WO2021201604A1 - 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기 - Google Patents

보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기 Download PDF

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WO2021201604A1
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knee
ankle
air
lower extremity
gait
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백남종
박지홍
박용래
권정한
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서울대학교병원
서울대학교산학협력단
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    • A61H2230/00—Measuring physical parameters of the user
    • A61H2230/62—Posture
    • A61H2230/625—Posture used as a control parameter for the apparatus

Definitions

  • the present specification relates to a lower extremity robot orthosis for gait rehabilitation training.
  • Stroke is the most important cause of death not only in Korea but also worldwide, and is the most important cause of disability in adults.
  • the number of patients with cranial nerve sequelae is on the rise as the death rate due to stroke has decreased with advances in medicine.
  • gait disorders characterized by hip hiking and circulation gait as compensatory motions occur.
  • the asymmetry of the lower extremities not only interferes with the normal pattern of gait rehabilitation training, but is also a major cause of wasting physical strength during walking and increasing the risk of a patient's fall.
  • a separate measuring device is required to quantitatively analyze the patient's gait and motion characteristics because it does not include a sensing system sufficient to grasp the patient's gait state in detail.
  • Patent Document 1 Korean Patent Registration No. 10-2018175
  • it is intended to provide a mobile lower extremity robot assistive device for gait rehabilitation that is applicable in the moving process of a patient rather than a fixed type.
  • natural gait assistance close to normal gait can be performed by enabling extension and flexion of the knee joint in a patient with lower extremity paraplegia, such as a patient with hemiplegia after a stroke, according to the gait cycle of the patient.
  • An object of the present invention is to provide a lower extremity robot orthosis for gait rehabilitation training.
  • Embodiments of the present invention in another aspect, to provide a lower extremity robot assistive device for gait rehabilitation that can be implemented as a soft wearable device while using a pump that provides air pressure.
  • the lower extremity robot orthosis for gait rehabilitation training is provided so as to be installed on the knee so as to straighten the knee joint in the swing phase, and a knee extension member that maintains the knee in the stance phase.
  • a knee extension member that maintains the knee in the stance phase.
  • the knee extension member a knee sleeve surrounding the knee joint; and a knee support chamber that is installed to be connected to the knee sleeve, and when air is introduced and expanded in the swing phase, supports the knee joint to straighten the knee, and maintains the knee in the stance phase.
  • the lower extremity robot assisting device for gait rehabilitation of the present invention may further include a carrier that generates compressed air and provides the generated compressed air to the knee extension member.
  • the carrier is preferably an autonomous driving carrier.
  • the knee sleeve and the knee support chamber are made of a soft material.
  • the lower extremity robot orthosis for gait rehabilitation training of the present invention includes: a first ankle support member installed on the ankle to prevent the ankle from being bent inward or outward; and a second ankle support member installed on at least one of the shin and calf so that the ankle is bent toward the instep or sole of the foot. It may further include one or more of
  • the first ankle support member, the ankle sleeve surrounding the ankle joint ; and an ankle support chamber that is installed to be connected to the ankle sleeve and supports the ankle joint when air is introduced and expanded therein.
  • the second ankle support member may include a shin sleeve surrounding the shin; Protectors installed on the shin and calf, respectively; and an artificial muscle part connected to the guard and having a plurality of air chambers therein.
  • the second ankle support member includes: a Velcro tie for surrounding and fixing the protector; and a buckle installed in the foot receiving unit to couple the artificial muscle unit.
  • the air chamber is installed on the shin and calf sides, respectively, and the air inside the air chamber installed on the shin side is discharged to the outside while the sole is in contact with the ground, and the air is discharged into the air chamber installed on the calf side.
  • air may be introduced into the air chamber installed on the shin side in a state where the sole is spaced apart from the ground, and air inside the air chamber installed on the calf side may be discharged to the outside.
  • the lower extremity robot orthosis for gait rehabilitation training of the present invention provides a compressor generating compressed air and the generated compressed air to at least one of the knee extension member and the first and second ankle support members It may further include a carrier including a line.
  • the lower extremity robot orthosis for gait rehabilitation training of the present invention is installed on at least one of a patient's thigh, shin and instep, and when the patient walks, at least one of the thigh, shin and instep and the ground
  • the apparatus may further include an inertia measurement module configured to control the operation of at least one of the knee extension member and the first and second ankle support members by checking the patient's gait state and gait pattern in real time based on the angle formed.
  • the inertia measurement module includes a load response phase, an intermediate stance phase, a final stance phase, a swing phase pre-phase, an initial swing phase, an intermediate swing phase, and a final phase based on the patient's posture of both lower extremities and whether the soles of the feet are in contact with the ground. It can be made possible to judge by any one of the swing phases.
  • the carrier provides the compressed air to the knee extension member in the final swing phase, the load response phase, the intermediate stance phase and the terminal stance phase, the terminal swing phase, the load response Step, in the terminal stance phase, it is possible to provide the compressed air to the first ankle support member.
  • the lower extremity robot orthosis for gait rehabilitation training may enable extension, flexion, etc. of the knee joint according to the gait cycle of the patient when the patient moves in a patient with lower extremity paraplegia, such as a patient with hemiplegia after a stroke.
  • a patient with lower extremity paraplegia such as a patient with hemiplegia after a stroke.
  • it since it includes a pneumatic artificial muscle part, it is possible to provide an active assisting force when compressed air is injected, thereby assisting and supporting the movement of the knee joint and further the ankle joint. Accordingly, natural gait assistance close to normal gait can be performed, and it is possible to help patients in their daily lives and maximize the effect of rehabilitation treatment.
  • the lower extremity robot assisting device for gait rehabilitation training of the embodiments of the present invention is a soft wearable device made of a soft soft material, and is light, flexible, excellent in wearability, and safe.
  • the lower extremity robot assisting device for gait rehabilitation training of the embodiments of the present invention is movable by recognizing the position of the patient by providing compressed air through a pneumatic power carrier capable of autonomous driving. Accordingly, it is possible to provide compressed air according to the gait cycle of the patient while the patient is moving.
  • the lower extremity robot orthosis for gait rehabilitation training uses an inertia measurement module and a wireless plantar pressure insole module to identify the patient's gait state and gait pattern in real time, and pneumatic artificial It can be used for real-time control that operates muscles.
  • the lower extremity robot assisting device for gait rehabilitation training can be utilized for customized rehabilitation treatment by acquiring gait data of a patient and feeding back quantitative gait data and gait index through analysis.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating an example in which a lower extremity robot assisting device for gait rehabilitation training is worn by a user in an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a plan view showing the structure of the knee extension member in an embodiment of the present invention.
  • 3A is a conceptual diagram illustrating the operation of the knee extension member in the early to mid stage of the swing phase of the knee extension member according to an embodiment of the present invention.
  • 3B is a conceptual diagram illustrating the operation of the knee extension member in the second half of the swing phase of the knee extension member in an embodiment of the present invention.
  • 3C is a conceptual diagram illustrating the operation of the knee extension member in the stance phase of the knee extension member in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view illustrating a first ankle support member in an embodiment of the present invention.
  • 5A is a conceptual diagram illustrating a state before air is injected into the first ankle support member in an embodiment of the present invention.
  • 5B is a conceptual diagram illustrating a state in which air is injected into the first ankle support member in an embodiment of the present invention.
  • 5C is a conceptual diagram illustrating an example in which the ankle is supported inwardly by the first ankle support member in an embodiment of the present invention.
  • 5D is a conceptual diagram illustrating an example in which an ankle is supported outwardly by a first ankle support member in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view illustrating an artificial muscle part according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is a conceptual diagram illustrating an example of a state before air is introduced into the air chamber on the side of the shin and calf in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7B is a conceptual diagram illustrating an example of a state in which air is introduced into the air chamber on the shin side in one embodiment of the present invention.
  • 7C is a conceptual diagram illustrating an example of a state in which air is introduced into the air chamber on the calf side in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a carrier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration embedded in a carrier in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating an example in which an inertial measurement module and an insole module are installed in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating the angles of the thighs, shins, and the back of the feet with the ground, the angles of the hips, knees, and ankle joints, and the positions of the knees, ankles, and toes in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a photograph showing the wearing order of the lower extremity robot orthosis for gait rehabilitation training in an embodiment of the present invention.
