JP5016203B2 - 運動補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、使用者が少なくとも臀部をシート部を載せた状態で使用者の自重で脚部に作用する負荷を調節することにより、比較的楽な姿勢ながらも使用者の筋肉を筋収縮させることができる運動補助装置に関するものである。

一般に、使用者が自発的に身体を動かさなくとも、外部からの力により使用者に他動的な運動刺激を与えることにより、使用者の筋肉に筋収縮を生じることが知られている。つまり、他動的な運動刺激であっても、筋肉が筋収縮すれば筋肉にブドウ糖が取り込まれて糖代謝が高まるから、ブドウ糖を消費させることになり、ひいては糖尿病の改善に寄与すると考えられる。つまり、高血糖、高インスリン血症の改善の結果、生活習慣病（糖尿病、肥満、高脂血症など）の改善に寄与すると言える。

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（とくに有酸素運動に寄与する赤筋（遅筋））に筋収縮を生じさせることが望ましく、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る。大腿部の筋肉の筋収縮を促す運動補助装置としては、使用者が足を着いた状態で使用者の臀部を上端部で支持する支持台を設け、支持台を傾動させるように構成したものがある（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００５−５８７３３号公報

上述した運動補助装置では、支持台が傾動するものであるから、支持台が傾くのに必要な比較的大きなスペースが必要であり、しかも、支持台の下端部には使用者の自重による比較的大きなモーメントが作用するものであるから、支持台には比較的大きい強度を持たせることが必要になる。その結果、使用時に必要な占有スペースが大きくなって使用場所に制約が生じ、また支持台ないしは支持台を傾動可能に支持する部材の材料強度を高める必要があるから高価になるという問題を生じる。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来構成に比較して使用時に必要なスペースを小さくすることにより使用場所の制約を少なくし、しかも支持台の材料強度を従来構成よりも低減することができる運動補助装置を提供することにある。

請求項１の発明は、使用者が少なくとも臀部を載せるシート部と、定位置に立設されシート部が上端に配置された支持台と、使用者の自重により脚部に作用する負荷を変化させるように使用者の自重のうちシート部で支持する割合を調節する負荷調節部と、使用者の自重のうちシート部で支持する割合が時間経過に伴って変化するように負荷調節部を駆動する駆動機構部とを備え、負荷調節部は、使用者の各一方の大腿部と臀部とを含む面内においてシート部のうち臀部を載せる部位を水平になる第１位置と足側に向かって下り傾斜する第２位置との間で傾動可能となるように支持台の上端にシート部を結合し、駆動機構部は該シート部のみを第１位置と第２位置とが交互に繰り返すように駆動することを特徴とする。

この構成によれば、定位置の支持台に対してシート部の傾斜角度を変化させることにより使用者の脚部に作用する負荷を変化させので、主として使用者の脚部の筋肉の筋収縮を促すことができ、脚部の筋力を強化したり筋収縮による筋へのブドウ糖の取り込みによって糖代謝を高めることができる。しかも、支持台の上端にシート部が配置され、支持台の上端に負荷調節部を介してシート部が結合されることにより、使用者の臀部を載せるシート部のみが移動し支持台は移動しないから、動作に必要な空間領域が比較的小さく、支持台が傾斜する構成よりも使用時の占有スペースを少なくすることができる。また、支持台は位置が変化せず支持台に対するシート部の傾斜角度が変化するから、使用者の自重によるモーメントは支持台とシート部とを連結している部位の回りに作用するのであって支持台の下端部の回りに作用するモーメントよりも大幅に低減されることになり、シート部を支持台に結合している部位の強度は、従来構成において支持台の下端部を傾動可能に支持する部位の強度よりも低減することができるのであって、コストの低減が可能になる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記シート部に臀部を載せた使用者の上体の一部を拘束することにより使用者の上体の位置の範囲を規制するとともに上体の位置の規制範囲が前記駆動機構部に連動して可変である上体支持部を備えることを特徴とする。

この構成によれば、使用者の上体の一部を拘束することによって使用者の上体が必要以上に前傾したり後傾したりするのを防止することができ、結果的に脚部に作用する負荷を所期の適性範囲に収めることができる。

