KR20180010838A - 계단 보행 기능을 갖는 분리형 트레드밀을 구비한 하지 재활 훈련 시스템 - Google Patents

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Abstract

하지 재활 훈련 시스템으로서, 환자의 몸통에 착용하는 착용수단, 상기 착용수단을 착용한 환자를 지지하고 상하로 이동시키는 승강장치, 환자의 고관절, 슬관절, 발목 관절이 고정되도록 환자의 다리에 착용하는 하지 외골격 로봇, 상기 하지 외골격 로봇을 장착한 환자의 발이 보행하도록 유도하는 분리형 트레드밀부, 승강장치와 하지 외골격 로봇과 트레드밀부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며, 환자의 계단 보행 훈련을 수행할 수 있도록 구성되는 것을 트징으로 한다.

Description

계단 보행 기능을 갖는 분리형 트레드밀을 구비한 하지 재활 훈련 시스템{TRAINING SYSTEM FOR LEG REHABILITATION HAVING SAPARATED TREADMIL WITH AMBULANT STAIRCASE FUNCTION}
본 발명은 계단 보행 기능을 갖는 분리형 트레드밀을 구비한 하지 재활 훈련 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 트레드밀부를 좌우 2개로 구성하여 하지 마비를 가진 장애인의 좌우측 발의 위치에 따라 좌우측 구동을 동기화함으로써 부상 방지 및 재활 훈련 효과를 극대화시킬 수 있도록 하는, 계단 보행 기능을 갖는 분리형 트레드밀을 구비한 하지 재활 훈련 시스템에 관한 것이다.
산업재해 또는 교통 사고에 의한 하지 장애인, 소아마비, 노졸중 등에 의한 후유증인 하지 마비를 가진 장애인의 재활 훈련을 위해서는 환자를 바른 자세로 걸을 수 있도록 하는 것이 요청된다. 즉, 환자의 장애 정도에 따라 환자의 하지에 무리하게 가해지는 체중을 제거하고 보행 속도를 조절하여 보행 훈련을 할 수 있도록 하여야 한다. 보행 장애 환자는 스스로 보행하는데 어려움이 있으므로, 이들의 보행 훈련에는 1~ 2명의 간호사, 물리치료사 또는 간병인이 필요하나, 인력 부족 및 그로 인한 비용 증가로 인해 환자의 회복이 지연되어 마비 상태가 장기화됨으로써 궁극적으로 재활의 기회를 잃게 된다.
따라서, 마비환자 또는 보행 장애인의 보행에 필요한 능력을 익히게 하기 위하여 자연스러운 보행 리듬을 제공할 수 있는 보행 훈련 시스템이 필요하다. 이를 위해, 본 출원인은 국내 등록특허공보 제10-1275030호(2011.10.11)를 통해, 하지 재활 훈련 시스템을 제안한 바 있다. 이러한 종래의 훈련 시스템은 이를 이용하여 하지 마비 환자가 재활 훈련시, 좌우측 각각의 발의 위치에 따라 직동 유닛의 구동을 조절할 수 있도록 좌우측으로 분리된 트레드밀을 구비한다.
한편, 계단 보행은 일상생활을 통해 수평 보행 다음으로 빈번하게 이루어지는 활동이면서, 수평 보행에 비해 더 많은 능력을 요구하는데, 계단에서의 보행은 입각기와 유각기로 나누어지며, 지지하는 발의 이동이 교차적으로 반복된다는 점과 양발이 함께 지지하는 순간이 있다는 점에서 평지보행과 비슷하지만 주어지는 경사에 따라 하지 분절에서 발생하는 힘의 특성이 달라지는 차이가 있다. 계단 보행 시 걸음이 발뒤꿈치보다 발가락과 발바닥에서 시작되어 체중이상 전방으로 이동되어 넘어짐 조절을 하기 위하여 보다 많은 하지의 힘이 요구된다.
이러한 계단 보행은 계단을 오를 때 신체가 전방으로 이동하여 단하지 지지기(Single support)동안 몸의 균형을 유지해야 하고, 수평이동과 수직상승을 하기 때문에 평지 보행에서 보다 더 많은 하지의 근력 및 조절 능력을 요구한다.
계단 보행 훈련은 일상생활 동작을 수행함에 있어 타인으로부터 자신을 독립시키기 위한 필요 요소이며, 계단 보행을 수행함으로써 환자의 활동범위를 넓히고 생활의 질을 높일 수 있어, 하지의 기능 회복중인 편마비 환자들에게 치료과정 중 중요한 요소로 작용하고 있다.
