KR101484402B1 - 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치에 관한 것으로, 손가락 근력 보조장치에 있어서, 사용자 손가락 일부분을 감싸도록 구비되며 손가락의 마디마다 각각 위치하되 서로 회동 가능하도록 연결되는 고정부와 상기 고정부의 내측면에 구비되어 사용자의 힘을 감지하는 힘센서를 포함하여 구성되는 손가락 모듈, 하나의 손가락에 구비되는 다수의 상기 손가락 모듈을 서로 연결하며, 손가락 모듈의 회동 방향에 따라 기계적 힘을 전달하는 구동기, 사용자의 손등에 착용되어 상기 손가락 모듈을 구조적으로 지지하는 착용부 및 상기 힘센서로부터 감지되는 검출값을 통해 상기 구동기를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치{Finger force assistance device with partially open structure}

본 발명은 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 질병이나 노화로 인해 근력 부족에 따른 손가락 힘 부족 시 이를 보조하여 손가락의 조작력을 가해주는 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치에 관한 것이다.

손가락 힘 보조장치는 질병이나 노화로 인해 근력이 약해진 사람들의 손 힘 보조용으로 사용될 수 있으며, 또한 강한 손 힘을 요하는 작업 시 근골격계 질환의 예방을 위한 목적으로 유용하게 활용될 수 있다. 예를 들어, 뇌졸중 생존자의 경우 적절한 재활 훈련을 거치더라도 손의 힘이 정상 상태로 완전히 회복되지 않기 때문에 영구적으로 약해진 손힘에 의해 삶의 질이 저하되어 손 힘 보조장치의 필요성이 대두된다. 그리고 반복적으로 강한 손의 힘을 가해야 하는 작업을 수행하는 근로자의 경우 근골격계 질환의 발생 위험에 노출되어 있으며, 손 힘 보조장치로 물리적 부담을 경감시켜 질환 예방과 함께 작업 효율을 증대시킬 필요가 있다.

손가락 힘(근력) 보조장치는 사용자가 가하는 손가락 힘을 측정 또는 추정하여 이로부터 필요한 보조 힘의 크기를 결정한 후 구동기를 작동시켜 손 힘을 보조하는 방식으로 작동한다.

일반적인 손가락 힘 보조장치는 사용자가 외부 환경에 가하는 손가락 힘을 측정하기 위한 힘센서가 손가락 끝 마디의 장측(volar side) 피부 표면에 접촉하도록 구성되어 있으므로 센서의 장착을 위해 손가락을 완전히 덮는 폐쇄형으로 설계되어 있다. 이러한 방식은 손가락에 의해 가해지는 접촉 힘을 직접 측정할 수 있어서 정확한 힘 측정이 가능하고 구성이 간단하다는 장점이 있으나, 폐쇄된 손가락 부분에 대해 외부로부터의 감각 전달을 제한하게 된다. 사람의 손가락 감각은 조작 대상 물체의 무게, 물체 표면의 거칠기, 형상, 미끄러짐, 온도 등을 민감하게 받아들여 손가락 힘을 적절하게 조절할 수 있도록 하는 중요한 역할을 담당하고 있다. 손가락의 감각이 올바르게 전달되지 않을 경우, 사람은 주로 시각 정보에 의존하기 때문에 촉감을 통해 손가락 힘을 적절하게 조절하는 데에 문제점이 발생된다. 따라서 물체의 조작 능력이 저하되며 극단적인 경우 물체에 과도한 힘을 가하여 물체를 파손시키거나, 또는 지나치게 약한 힘으로 물체를 잡음으로써 물체를 놓치는 등의 과오를 범할 수 있다.

따라서, 손가락의 장측 표면에 대해 외부와의 직접적인 접촉을 가능케 하면서손가락 힘을 추정하여 적절한 보조 힘을 제공하기 위한 기술이 요구된다.

