KR20160025416A - 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치 및 그 방법 - Google Patents

관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어에 관한 것으로, 특히 건측 상지 움직임을 추정하여 편마비 환자의 환측 상지 재활 기기를 최적으로 운영할 수 있도록 한 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 편마비 환자의 건측 상지의 움직임을 검출하는 상지 움직임 감지센서; 상기 상지 움직임 감지센서에서 검출한 상지 움직임 정보의 측정 축 뒤틀림을 보정하고, 보정된 상지 움직임 정보를 기초로 상지의 관절 각을 추정하고, 추정한 관절 각을 기반으로 상지 재활 기기를 양측성 운동 방식으로 제어하는 재활 기기 제어부를 포함한다.

Description

관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치 및 그 방법{Apparatus for controlling of the upper limb rehabilitation equipment of hemiplegic patients using joint estimation and method thereof}
본 발명은 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어에 관한 것으로, 특히 건측 상지 움직임을 추정하여 편마비 환자의 환측 상지 재활 기기를 최적으로 운영할 수 있도록 한 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치 및 그 방법에 관한 것이다.
상기에서 건측 상지는 정상적인 팔을 의미하고, 환측 상지는 비정상적인 팔을 의미한다.
일반적으로, 편마비 증상은 신체의 한쪽 근육이 경직되거나 근력이 저하되는 증상으로서, 주로 합병증으로 인한 2차 발병이나 사고로 인한 근육손상에서 비롯된다.
편마비 증상이 발생하는 부위에 따라 상지 편마비와 하지 편마비로 구분되며, 그 중 상지 편마비는 하지와 달리 양쪽 움직임이 서로 영향을 주지 않으므로 환측이 무시되거나 방치되어 상지 운동 능력을 완전히 상실하게 된다. 따라서 상지 편마비 환자들은 기능손상 이전에 비해 상지 활동기능에 제약이 따르며, 이러한 원인으로 일상생활활동(ADL; Activities of Daily Living)을 보장받지 못한다. 이러한 상지 편마비 환자들의 일상생활활동을 보장받기 위해서는 상실된 기능을 복구하는 것이 중요하며, 재활훈련을 통한 기능회복방법과 기능을 대체하거나 보조하는 보조기구를 활용하는 방법이 있다.
현재 편마비 환자들의 재활훈련은 크게 신경발달치료, 운동치료, 신경근 전기자극치료 등이 있다. 이러한 재활 훈련 방법은 근력의 강화 및 신경 회복이 주된 목적이며, 재활치료사의 직접적인 접근훈련이 장기적으로 이루어져야 한다. 그러나 현재 우리나라에서는 재활치료사들의 수가 부족한 실정으로, 한 명의 치료사가 다수의 환자를 지원하기 때문에 훈련의 집중도를 보장할 수 없게 된다. 이러한 문제로 부족한 재활 치료사를 대신할 수 있는 재활 훈련기기에 대한 관심이 높아지고 있다.
상지 편마비 환자들의 재활훈련에 사용되는 훈련기기는 단순운동을 반복적으로 수행하는 CPM(Continuous Passive Motion) 형태의 훈련기기가 대다수이다. CPM 형태의 재활 훈련 기기들은 환자의 능동적인 훈련이 불가능하며, 능동적인 훈련이 가능한 기기들은 미미한 실정이다.
상기 편마비 환자의 능동적인 재활훈련을 수행하기 위해서는 훈련자의 의도파악이 선행되어 재활 훈련에 반영되어야 한다. 하지만, 상기 편마비 환자들의 환측에서는 근육의 긴장도를 스스로 조절하는 능력이 저하되어 환측에서 정확한 의도파악이 어렵다.
현재 상지 편마비 환자들의 의도파악 기법은 다양한 방법으로 연구가 진행되고 있다. 그 중 휘어짐에 따라 저항값이 변하는 특성을 갖는 굽힘 센서를 건측에 착용하여 관절의 각을 검출하여 의도를 파악하는 기법도 제안되고 있다.
