KR20160082430A - Rehabilitation robot - Google Patents

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KR20160082430A
KR20160082430A KR1020140193108A KR20140193108A KR20160082430A KR 20160082430 A KR20160082430 A KR 20160082430A KR 1020140193108 A KR1020140193108 A KR 1020140193108A KR 20140193108 A KR20140193108 A KR 20140193108A KR 20160082430 A KR20160082430 A KR 20160082430A
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KR
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link
reaction force
unit
driving
motion
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Application number
KR1020140193108A
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Inventor
유승열
김수호
박재형
Original Assignee
한국기술교육대학교 산학협력단
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Abstract

An object of the present invention is to provide a rehabilitation robot which improves a rehabilitation effect by allowing the rehabilitation state to be fed back. The rehabilitation robot includes a base, first and second links, a handle, a sensor and a controller. The base includes first and second drivers. One end of the first link is connected to the second driver to be rotated about the second driver. One end of the second link is connected to another end of the first link to be rotated about the first driver. The handle is fixed to another end of the second link. The sensor is fixed to connection parts of the first and second links to sense the handle. The controller determines a movement region based on a movement type and reaction force previously input and allows the rotation reaction force of the first and second links to be increased when the movement of a user, which is measured based on an amount of rotation of the second driver and the sensing result of the sensor, is out of the determined movement region.

Description

재활 로봇{REHABILITATION ROBOT}REHABILITATION ROBOT

본 발명은 재활로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 운동 영역 내에서의 재활 동작을 유도하여 노약자나 환자의 재활에 사용되는 재활로봇에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a rehabilitation robot, and more particularly, to a rehabilitation robot used for rehabilitation of an elderly person or a patient by inducing a rehabilitation operation in a motion area.

최근 산업용 로봇의 적용 확대와 더불어 재활 로봇과 관련된 기술도 다수 개발되고 있으며, 노약자나 환자의 상하지 근력회복 및 근력강화를 위한 용도로 수요도 증가하고 있다. Recently, industrial robots have been developed and many rehabilitation robot related technologies have been developed. Demand is also increasing for the purpose of restoring the upper and lower strength of the elderly and patients and strengthening their muscular strength.

그러나, 현재까지 보급되고 있는 재활로봇은 근력회복이나 근력강화를 위해 환자 등의 동작을 단순히 가이드하거나 보조인을 통해 재활 동작이 보조되는 정도로 높지 않은 상황이다. However, the rehabilitation robots currently being used are not so high as to simply guide the operation of the patient or strengthen the rehabilitation operation through the assistant person in order to restore strength or strengthen muscle strength.

예를 들어, 대한민국 특허출원 제10-2004-0054308호는 다양한 자세로 사용 가능한 재활운동기구 및 그 사용방법에 관한 것으로 브라켓을 매개로 모터에 의한 회전축에 결합된 회전판으로 재활을 수행할 수 있는 기구를 개시하고 있다. 또한, 대한민국 특허출원 제10-2009-0085544호는 상지재활훈련로봇 및 그에 적용되는 패러럴 링크 장치에 관한 것으로 다양한 링크구조로 재활을 수행할 수 있는 기구를 개시하고 있다. For example, Korean Patent Application No. 10-2004-0054308 relates to a rehabilitation exercise machine usable in various postures and a method of using the same. . Korean Patent Application No. 10-2009-0085544 discloses an apparatus for rehabilitating upper limb rehabilitation robots and a parallel link apparatus applied thereto, which can perform rehabilitation with various link structures.

이와 같이, 다양한 재활훈련이 가능한 로봇 구조에 관한 기술이 개발되는 있으나, 현재까지 개발된 재활로봇은 링크 구조 등과 같이 구조적으로 사용자의 재활을 보조하는 역할 정도만 수행하는 운동 기구의 역할만 수행할 뿐, 재활이 필요한 환자나 장애인 등의 재활 특성이 고려되어 재활 상태가 피드백 되는 등의 로봇 구조와 관련된 기술은 아직까지 개발이 미흡한 상황이다. In this way, various robot rehabilitation techniques have been developed. However, the rehabilitation robots developed so far only serve as a fitness device that performs the role of assisting the rehabilitation of the user structurally, such as the link structure, The technology related to the robot structure such as the feedback of the rehabilitation state is considered in consideration of the rehabilitation characteristics of the patients and persons with disabilities who need rehabilitation.