  • knee extension member 13 knee sleeve 15: knee support chamber 18: Velcro
  • first ankle support member 21 ankle sleeve 25: ankle support chamber 28: Velcro
  • carrier 41 handle 41a: camera 41b: laser distance sensor
  • control process such as “unit”, “module”, “controller”, etc. may refer to a combination of software driven by the hardware as well as hardware.
  • the hardware may be a data processing device including a CPU or other processor.
  • the software driven by the hardware may be a program such as a running process, an object, an executable file, a thread of execution, a calculation program, and the like.
  • the lower extremity robot assisting device 100 for gait rehabilitation will be described with reference to FIGS. 1 to 7C .
  • the lower extremity robot assisting device 100 for gait rehabilitation training includes a knee extension member 10 .
  • the knee extension member 10 is provided to be installed on the knee, and keeps the knee extension (extension), that is, the unfolded state.
  • the knee extension member 10 allows the knee joint to be stretched in the swing phase, and helps to maintain the knee in an extended state in the stance phase to support the weight with the affected leg. .
  • the knee stretch member 10 includes a knee sleeve 13 and a knee support chamber 15 .
  • the knee sleeve 13 is provided to surround the knee joint.
  • the knee sleeve 13 is preferably made of a soft soft material, for example, an elastic material.
  • Velcro 18 may be provided at both ends of the knee sleeve 13, and the knee sleeve 13 wraps around and fixes the surrounding legs in the vicinity of the knee joint of the patient by the Velcro 18.
  • 2 shows an example in which two Velcro 18 are installed on the left and right ends of the knee sleeve 13, respectively.
  • the location of the Velcro 18 or the location at which the Velcro 18 is attached to each other can be adjusted.
  • the knee support chamber 15 is installed to be connected to the knee sleeve 13, and when air is introduced and expanded therein, it supports the knee joint to straighten the knee.
  • the knee support chamber 15 may also be made of a soft material, for example, a soft cloth material, preferably made of a cloth material coated with polyurethane or the like.
  • the knee support chamber 15 When air is introduced into the knee support chamber 15, the knee support chamber 15 is expanded to support the knee joint. In addition, when the air introduced into the knee support chamber 15 is discharged, it is deformed into a flat shape and does not affect the movement of the knee joint.
  • Air is introduced into the inside of the knee support chamber 15, and in the expanded state, the knee support chamber 15 is expanded to change into a rod shape and becomes rigid.
  • Inflating the knee support chamber 15 in the second half of the swing phase assists in extension of the knee support chamber 15 in a direction parallel to the leg.
  • the pressure in the knee support chamber 15 is maintained to help the leg to be kept straight, so that the affected leg can support the weight.
  • the knee support chamber 15 supports the stiffness of the knee joint, thereby improving gait stability in the stance phase and preventing injury.
  • the degree of assisting force of the knee extension member 10 is controllable by adjusting the bending rigidity of the knee support chamber 15 according to the strength of the pneumatic pressure injected into the knee support chamber 15 .
  • both the knee sleeve 13 and the knee support chamber 15 are made of a soft and soft material, so that there is no restriction in the repetition of extension and flexion of the knee according to the gait cycle.
  • the robot brace 100 for gait rehabilitation of the present invention may further include one or more of the first ankle support member 20 and the second ankle support member 30 .
  • the first ankle support member 20 is installed on the ankle to prevent the ankle from bending inward or outward.
  • the first ankle support member 20 may include an ankle sleeve 21 and an ankle support chamber 25 .
  • Ankle sleeve 21 is provided to surround the ankle joint.
  • the ankle sleeve 21 is preferably made of an elastic material.
  • Velcro 28 may be provided at both ends of the ankle sleeve 21, and the ankle sleeve 21 wraps around and fixes the ankle joint of the patient by the Velcro 28.
  • 4 shows an example in which one Velcro 28 is installed at the left and right ends of the ankle sleeve 21, respectively.
  • the position of the Velcro 28 in the ankle sleeve 21 or the position at which the Velcro 28 is attached to each other may be adjusted.
  • the ankle support chamber 25 is installed to be connected to the ankle sleeve 21, and when air is introduced and expanded therein, it can support the ankle joint.
  • the inflated ankle support chamber 25 may increase rigidity to prevent excessive bending of the ankle in an inversion direction or an evolution direction.
  • the first ankle support member 20 helps to keep the ankle straightened, helping to support the weight with the affected leg, and by bending the ankle. It can prevent sprains and falls.
  • the strength of the ankle support force for supporting the ankle by the first ankle support member 20 may be controllable by adjusting the bending stiffness of the ankle support according to the intensity of the pneumatic pressure injected into the ankle support chamber 25 .
  • 5C and 5D show an example in which the ankle is supported in the medial and outward by the first ankle support member 20 .
  • Ankle support chamber 25 may be made of a cloth material, preferably made of a cloth material coated with polyurethane.
  • the second ankle support member 30 may include a shin sleeve 31 , a brace 32 and an artificial muscle portion 34 .
  • the shin sleeve 31 may be provided to surround the shin.
  • Both ends of the shin sleeve 31 may be provided with Velcro, so that the ankle sleeve 21 wraps around the patient's shin by the Velcro and fixes it.
  • the guard 32 may be installed on the shin and calf, respectively.
  • the guard 32 may be attached to secure the upper portion of the artificial muscle 34 over the shin sleeve 31 .
  • the guard 32 is preferably made of a hard material.
  • the protector 32 is provided with a Velcro tie, so that the Velcro tie is tightly tied to the shin and calf, the protector 32 can be fixed.
  • the artificial muscle part 34 is connected to the guard 32 and may have a plurality of air chambers therein as shown in FIG. 6 .
  • the air chamber may be installed on the shin and calf sides, respectively.
  • the air chamber may be formed in plurality, and may be connected in series in a direction parallel to the bridge.
  • the air chamber maintains a flat shape when air is removed, and when compressed air is injected, the air chamber expands and contracts in the longitudinal direction to generate protective force in the calf and shin.
  • the artificial muscle part 34 may be made of a cloth material coated with polyurethane.
  • the artificial muscle part 34 may have an air chamber installed on the shin and calf sides.
  • the artificial muscle part 34 helps the motion of dorsiflexion of the foot by the air chamber installed on the shin side, referring to FIGS. 7A and 7B , and referring to FIG. 7C , the bottom side by the air chamber installed on the calf side. Assists in the motion of plantarflexion.
  • the artificial muscle part 34 helps the motion of dorsiflexion of the ankle joint by injecting compressed air into the air chamber installed on the shin side in the swing phase, thereby preventing foot drop and providing sufficient foot clearance. ) can be obtained.
  • the artificial muscle part 34 helps the motion of dorsiflexion even during the initial contact, which is the point at which the foot starts to touch the ground, thereby absorbing and alleviating the impact of the foot touching the ground.
  • the air in the air chamber attached to the shin is exhausted and compressed air is injected into the air chamber attached to the calf on the back of the leg to inflate it to help the motion of plantar flexion of the ankle joint, so that the foot touches the ground. Make sure you gain momentum while driving.
  • the strength of the supporting force for supporting the shin and calf by the second ankle support member 30 may be controllable by adjusting the bending stiffness of the shin and calf support according to the strength of the air pressure injected into the air chamber.
  • the air inside the air chamber installed on the shin side may be discharged to the outside, and air may be introduced into the air chamber installed on the calf side.
  • air may be introduced into the air chamber installed on the shin side, and air inside the air chamber installed on the calf side may be discharged to the outside.
  • the second ankle support member 30 may further include a Velcro tie and a buckle.
  • Velcro tie may surround and fix the protector 32 .
  • the buckle is installed on the foot receiving part to engage the artificial muscle part 34 .
  • the lower extremity robot assisting device 100 for gait rehabilitation of the present invention may further include a carrier 40 .
  • a carrier 40 By using such a carrier as a carrier for autonomous driving, it is possible to provide compressed air while moving with the patient as they move. It will be detailed below.
  • the carrier 40 may be capable of generating compressed air and providing the generated compressed air to at least one of the knee extension member 10 and the first and second ankle support members 30 .
