KR101325066B1 - 뇌졸중 환자의 보행재활 치료용 로봇 - Google Patents

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박현섭
장인훈
정준영
양현대
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채민기
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 하반신 재활 치료용 로봇에 관한 것으로 그 구성은 환자의 몸통을 지지하는 고정밴드와, 상기 고정밴드와 회전 가능하게 연결된 골반관절축과, 상기 골반관절축에서 하측으로 일정 길이 연장된 제1암과, 상기 제1암과 연결된 제1연결관절축과, 상기 제1연결관절축에서 하측으로 연장된 제2암과, 상기 제2암에 회전 가능하게 연결된 제2연결관절축과, 상기 제2연결관절축에서 하측으로 연장되는 연장편과, 상기 연장편에서 발목관절축에 의해 회전 가능하게 연결되어 환자의 발을 고정시켜 지탱하는 발판으로 구성된 로봇 몸체; 및 상기 로봇 몸체의 고정밴드 측을 지지하는 상부 프레임과, 상기 상부 프레임을 지지하는 연결 프레임과, 상기 연결 프레임과 연결되며 다수개의 바퀴가 설치된 하부 프레임으로 구성된 보행기;를 포함하며, 상기 제1암과 제2암의 각도는 환자의 하반신 길이에 따라 조절된다.

Description

뇌졸중 환자의 보행재활 치료용 로봇{Gait rehabilitation robot for the stroke}
본 발명은 뇌졸중환자의 보행재활 치료용 로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환자의 신체 체형과 상관없이 불특정 환자가 쉽게 작용할 수 있고 착용 또한 빠르게 할 수 있어 재활에 소요되는 시간 및 비용을 적게 소요될 수 있게 하는 뇌졸중환자의 보행재활 치료용 로봇에 관한 것이다.
뇌졸중이나 교통사고로 척추신경이 손상되어 보행이 어려운 사람들을 많이 볼 수 있으며, 관절염까지 있을 경우에는 제대로 서 있는 것도 어려운 경우가 대부분이다. 특히, 노인들이나 오랜 기간 병석에 있었던 사람들은 다리 근력이 퇴화되어 고관절 및 무릎관절을 움직여서 보행을 하는 것은 큰 고통이었다.
이처럼, 보행이 어려운 사람들의 경우, 억지로 걸음을 걷게 함으로써 다리 근력을 증강시키면서 하반신의 신경이 소생하게 되어 치유의 효과를 기대할 수 있다.
이러한 점을 감안하여 요즘 보행기가 재활 수단으로서 많이 활용되고 있는 실정이다.
상기 보행기는 걸음이 어려운 사람들이 서 있는 상태에서 손으로 잡고 몸을 기댈 수 있는 프레임의 하방에 바퀴를 장착한 것으로서, 사용자는 몸을 보행기에 의지한 상태에서 밀어가면서 조금씩 보행을 하게 된다.
이외에도 걸음이 불편한 환자나 노인의 경우, 침대에 누운 상태에서 물리치료사가 일일이 다리를 펴주고 오므리게 하는 동작을 반복하여 치료하게 된다.
우선 보행기의 경우 환자가 직접 보행기 손잡이를 잡고 보행해야 하므로 몸이 불편한 환자가 보행 동작에서 더 큰 스트레스와 함께 불필요한 체력 소모가 심한 문제점이 있었다.
또한 재활치료사가 환자의 다리를 마사지할 경우에도 환자 스스로 재활 운동하는 것이 아니기 때문에 재활치료의 효율성이 떨어지는 문제점이 있으며, 재활치료시 항상 한명 이상의 치료사가 옆에 대기하고 있어야 하기 때문에 재활치료 환자의 치료비 부담이 그만큼 클 수밖에 없는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 보완하기 위한 수단으로 환자의 하반신에 자율 운동하는 로봇을 설치하여 재환 환자가 로봇의 동작에 따라 자연스럽게 다리를 움직일 수 있게 하는 방법이 개발되었으나, 대부분의 재활용 로봇들의 경우 환자의 하반신 중 허리, 골반, 무릎 및 발목을 결속한 상태로 재활 운동을 진행해야 하기 때문에 재활 로봇의 작용 시간이 오래 걸리는 문제점이 있었으며, 재활 대상인 환자의 신체 특정(체형)에 딱 맞게 설계되어야 하기 때문에 재활 로봇의 설계 및 제작 단가가 비싸므로 많은 환자가 사용할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 특성을 개선하기 위하여 제안된 것으로서, 환자의 신체 체형과 상관없이 불특정 환자가 쉽게 작용할 수 있고 착용 또한 빠르게 할 수 있어 재활에 소요되는 시간 및 비용을 작게 소요될 수 있게 하는 뇌졸중환자의 보행재활 치료용 로봇을 제공함에 있다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진다.
