WO2006011408A1

WO2006011408A1 - 運動補助装置

Info

Publication number: WO2006011408A1
Application number: PCT/JP2005/013369
Authority: WO
Inventors: Kazuhiro Ochi; Takahisa Ozawa; Youichi Shinomiya
Original assignee: Matsushita Electric Works, Ltd.
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2006-02-02
Also published as: CN100542637C; US7942783B2; TWI281856B; KR20070039965A; JP2006034640A; EP1779904A1; TW200605846A; EP1779904A4; CN101022855A; US20080312040A1; JP4617755B2; KR100791584B1

Abstract

　運動補助装置は、基台に対して可動の臀部支持部材と、基台に対して可動の足置台と、臀部支持部材を駆動する駆動手段と、使用者の脂肪量と筋肉量の少なくとも一方を推定する体質推定部と、駆動手段を制御する制御部を有する。制御部は、臀部支持部材上の使用者の大腿部にかかる負荷が使用者のつま先と大転子の間の相対位置変化に応じて変化し、前記位置変化が使用者の膝関節の屈伸方向に制限され、且つ膝関節の角度が略一定に保たれるように駆動手段を制御する。また、制御部は体質推定部の出力を用いて駆動手段を制御するので、各使用者に適した強度で膝関節への負担の少ない運動を提供する。

Description

運動補助装置

技術分野

[0001] 本発明は、着座姿勢の状態で使用者に膝関節への負担の少ない運動を提供するための運動補助装置に関するものである。

背景技術

[0002] 従来、使用者に他動的な運動刺激を提供する運動補助装置として、使用者が着座した座席部に模擬乗馬運動を提供する装置 (例えば、特開平 11 155836号公報)や、使用者が足を載せたペダルを電動で回転させて使用者にサイクリング運動させる装置等が知られている。これらの装置は、使用者に有酸素運動を提供して体脂肪を減少させるとともに、筋収縮を生じさせて糖代謝を促進するので生活習慣病の改善に有効であるとされている。

[0003] 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（特に有酸素運動に寄与する赤筋）に筋収縮を生じさせることが好ましぐ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ている。し力しながら、糖尿病患者のような膝痛を伴った使用者においては、膝の痛みを生じさせたり、症状が悪ィ匕したりするため、大腿部や背部の筋肉を筋収縮させるのに効果的な運動を行えない場合が少なくない。

[0004] このような理由から、上記したサイクリング運動を提供する装置では、膝への負担が大きぐ運動の実施には苦痛を伴う可能性が高い。また、上記した模擬乗馬装置では、使用者が座席に着座するから膝への負担は少ないものの、腰背部など主として体幹部の筋収縮を促すことを目的としているため、大腿部の筋収縮を効果的に行える装置の開発が待たれて、る。

[0005] また、有酸素運動を行う場合は、各使用者に最適な運動量が設定されな!、と、過度の運動を使用者に提供して膝痛を悪化させたり、反対に十分な運動効果が得られな力つたりするという問題もある。

発明の開示

[0006] 本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その主たる目的は、使用者の膝に力 4ナる負担を低減しつつ、大腿部の筋収縮を伴う他動的な運動刺激を効率よく使用者に与えるための運動補助装置を提供することにある。

[0007] すなわち、本発明の運動補助装置は、

基台；

基台に対して可動で、使用者の臀部を支持する支持部材；

基台に対して可動の足置台；

前記支持部材および足置台の少なくとも一方を駆動する駆動手段；

前記支持部材上の使用者の自重によって大腿部に力かる負荷が使用者のつま先と大転子の間の相対位置変化に応じて変化し、前記位置変化が使用者の膝関節の屈伸方向に許容され、且つ前記膝関節の角度が略一定に保たれるように駆動手段を制御する制御部とを含むことを特徴とする。

[0008] この構成によれば、筋力の低下や膝痛などによって運動機能が低下している使用者の大腿部の筋収縮を促すのに適した他動的な運動刺激を効率よく提供することができ、継続的な運動の実施により生活習慣病の予防 Z改善効果が期待される。また、使用者のつま先と大転子の間の相対位置変化が使用者の膝関節の屈伸方向に許容 (好ましくは制限)されるので、変形性膝関節症のように膝関節に痛みがある使用者であっても、痛みや症状の悪ィ匕を招くことなぐ脚部の筋収縮を伴う運動を安心して行える。

[0009] 上記運動補助装置において、駆動手段は、支持部材のみ、もしくは支持部材を足置台と連動させて駆動することが好ましい。特に、支持部材のみを駆動する場合は、コストパフォーマンスに優れた運動補助装置を達成できる。

[0010] 上記運動補助装置は、使用者の脂肪量と筋肉量の少なくとも一方を推定する体質推定部を含み、制御部は、体質推定部の出力を用いて駆動手段を制御することが好ましい。この場合は、使用者の筋肉量および脂肪量の少なくとも一方を計測し、その計測結果に基づいて支持部材の運動速度や運動時間を使用者毎に適切に制御することがでさる。

[0011] 体質推定部の好ましい実施形態として、運動補助装置は、使用者が把持可能なグリップと、足置台上に配置される一対の第 1電極と、グリップ上に設けられる一対の第 2電極と、使用者が足置台に足を載せてグリップを握っている状態で、第 1電極の一方と第 2電極の一方との間に高周波電流を流すと共に、第 1電極の他方と第 2電極の他方との間の電位差を検出して使用者の生体インピーダンスを測定するインピーダンス測定部とを具備し、体質推定部は、インピーダンス測定部の出力を用いて、使用者の脂肪量と筋肉量の少なくとも一方を推定する。

[0012] また、体質推定部による脂肪量および筋肉量の推定精度を高めるために、運動補助装置は、使用者の体重を入力する体重入力部を有し、体質推定部は、体重入力部によって入力された使用者の体重と、インピーダンス測定部の出力とを用いて、使用者の脂肪量と筋肉量の少なくとも一方を推定することが好ましい。

