KR20160071661A - 움직임 개선과 중력보상을 위한 상지 외골격 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 움직임 개선과 중력보상을 위한 상지 외골격 로봇은 상지 외골격 로봇 착용시 상완을 수용하여 지지하는 상완 지지부; 상기 상완 지지부와의 결합시 팔꿉의 굴곡/신전을 가능하게 하는 팔꿉 회전축; 일단이 상기 팔꿉 회전축과 전방으로 결합되어 팔을 지지하는 팔지지부; 상기 팔지지부의 타단과 결합된 손목의 회전을 가능하게 하는 손목 회전부; 상기 손목 회전부의 선단에 형성되어 손을 지지하는 손지지부; 및 상기 상완 지지부와 상기 팔꿉 회전축 주위에 연결되어 어깨의 굴곡/신전 및 내회전/외회전이 보다 자연스럽고 보다 넓은 범위에서 가능하게 하는 회전관절; 포함하여 제한적인 움직임을 개선할 수 있는 효과가 있고 중력보상 효과가 있다.

Description

움직임 개선과 중력보상을 위한 상지 외골격 로봇{UPPER LIMB EXOSKELETON ROBOT FOR MOVEMENT IMPROVEMENT AND GRAVITY COMPENSATION}

본 발명은 움직임 개선과 중력보상을 위한 상지 외골격 로봇에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 어깨관절부 주위에 회전관절(pivot joint)을 추가함으로써 상지 가동범위를 증가시키고, 또한 사용자의 상태에 따라 상기 회전 구조를 스프링 로디드 메커니즘(spring-loaded mechanism)의 보조기 관절부품으로 교체하여 선택적인 중력 보상을 가능하게 하는 움직임 개선과 중력보상을 위한 상지 외골격 로봇에 관한 것이다.

종래 중력 보상이 가능한 팔 보조 장치는 액추에이터에 의해 구동되는 2개의 조인트와 사용자의 힘에 의해 구동되는 5개의 조인트로 구성되어 사용자의 팔의 무게를 지지하여 중력보상이 가능한 팔 보조 장치로 센서로부터 측정된 팔의 하중을 기반으로 액추에이터를 구동해 동작하게 되는데, 상술한 바와 같은 구성으로 동작하는 종래의 중력 보상이 가능한 팔 보조 장치는 구조가 복잡하고 제작비용이 높다는 문제점이 있고, 무게나 크기도 커서 장애인을 포함한 사용자가 사용하기에 활동의 제약도 크고 설치가 번거롭다는 문제점이 있다.

또한, 종래의 착용형 로봇은 팔꿉 및 손목의 회전 운동만이 가능한 형태를 가지고 있어, 추가적인 어깨 움직임을 위해 기존에 많이 사용되는 4개의 링크를 이용한 평행 사변형 구조와 고무줄 등을 이용할 수 있지만, 어깨의 움직임이 부자연스럽다는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1163903호(2012. 07. 02)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 어깨관절부 주위에 회전 구조(pivot joint)를 추가함으로써 상지 가동범위를 증가시키고, 또한 사용자의 상태에 따라 상기 회전 구조를 스프링 로디드 메커니즘(spring-loaded mechanism)의 보조기 관절부품으로 교체하여 선택적인 중력 보상을 가능하게 하는 움직임 개선과 중력보상을 위한 상지 외골격 로봇의 제공을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 움직임 개선과 중력보상을 위한 상지 외골격 로봇은 상지 외골격 로봇 착용시 상완을 수용하여 지지하는 상완 지지부; 상기 상완 지지부와의 결합시 팔꿉의 굴곡/신전(Flexion/Extension) 을 가능하게 하는 팔꿉 회전축; 일단이 상기 팔꿉 회전축과 전방으로 결합되어 팔을 지지하는 팔지지부; 상기 팔지지부의 타단과 결합된 손목의 회전을 가능하게 하는 손목 회전부; 상기 손목 회전부의 선단에 형성되어 손을 지지하는 손지지부; 및 상기 상완 지지부와 상기 팔꿉 회전축 주위에 연결되어 보다 편리하게 어깨의 굴곡/신전 및 내회전/외회전이 가능하게 하는 회전관절; 포함하되, 상기 회전관절이 스프링 로디드 메커니즘 관절로 교체되어 중력을 보상하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 움직임 개선과 중력보상을 위한 상지 외골격 로봇은 회전관절(pivot joint)을 추가하여 기존 상지 외골격 로봇 착용 시 발생하는 제한적인 움직임을 개선할 수 있는 효과가 있고, 회전관절(pivot joint)을 스프링 로디드 메커니즘(spring-loaded mechanism) 방식의 보조기 부품으로 교체 시 중력보상 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 움직임 개선과 중력보상을 위한 상지 외골격 로봇은 대규모 변경 없이 간단한 회전 구조를 추가하여 어깨 관절의 가동 범위를 높이고 자연스러운 움직임을 제공 할 수 있는 효과가 있다.

