JP2005342191A - 運動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 体力の増進や強化、ダイエットなどを効果的に行えながら、運動者の苦痛と疲労をすばやく解消したり和らげたりすることができる定置式自転車などの運動装置を提供する。
【解決手段】 人体を運動させる定置式の自転車本体と、自転車本体による運動量を検出する運動量計１５と、運動者の心拍を検出する心拍計１２と、人体に酸素を供給する酸素供給装置３０と、心拍数および運動量などの情報に基づいて酸素の供給を制御する制御部２０とを備えた。そして、この構成により、心拍数および運動量に応じて、運動者の心肺や筋肉などへの負担により運動者に苦痛や疲労を生じている、若しくは、苦痛や疲労をこの後生じる可能性が高いと推測できる場合などのタイミングに合わせて、酸素を供給する。
【選択図】 図２

Description

本発明は運動装置に関する。

いわゆるフィットネスクラブなどの健康管理施設には、健康の維持や増進、ダイエットなどを目的とするものとして、各種の運動装置が設けられている。運動装置の１つとしてエアロバイクなどと称する定置式自転車が知られており、この定置式自転車は室内で自転車漕ぎ運動を行うようになっている。

このような定置式自転車においては、漕ぐ際の負荷量（疑似走行する道の勾配値に対応する）を変更可能に構成したものが実用化されており、大きめの負荷状態（過負荷状態と称す）にすることで、脚力の強化や脚痩せなどのダイエットを効果的に行えるようになっている。また、このような機能に加えて、耳たぶなどにセンサを付けてその運動者の脈拍数（通常、心拍数と等しいので、以下、心拍数と記載する）などの人体の指標となる情報を表示装置に表示させることも行われており、この構成によれば、運動者は自分の心拍数を確認しながら運動を続けたり、運動量を調整したりすることができる。

また、特許文献１には、この種の定置式自転車に、体重計と体脂肪測定機能とを付加することで、継続して運動を行った期間内における体重や体脂肪の変化に基づいて筋肉量の変化を把握し、適正な運動量の目標設定ができるように図ったものが開示されている。
特開２０００−２２９１３１号公報

しかしながら、このような定置式自転車などの従来の運動装置において、過負荷状態での運動を続けると、場合によっては、運動者の心肺や筋肉に対して、過度の負担を与えて、苦痛と疲労を生じさせることがある。また、最悪の場合には、身体バランスを崩して身体に変調をきたすことにもなりかねない。

本発明は、上記課題を解決するもので、体力の増進や強化、ダイエットなどを効果的に行えながら、運動者の苦痛と疲労をすばやく解消したり和らげたりすることができる定置式自転車などの運動装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、人体を運動させる運動手段と、人体の状態を表す人体指標情報を得る人体指標取得手段と、人体に酸素を供給する酸素供給手段と、人体指標情報および運動手段の運動情報の少なくとも一方の情報に基づいて酸素の供給を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

この構成により、人体指標取得手段により得た人体指標情報や運動手段の運動情報に応じて、運動者の心肺や筋肉などへの負担により運動者に苦痛や疲労を生じている、若しくは、苦痛や疲労をこの後生じる可能性が高いと推測できる場合などのタイミングに合わせて、酸素を供給することができ、これにより、運動者の苦痛と疲労を素早く解消したり和らげたりすることができる。

本発明によれば、人体指標取得手段により得た人体指標情報や運動手段の運動情報に応じて、運動者の心肺や筋肉などへの負担により運動者に苦痛や疲労を生じている、若しくは、苦痛や疲労をこの後生じる可能性が高いと推測できる場合などのタイミングに合わせて、酸素を供給することができ、運動者の苦痛と疲労を素早く解消したり和らげたりすることができる。また、運動者が苦痛や疲労を感じていないときなどには酸素を供給しないようにできるため、余分な酸素を供給して脚力の強化や脚痩せの効果が低くなることを防止できるとともに、酸素の無駄な供給も防止できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１、図２に示すように、本発明の実施の形態にかかる運動装置は、サドル１、ハンドル２、ペダル３、所定位置に固定された前輪４、ローラ５上を転動する後輪６、これらを支持するフレーム７などからなり、実際に人体を運動させる運動手段としての定置式の自転車本体１０と、運動者の耳たぶに取り付けられる（または、ハンドル２における手で握る箇所に装着してもよい）センサ部１１が接続され、運動者の心拍数を検知する人体指標取得手段としての心拍計１２と、ペダル３への踏力を測定するトルクセンサ１３により算出したトルク値、ペダル３が取り付けられたクランク軸の回転数を検出する回転数検出計１４からの回転数や仮想走行距離、速度データなどに基づいて運動者の運動量を算出する運動量計１５と、人体に酸素を供給する酸素供給装置３０と、例えばハンドル２の中央部などに配設され、ペダル回転数、走行速度、走行距離、運動時間、積算運動量、心拍数、酸素供給状態、負荷状態などを表示する表示部２１と、表示部２１に隣接してハンドル２の中央部などに設けられ、各種データを手動で入力する複数の押ボタンが備えられた入力部２２と、各種データを記憶する記憶部２３と、これらの構成要素を制御する制御部２０などを備えている。

