KR101178794B1

KR101178794B1 - 족관절 로봇 및 그를 이용한 보행 훈련 장치

Info

Publication number: KR101178794B1
Application number: KR1020110009723A
Authority: KR
Inventors: 이동찬; 이기홍; 박광훈; 김문상
Original assignee: 주식회사 피앤에스미캐닉스
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2012-08-31
Also published as: KR20120088395A

Abstract

본 발명은 보행 장애자의 보행 훈련을 위한 족관절 로봇 및 보행 훈련 장치에 관한 것이다. 본 발명의 족관절 로봇은, 보행훈련자의 다리에 고정되는 레그 브래킷; 보행훈련자의 발에 고정되는 풋 브래킷; 보행훈련자의 족관절 위치에 대응하여 상기 레그 브래킷과 풋 브래킷을 상호 회동 가능하게 연결하는 조인트; 상기 풋 브래킷의 후방에 설치되는 구동모터; 상기 레그 브래킷의 전방에 설치되는 풀리; 및 일단은 상기 풋 브래킷의 전방에 고정되며, 상기 풀리를 경유하여 타단이 상기 구동모터에 연결되는 로프를 포함하여 구성된다. 본 발명에 따르면, 레그 브래킷에 설치된 풀리를 이용한 지렛대 원리로 족관절을 동작시킴으로써 소형의 모터와 적은 감속비로도 원하는 충분한 토크를 얻을 수 있고 족관절 로봇의 소형화가 가능하며, 재활 훈련자의 관절 운동 동작이 자연스러운 효과를 갖는다.

Description

족관절 로봇 및 그를 이용한 보행 훈련 장치 {Ankle joint robot and walking training apparatus using that}

본 발명은 보행 장애를 가진 사람들의 재활치료를 위한 족관절 로봇과 보행 훈련 장치에 관한 것으로서, 보다 상게하게는 소형의 모터 장치로 높은 토크를 얻을 수 있어 장치의 슬림한 설계가 가능하며 보행훈련자의 자연스러운 관절 운동이 용이한 족관절 로봇 및 그를 이용한 보행 훈련 장치에 관한 것이다.

일반적으로 보행 훈련 장치는 하반신 마비 증세가 있는 환자 또는 다리 관절과 근력에 이상이 있는 환자들의 보행 훈련을 위한 장치이다. 보행 훈련 장치는 고관절, 슬관절, 족관절 등의 관절 부위에 장착되는 로봇 형태로 제공된다. 각 관절에 장착된 로봇은 지정 각도와 속도로 구동되어, 환자들의 관절 운동을 보조한다. 보행 훈련 장치는 고관절, 슬관즐, 족관절 로봇들을 모두 포함하거나, 어느 하나의 로봇만으로 구성될 수도 있다.

족관절(ankle joint)은 다리(leg)와 발(foot)을 연결하는 발목 부위의 관절로서, 보행시에 신체의 대부분의 하중이 작용하는 관절이다. 따라서 족관절 로봇은 발목을 회동시킬 때 매우 큰 토크로 동작되어야 한다. 그런데, 발목의 회동범위가 다른 관절에 비해 작으므로, 매우 큰 토크를 얻기 위해서는 높은 감속비가 필요하다. 이는 족관절 로봇에 장착되는 감속기의 크기가 커져야 함을 의미한다.

본 발명은 감속기의 출력측에 지렛대의 원리를 활용한 도르레를 설치하여 발가락 부분을 승강시킴으로써 감속기의 사이즈를 컴팩트하게 구성하면서도 족관절 운동에 필요한 높은 토크를 얻을 수 있는 족관절 로봇 및 그를 이용한 보행 훈련 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 족관절 로봇은, 보행훈련자의 다리에 고정되는 레그 브래킷; 보행훈련자의 발에 고정되는 풋 브래킷; 보행훈련자의 족관절 위치에 대응하여 상기 레그 브래킷과 풋 브래킷을 상호 회동 가능하게 연결하는 조인트; 상기 풋 브래킷의 후방에 설치되는 구동모터; 상기 레그 브래킷의 전방에 설치되는 풀리; 및 일단은 상기 풋 브래킷의 전방에 고정되며, 상기 풀리를 경유하여 타단이 상기 구동모터에 연결되는 로프를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 족관절 로봇은, 상기 레그 브래킷의 전방으로 도르레부가 돌출되며, 상기 도르레부에는 적어도 둘 이상의 풀리가 설치된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 족관절 로봇은, 상기 도르레부는 상기 구동모터에서 연장된 로프를 지지하는 제1풀리와, 상기 풋 브래킷의 전방에 고정된 로프를 지지하는 제2풀리를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 족관절 로봇은, 상기 구동모터는 감속기어를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시에에 따른 족관절 로봇은, 상기 풋 브래킷은 상기 조인트를 중심으로 하여 상기 구동모터에 의해 상향 회동되고 자중에 의해 하향 회동된다.

