(57)【要約】【課題】ペダル板に乗るだけで下肢のストレッチ運動を自動的に行うことが可能な機構を採用し、ペダル板の回動支持軸にかかるトルクの変化から重心の変位を計算し、求めた重心の変位から利用者の柔軟性を定量的に評価・表示する装置を提供するものである。【解決手段】ペダル板に乗るだけでアキレス腱やふくらはぎを自動的にストレッチする機構を採用し、前記ペダル板に駆動装置の回転力を伝達させるリンク部材に生じる軸力を計測し、これらの情報をパラメータとして重心の変位を計算し、求めた重心の変位から利用者の体の柔軟性を各種の測定値や計算値に基いて定量的に評価・表示する下肢自動ストレッチ装置。【選択図】    図３
2007325903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部にサポートアームと回転駆動装置と回動支持機構を設置し、利用者が直立状態で両足を乗せるペダル板の踵側の下部を前記回動支持機構の回転支持軸で支持して該ペダル板を該回転支持軸を中心に回動可能にし、前記回動支持機構の回転支持軸に回転伝達アームを固定し、この回転伝達アームにリンクアームを介して前記回転駆動装置の回転駆動アームに連結し、前記回動支持機構の回転支持軸に掛かるペダル板の回転トルクを算出する演算回路と、前記演算回路により算出した回転トルクの経時変化を表示する表示装置、又は該回転トルクをペダル板の回動角度（足の背屈角度）との関係で柔軟度を表示する表示装置とを設けたことを特徴とする下肢ストレッチ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下肢のアキレス腱やふくらはぎをストレッチし、その柔軟性を表示又は評価する下肢ストレッチ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種のスポーツやウェイトトレーニングの準備運動として、あるいは整理運動としてストレッチ体操が普及しつつある。また、運動不足の解消として比較的穏やかな運動としてウォーキングなどが取り入れられている。
これらのストレッチ体操やウォーキングにより、筋肉の柔軟性が高まり、関節の可動域が広がり、運動能力が向上する。また、筋肉の収縮、拡大が繰り返されることで血流が増加し、血栓の予防となるとともに疲労の回復にも効果がある。
従来例として特許文献１〜特許文献４に示す公知例がある。特許文献１に記載の装置はペダルの角度を可変可能にしておき、可動軸にかかるモーメントをロードセルにて計測して柔軟性を評価する発明である。ただし、ペダルの角度を自動で可変する方法ではないため、自動的にストレッチ運動を行うことはできない。
特許文献２〜特許文献４の装置は、自動でペダルの角度が可変する方法を採用しており、自動的にストレッチ運動を行うことができるが評価との関係では記載が無い。特許文献２の装置はモータの回転をウォームギヤでペダルの上下運動に変換し、特許文献４の装置、はモータの回転をカム機構でペダルの上下運動に変換している。また、特許文献３の装置は、空気圧を利用してペダルの上下運動を行う方法を採用している。しかし、このいずれも柔軟性の表示や定量評価を行う機能は無い。
【特許文献１】特開２０００−３１７０１３
【特許文献２】登録実用新案第３０２１０４３
【特許文献３】特開平４−２００４８１
【特許文献４】特開昭６３−１４７４６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、このようなストレッチ体操やウォーキングは実行に長い時間を必要とするため、多忙な現代では時間の確保が困難となっている。したがって、短時間でストレッチ効果が有り、しかもそれが容易に継続できるストレッチ装置が要求されている。さらに、利用者の希望も多岐になり、このような装置を使用して自らの体の柔軟性を定量的な指標で評価しながら自己の目標値に向けて管理したいとの要求も出ている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、上記の利用者の要求を達成するためになされたものでありその特徴とするところは、基部にサポートアームと回転駆動装置と回動支持機構を設置し、利用者が直立状態で両足を乗せるペダル板の踵側の下部を前記回動支持機構の回転支持軸で支持して該ペダル板を該回転支持軸を中心に回動可能にし、前記回動支持機構の回転支持軸に回転伝達アームを固定し、この回転伝達アームにリンクアームを介して前記回転駆動装置の回転駆動アームに連結し、前記回動支持機構の回転支持軸に掛かるペダル板の回転トルクを算出する演算回路と、前記演算回路により算出した回転トルクの経時変化を表示する表示装置、又は該回転トルクをペダル板の回動角度（足の背屈角度）との関係で柔軟度を表示する表示装置とを設けたことを特徴とする下肢ストレッチ装置にある。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の下肢ストレッチ装置は、並行回動する一対のペダル板、又は一体物のペダル板に両足で乗り、ペダル板の回動角度範囲や使用時間等を任意に設定して運転するだけで自動的に下肢の足関節を底背屈させアキレス腱やふくらはぎのストレッチ運動を効率的に行うことができると共に、血栓の主な発生部位である下肢の血流を促進するものである。
またペダル板の所定角度回動中にペダル板の回動支持軸にかかる回転トルクの変化とペダル板の回動角度との関係等を利用者の身体の柔軟性の評価指標として定量的に表示することにより利用者は、ストレッチの効果を目視により直接確認することができ、日頃の健康管理に役立てる等の継続的効果を生み、多くの人の利用促進につながるものと期待される。また本発明の下肢ストレッチ装置は、評価のなされた柔軟性レベルに応じたストレッチ運動をプログラム制御（ペダル板の回転角・速度、運動時間）することも容易に可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
１．本発明の原理原則
図３に示す本発明の主要機構部の力学モデルに基づいて本発明の原理原則を説明する。
