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KR101508973B1 - 무게중심 이동을 위한 수동 메커니즘을 갖는 보행 재활 로봇 - Google Patents

무게중심 이동을 위한 수동 메커니즘을 갖는 보행 재활 로봇 Download PDF

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KR101508973B1
KR101508973B1 KR20130054405A KR20130054405A KR101508973B1 KR 101508973 B1 KR101508973 B1 KR 101508973B1 KR 20130054405 A KR20130054405 A KR 20130054405A KR 20130054405 A KR20130054405 A KR 20130054405A KR 101508973 B1 KR101508973 B1 KR 101508973B1
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rehabilitator
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정찬열
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 수동 메카니즘을 갖는 보행 재활 로봇에 관한 것으로, 더 상세하게는, 보행 재활 로봇을 착용한 재활자의 관절에 무리한 힘을 가하지 않도록 관절 부분에 발생하는 힘을 완화할 수 있는 수단을 갖는 보행 재활 로봇에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수동 메카니즘을 갖는 보행 재활 로봇은, 재활자의 골반과 무릎 사이 부분에 연결되는 제1 보조 링크 부재; 상기 제1 보조 링크 부재의 하단에 결합하는 조인트; 상기 조인트의 하단에 결합되며, 상기 재활자의 무릎과 발목 사이 부분에 연결되는 제2 보조 링크 부재; 상기 제1 보조 링크 부재의 상단에 결합하며, 재활자의 보행 시 발생하는 고관절의 내전 및 외전을 방지하는 제1 스프링; 상기 재활자의 발이 접하는 발 받침대; 상기 발 받침대와 상기 제2 보조 링크 부재를 연결하는 발목 조인트; 및 상기 발 받침대의 측면에 결합하며, 재활자의 보행 시 발생하는 발목의 내번 각 및 외번 각을 보상하는 제2 스프링을 포함한다.

Description

무게중심 이동을 위한 수동 메커니즘을 갖는 보행 재활 로봇 {GAIT REHABILITATION HAVING PASSIVE MECHANISM FOR SHIFTING CENTER OF FRAVITY}
본 발명은 수동 메카니즘을 갖는 보행 재활 로봇에 관한 것으로, 더 상세하게는, 보행 재활 로봇을 착용한 재활자의 관절에 무리한 힘을 가하지 않도록 관절 부분에 발생하는 힘을 완화할 수 있는 수단을 갖는 보행 재활 로봇에 관한 것이다.
보행 재활 로봇은 하반신 마비환자나 근력이 약한 노인 및 근력이 저하된 환자가 다리에 큰 무리를 가하지 않고 보행 훈련을 할 수 있도록 보조하는 장치이다. 이러한 보행 재활 로봇은 환자가 직접 착용한 상태에서 보행 훈련 또는 생활하도록 하는 형태와, 트래드밀에 설치되어 환자가 보행 훈련을 반복적으로 수행할 수 있도록 하는 형태가 있다.
도 1a 및 1b는 보행자가 지면 상에 정지하고 있을 때와 보행 중에 있을 때 하지에서 발생하는 각도 변경을 나타내는 도면들이다.
도 1a를 참조하면, 보행자가 지면 상에 정지하고 있는 경우, 골반을 기준선으로 하여 고관절 및 족관절을 포함하는 하지가 지면에 대해 수직 상태에 있다.
한편, 도 1b를 참조하면, 보행자가 보행 중에 있는 경우, 골반의 이동에 따라 무게 중심이 이동하게 되고, 지면을 딛고 있는 하지, 구제적으로 고관절과 족관절에서 외전/내전 및 외번/내번 등에 의한 각도(α,β) 변경이 발생한다.
재활자가 보행 재활 로봇을 착용한 상태에서 보행 훈련 시, 도 1b와 같이 하지에서 각도 변경이 발생하면, 이러한 각도 변경을 보상하기 위한 메커니즘이 구현되어야 한다. 만약, 이러한 메커니즘이 구현되지 않는다면, 도 1b의 확대 부분에서와 같이 재활자의 발과 접하고 있는 강체가 지면 또는 트레드밀로부터 이격되면서 족관절 및 고관절에 무리한 힘이 가해지거나, 지면에서 재활자의 무게중심 이동방향으로 발이 끌려가는 현상이 발생할 수 있다.
