KR101492045B1 - 재활 훈련 장치 - Google Patents

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이상협
이준원
김승종
신성열
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 재활 훈련 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는, 환자의 능동적인 재활 훈련 참여를 독려하면서 환자 개개인의 보행 패턴 생성을 가속화할 수 있는 재활 훈련 장치에 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 보조 링크 부재에 연동하여 재활자가 추종하는 재활 훈련의 목표 궤적에 대한 교란 신호를 발생시키는 교란 신호 생성기; 및 상기 교란 신호 생성기에서 생성한 신호에 따라 상기 보조 링크 부재가 작동하도록 상기 모터를 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

재활 훈련 장치 {REHABILITATION TRAINING APPARATUS}
본 발명은 재활 훈련 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는, 환자의 능동적인 재활 훈련 참여를 독려하면서 환자 개개인의 보행 패턴 생성을 가속화할 수 있는 재활 훈련 장치에 관한 것이다.
전방십자인대(Anterior cruciate ligament, ACL) 손상 및 뇌졸중 그리고 하지 근육 손상 등으로 인해 신체의 한쪽 부분만의 기능이 약화되거나 전신의 근육이 마비되게 되면 기초적인 사회 생활을 영위하는데 꼭 필요한 보행 능력에 악영향을 미치게 된다.
이러한 손상이 발생하게 되면 환자는 재활 훈련을 통해 약화된 신체 기능을 정상으로 되돌려 사회 생활에 복귀하고자 하는데, 재활 훈련은 기본적으로 근육의 손실을 보충하기 위한 점진적 저항훈련(Progressive resistance training, PRT)와 신경 재활을 위한 신경근 훈련(Neuromuscular training, NT) 그리고 보행 재활을 위한 체중 지지 트래드밀 훈련(Treadmill training with body-weight support)를 수행하게 된다.
각 훈련을 적절히 조합하여 꾸준히 수행하게 되면 환자의 운동 기능이 눈에 띄게 향상되게 된다. 하지만 위에서 언급된 모든 재활 운동은 환자 한 명당 최소 한 명에서 세 명까지의 물리 치료사가 필요하며, 재활 치료 자체가 굉장히 반복적이고 육체 노동이 심하기 때문에 환자의 치료가 쉽지 않은 상황이다. 이를 해결하기 위해 최근 로봇을 활용한 하지 재활이 주목을 받고 있다.
로봇을 활용한 재활 훈련은 크게 보행 재활과 하지 기능 재활로 나누어 진다. 보행 재활은 외골격(Exoskeleton)이 환자의 다리를 움직여주면서 트래드밀 훈련(Treadmill training)을 수행하는 것이고, 하지 기능 재활은 로봇이 기능의 약화가 온 부위를 반복적으로 움직여 주면서 재활 훈련을 수행하는 것을 말한다.
하지만 최근까지의 재활 훈련은 물리치료사가 환자를 훈련시키는 것을 모방하면서 기능적인 측면에서의 발전만을 했기 때문에 환자가 재활 훈련을 적극적으로 참여할 수 없었다. 이럴 경우 환자가 적극적으로 재활 훈련에 참여했을 때와 비교하여 낮은 기능 향상 및 재활 성공 여부를 보인다.
또한 로봇이 가지고 있는 하나의 재활 훈련 방법을 특성이 다른 개개인의 반응과 상관없이 강제로 적용하는 것보다는 환자가 그 재활 방법을 활용해 자신만의 재활 훈련을 만드는 것이 재활의 효과 측면에서나 효과 지속 측면에서도 더 나은 결과를 가져온다. 그렇기 때문에 환자의 능동적인 재활 훈련 참여를 독려하면서 환자 개개인의 보행 패턴 생성을 가속화시키는 훈련 기구와 방법이 필요하다.
출원공개 10-2007-0054596 (모토리카 리미티드) 2007.05.29. 출원공개 10-2011-0054275 (을지대학교 산학협력단) 2011.05.25. 출원공개 10-2005-0081994 (재단법인 산재의료관리원) 2005.08.22.
