KR20240065560A - 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 재활 착용 로봇이 장착 가능하고, 관절 동작 구현 가능한 인간형 로봇 더미(10)와, 상기 인간형 로봇 더미(10)의 구동을 제어하고 재활 착용 로봇의 신호를 입력받아 재활 치료용 착용 로봇의 성능 평가를 위한 테스트 실행을 제어하는 제어부(20)와, 상기 제어부(20)와 전기적 소통을 이루고 재활 환자를 모사하는 모델의 사전 설정 데이터를 저장하는 저장부(30)와, 상기 제어부(20)와 전기적 소통을 이루고 재활 환자를 모사하기 위한 상기 인간형 로봇 더미(10)의 운동 궤적을 연산하는 연산부(40)와, 상기 인간형 로봇 더미(10)와 재활 착용 로봇 사이의 상호 작동 상태 정보를 감지하는 감지부(50)를 포함하고, 상기 감지부(50)에서 감지된 상호 작동 상태 정보와 상기 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 착용 로봇의 성능 평가를 위한 테스트 제어를 실행하는 테스트 제어기(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1) 및 이의 제어 방법을 제공한다.

Description

재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템 및 이의 제어 방법{PERFORMANCE EVALUATION SYSTEM OF WEARABLE ROBOT FOR REHABILIATATION TREATMENT AND METHOD FOR CONTROLLLING THE SAME}

본 발명은 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.

착용로봇은 1970년대 부터 개발이 진행되었으며, 다양한 종류의 착용로봇들이 개발되었다. 착용로봇은 다양한 목적으로 개발되며, 주로 재활용, 군사용, 그리고 작업용으로 개발되고 있다. 예를 들어 군사용과 작업용 착용로봇은 주로 착용자의 자중 혹은 외부 부하를 지지하여 착용자의 피로도를 줄여주고 근골격계 상해 빈도를 줄여주는 것이 목적이다.

착용로봇 관련기술 중 가장 많은 연구가 집중된 것은 착용로봇의 기본 구동원리를 구현할 수 있는 사용자 의도파악 및 의도에 적합한 근력 지원을 구현하기 위한 제어 기술이다. 사용자 동작의도 동기화(의도파악) 및 근력지원 기술은 여러 방식에 의해 구현되며, EMG 신호, 토크(또는 힘) , 상체 기울기, 무게중심(또는 압력중심) , 피부 표면 압력 등 다양한 물리량이 이용되고 있다. 착용로봇의 근력지원은 효용성을 결정하는 핵심 요인이며, 부족한 동기화 및 근력지원 성능은 착용자의 불편함, 피로도 그리고 부하를 증가시킨다. 이렇듯 중요한 가치에도 불구하고, 동기화 및 근력지원 성능이 실제로 어느 수준에서 적절히 구현되었는지 평가하는 방법에 대한 연구는 매우 제한적인 상황이다.

착용로봇의 성능을 평가하는 방법으로 생체 신호 방식(EMG 신호, metabolic cost 등)이 제시된 바 있다. 이 방법은 모두 착용자의 근육활동 결과를 측정하는 평가 방법으로, 직관적으로 이해하기 쉽고, 접근성도 좋은 편이다. 하지만 이러한 방법들은 신체에서 측정된 신호에 기반한 간접적인 지표들로 평가 시 착용자의 신체적 능력이나 상태에 영향을 받게 되고 착용자에 따라 기준값이 달라질 수 있는 문제점이 있다. 따라서 시험자나 시험자의 몸 상태에 관계없이 객관적이고 재현성을 담보할 수 방법을 발굴하는 것이 필요하다.

착용 로봇은 산업 전방위 분야에 적용되고 있으나, 산업 분야 현장에만 국한되지 않고 일반 소바지가 필요로 하는 다양한 분야에 적용되고 있는데, 특히 재활 치료 분야에서도 활발한 연구가 진행되고 있다.

착용식 재활로봇은 각종 신경계 마비환자의 재활훈련을 돕는데 사용되며 용도에 따라 완전 마비 환자용과 부분 마비 환자용으로 구분이 가능하다. 이 중 완전마비 환자 재활치료용 착용로봇(이하 착용로봇)은 자발적 보행이 불가능한 환자의 하지에 대해 적절한 보조력을 발생시켜 치료사 혹은 의사에 의해 처방된 보행 궤적을 생성하여 재활치료를 수행한다. 이때 재활치료용 착용로봇의 핵심 성능은 처방된 궤적 재현성이라 할 수 있다. 재활치료용 착용의 이러한 성능에 대한 확인 및 검증은 매우 중요하며, 이에 대한 평가 기술의 개발이 요구되고 있다.

하지 마비 환자에게 재활치료용 착용로봇은 최신 재활 치료 기술로서 적용되어 치료 효과가 입증되고 있다. 하지만 마비 환자는 재활치료용 착용로봇에 의해 얻어지는 치료효과를 주체적 또는 객관적으로 평가하거나, 발생할 수 있는 불편함 또는 통증을 느낄 수 없으므로 치료 효과 평가는 치료사의 경험에 의존하게 된다. 즉 재활치료용 착용로봇의 치료 효과는 치료사의 판단에 의해 주관적으로 평가되므로 재활치료용 착용로봇의 성능에 대한 평가에 객관성을 담보하기 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 재활치료용 착용로봇 성능의 객관적 시험 평가 방법 개발이 요구된다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 착용 로봇의 성능 시험 평가의 객관성을 확보하고, 반복 실험을 통한 동일 조건 구현 제공을 통하여 신뢰성을 확보할 수 있는 인간형 테스트 로봇 유니트, 이를 구비하는 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명으로 이루고자 하는 기술적 과제는 하지 마비 환자 재활치료용 착용로봇의 성능을 인간형 로봇 더미를 이용하여 객관적으로 평가하는 시스템 및 평가를 위한 제어 방법으로, 본 발명의 구성을 토아ㅎ여 환자 대신 환자의 거동 또는 환자 관절의 동특성을 반복적으로 정확히 재현할 수 있는 인간형 더미 로봇을 이용하여 시험의 객관성 확보가 가능하도록 함을 목적으로 한다.

본 발명은, 재활 치료용 착용 로봇, 특히 하지 마비 환자 재활 치료용 착용 로봇은 강직 또는 경직 특성이 있는 환자 관절의 특성을 극복하고 처방된 궤적을 생성하도록, 환자 역할을 대신하는 로봇 더미는 마비환자 관절의 강직 또는 경직 특성 구현 및 이를 통한 착용로봇의 응답특성을 평가할 수 있도록, 마비환자 강직/경직의 동특성을 나타내는 어드미턴스 모델을 수립하고, 이를 기준모델로 설정하여 이를 추종하는 어드미턴스 제어를 통해 환자 관절의 동특성을 더미로봇 관절에 적용하여 구현하도록 한다.

즉, 본 발명은, 재활 착용 로봇이 장착 가능하고, 관절 동작 구현 가능한 인간형 로봇 더미(10)와, 상기 인간형 로봇 더미(10)의 구동을 제어하고 재활 착용 로봇의 신호를 입력받아 재활 치료용 착용 로봇의 성능 평가를 위한 테스트 실행을 제어하는 제어부(20)와, 상기 제어부(20)와 전기적 소통을 이루고 재활 환자를 모사하는 모델의 사전 설정 데이터를 저장하는 저장부(30)와, 상기 제어부(20)와 전기적 소통을 이루고 재활 환자를 모사하기 위한 상기 인간형 로봇 더미(10)의 운동 궤적을 연산하는 연산부(40)와, 상기 인간형 로봇 더미(10)와 재활 착용 로봇 사이의 상호 작동 상태 정보를 감지하는 감지부(50)를 포함하고, 상기 감지부(50)에서 감지된 상호 작동 상태 정보와 상기 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 착용 로봇의 성능 평가를 위한 테스트 제어를 실행하는 테스트 제어기(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1)을 제공한다.

