KR101864709B1

KR101864709B1 - 상지 재활 장치

Info

Publication number: KR101864709B1
Application number: KR1020160057112A
Authority: KR
Inventors: 최준호; 김승종; 전창묵; 손충현; 박승한; 최민준
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2018-06-07
Also published as: KR20170126714A; US10058729B2; US20170326405A1

Abstract

사용자의 팔을 운동시켜 재활을 돕는 상지 재활 장치는, 연결체와, 상기 연결체에 위치 이동 가능하게 연결되는 거치대와, 상기 연결체를 위치 이동시키는 구동 장치를 포함하고, 사용자가 팔을 상기 거치대에 거치하여 상기 거치대를 움직이면, 상기 구동 장치가 구동해 상기 연결체를 상기 거치대를 따라 이동시켜, 사용자가 팔을 움직일 수 있는 워크 스페이스(work space)를 확장시킨다.

Description

상지 재활 장치{Device for Upper-limb rehabilitation}

본 발명은 상지 재활 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 재활자나 노약자의 상지 운동을 보조하여 재활을 돕는 상지 재활 장치에 관한 것이다.

신체의 노령화에 따른 노약자의 상지 근력의 기능이 약화되거나, 뇌졸증 또는 사고 등으로 근력이 상실된 환자의 근력을 강화하기 위한 재활 장비로 상지 재활 장치가 되고 있다.

특히, 뇌졸증 환자의 경우, 팔을 운동함에 있어서, 자중의 영향을 없애면 더 좋은 재활 효과를 기대할 수 있다.

그러나, 종래의 상지 재활 장치는, 외골격 형태로 팔을 감싸서 근력 강화를 보조하는 형태가 대부분인데, 이는 기기 자체의 하중을 감당함으로써 무게에 대한 부담이 발생한다.

또한, 종래 기술에 따르면, 팔을 기기에 집어넣거나 감싸는 작업이 필요하므로, 착용시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 또한, 인체 관절의 회전 축과 기기의 회전 축을 정합하도록 보정하기가 어려워 사용이 불편하며, 사용자에 따라 사용이 유연하지 않은 경우도 발생한다.

착용형 기구가 아닌 일반적인 운동 기구 형태에 링크와 모터를 적절히 부가하여 사용자가 팔을 거치한 상태로 재활 운동을 수행함으로써 자중의 영향을 최소화하는 시도가 있다.

하지만, 노약자나 환자는 신체 거동이 불편하고 근력이 약화되어 있어, 해당 기구의 자중에 의한 관성을 이기며 재활 훈련을 수행하는데 많은 어려움을 겪게 된다.

대한민국 특허공개 제10-2011-0027447호

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상지 재활 장치를 동작시키는데 드는 힘을 최소화하면서도, 사용자가 상지 재활에 필요한 동작을 수행하기 위한 워크 스페이스(work space)를 최대화하여, 높은 효율의 상지 재활 효과를 얻을 수 있는 상지 재활 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 사용자의 팔을 운동시켜 재활을 돕는 상지 재활 장치로서, 연결체와, 상기 연결체에 위치 이동 가능하게 연결되는 거치대와, 상기 연결체를 위치 이동시키는 구동 장치를 포함하고, 사용자가 팔을 상기 거치대에 거치하여 상기 거치대를 움직이면, 상기 구동 장치가 구동해 상기 연결체를 상기 거치대를 따라 이동시켜, 사용자가 팔을 움직일 수 있는 워크 스페이스(work space)를 확장시키는 상지 재활 장치가 제공된다.

일 실시예에 따르면, 상기 구동 장치는, 상기 거치대가 상기 연결체에 대해 정의된 기준 위치에서 벗어나면 구동하여, 상기 거치대가 상기 기준 위치에 놓이도록 상기 연결체를 이동시킨다.

일 실시예에 따르면, 상기 연결체에 대해 상기 거치대가 이동 가능한 이동 영역을 정의하고, 상기 구동 장치는, 상기 이동 영역을 벗어나도록 상기 거치대가 이동하는 경우, 상기 거치대가 상기 이동 영역 내부에 위치하도록 상기 연결체를 이동시킨다.

일 실시예에 따르면, 상기 구동 장치는, 상기 거치대가 거치대의 중심을 중심으로 회전하는 경우, 상기 연결체가 연결체의 중심을 중심으로 회전하도록 상기 연결체를 이동시킨다.

일 실시예에 따르면, 상기 연결체는, 상기 구동 장치와 연결되는 연결 몸체와, 상기 거치대와 연결되는 연결 뭉치와, 상기 연결 뭉치를 상기 연결 몸체에 대해 이동 가능하게 고정하는 제1 링크부와, 상기 제1 링크부를 구성하는 링크들의 회전각을 측정하여, 상기 연결 뭉치의 회전 및 수평 이동에 대한 정보를 제공하는 복수의 각도 센서를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 연결체는, 상기 제1 링크부의 동작에 간섭하여, 사용자가 상기 거치대를 이동시키는데 필요한 힘을 조절하는 브레이크 장치를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 링크부는, 각각 상기 연결 뭉치의 서로 다른 부분에 연결되며, 상기 연결 뭉치와 상기 연결 몸체 사이에 폐루프 구조를 형성하는 제1 연결 링크체와 제2 연결 링크체를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 각도 센서는 상기 제1 연결 링크체와 상기 제2 연결 링크체의 상기 연결 몸체에 대한 연결부에 구비된다.

일 실시예에 따르면, 상기 구동 장치는, 상기 연결체에 결합되는 구동 뭉치와, 상기 구동 뭉치를 수평 이동시키도록 구성되는 제2 링크부와, 상기 구동 뭉치를 회전 이동시키도록 구성되는 제3 링크부를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 제2 링크부와 상기 제3 링크부는 서로 결속되도록 형성되되, 서로 독립적으로 제어되어 상기 구동 뭉치의 수평 이동 및 회전 이동을 독립적으로 수행한다.

일 실시예에 따르면, 상기 제2 링크부는 제1 내지 제4 수평 이동 링크를 포함하고, 상기 제1 내지 제4 수평 이동 링크는 폐루프 구조를 형성하도록 연결되어 상기 제1 내지 제4 수평 이동 링크가 서로 상대 회전하는 제1 내지 제4 기본 회전축을 정의하고, 상기 구동 뭉치는 제1 기본 회전축을 정의하는 제2 수평 이동 링크와 제3 수평 이동 링크의 연결부에 형성되어, 상기 제1 내지 제4 수평 이동 링크의 상대 회전에 따라 수평 이동한다.

일 실시예에 따르면, 상지 재활 장치는 상기 제1 기본 회전축과 마주하는 제4 기본 회전축을 중심으로 회전 가능하게 형성되는 제1 수평 이동 링크와 제4 수평 이동 링크를 상기 제4 기본 회전축에 대해 회전 이동시키는 제1 모터와 제2 모터를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 제3 링크부는, 제1 내지 제4 회전 이동 링크와, 각각 상기 제1 내지 제4 기본 회전축을 중심으로 회전 가능하게 형성되는 제1 내지 제4 회전 캠을 포함하고, 상기 제1 내지 제4 회전 이동 링크는 상기 제1 내지 제4 회전 캠을 개재해 연결되어 폐루프 구조를 형성하며, 상기 구동 뭉치는 제1 회전 캠과 결합되어 상기 제1 회전 캠의 회전에 의해 상기 제1 기본 회전축을 중심으로 회전한다.

일 실시예에 따르면, 상지 재활 장치는 제1 회전 캠과 마주하는 제4 기본 회전축을 중심으로 제4 회전 캠을 회전시키는 제3 모터를 포함하고, 상기 제4 회전 캠의 회전에 따른 제1 내지 제4 회전 이동 링크의 연쇄 동작으로 상기 제1 회전 캠이 상기 제1 기본 회전축을 중심으로 회전한다.

일 실시예에 따르면, 상지 재활 장치는 상기 연결체에 대한 상기 거치대의 위치를 고정하고, 상기 구동 장치를 구동해 상기 연결체를 위치 이동시켜 사용자의 팔을 운동시킨다.