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 재활 상태의 피드백으로 재활 효과를 향상시킨 재활로봇에 관한 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and an object of the present invention is to provide a rehabilitation robot that improves the rehabilitation effect by feedback of the rehabilitated state.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 재활로봇은 베이스부, 제1 링크부, 제2 링크부, 손잡이부, 센서부 및 제어부를 포함한다. 상기 베이스부는 제1 및 제2 구동부들을 포함한다. 상기 제1 링크부는 일 끝단은 상기 제2 구동부와 연결되어 상기 제2 구동부를 중심으로 회전한다. 상기 제2 링크부는 일 끝단은 상기 제1 링크부의 다른 끝단에 연결되어 상기 제1 링크부에 대하여 상대적으로 회전한다. 상기 손잡이부는 상기 제2 링크부의 다른 끝단에 고정된다. 상기 센서부는 상기 제1 링크부와 상기 제2 링크부의 연결부에 고정되어 상기 손잡이부를 센싱한다. 상기 제어부는 기 입력된 운동 유형 및 반력을 바탕으로 운동 영역을 결정하고, 상기 제2 구동부의 회전량 및 상기 센서부의 센싱 결과로부터 계측된 사용자의 운동 영역이 상기 기 결정된 운동 영역을 이탈하는 경우 상기 제1 및 제2 링크부들의 회전 반력을 증가시킨다. According to an embodiment of the present invention, the rehabilitation robot includes a base, a first link, a second link, a handle, a sensor, and a controller. The base portion includes first and second driving portions. One end of the first link part is connected to the second driving part and rotates about the second driving part. One end of the second link part is connected to the other end of the first link part and rotates relative to the first link part. And the handle portion is fixed to the other end of the second link portion. The sensor unit is fixed to a connection part between the first link part and the second link part to sense the grip part. Wherein the control unit determines the movement area based on the previously inputted movement type and the reaction force, and when the movement area of the user measured from the rotation amount of the second drive part and the sensing result of the sensor part departs from the predetermined movement area Thereby increasing the rotational reaction force of the first and second link portions.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 기 입력된 운동 유형 및 반력을 바탕으로 상기 제1 및 제2 링크부들의 회전 반력을 결정하여 상기 운동 영역을 결정하고, 상기 기 결정된 운동 영역을 이탈하는 경우 상기 제1 및 제2 링크부들의 회전 반력을 기 결정된 회전 반력보다 수 배 이상 크게 증가시킬 수 있다. In one embodiment, the control unit determines the motion area by determining the rotational reaction force of the first and second link parts based on the previously inputted motion type and the reaction force, and when the motion area deviates from the predetermined motion area The rotational reaction force of the first and second link portions can be increased several times or more than the predetermined rotational reaction force.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 운동 영역을 결정하는 경우, 상기 제1 및 제2 링크부들의 토크를 하기 식 (1)로 결정하며, In one embodiment, when determining the motion area, the control unit determines torque of the first and second link parts by the following equation (1)

Figure pat00001
식 (1)
Figure pat00001
Equation (1)

Figure pat00002
식 (2)
Figure pat00002
Equation (2)

{τ1: 제1 링크부의 회전반력(토크), τ2: 제2 링크부의 회전반력(토크), Fx: X축 방향의 입력 반력, Fy: Y축 방향의 입력 반력, l1: 제1 링크부의 길이, l2: 제2 링크부의 길이, θ1: 제1 링크부의 회전각, θ2: 제2 링크부의 회전각}{τ 1: a first link portion rotating force (torque), τ 2: second link portion rotating force (torque), F x: input force, F y in the X axis direction: the input force in the Y-axis direction, l 1: a first link unit length, l 2: length of the second link portion, θ 1: rotation angle, the first link portion 2 θ: rotational angle of the second link}

상기 식 (1)에서 자코비안 행렬(J)은 상기 식 (2)일 수 있다. In Equation (1), the Jacobian matrix J may be Equation (2).

일 실시예에서, 상기 제1 링크부는 상기 제2 구동부에 연결되고, 상기 제2 링크부는 상기 제2 구동부에 연결된 풀리에 고정되어, 상기 제2 구동부를 통해 인가되는 회전력에 의해 상기 제1 및 제2 링크부들의 회전 반력이 제어될 수 있다. In one embodiment, the first link portion is connected to the second driving portion, the second link portion is fixed to a pulley connected to the second driving portion, and the first and second link portions are fixed by a rotational force applied through the second driving portion, The rotational reaction force of the two link portions can be controlled.

본 발명의 실시예들에 의하면, 기 입력된 운동 유형 및 반력을 바탕으로 운동 영역이 결정되고, 상기 운동 영역을 벗어나는 경우 제1 및 제2 링크부들의 회전 반력이 증가하여 사용자가 운동을 수행할 수 없도록 제어되므로, 사용자는 정해진 운동 영역에서만 운동을 수행할 수 있어 재활의 효과가 향상된다. According to the embodiments of the present invention, when a moving area is determined based on a previously input type of motion and a reaction force, and a rotational reaction force of the first and second link parts increases outside the moving area, So that the user can perform the exercise only in the predetermined exercise area, and the effect of the rehabilitation is improved.

특히, 운동 영역의 결정시, 기 입력되는 운동 유형 및 반력에 관한 정보를 바탕으로 자코비안 행렬을 이용하여 제1 및 제2 링크부들의 회전 반력, 즉 회전 토크를 결정하므로 상대적으로 간단한 연산으로 필요한 회전 토크를 결정하여 재활로봇의 동작을 수월하게 제어할 수 있다. Particularly, in determining the motion area, the rotational reaction force of the first and second link parts, that is, the rotational torque, is determined using the Jacobian matrix based on the information on the motion type and the reaction force input in advance, The rotation torque can be determined and the operation of the rehabilitation robot can be easily controlled.

