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WO2025183269A1 - Wearable robot-assisted gait training system and method for controlling same - Google Patents

Wearable robot-assisted gait training system and method for controlling same

Info

Publication number
WO2025183269A1
WO2025183269A1 PCT/KR2024/007700 KR2024007700W WO2025183269A1 WO 2025183269 A1 WO2025183269 A1 WO 2025183269A1 KR 2024007700 W KR2024007700 W KR 2024007700W WO 2025183269 A1 WO2025183269 A1 WO 2025183269A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
patient
actuator
joint
movement
robot
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/KR2024/007700
Other languages
French (fr)
Korean (ko)
Inventor
조정호
이상훈
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Curexo Inc
Original Assignee
Curexo Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Curexo Inc filed Critical Curexo Inc
Priority to KR1020240178919A priority Critical patent/KR20250133146A/en
Priority to PCT/KR2025/000654 priority patent/WO2025183356A1/en
Publication of WO2025183269A1 publication Critical patent/WO2025183269A1/en
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • A61H2203/04Position of the patient
    • A61H2203/0406Standing on the feet

Definitions

  • the present disclosure relates to a wearable robot-assisted walking training device, and more particularly, to a wearable robot-assisted walking training system that induces an inappropriate walking posture to a normal walking posture during orthopedic exercise.
  • the Robot-Assisted Gait Training System is a rehabilitation training device for patients with walking difficulties. It is a type of gait training system used by rehabilitation professionals. This system utilizes robotic technology to help patients practice walking and perform rehabilitation exercises.
  • These systems can be adjusted according to the patient's physical abilities and condition, and provide gait training by simulating or assisting walking movements, and can also detect and compensate for the patient's movements to help them walk more safely and efficiently.
  • Robot-assisted gait training systems help patients with various physical limitations receive safe and effective rehabilitation training. This helps improve walking ability and restore independence in daily life.
  • the present disclosure proposes an effective robot-assisted gait training system and control method that can minimize the intervention of a therapist when bending and extending a joint during gait rehabilitation exercise.
  • the present disclosure proposes a robot-assisted gait training system and control method that can enhance the rehabilitation effect by assisting the patient's movement in real time through a wearable robot linked to a main body.
  • Robot-assisted walking training system according to the present disclosure:
  • a main system comprising a walking exercise unit having an end-effector type pedal on which a patient steps for walking training and a main actuator that drives the pedal, and a main control unit that controls the main actuator to perform walking training on a patient standing on the pedal; and
  • a wearable robot-type subsystem comprising: a sub-actuator having one or more sub-actuator units that are mounted on the patient's body and assist or force the patient's lower body joint movement in synchronization with the movement of the main actuator; and a sub-control unit that controls the one or more sub-actuator units and links or synchronizes the movement of the one or more active joints with the movement of the main actuator by a control signal from the main control unit.
  • the above-mentioned walking movement unit may be provided with a joint-linkage structure having a plurality of joints and links capable of linear or rotational movement with the pedals attached to the ends thereof, or a bar-linkage structure in which the pedals are attached to the ends of an operating bar and move.
  • the main actuator is a main actuator of a joint-link structure having a joint-link structure and a drive motor connected to each joint of the joint-link structure to drive the joints to realize the movement of the walking movement unit, or a main actuator of a bar-link structure having a bar-link structure and a drive motor connected to one end of the bar-link structure to drive the joints.
  • the main actuator of the bar-link structure :
  • It may include a drive motor that provides rotational force to the closed link.
  • the main actuator of the joint-link structure :
  • a second drive motor connected to the other end of the operating link and driving it while reciprocating a predetermined distance by an LM (linear motion) unit;
  • a first driving motor is installed at one end of the above operating link and drives the pedal.
  • the LM unit :
  • a guide rail that supports the above moving station to move back and forth a predetermined distance
  • a transfer plate that is slidably connected to the guide rail, on which the moving station is mounted;
  • a belt coupled to the moving station for linear reciprocating movement of the above moving station and a drive pulley and a guide pulley supporting the movement thereof;
  • It comprises a third drive motor that provides rotational force to the drive pulley and a power transmission unit that transmits power from the third drive motor to the drive pulley.
  • the main actuator of the bar-link structure :
  • It may include an actuating motor that provides rotational force to the closed link.
  • the above subsystem has a structure of a multi-joint robot in which the actuator unit has a plurality of links positioned between the patient's joints and the actuator unit is positioned between the links.
  • the main system and the subsystem are configured to exchange information with each other by wired or wireless communication so that the operation of the subsystem can be linked to the operation of the main system.
  • the subsystem comprises at least one of a first actuator unit for assisting motion of a hip joint, a second actuator unit for assisting motion of a patient's knee, and a third actuator unit for assisting motion of a patient's ankle.
  • the subsystem can force movement of each joint by the sub-actuator, and control the degree of force of the joint by the sub-actuator by at least one signal from the angle of the joint, resistance torque, and electromyography from a sensing unit installed in the sub-actuator.
  • the pedal may further include a pressure sensor that detects pressure on the pedal and transmits a pressure signal to the main control unit.
  • the subsystem can force movement of each joint by the sub-actuator, and control the degree of force of the joint by the sub-actuator by at least one signal from the angle of the joint, resistance torque, and electromyography from a sensing unit installed in the sub-actuator.
  • the sensing unit may be positioned at a joint location of the patient or at a location between joints.
  • a gait training method using a gait training system having a main system having an end effect type pedal for gait training of a patient and a sub system having one or more sub-actuator units for controlling the movement of the patient's lower body joints,
  • the above main system operates an end-effector type pedal on which the patient stands according to a training plan for the individual patient, thereby performing the patient's walking movement;
  • the sub-system may include a step of forcing movement of the patient's lower body joints by controlling the operation of the sub-actuator unit so that the movement of the patient's lower body joints matches the walking posture according to the operation of the pedals of the main system.
  • the above subsystem can control the force forcing the patient's joint movement by the actuator unit based on a signal from a sensing unit that detects status information related to the patient's joint movement.
  • the above sensing unit can detect at least one signal among the angle, resistance torque, and electromyography of the corresponding joint of the patient.
  • the above actuator units are interconnected by a plurality of links positioned between the patient's joints, and the patient's joint movement angle can be controlled as an angle between the links on both sides connected thereto.
  • a patient When a patient performs rehabilitation exercise using an end-effector type robot-assisted gait training system, he or she passively moves his or her joints depending on the robot's movements. However, by linking with a wearable robot, the angle of the patient's lower body joints is controlled through real-time feedback control and the patient's voluntary muscle intervention is induced.
  • the present invention assists the patient's movement through real-time feedback control by linking an end-effector type robot-assisted gait training system with a wearable robot that forces the patient's lower body movement in a certain format. Through this, the patient's active movement (muscle movement) can be induced by increasing the patient's rehabilitation intensity, and the therapist's intervention can be minimized, making rehabilitation efficient and maximizing its effectiveness.
  • FIG. 2 is a side view of the main system in the wearable robot-assisted walking training system according to the present disclosure illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a front view of the main system in the wearable robot-assisted walking training system according to the present disclosure illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 4a is a perspective view showing the structure of a reciprocating LM unit and a main actuator coupled thereto of a wearable robot-assisted walking training system according to the present disclosure.
  • FIG. 4b is a partially enlarged perspective view of the reciprocating LM unit and the main actuator coupled thereto of the wearable robot-assisted walking training system illustrated in FIG. 4a, viewed from another direction.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of a walking motion unit of a wearable robot-assisted walking training system according to the present disclosure.
  • Figure 6 illustrates a schematic configuration of an end-effect type gait training system by a main actuator of a bar-link structure.
  • Figure 7 illustrates a schematic structure of a subsystem having a wearable active joint control robot, which is an important element of the exercise system of the present disclosure, and a state in which a patient wears it.
  • FIG. 8 is a block diagram showing the control relationship between the main system of the wearable robot-assisted walking training system according to the present disclosure and the subsystem having the wearable active joint control robot.
  • Figure 9 illustrates a scene in which a patient trains while wearing a robot-shaped sub-system in the main system of an exercise system equipped with a wearable active joint control robot, which is an important element of the exercise system of the present disclosure.
  • Figure 10 illustrates a normal gait cycle, showing the posture of the feet, knees, and thighs during normal walking.
  • Figure 11 illustrates the rules for each position in the walking pattern.
  • Figures 12a, 12b, and 12c are graphs showing normal changes in joint angles (deg), joint moments (N-in/kg), and joint powers (W/kg) at the hip, knee, and ankle during extension and flexion of the joints during one gait cycle.
  • first and second may be used to describe various components, these components are not limited by these terms. These terms are used solely to distinguish one component from another. For example, a first component could be referred to as a second component, and vice versa, without departing from the scope of the present invention.
  • a particular process sequence may be performed in a different order than described.
  • two processes described in succession may be performed substantially simultaneously, or in a reverse order from the described order.
  • FIG. 1 illustrates an embodiment of a main system (100) in a wearable robot-assisted walking training system according to the present disclosure
  • FIG. 2 is a side view thereof
  • FIG. 3 is a front view thereof.
  • the wearable robot-assisted walking training system has the main system (100) and a sub-system (200) in the form of a wearable active joint control robot as illustrated in FIG. 6 described below.
  • the main system (100) will be described first below.
  • the main system (100) is a type of robot that provides walking training to a patient, and provides a walking exercise unit (105) with two left and right end-effect pedals (105a) for the patient to step on with both feet.
  • the above main system (100) is provided with a first base (101a) and a second base (101b) on the left and right sides that are placed on the floor and support the entire structure, and the walking movement unit (105) is located between the first and second bases (101a, 101b) on the left and right sides.
  • the above-mentioned walking movement unit (105) includes first and second main actuators (105L, 105R) on the left and right to which left and right pedals (105a) are respectively coupled, and each of the first main actuators (105L) and the second main actuators (105R) includes a pedal (105a), an operating link (105b) to which the pedal (105a) is operably coupled via a first driving motor (105d), and the operating link (105b) has a first driving motor (105d) that rotates the pedal (105a) within a predetermined angular range determined in advance by an individual training plan, and is connected to a second driving motor (105c) provided on each of the left and right bases (101a, 101b) and rotates by the second driving motor (105c).
  • the second driving motor (105c) that rotates the above-described operating link (105b) within a predetermined angular range is coupled to a moving stage (108s) of a reciprocating linear motion unit (108, see FIGS. 4a and 4b) described later, and can perform linear reciprocating motion along the corresponding base (101a, 102a). More details are provided in the description of FIGS. 4a and 4b.
  • the left and right main actuators (105L, 105R) placed between the left and right bases (101a, 101b) move in harmony with each other in response to the movement trajectories of the left and right feet when walking, and in some cases, they may move in an intentionally disharmonious manner.
  • the pedals are operated by the system operating device described below to enable the patient to perform appropriate walking exercises.
  • the patient simply stands on them and walks in accordance with the pedal movements.
  • An ankle strap that can be installed here secures the patient's foot to the pedal, either loosely or tightly enough to allow the patient's foot to move within a certain range.
  • the movement of the above two pedals (105a) is controlled by the system operating device to accommodate an abnormal gait pattern while training the gait pattern to be closer to a normal gait pattern for the purpose of gait training of the patient.
  • an assembly in which a saddle (104) and a safety bar (106) thereon or a fence part (107) including the same for supporting the chest, etc. are combined into one, and this assembly is installed to a lift unit (102) via an up-down frame (103).
  • the lift unit (102) is an assembly raising/lowering device that adjusts the height of the assembly to match the patient's physical condition.
  • a system status display part (109) facing the patient is provided at the top of the lift unit (102).
  • a lifting or fixed support column (113a) is installed, and a system monitor (113) that displays the operating status of the entire system is connected thereto.
  • Figures 4a and 4b illustrate the structure and coupling relationship of the reciprocating LM unit (108) described above and the main actuators (105L, 105R) coupled thereto.
  • two guide rails (108r) that are parallel in the longitudinal direction are installed on top of the base frame (108f), and a transfer plate (108c) is coupled to these two guide rails (108r) so that it can move linearly via an LM guide (108g), and a moving stage (108s) equipped with a second drive motor (105c) that drives an operating link (105b) is integrally coupled to the transfer plate (108c) so that it moves simultaneously with the transfer plate (108c).
  • the moving stage (108s) is an endless track type belt, for example, a transfer belt (108b), which is installed in the longitudinal direction of the base frame (108f) and in the same direction as the guide rail (108r), and for example, the transfer belt is engaged with a driven pulley (108dp) and a guide pulley (108gp), so that movement on an endless track is possible therebetween.
  • the driven pulley (108dp) and the guide pulley (108gp) are arranged in the movement direction of the moving stage (108s), and thereby the moving stage (108s) or the transfer plate (108c) can be coupled to a part of the transfer belt (108b) whose movement is guided.
  • a third drive motor (108m) is installed on one side (outer side in the drawing) of the base frame (108f), and the rotational power of the third drive motor (108m) is transmitted to the driven pulley (108p1) through a powertrain unit (107t).
  • the driven pulley (108p1) is coaxially and integrally connected with a planetary pulley (108p3) that receives power from the drive pulley (108p4) of the third drive motor (108m) through a drive belt (108b2) as an element of the powertrain unit (107t).
  • the power transmission structure uses a pulley and a belt whose movement is guided by the pulley, but the technical scope of the present disclosure is not limited by this specific power transmission structure.
  • Fig. 5 is a schematic perspective view of a walking motion unit (105). According to the exemplary structures of Figs. 4a and 4b, pedal movement in three directions can occur as shown in Fig. 5.
  • the first movement is a first rotational movement (RM1) with respect to the operating link (105b)
  • the second movement is a second rotational movement (RM2) by the second driving motor
  • a linear movement (LM) according to the linear movement of the second driving motor (105c).
  • the movement trajectory of the pedal (105a) can be formed to force the movement of the foot to assist the patient's walking and induce normal walking.
  • the pedal (105a) is coupled to the operating link (105b) via the first driving motor (105d) to enable a rotational movement (RM2) of a predetermined angle with respect to the operating link (105b), and a band (not shown) that can bind the patient's foot or ankle, or a clamp or cleat structure that fixes the shoe and the pedal, can be installed or provided.
  • the pedal (105a) can be rotated at an angle controlled by the first driving motor (105d) provided in the operating link (105b), and in this state, up-and-down movement and forward-and-backward movement are possible by the second driving motor (105c).
  • the composite movements of the two pedals (105a, 105a) of the above-mentioned walking movement unit (105) in the up-down, forward-backward, and backward directions are performed independently, but when walking, they move away from each other or come closer to each other and then intersect each other in response to the movements of the left and right feet.
  • a structure other than the specific structure described above can be applied.
  • a linear motion driving device for controlling the linear reciprocating motion of the operating link or the entire walking movement unit (105) equipped therewith, and a rotary or pivotal motion driving device for controlling the rotary motion of the operating link (105b) can be provided in various forms.
  • the walking motion unit (105) described above has been described very specifically as having a structure for driving a pedal (105a) including an operating link (105b), first and second driving motors (105c, 105d), and an LM unit (108), but it should be understood that the technical scope of the present invention is not limited to the specific structure of the walking motion unit (105).
  • the walking movement unit (105) for driving the end-effect type pedal directly related to the patient's walking training may be provided with a joint-linkage structure having a plurality of joints and links at the end of the pedal that are capable of linear or rotational movement in order to implement the patient's walking, or a bar-linkage structure in which the pedal is attached to the end of an operating bar and moves.
  • a guide rail-assisted bar-linkage structure in which a rail for guiding the movement of the pedal is added to the bar-linkage structure in which the pedal is attached to the end of an operating bar and moves may be adopted, and this may also be considered to fall within the scope of the present invention.
  • Figure 6 schematically and conceptually simplifies the schematic configuration of an end-effect type gait training system by a main actuator of a bar-link structure.
  • the walking motion unit has two bar-link structures (302) on the left and right, and the drawing shows one structure (302).
  • Each bar-link structure (302) has two long actuating bars, namely a first actuating bar (302c) and a second actuating bar (302d), which are directly actuated by a driving motor (307).
  • One end (left side in the drawing) of the first operating bar (302c) and the second operating bar (302d), which are components of a closed link, is configured to be directly operated by an operating motor (307).
  • one end of the first operating bar (302c) is rotatably connected to a rotating wheel (306a) or a rotating arm (306) that is rotated by the operating motor (307), and the second operating bar (302d) slides in contact with a rotating cam (305) that is rotated by the operating motor (307) and rotates in the up-and-down direction according to a change in the contact position with the rotating cam (305).
  • a short third operating rod or operating plate (302 a) on which a footrest or pedal (301) is installed is rotatably interconnected at both ends of the first bar (302c) and the second bar (302d) (right side in the drawing).
  • the rotation wheel (306a) and the rotation cam (305) are rotated by the operation motor (307), and the first operation bar and the second operation bar (302c, 302d) move in response to the movement of the rotation wheel and the movement of the cam, respectively, and accordingly, the operation plate (302a) at the front end where the footrest (301) is located moves back and forth left and right and slightly rises and falls, thereby forming the movement of the pedal (301) along a trajectory as indicated by reference number “304”, and thus the patient (1) steps on this and performs walking training.
  • the main actuator of the bar-link structure illustrated in Fig. 6 has a plate provided with a foothold, a closed link structure by a first bar and a second bar, and a driving motor that operates it.
  • the subsystem (200) according to the present disclosure may be designed and manufactured to enable forced training for both legs, as exemplarily illustrated in FIG. 7, but may also correspond to only one leg according to another embodiment.
  • Each of the two sub-actuators (200L, 200R) is provided underneath the wearable band (201) and has a number of links (three in the drawing) that are connected from the waist to the feet, namely, a first link (205) between the waist belt and the hip joint, a second link (206) between the hip joint and the knee, a third link (207) between the knee and the ankle joint, and optionally a foot fixing unit (208) as needed, which may be added or reduced depending on needs and design conditions.
  • the above-mentioned fixed part (208) can be designed so that the pressure of the sole of the foot is transmitted to the pedal and only the angle control of the ankle joint with respect to the third link (207) is possible.
  • active joint control elements for active joint control i.e., actuator units (202, 203, 204).
  • actuator units i.e., actuators
  • the actuator units may be provided in the form of various actuators such as rotary motors or reciprocating fluid cylinders, and may include a sensing unit for measuring joint angles, resistance torques, electromyography, etc.
  • the actuator units actively control the angles of the upper and lower links, for example, the angle of the lower link with respect to the upper link. This control is flexible and forces the joints therebetween to be maintained within a certain range.
  • These active joint control elements are controlled by the control unit of the main system, and their operation is synchronized to match the movement of the pedals, e.g., the gait cycle pattern, but may also be intentionally controlled not to be synchronized depending on the training method.
  • Figure 8 is a block diagram showing the control relationship between the main system (100) and the subsystem (200) equipped with the wearable active joint control robot.
  • the main system (100) and the subsystem (200) are connected through a communication unit (198) so that a command (instruct) from the main system (100) is transmitted to the subsystem (200) and the result is returned to the main system (100).
  • the above communication unit (198) can be applied to various short-range communication methods, for example, Bluetooth can be applied.
  • the illustrated communication unit (198) is provided as a representative communication unit as an element of symbolic meaning, and the main control unit and the sub-control unit can be connected through this communication unit.
  • the first sensing unit (212), the second sensing unit (213), and the third sensing unit (214) measure the patient's joint angle, joint resistance torque, electromyography, etc., and transmit the measured values to the main control unit through the communication unit.
  • the above first, second, and third sensing units (212, 213, 214) may be provided for each of the actuator units (202, 203, 204), and according to another embodiment, may be provided between each of the actuator units.
  • the sub-control unit (210) controls the actuator units (202, 203, 204) of the sub-actuators (200L, 200R) that force the angle of the lower body joint of the patient (1) as described above.
  • the actuators control the first actuator unit (202) for forcing the hip joint, the second actuator unit (203) for controlling the knee joint, and the third actuator unit (204) for controlling the ankle joint, and these actuator units, i.e., actuators, can be increased or decreased as needed and designed.
  • FIG. 9 illustrates a scene in which a patient (1) is trained while wearing a robot-shaped sub-system (200) in the main system (100) according to the present disclosure.
  • the patient (1) can perform gait training while wearing the sub-system (200), i.e., the wearable robot, and holding the safety bar (106) without being on the saddle (104).
  • the saddle (104) can be folded, and thus the patient (1) can perform gait training without relying on the saddle (104), and this can follow a training plan planned according to the condition of the patient.
  • the pedal (105a) is operated by the system operating device to force the patient to walk regardless of the patient's will.
  • pressure sensors, etc. are installed on the saddle (104) and the pedal (105a) to detect the load applied to the saddle (104) and the load applied to the pedal during walking training.
  • multiple pressure sensors are provided before and after the pedal to detect the local pressure applied to the pedal, thereby detecting the degree of pressure applied to the sole of the foot against the pedal or whether there is contact.
  • the sub-system (200) forces the movement of one or more joints using the units of the sub-actuator along with the patient's training progress by the main system (100), and as one of the results, the degree of force of the corresponding joint can be adjusted by at least one signal from the sensing unit among the angle, resistance torque, and electromyography of at least one joint.
  • Figure 10 illustrates a normal gait cycle, showing the posture of the feet, knees, and thighs during normal gait, and Figure 11 illustrates the regulations for each position in the gait pattern.
  • the stance phase is the section where the foot touches the ground
  • the swing phase is the section where the foot is lifted off the ground.
  • This period has two parts: Initial contact (when the foot first touches the ground) and Loading response (when the sole of the foot touches the ground).
  • This period is the mid-stance where the sole of the foot touches the ground, the foot of the opposite leg leaves the ground, and the heel rises and the opposite leg swings.
  • This period is the period when the other foot is planted, and includes the free swing, where the toes of the front foot lift off the ground as the back foot leaves the ground; the mid swing, where the foot that was in contact with the ground earlier begins to lift off while the feet are together; and the terminal swing, where the heel of the front foot begins to touch the ground as the back foot pushes off the ground.
  • the above gait pattern is a normal gait pattern, and patients are trained to acquire this normal gait pattern.
  • the patient's feet may exhibit misalignment during gait training, which does not match each cycle.
  • the heel of the rear foot may not lift off when it should, but remain on the floor. This is because the patient's body does not follow the normal gait pattern.
  • the robotic subsystem (200) of the present disclosure can forcibly bend the knee or ankle joint during this period to match the patient's gait pattern, thereby lifting the heel of the rear foot off the floor. All of these forced joint movements can be performed during the cycle, and through this, patients undergoing gait training can be forced to have a similar, if not normal, gait pattern despite their physical limitations.
  • IC heel initial contact
  • OT opposite toe off in
  • HR heel rise
  • OI opposite heel initial contact
  • the angle of the hip joint is approximately 30 degrees (flex).
  • Ankle joint approximately 10 degrees (plantar flexion)
  • Hip joint -10 degrees (continues to extension.)
  • Hip joint -20 to 20 degrees (Continues to flex)
  • Knee joint 20 degrees (Continues to flex)
  • Ankle joint Plantar flexion peak
  • Hip joint 20 to 30 degrees (continues to flex)
  • the wearable robot is used to forcibly control the knee joint angle in synchronization with the operation of the walking movement unit of the main system, for example, by forcibly bending and extending the patient's joint by considering the normal bending and extension angles, thereby preventing the so-called back-knee phenomenon and enhancing the effect of rehabilitation.
  • the angle of the patient's knee which is not normal, to a normal range, the phenomenon of the heel coming off the ground early in the midstance can be prevented.
  • the robot conceptually illustrated in FIG. 7 can be implemented in various forms, and can be implemented in any form that can force at least one of the patient's lower body joints in compliance with the control of the main system, and such actual implementation naturally falls within the scope of the present invention as long as it has the above-mentioned control structure.
  • the walking motion unit for driving the end-effect type pedal may have a structure in which the pedal has an operating link, a first and a second driving motor, and an LM unit, etc., as described above, and according to another embodiment, the walking motion unit may adopt a bar-connection structure in which the pedal is attached to the end of an operating bar and moves, or a rail-supported bar-connection structure in which a rail for guiding the movement of the pedal is added to the bar-connection structure, and this also naturally falls within the scope of the present invention.

