WO2021071278A1

WO2021071278A1 - 상지 근력 강화 재활 로봇

Info

Publication number: WO2021071278A1
Application number: PCT/KR2020/013728
Authority: WO
Inventors: 김광기; 이정수; 조성민; 김태현; 이진영; 윤기철; 이금주
Original assignee: 가천대학교 산학협력단; 대한민국(국립재활원장)
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2020-10-08
Publication date: 2021-04-15
Also published as: KR102220000B1

Abstract

본 발명은 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇에 관한 것으로, 연장 및 압축 가능한 암모듈; 상기 암모듈이 암모듈 중심축링크를 통해 장착되고 수직 연장하여 지지대 역할을 수행하는 본체; 및 일측이 제1 보조링크를 통해 상기 암모듈에 연결되고 타측이 제2 보조링크를 통해 상기 본체에 연결되며 연장 및 압축 가능한 암모듈 지지부를 포함할 수 있다.

Description

상지 근력 강화 재활 로봇

본 발명은 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 척수손상 환자를 위한 상지 근력 강화 재활 로봇이며, 척수손상 환자로 하여금 여러 가지 종류의 운동을 가능케 하는 재활 로봇에 관한 것이다.

척수손상 환자들은 개개인마다 척수 손상 부위 및 근력 손실 정도가 다르고 장애 전 상태에서 가지고 있는 근력도 다르므로, 같은 기준의 재활 운동으로 한계가 있다. 재활 로봇을 이용한 치료를 진행할 때 정도에 따라 단계적으로 훈련할 수 있는 방식이 필요하다.

이에 치료용 재활 로봇은 신경계 손상으로 인한 마비 환자의 신경 소성을 목적으로 하고, 근력 소실로 인해 활동 장애가 발생한 환자의 근력을 회복하는 목적으로 사용되고 있다. 그러나 이러한 치료용 재활 로봇의 문제점은 개개인의 신체 특성에 맞는 어깨 중심 이동을 고려하여 제작되지 않았다. 따라서 환자가 재활훈련할 때, 어깨 움직임이 부자연스럽게 되는 문제점이 있었으며, 원 운동 또는 병진운동 등 다양한 운동 기능이 없는 한계가 있다.

대한민국 특허 등록 제10-1904990호는 손잡이가 있는 재활 로봇인데, 편마비 환자가 상기 재활 로봇의 손잡이를 오래 잡고 있으면 손에 힘이 들어가기 때문에 손에 경직이 일어나거나 손에 힘이 풀려 2차 사고를 일으킬 수 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 사용자의 신체에 적합하게 조절가능하고, 어깨 근육을 골고루 발달시킬 수 있는 재활 로봇을 제공하고자 한다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇은 연장 및 압축 가능한 암모듈(100); 상기 암모듈이 암모듈 중심축링크(111)를 통해 장착되고 수직 연장하여 지지대 역할을 수행하는 본체(200); 및 일측이 제1 보조링크(112)를 통해 상기 암모듈(100)에 연결되고 타측이 제2 보조링크(113)를 통해 상기 본체(200)에 연결되며 연장 및 압축 가능한 암모듈 지지부(300)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 암모듈(100)은, 제1축 방향으로 병진운동하는 제1 압축바(120); 상기 제1 압축바(120)의 병진운동을 보조하는 암모듈 실린더(110); 상기 제1 압축바(120)의 전단에 연결되고 회전바(150)가 회전링크(140)를 통해 연결되는 회전바 장착부(130); 및 상기 회전바의 회전운동 및 상기 제1 압축바의 병진운동을 구동하는 서보모터를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 암모듈 지지부(300)는, 제2축방향으로 병진운동하는 제2 압축바(310) 및 상기 제2 압축바의 병진운동을 보조하는 암모듈 지지부 실린더(320)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇은 상기 회전바 장착부, 상기 제1 압축바 및 상기 암모듈 실린더가 각각 상기 제1 축 방향으로 순서대로 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇은 상기 암모듈 중심축링크(111)의 회전을 통해 상기 암모듈(100)의 지면으로부터 위치한 높이가 조절 가능하며, 상기 암모듈의 높이를 조절함에 따라 상기 암모듈 지지부의 제2 압축바가 병진운동할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇은 회전바 장착부에 연결된 회전바가 탈부착 가능할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇은 회전바 장착부의 회전링크에 꺽인 형상을 갖는 그립부(1300)를 더 포함하고, 상기 그립부(1300)는 상기 회전바 장착부에 탈부착 가능할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇은 상기 회전바 장착부의 회전링크에 휠체어 바퀴(1400)를 더 포함하고, 상기 휠체어 바퀴(1400)는 상기 회전바 장착부에 탈부착 가능할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇은 탈부착 방식이 버튼, 나사 조립, 핀 조립 중 어느 하나로 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇은 척수손상 환자로 하여금 원운동, 상하 병진운동, 전후 병진운동 등 다양한 재활운동을 할 수 있게 하여, 척수손상 환자의 어깨 근육, 팔근육 및 심폐기능을 골고루 발달시킬 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇은 사용자의 신체에 맞게 높이를 조절할 수 있으므로, 사용자가 재활운동시 느끼는 어깨 움직임의 불편함을 해소시킬 수 있다.