나아가, 상기 센서부를 통해 손잡이부의 위치를 센싱하여 운동 영역을 벗어나는 가의 여부를 추가적으로 센싱이 가능하며, 상기 손잡이부가 사용자에 의해 쥐어진 상태인지의 여부도 센싱할 수 있어 상기 재활로봇의 안정적인 동작 및 재활효과의 향상이 가능할 수 있다. Further, it is possible to additionally sense whether or not the user exits the exercise area by sensing the position of the handle through the sensor unit, and it is also possible to sense whether the handle is held by the user, so that the stable operation and rehabilitation It is possible to improve the effect.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 재활로봇을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 I-I'선을 따라 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 재활로봇을 통한 운동 상태 및 피드백 상태를 도시한 모식도이다.
도 4는 도 1의 재활로봇의 운동 영역 결정을 위한 좌표계를 도시한 예이다.
도 5는 도 1의 재활로봇을 이용한 재활방법을 도시한 흐름도이다. 1 is a perspective view illustrating a rehabilitation robot according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view taken along line I-I 'of FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a motion state and a feedback state through the rehabilitation robot of FIG. 1. FIG.
FIG. 4 shows an example of a coordinate system for determining the motion area of the rehabilitation robot of FIG. 1;
5 is a flowchart showing a rehabilitation method using the rehabilitation robot of FIG.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. In the present application, the term "comprises" or "comprising ", etc. is intended to specify that there is a stated feature, figure, step, operation, component, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 재활로봇을 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1의 I-I'선을 따라 도시한 단면도이다. 1 is a perspective view illustrating a rehabilitation robot according to an embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view taken along line I-I 'of FIG.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 재활로봇(1)은 베이스부(10), 제1 링크부(20), 제2 링크부(30), 손잡이부(40), 센서부(50) 및 제어부(60)를 포함한다. 1 and 2, the rehabilitation robot 1 according to the present embodiment includes a base 10, a first link 20, a second link 30, a handle 40, (50) and a control unit (60).

상기 베이스부(10)는 상기 재활로봇(1)의 몸체부를 형성하며 내부에 제1 구동부(11) 및 제2 구동부(16)가 구비된다. The base unit 10 forms a body of the rehabilitation robot 1 and includes a first driving unit 11 and a second driving unit 16 therein.

상기 제1 구동부(11)는 제1 모터(12) 및 상기 제1 모터(12)의 회전력을 감속하는 제1 감속기(13)를 포함하고, 상기 제1 구동부(11)는 상기 제1 구동부(11)의 회전축을 축으로 회전하는 1축 1차 풀리(14) 및 상기 1축 1차 풀리(14)에 연결된 1축 2차 풀리(15)를 포함한다. The first driving unit 11 includes a first motor 12 and a first reducer 13 that decelerates the rotational force of the first motor 12. The first driving unit 11 drives the first driving unit Axis primary pulley 14 that rotates about the rotational axis of the primary shaft 11 and a single-shaft secondary pulley 15 that is connected to the single-shaft primary pulley 14.

상기 베이스부(10)는 상기 제1 구동부(11)에서 발생되는 회전력을 상기 1축 1차 풀리(14) 및 1축 2차 풀리(15)로 제공하여 회전이 가능하며, 상기 제1 구동부(11)에서 발생되는 회전력은 상기 제2 구동부(16)로 제공되어 상기 제2 구동부(16)의 구동력을 제어할 수 있다. The base unit 10 is rotatable by providing a rotational force generated by the first driving unit 11 to the first shaft primary pulley 14 and the first shaft second pulley 15, 11 may be provided to the second driving unit 16 so as to control the driving force of the second driving unit 16. [

상기 제2 구동부(16)는 제2 모터(17) 및 제2 감속기(18)를 포함하고, 상기 제2 모터(17)는 상기 제1 모터(12)의 회전 구동력과 연계되어 회전 구동력을 발생하고, 상기 제2 모터(17)에서 발생되는 회전 구동력은 상기 제2 감속기(18)를 통해 구동 토크가 증가되며 후술되는 상기 제1 링크부(20)로 제공된다. 상기 제2 모터(17)의 회전축은 상기 제2 감속기(18)와 연결되며 상기 베이스부(10)의 상면 방향으로 연장되어 상기 베이스부(10)의 외부로 돌출된다. The second driving unit 16 includes a second motor 17 and a second reduction gear 18. The second motor 17 generates a rotational driving force in association with the rotational driving force of the first motor 12 And the rotational driving force generated by the second motor 17 is increased through the second reduction gear 18 and provided to the first link portion 20 to be described later. The rotary shaft of the second motor 17 is connected to the second reducer 18 and extends in the direction of the upper surface of the base unit 10 and protrudes to the outside of the base unit 10.

이 경우, 상기 제1 구동부(11) 및 상기 제2 구동부(16)의 구동 회전력 및 감속량 등은 후술되는 상기 제어부(60)에 의해 제어된다. In this case, the driving torque and the deceleration amount of the first driving unit 11 and the second driving unit 16 are controlled by the control unit 60 described later.

