KR20190110784A

KR20190110784A - 협조운동을 위한 손 재활 로봇 시스템

Info

Publication number: KR20190110784A
Application number: KR1020180032659A
Authority: KR
Inventors: 이연정; 박윤근; 이용찬; 이영상
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2018-03-21
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2019-10-01
Also published as: KR102036288B1

Abstract

본 발명에 따르는 협조운동을 위한 손 재활 로봇 시스템은, 환자의 손가락에 끼워지는 골무들; 상기 골무들 중 미리 정해둔 둘 이상의 골무를 감싸 하나 이상의 루프를 형성하는 굴곡 와이어; 상기 골무들 각각과 연결되어 신장 방향의 힘을 전달하는 신장 와이어들; 상기 굴곡 와이어와 상기 신장 와이어들 각각과 연결되어 상기 와이어들을 당기거나 푸는 모터들; 상기 모터들의 구동횟수를 센싱하는 인코더들; 상기 굴곡 와이어와 상기 신장 와이어들 각각에 대한 장력을 센싱하는 로드셀들; 및 상기 인코더들의 센싱정보와 상기 로드셀들의 센싱정보를 이용하여 상기 골무들의 위치를 산출하고, 상기 위치들이 미리 정해둔 위치들로 이동되도록 상기 모터들을 하나 이상 선택적으로 구동하여 상기 환자의 손가락에 대한 굴곡 또는 신장 운동을 실행하는 제어장치;를 구비함을 특징으로 한다.

Description

협조운동을 위한 손 재활 로봇 시스템{Hand Rehabilitation System for Task-Oriented Therapy}

본 발명은 재활 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 협조운동을 위한 손 재활 로봇 시스템 및 방법에 관한 것이다.

2015년 통계청 자료에 따르면 한국의 65세 이상 노인 인구는 657만 명으로 2010년 대비 121만 명이 증가했으며 그 비율은 증가하고 있고, 뼈의 약화와 뇌졸중에 의한 관절 구축과 같은 질병을 앓고 있는 고령 인구도 증가하고 있는 추세이다 (인구주택총조사: 고령인구 규모 및 추이, 통계청, 2015., 국민건강통계: 뇌졸중 의사진단경험률 추이, 보건복지부, 2015., 노인실태조사: 노인(65세 이상)의 성별 만성질환의 본인인지 유병률 및 의사진단율, 보건복지부, 2014., 골절에 관한 건강보험 및 의료급여 심사결정자료 분석: 골절 연도별 총진료비 추이, 건강보험심사평가원, 2014.). 이러한 환자들은 후유증과 질병 자체를 이유로 완전히 회복되기 어렵다.

상기 후유증에는 운동이 비정상적으로 제한되는 관절 구축 또는 상지 부위, 하지 또는 얼굴 부위의 강도가 감소되는 편마비가 포함된다. 상기 관절 구축 또는 편마비와 같은 후유증은 오랫동안 제대로 운동하지 않은 관절이 경화되어 운동 능력이 감소하는 것이 원인이다. 이에 상기 후유증에 대한 치료는 열, 전기 또는 기계적인 힘을 이용한 점진적이고 반복적인 재활 치료와 같은 물리 치료가 요구된다. 또한 후유증의 발생 시기에 따라 전용 재활 치료사가 요구될 수도 있다.

그러나 치료사의 부족으로 인해 치료받지 못한 환자의 수는 증가하고 있다(나은우 외 21명, “뇌졸중 재활치료를 위한 한국형 표준 진료 지침 2012,” 대한뇌신경재활학회, Vol. 7, Suppl. March. 2014., 백남종, “편마비 환자의 재활,” 대한임상신경생리학회지, Vol3, No. 2, 2001.).

더욱이 우선 순위가 높은 부분에 대해 적시의 치료가 이루어지는 동안에도 손목이나 손가락 등 상대적으로 우선순위가 낮은 신체부위는 무시되거나 뼈나 연골같은 말초 조직도 경화하여 관절 경직이 발생하기도 하였다.

일반적으로 재활치료는 증상의 정도에 따라 다르며, 환자가 마비된 부분을 움직이지 못할 때에는 재활 치료사가 환자 대신 움직여 주거나 재활 치료사가 환자의 동기와 반대 방향으로 장시간 반복적으로 하중을 가하여 치료한다.

근래에는 재활 치료 서비스의 수요를 충족하기 위해 재활 치료의 반복성을 적용한 로봇 기반 재활 치료 보조 서비스가 제안되고 있고, 이러한 재활 보조 시스템의 개발 및 효과에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다(서한길, 범재원, 오병모, 한태륜, “편마비 환자에서 로봇 보조 상지 재활 치료의 효과,” Brain and NeuroRehabilitation, Vol. 7, No. 1, pp. 39-47, March 2014.).

도 1은 재활 치료를 위해 환자의 신체부위에 따라 상이한 움직임을 적용하는 것을 예시한 것으로, 이는 재활 치료에서 환자의 운동기능을 평가하는 수단으로도 이용된다(Fugl-Meyer, A. R., Jaasko, L., Leyman, I., Olsson, S., and Steglind, S. , “The post-stroke hemiplegic patient,” Scand J Rehabil Med, Vol. 7, No. 1, Jan 1975.).

상기한 움직임은 크게 두 가지 키 모션으로 분류되며, 이는 도 2에 도시한 바와 같다. 상기 첫번째 키 모션은 신체 부분들 사이의 각도를 변경하는 관절의 움직임인 굴곡/신장(flexion/extension)의 움직임이다. 그리도 두번째 키 모션은 장축의 주변의 몸체를 회전시키는 회내/회외(pronation/supination)의 움직임이다.

대부분의 재활치료에서 수행되는 움직임은 상기한 키 모션들로 수행되며, 특히 손의 움직임은 두가지 이상의 손가락이 협업하여 물체를 잡거나 젓가락을 들고 있는 것과 같은 작업을 수행하기 위해, 상기한 키 모션들과 협업 연습을 포함한다.

이제 재활 시스템의 경향을 설명한다.

도 3은 재활 치료를 지원하기 위해 개발된 다양한 형태와 특징을 가진 재활 시스템을 예시한 것이다. 이러한 재활 시스템은 적용 부위에 따라 상지와 하지, 손 등의 시스템으로 분류되며 착용 유형에 따라 착용형, 비착용형 및 외골격 형으로 분류할 수 있다. 도 4는 상기한 종래의 재활 시스템의 기능을 정리한 표를 도시한 것이다. 상기 도 3 및 도 4에서 항목 (a)는 착용할 수 없는 유선 기반의 상지 재활 시스템으로 3 DOF(Degrees of freedom)를 가지며, 비용이 적게 들고 와이어 작동의 장점으로 높은 DOF를 갖지만 부피가 크고 무겁다. 그리고 항목 (b)는 착용할 수 없는 하지 재활 시스템이며 사용자의 무릎 및 엉덩이의 굴곡/신장을 위한 것이며, 다른 시스템의 보조, 수동 또는 저항 훈련의 수행을 할 수 있는 동안 물리치료사의 능동 또는 수동 훈련과 저항 치료 훈련을 수행할 수 있으나, 이 역시 부피가 크고 무겁다. 그리고 항목 (c)는 손의 외골격 재활 시스템으로, EMG(electromyography) 신호를 사용하는 환자의 의지를 이해하고 환자가 특정 업무를 수행하도록 돕지만 동작 범위에 대한 DOF와 제한이 낮다. 그리고 항목 (D)는 착용할 수 있는 손의 재활 시스템으로 고압식 액추에이터를 사용하여 간단한 구조와 경량을 가지며, 부드럽게 동작한다. 그러나 그 동작은 비선형적이며 불확실성을 가진다. 또한 수학적 모델에 대한 일반적인 설명이 없기 때문에 수학적 모델을 기반으로 한 전통적인 제어 방법을 적용하기가 어렵다. 그리고 항목 (e)는 착용할 수 있는 손목 재활 시스템으로 무선이다. 이는 센서에 의한 손의 다양한 동적 정보를 측정하고 이를 기반으로 가상 현실에서 구현된 게임을 수행하여 재활 치료를 수행한다. 그러나 엑추에이터가 없으므로 손을 전혀 움직이지 못하는 환자에게는 적용되기 어렵다. 그리고 항목 (f)는 거의 모든 단계에서 재활을 허용하고 환자의 신체 특성에 맞게 조정할 수 있는 비 착용식 손 재활 시스템이나, 이는 부피가 크고 무겁고 비싼 문제가 있었다.

