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KR101682948B1 - 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치 - Google Patents

상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치 Download PDF

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KR101682948B1
KR101682948B1 KR1020140035903A KR20140035903A KR101682948B1 KR 101682948 B1 KR101682948 B1 KR 101682948B1 KR 1020140035903 A KR1020140035903 A KR 1020140035903A KR 20140035903 A KR20140035903 A KR 20140035903A KR 101682948 B1 KR101682948 B1 KR 101682948B1
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Abstract

본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치는 수직하게 기립된 수직축, 수직축의 하부 말단에 형성되어, 휠체어에 장착되는 장착부, 수직축에 형성되어 중력을 보상하는 중력 보상부, 및 중력 보상부의 지지를 받아 일단이 수직축에 상하 직선운동 가능하게 결합되고, 타단에 각종 상지 재활 장치가 장착되는 재활장치 장착부를 포함하여, 뇌졸중, 척수손상, 근육병 환자를 비롯하여 어깨 근육이 약화된 환자들의 어깨 관절 아탈구(Subluxation)로 인한 통증을 줄이고 팔의 움직임을 보조하여 재활 운동의 효과를 높이고 및 일상생활의 만족도를 높이는 효과가 있다.

Description

상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치{SHOULDER JOINT TRACKING APPARATUS FOR UPPER-LIMB REHABILITATION WITH GRAVITY COMPENSATING MECHANISM}
본 발명은 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 어깨관절 추종을 할 수 없는 상지 재활 장치를 부착하여 활용할 수 있고, 상지 및 부착되는 보조장치 자체의 무게의 중력을 보상하여 어깨관절의 자연스러운 움직임을 보장하는 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치에 관한 것이다.
종래 상지 재활은 줄을 도르레에 걸어 상지 재활 장치와 팔의 각 부분의 무게를 받치는 기존의 counter-balance 방법을 통해 이루어져 왔지만, 종래의 상기 counter-balance 방식은 줄을 걸기 위해 재활 장치와 별도로 높은 틀을 필요로 하는 번거로운 문제점이 있다.
도 1에 도시된 종래 상지 재활을 위한 팔 보조 장치에 대하여 살펴보면, 종래 팔 보조 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 5개의 조인트를 포함하여 구성될 수 있는데, 상기 5개의 조인트 중 2개의 조인트는 액추에이터에 의해서 구동되고, 나머지 조인트는 사용자의 힘에 의해서 구동된다.
상술한 종래 상지 재활을 위한 팔 보조 장치는 여러 개의 센서와 액추에이터로 구성되어 구조가 복잡하고, 제작비용이 높은 문제점이 있으며, 장치의 무게나 크기도 커서 장애인을 포함한 사용자가 사용하기에 활동의 제약도 크고 설치가 번거로운 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0080656호(2011.07.13)
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 구조가 단순하고 장치의 무게가 가볍고 크기도 비교적 작은,팔 움직임에 따라 어깨관절이 움직이는 것을 추종하는 것과 동시에 팔의 무게와 팔에 부착될 수 있는 보조 장치의 중력을 보상하는 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치의 제공을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치는 수직하게 기립된 수직축, 수직축의 하부 말단에 형성되어, 휠체어에 장착되는 장착부, 수직축에 형성되어 중력을 보상하는 중력 보상부, 및 중력 보상부의 지지를 받아 일단이 수직축에 상하 직선운동 가능하게 결합되고, 타단에 각종 상지 재활 장치가 장착되는 재활장치 장착부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치의 중력 보상부는 저면에 형성된 구멍으로 수직축이 관통 결합된 하부 케이스, 수직축에 끼워져 하부 