なお、ローラ５は、ローラ台８により支持されており、電磁ブレーキやマグネット、摩擦力変化などにより回転時の負荷が調整可能とされ、これにより、間接的にペダル３の負荷を調整可能に構成している。また、この実施の形態においては、定置式の自転車本体１０として電動自転車を利用した運動装置の場合を述べているが、これに限るものではない。また、図示しないが、入力部２２には、複数の押ボタンとして、データ種別を選択するデータ種別選択ボタン、入力データの確認をする確認ボタン、入力値の増減を行うための増加ボタンおよび減少ボタン、各種運動モードなどを選択するモード選択ボタンなどが設けられているが、これに限定されるものではない。

ここで、前記酸素供給装置３０は、空気よりも高濃度（例えば約３０％）の酸素を発生させ、例えば特許２５３７８００号公報などにも開示されている酸素富化膜ユニットを有する高濃度酸素供給部と、図１に簡略的に示すように、運動者の頭部などに装着されるヘッド装着部３１と、このヘッド装着部３１の一部から口や鼻の近傍位置まで延設されて先端部から高濃度酸素（以下、単に酸素と称す）を排出する高濃度酸素排出部３２と、高濃度酸素供給部に接続されて制御部２０により制御される制御弁などを有し、酸素の供給と停止とが制御可能に構成されている。なお、ヘッド装着部３１に、耳たぶに装着する前記センサ部１１も電気配線を介して取り付けられており、このセンサ部１１が心拍計１２に電気的に接続されている。

ところで、運動者の運動量と心拍数とは強い相関関係がある。これに対応して、記憶部２３には、予め複数例の心拍数と運動量との相関関係のデータや以下に述べる各種のデータが記憶されており、制御部２０は、基本的に、心拍数や運動量などに関する以下の判断基準に基づき、酸素供給条件が満たされ、かつ酸素供給禁止条件に該当しない際に酸素を供給するよう構成されている。

まず、第１の酸素供給条件として、酸素の供給を開始する供給閾値としての開始指標値と、この開始指標値よりも低い値とされ、酸素の供給を停止する停止閾値としての停止指標値とを予め設定し、人体指標としての心拍数が前記開始指標値よりも大きくなった際に酸素の供給を開始し、心拍数が前記停止指標値よりも小さくなった際に酸素の供給を停止するよう構成している。ここで、図３は、この第１の酸素供給条件を概略的に示すもので、運動を開始した後、運動量（運動強度）を徐々に増加し、その後、運動量を徐々に減少させて運動を終了した場合の運動時間と脈拍数との関係を示す。心拍数が開始指標値ａよりも大きくなった時点ｔ１で酸素の供給を開始し、心拍数が停止指標値ｂよりも小さくなった時点ｔ２で酸素の供給を停止させる。

前記開始指標値は、以下のようにして設定する。
運動者が安全に体力を増強できる上限の運動強度「％ＨＲmax」に関する式として、以下の式が一般に知られている。なお、以下におけるＨＲとは心拍数である。

％ＨＲmax＝（（運動時ＨＲ−ＨＲrest）／（ＨＲmax−ＨＲrest））×１００
ここで、運動時ＨＲは運動時での心拍数、ＨＲrestは安静時の心拍数、ＨＲmaxは最大心拍数（１分間に心臓が拍動できる最大限の回数）である。一般に、男性の最大心拍数ＨＲmaxは［２２０−年齢］、女性の最大心拍数ＨＲmaxは［２１０−年齢］、運動をよく行っており、身体が鍛えられている人の最大心拍数ＨＲmaxは、［２１０−年齢×０．８］である。

ここで、安全に体力を増強するための運動強度の上限は、高齢者は最大心拍数ＨＲmaxの５０〜６０％、若年者は８０％、これ以外の一般人は７０％であると言われている。
したがって、運動を始める前に、運動者に年齢と性別とを入力してもらい、これらの運動強度に関する記憶部２３に保存されたデータに基づき、運動者の年齢と性別に対応させながら、運動者が安全に体力を増強できる上限の運動強度（安全限界運動強度と称す）に基づき、この安全限界運動強度に対応する心拍数（安全限界心拍数（安全限界ＨＲ）と称す）を算出して、この安全限界ＨＲを前記開始指標値として設定する。なお、さらに、該当する年齢や性別において、標準の安全限界運動強度と、これより運動強度が強めの安全限界運動強度や運動強度が弱めの安全限界運動強度などを選択可能に構成してもよい。

