KR101099078B1

KR101099078B1 - 전동 팔꿈치 재활보조기구

Info

Publication number: KR101099078B1
Application number: KR1020090123269A
Authority: KR
Inventors: 송원경; 김종배; 안광옥; 이인호; 정동현
Original assignee: 대한민국
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-12-28
Also published as: KR20110066565A

Abstract

본 발명은 전동 팔꿈치 재활보조기구에 관한 것으로, 더욱 상세히는 노인이나 근력이 약한 재활 환자의 상지 근육의 재활을 보조해 주도록 착용할 수 있는 외골격 타입의 전동 팔꿈치 재활보조기구에 관한 것으로, 상박에 장착되는 상박커프와, 하박에 장착되는 하박커프와, 상기 상박커프에서 연장되게 장착되는 상박프레임과, 상기 하박커프에서 연장되게 장착되는 하박프레임과, 상기 상박프레임과 상기 하박프레임이 팔꿈치 관절을 중심으로 회전하도록 연결하는 회전연결부 및 상기 회전연결부에 구비되어 모터에 의해 상기 회전연결부를 회전시키는 기어부를 포함하여 구성되어 상지가 굽혀지거나 펴지도록 하여 상지 근력을 보조하도록 동작되는 기구부; 상기 회전연결부에 부착되어 팔 자체의 힘으로 상지가 굽혀지거나 펴질 때의 팔꿈치 관절의 회전각을 측정하는 회전각센서; 및 상기 회전각센서에서 측정된 관절의 회전각만큼 반대 방향으로 상지를 펴거나 굽히도록 상기 기구부의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되는 전동 팔꿈치 재활보조기구를 제공한다.

또한, 상기 상·하박프레임 중 어느 하나에 구비되어 상지가 굽혀지거나 펴질 때 팔에 걸리는 힘을 측정하는 힘센서를 추가로 구비하고, 상기 제어부는 상기 기구부를 작동시킬 때 상기 힘센서에서 산정된 힘을 이용하여 상기 기구부에 걸리는 힘을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상지, 하지, 재활

Description

전동 팔꿈치 재활보조기구{Rehabilitative and Assistive Device for Elbow Movements}

본 발명은 전동 팔꿈치 재활보조기구에 관한 것으로, 더욱 상세히는 노인이나 근력이 약한 재활 환자의 상지 근육의 재활을 보조해 주도록 착용할 수 있는 외골격 타입의 전동 팔꿈치 재활보조기구에 관한 것이다.

노인이나 근력이 약한 재활 환자들은 젊거나 건강한 사람들에 비해 관절운동에 어려움을 겪고 있으며, 실질적으로 운동이 필요함에도 일반적인 운동기구로는 운동을 하는 것이 현실적으로 어려운 실정이다.

이에, 특허출원번호 제10-2007-0095675호(이하, '등록발명'이라 함)는 발명의 명칭을 "상지 근력 보조기 및 그 제어방법"으로 하여 출원되어 등록된 바 있다.

상기 등록발명은 팔에 입을 수 있는 형태의 기구부, 상박의 근육신호 및 팔꿈치의 회전량을 감지하는 감지부, 기구부를 동작하는 제어부로 구성되어 근전도 신호 및 기구부에 가해지는 힘의 정도를 감지하여 팔꿈치를 굽히고 펴는 운동을 수행하게 된다. 이에 근전도 센서가 이두박근과 삼두박근에 부착되고, 근전도 센서에 서의 신호를 기반으로 팔꿈치 관절을 굽히고 펴는 운동을 수행하게 된다.

하지만, 근전도 센서를 사용할 경우에는 근력 보조기를 입거나 벗을 때마다 센서를 부착하거나 탈착해야 하는 불편함이 있었고, 척수손상 장애인의 경우에는 특정 수준 이상의 손상을 입는 경우에는 근전도 신호가 매우 미약하여 근력 보조기의 실효성이 없었다.