일 실시예에 따르면, 상지 재활 장치는 상기 거치대의 이동 상황을 사용자에게 시각적으로 제공하는 디스플레이 장치를 더 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상지 재활 장치는 상기 디스플레이 장치를 통해 상기 거치대의 이동 경로를 지정하는 재활 운동 프로그램을 시연한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상지 재활 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 상지 재활 장치의 사용 상태도이다.
도 3은 도 1의 상지 재활 장치의 팔 고정기를 확대 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 팔 고정기의 거치대를 제거한 도면이다.
도 5는 도 4의 연결체의 상부 연결 몸체를 제거한 도면이다.
도 6은 도 5에서 하부 연결 몸체를 제거하고, 연결체를 위에서 바라본 모습을 도시한 것이다.
도 7 및 도 8은 연결 뭉치가 내부 연결 몸체에 대해 이동하는 모습을 도시한 것이다.
도 9는 도 8의 연결체의 배면 사시도이다.
도 10은 도 1의 상지 재활 장치의 구동 장치의 사시도이다.
도 11은 도 10의 구동 장치의 평면도이다.
도 12는 구동 뭉치와 연결체가 결합된 모습을 도시한 것이다.
도 13은 제1 수평 이동 링크와 제4 수평 이동 링크의 연결부를 확대 도시한 것이다.
도 14는 제3 링크부의 제1 회전 이동 링크와 제4 회전 이동 링크의 연결부를 확대 도시한 것이다.
도 15a 및 도 15b는 구동 뭉치를 수평 이동시키는 모습을 도시한 것이다.
도 16은 구동 뭉치를 회전 이동시키는 모습을 도시한 것이다.
도 17은 구동 뭉치가 수평 이동 가능한 워크 스페이스를 도시한 것이다.
도 18 및 도 19는 재활 운동 프로그램의 예를 도시한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상지 재활 장치(1)의 사시도이고, 도 2는 상지 재활 장치(1)의 사용 상태도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상지 재활 장치(1)는 사용자(U)가 팔(2)을 거치하는 팔 고정기(10)와, 지면 위에 놓이는 본체(20) 및 팔 고정기(10)와 본체(20)를 연결하는 구동 장치(30)를 포함한다.

본체(20)는 박스 형태의 몸체(40)를 포함하고, 몸체(40)의 측면에는 전원 등을 연결할 수 있는 단자(42)와, 구동 장치(30)를 온-오프하거나 제어 값을 입력하기 위한 제어부(41)가 구비된다. 몸체(40) 내부에는 연결 뭉치(130)의 위치를 계산하여 저장하는 계산 장치 및 모터를 구동시키기 위한 제어기 등이 내장될 수도 있다.

몸체(40)의 위로는 구동 장치(30)의 모터 등이 외부로 노출되지 않도록 하는 캡(50)이 구비된다.

캡(50)의 전방에는 구동 장치(30)를 구성하는 링크가 지면에 대해 수평한 방향으로 이동할 수 있도록 지면과 수평한 방향으로 긴 슬릿(53, 55)이 아래 위로 형성된다.

슬릿(53, 55)에는 슬릿(53, 55)의 개구를 커버하면서 구동 장치(30)를 구성하는 링크가 이동하는 것에 간섭하지 않도록 아코디언 형태로 접혀 부분별로 길이 변형될 수 있는 덮개(52, 54)가 형성되어 있다.

몸체(40)의 상부 일측에는 고정대(61)가 설치되고, 고정대(61)에는 디스플레이 장치(60)가 결합되어 있다. 디스플레이 장치(60) 및 고정대(61)는 본체(20)에 대해 탈부착이 가능하다.

고정대(61)는 사용자에게 디스플레이 장치(60)를 잘 보여줄 수 있도록 조절이 가능하다.

구동 장치(30)는 일 측이 본체(20)와 연결되고, 타 측이 팔 고정기(10)와 연결된다.

도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 사용자(U)는 본체(20)와 마주하여 디스플레이 장치(60)를 바라볼 수 있도록 의자(4)에 앉은 상태로 상지 재활 훈련을 할 수 있다. 필요에 따라서, 사용자(U)가 몸을 기댈 수 있는 테이블(5)이 사용자(U)와 본체(2) 사이에 놓일 수 있다.

도 3은 상지 재활 장치(1)의 팔 고정기(10)를 확대 도시한 것이고, 도 4는 팔 고정기(10)의 거치대(101)를 제거한 도면이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 팔 고정기(10)는 연결체(110)와, 연결체(110)의 상부로 위치하는 거치대(101)를 포함한다.

연결체(110)는 하부 연결 몸체(113)와 상부 연결 몸체(111)가 위아래로 연결되어 내부에 공간이 형성되는 박스 형태를 가진다. 상부 연결 몸체(111)의 상부 중앙에는 통공(112)이 형성된다.

도 4를 참조하면, 연결 몸체(111, 113)의 안에는 연결 뭉치(130) 및 제1 링크부(120)가 위치한다. 연결 뭉치(130)는 통공(112)을 통해 외부로 노출된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 연결 뭉치(130)는 거치대(101)와 연결된다.

거치대(101)는 사용자(U)가 손(3)을 얹어 놓을 수 있는 고정판(102)(도 2 참조)과, 고정판(102)의 단부 측에서 대략 수직하게 연장되어 사용자(U)가 손(3)으로 잡아 파지할 수 있는 파지봉(103)을 포함한다.

사용자(U)가 손(3)을 사용해 물체를 잡을 수 있는 상태라면 파지봉(103)을 잡은 상태로 상지 재활 훈련을 수행할 수 있으며, 만약 손(3)을 사용할 수 없는 상태라면 고정판(102)의 양 측에 형성된 슬릿에 밴드를 결속하여 손(3)을 거치대(101)에 묶어 결속시킬 수도 있다.

도 5는 연결체(110)의 상부 연결 몸체(111)를 제거한 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 하부 연결 몸체(113)에는 대략 모래 시계 형태의 내부 연결 몸체(121)가 하부 연결 몸체(113)의 길이 방향을 따라 형성되어 있다.

본 명세서에서는 설명의 편의를 위해 상부 연결 몸체(111), 하부 연결 몸체(113) 및 내부 연결 몸체(121)를 구분하여 설명하고 있지만, 이들 부재는 모두 하나의 고정된 구조를 형성하는 것으로서, "연결 몸체"로 통칭할 수 있다.

내부 연결 몸체(121)에는 제1 링크부(120)가 작동 가능하게 형성되고, 제1 링크부(120)에는 연결 뭉치(130)가 연결된다.

연결 뭉치(130)는 거치대(101)에 결합되는 상부 뭉치(131)와 제1 링크부(120)와 결합되는 하부 뭉치(132)를 포함한다.

연결 뭉치(130)는 상부 뭉치(131)와 하부 뭉치(132)의 두 부분으로 나뉘어져 있으나, 상부 뭉치(131)와 하부 뭉치(132)는 서로 고정 결합되어 서로 상대 이동하지는 않는다.

도 6은 하부 연결 몸체(113)를 제거하고, 위에서 바라본 모습을 도시한 것이다. 도 6에서는 상부 뭉치(131)도 도시 생략되었다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제1 링크부(120)는 연결 뭉치(130)를 중심으로 대칭으로 형성되는 제1 연결 링크체(140)와 제2 연결 링크체(150)를 포함한다.

제1 연결 링크체(140)는 제1 내지 제4 연결 링크(141, 142, 143, 144)를 포함하는 4절의 링크체이다.

제1 연결 링크(141)는, 그 일단이 제1 회전축(501)을 중심으로 회전 가능하도록 내부 연결 몸체(121)에 연결되고, 타단은 제2 연결 링크(142)와 회전 가능하게 연결된다. 제2 연결 링크(142)는 그 일단이 제2 회전축(502)을 중심으로 회전 가능하도록 제1 연결 링크(141)와 연결되고, 타단은 제5 회전축(505)을 중심으로 회전 가능하도록 하부 뭉치(132)와 연결된다.

제3 연결 링크(143)는, 그 일단이 제3 회전축(503)을 중심으로 회전 가능하도록 내부 연결 몸체(121)에 연결되고, 타단은 제4 연결 링크(144)와 회전 가능하게 연결된다. 제4 연결 링크(144)는 그 일단이 제4 회전축(504)을 중심으로 회전 가능하도록 제3 연결 링크(143)와 연결되고, 타단은 제5 회전축(505)을 중심으로 회전 가능하도록 하부 뭉치(132)와 연결된다.

이로써, 제1 연결 링크체(140)는 연결 뭉치(130)와 연결 몸체 사이에 폐루프 구조를 형성하게 되며, 하나의 연결 링크의 동작이 다른 연결 링크의 동작에 영향을 주게 된다.

제2 연결 링크체(150)는 제5 내지 제8 연결 링크(151, 152, 153, 154)를 포함하는 4절의 링크체이다.

