KR102653369B1 - 피보팅 메커니즘을 이용한 하지 제어능력 훈련 장치 - Google Patents

Abstract

일 실시예에 따른 피보팅 메커니즘을 이용한 하지 제어능력 훈련 장치는, 상기 장치를 지지하는 지지부; 상기 지지부를 관통하여 고정된 회전축; 사용자의 발을 지지하면서 상기 회전축을 따라 회전하는 발판부; 상기 발판부 아래에 고정되며 상기 회전축과 삽입을 통해 연결되는 연결 회전부; 및 상기 연결 회전부의 적어도 일부와 접촉하는 마찰 패드를 포함하며, 상기 연결 회전부와 상기 마찰 패드의 마찰을 통해 상기 발판부 및 상기 연결 회전부의 회전을 제한하기 위한 회전 제어부를 포함한다. 실시예의 훈련 장치는 사용자가 하지를 움직이는 동작에 따라 회전축을 중심으로 회전하도록 구성되며, 마찰 패드를 통해 회전 동작 또는 유지 동작에 부하를 증감시킬 수 있다. 사용자는 하지의 회전 동작 또는 유지 동작을 반복함으로써 근신경 및 제어능력을 발달시킬 수 있다.

Description

피보팅 메커니즘을 이용한 하지 제어능력 훈련 장치{APPARATUS FOR TRAINING LOWER LIMB CONTROL ABILITY USING PIVOTING MECHANISM}

본 발명은 피보팅 메커니즘을 이용한 하지(下肢) 제어능력 훈련 장치로서, 더욱 상세하게는 사용자의 하지 움직임에 의해 회전축을 따라 회전하는 메커니즘을 이용하여 하지 근육의 단련 및 하지 제어능력의 향상을 보조하는 훈련 장치에 관한 것이다.

[국가지원 연구개발에 대한 설명]

본 연구는 분당서울대학교병원의 주관 하에 과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 보건복지부, 식품의약품안전처의 범부처전주기의료기기 연구개발사업(Aging-in-place를 위한 고령친화 하지근골격 다방향 생체피드백 재활운동 시스템의 상용화, 과제고유번호: 1711138333, KMDF_PR_20200901_0165-03)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 피보팅 메커니즘, 즉 하지 움직임에 의해 장치가 회전축을 따라 회전하는 메커니즘을 활용한 하지 집중 훈련을 통해 근신경 및 근제어능력을 향상시킬 수 있는 훈련 장치를 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 피보팅 메커니즘을 이용한 하지 제어능력 훈련 장치는, 상기 장치를 지지하는 지지부; 상기 지지부를 관통하여 고정된 회전축; 사용자의 발을 지지하면서 상기 회전축을 따라 회전하는 발판부; 상기 발판부 아래에 고정되며 상기 회전축과 삽입을 통해 연결되는 연결 회전부; 및 상기 연결 회전부의 적어도 일부와 접촉하는 마찰 패드를 포함하며, 상기 연결 회전부와 상기 마찰 패드의 마찰을 통해 상기 발판부 및 상기 연결 회전부의 회전을 제한하기 위한 회전 제어부를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 회전 제어부는 상기 연결 회전부와 상기 마찰 패드 사이의 마찰력을 조절하기 위한 다이얼을 더 포함하되, 상기 다이얼을 일 방향으로 돌리면 상기 마찰 패드와 상기 연결 회전부에 가해지는 접촉력이 커지고, 상기 다이얼을 반대 방향으로 돌리면 상기 마찰 패드와 상기 연결 회전부에 가해지는 접촉력이 작아진다.

일 실시예에 따르면, 상기 발판부의 회전 반경 내에 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 기둥의 위치는 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 포함한다.

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

일 실시예에 따르면, 상기 발판부는 사용자의 발 뒤꿈치와 접촉하여 상기 뒤꿈치를 상기 발판부 위에 고정시키기 위한 뒤꿈치 고정부를 구비한다.

일 실시예에 따르면, 상기 연결 회전부의 회전 각도를 측정하기 위한 회전각 측정부를 더 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 회전각 측정부에서 측정된 상기 회전 각도의 변화를 실시간으로 표시하기 위한 표시부를 더 포함한다.