상술한 바와 같이 종래에는 다양한 기능을 갖춘 재활 시스템이 제안되고 개발되었으나, 고비용이며, 크고 복잡한 구조를 가지며, 제한된 유형의 동작 범위를 가지는 문제가 있었다.

이에 종래에는 작고 간결한 구조를 가지면서도 정밀하게 환자의 손가락의 동작을 제어하여 협조 운동을 가능하게 하는 기술의 개발이 절실하게 요망되었다.

더욱이 환자가 자신의 동작을 가상 현실 방식으로 확인할 수 있게 하여 더욱 효과적으로 재활 치료를 가능하게 할 수 있는 기술의 개발이 요구되었다.

대한민국 특허공개 제1020140142895호 대한민국 특허공개 제1020120133321호 대한민국 특허공개 제1020120139473호 대한민국 특허공개 제1020150111235호

본 발명은 환자의 손가락들에 끼워지는 골무들에 연결된 와이어들을 협조 운동을 위해 당기거나 풀어 상기 손가락들에 대한 굴곡 또는 신장 운동을 이행하여 작고 간결한 구조를 가지면서도 정밀하게 환자의 손가락의 동작을 제어하여 협조 운동을 가능하게 협조운동을 위한 손 재활 로봇 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명의 다른 목적은 상기 굴곡 또는 신장 운동을 이행하는 손가락의 모션을 센싱하여 가상현실로 뷰잉하여 환자에 의한 시각적인 자극과 손가락의 움직임을 일치시켜 재활 치료의 효과를 높이는 협조운동을 위한 손 재활 로봇 시스템을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 상기 와이어들에 의해 제어되는 골무들에 대한 위치를 역운동학에 따라 산출하여 상기 골무들에 대한 위치를 제어하는 협조운동을 위한 손 재활 로봇 시스템을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르는 협조운동을 위한 손 재활 로봇 시스템은, 환자의 손가락에 끼워지는 골무들; 상기 골무들 중 미리 정해둔 둘 이상의 골무를 감싸 하나 이상의 루프를 형성하는 굴곡 와이어; 상기 골무들 각각과 연결되어 신장 방향의 힘을 전달하는 신장 와이어들; 상기 굴곡 와이어와 상기 신장 와이어들 각각과 연결되어 상기 와이어들을 당기거나 푸는 모터들; 상기 모터들의 구동횟수를 센싱하는 인코더들; 상기 굴곡 와이어와 상기 신장 와이어들 각각에 대한 장력을 센싱하는 로드셀들; 및 상기 인코더들의 센싱정보와 상기 로드셀들의 센싱정보를 이용하여 상기 골무들의 위치를 산출하고, 상기 위치들이 미리 정해둔 위치들로 이동되도록 상기 모터들을 하나 이상 선택적으로 구동하여 상기 환자의 손가락에 대한 굴곡 또는 신장 운동을 실행하는 제어장치;를 구비함을 특징으로 한다.

본 발명은 환자의 손가락들에 끼워지는 골무들에 연결된 와이어들을 협조 운동을 위해 당기거나 풀어 상기 손가락들에 대한 굴곡 또는 신장 운동을 이행하여 작고 간결한 구조를 가지면서도 정밀하게 환자의 손가락의 동작을 제어하여 협조 운동을 가능하게 하는 효과를 야기한다.

또한 본 발명은 상기 굴곡 또는 신장 운동을 이행하는 손가락의 모션을 센싱하여 가상현실로 뷰잉하여 환자에 의한 시각적인 자극과 손가락의 움직임을 일치시켜 재활 치료의 효과를 높이는 효과를 야기한다.

또한 본 발명은 상기 와이어들에 의해 제어되는 골무들에 대한 위치를 역운동학에 따라 산출하여 상기 골무들에 대한 위치를 정밀하게 제어할 수 있게 하는 효과를 야기한다.

도 1은 재활 치료를 위해 환자의 신체 부위에 따라 상이한 움직임을 적용하는 것을 예시한 도면.
도 2는 재활 치료를 위한 키 모션을 도시한 도면.
도 3은 재활 치료를 지원하기 위해 개발된 재활 시스템을 예시한 도면.
도 4는 도 3의 재활 시스템의 기능을 정리한 표를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 외관도.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 와이어 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 블록구성을 정리한 표를 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 블록구성도.
도 11은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 처리 절차도.
도 12 및 도 13은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 역 운동학적 모델링을 이행한 것을 예시한 도면.
도 14는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 로드셀 테스트 결과를 예시한 도면.
도 15는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 인코더 테스트 결과를 예시한 도면.
도 16은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 장력 제어 테스트 결과를 예시한 도면.
도 17은 손가락 끝의 경로와 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따라 와이어가 통과하는 위치를 도시한 도면.
도 18은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따라 역 운동학을 기반으로 계산된 와이어 길이 변화와 인코더에 측정된 실제 와이어 길이를 도시한 도면.
도 19는 4가지 유형의 그립 유형을 도시한 도면.
도 20은 다수의 그립을 위한 초기 외치와 최종 위치를 도시한 도면.
도 21은 다수의 그립을 위한 풀리의 위치를 나타낸 표를 도시한 도면.
도 22 및 도 23은 다수의 그립을 위한 와이어의 길이 변화를 예시한 도면.
도 24 및 도 25는 립 모션 센서로 측정된 데이터와 이를 바탕으로 표시한 환자의 가상 손과 가상 탄성체를 예시한 도면.
도 26은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 외관도.
도 27 및 도 28은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 와이어 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 29는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 블록구성을 정리한 표를 도시한 도면.
도 30은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템을 메델링한 도면.
도 31은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 로드셀 실험결과 그래프를 도시한 도면.
도 32는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 인코더 실험결과 그래프를 도시한 도면.
도 33은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 장력 제어 실험 결과를 도시한 도면.
도 34 및 도 35는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 역 운동학에 대한 실험 결과를 도시한 도면.
도 36 내지 도 39는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 다양한 구성에 대한 실험 결과를 도시한 도면.
도 40 내지 도 41은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 가상 현실 인터페이스에 대한 실험 결과를 도시한 도면.
도 42는 본 발명의 바람직한 제1 및 제2실시예에 따르는 KUREHAND-I 및 II 시스템의 사양을 나타낸 표를 도시한 도면.
도 43은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따라 와이어 장력을 측정하는 로드셀의 구조를 도시한 도면.

본 발명은 환자의 손가락들에 끼워지는 골무들에 연결된 와이어들을 협조 운동을 위해 당기거나 풀어 상기 손가락들에 대한 굴곡 또는 신장 운동을 이행하여 작고 간결한 구조를 가지면서도 환자의 신체적 특성에 따라 독립적이고 정밀하게 환자의 손가락의 동작을 제어하여 협조 운동을 가능하게 한다.

또한 본 발명은 상기 굴곡 또는 신장 운동을 이행하는 손가락의 모션을 센싱하여 가상현실로 뷰잉하여 환자에 의한 시각적인 자극과 손가락의 움직임을 일치시켜 재활 치료의 효과를 높인다.

또한 본 발명은 상기 와이어들에 의해 제어되는 골무들에 대한 위치를 역운동학에 따라 산출하여 상기 골무들에 대한 위치를 정밀하게 제어하는 할 수 있게 한다.

이러한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 재활 시스템은, 이하 KUREHAND (Kyungpook national university’s Universal REhabilitation system for HAND) 시스템으로 칭한다.

본 발명의 KUREHAND 시스템은 둘 이상의 손가락의 굴곡 및 신장운동을 동시에 이행하는 KUREHAND-I 시스템과 손가락 각각에 대해 굴곡 및 신장운동을 이행하는 KUREHAND-II 시스템으로 나뉘며, 이하 설명에서는 KUREHAND-I 시스템과 KUREHAND-II 시스템을 나누어 설명한다.

<제1실시예 : KUREHAND-I 시스템>

먼저 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 구성 및 동작에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

<KUREHAND-I 시스템의 기구적인 구성>

도 5는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 외관을 예시한 도면이다. 상기 KUREHAND-I 시스템은 메인 프레임(10), 다수의 골무(20), 다수의 와이어(30), 다수의 풀리(40), 다수의 모터 및 로드셀 센서(50), 립모션 센서(60), 미도시된 제어장치를 포함한다.