가령, 경추 5번 척수손상 장애인의 경우는 팔꿈치 관절을 굽히는 것은 가능하나 펴는 것은 불가능한 경우로, 이러한 경우라면 팔꿈치를 펴는 운동이 실질적으로 필요한 것인데 삼두근에 근전도 센서를 부착하더라도 실질적으로 신호가 매우 미약하고 삼두근이 거의 재기능을 하지 못하므로 등록발명을 사용하는 것은 불가능하다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 팔꿈치 관절을 펴거나 굽히는 것 중 어느 하나만이 가능한 노인이나 재활 환자의 팔꿈치 관절 운동을 사람의 도움 없이 본 발명을 이용하여 가능하게 하고자 한다.

아울러, 척수손상, 뇌졸중, 근육병, 자연스러운 노화로 인하여 팔꿈치 관절을 굽히고 펴는 운동이 불안전한 사람의 움직임을 보조하여 일상생활을 돕고 자연스럽게 재활의 효과를 부여하기 위한 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해, 상박(1)에 장착되는 상박커프(11)와, 하박(2)에 장착되는 하박커프(15)와, 상기 상박커프(11)에서 연장되게 장착되는 상박프레임(12)과, 상기 하박커프(15)에서 연장되게 장착되는 하박프레임(16)과, 상기 상박프레임(12)과 상기 하박프레임(16)이 팔꿈치 관절을 중심으로 회전하도록 연결하는 회전연결부(19) 및 상기 회전연결부(19)에 구비되어 모터(13)에 의해 상기 회전연결부(19)를 회전시키는 기어부(14)를 포함하여 구성되어 상지가 굽혀지거나 펴지도록 하여 상지 근력을 보조하도록 동작되는 기구부(10); 상기 회전연결부(19)에 부착되어 팔 자체의 힘으로 상지가 굽혀지거나 펴질 때의 팔꿈치 관절의 회전각(θ)을 측정하는 회전각센서(20); 및 상기 회전각센서(20)에서 측정된 관절의 회전각(θ)만큼 반대 방향으로 상지를 펴거나 굽히도록 상기 기구부(10)의 동작을 제어하는 제어부(30);를 포함하여 구성되는 전동 팔꿈치 재활보조기구를 제공한다.

여기서, 상기 상·하박프레임(12,16) 중 어느 하나에 구비되어 상지가 굽혀지거나 펴질 때 팔에 걸리는 힘을 측정하는 힘센서(21)를 추가로 구비하고, 상기 제어부(30)는 상기 기구부(10)를 작동시킬 때 상기 힘센서(21)에서 산정된 힘을 이용하여 상기 기구부(10)에 걸리는 힘을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부(30)가 상기 기구부(10)를 작동시킬 때 걸리는 힘은 팔 자체의 힘으로 상지를 굽히거나 펼 때의 힘보다 작은 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기구부(10)를 작동시킬 때 걸리는 힘의 조절은 모터(13)의 입력 전류를 가감하는 방식에 의하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 모터(13)의 입력 전류는 한계값이 설정된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전각센서(20)에서 팔꿈치 관절의 회전각(θ)의 측정은 인코더 또는 전위차계에 의하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 힘센서(21)는 로드셀 또는 스트레인게이지인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기어부(14)는 전원을 끈 상태에서도 부드럽게 돌아가도록 기어비가 200:1 이하인 것, 바람직하게는 100:1 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기구부(10)는 상기 하박프레임(16)에서 연장구비되어 손으로 파지하여 상지를 굽히거나 펼 때 힘을 전달할 수 있는 손잡이부(17)를 추가로 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부(30)의 제어하에 상기 기구부(10)를 이용하여 반대 방향으 로 상지를 펴거나 굽히는 각은 회전각(θ)보다 2~3°가 더 큰 것을 특징으로 한다.

본 발명을 활용하면, 팔꿈치 관절을 펴거나 굽히는 것 중 어느 하나만이 가능한 노인이나 재활 환자의 팔꿈치 관절 운동을 사람의 도움 없이 본 발명을 이용하여 혼자 하는 것이 가능하다.

아울러, 척수손상, 뇌졸중, 근육병, 자연스러운 노화로 인하여 팔꿈치 관절을 굽히고 펴는 운동이 불안전한 사람의 움직임을 보조하여 일상생활을 돕고 자연스럽게 재활의 효과를 부여할 수 있어 매우 유용하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.

도 1은 사용자가 본 발명을 팔에 장착한 상태를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명을 구성을 나타내는 사시도이다.

