KR101841477B1 - Lower limb rehabilitation robot system based on wire driven actuator and method of controlling the same - Google Patents

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Abstract

와이어 구동 기반 하지 재활 장치 및 그 제어방법이 개시된다. 개시된 하지 재활 장치는 트레드 밀; 환자의 신체 부위에 고정되는 엔드 이펙터(end effector);상기 엔드 이펙터에 연결된 복수의 와이어를 감거나 풀어 줄 수 있도록 정회전 및 역회전 하는 복수의 모터; 및 환자가 상기 트레드 밀에서 보행 시, 상기 엔드 이펙터의 움직임에 다라 상기 복수의 와이어에 미치는 장력을 통해 산출되는 환자의 보행 궤적과 미리 설정된 보행 궤적과의 차이를 계산하여, 상기 복수의 모터를 구동시키는 제어부;를 포함할 수 있다.A wire-driven based rehabilitation device and its control method are disclosed. The disclosed underarm rehabilitation apparatus includes a tread mill; An end effector fixed to a body part of a patient, a plurality of motors rotating forward and reverse so as to wind or loosen a plurality of wires connected to the end effector; And calculating a difference between a gait locus of the patient and a predetermined gait locus calculated through a tension on the plurality of wires in accordance with the movement of the end effector when the patient is walking on the treadmill, And a control unit.

Description

와이어 구동 기반 하지 재활 장치 및 그 제어방법{LOWER LIMB REHABILITATION ROBOT SYSTEM BASED ON WIRE DRIVEN ACTUATOR AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wire driving based rehabilitation apparatus and a control method thereof,

본 발명은 사람의 보행을 돕는 와이어 구동 기반 하지 재활 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 병원의 재활 의학과에서 물리 치료 시, 실제 임상 환자가 올바른 보행 패턴을 가질 수 있도록 하여 환자의 하지 재활 치료에 사용될 수 있는 와이어 구동기반 하지 재활 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.[0001] The present invention relates to a wire-driven based rehabilitation apparatus and a control method thereof for helping a person to walk, and more particularly, Based rehabilitation apparatus and its control method that can be used for rehabilitation of lower limbs.

현재, 산업 기계 제어분야에서 제어 시스템이 발달 됨에 따라, 이러한 제어 시스템의 제어 신호를 통해 구동되는 로봇에 대한 개발 또한 활발하다. 최근 새로운 형태의 로봇인 케이블 기반 병렬형 로봇은, 제어 기술의 발달로 인하여 등장한 장비이다. 종래 직렬 로봇(Serial Robot)의 각 부 구성을 이루는 구조물인 링크는 각 관절마다 모터가 장착되어야 하므로, 큰 구동기가 많이 필요하며, 전체적인 시스템이 무거웠다. 그리고 구성이 복잡해서 이를 조작하는 제어 신호도 많은 오류를 야기하였다. 이는 작업효율이 떨어짐을 의미한다. 반면에, 와이어 구동기반 병렬형 로봇은 기존의 링크를 와이어로 대체하여, 구동기를 그라운드에 부착 가능하다. 작은 구동기 사용이 가능하며, 비교적 단순한 제어 신호만으로도 로봇을 조작할 수 있게 되었다. BACKGROUND ART [0002] With the development of control systems in the field of industrial machinery control, development of robots driven by the control signals of these control systems is also active. Recently, cable-based parallel type robot, which is a new type of robot, has appeared due to the development of control technology. The link, which is the structure of each part of the conventional serial robot, requires a large number of actuators because the motor must be mounted for each joint, and the overall system is heavy. Also, the control signal that manipulates this complexity caused many errors. This means that the working efficiency is lowered. On the other hand, the wire-driven parallel type robot can replace the existing link with a wire and attach the driver to the ground. It is possible to use a small actuator and it is possible to operate the robot with a relatively simple control signal.

또한, 복잡한 구성이 없기 때문에, 넓은 작업 공간을 확보할 수 있으며, 무거운 하중을 운반할 수 있다. 그리고, 로봇의 움직임이 신속하여, 작업시간이 단축되며, 로봇 시스템에 필요한 구성도 최소화시킬 수 있기 때문에 소형화 및 저비용으로 만들 수 있다는 이점이 있다.Further, since there is no complicated configuration, a large working space can be ensured and a heavy load can be carried. Further, since the movement of the robot is quick, the working time is shortened, and the configuration required for the robot system can be minimized, it is advantageous in that it can be made compact and low in cost.

이런 와이어 구동 기반 병렬형 로봇은 병렬형 매커니즘의 다자유도성과 고속성을 이용해 예전부터 항공 모의비행장치나 오락기기 등에 이용되어왔다. 또한, 산업, 놀이, 환경 등 다양한 응용 분야에 사용될 수 있어, 잠재력이 매우 큰 로봇이다. 현재, 구체적으로 선박을 도장하는 페인트 로봇, 건물의 외벽이나 창문을 청소하는 청소로봇, 무거운 물건을 옮겨주는 크레인 로봇 등으로 사용되고 있다. 그리고 케이블 구동 기반 병렬형 로봇은 와이어 구동 기반 병렬형 로봇과 동일한 유형이며, 국내에 있는 케이블 파크에서는 이어 케이블 구조물을 이용하여 수상스포츠를 즐길 수 있는 곳이 운영 중이며, 케이블을 이용한 다양한 놀이기구 또한 개발 및 운영되고 있다. 환경 분야에서는 강이나 호수, 바다 등의 수질을 검사 및 관리할 수 있는 수질 검사 케이블 로봇이 개발되어 있다.Such wire-driven parallel robots have been used for aerodynamic aerodromes and amusement devices since the past, due to the multi-degree-of-freedom and robustness of the parallel mechanism. In addition, it can be used in various applications such as industry, play, environment, etc., and is a robot having a very high potential. Currently, paint robots are used to paint vessels in particular, cleaning robots to clean the outer walls and windows of buildings, and crane robots to transport heavy objects. In addition, the cable-driven parallel robot is the same type as the wire-driven parallel robot. In the cable park in Korea, there is a place where water sports can be enjoyed using an ear cable structure. And operating. In the environmental field, water quality inspection cable robots have been developed which can inspect and manage water quality such as rivers, lakes, and seas.

이러한 케이블 구동 기반 병렬형 로봇은 크게 로봇의 작업공간을 결정하는 프레임과 프레임에 설치되어 케이블 길이를 조절하는 윈치 시스템, 윈치에서 나온 케이블이 연결되는 작업도구로 이루어져 있으며, 추가 구성으로는 윈치와 작업도구 사이에 설치되어 다양한 위치와 높이에서 케이블이 나올 수 있게 해주는 풀리(Pulley)로 구성되어 있다.The cable-driven parallel robot consists of a frame that determines the working space of the robot, a winch system installed in the frame to adjust the cable length, and a work tool to which the cable from the winch is connected. And a pulley that is installed between the tools to allow the cable to exit at various positions and heights.

한편, 재활치료란, 어떤 질병이나 사고 또는 내외적인 손상으로 인해서 신체적(근골격계, 순환계, 신경계), 정신적, 정서적 장애를 가진 사람이 가지고 있는 비정상적인 패턴들을, 환자의 활동에 대해 중재를 시행하고 물리적 자극을 이용하여 정상적인 패턴으로 회복 또는 증진시켜주는 것을 의미한다. 특히 장애인의 경우, 재활 훈련을 위해서는 여러 분야의 전문가들의 포괄적인 도움이 필요하며, 반복적이고 체계적인 재활 운동이 필요하다.On the other hand, rehabilitation is the treatment of abnormal patterns in people with physical (musculoskeletal, circulatory, neurological), mental and emotional disorders due to any disease, accident or internal or external damage, To recover or enhance the normal pattern. Particularly in the case of persons with disabilities, rehabilitation training requires comprehensive help from experts in various fields, and it is necessary to perform repetitive and systematic rehabilitation.

그리고 환자의 활동 및 운동에 대한 중재는 외부적인 힘을 가하는 것으로서 이루어진다. 종래에는 이런 외부적인 힘을 가하기 위해서 환자의 다리에 링크가 부착되어 로봇이 제공하는 올바른 보행을 추종하도록 하는 직렬형 로봇이 사용되었다. 그러나 이는 환자가 낼 수 있는 힘을 배제하고 맹목적인 재활만을 제공하여, 환자가 재활에 대한 의지와 흥미를 쉽게 잃어버림으로 인해, 재활 효율이 떨어지는 단점이 존재하였다. 더욱이, 각 링크 관절마다 구동기가 달려있고 큰 동력을 필요로 하여 구동기의 크기가 커짐에 따라 전체적인 시스템이 무거워서 환자가 로봇을 착용하는 것이 쉽지 않았다. 대표적인 직렬 로봇 재활 장치는 Hacoma사의 Lokomat®이 있다. 이는 트레드 밀 위에서 링크로 구성된 직렬 로봇을 착용하여 재활을 행한다. 그러나 임상적용 결과에 따르면, 전통적인 보행 재활 방법에 비해 효율이 비슷하거나 떨어진다. 이는 링크가 만드는 보행 패턴에 환자가 적응을 하여 재활에 대한 의지와 흥미를 잃고, 시상면(sagital plane)에서의 골반 및 무릎 운동이 제한되어 실제 보행을 하는 것과 많은 차이가 있기 때문이다. 또한, 무겁고 복잡한 시스템 및 비싼 가격 때문에 수요자에 대한 진입 장벽이 컸다.And mediation of the patient 's activities and movements is done by applying external forces. Conventionally, a serial robot has been used in which a link is attached to a leg of a patient to follow the correct walking provided by the robot in order to apply such external force. However, there was a disadvantage that the efficiency of rehabilitation was inferior due to the fact that the patient could easily lose his will and interest in rehabilitation by eliminating the power of the patient and providing only blind rehabilitation. In addition, since the driver is attached to each link joint and the size of the actuator is increased due to the need of large power, the whole system is heavy and it is not easy for the patient to wear the robot. A typical serial robotic rehabilitation device is Hokoma's Lokomat®. This is accomplished by wearing a serial robot composed of links on a tread mill. However, according to the clinical application results, the efficiency is similar or lower than that of traditional gait rehabilitation. This is because the patient's adaptation to the gait pattern produced by the link loses will and interest in rehabilitation, and there are many differences from the actual walking in that the pelvic and knee movements are restricted in the sagital plane. In addition, heavy and complicated systems and high prices have made barriers to entry for consumers.

그리고, 상기 케이블 또는 와이어 구동 기반 로봇을 사용하여 외부적인 힘을 제공할 경우에도, 환자의 몸에 직접 부착되는 엔드 이펙터(End effector)가 와이어의 속도를 따라가지 못하거나, 보행자의 능동적인 행동에 의해 올바른 보행 패턴을 벗어나게 되면, 와이어가 느슨해지는 현상이 발생하게 된다. 이때, 와이어가 풀리에서 이탈되어 다른 부분에 끼임으로서 와이어가 끊어질 우려가 있고, 로봇이 비정상적으로 작동하여 와이어 구동 기반 로봇을 이용하는 보행자에게 위험을 초래할 수 있게 된다. In addition, even when an external force is provided using the cable or wire-driven robot, an end effector directly attached to the body of the patient can not follow the speed of the wire, If the correct walking pattern is deviated, the wire is loosened. At this time, there is a fear that the wire is released from the pulley and is caught by the other part, thereby breaking the wire, and the robot operates abnormally, which may cause a risk to a pedestrian using the wire-driven robot.

