어깨 외회전 내회전 - eokkae oehoejeon naehoejeon

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Abstract

본 발명은 인간의 근력 보조나 감각장치(haptic device)를 위한 착용형 외골격 로봇의 어깨 관절 내/외회전 구현 메커니즘에 관한 것으로, 이를 이용하여 근골격계 환자나 특수 임무 수행을 위한 군인, 건설현장에서 큰 힘을 필요로 하는 작업자 외에 여러 분야에서 상지 근력의 증폭을 위하여 쓰이게 된다. 또한, 관절과 근육의 움직임을 감지하여 사용자의 움직임을 판단하고 분석하여 가상현실분야나 재활을 목적으로하는 의료분야 등에서 쓰이는 감각 장치(Haptic device)로 쓰이게 된다.

또한, 전상방거상, 후방거상( Flexion/ Extension), 측상방거상, 내전( Abduction/ Adduction)의 2 자유도 메커니즘과 구조적으로 떨어져 있는 내/외회전(internal/ extenal rotation) 메커니즘을 구현하여 기구 간의 간섭을 최소화하고 궁극적으로 어깨 3 자유도 구현 방법론을 제공하는데 있다.

어깨관절, 메카니즘. 감각장치, 로봇, 근력보조, 외골격, 3자유도

Description

어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇장치 {Development of wearable robot device for the internal/external rotation of shoulder joint}

본 발명은 어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인간의 근력 보조나 감각장치(haptic device)를 위한 착용형 외골격 로봇의 어깨 관절 내/외회전 구현 메커니즘에 관한 것이다.

일반적으로 종례의 어깨관절 외골격은 전상방거상, 후방거상(Flexion/ Extension)의 1자유도 또는 측상방거상 및 내전(Abduction/ Adduction)을 포함한 2자유도의 외골격들이 주로 개발되어왔다.

이렇게, 총 3자유도의 어깨 관절의 움직임을 구현하는 메커니즘이 활발히 개발되지 못하는 이유는 어깨 관절의 또 다른 자유도인 내/외회전(internal/ external)의 회전 중심축이 상완골(humerus)의 길이방향으로의 중심에 있기 때문에 기구부 설계나 구동기 또는 엔코더의 축을 일치시키기가 어렵기 때문이다.

또한, 어깨 외골격의 구동을 위하여 구동기(actuator)를 설치할 때 3개 이상 의 구동기 또는 엔코더를 설치하기에 공간적으로 무리가 있고, 각각의 구동기와 간섭을 일으키기 때문이다.

이러한, 단점을 극복하고 어깨 관절 외골격의 3자유도를 구현한 메커니즘이 개발된 사례가 국내에서는 전무하며 해외에서 개발된 메커니즘 또한 외골격의 크기가 너무 커서 착용형 외골격 로봇에는 적합하지가 않다.

또한, 본 발명과 비슷한 개념으로 어깨부분에 전상방거상, 후방거상(Flexion/ Extension), 측상방거상, 내전(Abduction/ Adduction)의 2 자유도 메커니즘을 구현하고, 상박(upper arm) 부위에 내/외회전(internal/ external rotation)을 구현한 메커니즘이 개발된 사례가 있으나 내/외회전 메커니즘이 원통형으로 되어있고, 그 안에서 인체의 상박이 들어가서 회전하는 형태이므로 기구 간 또는 인체 부위 간에 많은 간섭이 생겨 동작에 제한을 주게 되고, 인체의 내/외회전의 동작 범위는 0~90° 이지만, 원통형의 메커니즘은 360°의 동작 범위를 제공하므로 불필요한 동작 범위를 가지게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 어깨 관절의 내/외회전(internal/external rotation)을 구현을 할 수 있는 착용형 외골격 로봇 메커니즘을 제공함과 전상방거상, 후방거상(Flexion/ Extension), 측상방거상, 내전(Abduction/ Adduction)의 2 자유도 메커니즘과 구조적으로 떨어져 있는 내/외 회전(internal/extenal rotation) 메커니즘을 구현하여 기구 간의 간섭을 최소화하고 궁극적으로 어깨 3 자유도 구현 방법론을 제공한다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, 인체 상지 어깨 관절의 근력 보조나 증폭을 요하는 분야에 쓰이는 착용형 외골격 로봇의 어깨 내/외회전(internal/extenal rotation) 구현한 구조이다.

또한, 관절과 근육의 움직임을 감지하여 인체의 어깨 관절 움직임을 판단하고 분석하여 가상현실분야나 재활을 목적으로 하는 의료분야 등에서 쓰이는 감각 장치(Haptic device) 어깨 내/외회전(internal/external rotation) 메커니즘이다.