상기 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템에 있어서, 상기 인간형 로봇 더미(10)는: 하나 이상의 관절을 구비하는 관절 운동을 가능하게 하는 더미 바디(11)와, 상기 더미 바디(11)의 관절에 배치되어 상기 더미 바디(11)의 관절 운동을 실행하기 위한 구동력을 제공하는 더미 구동부(13)를 포함할 수도 있다.

상기 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템에 있어서, 상기 상호 작동 상태 정보는, 상기 더미 바디(11)의 관절 각도 및 상기 더미 바디(11)와 재활 착용 로봇(90) 사이의 작용력을 포함하고, 상기 인간형 로봇 더미(10)와 재활 착용 로봇 사이의 상호 작동 상태 정보를 감지하는 감지부(50)를 포함하고, 상기 감지부(50)는: 상기 더미 바디(11)의 관절 각도를 감지하는 관절 센서(51)와, 상기 더미 바디(11)와 재활 착용 로봇(90) 사이에 배치되어 상기 더미 바디(11)와 재활 착용 로봇(90) 사이의 작용력을 감지하는 힘 센서(53)를 포함할 수도 있다.

상기 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템에 있어서, 상기 제어부(20)는: 재활 환자를 모사하기 위한 모델을 형성하는 어드미턴스 모델링부(21)와, 상기 어드미턴스 모델링부(21)에서 출력되는 모델 목표 관절 각도(θd)와, 상기 인간형 로봇 더미(10)의 실제 관절 각도(θ)를 이용하여 상기 인간형 로봇 더미(10)의 거동을 제어하는 관절 위치 제어기(23)를 포함할 수도 있다.

상기 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템에 있어서, 상기 관절 위치 제어기(23)는, 상기 모델 목표 관절 각도(θd)와, 상기 실제 관절 각도(θ)의 차이를 이용하여 산출된 출력 제어 신호로 상기 더미 구동부(13)에 입력할 수도 있다.

상기 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템에 있어서, 상기 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터는 처방 궤적 데이터를 포함하고, 상기 테스트 제어기(25)는: 재활 착용 로봇(90)의 관절 각도가 상기 처방 궤적 데이터의 추종성을 테스트하기 위하여 상기 관절 위치 제어기(21)가 상기 더미 구동부(13)에 구동 제어 신호를 인가하도록 할 수도 있다.

상기 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템에 있어서, 상기 테스트 제어기(25)는, 재활 환자의 강직 상태 시 재활 착용 로봇(90)와 상기 더미 바디(11) 간의 작용력을 감지하여 안전성을 테스트하기 위하여, 상기 어드미턴스 모델링부(21)가 상기 사전 설정 데이터를 이용하여 조정되어 상기 모델 목표 관절 각도(θd)를 출력하고, 상기 인간형 로봇 더미(10)의 실제 관절 각도(θ) 및 상기 상기 모델 목표 관절 각도(θd)를 이용하여 상기 관절 위치 제어기(21)가 상기 더미 구동부(13)에 구동 제어 신호를 인가하도록 할 수도 있다.

상기 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템에 있어서, 상기 테스트 제어기(25)에 의하여 재활 환자 착용 로봇이 테스트되는 경우, 생성되는 상호 작동 상태 정보 및 상기 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 환자 착용 로봇의 성능을 평가하는 성능 평가부(70)가 구비될 수도 있다.

상기 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템에 있어서, 상기 성능 평가부(70)는: 상기 인간형 로봇 더미(10)의 실제 관절 각도(θ)에 의하여 형성되는 실제 궤적 및 재활 치료용 착용 로봇(90)이 추종해야 하는 처방 궤적 간의 괴리 정보를 통하여 궤적 추종성을 판단하는 궤적 평가부(71)를 포함할 수도 있다.

상기 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템에 있어서, 상기 성능 평가부(70)는: 재활 착용 로봇(90)의 관절 각도 및 상기 처방 궤적 데이터에 따른 목표 관절 각도와, 재활 환자의 강직 상태 시 재활 착용 로봇(90)와 상기 더미 바디(11) 간의 작용력 및 상기 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 착용 로봇(90)의 부하 안정성 여부를 판단하는 부하 평가부(73)를 포함할 수도 있다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 본 발명은 재활 착용 로봇이 장착 가능하고, 관절 동작 구현 가능한 인간형 로봇 더미(10)와, 상기 인간형 로봇 더미(10)의 구동을 제어하고 재활 착용 로봇의 신호를 입력받는 제어부(20)와, 상기 제어부(20)와 전기적 소통을 이루고 재활 환자를 모사하는 모델의 사전 설정 데이터를 저장하는 저장부(30)와, 상기 제어부(20)와 전기적 소통을 이루고 재활 환자를 모사하기 위한 상기 인간형 로봇 더미(10)의 운동 궤적을 연산하는 연산부(40)와, 상기 인간형 로봇 더미(10)와 재활 착용 로봇 사이의 상호 작동 상태 정보를 감지하는 감지부(50)를 포함하고, 상기 감지부(50)에서 감지된 상호 작동 상태 정보와 상기 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 착용 로봇의 성능 평가를 위한 테스트 제어를 실행하는 테스트 제어기(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1)을 제공하는 제공 단계(S1)와, 상기 제어부(20)의 테스트 제어기(25)가 재활 착용 로봇(90)의 작동 성능을 평가하기 위한 하나 이상의 테스트 모드를 선택 실행하여 테스트 데이터를 취득하는 테스트 단계(S10)와, 상기 테스트 단계(S30)에서 취득한 테스트 데이터와 상기 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 착용 로봇에 대한 평가 데이터를 산출하는 평가 단계(S30)를 포함하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템 제어 방법을 제공한다.

상기 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템 제어 방법에 있어서, 상기 테스트 단계(S10)는: 재활 치료용 착용 로봇에 대하여 현재 설정된 테스트 모드를 확인하는 테스트 모드 확인 단계(S110)와, 상기 테스트 모드 확인 단계에서 설정된 테스트 모드를 실행하는 테스트 모드 실행 단계(S120)와, 상기 테스트 모드 실행 단계(S120)에서 실행된 테스트 모드에 의한 테스트 데이터를 취득하는 테스트 데이터를 테스트 데이터 취득 단계(S130)를 포함할 수도 있다.

상기 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템 제어 방법에 있어서, 상기 테스트 모드 확인 단계(S110)는: 사용자에 의하여 선택된 테스트 모드를 체크하는 테스트 모드 체크 단계(S111)와, 상기 테스트 모드 체크 단계(S111)에서 체크된 테스트 모드가, 재활 착용 로봇(90)에 의하여 형성되는 재활착용 로봇(90)에 관절 각도가 상기 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터에 포함되는 처방 궤적 데이터 추종 여부를 확인하는 궤적 추종 모드인지, 재활 환자의 강직 상태를 모사하도록 상기 인간형 로봇 더미(10)의 더미 구동부(13)가 작동하는 경우, 재활 착용 로봇(90)와 상기 인간형 로봇 더미(10)의 더미 바디(11) 간의 작용력을 감지하여 안전성을 테스트하는 부하 안정성 모드인지를 판단하는 테스트 모드 판단 단계(S113)를 포함할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템 및 이의 제어 방법을 통하여 재활 치료를 위한 처방 궤적의 추종성 및 긴급 상황 발생시 안전성을 확보하기 위한 성능 구비 여부를 객관성 및 반복 신뢰성 확보 가능하게 하여 제품 평가의 신뢰성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템의 제어 흐름 구성을 나타내는 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템의 인간형 로봇 더미의 개략적인 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템의 테스트 상태의 개략적인 상태도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템의 궤적 추종성을 확인하기 위한 데이터의 개략적인 선도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템의 긴급 상황의 모사를 구현하기 위한 인간형 로봇 더미의 가동 상태를 나타내는 개략적인 선도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템의 인간형 로봇 더미의 강직 경직 긴급상황 발생시 재활 치료용 착용 로봇에 의한 외력 선도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템의 제어 방법의 개략적인 선도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템의 제어 방법의 세부적인 선도이다.