[0013] また、本発明のさらに好ましい実施形態として、運動補助装置は、使用者の体重および身長を入力する身体情報入力部と、身体情報入力部によって入力された使用者の体重、身長、および体質推定部の出力を用いて、使用者の運動中の単位時間当たりのエネルギー代謝量、および使用者の単位時間当たりの目標エネルギー代謝量の一方を算出するエネルギー代謝量演算部とを具備し、制御部は、エネルギー代謝量演算部の出力を用いて駆動手段を制御する。

[0014] また、足置台に力かる荷重を検出する荷重センサと、荷重センサの出力を用いて使用者の体重を推定する体重推定部とを運動補助装置に設け、体質推定部は、インピ一ダンス測定部の出力と体重推定部の出力とを用いて脂肪量と筋肉量の少なくとも一方を推定することが好ましい。あるいは、支持部材は高さ方向における長さが調節可能であり、運動補助装置は、支持部材の高さ方向における長さを検出する距離センサと、距離センサの出力を用いて使用者の身長を推定する身長推定部とを具備し、体質推定部は、インピーダンス測定手段の出力と身長推定部の出力とを用いて脂肪量と筋肉量の少なくとも一方を推定することも好ましい。これらの場合は、インピーダンス測定部の出力に加え、使用者に固有の身体情報である体重や身長が加味されるので、体質推定部による脂肪量および筋肉量の推定精度をさらに高めることができる。

[0015] また、使用者の脂肪量と筋肉量の少なくとも一方の変化を記録する記録部と、記録部に記録された前記変化に基づいて、運動効果を評価する評価部とを運動補助装置に設け、評価部の出力を用いて制御部が駆動手段を制御することが好ましい。

[0016] また、本発明の運動補助装置の更なる好ましい実施形態として、使用者の生体プロフィール別に複数の運動プログラムを記憶する記憶部と、使用者の生体プロフィールを入力する入力部とを運動補助装置に設け、制御部は、入力部によって入力された使用者の生体プロフィールに対応する前記運動プログラムの一つを記憶部から抽出し、抽出された運動プログラムに基づいて駆動手段を制御する。

[0017] 本発明の運動補助装置の別の好ましい実施形態として、運動補助装置は、さらに足置台に力かる荷重を検出する荷重センサ、荷重センサの出力を用いて、使用者の膝関節に作用する力を推定する演算部を具備し、制御部は、演算部によって推定された力が予め設定した範囲内となるように駆動手段 (例えば、支持部材の傾斜角度の変化速度のような駆動手段を動作させる速度)をリアルタイムで制御することが好ましい。この場合は、足置台に力かる荷重に基づいて、膝関節に作用する力を推定し、これを用いて駆動手段を制御するから、使用者の膝に過剰な力が作用しな、ように使用者に付与される運動をリアルタイムで監視することができる。特に、推定された力が上限値を超えた場合に、駆動手段を停止させる構成にしておくことが安全上好ましい。また、膝関節に作用する力を表示手段を介して使用者に表示すれば、使用者に安心感を与え、使用者がリラックスした状態で適切な運動補助を受けることができる。

[0018] 本発明のさらなる特徴およびそれがもたらす効果は，以下に述べる発明を実施するための最良の形態力もより明確に理解することができる。

図面の簡単な説明

[0019] [図 1]は、本発明の第 1実施形態に力かる運動補助装置の概略斜視図である。

[図 2]は、同上の運動補助装置のブロック図である。

[図 3] (A)〜 (E)は、運動補助装置の動作説明図である。

[図 4]は、使用者の膝に作用するせん断力を求めるためのリンクモデルを示す図である。

[図 5]は、運動補助装置の動作制御を示すフローチャートである。

[図 6] (A)および (B)は、運動補助装置に着座した使用者の姿勢を示す概略図である。 [図 7]は、運動補助装置の補助支持体を示す概略図である。

[図 8]は、運動補助装置の表示部の一例を示す概略斜視図である。

[図 9]は、本発明の第 2実施形態に力かる運動補助装置の概略斜視図である。

[図 10]は、同上の運動補助装置のブロック図である。

[図 11] (A)および (B)は、足置台およびグリップにおける電極配置を示す図である。

[図 12]は、本発明の第 3実施形態に力かる運動補助装置の概略斜視図である。

[図 13]は、同上の運動補助装置のブロック図である。

[図 14]は、本発明の第 4実施形態に力かる運動補助装置の概略斜視図である。

[図 15]は、同上の運動補助装置のブロック図である。

発明を実施するための最良の形態

[0020] 以下、本発明の運動補助装置を好ましい実施形態に基づいて詳細に説明する。

<第 1実施形態 >

本実施形態の運動補助装置は、図 1および図 2に示すように、床面に設置される基台 1と、使用者 Mの臀部を支持する支持部材 2と、使用者の足を載せる一対の足置台 3と、支持部材 2および足置台 3を駆動するための駆動機構 4と、駆動機構 4の制御部 1 0とで主として構成される。尚、図 1中、番号 50は、使用者の生体情報や運動状態を表示する表示部である。

[0021] 支持部材 2は、ポスト 21と、ポスト 21の上端に設けられ、使用者 Mの臀部を載せるサドル 22とで構成される。ポスト 21はその下端で駆動機構 4により基台 1に傾斜可能に保持される。すなわち、駆動手段であるモータ 41の出力が、駆動機構 4を介して支持部材 2に伝達され、ポスト 21が垂直姿勢と傾斜姿勢の間で往復揺動運動する。