제5 연결 링크(151)는, 그 일단이 제8 회전축(508)을 중심으로 회전 가능하도록 내부 연결 몸체(121)에 연결되고, 타단은 제6 연결 링크(152)와 회전 가능하게 연결된다. 제6 연결 링크(152)는 그 일단이 제7 회전축(507)을 중심으로 회전 가능하도록 제5 연결 링크(151)와 연결되고, 타단은 제6 회전축(506)을 중심으로 회전 가능하도록 하부 뭉치(132)와 연결된다. 하부 뭉치(132)에 형성되는 제5 회전축(505)과 제6 회전축(506)은 하부 뭉치의 중심(즉, 연결 뭉치의 중심)(O)을 기준으로 서로 대칭으로 형성된다.

제7 연결 링크(153)는, 그 일단이 제9 회전축(509)을 중심으로 회전 가능하도록 내부 연결 몸체(121)에 연결되고, 타단은 제8 연결 링크(154)와 회전 가능하게 연결된다. 제8 연결 링크(154)는 그 일단이 제10 회전축(510)을 중심으로 회전 가능하도록 제7 연결 링크(153)와 연결되고, 타단은 제6 회전축(506)을 중심으로 회전 가능하도록 하부 뭉치(132)와 연결된다.

이로써, 제2 연결 링크체(150)는 연결 뭉치(130)와 연결 몸체 사이에 폐루프 구조를 형성하게 되며, 하나의 연결 링크의 동작이 다른 연결 링크의 동작에 영향을 주게 된다.

이와 같은 구성에 따르면, 연결 뭉치(130)는 제1 링크부(120)에 의해 내부 연결 몸체(121)에 대해 이동 가능하게 고정된다.

도 7 및 도 8은 연결 뭉치(130)가 내부 연결 몸체(121)에 대해 이동하는 모습을 도시한 것이다.

도 7의 점선으로 도시된 바와 같이, 제1 링크부(120)의 제1 연결 링크체(140)와 제2 연결 링크체(150)의 각 링크들이 그에 관련된 회전축을 중심으로 상호 회전함으로써, 내부 연결 몸체(121)의 중심에 형성되는 소정의 영역(T1) 안에서 자유로이 수평 이동할 수 있다.

한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 제5 회전축(505)과 제6 회전축(506)이 연결 뭉치(130)의 중심(O)을 기준으로 대칭 배치되고, 제1 연결 링크체(140)와 제2 연결 링크체(150)가 대칭으로 형성되어 있으므로, 연결 뭉치(130)는 그 중심(O)을 중심으로 수평 이동 없이 회전 이동(화살표 방향)하는 것도 가능하다.

즉, 연결 뭉치(130)는 내부 연결 몸체(121)에 대해 수평 및 회전 이동이 자유롭게 형성된다. 내부 연결 몸체(121)는 연결체(110)의 일부이므로, 연결 뭉치(130)는 연결체(110)에 대해 상대적으로 수평 및 회전 이동이 가능한 것이다.

또한, 상술한 바와 같이, 연결 뭉치(130)와 거치대(101)는 서로 고정 결합된다. 따라서, 거치대(101)는 연결 뭉치(130)를 통해 연결체(110)에 대해 상대적으로 수평 및 회전 이동이 가능하다. 거치대(101)가 회전 이동하는 "거치대(101)의 중심"은 연결 뭉치(130)의 중심(O)이라고 할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 제1 연결 링크체(140)와 제2 연결 링크체(150)는 복수의 링크가 구동기가 관여하지 않는 패시브 조인트(passive joint)에 의해 연결된다.

따라서, 브레이크가 작동하지 않는 이상, 제1 연결 링크체(140)와 제2 연결 링크체(150)는 매우 적은 힘으로도 부드럽게 움직일 수 있다. 따라서, 사용자(U)는 제1 링크체(120)의 저항을 거의 느끼지 않고 팔을 움직여 거치대(101)를 수평 및/또는 회전 이동시킬 수 있다.

한편, 다시 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따르면, 제1 링크부(120)를 구성하는 링크들의 회전각을 측정하여, 연결 뭉치(130)의 회전 및 수평 이동에 대한 정보를 제공하는 복수의 각도 센서(encoder)(171, 172, 173, 174)를 포함한다.

본 실시예에 따르면, 네 개의 각도 센서(171, 172, 173, 174)가 제1 연결 링크체(140)와 제2 연결 링크체(150)의 내부 연결 몸체에 대한 연결부에 구비된다.

제1 각도 센서(171)는 제1 회전축(501)에 대한 제1 연결 링크(141)의 회전 각도를 측정하고, 제2 각도 센서(172)는 제3 회전축(503)에 대한 제3 연결 링크(143)의 회전 각도를 측정한다. 제3 각도 센서(173)는 제8 회전축(508)에 대한 제5 연결 링크(151)의 회전 각도를 측정하고, 제4 각도 센서(174)는 제9 회전축(509)에 대한 제7 연결 링크(153)의 회전 각도를 측정한다.

제1 연결 링크체(140)와 제2 연결 링크체(150)는 연결 뭉치(130)와 연결 몸체 사이에 폐루프 구조를 형성하고 있어, 그 구성원인 하나의 연결 링크의 위치가 결정되면, 기구학적 관계를 통해 다른 연결 링크의 위치도 산출할 수 있게 된다.

따라서, 네 개의 각도 센서(171, 172, 173, 174)를 통해 검출된 4개의 연결 링크(141, 143, 151, 153)의 회전 각도를 기초로 제1 연결 링크체(140)와 제2 연결 링크체(150)의 모든 연결 링크의 회전 각도를 계산할 수 있고, 이를 통해 연결 뭉치(130)의 내부 연결 몸체(121)에서의 현재 위치와 회전 각도를 계산할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 네 개의 각도 센서(171, 172, 173, 174)는 그와 연결된 연결 링크의 회전 각도뿐 아니라, 각속도 및 각가속도를 측정 가능하며, 이를 통해 연결 뭉치(130)의 이동 속도 및 가속도를 계산할 수도 있다.

도 9는 도 8의 연결체의 배면 사시도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 내부 연결 몸체(121)의 배면에는 네 개의 풀리185, 186, 195, 196)가 설치된다. 제1 풀리(185)는 제1 연결 링크(141)와 연결되어 제1 연결 링크(141)와 함께 회전하고, 제2 풀리(186)는 제3 연결 링크(143)와 연결되어 제3 연결 링크(143)와 함께 회전한다. 제3 풀리(196)는 제5 연결 링크(151)와 연결되어 제5 연결 링크(151)와 함께 회전하고, 제4 풀리(195)는 제7 연결 링크(153)와 연결되어 제7 연결 링크(153)와 함께 회전한다.

내부 연결 몸체(121)의 상면에는 네 개의 브레이크 장치(181, 182, 191, 192)가 구비된다. 내부 연결 몸체(121)의 배면에는 브레이크 장치(181, 182, 191, 192) 각각에 연결되는 네 개의 풀리(183, 184, 193, 194)가 형성된다.

브레이크 장치(181, 182, 191, 192)는 전기 또는 기계적인 구성을 이용해 그와 연결된 네 개의 풀리(183, 184, 193, 194)에 저항을 가하여 그 회전 관성을 제어할 수 있다.

도시하지 않았지만, 제5 풀리(183)와 제1 풀리(185)는 타이밍 벨트에 의해 연결된다.

따라서, 브레이크 장치(182)에 의해 제5 풀리(183)에 소정의 임피던스를 가하여, 제5 풀리(183)가 완전 자유 회전하지 못하고, 소정의 저항을 가지고 회전하도록 하는 경우, 제5 풀리(183)의 회전 관성이 제1 풀리(185)로 전해져 제1 풀리(185) 역시 소정의 저항을 가지면서 회전한다.

마찬가지로, 브레이크 장치와 연결되는 풀리와 그와 마주하여 연결 링크와 연결되는 풀리 간에도 타이밍 벨트가 연결되며, 각각의 브레이크 장치는 그와 작동적으로 연결되는 풀리 들에 소정의 저항을 가진다.

브레이크 장치(181, 182, 191, 192)의 간섭에 따라서, 제1 연결 링크(141), 제3 연결 링크(143), 제5 연결 링크(151) 및 제7 연결 링크(153)가 소정의 저항을 가지면서 회전하게 되고, 결과적으로 제1 링크부(120) 전체의 동작에 간섭하게 된다. 따라서, 이동 뭉치(130)가 소정의 이동 관성을 가지게 되고, 사용자(U)는 이동 뭉치(130)와 연결된 거치대(101)를 움직이는데 일정한 크기의 힘을 느끼게 된다.

