KR101904990B1 - 재활로봇 손잡이 및 이를 구비한 재활로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 로봇팔의 말단자(end-effector)에 체결되는 편마비 환자용 재활로봇의 손잡이로서, 베이스(110); 상기 베이스에서 수직으로 상향 연장되며 상기 말단자가 삽입되는 삽입홈을 구비한 수직부재(120); 상기 수직부재의 상단에 구비되는 내구(130); 상기 내구(130)를 감싸면서, 상기 내구와의 관계에서 X축,Y축,Z축의 3축을 기준으로 한 회전 동작이 가능하게 구비되는 구형의 외구(150); 및 상기 외구의 회전동작 후 복귀를 위해, 상기 내구와 상기 외구 사이에 구비되는 텐션 수단;을 포함하는 재활로봇용 손잡이를 제공한다.
즉, 재활 운동 로봇의 손잡이가 다양한 방향으로 다양한 자유도를 가지고 움직이기 때문에 손목의 다양한 동작을 수행할 수 있고 또한 글러브를 로봇 손잡이에 결착하는 수단을 제공하여 손의 경직이나 근력에 상관없이 상지 재활 운동에 활용할 수 있는 효과가 발생한다.

Description

재활로봇 손잡이 및 이를 구비한 재활로봇{Knob for Rehabilitation Robot and Robot having the same}

본 발명은 재활로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 운동 영역 내에서의 재활 동작을 유도하여 노약자나 환자의 재활에 사용되는 재활로봇에 관한 것이다.

최근 재난현장에서 인간이 할 수 없는 일을 돕도록 하는 로봇이나, 또는 서비스 산업분야에서 인간을 보조하는 등으로 로봇의 적용 범위가 비약적으로 확대되고 있으며, 이와 더불어 재활치료에서도 로봇을 활용하는 기술이 다수 개발되고 있다. 즉, 노약자나 환자의 상하지 근력회복 및 근력강화를 위한 용도로 로봇의 수요가 증가하고 있으며, 이에 부응하여 재활로봇 기술도 근력회복이나 근력강화를 위해 환자 등의 동작을 단순히 가이드하거나 보조인을 통해 재활 동작이 보조되는 정도에서 보다 다양한 기술로 응용되고 있다.

관련기술로는 특허출원 제10-2004-0054308호에서 다양한 자세로 사용 가능한 재활운동기구 및 그 사용방법에 관한 것으로 브라켓을 매개로 모터에 의한 회전축에 결합된 회전판으로 재활을 수행할 수 있는 기구를 개시하고 있고, 또한, 특허출원 제10-2009-0085544호는 상지재활훈련로봇 및 그에 적용되는 패러럴 링크 장치에 관한 것으로 다양한 링크구조로 재활을 수행할 수 있는 기구를 개시하고 있다.

그리고, 특허출원 제10-2014-0193108호에서도 재활로봇을 개시하고 있는데, 도 1을 참고하여 보면, 재활로봇(1)은 베이스부(10), 제1 링크부([0025] 20), 제2 링크부(30), 손잡이부(40), 센서부(50) 및 제어부(60)를 포함상기 베이스부(10)는 상기 재활로봇(1)의 몸체부를 형성하며 내부에 제1 구동부(11) 및 제2 구동부(16)가 구비된다. 상기 제1 구동부(11)는 제1 모터(12) 및 상기 제1 모터(12)의 회전력을 감속하는 제1 감속기(13)를 포함하고, 상기 제1 구동부(11)는 상기 제1 구동부(11)의 회전축을 축으로 회전하는 1축 1차 풀리(14) 및 상기 1축 1차 풀리(14)에 연결된 1축 2차 풀리(15)를 포함한다. 사용자가 상기 손잡이부(40)를 쥔 상태인지 또는 안 쥔 상태인지를 센싱하여, 사용자가 상기 손잡이부(40)를 쥐는 경우 상기 재활로봇의 동작이 시작되고 사용자가 상기 손잡이부(40)를 놓는 경우 상기 재활로봇의 동작은 멈추게 된다. 상기 재활로봇(1)을 통해 재활을 수행하는 경우, 사용자는 기설정된 운동 영역의 범위 내에서 재활운동을 수행할 수 있도록 유도된다.

