KR20120012010A - 모방형 자동재활기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비정상부위(20)가 정상부위(10)의 움직임을 모방하여 재현하여 움직이도록 하여 장애환자(A)의 재활운동이나 일상생활활동에 도움을 주는 모방형 자동재활기에 관한 것으로서, 컨트롤러(40)의 연산부(41)는 변위센서(11,12,13)를 통해 입력되는 정상부위(10)의 관절의 위치정보와 타이머(42)에서 제공되는 시간정보를 토대로 하여 시간에 따른 정상부위 관절의 움직임 궤적 및 순서를 연산한다. 연산부(41)에서 연산된 정상부위 관절의 움직임 궤적 및 순서는 메모리부(43)에 저장된다. 출력부(45)는 메모리부(43)에 저장되는 정상부위 관절의 움직임 궤적 및 순서대로 동작하도록 하는 모방신호를 출력한다. 출력 타이밍 제어부(44)는 출력부(45)에서 상기 모방신호가 출력되는 타이밍을 제어한다. 엑츄에이터(21,22,23)는 비정상부위(20)에 설치되며 출력부(45)의 모방신호를 입력받아 상기 정상부위 관절의 움직임 궤적 및 순서대로 동작한다. 본 발명에 의하면 정상부위(10)의 관절 움직임을 능동적으로 모방하여 비정상부위(20)가 정상부위와 같은 관절작동을 하도록 유도함으로써 마비나 사고 등으로 인하여 기능이 불완전하게 된 비정상부위를 갖는 장애환자의 재활운동이나 일상생활활동에 도움을 줄 수 있다.

Description

모방형 자동재활기{Rehabilitation apparatus which follows the action of a normal human body part}

본 발명은 모방형 자동재활기에 관한 것으로서, 특히 정상부위의 관절 움직임을 능동적으로 모방하여 비정상부위가 정상부위와 같은 관절작동을 하도록 유도함으로써 마비나 사고 등으로 인하여 기능이 불완전하게 된 비정상부위를 갖는 장애환자의 재활운동이나 일상생활활동(예:정상인과 같은 보행)에 도움을 주도록 하는 모방형 자동재활기에 관한 것이다.

마비나 사고로 인하여 기능이 불완전한 비정상부위를 갖는 환자는 신경계의 마비 등으로 인하여 관절 주위의 근육이 약화되어 정상적인 동작을 하지 못한다. 이러한 마비환자의 행동양상을 개선하기 위한 방법으로 전기자극 시스템을 이용하는 방법과 보조기인 의족이나 의수를 착용하는 방법 등이 있다.

전기자극 시스템을 이용하는 방법은 짧은 순간의 전기적 펄스를 가하여 근육의 수축을 유도하는 방법으로서, 이 때 사용되는 전기자극 시스템은 계속적인 시행착오를 통한 개인 맞춤형 장비일 뿐만 아니라, 작동 시 근육의 피로로 인해 근육의 기능이 변화하기 때문에 장시간 착용할 수 없고, 환경과 행동속도에 따라 주기 및 근육의 기능이 변화하는 행위에 대해서는 적용하기에 어려움이 많다.

의족이나 의수 등의 보조기는 환자의 보행을 포함하는 움직임을 호전시키기 위한 물리적 보조수단으로 가장 보편적으로 사용되고 있으며, 환자체형의 변형을 방지하고 관절의 위치를 잡아줌으로써 안정성이 향상되어 활동의 속도나 범위, 또는 활동의 상태에 많은 개선을 주기는 하지만, 여전히 불안정하고 정상적인 행위를 유도하기에는 많은 모자람이 있다.

각종 사고나 질병에 의해 한쪽 팔이나 다리의 기능이 제대로 작동되지 않는 사람들은 일상생활이나 재활운동에서 목발이나 의족, 또는 의수에 의존하거나 타인에 의지한다. 물론 기술의 발달로 첨단 의족이나 의수의 경우는 신경과 연결되어 본인의 의지에 따라 작동을 하나, 이 경우 인체와 기계를 연결하는데 비용이 많이 들고 시술도 어렵고 고통도 수반된다.