본 발명은 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템 및 이의 제어 방법에 있어 객관성 및 반복 신뢰성을 확보할 수 있는 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 것이다.

본 특허는 하지 마비 환자 관절의 강직/경직을 모사할 수 있는 로봇 더미를 이용한 하지 마비 환자 재활치료용 착용로봇의 성능 평가 방법을 포함한다.

본 발명의 제안된 인간형 로봇 더미는 인간의 시상면 동작을 모사할 수 있도록 설계되었으며 구동 관절(hip, knee, ankle 관절)에 어드미턴스 제어를 적용하여 마비환자 관절의 강직 및 경직 특성을 모사하도록하고, 인간형 로봇 더미 외부에는 재활치료용 착용로봇에 의해 로봇 더미 체결부에 인가되는 보조력 혹은 상호작용력을 측정할 수 있는 후술되는 감지부의 힘센서로서의 로드셀 또는 압력센서가 장착되어 재활치료용 착용로봇에 의한 상호작용을 평가할 수 있다. 인간형 로봇 더미의 힘센서로서의 로드셀 혹은 압력 센서에서 측정된 외력은 인간형 로봇 더미를 제어하는 제어부의 어드미턴스 제어 모델로 전달되어 재활 환자의 굳거나 뻑뻑한 관절(경직/강직) 조건에서의 응답을 생성할 수 있고, 어드미턴스 제어는 관절의 경직과 강직의 동특성을 나타내는 기계적 시스템의 모델을 기준 어드미턴스(reference admittance)로 설정하여 추종하게 함으로써 경직/강직이 작용하는 환자 관절과 동일한 응답 특성을 생성할 수 있다.

본 발명의 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템(1)은 인간형 로봇 더미(10)와, 제어부(20)와, 저장부(30)와, 연산부(40)와, 감지부(50)를 포함하고, 제어부(20)는 테스트 제어기(25)를 포함한다.

인간형 로봇 더미(10)은 재활 치료용 착용 로봇이 장착 가능하고, 관절 동작 구현 가능하다. 본 실시예에서의 인간형 로봇 더미(10)는 고관절과 무릎 관절을 통한 2족 보행 구조를 취한다. 재활 치료용 착용 로봇(90)은 무릎 관절 내지 고관절 등 단순 1관절에 적용되는 구조를 취할 수도 있고, 발목 관절, 무릎 관절 및 고관절에 대한 연속 3관절에 적용되는 구조를 취할 수도 있는 등 다양한 선택이 가능하다.

본 실시예에서의 인간형 로봇 더미(10)는 더미 바디(11)와 더미 구동부(13)를 포함한다. 즉, 인간형 로봇 더미(10)는 더미 바디(11)와 더미 구동부(13)를 포함하는데, 더미 바디(11)는 하나 이상의 관절을 구비하는 관절 운동을 가능하게 하고, 더미 구동부(13)는 더미 바디(11)의 관절에 배치되어 더미 바디(11)의 관절 운동을 실행하기 위한 구동력을 제공한다.

보다 구체적으로, 더미 바디(11)는 토르소 바디(110)와 레그 바디(120)를 포함한다. 토르소 바디(110)는 상부 몸체를 지칭하는데, 경우에 따라 토르소 바디(110)에 별도의 아암 바디(미도시)가 더 구비되어 보다 더 정확한 거동구현을 가능하게 할 수도 있고, 상박 마비 환자 내지 상박 손상 환자의 재활 거동을 위한 재활 치료용 착용 로봇에 대하여도 테스트 가능하나, 본 실시예에서는 구체적으로 예시되지 않고 하지 마비 환자의 재활 치료용 착용 로봇을 테스트 하기 위한 보행 로봇의 몸체 구조로 형성된다.

레그 바디(120)는 토르소 바디(110)의 하단 측에 배치된다. 레그 바디(120)는 사이 바디(121)와 캐프 바디(123)와 풋 바디(125)를 포함한다. 사이 바디(121)의 일단은 토르소 바디(110)의 하단측에 연결되고, 캐프 바디(123)의 일단은 사이바디(121)에 연결되고, 풋 바디(125)는 저면이 지면에 지지 내지 보행 가능하게 형성되고 풋 바디(125)의 차단은 캐프 바디(123)의 타단에 회동 가능하게 연결되는 구조를 취한다.

사이 바디(121)와 캐프 바디(123)와 풋 바디(125)는 상호 상대 회동 가능하게 조인트 연결되고, 사이 바디(121)는 앞서 기술한 바와 같이 사이 바디(121)의 일단은 토르소 바디(110)와 조인트 연결되는데, 사이 바디(121)와 토르소 바디(110)의 연결은 일정한 각도 범위 내에서 이루어지는 고관절에 대응하는 조인트 연결 구조를 형성한다.

더미 구동부(13)는 힙조인트 더미 구동부(131)와 니조인트 더미 구동부(133)를 포함하며, 경우에 따라 앵클 조인트 더미 구동부(미도시)를 더 구비할 수도 있다. 힙조인트 더미 구동부(131)는 토르소 바디(110)와 사이 바디(121) 사이의 연결부위에 배치되고, 니조인트 더미 구동부(133)는 사이 바디(121)와 캐프 바디(123) 사이의 니 조인트 연결 부위에 배치되며, 앵클조인트 더미 구동부(미도시)는 캐프 바디(123)와 풋 바디(125) 사이의 앵크 조인트 연결 부위에 배치되는 앵클 조인트 연결 부위에 배치되는데, 이들 힙조인트 더미 구동부(131)와 니조인트 더미 구동부(133) 그리고 더 넓게 앵클조인트 더미 구동부는 전기 모터와 감속기의 연결 동력 생성 및 전달 구조를 형성하는데, 본 실시예에서 더미 구동부(13)를 형성하는 전기 모터와 감속기의 연결구조에 대한 구체적 설명은 생략한다.

이와 같은 더미 구동부(13)의 동작 제어 신호는 제어부(20)를 통하여 생성 인가되고, 인가되는 신호에 의하여 더미 구동부(13)가 작동함으로써, 더미 구동부(13)가 배치되는 더미 바디(11)로 하여금 재활 치료 대상인 재활치료 환자의 모사 동작 구현을 가능하게 한다.

제어부(20)는 인간형 로봇 더미(10)의 구동을 제어하고 재활 치료용 착용 로봇의 신호를 입력받아 재활 치료용 착용 로봇의 성능 평가를 위한 테스트 실행을 제어한다. 즉, 제어부(20)는 인간형 로봇 더미(10)의 거동을 제어하는데, 제어부(20)는 저장부(30) 및 연산부(40)와 전기적 소통을 이룬다.

저장부(30)는 제어부(20)와 전기적 소통을 이루고 재활 환자를 모사하는 모델의 사전 설정 데이터를 저장한다. 즉, 사전 설정 저장부(30)에는 사전 설정 데이터를 포함하는데, 사전 설정 데이터는 재활 환자를 모사하기 위한 어드미턴스 모델에 대한 계수 정보들을 포함한다.

즉, 본 실시예에서 재활 환자, 특히 하지 마비 재활 환자의 경우 다음과 같은 어드미턴스 모델로 모델링되며 이는 후술되는 제어부(20) 측에 배치된다.

