JP2008099727A - 下肢筋力評価・訓練装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造にて、安全に訓練できる、下肢筋力評価・訓練装置を提供する。
【解決手段】ベース１０、ベース上に設けられた椅子２０、ベース上において所定範囲を往復動自在にガイドシャフト５０に支持されたペダル４０、ペダルの往復移動に連動して回転駆動される被駆動部材６０、被駆動部材６０の回転駆動力を抑制するように負荷を及ぼす負荷機構８０、ペダルに及ぼされる荷重を検出するべくガイドシャフト５０に支持された非拘束部材７０と前側固定壁１１の間に配置されたロードセル９０、エンコーダ１００等を備え、負荷機構８０は、ペダル４０に荷重が及ぼされないときボールスクリュー６０を停止させ、ペダル４０に荷重が及ぼされるときその荷重に応じた負荷を及ぼすように形成されている。これによれば、高齢者や障害者が下肢の訓練を行う際に、無理なく安全に、かつ、自らの脚力に応じて脚の伸展及び屈曲運動を行うことができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、下肢の屈曲運動及び伸展運動を行う下肢筋力評価・訓練装置に関し、特に、使用者（訓練者）の筋力に応じた負荷設定が可能な下肢筋力評価・訓練装置に関する。

下肢の筋力を測定する筋力測定装置として、略水平に配置された着座用の椅子、下肢を曲げた位置から伸ばした位置までの領域で椅子から前方に延びた移動自在なロッド、ロッドの前端に固定された一つのペダル、下肢から印加される力の前後方向及び垂直方向の成分をそれぞれ検出する荷重センサ（水平力センサ及び垂直力センサ）、ロッドを予め設定される速度一定の条件で前後方向に移動又は停止させる駆動機構としてエアーシリンダ（あるいは油圧シリンダ）等を備えたものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２）。

また、脚伸展力による瞬発力測定装置として、長尺なベースフレーム、ベースフレームの一端側に固定された箱体、箱体の上面に略水平に配置された被検者用の椅子（シート）、ベースフレームの伸長方向に配置されたガイドシャフト、ガイドシャフトに沿って往復動するように設けられた一つのペダル、ペダルの踏み込みにより繰り出すロープ，ロープを巻回したドラム，ドラムの回転に連動するパウダーブレーキ，繰り出したロープを巻き取るようにドラムを回転付勢するリターンスプリングを含む駆動機構、被検者の踏力による荷重を直接検出するべくペダルに設けられた荷重センサ（あるいは、被検者の踏力による荷重を間接的に検出するべくパウダーブレーキの回転軸に固定された負荷軸エンコーダ）等を備えたものが知られている（例えば、特許文献３、特許文献４、特許文献５）。

これらの測定装置においては、ペダルと椅子が、連続的に形成された略直方体形状の筐体（ベース）又はフレームの上面領域に設けられているため、被検者が椅子に対して離着席する際に、脚を上げて跨がなければならないため不便であり、又、脚（又は足）を引っ掛けた場合には転倒する虞がある。

また、これらの測定装置においては、駆動機構としてエアーシリンダ（油圧シリンダ）等を用いた場合は、限定された負荷と一定速度の条件下で筋力の測定等を行うものであるため、ペダル部の押し方向及び戻し方向での負荷（トルク）の変更、左右各々の脚での負荷（トルク）の変更等を自在に行えるものではない。すなわち、個々の被検者に対応した設定又は個々の被検者の動作中の状態に対応した設定を容易に行うことができず、使い易さあるいは安全性等の考慮に欠けるものである。また、その駆動が制御不能になった場合、暴走して被検者に無理な過負荷を及ぼす虞があり、安全性の点で不十分である。駆動機構として、ペダルに連結されたロープ、ドラム、リターンスプリング等を用いた場合、被検者が伸ばした脚を屈曲状態に戻す際に、リターンスプリングの付勢力が加わるため、無理に屈曲させられて脚（足）を痛める虞がある。

また、これらの測定装置において、荷重センサがペダルに設けられた場合は、荷重センサに接続された配線も一緒に往復動するため、配線が他の部材と干渉して断線する虞がある。一方、荷重センサとしてパウダーブレーキの回転軸に固定した負荷軸エンコーダを用いた場合は、被検者の足による踏力荷重を直接検出するものではないため、正確な値を測定するのが困難であり、測定誤差を生じ易い。
また、これらの測定装置では、ペダルとしては、左右の足を一緒に載せて固定する一つのペダル部を採用しているため、左脚と右脚を別々に伸展及び屈曲させることができず、被検者に応じた測定あるいは訓練を行うことができない。
さらに、これらの測定装置では、被検者が座る椅子は略水平となるように配置されているため、ペダルを勢いよく踏み込んだ際に、脚が完全に伸び切って膝関節を痛める虞がある。