KR 10-1136852호 KR 10-1140144호 KR 10-0994408호

본 발명은 상기한 바와 같은 일반적인 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 손가락의 장측(volar side) 표면에 대해 외부와의 직접적인 접촉을 가능케 하면서 사용자의 손가락 힘을 추정하여 보조력을 제공하는 방법과 이를 위한 보조장치를 제공하고자 하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 구조물 직접 전달 방식으로 작용함에 따라 보조장치로 인한 사용자 손가락의 압박을 최소화 할 수 있는 착용성이 뛰어난 손가락 근력 보조장치를 제공하고자 하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 손가락 근력 보조장치에 있어서, 사용자 손가락 일부분을 감싸도록 구비되며 손가락의 마디마다 각각 위치하되 서로 회동 가능하도록 연결되는 고정부와 상기 고정부의 내측면에 구비되어 사용자의 힘을 감지하는 힘센서를 포함하여 구성되는 손가락 모듈, 하나의 손가락에 구비되는 다수의 상기 손가락 모듈을 서로 연결하며, 손가락 모듈의 회동 방향에 따라 기계적 힘을 전달하는 구동기, 사용자의 손등에 착용되어 상기 손가락 모듈을 구조적으로 지지하는 착용부 및 상기 힘센서로부터 감지되는 검출값을 통해 상기 구동기를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는, 상기 손가락 모듈에 구비된 힘센서로부터 근력의 움직임에 따른 전기신호를 획득하는 신호 획득부와, 상기 신호 획득부에서 획득한 근력값을 통해 제공할 손가락 보조력을 제공하기 위한 값을 생성하는 신호 생성부를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 신호 생성부는, 상기 신호 획득부에서 획득한 전기신호를 통해 손가락 힘(손가락 근력)의 정도를 검출하기 위하여 힘 추정 알고리즘을 가지며, 손가락의 힘을 추정하는 알고리즘에서 획득한 값을 통해 보조력을 산출하는 보조력 산출 알고리즘을 구비하여 상기 구동기를 구동시킬 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동기는, 공압 방식 또는 유압 방식의 구동기에 해당하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고정부는, 손바닥면에 해당하는 일측면(장측 ; volar side)이 개방되면 나머지 3면은 고정부의 구조물로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 힘센서는, 손가락의 양 측면과 접하도록 고정부의 내측 양측에 각각 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 힘센서는, 상기 고정부의 내측면에서 하부 방향으로 경사각을 이루도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 손가락 근력 보조장치에 있어서, 사용자 손가락 일부분을 감싸도록 구비되며 손가락의 마디마다 각각 위치하되 서로 회동 가능하도록 연결되는 고정부와 상기 고정부의 내측면에 구비되어 사용자의 힘을 감지하는 힘센서를 포함하여 구성되는 손가락 모듈, 하나의 손가락에 구비되는 다수의 상기 손가락 모듈을 서로 연결하며, 손가락 모듈의 회동 방향에 따라 기계적 힘을 전달하는 구동기, 사용자의 손등에 착용되어 상기 손가락 모듈을 구조적으로 지지하는 착용부, 상기 손가락 모듈에 구비된 힘센서로부터 근력의 움직임에 따른 전기신호를 획득하는 신호 획득부 및 상기 신호 획득부에서 획득한 근력값을 통해 제공할 손가락 보조력을 제공하기 위한 값을 생성하는 신호 생성부를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 손가락의 장측 표면에 대해 외부와의 직접적인 접촉을 가능케 하면서 사용자의 손가락 힘을 추정하여 보조력을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 힘센서를 통해 사용자 손가락의 힘을 추정하고, 이 신호를 통해 피드백하여 구동기를 제어할 제어값을 출력함으로써 사용자는 보조장치 사용 시 보다 편안함을 느낄 수 있고, 힘 제어 과정에서 보다 정확하게 구현될 수 있다.

특히, 본 발명은 경사진 힘센서의 구성으로 인해 힘 발생에 대한 보다 정밀한 힘 검출이 가능하여 보다 정확하고 신뢰성 높은 근력 보조장치를 제공할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치의 정면도,
도 3은 본 발명에 따른 손가락 근력 보조장치의 개략적인 전체 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 손가락 근력 보조장치의 동작 상태도,
도 5는 본 발명에 따른 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치의 구동 순서를 나타낸 순서도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치는, 손가락 근력 보조장치(100)에 있어서, 사용자 손가락 일부분을 감싸도록 구비되며 손가락의 마디마다 각각 위치하되 서로 회동 가능하도록 연결되는 고정부(112)와 상기 고정부의 내측면에 구비되어 사용자의 힘을 감지하는 힘센서(111)를 포함하여 구성되는 손가락 모듈(110), 하나의 손가락에 구비되는 다수의 상기 손가락 모듈을 서로 연결하며, 손가락 모듈의 회동 방향에 따라 기계적 힘을 전달하는 구동기(200), 사용자의 손등에 착용되어 상기 손가락 모듈을 구조적으로 지지하는 착용부(300) 및 상기 힘센서(111)로부터 감지되는 검출값을 통해 상기 구동기를 제어하는 제어부(400)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치는, 장측(volar side)으로 개방된 형태의 고정부를 통해 외부와 직접적으로 접촉 가능하며, 이러한 구조의 고정부를 통해 보조장치를 사용자의 손에 착용 후 외력을 제공받아 손의 근력을 보조할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치의 사시도, 도 2는 본 발명에 따른 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치의 정면도이다.

