KR20140040309A - 재활로봇 제어 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

재활로봇 제어 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 재활로봇 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 재활로봇 제어 장치는, 재활로봇을 이용하는 사용자로부터 뇌의 혈류량 변화에 대응되는 뇌 신호를 측정하는 뇌 신호 측정부와, 상기 측정된 뇌 신호를 기 설정된 통증 패턴을 이용하여, 상기 측정된 뇌 신호가 통증을 나타내는 통증 신호인지 판단하는 뇌 신호 판단부와, 상기 측정된 뇌 신호가 상기 통증 신호인지 여부에 따라 상기 재활로봇의 운전 강도를 제어하는 재활로봇 제어부를 포함한다.
이에 따라, 재활로봇을 이용하는 사용자의 뇌 신호를 측정하여 사용자의 통증 여부에 따라 재활로봇을 제어함으로써, 사용자가 수동으로 재활로봇의 운전 강도를 제어하지 않고도 자동적으로 재활로봇의 운전 강도를 제어할 수 있다.

Description

재활로봇 제어 장치 및 그 제어 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING OF REHABILITATION ROBOT}
본 발명은 재활로봇 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재활로봇의 사용자로부터 측정된 뇌 신호를 이용하여 재활로봇을 제어하는 기술이 개시된다.
로봇을 이용한 재활훈련에서 로봇과 환자는 밀접한 상호작용을 하게 된다. 따라서 로봇을 이용한 재활훈련에서는 환자와 로봇 사이의 상호작용을 안정적으로 제어할 수 있어야 하며, 로봇 설계 시에도 효율성, 안전성 등 다양한 측면이 고려되어야 한다. 특히, 로봇의 안전성(Safety) 확보는 재활 로봇 설계에서 매우 중요한 항목이며, 이에 여러 가지 형태의 안전성 확보를 위한 방법이 연구되고 있다.
로봇을 이용한 재활훈련 방법 중 재활로봇을 비상 정지시키고자 하는 경우, 기존의 운전 정지 버튼을 누르는 형태의 비상정지 시스템은 버튼이 특정 위치에 고정되어 있어 항상 버튼을 눌러 정지시킬 준비를 하고 있어야 하며, 위급상황에서도 버튼을 직접 눌러야 한다는 문제점이 있다.
한편, 외부적인 물리 변화량의 검출을 통한 비상정지 시스템은 훈련 전 설정해놓은 동작 범위나 근육의 부하 범위를 초과하였을 때 정지하도록 하는 시스템은 동일한 동작 범위와 훈련강도로 훈련을 하더라도 지속적인 훈련으로 갑작스럽게 유발되는 통증이나 위급상황을 판단하기에는 어려움이 있다. 또한 재활훈련 부위 외 다른 신체부위에서 통증이 발생되는 것을 검출할 수 없다는 문제점이 있다.
이와 같이, 사용자가 재활훈련 중 의도하지 않은 동작이 이뤄졌을 때나 위급상황이 생겨 급하게 작업을 중지해야 할 때, 긴급버튼을 눌러 정지하거나 사용자가 수동으로 정지를 시켜야 했다. 그러나 버튼을 누를 수 없는 상황이 생기거나 움직임이 불편한 환자의 경우 비상버튼을 누르거나 수동으로 조작하는데 있어서 많은 어려움이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0071555호(2012. 07. 03)에 개시되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적인 과제는, 재활로봇을 이용하는 사용자의 뇌 신호를 측정하여 사용자의 통증 여부에 따라 재활로봇을 제어함으로써, 사용자가 수동으로 재활로봇의 운전 강도를 제어하지 않고도 자동적으로 재활로봇의 운전 강도를 제어할 수 있는 재활로봇 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공하기 위함이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 재활로봇 제어 장치는, 재활로봇을 이용하는 사용자로부터 뇌의 혈류량 변화에 대응되는 뇌 신호를 측정하는 뇌 신호 측정부와, 상기 측정된 뇌 신호를 기 설정된 통증 패턴을 이용하여, 상기 측정된 뇌 신호가 통증을 나타내는 통증 신호인지 판단하는 뇌 신호 판단부와, 상기 측정된 뇌 신호가 상기 통증 신호인지 여부에 따라 상기 재활로봇의 운전 강도를 제어하는 재활로봇 제어부를 포함한다.
