KR101428687B1 - Apparatus and application for rehabilitation training - Google Patents

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Abstract

본 발명은 재활 훈련 장치 및 이를 이용한 재활 훈련 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 재활자의 재활 치료 상태에 상응하여 단계적으로 재활 훈련을 수행하도록 유도하는 재활 훈련 장치 및 이를 이용한 재활 훈련 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 재활 훈련 장치는, 제1 회전 조인트가 형성되는 연장부를 구비하며, 말단에 제2 회전 조인트가 형성되는 지지 부재; 상기 제2 회전 조인트에 결합하며, 2 이상의 방향으로 연장하면서 일체로 형성되는 링크들을 갖는 보조 링크 부재; 상기 제1 회전 조인트와 제3 회전 조인트에 결합하여 회동가능하며, 모터의 구동에 따라 길이가 변하는 가변 링크 부재; 상기 가변 링크 부재와 지지 부재에 연결된 보조 링크 부재가 임의의 궤적을 따라 회동하도록 랜덤 신호를 발생시키는 랜덤 신호 생성기; 및 상기 랜덤 신호 생성기에서 생성한 랜덤 신호에 따라 상기 보조 링크 부재가 연속적으로 회동하도록 상기 모터를 제어하는 제어기를 포함한다. The present invention relates to a rehabilitation training apparatus and a rehabilitation training method using the same, and more particularly, to a rehabilitation training apparatus that induces a rehabilitation training to be performed step by step in accordance with a rehabilitation treatment state of a rehabilitator and a rehabilitation training method using the same . A rehabilitation training apparatus according to an embodiment of the present invention includes: a support member having an extension portion in which a first rotary joint is formed, and a second rotary joint is formed at an end thereof; An auxiliary link member coupled to the second rotating joint and having links formed integrally and extending in two or more directions; A variable link member rotatable in association with the first rotary joint and the third rotary joint, the variable link member varying in length with driving of the motor; A random signal generator for generating a random signal such that the auxiliary link member connected to the variable link member and the support member rotates along an arbitrary trajectory; And a controller for controlling the motor to continuously rotate the auxiliary link member according to the random signal generated by the random signal generator.

Description

재활 훈련 장치 및 이를 이용한 재활 훈련 방법 {APPARATUS AND APPLICATION FOR REHABILITATION TRAINING}[0001] APPARATUS AND APPLICATION FOR REHABILITATION TRAINING [0002]

본 발명은 재활 훈련 장치 및 이를 이용한 재활 훈련 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 재활자의 재활 치료 상태에 상응하여 단계적으로 재활 훈련을 수행하도록 유도하는 재활 훈련 장치 및 이를 이용한 재활 훈련 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a rehabilitation training apparatus and a rehabilitation training method using the same, and more particularly, to a rehabilitation training apparatus that induces a rehabilitation training to be performed step by step in accordance with a rehabilitation treatment state of a rehabilitator and a rehabilitation training method using the same .

뇌 가소성(neuroplasticity) 이란 뇌의 신경경로가 외부의 자극, 경험, 학습에 의해 구조 기능적으로 변화하고 재조직화 되는 현상이다. 예를 들어 정상인이 스포츠, 악기, 춤 등을 배우는 과정을 보면 전문가에게 올바른 자세를 배우고, 반복적인 훈련을 통하여 몸에 익히는 것을 볼 수 있는데 이 과정이 인간의 뇌 가소성을 이용한 학습 과정이라고 볼 수 있다. 뇌졸중 환자의 재활치료에서도 이 뇌 가소성이라는 가설을 기반으로 재활 훈련이 이루어지고 있다. 즉, 환자가 뇌졸중으로 인하여 뇌의 일부가 손상되어 운동 기능 또는 인지 기능이 저하되었다 하더라도, 끊임없는 반복적인 재활 훈련을 통하여 기존의 갖추고 있던 기능들을 재학습 시킨다는 것이 뇌 가소성을 기반으로 하는 재활훈련 방법이다. 이를 근거로 최근 로봇을 이용한 재활 치료 장비들이 여러 연구기관을 통해 개발되고 있다. 대표적인 상용 제품으로는 MIT MANUS, Hocoma 사의 로코맷(Lokomat) 등이 있고, 이러한 제품들을 이용하여 뇌 가소성 기반의 다양한 재활 방법들에 대한 연구가 진행되고 있다.Neuroplasticity is a phenomenon in which the neural pathway of the brain is structurally changed and reorganized by external stimulation, experience, and learning. For example, when a normal person learns the process of learning sports, musical instruments, dancing, etc., he can learn to learn the correct posture and to learn through repetitive training. This process can be regarded as a learning process using human brain plasticity . Rehabilitation training is being conducted based on the hypothesis that the brain is plasticity in stroke patients. In other words, even if a patient's brain is partially damaged due to a stroke, motor function or cognitive function is reduced, and the ability to re-learn existing functions through continuous and repeated rehabilitation training to be. Recently, rehabilitation equipment using robots has been developed through various research institutes. Typical commercial products include MIT MANUS, Hokoma's Lokomat, and a variety of brain plasticity-based rehabilitation methods are being explored using these products.