一方、酸素の供給を停止する運動強度に対応する人体指標値である停止指標値は、以下のようにして設定する。
図４に示すように、時間とともに運動強度が増加する状態における心拍数の変動曲線Ｌ１と運動強度が減少する状態における心拍数の変動曲線Ｌ２とは若干異なっており、運動強度が増加する状態における心拍数に対して、運動強度が減少する状態での心拍数は少し高めとなりながら減少する（すなわち、運動強度の減少量よりも心拍数の減少量が少ない）傾向がある。また、目標とする運動強度を越えると、その後、運動強度を低くした場合でも、心拍数がすぐには運動強度の低下に追従しないので、前記変動曲線Ｌ２の傾向をも考慮しながら、安全限界運動強度よりも低い運動強度（安全限界解除運動強度と称す）に対応する、前記開始指標値よりも低い心拍値を、酸素の供給を停止する停止指標値として設定する。なお、この停止指標値を開始指標値よりも低い値に設定することにより、運動量の変動がないにもかかわらず、酸素の供給が短時間において供給・停止が繰り返される不具合（いわゆるチャタリング）を防止できる意味合いもある。

次に、第２の酸素供給条件として、運動量計１５により測定した運動量と心拍計１２により得た心拍数との相関関係に基づいて運動者の体力や体調などを含めた運動能力を制御部２０内に設けられた判定部により判定し、この判定結果に基づいて酸素の供給条件を調整するよう構成されている。

すなわち、上述したように運動量ならびに運動強度と心拍数とは強い相関関係があるので、予め、多数の人の運動量と心拍数との相関関係（回帰線）を予め実験データとして得ておく。ここで、図５は、５０代男性の運動量と心拍数との関係を実験で求めた例を示す。同様な手法により、年齢や性別毎に運動量と心拍数との相関関係（回帰線）を得、例えば、この相関関係の標準データの回帰線に余裕分（変動する可能性があるばらつき値）を含めて基準心拍数範囲として、具体的には、基準運動量に所定倍率（ΔＨＲ）で増加させた値と、所定倍率（Δ解除ＨＲ）で減少させた範囲を基準心拍数範囲として、記憶部２３に記憶させておく。

そして、運動中において運動量計１５により測定した運動量に基づいて、心拍計１２により得た実際の心拍数と、前記運動量での予め設定した年齢や性別における前記基準心拍数範囲とを比較し、例えば、図６に示すように、計測時での実際の心拍数が前記基準心拍数範囲よりも高い場合には、前記年齢や性別などの標準的な人よりも体力などの運動能力が不足していると判断して、酸素の供給条件を緩めるように調整する。また、実際の心拍数が前記基準心拍数範囲よりも低い場合には、前記年齢や性別などの標準的な人よりも運動能力があると判断して、酸素の供給条件をきつくするように調整する。酸素の供給条件を緩める方法としては、酸素を単純に供給状態としたり、前記開始指標値から停止指標値までの範囲を広げたり、前記開始指標値や停止指標値を低くしたり、後述する第３の酸素供給条件である積算運動量を低減したりするなど各種方法がある。また、酸素の供給条件をきつくする方法としては、単純に酸素の供給を停止させたり、前記開始指標値から停止指標値までの範囲を狭めたり、前記開始指標値や停止指標値を高くしたり、以下に述べる第３の酸素供給条件である積算運動量を増加させたりするなど各種方法がある。なお、この実施の形態では、供給条件を緩める方法として、後述する酸素を必要とする時間が予め設定した供給判定積算時間よりも大きい場合に酸素を供給状態とする場合を述べている。

さらに、第３の酸素供給条件として、運動開始後または運動再開後の積算運動量が判定用積算運動量を上回った際に、酸素の供給を開始するようにまたは継続して供給するように制御する。

まず、予め、前記年齢と性別の入力データなどに対応して、標準的な積算した運動量（たとえば、疲労により発生する乳酸などの疲労物質が時間あたりに所定量以上発生する運動量を記憶させておく。また、入力部２２から運動者自身が目標運動量などを判定用積算運動量として入力可能に構成してもよい。）を判定用積算運動量として設定しておく。そして、図７に示すように、運動を行っている際での運動量を運動量計１５により随時測定し、運動開始後、または運動が再開されたと判断された後以降の積算運動量を随時算出し、この積算運動量が判定用積算運動量ｄを上回った際に、酸素の供給を開始するように（既に酸素が供給されている場合は継続して供給するように）制御する。また、この場合に、酸素を供給する際の下限の心拍数を設定するように構成してもよい。なお、運動が再開されたことの判定基準としては、運動量が一旦、停止されたり、低い値となったりした後、運動量が高い値になったことを検知した段階で、運動が再開されたと判断すればよいが、これに限るものではない。