일 실시예에 따른 하지 제어능력 훈련 장치는 사용자가 하지를 움직이는 동작에 따라 회전축을 중심으로 회전하도록 구성되며, 회전 구성요소들 간의 마찰력의 증감을 통해 회전 동작 또는 자세 유지 동작에 따른 부하를 증감시킬 수 있다. 이에 따라 사용자는 하지 근신경 및 제어능력을 발달시킬 수 있고, 특정 방향으로의 회전에 관여하는 근육 및 신경을 선택적으로 단련할 수 있다.

본 발명이 제안하는 하지 제어능력 훈련 장치는 전동 모터 등 전력을 소모하는 추가적인 구성을 필요로 하지 않기 때문에 생산 및 유지 비용이 저렴하며 장소의 제약 없이 설치 가능하다는 장점이 있다.

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 제어능력 훈련 장치를 측면에서 바라본 구조도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 하지 제어능력 훈련 장치의 일부 구성을 3차원으로 나타낸 것이다.
도 3은 일 실시예에 따른 하지 제어능력 훈련 장치의 회전 제어부를 통해 운동 강도를 조절하는 것을 나타낸다.
도 4a 내지 4c는 일 실시예에 따른 하지 제어능력 훈련 장치의 운동 강도의 조절에 따른 회전각 변화를 나타낸 그래프이다.

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 하지 제어능력 훈련 장치의 구성요소들에 대해 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 하지 제어능력 훈련 장치를 측면에서 바라본 것이고, 도 2는 상기 훈련 장치의 구조를 3차원으로 나타낸 것이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 하지 제어능력 훈련 장치(1)는, 상기 장치(1)를 지지하는 지지부(10), 상기 지지부(10)를 관통하여 고정된 회전축(20), 사용자의 발을 지지하면서 회전축(20)을 따라 회전하는 발판부(30), 상기 발판부(30) 아래에 고정되며 회전축(20)과 삽입을 통해 연결되는 연결 회전부(40), 상기 발판부(30) 및 연결 회전부(40)의 회전을 제한하기 위한 회전 제어부(50), 및 상기 회전축(20)의 회전 각도를 측정하기 위한 회전각 측정부(60)를 포함할 수 있다.

지지부(10)는 훈련 장치(1)의 하단에 위치하여 장치를 전체적으로 지지하는 역할을 한다. 지지부(10)는 지면뿐만 아니라 운동기구, 예컨대 사용자가 제자리에서 보행 동작을 반복하도록 하는 스텝퍼 등의 페달 위에 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.

회전축(20)은 상기 지지부(10)를 관통하며 움직이지 않도록 단단히 고정된다. 발판부(30)의 좌우 회전 시 중심축이 된다.

발판부(30)는 사용자가 발을 딛고 서기 위한 납작한 판 형태의 구성요소이다. 일 실시예에 따르면, 상기 발판부(30)는 사용자의 발 뒤꿈치를 지지하여 발을 발판부(30) 위에 고정시키기 위한 뒤꿈치 고정부(31)를 구비할 수 있다. 또한, 사용자의 발을 발판 위에 단단히 고정하기 위한 벨크로 등을 추가적으로 구비할 수 있다.

연결 회전부(40)는 지지부(10)를 관통하여 고정된 회전축(20)과 발판부(30)를 연결하는 구성요소이다. 연결 회전부(40)는 발판부(30) 아래에 고정되며 회전축(20)의 직경 크기에 대응하는 구멍에 회전축(20)을 삽입함으로써 결합된다. 일 실시예에 따르면, 연결 회전부(40)는 삽입된 회전축(20)을 일정한 위치에 고정시키고 축에 걸리는 하중을 지지하면서 상기 발판부(30)가 축을 따라 회전할 수 있도록 도와주는 구성요소를 구비한다. 예컨대, 연결 회전부(20)는 베어링 또는 댐퍼 등과 체결되어 운동 강도의 조절 및 발판의 마찰 정도를 조절하는 것이 가능하다.

사용자가 발판부(30) 위에 발을 올린 채 좌우로 움직이면, 지지부(10)는 바닥에 고정된 채 연결 회전부(40)에 삽입된 회전축(20)을 중심으로 발판부(30)가 회전하게 된다. 사용자는 하지를 회전시키는 동작 또는 회전하려는 발판을 유지하는 동작의 반복을 통해 하지 근육 및 신경을 단련할 수 있다.