그리고, 기구와 신체와의 간섭을 최소화하기 위하여 제안된 1/4원통형의 내/외회전 구동장치이다.

아울러, 근전도 센서(electromyography sensor), 힘센서(force sensor), 엔코더(encoder)등의 센서를 이용하여 인체 상지의 어깨 내/외회전 관절 동작을 모방하는 착용형 외골격 로봇이다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 본 발명의 재활을 목적으로 하는 의료용이나 특수 임무의 군사용, 건설용등 근력의 증폭을 필요로 하는 분야에 광범위하게 쓰일 수 있는 착용형 외골격 로봇이나 관절과 근육의 움직임을 감지하여 사용자의 움직 임을 판단하고 분석하여 가상현실분야나 재활을 목적으로 하는 의료분야 등에서 쓰이는 감각 장치(Haptic device)의 어깨 내/외회전 구현 메커니즘으로써 근력 보조 및 증폭 그리고 동작 감지에 효과적인 도움을 줄 수 있는 메커니즘을 제공한다.

또한, 본 발명은 어깨 3자유도를 구현하기 위하여 어깨 관절 부분에 3개의 관절을 집중시키는 메커니즘의 문제점을 해결하였다. 즉, 어깨 3자유도를 구현하기 위하여 어깨 관절 부위에 3개의 관절을 집중하여 설계를 할 경우 설계가 복잡해지고, 설계된 관절 또한 무리하게 커지게 된다. 또한 이러한 관절 메커니즘에 구동기나 엔코더를 설치할 경우 각각의 부품별 간섭이 많이 생기게 되며, 이를 통해 어깨 동작이 제한되게 된다. 따라서 어깨 부분에 전상방거상, 후방거상(Flexion/ Extension)과 측상방거상 및 내전(Abduction/Adduction)의 2자유도 메커니즘을 설계하고 상박(upper arm) 부위에 내/외회전(internal/ external rotation) 메커니즘을 설계하여 어깨 관절의 동작범위를 충분히 구현하며, 기구간의 간섭을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 이러한 1/4의 원통 형태로 제작된 내/외회전 구동 장치 내에서 회원운동을 원활히 전달하기 위하여 벨트 풀리, 벨트, 롤러 등을 이용하였고 이를 통하여 효과적인 회전 운동 전달 효과를 가진다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 인체 상지 어깨 관절의 근력 보조나 증폭을 요하는 분야에 쓰이는 착용형 외골격 로봇의 어깨 내/ 외회전(internal/extenal rotation) 구현한 구조이다.

또한, 관절과 근육의 움직임을 감지하여 인체의 어깨 관절 움직임을 판단하고 분석하여 가상현실분야나 재활을 목적으로 하는 의료분야 등에서 쓰이는 감각 장치(Haptic device) 어깨 내/외회전(internal/external rotation) 메커니즘이다.

그리고, 기구와 신체와의 간섭을 최소화하기 위하여 제안된 1/4원통형의 내/외회전 구동장치이다.

아울러, 근전도 센서(electromyography sensor), 힘센서(force sensor), 엔코더(encoder)등의 센서를 이용하여 인체 상지의 어깨 내/외회전 관절 동작을 모방하는 착용형 외골격 로봇이다.

본 발명은 인간의 근력 보조나 감각장치(haptic device)를 위한 착용형 외골격 로봇의 어깨 관절 내/외회전 구현 메커니즘에 관한 것으로, 이를 이용하여 근골격계 환자나 특수 임무 수행을 위한 군인, 건설현장에서 큰 힘을 필요로 하는 작업자 외에 여러 분야에서 상지 근력의 증폭을 위하여 쓰이게 된다.

또한, 관절과 근육의 움직임을 감지하여 사용자의 움직임을 판단하고 분석하여 가상현실분야나 재활을 목적으로 하는 의료분야 등에서 쓰이는 감각 장치(Haptic device)로 쓰이게 된다.

또한, 본 발명은 어깨 3자유도를 구현하기 위하여 어깨 관절 부분에 3개의 관절을 집중시키는 메커니즘의 문제점을 해결하였다. 즉, 어깨 3자유도를 구현하기 위하여 어깨 관절 부위에 3개의 관절을 집중하여 설계를 할 경우 설계가 복잡해지고, 설계된 관절 또한 무리하게 커지게 된다.

