KR20100132526A - 운동 보조 장치 - Google Patents

Abstract

운동 보조 장치는, 사용자의 발을 얹을 수 있는 스텝(2); 상기 스텝(2)을 움직여서 상기 스텝(2)에 얹힌 발을 운동시키는 스텝 구동 수단(5); 및 상기 스텝(2)에 작용하는 하중에 따라 상기 스텝 구동 수단(5)에 의해 설정된 상기 스텝(2)의 가동 범위를 확장하는 가동역 변경 수단을 포함한다. 사용자가 의도적으로 스텝(2)에 작용하는 하중을 증대시키면, 스텝(2)의 가동 범위가 확장된다.

Description

운동 보조 장치 {EXERCISE AIDING APPARATUS}

본 발명은 사용자의 다리부의 운동을 촉진하는 운동 보조 장치, 특히 타동 운동을 다리부에 부여하는 운동 보조 장치에 관한 것이다

사용자가 자발적으로 근력을 발휘하는 것이 아니라, 사용자에게 외력을 부여하여 사용자의 근군(muscles)을 신축시키는 타동 운동에 의해 운동 효과를 얻는 운동 보조 장치가 여러 가지 제안되어 있다.

사용자가 선 자세로 다리부를 운동하도록 제안된 장치의 예는 변형성 슬관절증(osteoarthritis of the kness)의 예방 및/또는 보행 훈련을 목적으로 보행 운동을 모의한 장치를 포함한다(예를 들면, 특허문헌 1, 특허문헌 2 참조).

특허문헌 1에 기재된 훈련 장치에서는, 좌우의 발을 각각 얹는 한 쌍의 스텝(step)에, 전후좌우의 직선 왕복 운동(linear reciprocating movement)을 조합한 움직임을 부여함으로써, 사용자가 의사 스케이팅 동작(psesuo-staking motion)을 행하게 하고, 전후 운동에 있어 좌우의 스텝의 위상차와, 좌우 운동에 있어 좌우의 스텝의 위상차를 0도 내지 360도의 범위 내에서 설정할 수 있다. 시동 직후에는 위상차를 180도로 하고, 그후, 위상차를 변화시켜 좌우의 발이 동일한 전후방향으로 움직이는 기간을 증가시킨다. 구동 장치(driving device)가 각 스텝이 전술한 바와 같이 움직이게 한다. 그러므로, 좌우 발을 스텝 위에 올리고 선 사용자는 자발적으로 또는 능동적으로 운동을 행할 필요는 없다. 대신에, 다리부는 스텝의 이동에 따라 타동 운동을 한다.

또, 특허문헌 2에 기재된 보행 체험 장치는, 좌우 한쌍의 보행판(walk plate)을 보행판 수평 구동 장치에 의해 구동시키고, 또한 발의 높이 위치나 발바닥의 경사 각도를 변화시키기 위해 보행판을 전후 방향으로 흔든다. 보행판은 또한 발의 방향을 변화시키기 위해 좌우의 흔들릴 수도 있다.

특허문헌 1: 일본 특허공개공보 제2003-290386호

특허문헌 2: 일본 특허공개공보 제10-55131호

상기 특허문헌 1에 기재된 장치는, 발의 위치와 무게 중심의 위치가 서로 오프셋(offset)된 스케이팅 동작에 기초하여 대퇴직근(rectus femoris muscle)이나 햄스트링(hamstring)을 중심으로 한 근육 훈련을 상정하고 있다. 그러므로, 비복근(gastrocnemius muscle)과 가자미근(soleus muscle)과 같은, 종아리부(lower leg)의 근군을 신축시킬수 있도록, 짐벌(gimbal) 상에 스텝을 지지함으로써 스텝의 경사 각도가 자유롭게 변화될 수 있다. 따라서, 사용 시에 사용자의 다리부가 근력이 없으면 안정된 운동을 할 수 없다. 또, 일반적으로 스케이팅 동작 중에 무릎은 상당한 부담을 받기 때문에, 상기 장치는 변형성 슬관절증의 예방을 위한 운동은 가능하더라, 무릎 통증이 있는 경우에는 더 이상 사용할 수 없다.

상기 특허문헌 2에 기재된 장치는, 다리부 근군이 보행 시와 같은 방향으로 신축하는 보행 동작을 모의하는 것을 상정한 것이다. 따라서, 상기 장치는 정맥 환류(vein circulation)의 촉진이라는 점에서는 바람직하다. 그러나, 슬관절의 부담은 보행 시와 비슷한 수준이므로, 상기 장치는 무릎 통증으로 고통받는 사용자는 사용 불가능하게 될 수 있다.

따라서 특히 재활(rehabilitation)을 목적으로, 어떠한 무릎 통증도 수반하지 않으면서 종아리부의 근군의 신축을 촉진하여 다리부의 정맥 환류를 활성화시킬 수 있는 장치가 매우 바람직할 것이다. 이러한 요구를 충족시키기 위해, 스텝의 가동(可動) 범위를 좁히거나, 또는 스텝의 가동 방향을 무릎에 대한 부담을 줄이는 방향으로 설정하여, 이른바 타동 운동만을 사용자의 다리에 부여하도록 한 것이 제안되어 있다.

타동 운동만을 할 수 있도록 한 것은, 사용자가 능동적인 운동을 원할 때 그렇게 할 수 없다는 문제점을 가지고 있다. 물론, 스텝의 가동 범위를 조절 가능하도록 하고/하거나, 스텝의 가동 방향을 조절할 수 있도록 함으로써 사용자가 능동적인 운동을 할 수 있도록 할 수도 있다. 그러나, 이 경우, 타동 운동만을 희망하는 사용자가 확장된 가동 범위인 상태로 운동을 할 우려가 있으므로, 이것은 경우에 따라서는 사용자에게 상당한 부담을 줄 수 있다.

