KR20150137389A - 증강 현실 기반의 상지재활장치 - Google Patents

증강 현실 기반의 상지재활장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투명 디스플레이를 통하여 미션으로 주어진 영상과 상지 기구 모듈에 올려진 손가락과 팔을 겹쳐진 형태로 보고, 손가락과 팔의 움직임을 통하여 그 미션을 수행함으로써, 상지재활과 함께 시지각을 훈련할 수 있는 증강 현실 기반의 상지재활장치에 관한 것이다.
본 발명은 운동 프로그램에 따른 미션을 영상으로 제공하는 투명 디스플레이부; 상기 투명 디스플레이부를 통하여 볼 수 있도록 위치하고, 사용자의 팔과 손가락을 움직일 수 있도록 지지하는 상지 기구 모듈; 상기 상지 기구 모듈의 단부에 구비되고, 사용자의 손가락 위치와 움직임을 감지하는 센서; 및 상기 센서의 신호를 전송받고, 상기 투명 디스플레이부를 통해서 제공되는 영상의 미션 수행 여부 및 성과를 분석하는 제어부;를 포함하는 증강 현실 기반의 상지재활장치를 제공한다.

Description

증강 현실 기반의 상지재활장치 {Upper limb rehabilitation device based augmented reality}
본 발명은 투명 디스플레이를 통하여 미션으로 주어진 영상과 상지 기구 모듈에 올려진 손가락과 팔을 겹쳐진 형태로 보고, 손가락과 팔의 움직임을 통하여 그 미션을 수행함으로써, 상지재활과 함께 시지각을 훈련할 수 있는 증강 현실 기반의 상지재활장치에 관한 것이다.
증강현실(增强現實: Augmented Reality)이란 사용자가 눈으로 보는 현실세계와 부가정보를 갖는 가상세계를 합쳐 새로운 환경을 생성한다. 현실환경과 가상환경을 융합하는 증강현실 시스템은 1990년대 후반부터 미국과 일본을 중심으로 연구 및 개발이 진행되고 있다. 현실세계를 가상세계로 보완해주는 개념인 증강현실은 컴퓨터 그래픽으로 만들어진 가상환경을 사용하지만 주역은 현실환경이다. 컴퓨터 그래픽은 현실환경에 필요한 정보를 추가제공하는 역할을 한다.
또한, 현실환경과 가상환경을 동시에 디스플레이하기 위한 투명 디스플레이 장치에 있어서도 최근 디스플레이 기술의 발달로 인하여 투명 전자 소자를 이용한 투명 디스플레이 장치가 개발되었다. 투명 디스플레이 장치는 투명한 유리 또는 투명한 플라스틱 상에 투명 전극, 투명 반도체 및 투명 절연체 등을 적층하여 구현한다. 발광면은 유기물 발광 소자(OLED : Organic Light Emitting Diode), 무기물 발광 소자(LED :Light Emitting Diode) 또는 액정(LCD : Liquid Crystal Display) 등으로 이루어진다.
한편, 최근 고령화 노령화 사회에 접어들면서 뇌졸중 환자가 증가하고, 교통사고로척수 손상 환자가 증가하고 있으며, 뇌졸중, 외상성 외손상, 뇌성마비 등과 같은 뇌손상을 입거나, 척수 손상에 의한 신경계 손상을 입거나, 류마토이드, 골관절염 등과 같은 다양한 질병으로 인하여 손의 능동적 움직임이 결여된 환자에게 적용될 수 있는 상지재활장치가 개발되고 있다.
대개, 종래의 상지재활장치는 어깨와 팔꿈치와 같은 상완부 움직임을 중심으로 재활시키기는 형태로 구성되고, 작업테이블 위에서 특수 동작을 수행하는 형태로 치료가 대부분 이뤄지게 된다.
그런데, 상기 기능은 인지 기능과 밀접한 관련이 있어 상호 복합적인 장애일 수 있고, 하나의 장애가 호전됨에 따라 다른 장애도 함께 호전되는 임상 양상을 나타내기 때문에 대부분 인지와 상지 재활을 동시에 시행하는 경우가 많다.
도 1은 종래의 상지재활장치의 일예가 도시된 도면이다.
종래의 상지재활장치는 도 1에 도시된 바와 같이 영상을 보여주는 모니터(11)와, 상지의 움직임을 도와주는 상지 기구 모듈(12)로 이루어진다.