  • the carrier may include a compressor for generating compressed air and one or more hoses for providing the generated compressed air to at least one of the knee extension member 10 and the first and second ankle support members 30 .
  • the carrier 40 may include a handle 41 , and a camera 41a and a laser distance sensor 41b are installed on the handle 41 so that the carrier 40 is the patient's It can recognize the position and move by the self-driving unit 49 to follow the patient, thereby enabling the carrier 40 according to an embodiment of the present invention to autonomously drive.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a configuration built into the carrier 40.
  • the carrier 40 includes a pneumatic compressor 42 for generating compressed air, an air tank for storing compressed air ( 43), a pneumatic regulator 44 for controlling the strength of air pressure, a battery 45 for power supply, a signal amplifier 46 for collecting sensor signals, a signal receiver 47 and a main controller 48 are built-in. have.
  • the main controller 48 analyzes the gait cycle and pattern in real time from the signal measured by the inertia measurement module 50, which will be described later, and controls the pneumatic regulator 44 to supply compressed air with a set pressure to the actuator at an appropriate time. .
  • main controller 48 wirelessly communicates with an external desktop or laptop to monitor a walking state and to enable external control.
  • the lower extremity robot assisting device 100 for gait rehabilitation training may further include an inertia measurement module 50 .
  • the inertia measurement module 50 checks the patient's gait state and gait pattern in real time based on the angle between at least one of the thigh, shin, and instep and the ground when the patient is walking, so that the main controller 48 is The operation of at least one of the knee extension member 10 and the first and second ankle support members 30 is controlled.
  • the inertia measurement module 50 may be installed on at least one of a patient's thigh, shin, and instep.
  • the inertial measurement module 50 may be, for example, an inertial measurement unit (IMU).
  • IMU inertial measurement unit
  • the inertia measurement module 50 measures the angle ( ⁇ t , ⁇ s , ⁇ f ) formed by at least one of the thigh, shin, and instep with the ground, and then kinematics for the lower extremities Through the (Kinematics) model, the angles ( ⁇ h , ⁇ k , ⁇ a ) of the hip, knee, and ankle joints can be calculated. In addition, by taking the position of the hip joint (H) as the origin, the positions (P K , P A , P T ) of the knees, ankles, and toes can be calculated.
  • the wireless plantar pressure insole module 60 may be installed in the carrier 40 to measure in real time whether the soles of the soles are in contact with the ground.
  • the main controller 48 sets the load response stage, the intermediate stance phase, the final stance phase, the swing phase, the initial swing phase. It may be possible to judge as any one of the middle swing phase and the late swing phase, respectively.
  • the carrier 40 provides the compressed air to the knee extension member 10 in the final swing phase, the load response phase, the intermediate stance phase and the terminal stance phase, and the terminal oil
  • the compressed air may be provided to the first ankle support member 20 .
  • it can be used for real-time control of real-time control of the patient's gait state and gait pattern by using the sensing information measured and calculated in real time, and operating the pneumatic artificial muscle at a specific gait time and section.
  • it can be used for customized rehabilitation treatment by acquiring the patient's gait data and feeding back quantitative gait data and gait indicators through analysis.
  • the lower extremity robot orthosis 100 for gait rehabilitation can deliver compressed air generated from the carrier 40 to the knee extension member 10 , the first ankle support member 20 , and the second ankle support member 30 . It may further include a pneumatic hose 70 that allows
  • the pneumatic hose 70 provides compressed air inside the air tank 43 to the generated knee extension member 10, the first ankle support member 20 and the second ankle support member 30, respectively, one side It communicates with the air tank 43 , and the other side communicates with each of the knee support chamber 15 , the ankle support chamber 25 , and the artificial muscle part 34 .
  • the pneumatic hose 70 may be provided with a waist belt 71 for branching into the knee support chamber 15 , the ankle support chamber 25 and the artificial muscle part 34 , respectively.
  • the hose 70 is fixed to the patient's waist.
  • the Gait phase will be described below.
  • Fig. 12 shows that the algorithm and control power are generated in each gait phase.
  • the gait phase is largely composed of a stance phase, in which the feet are in contact with the ground, and a swing phase, in which the feet are away from the ground.
  • the seven stages that make up the stance and swing phases are: Loading Response, Mid Stance, Terminal Stance, Pre Swing, and Initial Swing. ), mid swing and terminal swing.
  • the posture of both lower extremities and the ground contact of the soles of the feet are sensed to estimate in real time which stage of the gait you belong to, and the determination criteria are as follows. .
  • the load response stage corresponds to a case in which both feet are in contact with the ground and the affected ankle joint is in front of the unaffected ankle joint.
  • the intermediate stance phase corresponds to a case in which the affected foot is in contact with the ground, the unaffected foot is away from the ground, and the affected ankle joint is anterior to the unaffected ankle joint.
  • the terminal stance phase is when the affected foot is in contact with the ground, the unaffected foot is away from the ground, and the affected ankle joint is posterior to the unaffected ankle joint.
  • the pre swing phase is when both feet are in contact with the ground and the affected ankle joint is posterior to the unaffected ankle joint.
  • the initial swing phase corresponds to a case in which the affected foot is off the ground, the unaffected foot is in contact with the ground, and the affected ankle joint is posterior to the unaffected ankle joint.
  • the middle swing phase corresponds to a case in which the affected foot is off the ground, the unaffected foot is in contact with the ground, and the affected ankle joint is anterior to the unaffected ankle joint. In addition, it corresponds to the case where the position of the knee joint is in front of the ankle.
  • the affected foot is off the ground, the unaffected foot is in contact with the ground, and the affected ankle joint is anterior to the unaffected ankle joint.
  • the position of the knee joint is at the back compared to the ankle.
  • the knee extension member 10 allows the knee joint to be extended in the late swing phase. In addition, the knee extension member 10 helps to maintain the knee in an extended state in the final stance phase in the load response step, so that it can endure by supporting the weight with the affected leg.
  • the first ankle support member 20 prepares for an impact when the foot touches the ground by reinforcing the stiffness of the ankle joint in advance in the late swing phase. In addition, it prevents excessive bending of the ankle joint in the medial and lateral directions in the final stance phase in the load response stage, and by reinforcing the medial and lateral stiffness of the ankle joint, it absorbs the shock applied to the ankle and improves gait stability. improve
  • the second ankle support member 30 helps prevent dorsiflexion of the ankle joint in the swing phase to prevent foot drop and ensure sufficient foot clearance.
  • the second ankle support member 30 helps the dorsiflexion motion in the loading response step to absorb the shock applied to the ankle and improve walking stability.
  • the second ankle support member 30 helps the plantar flexion from the mid swing phase to the pre swing phase to obtain a driving force while kicking the ground.
  • An insole for fixing the plantar pressure sensor and the artificial muscle part 34 is inserted inside the indoor shoe. After that, turn on the power of the sensor module.
  • the first ankle support member 20 is worn on the affected ankle. Also, wear slippers on both feet.
  • the shin sleeve 31 of the second ankle support member 30 is worn, and the artificial muscle part 34 is connected to the shin and calf of the second ankle support member 30 .
  • the knee extension member 10 is worn.
  • the end of the artificial muscle part 34 of the second ankle support member 30 is connected to a buckle attached to the insole.
  • the pneumatic hose is connected and wears a waist belt for branching.
  • the autonomous driving-capable carrier 40 and the waist belt are connected with a pneumatic hose bundle, and the pneumatic hose is branched and connected to each drive unit from the pneumatic hose bundle attached to the waist belt.
  • a wireless inertial measurement module 50 is attached to at least one of both thighs, shins, and insteps, and a wireless module for plantar pressure measurement is attached to indoor shoes.
  • the lower extremity robot assisting device 100 for gait rehabilitation described above is not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, but all or part of each embodiment is selectively combined so that various modifications can be made. may be configured.
  • the robot orthosis for gait rehabilitation training enables extension and flexion of the knee joint in a patient with lower extremity paraplegia, such as a patient with hemiplegia after a stroke, in accordance with the gait cycle of the patient when the patient moves, so that natural gait close to normal gait assist can be performed. Accordingly, it is possible to help the paraplegic patient's daily life and maximize the effect of rehabilitation treatment.

