KR102014591B1 - 운동 보조 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는, 사용자의 뇌로부터 상기 사용자의 근위 부분 및 상기 사용자의 원위 부분을 연결하는 연결 근육으로 전기 신호를 전달하는 신경을 전기적으로 차단하기 위한 신경 차단 전극; 상기 근위 부분 및 상기 원위 부분을 상대적으로 움직이게 하는 강제 운동 모듈; 및 상기 신경 차단 전극의 동작 여부에 따라서, 상기 강제 운동 모듈을 동작시키는 제어부를 포함할 수 있다.
Description
아래의 설명은 운동 보조 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
신경학적 장애가 있는 사람 또는 동물의 경우 질환에 따라 본인의 의지와 관계없는 근수축이 발생할 수 있으며 이는 일상생활에 큰 불편함을 초래한다. 예를 들어 뇌성마비 아동에게 발생하는 종아리 근육의 경직성 수축은 족하수 및 첨족 보행의 주요인으로 작용함에도 불구하고 이에 대한 중재 기술은 수술 또는 시술을 통해 종아리 근육의 사용을 무력화하는 방법이 유일하다. 그러나 심한 통증과 갑작스러운 근력 약화가 유발되는 등 이차적 부작용이 상당하다.
불수의적 운동을 억제하기 위해 수술적 방법으로 전극을 신경에 직접 삽입할 수 있으나, 이와 같은 수술적 방법은 불편함이 있다. 또한 이와 같은 삽입형 전극을 이용할 경우, 신경 차단 시 발생하는 근력 약화에 대한 대안이 없었다.
불수의적 근수축은 뇌졸중이나 뇌성마비와 같은 중추신경계 이상 환자에게 흔히 발생하는 증상이다. 현재 임상에서 해당 증상을 완화하는 방법으로 부작용이 큰 보톡스 주입이나 신경 절제술을 사용하지만, 심한 통증과 근력 약화를 초래하여 해당 방법의 무용론이 제기되고 있다.
일 실시 예의 목적은 표면 전극을 사용하여 비수술적 방법으로 불수의적 운동을 억제하고 인위적으로 정상 움직임을 만들어 내는 운동 보조 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는, 사용자의 뇌로부터 상기 사용자의 근위 부분 및 상기 사용자의 원위 부분을 연결하는 연결 근육으로 전기 신호를 전달하는 신경을 전기적으로 차단하기 위한 신경 차단 전극; 상기 근위 부분 및 상기 원위 부분을 상대적으로 움직이게 하는 강제 운동 모듈; 및 상기 신경 차단 전극의 동작 여부에 따라서, 상기 강제 운동 모듈을 동작시키는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 신경 차단 전극은, 상기 사용자의 피부에 부착되는 한 쌍의 부착형 표면 전극을 포함 할 수 있다.
상기 강제 운동 모듈은, 상기 사용자의 근위 부분에 장착되는 근위 장착부; 상기 사용자의 원위 부분에 부착되는 원위 장착부; 및 상기 근위 장착부에 대해 상기 원위 장착부를 상대적으로 이동시키는 액추에이터를 포함 할 수 있다.
상기 액추에이터는 상기 원위 장착부에 회동 가능하게 연결될 수 있다.
상기 강제 운동 모듈은, 상기 연결 근육을 수축시키기 위한 전기 신호를 전달하기 위한 전기 자극 모듈을 포함 할 수 있다.
상기 전기 자극 모듈은, 상기 사용자의 피부에 부착되는 한 쌍의 탈부착형 표면 전극을 포함 할 수 있다.
일 실시 예의 운동 보조 장치는, 상기 사용자의 운동을 감지하기 위한 관성 센서를 더 포함 할 수 있고, 상기 제어부는 상기 관성 센서를 감지하여 상기 사용자의 운동 상태를 규정할 수 있다.
일 실시 예의 운동 보조 장치는, 상기 신경 차단 전극에 전류를 공급하기 위한 전원부를 더 포함할 수 있고, 상기 제어부는 상기 전원부에 연결되어 상기 신경 차단 전극에 공급되는 전류가 정격 교류에 도달할 때까지 전류의 크기를 서서히 증가시킬 수 있다.