도 1에서 보듯이 본 발명은 기구부(10), 회전각센서(20) 및 제어부(30)를 포함하여 구성되며, 이에 힘센서(21)를 추가로 구비하는 것이 바람직하다. 물론, 전원부(미도시)를 구비하고 있어야 한다.

상기 기구부(10)는 상박(1)에 장착되는 상박커프(11)와, 하박(2)에 장착되는 하박커프(15)와, 상기 상박커프(11)에서 연장되게 장착되는 상박프레임(12)과, 상기 하박커프(15)에서 연장되게 장착되는 하박프레임(16)과, 상기 상박프레임(12)과 상기 하박프레임(16)이 팔꿈치 관절을 중심으로 회전하도록 연결하는 회전연결부(19) 및 상기 회전연결부(19)에 구비되어 모터(13)에 의해 상기 회전연결부(19)를 회전시키는 기어부(14)를 포함하여 구성되어 상지가 굽혀지거나 펴지도록 하여 상지 근력을 보조하도록 동작되는 장치이다.

여기서, 상기 상박커프(11) 및 하박커프(15)에는 사용자의 피부 손상이 최소화될 수 있도록 피부와 접촉되는 부분에는 부드러운 충전재를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기어부(14)는 상기 회전연결부(19)에서 모터(13)와 베벨기어 형식으로 연결되어 모터(13)의 회전력을 회전연결부(19)가 팔꿈치를 중심으로 회전하도록 변환해준다. 물론, 다른 기어 연결 방식도 사용이 가능하다.

또한, 상기 기구부(10)는 상기 하박프레임(16)에서 연장구비되어 손으로 파지하여 상지를 굽히거나 펼 때 힘을 전달할 수 있는 손잡이부(17)를 추가로 구비하는 것을 특징으로 한다. 손잡이부(17)를 추가로 구비하는 경우에는 팔의 길이가 길어져서 손잡이에 손을 고정하여 팔을 굽히거나 펴는 것이 용이하므로 사용자가 쉽게 기구를 사용할 수 있도록 도와준다.

아울러, 상기 기어부(14)는 전원을 끈 상태에서도 부드럽게 돌아가도록 기어비가 200:1 이하인 것, 바람직하게는 100:1 이하인 것을 특징으로 한다. 즉, 구동부의 경우 전기 모터를 사용하는데, 여기서 모터(13)가 사용자가 원하는 움직임에 따라 전원을 끈 상태에서도 부드럽게 돌아가야 하기 때문이다. 이는 본 발명이 굽히거나 펴는 것 중 어느 하나의 운동은 가능한 사용자가 사용하게 되므로 어느 하나의 운동의 경우에는 사용자의 팔 힘에 의해 자체적으로 움직이기 때문이다.

상기 회전각센서(20)는 상기 회전연결부(19)에 부착되어 팔 자체의 힘으로 상지가 굽혀지거나 펴질 때의 팔꿈치 관절의 회전각(θ)을 측정하는 장치로, 이의 측정은 인코더(encoder) 또는 전위차계(potentiometer)에 의하는 것을 특징으로 한다. 물론 이에 한정하는 것은 아니며 다양한 각도 측정 장치가 이용될 수 있다.

상기 힘센서(21)는 상기 상·하박프레임(12,16) 중 어느 하나에 구비되어 상지가 굽혀지거나 펴질 때 팔에 걸리는 힘을 측정하는 장치이다. 이러한 힘센서(21)에는 로드셀 또는 스트레인게이지인 것을 특징으로 하나, 이에 한정하는 것은 아니 다. 로드셀 또는 스트레인게이지는 미세한 길이변화를 감지하여 힘을 측정하는 장치로 본 발명에서 힘이 가해지는 상박프레임(12) 또는 하박프레임(16) 중 어느 하나에 설치될 수 있다.

제어부(30)와 관련된 구체적인 설명은 이하 제어부(30)를 설명한 후에 하도록 하겠다.

상기 제어부(30)는 상기 회전각센서(20)에서 측정된 관절의 회전각(θ)만큼 반대 방향으로 상지를 펴거나 굽히도록 상기 기구부(10)의 동작을 제어하고, 상기 기구부(10)를 작동시킬 때 상기 힘센서(21)에서 산정된 힘을 이용하여 상기 기구부(10)에 걸리는 힘을 제어하게 된다.