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Abstract

무릎에 설치 가능하도록 구비되어 유각기에서 무릎 관절을 펴지도록 하고, 입각기에서 무릎이 펴진 상태를 유지하게 하는 무릎 신장 부재를 포함하고, 상기 무릎 신장 부재는, 무릎 관절을 감싸는 무릎 슬리브 및 상기 무릎 슬리브에 연결되도록 설치되고, 유각기에서 내부에 공기가 유입되어 팽창되면 무릎 관절을 지지하여 무릎을 펴지게 하고, 입각기에서 무릎이 펴진 상태를 유지하게 하는 무릎 지지 챔버를 포함하는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기가 개시된다.

Description

보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기
본 명세서는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기에 관한 것이다.
[이 발명을 지원한 국가연구개발사업]
[과제고유번호] 1711104112
[과제번호] 2016R1A5A1938472
[부처명] 과학기술정보통신부
[과제관리(전문)기관명] 한국연구재단
[연구사업명] 이공분야기초연구사업
[연구과제명] 인간중심 소프트로봇기술 연구센터
[기여율] 1/1
[과제수행기관명] 서울대학교 산학협력단
[연구기간] 2016.11.01 ~ 2022.12.31
뇌졸중은 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 가장 중요한 사망원인이며 성인 장애의 가장 중요한 원인질환으로, 보행, 일상생활동작 및 인지 저하를 야기하고 삶의 질을 낮추어 개인적, 사회적 부담이 큰 질병이다. 의학의 발전으로 뇌졸중으로 인한 사망률이 줄어들면서 뇌신경 후유 장애를 가진 환자의 수는 증가하는 추세에 있다.
하지의 경우, 편마비로 인해 보행 시 환측 다리로 체중을 지지하는 데에 힘이 부족하여 보행 안정성이 저하되며, 땅을 차며 추진력을 얻는 힘이 부족하고, 스윙(Swing) 동작 시에 족하수(foot drop) 현상이 나타나는 경우가 발생한다.
이로 인해, 보상 동작으로 힙 하이킹(hip hiking)과 휘돌림 보행(circumduction gait)을 특징으로 하는 보행 장애가 발생한다. 양측 하지의 불균형(asymmetry)은 정상 패턴의 보행 재활 훈련을 방해할 뿐만 아니라 보행 시 체력소모 및 환자의 낙상(fall) 위험을 증가시키는 주요 원인이 된다.
현재 다양한 보조기가 편마비 환자의 재활치료 과정에서 활용되고 있다. 보행 보조를 위한 고정형 발목 보조기를 사용하여 과도한 발목의 처짐을 방지할 수 있으나, 정상적인 하지 보행 동작 중 관절의 움직임을 충분히 모사하지 못하여 보행 안정성 및 대칭성을 저하시키는 원인이 된다.
이러한 단점을 보완하기 위하여 10여 년 전부터 로봇 공학을 도입한 여러 장비들이 개발되어 왔는데, 외골격 구조의 로봇을 이용한 재활 치료 등이 임상적으로 일부 효과가 있다고 보고되고 있지만, 장비가 대부분 비싸고 부피가 크며, 단순 운동을 반복하는데 그치는 경우가 많으며, 환자의 움직임을 감지하여 개별화된 치료 프로토콜을 제공하는 데에 한계가 있는 문제가 있다.
또한, 기존 보조기 혹은 재활 기기의 경우 환자의 보행 상태를 자세히 파악할 수 있는 충분한 센싱 시스템을 포함하지 않아 환자의 보행 및 동작 특성을 정량적으로 분석하기 위해서는 별도의 측정 장비를 요구한다.
따라서, 정확한 상태 평가를 기반으로 한 피드백이 불가능하며, 정량적 방식의 재활 훈련에 어려움이 있다.
이와 같은 문제들로 인해, 뇌졸중 후 환자의 편측 하지 무릎 관절과 발목관절 근력을 보조할 수 있는 장치의 개발이 요구된다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 한국등록특허 제10-2018175호 공보
본 발명의 실시예들에서는, 일측면에서, 고정식이 아니라 환자의 이동 과정에서 적용 가능한 이동식 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들에서는, 다른 일측면에서, 환자의 보행 주기에 맞추어 뇌졸증 후 편마비 환자와 같은 하지 마비 환자에서 무릎 관절의 신전, 굴곡 등이 가능하도록 하여 정상 보행에 가까운 자연스러운 보행 보조를 수행할 수 있는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들에서는, 또 다른 일측면에서, 공기압을 제공하는 펌프를 사용하면서도 소프트한 웨어러블 (soft wearable) 장치로 구현될 수 있는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기를 제공하고자 한다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기는 무릎에 설치 가능하도록 구비되어 유각기에서 무릎 관절을 펴지도록 하고, 입각기에서 무릎이 펴진 상태를 유지하게 하는 무릎 신장 부재를 포함하고, 상기 무릎 신장 부재는, 무릎 관절을 감싸는 무릎 슬리브; 및 상기 무릎 슬리브에 연결되도록 설치되고, 유각기에서 내부에 공기가 유입되어 팽창되면 무릎 관절을 지지하여 무릎을 펴지게 하고, 입각기에서 무릎이 펴진 상태를 유지하게 하는 무릎 지지 챔버;를 포함한다.
일 실시예에 의하면, 본 발명의 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기는, 압축 공기를 생성하고, 생성된 압축 공기를 상기 무릎 신장 부재에 제공하는 캐리어를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 캐리어는 자율 주행 캐리어인 것이 바람직하다.
일 실시예에 의하면, 상기 무릎 슬리브 및 무릎 지지 챔버는 연성 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
일 실시예에 의하면, 본 발명의 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기는 발목이 내측 또는 외측으로 꺾이는 것을 방지하도록 발목에 설치되는 제1 발목 지지 부재; 및 발목이 발등 방향 또는 발바닥 방향을 향하여 굽혀지도록 정강이 및 종아리 중 적어도 하나에 설치되는 제2 발목 지지 부재; 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제1 발목 지지 부재는, 발목 관절을 감싸는 발목 슬리브; 및 상기 발목 슬리브에 연결되도록 설치되고, 내부에 공기가 유입되어 팽창되면 발목 관절을 지지하는 발목 지지 챔버;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 발목 지지 부재는, 정강이를 감싸는 정강이 슬리브; 상기 정강이 및 종아리에 각각 설치되는 보호대; 및 상기 보호대에 연결되고, 내부에 복수의 공기 챔버를 구비하는 인공 근육부;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 발목 지지 부재는, 상기 보호대를 둘러싸서 고정시키는 벨크로 타이; 및 발 수용부에 설치되어 상기 인공 근육부를 결합시키는 버클;을 더 포함할 수 있다.
상기 공기 챔버는, 상기 정강이 및 종아리 측에 각각 설치되고, 발바닥이 지면에 접촉한 상태에서 상기 정강이 측에 설치된 공기 챔버 내부의 공기가 외부로 배출되고, 상기 종아리 측에 설치된 공기 챔버 내부로 공기가 유입되고, 발바닥이 지면과 이격된 상태에서 상기 정강이 측에 설치된 공기 챔버의 내부로 공기가 유입되고, 상기 종아리 측에 설치된 공기 챔버 내부의 공기가 외부로 배출될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 본 발명의 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기는, 압축 공기를 생성하는 콤프레서 및 생성된 압축 공기를 상기 무릎 신장 부재, 상기 제1 및 제2 발목 지지 부재 중 적어도 하나에 제공하는 라인을 포함하는 캐리어를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 본 발명의 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기는, 환자의 허벅지, 정강이 및 발등 중 적어도 하나에 설치되고, 상기 환자의 보행시에, 상기 허벅지, 정강이 및 발등 중 적어도 하나와 지면이 이루는 각도에 근거하여 환자의 보행 상태 및 보행 패턴을 실시간으로 확인하여 상기 무릎 신장 부재, 상기 제1 및 제2 발목 지지 부재 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 관성 측정 모듈을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 관성 측정 모듈은, 환자의 양측 하지의 자세 및 발바닥의 지면 접촉 여부에 근거하여 부하 반응 단계, 중간 입각기, 말기 입각기, 유각기 전단계, 초기 유각기, 중간 유각기 및 말기 유각기 중에 어느 하나로 판단 가능하게 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 캐리어는, 상기 말기 유각기, 상기 부하 반응 단계, 상기 중간 입각기 및 상기 말기 입각기에서, 상기 무릎 신장 부재에 상기 압축 공기를 제공하고, 상기 말기 유각기, 상기 부하 반응 단계, 상기 말기 입각기에서, 상기 제1 발목 지지 부재에 상기 압축 공기를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들의 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기는 뇌졸증 후 편마비 환자와 같은 하지 마비 환자 등에서 환자가 이동할 때 환자 보행 주기에 맞추어 무릎 관절의 신전, 굴곡 등이 가능하도록 할 수 있다. 특히 공압의 인공근육부를 포함하고 있어, 압축 공기를 주입하였을 때 능동적인(active) 보조력을 제공 가능하여, 무릎 관절과 나아가 발목 관절의 거동을 보조 및 지지할 수 있다. 이에 따라 정상 보행에 가까운 자연스러운 보행 보조를 수행할 수 있으며, 환자의 일상 생활에 도움을 주고 재활 치료 효과를 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들의 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기는 소프트한 연성 재질로 이루어진 소프트한 웨어러블 장치로서, 가볍고, 유연하며, 착용성이 우수하고, 안전하다.
