KR20130025311A

KR20130025311A - 어깨 관절용 재활장치 및 이의 구동방법

Info

Publication number: KR20130025311A
Application number: KR1020110104290A
Authority: KR
Inventors: 이강업
Original assignee: 주식회사 앞썬아이앤씨
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2013-03-11
Also published as: WO2013032061A1; KR101331071B1; CN103874475A

Abstract

본 발명은 어깨 관절용 재활장치 및 그 구동방법에 관한 것으로, 환자의 하완을 지지하는 지지부, 상기 지지부가 제1 방향으로 회동하는 동력을 제공하는 제1 구동부, 상기 지지부가 제2 방향으로 회동하는 동력을 제공하는 제2 구동부, 환자의 운동에 의해 상기 지지부에 가해지는 힘의 크기를 측정하는 측정부 그리고, 상기 측정부에서 측정된 힘의 방향 및 크기에 근거하여 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부를 선택적으로 제어하는 제어부를 포함하는 어깨 관절용 재활장치 및 이의 구동방법을 제공할 수 있다.

Description

어깨 관절용 재활장치 및 이의 구동방법 {APPARATUS FOR REHABILITATION OF SHOULDER JOINT AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}

본 발명은 어깨 관절용 재활장치 및 그 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환자의 운동 의지 및 운동 능력을 반영하여 재활 운동을 수행할 수 있는 어깨 관절용 재활장치 및 그 구동방법에 관한 것이다.

교통사고, 운동 중 골절 사고 등의 물리적인 상해나 뇌졸중, 중풍 등의 질병으로 인해 신체의 특정 부위를 자유롭게 움직일 수 없는 환자들이 재활 운동을 통해 빠른 회복이 가능하도록 다양한 종류의 재활 치료장치가 이용되고 있다.

이러한 재활 치료장치는 CPM(Continuous Passive Motion) 타입으로 이루어지는 것이 일반적이다. CPM 타입의 재활 치료장치는 환자가 특정 부위를 연속적으로 움직일 수 있는 동력을 제공함으로써, 해당 부위의 유연성을 개선하고 근력을 향상시킴으로써 환자의 회복에 조력할 수 있다.

다만, 종래의 재활 치료장치는 자체적으로 구비한 구동부의 동력을 이동하여 환자를 수동적으로 운동시키기 때문에, 환자의 운동 능력 및 환자의 상태를 고려한 재활 치료를 진행하는 것이 곤란하였다. 나아가, 특정 병변에 대한 재활 치료에 있어서는 환자가 수동적으로 재활 치료를 진행하는 것보다, 환자가 운동하고자하는 의지를 갖고 의식적으로 근육을 사용하여 능동적으로 재활 치료를 진행하는 것이 현저한 치료 효과를 갖음에도 불구하고 종래의 재활 치료장치로는 이러한 재활 치료를 수행할 수 없는 단점이 있었다.

본 발명은 환자가 운동하려는 의지여부 및 환자의 운동 능력을 고려하여 재활 치료를 진행할 수 있는 어깨 관절용 재활장치 및 그 구동방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 환자의 하완을 지지하는 지지부, 상기 지지부가 제1 방향으로 회동하는 동력을 제공하는 제1 구동부, 상기 지지부가 제2 방향으로 회동하는 동력을 제공하는 제2 구동부, 환자의 운동에 의해 상기 지지부에 가해지는 힘의 크기를 측정하는 측정부 그리고, 상기 측정부에서 측정된 힘의 방향 및 크기에 근거하여 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부를 선택적으로 제어하는 제어부를 포함하는 어깨 관절용 재활장치를 제공할 수 있다.

이때, 환자의 어깨 관절 운동 능력에 따라 상기 제어부가 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부를 구동시키는 기준값을 각각 설정하는 기준값 설정부를 더 포함할 수 있다. 기준값 설정부는 외부에서 입력되는 값을 기준값으로 설정하거나, 상기 측정부에서 측정되는 힘의 크기에 근거하여 기준값을 설정할 수 있다.

그리고, 제어부는 상기 측정부에서 측정되는 제1 방향의 힘이 제1 기준값 이상이면 상기 제1 구동부를 구동하고, 상기 측정부에서 측정되는 제2 방향의 힘이 제2 기준값 이상이면 상기 제2 구동부를 구동하도록 제어할 수 있다.

여기서, 상기 측정부는 환자의 기계적인 물리량을 측정하여 환자의 운동에 의한 힘의 크기를 감지하며, 토크셀, 로드셀 또는 사용자의 운동에 의해 구동부에 발생되는 저항값을 이용하도록 구성될 수 있다.

한편, 상기한 본 발명의 목적은 환자의 어깨 상태에 근거하여 기준값을 설정하는 단계, 측정부가 환자의 운동에 의해 하완을 지지하는 지지부에 가해지는 힘의 크기를 측정하는 단계 그리고, 제어부는 상기 기준값과 상기 측정된 힘의 크기를 비교하여, 상기 지지부가 제1 방향으로 회동하는 구동력을 제공하는 제1 구동부와 상기 지지부가 제2 방향으로 회동하는 구동력을 제공하는 제2 구동부를 선택적으로 제어하는 단계를 포함하는 어깨 관절용 재활장치의 구동방법에 의해서도 달성될 수 있다.

여기서, 상기 기준값을 설정하는 단계는 상기 제1 방향에 대한 제1 기준값 및 상기 제2 방향에 대한 제2 기준값을 설정하고, 상기 힘의 크기를 측정하는 단계는 상기 지지부에 상기 제1 방향으로 가해지는 힘과 상기 제2 방향으로 가해지는 힘을 각각 측정할 수 있다.

