JP5393981B2 - 振動式エルゴメータ - Google Patents

Description

本発明は振動式エルゴメータとその用途に関する。

リハビリ中の患者や老人病患者、あるいは競技選手の個人の能力構造に決定的かつ効率的な効果を与えるためには、可能な限り多量の外部トレーニング刺激を、バランス良く調整された方法で様々な構造レベルの人体組織に変換する必要がある。この場合、健康状態（力、忍耐力、俊敏性、柔軟性）に関連する成分と、トレーニング手段の適用のスペクトルに協調性（神経の躍動性（neuromotorics））を考慮すべきである。

既存のものに代わる新トレーニングに関連した多くの振動トレーニング装置は、人間構造の機能システムの病気による低下を再活性化する、あるいは上記人間構造の健全な機能システムを増加させることによって、最適な生理学的能力の発揮を可能にしてきた。医療振動トレーニング（ＭＶＴ）は既に商業的に使用されているが、その方法は、科学的根拠からすればまだ基本的な調査によってしか保証されていない。スポーツ科学に基づく刊行物は、Ｋｕｎｎｅｍｅｙｅｒ／Ｓｃｈｍｉｄｔｂｌｅｉｃｈｅｒ等著の論文（Leistungssport誌、１９９７年２月号、頁３９〜４２、「Die rhythmisch neuromuskulare Stimulation」）と、Ｗｅｂｅｒ等著の論文（Leistungssport誌、１９９７年１月号、頁５３〜５６、「Muskelstimulation durch vibration」）から得ることができる。

振動エネルギーを使用者へ伝達させる装置を開示している刊行物は以下に挙げるとおり多くある。

例えば、米国特許第４ ５７０ ９２７号は、対麻痺を患う患者の脚をモータ駆動されるクランクユニットによって動かす装置を示している。

ＮＬ １０２ １６ １９ Ｃは、ハンドルから振動エネルギーを腕に伝達させる装置について説明している。

ＤＥ １０２ ４１ ３４０ Ａ１は、振動極（vibratode）が伸張した筋肉構造に選択的に振動を伝達させる装置を開示している。

さらに、ＤＥ １０２ ２５ ３２３ Ｂ４では、機械的に複雑な構造を介して確率共振を使用者に伝達させる振動装置を請求している。

ＤＥ １９６ ３９ ４７７ Ａ１は、座席と、ハンドルバーと、使用者の足に振動を付加するための振動ユニットとを具備した装置を示している。

先述の５つの装置の、例えばクランクシャフトに接続させたブレーキユニットを介した場合における、エルゴメータと組み合わせての使用、あるいはエルゴメータとしての使用は開示されていない。

自転車エルゴメータの条件に従った振動の実現が、Ｓａｍｕｅｌｓｏｎ等によって（Uppsala Journal of Medicine Sciences、１９８９年、９４号、頁７３〜７９、「Influence of Vibration on Work Performance During Ergometer Cycling」）、またＴｒｅｌｅｒ等によって（「tour」Radmagazin、１９９９年２月号、頁２６〜３３、「Weichteile」）説明されている。いずれの場合も、刺激は、構造フレーム全体をハイドロパルサーに搭載する、またエルゴメータ全体を板振動装置上に固定するといった、即席的に作成した構造によって達成される。

ＤＥ １０３ １３ ５２４ Ｂ３は、１または複数の減衰要素を経た振動の場合に、振動に晒される各接点、あるいは複数のこうした接点を受訓者から機械的に隔離することにより、使用者の身体部位を支持する全ての組み立て品を振動させるトレーニング装置を開示している。

上述した全てのエルゴメータシステムは、使用者と、使用するトレーニング手段とを板振動装置上に配置するという原理に基づく。受訓者を支持する全ての構成部品が、これに接触している身体部位、および関連する身体部分に振動エネルギーを付与する。

