KR101694369B1 - 상지 재활 로봇 - Google Patents

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KR101694369B1
KR101694369B1 KR1020150121453A KR20150121453A KR101694369B1 KR 101694369 B1 KR101694369 B1 KR 101694369B1 KR 1020150121453 A KR1020150121453 A KR 1020150121453A KR 20150121453 A KR20150121453 A KR 20150121453A KR 101694369 B1 KR101694369 B1 KR 101694369B1
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KR1020150121453A
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김갑순
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경상대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은, 환자의 몸을 지지하기 위한 지지체; 상기 지지체의 전후 방향을 따라 연장하는 X축을 중심으로 회전할 수 있게 상기 지지체와 결합한 회전체; 상기 지지체의 폭 방향을 따라 연장하는 Y축을 중심으로 회전할 수 있도록 상기 회전체와 결합한 상박 링크; 및 상기 Y축을 중심으로 회전할 수 있도록 상기 상박 링크와 결합한 하박 링크;를 포함하는 상지 재활 로봇을 제공한다. 여기서, 상기 회전체에는 제1모터의 구동축에 고정된 내측 블록으로부터 방사상으로 연장하는 적어도 한 쌍의 박판이 마련되고, 상기 상박 링크 및 하박 링크에는 상기 Y축 방향으로 뚫린 제1통공이 마련되며, 상기 한 쌍의 박판과 상기 제1통공의 양측 박부에는 복수의 스트레인 게이지들이 마련된다.

Description

상지 재활 로봇{UPPER LIMB REHABILITATION ROBOT}
본 발명은 상지 재활 로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환자의 상지 재활 운동 시 이를 보조하되, 미리 설정된 토크 내지 힘의 크기 내에서 상지 재활 운동을 자동으로 보조할 수 있는 상지 재활 로봇에 관한 것이다.
뼈와 뼈 사이를 연결하는 관절은 두 개의 뼈 간에 직선운동 및 회전운동을 가능하도록 한다.
그런데 관절 부분을 수술한 환자의 경우에는 스스로 운동이 불가능하므로, 근육이 약해지고 원활한 영양 공급이 이루어지지 않아 관절부위가 뻣뻣해지면서 굳어질 우려가 있다. 따라서 관절의 변형을 방지하고 정상적인 활동에 복귀하기 위해서는 재활 치료사가 관절의 운동을 보조하여 장시간 재활 운동을 하여야 한다.
하지만 재활 치료사의 수보다 재활 환자의 수가 훨씬 많은 것이 현재의 실정이기 때문에 재활 치료사가 재활 운동을 보조하는 것에는 한계가 있다. 따라서 근래에는 환자의 재활을 보조하기 위한 다양한 장치들이 제안되고 있다. 이러한 장치들의 예로서, 한국공개특허 제10-2015-0048432호는 관절 운동 장치를 개시하고 있다. 위 한국공개특허는 상, 하 방향과 좌, 우 방향으로 회전되어 관절 운동시키는 경우 상, 하 방향으로의 회전 각도 범위를 최대한 확보할 수 있도록 하는 관절 운동 장치를 제공한다.
그러나 위 한국공개특허에 개시된 관절 운동 장치에 따르면 재활 운동 시 환자의 상지 관절들에 어느 정도의 힘이나 토크가 가해지는지를 확인할 수 없다. 따라서 위 한국공개특허의 관절 운동 장치가 사용되더라도 재활 치료사가 계속하여 재활 운동을 지켜보면서 환자의 상지 관절들에 적절한 힘이나 토크가 가해지고 있는지를 확인하여야 하는바, 결국 재활 치료사의 재활 운동 보조가 여전히 필요하게 된다.
한국공개특허 제10-2015-0048432호(관절 운동 장치) 한국등록특허 제10-1331071호(어깨 관절용 재활장치 및 이의 구동방법)
본 발명은 상지 재활 운동 시 환자의 상지 관절들에 가해지는 힘 내지 토크를 정확히 측정하고, 이 측정의 결과를 이용하여 환자에게 최적화된 상지 재활 운동을 제공할 수 있는 상지 재활 로봇을 제공하고자 한다.
본 발명은, 환자의 몸을 지지하기 위한 지지체; 상기 지지체의 전후 방향을 따라 연장하는 X축을 중심으로 회전할 수 있게 상기 지지체와 결합한 회전체; 상기 지지체의 폭 방향을 따라 연장하는 Y축을 중심으로 회전할 수 있도록 상기 회전체와 결합한 상박 링크; 및 상기 Y축을 중심으로 회전할 수 있도록 상기 상박 링크와 결합한 하박 링크;를 포함하는 상지 재활 로봇을 제공한다. 여기서, 상기 회전체에는 제1모터의 구동축에 고정된 내측 블록으로부터 방사상으로 연장하는 적어도 한 쌍의 박판이 마련되고, 상기 상박 링크 및 하박 링크에는 상기 Y축 방향으로 뚫린 제1통공이 마련되며, 상기 한 쌍의 박판과 상기 제1통공의 양측 박부에는 복수의 스트레인 게이지들이 마련된다.
