(57)【要約】      （修正有）【課題】左右独立力制御を可能とする電動アシスト型足漕ぎ運動器を提供する。【解決手段】左右の足漕ぎペダルの踏込力を独立でフィードバック制御を可能とするために、１）踏込力計測用の小型トルクセンサ、２）回転度合い・速度を計測するエンコーダ、３）二つのペダル運動の分離と連動の切り替えが出来る機構設計、４）力センサ信号処理回路、５）電動アシストモータ出力制御回路、６）小型電動モータの基本要素が組み込まれる。さらに、７）蓄電器（バッテリー、パワーコンディショナー）、８）小型発電機（ダイナモータ）を組み込んでいる。ゆえに、その踏込力をプログラム化された電動モータ反力で微調整にて随時に合わせることが出来て、かつ、筋力運動・神経性リハビリ効果も見える化が容易であるので関連する医療福祉・リハビリ、スポーツ等の各市場への発展性が大いにある。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療福祉・リハビリテ−ション療法や健康運動器具分野への適用を目的とする、足踏み込みペダル部回転軸にトルクセンサ計測機能を組み込んだ電動アシスト型足漕ぎ運動器
【請求項２】
左右足漕ぎ部軸部を分離・独立または連結切替え方式設計とし、かつ、各々の足漕ぎ力計測やそのデータをもとにしたフィードバック足運動の能動型制御を可能とする、請求項１記載の電動アシスト型足漕ぎ運動器
【請求項３】
両足ペダルの連結回転軸に設置するモジュールユニットに、踏込軸ねじり力計測用の小型トルクゼンサ、回転角速度を計測するためのエンコーダ、これらの力センサ信号処理回路、それと相互連携させた電動アシストモータ出力制御回路および小型電動モータの基本要素が組み込まれる、請求項１、請求項２記載の電動アシスト型足漕ぎ運動器
【請求項４】
電動アシストモータ用電力やスマートホンの電源補強用に、移動体機器用の小型組み込み型蓄電器（バッテリー、パワーコンディショナー）を装着している請求項１、請求項２および請求項３記載の電動アシスト型足漕ぎ運動器
【請求項５】
スマートホン等への低圧直流電源ともなり得る、小電力発電機（ダイナモータ）を組み込んでいる、請求項１、請求項２、請求項３および請求項４記載の電動アシスト型足漕ぎ運動器
【請求項６】
請求項２、請求項３を踏まえて、足漕ぎ軸を計測用の磁歪リング式トルクセンサと回転角度量を計測するエンコーダ読みから、単位時間当たりの足漕ぎによる運動量・消費エネルギー量を計算できる仕様の、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４および請求項５記載の電動アシスト型足漕ぎ運動器
【請求項７】
単位時間当たりの足漕ぎによる運動量・消費エネルギー量の計算データをもとにして、各々の使用者の体力や運動機能神経系に沿った治療管理・トレーニングプログラムを組み込み、体内血流を促進させて、人工透析患者への体力回復、肥満防止策等、健康維持に有効に活用できる仕様の、請求項４、請求項５および請求項６記載の電動アシスト型足漕ぎ運動器
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、医療福祉・リハビリテ−ション療法や健康運動器具分野に適用できて、脚筋力を増強し足運動機能の回復を可能とし、さらに、その２次的効果として体内血流を促進させて、人工透析患者への体力回復、肥満防止策等に活用できる、電動アシスト型足漕ぎ運動器を提供する。【０００２】  この開発機器での運動機能増強原理の特徴としては、従来は不可能であった、左右足漕ぎ部分を分離・独立方式設計とし、かつ、各々の足漕ぎ力やフィードバック足運動制御を可能とする、能動型の電動アシスト型足漕ぎ運動器である。【０００３】  これにより、患者の運動機能疾患や体力レベルの程度に合わせて、足漕ぎペダルの踏込力の度合いを、電動アシスト用モータ側からの反力を利用しながら適宜合わせることが容易になる。