KR101802433B1 - 다양한 하중의 상지 재활 보조 장치와 결합이 가능한 어깨 관절 추종 및 중력 보상 장치 - Google Patents

다양한 하중의 상지 재활 보조 장치와 결합이 가능한 어깨 관절 추종 및 중력 보상 장치 Download PDF

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Abstract

어깨 관절 추종 장치는 지면에서 수직하게 기립되어 있으며, 어깨 관절 추종 장치를 포함하고 있는 복수의 기구 프레임 중 어느 하나의 기구 프레임의 일측에 연결되어 있는 수직축; 수직축에 상하 직선 운동 가능하게 결합되는 수직 방향 추종부; 일측은 수직 방향 추종부에 결합되어 있고, 타 측은 기구 프레임에 결합되어 있으며, 사용자의 상지 무게인 제1 하중을 지탱하여 상기 제1 하중을 보상하는 제1 하중지지 스프링부; 및 일측은 수직 방향 추종부에 결합되어 있고, 타 측은 기구 프레임에 결합되어 있으며, 사용자가 착용한 재활 보조 장치 무게인 제2 하중을 지탱하여 제2 하중을 보상하는 제2 하중지지 스프링부를 포함한다.

Description

다양한 하중의 상지 재활 보조 장치와 결합이 가능한 어깨 관절 추종 및 중력 보상 장치{A shoulder joint tracking and gravity compensating device for upper limb rehabilitation devices of various weight}
본 발명은 다양한 하중의 상지 재활 보조 장치와 결합이 가능한 어깨 관절 추종 및 중력 보상 장치에 관한 것이다.
최근 다양한 어깨 관절 질환을 앓는 환자의 수가 크게 증가하면서, 어깨 재활에 대한 관심이 높아지고 있다. 어깨 재활을 위하여 다양한 상지 재활 장치가 개발되어 사용되고 있으나, 팔 각도에 따른 어깨 관절의 위치 변화를 허용하지 않아 어깨 관절의 움직임을 구속하여 재활해야 한다는 문제점이 있다. 이 경우, 어깨 관절의 가동 범위가 제한되고 경우에 따라 어깨 통증을 유발하기도 한다.
따라서, 어깨 관절의 움직임을 구현하기 위하여, 구동기를 추가로 이용하고 있다. 그러나, 구동기의 사용으로 인해 상지 재활 장치의 부피가 커지고 가격이 비싸져서, 병원이나 임상 현장에서 사용 및 유지가 어려운 문제점이 있다.
상지 무게를 보상하면 어깨 관절의 움직임이 자유로워져 재활의 효과를 높일 수 있다. 구동기를 사용하지 않고 팔 무게를 보상할 수 있는 기존 방법으로는 줄을 도르래에 걸어 상지 재활 장치와 팔의 각 부분의 무게를 받치는 카운터 밸런스(counter-balance) 방법이 있다. 카운터 밸런스 방법은 줄을 걸기 위해 재활 장치와 별도로 높은 틀을 필요로 하기 때문에, 번거로운 문제점이 있다.
이를 해결하기 위하여 어깨 관절 추종 기능이 없는 일반 상지 재활 보조 장치에 결합하고 스프링을 이용하여 상지 및 재활 보조 장치의 하중을 지탱하는 수동형 중력 보상 및 견관절 추종 장치를 이용하여 어깨 관절을 재활하는 방법이 연구되었다. 그러나 이 방법에서 사용되는 중력보상 및 견관절 추종 장치 즉, 재활 보조 장치는 10kg 이내의 가벼운 상지 로봇 장치에만 적용이 가능하기 때문에, 사용 범위가 한정된다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 고중량의 재활 보조 장치와 결합이 가능한 어깨 관절 추종 및 중력 보상 장치를 제공한다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징인 어깨 관절 추종 장치는,
지면에서 수직하게 기립되어 있으며, 상기 어깨 관절 추종 장치를 포함하고 있는 복수의 기구 프레임 중 어느 하나의 기구 프레임의 일측에 연결되어 있는 수직축; 상기 수직축에 상하 직선 운동 가능하게 결합되는 수직 방향 추종부; 일측은 상기 수직 방향 추종부에 결합되어 있고, 타 측은 상기 기구 프레임에 결합되어 있으며, 사용자의 상지 무게인 제1 하중을 지탱하여 상기 제1 하중을 보상하는 제1 하중지지 스프링부; 및 일측은 상기 수직 방향 추종부에 결합되어 있고, 타 측은 상기 기구 프레임에 결합되어 있으며, 상기 사용자가 착용한 재활 보조 장치 무게인 제2 하중을 지탱하여 상기 제2 하중을 보상하는 제2 하중지지 스프링부를 포함한다.
