KR20220072108A - 분해 결합이 가능한 모듈 기반의 상지 재활 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 사용자의 손 재활을 위한 손 재활 모듈과, 사용자의 손목 재활을 위해 상기 손 재활 모듈과 제1 연결 프레임을 통해 연결된 손목 재활 모듈과, 사용자의 팔꿈치 재활을 위해 상기손목 재활 모듈과 제2 연결 프레임을 통해 연결된 팔꿈치 재활 모듈 및 사용자의 어깨 재활을 위해 상기 팔꿈치 재활 모듈과 제3 연결 프레임을 통해 연결된 어깨 재활 모듈을 포함하고, 상기 제1 연결 프레임, 제2 연결 프레임, 및 제3 연결 프레임의 결합을 모두 해제하여 각각의 모듈이 독립적인 형태로 해당 부위의 재활 운동을 수행하거나, 상기 제1 연결 프레임, 제2 연결 프레임, 및 제3 연결 프레임을 모두 연결하여 상지 전체의 재활 운동을 수행하거나, 상기 제1 연결 프레임, 제2 연결 프레임, 및 제3 연결 프레임 중의 어느 하나를 연결하여 2개 이상의 부위의 재활 운동을 수행하며, 상기 손 재활 모듈, 손목 재활 모듈, 팔꿈치 재활 모듈, 어깨 재활 모듈 중의 어느 하나에 모터의 구비 여부에 따라 능동 재활 모드 또는 수종 재활 모드를 구현하는 상지 재활 로봇을 제공한다.

Description

분해 결합이 가능한 모듈 기반의 상지 재활 로봇{Module-based upper-limb rehabilitation robot that is able to be disassembled or combined}

본 발명은 상지 재활 로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 각각의 손 재활 모듈, 손목 재활 모듈, 팔꿈치 재활 모듈 및 어깨 모듈을 분해 또는 결합이 가능한 모듈 기반 구조로 형성한 다자유도 상지 재활 로봇에 관한 것이다.

선천적 또는 후천적 신경 질환으로 인해 신체 기능이 손상되면 손상된 신체 기능의 회복을 위해 재활 치료사가 상지 관절의 운동을 보조하여 장시간 재활 운동을 할 필요가 있다.

이렇게 물리적 재활 치료가 필요한 재활 환자의 수는 최근 급속한 고령화로 인해 노령 인구가 증가하는 반면에 실제 재활 치료사의 수는 부족한 실정이다.

또한, 노화로 인한 근력의 약화는 재활 운동을 미리 생활화하면 후천적 신경 질환, 가령, 뇌졸증이나 척추 손상 등을 미연에 방지할 수 있으므로, 상지 재활 치료를 위한 운동 기구로서도 필요성이 커지고 있다.

이처럼 상지 재활이 필요한 환자를 위한 치료 기구뿐만 아니라 이를 미연에 방지하기 위한 운동기구로서 재활 로봇 요구가 높아지고 있는 실정이다.

가령, 장소와 공간에 구속받지 않고, 환자의 자가 재활 치료가 가능한 경량형 재활 치료 로봇의 요청에 대응하고, 상지 전체 재활 및 각 부위별 재활 운동이 모두 가능한 재활 로봇 시스템에 대한 필요성이 큰 실정이다.

한국등록특허 10-2018566호(2019.08.30 등록) 한국공개특허 10-2016-0071661호(2016.06.22 공개)

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점 또는 요구를 반영한 것으로, 각각의 손 재활 모듈, 손목 재활 모듈, 팔꿈치 재활 모듈 및 어깨 모듈을 분해 또는 결합이 가능한 모듈 기반 구조로 형성하고 상지 각 부위의 재활 모듈이 독립적으로 또는 상지 전체의 재활 운동이 가능하여 다 자유도 상지 재활 로봇을 제공함에 그 목적이 있다.

이를 위해, 본 발명은, 사용자의 손 재활을 위한 손 재활 모듈과, 사용자의 손목 재활을 위해 상기 손 재활 모듈과 제1 연결 프레임을 통해 연결된 손목 재활 모듈과, 사용자의 팔꿈치 재활을 위해 상기손목 재활 모듈과 제2 연결 프레임을 통해 연결된 팔꿈치 재활 모듈 및 사용자의 어깨 재활을 위해 상기 팔꿈치 재활 모듈과 제3 연결 프레임을 통해 연결된 어깨 재활 모듈을 포함하고,

상기 제1 연결 프레임, 제2 연결 프레임, 및 제3 연결 프레임의 결합을 모두 해제하여 각각의 모듈이 독립적인 형태로 해당 부위의 재활 운동을 수행하거나, 상기 제1 연결 프레임, 제2 연결 프레임, 및 제3 연결 프레임을 모두 연결하여 상지 전체의 재활 운동을 수행하거나, 상기 제1 연결 프레임, 제2 연결 프레임, 및 제3 연결 프레임 중의 어느 하나를 연결하여 2개 이상의 부위의 재활 운동을 수행하며,

상기 손 재활 모듈, 손목 재활 모듈, 팔꿈치 재활 모듈, 어깨 재활 모듈 중의 어느 하나에 모터의 구비 여부에 따라 능동 재활 모드 또는 수종 재활 모드를 구현하는 상지 재활 로봇을 제공한다.

