KR101701695B1 - 착용형 손 외골격 장치 - Google Patents

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KR101701695B1
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배준범
신준호
이정수
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대한민국
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Abstract

본 발명은 착용형 손 외골격 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 착용형 손 외골격 장치는, 손가락의 관절 부위 상에 분리되어 결합되는 복수의 관절 지지부; 상기 관절 지지부를 연결하며, 상기 손가락의 움직임에 따라 탄성적으로 휨 구동되는 플렉시블 바; 상기 플렉시블 바에 안내되어 일단부가 상기 관절 지지부에 결합된 케이블; 및 상기 복수의 관절 지지부 후방에 설치되어 상기 케이블의 타단부가 결합된 엑추에이터;를 포함한다.

Description

착용형 손 외골격 장치{A WEARABLE HAND EXOSKELETON SYSTEM}
본 발명은 착용형 손 외골격 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 손가락의 움직임 측정 및 외부에서 손가락을 당기는 힘을 전달하고 측정하기 위한 착용형 손 외골격 장치에 관한 것이다.
손 재활을 위해 환자에게 다양한 크기와 속도의 힘을 가하여 손가락의 움직임을 측정하면서 손가락의 움직임에 관련된 근육 힘을 추정하는 것이 필요하다. 특히 의료 재활 분야에서 뇌졸증 환자의 근육 힘과 강직도 측정을 위해서는 재활 환자의 손가락을 의사가 직접 펴면서 근육 힘과 강직도를 추정하고, 추정된 손가락의 근육 힘을 통해 재활 치료의 종류와 약물의 종류 또는 양을 결정하고 있으며, 의사의 주관적인 느낌과 의견에 의존할 수 밖에 없어 손가락 근육 힘을 객관적으로 추정할 수 있는 모델과 측정 시스템이 필요한 실정이다. 이를 위해 손가락의 움직임을 측정하며 동시에 손가락에 다양한 크기와 속도의 힘을 가해주고 동시에 손가락의 움직임을 측정할 수 있는 시스템이 필요하다.
또한, 손가락의 움직임을 측정하기 위하여 단순한 시스템으로 손가락 움직임을 측정하기 위한 광범위한 연구가 수행되고 있다.
먼저, 광학 선형 엔코더(OLE)를 사용한 유사한 접근법이 시도되었지만, 손가락에 부착된 엔코더 및 광학 엔코더용 굵고 넓은 와이어 케이블은 손가락의 자연스러운 움직임을 방해할 수 있다.
또한, 3차원 자기 위치 센서가 손가락 관절 각도 측정에 적용되었으며, 이들은 손가락의 움직임을 3차원으로 측정할 수 있었다. 그러나, 요구되는 주변장치들이 비구속적 손의 움직임에 장애물이 될 수 있다. 그리고, 광섬유 센서 또한 각도 측정을 위해 사용되었다. 광섬유 센서는 쉬운 착용을 위한 장갑에 부착되었지만, 광 센서는 관절 각도를 측정하기 위하여 신중하게 구부려져야만 한다. 아울러, 레이저 다이오우드 및 광학 파워계와 같이 요구되는 주변장치들에 의해 그 이동성이 극히 제한되고 있다.
한편, 가요성 저항이 상업적으로 이용가능하며 해상도와 반복성에 있어서 양호한 성능을 보여주고는 있지만, 비용 측면에서 비효율적이고 손 외골격 시스템과 같은 다른 시스템과의 통합이 어렵다.
이와 같이, 광학 엔코더, 자기 위치 센서, 광섬유 센서 및 가요성 저항 등을 이용한 시도가 있었으나, 손의 제한된 공간으로 인하여 컴팩트하고 단순한 측정 시스템 - 이는 비구속적으로 손가락의 움직임을 측정할 수 있어야만 함 - 이 완전히 개발되었다고는 볼 수 없다.
손가락에 외력을 가해주기 위한 종래의 외골격(exoskeleton) 구조는 각 손가락의 관절마다 그 관절을 움직이는 구동부(actuator)를 구비하고, 관절의 움직이는 변위 또는 각도를 감지하는 센서를 구비하는 것이 일반적이나, 손가락이 움직이는 부분마다 개별적으로 구동부 또는 센서가 설치되면 착용형 외골격 장치의 부피가 매우 커지게 되고 무게도 무거워질 수 밖에 없다.