상기한 점을 감안하여, 본 발명의 목적은 사용자의 자유 의지에 따라 스텝의 가동 범위를 확장함으로써 사용자에 의해 수행되는 운동량을 증가시킬 수 있는 운동 보조 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은, 사용자의 발을 얹을 수 있는 스텝; 상기 스텝을 움직여서 상기 스텝에 얹힌 발을 운동시키는 스텝 구동 수단; 및 상기 스텝에 작용하는 하중에 따라 상기 스텝 구동 수단에 의해 설정된 상기 스텝의 가동 범위를 확장하는 가동역 변경 수단(motion allowable zone modifying means)을 구비한다.

상기 스텝 구동 수단은, 사용자의 좌우의 발을 각각 얹는 좌우 한쌍의 스텝을 왕복 슬라이딩시킨다. 상기 가동역 변경 수단은, 스텝의 왕복 슬라이딩 범위를 확장하는 수단으로 사용될 수 있다. 또, 상기 스텝 구동 수단은 상기 스텝의 전단 측(front end side)과 후단 측(rear end side)의 높이 위치 관계를 변화시킴으로써, 상기 스텝에 얹힌 발이 저굴 동작(plantar flexion motion) 및 배굴 동작(dorsal flexion motion)을 행하게 한다. 상기 가동역 변경 수단은, 상기 스텝의 전단 측과 후단 측의 높이 위치 관계의 변화 범위를 확장하는 수단으로서 사용될 수 있다. 또한 상기 스텝 구동 수단은, 사용자의 좌우의 발을 각각 얹을 수 있는 좌우 한쌍의 스텝을 왕복 슬라이딩시키고, 또 상기 스텝의 전단 측과 후단 측의 높이 위치 관계를 변화시킴으로써, 스텝에 얹힌 발에 저굴 동작과 배굴 동작을 행하게 할 수 있으며; 상기 가동역 변경 수단은, 상기 스텝의 왕복 슬라이딩 범위와 상기 스텝의 전단 측과 후단 측의 높이 위치 관계의 변화 범위 중 적어도 하나의 범위를 확장할 수 있다.

바람직하게는, 상기 스텝은 슬라이딩 가능하게 지지된 슬라이드 유닛(slide unit)에 대하여 회전축에 의해 회전 가능하게 장착되고; 상기 스텝 구동 수단은 왕복 운동 부여 부재(reciprocating motion imparting member), 및 상기 스텝에 연결된 종동 부재(driven member)를 포함하고, 상기 스텝 구동 수단은, 상기 왕복 운동 부여 부재에 의한 왕복 운동을 받아 상기 스텝에 상기 왕복 운동을 전달하는 상기 종동 부재가 상기 스텝을 그 회전축을 중심으로 회전시키도록 구성된다. 특히 상기 스텝 구동 수단으로서는, 상기 스텝에 일단(one end)이 연결되고 타단(other end)이 고정점(fixed point)에 회전 가능하게 연결된 링크와, 상기 링크를 왕복 회전시키는 왕복 운동 부여 부재로 이루어진 스텝 구동 수단이 적합하게 사용될 수 있으며; 상기 스텝 구동 수단은, 상기 왕복 운동 부여 부재에 의한 상기 링크의 회전으로, 상기 스텝이 상기 슬라이딩 방향으로 왕복 운동을 행하게 하고, 상기 스텝과 상기 링크의 연결점의 높이를 변화시키도록 구성된다. 이 경우, 가동역 변경 수단으로서는, 상기 링크의 길이를 가변시키는 수단을 사용할 수 있다.

상기 스텝은 슬라이딩 가능하게 지지된 슬라이드 유닛에 대하여 회전축에 의해 회전 가능하게 장착될 수 있으며; 상기 스텝 구동 수단은, 왕복 운동 부여 부재, 및 상기 스텝에 연결되어 상기 왕복 운동 부여 부재에 의한 왕복 운동을 상기 스텝에 전달하는 캠 기구(cam mechanism)로 이루어지며, 상기 캠 기구가 상기 왕복 운동 부여 부재에 의한 상기 슬라이딩 방향의 왕복 운동에 따라 상기 스텝과의 연결점의 높이를 변화시키도록 구성된다.

상기 왕복 운동 부여 부재가 크랭크 기구(crank mechanism)인 경우, 상기 가동역 변경 수단은 상기 그랭크 기구의 커넥팅 로드(connecting rod)의 길이를 가변시키도록 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 스텝에 작용하는 하중을 검출하는 하중 검출 수단; 및 상기 하중 검출 수단에 의해 검출되고 상기 스텝 구동 수단에 의한 상기 스텝의 동작에 따라 변화하는 하중값이 복수회 연속하여 임계값을 초과할 때, 상기 가동역 변경 수단이 가동역을 확장시키도록 하는 제어 수단이 제공된다.

바람직하게는, 상기 가동역 변경 수단이 가동역을 확장하였음을 표시하는 디스플레이 수단이 제공된다. 또, 상기 스텝이 상면에 배치되고, 상기 스텝 구동 수단이 내부에 배치된 기대(base stand)가 제공되며, 상기 스텝은 그 가동 범위의 전역에 있어서 상기 기대의 상면보다 항상 높은 위치에 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 운동 보조 장치는, 스텝 구동 수단이 스텝 위에 얹힌 발에 타동 운동만을 부여하여 스텝을 구동하더라도, 스텝 위에 서있는 사용자가 발에 힘을 가하면, 스텝에 작용하는 하중이 증대됨에 따라 스텝의 가동 범위가 확장된다. 그 결과, 사용자는 아무런 안전성의 문제 없이, 타동 운동에 더해 능동적인 운동(자율적인 운동)도 행할 수 있다.

