KR101295004B1 - 근력보조를 위한 외골격장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사지의 근력을 보조하기 위한 외골격장치에 관한 것으로서, 특히 모터 구동에 따른 사지의 근력 운동뿐만 아니라 작동 시에 순응성 부여를 통해 사용자의 안전성 및 각 관절에 작용하는 힘을 측정할 수 있도록 구성한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 근력보조를 위한 외골격장치는 사지의 상부 골격과 대응하여 위치하는 고정 프레임과, 사지의 하부 골격과 대응하여 위치하며 고정 프레임에 힌지부로 결합되어 상하방향으로 회전하는 회전 프레임과, 사지의 말단부를 받쳐주는 받침 프레임과, 고정 프레임에 장착되며 회전 프레임에 연결되어 회전 프레임이 상하방향으로 회전하도록 구동하는 제1모터와, 회전 프레임에 장착되어 받침 프레임에 연결되며 받침 프레임이 상하방향과 좌우방향으로의 회전 및 하부 골격의 축(롤축)을 기준으로 회전하도록 구동하는 모터들과, 제1모터와 회전 프레임을 연결하는 링크들과, 모터들과 받침 프레임을 연결하는 링크들을 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

근력보조를 위한 외골격장치{EXOSKELETON MECHANISM FOR LIMB POWER ASSISTANCE}
본 발명은 사지의 근력을 보조하기 위한 외골격장치에 관한 것으로서, 특히 모터 구동에 따른 사지의 근력 운동뿐만 아니라 작동 시에 순응성 부여를 통해 사용자의 안전성 및 각 관절에 작용하는 힘을 측정할 수 있도록 구성한 것이다.
사지의 움직임이 불편한 환자의 팔 또는 다리에 장착되어 환자의 근력을 보조하거나 또는 근력을 강화시키기 위한 외골격장치가 개발되고 있다.
외골격장치는 사지(아래에서는 '팔'로 통칭하여 설명함)의 골격과 대응하는 프레임이 팔의 근육 움직임이 원활하게 움직일 수 있도록 구성되는데, 팔의 움직임과 동일한 움직임이 가능하도록 복수의 프레임과 링크 그리고 구동에 필요한 모터를 구비한다.
한편, 팔이 불편한 환자에게 장착되어 사용됨에 따라 외골격장치는 착용이 간편하고 또한 응급 시에 탈착이 용이하도록 구성되어야 하며, 환자에게 무리한 힘이 가해지지 않도록 정밀한 작동과 정밀한 감지가 필요하다.
도면에서, 도 1은 아래의 선행기술문헌에 공개된 상지근력보조를 위한 외골격장치를 나타낸 사진이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 외골격장치는 링 형태의 가이드레일을 사용함에 따라 환자가 착용 및 탈착하기에 어려움이 있으며, 링 형태의 가이드레일을 사용함에 따라 외골격장치의 부피가 커서 환자가 움직임에 간섭되기 쉬어 위험하다는 단점이 있다.
또한 링크를 연결하는 모터가 프레임의 측방향으로 돌출되게 형성됨에 따라 외골격장치의 부피가 클 뿐만 아니라 외골격장치의 설계에 어려움이 있다.
A. Gupta and M. K. O'Malley, "Robotic Exoskeletons for Upper Extremity Rehabilitation," in Rehabilitation Robotics, S. S. Kommu, Ed., ed: InTech, Available from: http://www.intechopen.com/articles/show/title/robotic_exoskeletons_for_upper_extremity_rehabilitation, 2007.
본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 환자가 착용하기에 편리하며 또한 응급 시에 탈착이 용이하도록 구성한 근력보조를 위한 외골격장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 환자가 팔을 움직임에 있어 가해지는 힘을 측정할 수 있도록 구성한 근력보조를 위한 외골격장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 팔을 지지하는 프레임의 길이방향으로 모터가 장착되어 프레임의 측부로 돌출된 구성이 없어 조밀하게 구성된 근력보조를 위한 외골격장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 근력보조를 위한 외골격장치는 사지의 상부 골격과 대응하여 위치하는 고정 프레임과, 사지의 하부 골격과 대응하여 위치하며 고정 프레임에 힌지부로 결합되어 상하방향으로 회전하는 회전 프레임과, 고정 프레임에 장착되며 회전 프레임에 연결되어 회전 프레임이 상하방향으로 회전하도록 구동하는 제1모터와, 제1모터와 회전 프레임을 연결하는 링크들을 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1모터의 회전축은 고정 프레임의 길이방향으로 위치한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1모터의 회전축에는 제1경사축간 회전동력전달부의 구동기어가 장착되며, 구동기어와 연동하는 연동기어의 축에는 제1링크가 고정되고, 제1링크의 단부에는 제2링크의 단부가 힌지 결합되며 제2링크의 단부는 힌지부에 고정된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 힌지부는 고정 프레임에 형성된 제1힌지 브래킷과, 회전 프레임과 연결되어 제1힌지 브래킷과 대응하며 힌지 축으로 상대 회전 가능하게 장착된 제2힌지 브래킷을 포함하며, 제2링크는 제2힌지 브래킷에 힌지 결합된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2힌지 브래킷에는 슬라이드 브래킷이 형성되고, 슬라이드 브래킷에는 회전 프레임의 길이방향으로 장공이 형성되며, 회전 프레임에 형성된 슬라이더가 장공에 끼워져 잠금되거나 잠금해제된 상태로 장공의 길이방향으로 이동 가능하다.
