KR102567849B1 - 하지 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하지(下肢) 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치에 관한 것이다. 일 실시예에 따른 훈련 장치는, 지지부; 상기 지지부 상에 고정되며 전후 방향으로 연장된 레일을 포함하는 가이드부; 상기 가이드부의 레일을 따라 전후 방향으로 움직일 수 있는 슬라이드부; 상기 지지부 상에 고정되는 기둥 형태의 회전축; 사용자의 발을 지지하는 발판부; 상기 발판부 아래 형성되는 하부 지지대; 및 상기 발판부 아래에 형성되고 상기 지지부의 회전축과 삽입을 통해 연결되며 상기 발판부가 상기 회전축을 따라 회전할 수 있도록 하는 연결 회전부를 포함한다. 상기 슬라이드부의 양 측벽으로부터 내부를 향해 설치된 복수의 스프링은 상기 발판부의 하부 지지대와 접촉하며, 상기 발판부가 회전할 때 양측으로부터 압력을 가하도록 구성된다. 실시예에 따르면, 스프링에 의해 사용자는 하지의 회전 또는 유지에 저항을 느끼게 되고, 이러한 조건에서 반복적인 훈련 동작을 통해 하지의 회전과 관련된 근육 및 신경을 발달시킬 수 있다.

Description

하지 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치{TRAINING APPARATUS FOR IMPROVING CONTROL ABILITY OF LOWER LIMB}

본 발명은 하지(下肢) 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사용자의 하지 움직임에 의해 회전축을 따라 회전하는 발판 및 상기 발판의 회전에 하중을 부여하는 스프링을 구비함으로써 하지 근육의 단련 및 하지 제어능력의 향상을 보조하는 훈련 장치에 관한 것이다.

[국가지원 연구개발에 대한 설명]

본 연구는 한국과학기술연구원의 주관 하에 보건복지부의 범부처전주기의료기기 연구개발사업(Aging-in-place를 위한 고령친화 하지근골격 다방향 생체피드백 재활운동 시스템의 상용화, 과제고유번호: 202013B06-03)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.

최근 고령화 사회로 접어들면서 근감소증이나 무릎 퇴행성 관절염 환자의 수가 급증하고 있다. 하지 근육 감소나 퇴행성 질환은 곧 신체기능 저하로 이어져 낙상이나 2차 질환을 유발할 수 있고 결과적으로 고령자의 건강을 크게 위협하고 있다. 이를 예방하기 위해서는 꾸준한 운동을 통해 하지 신경 및 근제어능력을 유지 향상시키는 것이 중요한데, 대부분의 하지 운동 방법이나 운동 기구는 반복적으로 걷게 하거나 걷는 속도를 조절할 뿐 회전 방향에 따라 하지 근육 및 신경을 단련하거나 균형 감각을 향상시킬 수 있는 방법은 많지 않다. 이처럼 보행 또는 주행과 같은 특정 동작에 대해서만 운동을 반복할 경우 평소에 사용하지 않는 근육 부위나 운동 신경은 감퇴하게 되고 빙판 길에서 미끄러지는 등 돌발 상황에서 큰 부상을 입게 될 위험이 있다.

한편, 중풍, 뇌성마비, 척추마비, 다발성 경화증 등의 신경학적 질환이 있는 환자나 인대 및 연골 파열 등의 근골격계 부상 환자의 경우 회전 방향의 움직임에 어려움을 겪는 경우가 많다. 그러나 대부분의 재활 운동 기구 역시 보행 보조에만 초점을 맞추고 있기 때문에 회전 방향의 움직임에 문제가 있는 환자의 경우, 예컨대 뇌성마비 환자는 아웃-토잉(out-toeing) 훈련과 같은 특정 방향으로 하지를 제어하는 재활 훈련이 필요함에도 불구하고, 효과적인 재활 훈련 방법이나 기구가 부족한 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제10-1893915호