따라서, 사용자가 상기 모니터(11)에 제공되는 영상을 보고, 상기 상지 기구 모듈(12)에 고정된 상지를 움직임으로써, 상지의 사용과 함께 인지 기능을 치료할 수 있다.
하지만, 종래의 상지재활장치는 정면에서 제공되는 영상을 보고, 하측에 위치한 상지의 사용을 유도하기 때문에 영상으로 주어진 미션과 상지의 움직임이 동떨어지게 느껴지게 되는데, 이는 상지재활과 함께 시지각을 동시에 훈련하기 어렵고, 쉽게 흥미를 잃어 치료효과가 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 미션으로 주어진 영상과 함께 상지의 움직임을 겹쳐진 형태로 보고, 상지의 움직임을 통하여 그 미션을 수행함으로써, 영상으로 제공된 미션을 상지로 수행하는 체감효과를 훨씬 높일 수 있고, 상지재활과 함께 시지각을 동시에 훈련할 수 있는 증강 현실 기반의 상지재활장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 본 발명은 운동 프로그램에 따른 미션을 영상으로 제공하는 투명 디스플레이부; 상기 투명 디스플레이부를 통하여 볼 수 있도록 위치하고, 사용자의 팔과 손가락을 움직일 수 있도록 지지하는 상지 기구 모듈; 상기 상지 기구 모듈의 단부에 구비되고, 사용자의 손가락 위치와 움직임을 감지하는 센서; 및 상기 센서의 신호를 전송받고, 상기 투명 디스플레이부를 통해서 제공되는 영상의 미션 수행 여부 및 성과를 분석하는 제어부;를 포함하는 증강 현실 기반의 상지재활장치를 제공한다.
또한, 본 발명에서, 상기 투명 디스플레이는, 수평면에 대해 소정 높이에서 경사지도록 지지하는 디스플레이 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 상기 센서는, 상기 상지 기구 모듈에 지지된 손가락의 말단 위치에 내장된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 상기 상지 기구 모듈은, 베이스와, 상기 베이스의 하측에 구비되는 적어도 두 개 이상의 바퀴와, 상기 베이스 상측에 팔의 일부를 지지하는 안착부와, 상기 베이스 상측에 엄지와 다른 손가락들을 회전축을 중심으로 나누어서 고정시키는 한 쌍의 접촉판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 상기 상지 기구 모듈은, 상기 센서의 신호에 따라 상기 접촉판들을 상기 회전축을 중심으로 오무렸다가 벌리도록 구동력을 제공하는 손가락 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 상기 상지 기구 모듈은, 운동 프로그램에 따라 상기 바퀴들의 조향과 구동을 제어하는 팔 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 증강 현실 기반의 상지재활장치는 투명 디스플레이와 상지 기구 모듈와, 센서 및 제어부를 구비함으로써, 투명 디스플레이를 통하여 미션으로 제공되는 영상을 상지 기구 모듈에 올려진 팔과 손가락과 겹쳐진 상태로 보고, 상지 기구 모듈에 의해 팔과 손가락을 능동 또는 수동으로 움직이면서 미션을 수행하기 때문에 영상으로 제공된 미션을 상지로 수행하는 체감효과를 훨씬 높일 수 있고, 증강 현실 기반에서 상지 재활과 함께 시지각 능력을 동시에 훈련할 수 있으며, 흥미를 유발하여 치료 효과를 높일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 상지재활장치의 일예가 도시된 도면.
도 2는 본 발명에 따른 상지재활장치의 일예가 도시된 도면.
도 3은 본 발명에 따른 상지재활장치의 작동 관계가 도시된 블럭도.
도 4는 본 발명에 따른 상지재활장치의 상지 기구 모듈 일예가 도시된 도면.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명에 따른 상지재활장치의 투명 디스플레이에 표시될 수 있는 미션 영상의 다양한 일예가 도시된 도면.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 상지재활장치의 일예가 도시된 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 상지재활장치의 작동 관계가 도시된 블럭도이다.
본 발명에 따른 상지재활장치의 일예는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 투명 디스플레이부(110)와, 상지 기구 모듈(120)과, 센서(130)와, 제어부(140)를 포함하도록 구성된다.
