KR20180038113A - 손 재활을 위한 착용형 메커니즘 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 손 재활을 위한 착용형 메커니즘은 손가락의 MCP관절의 움직임을 위해 MCP관절과 PIP관절 사이의 손가락 첫번째 마디와 손등 쪽 사이에서 구동되는 4절링크와; 상기 4절링크에 연결되어 상기 4절링크를 구동하는 4절링크 구동부; 손가락의 PIP관절의 움직임을 위해 손가락의 첫번째 마디와 두번째 마디 사이에서 구동되며, 상기 4절링크와 연계되는 6절링크; 상기 6절링크에 연결되어 상기 6절링크를 구동하는 6절링크 구동부; 상기 6절링크와 연계되며 손끝마디에 연결되어 손끝이 펼쳐질 수 있도록 당겨주는 끝마디 링크; 상기 링크들과 손가락을 연결할 수 있도록 상기 각각의 링크와 결합되며 상기 손가락에 착용되는 착용부들; 및 상기 링크들과 상기 손가락 간 힘 전달을 측정하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 본 발명에 의한 손 재활을 위한 착용형 메커니즘을 이용하면, 손 기능을 정확하게 평가하고 이를 이용하여 수의적, 불수의적, 보조적으로 재활, 치료를 통합적으로 할 수 있는 장점이 있다.

Description

손 재활을 위한 착용형 메커니즘{Wearable Mechanism of the Hand for Rehabilitation}
본 발명은 손 재활을 위한 착용형 메커니즘에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 손 기능 장애 회복을 위한 재활 치료 등에 이용될 수 있는 손 재활을 위한 착용형 메커니즘에 관한 것이다.
의료기술의 발달 및 각종 사회복지의 확충으로 인해 세계 각국의 노령 인구가 증가하고 있으며, 우리나라도 사회의 노령화 현상이 점차 가속화되고 있으며, 이에 따라 노령 인구의 증가로 인해 노인성 질병인 뇌졸중 등의 뇌혈관질환, 또는 파킨슨 병이나 노환 등으로 인해 움직임에 불편을 겪으며 재활을 필요로 하는 환자가 증가하고 있다. 예컨대 뇌졸중을 겪는 75%의 환자들이 일상생활에 문제가 될 만큼의 신체장애를 겪고 있으며, 뇌졸중 환자들의 경우 경직 등에 의해 정상 움직임이 제한되는데, 이 중 손 재활은 독립적이고 정상적인 생활을 위해 필수적이다.
그런데, 지금으로서는 손재활을 위해 치료사들이 직접 손가락을 굴곡, 신전시키거나, 간단한 기구를 이용하여 손가락의 움직임을 연습시키고 있는 실정이다. 다만 최근 손재활을 위해 로봇, 메카트로닉스 기술을 이용한 재활시스템이 활발히 연구되고 있다. 하지만 손가락의 움직임 측정, 힘전달/측정이 모두 가능하며 수의적, 불수의적, 보조움직임이 모두 가능한 통합적인 메커니즘에 대한 연구는 아직 미비하다. 또한 손기능 평가를 위해 Fugl-Meyer, Jebsen hand function test 등의 방법을 이용하지만, 손가락의 경직, 수지 독립성, 다수지 공동성 등의 손기능을 평가할 수 있는 정량적 방법에 대한 연구도 매우 미흡하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0049531호(공개일자; 2013년 5월 14일)
본 발명의 목적은, 손 기능을 정확하게 평가하고 이를 이용하여 수의적, 불수의적, 보조적으로 재활, 치료를 통합적으로 할 수 있는 손 재활을 위한 착용형 메커니즘을 제공한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 손 재활을 위한 착용형 메커니즘은 손가락의 MCP관절의 움직임을 위해 MCP관절과 PIP관절 사이의 손가락 첫번째 마디와 손등 쪽 사이에서 구동되는 4절링크; 상기 4절링크에 연결되어 상기 4절링크를 구동하는 4절링크 구동부; 손가락의 PIP관절의 움직임을 위해 손가락의 첫번째 마디와 두번째 마디 사이에서 구동되며, 상기 4절링크와 연계되는 6절링크; 상기 6절링크에 연결되어 상기 6절링크를 구동하는 6절링크 구동부; 상기 6절링크와 연계되며 손끝마디에 연결되어 손끝이 펼쳐질 수 있도록 당겨주는 끝마디 링크; 상기 링크들과 손가락을 연결할 수 있도록 상기 각각의 링크와 결합되며 상기 손가락에 착용되는 착용부들; 및 상기 링크들과 상기 손가락 간 힘 전달을 측정하는 측정부를 포함한다.
상기 4절링크의 손등 쪽 끝단은 손등에 착용되는 손등 착용부에 연결되며, 상기 4절링크 구동부는 상기 손등 착용부와 손등 쪽을 기준으로 상기 4절링크의 손등 쪽 제1마디에 의해 지지되도록 설치되고 상기 4절링크의 제1,제2마디 사이의 조인트에 연결될 수 있다.