이와 관련하여, 공개특허 2011-0044359호는 휠체어식 보행 보조용 로봇에 관한 것으로, 암과 외골격을 서로 분리할 필요 없이 일체로 결합하고 관절부 구동장치를 암이 아닌 외골격에 위치시킴으로써 암과 외골격의 분리로 인한 문제들을 방지하는 구성을 개시한다. 또한, 공개특허 2010-0106527호는 보행 보조 장치에 관한 것으로, 보행 보조장치는 외골격, 배터리 팩 또는 다른 유사한 내장형 파워 팩의 형태로 된 전원 및 이와 결합된 전원 케이블, 그리고 컨트롤 시스템을 포함하는 구성을 개시한다.
종래의 보행 재활 로봇의 경우, 전술한 하지의 각도 변경을 보상하기 위한 메커니즘 자체가 없거나, 하지를 지면에 대해 수직 상태로 고정하기 때문에 자연스러운 보행 훈련에 방해가 되었다. 즉, 종래의 보행 재활 로봇은 관절 부분에서 발생하는 내전 및 외전 등에 의한 힘을 완화하는 수단을 갖고 있지 않으므로, 재활자의 재활 훈련 시 재활자의 관절에 무리한 힘이 가해지는 문제점이 있었다.
따라서, 재활자의 재활 훈련 시, 보행 재활 로봇을 착용한 재활자의 관절에 무리한 힘을 가하지 않으면서, 정상 보행 패턴을 안정적으로 수행할 수 있게 하는 장치의 개발이 요구된다.
공개특허 2011-0044360 (서강대학교산학협력단) 2010.04.30. 공개특허 2010-0106527 (렉스 바이오닉스 리미티드) 2010.10.01.
본 발명의 목적은 재활자의 보행 시 발생하는 고관절의 내전/외전 및 발목의 내번 각/외번 각을 보상할 수 있는 수동 메카니즘을 갖는 보행 재활 로봇을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 수동 메카니즘을 갖는 보행 재활 로봇은, 재활자의 골반과 무릎 사이 부분에 연결되는 제1 보조 링크 부재; 상기 제1 보조 링크 부재의 하단에 결합하는 조인트; 상기 조인트의 하단에 결합되며, 상기 재활자의 무릎과 발목 사이 부분에 연결되는 제2 보조 링크 부재; 상기 제1 보조 링크 부재의 상단에 결합하며, 재활자의 보행 시 발생하는 고관절의 내전 및 외전을 방지하는 제1 스프링; 상기 재활자의 발이 접하는 발 받침대; 상기 발 받침대와 상기 제2 보조 링크 부재를 연결하는 발목 조인트; 및 상기 발 받침대의 측면에 결합하며, 재활자의 보행 시 발생하는 발목의 내번 각 및 외번 각을 보상하는 제2 스프링을 포함한다.
상기 제1 스프링 또는 제2 스프링은 판 스프링으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 스프링의 일단은 제1 고정 부재에 고정되며, 타단은 제1 회전 부재에 결합하여, 상기 제1 회전 부재의 회동에 따라 탄성 변형이 발생할 수 있다.
상기 제2 스프링의 일단은 제2 고정 부재에 고정되며, 타단은 제2 회전 부재에 결합하여, 상기 제2 회전 부재의 회동에 따라 탄성 변형이 발생할 수 있다.
상기 제1 보조 링크 부재의 내측 일단에는, 상기 재활자의 골반과 무릎 사이의 부분을 지지하는 상부 접촉 부재가 결합할 수 있다.
상기 제2 보조 링크 부재의 내측 일단에는, 상기 재활자의 무릎과 발목 사이의 부분을 지지하는 하부 접촉 부재가 결합할 수 있다.
본 발명에 따른 수동 메카니즘을 갖는 보행 재활 로봇은 재활자의 보행 시 발생하는 고관절의 내전/외전 및 발목의 내번 각/외번 각을 보상할 수 있어서, 재활자의 관절에 무리한 힘을 가하지 않는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 수동 메카니즘을 갖는 보행 재활 로봇은 재활자의 발이 지면 접촉을 시작할 때 정상적인 힐 스트라이크(heel strike) 상황을 재현함으로써 재활자의 보행 시 정상적인 압력 분포를 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 1a 및 1b는 보행자가 지면 상에 정지하고 있을 때와 보행 중에 있을 때 하지에서 발생하는 각도 변경을 나타내는 도면들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수동 메카니즘을 갖는 보행 재활 로봇의 전체적인 개략도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 로봇을 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 한쪽의 보행 보조 링크 부재를 후방에서 본 사시도이다.
도 5는 도 4의 B 부분에 대한 확대도이다.
도 6a 및 6b는 수동 메커니즘의 작동 원리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 도 3의 한쪽의 보행 보조 링크 부재를 도시한 사시도이다.