즉, 본 발명에서는 사용자가 팔을 펴거나 굽힐 수 있으므로, 사용자에 의해 일단 펴거나 굽혀진 팔을 반대 방향으로 다시 회전해야 하는데, 이를 돕는 것이 본 발명인 것이다. 재활운동의 경우는 기본적으로 사용자가 팔을 편 만큼 다시 굽혀주거나, 굽힌 만큼 다시 펴주는 것으로 관절의 회전각(θ)만큼 반대방향으로 회전시켜 동일한 운동을 반복하게 된다. 다만, 재활운동의 효과를 주기 위해서 상기 제어부(30)의 제어하에 상기 기구부(10)를 이용하여 반대 방향으로 상지를 펴거나 굽히는 각은 회전각(θ)에 2~3°를 합산한 만큼을 반대방향으로 회전하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어부(30)에서 상기 기구부(10)의 작동을 제어하는 경우에 상기 힘센서(21)에서 산정된 힘을 이용하여 상기 기구부(10)에 걸리는 힘을 제어한다. 즉, 힘센서(21)에서 산정된 힘을 모니터링하여 기구부(10)에 걸리는 힘을 한정하는 것이다.

여기서, 상기 제어부(30)가 상기 기구부(10)를 작동시킬 때 걸리는 힘은 팔 자체의 힘으로 상지를 굽히거나 펼 때의 힘보다 작은 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 기구부(10)는 사용자의 팔 힘 자체로 기구부(10)를 펴거나 굽힐 때도 힘을 측정하는 것이 가능하며, 이때 측정된 힘보다 큰 힘으로 반대방향으로 기구부(10)를 굽히거나 필 때 사용하면 사용자에게 무리가 갈 수 있으므로 힘의 크기를 제한한 것이다.

상기 기구부(10)를 작동시킬 때 걸리는 힘의 조절은 모터(13)의 입력 전류를 가감하는 방식에 의하는 것을 특징으로 한다. 즉, 모터(13)의 입력 전류는 모터의 토크에 비례하므로 입력 전류를 제어부(30)에서 적절히 조절하여 팔꿈치 관절 운동에 있어 설정된 힘의 조절이 가능하기 때문이다.

또한, 상기 모터(13)의 입력 전류는 한계값이 설정된 것을 특징으로 한다. 척수손상 장애인은 갑작스럽게 여러 근육이 동시에 수축되는 현상인 경직(Spasticity)이 발생할 수 있다. 이 경우 기구를 이용하여 무리하게 팔꿈치의 관절을 굽히거나 펴게 되면 기구나 사용자의 팔이 손상을 입을 수 있다. 특히 기구의 위치값을 피드백 받아 폐루프 위치제어를 적용하면 누적되는 작은 위치 오차에 의해서 기구에 큰 신호가 입력될 수 있어 위험하다. 이러한 경우라면 전류 입력의 한계(Limit)를 설정하거나 전류 제어 방식으로 구동하여 힘을 제어하는 방법이 적합하다. 이렇게 전류를 제어한다면 입력되는 전류에 비례하여 토크가 발생하므로 원 하는 토크 이상의 움직임이 발생되지 않기 때문이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 물론이다.

도 1은 사용자가 본 발명을 팔에 장착한 상태를 나타내는 사시도이고,

도 2는 본 발명을 구성을 나타내는 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 기호의 설명>

θ : 관절의 회전각

1 : 상박

2 : 하박

10 : 기구부

11 : 상박커프

12 : 상박프레임

13 : 모터

14 : 기어부

15 : 하박커프

16 : 하박프레임

17 : 손잡이부

19 : 회전연결부

20 : 회전각센서

21 : 힘센서

30 : 제어부

Claims

상박(1)에 장착되는 상박커프(11)와, 하박(2)에 장착되는 하박커프(15)와, 상기 상박커프(11)에서 연장되게 장착되는 상박프레임(12)과, 상기 하박커프(15)에서 연장되게 장착되는 하박프레임(16)과, 상기 상박프레임(12)과 상기 하박프레임(16)이 팔꿈치 관절을 중심으로 회전하도록 연결하는 회전연결부(19) 및 상기 회전연결부(19)에 구비되어 모터(13)에 의해 상기 회전연결부(19)를 회전시키는 기어부(14)를 포함하여 구성되어 상지가 굽혀지거나 펴지도록 하여 상지 근력을 보조하도록 동작되는 기구부(10);