본 발명에 따른 근력보조를 위한 외골격장치는 사지의 하부 골격과 대응하여 위치하는 회전 프레임과, 사지의 말단부를 받쳐주는 받침 프레임과, 회전 프레임에 장착되며 받침 프레임에 연결되어 받침 프레임이 상하방향과 좌우방향으로의 회전 및 하부 골격의 축(롤축)을 기준으로 회전하도록 구동하는 모터들과, 모터들과 받침 프레임을 연결하는 링크들을 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 모터들은 받침 프레임이 좌우방향으로 회전하도록 구동하는 제2모터와, 받침 프레임이 상하방향으로 회전하도록 구동하는 제3모터와, 받침 프레임이 롤축을 중심으로 회전하도록 구동하는 제4모터를 포함하며, 제2모터, 제3모터 및 제4모터의 각 회전축은 받침 프레임의 길이방향으로 위치한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2모터의 회전축에는 제2경사축간 회전동력전달부의 구동기어가 장착되고, 구동기어와 연동하는 연동기어의 축에는 제3링크가 고정되며, 제3링크의 단부에는 제4링크의 일단부가 힌지 결합되고, 제5링크의 양단에는 회전조인트가 장착되며, 제4링크의 타단부는 제5링크의 한 쪽 회전조인트의 블록에 힌지 결합되며, 받침 프레임에는 제5링크의 다른 쪽 회전조인트의 블록이 고정된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제4링크의 타단부가 힌지 결합된 회전조인트의 블록에는 회전 프레임의 길이방향으로 제1가이드 바가 고정되고, 제1가이드 바는 회전 프레임에 고정된 제1홀더에 끼워져 직선 운동한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제3모터의 회전축에는 제3경사축간 회전동력전달부의 구동기어가 장착되고, 구동기어와 연동하는 연동기어의 축에는 제6링크가 고정되며, 제6링크의 단부에는 제7링크의 일단부가 힌지 결합되고, 제8링크의 양단에는 회전조인트가 장착되며, 제7링크의 타단부는 제8링크의 한 쪽 회전조인트의 블록에 힌지 결합되며, 받침 프레임에는 제8링크의 다른 쪽 회전조인트의 블록이 고정된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제7링크의 타단부가 힌지 결합된 회전조인트의 블록에는 회전 프레임의 길이방향으로 제2가이드 바가 고정되고, 제2가이드 바는 회전 프레임에 고정된 제2홀더에 끼워져 직선 운동한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제4모터의 단부에는 회전조인트가 장착되며, 회전조인트의 블록에 제9링크의 일단부가 고정되고, 제9링크의 타단부에는 제10링크의 일단부가 힌지 결합되며, 제10링크의 타단부는 받침 프레임에 힌지 결합된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제9링크의 일단부는 회전조인트의 블록에 형성된 축에 고정되며 축의 연장선과, 제9링크와 제10링크를 연결하는 힌지 축의 연장선 및 제10링크와 받침 프레임을 연결하는 힌지 축의 연장선은 한 점에서 만난다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 받침 프레임은 상기 한 점을 중심으로 만곡된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 받침 프레임에는 손잡이가 장착되어 사지의 말단부인 손으로 손잡이를 파지한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 받침 프레임에는 고정수단이 장착되어 발을 고정수단으로 고정시킨다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1모터의 회전축에는 순응모듈인 유연 힌지가 각각 장착된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2모터, 제3모터, 제4모터의 각 회전축에는 순응모듈인 유연 힌지가 각각 장착된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 유연 힌지에는 스트레인 게이지가 장착되어 유연 힌지에 가해지는 응력을 측정한다.
본 발명에 따른 근력보조를 위한 외골격장치는 사지의 상부 골격과 대응하여 위치하는 고정 프레임과, 사지의 하부 골격과 대응하여 위치하며 고정 프레임에 힌지부로 결합되어 상하방향으로 회전하는 회전 프레임과, 사지의 말단부를 받쳐주는 받침 프레임과, 고정 프레임에 장착되며 회전 프레임에 연결되어 회전 프레임이 상하방향으로 회전하도록 구동하는 제1모터와, 회전 프레임에 장착되며 받침 프레임에 연결되어 받침 프레임이 상하방향과 좌우방향으로의 회전 및 하부 골격의 축(롤축)을 기준으로 회전하도록 구동하는 모터들과, 제1모터와 회전 프레임을 연결하는 링크들과, 모터들과 받침 프레임을 연결하는 링크들을 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 근력보조를 위한 외골격장치는 고정 프레임과 회전 프레임의 저면에 구동모터들이 장착되고, 그 회전축이 고정 프레임 또는 회전 프레임의 길이방향으로 위치한다. 즉 외골격장치의 측방향으로 돌출된 모터의 구성이 없어 외골격장치의 전체 구성을 조밀하게 구성할 수 있으며, 작동 시에 환자와 부딪치는 문제점을 해결할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 근력보조를 위한 외골격장치는 고정 프레임과 회전 프레임 및 받침 프레임에 사지를 올릴 수 있게 구성됨으로써, 긴급 시에 환자가 사지를 외골격장치에서 신속하게 이탈시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 근력보조를 위한 외골격장치는 모터의 회전축에 순응모듈을 장착하여 과도한 힘을 완충하여 환자를 보호할 수 있고, 순응모듈에 스트레인 게이지를 장착하여 힘을 계산할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 근력보조를 위한 외골격장치는 고정 프레임의 양측으로 링크 및 고정 브래킷이 위치함으로써, 윗팔을 안정적으로 지지할 수 있다. 따라서 근력이 약한 환자가 외골격장치를 이용하여 팔을 움직일 때에 고정 프레임 밖으로 팔이 떨어지는 사고를 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 선행기술문헌에 공개된 상지근력보조를 위한 외골격장치를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 외골격장치를 착용한 상태를 나타낸 사시도이고,
도 3은 도 2에 도시된 외골격장치를 나타낸 저면 사시도이다.