도 8은 도 7의 A 부분에 대한 확대도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보행 재활 로봇에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수동 메카니즘을 갖는 보행 재활 로봇의 전체적인 개략도를 도시한다.
도 2를 참조하면, 보행 재활 로봇(10)은 고정 프레임(20), 연결 링크(30), 손잡이(40), 지지 봉(50), 골반 지지 장치(100) 및 보행 보조 링크 부재(200)를 포함한다.
연결 링크(30)는 고정 프레임(20)의 일면으로부터 연장하여, 보행 보조 링크 부재(200)와 골반 지지 장치(100)에 의한 하중을 고정 프레임(20) 방향으로 전달한다.
손잡이(40)는 재활자가 보행 재활 로봇(10)을 통한 재활 훈련 시 보행의 안전을 위해 손으로 쥐는 부분이다. 지지 봉(50)은 손잡이(40)의 위치를 고정하고, 재활자에 의한 하중을 부담하기 위해, 손잡이(40)의 일부분과 결합한다.
골반 지지 장치(100)는 재활자의 골반을 지지하여, 자연스러운 보행 패턴을 훈련할 수 있도록 보조하는 수단이다.
보행 보조 링크 부재(200)는 재활자의 다리와 연결되는 부분이다. 재활자는 보행 보조 링크 부재(200)와 다리를 연결한 후에 보행 보조 링크 부재(200)의 움직임에 따라 다리 운동을 수행함으로써 다리 근력 강화 등의 재활 훈련을 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 로봇을 도시한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 보행 재활 로봇(10)은 골반 지지 장치(100)와 보행 보조 링크 부재(200)를 포함한다.
골반 지지 장치(100)는 보행 보조 링크 부재(200)와 연결되며, 보행 보조 링크 부재(200)의 하중을 지지한다.
보행 보조 링크 부재(200)는 제1 보조 링크 부재(210), 조인트(230), 제2 보조 링크 부재(250) 및 발 받침대(270)를 포함한다.
제1 보조 링크 부재(210)는 재활자의 골반과 무릎 사이 부분에 연결되며, 기계적 강성 유지 및 사용자의 다리 형상에 부합하도록 다수의 링크가 결합된 조립체이다. 제1 보조 링크 부재(210)의 내측 일단에는, 재활자의 골반과 무릎 사이의 부분을 지지하는 상부 접촉 부재(211)가 결합할 수 있다.
조인트(230)는 제1 보조 링크 부재(210)와 제2 보조 링크 부재(250)를 연결하며, 조인트(230)를 중심으로 제1 보조 링크 부재(210)와 제2 보조 링크 부재(250)는 소정 각도로 회동할 수 있다.
제2 보조 링크 부재(250)는 조인트(230)의 하단에 결합되며, 재활자의 무릎과 발목 사이 부분에 연결된다. 제2 보조 링크 부재(250)도 제1 보조 링크 부재(210)와 마찬가지로 기계적 강성 유지 및 사용자의 다리 형상에 부합하도록 다수의 링크가 결합된 조립체이다. 제2 보조 링크 부재(250)의 내측 일단에는, 재활자의 무릎과 발목 사이의 부분을 지지하는 하부 접촉 부재(251)가 결합할 수 있다.
발 받침대(270)는 재활자의 발이 접하는 부분이다.
이하에서는, 스프링을 이용하여 재활자의 보행 시 발생하는 고관절의 내전/외전 및 발목의 내번 각/외번 각을 보상할 수 있는 본 발명의 보행 재활 로봇에 대해 상술한다.
도 4는 도 3의 한쪽의 보행 보조 링크 부재를 후방에서 본 사시도이며, 도 5는 도 4의 B 부분에 대한 확대도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제1 스프링(220)은 제1 보조 링크 부재(210)의 상단에 결합하며, 재활자의 보행 시 발생하는 고관절의 내전 및 외전을 방지한다. 제1 스프링(220)은, 예를 들어, 판 스프링으로 이루어질 수 있다. 제1 스프링은(220)의 일단은 제1 고정 부재(222)에 고정되며, 타단은 제1 회전 부재(224)에 결합하여, 제1 회전 부재(224)의 회동에 따라 탄성 변형이 발생한다.