본 발명의 목적은 환자의 능동적인 재활 훈련 참여를 독려하면서 환자 개개인의 보행 패턴 생성을 가속화할 수 있는 재활 훈련 장치를 제공하는 것이다.
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 보조 링크 부재에 연동하여 재활자가 추종하는 재활 훈련의 목표 궤적에 대한 교란 신호를 발생시키는 교란 신호 생성기; 및 상기 교란 신호 생성기에서 생성한 신호에 따라 상기 보조 링크 부재가 작동하도록 상기 모터를 제어하는 제어기를 포함한다.
상기 가변 링크 부재는, 볼 스크류와, 상기 볼 스크류가 맞물리는 슬라이드 너트를 구비하며 내부에 볼 스크류를 수용하는 공간을 갖는 하우징으로 이루어질 수 있다.
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 가능하게 이루어질 수 있다.
상기 교란 신호 생성기는, 무릎 관절의 각도가 0도와 90도 부근일 때 무릎의 굽힘 또는 펴짐을 방해하는 힘을 가하게 설계되는 제1 교란 힘 패턴, 무릎 관절의 각도가 0도와 90도 부근일 때 무릎이 더 많이 굽혀지게 또는 더 많이 펴지게 하는 힘을 가하게 설계되는 제2 교란 힘 패턴, 무릎 관절의 각도가 0도와 90도 사이일 때 무릎이 펴지는 것 또는 굽혀지는 것을 막게 설계되는 제3 교란 힘 패턴, 및 무릎 관절의 각도가 0도와 90도 사이일 때 무릎이 더 많이 펴지게 또는 더 많이 굽혀지게 하는 힘을 가하게 설계되는 제4 교란 힘 패턴을 생성하고, 이들을 조합하여 최종 교란 힘 패턴을 생성할 수 있다.
상기 제1 교란 힘 패턴과 상기 제2 교란 힘 패턴은 위상이 역전되며, 상기 제3 교란 힘 패턴과 상기 제4 교란 힘 패턴은 위상이 역전될 수 있다.
상기 교란 신호 생성기는, 무릎을 굽힌 상태에서 폈다가 다시 굽히는 과정을 한 주기로 하여, 각 주기마다 의사 난수 생성기(pseudo random number generator)를 사용하여 1에서 4까지 무작위로 결정된 숫자를 이용하여, 제1 교란 힘 패턴 내지 제4 교란 힘 패턴 중, 각 주기에 들어갈 교란 힘 패턴을 지정하고, 이 과정을 전체 훈련 시간에 적용하여 최종 교란 힘 패턴을 생성할 수 있다.
본 발명의 재활 훈련 장치는 임의의 교란 힘을 생성하여 재활 훈련을 하도록 함으로써, 끊임없이 새로운 자극을 제공하여 재활자의 뇌를 활성화시키므로, 뇌 가소성을 일으켜 재활자의 운동 협응 능력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명을 이용한 재활 훈련 방법의 개략적인 개념을 도시하는 도면이다.
도 2는 교란 힘이 적용되는 재활 훈련 방법이 진행되는 동안 일어나는 바이오-피드백(Bio-feedback) 현상을 나타내는 도면이다.
도 3은 교란 힘 패턴을 도시하는 그래프들이다.
도 4는 무릎의 움직임을 6 부분으로 구분한 도면이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 재활 훈련 장치를 도시하는 정면도들이다.
도 6a 및 도 6b는 교란 신호 생성기에서 제1 교란 힘 패턴을 생성하기 위한 순서도 및 제1 교란 힘 패턴의 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 교란 신호 생성기에서 제2 교란 힘 패턴을 생성하기 위한 순서도 및 제2 교란 힘 패턴의 그래프이다.
도 8은 도 4의 1, 3, 4, 6번 구역에서 교란 힘을 생성시키는 패턴을 도시하는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 교란 신호 생성기에서 제3 교란 힘 패턴을 생성하기 위한 순서도 및 제3 교란 힘 패턴의 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 교란 신호 생성기에서 제4 교란 힘 패턴을 생성하기 위한 순서도 및 제4 교란 힘 패턴의 그래프이다.
도 11은 도 4의 2, 5번 구역에서 교란 힘을 생성시키는 패턴을 도시하는 그래프이다.
