KR101957918B1

KR101957918B1 - 가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터

Info

Publication number: KR101957918B1
Application number: KR1020170107670A
Authority: KR
Inventors: 강언욱
Original assignee: (주)젬텍
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2017-08-25
Publication date: 2019-03-14
Also published as: KR20190022007A

Abstract

본 발명은 가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터에 관한 것으로, 상지 기구부(Chest Press Unit)를 갖는 전동재활기기의 전체 하중을 받쳐서 넘어지지 않도록 하는 'T'자형 3축 무게중심 지지받침대와; 상기 지지받침대의 일측과 연결되어 회동되며, ICT와 융합 가능한 7인치 터치용 액정 디스플레이를 이용하여 중량 토크를 사용자가 가변적으로 설정하여 제어 가능하도록 하는 디스플레이 조작부와; 상기 지지받침대의 일측과‘ㄷ’자형 프레임이 힌지수단으로 연결되며, 상지의 팔과 어깨 근력운동을 위한 한 쌍의 손잡이와; 상기 한 쌍의 손잡이를 잡고 사용자가 노를 젓듯이 전후로 운동할 수 있도록 돕는 좌석 및 좌석등받이와; 상기 좌석 하단에 위치하며, 상기 한 쌍의 손잡이의‘ㄷ’자형 프레임의 중앙과 브라켓으로 연결 및 엑츄에이터의 3상 서보모터와 연결되어 사용자가 상기 한 쌍의 손잡이를 통해 운동할 수 있도록 하는 회전운동을 하는 벨트풀리장치와; 상기 3상 서보모터의 회전방향과 반대의 힘을 역으로 발생시키도록 제어 가능하도록 하는 32Bit Coretax 마이크로프로세서가 구비되는 모션엑츄에이터와; 상기 모션엑츄에이터를 갖는 전동재활기기에 입력전력을 공급하기 위한 전원공급부와; 상기 전원공급부의 전력을 받는 모션엑츄에이터의 설정동력에 따라 상기 벨트풀리장치의 장력을 조절하기 위해 상기 'T'자형 3축 무게중심 지지받침대의 타워 일측에 브라켓과 함께 고정 연결되는 장력조절기가 구성되는 가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터를 구현함으로써, 재활운동기구의 부하에 대한 정밀 조절과 등속성(iso-kinetic) 운동 제어 및 운동량 계측을 통한 안정성과 편리성을 갖춘 고령자 전용 상지 운동기구에 적용 가능한 독특한 특징이 있다.

Description

가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터{An Actuator for Chest Press Rehabilitation Exercise Device having Variable Output}

본 발명은 재활운동기구용 엑츄에이터에 관한 것으로서, 특히 기존 기계조절방식인 유ㆍ공압엑츄에이터에서 탈피하여 서보 드라이브 기능을 갖는 재활운동기구용 모션엑츄에이터(Motion Actuator)와 ICT융합 계측장치의 구현으로, 등속성(Isokinetic) 운동의 안정성과 편리성을 갖춘 고령자전용 상지 재활운동기구에 적용 가능하도록 한 가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터에 관한 것이다.

최근, 고도산업 성장과 생활환경 개선으로 산업재해, 교통사고 및 뇌 질환 등에 의한 근력이 약화된 환자가 급증하고 있으며, 이에 대한 다양한 재활 운동 치료 및 훈련의 필요성과 근력 기능을 복원하고 회복기간을 단축하기 위하여 최적의 재활 훈련 메커니즘(피트니스용 등속성 운동) 구현이 가능한 지능형 운동 훈련기기의 필요성이 대두되고 있다.

피트니스용 등속성 운동(IsoKinetic Exercise)은 가해지는 힘과는 상관없이 미리 정해진 각속도로 움직이는 운동이며, 사고로 인한 근력이 약한 환자나 고령자가 주로 재활 치료 목적으로 사용되는 것이므로, 무엇보다도 안정성과 편리성을 갖추어야 하고 정밀한 계측이 이루어져야 한다.

