CN100540096C - 腿部训练设备 - Google Patents

Abstract

一种腿部训练设备，具有：固定在适当位置的基部；被构造成支撑使用者身体一部分的支撑部分；以及设置在基部与支撑部分之间的连接机构。该连接机构将支撑部分与基部可动地连接，使得由于使用者自重而作用至腿部的负载随使用者脚位置和重心位置之间的相对位移而变化。另外，该连接机构对支撑部分的移动方向进行限制，使得至少当作用至腿部的负载增加时，脚位置和重心位置之间的相对位移方向基本上被限制在膝关节弯曲和伸展的方向上。从而，可以为使用者有效提供施加较小负载至膝关节的锻炼。

Description

腿部训练设备

技术领域

本发明涉及一种设备，其可由膝痛的使用者使用以有效地训练腿部肌肉，并且优选地用于美体锻炼或者克服身体懒惰的目的。

背景技术

过去，固定式脚踏机(cycling machine)(室内锻炼自行车)以及固定式跑步机(踏车)公知为锻炼辅助装置，以允许使用者主动地锻炼腿部肌肉。另一方面，作为为使用者提供被动锻炼而不需要使用者主动做动作的另一种锻炼辅助装置，提出了一种骑马式健身器材(例如日本特开平No.11-155836)。

当使用室内锻炼自行车或踏车时，有时膝部弯曲和拉伸的锻炼会过度，或者膝关节上会作用有大于使用者自重的负载。这些对于具有膝痛的使用者而言并不合适。另一方面，当使用传统的骑马式健身器时，由于使用者在锻炼过程中坐在座位上，因此作用到膝关节上的负载相对较小。不过，由于其目的在于主要使身体躯干处例如后背腰部的肌肉收缩，因此并不能十分有效地使腿部肌肉收缩。

另外，通过有氧运动减少身体脂肪可以有效防止在近些年来趋于快速增加的与生活方式有关的疾病。此外，当通过积极使肌肉收缩而提高胰岛素敏感性来增强糖代谢时，也有助于防止与生活方式有关的疾病。使具有较大体积肌肉的股骨区域的肌肉收缩可有效地增加糖代谢。另一方面，由于糖尿病患者通常具有膝痛，因此他们不能进行诸如蹲伏等锻炼以使股骨区域的肌肉有效收缩。另外，即时他们进行诸如走路等少量运动，也可能造成临床恶化或者膝痛增加。因此，不能进行这些锻炼的人具有强烈的锻炼愿望。

在这种情况下，就期望能开发既能有效锻炼腿部肌肉同时减小作用于膝部的负载的设备。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的主要目的是提供一种腿部训练设备，其可使具有膝痛的使用者进行使股骨区域的肌肉收缩的锻炼，从而有效地防止与生活方式有关的疾病。

即，本发明的腿部训练设备的特征在于包括：基部，其固定在适当位置；支撑部分，其构造成支撑使用者身体的一部分，以便使用者的至少一部分自重作用于包括股骨区域的腿部；以及连接机构，其构造成将所述支撑部分移动式地连接至所述基部，以便通过使用者自重作用至所述腿部的负载根据使用者脚位置和重心位置之间的相对位移而变化；并且其构造成对所述支撑部分的移动方向进行限制，以便至少当作用至所述腿部的负载增加时，脚位置和重心位置之间的相对位移方向基本上被限制在膝关节弯曲和伸展的方向上。

根据本发明，在使用者身体的一部分由支撑部分支撑时，可以向使用者包括股骨区域的腿部肌肉施加相对较轻的负载。换句话说，由于施加至使用者的相对较轻负载增强了股骨部分的肌肉代谢(其能对于糖代谢有效)，因此可以向由于关节炎疼痛及肌肉强度恶化而导致锻炼能力下降的使用者提供适当的腿部训练。另外，通过持续使用该训练设备，有望能防止并改善与生活方式有关的疾病。此外，在本发明中，使用者脚位置和重心位置之间的相对位移方向被基本限制在膝关节弯曲和伸展的方向上。这意味着可以将施加负载的方向限制在连接膝部中心和第二脚趾的方向上。当沿这样的方向施加负载时，可以向具有膝痛例如膝关节骨关节炎的使用者安全地进行使腿部肌肉收缩的训练，而不会造成临床恶化或膝痛。由于支撑部可移动地连接至基部，因此可以采用如下任一结构：供使用者放脚的踏板；以坐姿支撑使用者的支撑装置；或者以悬吊姿势支撑使用者的支撑装置。另外，优选地，连接机构限制支撑部分的移动方向，使使用者脚位置和臀部位置之间的距离基本保持恒定。

在上述的腿部训练设备中，当支撑部分由踏板提供时，优选地，踏板通过连接机构连接至基部，以相对于所述基部沿水平方向及竖直方向中的至少一个方向移动。

在如上的腿部训练设备中，当支撑部分由以坐姿支撑使用者的支撑装置提供时，优选地，该支撑装置包括座位构件，其构造成支撑使用者臀部的座位构件，且通过所述连接机构以摆动的方式移动式地连接至所述基部。在这种情况下，当使用者的一部分体重通过使使用者臀部骑坐于座位构件上而得以支撑时，可以实现座位构件的摆动，以便施加至使用者的包括股骨区域的腿部的负载增强肌肉收缩。此外，优选地，使用驱动单元，其构造成以摆动方式移动所述座位构件。通过控制以不需要使用者主动做动作的被动方式作用至使用者腿部的负载的大小，可以增强肌肉收缩。因此，对于由于肌肉强度恶化导致步态紊乱，或者需要康复锻炼的使用者而言，很容易进行腿部训练。此外，由于所述驱动单元在重复同样的锻炼时可以具有导引功能，因此可以一种消遣的心态愉快地进行所述训练。

在上述腿部训练设备中，优选地，支撑部分具有：座位构件，其构造成支撑使用者的臀部并且通过所述连接机构以摆动的方式移动式地连接至所述基部；以及踏板，其上放置使用者的脚；并且所述踏板可以通过联锁单元与所述座位构件的摆动同步地运动。此时，踏板的位置可以随座位构件的摆动而变化，从而防止膝部弯曲角度的变化。换句话说，由于可以进行基本相当于等长收缩的锻炼，因此可以减小由于膝关节弯曲和伸展而导致的膝部损伤。因此，不需要膝关节弯曲和伸展就可以实现肌肉收缩。这样，即使使用者具有由于膝关节骨关节炎产生的膝痛，也可以安全地进行腿部训练。此外，特别优选地，该腿部训练设备具有：第一驱动单元，其构造成以摆动方式移动所述座位构件；第二驱动单元，其构造成移动所述踏板；以及控制单元，其构造成以同步方式控制所述第一驱动单元以及所述第二驱动单元。通过适当调整第一和第二驱动单元之间的关系，可以改变施加至使用者腿部的负载，以提供基本不改变膝关节弯曲角度的腿部训练。因此，通过根据使用者的需要改变作用至腿部的负载，可以有效地促进股骨区域的肌肉收缩。

另外，优选地，所述座位构件具有：立柱，其通过所述连接机构连接至所述基部；鞍座，其设置于所述立柱的顶端以支撑使用者的臀部；以及结合装置，其构造成将所述鞍座与所述立柱结合，以提供所述鞍座相对于所述立柱的平行运动和旋转运动中的至少其中之一。在这种情况下，由于除了座位构件的摆动外还提供了鞍座的运动，因此使用者重心的位置变化可以更大。例如，当立柱倾斜且鞍座移动时，由于使用者重心的位移更大，因此作用至使用者腿部的负载可以进一步增加。可选地，鞍座可以沿使作用至使用者腿部负载减小的方向移动。

为实现鞍座的所述旋转运动，优选地，所述结合装置将所述鞍座以跷跷板的方式移动式地支撑在所述立柱上。为实现鞍座的所述平行运动，优选地，所述结合装置将所述鞍座滑动式地支撑在与所述立柱的轴线方向相交的平面内。此外，特别优选地，该腿部训练设备具有鞍座驱动单元，其构造成使所述鞍座相对于所述立柱的滑动。

在使用该座位构件的腿部训练设备中，优选地，所述立柱能沿其纵向方向收缩，且该腿部训练设备具有立柱驱动单元，其构造成使所述立柱伸长和缩短。在这种情况下，由于膝关节的弯曲角度随立柱的伸长和缩短而变化，因此可以调整作用至使用者腿部的负载的大小。此外，使用者臀部的位置可以根据使用者的腿长而适当调整。

根据本发明的腿部训练设备的另一优选实施例，所述立柱能沿其纵向方向收缩，且该腿部训练设备具有供使用者放脚的踏板，以及控制单元，所述控制单元构造成对以摆动方式移动所述座位构件的第一驱动单元进行控制，使其与至少一个下述驱动单元同步：驱动所述踏板的第二驱动单元；使所述立柱伸长和缩短的第三驱动单元；以及使所述鞍座在与所述立柱轴线方向相交的平面内滑动的第四驱动单元。在这种情况下，通过将所述第一驱动单元与所述第二至第四驱动单元中的至少一个组合，可以增大锻炼程序设计的自由度，并且根据使用者的需求提供各种腿部训练。

在上述的腿部训练设备中，优选地，所述联锁单元使所述踏板的运动与所述座位构件的摆动同步，以便在使用者坐在所述座位构件上并且将脚放于所述踏板上的条件下，当使用者重心位置发生变化时，使用者膝关节的弯曲角度在小于或等于45°的范围内。在这种情况下，即使使用者具有例如膝关节骨关节炎的膝痛，也可以使用该腿部训练设备而不会造成临床恶化或膝痛。或者，优选地，所述联锁单元使所述踏板的运动与所述座位构件的摆动同步，以便当使用者的重心位置发生变化时，使用者膝关节的弯曲角度基本保持恒定。

在上述的腿部训练设备中，同样优选地，所述联锁单元选择性地提供第一锻炼模式和第二锻炼模式；在第一锻炼模式中，所述踏板的运动与所述座位构件的摆动同步，以便在使用者坐在所述座位构件上并且将脚放于所述踏板上的条件下，当使用者重心位置发生变化时，使用者膝关节的弯曲角度在小于或等于45°的范围内；在第二锻炼模式中，所述踏板的运动与所述座位构件的摆动同步，以便当使用者的重心位置发生变化时，使用者膝关节的弯曲角度基本保持恒定；并且，该腿部训练设备具有选择器，其构造成选择所述第一锻炼模式和所述第二锻炼模式其中之一。

另外，优选地，该腿部训练设备具有：测量单元，其构造成测量关于代谢的生理测量值；评估单元，其构造成根据所述测量单元的输出确定所述代谢；负载施加单元，其构造成向使用者施加负载；以及控制单元，其构造成根据所述评估单元提供的代谢控制通过所述负载施加单元施加至使用者的负载的大小。在这种情况下，进一步优选地，所述评估单元利用权重因数为所述生理测量值赋予权重，从而获得作为代谢的加权生理测量值，其中，所述权重因数是进行所述负载施加单元提供锻炼的肌肉的体积以及进行所述锻炼的红肌的体积其中之一。

此外，优选地，本发明的腿部训练设备具有：负载传感器，其设置于所述支撑部分上以检测相对于使用者自重的、施加至所述腿部的负载；以及负载变化通知单元，其构造成以实时的方式向使用者通知由所述负载传感器所测负载随时间的变化。在这种情况下，由于作用至使用者腿部的负载随时间的变化以实时的方式显示给使用者，因此很容易就可以检查是否向使用者施加了适当的负载。当负载过量或不足时，使用者可以通过调节所述设备或者移动使用者的身体位置从而在适当的负载下进行锻炼。

