KR20120015704A

KR20120015704A - 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇

Info

Publication number: KR20120015704A
Application number: KR1020100078046A
Authority: KR
Inventors: 장평훈; 구동한
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2012-02-22
Also published as: KR101163903B1

Abstract

본 발명은 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘에 관한 것이다. 본 발명에 의한 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘은, XY 평면상에서 좌표를 형성할 수 있도록, 서로 상대이동 및 상대회전 가능하게 결합되는 한 쌍의 XY 좌표형성바들; 인체의 어깨관절의 회전축 중심(Center of Glenohumeral joint;CGH)이 Z축 상에서 변화되는 것에 대응되도록, 상기 XY 좌표형성바들 중 어느 하나에 승강 가능하게 설치되는 Z축 좌표형성바; 상기 Z축 좌표형성바에 회전가능하게 결합되고 상완(上腕)의 움직임을 가이드하는 상완 가이드바; 상기 상완 가이드바의 회전 FORCE 및 TORQUE 를 검출하기 위한 센서; 및 상기 센서로부터 송출되는 신호에 기초하여 상기 XY 좌표형성바들 및 Z축 좌표형성바를 회전시키기 위한 복수의 모터;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘{Robot shoulder mechanism for stroke patients rehabilitation}

본 발명은 뇌졸중 환자 재활을 위한 로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재활 환자의 편리성을 높일 수 있고 상지 재활 범위를 크게 할 수 있도록 구조가 개선된 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘에 관한 것이다.

뇌졸중은 국내의 사망원인 중 상위 2 위를 차지하고 있으며, 환자에게 정신적, 신체적 장애를 남기며, 사회적으로 많은 경제적 부담을 주는 질환이다.

국내의 뇌졸중 환자수는 2005년 총 442,699명에서 2008년 521,359명으로 17.8%가 증가했으며, 이와 함께 국내 뇌졸중 진료비 역시 2005년 총5,625억원 에서 2008년 8,386억원 으로 49.1%가 증가 했다. 그러나, 2008년 국내의 뇌졸중 전문의 수는 1,566명으로, 뇌졸중 전문의 한 명당 332명의 환자를 담당하고 있어, 뇌졸중 환자의 수에 비해서 이를 치료하는 전문의의 수는 부족한 상황이다.

뇌졸중 환자의 재활을 위해서는 집중적, 지속적, 반복적, 목표지향적 훈련이 필요하다. 현재 전통적인 운동 치료는 치료사가 환자의 신체를 직접 움직여 주는 방법으로 진행 되어왔다. 하지만 이는 매우 힘들고 지루한 작업이며 환자 입장에서도 비용적으로 부담스러운 일이다. 현 상황에서 재활로봇은 좋은 대안이 될 수 있다. 로봇은 지치지 않고 환자의 운동치료를 지속적으로 수행할 수 있으며 치료사의 눈이나 감각에 의해 측정되어 왔던 환자의 상태를 정량적으로 진단할 수 있게 해준다. 따라서 현재까지 많은 재활로봇이 연구되어 왔다.

재활 로봇은 크게 End Effector type 과 Exoskeleton type 으로 나눌 수 있다. End Effector type 은 환자의 손/아래 팔과 로봇이 한 점에서 접촉하는 형태의 로봇이다.

Exoskeleton type 로봇은 사람 팔의 해부학적 구조를 닮은 모양을 하고 있으며, 제품명 CADEN7, RUPERT, T-Wrex, MGA Exoskeleton, ARMin, MEDARM 등이 있다. Exoskeleton type 의 로봇은 End Effector type 에 비해 구조가 복잡하지만 사람 팔의 각 joint 에 대하여 독립적으로 진단 및 치료할 수 있는 장점이 있다. Exoskeleton type 로봇은 사람의 해부학적 joint 축과 완전히 일치하여야 한다. 로봇과 사람의 joint축 불일치는 로봇을 착용한 환자에게 제한된 훈련 가동범위, 불편함, 통증을 유발 할 수 있다.

