JP3933630B2 - Exercise therapy equipment - Google Patents
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Description
この発明は運動療法装置に関し、特に、例えばスポーツ選手や整形外科術後患者並びに脳血管障害患者などが運動療法を行う際に用いるエルゴバイク等から構成された運動療法装置に関するものである。 The present invention relates to an exercise therapy apparatus, and more particularly, to an exercise therapy apparatus constituted by, for example, an ergobike used when an athlete, a post-orthopedic patient, a cerebrovascular disorder patient, and the like perform exercise therapy.
図4は、従来の運動療法装置を示す構成図である。図4に示すように、従来の運動療法装置は、運動者(ユーザ)が足で踏むためのペダル2に結合したプーリー1、プーリー1とモータ7との間に設けられたプーリー3、プーリー1とプーリー3にかけられたベルト4、プーリー3と同軸に併設されたプーリー5、プーリー5とモータ7にかけられたベルト6、プーリー1および5に取り付けられたマグネット8および9、マグネット8および9を検知するホール素子10および11、ホール素子10および11からの信号を入力し、プーリー1とプーリー5との回転数を算出するコンピュータ12、および、このコンピュータ12からの回転数に基づいてモータ7の負荷を制御する負荷制御装置13から構成されている。
FIG. 4 is a block diagram showing a conventional exercise therapy apparatus. As shown in FIG. 4, the conventional exercise therapy apparatus includes a
次に動作について説明する。ペダル2の回転数はこのプーリー1とプーリー3にかけられたベルト4によってプーリー5に伝えられて増速され、更にベルト6によりモータ7に伝えられる。プーリー1とプーリー5の1回転毎にホール素子10,11よりパルスがコンピュータ12に出力される。そして、このコンピュータ12はこのパルスの数を算出した後、負荷制御装置13に出力する。負荷制御装置13ではこのパルスの数に基づいて回転数を決定し、モータ7の負荷を制御する。
Next, the operation will be described. The rotation speed of the
従来の運動療法装置は以上のように構成されているので、運動者のペダル2を踏む脚伸展力の大きさを測定する場合、運動者の動きによってペダル2の回転軸に発生する軸トルクと回転角度位置の関係を測定する事はできたが、ペダル2の回転角度によって変化する運動者の脚伸展方向の脚力を測定する事はできなかった。
Since the conventional exercise therapy apparatus is configured as described above, when measuring the magnitude of the leg extension force of stepping on the exerciser's
したがって、筋力(例えば、大腿四頭筋および股関節伸筋群)の低下が著しい運動者または運動麻痺を有している脳障害による身体障害者または高齢者が運動療法を行う際には、運動者が真に発生している脚伸展力をペダル回転運動の軸トルクを測定する事では評価する事ができなかった。 Therefore, when an exerciser who has a marked decrease in muscle strength (for example, quadriceps and hip extensors), a disabled person due to a brain disorder who has movement paralysis, or an elderly person performs exercise therapy, It was not possible to evaluate the leg extension force that is actually generated by measuring the axial torque of the pedal rotation.
このため、身体障害者または高齢者などの筋力の低下した運動者や、一般の運動者の脚伸展力を定量的に、しかもペダル2の様々な回転角度で、運動者が発生している脚伸展力を把握する事ができないという問題点があった。
For this reason, the leg which the exerciser generate | occur | produces at various rotation angles of the
この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、ペダルの回転角度によって変化する運動者の脚伸展力を定量的に把握できる運動療法装置を得る事を目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to obtain an exercise therapy apparatus that can quantitatively grasp the leg extension force of an exerciser that changes depending on the rotation angle of the pedal.
この発明は、運動者がペダルに荷重を加えることによって、当該ペダルをペダル回転軸を中心にして回転駆動させる運動療法装置であって、上記ペダル回転軸のペダル角度とペダル軸トルクとを計測するペダル軸トルク計測手段と、上記ペダルにかかる荷重として、上記ペダル回転軸のペダル角度毎に、上記ペダル軸トルク計測手段により得られた上記ペダル軸トルクから、大転子方向脚力および膝関節方向脚力からなる脚伸展力を演算するペダル荷重演算手段と、上記ペダル荷重演算手段により得られた上記ペダルにかかる荷重を表示する表示手段とを備えたことを特徴とする運動療法装置である。 The present invention relates to an exercise therapy device in which an exerciser applies a load to a pedal to rotate the pedal about a pedal rotation axis, and measures the pedal angle and pedal shaft torque of the pedal rotation axis. a pedal shaft torque measuring means, a load applied to the pedal, for each pedal angle of the pedal rotation axis, from the pedal shaft torque obtained by said pedal shaft torque measurement means, the greater trochanter direction leg strength and knee directions leg strength And a display means for displaying the load applied to the pedal obtained by the pedal load calculating means.
