JP2009153605A - 揺動型運動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの消費電力を低減して省エネルギー化を図る。
【解決手段】使用者が乗る可動部２と、該可動部２に揺動運動を行わせる駆動部３とを備える。駆動部における駆動源であるモータ３１の給電端子間を電気的に短絡させる開閉手段ＳＷと、上記可動部がその揺動動作中の下降行程にあるかどうかを検出する動作検出手段Ｓと、上記モータによる駆動で可動部に揺動運動を行わせている間に上記動作検出手段による下降行程にあることの検出出力を受けて上記モータへの給電の停止と上記開閉手段を閉じてモータの給電端子間の短絡とを行う制御回路Ｃとを備える。可動部が下降行程にある時はモータを停止させるとともに、この下降時の負荷側からの力によるモータの回転回転にブレーキをかけて適度な速度に保つ。
【選択図】図１

Description

本発明は、使用者が着座した座部を揺動させて使用者に乗馬を模した運動負荷を付与したり、使用者がその上に立つ台を揺動させることで使用者にバランスを保つことを強制する揺動型運動装置に関する。

乗馬を模した運動負荷を使用者に付与する揺動型運動装置は、子供から老人まで利用可能な手軽な運動器具として、当初のリハビリ目的の医療施設から一般家庭へと普及してきている。この揺動型運動装置の典型的な従来技術としては、たとえば特許文献１，２がある。

特許文献１は６軸パラレルメカニズムなどを用いて、一連の滑らかな揺動パターンを実現するようにした腰痛予防訓練装置を示したものであり、特許文献２はモータとリンクとで前後揺動及び左右揺動を実現するようにしたものである。

このような揺動型運動装置においては、可動部に揺動運動を行わせるにあたり、動力源であるモータを常時作動させることで行っているが、使用者の体重も含めた可動部質量はかなり大きく、このために可動部を揺動させるモータの消費電力も大きい。
特許第３３９４８９０号明細書 特開２００１−２８６５７８号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、モータの消費電力を低減して省エネルギー化を図った揺動型運動装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明に係る揺動型運動装置は、上記駆動部における駆動源であるモータの給電端子間を電気的に短絡させる開閉手段と、上記可動部がその揺動動作中の下降行程にあるかどうかを検出する動作検出手段と、上記モータによる駆動で可動部に揺動運動を行わせている間の上記動作検出手段による下降行程にあることの検出出力を受けて上記モータへの給電を停止するとともに上記開閉手段を閉じてモータの給電端子間を短絡させる制御回路とを備えていることに特徴を有している。

可動部が下降行程にある時はモータを停止させて使用者の体重及び可動部の重さによって下降が生じるようにしたものであるとともに、この下降時のモータの回転は開閉手段が閉じているために逆起電力を発生させる状態となって回転にブレーキがかかるために適度な速度が保たれるものである。

上記モータが３相モータである場合、開閉手段は相別に設けるとともに上記制御回路はこれら複数の開閉手段を個別に開閉するものであることが下降速度を適度に保つという点において望ましい。

また、上記開閉手段が常閉型のものであると、不使用時に可動部が不用意に動いてしまうことを防ぐことができる。

本発明は、可動部が下降行程にある時はモータが停止して可動部及び使用者の体重で下降が生じるものであり、このためにモータへの給電時間を削減することができて消費電力を低減することができる。しかも、上記モータの停止時には開閉手段がモータの給電端子間を短絡させるために、下降速度を適度な速度に保つことができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、図２及び図３に示す揺動型運動装置は、使用者が座るシート２を前後左右に揺動させることで、シート２に座った使用者にバランス訓練となる運動を行わせるもので、馬の背や鞍を模した形状となっているとともに上面が座面となっている上記シート２と、上部内に上記シート２の揺動駆動を行う駆動部３を納めた本体１とからなり、上記シート２の前端側には半円弧状で両端がシート２に前後に回動自在に連結された手綱６が配されているとともに、操作パネル８が設けられており、またシート２の前寄り両側からは夫々鐙７，７が吊り下げられている。