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Abstract

Disclosed are a wearable robot-assisted gait training system and a method for controlling same. The system comprises a main system and a subsystem in the form of a wearable robot. The main system is provided with: a gait exercise unit having an end effector-type pedal, on which a patient steps and stands for gait training, and a main actuator, which drives the pedal; and a main control unit that controls the main actuator and conducts the gait training of the patient standing on the pedal. The subsystem is provided with: a sub-actuator having one or more sub-actuator units that are mounted on the body of the patient and are synchronized with the movement of the main actuator to assist or enforce the movement of lower joints of the patient; and a sub-control unit that controls the one or more sub-actuator units and uses a control signal from the main control unit to link or associate the movement of the one or more active joint parts with the movement of the main actuator.

Description

웨어러블 로봇 보조 보행 훈련 시스템 및 그 제어 방법Wearable robot-assisted gait training system and its control method

본 개시는 웨어러블 로봇 보조 보행 훈련장치에 관한 것으로 상세하게는 정형 운동시 부적절한 보행 자세를 정상 보행 자세로 유도하는 웨어러블 로봇 보조 보행 훈련 시스템에 관한 것이다.The present disclosure relates to a wearable robot-assisted walking training device, and more particularly, to a wearable robot-assisted walking training system that induces an inappropriate walking posture to a normal walking posture during orthopedic exercise.

로봇 보조 보행 훈련 시스템은 보행에 불편한 환자를 위한 재활훈련 장치로서, 재활 전문가들이 사용하는 일종의 보행 훈련 시스템이다. 이 시스템은 로봇 기술을 활용하여 환자가 보행을 연습하고 재활을 위한 운동을 할 수 있도록 지원한다. The Robot-Assisted Gait Training System is a rehabilitation training device for patients with walking difficulties. It is a type of gait training system used by rehabilitation professionals. This system utilizes robotic technology to help patients practice walking and perform rehabilitation exercises.

이러한 시스템은 환자의 신체적인 능력과 상태에 따라 조절할 수 있으며, 보행 동작을 시뮬레이션하거나 보조하여 보행 훈련을 제공하며, 환자의 움직임을 감지하고 보정하여 보다 안전하고 효율적인 보행을 할 수 있도록 돕기도 한다.These systems can be adjusted according to the patient's physical abilities and condition, and provide gait training by simulating or assisting walking movements, and can also detect and compensate for the patient's movements to help them walk more safely and efficiently.

