KR20180129444A

KR20180129444A - 요추 안정화 운동 장치

Info

Publication number: KR20180129444A
Application number: KR1020170065485A
Authority: KR
Inventors: 박재흥; 최원제; 원종석; 조현범
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2017-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2018-12-05
Also published as: US20210137764A1; KR102034891B1; US11744761B2; WO2018217028A1

Abstract

본 발명의 일 실시예는 신체의 상체에 소정의 힘을 가하는 제1 서브 항중력 모듈과, 제1 서브 항중력 모듈을 수직 방향을 따라 연장하는 제1 수직회전축을 중심으로 회전 가능하도록 지지하는 제1 회전판을 포함하는 베이스 프레임을 포함하는 요추 안정화 운동 장치를 개시한다.

Description

요추 안정화 운동 장치{Appartus for lumbar stabilization exercise}

본 발명의 실시예들은 요추 안정화 운동 장치에 관한 것이다.

요통은 현대사회에서 매우 심각한 질병이다. 2010년 WHO의 통계를 분석한 논문에 따르면, 요통은 장애를 유발하는 가장 만연한 질병으로 선정되었으며, 대한민국 보건복지부의 2014년 조사에서는 요통이 고령의 노인 집단에서 두 번째로 높은 유병률을 나타낸다고 보고한 바가 있다.

요통을 치료하는 방법에는 여러가지가 있으나, 수술 없이 신체를 보존하기 위해서는 운동을 통해 요추를 안정화시키는 방법이 가장 안전하다고 알려져 있다. 이러한 운동 요법에도 여러가지가 있으나, 그 중 가장 과학적으로 검증된 운동 방법 중 하나가 중심부 안정화 운동, 바로 널리 알려져 있는 코어 운동(core exercise)이다.

다만, 코어 운동은 노인 환자, 비만 환자, 상하지 장애 환자와 같은 신체적으로 취약한 환자들 보다는, 주로 일반인의 기본적인 신체 능력을 능가하는 부상 중인 운동 선수들을 대상으로 개발된 운동이다. 따라서, 코어 운동을 바로 신체적으로 유약한 환자들에게 직접적으로 적용하기에는 무리가 있다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 실시예들의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 실시예들의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