第４の酸素供給条件として、運動をほぼ終えて、クールダウン（整理運動）を行っている際に、酸素を所定時間、または所定の指標値に下がるまで供給する。具体的には、運動量が所定の下限運動量よりも小さくなった際に、クールダウン（整理運動）を行っていると推測し、このクールダウンが開始された時点（運動量が所定の下限運動量よりも小さくなった時点）から、所定時間（クールダウン酸素供給時間と称す）に達するまで、あるいは心拍数が所定の値（予め設定した運動後ＨＲに運動強度が下がった際の心拍数）に下がるまで、酸素を供給する。なお、図８は、それぞれ複数種類の運動量における心拍数の変化度合いを示す実験例である。ところで、運動を停止した場合でも、疲労物質を分解するエネルギーが必要であるので、運動停止後も疲労物質の分解のためになお酸素を通常よりも必要とし、そのため、図８に示すように、運動を停止しても、心拍数は緩やかに減少する。これに対応すべく、クールダウン時にクールダウン酸素供給時間（図８においては６０秒間）だけ酸素供給をする。

また、さらに、この第４の酸素供給条件に類似する第５の酸素供給条件として、予め、目標運動量などを判定用積算運動量として設定し、判定用積算運動量の所定割合（例えば１／２）に達した際に、運動者の状態が、体力を増強できる範囲を越えて疲労が蓄積される状態であることを確かめるなどのために、酸素が供給状態である場合には、一時的に酸素の供給を停止し、その後、心拍数が所定値以上増加する場合に、疲労が蓄積されつつあると判断して酸素の供給を再開し、心拍数があまり増加しない場合には、疲労があまり蓄積されていないと判断して酸素の供給停止状態を維持するように構成してもよい。なお、前記判定用積算運動量の所定割合の運動量を一時停止時供給可運動量と称す。

一方、酸素を供給しない条件（酸素供給禁止条件）として、運動開始のウォーミングアップ時には、酸素を供給しないように構成してもよい。つまり、運動開始時（ウォーミングアップ時）に人体では、呼吸で得る酸素の代わりに、体内の筋肉の中に蓄えられているグリコーゲンなどの無酸素エネルギーを応急的に使った形で運動することが知られており、酸素を取り入れる役目の呼吸・循環機能により一定の働きができるまで、体内に蓄えられているエネルギーを借りて無酸素状態で運動することとなる。このような理由から、運動開始時（ウォーミングアップ時）には、酸素を供給しても、体内への酸素の取り入れ効果が殆どなくて無駄であるため、ウォーミングアップ状態であると考えられる場合、すなわち、運動開始後の積算運動量が所定のウォーミングアップ運動量に達していない場合、または所定のウォーミングアップ心拍数に達していない場合に、酸素の供給を禁止する。

上記運動装置は、図１０〜図１２に示すように、以下のように制御されて使用される。
まず、運動を始める前に、予め運動者の年齢や性別を入力部２２から運動者によって入力させる（ステップＳ１）とともに、運動者の運動能力に応じた酸素供給レベル（図９に示す、Ｈ・Ｍ・Ｌ）を運動者に選択入力させる（ステップＳ２）。なお、図９に示す「Ｍ」は、標準の安全限界運動強度に対応する酸素供給レベルを示し、「Ｈ」は運動強度が弱めの安全限界運動強度でも酸素を供給する、すなわち供給条件が緩めの酸素供給レベルを示し、「Ｌ」は運動強度が強めの安全限界運動強度で酸素を供給する、すなわち供給条件がきつめの酸素供給レベルを示す。

このように運動者の年齢や性別からなる基準データの設定や、運動強度に対応する酸素供給レベルの選択が行われると、制御部２０は、入力されたデータに基づき、図９に示す各種項目のデータなどを設定するとともに、積算運動量、酸素必要運動時間カウンタ、酸素供給積算時間などの変数を０に設定して初期化する（ステップＳ３）。

また、運動量計１５により運動量を随時測定し（ステップＳ４）、図１１に示すサブルーチンを実行する。具体的には、回転数検出計１４により検出したクランク軸の回転数と、トルクセンサ１３により検出したペダル踏力とから毎秒あたりの運動量を算出し（ステップＳ２１）、それまでの積算運動量に毎秒あたりの運動量を足して積算運動量とする（ステップＳ２３）。また、心拍計１２により心拍数を随時計測し（ステップＳ２４）、この心拍数や、前記運動量、積算運動量を表示部２１に表示する。なお、心拍数が不安定な場合には、例えば、一定時間内で最大値と最小値とを削除し、残るデータで平均値をとって心拍数とする。また、ステップＳ２１において運動量を算出した後に、ステップＳ２２において、例えば、計測した運動量が４０Ｗ〜６０Ｗよりも大きければ、運動中であるとみなして「運動中」と表示し、これ以下であれば運動停止とみなして「運動停止」と表示し、運動停止とみなした場合には積算運動量として積算しない。