로봇 보조 보행 훈련 시스템은 환자들이 다양한 신체적인 제약을 가지고 있을 때도 안전하고 효과적인 재활훈련을 받을 수 있도록 도와준다. 이는 보행 능력을 향상시키고 일상생활에서의 독립성을 회복하는 데 도움이 된다.Robot-assisted gait training systems help patients with various physical limitations receive safe and effective rehabilitation training. This helps improve walking ability and restore independence in daily life.

그러나, 이러한 로봇 보조 보행 훈련 시스템은 소위 엔드 이펙트형으로서, 환자가 딛고 서는 모터 구동형 페달(motor-driven pedal)을 제공하는 것이다. 이러한 운동 시스템을 이용하는 일부 환자의 경우 패들의 작동에 적응하지 못하여 페달의 움직임에 부응하거나 순응하지 못하는 경우가 발생한다. 이것은 보행 시, 환자의 하체의 움직임이 원활하지 않거나, 패들의 움직임을 따라 갈 수 없기 때문인데, 이 경우, 이 시스템을 통한 재활 훈련이 어렵고 자칫 환자가 발판 또는 패달로부터 이탈되는 등의 불의의 사고를 겪을 수 있다.However, these robotic-assisted gait training systems are so-called end-effect systems, providing a motor-driven pedal upon which the patient steps. Some patients using these systems may not adapt to the paddles' operation and may not respond or adapt to the pedals' movements. This is because the patient's lower body movements are not smooth during walking or they cannot keep up with the paddles' movements. In these cases, rehabilitation training using these systems is difficult and can lead to unexpected accidents, such as the patient falling off the footrest or pedals.

본 개시는 보행 재활 운동시, 관절을 접고 펴거나 할 때 치료사의 개입을 최대한 억제할 수 있는 효과적 로봇 보조 보행 훈련 시스템 및 제어 방법을 제시한다.The present disclosure proposes an effective robot-assisted gait training system and control method that can minimize the intervention of a therapist when bending and extending a joint during gait rehabilitation exercise.

본 개시는 본체와 연동하는 웨어러블 로봇을 통해 실시간으로 환자의 움직임을 보조하여 재활 효과를 증대할 수 있는 로봇 보조 보행 훈련 시스템 및 제어 방법을 제시한다.The present disclosure proposes a robot-assisted gait training system and control method that can enhance the rehabilitation effect by assisting the patient's movement in real time through a wearable robot linked to a main body.

본 개시에 따른 로봇 보조 보행 훈련 시스템:은Robot-assisted walking training system according to the present disclosure:

보행 훈련을 위해 환자가 딛고 서는 엔드-이펙터형 페달 및 페달을 구동하는 메인 작동체를 갖는 보행 운동부, 그리고 상기 메인 작동체를 제어하여 상기 페달에 올라선 환자의 보행 훈련을 진행하는 메인 제어부를 구비하는 메인 시스템; 그리고A main system comprising a walking exercise unit having an end-effector type pedal on which a patient steps for walking training and a main actuator that drives the pedal, and a main control unit that controls the main actuator to perform walking training on a patient standing on the pedal; and

상기 환자의 몸체에 장착되는 것으로 상기 메인 작동체의 움직임에 동기하여 상기 환자의 하체 관절 운동을 보조 또는 강제하는 하나 이상의 서브 작동체 유닛을 가지는 서브 작동체, 상기 하나 이상의 서브 작동 유닛을 제어하는 것으로 상기 메인 제어부로부터의 제어 신호에 의해 상기 메인 작동체의 움직임에 대해 상기 하나 이상의 능동 관절부의 움직임을 연계 또는 연동시키는 서브 제어부;를 구비하는, 웨어러블 로봇 형태의 서브 시스템;을 구비한다.A wearable robot-type subsystem is provided, comprising: a sub-actuator having one or more sub-actuator units that are mounted on the patient's body and assist or force the patient's lower body joint movement in synchronization with the movement of the main actuator; and a sub-control unit that controls the one or more sub-actuator units and links or synchronizes the movement of the one or more active joints with the movement of the main actuator by a control signal from the main control unit.

하나 또는 그 이상의 실시 예에 따르면,According to one or more embodiments,

상기 보행 운동부는 환자의 보행을 구현하기 위해 상기 페달이 끝에 달려 직선운동 혹은 회전운동이 가능한 복수의 관절과 링크를 갖는 관절-링크 구조체(joint-linkage structure) 또는 상기 페달이 작동 바(bar)의 끝에 달려서 움직이는 바-링크 구조체(bar-linkage structure)를 구비할 수 있다.The above-mentioned walking movement unit may be provided with a joint-linkage structure having a plurality of joints and links capable of linear or rotational movement with the pedals attached to the ends thereof, or a bar-linkage structure in which the pedals are attached to the ends of an operating bar and move.

하나 또는 그 이상의 실시 예에 따르면, 상기 메인 작동체는, 상기 보행 운동부의 움직임을 실현하기 위하여 관절-링크 구조체와 , 관절-링크 구조체의 각 관절에 연결되어 이를 구동하는 구동모터를 구비하는 관절-링크 구조의 메인 작동체 또는 바-링크 구조체와 바-링크 구조체의 일측 단부에 연결되어 이를 구동하는 구동모터를 갖추는 바-링크 구조의 메인 작동체이다.According to one or more embodiments, the main actuator is a main actuator of a joint-link structure having a joint-link structure and a drive motor connected to each joint of the joint-link structure to drive the joints to realize the movement of the walking movement unit, or a main actuator of a bar-link structure having a bar-link structure and a drive motor connected to one end of the bar-link structure to drive the joints.

하나 또는 그 이상의 실시 예에 따르면, 상기 바-링크 구조의 메인 작동체:는According to one or more embodiments, the main actuator of the bar-link structure:

상기 페달이 장착되는 작동 바;An operating bar on which the above pedals are mounted;

상기 상기 작동 바가 보행 운동과 유사한 형태로 움직이게 하는 폐쇄형 링크; 그리고A closed link that causes the above-mentioned operating bar to move in a form similar to a walking motion; and

상기 폐쇄형 링크에 대한 회전력을 제공하는 구동 모터를 포함할 수 있다.It may include a drive motor that provides rotational force to the closed link.

하나 또는 그 이상의 실시 예에 따르면, 상기 관절-링크 구조의 메인 작동체:는 According to one or more embodiments, the main actuator of the joint-link structure:

LM(linear motion) 유닛에 의해 미리 결정된 거리를 왕복 운동하면서 상기 작동 링크의 타측 단부에 연결되어 이를 구동하는 제 2 구동 모터; 그리고A second drive motor connected to the other end of the operating link and driving it while reciprocating a predetermined distance by an LM (linear motion) unit; and

상기 작동 링크의 일측 단부에 설치되어 상기 페달을 구동하는 제 1 구동 모터;를 갖춘다.A first driving motor is installed at one end of the above operating link and drives the pedal.

하나 또는 그 이상의 실시 예에 따르면, 상기 LM 유닛:은According to one or more embodiments, the LM unit:

상기 제 2 구동 모터를 장착하는 무빙 스테이션;A moving station equipped with the second driving motor;

상기 무빙 스테이션을 미리 결정된 거리를 왕복 이동하도록 지지하는 가이드 레일;A guide rail that supports the above moving station to move back and forth a predetermined distance;

상기 무빙 스테이션이 장착되는 것으로서, 상기 가이드 레일에 슬라이딩 이동 가능하게 결합되는 이송 플레이트;A transfer plate that is slidably connected to the guide rail, on which the moving station is mounted;

상기 무빙 스테이션의 선형 왕복 이동을 위해 무빙 스테이션에 결합되는 벨트 및 이의 이동을를 지지하는 구동 풀리 및 가이드 풀리; 그리고A belt coupled to the moving station for linear reciprocating movement of the above moving station and a drive pulley and a guide pulley supporting the movement thereof; and

상기 구동 풀리에 대한 회전력을 제공하는 제 3 구동 모터 및 제 3 구동 모터로부터의 동력을 상기 구동 풀리로 전달하는 동력 전달 유닛;을 구비한다.It comprises a third drive motor that provides rotational force to the drive pulley and a power transmission unit that transmits power from the third drive motor to the drive pulley.

하나 또는 그 이상의 실시 예에 따르면, 상기 바-링크 구조의 메인 작동체:는According to one or more embodiments, the main actuator of the bar-link structure:

상기 페달이 장착되는 작동 바;An operating bar on which the above pedals are mounted;

상기 바가 보행 운동과 유사한 형태로 움직이게 하는 폐쇄형 링크; 그리고A closed link that allows the above bar to move in a manner similar to a walking motion; and

상기 폐쇄형 링크에 대한 회전력을 제공하는 작동 모터를 포함할 수 있다.It may include an actuating motor that provides rotational force to the closed link.

하나 또는 그 이상의 실시 예에 따르면,According to one or more embodiments,

상기 서브 시스템은, 상기 작동체 유닛은 환자의 관절과 관절 사이에 위치하는 복수의 링크;를 구비하고 링크 들 사이에 상기 작동체 유닛이 위치하는 다관절형 로봇의 구조를 가진다.The above subsystem has a structure of a multi-joint robot in which the actuator unit has a plurality of links positioned between the patient's joints and the actuator unit is positioned between the links.

하나 또는 그 이상의 실시 예에 따르면, 상기 메인 시스템과 서브 시스템은 유선 또는 무선 통신에 의해 상호 정보의 교환하여 상기 메인 시스템의 작동에 상기 서브 시스템의 작동을 연계 가능하도록 구성된다.According to one or more embodiments, the main system and the subsystem are configured to exchange information with each other by wired or wireless communication so that the operation of the subsystem can be linked to the operation of the main system.

하나 또는 그 이상의 실시 예에 따르면, 상기 서브 시스템은, 고관절의 운동 보조를 위한 제 1 작동체 유닛, 환자의 무릎의 운동 보조를 위한 제 2 작동체 유닛, 그리고 환자의 발목의 운동 보조를 위한 제 3 작동체 유닛 중의 적어도 하나를 구비한다.According to one or more embodiments, the subsystem comprises at least one of a first actuator unit for assisting motion of a hip joint, a second actuator unit for assisting motion of a patient's knee, and a third actuator unit for assisting motion of a patient's ankle.

하나 또는 그 이상의 실시 예에 따르면, 상기 서브 시스템은 상기 서브 작동체에 의한 각 관절의 움직임을 강제하고, 서브 작동체에 설치되는 센싱부로부터의 관절의 각도, 저항 토크, 근전도 중의 적어도 하나의 신호에 의해 서브 작동체에 의한 관절의 강제 정도를 조절할 수 있다.According to one or more embodiments, the subsystem can force movement of each joint by the sub-actuator, and control the degree of force of the joint by the sub-actuator by at least one signal from the angle of the joint, resistance torque, and electromyography from a sensing unit installed in the sub-actuator.

하나 또는 그 이상의 실시 예에 따르면, 상기 페달에, 페달에 대한 압력을 검출하여 상기 메인 제어부로 압력 신호를 전송하는 압력 센서를 더 구비될 수 있다.According to one or more embodiments, the pedal may further include a pressure sensor that detects pressure on the pedal and transmits a pressure signal to the main control unit.

하나 또는 그 이상의 실시 예에 따르면, 상기 서브 시스템은 상기 서브 작동체에 의한 각 관절의 움직임을 강제하고, 서브 작동체에 설치되는 센싱부로부터의 관절의 각도, 저항 토크, 근전도 중의 적어도 하나의 신호에 의해 서브 작동체에 의한 관절의 강제 정도를 조절할 수 있다.According to one or more embodiments, the subsystem can force movement of each joint by the sub-actuator, and control the degree of force of the joint by the sub-actuator by at least one signal from the angle of the joint, resistance torque, and electromyography from a sensing unit installed in the sub-actuator.

하나 또는 그 이상의 실시 예에 따르면, 상기 센싱부는 환자의 관절 위치에 또는 관절과 관절의 사이의 위치에 배치될 수 있다.According to one or more embodiments, the sensing unit may be positioned at a joint location of the patient or at a location between joints.

하나 또는 그 이상의 실시 예의 제어 방법:은A method of controlling one or more embodiments:

환자의 보행 훈련을 위한 엔드 이펙트형 페달을 갖춘 메인 시스템, 그리고 환자의 하체 관절 운동을 제어하는 하나 이상의 서브 작동체 유닛을 가지는 서브 시스템을 갖춘 보행 훈련 시스템을 이용한 보행 훈련 방법에 있어서,A gait training method using a gait training system having a main system having an end effect type pedal for gait training of a patient and a sub system having one or more sub-actuator units for controlling the movement of the patient's lower body joints,

상기 메인 시스템이, 환자 개인에 대한 훈련 계획에 따라 상기 환자가 딛고 서는 엔드-이펙터형 페달을 작동하여 환자의 보행 운동을 수행하는 단계;The above main system operates an end-effector type pedal on which the patient stands according to a training plan for the individual patient, thereby performing the patient's walking movement;

상기 메인 시스템이 상기 서브 시스템과 서브 시스템의 제어를 위한 유선 또는 무선 통신을 수행하는 단계; 그리고A step in which the main system performs wired or wireless communication for controlling the subsystem and the subsystem; and

상기 서브 시스템이, 상기 메인 시스템의 페달의 작동에 따른 보행 자세에 대해 상기 환자의 하체 관절의 움직임이 부합되도록 서브 작동체 유닛의 작동을 제어하여 상기 환자의 하체 관절의 움직임을 강제하는 단계;를 포함할 수 있다.The sub-system may include a step of forcing movement of the patient's lower body joints by controlling the operation of the sub-actuator unit so that the movement of the patient's lower body joints matches the walking posture according to the operation of the pedals of the main system.