스텝 구동 수단은 사용자의 좌우 발을 각각 얹는 좌우 한쌍의 스텝을 왕복 슬라이딩시킬 수 있고, 가동역 변경 수단은 스텝의 왕복 슬라이딩 범위를 확장할 수 있다. 이로써 스텝의 슬라이딩에 의해 대퇴부와 종아리부의 근군의 신축이 가능해지고, 스텝에 가해지는 하중의 증가로 인한 슬라이딩 동작의 확장된 가동 범위 덕분에 근군에 작용하는 하중을 증가시키는 것이 가능해진다.

스텝 구동 수단이, 스텝의 전단 측과 후단 측의 높이 위치 관계를 변화시킴으로써 스텝에 얹힌 발이 저굴 동작과 배굴 동작을 행하게 할 수 있게 하고, 가동역 변경 수단이, 스텝의 전단 측과 후단 측의 높이 위치 관계의 변화 범위를 확장할 수 있다. 이로써 족관절(ankle joint)에 저굴 동작 및 배굴 동작을 부여하는 것이 가능해지고, 스텝에 가해지는 하중을 증가시킴으로써 저굴 및 배굴이 더욱 촉진되기 때문에 족관절의 가동 범위를 확장하는 것이 가능해진다.

스텝 구동 수단과 가동역 변경 수단이 전술한 두 가지 구성을 구비하는 경우, 상기한 두 가지 효과를 동시에 얻을 수 있다.

또한, 스텝이 슬라이딩 가능하게 지지된 슬라이드 유닛에 대하여 회전축에 의해 회전 가능하게 장착될 수 있으며; 스텝 구동 수단이, 왕복 운동 부여 수단과 상기 스텝에 연결된 종동 부재로 이루어질 수 있고, 왕복 운동 부여 수단에 의한 왕복 운동을 받아 스텝에 그 왕복 운동을 전달하는 상기 종동 부재가 상기 스텝의 회전축을 중심으로 하여 스텝을 회전시키도록 구성된다. 이로써, 슬라이딩 동작과, 족관절이 저굴 동작 및 배굴 동작을 행하게 되는 동작을 스텝에 부여하는 간편한 기구를 실현할 수 있다.

특히 스텝이 슬라이딩 가능하게 지지된 슬라이드 유닛에 대하여 회전축에 의해 회전 가능하게 장착될 수 있고; 스텝 구동 수단이, 상기 스텝에 일단이 연결되고 타단이 고정점에 회전 가능하게 연결된 링크와 상기 링크를 왕복 회전시키는 왕복 운동 부여 부재로 이루어지며, 왕복 운동 부여 부재에 의한 링크의 회전으로 인해, 스텝을 슬라이딩 방향으로 왕복 운동시키게 되고 스텝과 링크의 연결점의 높이를 변화시킨다. 이로써 슬라이딩 동작과, 족관절이 저굴 동작 및 배굴 동작을 행하게 되는 동작을 스텝에 부여하는 간편한 기구를 실현할 수 있다. 여기서, 가동역 변경 수단이 상기 링크의 길이를 가변하도록 제공되면, 스텝에 작용하는 하중에 따라 스텝의 가동 범위를 용이하게 확장할 수 있다.

스텝이, 슬라이딩 가능하게 지지된 슬라이드 유닛에 대하여 회전축에 의해 회전 가능하게 장착될 수 있고; 스텝 구동 수단이, 스텝을 상기 슬라이딩 방향으로 왕복 구동하는 왕복 운동 부여 부재와, 스텝에 연결되어 스텝의 슬라이딩에 따라 스텝과의 연결점을 상하 이동시키는 캠 기구를 포함할 수 있으며, 스텝 구동 수단은, 왕복 운동 부여 부재에 의한 상기 슬라이딩 방향의 왕복 운동에 따라 상기 캠 기구가 스텝과의 연결점의 높이를 변화시키도록 구성된다. 이로써, 슬라이딩 동작과, 족관절이 저굴 동작 및 배굴 동작을 행하게 되는 동작을 스텝에 부여하는 간편한 기구를 실현할 수 있다.

왕복 운동 부여 부재가 크랭크 기구이며, 가동역 변경 수단이 상기 크랭크 기구의 커넥팅 로드의 길이를 가변하도록 제공되는 경우에도, 스텝에 작용하는 하중에 따라 스텝의 가동 범위를 용이하게 확장할 수 있다.

스텝에 작용하는 하중을 검출하는 하중 검출 수단; 및 상기 하중 검출 수단에 의해 검출되고 스텝 구동 수단에 의한 스텝의 동작에 따라 변화하는 하중 값이 복수회 연속하여 임계값을 초과할 때, 가동역 변경 수단이 가동역을 확장하도록 하는 제어 수단을 구비하는 운동 보조 장치에서는, 사용자의 뜻하지 않은 움직임 때문에 스텝의 가동역이 확장될 우려를 완화시킬 수 있고, 그 결과 훨씬 더 높은 안전성을 달성할 수 있다.

가동역 변경 수단이 가동역을 확장하였음을 나타내는 디스플레이 수단을 제공함으로써, 가동역 변경 수단에 의해 스텝의 가동역이 확장되었는지 여부를 용이하게 알 수 있다.

여기서, 스텝이 상면에 배치되고 스텝 구동 수단이 내부에 배치되는 기대가 제공될 수 있고, 상기 스텝은 그 가동 범위의 전역에 있어 기대 상면보다 항상 높은 위치에 있다. 이로써, 발이 스텝에서 떨어지더라도, 스텝과 기대 사이에 발이 끼이는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예의 일례의 외관을 나타낸 사시도다.
도 2는 상기 실시예의 스텝과 스텝 구동 수단을 나타내는 투시 평면도이다.
도 3은 스텝 구동 수단의 동작을 나타낸 설명도이다.
도 4a는 상기 실시예의 링크의 개략 단면도이다.
도 4b는 링크의 다른 예의 개략 단면도이다.
도 5는 상기 실시예의 하중 검출 수단의 출력 전압의 시간 차트이다.
도 6은 상기 실시예의 가동 범위의 설명에 관한 동작의 흐름도이다.
도 7a 내지 도 7d는 스텝 구동 수단의 다른 예의 동작을 나타내는 설명도이다.

