KR101204540B1 - 동작 지원 장치 및 동작 지원 방법 - Google Patents

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Abstract

동작 지원 장치로서, 사용자의 관절에 걸쳐서 장착되는 복수의 장착부와, 복수의 장착부 사이에 매달려 있는 액추에이터와, 사용자에게 장착되어 근육의 움직임을 검지하는 센서와, 센서가 검지한 근육의 움직임에 근거하여 액추에이터를 제어하는 제어부를 구비하였다.
동작 지원, 액추에이터, 근육, 센서

Description

동작 지원 장치 및 동작 지원 방법{MOTION ASSISTANCE APPARATUS AND METHOD OF ASSISTING MOTION}
본 발명은, 액추에이터(actuator)를 이용하여 인체의 팔꿈치, 손목 또는 무릎 등의 동작을 지원하는 동작 지원 장치 및 동작 지원 방법에 관한 것이다.
종래로부터, 운동 기능에 장해(障害)를 가진 환자에 대하여 수족(手足), 몸통 또는 목 등의 각부(各部)의 근력(筋力)을 회복시키기 위한 각종 훈련 장치가 개발되어 있다.
또한, 체력이 떨어진 노인의 일상 동작을 지원하거나, 노인 간호 보조원의 육체적 부담을 경감하기 위해서, 보행 지원 장치, 계단 승강용 리프트 장치 또는 껴안기용 리프트 장치 등의 각종 장치가, 근력을 보조할 목적으로 개발되어 있다.
이들 장치에 있어서, 사용자가 장착함으로써, 자신의 근력을 보조하기 위한 기술이, 예를 들면, 일본국 특개2001-286519호 공보, 또는, 일본국 특개2001-276101호 공보에 제안되어 있다.
우선, 일본국 특개2001-286519호 공보에 기재한 장치는, 사용자의 관절 부분에 구부려지는 방향의 보조력(補助力)을 부여하는 액추에이터와, 이 액추에이터의 동작을 제어하는 제어 수단과, 액추에이터의 양쪽에 부착된 1쌍의 장착부(裝着部)를 갖는다. 이 기술에 의하면, 액추에이터를 동작시킴으로써, 관절의 굴곡(屈曲) 및 신전(伸展)의 동작 지원을 실행할 수 있었다.
또한, 일본국 특개2001-276101호 공보에 기재한 장치는, 가요성(可撓性)을 갖는 원통 형상인, 사용자의 관절부를 감싸서 밀착하는 장착부와, 이 장착부의 외주(外周)에 일체화(一體化)된 액추에이터를 갖는다. 이 기술에 의해서도, 액추에이터를 동작시킴으로써, 장착부를 구부려서 관절의 굴곡 및 신전의 동작 지원을 할 수 있었다.
그러나, 이들 종래기술에 있어서는, 사용자의 관절의 굴곡 및 신전의 지원을 할 경우에, 제어 수단에 의해서 지시된, 또는, 미리 정해진 방향 및 힘으로만 동작 지원이 될 수밖에 없었다. 이 때문에, 사용자가 원하는 방향과 다른 방향으로 동작 지원을 해버린 경우나, 사용자가 원하는 힘과는 다른 힘, 예를 들면, 지나치게 강한 힘으로 동작 지원을 하였을 경우에는, 사용자의 근육이나 관절을 아프게 하거나, 반대로 힘이 지나치게 약할 경우에는, 근력을 보조하는 효과가 저하될 가능성이 있었다.
본 발명은, 이들 과제를 감안해서 이루어진 것으로, 사용자의 동작 지원을 실행할 경우에, 사용자가 원하는 방향 및 힘으로 동작 지원을 하는 것이 가능한 동작 지원 장치 및 동작 지원 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 동작 지원 장치는, 사용자의 관절에 걸쳐서 장착되는 복수의 장착부와, 복수의 장착부 사이에 매달려 있는 액추에이터와, 사용자에게 장착되어 근육의 움직임을 검지하는 센서와, 센서가 검지한 근육의 움직임에 근거하여, 액추에이터를 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
이러한 구성에 의해, 제어부가, 센서가 검지한 근육의 움직임에 근거하여, 액추에이터를 제어할 수 있으므로, 사용자의 동작 의도가 동작 지원 장치에 반영되어서, 사용자가 원하는 방향 및 힘으로 동작 지원을 실행할 수 있다. 또한, 관절에 액추에이터나 장착부가 걸리지 않기 때문에, 사용자의 관절의 동작을 방해하지 않고, 동작 지원할 수 있다.
또한, 제어부는, 센서가 검지한 근육의 움직임에 근거하여, 그 근육의 움직임을 보조하는 힘을 상기 액추에이터에 발생시키는 구성이어도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 또한, 근력이 쇠약(衰弱)해진 사람에 대한 재활(rehabilitation) 용도에 적합한 동작 지원 장치를 실현할 수 있다.
또한, 액추에이터에 공기를 공급하는 공기압원(空氣壓源)을 구비하고, 액추 에이터가 공기압식 고무 인공 근육이고, 제어부는 공기압식 고무 인공 근육의 공기압을 제어함으로써, 액추에이터를 동작시키는 구성이어도 좋다.
