WO2009081938A1 - 運動補助装置 - Google Patents

Abstract

　本発明の運動補助装置は、使用者の足を載せる足置き面を備えた足置き台と、前記使用者が前記足置き面に足裏を載せている状態で前記使用者の臀部を支持する接触面を有するシートと、前記シートを運動基準位置に移動させるように前記シートを上下方向及び前後方向に移動させ、前記使用者の膝の曲げ角度を適当な角度とするシート高さ調整装置と、前記シートを前記運動基準位置を中心に揺動させ、前記使用者の脚部に作用する自重を変化させるシート駆動装置とを備え、前記シートの接触面と前記足置き面との距離に応じて、前記使用者の膝関節にかかる負荷を変化させる負荷調整手段を備えることを特徴とする。このような運動補助装置は、使用者の膝の曲げ角度が大きくなるに従って負荷調整手段たる制御部がシートの揺動周期を長くして使用者の膝関節にかかる負荷を減少させる。

Description

運動補助装置

　本発明は、使用者の足裏を足置き面に載せるとともに使用者の臀部をシートで支持した状態において駆動源を用いてシートを変位させることにより使用者の脚部に作用する自重を変化させる他動式の運動補助装置に関するものである。

　日本公開特許公報特開２００５－５８７３３号及び特開２００７－８９６５０号には、従来の運動補助装置が開示されている。従来の運動補助装置は、使用者の足裏を足置き面に載せるとともにシート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緊張・弛緩させるためのものである。この運動補助装置は、シートの位置を変位させ、使用者の体重のうちシートで支持する割合を変化させるように構成されており、これにより、脚部に作用する自重を変化させている。

　このような運動補助装置は、使用者の脚部に、全体重よりも低い負荷を作用させるように構成されている。加えて、膝の屈伸をほとんど伴わずに大腿部の筋収縮を行うことができるように構成されている。したがって、例えば糖尿病患者でかつ膝痛を持つ使用者においても、運動補助装置を使用することにより、大腿部の筋群の強化が可能となる。しかも、大腿部の筋群は、大きな体積を有する。よって、運動補助装置を用いて筋収縮を行うことにより、使用者の生活習慣病の改善を行うことができる。さらに、運動補助装置は、シートを揺動させるように構成されている。したがって、使用者は、自発的に筋力を発揮することなく、他動的に運動することができる。これにより、運動能力の低い使用者や、運動意欲の小さい使用者も、運動補助装置を使用することができる。

　ところで、従来の運動補助装置は、膝の屈伸をほとんど伴わずに脚部に作用する自重の変化によって大腿部の筋群を緊張・弛緩させるものである。したがって、運動を効果的に行うには、膝の曲げ角度が、大腿部の筋群を緊張・弛緩させるための重要な因子となる。スクワット運動から容易に類推できるように、膝の曲げ角度に応じて、大腿部の筋群に作用する負荷は変化する。また、膝痛を持つ使用者は、膝をある程度曲げたときに膝に荷重が作用すると痛みを感じることが多い。このような使用者でも運動補助装置を使用することができるようにするためには、膝の曲げ角度を制限する必要がある。

　現状では、膝の曲げ角度の適正角度は略１４０度とされている。これは、膝の曲げ角度を略１４０度とすると、運動効果が高く膝痛が生じにくいという実験結果が得られているためである。尚、膝の曲げ角度とは、膝の前面側で大腿部と下腿部とがなす角度を指す。

　ところで、膝痛を持たない使用者等であれば、膝の曲げ角度を上記適正角度（１４０度）よりも小さい角度（例えば、１３０度や１２０度）にして運動した方が運動効果をより高めることができる。しかしながら、上記従来例では膝の曲げ角度を適正角度よりも小さい角度にすると膝関節に過度の負荷がかかってしまい、膝関節に悪影響を与えてしまう虞がある。また、１つの膝角度のみで筋力訓練をするよりも、幅広い膝角度で筋力訓練を行うことが本来望ましい。

　本発明は上記問題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、膝関節に過度の負荷をかけることなく幅広い関節角度で安全且つ効果的に運動を行わせることが可能な運動補助装置を提供することにある。

　上記課題を解決するために、本発明の運動補助装置は、足置き台と、シートと、シート高さ調整装置と、シート駆動装置とを備える。足置き台は、使用者の足を載せる足置き面を備えている。シートは、使用者が足置き面に足裏を載せている状態で使用者の臀部を支持する接触面を有する。シート高さ調整装置は、使用者の膝の曲げ角度を適当な角度とするように、シートを上下方向及び左右方向に移動させて、足置き面から標準高さ高い運動基準位置に位置させる。シート駆動装置は、シートを運動基準位置を中心に揺動させ、使用者の脚部に作用する自重を変化させる。本発明の運動補助装置の特徴部分は、更に、負荷調整手段を備えることである。負荷調整手段は、標準高さよりもシートの接触面と足置き面との距離が短くなるに伴って、前記使用者の膝関節にかかる負荷を変化させるように構成されている。

　この場合、使用者の膝の曲げ角度が適当な角度に一致しているときの足置き面に対するシートの接触面との距離に応じて、負荷調節手段によって、使用者の膝関節にかかる負荷は減少される。言い換えると、使用者の膝の曲げ角度が適当な角度よりも大きくなるにしたがって、負荷調整手段によって、使用者の膝関節にかかる負荷が減少される。したがって、膝関節に過度の負担をかけることなく幅広い関節角度で安全かつ効果的に使用者に運動を行わせるように構成された運動補助装置が得られる。

　シート駆動装置は、シートを可変の周期で運動基準位置を中心に揺動させるように構成されていることが好ましい。シート駆動装置は、足置き面からのシートの高さが標準高さにあるときに所定の周期でシートを揺動させるように構成されている。負荷調整手段は、足置き面からシートまでの高さが標準高さよりも低くなるに伴って、所定の周期よりも長い周期でシートを運動基準位置を中心に揺動させるように構成されている。

　この場合、シートが変位する周期を長くすることにより、シートの揺動によって誘発される人体の重心移動の加速度が小さくなる。これにより、脚部にかかるか重量が小さくなる。よって、膝関節にかかる負荷を減少するように構成された運動補助装置が得られる。