도 4a 내지 도 4c는 외골격장치의 제1구동모터의 작동관계를 나타낸 사시도이고,
도 5a 내지 도 5c는 외골격장치의 제3구동모터의 작동관계를 나타낸 사시도이며,
도 6a 내지 도 6c는 외골격장치의 제2구동모터의 작동관계를 나타낸 사시도이다.
도 7a 내지 도 7c는 외골격장치의 제4구동모터의 작동관계를 나타낸 사시도이고,
도 8은 본 발명에 따른 외골격장치의 구동 메커니즘을 나타낸 개념도이며,
도 9는 구동모터에 장착된 순응모듈을 나타낸 개념도이다.
아래에서는 본 발명에 따른 근력보조를 위한 외골격장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도면에서, 도 2는 본 발명에 따른 외골격장치를 착용한 상태를 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 외골격장치를 나타낸 저면 사시도이다. 그리고 도 4a 내지 도 4c는 외골격장치의 제1구동모터의 작동관계를 나타낸 사시도이고, 도 5a 내지 도 5c는 외골격장치의 제3구동모터의 작동관계를 나타낸 사시도이다. 도 6a 내지 도 6c는 외골격장치의 제2구동모터의 작동관계를 나타낸 사시도이며, 도 7a 내지 도 7c는 외골격장치의 제4구동모터의 작동관계를 나타낸 사시도이고, 도 8은 본 발명에 따른 외골격장치의 구동 메커니즘을 나타낸 개념도이며, 도 9는 구동모터에 장착된 순응모듈을 나타낸 개념도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 외골격장치(100)는 위팔(상완골 부위)(1H)을 받쳐주는 고정 프레임(110)과, 아래팔(척골과 요골 부위)을 받쳐주는 회전 프레임(120)과, 손잡이(131)가 형성되며 손잡이(131)를 파지한 손을 받쳐주는 받침 프레임(130)을 포함하며, 고정 프레임(110)과 회전 프레임(120)은 힌지 결합된 힌지부(140)를 기준으로 회전 프레임(120)이 상하방향(Y축)으로 회전하며, 받침 프레임(130)은 회전 프레임(120)에 복수의 링크들로 연결되어 3자유도(X축,Y축, ROLL축)로 회전 구동한다.
아래에서는 이와 같이 구성된 외골격장치에 대해 구체적으로 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 고정 프레임(110)은 상완골이 있는 위팔(1H)과 대응하여 위치하며 고정 프레임(110)의 양측에는 고정 브래킷(111)이 상향으로 절곡되어 고정 브래킷(111)에 회전 프레임(120)이 힌지 결합된다. 여기에서 고정 프레임(110)에 위팔(1H)을 안착하면 고정 브래킷(111)의 사이에 위팔(1H)이 위치하며 팔꿈치는 고정 프레임(110)과 회전 프레임(120)의 사이 즉 힌지부(140)에 대응하여 위치한다.
그리고 회전 프레임(120)은 고정 프레임(110)의 고정 브래킷(111)에 힌지 결합되며, 회전 프레임(120)은 고정 프레임(110)을 기준으로 상하방향으로 회전 가능하다.
한편, 힌지부(140)는 고정 브래킷(111)의 단부에 고정된 제1힌지 브래킷(141)과, 제1힌지 브래킷(141)과 대응하며 회전 프레임(120)에 고정된 제2힌지 브래킷(142)을 포함하며, 제1힌지 브래킷(141)과 제2힌지 브래킷(142)이 힌지 축(143)으로 연결된다.
또한 제2힌지 브래킷(142)에는 회전 프레임(120)의 길이방향으로 장공(148)이 형성된 슬라이드 브래킷(147)이 형성되며, 회전 프레임(120)에 고정된 슬라이더(125)가 슬라이드 브래킷(147)의 장공(148)에 삽입되어 고정된다. 회전 프레임(120)의 슬라이더(125)가 슬라이드 브래킷(147)에 고정됨에 따라 고정 프레임(110)과 회전 프레임(120)의 간격은 고정되지만, 환자의 팔 길이에 따라 슬라이더(125)의 고정을 해체하고 슬라이드 브래킷(147)의 장공(148) 길이방향으로 슬라이더(125) 즉 회전 프레임(120)을 이동시켜 다른 지점에 고정함으로써, 상대적으로 팔이 긴 환자 또는 짧은 환자에 맞춰 회전 프레임(120)의 위치를 변경할 수 있다. 도면에는 도시하지 않았으나 슬라이드 브래킷의 길이방향으로 간격을 두고 구멍들을 형성하고 구멍에 볼트를 끼워 슬라이더에 형성된 암나사공에 볼트를 체결하여 슬라이더를 슬라이드 브래킷에 고정한다. 그리고 볼트를 풀어 고정을 해체한 후 슬라이더를 이동시켜 다른 지점의 구멍에 볼트로 끼워 슬라이더를 체결 고정할 수 있다.