또한, 본 발명의 실시예들의 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기는 자율주행이 가능한 공압 파워 캐리어를 통해 압축공기를 제공함으로써 환자의 위치를 인식하여 이동 가능하다. 이에 따라 환자의 이동 중에 환자의 보행 주기에 따른 압축 공기 제공이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예들의 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기는 관성 측정 모듈 및 무선 족저압 인솔 모듈을 이용하여, 환자의 보행 상태 및 보행 패턴을 실시간으로 파악하고, 특정 보행 시점 및 구간에 공압 인공근육을 작동시키는 실시간 제어에 활용 가능하다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예들의 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기는 환자의 보행 데이터를 획득하고 분석을 통해 정량적 보행 데이터 및 보행 지표를 피드백 함으로써 맞춤형 재활 치료에 활용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기가 사용자에 착용된 예를 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 무릎 신장 부재의 구조를 도시한 평면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에서 무릎 신장 부재의 유각기의 초중반에 무릎 신장 부재의 동작을 도시하는 개념도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에서 무릎 신장 부재의 유각기의 후반부에 무릎 신장 부재의 동작을 도시하는 개념도이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에서 무릎 신장 부재의 입각기에 무릎 신장 부재의 동작을 도시하는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 제1 발목 지지 부재를 도시한 평면도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에서 제1 발목 지지 부재에 공기가 주입되기 전 상태를 도시하는 개념도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에서 제1 발목 지지 부재에 공기가 주입된 상태를 도시하는 개념도이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에서 제1 발목 지지 부재에 의해 발목이 내측으로 지지되는 예를 도시하는 개념도이다.
도 5d는 본 발명의 일 실시예에서 제1 발목 지지 부재에 의해 발목이 외측으로 지지되는 예를 도시하는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 인공 근육부를 도시한 평면도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에서 정강이 및 종아리 측의 공기 챔버에 공기가 유입되기 전 상태의 예를 도시하는 개념도이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에서 정강이 측의 공기 챔버에 공기가 유입된 상태의 예를 도시하는 개념도이다.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에서 종아리 측의 공기 챔버에 공기가 유입된 상태의 예를 도시하는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예의 캐리어를 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 캐리어에 내장된 구성을 도시하는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에서 관성 측정 모듈 및 인솔 모듈이 설치되는 예를 도시하는 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에서 허벅지, 정강이 및 발등이 지면과 이루는 각도, 엉덩이, 무릎, 발목관절의 각도 및 무릎, 발목, 발끝의 위치를 도시하는 개념도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에서 각 보행 단계에서의 알고리즘 및 제어력이 생성되는 것을 보여주는 표이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에서 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기의 착용 순서를 도시하는 사진이다.
[부호의 설명]
100:보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기
10:무릎 신장 부재 13:무릎 슬리브 15:무릎 지지 챔버 18:벨크로
20:제1 발목 지지 부재 21:발목 슬리브 25:발목 지지 챔버 28:벨크로
30:제2 발목 지지 부재
31:정강이 슬리브 32:보호대 34:인공 근육부
40:캐리어 41:손잡이 41a:카메라 41b:레이저 거리센서
42:공압 컴프레서 43:에어 탱크 44:공압 레귤레이터
45:배터리 46:신호 증폭기 47:신호 수신기 48:메인 컨트롤러
49:자가 구동 유닛
50:관성 측정 모듈
60:인솔 모듈
70:공압 호스 71:허리벨트
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 “유닛”, “모듈”, “컨트롤러” 등과 같이 제어 과정을 포함하는 용어는 하드웨어뿐만 아니라 해당 하드웨어에 의하여 구동되는 소프트웨어의 조합을 지칭할 수 있다. 예컨대, 하드웨어는 CPU 또는 다른 프로세서(processor)를 포함하는 데이터 처리 기기일 수 있다. 또한, 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어는 실행중인 프로세스, 객체(object), 실행파일(executable), 실행 스레드(thread of execution), 계산 프로그램(program) 등의 프로그램일 수 있다.
도 1 내지 도 7c를 참조하여 본 발명의 실시예들의 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기(100)에 대하여 서술한다.
실시예들에 따른 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기(100)는, 무릎 신장 부재(10)를 포함한다.
무릎 신장 부재(10)는 무릎에 설치 가능하도록 구비되는데, 무릎의 신전(extension) 즉, 펴진 상태를 유지하게 한다.
무릎 신장 부재(10)는, 유각기(Swing phase)에서 무릎 관절을 펴지도록 하고, 입각기(Stance phase)에서 무릎이 펴진 상태로 유지할 수 있게 도와주어 환측 다리로 체중을 지지하여 버틸 수 있게 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 무릎 신장 부재(10)는, 무릎 슬리브(13) 및 무릎 지지 챔버(15)를 포함한다.
무릎 슬리브(13)는 무릎 관절을 감싸도록 구비된다. 무릎 슬리브(13)는 소프트한 연성 재질 예컨대 신축성 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
무릎 슬리브(13)의 양 단에는 벨크로(18)가 구비될 수 있으며, 벨크로(18)에 의해 환자의 무릎 관절 부근의 주변 다리를 무릎 슬리브(13)가 감싸며 고정할 수 있게 한다. 도 2에는 무릎 슬리브(13)의 좌, 우측 단에 벨크로(18)가 각각 2개씩 설치되어 있는 예가 도시된다.
신체 사이즈를 고려하여, 벨크로(18)의 구비 위치나, 벨크로(18)가 서로 부탁되는 위치가 조정될 수 있다.
무릎 지지 챔버(15)는 무릎 슬리브(13)에 연결되도록 설치되고, 내부에 공기가 유입되어 팽창되면 무릎 관절을 지지하여 무릎을 펴지게 한다.
무릎 지지 챔버(15)도 연성 재질 예컨대 소프트한 천 재질로 제조될 수 있는데, 바람직하게는 폴리우레탄 등으로 코팅된 천 재질로 제조될 수 있다.
무릎 지지 챔버(15)의 내부에 공기가 유입되면, 무릎 지지 챔버(15)는 팽창되어 무릎 관절을 지지할 수 있게 된다. 또한, 무릎 지지 챔버(15)의 내부에 유입된 공기가 배출되면, 납작한 형상으로 변형되어 무릎 관절의 움직임에 영향을 주지 않게 된다.
무릎 지지 챔버(15)의 내부에 공기가 유입되어, 팽창된 상태에서, 무릎 지지 챔버(15)는 팽창되어 막대 형상으로 바뀌며 단단해지게 된다.
유각기의 후반부에 무릎 지지 챔버(15)를 팽창시키면, 무릎 지지 챔버(15)가 다리와 나란한 방향으로 펴지는 것(extension)을 도와주게 된다.
또한, 입각기에서, 무릎 지지 챔버(15)의 압력을 유지하여 다리가 곧게 펴진 상태를 유지할 수 있게 도와줘서, 환측 다리로 체중을 지탱할 수 있게 한다. 또한, 무릎 지지 챔버(15)는 무릎 관절의 강성을 보조함으로써, 입각기에서의 보행 안정성 향상과 부상 방지를 가능하게 한다.