케이스에 수용되는 스프링, 하부 케이스의 내주면과 상기 스프링의 외주면 사이로 슬라이딩 방식으로 삽입결합되는 상부 케이스, 재활장치 장착부가 일정 높이 이상 상부로 이동하는 것을 제한하는 스토퍼, 및 스프링과 연결된 댐퍼(damper)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게, 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치의 재활장치 장착부는 상부의 스토퍼와 하부의 상부 케이스 사이의 수직축에 결합되어 상하 직선운동을 하고, 동시에 수직축을 회동하는 리니어 부쉬, 리이어 부쉬에서 수평방향으로 형성되어 있는 `ㄴ`자형 연결바, 원통형으로 하부가 `ㄴ`자형 연결바에 결합되어 수직축과 평형하게 수직방향으로 기립되어 형성된 회전축, 및 일단이 회전축의 상부와 연결되어, 회전축을 중심으로 `ㄴ`자형 연결바와 소정의 각도만큼 회전가능하게 형성되고, 타단에 각종 상지 재활 장치가 장착되는 `ㄱ`자형 연결바,를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치는 팔에 장착된 운동 보조 장치에 직접 중력의 반대 방향으로 힘을 가해주어 상지에 작용하는 중력을 보상할 수 있고, 팔의 움직임에 따라 중력 보상을 위해 별도의 제어를 필요로 하지 않아, 뇌졸중, 척수손상, 근육병 환자를 비롯하여 어깨 근육이 약화된 환자들의 어깨 관절 아탈구(Subluxation)로 인한 통증을 줄이고 팔의 움직임을 보조하여 재활 운동의 효과를 높이고 및 일상생활의 만족도를 높이는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치는 환자의 팔을 부착하였을 때 자동으로 중력 보상의 평형점에 도달하기 때문에 별도의 제어를 필요로 하지 않아 실제 재활 치료 현장에서 기계 및 제어 분야의 비전문가에게도 사용 및 유지가 쉬운 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치는 기존의 발명들에 비해 기구학적 구조가 간단하여, 환자의 신체가 기구의 작동부에 노출되어 다칠 위험을 현저히 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 상지 재활을 위한 팔 보조 장치의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치를 도시한 도면
도 3은 본 발명에 따른 중력 보상부의 일부 분해 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치의 재활장치 장착부를 확대 도시한 확대도, 및
도 5는 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치의 실제 사용예를 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치는 수직축(10), 장착부(20), 중력 보상부(30), 및 재활장치 장착부(40)를 포함한다.
상기 수직축(10)은 수직하게 기립된 상태로, 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치의 기본 축을 형성한다.
상기 장착부(20)는 상기 수직축(10)의 말단부위에 형성되어, 휠체어 또는 책상 등에 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치의가 장착될 수 있도록 한다.
상기 수직축(10)에 형성되는 상기 중력 보상부(30)는 도 3에 도시된 바와 같이 하부 케이스(31), 스프링(32), 상부 케이스(33), 및 스토퍼(34)를 포함한다.
참고로 도 3은 본 발명에 따른 중력 보상부의 일부 분해 사시도 이다.
상기 하부 케이스(31)는 저면에 형성된 구멍으로 상기 수직축(10)이 관통된 상태로 고정되게 결합되어 있다.
상기 스프링(32)는 상기 수직축(10)에 링처럼 끼워져 직경이 큰 상기 하부 케이스(31)에 수용되어 탄성력에 의해 상지 및 장착되는 상기 재활장치 장착부(40)의 무게를 지탱한다.
이때, 필요에 따라 상기 스프링(32)은 댐퍼(damper)와 같이 병렬로 구성되어 어깨 움직임의 오버슈트(overshoot)를 줄이거나, 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치에 부착되어 사용하는 외골격 로봇이나 말단자 부착형(end-effector based) 로봇 형태의 상지 재활 보조 장치가 발생시키는 진동을 억제할 수도 있다.
상기 상부 케이스(33)는 직경이 상기 하부 케이스(31)의 직경보다는 작지만, 상기 스프링(32)의 직경보다는 크게 설계되고, 길이가 상기 스프링(32) 보다 짧게 설계되어, 상기 스프링(32)을 수용한 상태로 상기 하부 케이스(31)에 수용된다.