본 발명의 뇌졸중환자의 보행재활 치료용 로봇은, 환자의 몸통을 지지하는 고정밴드와, 상기 고정밴드와 회전 가능하게 연결된 골반관절축과, 상기 골반관절축에서 하측으로 일정 길이 연장된 제1암과, 상기 제1암과 연결된 제1연결관절축과, 상기 제1연결관절축에서 하측으로 연장된 제2암과, 상기 제2암에 회전 가능하게 연결된 제2연결관절축과, 상기 제2연결관절축에서 하측으로 연장되는 연장편과, 상기 연장편에서 발목관절축에 의해 회전 가능하게 연결되어 환자의 발을 고정시켜 지탱하는 발판으로 구성된 로봇 몸체; 및 상기 로봇 몸체의 고정밴드 측을 지지하는 상부 프레임과, 상기 상부 프레임을 지지하는 연결 프레임과, 상기 연결 프레임과 연결되며 다수개의 바퀴가 설치된 하부 프레임으로 구성된 보행기;를 포함하며, 상기 제1암과 제2암의 각도는 환자의 하반신 길이에 따라 조절된다.
그리고 상기 발판은 상기 제1암과 제2암의 각도 변화와 상관없이 항시 지면에 대해 수직 상태를 유지한다.
또한 상기 고정밴드에는 허리를 지지하는 받침대;가 더 구비된다.
그리고 상기 받침대에는 폭 방향 길이를 조절하는 간격 조절대가 구비된다.
또한 상기 고정밴드와 상기 상부 프레임 사이에는 상호 연결 상태를 유지하며 재활 치료환자가 보행기 외부로 이탈하는 것을 방지하는 안전수단; 더 구비된다.
그리고 상기 안전수단은 와이어 또는 플렉시블 케이블 중 어느 하나이다.
본 발명에 따른, 환자의 신체 체형과 상관없이 불특정 환자가 쉽게 작용할 수 있고 착용 또한 빠르게 할 수 있어 재활에 소요되는 시간 및 비용을 적게 소요될 수 있게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 뇌졸중환자의 보행재활 치료용 로봇을 나타내는 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 뇌졸중환자의 보행재활 치료용 로봇을 나타내는 측면도.
도 3은 도 1에 도시된 뇌졸중환자의 보행재활 치료용 로봇을 나타내는 배면도.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 뇌졸중환자의 보행재활 치료용 로봇의 동작 상태를 나타내는 작동 상태도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예들은 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 뇌졸중환자의 보행재활 치료용 로봇(100)은 환자의 몸통을 지지하는 고정밴드(111)와, 상기 고정밴드(111)와 회전 가능하게 연결된 골반관절축(112)과, 상기 골반관절축(112)에서 하측으로 일정 길이 연장된 제1암(113)과, 상기 제1암(113)과 연결된 제1연결관절축(114)과, 상기 제1연결관절축(114)에서 하측으로 연장된 제2암(115)과, 상기 제2암(115)에 회전 가능하게 연결된 제2연결관절축(116)과, 상기 제2연결관절축(116)에서 하측으로 연장되는 연장편(116a)과, 상기 연장편(116a)에서 발목관절축(117)에 의해 회전 가능하게 연결되어 환자의 발을 고정시켜 지탱하는 발판(117)으로 구성된 로봇 몸체(110); 및 상기 로봇 몸체(110)의 고정밴드(111) 측을 지지하는 상부 프레임(123)과, 상기 상부 프레임(123)을 지지하는 연결 프레임(124)과, 상기 연결 프레임(124)과 연결되며 다수개의 바퀴가 설치된 하부 프레임(121)으로 구성된 보행기(120);를 포함하며, 상기 제1암(113)과 제2암(115)의 각도는 환자의 하반신 길이에 따라 조절된다.
한편 상기 골반관절축(112)과 제2연결관절축(116) 내에는 전자식 비틀림 스프링 잠금수단(미도시) 구비되어 있고, 상기 제1연결관절축(114)과 발목관절축(117a)은 자유 회전 되는 구조를 하고 있으며, 상기 전자식 비틀림 스프링 잠금수단은 보행 중 지면에 대해 발의 끌림을 방지하고 자연스런 보행을 위해 무릎관절 굴곡 및 신전을 보조하게 되어 있다.