　前記シート駆動装置は、シートを可変の変位量で運動基準位置を中心に揺動させるように構成されていることが好ましい。そして、シートの足置き面からの高さが標準高さであるときに所定の変位量でシートを揺動させるように構成されている。負荷調整手段は、足置き面からシートまでの高さが標準高さよりも低くなるに伴って、所定の変位量以下の変位量でシートを運動基準位置を中心に揺動させるように構成されている。

　この場合、シートの変位量を減少させることにより、脚部にかかる荷重量が小さくなり、これにより、膝関節にかかる負荷は減少される。したがって、膝関節にかかる負荷を減少するように構成された運動補助装置が得られる。

　シートは、足置き面からの高さが標準高さにあるときに接触面が所定の面積となるように構成されていることが好ましい。そして、負荷調整手段は、足置き面からのシートの高さが標準高さよりも低くなるに伴って、シートの臀部との接触面積を増大させるように構成されている。

　この場合、シートは、シートの足置き面からの高さに応じて、臀部との接触面積が増大するように構成される。シートの臀部との接触面積が増大することにより、シートは、使用者の自重の多くを支えるように構成され、これにより脚部にかかる荷重は小さくなる。その結果、膝関節にかかる負荷を減少させることができる。即ち、膝関節にかかる負荷を減少するように構成された運動補助装置が得られる。

　負荷調整手段は、足置き面からのシートの高さが標準高さよりも低くなるに伴って、シートを後傾するように構成されていることも好ましい。また、負荷調整手段は、足置き面からのシートの高さが標準高さよりも低くなるに伴って、シート駆動装置を制御してシートを後傾することが好ましい。

　この場合、シート駆動装置を制御してシートを後傾させることにより、使用者の自重の多くは、シートに支えられる。したがって、これにより脚部にかかる荷重は小さくなる。その結果、膝関節にかかる負荷を減少される。即ち、膝関節にかかる負荷を減少するように構成された運動補助装置が得られる。

　負荷調整手段は、検出部と制御部とを備えることが好ましい。検出部は使用者の脚部の筋活動を検出するように構成されている。制御部は、シートの接触面の上下方向の位置が検出部による筋活動の検出結果に応じた位置となるようにシート高さ調整装置を制御する。

　この場合、検出部は、脚部の筋活動を検出する。検出された脚部の筋活動に基づいて、制御部は、使用者の脚部にかかる負担を推測し、シート高さ調整装置を制御してシートの上下方向の位置を調整する。言い換えると、検出された脚部の筋活動に基づいて、制御部は、使用者の脚部にかかる負担を推測し、使用者の膝の曲げ角度を調整を調整する。これにより、安全性を保ったまま、対象とする筋肉に運動負荷をかけるように構成された運動補助装置が得られる。

　また、検出部は、使用者の大腿直筋、内側広筋、外側広筋の筋活動を検出するものであることが好ましい。

　本発明のさらなる特徴及びその効果は、以下の発明を実施するための最良の形態からより明確に理解されるだろう。

図１は、本発明の実施形態１を示す要部のブロック図である。 図２は、同上の概略側面図である。 図３は、同上の概略平面図である。 図４は、同上の分解斜視図である。 図５は、同上に用いるシート駆動装置の分解斜視図である。 図６は、同上に用いるシート駆動装置の側面図である。 図７は、同上に用いる角度定規を示す斜視図である。 図８は、本発明の実施形態２の要部の側面図である。 図９は、本発明の実施形態３を示し、（ａ）はシート駆動装置の簡略化した側面図、（ｂ）はシート駆動装置の要部の側面図、（ｃ）はシート駆動装置の別の要部の側面図である。 図１０は、本発明の実施形態４を示すシートの側面図である。 図１１は、本発明の実施形態５を示す要部のブロック図である。

　　（実施形態１）
　本実施形態の運動補助装置は、図２、図３に示すように、床などの定位置に置かれる基台１０を有し、基台１０の上には、使用者Ｍの臀部を支持するシート２１を上端部に備えたシート支持台２０と、使用者Ｍが必要に応じて手で把持するハンドル３１を上端部に備えたハンドルポスト３０とが設けられる。基台１０においてシート支持台２０とハンドルポスト３０との間の部位には、上面を足置き面４０ａとする足置き台４０が設けられている。足置き台４０は使用者Ｍが足裏を足置き面４０ａに載せることによって足位置を規制するものである。

　シート支持台２０には、シート２１を揺動させるシート駆動装置５０と、シート３１とシート駆動装置５０とを基台１０に対して昇降させるシート高さ調整装置６０とが設けられる。シート高さ調整装置６０は、シート２１を運動基準位置に移動させるために設けられている。シート駆動装置５０は、シート２１を、運動基準位置を中心に揺動させるために設けられている。運動基準位置は、足置き面から標準高さ高い位置に位置する。シート駆動装置５０およびシート高さ調整装置６０の構成については後述する。

　シート駆動装置５０は、シート２１の接触面２１ａに臀部を載せるとともに足置き台４０の足置き面４０ａに足裏を載せた状態の使用者Ｍに対して、駆動源を用いてシート２１を運動基準位置を中心に揺動させ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のである。シート駆動装置５０は、シート２１を可変の周期で運動基準位置を中心に揺動させるように構成されている。シート２１が足置き面４０ａから標準高さ高い位置にある場合、シート駆動装置５０は、シート２１を所定の周期で揺動させるように構成されている。加えて、シート駆動装置５０は、シートを可変の変位量で運動基準位置を中心に揺動させるように構成されている。そして、シート２１が足置き面４０ａから標準高さ高い位置にある場合、シート２１を所定の変位量で揺動させるように構成されている。

　ここで、膝（膝関節）を所定角度だけ曲げていると、シート２１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、シート２１を駆動源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とを繰り返すことになる。すなわち、シート駆動装置５０がシート２１を揺動させることにより、主として大腿部の筋群の運動が可能になる。

