KR100658981B1

KR100658981B1 - 중력보상이 이루어지는 하지재활운동기구

Info

Publication number: KR100658981B1
Application number: KR1020060004003A
Authority: KR
Inventors: 박장우; 채춘식; 국정환
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2006-12-21

Abstract

개시된 내용은 환자에 의해 운동강도의 조절이 용이하고 운동시 환자의 하지하중에 따른 외력을 보상하여 줌으로써 환자가 하지하중의 부담이 없이 환자에게 적절한 강도로 무릎근육을 포함한 전반적인 다리근육이 회복되도록 운동할 수 있는 하지재활운동기구에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 하지재활운동기구는 의자형태로 환자가 착석한 상태에서, 환자의 허벅지가 고정되는 허벅지고정대와 이 허벅지고정대에 선회가능하게 결합되어 환자의 장딴지가 고정되는 장딴지고정대를 구비하고서, 상기 허벅지고정대와 장딴지고정대의 연결부위에 포텐셔미터를 설치하여 상기 장딴지고정대의 선회각을 검출하고, 상기 장딴지고정대에 구동력을 제공하는 공압실린더의 로드단에 작용하는 환자의 운동력(외력)을 측정하여, 제어부에서 이 외력에서 하지하중을 보상하고 환자가 설정한 자신에게 맞는 운동강도(임피던스값)를 반영하여 공압실린더를 수축팽창시켜 상기 장딴지고정대를 선회시키게 된다.

재활치료, 재활운동, 재활기구, 하지재활기구, 무릎근력운동

Description

중력보상이 이루어지는 하지재활운동기구 {A REHABILITATION MACHINE COMPENSATING FOR WEIGHT OF LEGS}

본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명은 첨부하는 도면들을 참조하여 이루어질 것이며, 도면에서 대응되는 부분을 지정하는 번호는 같다.

도 1은 본 발명에 따른 하지재활운동기구의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이고,

도 2는 본 발명에 따른 하지재활운동기구의 기구부분을 상세하게 나타낸 사시도이고,

도 3은 도 2의 측면도이고,

도 4는 본 발명에 따른 하지재활운동기구의 작동방법을 설명하기 위한 블록도이고,

도 5는 본 발명에 따른 하지재활운동기구에서의 하지하중보상방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 좌석틀체 12 : 안착판

14 : 지지각 16 : 등받이

20 : 하지파지구 22 : 허벅지고정대

24 : 장딴지고정대 26 : 고정판

30 : 포텐셔미터 40 : 공압실린더

42 : 실린더 44 : 로드

50a,50b : 제1,제2압력센서 60a,60b : 제1,제2밸브

70 : 공압원 80 : 제어부

90 : 운동강도조절수단

본 발명은 하지(다리)가 불편한 환자가 편안하게 다리운동을 통해 재활할 수 있도록 도와주는 하지재활운동기구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 환자에 의해 운동강도의 조절이 용이하고 운동시 환자의 하지하중에 따른 외력을 보상하여 줌으로써 환자가 하지하중의 부담이 없이 환자에게 적절한 강도로 무릎근육을 포함한 전반적인 다리근육이 회복되도록 운동할 수 있는 하지재활운동기구에 관한 것이다.

일반적으로, 뇌졸증이나 각종 사고 등에 의해 뇌로부터의 명령계통이 경미한 손상을 받아 본인의 의지에도 불구하고 하지를 움직일 수 없게 되는 거동불편자가 많이 발생되고 있는 것이 현실이다. 이와 같이 하지가 불편한 환자들은 무릎관절 이나 대퇴부 및 발목의 퇴행을 막기 위하여 대부분 환자의 보호자들이 집에서 환자의 다리를 손으로 잡고 반강제적으로 무릎관절이나 발목을 접었다 폈다 하는 식으로 무릎관절운동을 시켜주거나 또는 별도의 물리치료 전문병원을 찾아 전문가들에 의한 다리 재활운동을 받는 것이 고작이었다. 그러나, 이것은 환자 이외의 보호자 또는 물리치료사가 일일이 환자의 한쪽 다리를 잡고 무릎관절이나 발목 등을 움직이기 위한 동작을 반복해야 하는 데 따른 엄청난 수고가 요구되는 것이어서, 소요비용은 차치하고라도 환자와 보호자 모두가 재활치료를 포기하는 경우가 많아 환자의 재활의지를 꺾고 병세를 더욱 악화시키게 되는 문제가 있었다.

