KR101674044B1 - 체간 안정화 운동을 위한 재활치료 로봇 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 체간 안정화 운동을 위한 재활치료 로봇은 좌석 시트(13)를 구비한 베이스 프레임(10), 등받이(29)로 환자 등을 받쳐주면서 환자의 체간을 눌러 등을 앞쪽으로 구부리게 하거나 환자의 체간을 측면에서 밀어 좌,우의 각 방향으로 체간을 회전하게 하는 힘이 가해지는 모션 프레임(20), 체간의 좌,우 회전을 위한 동력을 발생하는 롤링 모터(30-1), 체간의 등 구부림을 위한 동력을 발생하는 틸팅 모터(30-2)가 포함된 외골격 형식의 로봇으로 구성됨으로써 환자의 체간 안정화를 위한 임의의 동작이 3자유도로 제어된 체간 재활운동을 하게 할 수 있고, 특히 압력 센서(19)가컨트롤 룸(200)과 연계됨으로써 환자에게 가해진 입력정보와 환자의 반응 정보 정량화에 따른 수치화 및 신속한 성능평가가 이루어지는 특징을 갖는다.
Description
본 발명은 재활치료 로봇에 관한 것으로, 특히 마비 환자의 체간(몸통) 움직임을 3자유도로 제어함으로써 체간 안정화를 위한 임의의 동작이 마비 환자에게 가해질 수 있는 재활치료 로봇에 관한 것이다.
현재 척수 손상, 뇌졸중, 외상성 뇌손상, 뇌성마비 등에 의해 유발된 편마비 또는 사지마비가 있는 환자의 재활치료는 체간(몸통)의 안정과 팔다리의 근력 및 감각 등이 요구된다.
그러므로, 마비 환자의 재활치료에서는 체간의 안정화가 우선됨을 전제될 때 다른 재활치료 과정을 진행할 수 있고, 이를 위해 재활 치료사는 많은 노력을 쏟아 마비 환자의 체간 안정화를 먼저 수행한 다음, 구축(contracture)된 관절과 위축(shortening)된 인대/근육들을 신전(stretching)시켜주는 순으로 치료를 하여 준다.
이러한 신전(stretching)치료 시에는 마비 환자의 재활치료 효과를 높이기 위해 재활치료사는 다양한 재활 치료 기기나 로봇 또는 운동기구를 활용한다.
하지만, 마비 환자의 체간 안정화 치료는 재활 치료사에 의한 수동적인 방식으로 수행됨으로써 마비 환자는 물론 재활 치료사에게도 육체적인 어려움을 수반하고, 특히 체간 안정화 효과가 미비하면서 치료 기간도 길어질 수밖에 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 환자의 체간 움직임을 3자유도로 제어하는 외골격 형식의 로봇으로 구성됨으로써 체간 안정화를 위한 임의의 동작으로 환자에게 체간 재활운동을 하게 할 수 있고, 특히 환자에게 가해진 입력정보와 환자의 반응 정보를 정량화하여 수치로 보여줌으로써 그 결과의 평가가 신속히 파악될 수 있는 체간 안정화 운동을 위한 재활치료 로봇의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 체간 안정화 운동을 위한 재활치료 로봇은 환자를 앉은 상태로 고정시켜주면서 모션프레임, 롤링 모터, 틸팅 모터가 장착되는 베이스 프레임을 포함하고; 상기 모션프레임은 상기 환자의 등을 받쳐주도록 환자 뒤쪽으로 위치되고, 상기 환자의 체간을 눌러 등을 앞쪽으로 구부리게 하고, 상기 환자의 체간을 측면에서 밀어 좌,우의 각 방향으로 체간을 회전하게 하는 힘이 가해며, 상기 롤링 모터는 상기 체간의 좌,우 회전을 위해 가하는 힘을 회전력으로 상기 모션 프레임에 전달하고, 상기 틸팅모터는 상기 모션 프레임이 상기 체간의 등 구부림을 위해 가하는 힘을 회전력으로 상기 모션 프레임에 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 환자의 수평평면(horizontal plane)에서의 회전운동은 구동기 없이 회전 자유도를 주어(passive motion) 자연스러운 상체운동이 될 수 있다.
상기 베이스 프레임에는 상기 환자가 앉는 좌석 시트가 더 구비되고, 상기 좌석 시트에는 상기 환자가 상기 좌석 시트에 가하는 압력 변화로 환자 움직임이 파악되는 압력 센서가 설치된다.
상기 모션 프레임은 상기 베이스 프레임에 볼팅체결되어 일체화되며, 상기 롤링 모터 및 상기 틸팅 모터의 각각은 서로 90도 레이아웃을 형성하도록 상기 모션 프레임에 볼팅체결되어 일체화된다.