図３において、本発明の下肢ストレッチ装置は、ペダル板１（２）が回転伝達アームｃに固定されており、回転伝達アームｃが床から垂直に位置し、すなわちペダル板１（２）が水平に位置するとき、ペダル板１（２）にかかる荷重Wと重心位置ｒを計測し、これらを基点の１例とする。この時の重心位置ｒ（回転支持軸Dからの距離で表示）は回転支持軸Dに近くにすれば回転伝達アームｃにかかる回転トルクが小さくなり駆動装置の負荷を軽減することができる。
最初は、回転支持軸Dから距離rの位置にあった荷重Wの作用線は、ペダル板の回転角度（足関節の背屈角度）ζが大きくなれば下肢のストレッチに伴う足底の接触圧分布の変化のため、圧力中心は爪先方向へ移動してr'になる。足底の接触圧変化は下肢の柔軟性に依存するため、背屈角ζと重心位置rの関係を調べることで下肢の柔軟性を定量的に評価することができる。すなわち下肢筋肉等の固い人ほど 重心位置 r'は大きく、逆に柔らかい人は重心位置rから重心位置r'の変化量は小さい。
荷重Wによる回転支持軸Dの回りの回転トルクをT3、リンクアームｂの軸力をP、回転支持軸Dからリンクアームｂまでの垂線の距離をCn とすると、回転支持軸Dの回りのモーメントT3は数１で算出し、
【０００７】
【数１】
2007325903.tif 000003
軸力Pはひずみゲージなどの力センサーで検出でき、Cn は各リンク長さと傾きで幾何学的に計算できるため、重心位置rの大きさは数２で算出できる。
【０００８】
【数２】
2007325903.tif 000004
これまでの実験から体の筋肉等の固い人は、足関節の背屈角度ζの変化に伴う重心位置rの変化の大きいことが分かっている。
また本装置で数分間ストレッチを行えば柔軟性が増して重心位置rの変化が小さくなることを確認している。
数２で求めた重心位置rは次元があり、人の足の大きさによる影響を受ける。そこで、実際には各人の足の大きさLfで除して、無次元化した数３により算出した無次元化重心位置r*を使う方が良い。
【０００９】
【数３】
2007325903.tif 000005
尚、軸力Pを検出するアームとしてリンクアーム42を例にしているが、他に回転伝達アームｃ、回転駆動アームaでもよい。
【実施例１】
【００１０】
以下、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
１．本例の下肢ストレッチ装置の機構構造等の概要説明。
図１は、本実施例の全体斜視図である。図１において、本実施例の下肢ストレッチ装置は、両足を載置させる左右一対のペダル板１、２と、このペダル板１、２を並行回動させる回転駆動装置の電動モータ30と、この電動モータ30の回転動力をペダル板１、２に伝達するリンク機構40とペダル板用の回動支持機構を主要構成部とし、これをワンユニットとして基部であるベースフレーム５に設置する。また前記ベースフレーム５はサポートアーム６を一体的に設け、側面的に見てベースフレームとサポートアーム６がL字型をなしている。サポートアーム６の上部バーには、操作パネル７を設けこれには、起動ボタン71、停止ボタン72およびストレッチ強度調整用の回動角度範囲設定ダイヤル73と電動モータ回転速度設定器74、更にタイマー75があり、これらに適宜な値を任意に設定し誰でも簡単に操作が可能である。
例えば、回動角度範囲設定ダイヤル73は、予めペダル板の回動角度を設定し、これと回転支持軸44に設けた図２の回動角度検出器101aに接続して実測値を導入し、該設定値と実測値を比較して電動モータ30を設定値に制御する。
利用者は、ペダル板１、２の上に足を乗せ、電動モータ30を駆動させれば、その動力がリンク機構40を介してペダル板１、２に伝達し、これを所定角度回動させ、下肢の足関節を底背屈させることで下肢のアキレス腱やふくらはぎをストレッチするものである。
【００１１】
２．本例の下肢ストレッチ装置の機構構造等の詳細説明。
図２は、本実施例の主要機構部の側面図である。
図２において、ペダル板１、２は、回転支持軸44の位置を人が乗り易いように低い位置にしてある。一方、電動モータの回転軸31は、回転駆動アーム41が回転するためやや高い位置にある。また、ペダル板１、２は、足底の接触面には滑り止めシート1a、2aを貼り付け、後端部に踵の後ろを支える止め具1b、2bを設置し、踵の直下部にはペダル板用の回動支持機構を設ける。ペダル板用の回動支持機構は、支持桁1c、2cをペダル板に固定接続し、この支持桁1c、2cをペダル板回動用の回転支持軸44に固定支持し、回転支持軸44は軸受44a、44bで位置固定したものである。
下肢ストレッチ装置のリンク機構40は、一対のペダル板１、２の間に配置し、電動モータ30の回転軸31に一端を固定した回転駆動アーム41と、この回転駆動アーム41の動力伝達側の他端と被伝達側の一端を軸接合したリンクアーム42と、このリンクアーム42の動力伝達側の他端と被伝達側の一端を軸接合し他端は電動モータ30の回転軸31と平行に配置の前記回転支持軸44に固定支持した回転伝達アーム43とから構成した４節のリンク機構40にしてある。該回転伝達アーム43は電動モータ30の回転により回転支持軸44を中心にした円弧軌跡上を所定角度回動する。
【００１２】
３．本例の下肢ストレッチ装置の評価装置の詳細説明。
図１と図２において、下肢ストレッチ装置の評価装置100は、軸力センサー102と、演算回路103と、表示装置104から構成する。
軸力センサー102は、ペダル板の回動角度に応じてリンクアーム42に生じる軸力を検出する歪ゲージ等でありその検出値Pを重心位置算出演算回路103に導入する。演算回路103は、前記軸力検出値と回転支持軸44からリンクアーム42への垂線距離Cn、体重W等からペダル板1、2の回転軸にかかる回転トルクT3（Ｐ・Cn）とモーメント(Ｗ・ｒ)を求めペダル板に乗った人の重心位置ｒ（Ｐ・Cn／Ｗ）の変化等を算出する。表示装置104は、表示例として、回転トルクT3とペダル板回転角度との変化表示、ペダル板に乗った人の重心位置ｒ（Ｐ・Cn／Ｗ）の変化、前記軸力（歪ゲージ等でありその検出値）Ｐ、ペダル板の回動角度ζの変化、血流変化、垂線距離Cn の変化等を単独或いは複数を組み合わせてそのグラフを印字表示又は画面表示等をする。本例の具体例としては、後述する図４〜図１１に示すグラフを切り替え画面表示する。