피트니스용 등속성 운동기구 분야의 기술동향을 살펴보면, Keiser사 등이 기계식 수동형 공압구동 제품으로 시장에 이미 출시하고 있으며, Cybex사 등의 고가 운동측정 및 재활 의료장비에 비해 사용자의 운동 자세를 무한히 다양하게 취할 수 있는 특징이 있는 반면, 운동 중 최고 속도만 측정하는 계측 성능의 한계를 갖고 있다. Biodex, Medx, Cybex 계열사의 제품들은 등속성 운동으로 운동 가속도에 상관없이 일정한 부하를 발생하고 정밀한 계측치를 생산하는 고가 운동측정 및 재활 의료장비들로서 환자의 상태에 맞는 운동치료 및 재활 훈련 치료를 극대화하고 있다. 이는 국가주도의 다양한 재활의료기기 연구개발 사업을 적극적으로 추진한 선진국들의 정책결과이며, 미국은 NIH를 중심으로, 일본은 후생노동성이 중심이 되어 관련 연구비를 지원하고 있다. 그러나 우리나라는 국가주도의 전략적 연구 개발이 많이 부족하고 열악한 환경을 갖고 있는 주로 중소기업에서 다품종 소량생산이 이루어지고 있는 실정이다.

또한, 시장 동향을 살펴보면, 지금까지 해외에서는 전술한 Keiser사 등이 와이어(Wire)를 이용한 운동장비가 90% 이상을 차지하고 있으며 이는 사용성과 위험성이 내포되어 있다. 따라서 선진업체에서는 고령자와 재활운동을 요하는 환자 및 헬스 케어 여성들의 증가 추세를 감안하여 사용자의 안정성과 편리성 및 다양한 운동 계측이 가능한 새로운 공압제품과 정밀 모터를 이용한 피트니스용 등속성 운동 제품들이 속속 개발되고 국내에도 수입되고 있어 이 분야의 시장은 크게 확대될 것으로 예측하고 있다.

그러나 국내에서는 현재 기계조절방식의 유ㆍ공압엑츄에이터가 주로 수입되어 제품개발 및 제품시장 출시가 이루어지고 있으며, 실시간 동적 운동부하 제어를 통한 등속성(IsoKinetic)과 등척성(Isometric) 및 등장성(Isotonic) 운동 구현이 가능하고, 운동 궤적에 임의의 부하 설정(스프링 인장 운동, 원심성 운동, 진동 운동 등)이 가능한 상ㆍ하지 근력운동과 재활훈련기기에 적용 가능한 모션엑츄에이터(Motion Actuator) 제어방식의 제품은 해외 일부 기술선진 업체를 제외하고는 아직 개발단계이다.

따라서 본 발명은 상기 문제점들을 해소하기 위해 개선된 새로운 가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터를 제안한다.