その結果、全身振動（「ＷＢＶ」）が生じ、場合によっては、職業医学が許可している、ＤＩＮ ＩＳＯ ２６３１に明記された限度値を超えてしまう。共振どうしが対立することで使用時間が短縮され、（時間の制限により）最小の効果しか得られなくなる。健康状態に関連した力成分に注目する一方で、ＭＶＴ装置の特徴を、一様な筋肉協調の神経躍動刺激を与えるための構造に限定してしまっているため、健康状態と筋肉協調の両方に関連した幅広いＧＫＶ多機能性が得られない。先行技術によるＭＶＴ製品は、トレーニング治療の選択的な部分しか網羅しておらず、こうした装置では全体観的医学のトレーニング概念を実現することができない。むしろ、こうした装置は従来のトレーニング装置（例えば、機械抵抗トレーニングを補助する、ウォームアップ／クールダウンモードに設定された心臓装置）と組み合わせて使用されるべきである。

本発明は、従来のトレーニング装置と組み合わせなくとも、トレーニング手段に要求される水準を可能な限り幅広く網羅し、例えば航空機内で使用できるように広いスペースを必要とせず、統合的な方法でトレーニング治療に組み込むことが可能な、特にリハビリ患者や老人病患者、あるいは競技選手用の振動エルゴメータを提供する。

上述の問題は、座席ユニット（２０）と、ブレーキユニット（４）および振動モータ（３）を具備した振動ユニットに接続しているボトムブラケット／クランクユニット（１）とを備えたトレーニングエルゴメータによって解決され、この場合、板振動装置（２）は前記ボトムブラケット／クランクユニット（１）に接続し、ボトムブラケット／クランクユニット（１）は座席ユニットから機械的に分離される。特に、ボトムブラケット／クランクユニット（１）から板振動装置（２）を機械的または振動工学的方法で分離するために減衰要素を使用していない。

本発明によれば、座席ユニット（２０）は振動ユニットから機械的に分離されているため、本発明の必須構成要素が設けられていることで、受訓者を支持する全ての組み立て品を、受訓者の（振動に）適切に関連した身体部分に動作的に接続させる必要がなくなる。

本発明によれば、脚でボトムブラケット／クランクユニット（１）を回転させた場合には、振動は脚にほぼ限定的に作用し、尻部および腕、胴体および頭部には弱い振動しか伝達されない。こうした差は加速トランスデューサの手段によって測定できる。試験を実施した結果、単純な機械で分離（例えば、振動ユニットの減衰要素の手段による分離）を行うことで、この場合（脚でボトムブラケット／クランクユニットを回転させる場合）には、足の足首関節では板振動装置で測定したエネルギーの８０％以上が依然として測定された一方で、膝では同エネルギーの５０％未満、手では５％未満が測定された。

本発明によれば、ボトムブラケット／クランクユニット（１）を腕で回転させた場合には、振動は腕にほぼ限定的に作用し、一方、尻部、脚、胴体、頭部には弱い振動しか伝達されない。この実施形態でも、受訓者（例えば、手首や尻部）に伝達される測定可能な振動エネルギーの差は大きい。

本発明によれば、無難なトレーニング装置と組み合わせなくとも、エルゴメータ測定の条件下で、選択された身体部分（または身体範囲）に選択的に振動エネルギーを伝達させることで、トレーニング手段に要求される水準を幅広く網羅するトレーニング装置を提供することが初めて可能となる。

本発明は特に、機械によって抵抗を生成し、同時に、改良されたエルゴメータ構造を装備した特別に作用する振動ユニットを提供することにより、最小のスペースにおいて複雑なトレーニング手段を実現する際に有用である。これにより、筋肉協調と健康状態の両方に関連した使用者の個人能力構造を向上させるために、刺激を生理学的に適応するように変換する、ＭＶＴの範囲内に包括される多機能なトレーニング装置が得られる。さらに、機能性に影響しない範囲でＧＦＫまたはカーボン補強した合成材料を使用することで、装置の重量を大幅に軽量化することが可能である。用語「座席ユニット」は、特に、自転車構造で知られているサドルとして解釈される。本発明による装置により、小型設計の振動エルゴメータが初めて提供される。

