JP4886216B2 - 運動補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、主として使用者の脚部の筋肉について軽負荷で伸縮させる運動補助装置に関するものである。

近年、使用者が搭乗する搭乗台を自動的に揺動させる運動補助装置（たとえば、特許文献１参照）、使用者が両脚をかけるペダルを自動的に回転させる運動補助装置などが提案されている。この種の運動補助装置は、使用者に他動的な運動刺激を与えるものであり、使用者が意識して能動的に身体を動かさなくとも筋肉を伸縮させることができる。このような他動的な運動刺激であっても、筋肉が伸縮すれば筋肉にブドウ糖が取り込まれて糖代謝が高まるから、ブドウ糖を消費させることになり、ひいては糖尿病の改善に寄与すると考えられる。つまり、高血糖、高インスリン血症の改善の結果、生活習慣病（糖尿病、肥満、高脂血症など）の改善に寄与すると言える。

筋収縮による糖代謝を効率的に行うには、体積の大きい筋肉（とくに有酸素運動に寄与する赤筋（遅筋））に筋収縮を生じさせることが望ましく、大腿部や背部の筋肉を筋収縮させることが有効と考えられる。大腿部の筋肉の筋収縮を促す運動補助装置としては、使用者が足を着いた状態で使用者の臀部を支持する支持台を設け、支持台を傾動させるように構成したものがある（たとえば、特許文献２参照）。
特開平１１−１５５８３６号公報 特開２００５−５８７３３号公報

ところで、上述した特許文献１、２に記載されている運動補助装置は、使用者が搭乗する搭乗台や使用者の臀部を支持する支持台を備え、かつ搭乗台を揺動させたり支持台を傾動させたりするための機構が内蔵されるから、大型化し重量も大きくなる。したがって、一般に移動は容易ではなく、一度置いた場所から移動させるには大きな労力を要する。

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、床に置いて使用する椅子を使用者が着座する部材として流用することにより比較的小型かつ比較的安価に提供することができ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、定位置に配置される基台と、床に置いて着座する椅子を着脱可能に取着できる台座と、台座を基台に結合するとともに台座上の椅子に着座した使用者の体重で使用者の脚部に作用する負荷を変化させるように基台に対する台座の傾き角度を変化させる傾動機構部と、台座および傾動機構部とは別に基台に連結され台座上の椅子に着座した使用者が足を載せるステップ部とを備え、傾動機構部は、台座が傾く方向を台座上の椅子に着座しステップ部に足を載せた使用者の膝関節の屈伸方向に制限することを特徴とする。

この構成によれば、使用者の体重で脚部に作用する負荷を変化させることで脚部の筋肉の筋収縮を促し、筋へのブドウ糖の取り込みを促進することができる。しかも、基台に対する傾き角度を変化させることのできる台座に対して、床に置いて着座する椅子を着脱可能に取着するから、使用者の臀部を支持する部材が、臀部を支持する部材を傾動させる部材から分離され、椅子を台座から外した状態では、支持台を備える構成に比較すると小型化が達成でき、軽量化されるから移動も比較的容易になる。しかも、通常の椅子を支持台として用いており、支持台が不要であるから部品点数が低減されコストの低減にもつながる。

さらに、傾動機構部とは別に基台に連結され使用者が足を載せるステップ部を備えるから、使用者の臀部と足部との位置関係を決めることができ、この状態で台座が傾き方向を使用者の膝関節の屈伸方向に制限しているから、使用者の膝関節に剪断力が作用せず、使用者が膝痛を持つ場合でも使用可能になる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記基台に対する前記ステップ部の位置を時間経過に伴って変化させるステップ駆動部が付加されたことを特徴とする。

この構成では、ステップ部が移動することにより主として足関節（くるぶし）の角度が変化するから、ふくらはぎの筋肉の伸縮が生じる。台座の傾き角度の変化では主として大腿部の筋肉の伸縮が生じるが、ステップ部の移動によりふくらはぎの筋肉も伸縮するから、より多くのブドウ糖を筋肉に取り込むことができ、運動効果がより大きくなる。

請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記傾動機構部は、前記台座の前記基台に対する傾き角度を時間経過に伴って変化させる駆動源を備え、前記ステップ駆動部は駆動源と連動することを特徴とする。

この構成では、台座の傾動とステップ部の移動とを連動させるから、たとえば膝関節が曲がる角度を制限することが可能であり、膝痛を持つ使用者であっても膝関節の屈伸を伴わずに使用させることが可能になり、膝痛を悪化させることなく所期の運動を行うことが可能になる。