특히, 하체 장애자(환자)의 재활운동으로는 보통 병원에 한쌍의 수평대로 이루어진 난간을 설치하고 환자가 양팔로 이 난간을 잡고 몸의 하중을 의지한 채 걸으면서 운동하는 방식이 보편적이었다. 그런데, 이와 같이 난간을 잡고 걷는데 따른 고통이 심하고 팔로서 체중이 하체에 집중되지 않도록 조절해야 하므로 어려움이 많으며 자칫하면 몸의 중량이 과도히 하체에 집중되어 병세를 악화시킬 위험도 있다. 또한, 환자가 팔로 몸 전체의 하중을 지탱해야 하므로 고통이 심하여 스스로는 운동을 잘 하지 않게 되고 운동시간이 짧아 재활에 오랜 시간이 걸릴 뿐만 아니라 퇴원 후에도 꾸준히 운동이 필요하나 집에서는 다른 마땅한 방법이 없어 병원에 오래 머물러야 하거나 수시로 병원에 들러야 하는 문제점이 있었다.

다른 한편으로, 기존의 무릎 재활운동기구들로 고무밴드나 댐퍼(damper) 등 을 사용하여 운동을 할 수 있도록 구성된 것이 있다. 이중 고무밴드식은 다리에 고무밴드를 묶고 고무밴드의 탄성력을 이용하여 운동하는 것이고, 댐퍼식의 경우는 환자가 다리 또는 발을 이용하여 작동판을 누르거나 당기면 실린더 내에서 유체가 유동하면서 탄성을 발휘하여 운동효과를 제공하는 것이다. 이러한 재활운동기구들은 환자의 상태에 맞는 적당한 운동강도에서 환자가 운동할 수 있도록 제공하기 위해, 고무밴드나 댐퍼의 강도를 조절하게 되는데, 이를 위해서는 고무밴드나 댐퍼를 강도에 맞는 것으로 교체해야 하는 번거로움이 있었다. 더욱이, 환자의 무릎근육이 심하게 손상되어 자신의 하지무게를 감당하기 힘든 경우에는 무게를 지탱하기 쉽도록 누운 자세에서 재활운동을 한다던가, 아니면 하지무게로 인한 부하를 경감할 수 있는 보조기구들(예컨대, 스프링 등)을 추가로 사용해야 하는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 제결점들을 해소하기 위해서 안출한 것으로서, 환자에 의해 운동강도의 조절이 용이하고 운동시 재활환자의 하지하중에 따른 외력을 보상하여 줌으로써 하지하중의 부담이 없이 환자에게 적절한 강도로 무릎근육을 포함한 전반적인 다리근육을 운동시켜 회복시켜 주는 하지재활운동기구를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하지재활운동기구는 환자가 착석하는 의자형태의 좌석틀체; 상기 좌석틀체로부터 전방으로 수평하게 결합되어 환자의 허벅지가 고정되는 허벅지고정대와, 상기 허벅지고정대에 선회가능하게 결합되어 환자의 장딴지가 고정되는 장딴지고정대를 구비하는 하지파지구; 상기 허벅지고정대와 상기 장딴지고정대의 연결부위에 설치되어 상기 장딴지고정대의 선회각을 검출하는 포텐셔미터; 일단은 상기 좌석틀체에 고정되고 타단은 상기 장딴지고정대에 고정되어 환자의 운동력을 상기 장딴지고정대를 통해 외력으로 전달받고, 상기 외력에 근거하여 수축팽창하여 상기 장딴지고정대에 선회구동력을 제공하는 공유압실린더; 상기 공유압실린더에 작용하는 압력을 검출하는 압력센서; 상기 공유압실린더에 공급되는 공유압을 통제하여 상기 공유압실린더의 로드가 팽창하거나 수축하게 하는 밸브; 및 상기 압력센서로부터 검출된 압력값에 의해 외력을 산출하고, 운동전에 환자의 하지하중값을 설정등록하고, 상기 외력에서 상기 포텐셔미터에서 검출된 선회각에 따른 환자의 하지하중을 보상하여 상기 밸브를 구동시킴에 의해 상기 공유압실린더의 수축팽창을 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 실시예에 따르면, 본 발명은 임피던스를 가변시켜 환자가 자신의 운동강도에 맞는 강도로 운동강도를 조절하는 운동강도조절수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 하지재활운동기구의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다. 또한, 도 2는 본 발명에 따른 하지재활운동기구의 기구부분을 상세하게 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 2의 측면도이다.

도시한 바와 같이, 본 하지재활운동기구는 환자가 앉아서 편안하게 다리운동을 할 수 있도록 기본적인 골격이 의자형태를 이루고 있다. 즉, 의자형태를 갖추기 위해, 환자가 착석하기 위한 안착판(12)과, 이 안착판(12)을 일정높이로 지지하는 지지각(14)과, 안착판(12)의 후방에 수직으로 설치된 등받이(16)를 구비하고 있다.