나아가 본 발명은 다양한 운동을 수행할 수 있는 회전바, 그립부 또는 휠체어 바퀴를 로봇에 탈부착시킬 수 있으므로, 사용에도 편리하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇은 척수손상 환자뿐만 아니라, 비장애인에게도 활용될 가능성이 높다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇의 제1 실시예를 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇의 제2 실시예를 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇의 사용도를 나타낸다.

도 4는 본 발명에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇의 제3 실시예를 나타낸다.

도 5는 본 발명에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇의 제4 실시예를 나타낸다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, "제1" 및 "제2"라는 용어는 본 명세서에서 구별 목적으로만 사용되며, 어떠한 방식으로도 서열 또는 우선 순위를 나타내거나 예상하는 것을 의미하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇은 휠체어가 올라탈 수 있는 평행판(400), 휠체어가 뒤로 밀리지 않도록 고정해주는 고정틀(410), 평행판(400)의 일측에 수직방향으로 기립된 본체(200), 연장 및 압축 가능한 암모듈(100), 암모듈(100)과 본체(200) 사이를 연결하여 암모듈(100)을 지지하는 암모듈 지지부(300)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 재활 로봇의 암모듈(100)은 암모듈 중심축링크(111)를 통해 본체(200)에 장착되며, 수평방향으로 지칭되는 제1축 방향으로 병진운동 할 수 있다.

상기 암모듈(100)은 제1축 방향으로 병진운동하는 제1 압축바(120), 상기 제1 압축바(120)의 병진운동을 보조하는 암모듈 실린더(110), 상기 제1 압축바(120)의 전단에 연결되고 회전바(150)가 회전링크(140)를 통해 연결되는 회전바 장착부(130)를 포함할 수 있다.

회전바 장착부(130), 제1 압축바(120) 및 암모듈 실린더(110)는 순서대로 일련으로 연결되어 암모듈(100)을 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 재활 로봇은 회전바(150)가 도 1에 도시된 화살표 방향으로 회전하며 원운동하는 것을 특징으로 할 수 있다.

사용자는 회전바(150)의 일단 및 타단에 부착된 손잡이(160)를 잡고 시계방향 또는 반시계방향으로 돌리면서 상지 근력운동을 할 수 있다. 보다 상세하게는, 휠체어에 탑승한 환자가 평행판(400)에 올라가면, 휠체어는 고정틀(410)에 의해 뒤로 밀리지 않게 된다. 그리고 사용자는 손잡이(160)을 잡고 회전바(150)를 시계방향 또는 반시계방향으로 돌리면서 어깨 근육과 팔 근육을 발달 시킬 수 있다. 한편, 상기 손잡이는 탈부착이 가능한 특징이 있다.