한편, 편마비 환자의 재활을 위한 종래 기술이 하기의 <특허문헌 1> 대한민국 공개특허 공개번호 10-2014-0029172호(2014.03.10. 공개), <특허문헌 2> 대한민국 등록특허 등록번호 10-1099063호(2011.12.20. 등록), <특허문헌 3> 대한민국 등록특허 등록번호 10-120454호(2012.11.19. 등록), <특허문헌 4> 대한민국 등록특허 등록번호 10-1159475호(2012.06.18. 등록), <특허문헌 5> 대한민국 등록특허 등록번호 10-898745호(2009.05.14. 등록), <특허문헌 6> 대한민국 등록특허 등록번호 10-1317817호(2013.10.07. 등록), <특허문헌 7> 대한민국 등록특허 등록번호 10-1295966호(2013.08.06. 등록), <특허문헌 8> 국제특허출원 출원번호 PCT/KR2008/007764호(2008.12.30. 출원)에 개시되었다.
대한민국 공개특허 공개번호 10-2014-0029172호(2014.03.10. 공개) 대한민국 등록특허 등록번호 10-1099063호(2011.12.20. 등록) 대한민국 등록특허 등록번호 10-120454호(2012.11.19. 등록) 대한민국 등록특허 등록번호 10-1159475호(2012.06.18. 등록) 대한민국 등록특허 등록번호 10-898745호(2009.05.14. 등록) 대한민국 등록특허 등록번호 10-1317817호(2013.10.07. 등록) 대한민국 등록특허 등록번호 10-1295966호(2013.08.06. 등록) 국제특허출원 출원번호 PCT/KR2008/007764호(2008.12.30. 출원)
그러나 상기와 같은 종래기술들은 환측의 정보를 기반으로 재활 훈련자의 의도를 파악하기 때문에, 훈련자의 정확한 의도 파악이 어렵고, 이로 인해 재활 훈련을 최적으로 수행할 수 없는 단점이 있었다. 즉, 편마비 환자들은 근육 긴장도를 스스로 조절하는 능력이 저하되어, 환측에서 정확한 의도파악이 어렵다.
또한, 굽힘 센서를 통한 의도파악 기법은 반복적인 굽힘과 폄 동작을 수행함에 따라 굽힘 센서가 복원되지 않아 각도 측정에 오류를 발생하는 문제점이 있었다. 이러한 문제를 개선하기 위해서 광섬유의 광굴절율 변화 특성을 이용하여 관절의 각을 검출하는 방식도 제안되었으나, 이 방식은 광섬유가 고정되는 형태로써 착용의 불편함을 유발하였다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 일반적인 재활치료기기와 재활치료방법 및 종래기술들에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 건측 상지 움직임을 추정하여 편마비 환자의 환측 상지 재활 기기를 최적으로 운영할 수 있도록 한 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 관성측정장치를 활용하여 건측 상지 움직임을 추정하여 편마비 환자들의 의도를 정확하게 파악하도록 한 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 관성측정장치를 상완과 전완에 팔찌형태로 착용하고 관절각을 추정하도록 함으로써, 굽힘 센서의 복원력에 의한 오류와 광섬유의 착용시 불편함을 해소하도록 한 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치는 편마비 환자의 건측 상지의 움직임을 검출하는 상지 움직임 감지센서; 상기 상지 움직임 감지센서에서 검출한 상지 움직임 정보의 측정 축 뒤틀림을 보정하고, 보정된 상지 움직임 정보를 기초로 상지의 관절 각을 추정하고, 추정한 관절 각을 기반으로 상지 재활 기기를 양측성 운동 방식으로 제어하는 재활 기기 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 상지 움직임 감지센서는 관성센서를 이용하여 상완과 전완의 회전각을 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 재활 기기 제어부는 검출한 상지 움직임 정보의 측정 축 뒤틀림을 보정하는 측정 축 보정부; 상기 측정 축 보정부에 의해 보정된 상완과 전완의 회전각을 기초로 관절의 각도를 추정하는 관절각 추정부; 상기 관절각 추정부에서 추정한 관절각 추정 값을 기반으로 상지 재활 기기의 움직임 동작을 제어하는 재활 기기 동작부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 측정 축 보정부는 초기 자세에서 상완에서 검출되는 오차 각을 제거하여 관절의 회전축과 관성센서의 측정 축을 수평으로 맞추어주는 것을 특징으로 한다.
상기에서 관절각 추정부는 전완에서 측정한 각(Kangle)과 상완에서 측정한 견관절의 회전각(Sangle)을 하기의 <수식>에 적용하여 전완의 주관절 회전각(Eangle)을 산출하는 것을 특징으로 한다.
Eangle = Kangle - Sangle
상기에서 관절각 추정부는 전완의 주관절의 내각(Cangle)을 하기의 <수식>을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 한다.