초기에 Exoskeleton type 의 로봇에서 어깨관절은 Glenohumeral joint를 의미하여 Ball and Socket joint 로 묘사되어 3 자유도를 가지는 것으로 구현되었다. 하지만 어깨관절은 Humerus(상완골)의 위치에 따라서 joint 의 중심이 이동하게 된다.(도 1 및 도 2 참고)

이 움직임은 Shoulder Girdle(견갑대)에 의해서 나타나는 것이며 로봇과 환자 joint 축을 일치시키기 위해서는 Shoulder Girdle 의 구현이 반드시 필요하다. Shoulder Girdle 없이 Ball and Socket joint 로 Shoulder 를 구현한 로봇들은 제한된workspace 를 가지며 착용시 환자에게 회전축의 불일치로 인한 불편함을 줄 수 있다. 따라서 최근의 연구 동향은 Shoulder Girdle 을 고려하여 Exoskeleton type 로봇을 만드는 데에 있다.

이하, Shoulder Girdle(이하 '견갑대'라 함)의 구조 및 동작특성에 대해 설명하기로 한다.

도 2는 인체의 구조를 보인 도면이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 견갑대는 Shoulder Girdle 은 3 가지 joint SC(sternoclavicular), AC(acromioclavicular), ST(scapulothoracic) 로 구성되어 있다. SC joint 와 AC joint 는 각 3 자유도를 가지고 ST joint 는 5 자유도를 가진다. SC joint 와 AC joint, ST joint 의 움직임으로 어깨관절(GH joint)의 중심이 움직이게 된다. 이때 총 3(SC)+3(AC)+5(ST) = 11 자유도가 되지만 이들 joint 사이에는 closed kinematic chain 이 존재하므로 4 자유도로 표현이 가능하다.

견갑대의 움직임은, Elevation(Depression), Protraction(Retraction), Internal(External) Rotation, Longitudinal Translation 로 4 종류가 있다. 이 중 앞의 두 가지 움직임이 지배적이므로, 도 3에 잘 도시된 바와 같이, Elevation(Depression), Protraction(Retraction)만으로도 Shoulder Girdle 의 움직임을 잘 묘사 할 수 있다. Shoulder Girdle 의 ROM(Range of motion)은 Humerus 의 위치에 따른 nonlinear function 이고 사람마다 차이가 있기 때문에 결정하기가 어렵다. Humerus(상완골)가 상승하게 되면 Scapular(견갑골) 가 함께 움직이게 되는데 이를 Scapulohumeral rhythm 이라 한다.

이제, 이러한 Shoulder Girdle Mechanism을 구현한 종래의 로봇에 대해 설명하기로 한다.

Shoulder Girdle 은 ADL(activities of daily living)에 있어서 중요한 역할을 한다. Shoulder Girdle 이 없는 Shoulder 의 움직임은 workspace 의 제약을 발생시킨다. 뇌졸중 환자는 Shoulder Girdle 의 움직임이 잘 안되므로 Shoulder Girdle 을 포함한 동작을 수행할 때 몸을 이용한 compensatory movement 를 하게 되어 있다. 뇌졸중 환자는 동작 수행 시 Synergy 발생으로 인해 Individual joint control 이 안되므로 이를 계속 반복적으로 수행해야 한다.

Exoskeleton type 로봇을 이용한 재활 훈련 시 로봇 joint 의 축과 사람 joint 의 축을 일치 시켜줘야 한다. Shoulder 의 Glenohumeral joint 는 3 자유도를 가지는 Ball and Socket 으로 모델링 할 수 있는데 이 회전 축의 중심을 CGH(Center of Glenohumeral joint) 라고 한다. CGH 를 로봇 회전축의 중심과 일치시키는 것은 Shoulder Girdle 의 움직임을 구현하는 것과 동일한 의미를 갖는다.

도 4는 종래기술에 의한 견갑대를 고려한 어깨 메카니즘 구현을 위한 재활 로봇의 일례를 보인 도면 대용 사진이다.

이 도면에 도시된 종래기술은, 제품명 ARMin Ⅱ 라는 재활 로봇으로서 Humerus 의 상승 시 Shoulder Girdle Elevation 이 일어나며 CGH 가 움직이게 되는데, 이러한 CGH의 변화를 구현할 수 없어 환자의 재활 범위를 좁히는 등 불편함을 초래하는 단점을 가진다.