이러한 구성에 의해, 액추에이터로서 고무 인공 근육을 이용하므로, 인체에 맞닿아서 불쾌감을 줄 가능성이 적은 구성을 실현할 수 있다. 또한, 사지(四肢)의 선단(先端) 부분에 부착하였을 경우에서도, 액추에이터인 고무 인공 근육이 가벼우므로, 사지의 밑동(base)에 걸리는 모멘트(moment)가 작아져, 인체에 대한 부담이 줄어든다. 또한, 동작 범위가 고무 인공 근육의 수축 한계에 의해 결정되고 있으므로, 사용자의 관절의 가동(可動) 영역을 초과하지 않고, 관절에 과도한 부담을 주지 않는다.
또한, 1쌍의 장착부 사이에 복수의 상기 액추에이터가 매달려 있고, 복수의 액추에이터는 관절에 대하여 서로 길항(拮抗)하는 위치에 배치되는 구성이어도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 또한, 하나의 관절에 대하여, 굴곡과 신전이라는 서로 다른 동작의 지원을 실행할 수 있다.
또한, 1쌍의 장착부 사이에 1쌍의 액추에이터가 배치되는 구성이어도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 또한, 균형을 잡아서 원활하게 동작 지원을 실행할 수 있다. 또한, 관절의 동작 축(軸)과 액추에이터의 동작 축과의 수직 관계가 어긋나는 것을 방지할 수 있다. 또한, 관절에 대하여, 각각 길항하는 형태로 4개 이상의 액추에이터가 배치될 경우에는, 관절의 굴곡 및 신전뿐만 아니라, 선회(旋回) 동작도 지원하는 것이 가능하게 된다.
또한, 장착부 사이에, 탄성체인 조인트(joint)를 갖는 구성이어도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 또한, 굴곡과 신전뿐만 아니라, 선회 동작에 대해서도 지원할 수 있다.
또한, 센서가 사용자의 소정의 부위에 부착되고, 액추에이터가 사용자의 소정의 부위의 동작을 지원하도록 부착되는 구성이어도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 또한, 사용자의 근육의 움직임을 검출하여, 그 검출된 근육의 움직임을 지원할 수 있다.
또한, 센서가 사용자의 한쪽 부위에 부착되고, 액추에이터가 사용자의 다른 쪽 부위의 동작을 지원하도록 설치되어, 한쪽 부위와 다른 쪽 부위가 좌우 대칭 부위인 구성이어도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 또한, 센서를 사용자의 건강한 쪽의 부위에 부착하고, 액추에이터를 사용자의 근력이 쇠약해진 쪽 부위에 부착함으로써, 건강한 쪽과 근력이 쇠약해진 쪽 모두를 움직여서, 몸의 반신(半身)의 근력이 쇠약해진 사용자에 대하여 더욱 적절한 재활을 실행할 수 있다.
또한, 복수의 센서를 갖추어, 복수의 센서 중, 일부의 센서가 사용자의 다른 쪽 부위에 부착되는 구성이어도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 또한, 사용자의 근력이 쇠약해진 부위의 움직임을 검지할 수 있으므로, 사용자의 근력의 회복 정도를 알 수 있다.
또한, 센서가 사용자에 대하여 지시를 하는 지시자의 소정의 부위에 부착되고, 액추에이터는 사용자의 소정의 부위에 부착되는 구성이어도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 또한, 지시자의 동작에 따라 사용자가 동작을 실행하기 쉽게 되어서, 효과적인 재활을 실행할 수 있다.
또한, 액추에이터를 복수 구비하여, 복수의 액추에이터가 복수의 사용자 각각의 소정의 부위에 부착되는 구성이어도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 또한, 지시자의 동작에 의해서 복수의 사용자가 동작 지원을 받는 것이 가능하게 된다.
또한, 제어부는, 센서가 검지한 근육의 움직임에 근거하여, 그 근육의 움직임에 대하여 부하(負荷)가 되도록 상기 액추에이터를 제어하는 구성이어도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 또한, 재활 용도뿐만 아니라, 운동(exercise) 등의 트레이닝 용도에도 적응 가능하게 된다.
이어서, 본 발명의 동작 지원 방법은, 사용자의 관절에 걸쳐서 장착되는 복수의 장착부와, 복수의 장착부 사이에 매달려 있는 액추에이터와, 사용자에게 장착되어 근육의 움직임을 검지하는 센서를 구비한 동작 지원 장치를 이용한 동작 지원 방법으로서, 센서가 검지한 근육의 움직임에 근거하여 액추에이터를 제어하는 것을 특징으로 하고 있다.
이러한 방법에 의해, 센서가 검지한 근육의 움직임에 근거하여 액추에이터를 제어할 수 있으므로, 사용자가 원하는 방향 및 힘으로 동작 지원을 실행할 수 있다.
본 발명은 사용자의 동작 의도가 동작 지원 장치에 반영되어서, 사용자가 원 하는 방향 및 힘으로 동작 지원을 실행할 수 있으며, 관절에 액추에이터나 장착부가 걸리지 않기 때문에, 사용자의 관절의 동작을 방해하지 않고, 동작 지원할 수 있다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.