하나 또는 그 이상의 실시 예의 제어 방법에 따르면,According to one or more control methods of the embodiments,

상기 서브 시스템은 환자의 관절 움직임에 관련한 상태 정보를 검출하는 센싱부로부터의 신호에 의해 상기 작동체 유닛에 의한 환자의 관절 움직임을 강제하는 힘을 조절할 수 있다.The above subsystem can control the force forcing the patient's joint movement by the actuator unit based on a signal from a sensing unit that detects status information related to the patient's joint movement.

하나 또는 그 이상의 실시 예에 따르면,According to one or more embodiments,

상기 센싱부는 상기 환자의 해당 관절의 각도, 저항 토크, 근전도 중의 적어도 하나의 신호를 검출할 수 있다.The above sensing unit can detect at least one signal among the angle, resistance torque, and electromyography of the corresponding joint of the patient.

하나 또는 그 이상의 실시 예의 제어 방법에 따르면,According to one or more control methods of the embodiments,

상기 작동체 유닛은 환자의 관절과 관절 사이에 위치하는 복수의 링크에 의해 상호 연결되고, 상기 환자의 관절 움직임 각도는 이에 연결된 그 양측의 링크 간의 각도로서 제어될 수 있다.The above actuator units are interconnected by a plurality of links positioned between the patient's joints, and the patient's joint movement angle can be controlled as an angle between the links on both sides connected thereto.

하나 또는 그 이상의 실시 예의 제어 방법에 따르면,According to one or more control methods of the embodiments,

상기 페달은 내장된 압력 센서로 환자에 의해 가해 지는 압력을 검출하고, 이를 상기 메인 제어부로 전송할 수 있다.The above pedal can detect the pressure applied by the patient with a built-in pressure sensor and transmit it to the main control unit.

환자가 엔드-이펙터형(end-effector type) 로봇 보조 보행 훈련 시스템으로서 재활 운동을 진행할 시, 로봇의 움직임에 의존하여 관절을 수동적으로 움직이게 되지만 웨어러블로 로봇과 연동을 통하여 실 시간 피드백 제어를 통해 환자의 하체 관절의 각도를 제어하고 환자의 자발적인 근육개입을 유도하도록 한다. 본 발명은 엔드-이펙터형 로봇 보조 보행 훈련 시스템과 환자의 하체 운동을 일정한 포맷으로 강제하는 웨어러블 로봇의 연동으로 실시간 피드백 제어를 통하여 환자의 움직임을 보조한다. 이를 통하여 환자의 재활 강도의 증가로 환자의 능동적인 움직임(근육의 움직임)을 유도할 수 있으며 치료사의 개입을 최소화하여 재활을 효율적이며, 효과를 극대화할 수 있다When a patient performs rehabilitation exercise using an end-effector type robot-assisted gait training system, he or she passively moves his or her joints depending on the robot's movements. However, by linking with a wearable robot, the angle of the patient's lower body joints is controlled through real-time feedback control and the patient's voluntary muscle intervention is induced. The present invention assists the patient's movement through real-time feedback control by linking an end-effector type robot-assisted gait training system with a wearable robot that forces the patient's lower body movement in a certain format. Through this, the patient's active movement (muscle movement) can be induced by increasing the patient's rehabilitation intensity, and the therapist's intervention can be minimized, making rehabilitation efficient and maximizing its effectiveness.

도 1은 본 개시에 따른 웨어러블 로봇 보조 보행 훈련 시스템에서 메인 시스템의 한 실시 예를 도시한다.FIG. 1 illustrates an embodiment of a main system in a wearable robot-assisted walking training system according to the present disclosure.

도 2는 도 1에 도시된 본 개시에 따른 웨어러블 로봇 보조 보행 훈련 시스템에서 메인 시스템의 측면도이다.FIG. 2 is a side view of the main system in the wearable robot-assisted walking training system according to the present disclosure illustrated in FIG. 1.

도 3는 도 1에 도시된 본 개시에 따른 웨어러블 로봇 보조 보행 훈련 시스템에서 메인 시스템의 정면도이다.FIG. 3 is a front view of the main system in the wearable robot-assisted walking training system according to the present disclosure illustrated in FIG. 1.

도 4a는 본 개시에 따른 웨어러블 로봇 보조 보행 훈련 시스템의 왕복동형 LM 유닛 및 이에 결합된 메인 작동체의 구조를 보이는 사시도이다.FIG. 4a is a perspective view showing the structure of a reciprocating LM unit and a main actuator coupled thereto of a wearable robot-assisted walking training system according to the present disclosure.

도 4b 는 도 4a에 도시된 웨어러블 로봇 보조 보행 훈련 시스템의 왕복동형 LM 유닛 및 이에 결합된 메인 작동체를 다른 방향에서 보인 부분 확대 사시도이다.FIG. 4b is a partially enlarged perspective view of the reciprocating LM unit and the main actuator coupled thereto of the wearable robot-assisted walking training system illustrated in FIG. 4a, viewed from another direction.

도 5는 본 개시에 따른 웨어러블 로봇 보조 보행 훈련 시스템의 보행 운동부의 개략적 발췌 사시도이다.FIG. 5 is a schematic perspective view of a walking motion unit of a wearable robot-assisted walking training system according to the present disclosure.

도 6은 바-링크 구조의 메인 작동체에 의한 엔드 이펙트형 보행 훈련 시스템의 개략적 구성을 예시한다.Figure 6 illustrates a schematic configuration of an end-effect type gait training system by a main actuator of a bar-link structure.

도 7은 본 개시의 운동 시스템의 중요한 한 요소인 웨어러블 능동 관절 제어 로봇을 갖춘 서브 시스템의 개략적 구조 및 이를 환자가 착용한 상태를 예시한다.Figure 7 illustrates a schematic structure of a subsystem having a wearable active joint control robot, which is an important element of the exercise system of the present disclosure, and a state in which a patient wears it.

도 8은 본 개시에 따른 웨어러블 로봇 보조 보행 훈련 시스템의 메인 시스템과 상기 웨어러블 능동 관절 제어 로봇을 갖춘 서브 시스템의 제어 관계를 보이는 블록 다이어그램이다.FIG. 8 is a block diagram showing the control relationship between the main system of the wearable robot-assisted walking training system according to the present disclosure and the subsystem having the wearable active joint control robot.

도 9는 본 개시의 운동 시스템의 중요한 한 요소인 웨어러블 능동 관절 제어 로봇을 갖춘 운동 시스템의 메인 시스템에서 환자가 로봇 형태의 서브 시스템을 착용한 상태에서 훈련하는 장면을 예시한다Figure 9 illustrates a scene in which a patient trains while wearing a robot-shaped sub-system in the main system of an exercise system equipped with a wearable active joint control robot, which is an important element of the exercise system of the present disclosure.

도 10은 정상적 보행 사이클을 예시하는 것으로서, 정상 보행시의 발, 무릎, 허벅지의 자세를 도시한다.Figure 10 illustrates a normal gait cycle, showing the posture of the feet, knees, and thighs during normal walking.

도 11은 보행 패턴에서의 각 위치에 대한 규정을 도시한다. 그리고,Figure 11 illustrates the rules for each position in the walking pattern. And,

도 12a, 12b, 12c는, 하나의 보행 주기(gait cycle)에서 관절을 펴고(extension, ext) 접을(flexion, flex) 때에 나타나는 엉덩이(hip), 무릎(knee) 및 발목(ankle)에서의 관절각도(joint angle, deg), 관절 모멘트(joint moment, N-in/kg), 그리고 관절힘(joint power, W/kg)들의 정상 변화를 보이는 그래프이다.Figures 12a, 12b, and 12c are graphs showing normal changes in joint angles (deg), joint moments (N-in/kg), and joint powers (W/kg) at the hip, knee, and ankle during extension and flexion of the joints during one gait cycle.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 개념의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명 개념의 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명 개념의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들로 인해 한정 되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명 개념의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명 개념을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어 지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명 개념은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어 지지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention may be modified in various different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below. It is preferable to interpret that the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to a person having average knowledge in the art. Like reference numerals denote like elements throughout. Furthermore, various elements and areas in the drawings are schematically drawn. Therefore, the present invention is not limited by the relative sizes or intervals drawn in the accompanying drawings.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명 개념의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 반대로 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.While terms such as "first" and "second" may be used to describe various components, these components are not limited by these terms. These terms are used solely to distinguish one component from another. For example, a first component could be referred to as a second component, and vice versa, without departing from the scope of the present invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명 개념을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함한다” 또는 “갖는다” 등의 표현은 명세서에 기재된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is only used to describe specific embodiments and is not intended to limit the concept of the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In this application, it should be understood that the expressions “comprises” or “has” are intended to specify the presence of a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but do not exclude in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, operations, components, parts, or combinations thereof.

달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 발명 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것임은 이해될 것이다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Furthermore, it is to be understood that commonly used terms, such as those defined in dictionaries, should be interpreted to have a meaning consistent with their meaning within the relevant technical context, and should not be interpreted in an overly formal sense unless explicitly defined herein.

어떤 실시 예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.In some embodiments, where the implementation is otherwise feasible, a particular process sequence may be performed in a different order than described. For example, two processes described in succession may be performed substantially simultaneously, or in a reverse order from the described order.

이하에서 하나 또는 그 이상의 실시 예에 따른 웨어러블 로봇 보조 보행 훈련 시스템 및 그 제어 방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a wearable robot-assisted walking training system and a control method thereof according to one or more embodiments are described.

도 1은 본 개시에 따른 웨어러블 로봇 보조 보행 훈련 시스템에서 메인 시스템(100)의 한 실시 예를 도시하며, 도 2는 그 측면도, 그리고 도 3은 정면도이다.FIG. 1 illustrates an embodiment of a main system (100) in a wearable robot-assisted walking training system according to the present disclosure, FIG. 2 is a side view thereof, and FIG. 3 is a front view thereof.

본 개시에 따른 웨어러블 로봇 보조 보행 훈련 시스템은 상기 메인 시스템(100)과 후술되는 도 6에 도시된 바와 같이 웨어러블 능동 관절 제어 로봇 형태의 서브 시스템(200)을 갖추며, 이하에서 상기 메인 시스템(100)에 대해 먼저 설명한다.The wearable robot-assisted walking training system according to the present disclosure has the main system (100) and a sub-system (200) in the form of a wearable active joint control robot as illustrated in FIG. 6 described below. The main system (100) will be described first below.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 메인 시스템(100)은 환자에게 보행 훈련을 제공하는 일종의 로봇으로서 환자가 양 발로 딛고 엔드 이펙트형 좌우 두 페달(105a)을 갖춘 보행 운동부(105)를 제공한다.Referring to FIGS. 1 and 2, the main system (100) is a type of robot that provides walking training to a patient, and provides a walking exercise unit (105) with two left and right end-effect pedals (105a) for the patient to step on with both feet.

상기 메인 시스템(100)은 바닥에 놓여서 전체 구조를 지지하는 좌우의 제 1 베이스(101a)와 제 2 베이스(101b)를 구비하며, 상기 좌우의 제 1, 제 2 베이스(101a, 101b)의 사이에 상기 보행 운동부(105)가 위치한다. The above main system (100) is provided with a first base (101a) and a second base (101b) on the left and right sides that are placed on the floor and support the entire structure, and the walking movement unit (105) is located between the first and second bases (101a, 101b) on the left and right sides.

상기 보행 운동부(105)는 좌우의 페달(105a) 각각이 결합되는 좌우의 제 1, 제 2 메인 작동체(main actuator, 105L, 105R)들을 포함하며, 이들 제 1 메인 작동체(105L)와 제 2 메인 작동체(105R) 각각은 페달(105a)과 이 페달(105a)이 제 1 구동 모터(105d)를 매개로 작동 가능하게 결합되는 작동 링크(105b), 그리고 작동 링크(105b)는 상기 페달(105a)을 개인별 훈련 계획에 의해 미리 결정된 소정 각도 범위 내에서 회전시키는 제 1 구동 모터(105d)를 구비하고, 상기 좌우 베이스(101a, 101b)의 각각에 마련되는 제 2 구동 모터(105c)에 연결되어 상기 제 2 구동 모터(105c)에 의해 회동한다.The above-mentioned walking movement unit (105) includes first and second main actuators (105L, 105R) on the left and right to which left and right pedals (105a) are respectively coupled, and each of the first main actuators (105L) and the second main actuators (105R) includes a pedal (105a), an operating link (105b) to which the pedal (105a) is operably coupled via a first driving motor (105d), and the operating link (105b) has a first driving motor (105d) that rotates the pedal (105a) within a predetermined angular range determined in advance by an individual training plan, and is connected to a second driving motor (105c) provided on each of the left and right bases (101a, 101b) and rotates by the second driving motor (105c).

