JP4950872B2

JP4950872B2 - 運動補助装置

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Publication number: JP4950872B2
Application number: JP2007337630A
Authority: JP
Inventors: 泉三原; 渉実松; 和弘越智; 望遠山; 文吾今井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2027-12-27
Also published as: JP2009153857A

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

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。