그리고, 상기 제어부는 상기 제1 방향으로 가해지는 힘의 크기가 제1 기준값 이상이면 상기 제1 구동부를 구동하고, 상기 제2 방향으로 가해지는 힘의 크기가 제2 기준값 이상이면 상기 제2 구동부를 구동하도록 제어할 수 있다.

이때, 기준값을 설정하는 단계는 외부에서 입력된 값을 상기 기준값으로 설정하거나, 환자가 예비적으로 상기 지지부에 가하는 힘을 측정하여 상기 기준값을 설정할 수 있다.

여기서, 측정부는 토크셀 또는 로드셀을 포함하여 구성되거나, 환자의 운동에 의해 상기 제1 구동부 또는 제2 구동부에 발생되는 저항값을 측정하여 상기 힘의 크기를 감지할 수 있다.

본 발명에 의할 경우, 환자의 운동 의지 및 운동 능력을 파악하고 이에 대응하는 재활 치료를 진행함으로써 환자의 재활 효과를 현저히 개선시킬 수 있을 뿐 아니라 재활 치료 중 추가적인 부상을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 재활장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도,
도 2는 기준값 설정부에서 기준값을 설정하는 일 예를 나타낸 그래프,
도 3은 측정부에서 측정되는 힘의 크기에 따른 구동부의 구동 상태를 도시한 그래프,
도 4는 측정부에서 측정되는 힘의 크기에 따른 구동부의 구동 상태의 다른 적용예를 도시한 그래프,
도 5는 측정부에서 측정되는 힘의 크기에 따른 구동부의 구동 상태의 또 다른 적용예를 도시한 그래프,
도 6은 지지부가 이동하는 궤적에 따른 구간별로 기준값을 도시한 그래프,
도 7은 도 1의 재활 장치를 구동하는 방법을 순서도,
도 8은 제1 실시예에 따른 어깨 관절용 재활 장치를 도시한 사시도,
도 9는 도 8의 제1 구동부가 제1 방향으로 동력을 제공하는 모습을 도시한 정면도,
도 10은 도 8의 제2 구동부가 제2 방향으로 동력을 제공하는 모습을 도시한 사시도,
도 11은 도 8의 재활장치의 주요 구성요소를 도시한 블록도이고,
도 12는 도 8의 재활 장치의 구동 방법을 도시한 순서도이다.

이하에서는 도면을 참고하여 본 발명에 따른 재활장치 및 이의 구동방법에 대해 구체적으로 설명한다. 아래의 설명에서 각 구성요소의 위치관계는 원칙적으로 도면을 기준으로 설명한다. 도면은 설명의 편의를 위해 구조를 단순화하거나 필요할 경우 과장되어 표시될 수 있다. 본 발명은 아래에서 설명하는 구성 및 방법에 한정되는 것은 아니며, 각종 구성요소들을 부가하거나, 변경 또는 생략하여 실시할 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따른 재활장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 재활장치(1)는 환자의 재활 치료시 환자의 신체를 지지하는 지지부(10) 및 상기 지지부(10)가 구동할 수 있는 동력을 제공하는 구동부(20)를 포함한다.

지지부(10)는 재활 치료시 환자의 신체 중 특정 부위를 위치(positioning)시키기 위한 구성이다. 환자는 지지부(10)에 자신의 신체 일부를 위치시킨 상태에서 지지부의 일부 또는 전체에 힘을 가하여 재활 치료를 진행할 수 있다.

지지부(10)의 형상은 다양한 실시예로 구성될 수 있다. 환자의 신체 일부를 거치시켜 지지할 수 있도록 구성될 수도 있고, 환자의 신체 일부의 위치를 고정시키도록 구성될 수도 있으며, 환자가 재활 치료시 손에 쥐고 운동을 수행할 수 있도록 핸들 구조로 구성되는 것도 가능하다. 따라서, 지지부(10)는 실시예에 따라 플레이트 구조, 막대 구조 등의 다양한 형태의 부재로 구성될 수 있다. 나아가, 지지부(10)는 핸들과 같이 하나의 부재로 구성되는 것도 가능하고, 상완 및 하완과 같이 관절을 중심으로 이동하는 인접한 신체 부위들을 각각 지지할 수 있도록 회동 가능하게 설치되는 복수개의 부재로 구성되는 것도 가능하다.

이러한 지지부(10)는 재활 치료시 소정 궤적을 따라 이동할 수 있도록 설치된다. 여기서 지지부(10)는 재활하고자 하는 신체 부위에 따라 회동 운동, 직선 왕복 운동 또는 슬라이딩 운동 등 다양한 방식으로 이동 가능하게 설계될 수 있다.

한편, 구동부(20)는 전술한 지지부(10)가 움직일 수 있는 동력을 제공한다. 따라서 자력으로 움직이는 것이 어려운 환자들은 구동부(20)에서 제공되는 동력을 이용하여 재활 운동을 수행할 수 있다.

이러한 구동부(20)는 다양한 실시예로 구성될 수 있다. 지지부가 회동 운동하는 방식으로 이동하는 실시예에서는 모터를 이용하여 동력을 제공할 수도 있고, 지지부가 직선 운동 또는 슬라이딩 방식으로 이동하는 실시예의 경우 액추에이터를 이용하여 동력을 제공하는 것도 가능하다. 이 이외에도 동력을 제공할 수 있는 다양한 동력원을 이용하여 구동부를 구성할 수 있다. 또한 구동부(20)는 제공되는 동력의 방향 등을 고려하여 하나의 구동원을 이용할 수도 있고, 다수개의 구동원을 이용할 수도 있다.

그런데, 환자의 재활 운동이 전술한 구동부의 동력에 전적으로 의존하는 경우, 환자가 능동적으로 재활 운동을 수행하는 것에 비해 재활 효과가 떨어질 수 있다.