이하, 첨부 도면에 나타낸 실시예에 기초하여 본 발명을 설명한다. 도면에 나타낸 운동 보조 장치는 상면에 좌우 한쌍의 스텝(2, 2)이 배치되어 있는 기대(1); 이 기대(1)으로부터 솟아올라 있는 좌우의 난간(3, 3); 기대(1)의 전방 측에 상기 난간(3, 3)을 이용하여 배치된 조작 패널(4); 및 기대(1) 내에 배치되어 스텝(2, 2)을 구동하는 스텝 구동 수단(5)을 포함한다. 사용자는 좌우의 난간(3, 3)을 잡고 스텝(2, 2)에 좌우의 발을 얹고 서며, 스텝 구동 수단(5)을 작동시켜 스텝(2, 2)이 움직이게 하고, 그 결과 사용자의 다리부가 타동 운동되게 한다.

스텝(2, 2)은 사용자의 발의 발바닥 전체를 얹을 수 있는 치수이다. 스텝(2, 2)의 상면에는 마찰 계수가 큰 재료 및/형상이 사용된다. 스텝(2)의 전단 측과 후단 측의 높이 위치 관계는 스텝 구동 수단(5)에 의한 전후좌우 방향으로의 왕복 슬라이딩 동작에 따라 변화된다. 그 결과, 스텝(2)에 얹은 사용자의 발은 발가락 측을 내리는 저굴 동작과, 발가락 측을 올리는 배굴 동작을 반복하여 행하게 된다. 도 2 및 도 3에는 스텝(2, 2)의 상기한 동작을 만들어 내는 스텝 구동 수단(5)을 나타낸다.

여기에 나타내는 스텝 구동 수단(5)은, 스텝(2)에 전후좌우의 슬라이딩 동작을 부여하는 외에, 스텝(2)의 전단 측과 후단 측의 높이 위치 관계를 변화시키는 동작한다. 베이스 판(base plate)(50)(또는 기대(1)의 바닥 판)의 좌우 상면에는 가이드 레일(51, 51)이 고정되어 있다. 각 가이드 레일(51)에는 바닥부(bottom)에 가이드 레일(51)에 따라 슬라이딩 가능한 슬라이더부(slider section)를 포함하는 슬라이드 블록(52)이 장착되어 있다. 각 슬라이드 블록(52)의 상면에는 회전축(53)이 설치되어 있다. 이 회전축(53)에 의해 판형(plate-like)의 스텝(2)이 회전축(53)의 축 주위에 회전 가능하게 지지되어 있다. 각 스텝(2, 2)의 일단(후단)은 링크(54)에 의해 베이스 판(50)에 연결되어 있다. 각 링크(54)의 일단과 베이스 판(50)의 연결부, 및 각 링크(54)의 타단과 각 스텝(2)의 연결부 각각에는, 유니버셜 조인트(universal joint)(60, 60)가 각각 설치되어 있다.

베이스 판(50)의 좌우의 슬라이드 블록(52, 52)사이에는, 구동 모터(55)가 배치되고, 그 출력축에는 웜(56)이 설치되어 있다. 한 쌍의 웜휠(57, 57)이 웜(56)의 좌우에 배치되어 있다. 웜휠(57, 57)은 웜(56)과 맞물리고 각자의 편심축(58, 58)을 포함한다. 각 편심축(58)은 커넥팅 로드(59)에 의해 링크(54)에 연결되어 있다. 그리고, 편심축(58)을 구비하는 웜휠(57)과 링크(54)는 가이드 레일(51)의 길이 방향으로 서로 이격되어 위치된다. 링크(54)와 웜휠(57)을 잇는 커넥팅 로드(59)의 일단과 편심축(58)의 연결부, 및 각 링크(54)와 커넥팅 로드(59)의 타단의 연결부에도 유니버셜 조인트(60, 60)가 설치되어 있다.

모터(55)에 의해, 웜(56)및 웜휠(57)을 통하여 편심축(58)을 회전시킬 때, 편심축(58)과 함께 크랭크 기구를 구성하는 커넥팅 로드(59)는, 링크(54)가 링크(54)의 베이스 판(50) 측에 설치된 유니버셜 조인트(60)을 중심으로 하여 요동 동작(rocking motion)을 하게 한다. 이 요동 동작 중, 가이드 레일(51)의 길이 방향과 일치하는 성분의 움직임에 의해, 슬라이드 블록(52, 52) 및 스텝(2)은 가이드 레일(51)에 따른 방향으로 왕복 슬라이딩 동작을 행한다.

도면에 나타낸 예에서는, 좌우의 가이드 레일(51, 51)을 서로 평행으로 설치하지 않는다. 대신에, 전단 측[스텝(2)에 발을 얹을 때 발가락 측의 위치)에서의 가이드 레일(51, 51) 사이의 간격이, 후단 측에서의 간격보다도 넓도록, 좌우의 가이드 레일(51, 51)을 베이스 판(50)에 설치한다. V자형 배치으로 된, 가이드 레일(51, 51)에 각각 장착된 슬라이드 블록(52)과 스텝(2)은 전방으로 이동할 때 측방으로 넓어지도록 이동한다.

도면의 예에서의 V자형 구성으로 배치된 두 개의 가이드 레일(51, 51)의 개방각 α는 대략 90˚ 내지 135˚로 설정되어, 스텝(2)에 발을 얹은 상태로 스텝(2)를 이동키는 경우에, 무릎에 과도한 전단력이 작용하는 것을 방지한다. 베이스 판(50)을 기대(1)에 대하여 이동 가능하게 함으로써 개방각 α를 변경 가능하게 하는 것이 바람직하다.