特許第２７７９９６７号公報 特許第２８７３０５４号公報 特開平３−１６５７４４号公報 特公平７−９６０３７号公報 特許第２５３３４１３号公報

本発明は、上記従来の装置の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、構造の簡略化、小型化等を図りつつ、特に高齢者又は障害者が容易に取り扱う（容易に離着席する）ことができ、安全に、下肢（片脚あるいは両脚）の屈曲及び伸展運動等を含めた総合的な訓練（及びそれに付随した測定）を行うことができ、又、荷重センサに接続される配線の断線等を防止して確実に所期の機能を保証できる、安全性、取扱い性に優れた下肢筋力評価・訓練装置を提供することにある。

本発明の下肢筋力評価・訓練装置は、ベースと、ベース上に設けられた椅子と、ベース上において所定範囲を往復動自在に支持されたペダルと、ペダルの移動に連動して駆動される被駆動部材と、被駆動部材の駆動力を抑制するように負荷を及ぼす負荷機構と、ペダルに及ぼされる荷重を検出する荷重センサと、荷重センサの信号を含む情報に基づいて負荷機構を駆動制御する制御手段と、を備えた下肢筋力評価・訓練装置であって、上記負荷機構は、ペダルに荷重が及ぼされないとき被駆動部材を停止させ、ペダルに荷重が及ぼされるときその荷重に応じた負荷を及ぼすように形成されている、構成となっている。
この構成によれば、使用者（訓練者）が、椅子に座ってペダルに足を固定し、伸展運動及び屈曲運動を行うと、ペダルの移動に連動して被駆動部材が駆動され、荷重センサの信号を含む情報に基づいて、制御手段が負荷機構を駆動制御する。これにより、使用者（訓練者）がペダルに荷重を及ぼすときは、使用者（訓練者）はその荷重に応じた負荷を受け、一方、使用者（訓練者）が運動を停止してペダルに荷重を及ぼさないときは、被駆動部材は停止状態に保持されるため、使用者（訓練者）は強制的に脚を屈曲させられるような負荷を受けることなく脚を休めることができる。
したがって、特に高齢者や障害者が訓練を行う際に、無理なく安全に、かつ、自らの脚力に応じて脚の伸展及び屈曲運動を行うことができる。

上記構成において、被駆動部材は、ペダルの移動方向に伸長するボールスクリューであり、ペダルは、ボールスクリューと螺合する螺合部を有する、構成を採用することができる。
この構成によれば、使用者（訓練者）がペダルを踏み込む（又は引き戻す）と、ペダル（螺合部）の前進移動（又は後退移動）に連動して、ボールスクリューが一方向（又は他方向）に回転し、負荷機構がボールスクリューの回転駆動力を抑制するように負荷を及ぼす。
このように、被駆動部材がボールスクリューという簡単な構造をなすため、全体の構造が簡略化され、小型化、軽量化、メインテナンス性の向上等を達成することができる。

上記構成において、負荷機構は、ボールスクリューと直結される回転軸を有する電磁ブレーキである、構成を採用することができる。
この構成によれば、負荷機構として電磁ブレーキを採用することで、負荷機構を簡素化及び小型化することができ、又、ボールスクリューに軸線上に電磁ブレーキを配置することができるため、部品の集約化を図りつつ、全体として装置をより小型化することができる。

上記構成において、電磁ブレーキは、パウダーブレーキである、構成を採用することができる。
この構成によれば、ボールスクリューが回転しないとき、パウダーブレーキは停止するだけであるため、ペダルに荷重が及ぼされないとき被駆動部材（ボールスクリュー）を停止させる負荷機構を、簡単な構造にて容易に形成することができる。

上記構成において、ベースから立設して設けられた前側固定壁及び後側固定壁と、ペダルを往復動自在にガイドするべく前側固定壁及び後側固定壁に両端が固定されたガイドシャフトと、ペダルの往復動方向への移動が拘束されないようにガイドシャフトに支持された非拘束部材と、をさらに含み、ボールスクリューは、その一端部が非拘束部材に対して軸線方向の移動を規制しつつ回動自在に支持されると共にその他端部が後側固定壁に対して軸線方向の移動を許容しつつ回動自在に支持され、電磁ブレーキは、非拘束部材に固定されると共にその回転軸がボールスクリューの一端部に直結され、荷重センサは、非拘束部材と前側固定壁の間に介在するように配置されたロードセルを含む、構成を採用することができる。
この構成によれば、ボールスクリューはガイドシャフトによりその軸線方向に移動自在に支持され、ペダルに及ぼされた荷重（脚を伸展する際の押す力又は脚を屈曲させる際の引き戻す力）は、ボールスクリューに対してその軸線方向の荷重として作用し、非拘束部材と前側固定壁との間に配置されたロードセル（荷重センサ）により直接的に測定される。
すなわち、ボールスクリューがスラスト方向において拘束されていないため、ペダルに及ぼされる荷重がそのままボールスクリューを介してロードセルに作用することになり、使用者（訓練者）が及ぼす荷重を直接的に高精度に測定することができる。また、ロードセルは、殆ど移動しない非拘束部材と前側固定壁の間に設けられているため、ロードセルに接続される配線等の断線を防止することができ、初期の機能を確実に保証することができる。