하지만 현재 나와있는 로봇을 이용한 재활 방법들은 대부분 정해진 작업을 수행하는 태스크-기반(task-oriented)의 훈련 과정으로 이루어져 있는데, 이는 재활자에게 훈련이 큰 부담으로 작용할 수 있다. 예를 들어, 정상인이 드럼을 배우는 과정을 보면 태스크-기반(task-oriented)의 학습(리듬 연주)을 하기 전단계로써 기초 연습(Rudimental exercise)을 충분히 하게 된다. 이는 처음부터 고난이도 기술을 습득하기엔 어려움이 있기 때문에 사전에 기초 훈련을 함으로써 보다 효율적으로 학습시켜 나가기(뇌 가소성을 이용하기) 위함일 것이다. 드럼 외에 다른 학습 과정(스포츠, 악기, 춤)도 이와 유사하게 기초 연습을 한 후 태스크-기반(task-oriented)의 훈련을 하는 것을 볼 수 있다. However, most of the rehabilitation methods using the present robots are task-oriented training courses that perform prescribed tasks, which can be a great burden to the rehabilitation worker. For example, when a normal person learns the drums, he or she will be able to practice rudimental exercises before task-oriented learning (rhythm play). This is because it is difficult to acquire the skill of high-altitude from the beginning, so it would be to learn more efficiently by using basic training beforehand (to use brain plasticity). In addition to drums, other learning processes (sports, musical instruments, dancing) can be similarly trained after basic exercises and task-oriented.

그러나, 대부분의 로봇을 이용한 재활 치료는 기초훈련 없이 태스크-기반(task-oriented)의 훈련으로 이루어진다. 전술한 로코맷(Lokomat)을 예로 들면, 정상적인 보행을 하기 위해 재활자는 반복적인 보행 훈련만을 수행하는데, 이러한 방법도 재활에 도움이 되는 것으로 알려져 있지만, 재활자 입장에서는 감당하기 어려운 고난이도 훈련일 수 있기 때문에 충분한 기초 훈련 후 보행 재활을 하는 것에 비해 재활 효과가 비효율적일 수 있다. However, rehabilitation therapy using most robots is task-oriented training without basic training. For example, in the case of Lokomat described above, the rehabilitator performs only repetitive gait training in order to perform a normal gait. Although this method is known to be helpful for rehabilitation, it can be a difficult training Therefore, rehabilitation effect may be ineffective compared with walking rehabilitation after sufficient basic training.

출원공개 10-2007-0054596 (모토리카 리미티드) 2007.05.29.Application open 10-2007-0054596 (Motorika Limited) 2007.05.29. 출원공개 10-2011-0054275 (을지대학교 산학협력단) 2011.05.25.Application open 10-2011-0054275 (Ehime University industrial cooperation corporation) 2011.05.25. 출원공개 10-2005-0081994 (재단법인 산재의료관리원) 2005.08.22.Application Open to the public 10-2005-0081994 (Ministry of Health, Labor and Welfare) 2005.08.22.

본 발명의 목적은 재활자의 재활 치료 상태에 상응하여 단계적으로 재활 훈련을 수행할 수 있도록 랜덤 신호를 발생시키는 재활 훈련 장치 및 이를 이용한 재활 훈련 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a rehabilitation training apparatus for generating a random signal so that rehabilitation training can be performed step by step in accordance with a rehabilitation treatment state of a rehabilitator and a rehabilitation training method using the same.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 재활 훈련 장치는, 제1 회전 조인트가 형성되는 연장부를 구비하며, 말단에 제2 회전 조인트가 형성되는 지지 부재; 상기 제2 회전 조인트에 결합하며, 2 이상의 방향으로 연장하면서 일체로 형성되는 링크들을 갖는 보조 링크 부재; 상기 제1 회전 조인트와 제3 회전 조인트에 결합하여 회동가능하며, 모터의 구동에 따라 길이가 변하는 가변 링크 부재; 상기 가변 링크 부재와 지지 부재에 연결된 보조 링크 부재가 임의의 궤적을 따라 회동하도록 랜덤 신호를 발생시키는 랜덤 신호 생성기; 및 상기 랜덤 신호 생성기에서 생성한 랜덤 신호에 따라 상기 보조 링크 부재가 연속적으로 회동하도록 상기 모터를 제어하는 제어기를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a rehabilitation training apparatus comprising: a support member having an extension formed with a first rotating joint and having a second rotating joint formed at an end thereof; An auxiliary link member coupled to the second rotating joint and having links formed integrally and extending in two or more directions; A variable link member rotatable in association with the first rotary joint and the third rotary joint, the variable link member varying in length with driving of the motor; A random signal generator for generating a random signal such that the auxiliary link member connected to the variable link member and the support member rotates along an arbitrary trajectory; And a controller for controlling the motor to continuously rotate the auxiliary link member according to the random signal generated by the random signal generator.

상기 가변 링크 부재는, 볼 스크류와, 상기 볼 스크류가 맞물리는 슬라이더 너트를 구비하며 내부에 볼 스크류를 수용하는 공간을 갖는 하우징으로 이루어질 수 있다. The variable link member may include a ball screw, a slider nut to which the ball screw is engaged, and a housing having a space for accommodating the ball screw therein.

상기 모터의 일면에는 플레이트가 결합하며, 상기 플레이트의 일 지점이 상기 제1 회전 조인트와 연결되어, 상기 제1 회전 조인트를 중심으로 상기 플레이트, 모터, 가변 링크 부재의 회동이 가능하도록 구성될 수 있다. A plate is coupled to one surface of the motor and one point of the plate is connected to the first rotary joint so that the plate, the motor, and the variable link member can be rotated about the first rotary joint .

상기 제어기는, 하기 수학식 2를 적분하여 매 주기마다 주어진 랜덤 각도 값에 따르는 연속된 궤적을 생성하고, 이를 기반으로 상기 모터를 구동시킬 수 있다. The controller integrates the following equation (2) to generate a continuous trajectory corresponding to a given random angle value at every cycle, and can drive the motor based on the generated trajectory.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112012093342299-pat00001
Figure 112012093342299-pat00001

여기서

Figure 112012093342299-pat00002
는 각각 보조 링크 부재에 적용되는 각도, 각속도, 각가속도를 의미하고,
Figure 112012093342299-pat00003
는 보조 링크 부재의 반응속도를 정할 수 있는 제어 게인(gain) 값이며,
Figure 112012093342299-pat00004
은 보조 링크 부재의 회전 각도에 관한 랜덤 각도 값이다.here
Figure 112012093342299-pat00002
Angular velocity and angular acceleration applied to the auxiliary link member, respectively,
Figure 112012093342299-pat00003
Is a control gain value for determining the reaction speed of the auxiliary link member,
Figure 112012093342299-pat00004
Is a random angular value with respect to the rotation angle of the auxiliary link member.