예를 들어, 신체의 특정 부위를 운동시키는 뇌세포가 손실된 경우, 반복적인 운동을 통해 다른 신경세포가 축색돌기를 증가시켜 손상된 뇌세포의 기능을 보완하도록 재활 치료를 진행하는데, 환자가 수동적으로 재활 운동을 진행하는 것에 비해 환자가 자력으로 움직이고자 하는 의지를 갖고 재활 운동을 진행하는 경우 치료 효과가 현저하게 개선되는 것이 실험 결과 증명되었다.

또한, 관절 수술을 받는 환자나 근육의 손상을 입은 외상 환자의 경우도, 수동적으로 재활 운동을 수행하는 것에 비해 능동적으로 재활 운동을 수행할 때 근육의 회복 속도가 향상되고 조직이 올바른 위치에서 재생되는 것으로 밝혀졌다.

따라서, 본 발명의 재활 장치(1)는 구동부(20)가 재활 운동에 필요한 동력을 항시적으로 제공하는 것이 아니라, 환자의 운동 의지를 파악하고 운동 의지가 감지되는 경우에 선택적으로 동력을 제공하도록 구성할 수 있다.

구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 재활 치료장치(1)는 환자의 운동에 의해 지지부(10)에 가해지는 힘을 측정하는 측정부(30) 및 측정부(30)에서 감지되는 값에 따라 구동부를 선택적으로 제어하는 제어부(40)를 더 포함한다.

여기서, 측정부(30)는 환자가 자신의 신체를 스스로 움직여 외부에 실질적으로 가하는 힘을 측정한다. 단순히 근육에 힘이 주어지는지 여부를 측정한다면 환자의 발작 등에 의해 근육이 수축하는 경우에도 이를 환자가 운동을 수행하는 것으로 오해하여 환자의 의지와 달리 구동부가 구동하여 큰 부상을 야기할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 측정부(30)는 환자에 의해 지지부에 가해지는 힘을 측정하여 환자가 실제로 운동을 수행하고 있는지 여부를 확인하도록 구성된다.

측정부(30)는 지지부(10)에 가해지는 힘을 측정할 수 있도록 다양한 실시예로 구성될 수 있다. 일 예로, 지지부 또는 지지부와 연동하는 부재에 설치되는 로드셀을 이용하여 지지부에 가해지는 압력을 측정하는 방식으로 구성될 수 있다. 다른 예로, 특정 위치에 설치된 토크셀을 이용하여 지지부에 가해지는 힘에 의해 발생하는 토크를 측정하는 방식으로 구성될 수 있다. 또 다른 예로, 지지부에 가해지는 힘에 의해 지지부와 연결되는 모터 등에 발생되는 전류의 변화 또는 저항값의 변화를 측정하는 방식으로 구성되는 것도 가능하며, 이 이외에도 다양한 방식을 적용할 수 있다.

이와 같이, 측정부(30)에서 환자가 지지부(10)에 가해지는 힘의 크기를 측정하면, 제어부(40)는 측정부(30)에서 감지된 힘의 크기에 근거하여 구동부(20)를 선택적으로 제어한다. 구체적으로, 측정부(30)에서 감지된 힘의 크기가 기 설정된 기준값의 크기 이상이면 구동부(20)를 구동하고, 측정부(30)에서 감지된 힘의 크기가 기 설정된 기준값보다 작으면 구동부(20)를 구동하지 않도록 제어한다.

그리고 재활 장치(1)가 운전하는 동안, 측정부(30)는 연속적으로 또는 주기적으로 지지부(10)에 가해지는 힘의 크기를 측정한다. 그리고, 제어부(40)는 지지부(10)에 가해지는 힘의 크기가 기준값 이상이면 구동부(20)를 계속하여 구동하고, 기준값 보다 작으면 구동부(20)의 구동을 정지시키도록 제어한다.

여기서, 본 발명의 재활 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 기준값을 설정하는 기준값 설정부(50)를 더 포함한다. 기준값 설정부(50)는 환자의 운동 능력에 따라 적당한 재활 운동 조건을 설정할 수 있도록 기준값을 상이하게 조절할 수 있다.

예를 들어, 재활 치료를 수행하기에 앞서 실제 운동하는 것과 같이 환자가 예비적으로 지지부에 힘을 가하는 단계를 진행할 수 있다. 이때, 측정부(30)는 환자에 의해 지지부에 가해지는 힘의 크기를 측정하고, 기준값 설정부(50)는 이에 근거하여 기준값을 설정할 수 있다.

환자의 예비 동작을 통해 지지부에 가해지는 힘의 크기가 도 2와 같이 측정되는 경우, 기준값 설정부는 최대 힘의 크기(Fmax)에 기초하여 기준값을 설정할 수 있다. 도 2에서는 최대 힘의 크기(Fmax)의 0.7배에 해당하는 힘의 크기를 기준값(R)으로 설정한 것을 도시하고 있다. 다만, 기준값을 설정하는 방식은 재활 부위의 운동 방식 및 실시예의 구체적인 구성에 따라 상이할 수 있으며, 최대 힘의 크기의 0.5배 내지 0.9배의 범위에서 설정될 수 있다.

이 이외에도, 기준값 설정부(50)는 별도의 컨트롤 패널(미도시)을 통해 사용자가 직접 입력하는 값을 기준값으로 설정하는 것도 가능하며, 기타 다양한 방식을 통해 기준값을 설정할 수 있다.

도 3은 측정부에서 측정되는 힘의 크기에 따른 구동부의 구동 상태를 도시한 그래프이다.