[0022] 図 1に示すように、使用者 Mが脚を開いてサドル 22に着座した状態で、使用者の大腿部とサドルを含む面内で支持部材 2を傾動させる。すなわち、支持部材 2が基台 1 に対して傾いた時、膝関節に横方向の力が作用せず、膝関節に対して実質的に屈伸方向にのみ力が作用するように傾動するのである。本実施形態において、ポスト 21 の長さは、使用者がサドル 22に着座し、足置台 3に足を載せた状態において、使用者の膝の角度が所定の角度になるように調節可能である。尚、駆動機構 4にポスト 21 を伸縮させる機構を導入しても良い。 [0023] 足置台 3は、基台 1に対して上下方向に移動可能に駆動機構 4を介して保持される。すなわち、支持部材 2が基台 1に対して傾動しても使用者の膝関節の角度が変化しな、ように、支持部材 2の基台 1に対する傾斜角度に応じて足置台 3の基台 1に対する高さ位置が調節される。また、足置台 3は、基台 1に対して傾斜可能に駆動機構 4を介して保持される。図 1においては、足置台が左右方向に傾斜可能な様子が描かれているが、ここでいう"足置台 3の傾斜"には、つまさきと踵を結ぶ前後方向の基台に対する傾斜の意味も含まれる。例えば、足置台の前後方向における足裏の傾斜角度を変化させることにより膝関節に作用するせん断力を変化させることができる。さらに、必要に応じて、足置台 3の上面に直交する軸回りに足置台を回転可能にしてもよ!、。尚、足置台 3に足を載せる位置は、適宜マークなどによって示されており、足置台 3の各々には使用者の足力受ける荷重を検出するための荷重センサ 30が設けられて、る。

[0024] 本実施形態においては、基台 1に対する左右の足置台 3の傾斜角度をリアルタイムで調節するため、左右の足置台 3の傾き角度を独立して調節する 2個のモータ 42、 43 が使用されている。また、支持部材 2を傾動させるモータ 41は、足置台 3を上下方向に移動させるモータとして兼用される。尚、足置台 3は必ずしもモータによって駆動させる必要はなぐ空気圧により足置台を上下に移動させる蛇腹装置のような構成でもよい。あるいは、同等の効果が得られるようにパネ係数が設定されたパネ等の弾性部材によって基台に対して可動に保持される構成としても良い。

[0025] 制御部 10は、主としてマイクロコンピュータで構成され、支持部材 2上の使用者 Mの自重によって大腿部にかかる負荷が使用者のつま先と大転子の間の相対位置変化に応じて変化し、前記位置変化が使用者の膝関節の屈伸方向に実質的に制限され、且つ前記膝関節の角度が略一定に保たれるように支持部材 2の駆動源としてのモータ 41、足置台 3の駆動源としてのモータ 42、 43を制御する。本実施形態では、膝関節の屈伸範囲が伸展位置力も 45度までの範囲になるように支持部材 2の可動範囲が制限される。

[0026] 本実施形態の運動補助装置は、適正な運動負荷を得るために各モータの回転速度に関する時系列データが設定、記憶された記憶部 11と、使用者の身長や体重、年齢、性別などの個人情報を入力するための入力部 12と、足置台 3に設けた荷重センサ 30の出力に基づいて使用者の膝関節に作用する力を推定する演算部 13をさらに有し、制御部 10は、演算部 13によって推定された力が予め設定した範囲内となるようにモータ (41〜43)をリアルタイムで制御する。入力部 12力も入力された情報は、記憶部 11に収納される。

[0027] 上記した運動補助装置は、図 3 (A)に示すように、やや開脚した状態で使用者の足を足置台 3に載せるとともに、サドル 22に着座した状態で使用される。足置台 3とシサドル 22との位置関係は、使用者の足の長さに応じて、足置台 3の高さ位置と、ポスト 21 の伸縮長さの少なくとも一方を調節することにより決定できる。支持部材 2は、使用者の重心の移動方向が膝関節の屈伸方向と平行になるように、基台 1に対してポスト 21 が垂直姿勢に立つ位置と前右方向または前左方向において傾斜姿勢となる位置の間で揺動する。また、この揺動運動中、使用者の膝関節の屈曲角度 Θは実質的に変化しないように保たれる。すなわち、足置台 3は駆動機構 4により基台 1に対して上下方向に可動に保持されているので、ポスト 21が略垂直姿勢にある時、図 3 (B)や図 (D)に示す位置に足置台 3が位置し、ポスト 21が傾斜姿勢にある時、図 3 (C)や図 3 ( E)に示すように足置台 3を下方に移動させることで、膝関節の屈曲角度 Θをほぼ一定に保つことができる。この時、足置台 3は、例えば、図 3 (C)に示すように、駆動源によって駆動することなく適切なパネ係数を有するばねによって保持されても良いし、あるいは図 3 (E)に示すように、駆動源によって足置台 3の位置を他動的に変化させてもよい。尚、支持部材 2を略垂直姿勢にある状態から左右の一方の足置台 3に向力つて傾斜させる際には、支持部材 2を揺動 (傾斜)させた側にある足置台 3のみを下方に移動させる。このようにして、膝関節の屈曲角度 Θを変えることなぐ一方の脚の大腿部に効率よく負荷を与えることができる。

[0028] 本実施形態の運動補助装置によれば、支持部材 2の揺動方向（つまり、足置台 3に載せた足の位置と使用者の大転子との相対位置変化方向）が膝関節の屈伸方向に制限されるとともに、膝関節の屈伸範囲 (角度範囲)も制限されるので、膝関節のねじれを伴うことがなぐ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ィ匕のような悪影響を生じることなく安心して運動を行える。また、支持部材 2の傾斜にともなって足置台 3を下方に移動させることから、膝関節の屈曲角度が変化するのを防ぐことができる。これにより、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、膝への負担を増すことなく筋代謝を促進してインシュリン抵抗性を改善できる。さらに、支持部材 2と足置台 3がモータによって駆動されるので、使用者は積極的に体を動かす必要がなぐ他動的な運動に追従すれば良い。