Cangle = 180°- Eangle
또한, 본 발명에 따른 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치는 상기 상지 재활 기기의 동작시 편마비 환자의 근전도(EMG; electromyography)를 측정하는 EMG 측정부; 상기 측정한 근전도를 재활치료사가 육안으로 확인하고 분석할 수 있도록 화면에 디스플레이해주는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어방법은 (a) 편마비 환자의 건측 상지 움직임을 검출하는 단계; (b) 상기 (a)단계에서 검출한 상지 움직임 정보를 기초로 상지의 관절 각을 추정하는 단계; (c) 상기 추정한 관절 각을 기반으로 상지 재활 기기를 양측성 운동 방식으로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (b)단계는 상기 검출한 상지 움직임 정보의 측정 축 뒤틀림을 보정하고, 보정된 상지 움직임 정보를 기초로 상지의 관절 각을 추정하며, 추정한 관절 각을 기반으로 상지 재활 기기를 양측성 운동 방식으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어방법은 (d) 상기 상지 재활 기기의 동작시 환자의 근전도를 측정하고, 상기 측정한 근전도를 재활치료사가 육안으로 확인하고 분석할 수 있도록 화면에 디스플레이해주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 건측 상지 움직임을 추정하고, 양측성 운동 기반으로 편마비 환자의 환측 상지 재활 기기를 운영함으로써, 편마비 환자의 상지 재활을 더욱 효율적으로 도모해주는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 관성측정장치를 활용하여 건측 상지 움직임을 추정하여 편마비 환자의 의도를 정확하게 파악할 수 있으며, 이로써 상지 재활의 효율 향상을 도모해주는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치의 블록 구성도,
도 2는 도 1의 재활 기기 제어부의 실시 예 블록 구성도,
도 3a 및 도 3b는 도 1의 상지 움직임 감지센서의 장착 위치 및 측정 위치 회전각 정의도,
도 4는 본 발명에서 상지 자세에 대한 각도 설명도,
도 5는 본 발명에서 측정 축 뒤틀림 발생 예시도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어방법을 보인 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치 및 그 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치의 블록 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치는 상지 움직임 감지센서(10), 재활 기기 제어부(20), 상지 재활 기기(30), EMG(electromyography) 측정부(40) 및 표시부(50)를 포함한다.
상기 상지 움직임 감지센서(10)는 편마비 환자의 건측 상지에 팔찌 형태로 부착되어, 건측 상지의 움직임을 검출하는 역할을 한다. 이러한 상지 움직임 감지센서(10)는 관성센서를 이용하여 상완과 전완의 회전각을 검출하는 것이 바람직하다.
상기 재활 기기 제어부(20)는 상기 상지 움직임 감지센서(10)에서 검출한 상지 움직임 정보의 측정 축 뒤틀림을 보정하고, 보정된 상지 움직임 정보를 기초로 상지의 관절 각을 추정하고, 추정한 관절 각을 기반으로 상지 재활 기기(30)를 양측성 운동 방식으로 제어하는 역할을 한다.
이러한 재활 기기 제어부(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 검출한 상지 움직임 정보의 측정 축 뒤틀림을 보정하는 측정 축 보정부(21); 상기 측정 축 보정부(21)에 의해 보정된 상완과 전완의 회전각을 기초로 관절의 각도를 추정하는 관절각 추정부(22); 상기 관절각 추정부(22)에서 추정한 관절각 추정 값을 기반으로 상지 재활 기기(30)의 움직임 동작을 제어하는 재활 기기 동작부(23)를 포함한다.
여기서 측정 축 보정부(21)는 초기 자세에서 상완에서 검출되는 오차 각을 제거하여 관절의 회전축과 관성센서의 측정 축을 수평으로 맞추어주는 역할을 한다.
상기 EMG 측정부(40)는 상기 상지 재활 기기(30)의 동작시 편마비 환자의 근전도(EMG; electromyography)를 측정하는 역할을 하며, 상기 표시부(50)는 상기 측정한 근전도를 재활치료사가 육안으로 확인하고 분석할 수 있도록 화면에 디스플레이해주는 역할을 한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 관성측정장치(관성센서)를 편마비 환자의 건측 상지 전완과 상완에 착용하고, 건측 상지 움직임을 추정하여 양측성 운동을 기반으로 편마비 환자들의 의도를 정확하게 파악하고, 이를 기반으로 재활 기기를 운영하여 상지 재활 효율을 높이게 된다.