한편, 회전 프레임(120)을 회전시키는 제1구동모터(151)는 고정 프레임(110)의 저면에 장착되며, 고정 프레임(110)과 평행하게 위치한 제1구동모터(151)의 회전축(151S) 단부에는 제1베벨기어(161)가 장착된다. 제1베벨기어(161)는 제1구동모터(151)의 회전축(151S)에 고정된 구동기어(161D)와 구동기어(161D)에 맞물려 회전하는 연동기어(161C)를 포함하며, 연동기어(161C)에 고정된 축(161S)은 고정 프레임(110)에 회전 가능하게 장착된 상태로 축(161S)의 단부에 제1링크(171)의 일단부가 고정된다. 그리고 제1링크(171)의 타단부에는 L형 구조인 제2링크(172)의 일단이 힌지 결합되고, 제2링크(172)의 타단은 회전 프레임(120)에 고정된 제2힌지 브래킷(142)에 힌지 결합된다.
따라서 제1구동모터(151)가 회전하면 제1베벨기어(161)의 연동기어(161C)의 축(161S)이 회전하면서 제1링크(171)는 축(161S)을 중심으로 회전하고 제2링크(172)는 제1링크(171)의 회전에 따라 연동하게 되는데, 이때 제2링크(172)의 타단에 힌지 결합된 제2힌지 브래킷(142)이 힌지 축(143)을 중심으로 회전하면서 회전 프레임(120)이 상하방향으로 회전하게 된다.
한편 회전 프레임(120)의 저면 양측에는 제2구동모터(152)와 제3구동모터(153)가 각각 장착된다.
도 5a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 제2구동모터(152)와 제3구동모터(153)의 회전축(152S, 153S)은 회전 프레임(120)과 평행하게 위치하며, 제2구동모터(152)의 회전축(152S)에는 제2베벨기어(162)가 장착되고, 제3구동모터(153)의 회전축(153S)에는 제3베벨기어(163)가 장착된다. 제2베벨기어(162) 및 제3베벨기어(163) 또한 회전축(152S, 153S)에 고정된 구동기어(도 6a의 162D, 도 5a의 163D)와, 구동기어(162D, 163D)에 맞물려 회전하는 연동기어(162C, 163C)를 포함하며, 연동기어(162C, 163C)에 고정된 축(162S, 163S)은 회전 프레임(120)에 회전 가능하게 장착된 상태로 축(162S, 163S)의 단부에는 링크(173, 176)의 일단이 고정된다. 여기에서 제2베벨기어(162)의 연동기어(162C)에 고정된 링크를 '제3링크(173)'라 하고, 제3베벨기어(163)의 연동기어(163C)에 고정된 링크를 '제6링크(176)'라 한다. 제3링크(173)는 회전 프레임(120)의 측부 상향으로 연장되고, 제4링크(174)는 회전 프레임(120)의 저면 폭 중앙 쪽으로 연장된다.
그리고 제3링크(173)의 타단에는 제4링크(174)의 일단이 힌지 결합되며 제4링크(174)는 전방 즉 손을 받쳐주는 받침 프레임(130)이 위치한 방향으로 연장된다. 또한 제6링크(176)의 타단에는 제7링크(177)의 일단이 힌지 결합되며 제7링크(177)는 전방으로 연장된다.
한편, 제4링크(174)의 타단에는 제5링크(175)가 힌지 결합된다. 제5링크(175)는 양단에 유니버설조인트(191)가 각각 장착된 링크로서, 제5링크(175)의 일단에 장착된 유니버설조인트 블록(191B)이 제4링크(174)의 타단과 힌지 결합된다. 그리고 양단에 유니버설조인트(192)가 각각 장착된 제8링크(178)가 제7링크(177)의 타단에 결합되는데, 제8링크(178)의 일단에 장착된 유니버설조인트 블록(192B)에 제7링크(177)의 타단이 힌지결합된다.
여기에서 제4링크(174) 및 제5링크(175)는 회전 프레임(120)의 길이방향으로 회전 프레임(120)의 측부에 위치하며, 제7링크(177)와 제8링크(178)는 회전 프레임(120)의 저면에 위치하되, 회전 프레임(120)의 폭 중앙에서 회전 프레임(120)의 길이방향으로 위치한다.
그리고 제5링크(175)의 타단에 장착된 유니버설조인트 블록(191B)은 받침 프레임(130)에 고정되고, 제8링크(178)의 타단에 장착된 유니버설조인트 블록(192B) 또한 받침 프레임(130)에 고정된다.