또한, 상기 손목 재활 모듈은, 사용자의 손목이 착용되는 외골격 구조로서 손목 본체와, 상기 손목 본체의 상부에 형성되고 단면이 일부가 개방된 원형으로 형성되어 상기 사용자의 손목을 지지하면서 상기 사용자의 손목 회전 운동에 따라 회전하는 회전 조인트부와, 상기 회전 조인트부의 일측과 연결된 와이어와, 상기 와이어의 타측과 연결되고 상기 회전 조인트부의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하여 상기 와이어를 당겨주는 드럼부를 포함하고, 상기 와이어는 일측은 상기 회전 조인트부와 연결되고 타측은 상기 드럼부의 내부에 형성된 드럼 스프링와 연결되며, 상기 드럼 스프링이 상기 와이어를 상시적으로 당겨서 고정시켜 주는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 와이어와 연결된 로드셀이 상기 회전 조인트부의 회전 운동에 따라 발생하는 와이어의 장력을 측정하여 힘을 계산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 손 재활 모듈은, 사용자의 왼손 또는 오른손이 착용되는 외골격 구조로서 단면이 일부가 개방된 사각형태인 손 본체와, 상기 손 본체와 전방으로 연결되어 검지, 중지, 약지 및 소지 손가락이 지지되는 4 손가락 지지부와, 상기 손 본체의 측면에서 연결되어 꺽인 형태로 엄지손가락이 지지되는 엄지손가락 지지부와, 상기 손 본체의 상부에 형성되고 상기 4 손가락의 폄 또는 오므림 운동을 구현하는 구동모듈과, 상기 구동모듈의 모터 구동축과 연결되고 구동축 지지부와, 4절 링크로 이루어지고 상기 4 손가락 지지부와 상기 구동축 지지부를 상기 4절 링크로 연결하는 링크부와, 일측은 상기 구동축 지지부와 연결되고 타측은 상기 손 본체와 연결되어 상기 4 손가락 지지부의 오므림 운동시에 저항력을 제공하는 인장 스프링을 포함할 수 있다.

또한, 상기 인장스프링의 늘어난 정도와 상기 구구동 모듈의 모터의 회전 중심에서 상기 인장 스프링 탄성 힘 작용점까지 거리를 곱하여 토크를 계산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 사용자 손의 오므림 및 폄 동작을 4절 링크 구조를 기반으로 고안된 장치를 사용하여 구현하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 팔꿈치 재활 모듈은, 사용자의 팔꿈치가 착용되는 외골격 구조로서 팔꿈치 본체와, 상기 팔꿈치 본체의 양측에 형성되어 사용자의 팔꿈치 재활 운동시의 힘을 측정하는 로드셀과, 상기 팔꿈치 본체와 상기 로드셀과 연결되어 팔꿈치 운동의 굽힘시 압축되고 폄 운동시 복원하는 스프링을 포함할 수 있다.

또한, 상기 로드셀과 스프링이 결합된 메카니즘을 활용하여 팔꿈치 재활 운동시 상기 로드셀에 측정되는 힘을 통해, 팔꿈치 회전중심과 상기 로드셀의 힘 측정점 사이의 거리를 곱하여 토크를 계산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 어깨 재활 모듈은, 사용자의 어깨에 착용되는 외골격 구조로서 탄성구조물이 결합된 제1 내지 제3 구동장치를 형성하고, 상기 제1 구동 장치는 어깨 굽힘 또는 폄 운동을 수행하고, 상기 제2 구동 장치는 어깨 안쪽 또는 바깥쪽 돌림 운동을 수행하고, 상기 제3 구동 장치는 어깨 벌림 또는 오므림 운동을 수행하여, 3자유도 운동을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 외륜과 내륜 구조물이 서로 결합되어 구동하는 형태를 가지고 있으며, 외륜과 내륜 사이에 스프링 등의 탄성체가 장치되어 저항력 및 보조힘을 생성하는 탄성 구조물이 결합 된 장치를 사용하여 능동 재활 운동을 구현하는 것을 특징으로 한다.

또한, 탄성 구조물이 여러개 결합되어 능동 재활 운동 시 보조힘 과 저항력을 제공하고 엔코더 및 로드셀을 사용하여 위치 및 힘 정보를 수집하는 구동장치가 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 와이어의 인장력으로 인해 로드셀에 발생하는 압축력 정도를 수집하여 운동 시 힘을 계산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 각각의 손 재활 모듈, 손목 재활 모듈, 팔꿈치 재활 모듈 및 어깨 모듈을 분해 또는 결합이 가능한 모듈 기반 구조로 형성하고 상지 각 부위의 재활 모듈이 독립적으로 기능하게 구성하거나 2개 이상의 재활 모듈 장치를 결합하여 상지 전체 및 연결 부위의 재활 운동이 가능한 다 자유도 상지 재활 로봇을 제공한다.

또한, 재활 운동시 관절의 가동 범위 및 저항력을 측정하여 환자 근육의 근력 정도를 수치적으로 확인 가능하게 환자 맞춤형 재활 치료가 가능한 장점이 있다.

또한, 양수 겸용으로 고안되어 하나의 로봇으로 좌우 상지의 재활운동이 가능하게 할 수 있다.