즉, 본 발명에 따른 움직임 개선과 중력보상을 위한 상지 외골격 로봇은 뇌졸중, 척추손상, 근육병으로 인한 장애 또는 기타 여러 가지 이유로 인한 어깨 근육 손상으로 어깨가 상지의 무게를 온전히 지탱할 수 없는 사용자들이 중력 보상을 받으며 일상생활보조 혹은 훈련을 받을 수 있도록 움직임을 개선해 줄 수 있는 효과가 있다.

위와 같은 효과로 인해 본 발명에 따른 움직임 개선과 중력보상을 위한 상지 외골격 로봇은 일상생활동작은 물론 다양한 동작들을 훈련할 수 있으므로 실제 재활 현장에서 큰 도움을 줄 수 있는 파생효과가 있다.

도 1은 움직임 개선을 위한 본 발명에 따른 상지 외골격 로봇의 사시도,
도 2은 중력보상을 위한 본 발명에 따른 상지 외골격 로봇의 사시도, 및
도 3은 평행사변형 구조와 스카라 구조를 갖는 상완지지부의 사시도이다.

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 1은 본 발명에 따른 움직임 개선을 위한 상지 외골격 로봇을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 움직임 개선과 중력보상을 위한 상지 외골격 로봇은 상완 지지부(100)와 팔꿉 회전축(200), 팔지지부(300), 손목 회전축(400), 손지지부(500) 및, 회전관절(pivot joint:600) 포함한다.

이때 상완 지지부(100)의 미도시된 말단은 휠체어 상의 지지대 또는 고정 지지대 등에 고정될 수 있어 대부분의 상지 외골격 로봇의 자중은 지지대에서 감당하게 된다. 통상의 상완 지지부(100)는 어깨의 움직임을 허용하기 위하여 수직 방향의 운동과 수평 방향의 운동이 가능한 구조를 가진다.

평행사변형 구조와 스카라 구조를 갖는 상완지지부의 사시도인 도 3에 도시된 바와 같이 평행사변형 구조와 스카라 구조로 구성된 상완 지지부(100)는 수직 운동과 수평 운동이 가능한데, 이런 구조를 가짐에도 불구하고 어깨 관절의 움직임이 복잡하여 외골격 로봇과의 움직임 축이 일치 하지 않기 때문에 사용자는 어깨 움직임에 있어 불편함을 느끼게 된다.

즉, 본 발명에 따른 움직임 개선과 중력보상을 위한 상지 외골격 로봇은 도 1에 도시된 바와 같이 상기 팔꿉 회전축(200) 주위에 상기 상완 지지부(100)와 연결되는 회전관절(600)이 추가되어 상지, 특히 어깨의 움직임을 용이하게 하고 가동범위를 증가 시킨다.

상기 회전관절(600)은 2종류의 회전관절로 구성될 수 있고, 보다 구체적으로, 상완 굽힘/폄 동작개선 효과를 가지는 회전관절과 상완 내회전/외회전 동작개선 효과를 가지는 회전관절로 구성될 수 있다.

또한, 상기 회전관절(600)은 사용자의 상태에 따라 도 2에 도시된 바와 같은 스프링 로디드 메커니즘 관절(700)로 교체되어 선택적인 중력보상을 가능하게 한다.

참고로, 도 2는 본 발명에 따른 중력보상을 위한 상지 외골격 로봇을 도시한 도면이다.

일반적인 상지 외골격 로봇의 경우 모터 또는 모터가 사용되는 않은 구조로 상완의 굴곡(flexion)-신전(extension)과 내회전-외회전이 가능하도록 제작되어 있지만 사람의 어깨 움직임 구조가 복잡하고 로봇의 회전 축 수가 제한되어 있어 상지의 움직임 특히, 어깨 부분의 움직임이 자연스럽지 못하다.

본 발명에서는 간단한 추가적 회전 구조물 즉, 상기 회전관절(600)과 상기 회전관절(600)의 대체 관절인 상기 스프링 로디드 메커니즘 관절(700)의 추가만으로 착용자의 어깨 움직임 가동범위가 확장되고 어깨의 자연스러운 움직임을 제공하게 된다.

상완의 굴곡-신전과 내회전-외회전의 가동범위가 제한되고 자연스럽지 못한 로봇 착용시 간단한 팔꿉과 손목의 굴곡-신전 운동은 가능하지만 넓은 범위에서 자연스러운 3차원적인 모션을 구현하는 데는 한계가 있다.

따라서, 외골격 로봇 착용 후 머리를 만지거나 물 마시기 등의 눈높이 레벨에서 신체 중심을 향한 일상생활동작 구현 시 움직임이 다소 제한적일 수밖에 없다.