그러나, 뇌졸중 편마비 장애인 중에 손의 근력이 떨어져 손잡이를 지속적으로 잡고 있지 못하는 경우 이러한 재활로봇으로 재활운동을 하는 데 많은 문제점이 있고 종래기술의 경우 재활 운동 시 평면상에서 운동 방향이 입력된 궤적을 따라 손잡이가 움직이기 때문에 손목의 굴곡/신전 이외의 움직임에 대해서는 전혀 운동이 되지 않는 문제가 있다.

그러므로, 손목의 굴곡이나 신전의 움직임을 반영하여 이러한 움직임에 때로는 도움을 주고 때로는 저항을 줌으로써 재활 운동에 도움을 줄 수 있는 기술이 필요하였다.

본 발명은 뇌졸중 장애인의 재활을 도와 독립적으로 일상생활을 할 수 있도록 하는 재활훈련용 로봇에 사용되는 손잡이를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 대부분의 일상생활 동작 수행과정에서 손동작이 수반되므로 손 재활은 필수적임을 고려하여, 상지 훈련용 로봇 손잡이를 개발하는 것이며, 간단한 구조로 손의 경직 및 근력에 상관없이 상지 재활 운동에 쉽게 접근할 수 있는 수단을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 로봇팔의 말단자(end-effector)에 체결되는 편마비 환자용 재활로봇의 손잡이로서, 베이스(110); 상기 베이스에서 수직으로 상향 연장되며 상기 말단자가 삽입되는 삽입홈을 구비한 수직부재(120); 상기 수직부재의 상단에 구비되는 내구(130); 상기 내구(130)를 감싸면서, 상기 내구와의 관계에서 X축,Y축,Z축의 3축을 기준으로 한 회전 동작이 가능하게 구비되는 구형의 외구(150); 및 상기 외구의 회전동작 후 복귀를 위해, 상기 내구와 상기 외구 사이에 구비되는 텐션 수단;을 포함하는 재활로봇용 손잡이를 제공한다.

상기 텐션수단은, 일단은 상기 내구의 내부에 고정되고 타단은 상기 외구의 내주면에 고정되는 스프링일 수 있다.

상기 내구에는, 상기 스프링이 배치되는 홀이 상기 내구의 중심을 지나서 관통하여 형성된다.

상기 로봇팔의 말단자(E)에서 상향으로 연장되어 형성된 말단체결부(E1); 및

상기 내구에서 하향으로 연장되어 형성되어 상기 말단체결부가 삽입되는 삽입홈이 형성된 수직부재(120);를 더 포함한다.

상기 베이스에는 사각 형상이며 세 변에는 체결공간을 가진 체결바(115)가 구비된다.

상기 체결바에는 환자의 손을 고정하는 홀딩 글러브의 고정부가 결합되고, 상기 베이스에는 상기 말단자와 볼트 결합을 위한 결합홀(118)이 구비된다.

상기 외구의 외주면 형상은 횡방향으로 긴 타원형상일 수 있다.

또한, 본 발명은, 로봇몸체; 상기 로봇몸체에 회동 가능하게 부착되는 로봇팔; 상기 로봇팔의 일단에 구비되는 말단자; 및 상기 말단자에 구비되는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 재활로봇 손잡이;를 포함하는 것을 특징으로 하는 편마비 환자용 재활로봇을 제공한다.

본 발명은 재활환자의 손목의 굴곡이나 신전의 움직임에 도움과 저항을 동시에 줄 수 있음으로써 재활 운동 효율을 높이게 되는 효과가 발생한다.