상기 상박 링크 및 하박 링크에는 상기 제1통공과 수직하게 뚫린 제2통공이 마련될 수 있다. 이 경우, 상기 제2통공의 양측 박부에는 복수의 스트레인 게이지들이 마련된다.
상기 상지 재활 로봇은, 상기 상박 링크를 상기 Y축을 중심으로 회전시키기 위한 상박 구동 수단;을 포함한다. 이때, 상기 상박 구동 수단은, 상기 회전체에 장착된 상박용 하우징; 상기 상박용 하우징에 장착된 상박용 모터; 상기 상박용 모터의 구동축에 장착된 상박용 스크류; 및 상기 상박용 스크류와 결합하여 상기 상박용 스크류의 회전시 직선운동을 수행하고, 상기 회전체와 상기 상박 링크 간 결합 부위의 뒤쪽에 위치하는 상박 링크 후단과 결합한 단부를 갖는 상박용 너트 블록;을 포함한다.
상기 상지 재활 로봇은, 상기 하박 링크를 상기 Y축을 중심으로 회전시키기 위한 하박 구동 수단;도 포함한다. 이 하박 구동 수단은, 상기 상박 링크에 장착된 하박용 하우징; 상기 하박용 하우징에 장착된 하박용 모터; 상기 하박용 모터의 구동축에 장착된 하박용 스크류; 및 상기 하박용 스크류의 회전시 직선운동을 수행하고, 상기 하박 링크와 상기 상박 링크 간 결합 부위의 뒤쪽에 위치하는 하박 링크 후단과 결합한 단부를 갖는 하박용 너트 블록;을 포함한다.
상기 상지 재활 로봇은, 상기 하박 링크의 높이 방향을 따라 연장하는 회전축을 중심으로 회전할 수 있도록 상기 하박 링크와 결합한 손목 링크;도 포함한다. 상기 손목 링크의 좌단 및 우단은 상기 지지체에 장착된 손목 토크 센싱 블록과 좌측 와이어 및 우측 와이어를 통해 연결된다.
상기 손목 토크 센싱 블록은, 상기 지지체에 고정된 고정판; 상기 고정판에 장착된 좌측 와이어용 모터와 우측 와이어용 모터; 상기 좌측 와이어용 모터 및 우측 와이어용 모터의 구동축에 각각 장착된 좌측 와이어용 스크류와 우측 와이어용 스크류; 상기 좌측 와이어용 스크류 및 우측 와이어용 스크류의 회전시 각각 X축 방향으로 직선운동을 수행하고, 상기 좌측 와이어 및 우측 와이어와 각각 결합한 좌측 와이어용 너트 블록과 우측 와이어용 너트 블록; 및 상기 너트 블록들의 제3통공들로 인해 생긴 박부들에 마련된 복수의 스트레인 게이지;를 포함한다.
상기 상지 재활 로봇은, 상기 지지체에 장착된 카메라; 상기 지지체에 장착되고, 상기 지지체가 이동할 층의 지도를 내장한 제어기; 상기 지지체에 장착되고, 상기 지지체의 구동 및 조향을 위한 구동/조향 장치; 및 상기 제어기와 무선 통신을 하는 무선 호출기;를 포함한다. 상기 무선 호출기의 호출이 있을 시, 상기 제어기는 상기 무선 호출기의 호출 위치와 상기 카메라의 촬영 영상을 통해 인식한 현재 위치 간 이동 경로를 산출한 후, 상기 지지체가 상기 이동 경로를 따라 상기 호출 지점까지 이동하도록 상기 구동/조향 장치를 제어한다.
본 발명에서는 환자의 어깨 관절 및 팔꿈치 관절을 회전시키기 위한 구성들인 회전 블록, 상박 링크 및 하박 링크가 상기 관절들에 걸리는 토크 내지 힘을 감지하기 위한 센서로서의 기능을 수행하는바, 상기 관절들에 걸리는 토크 내지 힘을 감지하기 위한 센서가 위 구성들(회전 블록, 상박 링크 및 하박 링크)과 별도로 구비될 필요가 없고, 그러면서도 상지 재활 운동 시 상기 관절들에 걸리는 토크 내지 힘이 환자에게 가장 적합한 범위 내에 존재하도록 자동으로 조절된다.