상기 전원부로부터 상기 신경 차단 전극에 인가되는 전류는 1kHz 내지 100kHz 사이의 고주파 교류 전류를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법은, 운동 보조 장치의 전원을 온(ON) 시키는 단계; 사용자의 뇌로부터 상기 사용자의 근위 부분 및 상기 사용자의 원위 부분을 연결하는 연결 근육으로 전기 신호를 전달하는 신경을 차단하는 단계; 및 상기 근위 부분 및 상기 원위 부분을 상대적으로 움직이게 하기 위한 강제 운동 모듈을 작동시키는 운동 보조 단계를 포함 할 수 있다.
상기 운동 보조 단계는, 상기 신경을 차단하는 단계가 수행되는 동안 수행될 수 있다.
상기 신경을 차단하는 단계는, 신경 차단 전극에 정격 교류를 공급하는 정격 교류 공급 단계; 및 상기 정격 교류 공급 단계 직전에 수행되고, 상기 신경 차단 전극에 상기 정격 교류보다 크기가 작은 예비 교류를 공급하는 예비 교류 공급 단계를 포함할 수 있다.
상기 운동 보조 단계는, 상기 사용자의 근위 부분 및 원위 부분에 각각 장착되는 근위 장착부 및 원위 장착부를 상대적으로 움직이게 하는 액추에이터를 동작시키는 운동 보조 모듈 동작 단계를 포함할 수 있다.
상기 운동 보조 단계는, 상기 사용자의 연결 근육에 연결되는 신경에 근접한 피부에 부착되는 전기 자극 모듈을 이용하여, 상기 신경에 기능적 전기자극을 전달하는 전기 자극 모듈 동작 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법은, 관성 센서를 통해 상기 사용자의 운동 상태를 감지하는 운동 상태 감지 단계; 및 제어부를 통해 상기 사용자의 운동 상태가 설정 조건을 만족하는지 여부를 결정하는 동작 여부 결정 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 신경을 차단하는 단계는 상기 사용자의 운동 상태가 상기 설정 조건을 만족할 때 수행될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 신경 차단과 함께 정상 움직임을 보조하는 운동 보조 장치를 제공할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 신경을 차단하고 약화된 근력을 보완함으로써, 심한 통증 또는 근력 약화의 우려가 적고, 불수의적 근육 수축이 있는 사용자의 움직임을 효과적으로 보조할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 표면 전극을 사용하므로 비수술적인 처치가 가능하다. 삽입형 전극을 사용하여 신경을 차단시키는 경우와 비교하면, 표면 전극 및 운동 보조 장치와 결합된 불수의적 운동 차단 방식은 신경학적 장애가 있는 사용자의 일상생활에 도움을 줄 수 있다.
또한, 재활 현장에서 관절 가동 범위 증대를 위한 CPM(Continuous Passive Motion) 장비를 사용할 경우 운동 중 경직성 수축이 발생하기 때문에 일시적으로 기기 작동 및 운동을 중지해야 하는 불편함이 있다. 만일 경직이 심할 경우 운동 지속 기간이 짧아 치료적 효과가 발생하지 않는다. 그러나 실시 예에 따르면, 전기 신경 차단과 운동 보조 장치를 사용함으로써, 고주파 자극에 따른 통증 및 운동 신경의 차단과 함께 더욱 효과적인 관절 가동 운동이 가능할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 사용자의 신체에 장착된 모습을 나타낸다.
도 2는 일 실시 예에 따른 강제 운동 모듈이 사용자의 신체에 장착된 모습을 나타낸다.
도 3은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 블록도를 나타낸다.
도 4는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 신경을 차단하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 운동 보조 단계를 나타내는 순서도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 강제 운동 모듈이 사용자의 신체에 장착된 모습을 나타낸다.
도 3은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 블록도를 나타낸다.
도 4는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 신경을 차단하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 운동 보조 단계를 나타내는 순서도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 사용자의 신체에 장착된 모습을 나타내고, 도 2는 일 실시 예에 따른 강제 운동 모듈이 사용자의 신체에 장착된 모습을 나타내고, 도 3은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 블록도를 나타낸다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(100)는, 사용자의 불수의적 근육 수축을 억제하고 운동을 보조하기 위해 사용자의 신체의 일부에 장착될 수 있다. 다시 말하면, 운동 보조 장치(100)는 사용자의 관절에 설치되어 근위 부분(91, proximal part) 및 원위 부분(92, distal part)을 상대적으로 움직이도록 하는 연결 근육의 불수의적인 근육 수축을 억제함과 동시에, 근위 부분(91)에 대해서 원위 부분(92)을 움직이도록 보조할 수 있다.
