KR101555999B1 - 하지 재활 운동 로봇의 제어 방법 - Google Patents

하지 재활 운동 로봇의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하지 재활 운동 로봇에 관한 것으로서, 더 상세하게는 무릎 및/또는 고관절에 대한 재활 훈련을 동시에 수행할 수 있는 좌와식 하지 재활 운동 로봇 및 이의 제어 방법에 대한 것이다.

Description

하지 재활 운동 로봇의 제어 방법{Control method of Training robot for leg rehabilitation}
본 발명은 하지 재활 운동 로봇에 관한 것으로서, 더 상세하게는 무릎 및/또는 고관절에 대한 재활 훈련을 동시에 수행할 수 있는 좌와식 하지 재활 운동 로봇 및 이의 제어 방법에 대한 것이다.
단위근력 약화나 수술로 인해 보행 능력이 떨어지는 사람들은 장기간 움직이지 못하기 때문에 보행에 필요한 관절과 단위 근력이 약화되고 굳어지게 된다. 특히, 골절환자는 골유합을 위해 장기간 깁스를 하거나 고정 장치에 의해 움직이지 않는 상태로 있기 때문에 깁스나 고정장치를 푼 후에는 관절과 전체 골격에 갑작스런 움직임을 주어서는 안 된다.
따라서, 노화로 인한 보행근력이 약화되어 활동성이 저하된 노인, 단위근력약화로 인해 보행능력이 약화된 사람에게는 지속적으로 단위근력을 증가시켜줄 수 있는 운동이 필요하고 골절로 인해 골유합을 시도해 장기간 움직이지 않은 환자들은 점진적으로 관절을 운동시켜 줌으로서 무리 없이 보행을 시도할 수 있는 상태로 만들어야 한다.
보행능력은 고관절과 무릎관절 및 발목관절의 운동이 원활하게 이루어질 때 향상될 수 있고, 이들 각 관절은 부드러운 물렁뼈로 된 관절막과 근육 및 힘줄로 둘려 싸여 있어 보행능력의 향상을 위한 재활운동장치는 이들 요소에 효과적인 운동을 부여할 수 있도록 요구되어 진다.
일반적으로 사용되는 재활운동기구는 기계적으로 관절부위에 반복적인 굴신운동을 제공함으로써 관절의 수동운동에 의해 점진적으로 근력을 회복시킴으로써 보행능력을 효과적으로 향상시킬 수 있다는 점에 착안된 것으로 다리를 받치는 프레임에 동력화된 링크 기구를 사용하여 구부렸다 폈다하는 굴신운동을 제공함으로써 관절을 운동시키도록 구성되어 진다.
이와 같은 연속 수동운동(CPM, Continuous Passive Motion)을 위한 기구는 US4,825,852, US6,267,735 B1에 제시된 바와 같이, 길이가 긴 형태의 프레임(베이스)과, 프레임의 한쪽 끝에 링크절과 피봇구조로 결합된 허벅지 지지대와, 허벅지 지지대의 끝에 링크절과 피봇구조로 결합되는 장딴지 지지대와, 장딴지 지지대의 한쪽 끝에 장착되는 발 지지대와, 베이스의 길이 방향으로 결합되고 모터에 연결된 스크류축과, 상기 스크류 축에 결합되어 전 후진 운동하는 가동부와, 상기 가동부와 장딴지 지지대를 U형으로 연결하여 안정되게 하는 부재로 이루어져 모터에 의해 상기 가동부가 전진 또는 후진하면 링크절의 운동에 의해 무릎 관절 부위가 구부려졌다 펴졌다 하면서 관절운동을 부여하도록 구성되어 있다.
또한, 하지 재활 로봇에 대한 예로서 한국공개특허번호 제10-2013-0127750호(발명의 명칭: 하지 재활 운동 로봇 및 이 로봇의 탑승 및 구동 방법)를 들 수 있다.
이와 같이 일반적인 CPM 기구 또는 하지 재활 로봇의 경우, 무릎관절 위주의 운동기구로서 보행능력의 향상에 필수적인 고관절 운동을 위해서는 별도의 고관절 운동기구를 이용하여야 하는 단점이 있었다.
즉, 별도의 고관절 재활 의료기기가 있는 병원 등에 별도의 시간을 할당하여 재활 치료를 받아야 하는 단점이 있었다.