따라서 본 발명이 해결하려는 과제는, 정상적인 팔, 다리 등의 한동작 한동작의 움직임 상태인 움직인 각도, 움직인 시간, 움직인 순서를 검출하고, 이를 비정상적인 팔, 다리 등의 관절 움직임을 도와주도록 설치되는 엑츄에이터의 움직임에 적용시켜 비정상부위가 정상부위의 움직임을 재현하도록 함으로써, 상술한 바와 같은 종래의 장애환자용 보조기구의 단점을 해결할 수 있는 모방형 자동재활기를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명은 비정상부위가 정상부위의 움직임을 모방하여 재현하여 움직이도록 하여 장애환자의 재활운동이나 일상생활활동에 도움을 주는 모방형 자동재활기에 관한 것으로서,

상기 정상부위의 관절의 위치를 감지하도록 상기 정상부위의 관절에 부착 설치되는 변위센서;

시간정보를 제공하는 타이머와, 상기 변위센서를 통해 입력되는 상기 정상부위 관절의 위치정보와 상기 타이머에서 제공되는 시간정보를 토대로 하여 시간에 따른 상기 정상부위 관절의 움직임 궤적 및 순서를 연산하는 연산부와, 상기 연산부에서 연산된 상기 정상부위 관절의 움직임 궤적 및 순서를 저장하는 메모리부와, 상기 메모리부에 저장되는 상기 정상부위 관절의 움직임 궤적 및 순서대로 동작하도록 하는 모방신호를 출력하는 출력부와, 상기 출력부에서 상기 모방신호가 출력되는 타이밍을 제어하는 출력 타이밍 제어부를 포함하는 컨트롤러;

상기 정상부위 관절에 대응하는 상기 비정상부위의 관절에 근육역할을 하도록 설치되며, 상기 출력부의 모방신호를 입력받아 상기 정상부위 관절의 움직임 궤적 및 순서대로 동작하는 엑츄에이터; 및

상기 비정상부위의 관절 사이의 뼈대 역할을 하며 상기 엑츄에이터에 의해 동작되는 보조지지수단; 을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 출력 타이밍 제어부는 상기 모방신호가 상기 연산부에서 연산되는 시간에 동기화되어 곧바로 출력되도록 제어할 수도 있고, 상기 연산부에서 연산되는 시간과 시간차이를 가지고 출력되도록 제어할 수도 있다. 시간차이를 가지고 출력되도록 할 때에는 상기 연산부에서 연산되는 상기 정상부위 관절의 궤적이 특정한 지점에 이르렀을 때를 기준으로 하여 그 때부터 시간차이를 가지고 상기 모방신호가 출력되도록 제어하는 것이 바람직하다.

상기 변위센서와 연산부 사이의 통신 및 상기 출력부와 엑츄에이터 사이의 통신은 유선으로 이루어질 수도 있고, 블루투스와 같이 무선으로 이루어질 수도 있다.

상기 비정상부위와 정상부위는, 동일한 장애환자의 신체에서 서로 좌우 대칭되는 부위일 수도 있고, 상기 비정상부위는 장애환자의 신체에 존재하고 상기 정상부위는 상기 비정상부위에 대응하는 위치에 정상인의 신체에 존재할 수도 있다.

상기 엑츄에이터는 관절에 대해 바깥쪽으로 볼록한 곡률을 가지는 실린더와, 상기 실린더의 내부를 따라 왕복운동하는 피스톤을 포함하여, 두 개의 상기 보조지지수단 사이에 설치됨으로써, 상기 피스톤의 운동에 의해 상기 두 개의 보조지지수단 사이의 각도가 변하도록 할 수 있다.

상기 출력 타이밍 제어부는 사용자가 직접 외부입력으로서 조작할 수 있도록 외부입력수단을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 정상부위의 관절 움직임을 능동적으로 모방하여 비정상부위가 정상부위와 같은 관절작동을 하도록 유도함으로써 마비나 사고 등으로 인하여 기능이 불완전하게 된 비정상부위를 갖는 장애환자의 재활운동이나 일상생활활동에 도움을 줄 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 모방형 자동재활기를 설명하기 위한 도면;
도 2는 발목 엑츄에이터(23)를 설명하기 위한 도면;
도 3은 도 1의 모방형 자동재활기의 동작을 설명하기 위한 블록도;
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 모방형 자동재활기를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예들은 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예들에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.

[실시예1]

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 모방형 자동재활기를 설명하기 위한 도면으로서, 각종 사고나 질병에 의해 한쪽 팔이나 다리의 기능이 작동되지 않는 장애환자(A)의 경우, 즉, 신체의 좌우 대칭되는 부위 중 어느 한 부위에 장애가 발생한 경우에 비정상 부위가 이에 대칭되는 정상부위의 동작을 능동적으로 모방하는 경우를 설명하기 위한 것이다.