상기 제1 하중지지 스프링부는, 상기 복수의 기구 프레임 중 어느 하나의 기구 프레임에 설치되어 있는 적어도 하나 이상의 지지대; 상기 복수의 기구 프레임 중 어느 하나의 기구 프레임에 설치되어 있으며, 설치된 기구 프레임 상에서 상하 또는 앞뒤로 이동하는 스프링 고정점; 및 일측이 상기 수직 방향 추종부에 연결되어 있고, 다른 일측은 상기 스프링 고정점에 연결되어 있으며, 상기 하나 이상의 지지대에 걸쳐 상기 제1 하중을 보상하는 상지 하중지지 스프링을 포함할 수 있다.
상기 제2 하중지지 스프링부는, 상기 복수의 기구 프레임 중 어느 하나의 기구 프레임에 설치되어 있는 적어도 하나 이상의 지지대; 및 일측이 상기 수직 방향 추종부에 연결되어 있고, 다른 일측은 상기 기구 프레임에 연결되어 있으며, 상기 적어도 하나 이상의 지지대에 걸쳐 있어 상기 제2 하중을 보상하는 장치 하중지지 스프링을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨 관절 추종 장치는 팔에 장착된 재활 보조 장치에 직접 중력의 반대 방향으로 힘을 가해주어 상지에 작용하는 중력을 보상할 수 있고, 팔의 움직임에 따라 중력 보상을 위해 별도의 제어를 필요로 하지 않아, 뇌졸중, 척추손상, 근육병 환자를 비롯하여 어깨근육이 약화된 환자들의 어깨 관절 아탈구(Subluxation)로 인한 통증을 줄이고 팔의 움직임을 보조하여 재활 운동의 효과를 높이고 및 일상생활의 만족도를 높이는 효과가 있다.
또한, 어깨 관절 추종 기능이 없는 기존의 상지 재활 로봇 장치에 결합되어 어깨 관절을 추종할 수 있도록 함으로써 기존 재활 로봇 장치들의 사용 효과를 증대할 수 있다. 또한, 가벼운 재활 보조 장치뿐만 아니라 고하중의 재활 보조 장치와 같이 다양한 무게의 재활 보조 장치에 결합 가능하므로, 활용성을 높이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 어깨 관절 추종 장치의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 장치 상승에 따른 스프링 힘 변화의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상지 스프링 세팅 변경에 대한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 어깨 관절 추종 장치가 장착된 기구 프레임의 예시도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 도면을 참조로 하여, 본 발명의 실시예에 따른 고중량의 재활 보조 장치와 결합이 가능한 어깨 관절 추종 및 중력 보상 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 어깨 관절 추종 장치의 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 어깨 관절 추종 장치(100)는 수직축(110), 수직 방향 추종부(120), 제1 하중지지 스프링부(130) 및 제2 하중지지 스프링부(140)를 포함하며, 지면 상에 수직으로 위치할 수 있도록 기구 프레임(150)의 한 측에 설치되며, 기구 프레임의 전체적인 구조는 여러 형태로 구현될 수 있으므로 본 발명의 실시예에서는 어느 하나의 구조로 한정하여 설명하지 않는다.
수직축(110)은 지면에서 수직으로 기립된 상태로 구비되며, 어깨 관절 추종 장치(100)의 기본 축을 형성한다.