본 발명의 일실시예에 따른 보행 훈련 장치는, 상술한 실시예들 중 어느 하나의 족관절 로봇; 보행훈련자에게 지정 속도로 이동하는 바닥면을 제공하는 트레드밀; 보행훈련자의 몸체를 상향 지지하는 하중 견인기; 및 상기 족관절 로봇, 트레드밀 및 하중 견인기의 구동을 제어하는 컨트롤러를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 보행 훈련 장치는, 상기 하중 견인기는 보행훈련자의 몸체에 연결되는 하네스와, 상기 하네스의 상하 길이를 조정하는 구동수단을 구비한 하네스 구동장치를 포함한다.

본 발명의 족관절 로봇 및 그를 이용한 보행 훈련 장치에 따르면, 레그 브래킷 전방으로 도르레부를 형성하고 구동모터의 회전력과 도르레부의 지렛대 원리를 이용하여 족관절을 동작시킴으로써, 구동모터의 정격과 감속기의 감속비가 작아도 족관절 동작에 충분한 토크를 얻을 수 있으며, 족관절 로봇의 슬림한 설계가 가능하고, 보행훈련자의 관절 운동이 자연스럽게 이루어지는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 보행 훈련 장치를 예시한 장치 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 족관절 로봇을 예시한 측면도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 족관절 로봇 및 그를 이용한 보행 훈련 장치에 관한 것으로서, 이하의 실시예에서는 보행 훈련 장치의 구성에 대하여 간락하게 설명하고, 족관절 로봇의 구성에 대하여 중점적으로 설명한다. 본 발명의 보행 훈련 장치에 대한 이해를 위해 본 출원인의 등록특허 제10-0976180호 "보행훈련용 로봇 및 그 운용방법"이 참조될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 보행 훈련 장치를 예시한 장치 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 보행 훈련 장치는 크게 보행 보조 로봇(100), 트레드밀(200), 하중 견인기(300), 컨트롤러(400)로 구성된다.

보행 보조 로봇(100)은 보행 훈련이 필요한 보행훈련자의 하체에 착용되는 형태를 갖는다. 보행 보조 로봇(100)은 기본적으로 보행훈련자의 발목 부위에서 족관절을 동작시키는 족관절 로봇(500)을 포함한다. 족관절 로봇(500)은 보행훈련자의 족관절(ankle joint)을 강제 운동시키기 위한 로봇으로서, 족관절 로봇(500)에 대하여는 도 2를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

보행 보조 로봇(100)은 족관절 로봇(500) 이외에도 보행훈련자의 고관절(hip joint)을 동작시키는 고관절 로봇, 또는, 보행훈련자의 슬관절(knee joint)을 동작시키는 슬관절 로봇 등을 더 포함할 수 있다. 그리고 보행 보조 로봇(100)은 보행훈련자의 각 관절부 사이에 형성되는 분절의 길이를 조절 가능한 구조를 갖는다.

트레드밀(200)은 보행훈련자가 제자리에서 보행 훈련을 지속적으로 할 수 있도록, 보행훈련자에게 지정 속도로 이동하는 바닥면을 제공한다. 트레드밀(200)은 운동기구로서 잘 알려진 공지의 기술이므로 자세한 설명을 생략하기로 한다.

하중 견인기(300)는 보행훈련자의 몸 전체를 지정 견인량으로 상향 지지한다. 도 1을 참조하면, 하중 견인기(300)는 보행 훈련자의 몸체에 연결되는 하네스(310)와, 이 하네스(310)의 상하 길이를 조정하는 구동수단을 구비한 하네스 구동장치(320)로 구성된다.