請求項４の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記傾動機構部は、前記台座の前記基台に対する傾き角度を時間経過に伴って変化させる駆動源を備えることを特徴とする。

この構成によれば、使用者は台座上の椅子に着座しているだけで運動を意識することなく他動的に筋肉を伸縮させることができる。

請求項５の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明において、前記台座は床よりも上方に位置し、前記基台に結合された台座本体と、椅子が載置され台座本体に固定される載せ板と、床上で椅子を載せた載せ板を台座本体に引き上げるように台座本体と載せ板とを連結する引き上げ装置とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、床上で椅子を載せ板に載せた状態で引き上げ装置によって載せ板を台座本体に載せることができるから、比較的重い椅子であっても台座に簡単に載せることができる。

本発明の構成によれば、床に置いて着座する椅子を、基台に対する傾き角度を変化させることのできる台座の上に着脱可能に取着するから、使用者の臀部を支持する部材をあらかじめ設けておく必要がなく、使用者の臀部を支持する部材をあらかじめ備える従来構成に比較すると小型化が達成でき軽量化される。その結果、移動が容易になる。また、通常の椅子を用いて使用者の臀部を支持するから、部品点数が低減されコストの低減につながるという利点がある。さらに、傾動機構部とは別に基台に連結され使用者が足を載せるステップ部を備えるから、使用者の臀部と足部との位置関係を決めることができ、この状態で台座が傾き方向を使用者の膝関節の屈伸方向に制限しているから、使用者の膝関節に剪断力が作用せず、使用者が膝痛を持つ場合でも使用可能になる。

（実施形態１）
本実施形態では、図１に示すように、床のような設置面の定位置に設置される基台１を有し、使用者が着座する椅子Ｃを載せる台座２と使用者が足を載せるステップ部３とを、基台１に結合した構成例を示す。ここに、椅子Ｃは、台座２に適合するものであれば、事務用椅子や食卓用椅子や車椅子など種々のものを用いることができる。言い換えると、椅子Ｃの形状に応じた台座２を設ける必要がある。

台座２は基台１に対する傾き角度の変化が可能となるように傾動機構部４を介して基台１に結合され、ステップ部３は基台１に対する位置の変化が可能となるようにステップ駆動部５を介して基台１に結合される。傾動機構部４とステップ駆動部５とにはそれぞれ駆動源としてのモータ（図示せず）が設けられ、台座２の傾き角度を時間経過に伴って変化させ、ステップ部３の位置を時間経過に伴って変化させる。ステップ部３は左右一対設けられモータは各ステップ部３ごとに設けられる。また、後述するように、台座２とステップ部３とは連動させるのが望ましい。

台座２は、上面が開放された箱状であって椅子Ｃを着脱可能に取着する機能を有している。椅子Ｃを固定する構成は、台座２が傾いたときに椅子Ｃの位置が変化しないように、たとえば、椅子Ｃの一部に巻き付くベルトを用いる。事務用椅子であれば下端部に横方向に張り出した５本程度の脚があるから、この脚をベルトにより台座２に結束する。

傾動機構部４は、前後方向および左右方向の回転軸を有する。いま、基台１が水平面に設置されているものとすれば、左右方向の回転軸の回りで台座２の傾き角度を変化させることにより台座２の上面が水平になる位置と台座２が前方に傾く位置との間で往復移動する。また、前後方向の軸回りで台座２の傾き角度を変化させることにより台座２の左右方向の傾き角度が変化する。上述のように台座２を任意の方向に傾動させるには、傾動機構部４に２個のモータを設ける必要があるが、１個のモータと適宜のリンク機構とを用いることにより台座２に前後方向と左右方向との傾きを複合した動きを与えてもよい。なお、台座２の高さは調節可能であることが望ましいが、椅子Ｃに高さ調節の機能がある場合には台座２の高さ調節は不要である。

本実施形態では、ステップ部３はステップ駆動部５で駆動されることにより上下方向に往復移動する。要するに、台座２は前後左右に揺動可能であり、ステップ部３は上下方向に移動可能であり、それぞれが異なるモータにより制御される。したがって、台座２とステップ部３との動作を動機させるには、各モータを連携させるように制御する。この制御は、マイクロコンピュータを主構成とする制御部１０（図５参照）で行う。制御部１０には、適正な運動負荷を得るための各モータの回転角度に関する時系列データが複数セット設定されており、時系列データの適宜セットを選択することによって台座２とステップ部２とに所望の動作を行わせることが可能になっている。