수직 방향 추종부(120)는 수직축(110)이 관통된 상태로 수직축(110)에 결합되며, 수직축(110)을 중심으로 상하 이동이 가능하다. 본 발명의 실시예에서는 수직 방향 추종부(120)가 수직축(110)에 관통되어 결합된 것을 예로 하여 설명하나, 장치 설계 따라 수직축(110)에 관통되지 않더라도 다양한 방식으로 결합되는 수직 방향 추종부(120)를 구현할 수 있으므로, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
그리고 수직 방향 추종부(120)의 상단의 수직축(110) 상에 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치가 장착되도록 하는 장착부(도면 미도시)와 수평 방향 추종 장치(도면 미도시)가 추가로 구비되어 있을 수 있으며, 이에 대한 사항은 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다.
제1 하중지지 스프링부(130)는 사용자의 상지 무게(이하, '제1 하중'이라고도 지칭함)를 지탱하여 사용자가 어깨 재활을 위한 동작을 용이하게 할 수 있도록 하며, 적어도 하나 이상의 지지대(131), 상지 하중지지 스프링(132) 및 스프링 고정점(133)을 포함한다.
상지 하중지지 스프링(132)의 한쪽 측면은 수직 방향 추종부(120)에 연결되고 반대쪽 측면은 스프링 고정점(133)을 통해 기구 프레임(150)에 연결되어 있다. 이때, 상지 하중지지 스프링(132)은 지지대(131)에 지지되어 설치되고, 스프링의 탄성력에 의해 상지 하중을 지탱하여 주기 위하여, 미리 설정된 하중 보상 감소율을 가지며 사용자의 상태에 따라 스프링의 추가가 편리하도록 인장 스프링을 사용하는 것을 예로 하여 설명한다. 본 발명의 실시예에서는 하중 보상 감소율을 어느 하나의 수치로 한정하여 설명하지 않는다.
지지대(131)는 기구 프레임(도면 미도시, 150의 연장 형태)의 일측에 설치되어 있으며, 설치 위치는 기구 프레임의 제작에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 두 개의 지지대(131)를 도시하였으나, 설계시 상지 하중지지 스프링(132)의 경로에 따라 하나의 지지대(131)만 구비되거나 두 개 이상의 복수의 지지대(131)가 구비될 수도 있다. 따라서 지지대(131)의 수를 어느 하나의 수로 한정하지 않는다.
그리고 스프링 고정점(133)은 기구 프레임에서 이동이 가능하며, 사용자에 따라 제1 하중지지 스프링부(130)의 설정이 변경되면 기구 프레임(150) 상에서의 위치를 변경하여 상지 하중지지 스프링(132)의 평형점의 위치에 변화를 준다. 여기서 사용자의 상지 무게에 따라 변경되는 기구 프레임 상의 스프링 고정점(133)의 위치는 설계에 따라 다양하게 변경될 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 어느 하나의 형태로 한정하여 설명하지 않는다.
이때, 제1 하중지지 스프링부(130)의 설정은 사용자의 상지 무게가 달라지는 경우 외에도 사용자에 따라 어깨 관절의 수직 운동 범위가 달라지는 경우, 또는 사용자의 어깨 질환 정도에 따라 중력 보상 허용 오차율을 변경해주어야 하는 경우 등 다양한 경우에 제1 하중지지 스프링부(130)의 설정 변경이 요구된다. 이에 따라 스프링 고정점(133)의 위치도 변경되어야 한다. 여기서, 본 발명의 실시예에서는 사용자의 상태에 따라 변경되는 스프링 고정점(133)의 위치는 어느 하나의 값으로 변경 정도가 고정되어 결정되는 것이 아니므로, 변경 수치나 변경 정도를 한정하여 설명하지 않는다.
제2 하중지지 스프링부(140)는 사용자가 착용한 재활 보조 장치의 무게(이하 '제2 하중'이라고도 지칭함)를 지탱하여 사용자가 어깨 재활을 위한 동작을 수행할 때, 재활 보조 장치 무게에 따른 사용자 상지에 가해지는 힘이 증가되지 않도록 한다. 이러한 제2 하중지지 스프링부(140)는 적어도 하나 이상의 지지대(141) 및 장치 하중지지 스프링(142)을 포함한다.