상기 제1 링크부(20)는 일 끝단은 상기 베이스부(10)의 외부로 돌출된 상기 제2 구동부(16)의 회전축에 결합되어, 상기 제1 링크부(20)는 상기 베이스부(10)의 상면 상에서 상기 제2 구동부(16)의 회전축을 기준으로 회전하게 된다. One end of the first link part 20 is coupled to a rotation axis of the second driving part 16 protruding out of the base part 10 so that the first link part 20 is connected to the base part 10 On the upper surface of the second driving unit 16.

이 경우, 상기 제1 링크부(20)는 상기 제2 구동부(16)의 회전에 따라 상기 베이스부(10)의 상면 상에서 XY 평면상에서 360도 회전이 가능하며, 상기 제1 링크부(20)에 인가되는 토크는 상기 제2 구동부(16)의 상기 제2 모터(17)의 회전수 및 상기 제2 감속기(18)의 감속비 등에 따라 변화하게 된다. In this case, the first link part 20 can be rotated 360 degrees on the XY plane on the upper surface of the base part 10 in accordance with the rotation of the second driving part 16, and the first link part 20, The torque applied to the second drive unit 16 varies according to the rotation speed of the second motor 17 of the second drive unit 16, the reduction ratio of the second reduction gear unit 18, and the like.

상기 제2 링크부(30)는 일 끝단은 상기 제1 링크부(20)의 다른 끝단에 결합되며, 상기 제1 링크부(20)의 다른 끝단을 중심으로 XY 평면상에서 360도 회전이 가능하게 된다. One end of the second link part 30 is coupled to the other end of the first link part 20 and is rotatable 360 degrees on the XY plane around the other end of the first link part 20 do.

이 경우, 상기 제1 링크부(20)가 회전하는 회전축인 상기 제2 모터(17)의 회전축에는 2축 1차 풀리(21)가 고정되어 상기 제2 모터(17)의 회전과 함께 상기 2축 1차 풀리(21)가 회전하며, 상기 2축 1차 풀리(21)는 상기 제2 링크부(30)가 회전하는 회전축에 고정된 2축 2차 풀리(22)와 벨트 등으로 연결된다. In this case, the biaxial primary pulley 21 is fixed to the rotary shaft of the second motor 17, which is a rotary shaft through which the first link portion 20 rotates, And the biaxial primary pulley 21 is connected to a biaxial secondary pulley 22 fixed to a rotary shaft through which the second link unit 30 rotates by a belt or the like .

이에 따라, 상기 제2 링크부(30)의 회전은 결국 상기 제2 모터(17)의 회전에 구속되며, 이에 따라 상기 제2 링크부(30)에 인가되는 토크도 상기 제2 구동부(16)의 상기 제2 모터(17)의 회전수 및 상기 제2 감속기(18)의 감속비 등에 따라 변화하게 된다. Accordingly, the rotation of the second link portion 30 is restricted by the rotation of the second motor 17, so that the torque applied to the second link portion 30 is also transmitted to the second driving portion 16, The speed of the second motor 17 of the second speed reducer 18, the speed reduction ratio of the second speed reducer 18, and the like.

즉, 상기 제2 링크부(30)에 인가되는 토크는 상기 제2 구동부(16)의 구동 조건, 상기 2축 1차 풀리(21) 및 2축 2차 풀리(22)의 구조에 의해 제어가 가능하게 된다. That is, the torque applied to the second link portion 30 is controlled by the driving conditions of the second driving portion 16, the structure of the biaxial primary pulley 21 and the biaxial secondary pulley 22 .

이와 달리, 상기 제2 링크부(30)는 상기 풀리 및 벨트 등에 의해 상기 제2 구동부(16)와 연결되지 않고, 별도의 독립적인 구동이 가능한 제3 구동부(미도시)에 의해 직접 구동될 수도 있다. 즉, 상기 제3 구동부가 독립적으로 구동되는 제3 모터 및 제3 감속기를 포함하여, 상기 제2 링크부(30)에 인가되는 토크는 상기 제3 모터의 회전수 및 상기 제3 감속기의 감속비에 의해 독립적으로 제어될 수도 있다. Alternatively, the second link part 30 may be directly driven by a third driving part (not shown) which is not connected to the second driving part 16 by the pulley and the belt, have. That is, the third drive unit includes a third motor and a third reducer independently driven, and the torque applied to the second link unit 30 is determined by the rotation speed of the third motor and the reduction ratio of the third reducer As shown in FIG.

상기 제2 링크부(30)의 다른 끝단에는 상기 손잡이부(40)가 고정된다. 이 경우 상기 손잡이부(40)는 별도의 토크가 인가되지 않고 상기 제2 링크부(30) 상에 회전 가능하도록 고정되므로 사용자가 편한 방향으로 상기 손잡이부(40)를 쥘 수 있다. The handle 40 is fixed to the other end of the second link 30. In this case, since the handle 40 is fixed to be rotatable on the second link 30 without applying any additional torque, the handle 40 can be gripped by the user in a convenient direction.