好ましい一実施形態では、ボトムブラケット／クランクユニット（１）は別個の組み立て品として振動ユニットに搭載されている。こうすることで、ボトムブラケット／クランクユニット（１）に作用している振動が座席ユニット（２０）から効率的に分離される。この実施形態は、さらに、上記振動に晒されるべきでない受訓者のその他の身体部位が本発明の振動エルゴメータのその他の構成部品と接触して望ましくない振動が伝達されてしまうことに関しても有利である。

さらなる好ましい実施形態では、振動エルゴメータは、座席ユニット（２０）と接続したフレーム上部構造（１７）をさらに備えている。この実施形態は自転車エルゴメータとして使用される。ここおよび以降での説明にて、用語「フレーム上部構造」はチェーンステイ、後部フォークステイ（およびこれに関連するフォークエンド）、座席チューブ、ダウンチューブ、ヘッドチューブ、フォーク（フォークエンドに関連）、トップチューブで構成された自転車の部分として解釈される。したがって、用語「フレーム上方構造」は、クランクユニットを装備したボトムブラケットスリーブ（即ち、ボトムブラケット／クランクユニット（１））を網羅していない。

本発明によれば、振動ユニット、即ち、板振動装置（２）、振動スタンド（１８）、振動モータ（３）、並びに減衰要素（５、６）は、振動エルゴメータの自転車構成要素にも、また用語「フレーム上部構造」にも指定されない。この座席ユニットとフレーム上部構造の接続は、例えば座席ボルトを使用して、取り外し不能な方法または（例えば垂直方向に調節する場合の）取り外し可能な方法で設計することができる。

本発明のさらなる実施形態によれば、座席ユニット（２０）は減衰要素を設けずに基板（１５）に接続され、一方、振動ユニットは減衰ユニット（５、６）の手段によって上記基板に接続されている。この実施形態は、単純で、自由に使用できる手段を利用することにより、振動ユニットから座席ユニット（２０）および／またはフレーム上部構造（１７）への振動の伝達を確実に効率的に抑制している。

さらなる好ましい実施形態は、前述のフレーム上部構造を装備した振動エルゴメータの（原語から英語への翻訳者注：恐らく単語「version（バージョン）」が抜けていると思われる）に関する、この場合、上記フレーム上部構造（１７）は取り外し可能な形で基板（１５）に接続している。

この構造要素により、手動クランクエルゴメータと自転車エルゴメータを１つの装置にて容易に提供することが可能になる。

この構造要素では、例えば、市販のクイックリリースを使用してフレーム上部構造を前部フォーク固定手段から取り外すことができる。さらに、自転車エルゴメータを手動クランクエルゴメータとして使用できるようにするために、フレーム上部構造はただ揺動させておく必要がある。自転車エルゴメータのフレーム構造を揺動させることで、１つの装置で腕と脚の筋肉の輪のトレーニングを行えるようになる。

これに関連して、座席ユニット（２０）を、前部フォーク固定手段に配置されている取り外し可能な座席ユニット（２０）用のホルダによって容易に改良できる。この場合、この取り外し可能な自転車座席を「再装着」するだけでよい。

さらに、ボトムブラケット／クランクユニット（１）を、板振動装置（２）に搭載された垂直方向に調節可能な支持部に固定することができる。これにより、受訓者の人体測定条件への、個別のまたはトレーニングに関連した適合が得られる。

さらなる好ましい実施形態では、振動ユニットの振動モータ（３）は周波数制御されるので、所望および必要に応じ、制御部（１９）で振動強度を変更および調整することができる。この方法で訓練または治療の強度を変更することができる。