장치 하중지지 스프링(142)의 한쪽 측면은 수직 방향 추종부(120)에 연결되고 반대쪽 측면은 기구 프레임(150)의 한측에 연결되어 있다. 이때, 장치 하중지지 스프링(142)은 적어도 하나 이상의 지지대(141)에 지지되어 설치되고, 스프링의 탄성력에 의해 장치 무게를 지탱하여 주기 위하여, 매우 낮은 하중 보상 감소율을 가지는 스프링 상수를 갖는 스프링을 사용하는 것을 예로 하여 설명한다.
이때, 상지 하중지지 스프링(132)이 사용자의 상태에 따라 추가되거나 추가된 스프링이 제거될 때의 세팅 변경에 대하여 도 3을 참조로 먼저 설명한다. 본 발명의 실시예에서는 재활 보조 장치의 하중은 변하지 않으므로 장치 하중지지 스프링(142)은 추가하거나 제거하지 않고, 상지 하중은 사용자에 따라 빈번하게 변경되기 때문에 상지 하중지지 스프링(132)만 추가하거나 제거하는 것을 예로 하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상지 스프링 세팅 변경에 대한 예시도이다.
도 3의 (a)는 기본 상태로 상지 하중지지 스프링(132)과 장치 하중지지 스프링(142)이 각각 하나씩 구현되어 있는 스프링 세팅 상태를 도시한 예시도이다. 그리고 도 3의 (b)와 (c)는 상지 하중지지 스프링(132)이 추가된 상태를 도시한 예시도이다.
도 3의 (a)에 나타낸 수직 방향 추종부(120)의 위치와 상지 하중지지 스프링(132)과 장치 하중지지 스프링(142)의 상태가 기본 상태라 가정한다. 그리고 재활을 위한 사용자가 바뀌어 지지할 상지 하중 및 어깨 관절 수직 운동 범위가 변화한 경우, 또는 동일한 사용자라 하더라도 어깨 관절 증상이 변화하여 중력 보상 허용 오차 값이 변경되는 경우 상지 하중지지 스프링(132)의 세팅을 도 3의 (b)와 같이 변경하게 된다.
도 3의 (b)에서는 상지 하중지지 스프링(132)의 기본 한 줄에서 두 줄로 추가한 것을 나타낸 것이다. 상지 하중지지 스프링(132)이 추가되면 수직 방향 추종부(120)의 위치도 스프링 상수 변화에 따라 상하로 이동하게 된다. 도 3의 (b)에서는 수직 방향 추종부(120)가 수직축(110)을 따라 지면 방향으로 이동한 것을 나타낸 것이다.
그리고 도 3의 (b)와 같이 수직 방향 추종부(120)의 변경된 위치를 도 3의 (a)와 같이 기본 위치로 옮기기 위하여, 기구 프레임에 설치되어 있는 스프링 고정점(133)을 상하 또는 앞뒤로 이동시킨다. 스프링 고정점(133)이 이동되는 기구 프레임(150) 상에는, 변경 가능한 제1 하중지지 스프링 즉, 상지 하중지지 스프링(132)의 세팅 상태에 따른 스프링 고정점(133)의 위치(예를 들어, 눈금자 형태 등)가 표시되어 있어(도면 미도시), 사용자로 하여금 스프링 고정점(133)의 위치 결정을 용이하게 할 수 있도록 한다. 기구 프레임(150) 상에 표시되는 스프링 고정점(133)의 위치 형태는 장치 설계에 따라 다양하게 구현할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 어느 하나의 형태로 한정하지 않는다.
스프링 고정점(133)의 이동에 따라 수직 방향 추종부(120)의 위치는 도 3의 (c)와 같이 기본 위치로 이동하게 되므로, 보상 하중과 스프링 힘 간의 평형점의 위치를 일정하게 유지할 수 있다.