기준값이 설정되고 환자가 운동을 시작하면, 전술한 바와 같이 측정부(30)는 환자에 의해 지지부(10)에 가해지는 힘의 크기를 측정한다. 그리고, 제어부(40)는 측정부(30)에서 측정된 힘의 크기가 설정된 기준값의 이상인 경우 선택적으로 구동부를 구동하여 동력을 제공할 수 있다.

따라서, 환자가 지지부(10)에 가하는 힘이 도 3과 같은 경우, 힘의 크기가 기준값(R) 이상이 되는 시점(t1)부터 구동부가 구동된다. 그리고, 구동 중 환자가 지지부에 제공하는 힘이 기준값보다 작도록 감소하는 시점(t2, t4, t6)에서는 구동부가 정지하여 동력을 제공하지 않는다. 그리고, 다시 환자가 힘을 가하여 기준값 이상의 힘이 측정되면 구동부가 다시 구동하여 동력을 제공한다(t3, t5).

한편, 도 3에서는 구동부(20)의 구동 시점(t1, t3, t5)을 판단하기 위한 기준값과 구동부의 정지 시점(t2, t4, t6)을 판단하기 위한 기준값을 동일하게 설정하고 있다. 이에 비해, 도 4에 도시된 바와 같이, 기준값 설정부(50)는 구동 기준값(R1)과 정지 기준값(R2)을 서로 다른 값으로 설정하는 것도 가능하다. 일반적으로 정지 상태에서 운동을 시작하는 힘이 운동 중 지속적으로 가해지는 힘보다 큰 것을 고려하여, 정지 기준값(R2)은 구동 기준(R1)보다 낮은 값을 갖도록 설정될 수 있다(예를 들어, 도 2에서 정지 기준값은 0.7Fmax, 구동 기준값은 0.5Fmax). 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 구동부(20)가 정지된 상태에서는 지지부(10)에 가해지는 힘이 구동 기준값(R1)의 이상인 경우에 구동부(20)가 구동되고(t1, t3), 구동부가 구동되고 있는 상태에서는 지지부(10)에 가해지는 힘이 정지 기준값(R2)보다 작은 경우에 정지되도록(t2, t4) 제어될 수 있다.

또한, 기준값 설정부(50)는 재활운동을 수행함에 따라 환자의 체력이 소진되는 것을 고려하여, 재활 운동이 진행된 시간에 따라 기준값(Rt)이 점차적으로 낮아지도록 설정하는 것도 가능하다(도 5 참조). 도 5에서는 기준값이 시간이 경과함에 따라 선형적으로 감소하도록 설정되는 경우를 도시하였으나, 계단형과 같이 비선형적으로 기준값이 감소하도록 설정되는 것도 가능하다.

나아가, 환자의 재활운동이 진행됨에 따라 지지부(10)는 구동부(20)에서 제공되는 동력에 의해 기 설정된 궤적을 따라 이동한다. 이때, 이동 궤적의 구간에 따라 운동의 난이도가 상이하기 때문에, 환자가 일정한 크기 이상의 힘을 지속적으로 제공하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, 기준값 설정부(50)는 도 6에 도시된 바와 같이, 지지부(10)가 이동하는 궤적의 구간별로 각각 기준값을 별도로 설정하는 것도 가능하다.

예를 들어, 도 6의 a에 도시된 바와 같이 팔이 일정한 궤적을 따라 왕복 운동을 수행하는 경우, 팔의 위치에 따라 힘을 가하는 난이도가 상이할 수 있다. 일 예로 A 구역에서 힘을 가하는 것이 B 구역에서 힘을 가하는 것 보다 어렵고, F 구역에서 힘을 가하는 것이 E 구역에서 힘을 가하는 것보다 어려울 수 있다. 도 6의 B에 도시된 바와 같이, 운동 궤적 중 운동 난이도가 어려운 구역에서는 상대적으로 낮은 기준값을 설정하고, 난이도가 쉬운 구역에서는 상대적으로 높은 기준값을 설정할 수 있다. 이 경우, 재활 운동시 운동 궤적의 구역별 난이도와 환자의 운동 능력을 보다 세부적으로 반영함으로써, 치료 효과를 더욱 개선시킬 수 있다.

한편, 도 3 내지 도 5에서는 구동 중 측정부(30)에서 측정되는 힘의 크기가 해당 기준값보다 작은 경우에는 구동부(20)를 정지하도록 제어하고 있으나, 측정부(30)에서 측정되는 힘의 크기가 감소한 크기만큼 구동부(20)에 제공되는 동력을 선형적으로 감소하도록 제어하도록 구성할 수도 있다.

이처럼, 본 발명은 앞서 설명한 구성에 한정되는 것은 아니며 다양한 방식으로 구체화되어 적용되는 것이 가능하다.

도 7 는 도 1의 재활 장치를 구동하는 방법을 순서도이다. 전술한 재활 장치는 아래와 같은 구동 방법으로 구동될 수 있다.

우선, 기준값 설정부에서 기준값을 설정하는 단계를 진행한다(S10). 기준값을 설정하는 단계(S10)는 전술한 바와 같이 환자가 지지부에 소정 시간 동안 힘을 가하는 예비 동작을 진행하고, 기준값 설정부는 예비 동작 동안 지지부에 가해진 힘의 크기에 근거하여 환자의 운동 능력에 따른 기준값을 설정할 수 있다. 이러한 예비 동작은 환자의 재활 치료 운동에 앞서 별도로 진행될 수도 있고, 환자가 재활 운동을 시작하는 초기 구간을 예비 동작 구간으로서 판단하여 기준값을 설정하는 것도 가능하다.

나아가, 별도의 컨트롤 패널을 이용하여 기준값을 설정하는 것도 가능하며, 이 외의 다양한 방식을 이용하여 기준값을 설정하는 것도 가능하다.