上記本体１は、図５に示すように、四隅に接地脚１５を備えたベースフレーム１１と、ベースフレーム１１のほぼ中央部から斜め後方に向けて立ち上がる支柱１２と、支柱１２に対して支柱１２の長手方向にスライド自在に取り付けられる支持フレーム１３と、支持フレーム１３の上記スライドを電動で行う電動スライドユニット１４とを備えたもので、ベースフレーム１１の上面を覆うベースカバー１６、支柱１２の周囲を覆うカバー１７、支持フレーム１３の外周を覆う主カバー１８等で外面が覆われている。

一方、シート２は図６に示すように、シート枠２０と、シート枠２０の上面に取り付けられる座面２１と、シート枠２０の下方側に連結されるカバー２２、シート枠２０の左右に取り付けられる保護カバー２３，２３、操作パネル８の周囲を覆うパネルカバー２４等で構成されている。

前記鐙７は、上記シート枠２０側面の鐙取付部２００に固定される固定片７１と、固定片７１から吊り下げられた連結片７２と、連結片７２から吊り下げられた足掛け片７０とからなるもので、上記保護カバー２３は連結片７２の固定片７１への連結軸部の外側方を覆ってシート２に座った使用者の膝部分が連結軸部に当たってしまうことを防ぐ。

次に駆動部３について説明する。この駆動部３は、図７〜図１０に示すように、箱形に形成された可動フレーム３０内に、モータ３１とこのモータ３１の回転を２つの出力軸３２，３３に伝えるギア群３４とを配置するとともに、可動フレーム３０の上方に位置する可動プレート４０を２種のリンクプレート４１，４２で可動フレーム３０に連結したもので、上記可動フレーム３０は、その前後の端面の軸受け部３００，３００が本体１における前記支持フレーム１３に図５に示す軸１３０，１３０で軸回りに回動自在に連結されることで、本体１に取り付けられる。

ここで、可動プレート４０の後端側に連結されるリンクプレート４１は、可動フレーム３０の後部側の側面に軸３０１で連結されたものであるのに対して、リンクプレート４２は可動フレーム３０内に配されて軸３０２によって可動フレーム３０に一端側が支持されている回動プレート３９の他端側に軸３０３によって支持されており、また、リンクプレート４２は可動プレート４０の前端側に伸縮アクチュエータ４５を介して連結されている。

そして、回転駆動される２つの出力軸３２，３３のうちの出力軸３２は、可動フレーム３０の外側面側に偏心部を位置させているとともに、この偏心部がリンク３５によって支持フレーム１３に連結されてロール駆動部を構成している。

他方の出力軸３３は、可動フレーム３０の外側面側に２つの偏心部３３ａ，３３ｂを位置させており、偏心量が小さい偏心部３３ａは上記リンクプレート４２に連結され、偏心量が大きい偏心部３３ｂは一端をリンクプレート４１に連結した連結リンク３６に連結されてピッチ駆動部を構成している。

上記２つの出力軸３２，３３のうち、リンク３５で支持フレーム１３に連結されている出力軸３２の偏心部の回転は、可動フレーム３０を軸１３０（図９中の前後に傾いた前後軸Ａ）の軸回りに往復回動させる。

また、他方の出力軸３３の偏心部３３ａの偏心回転はリンクプレート４２と伸縮アクチュエータ４５とを介して可動プレート４０の前端側を前後及び上下に揺らし、偏心部３３ｂの偏心回転は連結リンク３６とリンクプレート４１とを介して可動プレート４０の後端側を主として前後に揺らす。この時、リンクプレート４１と可動プレート４０との連結軸４０ａの前後の揺れの軌跡をＴ１、上記伸縮アクチュエータ４５と可動プレート４０との連結軸４０ｂの前後の揺れの軌跡をＴ２とする時、図９に示すように、両者のストロークは同じであるものの、上下成分が両軌跡Ｔ１，Ｔ２で異なるように設定されている。ちなみに上記軌跡Ｔ１はほぼ前後に動くだけのものとなっているが、上記軌跡Ｔ２はリンクプレート４２における軸３０３が軸４０ｂよりも後方にずれた位置にあるために、前後に加えて上下に動く成分が多くなっている。しかも、可動プレート４０の前端側の揺動駆動のための構成部品中に回動プレート３９があってリンクプレート４２の回動支点となる軸３０３の位置を回動プレート３９が上下させるために、軌跡Ｔ２は往路と帰路とで上下にずれたルートをとるものとなっている。

