JP4950872B2 - 運動補助装置 - Google Patents

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Description

本発明は、自発的(能動的)な運動を行わなくても運動効果が得られる運動補助装置に関するものである。
従来から、使用者が自発的に筋力を発揮することなく使用者の身体に外力を与えて筋群を伸縮(緊張・弛緩)させることにより、運動効果を得られるようにした他動運動による運動補助装置が種々提案されている。
この種の運動補助装置には、身体に刺激を与えることにより神経系の反射によって筋群を伸縮させる構成のものが知られている。
例えば、特許文献1には、歩行動作を模擬する装置が開示されており、これは、主として変形性膝関節症の予防や歩行訓練を目的として使用者が立位で使用する。この特許文献1に記載された装置は、左右の足をそれぞれ載せる一対のステップを有したものであり、各ステップを前後左右の直進往復運動を組み合わせた形に動かすことで、使用者に擬似的なスケート動作を行わせる。このように使用者に擬似的なスケート動作を行わせて、使用者の重心の位置を前後および左右にずらすことによって、バランスを保つように神経系の反射を生じさせて、筋群を伸縮させる。そのため使用者は自発的ないし能動的に運動を行う必要はなく、単にステップに足を載せているだけで、ステップの移動に伴い他動的に運動することが可能になる。
また、伸縮させようとする筋群に応じて使用時の姿勢は様々であり、使用者が座位で使用するものもある。例えば、特許文献2には、乗馬運動を模擬する装置が開示されている。
特許文献2に開示された装置は、使用者の臀部を載せる(使用者が座る)座席を有したものであり、座席を前後左右に揺動させることで、使用者に擬似的な乗馬動作を行わせる。つまり、特許文献2に開示された装置では、使用者に乗馬動作を行わせることにより、特許文献1と同様に、使用者の重心の位置を前後および左右にずらして、バランスを保つように神経系の反射を生じさせ、これによって筋群を伸縮させる。
上記の特許文献1,2に示すものは、身体に刺激を与えることにより神経系の反射によって筋群を伸縮させる構成のものであるが、運動補助装置としては、身体の一部にかける負荷を変化させることで筋群の伸縮を促す構成のものも知られている。
例えば、特許文献3には、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伸縮させるものが開示されている。この特許文献3に開示された装置は、関節(膝関節)の屈伸をほとんど行わずに筋群の伸縮を行うものであるが、上述したような運動補助装置としては、関節の屈伸運動を積極的に行わせることで当該関節に関連した筋群の伸縮を促す構成のものも知られている。
特開2003−290386号公報 特開2006−61672号公報 特開2005−58733号公報
ところで、以上述べた運動補助装置は一般に軽負荷である。そのため、身体にかかる負荷を重くして、運動効率を高めることで、短時間での筋力強化を図りたいという要望があった。ここで、運動効率を高める方法としては、例えば特許文献1に示すものではステップの動作速度を速くしたり、特許文献2に示すものでは座席の揺れを激しくしたりすることが考えられる。
しかしながら、このような場合には、身体のバランスを保つことが難しくなり、その結果、使用者が転倒したり、座席から転落したりして、負傷してしまうおそれがあった。
本発明は上述の点に鑑みて為されたもので、その目的は、安全性を損なうことなく運動効率を高めることができる運動補助装置を提供することにある。
上述の問題を解決するために、請求項1の発明では、使用者の身体に装着される一対の電極と、当該一対の電極間に身体の特定部位の筋群を過収縮させる所定電圧を与える電圧印加部と、使用者の身体の少なくとも一部を載せる支持部と、当該支持部を移動させて使用者に上記特定部位の筋群を伸縮させるような運動を行わせる駆動部と、上記電圧印加部および上記駆動部を制御する制御部とを備え、上記所定電圧は、30〜40Hzの低周波数の電圧であり、上記制御部は、上記電圧印加部により上記一対の電極間に上記所定電圧を印加し上記特定部位の筋群を過収縮させて使用者の身体に負荷をかけた状態で、上記駆動部により上記支持部を移動させており、上記支持部の移動により上記特定部位の筋群が伸縮するタイミングと、上記一対の電極間に印加された上記所定電圧により上記特定部位の筋群が過収縮するタイミングとを同期させることを特徴とする。