기준값이 설정되면 환자는 본격적으로 재활 운동을 시작하여 지지부(10)에 힘을 가한다. 이때, 측정부(30)는 환자에 의해 지지부에 가해지는 힘을 측정한다(S20).

그리고, 제어부(40)는 측정부(30)에서 측정되는 힘의 크기와 기준값 설정부(50)에서 설정된 기준값을 비교한다(S30). 측정부(30)에서 측정된 힘의 크기가 기준값 이상이면, 제어부(40)는 구동부(20)를 구동하여 환자의 재활 운동에 필요한 동력을 제공한다(S40). 반면, 측정된 힘의 크기가 기준값보다 작으면, 제어부는 구동부가 구동하지 않도록 제어한다(S50).

이러한 동작은 재활 장치의 운전 모드에 따른 운전 종료시점에 도달하기 전까지 반복적으로 진행된다(S60).

측정부(30)에서는 환자에 의해 가해지는 힘의 크기를 연속적으로 또는 주기적으로 측정하고, 제어부(40)는 기준값과 측정부(30)에서 측정된 힘의 크기를 비교하여 구동부(20)를 제어한다. 따라서, 구동부가 구동되고 있는 상태에서 환자에 의해 가해지는 힘의 크기가 기준값 아래로 감소하는 경우 구동부가 정지되도록 제어한다(S50). 또는, 구동부(20)가 정지된 상태에서 환자에 의해 가해지는 힘의 크기가 기준값 이상으로 상승하는 경우 구동부(20)를 구동하여 동력을 제공할 수 있다(S40).

재활 장치의 운전 동안 위와 같은 단계를 지속적으로 수행하며, 운전 종료 시점에 도달하면 제어부는 구동부를 정지시켜 재활 운동을 종료한다(S70).

이하에서는 본 발명을 적용한 실시예를 구체적으로 설명한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 어깨 관절용 재활 장치(100)를 도시한 사시도이다. 도 8에서는 오른쪽 어깨 관절의 재활 운동을 위한 장치를 일 예로 도시하고 있으나, 왼쪽 어깨 관절의 재활 운동을 위한 장치를 구성하는 것도 가능하며, 양측 어깨 관절의 재활 운동을 동시에 진행할 수 있도록 구성하는 것도 물론 가능하다.

도 8에 도시된 바와 같이, 어깨 관절용 재활장치(100)는 의자 형상으로 이루어진 프레임(160)을 구비한다. 따라서, 환자가 프레임(160)에 앉은 상태에서 재활 운동을 수행할 수 있다. 프레임의 일측에는 오른쪽 하완부가 거치되는 지지부(110)가 위치하고, 타측에는 왼쪽 하완부를 거치하기 위한 팔걸이(161)가 형성된다.

지지부(110)는 오른쪽 하완부가 거치된 상태에서 하완부를 고정시킬 수 있도록 구성된다. 구체적으로 지지부(110)는 팔꿈치의 위치를 고정시키는 팔꿈치 고정대(111), 환자가 손으로 움켜쥘 수 있는 핸들(112) 및 환자의 하완부를 둘러쌀 수 있는 밴드(113)를 포함하여 구성될 수 있다. 따라서, 환자가 하완부를 수평 방향, 상하 방향 또는 수평 방향과 상하 방향을 조합한 방향으로 움직이더라도 하완부와 지지부(110)가 일체로 움직일 수 있다.

한편, 환자가 재활 운동을 수행할 수 있도록 지지부(110)가 움직이기 위한 동력을 제공하는 구동부(120)를 더 포함한다. 어깨 관절에 대한 재활 운동은 상완과 하완을 전후 방향, 좌후 방향, 상하 방향 또는 이들을 조합하여 다양한 방향으로 움직이도록 진행될 수 있다. 따라서, 어깨 관절 재활용 재활 장치(100)는 복수개의 구동부를 구비할 수 있으며, 본 실시예에서는 도 8에 도시된 바와 같이 제1 구동부(121) 및 제2 구동부(122), 2개의 구동부를 구비한다.

구체적으로, 제1 구동부(121)는 프레임(160)의 일측에 고정 설치된다. 제1 구동부(121)는 회전 속도 및 회전 방향을 제어할 수 있는 정역 회전 모터로 구성될 수 있다.

제1 구동부(121)의 회전축에는 제1 링크(171)의 일단이 축 연결된다. 따라서, 제1 링크(171)는 제1 구동부(121) 회전시 제1 구동부(121)의 회전 방향을 따라 회동할 수 있다.

제1 링크(171)의 타단에는 제2 링크(172)가 연결된다. 여기서, 제1 링크(171) 및 제2 링크(172)는 모두 길이를 조절할 수 있는 바 형상의 부재로 구성될 수 있다. 그리고, 제1 링크(171) 및 제2 링크(172)의 연결부에는 각도 조절 부재(174)가 설치되어, 제1 링크(171)와 제2 링크(172) 사이의 각도를 조절할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 재활 장치는 제1 링크(171) 및 제2 링크(172)의 길이 및 설치 각도를 조절함으로써, 환자의 체형에 맞도록 재활 장치를 셋팅할 수 있고, 재활 운동의 방향 또한 제어할 수 있다.

제2 링크(172)의 단부에는 제2 구동부(122)가 고정 설치된다. 제2 구동부(122)는 제1 구동부(121)와 마찬가지로 회전 속도 및 회전 방향을 조절할 수 있는 정역 회전 모터로 구성될 수 있다. 다만, 제2 구동부(122)는 제1 구동부(121)와 상이한 방향의 동력을 제공할 수 있도록, 도 8에 도시된 바와 같이 제1 구동부(121)와 상이한 방향으로 설치된다.