한편, 제4링크(174)가 힌지 결합된 유니버설조인트 블록(191B)에는 제1가이드 바(181)가 후방으로 연장되게 고정되고, 제7링크(177)가 힌지 결합된 유니버설조인트 블록(192B)에는 제2가이드 바(182)가 후방으로 연장되게 고정된다. 그리고 회전 프레임(120)의 측부에는 제1가이드 바(181)가 직선운동하도록 지지하는 제1홀더(121)가 고정되며, 회전 프레임(120)의 저면에는 제2가이드 바(182)가 직선운동하도록 지지하는 제2홀더(122)가 고정된다.
따라서 제2구동모터(152)의 회전운동은 제3링크(173)와 제4링크(174)를 통해 제5링크(175)로 전달되는데, 이때 제1가이드 바(181)와 제1홀더(121)에 의해 제5링크(175)는 직선운동하며, 받침 프레임(130)이 회전하면 제5링크(175)의 양단에 체결된 유니버설조인트(191)에 의해 제5링크(175)의 기울기가 변하면서 제1가이드 바(181)를 따라 전후방향으로 이동한다.
따라서 제5링크(175) 및 제8링크(178)가 연결된 받침 프레임(130)은 제2구동모터(152) 및 제3구동모터(153)에 의해 전후방향으로 직선운동(1자유도)할 뿐만 아니라 제5링크(175) 및 제8링크(178)의 양단에 장착된 유니버설조인트의 메커니즘(2자유도)에 의해 3자유도 운동이 가능하도록 지지된다.
또한 회전 프레임(120)의 저면 중앙에는 제4구동모터(154)가 장착된다.
제4구동모터(154)의 회전축(154S)은 회전 프레임(120)의 저면에 고정된 제3홀더(123)를 관통해 전방으로 연장된다. 제3홀더(123)에는 베어링이 내장되어 제4구동모터(154)의 회전축(154S)이 원활하게 회전할 수 있도록 지지한다.
그리고 제4구동모터(154)의 회전축(154S) 선단에는 유니버설조인트(193)가 장착되는데, 유니버설조인트 블록(193B)은 회전 프레임(120)의 선단에 장착된 상태로, 유니버설조인트 블록(193B)에 형성된 축(193S)에는 제9링크(179)의 일단이 고정된다. 제9링크(179)의 타단에는 제10링크(180)의 일단이 힌지 결합되어 힌지 축(179S)을 중심으로 회전하고, 제10링크(180)의 타단은 받침 프레임(130)에 힌지 결합되어 힌지 축(180S)을 중심으로 회전한다.
따라서 제4구동모터(154)가 구동하면 제9링크(179)가 유니버설조인트 블록(193B)에 형성된 축(193S)에 의해 회전하게 되고, 제9링크(179)에 연결된 제10링크(180) 또한 연동하면서 받침 프레임(130)이 회전하게 된다. 여기에서 받침 프레임(130)은 제9링크(179)와 제10링크(180)의 연결 구조에 의해 아래팔(1L)의 축(roll 축)방향을 기준으로 롤링한다.
한편, 받침 프레임(130)은 소정의 곡률반경으로 만곡되어 위치하는데, 상기 곡률반경은 통상의 사람의 손을 감싸는 구조의 곡률반경이다.
그리고 도 8에 도시된 바와 같이, 제9링크(179)의 일단이 장착된 유니버설조인트 블록(193B)의 축(193S), 제9링크(179)와 제10링크(180)를 연결하는 힌지 축(179S), 제10링크(180)와 받침 프레임(130)을 연결하는 힌지 축(180S)들의 연장선은 한 점에서 만난다. 이 한 점이 손목 중심점(wrist center)이며, 만곡된 받침 프레임(130) 또한 손목 중심점을 기준으로 만곡된다.
따라서 받침 프레임(130)이 제2구동모터(152), 제3구동모터(153) 및 제4구동모터(154) 중 어느 모터에 의해 움직이더라도 받침 프레임(130)은 손목 중심점을 기준으로 동일 반경에서 3자유도로 움직이며, 제4구동모터(154)에 의해 받침 프레임(130)이 롤링하더라도 제5링크(175) 및 제8링크(178)는 유니버설조인트(191, 192)로 연결되어 받침 프레임(130)의 회전(롤링)에 따른 회전각을 보상하며, 제5링크(175) 및 제8링크(178)의 직선운동을 제9링크(179)와 제10링크(180)의 기울기 변화로 보상한다.
또한 받침 프레임(130)에는 손잡이(131)가 고정되며 외골격장치(100)에 팔을 안착한 후 손(1F)으로 손잡이(131)를 파지하고, 힘을 주어 외골격장치(100)를 움직이거나 또는 제1구동모터(151) 내지 제4구동모터(154)의 구동력이 손잡이(131)를 통해 손으로 전달된다.
한편, 제1구동모터(151) 내지 제4구동모터(154)의 회전축(151S, 152S, 153S, 154S)에는 순응모듈(200)이 장착된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 순응모듈(200)은 유연 힌지이며, 상호 평행한 두 평행 바(201)의 일단이 상호 연결된 구조로서, 개방된 평행 바(201)의 타단은 회전축(151S, 152S, 153S, 154S)에 연결된다. 따라서 회전축(151S, 152S, 153S, 154S)을 따라 전달되는 비틀림응력(torsion stress) 및 길이방향으로 전달되는 응력을 완충한다. 또한 순응모듈(200)에 스트레인 게이지(203)를 장착하여 각 순응모듈(200)의 강성값으로부터 각 구동에 작용하는 토크를 구할 수 있고, 각 모터(151, 152, 153, 154)의 토크 값과 외골격장치의 자코비안을 이용하여 손목에 작용하는 힘의 값을 구할 수 있다.