上述した運動補助装置の一般的な使用形態では、使用者Ｍは台座２の上に載った椅子Ｃに着座し、一対のステップ部３に片脚ずつ載せる。椅子Ｃに着座した状態では、使用者はステップ部３に足裏を接触させることが必要であって、ステップ部３の高さ位置と椅子Ｃの座面の高さ位置との少なくとも一方を調節することによって、ステップ部３と椅子Ｃとの位置関係を使用者の脚長に応じて調節する。

次に図２を用いて動作を簡単に説明する。ここでは、一方（左脚）のステップ部３のほうに台座２が傾く場合を例示する。したがって、一方のステップ部３のみを図に示すが、他方のステップ部３のほうに台座２が傾く場合も同様の動作になる。図２（ａ）に示すように使用者Ｍが椅子Ｃに着座したした状態から、図２（ｂ）のように台座２を左側のステップ部３に向かって傾けると、使用者Ｍの足位置に対する使用者の重心位置が変位する。ここで、台座２が基台１の上面に平行である位置から台座２が前方に倒れているから、使用者Ｍの重心位置が前方に移動することによって大腿部を含む脚部に対して使用者Ｍの自重で作用する負荷が増加する。また、使用者Ｍの左脚側に台座２を傾けているから、使用者Ｍの自重による負荷は主として左脚に作用することになる。

このように、使用者Ｍの自重の一部を椅子Ｃおよび台座２で受けることにより、使用者Ｍの脚部に作用する負荷を軽減しながらも、台座２を傾動させることによって脚部（とくに、大腿部）に作用する負荷を変化させることが可能になる。大腿部は他の部位に比較して筋肉の体積が大きいから、大腿部に使用者Ｍの自重による負荷を作用させことにより比較的大きい筋代謝が期待できる。しかも、使用者Ｍは意識的にからだを動かすのではなく、台座２の傾き角度の変化に伴って自重を支えるために筋力を発揮するのであり、他動的な刺激により大腿部を中心とした脚部の筋収縮が誘発されることになる。

ところで、使用者が膝関節Ｍに痛みを持つような場合に、膝の中心と第２指とを結ぶ方向には膝関節をある程度屈伸させることが可能である。しかしながら、他の方向に屈伸させると強い痛みを生じたり、症状が悪化することがある。そこで、このような使用者Ｍが利用する場合には、台座２が起伏する方向（つまり、ステップ部３に載せた足の位置と使用者の重心位置との相対位置の変位方向）が、膝関節の屈伸方向に制限されるようにモータを駆動する。つまり、モータを制御するための時系列データは、台座２が膝関節の屈伸方向に起伏するように設定される。このように、傾動機構部４の動作は台座２の起伏方向を制限する。また、モータの駆動に際しては、膝関節の屈伸範囲が伸展位置から４５度までの範囲になるように台座２の可動範囲を制限する。このように、膝関節の捻れを伴わずに膝関節を屈伸させる方向を制限し、しかも膝関節の屈伸範囲（角度範囲）を制限することにより、変形性膝関節症のように関節に痛みがある使用者であっても、痛みの増加や症状の悪化のような悪影響を与えることなく使用することが可能になる。

ところで、上述のように、ステップ部３は基台１に対して上下方向に移動可能であって、ステップ部３の上下位置は台座２の起伏に連動するように制御される。つまり、図３（ａ）に示すように基台１に対して台座２が略垂直に立っている状態に対して、図３（ｂ）に示すように基台１に対して台座２が傾斜するとステップ部３を下方に移動させる。このような制御は、台座２を傾斜させるモータとステップ部３を昇降させるモータとの制御を同期させることによって可能になる。

基台１に対する台座２の傾斜角度が大きくなるほどステップ部３を下方に移動させるようにすれば、膝関節の曲げ角度をほとんど変化させることなく使用者の自重によって脚に作用する負荷を変化させることが可能になる。言い換えると、脚の筋肉を等尺性伸縮に近い状態で収縮させることが可能になり、膝関節の曲げ角度をほとんど変化させないから膝関節への負担が小さくなる。

なお、本実施形態においては、ステップ部３を基台１に対して上下方向（垂直方向）に移動させる例を示したが、ステップ部３を基台１に対して平行（水平方向）に移動させる構成を採用してもよい。また、ステップ部３の上下移動を可能としながらもステップ部３をモータで駆動するのではなく、弾性を有する部材でステップ部３を基台１に対して支持し、ステップ部３に作用する荷重の大きさに応じてステップ部３が上下に移動する構成を採用してもよい。