이러한 거치대(101)의 이동 관성은 사용자(U)의 근력 상황이나 훈련 프로그램에 따라 조절 가능하다. 나아가서는, 브레이크 장치를 통해 제1 링크부(120)를 완전히 결속시킴으로써, 거치대(101)가 연결체(110)에 대해 상대적인 이동을 하지 못하고 고정되도록 할 수도 있다.

상술한 바와 같이, 사용자는 팔을 움직일 때 관성을 거의 느끼지 않고, 거치대(101)를 수평 및/또는 회전 이동시켜 재활 운동을 수행할 수 있다. 다만, 연결체(110)에 대한 거치대(101)의 이동 영역은 도 7에 도시된 바와 같이, 비교적 적은 영역으로 제한된다. 거치대(101)의 이동 영역이 도 7의 적은 영역에만 제한된다면, 어깨를 크게 움직여 운동을 수행할 수 없게 된다.

이 점을 보완하기 위하여, 본 실시예에 따르면, 연결체(110)를 위치 이동시키기 위한 구동 장치(30)가 구비된다. 구동 장치(30)는, 사용자가 팔을 거치대(101)에 거치하여 거치대(101)를 움직이면 그 움직임을 감지하여 구동함으로써, 연결체(110)를 거치대(101)를 따라 이동시킨다. 이로써, 사용자가 팔을 움직일 수 있는 연결체(110)의 워크 스페이스(work space)를 확장시킬 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 장치(30)의 사시도이고, 도 11은 구동 장치(30)의 평면도이다

도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 구동 장치(30)는 구동 뭉치(324)와, 상기 구동 뭉치(324)를 수평 이동시키도록 구성되는 제2 링크부(31), 구동 뭉치(324)를 그 중심축(O')을 중심으로 회전 이동시키도록 구성되는 제3 링크부(32) 및 제2 링크부(31)와 제3 링크부(32)를 동작시키는 구동부(33)를 포함한다.

구동 뭉치(324)는 연결체(110)에 고정결합된다.

도 12는 구동 뭉치(324)와 연결체(110)가 결합된 모습을 도시한 것이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 구동 뭉치(324)의 상단에는 고정 샤프트(323)가 삽입 고정된다. 연결체(110)의 하부 연결 몸체(113)의 하단에는 접속 뭉치(114)가 형성되고, 고정 샤프트(323)가 접속 뭉치(114)에 삽입 고정되어, 구동 뭉치(324)와 연결체(110)의 고정이 이루어진다.

접속 뭉치(114)는 하부 연결 몸체(113)의 중심에 배치되어, 하부 연결 몸체(113)의 중심이 구동 뭉치(324)의 중심(O')과 동일축 선상에 위치하게 된다.

구동 뭉치(324)가 중심(O')을 중심으로 회전하게 되면, 연결체(110)가 중심(O')을 중심으로 회전하게 되며, 구동 뭉치(324)가 수평 이동하면 연결체(110)도 수평 이동하게 된다.

다시 도 10 및 도 11을 참조하면, 제2 링크부(31)는 사각의 폐루프 구조를 형성하는 제1 내지 제4 수평 이동 링크(301, 302, 303, 304)를 포함한다.

제1 수평 이동 링크(301)는 일 단부에 제1 접속부(401)를 포함하고, 타 단부에 제3 접속부(403)를 포함한다.

제1 접속부(401)는 제16 회전축("제4 기본 회전축")(516)을 중심으로 회전하는 제2 모터(332)의 모터 샤프트(334)(도 14 참조)에 대해 자유 회전 가능하게 연결된다. 제1 수평 이동 링크(31)는 제16 회전축(516)을 중심으로 회전 가능하도록 형성된다.

제3 접속부(403)는 제2 수평 이동 링크(302)의 일 단부에 형성된 제4 접속부(404)와 체결된다. 제4 접속부(404)는 제30 회전축("제3 기본 회전축")(530)을 중심으로 제3 접속부(403)에 대해 회전 가능하게 연결된다. 따라서, 제2 수평 이동 링크(302)는 제1 수평 이동 링크(301)에 대해 제30 회전축(530)을 중심으로 회전 가능하다.

제2 수평 이동 링크(302)의 타 단부에는 제5 접속부(405)가 형성되며, 제5 접속부(405)는 제3 수평 이동 링크(303)의 일 단부에 형성된 제6 접속부(406)와 체결된다. 제6 접속부(406)는 제27 회전축("제1 기본 회전축")(527)을 중심으로 제5 접속부(405)에 대해 회전 가능하게 연결된다. 따라서, 제3 수평 이동 링크(303)는 제2 수평 이동 링크(302)에 대해 제27 회전축(527)을 중심으로 회전 가능하다.

제3 수평 이동 링크(303)의 타 단부에는 제7 접속부(407)가 형성되며, 제7 접속부(407)는 제4 수평 이동 링크(304)의 일 단부에 형성된 제8 접속부(408)와 체결된다. 제8 접속부(408)는 제24 회전축("제2 기본 회전축")(524)을 중심으로 제7 접속부(407)에 대해 회전 가능하게 연결된다. 따라서, 제4 수평 이동 링크(304)는 제3 수평 이동 링크(303)에 대해 제24 회전축(524)을 중심으로 회전 가능하다.

제4 수평 이동 링크(304)의 타 단부에는 제2 접속부(402)가 형성되어 있으며, 제2 접속부(402)는 제2 모터(332)의 모터 샤프트(334)에 고정되어, 제2 모터(332)의 모터 샤프트(334)의 회전에 의해 제16 회전축(516)을 중심으로 회전 가능하도록 형성된다. 이에 따라서, 제4 수평 이동 링크(304)는 제16 회전축(516)을 중심으로 회전 가능하다.

도 13은 제1 수평 이동 링크(301)와 제4 수평 이동 링크(304)의 연결부를 확대도시한 것이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 제4 수평 이동 링크(304)의 단부에 형성되는 제2 접속부(402)는 제1 접속부(401) 아래에 배치되어 제2 모터(332)의 모터 샤프트(334)에 고정 결합되는 샤프트 결합부(402-1)와 상기 샤프트 결합부(402-1)의 일측으로부터 수직하게 연장되는 링크 결합부(402-2)를 포함한다. 샤프트 결합부(402-1)와 링크 결합부(402-2)는 일체로 이루어져 있다.

제4 수평 이동 링크(304)는 링크 결합부(402-2)의 상단에 결합되어, 제1 수평 이동 링크(301)와 제4 수평 이동 링크(304)는 지면에 대해 동일한 높이에서 연장된다.

한편, 제1 수평 이동 링크(301)의 제1 접속부(401) 상단에는 제1 접속부(401)와 고정 결합되는 제6 회전 캠(342)이 형성된다. 제6 회전 캠(342)은 제16 회전축(516)을 중심으로 회전 가능하다.

제6 회전 캠(342)의 회전 중심인 제16 회전축(516)을 중심으로 대칭으로 제14 회전축(514)과 제15 회전축(515)이 형성된다.

한편, 제1 모터(333)의 모터 샤프트(미도시)에는 제5 회전 캠(341)이 고정 결합된다. 제1 모터(333)의 모터 샤프트(미도시)가 회전함에 따라 제5 회전 캠(341)이 모터 샤프트의 회전 중심인 제11 회전축(511)을 중심으로 회전하게 된다. 제5 회전 캠(341)의 회전 중심인 제11 회전축(511)을 중심으로 대칭으로 제12 회전축(512)과 제13 회전축(513)이 형성된다.

제5 회전 캠(341)과 제6 회전 캠(342) 사이에는 제1 연결 바(351)와 제2 연결바(352)가 형성된다.

제1 연결 바(351)의 일 단은 제14 회전축(514)을 중심으로 제6 회전 캠(342)에 대해 회전 가능하게 연결되고, 타 단은 제12 회전축(512)을 중심으로 제5 회전 캠(341)에 대해 회전 가능하게 연결된다. 제2 연결 바(352)의 일 단은 제15 회전축(515)을 중심으로 제6 회전 캠(342)에 대해 회전 가능하게 연결되고, 타 단은 제13 회전축(513)을 중심으로 제5 회전 캠(341)에 대해 회전 가능하게 연결된다.

이와 같은 구성에 따르면, 제1 모터(333)의 모터 샤프트가 회전하게 되면, 제5 회전 캠(341)이 제11 회전축(511)을 중심으로 회전하게 된다. 예를 들어, 제5 회전 캠(341)이 시계 방향으로 회전하면, 제5 회전 캠(341)은 제1 연결 바(351)는 당기고, 제2 연결 바(352)는 당기게 된다(도 15a 참조).