본 발명의 실시예들은 요통 치료를 위해 신체적으로 유약한 환자들 스스로 코어 운동을 수행할 수 있도록 보조하는 요추 안정화 운동 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 신체의 하체에 중력과 반대되는 방향으로 소정의 힘을 가하는 제2 서브 항중력 모듈을 더 포함하며, 베이스 프레임은, 제2 서브 항중력 모듈을 수직 방향을 따라 연장하는 제2 수직회전축을 중심으로 회전 가능하도록 지지하는 제2 회전판을 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 베이스 프레임은, 제1 회전판과 제2 회전판 각각을 수평 방향으로 이동 가능하도록 지지하는 가이드를 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 제1 서브 항중력 모듈 또는 제2 서브 항중력 모듈은, 신체의 상체 또는 하체를 지지하는 쿠션과, 제1 회전판에 회전 가능하도록 설치되는 수평지지부와, 제1 회전판과 쿠션을 연결하되 수평 방향을 따라 연장하는 수평회전축을 중심으로 쿠션이 회전 가능하도록 쿠션과 링크 결합되는 수직지지부와, 수평지지부와 수직지지부를 연결하는 연결지지부를 포함하는 지지부와, 제1 회전판과 쿠션을 연결하되, 쿠션에 항중력(anti-gravity)을 가하는 탄성 액추에이터를 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 제1 서브 항중력 모듈 또는 제2 서브 항중력 모듈은, 쿠션과 연결지지부를 연결하되, 일단부가 쿠션에 링크 결합되는 제1 링크와, 일단부가 연결지지부에 링크 결합되고 타단부가 제1 링크의 타탄부에 링크 결합되는 제2 링크와, 일단부가 제1 링크 또는 제2 링크에 설치된 제1 고정축에 회전 가능하도록 연결되고, 타단부가 제1 링크 또는 제2 링크에 설치된 제2 고정축에 연결되되, 제2 고정축을 수용하여 제2 고정축에 자유도를 부여하는 가이드홀이 형성된 제3 링크를 포함하는 구속링크를 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 수평지지부는 제1 수직회전축 또는 제2 수직회전축을 수용하는 회전중심부를 포함하고, 수평지지부는 제1 수직회전축 또는 제2 수직회전축을 기준으로 회전하는 회전중심부를 따라 상기 제1 회전판 또는 제2 회전판에 대해 회전할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 제1 회전판 또는 제2 회전판은, 제1 수직회전축 또는 제2 수직회전축을 중심으로 방사 방향을 따라 일정한 간격으로 이격되어 형성되는 복수개의 고정결합공을 포함하고, 수평지지부는 복수개의 고정결합공에 대응하는 회전결합공을 구비하는 회전결합부와, 회전결합부와 고정결합공에 삽입되어 제1 회전판 또는 제2 회전판에 대한 수평지지부의 회전을 제한하는 회전고정핀을 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 탄성 액추에이터는, 스크류축을 회전시키는 구동력을 제공하는 모터와, 스크류축의 외주면과 결합되어 스크류축을 따라 이동 가능하고, 쿠션과 링크 결합되는 너트부재와, 너트부재에 설치되어 너트부재와 쿠션 사이에 소정의 탄성력을 제공하는 탄성부재를 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 탄성 액추에이터는 일단이 모터에 설치되고, 타단이 너트부재와 쿠션의 링크 결합 위치에 인접하도록 설치되어 탄성 액추에이터의 변위를 측정하는 제1 변위측정센서를 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 탄성 액추에이터는 탄성부재에 설치되어 탄성부재의 변위를 측정하는 제2 변위측정센서를 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 제2 고정축은 가이드홀 내에서 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동 가능하며, 제2 고정축이 제1 위치에 배치되는 경우, 쿠션은 신체의 상체 또는 하체를 수평 방향으로 지지하고, 제2 고정축이 제2 위치에 배치되는 경우, 쿠션은 쿠션과 수직지지부가 링크 결합되는 위치를 중심으로 베이스 프레임 측으로 소정 각도 회전할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 제1 회전판 또는 제2 회전판은 가이드부의 측면에 형성된 레일을 수용하는 수평가이드부를 포함하고, 수평가이드부는 레일을 따라 수평이동 가능하도록 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 가이드는 복수개의 롤러를 포함하고, 복수개의 롤러는 베이스 프레임을 지면 상에서 이동 가능하도록 지지할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

상기와 같이 이루어진 본 발명의 실시예들에 의하면, 요추 안정성과 관련된 모든 근육에 대해 낮은 부하를 인가함으로써 환자 스스로의 신체를 능동적으로 제어할 수 있게 하는 요추 안정화 운동 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 의하면 환자의 근육에 가해지는 외부 부하를 정밀하고 강건하게 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 의하면 운동 수행 중 환자의 척추 및 상하지에 가해지는 하중을 최소화할 수 있다.

물론, 이러한 효과에 의해 본 발명의 실시예들의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 사이드 브릿지 운동의 정역학적인 해석을 개략적으로 도시하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 요추 안정화 운동 장치를 도시하는 사시도이다.
도 3은 제1 서브 항중력 모듈을 측면에서 바라본 모습을 도시하는 측면도이다.
도 4는 도 3의 제1 서브 항중력 모듈의 작동을 단순화하여 도시하는 개념도이다.
도 5는 베이스 프레임을 상측에서 바라본 모습을 도시하는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 요추 안정화 운동 장치를 이용하여 수행할 수 있는 요추 안정화 운동 종류 형태를 개략적으로 도시하는 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

또한, 도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 요추 안정화 운동 장치(100)를 설명하기 이전에, 도 1을 참조하여 오추 안정화 운동 장치(100)의 원리에 대해 개략적으로 설명하기로 한다.

도 1은 사이드 브릿지 운동의 정역학적인 해석을 개략적으로 도시하는 개념도이다.

여기서, "사이드 브릿지 운동"은 요추 안정화를 위해 사용되는 다양한 운동 자세들 중 비교적 허리에 가해지는 부하(load)가 낮으며, 특히 척추에 부하가 걸리지 않아 널리 사용되는 "컬업(curl-up)(도 6의 (a)와 (d) 참조)", "사이드 브릿지(side-bridge)(도 6의 (b)와 (e) 참조)" 그리고 "버드독(bird-dog)(도 6의 (c)와 (f) 참조)" 중 하나 중 하나를 의미한다.