또한, 재활 환자의 상태에 따라 상지의 능동 또는 수동 재활 모드의 선택이 가능하여 환자 맞춤형 재활 운동이 가능하게 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상지 재활 로봇의 구성을 나타낸 도면,
도 2는 도 1의 상지 재활 로봇에서 손목 재활 모듈(200)과 손 재활 모듈(300)이 연결된 구성을 나타낸 도면이고,
도 3은 도 2의 손목 재활 모듈(200)의 내부 구성을 상세히 나타낸 도면이고,
도 4는 도 2의 손목 재활 모듈(200)의 구성에서 능동/수동 재활 운동 모드 변환이 가능한 구성을 나타낸 도면,
도 5a 및 도 5b는 도 1의 상지 재활 로봇에서 손 재활 모듈(300)의 구성을 나타낸 도면,
도 6은 도 2의 손목 재활 모듈(200)과 도 5의 손 재활 모듈(300)의 연결부를 보다 자세히 나타낸 도면,
도 7은 도 1의 상지 재활 로봇에서 팔꿈치 재활 모듈(400)이 손목 재활 모듈(200) 및 손 재활 모듈(300)과 연결된 상태를 나타낸 도면,
도 8a 및 도 8b는 도 7에서 상기 팔꿈치 재활 모듈(400)을 보다 자세히 나타낸 측면도,
도 9은 도 7의 팔꿈치 재활 모듈(400)과 손목 재활 모듈(200)의 연결부를 보다 자세히 나타낸 도면,
도 10은 도 1의 상지 재활 로봇에서 어깨 재활 모듈(500)이 팔꿈치 재활 모듈(400) 및 손목 재활 모듈(200) 및 손 재활 모듈(300)과 연결된 상태를 나타낸 도면이고,
도 11은 도 10의 어깨 재활 모듈(500)에서 탄성구조물이 결합된 구동장치의 구성을 나타낸 도면이고,
도 12a 내지 도 12는 도 11의 어깨 재활 모듈(500)의 탄성구조물의 구성을 나타낸 도면이고,
도 13은 도 10의 어깨 재활 모듈(500)과 팔꿈치 재활 모듈(400)의 연결부를 보다 자세히 나타낸 도면이다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상지 재활 로봇을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상지 재활 로봇의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상지 재활로봇(100)은, 각각의 손 재활 모듈(300), 손목 재활 모듈(200), 팔꿈치 재활 모듈(400) 및 어깨 재활 모듈(500)의 독립된 모듈 기반 구조로 형성하여, 각각의 모듈이 단독으로 독립적인 형태로 해당 부위의 재활 운동을 수행하거나 2개 이상의 모듈이 분해 또는 결합이 가능하여 상지 전체 및 각 부위의 재활 운동을 가능하게 한다.

도 2는 도 1의 상지 재활 로봇에서 손목 재활 모듈(200)과 손 재활 모듈(300)이 연결된 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 손목 재활 모듈(200)의 내부 구성을 상세히 나타낸 도면이고, 도 4는 도 2의 손목 재활 모듈(200)의 구성에서 능동/수동 재활 운동 모드 변환이 가능한 구성을 나타낸 도면이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 손목 재활 모듈(200)은 사용자의 손목이 착용되는 외골격(skeleton) 구조로서 손목 본체(210)와, 상기 손목 본체(210)의 상부에 형성되고 단면이 일부가 개방된 원형으로 형성되어 상기 사용자의 손목을 지지하면서 상기 사용자의 손목 회전 운동에 따라 회전하는 회전 조인트부(220)와, 상기 회전 조인트부(220)의 일측과 연결된 와이어(231)와, 상기 와이어(231)의 타측과 연결되고 상기 회전 조인트부(220)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하여 상기 와이어(231)를 당겨주는 원통형의 드럼부(230)을 구비한다.

이때, 와이어(231)는 일측은 회전 조인트부(220)와 연결되고 타측은 드럼부(230)의 내부에 형성된 드럼 스프링(미도시)와 연결되며, 상기 드럼 스프링이 상기 와이어(231)를 상시적으로 당겨서 고정시켜 주는 역할을 한다. 즉, 상기 드럼 스프링이 상기 회전 조인트부(220)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하면서 상기 와이어(231)을 당겨주어 인장력을 제공한다.

또한, 로드셀(232)이 상기 와이어(231)와 연결되어 사용자의 손목 재활 운동시 힘을 측정하는데, 즉 손목 재활 운동시에 상기 로드셀(232)이 상기 회전 조인트부(220)의 회전 운동에 따라 발생하는 와이어(231)의 장력을 측정하여 힘을 계산한다. 또한, 엔코더(233)가 사용자의 손목 움직임시에 상기 회전 조인트부(220)의 회전량을 측정한다. 이때, 회전 조인트부(220)와 엔코더(233)는 기어 구조로서 구동하며, 상기 회전 조인트부(220)의 큰 기어 구조(221)의 하부에 상기 엔코더(233)의 클러치 기어(234)가 맞물려 구동하므로, 상기 엔코더(233)가 회전 조인트부(220)의 회전량을 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 손목 재활 모듈(200)은 능동 재활 운동 모드 또는 수동 재활 운동 모드 변환이 가능하며, 전술한 바와 같이, 별도의 모터 구동 없이, 사용자의 손목 회전 운동시에 기어구동 방식으로 회전 조인트부(220)가 회전하는 재활자 스스로의 힘으로 운동하는 능동 재활 운동에 대해서 설명하였다.

