KR20110060487A - 반수동적 보행 재활 장치 - Google Patents
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Abstract
반수동적 보행 훈련(semi-passive gait rehabilitation training)을 가능하게 하는 보행 재활 장치가 개시된다. 반수동적 보행 재활 장치는 사용자의 좌우측 발에 각각 상응하며, 적어도 하나의 보행 궤적 상에서 이동하는 한 쌍의 발판들, 중앙 제어부의 제어하에 발판들의 수직 위치 및 수평 위치를 조절하는 발판 구동부, 발판들 상에 설치되어 사용자의 발이 발판들에 가하는 부하를 측정하기 위한 적어도 하나의 로드셀, 및 발판들 상에 가해진 부하를 분석하여 발판들의 이동 방향 및 속도 중 적어도 하나를 결정하고, 결정에 기반하여 발판 구동부를 제어하는 중앙 제어부를 포함한다. 본 발명을 이용하면, 자유로운 신체 활동이 부자연스러운 사용자도 적은 힘으로서 온전한 보행 훈련을 수행할 수 있으므로, 뇌의 신호 전달 능력이 개선되는 것은 물론, 근육 훈련의 효과도 배가됨으로써 훈련 효과가 극대화된다.
Description
본 발명은 보행 재활 훈련을 위한 보행 재활 장치에 관한 것으로서, 특히 걷기 동작을 원활히 수행할 수 없는 사용자도 손쉽게 보행 재활 훈련을 수행할 수 있도록 하기 위하여 사용자가 발판에 인가하는 부하를 감지하여 발판의 이동 방향 및 속도를 조절함으로써, 보행 재활 훈련의 효과를 극대화할 수 있는 반수동적 보행 재활 장치에 관한 것이다.
현대인들에게 건강 문제는 큰 화두이다. 컴퓨터 기술의 발전에 기인하여 현대인들은 컴퓨터 앞에서 생활하는 일이 많기 때문에, 마우스 조작이나 키보드 조작과 같은 단순 반복적인 운동 외에는 운동량이 절대적으로 부족한 실정이다. 뿐만 아니라, 인터넷의 급속한 보급에 따라, 현대인들의 컴퓨터 앞에서 보내는 시간은 더욱 증가하고 있다. 따라서, 운동 부족에 기인한 다양한 성인병이 현대인의 건강을 위협하고 있으며, 이에 대한 경각심이 고조된다. 특히, 각종 사고나 질병에 기인하여 자유롭게 몸을 움직일 수 없는 환자의 경우, 단순한 일상 생활조차 혼자서 영위할 수 없게 되므로 삶의 질이 현저히 저하된다.
그런데, 환자가 일상 생활을 스스로 영위할 수 있도록 하기 위하여 가장 필 요한 동작이 바로 보행 동작이라는 것이 알려진다. 보행 동작은 정상적인 신체를 가지고 있으면 누구나 쉽게 할 수 있기 때문에 사람들은 걷는 것에 특별한 관심을 기울이지 않지만, 보행 동작은 신경과 골격근이 총괄적으로 사용되는 아주 복잡한 과정이며, 한쪽 다리가 입각기의 안정된 상태를 유지하는 동시에 다른 다리가 몸을 앞으로 전진시키는 연속적이고 반복적인 동작이다. 또한 100여 개의 골격근이 상지와 하지의 여러 관절과 협응을 이루어야 가능한 복합적인 동작이며 호흡 작용이나 심장 박동 등 여러 신체 활동의 협응으로 이루어진다.
이러한 보행 동작은 일상 생활에서 가장 기초적이면서 필수적인 동작이다. 그러므로, 보행을 제대로 하지 못하는 환자의 경우 일상 생활을 정상적으로 수행할 수 없음은 물론, 근육의 퇴행으로 인한 추가적인 합병증까지도 발생하게 된다. 또한, 보행 조건이 나쁜 경우에는 중심이 불안정해지므로 신체 각 부위의 평형성 및 호흡과 심장 활동에 영향을 미쳐 피로가 증가하게 된다. 즉, 혼자서 걸을 수 있는 환자와 그것이 불가능한 환자 간의 삶의 질에는 현저한 차이가 존재한다. 그러므로, 질병이나 사고로 인하여 신경 기능의 손상을 입거나 근육의 불균형 발달로 인하여 제대로 걷지 못하는 환자들에게 보행 훈련을 실시하는 것은, 그 환자가 일상 생활로 복귀할 수 있도록 하는 첫 번째 관문이 된다. 하지만, 예를 들어 척추에 손상을 입거나, 관절이 약해진 사용자들의 경우 재활 훈련을 하는데 있어 많은 제약이 존재한다. 즉, 몸을 움직일 때마다 척추나 관절에서 극심한 통증이 발생되기 때문에 오랜 시간 재활 훈련을 지속하는 것이 힘든 것은 물론, 재활 훈련 중 넘어짐 등의 사고를 당함으로서 제 2의 상해를 입게 될 가능성도 높다. 또한, 심한 질 환을 앓은 환자들은 오래된 투병 생활에 기인하여 근육이 퇴화되기 때문에 가장 적은 부하에서도 보행 재활 훈련을 수행하는 것이 불가능하다. 더 나아가, 교통 사고 등으로 인하여 신경 계통(sensory system)에 장애가 발생된 환자들의 경우에는 뇌로부터 신체 각 부분으로 보행을 위한 명령이 제대로 전달되지 않기 때문에 보행 훈련을 수행하는 것이 불가능하다.
그러므로, 근력이 퇴화되거나 뇌신호의 전달 과정에 문제가 발생한 환자들과 같이 일반적인 보행 재활 훈련을 소화할 수 없는 환자들도 효과적으로 보행 재활 훈련을 수행할 수 있도록 하는 보행 재활 장치가 절실히 요구된다.