請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記上体支持部は前記シート部に臀部を載せた使用者の上体前面に当接することを特徴とする。

この構成によれば、請求項２の作用に加えて、シート部が第２位置であるときにシート部に対する使用者の臀部の位置がずれるのを防止し、また使用者がシート部から誤って落ちるのを防止することができる。

請求項４の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記負荷調節部は、前記シート部において使用者に接触する面積と、前記支持台に対するシート部の水平方向の位置との少なくとも一方が可変であることを特徴とする。

この構成によれば、シート部について、使用者に接触する面積または支持台に対する水平方向の位置を調節することにより、使用者の自重のうち脚部に作用する負荷とシート部で受ける荷重との割合を調節することができ、体格の相違により生じる脚部への負荷の相違を調節し、脚部に作用する負荷が過剰にならないように調節することが可能になる。

請求項５の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明において、前記シート部に臀部を載せた使用者が足を載せるステップ部を備え、ステップ部は足裏の複数箇所にそれぞれ当接するとともに個々に独立して移動することによりステップ部と足裏との接触面積を変化させる複数個の部分ステップと、各部分ステップをそれぞれ駆動する駆動源とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、部分ステップ部を移動させることにより足裏に作用する荷重の大きさや位置を調節することにより、使用者の脚部の各関節（とくに膝関節および足関節）に作用する負荷を調節し、また負荷を作用させる筋を変化させることができる。

請求項６の発明では、請求項１ないし請求項５のいずれかの発明において、前記シート部に臀部を載せた使用者が手で把持可能な手摺部を備えることを特徴とする。

この構成によれば、バランス機能の低下した使用者であれば手摺部を把持して使用することが可能になり、使用者に安心感を与えることができる。

本発明の構成によれば、支持台の上端にシート部が配置され、支持台の上端に負荷調節部を介してシート部が結合されることにより、使用者の臀部を載せるシート部のみが移動し支持台は移動しないから、動作に必要な空間領域が比較的小さく、支持台が傾斜する構成よりも使用時の占有スペースを少なくすることができるという利点がある。また、支持台は位置が変化せず支持台に対するシート部の傾斜角度が変化するから、使用者の自重によるモーメントは支持台とシート部とを連結している部位の回りに作用するのであって支持台の下端部の回りに作用するモーメントよりも大幅に低減されることになり、シート部を支持台に結合している部位の強度は、従来構成において支持台の下端部を傾動可能に支持する部位の強度よりも低減することができる。その結果、コストの低減が可能になる。

（実施形態１）
本実施形態は、図１に示すように、床のような設置面に設置される架台１を有し、架台１の定位置には支持台２が立設され、支持台２の上端には使用者Ｍが臀部を載せるシート部３が配置される。本実施形態におけるシート部３は、使用者Ｍの臀部を載せる主座部３ａと、主座部３ａから斜め下向きに延設されるとともに先端部が二股状に形成され使用者Mの大腿部を載せる補助座部３ｂとを備える。すなわち、使用者Ｍが脚を左右に広げた状態で、主座部３ａと補助座部３ｂとの境界付近に大腿部の付け根の位置を合わせるように着座すると、大腿部が補助座部３ｂに支持されるように主座部３ａと補助座部３ｂとの角度が設定されている。

シート部３は支持台２に対して負荷調節部４を介して結合され支持台２に支持される。負荷調節部４は、図１のように主座部３ａの上面が水平になる第１位置と、図２のように主座部３ａの上面が臀部から足側に向かって下り傾斜する第２位置との間でシート部３が傾動可能になるようにシート部３を支持台２に結合する。ここに、第２位置には、臀部と左足とを含む面内で傾斜する状態と、臀部と右足とを含む面内で傾斜する状態とがある。以下では、第２位置で左脚側に傾斜する状態を第２位置（左）と表し、第２位置で右脚側に傾斜する状態を第２位置（右）と表す。

架台１には使用者Ｍが左右の各足をそれぞれ載せる一対のステップ部５が設けられ、第１位置と第２位置とのいずれにおいても使用者Ｍの足はステップ部５に接触する。したがって、使用者Ｍの自重は、シート部３とステップ部５とで受けることになる。

