KR20150062456A - 손가락 재활 로봇 기구 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구는 베이스 판, 베이스 판의 외측면에 형성된 구동모듈, 두 개의 4절 링크(4bar-linkage)로 이루어지고, 사용자의 검지와 손등 사이의 관절이 위치하는 검지 MCP 관절<MCP Joint> 부분과 구동모듈의 외부 측방향에 형성된 모터 구동 혼의 중심을 고정하여 검지, 중지, 약지, 및 소지 손가락을 움직일 수 있도록 한 제1 링크, 및 사용자의 엄지와 손등 사이의 관절이 위치하는 엄지 MCP 관절<MCP Joint> 부분과 모터 구동 혼의 중심을 고정하여 엄지 손가락을 움직일 수 있도록 한 제2 링크를 포함하여, 로봇의 구동부의 전체 무게가 200g 내외로 가볍고 부피가 작아 사용자가 일생생활 중에서도 로봇을 착용하여 환측손을 이용하여 물건을 잡는 등의 동작을 보조해 줄 수 있는 효과가 있고, 로봇 사용과 동시에 사용자의 경직평가가 가능하며, 기존의 로봇이용에 있어 안전문제가 되는 항목 중 하나인 경직을 파악하여 사용자의 안전을 고려한 로봇 동작을 이행할 수 있는 효과가 있다.

Description

손가락 재활 로봇 기구{TRAINING ROBOTIC DEVICE FOR THE FINGER}

본 발명은 손가락 재활 로봇 기구에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 뇌졸중으로 인한 편마비, 척수손상 등으로 인한 환자나 장애인의 마비가 있는 손에 로봇 기구를 착용하여 엄지손가락과 네 손가락을 동시에 훈련시켜 운동범위를 점차 증가시키는 것이 가능하며, 링크 길이와 각도를 가변하여 ROM(Range of Movement)을 변화시킬 수 있는 손가락 재활 로봇 기구에 관한 것이다.

뇌졸중, 뇌종양, 뇌손상 등의 뇌병변 환자나 경수손상 장애인의 경우 그 후유증으로 수의적 및 선택적 근육의 수축활동이 어려운 기능적 마비장애를 동반하게 된다.

이러한 경우, 근긴장도 조절, 근력 강화, 관절가동범위 증가 운동, 스트레칭 등의 재활 치료 통해 기능적 장애(functional disability)를 최소화하도록 한다.

이러한 재활 치료에도 불구하고, 기능의 회복이 충분하지 않은 경우, 기능 회복이 아닌 일상생활동작 기능 보조에 초점을 둔 도구가 필요하다.

이 경우 외골격 형태의 보조기구를 착용하고 일상생활동작 기능을 보조해 줄 수 있는 기기의 필요성이 높다.

재활 훈련기기에 대한 연구 중 상지재활보조기기에 대한 다양한 가능성이 제시되고 있으나, 대부분의 경우는 고정형태의 기기로 인해 사용자가 기기로부터 자유로울 수 없으며, 휴대가 용이하지 않은 단점을 가지고 있다.

한편, 상지부분 중에서도 손은 많은 관절과 근육이 상호작용하여 동작하며, 상지 중에서도 가장 말단 부위에서 end-effector로서 작용하므로, 일상생활동작 수행에 있어 가장 중요하다고 볼 수 있다,

하지만, 손을 보조하는 재활보조기기에 대한 연구는 아직 미비한 수준이다.

기존에 연구된 손을 보조하는 재활보조기기는 연구의 편의성 및 기구적 복잡도를 감소시키기 위해 엄지를 제외한 네 손가락에만 기구를 장착하여 보조해 주는 형태가 많아 엄지를 동시에 보조하거나 재활훈련에 적용하지 못하는 문제점이 있다.

또한, 구동부 모터의 무게나 부피가 커 사용자가 로봇을 착용하고 활동하는데 한계가 있다는 단점도 존재한다.

특히, 종래 재활 로봇의 경우 갑작스러운 사용자의 손 경직에 대한 대비가 고려되지 않아 사용자가 위험한 상황을 맞이할 수 있는 문제점이 있다.

또한 종래 재활 로봇은 복잡한 구조를 가지고 있고 모터의 수가 많거나 압축공기를 만들기 위한 Compressor등의 부가적인 장치를 필요로 한다.