본 발명에 따른 손가락 근력 보조장치(100)는 크게 사용자의 손에 장착되는 손가락 모듈(110)과 상기 손가락 모듈에 힘(force)을 제공하기 위해 상기 손가락 모듈에 각각 연결되어 구동 방향에 대해 힘을 전달하는 구동기(200), 상기 보조장치를 사용자의 손(hand)에 안정적으로 장착할 수 있는 착용부(300) 및 상기 구동기를 제어하는 제어부(400)를 포함하여 구성된다.

상기 손가락 모듈(110)은 사용자의 손가락에 고정되는 고정부(112)와 상기 고정부 내측면에 설치되어 사용자의 근력의 정도를 검출하기 위한 힘센서(111)를 포함하여 구성된다. 여기서 본 발명의 주요 기술적 요지로 본 발명에 따른 보조장치(100)는 손가락에 완전 착용되는 형태가 아니라 장측(volar side) 방향으로 개방된 형태를 가지며, 때문에 사용자의 손바닥면은 보조장치로 구속되지 않고 물건을 잡을 경우 직접적으로 대상체와 접촉할 수 있기 때문에 사용의 만족성을 보다 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 목적으로 손바닥 표면 방향으로 개방된 보조장치는 손가락 피부와 물체가 직접적으로 접촉하기 때문에 감각 기능의 만족을 만족하면서 힘의 전달은 보조장치의 손가락 모듈(110)이 직접적으로 작용하기 때문에 기계적 힘에 의해 힘 전달력이 우수하며 사용자의 접촉 인지력을 확보할 수 있기 때문에 사용성이 매우 우수한 이점이 있다.

상기 고정부는 'ㄷ'형상의 구조를 가지며 개방된 방향이 손바닥을 향하도록 구성되고 고정부의 양 내측면으로는 힘센서(111)가 구성되어 사용자가 근력으로 손을 움직이려 할 경우 그 근력값을 감지하게 된다. 그 검출값은 기본적으로 압력값을 검출하는 원리가 될 수 있다.

이때, 상기 힘센서는 단면상 기준으로 하부방향으로 좁아지도록 경사각을 가지고 구성되어 결과적으로 손가락이 움직인 방향 즉, 하부 방향에 대해 보다 정확하게 힘을 검출할 수 있도록 상기 힘센서가 경사각을 이루고 구성된다.

위에서 설명한 바와 같이 구성되는 상기 고정부(112)는 손가락 마디마디 마다 대응하여 위치할 수 있도록 각각 구성되며, 각각의 고정부는 힌지를 통해 연결되어 회동될 수 있도록 연결된다. 즉, 각각의 고정부는 손가락 관절과 대응하도록 회동 구조를 갖도록 구성됨에 따라 후술한 구동기가 고정부의 회동력을 전달함으로써 힘을 전달하게 되는 것이다.

한편, 상기 고정부를 회동시키기 위해 그 위쪽면으로는 구동기(200)가 구성된다. 상기 구동기(200)는 공압 또는 유압으로 작동하는 장치로써, 실린더와 피스톤으로 각각 구성되어 피스톤의 전/후 구동을 통해 고정부의 회동을 제어하게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 손가락 근력 보조장치의 개략적인 전체 구성도이다. 고정부를 구동시키는 구동부는 제어부를 통해 해당 제어값을 제공받아 제어하게 되는데, 앞서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 힘센서에서 출력되는 값을 피드백하여 구동기 제어값을 결정하게 된다.

도 3에 도시된 바와 같이 제어부는 상기 힘센서로부터 신호를 획득하는 신호 획득부(410)와 상기 신호 획득부에 획득한 신호를 전달받아 상기 구동기를 제어할 제어값으로 신호를 생성하는 신호 생성부(420)로 구성된다.

여기서 상기 신호 생성부는, 상기 신호 획득부에서 획득한 전기신호를 통해 손가락 힘(손가락 근력)의 정도를 검출하기 위하여 힘 추정 알고리즘을 가지며, 손가락의 힘을 추정하는 알고리즘에서 획득한 값을 통해 보조력을 산출하는 보조력 산출 알고리즘을 구비하여 상기 구동기를 구동시킬 신호를 생성한다.