그러나, 종래의 하지 재활 훈련 시스템은, 평지에서의 보행 훈련만 수행할 수 있도록 구성되어 있어, 계단을 오르고 내려가는 보행 훈련을 할 수 없다는 문제가 있었다. 즉, 일반적으로 계단을 올라가고 내려가는 동작이, 평지에서의 정상적인 보행에 비해 훨씬 더 많은 근력을 필요로 할 뿐만 아니라, 환자의 고관절, 슬관절, 발목 관절 등의 동작범위가 달라짐에 따라, 평지 보행 재활 훈련 이후의 계단 보행시 실질적으로 환자의 신체가 무리하게 움직일 수 있다는 문제가 있었다. 이에 따라, 평지에서의 보행 훈련 뿐 아니라, 계단 보행 훈련 역시 필요하다.
여기서, 종래에는 환자의 재활 훈련이 목적이 아닌, 일반인의 하체 단련을 위하여 계단을 보행할 수 있는 운동 장치들이 개발되었으나, 대부분 에스컬레이터 방식의 구조로 이루어져 있어, 장치가 차지하는 설치 면적이 비대할 뿐 아니라, 단순히 속도의 제어만 가능한 구조로 되어 있기 때문에, 환자의 재활 훈련용 장치와 병행하여 사용하는 것이 어렵다. 다시 말해, 재활 훈련 장치를 착용하고 있는 환자의 보행이 환자의 의지보다는 제어 장치에 의해 제어되어 보행 동작을 수행함에 따라, 종래의 운동 장치는 환자의 보행 동작에 맞추어서 계단의 이동을 유도할 수 없기 때문에 이를 적용하는데에는 어려움이 있다. 즉, 독자적인 보행을 할 수 없는 환자를 대상으로 보행 관절 운동을 유도하고 있는 재활 훈련 장치와 종래의 운동 장치를 병행하여 사용할 수 없으며, 환자의 계단을 오르고 내리는 동작에 맞추어 계단을 이동시키는 것에 어려움이 있으므로, 재활 훈련 중에 환자가 부상을 입을 수 있으며, 이에 더하여 두 다리의 상태를 오히려 악화시킬 수 있다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 하지 재활 훈련 시스템을 이용하여 하지 마비 환자가 재활 훈련시, 좌우측 각각의 발의 위치에 따라 직동 유닛의 구동을 조절할 수 있도록 좌우측으로 분리된 트레드밀을 구비한 하지 재활 훈련 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 환자의 계단 보행 훈련을 수행할 수 있는 계단 보행 기능을 갖는 분리형 트레드밀을 구비한 하지 재활 훈련 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
환자의 몸통에 착용하는 착용수단, 상기 착용수단을 착용한 환자를 지지하고 상하로 이동시키는 승강장치, 환자의 고관절, 슬관절, 발목 관절이 고정되도록 환자의 다리에 착용하는 하지 외골격 로봇, 상기 하지 외골격 로봇을 장착한 환자의 발이 보행하도록 유도하는 분리형 트레드밀부, 승강장치와 하지 외골격 로봇과 트레드밀부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 하지 재활 훈련 시스템에 있어서,
상기 분리형 트레드밀부는,
환자의 좌측 발이 제 1 발판에 닿아 보행 훈련하도록 유도하는 제 1 트레드밀부; 및
환자의 우측 발이 제 2 발판에 닿아 보행훈련하도록 유도하는 제 2 트레드밀부를 포함하고,
상기 제 1 트레드밀부는, 환자의 좌측 발이 닿는 제1 발판, 제1 발판의 상/하 수직 승강 운동이 가능하도록 장착되는 제1 승강 유닛과, 프레임부 내측에서 전/후 직선 운동이 가능하도록 장착되는 제1 직동 유닛과, 제1 발판의 상부에 구성되어 환자의 좌측 발에 의해 가해지는 힘을 감지하여, 제어부로 전송하는 제1 압력 센서와, 제1 발판 하부에 구성되어, 제1 발판의 구동 속도 및 구동 방향을 감지하여 제어부로 전송하는 제1 속도 감지기를 포함하고,
상기 제 2 트레드밀부는, 환자의 좌측 발이 닿는 제2 발판, 제2 발판의 상/하 수직 승강 운동이 가능하도록 장착되는 제2 승강 유닛과, 프레임부 내측에서 전/후 직선 운동이 가능하도록 장착되는 제2 직동 유닛과, 제2 발판의 상부에 구성되어 환자의 좌측 발에 의해 가해지는 힘을 감지하여, 제어부로 전송하는 제2 압력 센서와, 제2 발판 하부에 구성되어, 제2 발판의 구동 속도 및 구동 방향을 감지하여 제어부로 전송하는 제2 속도 감지기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 계단 보행 기능을 갖는 분리형 트레드밀을 구비한 하지 재활 시스템은 하지 마비 환자가 재활 훈련시, 좌우측 다리의 상태에 따라 해당 직동 유닛의 구동을 조절할 수 있어 좌측 및 우측 직동 유닛의 구동 방향과 환자의 발의 위치를 동기화할 수 있고, 각각의 직동 유닛 상부에 장착되는 압력 센서에 가해지는 힘을 측정하여 환자의 우측 또는 좌측 다리에 가해지는 체중을 적절하게 조정할 수 있어 부상 위험을 제거하고 재활 훈련 효과를 극대화할 수 있다.