즉, 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치는 상기 하부 케이스(31)와 상기 상부 케이스(33)가 슬라이딩 방식으로 구성되어, 기존 재활장치의 높낮이에 따라 상기 스프링(32)의 고정점을 쉽게 조절할 수 있고, 수직방향으로는 임의의 무게에 대한 중력을 별도의 조절없이 보상하면서도 자유로운 상하운동을 허용할 수 있다.
상기 스토퍼(34)는 상기 재활장치 장착부(40)의 일단에 형성된 리니어 부쉬(41)의 상부에 형성되어, 상기 재활장치 장착부(40)가 상부로 이동하는 것을 일정 높이에서 정지시키는 기능을 한다.
상기 리니어 부쉬(41)은 상기 수직축(10)에서 점접촉을 하기 때문에 허용 하중은 작지만 최소의 마찰 저항으로 상하 직선운동한다.
상술한 구성을 갖는 상기 중력 보상부(30)는 어깨 관절의 수직 이동범위(stroke)와 보상하고자 하는 하중에 따라 상기 스프링(32) 상수(k)가 아래의 수학식에 의해 결정된다.
Figure 112014029496380-pat00001
상기 수학식에서,
k : 총스프링 상수,
E : 중력보상허용오차(=Wmax-Wmin)
Wmax : 총 보상 하중(=상지무게+기존 재활장치 무게)
Wmin : 최저 보상 하중
s : 어깨관절의 수직이동 범위
상기 중력보상허용오차(E)는 어깨관절의 수직 이동범위 내에서 보상력의 최대값과 최소값의 허용되는 차이값이다. 상기 스프링(32)을 이용한 중력보상장치의 특성상 모든 운동범위에서 일정한 힘을 보상하는 것은 불가능하지만, 허용오차를 스프링상수를 조절함으로써 재활 대상 증상의 중증도와 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치가 설치되는 환경을 고려하여 정할 수 있다.
상기 재활장치 장착부(40)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기에서 잠깐 언급한 바와 같이, 리니어 부쉬(41), `ㄴ`자형 연결바(42), 회전축(43), 및 `ㄱ`자형 연결바(44)를 포함한다.
참고로, 도 4는 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치의 재활장치 장착부를 확대 도시한 확대도이다.
상기 리니어 부쉬(41)는 상부의 상기 스토퍼(34)와 하부의 상기 상부 케이스(33) 사이의 상기 수직축(10)에 결합되어 어깨관절의 수직이동에 따른 상하 직선운동을 하고, 동시에 상기 어깨관절이 평면상에서 자유롭게 움직일 수 있도록 상기 수직축(10)을 회전한다.
상기 `ㄴ`자형 연결바(42)는 상기 리니어 부쉬(41)에서 수평방향으로 형성되어 있으며, 상기 회전축(43)은 원통형으로, 하부가 상기 `ㄴ`자형 연결바(42)에 결합되어 상기 수직축(10)과 평행하게 기립되어 형성된다.
상기 `ㄱ`자형 연결바(44)는 일단이 상기 수직축(10)과 평행하게 기립되어 형성된 회전축(43)의 상부와 연결되어, 상기 회전축(43)을 중심으로 상기 `ㄴ`자형 연결바(42)와 소정의 각도만큼 회전가능하게 형성된다.
한편, 상기 `ㄱ`자형 연결바(44)의 타단에 상지 재활을 위한 각종 상지 재활장치가 장착된다.
본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치는 상술한 상기 재활장치 장착부(40)의 `ㄱ`자형 연결바(44)에 상지 재활을 위한 상지 재활장치를 장착하고, 하중을 가하면 하중의 크기에 따라 상기 스프링(32)이 압축되는 평형점이 자동으로 결정되어 별도의 조절을 필요로 하지 않는다.
도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치는 상술한 상기 재활장치 장착부(40)의 `ㄱ`자형 연결바(44)에 상지 재활을 위한 상지 재활장치를 장착시, 두 개의 회전축 즉, 상기 리니어 부쉬(41)와 상기 회전축(43)을 포함함으로 인해, 수평 평면에서 어깨관절의 자유로운 평행이동을 허용할 수 있도록하여 사용자의 움직임을 추종한다.
참고로, 도 5는 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치의 실제 사용예를 도시한 도면이다.
또한, 본 발명에 따른 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치는 상부의 상기 스토퍼(34)와 하부의 상기 상부 케이스(33) 사이의 상기 수직축(10)에 결합된 상기 리니어 부쉬(41)에 의해 어깨관절의 수직이동에 따른 상하 직선운동을 가능하게 한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실 시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 수직축
20 : 장착부
30 : 중력 보상부
31 : 하부 케이스
32 : 스프링
33 : 상부 케이스
34 : 스토퍼
40 : 재활장치 장착부
41 : 리니어 부쉬
42 : `ㄴ`자형 연결바
43 : 회전축
44 : `ㄱ`자형 연결바