예를 들어, 도 1을 참조하면, 운동 보조 장치(100)의 일부는 사용자의 발목 부분에 장착될 수 있다. 다만, 운동 보조 장치(100)의 장착 부위가 이에 한정되는 것은 아니며, 사용자의 다른 관절 부위에도 장착될 수 있다는 것으로 이해되어야 할 것이다.
여기서, 근위 부분(91) 및 원위 부분(92)은 사용자의 관절을 기준으로 사용자의 몸통과 가까운 부분을 근위 부분(91), 사용자의 몸통으로부터 먼 부분을 원위 부분(92)이라고 칭할 수 있다.
예를 들어, 도 1과 같이 운동 보조 장치(100)의 일부가 사용자의 발목 부분에 설치되는 경우, 사용자의 발목 관절을 기준으로 몸통과 가까운 종아리 부분이 근위 부분(91), 몸통과 먼 발 부분이 원위 부분(92)이라 할 수 있다. 다만, 근위 부분(91) 및 원위 부분(92)이 이와 같이 한정되는 것은 아니며, 운동 보조 장치(100)가 장착되는 관절 부위에 따라서 바뀔 수 있다는 것으로 이해되어야 할 것이다.
예를 들어, 사용자는 사람과 동물을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 운동 보조 장치(100)는 사람 또는 동물의 신체에 장착되어 동작할 수 있다.
예를 들어, 운동 보조 장치(100)는, 신경 차단 전극(20), 강제 운동 모듈(10), 전원부(40), 제어부(30) 및 관성 센서(50)를 포함할 수 있다.
신경 차단 전극(20)은, 사용자의 불수의적 근육 운동을 차단하기 위해 관절 주위의 근위 부분(91) 및 원위 부분(92)을 연결하는 연결 근육으로 전기 신호를 전달하는 신경을 전기적으로 차단할 수 있다. 예를 들어, 신경 차단 전극(20)은, 사용자의 연결 근육의 신경 근처의 피부에 탈부착되는 음극(20a) 및 양극(20b)으로 이루어진 한 쌍의 표면 전극일 수 있다.
탈부착 가능한 표면 전극으로 이루어진 신경 차단 전극(20)에 의하면, 신체에 삽입되는 삽입형 전극보다 위험성 및 통증이 적고, 간편하게 사용할 수 있다. 신경 차단 전극(20)은 피부 하층에 근육이 없으면서 신경이 지나가는 부위에 부착될 수 있다. 이와 같은 부착 위치에 따르면, 근육 바로 위쪽의 피부에 부착된 전극의 전기 자극에 의해 근 수축이 유발되는 현상을 방지할 수 있다.
신경 차단 전극(20)은, 전원부(40)에서 생성되는 전류를 제어부(30)를 통해서 인가 받아 작동할 수 있다. 신경 차단 전극(20)에 전류가 인가되면 연결 근육의 근육 운동이 억제됨에 따라서 불수의적 근육 운동 증상이 억제될 수 있다.
강제 운동 모듈(10)은, 사용자의 근위 부분 및 원위 부분을 상대적으로 움직이게 할 수 있다. 강제 운동 모듈(10)은, 신경 차단 전극(20)이 작동하여 사용자의 연결 근육의 신경이 차단되었을 경우, 강제 운동 모듈(10)이 장착된 부분에서의 수의적 운동을 보조할 수 있다.
예를 들어, 강제 운동 모듈(10)은 운동 보조 모듈(11) 및/또는 전기 자극 모듈(12)을 포함할 수 있다.
운동 보조 모듈(11)은, 사용자의 근위 부분(91) 및 원위 부분(92)에 걸쳐서 설치될 수 있고, 외부 동력원을 이용하여 근위 부분(91) 및 원위 부분(92)의 상대적인 움직임을 만들어 낼 수 있다.
예를 들어, 운동 보조 모듈(11)은 근위 장착부(111), 원위 장착부(112) 및 액추에이터(113)를 포함할 수 있다.
