KR20210004219A

KR20210004219A - 관절 운동장치

Info

Publication number: KR20210004219A
Application number: KR1020190080276A
Authority: KR
Inventors: 한창수; 김호준; 안철웅; 류병갑; 박수현; 장혜연
Original assignee: 주식회사 헥사휴먼케어
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2021-01-13
Also published as: KR102244048B1

Abstract

개시된 본 발명에 의한 관절 운동장치는, 인체의 후면을 지지하는 지지부, 지지부에 연결되어 수평 내전 및 외전 운동을 위한 구동력을 제공하는 제1액추에이터부, 전방 거상 운동을 위한 구동력을 제공하는 제2액추에이터부, 제1 및 제2액추에이터부 사이를 상호 연결시키며 수평 내전 및 외전 운동시의 회전중심인 관절축과 일치하는 가상의 회전축을 제공하여 1자유도 구동시키는 링크부 및 제2액추에이터부와 연결되어 제1 및 제2액추에이터부의 구동력에 의해 인체의 관절 부위를 지지하는 운동부를 포함한다. 이러한 구성에 의하면 전방 거상 동작 범위를 제한하지 않으면서도 수평 내전 및 외전 동작의 1자유도 구동이 가능해진다.

Description

관절 운동장치{JOINT EXERCISE APPARATUS}

본 발명은 관절 운동장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 재활 대상 관절의 회전점과 일치하여 1자유도 구동이 가능함으로써 안전성과 효율성이 향상된 관절 운동장치에 관한 것이다.

관절 부분을 수술한 환자의 경우, 스스로 운동이 불가능함에 따라 관절의 변형을 방지하고 정상적인 활동 복귀를 위해 장시간 통증을 동반한 재활 운동이 요구된다. 또한, 근래에는 과다한 운동으로 인한 퇴행성 관절염과 같은 관절 질환의 발생 빈도가 증가됨으로써, 이러한 관절 질환의 치료 및 예방을 위해서도 관절 재활 운동이 필요한다.

근래에는 신체 부분을 액추에이터의 작동에 의해 자동으로 운동시킬 수 있는 재활 운동을 위한 재활 로봇이 보급되고 있다. 이러한 재활 로봇은 외골격 형태의 로봇으로 개발되며 기구학적 특성상 인체 관절과 동일한 위치에 설계할 수 없다. 그로 인해, 로봇과 착용자와의 동작 일치를 위한 두 관절의 회전점 일치 여부가 재활 로봇의 주요 성능 인자이다.

한편, 어깨 관절은 인체의 다양한 관절 부위 중 가장 복잡한 복합 관절이다. 이러한 어깨 관절에는 전방 및 측방 거상, 수평 내전 및 외전 운동을 보조할 수 있는 재활 로봇이 적용된다. 이때, 어깨 관절은 전방/측방 거상 움직임과 수평 내전/외전 움직임 각각의 회전축이 상호 일치하지 않는다. 그로 인해, 근래에는 어깨 관절 재활을 위한 재활 로봇의 회전축을 사용자의 회전축과 일치시킴으로써, 사용 편의성을 향상시킬 수 있는 다양한 연구가 지속적으로 이루어지고 있는 추세이다.

대한민국 등록특허공보 제1469539호 대한민국 등록특허공보 제1226927호

본 발명의 목적은 1자유도 구동시의 움직임 범위를 제한하지 않으면서도 사용이 편리한 고효율의 관절 운동장치를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 관절 운동장치는, 인체의 후면을 지지하는 지지부, 상기 지지부에 연결되어, 수평 내전 및 외전 운동을 위한 구동력을 제공하는 제1액추에이터부, 전방 거상 운동을 위한 구동력을 제공하는 제2액추에이터부, 상기 제1 및 제2액추에이터부 사이를 상호 연결시키며, 상기 수평 내전 및 외전 운동시의 회전중심인 관절축과 일치하는 가상의 회전축을 제공하여 1자유도 구동시키는 링크부 및, 상기 제2액추에이터부와 연결되어, 상기 제1 및 제2액추에이터부의 구동력에 의해 상기 인체의 관절 부위를 지지하는 운동부를 포함한다.

또한, 상기 지지부는 상기 인체의 어깨 후면에 밀착될 수 있다.