한국 등록 특허 10-1566680은 케이블 구동 기반 병렬형 로봇이지만, 수중재활을 위한 수조가 필요하다는 점에서, 비싸고, 시스템 전체가 무거워진다는 단점이 있다. 그리고 케이블이 느슨해지는 현상을 방지 할 수 없다는 단점도 존재하였다. Korean Patent No. 10-1566680 is a parallel-type robot based on a cable drive, but it is disadvantageous in that a water tank for underwater rehabilitation is required, which is expensive and the entire system becomes heavy. Also, there is a drawback that the cable can not be prevented from loosening.

따라서, 소형, 경량이면서 저비용으로 실제 재활 운동에 적용할 수 있고, 와이어로 환자에게 필요한 최소한의 힘만을 제공하여 환자의 재활 의지를 고취시키고 재활 효율을 증대할 수 있는 재활 로봇이 절실히 필요한 상황이다.Therefore, a rehabilitation robot which can be applied to actual rehabilitation exercise with small size, light weight and low cost, and which provides only the minimum force necessary for the patient with the wire, can enhance the rehabilitation of the patient and increase the rehabilitation efficiency.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 4개 이상의 와이어를 통해 환자의 종아리를 제어함으로써, 올바른 보행 패턴을 추종할 수 있도록 하는 하지 재활 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a rehabilitation apparatus for a footrest that can follow a correct gait pattern by controlling a calf of a patient through four or more wires .

본 발명의 다른 목적은 병렬형 로봇으로 구성하여, 작은 용량의 구동기로도 신속하고 정확한 구동이 가능한 하지 재활 장치를 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a rehabilitation apparatus for a lower limb which is constructed of a parallel robot and can be quickly and accurately driven even with a small-capacity driver.

본 발명의 또 다른 목적은 환자의 능동적인 보행 패턴을 파악하여, 환자에게 필요한 최소한의 힘만을 제공하고, 그로 인해 와이어가 느슨해지는 것을 방지하여, 음의 장력을 억제할 수 있는 하지 재활 장치를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide an underarm rehabilitation device capable of suppressing a negative tension by grasping an active gait pattern of a patient and providing only a minimum force necessary for a patient, thereby preventing a wire from being loosened I have to.

본 발명 또 다른 목적은 하지 재활 장치에서 사용되는 와이어에 음의 장력이 발생하지 않도록 하기 위해, 비선형 요소 제어를 위한 하지 재활 장치의 제어 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a control method of a lower limb rehabilitation apparatus for nonlinear element control so that negative tension is not generated on a wire used in a lower limb rehabilitation apparatus.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 트레드 밀; 환자의 신체 부위에 고정되는 엔드 이펙터(end effector); 상기 엔드 이펙터에 연결된 복수의 와이어를 감거나 풀어 줄 수 있도록 정회전 및 역회전 하는 복수의 모터; 및 환자가 상기 트레드 밀에서 보행 시, 상기 엔드 이펙터의 움직임에 따라 상기 복수의 와이어에 미치는 장력을 통해 산출되는 환자의 보행 궤적과 미리 설정된 보행 궤적과의 차이를 계산하여, 상기 복수의 모터를 구동시키는 제어부;를 포함하는 하지 재활 장치를 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention relates to a tread mill; An end effector secured to the body part of the patient; A plurality of motors rotating forward and backward to wind or loosen a plurality of wires connected to the end effector; And calculating a difference between a gait locus of the patient and a predetermined gait locus calculated through the tension on the plurality of wires in accordance with the movement of the end effector when the patient is walking on the treadmill, And a controller for controlling the rehabilitation device.

본 발명은 상기 트레드 밀의 전방 및 후방 프레임; 상기 전방 및 후방 프레임에 배치되어 상기 와이어를 가이드하는 복수의 풀리; 및 상기 각 모터 상에 결합되어 상기 각 와이어의 장력을 감지하는 정보수신부; 및 상기 장력에 관한 정보 및 상기 두 개의 보행 궤적 간의 차이를 계산한 결과 값을 출력하기 위한 디스플레이 유닛;을 더 포함할 수 있다.The invention relates to a front and rear frame of the treadmill; A plurality of pulleys disposed in the front and rear frames to guide the wires; And an information receiving unit coupled to each of the motors to sense a tension of each of the wires. And a display unit for outputting information about the tension and a result of calculating a difference between the two walking trajectories.

상기 제어부는 상기 복수의 모터를 구동시키는 제어신호를 생성할 때, 비선형적인 요소를 제어하여 음의 장력을 억제하는 컴퓨터화된 토크 계산법(computed torque method)을 이용할 수 있다. The control unit may use a computed torque method for controlling the non-linear elements to suppress the negative tension when generating the control signal for driving the plurality of motors.

상기 엔드 이펙터는 환자의 신체부위 중 적어도 두 곳에 고정될 수 있도록 복수개로 구성될 수 있다.The end effector may be configured to be secured to at least two of the body parts of the patient.

본 발명은 상기 전방 프레임에 슬라이딩 가능하게 결합되고, 상기 복수의 풀리가 회전 가능하게 연결된 슬라이더; 및 상기 슬라이더를 구동시키는 선형 구동기;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부는 상기 복수의 모터를 구동시키는 제어신호를 생성할 때, 비선형적인 요소를 제어하여 음의 장력을 억제하는 컴퓨터화된 토크 계산법(computed torque method)을 이용할 수 있다.The present invention is characterized by a slider slidably coupled to the front frame, the slider having the plurality of pulleys rotatably connected thereto; And a linear actuator for driving the slider. In this case, when generating the control signal for driving the plurality of motors, the control unit may use a computed torque method for controlling non-linear elements to suppress negative tension.

상기 제어부는 상기 선형 구동기를 구동시키는 추가 제어신호를 생성하고, 상기 선형 구동기를 구동시키는 제어신호를 생성할 때, 비선형적인 요소를 배제하여 음의 장력을 억제하기 위해 컴퓨터화된 토크 계산법(computed torque method)을 이용할 수 있다.The control unit generates an additional control signal for driving the linear driver and generates a control signal for driving the linear driver by using a computed torque to suppress a negative tension by excluding a non- method can be used.

또한, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 트레드 밀 상에서 환자가 보행을 시작함에 따라 환자가 장착한 엔드 이펙터가 움직이는 (a)단계; 환자의 보행 속도에 따라 상기 엔드 이펙터에 연결된 와이어에 미치는 장력에 관한 정보를 수신하여 환자의 실제 보행 궤적을 검출하는 (b)단계; 미리 설정된 보행 궤적과 상기 환자의 실제 보행 궤적을 비교하여 오차를 계산하는 (c)단계; 및 상기 와이어를 감거나 풀어서 상기 오차에 따른 차이만큼 와이어의 장력을 조절하도록 각 와이어에 연결된 복수의 모터를 정회전 또는 역회전 제어하는 (d)단계;로 이루어지는 하지 재활 장치의 제어방법을 제공할 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention also provides a method of operating a treadmill, comprising: (a) moving an end effector mounted by a patient as the patient starts walking on a treadmill; (B) receiving information about a tension on a wire connected to the end effector according to a walking speed of a patient and detecting an actual walking trajectory of the patient; (C) calculating an error by comparing a preset gait locus and an actual gait locus of the patient; And (d) controlling a plurality of motors connected to each wire to rotate forward or reverse, so as to adjust a tension of the wire by a difference according to the error by winding or unwinding the wire. .

상기 (c)단계 전에, 상기 수신된 장력에 관한 정보를 운동학적 정보로 변환하는 (e)단계;를 더 포함하고, 상기 운동학적 정보는 2차원 상 좌표로 특정 가능한 위치 정보로서 실제 환자의 보행 궤적을 나타낼 수 있다.The method of claim 1, further comprising: (e) before the step (c), converting information about the received tension into kinematic information, wherein the kinematic information is position information that can be specified in two- It can show the trajectory.

상기 (e)단계는 상기 수신한 정보를 운동학적 정보로 변환하면서 발생하는 비선형적 요소들을 제어할 수 있다.The step (e) may control non-linear elements generated while converting the received information into kinetic information.

상기 (e)단계는 상기 2차원 상 좌표로 변환된 운동학적 정보를 디스플레이 유닛에 출력하는 (f)단계를 더 포함할 수 있다.The step (e) may further include the step of (f) outputting the kinematical information converted into the two-dimensional phase coordinate to the display unit.

상기 (c)단계는 상기 두 궤적을 비교하여 오차를 계산한 결과값을 디스플레이 유닛에 출력하는 단계(g)를 더 포함할 수 있다.The step (c) may further include a step (g) of comparing the two trajectories and outputting a result of calculating an error to the display unit.

상기 (d)단계는 상기 두 보행 궤적 간 오차에 따른 위치 좌표 정보를 상기 모터를 제어하기 위한 제어신호로 변환하면서 비선형적인 요소들을 억제하여, 상기 오차에 따른 제어신호를 생성할 수 있다.In the step (d), the position coordinate information according to the error between the two walking trajectories is converted into a control signal for controlling the motor, thereby suppressing nonlinear elements and generating a control signal according to the error.

상기 (d)단계는, 와이어의 장력을 조절할 수 있도록 상기 풀리의 위치를 가변시키는 선행 구동기를 제어하기 위한 추가 제어신호를 생성하고; 상기 추가 제어신호를 생성하면서 비선형적인 요소들을 억제할 수 있다.(D) generating an additional control signal for controlling a preceding driver that varies the position of the pulley so as to adjust the tension of the wire; The non-linear elements can be suppressed while generating the additional control signal.

상기와 같이, 본 발명에 있어서 구조가 간편하여 설치 및 해체가 용이하고, 가벼우며, 저비용으로 재활 효율을 높이는데 효과적이다. 또한, 본 발명은 환자의 상태를 지속적으로 파악할 수 있는 장치를 장착하여 환자에게 최적의 보행 패턴을 제공함으로서 환자의 재활 의지를 고취시키는 점에 있어 인체 친화적이다.As described above, the structure of the present invention is simple, easy to install and disassemble, is light, and is effective in improving rehabilitation efficiency at low cost. In addition, the present invention is human-friendly in that it provides an optimum gait pattern to a patient by installing a device capable of constantly grasping the patient's condition, thereby stimulating the patient's will to rehabilitate.