도 12a 내지 도 12c는 교란 신호 생성기에서 생성하는 최종 교란 힘 패턴을 설명하기 위한 그래프 및 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재활 훈련 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명을 이용한 재활 훈련 방법의 개략적인 개념을 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명을 이용한 재활 훈련 방법은, 피험자가 재활 훈련 로봇을 착용한 후, 로봇에 의한 교란 힘(Perturbing force)이 피험자의 다리에 가해지더라도 피험자는 모니터 상에 나타나는 기본 궤적을 최대한 정확하게 따라가는 훈련 방법이다.
도 2는 교란 힘이 적용되는 재활 훈련 방법이 진행되는 동안 일어나는 바이오-피드백(Bio-feedback) 현상을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 피험자는 훈련이 진행되는 동안 기본 궤적을 최대한 정확하게 추종해야 하기 때문에 시각과 다리의 촉각의 바이오 피드백(Bio-feedback)을 최대한 이용하게 되고 이를 통해 피험자는 자신의 다리 근육을 더욱 세밀하게 조종할 수 있게 된다.
도 3은 교란 힘 패턴을 도시하는 그래프들이며, 도 4는 무릎의 움직임을 6 부분으로 구분한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 교란 힘 패턴(Perturbing force pattern)은 총 네 가지의 기본 교란 힘 패턴(perturbing force pattern)을 무작위로 조합하여 만들어 진다.
도 3의 (a), (b), (c), (d)의 그래프가 네 가지 기본 교란 힘 패턴이며, 한 주기에 대해서만 도시되었다. 네 가지의 기본 교란 힘 패턴은 도 4와 같이 무릎이 펴지고 굽혀지는 과정을 총 6가지로 분리하여 각 부분에 교란 힘을 가하기 위해 설계된다.
구체적으로, 무릎의 움직임은, 크게 무릎의 방향이 전환되는 부분과 방향의 전환이 없는 부분으로 나누어지며, 세부적으로는 0도 부근에서 무릎이 펴질 때와 굽혀질 때, 90도 부근에서 무릎이 굽혀지고 펴질 때, 마지막으로 0도와 90도 사이에서 무릎이 펴질 때와 굽혀질 때로 나누어진다.
피험자의 재활 훈련은 도 4의 그래프의 동작이 주기적으로 여러 번 반복되어 실시된다. 즉, 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> 6 -> 1 -> …-> 6 -> 1 -> … 과 같이 각 순서가 순차적으로 반복된다.
이러한 과정에서 3번 부분에 무릎이 위치하게 되면 피험자는　무릎이 다 펴진 후 굽힐 것을　예상하고　정강이를 당기는 근육에서 굽히는 근육으로, 사용되는 근육의 전환을 준비한다.
또한, 3번과 4번 사이에서 근육의 전환이 일어나고 다시 6번과 1번 사이에서 그 반대의 현상이 일어나며, 2번과 5번에서는 사용되는 근육의 종류는 변하지 않는다. 이러한 6개의 과정이 지속적으로 반복되면서 피험자는 무릎을 폈다가 굽히는 움직임을 만들어 낸다.
만약, 피험자가 무릎을 폈다가 굽히는 6개의 일반적인 과정 중간에　움직임을 방해하는 힘이　외부에서 가해지면 무릎을 폈다가 굽히는 동작을 유지하기 위해 피험자는 외부 힘에 저항하는 동작을 취하게 된다. 예상하지 못한 외부 힘에 지속적으로 노출되게 되면 피험자는 외부 힘에 더욱 빠르게 반응하고 훈련이 끝난 후에 일상 생활에서도 외부의 힘에 충분히 저항할 수 있는 능력을 가지게 된다.
따라서, 무릎의 움직임을 방해하는 힘인 교란 힘을 6개의 과정에 주어서 근육의 전환이 일어날 때 그 전환을 방해하거나 전환이 일어나지 않는 부분에 힘을 가해 강제로 전환을 유도한다.