이러한 의자형태의 좌석틀체(10)의 안착판(12) 전방으로는 하지파지구(20)가 연결되어 있다. 이 하지파지구(20)는 안착판(12)과 평행하게 수평방향으로 연결되는 허벅지고정대(22)와, 이 허벅지고정대(22)의 단부에서 선회가능하게 결합되는 장딴지고정대(24)로 이루어져 있다. 허벅지고정대(22)와 장딴지고정대(24)의 선회가능한 결합은 힌지구조에 의해 이루어지며, 그 선회결합부에는 포텐셔미터(30)가 장착되어 있다. 따라서, 포텐셔미터(potentiometer; 30)에 의해 허벅지고정대(22)에 대한 장딴지고정대(24)의 선회각도가 검출된다. 하지파지구(20)는 예시한 바와 같이 환자의 양쪽 다리를 각각 파지할 수 있도록 허벅지고정대(22)와 그와 연결된 장딴지고정대(24)가 좌우측으로 한쌍이 구성되는 것이 바람직하다. 특히, 장딴지고정대(24)들에는 각각 장딴지를 지지하여 밴드로 결속하기 용이하도록 고정판(26)이 마련되어 있다. 그리고, 이 좌우한쌍의 장딴지고정대(24)들은 아래쪽에서 연결 판(28)으로 연결되어 있다. 이 장딴지고정대(24)들과 허벅지고정대(22)들에는 각각 환자의 장딴지들과 허벅지들을 결착하기 위한 밴드(band; 미도시) 등의 결착수단을 마련하고 있다.

이 장딴지고정대(24)들의 연결판(28)과 좌석틀체(10) 사이에는 공압실린더(40)가 설치되어 있다. 공압실린더(40)는 그 일단이 좌석틀체(10)에 그리고 그 타단이 연결판(28)에 고정되어 있으며, 구체적으로는 공압실린더(40)의 실린더(42)부분은 좌석틀체(10)에 고정되고 피스톤 로드(44)는 연결판(28)에 고정되어 있다. 따라서, 공압실린더의 로드(44)가 수축 또는 팽창함에 의해 장딴지고정대(24)가 상향으로 선회하거나 하향으로 선회한다. 이때, 공압실린더(40)와 그와 결합되는 연결판(28) 및 좌석틀체(10)의 결합부분은 피스톤 로드(44)의 수축팽창에 따라 약간씩 선회되면서 상대운동이 가능하도록 링크결합구조를 갖는다. 물론, 공압실린더(40)는 그 일단이 연결판(28)을 제거하고 장딴지고정대(24)에 직접 고정될 수도 있다.

공압실린더(40) 내에는 로드(44)와 연결된 피스톤(46)이 위치하고 있으며, 이 피스톤(46)에 의해 공압실린더(46)내에는 제1챔버(C1)와 제2챔버(C2)가 형성된다. 즉, 실린더(42) 내부에서 피스톤(46)의 아랫쪽부분이 이룬 공간을 제1챔버(C1)로 정의하고, 피스톤(46)의 윗쪽부분이 이룬 공간을 제2챔버(C2)로 정의한다. 제1챔버(C1)와 제2챔버(C2)에는 각각 제1압력센서(50a)와 제2압력센서(50b)가 연결되어 해당 챔버의 압력을 검출하게 된다. 이 제1,제2챔버(C1,C2)의 압력값에 의해 공압실린더(40)의 피스톤 로드(44)단에 작용하는 외력을 측정할 수 있다. 즉, 제 1,제2압력센서(50a,50b)에서 검출된 제1,제2챔버들(C1,C2)의 압력신호들은 제어부(60)로 입력되어 피스톤 로드(44)단에 작용하는 외력으로 연산된다. 구체적으로, 제1,제2챔버(C1,C2)의 압력차에는 로드(44)단에 작용하는 외력 외에도 피스톤(46)의 관성력 및 마찰력이 포함되어 있으므로, 압력값에서 이러한 관성력과 마찰력을 감산하여 로드(44)단에 작용하는 외력을 구하게 된다. 제어부(60)는 측정된 피스톤 로드(44)단에 작용하는 외력에 근거하여 제1,제2챔버(C1,C2)로의 공압을 제어하여 공압실린더(40)를 작동시키게 된다. 이를 위해, 제1,제2챔버(C1,C2)에는 각각 제1,제2밸브(60a,60b)와, 이 제1,제2밸브(60a,60b)에 연결되어 제1,제2챔버(C1,C2)로 각각 공압을 공급하는 공압원(70)이 공압라인(line)으로 연결되어 있다. 본 실시예에서는 공압으로 구동되는 공압실린더를 예시하고 있으나, 공압을 유압으로 교체하기만 하면 유압을 사용하는 유압실린더도 여기에서 설명하는 공압실린더의 시스템과 동일하게 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명에는 공유압실린더가 모두 포함된다.