상기 센서부(50)는 상기 제1 및 제2 링크부들(20, 30)이 서로 연결되는 위치 상에 상기 제2 링크부(30)의 상면에 고정된다. 상기 센서부(50)는 거리인식 센서 또는 물체인식 센서로서, 상기 손잡이부(40)를 향하여 위치하여, 상기 손잡이부(40)의 위치 또는 거리를 센싱한다. The sensor unit 50 is fixed to the upper surface of the second link unit 30 on a position where the first and second link units 20 and 30 are connected to each other. The sensor unit 50 is a distance recognition sensor or an object recognition sensor and is positioned toward the handle 40 to sense the position or the distance of the handle 40. [

즉, 상기 센서부(50)는 사용자가 상기 손잡이부(40)를 쥔 상태인지 또는 안 쥔 상태인지를 센싱하여, 사용자가 상기 손잡이부(40)를 쥐는 경우 상기 재활로봇(1)의 동작이 시작되고 사용자가 상기 손잡이부(40)를 놓는 경우 상기 재활로봇(1)의 동작은 멈추게 된다. That is, the sensor unit 50 senses whether the user holds the grip unit 40 or not, and when the user holds the grip unit 40, the operation of the rehabilitation robot 1 The operation of the rehabilitation robot 1 is stopped when the user releases the handle 40. [

나아가, 상기 센서부(50)는 단순히 상기 손잡이부(40)를 쥐는 상태 또는 놓는 상태를 센싱하는 것 외에, 상기 손잡이부(40)의 위치를 센싱할 수도 있다. Further, the sensor unit 50 may sense the position of the handle 40 in addition to simply sensing the gripping state or the gripping state of the gripping unit 40.

즉, 상기 센서부(50)는 재활운동의 과정 중에 상기 손잡이부(40)의 위치를 센싱하여 궁극적으로 상기 재활운동이 후술되는 운동 영역을 이탈하는지의 여부도 센싱이 가능하게 된다. That is, the sensor unit 50 senses the position of the handle 40 during the rehabilitation movement, and ultimately it is possible to sense whether or not the rehabilitation movement deviates from the movement area described later.

이 경우, 상기 센서부(50)는 상기 제1 링크부(20)의 다른 끝단에 고정되므로 스스로의 좌표와, 상기 센서부(50)에서 계측되는 상기 손잡이부(40)의 상대 좌표를 센싱할 수 있으며, 이에 따라 상기 손잡이부(40)의 절대좌표가 계측될 수 있고, 결국 상기 손잡이부(40)의 절대좌표를 바탕으로 상기 손잡이부(40)가 상기 운동 영역을 이탈하는지의 여부도 계측이 가능하게 된다. In this case, since the sensor unit 50 is fixed to the other end of the first link unit 20, its own coordinates and relative coordinates of the grip unit 40 measured by the sensor unit 50 are sensed It is possible to measure the absolute coordinates of the grip portion 40 and to determine whether or not the grip portion 40 leaves the movement region based on the absolute coordinates of the grip portion 40 Lt; / RTI >

상기 제어부(60)는 상기 재활로봇(1)의 전반적인 구동을 제어하는데, 구체적으로, 후술되는 도 3 내지 도 5를 참조하여 상술한다. The control unit 60 controls the overall operation of the rehabilitation robot 1, and will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 5, which will be described later.

도 3은 도 1의 재활로봇을 통한 운동 상태 및 피드백 상태를 도시한 모식도이다. 도 4는 도 1의 재활로봇의 운동 영역 결정을 위한 좌표계를 도시한 예이다. 도 5는 도 1의 재활로봇을 이용한 재활방법을 도시한 흐름도이다. FIG. 3 is a schematic diagram showing a motion state and a feedback state through the rehabilitation robot of FIG. 1. FIG. FIG. 4 shows an example of a coordinate system for determining the motion area of the rehabilitation robot of FIG. 1; 5 is a flowchart showing a rehabilitation method using the rehabilitation robot of FIG.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 제어부(60)는 사용자에 의해 선택된 운동 유형 및 재활에 필요한 반력에 관한 정보를 입력받는다(단계 S10). 이 경우, 상기 제어부(60)는 별도의 정보 입력부(61)를 포함하여, 사용자는 상기 정보 입력부(61)를 통해 상기 운동 유형 및 반력에 관한 정보를 입력할 수 있다. 이 때, 상기 정보 입력부(61)는 스마트 폰이나 태블릿 PC 등의 무선 단말기일 수 있으며, 종래의 데스크탑 PC 등과 같은 단말기일 수도 있다. 3 to 5, the controller 60 receives information on the type of exercise selected by the user and the reaction force required for rehabilitation (step S10). In this case, the control unit 60 includes a separate information input unit 61, which allows the user to input information about the exercise type and the reaction force through the information input unit 61. In this case, the information input unit 61 may be a wireless terminal such as a smart phone or a tablet PC, or may be a conventional desktop PC or the like.

또한, 상기 운동 유형으로는 왕복 운동, 회전 운동 또는 각 운동의 횟수 등의 정보가 입력될 수 있으며, 반력으로는 상기 운동 과정에서 사용자가 인가해야 하는 힘에 관한 정보이다. In addition, information such as a reciprocating motion, a rotational motion, or the number of angular motions may be input as the motion type, and information about a force that the user should apply in the motion process as a reaction force.

