(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
身体から加える回転運動に応じた回転反作用力を発生するための枢動回転アーム手段を具備した機構部と、高速回転駆動手段によって回転駆動される少なくとも１つの高速回転子を有した回転子機構とを具備し、前記高速回転子の回転軸と前記枢動回転アーム手段の枢動回転軸とが直角になるように配設し、前記回転運動によって、前記高速回転子に所定の入力トルク軸周りに入力トルクが付与され、高速回転子のジャイロ効果によって前記入力トルク軸と、前記高速回転子の回転軸とに直角な軸まわりに、才差出力トルクによる捩り力を生成せしめ、前記回転反作用力と前記捩り力との複合作用で身体に鍛練力を作用させるように構成し、前記高速回転駆動手段が、電気モータと、該電気モータの回転数を所望回転数に制御する回転速度調整手段とを具備してなり、前記高速回転子の角運動量を変化せしめ、前記才差出力トルクの大きさを加減できるようにしたトルク加算形回転運動機において、
前記高速回転駆動手段が、更に前記高速回転子の回転方向を正逆転、何れにも設定でき、才差出力トルクの向きを変えることができる回転方向設定スイッチ手段を具備していることを特徴とするトルク加算形回転運動機。
【請求項２】
前記高速回転子を有した回転子機構を前記アーム手段が有する１対の枢動アームの夫々に具備させ、該１対のアームを大胸筋々力増強用バタフライマシーンのアーム機構として形成されたことを特徴とする請求項１に記載のトルク加算形回転運動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転運動反作用力に加えて、高速回転子のジャイロ効果を利用して捩り力を併発せしめるトルクを生成可能なトルク加算形回転運動機に関する。
このようなトルク加算形回転運動機は、典型的には健常者の筋肉の鍛練や運動機能障害者の運動機能の回復等の用途に利用することが可能であると同時に、更には、宇宙空間の無重力下における身体の回転運動反作用力に加算して、捩り力を発生せしめることにより、筋力の低下防止を図る用途等にも効果的に利用することが可能である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、バタフライマシーンなどの回転運動機は、回転運動反作用力を筋肉に加えることによって筋肉鍛練を行うようにして用いられているが、主として回転運動によって決まる単一作用力しか体操者に付与することができず、捩り力を相乗して発生、作用させ、鍛練効果や運動機能回復効果を増進させることはできず、まして、簡単安価な手段で捩り力を相乗して発生、作用させることはできなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来技術に鑑みて本発明の目的は、回転運動反作用力と共に捩じり力をも併発させることにより性能改善を図ったトルク加算形回転運動機を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、比較的安価な手段を設けることにより、上述した二作用力によって筋力を効果的に増強できようにしたトルク加算形回転運動機を提供せんとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上述の目的に鑑みて本発明は、人の身体が回転運動を加えたときに回転運動反作用力を発生させる機構部に加えて、高速で回転する回転子機構を具備せしめ、上記回転運動を加えることによって、回転子に入力トルクを印加し、高速回転子のジャイロ効果によって発生する捩りトルク作用を回転運動反作用力に加算して回転運動反作用力と捩じり力との２作用力を得るようにしたトルク加算形回転運動機を構成したものである。
【０００５】