상기 메인 프레임(10)은 큐브 형태를 가지며, 내부에는 상기 다수의 골무(20)가 위치하며, 상기 다수의 골무(20)는 본 발명의 바람직한 제1실시예에서는 엄지, 검지, 중지의 재활 치료를 위해 세 개가 구비될 수 있다. 상기 다수의 골무(20) 각각에는 환자의 세 손가락이 끼워지며, 상기 다수의 골무(20)는 환자의 손가락 각각에 신장 또는 굴곡을 위한 물리적인 힘을 전달하여 환자의 손가락 재활치료를 이행한다.

상기 다수의 골무(20)는 다수의 와이어(30)를 통해 다수의 모터 및 로드셀 센서(50)와 연결되며, 상기 다수의 와이어(30)는 상기 다수의 모터를 통해 생성된 힘 에너지를 상기 다수의 골무(20)로 전달한다. 그리고 상기 다수의 모터 및 로드셀은 상기 다수의 와이어(30)에 가해지는 인장력과 모터 구동수를 센싱하여 상기 제어장치에 제공한다.

상기 메인 프레임(10)의 내측에는 다수의 풀리(40)가 위치하며, 상기 다수의 풀리(40)는 상기 다수의 모터 및 로드셀 센서(50)와 다수의 골무(20) 사이에 연결된 다수의 와이어(30)의 힘 에너지 전달 경로를 전환하며, 이는 상기 다수의 와이어(30) 각각이 손가락 관절의 신장 또는 굴곡을 위해 적절한 위치에서 다수의 골무(20)로 힘 에너지를 전달할 수 있게 한다.

상기 메인 프레임(100)의 하부면에는 적외선 센서인 립 모션 센서(60)가 위치하며, 상기 립 모션 센서(60)는 상기 메인 프레임(10)의 내부 공간에 삽입된 손 및 손가락의 형상을 센싱하고 그에 따른 센싱정보를 제어장치로 제공한다.

상기 제어장치는 상기 손 및 손가락의 형상에 대한 센싱정보와 상기 다수의 와이어(30)에 가해지는 인장력에 대한 센싱정보, 상기 다수의 모터의 모터 구동수를 제공받아 환자의 손가락, 즉 골무의 위치를 역 운동학에 따라 검출하고, 검출된 골무의 위치 변화에 따라 모터의 구동을 제어함으로써 환자의 움직임 상태를 반영하여 정밀하게 재활 치료를 이행하게 한다.

또한 상기 제어장치는 상기 손 및 손가락의 형상에 대한 센싱정보와 상기 다수의 와이어(30)에 가해지는 인장력에 대한 센싱정보, 상기 다수의 모터의 모터 구동수를 제공받아 재활 치료에 따른 손가락의 움직임을 가상현실 이미지로 생성하고, 이를 미도시된 디스플레이를 통해 출력하여 환자 또는 재활치료사의 재활 치료 과정의 이해를 돕는다.

또한 상기 제어장치는 미도시된 사용자 인터페이스를 통한 환자 또는 물리치료사의 명령에 대응되게 상기 다수의 모터를 구동하여 환자의 손가락에 대한 재활 치료를 이행한다.

<와이어 구조>

상기한 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 와이어 구조에 대해 좀더 상세히 설명한다.

하나의 손가락의 관절은 굴곡/신장(flexion/extension)의 두가지 관절 운동을 수행한다. 이러한 관절을 독립적으로 구부리거나 늘리기 위해 와이어를 감아서 인장력을 발생시키는 데에는 2개의 와이어와 2개의 액츄에이터가 요구된다. 따라서 3개의 손가락을 독립적으로 구부리거나 신장시키기 위해서는 6개의 와이어와 6개의 액츄에이터가 요구된다.

그러나 본 발명의 KUREHAND-I 시스템은 재활 시스템에 요구되는 액츄에이터의 수를 줄이기 위해 새로운 멀티 와이어 구조를 가지며, 이는 도 6 내지 도 8에 개략적으로 도시하였다. 도 6은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 와이어 구조에 따라 손가락을 굴곡하는 하는 과정을 예시하였고, 도 7은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 와이어 구조에 따라 손가락을 신장하는 과정을 예시하였고, 도 8은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 와이어 구조의 실제 구현예를 예시한 것이다.

본 발명은 3개의 손가락을 독립적으로 구부리거나 신장하기 위해 4개의 와이어(31 내지 34)와 4개의 액츄에이터(51 내지 54)를 구비한다. 즉, 각 손가락을 광범위하게 바깥으로 움직이게 하는 3개의 신장 와이어(32 내지 34)와 안쪽으로 당기기는 하나의 굴곡 와이어(31)가 구비된다.

상기 3개의 신장 와이어(32 내지 34) 각각은 손가락에 의해 지시된 방향과 직교하는 방향으로 손가락을 당겨 손가락을 편다.

그리고 상기 하나의 굴곡 와이어(31)는 엑추에이터의 수를 줄이기 위해 손가락들을 감싸서 루프를 형성한다. 즉, 상기 굴곡 와이어(31)는 엄지와 중지를 감싸는 루프, 엄지와 검지를 감싸는 루프를 형성하고, 굴곡 와이어의 끝은 엄지 손가락에 고정되며, 상기 굴곡 와이어(31)가 풀리에 의해 당겨지면 상기 손가락들을 감싸는 루프들의 둘레가 줄어들어 손가락들이 모여지게 된다. 상기 두개의 루프는 독립적으로 굴곡을 수행할 수 없으므로 두개의 손가락을 각각 감싸며, 세 손가락은 모두 하나의 루프로 감긴다.

이를 통해 세 손가락은 3개의 신장 와이어와 하나의 굴곡 와이어의 상호작용을 통해 독립적으로 구부러지거나 신장된다. 예를들어, 가운데 손가락만 휘게 하기 위해 엄지와 검지의 익스텐션 와이어의 길이를 고정하고 가운데 손가락의 익스텐션 와이어를 풀고 플렉션 와이어를 당길 수 있다.

<KUREHAND-I 시스템의 블럭 구성>

상기한 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 블럭 구성에 대해 좀더 상세히 설명한다.

도 9는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 블록구성을 정리한 표를 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 블록구성도를 도시한 것이다.

환자의 인체(100)는 뇌(102), 근육(104), 제1 내지 제3손가락(106,108,110)과 눈(112)을 구비한다. 상기 눈(112)은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템(200)에 의해 재활 치료 중인 손가락의 가상현실 영상정보를 입력받아 뇌(102)로 전달하고, 상기 뇌(102)는 실제 자신의 손가락들(106,108,110)을 근육(104)을 통해 움직이면서 상기 가상현실 영상정보를 입력받아 재활 치료를 수행한다.

상기 KUREHAND-I 시스템(200)은 크게 기구부(202)와 센서부(236)와 제어부(238)와 PC(222)와 스위치(230)로 구성된다.

상기 기구부(202)는 큐브 형태의 메인 프레임과, 상기 메인 프레임의 내부에 위치하며 환자의 제1 내지 제3손가락(106,108,110)에 끼워지는 제1 내지 제3골무(2041~2043)와, 상기 제1 내지 제3골무(2041~2043) 각각에 연결되어 손가락 관절의 신장방향으로 잡아당기거나 놓는 손가락 신장용 제1 내지 제3와이어(2061~2063)와, 상기 제1 및 제2골무(2041,2042)를 감싸는 루프와 제2골무(2042,2043)를 감싸는 루프를 형성하며 상기 루프들을 당겨 루프의 크기를 줄이거나 상기 루프들을 놓아 루프의 크기를 크게 하는 손가락 굴곡용 제4와이어(2064)와, 제1 내지 제4와이어(2061~2064)와 연결되어 상기 제1 내지 제4와이어(2061~2064)를 잡아당기거나 풀어주는 힘 에너지를 생성하는 제1 내지 제4모터(2101~2104)와, 상기 메인 프레임의 측면에 위치하여 상기 제1 내지 제4와이어(2061~2064)의 힘 에너지 전달경로를 전환하는 제1 내지 제4풀리(2081~2084)로 구성된다.

상기 센서부(236)는 상기 제1 내지 제4와이어(2061~2064)에 가해지는 압력을 센싱하는 제1 내지 제4로드셀(2121~2124)과, 상기 제1 내지 제4로드셀(2121~2124)로부터의 센싱신호를 AD 변환하여 MCU(232)에 제공하는 제1 내지 제4ADC(2141~2144)와, 상기 제1 내지 제4모터(2101~2104)의 구동수를 센싱하는 제1 내지 제4인코더(2161~2164)와, 상기 메인 프레임의 하측면에 위치하여 상기 환자의 손가락의 형태와 위치를 검출한 센싱정보를 생성하는 적외선 센서인 립모션부(220)로 구성된다.