이 후, 상기 입력된 정보를 바탕으로, 상기 제어부(60)는 도 3에 도시된 봐와 같이 재활운동을 위해 필요한 운동 영역을 결정한다(단계 S20). Thereafter, based on the input information, the controller 60 determines a motion area required for rehabilitation movement as shown in FIG. 3 (step S20).

본 실시예에서는 사용자는 상기 손잡이부(40)를 쥐고 재활운동을 수행하므로, 결국 상기 손잡이부(40)가 위치할 수 있는 영역이 운동 영역으로 결정되며, 상기 운동 영역이 결정됨과 동시에 상기 손잡이부(40)의 이동 방향, 즉 사용자의 운동 방향도 동시에 결정될 수 있다. In this embodiment, since the user grasps the grip portion 40 and performs the rehabilitation movement, the region where the grip portion 40 can be positioned is determined as the movement region, and the movement region is determined, The direction of movement of the user 40, that is, the direction of motion of the user, can also be determined at the same time.

이와 같이, 상기 제어부(60)는 사용자의 선택에 의해 운동 유형 및 반력이 입력되면, 상기 운동 유형 및 반력을 바탕으로 사용자가 수행하여야 할 운동 방향을 포함한 운동 영역을 결정한다. In this way, the controller 60 determines a motion area including a motion direction to be performed by the user based on the motion type and the reaction force, when the motion type and the reaction force are inputted by the user's selection.

결국, 상기 제어부(60)는 상기 재활로봇(1)의 구조적 특징에 관한 정보를 바탕으로, 상기 제1 구동부(11)의 제1 모터(12)의 회전수 및 제1 감속기(13)의 감속비, 상기 제2 구동부(16)의 제2 모터(17)의 회전수 및 제2 감속기(18)의 감속비, 상기 2축 1차 풀리(21) 및 상기 2축 2차 풀리(22)의 회전 비율 등을 결정하여, 상기 운동 영역을 결정하게 된다. The control unit 60 controls the rotation speed of the first motor 12 of the first driving unit 11 and the reduction ratio of the first reduction gear 13 to the rotation speed of the first reducer 13 based on the information on the structural characteristics of the rehabilitation robot 1. [ The rotation speed of the second motor 17 of the second drive unit 16 and the reduction ratio of the second reduction gear 18 and the rotation ratio of the biaxial primary pulley 21 and the biaxial secondary pulley 22 Or the like, and determines the motion area.

즉, 상기 손잡이부(40)가 상기 운동 영역 내에서만 이동이 가능하려면 상기 제1 및 제2 링크부들(20, 30)의 동작이 제어되어야 하며, 결국 상기 제어부(60)는 상기 제1 링크부(20)에 인가되는 토크 및 상기 제2 링크부(30)에 인가되는 토크의 양을 결정하여 상기 운동 영역을 결정하게 된다. That is, the operation of the first and second link portions 20 and 30 must be controlled so that the handle 40 can be moved only within the movement region. As a result, The torque applied to the first link portion 20 and the torque applied to the second link portion 30 are determined to determine the motion area.

이 경우, 도 4를 참조하면, 상기 제어부(60)는 재활을 위해 상기 손잡이부(40)에 입력되는 반력에 관한 정보를 바탕으로 하기 식 (1)을 이용하여 상기 제1 및 제2 링크부들(20, 30)에 인가되어야 하는 회전반력, 즉 토크의 양을 산출할 수 있다. Referring to FIG. 4, the control unit 60 determines whether or not the first and second link parts 40a, 40b, 40c, and 40d, based on the information about the reaction force input to the handle 40 for rehabilitation, It is possible to calculate the amount of the rotational reaction force, that is, the torque, which should be applied to the clutches 20 and 30.

Figure pat00003
식 (1)
Figure pat00003
Equation (1)

이 경우, 상기 식 (1)의 자코비안(Jacobian) 행렬(J)은 아래 식 (2)와 같이 도출될 수 있다. In this case, the Jacobian matrix J of the above equation (1) can be derived as the following equation (2).

Figure pat00004
식 (2)
Figure pat00004
Equation (2)

{τ1: 제1 링크부의 회전반력(토크), τ2: 제2 링크부의 회전반력(토크), Fx: X축 방향의 입력 반력, Fy: Y축 방향의 입력 반력, l1: 제1 링크부의 길이, l2: 제2 링크부의 길이, θ1: 제1 링크부의 회전각, θ2: 제2 링크부의 회전각}{τ 1: a first link portion rotating force (torque), τ 2: second link portion rotating force (torque), F x: input force, F y in the X axis direction: the input force in the Y-axis direction, l 1: a first link unit length, l 2: length of the second link portion, θ 1: rotation angle, the first link portion 2 θ: rotational angle of the second link}

상기 식 (1) 및 식 (2)를 통해, 상기 제어부(60)는 재활을 위해 사용자가 수행하여야 할 반력의 크기 Fx, Fy를 바탕으로 궁극적으로 상기 제1 및 제2 링크부(20, 30)들의 토크를 산출하고, 상기 제1 및 제2 링크부들이 필요한 토크를 발생시키기 위해 상기 제1 및 제2 구동부(11, 16)들을 제어하게 된다. The control unit 60 ultimately controls the first and second link units 20 and 20 based on the magnitudes F x and F y of the reaction force that the user has to perform for rehabilitation through the equations (1) and (2) , 30, and the first and second link portions control the first and second driving portions 11, 16 to generate the necessary torque.

