JP2008264320A - 運動補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シート部の接触面の位置の調節範囲を使用者の体格によって規定することで、使用者の身長にかかわらず膝の曲げ角度を所望角度とする調節を確実に行う。
【解決手段】シート部２１は、使用者Ｍが足台４０の上面である足置き面に足裏を載せている状態において使用者Ｍの臀部を支持する。シート部２１は、モータを備えるシート駆動部５０により、使用者Ｍの脚部に作用する自重が変化するように変位させられる。シート部２１はシート駆動部５０とともに昇降機構部６０により昇降する。昇降機構部６０によるシート部２１の昇降方向は、上下方向に対して後傾しかつ使用者の最小と最大との体格から求められる線上に規制されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、使用者の足裏を足置き面に載せるとともに使用者の臀部をシート部で支持した状態において駆動源を用いてシート部を変位させることにより使用者の脚部に作用する自重を変化させる他動式の運動補助装置に関するものである。

従来から、使用者の足裏を足置き面に載せるとともにシート部を設けて使用者の臀部を接触面で支持した状態においてシート部を変位させることによって、膝の屈伸をほとんど行うことなく大腿部の筋群を緊張・弛緩させる運動補助装置が提案されている（たとえば、特許文献１、２参照）。この運動補助装置は、シート部の位置を変位させ、使用者の体重のうちシート部で支持する割合を変化させることにより、脚部に作用する自重を変化させている。

このような動作によって、使用者の脚部に全体重を作用させる場合よりも負荷を軽減するとともに、膝の屈伸をほとんど伴わずに大腿部の筋収縮を行うことによって、たとえば糖尿病患者のように膝痛を持つ使用者でも大腿部の筋群の強化が可能になり、しかも、大腿部の筋群は体積の大きいから、筋収縮に伴う糖代謝によって生活習慣病の改善にも寄与することが期待される。さらに、駆動源を用いてシート部を変位させることにより、使用者は自発的に筋力を発揮することなく他動的に運動することができるから、軽負荷であることとあいまって運動能力の低い使用者でも使用することが可能になる。
特開２００５−５８７３３号公報 特開２００７−８９６５０号公報

ところで、上述した構成を有する運動補助装置は、膝の屈伸をほとんど伴わずに脚部に作用する自重の変化によって大腿部の筋群を緊張・弛緩させるものであるから、運動を効果的に行うには、膝の曲げ角度が重要な因子になる。スクワット運動から容易に類推できるように、膝の曲げ角度に応じて大腿部の筋群に作用する負荷が変化する。また、膝痛を持つ使用者では膝をある程度曲げたときに膝に荷重が作用すると痛みを生じることが多く、この種の使用者でも使用可能とするには曲げ角度を制限しなければならない。

現状では、膝の曲げ角度（実測は膝の前面側で大腿部と下腿部とがなす角度）を１４０度とすると、運動効果が高く膝痛が生じにくいという実験結果が得られており、この角度を適正角度に定めている。

特許文献２では、膝の曲げ角度が適正角度となるように、シート部の位置調節を可能とし、しかも使用者の身長に関連するパラメータの入力によってシート部の位置を自動的に調節することが提案されている。シート部の位置調節は、上下方向と前後方向との少なくとも一方について行うことが記載され、また特許文献２の発明の詳細な説明の欄ではシート部を上昇させると足位置からの水平距離が大きくなり、シート部を下降させると足位置からの水平距離が小さくなることが記載されている。

特許文献２には、シート部の位置を調節することにより膝の曲げ角度を適正角度に調節可能とすることが記載され、また膝の曲げ角度が適正角度になるシート部の位置を身長に関連するパラメータに関連付けることは示唆されているが、膝の曲げ角度を所望角度とするために使用者の身長に対してシート部の位置をどのように変化させるかについては理論付けられていない。したがって、特許文献２に記載の構成では、膝の曲げ角度を所望角度とするために、使用者の身長とシート部において使用者の臀部を支持する位置との関係をどのように対応付けるかについては明記されていない。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、シート部において使用者の臀部を支持する接触面の位置と膝の曲げ角度と使用者の身長との関係に理論付けを行うことによってシート部の接触面の位置の調節範囲を規定し、このことによって、使用者の身長にかかわらず膝の曲げ角度を所望角度とする調節を確実に行えるようにした運動補助装置を提供することにある。

