(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
左右の足それぞれで踏むための２枚の踏み板と、
前記２枚の踏み板の下方に、左右の踏み板それぞれに対応して気密的に分離された又は分離可能な支持用空気室を備え、
前記左右で分離された又は分離可能な支持用空気室は、踏み板の１枚毎に少なくとも踏み板の４隅近傍で該踏み板を下方から支持しており、前記それぞれの支持用空気室の圧力を測定し、それぞれの支持用空気室内の圧力を所定の範囲内で任意に設定し、その後、使用者が前記踏み板に荷重を加えた際に、前記それぞれの踏み板の中央近傍の位置変化量を計測することにより、前記それぞれの踏み板に加えられた荷重を推定して計算し、該荷重を基に運動量を計算することを特徴とする運動量計測装置。
【請求項２】
左右の足それぞれで踏むための２枚の踏み板と、
前記２枚の踏み板の下方に、左右の踏み板それぞれに対応して気密的に分離された又は分離可能な空気回路を備え、
前記左右で分離された又は分離可能な空気回路は、踏み板の１枚毎に少なくとも踏み板の４隅近傍で該踏み板を下方から支持する支持用空気室と、
前記踏み板のほぼ中央にて該踏み板を下方から支持する計測用空気室と、
前記支持用空気室と前記計測用空気室を繋ぐ通路と、
該通路の連通状態と閉塞状態を選択的に切り替え可能な弁とで構成され、
前記弁を連通状態にして前記計測用空気室の圧力を測定し、所定の範囲内で左右それぞれの支持用空気室及び計測用空気室の圧力を任意に設定し、
その後、前記弁を閉塞状態にして、使用者が前記踏み板に荷重を加えた際に、
前記計測用空気室内の圧力変化を計測することにより、前記それぞれの踏み板に加えられた荷重を推定して計算し、該荷重を基に運動量を計算することを特徴とする運動量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気クッションの上に置いた板状部品の上で足踏み運動などをした際に発生する板状部品の上下方向の位置変化を検出して運動量を計測する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明者は特許文献１にて、ゴム又はこれに類する弾力性のあるマット状の本体の内部に、クッション性と反発性を調整するための空気室を設け、マット上で足踏み運動又は走行運動をした時に発生する空気圧の変動を圧力センサーで測定し、この圧力変動のデータから運動の回数や強さを計算し表示することにより、各個人に適した歩行運動又は走行運動が継続的・計画的に実施できるようにした運動量計測装置を提案した。【０００３】
しかしながら、上記マット状の運動量計測装置には次のような問題があった。
（１）同じ荷重でマットを踏んでも、荷重を加える面積の大きさによって圧力上昇量が異なる。たとえば足裏全体で荷重を加えるより、つま先や踵だけで荷重を加えた方が圧力変化が大きい。
（２）足で踏む範囲のすべてに空気室を配置したので、空気室の容積が大きくなり、その結果、荷重を加えた際の圧力上昇量が小さく、精度の高い計測が困難だった。
（３）円筒形の空気室を面状に配置して一体成型する構造だったので、製造するには大きな金型が必要であり、また、空気室が内圧で膨張しないようにするために各円筒形空気室の外周に沿って強化用の糸をモールドすることが求められたが、それを実現するのが困難だった。
（４）円筒形の空気室をマット状に一体成型する構造だったので、圧力センサーや切り替え弁を気密を保ちながら設置する構造が難しく、また設置するスペースを確保することが容易でなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４５２０３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、荷重を加える面積や箇所にかかわらず加えた荷重の大きさを正確に測定可能であり、センサーが感知する荷重変動の大きさがノイズに対して十分に大きく、製造が容易でコストが低く、圧力センサーや切り替え弁を設置するスペースを確保しやすく、メンテナンスも容易に行える空気クッションを利用した運動量計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
左右の足それぞれで踏むための２枚の踏み板と、前記２枚の踏み板の下方に、左右の踏み板それぞれに対応して気密的に分離された又は分離可能な支持用空気室を備え、前記左右で分離された又は分離可能な支持用空気室は、踏み板の１枚毎に少なくとも踏み板の４隅近傍で該踏み板を下方から支持し、前記それぞれの支持用空気室の圧力を測定し、所定の範囲内でそれぞれの支持用空気室内の圧力を任意に設定し、使用者が前記踏み板に荷重を加えた際に、前記それぞれの踏み板の中央近傍の位置変化量を計測することにより、前記それぞれの踏み板に加えられた荷重を推定して計算し、前記荷重データを基に、使用者が前記踏み板上で行う歩行又は走行運動などの歩数、歩行速度又は走行速度、歩行距離又は走行距離、消費エネルギー等を仮想的に演算し、演算した結果を表示する運動量計測装置である。【０００７】
前記それぞれの踏み板の中央近傍の位置変化量を計測する代わりに、前記踏み板のほぼ中央にて該踏み板を下方から支持する計測用空気室を設け、前記支持用空気室と前記計測用空気室を繋ぐ通路上に、連通状態と閉塞状態を選択的に切り替え可能な弁を設け、前記支持用空気室と前記計測用空気室を同一圧力に設定した後に、前記切り替え弁を閉塞状態にし、前記計測用空気室内の圧力変化を計測することにより、前記踏み板に加えられた荷重を推定して計算する運動量計測装置である。【０００８】