상세히, 상술한 세가지 운동 자세들은 척추 근육들의 강성(stiffness)을 증가시켜 요추 안정성 향상에 기여한다는 것이 기존의 연구들을 통해 확인된 사실이다. 이러한 세가지 자세들에 의해 요추 안정화 운동을 수행할 경우 서로 다른 특정 근육들을 자극시킬 수 있다.

예컨대, 컬업은 복직근(rectus abdiminis)을 주로 자극시킬 수 있다. 한편, 사이드 브릿지는 오방형근(quadrates lumborum), 외복사근(external oblique), 내복사근(internal oblique), 횡단 복부근(transverse abdominis)을 자극시킬 수 있다. 또한, 버드독은 다열근(multifidii), 흉부기립근(thoracic erector), 요추 기립근(lumbar erector)을 자극시킬 수 있다.

이러한 컬업, 사이드 브릿지 및 버드독 자세를 통해 자극시킬 수 있는 근육들은 허리의 국소 근육과 전역 근육 시스템의 대부분을 포괄하고 있으므로, 이러한 세가지 운동 자세만으로도 요부 안정화 운동을 충분히 수행할 수 있다. 이에 따라, 이하에서는 컬업, 사이드 브릿지 및 버드독 자세를 한데 일컬어 "빅3 자세"라고 정의하기로 한다.

다만, 빅3 자세들은 특정 환자들이 수행하기에는 어려울 수 있다. 즉, 빅3 자세들은 체중을 버티는 형태의 운동이므로, 상체와 하체에 충분한 힘을 가할 수 있는 신체적인 능력이 뒷받침되어야 하기 때문이다. 따라서, 근육이 약한 노인이나 과체중인 경우, 또는 장애로 인해 스스로 신체에 가해지는 힘을 제어하기 어려운 사람들은 빅3 자세로 요추 안정화 운동을 진행하기 어려운 문제점이 있다.

도 1을 참조하면, 신체(B)의 허리 조인트(참조부호 m_l의 위치)에 가해지는 토크(τ_lb)는 허리 조인트(m_l)로부터 상체 지지점(US) 까지의 거리 l과, 허리 조인트에서의 점 질량(m_l), 그리고 신체 링크들과 지면이 이루는 각도 θ에 의해 정의될 수 있다(하기 수학식 1 참조)

τ_lb=l·m_lg·cosθ (수학식 1)

또한, 척추(SS)에 가해지는 힘(F_ls)은 상체 링크가 가지고 있는 점 질량을 m_t라고 할 경우 하기 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.

F_ls=m_tg·sinθ (수학식 2)

상술한 수학식 1을 참조하면, 허리 조인트(m_l)에 가해지는 토크(τ_lb)를 최소화하기 위해서는, 허리 조인트(m_l)로부터 상체 지지점(m_t)까지의 거리(I)를 조절하는 방법이나, 신체 링크들과 지면이 이루는 각도(θ)를 90도에 가깝도록 조절하는 방법이 있을 수 있다. 하지만, 사람의 신체 구조는 각 사람마다 모두 다르므로 허리 조인트(ml)로부터 상체 지지점(mt)까지의 거리(l)를 조절하는 방법으로는 허리 조인트(m_l)에 가해지는 토크(τ_lb)를 세밀하게 제어할 수 없다. 한편, 신체 링크들과 지면이 이루는 각도(θ)를 90도에 가깝도록 조절할 경우 허리 조인트(m_l)에 가해지는 토크(τ_lb)를 줄일 수는 있으나, 수학식 2에서 확인할 수 있는 바와 같이 신체 링크들과 지면이 이루는 각도(θ)를 90도에 가깝도록 조절할 경우 척추(SS)에 가해지는 힘(F_ls)은 오히려 증가할 수 있다.

이러한 이유들 때문에, 허리 조인트(m_l)에 가해지는 토크(τ_lb)를 줄이기 위하여 허리 조인트(ml)에서 발생하는 중력(mlg)에 반대되는 힘, 즉 항중력(anti-gravity force)을 허리 조인트(m_l)에 가하는 방법을 고안해낼 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 요추 안정화 운동 장치(100)는 후술할 제1 서브 항중력 모듈(110)과 제2 서브 항중력 모듈(120), 더 상세하게는 탄성 액추에이터(113)(123)를 구비하여 이러한 항중력을 허리 조인트(m_l)에 가할 수 있다.

만약 이러한 항중력(F_anti-g)이 허리 조인트(mt)에 가해질 경우, 허리 조인트(mt)에 가해지는 토크(τ_lb)는 이하 수학식 3으로 정의될 수 있다.