또한, 상기 뇌 신호 측정부는, 기능적 근적외선 분광법(functional near-infrared spectroscopy)을 이용하여 상기 뇌 신호를 측정할 수 있다.
또한, 상기 뇌 신호 판단부는, 상기 측정된 뇌 신호의 노이즈를 제거하고, 상기 통증 패턴에 대한 기계학습 알고리즘을 이용하여 상기 측정된 뇌 신호가 상기 통증 신호인지 판단할 수 있다.
또한, 상기 재활로봇 제어부는, 상기 측정된 뇌 신호가 정상 신호인 경우, 상기 통증 패턴이 증가하면 상기 재활로봇의 운전 강도를 감소시키고, 상기 통증 패턴이 감소하면 상기 재활로봇의 운전 강도를 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 재활로봇 제어부는, 상기 측정된 뇌 신호가 상기 통증 신호인 경우, 상기 통증 신호가 기 설정된 통증 임계치보다 크면 상기 재활로봇의 운전을 정지시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 재활로봇 제어 장치를 이용한 재활로봇의 제어 방법은, 상기 재활로봇을 이용하는 사용자로부터 뇌의 혈류량 변화에 대응되는 뇌 신호를 측정하는 단계와, 상기 측정된 뇌 신호를 기 설정된 통증 패턴을 이용하여, 상기 측정된 뇌 신호가 통증을 나타내는 통증 신호인지 판단하는 단계와, 상기 측정된 뇌 신호가 상기 통증 신호인지 여부에 따라 상기 재활로봇의 운전 강도를 제어하는 단계를 포함한다.
이에 따라, 재활로봇을 이용하는 사용자의 뇌 신호를 측정하여 사용자의 통증 여부에 따라 재활로봇을 제어함으로써, 사용자가 수동으로 재활로봇의 운전 강도를 제어하지 않고도 자동적으로 재활로봇의 운전 강도를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 재활로봇 제어 장치를 포함하는 재활로봇 시스템의 구성도,
도 2는 도 1에 따른 재활로봇 제어 장치의 구성도,
도 3은 도 2에 따른 재활로봇 제어 장치를 이용한 재활로봇 제어 방법의 흐름도,
도 4는 도 3에 따른 재활로봇 제어 방법에서 시간별 통증 패턴의 변화를 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 재활로봇 제어 장치를 포함하는 재활로봇 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 재활로봇 시스템(100)은 센서(20), 재활로봇(30) 및 재활로봇 제어 장치(200)를 포함한다.
센서(20)는 사용자(10)의 머리에 부착되며, 예를 들어 근적외선 센서를 이용할 수 있다. 재활로봇(30)을 이용하는 사용자(10)가 운동을 시작하면 사용자(10)의 뇌(11)의 감각호문쿨루스(sensory homunculus)인 일차체감각 영역(12)이 활성화된다. 통증(pain)은 신체 일부에서 일어나는 자극적이고(irritating), 따끔하고(stinging), 쑤시고(aching), 욱신거리고(throbbing), 괴롭거나 또는 참기 힘든 감각을 인식하거나 느끼는 것이다. 신체의 통증에 관한 정보는 척수시상경로를 통해서 척수에서 뇌(11)로 전달된다. 척수시상섬유들은 척수에서 연수(medulla), 교뇌(pons) 및 중뇌(mid brain)를 지나쳐서 시상에 닿을 때까지 위로 투사된다. 시상에서부터는 통증정보는 대뇌피질 영역인 일차체감각 영역(12)으로 투사된다. 센서(20)는 뇌(11) 산소 수준을 센싱한다.
재활로봇(30)은 신체에 장애를 가지는 사용자(10) 신체의 일부에 부착되어 사용자(10)의 운동을 보조하는 로봇으로, 예를 들어 보행장애 환자, 관절염 환자, 회복기 환자, 비만 환자 및 노인 환자들을 바른 자세로 걸을 수 있도록 재활운동을 시키는 보행훈련 로봇, 뇌졸증 환자의 손 운동을 훈련시키는 로봇, 자연스런 보행이 가능한 전자식 의족, 환자의 기능회복을 위한 훈련용 로봇, 간호활동을 돕는 전동침대, 전동휠체어 같은 형태의 재활로봇 등을 포함하며, 그 형태 및 종류는 달리 설정될 수 있다.
