KR101471856B1 - 능동형 보행보조장치 - Google Patents

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KR101471856B1
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표상훈
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경상대학교산학협력단
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Abstract

능동형 보행보조장치가 개시된다. 개시된 보행보조장치는 상단에 손잡이가 구비되고 하단에 캐스터부를 통해 바퀴가 회전 가능하게 설치되는 몸체부; 상기 손잡이에 설치되어 사용자가 전가하는 힘을 통해 사용자가 의도하는 보행속도 및 보행방향을 감지하기 위한 F/T(Force/Torque) 센서; 상기 사용자의 몸의 기울기 및 흔들림을 감지하도록 사용자의 몸에 착용되는 무선단말기; 상기 바퀴를 구동하기 위해 상기 캐스터부에 설치되는 제1 구동모터; 상기 몸체부의 캐스터부에 설치되어 상기 몸체부를 상기 몸체부의 축방향을 중심으로 회전 구동시키기 위한 제2 구동모터; 상기 몸체부의 길이방향을 따라 상기 몸체부 상단에 배치되는 제3 구동모터; 및 상기 F/T 센서 및 무선단말기로부터 각각 신호를 수신하여 미리 저장된 프로그램을 통해 상기 제1 구동모터를 제어하여 상기 바퀴의 구동을 제어하고, 상기 제1 내지 제3 구동모터 중 적어도 2개를 제어하여 사용자에게 햅틱 피드백 신호를 제공하는 제어부;를 포함한다.

Description

능동형 보행보조장치{ACTIVE TYPE STEP ASSISTANCE APPARATUS}
본 발명은 능동형 보행보조장치에 관한 것으로, 특히 감각기관의 손실 혹은 퇴화로 인해 발생되는 노인 및 신경계 질환 환자의 손실된 감각기관을 대신하여 햅틱 정보를 추가로 제공함으로써 보행자의 균형 안정성 증대를 통한 재활 및 낙상방지 효과를 극대화할 수 있는 모바일 기반 능동형 보행 보조 장치에 관한 것이다.
인간의 보행은 능력은 일상생활을 유지하기 위해 필요 불가결한 요소 중의 하나이지만 보행 능력의 손실은 낙상에 대한 두려움, 보행 행위 자체에 대한 자신감 상실로 이어져 사회활동 및 자신감 위축 등의 영향을 가져온다. 특히, 미국 80세 이상 노인의 40%이상이 보행 능력의 손실을 경험하는 것으로 조사되어 있으며 보행 능력의 손실을 야기하는 주요 요인으로써는 낙상에 의한 신체 손상, 뇌졸중, 골관절염, 신경성 질환, 퇴행성 뇌질환 및 뇌손상 등이 있다.
정상적인 보행을 위해선 역동적인 각관절의 가속력 변화에 저항하여 바로 세운 자세를 유지할 수 있는 균형 감각이 요구되며 균형감각 및 감각운동 기능들의 손실로 인하여 정상 보행을 수행할 수 없는 뇌질환 환자들은 이러한 손상을 회복시키거나 보상하여 스스로 적극적인 보행 재활을 할 수 있도록 하는 것이 중요하다. 또한 정상적인 보행패턴을 위해서는 근력과 관절 등의 근골격계와 감각 신경계의 조화로운 연동을 통한 리듬감 있는 보행 동작이 요구된다.
전통적인 뇌과학 분야의 연구에 의하면, 근골격계의 기능이 부분적인 소실이 있더라도 시각, 전정, 체 감각신경계에 의해 얻어진 외부정보 자체가 정적 및 동적 상태의 몸의 균형능력(postural stability)을 향상시켜 노인 및 마비 환자의 낙상 방지 및 보행 재활에 큰 효과가 있는 것으로 보고되고 있다. 이러한 연구의 일례로 손가락을 정지된 표면에 접촉(Light Touch, LT)만 하는 것(접촉 힘 1N이하)에 의해 얻어지는 햅틱 정보를 이용하여 몸의 균형이 안정화 되는 것을 발견하였다. 이는 안정된 표면에 손가락의 접촉이 몸의 공간 위치 및 방향을 검출하기 위한 기준좌표계(reference frame) 정보를 중추 신경계에 제공하여 자세 제어를 위한 근육 활성화를 예측할 수 있도록 한다고 해석된다. 또한, 정지 혹은 이동 환경에 상관없이 가벼운 접촉 혹은 가벼운 그립(grip)을 통해서 무게중심이 불안정해지는 방향으로 햅틱 정보를 사용자에게 제공할 경우 몸의 균형 능력이 향상되는 것을 확인하였다.