τ_lb=l·(m_lg-F_anti _-g)·cosθ (수학식 3)

이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 요추 안정화 운동 장치(100)의 구성요소들과 그 결합관계에 대해 자세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 요추 안정화 운동 장치를 도시하는 사시도이고, 도 3은 제1 서브 항중력 모듈을 측면에서 바라본 모습을 도시하는 측면도이며, 도 4는 도 3의 제1 서브 항중력 모듈의 작동을 단순화하여 도시하는 개념도이고, 도 5는 베이스 프레임을 상측에서 바라본 모습을 도시하는 평면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 요추 안정화 운동 장치(100)는 신체에 항중력을 가하는 제1 서브 항중력 모듈(110)과 제2 서브 항중력 모듈(120) 및 제1 서브 항중력 모듈(110)과 제2 서브 항중력 모듈(120)을 지지하는 베이스 프레임(130)을 포함할 수 있다.

제1 서브 항중력 모듈(110)은 신체의 상체에 중력과 반대되는 방향으로 소정의 힘(항중력)을 가할 수 있다. 또한, 제2 서브 항중력 모듈(120)은 신체의 하체에 중력과 반대되는 방향으로 소정의 힘(항중력)을 가할 수 있다.

이러한 제1 서브 항중력 모듈(110)과 제2 서브 항중력 모듈(120)은 후술하겠으나 실질적으로 동일한 구성요소들을 포함할 수 있으며, 차이점은 각각 제1 회전판(131)과 제2 회전판(132)에 설치되어 각각 신체의 상체 또는 하체에 항중력을 가하는 점이다.

따라서, 이하에서는 설명의 편의를 위해 제1 서브 항중력 모듈(110)에 대해서만 설명하기로 하고, 제2 서브 항중력 모듈(120)에 대해서는 자세한 설명은 생략하되, 제1 서브 항중력 모듈(110)에 대한 구체적인 설명을 그대로 원용하기로 한다.

다만, 도면에서 제1 서브 항중력 모듈(110)을 이루는 구성요소들에 대해서는 예컨대 111, 112와 같이 참조부호를 정의하는 바, 제2 서브 항중력 모듈(120)을 이루는 구성요소들에 대해서는 121, 122와 같이 참조부호를 정의하기로 한다. 이때, 참조부호 111과 121이 지칭하는 구성요소는 동일하며, 112와 122가 지칭하는 구성요소 또한 동일함을 밝혀둔다.

구체적으로, 도 2 내지 도 4를 함께 참조하면, 제1 서브 항중력 모듈(110)은 상체를 지지하는 쿠션(111)과, 쿠션(111)을 지지하는 지지부(112)와, 쿠션(111)에 항중력을 가하는 탄성 액추에이터(113)와, 쿠션(111)과 지지부(112)를 연결하되 쿠션(111)의 회전 범위를 정의하는 구속링크(114)를 포함할 수 있다.

쿠션(111)은 요추 안정화 운동 시 상체가 뉘여지는 구성요소로써, 도 4에 도시된 바와 같이 수평회전축(R1)을 중심으로 회전 운동할 수 있다. 이러한 쿠션(111)의 회전 운동에 대해서는 이하에서 제1 서브 항중력 모듈(110)의 각 구성요소들을 모두 설명한 이후에 다시 상세하게 설명하기로 한다.

다음으로, 지지부(112)는 제1 회전판(131)에 회전 가능하도록 설치되는 수평지지부(112a)와, 제1 회전판(131)과 쿠션(111)을 연결하되 수평 방향을 따라 연장하는 수평회전축(R1)을 중심으로 쿠션(111)이 회전 가능하도록 쿠션(111)과 링크 결합되는 수직지지부(112b)와, 수평지지부(112a)와 수직지지부(112b)를 연결하는 연결지지부(112c)를 포함할 수 있다.

상세히, 수평지지부(112a)는 제1 수직회전축(도 2의 V1)을 수용하는 회전중심부(112a_1)를 포함할 수 있고, 수평지지부(112a)는 제1 수직회전축(V1)을 기준으로 회전하는 회전중심부(112a_1)를 따라 함께 제1 회전판(131)에 대해 회전할 수 있다.