ここにおいて、前記シート２は、出力軸３２，３３の回転に伴って前後左右に揺動駆動されることになる上記可動プレート４０上にシート枠２０が固定されるものであり、このために可動プレート４０と共にシート２も前後左右の揺動を行うのであるが、左右の揺動の１サイクルの間に前後の揺動が２サイクル行われるように出力軸３２，３３の回転数を設定していることから、シート２の座面２１における左右方向中央で且つ前後方向において最も低くなっている中央点２１ａは、上記前後左右の揺動によって、図１１(a)に示すように平面視で８の字を描くものとなっている。また、軌跡Ｔ１，Ｔ２の違いにより、図１１(b)に示すように、上記中央点２１ａは前方へ沈み込み、浮き上がりながら後方に戻るという軌跡を描く。

しかも前述のようにシート２の後端側の軌跡Ｔ１は上下動成分が少ない前後動であり、シート２の前端側の軌跡Ｔ２は上下動成分が多い前後動となっていることから、シート２の上下の動きは後方側を支点として前端側が上下することで行われており、シート２に座った時にシート２の中央点にほぼ一致するところに重心を位置させる使用者は、自身よりも後方に位置するシート２の後端側を支点として前端側が上下する上記シート２の動きをより的確に感ずるものとなる。

また、図１１はシート２の中央点の動きを所定時間間隔でプロットしたものであり、このために点の間隔が大であるところは速度が大、小さい間隔から大きな間隔に短時間に変化するところは加速度が大であることを示している。つまり、図１１に示すものでは、前方への移動時の加速度が後退時の加速度よりも大となっている。これはシート２に座ってシート２の動きを受ける使用者にしてみれば、前に進んでいるという感覚を受けるものであり、このために実際の乗馬をしている感覚を得られるものである。

さらに、左右の揺動は可動プレート４０及び座面２１とほぼ平行な水平軸の軸回りにではなく、前側が後ろ側よりも下がった前後軸Ａの軸回りになされることから、可動プレート４０は前側も後ろ側も左右の揺動を同じ角度範囲で行うものの、上記前後軸Ａからの距離は後ろ側よりも前側が長くなっているために、可動プレート４０の前端側の左右移動ストロークが後端側の左右移動ストロークよりも大きくなっている。このために前後方向の揺動（ピッチ）と左右方向の揺動（ロール）が合成されて平面視で８の字となっている動きは、図１２(a)に示すように、前方側での左右移動幅が後方側での左右移動幅よりも大きくなっている上に、前方斜め移動はシート２の前端側が斜め前方に捻れながらずれ動くというヨー成分を含んだものとなっている。ロール駆動部がヨー駆動部を兼ねたものとなっているわけである。

従って使用者がシート２に座ってシート２の上記動きを受ける時、使用者は上記ピッチ及びロールに加えてヨーの動きにも対応しなくてはバランスを保つことができないものであり、これ故にバランス訓練という点において、より有効なものとなっている。

駆動部３における伸縮アクチュエータ４５は、シート２の前後傾斜角を変更するために設けたもので、この伸縮アクチュエータ４５は、後述する操作パネル８に対する操作によって伸縮して前傾姿勢と水平姿勢と後傾姿勢とを切り換えられるようにするほか、上記の前後左右の揺動に連動する伸縮を行わせることで、上下動成分を増大させたり減少させたりするものであってもよい。

