KR100615446B1 - 근전도 생체신호제어형 동력보행보조기 - Google Patents

Abstract

가. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야.

본 발명은 하지 마비환자의 근전도 생체신호를 이용하여 고관절 및 슬관절을 제어하여 보행을 보조하는 동력보행보조 장치에 관한 것이다.

나. 발명이 해결하려는 기술적 과제.

종래의 왕복보행보조기는 사용시까지 전문적인 훈련이 필요하며, 적응을 위한 훈련기간이 수개월 소요되고, 또한 별도의 동력원이 없는 관계로 보행을 위해 신체 에너지가 과다하게 소비되며 이로써 근육의 피로 축적에 의해 장시간 착용하는 것은 신체에 많은 무리가 따르게 된다.

따라서, 상술한 문제로 인하여 종래의 왕복보행보조기는 널리 사용되지 못하고 특정한 체력 조건의 환자에게 국한되어 사용될 수밖에 없는 실정인 것이다.

다. 발명의 해결방법의 요지.

본 고안은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 본 고안의 목적은 환자의 보행의도에 의해 제어 및 작동이 가능하고 최소한의 근력으로 하반신 마비환자의 보행을 가능하게 하는 근전도 생체신호형 및 동력보조형 왕복보행보조기를 제공함에 있다.

라. 발명의 중요한 용도

왕복보행보조기.

Description

근전도 생체신호제어형 동력보행보조기{A power-driven walking did which is controlled by sipenals of electromyofram}

도 1은 본 발명에 따른 왕복보행보조기의 전체적인 구성을 나타낸 측면도.

도 2는 본 발명의 인공근육 모듈 구성을 나타낸 측단면도.

도 3은 본 발명의 제어부 모듈 구성을 나타낸 개략도.

도 4는 본 발명의 슬관절 장치부 구성을 나타낸 측단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 상부고정바 2 : 하부고정바

3 : 링 링크 4 : 힙 링크 샤프트

5 : 고정바 6 : 지지대

7 : 하부지지대 8 : 록킹 장치

9 : 공기주머니 10 : 인공근육 모듈

11 : 고관절 연결부 12 : 슬관절 연결부

13 : 구동장치부 14 : 허리고정부

20 : 제어부 모듈 21 : 제어용 메인회로부

22 : 배터리 23 : 공기펌프

24 : 솔레노이드 밸브 25 : 센서 단자

26 : 전원스위치 27 : 충전 단자

30 : 슬관절 장치부 31 : 브레이크패드

32 : 스프링

본 발명은 하지 마비환자의 근전도 생체신호를 이용하여 고관절 및 슬관절을 제어하여 보행을 보조하는 동력보행보조 장치에 관한 것이다.

종래 하반신 마비환자의 보행을 위한 왕복보행보조기는 하반신 마비환자의 보행을 위하여 발명된 장치로서 별도의 동력원을 두지 않고 환자의 상체 근력을 이용하여 보행을 가능하게 할 수 있도록 발명된 것으로, 통상 두 개의 장하지 보조기와 허리밴드가 부착된 체간 고정부로 구성되어진다.

그러나, 상기 종래 왕복보행보조기는 사용시까지 전문적인 훈련이 필요하며, 적응을 위한 훈련기간이 수개월 소요되고, 또한 별도의 동력원이 없는 관계로 보행을 위해 신체 에너지가 과다하게 소비되며 이로써 근육의 피로 축적에 의해 장시간 착용하는 것은 신체에 많은 무리가 따르게 된다.

따라서, 상술한 문제로 인하여 종래의 왕복보행보조기는 널리 사용되지 못하고 특정한 체력 조건의 환자에게 국한되어 사용될 수밖에 없는 실정인 것이다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 환자의 보행의도에 의해 제어 및 작동이 가능하고 최소한의 근력으로 하반신 마비환자의 보행을 가능하게 하는 근전도 생체신호형 및 동력보조형 왕복보행보조기를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에서는 보행을 위한 동력보조장치로써 인공근육을 사용하여 신체 에너지 소비에 대한 부담을 경감하였으며, 종래 굴곡이 불가능한 고정식 무릎장치로 인해 자연스런 보행을 얻지 못하는 문제점을 해결하기 위해 전자식 브레이크장치가 설치된 저항무릎잠금장치를 구성하여 마비환자의 효과적인 보행이 가능하도록 고안된 것이다.