상기 작동 링크(105b)를 미리 결정된 소정 각도 범위 내에서 회동시키는 제 2 구동 모터(105c)는, 후술되는 왕복동형 LM 유닛(reciprocating linear motion unit, 108, 도 4a, 4b 참조)의 무빙 스테이지(108s)에 결합되어 해당 베이스(101a, 102a)를 따라 직선 왕복 운동할 수 있다. 보다 자세한 내용은 도 4a, 4b의 설명에서 이어진다.The second driving motor (105c) that rotates the above-described operating link (105b) within a predetermined angular range is coupled to a moving stage (108s) of a reciprocating linear motion unit (108, see FIGS. 4a and 4b) described later, and can perform linear reciprocating motion along the corresponding base (101a, 102a). More details are provided in the description of FIGS. 4a and 4b.

상기 좌우 베이스(101a, 101b)들의 사이에 배치되는 좌우의 메인 작동체(105L, 105R)는 각각의 페달(105a)은, 보행 시 좌우 양 발의 움직임 궤적에 대응하여서 상호 조화롭게 움직이며, 어떤 경우에는 의도적으로 부조화롭게 움직일 수도 있다. The left and right main actuators (105L, 105R) placed between the left and right bases (101a, 101b) move in harmony with each other in response to the movement trajectories of the left and right feet when walking, and in some cases, they may move in an intentionally disharmonious manner.

상기 페달은 후술하는 시스템 운영 장치에 의해 환자에게 적합한 보행 운동을 할 수 있도록 움직이는 것이며, 환자는 이를 딛고 서서 페달의 움직임에 순응하여 보행 운동을 하면 된다. 여기에 설치될 수 있는 발목 밴드는 페달에 환자의 발이 일정한 범위에서 움직일 수 있는 정도로 적절히 느슨하게 또는 적절히 빡빡하게 발을 페달에 고정한다.The pedals are operated by the system operating device described below to enable the patient to perform appropriate walking exercises. The patient simply stands on them and walks in accordance with the pedal movements. An ankle strap that can be installed here secures the patient's foot to the pedal, either loosely or tightly enough to allow the patient's foot to move within a certain range.

상기 두 페달(105a)의 움직임은, 환자의 보행 훈련을 위한 것으로 상기 시스템 운영 장치에 의해 비정상적 보행 패턴을 수용하면서도 이 보행 패턴을 정상적 보행 패턴에 가까워지게 훈련되도록 제어된다.The movement of the above two pedals (105a) is controlled by the system operating device to accommodate an abnormal gait pattern while training the gait pattern to be closer to a normal gait pattern for the purpose of gait training of the patient.

상기와 같은 작동 요소 외에, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 보행 운동부(105)의 전방에는 안장(104) 및 그 위의 안전봉(106) 또는 이를 포함하는 것으로 흉부등을 지지하는 펜스부(107) 등이 하나로 결합된 조립체가 마련되는데, 이 조립체는 리프트 유닛(102)에 대해 업다운 프레임(103)을 매개로 설치된다. 상기 리프트 유닛(102)는 상기 조립체의 높이를 환자 신체 조건에 부합시키는 조립체 승하강 장치이다. 이러한 리프트 유닛(102)의 상단에는 환자가 마주 대하는 시스템 상태 표시부(109)가 마련된다.In addition to the operating elements as described above, as illustrated in FIGS. 1 to 3, an assembly is provided in which a saddle (104) and a safety bar (106) thereon or a fence part (107) including the same for supporting the chest, etc. are combined into one, and this assembly is installed to a lift unit (102) via an up-down frame (103). The lift unit (102) is an assembly raising/lowering device that adjusts the height of the assembly to match the patient's physical condition. A system status display part (109) facing the patient is provided at the top of the lift unit (102).

상기 환자가 바라보는 메인 시스템(100)의 최전방에는 승강형 또는 고정형 지지컬럼(113a)이 설치되고, 여기에 시스템 전체의 동작 상태를 표시하는 시스템 모니터(113)가 결합된다.At the front of the main system (100) viewed by the patient, a lifting or fixed support column (113a) is installed, and a system monitor (113) that displays the operating status of the entire system is connected thereto.

도 4a 및 도 4b는 전술한 왕복동형 LM 유닛(108) 및 이에 결합된 메인 작동체(105L, 105R) 들의 구조 및 결합 관계를 예시한다.Figures 4a and 4b illustrate the structure and coupling relationship of the reciprocating LM unit (108) described above and the main actuators (105L, 105R) coupled thereto.

먼저 LM 유닛(108)을 살펴보면, 베이스 프레임(108f)의 위에 그 길이 방향으로 나란한 상하 두 가이드 레일(108r)이 설치되고, 이 두 가이드 레일(108r)에는 이송 플레이트(108c)이 LM 가이드(108g)를 매개로 직선 운동이 가능하도록 결합되고, 상기 이송 플레이트(108c)에는, 작동 링크(105b)를 구동하는, 제 2 구동 모터(105c)가 장착되는 무빙 스테이지(108s)가 일체적으로 결합되어 이송 플레이트(108c)과 동시에 움직이도록 구성된다.First, looking at the LM unit (108), two guide rails (108r) that are parallel in the longitudinal direction are installed on top of the base frame (108f), and a transfer plate (108c) is coupled to these two guide rails (108r) so that it can move linearly via an LM guide (108g), and a moving stage (108s) equipped with a second drive motor (105c) that drives an operating link (105b) is integrally coupled to the transfer plate (108c) so that it moves simultaneously with the transfer plate (108c).

상기 무빙 스테이지(108s)는 상기 베이스 프레임(108f)의 길이 방향, 상기 상기 가이드 레일(108r)과 같은 방향으로 설치되는 무한 궤도형 벨트, 예를 들어 이송 벨트(108b), 예를 들어 이송 벨트가, 구동 풀리(driven pully, 108dp) 및 안내 풀리(guide pulley, 108gp)에 물려 있어서 이 사이에서의 무한궤도 상의 움직임이 가능하다. 상기 구동 풀리(108dp) 및 안내 풀리(108gp)는 무빙 스테이지(108s)의 이동 방향으로 배치되며, 이에 의해 움직임이 안내되는 이송 벨트(108b)의 일부분에 상기 무빙 스테이지(108s) 또는 이송 플레이트(108c)가 결합될 수 있다.The moving stage (108s) is an endless track type belt, for example, a transfer belt (108b), which is installed in the longitudinal direction of the base frame (108f) and in the same direction as the guide rail (108r), and for example, the transfer belt is engaged with a driven pulley (108dp) and a guide pulley (108gp), so that movement on an endless track is possible therebetween. The driven pulley (108dp) and the guide pulley (108gp) are arranged in the movement direction of the moving stage (108s), and thereby the moving stage (108s) or the transfer plate (108c) can be coupled to a part of the transfer belt (108b) whose movement is guided.

상기 베이스 프레임(108f)의 일측(도면에서 외쪽)에는 제 3 구동 모터(108m)가 설치되고, 제 3 구동 모터(108m)의 회전력은 동력전달 유닛(powertrain unit, 107t)을 통해 상기 피구동 풀리(driven pulley, 108p1)로 전달된다. 본 실시 예에서는 상기 피구동 풀리(108p1)는 동력 전달 유닛(107 t)의 한 요소로서 상기 제 3 구동 모터(108m)의 구동 풀리(108p4)로부터의동력을 구동 벨트(108b2)로부터 전달받는 유성 풀리(Planetary pulley, 108p3)와 동축으로 그리고 일체적으로 결합된다.A third drive motor (108m) is installed on one side (outer side in the drawing) of the base frame (108f), and the rotational power of the third drive motor (108m) is transmitted to the driven pulley (108p1) through a powertrain unit (107t). In the present embodiment, the driven pulley (108p1) is coaxially and integrally connected with a planetary pulley (108p3) that receives power from the drive pulley (108p4) of the third drive motor (108m) through a drive belt (108b2) as an element of the powertrain unit (107t).

본 실시 예에서는 상기 동력 전달 구조가 풀리와 이에 의해 움직임이 안내되는 벨트를 적용하였으나, 본 개시의 기술적 범위는 이러한 특정 동력 전달 구조에 의해 제한되지 않는다.In this embodiment, the power transmission structure uses a pulley and a belt whose movement is guided by the pulley, but the technical scope of the present disclosure is not limited by this specific power transmission structure.

도 5는 보행 운동부(105)의 개략적 발췌 사시도이다. 도 4a 및 도 4b의 예시적 구조에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이 3개 방향으로의 페달 움직임이 일어날 수 있다.Fig. 5 is a schematic perspective view of a walking motion unit (105). According to the exemplary structures of Figs. 4a and 4b, pedal movement in three directions can occur as shown in Fig. 5.

제 1 운동은 작동 링크(105b)에 대한 제 1 회동 움직임(rotational movement, RM1) 이며, 제 2 운동은 상기 제 2 구동 모터에 의한 제 2 회동 움직임(RM2), 그리고 상기 제 2 구동 모터(105c)의 직선 운동에 따른 선형 운동(linear movement, LM)이다. 이러한 복수의 운동에 따르면 상기 페달(105a)의 움직임 궤적은 보행 시 환자의 보행을 보조하고 정상 보행으로 유도하도록 발의 움직임을 강제하도록 형성될 수 있다. 한편, 페달(105a)는 상기 작동 링크(105b)에 대해 제 1 구동 모터(105d)를 매개로 작동 링크(105b)에 대해 미리 결정된 소정 각도의 회동 운동(RM2)이 가능하도록 결합되어 있으며, 여기에는 환자의 발 또는 발목을 묶을 수 있는 밴드(미도시) 또는 신발과 페달을 고정하는 클램프(clamp) 또는 클릿(Cleat) 구조체가 설치되거나 마련될 수 있다. The first movement is a first rotational movement (RM1) with respect to the operating link (105b), the second movement is a second rotational movement (RM2) by the second driving motor, and a linear movement (LM) according to the linear movement of the second driving motor (105c). According to these multiple movements, the movement trajectory of the pedal (105a) can be formed to force the movement of the foot to assist the patient's walking and induce normal walking. Meanwhile, the pedal (105a) is coupled to the operating link (105b) via the first driving motor (105d) to enable a rotational movement (RM2) of a predetermined angle with respect to the operating link (105b), and a band (not shown) that can bind the patient's foot or ankle, or a clamp or cleat structure that fixes the shoe and the pedal, can be installed or provided.

따라서, 상기 페달(105a)은 상기 작동 링크(105b)에 마련된 제 1 구동 모터(105d)에 의해 회동 각도 제어가 가능하며, 이 상태에서 제 2 구동 모터(105c)의 의해 상하 움직임 및 전후 움직임이 가능하게 된다.Accordingly, the pedal (105a) can be rotated at an angle controlled by the first driving motor (105d) provided in the operating link (105b), and in this state, up-and-down movement and forward-and-backward movement are possible by the second driving motor (105c).

상기 보행 운동부(105)의 양 페달(105a, 105a) 각각의 상하 전후 방향의 복합적 움직임은 독립적으로 이루어지나, 보행 시 좌우 양 발의 움직임에 대응하게 서로 멀어지거나 또는 서로 가까워지다가 상호 교차하거나 한다. 이러한 복합적 움직임을 위하여 전술한 특정한 구조가 아닌 다른 형태의 구조를 적용할 수 있다. 예를 들어 상기 작동 링크 또는 이를 갖춘 보행 운동부(105) 전체의 직선 왕복 운동 제어를 위한 직선 운동용 구동 장치 및 상기 작동 링크(105b)의 회동 작동 제어를 위한 회전 또는 회동 운동용 구동 장치를 다양한 형식으로 가질 수 있다.The composite movements of the two pedals (105a, 105a) of the above-mentioned walking movement unit (105) in the up-down, forward-backward, and backward directions are performed independently, but when walking, they move away from each other or come closer to each other and then intersect each other in response to the movements of the left and right feet. For this composite movement, a structure other than the specific structure described above can be applied. For example, a linear motion driving device for controlling the linear reciprocating motion of the operating link or the entire walking movement unit (105) equipped therewith, and a rotary or pivotal motion driving device for controlling the rotary motion of the operating link (105b) can be provided in various forms.

위에서 설명된 보행 운동부(105)는 페달(105a)를 구동하는 구조가 작동 링크(105b), 제 1, 제 2 구동 모터(105c, 105d) 및 LM 유닛(108) 등을 구비하는 것으로 매우 구체적으로 설명되었으나, 본 발명의 기술적 범위는, 이러한 보행 운동부(105)의 특정한 구조에 제한되지 않음이 이해되어야 할 것이다.The walking motion unit (105) described above has been described very specifically as having a structure for driving a pedal (105a) including an operating link (105b), first and second driving motors (105c, 105d), and an LM unit (108), but it should be understood that the technical scope of the present invention is not limited to the specific structure of the walking motion unit (105).