이에 본 발명의 목적은, 하지를 특정 방향으로 움직이거나 균형을 유지하는 등의 하지 제어능력을 효과적으로 향상시키기 위한 훈련 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하지 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치는, 지면 또는 운동기구에 고정되며 상기 장치를 전체적으로 지지하는 지지부; 상기 지지부 상에 고정되며 전후 방향으로 연장된 레일을 포함하는 가이드부; 상기 가이드부의 레일을 따라 전후 방향으로 움직일 수 있는 슬라이드부; 상기 지지부 상에 고정되는 기둥 형태의 회전축; 사용자의 발을 지지하는 발판부; 상기 발판부에서 전족부(forefoot) 및 중족부(midfoot)에 해당하는 부분 아래에 발 중심을 따라 형성되는 하부 지지대; 및 상기 발판부에서 후족부(rearfoot)에 해당하는 부분 아래에 형성되고 상기 지지부의 회전축과 삽입을 통해 연결되며 상기 발판부가 상기 회전축을 따라 회전할 수 있도록 하는 연결 회전부를 포함하고, 상기 슬라이드부의 양 측벽으로부터 내부를 향해 설치된 복수의 스프링은 상기 발판부의 하부 지지대와 접촉하며, 상기 발판부가 회전할 때 양측으로부터 압력을 가하도록 구성된다.

일 실시예에 따르면, 상기 지지부의 양측에 설치된 기둥 형태의 가동범위 조절부를 더 포함하되, 상기 가동범위 조절부는 상기 발판부가 일정 각도 이상 회전하지 못하게 막아 회전 범위를 제한하도록 구성된다.

일 실시예에 따르면, 상기 가동범위 조절부의 양 기둥 간 거리는 조절이 가능하여 상기 발판부의 회전 범위를 임의로 조절할 수 있도록 구성된다.

일 실시예에 따르면, 상기 연결 회전부는 삽입된 회전축을 일정한 위치에 고정시키고 축에 걸리는 하중을 지지하면서 상기 발판부가 축을 따라 회전할 수 있도록 도와주는 구성요소를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 연결 회전부는 베어링 또는 뎀퍼와 체결되어 운동 강도의 조절 및 발판의 마찰 정도를 조절하도록 구성된다.

일 실시예에 따르면, 상기 슬라이드부에 설치된 복수의 스프링은 각각 상이한 탄성계수를 가짐으로써, 상기 발판부의 회전 방향에 따라서 가해지는 압력의 크기가 상이하도록 설정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 복수의 스프링 각각의 탄성계수는, 사용자가 훈련하고자 하는 하지 근육 부위에 따라서 특정 방향의 회전에 대한 저항을 크게 하거나 작게 함으로써, 상기 부위에 대한 자극을 강화하도록 설정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 훈련 장치는, 상기 회전축의 중심으로부터 상기 복수의 스프링이 상기 하부 지지대와 접촉하는 지점까지의 거리를 조절함으로써 훈련 부하를 조절할 수 있도록 구성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 지지부는 사용자가 제자리에서 보행 동작을 반복할 수 있게 하는 스텝퍼(stepper) 위에 설치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 훈련 장치는 사용자의 하지 움직임에 의해 회전하는 발판과 상기 발판의 회전에 하중을 가하는 스프링을 구비한다. 스프링에 의해 사용자는 하지의 회전 또는 유지 동작에 저항을 느끼게 되고, 반복적인 훈련 동작을 통해 하지의 회전과 관련된 근육 및 신경을 발달시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스프링 각각의 탄성계수를 상이하게 설정하여 특정 방향에 대한 저항을 더 크게 하거나 작게 만들 수 있고, 이를 통해 특정 방향으로의 회전에 관여하는 근육 및 신경을 선택적으로 단련할 수 있다. 실시예에 따른 훈련 장치는 모터 등의 추가적인 구성을 필요로 하지 않기 때문에 생산 및 유지 비용이 저렴하며 장소의 제약 없이 설치 가능하다.

본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 도면의 일부 구성요소들에 대한 표현이 과장되거나 생략될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 하지 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치의 구조를 도시한 측면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 하지 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 가동범위 조절부의 구조를 도시한 단면도이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.