　シート２１の揺動方向は、膝関節に剪断力が作用しないように設定しておくことが望ましい。使用者Ｍの臀部をシート２１の接触面２１ａで支持している状態において、使用者Ｍの足は、図３に示すように、爪先側の距離が踵側の距離よりも大きくなるのが自然な姿勢であり、両足間の開き角度θ２は足置き台４０に足を載せる位置で決めることができる。そこで、足置き台４０に足を載せたときの各足の踵と爪先とを結ぶ中心線に沿う方向にシート２１を揺動させることによって、膝関節に剪断力を作用させずに運動させることが可能になる。つまり、シート２１が揺動範囲において後端位置から前方に移動する際に、斜め右前方に移動する期間と斜め左前方に移動する期間とを設けることにより、膝関節に剪断力を作用させることなく左右の脚の大腿部にそれぞれ自重を作用させることが可能になる。また、シート２１の揺動に同期して、足置き台４０の足置き面４０ａを降下させる機構を設けることにより、常に着座位置と足裏位置の相対距離を一定にし、膝関節角度を変えずに運動させることができ、これも膝関節の剪断力を低減させる仕組みである。

　なお、図２に示す例では、シート２１の上面である接触面２１ａは略水平面であるが、使用者Ｍの脚部に作用する自重を変化させることによって大腿部の筋群の筋収縮を誘発する運動を行うから、使用者Ｍの臀部に接触する接触面２１ａはシート２１が揺動する方向での前方に向かって下り傾斜していることが望ましい。つまり、シート２１の前端部であって使用者Ｍの右臀部を支持する部位は斜め右前方に下り傾斜し、使用者Ｍの左臀部を支持する部位は斜め左前方に下り傾斜していることが望ましい。このような形状であると、シート２１が揺動範囲の後端位置から前方に移動したときに、脚部に作用する自重を増加させやすくなり、運動効果を高めることができる。

　ハンドルポスト３０の上端部には、ハンドル３１の中央部において操作装置３２が設けられ、操作装置３２において、シート駆動装置５０やシート高さ調整装置６０の動作に関する指示操作が行われる。なお、ハンドル３１を把持すれば、使用者Ｍの上体の位置を安定させることができる。

　シート支持台２０の構造について、さらに詳しく説明する。図４に示すように、シート支持台２０は、基台１０に立設された中空の支持部２２を有し、支持部２２の内部にはシート高さ調整装置６０の下端部が収納される。シート高さ調整装置６０は、支柱部２２に対して摺動可能に昇降する昇降ベース６１を有しており、昇降ベース６１の上端部にシート駆動装置５０が搭載される。したがって、シート駆動装置５０はシート２１とともに基台１０に対して移動可能になる。これにより、シート高さ調整装置６０は、シート駆動装置５０及びシート２１を、足置き面から標準高さ高い運動基準位置に移動させるように構成される。

　ここに、支柱部２２の中心線は直線であって上下方向に対して後傾しており（つまり、後方に向かって上り傾斜しており）、昇降ベース６１が支柱部２２内を摺動することによって、シート２１の接触面２１ａは、上下方向に対して支柱部２２の中心線に沿った一直線上で位置調節が可能になる。言い換えると、シート２１の接触面２１ａは、上下方向において位置調節すると同時に左右方向において位置調節され、かつ上方に位置するほど後方に位置することになる。支柱部２２の中心線が基台１０に対してなす角度については後述する。

　ところで、昇降ベース６１は、駆動モータ６３を備える昇降駆動部６２により昇降駆動される。昇降駆動部６２は昇降ベース６１とともにシート高さ調整装置６０を構成する。昇降駆動部６２としては、駆動モータ６３に加えて、基台１０に固定される柱状の固定部材６４と、固定部材６４に螺合するボールねじを備えた可動部材６５とを備え、駆動モータ６３の回転を減速して可動部材６５を回転させることにより、可動部材６５を固定部材６４に対して進退させる構成を採用している。昇降ベース６１は、可動部材６５の上端部に取り付けられ、可動部材６５が固定部材６４に対して進退するのに伴って昇降する。

　昇降ベース６１は、シート駆動装置５０を搭載する台座６１ａを備え、台座６１ａの下面には一対のガイド板６１ｂが設けられている。昇降駆動部６２における可動部材６５の上端部は台座６１ａの下面側に結合される。また、各ガイド板６１ｂの外側面にはローラ６１ｃが取り付けられており、支柱部２２の内側に設けたレール部２２ａでローラ６１ｃを案内することにより、昇降ベース６１を支柱部２２に対して滑らかに移動させることができる。

　昇降ベース６１の台座６１ａには、筒状の昇降カバー６６が取付けられる。昇降カバー６６の下端部は、昇降駆動部６２が伸縮する範囲において支柱部２２の外側面に重複し、このことによって昇降駆動部６２が最大に伸長した状態でも昇降ベース６１が外部に露出しないようにしてある。また、昇降ベース６１の台座６１ａには、布状の柔軟材料で形成された機構部カバー６７も取り付けられる。機構部カバー６７は、台座６１ａとシート２１との間を覆うことにより、シート駆動装置５０の外部への露出を防止する。

　次に、シート駆動装置５０について、図５および図６を用いて説明する。シート駆動装置５０は、昇降ベース６１の台座６１ａとともにシート２１を揺動させる機構を構成するものであり、台座６１ａの上面に立設した前後一対の軸支板５１ａ，５１ｂと軸部５２ａ，５２ｂで軸着される。前後の軸部５２ａ，５２ｂは同軸上に配置してあり、シート駆動装置５０が軸部５２ａ，５２ｂの回りに回動することにより、シート駆動装置５０に結合されたシート２１の左右方向（図４に矢印Ｎで示す方向）の揺動が可能になっている。

　シート駆動装置５０は、前後一対のフレーム板５３ａ，５３ｂを備え、両フレーム板５３ａ，５３ｂは左右一対のフレーム側板５４ａ，５４ｂを介して結合される。両フレーム側板５４ａ，５４ｂには、左右方向の軸周りに回動する前リンク５５と後リンク５６との下端部が軸部５５ａ，５６ａで軸着されており、前リンク５５と後リンク５６との上端部は軸部５５ｂ，５６ｂで台板５７に軸着される。ここに、後リンク５６の上端部は台板５７に直接軸着されるのではなく台座５７に固定した軸受板５７ａに軸着される。