상기 롤링 모터와 틸팅 모터의 회전축은 4-바 기구구조 (4-bar mechanism)를 활용하여 상기 환자의 움직임 회전축과 일치하도록 설계됨으로써 상기 환자의 체간 안정화 운동을 위한 불편함을 최소화 한다.
상기 롤링 모터와 상기 틸팅 모터의 각각에 대한 구동은 컨트롤 룸에서 제어 신호로 제어되고; 상기 컨트롤 룸은 상기 환자의 움직임을 검출할 수 있도록 상기 롤링 모터와 틸팅 모터의 움직임 정보와 압력정보가 압력센서와 연결된 압력 센서 커넥터로 전송받고, 상기 재활치료로봇의 기구학적 해석과 상기 압력 정보를 바탕으로 상기 환자의 움직임 정보를 추측(estimation) 할 수 있다. 상기 컨트롤 룸은 상기 제어 신호 출력, 상기 압력정보검출을 무선통신이나 유선 통신으로 수행한다.
이러한 본 발명은 마비환자의 체간 움직임을 3자유도로 제어하는 외골격 형식의 체간 재활 치료 로봇으로 구성됨으로써 재활 치료사와 같은 방식으로 환자에게 체간 재활운동을 시켜주고, 특히 환자 자신은 물론 재활 치료사에게도 육체적인 어려움 없이 체간 재활운동이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 외골격 형식의 로봇이 환자에게 가한 입력정보와 환자의 반응 정보가 정량화된 수치로 나타남으로써 그 결과의 평가가 신속히 파악될 수 있고, 평가 결과의 신속한 반영으로 치료 기간도 단축될 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 체간 재활 치료 로봇은 대부분 팔 움직임 제어에 목표를 두던 재활 치료 기기나 로봇 또는 운동기구와 달리 마비 환자의 체간 재활 치료 시 집중적인 체간 재활운동이 이루어질 수 있고, 특히 체간 재활 치료 분야에 전용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 체간 안정화 운동을 위한 재활치료 로봇의 구성이고, 도 2는 본 발명에 따른 베이스 프레임의 구성이며, 도 3,4는 본 발명에 따른 모션 프레임 및 모션 모터 구성이고, 도 5는 본 발명에 따른 재활치료 로봇이 환자의 시상면(sagittal plane)(인체를 좌우로 나눈 가상의 면)을 기준으로 앞뒤 굽힘 움직임이 부여되는 작동상태이며, 도 6은 본 발명에 따른 재활치료 로봇이 환자의 전액면(frontal plane)(인체를 전후로 나눈 가상의 면)을 기준으로 좌우회전 움직임이 부여되는 작동상태이고, 도 7은 본 발명에 따른 재활치료 로봇이 환자의 수평면(Horizontal plane)(인체를 상하로 나눈 가상의 면)을 기준으로 좌우회전 움직임이 부여되는 작동상태이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1내지 도 4는 본 실시예에 따른 체간 안정화 운동을 위한 재활치료 로봇의 구성을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 상기 재활치료 로봇은 마비 환자를 앉은 상태로 고정시켜주면서 구동부가 장착되는 베이스 프레임(10), 마비 환자의 뒤쪽에서 마비 환자에게 3자유도로 체간 움직임을 부여하는 모션 프레임(20), 마비 환자에게 3자유도로 체간 움직임을 위한 동력을 발생하는 롤링 모터(30-1)와 틸팅 모터(30-2)로 이루어진 모션 모터(30)를 포함한다. 특히, 상기 재활치료 로봇은 마비 환자의 움직임과 영상 및 음성을 통해 마비 환자와 상호 소통하면서 모니터와 재활평가 데이터로 재활 운동을 제어하는 컨트롤 룸(200)과 함께 구성 및 운영될 수 있다. 이 경우, 마비 환자의 움직임은 베이스 프레임(10)의 좌석 시트(13)에 설치된 압력 센서(19)와 연결된 압력 센서 커넥터(100-1)를 이용해 확보된다.