另外，优选地，该腿部训练设备具有：输入单元，其构造成输入使用者的数据；计算单元，其构造成根据从所述输入单元输入的数据，计算待由使用者施加至所述支撑部分的压力的适当范围；压力传感器，其构造成检测由使用者实际施加至所述支撑部分的压力；以及显示单元，其构造成向使用者显示由所述计算单元提供的所述适当范围、以及由所述压力传感器所测的实际压力值。根据本发明，由于所述显示单元提供根据使用者特有的数据例如体重、年龄、性别、有无疾病、疾病名称及临床记录等确定的适当负载范围，因此使用者在进行腿部训练的同时可以理解最适于各使用者的负载范围。

此外，优选地，该腿部训练设备具有：输入单元，其构造成输入使用者的数据；计算单元，其构造成根据从所述输入单元输入的数据，计算待由使用者施加至所述支撑部分的压力的适当范围；压力传感器，其构造成检测由使用者实际施加至所述支撑部分的压力；以及控制单元，其构造成以反馈的方式控制所述连接机构，使由所述压力传感器所测的压力值保持在所述适当范围。根据本发明，由于通过例如体重、年龄、性别、有无疾病、疾病名称及临床记录等参数确定了目标范围，因此可以施加适于使用者的负载。特别地，当使用者的体重被用作待输入参数时，所述目标范围可以根据作用至腿部(主要是股骨区域)的负载与使用者体重的比而确定(其由所述压力传感器所测压力值计算)，因此可以不用考虑使用者体重的差异而获得适当的目标范围。此外，通过所述反馈控制可以改进该腿部训练设备的安全性。

在该腿部训练设备中，优选地，所述支撑装置具有：身体保持单元，其构造成以悬吊姿势保持使用者身体，并且通过所述连接机构以摆动的方式移动式地连接至所述基部；以及供使用者放脚的踏板；其中，所述腿部训练设备还具有联锁单元，其构造成使所述踏板的运动与所述身体保持单元的摆动同步。特别地，所述身体保持单元优选设置有：腰部保持构件，其构造成保持使用者的腰；以及用于使用者的悬吊构件，其构造成能沿其轴线方向收缩。当需要在使用者臀部不接触座位构件的情况下进行腿部训练时这个是有用的。

此外，优选地，所述腿部训练设备具有驱动单元，其构造成以摆动的方式移动所述身体保持单元。特别地，所述的腿部训练设备优选具有：第一驱动单元，其构造成以摆动的方式移动所述身体保持单元；第二驱动单元，其构造成移动所述踏板；以及控制单元，其构造成以同步的方式控制所述第一驱动单元以及所述第二驱动单元。

从下述实施本发明的最佳模式，本发明的其他特征以及由其产生的优点将更加显而易见。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的腿部训练设备的示意图；

图2A至图2C为该腿部训练设备工作情形的解释性视图；

图3A和图3B为具有移动式踏板的腿部训练设备的工作情形的解释性视图；

图4A和图4B为具有固定式踏板的腿部训练设备的工作情形的解释性视图；

图5A和图5B为座位构件倾斜时鞍座的工作情形的解释性视图；

图6为座位构件倾斜时鞍座的另一工作情形的解释性视图；

图7A和图7B为解释性视图，示出了用于该实施例的鞍座的结合装置的一个例子；

图8A和图8B为解释性视图，示出了用于鞍座的结合装置的另一个例子；

图9为立体图，示出了用于鞍座的结合装置的又一个例子；

图10为肌肉代谢的测量结果的图表；

图11为糖代谢的测量结果的图表；

图12为膝痛的感官评估结果的图表；

图13为锻炼条件和积分EMG之间关系的图表；

图14为表示作用到踏板上的自重比与座位构件摆动的往返次数之间关系的图表；

图15为表示锻炼状态和作用至踏板上的自重比之间关系的图表；

图16A和图16B为解释性视图，示出了根据该实施例的一种修改的用于座位构件的连接机构；

图17为该腿部训练设备的控制单元的方框图；

图18为表示相对负载和肌肉代谢之间关系的图表；

图19为根据该实施例的一种修改的腿部训练设备的示意图；

图20为用于选取较大代谢运动方式的运动确定装置；

图21为根据本发明第二实施例的腿部训练设备的示意图；

图22为该腿部训练设备的连接机构的立体图；

图23A和图23B为该腿部训练设备的工作情形的解释性视图；

图24A为根据本发明第三实施例的腿部训练设备的踏板和座位构件的互锁单元的示意图；图24B为该踏板结构的立体图；

图25为该腿部训练设备的踏板的第一修改例的示意图；

图26为该腿部训练设备的踏板的第二修改例的示意图；

图27为该腿部训练设备的踏板的第三修改例的示意图；

图28为该腿部训练设备的踏板的第四修改例的示意图；

图29为该腿部训练设备的踏板的第五修改例的示意图；

图30A和图30B为根据本发明第四实施例的腿部训练设备的工作情形的解释性视图；

图31为根据该实施例的一个修改例的腿部训练设备的示意图；

图32为根据本发明第五实施例的腿部训练设备的示意性立体图；

图33A为该腿部训练设备的连接机构的工作情形的解释性视图，图33B为示出了踏板位置以及由该连接机构提供的移动路径的视图；

图34A和图34B为根据本发明第六实施例的腿部训练设备的示意性侧视图和俯视图；

图35A至图35C为该腿部训练设备的驱动单元的示意性侧视图、俯视图以及主视图；

图36A和图36B为解释性视图，其示出了用于不同身高使用者的座位位置调节器的工作情形；以及

图37为该腿部训练设备的踏板的一种修改例的示意图。

具体实施方式

下面根据优选实施例对本发明的腿部训练设备进行详细说明。

<第一实施例>

如图1所示，该实施例的腿部训练设备具有安装在地面上的基部1、用于支撑使用者臀部的座位构件2、以及一对供使用者搁脚的踏板3。座位构件2和踏板3通过连接机构4、5安装到基部1上。马达6、7分别作为驱动单元与连接机构4、5连接，并且由控制器10进行控制。马达7被设置为用于每个踏板3。

座位构件2设有：立柱21，立柱21的顶端设置有鞍座以支撑使用者的臀部；结合部23，用于将鞍座与立柱结合以实现鞍座相对于立柱的平行运动和旋转运动。鞍座被构造成三角形，且俯视时其前端部(坐在鞍座22上的使用者的前侧)的宽度窄于后端部。鞍座22也可以构造成其他形状，例如座椅式或马背式等。立柱21的底端与连接机构4连接。

在该实施例中，连接机构4具有沿前后方向及左右方向延伸的转轴。举例来说，立柱21可沿前后方向围绕沿左右方向延伸的转轴做枢转运动，并且包括所述沿左右方向延伸转轴的接头可沿左右方向围绕沿前后方向的转轴做枢转运动。因此，根据该连接机构4，立柱21的底端用作杠杆支点，立柱21可以摆动的方式前后移动及转动。在该实施例中，连接机构4通过两个马达6而提供立柱21沿任选方向的摆动。

立柱21以一种嵌套结构而可伸缩地形成，其具有底端部和顶端部。附图标记8表示马达，其作为驱动单元设置在立柱21的纵向中部处。该马达8的转动使立柱21伸长和缩短。此外，附图标记9表示马达，其作为驱动单元设置在立柱21和鞍座22之间的结合部23处。该马达9可使鞍座22相对于立柱21沿前后方向做摆动。

用于踏板3的连接机构5具有设置在基部1上的伸缩装置(pantograph)51，踏板3安装在该伸缩装置51上。作为驱动单元设置在连接机构5内的马达7可使踏板3通过伸缩装置51的伸展和收缩而进行上下运动。

简要地说，座位构件2通过马达6可以摆动方式来回运动及转动。通过马达7可以实现踏板3的上下运动。通过马达8可以实现立柱21的伸展和收缩。马达9可使鞍座22相对于立柱21沿前后方向做角度调整。通过分别使用两个用于座位构件2的马达6、以及两个用于踏板3的马达7，对全部的六个马达6至9进行控制可以获得上述运动的组合。如前所述，马达6至9中的每一个均由使用微型计算机作为主要组件的控制器10进行控制。在控制器10中，安装有多组用于马达6至9中每一个马达的转角的时序数据，以获得适当的锻炼负载。因此，通过选择适当的时序数据组可以获得期望的操作。

根据提供给使用者的腿部训练类型，选择性地驱动马达6至9。基本上，马达6始终被驱动以提供座位构件2的摆动。当不使用其他马达7～9时，仅提供座位构件2的摆动。下文将要述及，优选地，以与移动座位构件2的马达6同步的方式，驱动用于移动踏板3的马达7以及用于移动鞍座22的马达9中至少一个。

下面将对使用上述腿部训练设备的方法进行说明。首先，使用者坐在鞍座22上，并将脚放在踏板3上。踏板3和鞍座22之间的位置关系可以根据使用者的腿长，通过调整踏板3的高度及立柱21的长度中的至少一个而改变。

当通过坐在鞍座22上的使用者提供座位构件2的摆动时，使用者的重心位置相对于使用者脚的位置发生移位。坐在座位构件2上的使用者的重心位于使用者臀部略靠前的位置。当座位构件2从直立位置向前倾斜时，使用者的重心位置向前移位，从而作用至使用者腿部包括股骨区域的负载相对于使用者自重的比增大。此外，当座位构件2沿使用者的左右方向倾斜时，由使用者自重产生的负载主要作用至座位构件2倾斜侧的这条腿上。因此，由于鞍座22承受使用者的一部分自重，并且作用至腿上(尤其是肌肉体积相对较大的股骨区域)的负载由于座位构件2的摆动而改变，因此可以有效地实现肌肉代谢。

在该实施例的腿部训练设备中，如上所述，腿部训练是在使用者坐于鞍座22上并且将脚放于踏板3上的这样一种状态中进行的。或者，使用者也可以不坐在鞍座22上而仅将一只脚放于对应的踏板3上，以这样一种状态进行腿部训练。

另外，当使用者具有膝痛时，驱动马达6以将座位构件2的摆动方向(即沿着使用者重心位置和踏板3上脚的位置之间相对位移的方向)限制在膝关节弯曲和伸展的方向上。在这种情况下，使用者重心的移位方向与使用者膝关节的弯曲和伸展方向平行。图2C是从处于坐姿的使用者的上方得到的视图，该图所示的各个箭头对应于膝关节的弯曲和伸展方向。例如，当控制器10内安装马达6的时序数据以使座位构件2沿膝关节的弯曲和伸展的方向进行摆动时，连接机构4限制座位构件2的摆动方向。当驱动马达6时，优选地，对座位构件2的可移动范围进行限制，使得膝关节的弯曲和伸展范围位于从伸展位置到45°的范围。这样，由于膝关节弯曲和伸展的角度方向受到限制而不会使膝关节扭转，并且该膝关节的弯曲和伸展(角度)范围也受到限制，因此具有膝痛例如膝关节炎的使用者可以安全地进行腿部训练而不会使临床恶化或膝痛。

如上所述，当将座位构件2的摆动方向限制在膝关节的弯曲和伸展方向上时，优选地，除了控制座位构件2的摆动方向之外，还要正确确定踏板3上的脚位置和脚趾方向，或者通过传感器检测脚位置和脚趾方向。在该实施例中，踏板3上设置有易于确定脚位置和脚趾方向的标记(未图示)。此外，踏板还优选有定趾(toe clip)部分例如拖鞋或凉鞋的顶端部，以容置脚趾。