상기 보조 링크 부재의 회전 각도에 관한 랜덤 각도 값은 하기 수학식 1을 통해 산출될 수 있다. The random angle value relating to the rotation angle of the auxiliary link member can be calculated by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112012093342299-pat00005
Figure 112012093342299-pat00005

여기서, A는 크기(Amplitude)이며, r은 0~1 사이의 랜덤 값(random value)이다. Where A is the amplitude and r is a random value between 0 and 1.

본 발명의 일 실시예에 따른 재활 훈련 방법은 재활 훈련 장치를 이용하여 피험자의 재활 훈련을 수행하기 위한 방법으로서, 상기 재활 훈련 장치는, 제1 회전 조인트가 형성되는 연장부를 구비하며, 말단에 제2 회전 조인트가 형성되는 지지 부재; 상기 제2 회전 조인트에 결합하며, 2 이상의 방향으로 연장하면서 일체로 형성되는 링크들을 갖는 보조 링크 부재; 상기 제1 회전 조인트와 제3 회전 조인트에 결합하여 회동가능하며, 모터의 구동에 따라 길이가 변하는 가변 링크 부재; 상기 가변 링크 부재와 지지 부재에 연결된 보조 링크 부재가 임의의 연속된 궤적을 따라 회동하도록 랜덤 신호를 발생시키는 랜덤 신호 생성기; 및 상기 랜덤 신호 생성기에서 생성한 랜덤 신호에 따라 상기 보조 링크 부재가 회동하도록 상기 모터를 제어하는 제어기를 포함하며, 상기 랜덤 신호 생성기에서 상기 보조 링크 부재의 회전 각도에 관한 랜덤 각도 값을 생성하는 단계; 상기 랜덤 신호 생성기에서 생성된 랜덤 각도 값을 기반으로 매 주기마다 주어진 랜덤 각도 값에 따르는 상기 보조 링크 부재의 회전 각도의 연속된 궤적을 생성하는 단계; 및 상기 연속된 궤적에 따라 상기 보조 링크 부재가 회동하도록 상기 모터를 구동시키는 단계를 포함한다. A rehabilitation training method according to an embodiment of the present invention is a method for performing a rehabilitation training of a subject using a rehabilitation training apparatus, the rehabilitation training apparatus comprising an extension portion in which a first revolute joint is formed, A support member on which two rotary joints are formed; An auxiliary link member coupled to the second rotating joint and having links formed integrally and extending in two or more directions; A variable link member rotatable in association with the first rotary joint and the third rotary joint, the variable link member varying in length with driving of the motor; A random signal generator for generating a random signal such that the auxiliary link member connected to the variable link member and the support member rotates along any continuous trajectory; And a controller for controlling the motor to rotate the auxiliary link member according to the random signal generated by the random signal generator, wherein the step of generating a random angle value regarding the rotation angle of the auxiliary link member in the random signal generator ; Generating a continuous trajectory of the rotation angle of the auxiliary link member according to a given random angle value for each period based on the random angle value generated by the random signal generator; And driving the motor such that the auxiliary link member rotates in accordance with the continuous trajectory.

상기 연속된 궤적을 생성하는 단계는, 하기 수학식 2를 적분하여 매 주기마다 주어진 랜덤 각도 값에 따르는 연속된 궤적을 생성할 수 있다. The step of generating the continuous trajectory may integrate the following equation (2) to generate a continuous trajectory corresponding to a given random angular value for each period.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112012093342299-pat00006
Figure 112012093342299-pat00006

여기서

Figure 112012093342299-pat00007
는 각각 보조 링크 부재에 적용되는 각도, 각속도, 각가속도를 의미하고,
Figure 112012093342299-pat00008
는 보조 링크 부재의 반응속도를 정할 수 있는 제어 게인(gain) 값이며,
Figure 112012093342299-pat00009
은 보조 링크 부재의 회전 각도에 관한 랜덤 각도 값이다.here
Figure 112012093342299-pat00007
Angular velocity and angular acceleration applied to the auxiliary link member, respectively,
Figure 112012093342299-pat00008
Is a control gain value for determining the reaction speed of the auxiliary link member,
Figure 112012093342299-pat00009
Is a random angular value with respect to the rotation angle of the auxiliary link member.

상기 보조 링크 부재의 회전 각도에 관한 랜덤 각도 값은 하기 수학식 1을 통해 산출될 수 있다. The random angle value relating to the rotation angle of the auxiliary link member can be calculated by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112012093342299-pat00010
Figure 112012093342299-pat00010

여기서, A는 크기(Amplitude)이며, r은 0~1 사이의 랜덤 값(random value)이다. Where A is the amplitude and r is a random value between 0 and 1.

본 발명의 재활 훈련 장치 및 이를 이용한 재활 훈련 방법은 랜덤 신호 생성기를 통해 매 주기마다 새로운 신호를 생성하여 재활 훈련을 하도록 함으로써, 끊임없이 새로운 자극을 제공하여 재활자의 뇌를 활성화시키므로, 뇌 가소성을 일으켜 재활자의 운동 협응 능력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. The rehabilitation training apparatus and the rehabilitation training method using the same according to the present invention generate a new signal every period through a random signal generator to perform rehabilitation training, thereby constantly providing new stimuli to activate the brain of the rehabilitator, It is possible to improve the self-coordination ability of the person.

