KR20130032496A - 상지 근력 보조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 재활자나 노약자의 상지 근력 강화 운동을 보조하는 상지 근력 보조 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는, 사용자의 동작 의도에 따라 임피던스를 조절하여 작동가능한 상지 근력 보조 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 보조 장치는, 사용자의 상지 근육의 근전도 신호를 측정하는 생체 신호 측정 전극; 상기 생체 신호 측정 전극에서 측정된 근전도 신호를 기반으로 사용자의 동작 의도 타이밍을 분석하는 생체 신호 처리부; 사용자의 상지가 접촉하는 상지 접촉부를 갖는 연결 링크부; 상기 연결 링크부에 부착되어 상지의 힘을 감지하는 힘 센서; 상기 생체 신호 처리부에서 분석한 정보와 상기 힘 센서에서 감지한 정보를 통합하여, 상기 연결 링크부의 이동 및 회전 각도를 제어하기 위한 신호를 생성하는 동작 신호 처리부; 및 상기 동작 신호 처리부에서 생성한 신호를 전달받아 구동하며, 상기 연결 링크부와 연결되는 모터를 포함한다.

Description

상지 근력 보조 장치 {APPARATUS FOR SUPPORTING A MUSCULAR STRENGTH OF ARM}
본 발명은 재활자나 노약자의 상지 근력 강화 운동을 보조하는 상지 근력 보조 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는, 사용자의 동작 의도에 따라 임피던스를 조절하여 작동가능한 상지 근력 보조 장치에 관한 것이다.
신체의 노령화에 따른 노약자의 상지 근력의 기능이 약화되거나, 뇌졸증 또는 사고 등으로 근력이 상실된 환자의 근력을 강화하기 위한 재활 장비로 상지 근력 보조 장치가 사용되고 있다.
그러나, 종래의 상지 근력 보조 장치는, 중력 보상이나 단순한 반복 운동을 통한 재활의 목적으로 개발된 장치이다. 그러나, 종래의 장치는 사용자의 의도대로 장치가 움직이지 않으므로, 근력 강화를 효과적으로 수행할 수 없을 뿐만 아니라, 안전 사고의 위험도 내포하고 있다.
또한, 종래의 장치의 경우, 외골격 형태로 팔을 감싸서 근력 강화를 보조하는 형태가 대부분인데, 이는 기기 자체의 하중을 사용자가 감당함으로써 무게에 대한 부담이 발생하며, 팔을 기기에 집어 넣거나 감싸는 작업이 필요하므로, 착용시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.
또한, 상지 근력 보조 장치가 고정된 형태인 경우, 인체 관절의 회전 축과 기기의 회전 축을 정합하도록 보정할 수 없으므로 사용이 불편하며, 사용자에 따라 사용이 적합하지 않은 경우도 발생한다.
또한, 종래의 장치는 근전도 신호를 입력받거나, 힘 센서를 이용한 측정 신호를 필터링 한 후 단순 증폭하여 제어 신호로 사용함으로써, 사용자가 의도하는 임피던스(힘을 주었을 때 움직이는 정도)로 조절할 수 없는 문제가 있다.
특허문헌 1: 한국공개특허 10-2009-0030402 (한양대학교 산학협력단) 2009. 03. 25. 요약, 청구항 1, 도면 1 특허문헌 2: 한국공개특허 10-2011-0027447 (학교법인 동의학원) 2011. 03. 16. 요약, 청구항 1, 도면 1
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 사용자의 동작 의도에 따라 임피던스를 조절하여 작동가능한 상지 근력 보조 장치를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 보조 장치는, 사용자의 상지 근육의 근전도 신호를 측정하는 생체 신호 측정 전극; 상기 생체 신호 측정 전극에서 측정된 근전도 신호를 기반으로 사용자의 동작 의도 타이밍을 분석하는 생체 신호 처리부; 사용자의 상지가 접촉하는 상지 접촉부를 갖는 연결 링크부; 상기 연결 링크부에 부착되어 상지의 힘을 감지하는 힘 센서; 상기 생체 신호 처리부에서 분석한 정보와 상기 힘 센서에서 감지한 정보를 통합하여, 상기 연결 링크부의 이동 및 회전 각도를 제어하기 위한 신호를 생성하는 동작 신호 처리부; 및 상기 동작 신호 처리부에서 생성한 신호를 전달받아 구동하며, 상기 연결 링크부와 연결되는 모터를 포함한다.