또한, 상기 제1액추에이터부는 상기 인체 관절의 수평 내전 및 외전 동작을 위한 요(Yaw) 회전 중심과 일치하는 요축을 중심으로 회전되며, 상기 제2액추에이터부는 상기 인체 관절의 전방 거상 동작을 위한 피치(Pitch) 회전 중심과 일치하는 피치축을 중심으로 회전되되, 상기 요축 및 피치축은 상기 관절축으로부터 각각 서로 다른 방향으로 연장되는 가상의 직선인 제1 및 제2가상선 상에 위치하며, 상기 제1액추에이터부의 회전각도와 상기 관절축의 회전각도는 상호 1:1로 동일할 수 있다.

또한, 상기 링크부는, 일단이 상기 요축을 중심으로 움직임 가능하도록 상기 제1액추에이터부에 축 고정되며, 타단은 상기 제2가상선과 평행한 방향으로 연장되는 직선 형상의 제1링크, 일단이 상기 지지부에 제1링크축을 중심으로 움직임 가능하게 축 고정되고 타단은 상기 제2가상선과 평행한 방향으로 연장되되, 상기 제1링크축은 상기 제1가상선 상에 위치하는 직선 형상의 제2링크, 상기 제2가상선 상에 위치하며, 일단이 상기 제2액추에이터부의 피치축과 동축 연결되는 직선 형상의 제3링크, 상기 제1 내지 제3링크 각각의 타단을 연결하며, 상기 제1가상선과 평행한 직선 형상의 제4링크 및, 상기 제4링크로부터 상기 제1 내지 제3링크 각각의 일단을 향해 이격된 위치에서 상기 제1 내지 제3링크와 수직방향으로 교차하여 각각 축 연결되되, 상기 제1가상선과 평행한 직선 형상의 제5링크를 포함할 수 있다.

또한, 상기 링크부는, 상기 제1액추에이터부와 연결되는 제1링크, 상기 지지부와 연결되며, 상기 제1링크와 평행한 제2링크, 상기 제2액추에이터부와 연결되며 상기 제1링크와 평행한 제3링크 및, 상기 제1 내지 제3링크를 수직방향으로 교차하여 축 연결되는 적어도 하나의 제4링크를 포함하며, 상기 제1 내지 제4링크는 적어도 두개의 평행사변 구조를 형성하되, 상기 제1 내지 제4링크가 형성하는 평행사변 구조로부터 연장되는 가상의 직선 사이의 교점에 상기 관절축이 위치할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 관절 운동장치는, 인체의 후면에 위치하여, 수평 내전 및 외전 운동시의 요(Yaw) 축을 중심으로 회전되는 제1액추에이터부, 전방 거상 동작시의 피치(Pitch) 축을 중심으로 회전되는 제2액추에이터부, 상기 제1 및 제2액추에이터부를 상호 연결시키며, 상기 수평 내전 및 외전 운동시의 회전중심인 관절축과 일치하는 가상의 회전축을 제공하도록 복수의 링크들을 포함하는 링크부 및, 상기 제2액추에이터부와 연결되어, 상기 인체의 관절 부위를 지지한 상태로 움직임 가능한 운동부를 포함한다.

또한, 상기 전방 거상 범위를 벗어나는 상기 인체의 어깨 후면을 지지하는 지지부를 포함하며, 상기 제1액추에이터부는 상기 지지부에 고정될 수 있다.

또한, 상기 요축 및 피치축은 상기 관절축으로부터 각각 서로 다른 방향으로 연장되는 가상의 직선인 제1 및 제2가상선 상에 위치하며, 상기 링크부는, 일단이 상기 요축을 중심으로 움직임 가능하도록 상기 제1액추에이터부에 연결되며, 타단은 상기 제2가상선과 평행한 방향으로 연장되는 직선 형상의 제1링크, 일단이 상기 지지부에 제1링크축을 중심으로 움직임 가능하게 축 고정되고 타단은 상기 제2가상선과 평행한 방향으로 연장되되, 상기 제1링크축은 상기 제1가상선 상에 위치하는 직선 형상의 제2링크, 상기 제2가상선 상에 위치하며, 일단이 상기 제2액추에이터부의 피치축과 동축 연결되는 직선 형상의 제3링크, 상기 제1 내지 제3링크 각각의 타단에 축 연결되어 수직방향으로 교차하며, 상기 제1가상선과 평행한 직선 형상의 제4링크 및, 상기 제4링크로부터 상기 제1 내지 제3링크 각각의 일단을 향해 이격된 위치에서 상기 제1 내지 제3링크와 수직방향으로 교차하여 각각 축 연결되되, 상기 제1가상선과 평행한 직선 형상의 제5링크를 포함할 수 있다.