이 때, 상기 동력보조장치 및 저항무릎잠금장치의 제어는 하지 마비환자의 근전도 생체신호를 추출하여 사용하도록 구성되어 있는데, 상기 근전도 생체신호는 센서 및 제어회로에 의해 분류 및 증폭하여 보행에 적합하도록 고안된 것이다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 우선 각 도면을 설명함에 있어, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 도시되더라도 가능한 한 동일한 참조부호를 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 왕복보행보조기의 전체적인 구성을 나타낸 측면도이고, 도 2는 본 발명의 인공근육 모듈 구성을 나타낸 측단면도, 도 3은 본 발명의 제어부 모듈 구성을 나타낸 개략도, 도 4는 본 발명의 슬관절 장치부 구성을 나타낸 측단면도로서, 본 발명은 하반신 마비환자의 안정적인 보행을 보조하기 위한 왕복보행보조기에 있어서, 사용자의 보행의도와 보행주기 및 현재의 자세 정보를 검 출하는 센서부(미도시)와, 상기 센서부로부터 입력된 신호를 처리하여 보행을 위한 출력 신호를 내보내는 제어부 모듈(20)과, 상기 제어부 모듈(20)의 제어에 따라 보행을 위한 보조적인 근력을 추가해주는 인공근육 모듈(10)과, 상기 제어부 모듈(20)의 제어에 따라 보행 시 정상적인 무릎 각을 가질 수 있도록 하는 슬관절 장치부(30)로 구성되어 있다.

본 발명에 따른 동력보행보조기(PGO)는 왕복보행보조기의 고관절 위치에 공압식 인공근육 모듈(10)을 좌우에 대칭되도록 부착하여 보행 시 고관절 굴곡에 따라 공기의 주입과 배출이 이루어지는 것으로 보행을 위한 동력(근력)을 보조해 주는 역할을 담당한다.

즉, 상기 인공근육 모듈(10)은 도 2에 도시된 바와 같이, 골반과 대퇴골을 잇는 좌/우 고관절 연결부(11)와, 대퇴골 하단과 경골 상단 및 슬개골(무릎뼈)을 잇는 슬관절 연결부(12)와, 상기 제어부 모듈(20)의 제어에 따라 공기주머니(9)의 팽창/수축에 의해 보조적인 근력을 추가해주는 구동장치부(13)와, 사용자의 허리를 받쳐주기 위한 허리고정부(14)로 구성되는 것이다.

따라서 상기 인공근육은 신축이완작용 또는 수축팽창이 가능한 물체 예를 들면 실린더나 공기주머니 또는 탄성력이 있는 탄성재 등을 말하는 것으로 본 발명에서는 공기주머니(9)를 사용한 것이다.
상기 고관절 연결부(11)는 고관절의 굴곡과 신전을 위해 4절식 링크장치로 구성되며 슬관절 연결부(12)는 단축식 연결 구조를 갖는다.

고관절 링크장치는 상부 고정바(1)와 하부 고정바(2) 및 링 링크(3)를 볼트 및 너트 체결방식으로 동일 축에 결합하여 이를 축으로 하여 작동되도록 구성하고, 링 링크(3)에는 힙 링크 샤프트(4)에 결합된 고정바(5)를 결합하여 인체 관절의 움직임과 동일한 관절점을 두어 보조기 착용상태에서 정상인과 같은 모든 자세를 취 할 수 있도록 구성된다.

또한, 고관절 링크는 허리부에 1개의 회전점을 중심으로 좌우 연결되어 우측 굴곡시에는 좌측은 신전되도록 하고 우측 신전시에는 좌측이 굴곡되도록 하여 보행시 고관절부가 연계성을 갖고 동작하도록 구성된다.

하부 고정바(2)에는 하부 지지대(7)를 끼워 핀을 압입하여 핀을 축으로 회동가능하도록 고정하며 이 체결부 외면으로는 커버형의 록킹 장치(8)를 씌워 상하로 움직이면서 체결부를 회전 또는 직립된 상태를 유지할 수 있도록 한다.