이를 위해, 상기 컨트롤 룸(200)은 무선통신망을 구축함으로써 압력 센서 커넥터(100-1)의 출력 신호, 모션 모터(30)의 제어지령 등을 무선으로 송수신할 수 있다. 하지만, 필요에 따라 전원 및 신호선을 이용한 유선으로 구축될 수 있다. 특히 상기 컨트롤 룸(200)에서는 상기 롤링모터(30-1)와 상기 틸팅모터(30-2)의 회전 움직임 측정값과 함께 상기 모션프레임(20)의 모터블럭(21)을 연결하는 기구구조로부터 추측된(estimation) 환자자세추즉값, 상기 압력센서(19)의 환자자세압력값을 조합한 환자움직임보조제어신호의 생성이 이루어지고, 상기 환자움직임보조제어신호는 상기 환자를 위해 미리 정해진 움직임 범위 안에서 상기 환자의 움직임을 도와줄 수 있다. 또한, 상기 컨트롤 룸(200)은 재활치료 로봇이 위치된 재활치료 장소에 설치된 카메라를 이용해 영상을 확보할 수 있으며, 재활치료 로봇이 위치된 재활치료 장소에 설치된 마이크를 이용해 환자나 치료사와 음성통신이 가능할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 베이스 프레임(10)은 베이스 블록(11), 좌석 시트(13), 좌,우 포스트 블록(15-1,15-2), 휠(17), 압력 센서(19)로 구성된다.
상기 베이스 블록(11)은 상면으로 좌석 시트(13)를 결합하며 좌우측면으로 좌,우 포스트 블록(15-1,15-2)을 결합하는 지지대 역할을 하는 전방부(11-1), 모션 프레임(20)을 결합하는 지지대 역할을 하는 후방부(11-3), 전방부(11-1)와 후방부(11-3)를 연결하는 프레임 구조를 갖는 연결부(11-2)로 구성된다.
상기 좌석 시트(13)는 환자가 착석하는 시트 쿠션(13-1), 시트 쿠션(13-1)을 4곳의 위치에서 지지하는 시트 쿠션 포스트(13-2), 시트 쿠션 포스트(13-2)와 볼팅 체결된 상태에서 베이스 블록(11)을 구성하는 전방부(11-1)의 상면으로 볼팅체결되는 마운팅 플레이트(13-3)로 구성된다. 그러므로, 상기 좌석 시트(13)는 마운팅 플레이트(13-3)를 매개로 베이스 블록(11)과 일체화된다. 특히, 상기 시트 쿠션(13-1)에는 환자가 가하는 압력으로 환자의 움직임을 파악하도록 압력 센서(19)가 설치된다. 특히, 상기 좌석 시트(13)는 환자를 앉은 상태로 고정시켜주도록 차량용 시트벨트와 같은 벨트가 더 구비될 수 있다.
상기 좌,우 포스트 블록(15-1,15-2)은 베이스 블록(11)을 구성하는 전방부(11-1)의 좌우측면으로 결합됨으로써 베이스 블록(11)과 일체화된다. 특히, 상기 좌,우 포스트 블록(15-1,15-2)의 각각은 좌석 시트(13)의 좌우부위로 돌출되어 모션 프레임(20)의 구성요소가 결합되는 결합부위를 제공한다. 그러므로, 상기 좌,우 포스트 블록(15-1,15-2)은 구동부 장착부위를 제공하고, 구동부는 모션 프레임(20)과 모션 모터(30)를 의미한다.
상기 휠(17)은 좌,우 포스트 블록(15-1,15-2) 및 후방부(11-3)에 각각 구비된다.
상기 압력 센서(19)는 좌석 시트(13)의 시트 쿠션(13-1)에 설치됨으로써 환자가 가하는 압력으로 환자의 움직임을 파악하는 전기 신호를 발생한다. 특히, 상기 압력 센서(19)는 재활치료 로봇이 위치된 재활치료 장소에 설치된 압력 센서 커넥터(100-1)에 연결됨으로써 압력 센서(19)의 검출값은 무선통신망이나 유선통신망으로 컨트롤 룸(200)에 전송된다.
도 3,4를 참조하면, 상기 모션 프레임(20)은 모터 블록(21), 틸팅 관절(22), 3자유도 모션 블록(24), 등받이(29)로 구성된다.
상기 모터 블록(21)은 롤링 모터 감속기(21-1)를 매개로 롤링 모터(30-1)가 연결되고, 틸팅 모터 감속기(21-2)를 매개로 틸팅 모터(30-2)가 연결되며, 롤링 모터(30-1)와 틸팅 모터(30-2)의 각각을 고정하면서 베이스 블록(11)의 후방부(11-3)에 볼팅체결된 브래킷과 함께 구성됨으로써 베이스 프레임(10)과 일체화되고, 롤링 모터 감속기(21-1)와 틸팅 모터 감속기(21-2)의 회전력과 회전방향에 따른 움직임을 구현한다. 이를 위해, 상기 롤링 모터 감속기(21-1) 및 틸팅 모터 감속기(21-2)의 각각은 롤링 모터(30-1)와 틸팅 모터(30-2)의 회전수를 낮추고 토크는 높이는 기어들로 구성될 수 있다.