상기 투명 디스플레이부(110)는 운동 프로그램을 영상으로 표시하는데, 원근감을 이용한 영상을 제공하여 3차원 영상을 보는 것과 같은 효과를 제공할 수 있다. 이때, 상기 투명 디스플레이부(110)는 투명하게 구성됨으로써, 영상과 함께 상기 상지 기구 모듈(140)에 위치한 팔과 손가락의 움직임을 겹쳐진 형태로 볼 수 있다.
이때, 사용자가 상기 투명 디스플레이부(110)의 상측에서 볼 때 상기 투명 디스플레이부(110)의 하측에서 가상현실이 영상으로 제공될 수 있으며, 이를 위하여 상기 투명 디스플레이부(110)의 양측단이 디스플레이 지지부(115)에 의해 지지된다. 물론, 상기 디스플레이 지지부(115)는 상기 투명 디스플레이부(110)를 수평면에 대해 소정 높이에서 경사지도록 지지하도록 구성되며, 한정되지 아니한다.
또한, 상기 투명 디스플레이부(110)는 영상을 터치하면, 입력 신호를 인식할 수 있도록 구성될 수 있으며, 터치에 의한 입력 신호를 감지하지 못하는 경우에는 하기에서 설명될 센서(130)에 의해 입력 신호를 입력하도록 구성할 수 있다.
상기 상지 기구 모듈(120)는 팔과 손가락을 지지하는 자율구동로봇의 형태로 구성될 수 있는데, 이동이 용이함에 따라 사용자의 팔에 탈부착이 용이하고, 설치에 제한이 없어 움직임의 범위를 보다 넓힐 수 있다.
이때, 상기 상지 기구 모듈(120)은 이동이 용이한 형태로 구성되며, 상기 상지 기구 모듈(120)의 위치에 따라 팔과 손가락의 위치를 판단할 수 있다.
따라서, 상기 센서(130)는 상기 상지 기구 모듈(120)의 단부에 구비되는데, 사용자의 손가락 위치와 움직임을 감지하는 일종의 마우스 형태로 구성될 수 있다. 실시예에서, 상기 센서(130)는 상기 상지 기구 모듈(120)에 지지된 손가락의 말단 위치에 내장될 수 있으며, 한정되지 아니한다.
물론, 상기 투명 디스플레이부(110)가 영상을 손가락 터치에 의해 입력 신호를 인식하면, 상기 센서(130)가 생략될 수도 있다.
상기 제어부(140)는 상기 투명 디스플레이부(110)의 작동을 제어하거나, 상기 상지 기구 모듈(120) 및 센서(130)의 입력 신호를 감지하는 일종의 마이콤 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부(140)는 상기와 같이 장치의 작동을 제어하는 것이 그치는 것이 아니라 상기 투명 디스플레이부(110)를 통해서 제공되는 영상의 미션 수행 여부 및 성과를 분석/저장하고, 분석 결과를 제공하도록 구성할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 상지재활장치의 상지 기구 모듈 일예가 도시된 도면이다.
보다 상세하게, 상기 상지 기구 모듈(120)를 도 4를 참조하여 살펴보면, 베이스(121)와, 복수개의 바퀴(122a,122b,122c,122d)와, 안착부(123)와, 한 쌍의 접촉판(124a,124b)과, 구동모터(125)를 포함하도록 구성된다.
상기 베이스(121)는 평판 형상으로써, 다른 구성이 장착되기 용이한 형태로 다양하게 구성될 수 있다.
상기 바퀴들(122a,122b,122c,122d)은 상기 베이스(121)의 하측에 구비되는데, 상기 베이스(121)가 평면 상에서 안정적으로 이동 가능하도록 네 개가 구비될 수 있다.
이때, 상기 바퀴들(122a,122b,122c,122d)은 사용자의 어깨와 팔꿈치의 잔여근력에 따라 그 작동을 제어할 수 있는데, 별도의 조향과 구동을 조절하는 팔 구동부(미도시)를 구비할 수 있다.
따라서, 잔여근력이 스스로 움직임을 만들 수 있는 사용자의 경우, 상기 바퀴들(122a,122b,122c,122d)이 상기 팔 구동부와 연결이 해제되고, 상기 바퀴들(122a,122b,122c,122d)이 자유롭게 움직일 수 있어 사용자의 의도대로 능동적 운동치료가 진행될 수 있다.
