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문제 정의
- 그러나, 시중에 있는 무릎재활기구는 종류가 한정되어 있고 주로 경증 환자 대상의 헬스성 기구가 많았다. 본 연구에서는 한정적인 기능의 타제품에 비해 무릎관절 재활운동을 위한 다양한 기능을 가진 기구를 설계 제작하였다. 다음과 같이 추가된 기능을 가진 본 기구의 치료효과가 상대적으로 뛰어날 것으로 판단된다.
제안 방법
- 또한 재활치료 시 하체에 여러가지 근육운동을 해야 하는데[4], 시중에 있는 무릎관절재활기구는 근육의 가동범위가 제한적이다. 이에 따라, 환자 스스로가 재활치료를 할 수 있도록 자동 치료기구와 다양한 운동으로 고른 근육의 발달을 할 수 있는 시스템을 가진 기구를 개발하였으며, 특히 사용자의 신체길이와 알맞은 운동 강도를 선택하여 조절 가능하도록 설계하였다.
- ③ 사용자의 신체를 고려한 인체공학적 재활기구를 설계하였다.
- 2) 무릎, 발목, 골반 등을 복합적으로 재활운동이 가능하도록 설계하였다.
- PRO-Engineer를 이용하여 각 구동부의 위치 및 각속도를 실시간으로 확인하였다. 다음 Fig.
- 모터의 회전축과 기구의 회전축을 수직으로 변환하여 전체적인 기구를 들어 올리는 리프트 운동을 만들기 위해 강한 회전력이 필요하므로 웜기어를 사용하였다.
- 각 동작을 요구하는 스위치들은 외부 풀업 저항을 부착하고, 하강 edge로 신호를 입력한다. 그리고, 전원차단 비상스위치와 원점 복귀 확인 리미트 스위치를 추가하였다. 두개의 모터드라이버와 통신하기 위해 max232 통신IC와 회로를 추가하여 2채널 통신이 가능하게 하였다.
- 그리고, 전원차단 비상스위치와 원점 복귀 확인 리미트 스위치를 추가하였다. 두개의 모터드라이버와 통신하기 위해 max232 통신IC와 회로를 추가하여 2채널 통신이 가능하게 하였다.
- 동작시작과 정지, 비상정지, 원위치 복귀동작 등 각종 동작모드의 선택과 각도설정에 필요한 스위치들과 이에 해당하는 동작표시 LED를 전부 모아 하나의 제어판넬에 설치하고 조작이 편리하도록 하였다.
- 처음에 초기위치에서 리미트 스위치 3개가 모두 접촉해야만 작동이 시작하도록 하고, 운동은 MODE1 (무릎운동), MODE2 (대퇴사두근 운동), MODE3 (사이클 운동)에서 선택한다. 운동속도를 상,중,하에서 선택하여 개인차에 따라 운동의 가동범위와 강도를 조절하도록 하였다.
- 3 mm으로 인해 웜기어와 웜휠의 유격이 생겨 동력전달이 원활이 이루어지지 않았다. 웜기어 감속기를 선택 사용하고 부품을 보완하여 문제를 해결하였다.
- ① 회전 샤프트와 베어링이 자주 빠지는 현상이 발생하였는데, 억지끼워 맞춤공차 보다 조금 컸기 때문이다. 회전 샤프트 축 방향으로 탭을 내어 와셔로 결합하여 보강하였다.
- ② 웜기어 감속기를 사용하면서 상하운동 축이 위로 올라가면서 양쪽에 베어링과 샤프트를 지지하기 위한 구조가 또한 필요 하였다. 플라스틱 재료를 사용하여 축을 지지하고, 상하 운동하는 기구의 받침대 역할을 하도록 재설계하였다.
대상 데이터
- 기어드 모터 212:1 30 kgf·cm, 평기어 3:1 감속비로 하고, 무릎가동부 모터와 동일한 모델을 선정하였다.
- 따라서, 기어드모터 126:1, 정격토크 98 kgf·cm의 성능을 가진 모터로 선정하였다.
- 재활치료 기구를 설계하면서 우선적으로 고려한 사항은 안전성이다. 185 cm 성인 남성의 허벅지, 종아리, 발목 부분의 표준무게를 기준으로 하중을 고려하고 안전계수를 1.6으로 정하여 모터의 토크를 선정하였다.
- 웜기어 감속기에서 전달되는 상하 회전운동의 토크가 커 샤프트를 샤프트 축에 set screw 한 개를 이용하여 고정할 수 없었기에 두 개를 이용하였다.
- 제어부는 무릎가동부, 발목가동부, 다리 상하운동부 세 부분에 설치된 세개의 모터를 제어한다. 컴퓨터로 작성된 메인 프로그램은 micro Controller로 전송되고, 각 모터의 모터 드라이버를 이용하여 모터를 제어한다.
이론/모형
- 무릎운동부 쪽의 모터의 회전운동을 직선 슬라이드운동으로 전환하는 요소이며, LM-Guide 보다 경제적인 Ball-Bush Guide를 선택하였다.
성능/효과
- 또한, PRO-E 모델링에서 재활기구 뿐만 아니라 인체의 크기와 유사한 모형을 이용하였으며, 재활기구의 크기와 사용상의 문제점 등을 실감있게 관찰할 수 있었다.
- 처음 설계시, 바닥면과의 높이차이로 인해 웜기어와 웜휠의 직경을 약간 작게 설계하였는데, 결국 모터의 토크를 잘 전달하지 못하여 기구의 상하운동이 구동되지 않았다. 해석 결과, 등가응력이 213.46 MPa, 안전계수 1.3으로 상하운동시 지지하는 부분에서 응력을 많이 받는 것을 확인하였다. 또한, 전체 변형량 0.
- 본 연구를 통하여 개발된 재활기구는 기존 기구의 관절운동 범위를 증가시켰으며, 발목부와 상하운동부 기구운동으로 대퇴부의 근육을 강화할 수 있다. 또, 각 부의 모터를 개별적으로 동작시켜 다양한 운동을 구현함으로써 근육을 균형있게 강화할 수 있다.
후속연구
- 로봇을 이용한 재활치료 로봇 개발과 관련기술의 발전이 빠르게 커져가고 있으며, 앞으로 재활치료 로봇은 더욱 중요한 분야가 될 것이다. 그중에서 특히 로봇 보조 보행 치료(Robot-Assisted Walking Therapy)에 대한 관심이 세계적으로 고조되고 있다.
- CPM의 단순한 기능과 치료능력에 한계가 있어, 앞으로는 침상에 누워서 한쪽 다리씩 운동하는 CPM 보다는 다양한 운동을 할 수 있는 기구나 직접 걷기 운동을 할 수 있는 로봇들이 개발 될 것으로 보인다
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