KR20140000485A - 상지 운동 제공 햅틱 장치 및 방법 - Google Patents

상지 운동 제공 햅틱 장치 및 방법 Download PDF

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KR20140000485A
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Abstract

본 발명은, 의료, 게임 및 로봇 분야에서 활용될 수 있는 상지 운동 제공 장치에 관한 것으로서, 장치의 수직 운동부와 복수의 스위블 바퀴를 포함하는 수평 운동부에 의하여 사용자에게 전 방향의 상지 운동을 제공하고 휴대가 용이한 상지 운동 장치이다.
또한, 장치의 동작에 대한 피드백 신호를 수신하여 장치의 작동을 제어함으로써, 사용자의 근감각 또는 촉감각을 자극하는 햅틱(Haptic) 기능을 제공할 수 있다.

Description

상지 운동 제공 햅틱 장치 및 방법 {Upper Limb Motion Providing Haptic Device and Method}
본 발명은, 로봇, 의료, 게임 등의 분야에서 활용되는 기구로서 재활 등을 위한 사람의 상지 운동을 제공하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 모든 방향으로의 상지 운동을 제공하고 휴대가 간편하며 햅틱(Haptic) 기능이 구현된 상지 운동 제공 햅틱 장치 및 방법에 관한 것이다.
사고, 질병 등으로 인하여 운동 능력이 약해져 있는 사람의 재활을 돕기 위해 신체의 운동을 제공하는 장치에 있어서, 상반신의 운동을 제공하는 장치를 상지 운동 장치, 하반신의 운동을 제공하는 장치를 하지 운동 장치라 한다.
상지 운동을 제공하는 장치는 크게 사람의 힘에 의해 기기를 움직여 사람에게 운동을 제공하는 장치와 기기가 스스로의 동력으로 움직여 사람에게 운동을 제공하는 장치로 구분된다. 이들은 운동을 제공하는 주체에 따라 구분한 것으로서, 일반적으로 전자를 능동형 상지 운동 장치, 후자를 수동형 상지 운동 장치라고 정의한다.
능동형 상지 운동 장치는 헬스 클럽 등과 같은 일상 생활에서 쉽게 접할 수 있는 상지 근력 강화 운동 장치 등이 대부분으로, 이들은 중량과 크기가 상당히 커서 고정 및 설치에 일정한 공간과 장소를 필요로 하며, 각 장치별로 특정한 근육을 강화하도록 만들어져 있다.
수동형 상지 운동 장치는 주로 재활 병원 등에서 재활 치료를 목적으로 하는 운동 장치 등으로 이들은 전기, 전자, 기계, 컴퓨터 기술을 활용하여 상지의 각 부위별 재활 등의 특수한 목적의 치료에 적합하도록 만들어져 있으며, 능동형 운동 장치에 비해 중량과 크기는 더 적거나 작아서 운반 및 이동이 간편하나, 일반적으로 고정된 형태로 운동을 제공한다.
종래의 수동형 운동 장치의 하나로서, 편마비 환자용 대칭형 상지 재활 훈련기구가 있다. 종래 발명은, 2개의 손잡이대를 구비하는 손잡이부; 일측에 상기 손잡이부의 2개의 손잡이대가 장착되며, 내부에 기어들을 구비하고, 상기 기어들이 움직여 상기 손잡이대들을 정해진 궤적으로 대칭 회전 운동하게 하는 기어부; 사용자의 전완을 고정하기 위한 팔고정부; 상기 손잡이부, 기어부, 팔고정부를 받쳐주기 위한 받침대; 상기 받침대 위의 일측에 위치하며, 굴곡 및 신전 재활 훈련을 수행하기 위해서 기어부를 고정하는 제1기구고정부; 상기 받침대의 가운데 있는 관통 공간으로 구성되며, 회내 및 회외 재활 훈련을 수행하기 위해서 기어부를 고정하는 제2기구고정부; 를 구비하는 것을 특징으로 하는 편마비 상지 재활 기구이다.