상기 회전연결부(19)에 부착되어 팔 자체의 힘으로 상지가 굽혀지거나 펴질 때의 팔꿈치 관절의 회전각(θ)을 측정하는 회전각센서(20); 및

상기 회전각센서(20)에서 측정된 관절의 회전각(θ)만큼 반대 방향으로 상지를 펴거나 굽히도록 상기 기구부(10)의 동작을 제어하는 제어부(30);를 포함하여 구성되고,

상기 기어부(14)는 전원을 끈 상태에서도 부드럽게 돌아가도록 기어비가 200:1 이하인 것을 특징으로 하는 전동 팔꿈치 재활보조기구.
상박(1)에 장착되는 상박커프(11)와, 하박(2)에 장착되는 하박커프(15)와, 상기 상박커프(11)에서 연장되게 장착되는 상박프레임(12)과, 상기 하박커프(15)에서 연장되게 장착되는 하박프레임(16)과, 상기 상박프레임(12)과 상기 하박프레임(16)이 팔꿈치 관절을 중심으로 회전하도록 연결하는 회전연결부(19) 및 상기 회전연결부(19)에 구비되어 모터(13)에 의해 상기 회전연결부(19)를 회전시키는 기어부(14)를 포함하여 구성되어 상지가 굽혀지거나 펴지도록 하여 상지 근력을 보조하도록 동작되는 기구부(10);

상기 회전연결부(19)에 부착되어 팔 자체의 힘으로 상지가 굽혀지거나 펴질 때의 팔꿈치 관절의 회전각(θ)을 측정하는 회전각센서(20); 및

상기 회전각센서(20)에서 측정된 관절의 회전각(θ)만큼 반대 방향으로 상지를 펴거나 굽히도록 상기 기구부(10)의 동작을 제어하는 제어부(30);를 포함하여 구성되고,

상기 상·하박프레임(12,16) 중 어느 하나에 구비되어 상지가 굽혀지거나 펴질 때 팔에 걸리는 힘을 측정하는 힘센서(21)를 추가로 구비하고,

상기 제어부(30)는 상기 기구부(10)를 작동시킬 때 상기 힘센서(21)에서 산정된 힘을 이용하여 상기 기구부(10)에 걸리는 힘을 제어하는 것을 특징으로 하고,

상기 제어부(30)가 상기 기구부(10)를 작동시킬 때 걸리는 힘은 팔 자체의 힘으로 상지를 굽히거나 펼 때의 힘보다 작은 것을 특징으로 하는 전동 팔꿈치 재활보조기구.
삭제
제2항에 있어서,

상기 기구부(10)를 작동시킬 때 걸리는 힘의 조절은 모터(13)의 입력 전류를 가감하는 방식에 의하는 것을 특징으로 하는 전동 팔꿈치 재활보조기구.
제4항에 있어서,

상기 모터(13)의 입력 전류는 한계값이 설정된 것을 특징으로 하는 전동 팔꿈치 재활보조기구.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 회전각센서(20)에서 팔꿈치 관절의 회전각(θ)의 측정은 인코더 또는 전위차계에 의하는 것을 특징으로 하는 전동 팔꿈치 재활보조기구.
제2항에 있어서,

상기 힘센서(21)는 로드셀 또는 스트레인게이지인 것을 특징으로 하는 전동 팔꿈치 재활보조기구.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 기구부(10)는 상기 하박프레임(16)에서 연장구비되어 손으로 파지하여 상지를 굽히거나 펼 때 힘을 전달할 수 있는 손잡이부(17)를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 전동 팔꿈치 재활보조기구.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제어부(30)의 제어하에 상기 기구부(10)를 이용하여 반대 방향으로 상지를 펴거나 굽히는 각은 회전각(θ)보다 2~3°가 더 큰 것을 특징으로 하는 전동 팔꿈치 재활보조기구.