상기 양측성 운동(전이)은 운동기능 학습에서 오른손을 사용하여 연습한 결과가 왼손을 써서 연습할 경우에도 촉진적인 영향을 주는 경우가 있는데, 이처럼 신체의 한쪽 기관을 이용하여 한 학습이 반대쪽 기관의 학습에 전이하는 현상을 자주 관찰할 수 있다. 이러한 현상을 양측성 전이 또는 운동이라고 한다.
뇌졸중 환자는 근육의 약화나 마비, 비정상적인 근긴장도, 협응문제, 연합반응, 근골격계 문제, 감각 장애 등으로 인해 환측 사지의 사용에 제한을 받으며, 실제로 뇌졸중 환자들의 상당수(41 ~ 45%)는 장기적인 상지 기능 손상문제가 있으며(Niemi, Laaksonen, Kotila, & Waltimo, 1988), 일상생활에서 환측 상지를 사용하는데 어려움을 겪는다.
따라서 본 발명은 편마비 환자들의 의도를 정확하게 파악하고, 이를 기반으로 재활 기기를 효율적으로 운영하여, 상지 재활 효율을 높이도록 한다.
이를 위해 도 3a에 도시한 바와 같이, 건측 상지의 소정 위치(예를 들어, 상완, 전완)에 상지 움직임 감지센서(10)인 관성센서를 부착하고, 상지 자세를 검출한다. 건측 상지 자세를 검출하기 위해 관성센서를 관절 회전축에 부착하는 것이 관절각 데이터 취득에 용이하지만, 정확한 회전축에 부착하는 것에 어려움이 있다.
따라서 본 발명에서는 훈련자의 탈부착 및 움직임이 용이하도록 건측 상지의 상완과 전완의 위치에 관성센서를 팔찌 형태로 제작하여 착용하도록 하였다. 관절 회전축이 아닌 상완과 전완에서의 운동정보 검출은 관절 회전 운동의 원호에서 검출하게 되며, 상완과 전완의 검출 방법은 동일하다.
도 3b에서 도시한 바와 같이, 어깨와 팔꿈치가 중력방향으로 펴져 있는 초기 자세에서 관절 회전각을 0°라고 가정한다. 따라서 초기자세의 관절 회전각과 관성측정 장치에서 측정한 각도가 0°인 경우 관절의 회전 축(
Figure pat00001
)과 관성센서의 측정 축(
Figure pat00002
)의 직선 성분은 평행을 이루게 된다. 그러므로 전완 및 상완에서 측정한 관절 회전 각(θjoint)과 관절의 회전 각(θlimb)은 동위각이라고 할 수 있다.
이러한 과정으로 관성센서를 통해 상완과 전완에서 검출한 관절 회전 각은 재활 기기 제어부(20)에 전달된다.
재활 기기 제어부(20)는 관절각 추정부(22)에서 상완과 전완에서 검출한 관절 회전 각을 도 4와 같은 관절각 추정 기법을 이용하여 팔꿈치 관절의 내각을 추정한다.
도 4에서 관절각은 어깨 관절을 뜻하며, 주관절은 팔꿈치 관절을 뜻한다.
상완에서 관성센서를 통해 검출한 관절의 회전각(Sangle)은 전관절의 회전 각과 동일하다. 전완에서 관성센서를 통해 측정한 관절의 회전각(Kangle)은 견관절의 회전각(Sangle)을 포함하기 때문에, 하기의 [수학식1]과 같이 견관절 회전각을 제거한 회전각을 주관절 회전각(Eangle)으로 산출한다.
Figure pat00003
여기서 실제 훈련자에게 상완과 전완의 관성측정장치를 착용할 경우, 매번 같은 위치에 착용을 한다는 것은 불가능하며, 따라서 측정 축의 틀어짐이 발생할 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 관성센서의 착용 위치에 따라 팔의 두께와 표면적인 각도가 다름으로 인해 관성센서의 측정 축이 뒤틀리게 된다. 이 경우 주지한 바와 같이 관절 회전 각과 센서 회전 각의 동위각 관계는 성립하지 않기 때문에 오차가 발생 된다. 따라서 뒤틀린 관성측정장치의 측정 축을 보정해야한다.