이를 해소하기 위해 제안된 한국공개특허번호 제10-2006-0034986호(발명의 명칭: 복합관절 운동용 재활운동기구)를 들 수 있다. 이를 이해하기 쉽게 도면으로 도시하면 도 1과 같다.
도 1을 참조하면, 복합관절 운동용 재활운동기구는 전체 구성요소를 지지하기 위한 베이스부재(10), 상기 베이스 부재 내부에 설치되는 왕복운동요소(20) 및 회전운동요소(30)가 포함되는 구동수단과, 상기 구동 수단의 움직임을 전달하기 위한 이동블록(40)과, 이동블록의 움직임을 상부구조에 전달하는 로드(50)와, 이동블록 및 로드의 움직임에 반응하여 회전과 굴신운동이 이루어져 그에 얹어지는 사용자의 다리에 굴신운동과 회전운동에 의한 CPM을 제공하는 상부구조(60)로 이루어진다.
상기 베이스부재(10)는 기기 전체의 몸체를 구성하며, 길이가 긴 몸체(11)의 일측에 모터등 내부 구성요소를 장치하기 위한 하우징(12)이 형성되고, 타측에 상부구조를 지지하기 위한 축받침(13)이 형성되는 구조를 갖는다.
그러나, 위 복합관절 운동용 재활운동기구에 따르면, 왕복운동용 모터와 회전운동용 모터를 제어함으로써 무릎관절의 반복적인 굴신운동과 고관절의 회전운동을 각기 수행할 수 있고, 무릎관절운동과 고관절운동 및 그에 수반되는 발목관절운동을 동시에 수행할 수 있는 장점을 제공하나, 환자가 완전히 바닥에 누워서 운동을 해야하는 불편함이 있었다.
또한, 직선운동에 따른 하지 운동을 하기에는 충분하지 않다는 문제점이 있었다.
1. 한국공개특허번호 제10-2013-0127750호 2. 한국공개특허번호 제10-2006-0034986호 3. 미국등록특허번호 제US4,825,852B1호 4. 미국등록특허번호 제US6,267,735B1호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 좌와 방식으로 무릎 및/또는 고관절에 대한 재활 훈련을 동시에 수행하는 하지 재활 훈련 로봇 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 좌와 방식으로 무릎 및/또는 고관절에 대한 재활 훈련을 동시에 수행하는 하지 재활 훈련 로봇을 제공한다.
상기 재활 훈련 로봇은,
다수의 로봇팔을 갖는 재활 운동 로봇에 있어서,
사용자 설정에 의해 운동 모드를 선택하여 선택된 운동 모드를 실행하는 제어부;
선택된 운동 모드를 실행하기 위해 제어 신호를 생성하는 제어 신호 발생기;
좌와식 상태에서 사용자의 재활 운동을 돕도록 생성된 제어 신호에 따라 직선 운동부 또는 회전 운동을 위한 구동 신호를 생성하는 액츄에이터;
상기 액츄에이터의 구동 신호에 따라 상기 다수의 로봇팔 중 일부를 직선 운동하는 직선 운동부; 및
상기 액츄에이터의 구동 신호에 따라 상기 다수의 로봇팔 중 일부를 회전 운동하는 회전 운동부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 운동 모드는 무릎 재활을 위한 직선 운동만을 수행하는 제 1 운동 모드, 고관절 재활을 회전 운동만을 수행하는 제 2 운동 모드, 및 직선 운동과 회전 운동을 병행 수행하는 제 3 운동 모드를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 직선 운동부의 직선 운동량을 측정하는 제 1 센싱부; 및 상기 회전 운동부의 회전 운동량을 측정하는 제 2 센싱부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 측정된 직선 운동량 또는 회전 운동량을 기준값과 비교하여 재활 운동의 성공 또는 실패를 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 재활 운동의 성공 또는 실패를 디스플레이하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 직선 운동부는 상기 다수의 로봇팔의 연결부위에 3 자유도 조인트 및 유니버셜 조인트를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 회전 운동부는 상기 다수의 로봇팔의 연결부위에 3 자유도 조인트 및 유니버셜 조인트를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 회전 운동부는 좌우 회전을 위해 상기 3 자유도 조인트 및 유니버셜 조인트 중 어느 하나에 가이드 로드 또는 기어가 