상기 틸팅 관절(23)은 롤링 모터(30-1)와 동일 선상으로 모터 블록(21)에 고정된 연결 로드(23-1), 3자유도 모션 블록(24)에 고정된 고정 로드(23-3), 연결 로드(23-1)와 고정 로드(23-3)의 각각에 틸팅 힌지 축(23a)을 매개로 고정되어져 연결 로드(23-1)에 대해 90도 절환되는 작동 로드(23-2)로 구성된다. 이때, 상기 작동 로드(23-2)와 상기 연결 로드(23-1)의 90도 절환은 작동 로드(23-2)나 또는 연결 로드(23-1)가 서로 결려짐으로써 90도 이상의 움직임을 제한하는 구조로 이루어질 수 있다. 그러므로, 상기 틸팅 관절(23)은 컨트롤 룸(200)의 spm(sagittal plane motion)제어신호에 의한 틸팅 모터(30-2)의 구동 시 힌지 축(23a)을 매개로 한 작동 로드(23-2)의 움직임으로 3자유도 모션 블록(24)이 환자에게 앞뒤 굽힘 움직임을 가하도록 작동된다.
이와 같이, 상기 모터 블록(21)과 상기 연결 로드(23-1), 상기 작동 로드(23-2) 및 상기 고정 로드(23-3)는 4-바 기구구조(4-bar mechanism)를 구성함으로써 모션 모터(30)를 구성하는 롤링 모터(30-1)와 틸팅 모터(30-2)의 회전축이 환자의 움직임 회전축과 일치하도록 설계될 수 있고, 이는 환자의 체간 안정화 운동을 위한 불편함을 최소화 할 수 있다.
상기 3자유도 모션 블록(24)은 어저스터 로드(25-1), 전,후 간격 플레이트(25-3,25-4), 좌,우 매니퓰레이트(Manipulate)(27-1,27-2)로 구성된다.
상기 어저스터 로드(25-1)는 틸팅 관절(23)의 고정 로드(23-3)에 고정됨으로써 모션 블록(24)을 틸팅 관절(23)과 일체화시켜준다. 상기 전,후 간격 플레이트(25-3,25-4)는 어저스터 로드(25-1)의 앞뒤로 위치되고, 좌,우 매니퓰레이트(Manipulate)(27-1,27-2)의 각각에 결합된 좌,우의 플레이트 힌지 축(25a)을 매개로 서로 고정되며, 등받이(29)가 장착된다. 특히, 상기 전,후 간격 플레이트(25-3,25-4)의 각각은 2개 이상의 판부재로 구성될 수 있다. 상기 좌,우 매니퓰레이트(Manipulate)(27-1,27-2)는 엘보 암(Elbow Arm)(27b), 모션 프레임 고정부(27c), 엘보 암(27b)과 모션 프레임 고정부(27c)를 연결한 매니퓰레이트 힌지 축(27a)으로 구성된다. 상기 엘보 암(27b)은 전,후 간격 플레이트(25-3,25-4)를 고정한 플레이트 힌지 축(25a)을 감싸도록 2개의 엘보 형상 판으로 이루어진다. 상기 모션 프레임 고정부(27c)는 베이스 프레임(10)의 좌,우 포스트 블록(15-1,15-2)에 각각 고정됨으로써 3자유도 모션 블록(24)을 베이스 프레임(10)과 일체화시켜준다. 상기 매니퓰레이트 힌지 축(27a)은 모션 프레임 고정부(27c)가 좌,우 포스트 블록(15-1,15-2)의 각각에 고정된 상태에서 엘보 암(27b)의 움직임을 허용함으로써 3자유도 모션 블록(24)이 좌,우로 회전될 수 있도록 한다. 그러므로, 상기 3자유도 모션 블록(24)은 컨트롤 룸(200)의 fpm(front plane motion)제어신호에 의한 롤링 모터(30-1)의 구동 시 힌지 축(23a,25a)을 매개로 한 전,후 간격 플레이트(25-3,25-4)와 좌,우 매니퓰레이트(27-1,27-2)의 움직임으로 환자가 좌,우로 회전되는 움직임을 가하도록 작동된다.