請求項1の発明によれば、使用者に身体の特定部分の筋群を伸縮させるような運動を行わせる際に、当該特定部分の筋群が過収縮(過緊張)した状態となっているので、駆動部による支持部の移動速度を速くしなくても、身体にかかる負荷を重くすることができるから、安全性を損なうことなく運動効率を高めることができる。
さらに、筋群を適度に過収縮させることができる。
また、身体の特定部位の筋群が伸縮するときだけ当該特定部位の筋群を過収縮させるから、使用者の身体に効率よく負荷をかけることができる。
本発明は、安全性を損なうことなく運動効率を高めることができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態の運動補助装置1は、図1および図2に示すように、使用者Mの身体の特定部位の筋群を過収縮させる電気刺激を与える刺激付与手段2と、使用者Mに他動運動を行わせる他動運動手段3とを備えている。
刺激付与手段2は、使用者Mの身体に装着される一対の電極(導子)20を有している。一対の電極20は、使用者Mの身体の体表面(皮膚)に所定間隔で電気的に接触されるものであり、使用者Mの身体を介して一対の電極20間に電流が流れることによって、使用者Mの身体に電気刺激が与えられる。図示例では、一対の電極20を大腿部における股関節側および膝関節側それぞれに装着して、大腿部の筋群の1つである大腿四頭筋に電気刺激を与えることができるようにしている。つまり、本実施形態における上記特定部位は、大腿四頭筋である。このような電極20としては、導電性を有する粘着材により身体に着脱可能なものを採用することができる。ただし、電極20は上記の例に限定されず、その他の周知のもの(例えばベルトなどを利用して装着するもの)を採用することができる。
一対の電極20は、図示しない電線により電圧印加部21に接続されている。電圧印加部21は、一対の電極20間に、身体の上記特定部位の筋群を過収縮(筋群を収縮した状態に維持)させる所定電圧を与えるものである。ここで、上記所定電圧は、筋群を適度に過収縮させることができるような電圧であり、例えば、30Hz〜40Hzの低周波数の電圧(一例としては、30Hz〜40Hzのパルス電圧)が知られている。このような電圧印加部21は、従来周知の回路(コンバータや、チョッパ回路、インバータなど)を用いて構成することができるから詳細な説明は省略する。
したがって、刺激付与手段2によれば、一対の電極20を身体に装着することによって、身体における一対の電極20間の部位(つまり上記特定部位)に電気刺激を与える(電流を流す)ことができ、これによって当該特定部位の筋群を過収縮させることができる。
他動運動手段3は、例えば、床上に設置して使用されるものであって、使用者Mの身体の一部を載せる(支持する)支持部30と、架台32に対して支持部30を移動させる駆動部31とを、床上に設置される板状の架台32上に有している。支持部30は、使用者Mの身体の一部である臀部を載せる鞍状の座席30aと、当該座席30aの両脇に吊り下げられ使用者Mの左右両足それぞれを載せる一対の鐙30bとで構成されている。なお、鐙30bの使用は任意である。
駆動部31は、回転モータ(一例としてはステッピングモータ)などからなる駆動源(図示せず)と、当該駆動源の動力を支持部30に伝達する駆動機構(図示せず)とを有している。当該駆動機構は、例えば、回転モータの回転を減速する減速輪列や、カム、クランク、リンク、クラッチなどの機械要素を組み合わせることで構成されたものであって、駆動源の動力(回転モータの回転)によって、支持部30を例えば前後方向(図2における左右方向)や左右方向(図2における紙面に垂直な方向)に揺動させることにより(図2では支持部30の揺動の様子を破線で示している)、使用者Mに乗馬運動(乗馬動作)を行わせる。このような乗馬運動では、バランスを保つように神経系の反射が生じ、筋群(主として、腹部や、背部、臀部、大腿部、下腿部の筋肉)が伸縮する。なお、上記乗馬運動を可能とする駆動部31の上記駆動機構については従来周知のものを採用することができるから詳細な説明は省略する。