이 후, 상기 제어부(40)는 상기 손잡이부(40)의 위치를 계측하여 사용자의 운동 상태를 계측하며(단계 S30), 사용자의 실제 운동 범위가 상기 설정된 운동 영역의 내부에 위치하는 가를 실시간으로 계측한다(단계 S40). Thereafter, the controller 40 measures the position of the knob 40 to measure the motion state of the user (step S30), and determines in real time whether the actual motion range of the user is located within the set motion area (Step S40).

이 경우, 상기 사용자의 실제 운동 범위의 계측은 상기 제1 및 제2 링크부들(20, 30)의 회전각에 관한 정보를 바탕으로 상기 손잡이부(40)의 위치를 계측할 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같이 상기 센서부(50)를 통해서도 상기 손잡이부(40)의 위치를 계측하기 위한 정보를 입력받을 수 있다. In this case, the measurement of the actual motion range of the user can measure the position of the handle 40 based on the information about the rotation angles of the first and second link portions 20 and 30, Information for measuring the position of the handle 40 can be input through the sensor unit 50 as well.

만약, 상기 사용자의 실제 운동 범위가 상기 설정된 운동 영역의 내부에 위치한다면, 상기 제어부(60)는 운동 목표가 달성될 때까지(단계 S60) 지속적으로 운동을 수행하도록 상기 재활로봇(1)을 제어한다. If the actual motion range of the user is within the set motion range, the controller 60 controls the rehabilitation robot 1 to continuously perform motion until the motion target is achieved (step S60) .

반면, 상기 사용자의 실제 운동 범위가 상기 설정된 운동 영역을 벗어나는 경우라면, 상기 제어부(60)는 상기 제1 및 제2 링크부들(20, 30)의 회전 반력(즉, 토크)을 증가 시킨다(단계 S50). 예를 들어, 상기 제어부(60)는 상기 제1 및 제2 링크부들(20, 30)의 회전 반력을, 기 결정되어 상기 제1 및 제2 링크부들(20, 30)에 인가되는 회전 반력보다 5배 내지 10배로 증가시킬 수 있다. On the other hand, if the actual motion range of the user is out of the preset motion range, the controller 60 increases the rotational reaction force (i.e., torque) of the first and second link portions 20 and 30 S50). For example, when the control unit 60 determines that the rotational reaction force of the first and second link units 20 and 30 is greater than the rotational reaction force applied to the first and second link units 20 and 30 5 to 10 times.

그리하여, 사용자는 상기 손잡이부(40)를 움직이는 경우 갑자기 큰 반력을 느끼게 되어 상기 손잡이부(40)를 움직이는 동작을 수행하지 못하게 되며, 재활동작이 가능한 반력을 나타내는 기 설정 운동 영역의 범위 내에서 재활 동작을 수행하게 된다. Thus, when the user moves the handle 40, the user suddenly feels a large reaction force and can not perform the operation of moving the handle 40. In addition, the user can perform the rehabilitation Operation.

이를 통해, 상기 재활로봇(1)을 통해 재활을 수행하는 경우, 상기 사용자는 기 설정된 운동 영역의 범위 내에서 재활운동을 수행할 수 있도록 유도된다. Accordingly, when rehabilitation is performed through the rehabilitation robot 1, the user is guided to perform rehabilitation within a predetermined range of motion.

상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 기 입력된 운동 유형 및 반력을 바탕으로 운동 영역이 결정되고, 상기 운동 영역을 벗어나는 경우 제1 및 제2 링크부들의 회전 반력이 증가하여 사용자가 운동을 수행할 수 없도록 제어되므로, 사용자는 정해진 운동 영역에서만 운동을 수행할 수 있어 재활의 효과가 향상된다. According to the embodiments of the present invention as described above, the motion area is determined on the basis of the input type of motion and the reaction force, and when the motion area is deviated from the motion area, the rotational reaction force of the first and second link parts increases, The user can perform the exercise only in the predetermined exercise area, and the effect of the rehabilitation is improved.

특히, 운동 영역의 결정시, 기 입력되는 운동 유형 및 반력에 관한 정보를 바탕으로 자코비안 행렬을 이용하여 제1 및 제2 링크부들의 회전 반력, 즉 회전 토크를 결정하므로 상대적으로 간단한 연산으로 필요한 회전 토크를 결정하여 재활로봇의 동작을 수월하게 제어할 수 있다. Particularly, in determining the motion area, the rotational reaction force of the first and second link parts, that is, the rotational torque, is determined using the Jacobian matrix based on the information on the motion type and the reaction force input in advance, The rotation torque can be determined and the operation of the rehabilitation robot can be easily controlled.