그리고, 제2 구동부(122)에는 제3 링크(173)가 설치된다. 제3 링크(173)의 일단은 제2 구동부(122)와 축 연결되고, 타단은 지지부(110)와 연결된다. 따라서, 제2 구동부(122)가 회전함에 따라 제3 링크(173) 및 지지부(110)가 회동한다.

전술한 바와 같이, 제1 구동부(121) 및 제2 구동부(122)는 제1 링크 내지 제3 링크에 의해 지지부(110)와 연결되어, 지지부(110)가 회동하기 위한 동력을 제공한다. 이하에서는 도 9 및 도 10을 참조하여, 제1 구동부(121) 및 제2 구동부(122)의 구동 내용을 구체적으로 설명하도록 한다.

도 9는 도 8의 제1 구동부가 제1 방향으로 동력을 제공하는 모습을 도시한 정면도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 구동부(121)는 전후 방향(환자가 착석한 상태 기준)으로 회전축이 형성된다. 따라서, 제1 구동부(121)는 회전축을 중심으로 회전하면서 제1 방향으로 동력을 제공하며, 이에 의해 환자는 어깨를 축으로 상완부 및 하완부를 바깥 방향으로 들어올리고 내리는 방식으로 회동 운동을 수행하게 된다.

도 10은 도 8의 제2 구동부(122)가 제2 방향으로 동력을 제공하는 모습을 도시한 사시도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 구동부(122)는 수직 방향 또는 수직 방향에서 어느 정도 비스듬히 기울어진 방향으로 회전축이 형성된다. 이때, 제3 링크(173)는 도 10에 도시된 바와 같이 여러번 절곡된 방향으로 형성되어, 제2 구동부(122)의 회전 동력을 지지부(110)에 전달한다. 이에 의해 환자의 하완이 고정된 지지부가 몸의 안쪽과 바깥쪽으로 회동하게 된다.

다만, 도 9 및 도 10에서는 제1 구동부(121) 및 제2 구동부(122)가 개별적으로 구동되는 모습을 도시하였으나, 본 실시예에 따른 재활장치는 제1 구동부(121) 및 제2 구동부(122)를 조합하여 동력을 제공함으로써 보다 다양한 방식으로 재활 운동을 수행할 수 있다.

또한, 도 8 내지 도 10에 도시된 구동부 및 지지부의 구성은 일 예에 불과하며, 재활 치료 위치에 따라 다양한 구조로 변경 실시 가능함은 물론이다.

도 11은 도 8의 재활장치의 주요 구성요소를 도시한 블록도이다. 도 8의 어깨 관절용 재활장치(100)는 환자에 의해 가해지는 힘의 크기를 측정하는 측정부(130), 기준값을 설정하는 기준값 설정부(150) 및 측정부(130)에서 감지된 값과 기준값을 비교하여 제1 구동부(121) 및 제2 구동부(122)를 선택적으로 구동하는 제어부(140)를 더 포함한다.

측정부(130)는 제1 구동부(121)로부터 제공되는 동력의 방향과 대응되는 제1 방향의 힘과 제2 구동부(122)로부터 제공되는 동력의 방향과 대응되는 제2 방향의 힘을 구분하여 측정할 수 있다.

본 실시예의 측정부(130)는 환자가 지지부(110)에 힘을 가하면서 제1 구동부(121)에 발생하는 저항값의 변화를 측정하여 제1 방향으로 가해지는 힘을 측정하고, 제2 구동부(122)에 발생하는 저항값의 변화를 측정하여 제2 방향으로 가해지는 힘을 측정하도록 구성될 수 있다. 따라서, 측정부(130)는 제1 구동부(121) 및 제2 구동부(122)에 각각 내장 설치되며, 제어부(140)로 측정된 값을 전달할 수 있도록 제어부(140)와 전기적으로 연결 설치된다.

다만, 측정부는 전술한 방식 이외에도 토크셀 및 로드셀 등을 이용하여 구성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 제1 구동부 및 제2 구동부의 회전축에 각각 토크셀을 설치하여, 지지부에 가해지는 힘에 의해 발생하는 토크의 크기를 측정하여 제1 방향 및 제2 방향으로 가해지는 힘을 측정하는 것도 가능하다. 또는 지지부에 다양한 위치에 다수개의 로드셀을 설치하여, 각각의 로드셀에서 감지되는 값을 분석하여 제1 방향 및 제2 방향으로 가해지는 힘을 측정하는 것도 가능하다.

기준값 설정부(150)는 환자의 예비 동작을 통해 측정부에서 환자의 운동 능력을 측정하고, 이에 근거하여 기준값을 설정할 수 있다. 여기서, 제1 구동부(121) 및 제2 구동부(122)에 대한 기준값을 별개로 설정할 수 있도록, 제1 방향으로 측정된 힘에 근거하여 제1 기준값을 설정하고, 제2 방향으로 측정된 힘에 근거하여 제2 기준값을 설정할 수 있다. 또는, 제어 내용에 따라 하나의 기준값을 설정하여 제어하는 것도 가능하다.

여기서, 제1 구동부에 대응되는 제1 기준값은 하나의 값으로 설정될 수도 있고, 앞서 도 4 및 도 6에서 설명한 바와 같이 구동 조건, 시간, 위치에 따라 다수개의 기준값을 설정하는 것도 가능하다.

도 11에서는 기준값 설정부(150)를 제1 기준값을 측정하는 제1 기준값 설정부 (151) 및 제2 기준값을 설정하는 제2 기준값 설정부(152)를 구분하여 도시하였으나, 하나의 기준값 설정부(150)로 구성하는 것도 가능하다. 또한, 기준값 설정부(150)를 별개의 구성으로 구비하지 않고, 측정부에서 기준값을 설정하여 제어부에 제공하거나, 측정부에서 측정된 값으로부터 제어부가 자체적으로 기준값을 설정하도록 실시하는 것도 물론 가능하다. 또한, 이 이외에도 별도의 컨트롤 패널(미도시)을 이용하여 사용자가 직접 기준값을 입력하도록 구성할 수도 있다.