第１位置と第２位置とでは、使用者Ｍの自重によってシート部３に作用する荷重は第１位置のほうが第２位置よりも大きく、使用者Ｍの自重によってステップ部５に作用する荷重は第２位置のほうが第１位置よりも大きくなる。つまり、シート部３の傾動により使用者Ｍの自重によって使用者Ｍの脚部に作用する負荷が変化し、使用者Ｍの脚部における筋収縮を誘発することができる。

そこで、負荷調節部４を駆動する駆動機構部６ａを設け、駆動機構部６ａはモータのような駆動源を備え負荷調節部４を駆動することにより、第１位置と第２位置とを交互に繰り返させる。具体的には、第１位置→第２位置（左）→第１位置→第２位置（右）→第１位置という具合に、支持台２に対してシート部３を移動させる。この動作を実現するために、たとえば、負荷調節部４にはシート部３に結合した左右一対のクランクを設け、駆動機構部６ａには各クランクと結合されるリンクを設ける。駆動機構部６ａは図示しない制御部によりモータの動作と停止および回転数が制御される。

上述の構成により、図１のようにシート部３における主座部３ａに使用者Ｍの臀部が支持されるとともに、シート部３における補助座部３ｂに使用者Ｍの大腿部が支持される状態と、図２のように主座部３ａに使用者Ｍの臀部が支持されるものの補助座部３ｂでは使用者Ｍの大腿部がほとんど支持されない状態とを繰り返すことになる。つまり、第１位置では使用者Ｍの自重の大部分をシート部３ａで受けることができるから使用者Ｍの脚に作用する負荷は比較的小さいが、第２位置ではシート部３の主座部３ａが前向きに下り傾斜するから使用者Ｍの臀部には主座部３ａの上面に沿った前方に向かう分力が作用し、使用者Ｍの脚部に作用する負荷が増加する。したがって、第１位置と第２位置とを交互に繰り返すことにより、使用者Ｍの脚部の筋肉に筋収縮を生じるのであって、他動的な運動が可能になる。

ここにおいて、シート部３を左右に傾斜（つまり、支持台２と各一方のステップ部５とを含む面内で傾斜）させているのは、膝関節に左右方向の力が作用しないようにするためであり、この動作によって、膝関節に痛みを持つ使用者Ｍでも使用することが可能になる。しかも、使用者Ｍの自重による荷重が片脚ずつに作用するから、両脚に同時に荷重を作用させる場合よりも大きい荷重を与えることができる。また、膝関節に痛みがある場合には膝関節の伸展位置からの曲げ角度を所定角度（たとえば、４０度）以上に大きくすると痛みが大きくなることが知られているから、シート部３の傾き角度は膝関節の曲げ角度が所定角度以下に保たれるように制限される。具体的には水平面に対してシート部３の主座部３ａの傾斜角度が２０度以下（０〜２０度）になるようにシート部３の傾き角度が制限されている。

上述したように架台１に対して定位置に固定されている支持台２に対してシート部３のみを傾動させるから、従来構成のように支持台を傾動させる構成に比較すると、負荷調節部４においてシート部３の回転中心の回りに作用するモーメントが小さくなり、駆動機構部６ａの駆動力を低減することができる。また、動作に必要なスペースも従来構成に比較すると少なくなる。

ところで、使用者Ｍがシート部３に着座したときにシート部３と接触する面積は使用者の体格によって異なるものであるから、第２位置において脚部に作用する負荷の大きさが使用者Ｍの体格に応じて変化し、所期の運動効果が得られない場合や過負荷になったりする場合がある。また、体格差だけではなく使用者Ｍの筋力によっても脚部に作用する負荷の大きさを調節することが必要である。

そこで、負荷調節部４では、シート部３が支持台２に対して前後にスライド可能になるように構成するのが望ましい。この構成を実現するために、たとえば、シート部３を前後方向に案内するレールと、シート部３をレールに沿って移動させる状態とシート部３を前後に移動しないように固定する状態とを切り換えるレバーとを設ける。レバーは自転車の車軸をフォークに取り付けるクイックリリースレバーと同様の構成のカムチャックを採用すればよい。