링크(54)의 요동 동작에 의해 링크(54)와 스텝(2)의 연결부는 상하 방향으로도 움직이고, 이에 따라 스텝(2)이 회전축(53)을 중심으로 하는 회전한다. 슬라이딩 동작의 스트로크의 중간에, 스텝(2)은 수평 상태가 되고, 스트로크의 일단에서, 링크(54)가 접속된 스텝(2)의 후단 측을 들어 올려지고, 상기 스트로크의 타단에서, 스텝(2)의 후단 측이 내려가도록, 편심축(58)과 링크(54)가 커넥팅 로드(59)에 의해 연결되어 있다.

그 결과, 스텝(2)은 가이드 레일(51)에 따른 슬라이딩 동작을 행하는 동시에, 스텝(2)이 전방측으로 이동했을 때 발가락 측이 내려가고, 스텝(2)이 후방 측으로 이동했을 때 뒷꿈치 측이 내려가는 회전 동작(turning motion)도 수행한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 스텝(2)의 회전 중심이 되는 회전축(53)은 각각 스텝(2)의 길이 방향과 직교하는 방향으로, 스텝(2)의 길이 방향 중앙보다 후단에 가까운 위치에 설치되어 있다. 각 회전축(53)의 축 방향이 각각의 가이드 레일(51)의 길이 방향과 직교하지 않도록 회전축(53)이 배치되어, 스텝(2)의 전단 측(발가락 측)이 가이드 레일(51)보다 더 내측에 있다.

두 스텝(2, 2)의 간격은 전단 측이 후단 측보다 넓다. 개방각 β은 10°내지 30˚의 범위로 설정되어 있다. 따라서, 사용자는 다리부의 근군을 이완시킨 상태로 서있는 동안 발을 양 스텝(2, 2)에 얹을 수 있다.

스텝 구동 수단(5)에 의한 좌우의 스텝(2, 2)의 구동은, 웜(56)과 맞물리는 한 쌍의 웜휠(57, 57)에 설치된 편심축(58)의 위치를 이동시켜, 그 결과 오른발 측의 스텝(2)이 전진할 때, 외발 측의 스텝(2)가 후퇴하고, 왼발 측의 스텝(2)이 전진할 때, 오른발 측의 스텝(2)이 후퇴하도록, 즉 스텝들이 서로 역위상으로 동작하도록 설정되어 있다. 이 양 스텝(2, 2)의 움직임은 웜(56)에 서로 맞물리는 2개의 웜휠(57, 57)에 의해 동력이 좌우로 분배되기 때문에 항상 동기된다.

상기한 구성을 갖는 운동 보조 장치를 사용하여 운동을 하려면, 사용자는 난간(3)의 잡고서 왼발과 오른발을 좌우의 스텝(2, 2)에 얹은 상태로 서서 조작 패널(4)에 배치되어 있는 동작 스위치를 켠다. 그 결과 스텝 구동 수단(5)이 작동되어, 좌우의 스텝(2, 2)이 전후좌우로 역위상의 동작을 수행하고, 전진 시에 전단 측이 내려가고, 후퇴 시에 후단 측이 내려가는 회전 동작을 수행한다.

그 결과 스텝(2, 2)에 발은 얹은 사용자는, 스텝(2)의 움직임에 수반하여 발을 전후좌우로 움직이는 동시에, 스텝(2)의 회전에 의해 족관절에 저굴과 배굴이 가해진다.

좌우의 스텝(2, 2)이 180˚의 위상차를 가지고 전후좌우로 움직이기 때문에, 스텝(2, 2) 상에 서있는 사용자의 무게 중심은 전후 방향으로 약간만 이동한다. 따라서, 밸런스 기능이 저하되어 있는 사용자라 하더라도. 스텝(2)의 움직임으로 인해 밸런스를 잃을 일은 거의 없다.

스텝(2, 2)의 전후좌우 방향의 역위상의 움직임에 따른 발 위치의 변화는, 보행 운동의 그것과 유사한 위치 변화이다. 따라서, 적어도 종아리부의 근군은 보행 시와 마찬가지로 신축한다. 전후 이동에 있어 후단 위치에서는, 발 위치가 사용자의 무게 중심보다 후방이다. 그러므로, 후단 위치에서는, 대퇴부의 뒤쪽으로부터 둔부까지의 근육을 긴장시킬 수 있다.

통상의 보행 운동에서는 발 위치는 주로 전후방향으로 이동한다. 그러나, 이 움직임을 좌우로의 이동과 복합시키는 경우, 전후 이동만 또는 좌우 이동만 하는 경우에 비해, 사용자의 몸통이 비틀린다. 그 결과, 내장에 자극을 부여할 수 있고, 사용자의 밸런스를 보다 적극적으로 여러 방향으로 무너뜨린다. 따라서, 종아리부와 대퇴부의 보다 많은 근군[내전근(adductor muscle), 대퇴직근, 내측 광근(vastus medialis), 외측 광근(vastus lateralis), 대퇴 이두근(biceps femoris muscle), 반힘줄모양근(musculus semitendinosus), 및 반막모양근(musculus semimembranousus) 등]에 자극을 부여할 수 있다. 그 결과 경부하(light-load)의 타동 운동일지라도 근육에 의해 흡수되는 당(糖)은 증가한다. 따라서, 이 운동은 2형 당뇨병(type-2 diagetes)의 개선 효과를 기대할 수 있다.