지면에서의 부분적인 보행이 가능한 노인/경증장애인(예를 들면, 만성 뇌졸중환자)은 마비된 하지의 약화된 근력으로 보행의 비대칭성이 있고 마비 하지의 감소된 체감각 신경으로 인해 지면정보에 대한 고유수용감각이 정상인 보다 떨어져 낙상의 위험이 크다.
이러한 낙상을 방지하기 위해 노인/경증장애인은 보행 시 지팡이 또는 보행기를 사용하고 있다.
도 1을 참조하면, 지팡이(1)는 보행자 체중의 25% 정도를 지탱하여 평행 유지를 위한 도움을 주도록 고안되었다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같은 보행기(3)는 가장 안정적인 보행기로 지지면적을 최대로 넓힌 개념이지만 이동성이 떨어져 도 3과 같이 바퀴(5a)를 구비한 보행기(5)가 추가로 제공되고 있으며 이러한 바퀴형 보행기(5)는 평형유지에는 도움을 주지만 체중지지효과는 없다.
따라서, 도 1에 도시된 지팡이(1)는 최소한의 균형기능만을 제공하고, 도 2 및 도 3에 도시된 보행기(3,5)는 지팡이에 비해 균형 및 지지기능이 증대된다.
이와 같은 전통적인 보행보조장치를 적절히 사용하면 경증 환자에게 체중부하 능력을 증대하여 균형 능력을 향상시켜 뇌졸중환자 및 뇌졸중 환자의 보행능력을 상승시킬 수 있고, 직접적인 물리적 지지대를 이용함으로 사용자로 하여금 심리적 안정감도 제공할 수 있다.
그런데, 뇌졸중 환자의 보행 재활을 위한 관점에서의 상기 전통적인 보행보조장치의 문제점은 환자가 보행조보장치를 지나치게 의존하게 됨으로써 낙상 및 근골격계 통증을 유발하는 문제가 있다. 또한, 불편한 하지의 무게 지지를 상지가 대신하고 있으므로, 장기적인 관점에선 하지의 기능 축소와 환자의 보행 패턴의 변화를 심화시키게 된다.
따라서 보행 동작에서 신체의 균형을 유지할 수 있도록 하면서 하지의 사용을 강제할 수 있는 보행기가 필요하다.
이를 위해, 최근에 국/내외에서 모터 제어에 의한 브레이크 기능을 추가와 핸들에 부착된 힘 센서를 이용하여 보행자의 조작성을 증대시키도록 설계된 개발된 로봇형 보행기도 제안되었다.
하지만, 개량된 로봇형 보행기 또한 보행기 자체의 근본적인 문제점인 보행 동안 팔 움직임 제한, 보행 중 자세 굽힘이 나타나며 단순하게 이동성만 증대시키는 목적에 초점을 맞추고 있고 정상 보행을 위한 재활/ 훈련 간 낙상 방지에 필요한 기능을 제공하는 연구는 아직까지 제시되지 않고 있다.
한편, 단순 보행기 타입과 달리 도 4a 내지 도 4c와 같이 로봇을 이용한 보행보조장치의 경우, 트레드밀(treadmill)을 이용하여 치료를 주목적으로 하는 연구와 외골격 로봇을 이용한 이동성에 초점을 맞춘 연구로 크게 구분할 수 있다.
도 4a와 같이 대표적인 트레드밀 이용 장치인 보호보행장치(11)(Lokomat™)는 실내 보행 재활 훈련을 위해 트레드밀과 외골격형 로봇, 무게지지대의 조합으로 환자의 보행훈련을 반복적으로 수행하는 방식을 채용하고 있다. 이러한 장치는 훈련중에 안전을 보장하지만 골반 및 무릎운동의 제한된 운동만을 제공하고 환자 스스로 균형감각 지각에 의한 보행 훈련을 수행하지 못하므로 훈련성과가 실제 지면에서 적응력이 떨어지는 단점이 있다.