한편, 무릎근육이 심하게 손상되어 자신의 하지하중을 들어올릴 수 없는 환자에게는 아주 작은 힘으로도 무릎운동이 가능해야 한다. 이를 위해서는 환자의 하지하중을 보상해 주어야 한다. 동일한 하지하중이라고 하더라도, 무릎각도에 따라 피스톤 로드(44)단에 작용하는 외력의 크기는 다르게 된다. 이러한 역학적 관계를 고려하여, 모든 각도에서 힘을 전혀 안준 상태에서의 하지하중이 공압실린더(40)에 작용하는 힘(외력)을 구하여, 이 외력의 값을 각 각도에서의 기준값으로 정 하고, 환자가 조금이라도 움직이려는 시도에 따른 외력변화값에서 하지하중을 보상하여 임피던스 제어의 입력값으로 하고, 이 입력값에 임피던스(운동강도)를 반영하여 피스톤 로드(44)의 변위값을 산출하여 공압실린더(40)를 제어구동함에 의해 본 장치는 환자가 자신의 하지하중의 부담이 없이 운동을 할 수 있게 한다. 예를 들어, 환자가 조금이라도 하지를 들어올리려고(무릎을 펴려고) 시도한다면, 피스톤 로드(44)단에 작용하는 외력의 크기가 감소하게 되고, 그 결과 이 외력의 변화량과 환자의 하지하중 및 환자에 의해 설정된 임피던스값에 따라 피스톤 로드(44)는 팽창하여 장딴지고정대(24)를 위쪽으로 들어올리게 된다. 이 장딴지고정대(24)를 밀어올리는 힘은 하지하중의 부담을 해소하고 환자에 의해 조절된 운동강도에 따르게 된다. 반대로, 환자가 하지를 내리려고(무릎을 구부리려고) 시도하면, 피스톤 로드(44)단에 작용하는 외력의 크기가 증가하게 되고, 그 결과 이 외력의 변화량과 기설정된 하지하중 및 임피던스값에 따라 피스톤 로드(44)는 수축하여 장딴지고정대(24)를 아래쪽으로 잡아당겨 선회시키게 된다.

이를 위해 제어부(80)는 제1,제2압력센서(50a,50b)의 압력값들을 연산하여 피스톤 로드(44)단의 외력을 산출하는 외력연산부(81)와, 본 장치의 사용초기에(운동전) 연산설정된 사용자의 무릎각도에 따른 하지하중값이 저장되어 로드(44)단의 외력값에서 하지하중값을 보상하게 하는 중력보상부(82)와, 외력연산부(81)에서 출력된 로드(44)단에 작용하는 외력에서 하지하중값을 감산하는 제1감산기(83)와, 이 중력보상된 외력값에 사용자가 설정한 임피던스값을 고려하여 실제 구동할 피스톤 로드변위값을 출력하는 임피던스 제어부(85)를 구비하고 있다. 또한, 임피던스 제 어부(85)에서 출력된 로드변위값을 기준 무릎각도에 가산하여 구동각을 산출하는 제1가산기(86)와, 이 제1가산기(86)에서 얻어진 구동각과 포텐셔미터(30)로부터 입력받은 실제 작동한 장딴지고정대(24)의 선회각을 비교하여 오차를 연산하는 제2감산기(87), 및 제2감산기(87)로부터 출력된 오차값에 따라 밸브(60a,60b)를 제어하여 공압실린더(40)를 오차값만큼 구동시키는 밸브제어부(88)를 구비한다. 결과적으로, 위와 같은 구성의 제어부(80)를 통해 하지하중을 보상하고 사용자가 설정한 운동강도를 반영하여 밸브제어부(88)가 제1,제2밸브(60a,60b)를 제어구동하여 공압실린더(40)를 작동시킴에 의해 장딴지고정대(24)가 선회되어 하지운동이 이루어지게 되는데, 이에 대한 상세한 설명은 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.