이를 위해, 측정 축 보정부(21)는 도 5와 같은 초기 자세에서 상완과 전완에서 측정되는 각을 오차라고 간주하고, 초기 자세에서 상완에서 검출되는 회전각(θUe)과 전완에서 검출되는 회전각(θDe)에서 검출되는 오차 각을 하기의 [수학식2]로 제거하여 관절의 회전축과 관성센서의 측정 축을 수평으로 맞추어 주게 된다.
Figure pat00004
이러한 과정을 통해 관성센서의 측정 축이 뒤틀린 것을 보정 한 후에는, 관절각 추정부(22)에서 다시 전완의 주관절의 내각(Cangle)을 하기의 [수학식3]을 이용하여 산출한다. 여기서 상완 기준으로 전완의 내·외각의 합은 최대 180°인 것을 이용하여 주관절의 내각을 산출한다.
Figure pat00005
이렇게 하여 산출한 주관절의 내각을 기반으로 재활 기기 동작부(23)는 상지 재활 기기(30)를 동작시킨다. 즉, 건측 상지의 측정값을 기반으로 산출한 주관절 내각에 대응하게 환측 상지에 장착된 상지 재활 기기(30)의 회전각도를 제어하게 된다. 이로써 양측성 운동 기반으로 재활 기기를 운영하게 된다.
상지 재활 기기(30)가 재활 동작을 하면, EMG 측정부(40)에서 근전도(EMG)를 측정하여 재활 기기 제어부(20)에 피드백한다. 재활 기기 제어부(20)는 측정한 EMG를 내부 메모리에 저장함과 동시에 표시부(50)를 통해 이를 디스플레이해준다. 재활 치료사는 표시부(50)를 통해 디스플레이되는 편마비 환자의 근전도를 육안으로 확인하고, 이를 기반으로 편마비 환자의 의도를 분석하고, 그 분석 결과를 기초로 훈련 여부를 판단한다. 그리고 판단 결과를 재활 기기 제어부(20)에 피드백시켜, 편마비 환자의 상지 재활이 최적으로 이루어지도록 한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어방법을 보인 흐름도로서, (a) 편마비 환자의 건측 상지 움직임을 검출하는 단계(S10, S20); (b) 상기 (a)단계에서 검출한 상지 움직임 정보를 기초로 상지의 관절 각을 추정하는 단계(S30); (c) 상기 추정한 관절 각을 기반으로 상지 재활 기기를 양측성 운동 방식으로 제어하는 단계(S40 ~ S50); (d) 상기 상지 재활 기기의 동작시 환자의 근전도를 측정하고, 상기 측정한 근전도를 재활치료사가 육안으로 확인하고 분석할 수 있도록 화면에 디스플레이해주는 단계(S60 ~ S70)를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 단계 S10 및 단계 S20에서 훈련자의 탈부착 및 움직임이 용이하도록 건측 상지의 상완과 전완의 위치에 관성센서를 팔찌 형태로 제작하여 착용하도록 하였다. 관절 회전축이 아닌 상완과 전완에서의 운동정보 검출은 관절 회전 운동의 원호에서 검출하게 되며, 상완과 전완의 검출 방법은 동일하다. 관성센서를 통해 상완과 전완에서 검출한 관절 회전 각은 재활 기기 제어부(20)에 전달된다.
단계 S30에서 재활 기기 제어부(20)는 관절각 추정부(22)에서 상완과 전완에서 검출한 관절 회전 각을 도 4와 같은 관절각 추정 기법을 이용하여 팔꿈치 관절의 내각을 추정한다.
상완에서 관성센서를 통해 검출한 관절의 회전각(Sangle)은 전관절의 회전 각과 동일하다. 전완에서 관성센서를 통해 측정한 관절의 회전각(Kangle)은 견관절의 회전각(Sangle)을 포함하기 때문에, 상기 [수학식1]과 같이 견관절 회전각을 제거한 회전각을 주관절 회전각(Eangle)으로 산출한다.
여기서 실제 훈련자에게 상완과 전완의 관성측정장치를 착용할 경우, 매번 같은 위치에 착용을 한다는 것은 불가능하며, 따라서 측정 축의 틀어짐이 발생할 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 관성센서의 착용 위치에 따라 팔의 두께와 표면적인 각도가 다름으로 인해 관성센서의 측정 축이 뒤틀리게 된다. 이 경우 주지한 바와 같이 관절 회전 각과 센서 회전 각의 동위각 관계는 성립하지 않기 때문에 오차가 발생 된다. 따라서 뒤틀린 관성측정장치의 측정 축을 보정해야한다.
