LIFE2013

GS3-2-62013 年 9 月 2 日－4 日 山梨 (山梨大学)

スクワット支援機の開発
Development of squatting assist device○張揚永利益嗣

山内(大分大)吉規悠太 (大分大)（大分大）

三浦篤義（大分大）潤一郎（首都大）今戸啓二（大分大）

You CHO, Oita University
Yuta YOSHIKI, Oita University
Masuji NAGATOSHI, Oita University
Atsuyoshi MIURA, Oita University
Junichiro YAMAUCHI, Tokyo Metropolitan University
Keiji IMADO, Oita University

Abstract: Squat training has high effect on strengthening lower extremity muscle groups. But it is difficult for the elderlywith lower extremity strength weakened to do a squat training. So, we developed a simple squatting assist device by whichanyone can squat easily. The device uses the Scott-Russel mechanism combined with rubber belts and a geared motor to
obtain vertical assist movement for squatting subject. The speed of the device can be changed easily according to thedemand of a subject. Assist force was evaluated by the ground reaction force. The device might be useful for the elderly tostrengthen their lower extremity muscle groups and postural control ability.
Keywords: Squat, Power assist, Scott-Russel mechanism
1.はじめに高齢者では下肢筋力が低下すると，立ち上がりが困難になるほか，転倒し，骨折に至ることで臥床生活になる危険性が増す．適切な運動をしなければ，筋・骨格系・呼吸循
環系，神経系などの器官・組織は退化する．一般に加齢に伴い運動能力は低下し，運動不足がちとなることで，体全体の機能は次第に低下していく．高齢者にとって健康的で活動的な生活を維持するためには，適切な運動が必要であり，筋トレなどで筋力アップする必要がある．なかでもスクワットは大腿四頭筋，大殿筋などの下半身の筋力アップのできる優れた運動である．しかしながら，筋力の衰えた高齢者がスクワットすることは負担が大きく困難な場合が多い．我々は筋力が弱い人でもスクワットによる筋トレを支援する装置を開発している (1)(2)．ギヤドモータを速度制御することで，遅い運動から速い運動までソフト的にカバ－できる．本研究では運動中の床反力と頭部の鉛直方向速度より下肢筋力パワーを求め，毎分当たりの消費エネルギ－を評価した．本論文はその概要について報告する．

Fig.1 Model of squatting assist device

2.実験方法図 1 に支援機の構造を示す．駆動には出力 200W のギヤドモータを用いた．モータの回転はクランク機構で往復動に変換し，ゴムベルトを介したスコットラッセル機構により座面の上下動に変換した．ゴムベルトは被験者の不安定な運動を吸収させるためにある．図 2 に実験法を示す．被験者は体重 57kg，身長 1.68m，年齢 23 歳の健常男性である．被験者は直径 65.5mm の樹脂パイプの周囲にスポンジを巻いた座面に体重の一部を預け，支援機の動きに同期してスクワットする．被験者は赤外線反射板を貼り付けたヘルメットを被り，レーザ－ドップラ－振動計によりスクワット速度 V，床反力計で床反力 F を測定した．
そしてゴムベルトを 4 本に設定し，モータの回転数は40r/min と 60r/min の 2 種類について座面が一番高い時を始点とし，3 試技分のスクワットデータを記録した．
Fig.2 Experimental methodology

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3.実験結果と考察
図 3 と図 4 に実験結果を示す．

2013 年 9 月 2 日－4 日 山梨 (山梨大学)となる．重力加速度を g，被験者の質量を m とすると，モデルによる床反力 F は，F  m  g     m  g  a2 sin t (2)となる．(1)，(2)よりスクワットに必要なパワ－P は，P  FV  ma  g  a2 sin t  cos tとなる．1 周期について(3)で表わされるパワ－P が正となる範囲を時間で積分すると，一回のスクワットで消費されるエネルギ－WS が求まる．Ws に 1 分間当たりのスクワッ
ト回数を乗じれば１分間当たりの消費エネルギ－が分かる．
被験者 A の体重 57kg，振幅 a=0.1m，g=9.8m/s 2 を代入し，N=40r/min と N=60r/min でスクワットを一分間行うことによるモデルによる消費エネルギ－を求める．結果は
N=40r/min では W=4.46kJ，N=60r/min では W=6.68kJ となる．
実際に被験者 A の支援機無しでスクワットした際の床反力
F と速度 V より消費エネルギ－を算出すると，3.50kJ となりモデルの方が実験値より約 25%程度大きくなる．
ここで図5に速度60r/minのときの単純モデルによる速度
V，加速度α，床反力F，パワーPの時間的変化を示す．

Fig.3 Time-Power relation and Time-Force relation
and Time -Velocity relation and Time-Acceleration