したがって、他動運動手段3によれば、支持部30を移動させて使用者Mに上記特定部位の筋群を伸縮させるような運動を行わせることができる。
ところで、運動補助装置1は、支持部30の位置を検出する位置検出部4を備えている。位置検出部4は、例えば、他動運動手段3の架台32に設置された距離センサ40,41により構成されている。ここで、距離センサ40は支持部30の座席30aの前端部(図2における左端部)と架台32との距離を計測するものであり、距離センサ41は支持部30の座席30aの後端部(図2における右端部)と架台32との距離を計測するものである。したがって、この位置検出部4によれば、2つの距離センサ40,41で検出した距離に基づいて、支持台30の架台32に対する位置を検出することができる。
このような位置検出部4は、他動運動によって使用者Mの上記特定部位の筋群が伸縮しているか否かを判定するために用いられる。図2に示す他動運動手段3では、例えば、支持部30がその移動経路における前端位置や後端位置に位置したときは、使用者Mの重心が前後に大きくずれるから、バランスを取るために使用者Mの上記特定部位の筋群が伸縮することになる。したがって、図2に示す他動運動手段3において、使用者Mの上記特定部位の筋群が伸縮する位置としては、支持部30の架台32に対する移動経路上における前端位置あるいは後端位置が挙げられる。
上述した運動補助装置1では、1つの制御部5によって、刺激付与手段2(刺激付与手段2の電圧印加部21)と、他動運動手段3(他動運動手段3の駆動部31)とが制御される。制御部5は、例えば、CPUやロジック回路などを利用して構成されたものであって、電圧印加部21を制御することによって、使用者Mの身体の上記特定部位の筋群を過収縮させる(刺激付与手段2を駆動する)一方で、駆動部31を制御することによって、使用者Mに上記特定部位の筋群を伸縮させるような運動を行わせる(他動運動手段3を駆動する)。
ここで、刺激付与手段2および他動運動手段3を駆動するにあたっては、制御部5は、位置検出部4より得た支持部30の位置が、他動運動によって使用者Mの上記特定部位の筋群が伸縮する位置(上述した前端位置あるいは後端位置)であるときに、電圧印加部21により一対の電極20間に上記所定電圧を印加することで、支持部30の移動により上記特定部位の筋群が伸縮するタイミングと、一対の電極20間に印加された上記所定電圧により上記特定部位の筋群が過収縮するタイミングとを同期させている。
つまり、制御部5は、刺激付与手段2および他動運動手段3を別個独立に駆動するのではなく、駆動部31により支持部30を移動させている(他動運動手段3を駆動している)間に、電圧印加部21により一対の電極20間に上記所定電圧を印加し(刺激付与手段2を駆動し)、これによって、駆動部31により支持部30を移動させている間に、電圧印加部21により一対の電極20間に上記所定電圧を印加する。
以上述べたように、本実施形態の運動補助装置1は、使用者Mの身体に装着される一対の電極20と、当該一対の電極20間に身体の上記特定部位の筋群を過収縮させる所定電圧を与える電圧印加部21と、使用者Mの身体の少なくとも一部を載せる支持部30と、当該支持部30を移動させて使用者Mに上記特定部位の筋群を伸縮させるような運動を行わせる駆動部31と、電圧印加部21および駆動部31を制御する制御部5とを備えており、制御部5は、駆動部31により支持部30を移動させている間に、電圧印加部21により一対の電極20間に上記所定電圧を印加するようになっている。
したがって、本実施形態の運動補助装置1によれば、使用者Mに身体の特定部分(本実施形態では大腿部の大腿四頭筋)の筋群を伸縮させるような運動を行わせる際に、当該特定部分の筋群が過収縮(過緊張)した状態となっているので、駆動部による支持部の移動速度を速くしなくても、身体にかかる負荷を重くすることができるから、安全性を損なうことなく運動効率を高めることができる。
特に制御部5は、支持部30の移動により上記特定部位の筋群が伸縮するタイミングと、一対の電極20間に印加された上記所定電圧により上記特定部位の筋群が過収縮するタイミングとを同期させるので、身体の上記特定部位の筋群が伸縮するときだけ当該特定部位の筋群を過収縮させるから、使用者Mの身体に効率よく負荷をかけることができる。また、上記特定部位の筋群を常時過収縮させることによって、使用者Mの身体に過度の負担をかけてしまうことを防止することができる。