또한, 본 발명은 바이오 피드백 기반의 보행 제어기술을 기반으로 하여 메카트로닉스 기술과 의료 기술이 융합된 첨단 기술로서 환자 주도형 재활 모드를 제공할 수 있다. Further, the present invention can provide a patient-initiated rehabilitation mode as an advanced technology in which mechatronics technology and medical technology are fused based on a biofeedback-based gait control technique.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 하지 재활 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 2은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 하지 재활 장치의 사용 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 하지 재활 장치의 사용 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 하지 재활 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 하지 재활 장치의 사용 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 하지 재활 장치의 사용상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔드 이펙터(end effector)의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하지 재활 장치의 전반적인 시스템 구성을 나타낸 블록선도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 와이어에 발생하는 음의 장력을 억제하기 위한 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴퓨터화된 토크 계산법(CTM)에 따른 최적화 된 하지 재활 장치의 구성도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴퓨터화된 토크 계산법(CTM)에 따른 최적화 된 하지 재활 장치를 수식으로 해석한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔드 이펙터(end effector)가 생성하는 궤적을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 선형 구동기에 요구되는 힘과 와이어의 장력을 나타낸 그래프이다.
1 is a side view schematically showing a structure of a lower limb rehabilitation apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing the use state of the underwear rehabilitation apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view showing the use state of the underwear rehabilitation apparatus according to the second embodiment of the present invention.
4 is a side view schematically showing a structure of a lower limb rehabilitation apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a view showing the use state of the underwear rehabilitation apparatus according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a view showing the use state of the underwear rehabilitation apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
7 is a perspective view illustrating a structure of an end effector according to an embodiment of the present invention.
8 is a block diagram showing an overall system configuration of a lower limb rehabilitation apparatus according to an embodiment of the present invention.
9 is a flowchart illustrating a method for suppressing negative tension generated in a wire according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a block diagram of an optimized under-rehabilitation apparatus according to a computerized torque calculation method (CTM) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a graphical representation of an optimized rehabilitation apparatus according to a computerized torque calculation method (CTM) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a view showing a locus generated by an end effector according to an embodiment of the present invention.
13 is a graph showing a force and a tension of a wire required for a linear actuator according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면 및 다음의 상세한 설명을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예들을 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려 여기서 소개되는 실시 예들은 통상의 기술자에게 본 발명의 사상 및 개시된 내용의 이해를 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소를 나타낸다. 또한, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the following detailed description. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided by way of illustration to those skilled in the art to which the present invention pertains. Like reference numerals designate like elements throughout the specification. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. Also, in this specification, the singular form includes plural forms unless specifically stated in the phrase. &Quot; comprise "or" comprising "when used in this specification do not preclude the presence or addition of one or more other elements, steps, operations, or elements .

이하, 도 1 내지 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하지 재활 장치에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to Figs. 1 to 6, a description will be made in detail of a lower limb rehabilitation apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 하지 재활 장치(100)는 와이어 구동 기반의 하지 재활 병렬형 로봇(Wire driven parallel robot for gait rehabilitation), 케이블 구동 기반의 하지 재활 병렬형 로봇(Cable driven parallel robot for gait rehabilitation)으로도 지칭될 수 있다. The rehabilitation apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes a wire driven parallel robot for gait rehabilitation, a cable driven parallel robot for gait rehabilitation).

도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 하지 재활 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 측면도이고, 도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 하지 재활 장치의 사용상태를 나타낸 도면이다. FIG. 1 is a side view schematically showing a structure of a lower limb rehabilitation apparatus according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a view showing a use state of a lower limb rehabilitation apparatus according to the first embodiment of the present invention.

도 1및 도 2를 참조하면, 하지 재활 장치(100)는 트레드 밀(10), 엔드 이펙터(end effector, 170), 복수의 와이어를 각각 감거나 풀어줄 수 있는 복수의 모터(110, 111, 112, 113), 복수의 모터의 구동을 제어하는 제어신호를 생성하는 제어부(150)를 포함하여 구성된다.1 and 2, the underwear rehabilitation apparatus 100 includes a tread mill 10, an end effector 170, a plurality of motors 110, 111, and 112 113), and a control unit 150 for generating control signals for controlling the driving of a plurality of motors.

상기 트레드 밀(10)은 환자가 보행을 할 수 있는 벨트가 무한 궤도를 가지고 있고, 보행을 위해 필요한 공간을 확보할 수 있는 것이면 어떤 것이라도 제한을 두지 않는다.The tread mill 10 does not limit the belt 10 in any way as long as the belt on which the patient can walk has an infinite orbit and can secure a space necessary for walking.

상기 복수의 모터(110)는 트레드 밀(10)의 전방과 후방의 하단 부에 위치되도록 배치된다. 이 경우, 복수의 모터(110, 111, 112, 113)는 지면상에 배치할 수 있으나, 바람직하게는, 트레드 밀(10)의 전방과 후방에 각각 모터 지지대(101, 102)를 설치하고 그 위에 배치할 수도 있다. The plurality of motors 110 are disposed to be positioned at the lower end portions of the front and rear of the tread mill 10. In this case, the plurality of motors 110, 111, 112, and 113 may be disposed on the ground, but preferably, the motor supports 101 and 102 are provided on the front and rear of the tread mill 10, As shown in FIG.

하지 재활 장치(100)는 복수의 모터(110, 111, 112, 113)로부터 회전력을 제공받아 각 모터(110, 111, 112, 113)에 연결된 복수의 와이어(11)를 감거나 풀 수 있는 드럼(103) 및 상기 드럼에 일정하게 와이어(11)가 권선될 수 있도록 가이드해주는 가이드 유닛(104)을 포함하여 구성된다.The rehabilitation apparatus 100 is provided with a drum 110 capable of winding and unwinding a plurality of wires 11 connected to the respective motors 110, 111, 112 and 113 by receiving a rotational force from a plurality of motors 110, 111, 112, (103) and a guide unit (104) for guiding the wire (11) to be constantly wound on the drum.

상기 복수의 모터(110, 111, 112, 113)는 트레드 밀(10)의 전방과 후방에 각각 적어도 두 개 이상으로 배치될 수 있다. The plurality of motors 110, 111, 112, and 113 may be disposed at least two in front of and behind the tread mill 10, respectively.

상기 제어부(150)는 복수의 구동모터(110, 111, 112, 113)와 디스플레이 유닛(160)을 제어하기 위해, 각각 전기적으로 연결되어 있다. 제어부(150)는 상기 와이어(11)가 감기거나 풀리는 길이와 속도를 조절하기 위해 상기 복수의 모터(110, 111, 112, 113)를 정회전 또는 역회전 구동시키는 제어신호를 생성한다. The controller 150 is electrically connected to the plurality of driving motors 110, 111, 112 and 113 and the display unit 160, respectively. The control unit 150 generates a control signal for driving the plurality of motors 110, 111, 112, and 113 to rotate forward or backward to adjust the length and speed of the wire 11 wound or unwound.

상기 제어부(150)는 미리 설정된 보행 궤적을 복수의 모터(110, 111, 112, 113)를 구동시키는 제어신호로 변환할 수 있다. The control unit 150 may convert a predetermined walking trajectory into a control signal for driving the plurality of motors 110, 111, 112, and 113.

상기 제어신호를 변환하는 과정에서 컴퓨터화된 토크 계산법(computed torque method:CTM)과 비례 미분 제어기(proportional-differentional controller)가 사용될 수 있다.In the process of converting the control signal, a computed torque method (CTM) and a proportional-differentional controller may be used.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 하지 재활 장치(100)는 상기 트레드 밀(10)주변에 설치되는 복수의 프레임(120, 121, 122, 123)을 포함할 수 있다.2, the underwear rehabilitation apparatus 100 may include a plurality of frames 120, 121, 122, and 123 installed around the treadmill 10.

복수의 프레임(120, 121, 122, 123)은 전방 프레임(120, 121) 및 후방 프레임(122, 123)으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 전방 프레임(120, 121) 및 후방 프레임(122, 123)을 이어주고, 환자가 보행 시 손을 잡고 지지 할 수 있는 기능을 하는 별도의 핸들 프레임(124, 125)을 더 포함할 수 있다.The plurality of frames 120, 121, 122, 123 may be composed of the front frames 120, 121 and the rear frames 122, 123. It is also possible to further include separate handle frames 124 and 125 that connect the front frames 120 and 121 and the rear frames 122 and 123 and that function to hold the patient while holding him / have.

상기 전방 프레임(120, 121)에는 상하로 소정 간격을 두고 적어도 2개의 전방 풀리(130, 131)가 배치될 수 있다. 이 경우, 전방 풀리(130, 131)는 한 쌍의 전방 프레임(120, 121) 양단에 고정된 2개의 전방 지지대(126, 127)에 각각 회전 가능하게 설치될 수 있다. 또한, 상기 후방 프레임(122, 123)에는 상하로 소정 간경을 두고 적어도 2개의 후방 풀리(132, 133)가 배치될 수 있다. 이 경우, 후방 풀리(132,133)는 한 쌍의 전방 프레임(122, 123) 양단에 고정된 2개의 후방 지지대(128, 129)에 각각 회전 가능하게 설치될 수 있다.At least two front pulleys 130 and 131 may be disposed on the front frames 120 and 121 at predetermined intervals in the vertical direction. In this case, the front pulleys 130 and 131 may be rotatably mounted on two front supporting rods 126 and 127 fixed to both ends of the pair of front frames 120 and 121, respectively. At least two rear pulleys 132 and 133 may be disposed on the rear frames 122 and 123 at predetermined vertical and vertical intervals. In this case, the rear pulleys 132 and 133 can be rotatably installed on the two rear support rods 128 and 129 fixed to both ends of the pair of front frames 122 and 123, respectively.

상기 전방 및 후방 풀리(130, 131, 132, 133)들은 복수의 모터(110, 111, 112, 113)들에 의해 감겨지는 복수의 와이어(11)의 방향을 각각 가이드하는 역할을 수행한다. The front and rear pulleys 130, 131, 132 and 133 guide the directions of the plurality of wires 11 wound by the motors 110, 111, 112 and 113, respectively.

상기 엔드 이펙터(end effector, 170)는 상기 복수의 와이어(11)가 각자 연결되며, 보행 재활을 하고자 하는 환자의 신체 부위 예를 들면, 종아리에 고정될 수 있다. 이 경우, 엔드 이펙터(170)를 신체 부위에 고정하기 위해, 신체 부위에 부착하거나 신체 부위를 감싸도록 형성할 수 있다. 본 실시예에서는 엔드 이펙터(170)가 환자의 종아리에 착용할 수 있도록 구성되는 것으로 설명한다. 이와 같은 엔드 이펙터(170)는 복수의 와이어(11)를 통해 복수의 모터(110)와 연결됨에 따라, 환자가 착용후 트레드 밀(10) 위에서 보행을 하는 경우 각 모터(110, 111, 112, 113)의 구동력에 의한 와이어(11)의 이동으로 재활에 필요한 환자의 보행 패턴을 파악하기 위한 요소로 사용될 수 있다.The end effector 170 is connected to the plurality of wires 11 and can be fixed to a body part of a patient, for example, a calf who wants to rehabilitate. In this case, to fix the end effector 170 to the body part, it may be attached to the body part or may be formed so as to surround the body part. In the present embodiment, it is described that the end effector 170 is configured to be worn on the calf of the patient. The end effector 170 is connected to a plurality of motors 110 through a plurality of wires 11 so that when the patient walks on the treadmill 10 after wearing the respective motors 110, 111, 112, 113 can be used as an element for grasping a patient's gait pattern necessary for rehabilitation by the movement of the wire 11. [

이와 같은 상기 엔드 이펙터(end effector, 170)는 환자의 종아리 부분을 감싸도록 되어있으며, 상기 복수의 모터(110, 111, 112, 113)의 구동에 의해 각 와이어(11)가 감기거나 풀리면서, 환자의 종아리 부분에 일정한 힘을 가하여 보행을 유도하고 돕게 된다.The end effector 170 covers the calf portion of the patient and each wire 11 is wound or unwound by driving the motors 110, 111, 112, and 113, A constant force is applied to the part of the calf of the patient to induce and assist the walking.