＜作用効果＞
【００１３】
図３と図４〜図１１により本実施例の作用効果を説明する。
図４にペダル回動角度ζすなわち背屈角度ζの時間的変化の一例を示す．回動角度ζの大きさは操作パネル上の回動角度範囲調節などの強度調整ダイヤルにより調整する．
図５に幾何学的計算より求めた背屈角度ζと回転支持軸Dからリンクアームbまでの垂線距離Cn の関係を示す．図３の回転駆動アームaや回転伝達アームＣの長さを変えるとル−プ形状も当然違ったものになる．図５は図３の回転駆動アームａを，時計回りに一回転させた場合の結果である．これらの計算結果よりペダル板の任意位置でのcnを求めることができ，数２より重心位置ｒを得ることができる．  
図６は体重W=68 kgの人が装置によるストレッチ運動を始めた直後の軸力Pと背屈角度ζの変化を示す．軸力Pは背屈角度ζの変化に伴い変動しており，ペダル上で立位バランスを保持しようとして複雑に変化しており，背屈角度ζの増加とともに軸力Pも大きくなることが分かる．図７と図８は体の固い人と柔らかい人の前記の無次元化重心位置（無次元化モ−メントア−ム）r*を経時的な変化（図７）と背屈角度ζの変化（図８）との関係で比較したものである．体の固い人の無次元化重心位置r*は，柔らかい人の無次元化重心位置r*に比べてその平均値と振幅は明らかに大きく，無次元化重心位置r*は体の柔軟性を定量的に表す指標として利用できることがわかる．無次元化重心位置r*の大きさを予め目標値として装置に記憶させておけば，乗る人の体の固さに合わせたストレッチ強度を装置が自動的に選択してストレッチを実施させることもできる．
図９，図１０は背屈角度ζの変化に伴う血流量の変化を示している．血流はレ−ザ−血流計を利用して足関節付近で測定した．図９はペダル板を上げて静止させた場合の結果であり，図１０はペダル板を回動させた場合の結果である．これらより血流はペダルの運動に連動して大きく変動しており，ペダル板を動かすことで血流が促進されることが分かる．したがって静的ストレッチでは血流促進効果の全くないことが分かる．  
図１１は、足関節モ−メントが０（無限の柔軟性がある場合）の場合と，人がペダルに乗った場合のリンク軸力変化曲線の比較をした結果を示すグラフである。
生体では足関節モ−メントがあるため，リンクアーム42 (図３のb)の軸力変化曲線は必ず足関節モ−メントが０である場合の理論曲線より上になる．したがって斜線部の面積の大きさを評価することで，下肢の柔軟性を定量的に一つの数値で表すことが出来る．この柔軟性は、数１を使って軸力ＰをトルクＴ３に変換して表しさえすれば斜線部の面積は足関節を背屈するのに消費されたエネルギ−を表すことになり実施例２では柔軟度測定値表示器761に表示している通り、物理的にも明確な意味を持つ。
【実施例２】
【００１４】
以下、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
１．本例の下肢ストレッチ装置の機構構造等の概要説明。
図１２は、本発明の実施例2を示す概要側面説明図であり、図１３は同概要正面説明図であり、図１４は、同概要平面説明図であり、図１５は、同概要背面説明図である
図１２、図１３、図１４、図１５において、本実施例２の下肢ストレッチ装置は、踵ストッパー103、104付の両足載置用の左右一対のペダル板101、201と、このペダル板101、201を回動させる駆動源とするカバー901内に収容した電動モータ301と、この電動モータ301の回転動力をペダル板101、201に伝達するリンク機構401とを主要構成部とし、これをワンユニットとしてベースフレーム501上に設置し、また前記ベースフレーム501には安全のためのサポートバー601を設置してある。サポートバー601は、正面から見て逆Ｕ字型にし、側面から見てベースフレーム501の後部から前方に湾曲立上げさせベースフレームとで逆L字型をなしている。すなわちサポートバー601は、ペダル板101、201上に乗った利用者の左右両側方に、左右両側バー部602、603を斜めに湾曲させて位置させ、その下部の足604、605はベースフレーム501の後端部から前端部に亘っての左右両側に固定し、上端の横バー部604を前方上に張り出してペダル板101、201上に乗った利用者の胸前方に位置させる。これでペダル板101、201上に乗った利用者は、身長や両手の位置に応じた適切な握り位置を左右両側バー部602、603の任意位置に求めることができる。
横バー部604の中央部とベースフレーム501中央部間には操作パネル701付の配線用及び補強用のスタンド800を設け、操作パネル701には電源ボタン702、起動ボタン711、停止ボタン721およびストレッチ強度調整用の回動角度範囲設定ダイヤル731と電動モータ回転速度設定器741、更にタイマー751、回転トルクをペダル板の回動角度（足の背屈角度）との関係で柔軟度を表示する柔軟度測定値表示器761、動作時間表示器781があり、これらに利用者の年齢、性別、健康状態、過去の利用データー等により適宜な値を任意に設定し誰でも簡単に操作が可能である。
例えば、回動角度範囲設定ダイヤル731は、予めペダル板101、201の回動角度を設定し、これと回転支持軸441に設けた回動角度検出器（図２の101a）に接続して実測値を導入し、該設定値と実測値を比較して電動モータ301を設定値に制御する。
利用者は、ペダル板101、201の上に足を乗せ、電動モータ301を駆動させれば、その動力がリンク機構401を介してペダル板101、201に伝達し、これを同時に所定角度回動させ、下肢の足関節を底背屈させることで下肢のアキレス腱やふくらはぎをストレッチするものである。