또한, 탄성 액추에이터(113)는 제1 회전판(131)과 쿠션(111)을 연결하되, 쿠션(111)에 항중력을 가할 수 있다. 상세히, 도 3을 참조하면, 탄성 액추에이터(113)는 스크류축(SA)을 회전시키는 구동력을 제공하는 모터(113a)와, 스크류축(SA)의 외주면과 결합되어 스크류축(SA)을 따라 이동 가능하고, 쿠션(111)과 링크 결합(도 3의 R5 참조)되는 너트부재(113b)와, 너트부재(113b)에 설치되어 너트부재(113b)와 쿠션(111) 사이에 소정의 탄성력을 제공하는 탄성부재(113c)를 포함할 수 있다.

또한, 탄성 액추에이터(113)는 일단이 모터(113a)에 설치되고, 타단이 너트부재(113b)와 쿠션(111)의 링크 결합 위치(R5)에 인접하도록 설치되어 탄성 액추에이터(113)의 변위를 측정하는 제1 변위측정센서(113d)를 더 포함할 수 있다. 또한, 탄성 액추에이터(113)는 탄성부재(113c)에 설치되어 탄성부재(113c)의 변위를 측정하는 제2 변위측정센서(113e)를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 탄성 액추에이터(113)에서 생성되는 항중력은 쿠션(111)의 회전 운동에 의한 탄성 액추에이터(113)의 변위와 탄성부재(113c)의 변위를 제어함으로써 출력될 수 있다. 따라서, 제1 변위측정센서(113d)와 제2 변위측정센서(113e)에서 각각 측정되는 탄성 액추에이터(113)의 변위와 탄성부재(113c)의 변위에 대한 정보는 별도로 구비되는 제어부(미도시)에서 취합되어 다시 탄성 액추에이터(113)로 전달되어 탄성 액추에이터(113)가 출력하는 항중력에 반영될 수 있다.

구속링크(114)는 쿠션(111)과 연결지지부(112c)를 연결하되, 일단부가 쿠션(111)에 링크 결합(도 3의 R2 참조)되는 제1 링크(114a)와, 일단부가 연결지지부(112c)에 링크 결합(도 3의 R3 참조)되고 타단부가 제1 링크(114a)의 타단부에 링크 결합(도 3의 R4 참조)되는 제2 링크(114b)와, 일단부가 제1 링크(114a) 또는 제2 링크(114b)에 설치된 제1 고정축(F1)에 회전 가능하도록 연결되고, 타단부가 제1 링크(114a) 또는 제2 링크(114b)에 설치된 제2 고정축(F2)에 연결되되, 제2 고정축(F2)을 수용하여 제2 고정축(F2)에 자유도를 부여하는 가이드홀(GH)이 형성된 제3 링크를 포함할 수 있다.

여기서, 제1 고정축(F1)과 제2 고정축(F2)이 각각 제1 링크(114a) 또는 제2 링크(114b)에 설치될 수 있다는 것은, 만약 도 3에 도시된 바대로 제1 고정축(F1)이 제1 링크(114a)에 형성될 경우 제2 고정축(F2)은 제2 링크(114b)에 형성될 수 있으며, 반대로 도면에 도시되지는 않았으나 제1 고정축(F1)이 제2 링크(114b)에 형성될 경우 제2 고정축(F2)은 제1 링크(114a)에 형성될 수 있음을 의미한다.

여기서, 가이드홀(GH)은 제2 고정축(F2)이 형성된 위치에 형성되므로, 도 3은 가이드홀(GH)이 제2 링크(114b) 측에 형성된 모습을 나타내나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 제2 고정축(F2)이 제1 링크(114a)에 형성될 경우 가이드홀(GH)은 제1 링크(114a)에 형성될 수도 있다. 다만, 이하에서는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 고정축(F1)은 제1 링크(114a)에 형성되고, 제2 고정축(F2)은 제2 링크(114b)에 형성되며, 제3 링크(114c)의 가이드홀(GH)은 제2 링크(114b) 측에 형성된 경우를 중심으로 설명하기로 한다.

상세히, 도 4를 참조하면, 제2 고정축(F2)은 가이드홀(GH) 내에서 제1 위치(P1)와 제2 위치(P2) 사이에서 이동가능하다. 예컨대, 제2 고정축(F2)이 제1 위치(P1)에 배치되는 경우(도 (a), (b) 참조), 쿠션(111)은 신체의 상체를 수평 방향으로 지지할 수 있다. 한편, 제2 고정축(F2)이 제2 위치(P2)에 배치되는 경우(도 4(b) 참조), 쿠션(111)은 쿠션(111)과 수직지지부(112b)가 링크 결합되는 위치, 즉 수평회전축(R1)을 중심으로 베이스 프레임(130) 측으로 소정 각도 회전(θ_min> θ_max)할 수 있다.