상기 4절링크는 손등 쪽에서 손가락의 첫번째 마디를 향해 순서대로 연결되는 제1~제4마디를 포함하며; 상기 6절링크는 손가락의 첫번째 마디에서 두번째 마디를 향해 순서대로 연결되는 6개의 마디를 포함하며, 첫번째, 두번째 마디는 상기 4절링크의 제3,4마디와 공유되고, 세번째 마디는 상기 4절링크의 제2마디와 일자로 일체화되고; 상기 6절링크 구동부는 상기 4절링크의 제2마디 위에 설치되고 상기 6절링크의 세번째, 네번째 마디 사이의 조인트에 연결될 수 있다.
상기 구동부들은 상기 링크들의 마디들 간 조인트를 회전시키는 베벨기어를 포함할 수 있다.
상기 끝마디 링크는 4개의 마디로 이루어져 끝단이 상기 6절링크에 연결되며, 두번째와 세번째 마디 사이에 토션 스프링이 구비될 수 있다.
상기 착용부는 손가락에 착용되는 손가락 끼움부와, 상기 링크들과 끼움 결합되는 링크 결합부와, 상기 링크들과 자력에 의해 착탈될 수 있도록 상기 링크 결합부에 설치되는 자석을 포함하며; 상기 손가락 끼움부는 손가락에 끼워져 테이핑될 수 있도록 집게형으로 형성되며, 실리콘으로 형성되고; 상기 링크 결합부는 상기 링크들의 끝단에 구비되는 ㄷ자형 끼움부에 끼움 결합될 수 있도록 갈고리 형태로 형성될 수 있다.
상기 링크들의 끼움부에는 상기 측정부를 이루는 로드셀이 설치될 수 있다.
상기 엄지손가락 측 세트는 엄지손가락을 자유롭게 벌리거나 붙일 수 있도록 나머지 손가락 측 세트에 대하여 회동 가능토록 결합될 수 있다.
상기 링크들을 포함하는 손등에 착용되는 유닛은 손을 받치는 베이스에 상하 회동 가능토록 결합될 수 있다.
또한, 상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 손 재활을 위한 착용형 메커니즘 시스템은 상기 측정부의 데이터 및 상기 구동부들의 데이터를 처리하고 손가락의 경직도와 수지 독립성 및 다수지 공동성을 정량적으로 산출하여 손가락의 수의적, 불수의적 및 보조적 움직임을 위해 상기 구동부들을 제어하는 제어모듈을 포함한다.
본 발명에 따른 손 재활을 위한 착용형 메커니즘은, 손가락의 경직도 및 수지 독립성, 다수지 공동성 등을 정량적으로 측정하여 손 기능을 정확하게 평가할 수 있고, 이를 이용하여 수의적, 불수의적, 보조적 움직임이 가능한 재활, 치료 등을 통합적으로 할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 메커니즘은 4절링크와 6절링크의 조합구조이며, 4절링크와 6절링크의 일부가 연계되는 것은 물론 공유되는 구조이기 때문에 관절별 독립적 움직임은 물론 관절 간 유기적 움직임이 가능하고, 굴곡, 신전 움직임 범위 및 각도가 모두 만족될 수 있고, 전체적인 구조가 간소화, 소형화될 수 있고, 따라서 착용 하중으로 인한 불편함이 방지될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 메커니즘은 손등 착용형으로서 풀 그립(full grip)이 가능하다.
또한 본 발명에 따른 메커니즘은 착용부와 링크들이 분리될 수 있고, 착용부의 손가락 끼움부가 부드러운 실리콘 재질로 이루어지기 때문에 착용이 용이하고 착용감이 좋으며, 손가락 굵기 변화에 대처할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 메커니즘은 착용부와 링크들이 단순히 자력에 의해서만 착탈되는 것이 아니라, 상호 끼움 결합에 의해 기구적으로 용이하면서도 견고하고 안정적으로 착탈될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 메커니즘은 요측 회전각도(radial deviation)와 회내/회의(pronation/supination)의 회전각도 및 엄지손가락 위치 변화가 가능하기 때문에 환자의 상태에 능동적으로 대처할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 메커니즘은 착용부가 손가락 각 마디 중간쯤에 착용되는 방식으로서 손가락 끝을 덮지 않은 개방형 구조이기 때문에 손가락 감각 수용을 통한 피드백(feedback)이 가능하여 재활/물리치료 효과를 보다 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 손 재활을 위한 착용형 메커니즘 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 메커니즘의 손등 각도 조절 기능을 보여주는 정면도.
도 3은 도 1에 도시된 메커니즘의 엄지 위치 조절 기능을 보여주는 정면도.
도 4는 도 1에 도시된 메커니즘 중 일부를 재현한 시제품의 손등 착용 상태를 보여주는 도면.
도 5는 도 4에 도시된 시제품의 손가락 착용 상태를 보여주는 도면.
도 6은 도 1에 도시된 메커니즘의 4절링크 구동부의 베벨기어가 상세하게 도시된 사시도.
도 7은 도 1에 도시된 메커니즘의 각 세트의 링크 구조도이고,
도 8은 도 7에 도시된 링크 구조도에 대한 실험 결과 그래프로서,
도 8a는 본 발명의 비교예로서 작은 손인 경우 그래프,
도 8b는 본 발명의 비교예로서 큰 손의 경우 그래프,
도 8c는 본 발명에 대한 그래프.