이러한 단점을 보완하기 위하여, 도 5에 잘 도시된 바와 같이, CGH의 변화에 대응하는 제품명 ARMin Ⅲ 라는 재활 로봇이 개발되었다.

위 ARMin Ⅲ 재활 로봇은, Humerus 상승(하강) 시에 도 6의 A 궤적으로 도시된 바와 같이, CGH의 변화가 원호를 그리며 이루어지도록 설계되었다. 그러나, Humerus 상승(하강) 시에 인체의 CGH의 변화는 도 6의 B 궤적과 같이 이루어지는 것과는 오차를 발생시킴에 따라 Shoulder Girdle(견갑대)의 움직임을 실제와 같이 구현시키지 못하는 단점을 가진다.

한편, 도 7에는 Shoulder Girdle 의 Elevation(or Depression)시에 CGH의 움직임을 실제와 같이 그대로 따라 갈 수 있는 제품명 IntelliArm이라는 재활 로봇의 도면 대용 사진이다. 그러나, 위 IntelliArm 재활 로봇은, Shoulder Girdle 의 Protraction(Retraction)을 구현할 수 없는 단점이 있다.

마지막으로, 도 8에는 Shoulder Girdle 의 움직임 중 Elevation(Depression), Protraction(Retraction) 두 가지 주요 움직임을 구현할 수 있는 제품명 MEDARM 이라는 재활 로봇의 도면 대용 사진이다.

위 MEDARM 재활 로봇은, Elevation 같은 경우는 SC(sternoclavicular) joint 에 축을 두고 회전하는 것으로 구현하고, Protraction(Retraction)은 curved track 을 두어서 SC joint 를 중심으로 회전 하는 것으로 구현 하였다.

위 MEDARM 의 경우 Shoulder Girdle Elevation(Depression)과 Protraction(Retraction)을 로봇이 모두 도와줄 수 있다는데 강점이 있기는 하나, 두 운동을 SC joint 축에 대한 원호 운동으로 단순화 하였기 때문에 사람의 CGH 와로봇 축의 불일치가 발생하는 단점을 가진다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 인체의 Shoulder Girdle(견갑대)의 동작시에 그 어깨관절의 회전축 중심(Center of Glenohumeral joint;CGH)의 변화를 실제와 같이 그대로 구현할 수 있는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 인체의 서로 다른 견갑골의 규격에 맞게 능동적으로 조절이 가능한 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 인체의 견갑대의 주요 동작인 Elevation(Depression), Protraction(or Retraction) 두 가지 동작을 가능하게 하는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 견갑대의 상승 동작 범위를 크게 할 수 있는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, XY 평면상에서 좌표를 형성할 수 있도록, 서로 상대이동 및 상대회전 가능하게 결합되는 한 쌍의 XY 좌표형성바들; 인체의 어깨관절의 회전축 중심(Center of Glenohumeral joint;CGH)이 Z축 상에서 변화되는 것에 대응되도록, 상기 XY 좌표형성바들 중 어느 하나에 승강 가능하게 설치되는 Z축 좌표형성바; 상기 Z축 좌표형성바에 회전가능하게 결합되고 상완(上腕)의 움직임을 가이드하는 상완 가이드바; 상기 상완 가이드바의 회전 FORCE 및 TORQUE 를 검출하기 위한 센서; 및 상기 센서로부터 송출되는 신호에 기초하여 상기 XY 좌표형성바들 및 Z축 좌표형성바를 회전시키기 위한 복수의 모터;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘은, 한 쌍의 XY 좌표형성바들과 Z축 좌표형성바가 인체의 어깨관절의 회전축 중심이 XY평면 뿐만 아니라 Z축을 이동되는 동작특성을 구현시킬 수 있도록 구성됨으로써, 재활 환자의 편리성 및 안정성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 재활 치료 가능범위를 더욱 크게 할 수 있는 장점을 가진다.

그리고, 본 발명은 인체의 어깨관절의 회전축 중심(Center of Glenohumeral joint;CGH)이 XY 평면상에서 변화되는 것에 대응되도록 로봇의 견갑대 메카니즘을 구현시킬 수 있는 장점과 인체의 서로 다른 견갑골의 규격에 맞게 능동적인 조절이 가능하여 재활 환자의 편리성을 더욱 높일 수 있는 장점을 가진다.