상기 제어부(238)는 상기 제1 내지 제4로드셀(2121~2124) 및 제1 내지 제4인코더(2161~2164)로부터의 센싱신호에 따라 환자의 손가락끝, 즉 제1 내지 제3골무(2041~2043)의 위치를 역운동학에 따라 검출하고, 검출된 골무의 위치 변화에 따라 제1 내지 제4모터(2101~2104)의 구동을 제어함으로써 환자의 움직임 상태를 반영하여 정밀하게 재활 치료를 이행되게 하거나, 스위치(230)를 통한 환자 또는 물리치료사의 요청에 따라 상기 모터들의 구동을 제어하는 MCU(232)와, 상기 PC(222)와 MCU(232) 사이의 인터페이스를 위한 제2SCI(226)와, 상기 제1 내지 제4인코더(2161~2164)와 MCU(232) 사이의 인터페이스를 위한 제1SCI(218)와, 스위치(230)와 MCU(232) 사이의 인터페이스를 위한 GPIO(228)로 구성된다.

상기 PC(222)는 상기 립모션부(220)를 통해 제공되는 환자의 손가락의 형상 및 위치정보들과 상기 제어부(238)의 MCU(232)가 제공하는 제1 내지 제3골무(2041~2043)의 위치를 토대로 상기 환자의 손가락에 대한 가상현실 영상정보를 생성하고, 이를 디스플레이(224)를 통해 출력하여 환자 또는 물리치료사에게 안내한다.

상기 스위치(230)는 상기 환자 또는 물리치료사로부터의 각종 명령 또는 정보를 입력받아 상기 MCU(232)에 제공한다.

상기한 MCU(232)는 Syncworks TMS320F28335 모듈이 채용될 수 있고, 상기 제1 내지 제4모터(2101~210)는 ROBOTIS 서보 모터 MX64-R가 채용될 수 있고, 상기 제1 내지 제4로드셀(2121~2124)은 KTOYO의 247C-5kg 로드셀이 채용될 수 있다. 특히 상기 와이어의 장력은 도 43에 도시한 바와 같이 부재가 와이어의 장력을 로드셀 방향으로 전달하는 형태의 로드셀 센서에 의해 측정되며, 와이어의 장력이 높으면 상기 부재가 로드셀을 더 힘껏 누르고 상기 와이어의 장력이 낮으면 상기 부재가 로드셀을 덜 누르게 형성된다. 이와 같이 본 발명은 와이어의 장력이 로드셀을 누르도록 하는 압축력으로 변환되어 측정된다.

<KUREHAND-I 시스템의 처리 과정>

상기한 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 처리 과정을 도 11을 참조하여 상세히 설명한다.

상기한 KUREHAND-1 시스템의 작동 모드는 자동 모드 또는 수동 모드를 구비하며, 상기 자동 모드에서는 미리 설정된 재활 치료를 위한 동작이 수행되도록 제1 내지 제3골무들이 움직이도록 제1 내지 제4모터들을 구동하며, 상기 수동 모드에서는 스위치 입력에 따라 제1 내지 제3골무들이 움직이도록 제1 내지 제4모터들을 구동한다.

상기 자동 모드에서 재활 치료는 환자의 상태에 따른다. 즉, 손을 전혀 움직일 수 없는 환자의 경우에는 위치 제어를 통해 특정 자세에 따라 손가락을 강제로 늘리거나 구부리는 등의 조정 운동을 통해 재활 치료를 이행한다. 이때 재활 치료사는 풀리들과 모터의 구동을 제어하여 환자의 손가락이 원하는 형태에 따라 움직임을 이행할 수 있게 할 수 있다.

손가락의 굴곡 과정을 좀더 설명한다. 특정 손가락을 굴곡하기 위해 손가락들을 감싸는 굴곡 와이어에 연결된 모터가 굴곡 와이어를 당겨 길이를 감소시키고, 굴곡 와이어의 길이가 감소함에 따라 굴곡 와이어의 장력이 커지고 손가락을 감싸는 고리의 지름이 작아져, 결과적으로 각 손가락에 연결된 신장 와이어가 신장되어 장력을 증가시킨다. 이때, 굴곡하고자 하는 손가락 이외의 나머지 손가락에 연결된 신장 와이어를 제어하는 모터는 정지되어 전선이 움직이지 않는다. 동시에, 굴곡될 손가락에 연결된 신장 와이어의 장력은 로드셀을 밀어주는 기구에 의해 압축력으로 변환되고 이 힘은 로드셀의 전기 신호로 변환된다. 이 신호는 인터페이스 회로를 통해 증폭되고 디지털화되어 MCU로 전달된다. 상기 MCU는 상기 로드셀의 출력 값을 와이어 장력에 대한 디지털 값과 비교하여 오차를 산출하고, 지글러 - 니콜스 법에 의해 얻어진 PD 파라미터 값에 의해 모터의 속도에 대한 출력을 산출한다. 상기 MCU는 상기 모터의 속도에 따른 출력값을 SCI 모듈을 통해 인터페이스 회로의 RS485 통신 인터페이스를 통해 모터로 전송한다. 또한 MCU는 일정한 간격으로 모터의 엔코더 값을 읽고, 이를 통해 상기 MCU는 손가락의 위치 변화를 추정한다. 이러한 방식으로, 손가락의 독립적인 굴곡동작 및 위치 제어가 가능하다.

그리고 손가락의 신장 과정을 좀 더 설명한다. 특정 손가락을 신장하기 위해 신장될 손가락을 제외한 다른 손가락에 대응되는 모터는 정지된 상태에서, 신장될 손가락에 대응되는 모터는 연결된 신장 와이어를 감는다. 이에 따라 손가락이 늘어남에 따라 손가락을 감싸는 굴곡 와이어의 길이가 늘어나고 장력이 증가한다. 이 장력은 MCU에 의해 일정한 장력이 유지되게 제어된다. 이러한 방식으로 손가락의 독립적인 신장 동작 및 위치 제어가 가능하다.

그리고 환자가 자신의 손을 움직일 수 있을 때에는 환자가 특정 작업을 수행 할 수 있도록함 으로써 작업 위주의 재활이 수행된다. 즉 손의 자세와 위치에 관한 데이터는 립모션을 통해 PC로 전송되고, 이 데이터를 바탕으로 게임 개발을 위한 소프트웨어인 Unity를 사용하여 환자의 손과 물체가 가상 공간에서 실현된다. 환자는 손가락을 구부려 가상 공간에서 물건을 잡아당겨서 연결된 전선의 장력을 바꾼다. 변경된 장력은 MCU에 의해 일정한 장력으로 유지됩니다.

상기 가상 공간에서, 환자의 손이 강체에 닿거나 탄성체가 파지되면, 손가락은 더이상 구부리지 못하거나 물체의 탄성에 따라 반력을 받을 수 있으므로, 이를 실현하기 위해 손에 물건이 닿았을 때의 정보나 탄성 물체의 가압 정도 등의 데이터를 PC가 MCU로 제공하면, MCU는 모터 정지 명령을 보내거나 장력을 높여 대상체의 탄성으로 인한 반력을 구현한다. 이와 같이 구현된 반력은 손을 통해 환자에게 피드백되어 환자가 실제로 물건을 들거나 탄성을 느끼고 작업 치료를 수행할 수 있게 한다.

상기 KUREHAND-I 시스템은 프로그램이 실행되면, TMS320F28335 칩의 주변 회로 SCI, ADC 등, MX64-R를 사전 설정 상태로 초기화하고(300단계), 규칙적인 간격으로 알고리즘을 반복하기 위해 타이머를 구동한다(302단계). 이후 상기 KUREHAND-I 시스템은 타이머 인터럽트가 발생되면(304단계), 환자 또는 재활치료사에 의한 수동 또는 자동모드 인터럽트가 발생되는지를 체크한다(306단계).