또한, 본 발명에서는 상박 구동 수단 및 하박 구동 수단이 상박 링크 및 하박 링크와 평행한 자세를 취하기 때문에 상기 구동 수단들의 자중에 의해 각 링크들 간 연결 부위에 모멘트가 걸리지 않게 된다.
또한, 본 발명에서는 상기 상박 및 하박 구동 수단이 갖는 모터의 회전력이 직선운동으로 변환되어 상박 링크 및 하박 링크에 전달되기 때문에 상박 링크 및 하박 링크의 회전이 천천히 그리고 정교하게 제어될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 손목 링크를 회전시키기 위한 손목 토크 센싱 블록이 하박 링크에 장착되지 않고 지지체에 장착되기 때문에 상기 손목 토크 센싱 블록의 자중으로 인해 하박 링크에 과다한 하중이 가해지는 문제가 발생하지 않는다.
또한, 본 발명에서는 상기 손목 토크 센싱 블록이 환자의 손목 관절에 걸리는 토크 내지 힘을 감지할 수 있기 때문에 상기 손목 관절에 걸리는 토크 내지 힘을 감지하기 위한 센서가 별도로 마련될 필요가 없다.
또한, 본 발명에서는 상지 재활 도중 환자에게 갑작스런 통증이 발생하면 재활 운동이 자동으로 중단된다.
또한, 본 발명에 따른 상지 재활 로봇은 재활 병실을 자동으로 찾아 이동할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 상지 재활 로봇을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 상지 재활 로봇의 일부를 확대한 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 상지 재활 로봇을 다른 방향에서 바라본 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 상지 재활 로봇의 일부를 확대한 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 상지 재활 로봇의 회전 블록을 도시한 사시도이다.
도 6은 도 1에 도시된 상지 재활 로봇의 손목 토크 센싱 블록을 도시한 사시도이다.
이하, 본 발명에 따른 상지 재활 로봇의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야할 것이다.
본 발명에 따른 상지 재활 로봇(100)은 환자의 상지 재활 운동을 자동으로 수행할 수 있는 장치로서, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 지지체(110)와 회전체(130)와 상박 링크(150)와 하박 링크(170)와 손목 링크(190)와 제어기(300)를 포함한다.
상기 지지체(110)는 환자의 몸을 편안하게 지지하기 위한 것으로서, 등받이를 포함한 의자와 같은 형태로 마련될 수 있다. 지지체(110)의 등받이에는 블록(112)이 고정되어 있는데, 이 블록(112)에는 제1모터(114)가 장착되어 있다. 또한 지지체(110)의 좌판 하부에는 제어기(300)가 마련되어 있다. 이하에서는 용이한 이해를 위해 이러한 지지체(110)의 전후 방향을 따라 연장하는 축을 X축, 지지체(110)의 좌우 방향을 따라 연장하는 축을 Y축으로 설정한다.
상기 회전체(130)는 회전 블록(132) 및 T형 링크(134)를 포함한다. 상기 회전 블록(132)은 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이 내측 블록 및 이를 감싸는 외측 블록을 포함하는데, 내측 블록은 제1모터(114)의 구동축과 결합하고 있고, 외측 블록은 적어도 한 쌍의 박판(132a)을 통해 내측 블록과 결합하고 있다(도면에는 두 쌍의 박판이 도시됨). 즉, 한 상의 박판(132a)은 서로 반대되는 곳에 위치하고, 방사상으로 연장하면서 내측 블록과 외측 블록을 연결한다.
이러한 회전 블록(132)은 제1모터(114)의 작동시 X축을 중심으로 회전하게 되는데, 그러면 환자의 상박도 이에 맞추어 바깥쪽으로 들어올려지는 방향 또는 이와 반대 방향으로 회전하게 된다. 이때 환자의 어깨 관절에 걸리는 토크의 크기에 따라 상기 박판(132a)의 변형 정도가 다르게 된다. 따라서 박판(132a)의 변형 정도를 측정하면 환자의 어깨 관절에 걸리는 토크를 확인할 수 있다.
상기 박판(132a)의 변형 정도의 측정을 위해, 상기 박판(132a)에는 도 5에 도시된 바와 같이 4개의 스트레인 게이지(132b)가 부착된다. 구체적으로, 두 개의 스트레인 게이지(132b)는 두 박판(132a) 중 어느 하나의 상면 및 하면에 각각 부착되고, 나머지 두 개의 스트레인 게이지(132b)는 다른 박판(132a)의 상면 및 하면에 각각 부착된다.