この実施例２におけるその他の詳細部分は、実施例１と同様なのでその構成と作用効果の説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明は、前記の優れた効果を呈し、「柔軟性評価装置」及び「ふくらはぎストレッチ装置」として各種スポーツ施設や、個人の健康管理用具として利用され、この種の産業における利用可能性は多大なものがある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１を示す概要図斜視説明図である。
【図２】本発明の実施例１を示す図１の矢視A−Aからの側断面説明図である。
【図３】本発明の原理を説明する図である。
【図４】ペダル角度ζの時間的変化を示すグラフである。
【図５】背屈角度ζと垂線距離Cnの関係を示すグラフである。
【図６】背屈角度ζと軸力Ｐの関係を示すグラフである。
【図７】体の固い人と柔らかい人の無次元化重心位置（モ−メントア−ム）r*の相違を経時的変化により示すグラフである。
【図８】体の固い人と柔らかい人の無次元化重心位置（モ−メントア−ム）r*の相違を背屈角度ζに伴う変化により示すグラフである。
【図９】ペダル回動角度位置による血液流量の変化を示すグラフである。
【図１０】ペダル回動角度を繰返し変化させた時の血液流量の変化を示すグラフである。
【図１１】足関節モ−メントが０（無限の柔軟性がある場合）の場合と，人がペダルに乗った場合のリンク軸力変化曲線の比較をした結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例2を示す概要側面説明図である。
【図１３】実施例2の概要正面説明図である。
【図１４】実施例2の概要平面説明図である。
【図１５】実施例2の概要背面説明図であり一部を拡大してある。
【符号の説明】
【００１７】
1、2      左右一対のペダル板
1b、2b      止め具
1c、2c    支持桁
5          ベースフレーム
30          電動モータ
40          リンク機構
31          回転軸
41          回転駆動アーム
42          リンクアーム
43          回転伝達アーム
44          回転支持軸
44a、44b    軸受
71          起動ボタン、
72          停止ボタン
73          回動角度範囲設定ダイヤル
74          電動モータ回転速度設定器
75          タイマー
102          軸力センサー
103          重心位置算出演算回路
104          表示装置
101a         回動角度検出器
【図１】
2007325903.tif 000006
【図２】
2007325903.tif 000007
【図３】
2007325903.tif 000008
【図４】
2007325903.tif 000009
【図５】
2007325903.tif 000010
【図６】
2007325903.tif 000011
【図７】
2007325903.tif 000012
【図８】
2007325903.tif 000013
【図９】
2007325903.tif 000014
【図１０】
2007325903.tif 000015
【図１１】
2007325903.tif 000016
【図１２】
2007325903.tif 000017
【図１３】
2007325903.tif 000018
【図１４】
2007325903.tif 000019
【図１５】
2007325903.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成19年2月19日(2007.2.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サポートアームを有する基部において、利用者の両足載置用のペダル板と、このペダル板の両足踵が乗る部分の直下を回転支持軸で支持する回動支持機構と、前記回動支持機構の回転支持軸に一端を固定した回転伝達アームと、前記回転伝達アームの他端に一端を軸接合したリンクアームと、前記リンクアームの他端に一端を軸接合した回転駆動アームと、前記回転駆動アームの他端に回転軸を固定した電動モーターと、前記ペダル板の回動角度ζを検出する回動角度検出器と、前記リンクアームに掛かる軸力Ｐを検出する軸力センサーと、ペダル板にかかる荷重Ｗと前記リンクアームの軸力Ｐと前記回転支持軸から前記リンクアームまでの垂線の距離Ｃｎと前記回転支持軸からの重心位置までの距離ｒにより前記回動支持機構の回転支持軸に掛かるペダル板の回転トルクＴ３を算出する演算回路と、前記演算回路により算出した回転トルクＴ３と前記回動角度検出器から回動角度ζを導入し回動角度ζをペダル板に乗せた両足の背屈角度ζとしその変化に伴う回転トルクＴ３又は前記軸力Ｐの変化との関係で下肢の柔軟性を表示する表示装置とを設けたことを特徴とする下肢ストレッチ装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】  本発明は、上記の利用者の要求を達成するためになされたものでありその特徴とするところは、次の（１）の通りである。
（１）、サポートアームを有する基部において、利用者の両足載置用のペダル板と、このペダル板の両足踵が乗る部分の直下を回転支持軸で支持する回動支持機構と、前記回動支持機構の回転支持軸に一端を固定した回転伝達アームと、前記回転伝達アームの他端に一端を軸接合したリンクアームと、前記リンクアームの他端に一端を軸接合した回転駆動アームと、前記回転駆動アームの他端に回転軸を固定した電動モーターと、前記ペダル板の回動角度ζを検出する回動角度検出器と、前記リンクアームに掛かる軸力Ｐを検出する軸力センサーと、ペダル板にかかる荷重Ｗと前記リンクアームの軸力Ｐと前記回転支持軸から前記リンクアームまでの垂線の距離Ｃｎと前記回転支持軸からの重心位置までの距離ｒにより前記回動支持機構の回転支持軸に掛かるペダル板の回転トルクＴ３を算出する演算回路と、前記演算回路により算出した回転トルクＴ３と前記回動角度検出器から回動角度ζを導入し回動角度ζをペダル板に乗せた両足の背屈角度ζとしその変化に伴う回転トルクＴ３又は前記軸力Ｐの変化との関係で下肢の柔軟性を表示する表示装置とを設けたことを特徴とする下肢ストレッチ装置。
