KR20100069293A - 상지거동을 위한 착용형 로봇장치 - Google Patents

상지거동을 위한 착용형 로봇장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상지 거동을 위한 로봇 기반 재활 및 보조기기의 부피를 콤팩트화함과 아울러, 로봇 링크가 상지 거동을 따라 움직이도록 착용형 방식을 채택하여 인체 움직임을 잘 모사할 수 있도록 그 구조가 개선된 상지거동을 위한 착용형 로봇장치에 관한 것이다.
그 구성은 지면에 고정되도록 설치되는 베이스의 상부에 배치되어 상,하 이동 가능한 승강대와, 승강대의 상부에 배치되며 좌,우 이동가능한 이동대를 갖는 스테이션부와; 스테이션부의 이동대에 배치되고 인체의 상지에 탈착수단을 매개로 탈부착 가능하며 인체의 어깨 관절과 팔꿈치 관절의 신전/굴곡 동작 및 어깨 관절의 외전/내전 동작이 가능하도록 복수개의 어깨 관절 구동부와 팔꿈치 관절 구동부로 구성되는 로봇부와; 로봇부에 배치되며 인체의 상지 거동을 센서로 감지하고 감지된 신호를 전기적 신호로 출력하는 감지부와; 감지부로부터 출력된 신호를 인가받아 어깨 관절 구동부와 팔꿈치 관절 구동부의 구동을 제어하는 제어부;를 구비한 것이다.
이에 따르면 본 발명은 여자유도를 이용한 동작방식을 채택하여 4 자유도 동작이 가능하게 되므로, 여러개의 로봇 이동 경로를 생성하고 그 중 최적의 해를 선택할 수 있어 인체와의 간섭없이 자연스러운 동작이 가능하게 될 뿐만 아니라, 부피가 콤팩트화되어 공간 활용성을 증대시킬 수 있는 유용한 효과를 갖는다.
그리고, 본 발명은 사용자의 미세한 근력 움직임에 따른 동작의도신호를 복 수의 로드셀을 이용하여 센싱하는 과정을 간소화할 수 있는 이점을 갖는다.
또, 어깨 관절 구동부의 각 모터축 중심이 인체 어깨 관절의 중심축을 교차하도록 구성되어 있으므로, 인체와의 간섭을 배제하면서 자유로운 움직임이 가능한 이점을 갖는다.

Description

상지거동을 위한 착용형 로봇장치{Wearable Robotic System for the Rehabilitation Training of upper limbs}
본 발명은 상지거동을 위한 착용형 로봇장치에 관한 것으로, 특히 근력이 약한 노인이나 장애인 또는 재활 환자의 상지 거동을 보조함과 아울러 상지 거동시 인체 움직임에 간섭되지 않도록 그 구조가 개선된 상지거동을 위한 착용형 로봇장치에 관한 것이다.
일반적으로 인체는 관절 부위와 인접한 부위들이 관절 부위를 기준으로 회전 가능한 구조를 가지며, 통상적으로 하루 6시간 이상을 움직여야 그 기능을 상실하지 않는다.
그런데 관절 부위를 수술한 환자의 경우에는 스스로 운동이 불가능하므로, 근육이 약해지고 원활한 영양 공급이 이루어지지 않아서 관절부위가 뻣뻣해지면서 굳어질 우려가 있다.
따라서, 관절의 변형을 방지하고 정상적인 활동에 복귀하기 위해서는 장시간 통증을 동반한 재활 운동을 하여야 한다.
또한, 환자 뿐만 아니라 노화에 의해 근력이 약한 노인이나 장애인의 경우에 도 상지 거동을 보조하는 기구가 요구된다.
어깨 관절은 위팔뼈(Humerus)와 어깨뼈(Scapula)에 의해 연결되어 있으며 큰 가슴근 (Pectoralis majormuscle), 넓은등근피판(Latissimus dorsiflap), 삼각근(Deltoid)등의 여러 근육들에 의해 어깨 관절의 신전/굴곡(extension/flexion), 외전/내전(abdu-cttion/adduction), 내회전/외회전(internal/external rotation)이 이루어지며, 위팔뼈와 어깨뼈사이에는 볼-소켓 조인트(Ball-socket joint)와 가장 유사한 형태로 구성되어 있으며, 설계시 볼-소켓 조인트의 형태로 가정하여 연구를 진행하였다. 또한 팔꿈치 관절은 요골(Rasius)와 척골(Ulna), 위팔뼈(Humerus)로 이루어져 있다.
