KR102000484B1

KR102000484B1 - 상지 운동 기구 및 이의 제어방법

Info

Publication number: KR102000484B1
Application number: KR1020170105553A
Authority: KR
Inventors: 송원경; 권순철; 송준용
Original assignee: 대한민국
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2019-10-01
Anticipated expiration: 2037-08-21
Also published as: US20210059887A1; US11259977B2; KR20190020508A; CN110997084A; CN110997084B; WO2019039710A1

Abstract

본 발명은, 베이스(B); 상기 베이스에 한쪽변이 고정되되 틸팅 각도가 가변되는 프레임(10); 상기 프레임에 장착되고 타겟포인터가 표시되는 디스플레이(20): 상기 디스플레이의 위쪽 또는 아래쪽에서 위치하고, 구동가능한 제1링크(30)와 제2링크(40)로 이루어지는 5-bar 링크 형상의 가동부(30,40); 상기 제1링크(30)는, 일단이 상기 프레임에 부착되어 회전구동되는 제1-1부재(31)와, 일단이 상기 제1-1부재의 타단에 회동가능하게 부착되고 타단에는 사용자가 파지하는 손잡이(50)가 부착되는 제1-2부재(33)로 이루어지고, 상기 제2링크(40)는, 일단이 상기 프레임에 부착되어 회전구동되는 제2-1부재(41)와, 일단이 상기 제2-1부재의 타단에 회동가능하게 부착되고 타단에는 환자가 파지하는 손잡이(50)와 상기 제1-2부재의 타단이 부착되는 제2-2부재(43)로 이루어지고, 상기 제1-1부재(31)의 일단과 제2-1부재(41)의 일단에 각각 부착되어 회동력을 제공하는 직렬탄성구동기(60)가 구비되는 상지 운동 기구을 제공한다.
본 발명은 만성기의 뇌졸중 장애인이 가정에서도 쉽게 사용이 가능한 기구를 제공하며, 직렬탄성구동기와 5-bar 링크 구조를 가지는 링크부재로 이루어진 상지 운동 로봇으로서, 디스플레이 틸팅각도를 필요한 만큼 조절하고, 동시에 사용자가 디스플레이를 정면으로 바라보지 않고 시계방향이나 반시계방향으로 90° 돌아서 앉으면 기구적인 구성의 추가 또는 수정 없이 디스플레이의 로테이팅 각도(Rotating Angle Φ)를 조절하여 운동하는 것과 같은 결과를 얻을 수 있어 하나의 기구와 간단한 구조로 다양한 운동이 가능하여 3차원 공간상에서 운동하는 것과 유사한 효과를 얻을 수 있다.

Description

상지 운동 기구 및 이의 제어방법{Upper limb rehabilitation device and controlling method for the same}

본 발명은 상지 운동 기구에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 운동 영역 내에서의 재활 동작을 유도하여 노약자나 환자의 재활에 사용되는 재활 기구 또는 로봇에 관한 것이다.

최근 고령화 노령화 사회에 접어들면서 뇌졸중 환자가 증가하고, 교통사고로 척수 손상 환자가 증가하고 있으며, 뇌졸중, 외상성 외손상, 뇌성마비 등과 같은 뇌손상을 입거나, 척수 손상에 의한 신경계 손상을 입는 등 다양한 질병으로 인하여 손의 능동적 움직임이 결여된 환자에게 적용될 수 있는 상지 재활 장치가 개발되고 있다.

종래의 상지재활장치는 어깨와 팔꿈치와 같은 상완부 움직임을 중심으로 재활시키기는 형태로 구성되고, 작업테이블 위에서 특수 동작을 수행하는 형태로 치료가 대부분 이뤄지게 된다. 이러한 종래 기술의 일예가 특허번호 제10-1620633호에 개시되어 있다.

종래기술을 간략히 살펴보면, 투명 디스플레 이부를 통하여 볼 수 있도록 위치하고, 사용자의 팔과 손가락을 움직일 수 있도록 지지하는 상지 기구 모듈과 상기 상지 기구 모듈의 단부에 구비되고, 사용자의 손가락 위치와 움직임을 감지하는 센서와 상기 센서의 신호를 전송받고, 상기 투명 디스플레이부를 통해서 제공되는 영상의 미션 수행 여부 및 성과를 분석하는 제어부를 포함하는 증강 현실 기반의 상지재활장치를 개시하고 있다. 상기 투명 디스플레이는, 수평면에 대해 소정 높이에서 경사지도록 지지하는 디스플레이 지지부를 더 포함하고 상기 센서는, 상기 상지 기구 모듈에 지지된 손가락의 말단 위치에 내장된다.