도 9는 도 1에 도시된 메커니즘 중 착용 상태를 상세히 보여주는 도면.
도 10은 도 9에 도시된 착용부의 사시도.
도 11은 도 9에 도시된 착용부 중 링크 결합부 사시도.
도 12는 도 9에 도시된 링크들의 끼움부 사시도로서, 자석 결합 상태를 보여주는 도면.
도 13은 도 9에 도시된 링크들의 끼움부 사시도로서, 측정부와의 결합 상태를 보여주는 도면.
도 14는 도 1에 도시된 메커니즘을 포함하는 시스템의 구성도.
도 15는 도 14에 도시된 시스템의 정면도.
도 16은 도 1에 도시된 메커니즘 유닛의 세트 구성도로서,
도 16a는 손가락을 일자로 폈을 때 상태,
도 16b는 손가락의 MCP만 굽혔을 때 상태,
도 16c는 손가락의 PIP만 굽혔을 때 상태,
도 16d는 손가락의 DIP만 굽혔을 때 상태,
도 16e는 손가락 관절을 모두 굽혔을 때 상태.
도 17은 도 7에 도시된 링크 구조도의 각도 계산 과정을 상세히 설명하기 위한 도면.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능, 혹은 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 손 재활을 위한 착용형 메커니즘 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 메커니즘의 손등 각도 조절 기능을 보여주는 정면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 메커니즘의 엄지 위치 조절 기능을 보여주는 정면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 손 재활을 위한 착용형 메커니즘는 구조적으로는 크게 손을 받치는 베이스(10)와, 상기 베이스(10)의 상측에 결합되고 손등에 착용되며 엄지손가락 측 세트 및 나머지 네 손가락 측 세트를 포함하는 유닛(20)을 포함한다.
상기 베이스(10)는 안정화를 위해 I형 구조로 형성될 수 있으며, 밴드(12)를 이용하여 손등 및 팔꿈치 등 상완을 견고하고 안정적으로 고정시킬 수 있고, 손등 및 팔꿈치와 접촉되는 상판이 부드러운 소재로 만들어질 수 있다.
상기 유닛(20)은 요측 회전각도(radial deviation)와 회내/회의(pronation/supination)의 회전각도 조절을 위해 상기 베이스(10) 위에 안착되는 팔 옆에서 상기 베이스(10)에 대하여 회동될 수 있도록 상기 베이스(10)의 상판 좌우 측면 중 일측에 회전 조인트(14)를 이용하여 결합될 수 있다. 이때 고정핀을 이용하여 상기 베이스(10)를 기준으로 시계 방향으로 0도에서 90도까지 요측 회전각도(radial deviation)와 회내/회의(pronation/supination)의 회전각도를 15도 등 일정 각도씩 조절할 수 있다. 예컨대 상기 베이스(10) 측 고정핀 끼움홀과 상기 유닛(20) 측 고정핀 끼움홀이 15도 간격으로 서로 합치될 수 있게 형성하고, 요측 회전각도(radial deviation)와 회내/회의(pronation/supination)의 회전각도 조절 후 상기 고정핀을 끼워 고정시킬 수 있다. 따라서 손 크기 등 환자 상태에 맞춰 상기 베이스(10)에 대한 상기 유닛(20)의 회동 각도를 조절할 수 있고, 손의 착탈이 용이하게 이루어질 수 있다.
상기 유닛(20)은 다섯 손가락에 대응하여 다섯 세트로 구성될 수 있다. 상기 다섯 세트 중 엄지손가락 측 세트 외 나머지 네 손가락 측 세트들은 서로 고정되어 구조적으로 일체화될 수 있다. 상기 엄지손가락 측 세트는 엄지손가락을 자유롭게 벌리거나 붙일 수 있도록 나머지 네 손가락 측 세트들에 대하여 좌우 회동 가능토록 결합될 수 있다. 즉 위에서의 손등 각도 회전 기능에 대한 설명과 마찬가지로 상기 엄지손가락 측 세트의 손등 측 끝단을 검지손가락 측 세트에 회전 조인트(22)를 이용하여 결합시켜 상기 엄지손가락 측 세트의 위치를 자유롭게 조절하며, 고정핀을 이용하여 상기 엄지손가락 측 세트의 회동을 고정시킬 수 있다. 예컨대 상기 엄지손가락 측 세트는 상기 검지손가락 측 세트를 기준으로 반시계 방향으로 0도에서 60도까지 15도씩 간격으로 위치 변화될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 메커니즘 중 일부를 재현한 시제품의 손등 착용 상태를 보여주는 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 시제품의 손가락 착용 상태를 보여주는 도면이고, 도 6은 도 1에 도시된 메커니즘의 4절링크 구동부(110)의 베벨기어가 상세하게 도시된 사시도이고, 도 7은 도 1에 도시된 메커니즘의 각 세트의 링크 구조도이다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 각 세트는 손등을 기준으로 손가락의 첫번째 관절 중수지절관절인 MCP관절(Metacarpophalangeal joint)(2a) 움직임과, 두번째 관절 근위지절간관절인 PIP관절(Proximal interpahlangeal joint)(2b) 움직임, 그리고 엄지손가락 외 나머지 네 손가락의 세번째 관절 원위지절간관절인 DIP관절(Distal interphalangeal joint)(2c) 움직임을 위해 구성된다. 즉 각 세트는 4절링크(100)와, 4절링크 구동부(110)와, 6절링크(120)와, 6절링크 구동부(130)를 포함하며, 엄지손가락 측 세트 외 나머지 네 세트는 끝마디 링크(140)를 더 포함한다.