此外，当通过仅在一条腿上施加负载来进行腿部训练时，这一条腿放在踏板3上，座位构件2通过连接机构4分别在包括用于支撑使用者臀部的部分以及使用者每条腿的第二脚趾的两个平面内进行摆动。例如，如图2A所示，当座位构件2相对于基部1呈直立姿势时，由于使用者的自重，作用至座位构件2上的负载比作用至踏板3的大。另一方面，如图2B所示，当座位构件2相对于基部1呈倾斜姿势时，与图2A的情形相比，由使用者自重而作用至踏板3的负载变大。即，图2B情形中由于使用者自重而作用至股骨区域的负载要比图2A的情形大。在图2B中，使用者仍有一部分的自重作用至座位构件2，但与通过借助使用者的全部自重进行蹲伏锻炼的情况相比，这是轻量运动。因此，通过调整作用至膝关节的负载，该腿部训练设备可用于具有膝痛的使用者。另外，由于膝关节可以无扭矩的弯曲和伸展，因此可以防止临床恶化或膝痛。

在本实施例中，由于腿部训练设备具有用于两腿的一对踏板3，因此，座位构件2的摆动方向可以针对每条腿进行限制，使脚位置和重心位置之间的相对位移方向与膝关节的弯曲和伸展方向一致。即，如图2C所示，在使用者的腿由其平行位置略微打开的这样一种状态下，使用者将脚放在踏板3上。此外，座位构件2在前后方向不能摆动。即，在座位构件2相对于基部1呈直立姿势的位置、以及座位构件2沿前左或前右的方向倾斜的位置之间进行摆动。通过座位构件2的这种运动，负载可以如下方式交替地作用到各腿上，即当一条腿接受训练时，另一条腿处于休息状态。

当使用者将脚平行放在踏板3上，并且踏板3的运动被锁定成将负载均匀作用至两腿的情况下，座位构件2沿前后(弯曲和伸展)方向进行摆动时，具有设备简化的优点。不过，作用至各腿的负载最大为使用者自重的50％。因此，当需要进一步增大作用至使用者腿部的负载时，优选使用上述的腿部训练设备。此外，当向使用者处于平行姿势的两腿施加负载时，要顾虑由于左右腿的肌肉力量差异或者左右膝关节的膝痛程度的差异而导致作用至一条腿的负载大于作用至另外一条腿的负载。根据本实施例，可以交替地为各条腿提供适当负载。

如上所述，踏板3可沿上下方向相对于基部1进行移动，并且踏板3的运动可以控制成与座位构件2的摆动同步。即，图3A示出了当座位构件2呈基本直立姿势时踏板3的位置，图3B示出了当座位构件2呈倾斜姿势时踏板3的位置。由这些图可以理解，踏板3在座位构件2呈倾斜姿势时的位置要低于座位构件2呈直立姿势时的位置。这可以通过控制用于倾斜座位构件2的马达6，使其与沿上下方向移动踏板3的马达7同步来实现。

因此，当踏板随座位构件2的倾斜角度增大而向下移动时，作用至使用者腿部的负载可以通过使用者自重而发生变化，基本不需要改变膝关节的弯曲角度。即，腿部肌肉可以等长收缩的方式进行收缩，从而通过作用于使用者膝部的较小负载实现肌肉收缩。另外，由于座位构件2和踏板3由马达6、7驱动，因此使用者通过简单地跟随座位构件2和踏板3的运动就可以有效地进行腿部训练而不需要主动移动身体。

此外，当座位构件2从基本直立的姿势向左右踏板3中的一个倾斜时，优选地，仅移动位于座位构件2向下方摆动(倾斜)一侧的踏板3。在这种情况下，可以将负载有效地作用至所期望的一条腿。此时，位于另一侧的踏板3可沿向上的方向略微移动。在这种情况下，通过座位构件2较小的倾斜就可以有效地将较大的负载作用至使用者的腿部。可以仅对左右腿中的一条腿重复座位构件2的摆动。可选地，可以左右腿交替进行。

另外，作为一种修改例，优选地，将踏板3固定，以同步的方式对马达6、8进行控制，使座位构件2的倾斜角度与立柱21的伸展和收缩相互联锁。即，图4A示出了当座位构件2呈直立姿势时立柱21的长度L1，图4B示出了当座位构件2呈倾斜姿势时立柱21的长度L2。在座位构件2处于倾斜姿势时立柱21的长度变大(L1＜L2)。在这种情况下，基本不需要改变膝关节的弯曲角度θ就可以改变由使用者自重作用至腿部的负载。

下面是有关踏板不动时座位构件2的优选移动路径的进一步解释。在图4A和图4B中，立柱长度伸长使得膝部角度不变化。脚和臀部之间的距离，具体为髋关节到踝关节(脚踝)的距离由半径“R”表示。对座位构件2的倾斜角度进行控制，使臀部沿着以踝关节为转动中心的圆形路径轨迹(在图中，角度范围由“α”表示)运动。当角度范围“α”较小时，所述圆形路径可近似为直线路径，因为其间的误差可以忽略不计。

在该实施例中，由于鞍座22相对于立柱21的倾斜角度通过马达9而沿前后方向变化，因此座位构件2的倾斜角度和鞍座22的倾斜角度可以相互联锁的方式进行控制。即，如图5A所示，当座位构件2相对于基部1呈基本直立的姿势时，与立柱21的轴线方向正交的平面基本平行于鞍座22的就座表面。另一方面，当座位构件2倾斜时，鞍座22结合部23处产生跷跷板运动使鞍座22的前端向下运动。此时，与立柱21的轴线方向正交的平面与鞍座22的就座表面相交。鞍座22的倾斜角度随座位构件2的倾斜角度的增加而增加。简要地说，通过座位构件2和鞍座22的倾斜角度可以进一步增大作用至腿部的负载。相反，当鞍座22随着座位构件2的倾角的增大沿与上述相反的方向倾斜时，作用至腿部的负载随着座位构件2的倾斜的增大而减小。

如上所述，当以同步的方式对马达6至9中的至少两个马达进行控制时，可以获得这样的运动，即膝关节的弯曲角度保持恒定，并可以改变作用至腿部的负载相对于使用者自重的比率，或者随时间调整负载施加方式的变化。这些可以任意组合，并且可以根据使用者的运动能力以及身体状况而由控制器10进行控制以确定适当的运动。

在上述的说明中，踏板3可相对于基部1沿上下方向(竖直方向)运动。可选地，踏板可以相对于基部1沿水平(平行)方向移动。例如，当进行控制使踏板3和座位构件2的底端之间的水平距离随座位构件2的倾斜角度的增大而减小时，不需要改变膝关节的弯曲角度就可以改变作用至腿部的负载。另外，当踏板相对于基部1沿竖直方向和水平方向均可以移动时，座位构件2的倾斜角度可与踏板3的运动相互关联。

踏板的结构并不受限制。例如，优选在踏板下方设置单个弹簧件，并且该弹簧件的弹簧常数要使得根据负载产生期望的下降量。可选地，下降量可以通过使用多个具有不同弹簧常数的弹簧构件根据负载进行调整(例如，使用具有非线性弹簧常数的两段式弹簧)。另外，下降量可以根据使用者的体重或目标负载，通过选择性地改变具有相同弹簧常数的多个弹簧的数量来进行适当调整。此外，可以根据使用者的体重或者负载的即时值，通过控制设置于踏板下方的气动汽缸的活塞的空气量对踏板的下降量进行调节。另外，可以根据作用至踏板的负载，通过置于踏板下方的气袋或气管的膨胀及收缩控制踏板的位置。

在上述情形中，鞍座22相对于立柱21顶端的倾斜角度可沿前后方向改变。可选地，如图6所示，鞍座22可沿与立柱21的轴线方向相交的平面内的一个方向(前后)滑动。在这种情况中，由马达9驱使鞍座22相对于立柱21滑动。随着座位构件2的倾斜角度的增加，鞍座22沿向前的方向(在图中，虚线示出了呈直立姿势的座位构件2上的鞍座22的位置)滑动，从而使用者的臀部向前运动。这可使使用者采用基本站立的姿势，因而增大作用至使用者腿部的负载。

在上述情形中，通过马达6至9对以下四个因素进行控制，即：座位构件2相对于基部1的倾斜角度、踏板3相对于基部1的位置、座位构件2的伸展和收缩长度、以及鞍座22相对于立柱21的位置。可选地，座位构件2的倾斜角度的变化与鞍座22相对于立柱21的位置变化相互联锁。在这种情况中，用于驱动鞍座22的马达9可以略去。

举例来说，如图7A和图7B所示，在鞍座22的前端和基部1之间连接由拉伸性能差的刚性材料制成的线(wire)24，以改变鞍座22相对于立柱21的倾斜角度。鞍座22可相对于立柱21沿前后方向倾斜。此外，对鞍座22施加弹性偏压使鞍座22的就座表面返回到与立柱21的轴线方向基本正交的位置。图7A示出了座位构件2相对于基部1的直立姿势，图7B示出了座位构件2相对于基部1的倾斜姿势。此时，如图7B所示，由于鞍座22的前端受线24限制，因此其对抗弹性偏压而向前倾斜。如图7A所示，当座位构件2为直立姿势时，鞍座22返回到初始位置，在该位置鞍座22的就座表面与立柱21的轴线方向基本正交。当使用长度恒定的杆来代替线24时，就不需要在立柱21的顶端向鞍座22施加弹性偏压。

另外，当鞍座22被支撑为可以相对于立柱21滑动时，优选鞍座22前端的重量大于其后端的重量。例如，当座位构件2从图8A所示的直立姿势移动到图8B所示的倾斜姿势时，通过配重25实现鞍座22向前的运动。

此外，如图9所示，立柱21可以通过球窝接头连接至鞍座22。这时，鞍座22可相对于立柱21沿任意方向倾斜。因此，当座位构件2处于直立姿势时，立柱21承受施加到鞍座22上的大部分负载。另一方面，当座位构件2倾斜时，使用者的腿部部分承受自重，从而腿部肌肉收缩。即，与鞍座22固定到立柱21上的情形相比，在座位构件2处于倾斜姿势时可以进一步增大作用至使用者腿部的负载。

另外，该腿部训练设备的主要目的是增加使用者的糖代谢并改善与生活方式有关的疾病。即，当作为肌肉能量源的葡萄糖被肌肉吸收，然后进行代谢时，消耗过剩的葡萄糖，从而改善高血糖，并且提升血浆内的胰岛素水平，从而促进改善与生活方式有关的疾病(糖尿病、肥胖症、高血脂等等)。伴随葡萄糖被肌肉吸收的行为是胰岛素行为以及肌肉收缩行为，后两者彼此相关。当肌肉中吸收的葡萄糖量通过肌肉收缩得以增加时，可以促进糖代谢。通常，与健康者相比，糖尿病人的糖代谢较差，并且肌肉吸收的葡萄糖量较少。因此，通过主动使肌肉收缩加速糖代谢，可以消耗过剩的葡萄糖。从而，有助于改善糖尿病。

为了通过收缩肌肉有效地实现糖代谢，优选使体积较大的肌肉(尤其是有助于有氧运动的红肌(慢肌))进行收缩。从此观点出发，优选使使用者股骨区域或背部的肌肉收缩。在传统的骑马式设备中，在股骨区域的收肌附近实现糖代谢的增加。不过，由于收肌的体积仅为股骨区域的伸肌体积的一半，因此与使伸肌的肌肉收缩的情形相比，其增强糖代谢的效果相对较小。另外，虽然在骑马式锻炼过程中使用者很少将其脚放至镫形部内，但是使用者腿部通常保持在不与地面接触的悬浮状态。因此，通过将马背式座位置于使用者腿的股骨区域之间使肌肉收缩，使用者进行训练。因此，考虑到作用到股骨区域的负载大小，这是一种辛苦的锻炼。