또한, 관절 메커니즘에 구동기 또는 엔코더를 설치할 경우 각각의 부품별 간섭이 많이 생기게 되며, 이를 통해 어깨 동작이 제한되게 된다. 따라서 어깨 부분에 전상방거상 ,후방거상(Flexion/ Extension)과 측상방거상 및 내전(Abduction/ Adduction)의 2자유도 메커니즘을 설계하고 상박(upper arm) 부위에 내/외회전(internal/external rotation) 메커니즘을 설계하여 어깨 관절의 동작범위를 충분히 구현하며, 기구 간의 간섭을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명은 신체의 다른 부분과의 간섭을 최소화시키기 위하여 어깨 관절의 내/외회전의 동작 범위인 0~90°에 맞추어 내/외회전 구동 장치 또한 원통형이 아닌 원통의 1/4형태로 제작된다.

또한, 본 발명은 1/4의 원통 형태로 제작된 내/외회전 구동 장치 내에서 회원운동을 원활히 전달하기 위하여 벨트 풀리, 벨트, 롤러 등을 이용하였고 이를 통하여 회전 운동 전달한다.

이와 같이, 전상방거상, 후방거상( Flexion/ Extension), 측상방거상, 내전( Abduction/ Adduction)의 2 자유도 메커니즘과 구조적으로 떨어져 있는 내/외회전(internal/ extenal rotation) 메커니즘을 구현하여 기구 간의 간섭을 최소화하고 궁극적으로 어깨 3 자유도를 구현한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇의 전체 결합도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 관절결합체(600)의 일측에 구성된 제1 링크부(100)는 인체의 하박(forearm)과 연결되며, 상기 제1 링크부(100)와 연결 결합된 회전링크부(210)는 팔꿈치 관절 부분으로써 구동기(actuator) 또는 엔코더(endcoder) 등을 설치할 수 있다.

아울러, 상기 회전링크부(210)와 연이어지게 구성된 제2 링크부(200)는 상박에 체결되는 2개의 링크 중 첫 번째 링크로서 4면의 볼 롤러(ball roller)(310)가 결합된 클램프(300)와 연결되어 상기 클램프(300)의 내/외회전 구동 장치(400)의 곡면을 따라 움직이면서 어깨의 내/외회전을 구현한다.

상기 클램프(300)의 내/외회전 구동 장치(400)는 상박의 2번째 링크인 동력부(500)와 연결되어 고정되고, 상기 동력부(500)에는 어깨의 내/외회전을 구동시키는 구동기 또는 회전 각도를 알 수 있는 엔코더 등이 설치가 된다.

아울러, 도 2는 본 발명에 따른 어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇의 내/외회전 관절 부분을 나타낸 도면이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 상기 도 2는 내/외회전 구동 장치(400)와 볼 롤러(310)가 결합된 클램프(300)의 예시도로서 내/외회전 구동 장치(400)는 회전 운동을 전달하기 위한 3개의 제1,2,3 풀리(410)(420)(430)와 10개의 롤러(440)로 구성되며 이 롤러(440)의 양 끝단에는 베어링(450)이 체결되어 원활한 회전을 돕는다.

그리고, 상기 클램프(300)에 구성된 첫 번째 제1 풀리(410)는 구동기 또는 엔코더의 제1 풀리(410)와 벨트(460)로 연결되어 회전운동을 전달하고, 구동장치(400)에 형성된 제2 풀리(420)와 제3 풀리(430)는 도 3번에서와 같이 내/외회전 구동 장치(400) 내부의 10개의 롤러(440)와 함께 벨트(460)로 연결되어 내/외회전 구동 장치(400)의 곡면을 따라 회전운동을 한다.

여기서, 도 3은 본 발명에 따른 어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇의 내/외회전 관절의 내부를 나타낸 도면이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 도 3은 내/외회전 구동 장치(400)의 내부를 나타낸 예시도로서 제1,2,3 풀리(410)(420)(430)와 롤러(440)에 체결된 벨트(460)의 모습을 보여주고 있다.

이렇게, 내/외회전 구동 장치(400)의 곡면을 따라 움직이는 벨트(460)에 클램프(300)가 제1 풀리(410) 연결 부품을 통해 연결되어 클램프(300)도 볼 롤로(310)의 도움을 받아 내/외회전 구동장치(400)의 곡면을 따라 원활히 움직이게 된다.

아울러, 도 4는 본 발명에 따른 어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇의 내/외회전 관절의 클램프를 나타낸 도면이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 도 4는 본 발명로 16개의 볼 롤로(310)가 설치된 클램프(300)의 예시도로서, 볼 롤로(310) 끝단에 있는 볼이 내/외회전 구동 장치(400)의 곡면과 접하여 회전운동을 하여 클램프(300)가 내/외회전 구동장치(400)의 곡면은 원활히 움직일 수 있게 해준다.

그리고, 클램프(300)의 하단면 부분은 상박(upper arm)의 제2 링크부(200)와 체결되는 부분이다.