상기 상지 근력 보조 장치는, 상기 연결 링크부에 부착되어 상지의 관절 각도를 감지하여, 상기 동작 신호 처리부로 전달하는 위치 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 연결 링크부는, 손잡이와, 사용자의 팔꿈치가 접촉하는 팔꿈치 고정대를 포함할 수 있다.
상기 팔꿈치 고정대는, 일면이 개방되어 사용자의 팔꿈치가 안착되는 오목한 구조를 가질 수 있다.
상기 상지 근력 보조 장치는, 상기 팔꿈치 고정대를 팔꿈치 회전축을 중심으로 회전시키는 동력을 전달하는 제1 모터; 및 상기 손잡이를 손목 회전축을 중심으로 회전시키는 동력을 전달하는 제2 모터를 더 포함할 수 있다.
상기 상지 근력 보조 장치는, 상기 팔꿈치 고정대의 위치를 조정하여, 상기 팔꿈치의 회전축과 정합시키는 팔꿈치 회전축 조절부를 더 포함할 수 있다.
상기 상지 근력 보조 장치는, 상기 제2 모터의 동력을 상기 손목 회전축을 중심으로 하는 회전력으로 변환하는 손목회전 동력 전달 메커니즘을 더 포함할 수 있다.
상기 동작 신호 처리부는, 상기 연결 링크부의 위치와 속도를 제어하기 위한 신호를 생성하는 위치 및 속도 제어기; 및 상기 위치 및 속도 제어기에서 생성된 신호를 증폭하여 상기 모터로 입력시키는 증폭기를 포함할 수 있다.
본 발명의 상지 근력 보조 장치는 사용자의 동작 의도에 따라 임피던스를 조절하여 작동가능하므로, 재활 치료 등의 상지 근력 강화 운동을 효과적으로 보조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 상지 근력 보조 장치는, 사용자가 장치 위에 팔을 거치시키는 형태를 가지므로, 사용자가 상지 근력 보조 장치의 하중을 부담하지 않고, 근력 강화 운동을 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 보조 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 동작 신호 처리부의 처리 과정을 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 상지 근력 보조 장치의 예시적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 2자유도 상지 근력 보조 로봇을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 상지 근력 보조 장치의 사용 상태를 도시하는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상지 근력 보조 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 보조 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다. 도 2는 도 1의 동작 신호 처리부의 처리 과정을 도시하는 블록도이다.
우선, 도 1을 참조하면, 상지 근력 보조 장치는 생체 신호 측정 전극(110), 신호 처리부(120), 모터(152, 154), 연결 링크부(160), 상지 접촉부(162) 및 힘 센서(170)를 포함하며, 신호 처리부(120)는 생체신호 처리부(130)와 동작 신호 처리부(140)로 이루어진다.
생체 신호 측정 전극(110)은 사용자의 상지 근육의 근전도(electromyography, EMG) 신호를 측정하며, 근전도 측정 신호는 생체신호 처리부(130)로 전달된다. 근전도 신호는 근섬유막에서 발생하는 생리적 변화에 따라 발생하는 전기 신호로서, 생체 신호 측정 전극(110)은 근육의 동작 시, 근육에서 발생되는 전기신호를 측정한다.
이어서, 생체신호 처리부(130)는 생체 신호 측정 전극(110)에서 측정된 근전도 신호를 기반으로 사용자의 동작 의도 타이밍(timing)을 분석한다. 상기 분석을 위해 도 2에서와 같이 생체신호 처리부(130)는 근전도 측정신호를 필터링, 절대값 산출, 적분, 및 P 스레쉬홀드 데드밴드를 연산하고, 상기 연산 결과를 동작 신호 처리부(140)로 전달한다.
동작 신호 처리부(140)는 생체 신호 처리부(130)에서 분석한 정보와 힘 센서(170)에서 감지한 힘 측정 신호를 통합하여, 사용자의 동작 의도 타이밍을 조절하기 위한 신호를 생성한다. 구체적으로, 동작 신호 처리부(140)에서 생성된 신호는 연결 링크부(160)의 이동 및 회전 각도를 제어하기 위한 신호이다.