또한, 상기 관절축에 대해 상기 제1 및 제2액추에이터부는 각각 55~75mm 및 150~170mm 이격된 위치에 배치되며, 상기 제1액추에이터부의 회전각도와 상기 관절축의 회전각도는 상호 1:1로 동일할 수 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 1자유도 매커니즘으로 자세 변화없이 전방 거상, 수평 내전 및 외전 움직임 가능함으로써, 재활 동작 중 회전축을 일치시키기 위해 자세를 이동하여야 했던 기존의 문제점을 개선하여 사용 편의성을 향상시킬 수 있게 된다.

둘째, 수평 내전 및 외전 움직임을 위한 제1액추에이터부가 인체의 후면에 위치함으로써, 전방 거상 움직임 범위를 제한하지 않으며 피치축의 최대 구동 각도인 180도 구현이 가능해진다.

셋째, 1자유도 구동이 가능해짐에 따라, 컴팩트한 사이즈로 사용 편의성을 증대 시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 관절 운동장치를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 관절 운동장치를 이용한 수평 외전 움직임을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 관절 운동장치의 설계 과정을 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 4은 도 1에 도시된 관절 운동장치의 1자유도 매커니즘을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 관절 운동장치의 1자유도 매커니즘을 이용하여 수평 외전 동작을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다. 그리고,
도 6은 도 1에 도시된 관절 운동장치의 1자유도 매커니즘을 이용한 전방 거상 동작을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 설명한다. 다만, 본 발명의 사상이 그와 같은 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 사상은 실시예를 이루는 구성요소의 부가, 변경 및 삭제 등에 의해서 다르게 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 발명의 사상에 포함되는 것이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 관절 운동장치(1)는 지지부(10), 제1액추에이터부(20), 제2액추에이터부(30), 링크부(40) 및 운동부(50)를 포함한다.

참고로, 본 발명에서 설명하는 관절 운동장치(1)는 인체(H)의 뼈와 뼈 사이의 연결 부분인 관절에 대한 재활 치료를 위한 재활 운동 로봇에 적용된다. 또한, 본 발명에서 설명하는 관절 운동장치(1)은 인체(H)의 다양한 관절 부위 중, 전방 거상, 수평 내/외전 운동 가능한 어깨의 재활 치료를 위해 적용되는 도시 및 설명한다. 그러나, 재활 치료로만 한정되지 않으며, 본 발명에 의한 관절 운동장치(1)가 근력 보조나 감각장치(Haptic device)를 위한 다양한 착용형 외골격 로봇에 적용될 수 있음은 당연하다.

지지부(10)는 인체(H)의 후면을 지지한다. 이러한 지지부(10)는 도 1 및 도 2의 도시와 같이, 인체(H)의 후면 어깨에 밀착되는 베이스 프레임(Base Frame)을 포함한다. 지지부(10)는 자세히 도시되지 않았으나, 인체(H)의 후면인 등과 어깨에 대해 밀착되도록 소정 면적을 가지는 일종의 받침대일 수 있다. 또한, 지지부(10)는 동작 중 사용자의 안정적인 지지를 위해 강성을 가지는 재질로 형성됨이 좋다.

제1액추에이터부(20)는 지지부(10)에 대해 수평 내전 및 외전 운동을 위한 구동력을 제공한다. 제1액추에이터부(20)는 지지부(10)에 대해 회전 가능하게 연결된다. 이러한 제1액추에이터부(20)의 회전 중심은 관절 운동장치(1)의 수평 내전 및 외전 운동을 위한 요(Yaw) 회전 중심과 일치함으로써, 관절의 요축(Y)을 제공한다.

제2액추에이터부(30)는 전방 거상 운동시의 회전에 의한 구동력을 제공한다. 이러한 제2액추에이터부(30)는 어깨 관절의 전방 거상을 위한 회전 중심인 피치(Pitch) 회전 중심과 일치함으로써, 관절의 피치축(P)을 제공한다.

여기서, 제1액추에이터부(20)의 회전 중심인 요축(Y)은 인체(H)의 관절축(C)과 가상의 직선인 제1가상선(L1) 상에 위치한다. 또한, 제2액추에이터부(30)의 회전 중심인 피치축(P)은 인체(H)의 관절축(C)과 가상의 직선인 제2가상선(L2) 상에 위치한다. 이때, 제1 및 제2가상선(L1)(L2)은 관절축(C)으로부터 각각 서로 다른 방향으로 연장된다.