한편, 도 1은 사용자의 손목 또는 손등 부위에 착용이 가능하도록 구성된 베이스 부재; 상기 사용자의 손가락 관절의 후단 부위와 인접하도록 상기 베이스 부재 상에서 회전 가능하게 배치되며 상기손가락의 연장 방향과 수직하는 방향으로 연장하는 회전축; 상기 베이스 부재 상에 배치되어 상기 회전축에 회전력을 제공하는 구동부; 및 상기 손가락의 전단 부위가 거치되도록 절곡된 와이어 형태를 갖고 상기 회전축에 연결되어 상기 회전력에 의해 손가락 운동이 이루어지도록 하는 손가락 거치대;를 포함하는 종래의 손가락 이완 운동기로, 베이스 및 구동부 위치가 본 발명과 유사하나 손 거치대 부분이 절곡된 와이어로 구성되어 사용자의 손가락 길이나 생김 특성에 따라서 절곡 부분이 달라질 수 있는 문제점이 존재한다.

대한민국등록특허공보 제10-1191555호(2012. 10. 09)

따라서, 본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위해서, 뇌졸중으로 인한 편마비, 척수손상 등으로 인한 환자나 장애인의 마비가 있는 손에 로봇 기구를 착용하여 엄지손가락과 네 손가락을 동시에 훈련시켜 운동범위를 점차 증가시키는 것이 가능하며, 링크 길이와 각도를 가변하여 ROM(Range of Movement)을 변화시킬 수 있는 손가락 재활 로봇 기구의 제공을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구는 베이스 판, 베이스 판의 외측면에 형성된 구동모듈, 두 개의 4절 링크(4bar-linkage)로 이루어지고, 사용자의 검지와 손등 사이의 관절이 위치하는 검지 MCP 관절<MCP Joint> 부분과 구동모듈의 외부 측방향에 형성된 모터 구동 혼의 중심을 고정하여 검지, 중지, 약지, 및 소지 손가락을 움직일 수 있도록 한 제1 링크, 및 사용자의 엄지와 손등 사이의 관절이 위치하는 엄지 MCP 관절<MCP Joint> 부분과 모터 구동 혼의 중심을 고정하여 엄지 손가락을 움직일 수 있도록 한 제2 링크를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구는 구동모듈이 구동력을 발생시키는 구동모터, 구동모터에 전원을 공급하는 전원부, 구동모터의 회전량을 측정하는 엔코더, 및 구동모터의 출력과 회전량을 바탕으로 구동모터를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구는 로봇의 구동부의 전체 무게가 200g 내외로 가볍고 부피가 작아 사용자가 일생생활 중에서도 로봇을 착용하여 환측손을 이용하여 물건을 잡는 등의 동작을 보조해 줄 수 있는 효과가 있고, 로봇 사용과 동시에 사용자의 경직평가가 가능하며, 기존의 로봇이용에 있어 안전문제가 되는 항목 중 하나인 경직을 파악하여 사용자의 안전을 고려한 로봇 동작을 이행할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 손가락 이완 운동기의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구의 일측면도,
도 3은 본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구의 각종 관절을 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구와 상지 재활 로봇이 결합된 사시도,
도 5는 링크의 각도 조정에 따른 외측회전의 크기를 조정 예를 도시한 도면 및
도 6은 본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구에 사용된 바의 길이조절 예를 도시한 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2에 도시되 바와 같이 본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구는 베이스 판(100); 상기 베이스 판에 고정된 구동모듈(200); 상기 베이스 판(100)과 상기 구동모듈(200)과 연결되어 형성된 제1 링크(300)와 제2 링크(400)를 포함한다.

한편, 상기 구동모듈(200)은 내장된 제어부(210), 구동모터(220), 엔코더(230) 및 전원부(240)와, 상기 구동모터(200)의 중심축과 결합되어 외부로 노출된 모터 구동 혼(250)을 포함한다.

참고로, 도 2는 본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구의 일측면도 이다.

상기 베이스 판(100)은 내 측면에 본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구의 착용시 손등이 접촉하고, 외 측면에 상기 구동모듈(200)이 설치된다.

상기 제1 링크(300)와 제2 링크(400)는 4절 링크(4bar-linkage)로 이루어진 1자유도 손재활 로봇의 일부 구성으로서, 상기 제1 링크(300)는 본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구의 착용시 사용자의 검지와 손등 사이의 관절이 위치하는 검지 MCP 관절<MCP Joint>(310) 부분과 상기 모터 구동 혼(250)의 중심을 고정하여 검지, 중지, 약지, 및 소지 손가락을 움직일 수 있는 링크 구조이다.