請求項１の発明は、使用者が規定の足置き面に足裏を載せている状態で使用者の臀部を接触面で支持するシート部と、使用者の脚部に作用する自重が変化するように駆動源を用いてシート部の位置を変位させるシート駆動部と、基準位置に位置するシート部に使用者が臀部を載せるとともに足置き面の規定位置に使用者が足裏を載せている状態において使用者の膝の曲げ角度が規定した角度になるようにシート部の接触面の上下方向および前後方向の位置を調節する昇降機構部とを有し、昇降機構部は、シート部の接触面の位置を調節する範囲を上下方向に対して後傾しかつ使用者の最小と最大との体格から求められる線上に規制していることを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記昇降機構部は、定位置に置かれる基台に対してシート部の位置を変位させる昇降駆動部を備え、昇降駆動部は、前記シート部を上下方向および前後方向を含む平面内において上下方向に対して一定角度後傾した一直線上で位置変化させることを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記昇降駆動部は、前記基台に固定された固定部材と、固定部材に対して前記一直線上で進退可能であって前記シート部を支持する可動部材と、固定部材に対して可動部材を進退させる駆動モータとを備えることを特徴とする。

請求項１の発明の構成によれば、上下方向に対して後傾しかつ使用者の最小と最大との体格から求められる線上に規制してシート部の接触面を昇降させるので、シート部の接触面の位置の調節範囲を理論的に規定することができ、結果的に使用者の身長にかかわらず膝の曲げ角度を所望角度とする調節が確実に行えるようになる。

請求項２の発明の構成によれば、昇降機構部がシート部を一直線上で位置変化させるので、シート部を直進移動させる簡単な機構で実現することができる。

請求項３の発明の構成によれば、基台に固定された固定部材と、固定部材に対して一直線上で進退可能であってシート部を支持する可動部材と、固定部材に対して可動部材を進退させる駆動モータとを備えているから、駆動モータの駆動力を用いてシート部を昇降させることができ、使用者がシート部に臀部を支持している状態でもシート部の位置を調節することができる。

本実施形態は、図１、図２に示すように、床などの定位置に置かれる基台１０を有し、基台１０の上には、使用者Ｍの臀部を支持するシート部２１を上端部に備えたシート支持台２０と、使用者Ｍが必要に応じて手で把持するハンドル３１を上端部に備えたハンドルポスト３０とが設けられる。基台１０においてシート支持台２０とハンドルポスト３０との間の部位には、上面を足置き面４０ａとする足台４０が設けられている。足台４０は使用者Ｍが足裏を足置き面４０ａに載せることによって足位置を規制するものである。

シート支持台２０には、シート部２１を揺動させるシート駆動部５０と、シート部３１とシート駆動部５０とを基台１０に対して昇降させる昇降機構部６０とが設けられる。シート駆動部５０および昇降機構部６０の構成については後述する。

シート駆動部５０は、シート部２１の接触面２１ａに臀部を載せるとともに足台４０の足置き面４０ａに足裏を載せた状態の使用者Ｍに対して、駆動源を用いてシート部２１を揺動させ臀部の位置を変化させることにより、使用者Ｍの脚に作用する自重を変化させる。つまり、使用者Ｍの体重を臀部と脚部とに分散して支持している状態において、臀部の位置を変化させることにより臀部で支持する自重を増減させ、結果的に脚部に作用する自重を変化させる。

ここで、膝を所定角度だけ曲げていると、シート部２１で体重を支持する割合が減少したときに、スクワット運動を行って膝を曲げているときと同様に、使用者Ｍの大腿部に作用する負荷が増加し、大腿部の筋群を筋収縮させることが可能になる。つまり、シート部２１を駆動源により揺動させると、使用者Ｍの自発的な運動ではない他動的な運動によって大腿部の筋群が緊張と弛緩とを繰り返すことになる。すなわち、シート駆動部５０がシート部２１を揺動させることにより、主として大腿部の筋群の運動が可能になる。