　台板５７の前端部は軸部５５ａを中心とする円弧上を移動し、台板５７の後端部は軸部５６ａを中心とする円弧上を移動するように、台板５７の移動範囲が規制されている。ここで、後リンク５６は前リンク５５よりも長寸に形成してあり、台板５７の前端部と後端部との回転半径が異なることにより、台板５７は前後に移動するのに伴って上面の傾斜角度を変化させることになる。具体的には、図６の位置を前後方向の移動範囲の後端位置とすると、前方への移動に伴って台板５７の前端部が後端部に対して相対的に下降して上面の傾斜角度が大きくなる。逆に、前端位置から後方に移動するときには、台板５７の前端部が後端部に対して相対的に上昇して上面の傾斜角度が小さくなる。つまり、シート２１の前後方向（図４に矢印Ｘで示す方向）の移動が可能になる。図４には直線移動として示しているが、実際には前後方向の傾斜角度が変化するから、前後方向の直進移動と回転移動とを複合した変位になる。

　台座６１ａに対して台板５７を揺動させるための駆動源であるモータ７１は両フレーム側板５４ａ，５４ｂにより保持される。また、モータ７１は出力軸が上向きに突出するように縦置きされる。モータ７１の出力軸にはウォーム７２が結合される。フレーム側板５４ａ，５４ｂには第１シャフト７３と第２シャフト７４とが支承されており、第１シャフト７３にはウォーム７２に噛合するウォームホイール７５が設けられる。第１シャフト７３にはギア７６も設けられ、ギア７６は第２シャフト７４に設けられたギア７７に噛合する。

　第１シャフト７３の両端部には、第１シャフト７３とともに回転する偏心クランク７８がそれぞれ取り付けられる。各偏心クランク７８にはそれぞれアームリンク７９の一端部が軸着され、各アームリンク７９の他端部は前リンク５５の左右に突設された軸ピン５５ｃにそれぞれ軸着される。

　この構成により、モータ７１が回転し第１シャフト７３が回転すると、偏心クランク７８およびアームリンク７９によって前リンク５５が軸部５５ａの周りで前後方向に往復移動し、台板５７の前部が軸部５５ａの周りで前後方向（図４に矢印Ｘで示す方向）に揺動する。また、後リンク５６が軸部５６ａの周りで回転するから、台板５７は前後方向の移動に伴って上面の傾斜角度を変化させることになる。

　一方、第２シャフト７４の一端部には、偏心ピン７４ａが立設されており、偏心ピン７４ａには偏心ロッド８０の一端部が軸着される。偏心ロッド８０の他端部は、台座６１ａに取付けられた連結金具８１に揺動自在に連結されている。ピン７４ａおよび偏心ロッド８０は、シート駆動装置５０の左右どちらに設けてもよい。

　この構成により、モータ７１が回転し第１シャフト７３を介して第２シャフト７４が回転すると、ピン７４ａおよび偏心ロッド８０によって、偏心ピン７４ａの台座６１ａに対する高さ位置が変化し、結果的に台板５７が軸部５２ａ，５２ｂの周りで左右（図４に矢印Ｎで示す方向）に揺動する。

　なお、モータ７１には直流ブラシレスモータなどを用いており、駆動モータ６３にも直流モータを用いる。ここに、モータ６３はフレーム板５３ａ，５３ｂとフレーム側板５４ａ，５４ｂと台座６１ａと台板５７とに囲まれた空間に配置され、ギア７５～７７も同空間に配置されているから、シート駆動装置５０がコンパクトになっている。

　シート駆動装置５０は、基本的にはシート２１を右前下方と左前下方とに移動させる。ただし、上述した構成では、ギア７６，７７のギア比および偏心クランク７８と偏心ピン７４ａとの位相差を適宜に設定することにより、シート２１の移動軌跡をＶ字状（左右１回の往復移動の間に前後２回往復）とするほか、Ｗ字状（左右１回の往復移動の間に前後４回往復）、８の字状（左右１回の往復移動の間に前後２回往復で後端位置が左右に偏っている軌跡）などとすることが可能である。

　駆動モータ６３およびモータ７１の運転・停止は操作装置３２の操作により指示される。すなわち、操作装置３２には、モータ７１の運転・停止の指示や膝の曲げ角度θが適正角度を含む任意の角度に設定できるように、シート２１を昇降させる指示などを行うための操作入力受付部３２ａが設けられている。

　ところで従来技術で説明したように、上述したような運動補助装置では、膝痛を持つ使用者Ｍが膝痛を生じることなく大腿部の筋群の筋収縮を促すためには、膝の曲げ角度θを適正角度（例えば、１４０度）に保つことが必要である。一方、膝の曲げ角度を上記適正角度（１４０度）よりも小さい角度（例えば、１３０度や１２０度）にして運動した方が筋力訓練の効果をより高めることができる。

　上述したようにシート２１の高さ位置はシート高さ調整装置６０により調節可能であり、シート２１の高さ位置を変えることで使用者Ｍの膝の曲げ角度θを調整することができる。即ち、シート高さ調整装置は、シートを運動基準位置に移動させるようにシートを上下方向及び前後方向に移動させ、これにより使用者の膝の曲げ角度を適当な角度とするためのものである。そして、これにより、シート駆動装置は、シートを運動基準位置を中心に揺動させ、使用者の脚部に作用する自重を変化させるように構成される。尚、シート高さ調整装置６０はシート２１を基台１０に対して後傾する一直線上で移動させることによって、シート２１の接触面２１ａが上方に移動するほど後方に位置するように位置調節を行っている。

　以下では、操作装置３２に設けた操作部の操作と、シート高さ調整装置６０の駆動源である駆動モータ６３およびシート駆動装置５０の駆動源であるモータ７１の制御との関係について説明する。操作装置３２は、図１に示すようにシート２１を上向き及び下向きに移動（昇降）させるための操作入力やシート２１の位置を確定するための操作入力、電源のオンオフを指示する操作入力などを受け付ける操作入力受付部３２ａを具備している。