さらに、シート部３における主座部３ａを前後に２分割しておき、パンタグラフ状の拡げ締め機構によって前後の分割部分を結合することにより、主座部３ａの面積を変化させる構成を採用してもよい。この構成により、図３（ａ）のように主座部３ａを前後方向において伸長させた状態と、図３（ｂ）のように主座部３ｂを前後方向において収縮させた状態との間で、使用者Ｍの臀部を支持する主座部３ａの面積を調節することが可能になり、面積の調節によりシート部３で支持する荷重の割合を調節し、脚部に作用する負荷を増減させることができる。

シート部３の面積を調節する技術としては、図４に示すように、主座部３ａに対する補助座部３ｂの角度を変化させる構成を採用することもできる。すなわち、図４（ａ）のように主座部３ａに対する補助座部３ｂの角度を小さくして補助座部３ｂに大腿部から作用する荷重を大きくする状態と、図４（ｂ）のように主座部３ａに対する補助座部３ｂの角度を大きくして補助座部３ｂに大腿部から作用する荷重を小さくする状態との間で、使用者Ｍの大腿部から補助座部３ｂに作用する荷重を調節することが可能になり、脚部に作用する負荷を増減させることができる。なお、シート部３をスライドさせる構成と、主座部３ａを伸縮させる構成と、補助座部３ｂの角度を変える構成とは適宜に組み合わせて用いることができる。

（実施形態２）
本実施形態は、使用者Ｍの上体の一部を拘束する上体支持部を設けることにより、使用者Ｍの上体が必要以上に前傾したり後傾したりするのを防止するものである。すなわち、シート部３が第２位置に位置したときに、使用者Ｍの上体が想定よりも前傾すると脚部に作用する負荷が過剰になり、想定よりも後傾すると脚部に作用する負荷が不足する。そこで、本実施形態では、所期の負荷を脚部に作用させるように上体の位置を制限しているのである。

図５に示す構成例は、シート部３に臀部を載せた使用者Ｍの腰背部に当接する背もたれ状の上体支持部７をシート部３に連結したものである。シート部３と上体支持部７とはモータを駆動源とする駆動機構部６ｂを介して結合してあり、駆動機構部６ｂは、駆動機構部６ａによるシート部３の傾動に連動してシート部３に対する上体支持部７の角度が調節されるように制御される。

この構成により使用者Ｍの上体の後傾を防止し、所期の負荷を脚部に与えることが可能になる。ただし、前傾は防止していないから、使用者Ｍの上体が前傾しすぎるときには脚部に作用する負荷が過剰になるおそれがある。そこで、使用時には両腕を上体支持部７の後に回し上体の前傾を防止するのが望ましい。

上体の前傾を防止する構成として、図６に示すように、使用者Ｍの上体前面に当接して上体の前方への移動を制限する拘束具７ａを上体支持部７に付加するのが望ましい。図示する拘束具７ａは、一端部がシート部３に軸着される１本のアーム７ｂと、アーム７ｂの他端部に連結され使用者Ｍの腹部に当接する支持バー７ｃとを連結した形状を有している。したがって、使用者Ｍは拘束具７ａの支持バー７ｃにおける開放側からシート部３と拘束具７ａとの間に腰を入れ、シート部３に着座することになる。また、拘束具７ａがシート部３に軸着されているから、使用者Ｍの胴回りに応じて位置を調節することができる。

拘束具７ａを備える構成では、図６（ａ）のようにシート部３の上面が前傾して第２位置に位置するときに、使用者Ｍの臀部が前方に滑るのを防止することができ、また、使用者Ｍの腹部に拘束具７ａが当接していることで、使用者Ｍの上体の前傾を抑制することができる。

なお、図６に示す構成例では拘束具７ａをシート部３に軸着しているが、軸着せずに固着してもよい。また、拘束具７ａの形状は上述したものに限らず、たとえば、飛行機のシートベルト状のものであってもよい。さらにまた、上体支持部７は、必ずしもシート部３に結合する必要はない。ただし、シート部３に連結すれば嵩張らず省スペースになる。