상기 4절링크(100)는 손가락의 MCP관절의 움직임을 위한 것으로서, 4절 구조로 구성되어 손가락의 MCP관절과 PIP관절 사이의 첫번째 마디(l1)와 손등 쪽 사이에서 구동된다. 즉 상기 4절링크(100)는 손등 쪽에서 손가락의 첫번째 마디(l1)를 향해 순서대로 일렬로 연결되는 제1~제4마디(a1,a2,a3,d1)를 포함한다. 상기 4절링크(100)의 각 마디들(a1,a2,a3,d1)은 상호 손등 위로 볼록한 구조로 연결되며 조인트를 통해 회동 가능토록 결합될 수 있다. 이와 같은 4절링크(100)는 상기 4절링크(100)의 제1마디(a1)와 제4마디(d1) 사이의 손가락 일부과 함께 폐쇄된 회로를 구성하게 된다. 상기 4절링크(100)의 손등 쪽 끝단, 즉 4절링크(100)의 제1마디(a1)의 시작단은 상기 유닛(20)의 손등에 착용되는 부분인 손등 착용부(190)에 고정될 수 있다. 상기 4절링크(100)의 손가락 쪽 끝단, 즉 상기 4절링크(100)의 제4마디(d1)의 종단은 손가락의 첫번째 마디(l1)에 착용되는 착용부(150)와 결합될 수 있다.
상기 4절링크 구동부(110)는 각 세트의 상측에 설치된다. 상기 4절링크 구동부(110)는 각 손가락 마디(l1,l2,l3)에 대한 수직방향으로 선형 구동력을 전달하는 선형 구동부보다는 도시된 바와 같이 회전형이 보다 효과적이다. 즉 상기 4절링크 구동부(110)는 회전 모터(112)와, 상기 회전 모터(112)와 상기 4절링크(100) 간 힘 전달을 매개하는 힘 전달매체를 포함할 수 있다. 상기 4절링크 구동부(110)는 상기 손등 착용부(190) 및 상기 4절링크(100)에 의해 지지될 수 있도록, 상기 손등 착용부(190)에 대하여 상하방향으로 비스듬하게 배치되어 그 회전 모터(112)의 아래쪽이 상기 손등 착용부(190)에 고정되고 그 회전 모터(112)의 위쪽이 상기 4절링크(100)의 제1마디(a1)에 고정될 수 있다. 그리고, 상기 힘 전달매체는 상기 회전 모터(112)의 위쪽에 구성되고, 상기 4절링크 구동부(110)의 위쪽에 근접된 상기 4절링크(100)의 제1,제2마디(a1,a2) 사이의 조인트인 구동 조인트(102)에 연결될 수 있다. 상기 힘 전달매체는 예컨대 도 6에 상세하게 도시된 바와 같이, 상기 회전 모터(112)의 축(112a)에 고정되어 일체로 회전되는 제1베벨기어(114)와, 상기 4절링크(100)의 구동 조인트(102)의 축에 고정되어 일체로 회전되며 상기 제1베벨기어(114)와 맞는 제2베벨기어(116)를 포함할 수 있다. 따라서 상기 4절링크(100)의 제1마디(a1)는 상기 손등 착용부(190)에 고정되어 있기 때문에 상기 4절링크(100)의 제2마디(a2)가 상대적으로 회전되며, 이와 아울러 4절링크(100)의 제3마디(a3), 제4마디(d1)가 연계되어 움직일 수 있다. 이와 같은 회전형의 4절링크 구동부(110)를 선형 구동기와 비교해보면, 선형 구동기는 예컨대 1.5Hz, 50N의 힘을 가해줄 수 있는 스펙(spec)이 요구되는 경우 그 크기가 상대적으로 크며, 손에 유닛(20)의 하중이 그대로 작용되어 불편하고, 2자유도의 움직임을 위해 4개의 모터가 필요하게 되어 비효율적이다.
상기 6절링크(120)는 손가락의 PIP관절의 움직임을 위한 것으로서, 6절 구조로 구성되어 손가락의 첫번째 마디(l1)와 두번째 마디(l2) 사이에서 구동된다. 즉 상기 6절링크(120)의 각 마디들(d1,a3,a4,a5,a6,d2)은 상호 손등 위로 볼록한 구조로 순서대로 일렬로 연결되며, 조인트를 통해 회동 가능토록 결합될 수 있다. 상기 6절링크(120) 또한 상기 6절링크(120)의 첫번째 마디(d1)와 여섯번재 마디(d2) 사이의 손가락 일부과 함께 폐쇄된 회로를 구성하게 된다.