上記構成において、非拘束部材は、ボールスクリューの回転を検出する回転センサを保持している、構成を採用することができる。
この構成によれば、回転センサが非拘束部材に保持されているため、ボールスクリューの軸線方向（スラスト方向）の移動を拘束することなく、ボールスクリューの回転速度あるいは回転量等を検出することができ、この情報に基づいて、使用者（訓練者）の運動速度あるいは運動量を測定することができ、又、初期位置等を容易に設定することができる。

上記構成において、ガイドシャフトは、ボールスクリューを上下方向において挟むように上下に配置された２つのガイドシャフトを含む、構成を採用することができる。
この構成によれば、ペダルが上下に配列される２つのガイドシャフトにより支持されているため、ペダルに及ぼされた荷重がその螺合部を介してボールスクリューに回転力として伝達される際に、曲げモーメント等がボールスクリューに加わるのを防止でき、使用者（訓練者）が及ぼす荷重を、ボールスクリューを回転させる力とボールスクリューを軸線方向に押す力又は引き戻す力とに確実に変換させることができる。

上記構成において、ペダルは、左右一対のペダルからなり、ボールスクリュー、ガイドシャフト、負荷機構、荷重センサ、及び回転センサは、左右一対のペダルにそれぞれ対応して二組設けられている、構成を採用することができる。
この構成によれば、使用者（訓練者）は、左右の足をそれぞれ対応するペダルに固定することにより、それぞれの脚を別々に伸展又は屈曲させて訓練することができる。

上記構成において、椅子は、ペダルの移動方向における位置を調整可能に形成されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、椅子を前後（ペダルに移動方向）に適宜移動させて固定することにより、使用者（訓練者）の体格に応じて、最適な着座位置に調整することができる。

上記構成において、椅子は、その座面が前上がりに所定の傾斜角度をなすように配置されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、椅子の座面が前上がりに形成されているため、使用者（訓練者）が脚を伸展させてペダルを最も踏み込んだ状態においても、脚が完全に伸びきるのを防止でき、それ故に、膝関節等を痛めるのを防止することができる。

上記構成において、ベースは略扁平に形成され、このベース上には、椅子の下方領域を覆う第１カバーと、ペダルの下方領域を覆う第２カバーとが、それぞれ独立して設けられている、構成を採用することができる。
この構成によれば、ベースを扁平に形成すると共に椅子の下方領域とペダルの下方（ペダルが移動する範囲の）領域を別々のカバーにより覆う構成としたことにより、一体型のカバーで覆う場合に比べて低床化することができる。その結果、使用者（訓練者）は椅子に対して離着席する際に足を上げて跨ぐ必要がなく、特に、高齢者や障害者にとって、安全で、使い易く、優しい、下肢筋力評価・訓練装置を提供することができる。

上記構成において、制御手段は、所望の情報を入力する入力部、所定の情報を記憶する記憶部、入力部により入力された情報，記憶部に記憶された情報，荷重センサにより検出される情報，又は回転センサにより検出される情報に基づいて負荷機構に対して所定の制御信号を発する制御部を含む、構成を採用することができる。
この構成によれば、使用者（訓練者）は入力部により適宜必要な情報（年齢、体重、身長等の身体に関する情報あるいはその他の訓練に関する情報）を入力することができ、これら入力された情報及びセンサの検出情報、記憶部に記憶された情報等に基づき、制御部が負荷機構を最適な状態に駆動制御することができる。

上記構成において、制御情報又は運動に関する情報を表示する表示部を含む、構成を採用することができる。
この構成によれば、制御情報、負荷や運動特性等の情報等が表示器で表示されるため、訓練効果を数値化でき、又、訓練効果を客観的に評価できる。また、訓練開始からの経緯を表示することにより、効果の確認や予測を行うことができ、訓練を継続的に行う動機付けとなる。

上記構成をなす本発明の下肢筋力評価・訓練装置によれば、構造の簡略化、小型化等を達成しつつ、特に高齢者又は障害者が容易に取り扱う（容易に離着席する）ことができ、安全に、下肢（片脚あるいは両脚）の屈曲及び伸展運動等を含めた総合的な訓練（及びそれに付随した測定）を行うことができ、又、荷重センサに接続される配線の断線等を防止して確実に所期の機能を保証できる、安全性、取扱い性に優れた下肢筋力評価・訓練装置を得ることができる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を採用しつつ説明する。
図１ないし図８は、本発明に係る下肢筋力評価・訓練装置の一実施形態を示すものであり、図１は装置の外観を示す斜視図、図２は装置の側面図、図３は装置の正面図、図４は装置の内部を示す部分側面図、図５は装置の内部を示す部分平面図、図６は装置の一部を示す部分断面図、図７は装置を模式的に示した模式図、図８は装置の動作及び駆動制御を説明するためのブロック図である。