한편, 제1액추에이터부(20)는 인체(H)의 후면에 위치하는 지지부(10)에 마련됨으로써, 전방 거상 동작시 인체(H)와 제1액추에이터부(20) 사이의 간섭이 발생되지 않는다. 보다 구체적으로, 인체(H)의 팔을 들어 올리는 전방 거상 동작은 팔이 제2액추에이터부(30)의 피치축(P)을 중심으로 회전될 때에, 상대적으로 후면에 위치하는 제1액추에이터부(20)와 직접 접촉이 발생되지 않는 것이다. 즉, 지지부(10) 및, 지지부(10)에 지지된 제1액추에이터부(20)가 인체(H)의 후면에 위치함으로써, 최대 180도 움직임 범위를 가지는 전방 거상 동작 범위를 제한하지 않는다.

링크부(40)는 제1 및 제2액추에이터부(20)(30) 사이를 상호 연결시키며, 인체(H)의 관절 운동시 움직이는 관절축(C)과 일치하는 가상의 회전축을 제공한다. 이를 위해, 링크부(40)는 도 1 및 도 2의 도시와 같이, 제1 내지 제5링크(41)(42)(43)(44)(45)를 포함한다.

제1링크(41)의 일단은 요축(Y)을 중심으로 움직임 가능하도록 제1액추에이터부(20)에 축 연결된다. 또한, 제1링크(41)의 타단은 일단으로부터 길이방향으로 연장되되, 제2가상선(L2)과 평행하도록 연장된다.

제2링크(42)는 지지부(10)에 제1링크축(J1)을 중심으로 움직임 가능하게 축 연결되는 일단과, 일단으로부터 연장되어 제2가상선(L2)과 평행한 타단을 가진다. 이때, 제2링크(42)의 제2링크축(J2)은 제1액추에이터부(20)의 요축(Y) 및 관절축(C)을 상호 일직선으로 연결하는 가상의 제1가상선(L1)과 동일 직선상에 위치한다. 즉, 제1링크축(J1), 요축(Y) 및 관절축(C)은 제1가상선(L1)에 의해 상호 일직선으로 연결되게 된다.

한편, 요축(Y)과 제1링크축(J1)은 지지부(10)에 고정된 회전축을 제공한다. 그로 인해, 제1 및 제2링크(41)(42)는 각각 요축(Y) 및 제1링크축(J1)을 중심으로 회동 가능하다.

제3링크(43)는 제2액추에이터부(30)의 회전 중심인 피치축(P)과 동축 연결되도록 제2액추에이터부(30)에 일단이 연결된다. 이때, 제3링크(43)는 관절축(C) 및 피치축(P)을 일직선으로 연결하는 가상의 제2가상선(L2)과 동일 직선상에 위치한다. 아울러, 제3링크(43)는 피치축(P)과 동축 연결됨에 따라, 제2액추에이터부(30)의 움직임에 함께 연동된다.

제4링크(44)는 제1 내지 제3링크(41)(42)(43) 각각의 타단을 연결하며, 제1가상선(L1)과 평행하도록 연장된 직선의 링크이다. 즉, 제4링크(44)의 일단은 제2가상선(L2)과 평행한 제1 및 제2링크(41)(42)의 각각의 타단을 순차적으로 거쳐 제3링크(43)의 타단과 연결된다.

제5링크(45)는 제1 내지 제3링크(41)(42)(43) 각각을 연결하며, 제1가상선(L1)과 평행하도록 연장된 직선의 링크이다. 이때, 제5링크(45)는 제1 내지 제3링크(41)(42)(43) 각각의 타단을 연결하는 제4링크(44)로부터 제1 내지 제3링크(41)(42)(43)의 일단을 향해 이격된 위치에서 제1가상선(L1)과 평행하도록 연장된 링크이다.

여기서, 제1 내지 제3링크(41)(42)(43)은 제2가상선(L2)과 평행하며, 각각의 일단은 모두 축 고정된 고정단이다. 또한, 제4 및 제5링크(44)(45)는 제1가상선(L1)과 평행하며 제1 내지 제3링크(41)(42)(43)의 자유단인 각각의 타단을 상호 연결시킨다. 그로 인해, 제1 내지 제3링크(41)(42)(43) 각각의 일단을 중심으로 제1 내지 제3링크(41)(42)(43) 각각의 타단이 회전되는 움직임이 제 4 및 제5링크(44)(45)와의 연결에 의해 상호 연동된다.