【手続補正書】
【提出日】平成19年8月10日(2007.8.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サポートアームを有する基部において、立位の利用者の左右の両足を揃えて乗せる一体物又は一対に分離したペダル板と、このペダル板の両足踵が乗る部分の直下に固定した支持桁を回転支持軸で固定支持する回動支持機構と、前記回動支持機構の回転支持軸に一端を固定し回転支持軸を介して前記ペダル板を回動させる回転伝達アームと、前記回転伝達アームの他端に一端を軸接合したリンクアームと、前記リンクアームの他端に一端を軸接合した回転駆動アームと、前記回転駆動アームの他端に回転軸を固定した電動モーターと、前記ペダル板の回動角度ζを検出する回動角度検出器と、前記リンクアームに設けられ同リンクアームに掛かる軸力Pを検出する軸力センサーとを設置し、更に次の(1)の演算回路と表示装置を設けるか又は(2)の演算回路と表示装置とを設けてなる下肢ストレッチ装置。
(1)、各リンク長さ及び傾きで幾何学的に求めた前記回転支持軸から前記リンクアームまでの垂直距離Ｃnと前記リンクアームの軸力Pとにより前記回動支持機構の回転支持軸に掛かるペダル板の回転トルクＴ3を算出する演算回路と，前記回動角度検出器からの回動角度ζをペダル板に乗せた両足関節の背屈角度ζとし、背屈角度ζと前記軸力P又は回転トルクＴ3との関係により描く前記軸力P又は回転トルクＴ3の変化曲線と足関節モーメントが０である場合に描く前記軸力P又は回転トルクＴ3の変化曲線とにより形成する図形の面積を数値として求めてその数値で下肢の柔軟性を表示する表示装置。
(2)、各リンク長さ及び傾きで幾何学的に求めた前記回転支持軸から前記リンクアームまでの垂直距離Ｃnと前記リンクアームの軸力Pとにより前記回動支持機構の回転支持軸に掛かるペダル板の回転トルクＴ3を算出し、この回転トルクＴ3(P・Cn)を利用者の体重Ｗと足の大きさLFで除して利用者の無次元化重心位置ｒ*を算出する演算回路と，前記回動角度検出器からの回動角度ζをペダル板に乗せた両足関節の背屈角度ζとし、背屈角度ζと前記利用者の無次元化重心位置ｒ*との関係、又は背屈角度ζと前記軸力Pとの関係、又は背屈角度ζと前記回転トルクT3との関係の図形により下肢の柔軟性を表示する表示装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下肢のアキレス腱やふくらはぎをストレッチし、その柔軟性を表示又は評価する下肢ストレッチ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種のスポーツやウェイトトレーニングの準備運動として、あるいは整理運動としてストレッチ体操が普及しつつある。また、運動不足の解消として比較的穏やかな運動としてウォーキングなどが取り入れられている。
これらのストレッチ体操やウォーキングにより、筋肉の柔軟性が高まり、関節の可動域が広がり、運動能力が向上する。また、筋肉の収縮、拡大が繰り返されることで血流が増加し、血栓の予防となるとともに疲労の回復にも効果がある。
従来例として特許文献１〜特許文献４に示す公知例がある。特許文献１に記載の装置はペダルの角度を可変可能にしておき、可動軸にかかるモーメントをロードセルにて計測して柔軟性を評価する発明である。ただし、ペダルの角度を自動で可変する方法ではないため、自動的にストレッチ運動を行うことはできない。
特許文献２〜特許文献４の装置は、自動でペダルの角度が可変する方法を採用しており、自動的にストレッチ運動を行うことができるが評価との関係では記載が無い。特許文献２の装置はモータの回転をウォームギヤでペダルの上下運動に変換し、特許文献４の装置はモータの回転をカム機構でペダルの上下運動に変換している。また、特許文献３の装置は、空気圧を利用してペダルの上下運動を行う方法を採用している。しかし、このいずれも柔軟性の表示や定量的な評価を行う機能は無い。
【特許文献１】特開２０００−３１７０１３
【特許文献２】登録実用新案第３０２１０４３
【特許文献３】特開平４−２００４８１
【特許文献４】特開昭６３−１４７４６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、このようなストレッチ体操やウォーキングは実行に長い時間を必要とするため、多忙な現代では時間の確保が困難となっている。したがって、短時間でストレッチ効果が有り、しかもそれが容易に継続できるストレッチ装置が要求されている。さらに、利用者の希望も多岐になり、このような装置を使用して自らの体の柔軟性を定量的な指標で評価しながら自己の目標値に向けて管理したいとの要求も出ている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、上記の利用者の要求を達成するためになされたものでありその特徴とするところは、次の通りである。
サポートアームを有する基部において、立位の利用者の左右の両足を揃えて乗せる一体物又は一対に分離したペダル板と、このペダル板の両足踵が乗る部分の直下に固定した支持桁を回転支持軸で固定支持する回動支持機構と、前記回動支持機構の回転支持軸に一端を固定し回転支持軸を介して前記ペダル板を回動させる回転伝達アームと、前記回転伝達アームの他端に一端を軸接合したリンクアームと、前記リンクアームの他端に一端を軸接合した回転駆動アームと、前記回転駆動アームの他端に回転軸を固定した電動モーターと、前記ペダル板の回動角度ζを検出する回動角度検出器と、前記リンクアームに設けられ同リンクアームに掛かる軸力Pを検出する軸力センサーとを設置し、更に次の(1)の演算回路と表示装置を設けるか又は(2)の演算回路と表示装置とを設けてなる下肢ストレッチ装置。