하지만, 잔여근력이 스스로 움직임을 만들지 못하는 사용자의 경우, 상기 바퀴들(122a,122b,122c,122d)이 상기 팔 구동부와 연결되고, 상기 제어부(140)에 의해 상기 팔 구동부의 작동이 제어됨에 따라 상기 바퀴들(122a,122b,122c,122d)이 정해진 경로를 따라 움직일 수 있어 사용자 측면에서 수동적인 운동치료가 진행될 수 있다.
상기 안착부(123)는 팔목과 팔꿈치 사이를 안착시킬 수 있는 형태로 상기 베이스(121) 위에 구비되는데, 상기 안착부(123)는 팔을 고정시키기 위한 밴드 등이 구비될 수 있으며, 한정되지 아니한다.
상기 접촉판들(124a,124b)은 손가락을 접촉시킬 수 있는 형태로 상기 안착부(123)의 전방에 위치하도록 상기 베이스(121) 위에 구비되는데, 서로 일단이 맞닿는 회전축을 중심으로 엄지와 다른 손가락들을 나누어서 고정시킬 수 있도록 한 쌍이 구비된다.
또한, 상기 접촉판들(124a,124b)의 회전축을 중심으로 상기 접촉판들(124a,124b)이 설정 각도 범위 내에서 회전될 수 있는데, 상기 접촉판들(124a,124b)이 서로 모아지는 방향 또는 반대로 벌어지는 방향으로 움직일 수 있다.
상기 구동모터(125)는 상기 제어부(140)의 제어 신호에 따라 그 작동이 제어되는 일종의 손가락 구동부로써, 상기 접촉판들(124a,124b)의 회전축에 동력을 제공하기 위하여 상기 베이스(121)에 구비된다. 물론, 상기 구동모터(125)는 상기 접촉판들(124a,124b)의 회전축을 직접 회전시키도록 구비될수 있다.
하지만, 실시예에서는 설치 공간을 고려하여 상기 구동모터(124a,124b)는 상기 베이스(121) 위의 일측에 구비되고, 상기 구동모터(125)의 회전력을 상기 접촉판들(124a,124b)의 회전축으로 전달하기 위하여 풀리와 벨트 등과 같은 동력전달부가 내장되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 구동모터(125)는 정/역방향으로 회전력을 전달하도록 구성함으로써, 상기 구동모터(125)에 의해 자동으로 상기 접촉판들(124a,124b)을 서로 모아지는 방향 또는 반대로 벌어지는 방향으로 움직이도록 제어할 수 있다.
물론, 상기 구동모터(125) 역시 생략될 수 있으며, 상기 접촉판들(124a,124b)은 소정의 탄성력에 의해 벌어지는 방향으로 복원되도록 구성함으로써, 사용자가 수동으로 상기 접촉판들(124a,124b)을 움직이도록 제어할 수 있다.
상기와 같이 구성된 증강 현실 기반의 상지재활장치의 작동을 도 2 내지 도 4를 참조하여 살펴보면, 다음과 같다.
먼저, 상기 투명 디스플레이부(110) 하측에 상기 상지 기구 모듈(120)를 위치시킨 다음, 사용자는 상기 상지 기구 모듈(120)에 팔과 손가락을 안착시킨다. 이때, 사용자는 팔을 상기 안착부(123)에 안착시키고, 엄지와 나머지 손가락을 상기 접촉판들(124a,124b)에 의해 나눠지도록 고정시킨다.
이후, 상기 제어부(140)에 의해 미션이 선택되면, 상기 투명 디스플레이부(110)에 미션 영상이 가상환경으로 제공되고, 상기 상지 기구 모듈(120)에 놓인 팔과 손가락을 이용하여 현실환경에서 미션을 수행하게 된다.
이때, 상기 상지 기구 모듈(120)에 올려진 팔과 손가락은 사용자의 의도대로 직접 움직이거나, 상기 제어부(140)에 의해 설정된 프로그램에 따라 자동으로 움직여질 수 있으며, 다양한 형태로 구현이 가능하다.
실시예에서는, 상기 바퀴들(122a,122b,122c,122d)의 조향과 구동은 사용자의 의도대로 수동으로 제어됨으로써, 사용자 측면에서 능동적으로 어깨와 팔꿈치를 움직이면서 원하는 위치로 이동시킬 수 있고, 상기 구동모터(125)의 구동은 상기 제어부(140)에 의해 자동으로 제어됨으로써, 사용자 측면에서 수동적으로 손가락을 쥐거나 펴는 동작을 수행할 수 있다.