特に、ボトムブラケット／クランクユニット（１）を、駆動チェーンを介してブレーキユニット（４）に接続することで、使用者に合わせて能力要求を変更することができる。

上述した実施形態によれば、ブレーキユニット（４）は手動調整が可能なブレーキ抵抗器（４）、特に磁気誘導に基づいたブレーキ抵抗器、渦電流ブレーキ、または摩擦ブレーキであってよい。

さらなる実施形態では、本発明は、特に使用者の筋肉の輪に振動を選択的に伝達させることによって使用者の個人能力構造を増加させることを目的とした、前述の、手動クランクエルゴメータとしての、または自転車エルゴメータとしての振動エルゴメータの使用に関する。

特に、こうした治療には例えば以下のような神経病理学的症状が含まれる：パーキンソン病、ＡＬＳ（筋萎縮性側索硬化症）、脊髄不全麻痺、痙攣、ＲＬＳ（下肢静止不能症候群）、多発性硬化症、周辺動脈疾患、静脈瘤、局所虚血、攣縮、骨粗鬆症、手術後のリハビリ、転倒防止、筋肉協調性欠如の補正、動脈硬化の防止、心臓血管疾病の治療。

次に本発明を、限定的でない以下の好ましい例証的実施形態の手段によってより詳細に例証する。

図１は、４つの構造領域を備えた振動型自転車エルゴメータを示す。この４つの構造領域は、振動スタンド１８（例証的な実施形態で使用の材料：アルミニウム、固体鉄材料、四角いチューブ状のステンレス鋼）、フレーム上部構造１７（例証的な実施形態で使用の材料：クロムモリブデン合金鋼）、制御柱１９（例証的な実施形態で使用の材料：アルミニウム／スチールシート）、後輪ブレーキ抵抗器（例証的な実施形態で使用の材料：金属／プラスチック）である。