(1)、各リンク長さと傾きで幾何学的に求めた前記回転支持軸から前記リンクアームまでの垂直距離Ｃnと前記リンクアームの軸力Pとにより前記回動支持機構の回転支持軸に掛かるペダル板の回転トルクＴ3を算出する演算回路と，前記回動角度検出器からの回動角度ζをペダル板に乗せた両足関節の背屈角度ζとし、背屈角度ζと前記軸力P又は回転トルクＴ3との関係により描く前記軸力P又は回転トルクＴ3の変化曲線と足関節モーメントが０である場合に描く前記軸力P又は回転トルクＴ3の変化曲線とにより形成する図形の面積を数値として求めてその数値で下肢の柔軟性を表示する表示装置。
(2)、各リンク長さと傾きで幾何学的に求めた前記回転支持軸から前記リンクアームまでの垂直距離Ｃnと前記リンクアームの軸力Pとにより前記回動支持機構の回転支持軸に掛かるペダル板の回転トルクＴ3を算出し、この回転トルクＴ3(P・Cn)を利用者の体重Ｗと足の大きさLFで除して利用者の無次元化重心位置ｒ*を算出する演算回路と，前記回動角度検出器からの回動角度ζをペダル板に乗せた両足関節の背屈角度ζとし、背屈角度ζと前記利用者の無次元化重心位置ｒ*との関係、又は背屈角度ζと前記軸力Pとの関係、又は背屈角度ζと前記回転トルクT3との関係の図形により下肢の柔軟性を表示する表示装置。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の下肢ストレッチ装置は、所定の回動角度の範囲を揃って往復回動する一対のペダル板、又は所定の回動角度の範囲を往復回動する一体物のペダル板に利用者が左右の両足で乗って立ち、ペダル板の回動角度範囲や使用時間等を任意に設定して運転するだけで自動的に下肢の足関節を底背屈させアキレス腱やふくらはぎのストレッチ運動を効率的に行うことができると共に、血栓の主な発生部位である下肢の血流を促進するものである。  
またペダル板の所定角度回動中にペダル板の回動支持軸にかかる回転トルクの変化とペダル板の回動角度との関係等を利用者の身体の柔軟性の評価指標として定量的に表示することにより利用者は、ストレッチの効果を目視により直接確認することができ、日頃の健康管理に役立てる等の継続的効果を生み、多くの人の利用促進につながるものと期待される。また本発明の下肢ストレッチ装置は、評価のなされた柔軟性レベルに応じたストレッチ運動をプログラム制御（ペダル板の回転角・速度、運動時間）することも容易に可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
１．本発明の原理原則
図３に示す本発明の主要機構部の力学モデルに基づいて本発明の原理原則を説明する。
図３において、本発明の下肢ストレッチ装置は、ペダル板１（２）が回転伝達アームｃに固定され、ペダル板１（２）が水平に位置するとき、ペダル板１（２）にかかる体重Ｗより重心位置ｒを計測し、これらを基点とする。この時の重心位置ｒ（回転支持軸Ｄからの距離で表示）は回転支持軸Ｄの近くにすれば回転伝達アームｃにかかる回転トルクが小さくなり駆動装置の負荷を軽減することができる。
最初は、回転支持軸Ｄから距離rの位置にあった体重Ｗの作用線は、ペダル板の回転角度（足関節の背屈角度）ζが大きくなれば下肢のストレッチに伴う足底の接触圧分布の変化のため、圧力中心は爪先方向へ移動してr'になる。足底の接触圧変化は下肢の柔軟性に依存するため、背屈角ζと重心位置rの関係を調べることで下肢の柔軟性を定量的に評価することができる。すなわち下肢筋肉等の固い人ほど 重心位置 r'は大きく、逆に柔らかい人は重心位置rから重心位置r'の変化量は小さい。
体重Ｗによる回転支持軸Ｄの回りの回転トルクをＴ３、リンクアームｂの軸力をP、回転支持軸Ｄからリンクアームｂまでの垂線の距離をCnとすると、回転支持軸Ｄの回りの回転トルクＴ３は数１で算出し、
【０００７】
【数１】
2007325903.tif 000021
軸力Pはひずみゲージなどの力センサーで検出でき、前記垂直距離Cnの長さは、各リンク長さと傾きで幾何学的に計算できるため、重心位置rの大きさは数２で算出できる。
【０００８】
【数２】
2007325903.tif 000022
これまでの実験から体の筋肉等の固い人は、足関節の背屈角度ζの変化に伴う重心位置rの変化の大きいことが分かっている。
また本装置で数分間ストレッチを行えば柔軟性が増して重心位置rの変化が小さくなることを確認している。
下肢筋肉が無限に柔らかくて足関節モーメントが０である理想的な場合は、ペダル板が水平位置（背屈角ζ＝０）にあるときの重心位置rと利用者の体重Ｗを使えば、ペダル板が任意角度ζに傾いた場合の体重Ｗによる回転トルクＴ３や軸力Ｐは、ペダル板が回転支持軸を中心とした円弧運動を行っているため通常の静力学的な計算により一意的に求めることができる。
数２で求めた重心位置rは次元があり、人の足の大きさによる影響を受ける。そこで、実際には各人の足の大きさLfで除して、無次元化した数３により算出した無次元化重心位置r*を使う方が良い。
【０００９】
【数３】
2007325903.tif 000023
【実施例１】
【００１０】
以下、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
１．本例の下肢ストレッチ装置の機構構造等の概要説明。
図１は、本実施例の全体斜視図である。図１において、本実施例の下肢ストレッチ装置は、立位者が左右の両足を載置させ所定の回動角度の範囲を揃って往復回動させる左右一対のペダル板１、２と、このペダル板１、２を回動させる回転駆動装置の電動モータ30と、この電動モータ30の回転動力をペダル板１、２に伝達するリンク機構40とペダル板用の回動支持機構を主要構成部とし、これをワンユニットとして基部であるベースフレーム５に設置する。また前記ベースフレーム５はサポートアーム６を一体的に設け、側面的に見てベースフレームとサポートアーム６がL字型をなしている。サポートアーム６の上部バーには、操作パネル７を設けこれには、起動ボタン71、停止ボタン72およびストレッチ強度調整用の回動角度範囲設定ダイヤル73と電動モータ回転速度設定器74、更にタイマー75があり、これらに適宜な値を任意に設定し誰でも簡単に操作が可能である。
