KR20120057081A - 지능형 외골격 로봇기반의 일상생활 보조 및 재활훈련 시스템 및 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 외골격 재활로봇 시스템은, 재활환자의 상지 및 하지에 착용되고, 상기 재활환자의 상하지 재활운동을 수행하도록 동력에 의해 구동되는 외골격 로봇 프레임; 상기 외골격 로봇 프레임에 의해 재활운동이 수행되도록 상기 재활환자에 필요한 재활운동 정보가 포함된 재활운동 처방데이터를 상기 외골격 로봇 프레임에 전송하는 재활운동 의료단말; 상기 재활운동 처방데이터에 근거하여 상기 외골격 로봇 프레임에서 수행되는 동안 상기 재활환자의 재활 운동량 및 상기 재활운동 시 발생되는 상기 재활환자의 생체신호를 측정하는 재활운동 측정부; 상기 재활운동 측정부에서 측정된 상기 재활환자의 재활 운동량 및 생체신호와 상기 재활운동 처방데이터를 비교하고, 비교한 결과에 따라 상기 외골격 로봇 프레임의 동력을 증가 또는 감소시켜 상기 재활환자의 재활 운동량을 조절하는 재활운동 피드백 제어부; 및 상기 재활운동 측정부에 의해 측정된 상기 재활환자의 재활 운동량 및 생체신호와 상기 재활운동 의료단말의 상기 재활운동 처방데이터를 각각 수신하여 상기 재활환자의 재활정보를 분석하는 재활운동 진단서버;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

지능형 외골격 로봇기반의 일상생활 보조 및 재활훈련 시스템 및 제어방법 {INTELLECTUAL EXOSKELETON ROBOT SYSTEM FOR ASSISTING DAILY LIFE AND REHABILITATION TRAINING AND CONTROL METHOD THEROF}

본 발명은 외골격 로봇기반의 일상생활 보조 및 재활훈련 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 근력이 부족한 노인이나 재활훈련이 필요한 환자의 상하지 근력 회복 및 강화를 위해 신체의 외골격을 모델링한 외골격 로봇 프레임을 착용하고 재활운동을 수행하는 재활환자의 운동량 및 생체신호를 활용하여 외골격 로봇 시스템의 운동패턴을 자동으로 제어함으로써 재활훈련 및 일상생활의 활동을 보조할 수 있는 지능형 외골격 로봇기반의 일상생활 보조 및 재활훈련 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최근 식생활의 개선 및 의료기술의 발달로 인간의 수명이 늘어나면서 인구의고령화가 증가되고 있다. 고령인구의 증가로 인해 노인성 질환 예를 들면, 중풍 등의 발생이 증가하고 있다. 따라서, 고령이거나 질환 등으로 거동이 불편한 노인들에게는 재활치료를 통하여 근력을 회복하는 과정을 거치고 있다.

이러한 재활치료는 고령으로 인한 질환 외에 사고 등으로 신체에 손상을 입었을 때, 손상 부위의 기능적 회복을 위해 수행하는 일련의 처치과정을 포함한다.

따라서, 사고가 발생하거나 뇌졸중, 외상성 뇌손상 또는 뇌성마비 등에 의한 신체 기능의 손상, 또는 노화로 인한 근력의 약화, 각종 성인병에 의해 신체 기능이 손상된 환자에 대해서는, 손상된 신체 기능의 일부 혹은 전부를 회복하기 위해 의사나 물리 치료사 등의 전문가에 의해 장기적이고 체계적인 물리적 재활 치료를 제공받아야 한다. 또한, 재활 치료 과정 동안 재활환자의 재활 훈련 정보를 별도의 데이터베이스 등에 저장하고 이를 활용함으로써 보다 체계적으로 재활 훈련을 수행할 수 있다.

그러나, 재활 훈련을 위한 정보를 의사나 물리 치료사가 반복적으로 생성시켜 주어야하고, 또한 재활 훈련을 안전하게 반복적으로 수행하기 위해서는 의사나 물리 치료사의 육체적 노력과 시간 및 숙련도 등이 필요하다.

이러한 한계를 극복하기 위해 하지(하체) 재활 훈련, 예를 들면, 보행 훈련을 기기적으로 보조해 주는 보행 보조 장치들이 개발되고 있으며, 어깨 등 상지(상체)의 거동을 보조하고 근력을 회복시킬 수 있는 상지 재활 기기들도 개발되고 있다.

그러나 종래의 재활 치료를 위한 보조 장치들은 사용자의 신체 일부, 예를 들면, 상지 재활을 위한 상지 보조 장치와 하지 재활을 위한 하지 보조 장치로 각각 구분되어 제공되고 있다. 즉, 상지를 위한 재활 치료와 하지를 위한 재활 치료가 별도로 제공되어 상하지에 대한 재활 치료를 동시에 수행할 수 없고, 또 이러한 재활 보조 장치를 이용하기 위해서는 재활환자가 재활 치료 센터를 직접 방문해야 하기 때문에, 보행이 어려운 재활환자는 반드시 보호자의 보호를 받아야 하는 불편함이 있다.

또한, 재활 장치를 이용하여 재활운동을 수행하는 경우, 의사나 물리 치료사가 처방된 정보에 근거하여 재활 보조 장치를 동작시키게 된다. 따라서 의사나 물리 치료사의 처방전에만 의존하여 재활 치료가 행해지는 경우, 환자의 현재 몸 상태나 훈련 과정에서 발생되는 상태 변화 등을 정확히 판단할 수 없는 상태에서 재활운동이 이루어지기 때문에 적정 운동량에 대한 피드백을 구하는데 한계가 있다.