여기서 상지 하중지지 스프링(132)과 장치 하중지지 스프링(142)은 어깨 관절의 수직 이동 범위와 보상하고자 하는 하중에 따라 스프링 상수(k)가 다음 수학식 1에 의해 결정된다.
Figure 112015109031936-pat00001
여기서, k는 총 스프링 상수, s는 어깨 관절의 수직 이동 범위, E는 중력 보상 허용 오차로 어깨 관절의 수직 이동 범위 내에서 스프링 힘이 변화할 때 보상력의 최대값과 최소값의 허용되는 차이값으로, 총 보상 하중인 Wmax에서 최저 보상 하중인 Wmin을 뺀 값으로 계산된다. 그리고 e는 중력 보상 허용 오차율로, 상지 하중지지 스프링(132)과 장치 하중지지 스프링(142)의 총 보상 하중에 대한 중력 보상 허용 오차의 비율로 계산된다. 총 보상 하중 Wmax는 상지 하중과 재활 보조 장치의 하중의 합으로 계산된다.
이와 같이 상지 하중지지 스프링(132)과 장치 하중지지 스프링(142)의 스프링 상수는 수학식 1을 통해 각각 결정될 수 있다.
한편, 상기 도 1을 이어 설명하면, 장치 하중지지 스프링(142)이 스프링의 탄성력에 의해 장치 무게를 지탱하여 주기 위하여 매우 낮은 하중 보상 감소율을 가지는 스프링 상수를 갖는 스프링을 사용하는 것에서, 하중 보상 감소율의 높고 낮음의 기준은 본 발명의 실시예에서는 어느 하나로 한정하여 설명하지 않으며, 장치 설계에 따라 하중 보상 감소율이 달라질 수 있다.
즉, 상지 하중지지를 위한 스프링(132)과 재활 보조 장치 하중지지를 위한 스프링(142)을 하나의 스프링으로 구현하는 경우, 상기 수학식 1의 중력 보상 허용 오차율 e가 하나로 설정되기 때문에, 재활 보조 장치의 무게가 상지 무게에 비해 매우 무거워지게 될 경우 어깨의 최고점, 즉 사용자가 어깨를 들어 재활 보조 장치가 최고점에 위치할 경우 감소한 스프링 힘만큼을 사용자의 어깨에서 부담지게 된다.
반면, 본 발명의 실시예와 같이 상지 하중지지를 위한 스프링과 재활 보조 장치 하중지지를 위한 스프링을 분리하여 각각 구비하는 경우, 재활 보조 장치 하중지지를 위한 스프링은 낮은 중력 보상 허용 오차율을 가지는 스프링 상수를 갖도록 구현할 수 있다. 이는 다음 수학식 2를 통해 확인할 수 있다.
Figure 112015109031936-pat00002
여기서, Warm은 사용자 상지 하중을 의미하고, Wdevice는 재활 보조 장치의 하중을 의미한다. earm은 상지 하중지지 스프링에 대한 중력 보상 허용 오차율이고, edevice는 장치 하중지지 스프링에 대한 중력 보상 허용 오차율을 의미한다.
Wmax는 총 보상 하중으로, 수학식 1과 같이 사용자 상지 하중과 재활 보조 장치의 하중의 합으로 계산된다. Wmin는 최저 보상 하중으로 어깨 관절의 수직 운동 범위 내에서 상지 하중지지 스프링과 장치 하중지지 스프링의 최소 보상력의 합으로 계산된다.
△W은 어깨 관절의 수직 운동 범위 내에서 스프링을 통해 보상되는 하중이 변화하는 범위를 의미하며, 총 보상 하중과 최소 보상 하중의 차로 계산된다. 어깨 관절의 움직임 동안에 사용자의 어깨가 부담해야 하는 최대 하중과 동일하다.
이와 같이 장치 하중지지 스프링(142)의 중력 보상 허용 오차율을 상지 하중지지 스프링(132)보다 작게 설정하여 스프링을 통해 보상되는 하중의 변화에 대한 재활 보조 장치 하중의 영향을 줄여주면, 재활 보조 장치의 하중이 무거워져도 사용자의 팔에 가해지는 힘이 크게 증가하지 않는다.
