(57)【要約】【課題】ペダルの回転角度によって変化する運動者の脚伸展力を定量的に把握できる運動療法装置を得る。【解決手段】運動者がペダル２１に荷重を加えることによって、当該ペダル２１をペダル回転軸２２ａを中心にして回転駆動させる運動療法装置であって、ペダル回転軸２２のペダル角度とペダル軸トルクとを計測するための位置検出器２６、位置検出回路２７およびコンピュータ２９を備えている。【選択図】図１
2005192781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
運動者がペダルに荷重を加えることによって、当該ペダルをペダル回転軸を中心にして回転駆動させる運動療法装置であって、
上記ペダル回転軸のペダル角度とペダル軸トルクとを計測するペダル軸トルク計測手段を備えたことを特徴とする運動療法装置。
【請求項２】
上記ペダルにかかる荷重を、上記ペダル回転軸のペダル角度毎に、ペダル軸トルク計測手段により得られた上記ペダル軸トルクから演算するペダル荷重演算手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の運動療法装置。
【請求項３】
上記ペダル荷重演算手段により得られた上記ペダルにかかる荷重を表示する表示手段をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の運動療法装置。
【請求項４】
一定の速度設定値が設定されて、当該速度設定値に基づく一定速度で上記ペダルが回転するように制御する制御手段をさらに備え、
上記速度設定値は、上記ペダル荷重演算手段により得られた上記ペダルにかかる荷重に基づいて上記ペダル回転軸のペダル角度毎に設定される
ことを特徴とする請求項２に記載の運動療法装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は運動療法装置に関し、特に、例えばスポーツ選手や整形外科術後患者並びに脳血管障害患者などが運動療法を行う際に用いるエルゴバイク等から構成された運動療法装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来の運動療法装置を示す構成図である。図４に示すように、従来の運動療法装置は、運動者（ユーザ）が足で踏むためのペダル２に結合したプーリー１、プーリー１とモータ７との間に設けられたプーリー３、プーリー１とプーリー３にかけられたベルト４、プーリー３と同軸に併設されたプーリー５、プーリー５とモータ７にかけられたベルト６、プーリー１および５に取り付けられたマグネット８および９、マグネット８および９を検知するホール素子１０および１１、ホール素子１０および１１からの信号を入力し、プーリー１とプーリー５との回転数を算出するコンピュータ１２、および、このコンピュータ１２からの回転数に基づいてモータ７の負荷を制御する負荷制御装置１３から構成されている。
【０００３】
次に動作について説明する。ペダル２の回転数はこのプーリー１とプーリー３にかけられたベルト４によってプーリー５に伝えられて増速され、更にベルト６によりモータ７に伝えられる。プーリー１とプーリー５の１回転毎にホール素子１０，１１よりパルスがコンピュータ１２に出力される。そして、このコンピュータ１２はこのパルスの数を算出した後、負荷制御装置１３に出力する。負荷制御装置１３ではこのパルスの数に基づいて回転数を決定し、モータ７の負荷を制御する。
【０００４】
【特許文献１】特公昭６２−４６１９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の運動療法装置は以上のように構成されているので、運動者のペダル２を踏む脚伸展力の大きさを測定する場合、運動者の動きによってペダル２の回転軸に発生する軸トルクと回転角度位置の関係を測定する事はできたが、ペダル２の回転角度によって変化する運動者の脚伸展方向の脚力を測定する事はできなかった。
【０００６】
したがって、筋力（例えば、大腿四頭筋および股関節伸筋群）の低下が著しい運動者または運動麻痺を有している脳障害による身体障害者または高齢者が運動療法を行う際には、運動者が真に発生している脚伸展力をペダル回転運動の軸トルクを測定する事では評価する事ができなかった。
【０００７】
このため、身体障害者または高齢者などの筋力の低下した運動者や、一般の運動者の脚伸展力を定量的に、しかもペダル２の様々な回転角度で、運動者が発生している脚伸展力を把握する事ができないという問題点があった。
【０００８】