상기 스트레인 게이지(132b)의 출력은 제어기(300)로 송신되고, 그러면 제어기(300)는 스트레인 게이지(132b)의 출력을 이용하여 환자의 어깨 관절에 걸리는 토크의 크기를 계산한다. 그리고 계산한 토크의 크기가 미리 설정된 기준값에 도달하면 제어기(300)는 제1모터(114)를 정지시킨 후 역으로 작동시킨다. 제어기(300)는 제1모터(114)에 대한 이러한 제어를 미리 설정된 횟수만큼 반복적으로 수행한다.
상기 T형 링크(134)는 전단 및 후단을 갖는데, 상기 후단은 회전 블록(132)에 고정되어 있다. 따라서 T형 링크(134)는 회전 블록(132)과 함께 회전하게 된다.
상기 상박 링크(150)는 Y축을 중심으로 회전할 수 있도록 회전체(130), 더욱 구체적으로는 회전체(130)의 T형 링크(134)와 결합한다. 그리고 상박 링크(150)에는 Y축 방향으로 뚫린 제1통공(152)이 마련된다. 따라서 제1통공(152)의 양측에는 박부(얇은 부위)가 형성된다. 이러한 상박 링크(150)는 상박 구동 수단(160)에 의해 회전한다.
상기 상박 구동 수단(160)은 상박용 하우징(161), 상박용 모터(162), 상박용 스크류(163) 및 상박용 너트 블록(164)을 포함한다. 상기 상박용 하우징(161)은 T형 블록(134)의 하단에 장착되어 있고, 상기 상박용 모터(162)는 상박용 하우징(161)에 장착되어 있다. 상기 상박용 스크류(163)는 상박용 모터(162)의 구동축에 장착되어 있다. 따라서 상박용 모터(162)가 작동하면 상박용 스크류(163)가 회전하게 된다. 상기 상박용 너트 블록(164)의 일단은 상박용 스크류(163)와 나사 결합을 하고, 그 반대단은 상박 링크(150)의 후단과 결합하고 있다. 여기서 상박 링크(150)의 후단은 T형 링크(132)와 상박 링크(150) 간 결합 부위(134a)의 뒤쪽에 위치하는 단부이다.
이러한 상박 구동 수단(160)에서 상박용 모터(162)가 작동하면 상박용 스크류(163)가 회전하고, 그러면 상박용 너트 블록(164)이 직선운동을 하면서 상기 상박 링크(150)의 후단을 밀거나 당긴다. 이 과정에서 상박 링크(150)는 상기 결합 부위(134a)를 중심으로 지렛대 운동을 하면서 환자의 상박을 앞으로 들어올리는 방향 또는 이와 반대 방향으로 회전시킨다. 이때 환자의 어깨 관절에 걸리는 토크의 크기에 따라 상기 제1통공(152) 양측 박부들의 변형 정도가 다르게 된다. 따라서 상기 박부들의 변형 정도를 측정하면 환자의 어깨 관절에 걸리는 토크를 확인할 수 있다.
제1통공(152) 양측 박부들의 변형 정도의 측정을 위해, 이 박부들에는 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 2쌍의 스트레인 게이지(156)가 부착된다. 구체적으로, 한 쌍의 스트레인 게이지(156)는 제1통공(152) 양측 두 박부 중 어느 하나에 부착되고, 나머지 한 쌍의 스트레인 게이지(156)는 나머지 하나에 부착된다.
상기 스트레인 게이지(156)의 출력은 제어기(300)로 송신되고, 그러면 제어기(300)는 스트레인 게이지(156)의 출력을 이용하여 환자의 어깨 관절에 걸리는 토크의 크기를 계산한다. 그리고 계산한 토크의 크기가 미리 설정된 기준값에 도달하면 제어기(300)는 상박용 모터(162)를 정지시킨 후 역으로 작동시킨다. 제어기(300)는 상박용 모터(162)에 대한 이러한 제어를 미리 설정된 횟수만큼 반복적으로 수행한다.
상기 하박 링크(170)는 Y축을 중심으로 회전할 수 있도록 상박 링크(150)와 결합한다. 그리고 하박 링크(150)에는 Y축 방향으로 뚫린 제1통공(172)이 마련되어 있다. 따라서 제1통공(172)의 양측에는 박부가 형성된다. 이러한 하박 링크(170)는 하박 구동 수단(180)에 의해 회전한다.
상기 하박 구동 수단(180)은 하박용 하우징(181), 하박용 모터(182), 하박용 스크류(183) 및 하박용 너트 블록(184)을 포함한다. 상기 하박용 하우징(181)은 상박 링크(150)에 장착되어 있고, 하박용 모터(182)는 하박용 하우징(181)에 장착되어 있다. 하박용 스크류(183)는 하박용 모터(182)의 구동축에 장착되어 있다. 따라서 하박용 모터(182)가 작동하면 하박용 스크류(183)가 회전하게 된다. 상기 하박용 너트 블록(184)의 일단은 하박용 스크류(183)와 나사 결합을 하고, 그 반대단은 하박 링크(170)의 후단과 결합하고 있다. 여기서 하박 링크(170)의 후단은 상박 링크(150)와 하박 링크(180) 간 결합 부위(150a)의 뒤쪽에 위치하는 단부이다.