컨트롤러(400)는 보행 보조 로봇(100), 트레드밀(200), 하중 견인기(300)의 구동 상태를 제어하고, 구동 정보를 생성 및 저장한다. 컨트롤러(400)는 크게 입력부(410), 정보 저장 수단 및 제어회로 등의 제어부를 내장한 본체(411), 제어상태를 화면 출력하는 모니터부(420)로 구성된다.

입력부(410)는 키보드 등과 같은 키 입력수단이나 TUI(Touch User Interface)를 지원하는 인터페이싱 장치 등을 포함할 수 있다. 또한 입력부(410)는 네트워크를 통해 연결된 다른 단말기로부터의 입력신호를 처리하는 장치를 포함할 수 있다.

본체(411)에 내장된 정보 저장 수단은 입력부(410)를 통해 입력된 정보나 명령, 보행 보조 로봇(100), 트레드밀(200), 하중 견인기(300)의 구동과정에서 생성되는 정보들을 선택적으로 분류하여 저장한다. 그리고 제어부는 입력부를 통해 입력되거나 정보 저장 수단에 저장된 정보에 따라 보행 보조 로봇(100), 트레드밀(200), 하중 견인기(300)의 구동을 제어한다.

모니터부(420)는 입력부(410)를 통해 입력된 정보나 명령, 보행 보조 로봇(100) 등의 제어상태 등을 화면 출력하여 물리치료사 등의 관리자가 보행 훈련을 관리 감독할 수 있도록 한다.

도 1을 참조하면, 보행훈련자의 발목 부위에 족관절 로봇(500)이 설치되는 것을 알 수 있다. 도 2는 본 발명에 따른 족관절 로봇을 예시한 측면도로서, 이를 참조하여 본 발명의 족관절 로봇에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 2를 참조하면, 족관절 로봇은 크게 보행훈련자의 다리에 고정되는 레그 브래킷(510)과, 발에 고정되는 풋 브래킷(530)으로 구성된다.

레그 브래킷(510)의 상부에는 종아리 고정구(512)가 구비된다. 종아리 고정구(512)는 종아리가 수용된 상태에서 벨트로 정강이 부위를 고정하는 형태를 갖는다. 종아리 고정구(512)의 하부에는 보행훈련자의 발목 뒷부분이 지지되는 발목 고정구(514)가 구비된다.

레그 브래킷(510)의 전방으로는 보행훈련자의 발끝 부분과 나란하게 도르레부(520)가 돌출 형성된다. 도르레부(520)에는 로프가 감기거나 풀리는 풀리가 설치된다. 풀리는 하나만 설치될 수 있겠으나, 도시한 바와 같이 둘 이상으로 설치되는 것이 바람직하다.

레그 브래킷(510)의 하부에는 조인트(540)를 매개로 하여 풋 브래킷(530)이 결합된다. 조인트(540)는 보행훈련자의 족관절 부위에 위치하며, 풋 브래킷(530)이 레그 브래킷(510)에 대해 회동 가능하도록 관절 역할을 한다.

풋 브래킷(530)의 후방에는 발 뒤꿈치가 수용되는 뒤꿈치 고정구(532)가 구비된다. 그리고 조인트(540)에 근접하여 풋 브래킷(530)의 회전 동작을 위한 구동모터(542)가 설치된다. 도시하지 않았지만, 구동모터(542)는 내부에 감속기어를 포함한다. 감속기어는 소정의 감속비로 구동모터의 회전을 감속시킨다.

풋 브래킷(530)의 전방에는 발의 양측부를 따라 돌출되는 한 쌍의 발걸이용 로드(534)가 나란하게 연장된다. 그리고 발걸이용 로드(534)에는 풋 브래킷(530)에 보행훈련자의 발을 고정하기 위한 발등 고정용 패드(536)가 구비된다.

도 2에 도시한 바와 같이, 구동모터(542)와 풋 브래킷(530)의 전방은 로프(544)로 연결된다. 보다 자세하게는, 구동모터(542)의 감속기어 회전축에 로프(544)의 일단이 연결된다. 그리고 복수의 풀리(522, 524)에 구름 접촉되는 로프(544)의 타단은 발걸이용 로드(534)의 선단부에 고정된다.

도시된 예에서 도르레부(520)에는 구동모터(542)에서 연장된 로프(544)를 지지하는 제1풀리(522)와, 발걸이용 로드(534)에 고정된 로프(544)를 지지하는 제2풀리(524), 두 개의 풀리(522, 524)가 설치된 것을 예시하였으나, 풀리는 더 많은 수로 설치될 수도 있다.