シート部２１の揺動方向は、膝関節に剪断力が作用しないように設定しておくことが望ましい。使用者Ｍの臀部をシート部２１の接触面２１ａで支持している状態において、使用者Ｍの足は、図２のように、爪先側の距離が踵側の距離よりも大きくなるのが自然な姿勢であり、両足間の開き角度θ２は足台４０に足を載せる位置で決めることができる。そこで、足台４０に足を載せたときの各足の踵と爪先とを結ぶ中心線に沿う方向にシート部２１を揺動させることによって、膝関節に剪断力を作用させずに運動させることが可能になる。つまり、シート部２１が揺動範囲において後端位置から前方に移動する際に、斜め右前方に移動する期間と斜め左前方に移動する期間とを設けることにより、膝関節に剪断力を作用させることなく左右の脚の大腿部にそれぞれ自重を作用させることが可能になる。

なお、図１に示す例では、シート部２１の上面である接触面２１ａは略水平面であるが、使用者Ｍの脚部に作用する自重を変化させることによって大腿部の筋群の筋収縮を誘発する運動を行うから、使用者Ｍの臀部に接触する接触面２１ａはシート部２１が揺動する方向での前方に向かって下り傾斜していることが望ましい。つまり、シート部２１の前端部であって使用者Ｍの右臀部を支持する部位は斜め右前方に下り傾斜し、使用者Ｍの左臀部を支持する部位は斜め左前方に下り傾斜していることが望ましい。このような形状であると、シート部２１が揺動範囲の後端位置から前方に移動したときに、脚部に作用する自重を増加させやすくなり、運動効果を高めることができる。

ハンドルポスト３０の上端部には、ハンドル３１の中央部において操作表示装置３２が設けられ、操作表示装置３２において、シート駆動部５０や昇降機構部６０の動作に関する指示操作、あるいは運動量の目安に関する表示などが行われる。なお、ハンドル３１を把持すれば、使用者Ｍの上体の位置を安定させることができる。

ハンドル支持台２０の構造について、さらに詳しく説明する。図４に示すように、ハンドル支持台２０は、基台１０に立設された中空の支持部２２を有し、支持部２２の内部には昇降機構部６０の下端部が収納される。昇降機構部６０は、支柱部２２に対して摺動可能に昇降する昇降ベース６１を有しており、昇降ベース６１の上端部にシート駆動部５０が搭載される。したがって、シート駆動部５０はシート部２１とともに基台１０に対して移動可能になる。

ここに、支柱部２２の中心線は直線であって上下方向に対して後傾しており（つまり、後方に向かって上り傾斜しており）、昇降ベース６１が支柱部２２内を摺動することによって、シート部２１の接触面２１ａは、上下方向に対して支柱部２２の中心線に沿った一直線上で位置調節が可能になる。言い換えると、シート部２１の接触面２１ａは、上下方向において位置調節すると同時に左右方向において位置調節され、かつ上方に位置するほど後方に位置することになる。支柱部２２の中心線が基台１０に対してなす角度については後述する。

ところで、昇降ベース６１は、駆動モータ６３を備える昇降駆動部６２により昇降駆動される。昇降駆動部６２としては、駆動モータ６３に加えて、基台１０に固定される柱状の固定部材６４と、固定部材６４に螺合するボールねじを備えた可動部材６５とを備え、駆動モータ６３の回転を減速して可動部材６５を回転させることにより、可動部材６５を固定部材６４に対して進退させる構成を採用している。昇降ベース６１は、可動部材６５の上端部に取り付けられ、可動部材６５が固定部材６４に対して進退するのに伴って昇降する。

昇降ベース６１は、シート駆動部５０を搭載する台座６１ａを備え、台座６１ａの下面には一対のガイド板６１ｂが設けられている。昇降駆動部６２における可動部材６５の上端部は台座６１ａの下面側に結合される。また、各ガイド板６１ｂの外側面にはローラ６１ｃが取り付けられており、支柱部２２の内側に設けたレール部２２ａでローラ６１ｃを案内することにより、昇降ベース６１を支柱部２２に対して滑らかに移動させることができる。なお、固定部材６４に対する可動部材６５の進退量を検出するセンサを設け、センサでの検出値を表示操作部３２からの入力に応じて指示された目標値に一致させるように駆動モータ６３の回転を制御する構成を備えているが、この構成は要旨ではないので説明を省略する。