도 4를 참조하면, 상기 손목 본체(210)에 액츄에이터(240)를 더 구비하여, 상기 액츄에이터(240)의 구동모터(미도시)를 통한 토크힘이 상기 회전 조인트부(220)의 큰 기어구조(221)에 전달되게 하는 방식도 수동 재활 운동도 가능하게 한다.

즉, 액츄에이터(240)의 구동모터와 연결된 모터 구동 기어(241)는 차례로 상부의 클러치 기어(234) 및 회전 조인트부(220)의 큰 기어 구조(221)와 맞물려 기어 구동 방식으로 연결된다. 이에 따라, 액츄에이터(240)의 구동 토크가 모터 구동 기어(241), 클러치 기어(234)를 통해 큰 기어 구조(221)에 전달되어 수동 손목 재활 운동도 가능하다.

또한, 제어부(미도시)는 손사용자의 손목 재활 운동시에 로드셀(232)를 통한 와이어(231) 장력과, 엔코더(233)를 사용하여 회전 조인트부(220)의 조인트 회전량을 측정하여 손목 재활 로봇의 힘을 측정한다. 이때, 상기 제어부는 측정된 와이어 장력값과 조인트 회전량 값의 평균값으로 사용자의 손목 힘을 계산할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 수동 모드 재활시에는 상기 와이어 장력값과 조인트 회전량 값을 토대로 설정된 손목 재활값과 비교하여 상기 액츄에이터(240)의 구동모터를 제어하여 사용자의 손목 재활 운동을 보조할 수 있게 한다.

또한, 상기 제어부는 상기 와이어 장력값과 조인트 회전량값을 통해 손목 재활 상태를 판단할 수 있으며, 가령 상기 와이어 장력값과 조인트 회전량값이 큰 경우에는 손목 경직 정도가 낮아 재활의 강도가 다소 낮게 설정될 수 있고, 반대로 와이어 장력값과 조인트 회전량이 작은 경우에는 손목 경직 정도가 높아 재활의 강도를 크게 설정하여 치료 및 개선할 필요성이 커진다고 할 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 도 1의 상지 재활 로봇에서 손 재활 모듈(300)의 구성을 나타낸 도면으로, 도 5a는 상기 손 재활 모듈(300)이 4절 링크 기반으로 1 자유도의 손의 폄 동작을 나타낸 도면이고, 도 5b는 상기 손 재활 모듈(300)이 4절 링크 기반으로 1 자유도의 손의 오므림 동작을 나타낸 도면이다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 손 재활 모듈(300)은 사용자의 왼손 또는 오른손이 착용되는 외골격(skeleton) 구조로서 단면이 일부가 개방된 사각형태인 손 본체(310)와, 상기 손 본체(310)와 전방으로 연결되어 검지, 중지, 약지 및 소지 손가락이 지지되는 4 손가락 지지부(330)와, 상기 손 본체(310)의 측면에서 연결되어 꺽인 형태로 엄지손가락이 지지되는 엄지손가락 지지부(320)와, 상기 손 본체(310)의 상부에 형성되고 상기 4 손가락의 폄 또는 오므림 운동을 구현하는 구동모듈(340)과, 상기 구동모듈(340)의 모터 구동축과 연결되고 구동축 지지부(350)와, 4절 링크(4-bar-linkage)로 이루어지고 상기 4 손가락 지지부(330)와 상기 구동축 지지부(350)를 상기 4절 링크로 연결하는 링크부(351)과, 일측은 상기 구동축 지지부(350)와 연결되고 타측은 상기 손 본체(310)와 연결되어 상기 4 손가락 지지부(330)의 오므림 운동시에 저항력을 제공하는 인장 스프링(352)를 구비한다.

이때, 상기 손 재활 모듈(300)은 사용자의 왼손 또는 오른손이 모두 착용가능한 양수 겸용 구조를 갖는다. 이를 위해, 상기 4 손가락 지지부(330)는 양손 공통으로 사용하고, 상기 엄지 손가락 지지부(320)는 좌우 대칭형으로 배치된 2개의 복수 구조로 형성되며, 상기 4절 링크 구조의 링크부(351)도 좌우 대칭형으로 배치된 2개의 복수 구조로 형성되며, 상기 구동축 지지부(350)도 상기 구동모듈(340)의 모터 구동축의 양축에 연결되므로 좌우 대칭형으로 배치된 2개의 복수 구조로 형성되며, 상기 인장 스프링(352)도 상기 구동축 지지부(350)에 모두 연결되므로 좌우 대칭형으로 배치된 2개의 복수 구조로 형성된다.

또한, 상기 손 본체(310)는 손 재활 모듈에 사용자의 왼손 또는 오른손의 착용시 손등이 접촉하는 부분이고, 상부에 구동모듈(340)과 인장스프링(352)이 설치된다.

상기 링크부(351)은 좌우 대칭으로 2개의 4절 링크로 구성되고, 손 재활 모듈의 착용시 상기 구동축 지지부(350)의 모터 구동축 연결부(353)를 중심으로 고정하여 연결된 4손가락 지지부(330)의 제1 관절(331)과 제2 관절(332)이 검지, 중지, 약지, 및 소지 손가락의 4 손가락을 움직일 수 있게 하는 링크 구조이다.