여기서, I는 재활 치료 환자의 관성 계수를, C는 재활 치료 환자의 댐핑 계수를, 그리고 K는 재활 치료 환자의 탄성 계수를 지시하고, τext는 재활 치료용 착용 로봇(90)과 더미 바디(11) 측과 사이에 형성되는 상호 작용력으로서의 상호 작용 토크(τext)를 지칭한다.

즉, 인간형 로봇 더미와 재활 치료용 착용 로봇 사이에 설치된 힘 센서(53)에서 재활 치료용 착용 로봇(90)에 의해 가해진 상호 작용 토크를 측정하면 어드미턴스 모델에 따라 관절 기준 각도, 즉 목표 관절 각도(θd)가 계산된다. 로봇 더미의 관절 각도는 관절 기준 각도, 즉 목표 관절 각도(θd)를 추종하도록 제어되고, 어드미턴스 모델링의 파라미터 I, c, k는 조절되어 마비 환자 관절의 강직/경직 수준을 결정할 수 있다. 달리 표현하면, 사전 설정 데이터는 상기 I,C,K 등의 계수 정보를 포함하는데, 이러한 어드미턴스 모델링에 대한 계수 정보는 단수 특정 값이 아닌 복수 개의 값 내지 함수 형태로 구현될 수도 있다. 즉, 상기 I,C,K 등의 계수 정보가 한 세트 형태로 설정된 경우 일반적인 재활 치료 환자의 거동 상태를 모사하는 어드미턴스 모델링을 형성하고, 이와 다른 세트의 상기 I,C,K 등의 계수 정보를 조정함으로써 재활 치료 환자가 일반적 경우가 아닌 근육 내지 거동의 강직 경직 상태 형성으로 인한 변화된 어드미턴스 모델링의 구현을 가능하게 할 수도 있고, 이러한 변화되는 복수 값 형성이 가능한 상기 I,C,K 등의 계수 정보가 사전 설정 데이터의 일환으로 저장부(30)에 저장될 수 있다.

도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템의 제어 흐름 구성을 나타내는 개략적인 구성도가 도시되는데, 어드미턴스 제어를 적용한 인간형 로봇 더미에 대한 제어 흐름 구성이 도시된다. 인간형 로봇 더미를 제어하기 위한 제어 형태는 2중 루프로 구성된다. 재활치료용 착용로봇과 인간형 로봇 더미 사이 체결부(혹은 커프)에 배치되는 힘센서(53)에서 측정된 상호작용력에 대응되는 마비환자 관절의 회전 각도를 어드미턴스 모델을 통해 계산하는 외부 제어 루프 구조와, 계산된 목표 관절 각도를 기준입력으로 설정하고 이를 추종하는 궤적(위치) 제어 루프 구조로 구성되며, 다양한 수준의 강직/경직은 어드미턴스 모델링의 파라미터인 계수 정보의 조정을 통해 구현할 수 있고, 순간적으로 발생하는 강직/경직의 수준 변화 역시 어드미턴스 모델링을 시간대 별로 조절하여 구현할 수도 있다.

어드미턴스 제어를 이용한 강직/경직 특성 구현 시, 다양한 강직/경직 수준을 갖는 환자에 대한 착용로봇의 처방궤적 구현 정확도를 평가 할 수 있게 된다. 지정된 처방궤적의 구현 정확도는 더미로봇의 관절 위치를 처방된 궤적과의 비교를 통해 평가 할 수 있다.

또한 심한 강직/경직이 발생할 때 재활로봇이 무리하게 궤적을 구현하게 될 경우 환자에게 상해를 일으킬 수 있으므로, 심한 강직/경직 발생 시 재활로봇 응답특성의 평가가 매우 중요하다.

이러한 목적의 테스트는 특정 시점에 매우 강한 강직/경직을 모사하는 어드미턴스 모델링을 설정하고, 이때의 착용로봇과 더미로봇 사이의 상호작용력을 측정하여 착용로봇의 심한 강직/경직에 대한 응답특성을 평가한다.

도 6에는 인간형 로봇 더미(10)에 대하여 제어부(20)의 어드미턴스 모델링부(21)의 파라미터, 즉 계수 정보의 변경을 통해 다양한 수준의 경직/강직을 구현하는 상태도가 예시되며, 어드미턴스 모델링의 변화에 따라 인간형 로봇 더미의 저항 정도가 달라져 재활치료용 착용로봇의 사전 처방된 동작 재현성이 달라질 수 있다.

연산부(40)는 제어부(20)와 전기적 소통을 이루고 재활 환자를 모사하기 위한 인간형 로봇 더미(10)의 운동 궤적을 연산한다. 즉, 연산부(40)는 제어부(20)와 전기적 소통을 이루고 제어부(20)의 연산 제어 신호에 따라 저장부(30)로부터 입력되는 사전 설정 데이터 및/또는 재활 치료 환자의 재활 치료를 위하여 의사가 처방한 운동 궤적를 활용하여 인간형 로봇 더미(10)가 가동하는 운동 궤적 및 이를 구현하기 위한 더미 구동부(13)를 통해 작동하여 해당 관절 조인트의 회동 각도를 형성하여 제어부(20)로 전달하고, 제어부(20)는 구동 제어 신호를 더미 구동부(20)로 전달한다.

감지부(50)는 인간형 로봇 더미(10)와 재활 치료용 착용 로봇 사이의 상호 작동 상태 정보를 감지한다. 감지부(50)가 감지하는 상호 작동 상태 정보는 더미 바디(11)의 각각의 관절 부위의 관절 각도 정보 및/또는 더미 바디(11)와 재활 치료용 착용 로봇(90)간의 상호작용력 정보를 포함한다.

보다 구체적으로, 상호 작동 상태 정보는, 더미 바디(11)의 관절 각도 및 더미 바디(11)와 재활 착용 로봇(90) 사이의 작용력을 포함하고, 인간형 로봇 더미(10)와 재활 착용 로봇 사이의 상호 작동 상태 정보를 감지하는 감지부(50)는 관절 센서(51)와, 힘 센서(53)를 포함한다.

관절 센서(51)는 더미 바디(11)의 관절 각도를 감지하는데, 관절 센서(51)는 더미 바디(11)의 관절 조인트 부위에 배치되어 각각의 바디를 연결하는 조인트 관절 영역에서의 관절 각도를 감지한다. 관절 센서(51)는 포텐셔미터, 자기 센서, 홀센서 등 다양한 형태로 구현될 수 있는데, 각도를 감지하는 범위에서 제품 사양에 따라 다양한 취사 선택이 가능하다.

힘 센서(53)는 더미 바디(11)와 재활 착용 로봇(90) 사이에 배치되어 더미 바디(11)와 재활 치료용 착용 로봇(90) 사이의 작용력을 감지한다. 즉, 힘 센서(53)의 일단은 더미 바디(11) 측에 배치되고, 힘 센서(53)의 타단은 재활 착용 로봇(90) 측에 연결되어 물리적 연결 구조를 취한다. 이를 통해 재활 치료 환자를 모사하는 더미 바디(11)와 재활 치료용 착용 로봇(90) 사이에 발생하는 힘의 차이, 즉 상호 작용력을 감지하여 이를 통해 재활 치료용 착용 로봇(90)으로부터 생성되는 보조력이 강직, 경직 긴급 사태 발생시 재활 치료 환자에게 과도하게 작동하여 재활 치료 환자의 신체 상해 내지 피해 발생을 일으키는 것을 어떻게 방지 내지 최소할 수 있는지와 같은, 긴급 사태 발생시 재활 치료용 착용 로봇(90)의 안전성 평가가 실행될 수 있다.