한편, 제어부(140)는 기준값 설정부와 측정부에서 감지된 값을 비교하여 제1 구동부(121) 및 제2 구동부(122)를 선택적으로 구동한다. 예를 들어, 측정부(130)에서 측정된 제1 방향의 힘이 제1 기준값 이상이면 제1 구동부(121)를 구동하고, 제1 방향의 힘이 제1 기준값 보다 작으면 제1 구동부(121)를 정지하도록 제어할 수 있다. 그리고, 측정부(130)에서 측정된 제2 방향의 힘이 제2 기준값 이상이면 제2 구동부(122)를 구동하고, 제2 방향의 힘이 제2 기준값보다 작으면 제2 구동부(122)를 정지하도록 제어할 수 있다. 따라서, 제1 방향으로 가해지는 힘은 제1 기준값보다 크고, 제2 방향으로 가해지는 힘은 제2 기준값보다 작은 경우, 제어부(140)는 제1 구동부(121)로만 동력을 제공하도록 제어할 수 있다.

다만, 이외에도 제어부는 측정부에서 측정된 힘의 크기와 설정된 기준값을 이용하여 다양한 방식으로 제1 구동부 및 제2 구동부를 제어할 수 있다.

예를 들어, 제1 방향으로 가해지는 힘과 제2 방향으로 가해지는 힘 중 어느 하나라도 기준값을 만족하는 경우에는 제1 구동부 및 제2 구동부가 모두 정지하고, 둘 다 기준값 이상인 경우에만 제1 구동부 및 제2 구동부가 동작하도록 제어하는 것도 가능하다.

또는, 제1 방향으로 가해지는 힘 및 제2 방향으로 가해지는 힘의 합력이 일정 기준값을 초과하는 경우, 제1 구동부 및 제2 구동부가 동작하여 동력을 제공하되, 제1 구동부 및 제2 구동부에서 제공하는 동력의 크기를 각각 제1 방향으로 가해지는 힘 및 제2 방향으로 가해지는 힘의 크기에 비례하도록 제어하는 것도 가능하다.

나아가, 제어부는 환자의 예비 동작을 통해 재활 운동의 모드를 자동적으로 설정하는 것도 가능하다. 제1 구동부 및 제2 구동부는 각각 상이한 방향으로 동력을 제공하므로, 각각의 구동부에서 제공되는 동력의 크기(예를 들어, 회전 속도)를 상이하게 설정되는 경우 지지부는 상이한 궤적을 따라 이동할 수 있다. 따라서, 제어부는 환자의 예비 동작 시 환자가 지지부에 가하는 힘의 크기 및 방향을 분석하여 운동 모드를 설정하고, 설정된 운동 모드에 따라 제1 구동부 및 제2 구동부가 구동시 제공하는 동력의 크기를 상이하게 설정하여 해당 운동 모드로 재활 운동이 진행되도록 제어할 수 있다.

이하에서는, 본 실시예에 따른 어깨 관절용 재활 장치의 구동 방법에 대해 설명한다. 도 12는 도 8의 어깨 관절용 재활 장치의 구동 방법을 도시한 순서도이다.

우선 기준값을 설정하는 단계를 수행한다(S110). 이때, 기준값 설정부(150)는 제1 방향에 대한 제1 기준값 및 제2 기준값을 별개로 설정할 수 있다. 이러한 기준값을 설정하는 단계는 전술한 바와 같이 환자의 예비 동작시 측정된 힘의 크기를 이용하여 설정하는 것도 가능하여, 외부에서 입력된 기준값을 이용하여 설정하는 것도 가능하다.

기준값이 설정되면, 환자는 지지부(110)에 하완을 고정시킨 상태에서 재활 운동을 수행한다. 그리고, 측정부(130)는 환자가 지지부(110)에 가하는 힘을 측정하는 단계(S120)를 수행한다. 여기서 측정부는 제1 방향으로 가해지는 힘 및 제2 방향으로 가해지는 힘을 구분하여 측정할 수 있다.

한편, 제어부(140)는 측정부(130)에서 측정된 힘의 크기와 기설정된 기준값을 비교하는 단계를 수행한다. 우선, 제1 방향으로 가해지는 힘의 크기와 제1 기준값의 크기를 비교한다(S130). 제1 방향으로 가해지는 힘의 크기가 제1 기준값 이상이면 제1 구동부(121)를 구동하고(S141), 제1 기준값보다 작으면 제1 구동부(121)를 정지시키도록 제어한다(S142). 그리고, 제1 방향으로 가해지는 힘과 제1 기준값을 비교하는 것과 동시에, 제2 방향으로 가해지는 힘의 크기와 제2 기준값의 크기를 비교한다(S150). 제2 방향으로 가해지는 힘의 크기가 제2 기준값 이상이면 제2 구동부를 구동하고(S161), 제2 기준값보다 작으면 제2 구동부를 정지시키도록 제어한다(S162).

다만, 이는 제어부(140)가 측정부(130)에서 측정된 힘과 설정된 기준값들을 이용하여 제어할 수 있는 일 예에 불과하며, 이 이외에도 앞서 설명한 바와 같이 다양한 방식으로 제1 구동부(121)와 제2 구동부(122)를 선택적으로 제어할 수 있다.

여기서, 측정부(130)에서 지지부(110)에 가해지는 힘을 측정하는 단계는 재활 장치의 운전이 종료될 때까지 연속적으로 또는 주기적으로 진행될 수 있다. 그리고, 제어부(140)는 측정부(130)에서 측정된 값을 실시간으로 반영하여, 전술한 제어 단계를 지속적으로 수행할 수 있다.