손목에 작용하는 힘을 구하는 순서는, 각 순응모듈의 굽힘 스트레스(
Figure 112011077797036-pat00001
)를 측정하고, 굽힘 스트레스 값을 아래 수학식 1을 통해 각 순응모듈의 굽힘 회전량(
Figure 112011077797036-pat00002
)를 계산한다.
Figure 112011077797036-pat00003
수학식 1에서 β는 t/(2r)이며, t는 힌지 두께이고, r은 힌지 반지름이며, ｆ는 아래의 수학식 2에 의해 계산된 값이다.
Figure 112011077797036-pat00004
그리고 아래 수학식 3을 통해 굽힘 모멘트(
Figure 112011077797036-pat00005
)를 계산한다.
Figure 112011077797036-pat00006
수학식 3에서 ki는 해당 힌지의 강성계수이다.
그리고 아래 수학식 4를 통해 손목에 걸리는 힘(
Figure 112011077797036-pat00007
)을 계산한다.
Figure 112011077797036-pat00008
수학식 4에서 Jx는 3자유도 병렬형 손목 메커니즘의 기구학적 자코비안이고, Jq는 3자유도 병렬형 손목 메커니즘의 구동 자코비안이다.
이와 같이 순응모듈(200)에 인가되는 굽힘 스트레인을 측정하여 손목에 걸리는 힘을 계산할 수 있어 환자의 상태에 따라 외골격장치(100)의 작동 제어가 용이하다는 장점이 있다.
아래에서는 이와 같이 구성된 외골격장치의 작동관계에 대해 설명한다.
환자의 팔을 외골격장치(100)에 안착시키면, 위팔(1H)은 고정 프레임(110)에 안착되고 아래팔(1L)은 회전 프레임(120)에 안착된다. 이때 위팔(1H)은 양측 제2링크(172)의 사이에 위치하고 아래팔(1L)의 측부에는 제5링크(175)가 아래팔(1L)의 길이방향으로 위치하며 제8링크(178)는 아래팔(1L)의 아래에 위치한다.
이 상태에서 제1구동모터(151)를 작동시키면, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 제1링크(171)가 제1구동모터(151)의 회전축(151S)에 의해 회전하고, 연동하는 제2링크(172)는 제1힌지 브래킷(141)을 회전시키면서 제1힌지 브래킷(141)에 고정된 회전 프레임(120)이 힌지부(140)의 힌지 축(143)을 중심으로 상하방향(Y축)으로 회전한다.
아래에서는 외골격장치(100)에 팔을 안착하고 손잡이(131)를 손으로 파지한 상태에서 제3구동모터(153)를 작동시키면, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이 제3구동모터(153)에 의해 제6링크(176)가 회전하고, 연동하는 제7링크(177)가 이동하면서 제2가이드 바(182)가 전후방향으로 이동한다. 이때 유니버설조인트(192)로 연결된 제8링크(178)는 받침 프레임(130)의 상하 이동(Y축 방향)에 의해 기울기가 변하게 된다. 그리고 받침 프레임(130)에 연결된 제5링크(175) 또한 받침 프레임(130)의 상하 이동에 의해 기울기만 변할 뿐, 제5링크(175)와 연결된 제1가이드 바(181)는 전후방향으로 이동하지 않는다.
한편, 제2구동모터(152)를 작동시키면, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이 제3링크(173)가 회전하고, 연동하는 제4링크(174)가 이동하면서 제1가이드 바(181)가 전후방향으로 이동한다. 이때 유니버설조인트(191)로 연결된 제5링크(175)는 받침 프레임(130)의 좌우 이동(X축 방향)에 의해 기울기가 변하게 된다. 그리고 받침 프레임(130)에 연결된 제8링크(178) 또한 받침 프레임(130)의 좌우 이동에 의해 기울기만 변할 뿐, 제8링크(178)와 연결된 제2가이드 바(182)는 전후방향으로 이동하지 않는다.
한편, 제4구동모터(154)를 작동시키면, 도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이 제9링크(179)가 회전하고, 연동하는 제10링크(180)가 이동하면서, 받침 프레임(130)이 아래팔(1L)의 축(roll 축)을 중심으로 회전한다. 이때 제5링크(175) 및 제8링크(178)는 받침 프레임(130)의 회전에 의해 기울기가 변할 뿐, 제5링크(175)에 연결된 제1가이드 바(181)와 제8링크(178)에 연결된 제2가이드 바(182)는 전후방향으로 이동하지 않는다.
앞서 설명한 바와 같이, 제1구동모터(151)는 팔꿈치와 대응하는 힌지부(140)를 중심으로 회전 프레임(120)을 회전시켜 아래팔(1L)을 상하방향으로 움직이게 하고, 제2구동모터(152)는 받침 프레임(130)을 좌우방향으로 이동시켜 손목을 좌우방향으로 움직이게 하며, 제3구동모터(153)는 받침 프레임(130)을 상하방향으로 이동시켜 손목을 좌우방향으로 움직이게 하며, 제4구동모터(154)는 받침 프레임(130)을 롤 축을 중심으로 회전시키면서 손(1F)과 아래팔(1L)을 비틀수 있게 한다.