상기 잠금수단은 입각기 시에는 브레이크에 의해 잠겨져 신체를 견고하게 지지 및 지탱할 수 있도록 되어 있으며, 유각기시에는 굴곡이 가능하도록 잠금장치가 해제되어 정상인과 유사하게 보행시의 무릎 각을 가질 수 있도록 하여 주며, 이와 병행하여 무릎의 굴곡 및 신전력을 얻기 위해 전기 자극장치를 이용하여 무릎관절 구동 근육을 자극하며 보행을 보조하게 된다.
또한 상기 로봇 몸체(110)의 고정밴드(111)와 상기 상부 프레임(123)을 안전수단(125)에 의해 연결되며, 상기 안전수단(125)은 와이어나 플렉시블 케이블을 이용할 수 있다. 이를 통해 재활 환자가 고정밴드에 의해 결속된 상태에서 로봇 몸체에 탑승하면 보행기와의 사이에서 안전수단의 길이 만큼 자유롭게 이동하다 재활 환자가 넘어지거나 할 경우 안전수단에 의해 보행기에 지탱되어 넘어짐을 방지하게 하는 것이다.
그리고 상기 발판(117)은 상기 제1암(113)과 제2암(115)의 각도 변화와 상관없이 항시 지면에 대해 수직 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 이는 상기 제1암과 제2암이 재활 환자의 신장에 따라 사이각(θ)을 변경하면 변경된 각도에 의해 높이(H)가 조절되는데, 이때 조절된 각도 변화에 따라 발판의 위치가 자연스럽게 변경될 수 있게 하기 위함이다.
또한 상기 고정밴드(111)는 일정한 탄성을 갖는 벨트 형태이며, 상기 고정밴드(111) 후단에는 재활 환자의 허리를 지지할 수 있는 받침대(118)가 구비되어 있으며, 상기 받침대(118) 중앙 부분은 폭 방향 길이를 조절할 수 있도록 간격 조절대(119)가 구비되어 있다.
상기 간격 조절대(119)는 상기 받침대(118) 보다 직경이 큰 관 형태를 이용해 상기 받침대가 간격 조절대의 내부로 삽탈하며 간격을 조절하게 할 수 있다.
상기 발목관절축(117a)은 상기 제1암(113)과 제2암(115)이 재활 환자의 신장에 따라 각도를 조절하게 되면, 변환된 각도만큼 자중에 의해 반대 방향으로 회전하여 지면과 수직 상태를 유지하게 하는 것으로 상기 제2연결관절축(116)의 동작에 따라 회전할 경우에도 같은 방식으로 자중에 의해 수직한 상태를 유지하게 된다.
또한 상기 발목관절축(117a)에는 도면상에 도시하고 있지는 않지만 전, 후 회전 방향에 일정한 탄성을 부여할 수 있도록 스프링이 설치될 수도 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 연결 프레임(124)의 타측에 설치되는 프레임은 재활 환자의 무게를 감안하여 더 설치될 수도 있다.
이하, 첨부파일을 참조하여 본 발명의 동작을 설명한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바에 의하면, 우선 고정밴드(111)를 탈거하여 재활 환자의 허리를 고정밴드를 이용해 감싸 재활 환자의 허리를 완전히 고정시킨 후 받침대(118)의 폭 간격을 조절하여 재활 환자의 허리가 지지될 수 있게 한다.
이 상태에서 재활 환자의 발을 발판(117)에 안착시킨 후 상기 발판(117)과 같이 재활 환자의 발을 밴드(미도시)를 이용해 완전히 고정시킨다.
이때 재활 환자의 신장에 따라 제1암(113)과 제2암(115)의 사이 각도가 자연스럽게 조절되며 재활 환자의 하반신(골반에서 발목까지의 간격)에 적합한 각도를 형성하게 된다.
이 후 재활 환자가 탑승한 상태로 발판과 같이 발을 지면에서 발구름 동작을 수행하면 조절된 사이각(θ1) 내에서 재활 환자의 다리의 굳힘 각도에 따라 제1암과 제2암의 사이각이 좁아지며 재활 치료를 수행할 수 있게 되며, 마찬가지로 골반관절축과 제2연결관절축도 재활 환자의 동작에 맞게 같이 동작하게 된다.