근위 장착부(111)는, 근위 부분(91)에 장착될 수 있고, 근위 부분(91)의 둘레를 감싸도록 형성되어 근위 부분(91)에 고정될 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2와 같이, 운동 보조 모듈(11)이 사람의 발목 부분에 설치될 경우, 근위 장착부(111)는 종아리 부분을 감싸도록 장착될 수 있다.
원위 장착부(112)는, 원위 부분(92)에 장착될 수 있고, 원위 부분(92)의 둘레를 감싸도록 형성되어 원위 부분(92)에 고정될 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2와 같이, 운동 보조 모듈(11)이 사람의 발목 부분에 설치될 경우, 원위 장착부(112)는 발을 감싸도록 장착될 수 있다.
액추에이터(113)는, 근위 장착부(111) 및 원위 장착부(112) 사이에 설치되어, 근위 장착부(111)에 대해 원위 장착부(112)를 상대적으로 움직이도록 하는 원동기일 수 있다. 액추에이터(113)는 전원부(40)로부터 동력을 전달 받을 수 있고, 제어부(30)를 통해서 제어될 수 있다.
예를 들어, 액추에이터(113)는 도 1 및 도 2와 같이, 일측이 근위 장착부(111)에 고정되고, 액추에이터(113)의 일측에 대해 상대적으로 병진 이동할 수 있는 타측이 원위 장착부(112)에 회동 가능하게 연결될 수 있다.
액추에이터(113)의 일측과 타측이 서로 병진 이동됨에 따라서, 원위 장착부(112)는 근위 장착부(111)에 대해서 움직일 수 있게 되고, 최종적으로, 원위 부분(92) 및 근위 부분(91)이 상대적으로 움직일 수 있게 된다.
예를 들어, 액추에이터(113)는 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 실린더 형태의 선형 액추에이터로 형성될 수 있지만, 모터와 함께 기어, 와이어, 풀리, 벨트등 다양한 구성으로 형성될 수 있음은 물론이다.
전기 자극 모듈(12)은, 사용자의 근위 부분(91) 및 원위 부분(92) 사이의 관절을 움직이도록 하는 연결 근육을 수축시키기 위한 전기 신호를 발생시킬 수 있다. 다시 말하면, 전기 자극 모듈(12)은, 근육을 움직이게 하는 기능적 전기 자극(functional electrical stimulation)을 연결 근육에 전달할 수 있다.
전기 자극 모듈(12)은, 전원부(40)에서 생성되는 전류를 제어부(30)를 통해서 인가 받아 작동할 수 있다. 예를 들어, 전기 자극 모듈(12)은, 사용자의 피부에 부착되는 음극(12a) 및 양극(12b)으로 이루어진 한 쌍의 탈부착형 표면 전극일 수 있다.
전기 자극 모듈(12)에 전류가 인가되면, 연결 근육의 신경을 통해 기능적 전기 자극이 가해질 수 있고, 이를 통해 연결 근육이 수축 또는 이완됨에 따라서, 원위 부분(92)이 근위 부분(91)에 대해서 상대적으로 운동할 수 있게 된다.
강제 운동 모듈(10)은, 운동 보조 모듈(11) 및 전기 자극 모듈(12)을 모두 포함할 수 있지만, 운동 보조 모듈(11) 및 전기 자극 모듈(12) 중 하나의 모듈만 포함할 수도 있다.
전원부(40)는, 강제 운동 모듈(10) 및/또는 신경 차단 전극(20)을 동작시키기 위한 전원을 제공할 수 있다. 예를 들어, 전원부(40)는, 전기 에너지를 강제 운동 모듈(10) 및/또는 신경 차단 전극(20)에 전달할 수 있다. 예를 들어, 전원부(40)는 1kHz 내지 100kHz 사이의 고주파 교류 전류를 제공할 수 있다.
예를 들어, 전원부(40)는 강제 운동 모듈(10) 및 신경 차단 전극(20)의 외부에 형성될 수 있지만, 운동 보조 모듈(11)에 부착되거나 그 내부에 배치되는 배터리일 수 있다.
제어부(30)는, 전원부(40)와 연결되어 전원을 인가 받아, 강제 운동 모듈(10) 및 신경 차단 전극(20)에 전원을 제공할 수 있고, 강제 운동 모듈(10) 및 신경 차단 전극(20)의 동작 여부를 판단할 수 있으며 강제 운동 모듈(10) 및 신경 차단 전극(20)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(30)는 운동 보조 모듈(11)에 설치될 수 있다.