위와 같은 구성에서 종래기술은 제어부에 의해 미션이 선택되면, 투명 디스플레이부에 미션 영상이 가상환경으로 제공되고, 상기 상지 기구 모듈에 놓인 팔과 손가락을 이용하여 현실 환경에서 미션을 수행하게 된다. 이때, 상기 상지 기구 모듈에 올려진 팔과 손가락은 사용자의 의도대로 직접 움직이거나, 상기 제어부에 의해 설정된 프로그램에 따라 자동으로 움직여질 수 있으며, 다양한 형태로 구현이 개시되어 있다.

그러나, 이러한 종래의 상지 재활 기구는 운동 시에 사용자의 팔이 수평면과 평행한 평면상에서만 움직이기 때문에 일상생활과 관련된 움직임에 필요한 다양한 팔의 근육을 운동시키는데 어려움이 있다.

본 발명은 뇌손상이나 척수 손상에 의한 신경계 손상 등으로 인하여 손의 움직임이 결여된 환자의 재활을 도와 독립적으로 일상생활을 할 수 있도록 하는 상지 운동 기구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상지 운동 로봇으로 기본적으로 지면과 평행한 평면의 디스플레이 위에서 5-bar link 구조(Parallogram 구조)를 가진 로봇팔의 말단자(end-effector)타입의 기구 손잡이를 사용자가 잡고 상지 운동을 할 수 있는 기구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 병원에서 가정으로 복귀한 만성기의 뇌졸중 장애인에게 현실적인 도움을 주기 위해 가정이나 복지관 등 거주지에서도 쉽게 사용이 가능한 상지 운동 기구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 베이스(B); 상기 베이스에 한쪽변이 고정되되 틸팅 각도가 가변되는 프레임(10); 상기 프레임에 장착되고 타겟포인터가 표시되는 디스플레이(20): 상기 디스플레이의 위쪽 또는 아래쪽에서 위치하고, 구동가능한 제1링크(30)와 제2링크(40)로 이루어지는 5-bar링크 형상의 가동부(30,40); 상기 제1링크(30)는, 일단이 상기 프레임에 부착되어 회전구동되는 제1-1부재(31)와, 일단이 상기 제1-1부재의 타단에 회동가능하게 부착되고 타단에는 사용자가 파지하는 손잡이(50)가 부착되는 제1-2부재(33)로 이루어지고, 상기 제2링크(40)는, 일단이 상기 프레임에 부착되어 회전구동되는 제2-1부재(41)와, 일단이 상기 제2-1부재의 타단에 회동가능하게 부착되고 타단에는 환자가 파지하는 손잡이(50)와 상기 제1-2부재의 타단이 부착되는 제2-2부재(43)로 이루어지고, 상기 제1-1부재(31)의 일단과 제2-1부재(41)의 일단에 각각 부착되어 회동력을 제공하는 직렬탄성구동기(60)가 구비되는 상지 운동 기구를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 직렬탄성구동기(60)를 대신하여 상기 제1-1부재(31)의 일단과 제2-1부재(41)의 일단에 각각 부착되어 회동력을 제공하는 구동기가 구비되고, 상기 프레임(10)과 상기 제1링크(30)의 제1-1부재(31) 사이에는 탄성스프링(S1)이 구비되고, 상기 프레임(10)과 상기 제2링크(40)의 제2-1부재(41) 사이에는 탄성스프링(S2)이 구비될 수도 있다.

상기 손잡이를 사용자가 파지한 상태에서 중력으로 인한 상기 디스플레이 파손을 방지하기 위하여,

상기 손잡이 아래에는 볼 롤러가 구비되고, 상기 디스플레이 상면에는 상기 볼 롤러가 맞닿아 움직일 수 있는 투명한 디스플레이 커버가 위치한다.

직렬탄성구동기(60)는, 모터(61); 상기 모터의 회전속도를 감속하여 상기 제1링크 또는 제2링크에 전달하는 감속기(62);를 포함하되, 상기 감속기와 상기 제1링크 또는 제2링크 사이에 구비되는 스프링(63)과 엔코더;를 더 포함하여 상기 감속기를 거친 회전력이 상기 제1링크 또는 제2링크에 부드럽게 전달되도록 하며, 상기 프레임의 틸팅각도(θ)는 0°~ 180°까지 조절되는 것이 좋다.

상기 손잡이의 위치와 상기 타겟포인터의 위치를 기초로, 상기 손잡이를 상기 타겟포인터의 위치로 이동시키기 위해, 상기 직렬탄성구동기의 회전을 제어하는 제어부;를 더 포함한다.

또한, 본 발명은 상지 운동 기구를 제어하는 방법으로서, 상기 디스플레이에서 상기 타켓포인터의 위치를 검출하는 제1단계; 상기 손잡이(50)의 위치를 검출하는 제2단계; 및 상기 손잡이의 위치를 이동시키기 위해, 상기 직렬탄성구동기를 작동시켜 상기 제1-1부재와 제2-1부재에 회동력을 제공하는 제3단계;를 포함하는 상지 운동 기구 제어방법을 제공한다.