도 3의 (a) 그래프에서, 무릎 관절의 각도가 0도와 90도 부근일 때 무릎의 굽힘 또는 펴짐을 방해하는 힘을 가하게 설계되고, (b) 그래프에서, 무릎 관절의 각도가 0도와 90도 부근일 때 무릎이 더 많이 굽혀지게 또는 더 많이 펴지게 하는 힘을 가하게 설계된다. 또한, (c) 그래프에서, 무릎 관절의 각도가 0도와 90도 사이일 때 무릎이 펴지는 것 또는 굽혀지는 것을 막게 설계되고, (d) 그래프에서, 무릎 관절의 각도가 0도와 90도 사이일 때 무릎이 더 많이 펴지게 또는 더 많이 굽혀지게 하는 힘을 가하게 설계된다.
상기와 같이 무릎의 움직임을 6 부분으로 나눈 것은 각 부분에서 움직임의 전환과 함께 근육의 전환도 함께 발생하기 때문이다. 예를 들어, 3번에서 4번으로 움직임이 전환되면서 무릎을 펴기 위한 근육에서 굽히기 위한 근육으로 전환이 된다. 근육이 전환되는 부분에 교란 힘을 가해서 정상적인 근육의 전환을 방해하면, 피험자의 근육에 지속적으로 자극을 가할 수 있어서, 반복적인 재활 훈련보다 좀 더 나은 재활 효과를 기대할 수 있다.
전술한 조건에 부합하는 교란 힘 패턴을 생성하기 위해서 우선 교란 힘의 크기와 총 훈련 시간을 결정한 후, 그에 따른 네 가지 기본 교란 힘 패턴을 생성한다. 이어서, 최종 교란 힘 패턴을 생성할 때, 무작위로 네 가지 기본 교란 힘 패턴을 선택하는데, 이를 쉽게 하기 위해 각 교란 힘 패턴에 1에서 4까지의 숫자를 지정한다. 일 예로, 도 3의 (a) 그래프의 패턴을 1로, (b) 그래프의 패턴을 2로, (c) 그래프의 패턴을 3으로, (d) 그래프의 패턴을 4로 순서대로 지정할 수 있다.
계속하여, 무릎을 굽힌 상태에서 폈다가 다시 굽히는 과정을 한 주기로 하여 각 주기마다 의사 난수 생성기(pseudo random number generator)를 사용하여 1에서 4까지 무작위로 결정된 숫자를 이용하여, 그 주기에 들어갈 교란 힘 패턴을 지정하고, 이 과정을 전체 훈련 시간에 적용하면 도 3의 (e) 그래프와 같은 최종 교란 힘 패턴을 생성할 수 있다. 여기서, 도 3의 (e) 그래프는 예시적인 패턴을 나타낼 뿐, 무작위로 변경 가능하다.
기본 교란 힘 패턴들이 무릎의 정상적인 움직임을 방해하는 힘을 준다 하더라도 일정 시간이 지나게 되면 그 힘에 피험자들은 적응을 하게 된다. 기존의 반복적인 재활 훈련의 경우와 같이 피험자가 항상 일정한 패턴에 노출되게 되면, 재활 훈련에 적응하게 되어 훈련 효과가 감소하게 된다. 이를 해결하기 위해 도 3의 (e) 그래프와 같이 네 가지 교란 힘 패턴을 무작위로 조합하여 얻은 최종 교란 힘 패턴을 훈련에 사용하면, 매 재활 훈련마다 무작위로 교란 힘 패턴이 생성되므로, 피험자가 항상 다른 교란 힘 패턴에 노출되어 패턴에 적응하게 되는 문제가 없어진다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 재활 훈련 장치를 도시하는 정면도들이다.
도 5a 및 5b를 참조하면, 본 발명의 재활 훈련 장치(100)는 지지 부재(110), 보조 링크 부재(120), 가변 링크 부재(130), 모터(140), 목표 궤적 신호 생성기(150), 교란 신호 생성기(160) 및 제어기(170)를 포함한다.
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.
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.
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.
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.
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(180)가 결합하며, 상기 플레이트(180)의 일 지점이 제1 회전 조인트(X1)와 연결되어, 제1 회전 조인트(X1)를 중심으로 플레이트(180), 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.