ここで、運動開始初期のウォーミングアップ時には、通常、軽い運動が行われるが、上記したように、この時には無酸素状態で運動しているので、ウォーミングアップ状態であると考えられる場合、すなわち、運動開始後の積算運動量が所定のウォーミングアップ運動量に達していない場合、または所定のウォーミングアップ心拍数に達していない場合に、酸素の供給を開始しない（ステップＳ２５〜Ｓ２７）。また、運動開始後の積算運動量が所定のウォーミングアップ運動量に達した場合、または所定のウォーミングアップ心拍数に達した場合には、ウォーミングアップが完了したと認識する（ステップＳ２８）。また、急激な運動量増加を避けて運動の強さを低い状態から逓増させるようにローラ台８を制御する。この際は、心拍数も低いレベルであり、精神的影響が心拍数に影響する場合があり、不安定であるので、運動者の運動能力を判定するためのデータとして取り扱わない。

次に、図１１に示す運動量の計測ルーチンを行った後に、図１０に示すステップＳ５に進んで、酸素が供給中であるかどうかを確認する。ここで、ウォーミングアップ直後である場合には、まだ、酸素が供給されていないため、以下のステップＳ７以降に進む。また、他のルーチンから、ステップＳ４を介してこのステップＳ５に進んできた場合において、酸素が供給されていない場合には、以下のステップＳ７以降に進み、酸素供給条件を判断する。また、他のステップから、ステップＳ４を介してこのステップＳ５に進んできた場合において、酸素が供給されていた場合には、ステップＳ６に進む。

ステップＳ５において酸素が供給されていないと判定された場合は、ステップＳ７において、まず、運動量情報に基づいて運動中であるかどうかを判定する。運動中であると判定された場合には、ステップＳ８に進み、心拍計１２で計測された心拍数が安全限界心拍数である開始指標値よりも大きいかどうか（第１の酸素供給条件）を判定し、計測心拍数が開始指標値（安全限界心拍数）よりも大きい場合には、ステップＳ１３、Ｓ１４を介して、ステップＳ１５において、酸素の供給を開始する。なお、この実施の形態では、ステップＳ１５において、酸素を必要とする運動時間である酸素必要運動時間（詳しくは、実際の心拍数が前記基準心拍範囲を越えて、酸素供給条件を満たしてからの経過時間）が、予め設定している供給判定積算時間以上である場合に、酸素の供給を開始させるように構成しているので、ステップＳ１４から無条件にステップＳ１５に進むように、ステップＳ１３において、酸素必要運動時間として前記供給判定積算時間を代入している。

また、ステップＳ８において、計測心拍数が開始指標値（安全限界心拍数）以下であった場合には、ステップＳ８からステップＳ９に進んで、積算運動量が判定用積算運動量よりも大きいかどうか（第３の酸素供給条件）を判定する。そして、積算運動量が判定用積算運動量よりも大きい場合には、ステップＳ１３、Ｓ１４を介して、ステップＳ１５において、酸素の供給を開始する。

一方、ステップＳ９において、積算運動量が判定用積算運動量以下の場合には、ステップＳ１０に進んで、心拍計１２により得た実際の心拍数が、前記基準心拍範囲よりも高いかどうか（第２の酸素供給条件）を判定し、実際の心拍数が前記基準心拍範囲よりも高い場合には、ステップＳ１２に進んで、酸素を必要とする運動時間である酸素必要運動時間として加算する。そして、ステップＳ１４において、この酸素必要運動時間が供給判定積算時間よりも大きい場合にステップＳ１５に進んで酸素の供給を開始する。

また、ステップＳ１０において、実際の心拍数が前記基準心拍範囲以下である場合には、実際の心拍数が低いことから、現在の運動に対して運動者の余力があるとみなし、ステップＳ１１に進んで、酸素必要運動時間を０にする。

なお、この後、ステップＳ１６において、運動中であり、酸素供給中ではない場合に、運動量、計測心拍数、時間、酸素供給時間、酸素供給条件などのデータを記憶部２３に保存し、また、運動量と心拍数、酸素供給時間とその酸素供給条件を表示部２１に表示したり外部に出力したりして、データとして利用できるようにする。

