고정훈련과 이동훈련이 가능한 분리형 하지 재활로봇

?등록번호 : 106027280000

?등록일자 : 2016년 3월 7일

?출원번호 : 1020140110516

?출원일자 : 2014년 8월 25일

?공개번호 : 1020160024110

?공개일자 : 2016년 3월 4일

?심사청구일자 : 2014년 8월 25일

?출원인 : 주식회사 바로텍시너지

?발명자 : 구칠효

?대리인 : 특허법인 신태양

?심사 청구항 수 : 총 3항

기술 분야

본 발명은 트레드밀을 탈착할 수 있도록 구성해 트레드밀을 이용한 고정훈련과 트레드밀을 제거한 뒤에도 이동훈련이 가능하게끔 하고, 보행 훈련자를 하네스로 들어 올려 하중을 지지하는 것이 아니라, 보행훈련자의 어깨 및 골반을 받쳐주어 하중을 지지한 뒤 보행 중 정상인의 거동을 재현해 균형을 잡을 수 있도록 하는 기술을 말한다. 즉 본 발명은 체중 및 재활조건에 적합하고 용이하게 설정하여 고정훈련과 이동훈련이 가능한 분리형 하지 재활로봇에 관한 것이다.

배경기술

재활로봇은 신체의 기능 회복 및 향상을 위해 환자에게 물리적인 접촉을 하여 재활 치료를 돕는 로봇을 의미한다. 전문가들은 치료용 재활로봇이 도입된 이후, 환자의 상태에 맞춰 치료의 정도를 정량적으로 조절해 제공할 수 있고, 치료의 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있다고 평가한다. 실제로 미국 뇌졸중학회의 발표에 따르면, 치료사의 도움으로 약 60~80회 가능하던 재활동작 및 연습이, 로봇을 사용한 경우에는 약 800~1,000회까지 증가했다고 밝혀졌다. 또한, 이와 같은 로봇의 보급이 확대될 경우에는 치료사 한 사람이 여러 명의 환자를 동시에 치료할 수 있을 것으로 전망하고 있다. 

더불어 이러한 로봇은 정확한 자세로 반복이 쉬운 재현적인 운동에 효과적이며, 정량화하기 힘들었던 재활치료의 결과를 데이터로 축적해 활용함으로써 최적화된 재활치료법을 정립할 수 있게 되어 치료 효과를 더욱 높일 수 있을 것으로 기대되고 있다.

반면 완전 마비 환자의 경우가 아니라 장애가 고착화된 경우에 하지 재활로봇은 보행 운동을 통해 마비된 다리의 근육퇴화와 골밀도 약화 등의 부작용을 방지할 수 있도록 하며, 여기에 부분마비나 일반 상해로 인한 재활 환자들의 경우는 상태를 좀 더 호전시키고 회복시킬 수 있도록 돕는다.

해결하려는 과제

본 발명은 보행이 어렵고 재활을 필요로 하는 사람들의 문제 또는 제약을 해결해주려는 목적으로 창안된 발명이며, 트레드밀을 이용한 고정식 보행 훈련 및 보행에 따라 이동하는 이동식 보행훈련이 가능해 환자 상태에 적합한 다양한 재활운동 기구로 활용할 수 있다. 

과제의 해결 수단

앞서 언급된 해결하려는 과제의 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 고정 및 이동훈련이 가능한 분리형 하지 재활로봇에 보행훈련자의 하체 움직임을 감지하는 센서를 달아 하체의 균형을 잡아주도록 한다. 또한 하체에 착용되어 능동적 동작 또는 관절 부위를 회전시키는 수동적 동작을 하는 관절 액추에이터를 구비한 보행보조로봇에, 보행훈련자의 상체에 착용하는 웨어러블 슈트와 하중지지장치가 장착되도록 한다. 그 뒤 이동이 가능하도록 바퀴를 구비하게 되는데, 여기서 적어도 어느 하나의 바퀴는 액추에이터에 의해 보행훈련자의 이동에 맞춰 회전할 수 있도록 한다. 그리고 발을 디디는 면이 평평한 평판식 트레드 밀이나 경사가 진 경사식 트레드밀, 계단으로 된 계단식 트레드밀 및 울퉁불퉁한 비포장식 트레드밀 등 적어도 하나 이상의 트레이드밀이 제동을 하면 정차할 수 있는 구동바퀴로 만들어진 워커에 탈착 결합되는 구성이 특징이다.

이 워커에 결합될 때는 보행보조로봇과 하중지지장치 및 트레드밀의 구동방식을 입력부로 세팅할 수 있게 구성하여 이 세팅에 따라 제어가 가능하되, 트레드밀이 워커에 장착될 때는 워커를 정차시키고, 트레드밀이 워커에 장착되지 않았을 때는 보행보조로봇의 센서를 감지한 보행훈련자의 하체 움직임에 맞춰 워커가 보행 훈련자를 따라가도록 구동바퀴의 액추에이터를 제어하는 컨트롤러를 구성하는 것이 특징이다.

하중지지장치는 보행보조로봇 및 웨어러블 슈트에 수평바로 각각 고정돼 보행훈련자의 움직임에 의해 하중을 받는 슬라이딩체와 하중을 감지하는 힘 센서, 그리고 변위 위치를 감지하는 위치센서를 가진다. 

더불어 슬라이딩체를 상·하로 이동시키는 서보 액추에이터를 포함하고, 컨트롤러는 슬라이딩체를 이동시켜 보행훈련자의 신체에 맞게 높이를 세팅하게 한다. 또한 힘 센서로 감지한 하중으로부터 가속도, 속도 및 변위 성분을 추출하고 추출한 성분을 미리 설정된 모델에 반영해 얻은 승강력을 슬라이딩체에 가해 서브 액추에이터를 제어한다.

위의 상태가 모두 세팅된 모델은 가속도, 속도 및 높이를 변수로 하면 승강력을 산출할 수 있는 모델이며, 컨트롤러는 가속도, 속도 및 높이에 대한 Mass, Damping 및 Spring 계수를 보행훈련자의 체중 및 재활조건에 따라 조절할 수 있는 것이 특징이다.

발명의 효과

모든 것이 세팅이 된 발명품은 트레드밀 탈착이 가능하도록 결합한 뒤 워커를 정착시켜 고정식으로 사용할 수 있게 한다. 이처럼 트레드밀을 분리한 상태에서 워커의 구동바퀴를 이동식으로 사용할 수 있으면 하나의 장치로 환자의 상황에 따라 적합한 운동을 다양하게 제공할 수 있다.

본 발명은 상체 및 골반을 후방에서 받쳐주어 지지하고, 액추에이터로 지지력을 구성하여, 전체적으로 부피, 중량 및 높이를 줄여 사용하기 때문에 활용과 보관이 간편하다. 또한 고정식으로 사용할 때는 설치 공간의 제약을 받지 않고, 이동식으로 사용할 때에는 공간의 제약을 받지 않으면서 환자의 이동에 맞춰 이동할 수 있도록 만들어졌다. 

더불어, 본 발명은 하중으로부터 가속도, 속도 및 변위를 추출해 환자가 보행할 때 나타나는 상·하 움직임을 세부적으로 추적해 활용함으로써, 실제 걸음걸이처럼 재활운동을 재현할 수 있으며, 환자의 체중과 재활조건에 따라 튜닝변수를 조절해 최적의 하중지지 분산 케어가 가능하다.

*본 내용은 지면상의 이유로 재편집되었습니다.

특허정보검색서비스 www.kipris.or.kr

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 고정훈련과 이동훈련이 가능한 분리형 하지 재활로봇