본 발명의 목적은, 기존 기계조절방식과 달리 서보 드라이브 기능을 갖고 3상 서보모터의 회전방향과 반대의 힘을 역으로 발생시키도록 제어 가능하도록 하는 32Bit Coretax 마이크로프로세서가 구비되는 상지 재활운동기구용 2KW Sensored BLDC 모션엑츄에이터와 ICT융합 계측장치를 구현함으로써, 재활운동기구의 부하에 대한 정밀 조절과 등속성(Isokinetic) 운동 제어 및 운동량 계측을 통한 안정성과 편리성을 갖춘 고령자 전용 상지 운동기구에 적용 가능하도록 한 가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터를 제공한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 상지 기구부(Chest Press Unit)를 갖는 전동재활기기의 전체 하중을 받쳐서 넘어지지 않도록 하는 'T'자형 3축 무게중심 지지받침대(100)와; 상기 지지받침대의 일측과 연결되어 회동되며, ICT와 융합 가능한 7인치 터치용 액정 디스플레이를 이용하여 중량 토크를 사용자가 가변적으로 설정하여 제어 가능하도록 하는 디스플레이 조작부(200)와; 상기 지지받침대의 일측과‘ㄷ’자형 프레임이 힌지수단으로 연결되며, 상지의 팔과 어깨 근력운동을 위한 한 쌍의 손잡이(300)와; 상기 한 쌍의 손잡이를 잡고 사용자가 노를 젓듯이 전후로 운동할 수 있도록 돕는 좌석 및 좌석등받이(400)와; 상기 좌석 하단에 위치하며, 상기 한 쌍의 손잡이의‘ㄷ’자형 프레임의 중앙과 브라켓으로 연결 및 모션엑츄에이터의 3상 서보모터와 연결되어 사용자가 상기 한 쌍의 손잡이를 통해 운동할 수 있도록 하는 회전운동을 하는 벨트풀리장치(Belt Polly,500)와; 상기 3상 서보모터의 회전방향과 반대의 힘을 역으로 발생시키도록 제어 가능하도록 하는 32Bit Coretax 마이크로프로세서가 구비되는 모션엑츄에이터(Motion Actuator,600)와; 상기 모션엑츄에이터를 갖는 전동재활기기에 입력전력을 공급하기 위한 전원공급부(700)와; 상기 전원공급부의 전력을 받는 모션엑츄에이터의 설정동력에 따라 상기 벨트풀리장치의 장력을 조절하기 위해 상기 'T'자형 3축 무게중심 지지받침대의 타워 일측에 브라켓과 함께 고정 연결되는 장력조절기(800)가 구성되는 가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터를 제공한다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 모션엑츄에이터(600)는, 상기 3상 서보모터에 대해 토크제어를 통해 1~300g 단위까지 미세하게 사용자의 근력 저항의 힘 값을 조절 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 모션엑츄에이터(600)는, 상기 3상 서보모터의 120° 위상을 검출하는 홀 센서로부터 현재 위치 값을 인식하여 상기 3상 서보모터를 정역회전 하도록 제어하되, 상기 벨트풀리장치의 벨트(Belt)와 풀리(Polly)의 조건비례(Proportional)에 설정된 값과 운동설정 출력값인 재활운동을 위한 사용자의 근력 저항값에 맞게 상기 3상 서보모터의 출력 토크값을 직선운동으로 연산하여 2KW 서보드라이브에 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 제어하는 32Bit Coretax 마이크로프로세서(610)와, 상기 3상 서보모터의 위상을 검출하며, 검출된 데이터를 상기 마이크로프로세서로 전송하여 상기 3상 서보모터의 현재 위치 값을 인식하도록 하는 홀 센서(Hall Sensor,620)와, 상기 홀 센서의 입력값에 따른 상기 마이크로프로세서의 명령을 수행하는 HALF-Bridge FET소자를 통해 PWM으로 제어 기능을 수행하는 2KW SERVO Driver(630)와, 상기 마이크로프로세서의 명령을 수행하는 상기 2KW SERVO Driver의 PWM에 의해 정역회전 되는 3상 서보모터(3-Phase Servo Motor,640)가 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 ICT와 융합 가능한 7인치 터치용 액정 디스플레이는, 사용자 인터페이스 기능을 통해 재활훈련 전용 관리 프로그램을 제어하도록 하는 오픈 소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로컨트롤러인 아두이노(Arduino)와 라즈베리파이(Raspberry Pi)3B 중에서 어느 하나가 선택되어 상기 디스플레이에 내장되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 아두이노(Arduino)와 라즈베리파이(Raspberry Pi)3B는, 상기 모션엑츄에이터의 32Bit Coretax 마이크로프로세서와 연계되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터는 다음과 같은 효과가 있다.

(1)본 발명은 재활운동기구의 부하에 대한 정밀 조절과 등속성 운동 제어 및 운동량 계측을 통한 안정성과 편리성을 갖춘 고령자 전용 상지 운동기구에 적용 가능하다.

(2)본 발명은 디스플레이에 내장된 아두이노(Arduino) 및 라즈베리파이(Raspberry Pi)3B를 통한 ICT와 융합이 가능하기 때문에 운동효과 제고와 적극적인 재활훈련을 위한 근력량 측정 시스템과 TCP/IP 패킷 통신망을 이용한 원격처방 및 재활치료 이력의 통합 데이터 관리가 가능한 독특한 효과가 있다.

도 1은 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터에 대한 전체 기술적 구성을 나타낸 도면
도 2는 상기 도 1에 대한 좌측면을 나타낸 도면
도 3은 상기 도 1에 대한 우측면을 나타낸 도면
도 4는 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터에 대한 모션엑츄에이터(전동 토크제어 재활운동기구 동작)의 세부구성을 나타낸 도면
도 5는 상기 도 4에 대한 제어용 모션엑츄에이터의 32Bit Coretax 마이크로프로세서를 실제 설계한 도면
도 6은 상기 도 4에 대한 제어용 모션엑츄에이터의 Half-Bridge FET 방식에 의한 PWM 제어를 나타낸 회로도
도 7은 상기 도 6과 결합된 Half-Bridge FET 출력 부분을 설명하기 위한 회로도