상기 제2단계 후, 소정의 시간 동안 상기 손잡이의 움직임 여부를 검출하는 검출단계;를 더 포함하며, 상기 검출단계에서 소정 시간 동안 손잡이의 움직임이 검출되지 않는 경우 상기 제3단계로 진행하여 상기 손잡이를 상기 타겟포인터의 위치로 이동하여 사용자의 동작을 보조하도록 한다.

또한, 본 발명은 상지 운동 기구를 제어하는 방법으로서, 상기 디스플레이에서 상기 타켓포인터의 위치를 검출하는 제1단계; 상기 손잡이(50)의 위치를 검출하는 제2단계; 사용자에 의해 상기 손잡이의 위치 이동을 감지하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 감지된 손잡이의 위치를 이동에 저항력을 주기 위해, 상기 직렬탄성구동기를 작동시켜 상기 제1-1부재와 제2-1부재에 회동력을 제공하는 제4단계;를 포함하는 상지 운동 기구 제어방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 프레임(10)과 상기 제1링크(30)의 제1-1부재(31) 사이에는 탄성스프링(S1)이 구비될 수 있고, 상기 프레임(10)과 상기 제2링크(40)의 제2-1부재(41) 사이에는 탄성스프링(S2)이 구비될 수 있다. 이 때 모터는 사용할 수도 있고 사용하지 않을 수도 있다.

또한, 본 발명은 상기 손잡이(50)와 상기 프레임(10) 네 변 중 한 부분에 탄성스프링(S3)을 연결하여 사용하면 사용자는 저항성 운동을 할 수도 있고 디스플레이를 기울였을 때 링크 무게와 사용자 팔 무게 등에 의한 중력방향으로의 치우침을 어느 정도 보상할 수 있다.

본 발명은 만성기의 뇌졸중 장애인이 가정에서도 쉽게 사용이 가능한 기구를 제공하며, 직렬탄성구동기와 5-bar 링크 구조를 가지는 링크부재로 이루어진 상지 운동 로봇으로서, 디스플레이 틸팅각도를 필요한 만큼 조절하고, 동시에 사용자가 디스플레이를 정면으로 바라보지 않고 시계방향이나 반시계방향으로 90° 돌아서 앉으면 기구적인 구성의 추가 또는 수정 없이 디스플레이의 로테이팅 각도(Rotating Angle Φ)를 조절하여 운동하는 것과 같은 결과를 얻을 수 있어 하나의 기구와 간단한 구조로 다양한 운동이 가능하여 3차원 공간상에서 운동하는 것과 유사한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 5-bar 링크 구조 기구물의 구동기에 탄성체를 직렬 연결하여 사용자가 감당해야 할 기구 부하를 감소시켜 이른바 역구동성(back-drivability)을 증가시킬 수 있어서, 사용자가 기구의 저항감을 거의 느끼지 못하게 하고 구동기의 역구동(back-drive)을 통해 발생할 수 있는 구동기 파손을 예방할 수 있어, 상지 운동을 하는데 있어서 질환으로 인해 관절 경직이 있을 수 있는 사용자의 사용성을 향상시키는 효과를 가진다.

또한, 본 발명은 상기 프레임과 상지 운동 기구의 손잡이에 탄성체가 부착되어 사용자는 저항성 운동을 할 수 있고, 디스플레이를 기울였을 때 링크 무게와 사용자 팔 무게 등에 의한 중력방향으로의 치우침을 어느 정도 보상할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 상지 운동 기구의 평면도이며
도 2a는 본 발명에 따른 상지 운동 기구의 사시도이며
도 2b는 본 발명에 따른 상지 운동 기구의 측면도이며
도 3은 본 발명에 따른 상지 운동 기구의 직렬탄성구동기의 개략적인 모습이며
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 직렬탄성구동기의 변형예들의 모습이며,
도 5는 본 발명에 따른 상지 운동 기구의 5-bar 링크 형상의 가동부에 탄성체가 부착된 모습이며,
도 6은 본 발명에 따른 상지 운동 기구의 손잡이에 탄성체가 부착된 모습이며,
도 7은 본 발명에 따른 상지 운동 기구의 일부 구성만 도시한 형상이며
도 8은 본 발명에 따른 상지 운동 기구의 실제 사용상태 모습이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 상지 운동 기구의 평면도이며, 도 2a는 본 발명에 따른 상지 운동 기구의 사시도이며, 도 2b는 본 발명에 따른 상지 운동 기구의 측면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 상지 운동 기구의 직렬탄성구동기의 개략적인 모습이며, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 직렬탄성구동기의 변형예들의 모습이며, 도 5는 본 발명에 따른 상지 운동 기구의 5-bar 링크 형상의 가동부에 탄성체가 부착된 모습이며, 도 6은 본 발명에 따른 상지 운동 기구의 손잡이에 탄성체가 부착된 모습이며, 도 7은 본 발명에 따른 상지 운동 기구의 일부 구성만 도시한 형상이며, 도 8은 본 발명에 따른 상지 운동 기구의 실제 사용상태 모습이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 가정용 상지 운동 기구는 기구적으로 간단하면서 저렴해야 하고 사용하기 쉬워야 한다. 도 1 내지 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 상지 운동 기구는, 베이스(B)와 상기 베이스에 한쪽변이 고정되되 틸팅 각도가 가변되는 프레임(10)과 상기 프레임에 장착되고 타겟포인터가 표시되는 디스플레이(20)와 상기 디스플레이의 위쪽 또는 아래쪽에서 위치하고, 구동가능한 제1링크(30)와 제2링크(40)로 이루어지는 5-bar링크 형상의 가동부(30,40)를 포함한다. 또한, 본 발명은 사용자(환자)가 손으로 파지하여 상지 운동을 하는 손잡이(50)와 상기 손잡이에 사용자의 힘을 보조하여 보조적인 움직임을 제공하는 직렬탄성구동기(60)를 포함한다.