(제1실시형태)
도 1은, 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 동작 지원 장치(50)를 팔에 장착한 상태를 나타내는 사시도이고, 도 2는, 도 1에 나타내는 상태의 동작 지원 장치(50)를 배면에서 본 사시도이다. 또한, 도 3은, 동작 지원 장치(50)의 액추에이터 유닛(54) 부분의 사시도이다.
도 1～도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 동작 지원 장치(50)는, 사용자의 팔꿈치 관절에 걸쳐서 배치되는 장착부이고, 상완(上腕)에 장착되는 커프(1) 및 전완(前腕)에 장착되는 커프(2), 팔꿈치의 굴곡(屈曲) 방향의 움직임을 보조하기 위해서, 커프(1) 및 커프(2) 사이에 매달린 상태로, 1쌍으로 배치된 고무 인공 근육(4) 및 고무 인공 근육(5)과, 팔꿈치의 신전 방향의 움직임을 보조하기 위해서 고무 인공 근육(4) 및 고무 인공 근육(5)이 발생하는 힘을 없앨 수 있는 위치(이하에, 이러한 위치를 「길항하는 위치」라고 한다)에 1쌍으로 배치된 고무 인공 근육(6) 및 고무 인공 근육(7)을 구비한다.
또한, 동작 지원 장치(50)는, 전완부에 장착된 커프(2)에 대하여 손목의 관절에 걸친 손바닥의 위치에 장착되는 커프(3), 커프(2) 및 커프(3) 사이에 배치된 손목의 장굴(掌屈: 손바닥쪽 꺾임) 방향의 움직임을 보조하기 위한 액추에이터인 고무 인공 근육(8) 및 고무 인공 근육(9)과, 고무 인공 근육(8) 및 고무 인공 근육(9)과 길항하는 위치에 손목의 배굴(背屈: 손등쪽 꺾임) 방향의 움직임을 보조하도록 배치된, 고무 인공 근육(10) 및 고무 인공 근육(11)을 구비한다.
고무 인공 근육(4～11)으로서는, 예를 들면, 매키븐(Mckibben)형의 공기압식 고무 인공 근육이라고도 불리는, 공기 밸브를 갖는 실린더부와 슬리브(sleeve)부를 갖는 매키븐형의 공기압 액추에이터를 이용할 수 있다. 매키븐형의 공기압 액추에이터를 이용하였을 경우에는, 공기 밸브를 통하여 실린더부를 가압해서 팽창시킴으로써, 슬리브부의 작용에 의해서 액추에이터가 수축하고, 반대로, 그 상태로부터 실린더부를 감압하면 액추에이터가 신장한다.
또한, 동작 지원 장치(50)는, 커프(1) 및 커프(2) 사이에 배치되는 조인트(17)와, 커프(2) 및 커프(3) 사이에 배치되는 조인트(18)를 구비한다. 동작 지원 장치(50)에 있어서, 조인트(17) 및 조인트(18)는, 각각 탄성체(彈性體)를 이용해서 구성되어 있으므로, 사용자의 각각의 관절에서의 굴곡, 신전 동작에 추가해서, 돌리기(선회) 동작도 지원할 수 있다.
또한, 여기서, 고무 인공 근육(4～11), 커프(1～3) 및 조인트(17, 18)를 총칭하여, 액추에이터 유닛(54)이라고 한다.
동작 지원 장치(50)는, 또한, 사용자의 상완(上腕)의 앞쪽에, 상완 이두근(二頭筋)의 움직임을 검지하도록 배치되는 센서(12), 상완의 뒤쪽에, 상완 삼두근(三頭筋)의 움직임을 검지하도록 배치되는 센서(13), 사용자의 전완(前腕)의 앞쪽 에 배치되는 센서(14), 전완의 뒤쪽에 배치되는 센서(15)와, 센서(12～15)의 출력을 검지하여, 그 출력에 따라서 사용자의 동작을 지원하도록 고무 인공 근육(4～11)을 제어하는 제어부(16)를 구비한다.
센서(12～15)로서는, 사용자의 근력을 측정할 수 있는 센서라면, 스트레인 게이지(strain gage) 등의 여러 가지 공지된 센서를 이용할 수 있다.
여기서, 센서(12～15)를 총칭해서 센서 유닛(52)이라고 한다.
제어부(16)는, 전용 회로의 하드웨어에 의해 그 기능이 실현되어도 좋고, 후술하는 제어 단계를 실현하는 프로그램을 기술하여, 컴퓨터에 실행시키는 것에 의해서도 그 기능을 실현할 수 있다.
여기서, 동작 지원 장치(50)의 기능에 대해서 상세히 설명한다. 도 4는, 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 동작 지원 장치(50)의 기능 블록도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 동작 지원 장치(50)에 있어서, 센서 유닛(52)의 센서(12～15)는, 각각 제어부(16)에 접속되어 있다. 또한, 제어부(16)는, 센서(12～15) 각각의 출력을 검지하여, 사용자가 어떠한 동작을 하려고 하고 있는지를 판정하고, 그 결과에 근거하여, 공기압원(22)이 접속된 고무 인공 근육(4～11) 각각의 공기 밸브를 개폐(開閉) 제어하여 공기압을 변화시킴으로써, 고무 인공 근육(4～11)을 각각 동작시켜, 사용자의 원하는 부위에 대하여, 원하는 방향 및 원하는 힘으로 동작 지원을 실행할 수 있다.
