above y = ax b to generate a motor control signal. Transmission to the
다음은 본 발명에서 근전도 신호와 팔꿈치 관절 토크를 추정하는 수식을 수립하기 위한 실험과 그 결과에 대해서 설명한다.Next, an experiment for establishing an equation for estimating the EMG signal and the elbow joint torque and the result will be described.
본 실험의 목적에 따라 정상인 5명과 편마비 환자 1명으로부터 획득한 이두근과 삼두근의 최대 수의적 수축 시의 근전도 신호와 토크 데이터를 바탕으로 멱함수(power function; y = axb)로 회귀분석을 통해 얻었다Based on the EMG signal and torque data at the maximum voluntary contraction of the biceps and triceps obtained from five normal and one hemiplegic patients, the regression analysis was performed with a power function (y = ax b ). Got
도 6은 근전도 신호와 팔꿈치 관절 토크를 추정을 위한 실험결과로 정상인의 근전도 신호와 토크값의 관계를 나타내고, 도 7은 근전도 신호와 팔꿈치 관절 토크를 추정을 위한 실험결과로 편마비 환자의 근전도 신호와 토크값의 관계를 나타낸다.6 is an experimental result for estimating the EMG signal and the elbow joint torque, and shows the relationship between the EMG signal and the torque value of a normal person, and FIG. 7 is an experimental result for estimating the EMG signal and the elbow joint torque. The relationship of the torque value is shown.
도 6의 (a)는 정상인의 이두근의 근전도로부터 구하여진 멱함수로 y=0.9789x0.5699 이며, 도 6의 (b)는 정상인의 삼두근의 근전도로부터 구하여진 멱함수로 y=-1.0792x0.5873이다.Fig. 6 (a) is the y-function calculated from the EMG of the biceps of a normal person and y = 0.9789x 0.5699 , and Fig. 6 (b) is the y-function obtained from the EMG of the triceps of a normal person y = -1.0792x 0.5873 . .
도 7의 (a)는 편마비환자의 이두근의 근전도로부터 구하여진 멱함수로 y=1.034x0.9301 이며, 도 7의 (b)는 편마비환자의 삼두근의 근전도로부터 구하여진 멱함수로 y=-0.997x1.172이다.FIG. 7 (a) is y = 1.034x 0.9301 , which is obtained from EMG of the biceps muscle of hemiplegic patients, and FIG. 7 (b) is y = -0.997x, which is obtained from EMG of the triceps muscle of hemiplegic patients. 1.172 .
다음은 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 적용한 실험에 대해서 설명한다.Next, an experiment to which the active upper limb rehabilitation training system of the present invention is applied will be described.
이 실험을 위해 정상인 피험자 5명(나이 24 ± 1세,키 171 ± 4 cm, 몸무게 67 ± 6 kg)과 편마비 환자 1명(나이19세, 키 172 cm, 몸무게 82 kg)에게 시스템을 적용하여 평가하였다. 실험에 참여한 환자는 임상 전문가의 근긴장도 평가(muscle tone assessment) 결과 근 긴장도가 두드러지게 증가하지만 사지는 쉽게 굴곡되는 경한 편마비 증상이 있었다. 역치값은 피험자가 발생시킬 수 있는 최대 토크의10%(0.1)와 50%(0.5)로 설정하였다. 관절가동범위는 0도~120도로 설정하였고, 착용자의 이두근 근전도 신호로부터예측된 팔꿈치 관절 토크가 미리 설정한 역치값에서 실험을 진행하였다.The system was applied to five healthy subjects (age 24 ± 1 years, height 171 ± 4 cm, weight 67 ± 6 kg) and hemiplegic patients (age 19, height 172 cm, weight 82 kg). Evaluated. Patients who participated in the study had mild hemiplegia symptoms that the muscle limbs noticeably increased but limbs easily flexed according to a clinical expert's muscle tone assessment. Threshold values were set at 10% (0.1) and 50% (0.5) of the maximum torque the subject could generate. The range of motion was set at 0 ° ~ 120 ° and the elbow joint torque predicted from the biceps EMG signal of the wearer was tested at the preset threshold.