振動スタンド１８の底部に向いた面には、周囲への振動の伝達を吸収するためのフロア減衰要素５が複数設けられている。例証的な実施形態では、これらのフロア減衰要素５は、発泡体ディスクまたはゴム／金属吸収体で構成されており、その個数および／または硬度は所望の吸収に依存しており、さらに、振動スタンド１８の４個の固体金属コーナー柱にネジ固定によって搭載された２つの円形金属面ワッシャの間に配置されている。フロア吸収の場合、装置全体がゴムマット１４（この例証的な実施形態では天然ゴム製マット）の上に配置され、次にこれが基板１５（この例証的実施形態で使用の材料：スクリーン印刷板）上に配置されている。振動スタンド１８は、固定手段１２（この例証的実施形態では、丸頭の角根ボルトと自己ロックナットをそれぞれ具備した６個のＵ字型ループホルダ。このうち２個は前部角チューブと後部角チューブの各々の上に、１個は下方の各側部角チューブ上に配置されている）によって基板１５に配置されている。頂部に向かうに従い、ゴム／金属吸収体６を介してさらなる吸収が達成される。この吸収体６は、搭載された板振動装置２の画定された振動を提供する。振動モータ３によって不均衡な伝達が生成され、この不均衡な伝達が制御柱１９から制御される。この例証的実施形態では、これを、オペレータパネルを具備した周波数変換器を使用することで達成している。この周波数変換器の設計は、振動モータ３の動作パラメータに基づく。板振動装置２の底部側には強化細片７（この例証的実施形態ではアルミニウム合金）が固定されている。取り付け接続部品が、振動スタンドのフレームの正面から離間した位置において、２個のＵ字型ループホルダと２個の丸頭角根ボルトによる固定手段としての手段によって基板に別個に搭載されている。この取り付け接続部品はフォーク固定手段８として設けられており、また、斜めに取り付けられている。この取り付け接続部品はさらに、垂直方向へ調節できる長さ調節が可能なホルダとして、またフレーム上部構造１７（この例証的実施形態ではステンレス鋼製の角チューブ）のフォークブレードのフォークエンドを保持する保持装置として機能する。この保持装置は、基板上で取り付け接続部品と上部構造の角チューブとの間に設けられた発泡体クッションを備えている。この発泡体クッションは、基板上に支持されている上部構造の振動の伝達を吸収する（この効果は、ばねフォークを絶縁することでより強化される）。さらに、板振動装置２の表面には、ペダルを含むボトムブラケット／クランクユニット１用の垂直方向に調節可能なホルダが取り付けられている（この例証的実施形態では、ステンレス鋼製の角チューブ）。この隔離された駆動ユニットは、フレーム上部構造の下で自由に振動する。フレーム上部構造１８は、改良を施した構造フレームから成る。サドルとダウンチューブとチェーンステイの継ぎ部におけるボトムブラケットスリーブを取り外して、下向き開口部を設けたハーフシェルと交換する。この継ぎ部は、下方チューブとサドルチューブの間、並びにチェーンステイとサドルチューブの間にフレーム強化要素９を設けている。フレーム上部構造１８は、一方でフォークブレードのフォークエンドに固定され、もう一方で後輪ブレーキ抵抗器４の押圧されたねじユニオンの後輪サスペンションに固定されている。フレーム上部構造１８はサドル、ハンドルバー組み立て品、速度変更機構、ボトムブラケット／クランクユニットのスプロケットホイールに接続するチェーン駆動部、後部スプロケット付の後輪（段階ギア変更オプション）、速度変更機構、後輪ブレーキを設けている。この例証的実施形態では、後輪ブレーキ抵抗器４の機械抵抗器ユニットが、制御可能な磁気誘導ブレーキを装備した円筒形ロール(トレーニングロールと呼ばれる商業用ロール)上でフレーム上部構造１８の後輪を案内する。ブレーキ抵抗器は、使用者からの能力要求を変更するために使用できる。これを達成するために、ケーブル案内部が、磁気誘導ブレーキから振動スタンド１８の下を通りハンドルバーに設けられている。このケーブル案内部は、ハンドルバーにおいてレバーユニットに接続している。また、後輪に代わって回転質量を移動させている最中の渦電流ブレーキまたは摩擦機構によっても抵抗を生成できる。抵抗器ユニットはプラットホーム構造１０（この例証的実施形態では、スクリーン印刷板材料）の上に配置されて基部を形成し、装置を支持している。プラットホーム構造１０の４つの角の角度要素はトレーニングロールを探し、負荷のかかった状況において適所が変位することを防止する。振動スタンド１８に向いて配置した停止板１１が、プラットホーム構造１０の正面に取り付けられている。これにより、チェーン力と２つの吸収体の高さの水平柔軟性とによってボトムブラケットスリーブを含む板振動装置２が変位される際に、ボトムブラケットの穴が全負荷状況下でハーフシェルに衝突することを防止する。ボトムブラケットの次部のカットアウトをチェーンステイに向かって非対称な方法で引くことで、ボトムブラケットスリーブとハーフシェル（後に楕円形になる）の間の水平方向の遊びを増加させることができる。

図２、図３は、前述した空間内の構造細部の形状を示す斜視図である。基板１５の正面側に搬送用グリップ１３を取り付け、この構造の裏面側に搬送用ロール１６を取り付けることで、移動式の振動型自転車エルゴメータの搬送を促進している。振動ユニットは板振動装置２と、振動モータ３を含む振動スタンド１８と、減衰要素５、８とによって完成される。ボトムブラケット／クランクユニット１は一方で上記振動ユニットに接続し、もう一方で、振動伝達に関連してフレーム上部構造１７から機械的に分離される。

図４は制御柱１９を示す。この制御柱１９は、一方で、振動モータ３と電気制御組み立て品の間における供給線のケーブル案内として機能し、もう一方で、制御ユニット用のホルダとして機能する。また、後者は振動モータ３の速度規制と、板振動装置２のＲＥＳＵＬＴＩＮＧ振動数端数とを生成する周波数変換器によって形成されている。制御ユニットのディスプレイで振動パラメータとモータ速度パラメータを表示させながら、キーパッドを使用して手動で規制を行うことができる。