상기 등받이(29)는 등받이 쿠션(29-1), 등받이 쿠션 포스트(29-2), 포스트 가이더(29-3)로 구성된다. 상기 등받이 쿠션(29-1)은 환자의 체간중 등을 감싸도록 호 형상으로 이루어지고, 상기 등받이 쿠션 포스트(29-2)는 포스트 가이더(29-3)에서 좌우로 이동 가능함으로써 등받이 쿠션(29-1)으로 감싸인 등부위가 좌우로 밀려날 수 있으며, 상기 포스트 가이더(29-3)는 3자유도 모션 블록(24)의 어저스터 로드(25-1)나 전방 간격 플레이트(25-3)에 결합됨으로써 3자유도 모션 블록(24)과 일체화된다. 특히, 상기 등받이 쿠션 포스트(29-2)와 상기 포스트 가이더(29-3)는 요철결합을 이루거나 또는 롤러를 매개로 결합된다.
상기 모션 모터(30)를 구성하는 롤링 모터(30-1)는 컨트롤 룸(200)의 fpm(front plane motion)제어신호에 의한 정,역회전의 회전력을 롤링 모터 감속기(21-1)로 전달하고, 틸팅 모터(30-2)는 컨트롤 타워(200)의 spm(sagittal plane motion)제어신호에 의한 정,역회전의 회전력을 틸팅 모터 감속기(21-2)로 전달한다. 일례로, 3차원 xyz 좌표계 적용 시, 상기 롤링 모터(30-1)는 x축 방향에서 롤링 모터 감속기(21-1)와 연결됨으로써 롤링 모터(30-1)의 구동력으로 환자의 전액면(frontal plane)을 기준해 환자에게 좌우회전 움직임을 부여하여주고, 상기 틸팅 모터(30-2)는 y축 방향에서 틸팅 모터 감속기(21-2)와 연결됨으로써 틸팅 모터(30-2)의 구동력으로 환자의 시상면(sagittal plane)을 기준해 환자에게 앞뒤 굽힘 움직임을 부여하여 준다.
특히, 상기 롤링 모터(30-1)와 상기 틸팅 모터(30-2)의 회전축은 4-바 기구구조(4-bar mechanism)를 활용하여 상기 환자의 움직임 회전축과 일치하도록 설계됨으로써 상기 환자의 체간 안정화 운동을 위한 불편함을 최소화 한다. 여기서, 상기 4-바 기구구조(4-bar mechanism)는 모터 블록(21), 연결 로드(23-1), 작동 로드(23-2), 고정 로드(23-3)로 구현된다. 그러므로, 상기 롤링모터(30-1)의 회전 움직임이 상기 환자의 좌우 움직임을 구현하는 상기 모션 프레임(20)의 롤링 축과 일치하고, 상기 틸팅모터(30-2)의 회전 움직임이 상기 환자의 앞뒤 움직임을 구현하는 상기 모션 프레임(20)의 틸팅 축과 일치하게 하는 기구적 구조를 이루는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 레이아웃에서, 상기 틸팅 모터(30-2)는 등받이 쿠션(29-1)의 중앙부위보다 아래쪽 부위로 위치됨으로써 등받이(29)에 등을 기댄 환자의 허리부위에 대한 회전축으로 작용한다.
한편, 도 5는 본 실시예에 따른 재활치료 로봇에서 환자의 시상면(sagittal plane)을 기준으로 앞뒤 굽힘 움직임이 부여되는 작동상태를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 컨트롤 룸(200)에서 틸팅 모터(30-2)로 spm(sagittal plane motion)제어신호를 보내면, 틸팅 모터(30-2)의 회전력은 틸팅 모터 감속기(20-2)를 거쳐 모터 블록(21)으로 전달됨으로써 모터 블록(21)은 회전력(시계방향으로 가정)을 발생하고, 모터 블록(21)의 회전력(시계방향)은 틸팅 관절(23)을 들어 올려줌으로써 3자유도 모션 블록(24)이 환자의 등부위를 앞쪽으로 가압하여 준다.
구체적으로, 연결 로드(23-1)는 모터 블록(21)의 회전력(시계방향)으로 초기 수평 위치에서 Ka 만큼 들어 올려진 상승위치로 전환되고, 연결 로드(23-1)가 상승됨으로써 힌지 축(23a)을 매개로 연결 로드(23-1)에 고정된 작동 로드(23-2)는 모터 블록(21)쪽으로 당겨지며, 작동 로드(23-2)가 당겨짐으로써 힌지 축(23a)을 매개로 작동 로드(23-2)에 고정된 고정 로드(23-3)는 수평 위치에서 Kb 만큼 꺾인 경사위치로 전환된다. 이러한 고정 로드(23-3)의 꺾임은 고정 로드(23-3)에 어저스터 로드(25-1)로 고정된 3자유도 모션 블록(24)을 모터 블록(21)쪽으로 당겨줌으로써 등받이(29)는 수직위치에서 Kc 만큼 꺾인 경사위치로 전환된다. 그 결과, 3자유도 모션 블록(24)은 등받이(29)를 이용해 좌석 시트(13)에 앉은 마비 환자의 체간이 앞쪽으로 굽혀지도록 힘을 가하게 된다.