상기 6절링크(120)는 구조적으로 상기 4절링크(100)와 연계될 수 있다. 특히 상기 6절링크(120)의 첫번째, 두번째 마디가 별도로 구성되는 대신 상기 4절링크(100)의 제3마디(a3)와 제4마디(d1)와 공유될 수 있다. 즉 상기 6절링크(120)의 세번째 마디(a4)가 상기 4절링크(100)의 제2마디(a2)와 제3마디(a3) 사이의 조인트에 연결되며, 상기 4절링크(100)의 제3마디(a3)와 제4마디(d1)가 상기 6절링크(120)의 첫번째, 두번째 마디 역할을 겸할 수 있다. 상기 6절링크(120)의 세번째 마디(a4)는 상기 4절링크(100)와의 연계성 및 구조적 간소화를 위해 상기 4절링크(100)의 제2마디(a2)와 일자로 일체화될 수 있다.
상기 6절링크 구동부(130)는 위에서 4절링크 구동부(110)에 대하여 설명한 바와 같이 마찬가지로 회전 모터(132)와, 베벨 기어들로 구성될 수 있다. 상기 6절링크 구동부(130)는 상기 4절링크(100)의 제2마디(a2) 위에 설치되고 상기 6절링크(120)의 세 번째 마디(a4)와 네번째 마디(a5) 사이의 조인트인 구동 조인트(122)에 연결될 수 있다.
이와 같이 PIP관절 움직임을 위한 링크가 4절,5절링크가 아닌 6절링크(120)로 구성되고, 아울러 4절링크(100)와 6절링크(120)의 일부가 공유되어 4절링크(100)와 6절링크(120)의 조합으로 구성되는 경우, 전체적인 링크 길이가 줄어들 수 있고, 손가락의 MCP관절 및 PIP관절의 회동 범위가 0도에서 80도 정도까지 넓게 확보될 수 있다. 따라서 손가락의 MCP관절 및 PIP관절의 움직임이 보다 자유롭고 정확하게 제어될 수 있다.
상기 끝마디 링크(140)는 손가락의 DIP관절의 움직임을 위한 것이다. 특히 상기 끝마디 링크(140)는 상기 4절링크(100) 또는 6절링크(120)처럼 별도 구동부에 의해 구동되는 대신 탄성력을 이용하여 보다 간소하게 구동될 수 있다. 즉 상기 끝마디 링크(140)는 4개의 마디로 이루어져 손가락의 두번째 마디(l2)와 세번째 마디(l3) 사이에서 상측으로 볼록한 구조로 구성될 수 있다. 상기 끝마디 링크(140)의 첫번째 마디는 상기 6절링크(120)의 여섯번째 마디(d2)에 고정되어 상기 6절링크(120)와 연계될 수 있다. 상기 끝마디 링크(140)의 두번째와 세번째 마디 사이의 조인트에는 탄성력에 의해 손끝을 항상 손등 쪽으로 잡아당겨 펼칠 수 있도록, 토션 스프링(미도시)이 구비될 수 있다.
위와 같은 각 세트의 링크들(100,120,140)은 손가락의 굴곡, 신전 움직임 범위 및 자유도를 보장할 수 있도록 설계되어야 한다. 도 8을 참조하여, 상술한 각 세트에 대한 구체적인 설계를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
상기 각 세트를 비교예로서 예컨대 a1=70mm, a2=45mm, a3=44mm, a4=30mm, a5=25mm, a6=30mm, ψ=30°로 설계하고, 시간에 따라 MCP관절과 PIP관절의 각도를 변화시키면서 그에 따른 링크길이의 변화를 측정한 가상실험의 결과를 보면, 도 8a에 나타난 바와 같이 작은 손의 경우 예컨데 손가락 길이가 l1=45mm, l2=25mm, l3=15mm일 때 손가락의 굴곡, 신전에 따른 시간에 대한 a3 및 a4의 길이가 변하지 않는 것을 알 수 있다. 하지만, 도 8b에 나타난 바와 같이 큰 손의 경우 예컨데 손가락 길이가 l1=40mm, l2=40mm, l3=30mm일 때, 손가락의 MCP관절과 PIP관절이 같이 움직일 때 a6의 길이가 일정하지 않고 크게 변하는 것을 알 수 있다. 반면, 상술한 비교예와 달리 a3=45mm, a4=46mm로 변경한 경우 도 8c에 도시된 바와 같이 큰 손과 작은 손 모두를 만족시키는 움직임을 만들 수 있어 다양한 손 크기의 변화에 대처할 수 있음을 알 수 있고, 또한 a6의 길이가 변하지 않고 일정하게 유지될 수 있음을 알 수 있다.
도 9 내지 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 착용부(150), 측정부(170)가 상세히 도시된 도면이다.