[0029] また、本実施形態の運動補助装置は、運動中の使用者の膝に作用するせん断力をリアルタイムで推定し、それに基づ!/、て支持部材 2及び足置台 3の動作を制御することを特徴とする。一例として、図 4に示すように、膝に作用するせん断力を剛体リンクモデルを使用して推定する方法について説明する。尚、せん断力を推定する方法は、この方法に限定されず、有限要素法解析のような他の方法を用いても良い。

[0030] 図 4中、 "L "は足部に相当する剛体リンクである。 "L "は下腿部に相当する剛体リ

1 2

ンクである。 "L "は大腿部に相当する剛体リンクである。 "P "は足関節に相当する支

3 2

点であり、 "P "は膝関節に相当する支点である。また、 "r "、 "r "および" r "は、それ

3 1 2 3 ぞれ L、 L、および Lの長さを示し、 "m "、 "m "および" m "は、それぞれし、し、およ

1 2 3 1 2 3 1 2 びし 3の質量を示す。これらのリンクの長さ及び質量は、人体解剖学的情報に基づいて使用者の身長及び体重力も設定される。尚、性別、年齢といったその他のノラメ一タを考慮に入れることで、より精度よく設定することができる。

[0031] また、図 4において、基台 1の上面に対して垂直方向を Y軸方向とし、水平方向を X 軸方向とする。したがって、使用者の膝関節の屈伸運動は XY平面によって定義される。この座標系において、つま先部、足関節、膝関節および大転子の座標位置をそれぞれ、（X

1、 y

1 )、（X

2、 y X

2 )、（X

3、 y

3 )、（ 4、 y

4 )とする。また、 F

1は、足置台に設けた荷重センサ 30により検出された荷重 (反力）を示す。 Fは足関節に作用する力であり、 F

2 3 は膝関節に作用する力である。また、角度" Θ "は、リンクしの水平軸に対する傾斜角

3

度である。

[0032] 上記した条件下で、膝関節に作用する前後方向のせん断力 Fs3は、次式（1)によつて決定される。

Fs3 = F x'cos© + F vsin@ (1)

3 3

F xおよび F yはそれぞれ次式（2)および（3)によって表される。 F x = F x + m · (d²x /dt²) (2)

3 2 2 2

F y = F y— m g + m · (d²y Z dt²) (3)

3 2 2 2 2

さらに、 F xおよび F yは、それぞれ次式 (4)および（5)によって表される。

2 2

F x = F x +m - (d²x /dt²) (4)

2 1 1 1

F y = F y— m g + m · (d y / dt²) (5)

2 1 1 1 1

ここに、 gは重力加速度、 F xおよび F yは荷重センサが検出する荷重の χ方向成分

1 1

及び y方向成分であり、足置台 3の基台 1に対する傾斜角度によって求めることができる。また、（d²x Zdt²)、 (d²y /dt²) , (d²x Zdt²)、（d²y /dt²)はつま先および足関節

2 2 1 1

の位置の時間変化から求められる。同様にして、膝関節の前後方向に直交する方向 (前額面方向）におけるせん断力や、他の関節におけるせん断力を算出することができる。これらの演算は、演算部 13で行なわれる。演算部 13によって求められた膝関節に作用するせん断力は、後述するように、駆動機構 4の制御に使用される。また、膝関節に作用するせん断力をディスプレイ 50上に表示してもよい。また、説明を容易にするため、上記では 3つの剛体リンクモデルに基づいて説明した力人体の実際の解剖学データに基づいてより詳細な設定を採用すれば、推定精度をさらに高めることができる。

[0033] また、足関節ゃ大転子の位置は以下のようにして決定することができる。すなわち、図 3 (C)において、 " φ "は、支持部材 2の傾斜角度であり、 "d"は、支持部材 2の回転半径であり、 "r"は支持部材 2の回転中心から大転子までの距離である。これより、大転子の位置 (X, y)は、それぞれ次式によって表される。

[0034] x= r-sin

y= Γ· (1― cos φ )

尚、足関節の位置は、足置台の位置変位を求めることにより得られる。また、足関節の位置と大転子の位置が算出されれば、膝関節の角度はあら力じめ記憶されている膝関節角度の計測データに基づいて決定される。さらに、支持部材が傾斜するにつれて、足置台の位置を下げて膝関節角度を略一定に保つ動作であるため、膝関節の位置も決定される。

[0035] 次に、上記方法によって推定したせん断力に基づく運動補助装置の制御方法の一例を図 5を基づいて説明する。使用者の生体情報を入力するための入力部 12に使用者の体重と身長が入力されると、制御部 10は、予め設定されている基準値でモータを動作させる。次に、荷重センサ 30により検出した荷重 (W)を読み込み、上述した手法により膝関節に作用するせん断力 (Fl, F2)を算出する。好ましくは、使用者の臀部力支持部材 2に作用する荷重を検出し、それをせん断力の推定に使用すれば、さらに精度が向上する。

[0036] 荷重センサ 30によって検出された荷重 (W)と推定された膝関節に作用するせん断力 (Fl, F2)が、それぞれ予め設定された閾値 (Tl、 Τ2)と比較される（Sl)。せん断力と荷重のどちらか一方でも閾値を超えると、モータの動作速度を落とし、支持部材および足置台の位置を初期位置に戻して (S2)、モータの動作を停止する（S3)。これにより、膝関節に過度な負担が力かるのを未然に防止することができる。