なお、図2に示す例では、一対の電極20を、大腿四頭筋に過収縮させることができる身体の場所に装着しているが、一対の電極20を装着する場所は上記の例に限られるものではなく、電気刺激を与えたい筋肉の場所に応じて設定することができる。例えば、上記の例では、大腿四頭筋を対象としている(なお、大腿四頭筋を鍛えて筋力増強または筋肉増量を図ることによって、膝のぐらつきを抑制することができる)が、大腿部であれば、ハムストリングス(大腿二頭筋、半腱様筋、半膜様筋)であってもよい。その他、電極20は身体の体幹に装着してもよく、この場合、腹直筋や、外腹斜筋などが対象となる。このように電極20を装着する場所によって電気刺激を与える筋群を選択することが可能であるが、本発明による効果を得るためには、他動運動手段3による他動運動によって伸縮される筋肉を過収縮させることができる場所に設ける必要がある。
また、本実施形態では、距離センサを利用して支持部30の位置を検出し、この検出位置に基づいて、他動運動手段3により使用者Mの筋群が伸縮するタイミングを検知するようにしているが、このようなタイミングを検知する方法としては、上記の方法に限定されるものではなく、駆動源の回転角度を検出するロータリエンコーダや、支持部30の加速度を検出する加速度センサなど、従来周知の種々の方法を適用することができる。
ところで、図2に示す他動運動手段3は、使用者Mに乗馬運動を行わせるものであるが、他動運動手段3としては、図3およびに図4に示すような使用者Mに歩行運動(歩行動作)を行わせるようなものであってもよい。
図3に示す他動運動手段3は、図2に示すものと同様に床上に設置して使用されるものであって、使用者Mの左右の足をそれぞれ載せる左足支持台30cおよび右足支持台30dからなる支持部30と、支持部30の左足支持台30cおよび右足支持台30dの位置をそれぞれ移動させる駆動部31とを板状の架台32上に有している。なお、図3および図4では駆動部31の図示を省略している。また、図3および図4では図示を省略しているが、架台32の上側には、左足支持台30cおよび右足支持台30dそれぞれを露出させる2個の開口窓を有した上板が配置され、当該上板と架台32とによりハウジングが構成される。また、図3に示す他動運動手段3の架台32は、床上に載置されるものであるが、架台32は床に埋め込まれるものであってもよい。
左足支持台30cおよび右足支持台30dは、所定方向(一例としては、架台32の前後方向に対して45度の方向)において往復移動可能に架台32上に配置されている。また、左足支持台30cおよび右足支持台30dは、その移動経路の前端位置において、足関節が背屈(または底屈)し、後端位置において足関節が底屈(または背屈)する形に傾斜するように配置されている。さらに、支持部30では、左足支持台30cと右足支持台30dとの移動に180度の位相差を設けてあり、これによって、左足支持台30cと右足支持台30dとの移動方向が逆方向となるようにしている。
駆動部31は、左足支持台30cおよび右足支持台30dを移動させる駆動力を発生させる駆動源として回転モータ(図示せず)を有するとともに、当該回転モータの回転による駆動力により支持部30の左足支持台30cと右足支持台30bを往復移動させる駆動機構(図示せず)を有している。この駆動機構は、例えば回転モータの出力軸に連結されたウォームおよび当該ウォームに噛合するウォームホイールを有したウォームギアや、クランク機構などを利用して構成されている。
図3に示す他動運動手段3によれば、左足支持台30cおよび右足支持台30dが上述したように移動することによって、使用者Mに歩行運動を行わせることができ、これによって、使用者Mの脚部の筋群を伸縮させることができるようになっている。
このような他動運動手段3においては、位置検出部4は、図4(a)に示すように、右足支持台30dと架台32の右内側面(図4(a)における右内側面)との距離を測定する距離センサ42と、右足支持台30dと架台32の後内側面(図4(a)における下内側面)との距離を測定する距離センサ43と、右足支持台30dと架台32の上面(図4(b)における上面)との距離を測定する距離センサ44とで構成されている。この位置検出部4によれば、これら3つの距離センサ42〜44で検出した距離に基づいて、右足支持台30dの架台32に対する位置を検出することができる。