弾性部材には、ばねのほか、空気圧やゲル状材料の弾性を利用したものを用いることが可能である。ステップ部３を上下に移動させるのは、膝関節の曲げ角度の変化を小さくするためであるから、その目的を達成するためにステップ部３を支持する弾性部材の弾性係数は適宜に調節する。たとえば、ステップ部３の変位に対して弾性力が線形に変化するもののほか、弾性力が非線形に変化してステップ部３の移動量を調節する構成のものを用いることができる。たとえば、ばねを用いる場合には、単一のばねのほか、複数種類のばね定数を持つばね材を組み合わせたものを用いたり、複数本のばねを用いてステップ部３の位置に応じてばね力を生じるばねの本数が変化する構成などを採用することができる。なお、台座２の傾きに応じて膝関節の曲げ角度が変化してもよい場合には、ステップ部３を基台１に固定した構成を採用することもできる。

ところで、台座２は、図４に示すように、基台１（図１参照）に結合された台座本体２ａと、椅子Ｃが載置され台座本体２ａに固定される載せ板２ｂとを備える。台座本体２ａは上面が開放された箱状であるが、台座本体２ａを形成している４枚の側板のうちの１枚は起伏可能なフラップ２ｄを形成する。フラップ２ｄは、立てた状態では他の側板に結合され側板として機能するが、倒した状態では基台１を設置している床面に先端部が接触するように形成されている。一方、載せ板２ｂは台座本体２ａの底板の上に載置されるとともに底板に結合されるように形成される。台座本体２ａの底板と載せ板２ｂとを結合する構成としては、たとえば台座本体２ａに載せ板２ｂを載せた後に、側板に設けたレバーを倒して載せ板２ｂを台座本体２ａの底板に押し付ける構成を採用することができる。

台座本体２ａと載せ板２ｂとは２本のワイヤ２ｃを介して結合されており、台座本体２ａには、ワイヤ２ｃを巻き取るためのウインチが設けられている。ワイヤ２ｃとウインチとにより載せ板２ｂを台座本体２ａに引き上げるための引き上げ装置が構成される。したがって、フラップ２ｄを倒し、ワイヤ２ｃを巻き解いて台座本体２ａから載せ板２ｂを引き出し、図４（ａ）のように載せ板２ｂに椅子Ｃを固定した後に、図４（ｂ）のようにウインチでワイヤ２ｃを巻き取ると、載せ板２ｂはフラップ２ｄの傾斜を昇って椅子Ｃとともに台座本体２ａに載せられる。その後、載せ板２を台座本体２ａに固定し、フラップ２ｄを立てて固定すれば、台座２に椅子Ｃを固定することができる。この構成を採用することにより、椅子Ｃが比較的重い場合でも台座２に容易に取り付けることができる。

傾動機構部４およびステップ駆動部５に設けたモータには、図５に示すように、上述したようにマイクロコンピュータを主構成とする制御部１０から指示を与える。制御部１０では、台座２の動作速度と動作時間とを制御する。動作速度が速くなれば使用者Ｍの脚部に作用する単位時間当たりの負荷が大きくなり、また、運動量は単位時間当たりの負荷と動作時間との積になる。脚部に作用する負荷を大きくするには台座２の傾き角度を大きくしてもよい。

図５に示す構成では台座２とステップ部３との少なくとも一方に設けた荷重センサ１１を示している。左右の各ステップ部３に荷重センサ１１を設けておけば、台座２が水平位置から傾いたときの荷重センサ１１での検出値の増加分が、使用者Ｍの脚部に作用する荷重に相当する。一方、台座２に荷重センサ１１を設けている場合には、台座２が水平位置から傾いたときの荷重センサ１１での検出値の減少分が、使用者Ｍの脚部に作用する荷重に相当する。したがって、台座２とステップ部３との少なくとも一方に作用する荷重を荷重センサ１１で検出することにより使用者Ｍの脚部に作用する負荷強度を推定することができる。

そこで、制御部１０では荷重センサ１１の検出値に基づいて単位時間当たりの負荷の大きさを推定し、使用者Ｍについて定めた負荷強度の目標値を達成できるように動作速度を調節する。このようなフィードバック制御により使用者Ｍは適切な負荷強度の運動を行うことができる。ただし、使用者Ｍに適切な負荷強度には個人差があるから、年齢、性別などのプロフィールに応じた負荷強度を目標値として設定するのが望ましい。このようなプロフィールを入力可能にする場合には入力部１２を設ける。