また、シート２の前後傾斜角を変更したならば、シート２を揺動させた時の使用者の各筋肉（腹筋・背筋・太もも前部筋肉・太もも後部筋肉）にかかる負荷も変化する。この変化を使用者が明確に把握することができるようにするために、ここでは後述するように操作パネル８に各筋肉への負荷具合を表示することができるようにしている。なお、上記負荷具合は、シート２の前後傾斜角の違いとモータ３１の速度の違いで各筋肉の筋電位がどのように変化するかのデータをとり、このデータを基に決定している。

ところで、使用者がシート２に座ってシート２の上記の動きを受ける時、使用者はその足先を鐙７にかけることで、また、手綱６を握ることで、より安全に揺動運動を受けることができるが、上記鐙７は、その連結片７２への足掛け片７０の連結点を上下に調節することができるようにしていることから、使用者の体格や好みに合わせた高さに鐙７をセットすることができる。

また、上記連結片７２は弾性材で形成して左右に撓み自在としているとともに、連結片７２の外側面に連結される足掛け片７０は図４中の右側の鐙７で示すように外側ほど高くなる傾斜αを持つ底片を持つものとして、外側にオフセットすることで足掛け片７０に足を掛けやすくしてある。そして鐙７の足掛け片７０に足先を掛けたならば、図４中の左側の鐙７に示すように、弾性を有する連結片７２が撓んで足掛け片７０が内側へ入り込むとともに足掛け片７０の底片が水平の状態となる。鐙７に足先を載せた時、足首や膝に無理な力がかかわらず、良い姿勢を維持することができる。

図１２はシート２の前端部に配した操作パネル８を示している。図中８０は電源スイッチ、８１は前述の電動スライドユニット１４を作動させることでシート２の高さを調整する高さ調整スイッチ、８２は伸縮アクチュエータ４５を作動させることでシート２の傾斜角度を調整するための角度調整スイッチ、８３は駆動部３のモータ３１の回転速度を変更することで揺動速度を調整する速度調整スイッチ、８４は使用者の体重値入力用のアップダウンスイッチ、８５は揺動動作を初心者向きのものに抑えるための動作モード選択スイッチ、８６は揺動動作による運動強度を切り換えるための動作モード切換スイッチ、８７は運動対象を切り換えるための運動対象切替スイッチ、８８は液晶パネルで構成されたディスプレーである。運動対象切替スイッチ８７を操作した時、伸縮アクチュエータ４５によってシート２の前後傾斜角がそれぞれに適した状態に切り換えられる。

表示手段である上記ディスプレー８８は、シート２の傾斜状態の表示、速度調整状態の表示、動作時間の表示、運動強度の表示などのほか、算出した運動量（消費カロリー）の表示、伸縮アクチュエータ４５の伸縮によるシート２の前後傾斜の姿勢変化により、人体の腹筋・背筋・太もも前部・太もも後部のどの筋肉に対してどのような値の負荷がかかるようになるかの表示等を行う。

ところで、前述のようにモータ３１を動力源としてこのモータ３１の回転の減速出力でシート２を揺動させているのであるが、ここではシート２を揺動させている間、常時モータ３１を駆動するのではなく、シート２が下降行程にある時にはモータ３１への給電を停止し、シート２及びシート２に座った使用者の重さによって下降が生じるようにしている。

もっとも、上記実施例にかかる揺動型運動装置では、シート２の傾斜角度を変更することができるようにしている関係で、下降行程は常時同じタイミングで生じるものではないために、ここではシート２の前後方向中間部（使用者の重心の直下あたり）に３Ｇ型の加速度センサＳを配置して、該加速度センサＳの出力からシート２が下降行程に入ったかどうか及び下降行程が終了したかどうかを検出し、この検出出力に応じて上記モータ３１への給電を制御している。つまり、シート２を上昇させる行程の間は給電し、シート２を下降させる行程の間はモータ２への給電を停止するのである。このためにモータ３１への給電時間はほぼ半減することになり、これに従って消費電力を大きく削減することができる。