또한, 상기 하지 재활 장치(100)는 복수의 정보 수신부(140, 141, 142, 143)를 더 포함할 수 있다. 복수의 정보 수신부(140, 141, 142, 143)는 환자의 상태에 대한 정보를 획득한다. 상기 정보는 환자의 보행 속도, 그리고 환자가 가하는 힘의 크기, 와이어(11)에 걸리는 장력 등 센서를 통해 입력 가능한 모든 환자의 정보를 포함할 수 있다. 복수의 정보 수신부(140, 141, 142, 143)는 각 모터(110, 111, 112, 113)의 단부에 위치할 수 있으며, 각각의 와이어(11)에 걸리는 장력에 대한 정보를 획득할 수 있다.In addition, the underground rehabilitation apparatus 100 may further include a plurality of information receiving units 140, 141, 142, and 143. The plurality of information receiving units 140, 141, 142, and 143 acquire information on the status of the patient. The information may include all patient information that can be input through the sensor, such as the walking speed of the patient, the magnitude of the force applied by the patient, and the tension applied to the wire 11. [ The plurality of information receiving units 140, 141, 142, and 143 may be located at the ends of the motors 110, 111, 112, and 113 and may acquire information about the tension applied to the wires 11 .

상기 제어부(150)는 상기 복수의 정보 수신부(140, 141, 142, 143)와 연결되어있으며, 상기 복수의 정보 수신부(140, 141, 142, 143)로부터 획득된 정보를 바탕으로 환자의 보행 궤적을 계산할 수 있다. The control unit 150 is connected to the plurality of information receiving units 140, 141, 142 and 143 and generates a walking trajectory of the patient based on the information obtained from the plurality of information receiving units 140, 141, 142, Can be calculated.

상기 제어부(150)는 상기 계산된 환자의 보행 궤적과 미리 설정된 보행 궤적을 비교하여 그 차이값을 계산한다. 그리고 상기 차이값을 바탕으로 상기 복수의 모터(110, 111, 112, 113)를 제어하기 위한 제어신호를 생성한다.The controller 150 compares the calculated gait trajectory of the patient with a preset gait trajectory and calculates the difference value. And generates a control signal for controlling the plurality of motors 110, 111, 112, and 113 based on the difference value.

상기 제어부(150)는 상기 복수의 모터(110, 111, 112, 113)를 구동하는 제어신호를 형성할 때, 비선형적인 요소를 제어하여 각 와이어(11)에 음의 장력(negative tension)이 발생하는 것을 억제하는 컴퓨터화된 토크 계산법(computed torque method:CTM)을 사용할 수 있다.The control unit 150 controls the nonlinear elements to generate a negative tension on the wires 11 when the control signals for driving the motors 110, 111, 112, and 113 are generated, A computed torque method (CTM) can be used.

또한, 상기 하지 재활 장치(100)는 상기 장력에 관한 정보 및 상기 두 개의 보행 궤적(환자의 보행 궤적 및 미리 설정된 보행 궤적) 간의 차이를 계산한 결과 값을 출력하는 디스플레이 유닛(160)을 포함할 수 있다. In addition, the underground rehabilitation apparatus 100 includes a display unit 160 for outputting information about the tension and a result of calculating a difference between the two walking trajectories (a walking trajectory of the patient and a predetermined walking trajectory) .

상기 디스플레이 유닛(160)은 상기 제어부(150) 상에 설치될 수 있으며, 별도로 설치되어 제어부(150)와 연결되는 것도 가능하다.The display unit 160 may be installed on the controller 150 or may be separately installed and connected to the controller 150.

상기 디스플레이 유닛(160)은 환자의 보행 속도, 와이어에 발생하는 장력, 환자가 가하는 힘, 미리 설정된 보행 궤적과 환자의 보행 궤적의 차이값등의 정보가 출력될 수 있다. 이에 따라, 상기 디스플레이 유닛(160)을 통해, 재활 지도사 등은 환자가 올바른 보행 궤적을 형성하는지 지속적으로 모니터링 할 수 있고, 실시간으로 환자의 보행 자세를 보정할 수 있도록 환자에게 보행 상태를 전달할 수 있다.The display unit 160 may output information such as the walking speed of the patient, the tension generated in the wire, the force applied by the patient, the difference between the preset walking trajectory and the patient's walking trajectory. Thus, through the display unit 160, the rehabilitation instructor can continuously monitor whether the patient forms a correct walking trajectory, and can transmit the walking state to the patient so as to correct the walking posture of the patient in real time .

도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 하지 재활 장치의 사용 상태를 나타낸도면이다. 하지 재활 장치(200)의 구성을 명확히 파악하고자 각 와이어(11)의 도시는 생략하였다. 또한 제어부(150) 및 디스플레이 유닛(160)의 도시도 생략하였다.FIG. 3 is a view showing the use state of the underwear rehabilitation apparatus according to the second embodiment of the present invention. The illustration of each wire 11 is omitted for clarifying the configuration of the underarm rehabilitation apparatus 200. [ Also, illustration of the control unit 150 and the display unit 160 is omitted.

본 발명의 제 2 실시 예에 따른 하지 재활 장치(200)는 엔드 이펙터를 2개 적용하기 위한 구성을 포함하며, 이를 위해 엔드 이펙터, 모터, 풀리 및 정보 수신부는 상술한 제1 실시예보다 2배의 개수를 구비한다. The end effector, the motor, the pulley, and the information receiving unit are configured to have a configuration for applying two end effectors to the rehabilitation apparatus 200 according to the second embodiment of the present invention, .

상술한 제1 실시 예에서와 같이 트레드 밀(20), 전방 및 후방 프레임(120, 121, 122, 123), 제어부(150), 디스플레이 유닛(160)을 포함한다. And includes a tread mill 20, front and rear frames 120, 121, 122 and 123, a control unit 150 and a display unit 160 as in the first embodiment described above.

상기 제 2 실시 예에 따른 하지 재활 장치는, 트레드 밀(20)에 추가의 풀리(234, 235, 236, 237) 및 복수의 모터(214, 215, 216, 217)을 더 포함한다.The lower limb rehabilitation apparatus according to the second embodiment further includes additional pulleys 234, 235, 236, 237 and a plurality of motors 214, 215, 216, 217 in the tread mill 20.

또한, 엔드 이펙터(end effector, 170)는 환자의 다른 종아리에 착용할 수 있도록 추가의 엔드 이펙터(end effector, 271)를 포함한다.The end effector 170 also includes an additional end effector 271 to be worn on another calf of the patient.

또한, 상기 두 개의 엔드 이펙터(170, 271)는 환자의 양쪽 종아리에 접촉 또는 감싸져서 환자의 양쪽 다리의 보행을 도울 수 있다.In addition, the two end effectors 170, 271 may contact or be wrapped around both calves of the patient to assist in the walking of both legs of the patient.

상기 복수의 모터(214, 215, 216, 217)에는 추가의 정보 수신부가 결합 될 수 있다. 상기 추가의 정보 수신부는 기존의 정보 수신부(140, 141, 142, 143)와 함께 양쪽 다리에 연결된 와이어의 장력에 대한 정보를 수신할 수 있다. An additional information receiving unit may be coupled to the plurality of motors 214, 215, 216, and 217. The additional information receiving unit may receive information on the tension of the wire connected to both legs together with the existing information receiving units 140, 141, 142, and 143. [

상기 수신된 정보는 상술한 제 1 실시 예에서와 같이 제어부(150)에서 처리된다.The received information is processed in the control unit 150 as in the first embodiment described above.

도 4 는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 하지 재활 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 측면도이고, 도 5는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 하지 재활 장치의 사용상태를 나타낸 도면이다. 도 4 및 5에서는, 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 하지 재활 장치의 차별화된 구성을 명확히 파악하기 위하여, 제어부(150)와 디스플레이 유닛(160)의 도시는 생략하였다. FIG. 4 is a side view schematically showing the structure of a lower limb rehabilitation apparatus according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a view illustrating a use state of the lower limb rehabilitation apparatus according to the third embodiment of the present invention. 4 and 5, the illustration of the control unit 150 and the display unit 160 is omitted in order to clarify the differentiated configuration of the lower limb rehabilitation apparatus according to the third embodiment of the present invention.

제 3 실시 예의 구성을 설명함에 있어, 상술한 일 실시 예와 동일한 구성들에 대하여는 구체적인 설명을 생략하고, 상이한 구성인 슬라이더(slider, 380)와 선형 구동기(linear actuator, 390)에 대해서만 설명한다. In describing the configuration of the third embodiment, a detailed description of the same configurations as those of the above-described embodiment will be omitted, and only the slider 380 and the linear actuator 390 having different configurations will be described.

도 5를 참조하면, 상기 선형 구동기(390)는 적어도 두 개 이상으로 구성되며, 전방 프레임(320, 321)에 결합되어 구성될 수 있다. 상기 선형 구동기(390)는 상기 전방 프레임(320, 321)과 동일한 축을 향하도록 구성된다.5, the linear driver 390 includes at least two linear actuators 390 and may be coupled to the front frames 320 and 321. The linear actuator 390 is configured to face the same axis as the front frames 320 and 321.

상기 두 개의 선형 구동기(390, 391)는 풀리(330, 331)가 수직 방향으로 슬라이딩(sliding)할 수 있게 만드는 두 개의 슬라이더(380, 381)와 상기 슬라이더(380, 381)에 결합되어 상하 방향으로 슬라이딩 하는 풀리(330, 331)를 더 포함할 수 있다.The two linear actuators 390 and 391 include two sliders 380 and 381 for allowing the pulleys 330 and 331 to slide in the vertical direction and the two sliders 380 and 381 coupled to the sliders 380 and 381, The pulleys 330 and 331 may be slid to a predetermined position.

상기 두 개의 선형 구동기(390, 391)는 전방 모터(310, 311) 및/또는 제어부(150)와 연결될 수 있으며, 전방 모터(310, 311) 및/또는 제어부(150)로부터 제어신호를 수신할 수 있다.The two linear actuators 390 and 391 may be connected to the front motors 310 and 311 and / or the control unit 150 and may receive control signals from the front motors 310 and 311 and / .

상기 제어부(150)는 전방 및 후방 모터(310, 311, 312, 313)를 구동시키는 제어신호 외에 상기 선형 구동기(390, 391)를 구동시키는 추가의 제어신호를 생성할 수 있다.The control unit 150 may generate an additional control signal for driving the linear drivers 390 and 391 in addition to the control signals for driving the front and rear motors 310, 311, 312 and 313. [

상기 제어부(150)가 상기 선형 구동기(390, 391)를 구동시키는 제어신호를 생성할 때, 상기 제어부(150)는 비선형적인 요소를 제어하여 와이어(33)에 음의 장력(negative tension)이 발생하는 것을 억제하는 컴퓨터화된 토크 계산법(computed torque method)를 이용할 수 있다.When the control unit 150 generates a control signal for driving the linear drivers 390 and 391, the controller 150 controls the nonlinear elements to generate a negative tension on the wire 33 A computed torque method can be used.