前記荷重の計算方法は、支持用空気室の複数の設定圧力に対し、踏み板に既知の荷重を加えた際の踏み板の中央近傍の位置変化量、又は計測用空気室の圧力増加量をあらかじめマップデータとして記憶しておくことにより、使用者が任意の設定圧力において、任意の荷重を加えた際に、前記マップデータを基に使用者が加えた荷重を補間して計算する運動量計測装置である。【０００９】
前記左右の踏み板に対して気密的に分離可能な空気室又は空気回路は、共通の１つの空気ポンプ（空気圧縮機）に連結され、前記空気ポンプと前記それぞれの空気室又は空気回路の間に、連通状態と閉塞状態を選択的に切り替え可能な弁を設けることにより、各空気室の圧力設定を容易にした運動量計測装置である。【００１０】
大気に対して連通状態と閉塞状態を選択的に切り替え可能なリーク用の弁を、前記空気ポンプと並列に設けたことを特徴とする運動量計測装置である。【００１１】
前記空気ポンプは電動機で駆動され、電動機を起動する際には、前記リーク用の弁を開き、前記電動機が起動した後に、前記リーク用の弁を閉じることにより電動機の起動を容易にした運動量計測装置である。【００１２】
前記電動機で駆動される空気ポンプにおいて、空気室の現在圧力が目標圧力より低い場合には、現在圧力と目標圧力と、予め測定された電動機の運転時間と圧力上昇曲線との関係から、電動機の運転時間を計算によって決定し、支持用空気室、又は支持用空気室と計測用空気室の圧力調整を行う運動量計測装置である。【００１３】
空気室の現在圧力が目標圧力より高い場合には、現在圧力と目標圧力と、予め測定されたリーク用の弁の開弁時間と圧力下降曲線との関係から、前記リーク用の弁の開弁時間を計算によって決定し、支持用空気室、又は支持用空気室と計測用空気室の圧力調整を行う運動量計測装置である。【００１４】
前記それぞれの空気室の形状を円筒形にすることにより製造を容易にした運動量計測装置である。【００１５】
前記円筒形の空気室が、シート状の弾性体で覆われており、該シート状の弾性体を運動量計測装置本体の底板に固定することにより前記空気室が前記底板の所定の位置に保持され、かつ、前記空気室と前記踏板の間に前記シート状の弾性体が存在していることにより、空気室の磨耗を防いだ運動量計測装置である。【００１６】
前記円筒形の空気室が、円周方向にほぼ平行な糸と軸方向にほぼ平行な糸を織成または編成した繊維補強層を、内面及び外面から軟質合成樹脂または軟質ゴムによって被覆し積層して形成したホース体から成る運動量計測装置である。【００１７】
前記ホース体の端部に取り付けられるホース端部取付部品（閉塞部品又は連結部品又は圧力センサー取付け部品）は、最大外径がホース体の内径よりわずかに大きく、前記最大外径から細くなる外周テーパー面を有し、前記外周テーパー面がホース体の端部側を向くように前記ホース端部取付け部品をホース体に挿入後、ホース体の端部側から内周テーパー面を有したリングを前記ホース体の外周に嵌めて前記ホース端部取付け部品の外周テーパー面に重なるように軸方向に押し込むことにより、前記リングの内周テーパー面と前記ホース端部取付け部品の外周テーパー面の間に前記ホース体が挟まれることにより気密を保持する運動量計測装置である。【００１８】
踏み板を装着した状態の運動量計測装置本体を、布帛又はゴムなどからなる柔軟性のあるカバーで、少なくとも上面と側面を覆ってある運動量計測装置である。【００１９】
計測用空気室を備えた運動量計測装置の使用後、使用者が踏み板に乗っていない状態において、支持用空気室と計測用空気室間に設置した切り替え弁を連通状態に切り替えた直後に、計測用空気室の圧力が上昇した際には計測用空気室に漏れがあると判断し、計測用空気室の圧力が下降した際には支持用空気室に漏れがあると判断する故障診断機能を備えた運動量計測装置である。【００２０】
前記いずれかの運動量計測装置において、運動量を計算するデータ処理装置に、インターフェイスを介して高さを電動機で制御する手すり構造を付加した運動量計測装置である。
【発明の効果】
【００２１】
圧力を任意に設定可能な支持用空気室により、踏み板を下方から支持しているので、踏み板を踏んだ際の衝撃力が緩和され、使用者の関節への負荷が低減し、騒音や振動も軽減されるという効果は特許文献１と同等でありながら、剛性の高い踏み板を介して支持用空気室を押すので、足裏全体で踏んでもつま先や踵だけで踏んでも荷重が同じであれば支持用空気室の変形量は同じになり、結果的に精度の高い計測が可能になる。
また、踏む位置が偏れば踏み板が傾斜することになるが、踏み板のほぼ中央の位置変化量を計測することにより、踏み板が傾斜することによる計測誤差を小さくすることができる。
また踏み板が傾斜することを許容することにより、高精度のガイド機能は不要になるので低コストで製作可能であり、かつ磨耗しやすい摺動部分が無いので高い耐久性を得ることができる。【００２２】
支持用空気室の圧力は、許容圧力内で任意に設定できるので、たとえば体重の軽い使用者に対しては低い空気圧に設定し、体重の重い使用者に対しては高い空気圧に設定することにより、踏み板上で各人が運動をした際の踏み板の位置変化量を同等にすることができる。すなわち体重が軽い人も重い人も同程度の正確さで運動量を計測することができ、かつ空気クッションの硬さを体重に対して適切に選ぶことができる。【００２３】
支持用空気室の複数の設定圧力に対し、踏み板に加えた荷重と、踏み板の中央近傍の位置変化量、又は計測用空気室の圧力変化量の関係をマップデータとして記憶しておくことにより、使用者が任意の設定圧力において、任意の荷重を加えた際に、前記マップデータを基に使用者が加えた荷重を補間して計算することをができるので、精度の高い運動量計測が可能になる。【００２４】