반면, 모터 블록(21)이 반시계방향으로 회전되도록 컨트롤 룸(200)에서 틸팅 모터(30-2)로 spm(sagittal plane motion)제어신호를 보내면, 연결 로드(23-1)와 고정 로드(23-3)는 수평상태로 복귀되고, 작동 로드(23-2)는 연결 로드(23-1)와 고정 로드(23-3)의 사이에서 수직상태로 복귀됨으로써 3자유도 모션 블록(24)과 등받이(29)도 수직상태로 복귀된다.
또한, 도 6은 본 실시예에 따른 재활치료 로봇에서 환자의 전액면(frontal plane)을 기준으로 좌우회전 움직임이 부여되는 작동상태를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 컨트롤 룸(200)에서 롤링 모터(30-1)로 fpm(front plane motion)제어신호를 보내면, 롤링 모터(30-1)의 회전력은 롤링 모터 감속기(20-1)를 거쳐 모터 블록(21)으로 전달됨으로써 모터 블록(21)은 회전력(반시계방향으로 가정)을 발생하고, 모터 블록(21)의 회전력(반시계방향)은 틸팅 관절(23)을 매개로 3자유도 모션 블록(24)을 중앙위치에서 Kd 만큼 반시계방향으로 꺾인 좌회전위치(도 6에서 좌측)로 전환된다. 그 결과, 3자유도 모션 블록(24)은 등받이(29)를 이용해 좌석 시트(13)에 앉은 마비 환자의 체간이 좌측으로 틀어지도록 힘을 가하게 된다.
구체적으로, 틸팅 관절(23)은 모터 블록(21)의 회전력(반시계방향)을 어저스터 로드(25-1)로 전달하고, 어저스터 로드(25-1)는 전,후 간격 플레이트(25-3,25-4)를 좌측방향으로 밀어냄으로써 좌,우 매니퓰레이트(27-1,27-2)가 전,후 간격 플레이트(25-3,25-4)와 함께 좌측방향으로 쏠려진다. 이때, 전,후 간격 플레이트(25-3,25-4)와 좌,우 매니퓰레이트(27-1,27-2)가 좌측방향으로 쏠려지는 움직임은 힌지 축(23a,25a)을 매개로 이루어진다.
반면, 모터 블록(21)이 시계방향으로 회전되도록 컨트롤 룸(200)에서 롤링 모터(30-1)로 fpm(front plane motion)제어신호를 보내면, 틸팅 관절(23)은 중앙위치로 복귀되고, 3자유도 모션 블록(24)과 등받이(29)도 중앙위치로 복귀된다.
그리고, 도 7은 본 실시예에 따른 재활치료 로봇에서 환자의 수평면(Horizontal plane)을 기준으로 좌우회전 움직임이 부여되는 작동상태를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 재할 치료사가 등받이 쿠션(29-1)에 힘을 가함으로써 등받이 쿠션(29-1)이 좌우로 움직이고, 등받이 쿠션(29-1)의 좌,우 움직임은 환자의 등을 감싼 상태에서 상체를 좌,우로 틀어줄 수 있게 된다. 이러한 움직임은 등받이 쿠션(29-1)에 고정된 등받이 쿠션 포스트(29-2)가 포스트 가이더(29-3)와 요철결합이나 롤러를 매개로 결합됨으로써 재할 치료사가 등받이 쿠션(29-1)에 가하는 좌,우 힘(Fleft, Fright)으로 등받이 쿠션 포스트(29-2)가 포스트 가이더(29-3)에서 안정적으로 밀려날 수 있음에 따른다.