本発明は、筋力増強をはかる回転運動反作用力を発生させる機構部を備えた構造体に、高速で回転駆動される回転子を具備させ、この回転子の高速回転軸と直角な入力軸のまわりに、回転運動による入力トルクを作用せしめたとき、前記回転子がジャイロ効果による才差出力トルクを発生し、該才差出力トルクから生ずる捩り力を、回転運動を加えた被鍛練者が鍛練作用力として感知し得る構成としたトルク加算形回転運動機を構成したものである。
【０００６】
ここで、この才差出力トルクは、回転子の回転軸と上記入力軸とに直角な才差軸のまわりに発生し、捩り力となって回転運動反作用力とともに相乗的に筋肉に作用することから、筋力の増強を２作用力によって、より効果的に図ることができるのである。
つまり本発明によれば、身体から加える回転運動に応じた回転反作用力を発生するための枢動回転アーム手段を具備した機構部と、高速回転駆動手段によって回転駆動される少なくとも１つの高速回転子を有した回転子機構とを具備し、前記高速回転子の回転軸と前記枢動回転アーム手段の枢動回転軸とが直角になるように配設し、前記回転運動によって、前記高速回転子に所定の入力トルク軸周りに入力トルクが付与され、高速回転子のジャイロ効果によって前記入力トルク軸と、前記高速回転子の回転軸とに直角な軸まわりに、才差出力トルクによる捩り力を生成せしめ、前記回転反作用力と前記捩り力との複合作用で身体に鍛練力を作用させるように構成し、前記高速回転駆動手段が、電気モータと、該電気モータの回転数を所望回転数に制御する回転速度調整手段とを具備してなり、前記高速回転子の角運動量を変化せしめ、前記才差出力トルクの大きさを加減できるようにしたトルク加算形回転運動機において、
前記高速回転駆動手段が、更に前記高速回転子の回転方向を正逆転、何れにも設定でき、才差出力トルクの向きを変えることができる回転方向設定スイッチ手段を具備していることを特徴とするトルク加算形回転運動機が提供される。
【０００７】
上述の構成すれば、例えば、回転運動の条件や種類によって、電気的手段によって駆動される回転子の高速回転速度を任意に選択することによって才差出力トルクの大きさを自由に設定し、また回転子の回転方向を選択設定することによって、才差出力トルクの向きを任意に決定することもできる。
上述した構成によれば、高速回転する回転子へのトルクの入力に従って発生する才差出力トルクにより捩り力を発生せしめることができ、従来の回転反作用力単一のみに勝る２つの作用力を体操者の筋肉等に作用、印加させ得ることから、効果的な筋力の増強を得ることができるのである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるトルク加算形回転運動機を添付図面に示す実施の形態に基づいて更に詳細に説明する。
図１から図６は本発明の好ましい実施の形態に係るトルク加算形回転運動機を示す図であり、図１は正面図、図２は平面図、図３は側面図、図４は運動者と本発明の実施の形態に係るトルク加算形回転運動機との関係をわかり易く示すための斜視図、図５はジャイロ回転輪駆動用電気系統を示すブロック図、図６はジャイロ回転輪の力学的ベクトルを説明する解説図である。
【０００９】
図１から図４において、本実施形態に係るトルク加算形回転運動機は１対のＡアーム１およびＢアーム１′を具備し、このＡアーム１、Ｂアーム１′の夫々に設けたＡ才差軸受２とＢ才差軸受２′を介してＡ才差軸３、Ｂ才差軸３′を回転自在に支持している。これらのＡ，Ｂ両才差軸３，３′の先端には、Ａジャイロ回転輪４およびＢジャイロ回転輪４′が、Ａケース５およびＢケース５′を介して夫々輪環状のＡリングフレーム６およびＢリングフレーム６′に取付けられている。
【００１０】
Ａ，Ｂ両ジャイロ回転輪４，４′は、Ｙ1 −Ｙ1 ′軸およびＹ2 −Ｙ2 ′軸の回りに、夫々内蔵された周知の直接駆動型モータ等の直流モータ（図示なし）によって直接駆動され、高速度で回転するようになっている。