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 하며 비록 종래기술과 동일한 부호가 표시되더라도 종래기술은 그 자체로 해석하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터에 대한 핵심 기술적 구성은, 크게 'T'자형 3축 무게중심 지지받침대(100)와, 디스플레이 조작부(200), 한 쌍의 손잡이(300), 좌석 및 좌석등받이(400), 벨트풀리장치(Belt Polly,500), 모션엑츄에이터(Motion Actuator,600), 전원공급부(700) 및 장력조절기(800)로 구성된다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 상기 'T'자형 3축 무게중심 지지받침대(100)는, 상지 기구부(Chest Press Unit)를 갖는 전동재활기기의 전체 하중을 받쳐서 넘어지지 않도록 하는 프레임 지지대이다.

여기서, 상기 'T'자형 3축 무게중심 지지받침대의 하부에는 바퀴를 내장시켜 이동시에 편리성을 부여할 수 있으며, 상기 바퀴는 평소에는 상기 'T'자형 3축 무게중심 지지받침대의 내부에 내장시키고, 이동시에는 스크류 방식으로 회전 돌출시킴으로써, 이동이 가능하다. 그리고 T자형 3축 무게중심 지지받침대가 바닥면과 닿은 부분에는 넓은 흡착발판(미도시)을 두어 하중을 잘 견디며 안정성도 커지도록 한다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 상기 디스플레이 조작부(200)는, 상기 지지받침대의 일측과 연결되어 회동되며, ICT와 융합 가능한 7인치 터치용 액정 디스플레이를 이용하여 중량 토크를 사용자가 가변적으로 설정하여 제어 가능하도록 한다.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 상기 ICT와 융합 가능한 7인치 터치용 액정 디스플레이는, 사용자 인터페이스 기능을 통해 재활훈련 전용 관리 프로그램을 제어하도록 하는 오픈 소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로컨트롤러인 아두이노(Arduino)와 라즈베리파이(Raspberry Pi)3B 중에서 어느 하나가 선택되어 상기 ICT와 융합 가능한 7인치 터치용 액정 디스플레이에 내장된다.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 ICT와 융합 가능한 7인치 터치용 액정 디스플레이에 내장된 상기 아두이노(Arduino)와 라즈베리파이(Raspberry Pi)3B는, 모션엑츄에이터(600)의 32Bit Coretax 마이크로프로세서(610)와 연계되어 재활훈련 관리 프로그램을 제어하게 된다.

여기서, 상기 아두이노(Arduino)는, 오픈 소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로컨트롤러로 완성된 보드와 관련 개발 도구 및 환경을 말한다. 상기 아두이노는 다수의 스위치나 센서로부터 값을 받아들여, 외부 전자 장치들을 통제함으로써 환경과 상호작용이 가능한 어떤 동작을 만들어 낼 수 있다. 또한, 상기 라즈베리파이(Raspberry Pi)3B는, 싱글보드 컴퓨터의 최신 모델로서, 64비트 프로세서인 ARM Cortex-53 쿼드코어를 탑재해 1세대 라즈베리파이 컴퓨터와 비교해 데이터 처리 속도가 10배 빨라진 것이 특징이다. 또한 추가로 장착해야 했던 종래와 달리 와이파이(WiFi)와 블루투스(Bluetooth) 무선통신 기능이 처음부터 컴퓨터 보드에 탑재되어 있다. 그리고 싱글스레드 처리에서 1세대 라즈베리파이 대비 2.5배 빠르며, NEON 비디오코덱 처리 성능은 20배 빠른 특징이 있다.