목표 궤적 신호 생성기(150)는 보조 링크 부재(120)가 목표 궤적에 따라 회동하도록 신호를 발생시키며, 교란 신호 생성기(160)는 목표 궤적 신호 생성기(150)에서 생성한 신호에 대한 교란 신호를 발생시킨다.
본 발명의 일 실시예에서, 환자는 재활 훈련을 실시하고자 하는 다리를 보조 링크 부재(120)에 연결한 상태에서, 컴퓨터 스크린 상에 표시되는 일정한 다리 궤적을 따라 재활 훈련 장치(100)의 보조를 받아 다리를 움직이게 된다. 여기서, 컴퓨터 스크린 상에 표시되는 일정한 다리 궤적은 목표 궤적 신호 생성기(150)에서 생성한 목표 궤적 신호에 따라 움직일 때의 궤적이다. 이 때, 재활 훈련 장치(100)는 환자가 일정한 다리 궤적을 따라 움직일 수 있도록 도움을 주지만, 환자 다리의 움직임에 따라 보조 링크 부재(120)의 움직임이 변화할 수 있는 상태에 놓여 있다. 이 상태에서, 재활 훈련 장치(100)가 환자에게 일정한 궤적을 벗어나게 하는 불규칙적인 교란 힘(perturbing force)을 가하게 된다. 그러면, 환자는 교란 힘에 대응하면서 실시간으로 변화하는 컴퓨터 스크린 상의 다리 궤적을 추종하기 위해 다리에 연결된 보조 링크 부재(120)를 본래의 궤적으로 되돌리려는 노력을 하게 된다. 따라서, 재활 훈련 과정 동안 상기 과정이 반복되면, 환자가 능동적으로 재활 훈련에 참여할 수 있으므로, 재활 훈련의 효과를 극대화할 수 있다.
목표 궤적 신호 생성기(150)에서 생성하는 목표 궤적 신호는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
yb = Bb + Abㆍsin(ωb + Φb)
여기서, yb는 목표 궤적 신호, Bb는 정현파 신호(sinusoidal signal)의 바이어스(bias), Ab는 정현파 신호의 크기(amplitude), ωb는 정현파 신호의 주파수(frequency), Φb는 정현파 신호의 위상(phase)이다.
결국, 목표 궤적 신호 생성기(150)에서 생성한 목표 궤적 신호가 제어기(170)로 입력되어 보조 링크 부재(120)의 기본적인 움직임 궤적을 형성하게 된다. 또한, 교란 신호 생성기(160)에서 생성한 신호가 제어기(170)로 입력되어 전류값으로 변환되면서 모터(140)로 전달되며, 이에 따라 모터(140)가 구동하여 교란 힘을 생성하게 된다.
제어기(170)는 목표 궤적 신호 생성기(150)와 교란 신호 생성기(160)에서 생성한 신호를 합성하고, 합성된 신호에 따라 보조 링크 부재(120)가 연속적으로 회동하도록 모터(140)를 제어한다.
본 발명의 일 실시예에서, 재활 훈련 장치(100)는 교란 힘에 의한 재활 훈련 대상을 무릎으로 하여, 무릎이 갖는 다자유도 움직임을 가장 크게 외부로 표현하는 시상면(sagittal plane) 움직임으로 간략화하여, 이를 구현하기 위한 1 자유도를 갖는 로봇으로 설계될 수 있다. 또한, 단순한 움직임만이 가능한 1 자유도 로봇이라도 교란 힘에 의한 재활 훈련 목적에 맞도록 환자의 힘에 반(反)하는 힘을 내기 위해 모터(140)를 무릎 관절에 부착하지 않고, 볼 스크류 형태의 액추에이터로 구현할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 본 발명의 재활 훈련 장치(100)는 도 5a와 도 5b의 목표 궤적 신호 생성기(150)를 구비하지 않고 구성될 수 있다. 즉, 재활자는 목표 궤적 신호 생성기(150)에서 생성시키는 목표 궤적을 따라 다리 움직임을 보조하는 동력을 전달받지 않은 상태에서, 컴퓨터 스크린 상에 표시되는 일정한 다리 궤적을 시각적으로만 확인하고, 자신의 의지에 따라 보조 링크 부재(120)에 연동하여 다리를 움직일 수 있다. 이때, 교란 신호 생성기(160)는 컴퓨터 스크린 상에 표시되는 일정한 목표 궤적에 대한 교란 신호를 발생시키며, 제어기(170)는 교란 신호 생성기(160)에서 생성한 신호에 따라 보조 링크 부재(120)가 작동하도록 모터(140)를 제어한다.