본 발명의 목적은, 사용자가 발판에 인가하는 적은 부하를 감지하고 이를 기초로 큰 구동력으로 발판을 제어함으로써 근력이 약한 사용자들도 손쉽게 보행 재활 훈련을 수행할 수 있도록 하는 반수동적 보행 재활 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 사용자가 적은 양의 힘을 발판에 인가하더라도 발판이 온전한 보행 궤적에 따라서 구동되도록 발판 구동부를 제어함으로써, 신경 계통에 장애가 생긴 사용자들도 지속적으로 보행 훈련을 수행할 수 있도록 허용하고, 이를 통하여 사용자의 신경 계통을 반사적으로 자극함으로써 궁극적으로 사용자가 일상 생활을 독립적으로 수행할 수 있도록 보조하는 반수동적 보행 재활 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일면은 반수동적 보행 훈련(semi-passive gait rehabilitation training)을 가능하게 하는 보행 재활 장치에 관한 것으로서, 사용자의 좌우측 발에 각각 상응하며, 적어도 하나의 보행 궤적 상에서 이동하는 한 쌍의 발판들, 중앙 제어부의 제어하에 발판들의 수직 위치 및 수평 위치를 조절하는 발판 구동부, 발판들 상에 설치되어 사용자의 발이 발판들에 가하는 부하를 측정하기 위한 적어도 하나의 로드셀, 및 발판들 상에 가해진 부하를 분석하여 발판들의 이동 방향 및 속도 중 적어도 하나를 결정하고, 결정에 기반하여 발판 구동부를 제어하는 중앙 제어부를 포함한다. 특히, 중앙 제어부는 보행 궤적 상의 발판들의 상대적 위치, 발판들 상에 인가되는 부하의 상대적 크기, 및 발판들의 이전 이동 방향 및 속도를 고려하여 발판들의 현재 이동 방향 및 속도 중 적어도 하나를 결정한다. 더 나아가, 로드셀은 발판 각각의 전면부 및 후면부에 적어도 하나씩 설치되며, 중앙 제어부는 동일 발판의 전면부 및 후면부에 설치된 로드셀에 인가되는 부하들의 상대적 크기, 발판에 가해진 부하들의 압력 중심(COP), 및 상이한 발판들에 가해진 부하들의 압력 중심들의 상대적 위치를 더욱 고려하여 발판들의 현재 이동 방향 및 속도 중 적어도 하나를 결정한다. 또한, 중앙 제어부는 발판이 움직이는 동안 사용자의 신체 상태에 대한 신체 정보를 수신하고, 수신된 신체 정보에 기반하여 사용자에게 적합한 운동 처방을 결정하여 사용자에게 제공한다. 또한, 중앙 제어부는 소정의 네트워크를 통하여 건강 유관 기관(health-related party)에 포함된 서버에 접속하며, 서버로부터 수신된 전문 건강 지식(health expertise)을 더 이용하여 운동 처방을 결정한다. 특히, 반수동적 보행 재활 장치는 사용자의 운동 이력에 대한 정보를 저장하는 저장부를 더 포함하며, 중앙 제어부는 저장부로부터 수신된 운동 이력에 대한 정보를 더 이용하여 운동 처방을 제공하는 것을 특징으로 한다. 또한, 반수동적 보행 재활 장치는 반수동적 보행 훈련이 진행되는 동안에 사용자가 중심을 잡을 수 있도록 돕는 손잡이 및 사용자의 양 발에 인가되는 압력을 감소시키기 위한 체중 완화부(unweighing portion)를 더 포함하며, 체중 완화부는 사용자의 신체 소정 부위에 부착되는 홀더 및 홀더를 상승 및 하강시키기 위한 홀더 구동부를 포함한다. 바람직하게는, 발판 구동부는 발판들의 기울기를 더욱 조절한다.
본 발명에 따른 반수동적 보행 재활 장치에 따르면, 사용자는 약한 힘을 발판에 인가하더라도 발판을 용이하게 구동시킬 수 있으므로 근력이 약한 사용자들도 손쉽게 보행 재활 훈련을 수행할 수 있다.
뿐만 아니라, 신경 계통에 장애가 생긴 사용자들도 반복적인 보행 훈련을 통하여 문제가 발생된 신경 계통을 반사적으로 자극할 수 있기 때문에, 보행 재활 훈련의 효과가 극대화되고, 중증 환자들도 빠른 시간 내에 일상 생활에 복귀할 수 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 반수동적 보행 재활 장치의 일 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 1에 도시된 반수동적 보행 재활 장치(100)는, 하부 프레임(105), 지지 프레임(110), 하중 지지봉(115), 손잡이(120)로 구성되는 골격을 가진다. 또한, 반수동적 보행 재활 장치(100)는 사용자의 양 발이 놓여지는 발판(50, 30), 발판(50, 30)을 구동하는 발판 구동부(130), 디스플레이(190) 및 중앙 제어부(150)를 포함한다. 바람직하게는, 반수동적 보행 재활 장치(100)는 사용자의 체중을 완화시키기 위한 체중 완화부(180) 및 사용자의 신체를 감싸도록 구성된 홀더(170)를 포함한다. 하부 프레임(105), 지지 프레임(110), 및 하중 지지봉(115)은 강철과 같은 견고한 물질로 제조되어 반수동형 보행 재활 장치의 몸체(chassis)를 구성한다. 하부 프레임(105)에는 발판 구동부(130)가 설치된다.