상기 전방 모터(310, 311)가 상기 두 개의 선형 구동기(390, 391)에 제어신호를 보낼 때, 상기 전방 모터(310, 311)는 제어부(150)가 상기 선형 구동기(390, 391)를 제어하기 위해 생성한 제어신호를 상기 선형 구동기(390, 391)에 전달하는 역할만 한다.When the front motors 310 and 311 send control signals to the two linear actuators 390 and 391, the front motors 310 and 311 control the linear actuators 390 and 391 And transmits the generated control signal to the linear drivers 390 and 391.

상기 두 개의 선형 구동기(390, 391)는 제어부(150)가 보낸 제어신호를 수신하여, 환자의 보행에 따라, 최적의 보행 궤적을 제공하기 위해, 상기 풀리(330, 331)가 결합된 슬라이더(380, 381)를 지속적으로 상하로 슬라이딩시킬 수 있다.The two linear actuators 390 and 391 receive the control signal sent from the controller 150 and adjust the position of the slider coupled to the pulleys 330 and 331 in order to provide an optimal walking trajectory 380, and 381) can be continuously slid up and down.

상기 풀리(330, 331)가 결합된 슬라이더(380, 381)가 상하로 슬라이딩 함에따라, 복수의 모터(310, 311, 312, 313)가 연동하여 와이어(33)를 감거나 풀어 줌으로서 엔드 이펙터(end effector, 370)가 최적의 보행 궤적을 만들도록 조절한다.As the sliders 380 and 381 coupled with the pulleys 330 and 331 slide up and down, the plurality of motors 310, 311, 312, and 313 interlock with each other to wind or unwind the wire 33, (end effector, 370) to create an optimal gait trajectory.

상기 두 개의 선형 구동기(390, 391)가 구동되는 상태 및 구동에 필요한 힘 등의 정보가 디스플레이 유닛(160)에 출력될 수 있다.Information such as a state in which the two linear actuators 390 and 391 are driven and a force necessary for driving can be output to the display unit 160. [

상기 디스플레이 유닛(160)은 와이어에 발생하는 장력과, 상기 선형 구동기(390, 391)에 필요한 힘을 합하여 계산한 값을 출력할 수 있다.The display unit 160 may output a value calculated by summing the tension generated in the wire and the force required for the linear actuators 390 and 391.

이 경우, 상기 엔드 이펙터(end effector, 370)가 최적의 보행 궤적을 형성하게 함에 있어서 필요로 하는 구동력이 최소화될 수 있으며, 본 발명의 다른 실시 예에 비교하여, 상대적으로 적은 출력을 가진 모터로 상기 하지 재활 장치를 구성할 수 있다.In this case, the driving force required to cause the end effector 370 to form an optimal gait trajectory can be minimized, and compared to other embodiments of the present invention, a motor having a relatively low output The above-described under-rehabilitation apparatus can be constituted.

도 6은 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 하지 재활 장치의 사용상태를 나타낸 도면이다. 하지 재활 장치(400)의 구성을 명확히 파악하고자 각 와이어(33)의 도시는 생략하였다. 도 6에서, 제어부(150)와 디스플레이 유닛(160)의 도시는 생략하였다.FIG. 6 is a view showing the use state of the underwear rehabilitation apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. The illustration of each wire 33 is omitted in order to clarify the configuration of the rehabilitation apparatus 400. In FIG. 6, the illustration of the control unit 150 and the display unit 160 is omitted.

본 발명의 제 4 실시 예에 따른 하지 재활 장치(400)는 엔드 이펙터를 2개 적용하기 위한 구성을 포함하며, 이를 위해 엔드 이펙터, 모터, 풀리 및 정보 수신부는 상술한 제3 실시예보다 2배의 개수를 구비한다. The end effector, the motor, the pulley, and the information receiving unit are configured to have a configuration for applying two end effectors to the rehabilitation apparatus 400 according to the fourth embodiment of the present invention, .

본 발명의 제 4 실시 예에 따른 하지 재활 장치는 상술한 일 실시 예에서와 같이 트레드 밀(40), 전방 및 후방 프레임(320, 321, 322, 323), 제어부(150), 디스플레이 유닛(160), 슬라이더(380, 381) 선형 구동기(390, 391)를 포함한다.The lower limb rehabilitation apparatus according to the fourth embodiment of the present invention includes the tread mill 40, the front and rear frames 320, 321, 322 and 323, the control unit 150, the display unit 160 And sliders 380 and 381 linear actuators 390 and 391, respectively.

상기 제 4 실시 예에 따른 하지 재활 장치는, 트레드 밀(40)에 추가의 풀리(434, 435, 436, 437) 및 복수의 모터(414, 415, 416, 417)을 더 포함한다.The lower limb rehabilitation apparatus according to the fourth embodiment further includes additional pulleys 434, 435, 436 and 437 and a plurality of motors 414, 415, 416 and 417 in the tread mill 40.

또한, 엔드 이펙터(end effector, 370)는 환자의 다른 종아리에 착용할 수 있도록 추가의 엔드 이펙터(end effector, 471)를 포함한다.The end effector 370 also includes an additional end effector 471 to be worn on the other calf of the patient.

또한, 상기 두 개의 엔드 이펙터(370, 471)는 환자의 양쪽 종아리에 접촉 또는 감싸져서 환자의 양쪽 다리의 보행을 도울 수 있다.In addition, the two end effectors 370, 471 may be contacted or wrapped around both calves of the patient to assist in the walking of both legs of the patient.

상기 복수의 모터(414, 415, 416, 417)에는 추가의 정보 수신부가 결합 될 수 있다. 상기 추가의 정보 수신부는 기존의 정보 수신부(340, 341, 342, 343)와 함께 양쪽 다리에 연결된 와이어의 장력에 대한 정보를 수신할 수 있다. Additional information receiving units may be coupled to the plurality of motors 414, 415, 416, and 417. The additional information receiving unit may receive information on the tension of the wire connected to both legs together with the existing information receiving units 340, 341, 342, and 343.

상기 수신된 정보는 상술한 제 3 실시 예에서와 같이 제어부(150)에서 처리된다. The received information is processed in the control unit 150 as in the third embodiment described above.

상기 제어부(150)는 전방 및 후방의 복수의 모터(310 내지 313, 414 내지 417)를 구동시키는 제어신호 외에 상기 선형 구동기(390, 391)를 구동시키는 추가의 제어신호를 생성할 수 있다.The control unit 150 may generate an additional control signal for driving the linear drivers 390 and 391 in addition to the control signals for driving the front and rear motors 310 to 313 and 414 to 417.

상기 제어부(150)가 상기 선형 구동기(390, 391)를 구동시키는 제어신호를 생성할 때, 상기 제어부(150)는 비선형적인 요소를 제어하여 와이어(33)에 음의 장력(negative tension)이 발생하는 것을 억제하는 컴퓨터화된 토크 계산법(computed torque method)를 이용할 수 있다.When the control unit 150 generates a control signal for driving the linear drivers 390 and 391, the controller 150 controls the nonlinear elements to generate a negative tension on the wire 33 A computed torque method can be used.

또한 상기 제어부(150)는 상기 모터(310 내지 313, 414 내지 417)와 선형 구동기(390, 391)를 구동시키는 제어신호를 생성하고, 전송할 수 있다.The control unit 150 may generate and transmit control signals for driving the motors 310 to 313 and 414 to 417 and the linear drivers 390 and 391.

상기 두 개의 선형 구동기(390, 391)는 전방 모터(310, 311, 414, 415) 및/또는 제어부(150)와 연결될 수 있으며, 전방 모터(310, 311, 414, 415) 및/또는 제어부(150)로부터 제어신호를 수신할 수 있다.The two linear actuators 390 and 391 may be connected to the front motors 310, 311, 414 and 415 and / or the control unit 150 and may be connected to the front motors 310, 311, 414 and 415 and / 150). ≪ / RTI >

도 7에서는 상기 하지 재활 장치에 사용되는 엔드 이펙터(170)을 나타내고 있다. 상기 엔드 이펙터(170)는 지지부(171)와 고정밸트(172)로 구성된다. 하지만, 지지부(171)의 형상에 제한을 두는 것은 아니며, 종아리에 접촉될 수 있거나 감쌀 수 있는 형상을 할 수 있으면 족하다.Fig. 7 shows an end effector 170 used in the above-described underwear rehabilitation apparatus. The end effector 170 includes a support portion 171 and a fixed belt 172. However, there is no limitation to the shape of the support portion 171, and it is sufficient that the shape of the support portion 171 can be contacted or wrapped around the calf.

이하에서는 도면 8 내지 13을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 해당하는, 와이어에 발생하는 음의 장력을 억제하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of suppressing negative tension generated in a wire according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 8 to 13. FIG.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하지 재활 장치의 전반적인 시스템 구성을 나타낸 블록도이고, 도 9는 본 발명에 일 실시 예에 따른 와이어에 발생하는 음의 장력을 억제하기 위한 방법을 설명하는 흐름도이다.FIG. 8 is a block diagram illustrating an overall system configuration of a lower limb rehabilitation apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 9 illustrates a method for suppressing negative tension generated in a wire according to an embodiment of the present invention FIG.

우선, 환자가 엔드 이펙터(170)를 착용하고, 트레드 밀(10) 상에서 보행을 시작한다. 환자의 종아리에 장착된 엔드 이펙터(170)는 이에 따라 환자의 보행 궤적을 추종한다(S1110).First, the patient wears the end effector 170 and starts walking on the treadmill 10. The end effector 170 mounted on the calf of the patient follows the walking trajectory of the patient accordingly (S1110).

그리고, 상기 엔드 이펙터(170)가 구동됨에 따라서, 복수의 와이어(11)에 각각 장력이 발생하고, 이 장력은 정보수신부(140)에 의해서 감지된다(S1120). As the end effector 170 is driven, tensile forces are generated on the plurality of wires 11, and the tension is sensed by the information receiving unit 140 (S1120).

상기 정보 수신부(140)가 획득한 장력에 대한 정보는 운동학적 정보 변환부(151)에서 2차원 상의 좌표로 표현되는 좌표 위치 정보로 변환된다(S1130). 그리고 변환된 정보는 제어부(150)로 전송된다.The information about the tension obtained by the information receiving unit 140 is converted into coordinate position information represented by two-dimensional coordinates in the kinematic information converting unit 151 (S1130). The converted information is transmitted to the controller 150.

상기 장력에 대한 정보를 운동학적 정보로 변환하는 변환부(151)는 중앙처리장치에 의해 구현될 수 있으며, 상기 제어부(150)와 통합되어 구성될 수 있다. The converting unit 151 for converting the tension information into kinematic information may be implemented by a central processing unit and integrated with the control unit 150. [

상기 변환부(151)에서 정보를 변환하는 과정은 비선형요소를 제어하기 위하여 컴퓨터화된 토크 계산법(Computed torque method)을 사용한다(S1140).In the process of converting information in the converting unit 151, a computed torque method is used to control the nonlinear element (S1140).

상기 변환된 좌표 위치 정보는 디스플레이 유닛(160)에 출력될 수 있다(S1141).The converted coordinate position information may be output to the display unit 160 (S1141).

상기 제어부(150)에서는 미리 설정된 좌표를 따라 만들어진 보행 궤적과 수신된 정보를 기반으로 하여 좌표로 변환된 환자의 실제 보행 궤적 간의 차이를 비교한다(S1150).In step S1150, the control unit 150 compares the difference between the actual trajectory of the patient converted into the coordinates on the basis of the trajectory created according to the preset coordinates and the received information.