踏み板の中央近傍の位置変化量を計測する代わりに、踏み板のほぼ中央を下方から支持する計測用空気室を設けて、該計測用空気室の圧力変化を計測することにより踏み板に加えられた荷重を推定することができる。
この場合は、支持用空気室と計測用空気室を通路で繋ぎ、該通路に開閉弁を設けることで、弁を開いた状態で支持用空気室と計測用空気室の初期圧力を同じ圧力に設定し、弁を閉じた状態で運動量を計測する。この構成にすることにより、位置センサーが不要になり、２個の圧力センサーで初期圧力の設定と運動量の計測が可能になる。【００２５】
運動量計測装置本体に、踏み板をガイドする機能と空気室を収納する機能を持たせると同時に、空気回路を構成する連結管や弁をすべて収納することができる。
また必要に応じて運動量計測装置本体内に電動空気ポンプ、電磁弁、電源回路、ＡＤ変換回路、電磁弁を制御するリレーなどを設けることができるので、外部に設けるデータ処理装置や表示部との配線を単純化することができる。
以上のように運動量計測装置本体内のレイアウトを比較的自由に設計できるので、連結管や空気回路の接続部品、電磁弁、空気ポンプ、電動機などは市販のものを使用することが可能であり、コストを低減でき修理も容易である。【００２６】
左右の踏み板に対応して気密的に分離可能な空気回路に１つの空気ポンプを連結し、前記空気ポンプとそれぞれの空気回路の間に電磁弁を設け、かつ前記空気ポンプと並列にリーク用電磁弁を設けることにより、左右の空気回路の圧力を独立して加圧、減圧することができる。【００２７】
前記空気ポンプを電動機で駆動し、前記電動機を起動する際には、前記リーク用電磁弁を開き、電動機が起動した後にリーク用の電磁弁を閉じることにより、ポンプの起動時の背圧を低下させることができるので起動に必要なトルクが低下し、電動機の起動電流を低くすることができる。これにより電動機の小形化、電源回路の小形化が可能になる。【００２８】
前記電動機で駆動される空気ポンプの制御において、空気回路の現在圧力が目標圧力より低い場合には、現在圧力と目標圧力と、予め測定された電動機の運転時間と圧力上昇曲線との関係から、電動機の運転時間を計算によって決定し、支持用空気室、又は支持用空気室と計測用空気室の圧力調整を行うことにより、安定した圧力設定が可能になる。
一般的な制御方法、すなわち、現在圧力と目標圧力の差をフィードバックして電動機を制御する方法では、圧力センサーの応答性や圧力センサー信号に含まれるノイズの大きさ、データ処理装置（ＣＰＵ）の処理能力によって圧力制御の精度が左右されるが、本願のように予め電動機の運転時間を計算する方法によれば、現在圧力値として例えば１秒間の平均値を採用することによってノイズの影響や応答性の影響を排除することができる。またＣＰＵの能力のいかんにかかわらず時間を計測する精度には大差がないので、いかなるＣＰＵでも電動機の運転時間を正確に制御することができる。【００２９】
前記のように電動機を予め計算した運転時間だけ運転した後に、現在圧力と目標圧力を比較し、目標圧力に達しない場合には、再度電動機の運転時間を計算して空気ポンプを稼動させる。２回目の電動機の運転時間は短時間になるはずであるが、想定以上の運転時間になる場合は、空気ポンプの故障や空気回路の漏れや圧力センサーの故障が考えられるので使用者に修理を促すことができる。【００３０】
現在圧力が目標圧力より高い場合には、現在圧力と目標圧力と、予め測定されたリーク弁の開弁時間と圧力下降曲線との関係から、リーク用電磁弁の開弁時間を計算によって決定し、支持用空気室、又は支持用空気室と計測用空気室の圧力調整を行うことにより、安定した圧力設定が可能になる。一般的なフィードバック制御より優れている点は、前述した空気ポンプを駆動する電動機の制御方法と同じである。【００３１】
支持用空気室及び計測用空気室には、内圧が上昇した際には容積増加量が小さく、外力が加わった際には容易に変形して容積が減少する特性が求められ、これを満足する形状として球形又は円筒形が考えられるが、上下方向のスペースをあまり必要としない点で円筒形が好ましく、円周方向に平行な糸と軸方向に平行な糸を直交させて織成または編成した繊維補強層の表裏を樹脂又はゴムで被覆して形成したホース体を採用することで、安価で耐久性が高い空気室を得ることができる。【００３２】
円筒形の空気室をシート状の弾性体で覆い、該シート状の弾性体を運動量計測装置本体の底板に固定することにより、円筒形の空気室が固い部品と擦れて破損することを予防することができる。
同時に、前記シート状の弾性体を円筒形の空気室と踏板の間に介在させることにより、円筒形の空気室と踏み板の間で生ずる磨耗を低減することができる。【００３３】
ホース体の端部に取り付けるホース端部取付部品は、最大外径がホース体の内径よりわずかに大きく、前記最大外径から細くなる外周テーパー面を有し、前記ホース端部取付け部品をホース体に挿入後、ホース体の端部側から内周テーパー面を有したリングを前記ホース体の外周に嵌めて前記ホース端部取付け部品の外周テーパー面に重なるように軸方向に押し込むことにより、前記リングの内周テーパー面と前記ホース端部取付け部品の外周テーパー面の間に前記ホース体が挟まれる構造にすることにより、任意の長さに切ったホースの端部に気密を維持可能な部品を取り付けることが可能になる。