또한, 종래의 재활 훈련 장치는 재활환자에 대해 물리적인 재활운동만 수행할 뿐, 기능적 전기자극(FES, Functional Electrical stimulation)과 연동한 재활 치료는 행해지고 있지 않고 있어, 근육뿐만 아니라 뇌 피드백에 의한 극대화된 재활 효과를 얻을 수 없다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 재활환자의 몸 상태나 훈련 과정에서 발생되는 상태 변화 등을 정확히 판단하여 현재 재활환자의 몸 상태를 판단하여 재활운동의 강도를 자동으로 제어할 수 있는 지능형 외골격 로봇기반의 일상생활 보조 및 재활훈련 시스템 및 방법의 제공을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 재활환자에 대한 물리적인 재활운동뿐만 아니라, 재활운동의 형태에 따라 기능적 전기 자극 신호와 연동한 재활을 수행함으로써 근육뿐만 아니라 뇌 피드백에 따른 재활훈련 효과를 극대화할 수 있는 외골격 로봇기반의 일상생활 보조 및 재활훈련 시스템 및 방법의 제공을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 자율 이동형의 재활운동 장치로 사용가능하고, 재활환자의 상지 및 하지를 동시에 재활 치료를 수행할 수 있는 외골격 로봇기반의 일상생활 보조 및 재활훈련 시스템 및 방법의 제공을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 재활환자의 상지 및 하지에 착용되고, 상기 재활환자의 상하지 재활운동을 수행하도록 동력에 의해 구동되는 외골격 로봇 프레임; 상기 외골격 로봇 프레임에 의해 재활운동이 수행되도록 상기 재활환자에 필요한 재활운동 정보가 포함된 재활운동 처방데이터를 상기 외골격 로봇 프레임에 전송하는 재활운동 의료단말; 상기 재활운동 처방데이터에 근거하여 상기 외골격 로봇 프레임에서 수행되는 동안 상기 재활환자의 재활 운동량 및 상기 재활운동 시 발생되는 상기 재활환자의 생체신호를 측정하는 재활운동 측정부; 상기 재활운동 측정부에서 측정된 상기 재활환자의 재활 운동량 및 생체신호와 상기 재활운동 처방데이터를 비교하고, 비교한 결과에 따라 상기 외골격 로봇 프레임의 동력을 증가 또는 감소시켜 상기 재활환자의 재활 운동량을 조절하는 재활운동 피드백 제어부; 및 상기 재활운동 측정부에 의해 측정된 상기 재활환자의 재활 운동량 및 생체신호와 상기 재활운동 의료단말의 상기 재활운동 처방데이터를 각각 수신하여 상기 재활환자의 재활정보를 분석하는 재활운동 진단서버;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 상기 재활운동 측정부가, 상기 재활환자의 근전도(Electromyography), 임피던스(Impedance) 및 뇌파(Electroencephalogram)를 측정하여 운동정보를 예측하는 생체운동능력 측정모듈; 가속도계(Accelenometer), 자이로(Gyro) 또는 힘센서를 포함하여 상기 재활환자의 물리적 운동량을 측정하는 운동능력 측정모듈; 및 상기 재활환자의 심전도(ECG), 산소포화도(SpO2), 호흡(Resp) 및 체온(Temp)을 측정하여 상기 재활환자에 대한 운동부하 및 피로도를 산출하는 생체신호 측정모듈;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 상기 재활운동 진단서버에서 분석된 상기 재활정보가 상기 재활운동 의료단말에 업데이트된 재활운동 처방데이터로서 피드백되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 상기 재활환자의 재활운동 형태에 따라 기능적 전기 자극(FES, Functional Electrical Stimulation) 신호를 발생하는 기능적 전기 자극 신호발생부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 상기 재활운동 처방데이터가 재활운동의 형태, 재활운동의 강도 및 재활운동의 지속시간을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 상기 재활운동 의료단말이 상기 재활운동 처방데이터를 유선 또는 무선으로 상기 외골격 로봇 프레임에 전송하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 상기 외골격 로봇 프레임이 좌우 한쌍씩의 상지 고정부, 상기 재활환자의 위팔을 가이드 하는 위팔지지대, 상기 재활환자의 아래팔을 가이드 하는 아래팔지지대 및 손잡이지지대로 이루어지고, 상기 상지 고정부와 상기 위팔 지지대는 상기 상지 고정부에 대해 상기 위팔 지지대를 일정한 각도로 회전운동시키는 제 1 관절 구동부로 연결되고, 상기 위팔지지대와 상기 아래팔지지대는 상기 위팔지지대에 대해 상기 아래팔 지지대를 일정한 각도로 회전운동시키는 제 2 관절 구동부로 연결되며, 상기 아래팔지지대와 상기 손잡이지지대는 상기 아래팔지지대에 대해 상기 손잡이지지대를 일정한 각도로 회전운동시키는 제 3 관절 구동부로 연결되어 상기 재활환자의 상지 재활운동을 수행하는 상지 모션 모듈; 좌우 한쌍씩의 하지 고정부, 상기 재활환자의 허벅지를 가이드하는 허벅지지지대, 상기 재활환자의 종아리를 가이드하는 종아리지지대 및 발판으로 이루어지고, 상기 하지 고정부와 상기 허벅지지지대는 상기 하지 고정부에 대해 상기 허벅지지지대를 일정한 각도로 회전운동시키는 제 4 관절 구동부로 연결되고, 상기 허벅지지지대와 상기 종아리지지대는 상기 허벅지지지대에 대해 상기 종아리지지대를 일정한 각도로 회전운동시키는 제 5 관절 구동부로 연결되며, 상기 종아리지지대와 상기 발판은 상기 종아리지지대에 대해 상기 발판을 일정한 각도로 회전운동시키는 제 6 관절 구동부로 연결되어 상기 재활환자의 하지 재활운동을 수행하는 하지 모션 모듈; 상기 재활환자의 좌우 어깨에 장착되어 상기 재활환자의 가슴과 등을 가이드하는 한쌍의 어깨지지대 및 상기 재활환자의 허리를 감싸는 허리지지대로 구성되는 중간 모듈; 및 상기 중간 모듈에 장착되어 상기 외골격 로봇 프레임의 동작을 제어하는 제어 모듈;을 포함하고, 상기 상지 모션 모듈, 상기 하지 모션 모듈 및 상기 제어 모듈은 상기 중간 모듈에 탈착가능하게 장착되고, 상기 제 1 내지 제 6 관절 구동부는 전원 공급부로부터 공급된 전원에 의해 동력을 발생하여 상기 재활환자의 상하지 재활운동을 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 상기 위팔지지대 및 상기 아래팔지지대에 상기 재활환자의 팔 길이에 대응하도록 위팔 길이조정부 및 아래팔 길이조정부가 각각 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 상기 허벅지지지대 및 상기 종아리지지대에 상기 재활환자의 다리 길이에 대응하도록 허벅지 길이조정부 및 종아리 길이조정부가 각각 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 상기 어깨지지대의 전측 및 후측에 상기 재활환자의 상체 길이에 대응하도록 상체 길이조정부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 상기 제 1 내지 제 6 관절 구동부가 AC모터, DC모터 또는 초음파 모터 중 어느 하나로 구동되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 상기 중간 모듈에 연결되어 상기 외골격 로봇 프레임을 지지하고, 상기 외골격 로봇 프레임을 착용한 상기 재활환자의 이동을 보조하는 이동용 보조 트레일러;를 더 포함하고, 상기 이동용 보조 트레일러는 상기 재활환자에 대해 평지 앉기/서기 또는 보행 운동 중 어느 하나를 수행하는 상기 외골격 로봇 프레임의 동작을 보조하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 상기 외골격 로봇 프레임을 착용한 상기 재활환자에 대해 정위치에서 재활운동으로서 보행 또는 경사 보행운동을 수행하도록 지정속도로 이동하는 바닥면을 포함하는 트레드밀;을 더 포함하고, 상기 트레드밀은 상기 외골격 로봇 프레임과 동기화되어 상기 재활운동 피드백 제어부에 의해 상기 바닥면의 이동속도가 제어되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 상기 재활운동과 연동하는 적어도 하나 이상의 재활운동 컨텐츠를 저장하는 재활운동 컨텐츠 저장부; 및 저장된 상기 재활운동 컨텐츠를 디스플레이하는 디스플레이 모듈;을 더 포함하고, 상기 재활운동 피드백 제어부는 상기 재활환자의 재활운동에 대응하는 상기 재활운동 컨텐츠를 디스플레이하도록 상기 디스플레이 모듈을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 재활환자의 상하지 재활운동을 수행하는 지능형 외골격 로봇 시스템의 제어방법은, 재활운동 의료단말이 상기 재활환자에 필요한 재활운동 정보가 포함된 재활운동 처방데이터를 상기 재활환자의 상하지 재활운동을 수행하는 외골격 로봇 프레임에 전송하는 제 1 단계; 전송된 상기 재활운동 처방데이터에 근거하여 상기 외골격 로봇 프레임이 상기 재활환자에 대해 재활운동을 수행하도록 동력을 구동하는 제 2 단계; 재활운동 측정부가, 상기 외골격 로봇 프레임에 의해 재활운동이 수행되는 동안, 상기 재활환자에 대한 재활 운동량을 측정하는 제 3 단계; 상기 재활운동 측정부가 재활운동 시 발생되는 상기 재활환자의 생체신호를 측정하는 제 4 단계; 재활운동 피드백 제어부가 상기 재활운동 측정부에서 측정된 상기 재활환자의 재활 운동량 및 상기 생체신호와 상기 재활운동 처방데이터를 비교하는 제 5 단계; 및 상기 재활운동 피드백 제어부가 상기 제 5 단계에서 비교한 결과에 따라 상기 외골격 로봇 프레임의 동력을 증가 또는 감소시켜 상기 재활환자의 재활 운동량을 조절하는 제 6 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 재활환자의 상하지 재활운동을 수행하는 지능형 외골격 로봇 시스템의 제어방법은, 상기 제 4 단계 이후, 상기 재활운동 측정부에서 측정된 재활 운동량 및 생체신호와 상기 의료단말의 재활운동 처방데이터를 재활운동 진단서버로 전송하고, 상기 재활운동 진단서버는 전송된 상기 재활환자의 재활 운동량 및 생체신호와 상기 재활운동 처방데이터를 분석하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 재활환자의 상하지 재활운동을 수행하는 지능형 외골격 로봇 시스템의 제어방법은, 상기 재활운동 모니터링 서버에서 분석된 정보가 상기 재활운동 의료단말에 업데이트된 재활운동 처방데이터로 피드백되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 재활환자의 상하지 재활운동을 수행하는 지능형 외골격 로봇 시스템의 제어방법은, 상기 제 2 단계에서, 상기 재활운동 피드백 제어부는 재활운동 실행 시 상기 재활환자의 재활운동 형태에 따라 기능적 전기 자극(FES, Functional Electrical Stimulation)신호를 발생하도록 기능적 전기 자극신호 발생부를 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 재활환자의 상하지 재활운동을 수행하는 지능형 외골격 로봇 시스템의 제어방법은, 상기 제 2 단계에서, 상기 재활운동 피드백 제어부는 상기 재활운동과 연동하는 적어도 하나 이상의 재활운동 컨텐츠 중 상기 재활환자의 재활운동에 대응하는 상기 재활운동 컨텐츠를 디스플레이 모듈을 통해 디스플레이하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 재활환자의 상하지 재활운동을 수행하는 지능형 외골격 로봇 시스템의 제어방법은, 상기 처방데이터가 재활운동의 형태, 재활운동의 강도 및 재활운동의 지속시간을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 지능형 외골격 로봇 시스템에 따르면, 재활환자의 몸 상태나 훈련 과정에서 발생되는 상태 변화 등을 정확히 판단하여 현재 재활환자의 몸 상태를 판단하여 재활운동의 강도를 자동으로 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 재활환자에 대한 물리적인 재활운동뿐만 아니라, 재활운동의 형태에 따라 기능적 전기 자극 신호와 연동한 재활을 수행함으로써 근육뿐만 아니라 뇌 피드백에 따른 재활 효과를 극대화할 수 있다.