この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、ペダルの回転角度によって変化する運動者の脚伸展力を定量的に把握できる運動療法装置を得る事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、運動者がペダルに荷重を加えることによって、当該ペダルをペダル回転軸を中心にして回転駆動させる運動療法装置であって、上記ペダル回転軸のペダル角度とペダル軸トルクとを計測するペダル軸トルク計測手段を備えた運動療法装置である。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、運動者がペダルに荷重を加えることによって、当該ペダルをペダル回転軸を中心にして回転駆動させる運動療法装置であって、上記ペダル回転軸のペダル角度とペダル軸トルクとを計測するペダル軸トルク計測手段を備えた運動療法装置であるので、ペダルの回転角度によって変化する運動者の脚伸展力を定量的に把握できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明は、特に、例えばスポーツ選手や整形外科術後患者並びに脳血管障害患者などの種々の運動者が運動療法を行う際のペダルを踏む脚伸展力の大きさを評価する場合に、ペダルに架かる荷重をベクトル計算により分析する運動療法装置である。
【００１２】
以下に、この発明の実施の一形態を説明する。
【００１３】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による運動療法装置の全体構成を示すブロック図である。この発明に係る運動療法装置は、自転車型の健康器であり、ハンドル、サドル、ペダル、スタンドから構成されている（なお、図１においては、ハンドル、サドルおよびスタンドは図示を省略している。）。運動者がペダル２１に荷重を加えることによって、当該ペダル２１をペダル回転軸２２ａを中心にした回転運動させて用いる運動療法装置である。
【００１４】
図１に示すように、ペダル軸プーリー２２には、１対のペダル２１がペダル回転軸２２ａにより回転自在に設けられている。ペダル軸プーリー２２および負荷側プーリー２４に掛け回されたベルト２３を介して、ペダル２１の回転運動がペダル軸プーリー２２から負荷側プーリー２４に伝達される。負荷側プーリー２４には負荷モータ２５が結合されているため、当該回転運動は、さらに、負荷モータ２５に伝えられる。負荷モータ２５の反負荷側（負荷側プーリー２４と反対側）には、位置検出器２６が接続されている。位置検出器２６の検出出力は、位置検出回路２７を介して、コンピュータ２９に入力される。コンピュータ２９により、上記位置検出回路２７の位置検出出力の微分計算結果が速度情報として得られ、当該速度情報がコンピュータ２９に予め設定された一定の速度設定値になるように、負荷制御装置２８に負荷指令を送り、負荷制御装置２８が当該負荷指令に基づいて負荷モータ２５に負荷設定値を出力する構成としている。３０は、液晶ディスプレイ等のディスプレイ装置等から構成されて、コンピュータ２９からの表示情報を表示する表示器である。このように、コンピュータ２９、負荷制御装置２８および負荷モータ２５は、一定の速度設定値が設定されて、当該速度設定値に基づく一定速度でペダル２１が回転するように制御する制御手段を構成している。
【００１５】
次に動作について説明する。
まず、運動者の筋力を測定するため、一定の速度設定値をコンピュータ２９に設定する。本実施の形態においては、位置検出回路２７の位置検出出力を微分演算して得られる速度情報が常に一定になるように負荷制御装置２８から負荷設定値が負荷モータ２５に出力されるように構成されている為、運動者が出し得る最大筋力でペダル２１を回転させようとすると、負荷モータ２５の回転速度は、コンピュータ２９に設定された上記速度設定値に制限され、一方、逆に、運動者の最大筋力が低下するペダル角度では、上記速度情報が低下するので、負荷モータ２５に出力される負荷設定値が低くなる。この結果としてペダル２１は一定速度で回転する。
【００１６】
上記条件で回転中のコンピュータ２９の負荷指令値（ペダル軸トルク）とペダル回転角度との関係を図２に示す。図２において、横軸がペダル回転角度、縦軸がペダル軸トルクとして、波形１００は、上記動作によるコンピュータ２９の負荷指令から得られる脚伸展力測定データを示している。なお、位置検出器２６、位置検出回路２７およびコンピュータ２９は、上記ペダル回転軸のペダル角度とペダル軸トルクとを計測するペダル軸トルク計測手段を構成している。
【００１７】
本実施の形態においては、波形１００の上記脚伸展力測定データに対して、以下に示す（３）式で示すＦθとＦ１の変換係数（大転子方向）、又は、（６）式で示すＦθとＦ２の変換係数（膝関節方向）を掛けたものを、運動者の脚伸展方向の脚伸展力としてコンピュータ２９から表示器３０に表示する機能を有している。図２において、波形２００は、変換係数を掛けた大転子方向の脚伸展力Ｆ１の例を示している。
【００１８】
なお、表示器３０は、ペダル２１にかかる荷重（すなわち、大転子方向脚力Ｆ１および膝関節方向脚力Ｆ２）を表示する表示手段を構成している。
【００１９】
図３に、この発明の実施の形態１による脚伸展力の演算の図を示す。
上記脚伸展力測定データから脚伸展力を演算する為の換算係数を求める方法を以下に示す。
【００２０】
図３における主要な点を以下に示す。
Ａ点：人体の大転子
Ｂ点：人体の膝関節点
Ｃ点：人体の足関節点（腓骨外果点）
Ｄ点：ペダル回転中心
【００２１】
図３において、記号の説明は以下による。
Ｆθ：ペダル軸接線方向脚力
Ｔ：ペダル軸トルク
Ｆ１：大転子方向脚力
Ｆ２：膝関節方向脚力
θ：ペダルクランク角度
ｒ：ペダルクランク回転半径
ｌ：膝関節点−足関節点間長さ
Ｒ：大転子−膝関節点間長さ