[0037] せん断力と荷重の両方が閾値以下である場合は、前後方向のせん断力 (F1)と左右方向のせん断力 (F2)がそれぞれ警戒値 (Al、 A2)と比較される（S4、 S5)。本実施形態においては、それぞれのせん断力に関して、大小 2つの閾値が設定され、大きいほうの閾値 T2は限界値を意味し、小さい方の閾値 Al、 A2はそれぞれ警戒値を意味する。前後方向のせん断力に関する警戒値 A1と左右方向のせん断力に関する警戒値 A 2は異なる値とする。せん断力が警戒値以上であっても、支持手段及び足置台の動作を直ちに停止する必要はない。この値は、使用者が膝関節に痛みを感じる可能性のある値であって、この値を上回る場合は、せん断力が低下するように駆動部を制御する。例えば、足置台の傾斜や支持部材の長さを変化させたり、支持部材を傾斜させる速度を変化させたりして膝に作用する負荷の大きさを減らすことができる。尚、膝関節に左右方向の力が作用しな、ように装置を動作させる場合は、左右方向のせん断力 (F2)を警戒値と比較するステップ S5を省略することができる。

[0038] 前後方向および左右方向のいずれか一方においてせん断力が警戒値を超えている場合 (S6、 S7)、足置台 3の角度が変更可能な範囲内であれば、基台 1に対する足置台 3の傾斜角度を変更する (S8、 S9) ₀足置台の傾斜角度を変化させることで、足裏に作用する荷重の重心位置および荷重の作用方向が変化することになり、これによつて膝関節に作用するせん断力を変化させることができる。尚、膝関節の左右方向のせん断力を変化させる場合は、足置台を左右方向に傾斜可能とする構成を採用すればよい。

[0039] 一方、角度変更ができない場合は、せん断力を軽減するように駆動装置が制御される（S10)する。例えば、せん断力が警戒値に達すると、モータを制御して、つま先よりも踵の位置が高くなるように足置台 3の基台 1に対する傾斜角度を大きくする。これにより、膝関節に作用するハムストリングスによる引張力を大腿四頭筋による引張力よりも大きくすることができ、膝関節の前後方向に作用するせん断力を低減することができる。

[0040] 前後方向のせん断力と左右方向のせん断力が、いずれも警戒値以下である場合は、荷重センサ 30により検出される荷重を規定の閾値 (T3)と比較する（Sll)。この閾値 (T3)は、糖尿病などの改善に効果があるとされる程度の負荷が、筋に作用しているかどうか判断するために設定される。閾値 (T3)以下の場合は、使用者に付与される負荷が不足しているとみなして、負荷が増加するように駆動機構 4が制御される (S1 2)。一方、荷重センサで検出される荷重が閾値 (T3)以上である時は、適度な運動負荷が使用者に付与されて、るとして、現在のモータの動作が継続される。

[0041] 尚、ステップ 10において、足置台 3の角度変更ができない場合のせん断力を低減するためのその他の方法としては、以下の（1)〜（3)を例示することができる。

(1)支持手段 2と足置台 3の時刻毎の角度変化率が小さくなるように駆動機構を制御する。要するに、支持部材 2と足置台 3の角度変化速度を低減する。

(2)図 6 (A)に示す体幹に対する大腿部の角度 φ 1や、および図 6 (B)に示す股間接の開き角度 φ 2を変化させる。角度 φ 1、 φ 2を調節することによって、膝関節への荷重の力かり方が変化する。具体的には、例えば、支持部材の長さを変化させたり、足置台 3の基台 1に対する高さ位置を変化させたり、足置台の水平面内での間隔を変ィ匕させたりすることにより、角度 φ 1および φ 2を変化させることができる。支持部材 2 の長さを短くすると、膝関節の角度が小さくなることでせん断力が小さくなる。また、支持部材 2が傾動する場合、支持部材が長い場合よりも、使用者の臀部の移動距離が小さくなる。、したがって、膝関節に作用する力を低減することができる。

(3)図 7に示すように、使用者の下肢を支持ないし牽引する補助支持体 60を用いる。補助支持部材 60は、支持部材 2に一体に形成され、使用者の足部、下腿部および大腿部の少なくとも 1箇所を支持ないし牽引する。例えば、内部の空気圧を調節することにより硬さ調節可能であり、支持ないし牽引する場合に硬化させる。

[0042] 図 8に示すように、表示部 50には、モータの制御量や、支持部材 2や足置台 3の動きを模式的に示したり、演算部 13によって推定された使用者の膝関節に作用するせん断力をグラフで示したり、荷重センサ 30で検出された荷重の時間変化を表示したりすることができる。また、使用者の運動をガイドする情報を表示してもよい。さらには、通信手段を介して遠隔地にいる専門家にデータを送信し、表示部を介してアドバイスが受けられるようにしてもよい。

<第 2実施形態 >

本実施形態の運動補助装置は、図 9および図 10に示すように、床のような設置面に固定される基台 1と、使用者 Mの臀部を支持する支持部材 2と、使用者の足を載せる一対の足置台 3と、支持部材 2のサドル 22を基台 1に対して駆動させる駆動機構 4と、使用者の脂肪量を推定する体質推定部 6と、その推定結果に基づいて駆動機構 4 を制御する制御部 10とで主として構成される。

[0043] 支持部材 2は、基台 1の上面に設けられたポスト 21と、駆動機構 4を収納したボックス 25と、ボックス上部に配置され、使用者の臀部を保持するサドル 22とで構成される。膝関節の曲げ角度を所定角度 (例えば、 40度）とするため、基台 1に対する足置台 3 の位置およびサドル 22の初期位置（高さ位置）は調節可能である。例えば、サドル 22 の高さ位置の調節にはガスケットスプリングを使用できる。あるいは、自転車のサドルを上下させるのと同じ構成を採用したり、サドル 22をモータで昇降させる構成としたり、異なる高さのシート部材を複数用意しておき、使用者の体型にあったものを交換可能に装着するようにしても良、。