제어부(20)는 어드미턴스 모델링부(21)와, 관절 위치 제어기(23)를 포함한다. 어드미턴스 모델링부(21)는 재활 환자를 모사하기 위한 모델을 형성하는데, 입력되는 값, 즉 본 실시예에서 힘 센서를 통하여 감지되는 더미 바디(11)와 재활 치료용 착용 로봇(90) 간의 상호 작용력으로서의 상호 작용 토크(τext)이 입력 신호로 어드미턴스 모델링부(21)를 입력되고, 어드미턴스 모델링부(21)로부터 모델 목표 관절 각도(θd)가 출력 신호로 출력된다.

즉, 본 실시예에서 재활 환자, 특히 하지 마비 재활 환자의 경우 다음과 같은 어드미턴스 모델로 모델링된다.

이때, 각각의 I,C,K 등의 계수 정보는 사전 설정 데이터로 저장부(30)에 포함되는데, 이러한 어드미턴스 모델링에 대한 계수 정보는 단수 특정 값이 아닌 복수 개의 값 내지 함수 형태로 구현될 수도 있음은 앞서 기술한 바와 동일하며, 이러한 계수의 변화는 재활 치료용 착용 로봇(90)에 의하여 모사되는 재활 치료 환자의 강직, 경직과 같은 긴급 사태에 대응한다.

그런 후, 관절 위치 제어기(23)는 어드미턴스 모델링부(21)에서 출력되는 모델 목표 관절 각도(θd)와, 인간형 로봇 더미(10)의 실제 관절 각도(θ)를 이용하여 인간형 로봇 더미(10)의 거동을 제어하는 더미 구동부 제어 신호를 인가한다.

즉, 관절 위치 제어기(23)는, 모델 목표 관절 각도(θd)와, 실제 관절 각도(θ)의 차이를 이용하여 산출된 값을 출력 제어 신호로 더미 구동부(13)에 입력한다. 이와 같은 관절 위치 제어기(23)에서의 출력 제어 신호는 제어 토크 형태로 구현되며 이는 새로운 입력 신호로 인간형 로봇 더미(10)의 더미 구동부(120)로 전달되어 재활 치료 환자의 거동 모사를 실행하도록 한다.

여기서, 출력 제어 신호로서의 제어 토크, 즉 더미 구동부(120)의 더미 구동부 구동 제어 신호로 형성되고, 이에 따라 더미 구동부(120)가 작동하여 더미 바디(11)의 소정의 조인트 관절 부위에서의 각도 변화가 발생한다.

이러한 각도 변화는 앞서 기술한 감지부(50)의 관절 각도 센서로서의 관절 센서(51)가 이를 감지하고 감지된 관절 각도 정보는 상호 작동 상태 정보의 일유형으로 다시 제어부(20)로 전달되어 관절 위치 제어기(23)로 입력되기 위한 오차 신호를 형성하기 위한 실제 관절 각도(θ)로 입력된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템(1)의 제어부(20)는 테스트 제어기(25)를 포함한다. 테스트 제어기(25)는 감지부(50)에서 감지된 상호 작동 상태 정보와 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 치료용 착용 로봇의 성능 평가를 위한 테스트 제어를 실행한다. 본 실시예에서 테스트 제어기(25)는 제어기(20)에 포함되는 구성을 취하나, 경우에 따라 테스트 제어기(25)가 제어기(20)와 분리되어 개별 배치되는 구성을 취할 수도 있는 등 다양한 변형이 가능하다. 다만, 본 실시예에서 테스트 제어기(25)는 운영자에 의하여 설정 선택된 테스트 모드가 어떤 것인지를 확인하고 해당 선택된 테스트 모드를 실행하여 데이터를 취득함으로써 재활 치료용 착용 로봇의 성능을 평가하는 기능을 수행하는 제어 신호를 생성 출력 전달하는 구성요소를 지칭한다.

한편, 앞서 기술한 저장부(30)는 사전 설정 데이터를 포함하는데, 본 실시예에서의 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터는 처방 궤적 데이터를 포함한다.

이때, 테스트 제어기(25)는 재활 착용 로봇(90)의 관절 각도가 처방 궤적 데이터의 추종성을 테스트하도록 더미 구동부(13)에 구동 제어 신호가 인가되도록 한다. 즉, 테스트 제어기(25)는, 재활 착용 로봇(90)의 관절 각도가 처방 궤적 데이터의 추종성을 테스트하기 위하여 관절 위치 제어기(21)가 더미 구동부(13)에 구동 제어 신호를 인가하도록 한다. 이와 같은 과정을 통하여 의료진이 처방한 재활 치료의 동작, 즉 처방 궤적 데이터를 재활 치료용 착용 로봇이 재활 치료 환자를 모사하는 인간형 로봇 더미(10)가 처방 궤적을 따라 거동하도록 보조력을 적절하게 제공하여, 인간형 로봇 더미(10)의 거동 궤적이 처방 궤적을 추종하는 추종성 테스트를 실행 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1)은 재활 치료용 착용 로봇에 대한 처방 궤적 추종 테스트와 더불어 긴급 상황에 대한 안정성 테스트도 가능하다. 즉, 인간형 로봇 더미(10)가 모사하는 재활 치료 환자의 강직, 경직과 같은 긴급 상황을 모사하여 테스트하는데, 제어부(20)의 테스트 제어기(25)는 재활 환자의 강직 상태 시 재활 착용 로봇(90)와 더미 바디(11) 간의 작용력을 감지하여 안전성을 테스트하도록 한다. 이를 위하여, 제어부(20)의 어드미턴스 모델링부(21)가 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터를 이용하여 조정될 수 있다. 즉, 앞선 처방 궤적 추종성 테스트에서의 어드미턴스 모델의 계수 정보와 다른 계수 정보가 제공되는데, 이러한 다른 계수 정보는 재활 치료 환자의 강직 내지 경직 상태를 모사한다. 이와 같이 강직 내지 경직 상태를 반영한 어드미턴스 모델이 출력값은 모델 목표 관절 각도(θd)로 출력되고, 관절 센서(51)에서 감지된 인간형 로봇 더미(10)의 실제 관절 각도(θ) 및 모델 목표 관절 각도(θd)의 차이는 관절 위치 제어기(21)로 피드백되고 관절 위치 제어기(23)는 더미 구동부(13)로 구동 제어 신호를 인가하고, 인간형 로봇 더미(10)와 재활 치료용 착용 로봇(90)사이에 배치되는 힘센서(53)를 통하여 상호 작용력이 감지되어 재활 치료용 착용 로봇(90)이 신속하게 긴급 상황에 대처하는지를 확인하는 안정성 평가가 이루어질 수 있다.

이와 같은 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템(1)을 통한 테스트가 이루어지는 경우, 취득한 데이터를 통하여 재활 치료용 착용 로봇의 평가가 이루어지는데, 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템(1)은 성능 평가부(70)를 더 구비할 수 있다. 성능 평가부(70)는 테스트 제어기(25)에 의하여 재활 환자 착용 로봇이 테스트되는 경우, 생성되는 상호 작동 상태 정보 및 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 환자 착용 로봇의 성능을 평가한다.

성능 평가부(70)는 궤적 평가부(71)와 부하 평가부(73)를 포함한다.

궤적 평가부(71)는 테스트 제어기(25)가 더미 구동부(13)에 구동 제어 신호를 관절 위치 제어기(23)를 통하여 인가하는 경우, 인간형 로봇 더미(10)의 실제 관절 각도(θ)에 의하여 형성되는 실제 궤적 및 재활 치료용 착용 로봇(90)이 추종해야 하는 처방 궤적 간의 괴리 정보를 통하여 궤적 추종성을 판단한다. 즉, 도 4에는 재활 치료용 착용 로봇의 궤적 정확성인 궤적 추종성을 평가하는 테스트 상태도가 도시되는데, 재활 치료용 착용 로봇이 착용된 인간형 로봇 더미는 트레드 밀(80) 상에서 보행 테스트가 실행될 수 있다. 트레드 밀(80)의 작동도 테스트 제어기(25)를 통하여 제어될 수 있다.