본 발명에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 자율 이동형의 재활운동 장치로 사용가능하고, 재활환자의 상지 및 하지에 대해 동시에 재활운동 및 일상생활의 활동 보조를 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은, 재활환자의 동작의도를 파악하여 능동적으로 재활운동치료가 가능하고, 재활환자의 상태 및 질환에 따른 처방프로토콜에 기반한 맞춤형 재활치료가 가능하며 가상현실에 의한 몰입형 재활운동의 실시가 가능하여 재활효과를 극대화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템의 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 외골격 로봇 프레임의 측면도이고, 도 2b는 외골격 로봇 프레임의 사시도이다.
도 3은 재활환자가 본 발명의 실시예에 따른 외골격 로봇 프레임을 착용한 상태를 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 재활운동을 위한 동기유발 재활운동 컨텐츠를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 재활운동을 보조하는 이동용 보조 트레일러와 연결된 지능형 외골격 로봇 프레임을 나타내는 예시도이다.
도 6은 본 발명의 지능형 외골격 로봇 시스템과 연동하는 트레드밀을 나타내는 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템의 제어방법을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 명세서에 있어서는 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송'하는 경우에는 어느 하나의 구성요소는 다른 구성요소로 직접 데이터 또는 신호를 전송할 수 있고, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 데이터 또는 신호를 다른 구성요소로 전송할 수 있음을 의미한다.

도 1은 본 발명의 지능형 외골격 로봇 시스템을 나타내는 블록도이다. 먼저, 도 1에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템은 외골격 로봇 프레임(1), 재활운동 측정부(2), 재활운동 피드백 제어부(3), FES(기능적 전기 자극) 신호 발생부(4), 전원 공급부(5), 재활운동 의료단말(6), 재활운동 진단서버(7), 재활운동 컨텐츠 저장부(8), 디스플레이부(9) 및 의료정보 시스템(10)을 포함할 수 있다.

외골격 로봇 프레임(1)은 상지 모션 모듈(100), 하지 모션 모듈(200) 및 중간 모듈(300)을 포함하고, 상하지 통합형 다자유도 외골격 메커니즘으로 설계되어 상하지 관절의 동작 추종을 위해 동력을 발생하는 전기식 모터로 구동되어 재활환자의 재활운동을 수행한다.

재활운동 측정부(2)는 생체운동능력 측정모듈(400), 운동능력 측정모듈(500) 및 생체신호 측정모듈(600)으로 구성되어, 재활환자의 재활 운동량 및 재활운동시 발생되는 생체신호를 측정할 수 있다.

생체운동능력 측정모듈(400)은 재활환자의 근전도(Electromyography), 임피던스(Impedance) 및 뇌파(Electroencephalogram)를 측정하기 위한 것으로, 재활환자가 재활운동을 시작하려고 할 때 재활환자의 모션 및 운동의도 파악을 측정할 수 있다. 근전도의 경우 FFT(Fast Fourier transform)와 Envelop를 통한 스펙트로그램(spectrogram)을 통해 힘을 예측하고, 임피던스의 경우 근육의 수축 이완에 다른 신체 두 지점간 임피던스 변화를 관절의 회전 각도로 변환해서 사용한다. 또, 뇌파의 경우 근육의 움직임의 300ms 전에 나타나는 P300신호를 이용한다. 그러므로, 근육의 힘을 임피던스로 측정하고 근육의 움직임(각도)을 뇌파(P300신호)의 측정을 통해 해당 근육의 운동에 대한 예측을 할 수 있다.