그리고, 본 발명은 인체의 견갑대의 Protraction(or Retraction)동작, 즉 어깨관절의 회전축 중심을 XY평면상에서 몸통 안쪽 또는 바깥쪽으로 이동시키는 동작 구현이 가능하게 됨에 따라 하나의 제품으로 재활 환자의 재활 범위의 폭을 더욱 높일 수 있는 장점을 가진다.

또한, 본 발명은 Z축 좌표형성바가 제1좌표형성바로부터 하측으로 이격된 상태에서 제1좌표형성바의 가이드리브를 따라 승강되도록 구성됨으로써, 상완 및 견갑대의 상승동작의 폭을 크게 하여 재활 치료 가능범위를 확대시킬 수 있는 장점을 가진다.

도 1은 인체의 상완골 움직임에 따른 CGH 위치 변화의 특성을 보인 그림(Scapulohumeral rhythm).
도 2는 인체의 견갑대 구조를 보인 도면.
도 3은 인체의 견갑대의 동작들 중 주요 동작을 개략적으로 도시된 도면.
도 4는 종래기술에 의한 견갑대를 고려한 어깨 메카니즘 구현을 위한 재활 로봇의 일례를 보인 도면 대용 사진.
도 5는 종래기술에 의한 견갑대를 고려한 어깨 메카니즘 구현을 위한 재활 로봇의 다른 례를 보인 도면 대용 사진.
도 6은 도 5에 도시된 종래기술의 문제점을 설명하기 위한 도면.
도 7은 종래기술에 의한 견갑대를 고려한 메카니즘 구현을 위한 재활 로봇의 또 다른 례를 보인 도면 대용 사진.
도 8은 종래기술에 의한 견갑대를 고려한 메카니즘 구현을 위한 재활 로봇의 또 다른 례를 보인 도면 대용 사진.
도 9는 본 발명 일실시예에 따른 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘의 사시도.
도 10은 본 발명 일실시예에 따른 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘의 정면도.
도 11은 본 발명 일실시예에 따른 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘의 평면도.
도 12는 본 발명 일실시예에 따른 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘의 측면도.
도 13 내지 도 15는 본 발명 일실시예에 따른 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘의 동작과정도.
도 16은 본 발명 일실시예에 따른 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘의 다른 동작과정을 보인 동작과정도.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 9는 본 발명 일실시예에 따른 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘의 사시도이고, 도 10은 본 발명 일실시예에 따른 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘의 정면도이며, 도 11은 본 발명 일실시예에 따른 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘의 평면도이며, 도 12는 본 발명 일실시예에 따른 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘의 측면도이며, 도 13 내지 도 15는 본 발명 일실시예에 따른 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘의 동작과정도이며, 도 16은 본 발명 일실시예에 따른 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘의 다른 동작과정을 보인 동작과정도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘은, 한 쌍의 XY 좌표형성바(11)(12)들과 Z축 좌표형성바(13)와 상완 가이드바(14)와 센서(16)와 복수의 모터(17a)(17b)(17c)(17d)(17e)들을 포함하여 이루어진다. 여기서, 로봇의 어깨 메카니즘은 견갑대의 동작특성을 포함한 로봇의 재활 메카니즘을 의미한다.

상기 한 쌍의 XY 좌표형성바(11)(12)들은, XY 평면상에서 2차원 좌표를 형성할 수 있도록, 서로 상대이동 및 상대회전 가능하게 결합된다. 이하, 설명의 편의를 위해 상기 한 쌍의 XY좌표형성바들 중 어느 하나를 제1좌표형성바(11)라 하고, 다른 하나를 제2좌표형성바(12)라 한다.

이러한 XY 표형성바(11)(12)들은 직선-회전 자유도로서 2자유도를 가짐으로써, 종래기술이 직선 자유도인 1자유도를 가지는 것에 비해 어깨의 움직임을 보다 정밀하게 구현시킬 수 있는 기능을 발휘한다.