이때, 상기 제1 관절(331)은 검지, 중지, 약지, 및 소지 손가락의 4손가락 말단부를 기준으로 손가락의 첫째 마디와 둘째 마디 사이의 관절이고, 상기 제2 관절(332)은 손가락의 둘째 마디와 셋째 마디의 관절이다. 여기서, 검지, 중지, 약지, 및 소지 손가락의 4 손가락은 움직일 수 있는 구조이나 반면에 엄지손가락은 관절의 움직이 없이 고정된 구조로 형성된 구조이다.

이를 통해, 상기 링크부(351)은 4절 링크 구조로 구동모듈(340)의 모터 구동축과 연결되고, 각각 제1 관절, 제2 관절을 통해 각도조절이 가능하므로, 사용자의 검지, 중지, 약지, 및 소지 손가락의 4 손가락에 대한 움직임(폄 또는 오므림 운동)이 가능하고, 힘 전달도 용이하게 한다.

또한, 상기 링크부(351)을 구성하는 복수의 바(BAR) 또는 엄지 손가락부의 바 길이를 슬라이딩 방식 또는 볼트 너트 결합방식으로 조절하여 조립할 수 있어, 다양한 사용자의 손 길이에 맞게 조절할 수 있다.

또한, 상기 구동모듈(340)은 구동력을 전달하는 모터(미도시)와, 상기 모터의 구동력을 연결된 상기 구동축 지지부(350)로 전달하는 모터 구동축과, 상기 모터의 회전량을 측정하는 엔코더(미도시)와, 상기 엔코더의 회전량 측정 정보를 활용하여 상기 인장스프링(352)의 변화를 계산하고, 상기 인장스프링(352)의 늘어난 정도와 모터의 회전 중심에서 스프링 탄성 힘 작용점까지 거리를 곱하여 토크를 계산하는 제어부(미도시)와, 상기 구동모듈(340)에 전원을 공급하는 전원부(미도시)를 구비한다.

도 5b를 참조하면 인장 스프링(352)을 사용하여 손 재활 모듈의 오므림 운동시 저항력을 제공하며, 도 5a를 참조하면 손 재활 모듈의 폄 운동시 인장 스프링도복원력을 회복하는 동작을 보여준다. 또한, 상기 인장 스프링은 링크부(351)의 4절 링크에서 추가로 연결될 수 있고 이를 통해 손 재활 운동시 오므림 운동시 저항력을 제공한다.

또한, 상기 제어부는 상기 인장스프링(352)의 늘어난 정도와 모터의 회전 중심에서 스프링 탄성 힘 작용점까지 거리를 곱하여 계산한 토크값이 큰 경우 손의 경직 정도가 낮고, 반대로 토크 값이 작은 경우에는 손의 경직 정도가 낮은 것으로 판단한다. 가령, 상기 토크 값이 큰 경우에는 손의 경직 정도가 낮아 재활의 강도를 다소 낮게 설정할 수 있고, 반대로 토크 값이 작은 경우에는 손의 경직 정도가 높아 재활의 강도를 크게 설정하여 치료 및 개선할 필요성이 커진다고 할 수 있다.

도 6은 도 2의 손목 재활 모듈(200)과 도 5의 손 재활 모듈(300)의 연결부를 보다 자세히 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 손목 본체(210)의 일측에 형성된 손목 연결 프레임(211)에 손 재활 로봇(200)의 엄지 손가락 고정 플레이트(321)가 결합되어 손 재활 로봇(200)과 손목 재활 로봇(300)이 결합되게 된다. 이때, 손목 연결 프레임(211)과 엄지 손가락 고정 플레이트(321)가 나사볼트/너트 연결로 결합되거나 홈/돌기 형태로 결합될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 손목 재활 모듈(200), 손 재활 모듈(300)이 각각 독립적으로 손목 또는 손 재활 운동이 가능하게 할 뿐만 아니라, 손목 연결 프레임(211)과 엄지 손가락 고정 플레이트(321)를 통해 상호 결합하여 손과 손목 연결 모듈의 재활 운동이 가능하게 한다.

도 7은 도 1의 상지 재활 로봇에서 팔꿈치 재활 모듈(400)이 손목 재활 모듈(200) 및 손 재활 모듈(300)과 연결된 상태를 나타낸 도면이고, 도 8a 및 도 8b는 도 7에서 상기 팔꿈치 재활 모듈(400)을 보다 자세히 나타낸 측면도이다.

도 8a는 상기 팔꿈치 재활 모듈(400)에서 팔꿈치 굽힘 동작을 설명한 도면이고, 도8b는 상기 팔꿈치 재활 모듈(400)에서 팔꿈치 폄 동작을 설명한 도면이다.

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 상기 팔꿈치 재활 모듈(400)은 사용자의 팔꿈치가 착용되는 외골격(skeleton) 구조로서 팔꿈치 본체(410)와, 상기 팔꿈치 본체(410)의 양측에 형성되어 사용자의 팔꿈치 재활 운동시의 힘을 측정하는 로드셀(420)과, 상기 팔꿈치 본체(410)와 상기 로드셀(420)과 연결되어 팔꿈치 운동의굽힘시 압축되고 폄 운동시 복원하는 스프링(430)을 구비한다.

여기서, 로드셀(420)과 스프링(430)이 결합된 메카니즘을 활용하여 팔꿈치 재활 운동시 로드셀(420)에 측정되는 힘을 통해, 팔꿈치 회전중심과 로드셀(420)의 힘 측정점 사이의 거리를 곱하여 토크를 계산한다.