[0044] 足置台 3は、弾性部材 37により基台に対して可動である。あらかじめ大腿部への負荷と支持部材 2の移動範囲との関係を求め、その関係力最適な弾性係数を有する弾性部材が選択される。これにより、足置台 3は、膝関節角度を運動中略一定に保つことが可能になる。本実施形態では、足置台 3は、上下に伸縮するパンタグラフ状の機構とばねを介して上下方向に変位可能に基台 1に支持されている。また、踵からつま先に向力つて傾斜する上面を有する。尚、足置台 3の昇降にモータを使用してもよい。また、足関節角度を調節するため、前後、左右の傾斜角度や、足置台の鉛直方向を中心とした回転角を変更可能にしてもよい。

[0045] 図 9において、番号 51は、両足置台 3の間に設けられたポールであり、番号 52は、ポールの上端において左右方向に延出するハンドル 52である。つまり、ポール 51とハンドル 51とで略 T字形を構成している。ハンドル 52の両端部には、サドル 22上に着座した使用者が把持可能な一対のグリップ 54が設けられている。番号 12は、使用者の体重その他の情報を入力するためのタツチパネル式の入力部であり、使用者が入力した情報や運動メニューが表示されるディスプレイを具備している。後述するように、グリップ 54は使用者の体質を推定する時に握られ、運動の実行中においては通常使用されないが、使用者が高齢者や低体力者である場合は支持部材 2に安全に乗り降りするのに役立つ。

[0046] 駆動機構 4は、サドル 22の駆動源としてのモータを少なくとも 1個備え、サドル 22の傾斜角度を変化させる。例えば、ギア'クランク機構を導入したり、リンクやカムのような機械要素を適宜組み合わせることにより、支持部材 2と各足置台 3を含む面において、サドル 22の上面を水平位置と傾斜位置との間で往復運動させることができる。これにより、運動方向を膝の屈伸方向に略一致させて膝関節に左右方向の力が作用するのを防げる。尚、サドル 22の上面の傾斜角度が変化すると、使用者の大腿部に作用する荷重が変化し、結果的に足置台 3に作用する荷重も増減するので足置台 3 が高さ方向に上下移動することになる。また、サドル 22によって保持された使用者の臀部と足置台 3上の使用者の足の裏の位置との相対距離が略一定に保たれるので、膝関節の曲げ角度はほとんど変化しない。この結果、等尺性筋収縮の状態が得られ、膝関節への負担を軽減することができる。

[0047] 制御部 10は、図 10に示すように、マイクロコンピュータで主として構成され、ドライブ回路 15を介して駆動機構 4の制御を行う。ドライブ回路 15は、制御部と駆動機構 4の間のインタフェースであり、制御部の出力を受けてモータに所定の電力を供給する。

[0048] 上記した運動補助装置を使用するにあたって、使用者は足置台 3に足の裏を密着させるように足を載せるとともに、サドル 22に着座する。この状態で、サドル 22上面の傾斜角度を変化させることで、使用者の大腿部に作用する負荷の大きさを変化させる。ここに、基台 1の上面に対してサドル 22の上面が略平行である場合にサドル 22に作用する荷重を Gll、足置台に作用する荷重を G12、基台 1の上面に対してサドル 22 の上面が傾斜した時に作用する荷重を G21、この時の足置台 3に作用する荷重を G2 2とすると、 GllZG12>G2lZG22の関係が成立する。したがって、サドル 22の傾斜に基づいて使用者の大腿部に作用する負荷の大きさは変化する。例えば、サドル 22 が大きく傾くほど、使用者は起立姿勢に近づき、使用者の自重により大腿部に作用する負荷は大きくなる。

[0049] さて、本実施形態の最大の特徴は、体質推定部 6によって推定された使用者の脂肪量を用いて駆動源を制御する点にある。すなわち、本運動補助装置は、図 11 (A) に示すように各足置台 3上に配置される一対の第 1電極 (60, 62)と、図 11 (B)に示すようにグリップ 54上に設けられる二対の第 2電極 (61, 63)と、使用者が足置台 3に足を載せ、グリップ 54を握っている状態で、第 1電極の一方 (60)と第 2電極の一方 (61)とによって提供される信号電極間に高周波電流を流すと共に、第 1電極の他方 (62)と第 2電極の他方 (63)とで構成される測定電極間の電位差を検出して使用者の生体ィンピーダンスを測定するインピーダンス測定部 65とを具備する。上記体質推定部 6は、インピーダンス測定部 65の出力を用いて、使用者の脂肪量を推定する。推定された使用者の脂肪量は、入力部 12のディスプレイ上に表示されることが好ましい。

[0050] 尚、生体のインピーダンスを測定して使用者の体脂肪率を求めること自体はすでに従来力行なわれている。簡単に言えば、体内の脂肪が他の部位よりも水分含有量が少ないので、体内の脂肪量が多いほど、インピーダンスは大きくなる。この原理を利用して体内の脂肪量を推定するのである。複数の電極対を使用してインピーダンスを測定する場合は、各電極対間に通電される高周波電流の周波数を互いに異なる周波数としておくことが好ましい。例えば、両手間のインピーダンスと両足間のインピーダンスと手足間のインピーダンスを求めれば、手足間のインピーダンスから両手間および両足間のインピーダンスを減算することによって、胴体部のインピーダンスを求めることができる。インピーダンスは脂肪量と相関関係を有するので、これにより月同体部の体脂肪量を推定することができる。また、体脂肪量が少なければ、反対に筋肉量が多いと推定されることから、手足間で測定した体脂肪量と体重とをパラメータとして筋肉量を推定してもよい。