또한, 제1 내지 제5링크(41)(42)(43)(44)(45)를 포함하는 링크부(40)는 평행사변형 구조를 그리며 관절 운동장치(1)의 수평 내전 및 외전 움직임을 위한 1자유도 매커니즘을 제공한다. 보다 구체적으로, 제1가상선(L1), 제2가상선(L2), 제4링크(44) 및 제5링크(45)는 평행사변 구조로 상호 연결된다. 또한, 제1가상선(L1), 제1링크(41), 제4링크(44) 및 제2링크(42)도 하나의 평행사변 구조로 상호 연결되며, 제3링크(43), 제4링크(44), 제2링크(42) 및 제5링크(45)도 평행사변 구조로 상호 연결된다.

즉, 제1 내지 제5링크(41)(42)(43)(44)(45)들은 상호 교차하는 두개의 평행사변형 구조를 형성하며, 두개의 평행사변형 구조에서 나오는 제1 및 제2가상선(L1)(L2)의 교점이 가상의 회전축이 되어 관절축(C)과 일치하게 된다. 그로 인해, 관절 운동장치(1)가 관절축(C)과 일치되면서 수평 내전 및 외전 운동시킬 수 있게 된다.

참고로, 제1 내지 제3링크(41)(42)(43)를 상호 연결시키는 제4 및 제5링크(44)(45) 사이의 제2 내지 제7링크축(J2)(J3)(J4)(J5)(J6)(J7)들은 고정되지 않는다. 그로 인해, 지지부(10)에 고정된 요축(Y) 및 제1링크축(J1)에 대해 제1 내지 제5링크(41)(42)(43)(44)(45)들이 회전 움직임 가능한 가상의 회전축을 제공하게 된다. 이때, 제1 내지 제5링크(41)(42)(43)(44)(45)의 회전 움직임시에도 평행사변 구조를 형성함으로써, 인체(H)의 수평 내전 및 외전 운동시의 안정적인 1자유도 매커니즘 구현이 가능하다.

운동부(50)는 제2액추에이터부(30)와 연결되어, 제1 및 제2액추에이터부(20)(30)의 구동력에 의해 인체(H)의 움직임이 필요한 관절 부위를 지지한 상태로 움직인다. 본 실시예에서는 관절 운동장치(1)가 어깨 관절의 재활 운동에 적용되는 것으로 예시함에 따라, 운동부(50)에 인체(H)의 팔이 지지된다.

이러한 운동부(50)에 지지된 팔은 제1액추에이터부(20)의 요축(Y)을 중심으로 수평 내전 또는 외전되거나, 제2액추에이터부(30)의 피치축(P)을 중심으로 전방 거상 움직이게 된다.

한편, 상기와 같은 관절 운동장치(1)는 도 3과 같은 순서에 의해 설계될 수 있다.

도 3의 (a)와 같이, 인체(H)의 관절축(C)으로부터 서로 다른 방향으로 연장된 제1 및 제2가상 링크(I1)(I2)의 길이를 각각 a 및 b라 하고, 관절축(C)으로부터 제1 및 제2가상 링크(I1)(I2)와 연결되는 제1 및 제2실제 링크(A1)(A2)의 길이를 각각 c 및 d라고 할 경우, a+b=c+d가 되도록 배치하여 평행사변형 궤적을 설계한다.

도 3의 (b)와 같이, 관절축(C)으로부터 e만큼 이격된 거리에 제2액추에이터부(30)를 위치시킨다. 이때, 관절축(C)으로부터 제2액추에이터부(30)까지의 이격된 거리(e)는 대략 55~75mm의 범위를 가짐이 좋으며, 본 실시예에서는 65mm의 거리(e)를 가지는 것으로 예시한다. 여기서, 제2액추에이터부(30)와 제2실제 링크(A2)의 사이에 제3실제 링크(A3)을 배치시킨다.

도 3의 (c)와 같이, 관절축(C)으로부터 제1 및 제2실제 링크(A1)(A2)의 접점과 연결되도록 제3가상 링크(I3)을 연결한 후, 제3가상 링크(I3)와 제1가상 링크(I1) 사이를 연결하는 제4실제 링크(A4)를 배치시킨다. 또한, 제3가상 링크(I3)와 제3실제 링크(A3) 사이를 연결하는 제5실제 링크(A5)를 배치시킨다.