상기 환자 또는 재활치료사에 의한 자동모드로의 동작이 요청되면, 상기 KUREHAND-I 시스템은 현재의 인코더 값을 반환받기 위해 모터에 읽기 명령을 전송하고 처음에 수신된 데이터를 기반으로 손가락의 변위를 0으로 초기화한다(308단계). 이때 모터에 대한 리드 커맨드를 송수신하는 데에는 시간이 많이 걸리기 때문에 모든 모터가 아닌 하나의 모터로부터의 인코더 데이터만을 판독한다. 즉 메인 루프를 한번 실행하면 4개의 모터 중 하나의 모터에서만 인코더 데이터를 읽을 수 있으며 모든 모터의 인코더 데이터를 얻으려면 4개의 메인 루프를 실행되어야 한다. 상기 인코더 값을 수신한 후에, 상기 KUREHAND-I 시스템은 4개의 로드셀 각각에서 센싱신호를 20회 측정하고 측정된 데이터를 평균하여 노이즈를 필터링하여 와이어 텐션 데이터를 검출한다(310단계). 상기 와이어의 텐션이 미리 정해둔 오버 텐션이면, 상기 KUREHAND-I 시스템은 비상 정지를 이행하여 시스템과 환자를 보호한다(332단계). 이와 달리 상기 와이어 텐션이 오버 텐션이 아니면, 상기 KUREHAND-I 시스템은 이미 정해둔 재활 치료에 따라 환자의 손가락들을 움직이기 위한 출력값들을 순차적으로 산출하고(314단계), 상기 출력값들에 따라 모터들을 구동하여 환자의 손가락이 미리 정해둔 재활 치료에 따라 움직일 수 있게 한다(316단계). 즉 상기 KUREHAND-I 시스템의 PD 제어기는 획득된 텐션 데이터에 기초한 지글러 - 니콜스 방법을 사용하여 모터들의 구동 파라미터를 얻는다. 그리고 메인 루프의 모든 프로세스가 완료된 후, KUREHAND-I 시스템은 실험에 필요한 인코더 값 및 텐션 값과 같은 데이터가 다른 메모리 위치에 시간 순서대로 저장한다(318단계).

그리고 본 발명에 따르는 립모션(Leapmotion)의 데이터는 인터럽트 서비스 루틴에 의해 처리되며, 이는 전송 속도가 주 프로그램의 전송 속도에 비해 매우 느리기 때문이며, 이는 가상 현실에서 손가락이 탄성체를 얼마나 누르고 있는지에 대한 정보이다.

그리고 상기 환자 또는 재활치료사에 의한 수동모드로의 동작이 요청되면, 상기 KUREHAND-I 시스템은 모터를 턴 오프하여 대기 상태로 전환하여 스위치 입력에 따라 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다(320단계). 상기 KUREHAND-I 시스템은 환자가 스위치를 눌러 구동하고자 하는 모터를 선택하여 동작을 명령하면, 인터럽트 서비스 루틴에서 선택된 모터의 출력이 미리 설정된 속도로 모터로 전달되어, 와이어를 당기거나 풀어 손가락을 움직여 재활치료를 이행할 수 있게 한다(326단계).

이러한 재활치료중에 상기 KUREHAND-I 시스템은 와이어 텐션 데이터를 검출한다(322단계). 상기 와이어의 텐션이 미리 정해둔 오버 텐션이면, 상기 KUREHAND-I 시스템은 비상 정지를 이행하여 시스템과 환자를 보호한다(332단계).

<역 운동학에 따른 조정>

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템은 손의 다양한 조정 작업을 수행하도록 설계된다. 즉, 손가락에 착용하는 골무 모양의 메커니즘은 시스템의 최종 효과이며 시스템의 구성 상태에 따라 3차원 공간에서 다양한 동작을 가능하게 한다. 이에 따라 골무에 직접 힘을 전달하는 와이어는 그 방향으로 자유롭게 조절 가능해야 하며, 이를 위해 풀리의 위치가 조정된다. 즉 풀리의 위치와 와이어의 길이가 시스템의 엔드 이펙터의 동작 범위를 변경한다.

또한 와이어가 골무에 연결되기 전에 와이어가 통과하는 마지막 풀리만 와이어의 방향에 영향을 미치므로 나머지 풀리와 모터의 위치는 엔드 이펙터의 궤적에 영향을 미치지 않는다.

이러한 역 운동학에 따른 조정과정을 좀 더 설명한다.

<가정과 제약>

상기 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 역 기구학을 얻기 전에 3차원 공간에서 와이어 시스템으로 시스템을 모델링하기 위한 몇 가지 정의, 가정 및 제약 조건을 설명한다.

도 12는 3 차원 공간에서 KUREHAND-I 시스템의 기하학적 모델을 나타내며, 큐브 형태의 메인 프레임은 큐브로 모델링된다. 상기 도 12의 중앙에 있는 엔드 이펙터의 위치는 식 1와 같이 정의된다.

상기 수학식 1에서 Pt, Pi, Pm은 엄지, 중지 그리고 검지에 대한 골무의 위치를 나타낸다.

상기 골무는 반구 Rf로 가정하며, Pt, Pi, Pm는 메인 프레임 내부에 위치하며 수학식 2에 따른다.

그리고 와이어에 접하는 점과 전선이 통과하는 풀리는 수학식 3에 따라 정의된다.

3개의 신장 와이어와 하나의 굴곡 와이어는 구로 모델링된 각 골무와 접촉한다. 이 와이어들과 골무가 만나는 지점은 수학식 4에 따른다.

4개의 와이어 및 와이어의 길이

는 다음과 같이 정의된다. 이 와이어는 항상 적절하게 인장되고 탄성을 유지하며, 무게는 무시된다. 상기 와이어들의 위치

를 결정하는 와이어의 길이는 와이어의 실제 길이가 아니라 와이어가 통과하는 마지막 풀리에서 와이어의 끝까지의 길이다. 그리고 신장 와이어들의 길이

는

위치에서부터

위치까지의 길이로 정의된다. 그리고 굴곡 와이어의 길이

는

위치에 영향을 받은 엄지, 검지, 엄지, 중지의 순서로 감싸진 부분에 이르는

까지이다.

상기

에 의해 평면 S가 형성되면, 상기 평면 S는 수학식 5에 따라 표현될 수 있다.

이때, P4의 위치는 수학식 6 및 수학식 7에 따라 표현된다.

이는, 지점

의 위치는 평면 S에 위치하며, 직선

상에 존재하며, 세그먼트

상에 존재하지는 않는다. 이는 수학식 8에 따라 표현된다.

부가적으로

의 위치는

에 근접할 수 있으며, 왜냐하면

가

또는

에 평행할 때에 마찰력은 가장 작기 때문이다. 또한

는 꼭지점에 있는 삼각형

에만 존재할 수 있다. 이는 와이어가 항상 적절하게 인장된 것으로 가정하기 때문이다.

이는 수학식 9 및 10으로 표현될 수 있다.

<역 운동학>

상기 위치들

이 원하는 조정 운동에 따라 결정될 때에, 원하는 위치에서의 위치

를 위한 와이어의 길이

는 다음과 같다. 상기

는

와

사이의 거리에서 골무의 반지름을 뺀 것과 같으며, 이는 와이어가 항상 적절히 인장되어 있기 때문이다. 즉, 이는 수학식 11에 따라 획득된다.

그리고

의 길이는

에서

까지의 거리의 합과 같고, 각 손가락의 둘레의 길이는 엄지 손가락과 검지 손가락 사이의 거리의 두배이고, 엄지와 중지 사이의 거리의 두배이며, 이는 도 13에 도시한 바와 같다.

이는 세그먼트의 합과 호를 나타내며, 이는 수학식 12와 같다.

상기 수학식 12에서

는 지점

는 직각 삼각형을 형성하므로, 수학식 13에 따라 피타고라스 정리를 사용하여 획득된다.

그리고

와

가 평행하다고 가정하면,

는 수학식 14에 나타낸 바와 같이 0로 근접한다.

각

은

,

사이의 둔각과 같고, 각

은

과

에 의해 형성되는 둔각과 같다. 이는 수학식 15를 사용하여 쉽게 얻어질 수 있다.

상기한 역 운동학은 실험에 의해 검증될 수 있다.

<실험 결과>

이제 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 실험 및 결과에 대해 설명한다. 상기 KUREHAND-I 시스템을 구성하는 각 구성요소의 테스트와 결과를 설명한다.

<로드셀(Loadcell) 테스트>

본 발명의 KUREHAND-I 시스템에서 로드셀은 다수의 와이어 각각에 대해 장력을 측정하여 전기 신호로 변환한다. 즉 환자의 손에 연결된 와이어의 장력은 손의 움직임에 따라 달라지며, 이 변화는 주 컨트롤러가 제어 시스템에서 제어하기 위한 로드셀에 의해 측정된다.