도 8은 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 정상인에 적용한 결과의 일예이며, 도 9는 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 편마비 환자에 적용한 결과의 일예이다.Figure 8 is an example of the result of applying the active upper extremity rehabilitation training system of the present invention to a normal person, Figure 9 is an example of the result of applying the active upper extremity rehabilitation training system of the present invention to hemiplegic patients.
도 8은 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템이 정상인에 적용되었을 때의 팔꿈치 관절각도, 이두근, 삼두근의 근전도 신호, 그리고 설정된 운동강도 목표치(역치값)이다. x축은 훈련 시간(frame)이고, y축은 역치값 설정을 위해 0에서 1 사이로 정규화된 근전도 신호 값(value)이다.Fig. 8 shows the elbow joint angle, biceps and triceps signals when the active upper extremity rehabilitation training system of the present invention is applied to a normal person, and a target exercise intensity value (threshold value). The x-axis is the training time frame and the y-axis is the EMG signal value normalized from 0 to 1 for threshold setting.
도 8의 (a)는 피험자 최대 토크의 10%(0.1)를 역치값으로설정하였을 때의 시스템 작동 화면이다. 역치값 이상의 근전도 신호가 획득될 때 팔꿈치 관절각도가 상승(굽힘)하였다.FIG. 8A is a system operation screen when 10% (0.1) of the test subject's maximum torque is set as a threshold value. The elbow joint angle increased (bended) when an EMG signal above the threshold was obtained.
그림 8(b)는 역치값이 50%(0.5)일 때의 작동 화면이다. 이두근에서의 근전도 신호는 측정되나, 역치값 이하이므로 팔꿈치 관절각도의 변화를 관찰할 수 없었다. 근전도 신호가 역치값 이상으로 측정되는 범위에서 팔꿈치 관절각도가 잠시상승하였다.Figure 8 (b) shows the operation screen when the threshold value is 50% (0.5). EMG signals from the biceps were measured, but the elbow joint angles could not be observed because they were below the threshold. The elbow joint angle rose momentarily in the range where the EMG signal was measured above the threshold.
도 9는 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 편마비 환자에 적용하였을 때의 팔꿈치 관절각도, 이두근, 삼두근에서의 근전도 신호, 그리고 설정된 운동강도 목표치(역치값)을 나타낸다. 환자에게도 정상인과 동일한 역치 범위를 설정하여 평가하였다.Fig. 9 shows the elbow joint angle, biceps and triceps signals when the active upper extremity rehabilitation training system of the present invention is applied to a hemiplegic patient, and a set target intensity value (threshold value). Patients were also evaluated by setting the same threshold range as normal subjects.
도 9의 (a)는 역치값이 편마비 환자가 최대로 낼 수 있는 토크의 10%(0.1)로 설정되었을 때의 시스템 작동 화면이다. 이두근의 근전도 신호가 역치값 이상이 되는 시점부터 팔꿈치관절각도가 상승(굽힘)하는데, 이는 정상인과 동일하였다. 도 9의 (b)는 역치값이 50%(0.5)일 때의 화면이다. 정상인의 경우와 같이 이두근의 근전도 신호가 측정되지만 역치값을 넘기 전까지는 팔꿈치 관절의 각도에 변함이 없으며, 역치값 이상의 근전도 신호가 측정될 시에 팔꿈치 관절각도가 잠시 상승하는 것을 확인되었다.FIG. 9A is a system operation screen when the threshold value is set to 10% (0.1) of the torque that the hemiplegic patient can maximize. The elbow joint angle increased (bending) from the point at which the EMG signal of the biceps was above the threshold value, which was the same as that of the normal person. 9B is a screen when the threshold value is 50% (0.5). EMG signals of the biceps were measured as in normal people, but the elbow joint angle did not change until the threshold value was exceeded, and the elbow joint angle increased for a while when the EMG signal was measured above the threshold value.