이어서, 동작 지원 장치(50)에 의한 사용자의 동작 지원 방법에 대해서 더욱 상세히 설명한다. 도 5는, 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 동작 지원 장치(50) 에 의해서, 사용자의 팔꿈치를 굴곡시킨 상태를 나타내는 도면이다. 또한, 도 6은, 동작 지원 장치(50)가 사용자의 동작 지원을 실행할 때의 동작 단계를 나타내는 흐름도이다.
우선, 도 6에 나타낸 바와 같이, 동작 지원 장치(50)의 제어부(16)가 센서(12～15)로부터의 출력 검지를 시작한다(S2).
단계 S2에서, 제어부(16)가 센서(12～15)로부터의 출력을 검지하였을 경우에는, 제어부(16)는, 그 출력으로부터 사용자가 어느 관절을, 어느 방향으로 동작시키려고 하고 있는지를 판정한다(S4).
이어서, 제어부(16)는, 전술한 바와 같이, 고무 인공 근육(4～11)의 공기 밸브를 개폐 제어함으로써, 고무 인공 근육(4～11) 각각에 원하는 동작을 시킨다(S6). 그리고, 제어부(16)는, 단계 S2로 되돌아가서, 다시 센서(12～15)의 검지를 시작한다.
예를 들면, 단계 S4에서, 제어부(16)가 센서(12～15)의 출력을 검지하여, 사용자가 「팔꿈치 관절의 굴곡」을 하려고 하고 있다고 판정하였을 경우에는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 제어부(16)는, 고무 인공 근육(4) 및 고무 인공 근육(5)의 공기 밸브를 제어하여, 각각의 실린더 내부를 가압함으로써, 쌍을 이루는 고무 인공 근육(4) 및 고무 인공 근육(5)을 수축시켜서, 커프(3) 및 커프(2) 사이에 인장 방향의 가세력(加勢力: biasing force)을 부여함으로써, 사용자의 팔꿈치 관절의 굴곡을 보조하는 힘을 가할 수 있다.
도 7은, 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 동작 지원 장치(50)의 제어 부(16)의 기능에 대해서 설명하기 위한 도면이다. 도 7에서는, 일례로서, 위쪽에 센서(12)로부터 검출된 사용자의 상완 이두근의 동작에 대한 그래프를 나타내고, 아래쪽에 그때 제어부(16)가 고무 인공 근육(4, 5)에 인가(印加)하는 힘에 대한 그래프를 나타낸다. 각각의 그래프는, 세로 축에 힘의 강도 P를 나타내고, 가로 축에 시간 t를 나타내고 있다.
예를 들면, 제어부(16)가 센서(12)에 의해 도 7의 위쪽의 그래프에 나타낸 바와 같은 상완 이두근의 굴곡의 움직임을 검지하였을 경우, 제어부(16)는, 검출된 힘이 소정의 임계치 P1을 초과하였을 경우(시각 T1)에, 고무 인공 근육(4) 및 고무 인공 근육(5)에, 도 7의 아래쪽의 그래프에 나타낸 바와 같은 수축 방향의 가세력 P2를 부여하도록, 고무 인공 근육(4) 및 고무 인공 근육(5) 각각의 공기 밸브를 제어한다. 이것에 의해서, 사용자의 상완 이두근에 대하여, 수축 방향의 가세력 P2를 부여할 수 있다. 한편, 검출된 힘이 소정의 임계치 P1을 하회(下廻)하였을 경우(시각 T2)에는, 제어부(16)는, 가세력 P2를 해제한다. 이것에 의해서, 사용자가 근육에서 힘을 뺐을 경우에, 동작 지원 장치(50)로부터 의도하지 않은 힘이 부여되는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 제어부(16)는, 센서(12)에 의해 검출된 힘이 소정의 임계치 P1을 초과하였을 경우(시각 T1)라도, 반드시 동시에 가세력 P2를 부여할 필요는 없다. 가세력 P2를 부여하는 타이밍에, 다소의 지연이 생긴 쪽이, 사용자에게 안심감을 주는 경우도 있으므로, 이 지연량을 조정 가능하게 해 두는 것이 바람직하다. 예를 들면, 이 지연량(구체적으로는, 센서(12)에 의해 검출된 힘이 소정의 임계치 P1을 초과한 시각 T1과 가세력 P2를 부여하는 시각과의 변위량)을 조정하기 위한 스위치나 다이얼(dial) 등의 조정부를 구성해 두고, 사용자가 조정부를 조작하게 함으로써, 사용자가 가장 안심감을 갖는 상태에서 동작 지원하는 것이 가능하게 된다.
또한, 실용적으로는, 소정의 임계치 P1과 가세력 P2와의 관계를,
P1＞P2
로 해둠으로써, 사용자가 의식하지 않고, 동작 지원을 실행할 수 있다.
또한, 동작 지원에 이용하는 가세력 P2나 고무 인공 근육의 가동 범위에 상한을 설정해 둠으로써, 사용자에 대한 과도한 부담을 방지할 수 있다.