나아가, 상기 센서부를 통해 손잡이부의 위치를 센싱하여 운동 영역을 벗어나는 가의 여부를 추가적으로 센싱이 가능하며, 상기 손잡이부가 사용자에 의해 쥐어진 상태인지의 여부도 센싱할 수 있어 상기 재활로봇의 안정적인 동작 및 재활효과의 향상이 가능할 수 있다. Further, it is possible to additionally sense whether or not the user exits the exercise area by sensing the position of the handle through the sensor unit, and it is also possible to sense whether the handle is held by the user, so that the stable operation and rehabilitation It is possible to improve the effect.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims. It can be understood that it is possible.

본 발명에 따른 재활로봇은 노약자나 환자의 근력회복 또는 근력강화와 같은 재활에 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다. The rehabilitation robot according to the present invention has industrial applicability that can be used for rehabilitation such as recovery of strength or strength of the elderly or patient.

1 : 재활로봇 10 : 베이스부
20 : 제1 링크부 30 : 제2 링크부
40 : 손잡이부 50 : 센서부
60 : 제어부1: Rehabilitation robot 10: Base part
20: first link portion 30: second link portion
40: handle 50: sensor part
60:

Claims (4)

제1 및 제2 구동부들을 포함하는 베이스부;
일 끝단은 상기 제2 구동부와 연결되어 상기 제2 구동부를 중심으로 회전하는 제1 링크부;
일 끝단은 상기 제1 링크부의 다른 끝단에 연결되어 상기 제1 링크부에 대하여 상대적으로 회전하는 제2 링크부;
상기 제2 링크부의 다른 끝단에 고정되는 손잡이부;
상기 제1 링크부와 상기 제2 링크부의 연결부에 고정되어 상기 손잡이부를 센싱하는 센서부; 및
기 입력된 운동 유형 및 반력을 바탕으로 운동 영역을 결정하고, 상기 제2 구동부의 회전량 및 상기 센서부의 센싱 결과로부터 계측된 사용자의 운동 영역이 상기 기 결정된 운동 영역을 이탈하는 경우 상기 제1 및 제2 링크부들의 회전 반력을 증가시키는 제어부를 포함하는 재활로봇. A base portion including first and second driving portions;
A first link part connected to the second driving part and rotating about the second driving part,
A second link portion connected to the other end of the first link portion and rotated relatively to the first link portion,
A grip portion fixed to the other end of the second link portion;
A sensor unit fixed to a connection portion between the first link unit and the second link unit and sensing the handle unit; And
Wherein the control unit determines the moving area based on the input type of motion and the reaction force, and when the moving amount of the user measured from the rotation amount of the second driving unit and the sensing result of the sensor unit deviates from the predetermined moving area, And a controller for increasing the rotational reaction force of the second link portions. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 기 입력된 운동 유형 및 반력을 바탕으로 상기 제1 및 제2 링크부들의 회전 반력을 결정하여 상기 운동 영역을 결정하고,
상기 기 결정된 운동 영역을 이탈하는 경우 상기 제1 및 제2 링크부들의 회전 반력을 기 결정된 회전 반력보다 수 배 이상 크게 증가시키는 것을 특징으로 하는 재활로봇. The apparatus of claim 1,
Determining a rotational reaction force of the first and second link portions based on the previously input motion type and reaction force to determine the motion region,
And increases a rotational reaction force of the first and second link parts by several times greater than a predetermined rotational reaction force when departing from the predetermined motion area. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 운동 영역을 결정하는 경우, 상기 제1 및 제2 링크부들의 토크를 하기 식 (1)로 결정하며,
Figure pat00005
식 (1)
Figure pat00006
식 (2)
{τ1: 제1 링크부의 회전반력(토크), τ2: 제2 링크부의 회전반력(토크), Fx: X축 방향의 입력 반력, Fy: Y축 방향의 입력 반력, l1: 제1 링크부의 길이, l2: 제2 링크부의 길이, θ1: 제1 링크부의 회전각, θ2: 제2 링크부의 회전각}
상기 식 (1)에서 자코비안 행렬(J)은 상기 식 (2)인 것을 특징으로 하는 재활로봇. 3. The apparatus of claim 2,
Wherein when determining the motion area, the torque of the first and second link parts is determined by the following equation (1)
Figure pat00005
Equation (1)
Figure pat00006
Equation (2)
{τ 1: a first link portion rotating force (torque), τ 2: second link portion rotating force (torque), F x: input force, F y in the X axis direction: the input force in the Y-axis direction, l 1: a first link unit length, l 2: length of the second link portion, θ 1: rotation angle, the first link portion 2 θ: rotational angle of the second link}
Wherein the Jacobian matrix J in the equation (1) is the equation (2). 제1항에 있어서,
상기 제1 링크부는 상기 제2 구동부에 연결되고, 상기 제2 링크부는 상기 제2 구동부에 연결된 풀리에 고정되어, 상기 제2 구동부를 통해 인가되는 회전력에 의해 상기 제1 및 제2 링크부들의 회전 반력이 제어되는 것을 특징으로 하는 재활로봇. The method according to claim 1,
Wherein the first link portion is connected to the second driving portion and the second link portion is fixed to a pulley connected to the second driving portion so that rotation of the first and second link portions due to a rotational force applied through the second driving portion, And the reaction force is controlled.
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