기존의 일반 의료 기기는 환자의 골절 부위 수술 후 각 관절 각도를 구속시켜 무리한 운동을 하지 않도록 하는 정도의 기능만을 갖는 단순 보조기의 개념을 갖는 것이 대부분이며, 현재 액츄에이터에 의해 관절각을 변화시키는 보행 보조기의 경우에는 여러 방향으로 연구가 진행되고 있는 실정이다.
즉, 기존 보조기는 단순히 관절 각도의 구속 기능만을 갖고 있으며, 최근 이와는 달리 재활 훈련을 할 수 있도록 무릎 관절에 사용되는 CPM(Continuous Passive Motion)기기가 국내외에서 시판되고 있다.
그 CPM 기기는 무릎을 굽히고 펴는 기능, 각도 설정 및 작동 시간 설정 및 반복 횟수 설정등의 기능이 있으며, 바이브레이션 기능 및 프로그레시브 운동이 가능한 이점을 갖는다.
이는 활용 빈도가 제일 높은 하지 거동을 위주로 하는 무릎 관절에만 적용되 는 기술적 특성을 가지고 있다.
한편, 상지 거동을 위한 제품으로는, 미국 MYOMO(MIT개발)의 경우 EMG를 동작 의지 신호로 채택함으로써, 사람마다 적용하기 어려운 한계가 있으며, 팔꿈치 1자유도만을 구현하는 제약이 있다.
그외에, 외국 고가의 제품인 KINCOM, BIODEX 제품의 경우에는 재활하고자 하는 부위에 로봇 링크의 끝단만을 고정하므로 착용자로 하여금 착용감 감소를 야기시킬 뿐만 아니라, 5~7자유도의 로봇 기반으로 모든 관절을 통합적으로 재활할 수 있으므로 설치 공간이 많이 차지하게 되어 공간상 제약을 갖는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 제안된 것으로, 그 목적은 상지 거동을 위한 로봇 기반 재활 및 보조기기의 부피를 콤팩트화함과 아울러, 로봇 링크가 상지 거동을 따라 움직이도록 착용형 방식을 채택하여 인체 움직임을 잘 모사할 수 있도록 그 구조가 개선된 상지거동을 위한 착용형 로봇장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 근력 보조를 위해 로드셀을 사용하여 작은 동작의지만으로 신호를 입력받아 로봇을 상지외골격의 능동 구동할 수 있도록 함과 아울러 CPM(Continuous Passive Motion)운동모드로 선택이 가능하도록 함으로써, 사용자의 의지에 따라 선택적 사용이 가능하도록 된 상지거동을 위한 착용형 로봇장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 인체의 상지에 탈착수단을 매개로 탈부착 가능하며 인체의 어깨 관절과 팔꿈치 관절의 신전/굴곡 동작 및 어깨 관절의 외전/내전 동작이 가능하도록 복수개의 어깨 관절 구동부와 팔꿈치 관절 구동부로 구성되는 로봇부와,
상기 로봇부를 지지하며 상기 로봇부의 상,하 및 좌,우 위치를 이동시켜 조정하기 위한 스테이션부와,
상기 로봇부에 배치되며 상기 인체의 상지 거동을 센서로 감지하고 감지된 신호를 전기적 신호로 출력하는 감지부와,
상기 감지부로부터 출력된 신호를 인가받아 상기 어깨 관절 구동부와 팔꿈치 관절 구동부의 구동을 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 스테이션부는 상기 로봇부의 단부가 고정되도록 배치되며 리니어 액츄에이터를 매개로 인체 착용시 착용감 최대화를 위해 어깨 회전중심과 로봇 회전 중심축이 일치하도록 상기 로봇부를 좌,우 이동시키는 이동대와,
상기 이동대의 하부에 신축 가능하게 배치되고 리니어 액츄에이터를 매개로 상기 이동대를 상,하 승강동작시키는 승강대와,
상기 승강대의 하부에 배치되어 승강대를 지지하는 베이스를 구비한 것이다.