본 장치는 운동강도를 환자가 쉽게 조절하도록 운동강도조절수단(90)을 구비한다. 본 발명에서는 운동강도를 자유롭게 조절하기 위해 임피던스(impedance) 제어를 사용하며, 따라서 운동강도조절수단(90)은 임피던스를 제어할 수 있는 수단으로서, 환자가 본 장치에 착석한 후 조작이 용이한 부위에 마련되어 쉽게 조작할 수 있는 다이얼(dial) 또는 조작레버(lever) 등으로 구성될 수 있다. 예컨대, 다이얼에 운동강도가 표시되어 있고 환자가 다이얼을 손으로 돌리면 임피던스의 이득값(gain)이 변경되면서 운동강도를 조절할 수 있다. 이렇게 사용자(환자)가 운동강도조절수단(90)을 통해 설정된 임피던스값은 제어부(60)의 임피던스제어부(65)에 의해 사용자의 운동력에 반영되어 공압실린더(40)를 작동시키게 한다. 따라서, 무릎의 손상이 심하면 본 장치에 마련된 다이얼을 돌려 환자가 직접 자신에 맞는 운 동강도(부하)로 조절한 후 운동하면 된다. 즉, 환자가 다이얼을 돌려 임피던스의 이득값을 조절하여 운동강도를 매우 낮은 정도로 조절하면, 본 장치의 장딴지고정대(24)가 환자의 작은 무릎힘으로도 쉽게 동작하여 운동할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 하지재활운동기구의 동작과정을 설명하기 위한 블록도이다. 여기서, 부호 r은 운동시 기준무릎각도(기준값)이고, Δx는 환자의 운동에 따라 발생된 외력에 중력보상값과 자신이 설정한 임피던스값을 반영하여 연산출력된 로드변위값이고, e는 중력보상값과 임피던스값이 반영되어 출력된 구동각과 실제 구동된 공압실린더의 동작값에 따른 장딴지고정대의 선회각과의 오차를 나타낸다. 또한, 점선의 사각형은 제어부(80)의 구성을 나타낸다.

환자가 본 장치에 앉아 자신의 허벅지와 장딴지를 허벅지고정대(22)와 장딴지고정대(24)에 밴드 등으로 결착한 후, 하지에 힘을 주지 않은 상태로 하지하중값 설정모드를 수행하면 모든 운동가동각에서 실린더(40)에 작용하는 외력이 측정되어 각 각도마다의 하지하중값이 산출되어 제어부(80)의 중력보상부(82)에 저장된다. 또한, 환자는 운동강도조절수단(90)을 통해 자신에 맞는 운동강도로 조절하고, 자신이 하고자 하는 운동에 적합한 기준 무릎각도(r)를 설정한다. 예를 들어, 무릎을 펴는 운동을 하려면은 기준 무릎각도(r)를 90°로 설정하고, 무릎을 구부리는 운동을 하려면은 0°로 설정하면 된다.

이와 같이, 운동전에 환자가 모든 가동각에서의 환자의 하지하중, 기준 무릎각도 및 자신에 맞는 운동강도를 설정한 후 운동을 시작한다.

환자가 무릎을 펴는 운동을 하면, 환자가 장딴지고정대(24)를 들어올리려고 하는 힘은 피스톤 로드(44)에 외력으로 작용한다. 그러면, 공압실린더(40)의 제1,제2챔버(C1,C2)의 압력이 변하게 되고, 이 압력변화는 제1,제2압력센서(50a,50b)에 의해 검출된다. 이렇게 검출된 압력신호들은 제어부(80)의 외력연산부(81)에 입력되어 로드단에 작용하는 외력(fg)으로 산출된다. 이 산출된 외력(fg)에는 하지하중값이 포함되어 있으므로, 이 외력(fg)에서 중력보상부(82)에서 출력된 해당 각도에서의 하지하중(g)을 제1감산기(83)에서 감산하여 중력을 보상하여, 중력이 보상된 외력값(f)을 임피던스 제어부(85)로 보내게 된다. 임피던스 제어부(85)는 중력보상된 외력값(f)에 사용자가 설정한 운동강도(임피던스값)를 반영하여 피스톤 로드변위값(Δx)을 출력한다.

이러한 로드변위값(Δx)은 제1가산기(86)에서 기준무릎각도(r)에 가산되어 구동각(r+Δx)으로 연산되어 출력되고, 이 구동각(r+Δx)은 제2감산기(87)에서 포텐셔미터(30)로부터 입력된 실제 동작한 장딴지고정대(24)의 선회각(θ)과 비교(감산)되어 오차값(e)이 얻어진다. 이 오차값(e)은 밸브제어부(88)로 입력되어 제1,제2밸브(70a,70b)를 제어하게 한다. 제1,제2밸브(70a,70b)의 작동에 의해 공압실린더(40)는 작동되어 그 로드(44)가 오차값에 상응하는 거리로 수축 또는 팽창하여 장딴지고정대(24)가 선회하게 된다.