이를 위해, 측정 축 보정부(21)는 도 5와 같은 초기 자세에서 상완과 전완에서 측정되는 각을 오차라고 간주하고, 초기 자세에서 상완에서 검출되는 회전각(θUe)과 전완에서 검출되는 회전각(θDe)에서 검출되는 오차 각을 상기 [수학식2]로 제거하여 관절의 회전축과 관성센서의 측정 축을 수평으로 맞추어 주게 된다.
이러한 과정을 통해 관성센서의 측정 축이 뒤틀린 것을 보정 한 후에는, 관절각 추정부(22)에서 다시 전완의 주관절의 내각(Cangle)을 상기 [수학식3]을 이용하여 산출한다. 여기서 상완 기준으로 전완의 내·외각의 합은 최대 180°인 것을 이용하여 주관절의 내각을 산출한다.
이렇게 하여 산출한 주관절의 내각을 기반으로 재활 기기 동작부(23)는 단계 S40 및 S50에서 상지 재활 기기(30)를 동작시킨다. 즉, 건측 상지의 측정값을 기반으로 산출한 주관절 내각에 대응하게 환측 상지에 장착된 상지 재활 기기(30)의 회전각도를 제어하게 된다. 이로써 양측성 운동 기반으로 재활 기기를 운영하게 된다.
상지 재활 기기(30)가 재활 동작을 하면, 단계 S60에서 EMG 측정부(40)에서 근전도(EMG)를 측정하여 재활 기기 제어부(20)에 피드백한다. 재활 기기 제어부(20)는 측정한 EMG를 내부 메모리에 저장함과 동시에 표시부(50)를 통해 이를 디스플레이해준다. 단계 S70에서 재활 치료사는 표시부(50)를 통해 디스플레이되는 편마비 환자의 근전도를 육안으로 확인하고, 이를 기반으로 편마비 환자의 의도를 분석하고, 그 분석 결과를 기초로 훈련 여부를 판단한다. 그리고 판단 결과를 재활 기기 제어부(20)에 피드백시켜, 편마비 환자의 상지 재활이 최적으로 이루어지도록 한다.
본 발명자는 제안하는 상지 관절각 추정 기법을 검증하기 위해 20세 남성의 왼팔 상완과 전완에 관성측정장치를 부착하고, 검출한 주관절 내각과 비디오 촬영을 통한 훈련자의 실제 내각을 비교실험 하였다.
관성측정장치의 부착 위치는 훈련자의 탈부착 및 움직임이 용이하도록 견관절과 주관절의 아래 10cm이내로 하였다. 실험에 사용된 센서는 소형 관성측정장치를 이용하였으며, 그 사양은 다음과 같다. 센서는 MPU6050(IMU)를 사용하였으며, 블루투스 통신 방식을 이용하였고, 샘플링 간격은 10ms이며, 크기는 31×23×25(mm)이며, LiPo 230mA 용량의 배터리를 사용하였다.
상기와 같은 관성측정장치를 실험자의 왼팔 상완과 전완에 착용하고, 실험자가 임의로 상지의 자세를 취하게 하였다. 그리고 실험 도중에 실험자의 관절 부분을 촬영하였다. 이후, 촬영한 사진을 통해 실제 실험자의 주관절 각과 관성측정장치를 통해 추정한 주관절의 각을 비교하여 검증하는 실험을 하였다.
실험 결과, 검출한 주관절 내각과 관절추정기법을 통해 추정한 내각의 오차율과 일치율은 하기의 [표1]과 같다.
축 보정 기법 적용 전 실험 결과
주관절 내각 89.2° 174.4° 60.5° 127.7° 51.7° 일치율(%)
추정 각 101.5° 159.1° 66.3° 140.6° 46.8° 89.16
오차율 12.4% 8.7% 13.6% 10.1% 9.4%
이와 같이 검출한 주관절 내각과 추정한 내각의 일치율은 89.16%로 매우 높음을 알 수 있으며, 이로써 관절각 추정 기법을 이용한 상지 재활 기기 운용은 매우 유용함을 알 수 있다.
한편, 관성측정장치의 축 보정 기법을 적용하기 전 주관절 내각 추정 결과는 약 89.16%였다. 일치율을 개선하기 위해 초기 자세를 통해 측정 축 보정 기법을 적용하였으며, 축 보정 전/후의 초기 자세 측정값은 하기의 [표2]와 같다.