상기 감지부는 상기 로봇부의 일측에 배치되어 상기 인체의 상지로부터 전달되는 힘을 전기적 신호로 출력하는 복수의 로드셀을 구비한 것이다.
상기 감지부는 팔꿈치 관절의 움직임을 1축 감지방식으로 감지하여 이를 동작의도신호로 출력하는 제 1로드셀과,
상기 제 1로드셀과 이격된 위치에 배치되고 어깨 관절의 움직임을 2축 감지방식으로 감지하여 이를 동작의도신호로 출력하는 제 2로드셀로 구성된 것이다.
상기 탈착수단은 상기 로봇부의 일측에 띠 형태로 배치되며 양측 단부가 벨크로 테이프에 의해 탈 부착 가능한 결속 밴드인 것이다.
상기 로봇부는 상기 어깨 관절 구동부와 팔꿈치 관절 구동부 사이에 각각 배치되고 각각 회전 가능하도록 연결되며 어깨를 감싸는 구조로 설계된 연결링크를 구비한 것이다.
상기 어깨 관절 구동부와 팔꿈치 관절 구동부는 각각 외부로부터 인가되는 전기적 신호를 입력받아 구동되어 상기 연결링크에 회전력을 부여하도록 각각 배치되는 모터와,
상기 모터의 구동력을 상기 연결링크측으로 전달하는 동력 전달부를 구비한 것이다.
상기 로봇부는 상기 연결링크를 매개로 각각 연결되는 4개의 제 1,2,3,4어깨 관절 구동부를 구비하되,
상기 제 1,2,3,4어깨 관절 구동부의 모터 축 중심방향이 인체의 어깨 관절의 중심 축에 교차하도록 배치된 것이다.
상기 제 4어깨 관절 구동부와 상기 팔꿈치 관절 구동부 사이에 배치된 연결링크는 인체의 상박(上膊)부위와 대응되도록 배치되며 연결수단을 매개로 상,하 길이 조절이 가능하도록 분할된 상부 링크 암과,
인체의 하박(下膊) 부위에 대응되도록 상기 팔꿈치 관절 구동부의 단부에 배치되는 하부 링크 암으로 구성된 것이다.
상기 어깨 관절 구동부들은 상기 연결링크를 매개로 인체와 로봇부가 서로 간섭되지 않도록 서로 다른 배치각도를 갖는 것이다.
상기 로봇부의 동작을 사용자의 선택에 따라 자유의지 거동 모드 또는 지속적 수동운동 모드로 선택하는 선택수단을 더 구비하되,
상기 선택수단은 상기 자유의지 거동모드와 지속적 수동운동 모드를 선택하는 선택스위치로부터 신호를 인가받아 상기 제어부에서 상기 어깨 관절 구동부 및 팔꿈치 관절 구동부의 구동을 각각 제어하도록 된 것이다.
본 발명은 노인이나 장애인 또는 재활 환자의 상지 거동을 보조함과 아울러 상지 거동시 인체 움직임에 간섭되지 않도록 그 구조가 개선된 상지거동을 위한 착용형 로봇장치에 관한 것인 바, 이에 따르면 본 발명은 여자유도를 이용한 동작방식을 채택하여 4 자유도 동작이 가능하게 되므로, 여러개의 로봇 이동 경로를 생성하고 그 중 최적의 해를 선택할 수 있어 인체와의 간섭없이 자연스러운 동작이 가능하게 될 뿐만 아니라, 부피가 콤팩트화되어 공간 활용성을 증대시킬 수 있는 유용한 효과를 갖는다.
또한, 사용자의 상지 거동을 사용자의 의지에 따라 동작하는 자유의지 거동모드와 지속적 수동운동 모드중 하나를 선택하여 사용할 수 있다.
그리고, 본 발명은 사용자의 미세한 근력 움직임에 따른 동작의도신호를 복수의 로드셀을 이용하여 센싱하는 과정을 간소화할 수 있는 이점을 갖는다.