さらには、その踏込力をプログラム化された電動モータ反力で微調整にて随時に合わせることが出来る。【０００４】  特に、運動療法対象者への下肢神経損傷や大腿骨骨折での左右不均質に陥る歩行運動能力の治癒対策として、独立方式での足漕ぎ力やフィードバック足運動制御を可能とする新方式の足漕ぎ運動・リハビリ対応機能を有する医療リハビリや健康維持器具となりえる。【０００５】  この電動アシスト型足漕ぎ運動器の最大の特徴は、左右の足漕ぎペダルの踏込力を独立でフィードバック制御を可能とするので、その足漕ぎ運動制御用機構部となる、両足ペダルルの連結回転軸に設置するモジュールユニットには、１）踏込軸ねじり力計測用の小型トルクゼンサ、２）回転度合い・速度を計測するためのエンコーダ、３）ペダル連結軸の中央部で連結ピンの抜き差し等により、二つのペダル運動の分離と連動の切り替えが出来る機構設計、これらの４）力センサ信号処理回路、それと相互連携させた５）電動アシストモータ出力制御回路および６）小型電動モータの基本要素が組み込まれる。【０００６】  さらに、電源をとれない大きな体育館や屋外広場等での使用を可能とするように、電動アシストモータ用電力やスマートホンの電源補強用に、７）蓄電器（バッテリー、パワーコンディショナー）とスマートホン等への電源ともなり得る、８）小型発電機（ダイナモータ）を組み込んでいる。【０００７】  この開発機器の応用展開としては、以上のトルク計測・制御モジュールユニットと電源（バッテリー）確保により、治療リハビリ・運動者の足筋力や心拍数など体力トレーニングデータを屋外からもスマートホン経由で無線通信機能を可能とすることが出来る。【０００８】  ゆにえ、個々の使用者の体力や運動機能神経系に沿った治療管理・トレーニングプログラムを組み込み、体内血流を促進させて、人工透析患者への体力回復、肥満防止策等、健康維持に有効に活用できる機能を付加した仕様も可能となる。【０００９】    この開発システムは、左右分離型の足漕ぎ運動を可能としているので、将来的には、左右の力踏込度合い（＝トルク負荷レベル）データと、バーチャルリアリティ（ＶＲ）ゴーグル等からの３次元（３Ｄ）画像らと連結した、スポーツ施設等の屋内での健康トレーニングやアムーズメント機器への適用も可能となる。
【背景技術】
【０００９】  当該分野関する従来技術の現状と問題点を述べる。
医療器具分野での関連技術として代表的な事例は、人工透析患者用腎臓リハビリテーション用の中核として運動療法用器器具として、ベッド装着型の横臥用負荷量可変式エルゴメーター、商品名「てらすエルゴＩＩ」（昭和電機株式会社ホームページ；ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｈｏｗａｄｅｎｋｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｔｅｒａｓｕ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｅｒｕｇｏ／ｅｒｕｇｏ２／）が発売されている。【００１０】  ここでは、足漕ぎ運動の２次的効果として体内血流を促進させて、人工透析患者への治療効果アップと体力回復に活用している。現状では、足漕ぎ筋力への負荷調整にマグネットブレーキを採用することで、軽量化と静音化および長期使用を可能にしていると報告されている。しかし、人工透析患者の病気進行度合いの悪化に伴う、体力・筋力低下や治療への意欲・精神力が低下した場合には、適用できない恐れがある。また、この機種は、左右足漕ぎがペダル軸で繋がっており、単純運動に拘束される。この様に、足漕ぎ運動方式と使用範囲が医療法用に限定されて、この様な機器は大きな市場成形には至らないとの予想がある。【００１１】    一方、健康維持器具としての、家庭用民需製品の代表は、衰えがちな足腰の筋肉の維持・強化を目的にして、安価な量産化販売される、電動足漕ぎ運動器がある。例えば、通販（ｈｔｔｐ：／／ｄｉｒｅｃｔ−ｔｅｌｅｓｈｏｐ．ｊｐ／ｓｈｏｐ／ｇ／）上での、（株）ヤマノクリエイツ社販売の「ルームマーチプレミアム（型番ＲＭ−２０２０）」等がある。しかし、これらの機種では、電動モータ側から足漕ぎ側ペダルへの一方的な回転数・回転力を受けて受動的に運動すするのみであり、左右分離や運動途中での負荷力制御はできなく、健常者が対象であり、使用感にも飽きが来てしまうことが多い。【００１２】  また、足踏み健康器と関連した分野では、足漕ぎ車イスが開発販売されている。