이와 같이 하여, 환자는 본 재활운동장치를 통하여 자신에 적합한 운동강도로 자신의 하지하중의 부담을 갖지 않고서 운동을 할 수 있어 재활치료가 효과적으로 이루어지게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 하지재활운동기구에서의 하지하중보상방법을 좀더 상세하게 설명하기 위한 흐름도이다. 특히, 도 5는 도 4에서 환자의 하지하중을 보상하고 임피던스 제어에 따라 운동강도를 반영하여 공압실린더를 구동하기 위한 로드변위값을 얻는 방법을 보다 상세하게 나타낸 흐름도로, 이 도면을 참조하여 궁극적으로 장딴지고정대를 선회시키기 위한 공압실린더의 로드변위값을 산출하는 방법에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다. 여기서는, 무릎에 힘이 주지 않은 상태에서는 무릎힘이 0이고 공압실린더의 운동력이 발생하지 않으며, 무릎을 구부리려는 방향의 운동을 양(+)으로 그리고 무릎을 펴려는 방향의 운동을 음(-)으로 설정한 것으로 상정한다.

외력연산부(81)는 제1압력센서(50a)로부터 제1챔버(C1)의 압력값(제1압력)을 입력받고, 제2압력센서(50b)로부터 제2챔버(C2)의 압력값(제2압력)을 입력받아, 공압실린더(40)에 작용하는 힘을 산출한다.(S1,S3) 공압실린더(40)로의 힘(작용력)은 제1압력값에서 제2압력값×면적비를 감산한 후 피스톤단면적을 곱하여 얻어진다. 여기서, 면적비는 제1챔버(C1)와 제2챔버(C2)의 단면적의 비로서, 제2압력값에 면적비를 곱하는 것은 제2챔버쪽으로 피스톤 로드(44)가 돌출하여 그 만큼의 면적이 감소한 것을 반영하기 위한 것이다. 이렇게 구한 힘에서 장딴지고정대(24)와 공압실린더(40)와의 기구학적 역학적 관계를 이용하여 환자의 무릎힘을 계산한다.(S5)

이 측정된 환자의 무릎힘과 그 각도에서의 환자의 하지하중의 크기를 비교하여, 하지하중에 비해 무릎힘이 큰 경우 환자가 무릎을 구부리려고 하는 시도인 것 으로 판단한다.(S7,S9) 그리고, 무릎힘에서 하지하중을 감산하여 임피던스 제어부(85)의 입력값으로 입력한다.(S11) 반면에, 단계S7에서 하지하중에 비해 무릎힘이 작은 경우 환자가 무릎을 펴려고 하는 시도인 것으로 판단하고, 무릎힘에서 하지하중을 감산하여 임피던스 제어부(85)로 보내게 된다.(S13,S15) 이때, 단계S15에서 구해진 값은 단계S11에서와 부호가 반대로 나타난다.

임피던스 제어부(85)에서 이 중력보상된 입력값에 임피던스값(운동강도)을 반영하여 피스톤 로드변위값을 얻고, 그를 토대로 공압실린더(40)를 구동하는 동작과정은 도 4에서 이미 설명한 바와 같다.

이제, 전술한 도면들을 참조하면서 본 하지재활운동기구의 사용방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

재활환자가 좌석틀체(10)에 앉은 상태에서 자신의 하지를 하지파지부(20)에 안착시킨 후, 허벅지는 허벅지고정대(22)에 밴드로 묶고 장딴지는 장딴지고정대(24)에 밴드로 묶어 결박시킨다. 그리고, 하지에 힘을 뺀 상태에서 하지하중을 측정하여 중력보상부(82)에 자신의 하지하중을 설정등록(setting)한다. 또한, 운동강도조절수단(90)을 통해 자신에게 맞는 운동강도로 설정한다. 이 운동강도의 조절은 예를 들어 다이얼 등의 운동강도조절수단(90)을 회전시켜 임피던스값을 변화시킴으로써 이루어지고, 이렇게 설정된 임피던스값은 임피던스 제어부(85)에 등록되어 환자에 의한 운동력에 하지하중(중력)보상과 함께 반영된다.