이를 개선할 목적으로 도 4b에 도시된 보행보조장치(13)(KineAssist™)가 제시된 바 있으나 이 장치 역시 여전히 시스템이 복잡하고 고가이며, 물리치료사의 접근이 어렵고 실외에서의 사용 가능성이 작은 단점들이 있다.
이와 다른 접근 방법으로, 도 4c에 도시된 외골격장치인 보행보조장치(15)가 제시된 바 있다. 이는 보행 시 사용자(환자)에게 필요로 하는 토크를 능동적으로 보상해준다. 이러한 종래의 외골격장치는 이동성이 보장되기는 하지만 무거운 외골격장치를 사용자(환자)에게 착용하여 각 관절이 환자의 무게를 지탱하기 위해서는 구동기의 파워 용량이 커져야 하는 단점이 있다.
그리고 위의 두 가지 타입 장치들은 지면에서의 보행에서 겪게 되는 근골격계, 감각기관, 신경계의 자율적인 통합에 의한 보행 운동 경험이 배제되기 때문에 비용대비 재활 효율성이 높지 못하여 실제 임상에 적용되지 못하고 있는 실정이다.
한편 최근 뇌과학 연구에 의하면, 사용자가 안정화된 면에 접촉만 하고 있을 경우라도 균형 안정성이 증대된다는 가벼운 접촉(Light Touch, LT)에 관련된 연구가 관심을 모으고 있다. 또한, 손가락뿐만 아니라 막대기(stick)를 가볍게 잡은 손 (Light Grip, LG)에 무게중심의 불안정한 방향으로 햅틱 정보가 제공될 경우 고정된 지면이나 동적 지면에 상관없이 몸의 균형 능력이 향상 되는 것을 실험적으로 확인하였고 보행 등의 이동시에도 햅틱을 통한 균형 안정화의 적용 가능성을 제시하였다. 특히, 가벼운 접촉으로 보행하였을 경우에 마비된 하지의 착지기(stance phase) 기간이 늘어났고, 착지기 동안 마비 하지 근육이 크게 활성화 된 것을 확인함으로써 가벼운 접촉은 보행 안정성 및 재활 훈련효과를 동시에 달성할 수 있는 방법이 될 수 있다.
로봇 시스템이나 보행기와는 다른 개념인 햅틱 기술을 적용한 의미 있는 임상 결과가 나온 발명품에는 미시간대학에서 스마트폰(iPhone)의 가속도 센서 및 상용화된 소프트웨어('tactor bud')를 이용한 시스템(Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation "Cell phone based balance trainer", 공개일: 2012.02.08)과 하버드대학의 착지기 동안 보행에 동기화된 진동 자극을 주기 위한 진동모터를 삽입한 신발(Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation "Effect of step-synchronized vibration stimulation of soles on gait in Parkinson's disease: a pilot study", 공개일: 2006.05.04)이 있다. 하지만 이들은 보행 자체에 대한 보조 및 보행 안정을 위한 햅틱 정보를 제공하지는 않고 진동촉각정보(vibrotactile) 만을 제공하고 있어 햅틱의 정확한 방향 및 크기 정보를 사용자에게 제공할 수 없으므로 바이오피드백 효과가 미미하다. 또한, 균형과 힘 지지를 동시에 제공할 수 있도록 햅틱 정보와 기존 보행 보조 장치를 능동적으로 연계할 수 있는 장치 개발은 미비한 실정이다.
이상 기존 연구의 문제점을 요약하면 다음과 같다.
첫째, 전통적인 보행 보조기는 불편한 다리의 사용 활성화를 감소시키면서 상지에 과도한 부담을 부과하여 보행의 비대칭성을 야기하는 단점을 가진다.
둘째, 기존 로봇 보행보조장치(Robot-assisted gait orthosis)는 전통적인 보행 재활과 비교하여 보행재활 효과가 떨어진다.