도 4(b)를 참조하면, 상술한 바와 같이 제2 고정축(F2)이 제2 위치(P2)에 배치될 경우, 즉 쿠션(111)이 수평회전축(R1)을 중심으로 베이스 프레임(130) 측으로 소정 각도 회전(θ_min> θ_max)할 경우, 신체에 의해 쿠션(111)에 가해지는 중력을 F_ext라고 할 경우, 탄성 액추에이터(113)에서 쿠션(111)으로 가하는 항중력은 F_SEA로 정의할 수 있다.

이는, 구속링크(114)가 쿠션(111)의 회전 범위를 제한시키는 기능을 갖고 있음을 의미한다. 즉, 구속링크(114)는 쿠션(111)의 회전 범위를 θ_min에서 θ_max 사이로 제한할 수 있다.

또한, 구속링크(114)의 존재로 인해, 탄성 액추에이터(113)의 탄성부재(113c) 고유의 강성(stiffness)을 능가하는 강성을 구현할 수 있다. 예컨대, 신체의 무게로 인해 쿠션(111)에 가해지는 외력(F_ext)보다 탄성 액추에이터(113)가 쿠션(111)에 가하는 항중력(F_SEA)이 클 경우, 쿠션(111)은 일종의 강체로 기능할 수 있으나, 외력(F_ext)이 탄성 액추에이터(113)에 의해 출력 가능한 항중력(F_SEA)을 초과할 경우에는 쿠션(111)의 회전 운동을 제한할 수 없을 수도 있다.

하지만, 구속링크(114)의 존재로 인해, 외력(F_ext)이 탄성 액추에이터(113)에 의해 출력 가능한 항중력(F_SEA)을 초과할 경우에도 쿠션(111)의 회전 범위를 θ_min에서 θ_max사이로 제한할 수 있다.

따라서, 상기와 같이 구성된 요추 안정화 운동 장치(100)에 의하면, 탄성 액추에이터(113)와 구속링크(114)를 통해 쿠션(111)에 가해지는 항중력(F_anti-g)을 제어할 수 있으며, 이러한 항중력(F_anti-g)이 가해지는 쿠션(111)에 환자의 허리 조인트(미도시)를 위치시킬 경우 환자의 허리 조인트에 가해지는 토크(도 1의 τ_lb 참조)를 제어할 수 있다.

이에 따라, 요추 안정성과 관련된 환자의 특정 근육에 대해 중력보다 낮은 부하(중력에서 항중력을 뺀 나머지 부하)를 인가할 수 있으며, 이는 환자 스스로의 신체를 능동적으로, 정밀하게 제어할 수 있도록 해준다. 따라서, 결과적으로 본 발명의 실시예에 따른 요추 안정화 운동 장치에 따르면 요추 안정화 운동 중 환자의 척추 및 상하지에 가해지는 하중을 최소화하여, 안전하고 효과적인 요추 안정화 운동을 구현할 수 있다.

다음으로, 도 5를 참조하면, 베이스 프레임(130)은 제1 서브 항중력 모듈(110)을 수직 방향을 따라 연장하는 제1 수직회전축(V)을 중심으로 회전 가능하도록 지지하는 제1 회전판(131)과, 제2 서브 항중력 모듈(120)을 수직 방향을 따라 연장하는 제2 수직회전축(V2)을 중심으로 회전 가능하도록 지지하는 제2 회전판(132)과, 제1 회전판(131)과 제2 회전판(132)을 각각 수평 방향으로 이동 가능하도록 지지하는 가이드(133)를 포함할 수 있다.

상세히, 제1 회전판(131)은 제1 수직회전축(V1)을 중심으로 방사 방향을 따라 일정한 간격으로 이격되어 형성되는 복수개의 고정결합공(131a)을 포함하고, 수평지지부(112a)는 복수개의 고정결합공(131a)에 대응하는 회전결합공(RH)을 구비하는 회전결합부(112a_2)와, 회전결합부(112a_2)와 고정결합공(131a)에 삽입되어 제1 회전판(131)에 대한 수평지지부(112a)의 회전을 제한하는 회전고정핀(112a_3)을 포함할 수 있다.