제1 연결 바 및 제2 연결 바의 위치 변경에 의해, 제6 회전 캠(342)이 시계 방향으로 회전하게 된다.

제6 회전 캠(342)이 시계 방향으로 회전하면, 그 회전각만큼 제1 접속부(401)가 회전하면서 제1 수평 이동 링크(301)가 제16 회전축(516)을 중심으로 시계 방향으로 회전하게 된다.

이때, 제1 접속부(401)는 제2 모터(332)의 모터 샤프트(334)에 대해 자유 회전하도록 연결되므로, 제1 수평 이동 링크(301)의 회전력은 제2 모터(332)의 모터 샤프트(334)에 가해지지 않는다.

한편, 제1 모터(333)의 동작과 별도로 제2 모터(332)의 모터 샤프트(334)가 반시계 방향으로 회전하도록 제어되면, 제2 모터(332)의 모터 샤프트와 고정 결합된 제2 접속부(402)가 반시계 방향으로 회전한다. 이로써, 제2 접속부(402)와 결합된 제4 수평 이동 링크(304)가 제16 회전축(516)을 중심으로 반시계 방향으로 회전한다.

다시 도 10 및 도 11을 참조하면, 제3 링크부(32)는 제2 링크부(31)의 네 개의 수평 이동 링크와 대략 수평하게 배치되는 제1 내지 제4 회전 이동 링크(311, 312, 313, 314)를 포함한다.

도 14는 제3 링크부(32)의 제1 회전 이동 링크(311)와 제4 회전 이동 링크(314)의 연결부를 확대 도시한 것이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 제3 모터(331)의 모터 샤프트(미도시)에는 제7 회전 캠(343)이 고정 결합된다. 제3 모터(331)의 모터 샤프트의 회전에 의해 제7 회전 캠(343)은 제17 회전축(517)을 중심으로 회전 가능하다.

제7 회전 캠(343)의 회전 중심인 제17 회전축(517)을 중심으로 대칭으로 제18 회전축(518)과 제19 회전축(519)이 형성된다.

한편, 제2 모터(332)의 모터 샤프트(334)에는 제4 회전 캠(344)이 자유 회전 가능하게 고정된다. 제4 회전 캠(344)의 회전 중심인 제23 회전축(523)을 중심으로 대칭으로 제21 회전축(521)과 제20 회전축(520)이 형성된다.

제7 회전 캠(343)과 제4 회전 캠(344) 사이에는 제3 연결 바(361)와 제4 연결 바(362)가 형성된다.

제3 연결 바(361)의 일 단은 제18 회전축(518)을 중심으로 제7 회전 캠(343)에 대해 회전 가능하게 연결되고, 타 단은 제21 회전축(521)을 중심으로 제4 회전 캠(344)에 대해 회전 가능하게 연결된다. 제4 연결 바(362)의 일 단은 제19 회전축(519)을 중심으로 제7 회전 캠(343)에 대해 회전 가능하게 연결되고, 타 단은 제20 회전축(520)을 중심으로 제4 회전 캠(344)에 대해 회전 가능하게 연결된다.

제3 연결 바(361)와 제4 연결 바(362)가 제1 수평 이동 링크(301)와 제4 수평 이동 링크(304)의 동작에 간섭하지 않도록, 제3 연결 바(361)와 제4 연결 바(362)는 제4 회전 캠(344)의 하면에서 제4 회전 캠(344)에 연결된다.

제3 모터(331)의 모터 샤프트가 회전하게 되면, 제7 회전 캠(343)이 제17 회전축(517)을 중심으로 회전하게 된다. 예를 들어, 제7 회전 캠(343)이 시계 방향으로 회전하면, 제7 회전 캠(343)은 제3 연결 바(361)는 밀고, 제4 연결 바(362)는 밀게 된다. 이러한 제3 연결 바 및 제4 연결 바의 위치 변경에 의해, 제4 회전 캠(344)이 시계 방향으로 회전하게 된다.

한편, 제1 회전 이동 링크(311)의 일 단에는 대략 "L"자 형태의 제16 접속부(416)가 형성된다. 제16 접속부(416)의 일 단은 제31 회전축(531)을 중심으로 제4 회전 캠(344)에 대해 회전 가능하게 연결되고, 타 단으로부터 제1 회전 이동 링크(311)가 연장되어 나간다. 제31 회전축(531)은 제21 회전축(521)에 비해 후방에 형성된다.

제4 회전 이동 링크(314)의 일 단에는 제16 접속부(416)와 동일한 형태의 제9 접속부(409)가 형성된다. 제9 접속부(409)의 일 단은 제22 회전축(522)을 중심으로 제4 회전 캠(344)에 대해 회전 가능하게 연결되고, 타 단으로부터 제4 회전 이동 링크(314)가 연장되어 나간다. 제22 회전축(522)은 제20 회전축(520)에 비해 후방에 형성된다.

제4 회전 캠(344)이 제23 회전축(523)을 중심으로 시계 방향으로 회전하면, 제1 회전 이동 링크(311)를 후방으로 당기는 동시에, 제4 회전 이동 링크(314)를 전방으로 밀게 된다.

다시 도 10 및 도 11을 참조하면, 제1 수평 이동 링크(301)와 제2 수평 이동 링크(302)의 연결부에는 제3 회전 캠(323)이 형성된다. 또한, 제2 수평 이동 링크(302)와 제3 수평 이동 링크(303)의 연결부에는 제1 회전 캠(322)이 형성된다. 또한, 제3 수평 이동 링크(303)와 제4 수평 이동 링크(304)의 연결부에는 제2 회전 캠(321)이 형성된다.

제1 내지 제3 회전 캠(321, 322, 323)은 구조가 동일하므로, 도 12를 참조하여, 제1 회전 캠(322)의 구조를 대표로 설명한다. 제1 회전 캠(322)은 지면에 수평하며 대략 "V"자 형태를 가지는 수평판(322-1)과, 수평판(322-1)와 수직하게 연장되는 수직봉(322-2)로 구성된다.

수직봉(322-2)은 중심축은 제2 수평 이동 링크(302)와 제3 수평 이동 링크(303)이 정의하는 회전축(527)과 동일 축 상으로 배치된다. 본 실시예에 따르면, 회전축(527)과 구동 뭉치(324)의 중심(O')은 서로 동일 축을 형성한다.

서로 상대 회전 가능하게 결합되는 제2 수평 이동 링크(302)의 제5 접속부(405)와 제3 수평 이동 링크(303)의 제6 접속부(406)는 수직봉(322-2)에 대해 자유 회전가능하게 수직봉(322-2)과 연결된다.

구동 뭉치(324)는 수직봉(322-2)과 고정 결합된다. 따라서, 제1 회전 캠(322)이 회전축(527)을 중심으로 회전하면, 구동 뭉치(324)가 그 중심(O')을 중심으로 회전하게 된다. 구동 뭉치(324)가 중심(O')을 중심으로 회전하면, 연결체(110)가 중심(O')을 중심으로 회전하게 된다.

한편, 회전축(527)의 외측으로 배치되는 제1 회전 캠(322)의 두 단부에는 각각 제2 회전 이동 링크(312)와 제3 회전 이동 링크(313)가 연결된다.

제2 회전 이동 링크(312)의 일 단부에 형성된 제13 접속부(413)는 제28 회전축(528)을 중심으로 제1 회전 캠(322)에 대해 회전 가능하게 연결된다. 제3 회전 이동 링크(313)의 일 단부에 형성된 제12 접속부(412)는 제29 회전축(529)을 중심으로 제1 회전 캠(322)에 대해 회전 가능하게 연결된다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 제3 회전 캠(323) 역시 대략 "V"자 형태의 수평판과 수평판과 수직하게 연장되는 수직봉을 구비한다.

제3 회전 캠(323)의 수직봉의 중심축은 제1 수평 이동 링크(301)와 제2 수평 이동 링크(302)가 정의하는 제30 회전축(530)과 동일 축 상으로 배치된다.

서로 상대 회전 가능하게 결합되는 제1 수평 이동 링크(301)의 제3 접속부(403)와 제2 수평 이동 링크(302)의 제4 접속부(404)는 제3 회전 캠(323)의 수직봉에 대해 자유 회전가능하게 연결된다.

한편, 제30 회전축(530)의 외측으로 배치되는 제1 회전 캠(321)의 두 단부에는 각각 제1 회전 이동 링크(311)와 제2 회전 이동 링크(312)가 연결된다.