도 2를 참조하여 족관절 로봇의 작동에 대하여 설명하면 다음과 같다.

보행훈련자의 발을 발 브래킷(530)에 삽입하고 각 고정구를 고정시켜 발을 발 브래킷(530)에 고정시킨다. 그리고 보행훈련자의 종아리는 종아리 고정구(512)에 고정시킨다. 이제 조인트(540)를 발목 관절로 하여 다리 브래킷(510)과 발 브래킷(530)이 각각 보행훈련자의 다리와 발에 일체화 된다.

컨트롤러(400)에서 구동모터(542)를 정회전시키면, 구동모터(542)의 감속기어 축에 연결된 로프(544)가 감기면서 풀리들의 도르레 작용에 의해 발걸이용 로드(534) 선단부가 들어올려진다. 따라서 조인트(540)를 중심으로 하여 보행훈련자의 발이 상향 회동된다.

컨트롤러(400)에서 구동모터(542)를 역회전시키면, 반대로 구동모터(542)에서 로프(544)가 풀리면서 발걸이용 로드(534) 선단부가 하강하고 보행훈련자의 발은 하향 회동된다.

이때, 발을 하향 회동시키는 운동은 구동모터(542)를 무부하 상태로 하고 감속기어의 회전축을 슬립시켜서 보행훈련자의 발 자체가 갖는 자중에 의해 하향 회동시킬 수도 있다. 또는 보행훈련자의 족관절 운동량에 따라 구동모터(542)의 회전력을 조절하는 것으로서 보행훈련자의 족관절 동작이 자연스럽게 하며, 재활훈련의 효과를 높일 수도 있다.

이상 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

100 : 보행 보조 로봇 200 : 트레드밀
300 : 하중 견인기 310 : 하네스
320 : 하네스 구동장치 400 : 컨트롤러
410 : 입력부 411 : 본체
420 : 모니터부 500 : 족관절 로봇
510 : 레그 브래킷 512 : 종아리 고정구
514 : 발목 고정구 520 : 도르레부
522 : 제1풀리 524 : 제2풀리
530 : 풋 브래킷 532 : 뒤꿈치 고정구
534 : 발걸이용 로드 536 : 발등 고정용 패드
540 : 조인트 542 : 구동모터
544 : 로프

Claims

보행훈련자의 다리에 고정되는 레그 브래킷;
보행훈련자의 발에 고정되는 풋 브래킷;
보행훈련자의 족관절 위치에 대응하여 상기 레그 브래킷과 풋 브래킷을 상호 회동 가능하게 연결하는 조인트;
상기 풋 브래킷의 후방에 설치되는 구동모터;
상기 레그 브래킷의 전방에 설치되는 풀리; 및
일단은 상기 풋 브래킷의 전방에 고정되며, 상기 풀리를 경유하여 타단이 상기 구동모터에 연결되는 로프
를 포함하는 족관절 로봇.
제1항에 있어서,
상기 레그 브래킷의 전방으로 도르레부가 돌출되며, 상기 도르레부에는 적어도 둘 이상의 풀리가 설치되는 족관절 로봇.
제2항에 있어서,
상기 도르레부는 상기 구동모터에서 연장된 로프를 지지하는 제1풀리와, 상기 풋 브래킷의 전방에 고정된 로프를 지지하는 제2풀리를 포함하는 족관절 로봇.
제1항에 있어서,
상기 구동모터는 감속기어를 포함하는 족관절 로봇.
제1항에 있어서,
상기 풋 브래킷은 상기 조인트를 중심으로 하여 상기 구동모터에 의해 상향 회동되고 자중에 의해 하향 회동되는 족관절 로봇.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 족관절 로봇을 포함하며,
보행훈련자에게 지정 속도로 이동하는 바닥면을 제공하는 트레드밀;
보행훈련자의 몸체를 상향 지지하는 하중 견인기; 및
상기 족관절 로봇, 트레드밀 및 하중 견인기의 구동을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 보행 훈련 장치.
제6항에 있어서,
상기 하중 견인기는 보행훈련자의 몸체에 연결되는 하네스와, 상기 하네스의 상하 길이를 조정하는 구동수단을 구비한 하네스 구동장치를 포함하는 보행 훈련 장치.