특히, 각각의 트레드밀부는 제1 및 제2 승강 유닛을 구비함에 따라, 실질적인 계단 구현이 가능하여 환자가 계단 보행 훈련을 할 수 있으며, 그 구조가 간단하고, 작은 규모로 형성되어 전체 시스템의 크기가 비대해지는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따르는 계단 보행 기능을 갖는 분리형 트레드밀을 구비한 하지 재활 훈련 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따르는 계단 보행 기능을 갖는 분리형 트레드밀을 구비한 하지 재활 훈련 시스템을 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따르는 계단 보행 기능을 갖는 분리형 트레드밀을 구비한 하지 재활 훈련 시스템의 외골격 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따르는 계단 보행 기능을 갖는 분리형 트레드밀을 구비한 하지 재활 훈련 시스템의 트레드밀부의 승강 동작 전/후를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따르는 계단 보행 기능을 갖는 분리형 트레드밀을 구비한 하지 재활 훈련 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따르는 계단 보행 기능을 갖는 분리형 트레드밀을 구비한 하지 재활 훈련 시스템을 환자가 이용하는 모습을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따르는 계단 보행 기능을 갖는 분리형 트레드밀을 구비한 하지 재활 훈련 시스템의 골반 지지부를 개략적으로 도시한 사시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
본 명세서에서 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시 예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하 본 발명에 따르는 계단 보행 기능을 갖는 분리형 트레드밀을 구비한 하지 재활 훈련 시스템을 도면을 참고로 하여 설명한다.
하지 재활 훈련 시스템은 환자의 보행 패턴, 환자의 체격 조건, 근육의 강도를 고려하여 엉덩이 이하의 약해진 하지 근육을 인위적으로 수축/신장시킴으로써, 근육을 회복 및 강화시켜 주기 위한 시스템으로, 노인 또는 장애인과 같은 하지 근육 마비 환자가 정상인의 보행 패턴에 가깝게 보행할 수 있도록 재활시키기 위한 시스템이다. 특히, 본 발명에 따른 하지 재활 훈련 시스템은, 평지에서의 보행 뿐만 아니라 계단을 오르거나 내려가는 계단 보행 훈련을 병행할 수 있도록 환자를 재활시키기 위한 시스템이다.
본 발명에 따르는 계단 보행 기능을 갖는 분리형 트레드밀을 구비한 하지 재활 훈련 시스템(10)은, 환자의 몸통에 착용하는 착용수단(미도시); 상기 착용수단을 착용한 환자를 지지하고 상하로 이동시키는 승강 장치(11); 환자의 고관절(hip joint), 슬관절(knee joint), 발목 관절(ankle joint)이 고정되도록 환자의 다리에 착용하는 하지 외골격 로봇(200); 상기 하지 외골격 로봇을 장착한 환자의 발이 보행하도록 유도하는 분리형 트레드밀(treadmil)부(100); 및 상기 승강장치, 하지 외골격 로봇, 트레드밀부의 동작을 제어하는 제어부(미도시)를 포함한다.
여기서, 본 발명에 따른 하지 재활 훈련 시스템의 전체 축의 구성은 총 12축으로 구성될 수 있으며, 외골격 로봇(고관절, 슬관절, 발목 관절 : 3축) 2대와 분리형 트레드밀부(보행축(직동), 계단축(승강)) 2대, 그리고 골반 위치 및 자세 보상(상하축, 골반회전축) 축으로 구성된다.
재활 훈련을 위해 환자의 몸통에 착용하는 착용 수단은 승강 장치에 환자의 몸을 용이하게 매달기 위한 장치로서, 환자의 몸에 심한 압박감을 주지 않는 다양한 형태로 구성될 수 있다.
승강 장치(11)는 착용 수단을 착용한 환자의 몸을 상하로 이동시키는데, 이때 보행 훈련을 하기 위해 트레드밀부에 닿아 있는 환자의 발에 환자의 체중이 실리지 않도록 하여 환자의 부상을 막는다.