　操作入力受付部３２ａは、種々の操作入力に個別に対応した複数の操作スイッチ（図示せず）を有し、各々の操作スイッチが操作されることで種々の操作入力を受け付けるものであって、シート高さ調整装置６０並びにシート駆動装置５０を制御する制御部８２に当該操作入力に対応した操作信号を出力する。制御部８２は、マイクロコンピュータを主構成とする電気回路であり、操作装置３２の操作入力受付部３２から受け取る操作信号に応じて、駆動モータ６３並びにモータ７１を制御する。制御部８２は、操作入力受付部３２ａからシート２１を移動させるための操作信号を受け取っている間に駆動モータ６３を低速で回転させることによってシート２１を上向き又は下向きに移動させる。尚、操作入力受付部３２ａから当該操作信号が出力されなくなれば、制御部８２は駆動モータ６３を停止する。

　シート２１の適正位置は、使用者Ｍの膝の曲げ角度θが適正角度（例えば、１４０度）になる位置を意味しており、操作入力受付部３２ａの操作の際には膝の曲げ角度θが適正角度になったか否かを計測する必要がある。そこで、図７に示す形状の角度定規９０を用いて膝の曲げ角度θを計測する。角度定規９０は、大腿部片９１と下腿部片９２とを備える。大腿部片９１の一端は、下腿部片９２の一端と結合されている。大腿部片９１は、大腿部の前面に当接させるために設けられている。下腿部片９２は、腿部の前面に当接させるために設けられている。

　大腿部片９１と下腿部片９２とには、それぞれ長手方向の２箇所に大腿部あるいは下腿部に当接する当接部９１ａ，９２ａが形成されている。各当接部９１ａ，９２ａの先端面は大腿部片９１あるいは下腿部片９２の長手方向に沿った平面であって、大腿部片９１の２個の当接部９１ａは一つの平面上に位置し、下腿部片９２の２個の当接部９２ａは別の一つの平面上に位置する。そして、大腿部片９１は、下腿部片９２と適当な角度θを作るように設けられている。

　大腿部片９１と下腿部片９２との交差部位の内側（膝の前面に対向する部位）には、角度定規９０を脚に当てたときに膝の前面が角度定規９０に接触するのを避けるために、凹曲面を備えた凹部９３が形成されている。

　このような角度定規９０を、凹部９３を膝の前面に当てながら脚部に当てると、膝の曲げ角度θが適正角度であるときに、大腿部片９１の２個の当接部９１ａと下腿部片９２の２個の当接部９２ａとがそれぞれ大腿部の前面と下腿部の前面とに接触するから、この状態になるように膝の曲げ角度θを調節すれば、膝の曲げ角度θが適正角度になったことを知ることができる。

　したがって、使用者Ｍは、シート２１に着座した状態で、たとえば角度定規９０の下腿部９２に設けた２個の当接部９２ａを下腿部前面に接触させ、操作入力受付部３２ａを用いてシート２１を移動させるための操作入力を行うことでシート２１の位置を調節する。この間に大腿部片９１に設けた２個の当接部９１ａが大腿部前面に接触すれば、膝の曲げ角度θが適正角度になっているから、その時点で操作入力受付部３２ａを用いたシート２１の移動を停止する。このような方法により、使用者Ｍの個人差に応じてシート２１の位置を適正位置に合わせることができる。これにより、シートは、シート駆動装置によって、運動基準位置を中心に揺動される。そしてこのとき、運動基準位置は、足置き面から標準高さ高い位置に位置する。

　一方、上述のようにして、膝の曲げ角度θが適正角度になるようにシート２１の位置を調節した後に、操作入力受付部３２ａでシート２１の位置を確定する操作入力が受け付けられると、制御部８２は、操作入力受付部３２ａからの操作入力によるシート高さ調整装置６０の駆動を禁止し、シート駆動装置５０によるシート２１の駆動を許可する。シート２１の駆動が許可された状態では、操作入力受付部３２ａで運動開始の操作入力が受け付けられると、制御部８２がモータ７１を駆動してシート駆動装置５０によるシート２１の駆動が開始される。つまり、操作入力受付部３２ａでシート２１の位置を確定する操作入力が受け付けられるまではシート駆動装置５０によるシート２１の揺動が禁止されているから、使用者Ｍがシート２１を適正位置に調節した後でなければ運動が開始されず、膝の曲げ角度θを適正角度に調節している途中で不用意に運動が開始されてしまうのを防止することができる。

　ここで、制御部８２のメモリ（図示せず）にはシート２１が適正位置に設定されているとき、すなわち、使用者Ｍの膝の曲げ角度θが適正角度に設定されているときのモータ７１の回転速度が基準値として記憶されており、モータ７１が基準値の回転速度で回転している場合に、シート駆動装置５０によってシート２１が所定の基準周期（基準速度）で揺動することになる。言い換えると、制御部８２のメモリ（図示せず）には、シート２１が運動基準位置に位置するときのモータ１の回転速度が基準値として記憶される。そして、モータ７１が基準値の回転速度で回転している場合に、シート２１は、シート駆動装置５０によって所定の基準周期（基準速度）で揺動される。