위와 같이 환자 자신의 하지하중값과 운동강도의 설정을 마친 후에 재활운동 을 시작하면 된다. 예를 들어, 환자가 하지를 들어올리려고 시도하면 허벅지고정대(22)에서 장딴지고정대(24)가 윗쪽으로 선회하려는 힘이 작용하고, 이 선회력은 그와 연결된 공압실린더(40)의 로드(44)단에 외력으로 작용하게 된다. 그 결과, 공압실린더(40)의 제1,제2챔버(C1,C2)의 압력이 변하고, 이 압력변화는 제1,제2챔버(C1,C2)에 각각 연결된 제1,제2압력센서(50a,50b)에 의해 검출된다. 이렇게 검출된 제1압력값과 제2압력값은 외력연산부(81)로 입력되어 공압실린더(40)로의 작용력, 즉 로드(44)단에 작용하는 외력으로 산출되고, 이것은 다시 역학적 관계식을 통해 환자의 무릎힘으로 계산된다. 이러한 무릎힘에 중력보상값제어부(82)로부터의 하지하중이 보상되어, 임피던스 제어부(85)의 입력값으로 입력된다. 임피던스 제어부(85)는 입력값에 환자가 설정한 임피던스값(운동강도)을 반영하여 피스톤 로드변위값(Δx)을 산출한다. 이 로드변위값(Δx)은 기준무릎각도(r)에 가산되어 구동각으로 연산되고, 이 구동각에서 포텐셔미터(30)에 의해 측정된 실제 장딴지고정대(24)의 선회각(θ)과의 차이를 비교하여 오차값(e)이 산출되어 밸브제어부(88)로 입력된다. 밸브제어부(88)는 이 오차값(e)에 따라 공압실린더(40)의 제1,제2챔버(C1,C2)에 각각 마련된 제1,제2밸브(60a,60b)를 구동제어하여 공압실린더(40)를 작동시켜 장딴지고정대(24)를 오차각만큼 더 구동시켜 동작하게 한다.

이와 같이, 본 장치는 환자의 운동력을 검출하여 그에서 중력보상하고 운동강도를 반영하여 출력을 얻어 장치가 구동되게 함으로써 환자는 자신에 맞는 운동강도에서 운동할 수 있다. 따라서, 하지에 힘이 거의 없는 환자들도 자신의 하지하중의 부담을 느끼지 않고 자유롭게 운동할 수 있고, 운동강도조절수단을 통해 쉽 게 운동강도를 환자 스스로 조절할 수 있어 보다 효과적인 운동이 가능하다.

여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예 중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에 의해서만 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론, 균등한 다른 실시예가 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 운동시 재활환자의 하지하중에 따른 중력을 보상하여 줌으로써 하지하중의 부담이 없이 환자가 편안하게 운동할 수 있다. 또한, 본 장치는 다이얼 등의 운동강도조절수단을 통해 환자가 쉽게 자신에 적합한 강도로 운동강도를 조절할 수 있어 하지에 무리없이 운동할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 무릎이 심하게 손상되어 무릎힘이 매우 약한 환자도 환자 스스로 운동강도를 아주 약하게 조절함에 의해 쉽게 운동할 수 있는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 자신의 의지대로 다리를 움직일 수 없거나 또는 움직이기에 부자연스러운 거동이 불편한 사람들이 앉은 상태에서 자신의 운동강도를 선택하여 무릎관절과 대퇴부 및 발목을 움직이는 동작을 반복할 수 있게 함으로써 거동이 불편한 환자들에 대한 물리치료효과를 높여 빠른 쾌유를 기대할 수 있는 효과를 제공한다.

더욱이, 본 장치는 앉은 자세에서 하지에 착용하고 하지를 반복적으로 펴거나 구부리는 운동을 할 수 있어 무릎근육을 포함한 하지의 모든 근육 및 관절의 운 동을 안전하게 할 수 있다. 특히, 본 장치는 장애인들의 신체적 결함을 고려하여 안전이 전제된 상태에서 충분히 운동할 수 있도록 개발되었다. 따라서, 환자가 사용하는데 전혀 무리가 없고 안전하며 일반인이 단순히 운동의 목적으로도 유용하게 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 특히 노인들의 운동기구로서도 활용이 가능하다. 이와 같이, 본 장치는 안정성 및 안전성이 확보되어 운동시에 발생할 수 있는 의료사고를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 하체운동을 앉아서 안전하고 편하게 할 수 있어 장시간의 운동이 가능하여 회복을 앞당기고 조기 퇴원이 가능하며 가정에서도 쉽게 지속적으로 운동을 할 수 있다. 나아가, 구조가 간단하고 사용이 간편하여 하체 장애자의 재활 뿐만 아니라 일반인은 물론 노인의 운동구로도 유용하므로 건강증진에 기여할 수 있는 효과가 있다. 더욱이, 본 발명은 다른 보조인의 조력 없이도 환자 스스로의 힘으로 운동이 가능하여 매우 효과적이고 간편한 재활치료가 가능하다.

또한, 본 장치는 안락의자 정도의 크기로 소형화하고 제품단가를 낮추어 대중화가 가능하여 병원은 물론이고 집안에서도 설치하여 사용함으로써 재활효과를 극대화할 수 있다.