상기 두 궤적 간 비교에 따른 차이는 오차 값으로 정의될 수 있다.The difference due to the comparison between the two trajectories can be defined as an error value.

또한, 상기 오차 값은 상기 디스플레이 유닛(160)에 추가로 출력될 수 있다(S1151). 이를 통해, 사용자 또는 환자의 보행 패턴을 시각적으로 파악하고, 재활 치료사가 사용자 또는 환자의 상태를 지속적으로 모니터링 할 수 있다.In addition, the error value may be further output to the display unit 160 (S1151). This allows the user or the patient to visually grasp the gait pattern and the rehabilitation therapist can continuously monitor the state of the user or the patient.

상기 제어부(150)는 상기 오차 값에 따라 모터(110)를 구동하는 제어신호를 형성한다(S1170).The control unit 150 forms a control signal for driving the motor 110 according to the error value (S1170).

상기 제어부(150)는 상기 제어신호를 형성할 때, 비선형요소를 제어하고, 와이어에 발생하는 음의 장력을 억제하기 위해서 컴퓨터화된 토크 계산법(Computed torque method)을 사용한다(S1160).In operation S1160, the controller 150 controls the nonlinear element and uses the computed torque method to suppress the negative tension generated in the wire.

상기 제어부(150)는 상기 제어신호를 형성할 때, 선형 구동기(390)를 구동하기 위한 추가의 제어신호를 형성할 수 있다(S1171). When forming the control signal, the control unit 150 may form an additional control signal for driving the linear driver 390 (S1171).

그리고, 상기 제어신호는 상기 모터(110)에 전송된다(S1180).Then, the control signal is transmitted to the motor 110 (S1180).

상기 추가 제어신호는 상기 모터(110) 또는 선형 구동기(390)에 이를 전송된다. 상기 추가 제어신호가 상기 모터(110)에 전송된 경우, 상기 모터(110)는 이를 상기 선형 구동기(390)에 릴레이 해준다.The additional control signal is transmitted to the motor 110 or the linear driver 390. When the additional control signal is transmitted to the motor 110, the motor 110 relays it to the linear driver 390.

상기 제어신호를 수신한 모터(110) 또는 선형 구동기(390)는 하지 재활 장치(100)의 엔드 이펙터(170)를 구동시켜 환자의 보행을 유도한다(S1190).The motor 110 or the linear actuator 390 receiving the control signal drives the end effector 170 of the underarm rehabilitation apparatus 100 to induce the patient to walk (S1190).

도 10 및 11은 와이어에 발생하는 음의 장력을 억제하기 위해 사용되는 컴퓨터화된 토크 계산법의 설계를 위한 시스템 구성도 및 수학적 해석을 나타내는 도면이다.10 and 11 are diagrams showing a system configuration diagram and a mathematical analysis for designing a computerized torque calculation method used for suppressing a negative tension generated in a wire.

상기 도 10 및 11을 참조할 때, 와이어 구동 기반 병렬형 로봇(Wire driven parallel robot)에 있어서, 음의 장력을 억제하기 위해 사용하는 컴퓨터화된 토크 계산법 로직의 설계 과정은 다음과 같다.Referring to FIGS. 10 and 11, in the wire driven parallel robot, the design process of the computerized torque calculation logic used to suppress the negative tension is as follows.

우선, 엔드 이펙터의 자세(pose)와 제어 가능한 렌치(wrench) 구조 간의 관계가 기본적인 문제가 된다. 이러한 관계를 Wrench-closure configuration이라고 하며, 복수의 와이어에 장력이 가해지는 것을 렌치라고 한다. 즉, 와이어의 장력에 의해 만들어지는 엔드 이펙터의 자세의 집합으로 정의될 수 있다. First, the relationship between the pose of the end effector and the controllable wrench structure becomes a fundamental problem. This relationship is called a wrench-closure configuration, and the application of tension to a plurality of wires is called a wrench. That is, it can be defined as a set of posture of the end effector produced by the tension of the wire.

특히, 본 발명에 따른 하지 재활 장비에 있어, 엔드 이펙터는 환자의 종아리에 부착된다. 이때 시상면(sagittal plane)에서 종아리가 이루는 각도에 의해 엔드 이펙터의 자세가 결정된다.Particularly, in the underarm rehabilitation equipment according to the present invention, the end effector is attached to the calf of the patient. At this time, the angle of the calf in the sagittal plane determines the posture of the end effector.

그러나 사람의 무릎에 의해 종아리가 회전할 수 있는 반경이 제한되므로, 환자의 안정적인 종아리 각도를 유지하기 위하여 상기 엔드 이펙터의 완전한 제어가 필요하다.However, since the radius at which the calf can be rotated by a person's knee is limited, complete control of the end effector is required to maintain a stable calf angle of the patient.

이러한 경우, 상기 엔드 이펙터의 모든 자유도(Degrees of Freedom:DOF)를 제어하는 것은 실질적으로, 상기 엔드 이펙터에 이용되는 와이어의 수와 상기 엔드 이펙터가 움직일 수 있는 자유도의 수와 관계가 있다. 상기 와이어의 수가 자유도의 수 보다 적으면 엔드 이펙터에 연결된 하나 또는 그 이상의 와이어에서, 상기 와이어의 장력에 따른 모멘트의 합이 음의 값을 가지게 된다.In this case, controlling all the degrees of freedom (DOF) of the end effector is substantially related to the number of wires used in the end effector and the number of degrees of freedom with which the end effector can move. If the number of wires is less than the number of degrees of freedom, the sum of the moments due to the tension of the wire will be negative on one or more wires connected to the end effector.

이러한 음의 값을 배제하기 위해 최적화된 구성이 도 10에 도시되어있다.An optimized configuration for excluding such negative values is shown in FIG.

시상면에서 엔드 이팩터의 세 개의 자유도를 제어하기 위해 네 개의 와이어를 사용한다. At the sagittal, we use four wires to control the three degrees of freedom of the end effector.

특히, 와이어의 장력을 제어하기 위한 앞쪽의 두 풀리(A1, A2)가 선형 구동기에 장착되어, 지면에 고정되지 않고 엔드 이펙터에 따라 함께 상하로 움직일 수 있음을 가정한다.In particular, it is assumed that the front two pulleys A1 and A2 for controlling the tension of the wire are mounted on the linear actuator and can move up and down together with the end effector instead of being fixed to the ground.

Wrench-closure configuration은 상기 구성이 설치되는 플랫폼과 선형 구동기 두 개의 부분으로 구성되어 있는바, 상기 두 부분의 동역학이 고려되야 한다. The wrench-closure configuration consists of two parts, a platform on which the above configuration is installed and a linear actuator, and the dynamics of the two parts should be considered.

이를 위해, 기준 좌표 공간과 구동기 좌표 사이의 맵(map)이 설정되고, 각 단계별로 제어부에 의해 얻어진 와이어의 장력인 렌치는 기준 좌표 공간으로부터 와이어가 위치해야 할 좌표까지 맵핑(mapping)이 되야한다.To this end, a map between the reference coordinate space and the driver coordinates is set, and the wrench, which is the tension of the wire obtained by the control unit for each step, must be mapped from the reference coordinate space to the coordinates at which the wire should be located .

그리고 상기 두 부분의 동역학을 고려하면서 동적 방적식을 도출해 낼 것이다. 하지만, 비선형 항(term)이 발생하게 되어 근본적으로 제어 로직을 구성하기가 어렵다. And we will derive the dynamic equation considering the dynamics of the two parts. However, it is difficult to construct the control logic fundamentally because a nonlinear term is generated.

따라서, 컴퓨터화된 토크 계산법)에 의해 비선형 항의 효과를 상쇄하고, 와이어에 필요한 장력과 선형 구동기의 구동력에 대한 제어 신호 값을 찾아 낼 것이다. 그리고 비례 미분(Proportional Differential:PD)제어를 이용하여 에러를 0으로 만들 것이다.Therefore, the effect of the nonlinear term is canceled by the computerized torque calculation method, and the tension required for the wire and the control signal value for the driving force of the linear actuator are found. And will use a Proportional Differential (PD) control to make the error zero.

도 11은 이러한 컴퓨터화된 토크 계산법을 도출하기 위해 수학적으로 해석한 도면이다.FIG. 11 is a mathematically analyzed diagram for deriving such a computerized torque calculation method.

일단, 종아리와 분리된 상태의 엔드 이펙터를 인체의 종아리라고 가정한다.It is assumed that the end effector separated from the calf is the calf of the human body.

Figure 112016059834077-pat00001
는 각각 와이어의 순서를 나타낸다.
Figure 112016059834077-pat00001
Respectively denote the order of the wires.

Figure 112016059834077-pat00002
는 와이어가 엔드 이펙터에 부착된 점을 말한다.
Figure 112016059834077-pat00002
Refers to the point where the wire is attached to the end effector.

그리고 4개의 모터가

Figure 112016059834077-pat00003
에 있다고 가정하였으며, 이 Wrench-closure configuration에서 전방에 설치된 A1, A2 풀리는 수직 방향으로 슬라이딩이 가능하도록 슬라이더와 결합되어 선형 구동기에 구동된다고 가정하였다.And four motors
Figure 112016059834077-pat00003
In this Wrench-closure configuration, it is assumed that the A1 and A2 pulleys installed at the front are connected to the slider so that they can be slid in the vertical direction and driven by the linear actuator.

따라서, 상기 두 풀리의 y 방향에서의 위치는 다음과 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the position of the two pulleys in the y direction can be expressed as follows.

Figure 112016059834077-pat00004
Figure 112016059834077-pat00004

그리고, 점 O를 기준으로 좌표 축을 X 및 Y로 보고, 점 G를 기준으로 단위 백터를 U와 V로 정의한다. Then, coordinate axes are defined as X and Y based on point O, and U and V are defined as unit vector based on point G.

와이어의 길이는

Figure 112016059834077-pat00005
이고, 항상
Figure 112016059834077-pat00006
이다. The length of the wire is
Figure 112016059834077-pat00005
And always
Figure 112016059834077-pat00006
to be.

엔드 이펙터의 위치는 상기 점 O를 시작점으로 보고, 상기 점 G를 끝점으로 정의할 때,

Figure 112016059834077-pat00007
로 표기된다.The position of the end effector is defined as the start point of the point O. When the end point of the end effector is defined as the end point,
Figure 112016059834077-pat00007
Respectively.

상기 X축 및 U축 사이의 방위는 각도

Figure 112016059834077-pat00008
로 정의된다.The azimuth between the X-axis and the U-
Figure 112016059834077-pat00008
.

이러한 가정을 할 경우, 다음의 수식이 도출된다.If you make this assumption, the following formula is derived.

Figure 112016059834077-pat00009
Figure 112016059834077-pat00009

Figure 112016059834077-pat00010
Figure 112016059834077-pat00010

Figure 112016059834077-pat00011
Figure 112016059834077-pat00011

이 때

Figure 112016059834077-pat00012
의 위치 벡터는
Figure 112016059834077-pat00013
이 된다.At this time
Figure 112016059834077-pat00012
The position vector of
Figure 112016059834077-pat00013
.