재활 치료용 착용 로봇은 의사에 의해 처방된 보행 궤적을 실시하도록 제어되며, 인간형 로봇 더미는 재활 치료용 착용 로봇에 의한 보조력인 상호작용력으로부터 어드미턴스 제어 모델링(21)에서 생성된 기준 궤적대로 보행 궤적을 생성한다. 인간형 로봇 더미의 보행 궤적을 측정하면 처방된 보행 궤적과의 차이를 분석할 수 있다. 궤적 오차로부터 재활치료용 착용로봇의 궤적 정확성이 평가될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이 재활 치료 환자에 대하여 의사 등이 처방한 처방 궤적과, 인간형 로봇 더미(10)의 실제 관절 각도(θ)에 의하여 형성되는 실제 궤적 간의 괴리 정보를 이용하여, 재활 치료용 착용 로봇(90)이 추종하는 동작에 의한 궤적 괴리가 사전 설정된 괴리도의 영역 내에 존재하는지, 또는 괴리도가 사전 설정 영역을 어느 정도 벗어나는지 여부를 궤적 평가부(71)가 비교 평가하여 재활 치료용 착용 로봇(90)의 궤적 추종성을 판단 평가할 수 있다.

또한, 부하 평가부(73)는 재활 착용 로봇(90)의 부하 안정성 여부를 판단한다. 즉, 테스트 제어기(25)가 관절 위치 제어기(23)를 통하여 더미 구동부(13)에 구동 제어 신호를 인가하는 경우, 재활 착용 로봇(90)의 관절 각도 및 목표 관절 각도와, 재활 환자의 강직 상태 시 재활 착용 로봇(90)와 더미 바디(11) 간의 작용력 및 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 착용 로봇(90)의 부하 안정성 여부를 부하 평가부(73)가 판단 평가하는데, 도 6에 도시된 바와 같이 2족 보행 구조의 인간형 로봇 더미(10)의 레그 바디의 각각의 다리 측의 구조에 대하여 서로 상이한 강직 내지 경직 정도가 형성될 수도 있다.

도 7에는 마비 환자 관절의 갑작스런 강직/경직 수준 변화를 모사하는 재활 치료용 착용 로봇의 반응과 마비환자의 관절에 가해질 수 있는 부하 수준을 평가하는 데이터의 선도가 도시된다. 인간형 로봇 더미는 낮은 수준의 강직/경직을 갖는 재활환자의 관절을 모사하도록 어드미턴스 제어 모델링을 설정하고 재활 치료용 착용 로봇에 의해 보행한다. 앞서 궤적 추종성 테스트에서와는 달리 보행 중 임의의 관절에 임의의 시점에 갑작스럽게 높은 강직/경직 수준을 나타내는 어드미턴스 제어 모델링으로 교체되어, 인간형 로봇 더미는 갑작스럽게 증가한 강직/경직 수준에 의해 처방된 궤적을 구현하기 어려운 상태가 되며, 인간형 로봇 더미와 체결된 재활치료용 착용로봇의 관절의 부하가 증가한다. 이때 인간형 로봇 더미에 가해지는 외력 수준과 재활치료용 착용로봇의 동적 거동을 분석하면 재활치료용 착용로봇의 강직/경직에 대한 궤적 구현 정확도와 안전 알고리즘 유무 혹은 유효성을 평가할 수 있다. 이 시험은 재활치료용 착용로봇이 높은 강직/경직이 발생한 재활환자의 관절에 강한 외력을 가하여 발생할 수 있는 부상을 미연에 방지하기 위한 성능을 평가할 수 있다. 재활 치료 환자의 관절은 재활훈련 중 갑자기 높은 강직/경직이 발생하여 굳을 수 있는데, 재활 치료용 착용 로봇이 긴급하게 정지하거나 적절한 동작을 실시하지 않으면 재활환자의 관절에 외력이 가해져 부상이 발생할 수 있다. 특히 재활치료용 착용로봇은 치료사(혹은 의사)에 의해 처방된 보행 궤적대로 동작하도록 제어되므로 재활환자의 관절이 굳은 상태에서 처방된 보행 궤적대로 운동하기 위해 재활치료용 착용로봇이 구동 모터 토크를 증가시키면 재활환자의 부상으로 이어질 수 있기 때문에, 긴급 상황에 신속히 대응하는 응답성, 부하 감쇠도 등을 확인하여 안전성 성능 평가를 실행할 수 있다.

부하 평가부(73)는 재활 치료 환자의 강직 경직 상태를 모사하도록 갑작스럽게 변화되는 계수 정보에 의하여 어드미터스 모델링을 거쳐 출력되는 목표 궤적의 급격한 변화는 인간형 로봇 더미(10)와 연결되는 재활 치료용 착용 로봇(90)의 관절 조인트의 부하를 증가시킨다. 이때, 인간형 로봇 더미(10)에 가해지는 외력 수준과 재활 치료용 착용 로봇(90)의 동적 거동을 분석하면 재활 치료용 착용 로봇(90)의 강직/경직에 대한 궤적 구현 정확도와 안전 알고리즘 유무 혹은 유효성을 평가할 수 있는데, 부하 평가부(73)는 인간형 로봇 더미(10)과 재활 치료용 착용 로봇(90)의 사이에 개재되는 힘센서(53)를 통하여 상호 작용력을 평가하여 긴급 상황에 신속히 안전한 대응 동작을 재활 치료용 착용 로봇(90)이 구현하는지 여부를 판단 평가할 수 있다. 즉, 예시적으로 재활 치료용 착용 로봇(90)의 사이에 개재되는 힘센서(53)를 통하여 상호 작용력의 감쇠 시정수와 사전 설정 감쇠 시정수 범위를 비교하여 긴급 상황에서의 신속한 부하 제거를 통하여 재활 치료 환자의 신체 손상 발생 가능성을 방지 내지 최소화시킬 수도 있고, 동시에 부하 제거를 적정선에 해결하여 부하 완전 제거로 인한 재활 치료 환자의 지지력 상실로 낙상 등의 위험 발생을 방지할 수도 있는 등 사전 설정되어 저장되는 안전성 평가를 위한 기준값과의 비교 평가를 통해, 재활 치료용 착용 로봇(90)의 안전성 평가 작업이 실행될 수도 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1)을 통한 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템 제어 방법을 설명한다.

재활 착용 로봇 성능 평가 시스템 제어 방법은, 제공 단계(S10)와 테스트 단계(S10)와 평가 단계(S30)를 포함한다.

먼저, 제공 단계(S1)에서는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템이 제공된다. 즉, 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1)은 재활 착용 로봇이 장착 가능하고, 관절 동작 구현 가능한 인간형 로봇 더미(10)와, 인간형 로봇 더미(10)의 구동을 제어하고 재활 착용 로봇의 신호를 입력받는 제어부(20)와, 제어부(20)와 전기적 소통을 이루고 재활 환자를 모사하는 모델의 사전 설정 데이터를 저장하는 저장부(30)와, 제어부(20)와 전기적 소통을 이루고 재활 환자를 모사하기 위한 인간형 로봇 더미(10)의 운동 궤적을 연산하는 연산부(40)와, 인간형 로봇 더미(10)와 재활 착용 로봇 사이의 상호 작동 상태 정보를 감지하는 감지부(50)를 포함하고, 감지부(50)에서 감지된 상호 작동 상태 정보와 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 착용 로봇의 성능 평가를 위한 테스트 제어를 실행하는 테스트 제어기(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1)이 제공되며, 이에 대한 구체적 구성은 앞선 실시예에서 기재된바, 구체적 구조에 대한 설명은 생략한다.