즉, 재활 운동 로봇의 손잡이가 다양한 방향으로 다양한 자유도를 가지고 움직이기 때문에 손목의 다양한 동작을 수행할 수 있고 또한 글러브를 로봇 손잡이에 결착하는 수단을 제공하여 손의 경직이나 근력에 상관없이 상지 재활 운동에 활용할 수 있는 효과가 발생한다.

도 1은 종래기술에 따른 재활로봇의 모습을 보여준다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 손잡이를 구비한 로봇의 개념도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 말단자의 모습이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 손잡이의 사시도이며,
도 5는 본 발명의 로봇 말단자에 로봇 손잡이가 체결된 모습이며,
도 6은 본 발명의 로봇 손잡이 수직단면도이며,
도 7과 도 8은 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 손잡이의 단면도이며,
도 9는 본 발명에 따른 로봇 손잡이를 구비한 로봇을 이용하여 재활동작을 하는 개념도이며,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀딩 글러브 장착 모습이며,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀딩 글러브로 로봇 손잡이를 잡는 모습이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 손잡이를 구비한 로봇의 개념도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 말단자의 모습이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 손잡이의 사시도이며, 도 5는 본 발명의 로봇 말단자에 로봇 손잡이가 체결된 모습이며, 도 6은 본 발명의 로봇 손잡이의 수직단면도이다.

도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명을 살펴본다.

도 2에 도시된 재활로봇이 편마비 환자의 재활 훈련에 사용되는 로봇의 개념적인 모습이며, 프레임(F)에 로봇팔이 부착된 로봇몸체(B)를 구비하고, 로봇팔의 일단에는 로봇팔의 말단자(E: end-effector)가 구비된다. 로봇팔은 다양한 개수의 관절로 이루어지는 다수개의 로봇팔(A1,A2)이 결합되는 형상일 수도 있다. 본 발명은 이러한 재활로봇의 로봇 말단자 즉 로봇팔의 끝부분에 부착되는 부품으로 로봇 손잡이(100)이다. 로봇 말단자(E)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 로봇팔(A2)의 끝단에 구비되는 것으로, 가운데 부분에서 상향으로 연장되어 원기둥 형상으로 형성된 말단체결부(E1)와 로봇 손잡이(100)와 볼트 결합을 위한 체결구(E2)를 구비한다.

도 4에 도시된 본 발명에 따른 재활로봇용 로봇 손잡이(100)를 보면, 사각 플레이트 형상의 베이스(110)와 상기 베이스에서 수직으로 상향 연장되며 상기 말단자의 말단체결부(E1)가 삽입되는 삽입홈이 내부에 상하방향으로 형성된 수직부재(120)를 포함한다. 그리고, 상기 베이스에는 상기 말단자와 볼트 결합을 위한 결합홀(118)이 구비된다. 상기 말단체결부(E1)에 로봇 손잡이의 수직부재를 끼우고 상기 결합홈에 볼트를 체결하여 로봇 손잡이를 로봇 말단자(E)에 결합시킨다.

그리고, 본 발명의 로봇 손잡이(100)의 상기 수직부재의 상단에는 둥근 구 형상의 내구(130)가 배치되고, 상기 내구(130)를 감싸면서 내구와 별도로 구 형상의 외구(150)를 구비한다. 상기 외구는 상기 내구와의 관계에서 X축,Y축,Z축의 3축을 기준으로 한 회전 동작이 가능하게 구비된다. 즉, 내구(130)는 로봇 말단자에 고정되지만, 상기 외구는 상기 내구 둘레를 자유롭게 회전할 수 있는 것이다(도 6의 화살표 참조). 다시 말하면, 상기 내구 중심을 관통하는 X,Y,Z 축을 가정하면 상기 외구는 상기 X,Y,Z 세 축을 기준으로 한 회전방향으로 자유롭게 회전할 수 있도록 구비되며, 필요에 따라 회전이 필요한 축만 회전이 가능하도록 제한할 수 있다.