그리고, 복잡한 구조로 인하여 제작 비용도 증가하게 되고, 복잡한 구조와 큰 부피로 인하여 사용자가 착용하기가 어렵고 사용이 불편한 문제점이 지적되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제1515951호
본 발명은 종래 착용형 손 외골격 장치에서 제기되고 있는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 손가락에 가해지는 외력에 의해 손가락을 굴곡/신전(flexion/extension)시키고, 손가락의 굴곡/신전에 대하여 손가락의 힘과 관절가동 범위를 각 관절별로 측정할 수 있도록 한 착용형 손 외골격 장치가 제공됨에 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은, 손가락의 관절 부위 상에 분리되어 결합되는 복수의 관절 지지부와, 상기 관절 지지부를 연결하며, 상기 손가락의 움직임에 따라 탄성적으로 휨 구동되는 플렉시블 바와, 상기 플렉시블 바에 안내되어 일단부가 상기 관절 지지부에 결합된 케이블 및 상기 복수의 관절 지지부 후방에 설치되어 상기 케이블의 타단부가 결합된 엑추에이터;를 포함하는 손 외골격 장치가 제공됨에 의해서 달성된다.
상기 관절 지지부는, 관절 연결구 상에 수직으로 설치되며, 내부에 로드셀이 장착되고 상기 로드셀의 상부에 포텐셔미터가 설치되고, 상기 포텐셔미터에 일단부가 연결된 링크가 인접한 관절 연결구 상에 결합된다.
상기 링크는 복수의 링크로 구성되고, 회동 부위를 중심으로 구동되며, 상기 링크와 관절 지지부 및 관절 연결구를 연결하는 4절 링크 구조를 통해 상기 손가락의 관절 각도가 아래의 수학식을 이용하여 계산된다.
수학식
Figure 112015076837281-pat00001
여기서, ψ1 : 손가락 관절 각도, θ1 : 포텐셔미터의 회동 각도, γ1, ζ1, η1 : 링크의 회절 각도, ω1 : 손등 연결구의 수평면에서 링크 결합 위치와의 각도
상기 로드셀은 상기 관절 지지부 하부에 구비된 케이블 연결판 상에 설치되며, 상기 케이블 연결판 상에 상기 케이블의 일단부가 연결되어 상기 케이블의 장력이 상기 로드셀에 인가된다.
상기 관절 지지부는, 상기 플렉시블 바와 케이블이 상단부에 관통 결합되며, 상기 케이블의 일단부가 상기 각 손가락의 원위지절간 관절(DIP) 상에 설치된 관절 지지부에 결합된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 착용형 손 외골격 장치는 손가락에 장착된 관절 지지부에 플렉시블 바와 케이블이 결합되어 손가락의 움직임이 용이하도록 함과 아울러 관절 지지부에 장착된 포텐셔미터와 로드셀에 의해서 손가락의 움직임시 실시간으로 손가락의 움직임과 힘의 측정이 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 착용형 손 외골격 장치의 측면도.
도 2는 본 발명에 따른 착용형 손 외골격 장치의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 착용형 손 외골격 장치의 손가락 신전시 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 착용형 손 외골격 장치의 손가락 움직임시 관절 각도 측정의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 착용형 손 외골격 장치의 전체적인 구조를 보인 사시도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
부가적으로, 각 도면에 걸쳐 표시된 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 본 발명의 설명된 실시예의 논의를 불필요하게 불명료하도록 하는 것을 피하기 위해 공지된 특징 및 기술의 상세한 설명은 생략될 수 있다. 본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 착용형 손 외골격 장치의 상기 목적에 대한 기술적 구성 및 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.
먼저, 도 1은 본 발명에 따른 착용형 손 외골격 장치의 측면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 착용형 손 외골격 장치의 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 착용형 손 외골격 장치의 손가락 신전시 사시도이다.