하지 외골격 로봇에는 골반 회전 보상용 메커니즘이 적용되는데, 하지 외골격 로봇(200)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 좌측 다리 및 우측 다리의 평행을 유지하기 위해 평행 링크로 구성되는 골반 지지부(210), 좌측 다리를 고정하기 위한 좌측 다리 지지부(220), 우측 다리를 고정하기 위한 우측 다리 지지부(230), 좌측 다리 지지부 및 우측 다리 지지부를 구동시키는 구동부(미도시)를 포함한다. 이때, 각 지지부들은 환자의 체격에 맞게 조정될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
골반 지지부는, 평행 링크부 및 평행 링크부의 수평 중심에 수직으로 결합한 요우(yaw) 축으로 구성된다.
평행 링크부는 서로 평행하고 동일한 길이의 한 쌍의 수평 링크 및 서로 평행하고 동일한 길이의 한 쌍의 수직 링크가 네 개의 조인트에 의해 각각 회전 가능하게 결합하여 구성된다.
또한, 골반 지지부의 한 쌍의 수평 링크의 중심부에 구성되는 각각의 조인트에는 요우축이 수직으로 결합되어, 한 쌍의 수평 링크의 좌/우측이 각각 상승/하강할 수 있게 한다.
또한, 요우축의 하부에는 회전식 조인트가 구성되어 평행 링크부의 좌우측이 전진/후진, 즉, 골반의 수직축을 중심으로 수평면상에서 전후 방향으로 골반이 회전할 수 있게 한다.
환자의 좌측 다리를 고정하기 위한 좌측 다리 지지부는, 복수의 링크와, 복수의 관절부에 의해 연결되어 구성된다.
좌측 다리 지지부의 관절부들에는 환자의 다리를 고정하기 위한 고정 장치, 예를 들어, 벨트 등이 각각 구성된다.
좌측 다리 지지부의 링크들은 각각 환자의 체격 조건에 따라 길이를 조정할 수 있는 구조로 구성된다.
환자의 우측 다리를 고정하기 위한 우측 다리 지지부는, 복수의 링크(231, 232, 233)와, 복수의 관절부(231a, 232a, 233a)에 의해 연결되어 구성된다.
우측 다리 지지부의 관절부들에는 환자의 다리를 고정하기 위한 고정 장치, 예를 들어, 벨트 등이 각각 구성된다.
우측 다리 지지부의 링크들은 각각 환자의 체격 조건에 따라 길이를 조정할 수 있는 구조로 구성된다.
구동부는 전술한 좌측 및 우측 다리 지지부를 각각 구동시키도록 구성될 수 있으며, 예를 들어 모터를 포함하여 구성될 수 있다.
승강장치, 하지 외골격 로봇 및 분리형 트레드밀부의 동작을 제어하는 제어부는 하지 외골격 로봇을 장착하고 보행 훈련을 받기 위한 환자의 체격 조건, 건강 상태, 장애 정도 등에 따라 설정되는 값에 따라 승강 장치를 상하 이동시켜 환자의 발에 지나치게 체중이 실리지 않도록 적합한 높이로 환자를 매달고 트레드밀부를 작동시켜 환자에 대해 설정된 시간만큼 보행 훈련을 시킨다.
하지 외골격 로봇을 장착한 환자의 발이 보행하도록 유도하는 본 발명에 따르는 분리형 트레드밀부는 다음과 같이 구성된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 분리형 트레드밀부(100)는 환자의 좌측 발이 닿아 보행 훈련하도록 유도하는 제 1 트레드밀부(110)와, 환자의 우측 발이 닿아 보행훈련하도록 유도하는 제 2 트레드밀부(120)와, 제1 트레드밀부 및 제2 트레드밀부를 지지하는 프레임부(130)와, 제 1 트레드밀부 및 제 2 트레드밀부의 동작을 제어하는 제어부로부터 수신한 신호를 표시하는 디스플레이부(도 5 참조)를 포함한다.
이때, 제 1 트레드밀부 및 제 2 트레드밀부는 분리되어 서로 나란하게 구성되는데, 이러한 제1 및 제2 트레드밀부는 종래의 에스컬레이터와 같은 방식으로 구성되는 계단형 장치들에 비해 간단한 구조로 이루어지며, 이들보다 훨씬 작은 규모로 형성되며, 후술하는 바와 같이 프레임부 내에서 상/하, 전/후 방향으로 이동 가능하도록 작동된다.