무릎 신장 부재(10)의 보조력의 정도는 무릎 지지 챔버(15) 내부에 주입되는 공압의 세기에 따라 무릎 지지 챔버(15)의 굽힘 강성을 조절함으로써 제어가 가능하다.
도 3a 내지 3c를 참조하면, 유각기의 초반이나 중반에는 무릎 지지 챔버(15)에 공기가 주입되지 않으며, 유각기의 후반기에 무릎 지지 챔버(15)가 다리와 나란한 방향으로 팽창되어 입각을 보조하고, 입각기에서는 다리가 곧게 펴진 상태를 유지할 수 있게 도와주는 예가 도시된다.
본 발명의 실시예들에서는, 전술한 바와 같이 무릎 슬리브(13)와 무릎 지지 챔버(15)가 모두 소프트한 연성 재질로 구성됨으로써, 보행 주기에 따라 무릎의 신전과 굴곡의 반복 시 제약이 없도록 할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기(100)는, 제1 발목 지지 부재(20) 및 제2 발목 지지 부재(30) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 발목 지지 부재(20)는 발목이 내측 또는 외측으로 꺾이는 것을 방지하도록 발목에 설치된다.
제1 발목 지지 부재(20)는, 발목 슬리브(21) 및 발목 지지 챔버(25)를 포함할 수 있다.
발목 슬리브(21)는 발목 관절을 감싸도록 구비된다. 발목 슬리브(21)는 신축성 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
발목 슬리브(21)의 양 단에는 벨크로(28)가 구비될 수 있으며, 벨크로(28)에 의해 환자의 발목 관절을 발목 슬리브(21)가 감싸며 고정할 수 있게 한다. 도 4에는 발목 슬리브(21)의 좌, 우측 단에 벨크로(28)가 각각 1개씩 설치되어 있는 예가 도시된다.
신체 사이즈를 고려하여, 발목 슬리브(21)에서의 벨크로(28)의 구비 위치나, 벨크로(28)가 서로 부착되는 위치가 조정될 수 있다.
발목 지지 챔버(25)는 발목 슬리브(21)에 연결되도록 설치되고, 내부에 공기가 유입되어 팽창되면 발목 관절을 지지할 수 있다.
팽창된 발목 지지 챔버(25)는 강성이 증가되어 발목이 내측(inversion) 방향 또는 외측(eversion) 방향으로 과도하게 꺾이는 것을 방지할 수 있다.
제1 발목 지지 부재(20)가 설치된 환측 다리가 지면에 닿기 전에, 미리 발목 지지 챔버(25)에 공기가 유입되어 팽창됨으로써 발목의 내측 및 외측 방향의 강성이 보강될 수 있고, 환측 다리가 지면에 접촉되는 입각기 초기에 발목에 가해지는 충격을 흡수하고, 보행안정성을 향상시킨다.
또한, 제1 발목 지지 부재(20)에 의해 입각기에 발목 지지 챔버(25)의 압력을 유지하여 발목이 곧게 펴진 상태를 유지할 수 있도록 도와줘서, 환측 다리로 체중을 지탱하는 것을 돕고, 발목 꺽임으로 인한 염좌 및 낙상사고를 예방할 수 있다.
제1 발목 지지 부재(20)에 의해 발목을 지지하는 발목 지지력의 세기는 발목 지지 챔버(25) 내부에 주입하는 공압의 세기에 따라 발목 지지의 굽힘 강성을 조절함으로써 제어가 가능할 수 있다.
도 5c 및 도 5d에는 제1 발목 지지 부재(20)에 의해 발목이 내측 및 외측으로 지지되는 예가 도시된다.
발목 지지 챔버(25)는 천 재질로 제조될 수 있는데, 바람직하게는 폴리우레탄으로 코팅된 천 재질로 제조될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 발목 지지 부재(30)는 정강이 슬리브(31), 보호대(32) 및 인공 근육부(34)를 포함할 수 있다.
정강이 슬리브(31)는 정강이를 감싸도록 구비될 수 있다.
정강이 슬리브(31)의 양 단에는 벨크로가 구비될 수 있으며, 벨크로에 의해 환자의 정강이 주변을 발목 슬리브(21)가 감싸며 고정할 수 있게 한다.
보호대(32)는 정강이 및 종아리에 각각 설치될 수 있다.
보호대(32)는 정강이 슬리브(31) 위에 인공 근육부(34)의 상부를 고정하기 위해 부착될 수 있다. 보호대(32)는 단단한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 보호대(32)에는 벨크로 타이가 설치되어, 벨크로 타이가 정강이 및 종아리에 단단히 묶임으로 보호대(32)는 고정될 수 있다.
인공 근육부(34)는 보호대(32)에 연결되고, 내부에 도 6에 도시되는 바와 같이 복수의 공기 챔버를 구비할 수 있다.
공기 챔버는, 상기 정강이 및 종아리 측에 각각 설치될 수 있다.
공기 챔버는, 복수 개로 이루어질 수 있고, 다리와 나란한 방향으로 직렬로 연결될 수 있다. 공기 챔버는, 공기가 빠졌을 때는 납작한 형상을 유지하고, 압축공기를 주입하면 공기 챔버가 부풀면서 길이방향으로 수축하여 종아리와 정강이에서 보호력을 발생시킬 수 있다.
인공 근육부(34)는 폴리우레탄으로 코팅된 천 재질로 제작될 수 있다.
인공 근육부(34)는, 공기 챔버가 정강이 및 종아리 측에 설치될 수 있다. 인공 근육부(34)는, 도 7a 및 7b를 참조하면, 정강이 측에 설치된 공기 챔버에 의해 발의 배측굴곡(dorsiflexion)의 모션을 돕고, 도 7c를 참조하면, 종아리 측에 설치된 공기 챔버에 의해 저측굴곡(plantarflexion)의 모션을 돕는다.
인공 근육부(34)는, 유각기에서 정강이 측에 설치된 공기 챔버에 압축공기를 주입하여 팽창시킴으로써 발목 관절의 배측굴곡의 모션을 도와주어 족하수(foot drop)를 방지하고 충분한 발 들림(foot clearance)을 확보 가능하게 한다.
또한, 인공 근육부(34)는, 발이 지면에 닿기 시작하는 시점인 초기 접촉시에도 배측굴곡의 모션을 도와주어 발이 지면에 닿는 충격을 흡수 및 완화시키게 한다.
한편, 입각기 구간에서는 정강이에 부착된 공기 챔버 내의 공기를 배기하고, 다리 후면의 종아리에 부착된 공기 챔버 내에 압축공기를 주입함으로써 팽창하게 하여 발목 관절의 저측굴곡의 모션을 도와주어, 발이 지면을 차면서 추진력을 얻도록 한다.
제2 발목 지지 부재(30)에 의해 정강이 및 종아리를 지지하는 지지력의 세기는 공기 챔버 내부에 주입하는 공압의 세기에 따라 정강이 및 종아리 지지의 굽힘 강성을 조절함으로써 제어가 가능할 수 있다.
일례로, 발바닥이 지면에 접촉한 상태에서 상기 정강이 측에 설치된 공기 챔버 내부의 공기가 외부로 배출되고, 상기 종아리 측에 설치된 공기 챔버 내부로 공기가 유입될 수 있다.
또한, 발바닥이 지면과 이격된 상태에서 상기 정강이 측에 설치된 공기 챔버의 내부로 공기가 유입되고, 상기 종아리 측에 설치된 공기 챔버 내부의 공기가 외부로 배출될 수 있다.
상기 제2 발목 지지 부재(30)는, 벨크로 타이 및 버클을 더 포함할 수 있다.
벨크로 타이는 상기 보호대(32)를 둘러싸서 고정시킬 수 있다.
버클은 발 수용부에 설치되어 상기 인공 근육부(34)를 결합시킨다.
일부 실시예들에서, 본 발명의 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기(100)는, 캐리어(40)를 더 포함할 수 있다. 이러한 캐리어를 특히 자율 주행의 캐리어로 사용함으로써 환자의 이동 시 함께 이동 하면서 압축 공기를 제공할 수 있다. 이하 상술한다.