하기 도면의 도 1 내지 도 3에서 착용형 손 외골격 장치는 손의 검지 손가락에만 설치된 것으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니고 손의 모든 손가락에 동일하게 설치되는 것이며, 도면의 이해를 쉽게 하기 위하여 외골격 장치의 일부분만 도시하였다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 착용형 손 외골격 장치(100)는 복수의 관절 지지부(110)와, 각 관절 지지부(110)를 연결하는 플렉시블 바(120)와, 상기 플렉시블 바(120)에 안내되어 일단부가 관절 지지부(110)에 결합된 케이블(130)과, 상기 케이블(130)의 타단부가 결합되어 복수의 관절 지지부(110) 후방에 장착된 엑추에이터(140)를 포함한다.
상기 관절 지지부(110)와 엑추에이터(140)는 사용자가 손에 착용 가능한 장갑 등과 같은 착용형 부재 상에 결합되어 사용자의 손에 장착될 수 있으며, 장갑 외에 손에 착용 가능한 별도의 강체에 장착된 상태일 수 있다.
상기 관절 지지부(110)는 각 손가락의 관절을 연결하는 마디 상에 분리되어 결합되며, 엑추에이터(140)는 복수의 관절 지지부(110) 후방의 일 지점에 결합될 수 있다. 즉, 관절 지지부(110)는 착용형 부재의 손가락 부위에 복수개가 장착되고, 엑추에이터(140)는 손가락이 연장된 손등 부위에 장착되는 것이 바람직하다.
상기 관절 지지부(110)의 결합 구조를 이해하기 위한 손가락의 구조를 간략히 살펴보면, 엄지를 제외한 손가락은 세 개의 뼈인 끝마디뼈, 중간마디뼈 및 첫마디뼈(distal, middle and proximal phalanx)와 세 개의 관절인 근위지절간 관절[proximal interphalangeal (PIP) joint], 중추지절 관절[metacarpophalangeal (MCP) joint] 및 원위지절간 관절[distal interphalangeal (DIP) joint]를 갖는다. 엄지는 오직 두 개의 뼈인 끝마디뼈와 첫마디뼈, 그리고 두 개의 관절인 지절간관절[interphalangeal (IP) joint]과 MCP 관절을 갖는다. 중수골(Metacarpal phalanx bones)은 수근중수관절[carpometacarpal (CMC) joint]에서 손목과 만난다. PIP와 DIP 관절을 포함하는 IP 관절은 굴곡/신장(flexion/extension) 움직임을 위해 1-자유도를 갖고, MCP 관절은 굴곡/신장 및 내전/외전(abduction/adduction) 움직임을 위해 2-자유도를 갖는다.
이와 같은 손가락의 구조를 토대로 상기 관절 지지부(110)는 엄지 손가락을 제외한 각 손가락의 PIP, MCP 및 DIP에 결합 가능한 세 개의 관절 지지부(110)로 구성되며, 엄지 손가락은 IP 및 MCP에 결합 가능한 두 개의 관절 지지부(110)로 구성되어 각 손가락에 총 14개의 관절 지지부(110)가 결합될 수 있다.
각 관절 지지부(110)는 손가락의 각 관절을 연결하는 마디 상에 수직으로 결합되며, 하단부에 관절 연결구(111)를 통해 착용형 부재 상에 결합된다. 상기 관절 지지부(110)는 내부에 로드셀(112)이 장착되고, 로드셀(112)의 상부에 포텐셔미터(113)가 설치된다.
또한, 포텐셔미터(113)는 로터리식으로 회전하는 원형 포텐셔미터로 구성됨에 있어, 회동 가능하게 결합된 복수의 링크(114) 일단부가 포텐셔미터(113)에 연결되고 복수의 링크(114) 타단부가 인접한 관절 연결구(111) 상에 연결된다. 복수의 링크(114)는 손가락의 움직임시 회동 부위를 중심으로 관절의 움직임을 따른 관절 지지부(110)와 연동되어 구동된다. 이때, 상기 복수의 링크(114)는 두 개의 링크로 구성될 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 링크(114)와 관절 지지부(110) 및 관절 연결구(111)를 연결하는 4절 링크 구조를 이용하여 손가락 움직임시 각 관절의 굴곡 각도를 계산할 수 있다.
이때, 도 4는 본 발명에 따른 착용형 손 외골격 장치의 손가락 움직임시 관절 각도 측정의 구성도이다.
손가락의 관절 각도 계산에 대해서는 케이블을 이용한 외력 측정 방식을 포함하여 이하에서 좀 더 자세하게 설명하기로 한다.