이와 같은 본 발명의 특징은, 운동효과 제고와 적극적인 재활 훈련을 위한 근력량 측정 시스템과 TCP/IP 패킷 통신망을 이용한 원격처방 및 재활치료 이력의 통합 데이터 관리가 가능하도록 한다. 또한 상기 재활치료 이력의 통합관리 데이터는 개인용 스마트 폰과 연동시킴으로써, 환자의 상태에 맞는 운동치료 및 재활 훈련을 극대화할 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 상기 한 쌍의 손잡이(300)는, 상기 'T'자형 3축 무게중심 지지받침대의 일측과‘ㄷ’자형 프레임이 힌지수단으로 연결되며, 상지의 팔과 어깨 근력운동을 실시하기 위함이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 상기 좌석 및 좌석등받이(400)는, 상기 한 쌍의 손잡이를 잡고 사용자가 노를 젓듯이 전후로 편안하게 운동할 수 있도록 돕는 기능을 수행함으로써, 재활치료 주치의와 재활치료 환자들 간의 편의를 제공할 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 상기 벨트풀리장치(Belt Polly,500)는, 상기 좌석 하단에 위치하며, 상기 한 쌍의 손잡이의‘ㄷ’자형 프레임의 중앙과 브라켓으로 연결 및 모션엑츄에이터의 3상 서보모터와 연결되어 사용자가 상기 한 쌍의 손잡이를 통해 운동할 수 있도록 하는 회전운동을 하는 수단이다.

도 1과 도 4 내지 도 7을 참조하여, 상기 모션엑츄에이터(Motion Actuator,600)는, 상기 3상 서보모터의 회전방향과 반대의 힘을 역으로 발생시키도록 제어 가능하도록 하는 32Bit Coretax 마이크로프로세서가 구비된다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 모션엑츄에이터(600)는, 상기 3상 서보모터에 대해 토크제어를 통해 1~300g 단위까지 미세하게 사용자의 근력 저항의 힘 값을 조절 가능하다.

한편, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 모션엑츄에이터(600)는, 32Bit Coretax 마이크로프로세서(610)와 홀 센서(Hall Sensor,620), 2KW SERVO Driver(630), 3상 서보모터(3-Phase Servo Motor,640)가 구비된다.

상기 32Bit Coretax 마이크로프로세서(610)는, 상기 3상 서보모터의 120° 위상을 검출하는 홀 센서로부터 현재 위치 값을 인식하여 상기 3상 서보모터를 정역회전 하도록 제어하되, 상기 벨트풀리장치의 벨트(Belt)와 풀리(Polly)의 조건비례(Proportional)에 설정된 값과 운동설정 출력값인 재활운동을 위한 사용자의 근력 저항값에 맞게 상기 3상 서보모터의 출력 토크값을 직선운동으로 연산하여 2KW 서보드라이브에 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 제어한다.

상기 홀 센서(Hall Sensor,620)는, 상기 3상 서보모터의 위상을 검출하며, 검출된 데이터를 상기 마이크로프로세서로 전송하여 상기 3상 서보모터의 현재 위치 값을 인식하도록 한다.

상기 2KW SERVO Driver(630)는, 상기 홀 센서의 입력값에 따른 상기 마이크로프로세서의 명령을 수행하는 HALF-Bridge FET소자를 통해 PWM으로 제어 기능을 수행한다.

상기 3상 서보모터(3-Phase Servo Motor,640)는, 상기 마이크로프로세서의 명령을 수행하는 상기 2KW SERVO Driver의 PWM에 의해 정역회전하게 되며, 서보모터의 특성상 정밀 제어가 가능하다.

한편, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 모션엑츄에이터(600)의 전동 토크제어 재활운동기구 동작 기능에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

즉, 본 발명의 실시 예에 따른 가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터의 상지 재활운동기기는 사용자의 근력 저항을 위한 토크 입력 설정값을 kg단위로 설정하여 근력운동 재활을 돕는 전동형 재활 운동 보조기구이다. 먼저, 재활운동에 필요한 Kinematic은 통상 각 중량이 갖는 무게 1kg단위 혹은 2kg단위의 무게추(Weight Block)등을 추가 하거나 비례밸브제어에 의한 공기압을 이용한 사용자의 당기는 힘의 근력 저항값을 이용한다.

그러나 본 발명의 재활기구는 모터의 회전방향과 반대의 힘을 역으로 발생시켜 재활운동을 가능하도록 고안하였다는데 그 독특한 특징이 있다. 이것은 기존의 물리적인 중력의 힘을 이용한 것과는 다른 방식으로서 무게추(Weight Block)나 비례제어밸브의 추가적인 제어방식을 탈피하여 모터의 토크제어를 구성함으로써, 1~300g단위까지 미세하게 근력 저항의 힘 값을 조절하도록 고안한 재활운동 장치이다.