例えば、本田精機株式会社からの発明、「漕ぎ走行装置及びそれを用いた車椅子」（特開２０１６−０４３２２５（Ｐ２０１６−０４３２２５Ａ））がある。これは、従来の足漕ぎ車椅子は健常な下肢で障害のある下肢をリハビリテーションするものであるが、既に車椅子を所持している場合、車椅子に足漕ぎ走行の機能を付加したいという要望があった。【００１３】  そこで、ペダルによる足漕ぎの動力を駆動輪に伝え、又足漕ぎの動力を手漕ぎハンドルに伝える駆動手段と、操舵ハンドルによる操舵手段を持った足漕ぎ走行装置を簡単な操作で車椅子に着脱できるようにしている。しかし、足漕方式は、左右足での同一回転軸であり、左右の足元動作は一緒で拘束される。また、電動アシスト機能はなく、足筋力の過度に衰えた病弱者等には適用できない欠点があった。【００１４】  また、同様な観点からの、東北大学名誉教授・半田康延博士、福島大学教授・高橋隆行博士らの成果を株式会社ＴＥＳＳが商品化した、脳卒中で半身が麻痺したり、腰痛・膝関節痛などで歩行困難な方でも、ご自身の両足でペダルを漕ぎ自由に走り回ることのできる、足こぎ車椅子「ＣＯＧＹ」（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈ−ｔｅｓｓ．ｃｏｍ／）が販売されて、「Ｊａｐａｎ  Ｖｅｎｔｕｒｅ  Ａｗａｒｄｓ  ２０１４」にて経済産業大臣賞を受賞などで注目されている。【００１５】  しかし、この商品名「ＣＯＧＹ」でも、その足漕方式は、左右足での同一回転軸で連動しており、また、電動アシスト機能はないので、脳梗塞などでの下肢神経の機能損傷病弱者や高齢化で足筋力の過度に衰えた人には適用できない問題があった。【００１６】  以上から、現在までに研究開発され、試作商品化された足漕ぎ運動型の医療リハビリ機器や家庭用通販での電動モータ補助運動型の足漕ぎ健康機器では、その左右足運動の同一軸からの派生する、ペダル運動中の拘束感が拭えずに、また、電動ペダル回転タイプでも、左右の足元動作は一緒で拘束されて、長期のトレーニング時間では、人間に感性からくる不快感を生むので、医療リハビリや健康機器の両分野からこの種の商品化改善が望まれてきているのが現状である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】  上述した通り、現在までに研究開発され、試作商品化されている足漕ぎ運動型の医療リハビリ機器のうち、電動アシスト機能はないのもの、例えば、ベッド横臥用負荷量可変式エルゴメーター、商品名「てらすエルゴＩＩ」［１］では、脳梗塞などでの下肢神経の機能損傷病弱者や高齢化で足筋力の過度に衰えた人には適用できない問題があった。【００１８】  また、家庭用通販等で見かける小型電動モータ組み込み型の足漕ぎ健康機器、例えば、民需品量産化販売の健康維持器具としての代表的な、衰えがちな足腰の筋肉の維持・強化を目的にした、「ルームマーチプレミアム（型番ＲＭ−２０２０）」［２］等がある。しかし、この機種では、電動モータ側から足漕ぎ側ペダルへの一方的な回転数・回転力を受けて受動的に運動すするのみであり、また、さらに、運動中の拘束感が拭えずに、また、左右の足元動作は一緒で拘束されて、長期のトレーニング時間では、電動モータに強引に誘導されているような、人間感性からくる不快感を生む欠点があった。【００１９】  また、足踏み健康器と関連した分野では、足漕ぎ車イスが開発販売されている。