외구(150)의 이러한 회전 동작 후에는 원위치로 복귀할 수 있어야 하는데, 이를 위해 상기 내구와 상기 외구 사이에 구비되는 텐션 수단을 포함하도록 한다. 텐션 수단으로는 스프링이나 고무줄 등 인장력 있는 수단을 강구할 수 있다.

즉, 도 6에서와 같이 상기 텐션수단은, 일단은 상기 내구의 내부에 고정되고 타단은 상기 외구의 내주면에 고정되는 스프링(180)으로 형성될 수 있다. 스프링 배치를 위해, 상기 내구에는, 상기 스프링이 배치되는 홀이 상기 내구의 중심을 지나서 관통하여 형성될 수 있다.

편마비 장애인의 상지 훈련을 위해 본 발명의 로봇을 사용하는 경우, 환자가 구형의 손잡이(외구)를 잡고 손잡이를 특정 방향으로 움직이게 하면서 3차원 공간에서 움직이면, 상기 스프링(180)의 텐션으로 인해 환자의 근력이 동작하고 방향에 대해 일정 수준의 저항을 부여할 수 있어서 저항훈련을 할 수도 있고, 또한 일정 각도 회전한 상태에서 힘을 약하게 주면 상기 스프링 등의 탄성력에 의해 외구는 원위치로 돌아오게 되는 등 재활 훈련에 활용이 가능하다.

도 7과 도 8은 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 손잡이의 단면도이다.

도 7에서와 같이 본 발명의 로봇 손잡이에서 외구의 형상은 변경이 가능한데, 구형이 아니라 외주면 형상이 일정 횡방향으로 긴 타원형상의 외구(150')일 수 있다. 이렇게 타원형 손잡이로 한 이유는 환자가 경직 등의 원인으로 구형 손잡이를 잡기 어려운 사용자인 경우, 조금 더 쉽게 접근하기 위한 반 타원형 모양의 외구 형상을 고려한 것이다. 즉, 환자의 손의 경직이 심하다는 등 경직도에 차이가 있는 경우 외구의 형상을 다양하게 변경하여 활용할 수 있을 것이다.

그리고, 본 발명의 로봇 손잡이(100)의 상기 베이스(110) 사각 형상의 세 변에는 바닥과 일정 공간 이격된 체결공간(S)을 가진 체결바(115)가 구비된다. 상기 체결바에는 경직이 심한 편마비 환자의 손을 고정하는 홀딩 글러브(도 10 참조)의 고정부가 결합되는 곳이다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀딩 글러브 장착 모습이며, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀딩 글러브로 로봇 손잡이를 잡는 모습이다.

도 10에서는 본 발명의 홀딩 글러브(200)를 착용하는 과정을 도시하고 있으며, 손가락을 홀딩 글러브의 주머니에 넣은 후 차례로 글러브의 고리에 벨크로 등을 이용하여 손을 고정하는 모습이다. 그리고, 홀딩 글러브(200)의 고정부(210,220,230)를 로봇 손잡이 베이스(110)의 체결바(115)에 통과시킨 후 벨크로 고정하는 과정을 도 11에서 순차적으로 도시하고 있다.

이렇게 홀딩 글러브를 착용하는 이유는, 보통 환자의 경우 손의 쥐기/놓기 능력이 좋은 경우는 큰 문제가 되지 않지만, 뇌졸중과 같이 마비가 있는 사람은 손의 쥐기/놓기 능력이 감소하므로 뇌졸중 편마비 장애인 중에 손의 근력이 떨어져 뻗기 등 운동 시 손잡이를 지속적으로 잡고 있지 못하는 경우 홀딩 글러브(200)를 착용 후 홀딩 글러브의 고정부(210,220,230)를 상기 로봇 손잡이의 체결바(115)에 고정하여 고정시켜서 재활 환자가 손잡이를 지속적으로 잡고 있을 수 있도록 하였다.