제 1 트레드밀부는 환자의 좌측 발이 닿는 제1 발판, 제1 발판의 상/하 수직 승강 운동이 가능하도록 장착되는 제1 승강 유닛과, 프레임부 내측에서 전/후 직선 운동이 가능하도록 장착되는 제1 직동 유닛과, 제1 발판의 상부에 구성되어 환자의 좌측 발에 의해 가해지는 힘을 감지하여, 제어부로 전송하는 제1 압력 센서(미도시)와, 제1 발판 하부에 구성되어, 제1 발판의 구동 속도 및 구동 방향을 감지하여 제어부로 전송하는 제1 속도 감지기(미도시)를 포함하여 구성된다.
제1 발판은 플레이트 형태로 구성되며, 상부와 하부에는 각각 제1 압력 센서와 제1 속도 감지기가 마련될 수 있다.
제1 승강 유닛과 제1 직동 유닛은 제1 발판을 상/하 방향으로 승강시키며, 전/후 방향으로 이동시키도록 구성되는 바, 바람직하게는 LM 가이드(Linear Motion Guide) 방식으로 작동되며, 환자의 발의 위치에 따라 상승 및 하강 또는 전진 및 후진을 반복하여 환자의 좌측 다리의 계단 보행 훈련을 유도한다.
LM 가이드는 제1 승강 유닛을 구동시키는 제1 승강 가이드와, 제1 직동 유닛을 구동시키는 제1 직동 가이드로 구성될 수 있으며, 이들은 일반적으로 볼 스크류와 모터의 조합이 별도로 구비되는 것이 바람직하다.
제1 승강 유닛은 볼스크류에 의해 구동력을 전달받아 제1 승강 가이드로 외력을 가이드할 수 있도록 설계되며, 제1 발판을 상/하 방향으로 승강시킬 수 있게 된다. 이러한 제1 승강 유닛의 구동 거리는 10~250mm 사이, 대략 200mm 정도의 스트로크로 작동될 수 있으며, 여기에 큰 하중을 견딜 수 있도록 도 4에 도시된 바와 같이, 시저타입의 구조로 형성되는 것이 바람직하다. 제1 승강 유닛의 구동 거리는, 통상적인 계단의 높이와, 환자의 훈련 강도에 따라 조절 가능하도록 구성될 수 있다.
제1 직동 유닛은 제1 트레드밀부를 전/후 방향으로 이동시키도록 작동되는데, 제1 트레드밀부의 구동 장치들의 무게와 부피로 인해 제1 트레드밀부에는 제1 직동 유닛을 구동하는 구동원이 직접적으로 장착되지 않고, 제1 트레드밀부의 인접한 위치 또는 프레임부에 장착되는 것이 바람직하며, 제1 트레드밀부 자체에는 이 구동원에 의해 작동되는 피동원만 장착될 수 있다. 이러한 제1 직동 유닛은 제1 승강 유닛과 유사하게 제1 직동 가이드와의 작동으로 동작될 수 있는 바, 모터와 볼 스크류를 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, 모터는 구동원의 역할을 하며, 제1 직동 가이드가 피동원의 역할을 하게 된다. 이러한 구성은, 이에 한정되는 것은 아니며, 구동원과 피동원 모드 제1 트레드밀부 자체에 장착될 수도 있다. 여기서, 제1 직동 유닛은 이동이 용이하도록, 도 4 또는 도 5에 도시한 바와 같이, 하측에 제1 휠 또는 유사형태의 제1 안내 수단이 장착되는 것이 바람직하며, 이와 다르게 외측에서 별도로 제1 직동 유닛을 지지하여 안내할 수 있도록 장착될 수도 있다.
마찬가지로, 제2 트레드밀부는 환자의 우측 발이 닿는 제2 발판, 제2 발판의 상/하 수직 승강 운동이 가능하도록 장착되는 제2 승강 유닛과, 프레임부 내측에서 전/후 직선 운동이 가능하도록 장착되는 제2 직동 유닛과, 제2 발판의 상부에 구성되어 환자의 우측 발에 의해 가해지는 힘을 감지하여, 제어부로 전송하는 제2 압력 센서(미도시)와, 제2 발판 하부에 구성되어, 제2 발판의 구동 속도 및 구동 방향을 감지하여 제어부로 전송하는 제2 속도 감지기(미도시)를 포함하여 구성된다.
제2 발판은 플레이트 형태로 구성되며, 상부와 하부에는 각각 제2 압력 센서와 제2 속도 감지기가 마련될 수 있다.
제2 승강 유닛과 제2 직동 유닛은 제2 발판을 상/하 방향으로 승강시키며, 전/후 방향으로 이동시키도록 구성되는 바, 바람직하게는 LM 가이드(Linear Motion Guide) 방식으로 작동되며, 환자의 발의 위치에 따라 상승 및 하강 또는 전진 및 후진을 반복하여 환자의 우측 다리의 계단 보행 훈련을 유도한다.