이하, 발판 구동부(130)의 동작에 대하여 상세히 설명한다. 우선, 사용자는 발판(50, 30) 위에 양 발을 올려놓는다. 발판(50, 30)들은 각각 다양한 보행 궤적 상에서 이동되도록 발판 구동부(130)에 의하여 구동된다. 발판(50, 30) 상에는 로드셀(도 4의 (b) 참조)이 배치되어 발판(50, 30)에 인가되는 부하를 측정한다. 중앙 제어부(150)는 측정된 부하를 분석하여 발판(50, 30)들이 결정된 보행 궤적 상에서 이동되도록 발판 구동부(130)를 제어한다. 예를 들어, 좌측 발판(50)에 우측 발판(30)보다 많은 힘이 인가된다면, 중앙 제어부(150)는 좌측 발판(50)이 보행 궤적 상에서 앞으로 이동하고, 우측 발판(30)은 뒤로 이동되도록 발판 구동부(130)를 제어한다. 이 때, 발판(50, 30)들이 이동되는 속도는 발판(50, 30)에 인가되는 힘의 차이에 따라서 변경될 수 있다. 예를 들어, 양쪽 발판에 인가되는 힘의 크기가 클수록 발판(50, 30)들은 보행 궤적 상에서 빠른 속도로 이동되도록 구동될 수 있다. 동일한 보행 궤적 상에서 보행 재활 훈련을 수행할 경우, 훈련의 효과가 나타날수록 사용자는 강한 힘을 발판에 인가할 수 있고, 이에 따라서 발판들은 더 빠른 속도로 이동될 수 있다.
도 1에서, 발판(50, 30)들은 각각 선결된 보행 궤적 상에서 이동되도록 구현된다. 이 때, 사용자는 자신에게 가장 알맞은 보행 궤적을 이용하여 보행 재활 훈련을 수행할 수 있다. 보행 궤적은 사용자에 의하여 선택될 수도 있고, 또는 사용자의 훈련 결과를 분석하여 중앙 제어부(150)에 의하여 선택되거나 변경될 수도 있다. 예를 들어, 좌측 발보다 우측 발을 이용한 보행 훈련에 곤란을 겪는다고 판단되면, 중앙 제어부(150)는 우측 발판의 보행 궤적의 높이를 감소시킴으로써 훈련 강도를 낮출 수 있다. 또한, 노인의 경우 보행시 발을 높이 들지 못하기 때문에 낮은 장애물에도 쉽게 걸려서 넘어지는 현상이 발생한다. 따라서, 노인이 반수동적 보행 재활 장치(100)를 이용할 경우, 발판 구동부(130)는 상대적으로 높이 변화가 적은 보행 궤적을 선택하여 발판(50, 30)을 구동하다가 점점 높이 변화를 증가시킬 수 있다. 발판(50, 30)들이 보행 궤적에서 이동되는 구체적인 예에 대해서는 도 3을 이용하여 상세히 후술된다.
사용자가 발판에 인가하는 힘은 적어도 발판의 전방 및 후방에 설치된 각각의 로드셀(도 4의 (b) 참조)에 의하여 측정될 수 있다. 로드셀이 많이 설치될수록 발판에 인가되는 힘은 정밀하게 측정될 수 있다. 예를 들어, 후방에 설치된 로드셀에 인가되는 부하가 전방에 설치된 로드셀에 인가되는 부하보다 크다면, 이 경우에는 중앙 제어부(150)는 해당 발판이 보행 궤적 상에서 반대 방향으로 이동되도록 발판 구동부(130)를 제어할 수도 있다. 로드셀의 배치 및 이를 이용한 인가되는 힘의 크기에 대해서는 도 4를 이용하여 상세히 후술된다.
발판(50, 30)의 움직임에 따라 사용자 몸에서는 2가지의 반응이 나타난다. 첫째로 발판(50, 30)의 움직임에 의한 신체균형의 교란에 대해 균형을 유지하려는 본능적인 반사작용으로 자세유지에 동원되는 각종 근육들의 반복적인 수축과 이완이 발생한다. 이러한 반사적인 수축과 이완에 의한 근육들의 반복적인 협응 작업을 통하여 근력이 증가한다. 운동 강도는 체중에 의해 양쪽 발에 가해지는 중량의 증감을 통해서 제어할 수 있다. 둘째로, 사용자의 신체가 보행에 필요한 행위를 반복함에 따라서 보행에 필요한 신경계에 지속적인 자극을 가할 수 있다. 그러면, 사용자는 이러한 반복 행위를 통하여 보행에 필요한 학습 효과를 얻을 수 있다. 특히, 이러한 학습 효과는 뇌나 신경의 장애에 의해 신체 균형 유지 기능이 상실되거나 약화된 사용자에게 유용하다. 신체 균형 유지 기능이 약화된 사용자의 경우, 보행 동작을 반복 학습함으로써 신체의 균형유지를 담당하는 뇌나 신경의 기능을 재생할 수 있다.
발판 구동부(130)에는 발판(50, 30)을 구동시키기 위한 모터와 같은 장치가 포함될 수 있다. 특히, 발판 구동부(130)는 발판(50, 30)의 수직 위치, 수평 위치는 물론 발판의 기울기도 조절할 수 있다. 도 1을 참조하면, 발판(50, 30) 각각에는 전후 두 개의 발판 조절봉(25a, 25b)이 연결된다. 발판 조절봉(25a, 25b)은 발판 구동부(130)에 의하여 전후 방향(수평 방향) 및 상하 방향(수직 방향)으로 자유롭게 이동한다. 이 때, 두 개의 발판 조절봉(25a, 25b)의 상대적인 높이차에 의하여 발판(50, 30)의 기울기가 결정된다. 발판 구동부(130)의 구성에 대해서는 도 5를 이용하여 상세히 후술된다.