昇降ベース６１の台座６１ａには、筒状の昇降カバー６６が取付けられる。昇降カバー６６の下端部は、昇降駆動部６２が伸縮する範囲において支柱部２２の外側面に重複し、このことによって昇降駆動部６２が最大に伸長した状態でも昇降ベース６１が外部に露出しないようにしてある。また、昇降ベース６１の台座６１ａには、布状の柔軟材料で形成された機構部カバー６７も取り付けられる。機構部カバー６７は、台座６１ａとシート部２１との間を覆うことにより、シート駆動部５０の外部への露出を防止する。

次に、シート駆動部５０について、図５および図６を用いて説明する。シート駆動部５０は、昇降ベース６１の台座６１ａとともにシート部２１を揺動させる機構を構成するものであり、台座６１ａの上面に立設した前後一対の軸支板５１ａ，５１ｂと軸部５２ａ，５２ｂで軸着される。前後の軸部５２ａ，５２ｂは同軸上に配置してあり、シート駆動部５０が軸部５２ａ，５２ｂの回りに回動することにより、シート駆動部５０に結合されたシート部２１の左右方向（図４に矢印Ｎで示す方向）の揺動が可能になっている。

シート駆動部５０は、前後一対のフレーム板５３ａ，５３ｂを備え、両フレーム板５３ａ，５３ｂは左右一対のフレーム側板５４ａ，５４ｂを介して結合される。両フレーム側板５４ａ，５４ｂには、左右方向の軸周りに回動する前リンク５５と後リンク５６との下端部が軸部５５ａ，５６ａで軸着されており、前リンク５５と後リンク５６との上端部は軸部５５ｂ，５６ｂで台板５７に軸着される。ここに、後リンク５６の上端部は台板５７に直接軸着されるのではなく台座５７に固定した軸受板５７ａに軸着される。

台板５７の前端部は軸部５５ａを中心とする円弧上を移動し、台板５７の後端部は軸部５６ａを中心とする円弧上を移動するように、台板５７の移動範囲が規制されている。ここで、後リンク５６は前リンク５５よりも長寸に形成してあり、台板５７の前端部と後端部との回転半径が異なることにより、台板５７は前後に移動するのに伴って上面の傾斜角度を変化させることになる。具体的には、図６の位置を前後方向の移動範囲の後端位置とすると、前方への移動に伴って台板５７の前端部が後端部に対して相対的に下降して上面の傾斜角度が大きくなる。逆に、前端位置から後方に移動するときには、台板５７の前端部が後端部に対して相対的に上昇して上面の傾斜角度が小さくなる。つまり、シート部２１の前後方向（図４に矢印Ｘで示す方向）の移動が可能になる。図４には直線移動として示しているが、実際には前後方向の傾斜角度が変化するから、前後方向の直進移動と回転移動とを複合した変位になる。

台板６１ａに対して台板５７を揺動させるための駆動源であるモータ７１は両フレーム側板５４ａ，５４ｂにより保持される。また、モータ７１は出力軸が上向きに突出するように縦置きされる。モータ７１の出力軸にはウォーム７２が結合される。フレーム側板５４ａ，５４ｂには第１シャフト７３と第２シャフト７４とが支承されており、第１シャフト７３にはウォーム７２に噛合するウォームホイール７５が設けられる。第１シャフト７３にはギア７６も設けられ、ギア７６は第２シャフト７４に設けられたギア７７に噛合する。

第１シャフト７３の両端部には、第１シャフト７３とともに回転する偏心クランク７８がそれぞれ取り付けられる。各偏心クランク７８にはそれぞれアームリンク７９の一端部が軸着され、各アームリンク７９の他端部は前リンク５５の左右に突設された軸ピン５５ｃにそれぞれ軸着される。