上述した１対のＡ，Ｂアーム１，１′は、主支柱７に取付けられている梁８に対して、Ａ回転軸９およびＢ回転軸９′を介して、夫々後述する基台設置面に対して垂直なＺ1 −Ｚ1 ′軸およびＺ2 −Ｚ2 ′軸の回りに枢動回転自在に取付けられている。
【００１１】
椅子座１０は主支柱７、椅子座支柱１１、前部基台１２、後部基台１３および連結板１４によって被鍛練者が安定に着座可能に取付けられ、トルク加算形回転運動機の機枠部を形成している。
Ａ，Ｂ両アーム１，１′のＺ1 −Ｚ1 ′軸およびＺ2 −Ｚ2 ′軸回りの回転反力の大きさは、上記の梁８から後方へ突出させたブラケット状の支持枠１５に螺設した雌ねじ孔にネジ嵌合せしめているハンドル１６を回転することにより、支持枠１５′に一端が固定されているばね１７を伸縮調節せしめることによって設定することが可能になっている。上記ばね１７の他端は、ハンドル１６の中心軸内を自由貫通し、ハンドル１６の外側端に設けた抜け止め板１８に固定されており、ハンドル１６を回転したときにばね１７のねじれが生じないようになっている。
【００１２】
上述した機械的構造部を有したトルク加算形回転運動機に被鍛練者が着座して筋力鍛練を実行している様子が図４に示されている。
そして、同トルク加算形回転運動機は、更に、Ａ，Ｂ両ジャイロ回転輪４，４′が内蔵する１対の直流モータを駆動し、かつ回転方向の設定や回転速度の調節をおこなうための電気的構成部を具備し、この電気的構成部は図示されていない筐体内に格納されて例えば主支柱７の背面等に取着され、ＡおよびＢのジャイロ回転輪４，４’へ所要の配線がなされている。
【００１３】
図５はこの電的的構成部のブロック図であり、商用等の交流電源（１００ボルト）に接続した交流／直流変換機２２、同交流・直流変換機２２に接続した電源のオン／オフスイッチ２４、該オン／オフスイッチ２４を介して変換機２２に接続した回転速度調整器２６、その回転速度調整器２６の後段に接続され、両ジャイロ回転輪４，４’の回転方向を設定可能な回転方向設定スイッチ２８等を具備して構成され、この電気的構成部から両ジャイロ回転輪４，４’の既述した直流モータへ電力が供給され、かつ回転速度、回転方向の設定がなされるようになっている。
【００１４】
いま、Ａ，Ｂ両ジャイロ回転輪４，４′を図５に示す電気的構成部によって、Ｙ1 およびＹ2 側からみて、夫々反時計方向に高速回転せしめ、図４に示すごとく運動者又は被鍛練者によって、１対のＡ，Ｂ両ジャイロ回転輪４，４′が取付けてあるＡ，Ｂ両リングフレーム６，６′を、両回転軸Ｚ1 −Ｚ1 ′およびＺ2 −Ｚ2 ′の周りに、二つの垂直なＺ1 −Ｚ1 ’軸線およびＺ2 −Ｚ2 ’軸線におけるＺ1 およびＺ2 側からみて夫々時計方向および反時計方向に、ばね１７の反力に抗して左右の腕によって枢動回転運動を行うと、Ａ，Ｂ両ジャイロ回転輪４，４′に、図６に明示した両回転輪４，４′に関するジャイロ効果の関係を表すベクトル図に示すように、入力トルクＴｉ1 およびＴｉ2 が夫々作用し、ジャイロ力学の原理によって（１）および（２）式に示す才差出力トルクＴｏ1 およびＴｏ2 （grcm）が発生する。
【００１５】
Ｔｏ1 ＝Ｉ1 ω1 Ω1   …………  （１）
Ｔｏ2 ＝Ｉ2 ω2 Ω2   …………  （２）
但し、Ｉ1 ，Ｉ2 は夫々Ａ，Ｂ両ジャイロ回転輪の回転軸Ｙ1 −Ｙ1 ′，Ｙ2 −Ｙ2 ′に関する慣性能率（ｇcm／sec2）、
ω1 ，ω2 は夫々Ａ，Ｂ両ジャイロ回転輪の回転数（rad ／sec ）、
そして
Ω1 ，Ω2 は夫々左右の腕によって行うＡ，Ｂ両リングフレーム６，６’の回転運動速度（rad ／sec ）である。
【００１６】
図６のベクトル図において、Ｈ1 およびＨ2 は夫々Ａ，Ｂ両ジャイロ回転輪４，４′の角運動量（grcm／sec ）で、
Ｈ1 ＝Ｉ1 ω1   …………………  （３）
Ｈ2 ＝Ｉ2 ω2   …………………  （４）
で表わされる。
【００１７】
（１），（２），（３）および（４）の各式から