한편, 본 실시예에서는 후술하는 바와 같이, 상기 XY 좌표형성바(11)(12)들 중 제2좌표형성바(12)가 메인 플랫폼(20)에 회전가능하게 설치됨으로써, 상기 XY 좌표형성바(11)(12)들은 회전-직선-회전 자유로인 3자유도를 가짐으로써, 종래기술인 단순히 직선 또는 회전 자유도인 1자유도를 가지는 것에 비해 어깨의 움직임을 더욱 정밀하게 구현시킬 수 있게 되어 환자의 상지 재활의 효율을 높일 수 있는 기능을 발휘할 수 있는 것이다.

본 실시예에서, 상기 한 쌍의 XY 좌표형성바(11)(12)들의 상대이동을 가능하게 하는 수단으로는 가이드 플레이트(18)와 가이드레일(12a)이 채용되었다.

상기 가이드 플레이트(18)는 제1좌표형성바(11)에 마련되는 부분으로, 모터지지부(18a)와 이동안내부(18b)를 구비한다. 상기 모터지지부(18a)는, 제1좌표형성바(11)에 회전동력을 인가하기 위한 모터(17a)를 지지시키고, 상기 이동안내부(18b)는 상기 가이드레일(12a)을 따라 이동됨으로써 한 쌍의 XY 좌표형성바(11)(12)들의 상대이동을 가능하게 한다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 상기 제1좌표형성바(11)가 이동안내부(18b)를 통해 제2좌표형성바(12)를 따라 이동됨으로써 한 쌍의 XY 좌표형성바(11)(12)들의 상대이동이 이루어지고, 제1좌표형성바(11)의 모터지지부(18a)에 지지되는 모터(17a)가 그 제1좌표형성바(11)를 제2좌표형성바(12)에 대해 회전시킴으로써 한 쌍의 XY 좌표형성바(11)(12)들의 상대회전이 이루어진다.

따라서, 본 실시예는 인체의 어깨관절의 회전축 중심(Center of Glenohumeral joint;CGH)이 XY 평면상에서 변화되는 것에 대응되도록 로봇의 견갑대 메카니즘을 구현시킬 수 있는 장점과 인체의 서로 다른 견갑골의 규격에 맞게 능동적인 조절이 가능하여 재활 환자의 편리성을 더욱 높일 수 있는 장점을 가진다.

한편, 인체의 어깨관절의 회전축 중심(이하 'CGH'라 함)은, XY 평면에서 뿐만 아니라 Z축 상에서도 변화된다. 이러한 견갑대의 동작 특성을 구현시킬 수 있도록 본 발명에는 Z축 좌표형성바(13)가 구비되어 있다.

상기 Z축 좌표형성바(13)는, 상기 CGH가 Z축 상에서 변화되는 것에 대응되도록, 상기 제1좌표형성바(11)에 승강 가능하게 설치된다. 본 실시예에서, 상기 Z축 좌표형성바(13)의 이동을 가이드하기 위한 수단으로는 가이드리브(19)가 채용되었고, Z축 좌표형성바(13)를 승강시키기 위한 승강동력을 인가하는 모터로는 모터(17b)가 채용되었다.

상기 모터(17b)는 제1좌표형성바(11)에 지지되고, 상기 가이드리브(19)는 상기 제1좌표형성바(11)에 Z축 방향을 따라 길게 마련되어 있다. 상기 Z축 좌표형성바(13)는 상기 가이드리브(19)에 승강가능하게 설치됨으로써, 상기 CGH가 Z축 상에서 동작되는 것과 마찬가지로 Z축을 따라 승강된다.

상기 가이드리브(19)에는 상기 모터(17b)에 의해 회전되는 이송스크류(미도시)가 회전가능하게 설치되고, 상기 Z축 좌표형성바(13)는 상기 이송스크류에 나사결합되는 너트부재(미도시)를 구비함으로써, 상기 이송스크류의 회전운동이 상기 Z축 좌표형성바(13)의 상하방향으로의 직선운동으로 변환된다.