　次に、本発明の要旨である使用者Ｍの膝の曲げ角度θが適正角度よりも小さい角度に設定されたときの動作について説明する。

　上述のように、使用者Ｍの個人差に応じてシート２１の位置を適正位置に合わせた後、操作入力受付部３２ａでシート２１の位置変更を指示する操作入力が受け付けられると、制御部８２はシート駆動装置５０によるシート２１の駆動を禁止するとともにシート高さ調整装置６０の駆動を許可する。そして、使用者Ｍが操作入力受付部３２ａを用いてシート２１を下向きに移動させるための操作入力を行うことでシート２１の位置を適正位置から下降させ、膝の曲げ角度θを適正角度よりも小さい適当な角度（例えば、１００度）に設定した後に、操作入力受付部３２ａでシート２１の位置を確定する操作入力が受け付けられると、制御部８２は、再度操作入力受付部３２ａからの操作入力によるシート高さ調整装置６０の駆動を禁止し、シート駆動装置５０によるシート２１の駆動を許可する。そして、シート２１の駆動が許可された状態において、操作入力受付部３２ａで運動開始の操作入力が受け付けられると、制御部８２がモータ７１を駆動してシート駆動装置５０によるシート２１の駆動が開始される。このとき、制御部８２では、シート２１が適正位置から移動した移動量をメモリに記憶しており、当該移動量が大きくなるに従って、言い換えると、使用者Ｍの膝の曲げ角度θが適正角度よりも小さくなるに従って、モータ７１の回転速度を適正位置（適正角度）に対応した基準値よりも小さく（遅く）してシート駆動装置５０によるシート２１の揺動周期を相対的に長く（揺動速度が相対的に遅く）する。すなわち、膝の曲げ角度θが適正角度よりも小さくなるほど膝関節にかかる負荷が大きくなるので、上述のように膝の曲げ角度θが相対的に小さくなるほど、つまり、シート２１の接触面２１ａと足裏を載せた足置き台４０の足置き面４０ａとの距離が相対的に短くなるほど、シート２１の揺動周期を長く（揺動速度を遅く）することで使用者Ｍの膝関節にかかる負荷を減少させることができる。言い換えると、負荷調整手段たる制御部８２は、標準高さよりもシートの接触面と足置き面との距離が短くなるに伴って、所定の周期よりも長い周期でシートを運動基準位置を中心に揺動させるようにシート駆動装置を制御する。これにより、シート２１の揺動周期を長く（揺動速度を遅く）することで使用者Ｍの膝関節にかかる負荷を減少させることができる。具体的には、シート２１の揺動によって誘発される人体の重心移動の加速度が小さくなるために、脚部にかかる荷重量が小さくなるのである。

　而して、シート２１の接触面２１ａと足置き面４０ａとの距離が相対的に短くなる、すなわち、使用者Ｍの膝の曲げ角度θが大きくなるに従って負荷調整手段たる制御部８２がシート２１の揺動周期を長くして使用者Ｍの膝関節にかかる負荷を減少させるので、膝関節に過度の負荷をかけることなく幅広い関節角度で安全且つ効果的に運動を行わせることが可能となる。

　尚、シート２１の揺動周期を長くする代わりに、シート２１の接触面２１ａと足置き面４０ａとの距離が相対的に短くなるに従ってシート２１を後傾させることも好ましい。シート２１を後傾させる方法としては、例えば、シート駆動装置５０の後リンク５６に伸縮機構を設け、シート２１の接触面２１ａと足置き面４０ａとの距離が相対的に短くなるに従って後リンク５６を短縮することでシート２１を後傾させたり、あるいは、昇降ベース６１の上端部にシート駆動装置５０を前後方向に揺動させる機構を設けることでシート２１を後傾させればよい。而して、シート２１を後傾させれば使用者Ｍの体重のうちシート２１で支持する割合が増えることにより、脚部に作用する自重を減らして膝関節にかかる負荷を減少させることができる。

　　（実施形態２）
　実施形態１ではシート２１の揺動周期を長くしたり、あるいはシート２１を後傾させることで使用者Ｍの膝関節にかかる負荷を減少させているのに対し、本実施形態は、シート２１の接触面２１ａと足置き面４０ａとの距離が相対的に短くなるに従ってシート２１の変位量を減少させる点に特徴がある。すなわち、本実施形態は、シート２１の接触面２１ａの足置き面４０ａに対する高さが標準高さよりも短くなるにしたがって、シート２１の変位量を減少させる点に特徴がある。但し、本実施形態の基本構成は実施形態１と共通であるから、実施形態１と共通の構成要素には同一の符号を付して図示並びに説明を省略する。

　本実施形態のシート駆動装置５０の構成においては、シート駆動装置５０の台板５７からの距離（鉛直方向の距離）が短くなるほどシート駆動装置５０によって駆動されるシート２１の変位量が小さくなる。そこで、図８に示すようにシート２１を２つの部材（シート上部材２１０とシート下部材２１１）に分割し、シート下部材２１１をシート支持台２０に支持させ、シート上部材２１０をシート下部材２１１に対して上下方向に移動自在とする移動機構２１２で連結している。この移動機構２１２は、油圧式、空圧式、電磁式あるいはシート高さ調整装置６０と同様の機械式の昇降装置からなり、制御部８２により制御されてシート上部材２１０を上下方向に移動させる。但し、この種の昇降装置については従来周知であるから詳細な構成の図示並びに説明は省略する。

　次に、本発明の要旨である使用者Ｍの膝の曲げ角度θが適正角度よりも小さい角度に設定されたときの動作について説明する。

　実施形態１で説明したように、使用者Ｍの個人差に応じてシート高さ調整装置６０によりシート２１の位置を適正位置に合わせた後、操作入力受付部３２ａでシート２１の位置変更を指示する操作入力が受け付けられると、制御部８２はシート駆動装置５０によるシート２１の駆動を禁止するとともにシート高さ調整装置６０の駆動を許可する。すなわち、実施形態１で説明したように、使用者Ｍの個人差に応じてシート高さ調整装置６０によりシート２１の位置を運動基準位置に移動させる。このとき、シート２１は、足置き面から標準高さ高い位置に位置する。その後、操作入力受付部３２ａでシート２１の位置変更を指示する操作入力が受け付けられると、制御部８２はシート駆動装置５０によるシート２１の駆動を禁止すると共にシート高さ調整装置６０の駆動を許可する。