도 1은 본 발명에 따른 재활 훈련 방법의 개략적인 개념을 도시하는 도면이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 재활 훈련 장치를 도시하는 정면도들이다.
도 3은 랜덤 신호 생성기에서 생성한 랜덤 각도 값을 기반으로 한 보조 링크 부재의 회전 각도의 연속된 궤적을 나타내는 그래프이다.
도 4는 랜덤 신호 생성기에서 생성한 랜덤 각도 값을 기반으로 한 100초 동안의 보조 링크 부재의 회전 각도의 연속된 궤적을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 재활 훈련 방법의 순서도이다. 1 is a diagram showing a schematic concept of a rehabilitation training method according to the present invention.
2A and 2B are front views showing a rehabilitation training apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a continuous trajectory of the rotation angle of the auxiliary link member based on the random angle value generated by the random signal generator.
4 is a graph showing a continuous trajectory of the rotation angle of the auxiliary link member for 100 seconds based on the random angle value generated by the random signal generator.
5 is a flowchart of a rehabilitation training method according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재활 훈련 장치 및 이를 이용한 재활 훈련 방법에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a rehabilitation training apparatus and a rehabilitation training method using the same according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 재활 훈련 방법의 개략적인 개념을 도시하는 도면이다. 1 is a diagram showing a schematic concept of a rehabilitation training method according to the present invention.

도 1을 참조하면, 우선 운동 협응(Motor coordination)은 사람이 의도한 동작과 기구학(kinematic) 또는 운동학적(kinetic)으로 발생하는 동작과의 관계를 의미한다. 재활 의학 분야에서는 환자가 이 운동 협응이 잘 이루어지도록 훈련시키는 것을 핵심적인 목표로 한다. 본 발명의 재활 훈련 방법은, 기초 재활 훈련 방법으로서, 태스크-기반(task-oriented) 훈련을 수행하기 전 단계로 환자에게 단계적인 기초 훈련 과정을 제공할 수 있다. Referring to FIG. 1, first, motor coordination means a relationship between a motion intended by a person and a kinematic or kinetic motion. In the field of rehabilitation medicine, the key goal is to train the patient to perform well in this exercise coordination. The rehabilitation training method of the present invention can provide a step-by-step basic training procedure to a patient before performing task-oriented training as a basic rehabilitation training method.

피험자는 재활 훈련 장치(100)를 착용하고, 최대한 재활 훈련 장치(100)의 움직임을 따라 움직이도록 훈련한다. 이 과정을 통해, 피험자는 저 난이도의 동작부터 고 난이도의 동작까지 단계적으로 재활 훈련을 수행할 수 있다. The subject wears the rehabilitation training apparatus 100 and trains to move along with the movement of the rehabilitation training apparatus 100 as much as possible. Through this process, subjects can perform rehabilitation training step by step from low difficulty to high difficulty.

재활 훈련 장치(100)는 위치제어 모드로 동작이 제어되며, 재활 훈련 장치(100)가 움직이기 시작하면 피험자는 재활 훈련 장치(100)와 연결된 부분(human-robot interface)에서 상호작용 힘(interactive force)을 감지하게 된다. 이 감각 피드백(sensory feedback)은 보조 운동 영역(supplementary motor area), 즉, 뇌의 운동 명령을 담당하는 부분을 활성화시켜 운동 명령을 일으키고, 이에 따른 근육수축을 일으켜 피험자의 하지(또는 상지)가 재활 훈련 장치(100)를 따라 움직일 수 있도록 한다. 이 과정을 통해 재활 훈련을 반복하면, 피험자의 운동 협응 능력을 개선할 수 있다. The rehabilitation training apparatus 100 is controlled to operate in a position control mode and when the rehabilitation training apparatus 100 starts to move, the subject is allowed to interact with the rehabilitation training apparatus 100 in a human- force. This sensory feedback activates the supplementary motor area, that is, the portion of the brain that is responsible for the exercise command, thereby causing the exercise command, causing the contraction of the muscles, so that the subject's upper (or upper) So that it can move along the training device 100. By repeating the rehabilitation training through this process, it is possible to improve the ability of the subjects to cooperate with each other.

도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 재활 훈련 장치를 도시하는 정면도들이다. 2A and 2B are front views showing a rehabilitation training apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2a 및 2b를 참조하면, 본 발명의 재활 훈련 장치(100)는 지지 부재(110), 보조 링크 부재(120), 가변 링크 부재(130), 모터(140), 랜덤 신호 생성기(150) 및 제어기(160)를 포함한다.Referring to FIGS. 2A and 2B, the rehabilitation apparatus 100 of the present invention includes a support member 110, an auxiliary link member 120, a variable link member 130, a motor 140, a random signal generator 150, And a controller 160.

지지 부재(110)는 길이방향의 소정 지점에서 외측으로 연장하는 연장부(112)를 구비한다. 연장부(112)에는 제1 회전 조인트(X1)가 형성되며, 제1 회전 조인트(X1)에는 가변 링크 부재(130)가 결합할 수 있다. The support member 110 has an extension 112 that extends outward at a predetermined point in the longitudinal direction. A first rotary joint X1 is formed in the extension 112 and a variable link member 130 is coupled to the first rotary joint X1.

또한, 지지 부재(110)의 말단에는 제2 회전 조인트(X2)가 형성되며, 제2 회전 조인트(X2)에는 보조 링크 부재(120)가 결합할 수 있다. A second rotary joint X2 may be formed at the distal end of the support member 110 and an auxiliary link member 120 may be coupled to the second rotary joint X2.