이와 같이 재활치료 로봇은 환자의 수평평면(horizontal plane)에서의 회전운동은 구동기 없이 회전 자유도를 주어(passive motion) 자연스러운 상체운동이 될 수 있다. 그러므로, 도 5 및 도 6을 통해 기술된 3자유도 모션 블록(24)의 좌,우 회전 움직임을 포함해 모든 움직임이 재활 치료사에 의한 수동 구현이 가능한 장점이 있다. 이는, 전,후 간격 플레이트(25-3,25-4)가 힌지 축(25a)으로 좌,우 매니퓰레이트(Manipulate)(27-1,27-2)의 각각에 연결되고, 좌,우 매니퓰레이트(Manipulate)(27-1,27-2)의 각각이 힌지 축(27a)으로 베이스 프레임(10)과 연결됨으로써 힌지축(25a,27a)을 매개로 재활 치료사가 가하는 힘이 등받이(29)를 좌,우로 회전시켜줄 수 있는 구조 적용에 기반된다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 체간 안정화 운동을 위한 재활치료 로봇은 좌석 시트(13)를 구비한 베이스 프레임(10), 등받이(29)로 환자 등을 받쳐주면서 환자의 체간을 눌러 등을 앞쪽으로 구부리게 하거나 환자의 체간을 측면에서 밀어 좌,우의 각 방향으로 체간을 회전하게 하는 힘이 가해지는 모션 프레임(20), 체간의 좌,우 회전을 위한 동력을 발생하는 롤링 모터(30-1), 체간의 등 구부림을 위한 동력을 발생하는 틸팅 모터(30-2)가 포함된 외골격 형식의 로봇으로 구성됨으로써 환자의 체간 안정화를 위한 임의의 동작이 3자유도로 제어된 체간 재활운동을 하게 할 수 있고, 특히 압력 센서(19)가 갖춘 컨트롤 룸(200)과 연계됨으로써 환자에게 가해진 입력정보와 환자의 반응 정보 정량화에 따른 수치화 및 신속한 성능평가가 이루어질 수 있다.
10 : 베이스 프레임 11 : 베이스 블록
11-1 : 전방부 11-2 : 연결부
11-3 : 후방부 13 : 좌석 시트
13-1 : 시트 쿠션 13-2 : 시트 쿠션 포스트
13-3 : 마운팅 플레이트 15-1,15-2 : 좌,우 포스트 블록
17 : 휠 19 : 압력 센서
20 : 모션 프레임
21 : 모터 블록 21-1 : 롤링 모터 감속기
21-2 : 틸팅 모터 감속기 23 : 틸팅 관절
23a, 25a, 27a : 힌지 축 23-1 : 연결 로드
23-2 : 작동 로드 23-3 : 고정 로드
24 : 3자유도 모션 블록 25-1 : 어저스터 로드
25-3,25-4 : 전,후 간격 플레이트
27-1,27-2 : 좌,우 매니퓰레이트(Manipulate)
27b : 엘보 암(Elbow Arm) 27c : 모션 프레임 고정부
29 : 등받이 29-1 : 등받이 쿠션
29-2 : 등받이 쿠션 포스트 29-3 : 포스트 가이더
30 : 모션 모터 30-1 : 롤링 모터
30-2 : 틸팅 모터
100-1 : 압력 센서 커넥터 100-2 : 카메라
100-3 : 마이크 200 : 컨트롤 룸
11-1 : 전방부 11-2 : 연결부
11-3 : 후방부 13 : 좌석 시트
13-1 : 시트 쿠션 13-2 : 시트 쿠션 포스트
13-3 : 마운팅 플레이트 15-1,15-2 : 좌,우 포스트 블록
17 : 휠 19 : 압력 센서
20 : 모션 프레임
21 : 모터 블록 21-1 : 롤링 모터 감속기
21-2 : 틸팅 모터 감속기 23 : 틸팅 관절
23a, 25a, 27a : 힌지 축 23-1 : 연결 로드
23-2 : 작동 로드 23-3 : 고정 로드
24 : 3자유도 모션 블록 25-1 : 어저스터 로드
25-3,25-4 : 전,후 간격 플레이트
27-1,27-2 : 좌,우 매니퓰레이트(Manipulate)
27b : 엘보 암(Elbow Arm) 27c : 모션 프레임 고정부
29 : 등받이 29-1 : 등받이 쿠션
29-2 : 등받이 쿠션 포스트 29-3 : 포스트 가이더
30 : 모션 모터 30-1 : 롤링 모터
30-2 : 틸팅 모터
100-1 : 압력 센서 커넥터 100-2 : 카메라
100-3 : 마이크 200 : 컨트롤 룸
Claims (10)
- 환자를 앉은 상태로 고정시켜주면서 모션프레임, 롤링 모터, 틸팅 모터가 장착되는 베이스 프레임을 포함하고;
상기 모션프레임은 상기 환자의 등을 받쳐주도록 환자 뒤쪽으로 위치되고, 상기 환자의 체간을 눌러 등을 앞쪽으로 구부리게 하고, 상기 환자의 체간을 측면에서 밀어 좌,우의 각 방향으로 체간을 회전하게 하는 힘이 가해지며, 상기 롤링 모터는 상기 체간의 좌,우 회전을 위해 가하는 힘을 회전력으로 상기 모션 프레임에 전달하고, 상기 틸팅 모터는 상기 모션 프레임이 상기 체간의 등 구부림을 위해 가하는 힘을 회전력으로 상기 모션 프레임에 전달하며;