また、拘束具７ａは使用者Ｍの腹部の前方への移動を防止すればよいから、シート部３の前端部における左右方向の中間部にＴ字状の拘束具７ａを取り付けてもよい。この場合、使用者Ｍがシート部３に着座するときには拘束具７ａを前に倒しておき、使用者Ｍがシート部３に着座してから拘束具７ａを起こし、拘束具７ａの位置を固定する構成を採用してもよい。他の構成および動作は実施形態１と同様である。

（実施形態３）
本実施形態は、図７に示すように、ステップ部５を複数個（図示例では２個）の部分ステップ５ａ，５ｂで構成したものである。各部分ステップ５ａ，５ｂは、それぞれ架台１に対して移動可能になっている。また、ステップ部５は、各部分ステップ５ａ，５ｂをモータのような駆動源によりそれぞれ駆動する駆動機構部６ｃを備える。部分ステップ５ａ，５ｂの移動はシート部３の移動に連動させるから、部分ステップ５ａ，５ｂを駆動する駆動源は、必ずしも部分ステップ５ａ，５ｂごとに設ける必要はなく、複数の部分ステップ５ａ，５ｂを１つの駆動源で駆動することが可能である。部分ステップ５ａ，５ｂは、架台１に対して上下方向の位置と前後方向（図７の左右方向）の位置と左右方向（図７の面に直交する方向）の位置と傾き角度（左右軸回り、前後軸回りの少なくとも一方）との少なくとも１種類を変化させることが可能になっている。

図示例では、前後２個の部分ステップ５ａ，５ｂの上下方向の位置と左右軸回りでの傾き角度とを変化させる構成を採用している。シート部３が図７（ａ）のように第１位置であるときには、前方の部分ステップ５ａが足裏から離れるように後方の部分ステップ５ｂに対して傾斜している。シート部３が第１位置から第２位置に移動する間に、後方の部分ステップ５ｂが足裏から次第に離れるように傾斜させ、逆に前方の部分ステップ５ａを足裏に近づくように水平に近付ける。この動作によって、足裏に作用する使用者Ｍの自重によるステップ部５への荷重の作用位置は踵から爪先に向かって移動する。シート部３を第２位置から第１位置に移動させるときには、逆にステップ部５の荷重の作用位置は爪先から踵に向かって移動する。

上述した動作では、使用者Ｍの自重による負荷がシート部３の第２位置においては足の爪先側に集中するから、足部の背面側の筋群を筋収縮させることができる。すなわち、大腿部の背面側の大腿二頭筋の筋収縮を促すとともに、腓腹筋の筋収縮を促すことができる。

上述した部分ステップ５ａ，５ｂの動作例は一例であって、上述のように部分ステップ５ａ，５ｂの傾き角度を変化させる代わりに上下方向に移動させることによっても同様の効果が期待できる。また、筋収縮を促す筋の種類や膝関節ないし足関節への負荷の軽減のために部分ステップ５ａ，５ｂの位置を調節することも可能である。他の構成および動作は上述した各実施形態と同様である。

ところで、各部分ステップ５ａ，５ｂには荷重センサ（図示せず）を設け、荷重センサで検出した荷重が目標値になるように部分ステップ５ａ，５ｂの位置をフィードバック制御するのが望ましい。このようなフィードバック制御を行えば、使用者Ｍの脚部に作用する負荷を適性範囲に保つことが可能になる。なお、荷重センサには、圧電素子を備えるロードセルあるいは差動トランスを用いる。

また、上述した例ではステップ部５を２個の部分ステップ５ａ，５ｂで構成した例を示したが、図８に示すように、さらに多数個（図示例は９個）の部分ステップ５ｃを設けてもよい。この構成例のように多数個の部分ステップ５ｃを設け、各ステップ部５ｃの位置を荷重センサで検出した荷重に基づいてフィードバック制御すれば、歩行時などに足裏に作用する荷重を模擬することが可能になる。歩行時などに足裏に作用する荷重を模擬すれば、歩行時に機能する神経系が刺激され、一種の歩行訓練になる。