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 다수의 로봇팔을 갖는 재활 운동 로봇의 제어 방법에 있어서, 사용자 설정에 의해 운동 모드를 선택하여 선택된 운동 모드를 실행하는 단계; 선택된 운동 모드를 실행하기 위해 제어 신호를 생성하는 단계; 좌와식 상태에서 사용자의 재활 운동을 돕도록 생성된 제어 신호에 따라 직선 운동부 또는 회전 운동을 위한 구동 신호를 생성하는 단계; 상기 구동 신호에 따라 상기 다수의 로봇팔 중 일부를 해당 운동 모드에 따라 동작시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 운동 로봇의 제어 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 좌와식 하지 재활 훈련 로봇을 통해 편안한 자세에서 무릎 및/또는 고관절을 동시에 수행할 수 있기 때문에 환자는 무릎 및/또는 고관절을 재활하기 위한 별도의 의료기기를 사용하지 않고 하나의 의료기기로 재활 치료가 가능하여 재활 운동 시간을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 무릎 재활을 위한 직선 운동 및/또는 고관절 운동을 위한 회전 운동을 기어를 적용하여 적은 수의 모터를 사용하여 제어가 가능하도록 함으로써 하지 재활 훈련 로봇의 구성을 단순화시킬 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 복합관절 운동용 재활운동기구의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하지 재활 운동 로봇의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하지 재활 운동 로봇의 제어 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 하지 재활 운동 로봇 및 이의 제어 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 사용자인 환자가 의자 형태의 재활 의료기기에 앉아서 하지 재활을 수행하기 위해 로봇팔에 다리를 부착하는 형태의 하지 재활 운동 로봇에서 그 로봇 팔의 연결부위에 3자유도 조인트 및/또는 유니버셜 조인트를 사용하여 로봇 팔이 앞뒤 직선운동뿐만 아니라 좌우로 움직일 수 있도록 구성한다.
또한, 해당 3자유도 조인트 및/또는 유니버셜 조인트에 가이드 로드를 부착하거나 기어에 의해 좌우 회전 운동이 가능하도록 무릎 재활 운동인 직선 운동과 고관절 재활 운동인 회전 운동을 동시에 수행하도록 구성한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하지 재활 운동 로봇(200)의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 상기 재활 훈련 로봇(200)은, 다수의 로봇팔(미도시)을 갖는 재활 운동 로봇으로서, 사용자 설정을 위한 사용자 설정부(220), 사용자 설정에 의해 운동 모드를 선택하여 선택된 운동 모드를 실행하는 제어부(210), 선택된 운동 모드를 실행하기 위해 제어 신호를 생성하는 제어 신호 발생기(240), 좌와식 상태에서 사용자의 재활 운동을 돕도록 생성된 제어 신호에 따라 직선 운동부 또는 회전 운동을 위한 구동 신호를 생성하는 액츄에이터(250), 상기 액츄에이터(250)의 구동 신호에 따라 상기 다수의 로봇팔 중 일부를 직선 운동하는 직선 운동부(260), 상기 액츄에이터(250)의 구동 신호에 따라 상기 다수의 로봇팔 중 일부를 회전 운동하는 회전 운동부(270) 등을 포함하여 구성된다.
사용자 설정부(220)는 사용자인 환자가 운동 모드, 운동 시간, 운동 횟수, 운동 목표량 등의 입력 정보를 설정하는 입력 정보 인터페이스이다. 따라서, 사용자 설정부(220)는 음성, 자판, 터치 입력 방식 등이 가능하다.
제어부(210)는 사용자 설정에 의해 운동 모드를 선택하여 선택된 운동 모드를 실행하는 기능을 수행한다. 또한, 제 1 센싱부(261) 및/또는 제 2 센싱부(271)에 의해 측정된 직선 운동량 및/또는 회전 운동량을 기준값과 비교하여 재활 운동의 성공 또는 실패를 판단하는 알고리즘을 수행한다. 이를 위해, 제어부(210)는 마이크로프로세서, 메모리 등이 구성될 수 있다. 메모리는 알고리즘을 구현한 프로그램, 데이터 등을 저장한다.