様々な材料を、これらが機能性を制限しない限り、振動型自転車エルゴメータの構成部品に使用することができる。金属／木製の構成部品をカーボンファイバまたはＧＦＫ材料で作成することで軽量化が図れる。基板の下に発泡体マットを構造全体の支持部として設ければ、滑らかな底部側に向かうフロアの不均等性が防止され、周囲への共振の伝達が停止される。

写真１、２、３ａ、３ｂ、４、５、６は、本発明による振動型自転車エルゴメータを反映している。

本発明による装置の側面図である。 本装置の正面図である。 本装置の平面図である。 本装置に関連した制御柱の斜視図である。

符号の説明

１ ボトムブラケット／クランクユニット
２ 板振動装置
３ 振動モータ
４ 後輪ブレーキ抵抗器
５ フロア減衰要素
６ ゴム金属吸収体
７ 強化細片
８ フォーク固定手段
９ フレーム強化要素
１０ プラットホーム構造
１１ 停止板
１２ 固定手段
１３ 搬送用グリップ
１４ ゴムマット
１５ 基板
１６ 搬送用ロール
１７ フレーム上部構造
１８ 振動スタンド
１９ 制御柱
２０ 座席ユニット

Claims (12)

1. 座席ユニット（２０）と、ブレーキユニット（４）および振動モータ（３）を具備した振動ユニットに接続しているボトムブラケット／クランクユニット（１）と、前記座席ユニット（２０）および前記ボトムブラケット／クランクユニット（１）が配置された基板（１５）とを備えたトレーニング装置であり、
   前記ボトムブラケット／クランクユニット（１）は前記振動ユニットの板振動装置（２）上に配置され、前記座席ユニット（２０）は減衰要素を設けないで前記基板（１５）上に配置され、前記振動ユニットは減衰要素（５、６）を介して前記基板（１５）上に配置されており、前記座席ユニット（２０）は、前記ボトムブラケット／クランクユニット（１）の振動と分離されていることを特徴とするトレーニング装置。
2. 前記振動ユニットは板振動装置（２）と振動スタンド（１８）をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のトレーニング装置。
3. 前記座席ユニット（２０）はサドルであることを特徴とする、請求項１または２のいずれか１項に記載のトレーニング装置。
4. 前記ブレーキユニット（４）は後輪ブレーキ抵抗器であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のトレーニング装置。
5. 前記ボトムブラケット／クランクユニット（１）は、前記振動ユニットに別個の組み立て品として搭載されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のトレーニング装置。
6. 前記トレーニング装置はフレーム上部構造（１７）をさらに備え、前記座席ユニット（２０）は前記フレーム上部構造（１７）に接続していることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のトレーニング装置。
7. 前記フレーム上部構造（１７）は取り外し可能な方法で前記基板（１５）に接続していることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のトレーニング装置。
8. 前記ボトムブラケット／クランクユニット（１）は、前記板振動装置（２）に取り付けられた垂直方向への調節が可能な支持部に搭載されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のトレーニング装置。
9. 前記振動ユニットの前記振動モータ（３）は周波数制御されているため、要求および必要性に応じて、振動強度を制御（１９）の手段によって変更および調整できることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載のトレーニング装置。
10. 使用者に合わせて能力要求を変更するために、前記ボトムブラケット／クランクユニット（１）が駆動チェーンを介してブレーキユニット（４）に接続していることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載のトレーニング装置。
11. 前記ブレーキユニット（４）は手動での調節が可能なブレーキ抵抗器（４）であり、特に、磁気誘導、渦電流または摩擦ブレーキに基づくブレーキ抵抗器であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載のトレーニング装置。
12. ハンドクランク式エルゴメータとしての、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のトレーニング装置。

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