이와 같이 구성된 외골격장치(100)에 있어서, 제1구동모터(151)는 고정 프레임(110)의 저면에 길이방향으로 위치하고, 제2구동모터(152) 내지 제4구동모터(154)는 회전 프레임(120)의 저면에 길이방향으로 위치함으로써, 4개의 구동모터(151, 152, 153, 154)가 팔의 길이방향으로 위치한다. 따라서 외골격장치(100)의 폭을 좁힐 수 있어 환자와의 간섭을 피할 수 있다.
또한, 각 구동모터(151, 152, 153, 154)의 회전축(151S, 152S, 153S, 154S)에는 순응모듈(200)이 각각 장착되어 과도한 힘을 완충할 수 있고 순응모듈(200)에 장착된 스트레인 게이지(203)를 통해 전달되는 힘을 측정할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명에 따른 외골격장치(100)는 팔에 장착되는 것으로 설명하고 있으나, 손잡이(131)를 개량하면 다리근력보조를 위한 외골격장치로 사용할 수 있다. 구체적으로 손잡이를 대신하여 고정수단인 벨크로테이프, 밴드 및 후크 등을 장착하여 받침 프레임(130)에 올려진 발을 벨크로테이프, 밴드 및 후크 등으로 고정한다. 이때 고정 프레임(110)은 허벅지(대퇴뼈) 전방에 대응하고 회전 프레임(120)은 정강뼈의 전방에 대응하도록 위치한다. 이와 같이 구성된 외골격장치(100)는 무릎을 중심으로 정강뼈의 회전은 제1구동모터(151)에 의해 이루어지며, 발목을 중심으로 3자유도 회전하는 발은 제2구동모터(152) 내지 제4구동모터(154)에 의해 이루어진다.
또한, 앞서 설명한 본 발명에 따른 외골격장치(100)는 고정 프레임(110), 회전 프레임(120) 및 받침 프레임(130)으로 구성된 것으로 설명하였으나, 경우에 따라서는 고정 프레임(110)과 회전 프레임(120)을 힌지부(140)로 연결하며 제1구동모터(151)로 회전 프레임(120)이 상하방향으로 회전하는 외골격장치를 구성하거나, 회전 프레임(120)과 받침 프레임(130)을 링크(173~180)들로 연결하고 받침 프레임(130)이 3자유도 운동하도록 제2구동모터(152) 내지 제4구동모터(154)로 구동시키는 외골격장치를 구성할 수 있다.
또한, 앞서 설명한 본 발명에 따른 외골격장치(100)에 있어서, 제1베벨기어(161), 제2베벨기어(162) 및 제3베벨기어(163)는 경사축간 회전동력전달부로서, 베벨기어를 대신하여 다른 종류의 기어로 대체 가능하며, 또한 제5링크(175) 및 제8링크(178)의 양단에 장착된 유니버설 조인트(191, 192, 193)은 2자유도 이상의 회전조인트인 볼조인트 등으로 대체 가능하다.
1H : 위팔
1L : 아래팔
1F : 손
100 : 외골격장치
110 : 고정 프레임
120 : 회전 프레임
130 : 받침 프레임
140 : 힌지부
151 ~ 154 : 구동모터
151S ~ 154S : 회전축
161, 162, 163 : 베벨기어
171 ~ 180 : 링크
181, 182 : 가이드 바
191, 192, 193 : 유니버설 조인트
179S, 180S : 힌지 축
193S : 유니버설 조인트 블록의 축

Claims (21)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 사지의 상부 골격과 대응하여 위치하는 고정 프레임과,
    사지의 하부 골격과 대응하여 위치하며 고정 프레임에 힌지부로 결합되어 상하방향으로 회전하는 회전 프레임과,
    고정 프레임에 장착되며 회전 프레임에 연결되어 회전 프레임이 상하방향으로 회전하도록 구동하는 제1모터와,
    제1모터와 회전 프레임을 연결하는 링크들을 포함하며,
    제1모터의 회전축에는 제1경사축간 회전동력전달부의 구동기어가 장착되며, 구동기어와 연동하는 연동기어의 축에는 제1링크가 고정되고, 제1링크의 단부에는 제2링크의 단부가 힌지 결합되며 제2링크의 단부는 힌지부에 고정된 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  4. 사지의 상부 골격과 대응하여 위치하는 고정 프레임과,
    사지의 하부 골격과 대응하여 위치하며 고정 프레임에 힌지부로 결합되어 상하방향으로 회전하는 회전 프레임과,
    고정 프레임에 장착되며 회전 프레임에 연결되어 회전 프레임이 상하방향으로 회전하도록 구동하는 제1모터와,
    제1모터와 회전 프레임을 연결하는 링크들을 포함하며,
    힌지부는 고정 프레임에 형성된 제1힌지 브래킷과, 회전 프레임과 연결되어 제1힌지 브래킷과 대응하며 힌지 축으로 상대 회전 가능하게 장착된 제2힌지 브래킷을 포함하며, 제2링크는 제2힌지 브래킷에 힌지 결합된 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  5. 제4항에 있어서,
    제2힌지 브래킷에는 슬라이드 브래킷이 형성되고, 슬라이드 브래킷에는 회전 프레임의 길이방향으로 장공이 형성되며, 회전 프레임에 형성된 슬라이더가 장공에 끼워져 잠금되거나 잠금해제된 상태로 장공의 길이방향으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  6. 사지의 하부 골격과 대응하여 위치하는 회전 프레임과,
    사지의 말단부를 받쳐주는 받침 프레임과,
    회전 프레임에 장착되며 받침 프레임에 연결되어 받침 프레임이 상하방향과 좌우방향으로의 회전 및 하부 골격의 축(롤축)을 기준으로 회전하도록 구동하는 모터들과,