따라서 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은 경직 현상이 있는 편마비 환자의 능동적 훈련을 위한 능동형 상지훈련시스템으로, 상기 실험을 통해 정상인과 환자에게 적용가능함을 확인할 수 있었다.Therefore, the active upper extremity rehabilitation training system of the present invention is an active upper extremity training system for active training of stiffness hemiplegic patients, it can be confirmed that it is applicable to normal people and patients through the experiment.
팔꿈치 근육에서 실시간으로 측정된 근전도 신호의 크기가 미리 설정한 역치 수준을 초과할 때만 모터가 구동하여팔꿈치 등속운동을 가능하도록 하였다. 개발된 시스템이 환자의 의지를 반영한 능동적 훈련시스템의 역할을 수행함을확인하였다. 환자의 경직이 심해 미약한 근전도 신호가 획득되더라도 환자의 최저 능력치부터 역치값을 설정하여 훈련을 진행할 수 있다. 이는 환자의 의지를 반영하여 근력을조절할 수 있도록 함으로써 수동적 훈련보다 더 효과적으로환자의 회복을 도울 수 있을 것으로 기대된다.Only when the magnitude of the EMG signal measured in the elbow muscle exceeds the preset threshold level, the motor is driven to enable elbow constant velocity motion. It was confirmed that the developed system plays the role of an active training system that reflects the patient's will. Even if the patient's stiffness is severe and weak EMG signals are acquired, training can be performed by setting the threshold value from the lowest ability value of the patient. This is expected to help patients recover more effectively than manual training by allowing them to adjust their muscle strength to reflect their will.
본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은 근전도 신호에서 변환된 토크 정보로 피험자의 운동 범위를 지정하고, 환자에게 능력 이상의 무리한 운동을 요하지 않는다는 점에서 증상의 경중을 고려하지 않는 종래의 연속 수동 운동 치료 기기와 차이가 있다. 또한 운동 치료에지대한 영향을 끼치는 몸 상태나 기분 등이 피험자 자신의운동 의지로 반영되어 훈련의 강도를 조절할 수 있으므로 치료사의 임의적 치료 종료와 달리 성과 향상이 높다는 장점이 있다. 따라서, 환자의 의지를 반영한 능동적 운동을 유도함으로써 기존의 수동치료보다 더 효과적인 치료효과를 가져다 준다. 본 발명은 피험자의 근력으로 가동되므로 연속적인 훈련은 피험자에게 피로와 부담을 줄 수 있다. 따라서 휴식과 훈련을 적절히 조합하여 피험자의 흥미를 유발시킬 수 있다.The active upper limb rehabilitation training system of the present invention is a conventional continuous passive exercise therapy apparatus that does not consider the severity of symptoms in that the subject's movement range is specified by the torque information converted from the EMG signal, and the patient does not require excessive exercise. There is a difference. In addition, since the physical condition or mood, which has a great influence on the exercise treatment, is reflected in the subject's willingness to exercise, the intensity of the training can be adjusted, and thus the performance improvement is high unlike the therapist's randomized treatment termination. Therefore, by inducing active exercise that reflects the will of the patient, it brings a more effective therapeutic effect than the conventional passive therapy. Since the present invention operates on the subject's muscle strength, continuous training can put fatigue and burden on the subject. Therefore, a combination of rest and training can be intrigued by the subject.
본 발명은 이상에서 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것이 아니며, 당업자라면 다음에 기재되는 청구범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것임은 물론이다.It is to be understood that the present invention is not limited by what has been described above and illustrated in the drawings, and those skilled in the art will recognize that many modifications and variations are possible within the scope of the following claims.