제1 모터(152)와 제2 모터(154)는 동작 신호 처리부(140)에서 생성한 신호를 전달받아 구동하며, 상기 연결 링크부(160)와 연결된다. 따라서, 연결 링크부(160)는 모터(152, 154)의 구동에 따라 회전 내지 이동할 수 있게 된다. 도 1에서, 모터는 제1 모터(152)와 제2 모터(154)를 구비하는 것으로 도시되었으나, 모터의 개수는 이에 한정되지 않으며, 사용자의 상지 근력 강화 운동을 보조하기 위한 회전 방향에 따라 모터의 개수가 변경될 수 있다.
연결 링크부(160)는 사용자의 상지가 접촉하는 상지 접촉부(162)를 갖는다. 본 발명의 상지 접촉부(162)는, 사용자의 팔을 감싸는 형태인 종래의 상지 근력 보조 장치와 달리, 일면이 개방되어 사용자의 팔꿈치를 안착시킬 수 있는 오목한 구조의 형태를 가진다. 따라서, 사용자는 상지 근력을 강화하기 위한 재활 시, 상지 근력 보조 장치 자체의 하중을 감당하지 않아도 되는 장점이 있다.
힘 센서(170)는 연결 링크부(160)에 부착되어 상지의 힘을 감지하여, 동작 신호 처리부(140)로 전달한다. 본 발명의 다른 실시예에서는, 위치 센서(미도시)를 힘 센서(170)와 같이 연결 링크부(160)에 부착하고, 위치 센서에서 감지한 사용자의 상지의 관절 각도 신호와 힘 센서(170)에서 감지한 힘 측정신호를 동작 신호 처리부(140)로 전달할 수 있다.
도 2를 참조하여, 동작 신호 처리부(140)의 신호 처리 과정을 더 상세히 살펴본다. 우선, 전술한 바와 같이 생체신호 측정 전극(110)에서 감지된 사용자의 근전도 신호가 생체신호 처리부(130)에서 처리되어 동작 신호 처리부(140)로 전달된다. 한편, 힘 센서(170)에서 감지된 힘 측정 신호는 동작 신호 처리부(140)에 전달되어, 필터링 과정을 거치며, 생체신호 처리부(130)에서 처리된 신호와 통합되어, 사용자의 동작 의도 타이밍을 조절하도록 신호 처리된다. 신호 처리를 위해, 동작 신호 처리부(140)는 신호를 증폭하고, 가상의 임피던스를 적용할 수 있다.
또한, 동작 신호 처리부(140)는, 연결 링크부(160)의 위치와 속도를 제어하기 위한 신호를 생성하는 위치 및 속도 제어기(141)와, 상기 위치 및 속도 제어기(141)에서 생성된 신호를 증폭하여 모터(150)로 입력시키는 선형 전압-전류 증폭기(142)를 포함할 수 있다.
동작 신호 처리부(140)에서 생성된 신호는 모터(150)로 전달되며, 이후 과정은 전술한 바와 같다.
도 3은 본 발명의 상지 근력 보조 장치의 예시적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 상지 근력 보조 장치는 2자유도 상지 근력 보조 로봇(100), 생체 신호 처리부(130) 및 동작 신호 처리부(140)를 포함한다.
2자유도 상지 근력 보조 로봇(100)은, 도 1에서 제1 모터(152), 제2 모터(154), 연결 링크부(160), 상지 접촉부(162) 및 힘 센서(170)를 포함하는 구성에 해당한다.
2자유도 상지 근력 보조 로봇(100)에서 감지된 근전도 측정신호, 힘 측정신호, 관절 각도 측정신호는 A/D 컨버터(143)와 엔코더(144)로 입력되어 도 2에서 설명한 바와 같은 처리 과정을 거친다. 이어서, 동작 신호 처리부(140)에서 생성된 신호는 D/A 컨버터(145)를 거쳐 2자유도 상지 근력 보조 로봇(100)의 모터로 전달된다.
도 4는 본 발명의 2자유도 상지 근력 보조 로봇을 도시한 사시도이며, 도 5는 본 발명의 상지 근력 보조 장치의 사용 상태를 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 2자유도 상지 근력 보조 로봇(100)은, 제1 모터(152), 제2 모터(154), 손목회전 동력 전달메커니즘(156), 손잡이(164), 팔꿈치 고정대(166) 및 팔꿈치 회전축 조절부(180)를 포함한다.