상기 구동장치부(13)는 고관절 연결부(11)와 슬관절 연결부(12)에 각각 결합된 지지대에 공기주머니(9)가 결합된 것으로, 제어부 모듈(20)의 제어에 따라 상기 공기주머니(9)가 팽창/수축 작동되어 각 링크를 회전시킴으로써 작동되어지는 것이다.

이 때 보행을 위한 제어부 모듈(20)의 작동 신호는 발 바닥부분에 설치된 좌우 두 쌍의 압력 센서가 담당하는 것으로, 상기 각 쌍의 압력 센서는 발 앞쪽과 뒤쪽에 설치되어 있으며 현재의 발의 위치가 입각기(stance phase) 위치인지 유각기(swing phase) 위치인지를 검출한다.
즉 보행의도는 입각기 시 보행자의 특정근육이 수축할 경우에 측정할수 있는 생체신호 즉 근전도 신호를 의미하는 것이다.
즉 보행자의 특정부위에 근전도 센서를 설치하여 보행자가 보행하고자 할 경우에 특정근육에서 발생하는 근전도 신호를 먼저 감지하여 보행자가 보행하려는 사실을 알고자 하는것이다.

또한, 앞뒤 압력 센서의 검출시간 간격을 이용하여 보행의 속도를 측정하게 된다.

한편, 상기 제어부 모듈(20)에서는 근전도 생체 신호를 이용하여 인공근육 모듈(10) 및 슬관절 장치부(30)의 작동을 제어하게 되는데, 검출할 신체부위에 부착된 한 쌍의 근전도 센서에 의해 보행을 위한 사용자 신호를 획득하고 사용자의 보행주기를 결정하도록 되어 있는 것으로, 이는 사용자의 의도에 따라 동력보행보조기의 분속수 및 보폭이 제어됨을 의미하는 것이다.
따라서 보행주기는 두 발바닥 부분에 설치된 압력센서를 통해 검출된 신호로서 입각기 시 두발이 일정한 보폭만큼 벌어진 동안 두 앞뒤 압력센서로부터 검출된 시간차를 이용하여 보행자의 이동속도를 측정한 것을 말하는 것이다.
즉 보행주기는 일정한 보폭(거리)동안의 보행속도(속도)를 말하는 것이다.

또한, 상기 슬관절 장치부(30) 내에 설치된 전자식 비틀림 스프링 잠금장치는 보행 중 지면에 대해 발의 끌림을 방지하고 자연스런 보행을 위해 무릎관절 굴곡 및 신전을 보조하게 되어 있다.

상기 잠금장치는 입각기 시에는 브레이크에 의해 잠겨져 신체를 견고하게 지지 및 지탱할 수 있도록 되어 있으며, 유각기 시에는 굴곡이 가능하도록 잠금장치가 해제되어 정상인과 유사하게 보행시의 무릎 각을 가질 수 있도록 하여 주며, 이와 병행하여 무릎의 굴곡 및 신전력을 얻기 위해 전기 자극장치를 이용하여 무릎관절 구동 근육을 자극하며 보행을 보조하게 된다.

센서부에는 보행시 신체의 균형과 안정된 보행을 위해서 골반에 한 쌍의 자이로 센서를 부착하고 신체 위치에 대한 신호를 검출하여 사용자의 현재 자세를 검출하게 되는 것으로, 측정된 자이로 센서의 신호는 제어부 모듈(20)에서 현재의 자세 정보를 분석하고 안정된 보행을 위해 고관절 및 슬관절의 각도와 보조기의 속도 및 보폭을 재결정하도록 구성되어 있다.
즉 자세정보는 위치보정센서로서 보행시 신체의 균형과 안정된 보행을 위해서 골반에 부착된 한쌍의 자이로센서로부터 검출된 신체의 위치정보(각도,각속도)등을 말하는 것이다.
상기 도 2를 참조하여 제어부 모듈(20)의 주요 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

삭제

우선, 제어부 모듈(20) 케이스 내에는 각종 센서로부터 입력되는 신호를 처리하는 제어용 메인회로부(P.C.B)(21)가 설치되어 있으며, 상기 메인회로부(21)에 인가되는 전원은 내장된 배터리(22)에 의해 작동됨으로써 외부의 전원 공급장치가 필요하지 않다.