본 발명에 따른 움직임 개선과 중력보상을 위한 상지 외골격 로봇은 도 1에 도시된 바와 같이 상완 지지부(100)과 연결되는 상지 외골격 로봇의 기구에 회전관절(600)이 추가되어 표시된 방향으로 회전가능하기 때문에 상완의 움직임에 있어서 가동범위에 크게 제한이 없어 삼차원 공간상에서 자연스러운 움직임의 구현이 가능하다.

필요에 따라 회전관절(600)에 굴곡-신전 및 내회전-외회전 회전구조 중 하나를 고정하여 사용할 수 있다. 특히, 단순한 운동에 있어 굴곡-신전 운동 회전구조의 추가만으로도 어깨 관절의 굴곡-신전 운동이 자연스럽게 구현될 수 있다.

회전관절(600)이 추가 되면 지지대에 의해 고정되어 있어 외골격 로봇의 무게 중에서 회전관절 하부의 무게가 착용자의 팔에 일부 영향이 줄 수 있다. 이에 대한 해결책으로, 상기 회전관절(600)을 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 스프링 로디드 메커니즘 관절(700)로 교체하여 사용함에 따라, 착용된 본 발명에 따른 움직임 개선과 중력보상을 위한 상지 외골격 로봇은 상완의 경우 팔을 든 상태에서 중력을 보상하면서, 어깨의 굴곡/신전 및 내회전/외회전이 자연스럽게 이루어 질 수 있다.

특히, 중력의 영향을 받는 머리 근처로 손을 접근할 때의 어깨 굴곡(Flexion) 움직임도 손을 앞으로 뻗을 때 외회전 방향의 움직임에서 로봇 팔의 중력 방향으로 처짐을 효과적으로 보상할 수 있다.

따라서, 상기 스프링 로디드 메커니즘 관절(700)의 스프링(spring) 텐션이 상완의 굴곡, 외회전 방향으로 가해지도록 관절을 구성하여 사용할 수가 있다.

이때, 상기 스프링(spring)의 텐션이 강하면 상완의 회전에 도움을 줄 뿐만 아니라 로봇 팔 및 사용자의 팔 무게에 대한 중력보상까지 동시에 이루어질 수 있다.

즉, 지구 중심 방향으로만 떨어지는 힘을 상쇄시키는 기존에 개발된 중력보상 장치와 상이하게 상기 스프링 로디드 메커니즘 관절(700)이 사용된 본 발명에 따른 상지 외골격 로봇은 중력에 의해 발생되는 회전력에 대한 보상을 해줄 수가 있다.

사용자의 팔 무게 상지 외골격 로봇의 무게에 대한 중력보상은 기본적으로 상기 상지 지지부(100)의 고무줄 탄성에 의해 이루어지므로 상기 스프링 로디드 메커니즘 관절(700)은 중력에 의해 발생되는 회전력에 대한 중력보상만 하기 때문에 스프링의 텐션이 너무 크지 않아도 된다.

특히, 본 발명에 따른 상지 외골격 로봇은사용자에 상태에 따라 상완의 굴곡, 외회전 방향으로만 힘이 가해지도록 상기 스프링 로디드 메커니즘 관절(700)을 동시에 구성하여 사용할 수도 있고, 필요에 따라 한쪽에만 상기 스프링 로디드 메커니즘 관절(700)을 적용하여 사용할 수도 있다.

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 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 상완 지지부
200 : 팔꿉 회전축
300 : 팔지지부
400 : 손목 회전축
500 : 손지지부
600 : 회전관절
700 : 스프링 로디드 메커니즘 관절

Claims (4)

1. 상지 외골격 로봇 착용시 상완을 수용하여 지지하고 수직방향으로 운동이 가능한 상완 지지부(100);
   상기 상완 지지부(100)와의 결합시 팔의 굴곡/신전을 가능하게 하는 팔꿉 회전축(200); 및
   일단이 상기 팔꿉 회전축(200)과 전방으로 결합되어 팔을 지지하는 팔지지부(300);를 포함하되,
   상기 상완 지지부(100)와 상기 팔꿉 회전축(200) 주위에 연결되어 어깨의 굴곡/신전 또는 내회전/외회전이 추가적으로 가능하게 하는 회전관절(600);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 외골격 로봇.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 팔지지부(300)의 타단과 결합된 손목의 회전을 가능하게 하는 손목 회전부(400); 및
   상기 손목 회전부(400)의 선단에 형성되어 손을 지지하는 손지지부(500);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 외골격 로봇.
   
3. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 회전관절(600)이 스프링 로디드 메커니즘 관절(700)로 교체되어 중력을 보상하는 것을 특징으로 하는 상지 외골격 로봇.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 스프링 로디드 메커니즘 관절(700)의 스프링(spring) 텐션을 조절하여 상완의 회전력과 중력보상력을 조절하는 것을 특징으로 하는 상지 외골격 로봇.

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