이러한 하박 구동 수단(180)에서 하박용 모터(182)가 작동하면 하박용 스크류(183)가 회전하고, 그러면 하박용 너트 블록(184)이 직선운동을 하면서 하박 링크(170)의 후단을 밀거나 당긴다. 이 과정에서 하박 링크(170)는 상기 결합 부위(150a)를 중심으로 지렛대 운동을 하면서 환자의 하박을 앞으로 들어올리는 방향 또는 이와 반대 방향으로 회전시킨다. 이때 환자의 팔꿈치 관절에 걸리는 토크의 크기에 따라 제1통공(172) 양측 박부들의 변형 정도가 다르게 된다. 따라서 상기 박부들의 변형 정도를 측정하면 환자의 팔꿈치 관절에 걸리는 토크를 확인할 수 있다.
제1통공(172) 양측 박부들의 변형 정도의 측정을 위해, 이 박부들에는 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 2쌍의 스트레인 게이지(176)가 부착된다. 구체적으로, 한 쌍의 스트레인 게이지(176)는 제1통공(172) 양측의 두 박부 중 어느 하나에 부착되고, 나머지 한 쌍의 스트레인 게이지(176)는 나머지 박부에 부착된다.
상기 스트레인 게이지(176)의 출력은 제어기(300)로 송신되고, 그러면 제어기(300)는 스트레인 게이지(176)의 출력을 이용하여 환자의 팔꿈치 관절에 걸리는 토크의 크기를 계산한다. 그리고 계산한 토크의 크기가 미리 설정된 기준값에 도달하면 제어기(300)는 하박용 모터(182)를 정지시킨 후 역으로 작동시킨다. 제어기(300)는 하박용 모터(182)에 대한 이러한 제어를 미리 설정된 횟수만큼 반복적으로 수행한다.
상기 손목 링크(190)는 하박 링크(170)의 높이 방향을 따라 연장하는 회전축(170a)을 중심으로 회전할 수 있도록 하박 링크(170)와 결합한다. 손목 링크(190)의 좌우단에는 와이어 고정 돌기(192)가 마련되어 있는데, 이 고정 돌기(192)에는 좌측 와이어(194)의 전단 및 우측 와이어(196)의 전단이 고정되어 있다.
좌측 와이어(194)는 고정 돌기(192)로부터 좌측 지지체(177)까지 후방으로 연장하고, 그 이후에는 좌측 튜브(194a)에 내장된 채 손목 토크 센싱 블록(200)까지 연장한다. 상기 좌측 지지체(177)는 환자 하박과의 간섭을 일으키지 않는 형태로 하박 링크(170)에 마련되어 있다. 우측 와이어(196)는 고정 돌기(192)로부터 우측 지지체(178)까지 후방으로 연장하고, 그 이후에는 우측 튜브(196a)에 내장된 채 손목 토크 센싱 블록(200)까지 연장한다. 상기 우측 지지체(178)는 좌측 지지체(177)와 반대로 돌출하도록 하박 링크(170)에 마련되어 있다.
상기 손목 토크 센싱 블록(200)은 손목 링크(190)를 회전시키는 기능 및 환자의 손목 관절에 걸리는 토크의 크기를 감지하는 기능을 갖는 것으로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 고정판(201)과 한 쌍의 모터(202a, 202b)와 한 쌍의 스크류(203a, 203b)와 한 쌍의 너트 블록(204a, 204b)을 포함한다.
상기 고정판(201)은 후방으로 연장하는 자세를 취하면서 지지체(110) 등받이의 측면에 고정된다. 상기 한 쌍의 모터(202a, 202b)는 상하 방향으로 떨어져 위치하면서 고정판(201)에 장착되어 있다. 이 모터들 중 아래쪽 모터는 좌측 와이어(194)를 당기거나 풀어주기 위한 좌측 와이어용 모터(202a)이고, 위쪽 모터는 우측 와이어(196)를 당기거나 풀어주기 위한 우측 와이어용 모터(202b)이다.
상기 한 쌍의 스크류(203a, 203b)는 좌측 와이어용 스크류(203a)와 우측 와이어용 스크류(203b)로 이루어지는데, 좌측 와이어용 스크류(203a)는 좌측 와이어용 모터(202a)의 구동축에 장착되고, 우측 와이어용 스크류(203b)는 우측 와이어용 모터(202b)의 구동축에 장착된다. 따라서 상기 한 쌍의 모터(202a, 202b)가 작동하면 상기 한 쌍의 스크류(203a, 203b)가 회전하게 된다.