したがって、図3に示す他動運動手段3においても、支持部30の移動により上記特定部位の筋群が伸縮するタイミングと、一対の電極20間に印加された上記所定電圧により上記特定部位の筋群が過収縮するタイミングとを同期させることが可能となる。
なお、位置検出部4は左足支持台30cについても設けてもよいが、図3に示す他動運動手段3では、左足支持台30cの動作は右足支持台30dと連動しており、右足支持台30dと独立していないから、特に必要はない。
また、他動運動手段3としては、図3に示すものの他に、図5(a),(b)に示すものを採用することができる。図5に示す他動運動手段3は、床などの定位置に置かれる架台32を有し、架台32の上には使用者Mの臀部を載せるシートよりなる支持部30を上端部に備えた支持台33と、使用者Mが必要に応じて手で把持するハンドル34aを備えたハンドルポスト34が設けられる。架台32において支持台33とハンドルポスト34との間の部位には、上面を足置き面35aとする足台35が設けられている。この足台35は使用者Mが足裏を足置き面35aに載せることによって足位置を規制するものである。
支持台33には、支持部30を揺動させる駆動部31が設けられている。この駆動部31は、支持部30に臀部を載せるとともに、足台35の足置き面35aに足裏を載せた状態の使用者Mに対して、駆動源(図示せず)を用いて支持部30を揺動させて臀部の位置を変化させることにより、使用者Mの脚部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、支持部30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、支持部30を駆動部31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を繰り返すことになり、主として大腿部の筋群の運動が可能になる。
このような図5に示す他動運動手段3においても、上記の位置検出部4を利用して支持部30の位置を検出することができ、これによって、支持部30の移動により上記特定部位の筋群が伸縮するタイミングと、一対の電極20間に印加された上記所定電圧により上記特定部位の筋群が過収縮するタイミングとを同期させることが可能となる。
以上述べた図2〜図5に示す他動運動手段3の他に、他動運動手段3としては、使用者Mの身体の少なくとも一部ではなく、全部を載せる支持部31を有するものを採用することができる。また、図2〜図5に示す他動運動手段3の構成も適宜変更することが可能である。
本発明の一実施形態の運動補助装置のブロック図である。 同上の運動補助装置の概略説明図である。 同上の運動補助装置の他例の概略説明図である。 同上における位置検出部の説明図である。 同上の運動補助装置のさらに他例を示し、(a)は概略側面図、(b)は概略上面図である。
符号の説明
1 運動補助装置
5 制御部
20 電極
21 電圧印加部
30 支持部
31 駆動部

Claims (1)

  1. 使用者の身体に装着される一対の電極と、当該一対の電極間に身体の特定部位の筋群を過収縮させる所定電圧を与える電圧印加部と、使用者の身体の少なくとも一部を載せる支持部と、当該支持部を移動させて使用者に上記特定部位の筋群を伸縮させるような運動を行わせる駆動部と、上記電圧印加部および上記駆動部を制御する制御部とを備え、
    上記所定電圧は、30〜40Hzの低周波数の電圧であり、
    上記制御部は、上記電圧印加部により上記一対の電極間に上記所定電圧を印加し上記特定部位の筋群を過収縮させて使用者の身体に負荷をかけた状態で、上記駆動部により上記支持部を移動させており、上記支持部の移動により上記特定部位の筋群が伸縮するタイミングと、上記一対の電極間に印加された上記所定電圧により上記特定部位の筋群が過収縮するタイミングとを同期させることを特徴とする運動補助装置。
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