즉, 환자의 보행 훈련에 직접 관계되는 엔드 이펙트형 페달을 구동하기 위한 보행 운동부(105)는 환자의 보행을 구현하기 위해 상기 페달이 끝에 달려 직선운동 혹은 회전운동이 가능한 복수의 관절과 링크를 갖는 관절-링크 구조체(joint-linkage structure) 또는 상기 페달이 작동 바(bar)의 끝에 달려서 움직이는 바-링크 구조체(bar-linkage structure)를 구비할 수 있다. 또한, 예를 들어 페달이 작동 바(bar)에 끝에 달려서 움직이는 바 연결 구조에 페달의 움직임을 안내하기 위한 레일(rail)이 부가되어 있는 연결 구조(guide rail-assisted bar-linkage structure) 등을 채택할 수 있으며, 이 역시 본 발명의 범주에 속한다 할 수 있다.That is, the walking movement unit (105) for driving the end-effect type pedal directly related to the patient's walking training may be provided with a joint-linkage structure having a plurality of joints and links at the end of the pedal that are capable of linear or rotational movement in order to implement the patient's walking, or a bar-linkage structure in which the pedal is attached to the end of an operating bar and moves. In addition, for example, a guide rail-assisted bar-linkage structure in which a rail for guiding the movement of the pedal is added to the bar-linkage structure in which the pedal is attached to the end of an operating bar and moves may be adopted, and this may also be considered to fall within the scope of the present invention.

도 6은 바-링크 구조의 메인 작동체에 의한 엔드 이펙트형 보행 훈련 시스템의 개략적 구성을 대략적으로 그리고 개념적으로 단순화하여 예시한다.Figure 6 schematically and conceptually simplifies the schematic configuration of an end-effect type gait training system by a main actuator of a bar-link structure.

도 6을 참조하면, 보행 운동부는 좌우 두 개의 바-링크 구조체(302)를 가지는데, 도면에는 한 쪽 구조체(302)를 도시한다. 각 바-링크 구조체(302)는, 구동 모터(307)에 의해 직접 작동되는 긴 두 개의 작동 바, 즉 제 1 작동바(302c)와 제 2 작동바(302d)를 갖춘다.Referring to FIG. 6, the walking motion unit has two bar-link structures (302) on the left and right, and the drawing shows one structure (302). Each bar-link structure (302) has two long actuating bars, namely a first actuating bar (302c) and a second actuating bar (302d), which are directly actuated by a driving motor (307).

폐쇄형 링크의 구성 요소인 제 1 작동바(302c)와 제 2 작동바(302d)들의 일단부(도면에서 좌측)는 작동 모터(307)에 의해 직접 작동하도록 구성된다. 여기에서 제 1 작동바(302c)의 일단부는 작동 모터(307)에 의해 회전하는 회전 휠(306a) 또는 회전 아암(306)에 대해 회전 가능하게 연결되고, 제 2 작동바(302d)는 상기 작동 모터(307)에 의해 회전하는 회동 캠(305)에 접촉하여 슬라이딩하면서 회동 캠(305)과의 접촉 위치 변화에 따라 상하 방향으로 회동한다.One end (left side in the drawing) of the first operating bar (302c) and the second operating bar (302d), which are components of a closed link, is configured to be directly operated by an operating motor (307). Here, one end of the first operating bar (302c) is rotatably connected to a rotating wheel (306a) or a rotating arm (306) that is rotated by the operating motor (307), and the second operating bar (302d) slides in contact with a rotating cam (305) that is rotated by the operating motor (307) and rotates in the up-and-down direction according to a change in the contact position with the rotating cam (305).

상기 제 1 바(302c)와 제 2 바(302d)의 타단부(도면에서 오른쪽)에서 발판 또는 페달(301)이 설치되는 짧은 제 3 작동 로드 또는 작동 플레이트(302 a)의 양단에 회전 가능하게 상호 연결된다.A short third operating rod or operating plate (302 a) on which a footrest or pedal (301) is installed is rotatably interconnected at both ends of the first bar (302c) and the second bar (302d) (right side in the drawing).

이러한 구조에 따르면, 상기 작동 모터(307)에 의해 상기 회전 휠(306a) 및 회전 캠(305)이 회전하고 이에 따른 제 1 작동바 및 제 2 작동바(302c, 302d)가 같이 회전휠의 움직임과 캠의 움직임에 각각 대응하여 움직이고 이에 따라 발판(301)이 있는 선단부에서 작동 플레이트(302a) 가 좌우로 왔다 갔다 하면서 상하 소폭 승하강 하면서, 참조 번호 “304”로 표시된 바와 같이 궤적으로의 페달(301)의 움직임이 형성되고, 따라서 환자(1)가 이를 딛고서 보행 훈련을 하게 된다.According to this structure, the rotation wheel (306a) and the rotation cam (305) are rotated by the operation motor (307), and the first operation bar and the second operation bar (302c, 302d) move in response to the movement of the rotation wheel and the movement of the cam, respectively, and accordingly, the operation plate (302a) at the front end where the footrest (301) is located moves back and forth left and right and slightly rises and falls, thereby forming the movement of the pedal (301) along a trajectory as indicated by reference number “304”, and thus the patient (1) steps on this and performs walking training.

이러한 도 6에 도시된 바-링크 구조의 메인 작동체는, 발판이 마련된 플레이트가 제 1 바와 제 2 바에 의한 폐쇄링크 구조 및 이를 작동하는 구동 모터를 가진다.The main actuator of the bar-link structure illustrated in Fig. 6 has a plate provided with a foothold, a closed link structure by a first bar and a second bar, and a driving motor that operates it.

도 6에 예시된 바-링크 구조의 메인 작동체는 단지 바-링크 구조의 기본적인 얼개를 설명하는 것이며, 이것은 다양한 형태로 수정 또는 개량될 수 있으며, 이러한 특정한 구조에 의해 본 발명의 기술적 범위가 제한되지 않는다. 도 7은 본 개시의 운동 시스템의 중요한 한 요소인 웨어러블 능동 관절 제어 로봇을 갖춘 서브 시스템(200)의 개략적 구조 및 이를 환자(1)가 착용한 상태를 예시한다.The main actuator of the bar-link structure illustrated in Fig. 6 merely illustrates the basic outline of the bar-link structure, which may be modified or improved in various forms, and the technical scope of the present invention is not limited by this specific structure. Fig. 7 illustrates a schematic structure of a subsystem (200) equipped with a wearable active joint control robot, which is an important element of the exercise system of the present disclosure, and a state in which the same is worn by a patient (1).

본 개시에 따른 서브 시스템(200)은 도 7에 예시적으로 도시된 바와 같이, 양 다리에 대한 강제적 훈련이 가능하도록 설계되고 제작될 수 있지만, 다른 실시예에 따르면 한쪽 다리에만 대응되게 할 수도 있다.The subsystem (200) according to the present disclosure may be designed and manufactured to enable forced training for both legs, as exemplarily illustrated in FIG. 7, but may also correspond to only one leg according to another embodiment.

도 7에 반쪽만 도시된 형태의 능동 관절 제어 로봇 구조를 가지는 서브 시스템(200)은 환자의 몸체, 예를 들어 허리 부분에 착용 또는 고정되는 착용 밴드(201) 및 그 아래의 좌우 양 다리에 대응하는 좌측의 제 1 서브 작동체(200L) 및 우측의 제 2 서브 작동체(200R)를 갖춘다. 양 서브 작동체(200L, 200R) 각각은 착용 밴드(201) 그 아래에 마련되는 것으로서, 허리로부터 발에까지 이르도록 연결되는 다수의 링크(도면에서는 3개), 즉 허리 벨트부와 고관절 사이의 제 1 링크(205), 고관절과 무릎 사이의 제 2 링크(206), 무릎과 발목 관절 사이의 제 3 링크(207), 그리고 필요에 따라 선택적으로 발 고정부(208) 등을 구비하며, 이는 필요 및 설계 조건에 따라 이것이 추가되거나 줄여 질 수 있다. 여기에서 상기 고정부(208)는 페달에 발바닥이 압력이 전달되고 다만 제 3 링크(207)에 대한 발목 관절의 각도 제어가 가능할 수 있도록 설계될 수 있다.A subsystem (200) having an active joint control robot structure of which only half is illustrated in FIG. 7 has a wearable band (201) that is worn or fixed to a patient's body, for example, the waist, and a first sub-actuator (200L) on the left and a second sub-actuator (200R) on the right, corresponding to the left and right legs underneath. Each of the two sub-actuators (200L, 200R) is provided underneath the wearable band (201) and has a number of links (three in the drawing) that are connected from the waist to the feet, namely, a first link (205) between the waist belt and the hip joint, a second link (206) between the hip joint and the knee, a third link (207) between the knee and the ankle joint, and optionally a foot fixing unit (208) as needed, which may be added or reduced depending on needs and design conditions. Here, the above-mentioned fixed part (208) can be designed so that the pressure of the sole of the foot is transmitted to the pedal and only the angle control of the ankle joint with respect to the third link (207) is possible.

상기 링크들의 각 사이에는 능동 관절 제어를 위한 능동 관절 제어요소, 즉 작동체 유닛(202, 203, 204)이 마련된다. 이러한 작동체 유닛들, 즉 액추에이터들은 회전식 모터 또는 왕복동식 유체 실린더 등 다양한 작동체로 제공될 수 있으며 관절의 각도, 저항토크, 근전도 등을 측정할 센싱부가 포함될 수 있다. 상기 작동체 유닛은 그 상하의 해당 링크 사이에서, 예를 들어 그 상부의 링크에 대한 그 하부의 링크의 각도를 능동적으로 제어한다. 이러한 제어는 탄력적이며, 이들 사이의 관절이 임의 범위 내로 유지되도록 강제한다. 이러한 능동 관절 제어 요소는 상기 메인 시스템의 제어부에 의해 통제되며, 이것의 작동은 페달의 움직임, 예를 보행사이클(Gait-Cycle) 패턴에 부합되게 동기(synchronize)하며, 훈련의 방식에 따라 의도적으로 동기하지 않게 제어할 수도 있다.Between each of the above links, active joint control elements for active joint control, i.e., actuator units (202, 203, 204), are provided. These actuator units, i.e., actuators, may be provided in the form of various actuators such as rotary motors or reciprocating fluid cylinders, and may include a sensing unit for measuring joint angles, resistance torques, electromyography, etc. The actuator units actively control the angles of the upper and lower links, for example, the angle of the lower link with respect to the upper link. This control is flexible and forces the joints therebetween to be maintained within a certain range. These active joint control elements are controlled by the control unit of the main system, and their operation is synchronized to match the movement of the pedals, e.g., the gait cycle pattern, but may also be intentionally controlled not to be synchronized depending on the training method.

도 8은 상기 메인 시스템(100)과 상기 웨어러블 능동 관절 제어 로봇을 갖춘 서브 시스템(200)의 제어 관계를 보이는 블록 다이어그램이다.Figure 8 is a block diagram showing the control relationship between the main system (100) and the subsystem (200) equipped with the wearable active joint control robot.

도시된 바와 같이 메인 시스템(100)과 서브 시스템(200)을 통신부(198)를 통해 연결하여 메인 시스템(100)으로부터의 명령어(instruct)가 서브 시스템(200)으로 전달되고 그 결과가 메인 시스템(100)으로 반환되도록 한다.As shown, the main system (100) and the subsystem (200) are connected through a communication unit (198) so that a command (instruct) from the main system (100) is transmitted to the subsystem (200) and the result is returned to the main system (100).

상기 통신부(198)는 다양한 근거리 통신 방식이 적용할 수 있으며, 예를 들어 블루투스를 적용할 수 있다. 도시된 통신부(198)는 상징적인 의미의 요소로서 도시된 바와 같이 하나의 대표적 통신부가 마련되고 이 통신부를 통해서 메인 제어부와 서브 제어부가 연결될 수도 있다.The above communication unit (198) can be applied to various short-range communication methods, for example, Bluetooth can be applied. The illustrated communication unit (198) is provided as a representative communication unit as an element of symbolic meaning, and the main control unit and the sub-control unit can be connected through this communication unit.

제 1 센싱부(212), 제 2 센싱부(213) 그리고 제 3 센싱부(214)는 환자의 관절 각도, 관절의 저항성 토크, 근전도 등을 측정하여 측정값이 통신부를 통해 메인 제어부로 전달한다. The first sensing unit (212), the second sensing unit (213), and the third sensing unit (214) measure the patient's joint angle, joint resistance torque, electromyography, etc., and transmit the measured values to the main control unit through the communication unit.

상기 제 1, 2, 3 센싱부(212, 213, 214)는 작동체 유닛(202, 203, 204)들 마다 마련될 수 있고, 다른 실시 예에 따르면 작동체 유닛들 사이 마다 마련될 수 있다.The above first, second, and third sensing units (212, 213, 214) may be provided for each of the actuator units (202, 203, 204), and according to another embodiment, may be provided between each of the actuator units.

서브 제어부(210)는 전술한 바와 같이 환자(1)의 하체 관절의 각도를 강제하는 서브 작동체(200L, 200R)의 작동체 유닛(202, 203, 204)들 제어한다. 상기 작동체는 고관절 강제용 제 1 작동체 유닛(202), 무릎 관절 제어용 제 2 작동체 유닛(203), 그리고 발목 관절 제어용 제 3 작동체 유닛(204)을 제어하며, 이러한 작동체 유닛, 즉 액츄에이터는 필요 및 설계에 따라 가감될 수 있다.The sub-control unit (210) controls the actuator units (202, 203, 204) of the sub-actuators (200L, 200R) that force the angle of the lower body joint of the patient (1) as described above. The actuators control the first actuator unit (202) for forcing the hip joint, the second actuator unit (203) for controlling the knee joint, and the third actuator unit (204) for controlling the ankle joint, and these actuator units, i.e., actuators, can be increased or decreased as needed and designed.