ｘ：大転子Ａ点よりペダル回転中心Ｄ点までの水平距離
ｙ：大転子Ａ点よりペダル回転中心Ｄ点までの垂直距離
【００２２】
以上のように記号を付けた図３において、以下の関係式が成り立つ。
軸トルクＴとペダル軸接線方向脚力の関係は、
Ｆθ・ｒ＝Ｔ  ・・・（１）
【００２３】
図３の関係より、大転子方向脚力Ｆ１は、
Ｆθ／Ｆ１＝sin（α＋θ）より
Ｆ１＝Ｆθ／sin（α＋θ）
となる。
【００２４】
一方、図３より
α＝tan−１（（ｙ−ｒ・sinθ）／（ｘ＋ｒ・cosθ））・・・（２）
従って
Ｆ１＝Ｆθ／sin（tan−１((ｙ−ｒ・sinθ)／(ｘ＋ｒ・cosθ))＋θ）・・・（３）
【００２５】
図３の関係より、膝関節方向脚力Ｆ２は、以下により求める事ができる。
三角形ＡＣＧについて
Ｌ２＝（ｘ＋ｒ・cosθ）２＋（ｙ−ｒ・sinθ）２より
Ｌ＝（（ｘ＋ｒ・cosθ）２＋（ｙ−ｒ・sinθ）２）１／２・・・（４）
となる。
【００２６】
一方、三角形ＡＢＣについて
Ｒ２＝Ｌ２＋ｌ２−２Ｌ・ｌ・cosβより
β＝cos−１（（Ｒ２−（Ｌ２＋ｌ２））／−２Ｌ・ｌ）・・・（５）
となる。
【００２７】
上記（４）式および（５）式を使用し、図３より、ペダル軸接線方向脚力Ｆθと膝関節方向脚力Ｆ２は以下の関係が有るので、Ｆ２は（６）式のように求められる。
Ｆθ／Ｆ２＝sin（α＋β＋θ）
Ｆ２＝Ｆθ／sin（α＋β＋θ）・・・（６）
ただし、α、βは（２）、（４）、（５）式による。
【００２８】
このようにして、コンピュータ２９は、大転子方向脚力Ｆ１および膝関節方向脚力Ｆ２をペダル軸トルクＴより演算して求めるので、ペダルにかかる荷重（すなわち、大転子方向脚力Ｆ１および膝関節方向脚力Ｆ２）をペダル回転軸のペダル角度毎に、ペダル軸トルクからベクトル計算により演算するペダル荷重演算手段を構成している。また、このようにして求めたペダルにかかる荷重（すなわち、大転子方向脚力Ｆ１および膝関節方向脚力Ｆ２）は表示手段である表示器３０により画面表示される。
【００２９】
以上のように、本実施の形態１に係る運動療法装置によれば、運動者のペダル軸トルクＴから脚伸展力を、大転子方向の脚伸展力および膝関節方向の脚伸展力にベクトル分析して、上記演算結果により評価する事ができるため、ペダルの回転角度によって変化する運動者の脚伸展力を定量的に把握でき、運動者の運動機能の回復評価及び脚伸展力の定量的な評価が正確にできるという効果が得られる。
【００３０】
この発明によれば、運動療法時において、運動者の負荷設定値（速度設定値）を運動者の発揮できる脚伸展力に合わせて広範囲に設定できるので、運動者が無理なく運動できるという効果が得られる。すなわち、運動療法時において運動者の脚伸展力の大きさに合わせて、すなわち、運動者が筋力の大きなスポーツ選手であって、運動負荷装置として本発明の装置を使用する場合は、負荷設定を大きな設定値で使用する。逆に、運動者が荷重制限のある整形外科術後患者等の場合は、脚伸展力方向の荷重制限値を正確に設定することができ、並びに脳血管障害者などの脚伸展力の低い患者が運動療法を行う際には、負荷設定の小さな設定値で脚伸展力を設定できる。
【００３１】
この発明によれば、一人の運動者の様々な筋の運動の負荷設定（速度設定値の設定）をする場合にも、広範囲の負荷設定ができるので、様々な筋の運動を無理なくできるという効果がある。
【００３２】
この発明では、エルゴバイクでの演算したペダルにかかる荷重を基に、一定の速度設定値をペダル角度毎に自由に設定可能とする事により、運動者が広範囲の速度設定値で運動療法を実施できる効果が得られる。
【００３３】
この発明では、ペダルに直接加わる運動者の脚伸展力をペダルの圧力センサーなどを使用することなく推定できる事により、安価に脚伸展力を測定する装置が構成できる。
【００３４】
この発明では、ペダルのクランク軸の位置検出器のみで構成した事例を説明したが、運動者が直接踏み込むペダル部分の角度検出器を設けることにより、更に正確なペダルに架かる垂直方向他の脚伸展力を把握できる事は言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の実施の形態１による運動療法装置の構成を示したブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１による運動療法装置における運動者の脚伸展力の測定結果の一例を示した説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１による脚伸展力の演算を示した説明図である。
【図４】従来の運動療法装置を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
２１  ペダル、２２  ペダル軸プーリー、２３  ベルト、２４  負荷軸プーリー、２５  負荷モータ、２６  位置検出器、２７  位置検出回路、２８  負荷制御装置、２９  コンピュータ。
【図１】
2005192781.tif 000003
【図２】
2005192781.tif 000004
【図３】
2005192781.tif 000005
【図４】
2005192781.tif 000006