JP4148564B2 - トルク加算形回転運動機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転運動反作用力に加えて、高速回転子のジャイロ効果を利用して捩り力を併発せしめるトルクを生成可能なトルク加算形回転運動機に関する。
このようなトルク加算形回転運動機は、典型的には健常者の筋肉の鍛練や運動機能障害者の運動機能の回復等の用途に利用することが可能であると同時に、更には、宇宙空間の無重力下における身体の回転運動反作用力に加算して、捩り力を発生せしめることにより、筋力の低下防止を図る用途等にも効果的に利用することが可能である。
【0002】
【従来の技術】
従来、バタフライマシーンなどの回転運動機は、回転運動反作用力を筋肉に加えることによって筋肉鍛練を行うようにして用いられているが、主として回転運動によって決まる単一作用力しか体操者に付与することができず、捩り力を相乗して発生、作用させ、鍛練効果や運動機能回復効果を増進させることはできず、まして、簡単安価な手段で捩り力を相乗して発生、作用させることはできなかった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来技術に鑑みて本発明の目的は、回転運動反作用力と共に捩じり力をも併発させることにより性能改善を図ったトルク加算形回転運動機を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、比較的安価な手段を設けることにより、上述した二作用力によって筋力を効果的に増強できようにしたトルク加算形回転運動機を提供せんとするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上述の目的に鑑みて本発明は、人の身体が回転運動を加えたときに回転運動反作用力を発生させる機構部に加えて、高速で回転する回転子機構を具備せしめ、上記回転運動を加えることによって、回転子に入力トルクを印加し、高速回転子のジャイロ効果によって発生する捩りトルク作用を回転運動反作用力に加算して回転運動反作用力と捩じり力との2作用力を得るようにしたトルク加算形回転運動機を構成したものである。
【0005】
本発明は、筋力増強をはかる回転運動反作用力を発生させる機構部を備えた構造体に、高速で回転駆動される回転子を具備させ、この回転子の高速回転軸と直角な入力軸のまわりに、回転運動による入力トルクを作用せしめたとき、前記回転子がジャイロ効果による才差出力トルクを発生し、該才差出力トルクから生ずる捩り力を、回転運動を加えた被鍛練者が鍛練作用力として感知し得る構成としたトルク加算形回転運動機を構成したものである。
【0006】
ここで、この才差出力トルクは、回転子の回転軸と上記入力軸とに直角な才差軸のまわりに発生し、捩り力となって回転運動反作用力とともに相乗的に筋肉に作用することから、筋力の増強を2作用力によって、より効果的に図ることができるのである。
つまり本発明によれば、身体から加える回転運動に応じた回転反作用力を発生するための枢動回転アーム手段を具備した機構部と、高速回転駆動手段によって回転駆動される少なくとも1つの高速回転子を有した回転子機構とを具備し、前記高速回転子の回転軸と前記枢動回転アーム手段の枢動回転軸とが直角になるように配設し、前記回転運動によって、前記高速回転子に所定の入力トルク軸周りに入力トルクが付与され、高速回転子のジャイロ効果によって前記入力トルク軸と、前記高速回転子の回転軸とに直角な軸まわりに、才差出力トルクによる捩り力を生成せしめ、前記回転反作用力と前記捩り力との複合作用で身体に鍛練力を作用させるように構成し、前記高速回転駆動手段が、電気モータと、該電気モータの回転数を所望回転数に制御する回転速度調整手段とを具備してなり、前記高速回転子の角運動量を変化せしめ、前記才差出力トルクの大きさを加減できるようにしたトルク加算形回転運動機において、
前記高速回転駆動手段が、更に前記高速回転子の回転方向を正逆転、何れにも設定でき、才差出力トルクの向きを変えることができる回転方向設定スイッチ手段を具備していることを特徴とするトルク加算形回転運動機が提供される。
【0007】
上述の構成すれば、例えば、回転運動の条件や種類によって、電気的手段によって駆動される回転子の高速回転速度を任意に選択することによって才差出力トルクの大きさを自由に設定し、また回転子の回転方向を選択設定することによって、才差出力トルクの向きを任意に決定することもできる。
上述した構成によれば、高速回転する回転子へのトルクの入力に従って発生する才差出力トルクにより捩り力を発生せしめることができ、従来の回転反作用力単一のみに勝る2つの作用力を体操者の筋肉等に作用、印加させ得ることから、効果的な筋力の増強を得ることができるのである。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるトルク加算形回転運動機を添付図面に示す実施の形態に基づいて更に詳細に説明する。