Ｔｏ1 ＝Ｈ1 Ω1   ………………  （５）
Ｔｏ2 ＝Ｈ2 Ω2   ………………  （６）
を得ることができる。
（５），（６）式の才差出力トルクＴｏ1 ，Ｔｏ2 は、図６のベクトル図で説明すると、Ｈ1 およびＨ2 がジャイロ力学的にＨ1 とＴｉ1 の合成ベクトルＨ1 ′へ、またＨ2 とＴｉ2 の合成ベクトルＨ2 ′へ移行することによって発生するものであり、結果として、捩り力となって左右の腕に印加され、その大きさは上記の式（５），（６）式から左右の腕による回転運動速度Ω1 ，Ω2 の大きさに比例する。
【００１８】
次に、Ａ，Ｂ両リングフレーム６，６′を回転軸Ｚ1 −Ｚ1 ′およびＺ2 −Ｚ2 ′のまわりにＺ1 およびＺ2 側からみて、夫々反時計方向および時計方向に左右両腕によって回転運動を行うと、Ａ，Ｂ両ジャイロ回転輪４，４′によって前記とは逆方向の才差出力トルクによる捩り力が夫々の腕に印加される。
上述のごとくＡ，Ｂ両リングフレーム６，６′を左右夫々の腕によって、はばたき回転運動、いわゆるバタフライ運動をくりかえし行うと、軸Ｚ1 −Ｚ1 ′およびＺ2 −Ｚ2 ′のまわりの回転反力に加えて、軸Ｘ1 −Ｘ1 ′およびＸ2 −Ｘ2 ′のまわりの捩り力を夫々の腕に同時に二作用的に印加せしめることができ、従来の単一的なバタフライ回転運動に較べて、より一層効果的な筋力強化を行うことができる。
【００１９】
Ａ，Ｂ両ジャイロ回転輪４，４′の、軸Ｙ1 −Ｙ1 ′およびＹ2 −Ｙ2 ′のまわりの高速回転方向を、図５に示す衆知の直流モータ正逆転法による回転方向設定スイッチ２８を用いて変えることにより、才差出力トルクを逆向きに作用せしめることもできる。
さらに、Ａ，Ｂ両ジャイロ回転輪４，４′の高速回転速度ω1 ，ω2 を、図５に示す回転速度調整器２６によって調節設定することによって、才差出力トルクの大きさを任意に変化させることもできる。
【００２０】
床面からの椅子座７の高さおよび軸Ｘ1 −Ｘ1 ′，軸Ｘ2 −Ｘ2 ′の高さの調整設定機能は、本発明の骨子ではないので特に記載していないが具備可能なことは勿論である。
以上、本発明によるトルク加算形回転運動機の実施例について説明したが、本発明はバタフライマシーンのみに限るものではなく、回転運動を伴うスポーツやリハビリ用マシーンに広く応用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るトルク加算形回転運動機の正面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るトルク加算形回転運動機を図１の上方から見た平面図である。
【図３】同実施の形態に係るトルク加算形回転運動機において図２のIII −III 矢視方向から見た側面図である。
【図４】被鍛練者と本発明の実施の形態に係るトルク加算形回転運動機との関係をわかり易く示すための斜視図である。
【図５】トルク加算形回転運動機に装備されるジャイロ回転輪駆動用の電気系統の構成を示すブロック図である。
【図６】同トルク加算形回転運動機に具備される二つのジャイロ回転輪の力学的ベクトルを説明する解説図である。
【符号の説明】
１…Ａアーム
１’…Ｂアーム
２…軸受
２’…軸受
３…才差軸
３’…才差軸
４…ジャイロ回転輪
４’…ジャイロ回転輪
６…リングフレーム
６’…リングフレーム
７…主支柱
８…梁
９…Ａ回転軸
９’…Ｂ回転軸
１０…椅子座
２２…交流／直流変換機
２４…電源オン／オフスイッチ
２６…回転速度調整器
２８…回転方向設定スイッチ
【図１】
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【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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