여기서, 메모리는 제어부(210) 내에 구비되는 메모리일 수 있고, 별도의 메모리가 될 수 있다. 따라서 하드 디스크 드라이브, 플래시 메모리, EEPROM(Electrically erasable programmable read-only memory), SRAM(Static RAM), FRAM (Ferro-electric RAM), PRAM (Phase-change RAM), MRAM(Magnetic RAM) 등과 같은 비휘발성 메모리 및/또는 DRAM(Dynamic Random Access Memory), SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory), DDR-SDRAM(Double Date Rate-SDRAM) 등과 같은 휘발성 메모리의 조합으로 구성될 수 있다.
여기서, 운동 모드는 무릎 재활을 위한 직선 운동만을 수행하는 제 1 운동 모드, 고관절 재활을 회전 운동만을 수행하는 제 2 운동 모드, 및 직선 운동과 회전 운동을 병행 수행하는 제 3 운동 모드 등을 포함한다.
제어 신호 발생기(240)는 제어부(210)의 제어에 따라 직선 운동을 위한 제어 신호를 생성하는 직선운동 제어신호 발생기(241), 회전 운동을 위한 제어 신호를 생성하는 회전운동 제어신호 발생기(242)로 구성된다.
액츄에이터(250)는 제 1 및 제 2 제어신호 발생기(241,242)의 제어 신호에 따라 직선 운동부(260) 및/또는 회전 운동부(270)를 구동하는 구동 신호를 생성한다.
직선 운동부(260)는 앞뒤 직선 운동만을 수행한다. 이를 위해 직선 운동부(260)는 로봇팔의 연결부위에 3 자유도 조인트 및/또는 유니버셜 조인트 등이 설치되는 구성을 갖는다. 부연하면, 모터(미도시)의 전후진에 따라 로봇팔의 연결부위에 설치되는 조인트의 직선 왕복 운동이 가능하다.
3 자유도 조인트는 다양한 산업 분야에서 시스템 자동화를 위해 흔히 사용되고 있다. 즉, 사용자인 재활 환자에게 좌우 회전 운동을 제공할 수 있도록 관절이 자유도를 갖고 동작한다. 물론, 다양한 궤적을 갖는 재활 운동을 제공할 수 있도록, 즉 다양한 동작 범위를 확보할 수 있도록 6 자유도 이상을 갖는 조인트로 구성하는 것도 가능하다.
3 자유도 조인트는 각 관절의 회전 각도를 실시간으로 측정할 수 있는 각도 센서, 각 관절의 이동 속도를 실시간으로 측정할 수 있는 속도 센서, 각 관절에 걸리는 힘을 실시간으로 측정할 수 있는 힘 센서 등이 각 관절마다 구비할 수 있다.
따라서, 회전 운동부(270)는 로봇팔의 연결부위에 3 자유도 조인트 및/또는 유니버셜 조인트를 설치하고, 이에 더하여 좌우 회전을 위해 조인트에 가이드 로드 및/또는 기어를 설치한다.
또한, 상기 직선 운동부(260)의 직선 운동량을 측정하는 제 1 센싱부(261) 및 상기 회전 운동부(270)의 회전 운동량을 측정하는 제 2 센싱부(271)가 구성된다. 제 1 센싱부(261)는 직선 운동부(260)의 이동 거리에 따른 변위량을 측정하기 위해 변위 센서가 사용될 수 있다.
제 2 센싱부(270)는 회전 운동부(270)의 회전 운동량을 측정하기 위해 각속도 센서 및/또는 거리 센서 등이 조합되어 사용될 수 있다.
디스플레이부(230)는 상기 제어부(210)의 제어에 따라 재활 운동의 성공 또는 실패 등을 디스플레이한다. 물론, 이외에도 사용자에게 운동 정보 등을 표시할 수 있다. 물론, 디스플레이부(230)와 사용자 설정부(220)를 하나의 터치 패널로 구성하는 것도 가능하다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하지 재활 운동 로봇의 제어 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 사용자 설정에 의해 운동 모드를 선택하여 선택된 운동 모드를 실행한다(단계 S310,S320).
운동 모드의 선택에 따라 직선운동만 하는 제 1 운동모드, 회전운동만 하는 제 2 운동모드, 직선운동 및 회전운동을 모두 수행하는 제 3 운동모드가 수행될 수 있다.