図1から図6は本発明の好ましい実施の形態に係るトルク加算形回転運動機を示す図であり、図1は正面図、図2は平面図、図3は側面図、図4は運動者と本発明の実施の形態に係るトルク加算形回転運動機との関係をわかり易く示すための斜視図、図5はジャイロ回転輪駆動用電気系統を示すブロック図、図6はジャイロ回転輪の力学的ベクトルを説明する解説図である。
【0009】
図1から図4において、本実施形態に係るトルク加算形回転運動機は1対のAアーム1およびBアーム1′を具備し、このAアーム1、Bアーム1′の夫々に設けたA才差軸受2とB才差軸受2′を介してA才差軸3、B才差軸3′を回転自在に支持している。これらのA,B両才差軸3,3′の先端には、Aジャイロ回転輪4およびBジャイロ回転輪4′が、Aケース5およびBケース5′を介して夫々輪環状のAリングフレーム6およびBリングフレーム6′に取付けられている。
【0010】
A,B両ジャイロ回転輪4,4′は、Y1 −Y1 ′軸およびY2 −Y2 ′軸の回りに、夫々内蔵された周知の直接駆動型モータ等の直流モータ(図示なし)によって直接駆動され、高速度で回転するようになっている。
上述した1対のA,Bアーム1,1′は、主支柱7に取付けられている梁8に対して、A回転軸9およびB回転軸9′を介して、夫々後述する基台設置面に対して垂直なZ1 −Z1 ′軸およびZ2 −Z2 ′軸の回りに枢動回転自在に取付けられている。
【0011】
椅子座10は主支柱7、椅子座支柱11、前部基台12、後部基台13および連結板14によって被鍛練者が安定に着座可能に取付けられ、トルク加算形回転運動機の機枠部を形成している。
A,B両アーム1,1′のZ1 −Z1 ′軸およびZ2 −Z2 ′軸回りの回転反力の大きさは、上記の梁8から後方へ突出させたブラケット状の支持枠15に螺設した雌ねじ孔にネジ嵌合せしめているハンドル16を回転することにより、支持枠15′に一端が固定されているばね17を伸縮調節せしめることによって設定することが可能になっている。上記ばね17の他端は、ハンドル16の中心軸内を自由貫通し、ハンドル16の外側端に設けた抜け止め板18に固定されており、ハンドル16を回転したときにばね17のねじれが生じないようになっている。
【0012】
上述した機械的構造部を有したトルク加算形回転運動機に被鍛練者が着座して筋力鍛練を実行している様子が図4に示されている。
そして、同トルク加算形回転運動機は、更に、A,B両ジャイロ回転輪4,4′が内蔵する1対の直流モータを駆動し、かつ回転方向の設定や回転速度の調節をおこなうための電気的構成部を具備し、この電気的構成部は図示されていない筐体内に格納されて例えば主支柱7の背面等に取着され、AおよびBのジャイロ回転輪4,4’へ所要の配線がなされている。
【0013】
図5はこの電的的構成部のブロック図であり、商用等の交流電源(100ボルト)に接続した交流/直流変換機22、同交流・直流変換機22に接続した電源のオン/オフスイッチ24、該オン/オフスイッチ24を介して変換機22に接続した回転速度調整器26、その回転速度調整器26の後段に接続され、両ジャイロ回転輪4,4’の回転方向を設定可能な回転方向設定スイッチ28等を具備して構成され、この電気的構成部から両ジャイロ回転輪4,4’の既述した直流モータへ電力が供給され、かつ回転速度、回転方向の設定がなされるようになっている。
【0014】
いま、A,B両ジャイロ回転輪4,4′を図5に示す電気的構成部によって、Y1 およびY2 側からみて、夫々反時計方向に高速回転せしめ、図4に示すごとく運動者又は被鍛練者によって、1対のA,B両ジャイロ回転輪4,4′が取付けてあるA,B両リングフレーム6,6′を、両回転軸Z1 −Z1 ′およびZ2 −Z2 ′の周りに、二つの垂直なZ1 −Z1 ’軸線およびZ2 −Z2 ’軸線におけるZ1 およびZ2 側からみて夫々時計方向および反時計方向に、ばね17の反力に抗して左右の腕によって枢動回転運動を行うと、A,B両ジャイロ回転輪4,4′に、図6に明示した両回転輪4,4′に関するジャイロ効果の関係を表すベクトル図に示すように、入力トルクTi1 およびTi2 が夫々作用し、ジャイロ力学の原理によって(1)および(2)式に示す才差出力トルクTo1 およびTo2 (grcm)が発生する。
【0015】
To1 =I1 ω1 Ω1 ………… (1)
To2 =I2 ω2 Ω2 ………… (2)
但し、I1 ,I2 は夫々A,B両ジャイロ回転輪の回転軸Y1 −Y1 ′,Y2 −Y2 ′に関する慣性能率(gcm/sec2)、
ω1 ,ω2 は夫々A,B両ジャイロ回転輪の回転数(rad /sec )、
そして
Ω1 ,Ω2 は夫々左右の腕によって行うA,B両リングフレーム6,6’の回転運動速度(rad /sec )である。
【0016】
図6のベクトル図において、H1 およびH2 は夫々A,B両ジャイロ回転輪4,4′の角運動量(grcm/sec )で、
H1 =I1 ω1 ………………… (3)
H2 =I2 ω2 ………………… (4)
で表わされる。
【0017】
(1),(2),(3)および(4)の各式から
To1 =H1 Ω1 ……………… (5)