이하 본 발명에 대한 설명에서 '상지 운동 기구'라고 편의상 호칭하는 장치는 로봇으로서의 모습 내지 역할을 수행하고 있으므로 '상지 운동 로봇'이라고도 할 수 있을 것이다. 그러므로, 이하 설명에서는 이 둘의 명칭은 동일한 장비를 의미하는 것으로 혼용하여 사용하도록 한다.

상기 제1링크(30)는 제1-1부재(31)와 제1-2부재(33)가 연결된 형태이다. 제1-1부재는 일단이 상기 프레임에 부착되어 회전구동되고, 제1-2부재는 일단이 상기 제1-1부재의 타단에 제1연결부재(35)에 의해서 회동가능하게 부착되고 타단에는 사용자가 파지하는 손잡이(50)가 부착된다. 그리고, 상기 제2링크(40)는제2-1부재(41)와 제2-2부재(43)가 연결된 형태이며, 제2-1부재(41)는 일단이 상기 프레임에 부착되어 회전구동되고, 제2-2부재(43)는 일단이 상기 제2-1부재의 타단에 회동가능하게 부착되고 타단에는 환자가 파지하는 손잡이(50)와 상기 제1-2부재의 타단이 부착된다. 그리고, 상기 제1-1부재(31)의 일단과 제2-1부재(41)의 일단에는 각각 회동력을 제공하는 직렬탄성구동기(60)가 구비된다.

그리고, 사용자가 손잡이(50)를 파지한 상태에서 중력으로 인한 상기 디스플레이 파손을 방지하기 위하여, 상기 손잡이 아래에는 볼 롤러(미도시)가 구비되고, 상기 디스플레이 상면에는 상기 볼 롤러가 맞닿아 움직일 수 있는 투명한 디스플레이 커버가 위치한다.

본 발명에 따른 가정용 상지 운동 로봇은 시각 정보를 제공하면서 필요에 따라 틸팅 각도(Tilting Angle θ)를 조절할 수 있는 평면 디스플레이를 포함한다. 상기 프레임의 틸팅각도(도 7의 θ)는 0°~ 180°까지 조절되는 것이 좋다. 본 발명의 상지 운동 로봇의 디스플레이(20) 틸팅각도는 조절 가능하므로 상지 운동 시에 사용자의 손은 디스플레이 위쪽 평면상에서 움직이지만 디스플레이 각도를 필요한 만큼 조절하여 3차원 공간상에서 운동하는 것과 유사한 결과를 얻을 수 있다. 또한, 근력이 약한 사용자는 틸팅각도를 주지 않은 상태로 지면과 평행한 기본자세에서 운동을 할 수 있고, 근력이 증가함에 따라서 점점 틸팅각도를 높여서 중력을 이기면서 상지 운동을 할 수 있다.

평면의 디스플레이(20)는 기본적으로 손잡이의 아래에 위치하며 지면과 평행하게 놓이지만 손잡이의 위치를 감추고 시각 피드백으로 오차 증강(Error Augmentation)을 적용하기 위해 손잡이와 사용자의 눈 사이에 위치할 수도 있다.

본 발명의 상지 운동 로봇의 디스플레이(20)에는 상지 운동을 위해 사용자가 추종하도록 하는 타겟포인터(도 8의 T)가 표시된다. 타겟포인터는 예를 들면 빨간색 원으로 표시될 수 있다. 사용자는 상기 손잡이(50)를 잡고서 손잡이를 상기 디스플레이(20)에 표시되는 타겟포인터(T)를 향해서 이동시키는 과정을 통해서 상지 운동을 하게 되는 것이다. 타겟포인터는 무작위로 주어질 수도 있고, 손잡이의 위치를 고려하여 운동효과가 좋은 위치에 타겟포인터를 표시할 수도 있다. 이를 위해, 상기 손잡이의 위치와 상기 타겟포인터의 위치를 감지하고 이를 기초로 상기 손잡이를 상기 타겟포인터의 위치로 이동시키기 위해, 상기 직렬탄성구동기의 회전을 제어하는 제어부를 더 포함한다.