上記の構造により、リングを含むホース端部取り付け部品の最大外径はホース体の外径より僅かに大きくなる程度なので、平面的な本体底板にホース体を取り付けるのに都合が良い。【００３４】
運動量計測装置本体は金属、硬質プラスチック、木質など硬質の材料で形成されるが、これを布帛又はゴム等からなる柔軟性のあるカバーで、少なくとも上面と側面を覆うことにより、運動量計測装置本体と踏み板間の隙間に異物やほこりが入ることを防ぎ、かつ誤って身体の一部をぶつけても身体の損傷を防ぐことが出来る。【００３５】
支持用空気室と計測用空気室を備えた運動量計測装置において、使用者が踏み板に乗っていない状態で、支持用空気室と計測用空気室間に設置した切り替え弁を連通状態に切り替えた直後に、計測用空気室の圧力が上昇した際には計測用空気室に漏れがあると判断し、計測用空気室の圧力が下降した際には支持用空気室に漏れがあると判断する故障診断機能を備えることにより、圧力センサーを備えていない支持用空気室の漏れも正確に検出することができ、修理を適切に行うことができる。
なお、使用前の設定圧力と使用後の圧力を比較して漏れを検出することも併用するが、この場合は使用前後で環境温度の変化やセンサーの温度ドリフトなどが予想されるので判断の閾値をやや大きめに設定する必要があるのに対して、上記方法では経時変化の誤差が含まれないので検出精度が高い。【００３６】
上記の運動量計測装置において、運動量を計算するデータ処理装置に、インターフェイスを介して高さを電動機で制御する手すり構造を付加することにより、さまざまな身長の使用者に対し、適切な手すり高さに調節することができる。このシステムにおいてインターフェイス、及び高さを調節するための電動機の電源回路は空気ポンプを駆動するための電動機用のものを兼用できるのでシステム全体として割安にできる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明請求項１の構造を示す平面図
【図２】本発明請求項１の作動説明図（図１のＡ−Ａ断面図）
【図３】本発明請求項３の構造を示す平面図
【図４】本発明請求項３の作動説明図（図３のＢ−Ｂ断面図）
【図５】空気ポンプ及びリーク用の弁を備えた本発明の構造を示す平面図
【図６】本願発明実施例１または実施例２の平面図
【図７】実施例１の支持用空気室を示す図（図６のＣ−Ｃ断面図）
【図８】実施例１の作動説明図（図６のＤ−Ｄ断面図）
【図９】実施例２の作動説明図（図６のＤ−Ｄ断面図）
【図１０】円筒状空気室を構成するホース体の構造図（請求項１２に対応）
【図１１】ホースの固定方法を示す断面図（請求項１１に対応）
【図１２】ホース端部の部分拡大断面図
【図１３】ホース端部取付部品の構成図（請求項１３に対応）
【図１４】本体カバー付き運動量計測装置の断面図（図６のＤ−Ｄ断面図）
【図１５】本体カバー付き運動量計測装置の断面図（図６のＥ−Ｅ断面図）
【図１６】実施例１を図８（ｂ）の状態で計測した荷重と圧力変化、踏み板の変位の関係
【図１７】実施例２を図９（ｂ）の状態で計測した荷重と圧力変化、踏み板の変位の関係
【図１８】空気ポンプの運転時間と空気回路内圧力の関係
【図１９】リーク用電磁弁の開放時間と空気回路内圧力の関係
【図２０】本発明による運動量計測装置と高さ調整可能な手すりを備えたシステム図
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１は本発明請求項１に記載した運動量計測装置１の構造を示す平面図、図２はＡ−Ａ断面で示した作動説明図である。
運動量計測装置本体２の上面に、右足用踏み板３ａと左足用踏み板３ｂがそれぞれ嵌り、かつ上下に摺動する開口部を設け、それぞれの踏み板３ａ、３ｂの４隅近傍を下から支える位置に、支持用空気室４ａ、４ｂが設置され、支持用空気室４ａ−４ａ間、４ａ−４ｂ間はそれぞれ通路５によって連結されている。
【００３９】
右足用踏み板を支える支持用空気室と左足用踏み板を支える支持用空気室は、それぞれ電磁弁７ａ、７ｂを介して圧力センサー８（ゲージ圧センサーが好ましい）と逆止弁９と締切弁１０に繋がったオリフィス１１に連結されている。
電磁弁７ａ、７ｂを両方とも開いた状態で、圧力センサー８の出力値をモニターしながら外部の空気ポンプ（図示しない）から逆止弁９を介して空気を充填して、支持用空気室の圧力を所望の値に設定する。その後電磁弁７ａ、７ｂを閉じれば、左右の支持用空気室の圧力が既知の同一圧力に保たれることになる。
もし、右の支持用空気室の圧力を下げたければ、電磁弁７ａのみを開いて、締切弁１０を開いて空気を徐々に漏らして、所望の圧力になったときに締切弁１０を閉じ、その後電磁弁７ａを閉じれば良い。このとき右の支持用空気室の設定圧力は電磁弁７ａを閉じる直前の圧力センサー８の検出値を採用する。
【００４０】
もちろん圧力センサーを右・左の支持用空気室にそれぞれに装着しても良い。これら空気回路のレイアウトは、圧力センサーと電磁弁と逆止弁等のコストと、使用者の利便性を考慮して決めれば良い。
【００４１】
図２（ａ）に示したように、踏み板３ａ、３ｂのほぼ中央下部に位置センサー１２を設置して、それぞれの踏み板の中央近傍の上下方向の変位量を検出する。
図２（ｂ）に示したように、荷重Ｗが踏み板３ａのほぼ中央に作用した場合には、支持用空気室は均等に変形して、踏み板３ａが下方向に平行移動するので、踏み板中央の位置変化量を計測すれば、そのときの支持用空気室の設定空気圧を基に計算し、加えられた荷重Ｗを推定することができる。
【００４２】
図２（ｃ）に示したように、荷重Ｗが踏み板３ａの前方寄りに作用した場合には、前側の支持用空気室４ａの変形量が後側の支持用空気室４ｂの変形量より大きくなり、踏み板３ａが前方に傾く。