Claims

환자가 착석하는 의자형태의 좌석틀체;

상기 좌석틀체로부터 전방으로 수평하게 결합되어 환자의 허벅지가 고정되는 허벅지고정대와, 상기 허벅지고정대에 선회가능하게 결합되어 환자의 장딴지가 고정되는 장딴지고정대를 구비하는 하지파지구;

상기 허벅지고정대와 상기 장딴지고정대의 연결부위에 설치되어 상기 장딴지고정대의 선회각을 검출하는 포텐셔미터;

일단은 상기 좌석틀체에 고정되고 타단은 상기 장딴지고정대에 고정되어 환자의 운동력을 상기 장딴지고정대를 통해 외력으로 전달받고, 상기 외력에 근거하여 수축팽창하여 상기 장딴지고정대에 선회구동력을 제공하는 공유압실린더;

상기 공유압실린더에 작용하는 압력을 검출하는 압력센서;

상기 공유압실린더에 공급되는 공유압을 통제하여 상기 공유압실린더의 로드가 팽창하거나 수축하게 하는 밸브; 및

상기 압력센서로부터 검출된 압력값에 의해 외력을 산출하고, 운동전에 환자의 하지하중값을 설정등록하고, 상기 외력에서 상기 포텐셔미터에서 검출된 선회각에 따른 환자의 하지하중을 보상하여 상기 밸브를 구동시킴에 의해 상기 공유압실린더의 수축팽창을 제어하는 제어부를 포함하는 중력보상이 이루어지는 하지재활운동기구.
제 1항에 있어서, 임피던스를 가변시켜 환자가 자신의 운동강도에 맞는 강도로 운동강도를 조절하는 운동강도조절수단을 더 포함하는 중력보상이 이루어지는 하지재활운동기구.
제 2항에 있어서, 상기 압력센서는 상기 공유압실린더의 피스톤에 의해 실린더내에서 상기 피스톤의 좌우측에 형성되는 제1,제2챔버에 각각 연결되는 제1,제2압력센서로 구성되고,

상기 밸브는 상기 제1,제2챔버에 각각 연결되어 공유압을 통제하는 제1,제2밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 중력보상이 이루어지는 하지재활운동기구.
제 3항에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1,제2압력센서의 압력값들을 연산하여 피스톤 로드단의 외력을 산출하는 외력연산부와, 운동전에 사용자의 무릎각도에 따른 하지하중이 설정등록되어 로드단의 외력값에서 하지하중값을 보상하게 하는 중력보상부와, 상기 외력연산부에서 출력된 로드단에 작용하는 외력에서 하지하중값을 감산하는 제1감산기와, 이 중력보상된 외력값에 사용자가 설정한 임피던스값을 고려하여 실제 구동할 피스톤 로드변위값을 출력하는 임피던스 제어부와, 상기 임피던스 제어부에서 출력된 로드변위값을 기준 무릎각도에 가산하여 구동각을 산출하는 제1가산기와, 상기 제1가산기에서 얻어진 구동각과 상기 포텐셔미터로부터 입력받은 실제 작동한 상기 장딴지고정대의 선회각을 비교하여 오차를 연산하는 제 2감산기, 및 상기 제2감산기로부터 출력된 오차값에 따라 상기 제1,제2밸브를 제어하여 상기 공압실린더를 오차값만큼 구동시키는 밸브제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 중력보상이 이루어지는 하지재활운동기구.
제 3항에 있어서, 상기 하지파지구는 환자의 양측 하지를 각각 파지하도록 상기 허벅지고정대와 상기 허벅지고정대에 선회가능하게 연결되는 상기 장딴지고정대가 좌우한쌍으로 구성되는 것을 특징으로 하는 중력보상이 이루어지는 하지재활운동기구.
제 5항에 있어서, 상기 한쌍의 장딴지고정대는 연결판으로 결속되고, 상기 연결판에 상기 공압실린더의 일단이 고정되는 것을 특징으로 하는 중력보상이 이루어지는 하지재활운동기구.
제 6항에 있어서, 환자의 허벅지와 장딴지는 상기 허벅지고정대와 상기 장딴지고정대에 밴드(band)로 각각 결박되는 것을 특징으로 하는 중력보상이 이루어지는 하지재활운동기구.
제 4항에 있어서, 상기 운동강도조절수단은 임피던스의 이득값(gain)을 변화시켜 상기 임피던스 제어부에 입력시키는 다이얼 또는 조작레버로 구성되는 것을 특징으로 하는 중력보상이 이루어지는 하지재활운동기구.