WO2018093039A2 - 다양한 상지재활 훈련모드를 위한 댐핑 조절식 견관절 추종 장치 - Google Patents

다양한 상지재활 훈련모드를 위한 댐핑 조절식 견관절 추종 장치 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a damping-controlled shoulder tracking device for various upper limb rehabilitation training modes.
  • the upper limb rehabilitation device such as CPM (Continuous Passive Motion), which is used in most hospitals, uses a method of lifting the shoulder or using a rubber band to support the shoulder strength.
  • CPM Continuous Passive Motion
  • the position of the shoulder joint in three-dimensional space is changed according to the movement of the scapula and upper body, it may cause damage to the shoulder joint according to the exercise position of the upper limb.
  • a patient undergoing rehabilitation using an existing rehabilitation assist device that is, a trainee
  • exerts a force on the device in an active exercise mode there is a disadvantage that the following performance of the shoulder decreases due to excessive movement of the rehabilitation aid. .
  • the present invention provides a shoulder joint tracking device having a variable damper capable of applying a variable damping resistance according to a situation while compensating gravity for the rehabilitation assistance device.
  • Damping adjustable shoulder joint tracking device is a feature of the present invention for achieving the technical problem of the present invention
  • a gravity compensation spring installed at a first point of the shoulder rehabilitation device to compensate gravity of the trainee's shoulder joint in the vertical direction, the weight of the arm, and the weight of the rehabilitation apparatus attached to the arm, and the shoulder rehabilitation device Installed at the second point of the connected to the gravity compensation spring, by applying a damping resistance force corresponding to the force applied by the trainee in the direction opposite to the force applied, the vertical movement of the shoulder rehabilitation device It includes a shoulder tracking device that follows.
  • Damping adjustable shoulder joint tracking device is another feature of the present invention for achieving the technical problem of the present invention
  • Gravity compensation spring installed at the first point of the shoulder rehabilitation device, to compensate the gravity of the trainee's shoulder joint in the vertical direction and the weight of the arm, the weight of the rehabilitation exercise device attached to the arm, the shoulder rehabilitation device A shoulder joint installed in a second point of the vertical rehabilitation device connected to the gravity compensation spring and transmitting a damping in a vertical direction to the shoulder rehabilitation device, and a third point of the shoulder rehabilitation device, And a horizontal shoulder follower for transmitting damping in the first and second directions to the device.
  • the magnetic clutch in the active movement mode, the magnetic clutch is activated so that the shoulder tracking device to which the gravity compensation spring and the damping resistance are applied is operated at the same time, thereby easily following the shoulder compensation using the gravity compensation spring and the shoulder tracking device. It can be done.
  • the gravity compensation spring may provide a constant gravity compensation force.
  • FIG. 1 is an exemplary view of a shoulder rehabilitation device including a shoulder tracking device according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is an exemplary view of the shoulder rehabilitation device according to a first embodiment of the present invention from another angle.
  • FIG. 3 is a structural diagram of a shoulder follower according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is an exemplary view illustrating the movement suppression of the shoulder rehabilitation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an exemplary view of a shoulder rehabilitation device including a shoulder tracking device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an exemplary view of a horizontal shoulder follower according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an exemplary view illustrating a horizontal shoulder tracking device according to a second embodiment of the present invention from another angle.
  • FIG. 8 is an exemplary view of implementing a shoulder rehabilitation device according to a second embodiment of the present invention.
  • Damping adjustable shoulder joint tracking device is a feature of the present invention for achieving the technical problem of the present invention
  • a gravity compensation spring installed at a first point of the shoulder rehabilitation device to compensate gravity of the trainee's shoulder joint in the vertical direction, the weight of the arm, and the weight of the rehabilitation apparatus attached to the arm, and the shoulder rehabilitation device Installed at the second point of the connected to the gravity compensation spring, by applying a damping resistance force corresponding to the force applied by the trainee in the direction opposite to the force applied, the vertical movement of the shoulder rehabilitation device It includes a shoulder tracking device that follows.
  • the shoulder tracking device may include a rotary damper for changing a resistance size according to a rotational speed, and a damping resistance force applied to the shoulder rehabilitation device depending on whether power is applied or not in a direction opposite to the force applied by the trainee. It may include a magnetic clutch for controlling whether or not.
  • the shoulder tracking device may include a first coupler connecting the gravity compensation spring to a first shaft included in a spring shaft provided in the gravity compensation spring, and located on a first side of the magnetic clutch, It may include a second coupler connecting the second shaft, and a third coupler connecting the rotary damper and the third shaft connected to the second side of the magnetic clutch.
  • the magnetic clutch may include a clutch coil which is an electromagnet connecting the second shaft and the third shaft when power is applied to the magnetic clutch, and a friction plate that generates a friction force when the second shaft and the third shaft are connected by the clutch coil.
  • the magnetic clutch may be divided into a first portion to which the second shaft is connected and a second portion to which the third shaft is connected.
  • the shoulder rehabilitation device equipped with the shoulder following device is a vertical frame formed vertically on the ground, a horizontal frame connected to the vertical frame at a 90-degree angle to the ground, the gravity compensation spring is provided
  • a first linear motion guide provided at a position opposite to a vertical frame and compensating vertical movement according to shoulder movement of the trainee; a compensation load transfer cable connecting the gravity compensation spring and the first LM guide;
  • a second LM guide for compensating horizontal movement of the first shoulder joint according to arm movement of the trainee, wherein the shoulder following apparatus may be installed at a position where the vertical frame and the horizontal frame are in contact with each other.
  • Damping adjustable shoulder joint tracking device is another feature of the present invention for achieving the technical problem of the present invention
  • Gravity compensation spring installed at the first point of the shoulder rehabilitation device, to compensate the gravity of the trainee's shoulder joint in the vertical direction and the weight of the arm, the weight of the rehabilitation exercise device attached to the arm, the shoulder rehabilitation device A shoulder joint installed in a second point of the vertical rehabilitation device connected to the gravity compensation spring and transmitting a damping in a vertical direction to the shoulder rehabilitation device, and a third point of the shoulder rehabilitation device, And a horizontal shoulder follower for transmitting damping in the first and second directions to the device.
  • the horizontal shoulder tracking device is provided in a first shoulder LM guide provided in a first direction LM guide of the shoulder rehabilitation device, and is provided in a second direction LM guide of the shoulder rehabilitation device, and is provided in a first direction LM guide.
  • a second shoulder tracking device for transmitting damping in two directions, wherein the shoulder rehabilitation device is vertically formed at the ground and connected to the vertical frame at a 90 degree angle to be horizontal to the ground.
  • the first direction LM guide including a horizontal frame, which is provided on one side of the vertical frame is not provided with the vertical shoulder tracking device, and compensates the first direction movement of the shoulder joint of the trainee, and the first direction
  • the LM guide is provided in a 90 degree direction to compensate for the second direction movement of the shoulder joint of the trainee.
  • the first direction may include two LM guides.
  • Each of the first shoulder tracking device and the second shoulder tracking device includes a rotary damper for changing a resistance size according to a rotational speed, and a force applied by the trainee to a damping resistance applied to the shoulder rehabilitation device depending on whether power is applied.
  • Magnetic clutch for controlling whether to transfer in the direction opposite to the direction of the magnetic clutch through a first shaft may include a timing belt for connecting the force of the rotary damper in a linear direction.
  • the first shoulder tracking device and the second shoulder tracking device may each include a coupler connecting the second shaft connected to the magnetic clutch and the rotary damper, and one side of the timing belt in the first direction LM guide or the second shoulder tracking device. It may include a pulley fixed to the directional LM guide.
  • the vertical shoulder tracking device may include a rotary damper for changing a resistance size according to a rotation speed, a first coupler connecting the gravity compensation spring and a first shaft included in a spring shaft provided in the gravity compensation spring, and the magnetic member.
  • a rotary damper for changing a resistance size according to a rotation speed
  • a first coupler connecting the gravity compensation spring and a first shaft included in a spring shaft provided in the gravity compensation spring
  • the magnetic member Located on the first side of the clutch, and may include a second coupler connecting the first and second shafts, and a third coupler connecting the rotary damper and the third shaft connected to the second side of the magnetic clutch.
  • the shoulder rehabilitation device provides five rehabilitation treatment modes: manual stretching mode, assistive activity mode, resistance exercise mode, isotropic reinforcement mode, and isometric reinforcement mode in fixed posture, depending on the symptoms of the trainee receiving rehabilitation treatment.