また、ステップＳ７において、運動中でないと判定された際には、ステップＳ１７に進んで、運動停止時間が設定時間（例えば５秒間）以上であるかどうかを確認する。この場合に、運動が自転車こぎ運動である場合には、走行に惰性がついているので、５秒以内のペダル３の回転停止は「運動中」であるとみなしている。一方、運動停止時間が設定時間以上である場合には、確実な運動停止であるとみなしてステップＳ１８に進み、積算運動量が前記一時停止時供給可運動量より大きいかどうかを判定する。そして、積算運動量が前記一時停止時供給可運動量より大きい場合には、ステップＳ１９に進み、心拍数が予め設定した運動後ＨＲに対応する心拍数よりも大きいかどうかを判定し、心拍数が運動後ＨＲに対応する心拍数よりも大きい場合には、運動停止中であるにもかかわらず、心拍数が高い状態（酸素負債）であるので、ステップＳ１４、Ｓ１５に進み、酸素の供給を行う。

なお、ステップＳ１７において運動停止時間が設定時間よりも短い場合、ステップＳ１８において積算運動量が前記一時停止時供給可運動量より小さい場合、ステップＳ１９において心拍数が運動後ＨＲに対応する心拍数よりも小さい場合には、ステップＳ４に戻って、運動量計測処理からやり直す。

また、ステップＳ５において酸素供給中であると判定されてステップＳ６に進んだ場合には、図１２に示すように、まず、ステップＳ３１において、運動中であるかどうかが判定され、運動中である場合には、ステップＳ３２に進み、心拍計１２で計測した心拍数が安全限界解除心拍数である停止指標値よりも小さいかどうか（第１の酸素供給条件）を判定し、計測心拍数が停止指標値（安全限界解除心拍数）よりも小さい場合には、ステップＳ３５に進んで、酸素の供給を停止する。なお、酸素の供給を停止した時点で、酸素供給時間のカウントを停止するとともに、酸素供給開始時間から現在時間までの時間を積算酸素供給時間として算出する。

また、ステップＳ３１において、運動中でないと判定された場合には、ステップＳ３３に進み、運動停止後の酸素供給時間が、予め設定したクールダウン酸素供給時間（使用者がこれ以上は酸素供給不要と考えるレベルの時間）より大きいかどうかを判定し、運動停止後の酸素供給時間が、予め設定したクールダウン酸素供給時間に達していない場合には、ステップＳ３４に進み、心拍計１２で計測した心拍数が運動後心拍数より大きいかどうかを判定し、計測心拍数が運動後心拍数以下でない場合には、クールダウンを行っており酸素の供給が必要な状態であるので、酸素の供給を継続して行う（第４の酸素供給条件）。

一方、ステップＳ３３において、運動停止後の酸素供給時間がクールダウン酸素供給時間より大きくなった場合や、ステップＳ３４において、心拍計１２で計測した心拍数が運動後心拍数以下となった場合には、酸素の供給が既に十分に行われて酸素供給が不要であると判定し、ステップＳ３５に進んで、酸素の供給を停止する。

上記構成によれば、酸素の供給を開始する供給閾値としての開始指標値を予め設定し、人体指標が開始指標値よりも大きくなった際に酸素の供給を開始するように構成したので、人体指標が開始指標値よりも大きくなって運動者の心肺や筋肉などへの負担により運動者に苦痛や疲労を生じるタイミングに合わせて、酸素を供給することができ、これにより、運動者の苦痛と疲労をすばやく解消したり和らげたりすることができるとともに心肺機能に過度な負担をかけない安全な状態に保つことができる効果もある。また、人体指標が開始指標値よりも大きくなるまでは、酸素の供給を開始しないので、体力の増進や強化、ダイエットなどを効果的に行え、しかも、酸素を無駄に消費しない。

ところで、運動している状態で、目標とする運動強度などを越えると、その後、運動強度を低くした場合でも、しばらくは、疲労により発生する乳酸などの疲労物質は人体中で発生し続ける。しかし、上記構成によれば、酸素の供給を停止する停止指標値を開始指標値よりも低い値に設定して、運動強度を低くした場合でも運動者の心拍数が停止指標値まで下がるまで酸素の供給が継続して行われるので、疲労物質が素早く減少して、疲労の回復を早めることができる。また、心拍数が開始指標値に近い値で変動することがあった場合でも、酸素の供給が短時間において供給・停止が繰り返されるチャタリングの不具合を防止できる効果もある。

また、運動量計１５により測定した運動量と心拍計１２により得た心拍数との相関関係に基づいて運動者の体力や体調などを含めた運動能力を制御部２０内に設けられた判定部により判定し、この判定結果に基づいて酸素の供給条件を調整するよう構成されているので、運動者の体力や体調などの運動能力に応じた酸素の供給条件をさらに的確に設定でき、運動者の苦痛と疲労を一層すばやく解消したり和らげたりすることができる。したがって、体力が不足している運動者や、運動能力が優れている運動者に対しても個々に的確に対応できる。