[0051] 脂肪量や筋肉量を精度よく推定するため、生体インピーダンスにくわえて、使用者の体重、身長、年齢、性別のうち少なくとも体重が身体的特徴量として使用される。本実施形態では、入力部 12を介して使用者が体重を入力することができる。また、身長をパラメータとして使用すればさらに脂肪量や筋肉量の推定精度が向上する。制御部 10は、推定された使用者の筋肉量や脂肪量に基づいて、各使用者に適切な運動量を設定して駆動機構 4を制御する。

<第 3実施形態 >

本実施形態の運動補助装置は、図 12および図 13に示すように、使用者自身が入力部 12から体重や身長を入力する代わりに、体重推定部 70と身長推定部 72とで構成される体質推定部 6を有する点と、使用者の単位時間当たりの目標エネルギー代謝量を算出するエネルギー代謝量演算部 16とを具備し、制御部 10は、エネルギー代謝量演算部 16の出力を用いて駆動機構 4を制御する点に特徴がある。したがって、その他の構成については実質的に第 2実施形態と同じであるので、重複する説明を省略する。

[0052] 体重推定部 70は、各足置台 3に設けられた荷重センサ 30の出力に基づいて使用者の体重を算出する。荷重センサ 30としては、例えば、圧電素子を備えるロードセルや、スプリングの引張量を差動トランスで検出する装置を使用できる。使用者は、サドル 22に着座する前に足置台 3上に載ると、足置台 3の荷重センサ 30によって検出した荷重の合計を使用者の体重として検出する。尚、足置台 3上に起立姿勢をとる代わりに、着座姿勢で使用者の体重を推定することも可能である。その場合は、足置台 3に加えてサドル 22にも荷重センサを設けるようにすれば良い。一対の足置台 3によって検出された荷重とサドル 22の荷重センサによって検出された荷重の合計値が使用者の体重として決定される。

[0053] サドル 22の高さ位置は、使用者の膝関節の曲げ角度を所定角度に保っため調節可能になっているので、距離センサ 32によってサドル 22の高さ位置（支持部材 2の長さ）を計測できる。サドル 22の高さ、膝関節角度および足置台 3との位置関係に基づいて身長推定部 72は使用者の身長を推定する。尚、身長の代わりに使用者の脚長を推定してもよい。

[0054] エネルギー代謝量演算部 16は、使用者の体重と、体質推定部 6の出力を用いて、使用者の単位時間当たりの目標エネルギー代謝量を算出する。使用者に提供される運動量は、ブドウ糖の消費量などのエネルギー代謝量として求められる。使用者の運動中の姿勢はほぼ決まっているので、サドル 22の動作速度と使用者の体重とによつて脚部に作用する荷重を推定することが可能になる。脚部の筋肉量は、第 2実施形態と同様にして、体重推定部 70によって提供される使用者の体重とインピーダンス測定部の出力とを用いて体質推定部 6で推定される。あるいは、身長推定部 72によつて提供される使用者の身長とインピーダンス測定部の出力とを用いて脚部の筋肉量を推定してもよい。したがって、脚部に作用する荷重と、脚部の筋肉量とを用いて単位時間当たりのブドウ糖の消費量などのエネルギー代謝量を求めることができる。尚、目標エネルギー代謝量の代わりに、運動中の使用者のエネルギー代謝量を算出しても良い。実際には、エネルギー代謝量演算部 16で算出したエネルギー代謝量と、体質推定部 6で推定した筋肉量と、体重推定部 70で求めた使用者の体重とを用いて、サドル 22の動作速度を決定することが好ましい。この場合、筋肉量の代わりに、脂肪量、あるいは脂肪量と筋肉量の両方を使用してもよい。

<第 4実施形態 >

本実施形態の運動補助装置は、図 14および図 15に示すように、入力部 12から入力された使用者に関する生体プロフィールに基づいて使用者に負荷される運動量をより適切に決定する構成を採用した点に特徴がある。したがって、その他の構成については実質的に第 3実施形態と同じであるので、重複する説明を省略する。

[0055] 本実施形態の運動補助装置には、メニュー記憶部 80が設けられており、標準的な運動メニューが生体プロフィール別に複数格納されている。入力部 12を介して入力された使用者の生体プロフィールに基づいて推奨される運動メニューがメニュー記憶部 80力読み出され制御部 10により実行される。

[0056] ここに、生体プロフィールとは、使用者の体重、身長、年齢、性別、疾患の有無、疾患の種類、心肺能力、血圧、心拍のような体調パラメータ、運動歴などを含む。例えば、血圧が高いと、負荷を軽減して運動時間を長くするような運動メニューが好ましい。従って、例えば、血圧を入力すれば、低血圧、正常血圧、高血圧などの分類が行なわれ、メニュー記憶部 80に照合して最適な運動メニューが抽出されるように構成される。このように、使用者に固有のデータを入力することにより、より適切な運動メ-ュ一を使用者に提供することができる。

[0057] 本運動補助装置は、使用者ごとに脂肪量や筋肉量の変化について履歴を記憶する履歴記録部 90と、履歴記録部に記録された履歴に基づいて、運動メニューを補正する評価 92とがさらに設けられている。運動毎に脂肪量や筋肉量が推定されるので、その記憶日時と対応させてこれらの情報を記憶しておく。例えば、ある一定期間の始点と終点の脂肪量の差を求め、脂肪量の差が規定した目標値よりも小さい時は、評価部 92が 1回の運動量を増加させるように運動メニューを補正する。脂肪量の代わりに、筋肉量や、脂肪量と筋肉量の両方を用いても良い。運動量は、シート部の動作速度と動作時間の積であるので、これらの少なくとも一方を変化させることで運動メ- ユーを補正できる。また、使用者が筋肉を増やすための運動を欲している場合や、推定した筋肉量が目的値に到達していない場合は、負荷を高めるように運動メニューを補正する。メニュー記憶部 80と履歴記録部 90とは一つの記憶装置によって実現してもよい。また、脂肪量や筋肉量の変化を入力部 12に隣接して設けた表示部 50上に表示すれば、使用者の運動に取り組む意欲を高めることができて好ましい。