본 발명에 의한 반수동적 보행 재활 장치는 수동적 보행 재활 훈련 및 능동적 보행 재활 훈련 사이의 훈련 난이도를 가진다. 본 명세서에서, 수동적 보행 재활 훈련이란, 발판 구동부(130)가 직접 발판(50, 30)을 구동하고, 사용자는 오직 발판(50, 30) 상에 발판을 위치시킨 채로 수동적으로 보행 활동을 수행하는 것을 의미한다. 이와 반대로, 능동적 보행 재활 훈련이란 발판(50, 30)을 발판 구동부(130)가 직접적으로 구동하는 것이 아니고 사용자가 직접 발판(50, 30)을 구동하되, 발판 구동부(130)는 발판에 가해지는 힘을 측정하거나 발판(50, 30)에 걸리는 부하를 조절하는 역할만을 수행하는 것을 의미한다. 수동적 보행 재활 훈련은 근력 저하나 신경계 손상 등의 증상이 심각하여 스스로 신체를 움직이기 곤란한 환자들에게 특히 적합하다. 반면에, 능동적인 보행 재활 훈련은 일단 보행 재활 기구를 구동시키는 데에는 큰 문제가 없으나 신경계에 다소 문제가 발생한 환자들에게 적합하다.
하지만, 본 발명에 의한 반수동적 보행 재활 장치는 이러한 극단적인 훈련 상태가 아닌 중간적인 증상을 가진 환자들에게 적합하다. 예를 들어, 완전히 신체를 움직이지 못하는 것은 아니지만, 아직 혼자 힘으로 온전히 보행 재활 장치를 구동하는 것이 곤란한 수많은 환자들이 존재한다. 종래에는, 이러한 환자들도 수동형 또는 능동형 보행 재활 훈련 중 하나를 선택하여 훈련을 수행할 수밖에 없었다. 그러면, 수동형 보행 재활 훈련을 선택할 경우 자신의 신체 능력보다 너무 용이한 훈련을 수행하게 되므로 훈련 효과가 좋지 않고, 능동형 보행 재활 훈련은 자신의 신체 능력보다 너무 난이도가 높아서 역시 훈련 효과가 좋지 않다. 그러므로, 이와 같은 비효율적 보행 재활 훈련을 장시간 수행함으로써 더디게 재활 효과를 볼 수밖에 없었다. 이에 반하여, 본 발명에 의한 반수동적 보행 재활 장치는 적은 힘으로 발판을 구동할 수만 있으면, 발판 구동부(130)가 발판을 구동할 나머지 힘을 제공하므로 훈련 효과가 탁월하다. 이 때, 발판을 구동시키기 위한 문턱 힘(threshold force)을 증가시킴으로써 훈련 효과에 따른 사용자의 신체 능력도 용이하게 반영할 수 있다.
재활 훈련을 수행하는 동안, 사용자는 손잡이(120)를 붙잡음으로써 중심을 유지할 수 있다. 또한, 상체의 힘이 충분한 사용자의 경우, 사용자는 양 손잡이(120)를 기초로 자신의 몸을 일정 부분 들어올림으로써, 상체 근육 운동과 함께 하체에 가해지는 체중을 경감시키는 효과를 얻을 수도 있다. 하체에 가해지는 체중이 경감되면, 무릎 관절 등 취약한 부분에 가해지는 손상을 방지할 수 있다.
중앙 제어부(150)는 재활 훈련 중인 사용자의 신체 상태에 대한 신체 정보를 수집하고, 사용자의 신체 정보에 기반하여 개별화된 운동 처방(exercise prescription)을 제공한다. 운동 처방이란, 개인의 건강과 체력 수준과 같은 신체 정보를 분석하고, 분석 결과에 따라 개인에게 적합한 운동의 종류와 강도, 시간, 및 빈도 등을 결정하여 제공하는 서비스를 의미한다. 또한, 운동의 진행 단계에 따라 운동의 강도와 양을 적절히 조절해 주는 과학적이고 체계적인 건강 증진 서비스를 의미한다. 이와 같은 운동 처방은 의학적 전문지식을 가지고 운동 과학적 토대 위에서 체계적으로 이루어진다.
도 1에 도시된 반수동적 보행 재활 장치(100)는 사용자에 대한 기초 신체 정보를 수집하는 신체 정보 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 손잡이(120)에는 사용자가 잡을 수 있는 소정 부위에 맥박계 및 혈압계 등을 포함할 수 있다. 그러면, 사용자가 단지 손잡이(120)를 잡기만 하면, 해당 사용자의 맥박 및 혈압 등이 측정되어 제어부(150)로 제공된다. 또는 사용자의 신체 정보는 사용자의 가슴에 착용된 체스트 벨트(chest belt) 또는 사용자가 착용한 모자에 부착된 센서들을 이용하여 수신될 수도 있다.
측정되는 사용자의 신체 정보는 사용자의 맥박, 체중, 체지방, 신체 질량 지수(BMI, Body Mass Index), 혈압, 혈당, 심박수, 체온, 생체 임피던스 등과 같은 기초 신체 정보 및 맥박, 심전도(ECG, ElectroCardioGraphy), 운동 시 혈압과 같은 운동 신체 정보 등을 포함한다. 기초 신체 정보 및 운동 신체 정보는 예시적으로 제공된 것으로서, 반드시 준별되는 것이 아니고 상호 관련되는 것은 물론이다. 신체 질량 지수란 의학적으로 저체중, 정상체중, 과다체중, 비만으로 나누는 중요한 지표이다. 즉, 신체 질량 지수는 체중(kg) / 신장(m)의 공식에 의하여 계산되는 값으로서, 사용자의 비만도를 측정하는데 사용된다.
사용자의 기초 신체 정보가 수신되면, 중앙 제어부(150)는 수신된 신체 정보에 기초하여 사용자에 적합한 운동 처방을 제공한다. 예를 들어, 난이도가 높은 보행 궤적에서 사용자가 보행 재활 훈련을 수행하는 동안에 맥박이 과도하게 빨라지고 심전도가 불규칙해진다면, 중앙 제어부(150)는 난이도를 낮춘 보행 궤적에서 보행 재활 훈련을 수행하도록 유도할 수 있다. 반면에, 사용자가 보행 재활 훈련이 수행되는 동안에 안정된 신체 정보를 유지한다면, 다음 훈련할 때에는 좀더 높은 난이도의 보행 궤적을 시도해보도록 유도할 수도 있다.