この発明は、運動者がペダルに荷重を加えることによって、当該ペダルをペダル回転軸を中心にして回転駆動させる運動療法装置であって、上記ペダル回転軸のペダル角度とペダル軸トルクとを計測するペダル軸トルク計測手段と、上記ペダルにかかる荷重として、上記ペダル回転軸のペダル角度毎に、上記ペダル軸トルク計測手段により得られた上記ペダル軸トルクから、大転子方向脚力および膝関節方向脚力からなる脚伸展力を演算するペダル荷重演算手段と、上記ペダル荷重演算手段により得られた上記ペダルにかかる荷重を表示する表示手段とを備えたことを特徴とする運動療法装置であるので、ペダルの回転角度によって変化する運動者の脚伸展力を定量的に把握できる。
The present invention relates to an exercise therapy device in which an exerciser applies a load to a pedal to rotate the pedal about a pedal rotation axis, and measures the pedal angle and pedal shaft torque of the pedal rotation axis. a pedal shaft torque measuring means, a load applied to the pedal, for each pedal angle of the pedal rotation axis, from the pedal shaft torque obtained by said pedal shaft torque measurement means, the greater trochanter direction leg strength and knee directions leg strength A pedal load calculating means for calculating a leg extension force, and a display means for displaying a load applied to the pedal obtained by the pedal load calculating means. It is possible to quantitatively grasp the leg extension force of an exerciser that changes depending on the rotation angle.
この発明は、特に、例えばスポーツ選手や整形外科術後患者並びに脳血管障害患者などの種々の運動者が運動療法を行う際のペダルを踏む脚伸展力の大きさを評価する場合に、ペダルに架かる荷重をベクトル計算により分析する運動療法装置である。 The present invention is particularly useful when evaluating the magnitude of leg extension force on the pedal when various athletes such as athletes, post-orthopedic surgery patients, and patients with cerebrovascular disorders perform exercise therapy. This is an exercise therapy device that analyzes the load applied by vector calculation.
以下に、この発明の実施の一形態を説明する。 An embodiment of the present invention will be described below.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による運動療法装置の全体構成を示すブロック図である。この発明に係る運動療法装置は、自転車型の健康器であり、ハンドル、サドル、ペダル、スタンドから構成されている(なお、図1においては、ハンドル、サドルおよびスタンドは図示を省略している。)。運動者がペダル21に荷重を加えることによって、当該ペダル21をペダル回転軸22aを中心にした回転運動させて用いる運動療法装置である。
1 is a block diagram showing the overall configuration of an exercise therapy apparatus according to
図1に示すように、ペダル軸プーリー22には、1対のペダル21がペダル回転軸22aにより回転自在に設けられている。ペダル軸プーリー22および負荷側プーリー24に掛け回されたベルト23を介して、ペダル21の回転運動がペダル軸プーリー22から負荷側プーリー24に伝達される。負荷側プーリー24には負荷モータ25が結合されているため、当該回転運動は、さらに、負荷モータ25に伝えられる。負荷モータ25の反負荷側(負荷側プーリー24と反対側)には、位置検出器26が接続されている。位置検出器26の検出出力は、位置検出回路27を介して、コンピュータ29に入力される。コンピュータ29により、上記位置検出回路27の位置検出出力の微分計算結果が速度情報として得られ、当該速度情報がコンピュータ29に予め設定された一定の速度設定値になるように、負荷制御装置28に負荷指令を送り、負荷制御装置28が当該負荷指令に基づいて負荷モータ25に負荷設定値を出力する構成としている。30は、液晶ディスプレイ等のディスプレイ装置等から構成されて、コンピュータ29からの表示情報を表示する表示器である。このように、コンピュータ29、負荷制御装置28および負荷モータ25は、一定の速度設定値が設定されて、当該速度設定値に基づく一定速度でペダル21が回転するように制御する制御手段を構成している。
As shown in FIG. 1, a pair of
次に動作について説明する。
まず、運動者の筋力を測定するため、一定の速度設定値をコンピュータ29に設定する。本実施の形態においては、位置検出回路27の位置検出出力を微分演算して得られる速度情報が常に一定になるように負荷制御装置28から負荷設定値が負荷モータ25に出力されるように構成されている為、運動者が出し得る最大筋力でペダル21を回転させようとすると、負荷モータ25の回転速度は、コンピュータ29に設定された上記速度設定値に制限され、一方、逆に、運動者の最大筋力が低下するペダル角度では、上記速度情報が低下するので、負荷モータ25に出力される負荷設定値が低くなる。この結果としてペダル21は一定速度で回転する。
Next, the operation will be described.