상기 각 관절 지지부(110)의 포텐셔미터(113) 하부에는 로드셀(112)이 설치된다. 로드셀(112)은 관절 연결구(111) 상에 관절 지지부(110)를 지지하는 케이블 연결판(115) 상에 장착될 수 있다.
또한, 상기 각 관절 지지부(110)는 상단부에 플렉시블 바(120)와 케이블(130)이 관통 결합된다. 플렉시블 바(120)는 소정 곡률을 가지고 휘어질 수 있는 카본 재질로 구성될 수 있으며, 케이블(130)을 안내하여 케이블(130)의 일단부가 각 손가락의 끝마디측 관절인 원위지절간 관절(DIP) 상에 설치된 관절 지지부(110)와 결합된다. 이때, 케이블(130)의 일단부는 관절 지지부(110)에 결합될 때 하부측으로 연장되어 케이블 연결판(115)에 결합될 수 있다.
상기 관절 지지부(110)에 관통 결합된 플렉시블 바(120)와 케이블(130)은 손등 측에 설치된 엑추에이터 지지부(150)와 엑추에이터(140)와 결합된다. 엑추에이터 지지부(150)와 엑추에이터(140)는 손등 측에 결합되는 손등 연결부(116) 상에 수직 설치될 수 있으며, 엑추에이터(140)는 일방향 또는 양방향 구동되는 모터가 내장되고, 상단부에 풀리(141)가 구비된다. 그리고, 엑추에이터(140)의 풀리(141)에는 관절 지지부(110)와 엑추에이터 지지부(150)의 상단부에 관통된 케이블(130)의 타단부가 결합된다.
이와 같이 구성된 본 실시예의 착용형 손 외골격 장치(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 손가락을 구부렸을 때 각 관절에 결합된 관절 지지부(110)가 손가락의 움직임을 따라 유동되며, 관절 지지부(110)의 위치 변화에 따라 플렉시블 바(120)의 곡률이 변화되며 아치형으로 휘어지게 된다. 즉, 손가락의 구부러짐 정도와 동일 또는 유사하게 휘어짐이 발생될 수 있다.
앞에서도 언급되었듯이 플렉시블 바(120)는 유연성과 탄력이 구비된 카본 재질로 구성됨에 따라 관절 지지부(110)의 위치 변화시 탄성적인 휨이 발생된다.
이때, 각 관절에 설치된 관절 지지부(110)의 포텐셔미터(113)와, 포텐셔미터와 회동 가능하게 결합된 2개의 링크(114)를 통해 각 관절의 움직임 각도, 즉 관절간의 구부러진 각도를 계산할 수 있으며, 각 관절의 각도는 도 4를 참조한 아래의 수학식 1을 통해 계산될 수 있다.
Figure 112015076837281-pat00002
여기서, ψ1 : 손가락 관절 각도,
θ1 : 포텐셔미터의 회동 각도,
γ1, ζ1, η1 : 링크의 회절 각도,
ω1 : 손등 연결구의 수평면에서 링크 결합 위치와의 각도이다.
이와 같이, 손가락의 각 관절에 결합된 관절 지지부(110)의 포텐셔미터(113)를 통해 각 손가락의 움직임을 정밀하게 측정할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 착용형 손 외골격 장치는 손가락의 움직임에 의한 근육힘을 추정할 수 있다. 손가락의 가해지는 외부의 힘, 즉 외력의 측정은 관절 지지부(110)에 설치된 로드셀(112)을 통해 측정될 수 있으며, 각 관절 지지부(110)에 가해지는 외력을 통해 손가락의 근육힘을 추정할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예는 손가락의 굽힘시 케이블(130)이 손가락의 움직임에 따라 엑추에이터(140)의 풀리(141)로부터 풀리면서 연장되고, 손가락의 힘 측정시에는 엑추에이터(140)를 구동시켜 케이블(130)에 장력을 인가한다. 즉, 손가락의 끝마디측 관절에 결합된 관절 지지부(110)의 케이블 연결판(115)에 고정된 케이블(130)을 엑추에이터(140)의 구동에 의해 당기게 되는 장력에 의한 외력이 작용하게 되고, 그 외력에 견디는 힘으로 손가락의 힘을 측정할 수 있다.