사용자가 운동을 하는 동안에, 운동 신체 정보가 수집되어 제어부(150)에 제공된다. 운동 신체 정보는 맥박, 심전도 및 운동시 혈압 등을 포함한다. 사용자가 심장 질환을 앓고 있는 경우, 심전도와 심박수 정보가 특히 중요하다. 그러므로, 제어부(150)는 사용자의 심박수를 일정 수준 이상 올라가지 않도록 하는 범위에서 사용자가 운동을 할 수 있도록 하는 운동 처방을 제공하는 것이 바람직하다. 운동 신체 정보는 디스플레이(190)에 표시됨으로써, 자신의 신체 상태를 사용자가 직접 확인하도록 할 수 있다.
체중 완화부(180)는 사용자의 신체 소정 부위에 부착되는 홀더(170)를 상향으로 구동시킨다. 즉, 체중 완화부(180)는 라인(175)을 감거나 풀어 줌으로써, 홀더(170)를 상승 및 하강시킬 수 있는 모터(미도시)를 포함한다. 홀더(170)가 견인됨으로써 발판(50, 30)에 가해지는 사용자 체중이 감소되는 효과를 얻을 수 있다. 그러면, 사용자는 넘어짐의 위험으로부터 자유롭게 재활 훈련을 실시할 수 있다. 또한, 사용자들 중에는 신체의 좌측 및 우측이 차등 발달되는 경우가 있는데, 이 경우, 좌측 및 우측 발에 인가되는 체중이 균형적으로 분포되지 못하는 현상이 발생한다. 그러면, 인가되는 압력에 기반하여 차등적으로 체중 완화부(180)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 어느 사용자의 경우 좌측 발에 인가되는 압력이 우측 발에 인가되는 압력보다 크다고 가정한다. 이러한 현상은, 사용자의 우측 발에 인가되는 압력의 일부를 완화시켜야 한다는 것을 의미한다. 그러므로, 제어부(150)는 홀더(170)의 우측 부를 좌측부에 비하여 더 높이 견인하도록 체중 완화부(180)를 제어한다. 홀더(170)의 우측부가 더 많이 견인되면, 우측에 인가되는 과다 압력을 감소시킬 수 있으므로, 사용자의 신체가 균형을 유지할 수 있다.
사용자가 위치하는 방향의 하부 프레임(105)의 말단부에는, 휠체어를 고정할 수 있는 휠체어 도킹부(미도시)가 제공될 수 있다. 휠체어 도킹부는 휠체어를 사용하는 사용자가 용이하게 자신의 휠체어를 고정시킬 수 있도록 한다. 따라서, 휠체어를 사용하는 사용자의 경우, 스스로 반수동적 보행 재활 장치(100)에 접근하고, 휠체어 도킹부에 휠체어를 용이하게 고정시킨다. 그리고, 손잡이(120)를 이용하여 스스로 몸을 일으켜서 재활 훈련을 할 수 있다.
도 1에 도시된 반수동적 보행 재활 장치(100)를 이용함으로써, 사용자는 디스플레이(190)에 표시된 자신의 신체 정보를 늘 참조할 수 있는 것은 물론, 자신에게 적합한 운동 처방에 기초하여 효율적으로 재활 훈련을 실시할 수 있다.
도 2는 본 발명에 의한 반수동적 보행 재활 장치를 개념적으로 나타내는 블록도이다. 반수동적 보행 재활 장치(200)는 신체 정보 센서(210), 사용자 조작 부(220), 중앙 제어부(250), 발판 구동부(230), 체중 완화부(240), 운동 처방 생성부(270), 및 휠체어 도킹부(290)를 포함한다.
우선, 사용자의 신체 정보가 신체 정보 센서(210)에서 수신된다. 사용자는 사용자 조작부(220)를 이용하여 자신의 기초 신체 정보를 직접 입력할 수 있고, 자신에게 적합한 운동 처방을 선택하거나 적합한 보행 궤적을 선택할 수 있다. 사용자에게 적합한 보행 궤적이 선택되면, 발판 구동부(230)는 선택된 보행 궤적 상에서 발판들을 이동시킨다. 발판(50, 30)에는 로드셀(260, 265)이 부착되어 사용자가 발판에 인가하는 힘을 측정한다. 그러면, 전술한 바와 같이 중앙 제어부(250)는 발판들의 상대적 위치, 발판들 상에 인가되는 부하의 상대적 크기, 발판들의 이전 이동 방향 및 속도를 고려하여 발판들의 현재 이동 방향 및 속도를 결정한다. 더 나아가, 중앙 제어부(250)는 발판의 전면부 및 후면부에 설치된 로드셀에 인가되는 부하의 상대적 크기, 발판에 가해진 부하들의 압력 중심(center of pressure, COP), 및 상이한 발판들에 가해진 부하들의 압력 중심들의 상대적 크기를 더 고려할 수도 있다.
운동 처방 생성부(270)는 다양한 질병에 대한 개선된 치유 방법 등 신규하고 전문적인 지식을 참조하여 신규한 치료법이나 최상의 의료 서비스를 사용자에게 제공할 수 있다. 또한, 사용자의 운동 이력에 대한 정보는 의사 등 전문가에 의하여 즉시 참조될 수 있다. 그러므로, 사용자가 스스로 운동하는 것과 달리, 사용자는 사용자의 운동 이력에 대한 전문가의 조언을 참조할 수 있다는 장점을 가진다. 더 전문적인 견해를 구하기 위하여 반수동적 보행 재활 장치(200)는 무선 및 유선 통 신망을 통하여 외부 전문 기관에 사용자의 신체 정보 및 건강 정보를 제공할 수 있다.
도 3은 보행 궤적에 따른 좌우측 발판(50, 30)의 상대적인 위치 관계를 예시하는 도면이다.