如上所述，优选地，在使用者生理可接受的范围内增加代谢。不过，由于作用至具有膝痛(膝关节的弯曲和伸展使然)的使用者的负载有限，因此需要对腿部训练设备进行操作以避免发生膝痛。本实施例的腿部训练设备的特点在于向座位构件2(使用者的臀部位于其上)提供摆动(倾斜运动)，从而将使用者的至少一部分自重作为负载作用至使用者腿部。在这种情况下，负载的瞬时值取决于倾斜角度。另外，肌肉代谢或糖代谢与负载的累计量(下文称为负载量)之间相关。因此，单位时间的负载量取决于座位构件2的摆动(倾斜)速度。另外，当使用者自重作用至腿部时，由于膝关节从伸展位置弯曲较大的角度很容易发生膝痛。因此，还需要考虑膝关节的角度。在下面的说明中，膝关节相对于伸展位置的角度定义为“膝部角度”。该膝部角度可以通过180°减去膝关节的弯曲角度θ来计算。即，弯曲角度和膝部角度之和等于180°。

在该实施例中，进行关于肌肉代谢(或糖代谢)的下面四个测量。此外，还进行关于膝痛的下面五个测量。根据测量的评估结果确定腿部训练设备的工作条件。座位构件2以往返方式，在座位构件2相对于基部1基本呈直立姿势的位置、与座位构件相对于基部呈倾斜姿势的位置之间移动。下文所述的往返次数(单位：Hz)定义为每秒钟往返运动重复次数，其中，座位构件从直立姿势向倾斜姿势的运动、以及从倾斜姿势向直立姿势的返回运动为一次往返运动。因此，随着往返次数增加，座位构件2的运动速度变快。“自重比”定义为作用至踏板3的负载相对于使用者自重(体重)的比的百分值。由于作用至踏板3的负载随时间变化，因此在座位构件2的往返运动过程中所施加负载的峰值被用作代表值。另外，由于该代表值在每一往返运动中波动，因此采用1分钟内所获取的代表值的平均值。

表1中示出了用于评估肌肉代谢或者糖代谢的测量条件，表2中示出了用于评估膝痛的测量条件。在表1中，进行测量1至3以评估肌肉代谢，进行测量4以评估糖代谢。肌肉代谢通过近红外分光技术进行测量，糖代谢通过葡萄糖钳制测试(glucose clamp test)进行测量。为了评估肌肉代谢和糖代谢，与使用能为马背式座位上的使用者提供骑马运动的腿部训练设备(下文称作传统设备)比较结果。

表1

	对象	(往返次数、膝部角度、自重比)
			测量1	3名健康者	(1、20、20)，(1、20、40)，(1、40、20)，(1、40、40)，(0.3、20、20)，(0.3、20、40)，(0.3、40、20)，(0.3、40、40)
测量2	5名健康者	(1、40、40)
			测量3	3名健康者	(1、40、40)，(1.43、40、40)，(1.43、40、60)，(2、40、60)
测量4	2名健康者	(2、40、60)

表2

	对象	(往返次数、膝部角度、自重比)	其他
				测量5	7名骨关节炎	(1、10、20)，(1、10、40)，	感官评价

	膝痛者	(1、20、20)，(1、20、40)，(1、40、20)，(1、40、40)，(0.3、10、20)，(0.3、10、40)，(1、20、20)，(1、20、40)，(0.3、40、20)，(0.3、40、40)
				测量6	15名骨关节炎膝痛者	(1、40、40)	持续进行15分钟
测量7	3名健康者	图13的条件	脚跟位置肌电图
				测量8	5名骨关节炎膝痛者	图13的条件	脚跟位置感官评价
测量9	5名骨关节炎膝痛者	(2、40、60)	持续进行15分钟

在表1所示的用于评估肌肉代谢的测量1中，负载仅作用至一条腿。在这种情况中，肌肉代谢关于往返次数和膝部角度没有显著差异。不过，肌肉代谢关于自重比差异显著。测量1中的最大肌肉代谢值达到了使用传统设备时的1.5倍。另外，在测量2中是使用传统设备时的1.2倍。

图10中示出了测量3中测得的肌肉代谢结果。在图10中，(a)示出了往返次数为1Hz、膝部角度为40°，自重比为40％时的情形；(b)示出了往返次数为1.43Hz、膝部角度为40°，自重比为40％时的情形；(c)示出了往返次数为1.43Hz、膝部角度为40°，自重比为60％时的情形；(d)示出了往返次数为2Hz、膝部角度为40°，自重比为60％时的情形。从图10中显而易见，情形(d)中的负载为使用传统设备时的3.1倍。即，当测量1中往返次数不大于1Hz时，肌肉代谢关于往返次数没有显著差异。不过，当往返次数超过1Hz时，肌肉代谢出现明显差异。

在测量4中，当座位构件2的摆动开始于胫骨相对于基部1直立的位置时，所得糖代谢为使用传统设备时的1.35倍。在图11中，(a)示出了使用传统设备时在休息和锻炼期间测得的糖代谢，而(b)示出了使用本发明腿部训练设备时在休息和锻炼期间测得的糖代谢。从这些结果中显而易见，当使用传统设备时，在锻炼期间测得的糖代谢为休息期间所测糖代谢的1.6倍。另一方面，当使用本发明的设备时，在锻炼期间所测的糖代谢为休息期间测得的糖代谢的2.1倍。这意味着糖代谢效率增加了1.35倍。因此，从肌肉代谢和糖代谢的角度出发，优选往返次数为2Hz，膝部角度为40°，以及自重比为60％。

接下来，通过根据疼痛程度的疼痛表情等级，进行表2所示的用于评估膝痛的测量。该疼痛表情等级设置成从笑脸到哭脸有20种不同的表情，每个表情具有预定的分值。当没有疼痛时，选择具有最高分值(20分)的笑脸。另一方面，随着疼痛的增加，选择愈接近哭脸的表情(即分数愈低于20分)。

当在测量5的条件下进行评估时，膝痛可以忽略不计，膝痛关于膝部角度没有显著差异。另外，关于座位2开始摆动时胫骨的位置，其在相对于基部呈直立方向的位置与其向下前方倾斜的位置之间并没有显著差异。根据往返次数以及自重比，膝痛程度会有些许变化。在使用本发明的腿部训练设备的情形(a)、在平面上行走的情形(b)以及向下移步的情形(c)的每一种情形中，通过疼痛表情等级评估膝痛程度。结果示于图12。情形(a)中的膝痛要显著小于情形(c)。另外，即使与情形(b)相比，可以理解情形(a)的膝痛要小。在图12中，各柱状图顶部的突起表示标准偏差。

进行测量6用以调查在持续使用本实施例的腿部训练设备15分钟之后是否发生膝痛。在这种情况中，胫骨的直立姿势作为开始位置。在测量6的条件下，在训练中及训练后没有膝痛发生。

在测量7中，在表3所示的条件下对股直肌A、股外侧肌B、股内侧肌C、收肌D、腓肠肌E、胫前肌F、股二头肌G的肌电电位进行测量。从测量结果中可以确定各肌肉的EMG(积分肌电电位(integrated myoelectricpotential))的平均值。图13示出了所得平均值的曲线。在表3中，列“脚跟”中的“高”表示脚底倾斜成脚跟高于脚趾。此时，踏板3的倾斜角度为10°。

表3

条件编号	往返次数	膝部角度	自重比	脚跟
					1	1	40	40
2	1	40	40	高
					3	1	40	60

4	1	40	60	高
					5	1	40	80
6	1	40	80	高
					7	1	60	40
8	1	60	40	高
					9	1	60	60
10	1	60	60	高
					11	1	60	80
12	1	60	80	高
					13	2	40	40
14	1.67	40	40
					15	1.25	40	40

在图13中，当将脚跟高于脚趾(锻炼条件2、4、6、8、10、12)的情形与脚趾和脚跟基本位于相同高度的情形相比时，可以理解，腓肠肌E和股二头肌G的肌肉收缩在脚跟高于脚趾的条件下要高，在其他条件下相同。

另一方面，在测量8中，在测量7的条件下即除改变脚跟高度之外相同的条件下进行感官评价。这样，当脚跟高于脚趾时，确认膝痛减少。可以认为这种膝痛减少效应由下述原因所致：位于腿部前侧的股四头肌以及位于腿部后侧的股二头肌两者的肌肉收缩产生的对抗作用抑制了膝关节的运动，从而减小了作用于膝关节上的剪切力。

在测量9中，与测量6情形一样，在连续使用该腿部训练设备15分钟之后检测是否发生膝痛。在测量9的条件下在进行腿部训练的过程中和之后未发生膝痛。从这些测量结果可知，为了防止出现膝痛，优选地，往返次数为2Hz，膝部角度为40°，自重比为60％。

根据表1和表2所示测量而得到的结果，图14示出了当膝部角度为40°时自重比和往返次数以及肌肉代谢、糖代谢和膝痛的感官评价之间的关系。在图14中，水平轴为往返次数，竖直轴为自重比。符号“□”、“△”、“○”分别表示肌肉代谢、糖代谢以及膝痛的感官评价。肌肉代谢和糖代谢由使用腿部训练设备与使用传统设备的倍数来代表。在图14中，右上方向对应于代谢增加的方向，左下方向对应于(膝痛减小的)高分值方向。

总之，由表1所示的测量可以得出，优选地，往返次数为2Hz，膝部角度为40°，自重比为60％，以获得期望的肌肉代谢和糖代谢。另外，可以理解，在上述条件下持续进行15分钟腿部训练不发生膝痛。因此，可以说，上述条件优选作为锻炼条件。上述条件应视为上限值。当需要减弱肌肉代谢和糖代谢时，将使用更多轻量的锻炼条件。在图14中，阴影区域表示具有期望代谢并且处于膝痛感官评价中15分至20分之间高分的区域，其中，甚至持续使用训练设备15分钟之后也不会发生膝痛。因此，推荐从往返次数为1.4至2Hz，自重比为40至60％的范围内选择条件。此外，至于锻炼开始位置，优选使用胫骨相对于基部1呈直立的位置。

另外，可以通过控制座位构件2的运动来改变往返次数。此外，通过控制座位构件2和踏板3之间的位置关系可以维持膝部角度不变。另一方面，自重比是通过使用者作用至踏板3的负载。随着座位构件2的移动速度增加，运动方向改变时将会产生更大的加速度。即，有更大的负载作用至踏板。另外，随着座位构件2的倾斜角度增大，座位构件2承受的负载相对于使用者自重的比变小。从而，踏板3承受的负载增加。因此，自重比以往返次数和倾斜角度为参量。由于使用者的体重位于几十公斤的范围，因此可以设想，在这样窄的范围内，自重比和往返次数以及倾斜角度之间存在线性关系。如下述等式所示，通过分别为往返次数和倾斜角度赋予必要的权重a、b然后确定其线性和，就可以获得负载的估计值。对权重的确定要使该估计值与自重比对应。在该等式中，倾斜角度是指最大倾斜角度。

(负载估计值)＝a×(往返次数)+b×(倾斜角度)

图15示出了在不同的往返次数和倾斜角度的条件下的自重比的实际测量结果。即，对于八个未使用过本发明设备的成年人进行测量，测量条件是膝部角度为40°，持续记录作用至右腿的负载1分钟。在图15中，(往返次数、倾斜角度、自重比)的关系分别为(1.4Hz、3°、38.6％)、(1.4Hz、5°、52.2％)、(2Hz、3°、41.1％)、(2Hz、5°、58.8％)。通过这些值以及上述回归表达式进行多重线性回归分析的结果，权重a、b分别为8.9和8.1。即，根据往返次数和(最大)倾斜角度通过下述等式可以确定自重比。