또한, 도 5는 본 발명에 따른 어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇의 인체 착용 예시도이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 인체 착용 예시도로서 화살표로 나타낸 것처럼 내/외 회전 구동 장치(400)를 통하여 회전운동을 하게 된다.

이와 같이, 어깨 관절의 내/외회전(internal/external rotation)을 구현을 할 수 있는 착용형 외골격 로봇 메커니즘을 구현하게 된다.

그리고, 전상방거상, 후방거상(Flexion/ Extension), 측상방거상, 내전(Abduction/ Adduction)의 2 자유도 메커니즘과 구조적으로 떨어져 있는 내/외회전(internal/extenal rotation) 메커니즘을 구현하여 기구 간의 간섭을 최소화하고 궁극적으로 어깨 3 자유도를 구현할 수 있다.

또한, 본 발명의 기구부 뿐만 아니라 인체와의 간섭 또한 최소화하는 메커니즘과 사용자의 근력을 증폭시키기 위하여 근전도 센서(Electromyography signal)이나 힘 센서(force sensor) 등을 이용하여 어깨 관절의 움직임을 감지하여 근력을 보조 및 증폭시켜주는 로봇과 관절과 근육의 움직임을 감지하여 사용자의 움직임을 판단하고 분석하여 가상현실분야나 재활을 목적으로하는 의료분야 등에서 쓰이는 감각 장치(Haptic device)에 적용할 수 있는 메커니즘이 구현된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따른 어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇의 전체 결합도.

도 2는 본 발명에 따른 어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇의 내/외회전 관절 부분을 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따른 어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇의 내/외회전 관절의 내부를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 따른 어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇의 내/외회전 관절의 클램프를 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 따른 어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇의 인체 착용 예시도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100:제1 링크부 200:제2 링크부

210:회전링크부 300:클램프

310:볼 롤로 400:구동 장치

410:제1 풀리 420:제2 풀리

430:제3 풀리 440:롤러

450:베어링 460:벨트

Claims (5)

1. 인체 어깨 관절에 착용형으로 인체의 하박(forearm)과 연결되는 제1 링크부(100)와;

   상기 제1 링크부(100)의 일측에 회전링크부(210)가 결합되어 연이어지게 구성되는 것으로상박에 체결되는 2개의 링크 중 첫 번째 링크인제2 링크부(200)와;

   상기 상박(upper arm)의 제2 링크부(200)와 하단면 부분이 체결되면서 제2 링크부(200)의 일측에 위치하는 것으로 4면의 볼 롤러(ball roller)(310)가 결합된 클램프(300)와;

   상기 클램프(300)와 연결되어 클램프(300)가 곡면을 따라 움직이면서 어깨의 내/외회전을 구현하는 구동 장치(400)와;

   상기 클램프(300)와 연결되는 내/외회전 구동 장치(400)와 연결되어 동력을 전달하는 상박의 2번째 링크인 동력부(500);로 구성된 관절결합체(600);를 특징으로 하는어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇장치.

2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 링크부(100)에 연결 결합된 회전링크부(210)와 동력부(500)에 구동시키는 구동기와 회전 각도를 알 수 있는 엔코더가 각각 설치되는 것을 포함함을 특징으로 하는 어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇장치.

3. 제1항에 있어서,

   상기 구동 장치(400)는,

   볼 롤러(310)가 결합된 클램프(300)와 결합된 것으로 회전 운동을 전달하기 위한 3개의 제1,2,3 풀리(410)(420)(430)와 10개의 롤러(440)로 구성되며, 상기 롤러(440)의 양 끝단에는 베어링(450)이 체결되어 원활한 회전을 돕는 것을 포함함을 특징으로 하는 어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇장치.

4. 제3항에 있어서,

   상기 클램프(300)에 구성된 첫 번째 제1 풀리(410)는 벨트(460)와 연결되어 회전운동을 전달하고, 구동장치(400)에 형성된 제2 풀리(420)와 제3 풀리(430)는 내/외회전 구동 장치(400) 내부의 10개의 롤러(440)와 함께 벨트(460)로 연결되어 내/외회전 구동 장치(400)의 곡면을 따라 회전운동을 하는 것을 포함함을 특징으로 하는어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇장치.

5. 제1항에 있어서,

   상기 클램프(300)는,

   16개의 볼 롤로(310)가 설치된 것으로 볼 롤로(310) 끝단에 있는 볼이 내/외회전 구동 장치(400)의 곡면과 접하여 회전운동 시 클램프(300)가 내/외회전 구동장치(400)의 곡면을 따라 움직일 수 있게 하는 것을 포함함을 특징으로 하는 어깨관절 내회전/외회전 구현을 위한 착용형 로봇장치.

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