To2 =H2 Ω2 ……………… (6)
を得ることができる。
(5),(6)式の才差出力トルクTo1 ,To2 は、図6のベクトル図で説明すると、H1 およびH2 がジャイロ力学的にH1 とTi1 の合成ベクトルH1 ′へ、またH2 とTi2 の合成ベクトルH2 ′へ移行することによって発生するものであり、結果として、捩り力となって左右の腕に印加され、その大きさは上記の式(5),(6)式から左右の腕による回転運動速度Ω1 ,Ω2 の大きさに比例する。
【0018】
次に、A,B両リングフレーム6,6′を回転軸Z1 −Z1 ′およびZ2 −Z2 ′のまわりにZ1 およびZ2 側からみて、夫々反時計方向および時計方向に左右両腕によって回転運動を行うと、A,B両ジャイロ回転輪4,4′によって前記とは逆方向の才差出力トルクによる捩り力が夫々の腕に印加される。
上述のごとくA,B両リングフレーム6,6′を左右夫々の腕によって、はばたき回転運動、いわゆるバタフライ運動をくりかえし行うと、軸Z1 −Z1 ′およびZ2 −Z2 ′のまわりの回転反力に加えて、軸X1 −X1 ′およびX2 −X2 ′のまわりの捩り力を夫々の腕に同時に二作用的に印加せしめることができ、従来の単一的なバタフライ回転運動に較べて、より一層効果的な筋力強化を行うことができる。
【0019】
A,B両ジャイロ回転輪4,4′の、軸Y1 −Y1 ′およびY2 −Y2 ′のまわりの高速回転方向を、図5に示す衆知の直流モータ正逆転法による回転方向設定スイッチ28を用いて変えることにより、才差出力トルクを逆向きに作用せしめることもできる。
さらに、A,B両ジャイロ回転輪4,4′の高速回転速度ω1 ,ω2 を、図5に示す回転速度調整器26によって調節設定することによって、才差出力トルクの大きさを任意に変化させることもできる。
【0020】
床面からの椅子座7の高さおよび軸X1 −X1 ′,軸X2 −X2 ′の高さの調整設定機能は、本発明の骨子ではないので特に記載していないが具備可能なことは勿論である。
以上、本発明によるトルク加算形回転運動機の実施例について説明したが、本発明はバタフライマシーンのみに限るものではなく、回転運動を伴うスポーツやリハビリ用マシーンに広く応用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係るトルク加算形回転運動機の正面図である。
【図2】本発明の実施の形態に係るトルク加算形回転運動機を図1の上方から見た平面図である。
【図3】同実施の形態に係るトルク加算形回転運動機において図2のIII −III 矢視方向から見た側面図である。
【図4】被鍛練者と本発明の実施の形態に係るトルク加算形回転運動機との関係をわかり易く示すための斜視図である。
【図5】トルク加算形回転運動機に装備されるジャイロ回転輪駆動用の電気系統の構成を示すブロック図である。
【図6】同トルク加算形回転運動機に具備される二つのジャイロ回転輪の力学的ベクトルを説明する解説図である。
【符号の説明】
1…Aアーム
1’…Bアーム
2…軸受
2’…軸受
3…才差軸
3’…才差軸
4…ジャイロ回転輪
4’…ジャイロ回転輪
6…リングフレーム
6’…リングフレーム
7…主支柱
8…梁
9…A回転軸
9’…B回転軸
10…椅子座
22…交流/直流変換機
24…電源オン/オフスイッチ
26…回転速度調整器
28…回転方向設定スイッチ
Claims (2)
- 身体から加える回転運動に応じた回転反作用力を発生するための枢動回転アーム手段を具備した機構部と、高速回転駆動手段によって回転駆動される少なくとも1つの高速回転子を有した回転子機構とを具備し、前記高速回転子の回転軸と前記枢動回転アーム手段の枢動回転軸とが直角になるように配設し、前記回転運動によって、前記高速回転子に所定の入力トルク軸周りに入力トルクが付与され、高速回転子のジャイロ効果によって前記入力トルク軸と、前記高速回転子の回転軸とに直角な軸まわりに、才差出力トルクによる捩り力を生成せしめ、前記回転反作用力と前記捩り力との複合作用で身体に鍛練力を作用させるように構成し、前記高速回転駆動手段が、電気モータと、該電気モータの回転数を所望回転数に制御する回転速度調整手段とを具備してなり、前記高速回転子の角運動量を変化せしめ、前記才差出力トルクの大きさを加減できるようにしたトルク加算形回転運動機において、
前記高速回転駆動手段が、更に前記高速回転子の回転方向を正逆転、何れにも設定でき、才差出力トルクの向きを変えることができる回転方向設定スイッチ手段を具備していることを特徴とするトルク加算形回転運動機。 - 前記高速回転子を有した回転子機構を前記アーム手段が有する1対の枢動アームの夫々に具備させ、該1対のアームを大胸筋々力増強用バタフライマシーンのアーム機構として形成されたことを特徴とする請求項1に記載のトルク加算形回転運動機。
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1998
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