10 : 근전도 전극 20 : 근전도신호 전처리부
100 : 근전도 검출부 140 : 회전각도 검출부
150 : 회전각도 측정센서 160 : 각도신호 전처리부
180 : A/D변환부 200 : 제어부
300 : 모터 320 : 모터 고정부
325 : 힌지봉 400 : 로보틱 외골격부
410 : 상완 외골격부 415 : 받침판
420 : 상완거치대 425 : 상완거치대 고정부
440 : 관절부 470 : 하안 외골격부
475 : 하안거치대 480 : 하안거치대 조절부
482 : 하안거치대 고정자 484 : 벨트
485 : 조절용 주로 500 : 출력부
550 : 메모리부10: EMG electrode 20: EMG signal preprocessor
100: EMG detector 140: Rotation angle detector
150: rotation angle measurement sensor 160: angle signal preprocessor
180: A / D conversion unit 200: control unit
300: motor 320: motor fixing part
325
410: upper arm exoskeleton 415: support plate
420: upper arm rest 425: upper arm rest fixing portion
440: joint 470: lower extremity exoskeleton
475: Haan cradle 480: Haan cradle adjustment unit
482: bottom support stator 484: belt
485: mainly for adjustment 500: output
550: memory
Claims (15)
상기 검출된 근전도 신호(x)를 이용하되, a는 0.8 내지 1.2의 실수이며, b는 0.4 내지 1.2의 실수로 하여, 모터 토르크(y)를
y=axb
에 의해 구하여 모터 제어신호를 생성하는 제어부;
상기 제어부의 모터 제어신호에 의해 구동되며, 상완을 거치하는 상완 외골격부와 하완을 거치하는 하완 외골격부의 사이에 힌지 결합된 부분에 장착되어, 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동이 가능하도록 이루어진 모터;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템.EMG detection unit for detecting EMG from the biceps of the upper arm;
By using the detected EMG signal x, a is a real number of 0.8 to 1.2, b is a real number of 0.4 to 1.2, and the motor torque y is
y = ax b
A control unit for obtaining a motor control signal;
A motor driven by a motor control signal of the control unit and mounted to a hinge-coupled portion between the upper arm exoskeleton for mounting the upper arm and the lower arm skeleton for mounting the lower arm, such that the elbow joint can bend / bounce;
Active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback comprising a.
상기 검출된 근전도 신호(x)를 이용하되, -0.8 내지 -1.2의 실수이며, b는 0.4 내지 1.2의 실수로 하여, 모터 토르크(y)를
y=axb
에 의해 구하여 모터 제어신호를 생성하는 제어부;
상기 제어부의 모터 제어신호에 의해 구동되며, 상완을 거치하는 상완 외골격부와 하완을 거치하는 하완 외골격부의 사이에 힌지 결합된 부분에 장착되어, 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동이 가능하도록 이루어진 모터;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템.An EMG detector for detecting EMG from the triceps of the upper arm;
Using the detected EMG signal x, a real number of -0.8 to -1.2, b is a real number of 0.4 to 1.2, and the motor torque y is
y = ax b
A control unit for obtaining a motor control signal;
A motor driven by a motor control signal of the control unit and mounted to a hinge-coupled portion between the upper arm exoskeleton for mounting the upper arm and the lower arm skeleton for mounting the lower arm, such that the elbow joint can bend / bounce;
Active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback comprising a.
하완거치대와, 상기 하완거치대 좌우 양측에 장착되는 하완거치대 조절부를 구비하되, 상기 하완거치대 조절부는 통공형태의 조절용 주로를 구비하며, 하안거치대의 외측에 위치된 하안거치대 고정자가 상기 조절용 주로를 따라 이동되어 고정됨에 의해, 길이 조정이 가능하도록 이루어진 하안 외골격부;
상완거치대 고정부와 하완거치대 조절부가 상완거치대의 좌우 양측에서 각각
힌지 결합되되, 일측의 힌지 결합부에는 모터가 장착되는 관절부;
상기 모터의 회전축에 장착되어 각도신호를 검출하는 회전각도 센서를 구비하는 센서회전각도 검출부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템.A brachial exoskeleton including a brachial rest, and a brachial rest fixing part mounted on left and right sides of the brachial rest;
A lower armrest holder and a lower armrest control member are provided on both left and right sides of the lower armrest holder, wherein the lower armrest adjusting part includes a hole for adjusting a through hole, and a lower footrest stator positioned on the outside of the lower footrest moves along the adjustment head. By being fixed, the lower exoskeleton made to be adjustable in length;
The upper arm rest fixing part and the lower arm rest fixing part are on the left and right sides of the upper arm rest respectively.