(自重比[％])＝8.9×(往返次数[Hz])+8.1×(倾斜角度(度))

当通过上述等式确定自重比时，图14阴影区域内的座位构件2的倾斜角度位于2.7至5.7的范围。因此，期望将倾斜角度设置在3°至5°的范围。即，当膝部角度设置为40°、座位构件2的往返次数位于1.4至2Hz的范围、座位构件2的倾斜角度位于3至5°的范围时，可以进行腿部训练获得期望的代谢而不会造成膝痛。在上述情形中，使用者的臀部置于座位构件2上，膝部角度保持在40°以获得稳定的感觉。不过，由于代谢和膝痛并没有显著差异，因此膝部角度可以小于40°。

由上述结果，本发明可以提供一种使用该腿部训练设备的腿部训练方法；所述腿部训练设备具有以坐姿支撑使用者的座位构件以及供使用者放脚的踏板，并且限制座位构件摆动(倾斜)过程中使用者脚位置和重心位置之间的相对位移方向，使其基本位于膝关节弯曲和伸展的方向上。该腿部训练的特点在于在如下条件下进行，即膝部角度保持在40°，座位构件2的摆动往返次数在1.4Hz至2Hz的范围内，座位构件2的倾斜角度在3°至5°的范围内。此外，该腿部训练可以这样实现：控制器10控制座位构件2和踏板3的运动，使座位构件2在其相对于基部1呈直立姿势的位置和与该直立姿势的角度不大于5°的倾斜姿势的位置之间进行往返摆动，膝部角度(膝关节相对于伸展位置的角度)保持在不大于40°的范围内，座位构件2每秒钟的摆动往返次数不大于2。

在本发明中，如上所述，可以确定适当的腿部训练条件。不过，由于个体差异，该设备优选具有诸如键盘或触板的输入单元(未图示)，以将负载和往返次数的目标值输入控制器10。至于负载的目标值，可以使用自重比，所述自重比由于上述原因优选可在40％至60％的范围内调整。类似地，往返次数优选可在1.4至2Hz的范围内调整。当从输入单元将负载和往返次数的目标值输入时，通过在上述等式中代入这些输入值确定倾斜角度。通过控制座位构件2，使所得倾斜角度为座位构件2的最大倾斜角度，可使作用至使用者腿部的负载与目标值匹配。

另外，由于座位构件2的推荐往返次数在1.4至2Hz的范围内，自重比的期望目标值在40至60％的范围内，因此输入单元优选形成为仅允许来自这些范围的输入数据。另外，优选地，当输入非上述范围的数据时，输入单元给出警告或者拒绝输入。可选地，输入单元可以具有根据适当的范围而对不属于上述范围的错误数据进行自动修正的功能。

作为本实施例的一种修改，还优选使用传感器检测脚位置和脚趾方向来代替由踏板确定这些数据，并且通过控制器10确定座位构件2的摆动方向。至于传感器，例如可以使用称重传感器检测脚底的多个位置，或者使用用于采集使用者脚的图像的电视摄影机以及图像处理器的组合。此外，当通过控制器10对座位构件2的移动范围进行限制时，控制器10需要数据输入单元，用于输入使用者的诸如腿长的数据。不过，座位构件2的移动范围可以通过使用限位开关或者机械止挡装置来取代数据输入单元进行限制。

在上述情形中，座位构件2的底端可枢转地连接至基部1，以提供座位构件的摆动。可选地，通过使用者自重而作用至腿部的负载可以不需要座位构件2的摆动而进行改变。例如，如图16A和图16B所示，优选使用连接机构，以提供座位构件2相对于基部1的平行移动，同时保持座位构件的直立姿势。即，该连接机构具有位于基部1上表面的导轨46，座位构件的底端可沿该导轨移动。在这种情况下，如第一实施例一样通过踏板确定使用者的脚位置和脚趾方向。导轨46形成于连接基部1上所需位置和踏板3之间的线路上。当座位构件2沿导轨46移动时，使用者M的脚趾和脚跟之间的距离发生变化，使膝关节弯曲和伸展。即，由使用者自重作用至腿部的负载可以根据座位构件2和踏板3之间的距离进行控制。在这种情况中，座位构件2的移动方向被导轨46限制在膝关节弯曲和伸展的方向上。这种修改是基于使用者M主动进行移动座位构件2的假设。不过，可以使用用于移动座位构件2的驱动单元。在图16A的情形中，负载仅作用至一条腿。如果需要，导轨可沿两个方向形成以将负载作用至两条腿。其他组件和功能与上述实施例相同。移动座位构件2和踏板3中任一个均足以实现脚位置和重心位置之间的相对位移。例如，踏板3可以相对于座位构件2可滑动。

另外，该实施例的腿部训练设备优选具有用于检测作用至使用者腿部(主要是股骨区域)的负载的负载传感器。此时，负载传感器设置在鞍座22和/或者左右踏板3下方的位置。换句话说，优选地，作为支撑部分的座位构件2和踏板3至少其中之一具有该负载传感器。特别地，负载传感器优选设置于各个踏板3上。在这种情况下，负载传感器所测到的负载的增加量可以视为作用至腿部的负载。当然，当通过置于鞍座22上的负载传感器检测负载时，所测负载的减少量可以用作作用至腿部的负载的指导。

另外，如图17所示，优选地，由负载传感器测得的负载通过数据处理单元12以实时方式显示在显示器13上。此时，数据处理单元12和显示器13用作负载变化通知单元。因此，作用至使用者腿部的负载以实时的方式显示在显示器13上。例如，可以借助与负载对应的数值、显示负载随时间变化的线图、根据负载而具有不同柱长的柱状图，或者位于半圆形显示区域内的随所施加负载而变化指针角位置的表头指示等手段，在显示器13上显示信息。由于负载随时间变化，因此优选地使用柱状图或者表头指示。在这些情况中，易于更新用于指示目标范围的标记，这将在后面说明。显示器13用作向使用者可视化地显示负载变化的装置。如果需要，可以通过频率随负载变化的声响而将负载变化从听觉上告知使用者。当使用可视显示功能或声学效应时，使用者很容易就可以检查作用至使用者的负载是否合适。当负载过度和不足时，可以通过调整所述设备或允许使用者移动身体位置而适当地改变负载的大小。

另外，肌肉代谢和作用于腿部的负载之间相关。不过，实际上，即使负载的大小恒定，由于使用者的参数例如体重、年龄、性别、有无疾病、疾病类型及临床记录(临床症状)等也会导致肌肉代谢的差异。特别是由于个体间的体重差异明显，这会对肌肉代谢产生巨大影响。根据本发明人关于作用至使用者一条腿上的负载与股四头肌和收肌整体肌肉代谢之间关系的研究，得到下述结果。

存在如下特征，即随着代谢增加，氧合血红蛋白的减少比例变大。根据该特征，通过近红外分光技术进行血红蛋白测量以评估肌肉代谢。如图18所示，在如下条件下对肌肉代谢进行评估：作用至一条腿的负载(即负载传感器11测得的负载)相对于使用者自重(即体重)的比为20％和40％。图18中的肌肉代谢由相对于休息时肌肉代谢的比率代表。结果显示，20％和40％时的肌肉代谢存在显著差异。在图18中，粗条柱表示肌肉代谢，从粗条柱的顶端延伸的细条柱表示数据波动。即使将这些波动考虑进来，两者之间仍然存在显著差异。从这些测量结果看，当使用作用于腿部的负载与体重的比率来代替个体之间存在巨大差异的体重时，该比率与肌肉代谢相关，可以不用考虑使用者体重的差异。

因此，优选地，数据处理单元12计算由负载传感器11所测的负载相对于由输入单元14输入的体重之间的百分比，并将该百分比作为目标值显示在显示器13上。此外，可以从输入单元14输入非体重的其他参数。因此，当考虑年龄、性别以及体重确定了锻炼负载的适当范围并显示于显示器13上时，使用者可以持续锻炼，并使负载(作用于腿部的负载除以体重所得的值)保持在该适当范围。即，由于使用者能看到该负载的适当范围，因此可以避免负载过量或不足。优选地，预先准备关于使用者参数和负载适当范围之间对应关系的数据库。在这种情况下，当从输入单元14输入使用者参数时，从该数据库可以自动读出对应的负载适当范围。此外，由于显示器13显示与输入的使用者参数对应的负载适当范围，因此很容易与负载传感器11所测负载作比较。

同样优选地，由负载传感器11测得的作用于腿部的负载以及使用者的输入参数被送至反馈处理单元15。该反馈处理单元15具有将马达6至9的运行顺序提供给控制器10，使作用于腿部的负载保持在预定目标范围的功能。即，以反馈的方式控制作用于使用者腿部的负载。该目标范围可以根据从输入单元14输入的使用者参数而恰当确定。当使用反馈处理单元15时，优选地，预先准备关于使用者参数和负载目标范围之间对应关系的数据库，如同数据处理单元12。在这种情况下，当从输入单元14输入使用者的参数时，从数据库可以选取适当的负载目标范围。这样，由于目标范围根据使用者特有的数据例如体重、年龄、性别、有无疾病、疾病名称及临床记录等而自动确定，因此可以将适当的负载作用于个体的使用者。至于目标负载，希望使用负载相对于使用者体重的百分比。这样，不用考虑个体间差异就足以确定目标范围。

在形成反馈处理单元15的情况中，优选通过用来检测作用于踏板3的负载的重量传感器(未图示)的输出来计算自重比，并且反馈处理单元15监视该重量传感器的输出使自重比保持在预定的目标范围(即40％至60％)内。当由重量传感器的输出而得到的自重比不在该目标范围时，以反馈控制的方式改变座位构件2的最大倾斜角度以使负载落入该目标范围。当即使最大倾斜角度调整在可调整范围内(优选3至5°)，但由重量传感器的输出而得到的自重比仍未落入目标范围时，对往返周期进行控制。在本实施例的腿部训练设备中，鞍座22优选具有靠背。通过该靠背，可以防止使用者向后方倾斜，并且缩小使用者重心的位移范围。

作为本实施例的腿部训练设备的另一种修改，优选地，踏板3的上表面通过向前方延伸并向下倾斜(例如，相对于基部倾斜大约10°)而形成，如图19所示。在这种情况中，使用者可以在脚跟高于脚趾的状态下进行腿部训练。这将有效降低膝关节处剪切应力的发生。也可以不使用具有倾斜上表面的踏板3，而将倾斜构件31可拆卸地安装于踏板3上以调整倾斜角度或倾斜方向。附图标记32表示形成在该倾斜构件31前端的定趾部分，其作为防止移位构件。当负载由于座位构件2的倾斜而集中于脚趾时，可以防止脚的移位。当仅在脚趾处防止脚的移位时，会担心脚趾上作用大的负载。因此，优选形成防滑部33，作为附加的防止移位构件来防止脚底在倾斜构件31上的滑动。特别地，在倾斜构件31的上表面上可以形成起绒部(raising portion)。可选地，也可以形成槽或突起作为防滑部33以增加摩擦系数。此外，防滑部优选地由具有大摩擦系数的材料例如橡胶制成。当通过形成防滑部将脚位置固定时，容易使座位构件2的摆动方向与膝关节的弯曲和伸展方向匹配。这样，可以防止出现膝痛。并非必须要使整个脚底倾斜。例如，脚趾部分可以不使用倾斜构件而水平支撑。