また、運動中に負荷強度を視覚または聴覚によって使用者Ｍに知らせれば、使用者Ｍにとっては運動の動機付けになると考えられる。そこで、荷重センサ１１の検出値や残りの動作時間などを表示する表示部１３を設けるのが望ましい。表示部１３には、数字、グラフ、バーグラフ、メータなどの形式で表示を行い、また聴覚的に知らせる場合には音の大きさや高さを負荷強度などに応じて変えればよい。入力部１２と表示部１３とはタッチパネルを用いた表示入力部として構成してもよい。

（実施形態２）
実施形態１では駆動源としてのモータを用いることによって、使用者が積極的に身体を動かすことなく他動的に筋収縮を促すようにしているが、本実施形態では、図６のように駆動源を用いずに構成した例を示す。図６に示す構成は、基台１に対して台座２を結合する傾動機構部４の構成例である。

図示例の傾動機構部４は、半球状のガイド体２１を備え、台座２と結合するポール２２の下端部をガイド体２１に設けたレール溝２３に摺動自在に結合している。また、ポール２２の下端部をガイド体２１の上端位置に復帰させるようにばね付勢する復帰ばね２４を設けている。この構成では、図５（ａ）のようにポール２２が立っている位置（台座２の水平位置）からポール２２の下端部がレール溝２３に沿って移動すると、図５（ｂ）のように、ポール２２の傾斜角度が大きくなり、ポール２２の上端部はガイド体２１の中心（球面の中心）を中心とした円弧状を移動することになる。また、ポール２２が倒れるに従って復帰ばね２４により作用する復帰力が増加するから、使用者はわずかな力でポール２２を元の位置に復帰させることができる（図５（ｃ）参照）。ポール２２の移動方向は、レール溝２３によって制限されるから、膝関節の屈伸方向を含む面内にレール溝２３を位置させることによって、膝関節に捻れを加えることなく脚部に負荷を与えることが可能になる。

なお、図示例ではレール溝２３を１つの面内に形成しているから、ガイド体２１を基台１に平行な面内で回転可能とし、台座２が倒れる方向が各ステップ部３の向きになるようにガイド体２１の回転位置を合わせた上で使用することにより、使用者は片脚ずつに負荷をかけるように運動することができる。また、ガイド体２１を基台１に対して定位置に固定しておき、各ステップ部３に対応するように２つの面内にレール溝２３を形成する構成を採用してもよい。他の構成および動作は実施形態１と同様であって、本実施形態では他動的な運動ではないが、モータが不要であることによって制御部１０も不要であるから実施形態１よりも構成が簡単になる。

実施形態１を示す外観斜視図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上に用いる台座の動作説明図である。 同上のブロック回路図である。 実施形態２を示す動作説明図である。

符号の説明

１ 基台
２ 台座
２ａ 台座本体
２ｂ 載せ板
２ｃ ワイヤ
３ ステップ部
４ 傾動機構部
５ ステップ駆動部
Ｃ 椅子
Ｍ 使用者

Claims (5)

1. 定位置に配置される基台と、床に置いて着座する椅子を着脱可能に取着できる台座と、台座を基台に結合するとともに台座上の椅子に着座した使用者の体重で使用者の脚部に作用する負荷を変化させるように基台に対する台座の傾き角度を変化させる傾動機構部と、台座および傾動機構部とは別に基台に連結され台座上の椅子に着座した使用者が足を載せるステップ部とを備え、傾動機構部は、台座が傾く方向を台座上の椅子に着座しステップ部に足を載せた使用者の膝関節の屈伸方向に制限することを特徴とする運動補助装置。
2. 前記基台に対する前記ステップ部の位置を時間経過に伴って変化させるステップ駆動部が付加されたことを特徴とする請求項１記載の運動補助装置。
3. 前記傾動機構部は、前記台座の前記基台に対する傾き角度を時間経過に伴って変化させる駆動源を備え、前記ステップ駆動部は駆動源と連動することを特徴とする請求項２記載の運動補助装置。
4. 前記傾動機構部は、前記台座の前記基台に対する傾き角度を時間経過に伴って変化させる駆動源を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の運動補助装置。
5. 前記台座は床よりも上方に位置し、前記基台に結合された台座本体と、椅子が載置され台座本体に固定される載せ板と、床上で椅子を載せた載せ板を台座本体に引き上げるように台座本体と載せ板とを連結する引き上げ装置とを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の運動補助装置。

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