この構成により、モータ７１が回転し第１シャフト７３が回転すると、偏心クランク７８およびアームリンク７９によって前リンク５５が軸部５５ａの周りで前後方向に往復移動し、台板５７の前部が軸部５５ａの周りで前後方向（図４に矢印Ｘで示す方向）に揺動する。また、後リンク５６が軸部５６ａの周りで回転するから、台板５７は前後方向の移動に伴って上面の傾斜角度を変化させることになる。

一方、第２シャフト７４の一端部には、偏心ピン７４ａが立設されており、偏心ピン７４ａには偏心ロッド８０の一端部が軸着される。偏心ロッド８０の他端部は、台座６１ａに取付けられた連結金具８１に揺動自在に連結されている。ピン７４ａおよび偏心ロッド８０は、シート駆動部５０の左右どちらに設けてもよい。

この構成により、モータ７１が回転し第１シャフト７３を介して第２シャフト７４が回転すると、ピン７４ａおよび偏心ロッド８０によって、偏心ピン７４ａの台座６１ａに対する高さ位置が変化し、結果的に台板５７が軸部５２ａ，５２ｂの周りで左右（図４に矢印Ｎで示す方向）に揺動する。

なお、モータ７１には直流ブラシレスモータなどを用いており、駆動モータ６３にも直流モータを用いる。ここに、モータ６３はフレーム板５３ａ，５３ｂとフレーム側板５４ａ，５４ｂと台座６１ａと台板５７とに囲まれた空間に配置され、ギア７５〜７７も同空間に配置されているから、シート駆動部５０がコンパクトになっている。

シート駆動部５０は、基本的にはシート部２１を右前下方と左前下方とに移動させる。ただし、上述した構成では、ギア７６，７７のギア比および偏心クランク７８と偏心ピン７４ａとの位相差を適宜に設定することにより、シート部２１の移動軌跡をＶ字状（左右１回の往復移動の間に前後２回往復）とするほか、Ｗ字状（左右１回の往復移動の間に前後４回往復）、８の字状（左右１回の往復移動の間に前後２回往復で後端位置が左右に偏っている軌跡）などとすることが可能である。

駆動モータ６３およびモータ７１の運転・停止は操作表示装置３２の操作により指示される。すなわち、操作表示装置３２には、モータ７１の運転・停止の指示およびモータ７１の回転速度の指示を行う操作部が設けられ、運動時間や運動強度を指定することができる。また、膝の曲げ角度が適正角度になるように、シート部２１を昇降させる操作部が設けられている。操作表示装置３２に設けた操作部および表示部と、モータ７１および駆動モータ６３の動作との関連付けは図示しない制御回路部において行っている。

ところで、上述した運動補助装置では、膝痛を持つ使用者Ｍでも膝痛を生じることなく大腿部の筋群の筋収縮を促すためには、膝の曲げ角度を適正角度に保つことが必要である。つまり、スクワット運動においてあらかじめ膝を所定の角度に曲げた状態で大腿部に作用する自重を変化させるかのような運動であって、使用時には足台４０に足を載せることで足の位置は固定になり、また大腿部に作用する負荷を高めるには膝関節と足関節とを鉛直方向に一致させることが望ましいから、これらの制約条件から、膝の曲げ角度は、シート部２１の位置により決まることになる。ただし、脚部の寸法には個人差があり、とくに使用者Ｍの身長によって大きく異なる。

上述したようにシート部２１の高さ位置は昇降機構部６０により調節可能であり、また昇降機構部６０は、シート部２１を基台１０に対して後傾する一直線上で移動させることによって、シート部２１の接触面２１ａが上方に移動するほど後方に位置するように位置調節を行っている。

昇降機構部６０がシート部２１を移動させる方向について、図３を用いて説明する。足を足台４０に置いた状態で足関節Ｊ２と膝関節Ｊ１とを結ぶ直線（つまり、脛骨）を鉛直方向に一致させているものとする。また、足を足台４０に置いた状態で両足間の開き角度θ２（図２参照）は２０度であるものとする。さらに、膝の曲げ角度をθ１（図１参照）、股関節Ｊ３と膝関節Ｊ１との距離をＬ１、足台４０の上面から膝関節Ｊ１までの距離をＬ２、シート部２１の移動方向が水平面に対してなす角度（つまり、支柱部２２の中心線が基台１０に対してなす角度）をφとする。