이와 같이, 목표 궤적 신호 생성기(150)를 구비하지 않는 경우, 재활자는 보조 링크 부재(120)에 다리를 연결한 상태에서, 시각적으로 확인되는 목표 궤적을 따라 자연스럽게 다리를 움직이면서 재활 훈련을 수행하다가 교란 신호 생성기(160)에서 간헐적으로 발생시키는 교란 힘을 극복하면서 재활 훈련을 수행할 수 있다. 따라서, 동일한 패턴이 반복되는 재활 훈련에 비해 본 발명은 재활 훈련 효과를 극대화할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 교란 신호 생성기에서 제1 교란 힘 패턴을 생성하기 위한 순서도 및 제1 교란 힘 패턴의 그래프이다.
도 6a에 도시된 순서도에 따라 도 6b와 같은 제1 교란 힘 패턴이 생성된다. 도 6a에서 사용된 변수에 대한 설명은 다음과 같으며, 이후, 도 7a, 도 9a 및 도 10a의 순서도에 기재된 변수에 대해서도 같다.
t는 시간을 나타내며, 주기 함수를 사용하여 교란 힘 패턴을 생성하므로, 계산의 편의상 시간은 π의 배수로 표시한다. A는 교란 힘의 크기를 나타내며, 사용자가 결정하는 변수이다.
tf는 전체 훈련 시간을 나타내며, 본 실시예에서는 126초 설정되었다. w는 사인(sine) 함수의 주기이며, 사용자가 결정하는 변수이다.
den, n, m는 한 주기 안의 6개의 구역 중 각 교란 힘 패턴을 형성하기 위한 특정 구역을 선택하는 변수이다. 예를 들어, 첫 번째와 두 번째 패턴은 도 3에서 1,3,4,6번 구역을 선택하기 위해 den=3, n=7, m=8로 지정한 후 n과 m은 프로그램 내에서 지속적으로 변화될 수 있다. 세 번째와 네 번째 패턴은 2번과 5번 구역을 선택하기 위해 den=6, n=14, m=16으로 지정할 수 있다.
time step는 제어 주기를 나타내며, 로봇이 컴퓨터에 의해 제어되므로, 매 제어 주기(time step)마다 명령이 실행된다. 그리고 교란 힘 패턴이 로봇의 명령으로 들어가기 때문에 매 제어 주기에 필요한 교란 힘 값이 필요하다. 즉, (전체 훈련 시간/time step)개의 명령 값이 필요하며, 본 실시예에서는 로봇의 제어 주기를 0.001초 고정한다.
t_p는 세 번째 패턴과 네 번째 패턴을 생성할 때 필요한 변수이며, sign는 세 번째 패턴과 네 번째 패턴을 생성할 때 사인(sine) 함수의 부호를 바꿔주기 위한 변수이다.
도 6a에서, A를 결정하고, w, den, n, m, t, tf, i 값을 입력하면, 도 6a의 순서도에 따라 도 6b와 같은 그래프가 산출된다.
도 7a 및 도 7b는 교란 신호 생성기에서 제2 교란 힘 패턴을 생성하기 위한 순서도 및 제2 교란 힘 패턴의 그래프이다.
도 7a에 도시된 순서도에 따라 도 7b와 같은 제2 교란 힘 패턴이 생성된다.
도 7a의 순서도에서 PF2(i)= -A*sin(w*t)로 나타나며, 도 6a의 순서도에서 PF1(i)= A*sin(w*t)로 나타나므로, 부호가 반대인 것을 확인할 수 있으며, 도 7b의 그래프는 도 6b의 그래프에서 위상이 역전된 것임을 확인할 수 있다.