또한, 다른 관절인 PIP, MCP에 설치된 관절 지지부(110)에 작용하는 외력을 플렉시블 바(120)가 분산시키게 되고, 그 분산된 외력의 방향은 손가락 관절의 특성상 케이블(130)이 연결된 관절 지지부(110)의 외력 방향과 반대 방향으로 작용하게 된다.
이때, 각 관절 지지부(110)에 가해지는 외력은 케이블 연결판(115)과 포텐셔미터(113) 사이에 설치된 로드셀(112)을 통해 실시간으로 측정될 수 있다.
다음, 도 5는 본 발명에 따른 착용형 손 외골격 장치의 전체적인 구조를 보인 사시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 착용형 손 외골격 장치(100)는 착용형 부재의 각 손가락 상에 다수의 관절 지지부(110)가 관절마다 관절 연결구(111)를 통해 결합되고, 각 손가락의 관절 지지부(110) 후방에 케이블이 연결된 엑추에이터(140)가 설치된다. 이하 관절 지지부와 엑추에이터의 구동 관계 및 포텐셔미터와 로드셀을 이용한 손가락의 움직임 및 힘 측정 구조에 대해서는 앞서 설명한 바와 중복되기 때문에 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예의 착용형 손 외골격 장치(100)는 사용자의 손목에 대응하는 위치에 손목각도 측정부(160)를 더 포함할 수 있다.
상기 손목각도 측정부(160)는 손등 상에 설치된 손목 고정부(165)에 아치형으로 구성되고, 손목 고정부(165)와 회동축(손목 고정부 내부에 설치됨)을 중심으로 결합된다. 손목각도 측정부(160)는 손목의 굴곡(flexion)과 신전(extension)은 회동축을 중심으로 회전되며 측정되며, 이때, 손목의 굴곡과 신전은 회동축 상에 임의 지점에 포텐셔미터(도면 미도시)를 설치하여 측정할 수 있다.
또한, 손목각도 측정부(160)는 손목을 돌리면서 발생되는 손목의 굽힘(pronation)과 폄(supination) 구동이 이루어질 수 있다. 손목각도 측정부(160)의 굽힘과 폄 구동은 아치형 구조의 내측부(161)와 외측부(162)가 레일을 따라 구동되는 구조로 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
110. 관절 지지부, 111. 관절 연결부, 112. 로드셀
113. 포텐셔미터, 114. 링크, 115. 케이블 연결판
116. 손등 연결구, 120. 플렉시블 바, 130. 케이블
140. 엑추에이터, 141. 풀리, 150. 엑추에이터 지지구
160. 손목각도 측정부

Claims (8)

  1. 각 손가락의 관절 부위 상에 분리되어 결합되는 복수의 관절 지지부;
    상기 각 손가락에 결합된 상기 관절 지지부들끼리 연결하며, 상기 손가락의 움직임에 따라 탄성적으로 휨 구동되는 복수의 플렉시블 바;
    상기 복수의 플렉시블 바에 안내되어 일단부가 상기 각 손가락에 결합된 상기 복수의 관절지지부 중 하나의 관절 지지부에 결합되고, 상기 각 손가락에 외력을 가해지도록 하는 복수의 케이블; 및
    상기 복수의 관절 지지부 후방에 각각 설치되어 상기 케이블의 타단부가 결합된 복수의 엑추에이터;를 포함하는 착용형 손 외골격 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관절 지지부는, 관절 연결구 상에 수직으로 설치되며, 내부에 로드셀이 장착되고 상기 로드셀의 상부에 포텐셔미터가 설치되고, 상기 포텐셔미터에 일단부가 연결된 링크가 인접한 관절 연결구 상에 결합된 착용형 손 외골격 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 링크는 복수의 링크로 구성되고, 회동 부위를 중심으로 구동되며, 상기 링크와 관절 지지부 및 관절 연결구를 연결하는 4절 링크 구조를 통해 상기 손가락의 관절 각도가 아래의 수학식을 이용하여 계산되는 착용형 손 외골격 장치.