상기한 로드셀에 대한 테스트는 다음과 같이 진행된다. 와이어에 진자를 부착한 후에 와이어에 적용되는 장력을 측정한다. 상기 진자의 질량을 3 [Kg]까지 200 [g] 증가하면서 측정하였고, 그에 따른 실험 결과 그래프는 도 14에 도시한 바와 같으며, 로드셀에서 측정된 신호는 거의 직선 형태를 보인다. 이를 MATLAB를 사용하여 선형 함수로 피팅한 결과 전압대질량의 비율은 0.365[V/Kg]로 계산되며 오차의 원인은 센서의 히스테리시스 또는 비선형성에 기인한 것으로 추정된다.

<인코더 테스트>

그리고 본 발명의 KUREHAND-I 시스템에서 모터에 내장된 인코더의 데이터와 모터에 조립된 풀리의 직경을 이용하여 와이어의 길이와 손가락 끝의 변위를 측정할 수 있다.

상기 인코더의 출력값을 이용하여 손가락의 위치 및 와이어 길이의 변화를 실험했으며, 실험방법은 다음과 같다. 상기 와이어의 길이가 50 [mm]만큼 변경될 때마다, 인코더 값과 와이어의 실제 길이의 변화를 측정하였으며, 이는 도 15에 도시한 바와 같다. 상기 도 15는 실제 와이어 길이와 인코더의 측정값의 차이가 커짐을 나타낸다. 이는 화이어가 모터에 조립된 풀리에 권취될 때에 풀리의 직경이 커지기 때문이다.

<장력 제어에 대한 실험>

본 발명에 따르는 KUREHAND-I 시스템은 PD 컨트롤러를 사용하여 원하는 전선에 원하는 장력을 유지하며, 이를 검증하기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다.

먼저 원하는 기준 장력을 PD 컨트롤러에 입력하고 로드셀이 측정한 실제 와이어 장력을 측정하였으며, 그에 따른 결과는 도 16에 도시한 바와 같다. 상대적으로 낮은 장력에서는 원하는 장력이 약간의 오차로 유지되지만 높은 장력에서는 약간의 진동이 나타났으며, 진동의 원인은 고정되지 않은 풀리의 구조에 기인하며, 시스템에 조립된 풀리를 통과하면서 풀리의 마찰에 의해 와이어의 미세한 진동이 제거되므로 진동은 거의 없게 느껴졌다. 이로서 KUREHAND-I 시스템은 원하는 장력을 제어할 수 있는 것으로 입증되었으며, 이는 도 17 및 도 18에 도시하였다.

도 17은 손가락의 경로와 와이어가 통과하는 위치를 나타낸다. 역 운동학을 기반으로 계산된 와이어 길이 변화와 경로에 따라 인코더에 측정된 실제 와이어 길이는 도 18에 도시되어 있다. 두 그래프는 차이가 있기는 하나 거의 동일하며, 오류의 원인은 인코더 테스트에서 생성된 오류의 원인과 동일하다. 따라 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템은 손가락 끝을 원하는 위치로 제어할 수 있음이 증명된다.

<KUREHAND-I 시스템의 다양한 구성에 대한 실험>

본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템은 와이어 구조를 재구성하여 손의 다양한 조정된 동작을 달성하도록 설계되었다. 이를 확인하기 위해 A. I. Kapandju가 제안한 30개 그립 중 일부는 실제 시스템을 사용하여 구현되었으며 그 당시 시스템 상태가 기록되었다.

도 19는 4가지 유형의 그립을 나타내며, subterminal opposition, spherical pentadigital palmar prehension, subterminal tridigital prehension and centralized grip이다.

도 20은 각 그립의 초기 위치와 최종 위치를 도시한 것이며, 도 21은 각 그립을 수행하기 위해 재구성된 풀리의 초기 위치를 나타낸 표를 도시한 것이다.

도 22 및 도 23은 각 그립을 수행할 때에 인코더 데이터를 기반으로 와이어의 길이 변화를 나타내며, 이는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템이 손의 다양한 협동 동작을 구현할 수 있음을 나타낸다.

<가상 현실 인터페이스에 대한 실험>

본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 KUREHAND-I 시스템의 가상 현실 인터페이스는 환자가 시각적 및 기계적 피드백을 환자에게 제공하여 환자가 약간을 이동할 수 있을 때 KUREHAND-I 시스템으로 재활을 수행할 수 있게 한다. 이 실험을 검증하기 위해 다음과 같은 실험을 수행했다.

본 발명은 립 모션(Leapmotion) 센서로 측정된 데이터를 바탕으로 환자의 가상 손과 운동을 위한 가상 탄성체를 실현하여 모니터에 표시하며, 환자는 모니터를 보고 주어진 작업을 수행하면서 와이어의 장력을 통해 대상의 신축성을 느낄 수 있게 한다. 상기 와이어의 장력 변화를 측정함과 아울러, 표시된 손과 물체가 캡처하며, 이때 측정된 데이터는 도 24 및 도 25에 도시한 바와 같다.

도 24의 (a)는 환자가 가상현실에서 실현된 가상물체를 잡기 위해 손가락을 구부리고 확장할 때에 립모션 센서가 검출한 위치 데이터를 나타낸다.

이와 같이 환자는 특정 작업을 수행하고 재활 치료를 수행하면서 시각적 및 기계적으로 모니터 및 와이어에서 피드백을 수신할 수 있으며, 이는 치료효과를 증진시키는 이유가 된다.

<제2실시예 : KUREHAND-II 시스템>

먼저 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 구성 및 동작에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

<KUREHAND-II 시스템의 기구적인 구성>

도 26은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 외관을 도시한 것이다.

본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템은 메인 프레임(500)과 메인 프레임(500)의 중심과 세 손가락 위치에 대응되는 위치에 위치하는 지지 프레임들(504,506)이 형성된다. 상기 중심 지지 프레임(502)의 상부에는 상하 운동가능한 형태의 원통형 가이드 모듈이 구비된다. 그리고 상기 세 손가락을 위한 세개의 지지 프레임들(506)은 상측종단과 하측부에 인코더를 구비하는 모터(508,510)가 각각 설치되며, 상기 모터(508,510)에는 와이어를 감거나 푸는 풀리가 부착되어 세 손가락에 끼워질 골무(504)가 연결된 와이어(504)의 양 종단을 감거나 풀면서 상기 손가락의 위치를 변경한다. 상기 지지 프레임들(406)의 하측부에는 상기 와이어의 장력을 측정하는 로드셀이 위치한다.

상기한 메인 프레임(500)에 설치된 모터의 위치와 프레임의 각도는 환자의 상태에 따라 조정될 수 있도록 설계된다.

특히 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 KUREHAND-II 시스템은 모터로 모듈화하기 위해 더 작은 크기의 로드셀을 사용할 수 있다.

또한 상기 KUREHAND-II 시스템에는 두 개의 와이어, 두 개의 액추에이터 및 두 개의 로드셀이 추가되며 다른 부분은 KUREHAND-I 시스템과 동일하다.

상기한 본 발명의 바람직한 제2실시예의 KUREHAND-II 시스템의 와이어 구조, 하드웨어 구성, 제어 시스템 및 역 기구학을 보다 자세히 설명하며, KUREHAND-I 시스템과 공통되는 부분은 생략한다.

<와이어 구조>

본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템에 적용된 와이어 구조는 도 27 및 도 28에 도시하였다.

상기 KUREHAND-II 시스템은 세 개의 손가락을 독립적으로 움직이기 위해 총 6개의 와이어와 6개의 액츄에이터를 구비한다. 상기 와이어들은 3개의 신장 와이어와 3개의 굴곡 와이어로 분류된다. 상기 굴곡 와이어는 가이드 모듈을 통해 시스템의 하단에 위치한 모터에 연결된다. 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템은 루프 구조를 사용하지 않고 모터가 곧장 당겨지기 때문에 반응성이 우수하고 마찰력을 줄일 수 있는 장점이 있다.

즉 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 굴곡 와이어들은 메인 프레임의 중심에 수직방향으로 형성된 지지 프레임에 형성된 가이드에 끼워져 들어가, 환자의 손 중심방향으로 상기 손가락들이 굴곡되게 한다.