另外，当使用者具有例如“膝外翻”或“弓形腿”等变形的膝关节时，在弯曲膝关节时经常发生膝痛。为了使该设备与具有膝外翻或弓形腿倾向的使用者匹配，优选地，左右踏板3上的倾斜构件31的上表面倾斜，以沿左右方向彼此靠近或者彼此分开。这样，可以减小膝外翻或弓形腿的使用者弯曲膝关节时产生的膝痛。另外，倾斜构件3可以可转动地安装在于踏板上。

作为本实施例的另一修改，优选地，腿部训练设备具有测量单元，其用于测量关于代谢的生理测量值；评估单元，其用于根据所述测量单元测得的生理测量值而确定代谢；以及运动控制单元，其用于控制所述设备使运动方式在各预定时间段发生变化，并且存储由评估单元确定的代谢以及对应的运动方式。在这种情况下，优选地，所述评估单元利用权重因数为生理测量值赋予权重，所述权重因数为使用该腿部训练设备进行锻炼的肌肉体积或者锻炼的红肌的体积，从而得到加权的生理测量值作为代谢。

该修改的特点在于，实际测量涉及代谢的生理测量值，同时改变腿部训练设备的运动方式，从测量结果中选取大代谢的运动方式，然后根据所选运动方式来操作腿部训练设备。下面是通过如图20所示的运动确定装置而选取大代谢的运动方式的技术说明。该装置具有运动控制单元60，用于分别控制腿部训练设备的马达6、7、8、9。与控制器10一样，运动控制单元60的主要构件为微型计算机。在运动控制单元60中，运动方式并非由存储器提供。即，各种运动方式由运动控制单元60产生。该运动控制单元60还具有使产生的运动方式与时间信息相互关联并进行存储的功能。所述运动方式可以从多种预定的运动方式中选择。可选地，运动方式可以从腿部训练设备所提供的可接受锻炼范围内随机产生。

另一方面，至于涉及代谢的生理测量值，可以使用通过近红外分光技术所得的肌肉代谢以及由肌电作用造成的肌肉收缩程度中的任何一个。下面是使用近红外分光技术的解释。即，如图20所示，使用近红外分光计61作为测量单元。红外发射及接收探针形成为可以在股骨区域拆装。如已经公知的，在通过近红外分光技术测量肌肉代谢时，通过氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收近红外光的差异来确定血中氧量变化(肌肉代谢)。由于糖代谢需要氧，因此肌肉代谢成为糖代谢的替代参数。

将肌肉代谢作为生理测量值输入评估单元62，以确定相对于休息时测得的肌肉代谢的比。由于一部分肌肉的氧气消耗通过近红外分光技术进行测量，因此评估单元利用肌肉体积作为权重因数为近红外分光技术确定的肌肉代谢赋予权重，从而估计所有涉及锻炼的肌肉的代谢。由于肌肉代谢和肌肉体积之间相关，因此需要考虑肌肉体积进行加权，以正确地估计所有锻炼涉及的肌肉的肌肉代谢。

用作权重因数的肌肉体积是指与该腿部训练设备所提供的锻炼相关的肌肉总体积。为了正确测量肌肉体积，需要例如MRI等的大型设备。考虑到减少时间和成本，可以使用文档中所报告的数据。例如，股伸肌以及大收肌的体积可以分别看作500ml和250ml。若假设每单位体积的肌肉代谢恒定，则股伸肌的收缩的代谢是大收肌收缩的两倍。即，为了增加代谢，优选选择使股伸肌有效收缩的运动方式。表4和表5中示出了两种运动方式的评估结果。

表4

表5

由表4和表5之间的比较可以理解，通过与表5对应的运动方式可以获得更大的代谢。因此，在考虑较大糖代谢的锻炼时选择与表5对应的运动方式。

作为一个例子，下面对确定安装于该腿部训练设备的存储器(未图示)内的适当运动方式的方法进行说明。当测试者通过由运动控制单元进行控制的腿部训练设备进行锻炼时，血液中的氧量同时通过近红外分光技术进行测量。此时，对腿部训练设备进行控制使各种不同的运动方式进行所需(恒定)的时间段，并且在对应运动方式的开始和结束时间记录每个所需时间段所测的氧量。评估单元为这样测得的氧量赋予权重，以估计锻炼涉及的所有肌肉的肌肉代谢。从与所得肌肉代谢相关的运动方式中选择具有肌肉代谢最大的运动方式。然后，将这样获得的运动方式安装到存储器内，并且实际用于控制器10以控制腿部训练设备。

这样，研究运动方式和代谢之间的对应关系，确定腿部训练设备的运动方式使代谢为适当值，该适当值定义为在通过该运动方式给人体的能量数量恒定的条件下所得到的代谢最大值。例如，腿部训练设备的功耗可以作为该能量数量的替换值。通过如上所述根据运动确定装置所提供的运动方式运行该腿部训练设备，可以从众多锻炼中选取能更有效增强代谢的锻炼，并且将该锻炼提供给使用者。

当从肌电效应(myoelectric activity)确定生理测量值时，肌电描记装置(electromyography)代替近红外分光计连接至该运动控制单元。作为生理测量值，可以使用需要时间段测量的积分肌电描记值，或者使用与在最大肌肉收缩处所需时间段测得的积分肌电描记值的比。此外，与糖代谢有关的肌肉主要为红肌。因此，权重优选根据红肌体积进行指定，以更准确地评估由腿部训练设备所提供锻炼的糖代谢。

在运动控制单元中，可以设定锻炼负载瞬时值的上限值，并且当锻炼负载的瞬时值小于上限值时自动产生运动方式。同时，通过使用多变量分析或神经计算机技术为各马达的运行提供适当波动，并实时改变运动方式，从而接近最优方案(即肌肉代谢在运动方式可接受的范围内为最大)。根据这种控制方法，可以在不大于锻炼负载的瞬时值上限值的范围内确定肌肉代谢基本最大的运动方式。在上述情况中，运动方式沿代谢增大的方向变化。可选地，优选可以为代谢预先设定非最大值的适当值，并且运动方式趋向于使代谢接近该适当值。

<第二实施例>

如图21所示，该实施例涉及一种允许使用者不借助任何驱动单元而主动进行腿部训练的腿部训练设备。即，在第一实施例中，马达6至9用作驱动单元，因此使用者被动地接受腿部训练，而不是主动进行锻炼。在该实施例中，座位构件2和踏板3分别通过连接机构4、5连接到基部1而没有使用驱动单元。用于将踏板3连接到基部1的连接机构5通过伸缩装置51提供踏板的上下运动，这一点与第一实施例一样。至于座位构件2，立柱21可收缩以沿高度方向调整鞍座位置，并且与立柱21连接的鞍座22可以沿前后方向绕(一个)沿左右方向延伸的轴线倾斜。如第一实施例中的情形，鞍座22可以通过配重25或球窝接头26倾斜。连接机构5的伸缩装置51用来将踏板沿高度方向的位置变化与座位构件2的角度变化联锁。座位构件2和踏板3通过连接机构4、5的连杆和凸轮的适当组合而机械地相互联锁。即，所述连接机构形成为使得踏板3的高度位置根据座位构件2相对于基部1的倾斜角度的变化而变化。

当使用该实施例的训练设备时，使用者需要积极(主动)地移动其自身身体。即，当坐在鞍座22上将脚放在踏板3上的使用者向腿施加负载，使得使用者的臀部向前运动时，座位构件2相对于基部1倾斜，同时，踏板3向下移动，从而作用至腿部的负载由于使用者的自重而增加，基本不会使膝关节的弯曲角度发生变化。连接机构4、5可以具有用于恢复原始位置的弹簧。可选地，可以通过使用者腿的长度而恢复该原始位置。座位构件2的倾斜方向被连接机构4限制在包括鞍座22和相应踏板3的两个平面内。这意味着座位构件2的倾斜方向(使用者脚位置和重心位置之间的相对位移方向)被限制在膝关节弯曲和伸展的方向。

图22中示出了用于本实施例的连接机构4的一个例子。连接机构4具有一个半球形的导引构件41。座位构件2的立柱21的底端可滑动地结合于形成于导引构件41内的导轨槽42中。附图标记43表示复位弹簧，其用于沿使座位构件2返回到导引构件41顶部位置的方向提供弹簧偏压。此时，当座位构件2的底端沿导轨槽42移动时，座位构件2的倾斜角度增大。同时，座位构件2的立柱21的顶端沿圆形路径移动，该圆形路径以半球形导引构件41为中心。由于座位构件2倾斜时复位弹簧43提供较大的回复力，因此使用者稍微用力就可以使座位构件2返回到原始位置。另外，座位构件2的可动方向由导轨槽42进行限制。因此，通过在包括膝关节弯曲和伸展方向的位置形成导轨槽42，不需要扭转膝关节就可以向腿部施加负载。在图22中，导轨槽42形成于单个平面内。当导引构件41由基部1可转动地支撑，并且调整导引构件41的转动位置使座位构件2的倾斜方向与踏板3的方向一致时，使用者可以向期望的一条腿上施加负载。此外，当导引构件41固定在固定位置时，导轨槽42可以形成于与两踏板3对应的两个平面中的每一个平面内。

作为该实施例的腿部训练设备的修改，可以省略踏板3。即，如图23A和图23B所示，连接机构4形成为使得座位构件2可以相对于基部1倾斜并且省略踏板3。因此，使用者M坐于鞍座22上，并且将脚放于基部1上或者放于放置基部1的地面上。当使用图22的连接机构4时，可以限制座位构件2的摆动方向。由于没有踏板3，因此不存在用于使脚位置和脚趾方向与座位构件2的摆动方向匹配的导引件。在该实施例中，连接机构4具有方向指示板44，其可转动地支撑于基部1内平行于基部上表面的平面内。在方向指示板44内设置有箭头标志45。该标志45位于包括图22的连接机构4的导轨槽42的平面内。因此，当脚放于该标志的延长线上时，使用者很容易使座位构件2的摆动方向与膝关节的弯曲及伸展方向匹配。

例如，当座位构件2从图23A所示的直立姿势向图23B所示的倾斜姿势倾斜时，座位构件2的倾斜角度由导轨槽42限制，使得膝关节弯曲和伸展的方向均位于座位构件2的摆动平面内。所述附图示出了座位构件仅沿单个方向的摆动。可选地，座位构件2可设置成沿两方向摆动，从而可以向每条腿交替施加负载。此外，当使用图22的连接机构4时，导引构件41可用作基部1。此时，优选地将方向指示板44设置在导引构件41的外周，如上所述。

<第三实施例>

在该实施例的腿部训练设备中，踏板3只能沿上下方向移动，并且座位构件2的底端部与踏板3之间的距离保持恒定。即，如图24A和图24B所示，通过在板状踏板3的四个拐角形成导引孔3a，并且将在基部1上突起的四个导引销3b插入该导引孔，踏板只能沿上下方向移动。在这种情况中，当连接体70固定至座位构件2和踏板3时，座位构件不能相对于基部1发生倾斜。在该实施例中，由于连接体70在其相对两端具有例如球轴承的铰接件——所述铰接件与座位构件2和踏板3接合，因此座位构件2和连接体70之间的角度、以及踏板3和连接体70之间的角度均可以变化。这样，踏板3可以随座位构件的摆动而沿上下方向移动。

由图24A所示组件实现的运动也可以通过图25所示的组件实现。即，踏板3通过可沿上下方向收缩的伸缩装置3c安装到基部1上。此外，如图26所示，优选地，在使用者的后方位置通过铰接件3e可枢转地支撑连杆3d，而踏板3安装于该连杆的前端。在这种情形中，连接体70的下端通过铰接件72连接至连杆3d的前部。连杆3d为刚性体。当连杆3d具有足够的长度使得踏板3可以基本沿上下方向移动时，使用者的脚的移动被限制在上下方向，如图24A和图25所示情形。