한편, 제2 하중지지 스프링부(140)의 지지대(141)는 기구 프레임 또는 수직 방향 추종부(120) 중 어느 하나의 일측에 설치되어 있으며, 설치 위치는 기구 프레임의 제작에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 두 개의 지지대(141)를 도시하였으나, 설계 시 장치 하중지지 스프링(142)의 경로에 따라 하나의 지지대(141)만 구비되거나 두 개 이상의 복수의 지지대(141)가 구비될 수도 있다. 따라서 지지대(141)의 수를 어느 하나의 수로 한정하지 않는다.
이때, 재활 보조 장치의 장치 상승/하강에 따라 상지 하중지지 스프링(132)과 장치 하중지지 스프링(142)의 스프링 힘 변화에 대하여 도 2를 참조로 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 장치 상승에 따른 스프링 힘 변화의 예시도이다.
도 2의 (a)는 재활 보조 장치가 최저 위치에 있을 때, 즉 사용자가 상지를 내리고 있는 상태에서의 스프링 힘 변화를 나타낸 것이다. 그리고 도 2의 (b)는 재활 보조 장치가 최고 위치에 있을 때, 즉 사용자가 상지를 올리고 있는 상태에서의 스프링 힘 변화를 나타낸 것이다.
도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 재활 보조 장치가 최저 위치에 있을 때 상지 하중지지 스프링(132)과 장치 하중지지 스프링(142)의 변형량이 최대로 되어 스프링에 최대의 힘이 가해진다. 이와 더불어 수직 방향 추종부(120)는 수직측(110)을 기준으로 지면 방향으로 이동하게 된다.
한편, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 재활 보조 장치가 최고 위치에 있을 때, 즉, 사용자가 상지를 들고 있는 경우 상지 하중지지 스프링(132)과 장치 하중지지 스프링(142)의 변형량이 최소가 되어 스프링에 가해지는 힘이 최소가 된다. 여기서, 장치 하중지지 스프링(142)은 상지 하중지지 스프링에 비해 스프링 상수가 작게 설정되어 있으므로, 재활 보조 장치의 위치 변화에 따른 스프링 힘의 변화율이 상지 하중지지 스프링(132)에 비해 작게 된다. 이와 더불어 수직 방향 추종부(120)는 수직측(110)을 기준으로 지면 반대방향으로 상승 이동하게 된다.
이상에서 설명한 어깨 관절 추종 장치(100)를 포함하는 전체 기구 프레임의 예에 대해 도 4를 참조로 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 어깨 관절 추종 장치가 장착된 기구 프레임의 예시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 기구 프레임의 일측에 어깨 관절 추종 장치(100)가 위치하고, 기구 프레임의 한쪽 측면에는 스프링 고정점(133)이, 또 다른 기구 프레임에는 장치 하중지지 스프링(142)이 연결되어 있다. 본 발명의 실시예에서는 기구 프레임에 고정되는 장치 하중지지 스프링(142)의 위치가 기구 프레임의 하단에 연결되는 것으로 설계하였으나, 상기 도 1에 나타낸 바와 같이 장치 하중지지 스프링(142)이 지면에서 수평을 이루도록 기기 프레임에 연결될 수도 있다. 또한, 어깨 관절 추종 장치의 설계에 따라 도 4에 도시되지 않은 다른 방향으로도 기구 프레임과 연결될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

  1. 어깨 관절 추종 장치에 있어서,
    지면에서 수직하게 기립되어 있으며, 상기 어깨 관절 추종 장치를 포함하고 있는 복수의 기구 프레임 중 어느 하나의 기구 프레임의 일측에 연결되어 있는 수직축;
    상기 수직축에 상하 직선 운동 가능하게 결합되는 수직 방향 추종부;
    일측은 상기 수직 방향 추종부에 결합되어 있고, 타 측은 상기 기구 프레임에 결합되어 있으며, 사용자의 상지 무게인 제1 하중을 지탱하여 상기 제1 하중을 보상하는 제1 하중지지 스프링부; 및
    일측은 상기 수직 방향 추종부에 결합되어 있고, 타 측은 상기 기구 프레임에 결합되어 있으며, 상기 사용자가 착용한 재활 보조 장치 무게인 제2 하중을 지탱하여 상기 제2 하중을 보상하는 제2 하중지지 스프링부
    를 포함하는 어깨 관절 추종 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 하중지지 스프링부는,