회전 제어부(50)는 하지의 회전 동작에 따른 발판부(30)의 회전을 더 쉽게 하거나 어렵게 만듦으로써 운동 강도를 조절하는 역할을 한다. 회전 제어부(50)는 연결 회전부(40)의 적어도 일부와 접촉하는 마찰 패드 및 상기 연결 회전부(40)와 마찰 패드 사이의 마찰력을 조절하기 위한 회전 다이얼로 구성되며, 연결 회전부(40)와의 마찰을 통해 발판부(30) 및 연결 회전부(40)의 회전을 제한한다. 일 실시예에 따르면, 상기 다이얼을 일 방향으로 돌리면 마찰 패드와 연결 회전부에 가해지는 접촉력 및 마찰력이 커지고, 상기 다이얼을 반대 방향으로 돌리면 마찰 패드와 연결 회전부에 가해지는 접촉력 및 마찰력이 작아지는 형태로 구성될 수 있다.

예를 들어, 회전 제어부(50)는 연결 회전부(40)를 둘러싸는 반 고리 형태의 구조를 포함하며, 상기 다이얼을 돌리는 방향에 따라 고리의 폭이 좁아지거나 넓어질 수 있다. 고리의 내부에는 연결 회전부와 직접 접촉하는 마찰 패드가 부착되어 있으며, 고리의 폭이 좁아지면 연결 회전부와 마찰 패드가 더 강하게 접촉하여 마찰력이 커지고, 반대로 고리의 폭이 넓어지면 연결 회전부와 마찰 패드의 접촉이 느슨해지면서 마찰력이 감소하게 된다. 마찰력이 커지면 연결 회전부를 회전시키기 위해(즉, 하지의 회전 동작을 수행하기 위해) 더 큰 힘을 필요로 하는 반면, 연결 회전부를 회전시킨 채 하지의 자세를 유지하기 위해(즉, 하지의 유지 동작을 수행하기 위해) 더 적은 힘을 필요로 하게 된다. 반대로 마찰력이 작아지면 회전 동작에는 더 적은 힘을 필요로 하지만 유지 동작의 난이도는 상승하게 된다. 이와 같이 사용자는 연결 회전부와 발판부의 회전에 걸리는 부하의 증감을 통해 운동 강도를 조절할 수 있다.

도 3은 일 실시예에 따른 하지 제어능력 훈련 장치의 회전 제어부를 통해 운동 강도를 조절하는 것을 나타낸다. 도시된 것처럼, 회전 제어부의 다이얼(51)을 반시계 방향으로 돌릴수록(A→B→C) 마찰 패드와 연결 회전부 간의 마찰력이 감소한다. 마찰력이 감소하면 연결 회전부와 발판부의 회전이 쉬워지므로 사용자가 발판에 발을 올린 채 하지의 회전 동작을 수행하는데 더 적은 힘이 필요하게 되지만, 회전 상태를 유지하기는 더 어려워질 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 회전각 측정부(60)는 상기 연결 회전부(40) 의 회전 각도 변화를 측정한다. 측정된 회전 각도의 변화는 표시부(도시되지 않음)를 통해 실시간으로 표시될 수 있다.

도 4a 내지 4c는 일 실시예에 따른 하지 제어능력 훈련 장치의 운동 강도의 조절에 따른 회전각 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4a 내지 4c의 그래프는 일 실시예에 따른 장치를 스텝퍼와 같이 제자리 걷기 동작을 훈련하기 위한 운동 기구 위에 설치한 후, 발판부 및 연결 회전부의 회전각 변화를 실시간으로 측정한 결과를 나타낸다.

도 4a는 회전 제어부에 의한 연결 회전부의 회전 저항이 최대일 때에 해당하며, 도 4b는 회전 저항이 중간 정도일 때, 도 4c는 회전 저항이 최소일 때에 해당한다. 도 4a의 경우, 연결 회전부의 회전 동작이 극히 제한되며 회전각 측정부에 의해 측정된 회전각 변화가 거의 없음을 알 수 있다. 도 4b의 경우, 연결 회전부의 회전 움직임이 반 고정된 상태이며 사용자가 하지 동작(예컨대, 걷는 동작)을 행할 때마다 회전각이 다소 변화함을 알 수 있다. 도 4c의 경우, 연결 회전부에 대한 저항이 최소가 되어 회전 움직임이 고정되지 않은 상태이며, 이 때는 사용자가 하지 동작을 따로 행하지 않아도 회전각이 지속적으로 변화함을 알 수 있다. 도 4c와 같이 발판부 및 연결 회전부의 움직임이 고정되지 않은 상태에서는 발판부를 회전시키기는 쉽지만 자세를 유지하기 위해서는 더 큰 하지 제어능력과 에너지를 필요로 한다.