또, 어깨 관절 구동부의 각 모터축 중심이 인체 어깨 관절의 중심축을 교차하도록 구성되어 있으므로, 인체와의 간섭을 배제하면서 자유로운 움직임이 가능한 이점을 갖는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 상지거동을 위한 착용형 로봇장치는, 도 1 내지 도 10을 참 조하여 설명하면, 그 구성은 지면에 고정되도록 설치되는 베이스(100)의 상부에 배치되어 상,하 이동 가능한 승강대(210)와, 승강대(210)의 상부에 배치되며 이동대(220)를 갖는 스테이션부(200)와; 스테이션부(200)의 이동대(220)에 배치되고 인체(P)의 상지에 탈착수단을 매개로 탈부착 가능하며 인체의 어깨 관절과 팔꿈치 관절의 신전/굴곡 동작 및 어깨 관절의 외전(外轉)/내전(內轉) 동작이 가능하도록 복수개의 어깨 관절 구동부(310,320,330,340)와 팔꿈치 관절 구동부(350)로 구성되는 로봇부(300)와; 로봇부(300)에 배치되며 인체의 상지 거동을 센서로 감지하고 감지된 신호를 전기적 신호로 출력하는 감지부와; 감지부로부터 출력된 신호를 인가받아 어깨 관절 구동부와 팔꿈치 관절 구동부(350)의 구동을 제어하는 제어부(550);를 구비한 것이다.
더 상세히 설명하면, 로봇부(300)는 각각의 어깨 관절 구동부와 팔꿈치 관절 구동부(350) 사이에 각각 배치되고 각각 회전 가능하도록 연결되는 연결링크(315,325,335,362,364)를 매개로 각 구동부들이 회전 가능한 구조로 되어 있다.
또, 로봇부(300)의 어깨 관절 구동부는 여자유도(redundant)를 이용한 4 자유도를 가질 수 있도록 연결링크(315,325,335)를 매개로 각각 회전 가능한 제 1,2,3,4어깨 관절 구동부(310,320,330,340)로 구성된다.
즉, 어깨 관절 구동부는 신전/굴곡(extension/flexion), 외전/내전(abdu-cttion/adduction), 내회전/외회전(internal/external rotation)의 3 자유도 동작외에 여자유도(redundant) 동작 구동부를 추가하여 4 자유도 4개의 구동부로 3자유도의 운동이 원활하게 움직이도록 한 것이다.
제 1,2,3,4어깨 관절 구동부(310,320,330,340)와 팔꿈치 관절 구동부(350)는 각각 외부로부터 인가된 전기적 신호를 입력받아 구동되는 각각의 모터축을 가지며 연결링크(315,325,335)에 회전력을 부여하도록 각각 배치되는 공지의 모터(312,322,332,342,352)와, 모터의 구동력을 연결링크(315,325,335)측으로 전달하는 동력 전달부를 구비한 것이다.
모터는 공지의 플랫 모터를 채용한다.
그리고, 각각의 어깨 관절 구동부들은 연결링크(315,325,335)를 매개로 인체와 로봇부(300)가 간섭되지 않도록 서로 다른 각도로 배치된다. 이는 각 어깨 관절 구동부의 동작시 인체와 간섭되지 않도록 하기 위함이다.
제 4어깨 관절 구동부(340)와 팔꿈치 관절 구동부(350) 사이에는 연결수단을 매개로 상,하 길이 조절이 가능하도록 분할된 상부 링크 암이 인체의 상박(上膊; A1)부위와 대응되도록 배치되고, 팔꿈치 관절 구동부(350)의 단부에는 인체의 하박(下膊; A2) 부위에 대응되며 회전 동작이 가능하도록 제 1,2하부 링크 암(372,374)으로 분할된 구조의 하부 링크 암이 배치되어 있다.
상부 링크 암은 제 1,2상부 링크 암(362,364)으로 분할되고, 연결수단은 제 1,2상부 링크 암(362,364)의 서로 겹치는 단부 부위에 연결공이 각각 형성되며, 각각의 연결공을 관통하여 연결되며 조임력으로 제 1,2상부 링크 암(362,364)을 고정하기 위한 연결볼트(미도시)와 연결너트(미도시)로 구성된다.