셋째, 로봇형 보행보조기(Robotic walking aids)는 대부분 실외에서의 이동정보 제공 및 안내 기능을 주로 제공하며 방향성 있는 햅틱피드백을 통해 보행의 안정성 및 보행의 대칭성을 증대시키기 위한 장치가 제시되고 있지 않다.
본 발명은 감각기관의 손실 혹은 퇴화로 인해 발생되는 노인 및 신경계 질환 환자의 손실된 감각기관을 대신하여 햅틱 정보를 추가로 제공함으로써 보행자의 균형 안정성 증대를 통한 재활 및 낙상방지 효과를 극대화할 수 있는 모바일 기반 능동형 보행 보조 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 상단에 손잡이가 구비되고 하단에 캐스터부를 통해 바퀴가 회전 가능하게 설치되는 몸체부; 상기 손잡이에 설치되어 사용자가 전가하는 힘을 통해 사용자가 의도하는 보행속도 및 보행방향을 감지하기 위한 F/T(Force/Torque) 센서; 상기 사용자의 몸의 기울기 및 흔들림을 감지하도록 사용자의 몸에 착용되는 무선단말기; 상기 바퀴를 구동하기 위해 상기 캐스터부에 설치되는 제1 구동모터; 상기 몸체부의 캐스터부에 설치되어 상기 몸체부를 상기 몸체부의 축방향을 중심으로 회전 구동시키기 위한 제2 구동모터; 상기 몸체부의 길이방향을 따라 상기 몸체부 상단에 배치되는 제3 구동모터; 및 상기 F/T 센서 및 무선단말기로부터 각각 신호를 수신하여 미리 저장된 프로그램을 통해 상기 제1 구동모터를 제어하여 상기 바퀴의 구동을 제어하고, 상기 제1 내지 제3 구동모터 중 적어도 2개를 제어하여 사용자에게 햅틱 피드백 신호를 제공하는 제어부;를 포함하는 능동형 보행보조장치를 제공한다.
본 발명은 상기 캐스터부에 설치되어 상기 바퀴의 구동을 제동하는 제동부를 더 포함할 수 있으며, 상기 제동부는 상기 제어부 의해 제어될 수 있다.
상기 제어부는 사용자에게 햅틱 피드백 신호를 생성하기 위해 제2 및 제3 구동모터를 제어할 수 있다.
상기 무선단말기는 가속도 센서 및 자이로 센서를 구비한 스마트폰인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 사용자의 보행 전진 속도 및 방향전환 속도를 실시간으로 측정하기 위해 상기 캐스터부에 설치되는 엔코더를 더 포함할 수 있으며, 상기 엔코더는 실시간으로 측정되는 보행 전진 속도 신호 및 방향전환 속도 신호를 상기 제어부로 전송할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 있어서는, 신경계질환 환자가 보행하는 동안 환자의 마비된 다리에 무게지지를 추가로 유도하여 마비 근육의 활성화에 도움을 줄 수 있다.
또한, 본 발명은 보행하는 동안 균형 안정성의 제공 및 자연스런 보행을 유도하면서 동시에 이동성이 높은 장점을 이용하여 노인들의 지팡이를 대체할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 퇴해성 뇌질환 환자인 파키슨 환자(Parkion's Disease)의 경우 보행동결(freezing of gait) 현상으로 낙상의 위험이 크게 증가하는데, 이에 대해 환자가 보행하는 동안 주기적으로 촉감을 환자에게 제공함으로 낙상방지를 효과적으로 수행할 수 있다.
도 1은 종래의 전통적인 지팡이를 나타내는 도면이다.
도 2은 종래의 보행기를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 보행기를 일부 개선한 종래의 보행기를 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 로봇을 이용한 종래의 각종 보행보조장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 보행보조장치를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 보행보조장치를 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 보행보조장치의 사용상태를 나타내는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 들에 대하여 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예 들은 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 보행보조장치의 구성을 개괄적으로 설명한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 보행보조장치(100)는 몸체부(110), 캐스터부(112), 바퀴(113), 제1 내지 제3 구동모터(131,132,133), F/T(Force/Torque) 센서(150), 무선단말기(170) 및 제어부(190)를 포함한다.