도 1을 참조하면, 정상부위(10)의 엉덩이 관절, 무릎 관절, 발목 관절에 변위센서(11, 12, 13)가 각각 설치되며, 발바닥에는 압력센서(14)가 설치된다. 변위센서(11, 12, 13)는 가속도 센서, 자이로 센서 등 관절부위의 이동을 간파할 수 있는 센서라면 특별한 제한은 없으며 이는 이미 공지된 것이기 때문에 그 설명을 생략한다.

비정상부위(20)의 엉덩이 관절, 무릎 관절, 발목 관절에는 근육역할을 하는 엑츄에이터(21, 22, 23)가 각각 설치되며, 각 엑츄에이터(21, 22, 23) 사이에는 뼈대역할을 하는 지지수단(31, 32)이 설치된다. 발목 관절의 밑에는 발목을 지지할 수 있도록 발목 지지수단(33)이 설치되는데, 이러한 발목 지지수단(33)은 발목을 끼울 수 있는 발 형태의 것일 수도 있고, 도 2에서와 같이 완전한 의족일 수도 있다.

도 2는 발목 엑츄에이터(23)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 2에 도시된 바와 같이 발목 엑츄에이터(23)는 종다리 지지수단(32)과 발목 지지수단(33) 사이에 설치될 수 있으며, 여기서는 종다리 지지수단(32)에 설치되는 경우가 도시되었다.

발목 엑츄에이터(23)는 실린더(23a)와 피스톤(23b)을 포함하며 이루어진다. 실린더(23a)는 종다리 지지수단(32)과 발목 지지수단(33) 사이에 설치되며 피스톤(23b)은 그 내부에서 왕복운동한다. 피스톤(23b)은 발목 엑츄에이터(23)에 연결되어 구동되며, 한쪽은 발목 지지수단(33)에 연결된다.

실린더(23a)는 발목이 접히고 펴질 수 있도록 발목 관절에 대해 바깥쪽으로 볼록한 곡률을 갖으며, 따라서 피스톤(23b)이 곡률을 가지고 왕복운동하게 되어 이로 인해 발목이 접혔다 펴졌다 하게 된다. 이러한 발목 엑츄에이터(23)는 비단 발목뿐만 아니라 무릎에 설치될 수도 있다.

도 3은 도 1의 모방형 자동재활기의 동작을 설명하기 위한 블록도이다. 도 1과 결부하여 도 3을 참조하면, 정상부위(10)의 엉덩이 변위센서(11), 무릎 변위센서(12), 발목 변위센서(13), 발바닥 압력센서(14)를 통해서 엉덩이 관절, 무릎 관절, 발목 관절의 위치 정보가 컨트롤러(40)의 연산부(41)에 제공되면, 연산부(41)는 타이머(42)와 연계하여 시간에 따른 엉덩이 관절, 무릎 관절, 발목 관절의 위치정보를 통해서 관절부위가 움직이는 궤적 및 순서를 연산하여 메모리부(43)에 저장시킨다.

발바닥 압력센서(14)는 반드시 있어야 하는 것은 아니지만 발바닥 압력센서(14)를 통해 발바닥이 땅에 닿는 시간을 알 수 있기 때문에 이를 통해서 움직임의 주기를 쉽게 설정할 수 있다.

출력부(45)는 메모리부(43)에 저장되어 있는 관절부위의 움직임 궤적 및 순서에 따라 움직이도록 모방신호를 비정상부위(20)의 해당 엑츄에이터 즉, 엉덩이 엑츄에이터(21), 무릎 엑츄에이터(22), 발목 엑츄에이터(23)에 각각 전송한다. 그러면 비정상부위(20)가 정상부위(10)의 동작형태를 모방하여 움직이게 된다.

이 때, 변위센서(11, 12, 13)를 통해 컨트롤러(40)에 입력되는 시간별 각 관절의 움직임 궤적 및 순서가 컨트롤러(40)의 출력부(45)를 통해서 곧바로 엑츄에이터(21, 22, 23)에 전달되어 버리면 장애환자(A)가 걸을 수가 없으므로, 출력 타이밍 제어부(44)를 두어 출력부(45)의 모방신호 출력 타이밍을 제어한다.