また、シート２が下降行程中にモータ３１への給電を停止した時には、モータ３１は負荷側からの力によって回転することになるが、この回転にブレーキをかけることで上記シート２の下降速度を制限するために、ここではモータ３１の給電端子間に開閉スイッチＳＷを設けて、モータ３１への給電中は開となっていた開閉スイッチＳＷをモータ３１への給電停止と同時に閉じることでモータ３１の給電端子間を短絡するようにしてある。給電端子間の短絡により、負荷側からの力で回転するモータ３１に逆起電力を発生させることでブレーキをかけるのである。なお、上記開閉スイッチＳＷは常閉型のものを用いている。モータ３１が停止している不使用時にシート２に力が加えられてもシート２が動きにくくなるようにしているものである。

図１に上記構成のものにおけるブロック回路図を示す。図中Ｃはモータ３１や前述の電動スライドユニット１４や伸縮アクチュエータ４５の制御駆動を行うとともに上記開閉スイッチＳＷの開閉制御を行う制御回路であり、上記加速度センサＳの出力に応じてモータ３１への給電と開閉スイッチＳＷの開閉とを行う。

図１３に他例を示す。これは上記モータ３１として３相モータを用いるとともに、開閉スイッチＳＷを各相間に設けたもので、制御回路Ｃは設定されているモータ３１の回転速度に応じて、モータ３１への給電を停止した際に閉じる開閉スイッチＳＷの数を変更して、負荷側からの力によるシート２の下降時の速度を上昇時の速度に合わせる。

なお、シート２に使用者が座っているかどうかを検出するためのセンサ（たとえば荷重センサ）を設けて、シート２に使用者が座っていない状態で駆動された時には、下降行程中のモータ３１の停止及び開閉スイッチＳＷによる短絡は行わないようにすることも好ましい。使用者が座っていない時には、負荷側からの力でモータ３１を回転させることができないために動作が停止してしまい、使用者が故障と勘違いしてしまうことがあるためである。

上記実施例では、乗馬を模した運動を使用者に負荷する揺動型運動装置を示したが、本発明はこの形態のものに限定されるものではなく、使用者が立つ台を揺動させることで、例えばサーフィンを模した運動を使用者に負荷するもの、使用者が腰掛けるシートを揺動させるとともに使用者の各足を個別に載せる足載せ台を上下動させることによって歩行動作を模した運動を使用者に負荷するものなどにも適用することができる。

本発明の実施の形態の一例を示すもので、(a)はブロック回路図、(b)は動作を示すフローチャートである。 同上の斜視図である。 (a)(b)は同上の平面図と右側面図である。 同上の正面図である。 同上の本体部の分解斜視図である。 同上のシートの分解斜視図である。 同上の駆動部の分解斜視図である。 同上の駆動部の斜視図である。 同上の駆動部の側面図である。 同上の駆動部の分解斜視図である。 (a)(b)は同上の動作説明図である。 同上の操作パネルの正面図である。 他例のブロック回路図である。

符号の説明

１ 本体
２ シート
３ 駆動部
３１ モータ
Ｃ 制御回路
Ｓ 加速度センサ
ＳＷ 開閉スイッチ

Claims (3)

1. 使用者が乗る可動部と、該可動部に揺動運動を行わせる駆動部とを備えた揺動型運動装置において、上記駆動部における駆動源であるモータの給電端子間を電気的に短絡させる開閉手段と、上記可動部がその揺動動作中の下降行程にあるかどうかを検出する動作検出手段と、上記モータによる駆動で可動部に揺動運動を行わせている間の上記動作検出手段による下降行程にあることの検出出力を受けて上記モータへの給電を停止するとともに上記開閉手段を閉じてモータの給電端子間を短絡させる制御回路とを備えていることを特徴とする揺動型運動装置。
2. 上記モータは３相モータであり、開閉手段は相別に設けられているとともに上記制御回路はこれら複数の開閉手段を個別に開閉するものであることを特徴とする請求項１記載の揺動型運動装置。
3. 上記開閉手段は常閉型のものであることを特徴とする請求項１または２記載の揺動型運動装置。

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