한편, 상기 제2 링크(400)는 상기 제1 링크(300)와 마찬가지로 본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구의 착용시, 사용자의 엄지와 손등 사이의 관절이 위치하는 엄지 MCP 관절<MCP Joint>(410) 부분과 상기 모터 구동 혼(250)의 중심을 고정하여 엄지 손가락을 움직일 수 있는 링크 구조이다.

상술한 바와 같이, 상기 제1 링크(300)와 제2 링크(400)는 모두 상기 모터 구동 혼(250)에 연결되어 있어, 구조가 간단하면서도 착용자의 다섯 손가락을 움직이는 것이 가능하고 힘 전달도 용이하다.

한편, 본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구는 도 3에 도시된 바와 같이, 구동모듈(200)과 상기 제2 링크(400), 상기 제1 링크(300)들에 의해 작동되는 네 손가락의 PIP 관절(PIP Joint), DIP 관절(DIP Joint)과 엄지손가락의 IP관절(IP Joint)은 각각 각도조절이 가능하다.

참고로, 도 3은 본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구의 각종 관절을 도시한 도면이다.

상기 DIP 관절은 손가락 말단부를 기준으로 손가락의 첫째 마디와 둘째 마디 사이의 관절이고, 상기 PIP 관절은 손가락의 둘째 마디와 셋째 마디의 관절이며, 상기 IP 관절은 엄지손가락의 첫째 마디와 둘째 마디 사이의 관절이다.

본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구는 사용 전, 사용자가 관절을 원하는 각도에 맞추고 고정시키도록 설계되어 있으며, 구동시에는 조절된 각도에서 움직이지 않도록 설계되어 있다.

한편, 상기 구동모듈(200)과 결합된 상기 제1 링크(300)와 제2 링크(400)를 구성하는 복수의 바(BAR) 길이를 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 슬라이딩 방식 또는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 볼트 너트 결합방식으로 조절하여 조립할 수 있어, 관절의 각도뿐만 아니라 링크 길이를 조절하여 운동범위(ROM;Range of Movement)를 선택적으로 조절할 수 있고, 손의 크기가 다른 다양한 사용자들에게 사용이 가능하다.

참고로, 도 6은 본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구에 사용된 바의 길이조절 예를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구는 상술한 바와 같이, 단독으로 독립해서 사용할 수도 있지만, 도 4에 도시된 바와 같이 상지 재활 로봇과 결합하여 사용할 수도 있다.

참고로, 도 4는 본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구와 상지 재활 로봇이 결합된 사시도 이다.

본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구는 기본적으로 사용자의 환측손에 착용되어 구동하면, 환측손의 '쥐는동작(Close)'과 '펴는동작(Open)이 가능하도록 보조해 준다.

이때, 상기 구동모듈(200)의 엔코더<Encoder>(230)는 상기 손가락 재활 로봇 기구가 어느 정도 회전하여 '쥐는동작' 또는 '펴는동작'을 하고 있는지 모니터링할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 엔코더(230)는 상기 구동모터(220)의 회전량을 측정하고, 상기 제어부(210)는 구동모터의 출력 값을 통해 부하량을 유추하여 수치화해, 수치화된 값의 크기에 따라 사용자가 물체를 잡고 있는지 여부를 추정할 수 있다.

한편, 상기 제어부(210)는 상기 엔코더(230)가 측정한 회전량의 수치화된 값을 전달받아, 상기 구동모터(220)의 구동 각도와 구동 힘을 제어함으로써, 사용자가 일상생활 속에서 환측손을 사용하여 간단한 물체를 잡을 수 있도록 보조해 준다.

또한, 상술한 기본적인 구동 외에 상기 구동모듈(200)은 상기 엔코더(230)가 측정한 상기 구동모터(220)의 부하량을 측정하여 수치화하면, 상기 제어부(210)가 수치화된 부하량을 통해 손의 경직정도를 판단할 수 있다.

즉, 상기 제어부(210)는 부하량의 수치화된 값이 큰 경우 손의 경직정도가 크고, 반대로 부하량의 수치화된 값이 작은 경우 손의 경직정도가 크지않은 것으로 판단한다.

한편, 상기 제어부(210)는 본 발명에 따른 손가락 재활 로봇 기구의 사용 중 손의 경직 여부를 판단하여 경직 발생시 상기 전원부(240)에서 상기 구동모터(220)로 인가되는 전원이 차단되도록 제어하여 상기 구동모터(220)의 토크를 제거함으로써 안전사고를 방지하도록 하였다.