또한, 동작 지원에 이용하는 가세력 P2는 시간과 함께 변화시켜도 좋다. 예를 들면, 재활 시작 시에는, 가세력 P2를 크게 해 두고, 시간과 함께 가세력 P2를 작게 하며, 재활 종료 시에는, 다시 가세력 P2를 크게 함으로써, 워밍업(warming-up)과 쿨다운(cooldown)을 실행하여, 사용자에게 더욱 안전성이 높은 구성을 실현할 수 있다.
또한, 동작 지원 장치(50)는, 고무 인공 근육(4) 및 고무 인공 근육(5)을 동시에 동일한 길이만큼 수축시킴으로써, 사용자의 관절의 동작 축과 고무 인공 근육(4) 및 고무 인공 근육(5)의 동작 축의 수직 관계를 유지할 수 있다. 이것에 의해, 효율적으로 고무 인공 근육의 출력을 사용자의 근육에 전달할 수 있는 동시에, 사용자의 관절의 동작 축과 고무 인공 근육의 동작 축이 수직으로부터 어긋남에 의한 사용자의 관절에 대한 부담도 감소시킬 수 있다.
또한, 예를 들면, 도 6의 단계 S4에서, 제어부(16)가 사용자는 팔꿈치를 신 전시키려고 하고 있다고 판정하였을 경우에는, 제어부(16)는, 단계 S6에서, 고무 인공 근육(6) 및 고무 인공 근육(7)을 수축시킴으로써, 팔꿈치의 신전의 동작 지원을 실행할 수 있다. 또한, 손목의 동작 지원에 대해서도 전술한 팔꿈치를 동작 지원하는 경우와 마찬가지로, 고무 인공 근육(8) 및 고무 인공 근육(9)을 수축시킴으로써, 장굴(掌屈)의 동작 지원이 가능하게 되고, 고무 인공 근육(10) 및 고무 인공 근육(11)을 수축시킴으로써, 배굴(背屈)의 동작 지원이 가능하게 된다.
또한, 단계 S4에서, 제어부(16)가 사용자는 팔꿈치를 선회시키려고 하고 있다고 판정하였을 경우에는, 단계 S6에서, 제어부(16)가 고무 인공 근육(4), 고무 인공 근육(9) 및 고무 인공 근육(10)을 수축시키는 제어를 실행함으로써, 전완의 안쪽 선회(inner rotation)를 동작 지원할 수 있다. 또한, 제어부(16)가 고무 인공 근육(5), 고무 인공 근육(8) 및 고무 인공 근육(11)을 수축시킴으로써, 전완의 바깥쪽 선회(outer rotation)를 동작 지원할 수 있다. 또한, 동작 지원 장치(50)에 있어서는, 전술한 바와 같이, 커프(1～3)를 접속하기 위해서, 탄성체의 조인트(17) 및 조인트(18)를 이용하고 있기 때문에, 관절에서의 돌리기 동작을 용이하게 할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 동작 지원 장치에 있어서는, 센서로부터 출력되는 신호를 검지하여, 제어부가, 사용자가 어떤 동작을 하려고 하고 있는지 판정하고, 그 판정 결과에 근거하여 고무 인공 근육을 동작시키므로, 사용자가 원하는 방향 및 힘의 동작을 적절하게 지원할 수 있다.
동작 지원 장치(50)는, 관절의 안쪽에 끼이는 부품을 갖지 않기 때문에, 관 절을 깊게 굴곡시킬 수 있어, 중량물(重量物)을 들어 나르는 등의 작업, 즉, 공장이나 이사 업자 등에서의 하물(荷物)의 운반 등에도 응용 전개 가능하다.
또한, 동작 지원 장치(50)에 있어서는, 액추에이터로서 유연한 공기압식의 고무 인공 근육을 사용하고 있으므로, 사용자가 쉽사리 아픔을 느끼지 않는 동시에, 환자를 안아 올리는 등의, 의료나 개호(介護) 분야에도 응용 전개할 수 있다.
(제2실시형태)
이어서, 본 발명의 제2실시형태인 동작 지원 장치(60)에 대해서 설명한다. 도 8은 동작 지원 장치(60)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 동작 지원 장치(60)는, 센서 유닛(62), 액추에이터 유닛(64) 및 제어부(66)를 구비한다. 동작 지원 장치(60)와 제1실시형태에 있어서의 동작 지원 장치(50)가 상이한 점은, 센서 유닛(62)이 사용자의 액추에이터 유닛(64)이 장착된 팔과는 반대인 팔에 장착되어 있는 점이다.
이러한 구성으로 함으로써, 동작 지원 장치(60)는, 제어부(66)가 센서 유닛(62)이 부착된 쪽의 팔의 움직임을 검지하여, 그 움직임을 지원하도록, 다른 쪽의 팔을 액추에이터 유닛(64)의 고무 인공 근육에 의해서 동작시킬 수 있다.
이러한 구성으로 함으로써, 동작 지원 장치(60)를 이용하면, 반신이 마비된 사용자에 있어서, 유효한 재활을 실행할 수 있다. 예를 들면, 사용자의 좌완(左腕)이 마비되어 있는 경우, 센서 유닛(62)을 마비되지 않은 건강한 쪽의 팔(우완(右腕))에 부착하고, 액추에이터 유닛(64)을 마비되어 있는 쪽의 팔(좌완)에 부착한다. 이때, 센서(22)를 사용자의 우완의 상완의 앞쪽에 배치하고, 센서(23)를 사용 자의 우완의 상완의 뒤쪽에 배치하고, 센서(24)를 사용자의 우완의 전완의 앞쪽에 배치하고, 센서(25)를 사용자의 우완의 전완의 뒤쪽에 배치한다.