다만, 본 발명의 제어부는 손잡이를 타겟위치로 바로 이동시키는 것이 아니라, 디스플레이에 타겟포인터(T)를 표시한 후 손잡이(50)의 움직임을 일정 시간 기다려 준 후 손잡이의 움직임 없을 경우에만 상기 손잡이를 타겟포인터로 이동시키도록 제어한다. 단, 상기 타겟포인터로의 이동은 강제적인 것이 아니라 사용자의 힘을 로봇이 보조하여 이동하는 것이다. 이것은 재활훈련을 하는 사용자가 손의 움직임이 익숙하지 않음을 고려하여 일정 시간을 기다려 주도록 한 것이다. 즉, 일정 시간 동안 사용자가 스스로의 힘으로 상기 손잡이를 타겟포인터 지점으로 이동시키는 동작이 이루어지는 경우에는 상기 손잡이를 외부 동력을 사용하여 구동하지 않고 사용자 스스로 움직이도록 한 것이다. 그런데, 일정 시간 동안 손잡이의 움직임이 없는 것이 검지되면, 사용자가 스스로의 힘으로 상기 손잡이를 이동시키지 못한다고 판단하고 비로소 상기 손잡이의 움직임을 보조하기 위해 제어부가 상기 직렬탄성구동기(60)를 구동시켜서 가동부(30,40)를 회동시키게 된다. 본 발명의 상지 운동 로봇 제어방법의 특징은 상기 손잡이의 움직임을 소정 시간 동안 기다린 후 외부동력(직렬탄성구동기) 구동 여부를 시도하는 것이며, 이를 통해 외부 동력은 보조적인 역할만 수행하게 한 점이다.

본 발명의 상지 운동 로봇의 직렬탄성구동기(60)는 상기 제1링크(30)와 제2링크(40)를 구동하여 상기 손잡이(50)의 위치를 이동시키게 되는데, 직렬탄성구동기는, 모터(61)와 상기 모터의 회전속도를 감속하여 상기 제1링크 또는 제2링크에 전달하는 감속기(62)를 포함하되, 상기 감속기와 상기 제1링크 또는 제2링크 사이에 구비되는 스프링(63)과 엔코더를 더 포함한다. 상기 감속기는 다수 개의 기어를 연결하여 감속하게 되는데 감속과정에서 회전수는 감소하지만 토크가 커지고 거칠어 질 수 있는데, 이를 보완하여 회전력이 상기 제1링크 또는 제2링크에 부드럽게 전달되도록 하게 하기 위해서 상기 스프링(63)을 구비한다. 엔코더는 상기 제1링크 또는 제2링크에 연결되어 실제 링크가 회전한 각도를 알아내기 위해 구비된다.

본 발명의 제어부는, 입력된 아날로그 및 디지털 센서 신호 처리가 가능하고 직렬탄성구동기의 회전각 및 회전 토크 명령 출력이 가능하다. 5-bar 링크 구조의 상지 운동 로봇에 연결된 직렬탄성구동기 제어를 통해 말단부(손잡이(50)) 위치를 제어할 수 있으며 직렬탄성구동기 제어 시 링크와 연결된 엔코더 값을 통해 직렬 연결된 탄성체의 변위량 측정 역시 가능하다. 제어부는 사용자의 상지 움직임에 따라 손잡이가 사용자의 손과 같은 위치에 있도록 두 개의 직렬탄성구동기 위치(회전각)를 계산하여, 상지 움직임을 추종하도록 제어하여 사용자의 동작을 보조하게 된다. 또한, 탄성체(스프링)를 직렬 연결하므로 사용자의 상지 움직임에 따른 직렬탄성구동기 대비 탄성체의 변위량을 측정, 제어하여 사용자가 구조물의 저항감을 거의 느끼지 못하게 하거나 임의의 저항감을 생성해주는 햅틱 기능 등을 구현할 수도 있다. 또한 직렬탄성구동기는 구동기와 링크 사이에 탄성체를 부착하여 사용자 및 구동기가 감당해야 할 기구 부하를 감소시켜 구동기의 역구동(back-drive)을 통해 발생할 수 있는 구동기 파손을 예방할 수 있다.

직렬탄성구동기의 형태는 도 4a 내지 도 4c에서 도시한 바와 같이 다양하게 구성할 수 있다. 도 4a는 링크부터 토션 스프링, 모터의 엔코더까지 축을 일렬로 정렬한 구성의 예이며 도 4b는 타이밍 벨트와 풀리를 추가 적용하여 구성한 예이며, 도 4c는 토션 스프링 대신 다른 종류의 스프링을 사용하여 같은 기능을 할 수 있도록 구성한 예이다.