운동능력 측정모듈(500)은 가속도계(Accelenometer), 자이로(Gyro) 및 힘센서를 이용하여 재활환자의 물리적 운동량을 측정한다. 운동능력 측정모듈(500)은 재활환자에 직접 부착되거나 외골격 로봇 프레임(1)에 장착될 수 있다.

생체신호 측정모듈(600)에서는 재활환자의 재활운동 시, 심전도(ECG, 예를 들면, 심장부하상태, 부정맥, Heart Rate 등), 산소포화도(SpO2), 호흡(Resp), 체온(Temp) 및 비관혈적 혈압(NIBP) 등을 측정하여 현재 재활환자의 운동부하 및 피로도를 측정한다.

재활운동 피드백 제어부(3)는 재활운동 측정부(2)에서 측정된 재활환자의 재활 운동량 및 생체신호와 재활운동 처방데이터를 비교하고, 비교한 결과에 따라 재활운동 피드백 제어부(3)에서는 동력에 의해 구동되는 외골격 로봇 프레임(1)의 상지 모션 모듈(100) 및 하지 모션 모듈(200)의 동작 하중을 가중시키거나 또는 감소시켜 재활환자의 재활 운동량을 조절한다.

FES 신호 발생부(4)는 기능적 전기 자극을 위해 상지 FES 자극 부위 및 하지 FES 자극 부위에 부착하여 무선 또는 유선으로 FES 신호를 발생한다. 따라서, 마비된 근육을 지배하는 운동점에 중추신경과 유사한 전기자극을 가하여 인위적인 동작 훈련을 할 수 있도록 한다. 특히, FES 자극시 근지구력과 관련한 섬유보다 근력관련 섬유가 먼저 자극된다. 따라서, 오차 보정을 포함하는 자극알고리즘을 통하여 선택적 자극을 위한 전극 및 패턴을 추출하여 근력관련 섬유만을 선택적으로 자극함으로써 지구력 유지의 어려움을 해소할 수 있다.

전원 공급부(5)는 외골격 로봇 프레임(1)에 구성된 전기식 모터를 구동하기 위해 전원을 제공한다.

재활운동 의료단말(6)은 외골격 로봇 프레임(1)에 의해 재활환자에 대한 맞춤형 재활운동이 수행되도록 재활환자에 필요한 재활운동 정보가 포함된 재활운동 처방데이터를 외골격 로봇 프레임(1)에 유선 또는 무선으로 전송한다. 이 재활운동 처방데이터는 재활환자에 대한 재활운동의 형태, 재활운동의 강도 및 재활운동 지속시간 등이 포함된다. 또한, 재활운동 처방데이터에는 뇌혈관 관련 인덱스, 뇌혈류 속도 등의 자료뿐만 아니라, 심혈관과 관련된 관혈적/비관혈적 혈압, 말초 혈관과 관련된 Pleth 파형, 뇌파 등의 측정 데이터와 가족력 및 생활습관 등의 문진 데이터와 관련한 파라미터를 다원적으로 분석한 정보를 더 포함할 수 있다.

재활운동 진단서버(7)는 재활운동 측정부(2)에서 측정된 재활환자의 재활 운동량 및 생체신호와 재활운동 의료단말(6)의 재활운동 처방데이터를 실시간으로 각각 수신하여 재활환자의 재활정보를 분석하고, 재활운동 진단서버(7)는 분석한 재활정보를 재활운동 의료단말(6)에 업데이트된 재활운동 처방데이터로서 피드백시킨다. 따라서, 업데이트된 재활운동 처방데이터에 근거하여 환자 맞춤형 재활운동의 효과를 극대화할 수 있다.

재활운동 컨텐츠 저장부(8)는 재활운동과 연동하도록 재활운동의 형태에 따라 복수의 재활운동 컨텐츠를 저장하고 있으며, 이 재활운동 컨텐츠 저장부(8)에 저장된 컨텐츠는 재활환자의 재활운동에 대응하는 재활운동 컨텐츠를 예를 들면, 모니터 또는 헤드셋 타입 등 재활환자에 착용되는 디스플레이부(9)를 통해 표시된다. 따라서, 재활환자는 가상현실에 의한 몰입형 재활운동의 실시가 가능하여 재활효과를 극대화화할 수 있다.

또한, 의료기관 또는 보건소 등의 외부의 의료정보 시스템(10)은 인터넷 등의 네트워크를 통하여 재활운동 진단서버(7)로부터 재활환자의 재활정보를 공유하고 도시하지는 않았지만 개인단말, 예를 들면 가정의 퍼스널 컴퓨터 또는 스마트폰 등의 휴대용 단말과 연동함으로써 U-Healthcare(Ubiquitous Healthcare)의 기능을 수행할 수 있다.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 외골격 로봇 프레임의 측면도, 도 2b는 외골격 로봇 프레임의 사시도이며, 도 3은 재활환자가 본 발명의 실시예에 따른 외골격 로봇 프레임을 착용한 상태를 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 외골격 로봇 프레임(1)은 상지 모션 모듈(100), 하지 모션 모듈(200), 중간 모듈(300) 및 제어 모듈(310)을 포함한다.

상지 모션 모듈(100)은 좌우 한 쌍씩의 상지 고정부(101), 재활환자(700)의 위팔을 가이드 하는 위팔지지대(103a, 103b), 재활환자(700)의 아래팔을 가이드 하는 아래팔지지대(106a, 106b)와 손잡이지지대(109)로 이루어진다.

상지 고정부(101)와 위팔 지지대(103a)는 상지 고정부(101)에 대해 위팔 지지대(103a, 103b)를 일정한 각도로 회전운동하는 어깨 관절 구동부(102)로 연결된다. 따라서 재활환자의 팔을 올리고 내리는 동작을 통해 재활환자의 어깨 근육 및 관절 강화를 위한 재활운동을 수행한다.

위팔지지대(103b)와 아래팔지지대(106a)는 위팔지지대(103a, 103b)에 대해 아래팔지지대(106a, 106b)를 일정한 각도로 회전운동하는 팔꿈치 관절 구동부(105)로 연결되며, 아래팔지지대(106b)와 손잡이지지대(109)는 아래팔지지대(106a, 106b)에 대해 손잡이지지대(109)를 일정한 각도로 회전운동하는 손목 관절 구동부(108)로 연결된다. 따라서, 재활환자의 아래팔 및 손을 올리고 내리는 동작을 통해 재활환자의 팔꿈치 및 손목의 근육과 관절 강화를 위한 재활운동을 수행할 수 있다.