이러한 구성으로 하면, 사용자는 자신의 건강한 쪽의 팔을 움직임으로써, 제어부(66)가 센서 유닛(62)을 통하여 자신의 건강한 팔의 근육의 움직임을 검지하고, 그 움직임에 근거하여 액추에이터 유닛(64)에 의해서, 마비된 쪽의 팔의 대응하는 근육의 동작을 지원할 수 있다. 즉, 사용자는, 동작 지원 장치(60)를 이용하여, 건강한 쪽의 팔을 보면서, 자신의 양팔을 같이 움직이려고 함으로써, 회복의 이미지를 가지면서, 의욕을 가지고 자신의 마비된 쪽의 팔을 움직여서 재활할 수 있다. 이러한 재활은, 작업 치료사 등으로부터의 지시를 받지 않고, 사용자 스스로가 비교적 장시간 재활을 실행할 수 있으므로, 회복에 필요로 하는 시간을 단축할 수 있어, 반신 마비인 자에 대하여 대단히 유효한 것이, 예를 들면, 문헌 1(「뇌에 마라카스의 비가 내린다」, 구리모토 신이치로 저, 고분샤 간(刊), 2000년 6월 26일 발매) 및 문헌 2(「Constrained-induced movement therapy에 의해 상지(上肢) 기능이 개선된 뇌졸중 마비의 일례」, Jpn J Rehabil Med, Vo1 40, No 12, 2003)에 개시되어 있다.
이렇게, 본 발명의 제2실시형태에 있어서의 동작 지원 장치(60)를 이용하면, 마비된 쪽의 근육에 무의식 중에 근력을 발생시켜서, 근력뿐만 아니라 균형 감각이나 신경 네트워크도 증강시킬 수 있다.
또한, 동작 지원 장치(60)에 있어서는, 건강한 쪽의 팔에 센서 유닛(62)을 장착하고, 마비된 쪽의 팔에 액추에이터 유닛(64)을 장착한 예를 나타냈지만, 본 발명은 이 예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 전술한 구성에 추가하여, 마비된 쪽의 팔에도 센서 유닛을 추가로 장착하여, 제어부(66)가 마비된 쪽 팔의 근육의 움직임을 검지함으로써, 사용자의 근력의 회복 정도를 측정하는 것도 가능하다.
또한, 이때, 제어부(66)는, 사용자의 근력의 회복 정도를 측정하고, 그 결과에 따라서, 동작 지원하는 양을 변화시킴으로써(예를 들면, 근력이 회복되는 만큼 지원량을 줄인다), 더욱 효과적인 재활이 가능하다.
또한, 센서 유닛(62)이 장착되는 쪽의 팔에, 그립(grip) 등을 쥐게 해두고, 그립에 압력 센서 등을 구성함으로써, 사용자의 악력(握力)을 검지하여, 그 악력의 변화에 따라, 안전 스위치가 작동하는 구성으로 해 두면(예를 들면, 악력이 저하하였을 경우에는, 안전 스위치를 작동시켜서 장치를 오프(off)한다), 안전성이 우수한 구성을 실현할 수 있는 동시에, 힘이 들어간 상태의 팔의 쪽이, 근력의 센싱(sensing)을 하기 쉬우므로, 더욱 효과적인 재활이 가능하게 된다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 센서 유닛(62)이 검지한 것과 동일한 동작을 액추에이터 유닛(64)에 시키는 예를 나타냈지만, 본 발명은 이 예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 액추에이터 유닛(64)에, 센서 유닛(62)이 검출한 동작과 역위상(逆位相)(예를 들면, 센서 유닛(62)이 팔꿈치의 굴곡을 검지하였을 경우에는, 액추에이터 유닛에 팔꿈치의 신전을 시킨다)의 동작을 시키는 것도 가능하다. 이러한 동작을 시켰을 경우에는, 사용자에게 있어 마치 북을 치고 있는 듯한(발에 장착하였을 경우에는, 제자리걸음을 하고 있는 듯한) 즐거움을 느끼게 할 수 있다.
또한, 도 9에 나타낸 본 발명의 제2실시형태에 있어서의 동작 지원 장치(80) 의 다른 예와 같이, 사용자의 한쪽 팔에 센서 유닛(82)을 장착해 두고, 제어부(86)가 그 출력을 검지해서, 그 출력에 근거하여 사용자의 다른 쪽 팔에 장착된 액추에이터 유닛(84)과, 사용자의 어느 한쪽 다리에 장착된 액추에이터 유닛(85)을 각각 동작 지원하는 것도 가능하다.
이 경우에도, 제어부(86)는, 액추에이터 유닛(84 및 85)에, 센서 유닛(82)이 검출한 동작과 역위상의 동작을 시킨다. 이러한 구성으로 하면, 예를 들면, 사용자는 스스로가 건강한 쪽의 한쪽 팔을 흔드는 것을 의식하면서 보행을 함으로써, 다른 쪽 팔 및 다리가 동작 지원되어서, 자연스럽게 스스로가 보행하고 있는 이미지를 가지면서 보행 재활을 실행할 수 있다.