このとき一般には、荷重Ｗが同じであっても、図２（ｂ）より図２（ｃ）の方が支持用空気室内の平均圧力が高くなる（この理由については段落番号００５６、００５７に記載した）。
しかし、踏み板中央の位置変化量は図２（ｂ）と図２（ｃ）で大差は無く、従って踏み板中央近傍の変位量を基に加えられた荷重Ｗを計算することによって、使用者が踏み板の中央を踏まなくても、踏み板に加えられた荷重をより正確に推定することが可能になる。
【００４３】
本発明では以上のように、踏み板が傾くことを許容するので、摺動面の機械的な高精度を必要としない。すなわち、踏み板側面形状を踏み板中央から側面までの距離が半径となる円弧にし、側面に摩擦係数が低い素材をコーティング又は装着することにより、踏み板がロックする現象を防ぎ、かつ十分な耐久性を得ることができる。
【００４４】
図３は本発明請求項３に記載した運動量計測装置１の構造を示す平面図、図４はＢ−Ｂ断面で示した作動説明図である。
踏み板の中央近傍を下方から支持する計測用空気室１４を設け、該計測用空気室に圧力センサー８を取り付け、支持用空気室４ａ、４ｂと計測用空気室１４を繋ぐ通路１５に電磁弁１６を設けてある。
ここで圧力センサー８は計測用空気室１４に直接装着するのが好ましい。もし圧力センサーと計測用空気室の間を細長い通路で連結すると、検出圧力の応答性が悪くなり、荷重Ｗが作用しなくなっても設定圧力まで瞬時には戻らなくなり、変動成分を検出する際の基準となる圧力値が判断できなくなるので都合が悪い。
また使用する圧力センサーは、絶対圧センサーでなくゲージ圧センサーが好ましい。
なぜならば、支持用空気室や計測用空気室に外力が加わった際にどの程度変形するかは、これらの空気室の圧力がそのときの大気圧に比較してどれだけ高いかによるからである。
【００４５】
電磁弁１６を開いた状態で、圧力センサー８の出力値をモニターしながら外部の空気ポンプ（図示しない）から逆止弁９を介して空気を充填して、計測用空気室の圧力を所望の値に設定する。ポンプの作動を停止後に電磁弁１６を閉じれば、支持用空気室と計測用空気室の圧力が既知の同一圧力に保たれることになる。
【００４６】
運動量を計測する際には、電磁弁１６を閉じた状態で行う。
図４（ｂ）に示したように、荷重Ｗが踏み板３ａのほぼ中央に作用した場合には、支持用空気室と計測用空気室は均等に変形して、踏み板３ａが下方向に平行移動する。このとき、踏み板中央の位置変化量に応じて計測用空気室内の圧力が上昇するので、この圧力の変化量を計測し、先の支持用空気室と計測用空気室の設定圧力を基に計算し、加えられた荷重Ｗを推定することができる。
【００４７】
図４（ｃ）に示したように、荷重Ｗが踏み板３ａの前方寄りに作用した場合には、前側の支持用空気室４ａの変形量が後側の支持用空気室４ｂの変形量より大きくなり、踏み板３ａが前方に傾く。
このとき一般には、荷重Ｗが同じであっても、図４（ｂ）より図４（ｃ）の方が支持用空気室内の平均圧力が高くなる（この理由については段落番号００５６、００５７に記載した）。
しかし、踏み板中央の位置変化量は図４（ｂ）と図４（ｃ）で大差は無く、従って計測用空気室の圧力変化量を基に加えられた荷重Ｗを計算することによって、使用者が踏み板の中央を踏まなくても、踏み板に加えられた荷重をほぼ正確に推定することが可能になる。
【００４８】
使用者の一連のトレーニング終わって、本運動量計測装置の電源を切る前に、支持用空気室と計測用空気室の間の電磁弁１６を開いた瞬間に、圧力センサー８の信号が変化した場合には、どちらかの空気室に漏れが発生していると判断できる。これについては段落番号００３５に記載したとおりである。
【００４９】
図５は、本発明の運動量計測装置内に電動機１８で駆動される空気ポンプ１７を備えた例である。支持用空気室４ａ、４ｂと計測用空気室１４とこれらの間に設けた電磁弁１６で構成される右足用空気回路１３ａと、同様な構成の左足用空気回路１３ｂとの間にそれぞれ電磁弁７ａ、７ｂを介して空気ポンプを繋ぎ、さらに電気的にインターフェイス（図２０の８７参照）を介してデータ処理装置（図２０の８０参照）に繋ぐことにより、支持用空気室及び計測用空気室の設定圧力を制御することができる。
尚、空気ポンプ１７と並列に、オリフィス１１とリーク用電磁弁１９を設置することにより、空気ポンプを停止したまま電磁弁７ａ及び／又は７ｂを開くことにより、支持用空気室と計測用空気室の圧力を左右同時に、又は左右どちらかのみ、低下させることができる。
通常は左右の空気室圧力を同一にして使用するのが好ましいが、例えば片足に怪我をした場合のリハビリテーションに利用する際には、左右の空気室圧力に差を設けた方が良い場合も考えられる。
さらに空気ポンプと並列に安全弁１７ａを備えていることが望ましい。
【００５０】
図６は、本発明請求項３、６、１１すべてに該当する発明、即ち支持用空気室と計測用空気室と空気ポンプとリーク用の弁を備え、空気室を円筒形のホース体で構成し、ホース体が踏板で押される部分をシート状の弾性体で覆い、その弾性体を運動量計測装置本体の底板に固定した状態を示す平面図である。
図７、図８はそれぞれＣ−Ｃ断面図、Ｄ−Ｄ断面図における作動説明図である。
踏み板の４隅のうち、それぞれ左側と右側において、前側と後側の支持用空気室を一本の円筒形ホース体２０で形成し、踏み板３ａ、３ｂが円筒形ホース体を押圧する部分４０ａ、４０ｂは略矩形の凸部になっている。ここで略矩形とは角の部分に適当な面取り又は丸みが付いていることを指している。