상술한 바와 같이, 본 실시예는 한 쌍의 XY 좌표형성바(11)(12)들과 Z축 좌표형성바(13)를 구비함으로써, 인체의 어깨관절의 회전축 중심이 XY평면 뿐만 아니라 Z축을 이동되는 동작특성을 구현시킬 수 있게 된다. 결국, 종래기술로 제시된 기술들이 인체의 어깨관절의 회전축 중심이 XYZ축 상에서 3차원적으로 변화되는 동작을 구현할 수 없는 달리, 본 실시예는 인체의 어깨관절의 회전축 중심이 3차원 상에서 변화되는 동작특성을 구현시킬 수 있게 됨으로써 재활 환자에게 불편함을 초래하였던 종래기술의 문제점을 극복하는 장점을 도출할 수 있는 것이다.

그리고, 본 실시예는 Z축 좌표형성바(13)가 제1좌표형성바(11)로부터 하측으로 이격된 상태에서 제1좌표형성바(11)의 가이드리브(19)를 따라 승강되도록 구성됨으로써, 상완 및 견갑대의 상승동작의 폭을 종래기술에 비해 더욱 크게 할 수 있는 장점을 가진다.

한편, 상기 XY 좌표형성바(11)(12)들과 Z축 좌표형성바(13)들은 인체의 견갑대의 움직임에 영향을 받도록 설계되기 때문에, 단순한 3차원 움직임을 수행하는 기계장치와 차별화된다.

즉, 상기 XY 좌표형성바(11)(12)들과 Z축 좌표형성바(13)는, 각각 본 발명에 채용되는 센서(16)(도 10에 잘 도시됨)로부터 송출되는 신호에 기초하여 동작된다. 상기 센서(16)는, 인체의 견갑대가 상완(上腕)의 움직임에 영향받는 것에 착안하여, 그 상완의 움직임을 가이드하는 상완 가이드바(14)의 회전 FORCE 및 TORQUE 를 검출한다.

상기 상완 가이드바(14)는 인체의 상완과 함께 동작될 수 있도록 그 상완을 견고히 지지시키는 역할을 하는 것으로, 연결 브라켓(15)을 회전시키는 모터(17d)에 의해 그 연결 브라켓(15)과 함께 도 12에 잘 도시된 바와 같이 상하방향으로 회전된다. 그리고, 상기 상완 가이드바(14)는 모터(17e)에 의해 상기 연결 브라켓(15)에 대해 상대회전됨으로써 좌우방향으로의 회전(내측 회전 및 외측 회전)이 가능하게 된다.

이러한 상완 가이드바(14)의 3축 FORCE와 3축 TORQUE를 상기 센서(16)가 검출하고, 그 센서(16)에 의해 검출된 신호에 기초하여 상기 복수의 모터(17a)(17b)(17c)(17d)(17e)들이 구동됨으로써 어깨가 구동된다. 이때, 견갑대의 움직임에 의한 CGH의 위치 변화는 XY 좌표형성바(11)(12)와 Z축 좌표형성바(13)가 상기 각 모터(17b)(17c)의 동력에 의해 3차원 상에서 이루어질 수 있는 것이다. 본 실시예에서, 상기 상완 가이드바(14)는 연결 브라켓(15)을 통해 상기 Z축 좌표형성바(13)에 회전가능하게 설치되어 있다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예의 동작과정에 대해 설명하면 다음과 같다.

예컨대, 본 실시예에 채용된 상완 가이드바(14)가 도 12와 같이 상승되는 동작을 하게 되면, 그 상완 가이드바(14)의 FORCE와 TORQUE를 센서(16)가 검출하고, 검출된 신호에 기초하여 Z축 좌표형성바(13)가 상승되고, XY 좌표형성바(11)(12)가 도 13 내지 도 15에 순차적으로 도시된 바와 같이, XY 평면상에서 좌표를 형성하며 동작된다.

결국, 본 실시예는 인체의 상완이 상승하는 과정에서 어깨관절의 회전축 중심이 XY평면 뿐만 아니라 Z축 상에서도 변화되는 것에 대응되는 동작 구현이 가능하게 됨에 따라, 로봇이 오히려 재활 환자의 어깨에 힘을 가하는 등의 불편함을 해소할 수 있는 장점을 가진다.