在该实施例的上述组件中，如图27所示，优选地，设置在连接体70相对两端处的铰接件71、72分别设置在髋关节J2侧以及脚关节(foot joint)J3侧。即，铰接件71所在位置高于设置在座位构件2的顶端处的鞍座，而铰接件72所在位置高于踏板3的上表面。为防止髋关节J2和铰接件71之间以及脚关节J3与铰接件72之间出现位移，可以对鞍座和踏板3使用例如束带的限制构件。此外，优选地，踏板3的运动方向被限制在上下方向以防止出现上述的位移。其他组件及其功能与第一实施例相同。

作为该实施例的另一个修改，如图28所示，优选地使用线75代替连接体70并且形成运动限制部分，用于将踏板3的运动限制在上下方向。线75被用来通过多个滑轮76至78将座位构件2的顶端部与踏板3的需要位置连接。这些滑轮设置成使所述线从座位构件2的背侧延伸至踏板3的底侧。在该图中，从座位构件2的顶端部向后延伸的线75置于滑轮76上以使线的路径改变为沿向下方向，然后置于滑轮77上以使线的路径改变为沿向前方向。最后，线75置于滑轮78上以使线的路径改变为沿向上方向，然后连接至踏板3。在这种情况中，当座位构件2从相对于基部1的直立姿势向左前方或右前方倾斜时，座位构件2和滑轮76间的线沿左右方向摇摆。因此，优选安装滑轮76，使得线条可以摇摆。滑轮76、77可由单个滑轮代替。

在上述情形中，当座位构件2向图中的左侧倾斜时，踏板3由于线75的张力而向下移动。另一方面，当座位构件2从倾斜姿势返回到直立姿势时，踏板3通过上述组件不能实现向上运动。在这样的情形中，需要一个附加的组件以向上移动踏板3。例如，优选地，在踏板3和基部1之间设置弹性构件，以提供弹性力对抗向下作用至踏板3的负载。其他组件及其功能与第一实施例相同。

作为该实施例的另一种修改，如图29所示，在基部1和踏板3之间设置有作为该弹性构件的复位弹簧79。在这种情况中，当负载向下作用至踏板3时，复位弹簧79向踏板3提供对抗该负载的弹性力。因此，当座位构件2从倾斜姿势返回到直立姿势时，复位弹簧79的弹性力通过连接体70有效地作用于座位构件2。也可以不用复位弹簧79，而使用其他的弹性构件例如聚氨酯泡沫。

<第四实施例>

如图30A和图30B所示，该实施例的腿部训练设备的特点在于使用了由基部1通过臂27向下悬吊的座位28，该座位是用于支撑使用者的支撑部分。通过适当设计基部1和臂27之间的连接机构(未图示)，与所述鞍座对应的座位28可以移动，如上述实施例的情形。在附图中，臂27的顶端部由基部1可枢转地支撑，使得座位28可以钟摆的方式移动。在这种情况下，座位28的移动方向被限制在使用者膝关节弯曲和伸展的方向。因此，当通过踏板3确定使用者M的脚位置和脚趾方向时，使用者脚位置和重心位置之间的相对位移的方向被限制在膝关节弯曲和伸展的方向。

作为该实施例的一个修改，如图31所示，该设备具有身体保持单元80，其用于以悬挂的方式保持使用者身体；以及踏板3，其上放置使用者的脚。该身体保持单元80通过连接机构82可转动地连接至向前倾斜的基部(顶板)1，并且其一端具有可收缩以保持使用者腰部的腰部保持构件83，并且还有具有所需长度的线84，该线的一端与所述腰部保持构件83的一端连接，而另一端固定至顶板1。该腰部保持构件83的另一端通过滑块86沿着形成于顶板1上的Y形导轨85可滑动地支撑。

在该腿部训练设备中，当由身体保持单元80支撑的使用者沿向前倾斜的基部1向前滑动时，线84由基部1向下延伸的长度减小以向上移动使用者。在这种情况中，随着使用者沿向前方向滑动距离的增加，使用者沿向上方向的移动距离变大。此外，设置有弹簧87，该弹簧的一端固定至滑块86，另一端固定至基部1的需要位置。弹簧的长度由于使用者向前运动而增加。因此，当使用者向前移动时，弹簧87的恢复力沿着使使用者返回到初始位置的方向(向后)做功。此时，线84从基部1向下延伸的长度增加以向下移动使用者。通过适当设计导轨85的路径，并且正确确定使用者的脚在踏板3上的位置，可以将使用者脚位置和重心位置之间的相对位移限制在膝关节弯曲和伸展的方向上。

在图31的上述组件中，假设踏板3为固定踏板。不过，踏板3可以沿水平方向以及上下方向中的至少一个方向移动。此外，可以使用联锁单元，以使踏板3与身体保持单元80的运动同步地移动的。该实施例旨在提供一种允许使用者在将其脚放置于踏板3上的状态下主动进行腿部训练的腿部训练设备。不过，通过提供身体保持单元80摆动的驱动单元，可以实现以被动方式为使用者提供腿部训练的腿部训练设备。此外，当踏板3可以移动时，除了用于提供身体保持单元的摆动的驱动单元之外，还优选使用用于驱动踏板的辅助驱动单元，以及以同步方式控制这些驱动单元的控制器。在这种情况中，可以向使用者提供更有效的腿部训练。

<第五实施例>

如图32所示，该实施例的腿部训练设备由基部100、固定至基部的柱状支撑件110、用于支撑使用者臀部的座位120、设置在柱状支撑件与座位之间的连接机构130、以及一对固定在柱状支撑件前侧的踏板140组成。

用于提供座位120摆动的连接机构130能够提供沿前后方向的往返直线运动、绕沿左右方向延伸的轴线作往返枢转运动(俯仰)、以及绕沿前后方向延伸的轴线作往返枢转运动(翻滚)。如图33A所示，该连接机构形成有：固定板131，该固定板131固定至柱状支撑件110；活动板132，其用于承载座位120，并设置于所述固定板上方；以及两对连杆133、134，其用于将活动板132的前后端与固定板131的对应端连接。连杆133、134绕沿左右方向延伸的轴线可枢转地连接至固定板131和活动板132。

连杆133和固定板131连接的位置与连杆134和固定板131连接的位置之间的水平距离，被确定为小于连杆133和活动板132连接的位置与连杆134和活动板132连接的位置之间的水平距离。因此，当座位向图33A的右侧(向后方向)移动时，座位呈倾斜姿势，活动板132的前端略高于后端。当座位位于图33A的中央位置时，其呈基本水平姿势。此外，当座位向图33A的左侧(向前方向)移动时，座位呈倾斜姿势，活动板132的前端略低于后端。座位120的上表面并非必须要形成为与活动板132平行。例如，座位的上表面可以形成为当座位向图33A的右侧(向后方向)移动时具有大致水平的表面。尽管附图中没有示出，但是可以通过例如凸轮和曲柄的动力传动机构将驱动单元的输出传至活动板132。

另一方面，每一个踏板140的上表面向前端(脚趾方向)倾斜大约10°。另外，当踏板140接受来自上方的负载时，可以通过内置弹簧(未图示)沿向下方向移动大约20至30mm的距离。另外，左右踏板彼此并非平行设置。如图33B所示，左右踏板设置成其轴线以所需角度彼此交叉。踏板的交叉角度被确定成与连接机构所提供的运动路径的交叉角度相一致。在该实施例中，运动路径从上方看基本呈8字形。此外，图33B的左侧与腿部训练设备的向前方向对应。在连接机构提供向右前方运动期间，右踏板的轴线方向基本平行于锻炼方向。类似地，在连接机构提供向左前方运动期间，左踏板的轴线方向基本平行于锻炼方向。

此外，即使人的腿部在行走或跑步时承受超过1G的大加速度而膝关节也不出现损伤是有原因的。这是因为随着负载增加，在膝关节周围产生肌肉收缩，使得膝关节固定，膝关节处发生的剪切力减小。在使用该机构的本发明的腿部训练设备中，当作用至腿部的负载增加时使用者的重心沿膝关节的伸展方向移位。即，通过使连接机构所提供的运动路径与膝关节的伸展方向至少在向前运动阶段(即作用至腿部的负载增加的阶段)匹配，可以减小作用至膝关节的剪切负载。在腿部施加了最大负载之后，就不需要使连接机构所提供的运动路径与膝关节的伸展方向始终匹配，因为膝关节周围产生足够的肌肉收缩以固定膝关节。此外，可以使用用于将运动方向限制在前后方向上的连接机构130。

<第六实施例>

如图34A和图34B所示，该实施例的腿部训练设备主要由基部200、可移动地支撑于基部并且内部容置驱动单元的柱状支撑件210、用于支撑使用者臀部的座位220、用于连接座位和柱状支撑件的连接机构230、一对设置在柱状支撑件前侧的踏板240、以及在座位和踏板之间延伸的连杆250组成。

如图35A至图35C所示，驱动单元容置于齿轮箱201中，该齿轮箱位于柱状支撑件210内并且由基部200沿左右方向可枢转地支撑。轴203可转动地支撑于齿轮箱201内，安装在马达202的转轴上的齿轮A与安装在轴203上的减速齿轮B啮合。通过减速齿轮B提供的轴203的转动通过偏心凸轮204以及连接板205传递至框架206、207、208，从而可以实现座位220的前后及上下运动。另一方面，安装在轴203上的齿轮C与安装于轴211上的齿轮D啮合，从而使轴203的转速减至一半，然后传递至轴211。轴211的转动通过偏心凸轮212传递至臂213。臂213万向铰接于基部200，使得座位220可沿左右方向移动，如图35C中的箭头所示。在各连接部分，使用轴承以实现稳定的结构。在驱动单元的运动路径中，沿左右方向的行程约为沿前后方向行程的一半，从而以1/2减速比实现左右方向的摆动。通过适当改变偏心凸轮204、212的相位差，座位由上述过程实现的运动路径可以形成为V形、W形和水平的8字形。

另一方面，左右连杆250通过铰接件242连接至固定于框架207的连接构件241。各踏板240通过连杆250、铰接件243以及支点244沿上下方向可移动地支撑。在这种情况下，踏板的运动路径形成如下：当座位沿向前、向右及向下摆动时，右踏板240随之向下移动；而当座位沿向前、向左以及向下进行摆动时，左踏板240随之向下移动。这样，使用者的脚位置和重心位置之间的相对位移可以限制在膝关节弯曲和伸展的方向。当需要同时向下移动左右踏板时，左右铰接件242的位置向位于左右之间的中心线移位。此外，优选地，各踏板利用弹簧构件可移动地支撑，且所述弹簧构件的弹性特性被确定为：在对应于使用者基本一半重量的负载作用下，踏板向下移动的距离与座位220向下移动的距离相等。

如图34B所示，座位220具有用于容置使用者臀部和腰部的突起221，并且在其左前和右前部分形成有凹部，处于坐姿的使用者的股骨区域位于该凹部。这样，即使驱动单元沿前、下、左及右方进行摆动时，使用者臀部和腰部可以通过突起向前推动而不会滑动，并且使用者也可以保持在踏板上，使得负载可以有效地作用于股骨区域。如图36A和图36B所示，座位的高度可以根据使用者的身高或者坐高进行调整。由于随着座位位置变高，踏板上的脚位置以及座位上的臀部位置之间的水平距离增大(D1-＞D2)，因此可以为具有不同身高的使用者提供适当的腿部训练。