전술한 배굴 시에는 아킬레스건이 신장된다. 따라서 발목의 가동 범위가 증대될 수 있다. 또한 저굴 시에 발가락에 힘이 작용하기 때문에 무지외반증(hallux valgus)을 경감시킬 수 있다. 또, 저굴과 배굴을 반복함으로써 종아리부의 근군, 주로 비복근이나 가자미근을 신축시킬 수 있다. 이들 근군의 신축은 다리부의 정맥 환류를 증가시켜 다리부의 부종을 해소할 수 있다.

전술한 스텝 구동 수단(5)의 구성으로부터 명백한 바와 같이, 좌우의 스텝(2, 2)의 전후좌우 슬라이딩 동작의 위상차는, 웜휠(57)에 설치된 편심축(58)의 위치에 의해 결정된다, 즉 웜휠(57)과 웜(56)의 맞물림 위치에 의해 결정된다. 따라서, 이 맞물림 위치를 변경함으로써 임의의 위상차에 설정할 수 있고, 양 스텝(2, 2)을 동위상(in-phase)으로 용이하게 움직일 수 있다. 동위상으로 움직이는 동안에 사용자의 무게 중심은 전방과 후방으로 이동한다. 그러므로, 단지 다리부의 근군의 운동이 될 뿐만 아니라, 예를 들면 밸런스를 유지하기 위한 배요골부(dorsolumbar region)도 운동시킬 수 있다.

난간(3)을 잡고 타동 운동을 할 수 있다. 그러므로, 사용자는 밸런스를 잃더라도 넘어지거나 하지 않는다. 그렇더라도, 도면의 예에서는 밸런스를 잃은 경우의 안전성을 증대시키 위해, 스텝 구동 수단(5)의 작동을 정지시키는 비상 정지 스위치(31)를 난간(3)에 설치하여, 어떤 사고가 발생한 때, 난간(3)을 잡은 손으로 비상 정지 스위치(31)을 쉽게 누를 수 있다.

스텝(2)에 예를 들면 압력 센서를 포함하는 하중 검출 수단(S)를 배치한다. 스텝 구동 수단(5)에 의해 스텝(2)이 움직이고 있을 때 가중 검출 수단(S)에 어떠한 무게도 검출되지 않은 경우, 스텝 구동 수단(5)은 정지될 수 있다. 이렇게 하여, 밸런스를 잃어 스텝(2)에서 발이 떨어진 경우에 움직임이 자동으로 정지될 수 있다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 스텝 구동 수단(5)을 내부에 수용한 기대(1)의 상판(top plate)(10)에는 개구부(11)가 설치되어 있다. 상판(10)보다 높게 위치된 스텝(2)과, 기대(1) 내부에 배치된 스텝 구동 수단(5)은 개구부(11) 내에서 연결되어 있다. 스텝(2)은 스텝(2)이 회전축(53)을 중심으로 회전하는 전 범위(후술하는 확장 범위를 포함함)에 걸쳐 스텝(2)의 전체가 항상 상판(10)보다도 높게 위치되는 높이에 배치되어 있다.

따라서, 발이 스텝(2)의 상면 영역에서 떨어지더라도, 스텝(2)에 얹힌 발은 스텝(2)과 상판(10) 사이에 끼이지 않는다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 각 스텝(2)의 바깥쪽 에지에 스커트부(22)와, 각 스텝(2)을 둘러싸고 스텝(2)의 전후좌우 동작에 동반하여 상판(10)에 대하여 슬라이딩하는 슬라이드 커버(24)를 설치할 수 있고, 그 덕분에 장치를 더욱 안전하게 사용할 수 있다. 또한 스텝(2) 상에 발을 고정하기 위한 스트랩 등의 발 고정 수단을 설치함으로써, 발의 위치 이동을 방지할 수도 있다.

상기 스텝 구동 수단(5)를 사용한 스텝(2)의 구동 시에, 편심축(58)과 커넥팅 로드(59)를 포함하는 크랭크 기구를 포함하는 왕복 운동 부여 수단에 있어 편심축(58)의 편심량(eccentricity)에 의해; 링크(54)의 길이에 의해; 그리고 링크(54)와 커넥팅 로드(59)의 연결 위치에 의해, 스텝(2)의 회전축(53)을 중심으로 하는 회전 범위(회전 각도)와 스텝(2)의 슬라이딩 범위가 결정된다. 그러나, 스텝(2)의 회전과 함께 스텝(2)에 더 강하게 발을 디디면, 스텝(2)의 슬라이딩 범위 및 회전 범위가 모두 확장된다.

이 확장은 링크(54)의 길이를 자유롭게 조절할 수 있게 함으로써 실현된다. 이 길이 조정을 실행하기 위해, 각 링크(54)는, 예를 들면 도 4에 나타낸 바와 같은 랙 앤 피니언 기구(rack and pinion mechnism)(540)로 연결된 2개의 부재(541, 542)를 포함하여, 모터(543)에 의한 피니언의 회전으로 길이를 변화시킬 수 있다. 랙 앤 피니언 기구 대신에, 너트(nut)가 나사 결합되는 나사축(screw shaft)을 포함하는 기구를 사용할 수도 있다. 또한 전압을 인가하면 연신되는 전기변형 폴리머(electrostrictive polymer)를 통형으로 감은 액츄에이터(544), 또는 솔레노이드를 사용할 수도 있다. 길이를 변경할 수 있는 것이면, 어떤 기구라도 사용할 수 있다.

통상, 링크(54)는 짧은 상태 그대로이다. 하지만, 스텝(2)을 디뎠을 때 사용자가 스텝(2)에 가한 힘에 의해 스텝(2)에 작용하는 하중이 증대하면, 링크(54)의 길이가 길어진다. 그 결과, 스텝(2)의 회전 범위 및 슬라이딩 범위 모두가 확장된다.