이처럼 실시예에 따른 하지 제어능력 훈련 장치는 전동 모터 등 전력을 소모하는 추가적인 구성 없이도 다이얼의 수동 조작을 통해 운동 강도를 원하는 만큼 조절할 수 있기 때문에 생산 및 유지 비용이 저렴하며 장소의 제약 없이 설치 가능하다.

일 실시예에 따르면, 하지 제어능력 훈련 장치는 상기 발판부의 회전 반경 내에 설치된 기둥 형태의 가동범위 조절부(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 상기 가동범위 조절부는 상기 발판부가 일정 각도 이상 회전하지 못하게 막아 회전 범위를 제한하도록 구성되며, 상기 가동범위 조절부의 기둥의 위치는 조절이 가능하여 상기 발판부의 회전 범위를 임의로 조절할 수 있게 한다. 이처럼 하지의 회전 저항뿐만 아니라 회전 범위를 설정함으로써 사용자는 운동 강도를 원하는 만큼 조절할 수 있다.

이상에서 설명한 하지 제어능력 훈련 장치의 구성에 따르면, 사용자가 하지를 움직이는 동작에 따라 회전축을 중심으로 회전하도록 구성되며, 마찰 패드를 통해 회전 동작 또는 유지 동작에 부하를 증감시킬 수 있다. 사용자는 하지의 회전 동작 또는 유지 동작을 반복함으로써 근신경 및 제어능력을 발달시킬 수 있다. 또한, 수동 다이얼을 조작하여 회전에 대한 저항을 증감시킴으로써, 특정 방향으로의 회전 또는 자세 제어를 위한 근육 및 신경을 선택적으로 단련할 수 있다. 본 발명이 제안하는 하지 제어능력 훈련 장치는 전동 모터 등 전력을 소모하는 추가적인 구성을 필요로 하지 않기 때문에 생산 및 유지 비용이 저렴하며 장소의 제약 없이 설치 가능하다는 장점이 있다.

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.

Claims (9)

1. 피보팅 메커니즘을 이용한 하지 제어능력 훈련 장치로서,
   상기 장치를 지지하는 지지부;
   상기 지지부를 관통하여 고정된 회전축;
   사용자의 발을 지지하면서 상기 회전축을 따라 회전하는 발판부;
   상기 발판부 아래에 고정되며 상기 회전축과 삽입을 통해 연결되는 연결 회전부; 및
   상기 연결 회전부의 적어도 일부와 접촉하는 마찰 패드를 포함하며, 상기 연결 회전부와 상기 마찰 패드의 마찰을 통해 상기 발판부 및 상기 연결 회전부의 회전을 제한하기 위한 회전 제어부를 포함하고,
   상기 연결 회전부와 상기 발판부의 회전에 걸리는 부하의 증감을 통해 사용자의 균형 감각 또는 운동제어능력 향상을 위한 하지의 회전 동작 수행 및 하지의 유지 동작을 수행하는 운동 강도가 조절되는, 하지 제어능력 훈련 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 회전 제어부는 상기 연결 회전부와 상기 마찰 패드 사이의 마찰력을 조절하기 위한 다이얼을 더 포함하되,
   상기 다이얼을 일 방향으로 돌리면 상기 마찰 패드와 상기 연결 회전부 사이의 마찰력이 커지고, 상기 다이얼을 반대 방향으로 돌리면 상기 마찰 패드와 상기 연결 회전부 사이의 마찰력이 작아지는 것을 특징으로 하는, 하지 제어능력 훈련 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 발판부의 회전 반경 내에 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 제어능력 훈련 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 가동범위 조절부의 기둥의 위치는 조절이 가능하여 상기 발판부의 회전 범위를 임의로 조절할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 하지 제어능력 훈련 장치.
   
5. 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 제어능력 훈련 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 연결 회전부는 베어링 또는 댐퍼와 체결되어 운동 강도의 조절 및 발판의 마찰 정도를 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 하지 제어능력 훈련 장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 발판부는 사용자의 발 뒤꿈치를 지지하여 발을 발판부 위에 고정시키기 위한 뒤꿈치 고정부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 하지 제어능력 훈련 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 연결 회전부의 회전 각도를 측정하기 위한 회전각 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 하지 제어능력 훈련 장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 회전각 측정부에서 측정된 상기 회전 각도의 변화를 실시간으로 표시하기 위한 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 하지 제어능력 훈련 장치.

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