この装置は、図１ないし図７に示すように、略扁平で一方向に長尺に形成されたベース１０、ベース１０上の後方領域に配置された椅子２０、椅子２０の下方領域を覆う第１カバー３０、ベース１０上の前方領域に配置されたペダル４０、ペダル４０を前後方向Ｌに移動自在に支持するガイドシャフト５０、ガイドシャフト５０の前端部及び後端部をそれぞれ固定する前側固定壁１１及び後側固定壁１２、ペダル４０に螺合された被駆動部材としてのボールスクリュー６０、ガイドシャフト５０に可動に支持された非拘束部材７０、ボールスクリュー６０の前端部（一端部）に直結されると共に非拘束部材７０に固定された負荷機構としての電磁ブレーキ８０、非拘束部材７０と前側固定壁１１の間に配置された荷重センサとしてのロードセル９０、非拘束部材７０に保持された回転センサとしてのエンコーダ１００、ペダル４０を露出させその下方領域（前側固定壁１１、後側固定壁１２、ガイドシャフト５０、ボールスクリュー６０、非拘束部材７０、電磁ブレーキ８０、ロードセル９０、エンコーダ１００等）を覆う第２カバー１１０、第２カバー１１０の両側においてベース１０から上方に伸びるように屈曲して設けられたフレーム１２０、フレーム１２０の一部に設けられた制御手段としての制御ユニット１３０等を備えている。

ベース１０は、図１ないし図３に示すように、鋼材あるいはアルミ材等を用いて、比較的軽量でかつ剛性を確保できるように、輪郭が所定の水平方向（ペダル４０の往復動方向）Ｌに長尺で上下方向に略扁平となるように形成されている。
このように、ベース１０が略扁平に形成されているため、装置全体の低床化を達成でき、特に、高齢者、障害者等が椅子２０に着座するとき又は椅子２０から離れるときの動作を、安全でかつ容易にすることができる。

椅子２０は、図１及び図２に示すように、ベース１０の後方領域に配置され、脚柱２１、脚柱２１に固定されたフレーム２２、フレーム２２に固定された座面２３及び背面２４、フレーム２２に固定された取っ手２５、脚柱２１を前後方向Ｌに移動自在に支持するべく第１カバー３０内に収容されたスライド機構（不図示）、椅子２０を前後方向Ｌにスライドさせて調整する際に用いる操作レバー２６等を備えている。

座面２３は、図２に示すように、水平方向Ｌに対して前上がりに所定の傾斜角度θをなすように方向付けて配置されている。これにより、使用者（訓練者）が脚を伸展させてペダル４０を前方に最も踏み込んだ状態においても、脚が完全に伸びきるのを防止でき、それ故に、膝関節等を痛めるのを防止することができる。
操作レバー２６は、適宜操作して、椅子２０を（ペダル４０の往復動方向Ｌにおける）所望の位置に調整するものである。したがって、使用者（訓練者）が、椅子２０を前後（ペダル４０に往復動方向Ｌ）に適宜移動させた後にロックすることにより、その使用者（訓練者）の体格に合った最適な着座位置に調整することができる。
尚、スライド機構としては、脚柱２１を前後方向Ｌに移動自在に支持するガイド部材、脚柱２１をガイド部材に対して移動不能にロックし又は移動可能にロックを解除するべく操作レバー２６と連動するロック部材等を備えた構成を採用することができる。

第１カバー３０は、図１及び図２に示すように、樹脂材料又は比較的軽量の金属板等を用いて、脚柱２１を前後方向Ｌに移動可能に通す長孔３１を有し、椅子２０の下方領域を覆うように、輪郭が略直方体をなすように形成されている。尚、第１カバー３０は、複数のカバー片を組み合わせて形成されており、これらカバー片をそれぞれ分解することで、取り外すことができるようになっている。

ペダル４０は、図１ないし図６に示すように、使用者（訓練者）の両足に対応するように、独立して形成された左右一対のペダルからなり、それぞれ、足を載せる載置部４１、載置部４１に足を固定する固定バンド４１ａ、載置部４１を支持しかつ下方に屈曲して伸長する脚部４２、脚部４２に一体的に固定されガイドシャフト５０に摺動自在に支持された被ガイド部４３、被ガイド部４３に一体的に固定されてボールスクリュー６０に複数のボールを介して螺合する螺合部４４等により形成されている。