또한, 다른 실시형태로 도 5와 같이 직렬탄성구동기를 사용하지 않고 링크에 탄성체만을 부착하여 구동기의 역구동(back-drive)으로 발생할 수 있는 구동기 파손을 예방할 수 있다. 도 5에서 보듯이, 상기 프레임(10)과 제1링크(30)의 제1-1부재(31) 사이에 탄성스프링(S1)이 배치될 수 있고, 상기 프레임(10)과 상기 제2링크(40)의 제2-1부재(41) 사이에는 탄성스프링(S2)이 배치될 수 있다. 구동기가 멈추면 각각의 링크 위치가 고정되어 움직일 수 없지만 탄성체를 부착하면 탄성체의 탄성력으로 의도하지 않은 외력이 발생할 때 링크가 조금씩 이동함으로써 구동기를 물리적으로 보호할 수 있다.

그리고, 도 6을 보면, 본 발명에 따른 상지 운동 로봇의 손잡이에 탄성체가 부착된 모습을 보여주는데, 상기 손잡이에 탄성스프링(S3)를 부착함으로써 상지 운동 로봇을 사용 중 사용자가 일시적으로 손잡이를 놓이는 경우나 기타 상기 프레임(10)이 기울어지는 경우에도 상기 손잡이는 스프링 탄성력에 의해 떨어지지 않고 일정 지점에 위치하도록 할 수 있다. 즉, 본 발명은 상기 프레임과 상지 운동 로봇의 손잡이에 탄성체가 부착되어 있어서, 사용자는 저항성 운동을 할 수 있고, 디스플레이를 기울였을 때 링크 무게와 사용자 팔 무게 등에 의한 중력방향으로의 치우침을 어느 정도 보상할 수 있는 효과가 있다.

이 경우, 탄성체의 탄성력으로 인해 손잡이에는 탄성체의 기본 위치로 이동하려는 힘이 계속 작용하므로 사용자는 저항성 운동을 할 수 있다. 모터를 사용 사용하지 않고 링크에 탄성체만 배치한다면 사용자는 모터의 보조힘을 받을 수는 없지만 탄성체를 어떻게 배치하느냐에 따라 저항성 운동도 가능하고 디스플레이의 틸팅 각도 변경 시 탄성체의 탄성력에 의해 어느 정도 중력 보상이 이루어져 사용자는 조금 더 편하게 운동을 할 수도 있다.

본 발명의 상지 운동 로봇을 사용하면, 상지 운동을 할 때 사용자의 근력이 조금 부족하여 목표 위치에 도달하지 못하면 모터의 힘으로 손잡이를 목표 위치에 도달할 수 있도록 힘의 보조가 가능하도록 할 수 있으며, 반대로 힘의 보조가 필요 없는 사용자에게는 모터로 저항력을 가하여 상지 운동을 하게 할 수도 있다. 또한 사용자가 디스플레이를 정면으로 바라보지 않고 시계방향이나 반시계방향으로 90° 돌아서 앉으면 기구적인 수정 없이 디스플레이의 로테이팅 각도(Rotating Angle 도 7의 Φ)를 조절하여 운동하는 것과 같은 결과를 얻을 수 있어 하나의 기구와 간단한 구조로 다양한 운동이 가능하다.

또한, 본 발명은 최근 재활 운동에 많이 사용되고 있는 오차 증강(Error Augmentation)을 적용하기 위해 손잡이를 디스플레이 아래로 배치하여 적용할 수도 있다. 손잡이의 위치가 디스플레이 아래에 있기 때문에 사용자는 자신의 손 위치를 정확하게 알 수가 없다. 따라서 타겟포인터를 따라 가는 손 위치의 오차를 증강시키는 시각 피드백을 통해 사용자의 재활 효과를 증가시킬 수 있다. 본 발명은 만성기의 뇌졸중 장애인이 가정에서도 쉽게 사용이 가능한 직렬탄성구동기와 링크 구조를 가지는 상지 운동 로봇을 제공하여 디스플레이 각도를 필요한 만큼 조절하면 3차원 공간상에서 운동하는 것과 유사한 효과를 얻을 수 있도록 한 것이다.

본 발명의 상지 운동 로봇을 이용하여 이를 제어하는 방법을 요약하여 설명하면, 상기 디스플레이에서 상기 타켓포인터의 위치를 검출하는 제1단계; 상기 손잡이(50)의 위치를 검출하는 제2단계; 및 상기 손잡이의 위치를 이동시키기 위해, 상기 직렬탄성구동기를 작동시켜 상기 제1-1부재와 제2-1부재에 회동력을 제공하는 제3단계;를 포함하며, 상기 제2단계 후, 소정의 시간 동안 상기 손잡이의 움직임 여부를 검출하는 검출단계;를 더 포함하며, 상기 검출단계에서 소정 시간 동안 손잡이의 움직임이 검출되지 않는 경우 상기 제3단계로 진행하여 상기 손잡이를 상기 타겟포인터의 위치로 이동하여 사용자의 동작을 보조하도록 한다.