도 9 내지 도 13을 참조하면, 상기 각 세트는 상술한 링크들(100,120,140)과 손가락을 연결할 수 있도록 상기 각각의 링크와 결합되며 상기 손가락에 착용되는 착용부(150)를 포함한다. 상기 착용부(150)는 자력을 이용하여 상기 링크들(100,120,140) 및 손가락에 자유롭게 착탈될 수 있도록, 손가락에 착용되는 손가락 끼움부(152)와, 링크 결합부(154)와, 자석(예컨대, 네오디움 자석 등)(156)을 포함할 수 있다. 상기 착용부(150)의 손가락 끼움부(152)는 손가락에 끼워져 테이핑될 수 있도록 집게형으로 형성될 수 있다. 따라서 상기 착용부(150)는 손가락에 용이하게 착탈되는 것은 물론, 정확한 위치에 흔들리지 않고 견고하게 착용될 수 있다. 상기 착용부(150)의 손가락 끼움부(152)는 다양한 재질로 형성될 수 있으나, 실리콘으로 형성되는 것이 보다 바람직하다. 따라서 상기 착용부(150)의 손가락 끼움부(152)는 착용감이 부드러워 피부 자극이 없으며, 손가락 굵기에 탄력적으로 대처할 수 있고, 반복 사용에도 충분한 내구성을 가질 수 있다. 상기 착용부(150)의 링크 결합부(154)는 특히 상기 링크들(100,120,140)과 끼움 결합될 수 있는 구조로 구성될 수 있다. 즉 상기 링크들(100,120,140)의 착용부(150) 측 끝단에는 상기 착용부(150)와의 착탈을 위한 끼움부(104,124)가 구성되며, 상기 링크들(100,120,140)의 끼움부는 ㄷ자형 구조5로 구성될 수 있다. 상기 착용부(150)의 링크 결합부(154)는 상기 링크들(100,120,140)의 ㄷ자형 끼움부(104) 중간에 끼워질 수 있도록 ㄱ자형 등의 갈고리 부분(154a)을 포함할 수 있다. 이와 같이 상기 착용부(150)와 상기 링크들(100,120,140)이 단순히 자력만으로 결합되지 않고, 기구적 구조를 이용하여 보다 안정적이고 견고하게 결합될 수 있다. 상기 착용부(150)의 자석(156)은 상기 착용부(150)의 링크 결합부(154) 중 끝단 외측면에 안착될 수 있다. 상기 링크들(100,120,140) 측 자석(105)은 상기 링크들(100,120,140)의 끼움부의 내측면에 안착되는데, 상기 착용부(150)와 상기 링크들(100,120,140)의 결합시 상기 착용부(150)의 자석(156)과 맞닿는 부분에 안착될 수 있다. 한편 상기 착용부(150)의 링크 결합부(154)는 상기 갈고리 부분의 손가락 끼움부(152) 측 끝단에 일체로 구성되어 상기 손가락 끼움부(152)의 일부분에 내장되는 실리콘 지지부분(154b)을 더 포함할 수 있다. 상기 실리콘 지지부분(154b)은 상기 손가락 끼움부(152) 중 상기 실리콘 지지부분(154b)이 내장되는 부분의 형상에 대응하여 형성될 수 있다. 이때 상기 착용부(150)의 손가락 끼움부(152)는 몰드(mold)를 이용하여 상기 착용부(150)의 링크 결합부(154)와 일체로 결합될 수 있다.
일반적으로 메커니즘을 이용한 재활/ 치료시 착용성, 내구성, 착용감, 손가락 크기에 대한 적응성, 안정성 등이 중요하게 고려된다. 즉 착용성은 환자가 메커니즘을 착탈할 때 걸리는 시간을 기준으로 하며, 내구성은 메커니즘 자체의 내구도 및 마모 정도, 착용감은 장시간 착용에 의한 통증 발생여부, 적응성은 다양한 손 크기에 대한 수용범위 등을 기준으로 하는데, 상기 착용부(150)는 부드러운 실리콘 재질이며 자력에 의해 착탈되는 등의 방식이기 때문에 착용성, 내구성, 착용감 및 적응성,안정성 측면에서 유리하다.
상기 각 세트는 상기 링크들(100,120,140)과 상기 손가락 간 힘 전달을 측정하는 측정부(170)를 포함한다. 상기 측정부(170)는 다양한 메커니즘으로 이루어질 수 있는데, 도시된 바와 같이 간소하게 로드셀(load cell)로 이루어질 수 있다. 상기 측정부(170)는 손가락과 상기 링크들(100,120,140) 간 힘 전달을 보다 정확히 측정할 수 있도록 상기 링크들(100,120,140)의 끼움부에 설치될 수 있다. 이와 같은 측정부(170)는 상기 링크들(100,120,140)의 끼움부 중 상기 링크들(100,120,140)의 자석과 대향되는 부분, 즉 상기 링크들(100,120,140)의 자석과 반대쪽에 설치될 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시 예에 따른 손 재활을 위한 착용형 메커니즘은 다음과 같이 손 기능 평가 및 재활/ 치료를 위한 시스템을 이룰 수 있다. 즉 상기 시스템은 테이블(200)과, 상기 회전 모터(112,132), 측정부(170) 등의 전원 공급을 위한 전원 어댑터(210)와, 제어모듈(220)과, 상기 측정부(170) 및 구동부들(110,130)의 구동을 위한 드라이버(230)와, 손 기능 평가 결과 내지 재활/ 치료 상태 등을 보여주기 위한 모니터(240) 등을 포함할 수 있다.