또한, 이 경우에, 센서 유닛(82)을 한쪽 다리에 부착하고, 액추에이터 유닛(84 및 85)을 다른 쪽 다리 및 한쪽 팔에 부착하는 것에 의해서도, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
(제3실시형태)
이어서, 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 동작 지원 장치(70)에 대해서 설명한다.
도 10은, 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 동작 지원 장치(70)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 동작 지원 장치(70)는, 센서 유닛(72) 및 액추에이터 유닛(74)과, 센서 유닛(72) 및 액추에이터 유닛(74)에 접속된 제어부(76)를 구비한다.
동작 지원 장치(70)가 제1실시형태에 있어서의 동작 지원 장치(50) 및 제2실시형태에 있어서의 동작 지원 장치(60)와 가장 다른 점은, 센서 유닛(72)과 액추에이터 유닛(74)이 다른 사람에게 부착되어 있는 것이다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, 동작 지원 장치(70)가, 하나의 센서 유닛(72)에 대하여, 액추에이터 유닛(74)을 복수 구비하는 예를 나타내고 있다.
동작 지원 장치(70)의 센서 유닛(72)은, 작업 치료사나 인스트럭터(instructor) 등의, 사용자에게 지시하는 자(이하, 지시자라고 한다)의 임의의 부위(예를 들면 우완)에 부착되고, 액추에이터 유닛(74)은, 사용자의, 지시자에게 센서 유닛(72)이 부착된 부위와 동일한 부위에 부착된다.
제어부(76)는, 지시자에게 부착된 센서 유닛(72)으로부터의 출력을 검지하여, 지시자의 어느 부위의 근육이 어떻게 움직이려고 하고 있는지를 판정하고, 그 결과에 근거하여 사용자에게 부착된 액추에이터 유닛(74)의 고무 인공 근육을 동작시킨다. 액추에이터 유닛(74)이 복수 구성되어 있을 경우에는, 제어부(76)는, 복수의 액추에이터 유닛(74)에 대하여 제어를 실행한다.
이와 같이, 동작 지원 장치(70)를 이용함으로써, 사용자는, 지시자의 동작에 맞춰서 움직이는 것이 용이하게 된다. 이것은, 동작 지원 장치(70)에 의해서, 사용자의, 지시자의 동작에 대응하는 근육이 마찬가지로 움직이도록 동작 지원되기 때문이다.
또한, 동작 지원 장치(70)가 복수의 액추에이터 유닛(74)을 구비할 경우에는, 지시자가 복수의 사용자에 대하여 한번에 운동 지시를 실행할 수 있고, 또한, 복수의 사용자 각각은, 지시자의 동작과 동일한 동작을 하도록, 근육이 동작 지원되므로, 병원이나 재활 시설 등에서의 재활을 지원하는 장치로서 대단히 유용하다. 이 경우, 복수의 사용자가 한번에 재활을 받을 수 있으므로, 사용자의 의욕을 더욱 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태에 있어서의 동작 지원 장치에서는, 액추에이터로서, 고무 인공 근육을 이용한 예에 대해서 설명해 왔지만, 본 발명은 이 예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 모터(motor)와 와이어(wire)의 조합으로 액추에이터의 기능을 실현하였을 경우에도 동등한 효과가 얻어진다. 이 경우에는, 구동원(驅動源)으로서는 전원을 이용하고, 제어부는 모터의 회전 제어를 실행함으로써, 본 발명의 동작 지원 장치의 기능을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태에 있어서의 동작 지원 장치에서는, 각각의 관절의 굴곡 및 신전의 동작 지원에 이용하는 고무 인공 근육이 각각 2개씩 배치되는 것으로 하였지만, 본 발명은 이 예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 각각의 관절이 동작 지원되는 방향에 대해서, 고무 인공 근육이 1개 배치된 구성이어도 좋고, 3개 이상 배치된 구성이어도 좋다.
또한, 본 발명의 실시형태에 있어서의 동작 지원 장치에서는, 센서로서 스트레인 게이지를 이용한 구성을 나타냈지만, 본 발명은 이 구성에 한정되는 것은 아니다. 근육의 움직임을 검출할 수 있는 센서라면, 어떠한 센서를 사용하는 것도 가능하며, 예를 들면, 위치 센서, 역각(力覺) 센서, 토크 센서(torque sense), 중력 센서, 중력 가속도 센서, 속도 센서, 가속도 센서, 각도 센서, 각속도(角速度) 센 서, 음성 센서, 근전위(筋電位) 센서, 변위(變位) 센서, 압력 센서, 공기압 센서, 뇌파(腦波) 센서, 유량(流量) 센서, 온도 센서, 습도 센서, 정전기 센서, 적외선 센서, 광전(光電) 센서, 진동 센서, 충격 센서, 전류 센서, 전압 센서, 자기(磁氣) 센서 또는 초음파 센서 등의 각종 센서를 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태에 있어서의 동작 지원 장치에서는, 장착부가 커프인 것으로 해서 설명하였지만, 본 발명은 이 구성에 한정되지 않는다. 예를 들면, 장착부로서, 의복과 커프를 조합한 것을 이용함으로써, 마치 의복을 착용한 것과 같이 해서, 동작 지원 장치를 장착할 수 있으므로, 사용자가 저항감 없이 장착 가능한 구성을 실현할 수 있다. 이 경우, 커프와 의복과의 탈착을 자유롭게 해 둠으로써, 의복 부분을 자유롭게 세탁할 수 있으므로, 실용성이 우수한 구성을 실현할 수 있다.