First, a constant speed setting value is set in the
上記条件で回転中のコンピュータ29の負荷指令値(ペダル軸トルク)とペダル回転角度との関係を図2に示す。図2において、横軸がペダル回転角度、縦軸がペダル軸トルクとして、波形100は、上記動作によるコンピュータ29の負荷指令から得られる脚伸展力測定データを示している。なお、位置検出器26、位置検出回路27およびコンピュータ29は、上記ペダル回転軸のペダル角度とペダル軸トルクとを計測するペダル軸トルク計測手段を構成している。
FIG. 2 shows the relationship between the load command value (pedal shaft torque) of the
本実施の形態においては、波形100の上記脚伸展力測定データに対して、以下に示す(3)式で示すFθとF1の変換係数(大転子方向)、又は、(6)式で示すFθとF2の変換係数(膝関節方向)を掛けたものを、運動者の脚伸展方向の脚伸展力としてコンピュータ29から表示器30に表示する機能を有している。図2において、波形200は、変換係数を掛けた大転子方向の脚伸展力F1の例を示している。
In the present embodiment, the transformation coefficient (greater trochanter direction) of F θ and F 1 shown in the following equation (3) or the equation (6) with respect to the leg extension force measurement data of the waveform 100: and those multiplied by a conversion factor F theta and F 2 shown in (knee direction), and has a function of displaying on the
なお、表示器30は、ペダル21にかかる荷重(すなわち、大転子方向脚力F1および膝関節方向脚力F2)を表示する表示手段を構成している。
The
図3に、この発明の実施の形態1による脚伸展力の演算の図を示す。
上記脚伸展力測定データから脚伸展力を演算する為の換算係数を求める方法を以下に示す。
FIG. 3 shows a diagram of calculation of leg extension force according to the first embodiment of the present invention.
A method for obtaining a conversion coefficient for calculating the leg extension force from the leg extension force measurement data will be described below.
図3における主要な点を以下に示す。
A点:人体の大転子
B点:人体の膝関節点
C点:人体の足関節点(腓骨外果点)
D点:ペダル回転中心
The main points in FIG. 3 are shown below.
Point A: Greater trochanter of the human body Point B: Human knee joint point C point: Human foot joint point (external bone radius)
Point D: Pedal rotation center
図3において、記号の説明は以下による。
Fθ:ペダル軸接線方向脚力
T:ペダル軸トルク
F1:大転子方向脚力
F2:膝関節方向脚力
θ:ペダルクランク角度
r:ペダルクランク回転半径
l:膝関節点−足関節点間長さ
R:大転子−膝関節点間長さ
x:大転子A点よりペダル回転中心D点までの水平距離
y:大転子A点よりペダル回転中心D点までの垂直距離
In FIG. 3, the symbols are explained as follows.
F θ : pedal shaft tangential leg force T: pedal shaft torque F 1 : greater trochanter direction leg force F 2 : knee joint direction leg force θ: pedal crank angle r: pedal crank rotation radius l: length between knee joint point and ankle joint point R: Length between the greater trochanter and knee joint point x: Horizontal distance from greater trochanter A point to pedal rotation center D point y: Vertical distance from greater trochanter A point to pedal rotation center D point
以上のように記号を付けた図3において、以下の関係式が成り立つ。
軸トルクTとペダル軸接線方向脚力の関係は、
Fθ・r=T ・・・(1)
In FIG. 3 with the symbols as described above, the following relational expression holds.
The relationship between the shaft torque T and the pedal shaft tangential leg force is
F θ · r = T (1)
図3の関係より、大転子方向脚力F1は、
Fθ/F1=sin(α+θ)より
F1=Fθ/sin(α+θ)
となる。
From the relationship of FIG. 3, the greater trochanter direction leg force F 1 is
From F θ / F 1 = sin (α + θ), F 1 = F θ / sin (α + θ)
It becomes.