이 어깨 관절 구동부(102), 팔꿈치 관절 구동부(105) 및 손목 관절 구동부(108)에는 AC모터, DC모터 또는 초음파 모터 중 어느 하나로 구성되어 전원을 공급받아 재활운동 피드백 제어부(3)의 제어에 의해 동작하중의 가중 또는 감소를 위한 동력을 발생한다. 따라서, 재활환자가 상지 모션 모듈(100)을 통해 효율적인 상지 재활운동을 수행할 수 있다.

위팔지지대(103a)와 위팔지지대(103b) 사이에는 위팔 길이조정부(104)가 형성되고, 아래팔지지대(106a)와 아래팔지지대(106b) 사이에는 아래팔 길이조정부(107)가 각각 형성되어 재활환자(700)의 팔 길이에 대응되도록 지지대의 길이를 조정할 수 있다.

상지 모션 모듈(100)의 구동 범위는, 팔꿈치의 굽힘/폄, 손목의 굽힘/폄, 그리고 어깨의 올림/내림 등 회전을 운동을 분석하여 표 1에 나타낸 바와 같이 상지 모션의 범위를 설계하고, 표 2에 나타낸 바와 같이 표준 상지 근력 측정 데이터를 분석하여 상지 모션 모듈(100)의 구동 범위를 설계할 수 있다.

하지 모션 모듈(200)은 좌우 한 쌍씩의 하지 고정부(201), 재활환자의 허벅지를 가이드하는 허벅지지지대(203a, 203b), 재활환자의 종아리를 가이드하는 종아리지지대(206a, 206b) 및 재활환자의 발바닥을 지지하는 발판(209)으로 이루어진다. 하지 고정부(201)와 허벅지지지대(203a)는 하지 고정부(201)에 대해 허벅지지지대(203a, 203b)가 일정한 각도로 회전운동하도록 고관절 구동부(202)로 연결된다. 허벅지지대(203b)와 종아리지지대(206a)는 허벅지지지대(203a, 203b)에 대해 종아리지지대(206a, 206b)가 일정한 각도로 회전운동하도록 슬관절 구동부(205)로 연결되며, 종아리지지대(206b)와 발판(209)은 종아리지지대(206a, 206b)에 대해 발판(209)이 일정한 각도로 회전운동하도록 족관절 구동부(208)로 연결된다.

이 고관절 구동부(202), 슬관절 구동부(205) 및 족관절 구동부(208)에는 AC모터, DC모터 또는 초음파 모터 중 어느 하나로 구성되어 전원을 공급받아 재활운동 피드백 제어부(3)의 제어에 의해 동작하중의 가중 또는 감소를 위한 동력을 발생한다. 따라서, 하지 모션 모듈(200)을 착용한 재활환자는 보행 및 앉기/서기 등의 동작을 통해 고관절, 슬관절 및 족관절과 각 근육을 강화할 수 있는 재활운동을 수행할 수 있다.

허벅지지지대(203a)와 허벅지지지대(203b) 사이에는 허벅지 길이조정부(204)가 형성되고, 종아리지지대(206a)와 종아리지지대(206b) 사이에는 종아리 길이조정부(207)가 각각 형성되어 재활환자(700)의 다리 길이에 대응되도록 지지대의 길이를 조정할 수 있다.

하지 모션 모듈(200)의 구동 범위는, 무릎의 굽힘/폄, 발목의 굽힘/폄, 그리고 발목의 회전 운동을 분석하여 표 3에 나타낸 바와 같이 하지 모션의 범위를 설계하고, 표 4에 나타낸 바와 같이, 표준 하지 동작 예를 들면, 일반적인 보행시 양 하지의 시간에 따른 운동 모션의 분석 및 하지의 모션에 따른 각 관절 조인트의 움직임을 동적 분석한 데이터를 통하여 하지 모션 모듈(200)의 구동 범위를 설계할 수 있다.

중간 모듈(300)은 재활환자의 좌우 어깨에 장착되어 재활환자의 가슴과 등을 가이드하는 어깨지지대(302a, 302b) 및 골조역할을 하는 벨트 형태의 허리지지대(301)로 재활환자의 골반을 중심으로 허리둘레에 고정되도록 구성된다. 또한, 어깨지지대(302a, 302b)의 전측 및 후측에는 재활환자의 상체 길이에 대응하도록 상체 길이조정부(303a, 303b)가 각각 형성되어 있으며, 상지 고정부(101)가 어깨지지대(302a)에 탈착가능하게 장착되고, 하지 고정부(201)도 허리지지대(301)에 탈착가능하게 장착되어 있다. 따라서, 상지 재활운동만을 필요로하는 재활환자에 대해서는 상지 모션 모듈(100)과 중간 모듈(300)을 결합한 상태에서 재활운동을 수행하고, 하지 재활운동이 필요한 재활환자에 대해서는 하지 모션 모듈(200)과 중간 모듈(300)만을 결합하여 재활운동을 수행할 수 있다.

또한, 어깨지지대(302a, 302b)의 후측에는 제어 모듈(310)이 장착되고, 이 제어 모듈(310)에는 재활운동 피드백 제어부(3), 전원공급부(5), 재활운동 컨텐츠 저장부(8)와 재활운동 의료단말(6)이나 외부의 재활운동 진단서버(7)와 무선 또는 유선으로 통신을 수행할 수 있는 통신 인터페이스 및 각종 스위치 등의 유저 인터페이스가 구비될 수 있다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 재활환자(700)가 외골격 로봇 프레임(1)을 착용하는 경우, 재활환자(700)의 상지 및 하지에 고정할 수 있도록, 외골격 로봇 프레임(1)의 상지 모션 모듈(100)에는 위팔 고정부(130a, 130b) 및 아래팔 고정부(160a, 160b)가 탈착가능하게 장착되고, 하지 모션 모듈(200)에는 허벅지 고정부(230a, 230b)와 종아리 고정부(260a 및 260b)가 각각 탈착가능하게 장착된다.

각각의 고정부(130a, 130b, 230a, 230b, 260a 및 260b)에는 도시하지는 않았지만, 재활환자(700)의 생체신호를 측정할 수 있도록 센서를 탑재하여 괜찮다. 생체신호를 측정할 수 있는 센서는 각도정보 센서(potentiometer), 생체신호 센서, 전류 센서, 상 반력 센서 등 각종 생체 신호 정보를 측정하여, 측정값을 재활운동 피드백 제어부(3)로 보낼 수 있다.

또한, 로봇 프레임(1)의 각 관절 구동부는 가변 스톱퍼를 설치하여 재활환자의 증상에 맞춰 가동범위를 조정해도 괜찮고, 가속도계(Accelenometer), 자이로(Gyro) 및 힘센서 등을 장착하여 재활환자(700)의 물리적 운동량을 측정할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 외골격 로봇 프레임의 관절 형태는, 도시하지는 않았지만 인체 동작 모사를 위한 관절 구성을 위하여, 모터로 구동되는 Active 타입과 스프링 또는 베어링을 이용한 Passive 타입으로 구성되고, Active 타입과 Passive 타입의 관절 조합을 통하여 자연스러운 인체 관절 동작을 구현할 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 재활운동을 위한 동기유발 재활운동 컨텐츠를 나타내는 도면이다.