즉, 고정되어 있는 손잡이의 경우, 뻗기 등 운동 시 본인 스스로 다른 곳을 옮겨 잡거나 일부분만 잡게 되는데 본 발명에 따른 상지 훈련용 로봇 손잡이는 손잡이의 자세변화를 추가하여 필요한 방향으로 회전하게 되어 지속적으로 처음 잡은 상태를 유지할 수 있도록 하였다. 본 발명의 로봇 손잡이는 자유롭게 움직임으로 인하여 환자 손목의 자연스럽고 다양한 움직임이 나타나게 되고 고정되어 있는 손잡이에 비하여 다양한 근육을 사용할 수 있고 손목에 통증을 발생시키는 요인을 제거 할 수 있게 되고, 3차원 공간으로 팔을 뻗는 동작을 할 때 움직임이 부드럽고 팔에 무리가 없이 동작을 할 수 있다. 또한, 손잡이의 텐션 수단으로 스프링이나 고무줄을 추가하여 적절한 텐션을 부여한다면 추가적인 도움이나 저항을 줄 수 있어서 손목 및 팔의 근력운동이 가능하게 된다.

또한, 본 발명은, 로봇몸체; 상기 로봇몸체에 회동 가능하게 부착되는 로봇팔; 상기 로봇팔의 일단에 구비되는 말단자; 및 상기 말단자에 구비되는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 재활로봇 손잡이;를 포함하는 편마비 환자용 재활로봇을 제공한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 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. 로봇팔의 말단자(end-effector)에 체결되는 편마비 환자용 재활로봇의 손잡이로서,
   베이스(110);
   상기 베이스에서 수직으로 상향 연장되며 상기 말단자가 삽입되는 삽입홈을 구비한 수직부재(120);
   상기 수직부재의 상단에 구비되는 내구(130);
   상기 내구(130)를 감싸면서, 상기 내구와의 관계에서 X축,Y축,Z축의 3축을 기준으로 한 회전 동작이 가능하게 구비되는 구형의 외구(150); 및
   상기 외구의 회전동작 후 복귀를 위해, 상기 내구와 상기 외구 사이에 구비되는 텐션 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 재활로봇 손잡이.
2. 제1항에 있어서, 상기 텐션수단은,
   일단은 상기 내구의 내부에 고정되고 타단은 상기 외구의 내주면에 고정되는 스프링인 것을 특징으로 하는 재활로봇 손잡이.
3. 제2항에 있어서, 상기 내구에는,
   상기 스프링이 배치되는 홀이 상기 내구의 중심을 지나서 관통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 재활로봇 손잡이.
4. 제1항에 있어서,
   상기 로봇팔의 말단자(E)에서 상향으로 연장되어 형성되고, 상기 수직부재의 삽입홈에 삽입되는 말단체결부(E1)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재활로봇 손잡이.
5. 제1항에 있어서,
   상기 베이스에는 사각 형상이며 세 변에는 체결공간을 가진 체결바(115)가 구비되는 것을 특징으로 하는 재활로봇 손잡이.
6. 제5항에 있어서,
   상기 체결바에는 환자의 손을 고정하는 홀딩 글러브의 고정부가 결합되는 것을 특징으로 하는 재활로봇 손잡이.
7. 제1항에 있어서,
   상기 베이스에는 상기 말단자와 볼트 결합을 위한 결합홀(118)이 구비되는 것을 특징으로 하는 재활로봇 손잡이.
8. 제1항에 있어서,
   상기 외구의 외주면 형상은 횡방향으로 긴 타원형상인 것을 특징으로 하는 재활로봇 손잡이.
9. 로봇몸체;
   상기 로봇몸체에 회동 가능하게 부착되는 로봇팔;
   상기 로봇팔의 일단에 구비되는 말단자; 및
   상기 말단자에 구비되는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 재활로봇 손잡이;를 포함하는 것을 특징으로 하는 편마비 환자용 재활로봇.

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