도 9는 본 개시에 따른 메인 시스템(100)에서 환자(1)가 로봇 형태의 서브 시스템(200)을 착용한 상태에서 훈련하는 장면을 예시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 예를 들어 중증의 환자의 경우, 이 환자(1)는 서브 시스템(200), 즉 웨어러블 로봇을 착용한 채, 안장(104)에 않은 상태에서 안전봉(106)을 잡은 상태에서 보행 훈련을 수행할 수 있다. 환자(1)의 상태에 따라서, 예를 들어 경증 환자의 경우, 상기 안장(104)이 접혀 질 수 있고, 따라서 환자(1)는 안장(104)에 의존하지 않고 보행 훈련을 진행할 수 있으며, 이것은 환자의 상태에 따라 계획된 훈련 계획을 따를 수 있다.FIG. 9 illustrates a scene in which a patient (1) is trained while wearing a robot-shaped sub-system (200) in the main system (100) according to the present disclosure. As illustrated in FIG. 9, for example, in the case of a severely ill patient, the patient (1) can perform gait training while wearing the sub-system (200), i.e., the wearable robot, and holding the safety bar (106) without being on the saddle (104). Depending on the condition of the patient (1), for example, in the case of a mildly ill patient, the saddle (104) can be folded, and thus the patient (1) can perform gait training without relying on the saddle (104), and this can follow a training plan planned according to the condition of the patient.

상기 페달(105a)은 환자의 의지와는 무관하게 환자의 보행을 강제하도록 상기 시스템 운영 장치에 의해 작동한다. 이때에 상기 안장(104) 및 페달(105a)에는 압력 센서 등이 설치되어서 보행 훈련 상태에서의 안장(104)에 실리는 부하, 그리고 페달에 실리는 부하가 검출되며, 특히 페달 전후에는 복수의 압력 센서가 마련되어서 페달에 가해지는 국부적 압력을 검출하여서 페달에 대한 발바닥의 가압의 정도 또는 접촉 여부가 검출된다.The pedal (105a) is operated by the system operating device to force the patient to walk regardless of the patient's will. At this time, pressure sensors, etc. are installed on the saddle (104) and the pedal (105a) to detect the load applied to the saddle (104) and the load applied to the pedal during walking training. In particular, multiple pressure sensors are provided before and after the pedal to detect the local pressure applied to the pedal, thereby detecting the degree of pressure applied to the sole of the foot against the pedal or whether there is contact.

이러한 과정에서 상기 서브 시스템(200)은 메인 시스템(100)에 의한 환자의 훈련 진행과 함께 서브 작동체의 유닛들을 이용해 하나 이상의 관절의 움직임을 강제하고, 그 결과의 하나로서 센싱부로부터의 적어도 어느 하나의 관절의 각도, 저항 토크, 근전도 중의 적어도 하나의 신호에 의해 해당 관절의 강제 정도를 조절할 수 있다.In this process, the sub-system (200) forces the movement of one or more joints using the units of the sub-actuator along with the patient's training progress by the main system (100), and as one of the results, the degree of force of the corresponding joint can be adjusted by at least one signal from the sensing unit among the angle, resistance torque, and electromyography of at least one joint.

도 10은 정상적 보행 사이클을 예시하는 것으로서, 정상 보행시의 발, 무릎, 허벅지의 자세를 도시하며, 도 11은 보행 패턴에서의 각 위치에 대한 규정을 도시한다.Figure 10 illustrates a normal gait cycle, showing the posture of the feet, knees, and thighs during normal gait, and Figure 11 illustrates the regulations for each position in the gait pattern.

도10을 참조하면, 전체 한 보행 주기(one gait cycle)에서 스탠스 상태(Stance phase)는 발이 지면에 닿아 있는 구간, 스윙 상태(swing phase)는 지면에서 떠있는 구간이다.Referring to Figure 10, in one gait cycle, the stance phase is the section where the foot touches the ground, and the swing phase is the section where the foot is lifted off the ground.

각 보행주기 안에는 아래와 같은 3 가지의 태스크가 있다.Within each gait cycle, there are three tasks:

1. 체중 수용기(Weigh Acceptance)1. Weight Acceptance

이 기간은 초기 접촉(Initial contact, 발이 최초로 지면에 닿음)는 구간과 부하 반응(Loading response, (발바닥이 바닥을 딛는 순간)의 구간을 갖는다.This period has two parts: Initial contact (when the foot first touches the ground) and Loading response (when the sole of the foot touches the ground).

2. 한 발 지지기(Single Limb Support)2. Single Limb Support

이 기간에는 발바닥이 닿고, 반대쪽 다리의 발이 지면에서 떨어지는 순간의 미드 스탠스(Midstance) 그리고 뒤꿈치가 들리고(heel rise) 그 반대쪽 다리는 스윙하는 구간이다.This period is the mid-stance where the sole of the foot touches the ground, the foot of the opposite leg leaves the ground, and the heel rises and the opposite leg swings.

3. 다리 전진기(Limb Advancement)3. Limb Advancement

이 기간은 다른 발이 디뎌지는 기간으로서 뒷발이 지면에서 떨어지면서 앞에 있는 발이 지면에 닺는 발가락이 지면에서 떨어지는 프리 스윙, 발이 모아진 상태에서 앞서 지면에 닿았던 발이 떨어지기 시작하는 중간 스윙(mid swing) 그리고 지면에 닫은 뒷발을 밀면서 앞발의 뒷꿈치가 지면에 닿기 시작하는 종료 스윙(Terminal Swing)을 포함한다.This period is the period when the other foot is planted, and includes the free swing, where the toes of the front foot lift off the ground as the back foot leaves the ground; the mid swing, where the foot that was in contact with the ground earlier begins to lift off while the feet are together; and the terminal swing, where the heel of the front foot begins to touch the ground as the back foot pushes off the ground.

위와 같은 보행 패턴은 정상의 보행 패턴인데, 환자들의 훈련은 이러한 정상 보행 패턴을 얻도록 훈련된다. 그런데, 정상 보행이 어려운 환자들의 경우, 보행 훈련 시 환자의 발이 각 주기에 맞지 않게 부조화를 이룰 수 있다. 예를 들어 미드 스탠스(mid stance) 주기에서 뒷발의 뒤꿈치가 떨어지는 시기에 뒤꿈치가 떨어지지 않고 바닥에 그대로 붙어 있을 수 있다. 이것은 환자의 몸이 정상 보행 패턴을 따르지 않기 때문인데, 본 개시의 로봇 형태의 서브 시스템(200)은 이 시기에 환자의 보행 패턴이 맞게끔 무릎 관절이나 발목 관절을 강제로 구부려서 뒷발의 뒤꿈치가 바닥에서 떨어지게 할 수 있다. 이러한 강제적인 관절은 모두 주기에서 이루어 질 수 있으며, 이를 통해서 보행 훈련 중인 환자의 본인의 신체적 한계에도 불구하고 강제적으로 정상 보행 패턴을 유사하게 라도 가지게 할 수 있다.The above gait pattern is a normal gait pattern, and patients are trained to acquire this normal gait pattern. However, in patients who have difficulty walking normally, the patient's feet may exhibit misalignment during gait training, which does not match each cycle. For example, during the mid-stance cycle, the heel of the rear foot may not lift off when it should, but remain on the floor. This is because the patient's body does not follow the normal gait pattern. The robotic subsystem (200) of the present disclosure can forcibly bend the knee or ankle joint during this period to match the patient's gait pattern, thereby lifting the heel of the rear foot off the floor. All of these forced joint movements can be performed during the cycle, and through this, patients undergoing gait training can be forced to have a similar, if not normal, gait pattern despite their physical limitations.

도 12a, 12b, 12c의 그래프들에서, IC는 뒤꿈치 초기접촉(initial contact), OT는 반대쪽 발가락 분리(Opposite Toe Off In), HR은 뒤꿈치 상승(Heel Rise), OI는반대측 뒤꿈치 초기 접촉(Opposite Initial Contact) 이다. In the graphs of Figures 12a, 12b, and 12c, IC is heel initial contact, OT is opposite toe off in, HR is heel rise, and OI is opposite heel initial contact.

도 9도에 도시된 하나의 보행 주기에서 각 단계에서의 평균적 정상치는 다음과 같다. The average normal values at each step in one gait cycle shown in Figure 9 are as follows.

가. 발꿈치 초기 접촉(Initial Contact, heel strike)a. Initial contact (heel strike)

1. 고관절의 각도는 약 30도(flex)이다.1. The angle of the hip joint is approximately 30 degrees (flex).

나. 로딩 응답(Loading Response)B. Loading Response

1. 엉덩이(고관절) : around 25도 (flex)1. Hip joint: around 25 degrees (flex)

2. 무릎 관절: 약 10도(flex)2. Knee joint: about 10 degrees (flex)

3. 발목 관절: 약 10도(발바닥 굴곡, plantar flex)3. Ankle joint: approximately 10 degrees (plantar flexion)

다. 중간 입각기(Mid Stance)D. Mid stance

1. 고관절: 25도(flex)~10도(ext)1. Hip joint: 25 degrees (flex) ~ 10 degrees (ext)

2. 무릎: 피이크(peak, flex) ~ 약 0도2. Knees: Peak (flex) ~ approximately 0 degrees

3. 발목: 배측 굴곡으로 변경(changing to dorsiflexion)3. Ankle: changing to dorsiflexion

라. 발꿈치 떼기(Heel Rise, Heel Off)A. Heel Rise, Heel Off

1. 고관절: -10도 (continues to extension.)1. Hip joint: -10 degrees (continues to extension.)

2. 무릎: 최대 연장(Extension peak)2. Knee: Extension peak

3. 발목: 0 도3. Ankle: 0 degrees

마. 발끝 밀기(Toe Off), 말기 입각기(Terminal Contact)Toe Off, Terminal Contact

1. 고관절: -20도~20도 (Continues to flex)1. Hip joint: -20 to 20 degrees (Continues to flex)

2. 무릎 관절: 20도(Continues to flex)2. Knee joint: 20 degrees (Continues to flex)

3. 발목 관절: 발바닥 굴곡 피이크(plantar flexion peak)3. Ankle joint: Plantar flexion peak

바. 초기 스윙(Initial Swing~Mid Swing)Bar. Initial Swing (Initial Swing~Mid Swing)

1. 고관절: 20도~ 30도(continues to flex)1. Hip joint: 20 to 30 degrees (continues to flex)

2. 무릎: 60도 (flex peak) ~ 30도2. Knee: 60 degrees (flex peak) ~ 30 degrees

3. 발목: 10도~ 0도3. Ankle: 10 to 0 degrees

즉, 본 발명에서는 메인 시스템의 보행 운동부의 작동에 동기하여 웨어러블 로봇을 이용해 무릎 관절 각도의 강제적 제어, 예를 들어 상기 정상 굽힘 및 펼침 각도 등을 고려해 환자 관절의 강제적 굽힘(flexion)과 펴는(extension))을 통해 소위 백-니(Back-Knee) 현상을 방지하여 재활의 효과를 높인다. 또한, 정상적이지 않은 환자의 무릎의 각도를 강제적으로 정상 범위로 제어로 미드 스탠스(Midstance)에서 발 뒤꿈치가 지면으로부터 일찍 떨어지는 현상을 방지할 수 있다.That is, in the present invention, the wearable robot is used to forcibly control the knee joint angle in synchronization with the operation of the walking movement unit of the main system, for example, by forcibly bending and extending the patient's joint by considering the normal bending and extension angles, thereby preventing the so-called back-knee phenomenon and enhancing the effect of rehabilitation. In addition, by forcibly controlling the angle of the patient's knee, which is not normal, to a normal range, the phenomenon of the heel coming off the ground early in the midstance can be prevented.

여기에서 도 7에 개념적으로 예시된 로봇은 다양한 형태로 구현될 수 있는데, 이것인 메인 시스템의 제어에 순응하여 환자의 하체 관절들 중 적어도 하나는 강제할 수 있는 어떠한 형태로도 구현 가능하며, 이러한 실제적 구현은 상기와 같은 제어 구조를 가지는 한 본 발명의 범주 내에 속함은 당연하다. 또한 전술한 바와 같이 엔드 이펙트형 페달을 구동하기 위한 보행 운동부는 전술한 바와 같이, 페달이 작동 링크, 제 1, 제 2 구동 모터 및 LM 유닛 등을 구비하는 구조를 가질 수 있으며, 다른 실시 예에 따르면, 상기 보행 운동부는 페달이 작동 바에 끝에 달려서 움직이는 바-연결구조체 또는 바- 연결 구조체에 페달의 움직임을 안내하기 위한 레일이 부가되어 있는 레일 지지형 바 연결 구조 등을 채택할 수 있으며, 이 역시 본 발명의 범주에 속함은 당연하다 할 수 있다.Here, the robot conceptually illustrated in FIG. 7 can be implemented in various forms, and can be implemented in any form that can force at least one of the patient's lower body joints in compliance with the control of the main system, and such actual implementation naturally falls within the scope of the present invention as long as it has the above-mentioned control structure. In addition, as described above, the walking motion unit for driving the end-effect type pedal may have a structure in which the pedal has an operating link, a first and a second driving motor, and an LM unit, etc., as described above, and according to another embodiment, the walking motion unit may adopt a bar-connection structure in which the pedal is attached to the end of an operating bar and moves, or a rail-supported bar-connection structure in which a rail for guiding the movement of the pedal is added to the bar-connection structure, and this also naturally falls within the scope of the present invention.