여기서, 스텝(2)에 작용하는 하중은 전술한 하중 검출 장치(S)에 의해 검출된다. 스텝(2)의 가동역을 확장하기 위한 제어(즉, 모터(543)의 제어)를 수행하고, 스텝 구동 수단(5)의 구동 제어를 수행하는 제어 회로는, 하중 검출 장치(S)에 의해 검출된 하중값(전압값)이 사용자의 체중에 따라 설정된 임계값 D를 초과한 경우에 모터(543)를 구동하여 링크(54)의 길이를 증대시키고, 검출된 하중값이 임계값 D를 초과하지 않는 경우에 링크(54)의 길이를 원래 길이로 복원한다.

하중 검출 장치(S)에 의해 검출된 하중은 스텝(2)의 동작에 따라, 특히 회전 동작에 따라, 도 5에 나타낸 바와 같이 변화한다. 그러므로, 스텝(2)의 회전에 수반하는 변화의 1 사이클 중의 하중값의 최대값이 복수회 연속하여 임계값 D를 초과하는 경우에는 링크(54)의 길이를 증가시키도록, 그리고 상기 최대값이 복수회 연속하여 임계값 D를 초과하지 않는 경우에는 링크(54)의 길이를 줄이도록 제어를 수행한다. 또한, 스텝(2)의 가동 범위의 확장은 조작 패널(4)의 디스플레이 유닛(41)에 표시된다. 하중값은 사용자의 동작에 의해 변동한다. 그러므로, 복수회 연속을 조건으로 하는 것은 부주의로 가동 범위가 확장되는 것을 방지하기 위한 것이다. 도 6은 상기한 제어의 흐름도를 나타낸다.

바람직하게는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 링크(54)가 짧을 때, 즉 타동 운동이 수행되고 있을 때 디스플레이 유닛(41) 상에는 타동 모드가 표시되고, 스텝(2)에 하중이 작용하여 링크(54)가 길어진 때, 능동 모드가 표시된다.

사용자가 스텝(2)에 강하게 발을 디디는 동작을 여러번 행하면, 발의 가동 범위가 슬라이딩 동작과 저굴 및 배굴 동작 모두에 대해 확장된다. 즉, 스텝(2)의 움직임에 따라 발이 움직이는 타동 운동은, 사용자의 의도에 따라 사용자가 적극적으로 발을 움직이는 운동(능동 운동)으로 전환될 수 있다.

상기한 예에서는, 스텝(2)에 가해지는 하중에 따라 스텝(2)의 가동 범위를 확장하는 가동역 변경 수단을 가변 길이의 링크(54)로 구성한다. 그러나, 크랭크 기구에서의 커넥팅 로드(59)를, 링크(54)의 경우와 마차가지로, 가변 길이로 구성함으로써 실현할 수 있다. 도면의 예에서, 커넥팅 로드(59)의 길이의 증가에 따라, 스텝(2)의 슬라이딩 범위를 증가시킬 수 있는 동시에, 스텝(2)의 발가락이 내려가는 방향의 회전 범위를 증가시킬 수 있다.

도 7a 내지 도 7d는 스텝 구동 수단(5)의 다른 예를 나타낸다. 여기서는, 상기한 실시예에서의 링크(54) 대신에, 캠판(cam plate)(61)과 연결판(63)을 사용한다. 베이스판(50)에 고정된 캠판(61)은 전후 방향과 상하 방향으로 연장되는 곧은 홈형(straight groove-like) 캠(62)을 포함한다.

연결판(63)는, 연결판(63)과 일체로 형성되고 경사 홈(oblique-groove) 캠(62)을 따라 슬라이딩 이동하는 직사각형의 캠 폴로어(cam follower)(64), 및 각 스텝(2)의 후단부에 회전 가능하게 연결되는 축(65)을 포함한다. 스텝(2)은, 상기 실시예와 마찬가지로, 슬라이딩 가능한 슬라이드 블록(52)에 회전축(53)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 또, 연결판(63)에는, 타단이 회전 구동되는 편심축( 67)에 연결되어 있는 커넥팅 로드(68)의 일단이 축(66)에 의해 연결되어 있다.

연결판(63)의 하부 측에 배치된 편심축(67)이 회전될 때 커넥팅 로드(68)가 연결판(63)을 캠(62)을 따라 이동시킨다. 전술한 바와 같이, 캠 폴로어(64)는 직사각형이고 연결암(coupling arm)(63)에 고정되어 있다. 그러므로, 연결암(63)은 도면에 나타낸 자세를 유지한 채로, 상하로 이동하는 동시에 전후에도 이동한다.

그 결과, 스텝(2)이 연결 암(63)에 연결되는 연결점인, 스텝(2)의 후단 측이 상하로 동작하는 것과 동시에 스텝(2)이 전후로도 이동한다. 스텝(2)이 전진할 때, 스텝(2)의 후단 측이 올라가고 스텝(2)의 전단 측(발가락 측)이 내려간다. 스텝(2)이 후퇴할 때, 스텝(2)의 후단 측이 내려가고, 전단 측(발가락 측)이 올라간다. 이 예에서도, 스텝(2)의 슬라이딩 방향과 회전축(53)의 축 방향이 직교 관계일 필요는 없다.

상기 예와 마찬가지로, 편심축(58)과 커넥팅 로드(68)를 포함하는 크랭크 기구에서의 커넥팅 로드(68)를, 도 4에 나타낸 것과 동일한 구성을 사용함으로써, 슬라이딩 범위를 증가시킬 수 있다. 또한, 확장된 슬라이딩 범위에 따른 길이를 갖도록 캠(62)을 구성함으로써, 또 캠(62)의 확장 범위가 스텝(2)의 회전 범위를 확장하도록 캡(62)의 형상을 구성함으로써, 회전 범위를 증가시킬 수 있다.