한편, 본 실시예는, 제2좌표형성바(12)가 상기 메인 플랫폼(20)에 회전가능하게 설치되고, 그 제2좌표형성바(12)에 회전동력을 인가하기 위한 모터(17c)를 구비한다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 인체의 견갑대의 Protraction(or Retraction)동작, 즉 어깨관절의 회전축 중심을 XY평면상에서 몸통 안쪽 또는 바깥쪽으로 이동시키는 동작 구현이 가능하게 됨에 따라 하나의 제품으로 재활 환자의 재활 범위의 폭을 더욱 높일 수 있는 장점을 가진다.

그리고, 본 실시예는 도 16에 잘 도시된 바와 같이, 상기 제2좌표형성바(12)가 제1좌표형성바(11)와 함께 모터(17c)에 의해 회전됨으로써, 하나의 제품으로 좌완 또는 우완의 재활 치료를 선택적으로 가능하게 하는 장점을 가진다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명은 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며 본 발명이 속하는 기술분야에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있음은 자명하다.

11,12:XY 좌표형성바12a:가이드레일
13:Z축 좌표형성바14:상완 가이드바
15:연결 브라켓16:센서
17a,17b,17c,17d,17e:모터18:가이드 플레이트
18a:모터지지부18b:이동안내부
19:가이드리브20:메인 플랫폼