우선, 어느 한 발의 보행 궤적을 살펴보면, 발의 뒤꿈치가 지점 1에서 땅을 이탈하면, 지점 2 및 3을 거쳐 가장 높은 지점에 도달한다. 그리고 발을 앞으로 내딛는 과정에서 지점 4 및 지점 5를 지난다. 지점 6에서 발의 뒤꿈치가 다시 땅에 접촉하게 되며, 다른 발을 앞으로 내딛는 동안 땅에 접촉한 상태를 유지한다(지점 7 내지 지점 10). 양쪽 발 모두 이러한 보행 궤적을 따라서 움직인다.
양쪽 발의 보행 궤적을 모두 고려하면, 도 3(a) 및 도 3(b)의 지점들은 보행이 진행되는 동안 관련성을 가진다는 것을 알 수 있다. 즉, 좌측 발판(50)이 6의 위치에 있으면 이는 좌측 발을 앞으로 내딛어서 지면에 닿은 상태라는 것을 나타낸다. 그러므로, 이 시점에 우측 발판(30)은 지면에서 막 이탈되는 순간일 것이므로 우측 발판(30)은 1의 지점에 위치한다. 이와 같은 방식으로 좌측 및 우측 발판은 각각 다음과 같은 위치 관련성을 가진다는 것을 알 수 있다: (좌측 발, 우측 발) = (1, 6) (2, 7), (3, 8), (4, 9), (5, 10), (6, 1), (7, 2), (8, 3), (9, 4), (10, 5).
발판(50, 30)이 (4, 9) 위치에 있을 때, 좌측 발판(50)에 인가되는 힘이 30에 인가되는 힘보다 크면 발판 구동부(도 2의 230)는 좌측 발판(50)이 앞으로 진행하며, 우측 발판(30)은 뒤쪽으로 진행하도록 발판들을 구동한다. 그러면, 발 판(50, 30)들의 위치 관계는 (4, 9)에서 (5, 10)으로 변경된다. 이와 같은 방법으로 발판 구동부가 발판(50, 30)들을 구동하여 보행 재활 훈련을 수행하도록 한다. 만일 발판(50, 30)의 현재 위치 관계가 (4, 9)에 있는데, 좌측 발판(50)에 인가되는 힘보다 우측 발판(30) 발판에 인가되는 힘이 더 크다면, 이번에는 우측 발판(30)이 전진하고 좌측 발판(50)이 후진하도록 발판(50, 30)들을 구동한다. 즉, 이 경우 발판(50, 30)들의 위치 관계는 (4, 9)에서 (3, 8)로 변경된다.
이 때, 이전에 발판(50, 30)들의 위치도 현재 발판을 구동하기 위한 중요한 정보가 될 수 있다. 예를 들어, 좌측 발판(50)에 인가되는 힘이 우측 발판(30)에 인가되는 힘보다 더 클 경우, 이전까지 좌측 발판(50)이 어떻게 이동되었는지를 고려하여 이후의 이동 방향을 결정할 수 있다. 예를 들어, 좌측 발판(50)이 3->4->5의 순서대로 이동 중이었다면, 계속 이동하던 방향으로 더 빠르게 좌측 발판(50)을 이동시킨다. 하지만, 좌측 발판(50)이 5->4->3의 순서대로 이동 중이었다면, 이 경우에는 발판(50, 30)의 이동을 중지시키게 되고, 발판(50, 30)들의 운동이 중지된 이후에 계속하여 우측 발판(30)에 인가된 힘이 더 크다면 이제는 좌측 발판(50)을 3->4->5의 순서로 이동되도록 이동 방향을 바꾸게 된다.
도 4는 발판(30, 50)의 정면도 및 평면도로서, 발판에 배치된 로드셀들을 예시하는 도면이다.
도 4(a)에서, 발판(30)은 두 개의 발판 조절봉(25a, 25b)에 의해 구동된다. 따라서, 발판 조절봉(25a, 25b)의 상대적인 높이차를 이용하여 발판(30)의 기울기를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제1 발판 조절봉(25a)이 제2 발판 조절봉(25b)보 다 높이가 높다면 이는 발뒤꿈치가 발가락보다 더 높게 위치되는 상태를 나타낼 수 있다(도 3의 제1 지점). 반면에, 제1 발판 조절봉(25a)이 제2 발판 조절봉(25b)보다 낮다면 이는 발뒤꿈치가 발가락보다 더 낮은 형태를 나타낼 수 있다(도 3의 제6 지점). 따라서, 발판 조절봉(25a, 25b)의 상대적 높이차를 이용하여 인간의 보행 패턴의 임의의 지점에 상응하는 발판(30)의 기울기를 구현할 수 있다.
도 4(b)는 발판(50, 30) 상에 센서들이 구현된 형상을 예시하는 도면이다. 도 4(b)에서, 우측 발판(30) 상에는 오른쪽 발이 놓여지고, 좌측 발판(50) 상에는 왼쪽 발이 놓여진다. 이는 설명의 편의를 위한 것으로서, 본 발명을 한정하지 않는 것임은 명백하다. 좌측 발판(50) 상에는 제1 내지 제4 센서들(80, 81, 82, 83)이 배치되고, 우측 발판(30) 상에는 제5 내지 제8 센서들(85, 86, 87, 88)이 배치된다. 압력을 측정하기 위해 사용된 센서는 로드셀(Loadcell)이며, 내부는 스트레인 게이지(Strain Gauge)로 조합된 브릿지 회로(Bridge Circuit)가 구성되어 있어, 외부에서 압력이 가해지면 스트레인 게이지의 변형으로 인한 저항의 변화를 만들어낸다. 로드셀의 브릿지 회로에 전류를 인가함으로써 저항의 변화로 야기되는 전압의 변화를 측정할 수 있다. 즉, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 로드셀들이 피검자의 양발 각각의 전후좌우 방향의 압력 변화를 각각 독립적으로 측정할 수 있다.