    수학식
    Figure 112015076837281-pat00003

    여기서, ψ1 : 손가락 관절 각도,
    θ1 : 포텐셔미터의 회동 각도,
    γ1, ζ1, η1 : 링크의 회절 각도,
    ω1 : 손등 연결구의 수평면에서 링크 결합 위치와의 각도
  4. 제2항에 있어서,
    상기 로드셀은 상기 관절 지지부 하부에 구비된 케이블 연결판 상에 설치되며, 상기 케이블 연결판 상에 상기 케이블의 일단부가 연결되어 상기 케이블의 장력이 상기 로드셀에 인가되는 착용형 손 외골격 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 관절 지지부는, 상기 플렉시블 바와 케이블이 상단부에 관통 결합되며, 상기 케이블의 일단부가 상기 각 손가락의 원위지절간 관절(DIP) 상에 설치된 관절 지지부에 결합되는 착용형 손 외골격 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 플렉시블 바는 상기 관절 지지부 후방의 손등 연결부 상에 설치된 엑추에이터 지지부 상부에 결합되고, 상기 케이블은 상기 엑추에이터 지지부를 관통하여 상기 엑추에이터의 풀리에 권취되어 상기 엑추에이터의 구동에 의해 장력이 인가되는 착용형 손 외골격 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 관절 지지부는, 상기 손가락의 신전시 상기 플렉시블 바에 의해 외력이 분산되고, 상기 링크와 연동되는 상기 포텐셔미터에 의해 상기 원위지절간 관절(DIP)을 비롯한 근위지절간 관절(PIP) 및 중추지절 관절(MCP)의 굽힘 각도를 측정하는 착용형 손 외골격 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 착용형 손 외골격 장치는, 사용자의 손목에 대응하는 위치에 아치형으로 형성되어 회동축을 중심으로 굴곡(flexion)과 신전(extension) 및, 굽힘(pronation)과 폄(supination) 구동을 측정할 수 있는 손목각도 측정부를 더 포함하는 착용형 손 외골격 장치.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190110784A (ko) * 2018-03-21 2019-10-01 경북대학교 산학협력단 협조운동을 위한 손 재활 로봇 시스템
KR102293693B1 (ko) 2020-12-28 2021-08-24 금오공과대학교 산학협력단 하지 외골격 로봇의 보조아암에 설치되는 직렬 탄성 구동기
CN114734426A (zh) * 2022-03-11 2022-07-12 中国科学院自动化研究所 手部外骨骼结构控制方法、装置、电子设备及存储介质
CN117901069A (zh) * 2024-02-02 2024-04-19 山东师范大学 具有屈曲伸展和内收外展功能的串并联食指外骨骼及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008067852A (ja) * 2006-09-13 2008-03-27 Gifu Univ 上肢手指機能回復訓練装置
JP2010240285A (ja) * 2009-04-09 2010-10-28 Univ Of Tsukuba 装着式動作補助装置
KR101515951B1 (ko) 2013-12-02 2015-05-04 주식회사 피앤에스미캐닉스 손가락 운동 장치
KR101541082B1 (ko) * 2015-01-23 2015-08-03 주식회사 네오펙트 손 재활 운동 시스템 및 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008067852A (ja) * 2006-09-13 2008-03-27 Gifu Univ 上肢手指機能回復訓練装置
JP2010240285A (ja) * 2009-04-09 2010-10-28 Univ Of Tsukuba 装着式動作補助装置
KR101515951B1 (ko) 2013-12-02 2015-05-04 주식회사 피앤에스미캐닉스 손가락 운동 장치
KR101541082B1 (ko) * 2015-01-23 2015-08-03 주식회사 네오펙트 손 재활 운동 시스템 및 방법

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190110784A (ko) * 2018-03-21 2019-10-01 경북대학교 산학협력단 협조운동을 위한 손 재활 로봇 시스템
KR102293693B1 (ko) 2020-12-28 2021-08-24 금오공과대학교 산학협력단 하지 외골격 로봇의 보조아암에 설치되는 직렬 탄성 구동기
CN114734426A (zh) * 2022-03-11 2022-07-12 中国科学院自动化研究所 手部外骨骼结构控制方法、装置、电子设备及存储介质
CN114734426B (zh) * 2022-03-11 2024-05-24 中国科学院自动化研究所 手部外骨骼结构控制方法、装置、电子设备及存储介质
CN117901069A (zh) * 2024-02-02 2024-04-19 山东师范大学 具有屈曲伸展和内收外展功能的串并联食指外骨骼及方法

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