그 후, 도 3의 (d)와 같이, 제1실제 링크(A1)와 제4실제 링크(A4) 사이를 연결하는 제6실제 링크(A6)를 배치하고, 제2실제 링크(A2)와 제5실제 링크(A5) 사이를 연결하는 제7실제 링크(A7)를 배치한다. 아울러, 도 3의 (e)와 같이, 제1가상 링크(I1)와 제4실제 링크(A4) 사이의 접점에 제1액추에이터부(20)를 배치시킨다. 이때, 관절축(C)으로부터 제1액추에이터부(20)까지 이격된 거리(f)는 대략 150~170mm로써, 본 실시예에서는 160mm인 것으로 예시한다.

이렇게 제1 및 제2액추에이터부(20)(30)까지 배치하고, 제1 내지 제7실제 링크(A1)(A2)(A3)(A4)(A5)(A6)(A7)의 위치에 대응하도록 링크 연결함으로써, 최종적으로 도 3의 (f)와 같은 제1 내지 제5링크(41)(42)(43)(44)(45)를 포함하는 링크부(40)가 설계될 수 있다. 여기서, 관절축(C)의 회전각도(θh)와 제1액추에이터부(20)의 회전각도(θa)는 상호 1:1로 동일하다. 즉, 요(Yaw) 회전을 위한 요축(Y)의 회전각도(θa)는 인체(H)의 관절축(C)의 회전각도(θh)와 동일(θa=θh)하도록 설계될 수 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 관절 운동장치(1)의 재활 동작 중 수평 내전 및 외전 움직임에 대한 1자유도 매커니즘을 도 4 및 도 5를 참고하여 설명한다.

도 4을 참고하면, 인체(H)의 팔을 수평하게 들어올린 상태를 상부에서 바라본 상태가 개략적으로 도시된다. 도 4의 도시와 같이, 팔의 관절축(C)을 중심으로 가상의 제1 및 제2가상선(L1)(L2) 상에 제1 및 제2액추에이터부(20)(30)의 요축(Y)과 피치축(P)이 위치한다.

이때, 제1가상선(L1), 제2가상선(L2), 제4링크(44) 및 제2링크(42)가 평행사변 형상을 가지게 된다. 또한, 제1 내지 제5링크(41)(42)(43)(44)(45)들은 상호 교차하는 두개의 평행사변형 구조를 가지도록 제1 내지 제7링크축(J1)(J2)(J3)(J4)(J5)(J6)(J7)으로 연결된다.

이러한 평행사변형 구조를 가지는 링크부(40)는 도 5와 같이, 인체(H)의 팔이 수평 외전 운동할 경우, 인체의 관절축(C)이 자세 이동하지 않아도 요축(Y)을 중심으로 회전됨을 지지하게 된다.

보다 구체적으로, 관절축(C)을 중심으로 팔이 수평 외전하면, 팔을 지지하는 운동부(50)에 연결된 제2액추에이터부(30)도 함께 회전하게 된다. 이때, 제2액추에이터부(30)와 연결된 제3링크(43)도 함께 회전함으로써, 제3링크(43)에 대해 제4링크축(J4) 및 제7링크축(J7)으로 연결된 제4링크(44) 및 제5링크(45)가 제3링크(43)에 대해 회전하게 된다. 이러한 제4 및 제5링크(44)(45)는 제1가상선(L1)에 대해 평행하도록 제1 및 제2링크(41)(42)에 대해 제2, 3, 5, 6링크축(J2)(J3)(J5)(J6)으로 연결됨으로써, 제1 및 제2링크(41)(42)들도 함께 회전하게 된다.

여기서, 제1링크(41)의 일단은 제1액추에이터부(20)의 요축(Y)과 연결되고, 제2링크(42)의 일단은 지지부(10)와 제1링크축(J1)으로 연결된 상태이며, 요축(Y)과 제1링크축(J1)은 지지부(10)에 대해 모두 축 고정된 상태이다. 그로 인해, 수평 내전 및 외전 움직임이 링크부(40)의 복수의 링크(41)(42)(43)(44)(45)들에 의해 관절축(C)과 일치하지 않는 위치에 위치하는 제1액추에이터부(20)의 요축(Y)을 중심으로 회전될 수 있게 된다.