  • manual stretching mode the force of the trainee is applied to the shoulder rehabilitation apparatus, and excessive movement (vertical movement or horizontal movement) occurs in the shoulder rehabilitation apparatus by the trainee's force.
  • the shoulder rehabilitation device is provided with a shoulder tracking device, and even if a force is applied by the trainee, the damping is applied so that excessive movement does not occur in the shoulder rehabilitation device, thereby improving gravity compensation and shoulder tracking performance. Suggest a shoulder rehabilitation device.
  • FIG. 1 is an exemplary view of a shoulder rehabilitation device including a shoulder tracking device according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is an illustration of a shoulder rehabilitation device according to a first embodiment of the present invention from a different angle.
  • the upper end of the shoulder rehabilitation apparatus 100 is provided with a first linear motion guide (LM) 130 that compensates for the first and second movements of the shoulder joint of the trainee.
  • the first LM guide 130 has a first direction LM guide 131 for compensating for the movement of the shoulder joint in the first direction to the XY table for compensating the horizontal movement of the shoulder according to arm movement, and the shoulder joint in the second direction. It will be described by way of example to be implemented in the form including a second direction LM guide 132 to compensate for the movement.
  • the first direction and the second direction mean an X direction and a Y direction with respect to the horizontal direction, and do not correspond to the vertical direction.
  • the first direction LM guide 131 is used by changing the one previously implemented with two LM guides, one LM guide of the rated load. Based on this, it is possible to solve the misalignment and friction problems that occur when using the conventional two first direction LM guide.
  • the second direction LM guide 132 is implemented by reducing the length from a conventional 640mm to a predetermined length.
  • the second direction LM guide 132 of 360 mm is described as an example, but is not necessarily limited thereto.
  • the functions of the first direction LM guide 131 and the second direction LM guide 132 are already known, and detailed descriptions thereof are omitted in the embodiments of the present invention.
  • the compensation load transfer cable 110 of the shoulder rehabilitation device 100 connects the second LM guide 140 and the gravity compensation spring 120. To this end, one side of the compensating load transfer cable 110 is connected to the cable fixing part 150 provided in the second LM guide 140, and the other side is connected to one side of the gravity compensation spring 120. .
  • a portion of the compensation load transfer cable 110 connected to the cable fixing part 150 is connected to the first pulley (not shown), and a portion connected to the gravity compensation spring 120 is connected to the second pulley 160. have.
  • the first pulley is installed spaced apart from the second pulley 160 by a predetermined interval.
  • the length of the compensation load transmission cable 110 is maintained at a constant length, and the length is not limited to any one value.
  • the gravity compensation spring 120 compensates gravity for the movement of the trainee shoulder in the vertical direction, the weight of the trainee's arm, and the weight of the rehabilitation exercise device attached to the arm.
  • a static load spring as the gravity compensation spring 120 as an example.
  • tension springs that are used have a return force in proportion to the tension length due to the nature of the spring.
  • static load spring has the advantage that there is no change in gravity compensation load since the return force is constant regardless of the tensile length when the spring is extended.
  • the compensating force In order for the gravity compensation spring 120 to compensate for gravity, the compensating force must act in a direction opposite to gravity. When the gravity compensation spring 120 is disposed on the upper end of the shoulder rehabilitation device 100, the size of the shoulder rehabilitation device 100 may occur.
  • the compensation load transfer cable 110 and the plurality of pulleys are used to convert the direction of action of the compensation force to the opposite direction of gravity
  • the gravity compensation spring 120 is the lower portion of the shoulder rehabilitation device 100 and the vertical frame 171. It will be explained using an example as an example.
  • the method for the pulley to convert the direction of action of the compensating force to the opposite direction of gravity is already known, and detailed descriptions are omitted in the embodiments of the present invention.
  • the gravity compensation load compensated by the gravity compensation spring 120 is determined by the sum of the weight of the trainee's arm and the weight of the rehabilitation device (not shown) worn by the trainee.
  • the length of the gravity compensating spring 120 increases, so that the second LM guide 140 rises upward.
  • the length of the gravity compensation spring 120 decreases, and the second LM guide 140 descends downward.
  • Frame 170 is composed of a vertical frame 171 formed vertically on the ground, and a horizontal frame 172 is connected to the vertical frame 171 at an angle of 90 degrees to be horizontal to the ground.
  • the rigidity is compensated by increasing the width of the vertical frame 171 by a predetermined value.
  • the gravity compensation spring 120 is disposed in the vertical frame 171, the load moment acting on the lower horizontal frame 172 is reduced.
  • the second LM guide 140 is fixedly mounted to the vertical frame 171 in the axial direction of the shoulder rehabilitation device 100, and follows the joint through the vertical movement.
  • the function of the second LM guide 140 is already known, and detailed description thereof will be omitted in the exemplary embodiment of the present invention.
  • the second LM guide 140 is described as an example, but a linear bush may be used.
  • the cable fixing part 150 is provided at one side of the second LM guide 140. One side of the compensation load transfer cable 110 is fixed to the cable fixing part 150. As the second LM guide 140 moves, the cable fixing part 150 also moves up and down, and the length of the compensation load transmission cable 110 from the cable fixing part 150 to the first pulley is adjusted.
  • the pulley 160 is installed on the upper end of the vertical frame 171, that is, on the opposite side of the vertical frame 171 and on the opposite side of the horizontal frame 172.
  • the first pulley and the second pulley 160 are described with two pulleys as an example, but the present invention is not necessarily limited thereto.
  • the first pulley is provided on the vertical frame 171 in the same direction as the direction of the second LM guide 140, and the second pulley 160 is implemented on the vertical upper end of the position where the gravity compensation spring 120 is installed.
  • the position of the first pulley and the second pulley 160 is vertical to which the gravity compensation spring 120 is installed in order to reduce the volume that is increased by the installation of the gravity compensation spring 120 and to increase the stability of the shoulder rehabilitation device 100. Installation on the rear side of the frame 171 will be described as an example.
  • the first pulley and the second pulley 160 serve to change the direction of the force applied by the gravity compensation spring 120. Since the direction of the force of the gravity compensation spring 120 acts downward of the shoulder rehabilitation device 100, the pulley is compensated for applying the force of the gravity compensation spring 120 in the upward direction opposite to gravity. Implemented in a structure used with the transmission cable (110).
  • the radius of the first pulley and the second pulley 160 is described with an example of forming the same radius.
  • the interval between the first pulley and the second pulley 160 is not limited to any one interval.
  • the shoulder follower 200 is installed at a lower end of the shoulder rehabilitation apparatus 100, that is, a position where the horizontal frame 172 and the vertical frame 171 abut.
  • the shoulder follower 200 applies a damping resistance to the shoulder rehabilitation device 100. That is, the shoulder follower 200 applies a damping resistance force corresponding to the force applied by the trainee in a direction opposite to the direction in which the force is applied. This is to restrain the shoulder rehabilitation device 100 from moving more rapidly in the vertical direction than the shoulder movement of the trainee.
  • the structure of the shoulder follower 200 will be described with reference to FIG. 3.
  • FIG. 3 is a structural diagram of a shoulder follower according to a first embodiment of the present invention.
  • the shoulder follower 200 transmits a damping resistance force applied to the shoulder rehabilitation device 100 according to whether a rotary damper 210 and a power are applied according to a rotation speed. It includes a magnetic clutch 280 to control. Since the gravity compensation spring 120, the rotary damper 210 and the magnetic clutch 280 are all rotating devices, the shaft of the rotary damper 210 and the shaft of the magnetic clutch 280 are aligned and attached to each other for simplicity of structure. In order to achieve this, a plurality of couplers 220 to 240 are provided.
  • the first coupler 220 couples the gravity compensation spring 120 and the first shaft 250 such that the gravity compensation spring 120 is connected to the first shaft 250.
  • the first shaft 250 is a shaft provided in the spring shaft 290 provided in the gravity compensation spring 120.
  • the first shaft 250 rotates together with the spring shaft 290 provided in the gravity compensation spring 120 when the rehabilitation device worn by the trainee moves vertically.
  • the gravity compensation spring 120 is wound, thereby transferring the gravity compensation load to the shoulder rehabilitation device 100 while allowing the vertical movement of the shoulder rehabilitation device 100.
  • the second coupler 230 is positioned on the first side of the magnetic clutch 280, and couples the first shaft 250 and the second shaft 260 to be in a connected state.
  • the second shaft 260 is formed between the first portion of the magnetic clutch 280 and the second coupler 230.