도 4a 및 도 4b에 나타낸 재활운동 컨텐츠는, 도 3에서 재활환자(700)가 착용한 안경 형태의 디스플레이 디바이스(710)를 통해 출력된다.

먼저, 도 4a에서 부호(721)는 재활환자의 캐릭터, 부호(722)는 가상 트레이너, 부호(723)는 프로파일 거리 바, 부호(724)는 재활환자의 운동 속도, 부호(725 및 726)는 프로파일 상한 및 하한을 나타내면 부호(727)는 안내창을 나타낸다.

재활환자(700)가 컨텐츠 화면(720) 상에 나타난 가상 트레이너(722)의 이동에 따라 보행 등의 운동을 수행하면 캐릭터(721)가 재활환자(700)의 보행속도와 동일하게 화면(720)에서 이동을 한다. 또한, 재활환자(700)가 재활운동을 수행하는 동안 각종 정보, 예를 들면 이동 속도, 이동 거리 등이 컨텐츠 화면(720)에 표시된다.

또한, 4b에서 부호(731)는 재활환자 캐릭터, 부호(732)는 운동 진행방향, 부호(733a 내지 733f)는 아이템, 부호(734)는 동작하중의 가중 또는 감소를 나타내는 강도표시를 나타낸다.

재활환자(700)가 운동 진행방향(732)을 따라 이동하면 화면(730) 상의 캐릭터(731)도 동일하게 이동하고, 이동 중 화면(730)에 나타낸 아이템을 취득하기 위해 팔 올리기/내리기, 앉기/서기 등의 동작을 반복함으로써 재활운동의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 동기유발 재활운동 컨텐츠로서 예를 들면, 일상생활에서의 운동기능을 보조하는 물건 들어 옮기기, 컵 집어 물 따르기, TV 켜기, 유리창 닦기 등, 또 게임 형태를 통한, 야구공 던지기, 축구 골키퍼로 축구공 막아내기, 움직이는 풍선 터트리기, 수영 모션 하기 등 다양한 프로그램을 재활운동 처방데이터와 연동하여 제공할 수 있다.

따라서, 이러한 동기유발 재활운동 컨텐츠를 이용하여 가상현실에 의한 몰입형 재활운동의 실시가 가능함으로써 재활효과를 극대화할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 재활운동을 보조하는 이동용 보조 트레일러와 연결된 지능형 외골격 로봇 프레임을 나타내는 예시도이고, 도 6은 본 발명의 지능형 외골격 로봇 시스템과 연동하는 트레드밀을 나타내는 예시도이다.

먼저, 도 5에 나타낸 바와 같이, 이동용 보조 트레일러(800)는 재활 로봇 프레임(1)의 중간모듈(300)에 연결 고정되어 로봇 프레임(1)을 지지하도록 높이 조절이 가능한 로봇 프레임 지지대(810)와 재활환자(700)의 보행시 이동을 보조하도록 동력으로 구동되는 한 쌍의 구동휠(820) 및 이동용 보조 트레일러(800)의 방향 전환 및 이동을 보조하는 다수의 종동휠(830)로 구성된다.

또한, 이동용 보조 트레일러(800)에는 제어 모듈(310)이 설치되어 로봇 프레임 지지대(810)를 통해 재활환자(700)가 착용하는 외골격 로봇 프레임(1)을 제어하여 외골격 로봇 프레임(1)의 각 관절 구동부(102, 105, 108, 202, 205, 208)에 동작하중의 증가 또는 감소를 수행하도록 제어한다. 특히, 부피가 크거나 무거워 부담을 느끼는 근력이 약한 노인 또는 장애인 등 재활환자(700)에 대해서는 외골격 로봇 프레임(1)이 이동용 보조 트레일러(800)에 지지되어 있어 보다 간편하게 재활운동을 수행할 수 있다.

이러한 이동용 보조 트레일러(800)를 이용하여 외골격 로봇 프레임(1)을 착용한 재활환자(700)는 평지에서 앉기/서기, 보행 및 방향 전환 보행 등의 재활운동을 수행할 수 있다.

도 6은, 이동용 보조 트레일러(800)에 연결된 외골격 로봇 프레임(1)이 트레드밀(900)과 동기화하여 재활환자(700)에 대해 재활운동을 수행하는 예시도이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 이동용 보조 트레일러(800)는 고정된 상태에서 재활로보 프레임(1)의 제어 모듈(310)에 연결되어 외골격 로봇 프레임(1)을 지지한다.

이동용 보조 트레일러(800)에 의해 지지된 외골격 로봇 프레임(1)을 착용한 재활환자(700)는 운동기구로서 러닝 머신과 같은 트레드밀(900)을 이용하여 평지보행 및 경사보행 등의 재활운동을 수행한다.

트레드밀(900)은 다수의 입력키가 형성된 입력수단(920)을 통해 지정속도가 입력되면 일정한 속도록 바닥면(910)을 이동시키고, 재활환자(700)는 외골격 로봇 프레임(1)이 고정된 이동용 보조 트레일러(800)에 의해 지지되어 있어 정위치에서 이동되는 바닥면(910)을 통해 지속적인 보행훈련을 수행한다. 특히, 외골격 로봇 프레임(1)의 제어 모듈(310)에서는 유선 또는 무선으로 트레드밀(900)과 통신하여 이 트레드밀(900)의 동작을 동기화시킨다. 이경우, 바닥면(910)의 이동속도는 제어 모듈(310)에 의해서 피드백되는 재활환자(700)의 재활 운동량에 따라 가변된다. 또한, 트레드밀(900)과 동기화 된 제어 모듈(310)에서는 바닥면(910)의 높이(경사도)를 조절함으로써 재활환자(700)가 경사보행을 통한 재활운동을 수행하도록 트레드밀(900)의 동작을 제어할 수 있다.

따라서, 본 발명의 지능형 외골격 로봇 시스템은 이동용 보조 트레일러 및 트레드밀과 연동하여 재활환자에 대해 평지 앉기/서기, 보행, 방향전환 보행 및 경사보행 등 다양한 재활운동을 수행할 수 있는 특징이 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 지능형 외골격 로봇 시스템의 제어방법을 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 재활운동 의료단말(6)에서 재활환자(700)에 필요한 재활운동 정보가 포함된 재활운동 처방데이터를 재활환자(700)가 착용한 상하지 재활운동을 수행하는 외골격 로봇 프레임(1)에 전송한다(S101). 재활운동 처방데이터에는 재활운동의 형태, 재활운동의 강도 및 재활운동의 지속시간 등을 포함한다.