被ガイド部４３は、図４ないし図６に示すように、略矩形に形成されて、上下方向に平行に配列された二つのガイドシャフト５０を摺動自在に通す２つの摺動通路４３ａを有し、その外側面において脚部４２をネジ等により締結して固定するようになっている。
螺合部４４は、図４ないし図６に示すように、２つの摺動通路４３ａの間において、被ガイド部４３に固定されており、上下に配置された２つのガイドシャフト５０の間に平行に配置されたボールスクリュー６０に螺合させられている。そして、螺合部４４は、載置部４１に対して前後方向Ｌに及ぼされる荷重がボールスクリュー６０を回転させる回転力に変換されるように、ボールスクリュー６０の螺旋状のネジ溝（螺旋状のネジ山）と協働して複数の転動するボールを嵌め込む螺旋状のネジ溝（螺旋状のネジ山）を画定するように形成されている。
すなわち、使用者（訓練者）が、ペダル４０（載置部４１）に対して前後方向Ｌに荷重（押し込み荷重又は引き戻し荷重）を加えると、ペダル４０（被ガイド部４３）が二つのガイドシャフト５０により前後方向Ｌにガイドされ、その直線移動が螺合部４４を介してボールスクリューを回転させるようになっている。

ガイドシャフト５０は、図４ないし図６に示すように、鋼材等を用いて前後方向Ｌに伸長する円筒状のパイプに形成されており、左右一対のペダル４０に対応して、左右にそれぞれ２つずつボールスクリュー６０を挟むように上下に配列されて（左右合わせて４つ配置されて）、各々の前端部が前側固定壁１１にかつ各々の後端部が後側固定壁１２にそれぞれ固定されている。
このように、ガイドシャフト５０は、一つのペダル４０に対応する一つのボールスクリュー６０を上下方向において挟むように上下に２つ配置されているため、ペダル４０に及ぼされた荷重がその螺合部４４を介してボールスクリュー６０に回転力として伝達される際に、曲げモーメント等がボールスクリュー６０に加わるのを防止でき、使用者（訓練者）が及ぼす荷重を、ボールスクリュー６０を回転させる力とボールスクリュー６０を軸線方向Ｌに押す力又は引き戻す力とに確実に変換させることができる。

ボールスクリュー６０は、図４ないし図６に示すように、鋼材等を用いて、前後方向（ペダル４０の往復動方向）Ｌに伸長するように形成されており、ペダル４０の螺合部４４に形成された螺旋状のネジ溝（螺旋状のネジ山）と協働して複数のボール（不図示）を転動自在に保持することにより螺合関係を形成するべく、その両端部（一端部６１，他端部６２）を除く領域において螺旋状のネジ溝（螺旋状のネジ山）を画定するように形成されている。
また、ボールスクリュー６０は、その一端部６１が非拘束部材７０に対して軸線方向（前後方向）Ｌの移動を規制しつつ回動自在に支持され、その他端部６２が後側固定壁１２に対して軸線方向（前後方向）Ｌの移動を許容しつつ回動自在に支持されている。
さらに、ボールスクリュー６０の一端部６１は、非拘束部材７０よりも前方側において、後述する電磁ブレーキ８０の回転軸８１に直結されている。

すなわち、ボールスクリュー６０は、図７の模式図で示すように、ガイドシャフト５０に対して、その軸線方向（前後方向）Ｌにおいて移動自在に支持されており、ペダル４０に及ぼされた荷重（脚を伸展する際の押す力又は脚を屈曲させる際の引き戻す力）Ｆは、ボールスクリュー６０をその軸線方向（前後方向）Ｌの前方に押す荷重又は後方に引き戻す荷重として作用し、その荷重が、非拘束部材７０と前側固定壁１１との間に配置された後述するロードセル９０に直接作用するようになっている。
すなわち、ボールスクリュー６０がスラスト方向において拘束されていないため、ペダル４０に及ぼされる荷重がそのままボールスクリュー６０を介してロードセル９０に作用するため、使用者（訓練者）が及ぼす荷重を直接的に高精度に測定することができる。

非拘束部材７０は、図４及び図５に示すように、略矩形状の平板に形成され、上下に配置された２つのガイドシャフト５０に対して、前後方向Ｌに往復動自在に（ペダル４０の往復動方向への移動が拘束されないように）支持されている。そして、非拘束部材７０は、リードスクリュー６０の一端部６１を軸線方向（前後方向）Ｌに相対的に移動するのを規制しつつ回動自在に支持している。
すなわち、非拘束部材７０は、図７の模式図で示すように、ボールスクリュー６０の一端部６１を回動自在に支持しつつ前後方向Ｌに一体的に移動するように保持して、ボールスクリュー６０に加わる軸線方向（前後方向）Ｌの荷重を、後述するロードセル９０に直接作用させるようになっている。

負荷機構としての電磁ブレーキ８０は、図４及び図５に示すように、通電により発生する電磁力により抵抗力を及ぼす磁性パウダーを内蔵した本体８１、磁性パウダーの抵抗が加わる回転体に直結された回転軸８２等を備えたパウダーブレーキである。そして、電磁ブレーキ８０は、本体８１が連結部材８３を介して非拘束部材７０に固定され、回転軸８２がカップリングを介してボールスクリュー６０の一端部６１に直結されている。
すなわち、電磁ブレーキ８０は、ボールスクリュー６０の回転駆動力を抑制するように、通電に応じた負荷を及ぼすようになっており、ペダル４０に荷重が及ぼされないときボールスクリュー６０を逆回転させるような逆向きの負荷を及ぼすのではなく、単に無荷重となった時点でその位置に停止させ、一方、ペダル４０に荷重が及ぼされるとその荷重に応じた負荷を及ぼすように駆動制御されるようになっている。