보조 링크 부재(120)는 2 이상의 방향으로 연장하면서 일체로 형성되는 링크들(120a, 120b)을 구비할 수 있다. 도 2a 및 2b에서는 링크들(120a, 120b)이 2개가 도시되었으나, 피험자 신체와의 결합 부분을 증가시키기 위해 3개 이상의 링크들로 구성될 수도 있다. The auxiliary link member 120 may include links 120a and 120b which are integrally formed while extending in two or more directions. Although two links 120a and 120b are shown in FIGS. 2A and 2B, they may also be composed of three or more links to increase the joint with the subject's body.

가변 링크 부재(130)는 일단이 제1 회전 조인트(X1)에 결합하며, 타단이 제3 회전 조인트(X3)에 결합하여 회동가능하다. 또한, 가변 링크 부재(130)는 모터(140)의 구동에 따라 길이가 변할 수 있으며, 가변 링크 부재(130)의 길이가 변함에 따라 보조 링크 부재(120)와 가변 링크 부재(130)의 회전 운동이 제1 회전 조인트(X1), 제2 회전 조인트(X2), 제3 회전 조인트(X3)를 통해 연동하여 발생한다. One end of the variable link member 130 is coupled to the first rotary joint X1 and the other end is coupled to the third rotary joint X3 to be rotatable. The length of the variable link member 130 may vary depending on the driving of the motor 140 and the rotation of the auxiliary link member 120 and the variable link member 130 Movement occurs through the first rotary joint X1, the second rotary joint X2, and the third rotary joint X3.

본 발명의 일 실시예에서, 가변 링크 부재(130)는, 볼 스크류(132)와 하우징(136)으로 이루어질 수 있다. 하우징(136)은 일단에 상기 볼 스크류(132)가 맞물리는 슬라이드 너트(134)를 구비하며 내부에 볼 스크류(132)를 수용하는 공간을 갖는다. 또한, 모터(140)의 일면에는 플레이트(170)가 결합하며, 상기 플레이트(170)의 일 지점이 제1 회전 조인트(X1)와 연결되어, 제1 회전 조인트(X1)를 중심으로 플레이트(170), 모터(140), 가변 링크 부재(130)의 회동이 가능하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성을 갖는 경우, 제1 회전 조인트(X1)를 통해 가변 링크 부재(130)를 회동시키면서, 볼 스크류(132)와 하우징(136) 간의 직선 이동이 자유롭게 일어날 수 있다. In one embodiment of the present invention, the variable link member 130 may be composed of a ball screw 132 and a housing 136. The housing 136 has a slide nut 134 at one end thereof with which the ball screw 132 is engaged and has a space for receiving the ball screw 132 therein. A plate 170 is coupled to one surface of the motor 140 and one point of the plate 170 is connected to the first rotary joint X1 to rotate the plate 170 about the first rotary joint X1 ), The motor 140, and the variable link member 130 can be rotated. With such a configuration, linear movement between the ball screw 132 and the housing 136 can be freely performed while the variable link member 130 is rotated through the first rotary joint X1.

랜덤 신호 생성기(150)는 보조 링크 부재(120)가 임의의 궤적을 따라 회동하도록 랜덤 신호를 발생시킨다. 랜덤 신호 생성기(150)에서 생성하는 랜덤 신호에 대한 상세한 설명은 도 3을 통해 후술한다.The random signal generator 150 generates a random signal so that the auxiliary link member 120 rotates along any trajectory. A detailed description of the random signal generated by the random signal generator 150 will be given later with reference to FIG.

제어기(160)는 랜덤 신호 생성기(150)에서 생성한 랜덤 신호에 따라 보조 링크 부재(120)가 연속적으로 회동하도록 모터(140)를 제어한다. 모터(140)의 구동에 따라 가변 링크 부재(130)의 길이가 변하면서 보조 링크 부재(120)의 회전 각도가 제어될 수 있다. The controller 160 controls the motor 140 to continuously rotate the auxiliary link member 120 according to the random signal generated by the random signal generator 150. The rotation angle of the auxiliary link member 120 can be controlled while the length of the variable link member 130 changes according to the driving of the motor 140. [

도 3은 랜덤 신호 생성기에서 생성한 랜덤 각도 값을 기반으로 한 보조 링크 부재의 회전 각도의 연속된 궤적을 나타내는 그래프이다. 3 is a graph showing a continuous trajectory of the rotation angle of the auxiliary link member based on the random angle value generated by the random signal generator.

도 3을 참조하면, 랜덤 신호 생성기(150)는 랜덤 신호를 생성하며, 이는 피험자에 따라 다른 종류와 다른 크기로 설정될 수 있다. 따라서, 본 발명의 재활 훈련 장치(100)는 피험자의 상태에 따른 단계적인 재활 훈련을 할 수 있도록 한다. Referring to FIG. 3, the random signal generator 150 generates a random signal, which may be set to a size different from that of another type according to the subject. Therefore, the rehabilitation training apparatus 100 of the present invention enables the rehabilitation training according to the state of the subject to be performed in a stepwise manner.

본 발명의 일 실시예에서, 랜덤 신호 생성기(150)에서 생성한 랜덤 신호는 도 2b에서 보조 링크 부재(120)의 회전 각도(θ)를 나타내는 랜덤 각도 값이 될 수 있다. 도 3에서 랜덤 각도 값은 X 표시로 주어지며, 1초 주기마다 갱신되고 있으며, 하기 수학식 1에 따라 생성될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the random signal generated by the random signal generator 150 may be a random angle value indicating the rotation angle [theta] of the auxiliary link member 120 in FIG. In FIG. 3, the random angular value is given as X, updated every one second, and can be generated according to the following equation (1).