외골격 로봇 프레임(1)은 전송된 재활운동 처방데이터에 근거하여 재활환자(700)에 대해 재활운동을 수행하도록 전원공급부(5)로부터 전원을 공급받아 동력을 구동한다(S102). 또한, 재활운동 피드백 제어부(3)는 재활운동과 연동하는 동기유발 재활운동 컨텐츠가 디스플레이 디바이스(8)에 출력할 수 있다(S103). 또한, 재활환자(700)의 재활운동 형태에 따라 기능적 전기 자극(FES, Functional Electrical Stimulation)신호 발생부를 제어하여 기능적 전기 자극 신호를 발생한다(S104).

이후, 외골격 로봇 프레임(1)에 의해 재활운동이 수행되는 동안, 재활운동 측정부(2)에서는 재활환자(700)에 대한 재활 운동량을 측정하고(S105), 동시에 재활환자(700)의 생체신호를 측정한다(S106).

재활운동 측정부(2)에서 측정된 재활 운동량 및 생체신호는 재활운동 피드백 제어부(3)로 전송되고(S107), 재활운동 피드백 제어부(3)에서는 전송된 재활환자의 재활 운동량 및 상기 생체신호와 재활운동 처방데이터를 비교한다(S108). 비교한 결과에 따라 재활운동 피드백 제어부(3)에서는 동력에 의해 구동되는 외골격 로봇 프레임(1)의 상지 모션 모듈(100) 및 하지 모션 모듈(200)의 동작 하중을 가중시키거나 또는 감소시켜 재활환자의 재활 운동량, 운동 강도 운동 지속시간 등을 조절한다(S109).

이후, 재활운동 의료단말(6)의 재활운동 처방데이터가 재활운동 진단서버(7)로 전송되고(S110), 또 재활운동 측정부(2)에서 측정된 재활환자(700)의 재활 운동량 및 생체신호도 재활운동 진단서버(7)로 전송된다(S111). 재활운동 진단서버(7)에서는 전송된 재활환자(700)의 재활 운동량 및 생체신호와 재활운동 처방데이터를 분석(S112)한 다음, 분석한 재활정보를 재활운동 의료단말(6)에 업데이트된 재활운동 처방데이터로 피드백(S113)함으로써, 재활환자(700)에 대한 맞춤형 재활운동을 가능하게 한다.

따라서 상기와 같은 본 발명에 의하면, 노인 및 장애인의 상하지에 대한 근육 퇴화방지, 근력 회복, 근력 강화를 위해 각 대상군에 대한 분류와 운동/재활 처방 프로토콜을 우선 작성하고 운동/재활 평가 방법을 확립한 뒤, 상하지 운동 메커니즘, 수학적 인체모델, 전산화 생체 모델을 바탕으로 외골격 동작제어 메커니즘을 설계 구현함으로써, 사용자 감각 및 의도파악 기능과 바이오피드백 기반의 재활 훈련 프로그램과 사용자 상태에 대한 최적화된 흥미 유발형 맞춤 재활 훈련 컨텐츠를 적용할 수 있다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가 등은 이하의 특허청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

1 : 외골격 로봇 프레임 2 : 재활운동 측정부
3 : 재활운동 피드백 제어부 4 : FES 신호 발생부
5 : 전원공급부 6 : 재활운동 의료단말
7 : 재활운동 진단서버 100 : 상지 모션 모듈
200 : 하지 모션 모듈 300 : 중간 모듈
400 : 생체운동능력 측정모듈 500 : 운동능력 측정모듈
600 : 생체신호 측정모듈 800 : 이동용 보조 트레일러
900 : 트레드밀

Claims (20)

1. 지능형 외골격 로봇 시스템에 있어서,
   재활환자의 상지 및 하지에 착용되고, 상기 재활환자의 상하지 재활운동을 수행하도록 동력에 의해 구동되는 외골격 로봇 프레임;
   상기 외골격 로봇 프레임에 의해 재활운동이 수행되도록 상기 재활환자에 필요한 재활운동 정보가 포함된 재활운동 처방데이터를 상기 외골격 로봇 프레임에 전송하는 재활운동 의료단말;
   상기 재활운동 처방데이터에 근거하여 상기 외골격 로봇 프레임에서 수행되는 동안 상기 재활환자의 재활 운동량 및 상기 재활운동 시 발생되는 상기 재활환자의 생체신호를 측정하는 재활운동 측정부;
   상기 재활운동 측정부에서 측정된 상기 재활환자의 재활 운동량 및 생체신호와 상기 재활운동 처방데이터를 비교하고, 비교한 결과에 따라 상기 외골격 로봇 프레임의 동력하중을 증가 또는 감소시켜 상기 재활환자의 재활 운동량을 조절하는 재활운동 피드백 제어부; 및
   상기 재활운동 측정부에 의해 측정된 상기 재활환자의 재활 운동량 및 생체신호와 상기 재활운동 의료단말의 상기 재활운동 처방데이터를 각각 수신하여 상기 재활환자의 재활정보를 분석하는 재활운동 진단서버;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 재활운동 측정부는,
   상기 재활환자의 근전도(Electromyography), 임피던스(Impedance) 및 뇌파(Electroencephalogram)를 측정하여 운동정보를 예측하는 생체운동능력 측정모듈;
   가속도 센서, 자이로(Gyro) 또는 힘 센서를 포함하여 상기 재활환자의 물리적 운동량을 측정하는 운동능력 측정모듈; 및
   상기 재활환자의 심전도(ECG), 산소포화도(SpO2), 호흡(Resp) 및 체온(Temp)을 측정하여 상기 재활환자에 대한 운동부하 및 피로도를 산출하는 생체신호 측정모듈;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 재활운동 진단서버에서 분석된 상기 재활정보는 상기 재활운동 의료단말에 업데이트된 재활운동 처방데이터로서 피드백되는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 재활환자의 재활운동 형태에 따라 기능적 전기 자극(FES, Functional Electrical Stimulation) 신호를 발생하는 기능적 전기 자극 신호발생부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 재활운동 처방데이터는 재활운동의 형태, 재활운동의 강도 및 재활운동의 지속시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 재활운동 의료단말은 상기 재활운동 처방데이터를 유선 또는 무선으로 상기 재활운동 피드백 제어부에 전송하는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템.
   