본 발명에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇은 암모듈 지지부(300)는 상하 방향인 제2축방향으로 병진운동하는 제2 압축바(310) 및 상기 제2 압축바의 병진운동을 보조하는 암모듈 지지부 실린더(320)를 포함할 수 있는데, 암모듈 지지부(300)의 구체적인 동작은 도 3을 참조하여 설명한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇은 사용자의 훈련상태를 화면상에 표시하는 모니터(500)를 더 포함할 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모듈(100)은 화살표로 도시된 수평방향으로 병진운동하며 연장 및 압축 가능한 것을 특징으로 할 수 있다. 보다 구체적으로는 암모듈 실린더(110)에 의해 제1 압축바(120)가 수평방향으로 연장되거나 수축될 수 있다.

그리고 암모듈(100)의 제1 압축바(120)의 병진운동과 도 1에서 도시된 바와 같이 회전바(150)의 회전 운동은 서보모터에 의해 구동될 수 있다.

본 발명에 따른 재활 로봇은 상기 서보모터와 기어의 구동에 의해 능동적 보조 모드(Active-assisted mode)와 저항모드(Resistive mode)를 구현할 수 있다.

능동적 보조 모드는 회전바(150)의 회전 운동이나 제1 압축바(120)의 수평방향 병진운동이 자동적으로 수행되는 모드로, 사용자가 손잡이 등을 잡았을 때 스트레칭과 같은 효과를 나타낼 수 있는 모드이다.

그리고 저항모드는 사용자가 직접 상기 회전바(150)의 회전운동이나 제1 압축바(120)의 병진운동을 구동시키도록 하는데, 저항의 크기별로 사용자가 운동량을 조절할 수 있는 모드이다. 따라서 저항모드에서 사용자는 상지 근력을 강화시킬 수 있다.

보다 상세하게는, 사용자가 손잡이(160)을 잡고 양손으로 앞으로 당기거나 뒤로 미는 운동을 함으로써, 사용자의 가슴 근육량과 폐활량을 발달시킬 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇의 제3 실시예를 나타낸다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모듈(100)의 지면으로부터 위치한 높이를 조절할 수 있다.

상기 암모듈(100)의 높이 조절은 암모듈 중심축링크(111)의 회전을 통해 수행될 수 있으며, 보다 구체적으로는 리니어 액츄에이터(Linear Actuator) 구동을 통해 상기 암모듈 중심축링크(111)을 회전시킴으로써, 암모듈(100)의 높이를 조절할 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 암모듈(100)의 높이를 조절함에 따라 상기 암모듈 지지부(300)의 제2 압축바(310)가 수직 방향인 제2축방향으로 병진운동 할 수 있다. 보다 구체적으로, 암모듈(100)의 높이를 높게 하면 제2 압축바(310)는 연장될 수 있고, 암모듈(100)의 높이를 낮게 하면 제2 압축바(310)는 수축될 수 있다. 한편, 높이를 조절한 후 피봇 및 조인트를 이용하여 암모듈(100)의 높이를 고정할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇의 제4 실시예를 나타내고, 도 5는 본 발명에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇의 사용도를 나타낸다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇은 회전바 장착부(130)의 회전링크(140)에 그립부(1300) 또는 휠체어 바퀴(1400)를 결합할 수 있으며, 상기 그립부(1300) 및 휠체어 바퀴(1400)는 회전바 장착부(130)에 탈부착가능하다.

도 4를 참조하면, 환자가 꺽인 형상을 갖는 그립부(1300)를 손으로 잡고 화살표방향과 같이 윗방향으로 올리거나 아래방향으로 내리면서 어깨와 팔의 근육을 발달시킬 수 있다. 이 때, 암모듈 지지부(300)의 제2 압축바(310)는 연장되거나 압축될 수 있다.

도 5를 참조하면, 환자가 휠체어 바퀴(1400)를 잡고 돌리는 운동을 할 수 있다. 따라서, 환자는 위팔 두갈래근, 세갈래근 및 어깨 세포근 등 세모근위팔의 근육량을 향상시킬 수 있다.

한편, 하지 마비 환자가 로봇을 직접 제어하기 어려우므로, 본 발명은 재활 치료사가 쉽게 누를 수 있는 위치에 갑작스런 움직임을 방지하는 정지 스위치를 배치시킬 수 있다. 또한, 환자가 직접 누를 수 있는 손잡이 주변 위치에도 상기 정지 스위치가 배치될 수 있다.