Figure 112012093342299-pat00011
Figure 112012093342299-pat00011

여기서

Figure 112012093342299-pat00012
은 보조 링크 부재(120)의 회전 각도를 나타내는 랜덤 각도 값이고, A는 크기(Amplitude)이며, r은 0~1 사이의 랜덤 값(random value)이다. 재활 훈련 장치(100)의 사용자는 피험자에 따라 A 값을 다르게 설정할 수 있으며, A 값이 크면 랜덤 각도 값의 변경 폭이 커지게 되고, A 값이 작으면 랜덤 각도 값의 변경 폭도 좁아진다. 따라서, 랜덤 신호 생성기(150)는 주어진 A 값에 따라 정해지는 범위 내에서 랜덤 각도 값을 매 주기마다 새롭게 생성할 수 있다. 일 예로, 도 3에서 주기가 1초이고, 크기가 50이며, 랜덤 각도 값은 0°에서 50°사이에서 생성되고 있다. here
Figure 112012093342299-pat00012
Is a random angle value indicating the rotation angle of the auxiliary link member 120, A is a magnitude and r is a random value between 0 and 1. The user of the rehabilitation training apparatus 100 can set the A value differently according to the subject. If the A value is large, the change range of the random angle value becomes large. If the A value is small, the change range of the random angle value becomes narrow. Therefore, the random signal generator 150 can newly generate a random angular value every period within a range determined according to a given A value. For example, in FIG. 3, the period is 1 second, the size is 50, and random angular values are generated between 0 and 50 degrees.

한편, 보조 링크 부재(120)의 회전 각도의 궤적은 연속된 부드러운 궤적이어야 하므로, 제어기(160)는 하기 수학식 2를 통해 랜덤 각도 값을 기반으로 연속된 궤적을 생성한다. On the other hand, since the trajectory of the rotation angle of the auxiliary link member 120 should be a continuous smooth trajectory, the controller 160 generates a continuous trajectory based on the random angular value through the following equation (2).

Figure 112012093342299-pat00013
Figure 112012093342299-pat00013

여기서

Figure 112012093342299-pat00014
는 각각 보조 링크 부재에 적용되는 각도, 각속도, 각가속도를 의미하고,
Figure 112012093342299-pat00015
는 보조 링크 부재의 반응속도를 정할 수 있는 제어 게인(gain) 값이다. here
Figure 112012093342299-pat00014
Angular velocity and angular acceleration applied to the auxiliary link member, respectively,
Figure 112012093342299-pat00015
Is a control gain value for determining the reaction speed of the auxiliary link member.

상기 수학식 2를 적분하면, 매 주기마다 주어지는 랜덤 각도 값을 따르는 보조 링크 부재(120)의 연속된 부드러운 궤적을 생성할 수 있다. 랜덤 신호 생성기(150)의 주기, 크기 및 제어 게인 값을 조절하면, 환자의 상태에 따라 신호의 형태를 적절하게 변형시킬 수 있다. By integrating Equation (2), it is possible to generate a continuous smooth trajectory of the auxiliary link member 120 that follows a random angular value given every cycle. By adjusting the period, size, and control gain of the random signal generator 150, the shape of the signal can be appropriately modified according to the state of the patient.

도 3에서, 실선은 수학식 2를 통해 생성한 보조 링크 부재의 회전 각도의 궤적이다. 매 주기마다 랜덤 각도 값(X)이 주어지면, 이에 상응하여 랜덤 각도 값에 따르는 부드러운 곡선 궤적이 생성되는 것을 확인할 수 있다. 3, the solid line is a trajectory of the rotation angle of the auxiliary link member generated through the equation (2). Given a random angle value X for each period, it can be seen that a smooth curved trajectory corresponding to the random angle value is generated.

도 4는 랜덤 신호 생성기에서 생성한 랜덤 각도 값을 기반으로 한 100초 동안의 보조 링크 부재의 회전 각도의 연속된 궤적을 나타내는 그래프이다. 4 is a graph showing a continuous trajectory of the rotation angle of the auxiliary link member for 100 seconds based on the random angle value generated by the random signal generator.

도 4를 참조하면, 랜덤 신호 생성기(150)는 크기가 50이며 0°에서 50°사이의 랜덤 각도 값을 생성하고, 제어기(160)는 랜덤 각도 값에 따라 보조 링크 부재의 회전 각도의 연속된 부드러운 궤적을 생성한다. Referring to FIG. 4, the random signal generator 150 generates a random angular value between 50 and 0 in size, and the controller 160 generates a random angular value between 0 and 50 degrees, Creates a smooth trajectory.

본 발명의 재활 훈련 장치(100)는 랜덤 신호 생성기(150)를 통해 매 주기마다 새로운 신호를 생성하여 재활 훈련을 함으로써, 끊임없이 새로운 자극에 따라 뇌를 활성화하므로, 뇌 가소성을 일으켜 궁극적으로 환자의 운동 협응 능력을 향상시킬 수 있다. The rehabilitation training apparatus 100 of the present invention generates a new signal at every cycle through the random signal generator 150 and performs rehabilitation training to constantly activate the brain according to a new stimulus so that brain plasticity is generated, The coordination ability can be improved.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 재활 훈련 방법의 순서도이다. 5 is a flowchart of a rehabilitation training method according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 우선, 피험자가 재활 훈련 장치(100)를 착용한 상태에서, 랜덤 신호 생성기(150)가 보조 링크 부재(120)의 회전 각도에 관한 랜덤 각도 값을 생성한다(S510). 5, the random signal generator 150 generates a random angle value relating to the rotation angle of the auxiliary link member 120 while the subject wears the rehabilitation apparatus 100 (S510).