  • the third coupler 240 located on the second side of the magnetic clutch 280 couples the third shaft 270 connected to the rotary damper 210 whose magnitude of resistance changes according to the rotation speed. Therefore, the third coupler 240 is rotated under the influence of the rotary damper 210 under a resistance force proportional to the rotational speed.
  • the third shaft 270 is formed between the third coupler 240 and the second portion of the magnetic clutch 280.
  • Magnetic clutch 280 consists of a clutch coil, a rotor coupler, and an armature shaft.
  • the magnetic clutch 280 is divided into two parts. The first part is a part in which the second shaft 260 is implemented, and the second part is a part in which the third shaft 270 is implemented.
  • a friction plate (not shown) is included between the second shaft 260 and the third shaft 270.
  • the second shaft 260 and the third shaft 270 are not connected, and rotate independently.
  • the clutch coil becomes an electromagnet to connect the second shaft 260 and the third shaft 270. Accordingly, frictional force is generated by the friction plate, and the first part and the second part rotate together in the same speed and in the same direction.
  • the driving method of the magnetic clutch 280 is already known, and a detailed description thereof will be omitted in the exemplary embodiment of the present invention.
  • the two shafts that is, the second shaft 260 and the third shaft 270 rotate at the same speed, and thus are applied to the third shaft 270. Damping is transmitted to the second shaft 260, and the vertical movement that occurs suddenly due to the force exerted by the trainee over the shoulder rehabilitation device 100 is suppressed.
  • a method of suppressing movement in the shoulder rehabilitation device 100 according to whether the shoulder tracking device 200 is operated will be described with reference to FIG. 4.
  • Figure 4 is an exemplary view illustrating the movement suppression of the shoulder rehabilitation device according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetic clutch 280 may be activated to provide a damping effect to the shoulder rehabilitation device 100. That is, when power is applied to the magnetic clutch 280 to flow current, the third shaft 270 is connected to the second shaft 260.
  • the second shaft 260 Since the third shaft 270 is rotated under the influence of the rotary damper 210 under a resistance force proportional to the rotational speed, the second shaft 260 also rotates under the same resistance as the third shaft 270. Accordingly, damping is applied to the entire shoulder rehabilitation apparatus 100, so that the shoulder following apparatus 200 suppresses rapid vertical movement in the shoulder rehabilitation apparatus 100 even if the trainee exerts a force.
  • F ext is the trainee's external force
  • c is the damping factor
  • F w , , W arm , W dev , F ext is calculated as shown in Equation 1 below.
  • Equation 1 the left parameter (Fw + ) And the right parameter (W arm + W dev + F ext ) are placed in parallel, the shoulder rehabilitation device 100 is suppressed sudden movement in the vertical direction even if the trainee's force is added, the follower's shoulder follower It can be done easily.
  • FIG. 5 is an exemplary view of a shoulder rehabilitation device including a shoulder tracking device according to a second embodiment of the present invention.
  • the shoulder rehabilitation apparatus 300 is a component other than the shoulder following apparatus 200 among the components of the shoulder rehabilitation apparatus 100 described with reference to FIG. 1.
  • a first shoulder following device 310, a second shoulder following device 320, and a third shoulder following device 330 are included.
  • the first shoulder tracking device 310 performs a function of transmitting damping in the vertical direction, also referred to as a vertical shoulder tracking device, and the horizontal frame 172 and the vertical frame 171 in the structure of FIG. It is installed in abutting position.
  • the second shoulder tracking device 320 performs a function of transmitting damping in the first direction
  • the third shoulder tracking device 330 transmits the damping in the second direction.
  • a horizontal shoulder tracking device including a second shoulder tracking device 320 and a third shoulder tracking device 330
  • the second shoulder tracking device 320 is located on one side of the first LM guide 131.
  • the third shoulder tracking device 330 is configured on one side of the second direction LM guide 132.
  • the horizontal shoulder tracking device is provided at the upper end of the shoulder rehabilitation device 300, and the vertical shoulder tracking device is provided at the lower end of the shoulder rehabilitation device 300 at regular intervals from the horizontal shoulder tracking device.
  • the shoulder rehabilitation device 300 according to the second embodiment of the present invention is used, the damping in three directions can be changed while following the movement of the shoulder joint according to the needs of the trainee.
  • the structure of the first shoulder tracking device 310 which is a vertical shoulder tracking device is the same as that described with reference to FIG. 3.
  • FIG. 6 is an exemplary view illustrating a horizontal shoulder follower according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is an exemplary view illustrating a horizontal shoulder follower according to a second embodiment of the present invention from another angle.
  • the second shoulder tracking device 320 includes a rotary damper 327 for changing the resistance size according to the rotational speed and a magnetic clutch 323 for controlling the transmission of the damping resistance applied to the shoulder rehabilitation device depending on whether power is applied.
  • One of the first shafts 324 is connected to the magnetic clutch 323, and the other is connected to the timing belt 321.
  • the coupler 326 connects the rotary damper 327 and the second shaft 325.
  • Pulleys 322 and 332 are positioned at one end of the timing belts 321 and 331, that is, at both ends of the first direction LM guide 131 and the second direction LM guide 132. One portion is implemented to be fixed to the first direction LM guide 131 or the second direction LM guide 132.
  • the first direction LM guide 131 may be provided with a connection member to which a commercial rehabilitation device attached to the arm of the trainee may be connected.
  • the materials or materials of the timing belts 321 and 331 and the pulleys 322 and 332 are not limited to any one.
  • the timing belt 321 serves to transfer the force of the rotary damper 327 in a linear direction. Since the function of the timing belt 321 for changing the force of the rotary damper 327 in the linear direction is known in various ways, the detailed description is omitted in the embodiment of the present invention.
  • the weight of the upper limb of the trainee and the rehabilitation device worn by the trainee is transmitted to the shoulder rehabilitation device 300.
  • the force appearing between the shoulder rehabilitation device 300 and the rehabilitation device causes the shoulder rehabilitation device 300 to naturally move along the shoulder joint of the trainee.
  • the rotary damper when the trainee applies the force to the device to perform the rehabilitation exercise, the rotary damper generates a force proportional to the speed at which the trainee moves for the rehabilitation exercise. Since the acceleration generated by the force of the trainee occurs more rapidly than the movement caused by the movement of the shoulder joint, the positional change due to the external force F ext can be suppressed based on the following equation (2).
  • F ext is the external force of the trainee
  • m is the mass of the rehabilitation device and shoulder rehabilitation device
  • c is the damping coefficient
  • Means the speed of the shoulder rehabilitation device Means acceleration of shoulder rehabilitation device.
  • FIG. 8 is an exemplary view of implementing a shoulder rehabilitation device according to a second embodiment of the present invention.
  • three shoulder tracking devices 310, 320, and 330 are provided in the shoulder rehabilitation device 300 to change the damping in three directions. Accordingly, when the trainee applies the force to exercise, the rapid movement of the shoulder rehabilitation device 300 caused by the force applied by the trainee can be suppressed.

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Abstract

견관절 추종 장치로서, 피훈련자의 견관절의 수직 방향 움직임과 팔의 무게, 팔에 부착되는 재활 운동 장치의 무게에 대한 중력을 보상하는 중력 보상 스프링, 그리고 견관절 재활 장치의 일측에 설치되어 중력 보상 스프링과 연결되어 있으며, 피훈련자에 의해 가해지는 힘에 대응하는 댐핑 저항력을 힘이 가해지는 방향과 반대 방향으로 인가하여, 견관절 재활 장치의 모든 방향 움직임을 제어하는 견관절 추종 장치를 포함한다.

Description

다양한 상지재활 훈련모드를 위한 댐핑 조절식 견관절 추종 장치
본 발명은 다양한 상지재활 훈련모드를 위한 댐핑 조절식 견관절 추종 장치에 관한 것이다.
최근 다양한 견관절 질환을 앓는 환자의 수가 증가함에 따라, 어깨 재활에 대한 수요와 관심이 높아지고 있다. 일반적으로 대다수의 병원에서 사용되는 CPM(Continuous Passive Motion)과 같은 상지 재활 장치를 사용하여 어깨를 들어주거나 고무줄 등을 이용하여 어깨의 힘을 보조하여 주는 방식을 이용하여 어깨를 재활하고 있다. 이러한 방법을 이용할 경우, 재활 장치 이외에 줄을 걸기 위한 별도의 높은 틀이 필요하므로, 번거로운 문제점이 있다.