더 구체적으로, 제 1,2,3,4어깨 관절 구동부(310,320,330,340)는 인체의 어깨를 감싸도록 설계되고 모터 축 중심이 인체의 어깨 관절의 중심 축(C)에 교차하 도록 위치한 것이다. 이는 인체의 어깨 관절 부위의 운동을 볼과 소켓 조인트방식으로 가정할 경우, 각 어깨 관절 구동부의 모터축 방향이 어깨 관절의 중심 축(C)부위와 교차하도록 배치되어 이에 적합한 움직임을 갖도록 한 것이다.
동력 전달부는 모터의 모터축 회전을 연결링크(315,325,335)측에 전달하기 위한 기능을 갖는 것으로서, 복수개 분할된 케이싱(302) 내부에 공지의 하모닉 드라이브(Harmonic drive; 305)와 편심방지를 위한 복수의 베어링(304)이 배치되는 것은 공지의 구조이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
제어부(550)는 공지의 컴퓨터에 구비된 컨트롤러를 채용할 수 있으며, 로봇부(300)의 각 구동부 동작을 제어함과 아울러, 스테이션부(200)의 동작을 제어하기 위하여 각각의 신호를 출력하는 조작부가 요구된다.
조작부는 사용자가 직접 조작하는 리모콘 스위치 또는 관리자가 조작하는 키보드 입력방식을 채용할 수 있다.
사용자의 선택에 따라 로봇부(300)의 동작을 자유의지 거동 모드 또는 지속적 수동운동 모드로 선택하는 선택수단을 더 구비하는 것이 바람직하며, 선택수단은 자유의지 거동모드와 지속적 수동운동 모드(C.P.M ; Continuous Passive Motion)를 선택하는 선택스위치(530)로부터 신호를 인가받아 제어부(550)에서 어깨 관절 구동부 및 팔꿈치 관절 구동부(350)의 구동을 각각 제어하는 것이다.
여기서, 자유의지 거동모드는 사용자의 의지에 따라 팔꿈치 또는 어깨 관절에 힘을 부여할 경우 그 의지에 따라 로봇부(300)가 보조하는 거동모드이고, 지속적 수동운동 모드는 프로그래밍에 의해 정해진 궤적을 따라 강제로 사용자의 상지 가 거동하는 것을 의미한다.
스테이션부(200)는 베이스(100)의 상부에 배치되고 공지의 리니어 액츄에이터를 매개로 상,하로 신축 동작되는 승강대(210)와, 승강대(210)의 상부에 배치되며 로봇부(300)의 제 1어깨 관절 구동부(310)가 리니어 액츄에이터를 매개로 인체 착용시 착용감 최대화를 위해 어깨 회전중심과 로봇 회전 중심축이 일치하도록 로봇부(300)를 좌,우 이동시키는 이동대(220)로 구성된다.
이동대(220)는 상부에 배치된 레일을 따라 좌,우 이동 가능하며 제 1어깨 관절 구동부가 일체로 고정되는 이동 프레임(230)을 갖는 구조로 되어 있다.
감지부는 팔꿈치 관절의 움직임을 감지하는 센서인 제 1로드셀(510)과, 어깨 관절의 움직임을 감지하는 센서인 제 2로드셀(520)을 구비한다.
여기서, 팔꿈치 관절이나 어깨 관절의 움직임을 각각의 동작의도신호(Intent Signal)로 감지하는 제 1,2로드셀(510,520)은 인체의 상박과 하박 부위에 대응되도록 서로 이격되게 배치된다.
제 1로드셀(510)은 제 1,2하부 링크 암(372,374)의 연결 부위에 배치되며, 제 1,2하부 링크 암(372,374)에 전달되는 신전/굴곡 동작을 행하기 위한 근육 움직임을 신전/굴곡 동작의 1축 움직임으로 감지하여 이를 동작의도신호를 변환시켜 제어부(550)측으로 출력한다.
제 2로드셀(520)은 제 1,2상부 링크 암(362,364)의 연결부위에 배치되며, 어깨 관절을 움직이기 위한 상박(A1) 부위의 근육 움직임에 따른 2축 움직임을 x,y,z 3방향 움직임으로 감지하여 제어부(550)로 동작의도신호를 출력하는 기능을 갖는 다.
여기서, 어깨 관절의 경우 힘 x는 외전/내전의 움직임시 입력되는 힘이고, z는 신전/굴곡 움직임시 입력되는 힘이다.