상기 한 쌍의 너트 블록(204a, 204b)은 좌측 와이어용 너트 블록(204a)과 우측 와이어용 너트 블록(204b)로 이루어진다. 좌측 와이어용 너트 블록(204a)은 좌측 와이어용 스크류(203a)와 나사 결합을 하고, 좌측 와이어(194)의 후단을 고정하고 있다. 따라서 좌측 와이어용 스크류(203a)가 회전하면 좌측 와이어용 너트 블록(204a)은 X축 방향으로 직선운동을 하면서 좌측 와이어(194)를 당기거나 풀어준다. 우측 와이어용 너트 블록(204b)은 우측 와이어용 스크류(203b)와 나사 결합을 하고, 우측 와이어(196)의 후단을 고정하고 있다. 따라서 우측 와이어용 스크류(203b)가 회전하면 우측 와이어용 너트 블록(204b)은 X축 방향으로 직선운동을 하면서 우측 와이어(196)를 당기거나 풀어준다.
상기 좌측 와이어용 너트 블록(204a)에는 한 쌍의 제3통공(205)이 마련되는데, 이 제3통공들(205)은 상하로 떨어져 위치하고 Y축 방향으로 뚫려 있다. 상기 제3통공들(205)로 인해, 좌측 와이어용 너트 블록(204a)에는 X축 방향으로 이격한 박부가 제3통공들(205)의 양측에 위치하게 된다. 상기 제3통공(205)은 우측 와이어용 너트 블록(204b)에도 동일하게 마련된다.
이러한 손목 토크 센싱 블록(200)에서 좌측 와이어용 모터(202a)가 정방향으로 작동하면 좌측 와이어용 너트 블록(204a)이 후진하면서 좌측 와이어(194)를 당기고, 이때 우측 와이어용 모터(202b)는 역방향으로 작동하면서 우측 와이어(196)를 풀어준다. 이 과정에서 손목 링크(190)는 좌측으로 회전하면서 환자의 손목을 좌측으로 회전시킨다. 이때 환자의 손목 관절에 걸리는 토크의 크기에 따라 상기 제3통공(205) 전후 박부들의 변형 정도가 다르게 된다. 따라서 상기 박부들의 변형 정도를 측정하면 환자의 손목 관절에 걸리는 토크를 확인할 수 있다. 한편, 환자의 손목을 우측으로 회전시킬 경우에는 위와 반대의 과정이 수행된다.
제3통공(205) 양측 박부들의 변형 정도의 측정을 위해, 이 박부들 각각에는 도 6에 도시된 바와 같이 복수의 스트레인 게이지(206)가 부착된다. 구체적으로, 좌측 와이어용 너트 블록(204a)에는 2쌍의 스트레인 게이지(156)가 부착되는데, 한 쌍은 두 제3통공(205) 중 하나의 전후 박부에 부착되고, 다른 한 쌍은 나머지 제3통공(205)의 전후 박부에 부착된다. 우측 와이어용 너트 블록(204b)에서도 이와 동일한 방식으로 스트레인 게이지(206)가 부착된다.
상기 스트레인 게이지(206)의 출력은 제어기(300)로 송신되고, 그러면 제어기(300)는 스트레인 게이지(206)의 출력을 이용하여 환자의 손목 관절에 걸리는 토크의 크기를 계산한다. 그리고 계산한 토크의 크기가 미리 설정된 기준값에 도달하면 제어기(300)는 한 쌍의 모터(202a, 202b)를 정지시킨 후 역으로 작동시킨다. 제어기(300)는 한 쌍의 모터(202a, 202b)에 대한 이러한 제어를 미리 설정된 횟수만큼 반복적으로 수행한다.
한편, 상지 재활 도중 환자가 갑작스럽게 통증을 느끼는 비상 상황이 발생할 수 있는데, 이 경우에는 재활을 바로 중단할 필요가 있다. 갑작스런 통증을 느낀 환자는 무의식적으로 자신의 팔을 바깥쪽으로 밀거나 안쪽으로 당기는 것이 일반적이므로, 상박 링크(150) 및 하박 링크(170)에 기준값 이상의 Y축 방향 힘이 가해지는지를 측정함으로써 비상 상황의 발생 여부를 확인할 수 있다.