상기 편마비 상지 재활 기구는, 종래의 재활 기구의 단점을 보완하여 다기능적인 편마비의 상지 재활 기구를 제공한다. 그리고, 자신의 건측 손을 이용해 자신의 환측 손을 움직이게 하는 편마비의 상지 재활 기구를 제공하고, 전완 뿐만 아니라 팔목도 훈련할 수 있는 편마비의 상지 재활 기구를 제공한다.
다만, 기존 발명은 편마비 환자를 위한 상지 재활 훈련 기구로 고정형이어서 운반 및 휴대가 용이하지 아니하고, 장치의 동작에 대한 피드백을 제공하지 않아 햅틱(Haptic) 기능을 가지지 아니하며, 운동 방향이 특정 방향으로만 국한되어 운동 범위가 매우 제한되어 있는 문제가 존재한다.
본 발명은, 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 전 범위의 상지 운동을 제공하는 상지 운동 제공 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 하며, 사용자의 움직임에 따른 피드백을 제공하는 햅틱(Haptic) 기능이 구현된 상지 운동 제공 햅틱 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 손잡이 및 상기 손잡이를 잡은 사용자의 상지를 지지하는 지지대를 포함하는 상지 지지부; 상기 상지 지지부를 상기 지지대의 수직 방향으로 이동시키는 수직 운동부; 상기 상지 지지부를 상기 지지대의 수평 방향으로 이동시키는 수평 운동부; 상기 수직 운동부 및 상기 수평 운동부와 연결되어 동력을 전달하는 동력 전달부; 상기 손잡이의 움직임에 따른 신호를 입력받고, 상기 동력 전달부에 상기 수직 운동부 및 상기 수평 운동부의 작동 명령을 전달하는 제어부; 및 상기 제어부와 연결되어 전원을 공급하는 전원부를 포함하는 상지 운동 제공 햅틱 장치를 제공한다.
본 발명의 일면에 따르면, 상기 수평 운동부는 전후 방향으로 움직이는 스위블 바퀴 또는 좌우 방향으로 움직이는 스위블 바퀴를 포함하는 상지 운동 제공 햅틱 장치이거나, 상기 수평 운동부는 세 개의 스위블 바퀴를 포함하며, 상기 스위블 바퀴는 서로 60도의 각을 이루고 있는 것인 상지 운동 제공 햅틱 장치로서, 사용자에게 전 범위의 운동을 제공한다.
본 발명의 다른 면에 따르면, 상기 사용자의 운동량을 표시하고, 상기 운동량에 대한 정보를 피드백할 수 있는 표시부를 더 포함하는 상지 운동 제공 햅틱 장치 또는 유선 또는 무선 중 적어도 어느 하나의 방식에 의하여 모니터와 통신하는 통신부를 더 포함하며, 상기 통신부는 상기 손잡이로부터 입력받은 신호를 상기 모니터에 전송하고, 상기 모니터에서 표시되는 움직임에 따른 피드백 신호를 수신하며, 상기 수신한 피드백 신호를 상기 제어부로 전달하는 것인 상지 운동 제공 햅틱 장치를 제공한다.
한편, 본 발명은 손잡이의 움직임에 따른 신호를 입력받는 단계; 상기 신호에 따른 손잡이 대응 객체의 움직임을 모니터에 표시하는 단계; 상기 모니터에 표시되는 상기 손잡이 대응 객체의 움직임에 대응한 환경 객체의 움직임을 모니터에 표시하는 단계; 상기 환경 객체의 움직임에 따라 발생한 피드백 신호를 수신하는 단계; 및 상기 피드백 신호에 따라 상기 손잡이의 움직임을 제어하는 단계를 포함하는 상지 운동 제공 방법으로 이용될 수 있다.