産業上の利用可能性

[0058] 上記のように、本発明の運動補助装置によれば、大腿部の筋収縮を伴う他動的な運動刺激を、筋力の低下した使用者や膝痛を有する糖尿病かつ変形膝関節症患者に、膝に負担をかけることなく効果的に提供することができる。

[0059] また、使用者の筋肉量および脂肪量の少なくとも一方を計測し、これに基づいて各使用者に適した運動速度や運動時間を設定する場合は、所望の効果を得るのに適切な運動量を信頼性良く使用者に提供することができる。さらに、使用者の膝関節に作用する力 (せん断力）を推定し、推定した力が予め設定した範囲内となるように駆動機構をリアルタイムで制御する場合は、使用者の膝に過剰な力が作用するのを防止して、運動補助置の安全性を高めることができる。このように、本発明は、糖尿病患者のような膝に疾患を有する使用者の脚部に適切な運動刺激を安全に提供できることから、運動補助装置のさらなる利用の拡大を促すものとして期待される。

Claims

請求の範囲

[1] 以下の構成を含む運動補助装置：

基台；

基台に対して可動で、使用者の臀部を支持する支持部材；

基台に対して可動の足置台；

前記支持部材上の使用者の自重によって大腿部に力かる負荷が使用者のつま先と大転子の間の相対位置変化に応じて変化し、前記位置変化が使用者の膝関節の屈伸方向に許容され、且つ前記膝関節の角度が略一定に保たれるように駆動手段を制御する制御部。

[2] 請求項 1に記載の運動補助装置は、さらに使用者の脂肪量と筋肉量の少なくとも一方を推定する体質推定部を含み、上記制御部は、前記体質推定部の出力を用いて駆動手段を制御する。

[3] 請求項 2に記載の運動補助装置は、さらに使用者が把持可能なグリップと、足置台上に配置される一対の第 1電極と、グリップ上に設けられる一対の第 2電極と、使用者が足置台に足を載せ、グリップを握っている状態で、前記第 1電極の一方と第 2電極の一方との間に高周波電流を流すと共に、前記第 1電極の他方と第 2電極の他方との間の電位差を検出して使用者の生体インピーダンスを測定するインピーダンス測定部とを具備し、上記体質推定部は、前記インピーダンス測定部の出力を用いて、使用者の脂肪量と筋肉量の少なくとも一方を推定する。

[4] 請求項 3に記載の運動補助装置は、さらに使用者の体重を入力する体重入力部を有し、上記体質推定部は、前記体重入力部によって入力された使用者の体重と、上記インピーダンス測定部の出力とを用いて、使用者の脂肪量と筋肉量の少なくとも一方を推定する。

[5] 請求項 3に記載の運動補助装置は、さらに使用者の体重および身長を入力する身体情報入力部と、前記身体情報入力部によって入力された使用者の体重、身長、および上記体質推定部の出力を用、て、使用者の運動中の単位時間当たりのエネルギー代謝量、および使用者の単位時間当たりの目標エネルギー代謝量の一方を算出するエネルギー代謝量演算部とを具備し、上記制御部は、前記エネルギー代謝量演算部の出力を用いて駆動手段を制御する。

[6] 請求項 3に記載の運動補助装置は、さらに足置台に力かる荷重を検出する荷重センサと、前記荷重センサの出力を用いて使用者の体重を推定する体重推定部とを具備し、上記体質推定部は、前記インピーダンス測定部の出力と前記体重推定部の出力とを用いて上記脂肪量と筋肉量の少なくとも一方を推定する。

[7] 請求項 3に記載の運動補助装置において、上記支持部材は高さ方向の長さが調節可能であり、運動補助装置は、上記支持部材の高さ方向の長さを検出する距離センサと、前記距離センサの出力を用いて使用者の身長を推定する身長推定部とを具備し、上記体質推定部は、前記インピーダンス測定手段の出力と前記身長推定部の出力とを用!ヽて上記脂肪量と筋肉量の少なくとも一方を推定する。

[8] 請求項 3に記載の運動補助装置は、さらに使用者の脂肪量と筋肉量の少なくとも一方の変化を記録する記録部と、前記記録部に記録された変化に基づいて、運動効果を評価する評価部とを含み、上記制御部は、前記評価部の出力を用いて駆動手段を制御する。

[9] 請求項 1に記載の運動補助装置は、さらに使用者の生体プロフィール別に複数の運動プログラムを記憶する記憶部と、使用者の生体プロフィールを入力する入力部とを含み、上記制御部は、入力部によって入力された使用者の生体プロフィールに対応する前記複数の運動プログラムの一つを記憶部力抽出し、抽出された運動プロダラムに基づいて駆動手段を制御する。

[10] 請求項 1に記載の運動補助装置において、上記駆動手段は、支持部材のみを駆動する。

[11] 請求項 1に記載の運動補助装置において、上記駆動手段は、支持部材および足置台を連動して駆動する。

[12] 請求項 1に記載の運動補助装置は、足置台に力かる荷重を検出する荷重センサと、前記荷重センサの出力を用いて、使用者の膝関節に作用する力を推定する演算部とをさらに含み、上記制御部は、前記演算部によって推定された力が予め設定した範囲内となるように駆動手段をリアルタイムで制御する。

[13] 請求項 12に記載の運動補助装置において、上記制御部は、演算部によって推定された力が予め設定した上限値を越えた時、駆動手段を停止する。

[14] 請求項 12に記載の運動補助装置において、上記制御部は、演算部によって推定された力が上記範囲内となるように駆動手段を動作させる速度を制御する。

[15] 請求項 12に記載の運動補助装置は、さらに上記演算部によって推定された力を使用者に表示する表示手段を含む。