캐리어(40)는 압축 공기를 생성하고 생성된 압축 공기를 상기 무릎 신장 부재(10), 상기 제1 및 제2 발목 지지 부재(30) 중 적어도 하나에 제공 가능하게 할 수 있다. 이를 위하여, 캐리어는 압축 공기를 생성하는 컴프레서와 생성된 압축 공기를 상기 무릎 신장 부재(10), 상기 제1 및 제2 발목 지지 부재(30) 중 적어도 하나에 제공하기 위한 호스를 하나 이상 포함할 수 있다.
도 8을 참조하여 더 상술하면, 캐리어(40)는 손잡이(41)를 구비할 수 있는데, 손잡이(41)에는 카메라(41a) 및 레이저 거리센서(41b)가 설치되어 캐리어(40)가 환자의 위치를 인식하고 자가 구동 유닛(49)에 의해 이동하여 환자를 따라 갈수 있으며, 이로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어(40)는 자율주행이 가능하다.
또한, 도 9는 캐리어(40)에 내장된 구성을 도시하는 블록도인데, 도 9를 참조하면, 캐리어(40)에는 압축공기를 생성하는 공압 컴프레서(42), 압축공기를 저장하는 에어 탱크(43), 공압의 세기를 조절하는 공압 레귤레이터(44), 전원공급을 위한 배터리(45), 센서 신호를 수집하기 위한 신호 증폭기(46), 신호 수신기(47) 및 메인 컨트롤러(48)가 내장되어 있다.
메인 컨트롤러(48)는 후술하는 관성 측정 모듈(50)에서 측정된 신호로부터 보행주기 및 패턴을 실시간으로 분석하고, 공압 레귤레이터(44)를 제어하여 적절한 시점에 설정된 압력의 압축공기를 구동기에 공급한다.
또한, 메인 컨트롤러(48)는 외부의 데스크탑 또는 노트북과 무선 통신하여, 보행 상태를 모니터링하고, 외부 제어가 가능하도록 한다.
일 실시예에서, 또한 본 발명의 일 실시예의 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기(100)는, 관성 측정 모듈(50)을 더 포함할 수 있다.
관성 측정 모듈(50)은, 상기 환자의 보행시에, 상기 허벅지, 정강이 및 발등 중 적어도 하나와 지면이 이루는 각도에 근거하여 환자의 보행 상태 및 보행 패턴을 실시간으로 확인하여 메인 컨트롤러(48)가 상기 무릎 신장 부재(10), 상기 제1 및 제2 발목 지지 부재(30) 중 적어도 하나의 동작을 제어하도록 한다.
이를 위해, 도 10을 참조하면, 관성 측정 모듈(50)은, 환자의 허벅지, 정강이 및 발등 중 적어도 하나에 설치될 수 있다.
관성 측정 모듈(50)은, 예를 들면, 관성 측정 장치(IMU, Inertial Measurement Unit)일 수 있다.
일례로, 관성 측정 모듈(50)은, 도 11을 참조하면, 허벅지, 정강이 및 발등 중 적어도 하나가 지면과 이루는 각도(θ t,θ s,θ f)를 측정한 후, 하지에 대한 운동학적(Kinematics) 모델을 통해 엉덩이, 무릎, 발목관절의 각도(θ h,θ k,θ a)를 계산할 수 있다. 또한, 엉덩이 관절의 위치를(H) 원점으로 하여, 무릎, 발목, 발끝의 위치(P K, P A, P T)를 계산할 수 있다.
한편, 캐리어(40)에는 양 발바닥의 지면 접촉 여부를 실시간으로 측정하기 위해 무선 족저압 인솔 모듈(60)이 설치될 수도 있다.
또한, 관성 측정 모듈(50)은, 환자의 양측 하지의 자세 및 발바닥의 지면 접촉 여부에 근거하여, 메인 컨트롤러(48)가 부하 반응 단계, 중간 입각기, 말기 입각기, 유각기 전단계, 초기 유각기 중간 유각기 및 말기 유각기 중에 어느 하나로 판단 가능하게 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 캐리어(40)는, 상기 말기 유각기, 상기 부하 반응 단계, 상기 중간 입각기 및 상기 말기 입각기에서, 상기 무릎 신장 부재(10)에 상기 압축 공기를 제공하고, 상기 말기 유각기, 상기 부하 반응 단계, 상기 말기 입각기에서, 상기 제1 발목 지지 부재(20)에 상기 압축 공기를 제공할 수 있다.
이와 같이, 실시간으로 측정 및 계산된 센싱 정보를 이용하여 환자의 보행 상태 및 보행 패턴을 실시간으로 파악하고, 특정 보행 시점 및 구간에 공압 인공근육을 작동시키는 실시간 제어에 활용할 수 있다. 뿐만 아니라, 환자의 보행 데이터를 획득하고 분석을 통해 정량적 보행 데이터 및 보행 지표를 피드백 함으로써 맞춤형 재활 치료에 활용할 수 있게 된다.
또한, 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기(100)는 캐리어(40)에서 생성된 압축 공기를 무릎 신장 부재(10), 제1 발목 지지 부재(20) 및 제2 발목 지지 부재(30)로 전달 가능하게 하는 공압 호스(70)를 더 포함할 수 있다.
공압 호스(70)는, 에어 탱크(43) 내부의 압축 공기를 발생된 무릎 신장 부재(10), 제1 발목 지지 부재(20) 및 제2 발목 지지 부재(30)로 각각 제공하도록, 일 측은 에어 탱크(43)와 연통되고, 다른 일 측은 무릎 지지 챔버(15), 발목 지지 챔버(25) 및 인공 근육부(34) 각각과 연통된다.
공압 호스(70)에는 무릎 지지 챔버(15), 발목 지지 챔버(25) 및 인공 근육부(34) 각각으로 분기하기 위한 허리벨트(71)가 설치될 수 있는데, 허리벨트(71)를 통하여 공압 호스(70)는 환자의 허리에 고정된다.
본 발명의 일 실시예에서, 보행 단계(Gait phase)에 대해 이하 서술한다. 보행 단계와 관련하여 도 12에서는 각 보행 단계에서의 알고리즘 및 제어력이 생성되는 것을 보여준다.
보행 단계는 크게 발이 지면과 닿아 있는 입각기(Stance phase)와 지면에서 떨어져 있는 유각기(Swing phase)로 구성되며, 이는 다시 양측 다리의 상대적인 위치면 지면 접촉 여부로부터 총 7개의 단계로 이루어져 있다.
입각기 및 유각기를 이루는 7개의 단계는, 부하 반응(Loading Response) 단계, 중간 입각기(Mid Stance), 말기 입각기(Terminal Stance), 유각기 전단계(Pre Swing), 초기 유각기(Initial Swing), 중간 유각기(Mid Swing) 및 말기 유각기(Terminal Swing)로 나뉘어진다.
본 발명의 실시예에서 포함하는 관성 측정 모듈(50)을 이용하여 양측 하지의 자세 및 발바닥의 지면접촉 여부를 감지하여 보행 중 어느 단계에 속해 있는지 실시간으로 상태추정이 가능하며 판단 기준은 다음과 같다.
부하 반응 단계는 양발이 모두 지면에 닿아 있고, 환측 발목관절이 건측 발목관절에 비해 전면에 있을 경우에 해당한다.
중간 입각기는 환측 발은 지면에 닿아 있고, 건측 발은 지면에서 떨어져 있으며, 환측 발목 관절이 건측 발목관절에 비해 전면에 있을 경우에 해당한다.
말기 입각기는 환측 발은 지면에 닿아 있고, 건측 발은 지면에서 떨어져 있으며, 환측 발목 관절이 건측 발목관절에 비해 후면에 있을 경우에 해당한다.
유각기 전단계는 양발이 모두 지면에 닿아 있고, 환측 발목 관절이 건측 발목관절에 비해 후면에 있을 경우에 해당한다.
초기 유각기는 환측 발은 지면에서 떨어져 있고, 건측 발은 지면에 닿아 있으며, 환측 발목 관절이 건측 발목관절에 비해 후면에 있을 경우에 해당한다.
중간 유각기는 환측 발은 지면에서 떨어져 있고, 건측 발은 지면에 닿아 있으며, 환측 발목 관절이 건측 발목관절에 비해 전면에 있는 경우에 해당한다. 또한, 무릎관절의 위치가 발목에 비해 전면에 있을 경우에 해당한다.