본 발명은, 상지 운동 제공 햅틱 장치에 수직 운동부 및 스위블 바퀴를 이용한 수평 운동부를 포함하여 전 방향으로 움직임이 가능한 상지 운동 장치를 제공하고, 상지 운동 장치의 제어부에 내재된 응용 프로그램 또는 장치의 움직임이 표시되는 모니터로부터 받는 피드백 신호에 따른 장치의 작동으로 사용자의 근감각 또는 촉감각을 자극하는 햅틱(Haptic) 기능을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 상지 운동 제공 햅틱 장치의 사용 예시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 상지 운동 제공 햅틱 장치의 손잡이의 형태에 대한 예시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상지 운동 제공 햅틱 장치의 구조를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 상지 운동 제공 햅틱 장치의 수평 운동부를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 상지 운동 제공 햅틱 장치의 수평 운동부의 움직임 방향을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 상지 운동 제공 햅틱 장치의 수평 운동부의 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 상지 운동 제공 방법을 나타낸 흐름도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의된다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 상지 운동 제공 햅틱(Haptic) 장치의 사용 예시를 나타낸 도면이다.
환자 등의 재활 운동을 하는 사람은 상지 운동 제공 햅틱 장치의 지지대에 상지를 부착하고 손잡이를 잡아 상지 운동의 기본 자세를 취한다. 상지 운동 제공 햅틱 장치에 전원이 공급되는 상태에서 사용자의 손잡이 조작에 따라 장치의 운동부가 작동하게 된다.
장치의 작동에 따른 신체의 동작이 전방의 모니터를 통하여 표시될 수 있으며, 전방의 모니터는 상지 운동 상태를 표시하는 기능만 할 수도 있지만, 상지 운동에 따른 피드백 신호를 생성하여 상지 운동 제공 햅틱 장치에 전송할 수도 있다. 피드백 신호를 전송받은 경우에는, 상기 피드백 신호에 따라 장치의 동작을 제어하여 사용자의 근감각 또는 촉감각을 자극할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 상지 운동 제공 햅틱 장치의 손잡이가 가질 수 있는 형태에 대한 예시를 나타낸 것이다. 기본적으로, 도 2의 좌측 상단의 형태의 손잡이를 구성 요소로 포함하지만, 환자의 재활 부위에 따라 다른 근육이 운동되도록 하거나 의료 뿐만 아니라 게임 등 다른 분야에서도 이용될 수 있도록, 다양한 형태의 손잡이로 대체될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상지 운동 제공 햅틱 장치의 전체적인 구조를 나타낸 도면이다.
상지 운동 제공 햅틱 장치는, 상지 지지부(300), 수직 운동부(310), 수평 운동부(320), 동력 전달부(330), 제어부(340) 및 전원부(350)를 포함한다.
상지 지지부(300)는 손잡이(301) 및 지지대(302)를 포함한다. 손잡이(301)는 도 2에 도시된 여러 가지 형태로 대체될 수 있으며, 사용자는 지지대(302)에 상지를 부착하고 손잡이(301)를 잡은 상태에서 상지 운동을 제공받을 수 있다.
운동부는 수직 운동부(310)와 수평 운동부(320)로 나누어지는데, 수직 운동부(310)는 상지 지지부(300)의 하부에 위치하여 높이와 수직력을 제공하여 상지의 상하 방향으로의 운동을 제공한다. 수평 운동부(320)는 상지 운동 제공 햅틱 장치가 전후 또는 좌우 등 전 방향으로 움직일 수 있게 함으로써, 사용자에게 전 범위의 상지 운동을 제공한다.
수직 운동부(310)는 상지 지지부(300)가 상하 방향으로 움직이도록 상지 지지부(300)의 하부에 원통형의 기둥 형태로 부착될 수 있고, 수평 운동부(320)는 상지 운동 제공 햅틱 장치가 전 방향으로 움직일 수 있도록 스위블 바퀴를 포함하며, 바람직하게는 2개 이상의 스위블 바퀴를 포함한다.
동력 전달부(330)는 전원부(350)로부터 전원을 공급받고 제어부(340)로부터 작동 명령을 받아 수직 운동부(310) 및 수평 운동부(320)에 전원을 공급하여 상기 운동부들이 작동하게 한다.