도 8은 도 4의 1, 3, 4, 6번 구역에서 교란 힘을 생성시키는 패턴을 도시하는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 피험자에게 시각적으로 주어지는 피험자가 따라가야 할 목표 궤적 함수는 y=35°+ 35°* sin(t-π/2)로 주어지며, 교란 힘 함수는 y=sin(3t)로 주어진다. 도 8은 도 6a와 도 7a의 순서도에 도시된 den, n, m 값 설정을 설명하기 위한 그래프이다. 도 6a와 도 7a에서, den, n, m을 설정하기 위한 특별한 원리는 없으나, 사인 함수의 규칙성을 이용해서 각 패턴에 해당하는 구역을 선택한다.
도 8에서, 교란 힘 함수 y=sin(3t)는 목표 궤적 함수 y=35°+ 35°* sin(t-π/2)에 비해 3배 높은 주파수를 가지며, 이를 이용하여 도 4의 1, 3, 4, 6번 구역에서만 교란 힘을 생성시킨다. 도 4의 1, 3, 4, 6번 구역에서만 교란 힘을 생성시키기 위해, 교란 힘 함수 y=sin(3t)에서, 도 4의 1, 3, 4, 6번 구역에 해당하는 부분은 그대로 교란 힘을 발생시키며, 도 4의 2, 5번 구역에 해당하는 시간대의 교란 힘 값을 0으로 만든다. 여기서, 도 4의 2, 5번 구역에 해당하는 시간대는 도 8의 7π/3 ~ 8π/3 구간, 10π/3 ~ 11π/3 구간 등으로 일정한 규칙을 가지고 시간의 흐름에 따라 반복하여 나타난다. 여기서, 구간의 시작 값을 바탕으로 den=3, n=7, m=8로 설정한다.
한편, 도 8에서 0에서 2π까지는 교란 힘이 0으로 되어 있는데, 이는 교란 힘이 발생하는 시점을 피험자가 모르게 하여 교란 힘 발생에 대해 미리 반응하지 못하도록 하기 위함이다. 도 9a 및 도 9b는 교란 신호 생성기에서 제3 교란 힘 패턴을 생성하기 위한 순서도 및 제3 교란 힘 패턴의 그래프이며, 도 10a 및 도 10b는 교란 신호 생성기에서 제4 교란 힘 패턴을 생성하기 위한 순서도 및 제4 교란 힘 패턴의 그래프를 나타낸다.
도 9a 및 도 10a에 도시된 순서도에 따라 각각 도 9b 및 도 10b와 같은 제3 교란 힘 패턴 및 제4 교란 힘 패턴이 생성된다.
도 9a의 순서도에서, sign=1, PF3(i)= sign*A*sin(w*t_p)로 주어지며, 도 10a의 순서도에서, sign=-1, PF4(i)= sign*A*sin(w*t_p)로 주어지므로, 부호가 반대인 것을 확인할 수 있으며, 도 10b의 그래프는 도 9b의 그래프에서 위상이 역전된 것임을 확인할 수 있다.
도 11은 도 4의 2, 5번 구역에서 교란 힘을 생성시키는 패턴을 도시하는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 피험자에게 시각적으로 주어지는 피험자가 따라가야 할 목표 궤적 함수는 y=35°+ 35°* sin(t-π/2)로 주어지며, 교란 힘 함수는 y=sin(3t)로 주어진다. 도 11은 도 9a와 도 10a의 순서도에 도시된 den, n, m 값 설정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11에서, 피험자가 따라가야 할 목표 궤적 함수는 한 주기를 총 12개의 시간대로 구분한 후, 도 4의 2, 5번 구역에 해당하는 부분인 도 11의 14π/6 ~ 16π/6 구간, 20π/6 ~ 22π/6 구간 등의 구간만 교란 힘을 그대로 두고, 나머지 구간은 모두 0으로 만든다. 도 11의 각 구간의 교란 힘은 일정한 규칙을 가지고 시간의 흐름에 따라 반복하여 나타난다. 여기서, 구간의 시작 값을 바탕으로 den=6, n=14, m=16으로 설정한다.