또 다른 어깨 재활 방법으로, 상지 재활 장치를 이용하여 견관절의 움직임을 구속하여 재활하는 방법이 있다. 이 방법을 통해 어깨 재활을 수행할 경우, 견관절의 움직임을 허용하지 않아 가동범위가 제한된다. 또한, 관절과 상지 재활 장치의 축이 일치하지 않은 경우 각 관절에 힘이 가해질 수 있기 때문에 어깨 통증을 유발하고 장기적인 손상을 일으키기도 하는 문제점이 있다. 따라서 견관절의 움직임을 구현하기 위해 구동기를 이용하지만, 구동기의 부피가 커지고 가격이 비싸져서 병원이나 임상 현장에서 사용 및 유지가 어려운 문제점이 있다.
이를 해결하기 위하여 견관절 추종 기능이 없는 일반 상지 재활 보조 장치에 결합하고 스프링을 이용하여 상지 및 재활 보조 장치의 하중을 지탱하는 수동형 재활 보조 장치를 이용하여 견관절을 재활하는 방법이 연구되었다. 그러나 이 방법에서 사용되는 재활 보조 장치는 10kg 이내의 가벼운 상지 로봇 장치에만 적용이 가능하기 때문에, 사용 범위가 한정된다는 문제점이 있다.
또한, 견갑골과 상체의 움직임에 따라 견관절의 3차원 공간상의 위치가 변하는 것을 추종하지 못하여, 상지의 운동 자세에 따라 견관절의 손상을 초래할 수 있다. 그리고, 기존 재활 보조 장치를 이용하여 재활을 받는 환자 즉, 피훈련자가, 능동 운동 모드에서 장치에 힘을 가하여 운동할 경우, 재활 보조 장치의 과도한 움직임으로 인해 견관절의 추종 성능이 떨어진다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 재활 보조 장치에 대한 중력 보상을 해 주면서, 상황에 따라 가변 댐핑 저항력을 가할 수 있는 가변 댐퍼가 구비된 견관절 관절 추종 장치를 제공한다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징인 댐핑 조절식 견관절 추종 장치는,
견관절 재활 장치의 제1 지점에 설치되어, 피훈련자의 견관절의 수직 방향으로의 움직임과 팔의 무게, 팔에 부착되는 재활 운동 장치의 무게에 대한 중력을 보상하는 중력 보상 스프링, 그리고 상기 견관절 재활 장치의 제2 지점에 설치되어 상기 중력 보상 스프링과 연결되어 있으며, 피훈련자에 의해 가해지는 힘에 대응하는 댐핑 저항력을 상기 힘이 가해지는 방향과 반대 방향으로 인가하여, 상기 견관절 재활 장치의 수직 방향 움직임을 따라가는 견관절 추종 장치를 포함한다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징인 댐핑 조절식 견관절 추종 장치는,
견관절 재활 장치의 제1 지점에 설치되어 있으며, 피훈련자의 견관절의 수직 방향으로의 움직임과 팔의 무게, 팔에 부착되는 재활 운동 장치의 무게에 대한 중력을 보상하는 중력 보상 스프링, 상기 견관절 재활 장치의 제2 지점에 설치되어 상기 중력 보상 스프링과 연결되어 있으며, 상기 견관절 재활 장치에 수직 방향으로 댐핑을 전달하는 수직 방향 견관절 추종 장치, 그리고 상기 견관절 재활 장치의 제3 지점에 설치되어, 상기 견관절 재활 장치에 제1 방향과 제2 방향으로 댐핑을 전달하는 수평 방향 견관절 추종 장치를 포함한다.
본 발명에 따르면 능동 운동 모드에서는 마그네틱 클러치를 활성화하여 중력 보상 스프링과 댐핑 저항력이 가해지는 견관절 추종 장치가 동시에 동작되도록 하여, 중력 보상 스프링을 통한 중력 보상과 견관절 추종 장치를 이용한 견관절의 운동 추종을 용이하게 할 수 있다.
또한, 수동 운동 모드시 댐핑이 비활성화되므로, 중력과 중력 보상력만이 존재하는 견관절 추종 장치를 통해, 중력 보상 스프링으로 일정한 중력 보상력을 제공할 수 있다.
또한, 어깨 근육이 약화된 피훈련자들의 견관절 아탈구로 인한 통증을 줄이고, 팔의 움직임을 보조하여 재활 운동의 효과를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 견관절 추종 장치가 포함된 견관절 재활 장치의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 견관절 재활 장치를 다른 각도에서 살펴본 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 견관절 추종 장치의 구조도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 견관절 재활 장치의 움직임 억제를 설명하는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 견관절 추종 장치가 포함된 견관절 재활 장치의 예시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수평 방향 견관절 추종 장치의 예시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수평 방향 견관절 추종 장치를 다른 각도에서 살펴본 예시도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 견관절 재활 장치의 구현 예시도이다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징인 댐핑 조절식 견관절 추종 장치는,
견관절 재활 장치의 제1 지점에 설치되어, 피훈련자의 견관절의 수직 방향으로의 움직임과 팔의 무게, 팔에 부착되는 재활 운동 장치의 무게에 대한 중력을 보상하는 중력 보상 스프링, 그리고 상기 견관절 재활 장치의 제2 지점에 설치되어 상기 중력 보상 스프링과 연결되어 있으며, 피훈련자에 의해 가해지는 힘에 대응하는 댐핑 저항력을 상기 힘이 가해지는 방향과 반대 방향으로 인가하여, 상기 견관절 재활 장치의 수직 방향 움직임을 따라가는 견관절 추종 장치를 포함한다.
상기 견관절 추종 장치는, 회전 속도에 따라 저항 크기를 변경하는 로터리 댐퍼, 그리고 전원 인가 여부에 따라 상기 견관절 재활 장치에 가해지는 댐핑 저항력을 상기 피훈련자에 의해 가해지는 힘의 방향과 반대 방향으로 전달할지 여부를 제어하는 마그네틱 클러치를 포함할 수 있다.
상기 견관절 추종 장치는, 상기 중력 보상 스프링과, 상기 중력 보상 스프링에 구비된 스프링 축 내에 포함되어 있는 제1 축을 연결하는 제1 커플러, 상기 마그네틱 클러치의 제1 측면에 위치하며, 상기 제1 축과 제2 축을 연결하며 제2 커플러, 그리고 상기 마그네틱 클러치의 제2 측면에 연결된 제3 축과 상기 로터리 댐퍼를 연결하는 제3 커플러를 포함할 수 있다.
상기 마그네틱 클러치는, 상기 마그네틱 클러치에 전원이 인가되면 상기 제2 축과 제3 축을 연결하는 전자석인 클러치 코일, 그리고 상기 클러치 코일에 의해 제2 축과 제3 축이 연결되면 마찰력을 발생시키는 마찰판을 포함하며, 상기 마그네틱 클러치는 상기 제2 축이 연결되어 있는 상기 제1 부분과, 상기 제3 축이 연결되어 있는 제2 부분으로 구분될 수 있다.
상기 견관절 추종 장치가 설치된 견관절 재활 장치는, 지면에서 수직으로 형성되어 있는 수직 프레임, 상기 수직 프레임에 90도 각도로 연결되어 지면과 수평이 되도록 형성되어 있는 수평 프레임, 상기 중력 보상 스프링이 구비된 상기 수직 프레임의 반대편 위치에 구비되어, 상기 피훈련자의 견관절 움직임에 따라 수직 방향 움직임을 보상하는 제1 LM(Linear Motion) 가이드, 상기 중력 보상 스프링과 상기 제1 LM 가이드를 연결하는 보상 하중 전달 케이블, 그리고 상기 피훈련자의 팔 움직임에 따라 제1 견관절의 수평 방향 움직임을 보상하는 제2 LM 가이드를 포함하며, 상기 견관절 추종 장치는 상기 수직 프레임과 수평 프레임이 맞닿는 위치에 설치될수 있다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징인 댐핑 조절식 견관절 추종 장치는,
견관절 재활 장치의 제1 지점에 설치되어 있으며, 피훈련자의 견관절의 수직 방향으로의 움직임과 팔의 무게, 팔에 부착되는 재활 운동 장치의 무게에 대한 중력을 보상하는 중력 보상 스프링, 상기 견관절 재활 장치의 제2 지점에 설치되어 상기 중력 보상 스프링과 연결되어 있으며, 상기 견관절 재활 장치에 수직 방향으로 댐핑을 전달하는 수직 방향 견관절 추종 장치, 그리고 상기 견관절 재활 장치의 제3 지점에 설치되어, 상기 견관절 재활 장치에 제1 방향과 제2 방향으로 댐핑을 전달하는 수평 방향 견관절 추종 장치를 포함한다.