제 1 운동모드의 경우, 직선운동 제어신호 발생기(241)를 이용하여 제어 신호를 생성하고 이러한 제어 신호에 따라 직선 운동부(260)가 구동한다(단계 S331,S333).
직선 운동부(260)가 구동됨에 따라 제 1 센싱부(261)를 이용하여 직선 운동부(260)의 변위량을 센싱하여 센싱값을 기준값과 비교하여 기준값을 만족하면 재활 운동 성공 상태를 표시한다(단계 S335,S360).
이와 달리, 단계 S335에서, 센싱값이 기준값을 만족하지 못하면 재활 운동 실패 상태로 표시한다(단계 S370).
단계 S320에서, 제 2 운동모드가 선택된 경우, 회전운동 제어신호 발생기(242)를 이용하여 제어신호를 생성하고 이러한 제어 신호에 따라 회전 운동부(270)가 구동한다(단계 S341,S343).
회전 운동부(270)가 구동됨에 따라 제 2 센싱부(271)를 이용하여 회전 운동부(270)의 변위량을 센싱하여 센싱값을 기준값과 비교하여 기준값을 만족하면 재활 운동 성공 상태를 표시한다(단계 S345,S360).
이와 달리, 단계 S345에서, 센싱값이 기준값을 만족하지 못하면 재활 운동 실패 상태로 표시한다(단계 S370).
단계 S320에서, 제 3 운동모드가 선택된 경우, 직선운동 제어신호 발생기(241) 및 회전운동 제어신호 발생기(242)를 이용하여 제어 신호를 생성하고 이러한 제어 신호에 따라 회전 운동부(270) 및 직선 운동부(260)가 구동한다(단계 S351,S353). 부연하면, 회전 운동부(270) 및 직선 운동부(260)의 구동은 시차를 두고 이루어진다. 즉, 직선 운동부(260)의 구동이 있은 후 회전 운동부(270)가 구동할 수 있다. 물론, 회전 운동부(270)의 구동이 있은 후 직선 운동부(260)가 구동할 수 있다.
직선 운동부(260) 및 회전 운동부(270)가 구동됨에 따라 제 1 센싱부(261) 및 제 2 센싱부(271)를 이용하여 직선 운동부(260) 및 회전 운동부(270)의 변위량을 센싱한 뒤, 센싱값을 기준값과 비교하여 기준값을 만족하면 재활 운동 성공 상태를 표시한다(단계 S355,S360).
이와 달리, 단계 S355에서, 센싱값이 기준값을 만족하지 못하면 재활 운동 실패 상태로 표시한다(단계 S370).
200: 하지 재활 운동 로봇
210: 제어부
220: 사용자 설정부
230: 디스플레이부
240: 제언 신호 발생기
241: 직선 운동 제어 신호 발생기
242: 회전 운동 제어 신호 발생기
250: 액츄에이터
260: 직선 운동부
261: 제 1 센싱부
270: 회전 운동부
271: 제 2 센싱부

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  9. 다수의 로봇팔을 갖는 재활 운동 로봇의 제어 방법에 있어서,
    사용자 설정에 의해 무릎 재활을 위한 직선 운동만을 수행하는 제 1 운동 모드, 고관절 재활을 회전 운동만을 수행하는 제 2 운동 모드, 및 직선 운동과 회전 운동을 병행 수행하는 제 3 운동 모드 중 어느 하나의 선택된 운동 모드를 실행하는 단계;
    상기 선택된 운동 모드를 실행하기 위해 직선운동 제어신호 발생기 또는 회전운동 제어신호 발생기로부터 제어 신호를 생성하는 단계;
    좌와식 상태에서 상기 사용자의 재활 운동을 돕도록 상기 생성된 제어 신호에 따라 상기 직선 운동 또는 상기 회전 운동을 위한 구동 신호를 생성하는 단계;
    상기 구동 신호에 따라 상기 다수의 로봇팔 중 일부를 상기 선택된 운동 모드에 따라 동작시키는 단계;
    상기 선택된 운동 모드가 상기 제 3 운동 모드이면, 상기 제 3 운동 모드에 따른 상기 직선 운동부(260) 및 상기 회전 운동부(270)의 변위량을 센싱한 뒤, 상기 센싱값을 기준값과 비교하여 기준값을 만족하면 재활 운동 성공 상태를 표시하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 재활 운동 로봇의 제어 방법.

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