상박 링크(150) 및 하박 링크(170)에 가해지는 Y축 방향 힘을 측정하기 위해, 상박 링크(150) 및 하박 링크(170)에는 제1통공(152, 172)과 수직하게 뚫린 제2통공(154, 174)이 마련된다. 또한, 상기 제2통공(154, 174)의 양측 박부에는 스트레인 게이지들(156, 176)이 부착된다. 구체적으로, 상박 링크(150)에 마련된 제2통공(154)의 양측 두 박부 중 어느 하나에 한 쌍의 스트레인 게이지(156)가, 그리고 나머지 하나에 한 쌍의 스트레인 게이지(156)가 부착된다. 또한, 하박 링크(170)에 마련된 제2통공(174)의 양측 두 박부에도 같은 방식으로 2쌍의 스트레인 게이지(176)가 부착된다.
상기 스트레인 게이지(156, 176)의 출력은 제어기(300)로 송신되고, 그러면 제어기(300)는 스트레인 게이지(156, 176)의 출력을 이용하여 상박 링크(150) 및 하박 링크(170)에 작용하는 Y축 방향 힘의 크기를 계산한다. 그리고 계산한 힘의 크기가 미리 설정된 기준값 이상이면 제어기(300)는 환자에게 갑작스런 통증이 발생한 것으로 판단하고, 상지 재활 로봇(100)을 정지시킨다.
상술한 상지 재활 로봇(100)은 재활 장소까지 자동으로 이동할 수 있는 기능도 갖는다. 이를 위해, 상지 재활 로봇(100)은 무선 호출기(미도시) 및 카메라(230)를 포함하고, 이동을 위한 바퀴들(예컨대, 네 다리의 하단에 마련된 보조 바퀴들 및 뒤쪽 두 다리 사이에 마련된 조향 바퀴)을 포함하며, 상기 바퀴들 중 일부(예컨대, 조향 바퀴)의 구동 및 조향을 위한 구동/조향 장치(미도시)를 포함한다. 그리고 제어기(300)는 무선 호출기와의 무선 통신을 위한 통신 모듈을 내장하고, 상지 재활 로봇(100)이 사용될 층의 지도를 내장하며, 카메라(230)의 영상을 분석하는 기능을 갖고, 상기 구동/조향 장치의 제어 기능도 갖는다.
재활 치료사가 무선 호출기를 이용하여 재활 병실의 호수를 입력한 후 호출 버튼을 누르면, 제어기(300)는 이 신호를 수신하여 목적지를 확인한다. 이후, 제어기(300)는 카메라(230)가 촬영한 영상을 통해 상지 재활 로봇(100)의 현재 위치를 확인하고, 이 현재 위치로부터 목적지까지의 이동 경로를 지도를 통해 설정한다. 이러한 과정이 완료되면 제어기(300)는 구동/조향 장치를 제어하여 상지 재활 로봇(100)을 목적지까지 이동시킨다.
상지 재활 로봇(100)을 목적지까지 이동시키는 동안 제어기(300)는 카메라(230)가 촬영한 영상을 계속 분석하면서 상지 재활 로봇(100)이 통로의 가운데를 따라 이동하도록 상기 구동/조향 장치를 제어하고, 상지 재활 로봇(100)의 위치를 지속적으로 확인한다.
이하, 상기 상지 재활 로봇(100)의 작동 과정을 설명한다.
재활 치료사가 무선 호출기로 상지 재활 로봇(100)을 호출하면, 상지 재활 로봇(100)은 제어기(300)의 제어로 인해 재활 치료사가 지정한 재활 병실을 자동으로 찾아간다. 이후, 환자는 지지체(110)에 앉아 재활이 필요한 팔을 고정하고, 그러면 재활이 시작된다. 재활은 환자의 어깨 관절, 팔꿈치 관절 및 손목 관절 중 적어도 하나에 대해 수행되거나, 모두에 대해 순차적으로 수행될 수 있다. 또한, 재활은 환자의 상지 관절들에 걸리는 토크가 미리 설정된 기준값을 초과하지 않도록 이루어지고, 미리 설정된 횟수만큼 이루어진다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.