제1 회전 이동 링크(311)의 일 단부에 형성된 제15 접속부(415)는 대략 "L"자로 구부러진 형태로 형성되어 제32 회전축(532)을 중심으로 제3 회전 캠(323)에 대해 회전 가능하게 연결된다. 제2 회전 이동 링크(312)의 일 단부에 형성된 제14 접속부(414)는 제31 회전축(531)을 중심으로 제3 회전 캠(323)에 대해 회전 가능하게 연결된다.

제2 회전 캠(321) 역시 대략 "V"자 형태의 수평판과 수평판과 수직하게 연장되는 수직봉을 구비한다.

제2 회전 캠(321)의 수직봉의 중심축은 제4 수평 이동 링크(304)와 제3 수평 이동 링크(303)가 정의하는 제24 회전축(524)과 동일 축 상으로 배치된다.

서로 상대 회전 가능하게 결합되는 제3 수평 이동 링크(303)의 제7 접속부(407)와 제4 수평 이동 링크(304)의 제8 접속부(408)는 제2 회전 캠(321)의 수직봉에 대해 자유 회전가능하게 연결된다.

한편, 제24 회전축(524)의 외측으로 배치되는 제2 회전 캠(321)의 두 단부에는 각각 제3 회전 이동 링크(313)와 제4 회전 이동 링크(314)가 연결된다.

제4 회전 이동 링크(314)의 일 단부에 형성된 제10 접속부(410)는 대략 "L"자로 구부러진 형태로 형성되어 제26 회전축(526)을 중심으로 제2 회전 캠(321)에 대해 회전 가능하게 연결된다. 제3 회전 이동 링크(313)의 일 단부에 형성된 제11 접속부(411)는 제25 회전축(525)을 중심으로 제2 회전 캠(321)에 대해 회전 가능하게 연결된다.

도 11에 가장 잘 도시된 바와 같이, 제1 회전 이동 링크(311)와 제4 회전 이동 링크(314)는 그 양단의 접속부가 대략 "L"자로 구부러져 형성되어 있어, 제2 회전 이동 링크(312) 및 제3 회전 이동 링크(313)에 비해 대응하는 수평 이동 링크와 더 멀리 배치된다.

도 15a 및 도 15b는 제2 링크부(21)를 동작시켜, 구동 뭉치(324)를 수평 이동 시키는 모습을 도시한 것이다.

도 15a는 구동 뭉치(324)의 전후 방향 수평 이동을 설명하는 도면이다.

도 15a에 도시된 바와 같이, 제2 모터(332)의 모터 샤프트(334)를 반시계 방향으로 회전시킨다. 제2 모터(332)의 회전각만큼 제4 수평 이동 링크(304)가 반시계 방향으로 회전하게 된다.

이와 동시에, 제1 모터(333)의 모터 샤프트를 동일한 회전 각도로 시계 방향으로 회전시킨다. 제1 모터(333)의 회전력은 제5 회전 캠(341)의 회전을 유발하고, 제5 회전 캠(341)의 회전은 연결 바(351, 352)를 통해 제6 회전 캠(342)으로 전달되어, 제1 수평 이동 링크(304)가 시계 방향으로 회전하게 된다.

4절 링크체인 제2 링크부(21)의 기구학적 연쇄성에 의해, 제1 수평 이동 링크(301)의 시계 방향 회전은 제2 수평 이동 링크(302)의 제30 회전축(530)을 중심으로 한 반시계 방향 회전을 유발한다. 또한, 제4 수평 이동 링크(304)의 반시계 방향 회전은 제3 수평 이동 링크(303)의 제24 회전축(524)을 중심으로 한 시계 방향 회전을 유발한다.

따라서, 도 15a에 도시된 바와 같이, 제2 수평 이동 링크(302)와 제3 수평 이동 링크(303)의 연결부에 형성된 구동 뭉치(324)가 화살표 방향으로 수평 이동(후방 수평 이동)하게 된다.

상술한 경우와 반대로, 제2 모터(332)의 모터 샤프트(334)를 시계 방향으로 회전시키고, 제1 모터(333)의 모터 샤프트를 동일한 회전 각도로 반시계 방향으로 회전시키면, 구동 뭉치(324)가 전방 수평 이동하게 된다는 것이 이해될 것이다.

도 15b는 구동 뭉치(324)의 좌우 방향 수평 이동을 설명하는 도면이다.

도 15b에 도시된 바와 같이, 제2 모터(332)의 모터 샤프트(334)를 반시계 방향으로 회전시킨다. 제2 모터(332)의 회전각만큼 제4 수평 이동 링크(304)가 반시계 방향으로 회전하게 된다.

이와 동시에, 제1 모터(333)의 모터 샤프트를 반시계 방향으로 회전시킨다. 제1 모터(333)의 회전력은 제5 회전 캠(341)의 회전을 유발하고, 제5 회전 캠(341)의 회전은 연결 바(351, 352)를 통해 제6 회전 캠(342)으로 전달되어, 제1 수평 이동 링크(304)가 반시계 방향으로 회전하게 된다.

4절 링크체인 제2 링크부(31)의 기구학적 연쇄성에 의해, 위와 같은 제1 수평 이동 링크(301)와 제4 수평 이동 링크(304)의 회전은 제2 및 제3 수평 이동 링크(302, 303)의 상대 회전을 유발하여, 구동 뭉치(324)가 화살표 방향으로 우향 수평 이동하게 된다.

상술한 경우와 반대로, 제2 모터(332)의 모터 샤프트(334)를 시계 방향으로 회전시키고, 제1 모터(333)의 모터 샤프트를 동일한 회전 각도로 시계 방향으로 회전시키면, 구동 뭉치(324)가 좌향 수평 이동하게 된다는 것이 이해될 것이다.

아울러, 제2 모터(332)와 제1 모터(333)의 회전 각도와 회전 방향을 적절히 조합하면, 제2 링크부(31)의 기구학적 구조가 허락하는 한도에서 구동 뭉치(324)가 전후좌우로 자유로이 수평 이동 가능하다는 점도 이해될 것이다.

제2 모터(332)와 제1 모터(333)의 회전 각도와 회전 방향은 구동 뭉치(324)의 위치를 기준으로 제2 링크부(31)를 구성하는 링크의 길이 및 상대 위치를 통해 계산될 수 있다.

한편, 도 15a 및 도 15b를 참조하면, 제3 링크부(32)는 제2 링크부(31)와 결속되어 있지만, 제2 링크부(31)가 동작하더라도, 제3 모터(331)가 구동하지 않는 이상, 제1 내지 제3 회전 캠(321, 322, 323)은 상대 회전하지 않고 그 자세를 유지하도록 형성되어 있다. 이는, 수평 이동 링크에 대해 상대 회전이 가능한 회전 캠(321, 322, 323)에 의해 제3 링크부(32)가 제2 링크부(31)의 외측으로 배치된 결과이다.

제2 링크부(31)의 동작에 불구하고, 회전 캠(321, 322, 323)이 회전하지 않는다는 것은, 제2 링크부(31)의 동작만으로는 구동 뭉치(324)가 그 중심(O')을 기준으로 회전하지 않는다는 것을 의미한다.

따라서, 본 실시예에 따르면, 제2 링크부(31)와 제3 링크부(32)는 서로 결속되도록 형성되지만, 서로 독립적으로 제어되어 구동 뭉치(324)의 수평 이동 및 회전 이동을 독립적으로 수행하게 된다.

도 16은 구동 뭉치(324)가 그 중심(O')을 중심으로 회전 이동하는 모습을 도시한 것이다.

도 16에 도시된 바와 같이, 제3 모터(331)가 반시계 방향으로 회전하면, 제7 회전 캠(343)이 반시계 방향으로 회전한다. 연결 바(361, 362)에 의해 제7 회전 캠(343)의 회전은 제4 회전 캠(344)의 반시계 방향의 회전을 유발한다.

제4 회전 캠(344)은 회전하면서, 제1 회전 이동 링크(311)를 밀고, 제1 회전 이동 링크(311)의 이동은 제3 회전 캠(323)이 제30 회전축(530)을 중심으로 회전하도록 한다.

제3 회전 캠(323)이 회전하면서 제2 회전 이동 링크(312)를 밀고, 제2 회전 이동 링크(312)의 이동은 제2 회전 캠(322)을 반시계 방향으로 회전시킨다.

이러한 제2 회전 캠(322)의 회전은, 제4 회전 캠(344)은 회전하면서, 제4 회전 이동 링크(314)를 당기고, 이에 따라서, 연쇄적으로 제1 회전 캠(321)과 제2 회전 캠(322)의 회전을 유발하는 것으로도 설명할 수 있다.