또한, 본 발명은 상지 운동 로봇을 제어하는 방법으로서 저항력을 주는 방법으로는, 상기 디스플레이에서 상기 타켓포인터의 위치를 검출하는 제1단계; 상기 손잡이(50)의 위치를 검출하는 제2단계; 사용자에 의해 상기 손잡이의 위치 이동을 감지하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 감지된 손잡이의 위치를 이동에 저항력을 주기 위해, 상기 직렬탄성구동기를 작동시켜 상기 제1-1부재와 제2-1부재에 회동력을 제공하는 제4단계;를 포함하는 상지 운동 로봇 제어방법을 제공한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

베이스(B); 상기 베이스에 한쪽변이 고정되되 틸팅 각도가 가변되는 프레임(10); 상기 프레임에 장착되고 타겟포인터가 표시되는 디스플레이(20); 상기 디스플레이의 위쪽 또는 아래쪽에서 위치하고, 구동가능한 제1링크(30)와 제2링크(40)로 이루어지는 5-bar 링크 형상의 가동부(30,40); 상기 제1링크(30)는, 일단이 상기 프레임에 부착되어 회전구동되는 제1-1부재(31)와, 일단이 상기 제1-1부재의 타단에 회동가능하게 부착되고 타단에는 사용자가 파지하는 손잡이(50)가 부착되는 제1-2부재(33)로 이루어지고,
상기 제2링크(40)는, 일단이 상기 프레임에 부착되어 회전구동되는 제2-1부재(41)와, 일단이 상기 제2-1부재의 타단에 회동가능하게 부착되고 타단에는 환자가 파지하는 손잡이(50)와 상기 제1-2부재의 타단이 부착되는 제2-2부재(43)로 이루어지고,
상기 제1-1부재(31)의 일단과 제2-1부재(41)의 일단에 각각 부착되어 회동력을 제공하는 직렬탄성구동기(60)가 구비되고,
직렬탄성구동기(60)는, 모터(61); 상기 모터의 회전속도를 감속하여 상기 제1링크 또는 제2링크에 전달하는 감속기(62);를 포함하되,
상기 감속기와 상기 제1링크 또는 제2링크 사이에 구비되는 스프링(63)과 엔코더;를 더 포함하여 상기 감속기를 거친 회전력이 상기 제1링크 또는 제2링크에 부드럽게 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 상지 운동 기구.
제1항에 있어서,
상기 손잡이를 사용자가 파지한 상태에서 중력으로 인한 상기 디스플레이 파손을 방지하기 위하여,
상기 손잡이 아래에는 볼 롤러가 구비되고,
상기 디스플레이 상면에는 상기 볼 롤러가 맞닿아 움직일 수 있는 투명한 디스플레이 커버가 위치하는 것을 특징으로 하는 상지 운동 기구.
삭제
제1항에 있어서,
상기 프레임의 틸팅각도(θ)는 수동 또는 전동으로 조절가능하며 0°~ 180°까지 조절되는 것을 특징으로 하는 상지 운동 기구.
제1항에 있어서,
상기 손잡이의 위치와 상기 타겟포인터의 위치를 기초로, 상기 손잡이를 상기 타겟포인터의 위치로 이동시키기 위해, 상기 직렬탄성구동기의 회전을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 운동 기구.
제1항의 상지 운동 로봇을 제어하는 방법으로서,
상기 디스플레이에서 상기 타겟포인터의 위치를 검출하는 제1단계;
상기 손잡이(50)의 위치를 검출하는 제2단계; 및
상기 손잡이의 위치를 이동시키기 위해, 상기 직렬탄성구동기를 작동시켜 상기 제1-1부재와 제2-1부재에 회동력을 제공하는 제3단계;를 포함하는 상지 운동 기구 제어방법.
제6항에 있어서,
상기 제2단계 후, 소정의 시간 동안 상기 손잡이의 움직임 여부를 검출하는 검출단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 운동 기구 제어방법.
제7항에 있어서,
상기 검출단계에서 소정 시간 동안 손잡이의 움직임이 검출되지 않는 경우 상기 제3단계로 진행하여 상기 손잡이를 상기 타겟포인터의 위치로 이동하는데, 타겟포인터로의 이동은 강제적인 것이 아니라 사용자의 힘을 로봇이 보조하는 것을 특징으로 하는 상지 운동 기구 제어방법.
제1항의 상지 운동 로봇을 제어하는 방법으로서,
상기 디스플레이에서 상기 타겟포인터의 위치를 검출하는 제1단계;
상기 손잡이(50)의 위치를 검출하는 제2단계;
사용자에 의해 상기 손잡이의 위치 이동을 감지하는 제3단계; 및