    상기 복수의 기구 프레임 중 어느 하나의 기구 프레임에 설치되어 있는 적어도 하나 이상의 지지대;
    상기 복수의 기구 프레임 중 어느 하나의 기구 프레임에 설치되어 있으며, 설치된 기구 프레임 상에서 상하 또는 앞뒤로 이동하는 스프링 고정점; 및
    일측이 상기 수직 방향 추종부에 연결되어 있고, 다른 일측은 상기 스프링 고정점에 연결되어 있으며, 상기 하나 이상의 지지대에 걸쳐 상기 제1 하중을 보상하는 상지 하중지지 스프링
    을 포함하는 어깨 관절 추종 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스프링 고정점의 이동에 따라 상기 수직 방향 추종부의 위치도 상기 수직축을 중심으로 상하 이동하며,
    상기 스프링 고정점이 설치되어 있는 기구 프레임에는 상기 상지 하중지지 스프링의 세팅 상태에 따른 스프링 고정점의 위치가 표시되어 있는 어깨 관절 추종 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 상지 하중지지 스프링은 인장 스프링으로 구현되는 어깨 관절 추종 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상지 하중지지 스프링은 사용자의 상지 하중, 어깨 관절 수직 운동 범위 또는 중력 보상 허용 오차 값의 변경 중 어느 하나의 경우에 따라 추가되거나 추가된 스프링이 제거되는 어깨 관절 추종 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 하중지지 스프링부는,
    상기 복수의 기구 프레임 중 어느 하나의 기구 프레임에 설치되어 있는 적어도 하나 이상의 지지대; 및
    일측이 상기 수직 방향 추종부에 연결되어 있고, 다른 일측은 상기 기구 프레임에 연결되어 있으며, 상기 적어도 하나 이상의 지지대에 걸쳐 있어 상기 제2 하중을 보상하는 장치 하중지지 스프링
    을 포함하는 어깨 관절 추종 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 하중지지 스프링부와 제2 하중지지 스프링부에 포함되어 있는 상지 하중지지 스프링과 장치 하중지지 스프링의 스프링 상수는,
    k = E / s
    e = E / Wmax
    로 계산되고,
    상기 k는 총 스프링 상수, s는 어깨 관절의 수직 이동 범위, E는 중력 보상 허용 오차(=Wmax-Wmin), Wmax는 상지 하중과 재활 보조 장치의 하중의 합이며, Wmin은 최저 보상 하중으로 어깨 관절의 수직 운동 범위 내에서 상지 하중지지 스프링과 장치 하중지지 스프링의 최소 보상력의 합인 어깨 관절 추종 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 장치 하중지지 스프링의 스프링 상수는 상기 상지 하중지지 스프링의 스프링 상수보다 작게 설정되는 어깨 관절 추종 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011098821A (ja) 2009-11-06 2011-05-19 Keio Gijuku 補償重量切換式荷重補償装置
JP2015229539A (ja) 2014-06-03 2015-12-21 学校法人慶應義塾 荷重補償装置及び補償荷重調整方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011098821A (ja) 2009-11-06 2011-05-19 Keio Gijuku 補償重量切換式荷重補償装置
JP5485656B2 (ja) 2009-11-06 2014-05-07 学校法人慶應義塾 補償重量切換式荷重補償装置
JP2015229539A (ja) 2014-06-03 2015-12-21 学校法人慶應義塾 荷重補償装置及び補償荷重調整方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11883956B2 (en) 2020-03-27 2024-01-30 Agency For Defense Development Wearable gravity compensation apparatus capable of multiple degrees of freedom of movement

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