    모터들과 받침 프레임을 연결하는 링크들을 포함하는 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 모터들은 받침 프레임이 좌우방향으로 회전하도록 구동하는 제2모터와, 받침 프레임이 상하방향으로 회전하도록 구동하는 제3모터와, 받침 프레임이 롤축을 중심으로 회전하도록 구동하는 제4모터를 포함하며,
    제2모터, 제3모터 및 제4모터의 각 회전축은 받침 프레임의 길이방향으로 위치하는 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  8. 제6항에 있어서,
    제2모터의 회전축에는 제2경사축간 회전동력전달부의 구동기어가 장착되고, 구동기어와 연동하는 연동기어의 축에는 제3링크가 고정되며, 제3링크의 단부에는 제4링크의 일단부가 힌지 결합되고, 제5링크의 양단에는 회전조인트가 장착되며,
    제4링크의 타단부는 제5링크의 한 쪽 회전조인트의 블록에 힌지 결합되며, 받침 프레임에는 제5링크의 다른 쪽 회전조인트의 블록이 고정된 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  9. 제8항에 있어서,
    제4링크의 타단부가 힌지 결합된 회전조인트의 블록에는 회전 프레임의 길이방향으로 제1가이드 바가 고정되고, 제1가이드 바는 회전 프레임에 고정된 제1홀더에 끼워져 직선 운동하는 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  10. 제7항에 있어서,
    제3모터의 회전축에는 제3경사축간 회전동력전달부의 구동기어가 장착되고, 구동기어와 연동하는 연동기어의 축에는 제6링크가 고정되며, 제6링크의 단부에는 제7링크의 일단부가 힌지 결합되고, 제8링크의 양단에는 회전조인트가 장착되며,
    제7링크의 타단부는 제8링크의 한 쪽 회전조인트의 블록에 힌지 결합되며, 받침 프레임에는 제8링크의 다른 쪽 회전조인트의 블록이 고정된 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  11. 제10항에 있어서,
    제7링크의 타단부가 힌지 결합된 회전조인트의 블록에는 회전 프레임의 길이방향으로 제2가이드 바가 고정되고, 제2가이드 바는 회전 프레임에 고정된 제2홀더에 끼워져 직선 운동하는 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  12. 제7항에 있어서,
    제4모터의 단부에는 회전조인트가 장착되며, 회전조인트의 블록에 제9링크의 일단부가 고정되고, 제9링크의 타단부에는 제10링크의 일단부가 힌지 결합되며, 제10링크의 타단부는 받침 프레임에 힌지 결합된 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  13. 제12항에 있어서,
    제9링크의 일단부는 회전조인트의 블록에 형성된 축에 고정되며 축의 연장선과, 제9링크와 제10링크를 연결하는 힌지 축의 연장선 및 제10링크와 받침 프레임을 연결하는 힌지 축의 연장선은 한 점에서 만나는 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  14. 제13항에 있어서,
    받침 프레임은 상기 한 점을 중심으로 만곡된 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  15. 제6항에 있어서,
    받침 프레임에는 손잡이가 장착되어 사지의 말단부인 손으로 손잡이를 파지하는 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  16. 제6항에 있어서,
    받침 프레임에는 고정수단이 장착되어 발을 고정수단으로 고정시키는 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  17. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    제1모터의 회전축에는 순응모듈인 유연 힌지가 각각 장착된 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  18. 제7항에 있어서,
    제2모터, 제3모터, 제4모터의 각 회전축에는 순응모듈인 유연 힌지가 각각 장착된 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 유연 힌지에는 스트레인 게이지가 장착되어 유연 힌지에 가해지는 응력을 측정하는 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 유연 힌지에는 스트레인 게이지가 장착되어 유연 힌지에 가해지는 응력을 측정하는 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
  21. 사지의 상부 골격과 대응하여 위치하는 고정 프레임과,
    사지의 하부 골격과 대응하여 위치하며 고정 프레임에 힌지부로 결합되어 상하방향으로 회전하는 회전 프레임과,
    사지의 말단부를 받쳐주는 받침 프레임과,
    고정 프레임에 장착되며 회전 프레임에 연결되어 회전 프레임이 상하방향으로 회전하도록 구동하는 제1모터와,
    회전 프레임에 장착되며 받침 프레임에 연결되어 받침 프레임이 상하방향과 좌우방향으로의 회전 및 하부 골격의 축(롤축)을 기준으로 회전하도록 구동하는 모터들과,
    제1모터와 회전 프레임을 연결하는 링크들과,
    모터들과 받침 프레임을 연결하는 링크들을 포함하는 것을 특징으로 하는 근력보조를 위한 외골격장치.
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