상기 수평 방향 견관절 추종 장치는, 상기 견관절 재활 장치의 제1 방향 LM 가이드에 구비되어 제1 방향으로 댐핑을 전달하는 제1 견관절 추종 장치, 그리고 상기 견관절 재활 장치의 제2 방향 LM 가이드에 구비되어 제2 방향으로 댐핑을 전달하는 제2 견관절 추종 장치를 포함하고, 상기 견관절 재활 장치는 지면에서 수직으로 형성되어 있는 수직 프레임, 그리고 상기 수직 프레임에 90도 각도로 연결되어 지면과 수평이 되도록 형성되어 있는 수평 프레임을 포함하고, 상기 수직 프레임에 상기 수직 방향 견관절 추종 장치가 구비되지 않은 일측에 구비되어 있으며 상기 피훈련자의 견관절의 제1 방향 움직임을 보상하는 상기 제1 방향 LM 가이드, 그리고 상기 제1 방향 LM 가이드에 90도 방향으로 구비되어, 상기 피훈련자의 견관절의 제2 방향 움직임을 보상하는 상기 제2 방향 LM 가이드를 포함할 수 있다.
상기 제1 견관절 추종 장치와 제2 견관절 추종 장치는 각각, 회전 속도에 따라 저항 크기를 변경하는 로터리 댐퍼, 전원 인가 여부에 따라 상기 견관절 재활 장치에 가해지는 댐핑 저항력을 상기 피훈련자에 의해 가해지는 힘의 방향과 반대 방향으로 전달할지 여부를 제어하는 마그네틱 클러치, 제1 축을 통해 상기 마그네틱 클러치와 연결되어, 상기 로터리 댐퍼의 힘을 직선 방향으로 연결하는 타이밍 벨트를 포함할 수 있다.
상기 제1 견관절 추종 장치와 제2 견관절 추종 장치는 각각, 상기 마그네틱 클러치에 연결되어 있는 제2 축과 상기 로터리 댐퍼를 연결하는 커플러, 그리고 상기 타이밍 벨트의 일측을 상기 제1 방향 LM 가이드 또는 제2 방향 LM 가이드에 고정하는 풀리를 포함할 수 있다.
상기 수직 방향 견관절 추종 장치는, 회전 속도에 따라 저항 크기를 변경하는 로터리 댐퍼, 상기 중력 보상 스프링과, 상기 중력 보상 스프링에 구비된 스프링 축 내에 포함되어 있는 제1 축을 연결하는 제1 커플러, 상기 마그네틱 클러치의 제1 측면에 위치하며, 상기 제1 축과 제2 축을 연결하며 제2 커플러, 그리고 상기 마그네틱 클러치의 제2 측면에 연결된 제3 축과 상기 로터리 댐퍼를 연결하는 제3 커플러를 포함할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
견관절 재활 장치는 재활 치료를 받는 피훈련자의 증상에 따라서, 수동 스트레칭 모드, 보조 활동 모드, 저항 운동 모드, 등속성 강화 모드, 그리고 고정 자세에서의 등척성 강화 모드의 5가지 재활 치료 모드를 제공한다. 여기서, 수동 스트레칭 모드를 제외하고는 모두 피훈련자의 힘이 견관절 재활 장치에 가해지고, 피훈련자의 힘에 의해 견관절 재활 장치에 과도한 이동(수직 이동 또는 수평 이동)이 발생한다.
그러므로, 본 발명의 실시예에서는 견관절 재활 장치에 견관절 추종 장치를 구비하여, 피훈련자에 의해 힘이 가해져도 견관절 재활 장치에 과도한 움직임이 발생하지 않도록 댐핑을 가하여, 중력 보상과 견관절의 추종 성능을 향상시킬 수 있는 견관절 재활 장치를 제안한다.
이하 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 댐핑 조절식 견관절 추종 장치에 대해 설명한다. 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 전체 장치인 견관절 재활 장치를 예로 하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 견관절 추종 장치가 포함된 견관절 재활 장치의 예시도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 견관절 재활 장치를 다른 각도에서 살펴본 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 견관절 재활 장치(100)의 상단에는 피훈련자의 견관절의 제1 방향 움직임과 제2 방향 움직임을 보상하는 제1 LM(Linear Motion) 가이드(130)가 구비되어 있다. 제1 LM 가이드(130)는 팔 움직임에 따른 견관절의 수평 방향 움직임을 보상하기 위한 XY 테이블에 제1 방향의 견관절의 움직임을 보상하는 제1 방향 LM 가이드(131)와, 제2 방향의 견관절의 움직임을 보상하는 제2 방향 LM 가이드(132)를 포함하는 형태로 구현되는 것을 예로 하여 설명한다.
제1 LM 가이드(130)가 견관절의 움직임을 보상하는 방법은 여러 방법으로 수행될 수 있으므로, 어느 하나의 방법으로 한정하여 설명하지 않는다. 그리고, 제1 방향과 제2 방향은 수평 방향에 대한 X 방향과 Y 방향을 의미하며, 수직 방향에 해당하지 않는다.
제1 방향 LM 가이드(131)는 기존에 두 개의 LM 가이드로 구현된 것을, 정격 하중의 하나의 LM 가이드로 변경하여 사용한다. 이를 토대로, 종래의 2개의 제1 방향 LM 가이드를 사용할 때 발생하는 정렬 불량(misalignment)과 마찰 문제를 해결할 수 있다.
그리고, 제2 방향 LM 가이드(132)는 길이를 기존 640mm에서 일정 길이로 감소시켜 구현한다. 본 발명의 실시예에서는 360mm의 제2 방향 LM 가이드(132)가 설치되는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다. 여기서, 제1 방향 LM 가이드(131)와 제2 방향 LM 가이드(132)의 기능은 이미 알려진 것으로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다.
견관절 재활 장치(100)의 보상 하중 전달 케이블(110)은 제2 LM 가이드(140)와 중력 보상 스프링(120)을 연결한다. 이를 위해, 보상 하중 전달 케이블(110)의 일측은 제2 LM 가이드(140)에 구비되어 있는 케이블 고정부(150)에 연결되어 있고, 다른 한측은 중력 보상 스프링(120)의 일측에 연결되어 있다.
보상 하중 전달 케이블(110) 중 케이블 고정부(150)에 연결된 부분은 제1 풀리(도면 미도시)와 연결되어 있고, 중력 보상 스프링(120)에 연결된 부분은 제2 풀리(160)와 연결되어 있다. 제1 풀리는 제2 풀리(160)와 일정 간격 이격되어 설치된다. 보상 하중 전달 케이블(110)의 길이는 일정한 길이를 유지하며, 길이를 어느 하나의 수치로 한정하지 않는다.
중력 보상 스프링(120)은 피훈련자 견관절의 수직 방향으로의 움직임과 피훈련자의 팔 무게, 팔에 부착되는 재활 운동 장치의 무게에 대한 중력을 보상한다. 본 발명의 실시예에서는 중력 보상 스프링(120)으로 정하중 스프링을 이용하는 것을 예로 하여 설명한다.
일반적으로 사용되는 인장 스프링은, 스프링 특성상 인장 길이에 비례하여 복귀력이 증가한다. 이에 반해, 정하중 스프링은 스프링이 늘어날 때 복귀력이 인장 길이에 관계 없이 일정하기 때문에, 중력 보상 하중의 변화가 없다는 장점이 있다.
중력 보상 스프링(120)이 중력을 보상하기 위해서는, 중력에 반대 방향으로 보상력이 작용해야 한다. 중력 보상 스프링(120)이 견관절 재활 장치(100)의 상단에 배치될 경우, 견관절 재활 장치(100)의 크기가 커지는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 보상 하중 전달 케이블(110)과 복수개의 풀리를 이용하여 보상력의 작용 방향을 중력 반대 방향으로 변환시키고, 중력 보상 스프링(120)을 견관절 재활 장치(100)의 하부이며 수직 프레임(171)에 배치하는 것을 예로 하여 설명한다. 여기서, 풀리가 보상력의 작용 방향을 중력 반대 방향으로 변환하는 방법은 이미 알려진 사항으로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다.