由上述腿部训练设备所提供的锻炼并非简单地用于摇晃使用者。当使用者被摇晃时，该设备尽量改变头部位置以用于平衡或者确保自身对抗摇晃，从而允许使用者肌肉张紧地进行锻炼。这种锻炼向使用者的臀部和股骨区域的肌肉施加负载，从而可以同时增强身体以及腿部的肌肉强度或代谢(血流、淋巴流)。此外，由于使用者的脚位置和重心位置之间的相对位移被限制在膝关节弯曲和伸展的方向，因此具有膝痛的使用者可以放心地进行腿部训练。

作为该实施例的一个修改，可以使用图37中所示的踏板240’。在该踏板中，第一和第二活动板261、262均与基部260和台阶板(step board)263中每一个可枢转地连接。此外，第一和第二活动板261、262通过销264可转动地彼此连接。另一方面，基部260通过销265与台阶板263连接。在基部260和台阶板263之间设置有弹簧266。因此，通过使用该踏板——其通过将这对活动板261、262以交叉形连接形成，可以不用考虑踏板240’上的脚位置而提供踏板均匀的向下运动。

本发明的连接机构实质上是将支撑部分与基部移动式地连接，使得由于使用者自重而作用至腿部的负载可以通过使用者的脚位置与重心位置之间的相对位移而发生改变；并且限制支撑部分的运动方向，使得至少在作用至腿部的负载增加时，使用者的脚位置和重心位置之间的相对位移方向基本被限制在膝关节弯曲和伸展的方向。当使用者坐在座位构件2上时，使用者的重心位于使用者臀部略靠前的位置。因此，重心位置可以视为“座位构件中心略靠前位置”。即，在图36A和图36B所示的座椅式腿部训练设备的连接机构中，支撑部分由基部可移动地支撑，使得由使用者自重而作用至腿部的负载通过脚位置与“座位构件中心略靠前位置”之间的相对位移而发生改变，并且支撑部分的移动方向被限制成使得至少在作用至腿部的负载增大时，脚位置和“座位构件中心略靠前位置”之间的相对位移方向被基本限制在膝关节的弯曲和伸展方向。工业实用性

如上所述，根据本发明的腿部训练设备，当使用者的一部分体重由支撑部分进行支撑时，可以向包括股骨区域的腿部施加相对轻的负载，从而可以有效地产生股骨区域的肌肉收缩从而增加糖代谢。因此，可以为由于关节疼痛和肌肉强度恶化而导致锻炼能力下降的使用者提供适当的腿部训练。

此外，本发明的腿部训练设备将脚位置和重心位置之间的相对位移方向基本限制在膝关节弯曲和伸展的方向。这意味着可以将施加负载的方向限制在膝部中心与第二脚趾相连的方向上。当沿该方向施加负载时，具有膝痛例如膝部骨关节炎的使用者可以安全地进行腿部训练，而不会造成临床恶化和膝痛。

因此，本发明被期望可以广泛用作用于防止/改善与生活方式有关的疾病或者用于美体/减肥锻炼的锻炼辅助装置，以及为具有膝部疾病和需要对腿部进行康复锻炼的使用者提供适当腿部训练的设备。

Claims (30)

1.一种腿部训练设备，包括：

基部，其固定在适当位置；

支撑部分，其构造成支撑使用者身体的一部分，以便使用者的至少一部分自重作用于包括股骨区域的腿部；以及

连接机构，其构造成将所述支撑部分可移动地连接至所述基部，以便通过使用者自重作用至所述腿部的负载根据使用者脚位置和重心位置之间的相对位移而变化；并且其构造成对所述支撑部分的移动方向进行限制，以便至少当作用至所述腿部的负载增加时，脚位置和重心位置之间的相对位移方向被限制在膝关节弯曲和伸展的方向上。

2.如权利要求1所述的腿部训练设备，其中，所述支撑部分包括踏板，使用者的脚放置在所述踏板上。

3.如权利要求1所述的腿部训练设备，其中，所述支撑部分包括支撑装置，其构造成以坐姿支撑使用者。

4.如权利要求1所述的腿部训练设备，其中，所述支撑部分包括支撑装置，其构造成以悬吊姿势支撑使用者。

5.如权利要求1所述的腿部训练设备，其中，所述连接机构对所述支撑部分的移动方向进行限制，以便使用者的脚位置和臀部位置之间的距离保持恒定。

6.如权利要求3所述的腿部训练设备，其中，所述支撑装置包括构造成支撑使用者臀部的座位构件，且所述座位构件通过所述连接机构以摆动的方式可移动地连接至所述基部。

7.如权利要求6所述的腿部训练设备，其中该设备还包括驱动单元，其构造成以摆动方式移动所述座位构件。

8.如权利要求2所述的腿部训练设备，其中，所述踏板通过所述连接机构与所述基部连接，以相对于所述基部沿水平方向及竖直方向中的至少一个方向移动。

9.如权利要求8所述的腿部训练设备，其中，所述连接装置包括设置在所述踏板底侧的弹性构件。

10.如权利要求1所述的腿部训练设备，其中，所述支撑部分包括：座位构件，其构造成支撑使用者的臀部并且通过所述连接机构以摆动的方式可移动地连接至所述基部；以及踏板，其上放置使用者的脚；并且该腿部训练设备还包括联锁单元，其构造成使所述踏板的运动与所述座位构件的摆动同步。

11.如权利要求10所述的腿部训练设备，其中该设备还包括：第一驱动单元，其构造成以摆动方式移动所述座位构件；第二驱动单元，其构造成移动所述踏板；以及控制单元，其构造成以同步方式控制所述第一驱动单元以及所述第二驱动单元。

12.如权利要求11所述的腿部训练设备，其中，所述控制单元控制所述座位构件及所述踏板的运动，以使所述座位构件在相对于所述基部呈竖直姿势的位置、以及相对于所述竖直姿势呈小于或等于5°的倾斜姿势的位置之间往返摆动，从而使使用者的膝部角度保持在小于或等于40°，且所述座位构件往返摆动的每秒钟往返次数小于或等于2。

13.如权利要求6所述的腿部训练设备，其中，所述座位构件包括：立柱，其通过所述连接机构连接至所述基部；鞍座，其设置于所述立柱的顶端以支撑使用者的臀部；以及结合装置，其构造成将所述鞍座与所述立柱结合，以提供所述鞍座相对于所述立柱的平行运动和旋转运动中的至少其中之一。

14.如权利要求13所述的腿部训练设备，其中，所述结合装置将所述鞍座以跷跷板的方式可移动地支撑在所述立柱上。

15.如权利要求13所述的腿部训练设备，其中，所述结合装置将所述鞍座可滑动地支撑在与所述立柱的轴线方向相交的平面内。

16.如权利要求15所述的腿部训练设备，其中该设备还包括鞍座驱动单元，其构造成使所述鞍座相对于所述立柱滑动。

17.如权利要求13所述的腿部训练设备，其中，所述立柱能沿其纵向方向收缩；且该腿部训练设备包括立柱驱动单元，其构造成使所述立柱伸长和缩短。

18.如权利要求13所述的腿部训练设备，其中，所述立柱能沿其纵向方向收缩；且该腿部训练设备还包括：踏板，其上放置使用者脚；以及控制单元，其构造成对以摆动方式移动所述座位构件的第一驱动单元进行控制，使其与至少一个下述驱动单元同步：驱动所述踏板的第二驱动单元；使所述立柱伸长和缩短的第三驱动单元；以及使所述鞍座在与所述立柱轴线方向相交的平面内滑动的第四驱动单元。

19.如权利要求1所述的腿部训练设备，其中该设备还包括：测量单元，其构造成测量关于代谢的生理测量值；评估单元，其构造成根据所述测量单元的输出确定所述代谢；负载施加单元，其构造成向使用者施加负载；以及控制单元，其构造成根据所述评估单元提供的代谢控制通过所述负载施加单元施加至使用者的负载大小。

20.如权利要求19所述的腿部训练设备，其中，所述评估单元利用权重因数为所述生理测量值赋予权重，从而获得作为代谢的加权生理测量值，其中，所述权重因数是进行所述负载施加单元提供锻炼的肌肉的体积以及进行所述锻炼的红肌的体积其中之一。

21.如权利要求1所述的腿部训练设备，其中该设备还包括：负载传感器，其设置于所述支撑部分上以检测相对于使用者自重的、施加至所述腿部的负载；以及负载变化通知单元，其构造成以实时的方式向使用者通知由所述负载传感器所测负载随时间的变化。

22.如权利要求10所述的腿部训练设备，其中，所述联锁单元使所述踏板的运动与所述座位构件的摆动同步，以便在使用者坐在所述座位构件上并且将脚放于所述踏板上的条件下，当使用者重心位置发生变化时，使用者膝关节的弯曲角度在小于或等于45°的范围内。

23.如权利要求10所述的腿部训练设备，其中，所述联锁单元使所述踏板的运动与所述座位构件的摆动同步，以便当使用者的重心位置发生变化时，使用者膝关节的弯曲角度保持恒定。

24.如权利要求10所述的腿部训练设备，其中，所述联锁单元选择性地提供第一锻炼模式和第二锻炼模式；在第一锻炼模式中，所述踏板的运动与所述座位构件的摆动同步，以便在使用者坐在所述座位构件上并且将脚放于所述踏板上的条件下，当使用者重心位置发生变化时，使用者膝关节的弯曲角度在小于或等于45°的范围内；在第二锻炼模式中，所述踏板的运动与所述座位构件的摆动同步，以便当使用者的重心位置发生变化时，使用者膝关节的弯曲角度保持恒定；并且，该腿部训练设备包括选择器，其构造成选择所述第一锻炼模式和所述第二锻炼模式其中之一。

25.如权利要求1所述的腿部训练设备，其中该设备还包括：输入单元，其构造成输入使用者的数据；计算单元，其构造成根据从所述输入单元输入的数据，计算待由使用者施加至所述支撑部分的压力的适当范围；压力传感器，其构造成检测由使用者实际施加至所述支撑部分的压力；以及显示单元，其构造成向使用者显示由所述计算单元提供的所述适当范围以及由所述压力传感器所测的实际压力值。

26.如权利要求1所述的腿部训练设备，其中该设备还包括：输入单元，其构造成输入使用者的数据；计算单元，其构造成根据从所述输入单元输入的数据，计算待由使用者施加至所述支撑部分的压力的适当范围；压力传感器，其构造成检测由使用者实际施加至所述支撑部分的压力；以及控制单元，其构造成以反馈的方式控制所述连接机构，使所述压力传感器所测的压力值保持在所述适当范围内。

27.如权利要求4所述的腿部训练设备，其中，所述支撑装置包括：身体保持单元，其构造成以悬吊姿势保持使用者身体，并且通过所述连接机构以摆动的方式可移动地连接至所述基部；以及踏板，其上放置使用者脚；其中，所述腿部训练设备还包括联锁单元，其构造成使所述踏板的运动与所述身体保持单元的摆动同步。

28.如权利要求27所述的腿部训练设备，其中，所述身体保持单元包括：腰部保持构件，其构造成保持使用者的腰；以及用于使用者的悬吊构件，其构造成能沿其轴线方向收缩。

29.如权利要求27所述的腿部训练设备，其中该设备还包括驱动单元，其构造成以摆动的方式移动所述身体保持单元。

30.如权利要求27所述的腿部训练设备，其中该设备还包括：第一驱动单元，其构造成以摆动的方式移动所述身体保持单元；第二驱动单元，其构造成移动所述踏板；以及控制单元，其构造成以同步的方式控制所述第一驱动单元以及所述第二驱动单元。

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