LM 가이드는 제2 승강 유닛을 구동시키는 제2 승강 가이드와, 제2 직동 유닛을 구동시키는 제2 직동 가이드로 구성될 수 있으며, 이들은 일반적으로 볼 스크류와 모터의 조합이 별도로 구비되는 것이 바람직하다.
제2 승강 유닛은 볼스크류에 의해 구동력을 전달받아 제2 승강 가이드로 외력을 가이드할 수 있도록 설계되며, 제2 발판을 상/하 방향으로 승강시킬 수 있게 된다. 이러한 제2 승강 유닛의 구동 거리는 20~250mm 사이, 대략 200mm 정도의 스트로크로 작동될 수 있으며, 여기에 큰 하중을 견딜 수 있도록 도 x 및 x에 도시된 바와 같이, 시저타입의 구조로 형성되는 것이 바람직하다. 제2 승강 유닛의 구동 거리는, 통상적인 계단의 높이와, 환자의 훈련 강도에 따라 조절 가능하도록 구성될 수 있다.
제2 직동 유닛은 제2 트레드밀부를 전/후 방향으로 이동시키도록 작동되는데, 제2 트레드밀부의 구동 장치들의 무게와 부피로 인해 제2 트레드밀부에는 제2 직동 유닛을 구동하는 구동원이 직접적으로 장착되지 않고, 제2 트레드밀부의 인접한 위치 또는 프레임부에 장착되는 것이 바람직하며, 제2 트레드밀부 자체에는 이 구동원에 의해 작동되는 피동원만 장착될 수 있다. 이러한 제2 직동 유닛은 제2 승강 유닛과 유사하게 제2 직동 가이드와의 작동으로 동작될 수 있는 바, 모터와 볼 스크류를 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, 모터는 구동원의 역할을 하며, 제2 직동 가이드가 피동원의 역할을 하게 된다. 이러한 구성은, 이에 한정되는 것은 아니며, 구동원과 피동원 모드 제2 트레드밀부 자체에 장착될 수도 있다. 여기서, 제2 직동 유닛은 이동이 용이하도록, 도 4 또는 도 5에 도시한 바와 같이, 하측에 제2 휠 또는 유사형태의 제2 안내 수단이 장착되는 것이 바람직하며, 이와 다르게 외측에서 별도로 제2 직동 유닛을 지지하여 안내할 수 있도록 장착될 수도 있다.
제어부는, 좌측 다리 지지부의 고관절, 슬관절, 발목 관절의 각도에 따라 제어부에서 발목관절의 위치를 계산한 후, 발목관절의 위치에 따라 제1 및 제2 승강 유닛과 제1 및 제2 직동 유닛의 구동속도 및 구동 방향을 조절한다.
제1 및 제2 승강 유닛과 제1 및 제2 작동 유닛은, 환자의 계단 보행에 따른 움직임에 대응하도록 각각 작동할 수 있다. 일반적으로, 계단 보행은 평지보행과 같이 입각기(stance phase)와 유각기(swing phase)로 나누어지며 발의 이동이 교차적으로 반복된다는 점이 비슷하지만 평지보행에 비해 계단기울기에 따라 하지에서 발생하는 힘의 크기와 근활성도(muscle activiation)가 달라진다는 차이가 있다.
계단 보행의 단계는 다음과 같다.
Figure pat00001

계단 오르기 동작을 실시할 경우, 충격을 흡수하고(weight acceptance) 지지하는 측의 발에 힘을 실어 다음계단으로 올라가기 때문에(pull-up) 계단 내려가기 동작에 비해 근육활동이 크다.
계단 내려가기 동작은 넘어지지 않도록 몸의 균형 및 무게중심을 안전하게 제어(controlling)하는 것이 매우 중요하다.
이와 같이, 계단보행은 일반 평지보행과는 다른 특수보행이므로 계단보행만의 특성을 알 수 있는 분석지표를 이용하여 자연스러운 로봇구동을 위한 새로운 궤적을 생성해야할 필요가 있다.
이를 위해, 본 출원인은 실험을 통하여 계단보행의 특성을 파악하였으며, 이를 토대로 하지 외골격 로봇과 분리형 트레드밀부를 작동시키도록 하였다.
각 하지관절의 각도 (Joint angle)
- 예비 실험 과 마찬가지로, 정의한 관절 각도에 따라, 고관절, 무릎, 발목의 관절 각도를 계산하였다.
- 예비 실험 결과와 유사한 경향을 보이며, 편차의 크기가 작아진 것을 확인할 수 있다.