이어서, 제어기(160)는 랜덤 신호 생성기(150)에서 생성된 랜덤 각도 값을 기반으로 매 주기마다 주어진 랜덤 각도 값에 따르는 보조 링크 부재(120)의 회전 각도의 연속된 궤적을 생성한다(S520). 이를 위해, 제어기(160)는 전술한 바와 같은 수학식 2를 통해 연속된 궤적을 생성할 수 있다.Next, the controller 160 generates a continuous trajectory of the rotation angle of the auxiliary link member 120 according to the given random angle value every period based on the random angle value generated in the random signal generator 150 (S520) . To this end, the controller 160 may generate a continuous trajectory through Equation (2) as described above.

계속하여, 제어기(160)는 상기 연속된 궤적에 따라 보조 링크 부재(120)가 회동하도록 모터(140)를 구동시킨다(S530). 가변 링크 부재(130)는 모터(140)의 구동에 따라 길이가 변할 수 있으며, 가변 링크 부재(130)의 길이가 변함에 따라 보조 링크 부재(120)와 가변 링크 부재(130)의 회전 운동이 제1 회전 조인트(X1), 제2 회전 조인트(X2), 제3 회전 조인트(X3)를 통해 연동하여 발생한다. 이에 따라, 보조 링크 부재(120)에 신체 일부가 결합한 피험자는 임의로 변하는 보조 링크 부재(120)의 움직임에 따라 뇌 신경을 자극하면서 재활 훈련을 할 수 있다. Subsequently, the controller 160 drives the motor 140 to rotate the auxiliary link member 120 according to the continuous trajectory (S530). The length of the variable link member 130 may vary depending on the driving of the motor 140 and the rotational movement of the auxiliary link member 120 and the variable link member 130 may vary depending on the length of the variable link member 130 Through the first rotary joint X1, the second rotary joint X2, and the third rotary joint X3. Accordingly, the subject to which the body part is coupled to the auxiliary link member 120 can perform the rehabilitation training by stimulating the cranial nerve according to the movement of the arbitrary auxiliary link member 120.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.

100: 재활 훈련 장치
110: 지지 부재
112: 연장부
120: 보조 링크 부재
130: 가변 링크 부재
132: 볼 스크류
134: 슬라이드 너트
136: 하우징
140: 모터
150: 랜덤 신호 생성기
160: 제어기
170: 플레이트100: Rehabilitation device
110: Support member
112: extension part
120: Sub-link member
130: variable link member
132: Ball Screw
134: slide nut
136: Housing
140: motor
150: Random Signal Generator
160:
170: Plate

Claims (8)

제1 회전 조인트가 형성되는 연장부를 구비하며, 말단에 제2 회전 조인트가 형성되는 지지 부재;
상기 제2 회전 조인트에 결합하며, 2 이상의 방향으로 연장하면서 일체로 형성되는 링크들을 갖는 보조 링크 부재-상기 일체로 형성되는 링크들중 하나의 링크에는 제3 회전 조인트가 형성됨-;
상기 제1 회전 조인트와 제3 회전 조인트에 결합하여 회동가능하며, 모터의 구동에 따라 길이가 변하는 가변 링크 부재;
상기 가변 링크 부재와 지지 부재에 연결된 보조 링크 부재가 임의의 궤적을 따라 회동하도록 랜덤 신호를 발생시키는 랜덤 신호 생성기; 및
상기 랜덤 신호 생성기에서 생성한 랜덤 신호에 따라 상기 보조 링크 부재가 연속적으로 회동하도록 상기 모터를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 훈련 장치. A support member having an extension portion in which a first rotary joint is formed and having a second rotary joint formed at an end thereof;
An auxiliary link member coupled to the second rotatable joint and having integrally formed links extending in at least two directions, the third rotatable joint being formed on one of the integrally formed links;
A variable link member rotatable in association with the first rotary joint and the third rotary joint, the variable link member varying in length with driving of the motor;
A random signal generator for generating a random signal such that the auxiliary link member connected to the variable link member and the support member rotates along an arbitrary trajectory; And
And a controller for controlling the motor so that the auxiliary link member continuously rotates in accordance with the random signal generated by the random signal generator. 제1항에 있어서, 상기 가변 링크 부재는, 볼 스크류와, 상기 볼 스크류가 맞물리는 슬라이더 너트를 구비하며 내부에 볼 스크류를 수용하는 공간을 갖는 하우징으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 재활 훈련 장치. The rehabilitation apparatus according to claim 1, wherein the variable link member comprises a housing having a ball screw and a slider nut engaged with the ball screw and having a space for accommodating the ball screw therein. 제1항에 있어서, 상기 모터의 일면에는 플레이트가 결합하며, 상기 플레이트의 일 지점이 상기 제1 회전 조인트와 연결되어, 상기 제1 회전 조인트를 중심으로 상기 플레이트, 모터, 가변 링크 부재의 회동이 가능한 것을 특징으로 하는 재활 훈련 장치. The motor according to claim 1, wherein a plate is coupled to one surface of the motor, and one point of the plate is connected to the first rotation joint so that the rotation of the plate, the motor, and the variable link member about the first rotation joint Wherein the rehabilitation training device is capable of performing the rehabilitation training. 제1항에 있어서, 상기 제어기는, 하기 수학식 2를 적분하여 매 주기마다 주어진 랜덤 각도 값에 따르는 연속된 궤적을 생성하고, 이를 기반으로 상기 모터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 재활 훈련 장치:
[수학식 2]
Figure 112012093342299-pat00016