이번에는, 정적 모델링을 위해 상기 Wrench-closure configuration의 플랫폼이 시상면에서 작동한다고 가정해보자. This time, let's assume that the platform of the Wrench-closure configuration works on a sagittal basis for static modeling.

이 경우, 와이어의 평면 장력을

Figure 112016059834077-pat00014
이라고 할 때, 토크는 점 G에 적용이 된다. In this case, the plane tension of the wire
Figure 112016059834077-pat00014
, The torque is applied to the point G.

그리고, i 번째 와이어의 Plucker Vector는

Figure 112016059834077-pat00015
라고 하면, 좌표 상에서는
Figure 112016059834077-pat00016
로 나타낼 수 있다.Then, the Plucker Vector of the i-th wire
Figure 112016059834077-pat00015
In terms of coordinates,
Figure 112016059834077-pat00016
.

그리고, i 번째 와이어에 의해 가해지는 장력은

Figure 112016059834077-pat00017
이고, 여기서
Figure 112016059834077-pat00018
는 와이어의 장력을 나타내는 양수 값이 된다. And, the tension applied by the ith wire is
Figure 112016059834077-pat00017
, Where
Figure 112016059834077-pat00018
Becomes a positive value indicating the tension of the wire.

만약 장력

Figure 112016059834077-pat00019
가 전체 와이어 장력의 합에 의해 균형을 이룬다고 가정하면, 다음과 같은 수학식 1이 도출된다.If tension
Figure 112016059834077-pat00019
Is balanced by the sum of the total wire tensions, the following equation (1) is derived.

(수학식 1)(1)

Figure 112016059834077-pat00020
Figure 112016059834077-pat00020

J는 3*4 행렬로서 엔드 이펙터의 위치 및 방위, 선형구동기가 도 11의 Z축상 어느 위치에 위치하는지에 따라 변한다.J is a 3 * 4 matrix, and changes depending on the position and orientation of the end effector and the position of the linear actuator on the Z axis in Fig.

다음에는, 엔드 이펙터와 도 11의 선형 구동기의 Z축상 위치와의 관계를 동역학 식으로 나타내본다. 이를 위해서는 와이어의 질량은 0으로 보고, 풀리의 동역학은 고려하지 않는다. 이 경우, 엔드 이펙터와 선형 구동기의 Z축상 위치와의 관계는 다음과 같은 다차원 미분 방정식인 수학식 2 및 3으로 나타낼 수 있다.Next, the relationship between the end effector and the Z-axis position of the linear actuator in Fig. 11 is expressed by a kinetic equation. For this, the mass of the wire is reported as zero and the kinematics of the pulley is not considered. In this case, the relationship between the end-effector and the position on the Z-axis of the linear actuator can be expressed by the following equations (2) and (3), which are multidimensional differential equations.

(수학식 2)(2)

Figure 112016059834077-pat00021
Figure 112016059834077-pat00021

(수학식 3) (3)

Figure 112016059834077-pat00022
Figure 112016059834077-pat00022

m과 I는 각각 엔드 이펙터의 질량과 관성을 나타낸다.m and I represent the mass and inertia of the end effector, respectively.

Figure 112016059834077-pat00023
는 플랫폼의 위치와 방위를 포함하는 엔드 이펙터의 상태 변수이다.
Figure 112016059834077-pat00023
Is an end-effector state variable that includes the position and orientation of the platform.

Figure 112016059834077-pat00024
,
Figure 112016059834077-pat00025
는 X축과 Y축 방향으로 엔드 이펙터에 가해진 합력을 나타낸다. 그리고
Figure 112016059834077-pat00026
는 엔드 이펙터의 합성 모멘트를 나타낸다. 또한,
Figure 112016059834077-pat00027
는 선형 구동기의 질량을 나타낸다. Z는 선형 구동기의 수직 방향 위치를 나타내며, c는 마찰 계수를 의미한다.
Figure 112016059834077-pat00024
,
Figure 112016059834077-pat00025
Represents the resultant force applied to the end effector in the X-axis and Y-axis directions. And
Figure 112016059834077-pat00026
Represents the composite moment of the end effector. Also,
Figure 112016059834077-pat00027
Represents the mass of the linear actuator. Z represents the vertical position of the linear actuator, and c represents the coefficient of friction.

다음과 같은 식

Figure 112016059834077-pat00028
통해, 상기 수학식 2 및 3을 행렬 꼴로 나타내면 다음의 수학식 4 및 5와 같다.The following expression
Figure 112016059834077-pat00028
The above equations (2) and (3) can be represented by the following mathematical formulas (4) and (5).

(수학식 4)(4)

Figure 112016059834077-pat00029
Figure 112016059834077-pat00029

(수학식 5)(5)

Figure 112016059834077-pat00030
Figure 112016059834077-pat00030

또는, 다음과 같은 수학식 6 및 7과 같이 간략하게 표현할 수도 있다.Alternatively, it may be simplified as shown in Equations (6) and (7) below.

(수학식 6)(6)

Figure 112016059834077-pat00031
Figure 112016059834077-pat00031

(수학식 7)(7)

Figure 112016059834077-pat00032
Figure 112016059834077-pat00032

이제, 상기 도출된 식을 바탕으로 하여, 제어 로직으로서 컴퓨터화된 토크 계산법(Computed torque method)과 비례 미분(Proportional Differential) 제어를 설계할 수 있다.Now, based on the above derived equations, a computed torque method and a proportional differential control can be designed as control logic.

상기 수학식 6에서, N은 모든 비선형 항을 포함한다. In Equation (6), N includes all non-linear terms.

따라서 CTM을 구성할 때 미분 방정식은 2차 선형 방정식으로 되고, 제어 로직은 다음과 같은 수학식 8과 같이 정의할 수 있다.Therefore, when constructing the CTM, the differential equation becomes the second-order linear equation, and the control logic can be defined as the following Equation (8).

(수학식 8)(8)

Figure 112016059834077-pat00033
Figure 112016059834077-pat00033

여기서,

Figure 112016059834077-pat00034
는 상태 백터
Figure 112016059834077-pat00035
의 미리 설정된 또는 원하는(desired) 궤적을 나타내고, 에러는
Figure 112016059834077-pat00036
로 나타낼 수 있다. here,
Figure 112016059834077-pat00034
The state vector
Figure 112016059834077-pat00035
The desired trajectory of < RTI ID = 0.0 >
Figure 112016059834077-pat00036
.

또한,

Figure 112016059834077-pat00037
,
Figure 112016059834077-pat00038
는 대각위(diagonal position)행렬로 선택된 이득 행렬이다. Also,
Figure 112016059834077-pat00037
,
Figure 112016059834077-pat00038
Is a gain matrix selected as a diagonal position matrix.

이제 수학식 8의 장력

Figure 112016059834077-pat00039
로부터 와이어의 장력과 선형 구동기의 힘을 계산할 필요가 있다. 그러나 와이어 구동 기반 병렬형 로봇에서 양의 장력을 유지하는 것이 효과적인 제어 알고리즘을 위해 중요한 사항이라는 점을 고려할때, 선형 구동기와 엔드 이펙터에 대한 각각의 동역학을 고려하여 와이어의 장력을 양의 값으로 유지시키는 방법을 취할 수 있다. The tension in equation (8)
Figure 112016059834077-pat00039
It is necessary to calculate the tension of the wire and the force of the linear actuator. However, considering that maintaining positive tension in wire-driven parallel robots is an important issue for effective control algorithms, it is important to keep the tension of the wire positive by taking into account the respective dynamics of the linear actuator and the end effector. Can be taken.

이는 수학식 4에서,

Figure 112016059834077-pat00040
가 두 부분으로 분리될 수 있음을 알 수 있다.In Equation (4)
Figure 112016059834077-pat00040
Can be separated into two parts.

Figure 112016059834077-pat00041
Figure 112016059834077-pat00041

여기서

Figure 112016059834077-pat00042
는 수학식 3의 오른쪽 편 항과 같다. 수학식 1에서 엔드 이펙터에 가해진 장력
Figure 112016059834077-pat00043
은 J행렬에 의한 와이어의 장력과 관련이 있다. 이 행렬은 정방행렬이 아니므로
Figure 112016059834077-pat00044
에 따른 와이어의 장력은 계산될 수 없고, 무수히 많은 해가 주어진다. here
Figure 112016059834077-pat00042
Is the same as the right-hand side of the equation (3). The tension applied to the end effector in Equation (1)
Figure 112016059834077-pat00043
Is related to the tension of the wire by the J matrix. Since this matrix is not a square matrix
Figure 112016059834077-pat00044
The tension of the wire can not be calculated, and a myriad of solutions are given.

해는 다음과 같다.The solution is as follows.

Figure 112016059834077-pat00045
Figure 112016059834077-pat00045

여기서

Figure 112016059834077-pat00046
로 계산되는
Figure 112016059834077-pat00047
는 특이해 이다. n은 J의 null space의 행렬이고,
Figure 112016059834077-pat00048
는 임의의 상수이다. here
Figure 112016059834077-pat00046
Calculated by
Figure 112016059834077-pat00047
Is unusual. n is a matrix of null spaces of J,
Figure 112016059834077-pat00048
Is an arbitrary constant.

이 관계로부터 만약 null 벡터 n의 모든 요소들이 같은 부호를 가진다면,

Figure 112016059834077-pat00049
가 특이해임에도 불구하고 상수
Figure 112016059834077-pat00050
는 모든 와이어에서 양의 장력을 가지거나, 각 와이어의 장력이 구체화된 최소 장력
Figure 112016059834077-pat00051
보다 크도록 할 수 있다.From this relationship, if all elements of the null vector n have the same sign,
Figure 112016059834077-pat00049
Is unusual, but constant
Figure 112016059834077-pat00050
May have a positive tension on all wires, or a minimum tension
Figure 112016059834077-pat00051
.

따라서, 각 장력

Figure 112016059834077-pat00052
의 모든 요소와 n에서 적절한 요소를 위해,
Figure 112016059834077-pat00053
Figure 112016059834077-pat00054
로 계산된다.
Figure 112016059834077-pat00055
는 위의 구성요소 부호에 의해 곱해진
Figure 112016059834077-pat00056
의 최고 값으로 결정된다. 벡터 n은 행렬 J의 null space로서 부호가 어떠한 구성을 가지느냐에 따라 변한다.Therefore,
Figure 112016059834077-pat00052
For every element of n and for the appropriate element in n,
Figure 112016059834077-pat00053
The
Figure 112016059834077-pat00054
.
Figure 112016059834077-pat00055
Is multiplied by the above component sign
Figure 112016059834077-pat00056
As shown in FIG. The vector n is a null space of the matrix J, which varies depending on how the sign has some configuration.

그리고 같은 부호를 가지는 벡터 n으로만 구성될 경우, Wrench closure configuration으로 정의된다. And if it consists of only vector n with the same sign, it is defined as Wrench closure configuration.

즉,

Figure 112016059834077-pat00057
경우, 최소 하나의 벡터는
Figure 112016059834077-pat00058
를 만족시킨다.In other words,
Figure 112016059834077-pat00057
At least one vector is
Figure 112016059834077-pat00058
.