同様に円筒形ホース体で形成された計測用空気室２１を踏み板中央部が押圧する部分４１も略矩形の凸部になっている（以後、図７、図８に示した構造を、実施例１とする）。
【００５１】
本発明において、支持用空気室及び計測用空気室の形状は、球形又は円筒形が好ましい。この理由は、球形と円柱形は、内圧の増加に対しては容積が増加しにくく、機械的な外力が加わった時には容易に変形するという本発明に好ましい特性を実現しやすいからである。すなわち、伸びにくい繊維の糸を、球体であれば円周方向に均一に巻き付けることで、円筒形であれば図１０に示したように糸を円周方向と軸方向にそれぞれ平行に、直交して配置し、該繊維補強層の内面と外面を軟質合成樹脂又は軟質ゴムで被覆した構造にすることで上記の好ましい特性が得られる。
これに対し、例えば、シリンダーとピストンで構成した空気室を採用すると、ピストンの断面積に空気室の初期設定圧力を掛けた力以上の外力を加えないとピストンは動かず、計測できない領域ができてしまうので好ましくない。
【００５２】
図８（ｂ）は、荷重Ｗが踏み板３ａのほぼ中央に作用した場合であり、支持用空気室と計測用空気室からの反力に対抗して、踏み板３ａが下方向に平行移動する。このとき、踏み板中央の位置変化量に応じて計測用空気室２１の圧力が上昇するので、この圧力の変化量を計測し、支持用空気室と計測用空気室の設定圧力を基に計算し、加えられた荷重Ｗを推定することができる。
【００５３】
図８（ｃ）は、荷重Ｗが踏み板３ａの前方寄りに作用し、傾いた状態を示している。この場合も、踏み板中央の位置変化量は図８（ｂ）と図８（ｃ）で大差は無く、従って計測用空気室の圧力変化量を基に加えられた荷重Ｗを計算することによって、使用者が踏み板の中央を踏まなくても、踏み板に加えられた荷重をほぼ正確に推定することが可能である。
【００５４】
ここで、踏み板が支持用空気室を押圧する部分の前側４０ａと後側４０ｂは同一形状でかつ同一幅Ｌ１であることが好ましいが、計測用空気室を押圧する部分４１は必ずしも４０ａ、４０ｂと同一形状・同一幅である必要な無い。
また、図９に示したように、支持用空気室を押圧する部分４０ａ、４０ｂ、計測用空気室を押圧する部分４１ともに、半円柱状であっても良い（以後、図９に示した構造を実施例２とする）。
【００５５】
図１６は、実施例１において、図８（ｂ）に示したように、押圧部４０ａ、４０ｂ、４１が同一幅の矩形（Ｌ１＝Ｌ２＝約５６ｍｍ、角の丸みＲ＝５ｍｍ）の状態で、中央に荷重Ｗ（ｋｇｆ）を加えた際の、計測用空気室の圧力変化量ΔＰ（ｋＰａ）と、踏み板の位置変化量Ｚ（ｍｍ）の関係を計測した例である。
また図１７は、実施例２において、図９（ｂ）に示したように、押圧部４０ａ、４０ｂ、４１が同一直径の半円柱形（Ｄ１＝Ｄ２＝約６０ｍｍ）の状態で、中央に荷重Ｗ（ｋｇｆ）を加えた際の、計測用空気室の圧力変化量ΔＰ（ｋＰａ）と、踏み板の位置変化量Ｚ（ｍｍ）の関係を計測した例である。
ともに、支持用空気圧及び計測用空気室の設定圧力Ｐｏをゲージ圧で、５０ｋＰａ、１００ｋＰａ、２００ｋＰａとし、計測時には電磁弁１６を閉じている。
【００５６】
図１６、１７より、設定圧力Ｐｏが低い方が、同じ荷重Ｗを加えても圧力変化量ΔＰも位置変化量Ｚも大きいことがわかる。すなわち、体重の軽い人には、設定圧力を低めにした方が計測精度が高くなることがわかる。
また、いずれの場合も荷重Ｗが小さい範囲（たとえば１０ｋｇｆ以下）では圧力変化量ΔＰが小さく、感度が低いことがわかる。これは、外力を加えて空気室を変形させるには局部的に設定圧力Ｐｏを上回る大きさの面圧を加えなければ変形しないからである。
したがって一般的に、同じ荷重を加えて空気室を変形させる際に、広い面積に均一に荷重を加えるより、狭い面積に集中して荷重を加えた方が空気室の変形量が大きくなり、内部の圧力増加量も大きくなる。
【００５７】
上記の現象が、従来技術の問題点であり（段落番号０００３の（１）に記載）、また本発明においても、支持用空気室内の圧力については、踏み板の中央に荷重をかけたときより、前後左右のいずれかに偏って荷重をかけたときの方が圧力変化量が大きくなる理由である（段落番号００４２、００４７に記載）。
本発明では、踏み板中央近傍の位置変化量を計測するか、あるいは踏み板中央近傍を支える計測用空気室における圧力変化量を計測することにより、たとえ踏み板に偏った荷重が加わって踏み板が傾いて移動したとしても、ほぼ正確に、加えられた荷重Ｗの値を推定することができるのである。
【００５８】
図１６と図１７を比較すると、押圧部形状が略矩形より半円柱形の方が、同じ荷重Ｗに対して、圧力変化量ΔＰも踏み板の位置変化量Ｚも大きくなる。これは略矩形の押圧部は平面的に空気室を押すのに対して、半円柱形では、当初小さな押圧面積で空気室を押すので面圧が高く、その後空気室の変形量に応じて徐々に押圧部面積が増加するからである。
本発明においては、図１６、１７のような特性を測定しながら、押圧部の形状と幅、及び支持用空気室の容積、計測用空気室の容積等を、空気室材料の許容圧力と計測したい最大荷重、要求される計測精度を考慮しつつ設計すれば良いといえる。
【００５９】
また図１６と図１７から明らかなように、例えば体重が軽い人には設定空気圧Ｐｏを低めに、体重が重い人には設定空気圧Ｐｏを高めにコントロールすれば、それぞれの荷重変動幅に対して適切な精度で計測可能であり、また、空気室のクッション性も体重に応じて適切な範囲に調節できる。また、圧力変動量ΔＰによる空気室材料に対する応力振幅は、設定圧力Ｐｏによる静的な応力に比べて小さいので耐久性（特に疲労強度）を確保することも比較的容易である。