一方、図3より
α=tan−1((y−r・sinθ)/(x+r・cosθ))・・・(2)
従って
F1=Fθ/sin(tan−1((y−r・sinθ)/(x+r・cosθ))+θ)・・・(3)
On the other hand, from FIG. 3, α = tan −1 ((y−r · sin θ) / (x + r · cos θ)) (2)
Therefore, F 1 = F θ / sin (tan −1 ((y−r · sin θ) / (x + r · cos θ)) + θ) (3)
図3の関係より、膝関節方向脚力F2は、以下により求める事ができる。
三角形ACGについて
L2=(x+r・cosθ)2+(y−r・sinθ)2より
L=((x+r・cosθ)2+(y−r・sinθ)2)1/2・・・(4)
となる。
From the relation of FIG. 3, the knee joint direction leg strength F 2 can be determined by the following.
About the triangle ACG L 2 = (x + r · cos θ) 2 + (y−r · sin θ) 2 L = ((x + r · cos θ) 2 + (y−r · sin θ) 2 ) 1/2 (4)
It becomes.
一方、三角形ABCについて
R2=L2+l2−2L・l・cosβより
β=cos−1((R2−(L2+l2))/−2L・l)・・・(5)
となる。
On the other hand, with respect to the triangle ABC, R 2 = L 2 + l 2 −2L·l · cos β, β = cos −1 ((R 2 − (L 2 + l 2 )) / − 2L·l) (5)
It becomes.
上記(4)式および(5)式を使用し、図3より、ペダル軸接線方向脚力Fθと膝関節方向脚力F2は以下の関係が有るので、F2は(6)式のように求められる。
Fθ/F2=sin(α+β+θ)
F2=Fθ/sin(α+β+θ)・・・(6)
ただし、α、βは(2)、(4)、(5)式による。
(4) and (5) using the formula, from FIG. 3, the pedal shaft tangential leg strength F theta and knee joint direction leg strength F 2 the following relationship exists, F 2 is as in (6) Desired.
F θ / F 2 = sin (α + β + θ)
F 2 = F θ / sin (α + β + θ) (6)
However, (alpha) and (beta) are based on (2), (4), (5) Formula.
このようにして、コンピュータ29は、大転子方向脚力F1および膝関節方向脚力F2をペダル軸トルクTより演算して求めるので、ペダルにかかる荷重(すなわち、大転子方向脚力F1および膝関節方向脚力F2)をペダル回転軸のペダル角度毎に、ペダル軸トルクからベクトル計算により演算するペダル荷重演算手段を構成している。また、このようにして求めたペダルにかかる荷重(すなわち、大転子方向脚力F1および膝関節方向脚力F2)は表示手段である表示器30により画面表示される。
In this way, the
以上のように、本実施の形態1に係る運動療法装置によれば、運動者のペダル軸トルクTから脚伸展力を、大転子方向の脚伸展力および膝関節方向の脚伸展力にベクトル分析して、上記演算結果により評価する事ができるため、ペダルの回転角度によって変化する運動者の脚伸展力を定量的に把握でき、運動者の運動機能の回復評価及び脚伸展力の定量的な評価が正確にできるという効果が得られる。 As described above, according to the exercise therapy apparatus according to the first embodiment, the leg extension force is calculated from the pedal shaft torque T of the exerciser to the leg extension force in the greater trochanter direction and the leg extension force in the knee joint direction. Since it can be analyzed and evaluated based on the above calculation results, it is possible to quantitatively grasp the exerciser's leg extension force that changes according to the rotation angle of the pedal, and to evaluate the recovery of the exercise function of the exerciser and quantitatively determine the leg extension force. The effect that accurate evaluation can be performed is obtained.
この発明によれば、運動療法時において、運動者の負荷設定値(速度設定値)を運動者の発揮できる脚伸展力に合わせて広範囲に設定できるので、運動者が無理なく運動できるという効果が得られる。すなわち、運動療法時において運動者の脚伸展力の大きさに合わせて、すなわち、運動者が筋力の大きなスポーツ選手であって、運動負荷装置として本発明の装置を使用する場合は、負荷設定を大きな設定値で使用する。逆に、運動者が荷重制限のある整形外科術後患者等の場合は、脚伸展力方向の荷重制限値を正確に設定することができ、並びに脳血管障害者などの脚伸展力の低い患者が運動療法を行う際には、負荷設定の小さな設定値で脚伸展力を設定できる。 According to the present invention, during exercise therapy, the exerciser's load setting value (speed setting value) can be set in a wide range according to the leg extension force that the exerciser can exert, so that the exerciser can exercise without difficulty. can get. That is, according to the size of the exerciser's leg extension force at the time of exercise therapy, that is, when the exerciser is an athlete with great muscle strength and uses the device of the present invention as an exercise load device, the load setting is performed. Use a large setting. Conversely, if the exerciser is a post- orthopedic patient with a load limit, the load limit value in the leg extension force direction can be set accurately, and the patient has a low leg extension force, such as a cerebrovascular disorder person When performing exercise therapy, the leg extension force can be set with a small load setting.