Hinge coupled, but the hinge coupling portion of one side of the joint portion is mounted motor;
A sensor rotation angle detection unit mounted to a rotation shaft of the motor and including a rotation angle sensor detecting an angle signal;
Active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback comprising a.
상완의 근전도를 검출하는 근전도 검출부;
상기 검출된 근전도 신호를 이용하여 모터 제어신호를 생성하며, 상기 회전각도 검출부로부터 각도신호를 수신하는 제어부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템.The method of claim 3,
EMG detection unit for detecting the EMG of the upper arm;
A controller configured to generate a motor control signal using the detected EMG signal and to receive an angle signal from the rotation angle detector;
Active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback further comprising a.
로보틱 외골격부는 상기 상완 외골격부, 상기 관절부, 상기 하안 외골격부를 포함하여 이루어지며, 상기 제어부로부터 수신된 모터제어신호에 의해 모터를 구동시켜 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동이 가능하도록 이루어지며,
상기 제어부는
최대 수의적 수축 시의 근전도 신호를 기반으로 하여 팔꿈치 관절 토크를 추정하고,
상기 팔꿈치 관절 토크에 따라 운동강도를 차등 제어하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템.5. The method of claim 4,
The robotic exoskeleton includes the brachial exoskeleton, the articulation, and the lower exoskeleton, and is configured to bend / shape the elbow joint by driving a motor according to a motor control signal received from the controller.
The control unit
Estimate elbow joint torque based on EMG signal at maximum voluntary contraction,
EMG feedback-based active upper extremity rehabilitation training system, characterized in that made to differentially control the exercise intensity according to the elbow joint torque.
상기 근전도 검출부는 2 또는 3개의 차동전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템.The method according to any one of claims 1, 2, 4 and 5,
The electromyography detection unit active upper limb rehabilitation training system, characterized in that consisting of two or three differential electrodes.
상기 모터는 25 Nm 이상의 토르크를 가지는 모터인 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템.The method according to any one of claims 1 to 5,
EMG feedback-based active upper limb rehabilitation training system, characterized in that the motor having a torque of 25 Nm or more.
상기 모터는 감쇠비가 230:1인 기어헤드를 장착하고 있는 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템.The method according to any one of claims 1 to 5,
EMG feedback-based active upper limb rehabilitation training system, characterized in that the motor is equipped with a gear head having a damping ratio of 230: 1.
상기 회전각도 측정센서는 가변저항(potentiometer)인 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템.The method of claim 3,
The rotation angle measuring sensor is an electromyographic feedback-based active upper limb rehabilitation training system, characterized in that the potentiometer (potentiometer).
상기 하안 외골격부는 하안을 묶기 위한 벨트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템.The method of claim 3,
The lower extremity exoskeleton is EMG feedback-based active upper rehabilitation training system further comprises a belt for tying the lower eye.
상기 관절부는 1 자유도(degrees of freedom),0도~120도범위 내에서 운동 가능도록 이루어진 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템.The method of claim 3,
EMG feedback-based active upper extremity rehabilitation training system, characterized in that the joint is made to be able to exercise within a degree of freedom, 0 degrees to 120 degrees.