또한, 본 발명에 따른 팔꿈치 재활 모듈(400)은 능동 재활 운동 모드 또는 수동 재활 운동 모드 변환이 가능하며, 전술한 바와 같이, 별도의 모터 구동 없이, 사용자의 팔꿈치 회전 운동시에 팔꿈치 본체(410)가 로드셀(420)과 스프링(430)이 결합된 메카니즘을 통해 회전하면서 재활자 스스로의 힘으로 팔꿈치 굽힘 또는 팔꿈치 폄 운동하는 능동 재활 운동을 행한다.

또한, 상기 팔꿈치 본체(410)에 엔코더(441)와 상기 엔코더의 반대편에 배치된 모터 및 제어부를 더 구비한다.

또한, 제어부(미도시)는 팔꿈치 재활 운동시에 로드셀(420) 및 스프링(430)이 결합된 메카니즘을 활용하여 팔꿈치 회전중심과 로드셀의 힘 측정점 사이의 거리를 곱하여 토크를 계산한다. 또한, 엔코더를 활용하여 모터 가속도 값을 측정한다. 이때, 측정된 토크 값과 가속도 값의 평균값으로 사용자의 팔꿈치 힘을 계산할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 수동 모드 재활시에는 상기 토크 값과 모터 가속도 값을 토대로 설정된 팔꿈치 재활값과 비교하여 상기 모터의 제어하여 사용자의 팔꿈치 재활 운동을 보조할 수 있게 한다.

또한, 상기 제어부는 상기 토크 값과 모터 가속도 값을 팔꿈치 재활 상태를 판단할 수 있으며, 가령 토크 값과 모터 가속도 값이 큰 경우에는 팔꿈치 경직 정도가 낮아 재활의 강도가 다소 낮게 설정될 수 있고, 반대로 토크 값과 모터 가속도 값이 작은 경우에는 팔꿈치 경직 정도가 높아 재활의 강도를 크게 설정하여 치료 및 개선할 필요성이 커진다고 할 수 있다.

도 9은 도 7의 팔꿈치 재활 모듈(400)과 손목 재활 모듈(200)의 연결부를 보다 자세히 나타낸 도면이다.

도 9을 참조하면, 손목 본체(210)의 타측에 형성된 제2 손목 연결 프레임(212)에 팔꿈치 재활 모듈의 제1 팔꿈치 연결 프레임(411)가 결합되어 팔꿈치 재활 모듈(400)과 손목 재활 로봇(300)이 결합되게 된다. 이때, 제2 손목 연결 프레임(212)과 제1 팔꿈치 연결 프레임(411)은 나사볼트/너트 연결로 결합되거나 홈/돌기 형태로 결합될 수 있다.

또한, 제2 손목 연결 프레임(212)과 제1 팔꿈치 연결 프레임(411)은 연결시 길이조절부가 마련될 수 있다. 상기 길이조절부는 제2 손목 연결 프레임(212)과 제1 팔꿈치 연결 프레임(411)을 연결하는 가이드와, 상기 가이드를 따라 이동할 수 있게 제2 손목 연결 프레임(212)과 제1 팔꿈치 연결 프레임(411)를 지지하는 이동부를 포함하는 리니어 슬라이드(Linear slide)가 적용될 수 있다. 따라서, 상기 길이조절부를 통해 사용자의 신체에 맞도록 길이를 조절할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 팔꿈치 재활 모듈(400), 손목 재활 모듈(200), 손 재활 모듈(300)이 각각 독립적으로 팔꿈치 또는 손목 또는 손 재활 운동이 가능하게 할 뿐만 아니라, 제1 및 제2 손목 연결 프레임(211)(212)과 엄지 손가락 고정 플레이트(321) 및 제1 팔꿈치 연결 프레임(411)을 상호 결합하여 손과 손목과 팔꿈치 연결 모듈의 재활 운동이 가능하게 한다.

도 10은 도 1의 상지 재활 로봇에서 어깨 재활 모듈(500)이 팔꿈치 재활 모듈(400) 및 손목 재활 모듈(200) 및 손 재활 모듈(300)과 연결된 상태를 나타낸 도면이고, 도 11은 도 10의 어깨 재활 모듈(500)에서 탄성구조물이 결합된 구동장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 12a 내지 도 12c는 도 11의 어깨 재활 모듈(500)의 탄성구조물의 구성을 나타낸 도면이고, 도 13은 도 10의 어깨 재활 모듈(500)과 팔꿈치 재활 모듈(400)의 연결부를 보다 자세히 나타낸 도면이다.

도 10 내지 도 12를 참조하면, 상기 어깨 재활 모듈(500)은 사용자의 어깨에 착용되는 외골격(skeleton) 구조로서 탄성구조물이 결합된 제1 내지 제3 구동장치(510, 520, 530)를 형성하고, 상기 제1 구동 장치(510)은 어깨 굽힘/폄 운동을 수행하고, 제2 구동 장치(520)은 어깨 안쪽/바깥쪽 돌림 운동을 수행하고, 제3 구동 장치(530)은 어깨 벌림/오므림 운동을 수행하여, 3자유도(굽힘/폄, 안쪽/바깥쪽 돌림, 벌림/오므림 운동)운동을 구현한다.