상기 제3단계에서 감지된 손잡이의 위치를 이동에 저항력을 주기 위해, 상기 직렬탄성구동기를 작동시켜 상기 제1-1부재와 제2-1부재에 회동력을 제공하는 제4단계;를 포함하는 상지 운동 기구 제어방법.
제9항에 있어서,
상기 타겟포인터의 위치에 오차 증강(Error Augmentation)을 시각 피드백으로 적용하는 것을 특징으로 하는 상지 운동 기구 제어방법.
베이스(B);
상기 베이스에 한쪽변이 고정되되 틸팅 각도가 가변되는 프레임(10);
상기 프레임에 장착되고 타겟포인터가 표시되는 디스플레이(20);
상기 디스플레이의 위쪽 또는 아래쪽에서 위치하고, 구동가능한 제1링크(30)와 제2링크(40)로 이루어지는 5-bar 링크 형상의 가동부(30,40);
상기 제1링크(30)는, 일단이 상기 프레임에 부착되어 회전구동되는 제1-1부재(31)와, 일단이 상기 제1-1부재의 타단에 회동가능하게 부착되고 타단에는 사용자가 파지하는 손잡이(50)가 부착되는 제1-2부재(33)로 이루어지고,
상기 제2링크(40)는, 일단이 상기 프레임에 부착되어 회전구동되는 제2-1부재(41)와, 일단이 상기 제2-1부재의 타단에 회동가능하게 부착되고 타단에는 환자가 파지하는 손잡이(50)와 상기 제1-2부재의 타단이 부착되는 제2-2부재(43)로 이루어지고,
상기 제1-1부재(31)의 일단과 제2-1부재(41)의 일단에 각각 부착되어 회동력을 제공하는 직렬탄성구동기(60)가 구비되고,
상기 프레임(10)과 상기 제1링크(30)의 제1-1부재(31) 사이에는 탄성스프링(S1)이 구비되고,
상기 프레임(10)과 상기 제2링크(40)의 제2-1부재(41) 사이에는 탄성스프링(S2)이 구비되며,
직렬탄성구동기(60)는, 모터(61); 상기 모터의 회전속도를 감속하여 상기 제1링크 또는 제2링크에 전달하는 감속기(62);를 포함하되,
상기 감속기와 상기 제1링크 또는 제2링크 사이에 구비되는 스프링(63)과 엔코더;를 더 포함하여 상기 감속기를 거친 회전력이 상기 제1링크 또는 제2링크에 부드럽게 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 상지 운동 기구.
제11항에 있어서,
상기 손잡이와 상기 프레임을 연결하는 탄성스프링(S3)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 운동 기구.
베이스(B);
상기 베이스에 한쪽변이 고정되되 틸팅 각도가 가변되는 프레임(10);
상기 프레임에 장착되고 타겟포인터가 표시되는 디스플레이(20);
상기 디스플레이의 위쪽 또는 아래쪽에서 위치하고, 제1링크(30)와 제2링크(40)로 이루어지는 5-bar 링크 형상의 가동부(30,40);
상기 제1링크(30)는, 일단이 상기 프레임에 부착되어 회전구동되는 제1-1부재(31)와, 일단이 상기 제1-1부재의 타단에 회동가능하게 부착되고 타단에는 사용자가 파지하는 손잡이(50)가 부착되는 제1-2부재(33)로 이루어지고,
상기 제2링크(40)는, 일단이 상기 프레임에 부착되어 회전구동되는 제2-1부재(41)와, 일단이 상기 제2-1부재의 타단에 회동가능하게 부착되고 타단에는 환자가 파지하는 손잡이(50)와 상기 제1-2부재의 타단이 부착되는 제2-2부재(43)로 이루어지고,
상기 프레임(10)과 상기 제1링크(30)의 제1-1부재(31) 사이에는 탄성스프링(S1)이 구비되고,
상기 프레임(10)과 상기 제2링크(40)의 제2-1부재(41) 사이에는 탄성스프링(S2)이 구비되고,
직렬탄성구동기(60)는, 모터(61); 상기 모터의 회전속도를 감속하여 상기 제1링크 또는 제2링크에 전달하는 감속기(62);를 포함하되,
상기 감속기와 상기 제1링크 또는 제2링크 사이에 구비되는 스프링(63)과 엔코더;를 더 포함하여 상기 감속기를 거친 회전력이 상기 제1링크 또는 제2링크에 부드럽게 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 상지 운동 기구.
제13항에 있어서,
상기 손잡이와 상기 프레임을 연결하는 탄성스프링(S3)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 운동 기구.
제1항에 있어서,
상기 손잡이와 상기 프레임을 연결하는 탄성스프링(S3)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 운동 기구.