출력 타이밍 제어부(44)는 장애환자(A)가 직접 설정할 수 있다. 예컨대, 출력 타이밍 제어부(44)에서 시간지연을 2초라고 설정하면, 정상적인 오른쪽 다리를 한 발 내딛은 후에 2초가 경과하였을 때에 상기 모방신호가 출력되어 비정상적인 왼쪽 다리에 설치되는 엑츄에이터(21, 22, 23)가 동작하여 불편한 왼다리가 본인의 의사나 타인의 도움이 없이도 자동으로 정상적인 오른다리의 움직임을 모방하여 한 발 내딛게 된다. 이를 반복하면 보행이 되는 것이다. 보행을 하다가 너무 빠르다 싶으면 출력 타이밍 제어부(44)를 통해서 그 시간지연을 더 길게 하면 천천히 걸을 수 있다. 이렇게 출력 타이밍 제어부(44)에 외부입력수단으로서 다이얼이나 휠 등을 설치하여 장애환자(A)가 직접 상황에 따라 그 순간순간에 지연시간을 세팅할 수 있도록 함으로써 재활운동이나 일반 보행에 따라 선택적으로 유용하게 사용할 수 있게 된다.

위에서는 출력 타이밍 제어부(44)가 시간지연 기준점으로서 발바닥 압력센서(14)에 감지되는 압력을 통해서 오른쪽 다리가 땅에 닿았을 때를 예로 들었지만, 여기에 한정되는 것은 아니고 상황에 따라 정상부위(10)의 특정지점이 미리 설정된 상태에 이르렀을 때를 기준점으로 채택할 수도 있다.

물론, 두발을 다 디딘 상태에서 앉았다 일어났다를 반복하는 재활운동의 경우에는 출력 타이밍 제어부(44)의 모방신호의 출력지연시간을 제로(0)로 세팅하여 출력부(45)의 모방신호가 연산부(41)에서 연산되는 시간에 동기화되어 곧바로 출력되도록 하면 된다. 이 경우는 메모리부(43)를 거칠 필요없이 연산부(41)의 연산결과가 곧바로 출력부(45)에 제공되도록 해도 된다.

변위센서 및 압력센서(11, 12, 13, 14)와 연산부(41) 사이의 통신, 출력부(45)와 엑츄에이터(21, 22, 23) 사이의 통신은 유선으로 이루어질 수도 있지만, 블루투스 등과 같은 무선통신으로 이루어질 수도 있다.

본 발명의 제1실시예의 경우에는 각종 사고나 질병에 의해 한쪽 팔이나 다리의 기능이 작동되지 않는 장애환자의 경우 정상적인 팔이나 다리의 동작을 능동적으로 모방하도록 함으로써, 첨단기술로 인체의 신경과 기계를 연결하는 어려운 시술을 하지 않더라도 장애환자가 쉽게 정상인과 같은 움직임을 훈련받거나 영위할 수 있다.

[실시예 2]

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 모방형 자동재활기를 설명하기 위한 도면으로서, 동일한 장애환자(A)의 신체에서 서로 좌우대칭되는 부위 중 어느 한 곳에 장애가 발생한 경우의 예를 든 제1실시예의 경우와 달리, 장애환자(A)가 다른 정상인(B)의 해당 부위 동작을 모방하는 경우를 설명하기 위한 것이다. 즉 이 경우는 정상부위와 장애부위가 대칭될 필요는 없다.

도 4에 도시된 바와 같이, 장애환자(A)의 비정상부위에는 엑츄에이터(21, 22, 23)와 지지수단(31, 32, 33)이 설치된다. 정상인(B)에게는 이에 대응하는 관절부위에 변위센서(11, 12, 13) 및 압력센서(14)가 설치된다. 이 경우는 연산부(41)와 변위센서 및 압력센서(11, 12, 13, 14) 사이 및 출력부(45)와 엑츄에이터(21, 22, 23) 사이의 통신은 블루투스 등과 같은 무선통신으로 이루어지는 것이 바람직하다. 컨트롤러(40)는 정상인(B)과 비정상인(A) 사이라면 정상인(B)에 부착 설치되거나 비정상인(A)에 부착 설치되거나 상관없다.

본 발명의 제2실시예의 경우에는 인체의 대칭성을 이용하는 것이 아니라 정상인의 팔이나 다리의 한동작 한동작의 움직임을 능동적으로 모방하여 장애환자 본인이나 타인의 도움없이 반복하여 기계적으로 움직이도록 하는 경우이다. 따라서 재활 트레이닝 시 트레이너의 도움을 받는데에 매우 유용하다 할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 정상부위의 관절 움직임을 능동적으로 모방하여 비정상부위가 정상부위와 같은 관절작동을 하도록 유도함으로써 마비나 사고 등으로 인하여 기능이 불완전하게 된 비정상부위를 갖는 장애환자의 재활운동이나 일상생활활동에 도움을 줄 수 있다.