또한, 제1 내지 제3 구동장치는 상호간 제2 및 제3 연결 프레임을 통해 연결되고 탄성구조물이 결합된 형태로 동일한 구조이므로, 제1 구동 장치(510) 위주로 설명하고 나머지 구동 장치의 구성에 대한 설명을 생략한다.

도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 제1 구동장치(510)는 능동 재활 운동을 위해 스프링을 이용한 탄성 구조물이 결합된 구동장치를 사용하며, 도 12c는 제1 탄성 구조물(511a)과 제2 탄성 구조물(511b)가 차례로 적층된 구조를 나타낸 것이다.

이때, 제1 탄성 구조물(511a)은 스프링(517)이 내륜(516)과 외륜(515) 사이에 설치되어 저항력과 보조힘을 생성하는 구조이다. 부연하면, 외륜(515)과 내륜(516) 구조물이 서로 결합되어 구동하는 형태를 가지고 있으며, 외륜(515)과 내륜(516) 사이에 스프링 등의 탄성체가 장착되어 저항력 및 보조힘을 생성하는 방식으로 탄성 구조물이 결합된 장치를 사용하여 능동 재활 운동을 구현하게 한다.

또한, 탄성 구조물은 하나의 운동범위는 30°로, 제1 구동장치(510) 내지 제3 구동장치(520, 530)의 각 구동장치는 동일한 구조의 제1 내지 제4 탄성 구조물(511a, 511b, 511c, 511d)의 총 4개의 탄성구조물이 적층결합되어 어깨의 운동 범위(120°)를 생성하고, 3개의 구동장치가 3자유도(굽힘/폄, 안쪽/바깥쪽 돌림, 벌림/오므림 운동)운동으로 어깨의 운동 범위(360°)를 생성한다.

또한, 제1 구동장치(510)은 탄성구조물이 4개 적층결합된 단위 탄성 구조물(511)이 풀리(pulley) 구조(512)로 와이어(518)를 통해 연결되어 있다.

이때, 로드셀(514)은 연결된 와이어(518) 장력을 측정하여 어깨 동작시 힘을 측정한다.

또한, 구동 장치의 풀리 구조(512)에 형성된 엔코더(513)를 사용하여 각 구동장치의 어깨 관절의 운동 범위를 측정한다.

이와 같이, 상기 탄성 구조물이 여러개 결합되어 능동 재활 운동 시 보조힘과 저항력을 제공하고, 엔코더(513) 및 로드셀(514)를 사용하여 위치 및 힘 정보를 수집한다. 또한, 상기 와이어(518)의 인장력으로 인해 로드셀(514)에 발생하는 압축력 정도를 수집하여 운동 시 힘을 계산한다.

도 13을 참조하면, 어깨 재활 모듈(500)의 제1 구동장치(510)의 제1 어깨 연결 프레임(541)에 제2 팔꿈치 연결 프레임(412)이 결합되어 어깨 재활 모듈(500)과 팔꿈치 재활 모듈(400)이 결합되게 된다. 이때, 제2 팔꿈치 연결 프레임(412)은 상박 고정 커프 형태로 제1 어깨 연결 프레임(541)에 제2 팔꿈치 연결 프레임(412)이 상박 고정 커프 형태로 결합될 수 있다. 또한, 결합 방식은 나사볼트/너트 연결로 결합되거나 홈/돌기 형태로 결합될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 어깨 재활 모듈(500), 팔꿈치 재활 모듈(400)이 각각 독립적으로 어깨 또는 팔꿈치 재활 운동이 가능하게 할 뿐만 아니라, 제1 어깨 연결 프레임(541)에 제2 팔꿈치 연결 프레임(412)을 상호 결합하여 어깨와 팔꿈치 연결 모듈의 재활 운동이 가능하게 한다.

또한, 제1 어깨 연결 프레임(541)에 제2 팔꿈치 연결 프레임(412)은 연결시 길이조절부가 마련될 수 있다. 상기 길이조절부는 전술한 팔꿈치 재활 모듈(400)의 길이 조절부는 리니어 슬라이드 구조를 이용하는 구조이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

위에서 설명된 본 발명의 실시 예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100: 상지 재활 로봇
200: 손목 재활 모듈
300: 손 재활 모듈
400: 팔꿈치 재활 모듈
500: 어깨 재활 모듈

Claims (12)