여기서
Figure 112012093342299-pat00017
는 각각 보조 링크 부재에 적용되는 각도, 각속도, 각가속도를 의미하고,
Figure 112012093342299-pat00018
는 보조 링크 부재의 반응속도를 정할 수 있는 제어 게인(gain) 값이며,
Figure 112012093342299-pat00019
은 보조 링크 부재의 회전 각도에 관한 랜덤 각도 값이다. 2. The rehabilitation apparatus according to claim 1, wherein the controller integrates the following equation (2) to generate a continuous trajectory corresponding to a given random angle value for each cycle, and drives the motor based on the generated trajectory:
&Quot; (2) "
Figure 112012093342299-pat00016

here
Figure 112012093342299-pat00017
Angular velocity and angular acceleration applied to the auxiliary link member, respectively,
Figure 112012093342299-pat00018
Is a control gain value for determining the reaction speed of the auxiliary link member,
Figure 112012093342299-pat00019
Is a random angular value with respect to the rotation angle of the auxiliary link member. 제4항에 있어서, 상기 보조 링크 부재의 회전 각도에 관한 랜덤 각도 값은 하기 수학식 1을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 재활 훈련 장치:
[수학식 1]
Figure 112012093342299-pat00020

여기서, A는 크기(Amplitude)이며, r은 0~1 사이의 랜덤 값(random value)이다. 5. The rehabilitation apparatus according to claim 4, wherein the random angle value related to the rotation angle of the auxiliary link member is calculated by the following equation (1)
[Equation 1]
Figure 112012093342299-pat00020

Where A is the amplitude and r is a random value between 0 and 1. 재활 훈련 장치를 이용하여 피험자의 재활 훈련을 수행하기 위한 방법으로서, 상기 재활 훈련 장치는, 제1 회전 조인트가 형성되는 연장부를 구비하며, 말단에 제2 회전 조인트가 형성되는 지지 부재; 상기 제2 회전 조인트에 결합하며, 2 이상의 방향으로 연장하면서 일체로 형성되는 링크들을 갖는 보조 링크 부재-상기 일체로 형성되는 링크들중 하나의 링크에는 제3 회전 조인트가 형성됨-; 상기 제1 회전 조인트와 제3 회전 조인트에 결합하여 회동가능하며, 모터의 구동에 따라 길이가 변하는 가변 링크 부재; 상기 가변 링크 부재와 지지 부재에 연결된 보조 링크 부재가 임의의 연속된 궤적을 따라 회동하도록 랜덤 신호를 발생시키는 랜덤 신호 생성기; 및 상기 랜덤 신호 생성기에서 생성한 랜덤 신호에 따라 상기 보조 링크 부재가 회동하도록 상기 모터를 제어하는 제어기를 포함하며,
상기 랜덤 신호 생성기에서 상기 보조 링크 부재의 회전 각도에 관한 랜덤 각도 값을 생성하는 단계;
상기 랜덤 신호 생성기에서 생성된 랜덤 각도 값을 기반으로 매 주기마다 주어진 랜덤 각도 값에 따르는 상기 보조 링크 부재의 회전 각도의 연속된 궤적을 생성하는 단계; 및
상기 연속된 궤적에 따라 상기 보조 링크 부재가 회동하도록 상기 모터를 구동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 훈련 방법. A method for performing a rehabilitation training of a subject using a rehabilitation training apparatus, the rehabilitation training apparatus comprising: a support member having an extension portion in which a first rotary joint is formed, and a second rotary joint formed at an end thereof; An auxiliary link member coupled to the second rotatable joint and having integrally formed links extending in at least two directions, the third rotatable joint being formed on one of the integrally formed links; A variable link member rotatable in association with the first rotary joint and the third rotary joint, the variable link member varying in length with driving of the motor; A random signal generator for generating a random signal such that the auxiliary link member connected to the variable link member and the support member rotates along any continuous trajectory; And a controller for controlling the motor to rotate the auxiliary link member according to the random signal generated by the random signal generator,
Generating a random angular value with respect to a rotation angle of the auxiliary link member in the random signal generator;
Generating a continuous trajectory of the rotation angle of the auxiliary link member according to a given random angle value for each period based on the random angle value generated by the random signal generator; And
And driving the motor to rotate the auxiliary link member according to the continuous trajectory. 제6항에 있어서, 상기 연속된 궤적을 생성하는 단계는, 하기 수학식 2를 적분하여 매 주기마다 주어진 랜덤 각도 값에 따르는 연속된 궤적을 생성하는 것을 특징으로 하는 재활 훈련 방법:
[수학식 2]
Figure 112012093342299-pat00021

여기서
Figure 112012093342299-pat00022
는 각각 보조 링크 부재에 적용되는 각도, 각속도, 각가속도를 의미하고,
Figure 112012093342299-pat00023
는 보조 링크 부재의 반응속도를 정할 수 있는 제어 게인(gain) 값이며,
Figure 112012093342299-pat00024
은 보조 링크 부재의 회전 각도에 관한 랜덤 각도 값이다.7. The method according to claim 6, wherein the step of generating the continuous trajectory includes integrating the following equation (2) to generate a continuous trajectory corresponding to a given random angle value at every period:
&Quot; (2) "
Figure 112012093342299-pat00021

here
Figure 112012093342299-pat00022
Angular velocity and angular acceleration applied to the auxiliary link member, respectively,
Figure 112012093342299-pat00023
Is a control gain value for determining the reaction speed of the auxiliary link member,
Figure 112012093342299-pat00024
Is a random angular value with respect to the rotation angle of the auxiliary link member. 제7항에 있어서, 상기 보조 링크 부재의 회전 각도에 관한 랜덤 각도 값은 하기 수학식 1을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 재활 훈련 방법:
[수학식 1]
Figure 112012093342299-pat00025

여기서, A는 크기(Amplitude)이며, r은 0~1 사이의 랜덤 값(random value)이다. 8. The method according to claim 7, wherein the random angle value related to the rotation angle of the auxiliary link member is calculated by the following equation (1)
[Equation 1]
Figure 112012093342299-pat00025

Where A is the amplitude and r is a random value between 0 and 1.
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