Figure pat00002

각 하지관절의 궤적 (Trajectory)
- 기준을 천골 대신 고관절 부위로 변경하여 각 관절의 궤적을 나타낸다.
- 분절 길이를 정규화한 후, 각 피험자의 관절이 유사한 패턴으로 궤적을 형성하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 하지 재활 훈련 시스템은, 아래와 같은 계단 보행 동작으로 환자가 훈련할 수 있도록 하지의 움직임을 안내할 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004

이러한 제어부는 외골격 로봇과 분리형 트레드밀부를 구동시켜서, 환자가 계단 보행 동작을 훈련할 수 있도록 안내한다.
즉, 환자의 좌측 발은 제1 트레드밀부의 제1 발판에 놓인 최초 상태에서, 좌측 발목 관절부가 환자의 좌측 다리가 계단을 한칸 오르는 자세를 취하도록 좌측 발 앞쪽을 들어올리게 되고, 좌측 발을 초기 상태보다 상승한 위치에서 전방쪽으로 이동시키게 되며, 이에 따라 제1 트레드밀부의 제1 발판은 좌측 발이 놓여지는 위치에 재빠르게 이동하게 되어 좌측 발을 지지한다. 이때, 제1 트레드밀부의 제1 승강 유닛과 제1 직동 유닛은 각각 작동되면서 제어부에 의해 정확한 위치로 제1 발판을 이동시키도록 구동된다. 이후, 우측 발의 움직임이 시작함과 동시에, 좌측 발목 관절부는 좌측 다리가 뒤로 뻗는 자세를 취하도록 좌측 발을 끌어내리게 되고, 좌측 발을 앞선 상태보다 하강한 위치에서 후방쪽으로 이동시키게 되며, 이에 따라, 좌측 발을 지지하고 있는 제1 트레드밀부는 천천히 하강함과 동시에 후방으로 이동하게 된다. 이때, 제1 트레드밀부의 제1 승강 유닛과 제1 직동 유닛은 역시 각각 작동되면서 제어부에 의해 정확한 위치로 제1 발판을 이동시키도록 구동된다.
이와 유사하게, 우측 발은, 제2 트레드밀부의 제2 발판에 놓인 최초 상태에서, 좌측 발의 전상방 이동이 완료됨과 동시에 우측 발목 관절부가 환자의 우측 다리가 계단을 한칸 오르는 자세를 취하도록 우측 발 앞쪽을 들어올리게 되고, 우측 발을 초기 상태보다 상승한 위치에서 전방쪽으로 이동시키게 되며, 이에 따라 제2 트레드밀부의 제2 발판은 우측 발이 놓여지는 위치에 재빠르게 이동하게 되어 우측 발을 지지한다. 이때, 제2 트레드밀부의 제2 승강 유닛과 제2 직동 유닛은 각각 작동되면서 제어부에 의해 정확한 위치로 제2 발판을 이동시키도록 구동된다. 이후, 좌측 발의 움직임이 다시 시작함과 동시에, 우측 발목 관절부는 우측 다리가 뒤로 뻗는 자세를 취하도록 우측 발을 끌어내리게 되고, 우측 발을 앞선 상태보다 하강한 위치에서 후방쪽으로 이동시키게 되며, 이에 따라, 우측 발을 지지하고 있는 제2 트레드밀부는 천천히 하강함과 동시에 후방으로 이동하게 된다. 이때, 제2 트레드밀부의 제2 승강 유닛과 제2 직동 유닛은 역시 각각 작동되면서 제어부에 의해 정확한 위치로 제2 발판을 이동시키도록 구동된다.
전술한 바와 같이, 하지 재활 훈련 시스템은 분리형 트레드밀부가 실질적으로 계단을 구현하고, 외골격 로봇이 이에 맞도록 환자의 하지의 움직임을 안내하는 바, 각각의 작동 사이클로 환자의 좌측 발과 우측 발이 지속적으로 계단을 오르거나 내려가는 동작을 반복하도록 작동되어 환자가 하지 재활 훈련을 실시할 수 있도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 시스템은, 일반적인 평지에서의 보행 훈련과, 계단 보행 훈련 뿐만 아니라 균형 훈련을 실시할 수 있다.
보행 훈련은 일반적인 재할 훈련에서 수행하는 훈련으로 평지를 걷는 훈련 모드로 환자의 상태에 따라 속도와 보폭을 조절 가능하도록 설정을 할 수 있도록 하였다.
계단 보행 훈련은, 환자에 따라 투스텝(한 계단을 두 발이 모두 딛는 방식) 방식, 한계단씩 이동하는 방식, 그리고 계단의 높이를 조절하여 낮은 계단부터 높은 계단까지 가변하여 구동할 수 있는 방식의 모드들로 구성될 수 있다.