10: 정상부위 11, 12, 13: 변위센서
14: 압력센서 20: 비정상부위
21: 엉덩이 엑츄에이터 22: 무릎 엑츄에이터
23: 발목 엑츄에이터 23a: 실린더
23b: 피스톤 31: 허벅지 지지수단
32: 종다리 지지수단 33: 발목 지지수단
40: 컨트롤러 41: 연산부
42: 타이머 43: 메모리부
44: 출력 타이밍 제어부 45: 출력부
A: 장애환자 B: 정상인

Claims (9)

1. 비정상부위가 정상부위의 움직임을 모방하여 재현하여 움직이도록 하여 장애환자의 재활운동이나 일상생활활동에 도움을 주는 모방형 자동재활기로서,
   상기 정상부위의 관절의 위치를 감지하도록 상기 정상부위의 관절에 부착 설치되는 변위센서;
   시간정보를 제공하는 타이머와, 상기 변위센서를 통해 입력되는 상기 정상부위 관절의 위치정보와 상기 타이머에서 제공되는 시간정보를 토대로 하여 시간에 따른 상기 정상부위 관절의 움직임 궤적 및 순서를 연산하는 연산부와, 상기 연산부에서 연산된 상기 정상부위 관절의 움직임 궤적 및 순서를 저장하는 메모리부와, 상기 메모리부에 저장되는 상기 정상부위 관절의 움직임 궤적 및 순서대로 동작하도록 하는 모방신호를 출력하는 출력부와, 상기 출력부에서 상기 모방신호가 출력되는 타이밍을 제어하는 출력 타이밍 제어부를 포함하는 컨트롤러;
   상기 정상부위 관절에 대응하는 상기 비정상부위의 관절에 근육역할을 하도록 설치되며, 상기 출력부의 모방신호를 입력받아 상기 정상부위 관절의 움직임 궤적 및 순서대로 동작하는 엑츄에이터; 및
   상기 비정상부위의 관절 사이의 뼈대 역할을 하며 상기 엑츄에이터에 의해 동작되는 보조지지수단; 을 구비하는 것을 특징으로 하는 모방형 자동재활기.
2. 제1항에 있어서, 상기 출력 타이밍 제어부는 상기 모방신호가 상기 연산부에서 연산되는 시간에 동기화되어 곧바로 출력되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모방형 자동재활기.
3. 제1항에 있어서, 상기 출력 타이밍 제어부는 상기 출력부에서 모방신호가 상기 연산부에서 연산되는 시간과 시간차이를 가지고 출력되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모방형 자동재활기.
4. 제1항에 있어서, 상기 출력 타이밍 제어부는 상기 연산부에서 연산되는 상기 정상부위 관절의 궤적이 특정한 지점에 이르렀을 때를 기준으로 하여 그 때부터 시간차이를 가지고 상기 모방신호가 출력되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모방형 자동재활기.
5. 제1항에 있어서, 상기 변위센서와 연산부 사이의 통신 및 상기 출력부와 엑츄에이터 사이의 통신은 무선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모방형 자동재활기.
6. 제1항에 있어서, 상기 비정상부위와 정상부위는, 동일한 장애환자의 신체에서 서로 좌우대칭되는 부위인 것을 특징으로 하는 모방형 자동재활기.
7. 제1항에 있어서, 상기 비정상부위는 장애환자의 신체에 존재하고, 상기 정상부위는 상기 비정상부위에 대응하는 위치에 정상인의 신체에 존재하는 것을 특징으로 하는 모방형 자동재활기.
8. 제1항에 있어서, 상기 엑츄에이터는 관절에 대해 바깥쪽으로 볼록한 곡률을 가지는 실린더와, 상기 실린더의 내부를 따라 왕복운동하는 피스톤을 포함하여, 두 개의 상기 보조지지수단 사이에 설치됨으로써, 상기 피스톤의 운동에 의해 상기 두 개의 보조지지수단 사이의 각도가 변하는 것을 특징으로 하는 모방형 자동재활기.
9. 제1항에 있어서, 상기 출력 타이밍 제어부는 사용자가 직접 외부입력으로서 조작할 수 있도록 외부입력수단을 가지는 것을 특징으로 하는 모방형 자동재활기.
   

Images