Claims

XY 평면상에서 좌표를 형성할 수 있도록, 서로 상대이동 및 상대회전 가능하게 결합되는 한 쌍의 XY 좌표형성바들;
인체의 어깨관절의 회전축 중심(Center of Glenohumeral joint;CGH)이 Z축 상에서 변화되는 것에 대응되도록, 상기 XY 좌표형성바들 중 어느 하나에 승강 가능하게 설치되는 Z축 좌표형성바;
상기 Z축 좌표형성바에 회전가능하게 결합되고 상완(上腕)의 움직임을 가이드하는 상완 가이드바;
상기 상완 가이드바의 회전 FORCE 및 TORQUE 를 검출하기 위한 센서; 및
상기 센서로부터 송출되는 신호에 기초하여 상기 XY 좌표형성바들 및 Z축 좌표형성바를 회전시키기 위한 복수의 모터;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘.
제1항에 있어서,
상기 한 쌍의 XY 좌표형성바들의 상대이동을 가능하게 하기 위한 것으로,
상기 XY 좌표형성바들 중 어느 하나에 마련되는 가이드 플레이트; 및
상기 가이드 플레이트의 이동을 안내하기 위하여 다른 하나의 XY 좌표형성바에 마련되는 가이드레일;을 구비하는 것을 특징으로 하는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘.
제2항에 있어서,
상기 복수의 모터들 중 어느 하나는, 상기 한 쌍의 XY 좌표형성바들의 상대회전을 위하여 어느 하나의 XY 좌표형성바에 회전동력을 인가하도록 구성된 것을 특징으로 하는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘.
제3항에 있어서,
상기 가이드 플레이트는, 상기 어느 하나의 모터가 지지되는 모터지지부와, 상기 모터지지부와 함께 상기 가이드레일을 따라 상대이동되는 이동안내부를 구비하는 것을 특징으로 하는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘.
제1항에 있어서,
상기 복수의 모터들 중 어느 하나는, 상기 Z축 좌표형성바를 승강시키기 위한 승강동력을 인가하는 회전모터인 것을 특징으로 하는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘.
제1항에 있어서,
상기 Z축 좌표형성바의 이동을 가이드하기 위한 것으로, 상기 한 쌍의 XY 좌표형성바들 중 어느 하나에 Z축 방향으로 길게 마련되어 있고, 상기 Z축 좌표형성바가 승강가능하게 설치되는 가이드리브;를 구비하는 것을 특징으로 하는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘.
제1항에 있어서,
상기 Z축 좌표형성바는 상기 복수의 모터들 중 어느 하나에 동력적으로 연결되고, 상기 상완 가이드바가 회전가능하게 설치되도록 구성된 것을 특징으로 하는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘.
제1항에 있어서,
상기 한 쌍의 XY 좌표형성바들 중 어느 하나는, 상기 Z축 좌표형성바에 연결되고, 다른 하나는 메인 플랫폼에 Z축을 중심으로 하여 회전가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘.
인체의 어깨관절의 회전축 중심(Center of Glenohumeral joint;CGH)이 XY 평면상에서 변화되는 것에 대응되도록, 상기 XY 평면상에서 서로 상대이동 및 상대회전 가능하게 결합되는 한 쌍의 XY 좌표형성바들;
상기 한 쌍의 XY 좌표형성바들 중 어느 하나에 상대회전 가능하게 연결되고, 상완(上腕)의 움직임을 가이드하는 상완 가이드바;
상기 상완 가이드바의 회전 FORCE 및 TORQUE 를 센싱하기 위한 센서; 및
상기 센서로부터 송출되는 신호에 기초하여 상기 XY 좌표형성바들을 회전시키기 위한 모터;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘.
제9항에 있어서,
상기 한 쌍의 XY 좌표형성바들과 상완 가이드바의 동력적인 연결은, Z축 좌표형성바를 통해 이루어지고,
상기 Z축 좌표형성바는, 인체의 어깨관절의 회전축 중심(Center of Glenohumeral joint;CGH)이 Z축 상에서 변화되는 것에 대응되도록, 상기 XY 좌표형성바들 중 어느 하나에 승강 가능하게 설치되며,
상기 상완 가이드바는, 상기 Z축 좌표형성바에 회전가능하게 결합됨으로써 상기 어느 하나의 XY 좌표형성바에 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘.
인체의 어깨관절의 회전축 중심(Center of Glenohumeral joint;CGH)이 XY 평면상에서 변화되는 것에 대응되도록, 상기 XY 평면상에서 서로 상대이동 가능하게 결합되고, 어느 하나가 다른 하나에 대해 Z축을 기준으로 회전되며 다른 하나는 어느 하나의 회전중심축선과 다른 축선상에 위치한 Z축을 기준으로 회전될 수 있도록 메인 플랫폼에 회전가능하게 설치되는 한 쌍의 XY 좌표형성바들;
상기 한 쌍의 XY 좌표형성바들 중 어느 하나에 상대회전 가능하게 연결되고, 상완(上腕)의 움직임을 가이드하는 상완 가이드바;
상기 상완 가이드바의 회전 FORCE 및 TORQUE 를 센싱하기 위한 센서; 및
상기 센서로부터 송출되는 신호에 기초하여 상기 XY 좌표형성바들을 회전시키기 위한 복수의 모터;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘.
제11항에 있어서,
상기 한 쌍의 XY 좌표형성바들과 상완 가이드바의 동력적인 연결은, Z축 좌표형성바를 통해 이루어지고,
상기 Z축 좌표형성바는, 인체의 어깨관절의 회전축 중심(Center of Glenohumeral joint;CGH)이 Z축 상에서 변화되는 것에 대응되도록, 상기 XY 좌표형성바들 중 어느 하나에 승강 가능하게 설치되며,
상기 상완 가이드바는, 상기 Z축 좌표형성바에 회전가능하게 결합됨으로써 상기 어느 하나의 XY 좌표형성바에 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘.
인체의 어깨관절의 회전축 중심(Center of Glenohumeral joint;CGH)이 XY 평면상에서 변화되는 것에 대응되도록, 상기 XY 평면상에서 서로 상대이동 및 상대회전 가능하게 결합되는 한 쌍의 XY 좌표형성바들;
상기 인체의 어깨관절의 회전축 중심이 Z축 상에서 변화되는 것에 대응되도록 Z축선 상에서 승강가능하게 설치되고, 상기 한 쌍의 XY 좌표형성바들의 회전축 중심에 상응하는 Z축 좌표보다 하측에 위치한 Z축 좌표를 가지는 Z축 좌표형성바;
상기 Z축 좌표형성바에 회전가능하게 결합되고 상완(上腕)의 움직임을 가이드하는 상완 가이드바;
상기 상완 가이드바의 회전 FORCE 및 TORQUE 를 센싱하기 위한 센서; 및
상기 센서로부터 송출되는 신호에 기초하여 상기 XY 좌표형성바들 및 Z축 좌표형성바를 회전시키기 위한 복수의 모터;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘.
제13항에 있어서,
상기 Z축 좌표형성바는 상기 한 쌍의 XY좌표형성바들 중 어느 하나에 승강가능하게 설치되도록 구성된 것을 특징으로 하는 뇌졸중 환자의 상지 재활을 위한 외골격 로봇의 어깨 메카니즘.