좌우측 발판(50, 30)에는 적어도 두 개 이상의 센서들이 부착되며, 바람직하게는 세 개 이상의 센서들이 부착되는 것이 좋다. 그 이유는 발바닥이 평평하게 평판에 부착되는 것이 아니기 때문이다. 각 센서들의 출력 신호를 분석하면, 다음과 같은 다양한 파라미터들을 얻을 수 있다.
1) 각 발에 인가되는 부하의 평균치 : 어느 한 발의 왼쪽 앞부분(Left Front), 왼쪽 뒷부분(Left Rear), 오른쪽 앞부분(Right Front), 및 오른쪽 뒷부분(Right Rear)에서 측정되는 압력수치를 평균하여 평균치를 구한다.
2) 각 발의 압력중심의 편향(Deviation) : 중심으로부터 좌우/전후 방향으로 평균적으로 편향된 정도를 의미하며, 특정시간 동안 측정하여 계산된 압력중심 데이터들의 x성분, y성분에 대한 각각의 평균치이다.
3) 각 발의 압력 중심 : 어느 한 발의 왼쪽 앞부분(Left Front), 왼쪽 뒷부분(Left Rear), 오른쪽 앞부분(Right Front), 및 오른쪽 뒷부분(Right Rear)에서 측정되는 압력수치를 이용하여 전후방향과 좌우방향을 중심으로 하는 모멘트의 균형으로부터 압력중심(Xcop, Ycop)을 계산한다.
4) 양 발에 인가되는 부하의 상대치
이러한 값들을 이용하면 발판들을 더욱 정밀하게 제어할 수 있다. 예를 들어, 압력 중심의 편향으로부터 발판이 이동될 방향을 결정할 수도 있다. 예를 들어, 압력 중심이 전방으로 편향되면 해당 발판을 앞으로 이동시키고, 압력 중심이 후방으로 편향되면 발판을 뒤로 이동시킬 수 있다. 또한, 양 발에 인가되는 부하의 상대치가 클수록 이동 속도를 증가시킬 수도 있다.
도 5는 도 1에 도시된 반수동적 보행 재활 장치에 포함된 발판 구동부(130)의 일 실시예를 상세히 도시하는 사시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반수동적 보행 재활 장치(200)에 포함되는 발판 구동부(130)는 수평 스크류(12)가 내장된 가이드웨이 구동판(11)과, 가이 드웨이 구동판(11) 상에 설치된 한 쌍의 가이드웨이(20) 및 가이드웨이(20) 내측에 부착된 발판(30)으로 구성된다. 가이드웨이 구동판(11)은 사용자의 보격에 해당하는 간격을 가지도록 배치된 좌우 한 쌍으로 구성되며, 소정의 길이를 갖는 판형으로 구성되어 그 중앙부에 수평 스크류(12)가 장착된다. 수평 스크류(12)는 가이드웨이 구동판(11)의 일 측에 결합된 모터(13)의 구동에 의해서 회전되며, 수평 스크류(12)의 회전에 따라 그 상부에서 가이드웨이(20)의 수평 이송이 이루어진다. 즉, 수평 스크류(12)가 도 1의 발판 조절부(130)로서 동작할 수 있다.
가이드웨이(20)는 가이드웨이 구동판(11)의 길이 방향을 따라 이송되며, 각 가이드웨이 구동판(11) 상부에 그 높이가 각기 다른 한 쌍의 가이드웨이(20)가 인접하여 수직 설치된다. 또한, 가이드웨이(20)는 가이드웨이 구동판(11) 상에서 수평 스크류(12)를 따라 수평 이송되는 가이드웨이 이송판(21)에 지지되어 수직 설치되며, 가이드웨이(20)의 외측면은 가이드웨이 지지구(22)에 밀착되어 지지된다. 한 쌍의 가이드웨이(20)는 각각 내측 중앙부에 수직 스크류(23)가 장착되며, 수직 스크류(23)의 상단, 즉 가이드웨이(20)의 상단부에는 수직 스크류(23)를 개별적으로 회전 구동시키기 위한 모터(24)가 설치된다. 또한, 수직 스크류(23) 상에 발판 조절봉(25a, 25b)이 결합되고, 발판 조절봉(25a, 25b)은 모터(24)의 구동에 의해 수직 스크류(23)가 회전됨에 따라서 가이드웨이 지지구(22)의 내측에서 수직 스크류(23)를 따라 그 상하부로 수직 이송된다. 그러므로, 수직 스크류(23)가 도 1의 발판 조절부(130)로서 동작할 수 있다. 이 때, 수직 스크류(23)의 상단에는 스토퍼(26)가 장착되어 발판 구동부의 수직 이송시 모터(24) 또는 모터 회전축과의 충 돌을 방지한다.
그리고, 가이드웨이(20)가 수평 이송되는 가이드웨이 구동판(11)의 수평 스크류(12)와 결합된 모터(13) 및 각 가이드웨이(20) 내에 설치된 수직 스크류(23)에 결합된 모터(24)는 볼 스크류(27)를 통해 연결되고, 이 볼 스크류(27)를 통해 각 모터(13,24)의 회전력이 각각의 스크류(12,23)로 전달된다.