　そして、使用者Ｍが操作入力受付部３２ａを用いてシート２１を下向きに移動させるための操作入力を行うことでシート２１の位置を適正位置から下降させ、膝の曲げ角度θを適正角度よりも小さい適当な角度（例えば、１００度）に設定した後に、操作入力受付部３２ａでシート２１の位置を確定する操作入力が受け付けられると、制御部８２は、移動機構２１２を制御してシート上部材２１０を下向き、つまり、シート下部材２１１に近付く向きに移動させるとともに、シート上部材２１０の下向きの移動量と同じ量だけシート高さ調整装置６０を駆動してシート２１全体を上向きに移動させる。この動作により、シート２１の位置を変えずにシート上部材２１０とシート下部材２１１との距離を縮めることができる。その後、制御部８２は操作入力受付部３２ａからの操作入力によるシート高さ調整装置６０の駆動を禁止し、シート駆動装置５０によるシート２１の駆動を許可する。そして、シート２１の駆動が許可された状態において、操作入力受付部３２ａで運動開始の操作入力が受け付けられると、制御部８２がモータ７１を駆動してシート駆動装置５０によるシート２１の駆動が開始される。このとき、シート駆動装置５０の台板５７からシート２１までの距離は、膝の曲げ角度θが適正角度に設定されているときの距離よりも短くなっているから、シート２１の変位量が相対的に小さくなる。そして、シート２１の変位量が小さくなるほど脚部にかかる荷重量が小さくなり、その結果、使用者Ｍの膝関節にかかる負荷が減少することになる。

　而して、シート２１の接触面２１ａと足置き面４０ａとの距離が相対的に短くなる、すなわち、使用者Ｍの膝の曲げ角度θが大きくなるに従って負荷調整手段たる制御部８２がシート２１の変位量を小さくして使用者Ｍの膝関節にかかる負荷を減少させる。言い換えると、シート２１の接触面２１ａと足置き面４０ａとの距離が標準高さよりも短くなるにしたがって、負荷調整手段である制御部８２がシート２１の変位量を小さくする。これにより、使用者Ｍの膝関節にかかる負荷は減少される。その結果、膝関節に過度の負荷をかけることなく幅広い関節角度で安全且つ効果的に運動を行わせることが可能となる。

　　（実施形態３）
　本実施形態はシート駆動装置５０の構成に特徴があり、その他の構成については実施形態１と共通である。従って、実施形態１と共通の構成要素には同一の符号を付して図示並びに説明を省略する。

　図９（ａ）に示すようにシート駆動装置５０によるシート２１（台板５７）の変位量（（揺動量）は、フレーム側板５４ａ，５４ｂに軸着される前リンク５５の軸部５５ａからアームリンク７９の端部が軸着される前リンク５５の軸ピン５５ｃまでの距離α、若しくは第１シャフト７３の端部に取り付けられる偏心クランク７８の中心部からアームリンク７９の端部が軸着される軸部７８ａまでの距離（偏心量）βを変えることで増減させることができる。但し、図９ではシート駆動装置５０を簡略化して示しており、前リンク５５や偏心クランク７８、フレーム側板５４ａ，５４ｂ等の各部材の形状も若干変更しているが、基本的な構成並びに動作は実施形態１のシート駆動装置５０と同一である。

　本実施形態においては、軸部５５ａから軸ピン５５ｃまでの距離αを可変とする第１機構部、あるいは偏心クランク７８の偏心量βを可変とする第２機構部の少なくとも何れか一方を設けることでシート２１の変位量を増減できるようにしている。

　第１機構部１００は、図９（ｂ）に示すように前リンク５５における軸部５５ａと軸ピン５５ｃとの間に設けられた空圧式のピストン１０１と、制御部８２に制御されてピストン１０１を駆動するポンプ１０２とで構成され、ポンプ１０２によりピストン１０１が駆動されることで前リンク５５における軸部５５ａと軸ピン５５ｃとの距離αを変化させるものである。また、第２機構部１１０は、図９（ｃ）に示すようにアームリンク７９に設けられた空圧式のピストン１１１と、制御部８２に制御されてピストン１１１を駆動するポンプ１１２と、ピストン１１１の先端に設けられて偏心クランク７８の複数（図示例では２つ）の軸部７８ａ，７８ｂの何れかを狭持する狭持部１１３とで構成され、ポンプ１１２によりピストン１１１が駆動されることで偏心クランク７８の中心部からアームリンク７９の端部が軸着される軸部７８ａ又は７８ｂまでの距離（偏心量）βを変化させるものである。但し、ピストン１０１，１１１とポンプ１０２，１１２に代えてモータと送りねじを用いても構わない。

　この構成によれば、第１機構部１００により前リンク５５における軸部５５ａと軸ピン５５ｃとの距離αを短くするか、あるいは第２機構部１１０により偏心クランク７８の偏心量βを大きくすれば、シート駆動装置５０の揺動量（シート２１の変位量）が増加し、反対に第１機構部１００により前リンク５５における軸部５５ａと軸ピン５５ｃとの距離αを長くするか、あるいは第２機構部１１０により偏心クランク７８の偏心量βを小さくすれば、シート駆動装置５０の揺動量（シート２１の変位量）が減少することになる。

　而して、シート２１の接触面２１ａと足置き面４０ａとの距離が相対的に短くなる、すなわち、使用者Ｍの膝の曲げ角度θが大きくなるに従って負荷調整手段たる制御部８２が第１機構部１００若しくは第２機構部１１０の少なくとも何れか一方を制御してシート２１の変位量を小さくすることで脚部にかかる荷重量を小さくして使用者Ｍの膝関節にかかる負荷を減少させるので、膝関節に過度の負荷をかけることなく幅広い関節角度で安全且つ効果的に運動を行わせることが可能となる。

　　（実施形態４）
本実施形態はシート２１の構成に特徴があり、その他の構成については実施形態１と共通である。従って、実施形態１と共通の構成要素には同一の符号を付して図示並びに説明を省略する。

　本実施形態のシート駆動装置５０の構成においては、シート２１の接触面２１ａが増大するほど使用者Ｍの体重のうちシート２１で支持する割合が増えることにより、脚部に作用する自重を減らして膝関節にかかる負荷を減少させることができる。そこで、図１０に示すようにシート２１を２つの部材（シート本体２２０とシート前部材２２１）に分割し、シート本体２２０をシート支持台２０に支持させ、シート本体２２０の前端部分に外挿されたシート前部材２２１をシート本体２２０に対して前後方向（図１０における左右方向）に移動自在とする移動機構２２２で連結している。この移動機構２２２は、油圧式、空圧式、電磁式あるいはシート高さ調整装置６０と同様の機械式の駆動装置からなり、制御部８２により制御されてシート前部材２２１を前後方向に移動させる。但し、この種の駆動装置については従来周知であるから詳細な構成の図示並びに説明は省略する。