중력 보상 스프링(120)에 의해 보상되는 중력 보상 하중은 피훈련자의 팔 무게와 피훈련자가 착용한 재활 장치(도면 미도시)의 무게의 합으로 결정된다. 여기서, 피훈련자가 팔을 지면으로 내릴 때 중력 보상 스프링(120)의 길이는 늘어나고, 이에 따라 제2 LM 가이드(140)는 위로 상승한다. 반대로, 피훈련자가 팔을 위로 올리면, 중력 보상 스프링(120)의 길이는 줄어들고, 제2 LM 가이드(140)는 아래로 하강한다.
프레임(170)은 지면에서 수직으로 형성되어 있는 수직 프레임(171), 그리고 수직 프레임(171)에 90도 각도로 연결되어 지면과 수평이 되도록 구비되는 수평 프레임(172)으로 이루어져 있다. 본 발명의 실시예에서는 수직 프레임(171)의 폭을 미리 설정된 수치만큼 증가시켜 강성이 보완되도록 한다. 또한, 중력 보상 스프링(120)이 수직 프레임(171)에 배치되기 때문에, 하단 수평 프레임(172)에 작용하는 부하 모멘트가 감소된다.
제2 LM 가이드(140)는 견관절 재활 장치(100)의 축방향인 수직 프레임(171)에 고정 장착되어 있으며, 상하 운동을 통해 관절을 추종한다. 제2 LM 가이드(140)의 기능은 이미 알려진 사항으로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다. 그리고, 본 발명의 실시예에서는 제2 LM 가이드(140)를 예로 하여 설명하나, 리니어 부시를 사용할 수도 있다.
케이블 고정부(150)는 제2 LM 가이드(140)의 일측에 구비되어 있다. 보상 하중 전달 케이블(110)의 일측이 케이블 고정부(150)에 고정되어 있다. 제2 LM 가이드(140)의 움직임에 따라 케이블 고정부(150) 또한 상하로 움직이며, 케이블 고정부(150)에서 제1 풀리까지의 보상 하중 전달 케이블(110)의 길이가 조절되도록 한다.
풀리(160)는 수직 프레임(171)의 상단, 즉, 수직 프레임(171)과 수평 프레임(172)이 연결된 위치가 아닌 반대편 상단에 설치된다. 본 발명의 실시예에서는 제1 풀리와 제2 풀리(160) 두 개의 풀리가 구비되어 있는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
제1 풀리는 제2 LM 가이드(140) 방향과 동일한 방향으로 수직 프레임(171) 상에 구비되어 있으며, 제2 풀리(160)는 중력 보상 스프링(120)이 설치된 위치의 수직 상단에 구현되어 있다. 제1 풀리와 제2 풀리(160)의 위치는 중력 보상 스프링(120)의 설치에 의해 늘어나는 부피를 줄이고 견관절 재활 장치(100)의 안정성을 높이기 위하여, 중력 보상 스프링(120)이 설치되어 있는 수직 프레임(171)의 뒤편에 설치하는 것을 예로 하여 설명한다.
제1 풀리와 제2 풀리(160)는 중력 보상 스프링(120)이 가하는 힘의 방향을 바꿔주는 기능을 수행한다. 중력 보상 스프링(120)의 힘의 방향은 견관절 재활 장치(100)의 아래 방향으로 작용하기 때문에, 중력 보상 스프링(120)의 힘의 방향을 중력에 반대되는 위쪽 방향으로 가해주기 위하여 풀리를 보상 하중 전달 케이블(110)과 함께 이용한 구조로 구현한다.
제1 풀리와 제2 풀리(160)의 반경은 동일 반경으로 형성하는 것을 예로 하여 설명한다. 그리고, 제1 풀리와 제2 풀리(160)가 설치된 간격은 어느 하나의 간격으로 한정하지 않는다.
견관절 재활 장치(100)의 하단, 즉, 수평 프레임(172)과 수직 프레임(171)이 맞닿는 위치에는 견관절 추종 장치(200)가 설치된다. 견관절 추종 장치(200)는 견관절 재활 장치(100)에 댐핑 저항력을 가한다. 즉, 견관절 추종 장치(200)는 피훈련자에 의해 가해지는 힘에 대응하는 댐핑 저항력을, 힘이 가해지는 방향과 반대 방향으로 가한다. 이는, 피훈련자의 힘에 의해 견관절 재활 장치(100)가 피훈련자의 견관절 움직임보다 급격하게 수직 방향으로 움직이는 것을 억제하기 위함이다. 견관절 추종 장치(200)의 구조에 대해 도 3을 참조로 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 견관절 추종 장치의 구조도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 견관절 추종 장치(200)는 회전 속도에 따라 저항 크기를 변경하는 로터리 댐퍼(210)와 전원 인가 여부에 따라 견관절 재활 장치(100)에 가해지는 댐핑 저항력의 전달 여부를 제어하는 마그네틱 클러치(280)를 포함한다. 중력 보상 스프링(120), 로터리 댐퍼(210)와 마그네틱 클러치(280)는 모두 회전 장치이므로, 구조의 단순성을 위해 로터리 댐퍼(210)의 축과 마그네틱 클러치(280)의 축이 일렬로 정렬되어 부착될 수 있도록, 복수의 커플러(220∼240)가 구비되어 있다.
제1 커플러(220)는 중력 보상 스프링(120)이 제1 축(250)에 연결되도록, 중력 보상 스프링(120)과 제1 축(250)을 결합한다. 여기서, 제1 축(250)은 중력 보상 스프링(120)에 구비된 스프링 축(290) 내에 구비되어 있는 축이다.
이를 통해, 제1 축(250)은 피훈련자가 착용한 재활 장치가 수직으로 이동할 때 중력 보상 스프링(120)에 구비된 스프링 축(290)과 함께 회전한다. 스프링 축(290)이 회전하면서 중력 보상 스프링(120)이 감기고, 이에 따라 견관절 재활 장치(100)에 중력 보상 하중을 전달하는 동시에 견관절 재활 장치(100)의 수직 방향의 움직임을 허용한다.
제2 커플러(230)는 마그네틱 클러치(280)의 제1 측면에 위치하며, 제1 축(250)과 제2 축(260)이 연결 상태가 되도록 결합한다. 제2 축(260)은 마그네틱 클러치(280)의 제1 부분과 제2 커플러(230) 사이에 형성된다.
마그네틱 클러치(280)의 제2 측면에 위치한 제3 커플러(240)는 회전 속도에 따라 저항의 크기가 변하는 로터리 댐퍼(210)에 연결된 제3 축(270)을 결합한다. 따라서, 제3 커플러(240)는 로터리 댐퍼(210)의 영향을 받아 회전 속도에 비례하는 저항력을 받으며 회전한다. 여기서 제3 축(270)은 제3 커플러(240)와 마그네틱 클러치(280)의 제2 부분 사이에 형성된다.
마그네틱 클러치(280)는 클러치 코일, 로터 커플러, 그리고 전기자 축(amature shaft)으로 구성된다. 마그네틱 클러치(280)는 두 개의 부분으로 나뉘어 있는데, 제1 부분은 제2 축(260)이 구현된 부분이고, 제2 부분은 제3 축(270)이 구현된 부분이다. 제2 축(260)과 제3 축(270) 사이에는 마찰판(도면 미도시)이 포함되어 있다.
마그네틱 클러치(280)에 전원이 인가되지 않은 상태에서는 제2 축(260)과 제3 축(270)이 연결되어 있지 않아, 독립적으로 회전한다. 그러나, 마그네틱 클러치(280)에 전원이 공급되어 전류가 흐르면, 클러치 코일은 전자석이 되어 제2 축(260)과 제3 축(270)을 연결한다. 이에 따라 마찰판에 의해 마찰력이 발생하고, 제1 부분과 제2 부분이 같은 속도와 같은 방향으로 함께 회전한다. 마그네틱 클러치(280)의 구동 방법은 이미 알려진 사항으로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다.
이와 같이, 마그네틱 클러치(280)에 전원이 인가될 때, 두 개의 축, 즉, 제2 축(260)과 제3 축(270)이 같은 속도로 회전하기 때문에, 제3 축(270)에 적용된 댐핑이 제2 축(260)으로 전달되고, 최종적으로 견관절 재활 장치(100) 전반적으로 피훈련자에 의해 가해진 힘으로 인하여 급격하게 발생하는 수직 방향의 움직임이 억제된다.
견관절 추종 장치(200)의 동작 여부에 따라 견관절 재활 장치(100)에 움직임 억제가 발생하는 방법을 도 4를 참조로 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 견관절 재활 장치의 움직임 억제를 설명하는 예시도이다.