몸체부(110)는 대략 지팡이 형상과 같이 소정 굵기 및 길이를 갖도록 형성되며, 재질은 무게와 강성을 고려하여 목재, 경금속, 합성수지 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 몸체부(110)는 상단에 사용자가 파지할 수 있는 손잡이(111)가 연장형성되며, 하단에는 몸체부(110)의 축방향을 기준으로 360°회전할 수 있는 캐스터부(112)가 설치된다. 이 경우 캐스터부(112)는 몸체부(110)와의 사이에 제2 구동모터(132)에 의해 회전한다. 특히, 상기 제2 구동모터(132)는 몸체부(110)를 회전시켜 사용자가 보조보행장치(100)를 적절한 방향으로 제어할 수 있도록 사용자에게 햅틱 정보를 제공할 수 있다.
또한, 캐스터부(112)는 바퀴(113)의 양측을 회전 가능하게 지지하기 위한 지지대(112a)가 설치된다. 이 경우 지지대(112a)는 상기 바퀴(113)를 회전구동하기 위한 제1 구동모터(131)가 설치된다.
이 경우 제1 구동모터(131)는 무게중심의 불균형 방향에 대한 빠른 응답성과 정교한 힘 생성을 위한 소형의 능동모터로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 제1 구동모터(131)는 상술한 제2 구동모터(132)와 마찬가지로 햅틱 정보를 사용자에게 제공할 수 있도록 가벼운 그립(Light Grip)의 역감(kinesthetic) 힘(2~3N 이내의 미소한 힘)을 발생할 수 있다.
바퀴(113)는 제1 구동모터(131)에 의해 몸체부(110)의 축방향에 대략 직각방향을 중심으로 회전 구동한다.
또한, 캐스터부(112)의 지지대(112a)에는 제2 구동모터(132)를 제동하기 위한 제동부(135)가 설치된다.
상기 제동부(135)는 예들 들어, MR 브레이크(Magneto-Rheological fluid Brake: Load Corp., MRB-2107-3, Maximum on-state Torque: 5.6[Nm])로 이루어질 수 있다. 아울러 MR 브레이크는 소형이므로 보행보조장치(100)의 전체 무게에 크게 영향을 주지 않아 사용자의 보행보조장치(100) 조작이 용이하게 이루어질 수 있다.
따라서, 사용자의 안정성을 보장하기 위한 저항력 발생을 위해 능동식 브레이크인 제동부(135)와 상기 제2 구동모터(132)를 조합하여 사용함에 따라, 마비증상이 심한 환자에게 전통적인 지팡이와 같은 안전성을 제공하기 위하여 제동부(135)로 바퀴(113)의 회전을 정지하여 환자의 안정성을 제공할 수 있고, 가벼운 그립(Light Grip)의 역감(kinesthetic) 힘을 제공할 수 있다. 이와 같이, 보행보조장치(100)는 제동부(135)와 제2 구동부(132)를 통해 사용자에게 보행 안정성 방향에 대한 햅틱 정보를 제공할 수 있다.
F/T 센서(150)는 보행에 관련하여 보조보행장치(100)를 조정하고자 하는 사용자의 의도(보행속도 및 보행방향)를 파악하기 위한 것으로, 손잡이(111)에 설치된다. 상기 F/T 센서(150)는 나노 타입의 F/T 센서로서, 햅틱 피드백 제어를 위해 정확한 힘 정보 값을 제어부(190)로 전달한다.
이와 같은 F/T 센서(150)는 정확한 햅틱 피드백 생성은 물론이고, 사용자평가 및 재활적용을 위해 사용될 수 있다.
제3 구동모터(133)는 몸체부(110)와 손잡이(111) 사이에서 몸체부(110)의 축방향을 따라 설치된다. 이러한 제3 구동모터(133)는 제1 및 제2 구동모터(131,132)와 함께 사용자에게 햅틱 정보를 제공한다.