도 6a 및 6b는 수동 메커니즘의 작동 원리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 6a 및 6b를 참조하면, 도 5의 제1 스프링(220), 제1 고정 부재(222) 및 제1 회전 부재(224)를 간략하게 도시한 것으로, 제1 고정 부재(222)에 결합한 제1 스프링(220)의 일단은 그 위치가 고정되며, 제1 스프링(220)의 타단이 제1 회전 부재(224)에 결합한다. 제1 회전 부재(224)는 제1 보조 링크 부재(210)와 연결되어 있으며, 재활자가 보행 시 골반 이동에 따라 제1 보조 링크 부재(210)가 좌우로 회동하면, 이에 연결된 제1 회전 부재(224)도 좌우로 회동한다. 이에 따라, 제1 스프링(220)에 굴곡이 생기면서 탄성력이 발생하며, 이 탄성력에 의해 재활자의 보행 시 발생하는 고관절의 내전 및 외전이 방지된다. 도 6b는 제1 회전 부재(224)가 반시계 방향으로 회동했을 때, 제1 스프링(220)의 탄성 변형을 나타낸다.
도 7은 도 3의 한쪽의 보행 보조 링크 부재를 도시한 사시도이며, 도 8은 도 7의 A 부분에 대한 확대도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 재활자의 발이 접하는 발 받침대(270)가 발목 조인트(272)에 의해 제2 보조 링크 부재(250)와 연결된다.
제2 스프링(280)은 발 받침대(270)의 측면에 결합하며, 재활자의 보행 시 발생하는 발목의 내번 각 및 외번 각을 보상한다. 제2 스프링(280)은, 예를 들어, 판 스프링으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제2 스프링은(280)의 일단은 제2 고정 부재(282)에 고정되며, 타단은 제2 회전 부재(284)에 결합하여, 제2 회전 부재(284)의 회동에 따라 탄성 변형이 발생한다. 여기서, 제2 회전 부재(284)는 발 받침대(270)와 결합하여, 발 받침대(270)가 상하로 회동하면, 제2 회전 부재(284)도 상하로 회동한다. 이에 따라, 제2 스프링(280)에 굴곡이 생기면서 탄성력이 발생하며, 이 탄성력에 의해 재활자의 보행 시 발생하는 발목의 내번 각 및 외번 각이 보상될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 보행 재활 로봇
20: 고정 프레임
30: 연결 링크
40: 손잡이
50: 지지 봉
60: 보행 보조 링크 부재
100: 골반 지지 장치
200: 보행 보조 링크 부재
210: 제1 보조 링크 부재
211: 상부 접촉 부재
220: 제1 스프링
222: 제1 고정 부재
224: 제1 회전 부재
230: 조인트
250: 제2 보조 링크 부재
251: 하부 접촉 부재
270: 발 받침대
272: 발목 조인트
280: 제2 스프링
282: 제2 고정 부재
284: 제2 회전 부재

Claims (4)

  1. 재활자의 골반과 무릎 사이 부분에 연결되는 제1 보조 링크 부재;
    상기 제1 보조 링크 부재의 하단에 결합하는 조인트;
    상기 조인트의 하단에 결합되며, 상기 재활자의 무릎과 발목 사이 부분에 연결되는 제2 보조 링크 부재;
    상기 제1 보조 링크 부재의 상단에 결합하며, 재활자의 보행 시 발생하는 고관절의 내전 및 외전을 방지하는 제1 스프링;
    상기 재활자의 발이 접하는 발 받침대;
    상기 발 받침대와 상기 제2 보조 링크 부재를 연결하는 발목 조인트; 및
    상기 발 받침대의 측면에 결합하며, 재활자의 보행 시 발생하는 발목의 내번 각 및 외번 각을 보상하는 제2 스프링을 포함하고,
    상기 제1 보조 링크 부재는 제1 회전 부재를 통하여 골반 지지 부재와 회전가능하게 결합되며,
    상기 제1 스프링의 일단은 상기 제1 보조 링크 부재에 부착된 제1 고정 부재에 연결되고, 상기 제1 스프링의 타단은 상기 제1 회전 부재에 연결되어, 상기 제1 회전 부재의 회동에 따라 상기 제1 스프링에 탄성 변형이 발생하고,
    상기 제2 보조 링크 부재는 제2 회전 부재를 통하여 상기 발 받침대에 회전 가능하게 결합되며,
    상기 제2 스프링의 일단은 상기 제2 보조 링크 부재에 부착된 제2 고정 부재에 연결되고, 상기 제2 스프링의 타단은 상기 제2 회전 부재에 연결되어, 상기 제2 회전 부재의 회동에 따라 상기 제2 스프링에 탄성 변형이 발생하는 것을 특징으로 하는 수동 메커니즘을 갖는 보행 재활 로봇.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 스프링 또는 제2 스프링은 판 스프링인 것을 특징으로 하는 수동 메카니즘을 갖는 보행 재활 로봇.
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