제공 단계(S1)가 실행된 후 테스트 단계(S10)가 실행된다. 테스트 단계(S10)에서는 제어부(20)의 테스트 제어기(25)가 재활 착용 로봇(90)의 작동 성능을 평가하기 위한 하나 이상의 테스트 모드를 선택 실행하여 테스트 데이터가 취득된다.

테스트 단계(S10)는 테스트 모드 확인 단계(S110)와, 테스트 모드 실행 단계(S120)와, 테스트 데이터 취득 단계(S130)를 포함한다.

테스트 모드 확인 단계(S110)에서는 재활 치료용 착용 로봇에 대하여 현재 설정된 테스트 모드가 확인된다.

테스트 모드 확인 단계(S110)는 테스트 모드 체크 단계(S111)와, 테스트 모드 판단 단계(S113)를 포함한다. 테스트 모드 체크 단계(S111)에서는 테스트 제어기(25)가 사용자에 의하여 선택된 테스트 모드를 체크한다. 사용자 내지 운영자에 의하여 테스트 모드가 선택되는 것은 궤적 추종 여부를 평가하기 위한 궤적 추종 모드와 갑작스런 강직 경직 상태의 긴급 상황시 안전성 여부를 테스트 하기 위한 부하 안전성 모드 중에서 실행되는데, 이러한 선택은 별도의 입력 수단을 통하여 이루어질 수도 있고, 사용자 내지 운영자에 의하여 초기 설정되어 저장부(30)에 저장되는 작동 루틴에 따라 이루어질 수도 있는 등 다양한 선택이 가능하다.

테스트 모드 판단 단계(S113)에서는 테스트 제어기(25)가 테스트 모드 체크 단계(S111)에서 체크된 테스트 모드가, 궤적 추종 모드인지, 부하 안정성 모드인지가 판단된다.

궤적 추종 모드에서는 재활 착용 로봇(90)에 의하여 형성되는 재활착용 로봇(90)에 관절 각도가 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터에 포함되는 처방 궤적 데이터 추종 여부가 확인된다.

부하 안정성 모드에서는 재활 환자의 강직 상태를 모사하도록 상기 인간형 로봇 더미(10)의 더미 구동부(13)가 작동하는 경우, 재활 착용 로봇(90)와 상기 인간형 로봇 더미(10)의 더미 바디(11) 간의 작용력을 감지하여 안전성이 테스트된다.

그런 후 테스트 모드 실행 단계(S120)가 실행되는데, 테스트 모드 실행 단계(S120)에서는 테스트 모드 확인 단계에서 설정된 테스트 모드가 실행되고, 테스트 데이터 취득 단계(S130)에서는 테스트 모드 실행 단계(S120)에서 실행된 테스트 모드에 의한 테스트 데이터가 취득되어 저장부(30)에 저장된다.

그런후, 테스트 제어기(25)는 평가 단계(S30)를 실행한다. 테스트 단계(S30)에서 취득한 테스트 데이터와 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 착용 로봇에 대한 평가 데이터가 산출된다.

이러하 평가 단계(S30)에서는 테스트 제어기(25)가 성능 평가부(70)에 평가 제어 신호를 인가하여 소정의 평가 단계를 실행한다. 평가 단계(S30)는 궤적 평가 단계와 부하 평가 단계를 포함할 수 있다. 궤적 평가 단계에서는 테스트 제어기(25)가 더미 구동부(13)에 구동 제어 신호를 관절 위치 제어기(23)를 통하여 인가하는 경우, 궤적 평가부(71)는 인간형 로봇 더미(10)의 실제 관절 각도(θ)에 의하여 형성되는 실제 궤적 및 재활 치료용 착용 로봇(90)이 추종해야 하는 처방 궤적 간의 괴리 정보를 통하여 궤적 추종성을 판단한다. 즉, 재활 치료 환자에 대하여 의사 등이 처방한 처방 궤적과, 인간형 로봇 더미(10)의 실제 관절 각도(θ)에 의하여 형성되는 실제 궤적 간의 괴리 정보를 이용하여, 재활 치료용 착용 로봇(90)이 추종하는 동작에 의한 궤적 괴리가 사전 설정된 괴리도의 영역 내에 존재하는지, 또는 괴리도가 사전 설정 영역을 어느 정도 벗어나는지 여부를 궤적 평가부(71)가 비교 평가하여 재활 치료용 착용 로봇(90)의 궤적 추종성을 판단 평가할 수 있다.

또한, 부하 평가 단계에서는 부하 평가부(73)가 재활 착용 로봇(90)의 부하 안정성 여부를 판단한다. 즉, 테스트 제어기(25)가 관절 위치 제어기(23)를 통하여 더미 구동부(13)에 구동 제어 신호를 인가하는 경우, 재활 착용 로봇(90)의 관절 각도 및 목표 관절 각도와, 재활 환자의 강직 상태 시 재활 착용 로봇(90)와 더미 바디(11) 간의 작용력 및 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 착용 로봇(90)의 부하 안정성 여부를 부하 평가부(73)가 판단 평가한다. 여기서, 부하 평가부(73)는 직접 또는 테스트 제어부(25)를 통하여 재활 치료 환자의 강직 경직 상태를 모사하도록 갑작스럽게 변화되는 계수 정보에 의하여 어드미터스 모델링을 거쳐 출력되는 목표 궤적의 급격한 변화는 인간형 로봇 더미(10)와 연결되는 재활 치료용 착용 로봇(90)의 관절 조인트의 부하를 증가시킨다. 이때, 인간형 로봇 더미(10)에 가해지는 외력 수준과 재활 치료용 착용 로봇(90)의 동적 거동이 분석되어 재활 치료용 착용 로봇(90)의 강직/경직에 대한 궤적 구현 정확도와 안전 알고리즘 유무 혹은 유효성이 평가될 수 있는데, 부하 평가부(73)는 인간형 로봇 더미(10)과 재활 치료용 착용 로봇(90)의 사이에 개재되는 힘센서(53)를 통하여 상호 작용력을 평가하여 긴급 상황에 신속히 안전한 대응 동작을 재활 치료용 착용 로봇(90)이 구현하는지 여부를 판단 평가할 수 있다. 즉, 예시적으로 재활 치료용 착용 로봇(90)의 사이에 개재되는 힘센서(53)를 통하여 상호 작용력의 감쇠 시정수와 사전 설정 감쇠 시정수 범위를 비교하여 긴급 상황에서의 신속한 부하 제거를 통하여 재활 치료 환자의 신체 손상 발생 가능성을 방지 내지 최소화시킬 수도 있고, 동시에 부하 제거를 적정선에 해결하여 부하 완전 제거로 인한 재활 치료 환자의 지지력 상실로 낙상 등의 위험 발생을 방지할 수도 있는 등 사전 설정되어 저장되는 안전성 평가를 위한 기준값과의 비교 평가를 통해, 재활 치료용 착용 로봇(90)의 안전성 평가 작업이 실행될 수도 있다.

본 발명의 재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템 및 이의 제어 방법은 반복성 및 객관성이 확보되는 인간형 롭소 더미를 이용하여 재활 치료용 착용 로봇의 테스트하는 범위에서 설계 사양에 따라 다양한 변형이 가능하다.