본 발명의 재활기구의 동작구성에 따른 설명은, 먼저 32bit Coretax 마이크로프로세서는 3상 120°위상 제어가 가능한 서보모터의 위상을 판별하기 위한 입력 센서인 홀 센서(A,B,C Hall Sensor)를 통하여 현재의 위치값을 인식하고 정역회전 운동을 제어한다. 또한 회전운동을 벨트(Belt)와 풀리(Polly)의 조건비례(Proportional)에 설정된 값과 운동설정 출력값인 재활운동을 위한 사용자의 근력 저항값에 맞게 3상 서보모터의 출력 토크값을 직선운동으로 연산하여 모터앰프(2KW 서보드라이브)에 PWM으로 제어 처리한다.

도 4 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 Half-Bridge FET 방식의 2KW SERVO Driver는, 통상 고출력값을 갖는 FET소자를 이용하여 600V의 고전압과 고속출력을 갖도록 IR2101 FET Driver를 이용하여 10~20V Gate를 PWM(Pulse Width Modulation)제어한다.

또한, 도 7을 참조하면, 상기 도 6과 결합된 Half-Bridge FET의 출력 부분에 대하여 설명하면, 회로의 U상에 연결된 FET_G1과 FET_S1은 도 7에 네트로 연결되어 있으며, 출력에 연결된 D(드레인) 전압은 48V로서 제공한다. FET소자는 IRFB4110으로서 100V내압을 가지며 고속 전력스위칭 FET로서 25℃에서 상시전류 Continuous Drain Current, VGS @ 10V (Silicon Limited)조건에서 180A의 드라이빙능력을 갖고 있다. 나머지 각 V, W상은 도 7과 동일하게 동작이 이루어진다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 상기 전원공급부(700)는, 상기 모션엑츄에이터를 갖는 전동재활기기에 입력전력을 공급하기 위한 수단이며, 서보모터 등에 공급하기 위해서는 AC와 DC가 동시에 공급된다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 상기 장력조절기(800)는, 상기 전원공급부의 전력을 받는 모션엑츄에이터의 설정동력에 따라 상기 벨트풀리장치의 장력을 조절하기 위해 상기 T자형 3축 무게중심 지지받침대의 타워 일측에 브라켓과 함께 고정 연결된다.

이하, 도 1 내 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터의 작용효과를 상세하게 설명한다.

즉, 본 발명은 상지 기구부(Chest Press Unit)를 갖는 전동재활기기의 'T'자형 3축 무게중심 지지받침대(100)와, ICT와 융합 가능한 7인치 터치용 액정 디스플레이를 이용하여 중량 토크를 사용자가 가변적으로 설정하여 제어 가능하도록 하는 디스플레이 조작부(200)와, 상지의 팔과 어깨 근력운동을 위한‘ㄷ’자형 프레임이 힌지수단으로 연결되는 한 쌍의 손잡이(300)와, 상기 한 쌍의 손잡이를 노를 젓듯이 전후로 운동할 수 있도록 돕는 좌석 및 좌석등받이(400)와, 상기 한 쌍의 손잡이 프레임의 중앙과 브라켓으로 연결되고 모션엑츄에이터의 3상 서보모터와 연결되어 상기 한 쌍의 손잡이를 통해 운동이 가능하도록 하는 회전운동을 하는 벨트풀리장치(Belt Polly,500)와, 상기 3상 서보모터의 회전방향과 반대의 힘을 역으로 발생시키도록 제어가 가능한 모션엑츄에이터(Motion Actuator,600)와, 전동재활기기에 전력을 공급하기 위한 전원공급부(700) 및 상기 벨트풀리장치의 장력을 조절하기 위한 장력조절기(800)를 구성함으로써, 재활운동기구의 부하에 대한 정밀 조절과 등속성(Isokinetic) 운동 제어 및 운동량 계측을 통한 안정성과 편리성을 갖춘 고령자 전용 상지 운동기구에 적용 가능한 독특한 특징이 있다고 할 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 'T'자형 3축 무게중심 지지받침대 200 : 디스플레이 조작부
300 : 한 쌍의 손잡이 400 : 좌석 및 좌석등받이
500 : 벨트풀리장치 600 : 모션엑츄에이터
610 : 32Bit Coretax 마이크로프로세서 620 : 홀 센서
630 : 2KW SERVO Driver 640 : 3상 서보모터
700 : 전원공급부 800 : 장력조절기