또한, 상기 제어부 모듈(20) 케이스의 측면에 전원 ON/OFF 스위치(26)와 함께 충전용 전원 단자(27)가 설치되어 배터리의 교환 없이 충전에 의해 전원을 재충전할 수 있도록 구성되어 있다.

인공근육 구동을 위한 공기 펌프(23)는 제어부 모듈(20) 케이스 내에 설치되어 있으며, 4채널의 입출력 솔레노이드 밸브(24)에 의해 한 쌍의 인공근육 모듈(10)을 제어하는 것으로, 이 때 주입되는 공기의 양과 압력에 의해 고관절부의 굴곡각이 결정되어지는 것이다.

제어에 필요한 근전도 신호는 사용자 신체의 임의 위치에 설치된 근전도 센서에 의해 검출되어 제어부 모듈(20) 케이스의 좌우측에 구성된 근전도 검출용 센서 단자(25)를 통하여 메인회로부(21)에 직접 검출되어 보행을 위한 출력 신호로 보조기의 속도 및 보폭을 결정하게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 사용자의 보행의도에 따른 근전도 신호를 이용하여 인공근육을 통해 보행이 이루어지므로 사용자의 신체에너지 소비량이 현격하게 줄어들어서 보행보조기를 장시간 착용해도 신체에 무리가 가지 않게 되는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 하반신 마비환자의 안정적인 보행을 보조하기 위한 왕복보행보조기에 있어서, 임의의 사용자 신체부위에 부착되어 보행을 위한 사용자 신호를 검출하는 근전도 센서와, 동력보행보조기의 발 바닥부분에 좌우 두쌍으로 부착되어 현재 발의 위치가 입각기 위치인지 유각기 위치인지를 검출하는 압력센서와, 골반부위에 한쌍으로 부착되어 사용자의 신체 위치에 대한 신호를 검출하는 자이로 센서를 포함하는 센서부와, 상기 센수부로부터 입력된 신호를 처리하여 보행을 위한 출력 신호를 내보내는 제어부 모듈과, 상기 제어부 모듈의 제어에 따라 골반과 대퇴골을 잇는 좌,우 고관절 연결부와, 대퇴골 하단과 경골 상단 및 슬개골(무릎뼈)을 잇는 슬관절 연결부로 되는 인공근육 모듈과, 상기 제어부 모듈의 제어에 따라 보행시 정상적인 무릎 각을 가질수 있도록 입각기 시에는 브레이크에 의해 잠겨져 신체를 견고하게 지지할수 있고, 유각기 시에는 굴곡이 가능하도록 브레이크가 해제되어 정상인과 유사하게 보행시의 무릎 각을 가질수 있도록 한 전자식 비틀림 스프링 잠금장치를 포함하는 슬관절 장치부로 구성된 것을 특징으로 하는 근전도 생체신호제어형 동력보행 보조기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제어부 모듈(20)은 각종 센서로부터 입력되는 신호를 처리하는 제어용 메인회로부(21)와, 충전방식으로 상기 메인회로부(21)에 전원을 공급하여주는 배터리(22)와, 인공근육 구동을 위한 공기펌프(23)와, 4채널로 구성되어 한 쌍의 인공근육을 각각 제어할 수 있는 솔레노이드 밸브(24)와, 사용자 신체의 임의 위치에 설치된 근전도 센서로부터 신호를 입력받아 상기 메인회로부(21)로 전달하는 센서 단자(25)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 근전도 생체신호제어형 동력보행보조기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제어부 모듈이 제어에 따라 공기주머니(9)의 팽창, 수축에 의해 보조적인 근력을 추가해주는 구동장치부(13)를 포함함을 특징으로 하는 근전도 생체신호제어형 동력보행보조기.
4. 제 1항 내지 제3항의 어느 한항에 있어서, 상기 제어부 모듈의 제어에 따라 사용자의 허리를 받쳐주기 위한 허리고정부(14)를 포함토록 함을 특징으로 하는 근전도 생체신호제어형 동력보행보조기.
5. 삭제

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