이하에서는 도 1 및 도 2를 참조하여 훈련 장치의 구성요소들에 대해 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 하지 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치의 측면 구조를 도시한다. 도 2는 도 1의 훈련 장치의 구조를 A-A의 절단면에 따라 도시한 것이다. 여기서, 도 1 및 도 2에 도시된 장치는 한쪽 발(오른발)에 대응되는 것이다. 따라서 양발로 사용하기 위해서는 한 쌍의 장치가 필요하다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 훈련 장치(10)는, 지지부(100), 가이드부(110), 슬라이드부(120), 회전축(130), 발판부(200), 하부 지지대(210), 연결 회전부(220) 및 가동범위 조절부(300)를 포함한다.

지지부(100)는 훈련 장치(10)의 가장 하단에 위치하여 전체적으로 지지하는 역할을 한다. 지지부(100)는 지면뿐만 아니라 운동기구(예컨대, 사용자가 제자리에서 보행 동작을 반복하도록 하는 스텝퍼 등의 페달)에 설치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 지면 또는 운동기구와의 마찰력을 높여 견고하게 고정시키기 위한 미끄럼 방지 패드를 구비할 수 있다. 또한, 납작한 판 형태로 제작될 수 있으나 특정한 형태로 한정되는 것은 아니다.

가이드부(110)는 지지부(100) 상에 고정되며 전후 방향(도 1의 화살표 방향)으로 연장된 레일을 통해 슬라이드부(120)의 움직임을 가이드 한다.

슬라이드부(120)는 가이드부(110)의 레일을 따라 전후 방향(도 1의 화살표 방향)으로 움직일 수 있도록 구성된다. 도 2를 참조하면, 슬라이드부(120)의 구조에서 지지부(100)의 양 끝단에 위치한 측벽에는 내부를 향하도록 설치된 복수의 스프링(1201, 1202)이 존재한다. 스프링들은 발판부(200) 아래에 위치한 하부 지지대(210)가 좌우 방향(도 2의 화살표 방향)으로 움직이면 하부 지지대(210)와 접촉하여 압력을 가한다.

발판부(200)는 사용자가 발을 딛고 서기 위한 구성요소로서 발바닥을 본 뜬 형태로 제작될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 사용자의 하지와 발판을 단단히 고정하기 위한 벨크로 등을 추가적으로 구비할 수 있다.

도 1을 참조하면, 발판부(200)의 하부에는 전족부(forefoot) 및 중족부(midfoot)에 해당하는 부분 아래에 발 중심을 따라 하부 지지대(210)가 위치하고, 후족부(rearfoot)에 해당하는 부분 아래에는 연결 회전부(220)가 위치한다.

사용자가 발판부(200) 위에 발을 올린 채 좌우로 움직이면, 하부 지지대(210)는 회전축을 따라 좌우로 회전하고, 슬라이드부(120) 측벽에 설치된 스프링을 누르게 된다. 따라서 사용자는 회전하고자 하는 방향으로부터 저항을 받게 되고 이러한 동작을 반복함으로써 하지 근육 및 신경을 단련할 수 있다.

연결 회전부(220)는 지지부(100)와 발판부(200)를 직접 연결하는 구성요소이다. 지지부(100) 후방에 고정된 기둥 형태의 회전축(130)은 연결 회전부(220)와 삽입을 통해 결합되고, 발판부(200)가 좌우 방향으로 움직일 때 회전하는 축이 된다. 일 실시예에 따르면, 연결 회전부(220)는 삽입된 회전축(130)을 일정한 위치에 고정시키고 축에 걸리는 하중을 지지하면서 상기 발판부(200)가 축을 따라 회전할 수 있도록 도와주는 구성요소를 구비한다. 예컨대, 연결 회전부(220)는 베어링 또는 뎀퍼 등과 체결되어 운동 강도의 조절 및 발판의 마찰 정도를 조절하는 것이 가능하다.