환자에 의해 입력된 사용자 설정 운동강도 목표치(역치, threshold)를 읽어들이는 운동강도 목표치 설정단계;
관절가동범위 설정단계에서 설정된 관절가동범위가 기 설정된 등속관절운동 기준치보다 이상이고, 사용자 설정 운동강도 목표치가 설정된 관절가동범위 내이라면, 모터를 초기화하는 모터 여자여부 판단단계;
모터가 구동됨에 됨에 따라 운동을 하게 되는 환자의 근전도 신호를 검출하며, 모터의 회전축에 장착된 회전각도 측정센서에 의해 각도 신호를 검출하여, 근전도 신호와 각도 신호를 수신하여 저장 및 출력하는 운동중 신호검출단계;
운동중 신호검출단계에서 검출된 근전도 신호가, 운동강도 목표치보다 크거나 같다면, 근전도 신호에 따른 모터 토르크를 추정하여 모터 제어신호를 생성하여 모터로 전송하고 운동중 신호검출단계로 되돌아가는 모터 제어신호 갱신여부 판단단계;
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템의 구동방법.Detecting an EMG signal during a maximum voluntary contraction (MVC) of the patient, and arranging a range of motion (RoM) by estimating elbow joint torque based on the detected EMG signal;
An exercise intensity target value setting step of reading a user set exercise intensity target value (threshold) input by the patient;
A motor excitation determining step of initializing a motor if the joint movement range set in the joint movement range setting step is greater than the preset constant velocity joint motion reference value and the user set exercise intensity target value is within the set joint movement range;
It detects EMG signals of patients who are exercising as the motor is driven, and detects angle signals by the rotation angle measuring sensor mounted on the rotating shaft of the motor, and receives and stores EMG signals and angle signals. Signal detection step;
If the EMG signal detected in the signal detection step during exercise is greater than or equal to the exercise intensity target value, the motor torque according to the EMG signal is estimated to generate a motor control signal, transmit it to the motor, and return to the signal detection step during exercise. Determining whether the signal is updated;
A method of driving an active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback, comprising a.
상기 관절가동범위 설정단계에서 팔꿈치 관절 토크(y)는 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)에 대해
y=axb
(단, 이두근의 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)일 경우 a는 0.8 내지 1.2의 실수이며 b는 0.4 내지 1.2의 실수이고, 삼두근의 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)일 경우 a는 -0.8 내지 -1.2의 실수이며 b는 0.4 내지 1.2의 실수임)
에 의해 구하여 지는 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템의 구동방법.The method of claim 12,
The elbow joint torque (y) in the step of setting the range of motion of the joint relative to the EMG signal (x) at the maximum voluntary contraction
y = ax b
(However, in the case of the EMG signal at the maximum voluntary contraction of the biceps, a is a real number from 0.8 to 1.2, b is a real number from 0.4 to 1.2, and the EMG signal at the maximum voluntary contraction of the triceps. a is a real number between -0.8 and -1.2 and b is a real number between 0.4 and 1.2)
A method of driving an active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback, characterized in that obtained by.
모터 제어신호 갱신여부 판단단계에서, 근전도 신호(x)에 따른 모터 토르크(y)를 추정은
y=axb
단, 이두근의 근전도 신호(x)일 경우 a는 0.8 내지 1.2의 실수이며 b는 0.4 내지 1.2의 실수이고, 삼두근의 근전도 신호(x)일 경우 a는 -0.8 내지 -1.2의 실수이며 b는 0.4 내지 1.2의 실수임)
에 의해 구하여 지는 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템의 구동방법.The method of claim 12,
In the determining whether the motor control signal is updated, the estimation of the motor torque y according to the EMG signal x is
y = ax b
However, in the case of the EMG signal of the biceps, a is a real number of 0.8 to 1.2, b is a real number of 0.4 to 1.2, and in the case of the EMG signal of the triceps, a is a real number of -0.8 to -1.2 and b is 0.4 To a real number of 1.2)
A method of driving an active upper limb rehabilitation training system based on EMG feedback, characterized in that obtained by.
상기 팔꿈치 관절토크가 기 설정된 등속관절운동 기준치 이상일 경우에 상기 로보틱 외골격부는 등속 관절 운동을 하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템.The method of claim 5,
EMG feedback-based active upper limb rehabilitation training system, characterized in that the robotic exoskeleton is made to perform a constant joint motion when the elbow joint torque is equal to or more than a predetermined constant joint joint reference value.
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