모범적인 실시 예에 따른 상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 모범적 실시 예들에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시 예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.While exemplary embodiments of the present invention have been described in detail above, those skilled in the art will appreciate that various modifications and variations may be made to the invention without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, modifications to future embodiments of the present invention will not depart from the scope of the invention.

Claims (17)

보행 훈련을 위해 환자가 딛고 서는 엔드-이펙터형 페달 및 페달을 구동하는 메인 작동체를 갖는 보행 운동부, 그리고 상기 메인 작동체를 제어하여 상기 페달에 올라선 환자의 보행 훈련을 진행하는 메인 제어부를 구비하는 메인 시스템; 그리고A main system comprising a walking exercise unit having an end-effector type pedal on which a patient steps for walking training and a main actuator that drives the pedal, and a main control unit that controls the main actuator to perform walking training on a patient standing on the pedal; and 상기 환자의 몸체에 장착되는 것으로 상기 메인 작동체의 움직임에 동기하여 상기 환자의 하체 관절 운동을 보조 또는 강제하는 하나 이상의 서브 작동체 유닛을 가지는 서브 작동체, 상기 하나 이상의 서브 작동 유닛을 제어하는 것으로 상기 메인 제어부로부터의 제어 신호에 의해 상기 메인 작동체의 움직임에 대해 상기 하나 이상의 능동 관절부의 움직임을 연계 또는 연동시키는 서브 제어부;를 구비하는, 웨어러블 로봇 형태의 서브 시스템;을 구비하는 로봇 보조 보행 훈련 시스템.A robot-assisted walking training system comprising a wearable robot-type subsystem, comprising: a sub-actuator having one or more sub-actuator units that are mounted on the patient's body and assist or force the patient's lower body joint movement in synchronization with the movement of the main actuator; and a sub-control unit that controls the one or more sub-actuator units and links or synchronizes the movement of the one or more active joints with the movement of the main actuator by a control signal from the main control unit. 제 1 항에 있어서,In the first paragraph, 상기 보행 운동부는, 환자의 보행을 구현하기 위해 상기 페달이 끝에 달려 직선운동 혹은 회전운동이 가능한 복수의 관절과 링크를 갖는 관절-링크 구조체(joint-linkage structure) 또는 상기 페달이 작동 바(bar)의 끝에 달려서 움직이는 바-링크 구조체(bar-linkage structure)를 구비하는, 로봇 보조 보행 훈련 시스템.The above-mentioned walking exercise unit is a robot-assisted walking training system having a joint-linkage structure having a plurality of joints and links capable of linear or rotational movement with the pedals attached to the ends thereof to implement the patient's walking, or a bar-linkage structure in which the pedals are attached to the ends of an operating bar and move. 제 1 항에 있어서,In the first paragraph, 상기 메인 작동체는, 상기 보행 운동부의 움직임을 실현하기 위하여 관절-링크 구조체와 , 관절-링크 구조체의 각 관절에 연결되어 이를 구동하는 작동 모터를 구비하는 관절-링크 구조의 메인 작동체 또는 바-링크 구조체와 바-링크 구조체의 일측 단부에 연결되어 이를 구동하는 구동모터를 갖추는 바-링크 구조의 메인 작동체인, 로봇 보조 보행 훈련 시스템.The above main actuator is a robot-assisted walking training system, wherein the main actuator is a joint-link structure having a joint-link structure and an operating motor connected to each joint of the joint-link structure to drive the joint-link structure in order to realize the movement of the walking movement unit, or a bar-link structure having a bar-link structure and a driving motor connected to one end of the bar-link structure to drive the joint-link structure. 제 3 항에 있어서,In the third paragraph, 상기 관절-링크 구조의 메인 작동체:는The main actuator of the above joint-link structure: 일단부에 상기 페달을 구동하는 제 1 구동 모터가 설치되어 있는 작동 링크;An operating link having a first driving motor installed at one end for driving the pedal; 상기 작동 링크의 타단부에 연결되어 이를 구동하는 제 2 구동 모터를 장착하는 무빙 스테이션;A moving station equipped with a second driving motor connected to the other end of the above-mentioned operating link and driving it; 상기 무빙 스테이션을 미리 결정된 거리를 왕복 이동하도록 지지하는 가이드 레일;A guide rail that supports the above moving station to move back and forth a predetermined distance; 상기 무빙 스테이션이 장착되는 것으로서, 상기 가이드 레일에 슬라이딩 이동 가능하게 결합되는 이송 플레이트; 그리고A transfer plate that is slidably connected to the guide rail, on which the moving station is mounted; and 상기 무빙 스테이션의 선형 왕복 이동을 위해 무빙 스테이션에 결합되는 벨트 및 이의 이동을 지지하는 구동 풀리 및 가이드 풀리, 상기 구동 풀리에 대한 회전력을 제공하는 제 3 구동 모터 및 제 3 구동 모터로부터의 동력을 상기 구동 풀리로 전달하는 동력 전달 유닛을 갖춘 LM 유닛;을 포함하는, 로봇 보조 보행 훈련 시스템.A robot-assisted walking training system comprising an LM unit having a belt coupled to a moving station for linear reciprocating movement of the moving station, a drive pulley and a guide pulley supporting the movement thereof, a third drive motor providing rotational force to the drive pulley, and a power transmission unit transmitting power from the third drive motor to the drive pulley. 제 3 항에 있어서,In the third paragraph, 상기 바-링크 구조의 메인 작동체:는The main actuator of the above bar-link structure: 상기 페달이 장착되는 바;The above pedal is mounted; 상기 바가 보행 운동과 유사한 형태로 움직이게 하는 폐쇄형 링크; 그리고A closed link that allows the above bar to move in a manner similar to a walking motion; and 상기 폐쇄형 링크에 대한 회전력을 제공하는 작동 모터를 포함하는, 로봇 보조 보행 훈련 시스템.A robot-assisted walking training system comprising an actuating motor that provides rotational force to the closed link. 제 1 항에 있어서,In the first paragraph, 상기 서브 시스템은, 상기 작동체 유닛은 환자의 관절과 관절 사이에 위치하는 복수의 링크;를 구비하고 링크 들 사이에 상기 작동체 유닛이 위치하는 다관절형 로봇의 구조를 가지는, 로봇 보조 보행 훈련 시스템.The above subsystem is a robot-assisted walking training system having a structure of a multi-joint robot having a plurality of links positioned between the patient's joints and the actuator unit positioned between the links. 제 1 항에 있어서,In the first paragraph, 상기 메인 시스템과 서브 시스템은 유선 또는 무선 통신에 의해 상호 정보의 교환하여 상기 메인 시스템의 작동에 상기 서브 시스템의 작동을 연계 가능하도록 구성된, 로봇 보조 보행 훈련 시스템.A robot-assisted walking training system, wherein the main system and the subsystem are configured to exchange information with each other through wired or wireless communication so that the operation of the subsystem can be linked to the operation of the main system. 제 6 항에 있어서,In paragraph 6, 상기 서브 시스템은 고관절의 운동 보조를 위한 제 1 작동체 유닛, 환자의 무릎의 운동 보조를 위한 제 2 작동체 유닛, 그리고 환자의 발목의 운동 보조를 위한 제 3 작동체 유닛 중의 적어도 하나를 구비하는, 로봇 보조 보행 훈련 시스템.A robot-assisted walking training system, wherein the subsystem comprises at least one of a first actuator unit for assisting movement of a hip joint, a second actuator unit for assisting movement of a patient's knee, and a third actuator unit for assisting movement of a patient's ankle. 제 7 항에 있어서,In paragraph 7, 상기 서브 시스템은 상기 서브 작동체에 의한 각 관절의 움직임을 강제하고, 서브 작동체에 설치되는 센싱부로부터의 관절의 각도, 저항 토크, 근전도 중의 적어도 하나의 신호에 의해 서브 작동체에 의한 관절의 강제 정도를 조절하는, 로봇 보조 보행 훈련 시스템.A robot-assisted walking training system in which the sub-system forces movement of each joint by the sub-actuator and controls the degree of force of the joint by the sub-actuator by at least one signal among the angle of the joint, resistance torque, and electromyography from a sensing unit installed in the sub-actuator. 제 9 항에 있어서,In paragraph 9, 상기 페달에, 페달에 대한 압력을 검출하여 상기 메인 제어부로 압력 신호를 전송하는 압력 센서를 더 구비하는, 로봇 보조 보행 훈련 시스템.A robot-assisted walking training system further comprising a pressure sensor for detecting pressure on the pedal and transmitting a pressure signal to the main control unit. 제 1 항에 있어서,In the first paragraph, 상기 서브 시스템은 상기 서브 작동체에 의한 각 관절의 움직임을 강제하고, 서브 작동체에 설치되는 센싱부로부터의 관절의 각도, 저항 토크, 근전도 중의 적어도 하나의 신호에 의해 서브 작동체에 의한 관절의 강제 정도를 조절하는, 로봇 보조 보행 훈련 시스템.A robot-assisted walking training system in which the sub-system forces movement of each joint by the sub-actuator and controls the degree of force of the joint by the sub-actuator by at least one signal among the angle of the joint, resistance torque, and electromyography from a sensing unit installed in the sub-actuator. 제 10 항에 있어서,In paragraph 10, 상기 센싱부는 환자의 관절 위치에 또는 관절과 관절의 사이의 위치에 배치되는, 로봇 보조 보행 훈련 시스템.A robot-assisted walking training system, wherein the sensing unit is positioned at the patient's joint location or at a location between joints. 환자의 보행 훈련을 위한 엔드 이펙트형 페달을 갖춘 메인 시스템, 그리고 환자의 하체 관절 운동을 제어하는 하나 이상의 서브 작동체 유닛을 가지는 서브 시스템을 갖춘 보행 훈련 시스템을 이용한 보행 훈련 방법에 있어서,A gait training method using a gait training system having a main system having an end effect type pedal for gait training of a patient and a sub system having one or more sub-actuator units for controlling the movement of the patient's lower body joints, 상기 메인 시스템이, 환자 개인에 대한 훈련 계획에 따라 상기 환자가 딛고 서는 엔드-이펙터형 페달을 작동하여 환자의 보행 운동을 수행하는 단계;The above main system operates an end-effector type pedal on which the patient stands according to a training plan for the individual patient, thereby performing the patient's walking movement; 상기 메인 시스템이 상기 서브 시스템과 서브 시스템의 제어를 위한 유선 또는 무선 통신을 수행하는 단계; 그리고A step in which the main system performs wired or wireless communication for controlling the subsystem and the subsystem; and 상기 서브 시스템이, 상기 메인 시스템의 페달의 작동에 따른 보행 자세에 대해 상기 환자의 하체 관절의 움직임이 부합되도록 서브 작동체 유닛의 작동을 제어하여 상기 환자의 하체 관절의 움직임을 강제하는 단계;를 포함하는 로봇 보조 보행 훈련 시스템의 제어 방법.A control method for a robot-assisted walking training system, comprising: a step of forcing movement of the patient's lower body joints by controlling the operation of a sub-actuator unit so that the movement of the patient's lower body joints matches the walking posture according to the operation of the pedals of the main system. 제 13 항에 있어서,In paragraph 13, 상기 서브 시스템은 환자의 관절 움직임에 관련한 상태 정보를 검출하는 센싱부로부터의 신호에 의해 상기 작동체 유닛에 의한 환자의 관절 움직임을 강제하는 힘을 조절하는, 로봇 보조 보행 훈련 시스템의 제어 방법..The above subsystem is a control method for a robot-assisted walking training system, which controls a force for forcing a patient's joint movement by the actuator unit based on a signal from a sensing unit that detects status information related to the patient's joint movement. 제 14 항에 있어서,In paragraph 14, 상기 센싱부는 상기 환자의 해당 관절의 각도, 저항 토크, 근전도 중의 적어도 하나의 신호를 검출하는, 로봇 보조 보행 훈련 시스템의 제어 방법.A control method for a robot-assisted walking training system, wherein the sensing unit detects at least one signal among the angle, resistance torque, and electromyography of the corresponding joint of the patient. 제 13 항 내지 제15항 중의 어느 한 항에 있어서,In any one of the 13th to 15th clauses, 상기 작동체 유닛은 환자의 관절과 관절 사이에 위치하는 복수의 링크에 의해 상호 연결되고, 상기 환자의 관절 움직임 각도는 이에 연결된 그 양측의 링크 간의 각도로서 제어되는, 다관절형 로봇의 구조를 가지는, 로봇 보조 보행 훈련 시스템의 제어 방법.A control method for a robot-assisted walking training system having a structure of a multi-joint robot, wherein the above-mentioned operating unit is interconnected by a plurality of links positioned between the patient's joints, and the patient's joint movement angle is controlled as the angle between the links on both sides connected thereto. 제 13 항에 있어서,In paragraph 13, 상기 페달은 내장된 압력 센서로 환자에 의해 가해지는 압력을 검출하고, 이를 상기 메인 제어부로 전송하는, 로봇 보조 보행 훈련 시스템의 제어 방법.A control method for a robot-assisted walking training system, wherein the pedal detects pressure applied by a patient using a built-in pressure sensor and transmits the pressure to the main control unit.
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