これによれば、使用者（訓練者）がペダル４０に荷重を及ぼすときは、使用者（訓練者）はその荷重に応じた負荷を受け、一方、使用者（訓練者）が運動を停止してペダル４０に荷重を及ぼさないときは、ボールスクリュー６０は停止状態に保持されるため、使用者（訓練者）は強制的に脚を屈曲させられるような負荷を受けることなく脚を休めることができる。
したがって、特に高齢者や障害者が訓練を行う際に、無理なく安全に、かつ、自らの脚力に応じて脚の伸展及び屈曲運動を行うことができる。

ここでは、電磁ブレーキ８０としてパウダーブレーキを用いるため、ボールスクリュー６０が回転しないときパウダーブレーキは停止するだけであり、ペダル４０に荷重が及ぼされないときボールスクリュー６０を停止させる負荷機構を、簡単な構造にて容易に形成することができる。
尚、電磁ブレーキ８０として、パウダーブレーキの他に、コストを低減するべく、過電流ブレーキ、回生ブレーキ等を採用してもよい。

荷重センサとしてのロードセル９０は、図４及び図５並びに図７に示すように、ベース１０の前側固定壁１１と非拘束部材７０の間に介在するように配置され、前後方向Ｌに加わる荷重を検出する、すなわち、ボールスクリュー６０により非拘束部材７０が前方に押される荷重又は後方に引き戻される荷重を検出するようになっている。
これによれば、ロードセル９０は、殆ど移動しない非拘束部材７０と前側固定壁１１の間に設けられているため、ロードセル９０に接続される配線等の断線を防止することができ、初期の機能を確実に保証することができる。

回転センサとしてのエンコーダ１００は、図５及び図７に示すように、非拘束部材７０に固定（保持）されており、ボールスクリュー６０に直結されたプーリ１０１，エンコーダ１００の本体に直結されたプーリ１０２，両プーリ１０１，１０２に巻回されたベルト１０３を介して、ボールスクリュー６０の回転に関する情報（回転量、回転速度等）を検出するようになっている。

上記のように、使用者（訓練者）の両足に対応するべく、ボールスクリュー６０，ガイドシャフト５０，電磁ブレーキ８０，ロードセル９０，及びエンコーダ１００が、左右一対のペダル４０にそれぞれ対応して二組設けられているため、使用者（訓練者）は、左右の足をそれぞれ対応するペダル４０に固定することにより、それぞれの脚を別々に伸展又は屈曲させて訓練することができる。

第２カバー１１０は、図１及び図２に示すように、樹脂材料又は比較的軽量の金属板等を用いて、ペダル４０の脚部４２を前後方向Ｌに移動可能に通す２つの長孔１１１を有し、ペダル４０の下方領域、すなわち、前側固定壁１１、後側固定壁１２、４つのガイドシャフト５０、２つのボールスクリュー６０、２つの非拘束部材７０、２つの電磁ブレーキ８０、２つのロードセル９０、２つのエンコーダ１００等を全て覆うように、輪郭が略直方体をなすように形成されている。尚、第２カバー１１０は、複数のカバー片を組み合わせて形成されており、これらカバー片をそれぞれ分解することで、取り外すことができるようになっている。

このように、略扁平に形成されたベース１０上において、椅子２０の下方領域を覆う第１カバー３０と、ペダル４０の下方領域を覆う第２カバー１１０とが、それぞれ独立して設けられているため、一体型のカバーで覆う場合に比べて低床化することができる。
したがって、使用者（訓練者）が、椅子２０に対して離着席する際に足を上げて跨ぐ必要がなく、特に、高齢者や障害者にとって優しく、安全でかつ使い易い装置として提供することができる。

フレーム１２０は、図１及び図２に示すように、鋼材等を用いて形成された円筒状のパイプを屈曲させかつ部分的に溶接等を施すことにより形成されて、その下端部がベース１０の両側部にネジ等を用いて固定されている。
このフレーム１２０は、使用者（訓練者）が椅子２０に着座する際に又は椅子２０から立ち上がる際に補助的な取っ手（手摺）として用いることができ、又、制御ユニット１３０等の支持部材として用いることができる。

制御ユニット１３０は、図１及び図２に示すように、フレーム１２０の一部において、伸縮又は回動自在なリンク１３１を介して取り付けられている。
制御ユニット１３０は、所望の情報を入力する入力部としての操作パネル、所定の情報を記憶する記憶部、入力部により入力された情報，記憶部に記憶された情報，ロードセル９０により検出された荷重に関する情報，又はエンコーダ１００により検出された回転に関する情報に基づいて、電磁ブレーキ８０に対して所定の制御信号を発する制御部、制御情報又は運動に関する情報を表示する表示部等を備えている。
尚、ここでは、ペダル４０の初期位置を原点位置として原点スイッチ（不図示）により検出するようになっている。