例えば、回動角度範囲設定ダイヤル73は、予めペダル板の回動角度を設定し、これと回転支持軸44に設けた図２の回動角度検出器101aに接続して実測値を導入し、該設定値と実測値を比較して電動モータ30を設定値に制御する。
利用者は、ペダル板１、２の上に足を乗せ、電動モータ30を駆動させれば、その動力がリンク機構40を介してペダル板１、２に伝達し、これを所定角度回動させ、下肢の足関節を底背屈させることで下肢のアキレス腱やふくらはぎをストレッチするものである。
【００１１】
２．本例の下肢ストレッチ装置の機構構造等の詳細説明。
図２は、本実施例の主要機構部の側面図である。
図２において、ペダル板１、２は、回転支持軸44の位置を人が乗り易いように低い位置にしてある。一方、電動モータの回転軸31は、回転駆動アーム41が回転するためやや高い位置にある。また、ペダル板１、２は、足底の接触面には滑り止めシート1a、2aを貼り付け、後端部に踵の後ろを支える止め具1b、2bを設置し、踵の直下部にはペダル板用の回動支持機構を設ける。ペダル板用の回動支持機構は、支持桁1c、2cをペダル板に固定接続し、この支持桁1c、2cをペダル板回動用の回転支持軸44に固定支持し、回転支持軸44は軸受44a、44bで位置固定したものである。
下肢ストレッチ装置のリンク機構40は、一対のペダル板１、２の間に配置し、電動モータ30の回転軸31に一端を固定した回転駆動アーム41と、この回転駆動アーム41の動力伝達側の他端と被伝達側の一端を軸接合したリンクアーム42と、このリンクアーム42の動力伝達側の他端と被伝達側の一端を軸接合し他端は電動モータ30の回転軸31と平行に配置の前記回転支持軸44に固定支持した回転伝達アーム43とから構成した４節のリンク機構40にしてある。該回転伝達アーム43は電動モータ30の回転により回転支持軸44を中心にした円弧軌跡上を所定角度回動する。
【００１２】
３．本例の下肢ストレッチ装置の評価装置の詳細説明。
図１と図２において、下肢ストレッチ装置の評価装置100は、軸力センサー102と、演算回路103と、表示装置104から構成する。
軸力センサー102は、ペダル板の回動角度に応じてリンクアーム42に生じる軸力を検出する歪ゲージ等でありその検出値Pを重心位置算出演算回路103に導入する。演算回路103は、前記軸力検出値と回転支持軸44からリンクアーム42への垂線距離Cn、体重Ｗ等からペダル板1、2の回転軸にかかる回転トルクＴ３（Ｐ・Cn）を求めペダル板に乗った人の重心位置ｒ（Ｐ・Cn／Ｗ）の変化等を算出する。表示装置104は、表示例として、回転トルクＴ３とペダル板回転角度との変化表示、ペダル板に乗った人の重心位置ｒ（Ｐ・Cn／Ｗ）の変化、前記軸力（歪ゲージ等からの検出値）Ｐ、ペダル板の回動角度ζの変化、血流変化、垂線距離Cnの変化等を単独或いは複数を組み合わせてそのグラフを印字表示又は画面表示等をする。本例の具体例としては、後述する図４〜図１１に示すグラフを切り替え画面表示する。
＜作用効果＞
【００１３】
図３と図４〜図１１により本実施例の作用効果を説明する。
図４にペダル回動角度ζ、すなわち背屈角度ζの時間的変化の一例を示す。回動角度ζの大きさは操作パネル上の回動角度範囲調節などの強度調整ダイヤルにより調整する。
図５に幾何学的計算より求めた背屈角度ζと回転支持軸Ｄからリンクアームbまでの垂線距離Cnの関係を示す。図３の回転駆動アームaや回転伝達アームcの長さを変えるとル−プ形状も当然違ったものになる。図５は図３の回転駆動アームａを、時計回りに一回転させた場合の結果である。これらの計算結果よりペダル板の任意位置での前記垂線距離Cnを求めることができ、数２より重心位置ｒを得ることができる。
図６は体重Ｗ=68 kgの人が装置によるストレッチ運動を始めた直後の軸力Pと背屈角度ζの変化を示す。軸力Pは背屈角度ζの変化に伴い変動しており、ペダル上で立位バランスを保持しようとして複雑に変化しており、背屈角度ζの増加とともに軸力Pも大きくなることが分かる。図７と図８は体の固い人と柔らかい人の前記の無次元化重心位置（無次元化モ−メントア−ム）r*を経時的な変化（図７）と背屈角度ζの変化（図８）との関係で比較したものである。体の固い人の無次元化重心位置r*は，柔らかい人の無次元化重心位置r*に比べてその平均値と振幅は明らかに大きく、無次元化重心位置r*は体の柔軟性を定量的に表す指標として利用できることがわかる。無次元化重心位置r*の大きさを予め目標値として装置に記憶させておけば、乗る人の体の固さに合わせたストレッチ強度を装置が自動的に選択してストレッチを実施させることもできる。
図９，図１０は背屈角度ζの変化に伴う血流量の変化を示している。血流はレ−ザ−血流計を利用して足関節付近で測定した。図９はペダル板を上げて静止させた場合の結果であり、図１０はペダル板を回動させた場合の結果である。これらより血流はペダルの運動に連動して大きく変動しており、ペダル板を動かすことで血流が促進されることが分かる。したがって静的ストレッチでは血流促進効果の全くないことが分かる。
図１１は、前記した足関節モ−メントが０（無限の柔軟性がある場合）の場合のリンク軸力変化曲線Ｐtと、人がペダルに乗った場合に足関節モーメントによる増加分を示すリンク軸力変化曲線Ｐaとの比較をした結果を示すグラフである。
生体では足関節モ−メントがあるため、リンクアーム42 (図３のb)のリンク軸力変化曲線Ｐaは、足関節モ−メントが０である場合の理論曲線のリンク軸力変化曲線Ｐtより必ず上になる。したがって図１１のリンク軸力変化曲線Ｐaとリンク軸力変化曲線Ｐtで形成する斜線部の面積の大きさを評価することで、下肢の柔軟性を定量的に一つの数値で表すことが出来る。この柔軟性は、数１を使って軸力ＰをトルクＴ３に変換して表しさえすれば斜線部の面積は足関節を背屈するのに消費されたエネルギ−を表すことになり実施例２では柔軟度測定値表示器761に表示している通り、物理的にも明確な意味を持つ。