また、運動開始後または運動再開後の積算運動量に応じて、酸素の供給を開始または継続するように制御することで、運動者において疲労が蓄積する積算運動量のタイミングに合わせて、酸素を供給することができ、これにより、運動者の疲労が蓄積することを最小限に抑えることができる。

さらに、運動を終えた際や、クールダウンを行っている際に、酸素を所定時間または所定の指標値まで下がるまで供給するので、このような際に、悪心、めまい、立ちくらみなどの症状が発生することを防止できる。つまり、激しい運動を急に中止すると、末端の血管が拡張したままの状態で、心臓の活動が緩められるため、運動によって亢進していた各種の生理機能が、安静時の水準に戻る過程において、機能相互の間の調和を失って、悪心、めまい、立ちくらみなどの症状が出て、より強い疲労が残ったりするおそれがあるが、上記のように、運動を終えた際や、クールダウンを行っている際にも酸素を供給することで、悪心、めまい、立ちくらみなどの症状が発生することを防止できる。

また、体内に蓄えられているエネルギーを借りて無酸素状態で運動する運動開始のウォーミングアップ時には、酸素の供給は行わないので、体内への酸素の取り入れ効果が殆どないタイミングに酸素の供給を行うなどの酸素の無駄な消費を防止できる。

以上のように本発明によれば、心肺機能を高濃度酸素の供給により補助しながら、筋肉を中心とした体力強化を図ることができる。また、酸素の供給を身体が必要とするときだけに行うことが可能となって、運動しながら心肺機能の向上を図ることもできる。このように、心拍数や運動量に応じて酸素を供給しながら運動することで、無理なく体力の増進や維持が可能となる。

なお、上記の実施の形態においては、運動終了ならびにクールダウンの状態を、運動量の低下を検知することにより自動的に判定して制御する場合を述べたが、これに限るものではなく、クールダウン検知用の手動の押しボタンを設けて、運動者自身が手動で押しボタンを押すことで、クールダウンを開始したことを制御部２０に直接伝達するように構成してもよい。

また、無酸素運動レベルで心拍数が高い場合に、ランプやブザーで警告して、健康上の安全を損なうおそれがあることを運動者に通知してもよい。
さらに、上記実施の形態においては、運動を開始する前に、運動者の年齢や性別などを予め入力する場合を述べたが、この場合には、運動者の年齢や性別などに極めて細かく対応した酸素供給条件や酸素供給禁止条件を設定できて、運動者の苦痛と疲労の解消などを極めて効果的に行える利点がある。

しかしこれに限るものではなく、前記第２の酸素供給条件を発展させて、例えば、運動者の年齢や性別などを予め入力させることなく、ウォーミングアップ終了後に、その運動量を運動量計１５で測定するとともに心拍計１２により心拍数を自動的に測定し、その運動者の心拍数と運動量との関係から、運動者の運動能力を判定して、供給条件を調整してもよい。例えば、運動量に対する実際の心拍数に基づいて、実際の心拍数が前記運動量に対応する基準範囲よりも大きい場合には体力が少ないと判定し、実際の心拍数が前記運動量に対応する基準範囲よりも小さい場合には十分な体力があると判定する。また、これに代えて、例えば、運動量の変動量と心拍数の変動量とを比較し、運動量の単位変動量に対する心拍数の変動量が所定範囲よりも大きい場合には体力が少ないと判定し、運動量の単位変動量に対する心拍数の変動量が所定範囲よりも小さい場合には十分な体力があると判定する。この判定結果から、体力が少ない運動者に対しては、前記第１、第３、第４などの酸素供給条件を緩め、体力がかなりある運動者に対しては、前記第１、第３、第４などの酸素供給条件を厳しくするように制御することも可能である。なお、必要に応じて、運動量がある程度変動するように制御したり、運動量が増加する場合の心拍数の変動や運動量が減少する場合の心拍数の変動に測定対象を絞ったりして、運動者の運動能力を判定する精度を高めるように制御してもよい。

これによれば、おおまかではあるものの、運動者に合った酸素供給条件を決定できるだけでなく、運動者の年齢や性別などの入力操作を省くことができて利便性を向上できる効果がある。

また、上記実施の形態においては、人体指標取得手段として、そのセンサ部１１が耳たぶまたは、ハンドル２における手で握る箇所に装着された心拍計１２を用いる場合を述べたが、これに限るものではなく、これに代えて、血圧、体温などを取得できる手段を採用してもよい。