예를 들어, 제어부(30)가 연결 근육의 신경을 차단해야 된다고 판단할 경우, 신경 차단 전극(20)에 전원부(40)에서 생성된 전류를 전달할 수 있다. 예를 들어, 제어부(30)는 신경 차단 전극(20)에 공급되는 전류가 정격 교류에 도달할 때까지 전류의 크기를 서서히 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 연결 근육의 신경 활성 차단(억제)을 위하여 40mA의 정격 교류가 필요할 경우, 제어부(30)는 신경 차단 전극(20)에 바로 40mA의 정격 교류를 입력하는 대신, 상기 정격 교류보다 작은 예비 교류, 예를 들면, 10mA, 20mA 및 30mA로 순차적으로 높여 가면서 입력할 수 있다. 이와 같은 방법에 의하면, 신경 차단 전극에 처음부터 정격 교류를 입력할 경우 사용자가 단발적으로 불쾌한 자극을 느끼게 되는 온셋 효과(onset effect)를 방지할 수 있다.
예를 들어, 제어부(30)가 강제 운동 모듈(10)을 동작시켜야 한다고 판단할 경우, 운동 보조 모듈(10)의 액추에이터(113)를 구동시킬 수 있고, 전기 자극 모듈(12)에 전류를 인가할 수 있다.
관성 센서(50)는, 사용자의 움직임을 감지할 수 있다. 예를 관성 센서(50)는 대상의 가속도 및 각 가속도를 측정할 수 있는 자이로 센서 또는 IMU(Inertia Measurement Unit) 센서일 수 있다. 예를 들어, 관성 센서(50)는, 제어부(30)와 연결되어 통신할 수 있다. 예를 들어, 관성 센서(50)는 사용자의 근위 부분(91) 및/또는 원위 부분(92)에 부착되거나, 사용자의 다른 부분에 부착되거나, 운동 보조 모듈(11)에 설치될 수도 있다.
관성 센서(50)에 의하면, 제어부(30)는 관성 센서(50)에서 감지한 데이터를 토대로, 사용자의 운동 즉, 근위 부분(91) 및 원위 부분(92)의 운동 및 상대적인 움직임을 감지할 수 있다. 이를 통해, 제어부(30)는, 예를 들어, 사용자가 근위 부분(91) 및 원위 부분(92)이 운동을 수행하는지의 여부를 파악할 수 있고, 운동이 수행된다고 판단하는 경우, 제어부(30)는, 신경 차단 전극(20)에 전류를 인가하여 연결 근육의 신경을 전기적으로 차단 함과 동시에 강제 운동 모듈을 동작시킬 수 있다. 다른 예로 제어부(30)는, 관성 센서(50)를 이용하여 사용자의 보행 상태를 감지함으로써, 운동 보조 장치(100)가 착용된 사용자의 다리가 스윙 단계(swing phase)일 경우에만 운동 보조 장치(100)가 동작되도록 하여 사용자의 발 처짐(족하수, foot drop) 증상을 방지함으로써, 소모 전력을 감소시킬 수도 있다.
예를 들어, 제어부(30)는, 사용자의 관절 운동이 이루어지는 패턴에 맞추어 강제 운동 모듈(10)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2와 같이, 운동 보조 장치(100)가 사람의 발목 부분에 설치되는 경우, 관성 센서(50)는 사용자의 다리 또는 운동 보조 모듈(11)에 설치될 수 있고, 이에 따라, 사용자가 걷거나 뛰는 움직임을 감지할 수 있다.
여기서, 제어부(30)는 관성 센서(50)에서 감지한 데이터를 바탕으로 사용자의 운동 여부 및 운동 상태를 파악할 수 있고, 운동이 수행되고 있다고 판단할 경우, 제어부(30)는, 신경 차단 전극(20)에 전류를 인가하여 연결 근육의 신경을 전기적으로 차단시키고, 강제 운동 모듈(10)을 동작시킬 수 있다.