1. 사용자의 손 재활을 위한 손 재활 모듈과,
   사용자의 손목 재활을 위해 상기 손 재활 모듈과 제1 연결 프레임을 통해 연결된 손목 재활 모듈과,
   사용자의 팔꿈치 재활을 위해 상기손목 재활 모듈과 제2 연결 프레임을 통해 연결된 팔꿈치 재활 모듈 및
   사용자의 어깨 재활을 위해 상기 팔꿈치 재활 모듈과 제3 연결 프레임을 통해 연결된 어깨 재활 모듈을 포함하고,
   상기 제1 연결 프레임, 제2 연결 프레임, 및 제3 연결 프레임의 결합을 모두 해제하여 각각의 모듈이 독립적인 형태로 해당 부위의 재활 운동을 수행하거나,
   상기 제1 연결 프레임, 제2 연결 프레임, 및 제3 연결 프레임을 모두 연결하여 상지 전체의 재활 운동을 수행하거나,
   상기 제1 연결 프레임, 제2 연결 프레임, 및 제3 연결 프레임 중의 어느 하나를 연결하여 2개 이상의 부위의 재활 운동을 수행하며,
   상기 손 재활 모듈, 손목 재활 모듈, 팔꿈치 재활 모듈, 어깨 재활 모듈 중의 어느 하나에 모터의 구비 여부에 따라 능동 재활 모드 또는 수종 재활 모드를 구현하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 로봇.
2. 제1항에 있어서,
   상기 손목 재활 모듈은,
   사용자의 손목이 착용되는 외골격 구조로서 손목 본체와,
   상기 손목 본체의 상부에 형성되고 단면이 일부가 개방된 원형으로 형성되어 상기 사용자의 손목을 지지하면서 상기 사용자의 손목 회전 운동에 따라 회전하는 회전 조인트부와,
   상기 회전 조인트부의 일측과 연결된 와이어와,
   상기 와이어의 타측과 연결되고 상기 회전 조인트부의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하여 상기 와이어를 당겨주는 드럼부를 포함하고,
   상기 와이어는 일측은 상기 회전 조인트부와 연결되고 타측은 상기 드럼부의 내부에 형성된 드럼 스프링와 연결되며, 상기 드럼 스프링이 상기 와이어를 상시적으로 당겨서 고정시켜 주는 것을 특징으로 하는 상지 재활 로봇.
3. 제2항에 있어서,
   상기 와이어와 연결된 로드셀이 상기 회전 조인트부의 회전 운동에 따라 발생하는 와이어의 장력을 측정하여 힘을 계산하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 로봇.
4. 제1항에 있어서,
   상기 손 재활 모듈은, 사용자의 왼손 또는 오른손이 착용되는 외골격 구조로서 단면이 일부가 개방된 사각형태인 손 본체와,
   상기 손 본체와 전방으로 연결되어 검지, 중지, 약지 및 소지 손가락이 지지되는 4 손가락 지지부와,
   상기 손 본체의 측면에서 연결되어 꺽인 형태로 엄지손가락이 지지되는 엄지손가락 지지부와,
   상기 손 본체의 상부에 형성되고 상기 4 손가락의 폄 또는 오므림 운동을 구현하는 구동모듈과,
   상기 구동모듈의 모터 구동축과 연결되고 구동축 지지부와,
   4절 링크로 이루어지고 상기 4 손가락 지지부와 상기 구동축 지지부를 상기 4절 링크로 연결하는 링크부와,
   일측은 상기 구동축 지지부와 연결되고 타측은 상기 손 본체와 연결되어 상기 4 손가락 지지부의 오므림 운동시에 저항력을 제공하는 인장 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 로봇.
5. 제4항에 있어서,
   상기 인장스프링의 늘어난 정도와 상기 구동 모듈의 모터의 회전 중심에서 상기 인장 스프링 탄성 힘 작용점까지 거리를 곱하여 토크를 계산하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 로봇.
6. 제4항에 있어서,
   상기 사용자 손의 오므림 및 폄 동작을 4절 링크 구조를 기반으로 고안된 장치를 사용하여 구현하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 로봇.
7. 제1항에 있어서,
   상기 팔꿈치 재활 모듈은,
   사용자의 팔꿈치가 착용되는 외골격 구조로서 팔꿈치 본체와,
   상기 팔꿈치 본체의 양측에 형성되어 사용자의 팔꿈치 재활 운동시의 힘을 측정하는 로드셀과,
   상기 팔꿈치 본체와 상기 로드셀과 연결되어 팔꿈치 운동의 굽힘시 압축되고 폄 운동시 복원하는 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 로봇.
8. 제7항에 있어서,
   상기 로드셀과 스프링이 결합된 메카니즘을 활용하여 팔꿈치 재활 운동시 상기 로드셀에 측정되는 힘을 통해, 팔꿈치 회전중심과 상기 로드셀의 힘 측정점 사이의 거리를 곱하여 토크를 계산하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 로봇.
9. 제1항에 있어서,
   상기 어깨 재활 모듈은, 사용자의 어깨에 착용되는 외골격 구조로서 탄성구조물이 결합된 제1 내지 제3 구동장치를 형성하고,
   상기 제1 구동 장치는 어깨 굽힘 또는 폄 운동을 수행하고,
   상기 제2 구동 장치는 어깨 안쪽 또는 바깥쪽 돌림 운동을 수행하고,
   상기 제3 구동 장치는 어깨 벌림 또는 오므림 운동을 수행하여, 3자유도 운동을 수행하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 로봇.
10. 제9항에 있어서,
    외륜과 내륜 구조물이 서로 결합되어 구동하는 형태를 가지고 있으며, 외륜과 내륜 사이에 스프링 등의 탄성체가 장착되어 저항력 및 보조힘을 생성하는 탄성 구조물이 결합된 장치를 사용하여 능동 재활 운동을 구현하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 로봇.
11. 제9항에 있어서,
    상기 탄성 구조물이 여러개 결합되어 능동 재활 운동 시 보조힘과 저항력을 제공하고 엔코더 및 로드셀을 사용하여 위치 및 힘 정보를 수집하는 구동장치가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 상지 재활 로봇.
12. 제11항에 있어서,
    상기 와이어의 인장력으로 인해 로드셀에 발생하는 압축력 정도를 수집하여 운동 시 힘을 계산하는 것을 특징으로 하는 상지 재활 로봇.

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