말기 유각기는 환측 발은 지면에서 떨어져 있고, 건측 발은 지면에 닿아 있으며, 환측 발목 관절이 건측 발목관절에 비해 전면에 있는 경우에 해당한다. 또한, 무릎관절의 위치가 발목에 비해 후면에 있을 경우에 해당한다.
이하, 무릎 신장 부재(10), 제1 발목 지지 부재(20) 및 제2 발목 지지 부재(30)의 구성과 관련하여, 제어력을 생성하는 제어 방식에 대하여 서술한다.
무릎 신장 부재(10)는 말기 유각기에서 무릎 관절을 펴지도록 한다. 또한, 무릎 신장 부재(10)는 부하 반응 단계에서 말기 입각기에서 무릎이 펴진 상태로 유지할 수 있게 도와주어 환측 다리로 체중을 지지하여 버틸 수 있도록 한다.
제1 발목 지지 부재(20)는 말기 유각기에서 사전에 발목관절의 강성을 보강하여 발이 지면에 닿을 때의 충격에 대비한다. 또한, 부하 반응 단계에서 말기 입각기에서 발목 관절이 내측 및 외측 방향으로 과도하게 꺽이는 것을 막아 주고, 발목 관절의 내측 및 외측 방향 강성을 보강해 줌으로써, 발목에 가해지는 충격을 흡수하고, 보행안정성을 향상한다.
제2 발목 지지 부재(30)는 유각기에서 발목관절의 배측굴곡의 모션을 도와주어 족하수(foot drop)를 방지하고 충분한 발 들림(foot clearance)을 확보 가능하게 한다.
또한, 제2 발목 지지 부재(30)는 부하 반응(Loading Response) 단계에서 배측굴곡의 모션을 도와주어 발목에 가해지는 충격을 흡수하고, 보행안정성을 향상시킨다.
또한, 제2 발목 지지 부재(30)는 중간 유각기에서 유각기 전단계까지 저측 굴곡을 도와주어 지면을 차면서 추진력을 얻도록 한다.
이하, 도 13에 표시된 a 내지 h를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기(100)의 착용 순서에 대하여 서술한다.
실내화 내부에 족저압 센서 및 인공 근육부(34)를 고정하기 위한 인솔을 삽입한다. 그 후, 센서모듈의 전원을 켠다.
도 13a를 참조하면, 제1 발목 지지 부재(20)를 환측 발목에 착용한다. 또한, 양측 발에 실내화를 착용한다.
그 후, 도 13b 및 13c를 참조하면, 제2 발목 지지 부재(30)의 정강이 슬리브(31)를 착용하고, 제2 발목 지지 부재(30)의 정강이 및 종아리에 인공 근육부(34)가 연결된 보호대(32)를 착용하고, 벨크로 타이로 고정한다.
도 13d를 참조하면, 무릎 신장 부재(10)를 착용한다.
도 13e를 참조하면, 제2 발목 지지 부재(30)의 인공 근육부(34)의 끝단을 인솔에 부착된 버클과 연결한다.
도 13f를 참조하면, 공압호스가 연결되고 분기하기 위한 허리벨트를 착용한다.
도 13g를 참조하면, 자율주행이 가능한 캐리어(40)와 허리벨트를 공압호스 번들로 연결하고, 허리벨트에 부착한 공압호스 번들에서 각 구동 유닛에 공압호스를 분기하여 연결한다.
도 13h를 참조하면, 양측 허벅지, 정강이 및 발등 중 적어도 하나에 무선 관성 측정 모듈(50)을 부착하고, 족저압 측정을 위한 무선 모듈을 실내화에 부착한다.
이상에서 설명한 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기(100)는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 발명의 사상 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음이 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
본 발명의 실시예들의 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기는 환자가 이동할 때 환자 보행 주기에 맞추어 뇌졸증 후 편마비 환자와 같은 하지 마비 환자에서 무릎 관절의 신전, 굴곡 등이 가능하도록 하여 정상 보행에 가까운 자연스러운 보행 보조를 수행할 수 있다. 이에 따라, 하지 마비 환자의 일상 생활에 도움을 주고 재활 치료 효과를 극대화할 수 있다.

Claims (13)

  1. 무릎에 설치 가능하도록 구비되어 유각기에서 무릎 관절을 펴지도록 하고, 입각기에서 무릎이 펴진 상태를 유지하게 하는 무릎 신장 부재를 포함하고,
    상기 무릎 신장 부재는,
    무릎 관절을 감싸는 무릎 슬리브; 및
    상기 무릎 슬리브에 연결되도록 설치되고, 유각기에서 내부에 공기가 유입되어 팽창되면 무릎 관절을 지지하여 무릎을 펴지게 하고, 입각기에서 무릎이 펴진 상태를 유지하게 하는 무릎 지지 챔버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기.
  2. 제1항에 있어서,
    압축 공기를 생성하고, 생성된 압축 공기를 상기 무릎 신장 부재에 제공하는 캐리어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 캐리어는 자율 주행 캐리어인 것을 특징으로 하는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무릎 슬리브 및 무릎 지지 챔버는 연성 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기.
  5. 제1항에 있어서,
    발목이 내측 또는 외측으로 꺾이는 것을 방지하도록 발목에 설치되는 제1 발목 지지 부재; 및
    발목이 발등 방향 또는 발바닥 방향을 향하여 굽혀지도록 정강이 및 종아리 중 적어도 하나에 설치되는 제2 발목 지지 부재; 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 발목 지지 부재는,
    발목 관절을 감싸는 발목 슬리브; 및
    상기 발목 슬리브에 연결되도록 설치되고, 내부에 공기가 유입되어 팽창되면 발목 관절을 지지하는 발목 지지 챔버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 발목 지지 부재는,
    정강이를 감싸는 정강이 슬리브;
    상기 정강이 및 종아리에 각각 설치되는 보호대; 및
    상기 보호대에 연결되고, 내부에 복수의 공기 챔버를 구비하는 인공 근육부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 발목 지지 부재는,
    상기 보호대를 둘러싸서 고정시키는 벨크로 타이; 및
    발 수용부에 설치되어 상기 인공 근육부를 결합시키는 버클;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 공기 챔버는, 상기 정강이 및 종아리 측에 각각 설치되고,
    발바닥이 지면에 접촉한 상태에서 상기 정강이 측에 설치된 공기 챔버 내부의 공기가 외부로 배출되고, 상기 종아리 측에 설치된 공기 챔버 내부로 공기가 유입되고,
    발바닥이 지면과 이격된 상태에서 상기 정강이 측에 설치된 공기 챔버의 내부로 공기가 유입되고, 상기 종아리 측에 설치된 공기 챔버 내부의 공기가 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기.
  10. 제5항에 있어서,
    압축 공기를 생성하고, 생성된 압축 공기를, 상기 무릎 신장 부재, 상기 제1 및 제2 발목 지지 부재 중 적어도 하나에 제공 가능한 캐리어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기.
  11. 제10항에 있어서,
    환자의 허벅지, 정강이 및 발등 중 적어도 하나에 설치되고, 상기 환자의 보행 시에, 상기 허벅지, 정강이 및 발등 중 적어도 하나와 지면이 이루는 각도에 근거하여 환자의 보행 상태 및 보행 패턴을 실시간으로 확인하여 상기 무릎 신장 부재, 상기 제1 및 제2 발목 지지 부재 중 하나 이상의 동작을 제어하는 관성 측정 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 관성 측정 모듈은, 환자의 양측 하지의 자세 및 발바닥의 지면 접촉 여부에 근거하여 부하 반응 단계, 중간 입각기, 말기 입각기, 유각기 전단계, 초기 유각기, 중간 유각기 및 말기 유각기 중에 어느 하나로 판단 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 캐리어는,
    상기 말기 유각기, 상기 부하 반응 단계, 상기 중간 입각기 및 상기 말기 입각기에서, 상기 무릎 신장 부재에 상기 압축 공기를 제공하고,
    상기 말기 유각기, 상기 부하 반응 단계, 상기 말기 입각기에서, 상기 제1 발목 지지 부재에 상기 압축 공기를 제공하는 것을 특징으로 하는 보행 재활 훈련용 하지 로봇 보조기.
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