결국 도 11은 선형 구동기에 의해 Wrench closure configuration의 조건이 만족되는 와이어 구동 기반 병렬형 로봇을 보여주고 있는 것이다. 11 shows a wire-driven parallel type robot that satisfies the conditions of a wrench closure configuration by a linear actuator.

또한 선형 구동기를 구동시키는데 필요한 힘은 수학식 5로부터 도출된다.The force required to drive the linear actuator is also derived from equation (5).

Figure 112016059834077-pat00059
Figure 112016059834077-pat00059

따라서, 컴퓨터화된 토크 계산법에 의해, 와이어의 장력과 선형 구동기의 힘이 계산되고 적용됨으로써, 최적의 궤적으로 엔드 이펙터가 움직일 수 있도록 모터와 선형 구동기가 제어된다.Therefore, by computerized torque calculation, the tension of the wire and the force of the linear actuator are calculated and applied, so that the motor and the linear actuator are controlled so that the end effector can move with the optimum trajectory.

모터에는 정보 수신부, 바람직하게는 엔코더를 사용하여 정기구학에 의해 와이어의 장력을 측정함으로써 엔드 이펙터의 위치를 파악할 수 있도록 할 수 있다.The position of the end effector can be grasped by measuring the tension of the wire by regular guidance using an information receiving unit, preferably an encoder, in the motor.

상기 컴퓨터화된 토크 계산법을 설계할 때, 성인 남성의 종아리를 기준으로 동역학을 고려하였다. 종아리의 질량과 관성은 각각

Figure 112016059834077-pat00060
으로 가정하였고, 선형 구동기는
Figure 112016059834077-pat00061
로 가정하였다.When designing the computerized torque calculation method, kinematics was considered on the basis of an adult male calf. The mass and inertia of the calf are
Figure 112016059834077-pat00060
, And the linear actuator
Figure 112016059834077-pat00061
Respectively.

풀리의 관성과 회전 댐핑 계수는 고려하지 않았다.The inertia and rotational damping coefficient of the pulley are not considered.

상기와 같이 설계된 컴퓨터화된 토크 계산법에 의해 제어부의 알고리즘을 설정하고 Metlab 코드를 구현하여 비선형요소를 제어하였다. 이에 따른, 최적화된 보행 궤적은 도 12에 개시되어 있다.The algorithm of the control part was set by the computerized torque calculation method designed as above and the nonlinear element was controlled by implementing the Metlab code. The optimized walking trajectory is thus disclosed in Fig.

또한 도 13에는 Wrench closure configuration 조건을 만족하기 위한 와이어의 장력과 선형 구동기에 필요한 힘을 그래프로 나타내고 있다. 상기 도 13에서 확인 할 수 있듯이, 모든 와이어가 음의 장력이 발생하지 않아 느슨해짐이 없이, 양의 장력을 가지고 궤적을 추종함을 알 수 있다.FIG. 13 also graphically shows the tension of the wire and the force required for the linear actuator to satisfy the wrench closure configuration condition. As shown in FIG. 13, it can be seen that all the wires follow the trajectory with a positive tension without loosening due to no negative tension.

이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, I will understand. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by all changes or modifications derived from the scope of the appended claims and from the appended claims.

10: 트레드 밀 11: 와이어
100: 하지 재활 장치 110: 모터
120: 프레임 130: 풀리
140: 정보 수신부 150: 제어부
160: 디스플레이 유닛 170: 엔드 이펙터
380: 슬라이더 390: 선형 구동기
10: tread mill 11: wire
100: under-rehabilitation device 110: motor
120: frame 130: pulley
140: Information receiving unit 150:
160: display unit 170: end effector
380: slider 390: linear actuator

Claims (14)

트레드 밀;
환자의 신체 부위에 고정되는 엔드 이펙터(end effector);
상기 엔드 이펙터에 연결된 복수의 와이어를 감거나 풀어 줄 수 있도록 정회전 및 역회전하는 복수의 모터;
환자가 상기 트레드 밀에서 보행 시, 상기 엔드 이펙터의 움직임에 따라 상기 복수의 와이어에 미치는 장력을 통해 산출되는 환자의 보행궤적과 미리 설정된 보행 궤적과의 차이를 계산하여, 상기 복수의 모터를 구동시키는 제어부;
상기 트레드 밀에 설치되는 전방 및 후방 프레임;
상기 전방 및 후방 프레임에 배치되어 상기 와이어를 가이드하는 복수의 풀리;
상기 전방 프레임에 슬라이딩 가능하게 결합되고, 상기 복수의 풀리가 회전 가능하게 연결된 슬라이더; 및
환자의 보행에 따라 상기 복수의 풀리가 결합된 상기 슬라이더를 지속적으로 상하로 슬라이딩시키는 선형 구동기;를 포함하는 하지 재활 장치.
Tread mill;
An end effector secured to the body part of the patient;
A plurality of motors rotating forward and backward to wind or loosen a plurality of wires connected to the end effector;
Calculating a difference between a gait locus of the patient and a preset gait locus calculated through a tension on the plurality of wires in accordance with the movement of the end effector when the patient is walking on the treadmill, A control unit;
Front and rear frames mounted on the treadmill;
A plurality of pulleys disposed in the front and rear frames to guide the wires;
A slider slidably coupled to the front frame, the slider having the plurality of pulleys rotatably connected thereto; And
And a linear actuator that continuously slides the slider coupled with the plurality of pulleys in accordance with the gait of the patient.
제 1 항에 있어서,
상기 각 모터 상에 결합되어 상기 각 와이어의 장력을 감지하는 정보수신부; 및
상기 장력에 관한 정보 및 상기 두 개의 보행 궤적 간의 차이를 계산한 결과 값을 출력하기 위한 디스플레이 유닛;을 더 포함하는 하지 재활 장치.
The method according to claim 1,
An information receiving unit coupled to each of the motors to sense tension of the wires; And
And a display unit for outputting information about the tension and a result of calculating a difference between the two walking trajectories.
제 2 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 복수의 모터를 구동시키는 제어신호를 생성할 때, 비선형적인 요소를 제어하여 음의 장력을 억제하는 컴퓨터화된 토크 계산법(computed torque method)을 이용하는 하지 재활 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the control unit uses a computed torque method for controlling a non-linear element to suppress a negative tension when generating a control signal for driving the plurality of motors.
제 1 항에 있어서,
상기 엔드 이펙터는 환자의 신체부위 중 적어도 두 곳에 고정될 수 있도록 복수개로 구성되는 하지 재활 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the end effector comprises a plurality of end effectors so that the end effector can be fixed to at least two of the body parts of the patient.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 복수의 모터를 구동시키는 제어신호를 생성할 때, 비선형적인 요소를 제어하여 음의 장력을 억제하는 컴퓨터화된 토크 계산법(computed torque method)을 이용하는 하지 재활 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the control unit uses a computed torque method for controlling a non-linear element to suppress a negative tension when generating a control signal for driving the plurality of motors.
제 6 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 선형 구동기를 구동시키는 추가 제어신호를 생성하고, 상기 선형 구동기를 구동시키는 제어신호를 생성할 때, 비선형적인 요소를 배제하여 음의 장력을 억제하기 위해 컴퓨터화된 토크 계산법(computed torque method)을 이용하는 하지 재활 장치.
The method according to claim 6,
The control unit generates an additional control signal for driving the linear driver and generates a control signal for driving the linear driver by using a computed torque to suppress a negative tension by excluding a non- method).
트레드 밀 상에서 환자가 보행을 시작함에 따라 환자가 장착한 엔드 이펙터가 움직이는 (a)단계;
환자의 보행 속도에 따라 상기 엔드 이펙터에 연결된 와이어에 미치는 장력에 관한 정보를 수신하여 환자의 실제 보행 궤적을 검출하는 (b)단계;
미리 설정된 보행 궤적과 상기 환자의 실제 보행 궤적을 비교하여 오차를 계산하는 (c)단계; 및
상기 와이어를 감거나 풀어서 상기 오차에 따른 차이만큼 와이어의 장력을 조절하도록 각 와이어에 연결된 복수의 모터를 정회전 또는 역회전하도록 제어하는 (d)단계;로 이루어지고,
상기 (d)단계는,
와이어의 장력을 조절할 수 있도록 상기 와이어를 가이드하는 복수의 풀리가 결합된 슬라이더를 지속적으로 상하로 슬라이딩시키는 선행 구동기를 제어하기 위한 추가 제어신호를 생성하는 하지 재활 장치의 제어 방법.
(A) moving the end effector mounted by the patient as the patient starts walking on the tread mill;
(B) receiving information about a tension on a wire connected to the end effector according to a walking speed of a patient and detecting an actual walking trajectory of the patient;
(C) calculating an error by comparing a preset gait locus and an actual gait locus of the patient; And
(D) controlling the plurality of motors connected to each wire to rotate forward or reverse so as to adjust the tension of the wire by the difference according to the error by winding or unwinding the wire,
The step (d)
And a control unit for generating a further control signal for controlling a preceding driver that continuously slides the slider coupled with the plurality of pulleys guiding the wire so as to adjust the tension of the wire.
제 8 항에 있어서,
상기 (c)단계 전에,
상기 수신된 장력에 관한 정보를 운동학적 정보로 변환하는 (e)단계;를 더 포함하고,
상기 운동학적 정보는 2차원 상 좌표로 특정 가능한 위치 정보로서 실제 환자의 보행 궤적을 나타내는 하지 재활 장치의 제어 방법.
9. The method of claim 8,
Before the step (c)
(E) converting information about the received tension into kinematic information,
Wherein the kinematic information is positional information that can be specified in two-dimensional coordinates, and the walking trajectory of the actual patient is displayed.
제 9 항에 있어서,
상기 (e)단계는 상기 수신한 정보를 운동학적 정보로 변환하면서 발생하는 비선형적 요소들을 제어하는 하지 재활 장치의 제어 방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the step (e) controls non-linear elements generated while converting the received information into kinetic information.
제 10 항에 있어서,
상기 (e)단계는 상기 2차원상 좌표로 변환된 운동학적 정보를 디스플레이 유닛에 출력하는 (f)단계를 더 포함하는 하지 재활 장치의 제어 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the step (e) further comprises: (f) outputting the kinematical information converted into the two-dimensional coordinate to the display unit.
제 8 항에 있어서,
상기 (c)단계는 상기 두 궤적을 비교하여 오차를 계산한 결과값을 디스플레이 유닛에 출력하는 단계(g)를 더 포함하는 하지 재활 장치의 제어방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the step (c) further comprises the step (g) of comparing the two trajectories and outputting a result of calculating an error to the display unit.
제 8 항에 있어서,
상기 (d)단계는,
상기 두 보행 궤적 간 오차에 따른 위치 좌표 정보를 상기 모터를 제어하기 위한 제어신호로 변환하면서 비선형적인 요소들을 억제하여, 상기 오차에 따른 제어신호를 생성하는 하지 재활 장치의 제어 방법.
9. The method of claim 8,
The step (d)
And controlling the position coordinate information according to the error between the two walking trajectories to a control signal for controlling the motor, thereby suppressing nonlinear elements and generating a control signal according to the error.
제 13 항에 있어서,
상기 (d)단계는,
상기 추가 제어신호를 생성하면서 비선형적인 요소들을 억제하는 하지 재활 장치의 제어 방법.
14. The method of claim 13,
The step (d)
And suppresses non-linear elements while generating said additional control signal.
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