정리하면, 제1링크(41)가 수평 내전 및 외전 동작의 중심인 요축(Y)을 제공하는 제1액추에이터부(20)와 연결되고, 제1링크(41)가 제2 내지 제5링크(42)(43)(44)(45)들과 평행사변형 구조로 연결됨으로써, 각 링크(41)(42)(43)(44)(45)들의 연결 지점에 가상의 회전중심인 제1 내지 제7링크축(J1)(J2)(J3)(J4)(J5)(J6)(J7)을 형성하게 된다. 또한, 제1 내지 제5링크(41)(42)(43)(44)(45)들이 형성하는 두개의 평행사변 구조로부터 연장되는 제1 및 제2가상선(L1)(L2) 사이의 교점에 관절축(C)이 위치함으로써, 관절축(C)을 중심으로 제1 내지 제5링크(41)(42)(43)(44)(45)들은 평행사변형 궤적을 그리며 회전되게 된다. 이때, 제1가상선(L1)에 관절축(C) 및 요축(Y)이 위치하고, 링크부(40)는 제1가상선(L1)을 중심으로 제2가상선(L2)을 회전시켜 최종적으로, 제1액추에이터부(20)의 요축(Y)을 중심을 팔이 수평 내전 및 외전 움직이게 된다.

도 6을 참고하여, 본 발명에 의한 관절 운동장치(1)의 재활 동작 중 전방 거상 동작을 개략적으로 설명한다.

도 6과 같이, 팔을 지지하는 운동부(50)가 전방 거상 동작에 의해 수평 위치에서 수직방향으로 들어 올려진다. 이때, 운동부(50)는 제2액추에이터부(30)의 피치축(P)을 중심으로 회전됨으로써, 팔의 전방 거상 동작시킨다. 이때, 피치축(P)은 인체(H)의 관절축(C) 동축 상에 위치함으로써, 운동부(50)를 전방 거상 동작시키게 된다.

한편, 운동부(50)가 전방 거상 동작 중에 제1액추에이터부(20) 및 이를 지지하는 지지부(10)가 인체(H)의 후면에 위치함에 따라(도 1 참고), 피치축(P)에 대해 최대 180도의 움직임 가능한 거상 동작 중 충돌에 의한 간섭이 방지된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 관절 운동장치 10: 지지부
20: 제1액추에이터부 30: 제2액추에이터부
40: 링크부 41: 제1링크
42: 제2링크 43: 제3링크
44: 제4링크 45: 제5링크
50: 운동부 C: 관절축
Y: 요축 P: 피치축