엄지 손가락 부분은 엄지손가락을 고정하는 기구와 연결되는 링크를 필요한 각도로 꺾어서 기능적으로 앞뒤로 젖히는 플렉션(flexion)과 익스텐션(extension)이 동시에 동작가능하고, 외측회전(Abduction)과 내측회전(Adduction)이 동시에 동작가능하도록 되어 있다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 실용적 측면에서 외측회전(Abduction)과 내측회전(Adduction)은 전동으로 구동되지 않고 각도를 조정하고 고정할 수 있거나 사용자에 따라 특정 바의 각도를 조절 후 고정시켜 맞춤형으로 제작할 수 있다.

적절한 외측회전(Abduction)은 장시간 착용시 엄지손가락의 불편함이나 통증을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 엄지손가락의 특정한 량 만큼 외측회전(Abduction)되어 있어 물건을 집는 작업을 보다 용이하게 구현 될 수 있다.

참고로, 도 5는 링크의 각도 조정에 따른 외측회전의 크기를 조정 예를 도시한 도면이다.

따라서, 일반적인 쥐고 펴는 동작을 할 때 기구를 착용함으로 인해 느낄 수 있는 손의 부자연스러움을 최소화할 수 있다.

특히, 엄지의 외측회전(Abduction)과 내측회전(Adduction)은 치료사나 보조기기 전문가에 의해서 그 양을 조정하여 고정시킬 수도 있으나, 수동소자(예:스프링)등을 이용하여 제한된 만큼 움직임을 허용할 수도 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 베이스 판
200 : 구동모듈
210 : 제어부
220 : 구동모터
230 : 엔코더
240 : 전원부
250 : 모터 구동 혼
300 : 제1 링크
310 : 검지 MPC 관절
400 : 제2 링크
410 : 엄지 MCP 관절

Claims (8)

1. 베이스 판(100)
   상기 베이스 판(100)의 외측면에 형성된 구동모듈(200);
   두 개의 4절 링크(4bar-linkage)로 이루어지고, 사용자의 검지와 손등 사이의 관절이 위치하는 검지 MCP 관절<MCP Joint>(310) 부분과 상기 구동모듈(200)의 외부 측방향에 형성된 모터 구동 혼(250)의 중심을 고정하여 검지, 중지, 약지, 및 소지 손가락을 움직일 수 있도록 한 제1 링크(300);및
   상기 사용자의 엄지와 손등 사이의 관절이 위치하는 엄지 MCP 관절<MCP Joint>(410) 부분과 상기 모터 구동 혼(250)의 중심을 고정하여 엄지 손가락을 움직일 수 있도록 한 제2 링크(400);를 포함하는 손가락 재활 로봇 기구.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제2 링크(400)는
   상기 엄지를 고정하는 기구와 연결되는 링크를 필요한 각도로 꺾어서 기능적으로 앞뒤로 젖히는 플렉션(flexion)과 익스텐션(extension)이 동시에 동작가능하고, 외측회전(Abduction)과 내측회전(Adduction)이 동시에 동작가능하도록 한 손가락 재활 로봇 기구.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 구동모듈(200)은
   구동력을 발생시키는 구동모터(220);
   상기 구동모터(220)에 전원을 공급하는 전원부(240);
   상기 전원부(240)에서 상기 구동모터(220)의 회전량을 측정하는 엔코더(230); 및
   상기 엔코더(230)의 회전량 측정을 바탕으로 상기 구동모터(220)를 제어하는 제어부(210);를 포함하는 손가락 재활 로봇 기구.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 구동모듈(200)은
   상기 구동모터(220)의 출력 값을 기반으로 부하량을 유추하여 수치화하고, 수치화된 부하량을 가지고 손의 경직정도를 판단하는 손가락 재활 로봇 기구.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 구동모듈(200)은
   부하량의 수치화된 값이 큰 경우 손의 경직정도가 크고, 반대로 부하량의 수치화된 값이 작은 경우 손의 경직정도가 크지않은 것으로 판단하는 손가락 재활 로봇 기구.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 구동모듈(200)은
   손의 경직 발생시 상기 전원부(240)에서 상기 구동모터(220)로 인가되는 전원을 차단하여 상기 구동모터(220)의 토크를 제거하는 손가락 재활 로봇 기구.
   
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 구동모듈(200)과 결합된 상기 제1 링크(300)와 제2 링크(400)를 구성하는 복수의 바(BAR) 길이를 조절하여 관절의 각도 및 링크 길이를 조절하여 운동범위(ROM;Range of Movement)를 선택적으로 조절할 수 있는 손가락 재활 로봇 기구.
   
8. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 손가락 재활 로봇 기구는 상지 재활 로봇과 결합하여 사용할 수 있는 손가락 재활 로봇 기구.
   

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