これによれば、図８に示すように、使用者（訓練者）は、操作パネルにより適宜必要な情報（年齢、体重、身長等の身体に関する情報、あるいは、その他の訓練に関する負荷、回数等の情報）を入力することができ、これら入力された情報及びセンサ（ロードセル９０，エンコーダ１００）の検出情報、さらには記憶部に記憶された情報等に基づき、制御部が電磁ブレーキ（パウダーブレーキ）８０を最適な状態に駆動制御して、ペダル４０に対して所望の負荷（摩擦力）を及ぼすことができるようになっている。また、ペダル４０の初期位置（原点位置）は、原点スイッチのオン／オフにより検出されるようになっている。
さらに、表示部により、制御情報、負荷や運動特性等の情報、訓練後の測定結果に関する情報等を表示することで、訓練効果を数値情報として表示でき、又、訓練効果を客観的に評価できる。また、訓練開始からの経緯を表示することにより、効果の確認や予測を行うことができ、使用者（訓練者）に対して訓練を継続的に行うべく動機付けすることができる。

上記実施形態においては、ペダルとして左右一対のペダル４０及びこれに対応するべく二組のボールスクリュー６０、ガイドシャフト５０、非拘束部材７０、電磁アクチュエータ８０、ロードセル９０及びエンコーダ１００を採用した場合を示したが、これに限定されるものではなく、両足を一緒に載せる一つのペダル、及びこの一つのペダルに対応する一組のボールスクリュー、ガイドシャフト、非拘束部材、電磁アクチュエータ、ロードセル及びエンコーダを採用してもよい。

上記実施形態においては、負荷機構として、電磁ブレーキ（パウダーブレーキ）８０を採用した場合を示したが、これに限定されるものではなく、ペダル４０に荷重が及ぼされないときボールスクリュー６０を停止させ、ペダル４０に荷重が及ぼされるときその荷重に応じた負荷を及ぼすように形成されるものであれば、その他の負荷機構を採用してもよい。

上記実施形態においては、ペダル４０により駆動される被駆動部材としてボールスクリュー６０を採用した場合を示したが、これに限定されるものではなく、ペダル４０の移動に連動して駆動されると共に、ペダル４０に荷重が及ぼされないとき被駆動部材を停止させかつペダル４０に荷重が及ぼされるときその荷重に応じた負荷を被駆動部材に及ぼすように形成され負荷機構により駆動力を抑制されるものであれば、その他の被駆動部材を採用してもよい。

上記実施形態においては、荷重センサとして、ロードセル９０を採用した場合を示したが、これに限定されるものではなく、ペダル４０に及ぼされる荷重を検出するものであれば、その他の荷重センサを採用してもよい。
上記実施形態においては、回転センサとしてエンコーダ１００を採用した場合を示したが、これに限定されるものではなく、ボールスクリュー６０の回転を検出できるものであれば、その他の回転センサを採用してもよい。

以上述べたように、本発明の下肢筋力評価・訓練装置は、構造の簡略化、小型化等を達成しつつ、特に高齢者又は障害者が容易に取り扱う（容易に離着席する）ことができ、安全に、下肢（片脚あるいは両脚）の屈曲及び伸展運動等を含めた総合的な訓練（及びそれに付随した測定）を行うことができ、又、荷重センサに接続される配線の断線等を防止して確実に所期の機能を保証できるため、スポーツ教室等での筋力増強のための通常の訓練及び鍛錬用として、又、介護施設あるいは病院等での障害者あるいは患者等の下肢機能回復のための回復訓練用として適用できるのは勿論のこと、単に、下肢の筋力を測定する下肢筋力測定装置としても有用である。

本発明に係る下肢筋力評価・訓練装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１に示す下肢筋力評価・訓練装置の側面図である。 図１に示す下肢筋力評価・訓練装置の一部を省略した正面図である。 図１に示す下肢筋力評価・訓練装置のペダル及び第２カバー内に収容された部分を示す側面図である。 図１に示す下肢筋力評価・訓練装置の第２カバー内に収容された部分を示す平面図である。 図１に示す下肢筋力評価・訓練装置の一部をなすペダルとボールスクリュー並びにガイドシャフトの関係を示す部分断面図である。 図１に示す下肢筋力評価・訓練装置の構造を模式的に示した模式図である。 図１に示す下肢筋力評価・訓練装置の動作及び駆動制御を説明するためのブロック図である。