또한, 제1 회전판(131)은 가이드 (133)의 측면에 형성되는 레일(133a)을 수용하는 수평가이드부(131b)를 포함하고, 수평가이드부(131b)는 레일(133a)을 따라 수평 이동 가능하도록 형성될 수 있다.

여기서, 제2 회전판(132)은 상술한 제1 회전판(131)의 각각의 구성요소들과 동일한 구성요소들을 포함할 수 있으며, 다만 제2 회전판(132)은 제2 서브 항중력 모듈(120)과 결합한다는 차이점이 있다. 따라서, 이하에서는 제2 회전판(132)에 대한 자세한 설명은 생략하기로 하고, 제1 회전판(131)의 각 구성요소들에 대한 설명을 그대로 원용하기로 한다.

예컨대, 제2 회전판(132)은 고정결합공(132a)과 수평가이드부(132b)를 포함할 수 있으며, 이러한 고정결합공(132a)과 수평가이드부(132b)는 제1 회전판(131)의 고정결합공(131a)과 수평가이드부(131b)와 동일한 구조를 가지며, 또한 이에 대응하는 제2 서브 항중력 모듈(120)의 수평지지부(122a)는 상술한 바와 같이 회전결합부(122a_2)와, 회전고정핀(122a_3)을 포함할 수 있다.

또한, 가이드(133)는 복수개의 롤러(133a)를 구비할 수 있으며, 이러한 복수개의 롤러(133a)는 베이스 프레임(130)을 지면 상에서 이동 가능하도록 지지할 수 있다. 이와 같은 구조에 따라, 요추 안정화 운동 장치(100)는 롤러(133a)를 통해 용이하게 운반이 가능하다.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 요추 안정화 운동 장치 113d, 123d: 제1 변위측정센서
110, 120: 제1 서브 항중력 모듈 113e, 123e: 제2 변위측정센서
111, 121: 쿠션 114, 124: 구속링크
112, 122: 지지부 114a, 124a: 제1 링크
112a, 122a: 수평지지부 114b, 124b: 제2 링크
112a_1, 122a_1: 회전중심부 114c, 124c: 제3 링크
112a_2, 122a_2: 회전결합부 130: 베이스 프레임
112a_3, 122a_3: 회전고정핀 131: 제1 회전판
112b, 122b: 수직지지부 131a, 132a: 고정결합공
112c, 122c: 연결지지부 131b, 132b: 수평가이드부
113, 123: 탄성 액추에이터 132: 제2 회전판
113a, 123a: 모터 133: 가이드
113b, 123b: 너트부재 133a: 롤러
113c, 123c: 탄성부재