제1 내지 제3 회전 캠(321)의 회전은 순차적으로 발생하는 것이 아니라, 제 4 회전 캠(344)의 회전에 의해 동시에 이루어진다.

제2 회전 캠(322)에는 구동 뭉치(324)가 고정 결합되어 있으므로, 제2 회전 캠(322)이 회전함에 따라서 구동 뭉치(324)가 그 중심(O')을 중심으로 회전하게 된다.

위에서 설명한 구동 뭉치(324)의 수평 이동과 회전 이동은, 제3 모터(331)를 구동하는 동시에 제1 및 제2 모터(333, 332)를 구동하여, 동시에 이루어질 수 있음이 이해될 것이다.

구동 뭉치(324)의 수평 이동 및 회전 이동은 그와 고정 결합된 연결체(110)의 수평 이동 및 회전 이동을 유발한다.

도 17은 구동 뭉치(324)(연결체(110))가 수평 이동 가능한 워크 스페이스(T2)를 도시한 것이다.

도 17에 표시된 워크 스페이스(T2)는 구동 뭉치(324)가 이동할 수 있는 전체 영역이 아니라, 사용자(U)가 어깨를 이용해 팔(2)을 움직일 때 손(3)이 위치할 수있는 영역을 표시한 것이다.

본 실시예에 따르면, 구동 뭉치(324)가 이동할 수 있는 전체 영역은 사람의 손이 위치할 수 있는 영역(T2)을 모두 커버할 수 있다.

상술한 바와 같이, 연결체(110)에 대해 사용자가 거치대(101)를 움직일 수 있는 워크 스페이스(T1)는 매우 협소하다.

따라서, 본 실시예에 따르면, 사용자가 팔을 거치대(101)에 거치하여 거치대(101)를 움직이면, 구동 장치(30)가 구동해 연결체(110)를 거치대(101)를 따라 이동시킴으로써, 사용자가 팔을 움직일 수 있는 공간, 즉, 연결체(110)의 워크 스페이스(T1)을 도 17의 넓은 워크 스페이스(T2)까지 확장한다.

이를 위해, 거치대(101)의 연결체(110)에 대한 이동 상태(즉, 연결 뭉치(130)의 연결 몸체(110)에 대한 이동 상태)를 측정하고, 그 값을 기준으로 세 모터(331, 332, 333)을 제어한다.

기준 위치에서 연결 뭉치(130)는 연결체(110)의 중앙에 위치한다. 연결체(110)의 중앙은 구동 뭉치(324)의 중심(O')과 동축 상에 위치한다. 따라서, 초기 상태에서 연결 뭉치(130)의 중심(O)와 구동 뭉치(324)의 중심(O')은 지면에 대해 수직한 직선상에 배치된다. 기준 위치에서 제1 링크부(120)의 제1 연결 링크체(140)와 제2 연결 링크체(150)는 서로 완전히 대칭으로 배치되어 연결 뭉치(130)가 회전 이동하지 않는 상태로 위치한다.

기준 위치에 연결 뭉치(130)를 위치시키기 위한 제1 링크부(120)의 각 연결 링크의 각도는 각도 센서에 의해 측정 계산되어 저장된다.

사용자가 거치대(101)를 움직여 연결 뭉치(130)가 기준 위치를 벗어나면, 구동 장치(30)가 구동하게 된다. 이때, 연결 뭉치(130)가 기준 위치를 벗어난다는 것은, 연결 뭉치(130)가 수평 이동하는 경우뿐 아니라, 연결 뭉치(130)가 제자리에서 회전 이동하는 경우도 포함한다.

상술한 바와 같이, 각도 센서의 측정 값을 이용해 연결 뭉치(130)의 위치가 계산될 수 있다.

구동 장치(30)는 구동 뭉치(324)의 중심(O') 위치를 연결 뭉치(130)의 중심(O) 위치로 이동시키도록 작동한다. 즉, 구동 장치(30)는 구동 뭉치(324)의 중심(O') 위치가 연결 뭉치(130)의 중심(O) 위치를 추종하도록 구동 뭉치(324)를 이동시킨다.

예를 들어, 연결 뭉치(130)가 좌측 후방으로 수평 이동하는 경우, 구동 장치(30)는 구동 뭉치(324)를 좌측 후방으로 수평 이동시킨다. 이때, 구동 장치(30)는 구동 뭉치(324)의 중심(O') 위치가 연결 뭉치(130)의 중심(O) 위치를 추종하도록 구동 뭉치(324)를 이동시키므로, 사용자가 힘을 가하여 연결 뭉치(130)를 더 빨리 이동시키는 경우, 구동 뭉치(324) 역시 더 빨리 이동하게 된다.

이에 따라서, 연결 뭉치(130)와 고정 결합된 거치대(101)와, 구동 뭉치(324)에 고정 결합된 연결체(110)가 거의 같은 방향 및 속도로 수평 이동하게 된다.

따라서, 거치대(101) 아래에 항상 연결체(110)가 위치한 상태가 실질적으로 유지되며, 사용자(U)가 팔을 움직일 수 있는 연결체(110)의 워크 스페이스가 구동 장치(30)가 제공하는 연결체(110)의 워크 스페이스(T2)(도 17 참조)만큼 확장될 수 있다.

이때, 사용자(U)는 오로지 거치대(101)를 연결체(110)에 대해 이동시킬 때 제1 링크부(120)가 가하는 매우 작은 저항만을 느끼면서 재활 운동을 수행할 수 있게 된다.

한편, 예를 들어, 사용자가 손목을 회전시켜 거치대(101)(연결 뭉치(130))를 회전 이동시키는 경우, 구동 장치(30)는 구동 뭉치(324)를 그 중심(O')을 중심으로 회전 이동시킨다.

구동 뭉치(324)의 회전 이동에 의해 연결체(110)가 회전 이동하게 되고, 연결체(110)의 회전 이동은 거치대(101)가 제자리 회전할 수 있는 회전 각도를 확장시켜 준다.

구동 장치(30)는 연결 뭉치(130)가 다시 기준 위치에 복귀하게 되면 작동을 멈춘다.

위와 같이, 구동 장치(30)가, 거치대(101)(연결 뭉치(130))가 연결체(110)에 대해 정의된 기준 위치에서 벗어나면 구동하여, 거치대(101)가 기준 위치에 놓이도록 연결체(110)를 이동시키기 위한 제어를 수행하면, 거치대(101)의 이동에 대해 구동 장치(30)가 기민하게 반응하게 된다.

다만, 구동 장치(30)의 제어 방법은 이에 한정되지 않는다.

도 7에 도시된 바와 같이, 연결체(110)에 대해 연결 뭉치(130)가 이동 가능한 전체 워크 스페이스(T1)보다 작은 거치대(101)(연결뭉치(130))의 이동 영역(T1')을 정의할 수 있다. 구동 장치(30)는 거치대(101)가 이동 영역(T1')을 벗어나도록 거치대(101)가 이동하는 경우, 거치대(101)가 다시 이동 영역(T1')의 내부에 위치하도록 연결체(110)(구동 뭉치(324))를 이동시키도록 할 수 있다.

이 경우, 연결 뭉치(130)가 이동 영역(T1') 안에 위치하는 동안에는 구동 장치(30)가 구동하지 않다고, 연결 뭉치(130)의 중심(O) 위치가 이동 영역(T1')의 경계를 벗어나는 순간 구동 장치(30)가 구동하여, 연결체(110)를 이동시킴으로써, 거치대(101)와 연결체(110)의 상대 위치를 적절히 유지하여, 팔이 움직일 수 있는 워크 스페이스를 확장할 수 있다.

여기서 이동 영역(T1')은 반드시 연결 뭉치(130)가 수평 이동할 수 있는 범위만을 의미하는 것은 아니며, 연결 뭉치(130)가 회전할 수 있는 최대 회전각보다 작은 회전각을 의미할 수도 있다는 것이 이해될 것이다.

한편, 본 실시예에서는, 사용자가 직접 거치대를 움직이는 능동적인 재활 운동 형태만을 설명하였지만, 이에 한정되지는 않는다.

예를 들어, 연결체(110)에 대한 거치대(101)의 위치를 브레이크 장치(181, 182, 191, 192)를 이용해 고정하고, 구동 장치(30)르 구동해 연결체(110)를 위치 이동시킴으로써, 팔을 스스로 움직일 수 없는 환자의 팔을 억지로 움직여 운동시키도록 할 수도 있다.