이때, 팔꿈치 관절의 회전 최대각은 145°이므로, 그 보다 안전한 120°이하로 동작되도록 제한 각도를 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 인체 어깨 관절의 관절범위는 굴곡은 0~180°, 신전 0~50°, 외전 0~180°, 내전 180~0°, 내회전 0~90°, 외회전 90~0°이므로, 제 1,2,3,4어깨 관절 구동부(310,320,330,340)의 제한각도를 그 범위내의 각도로 제한하는 것이 바람직하다.
탈착수단은 로봇부(300)의 일측에 복수개의 띠 형태로 서로 이격되게 배치되며 양측 단부가 벨크로 테이프에 의해 탈 부착 가능한 결속 밴드(400)로 구성된다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 상지거동을 위한 착용형 로봇장치는, 사용자의 신체 조건에 따라 로봇부(300)가 사용자의 어깨 높이에 위치하도록 스테이션부(200)의 승강대(210)를 상,하 승강동작시킨다.
이어서, 이동대(220)의 레일상에 배치된 이동 프레임(230)을 좌,우로 이동시킴으로써, 이동 프레임(230)에 고정된 제 1어깨 관절 구동부(310)를 좌,우 원하는 위치로 이동시킨다.
이후에, 사용자 또는 관리자가 자유의지 거동모드 또는 지속적 수동운동 모드중 원하는 모드로 선택한다.
이때, 사용자가 자유의지 거동모드로 선택한 경우에는, 사용자의 상박과 하박 부위에 대응되도록 배치된 제 1,2로드셀(510,520)을 통해 사용자의 미세한 근육 움직임을 감지하여 동작의도신호로 제어부(550)에 출력하고, 제어부(550)는 제 1,2로드셀(510,520)을 통해 인가된 동작의도신호를 인가받아 제 1,2,3,4어깨 관절 구동부(310,320,330,340)의 모터(312,322,332,342)를 각각 구동시켜 각각의 연결링크(315,325,335)를 회전시켜 사용자의 상지 거동을 보조한다.
제 1,2,3,4어깨 관절 구동부(310,320,330,340)의 회전 각도는 도 9에 도시된 그래프에 도시된 바와 같이, 각각의 회전 각도는 어깨 관절의 제한 각도 이내로 회전되며, 각각의 연결링크(315,325,335,362,364) 움직임에 따른 4 자유도 동작을 수행한다.
이에 따라, 3 축 움직임 방향에 대해 4 자유도 동작을 수행하게 되므로 각 구동부들간의 회전 각도에 여유각을 가지게 된다.
또, 제 1,2로드셀(510,520)은 각각 상,하로 분할된 하부/상부 링크 암의 연결부위에 각각 배치되어 근육 움직임에 따라 발생되는 상,하 분할된 하부/상부 링크 암의 유격을 감지하여 1방향 움직임을 감지하고, 제 2로드셀(520)은 외전/내전 움직임시 발생되는 2방향 움직임을 감지한 후에, 감지된 1,2방향으로의 힘에 K라는 계수를 곱하여 동작의도신호인 dx,dz를 생성하게 된다.
여기서 동작의도신호인 dx,dz는 제 1,2로드셀(510,520)을 통해 감지되는 힘 신호의 크기와 방향성분의 분석으로 생성된 엔드-이펙터(end-effector)가 가고자 하는 각축의 미소 변화량을 의미한다.
엔드-이펙터의 위치는 어깨관절 회전 점(x0,y0,z0)에서 항상 R만큼 떨어진 위치에 있기 때문에 두 축의 미소 변화량과 아래 수학식을 통해 dy를 산출할 수 있다.
x0 + dz = x,
z0 + dx = z,
Figure 112008086438562-PAT00001
Figure 112008086438562-PAT00002
y- y0 = dy
위에서와 같이 입력된 힘과 계수 K에 의해 산출된 시간당 각축으로의 미소변위량 dx,dy,dz는 로봇 구동 전 초기의 엔드 이펙터의 위치에 합산되어 엔드-이펙터의 최종 Goal-position을 유도할 수 있다.
계수 K는 사용자의 근력 정도에 따라 가변 설정하는 계수이므로, 여기서 구체적으로 언급하지 않기로 한다.