측정 축 보정에 대한 초기자세 검출
측정 부위 보정 전 보정 후
상완 7.88° 0.56°
전완 5.32° 0.63°
측정 축 보정 기법을 적용한 이후의 실험자가 취한 임의의 자세에서 검출한 주관절 내각과 관절추정기법을 통해 추정한 내각의 오차율과 일치율은 하기의 [표3]과 같다.
축 보정 기법 적용 후 실험결과
주관절 내각 98.3° 132.2° 75.3° 170.7° 112.7° 일치율(%)
추정 각 105.9° 140.5° 81.9° 179.4° 106.4° 93.28
오차율 7.7% 6.3% 8.9% 5.1% 5.6%
결과적으로, 측정 축 보정 기법을 적용하기 전 관절각 추정 기법에 대한 일치율은 89.16%였으나, 측정 축 보정 기법을 적용한 후의 일치율은 93.28%로, 오차 각이 4.12% 개선되었음을 알 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 편마비 환자의 환측 상지를 재활하기 위한 상지 재활 기기의 운영 기술에 효과적으로 적용된다.
10: 상지 움직임 감지센서
20: 재활 기기 제어부
21: 측정 축 보정부
22: 관절각 추정부
23: 재활 기기 동작부
30: 상지 재활 기기
40: EMG 측정부
50: 표시부

Claims (10)

  1. 편마비 환자의 건측 상지의 움직임을 검출하는 상지 움직임 감지센서;
    상기 상지 움직임 감지센서에서 검출한 상지 움직임 정보의 측정 축 뒤틀림을 보정하고, 보정된 상지 움직임 정보를 기초로 상지의 관절 각을 추정하고, 추정한 관절 각을 기반으로 상지 재활 기기를 양측성 운동 방식으로 제어하는 재활 기기 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 상지 움직임 감지센서는 관성센서를 이용하여 상완과 전완의 회전각을 검출하는 것을 특징으로 하는 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 재활 기기 제어부는 검출한 상지 움직임 정보의 측정 축 뒤틀림을 보정하는 측정 축 보정부; 상기 측정 축 보정부에 의해 보정된 상완과 전완의 회전각을 기초로 관절의 각도를 추정하는 관절각 추정부; 상기 관절각 추정부에서 추정한 관절각 추정 값을 기반으로 상지 재활 기기의 움직임 동작을 제어하는 재활 기기 동작부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 측정 축 보정부는 초기 자세에서 상완에서 검출되는 오차 각을 제거하여 관절의 회전축과 관성센서의 측정 축을 수평으로 맞추어주는 것을 특징으로 하는 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 관절각 추정부는 전완에서 측정한 각(Kangle)과 상완에서 측정한 견관절의 회전각(Sangle)을 하기의 <수식>에 적용하여 전완의 주관절 회전각(Eangle)을 산출하는 것을 특징으로 하는 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치.
    <수식>
    Eangle = Kangle - Sangle
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 관절각 추정부는 전완의 주관절의 내각(Cangle)을 하기의 <수식>을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치.
    <수식>
    Cangle = 180°- Eangle
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 상지 재활 기기의 동작시 편마비 환자의 근전도(EMG; electromyography)를 측정하는 EMG 측정부; 상기 측정한 근전도를 재활치료사가 육안으로 확인하고 분석할 수 있도록 화면에 디스플레이해주는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어장치.
  8. (a) 편마비 환자의 건측 상지 움직임을 검출하는 단계;
    (b) 상기 (a)단계에서 검출한 상지 움직임 정보를 기초로 상지의 관절 각을 추정하는 단계; 및
    (c) 상기 추정한 관절 각을 기반으로 상지 재활 기기를 양측성 운동 방식으로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 (b)단계는 상기 검출한 상지 움직임 정보의 측정 축 뒤틀림을 보정하고, 보정된 상지 움직임 정보를 기초로 상지의 관절 각을 추정하며, 추정한 관절 각을 기반으로 상지 재활 기기를 양측성 운동 방식으로 제어하는 것을 특징으로 하는 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어방법.
  10. 청구항 8에 있어서, (d) 상기 상지 재활 기기의 동작시 환자의 근전도를 측정하고, 상기 측정한 근전도를 재활치료사가 육안으로 확인하고 분석할 수 있도록 화면에 디스플레이해주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 각 추정을 이용한 편마비 환자의 상지 재활 기기 제어방법.

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