즉, 상술한 제1 및 제3 구동모터(131,132,133)(특히, 본 실시예에서 제2 및 제3 구동모터(132,133)는 전적으로 햅틱 정보를 제공하기 위해 사용될 수 있다)는 축방향 및 바퀴에 각각 햅틱 피드백을 위한 것으로 사용자에게 즉각적으로 피동적이 아닌 능동적인 햅틱 정보를 제공함으로써, 사용자가 보행 시 안정적인 자세를 유지하는데 큰 도움을 줄 수 있다.
상기 제1 구동모터(131)는 전진 방향, 제2 구동모터(132)는 회전방향, 제3 구동모터(133)는 축 방향의 힘을 느낄 수 있도록 하며, 이들을 통해 실린더 좌표 운동(r,θ,h)이 가능하다. 따라서, 사용자는 보조보행장치(100)를 통해 자연스럽게 전진 보행 및 회전 보행도 가능토록 하면서 회전에 대한 피드백을 제공할 수 있다.
한편, 캐스터부(112)에는 보행 전진 속도 및 방향전환(또는 회전(turning)) 속도를 실시간으로 측정하기 위한 엔코더(160)가 구비될 수 있다. 이 경우 엔코더(160)는 실시간으로 측정되는 보행 전진 속도 신호 및 방향전환(또는 회전) 속도 신호를 제어부(190)로 전송하도록 제어부(190)와 전기적으로 연결된다.
무선단말기(170)는 사용자의 상태(예를 들면, 보행 중인 사용자 몸의 기울기나 흔들림 등)을 감지하여 무선통신부(191)를 통해 제어부(190)로 무선(블루투스, Wi-Fi 등) 전송하는 것으로, 통상의 스마트폰을 적용할 수 있다.
이와 같은 무선단말기(170)는 사용자의 불균형 정도를 파악하기 위한 가속도센서(bi-axial accelerometer) 및 몸체의 회전 가속도를 파악하기 위한 자이로 센서를 포함하고 있으며, 사용자의 무게중심에 가장 가까운 부분 예를 들면, 사용자의 골반(Pelvis) 정도의 위치에 착용하는 것이 바람직하다.
이러한 무선단말기(170)의 착용위치는 신경계 질환 환자 및 노인의 균형 능력은 무게중심의 가속도 크기(Root Mean Square)에 비례하고 특히, 낙상의 경우 내외측 방향의 불안정성이 낙상의 위험도와 비례한다는 연구결과를 토대로 한 것으로, 사용자의 전진 방향 및 내외측 방향의 균형 불안정성을 정확하게 측정하기 위함이다.
더욱이 무선단말기(170)는 가속도센서의 피크(peak) 값을 이용한 무게중심의 가속도 크기(RMS)를 측정하여 신체의 불안정성 방향 및 크기를 예측할 수 있다. 또한 가속도센서의 피크 값을 이용하여 분속수(cadence), 회전기시간(swing time), 착지기시간(stance time), 두발 착지기시간(double stance time) 등의 다양한 시공간 보행변수의 변동률(variability)을 측정하여 보행의 불안정 정도를 측정하는 애플리케이션이 설치될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 무선단말기(170)를 통해 관성센서(가속도센서, 자이로센서)를 통한 보폭수(cadence), 보행속도, 보행시간(step time, swing time)등 보행변수(spatio-temporal gait parameter) 측정을 통해 환자의 보행 상태를 파악할 수 있으며, 사용자의 이동성을 제한하지 않고 몸에 추가적인 장치를 부착함이 없이도 사용자의 상황에 맞게 적절한 제어를 수행할 수 있다.
제어부(190)는 F/T센서(150)에서 감지된 신호(사용자의 의도를 파악하기 위한 신호)와 무선단말기(170)에서 감지된 신호(사용자의 상태를 파악하기 위한 신호)를 수신하여, 미리 저장된 프로그램을 통해 상기 신호들을 분석하여 제1 내지 제3 구동모터(131,132,133) 및 제동부(135)를 제어한다.
상기 제어부(190)는 F/T 센서(150)를 통해 사용자의 의도를 판단할 수 있는 신호를 수신하여 제1 구동부(131)를 통해 바퀴를 구동시켜 전진 보행이 가능하도록 한다.