또한, 이렇게 유도된 엔드-이펙터의 Goal-position의 좌표값은 3D 관절운동 에니메이션이라 할 수 있는 역운동학(Inverse kinematic)을 통해 로봇부(300) 움직임의 각도 값을 산출하고 F의 방향으로 로봇부(300)의 동작을 수행한다.
제어부(550)는 동작의도신호에 따른 각 움직임의 각도 값이 산출됨에 따라 제 1,2,3,4어깨관절 구동부와 팔꿈치 관절 구동부(350)의 모터측에 제어신호를 각각 출력하여 각각의 회전력을 조정한다.
따라서, 제 1,2,3,4어깨 관절 구동부(310,320,330,340)의 움직임은 상호 보완적 관계로 4자유도 동작을 수행하며, 이는 도 9의 그래프에서 확인할 수 있다.
즉, 팔꿈치 관절 구동부(350)는 인체 하박부위의 굴곡/신전 운동을 수행하고, 제 1,2,3,4어깨 관절 구동부(310,320,330,340)는 각각의 연결링크(315,325,335)를 회전시켜 어깨 관절의 움직임(굴곡/신전, 외전/내전, 내회전/외회전 및 여자 유도동작)을 수행한다.
한편, 사용자가 지속적 수동운동모드를 선택한 경우에는, 사용자의 동작의도신호와는 상관없이 프로그래밍된 정해진 궤적을 따라 제 1,2,3,4어깨 관절 구동부(310,320,330,340)가 동작되고, 팔꿈치 관절 구동부(350)가 동작되어 사용자의 상지를 거동하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 상지거동을 위한 착용형 로봇장치의 구성을 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명 스테이션부를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명 스테이션부와 로봇부의 조립상태를 나타낸 정면도.
도 4는 본 발명 로봇부를 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명 로봇부를 다른 각도에서 본 사시도.
도 6은 본 발명 구동부의 내부 구조를 나타낸 분해 사시도.
도 7은 본 발명 탈착수단을 이용하여 인체의 상지 부위에 착용한 상태를 나타낸 사용상태도.
도 8은 본 발명 로봇부의 모터 축과 인체 어깨 관절 중심축이 교차하는 것을 나타낸 설명도.
도 9는 본 발명 제 1,2,3,4어깨 관절 구동부의 회전 각도를 각각 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명 제 1,2로드셀을 통해 동작의도신호를 생성하고 엔드 이펙터가 가고자 하는 각 축의 미소 변화량을 개략적으로 도시한 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 베이스 200 : 스테이션부
210 : 승강대 220 : 이동대
230 : 이동 프레임 300 : 로봇부
310,320,330,340 : 제 1,2,3,4어깨 관절 구동부
312,322,332,342,352 : 모터
315,325,335 : 연결링크
350 : 팔꿈치 관절 구동부 362,364 : 제 1,2상부 링크 암
372,374 : 제 1,2하부 링크 암 400 : 결속 밴드
510,520 : 제 1,2로드셀 530 : 선택스위치
550 : 제어부

Claims (12)

  1. 인체의 상지에 탈착수단을 매개로 탈부착 가능하며 인체의 어깨 관절과 팔꿈치 관절의 신전/굴곡 동작 및 어깨 관절의 외전/내전 동작이 가능하도록 복수개의 어깨 관절 구동부와 팔꿈치 관절 구동부(350)로 구성되는 로봇부(300)와,
    상기 로봇부(300)를 지지하며 상기 로봇부(300)의 상,하 및 좌,우 위치를 이동시켜 조정하기 위한 스테이션부(200)와,
    상기 로봇부(300)에 배치되며 상기 인체의 상지 거동을 센서로 감지하고 감지된 신호를 전기적 신호로 출력하는 감지부와,
    상기 감지부로부터 출력된 신호를 인가받아 상기 어깨 관절 구동부와 팔꿈치 관절 구동부(350)의 구동을 제어하는 제어부(550)를 구비한 것을 특징으로 하는 상지거동을 위한 착용형 로봇장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테이션부(200)는 상기 로봇부(300)의 단부가 고정되도록 배치되며 리니어 액츄에이터를 매개로 상기 로봇부(300)를 좌,우 이동시키는 이동대(220)와,
    상기 이동대(220)의 하부에 신축 가능하게 배치되고 리니어 액츄에이터를 매개로 상기 이동대(220)를 상,하 승강동작시키는 승강대(210)와,