상기 테이블(200)은 상기 손 재활을 위한 착용형 메커니즘을 이용하여 손 기능을 평하고 재활/ 치료하기에 편리한 구조라면 어떠한 것이든 사용될 수 있다. 예컨대 상기 테이블(200)의 상판 위에는 상기 손 재활을 위한 착용형 메커니즘이 설치될 수 있고, 상기 테이블(200)의 상판은 높이 조절 가능한 구조일 수 있으며, 그 상판 아래에는 상기 전원 어댑터(210) 및 제어모듈(220), 드라이버(230) 등이 탑재될 수 있는 서랍칸이 구성될 수 있고, 그 상판 위 앞쪽 부분에는 상기 모니터(240) 등을 일정 높이로 받치는 모니터(240) 받침대가 구성될 수 있다. 상기 테이블(200)은 이동이 용이토록 바퀴가 달린 구조로 구성될 수 있다.
상기 제어모듈(220)은 손 기능 평가 및 그에 따른 재활, 치료 과정 등을 통합적으로 제어한다. 즉 상기 제어모듈은 상기 측정부(170)의 데이터 및 상기 구동부들(110,130)의 데이터, 그리고 그 밖의 데이터 등을 입력받아 처리하고, 이로부터 손 기능을 평가하며, 평가 결과에 따라 재활/ 치료가 진행될 수 있도록 측정부(170) 및 구동부들(110,130)의 구동을 위한 드라이버를 제어하는 것을 주 목적으로 한다.
상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명의 일 실시 예에 따른 손 재활을 위한 착용형 메커니즘의 작동을 상세히 살펴보면, 다음과 같다.
도 16을 참조하면, 상기 착용부(150)를 손가락의 각 마디 중간쯤에 각각 끼우고, 상기 각각의 착용부(150)를 상기 4절링크(100), 6절링크(120), 끝마디 링크(140)와 일체로 결합시킨다. 이와 같은 상태에서 상기 4절링크 구동부(110) 및/또는 상기 6절링크 구동부(130)를 구동시켜 손가락을 수의적, 불수의적 또는 보조적으로 움직일 수 있다. 또한 손가락을 스스로 움직이게 하며, 이때 손가락 움직임을 상기 4절링크 구동부(110) 및 상기 6절링크 구동부(130)가 따라갈 수 있다. 즉 상기 4절링크 구동부(110) 및 상기 6절링크 구동부(130)의 구동력 또는 환자 자력 또는 상기 4절링크 구동부(110) 및 상기 6절링크 구동부(130)의 구동력 보조를 받는 환자 자력에 의해, 도 16a에 도시된 바와 같이 손가락을 일자로 펼치거나, 도 16b에 도시된 바와 같이 손가락의 MCP관절만 굽히거나, 도 16c에 도시된 바와 같이 손가락의 PIP관절만 굽히거나, 도 16d에 도시된 바와 같이 손가락의 DIP관절만 굽히거나, 도 16e에 도시된 바와 같이 손가락 관절을 모두 굽히면, 4절링크(100) 및 6절링크(120), 끝마디 링크(140)가 손가락 움직임과 연동된다.
상술한 메커니즘의 작동을 모듈에 따라 보다 세분화하여 설명하면 다음과 같다.
수의적 움직임 모듈의 경우 즉 전적으로 손가락을 스스로 움직이는 경우, 손가락 움직임을 측정하여 환자의 움직임을 측정할 수 있도록 한다. 이때 상기 4절링크(100) 및 6절링크(120)가 손가락의 수의적 움직임에 연동될 수 있도록 상기 4절링크 구동부(110) 및 상기 6절링크 구동부(130)가 상기 4절링크(100) 및 6절링크(120)의 움직임을 구속하지 않도록 한다.
불수의적 움직임 모듈의 경우, 정해진 쥠/폄 동작 등에 대한 손가락 관절 궤적을 정해놓고 이에 따라 상기 구동부들(110,130)의 구동력에 의한 링크들(100,120,140)의 움직임에 의해 손가락이 움직일 수 있도록 한다. 정해진 쥠/폄 동작 등의 움직임은 정상인의 움직임을 측정하고 그 궤적 정보를 이용하되, 사용자의 손 크기를 고려하고 움직임 변이(motor variability)를 고려하여 정할 수 있다.
보조적 움직임 모듈의 경우, 상술한 바와 같이 측정한 손 기능 평가 결과에 따라 손가락이 움직이는 방향으로 보조힘을 줄 수 있도록 상기 4절링크(100) 및 상기 6절링크(120)를 구동한다. 수의적 기능처럼 사용자의 움직임을 따라 가지만, 움직임방향으로 특정 힘을 줄 수 있으며, 가해주는 힘의 크기는 환자의 상태, 손 기능에 따라 결정된다.
한편 이와 같은 메커니즘을 이용하여 환자 개별적으로 손 기능을 평가하고, 평가된 손 기능 결과를 기초로 상기 메커니즘 각각의 모듈이 환자 개별적으로 설정, 실행될 수 있도록 상기 메커니즘의 알고리즘을 구성할 수 있다. 예컨대, 손 기능을 평가하는 지표로서 손가락 경직도(spasticity)와 다수지 공동성(multi-digit synerge) 및 수지 독립성(finger independence) 등을 설정하고, 상기 손 기능 평가 지표들을 상기 4절링크 구동부(110) 및 6절링크 구동부(130)의 데이터, 상기 측정부(170)의 데이터, 손가락의 MCP관절각도인 θMCP와, PIP관절각도인 θPIP 데이터 등을 활용하여 정량적으로 측정하며, 정량적으로 측정한 손 기능 평가 데이터에 의해서 상기 4절링크 구동부(110)와 상기 6절링크 구동부(130)의 구동력 등을 환자 개별적으로 제어할 수 있다. 또한 이와 같이 환자 개별적으로 측정한 손 기능 결과 기초로 재활/물리치료 효과 등을 확인할 수 있다.