<KUREHAND-II 시스템의 블럭구성>

본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 블럭구성은 도 29에 도시한 바와 같다. 상기 KUREHAND-II 시스템은 기계적 메커니즘, 주 컨트롤러, 액추에이터, 센서 부품, 기타 인터페이스 회로 부품 및 가상 현실 인터페이스로 구성된다.

상기 기계적 메커니즘은 Y 형 프레임이 있는 메인 프레임, 중심 지지 프레임, 와이어의 경로를 결정하는 가이드 모듈, 와이어 구동을 위한 모터를 지지하는 지지 프레임들, 손목을 지탱하기 위한 지지대로 구성된다. 그리고 센서로 사용되는 로드셀은 247C-5kg와 유사한 CBMS이지만 더 작은 부피가 사용된다. 그리고 액추에이터와 로드셀의 수는 각각 6개이고, 2개의 로드셀 인터페이스와 RS485 통신 인터페이스가 와이어 구조의 변화 때문에 인터페이스 보드에 추가된다. 언급되지 않은 다른 구성 요소는 KUREHAND-I 시스템과 동일하다.

<KUREHAND-II 시스템의 처리절차>

본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 제어 시스템과 주요 알고리즘은 KUREHAND-I 시스템의 시스템과 거의 동일하며, 두 개의 모터와 와이어가 추가되고 각 손가락이 독립적으로 제어된다는 점이 상이하다. 상기 KUREHAND-I 시스템과 달리 KUREHAND-II 시스템에는 루프 모양의 와이어가 없고, 손가락을 독립적으로 제어한다. 예를 들어, 엄지를 구부리려면 엄지용 골무에 부착된 굴곡 와이어를 당기면서 동시에 연장 와이어의 장력을 유지하거나 굴곡 와이어와 같은 속도로 풀어줌으로써 해당 기능을 수행할 수 있다.

<역 운동학>

<가정과 제약>

본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 전자 운동학을 습득하기 전에 3차원 공간에서 와이어 시스템으로 시스템을 모델링하기 위한 몇 가지 정의, 가정 및 제약 조건을 설명한다.

도 30은 3 차원 공간에서 KUREHAND-II 시스템의 기하학적 모형을 도시한 것이다. x, y 및 z 축으로 구성된 직교 좌표계에서 원점은 직립 프레임의 중심축이 정의된 점으로 정의되며, 프레임의 바닥면을 통과한다. 메인 프레임은 공간 길이 25 [mm]의 선분으로 모델링된다. 상기 도 30의 중심에 있는 종단 이펙터는 수학식 16에 따라

로 정의한다. 그리고 골무는 구의 반경

로 가정한다.

그리고

의 위치는 시스템 내부에 위치하며 수학식 17로 표현된다.

상기 모터에 장착된 로드셀 모듈로부터 획득되는 와이어의

의 위치는 수학식 18로 정의된다.

그리고 세개의 신장 와이어의 길이는

로 정의된다. 이 와이어는 항상 적절하게 신장되어 있으며 탄성과 무게는 무시된다. 이 경우 와이어의 전체 길이는 아니지만, 골무에서

까지의 길이가 된다.

또한 가이드 모듈로 와이어가 인입되는 위치

는 수학식 19로 정의된다.

<역 운동학>

상기

그리고

는 미리 설정된 조건에 따라 주어지고, 원하는 위치인

로의 위치 변화를 위한 와이어의 길이

는 수학식 20에 따라 산출된다.

상기한 와이어들은 항상 적절하게 인장되었다고 가정하기 때문에,

은

와

사이의 거리로부터 골무의 반지름을 뺀 값과 같다.

<KUREHAND-II 시스템의 실험 결과>

이제 상기한 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 실험 및 결과를 설명한다.

<로드셀 테스트>

상기한 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 실험 방법은 KUREHAND-I 시스템에서 수행된 것과 동일하며, 진자의 질량은 2 [Kg]까지 200 [g] 증가했다. 실험 결과 그래프는 도 31에 도시한 바와 같다. 상기 도 31을 참조하면, 상기 로드셀에서 측정 된 신호는 거의 직선 형태를 보였다. MATLAB을 사용하여 선형 함수로 피팅한 결과 전압 대 질량 비는 0.512 [V / Kg]로 계산되며 센서의 히스테리시스 또는 비선형성에 기인하여 오차의 원인이 추정된다.

<인코더 테스트>

상기한 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템의 엔코더 테스트와 동일한 실험을 수행했으며, 실험 결과는 도 32에 도시한 바와 같다. 상기 도 32를 참조하면, KUREHAND-I의 결과와는 달리 측정된 와이어 길이와 측정된 와이어 길이 사이에는 거의 차이가 없다. 이는 모터에 조립된 풀리의 직경이 KUREHAND-I의 직경보다 크고 전선의 구조가 변경되었기 때문이다.

<장력 제어에 대한 실험>

상기한 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템에 대한 장력 제어 실험은 KUREHAND-I 시스템에서 수행된 것과 동일하다. 실험 결과는 도 33에 도시한 바와 같다. 상기 도 33에 따르면 입력된 기준 장력에 따라 와이어의 장력이 제어되고 KUREHAND-I 시스템에 비해 오류 및 진동이 감소하였다. 이는 와이어 장력을 측정하는 새로운 로드셀 모듈 때문이다. 따라서 시스템이 원하는 장력을 제어할 수 있는 것으로 입증된다.

<역 운동학에 대한 실험>

상기한 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템에 대한 역 운동학에 대한 검증은 KUREHAND-I 시스템과 동일한 방식으로 수행하였으며, 실험 결과는 도 34에 따른다. 도 34는 손가락의 경로를 나타낸다. 그리고 역 운동학을 기반으로 계산된 와이어 길이의 변화와 경로에 따라 인코더가 측정한 실제 와이어 길이가 도 35에 도시되어 있다. 상기 도 35를 참조하면, 두 그래프는 거의 동일하며, 일부 오류의 원인은 인코더 테스트에서 생성된 오류의 원인과 동일하다. 따라서, KUREHAND-II 시스템이 손가락 끝을 원하는 위치로 제어할 수 있다는 것이 입증되었습니다.

<다양한 구성에 대한 실험>

상기한 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템에 대한다양한 구성에 대한 실험은 KUREHAND-I에서와 같은 방식으로 수행하였으며, 실험 결과는 다음과 같다. 도 36은 각 그립의 초기 위치와 최종 위치를 보여 주며, 도 37은 각 그립을 수행하기 위해 재구성된 풀리의 초기 위치를 나타낸다. 도 38 및 도 39는 그립을 수행할 때 인코더 데이터를 기반으로 와이어 길이의 변화를 나타내며, 이는 시스템이 손의 다양한 협동 동작을 구현할 수 있음을 나타낸다.

<가상 현실 인터페이스에 대한 실험>

상기한 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 KUREHAND-II 시스템에 대한가상 현실 인터페이스에 대한 실험은 KUREHAND-I에서와 같은 방식으로 수행하였으며, 그 결과를 다음과 같다. 도 40의 (a)는 가상 현실에서 실현 된 가상 물체를 유지하기 위해 환자가 손가락을 구부리고 확장 할 때의 립모션의 위치 데이터를 나타낸다. 그때 손과 물건의 모양이 (b)와 (c)에 도시하였다. 도 41의 (a)는 탄성체를 손으로 잡을 때 연장선의 장력에 의해 손가락이 탄력을 느끼게 하기 위해 증가 된 장력을 나타낸다. 이로서 환자는 특정 작업을 수행하고 재활 치료를 수행할 수 있으며 모니터 및 전선에서 시각적 및 기계적으로 피드백을 받을 수 있습니다.

본 발명은 시스템을 재구성할 수 있는 KureHand 시스템을 소개하고 다양한 조정 작업으로 손작업 중심의 치료를 지원한다. 이러한 KUREHAND 시스템은 구조가 간단하고 길이를 변경하기 쉬운 와이어와 액츄에어터 시스템의 장점을 활용한다. 또한 저렴하며 사용자의 신체적 특성에 의존하지 않는다.

또한 본 발명에 따르는 KUREHAND 시스템은 역 운동학(inverse-kinematics)을 얻기 위해 기하학적 모델로 모델링되었으며 실험을 통해 검증하였다. 또한 KUREHAND 시스템의 구성 요소는 테스트를 통해 검증하였다.

또한 KUREHAND 시스템의 성능을 확인하기 위해 KUREHAND 시스템을 통해 손의 다양한 조정 운동을 구현하였으며, KUREHAND 시스템을 재구성하여 손을 움직일 수없는 환자의 다양한 조정 작업을 지원할 수 있음을 입증하였다.