　この構成によれば、移動機構２２２によりシート前部材２２１の前方への移動距離が長くなるほどシート２１の接触面２１ａが増大することになる。

　しかして、シート２１の接触面２１ａと足置き面４０ａとの距離が相対的に短くなる、即ち、使用者Ｍの膝の曲げ角度θが大きくなるにしたがって負荷調整手段たる制御部８２が移動機構２２２を制御してシート前部材２２１を前方に移動させる。即ち、シート２１の接触面２１ａと足置き面４０ａとの距離が標準高さよりも短くなるにしたがって、負荷調整手段たる制御部８２が移動機構２２２を制御してシート前部材２２１を前方に移動させる。その結果、シート２１の接触面２１ａの面積は増大される。これにより、使用者Ｍの自重は、より多くシート２１に支えられる。その結果、使用者Ｍの膝関節にかかる負荷を減少させることができるので、膝関節に過度の負荷をかけることなく幅広い関節角度で安全且つ効果的に運動を行わせることが可能となる。尚、シート２１の接触面２１ａを増大させる方法としては、シート前部材２２１を前方へ移動させるものだけではなく、例えば、シート２１を左右に分割した２つの部材で構成し、それらのうちの少なくとも一方を左右方向（側方）に移動させることで接触面２１ａを増大させるようにしても構わない。

　　（実施形態５）
本実施形態は、図１１に示すように使用者Ｍの脚部の筋活動を検出する検出部８３を備え、シート２１の接触面２１ａの上下方向の位置が制御部８２によって検出部８３の筋活動の検出結果に応じて調整される点に特徴があり、その他の構成については実施形態１～４の何れかと共通である。従って、実施形態１～４の何れかと共通の構成要素には同一の符号を付して図示並びに説明を省略する。

　検出部８３は、筋肉の能動的な収縮活動を電気的に検出する筋電計や、筋肉の能動的な収縮活動を力学的に検出する筋硬度計などの周知の手段からなり、筋活動の検出値を電気信号（検出信号）に変換して制御部８２に出力する。尚、検出部８３で筋活動を検出する箇所（筋肉）は、大腿直筋、内側広筋、外側広筋の少なくとも何れか一つとすることが望ましい。

　制御部８２では、検出部８３から取り込む検出信号に基づいて使用者Ｍの脚部にかかる実際の負荷を推測し、当該推測値が使用者Ｍの年齢や性別、体格（身長，体重）などのパラメータから決定される適正範囲を超えてしまっていた場合、膝の曲げ角度θを大きくするように駆動モータ６３を制御してシート２１の高さ位置を上昇させる。

　而して、本実施形態では、使用者Ｍが自発的に膝の曲げ角度θを適正角度よりも小さくして運動した場合において、検出部８３の検出結果から推測される脚部の実際の負荷が適正範囲を超えていたときに制御部８２がシート２１と足置き面４０ａとの距離（シード部２１の上下方向の位置）、すなわち、使用者Ｍの膝の曲げ角度θを調整することで安全性を保ったまま、対象とする筋肉に運動負荷をかけることができる。

　なお、上記の各実施形態で示された個別の特徴は、任意に組み合わせることが可能である。

Claims (7)

1. 　使用者の足を載せる足置き面を備えた足置き台と、
   　前記使用者が前記足置き面に足裏を載せている状態で前記使用者の臀部を支持する接触面を有するシートと、
   　前記使用者の膝の曲げ角度を適当な角度とするように、前記シートを上下方向及び左右方向に移動させて、前記足置き面から標準高さ高い運動基準位置に位置させるシート高さ調整装置と、
   　前記シートを前記運動基準位置を中心に揺動させ、前記使用者の脚部に作用する自重を変化させるシート駆動装置とを備え、
   　前記標準高さよりも、シートの接触面と足置き面との距離が短くなるに伴って、前記使用者の膝関節にかかる負荷を変化させる負荷調整手段を備えることを特徴とする運動補助装置。
   
2. 　前記シート駆動装置は、前記シートを可変の周期で前記運動基準位置を中心に揺動させるように構成されており、前記足置き面からの前記シートの高さが標準高さにあるときに所定の周期で前記シートを揺動させるように構成されており、
   　前記負荷調整手段は、前記足置き面から前記シートまでの高さが標準高さよりも低くなるに伴って、所定の周期よりも長い周期で前記シートを前記運動基準位置を中心に揺動させることを特徴とする請求項１に記載の運動補助装置。
   
3. 　前記シート駆動装置は、前記シートを可変の変位量で前記運動基準位置を中心に揺動させるように構成されており、前記シートの前記足置き面からの高さが標準高さにあるときに所定の変位量で前記シートを揺動させるように構成されており、
   　前記負荷調整手段は、前記足置き面から前記シートまでの高さが標準高さよりも低くなるに伴って、所定の変位量以下の変位量で前記シートを前記運動基準位置を中心に揺動させることを特徴とする請求項１に記載の運動補助装置。
   
4. 　前記シートは、前記足置き面からの高さが標準高さにあるときに前記接触面が所定の面積となるように構成されており、
   　前記負荷調整手段は、前記足置き面からの前記シートの高さが標準高さよりも低くなるに伴って、前記シートの臀部との接触面を増大させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の運動補助装置。
   
5. 　前記負荷調整手段は、前記足置き面からの前記シートの高さが標準高さよりも低くなるに伴って、前記シートを後傾するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の運動補助装置。
   
6. 　前記負荷調整手段は、前記使用者の脚部の筋活動を検出する検出部と、
   　前記シートの接触面の上下方向の位置が検出部による前記筋活動の検出結果に応じた位置となるように前記シート高さ調整装置を制御する制御部とを有することを特徴とする請求項１に記載の運動補助装置。
   
7. 検出部は、使用者の大腿直筋、内側広筋、外側広筋の筋活動を検出するものであることを特徴とする請求項６記載の運動補助装置。

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