상술한 손가락의 MCP관절각도인 θMCP 와, PIP관절각도인 θPIP는 도 17를 참조하면, 다음과 같이 삼각함수 원리에 의해 산출될 수 있다. 이때, a1,a2,a3,a4,a5,a6,d,ψ는 상기 4절링크(100) 및 6절링크(120)의 설계인자로서 알려진 값이며, θ1,θ2는 각각 상기 4절링크 구동부(110), 6절링크 구동부(130)의 데이터를 통해 측정될 수 있는 값이다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10; 베이스 20; 유닛
100; 4절링크 110; 4절링크 구동부
120; 6절링크 130; 6절링크 구동부
140; 끝마디 링크 150; 착용부
170; 측정부 200; 테이블
210; 전원 어댑터 220; 제어모듈
230; 드라이버 240; 모니터

Claims (9)

  1. 손가락의 MCP관절의 움직임을 위해 MCP관절과 PIP관절 사이의 손가락 첫번째 마디와 손등 쪽 사이에서 구동되는 4절링크와;
    상기 4절링크에 연결되어 상기 4절링크를 구동하는 4절링크 구동부;
    손가락의 PIP관절의 움직임을 위해 손가락의 첫번째 마디와 두번째 마디 사이에서 구동되며, 상기 4절링크와 연계되는 6절링크;
    상기 6절링크에 연결되어 상기 6절링크를 구동하는 6절링크 구동부;
    상기 6절링크와 연계되며 손끝마디에 연결되어 손끝이 펼쳐질 수 있도록 당겨주는 끝마디 링크;
    상기 링크들과 손가락을 연결할 수 있도록 상기 각각의 링크와 결합되며 상기 손가락에 착용되는 착용부들; 및
    상기 링크들과 상기 손가락 간 힘 전달을 측정하는 측정부를 포함하는 손 재활을 위한 착용형 메커니즘.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 4절링크의 손등 쪽 끝단은 손등에 착용되는 손등 착용부에 연결되며,
    상기 4절링크 구동부는 상기 손등 착용부와 손등 쪽을 기준으로 상기 4절링크의 손등 쪽 제1마디에 의해 지지되도록 설치되고 상기 4절링크의 제1,제2마디 사이의 조인트에 연결될 수 있도록 구성되는 손 재활을 위한 착용형 메커니즘.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 4절링크는 손등 쪽에서 손가락의 첫번째 마디를 향해 순서대로 연결되는 제1~제4마디를 포함하며;
    상기 6절링크는 손가락의 첫번째 마디에서 두번째 마디를 향해 순서대로 연결되는 6개의 마디를 포함하며, 첫번째, 두번째 마디는 상기 4절링크의 제3,4마디와 공유되고, 세번째 마디는 상기 4절링크의 제2마디와 일자로 일체화되고;
    상기 6절링크 구동부가 상기 4절링크의 제2마디 위에 설치되고 상기 6절링크의 세번째, 네번째 마디 사이의 조인트에 연결될 수 있도록 구성되는 손 재활을 위한 착용형 메커니즘.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동부들은 상기 링크들의 마디들 간 조인트를 회전시키는 베벨기어를 포함하는 손 재활을 위한 착용형 메커니즘.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 끝마디 링크는 4개의 마디로 이루어져 끝단이 상기 6절링크에 연결되며, 두번째와 세번째 마디 사이에 토션 스프링이 구비되는 손 재활을 위한 착용형 메커니즘.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 착용부는 손가락에 착용되는 손가락 끼움부와, 상기 링크들과 끼움 결합되는 링크 결합부와, 상기 링크들과 자력에 의해 착탈될 수 있도록 상기 링크 결합부에 설치되는 자석을 포함하며;
    상기 손가락 끼움부는 손가락에 끼워져 테이핑될 수 있도록 집게형으로 형성되며, 실리콘으로 형성되고;
    상기 링크 결합부는 상기 링크들의 끝단에 구비되는 ㄷ자형 끼움부에 끼움 결합될 수 있도록 갈고리 형태로 형성되는 손 재활을 위한 착용형 메커니즘.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 링크들의 끼움부에는 상기 측정부를 이루는 로드셀이 설치되는 손 재활을 위한 착용형 메커니즘.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 엄지손가락 측 세트은 엄지손가락을 자유롭게 벌리거나 붙일 수 있도록 나머지 손가락 측 세트에 대하여 회동 가능토록 결합되는 손 재활을 위한 착용형 메커니즘.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 링크들을 포함하는 손등에 착용되는 유닛은 손을 받치는 베이스에 회동 가능토록 결합되는 손 재활을 위한 착용형 메커니즘.
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