또한, 장착부에 히터를 내장해 둠으로써, 추워진 환경 하에서 운동을 하는 것에 의한 관절의 고장을 방지할 수 있다. 또한, 이 경우에는, 온도 센서를 구비한 구성으로 해서, 바깥 기온에 맞춰서 히터의 온-오프(on-off)를 실행하는 것이 실용적이다.
또한, 본 발명의 실시형태에 있어서의 동작 지원 장치에서는, 제어부가, 센서에 의해 검지된 근육의 움직임을 보조하도록 액추에이터를 동작시키는 예를 나타냈지만, 본 발명은 이 예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제어부가 센서에 의해 검지된 근육의 움직임에 대하여, 부하가 되는 방향(예를 들면, 센서가 팔꿈치의 굴곡을 검지하였을 경우에는, 팔꿈치를 신전시키는 방향)의 힘을 액추에이터에 인 가시킴으로써, 재활 용도뿐만 아니라, 운동이나 트레이닝 등의 스포츠 분야에의 응용도 가능하다.
또한, 본 발명의 실시형태에 있어서의 동작 지원 장치에서는, 장착되는 부위가 팔인 것으로 해서 설명하였지만, 본 발명은 이 예에 한정되는 것은 아니다. 수족의 손가락이나 발가락, 무릎, 발목, 고관절(股關節), 허리, 목, 어깨 등 관절이 있는 곳이라면, 팔 이외의 어떠한 인체 부위에도 장착하는 것이 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 사용자가 원하는 방향 및 힘으로 동작 지원을 실행할 수 있다고 하는 각별한 효과를 나타낼 수 있으므로, 인체의 팔꿈치, 손목 또는 무릎 등의 동작을 지원하는 동작 지원 장치 및 동작 지원 방법 등으로서 유용하다.
도 1은, 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 동작 지원 장치를 팔에 장착한 상태를 나타내는 사시도.
도 2는, 본 발명의 제1실시형태에 있어서의, 도 1에 나타내는 상태의 동작 지원 장치를 배면(背面)으로부터 본 사시도.
도 3은, 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 동작 지원 장치의 액추에이터 유닛 부분의 사시도.
도 4는, 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 동작 지원 장치의 기능 블록도.
도 5는, 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 동작 지원 장치에 의해서, 사용자의 팔꿈치를 굴곡시킨 상태를 나타내는 도면.
도 6은, 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 동작 지원 장치가 사용자의 동작 지원을 실행할 때의 동작 단계를 나타내는 흐름도.
도 7은, 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 동작 지원 장치의 제어부의 기능에 대해서 설명하기 위한 도면.
도 8은, 본 발명의 제2실시형태에 있어서의 동작 지원 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 9는, 본 발명의 제2실시형태에 있어서의 동작 지원 장치의 다른 예를 나타내는 도면.
도 10은, 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 동작 지원 장치의 구성을 나타내는 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1, 2, 3: 커프(cuff)(장착부)
4～11: 고무 인공 근육(액추에이터)
12～15, 22～25: 센서
16, 66, 76, 86: 제어부
17, 18: 조인트
22: 공기압원
50, 60, 70, 80: 동작 지원 장치
52, 62, 72, 82: 센서 유닛
54, 64, 74, 84, 85: 액추에이터 유닛

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 사용자의 관절에 걸쳐서 장착되는 복수의 장착부(2, 3)와,
    사용자의 제1부위에 장착되어, 근육의 움직임을 검지하는 센서(24, 25)와,
    상기 복수의 장착부 사이에 매달려서 사용자의 제2부위의 동작을 지원하도록, 관절축을 갖지 않고 또한 서로 길항하는 위치에 배치되어서 서로 길항하도록 동작할 수 있는 1쌍의 액추에이터(8, 10; 9, 11)와,
    상기 센서가 검지한 근육의 움직임에 근거하여, 상기 1쌍의 액추에이터를 길항하도록 동작 제어하는 제어부(16)를 구비하고,
    상기 제1부위와 제2부위는, 서로 사용자의 좌우 반대측의 반신(半身)에 위치하는 좌우 대칭 부위이며,
    상기 제어부는, 상기 센서로 검출된 힘이 소정의 임계치(P1)를 초과한 경우에, 상기 1쌍의 액추에이터 중 한쪽의 액추에이터에, 수축 방향의 가세력(P2)을 부여하도록 상기 한쪽의 액추에이터를 제어함과 더불어, 상기 센서로 검출된 힘이 상기 소정의 임계치(P1)를 하회한 경우에, 상기 가세력(P2)을 해제하도록 상기 한쪽의 액추에이터를 제어하고, 상기 소정의 임계치(P1)는 상기 가세력(P2)보다 큰 것을 특징으로 하는 동작 지원 장치.
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