（実施形態４）
上述したようにシート部３の傾き角度を変化させることにより使用者Ｍの自重で脚部に作用する負荷を変化させるものであるから、高齢者のようにバランス機能が低下している使用者Ｍでは使用に際して不安感を抱くことがある。そこで、本実施形態では、図９に示すように、使用者Ｍが手で把持可能な手摺部８を設けている。図９に示す手摺部８は、架台１に立設した支柱８ａの上端に手で握る把持部８ｂを設けたものでありＴ字状に形成されている。手摺部８を設けたことにより、傾動するシート部３に着座することに対する不安感を防ぐことができる。

図９に示す構成例では、手摺部８を架台１に固定しているから、シート部３の傾動に伴って使用者Ｍと手摺部８との相対位置が変化する。もちろん、このような位置変化によって使用者Ｍの上体の筋収縮を促すことができるが、手摺部８はバランス機能が低下している使用者Ｍに安心感を持たせるために設けているから、使用者Ｍに対する手摺部８の相対位置は変化しないほうがよい場合もある。そこで、図１０に示すように、手摺部８をシート部３に一体に設けた構成を採用してもよい。

この構成ではシート部３の前端部付近において左右両側に手摺部８を設けているから、使用者Ｍは両手で手摺部８を把持することができ、しかも手摺部８はシート部３とともに移動するから、使用者Ｍと手摺部８との相対位置が変化しないのであって、装置の使用の際の使用者Ｍの安心感を高めることができる。なお、図１０に示す構成例はシート部３の左右に手摺部８を設けているが、シート部３における左右方向の中間部に手摺部８を設け、この手摺部８を片手または両手で握るようにしてもよい。他の構成および動作は上述した各実施形態と同様である。

実施形態１の側面から見た動作説明図である。 実施形態１の正面から見た動作説明図である。 実施形態１の他の構成例の側面から見た動作説明図である。 実施形態１の別の構成例の側面から動作説明図である。 実施形態２の側面から見た動作説明図である。 （ａ）は実施形態２の他の構成例の概略側面図、（ｂ）は同上の概略斜視図図である。 実施形態３の側面から見た動作説明図である。 実施形態３の他の構成例の要部平面図である。 実施形態４の概略斜視図である。 実施形態４の他の構成例の概略斜視図である。

符号の説明

１ 架台
２ 支持台
３ シート部
４ 負荷調節部
５ ステップ部
５ａ，５ｂ，５ｃ 部分ステップ
６ａ，６ｂ．６ｃ 駆動機構部
７ 上体支持部
８ 手摺部
Ｍ 使用者

Claims (6)

1. 使用者が少なくとも臀部を載せるシート部と、定位置に立設されシート部が上端に配置された支持台と、使用者の自重により脚部に作用する負荷を変化させるように使用者の自重のうちシート部で支持する割合を調節する負荷調節部と、使用者の自重のうちシート部で支持する割合が時間経過に伴って変化するように負荷調節部を駆動する駆動機構部とを備え、負荷調節部は、使用者の各一方の大腿部と臀部とを含む面内においてシート部のうち臀部を載せる部位を水平になる第１位置と足側に向かって下り傾斜する第２位置との間で傾動可能となるように支持台の上端にシート部を結合し、駆動機構部は該シート部のみを第１位置と第２位置とが交互に繰り返すように駆動することを特徴とする運動補助装置。
2. 前記シート部に臀部を載せた使用者の上体の一部を拘束することにより使用者の上体の位置の範囲を規制するとともに上体の位置の規制範囲が前記駆動機構部に連動して可変である上体支持部を備えることを特徴とする請求項１記載の運動補助装置。
3. 前記上体支持部は前記シート部に臀部を載せた使用者の上体前面に当接することを特徴とする請求項２記載の運動補助装置。
4. 前記負荷調節部は、前記シート部において使用者に接触する面積と、前記支持台に対するシート部の水平方向の位置との少なくとも一方が可変であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の運動補助装置。
5. 前記シート部に臀部を載せた使用者が足を載せるステップ部を備え、ステップ部は足裏の複数箇所にそれぞれ当接するとともに個々に独立して移動することによりステップ部と足裏との接触面積を変化させる複数個の部分ステップと、各部分ステップをそれぞれ駆動する駆動源とを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の運動補助装置。
6. 前記シート部に臀部を載せた使用者が手で把持可能な手摺部を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の運動補助装置。

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