한편, 제어부(190)는 무선단말기(170)로부터 사용자(환자)의 보행상태 및 몸의 균형 센서 값을 수신하여 임피던스 제어를 통해 제2 및 제3 구동모터(132,133)를 제어함으로써, 지팡이(110)의 지지 정도를 조절하는 등 햅틱 피드백 제어를 행한다.
상기에서는 제어부(190)가 F/T 센서(150) 및 무선단말기(170)로부터 수신된 신호에 응답하여 각각 제1 내지 제3 구동모터(131,132,133)를 제어하였으나, 이에 제한되지 않고, F/T 센서(150) 및 무선단말기(170)로부터 수신된 신호를 취합하여 미리 저장된 프로그램을 통해 제1 내지 제3 구동부(131,132,133) 또는 제2 및 제3 구동부(132,133) 만을 구동시켜 사용자에게 실시간으로 햅틱 피드백 정보를 전달할 수 있다.
이 경우 보조보행장치(100)는 사용자가 보행 중 손잡이(111)를 통하여 가벼운 그립 형태의 햅틱 정보를 실시간으로 제공할 수 있다. 즉, 보행하는 동안 사용자(환자)의 무게중심이 불안정해지는 반대 방향으로 저항(resistance) 형태의 햅틱 정보를 제공하면서 동시에, 간단한 구조를 통하여 환자가 종래기술과 같이 무거운 구동장치 또는 복잡한 로봇 장비를 착용하지 않고도 보행의 대칭성과 안정성을 제공할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 능동형 보행보조장치(100)는 환자의 상태 및 재활 모드에 따라 제동 기능을 조절할 수 있으므로, 환자의 안정성을 보장하면서 손잡이(111)에 햅틱 힘을 제공하여 환자가 보행하는 동안 균형 안정성 증대 및 자연스런 대칭 보행을 유도할 수 있도록 한다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 능동형 보행보조장치(100)는 보행 시 직진(도 7의 (a) 참조), 방향 전환(도 7의 (b) 참조) 및 경사진 곳을 오르는 경우(도 7의 (c) 참조)에 손잡이(111)를 통해 다양한 종류의 햅틱 피드백 정보를 사용자에게 제공할 수 있다.
한편, 보행보조장치(100)는 안전바(200)를 몸체부(110)의 대략 중간에 설치할 수 있다. 상기 안전바(200)는 몸체부(110)를 소정 각도로 기울일 경우 안전바(170)의 하단이 지면에 안착됨에 따라 몸체부(110)가 낙하를 방지하고 안전하게 지면에 세울 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 있어서는, 간단한 구조로 이루어지면서 가벼운 접촉과 같은 햅틱 정보를 이용한 정적 및 동적 자세 안정 개념을 보행 재활과 낙상 방지를 동시에 수행할 수 있으므로, 환자 스스로 하지의 무게지지 및 몸의 균형 능력을 향상시킬 수 있도록 유도할 수 있다. 이에 따라 종래기술에 따른 보행 재활 및 낙상 방지를 위한 장치가 가지는 복잡한 메카니즘을 대신하는 새로운 접근 방법을 제시할 수 있다.
이와 같은 본 발명은 신경계질환 환자가 보행하는 동안 환자의 마비된 다리에 무게지지를 추가로 유도하여 마비 근육의 활성화에 도움을 줄 수 있으며, 보행하는 동안 균형 안정성의 제공 및 자연스런 보행을 유도하면서 동시에 이동성이 높은 장점을 이용하여 노인들의 지팡이를 대체할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 퇴해성 뇌질환 환자인 파키슨 환자(Parkion's Disease)의 경우 보행동결(freezing of gait) 현상으로 낙상의 위험이 크게 증가하는데, 이에 대해 환자가 보행하는 동안 주기적으로 촉감을 환자에게 제공함으로 낙상방지를 효과적으로 수행할 수 있다.