이때 상기 골반관절축과 제2연결관절축은 제어부의 제어 신호에 따라 모터 구동되며, 상기 제1연결관절축과 발목관절축은 축으로만 연결되어 있어 재활 환자의 동작에 따라 자연스럽게 회전할 수 있게 된다.
본 실시예에서는 로봇 몸체의 동작 제어에 대한 구성을 기재하지 않았지만 별도의 제어부를 이용해 골반관절축(112), 제2연결관절축(116)을 동작시킬 수 있으며, 이러한 동작을 통해 재활 환자의 하반신을 자연스럽게 운동시키며 재활 치료를 할 수 있게 되고, 상기 골반관절축(112), 제2연결관절축(116)은 종래에 재활 로봇에서 이용되었던 것과 동일한 구성을 하고 있으므로 구체적인 설명을 생략한다.
또한 상기 골반관절축(112)에서 제2연결관절축(116)까지의 최초 높이(H)는 재활 환자의 하반신 길이에 따라 제1암(113)과 제2암(115)의 각도에 의해 높이(H1)로 조절할 수 있는 것은 앞서 설명한 바와 같다.
즉, 상기 제1암(113)과 제2암(115)의 사이각(θ)이 재활 환자가 탑승하여 재활 환자의 신장에 맞게 조절되면 제2연결관절축(116) 내에서 조절된 사이각(θ1) 이내에서만 동작되고 그 이상 벌어지지 않게 조절하게 되는 것이다.
다음에 다른 재활 환자가 이용할 경우에는 제어부를 통해 잠김수단에 의해 조절된 상태의 각도를 초기화시켜 다시 이용할 수 있다.
또한 본 발명에서는 제어부에 대한 구체적 설명을 생략하였으나 상기 제어부 내에 재활 환자의 신장 정보를 미리 저장하여 여러 재활 환자에 따라 빠르게 높이를 조절할 수 있게 하는 것도 가능하다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나, 이는 본 발명의 기술적 내용에 대한 이해를 돕고자 하는 것일 뿐 발명의 기술적 범위를 이에 한정하고자 함이 아니다.
즉, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않고도 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형이나 개조가 가능함은 물론이고, 그와 같은 변경이나 개조는 청구범위의 해석상 본 발명의 기술적 범위 내에 있음은 말할 나위가 없다.
100 : 재활 로봇 110 : 로봇 몸체
111 : 고정밴드 112 : 골반관절축
113 : 제1암 114 : 제1연결관절축
115 : 제2암 116 : 제2연결관절축
117 : 발판 117a : 발목관절축
118 : 받침대 119 : 간격 조절대
120 : 보행기 121 : 하부 프레임
122 : 바퀴 123 : 상부 프레임
124 : 연결 프레임 125 : 안전수단

Claims (6)

  1. 환자의 몸통을 지지하는 고정밴드와, 상기 고정밴드와 회전 가능하게 연결된 골반관절축과, 상기 골반관절축에서 하측으로 일정 길이 연장된 제1암과, 상기 제1암과 연결된 제1연결관절축과, 상기 제1연결관절축에서 하측으로 연장된 제2암과, 상기 제2암에 회전 가능하게 연결된 제2연결관절축과, 상기 제2연결관절축에서 하측으로 연장되는 연장편과, 상기 연장편에서 발목관절축에 의해 회전 가능하게 연결되어 환자의 발을 고정시켜 지탱하는 발판으로 구성된 로봇 몸체; 및
    상기 로봇 몸체의 고정밴드 측을 지지하는 상부 프레임과, 상기 상부 프레임을 지지하는 연결 프레임과, 상기 연결 프레임과 연결되며 다수개의 바퀴가 설치된 하부 프레임으로 구성된 보행기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌졸중환자의 보행재활 치료용 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 골반관절축과 제2연결관절축은 구동 관절로 구성되고, 상기 제1연결관절축과 발목관절축은 수동 관절로 구성되어 환자의 하반신 길이와 상관없이 착용할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 뇌졸중환자의 보행재활 치료용 로봇.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고정밴드와 상기 상부 프레임 사이에는 상호 연결 상태를 유지하며 재활 치료환자가 보행기 외부로 이탈하는 것을 방지하는 안전수단;이 더 구비된 것을 특징으로 하는 뇌졸중환자의 보행재활 치료용 로봇.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 안전수단은 와이어 또는 플렉시블 케이블 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 뇌졸중환자의 보행재활 치료용 로봇.
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