例えば、本田精機株式会社からの発明による製品化、「漕ぎ走行装置及びそれを用いた車椅子」（特開２０１６−０４３２２５（Ｐ２０１６−０４３２２５Ａ））［３］や、株式会社ＴＥＳＳが商品化した、商品名「ＣＯＧＹ」［４］でも、それらの足漕方式は、左右足での同一回転軸であり、左右の足元動作は一緒で拘束される。また、電動アシスト機能はなく、足筋力の過度に衰えた病弱者等には適用できない欠点があった。【００２０】  そこでの医療リハビリや健康機器の両分野からは、特に、下肢神経損傷や大腿骨骨折での左右不均質体形に陥っている、運動療法対象者への歩行運動能力の治癒対策として、使用者（人）の意識や体力に適宜対応可能な、左右独立方式での足漕ぎ力やフィードバック足運動制御を可能とする、リハビリ機能の“もっと体と感性に優しい”製品化技術改善が強く望まれていのが現状である。【００２１】参考文献：
［１］ベッド横臥用負荷量可変式エルゴメーター、商品名「てらすエルゴ」昭和電機（株）；ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｈｏｗａｄｅｎｋｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｔｅｒａｓｕ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｅｒｕｇｏ／ｅｒｕｇｏ２／）
［２］通信販売商品、「ルームマーチプレミアム」（型番ＲＭ−２０２０）
［３］「漕ぎ走行装置及びそれを用いた車椅子」（特開２０１６−０４３２２５）本田精機（株））
［４］商品名「ＣＯＧＹ」、（株）ＴＥＳＳの商品化：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈ−ｔｅｓｓ．ｃｏｍ／
【課題を解決するための手段】
【００２２】  上述の技術課題を解決するために、本発明では、「左右独立力制御を可能とする電動アシスト型足漕ぎ運動器」は、片足ごとの左右足漕ぎ部分を分離・独立方式設計とし、かつ、各々の足漕ぎ力変化に対応できるフィードバック足運動制御を可能とする、能動型の電動アシスト型足漕ぎ運動器を研究した。【００２３】  この電動アシスト型足漕ぎ運動器の最大の特徴は、左右の足漕ぎペダルの踏込力センサのデータを各々独立でフィードバック制御を可能とすることに特徴がある。そのために、漕ぎ運動制御用機構部となる、両足ペダルの連結回転軸に設置するモジュールユニットには、１）踏込軸ねじり力計測用の小型トルクゼンサ、２）回転度合い・速度を計測するためのエンコーダ、３）ペダル連結軸の中央部で連結ピンの抜き差し等により、二つのペダル運動の分離と連動の切り替えが出来る機構設計、４）力センサ信号の処理回路、それと相互連携させた５）電動アシストモータ出力制御回路および６）小型電動モータの基本要素が組み込まれる機械システム設計となる。【００２４】  電動アシストモータ駆動用電力やスマートホンでの運動量計算のための電源補強用に、７）蓄電器（バッテリー、パワーコンディショナー）が装着される。さらに、スマートホン等への電源ともなり得る、８）小型発電機（ダイナモータ）を組み込んでいる。この電源サポートシステム採用により、商業電源をとれない大きな体育館や屋外広場等での使用も可能となるので、電動アシスト型足漕ぎ運動器活用への拡張性と利便性が上がる。【００２５】  足漕ぎ軸を計測用の磁歪リング式トルクセンサ［５］と回転角度量を計測するエンコーダ読みから、単位時間当たりの足漕ぎによる運動量・消費エネルギー量を計算できる仕様の電動アシスト型足漕ぎ運動器となる。【００２６】  以上から、本機器は、その踏込力をプログラム化された電動モータ反力で微調整にて随時に合わせることが出来て、かつ、筋力運動・神経性リハビリ効果も見える化が容易であるので関連する医療福祉・リハビリ、スポーツ等の各市場への発展性が大いにある。【００２７】  足漕ぎペダル部軸に装着した、単純構造で軽量化された、「磁歪リング式トルクセンサ」の原理を図１に示す。