尚、図１６、図１７では、荷重Ｗが１００ｋｇｆまでしか示してないが、通常のジョギングでも脚に加わる荷重は体重の３〜４倍に達するといわれているので、少なくとも数百ｋｇｆの荷重まで計測できることが求められるが、前述したように空気室の容積と空気圧の範囲と押圧部の形状と幅を適切に設計することにより、このような要求を満たすことは比較的容易である。
【００６０】
走行の一歩に相当する荷重変動の波形データから、力積を計算する方法は特許文献１の図１０に示されている方法に基本的には準じるが、同図における縦軸は圧力値でなく荷重の推定値であるべきである。
また、ゆっくりした歩行運動に対しては、片足に体重が加わっている時間は長いが運動量は少ないので、特許文献１の方法で積分すると運動量を過大に見積もる懸念がある。よって、歩行と判断した場合には、例えば１歩中の荷重の最大値に注目して歩行速度を計算するなど、実験データを基に実際に近い運動量が計算できるよう補正する必要がある。
尚、歩行と走行の区別は、左右の荷重波形が時間的に重なる部分があるか、または完全に分離しているかで判断できる。
【００６１】
図６〜９、図１４、１５には、左右の踏み板の下方に、支持用空気室と干渉しない４隅近傍に、ゴムやばね等の弾性体からなるストッパー３０が配置してある。これは、例えば支持用空気室が破裂した際に、踏み板位置が急に低下して使用者がバランスを崩すことを防ぐ目的と、通常使用時において踏み板の端を踏んだ際に踏み板の傾き量が大きくなりすぎてバランスを崩しやすくなるのを防ぐ目的がある。
【００６２】
図１１はホースを運動量計測装置本体に固定する方法を示した図である。
ホース体２０又は２１の上部をシート状の弾性体２５で覆い、かつホース体の下にもシート状の弾性体２５を敷いて、シート状の弾性体を本体の底板２ａに固定する。こうすることにより、ホース体は硬い部品に接することなく本体の所定の位置に保持される。ホース体は踏板で押される度に変形し、反り返るように湾曲するが、弾性体を介して保持されていることにより局部的な磨耗は発生しにくい。
シート状の弾性体２５の材質は、ゴム又は軟質ビニールが好ましく、ホース体を所定の位置に保つ効果を得るためには表面の摩擦係数が大きい方が好ましい。
図１２は、ホースの端部と踏板の押圧部を拡大した断面図である。この図のように、踏板３ａとホース体２０の間に、シート状の弾性体２５を介在させることにより、ホース体２０の磨耗を防ぎ、耐久性を高めることができる。
【００６３】
図１３はホース端部取付部品の構成図である。ホース端部取付部品としては、閉塞部品２２、連結部品２３、圧力センサー取付け部品２４があるが、ホース端部に取り付ける方法は共通である。
図で閉塞部品２２の最大外径はホース内径よりわずかに大きく（例えばホース内径３２ｍｍに対し、３３〜３３．５ｍｍ）、前記最大外径から細くなる外周テーパー面２２ａを有している。前記外周テーパー面がホース体の端部側を向くように閉塞部品２２をホース体に挿入後、ホース体の端部側から内周テーパー面２８ａを有したリング２８（例えばリングの内径３５ｍｍ）をホース体２０の外周に嵌めて、閉塞部品２２の外周テーパー面２２ａに重なるように軸方向に押し込むことにより、前記リングの内周テーパー面２８ａと閉塞部品の外周テーパー面２２ａの間にホース体（例えばホース体の肉厚約１．５ｍｍ）が挟まれることにより気密を保持する。
【００６４】
閉塞部品２２をホース体に装着した状態を図１２に示す。締付リング２８の材質を金属にすることにより、肉厚１．５ｍｍ程度で十分な強度を得ることができるので、図１２に示したように、シート状の弾性体２５と同様の厚さにすることができ、本体の底板２ａになんら逃げ加工を要することなく、ホース体２０を底板２ａに取り付けることができる。
尚、リング２８を軸方向に押し込むためのナット２９は、リング装着後には必ずしも必要ではない。なぜならば、ホース体２０に内圧がかかると、閉塞部品２２がリング側に押されて実際のナットの軸力はほぼ０になるからである。
【００６５】
図１４は、本発明による運動量計測装置本体を、布帛又はゴムなどからなる柔軟性のあるカバーで覆った状態を示している。
この例では、袋状のカバー５０に運動量計測装置本体２を入れて、カバーの開口部５１を重ねて面ファスナーなどで閉じている。
但し、本運動量計測装置本体内を冷却する必要があるので、側面の一部を目の粗いメッシュ状にして、必要に応じて内部に冷却用のファンを設置する。
また、踏み板３ａ、３ｂの中央部に付加クッション５２を装着して、カバー５０で覆っている。
【００６６】
以上の構成により、運動量計測装置本体と踏み板の隙間に異物が入ったり、指を挟んだりすることを防ぎ、運動量計測装置に身体の一部をぶつけても怪我をすることを防ぐことができる。
また、踏み板の中央部に取替え可能な付加クッション５２を装着することにより、目視しなくても踏み板の中央を認識し易くでき、また個人の好みの形状・弾力性のクッションを選ぶことにより各人に最も適した状態を選ぶことができる。
以上により、高齢者や視覚障害者も安全に使用できる運動量計測装置を提供できる。
【００６７】
図１８は、図５の構成において、空気ポンプ１７を電動機１８で駆動し、左右の空気回路１３ａ、１３ｂに同時に空気を充填した場合と、左右どちらかの空気回路にだけ空気を充填した場合の圧力上昇特性を計測した結果である。
この特性から近似式を求めることにより、現在圧力と目標圧力をもとに、電動機を運転する時間を計算で求めることができる。
上記圧力上昇特性は、空気ポンプと電動機の能力ばらつきの影響を受けるので、予め個別の測定によって近似式を微修正しておく必要があるが、一旦近似式を与えれば安定した圧力制御が可能になる。ここで言う安定した圧力制御とは、前述（段落番号００２８、００２９）したとおりである。