제어부(340)는 내재된 응용 프로그램에 따라, 장치의 작동을 제어하거나 사용자의 손잡이(301) 조작에 따른 신호를 입력받아 상기 신호에 따른 장치의 작동 명령을 출력한다.
그리고, 장치가 통신부를 구비하고 있는 경우에는, 상기 통신부를 이용하여 장치의 동작 신호를 모니터에 전송하고, 모니터가 상지의 운동 상태를 표시하고 피드백 신호를 전송하면, 상기 피드백 신호를 입력받아 장치의 작동 명령을 출력한다. 사용자는 피드백 신호에 따른 장치의 작동에 의하여 근감각 또는 촉감각의 자극을 받을 수 있다.
이때, 모니터는 장치에 의한 운동 상태를 표시하는 기능만 하고, 피드백 신호는 제어부(340)에 내재된 응용 프로그램에 의하여 생성될 수도 있다.
도 4는 수평 운동부를 구체적으로 볼 수 있도록 장치를 아래쪽에서 바라본 것을 나타낸 것이다.
수평 운동부는 좌우 방향으로 움직일 수 있는 전륜 스위블 바퀴(400)와 전후 방향으로 움직일 수 있는 후륜 스위블 바퀴(410)를 서로 직교하는 방향으로 포함하고 있어, 상기 스위블 바퀴들의 독립 또는 연합 작동에 의하여 장치가 전 방향으로 움직일 수 있게 한다. 이때, 캐스터(420)는 평면에서 안정된 자세를 가질 수 있도록 도와주는 역할을 한다.
도 5은 수평 운동부가 서로 직교하는 방향으로 위치한 2개의 스위블 바퀴를 포함하는 경우에 장치가 움직이는 방향을 나타낸 것이다. 전륜 스위블 바퀴는 좌우 이동을, 후륜 스위블 바퀴는 전후 이동을 가능하게 함으로써, 장치의 전후, 좌우 및 회전 운동을 가능하게 한다. 따라서, 상지 운동 제공 햅틱 장치가 전 방향으로 수평 이동이 가능하여 사용자에게 전 방향의 상지 운동을 제공한다.
도 6은 수평 운동부가 포함하는 스위블 바퀴의 구성의 다른 실시예를 나타낸 것이다. 수평 운동부는 3개의 스위블 바퀴를 포함할 수 있는데, 각 스위블 바퀴가 서로 60도의 각을 이루고 있어 수평 운동부가 전 방향으로 움직일 수 있게 한다.
상지 운동 제공 햅틱 장치는 의료 분야에서 사용되는 것으로 설명되고 있으나, 게임, 로봇 등의 분야에서 응용될 수 있다. 다만, 재활 운동의 목적으로 사용될 경우, 사용자가 몸이 불편한 환자인 점에서 비상시에 장치의 작동을 중지시킬 수 있는 비상 버튼을 장치에 구비하여 무리한 운동으로 인한 환자의 부상을 방지할 수 있고, 상기 비상 버튼은 손잡이에 위치하도록 하여 환자의 조작이 용이하게 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 상지 운동 제공 방법을 나타낸 흐름도이다.
사용자가 상지 운동 햅틱 제공 장치의 손잡이 부분을 조작하여 손잡이의 움직임에 따른 신호를 발생시키면(S700), 상기 신호는 표시부 또는 모니터로 전달되어 손잡이에 대응하는 객체의 움직임으로 사용자의 손잡이 조작을 표시한다(S720).
이때, 사용자는 손잡이의 조작에 의하여 중량체를 들거나 장애물과 충돌 또는 장애물을 제거하는 등의 동작을 할 수 있고, 이러한 동작은 손잡이 대응 객체의 움직임으로 표시된다. 그리고, 손잡이 대응 객체의 움직임에 따라 중량체, 장애물 등의 환경 객체의 움직임을 모니터에 표시한다(S740).