    상기 승강대(210)의 하부에 배치되어 승강대(210)를 지지하는 베이스(100)를 구비한 것을 특징으로 하는 상지거동을 위한 착용형 로봇장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 감지부는 상기 로봇부(300)의 일측에 배치되어 상기 인체의 상지로부터 전달되는 힘을 전기적 신호로 출력하는 복수의 로드셀을 구비한 것을 특징으로 하는 상지거동을 위한 착용형 로봇장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 감지부는 팔꿈치 관절의 움직임을 1축 감지방식으로 감지하여 이를 동작의도신호로 출력하는 제 1로드셀(510)과,
    상기 제 1로드셀(510)과 이격된 위치에 배치되고 어깨 관절의 움직임을 2축 감지방식으로 감지하여 이를 동작의도신호로 출력하는 제 2로드셀(520)로 구성된 것을 특징으로 하는 상지거동을 위한 착용형 로봇장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 탈착수단은 상기 로봇부(300)의 일측에 띠 형태로 배치되며 양측 단부가 벨크로 테이프에 의해 탈 부착 가능한 결속 밴드(400)인 것을 특징으로 하는 상지거동을 위한 착용형 로봇장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로봇부(300)는 상기 어깨 관절 구동부와 팔꿈치 관절 구동부(350) 사이 에 각각 배치되고 각각 회전 가능하도록 연결되며 어깨를 감싸는 구조로 설계된 연결링크(315,325,335)를 구비한 것을 특징으로 하는 상지거동보조 및 재활을 위한 착용형 로봇장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 어깨 관절 구동부와 팔꿈치 관절 구동부(350)는 각각 외부로부터 인가되는 전기적 신호를 입력받아 구동되는 모터축을 가지며 상기 연결링크(315,325,335)에 회전력을 부여하도록 각각 배치되는 모터와,
    상기 모터의 구동력을 상기 연결링크(315,325,335)측으로 전달하는 동력 전달부를 구비한 것을 특징으로 하는 상지거동을 위한 착용형 로봇장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 어깨 관절 구동부들은 상기 연결링크(315,325,335)를 매개로 인체와 상기 로봇부(300)가 서로 간섭되지 않도록 서로 다른 배치각도를 갖는 것을 특징으로 하는 상지거동을 위한 착용형 로봇장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 로봇부(300)는 상기 연결링크(315,325,335)를 매개로 각각 연결되는 4개의 제 1,2,3,4어깨 관절 구동부(310,320,330,340)를 구비한 것을 특징으로 하는 상지거동을 위한 착용형 로봇장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 4어깨 관절 구동부와 상기 팔꿈치 관절 구동부(350) 사이에 배치된 연결링크는 인체의 상박(上膊;A1)부위와 대응되도록 배치되며 연결수단을 매개로 상,하 길이 조절이 가능하도록 분할된 상부 링크 암(362,364)과,
    인체의 하박(下膊;A2) 부위에 대응되도록 상기 팔꿈치 관절 구동부(350)의 단부에 배치되는 하부 링크 암(372,374)으로 구성된 것을 특징으로 하는 상지거동을 위한 착용형 로봇장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1,2,3,4어깨 관절 구동부(310,320,330,340)의 모터 축 중심방향이 인체의 어깨 관절의 중심 축에 교차하도록 배치된 것을 특징으로 하는 상지거동을 위한 착용형 로봇장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 로봇부(300)의 동작을 사용자의 선택에 따라 자유의지 거동 모드 또는 지속적 수동운동 모드로 선택하는 선택수단을 더 구비하되,
    상기 선택수단은 상기 자유의지 거동모드와 지속적 수동운동 모드를 선택하는 선택스위치(530)로부터 신호를 인가받아 상기 제어부(550)에서 상기 어깨 관절 구동부 및 팔꿈치 관절 구동부(350)의 구동을 각각 제어하도록 된 것을 특징으로 하는 상지거동을 위한 착용형 로봇장치.
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