또한, 최근 높은 보급률을 보이는 스마트폰(smart phone)의 센서 기능을 활용할 경우 사용자의 이동성 및 운동을 제한하지 않으면서 자연스럽게 사용자의 움직임을 실시간으로 감지할 수 있게 된다. 이러한 스마트폰의 정보를 활용할 경우 효과적으로 사용자 균형 감지를 통한 햅틱 피드백을 제공할 수 있게 되어, 실제적인 적용성을 대폭 증대시킬 수 있어 마비증상 극복을 위한 재활 훈련에서 약화된 근골격계의 기능을 햅틱으로 보완하여 일상생활에서의 능동형 낙상 방지 기능을 효과적으로 수행할 수 있다. 이와 같이, 감각기관의 손실 혹은 퇴화로 인해 발생되는 노인 및 신경계 질환 환자의 손실된 감각기관을 대신하여 햅틱 정보를 추가로 제공하여 보행자의 균형 안정성 증대를 통한 재활 및 낙상방지 효과를 극대화할 수 있다.
한편, 본 발명은 환자가 보행하는 동안 능동의 햅틱 정보를 자연스럽게 환자에게 제공할 수 있으므로, 이러한 동적 움직임에 대한 햅틱 정보가 환자(보행자)에게 주는 효과를 신경과학자들이 다양한 각도로 연구할 수 있는 연구 플랫폼을 제공할 수 있다. 나아가 환자가 보행하는 동안 자연스럽게 햅틱 정보를 제공함으로 트레드밀 연동 크로스컨트리스키(cross country ski)등의 가상현실 입력 장치에 적용하는 것도 물론 가능하다.
아울러 시스템의 부분 기술인 햅틱을 이용한 균형 안정화 기술은 최근 로봇 분야에서 큰 관심이 있는 착용형 외골격 장치의 제어를 위한 기초 기술로 사용될 수도 있으며, 모바일 장치에 적용되어 보행자의 균형 안정화 기술을 제공하는 기술로 활용될 수 있음은 물론이다.
이상에서는 본 고안을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 고안은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 고안의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
110: 몸체부 111: 손잡이
112: 캐스터부 112a: 지지대
113: 바퀴 131-133: 제1 내지 제 3 구동모터
135: 제동부 150: F/T 센서
160: 엔코더 170: 무선단말기
190: 제어부

Claims (5)

  1. 상단에 손잡이가 구비되고 하단에 캐스터부를 통해 바퀴가 회전 가능하게 설치되는 몸체부;
    상기 손잡이에 설치되어 사용자가 전가하는 힘을 통해 사용자가 의도하는 보행속도 및 보행방향을 감지하기 위한 F/T(Force/Torque) 센서;
    상기 사용자의 몸의 기울기 및 흔들림을 감지하도록 사용자의 몸에 착용되는 무선단말기;
    상기 바퀴를 구동하기 위해 상기 캐스터부에 설치되는 제1 구동모터;
    상기 몸체부의 캐스터부에 설치되어 상기 몸체부를 상기 몸체부의 축방향을 중심으로 회전 구동시키기 위한 제2 구동모터;
    상기 몸체부의 길이방향을 따라 상기 몸체부 상단에 배치되는 제3 구동모터; 및
    상기 F/T 센서 및 무선단말기로부터 각각 신호를 수신하여 미리 저장된 프로그램을 통해 상기 제1 구동모터를 제어하여 상기 바퀴의 구동을 제어하고, 상기 제1 내지 제3 구동모터 중 적어도 2개를 제어하여 사용자에게 햅틱 피드백 신호를 제공하는 제어부;를 포함하는 능동형 보행보조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐스터부에 설치되어 상기 바퀴의 구동을 제동하는 제동부를 더 포함하며, 상기 제동부는 상기 제어부 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 능동형 보행보조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 사용자에게 햅틱 피드백 신호를 생성하기 위해 제2 및 제3 구동모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 능동형 보행보조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무선단말기는 가속도 센서 및 자이로 센서를 구비한 스마트폰인 것을 특징으로 하는 능동형 보행보조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    사용자의 보행 전진 속도 및 방향전환 속도를 실시간으로 측정하기 위해 상기 캐스터부에 설치되는 엔코더를 더 포함하며, 상기 엔코더는 실시간으로 측정되는 보행 전진 속도 신호 및 방향전환 속도 신호를 상기 제어부로 전송하는 것을 특징으로 하는 능동형 보행보조장치.
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