재활로봇 제어 장치(200)는 센서(20)를 통해 재활로봇(30)을 이용하는 사용자(10)의 뇌 신호를 측정하며, 측정된 뇌 신호를 기초로 하여 사용자(10)의 통증 상태를 판단하여 재활로봇(30)의 운전 강도를 제어한다. 재활로봇 제어 장치(200)를 이용하는 사용자(10)는 신체적 장애를 가지고 있기 때문에 재활로봇(30)을 수동으로 제어하는데 어려움을 겪게 된다. 따라서, 재활로봇 제어 장치(200)는 사용자(10)의 뇌 신호를 통해 파악된 통증의 세기가 기 입력된 사용자(10)의 통증 임계치를 초과하는 경우에는 재활로봇(30)을 정지시키고, 통증 임계치 이하인 경우에는 그에 대응하여 재활로봇(30)의 운전 강도를 제어할 수 있다.
이하, 재활로봇 제어 장치(200)에 관한 구체적인 설명은 도 2 및 도 3을 참조하여 후술하도록 한다.
도 2는 도 1에 따른 재활로봇 제어 장치의 구성도이고, 도 3은 도 2에 따른 재활로봇 제어 장치를 이용한 재활로봇 제어 방법의 흐름도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 재활로봇 제어 장치(200)는 뇌 신호 측정부(210), 뇌 신호 판단부(220) 및 재활로봇 제어부(230)를 포함한다.
먼저, 뇌 신호 측정부(210)는 재활로봇을 이용하는 사용자로부터 뇌의 혈류량 변화에 대응되는 뇌 신호를 측정한다(S301). 예를 들어, 뇌 신호 측정부(210)는 자기 뇌도 측정법(magnetoencephalogram, MEG), 양전자 단층촬영(Positron Emission Tomography, PET), 기능적 자기공명영상법(Functional magnetic resonance imaging, FMRI) 및 기능적 근적외선 분광법(functional near-infrared spectroscopy, fNIRs) 중 어느 하나를 이용하여 뇌 신호를 측정할 수 있으나, 이 중 측정이 간편하고 환자의 움직임에 따른 뇌 신호의 노이즈가 상대적으로 적은 기능적 근적외선 분광법을 이용하는 것이 바람직하다. 뇌 신호 측정부(210)는 뇌에서 산소와 결합된 혈색소(oxyhemoglobin)와 산소가 제거된 혈색소(deoxyhemoglobin)간의 차이로 두뇌활동을 파악할 수 있다.
다음으로, 뇌 신호 판단부(220)는 뇌 신호 측정부(210)에서 측정된 뇌 신호에서 노이즈를 제거하고(S302), 기 설정된 통증 패턴을 탐색한다(S303). 이 경우, 뇌 신호 판단부(220)는 통증 패턴에 대한 기계학습 알고리즘(machine learning algorithm)을 이용하여 측정된 뇌 신호가 통증 신호인지 판단할 수 있다. 통증 패턴은 재활로봇을 이용하는 사용자의 신체적 특성에 따라 달리 설정될 수 있다.
다음으로, 뇌 신호 판단부(220)는 기 설정된 통증 패턴을 이용하여, 측정된 뇌 신호가 통증을 나타내는 통증 신호인지 판단한다(S304). 예를 들어, 통증 패턴이 기 설정된 횟수 이상으로 반복되는 경우에는 뇌 신호가 현재 사용자의 통증 신호를 나타내고, 그렇지 않은 경우에는 일반적인 뇌 신호로 판단할 수 있다. 뇌 신호 판단부(220)는 뇌 신호가 통증 신호가 아닌 경우에는 뇌 신호를 정상 신호로 판단하고, 뇌 신호 내에 통증 패턴이 시간에 따라 증가하는 여부를 판단한다(S305). 또한, 뇌 신호 판단부(220)는 뇌 신호가 통증 신호인 경우에는 통증 신호가 기 설정된 통증 임계치보다 큰 경우인지를 판단한다(S308). 또한, 뇌 신호 판단부(220)는 뇌 신호가 통증 신호이고, 기 설정된 통증 임계치보다 큰 경우에는 재활시간이 완료되었는지 여부를 판단한다(S310).