도 12a 내지 도 12c는 교란 신호 생성기에서 생성하는 최종 교란 힘 패턴을 설명하기 위한 그래프 및 순서도이다.
도 12a에서 횡축은 시간 흐름, 종축은 무릎 관절의 각도를 나타내며, 도 3에서 설명한 바와 같은 1부터 6까지의 하나의 주기가 반복되는 것을 나타낸다.
도 12b에서 의사 난수(pseudo random number)의 숫자에 따라 제1, 제2, 제3 및 제4 교란 힘 패턴을 조합한다. 즉, 전체 훈련 시간을 각각의 주기로 나눈 후, 각 주기마다 의사 난수 생성기를 사용하여 1에서 4까지의 숫자 중 무작위로 숫자 하나를 추출한 후 그 숫자에 해당하는 교란 힘 패턴의 한 주기를 삽입하고, 이 과정을 전체 훈련 주기에 적용하여, 도 12c와 같은 하나의 교란 힘 패턴을 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 재활 훈련 장치에 의하면, 피험자의 능동적인 무릎 재활 훈련 참여를 이끌어내기 위해 일정한 궤적을 따라가라는 단순한 목적을 부여한 다음 로봇을 활용하여 환자에게 불규칙하게 교란 힘을 가함으로써, 피험자는 단순히 반복적으로 무릎을 폈다가 굽히는 운동에 비해 교란 힘을 극복하려는 능동적인 움직임을 훈련할 수 있으므로, 재활 훈련에 더 집중하여 훈련을 수행할 수 있다.
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.
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: 목표 궤적 신호 생성기
160: 교란 신호 생성기
170: 제어기
180: 플레이트

Claims (6)

  1. 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 보조 링크 부재에 연동하여 재활자가 추종하는 재활 훈련의 목표 궤적에 대한 교란 신호를 발생시키는 교란 신호 생성기; 및
    상기 교란 신호 생성기에서 생성한 신호에 따라 상기 보조 링크 부재가 작동하도록 상기 모터를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 훈련 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가변 링크 부재는, 볼 스크류와, 상기 볼 스크류가 맞물리는 슬라이드 너트를 구비하며 내부에 볼 스크류를 수용하는 공간을 갖는 하우징으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 재활 훈련 장치.
  3. 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.
  4. 제1항에 있어서, 상기 교란 신호 생성기는,
    무릎 관절의 각도가 0도와 90도 부근일 때 무릎의 굽힘 또는 펴짐을 방해하는 힘을 가하게 설계되는 제1 교란 힘 패턴, 무릎 관절의 각도가 0도와 90도 부근일 때 무릎이 더 많이 굽혀지게 또는 더 많이 펴지게 하는 힘을 가하게 설계되는 제2 교란 힘 패턴, 무릎 관절의 각도가 0도와 90도 사이일 때 무릎이 펴지는 것 또는 굽혀지는 것을 막게 설계되는 제3 교란 힘 패턴, 및 무릎 관절의 각도가 0도와 90도 사이일 때 무릎이 더 많이 펴지게 또는 더 많이 굽혀지게 하는 힘을 가하게 설계되는 제4 교란 힘 패턴을 생성하고, 이들을 조합하여 최종 교란 힘 패턴을 생성하는 것을 특징으로 하는 재활 훈련 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 교란 힘 패턴과 상기 제2 교란 힘 패턴은 위상이 역전되며, 상기 제3 교란 힘 패턴과 상기 제4 교란 힘 패턴은 위상이 역전된 것을 특징으로 하는 재활 훈련 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 교란 신호 생성기는,
    무릎을 굽힌 상태에서 폈다가 다시 굽히는 과정을 한 주기로 하여, 각 주기마다 의사 난수 생성기(pseudo random number generator)를 사용하여 1에서 4까지 무작위로 결정된 숫자를 이용하여, 제1 교란 힘 패턴 내지 제4 교란 힘 패턴 중, 각 주기에 들어갈 교란 힘 패턴을 지정하고, 이 과정을 전체 훈련 시간에 적용하여 최종 교란 힘 패턴을 생성하는 것을 특징으로 하는 재활 훈련 장치.
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