한편, 한 쌍의 가이드웨이(20)에 설치된 발판 조절봉(25a, 25b)은 그 내측에 각 발판 구동부(25)와 양측부가 상호 결합되며, 개별 발판 구동부(25)의 수직 이송에 따라 양단부의 높낮이가 조절 가능하게 연동되는 발판(30)이 장착된다. 발판(30)의 양측부는 가이드웨이(20)에 설치된 각 발판 조절봉(25a, 25b)에서 그 내측으로 연장된 발판 지지대(28)에 의하여 지지되며, 발판(30)은 발판 조절봉(25a, 25b)의 개별적인 수직 이송에 따라 그 전방과 후방이 회동 가능하게 결합된다. 즉, 사용자의 발바닥이 안착되는 발판(30)의 상면이 실제 보행시에 발바닥이 지면과 순차적으로 이루는 각도를 가지도록 함으로써, 발판(30) 상에 양 발이 지지된 채로 보행 훈련을 하는 사용자에게 실제 보행과 동일한 운동이 이루어지도록 한다. 따라서, 발판 조절봉(25a, 25b)이 도 1의 발판 조절부(130)로서 동작할 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 발판 조절부(130)는 발판(50, 30)의 수직 위치, 수평 위치, 및 기울기를 조절할 수 있으며, 이러한 동작은 각각 수직 스크류(23), 수평 스크류(12), 및 발판 구동부(25)에 의하여 수행될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균 등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면, 반수동적 보행 재활 장치(100)에 포함될 수 있는 각종 센서는 명세서에 설명된 것들 이외에 더욱 다양한 측정 장치를 포함할 수 있다. 또한, 반수동적 보행 재활 장치(100)에 포함되는 발판은 스프링과 같은 완충 장치를 포함함으로써 사용자의 뼈에 인가되는 압력을 더욱 완충할 수 있다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명은, 사용자의 건강 상태에 따라 수동적 및 능동적 보행 재활 훈련이 아닌 중도적 보행 재활 훈련을 수행할 수 있도록 허용하므로, 다양한 질환을 가진 환자들이 효과적으로 보행 재활 훈련을 수행할 수 있도록 하는 보행 재활 장치에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 반수동적 보행 재활 장치의 일 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 의한 반수동적 보행 재활 장치를 개념적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 보행 궤적에 따른 좌우측 발판(50, 30)의 상대적인 위치 관계를 예시하는 도면이다.
도 4는 발판(30, 50)의 정면도 및 평면도로서, 발판에 배치된 로드셀들을 예시하는 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 반수동적 보행 재활 장치에 포함된 발판 구동부(130)의 일 실시예를 상세히 도시하는 사시도이다.
Claims (10)
- 반수동적 보행 훈련(semi-passive gait rehabilitation training)을 가능하게 하는 보행 재활 장치에 있어서,사용자의 좌우측 발에 각각 상응하며, 적어도 하나의 보행 궤적 상에서 이동하는 한 쌍의 발판들;중앙 제어부의 제어하에 상기 발판들의 수직 위치 및 수평 위치를 조절하는 발판 구동부;상기 발판들 상에 설치되어 사용자의 발이 상기 발판들에 가하는 부하를 측정하기 위한 적어도 하나의 로드셀; 및상기 발판들 상에 가해진 부하를 분석하여 상기 발판들의 이동 방향 및 속도 중 적어도 하나를 결정하고, 결정에 기반하여 상기 발판 구동부를 제어하는 중앙 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반수동적 보행 재활 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 중앙 제어부는,상기 보행 궤적 상의 상기 발판들의 상대적 위치, 상기 발판들 상에 인가되는 부하의 상대적 크기, 및 상기 발판들의 이전 이동 방향 및 속도를 고려하여 상기 발판들의 현재 이동 방향 및 속도 중 적어도 하나를 결정하는 것을 특징으로 하는 반수동적 보행 재활 장치.
- 제2항에 있어서,상기 로드셀은 상기 발판 각각의 전면부 및 후면부에 적어도 하나씩 설치되며, 상기 중앙 제어부는,동일 발판의 전면부 및 후면부에 설치된 로드셀에 인가되는 부하의 상대적 크기, 상기 발판에 가해진 부하들의 압력 중심(center of pressure, COP), 및 상이한 발판들에 가해진 부하들의 압력 중심들의 상대적 위치를 더욱 고려하여 상기 발판들의 현재 이동 방향 및 속도 중 적어도 하나를 결정하는 것을 특징으로 하는 반수동적 보행 재활 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중앙 제어부는,상기 발판이 움직이는 동안 상기 사용자의 신체 상태에 대한 신체 정보를 수신하고, 수신된 신체 정보에 기반하여 상기 사용자에게 적합한 운동 처방을 결정하여 사용자에게 제공하는 것을 특징으로 하는 반수동적 보행 재활 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 중앙 제어부는,소정의 네트워크를 통하여 건강 유관 기관(health-related party)에 포함된 서버에 접속하며, 상기 서버로부터 수신된 전문 건강 지식(health expertise)을 더 이용하여 상기 운동 처방을 결정하는 것을 특징으로 하는 반수동적 보행 재활 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반수동적 보행 재활 장치는,상기 사용자의 운동 이력에 대한 정보를 저장하는 저장부를 더 포함하며, 상기 중앙 제어부는,상기 저장부로부터 수신된 운동 이력에 대한 정보를 더 이용하여 상기 운동 처방을 제공하는 것을 특징으로 하는 운동 처방 기능을 포함하는 걷기 운동 기구.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반수동적 보행 재활 장치는,반수동적 보행 훈련이 진행되는 동안에 사용자가 중심을 잡을 수 있도록 돕는 손잡이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반수동적 보행 재활 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반수동적 보행 재활 장치는,상기 사용자의 양 발에 인가되는 압력을 감소시키기 위한 체중 완화부(unweighing portion)를 더 포함하며, 상기 체중 완화부는,상기 사용자의 신체 소정 부위에 부착되는 홀더 및상기 홀더를 상승 및 하강시키기 위한 홀더 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반수동적 보행 재활 장치.
- 제8항에 있어서, 상기 홀더 구동부는,적어도 상기 홀더의 둘 이상의 지점을 차등적으로 상승 및 하강시키는 것을 특징으로 하는 반수동적 보행 재활 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 발판 구동부는,상기 발판들의 기울기를 더욱 조절하는 것을 특징으로 하는 반수동적 보행 재활 장치.
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