이와 같이, 상기 상지 기구 모듈(120)을 통하여 상지의 움직임과 수지의 움직임을 개별적으로 연동시킬 수 있고, 팔과 손가락의 연속적인 동작을 순차적으로 구현하는 형태로 미션을 수행할 수 있다.
물론, 상기 투명 디스플레이부(110)의 영상을 손가락 터치에 의해 미션 수행 여부를 감지하거나, 상기 센서(130)의 위치를 감지하여 미션 수행 여부를 감지할 수 있으며, 제한되지 아니한다.
이와 같이, 사용자는 상기 투명 디스플레이부(110)에 제공되는 영상과 함께 상기 상지 기구 모듈(120)에 놓인 팔과 손가락을 겹쳐진 형태로 보고, 팔과 손가락의 움직이면서 증강현실에서 미션을 수행한다.
따라서, 증강현실에서 상지 재활을 흥미롭게 수행할 수 있고, 시각과 지각을 동시에 자극하여 두뇌 활동 효과를 더욱 높일 수 있으며, 사용자의 팔과 손가락이 경직된 정도에 따라 팔과 손가락의 움직임을 능동 또는 수동으로 조절할 수 있다.
또한, 상기 제어부(140)가 미션 수행 여부를 비롯하여 성과를 분석하여 저장함으로써, 개인별로 재활 훈련을 효과적으로 진행할 수 있다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명에 따른 상지재활장치의 투명 디스플레이에 표시될 수 있는 미션 영상의 다양한 일예가 도시된 도면이다.
도 5a에 도시된 바와 같이 투명 디스플레이에 요리하는 가상환경을 영상으로 표시함으로써, 투명 디스플레이를 통하여 보이는 현실환경에서 팔과 손가락을 움직여서 음식을 적절하게 조리하는 미션을 수행할 수 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이 투명 디스플레이에 청소하는 가상환경을 영상으로 표시함으로써, 투명 디스플레이를 통하여 보이는 현실환경에서 팔과 손가락을 움직여서 깨끗하게 청소하는 미션을 수행할 수 있다.
따라서, 개인별로 팔과 손가락의 움직일 수 있는 정도를 고려하여 적절한 영상의 미션을 제공할 수 있고, 쉽고 재밌게 수행할 수 있는 다양한 미션을 제공할 수 있다.
110 : 투명 디스플레이부 120 : 상지 기구 모듈
130 : 센서 140 : 제어부

Claims (6)

  1. 운동 프로그램에 따른 미션을 영상으로 제공하는 투명 디스플레이부;
    상기 투명 디스플레이부를 통하여 볼 수 있도록 위치하고, 사용자의 팔과 손가락을 움직일 수 있도록 지지하는 상지 기구 모듈;
    상기 상지 기구 모듈의 단부에 구비되고, 사용자의 손가락 위치와 움직임을 감지하는 센서; 및
    상기 센서의 신호를 전송받고, 상기 투명 디스플레이부를 통해서 제공되는 영상의 미션 수행 여부 및 성과를 분석하는 제어부;를 포함하는 증강 현실 기반의 상지재활장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투명 디스플레이는,
    수평면에 대해 소정 높이에서 경사지도록 지지하는 디스플레이 지지부를 더 포함하는 증강 현실 기반의 상지재활장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 상지 기구 모듈에 지지된 손가락의 말단 위치에 내장된 마우스인 증강 현실 기반의 상지재활장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상지 기구 모듈은,
    베이스와,
    상기 베이스의 하측에 구비되는 적어도 두 개 이상의 바퀴와,
    상기 베이스 상측에 팔의 일부를 지지하는 안착부와,
    상기 베이스 상측에 엄지와 다른 손가락들을 회전축을 중심으로 나누어서 고정시키는 한 쌍의 접촉판을 포함하는 증강 현실 기반의 상지재활장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상지 기구 모듈은,
    상기 센서의 신호에 따라 상기 접촉판들을 상기 회전축을 중심으로 오무렸다가 벌리도록 구동력을 제공하는 손가락 구동부를 더 포함하는 증강 현실 기반의 상지재활장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 상지 기구 모듈은,
    운동 프로그램에 따라 상기 바퀴들의 조향과 구동을 제어하는 팔 구동부를 더 포함하는 증강 현실 기반의 상지재활장치.
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