피훈련자가 수동 모드로 관절 운동을 하는 경우에는 마그네틱 클러치(280)에 전원이 공급되지 않기 때문에, 제1 축(250)과 제2 축(260)만 회전한다. 이 경우, 로터리 댐퍼(210)가 축에 연결되어 있지 않으므로, 견관절 재활 장치(100)에 추가 힘을 가하지 않고 일반적인 방법으로 견관절을 추종한다. 이는 도 4의 Warm+Wdev, Fw로 표시한 화살표와 같으며, 여기서 Warm은 팔의 무게, Wdev는 피훈련자가 착용한 재활 장치의 무게, Fw는 무게 지지력에 해당한다.
그러나, 수동적 관절 운동을 제외한 나머지 운동 모드 즉, 피훈련자의 힘이 추가되는 운동 모드의 경우, 마그네틱 클러치(280)가 활성화되어 견관절 재활 장치(100)에 댐핑 효과를 제공할 수 있다. 즉, 마그네틱 클러치(280)에 전원이 인가되어 전류가 흐르면, 제3 축(270)이 제2 축(260)에 연결된다.
제3 축(270)은 로터리 댐퍼(210)의 영향을 받아 회전 속도에 비례하는 저항력을 받으며 회전하기 때문에, 제2 축(260) 역시 제3 축(270)과 동일한 저항력을 받으며 회전하게 된다. 이에 따라 견관절 재활 장치(100) 전체에 댐핑이 가해져, 견관절 추종 장치(200)는 피훈련자가 힘을 가하더라도 견관절 재활 장치(100)에 급격한 수직 방향 움직임을 억제한다.
이는 도 4의 Fext와
Figure PCTKR2017010513-appb-I000001
로 표시한 화살표에 해당한다. 여기서 Fext는 피훈련자의 외력을 의미하고,
Figure PCTKR2017010513-appb-I000002
는 추가된 댐핑 힘(damping force)을 의미한다. c는 댐핑 계수,
Figure PCTKR2017010513-appb-I000003
는 견관절 재활 장치의 수직 방향 속도를 의미한다. Fw,
Figure PCTKR2017010513-appb-I000004
, Warm, Wdev, Fext의 관계는 다음 수학식 1과 같이 계산된다.
Figure PCTKR2017010513-appb-M000001
여기서, Fw는 중력 보상 스프링(120)의 보상력으로, Fw=Warm+Wdev로 계산된다.
수학식 1을 통해 좌측 파라미터(Fw+
Figure PCTKR2017010513-appb-I000005
)와 우측 파라미터(Warm+Wdev+Fext)가 평행 상태로 놓이게 되므로, 견관절 재활 장치(100)는 피훈련자의 힘이 추가되더라도 수직 방향의 급격한 움직임이 억제되어, 피훈련자의 견관절 추종을 용이하게 할 수 있다.
이상에서 설명한 제1 실시예에서는 견관절 추종 장치(200)가 견관절 재활 장치(100)의 수직 방향으로 댐핑을 추가로 가해주는 예에 대해 설명하였다. 다음은 수직 방향과 수평 방향으로 댐핑을 가해주는 견관절 재활 장치에 대해 도 5 내지 도 7을 참조로 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 견관절 추종 장치가 포함된 견관절 재활 장치의 예시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 견관절 재활 장치(300)는 상기 도 1에서 설명한 견관절 재활 장치(100)의 구성 요소들 중 견관절 추종 장치(200)를 제외한 구성 요소와 함께, 제1 견관절 추종 장치(310), 제2 견관절 추종 장치(320), 그리고 제3 견관절 추종 장치(330)를 포함한다.
여기서, 제1 견관절 추종 장치(310)는 수직 방향으로 댐핑을 전달해주는 기능을 수행하는 것으로, 수직 방향 견관절 추종 장치라고도 지칭하며 상기 도 1의 구조에서 수평 프레임(172)과 수직 프레임(171)이 맞닿는 위치에 설치되어 있다. 제2 견관절 추종 장치(320)는 제1 방향으로 댐핑을 전달해주는 기능을 수행하고, 제3 견관절 추종 장치(330)는 제2 방향으로 댐핑을 전달해준다. 제2 견관절 추종 장치(320)와 제3 견관절 추종 장치(330)를 포함하여 수평 방향 견관절 추종 장치라고도 지칭하며, 제2 견관절 추종 장치(320)는 제1 방향 LM 가이드(131)의 일측에, 제3 견관절 추종 장치(330)는 제2 방향 LM 가이드(132)의 일측에 구성되어 있다.
수평 방향 견관절 추종 장치는 견관절 재활 장치(300)의 상단에 구비되어 있고, 수직 방향 견관절 추종 장치는 수평 방향 견관절 추종 장치와 일정 간격 이격되어 견관절 재활 장치(300)의 하단에 구비되어 있다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 견관절 재활 장치(300)를 이용할 경우, 피훈련자의 필요에 따라 견관절의 움직임을 추종하며 3 방향의 댐핑을 변화시킬 수 있다. 수직 방향 견관절 추종 장치인 제1 견관절 추종 장치(310)의 구조는 상기 도 3에서 설명한 구조와 동일하다.
수평 방향 견관절 추종 장치의 구조에 대해 도 6 및 도 7을 참조로 설명한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수평 방향 견관절 추종 장치의 예시도이고, 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수평 방향 견관절 추종 장치를 다른 각도에서 살펴본 예시도이다.
도 7에서는 설명의 편의를 위하여 제2 견관절 추종 장치(320)를 예로 하여 설명하며, 제3 견관절 추종 장치(330)도 동일한 구조를 가진다. 제2 견관절 추종 장치(320)는 회전 속도에 따라 저항 크기를 변경하는 로터리 댐퍼(327)와 전원 인가 여부에 따라 견관절 재활 장치에 가해지는 댐핑 저항력의 전달을 제어하는 마그네틱 클러치(323)를 포함한다. 제1 축(324)의 한쪽은 마그네틱 클러치(323)에 연결되어 있고, 다른 한 쪽은 타이밍 벨트(321)에 연결되어 있다. 커플러(326)는 로터리 댐퍼(327)와 제2 축(325)을 연결한다.
타이밍 벨트(321, 331)의 한쪽 끝, 즉 제1 방향 LM 가이드(131)과 제2 방향 LM 가이드(132)의 양 끝에는 풀리(322, 332)가 위치하며, 타이밍 벨트(321, 331)의 한 부분이 제1 방향 LM 가이드(131) 또는 제2 방향 LM 가이드(132)에 고정되도록 구현한다. 여기서 제1 방향 LM 가이드(131)는 피훈련자의 팔에 부착되는 상용 재활장치가 연결될 수 있는 연결 부재가 구비될 수 있다. 이때, 타이밍 벨트(321, 331)과 풀리(322, 332)의 재질 또는 재료를 어느 하나로 한정하지 않는다.
수평 방향 견관절 추종 장치의 경우에는 마그네틱 클러치(323)에 전원이 인가되어 전류가 흐르면, 두 축(324, 325)이 마찰판에 접촉하여 같은 속도로 회전하게 된다. 따라서, 마그네틱 클러치(323)에 전류가 흐르면, 로터리 댐퍼(327)의 힘은 두 개의 축(324, 325)과 타이밍 벨트(321)를 통해 전체 견관절 재활 장치(300)에 전해지게 된다.
여기서, 타이밍 벨트(321)는 로터리 댐퍼(327)의 힘을 직선 방향으로 바꾸어 전달하는 역할을 한다. 로터리 댐퍼(327)의 힘을 직선 방향으로 바꾸는 타이밍 벨트(321)의 기능은 여러 방법으로 알려져 있으므로 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다.
피훈련자가 견관절 재활 장치(300)를 통해 수동 운동을 하는 경우, 견관절 재활 장치(300)로 피훈련자의 상지와 피훈련자가 착용한 재활 장치의 무게가 전달된다. 이 경우, 견관절 재활 장치(300)와 재활 장치 사이에 나타나는 힘은 견관절 재활 장치(300)가 자연스럽게 피훈련자의 견관절을 따라 움직이게 한다.
그러나, 피훈련자가 장치에 힘을 가하여 재활 운동을 할 경우, 로터리 댐퍼는 재활 운동을 위해 피훈련자가 움직이는 속도에 비례한 힘을 발생시킨다. 피훈련자의 힘으로 발생하는 가속도는 견관절의 움직임에 의해 나타나는 이동보다 급격하게 일어나므로, 다음 수학식 2를 토대로 외력(Fext)에 의한 위치 변화를 억제할 수 있다.