さらに、上記実施の形態においては、運動装置が定置式の自転車本体１０である場合を述べたが、これに限るものではなく、一般の電動自転車や自転車にも適用可能である。
また、運転者の運動量（負荷量）としては踏力によるトルクと回転数を用いた場合を述べたが、これに限るものではなく、上記のように、回転時の負荷が調整可能なローラ台８の負荷具合から運動量を算出するように構成してもよい。

また、電動自転車を運動装置として用いる場合には、電動自転車として用いられているものを兼用すると、コスト増加を最小限に抑えることができる利点を有し、トルクと走行速度など、運動量（負荷量）を検知できるものを用いればよい。

さらに、特開２００２−２３４４７９号公報に開示されているように、予め、トルクと走行速度などの運動量と心拍数などの関係をデータベース化して記憶しておき、心拍数などの人体指標を運動量から算出して得て、電動自転車の人力に対する電動モータによる駆動力の補助比率などを変更して運動負荷を変更するように構成してもよく、この場合には、心拍計のセンサ部などを装着しなくて済む利点がある。

また、この場合に、脈拍数や心拍数は外気温や体温が高いほど大きくなる傾向があるため、電動自転車に外気温を測定するセンサや、体温を測定するセンサ（例えば手で握るグリップの箇所に埋め込む）を設けて、回転数と踏力によるトルクの値から算出した運転者の運動量を前記センサの値に基づいて実際の脈拍により近づくように補正してもよく、これによれば、さらに良好に制御することができる。

本発明の運動装置は、定置式の自転車運動装置や、一般の電動自転車、自転車に適用可能であるだけでなく、この種の自転車型運動装置の他に、歩行型運動器やジョギング型運動器などに適応させることも可能である。

本発明の実施の形態に係る運動装置における定置式の自転車本体を概略的に示す図である。 同運動装置の制御系の構成要素を示すブロック図である。 運動に伴う心拍数の変化と、酸素供給のタイミングとを説明するための図である。 運動強度増加時および運動強度減少時の心拍数と運動量との関係を示す図である。 運動量と心拍数との関係を示す図である。 運動量に対する基準心拍数範囲と実際の心拍数との関係を示す図である。 運動時間と積算運動量との関係を示す図である。 運動時間と心拍数との関係を示す図である。 酸素供給条件や酸素供給禁止条件の例を示す図である。 制御部によるメーンルーチンを示すフローチャートである。 制御部による運動量計測処理を示すフローチャートである。 制御部による酸素供給中処理を示すフローチャートである。

符号の説明

３ ペダル
５ ローラ
８ ローラ台
１０ 自転車本体
１１ センサ部
１２ 心拍計（人体指標取得手段）
１３ トルクセンサ
１４ 回転数検出計
１５ 運動量計
２０ 制御部
２１ 表示部
２２ 入力部
２３ 記憶部
３０ 酸素供給装置

Claims (9)

1. 人体を運動させる運動手段と、人体の状態を表す人体指標の情報を得る人体指標取得手段と、人体に酸素を供給する酸素供給手段と、人体指標情報および運動手段の運動情報の少なくとも一方の情報に基づいて酸素の供給を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする運動装置。
2. 制御手段は、酸素の供給を開始する開始指標値と、この開始指標値よりも低い値とされ、酸素の供給を停止する停止指標値とに基づき、人体指標が前記開始指標値よりも大きい際に酸素の供給を開始し、人体指標が前記停止指標値よりも小さい際に酸素の供給を停止することを特徴とする請求項１記載の運動装置。
3. 開始指標値として、運動者が安全に体力を増強できる運動強度の上限に対応する心拍数が用いられていることを特徴とする請求項２記載の運動装置。
4. 運動量を測定する運動量測定手段を備え、制御手段により、前記運動量測定手段により測定した運動量と人体指標取得手段により得た人体指標との相関関係に基づいて運動者の運動能力を判定し、この判定手段の判定結果に基づいて酸素の供給条件を調整することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の運動装置。
5. 制御手段は、運動開始後または運動再開後の積算運動量が判定用積算運動量を上回った際に、酸素の供給を開始するようにまたは継続して供給するように制御することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の運動装置。
6. 制御手段は、運動量が低い状態に移行されたことを検知した際に、酸素を、所定時間に達するまで、または所定の指標値に下がるまで供給するように制御することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の運動装置。
7. 制御手段は、運動開始後の積算運動量が所定量に達していない場合、または所定の心拍数に達していない場合に、酸素の供給を禁止するように制御することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の運動装置。
8. 人体指標取得手段は、運動手段の運動状況情報を入力し、この運動状況情報に基づいて人体指標情報を推定して得ることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の運動装置。
9. 運動装置が自転車こぎ運動を行う運動装置であることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の運動装置。

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