상기 모션 프레임은 상기 롤링 모터 및 상기 틸팅 모터가 서로 직각을 이루도록 결합된 모터 블록, 상기 환자의 등을 받쳐주는 등받이가 구비된 3자유도 모션 블록, 상기 롤링 모터의 회전에 의한 상기 모터 블록의 움직임으로 상기 체간의 좌,우 회전을 위한 상기 3자유도 모션 블록의 움직임을 발생시켜주고, 상기 틸팅 모터의 회전에 의한 상기 모터 블록의 움직임으로 상기 체간의 등 구부림을 위한 상기 3자유도 모션 블록의 움직임을 발생시켜주는 틸팅 관절로 구성되고;
상기 틸팅 관절은 상기 모터 블록에 고정된 연결 로드, 상기 3자유도 모션 블록에 고정된 고정 로드, 상기 연결 로드와 상기 고정 로드의 각각에 힌지 축을 매개로 고정되어져 상기 연결 로드에 대해 4-bar 기구구조를 구성하는 작동 로드로 구성되며;
상기 3자유도 모션 블록은 상기 고정 로드에 고정된 어저스터 로드, 상기 어저스터 로드의 앞뒤 위치에서 고정되어져 상기 등받이가 결합된 전,후 간격 플레이트, 상기 전,후 간격 플레이트의 양 끝에서 상기 전,후 간격 플레이트를 각각 고정하는 플레이트 힌지 축, 상기 플레이트 힌지 축과 결합된 상태에서 상기 모션 프레임에 고정된 좌,우 매니퓰레이트(Manipulate), 상기 모션 프레임과 상기 좌,우 매니퓰레이트의 각각을 연결한 매니퓰레이트 힌지 축으로 구성된
것을 특징으로 하는 체간 안정화 운동을 위한 재활치료 로봇.
- 청구항 1에 있어서, 상기 베이스 프레임에는 상기 환자가 앉는 좌석 시트가 더 구비되고, 상기 좌석 시트에는 상기 환자가 상기 좌석 시트에 가하는 압력 변화로 환자 움직임이 파악되는 압력 센서가 설치된 것을 특징으로 하는 체간 안정화 운동을 위한 재활치료 로봇.
- 청구항 1에 있어서, 상기 롤링모터의 회전 움직임이 상기 환자의 좌우 움직임을 구현하는 상기 모션 프레임의 롤링 축과 일치하고, 상기 틸팅모터의 회전 움직임이 상기 환자의 앞뒤 움직임을 구현하는 상기 모션 프레임의 틸팅 축과 일치하게 하는 기구적 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 체간 안정화 운동을 위한 재활치료 로봇.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서, 상기 좌,우 매니퓰레이트의 각각은 상기 플레이트 힌지 축과 결합된 엘보 암, 상기 모션 프레임에 고정된 상태에서 상기 매니퓰레이트 힌지 축을 매개로 상기 엘보 암과 연결된 모션 프레임 고정부로 구성된 것을 특징으로 하는 체간 안정화 운동을 위한 재활치료 로봇.
- 청구항 1에 있어서, 상기 롤링 모터와 상기 틸팅 모터의 각각에 대한 구동은 컨트롤 룸에서 제어 신호로 제어되고; 상기 컨트롤 룸은 상기 환자의 움직임을 검출한 압력정보가 압력센서와 연결된 압력 센서 커넥터로 전송받는 것을 특징으로 하는 체간 안정화 운동을 위한 재활치료 로봇.
- 청구항 8에 있어서, 상기 컨트롤 룸은 상기 제어 신호 출력, 상기 압력정보검출을 무선통신이나 유선 통신으로 수행하는 것을 특징으로 하는 체간 안정화 운동을 위한 재활치료 로봇.
- 청구항 8에 있어서, 상기 컨트롤 룸에서는 상기 롤링모터와 상기 틸팅모터의 회전 움직임 측정값과 함께 상기 모션프레임의 모터블럭을 연결하는 기구구조로부터 추측된(estimation) 환자자세추측값, 상기 압력센서의 환자자세압력값을 조합한 환자움직임보조제어신호의 생성이 이루어지고, 상기 환자움직임보조제어신호는 상기 환자를 위해 미리 정해진 움직임 범위 안에서 상기 환자의 움직임을 도와줄 수 있는 것을 특징으로 하는 체간 안정화 운동을 위한 재활치료 로봇.
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| Publication number | Publication date |
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| KR20160096743A (ko) | 2016-08-17 |
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Legal Events
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