1...재활 치료용 착용 로봇 성능 평가 시스템
10...인간형 로봇 더미 20...제어부
30...저장부

Claims (13)

1. 재활 착용 로봇이 장착 가능하고, 관절 동작 구현 가능한 인간형 로봇 더미(10)와,
   상기 인간형 로봇 더미(10)의 구동을 제어하고 재활 착용 로봇의 신호를 입력받아 재활 치료용 착용 로봇의 성능 평가를 위한 테스트 실행을 제어하는 제어부(20)와,
   상기 제어부(20)와 전기적 소통을 이루고 재활 환자를 모사하는 모델의 사전 설정 데이터를 저장하는 저장부(30)와,
   상기 제어부(20)와 전기적 소통을 이루고 재활 환자를 모사하기 위한 상기 인간형 로봇 더미(10)의 운동 궤적을 연산하는 연산부(40)와,
   상기 인간형 로봇 더미(10)와 재활 착용 로봇 사이의 상호 작동 상태 정보를 감지하는 감지부(50)를 포함하고,
   상기 감지부(50)에서 감지된 상호 작동 상태 정보와 상기 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 착용 로봇의 성능 평가를 위한 테스트 제어를 실행하는 테스트 제어기(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1).
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 인간형 로봇 더미(10)는:
   하나 이상의 관절을 구비하는 관절 운동을 가능하게 하는 더미 바디(11)와,
   상기 더미 바디(11)의 관절에 배치되어 상기 더미 바디(11)의 관절 운동을 실행하기 위한 구동력을 제공하는 더미 구동부(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1).
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 상호 작동 상태 정보는, 상기 더미 바디(11)의 관절 각도 및 상기 더미 바디(11)와 재활 착용 로봇(90) 사이의 작용력을 포함하고,
   상기 인간형 로봇 더미(10)와 재활 착용 로봇 사이의 상호 작동 상태 정보를 감지하는 감지부(50)를 포함하고,
   상기 감지부(50)는:
   상기 더미 바디(11)의 관절 각도를 감지하는 관절 센서(51)와,
   상기 더미 바디(11)와 재활 착용 로봇(90) 사이에 배치되어 상기 더미 바디(11)와 재활 착용 로봇(90) 사이의 작용력을 감지하는 힘 센서(53)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1).
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 제어부(20)는:
   재활 환자를 모사하기 위한 모델을 형성하는 어드미턴스 모델링부(21)와,
   상기 어드미턴스 모델링부(21)에서 출력되는 모델 목표 관절 각도(θd)와, 상기 인간형 로봇 더미(10)의 실제 관절 각도(θ)를 이용하여 상기 인간형 로봇 더미(10)의 거동을 제어하는 관절 위치 제어기(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1).
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 관절 위치 제어기(23)는, 상기 모델 목표 관절 각도(θd)와, 상기 실제 관절 각도(θ)의 차이를 이용하여 산출된 출력 제어 신호로 상기 더미 구동부(13)에 입력하는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1).
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터는 처방 궤적 데이터를 포함하고,
   상기 테스트 제어기(25)는:
   재활 착용 로봇(90)의 관절 각도가 상기 처방 궤적 데이터의 추종성을 테스트하기 위하여 상기 관절 위치 제어기(21)가 상기 더미 구동부(13)에 구동 제어 신호를 인가하도록 하는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1).
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 테스트 제어기(25)는, 재활 환자의 강직 상태 시 재활 착용 로봇(90)와 상기 더미 바디(11) 간의 작용력을 감지하여 안전성을 테스트하기 위하여, 상기 어드미턴스 모델링부(21)가 상기 사전 설정 데이터를 이용하여 조정되어 상기 모델 목표 관절 각도(θd)를 출력하고, 상기 인간형 로봇 더미(10)의 실제 관절 각도(θ) 및 상기 상기 모델 목표 관절 각도(θd)를 이용하여 상기 관절 위치 제어기(21)가 상기 더미 구동부(13)에 구동 제어 신호를 인가하도록 하는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1).
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 테스트 제어기(25)에 의하여 재활 환자 착용 로봇이 테스트되는 경우,
   생성되는 상호 작동 상태 정보 및 상기 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 환자 착용 로봇의 성능을 평가하는 성능 평가부(70)가 구비되는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1).
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 성능 평가부(70)는:
   상기 인간형 로봇 더미(10)의 실제 관절 각도(θ)에 의하여 형성되는 실제 궤적 및 재활 치료용 착용 로봇(90)이 추종해야 하는 처방 궤적 간의 괴리 정보를 통하여 궤적 추종성을 판단하는 궤적 평가부(71)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1).
   
10. 제 8항에 있어서,
    상기 성능 평가부(70)는:
    재활 착용 로봇(90)의 관절 각도 및 상기 처방 궤적 데이터에 따른 목표 관절 각도와, 재활 환자의 강직 상태 시 재활 착용 로봇(90)와 상기 더미 바디(11) 간의 작용력 및 상기 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 착용 로봇(90)의 부하 안정성 여부를 판단하는 부하 평가부(73)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1).
    
11. 재활 착용 로봇이 장착 가능하고, 관절 동작 구현 가능한 인간형 로봇 더미(10)와, 상기 인간형 로봇 더미(10)의 구동을 제어하고 재활 착용 로봇의 신호를 입력받는 제어부(20)와, 상기 제어부(20)와 전기적 소통을 이루고 재활 환자를 모사하는 모델의 사전 설정 데이터를 저장하는 저장부(30)와, 상기 제어부(20)와 전기적 소통을 이루고 재활 환자를 모사하기 위한 상기 인간형 로봇 더미(10)의 운동 궤적을 연산하는 연산부(40)와, 상기 인간형 로봇 더미(10)와 재활 착용 로봇 사이의 상호 작동 상태 정보를 감지하는 감지부(50)를 포함하고, 상기 감지부(50)에서 감지된 상호 작동 상태 정보와 상기 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 착용 로봇의 성능 평가를 위한 테스트 제어를 실행하는 테스트 제어기(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1)을 제공하는 제공 단계(S1)와,
    상기 제어부(20)의 테스트 제어기(25)가 재활 착용 로봇(90)의 작동 성능을 평가하기 위한 하나 이상의 테스트 모드를 선택 실행하여 테스트 데이터를 취득하는 테스트 단계(S10)와
    상기 테스트 단계(S30)에서 취득한 테스트 데이터와 상기 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터를 이용하여 재활 착용 로봇에 대한 평가 데이터를 산출하는 평가 단계(S30)를 포함하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템 제어 방법.
    
12. 제 11항에 있어서,
    상기 테스트 단계(S10)는:
    재활 치료용 착용 로봇에 대하여 현재 설정된 테스트 모드를 확인하는 테스트 모드 확인 단계(S110)와,
    상기 테스트 모드 확인 단계에서 설정된 테스트 모드를 실행하는 테스트 모드 실행 단계(S120)와,
    상기 테스트 모드 실행 단계(S120)에서 실행된 테스트 모드에 의한 테스트 데이터를 취득하는 테스트 데이터를 테스트 데이터 취득 단계(S130)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템 제어 방법.
    
13. 제 12항에 있어서,
    상기 테스트 모드 확인 단계(S110)는:
    사용자에 의하여 선택된 테스트 모드를 체크하는 테스트 모드 체크 단계(S111)와,
    상기 테스트 모드 체크 단계(S111)에서 체크된 테스트 모드가,
    재활 착용 로봇(90)에 의하여 형성되는 재활착용 로봇(90)에 관절 각도가 상기 저장부(30)에 저장된 사전 설정 데이터에 포함되는 처방 궤적 데이터 추종 여부를 확인하는 궤적 추종 모드인지,
    재활 환자의 강직 상태를 모사하도록 상기 인간형 로봇 더미(10)의 더미 구동부(13)가 작동하는 경우, 재활 착용 로봇(90)와 상기 인간형 로봇 더미(10)의 더미 바디(11) 간의 작용력을 감지하여 안전성을 테스트하는 부하 안정성 모드인지를 판단하는 테스트 모드 판단 단계(S113)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 착용 로봇 성능 평가 시스템(1).

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