다음으로, 재활로봇 제어부(230)는 뇌 신호 판단부(220)가 S305 단계에서 통증 패턴이 증가한 경우로 판단한 경우에는 재활로봇의 운전 강도를 감소시키고(S306), 통증 패턴이 감소한 경우로 판단한 경우에는 재활로봇의 운전 강도를 증가시킬 수 있다(S307). 이는 재활로봇의 사용자가 재활로봇의 운전 강도에 따라 통증 패턴이 변경되므로, 그에 대응하여 운전 강도를 조절함으로써 사용자에게 무리한 재활훈련이 가해지지 않도록 하기 위함이다. S307 또는 S308 단계 이후에는 다시 S301 단계로 돌아가서 뇌 신호를 측정하여 통증 신호의 유무를 판단하는 과정을 반복하게 된다.
또한, 재활로봇 제어부(230)는 뇌 신호 판단부(220)가 S308 단계에서 통증 신호가 통증 임계치보다 큰 경우라고 판단한 경우에는 재활로봇의 운전을 정지시킨다(S309). 이는 사용자가 통증을 심하게 느끼고 있는 상태이므로 재활훈련을 중단시키기 위한 것으로, 사용자는 일정 수준의 통증이 지속되면 신체를 제대로 이용할 수 없는 상황이 발생하여 생명에 위험을 부를 수 있기 때문에 재활로봇의 운전을 자동적으로 정지시키게 된다.
또한, 재활로봇 제어부(230)는 뇌 신호 판단부(220)가 S310 단계에서 재활로봇이 재활시간이 완료된 경우에는 재활로봇을 정지시키고(S309), 재활시간이 완료되지 않은 경우에는 재활로봇의 현재 운전 강도를 유지시킨다(S311). 재활로봇 제어부(230)는 사용자의 통증의 유무 또는 강도뿐만 아니라 재활시간에 따른 재활로봇을 제어할 수 있다. S311 단계 이후에는 다시 S301 단계로 돌아가서 뇌 신호를 측정하여 통증 신호의 유무를 판단하는 과정을 반복하게 된다.
도 4는 도 3에 따른 재활로봇 제어 방법에서 시간별 통증 패턴의 변화를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4를 참조하면, 사용자가 재활로봇을 이용함에 따라 뇌 신호를 통해 기 설정된 통증 패턴의 증감 여부를 확인할 수 있다. 예를 들어, 통증 패턴 감소 영역(410)을 나타내는 시간 t1~t4 구간에서는 사용자의 통증 패턴이 통증 임계치를 초과하지 않으므로 뇌 신호를 정상 신호로 판단하며, 통증 패턴이 감소하므로 재활로봇의 운전 강도를 증가시킬 수 있다. 이는 사용자가 현재보다 높은 강도의 재활훈련을 수행할 수 있다고 판단하여 운전 강도를 증가시키는 것이다.
또한, 통증 패턴 증가 영역(420)을 나타내는 시간 t4~t11 구간에서는 사용자의 통증 패턴이 통증 임계치를 초과하지 않으므로 뇌 신호를 정상 신호로 판단하나, 통증 패턴이 증가하므로 재활로봇의 운전 강도를 감소시킬 수 있다. 이는 사용자가 현재보다 높은 강도의 재활훈련을 수행할 경우, 통증 임계치에 도달할 수 있다고 판단하여 운전 강도를 감소시키는 것이다.
또한, 임계 통증 패턴 영역(430)을 나타내는 시간 t11 이후의 구간에서는 사용자의 통증 패턴이 통증 임계치를 초과하므로, 뇌 신호를 통증 신호로 판단하여 재활로봇의 운전을 정지시킬 수 있다. 여기서, 통증 임계치는 사용자에 의해 달리 설정될 수 있다. 이는 사용자가 현재 운전 강도의 재활훈련을 수행하는 경우 통증이 유발되므로 사용자를 보호하기 위해 운전을 정지시키는 것이다.
한편, 본 발명의 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
또한, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 재활로봇을 이용하는 사용자의 뇌 신호를 측정하여 사용자의 통증 여부에 따라 재활로봇을 제어함으로써, 사용자가 수동으로 재활로봇의 운전 강도를 제어하지 않고도 자동적으로 재활로봇의 운전 강도를 제어할 수 있다.