모니터에서 상기 환경 객체의 움직임이 상기 손잡이 대응 객체에 영향을 주는 경우에는, 환경 객체의 움직임에 따른 피드백 신호를 발생시킨다(S760). 피드백 신호는 사용자가 중량체를 들 경우 상지 운동 햅틱 제공 장치를 통하여 중량체의 무게를 느낄 수 있도록 하거나 장애물과 부딪혔을 경우에는 부딪히는 느낌이 상지 운동 제공 햅틱 장치를 통하여 사용자에게 전달되도록 하는 신호를 의미한다.
피드백 신호가 발생할 경우에는 상기 신호에 따라 상지 운동 제공 햅틱 장치를 제어하여, 사용자가 화면에서 표시되는 상황에 따른 동작 또는 감각을 상지 운동 제공 햅틱 장치를 통하여 느낄 수 있도록 한다(S780).
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
300 : 상지 지지부
301 : 손잡이
302 : 지지대
310 : 수직 운동부
320 : 수평 운동부
330 : 동력 전달부
340 : 제어부
350 : 전원부
400 : 전륜 스위블 바퀴
410 : 후륜 스위블 바퀴
420 : 캐스터

Claims (8)

  1. 손잡이 및 상기 손잡이를 잡은 사용자의 상지를 지지하는 지지대를 포함하는 상지 지지부;
    상기 상지 지지부를 상기 지지대의 수직 방향으로 이동시키는 수직 운동부;
    상기 상지 지지부를 상기 지지대의 수평 방향으로 이동시키는 수평 운동부;
    상기 수직 운동부 및 상기 수평 운동부와 연결되어 동력을 전달하는 동력 전달부;
    상기 손잡이의 움직임에 따른 신호를 입력받고, 상기 동력 전달부에 상기 수직 운동부 및 상기 수평 운동부의 작동 명령을 전달하는 제어부; 및
    상기 제어부와 연결되어 전원을 공급하는 전원부
    를 포함하는 상지 운동 제공 햅틱 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수평 운동부는
    전후 방향으로 움직이는 스위블 바퀴 또는 좌우 방향으로 움직이는 스위블 바퀴를 포함하는 것
    인 상지 운동 제공 햅틱 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 운동량을 표시하고, 상기 운동량에 대한 정보를 피드백할 수 있는 표시부
    를 더 포함하는 상지 운동 제공 햅틱 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수평 운동부는
    세 개의 스위블 바퀴를 포함하며, 상기 스위블 바퀴는 서로 60도의 각을 이루고 있는 것
    인 상지 운동 제공 햅틱 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    유선 또는 무선 중 적어도 어느 하나의 방식에 의하여 모니터와 통신하는 통신부를 더 포함하며,
    상기 통신부는
    상기 손잡이로부터 입력받은 신호를 상기 모니터에 전송하고, 상기 모니터에서 표시되는 움직임에 따른 피드백 신호를 수신하며, 상기 수신한 피드백 신호를 상기 제어부로 전달하는 것
    인 상지 운동 제공 햅틱 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상지 운동 제공 햅틱 장치의 작동 중지 명령 신호를 출력하는 비상 버튼
    을 더 포함하는 상지 운동 제공 햅틱 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    외부 전원으로부터 전원을 공급 또는 충전을 받는 충전/전원 포트 또는 외부 장치로부터 상기 제어부로 프로그램을 입력받는 입/출력 포트 중 적어도 어느 하나 이상의 포트
    를 더 포함하는 상지 운동 제공 햅틱 장치.
  8. 손잡이의 움직임에 따른 신호를 입력받는 단계;
    상기 신호에 따른 손잡이 대응 객체의 움직임을 모니터에 표시하는 단계;
    상기 모니터에 표시되는 상기 손잡이 대응 객체의 움직임에 대응한 환경 객체의 움직임을 모니터에 표시하는 단계;
    상기 환경 객체의 움직임에 따라 발생한 피드백 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 피드백 신호에 따라 상기 손잡이의 움직임을 제어하는 단계
    를 포함하는 상지 운동 제공 방법.
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