この発明によれば、一人の運動者の様々な筋の運動の負荷設定(速度設定値の設定)をする場合にも、広範囲の負荷設定ができるので、様々な筋の運動を無理なくできるという効果がある。 According to the present invention, even when setting a load of various muscle movements (setting a speed setting value) of a single exerciser, a wide range of load settings can be performed, so that various muscle movements can be performed without difficulty. effective.
この発明では、エルゴバイクでの演算したペダルにかかる荷重を基に、一定の速度設定値をペダル角度毎に自由に設定可能とする事により、運動者が広範囲の速度設定値で運動療法を実施できる効果が得られる。 According to the present invention, an exerciser performs exercise therapy with a wide range of speed setting values by making it possible to freely set a constant speed setting value for each pedal angle based on the load applied to the pedal calculated by the Ergo bike. The effect that can be obtained.
この発明では、ペダルに直接加わる運動者の脚伸展力をペダルの圧力センサーなどを使用することなく推定できる事により、安価に脚伸展力を測定する装置が構成できる。 In this invention, since the leg extension force of the exerciser directly applied to the pedal can be estimated without using a pedal pressure sensor or the like, an apparatus for measuring the leg extension force at low cost can be configured.
この発明では、ペダルのクランク軸の位置検出器のみで構成した事例を説明したが、運動者が直接踏み込むペダル部分の角度検出器を設けることにより、更に正確なペダルに架かる垂直方向他の脚伸展力を把握できる事は言うまでもない。 In the present invention, an example in which only the crankshaft position detector of the pedal is configured has been described. However, by providing an angle detector of the pedal portion that the athlete directly steps on, more accurate extension of the other legs in the vertical direction on the pedal is achieved. It goes without saying that you can grasp the power.
21 ペダル、22 ペダル軸プーリー、23 ベルト、24 負荷軸プーリー、25 負荷モータ、26 位置検出器、27 位置検出回路、28 負荷制御装置、29 コンピュータ。 21 pedal, 22 pedal shaft pulley, 23 belt, 24 load shaft pulley, 25 load motor, 26 position detector, 27 position detection circuit, 28 load control device, 29 computer.
Claims (2)
上記ペダル回転軸のペダル角度とペダル軸トルクとを計測するペダル軸トルク計測手段と、
上記ペダルにかかる荷重として、上記ペダル回転軸のペダル角度毎に、上記ペダル軸トルク計測手段により得られた上記ペダル軸トルクから、大転子方向脚力および膝関節方向脚力からなる脚伸展力を演算するペダル荷重演算手段と、
上記ペダル荷重演算手段により得られた上記ペダルにかかる荷重を表示する表示手段と
を備えたことを特徴とする運動療法装置。 An exercise therapy device in which an exerciser applies a load to a pedal to rotate the pedal around a pedal rotation axis,
Pedal shaft torque measuring means for measuring the pedal angle and pedal shaft torque of the pedal rotation shaft;
As load applied to the pedal, for each pedal angle of the pedal rotation axis, said from the pedal shaft torque obtained by said pedal shaft torque measuring means, calculating a leg extension force consisting of the greater trochanter direction leg strength and knee directions leg strength a pedal load calculating means for,
An exercise therapy apparatus comprising: display means for displaying a load applied to the pedal obtained by the pedal load calculating means.
上記速度設定値は、上記ペダル荷重演算手段により得られた上記ペダルにかかる荷重に基づいて上記ペダル回転軸のペダル角度毎に設定される
ことを特徴とする請求項1に記載の運動療法装置。 A control means for controlling the pedal to rotate at a constant speed based on the speed setting value when a constant speed setting value is set;
The exercise therapy device according to claim 1, wherein the speed setting value is set for each pedal angle of the pedal rotation shaft based on a load applied to the pedal obtained by the pedal load calculating means.
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