사용자는 도 5에서와 같이, 상지를 팔꿈치 고정대(166)에 거치시킨 후, 손으로 손잡이(164)를 잡은 상태에서 2자유도 상지 근력 보조 로봇(100)을 작동시킬 수 있다.
제1 모터(152)는 팔꿈치 고정대(166)를 팔꿈치 회전축(1)을 중심으로 회전시키는 동력을 전달하며, 제2 모터(154)는 손잡이(164)를 손목 회전축(2)을 중심으로 회전시키는 동력을 전달한다. 상기 제2 모터(154)의 동력을 손목 회전축(2)을 중심으로 하는 회전력으로 변환하기 위해 손목회전 동력 전달 메커니즘(156)이 더 포함될 수 있다.
제1 모터(152)와 제2 모터(154)에 의해, 사용자는 팔꿈치 회전축(1)과 손목 회전축(2)을 중심으로 하는 2자유도 상지 근력 운동을 할 수 있다. 또한, 모터를 부가하여, 더 높은 자유도를 갖는 상지 근력 보조 로봇을 구성할 수도 있다.
팔꿈치 회전축 조절부(180)는 팔꿈치 고정대(166)의 위치를 조정하여, 상기 팔꿈치 회전축(1)과 정합시킨다. 사용자에 따라 팔꿈치 회전축 조절부(180)를 통해 팔꿈치 고정대(166)의 위치를 용이하게 조절할 수 있으므로, 상지 근력 운동을 적절하게 수행할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1: 팔꿈치 회전축
2: 손목 회전축
100: 2자유도 상지 근력 보조 로봇
110: 생체신호 측정 전극
120: 신호 처리부
130: 생체 신호 처리부
140: 동작 신호 처리부
141: 위치 및 속도 제어기
142: 선형 전압-전류 증폭기
143: A/D 컨버터
144: 엔코더
145: D/A 컨버터
150: 모터
152: 제1 모터
154: 제2 모터
156: 손목회전 동력 전달 메커니즘
160: 연결 링크부
162: 상지 접촉부
164: 손잡이
166: 팔꿈치 고정대
170: 힘 센서
180: 팔꿈치 회전축 조절부
200: 사용자

Claims (8)

  1. 사용자의 상지 근육의 근전도 신호를 측정하는 생체 신호 측정 전극;
    상기 생체 신호 측정 전극에서 측정된 근전도 신호를 기반으로 사용자의 동작 의도 타이밍을 분석하는 생체 신호 처리부;
    사용자의 상지가 접촉하는 상지 접촉부를 갖는 연결 링크부;
    상기 연결 링크부에 부착되어 상지의 힘을 감지하는 힘 센서;
    상기 생체 신호 처리부에서 분석한 정보와 상기 힘 센서에서 감지한 정보를 통합하여, 상기 연결 링크부의 이동 및 회전 각도를 제어하기 위한 신호를 생성하는 동작 신호 처리부; 및
    상기 동작 신호 처리부에서 생성한 신호를 전달받아 구동하며, 상기 연결 링크부와 연결되는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 근력 보조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연결 링크부에 부착되어 상지의 관절 각도를 감지하여, 상기 동작 신호 처리부로 전달하는 위치 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 근력 보조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 연결 링크부는,
    손잡이와, 사용자의 팔꿈치가 접촉하는 팔꿈치 고정대를 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 근력 보조 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 팔꿈치 고정대는, 일면이 개방되어 사용자의 팔꿈치가 안착되는 오목한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 상지 근력 보조 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 팔꿈치 고정대를 팔꿈치 회전축을 중심으로 회전시키는 동력을 전달하는 제1 모터; 및
    상기 손잡이를 손목 회전축을 중심으로 회전시키는 동력을 전달하는 제2 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 근력 보조 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 팔꿈치 고정대의 위치를 조정하여, 상기 팔꿈치의 회전축과 정합시키는 팔꿈치 회전축 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 근력 보조 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제2 모터의 동력을 상기 손목 회전축을 중심으로 하는 회전력으로 변환하는 손목회전 동력 전달 메커니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 근력 보조 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 동작 신호 처리부는,
    상기 연결 링크부의 위치와 속도를 제어하기 위한 신호를 생성하는 위치 및 속도 제어기; 및
    상기 위치 및 속도 제어기에서 생성된 신호를 증폭하여 상기 모터로 입력시키는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 근력 보조 장치.
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