【実施例２】
【００１４】
以下、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
１．本例の下肢ストレッチ装置の機構構造等の概要説明。
図１２は、本発明の実施例2を示す概要側面説明図であり、図１３は同概要正面説明図であり、図１４は、同概要平面説明図であり、図１５は、同概要背面説明図である
図１２、図１３、図１４、図１５において、本実施例２の下肢ストレッチ装置は、踵ストッパー103、104付の両足載置用の左右一対のペダル板101、201と、このペダル板101、201を所定の回動角度の範囲を揃って往復回動させる駆動源とするカバー901内に収容した電動モータ301と、この電動モータ301の回転動力をペダル板101、201に伝達するリンク機構401とを主要構成部とし、これをワンユニットとしてベースフレーム501上に設置し、また前記ベースフレーム501には安全のためのサポートバー601を設置してある。サポートバー601は、正面から見て逆Ｕ字型にし、側面から見てベースフレーム501の後部から前方に湾曲立上げさせベースフレームとで逆L字型をなしている。すなわちサポートバー601は、ペダル板101、201上に乗った利用者の左右両側方に、左右両側バー部602、603を斜めに湾曲させて位置させ、その下部の足604、605はベースフレーム501の後端部から前端部に亘っての左右両側に固定し、上端の横バー部604を前方上に張り出してペダル板101、201上に乗った利用者の胸前方に位置させる。これでペダル板101、201上に乗った利用者は、身長や両手の位置に応じた適切な握り位置を左右両側バー部602、603の任意位置に求めることができる。
横バー部604の中央部とベースフレーム501中央部間には操作パネル701付の配線用及び補強用のスタンド800を設け、操作パネル701には電源ボタン702、起動ボタン711、停止ボタン721およびストレッチ強度調整用の回動角度範囲設定ダイヤル731と電動モータ回転速度設定器741、更にタイマー751、回転トルクをペダル板の回動角度（足の背屈角度）との関係で柔軟度を表示する柔軟度測定値表示器761、動作時間表示器781があり、これらに利用者の年齢、性別、健康状態、過去の利用データー等により適宜な値を任意に設定し誰でも簡単に操作が可能である。
例えば、回動角度範囲設定ダイヤル731は、予めペダル板101、201の回動角度を設定し、これと回転支持軸441に設けた回動角度検出器（図２の101a）に接続して実測値を導入し、該設定値と実測値を比較して電動モータ301を設定値に制御する。
利用者は、ペダル板101、201の上に足を乗せ、電動モータ301を駆動させれば、その動力がリンク機構401を介してペダル板101、201に伝達し、これを同時に所定角度回動させ、下肢の足関節を底背屈させることで下肢のアキレス腱やふくらはぎをストレッチするものである。
この実施例２におけるその他の詳細部分は、実施例１と同様なのでその構成と作用効果の説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明は、前記の優れた効果を呈し、「柔軟性評価装置」及び「ふくらはぎストレッチ装置」として各種スポーツ施設や、個人の健康管理用具として利用され、この種の産業における利用可能性は多大なものがある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１を示す概要図斜視説明図である。
【図２】本発明の実施例１を示す図１の矢視A−Aからの側断面説明図である。
【図３】本発明の原理を説明する図である。
【図４】ペダル角度ζの時間的変化を示すグラフである。
【図５】背屈角度ζと垂線距離Cnの関係を示すグラフである。
【図６】背屈角度ζと軸力Ｐの関係を示すグラフである。
【図７】体の固い人と柔らかい人の無次元化重心位置（モ−メントア−ム）r*の相違を経時的変化により示すグラフである。
【図８】体の固い人と柔らかい人の無次元化重心位置（モ−メントア−ム）r*の相違を背屈角度ζに伴う変化により示すグラフである。
【図９】ペダル回動角度位置による血液流量の変化を示すグラフである。
【図１０】ペダル回動角度を繰返し変化させた時の血液流量の変化を示すグラフである。
【図１１】足関節モ−メントが０（無限の柔軟性がある場合）の場合と，人がペダルに乗った場合のリンク軸力変化曲線の比較をした結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例2を示す概要側面説明図である。
【図１３】実施例2の概要正面説明図である。
【図１４】実施例2の概要平面説明図である。
【図１５】実施例2の概要背面説明図である。
【符号の説明】
【００１７】
1、2        左右一対のペダル板
1b、2b      止め具
1c、2c      支持桁
5           ベースフレーム
30          電動モータ
40          リンク機構
31          回転軸
41          回転駆動アーム
42          リンクアーム
43          回転伝達アーム
44          回転支持軸
44a、44b    軸受
71          起動ボタン、
72          停止ボタン
73          回動角度範囲設定ダイヤル
74          電動モータ回転速度設定器
75          タイマー
102         軸力センサー
103         重心位置算出演算回路
104         表示装置
101a        回動角度検出器
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
2007325903.tif 000024