일 실시예에 따르면, 훈련 장치(10)는 지지부(100)의 양측에 설치된 기둥 형태의 가동범위 조절부(300)를 더 구비할 수 있다. 가동범위 조절부(300)는 상기 발판부(200)가 일정 각도 이상 회전하지 못하게 막아 회전 범위를 제한하는 역할을 한다.

도 3은 일 실시예에 따른 가동범위 조절부의 구조를 도시한 단면도이다. 가동범위 조절부(300)의 양 기둥 간 거리는 조절이 가능하여 발판부의 회전 범위를 임의로 조절할 수 있도록 구성된다. 예컨대, 기둥 간 거리를 더 좁게 설정하면 발판부의 가동 범위가 좁아지고, 기둥 간 거리를 더 넓게 설정하면 발판부의 가동 범위가 넓어질 수 있다.

이하에서는 상기한 실시예의 훈련 장치를 활용하여 사용자의 하지 제어능력을 향상시키는 훈련 방법에 대해 설명한다.

일 실시예에 따르면, 슬라이드부(120)에 설치된 복수의 스프링(1201, 1202)은 각각 상이한 탄성계수를 가짐으로써, 상기 발판부(200) 및 하부 지지대(210)의 회전 방향에 따라서 가해지는 압력의 크기가 상이하도록 설정될 수 있다. 예컨대, 뇌성마비 환자가 아웃-토잉(out-toeing) 훈련(양 발 끝이 바깥을 향하도록 하는 훈련)을 시행할 때, 발 안쪽으로의 회전에 저항하는 스프링(1201)은 탄성계수가 낮은 스프링을 사용하고, 발 바깥쪽으로의 회전에 저항하는 스프링(1202)은 탄성계수가 높은 스프링을 사용하게 되면, 발을 안쪽으로 모으는 것보다 바깥쪽으로 돌릴 때 더 강한 저항을 받게 된다. 이러한 조건에서 저항이 강한 바깥 방향으로 하지를 회전시키거나 유지하는 동작을 반복함으로써 바깥 방향 회전에 필요한 근육과 신경을 단련할 수 있다.

반대로, 발 안쪽으로의 회전에 저항하는 스프링(1201)의 탄성계수를 높이고 발 바깥쪽으로의 회전에 저항하는 스프링(1202)의 탄성계수를 낮추게 되면, 발을 안쪽으로 모으는 것이 더 힘들어진다. 이러한 조건에서 저항이 강한 안쪽 방향으로 하지를 회전시키거나 유지하는 동작을 반복함으로써 안쪽 방향 회전에 필요한 근육과 신경을 단련할 수 있다.

이처럼 사용자가 훈련하고자 하는 하지 근육 부위에 따라서 특정 방향의 회전에 대한 저항을 크게 하거나 작게 설정함으로써, 특정 부위에 대한 자극을 선택적으로 강화할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 회전에 대한 저항을 낮추거나 높이기 위해, 스프링이 아닌 유압장치 등의 구성요소를 사용할 수도 있다. 특히, 전자식 유압장치를 사용하면 스프링의 교체 없이도 발판부와 하부 지지대에 가해지는 압력의 크기를 부위별로 조절할 수 있어 다양한 훈련 프로그램을 적용할 수 있다.

슬라이드부(120)는 가이드부(110)를 따라 전후 방향으로 이동할 수 있는데, 슬라이드부를 전방으로(도 1에서 왼쪽 방향으로) 이동시키거나 가이드부로부터 탈락시키면, 발판부(200)는 더 이상 양측 스프링에 의해 지지되지 않고 회전축(130)과 연결 회전부(220)의 결합에 의해서만 지지된다. 이렇게 되면 하지를 조금만 움직여도 발판부(200)가 회전축(130)을 축으로 크게 회전하기 때문에 발판이 움직이지 않도록 유지하는 동작을 통해 균형감각을 기를 수 있고 하지 제어능력을 향상시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 회전축(130)의 중심으로부터 복수의 스프링(1201, 1202)이 상기 하부 지지대(210)와 접촉하는 지점까지의 거리를 조절함으로써 훈련 부하를 조절할 수 있다.