【００６８】
図１９は、図５の構成において、リーク用の電磁弁１９を開き、左右の空気回路１３ａ、１３ｂから空気を外部に漏らした場合と、左右どちらかの空気回路だけから空気を漏らした場合の圧力下降特性を計測した結果である。
この特性から近似式を求めることにより、現在圧力と目標圧力をもとに、リーク用の電磁弁を開く時間を計算で求めることができる。
上記圧力下降特性は、主にリーク用電磁弁１９の応答性とオリフィス１１のばらつきの影響を受けるので、予め個別の測定によって近似式を微修正しておく必要があるが、一旦近似式を与えれば安定した圧力制御が可能になる。ここで言う安定した圧力制御とは、圧力上昇時の内容（段落番号００２８）と同様である。
【００６９】
図２０は、本発明の運動量計測装置に、高さ調整可能な手すりを加えた場合のシステム図である。
本運動量計測装置１とデータ処理装置８０を繋ぐインターフェイス８７に、手すり８１の昇降用電動機８３と、手すりの高さを検出するための距離センサー８４を繋ぐことにより、データ処理装置８０の指示で手すり８１の高さを任意に調節することができる。
図２０の例では、減速装置を備えた電動機８３でねじ軸８２を回転させて、Ｘ形のリンクを回動させて手すりの高さを変更している。
また、距離センサー８４は、例えば光反射式の距離センサーであり、手すり側に固定した筒体８５の内部で、ベース側に固定した反射体８６を上下させ、距離センサーと反射体までの距離を高さとして検出している。
前記のインターフェイス８７内には、アナログのセンサー信号をデジタルに変換するＡＤ変換回路、電磁弁と電動機をＯＮ−ＯＦＦするリレー、電動機と電磁弁用の電源回路が含まれている。
また、データ処理装置として市販のパーソナルコンピューターも使用可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１      本発明による運動量計測装置
２      運動量計測装置本体
２ａ    運動量計測装置本体の底板
３ａ    踏み板（右足用）
３ｂ    踏み板（左足用）
４ａ    支持用空気室（前側）
４ｂ    支持用空気室（後側）
５      支持用空気室間の通路
６      左右の支持用空気室を繋ぐ通路
７ａ    支持用空気室（右）と空気出入り口を連通／閉塞する電磁弁
７ｂ    支持用空気室（左）と空気出入り口を連通／閉塞する電磁弁
８      圧力センサー
９      逆止弁
１０    締切弁
１１    オリフィス
１２    位置センサー
１３ａ  右足用空気回路
１３ｂ  左足用空気回路
１４    計測用空気室
１５    支持用空気室と計測用空気室を繋ぐ通路
１６    支持用空気室と計測用空気室との間に設けた電磁弁
１７    空気ポンプ
１７ａ  安全弁
１８    空気ポンプ駆動用電動機
１９    リーク用電磁弁
２０    ホース体で形成した支持用空気室
２１    ホース体で形成した計測用空気室
２２    閉塞部品
２２ａ  外周テーパー部
２３    連結部品
２４    圧力センサー取付け部品
２５    シート状の弾性体
２６    ホース体固定用ビス
２７    ホース体固定用押え板
２８    ホース体締付リング
２８ａ  ホース締付リングの内周テーパー部
２９    ナット
３０    ストッパー
３１    スライダー
４０ａ  踏み板が支持用空気室を押圧する部分（前側）
４０ｂ  踏み板が支持用空気室を押圧する部分（後側）
４１    踏み板が計測用空気室を押圧する部分
５０    本体カバー
５１    本体カバーの開口部
５２    付加クッション
６０    ホース外面の樹脂またはゴム材
６１    繊維補強層
６２    ホース内面の樹脂またはゴム材
８０    データ処理装置
８１    昇降機能付手すり
８２    ねじ軸
８３    昇降用電動機
８４    距離センサー
８５    筒体
８６    反射体
８７    インターフェイス
Ｒ      踏み板前後側面の曲率半径
Ｗ      荷重（ｋｇｆ）
Ｚ      踏み板の変位（ｍｍ）
Ｐｏ    設定空気圧力（ｋＰａ）
ΔＰ    計測用空気室内の圧力増加量（ｋＰａ）
Ｌ１    支持用空気室を押圧する部分の幅（ｍｍ）
Ｌ２    計測用空気室を押圧する部分の幅（ｍｍ）
Ｄ１    支持用空気室を押圧する半円柱部分の直径（ｍｍ）
Ｄ２    計測用空気室を押圧する半円柱部分の直径（ｍｍ）
【図１】
0005927731.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005927731.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0005927731.tif 000014
【図１４】
0005927731.tif 000015
【図１５】
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【図１６】
0005927731.tif 000017
【図１７】
0005927731.tif 000018
【図１８】
0005927731.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
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