7. 제 1 항에 있어서, 상기 외골격 로봇 프레임은,
   좌우 한쌍씩의 상지 고정부, 상기 재활환자의 위팔을 가이드 하는 위팔지지대, 상기 재활환자의 아래팔을 가이드 하는 아래팔지지대 및 손잡이지지대로 이루어지고, 상기 상지 고정부와 상기 위팔 지지대는 상기 상지 고정부에 대해 상기 위팔 지지대를 일정한 각도로 회전운동시키는 제 1 관절 구동부로 연결되고, 상기 위팔지지대와 상기 아래팔지지대는 상기 위팔지지대에 대해 상기 아래팔 지지대를 일정한 각도로 회전운동시키는 제 2 관절 구동부로 연결되며, 상기 아래팔지지대와 상기 손잡이지지대는 상기 아래팔지지대에 대해 상기 손잡이지지대를 일정한 각도로 회전운동시키는 제 3 관절 구동부로 연결되어 상기 재활환자의 상지 재활운동을 수행하는 상지 모션 모듈;
   좌우 한쌍씩의 하지 고정부, 상기 재활환자의 허벅지를 가이드하는 허벅지지지대, 상기 재활환자의 종아리를 가이드하는 종아리지지대 및 발판으로 이루어지고, 상기 하지 고정부와 상기 허벅지지지대는 상기 하지 고정부에 대해 상기 허벅지지지대를 일정한 각도로 회전운동시키는 제 4 관절 구동부로 연결되고, 상기 허벅지지지대와 상기 종아리지지대는 상기 허벅지지지대에 대해 상기 종아리지지대를 일정한 각도로 회전운동시키는 제 5 관절 구동부로 연결되며, 상기 종아리지지대와 상기 발판은 상기 종아리지지대에 대해 상기 발판을 일정한 각도로 회전운동시키는 제 6 관절 구동부로 연결되어 상기 재활환자의 하지 재활운동을 수행하는 하지 모션 모듈;
   상기 재활환자의 좌우 어깨에 장착되어 상기 재활환자의 가슴과 등을 가이드하는 한쌍의 어깨지지대 및 상기 재활환자의 허리를 감싸는 허리지지대로 구성되는 중간 모듈; 및
   상기 중간 모듈에 장착되어 상기 외골격 로봇 프레임의 동작을 제어하는 제어 모듈;을 포함하고,
   상기 상지 모션 모듈, 상기 하지 모션 모듈 및 상기 제어 모듈은 상기 중간 모듈에 탈착가능하게 장착되고, 상기 제 1 내지 제 6 관절 구동부는 전원 공급부로부터 공급된 전원에 의해 동력을 발생하여 상기 재활환자의 상하지 재활운동을 수행하는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 위팔지지대 및 상기 아래팔지지대에는 상기 재활환자의 팔 길이에 대응하도록 위팔 길이조정부 및 아래팔 길이조정부가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템.
   
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 허벅지지지대 및 상기 종아리지지대에는 상기 재활환자의 다리 길이에 대응하도록 허벅지 길이조정부 및 종아리 길이조정부가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템.
   
10. 제 7 항에 있어서,
    상기 어깨지지대의 전측 및 후측에는 상기 재활환자의 상체 길이에 대응하도록 상체 길이조정부가 형성되는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템.
    
11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 6 관절 구동부는 AC모터, DC모터 또는 초음파 모터 중 어느 하나로 구동되는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템.
    
12. 제 7 항에 있어서,
    상기 중간 모듈에 연결되어 상기 외골격 로봇 프레임을 지지하고, 상기 외골격 로봇 프레임을 착용한 상기 재활환자의 이동을 보조하는 이동용 보조 트레일러;를 더 포함하고,
    상기 이동용 보조 트레일러는 상기 재활환자에 대해 평지 앉기/서기 또는 보행 운동 중 어느 하나를 수행하는 상기 외골격 로봇 프레임의 동작을 보조하는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 외골격 로봇 프레임을 착용한 상기 재활환자에 대해 정위치에서 재활운동으로서 보행 또는 경사 보행운동을 수행하도록 지정속도로 이동하는 바닥면을 포함하는 트레드밀;을 더 포함하고,
    상기 트레드밀은 상기 외골격 로봇 프레임과 동기화되어 상기 재활운동 피드백 제어부에 의해 상기 바닥면의 이동속도가 제어되는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템.
    
14. 제 1 항에 있어서, 상기 지능형 외골격 로봇 시스템은,
    상기 재활운동과 연동하는 적어도 하나 이상의 재활운동 컨텐츠를 저장하는 재활운동 컨텐츠 저장부; 및
    저장된 상기 재활운동 컨텐츠를 디스플레이하는 디스플레이 모듈;을 더 포함하고,
    상기 재활운동 피드백 제어부는 상기 재활환자의 재활운동에 대응하는 상기 재활운동 컨텐츠를 디스플레이하도록 상기 디스플레이 모듈을 제어하는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템.
    
15. 재활환자의 상하지 재활운동을 수행하는 지능형 외골격 로봇 시스템의 제어방법에 있어서,
    재활운동 의료단말이 상기 재활환자에 필요한 재활운동 정보가 포함된 재활운동 처방데이터를 상기 재활환자의 상하지 재활운동을 수행하는 외골격 로봇 프레임에 전송하는 제 1 단계;
    전송된 상기 재활운동 처방데이터에 근거하여 상기 외골격 로봇 프레임이 상기 재활환자에 대해 재활운동을 수행하도록 동력을 구동하는 제 2 단계;
    재활운동 측정부가, 상기 외골격 로봇 프레임에 의해 재활운동이 수행되는 동안, 상기 재활환자에 대한 재활 운동량을 측정하는 제 3 단계;
    상기 재활운동 측정부가 재활운동 시 발생되는 상기 재활환자의 생체신호를 측정하는 제 4 단계;
    재활운동 피드백 제어부가 상기 재활운동 측정부에서 측정된 상기 재활환자의 재활 운동량 및 상기 생체신호와 상기 재활운동 처방데이터를 비교하는 제 5 단계; 및
    상기 재활운동 피드백 제어부가 상기 제 5 단계에서 비교한 결과에 따라 상기 외골격 로봇 프레임의 동력을 증가 또는 감소시켜 상기 재활환자의 재활 운동량을 조절하는 제 6 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템의 제어방법.
    
16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 4 단계 이후,
    상기 재활운동 측정부에서 측정된 재활 운동량 및 생체신호와 상기 의료단말의 재활운동 처방데이터를 재활운동 진단서버로 전송하고, 상기 재활운동 진단서버는 전송된 상기 재활환자의 재활 운동량 및 생체신호와 상기 재활운동 처방데이터를 분석하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템의 제어방법.
    
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 재활운동 모니터링 서버에서 분석된 정보는 상기 재활운동 의료단말에 업데이트된 재활운동 처방데이터로 피드백되는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템의 제어방법.
    
18. 제 15 항에 있어서, 상기 제 2 단계에서,
    상기 재활운동 피드백 제어부는 재활운동 실행 시 상기 재활환자의 재활운동 형태에 따라 기능적 전기자극 신호발생부를 통해 기능적 전기자극(FES, Functional Electrical Stimulation)신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템의 제어방법.
    
19. 제 15 항에 있어서, 상기 제 2 단계에서,
    상기 재활운동 피드백 제어부는 상기 재활운동과 연동하는 적어도 하나 이상의 재활운동 컨텐츠 중 상기 재활환자의 재활운동에 대응하는 상기 재활운동 컨텐츠를 디스플레이 모듈을 통해 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 외골격 재활로봇 시스템의 제어방법.
    
20. 제 15 항에 있어서,
    상기 처방데이터는 재활운동의 형태, 재활운동의 강도 및 재활운동의 지속시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 외골격 로봇 시스템의 제어방법.
    

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