Claims

신체의 상체에 중력과 반대되는 방향으로 소정의 힘을 가하는 제1 서브 항중력 모듈;
상기 제1 서브 항중력 모듈을 수직 방향을 따라 연장하는 제1 수직회전축을 중심으로 회전 가능하도록 지지하는 제1 회전판을 포함하는 베이스 프레임;을 포함하는, 요추 안정화 운동 장치.
제1 항에 있어서,
신체의 하체에 중력과 반대되는 방향으로 소정의 힘을 가하는 제2 서브 항중력 모듈을 더 포함하며,
상기 베이스 프레임은, 상기 제2 서브 항중력 모듈을 수직 방향을 따라 연장하는 제2 수직회전축을 중심으로 회전 가능하도록 지지하는 제2 회전판을 포함하는, 요추 안정화 운동 장치.
제2 항에 있어서,
상기 베이스 프레임은, 상기 제1 회전판과 상기 제2 회전판 각각을 수평 방향으로 이동 가능하도록 지지하는 가이드를 포함하는, 요추 안정화 운동 장치.
제2 항에 있어서,
상기 제1 서브 항중력 모듈 또는 상기 제2 서브 항중력 모듈은,
신체의 상체 또는 하체를 지지하는 쿠션과,
상기 제1 회전판 또는 상기 제2 회전판에 회전 가능하도록 설치되는 수평지지부와, 상기 제1 회전판 또는 상기 제2 회전판과 상기 쿠션을 연결하되 수평 방향을 따라 연장하는 수평회전축을 중심으로 상기 쿠션이 회전 가능하도록 상기 쿠션과 링크 결합되는 수직지지부와, 상기 수평지지부와 상기 수직지지부를 연결하는 연결지지부를 포함하는 지지부와,
상기 제1 회전판 또는 상기 제2 회전판과 상기 쿠션을 연결하되, 상기 쿠션에 항중력(anti-gravity)을 가하는 탄성 액추에이터를 포함하는, 요추 안정화 운동 장치.
제4 항에 있어서,
상기 제1 서브 항중력 모듈 또는 상기 제2 서브 항중력 모듈은,
상기 쿠션과 상기 연결지지부를 연결하되, 일단부가 상기 쿠션에 링크 결합되는 제1 링크와, 일단부가 상기 연결지지부에 링크 결합되고 타단부가 상기 제1 링크의 타탄부에 링크 결합되는 제2 링크와, 일단부가 상기 제1 링크 또는 상기 제2 링크에 설치된 제1 고정축에 회전 가능하도록 연결되고, 타단부가 상기 제1 링크 또는 상기 제2 링크에 설치된 제2 고정축에 연결되되, 상기 제2 고정축을 수용하여 상기 제2 고정축에 자유도를 부여하는 가이드홀이 형성된 제3 링크를 포함하는 구속링크를 포함하는, 요추 안정화 운동 장치.
제4 항에 있어서,
상기 수평지지부는 상기 제1 수직회전축 또는 상기 제2 수직회전축을 수용하는 회전중심부를 포함하고,
상기 수평지지부는 상기 제1 수직회전축 또는 상기 제2 수직회전축을 기준으로 회전하는 상기 회전중심부를 따라 함께 상기 제1 회전판 또는 상기 제2 회전판에 대해 회전하는, 요추 안정화 운동 장치.
제4 항에 있어서,
상기 제1 회전판 또는 상기 제2 회전판은,
상기 제1 수직회전축 또는 상기 제2 수직회전축을 중심으로 방사 방향을 따라 일정한 간격으로 이격되어 형성되는 복수개의 고정결합공을 포함하고,
상기 수평지지부는 상기 복수개의 고정결합공에 대응하는 회전결합공을 구비하는 회전결합부와, 상기 회전결합부와 상기 고정결합공에 삽입되어 상기 제1 회전판 또는 상기 제2 회전판에 대한 상기 수평지지부의 회전을 제한하는 회전고정핀을 포함하는, 요추 안정화 운동 장치.
제4 항에 있어서,
상기 탄성 액추에이터는,
스크류축을 회전시키는 구동력을 제공하는 모터와,
상기 스크류축의 외주면과 결합되어 상기 스크류축을 따라 이동 가능하고, 상기 쿠션과 링크 결합되는 너트부재와,
상기 너트부재에 설치되어 상기 너트부재와 상기 쿠션 사이에 소정의 탄성력을 제공하는 탄성부재를 포함하는, 요추 안정화 운동 장치.
제8 항에 있어서,
상기 탄성 액추에이터는 일단이 상기 모터에 설치되고, 타단이 상기 너트부재와 상기 쿠션의 링크 결합 위치에 인접하도록 설치되어 상기 탄성 액추에이터의 변위를 측정하는 제1 변위측정센서를 더 포함하는, 요추 안정화 운동 장치.
제8 항에 있어서,
상기 탄성 액추에이터는 상기 탄성부재에 설치되어 상기 탄성부재의 변위를 측정하는 제2 변위측정센서를 더 포함하는, 요추 안정화 운동 장치.
제4 항에 있어서,
상기 제2 고정축은 상기 가이드홀 내에서 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동 가능하며,
상기 제2 고정축이 상기 제1 위치에 배치되는 경우, 상기 쿠션은 신체의 상체 또는 하체를 수평 방향으로 지지하고,
상기 제2 고정축이 상기 제2 위치에 배치되는 경우, 상기 쿠션은 상기 쿠션과 상기 수직지지부가 링크 결합되는 위치를 중심으로 상기 베이스 프레임 측으로 소정 각도 회전하는, 요추 안정화 운동 장치.
제3 항에 있어서,
상기 제1 회전판 또는 상기 제2 회전판은 상기 가이드의 측면에 형성된 레일을 수용하는 수평가이드부를 포함하고,
상기 수평가이드부는 상기 레일을 따라 수평 이동 가능하도록 형성되는, 요추 안정화 운동 장치.
제3 항에 있어서,
상기 가이드는 복수개의 롤러를 포함하고,
상기 복수개의 롤러는 상기 베이스 프레임을 지면 상에서 이동 가능하도록 지지하는, 요추 안정화 운동 장치.