또한 모든 실험은 가상 현실 인터페이스를 사용하여 손을 움직일 수 있는 환자에게 시각적 및 기계적 피드백을 제공하여 작업 위주의 치료를 수행할 수 있음을 확인하였다.

도 42는 KUREHAND-I 및 II 시스템의 사양을 나타낸 표이다. 상기 KUREHAND-I 시스템은 3개의 손가락이 각각 4개의 액추에이터로 독립적으로 구부러질 수 있도록 루프 구동형 와이어 구조를 사용한다. 즉, 보다 적은 수의 액추에이터가 높은 차수를 가질 수 있다는 장점이 있다. 그리고 KUREHAND-II 시스템은 와이어의 장력으로직접 손가락을 당기므로 마찰력으로 인한 손실이 적고 시스템의 응답성이 향상된다.

상기한 본 발명의 KUREHAND 시스템은 가장 복잡한 구조를 가진 손의 재활을 위해 시스템을 재구성하도록 설계되었기 때문에 상지와 하지 등 다양한 분야의 재활 보조 시스템에 적용될 수 있으며, 이는 본 발명에 의해 당업자에게 자명하다.

또한 본 발명의 KUREHAND 시스템에서 제안한 다중 와이어 메커니즘 및 역 기구학에 대한 연구는 HRI 시스템과 같은 다양한 분야에서 사용될 수 있다.

10 : 메인 프레임
20 : 골무
30 : 와이어
40 : 풀리
50 : 모터
60 : 립 모션

Claims

협조운동을 위한 손 재활 로봇 시스템에 있어서,
환자의 손가락에 끼워지는 골무들;
상기 골무들 중 미리 정해둔 둘 이상의 골무를 감싸 하나 이상의 루프를 형성하는 굴곡 와이어;
상기 골무들 각각과 연결되어 신장 방향의 힘을 전달하는 신장 와이어들;
상기 굴곡 와이어와 상기 신장 와이어들 각각과 연결되어 상기 와이어들을 당기거나 푸는 모터들;
상기 모터들의 구동횟수를 센싱하는 인코더들;
상기 굴곡 와이어와 상기 신장 와이어들 각각에 대한 장력을 센싱하는 로드셀들;
상기 인코더들의 센싱정보와 상기 로드셀들의 센싱정보를 이용하여 상기 골무들의 위치를 산출하고, 상기 위치들이 미리 정해둔 위치들로 이동되도록 상기 모터들을 하나 이상 선택적으로 구동하여 상기 환자의 손가락에 대한 굴곡 또는 신장 운동을 실행하는 제어장치;를 구비함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제1항에 있어서,
상기 모터들과 상기 골무들 사이에 연결된 와이어들의 힘 에너지 전달방향을 전환하는 다수의 풀리;를 더 구비하며,
상기 풀리는 메인 프레임에 부착되며 그 위치가 가변됨을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제1항에 있어서,
상기 굴곡 와이어는 엄지와 검지를 감싸는 루프와 엄지와 중지를 감싸는 루프를 구성하여,
상기 모터에 의해 당겨짐에 따라 상기 루프들의 크기를 줄여 손가락 관절이 구부러지게 함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제1항에 있어서,
상기 로드셀은 와이어 장력을 압축력으로 변환하여 상기 와이어 장력을 센싱하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제1항에 있어서,
상기 환자의 손가락에 끼워지는 골무들의 하측면에 설치되어 상기 환자의 손가락들에 대한 위치와 형상을 검출하는 적외선 센서를 더 구비함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제5항에 있어서,
상기 적외선 센서로부터 획득되는 환자의 손가락들에 대한 위치와 형상을 가상현실 영상으로 변환하여 출력하는 PC를 더 구비함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어장치가,
상기 인코더들의 센싱정보와 상기 로드셀들의 센싱정보를 이용하여 상기 골무들의 위치를 역 운동학에 따라 산출하고,
미리 정해둔 위치로의 이동을 위한 와이어 길이를 산출하여,
그에 대응되게 상기 모터들 중 하나 이상을 선택적으로 구동함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제1항에 있어서,
환자 또는 물리치료사에 의해 조작되는 스위치를 더 구비하며,
상기 제어장치는
상기 스위치를 통해 수동모드가 요청되면,
상기 스위치를 통해 입력되는 정보에 따라 상기 모터들 중 하나 이상을 선택적으로 구동함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제1항에 있어서,
환자 또는 물리치료사에 의해 조작되는 스위치를 더 구비하며,
상기 제어장치는
상기 스위치를 통해 자동모드가 요청되면,
미리 정해둔 재활 운동을 위한 위치들로 상기 골무가 이동되게 상기 모터들 중 하나 이상을 선택적으로 구동함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어장치는
상기 로드셀들 하나이상으로부터 센싱된 와이어의 장력이 미리 정해둔 값 이상이면, 상기 모터들을 비상정지함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어장치는
상기 로드셀들 하나이상으로부터 센싱된 와이어의 장력을 미리 정해둔 횟수이상 제공받아, 평균을 취하여 상기 와이어의 장력으로 결정함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
협조운동을 위한 손 재활 로봇 시스템에 있어서,
환자의 손가락에 끼워지는 골무들;
상기 골무들 각각과 연결되어 신장 방향의 힘을 전달하는 신장 와이어들;
상기 골무들 각각과 연결되어 굴곡 방향으로 힘을 전달하는 굴곡 와이어들;
상기 굴곡 와이어들과 상기 신장 와이어들 각각과 연결되어 상기 와이어들을 당기거나 푸는 모터들;
상기 모터들의 구동횟수를 센싱하는 인코더들;
상기 굴곡 와이어들과 상기 신장 와이어들 각각에 대한 장력을 센싱하는 로드셀들;
상기 인코더들의 센싱정보와 상기 로드셀들의 센싱정보를 이용하여 상기 골무들의 위치를 산출하고, 상기 위치들이 미리 정해둔 위치들로 이동되도록 상기 모터들을 하나 이상 선택적으로 구동하여 상기 환자의 손가락에 대한 굴곡 또는 신장 운동을 실행하는 제어장치;를 구비함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제12항에 있어서,
상기 굴곡 와이어들은 메인 프레임의 중심에 수직방향으로 형성된 지지 프레임에 형성된 가이드에 끼워져 들어가, 환자의 손 중심방향으로 상기 손가락들이 굴곡되게 함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제12항에 있어서,
상기 로드셀은 와이어 장력을 압축력으로 변환하여 상기 와이어 장력을 센싱하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제12항에 있어서,
상기 환자의 손가락에 끼워지는 골무들의 하측면에 설치되어 상기 환자의 손가락들에 대한 위치와 형상을 검출하는 적외선 센서를 더 구비함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제15항에 있어서,
상기 적외선 센서로부터 획득되는 환자의 손가락들에 대한 위치와 형상을 가상현실 영상으로 변환하여 출력하는 PC를 더 구비함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제12항에 있어서,
상기 제어장치가,
상기 인코더들의 센싱정보와 상기 로드셀들의 센싱정보를 이용하여 상기 골무들의 위치를 역 운동학에 따라 산출하고,
미리 정해둔 위치로의 이동을 위한 와이어 길이를 산출하여,
그에 대응되게 모터들 중 하나 이상을 구동함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제12항에 있어서,
환자 또는 물리치료사에 의해 조작되는 스위치를 더 구비하며,
상기 제어장치는
상기 스위치를 통해 수동모드가 요청되면,
상기 스위치를 통해 입력되는 정보에 따라 상기 모터들 중 하나 이상을 구동함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제12항에 있어서,
환자 또는 물리치료사에 의해 조작되는 스위치를 더 구비하며,
상기 제어장치는
상기 스위치를 통해 자동모드가 요청되면,
미리 정해둔 재활 운동을 위한 위치들로 상기 골무가 이동되게 상기 모터들 중 하나 이상을 선택적으로 구동함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제12항에 있어서,
상기 제어장치는
상기 로드셀들 하나이상으로부터 센싱된 와이어의 장력이 미리 정해둔 값 이상이면, 상기 모터를 비상정지함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.
제12항에 있어서,
상기 제어장치는
상기 로드셀들 하나이상으로부터 센싱된 와이어의 장력을 미리 정해둔 횟수이상 제공받아, 평균을 취하여 상기 와이어의 장력으로 결정함을 특징으로 하는 협조 운동을 위한 손 재활 로봇 시스템.