예를 들어, 제어부(30)는 관성 센서(50)를 통해 사람이 걷거나 뛰는 경우, 운동 보조 장치(100)가 부착된 발이 보폭을 이루는 자세 및 위치를 파악하여 걷거나 뛰는 움직임의 반복되는 패턴을 인식할 수 있다. 이를 통해, 제어부(30)는, 강제 운동 모듈(10)이 부착된 다리가 푸쉬 오프(push-off)하는 과정에서, 원위 부분(92)에 해당하는 발이 근위 부분(91)에 해당하는 종아리에 대해 상대적으로 적절히 위아래로 움직일 수 있도록 강제 운동 모듈(10)의 동작을 제어할 수도 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 나타내는 순서도이고, 도 5는 일 실시 예에 따른 신경을 차단하는 단계를 나타내는 순서도이고, 도 6은 일 실시 예에 따른 운동 보조 단계를 나타내는 순서도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(100)의 제어 방법은, 운동 보조 장치(100)의 전원을 온(ON)시키는 단계(71), 운동 상태 감지 단계(72), 동작 여부 결정 단계(73), 신경을 차단하는 단계(74) 및 운동 보조 단계(75)를 포함할 수 있다.
전원을 온(ON)시키는 단계(71)는, 운동 보조 장치(100)를 작동하기 위한 전원을 인가하는 단계일 수 있다. 다시 말하면, 사용자의 신체에 장착 또는 부착된 운동 보조 모듈(11), 신경 차단 전극(20), 전기 자극 모듈(12) 및 제어부(30)에 전원부(40)로부터 전원을 인가하는 단계일 수 있다.
운동 상태 감지 단계(72)는, 관성 센서(50)를 통해서 사용자의 운동 상태를 감지하는 단계를 포함할 수 있다. 다시 말하면, 관성 센서(50)는, 사용자의 근위 부분(91) 및 원위 부분(92)의 운동 및 상대적인 움직임을 감지할 수 있다.
동작 여부 결정 단계(73)는, 관성 센서(50)에서 감지한 사용자의 움직임에 기초하여, 제어부(30)에서 사용자의 운동 상태가 설정 조건을 만족하는지 여부를 결정하는 단계일 수 있다. 다시 말하면, 제어부(30)에서 사용자의 근위 부분(91) 및 원위 부분(92)의 운동 상태 및 운동 패턴을 규정하여 신경 차단 전극(20) 및 강제 운동 모듈(10)의 동작 여부를 결정하는 단계일 수 있다.
예를 들어, 도 1 및 2 와 같이, 운동 보조 장치(100)가 사람의 발목 관절에 장착될 경우, 제어부(30)는, 사용자가 정지한 상태가 아닌, 다시 말하면, 걷거나 뛰는 운동을 감지할 경우, 설정 조건을 만족하는 것으로 결정하고, 신경 차단 전극(20) 및 강제 운동 모듈(10)을 동작시킬 수 있다. 다른 예로, 단계 73에서 발처짐에 해당하는 운동이 감지되는 등 이상 증상이 발생되면, 제어부(30)는, 설정 조건을 만족하는 것으로 결정하고, 신경 차단 전극(20) 및 강제 운동 모듈(10)을 동작시킬 수 있다.
신경을 차단하는 단계(74)는, 해당 연결 근육의 신경을 차단하기 위해 신경 차단 전극(20)에 전류를 인가하는 단계일 수 있다. 예를 들어, 신경을 차단하는 단계(74)는, 예비 교류 공급 단계(741) 및 정격 교류 공급 단계(742)를 포함할 수 있다.
예비 교류 공급 단계(741)는, 신경 차단 전극(20)에 정격 교류보다 크기가 작은 예비 교류를 공급하는 단계로서 교류 전류 공급 단계(742) 직전에 수행될 수 있다. 예비 교류 공급 단계(741)에 의하면, 신경 차단 전극(20)에 정격 교류를 공급하기 직전에 예비 교류를 공급함으로써, 온셋 효과(onset effect)와 같이 사용자의 신경 차단에 대한 불편함을 경감시킬 수 있다. 교류 전류 공급 단계(742)는, 신경 차단 전극(20)에 1kHz 내지 100kHz 사이의 고주파 교류 전류를 인가하는 단계일 수 있다. 이를 통해, 연결 근육에 연결된 신경을 차단하여, 사용자의 불수의적 근육 수축 증상을 억제할 수 있다.