균형 훈련은, 오른발과 왼발에 가해지는 힘을 계측하여 환자의 균형을 측정하는 모드로 평지에서 지면 반발력의 크기를 측정하여 환자의 상태를 파악하는 방법과 인위적으로 양발이 닿는 바닥의 높이를 달리하여 환자가 이에 대응하여 반응하여 균형 훈련을 할 수 있도록 한다.
본 발명에 따르는 하지 재활 훈련 시스템의 트레드밀부(100)는 환자의 좌/우측 다리에 대한 평지 보행 훈련 또는 계단 보행 훈련을 환자의 좌/우측 다리 상태에 적합하게 시행할 수 있도록 서로 평행하게 분리되고 별도의 구동모터에 의해 회전하는 제1 트레드밀부(110) 및 제2 트레드밀부(120)로 구성되어, 환자의 좌우측 발의 보행속도 및 발의 위치에 각각의 직동 유닛의 구동 속도 및 구동 방향을 동기화시킬 수 있다. 또한, 각각의 직동 유닛의 발판 상부에는 환자의 발바닥에 가해지는 힘을 감지하는 압력 센서가 장착되어 환자의 발바닥에 가해지는 힘을 정확하게 측정할 수 있으며, 환자의 발바닥에 가해지는 힘이 적정하도록 승강장치에 의해 환자의 몸을 승강/하강시킴으로써 재활 훈련중에 환자의 부상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 환자의 보행 훈련의 효율을 극대화시킬 수 있다. 특히, 각각의 트레드밀부(100)는 제1 및 제2 승강 유닛을 구비함에 따라, 계단 보행 훈련을 할 수 있으며, 그 구조가 간단하고, 작은 규모로 형성되어 전체 시스템의 크기가 비대해지는 것을 방지할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사항을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 하지 재활 훈련 시스템 11 : 승강장치
100 : 분리형 트레드밀부 110 : 제1 트레드밀부
111 : 제1 발판 112 : 제1 승강 유닛
113 : 제1 직동 유닛 120 : 제2 트레드밀부
121 : 제2 발판 122 : 제2 승강 유닛
123 : 제2 직동 유닛 200 : 외골격 로봇

Claims (1)

  1. 환자의 몸통에 착용하는 착용수단, 상기 착용수단을 착용한 환자를 지지하고 상하로 이동시키는 승강장치, 환자의 고관절, 슬관절, 발목 관절이 고정되도록 환자의 다리에 착용하는 하지 외골격 로봇, 상기 하지 외골격 로봇을 장착한 환자의 발이 보행하도록 유도하는 분리형 트레드밀부, 승강장치와 하지 외골격 로봇과 트레드밀부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 하지 재활 훈련 시스템에 있어서,
    상기 분리형 트레드밀부는,
    환자의 좌측 발이 제 1 발판에 닿아 보행 훈련하도록 유도하는 제 1 트레드밀부; 및
    환자의 우측 발이 제 2 발판에 닿아 보행훈련하도록 유도하는 제 2 트레드밀부를 포함하고,
    상기 제 1 트레드밀부는, 환자의 좌측 발이 닿는 제1 발판, 제1 발판의 상/하 수직 승강 운동이 가능하도록 장착되는 제1 승강 유닛과, 프레임부 내측에서 전/후 직선 운동이 가능하도록 장착되는 제1 직동 유닛과, 제1 발판의 상부에 구성되어 환자의 좌측 발에 의해 가해지는 힘을 감지하여, 제어부로 전송하는 제1 압력 센서와, 제1 발판 하부에 구성되어, 제1 발판의 구동 속도 및 구동 방향을 감지하여 제어부로 전송하는 제1 속도 감지기를 포함하고,
    상기 제 2 트레드밀부는, 환자의 좌측 발이 닿는 제2 발판, 제2 발판의 상/하 수직 승강 운동이 가능하도록 장착되는 제2 승강 유닛과, 프레임부 내측에서 전/후 직선 운동이 가능하도록 장착되는 제2 직동 유닛과, 제2 발판의 상부에 구성되어 환자의 좌측 발에 의해 가해지는 힘을 감지하여, 제어부로 전송하는 제2 압력 센서와, 제2 발판 하부에 구성되어, 제2 발판의 구동 속도 및 구동 방향을 감지하여 제어부로 전송하는 제2 속도 감지기를 포함하는 것을 특징으로 하는 계단 보행 기능을 갖는 분리형 트레드밀을 구비한 하지 재활 훈련 시스템.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20210070613A (ko) 2019-12-05 2021-06-15 황화식 계단의 단차 조절이 가능한 보행 훈련장치

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