처음에 설명한, 링크(54)를 사용한 예에서, 커넥팅 로드(59)는 링크(54)가 아니라 슬라이드 블록(52)에 연결될 수 있다. 이 경우, 링크(54)의 일단은 가이드 레일(51)에 의해 제한되는 것처럼, 스텝(2)의 슬라이딩 방향과 평행한 한 방향으로만 회전하도록, 축을 통하여 베이스 판(50)에 장착된다. 스텝(2)이 슬라이드 블록(52)과 함께 슬라이딩할 때, 베이스 판(50)과 스텝(2)를 연결하는 링크(54)는 베이스 판(50) 측의 링크(54)의 단부를 중심으로 회전한다. 스텝(2)은 링크(54)와 스텝(2)의 접속점의 높이 변화에 의해 회전된다. 그러나 본 예에서, 스텝(2)의 가동 범위의 확장은, 커넥팅 로드(59)의 길이를 가변으로 한 때에는, 슬라이딩 범위에 만 작용하고, 링크(54)의 길이를 가변으로 한 때에는 회전 범위에만 작용한다.

1: 기대 2: 스텝
3: 난간 4: 조작 패널
5: 스텝 구동 수단

Claims (12)

1. 사용자의 발을 얹을 수 있는 스텝;
   상기 스텝을 움직여서 상기 스텝에 얹힌 발을 운동시키는 스텝 구동 수단; 및
   상기 스텝에 작용하는 하중에 따라 상기 스텝 구동 수단에 의해 설정된 상기 스텝의 가동 범위를 확장하는 가동역 변경 수단
   을 포함하는 운동 보조 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스텝 구동 수단은 상기 사용자의 좌우의 발을 각각 얹는 좌우 한쌍의 스텝을 왕복 슬라이딩시키고,
   상기 가동역 변경 수단은 상기 스텝의 왕복 슬라이딩 범위를 확장하는, 운동 보조 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 스텝 구동 수단은 상기 스텝의 전단 측과 후단 측의 높이 위치 관계를 변화시킴으로써, 상기 스텝에 얹힌 발이 저굴 동작 및 배굴 동작을 행하게 하고,
   상기 가동역 변경 수단은 상기 스텝의 전단 측과 후단 측의 높이 위치 관계의 변화 범위를 확장하는, 운동 보조 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 스텝 구동 수단은 사용자의 좌우의 발을 각각 얹을 수 있는 좌우 한쌍의 스텝을 왕복 슬라이딩시키고, 상기 스텝의 전단 측과 후단 측의 높이 위치 관계를 변화시킴으로써, 상기 스텝에 얹힌 발이 저굴 동작과 배굴 동작을 행하게 하며,
   상기 가동역 변경 수단은 상기 스텝의 왕복 슬라이딩 범위와 상기 스텝의 전단 측과 후단 측의 높이 위치 관계의 변화 범위 중 적어도 하나의 범위를 확장하는, 운동 보조 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스텝은 슬라이딩 가능하게 지지된 슬라이드 유닛에 대하여 회전축에 의해 회전 가능하게 장착되고,
   상기 스텝 구동 수단은, 왕복 운동 부여 부재, 및 상기 스텝에 연결된 종동 부재를 포함하고, 상기 왕복 운동 부여 부재에 의한 왕복 운동을 받아 상기 스텝에 상기 왕복 운동을 전달하는 상기 종동 부재가 상기 스텝을 그 회전축을 중심으로 회전시키도록 구성되는, 운동 보조 장치.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 스텝은 슬라이딩 가능하게 지지된 슬라이드 유닛에 대하여 회전축에 의해 회전 가능하게 장착되고,
   상기 스텝 구동 수단은, 상기 스텝에 일단이 연결되고 타단이 고정점에 회전 가능하게 연결된 링크와, 상기 링크를 왕복 회전시키는 왕복 운동 부여 부재로 이루어지며, 상기 왕복 운동 부여 부재에 의한 상기 링크의 회전으로 상기 스텝이 상기 슬라이딩 방향으로 왕복 운동을 행하게 하고, 상기 스텝과 상기 링크의 연결점의 높이를 변화시키도록 구성되는, 운동 보조 장치.
7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 스텝은 슬라이딩 가능하게 지지된 슬라이드 유닛에 대하여 회전축에 의해 회전 가능하게 장착되고,
   상기 스텝 구동 수단은, 왕복 운동 부여 부재, 및 상기 스텝에 연결되어 상기 왕복 운동 부여 부재에 의한 왕복 운동을 상기 스텝에 전달하는 캠 기구로 이루어지며, 상기 캠 기구가 상기 왕복 운동 부여 부재에 기구에 의한 상기 슬라이딩 방향의 왕복 운동에 따라 상기 스텝과의 연결점의 높이를 변화시키도록 구성되는, 운동 보조 장치.
8. 제6항에 있어서,
   상기 가동역 변경 수단은 상기 링크의 길이를 가변시키도록 제공되는, 운동 보조 장치.
9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 왕복 운동 부여 수단이 크랭크 기구를 포함하고,
   상기 가동역 변경 수단은 상기 그랭크 기구의 커넥팅 로드의 길이를 가변시키도록 제공되는, 운동 보조 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스텝에 작용하는 하중을 검출하는 하중 검출 수단; 및
    상기 하중 검출 수단에 의해 검출되고 상기 스텝 구동 수단에 의한 상기 스텝의 동작에 따라 변화하는 하중값이, 복수회 연속하여 임계값을 초과할 때, 상기 가동역 변경 수단이 가동역을 확장시키도록 하는 제어 수단을 포함하는 운동 보조 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가동역 변경 수단이 상기 가동역을 확장하였음을 표시하는 디스플레이 수단을 포함하는 운동 보조 장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스텝이 상면에 배치되고, 상기 스텝 구동 수단이 내부에 배치된 기대를 포함하고,
    상기 스텝은 그 가동 범위의 전역에 있어서 상기 기대의 상면보다 항상 높은 위치에 있는, 운동 보조 장치.

Images