応力負荷に伴い、磁歪材料内部で起こる「磁歪効果」、すなわち、磁区再配列・移動に伴う漏れ磁束を検出してトルクを判定する方式［５］［６］である。【００２８】  これは、１９９０年頃に米国のＧａｒｓｈｅｌｉｓによって考案された、図１中にある単純構造の磁歪リング式トルクセンサ［５］である。このセンサは▲１▼磁歪合金リング（トルク‐磁場変換材）と▲２▼シャフト，▲３▼ホールＩＣのみで構成する単純構造かつ非励磁・非接触でトルクを検出可能な磁歪リング式トルクセンサである．【００２９】  このトルク検出メカニズムは、▲１▼シャフトにトルクがかかり，▲２▼それに接合された磁歪リングに力が伝達し，▲３▼式（１）に従い逆磁歪効果により磁束変化，▲４▼その変化を磁束密度が高いリング端点のホールＩＣで検出する仕組みになっている．このように主に３つの部材のみから構成されるトルク‐磁場変換部であるため，従来のホールＩＣ式トルクセンサより，▲１▼部品点数の削減，▲２▼小型化が可能��なる特徴を有する。
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【００３０】  漏れ磁束量、すなわちホールＩＣ側の電圧の大きさは、理論式（１）より、磁歪量（λ）、残留磁化（Ｍｒ）および磁区回転の易動度（ＨＴ）など、材料組織に敏感でな磁気・磁歪特性に依存することが判っている。一般には、足漕ぎトルクセンサには、材料強度と加工性を有する、鉄基の磁歪合金（ＦｅＣｏ系、ＦｅＧａ系）が適している。［６］
［５］Ｉ．Ｊ．Ｇａｒｓｈｅｌｉｓ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．２８（１９９２）２２０２．
［６］横山雅紀，山浦真一，久保田健，岡崎禎子，砂川和彦，島田宗勝，古屋泰文，“磁歪リング式トルクセンサ素子としての高磁歪Ｆｅ−Ｃｏ−Ｖ系合金の特性”，材料の科学と工学，５０，３２−３７（２０１３）．）【００３１】  その磁歪リング端部からの漏れ磁束をホールＩＣセンサで検出た場合の、軸力（トルク）とセンサ電圧の実験結果からの相関性を図２に示す。トルク＝７０Ｎｍまでの線形性を確認出来たので、ペダル部のブレーキ用磁力へのフィードバック制御に使用可能であり、その電気信号の非線形性への補正用電子回路が不要になる利点が判明した。
【産業上の利用可能性】
【００３２】  医療福祉・リハビリテーション療法や健康運動・スポーツ器具分野市場への適用が見込まれる。【００３３】  例えば、本電動アシスト型足漕ぎ運動器では、踏み込みペダル部回転軸にトルクセンサ計測機能を組み込んだこれにより、単位時間当たりの足漕ぎによる運動量・消費エネルギー量の計算が可能となった。それゆえに、このデータをもとにして、各々の使用者の体力や運動機能神経系に沿った治療管理・トレーニングプログラムを組み込み、体内血流を促進させて、人工透析患者への体力回復、肥満防止策等、健康維持に有効に活用できる利点がある。【００３４】  さらに将来的には、この開発システムは、左右分離型の足漕ぎ運動を可能としているので、左右の力踏込度合い（＝トルク負荷レベル）データと、バーチャルリアリテイ（ＶＲ）ゴーグル等からの３次元（３Ｄ）画像と連結した、スポーツ施設等での屋内健康トレーニングやアムーズメント機器分野への適用も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】逆磁歪（漏れ磁束）効果を利用した磁歪リング式トルクセンサの原理、
【図２】磁歪リング式トルクセンサでのトルク負荷と漏れ磁束強さの相関性（ＦｅＣｏ７０原子％磁歪合金を使用して、ほぼ線形性確認）
【図３】左右分離制御式の足漕ぎ機器設計図（全体構成図）
【図４】足踏みペダル部の拡大機構図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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