Figure PCTKR2017010513-appb-M000002
여기서, Fext는 피훈련자의 외력이고, m은 재활 장치와 견관절 재활 장치의 질량, c는 댐핑 계수,
Figure PCTKR2017010513-appb-I000006
는 견관절 재활 장치의 속도를 의미하고,
Figure PCTKR2017010513-appb-I000007
는 견관절 재활 장치의 가속도를 의미한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 견관절 재활 장치의 구현 예시도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 견관절 재활 장치(300)에 세 개의 견관절 추종 장치(310, 320, 330)가 구비되어 있어, 3 방향의 댐핑을 변화시킬 수 있다. 이에 따라 피훈련자가 힘을 가하여 운동하는 경우, 피훈련자가 가하는 힘으로 인해 발생하는 견관절 재활 장치(300)의 급격한 움직임을 억제할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

  1. 견관절 재활 장치의 제1 지점에 설치되어, 피훈련자의 견관절의 수직 방향으로의 움직임과 팔의 무게, 팔에 부착되는 재활 운동 장치의 무게에 대한 중력을 보상하는 중력 보상 스프링, 그리고
    상기 견관절 재활 장치의 제2 지점에 설치되어 상기 중력 보상 스프링과 연결되어 있으며, 피훈련자에 의해 가해지는 힘에 대응하는 댐핑 저항력을 상기 힘이 가해지는 방향과 반대 방향으로 인가하여, 상기 견관절 재활 장치의 수직 방향 움직임을 제어하는 견관절 추종 장치
    를 포함하는 댐핑 조절식 견관절 추종 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 견관절 추종 장치는,
    회전 속도에 따라 저항 크기를 변경하는 로터리 댐퍼, 그리고
    전원 인가 여부에 따라 상기 견관절 재활 장치에 가해지는 댐핑 저항력을 상기 피훈련자에 의해 가해지는 힘의 방향과 반대 방향으로 전달할지 여부를 제어하는 마그네틱 클러치
    를 포함하는 댐핑 조절식 견관절 추종 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 견관절 추종 장치는,
    상기 중력 보상 스프링과, 상기 중력 보상 스프링에 구비된 스프링 축 내에 포함되어 있는 제1 축을 연결하는 제1 커플러,
    상기 마그네틱 클러치의 제1 측면에 위치하며, 상기 제1 축과 제2 축을 연결하며 제2 커플러, 그리고
    상기 마그네틱 클러치의 제2 측면에 연결된 제3 축과 상기 로터리 댐퍼를 연결하는 제3 커플러
    를 포함하는 댐핑 조절식 견관절 추종 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마그네틱 클러치는,
    상기 마그네틱 클러치에 전원이 인가되면 상기 제2 축과 제3 축을 연결하는 전자석인 클러치 코일, 그리고
    상기 클러치 코일에 의해 제2 축과 제3 축이 연결되면 마찰력을 발생시키는 마찰판
    을 포함하며,
    상기 마그네틱 클러치는 상기 제2 축이 연결되어 있는 상기 제1 부분과, 상기 제3 축이 연결되어 있는 제2 부분으로 구분되는 댐핑 조절식 견관절 추종 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 마그네틱 클러치에 전원이 인가되지 않으면, 상기 제2 축과 제3 축이 연결되지 않아 상기 제1 부분과 제2 부분이 독립적으로 회전하고,
    상기 마그네틱 클러치에 전원이 인가되면, 상기 제2 축과 제3 축이 연결되어 상기 제1 부분과 제2 부분이 같은 속도와 같은 방향으로 회전하여, 상기 제3 축에 적용된 댐핑이 상기 제2 축에 전달되어 상기 견관절 재활 장치에 댐핑 저항력을 가하는 댐핑 조절식 견관절 추종 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중력 보상 스프링은 정하중 스프링으로 구현되는 댐핑 조절식 견관절 추종 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 견관절 추종 장치가 설치된 견관절 재활 장치는,
    지면에서 수직으로 형성되어 있는 수직 프레임,
    상기 수직 프레임에 90도 각도로 연결되어 지면과 수평이 되도록 형성되어 있는 수평 프레임,
    상기 중력 보상 스프링이 구비된 상기 수직 프레임의 반대편 위치에 구비되어, 상기 피훈련자의 견관절 움직임에 따라 수직 방향 움직임을 보상하는 제1 LM(Linear Motion) 가이드,
    상기 중력 보상 스프링과 상기 제1 LM 가이드를 연결하는 보상 하중 전달 케이블, 그리고
    상기 피훈련자의 팔 움직임에 따라 제1 견관절의 수평 방향 움직임을 보상하는 제2 LM 가이드
    를 포함하며,
    상기 견관절 추종 장치는 상기 수직 프레임과 수평 프레임이 맞닿는 위치인 상기 제2 지점에 설치되는 댐핑 조절식 견관절 추종 장치.
  8. 견관절 재활 장치의 제1 지점에 설치되어 있으며, 피훈련자의 견관절의 수직 방향 움직임과 팔의 무게, 팔에 부착되는 재활 운동 장치의 무게에 대한 중력을 보상하는 중력 보상 스프링,
    상기 견관절 재활 장치의 제2 지점에 설치되어 상기 중력 보상 스프링과 연결되어 있으며, 상기 견관절 재활 장치에 수직 방향으로 댐핑을 전달하는 수직 방향 견관절 추종 장치, 그리고
    상기 견관절 재활 장치의 제3 지점에 설치되어, 상기 견관절 재활 장치에 제1 방향과 제2 방향으로 댐핑을 전달하는 수평 방향 견관절 추종 장치
    를 포함하는 댐핑 조절식 견관절 추종 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수평 방향 견관절 추종 장치는,
    상기 견관절 재활 장치의 제1 방향 LM(Linear Motion) 가이드에 구비되어 제1 방향으로 댐핑을 전달하는 제1 견관절 추종 장치, 그리고
    상기 견관절 재활 장치의 제2 방향 LM 가이드에 구비되어 제2 방향으로 댐핑을 전달하는 제2 견관절 추종 장치
    를 포함하고,
    상기 견관절 재활 장치는 지면에서 수직으로 형성되어 있는 수직 프레임, 그리고 상기 수직 프레임에 90도 각도로 연결되어 지면과 수평이 되도록 형성되어 있는 수평 프레임을 포함하고,
    상기 수직 프레임에 상기 수직 방향 견관절 추종 장치가 구비되지 않은 일측에 구비되어 있으며 상기 피훈련자의 견관절의 제1 방향 움직임을 보상하는 상기 제1 방향 LM 가이드, 그리고
    상기 제1 방향 LM 가이드에 90도 방향으로 구비되어, 상기 피훈련자의 견관절의 제2 방향 움직임을 보상하는 상기 제2 방향 LM 가이드
    를 포함하는 댐핑 조절식 견관절 추종 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 견관절 추종 장치와 제2 견관절 추종 장치 각각은,
    회전 속도에 따라 저항 크기를 변경하는 로터리 댐퍼,
    전원 인가 여부에 따라 상기 견관절 재활 장치에 가해지는 댐핑 저항력을 상기 피훈련자에 의해 가해지는 힘의 방향과 반대 방향으로 전달할지 여부를 제어하는 마그네틱 클러치,
    제1 축을 통해 상기 마그네틱 클러치와 연결되어, 상기 로터리 댐퍼의 힘을 직선 방향으로 연결하는 타이밍 벨트
    를 포함하는 댐핑 조절식 견관절 추종 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 견관절 추종 장치와 제2 견관절 추종 장치 각각은,
    상기 마그네틱 클러치에 연결되어 있는 제2 축과 상기 로터리 댐퍼를 연결하는 커플러, 그리고
    상기 타이밍 벨트의 일측을 상기 제1 방향 LM 가이드 또는 제2 방향 LM 가이드에 고정하는 풀리
    를 포함하는 댐핑 조절식 견관절 추종 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 수직 방향 견관절 추종 장치는,
    회전 속도에 따라 저항 크기를 변경하는 로터리 댐퍼,
    상기 중력 보상 스프링과, 상기 중력 보상 스프링에 구비된 스프링 축 내에 포함되어 있는 제1 축을 연결하는 제1 커플러,
    상기 마그네틱 클러치의 제1 측면에 위치하며, 상기 제1 축과 제2 축을 연결하며 제2 커플러, 그리고
    상기 마그네틱 클러치의 제2 측면에 연결된 제3 축과 상기 로터리 댐퍼를 연결하는 제3 커플러
    를 포함하는 댐핑 조절식 견관절 추종 장치.
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