Fig.4 Time-Power relation and Time-Force relation
and Time -Velocity relation and Time-Acceleration

Fig.5 Time-Power relation and Time-Force relation
and Time -Velocity relation and Time-Acceleration

図 3 と 4 により，座面変位 Y が最小 Ymin の時，床反力 Fが最大値となり，加速度 α も最大値となる．一方，座面変位 Y が最大 Ymax の時，床反力 F が最小値となり，加速度 αも最小値となる．そして座面変位最大と最小の時速度が 0であるため，パワーP は 0 となる．図より Ymax から Ymin，即ちスクワットのしゃがみこみに伴い床反力 F は増大し，加速度 α は正の方向に増大する．逆に，立ち上がりに伴い，床反力 F は減少するが，パワ－は立ち上がりの途中で最大となる．
モータの回転数 40r/min で支援機を使った場合，消費エネルギ－は 0.84 kJ/min であったが，60r/min では 2.02 kJ/minと 1.18 kJ/min 増加した．実験データを考察するため，スクワット運動を振幅 a，角速度 ω の正弦波でモデル化した場合の速度 V と加速度 α は，V  a cos t   a2 sin t

(3)

(1)

Fig.6 Time-Power relation

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Fig.8 Consumption energy and motor speed relation

Fig.7 Time-Power relation
図 6，7 にモータ回転数 N=40r/min と 60r/min とした時の支援機の有無によるパワーの違いを示す．それぞれの波形と P=0 で囲まれた面積のうち，正の部分は消費エネルギ－となる．図中の S1 は支援機を使わない時の消費エネルギ－で，S2 は支援機を使う時の消費エネルギ－である．S1と S2 の差が支援機に負担された消費エネルギ－となる．
そして図を見ると 40r/min より 60r/min のほうが面積の差が小さいことがかわる．このことから，60r/min の時支援機負担された消費エネルギ－が減少したことがわかった．また，
図 6,7 と同様の結果から消費エネルギ－の平均値を求めた．
モータ回転数 40r/min で，支援機を使った場合，消費エネルギ－は 0.90kJ であったが，支援機を使わない時は 3.50Jとなった．従って 1 分間当たり 2.60kJ のエネルギ－を支援機により受けていることになる．即ち，支援機は 74%の消費エネルギ－を負担しており，被験者は必要なエネルギ－の僅か 26%のエネルギ－でスクワットをしていることになる．図 7 では N=60r/min の場合，支援機を使った時の消費エネルギは 2.27kJ であったが，支援機を使わない時の消費エネルギは 5.42kJ であった．よって，支援機を使った場合3.15kJ の消費エネルギが減少したことがわかる．このことから，支援機は 58%の消費エネルギを負担しており，自己負担率は 42%となることがわかった．以上の結果を表 1 にまとめて示す．表 1 を図で表すと図 8 となる．
Table 1 Mean energy required to squat 1 min.
(Subject’s weight m=57 kg)
40 r/min
60 r/minrate(60/40)
Model, kJ/min
4.46
6.68
1.50
Experimental
3.50
5.42
1.55
value, kJ/min
With Assist,
0.90
2.27
2.51
kJ/minDevice support
0.74
0.58
0.78rate
Self support
0.26
0.42
1.62rate

つぎに(3)で求まるモデルの運動に必要なパワ－の大きさについて考察する．(3)の時間的変化を体重 m=57kg について計算した結果を図 9 に示す．図より 40r/min と 60r/min
でのパワ－P の最大値はそれぞれ 238W，375W となる．
一方，モ－タの定格出力は 200W であるため，最も大きなパワ－が必要な時点において，理論上支援機が支援可能なパワ－はそれぞれ 84%，53%となる．従って，回転数が大きくなるほど，支援機による支援可能な割合は小さくなる．
そのため表 2 から分かるように，60r/min での支援機の負担割合は，40r/min と比較して小さくなる．このことは先ほど実験結果から述べたことと一致している．

Fig.9 Time-Power relation
4.結論
スクワット速度の増加に伴い消費エネルギは増加する．
スクワット速度の増加に伴い装置による支援率は低下し，自己負担率は増加した．体重と同じ質量が調和振動する単純モデルと実験値を比較した結果，単純モデルによる消費エネルギ－は，実験値より約 25%程度大きくなった．
5.参考文献(1) 今戸 他：スクワット支援装置の開発，生活生命支援
医 療 福 祉 工 学 系 学 会 連 合 大 会 2010 講 演 論(WWLS2010) CD-ROM, 1D2-1 p.117-118．
(2) 張 他：関西支部 第 88 期定時総会講演会講演論文集，2013, 1019 GS-2 p.10-20.
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