도 4는 본 발명에 따른 손가락 근력 보조장치의 동작 상태도이다.

도 4의 a는 구동 전 상태를 나타낸 것이고, b는 구동 후의 상태를 도시하였다. 본 발명에서는 하나의 구동기를 구성하는 피스톤과 실린더를 인접한 고정부의 상측에 회동 가능하도록 간소화하게 구성된 도시화를 통해 나타내었지만, 회동반경을 고려할 경우 구동기의 설치는 좀 더 다양할 수 있다. 예를 들어 하나의 구동기와 타 구동기의 회동점을 별도로 구성하여 회동반경을 크게 구성할 수 있는 것이다.

이러한 반경 설계의 결정은 구조적 설계를 변경하여 얼마든지 고려할 수 있기 때문에 구체적인 생략은 생략하기로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치의 구동 순서를 나타낸 순서도이다. 본 발명에 따른 근력 보조장치의 구동은 우선적으로 사용자의 손가락 근력에서 발생되는 힘을 고정부 내측면에 설치된 힘센서를 통해 검출하면 제어부의 신호 획득부(410)는 이를 수신받아 손가락에서 발생한 힘을 추정하여 알고리즘으로 변환하여 검출하게 된다. 여기서 산출된 값은 보조력 산출 알고리즘에 반영되어 구동기를 움직일 출력값을 신호 생성부(420)에서 생성하게 된다.

따라서, 제어부는 구동기를 제어할 값을 출력하여 구동기를 구동시킴에 따라 사용자는 보조장치의 보조 구동력을 도움 받아 힘의 크기를 높일 수 있게 된다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 힘센서의 이상적인 구조 설계를 통해 근력을 정확하게 검출할 수 있기 때문에 정확한 피드백 전달로 인하여 재활공학설계의 만족도를 극대화시킬 수 있는 가장 큰 장점이 있다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100 : 보조장치
110 : 손가락 모듈
111 : 힘센서
112 : 고정부
200 : 구동기
300 : 착용부
400 : 제어부
410 : 신호 획득부
420 : 신호 생성부

Claims (9)

1. 손가락 근력 보조장치에 있어서,
   사용자 손가락 일부분을 감싸도록 구비되며 손가락의 마디마다 각각 위치하되 서로 회동 가능하도록 연결되는 고정부와 상기 고정부의 내측면에 구비되어 사용자의 힘을 감지하는 힘센서를 포함하여 구성되는 손가락 모듈;
   하나의 손가락에 구비되는 다수의 상기 손가락 모듈을 서로 연결하며, 손가락 모듈의 회동 방향에 따라 기계적 힘을 전달하는 구동기;
   사용자의 손등에 착용되어 상기 손가락 모듈을 구조적으로 지지하는 착용부; 및
   상기 힘센서로부터 감지되는 검출값을 통해 상기 구동기를 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되는 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 손가락 모듈에 구비된 힘센서로부터 근력의 움직임에 따른 전기신호를 획득하는 신호 획득부;와,
   상기 신호 획득부에서 획득한 근력값을 통해 제공할 손가락 보조력을 제공하기 위한 값을 생성하는 신호 생성부;를 포함하여 구성되는 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 신호 생성부는,
   상기 신호 획득부에서 획득한 전기신호를 통해 손가락 힘(손가락 근력)의 정도를 검출하기 위하여 힘 추정 알고리즘을 가지며,
   손가락의 힘을 추정하는 알고리즘에서 획득한 값을 통해 보조력을 산출하는 보조력 산출 알고리즘을 구비하여 상기 구동기를 구동시킬 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 구동기는,
   공압 방식 또는 유압 방식의 구동기에 해당하는 것을 특징으로 하는 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 고정부는,
   손바닥면에 해당하는 일측면(장측 ; volar side)이 개방되면 나머지 3면은 고정부의 구조물로 구성되는 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 힘센서는,
   손가락의 양 측면과 접하도록 고정부의 내측 양측에 각각 구성되는 것을 특징으로 하는 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치.
7. 제 1항 또는 제 6항에 있어서, 상기 힘센서는,
   상기 고정부의 내측면에서 하부 방향으로 경사각을 이루도록 구성되는 부분 개방형 구조를 갖는 손가락 근력 보조장치.
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