符号の説明

１０ ベース
１１ 前側固定壁
１２ 後側固定壁
２０ 椅子
２１ 脚柱
２２ フレーム
２３ 座面
２４ 背面
２５ 取っ手
２６ 操作レバー
３０ 第１カバー
４０ ペダル
４１ 載置部
４１ａ 固定バンド
４２ 脚部
４３ 被ガイド部
４３ａ 摺動通路
４４ 螺合部
５０ ガイドシャフト
６０ ボールスクリュー（被駆動部材）
７０ 非拘束部材
８０ 電磁ブレーキ（パウダーブレーキ、負荷機構）
９０ ロードセル（荷重センサ）
１００ エンコーダ（回転センサ）
１１０ 第２カバー
１２０ フレーム
１３０ 制御ユニット（制御手段、入力部、記憶部、制御部、表示部）
Ｌ ペダルの往復動方向（前後方向）

Claims (13)

1. ベースと、前記ベース上に設けられた椅子と、前記ベース上において所定範囲を往復動自在に支持されたペダルと、前記ペダルの移動に連動して駆動される被駆動部材と、前記被駆動部材の駆動力を抑制するように負荷を及ぼす負荷機構と、前記ペダルに及ぼされる荷重を検出する荷重センサと、前記荷重センサの信号を含む情報に基づいて前記負荷機構を駆動制御する制御手段と、を備えた下肢筋力評価・訓練装置であって、
   前記負荷機構は、前記ペダルに荷重が及ぼされないとき前記被駆動部材を停止させ、前記ペダルに荷重が及ぼされるときその荷重に応じた負荷を及ぼすように形成されている、
   ことを特徴とする下肢筋力評価・訓練装置。
2. 前記被駆動部材は、前記ペダルの移動方向に伸長するボールスクリューであり、
   前記ペダルは、前記ボールスクリューと螺合する螺合部を有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の下肢筋力評価・訓練装置。
3. 前記負荷機構は、前記ボールスクリューと直結される回転軸を有する電磁ブレーキである、
   ことを特徴とする請求項２記載の下肢筋力評価・訓練装置。
4. 前記電磁ブレーキは、パウダーブレーキである、
   ことを特徴とする請求項３記載の下肢筋力評価・訓練装置。
5. 前記ベースから立設して設けられた前側固定壁及び後側固定壁と、
   前記ペダルを往復動自在にガイドするべく前記前側固定壁及び後側固定壁に両端が固定されたガイドシャフトと、
   前記ペダルの往復動方向への移動が拘束されないように前記ガイドシャフトに支持された非拘束部材と、をさらに含み、
   前記ボールスクリューは、その一端部が前記非拘束部材に対して軸線方向の移動を規制しつつ回動自在に支持され、その他端部が前記後側固定壁に対して軸線方向の移動を許容しつつ回動自在に支持され、
   前記電磁ブレーキは、前記非拘束部材に固定されると共にその回転軸が前記ボールスクリューの一端部に直結され、
   前記荷重センサは、前記非拘束部材と前記前側固定壁の間に介在するように配置されたロードセルを含む、
   ことを特徴とする請求項２ないし４いずれかに記載の下肢筋力評価・訓練装置。
6. 前記非拘束部材は、前記ボールスクリューの回転を検出する回転センサを保持している、
   ことを特徴とする請求項５記載の下肢筋力評価・訓練装置。
7. 前記ガイドシャフトは、前記ボールスクリューを上下方向において挟むように上下に配置された２つのガイドシャフトを含む、
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の下肢筋力評価・訓練装置。
8. 前記ペダルは、左右一対のペダルからなり、
   前記ボールスクリュー、前記ガイドシャフト、前記負荷機構、前記荷重センサ、及び前記回転センサは、前記左右一対のペダルにそれぞれ対応して二組設けられている、
   ことを特徴とする請求項６又は７に記載の下肢筋力評価・訓練装置。
9. 前記椅子は、前記ペダルの移動方向における位置を調整可能に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし８いずれかに記載の下肢筋力評価・訓練装置。
10. 前記椅子は、その座面が前上がりに所定の傾斜角度をなすように配置されている、
    ことを特徴とする請求項１ないし９いずれかに記載の下肢筋力評価・訓練装置。
11. 前記ベースは、略扁平に形成され、
    前記ベース上には、前記椅子の下方領域を覆う第１カバーと、前記ペダルの下方領域を覆う第２カバーとが、それぞれ独立して設けられている、
    ことを特徴とする請求項１ないし１０いずれかに記載の下肢筋力評価・訓練装置。
12. 前記制御手段は、所望の情報を入力する入力部、所定の情報を記憶する記憶部、前記入力部により入力された情報，前記記憶部に記憶された情報，前記荷重センサにより検出される情報，又は前記回転センサにより検出される情報に基づいて前記負荷機構に対して所定の制御信号を発する制御部を含む、
    ことを特徴とする請求項６ないし１１いずれかに記載の下肢筋力評価・訓練装置。
13. 前記制御情報又は運動に関する情報を表示する表示部を含む、
    ことを特徴とする請求項１ないし１２いずれかに記載の下肢筋力評価・訓練装置。
    
    

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