Claims

상지 기구부(Chest Press Unit)를 갖는 전동재활기기의 전체 하중을 받쳐서 넘어지지 않도록 하는 'T'자형 3축 무게중심 지지받침대(100)와;
상기 지지받침대의 일측과 연결되어 회동되며, ICT와 융합 가능한 7인치 터치용 액정 디스플레이를 이용하여 중량 토크를 사용자가 가변적으로 설정하여 제어 가능하도록 하는 디스플레이 조작부(200)와;
상기 지지받침대의 일측과‘ㄷ’자형 프레임이 힌지수단으로 연결되며, 상지의 팔과 어깨 근력운동을 위한 한 쌍의 손잡이(300)와;
상기 한 쌍의 손잡이를 잡고 사용자가 노를 젓듯이 전후로 운동할 수 있도록 돕는 좌석 및 좌석등받이(400)와;
상기 좌석 하단에 위치하며, 상기 한 쌍의 손잡이의‘ㄷ’자형 프레임의 중앙과 브라켓으로 연결 및 모션엑츄에이터의 3상 서보모터와 연결되어 사용자가 상기 한 쌍의 손잡이를 통해 운동할 수 있도록 하는 회전운동을 하는 벨트풀리장치(Belt Polly,500)와;
상기 3상 서보모터의 회전방향과 반대의 힘을 역으로 발생시키도록 제어 가능하도록 하는 32Bit Coretax 마이크로프로세서가 구비되는 모션엑츄에이터(Motion Actuator,600)와;
상기 모션엑츄에이터를 갖는 전동재활기기에 입력전력을 공급하기 위한 전원공급부(700)와;
상기 전원공급부의 전력을 받는 모션엑츄에이터의 설정동력에 따라 상기 벨트풀리장치의 장력을 조절하기 위해 상기 'T'자형 3축 무게중심 지지받침대의 타워 일측에 브라켓과 함께 고정 연결되는 장력조절기(800)가 구성되고,
상기 모션엑츄에이터(600)는,
상기 3상 서보모터의 120° 위상을 검출하는 홀 센서로부터 현재 위치 값을 인식하여 상기 3상 서보모터를 정역회전 하도록 제어하되, 상기 벨트풀리장치의 벨트(Belt)와 풀리(Polly)의 조건비례(Proportional)에 설정된 값과 운동설정 출력값인 재활운동을 위한 사용자의 근력 저항값에 맞게 상기 3상 서보모터의 출력 토크값을 직선운동으로 연산하여 2KW 서보드라이브에 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 제어하는 32Bit Coretax 마이크로프로세서(610)와,
상기 3상 서보모터의 위상을 검출하며, 검출된 데이터를 상기 마이크로프로세서로 전송하여 상기 3상 서보모터의 현재 위치 값을 인식하도록 하는 홀 센서(Hall Sensor,620)와,
상기 홀 센서의 입력값에 따른 상기 마이크로프로세서의 명령을 수행하는 HALF-Bridge FET소자를 통해 PWM으로 제어 기능을 수행하는 2KW SERVO Driver(630)와,
상기 마이크로프로세서의 명령을 수행하는 상기 2KW SERVO Driver의 PWM에 의해 정역회전 되는 3상 서보모터((3-Phase Servo Motor,640)가 구비되는 것을 특징으로 하는 가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터.
제1 항에 있어서,
상기 모션엑츄에이터(600)는, 상기 3상 서보모터에 대해 토크제어를 통해 1~300g 단위까지 미세하게 사용자의 근력 저항의 힘 값을 조절 가능한 것을 특징으로 하는 가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 ICT와 융합 가능한 7인치 터치용 액정 디스플레이는, 사용자 인터페이스 기능을 통해 재활훈련 전용 관리 프로그램을 관리하도록 하는 오픈 소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로컨트롤러인 아두이노(Arduino)와 라즈베리파이(Raspberry Pi)3B 중에서 어느 하나가 선택되어 상기 디스플레이에 내장되는 것을 특징으로 하는 가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터.
제4 항에 있어서,
상기 아두이노(Arduino)와 라즈베리파이(Raspberry Pi)3B는, 상기 모션엑츄에이터의 32Bit Coretax 마이크로프로세서와 연계되는 것을 특징으로 하는 가변 출력을 갖는 상지 재활운동기구용 엑츄에이터.