100 : 상지 재활 로봇 110 : 지지체
114 : 제1모터 130 : 회전체
132 : 회전 블록 132a : 박판
132b : 스트레인 게이지 134 : T형 링크
150 : 상박 링크 152, 172 : 제1통공
154, 174 : 제2통공 156, 176 : 스트레인 게이지
160 : 상박 구동 수단 161 : 상박용 하우징
162 : 상박용 모터 163 : 상박용 스크류
164 : 상박용 너트 블록 170 : 하박 링크
180 : 하박 구동 수단 181 : 하박용 하우징
182 : 하박용 모터 183 : 하박용 스크류
184 : 하박용 너트 블록 190 : 손목 링크
192 : 와이어 고정 돌기 194 : 좌측 와이어
194a : 좌측 튜브 196 : 우측 와이어
196a : 우측 튜브 200 : 손목 토크 센싱 블록
201 : 고정판 202a, 202b : 모터
203a, 203b : 스크류 204a, 204b : 너트 블록
205 : 제3통공 206 : 스트레인 게이지
230 : 카메라 300 : 제어기

Claims (7)

  1. 환자의 몸을 지지하기 위한 지지체의 전후 방향을 따라 연장하는 X축을 중심으로 회전할 수 있게 상기 지지체와 결합한 회전체;
    상기 지지체의 폭 방향을 따라 연장하는 Y축을 중심으로 회전할 수 있도록 상기 회전체와 결합한 상박 링크; 및
    상기 Y축을 중심으로 회전할 수 있도록 상기 상박 링크와 결합한 하박 링크;
    상기 상박 링크를 상기 Y축을 중심으로 회전시키기 위한 상박 구동 수단;을 포함하되,
    상기 회전체에는 제1모터의 구동축에 고정된 상기 회전체의 내측 블록으로부터 상기 상박 링크와 연결된 상기 회전체의 외측 블록까지 방사상으로 연장하는 적어도 한 쌍의 박판이 마련되고, 상기 상박 링크 및 하박 링크에는 상기 Y축 방향으로 뚫린 제1통공이 마련되며, 상기 한 쌍의 박판과 상기 제1통공의 양측 박부에는 복수의 스트레인 게이지들이 마련되고,
    상기 상박 구동 수단은,
    상기 회전체에 장착된 상박용 하우징;
    상기 상박용 하우징에 장착된 상박용 모터;
    상기 상박용 모터의 구동축에 장착된 상박용 스크류; 및
    상기 상박용 스크류와 결합하여 상기 상박용 스크류의 회전시 직선운동을 수행하고, 상기 회전체와 상기 상박 링크 간 결합 부위의 뒤쪽에 위치하는 상박 링크 후단과 결합한 단부를 갖는 상박용 너트 블록;을 포함하는 상지 재활 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상박 링크 및 하박 링크에는 상기 제1통공과 수직하게 뚫린 제2통공이 마련되고, 상기 제2통공의 양측 박부에는 복수의 스트레인 게이지들이 마련된 상지 재활 로봇.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하박 링크를 상기 Y축을 중심으로 회전시키기 위한 하박 구동 수단;을 포함하되,
    상기 하박 구동 수단은,
    상기 상박 링크에 장착된 하박용 하우징;
    상기 하박용 하우징에 장착된 하박용 모터;
    상기 하박용 모터의 구동축에 장착된 하박용 스크류; 및
    상기 하박용 스크류의 회전시 직선운동을 수행하고, 상기 하박 링크와 상기 상박 링크 간 결합 부위의 뒤쪽에 위치하는 하박 링크 후단과 결합한 단부를 갖는 하박용 너트 블록;을 포함하는 상지 재활 로봇.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하박 링크의 높이 방향을 따라 연장하는 회전축을 중심으로 회전할 수 있도록 상기 하박 링크와 결합한 손목 링크;를 포함하고,
    상기 손목 링크의 좌단 및 우단은 상기 지지체에 장착된 손목 토크 센싱 블록과 좌측 와이어 및 우측 와이어를 통해 연결된 상지 재활 로봇.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 손목 토크 센싱 블록은,
    상기 지지체에 고정된 고정판;
    상기 고정판에 장착된 좌측 와이어용 모터와 우측 와이어용 모터;
    상기 좌측 와이어용 모터 및 우측 와이어용 모터의 구동축에 각각 장착된 좌측 와이어용 스크류와 우측 와이어용 스크류;
    상기 좌측 와이어용 스크류 및 우측 와이어용 스크류의 회전시 각각 X축 방향으로 직선운동을 수행하고, 상기 좌측 와이어 및 우측 와이어와 각각 결합한 좌측 와이어용 너트 블록과 우측 와이어용 너트 블록; 및
    상기 너트 블록들의 제3통공들로 인해 생긴 박부들에 마련된 복수의 스트레인 게이지;를 포함하는 상지 재활 로봇.
  7. 제1항 또는 제2항 또는 제4항 또는 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 지지체에 장착된 카메라;
    상기 지지체에 장착되고, 상기 지지체가 이동할 층의 지도를 내장한 제어기;
    상기 지지체에 장착되고, 상기 지지체의 구동 및 조향을 위한 구동/조향 장치; 및
    상기 제어기와 무선 통신을 하는 무선 호출기;를 포함하되,
    상기 무선 호출기의 호출이 있을 시, 상기 제어기는 상기 무선 호출기의 호출 위치와 상기 카메라의 촬영 영상을 통해 인식한 현재 위치 간 이동 경로를 산출한 후, 상기 지지체가 상기 이동 경로를 따라 상기 호출 지점까지 이동하도록 상기 구동/조향 장치를 제어하는 상지 재활 로봇.
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