이상에서 본 발명은 도면을 참조하면서 기술되는 바람직한 실시예를 중심으로 설명되었지만 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명은 기재된 실시예로부터 도출 가능한 자명한 변형예를 포괄하도록 의도된 특허청구범위의 기재에 의해 해석되어져야 한다.
10 : 사용자
11 : 뇌
12 : 일차체감각 영역
20 : 센서
30 : 재활로봇
100 : 재활로봇 시스템
200 : 재활로봇 제어 장치
210 : 뇌 신호 측정부
220 : 뇌 신호 판단부
230 : 재활로봇 제어부
410 : 통증 패턴 감소 영역
420 : 통증 패턴 증가 영역
430 : 임계 통증 패턴 영역

Claims (10)

  1. 재활로봇을 이용하는 사용자로부터 뇌의 혈류량 변화에 대응되는 뇌 신호를 측정하는 뇌 신호 측정부;
    상기 측정된 뇌 신호를 기 설정된 통증 패턴을 이용하여, 상기 측정된 뇌 신호가 통증을 나타내는 통증 신호인지 판단하는 뇌 신호 판단부; 및
    상기 측정된 뇌 신호가 상기 통증 신호인지 여부에 따라 상기 재활로봇의 운전 강도를 제어하는 재활로봇 제어부를 포함하는 재활로봇 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 뇌 신호 측정부는,
    기능적 근적외선 분광법(functional near-infrared spectroscopy)을 이용하여 상기 뇌 신호를 측정하는 재활로봇 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 뇌 신호 판단부는,
    상기 측정된 뇌 신호의 노이즈를 제거하고, 상기 통증 패턴에 대한 기계학습 알고리즘을 이용하여 상기 측정된 뇌 신호가 상기 통증 신호인지 판단하는 재활로봇 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 재활로봇 제어부는,
    상기 측정된 뇌 신호가 정상 신호인 경우, 상기 통증 패턴이 증가하면 상기 재활로봇의 운전 강도를 감소시키고, 상기 통증 패턴이 감소하면 상기 재활로봇의 운전 강도를 증가시키는 재활로봇 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 재활로봇 제어부는,
    상기 측정된 뇌 신호가 상기 통증 신호인 경우, 상기 통증 신호가 기 설정된 통증 임계치보다 크면 상기 재활로봇의 운전을 정지시키는 재활로봇 제어 장치.
  6. 재활로봇 제어 장치를 이용한 재활로봇의 제어 방법에 있어서,
    상기 재활로봇을 이용하는 사용자로부터 뇌의 혈류량 변화에 대응되는 뇌 신호를 측정하는 단계;
    상기 측정된 뇌 신호를 기 설정된 통증 패턴을 이용하여, 상기 측정된 뇌 신호가 통증을 나타내는 통증 신호인지 판단하는 단계; 및
    상기 측정된 뇌 신호가 상기 통증 신호인지 여부에 따라 상기 재활로봇의 운전 강도를 제어하는 단계를 포함하는 재활로봇 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 뇌 신호를 측정하는 단계는,
    기능적 근적외선 분광법(functional near-infrared spectroscopy)을 이용하여 상기 뇌 신호를 측정하는 재활로봇 제어 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 통증 신호인지 판단하는 단계는,
    상기 측정된 뇌 신호의 노이즈를 제거하고, 상기 통증 패턴에 대한 기계학습 알고리즘을 이용하여 상기 측정된 뇌 신호가 상기 통증 신호인지 판단하는 재활로봇 제어 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 재활로봇의 운전을 제어하는 단계는,
    상기 측정된 뇌 신호가 정상 신호인 경우, 상기 통증 패턴이 증가하면 상기 재활로봇의 운전 강도를 감소시키고, 상기 통증 패턴이 감소하면 상기 재활로봇의 운전 강도를 증가시키는 재활로봇 제어 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 재활로봇의 운전을 제어하는 단계는,
    상기 측정된 뇌 신호가 상기 통증 신호인 경우, 상기 통증 신호가 기 설정된 통증 임계치보다 크면 상기 재활로봇의 운전을 정지시키는 재활로봇 제어 방법.
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