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 수직하게 기립된 수직축(10);
    상기 수직축(10)의 하부 말단에 형성되어, 휠체어에 장착되는 장착부(20);
    상기 수직축(10)에 형성되어 중력을 보상하는 중력 보상부(30) 및
    상기 중력 보상부(30)의 지지를 받아 일단이 상기 수직축(10)에 상하 직선운동 가능하게 결합되고, 타단에 각종 상지 재활 장치가 장착되는 재활장치 장착부(40);를 포함하되,
    상기 중력 보상부(30)는
    저면에 형성된 구멍으로 상기 수직축(10)이 관통 결합된 하부 케이스(31);
    상기 수직축(10)에 끼워져 상기 하부 케이스(31)에 수용되며, 추가, 인출 또는 교체되어 상수의 조절이 가능한 스프링(32);
    상기 하부 케이스(31)의 내주면과 상기 스프링(32)의 외주면 사이로 슬라이딩 방식으로 삽입결합되는 상부 케이스(33); 및
    상기 재활장치 장착부(40)가 일정 높이 이상 상부로 이동하는 것을 제한하는 스토퍼(34);를 포함하며,
    상기 재활장치 장착부(40)는
    상부의 상기 스토퍼(34)와 하부의 상기 상부 케이스(33) 사이의 상기 수직축(10)에 결합되어 어깨관절의 수직이동에 따라 상하 직선운동을 하고, 동시에 상기 어깨관절이 평면상에서 자유롭게 움직일 수 있도록 상기 수직축(10)을 소정 각도만큼 회동하는 리니어 부쉬(41);
    상기 리니어 부쉬(41)에서 수평방향으로 형성되어 있는 `ㄴ`자형 연결바(42);
    원통형으로 하부가 상기 `ㄴ`자형 연결바(42)에 결합되어 상기 수직축(10)과 평형하게 수직방향으로 기립되어 형성된 회전축(43); 및
    일단이 상기 회전축(43)의 상부와 연결되어, 상기 회전축(43)을 중심으로 상기 `ㄴ`자형 연결바(42)와 소정의 각도만큼 회전가능하게 형성되고, 타단에 상기 각종 상지 재활 장치가 장착되는 `ㄱ`자형 연결바(44);를 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 스프링(32)과 연결된 댐퍼(damper);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치.
  4. 삭제
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 스프링(32) 상수는
    Figure 112014029496380-pat00002
    로 계산되되, 상기 수학식에서, k는 총스프링 상수, E는 중력보상허용오차(=Wmax-Wmin), Wmax는 총 보상 하중(=상지무게+기존 재활장치 무게), Wmin는 최저 보상 하중, s는 어깨관절의 수직이동 범위, 인 것을 특징으로 하는 상지 재활을 위한 중력이 보상되는 어깨관절 추종 장치.


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