나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 재활 로봇은 상술한 바와 같이 사용자가 손잡이를 잡고 횐전 운동, 상하 병진 운동, 전후 병진 운동 등을 할 때 재활 운동을 평가할 수도 있다. 예컨대, 힘, 속도, 빈도 및 운동량을 평가할 수 있는데, 힘은 로드셀(load cell), 속도는 가속도 센소를 통해 평가될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇은 척수손상 환자로 하여금 원운동, 상하 병진운동, 전후 병진운동 등 다양한 재활운동을 할 수 있게 하여, 척수손상 환자의 어깨 근육, 팔근육 및 심폐기능을 골고루 발달시킬 수 있어, 척수손상 환자뿐만 아니라, 비장애인에게도 활용될 가능성이 높다.

Claims

연장 및 압축 가능한 암모듈(100);

상기 암모듈(100)이 암모듈 중심축링크(111)를 통해 장착되고 수직 연장하여 지지대 역할을 수행하는 본체(200); 및

일측이 제1 보조링크(112)를 통해 상기 암모듈(100)에 연결되고 타측이 제2 보조링크(113)를 통해 상기 본체(200)에 연결되며 연장 및 압축 가능한 암모듈 지지부(300)를 포함하고,

상기 암모듈(100)은,

제1축 방향으로 병진운동하는 제1 압축바(120);

상기 제1 압축바(120)의 병진운동을 보조하는 암모듈 실린더(110);

상기 제1 압축바(120)의 전단에 연결되고 회전바(150)가 회전링크(140)를 통해 연결되는 회전바 장착부(130); 및

상기 회전바의 회전운동 및 상기 제1 압축바의 병진운동을 구동하는 서보모터를 포함하고,

상기 암모듈 지지부(300)는,

제2축방향으로 병진운동하는 제2 압축바(310) 및 상기 제2 압축바의 병진운동을 보조하는 암모듈 지지부 실린더(320)를 포함하고,

상기 회전바 장착부, 상기 제1 압축바 및 상기 암모듈 실린더는 각각 상기 제1 축 방향으로 순서대로 연결되고, 상기 암모듈 중심축링크(111)의 회전을 통해 상기 암모듈(100)의 지면으로부터 위치한 높이가 조절 가능하며, 상기 암모듈의 높이를 조절함에 따라 상기 암모듈 지지부의 제2 압축바가 병진운동하는 것을 특징으로 하는 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇.
제1항에 있어서,

상기 회전바 장착부에 연결된 회전바는 탈부착 가능한 것을 특징으로 하는 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇.
제1항에 있어서,

상기 회전바 장착부의 회전링크에 꺽인 형상을 갖는 그립부(1300)를 더 포함하고,

상기 그립부(1300)는 상기 회전바 장착부에 탈부착 가능한 것을 특징으로 하는 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇.
제1항에 있어서,

상기 회전바 장착부의 회전링크에 휠체어 바퀴(1400)를 더 포함하고,

상기 휠체어 바퀴(1400)는 상기 회전바 장착부에 탈부착 가능한 것을 특징으로 하는 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇.
제 1항에 있어서,

암 모듈(100)이 상승하는 방향으로 움직일 때 제 1축바(120)가 상하 방향으로 병진운동할 수 있도록 서보모터가 동작되어 사용자 상지운동과 협응 동작을 할 수 있는 능동적 보조 모드(Active-assisted mode)를 갖는 것을 특징으로 하는 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇.
제 1항에 있어서,

상기 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇은 암 모듈(100)이 상승하는 방향으로 움직일 때, 근력이 힘을 받아 운동할 수 있도록 제 1축바(120)가 반대 방향으로 작용을 할 수 있도록 서보모터가 동작되어 사용자 상지운동에 저항을 부여할 수 있는 저항모드(Resistive mode)를 갖는 것을 특징으로 하는 상지 근력 강화 훈련을 위한 재활 로봇.