Claims

인체의 후면을 지지하는 지지부;
상기 지지부에 연결되어, 수평 내전 및 외전 운동을 위한 구동력을 제공하는 제1액추에이터부;
전방 거상 운동을 위한 구동력을 제공하는 제2액추에이터부;
상기 제1 및 제2액추에이터부 사이를 상호 연결시키며, 상기 수평 내전 및 외전 운동시의 회전중심인 관절축과 일치하는 가상의 회전축을 제공하여 1자유도 구동시키는 링크부; 및
상기 제2액추에이터부와 연결되어, 상기 제1 및 제2액추에이터부의 구동력에 의해 상기 인체의 관절 부위를 지지하는 운동부;
를 포함하는 관절 운동장치.
제1항에 있어서,
상기 지지부는 상기 인체의 어깨 후면에 밀착되는 관절 운동장치.
제1항에 있어서,
상기 제1액추에이터부는 상기 인체 관절의 수평 내전 및 외전 동작을 위한 요(Yaw) 회전 중심과 일치하는 요축을 중심으로 회전되며, 상기 제2액추에이터부는 상기 인체 관절의 전방 거상 동작을 위한 피치(Pitch) 회전 중심과 일치하는 피치축을 중심으로 회전되되,
상기 요축 및 피치축은 상기 관절축으로부터 각각 서로 다른 방향으로 연장되는 가상의 직선인 제1 및 제2가상선 상에 위치하며,
상기 제1액추에이터부의 회전각도와 상기 관절축의 회전각도는 상호 1:1로 동일한 관절 운동장치.
제3항에 있어서,
상기 링크부는,
일단이 상기 요축을 중심으로 움직임 가능하도록 상기 제1액추에이터부에 축 고정되며, 타단은 상기 제2가상선과 평행한 방향으로 연장되는 직선 형상의 제1링크;
일단이 상기 지지부에 제1링크축을 중심으로 움직임 가능하게 축 고정되고 타단은 상기 제2가상선과 평행한 방향으로 연장되되, 상기 제1링크축은 상기 제1가상선 상에 위치하는 직선 형상의 제2링크;
상기 제2가상선 상에 위치하며, 일단이 상기 제2액추에이터부의 피치축과 동축 연결되는 직선 형상의 제3링크;
상기 제1 내지 제3링크 각각의 타단을 연결하며, 상기 제1가상선과 평행한 직선 형상의 제4링크; 및
상기 제4링크로부터 상기 제1 내지 제3링크 각각의 일단을 향해 이격된 위치에서 상기 제1 내지 제3링크와 수직방향으로 교차하여 각각 축 연결되되, 상기 제1가상선과 평행한 직선 형상의 제5링크;
를 포함하는 관절 운동장치.
제1항에 있어서,
상기 링크부는,
상기 제1액추에이터부와 연결되는 제1링크;
상기 지지부와 연결되며, 상기 제1링크와 평행한 제2링크;
상기 제2액추에이터부와 연결되며 상기 제1링크와 평행한 제3링크; 및
상기 제1 내지 제3링크를 수직방향으로 교차하여 축 연결되는 적어도 하나의 제4링크;
를 포함하며,
상기 제1 내지 제4링크는 적어도 두개의 평행사변 구조를 형성하되, 상기 제1 내지 제4링크가 형성하는 평행사변 구조로부터 연장되는 가상의 직선 사이의 교점에 상기 관절축이 위치하는 관절 운동장치.
인체의 후면에 위치하여, 수평 내전 및 외전 운동시의 요(Yaw) 축을 중심으로 회전되는 제1액추에이터부;
전방 거상 동작시의 피치(Pitch) 축을 중심으로 회전되는 제2액추에이터부;
상기 제1 및 제2액추에이터부를 상호 연결시키며, 상기 수평 내전 및 외전 운동시의 회전중심인 관절축과 일치하는 가상의 회전축을 제공하도록 복수의 링크들을 포함하는 링크부; 및
상기 제2액추에이터부와 연결되어, 상기 인체의 관절 부위를 지지한 상태로 움직임 가능한 운동부;
를 포함하는 관절 운동장치.
제6항에 있어서,
상기 전방 거상 범위를 벗어나는 상기 인체의 어깨 후면을 지지하는 지지부;
를 포함하며,
상기 제1액추에이터부는 상기 지지부에 고정되는 관절 운동장치.
제6항에 있어서,
상기 요축 및 피치축은 상기 관절축으로부터 각각 서로 다른 방향으로 연장되는 가상의 직선인 제1 및 제2가상선 상에 위치하며,
상기 링크부는,
일단이 상기 요축을 중심으로 움직임 가능하도록 상기 제1액추에이터부에 연결되며, 타단은 상기 제2가상선과 평행한 방향으로 연장되는 직선 형상의 제1링크;
일단이 상기 지지부에 제1링크축을 중심으로 움직임 가능하게 축 고정되고 타단은 상기 제2가상선과 평행한 방향으로 연장되되, 상기 제1링크축은 상기 제1가상선 상에 위치하는 직선 형상의 제2링크;
상기 제2가상선 상에 위치하며, 일단이 상기 제2액추에이터부의 피치축과 동축 연결되는 직선 형상의 제3링크;
상기 제1 내지 제3링크 각각의 타단에 축 연결되어 수직방향으로 교차하며, 상기 제1가상선과 평행한 직선 형상의 제4링크; 및
상기 제4링크로부터 상기 제1 내지 제3링크 각각의 일단을 향해 이격된 위치에서 상기 제1 내지 제3링크와 수직방향으로 교차하여 각각 축 연결되되, 상기 제1가상선과 평행한 직선 형상의 제5링크;
를 포함하는 관절 운동장치.
제7항에 있어서,
상기 링크부는,
상기 제1액추에이터부와 연결되는 제1링크;
상기 지지부와 연결되며, 상기 제1링크와 평행한 제2링크;
상기 제2액추에이터부와 연결되며 상기 제1링크와 평행한 제3링크; 및
상기 제1 내지 제3링크를 수직방향으로 교차하여 축 연결되는 적어도 하나의 제4링크;
를 포함하며,
상기 제1 내지 제4링크는 적어도 두개의 평행사변 구조를 형성하되, 상기 제1 내지 제4링크가 형성하는 평행사변 구조로부터 연장되는 가상의 직선 사이의 교점에 상기 관절축이 위치하는 관절 운동장치.
제6항에 있어서,
상기 관절축에 대해 상기 제1 및 제2액추에이터부는 각각 55~75mm 및 150~170mm 이격된 위치에 배치되며,
상기 제1액추에이터부의 회전각도와 상기 관절축의 회전각도는 상호 1:1로 동일한 관절 운동장치.