이상에서 설명한 실시예들에 따르면, 스프링(또는 유압장치)을 이용하여 하지의 회전 움직임에 대해 선택적으로 하중을 부여할 수 있고, 이를 통해 하지의 회전과 관련된 근육 및 신경을 발달시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 특정 방향으로의 저항을 더 크게 하거나 작게 설정하여 특정 방향으로의 회전 또는 유지에 필요한 근육 및 신경을 선택적으로 단련할 수 있다. 실시예에 따른 훈련 장치는 모터 등의 추가적인 구성을 필요로 하지 않기 때문에 생산 및 유지 비용이 저렴하며 장소의 제약 없이 설치 가능하다.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 하지 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치
100: 지지부
110: 가이드부
120: 슬라이드부
130: 회전축
200: 발판부
210: 하부 지지대
220: 연결 회전부
300: 가동범위 조절부

Claims (9)

1. 하지 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치로서,
   지면 또는 운동기구에 고정되며 상기 장치를 전체적으로 지지하는 지지부;
   상기 지지부 상에 고정되며 전후 방향으로 연장된 레일을 포함하는 가이드부;
   상기 가이드부의 레일을 따라 전후 방향으로 움직일 수 있는 슬라이드부;
   상기 지지부 상에 고정되는 기둥 형태의 회전축;
   사용자의 발을 지지하는 발판부;
   상기 발판부에서 전족부(forefoot) 및 중족부(midfoot)에 해당하는 부분 아래에 발 중심을 따라 형성되는 하부 지지대; 및
   상기 발판부에서 후족부(rearfoot)에 해당하는 부분 아래에 형성되고 상기 지지부의 회전축과 삽입을 통해 연결되며 상기 발판부가 상기 회전축을 따라 회전할 수 있도록 하는 연결 회전부를 포함하고,
   상기 슬라이드부의 양 측벽으로부터 내부를 향해 설치된 복수의 스프링은 상기 발판부의 하부 지지대와 접촉하여, 상기 발판부가 회전할 때 양측으로부터 압력을 가하도록 구성되고,
   상기 슬라이드부에 설치된 복수의 스프링은 각각 상이한 탄성계수를 가짐으로써, 상기 발판부의 회전 방향에 따라서 가해지는 압력의 크기가 상이하도록 설정되는 것을 특징으로 하는, 하지 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 지지부의 양측에 설치된 기둥 형태의 가동범위 조절부를 더 포함하되,
   상기 가동범위 조절부는 상기 발판부가 일정 각도 이상 회전하지 못하게 막아 회전 범위를 제한하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 하지 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 가동범위 조절부의 양 기둥 간 거리는 조절이 가능하여 상기 발판부의 회전 범위를 임의로 조절할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 하지 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 연결 회전부는 삽입된 회전축을 일정한 위치에 고정시키고 축에 걸리는 하중을 지지하면서 상기 발판부가 축을 따라 회전할 수 있도록 도와주는 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하지 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 연결 회전부는 베어링 또는 뎀퍼와 체결되어 운동 강도의 조절 및 발판의 마찰 정도를 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 하지 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치.
   
6. 삭제
7. 제5항에 있어서,
   상기 복수의 스프링 각각의 탄성계수는, 사용자가 훈련하고자 하는 하지 근육 부위에 따라서 특정 방향의 회전에 대한 저항을 크게 하거나 작게 함으로써, 상기 부위에 대한 자극을 강화하도록 설정되는 것을 특징으로 하는, 하지 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 회전축의 중심으로부터 상기 복수의 스프링이 상기 하부 지지대와 접촉하는 지점까지의 거리를 조절하거나 회전축에 결합된 구조물로 훈련 부하를 조절할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 하지 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 지지부는 사용자가 제자리에서 보행 동작을 반복할 수 있게 하는 스텝퍼(stepper) 위에 설치되는 것을 특징으로 하는, 하지 제어능력의 향상을 위한 훈련 장치.

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