운동 보조 단계(75)는, 제어부(30)에서 사용자의 근위 부분(91) 및 원위 부분(92)이 운동을 수행한다고 판단하였을 경우, 강제 운동 모듈(10)을 동작시키는 단계일 수 있다. 예를 들어, 운동 보조 단계(75)는, 연결 근육의 신경을 차단하는 신경 차단 단계(74) 이후에 수행될 수 있고, 예를 들어, 신경 차단 단계(74)가 수행되고 있는 동안에 수행될 수 있다.
예를 들어, 운동 보조 단계(75)는, 운동 보조 모듈 동작 단계(751) 및/또는 전기 자극 모듈 동작 단계(752)를 포함할 수 있다.
운동 보조 모듈 동작 단계(751)는, 제어부(30)가 운동 보조 모듈(11)을 동작시키는 단계이다. 예를 들어, 운동 보조 모듈 동작 단계(751)에서 제어부(30)는, 운동 보조 모듈(11)의 근위 장착부(111) 및 원위 장착부(112)의 상대적인 움직임을 만들어내는 액추에이터(113)를 동작시킬 수 있다.
예를 들어, 운동 보조 모듈 동작 단계(751)에서, 제어부(30)는 액추에이터(113)를 사용자의 근위 부분(91) 및 원위 부분(92)의 동작 패턴에 기초하여 동작시킬 수 있다.
전기 자극 모듈 동작 단계(752)는, 제어부(30)가 전기 자극 모듈(12)을 동작시키는 단계이다. 예를 들어, 전기 자극 모듈 동작 단계(752)에서 제어부(30)는, 전기 자극 모듈(12)에 전류를 인가함으로써 연결 근육을 인위적으로 수축시킬 수 있다.
예를 들어, 전기 자극 모듈 동작 단계(752)에서, 전기 자극 모듈(12)에 전류를 인가하는 과정 즉, 연결 근육에 기능적 전기 자극을 제공하는 과정은, 사용자의 근위 부분(91) 및 원위 부분(92)의 동작 패턴에 기초하여 수행될 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (10)
- 사용자의 신체 부분 중 원위 부분에 해당하는 발과, 근위 부분에 해당하는 종아리 사이의 발목 관절을 움직이도록 하는 연결 근육의 신경을 통해 기능적 전기 자극을 인가하기 위한 전기 자극 모듈;
사용자의 뇌로부터 상기 연결 근육으로 전기 신호를 전달하는 신경을 전기적으로 차단함으로써, 상기 연결 근육의 경직성 수축으로 유발되는 발 처짐 운동을 억제하기 위한 신경 차단 전극;
사용자가 걷거나 뛰는 움직임을 감지하는 관성 센서;
상기 신경 차단 전극에 전류를 공급하기 위한 전원부; 및
상기 관성 센서에서 감지한 데이터를 기초로 상기 전기 자극 모듈 및 신경 차단 전극을 구동하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 관성 센서를 통해 사용자의 보행 상태를 감지하여, 다리가 스윙 단계(swing phase)일 경우일 때, 발 처짐에 해당하는 운동이 감지되는 경우 상기 신경 차단 전극을 구동하여 불수의적 근육 수축을 억제하여 발 처짐 증상을 방지하고,
상기 제어부는, 상기 관성 센서를 통해 사용자의 보행 상태를 감지하여, 다리가 스윙 단계(swing phase)일 경우에만, 상기 전기 자극 모듈이 동작되도록 하여 발 처짐 증상을 방지함으로써 소모 전력을 감소시키고,
상기 제어부는, 상기 신경 차단 전극에 상기 연결 근육의 신경 활성 억제를 위해 요구되는 정격 교류를 공급하되, 상기 정격 교류를 공급하기 전에 상기 정격 교류보다 크기가 작은 예비 교류를 공급하고, 상기 예비 교류는 상기 정격 교류에 도달할 때까지 순차적으로 높여 가면서 입력되고,
상기 신경 차단 전극은, 사용자의 피부에 탈부착 가능하고,
상기 신경 차단 전극은, 음극 및 양극으로 이루어진 한 쌍의 표면 전극이고,
상기 전기 자극 모듈은, 사용자의 피부에 탈부착 가능하고,
상기 전기 자극 모듈은, 음극 및 양극으로 이루어진 한 쌍의 표면 전극인 것을 특징으로 하는 운동 보조 장치. - 삭제
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