한편, 본 실시예에 따르면, 디스플레이 장치(60)를 이용해 거치대(101)의 이동 상황을 사용자(U)에게 시각적으로 제공할 수 있다. 또한, 거치대(101)의 이동 경로를 지정하여 사용자가 해당 이동 경로를 따라 팔을 움직이도록 유도함으로써, 재활 운동을 수행할 수 있는 재활 운동 프로그램을 디스플레이 장치(60)를 통해 시연할 수도 있다.

도 18 및 도 19는 재활 운동 프로그램의 일 예를 도시한 것이다.

도 18에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 디스플레이 장치(60)를 통해 회오리 모양의 경로(62)를 사용자(U)에게 제공될 수 있다.

거치대(101)의 위치(즉, 사용자의 손의 위치)는 십자 표시로 표시되며, 사용자는 십자 표시가 경로(62)를 따라 이동할 수 있도록 팔을 운동해 거치대(101)를 이동시키라는 지령을 전달받는다. 경로(62)를 얼마나 성실히 따라 움직였는지 여부에 대한 성과도가 디스플레이 장치(60)를 통해 제공될 수 있다.

또한, 도 19에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치(60)를 통해 직선/회전 이동 경로가 사용자(U)에게 제공될 수 있다.

사용자는 시작점(63)에서 시작하여, 다음 점(64, 65, 66)까지 팔을 이용해 거치대(101)를 직선 이동시킨 뒤, 일 지점(66)에서 손목을 이용해 거치대(101)를 회전 이동시킨 후, 종점까지 거치대(101)를 직선 이동시켜야 하는 지령을 받는다.

이와 같이, 거치대(101)를 적절히 수평 이동 및 회전 이동시켜야하는 다양한 운동 프로그램을 사용자에게 제공하여, 효과적인 재활 운동을 수행하도록 할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 사용자는 오로지 패스브 조인트로 구성되는 제1 링크부(120)의 저항만을 느끼며 팔을 동작할 수 있어, 재활 장치를 동작시키는데 드는 힘이 최소화된다. 반면, 사용자가 이동시켜야 하는 거치대와 연결체가 상대 이동 가능하도록 하고, 연결체는 모터를 이용한 링크 주고를 이용해 위치 이동시킴으로써, 상지 재활에 필요한 동작을 수행하기 위한 워크 스페이스(work space)가 를 최대화될 수 있다.

본 명세서에서는 사용자의 팔을 재활하기 위한 상지 재활 장치를 설명하고 있지만, 거치대 및 그와 관련된 링크를 바닥과 근접하여 설치하는 변경을 통해, 사용자의 다리를 재활하기 위한 하지 재활 장치를 구성할 수 있다는 점이 이해될 것이다. 즉, 사용자의 하지 및 하지 재활 운동을 위한 구성은 본 발명의 균등 범위에 속할 수 있다.

Claims

사용자의 팔을 운동시켜 재활을 돕는 상지 재활 장치로서,
연결체;
상기 연결체에 위치 이동 가능하게 연결되는 거치대;
상기 연결체를 위치 이동시키는 구동 장치를 포함하고,
사용자가 팔을 상기 거치대에 거치하여 상기 거치대를 움직이면, 상기 구동 장치가 구동해 상기 연결체를 상기 거치대를 따라 이동시켜, 사용자가 팔을 움직일 수 있는 상기 연결체의 워크 스페이스(work space)를 확장시키고,
상기 연결체는,
상기 구동 장치와 연결되는 연결 몸체;
상기 거치대와 연결되는 연결 뭉치;
상기 연결 뭉치를 상기 연결 몸체에 대해 이동 가능하게 고정하는 제1 링크부;
상기 제1 링크부를 구성하는 링크들의 회전각을 측정하여, 상기 연결 뭉치의 회전 및 수평 이동에 대한 정보를 제공하는 복수의 각도 센서; 및
상기 제1 링크부의 동작에 간섭하여, 사용자가 상기 거치대를 이동시키는데 필요한 힘을 조절하는 브레이크 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 장치.
제1항에 있어서,
상기 구동 장치는,
상기 거치대가 상기 연결체에 대해 정의된 기준 위치에서 벗어나면 구동하여, 상기 거치대가 상기 기준 위치에 놓이도록 상기 연결체를 이동시키는 것을 특징으로 하는 상지 재활 장치.
제1항에 있어서,
상기 연결체에 대해 상기 거치대가 이동 가능한 이동 영역을 정의하고,
상기 구동 장치는, 상기 이동 영역을 벗어나도록 상기 거치대가 이동하는 경우, 상기 거치대가 상기 이동 영역 내부에 위치하도록 상기 연결체를 이동시키는 것을 특징으로 하는 상지 재활 장치.
제1항에 있어서,
상기 구동 장치는,
상기 거치대가 거치대의 중심을 중심으로 회전하는 경우, 상기 연결체가 연결체의 중심을 중심으로 회전하도록 상기 연결체를 이동시키는 것을 특징으로 하는 상지 재활 장치.
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제1항에 있어서,
상기 제1 링크부는,
각각 상기 연결 뭉치의 서로 다른 부분에 연결되며, 상기 연결 뭉치와 상기 연결 몸체 사이에 폐루프 구조를 형성하는 제1 연결 링크체와 제2 연결 링크체를 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 장치.
제7항에 있어서,
상기 각도 센서는 상기 제1 연결 링크체와 상기 제2 연결 링크체의 상기 연결 몸체에 대한 연결부에 구비되는 것을 특징으로 하는 상지 재활 장치.
제1항에 있어서,
상기 구동 장치는,
상기 연결체에 결합되는 구동 뭉치;
상기 구동 뭉치를 수평 이동시키도록 구성되는 제2 링크부;
상기 구동 뭉치를 회전 이동시키도록 구성되는 제3 링크부를 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 장치.
제9항에 있어서,
상기 제2 링크부와 상기 제3 링크부는 서로 결속되도록 형성되되, 서로 독립적으로 제어되어 상기 구동 뭉치의 수평 이동 및 회전 이동을 독립적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 장치.
제10항에 있어서,
상기 제2 링크부는 제1 내지 제4 수평 이동 링크를 포함하고,
상기 제1 내지 제4 수평 이동 링크는 폐루프 구조를 형성하도록 연결되어 상기 제1 내지 제4 수평 이동 링크가 서로 상대 회전하는 제1 내지 제4 기본 회전축을 정의하고,
상기 구동 뭉치는 제1 기본 회전축을 정의하는 제2 수평 이동 링크와 제3 수평 이동 링크의 연결부에 형성되어, 상기 제1 내지 제4 수평 이동 링크의 상대 회전에 따라 수평 이동하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 장치.
제11항에 있어서,
상기 제1 기본 회전축과 마주하는 제4 기본 회전축을 중심으로 회전 가능하게 형성되는 제1 수평 이동 링크와 제4 수평 이동 링크를 상기 제4 기본 회전축에 대해 회전 이동시키는 제1 모터와 제2 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 장치.
제11항에 있어서,
상기 제3 링크부는,
제1 내지 제4 회전 이동 링크,
각각 상기 제1 내지 제4 기본 회전축을 중심으로 회전 가능하게 형성되는 제1 내지 제4 회전 캠을 포함하고,
상기 제1 내지 제4 회전 이동 링크는 상기 제1 내지 제4 회전 캠을 개재해 연결되어 폐루프 구조를 형성하며,
상기 구동 뭉치는 제1 회전 캠과 결합되어 상기 제1 회전 캠의 회전에 의해 상기 제1 기본 회전축을 중심으로 회전하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 장치.
제13항에 있어서,
제1 회전 캠과 마주하는 제4 기본 회전축을 중심으로 제4 회전 캠을 회전시키는 제3 모터를 포함하고,
상기 제4 회전 캠의 회전에 따른 제1 내지 제4 회전 이동 링크의 연쇄 동작으로 상기 제1 회전 캠이 상기 제1 기본 회전축을 중심으로 회전하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 장치.
제1항에 있어서,
상기 연결체에 대한 상기 거치대의 위치를 고정하고,
상기 구동 장치를 구동해 상기 연결체를 위치 이동시켜 사용자의 팔을 운동시키는 것을 특징으로 하는 상지 재활 장치.
제1항에 있어서,
상기 거치대의 이동 상황을 사용자에게 시각적으로 제공하는 디스플레이 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 장치.
제16항에 있어서,
상기 디스플레이 장치를 통해 상기 거치대의 이동 경로를 지정하는 재활 운동 프로그램을 시연하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 장치.