これらのパラメータを用いると、シート部２１の接触面２１ａで臀部が接触する位置Ｐ１（体幹における重心の直下と接触面２１ａとの交点）について、足関節Ｊ２との水平距離Ｘと、足台４０上面からの高さＹとを次式で表すことができる。
Ｘ＝Ｌ１・ｓｉｎ（１８０°−θ１）・ｃｏｓ（θ２／２）
Ｙ＝Ｌ１・ｃｏｓ（１８０°−θ１）＋Ｌ２−Ｌ３
なお、Ｌ３は位置Ｐ１と股関節Ｊ３との距離である。たとえば、使用者Ｍの身長を１４０〜１７０ｃｍの範囲とすれば、距離Ｌ１，Ｌ２に標準値を適用することによって、演算により角度φを求めることが可能になる。すなわち、体格差による距離Ｌ１，Ｌ２の差分をそれぞれΔＬｌ、ΔＬ２とし、体格差の最大値と最小値とを適用すれば角度φを求めることができる。

最小の体格値として６５〜７９歳の女性の値（標準値）を用い、最大の体格値として６５〜７９歳の男性の値（標準値）を用いて計算したところ、両者において膝の曲げ角度を１４０度に保つことができる角度φを７５度として求めることができた。すなわち、使用者Ｍの最大と最小との体格について求めた位置Ｐ１を通る直線を求めると、上下方向に対して後傾し水平面に対して７５度の角度になることがわかった。

ここにおいて、最小と最大との体格の２点で求めた位置Ｐ１から角度φを求めているから、他の体格の使用者Ｍに適合することが保証されるわけではないが、上述の距離Ｌ１，Ｌ２は身長に対してほぼ線形に変化することが予測されるから、最大値と最小値との間は線形補間してよいと言える。また、線形補間が可能であるから、上述のように昇降機構部６０として直進移動する簡単な機構を採用することが可能になる。ただし、体格差について３点以上で求め、昇降機構部６０によるシート部２１の移動軌跡を曲線とすることも可能である。

本発明の実施形態を示す概略側面図である。 同上の概略平面図である。 同上の原理を説明する図である。 同上の分解斜視図である。 同上に用いるシート駆動部の分解斜視図である。 同上に用いるシート駆動部の側面図である。

符号の説明

２１ シート部
２１ａ 接触面
５０ シート駆動部
６０ 昇降機構部
６２ 昇降駆動部
６３ 駆動モータ
６４ 固定部材
６５ 可動部材
７１ モータ（駆動源）
Ｍ 使用者

Claims (3)

1. 使用者が規定の足置き面に足裏を載せている状態で使用者の臀部を接触面で支持するシート部と、使用者の脚部に作用する自重が変化するように駆動源を用いてシート部を変位させるシート駆動部と、基準位置に位置するシート部に使用者が臀部を載せるとともに足置き面の規定位置に使用者が足裏を載せている状態において使用者の膝の曲げ角度が規定した角度になるようにシート部の接触面の上下方向および前後方向の位置を調節する昇降機構部とを有し、昇降機構部は、シート部の接触面の位置を調節する範囲を上下方向に対して後傾しかつ使用者の最小と最大との体格から求められる線上に規制していることを特徴とする運動補助装置。
2. 前記昇降機構部は、定位置に置かれる基台に対してシート部の位置を変位させる昇降駆動部を備え、昇降駆動部は、前記シート部を上下方向および前後方向を含む平面内において上下方向に対して一定角度後傾した一直線上で位置変化させることを特徴とする請求項１記載の運動補助装置。
3. 前記昇降駆動部は、前記基台に固定された固定部材と、固定部材に対して前記一直線上で進退可能であって前記シート部を支持する可動部材と、固定部材に対して可動部材を進退させる駆動モータとを備えることを特徴とする請求項２記載の運動補助装置。

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