그리고, 재활 장치의 운전 모드의 운전 종료시점이 도래하면(S170) 재활 장치의 운전을 종료한다(S180).

이상에서는 어깨 관절용 재활 장치를 일예로 설명하였으나, 이는 일 예이며, 본 발명은 환자의 다양한 관절에 대한 재활운동을 수행할 수 있도록 다양하계 변형 실시할 수 있다.

이러한 재활 장치 및 이의 구동 방법은 환자가 실질적으로 운동하고자 하는 의지를 판단하여 재활 운동에 필요하는 동력을 선택적으로 제공하므로 능동적인 재활 치료를 유도할 수 있다. 또한, 환자의 운동 능력에 따라 기준값을 상이하게 설정함으로써 환자의 상태에 따른 최적의 재활 환경을 제공할 수 있다.

110 : 지지부 121: 제1 구동부
122 : 제2 구동부 130 : 측정부
140 : 제어부 150 : 기준값 설정부

Claims

환자의 하완을 지지하는 지지부;
상기 지지부가 제1 방향으로 회동하는 동력을 제공하는 제1 구동부;
상기 지지부가 제2 방향으로 회동하는 동력을 제공하는 제2 구동부;
환자의 운동에 의해 상기 지지부에 가해지는 힘의 크기를 측정하는 측정부; 그리고,
상기 측정부에서 측정된 힘의 방향 및 크기에 근거하여 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부를 선택적으로 제어하는 제어부;를 포함하는 어깨 관절용 재활장치.
제1항에 있어서,
환자의 어깨 관절 운동 능력에 따라 상기 제어부가 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부를 선택적으로 구동시키기 위한 기준값을 각각 설정하는 기준값 설정부;를 더 포함하는 어깨 관절용 재활장치.
제2항에 있어서,
상기 기준값 설정부는 외부에서 입력되는 값을 상기 기준값으로 설정하거나, 상기 측정부에서 측정되는 힘의 크기에 근거하여 상기 기준값을 설정하는 것을 특징으로 하는 어깨 관절용 재활장치.
제3항에 있어서,
상기 측정부는 상기 지지부에 가해지는 상기 제1 방향의 힘 및 상기 제2 방향의 힘을 각각 측정하는 것을 특징으로 하는 어깨 관절용 재활장치.
제4항에 있어서,
상기 제어부는 상기 측정부에서 측정되는 상기 제1 방향의 힘이 제1 기준값 이상이면 상기 제1 구동부를 구동하고, 상기 측정부에서 측정되는 상기 제2 방향의 힘이 제2 기준값 이상이면 상기 제2 구동부를 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 어깨 관절용 재활장치.
제1항에 있어서,
상기 측정부는 토크셀 또는 로드셀을 포함하여 구성되거나, 환자의 운동에 의해 상기 제1 구동부 또는 제2 구동부에 발생되는 저항값을 측정하여 상기 힘의 크기를 감지하는 것을 특징으로 하는 어깨 관절용 재활장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 구동부는 어깨를 축으로 회동하는 동력을 제공하고, 상기 제2 구동부는 팔꿈치를 축으로 회동하는 동력을 제공하는 것을 특징으로 하는 어깨 관절용 재활장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 구동부에 회동 가능하게 설치되는 제1 링크;
일단이 상기 제1 링크의 단부에 설치되어 상기 제1 구동부의 구동에 의해 상기 제1 링크와 일체로 회동하고, 타단은 상기 제2 구동부와 연결되는 제2 링크; 그리고,
상기 제2 구동부에 회동 가능하게 설치되고 단부에 상기 지지부가 설치되는 제3 링크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 어깨 관절용 재활장치.
환자의 어깨 상태에 근거하여 기준값을 설정하는 단계;
측정부가 환자의 운동에 의해 하완을 지지하는 지지부에 가해지는 힘의 크기를 측정하는 단계; 그리고,
제어부는 상기 기준값과 상기 측정된 힘의 크기를 비교하여, 상기 지지부가 제1 방향으로 회동하는 구동력을 제공하는 제1 구동부와 상기 지지부가 제2 방향으로 회동하는 구동력을 제공하는 제2 구동부를 선택적으로 제어하는 단계를 포함하는 어깨 관절용 재활장치의 구동방법.
제9항에 있어서,
상기 기준값을 설정하는 단계는 상기 제1 방향에 대한 제1 기준값 및 상기 제2 방향에 대한 제2 기준값을 설정하고,
상기 힘의 크기를 측정하는 단계는 상기 지지부에 상기 제1 방향으로 가해지는 힘과 상기 제2 방향으로 가해지는 힘을 각각 측정하는 것을 특징으로 하는 어깨 관절용 재활장치의 구동방법.
제9항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제1 방향으로 가해지는 힘의 크기가 제1 기준값 이상이면 상기 제1 구동부를 구동하고, 상기 제2 방향으로 가해지는 힘의 크기가 제2 기준값 이상이면 상기 제2 구동부를 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 어깨 관절용 재활장치의 구동방법.
제9항에 있어서,
상기 기준값을 설정하는 단계는 외부에서 입력된 값을 상기 기준값으로 설정하거나, 환자가 예비적으로 상기 지지부에 가하는 힘을 측정하여 상기 기준값을 설정하는 것을 특징으로 하는 어깨 관절용 재활장치의 구동방법.
제9항에 있어서,
상기 측정부는 토크셀 또는 로드셀을 포함하여 구성되거나, 환자의 운동에 의해 상기 제1 구동부 또는 제2 구동부에 발생되는 저항값을 측정하여 상기 힘의 크기를 감지하는 것을 특징으로 하는 어깨 관절용 재활장치의 구동방법.