運動輔助設備的制作方法

專利名稱：運動輔助設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種被動式運動輔助設備，其中，在使用者的腳放置在 腳支撐面上并且使用者的胥部由座椅支撐的情況下通過利用驅動源使 座椅移位而改變作用在使用者腿部上的使用者重量。
背景技術：
日本專利申請/zS報No. 2005-58733 (專利文獻1)和日本專利申請 公報No. 2007-89650 (專利文獻2)提出了一種運動輔助設備，其中， 在使用者的腳放置在腳支撐面上且使用者的臀部支撐在座椅的接觸面 上的情況下通過使座椅移位而拉伸和松弛大腿肌群而膝部幾乎不伸展。 這種運動輔助設備通過移位座椅的位置而使座椅所支撐的使用者重量 的比率發生變化從而改變作用在使用者腿部的使用者的重量。
通過這種操作，與全部重量都作用在使用者腿部的情況相比，負載 減小，并且大腿肌肉收縮而膝部幾乎不伸展，因此，例如，即使諸如患 有糖尿病的患者這樣的膝部疼痛的使用者仍然能夠強化大腿肌群，而且 由于大腿肌群體積大，因此預期還有益于通過與肌肉收縮相關聯的葡萄 糖代謝而改善與生活方式有關的疾病。此外，由于利用驅動源來移位座 椅，使用者能夠被動鍛煉而無需自發地施加肌力，因此負載輕所以即便 是運動能力低下的人也能夠使用該設備。
順帶地，具有上述構造的運動輔助設備通過改變作用在使用者腿部 的使用者的重量而在膝部實際上無伸展的情況下拉伸和松弛大腿肌群， 因此屈膝角度是有效進行鍛煉的一個重要因素。通過模擬下蹲運動很容 易看出，作用在大腿肌群上的負載隨屈膝角度變化。此外，在患有膝部 疼痛的使用者的情況下，如果在使用者的膝部彎曲至一定角度時有負載 作用在膝部上，則使用者往往感到疼痛，因此為了得到這種類型的人也能夠使用的設備，必須限制這種彎曲角度。
目前，已獲得的實驗結果表明如果屈膝角度(實際上，測量的角 度是大腿與小腿在膝前側所形成的角度)設定為140度，那么鍛煉效果 好且不大可能發生膝部疼痛，因此該角度已經被定為適合角度。
在專利文獻2所述的設備中，提出使得能夠以將屈膝角度變成適合 角度的方式調節座椅的位置，并且根據與使用者身高相關的輸入參數自 動調節座椅的位置。座椅的位置至少能夠沿豎直方向和前后方向之中的
一個方向進行調節，而且如果座椅升高那么與腳位置水平距離就變大， 而如果座椅降低那么與腳位置的水平距離就變小。
專利文獻2描述了通過調節座椅的位置而使得能夠將屈膝角度調節 至適合角度，并建議將屈膝角度變為適合角度時的座椅位置與對應于使 用者身高的參數聯系起來，但是卻未提供與如何相對于使用者身高改變 座椅位置從而實現期望的屈膝角度有關的理論。因此，在專利文獻2所 述的構造中，并不清楚使用者的身高與座椅支撐使用者臀部時的位置是 如何關聯的以便將屈膝角度設定為所需角度。

發明內容
鑒于以上原因構想出本發明。本發明的目的是提供一種構造成無論 使用者身高如何都能夠將屈膝角度調節至期望角度的運動輔助設備。基 于座位中的支撐使用者膂部的接觸面的位置、屈膝角度以及使用者身高 的關系理論，通過確定座椅接觸面的位置的調節范圍來進行所述調節。
根據本發明的運動輔助設備包括座椅，其具有接觸表面，接觸表 面構造成在使用者的腳放置在預定的腳支撐面上的情況下使用者的f^P 支撐在接觸表面上；座椅驅動機構，其構造成利用驅動源沿改變作用在使 用者腿部上的使用者重量的方向來移位座椅；以及升降機構，其構造成 當使用者坐在保持于基準位置的座椅上并且使用者的腳放置在腳支撐面 上的預定位置上時，升降機構調節座椅的接觸面的豎直位置和前后位置以 便將使用者的屈膝角度保持在規定角度。升降機構構造成沿如下線在受限 制的范圍內調節座椅構件的接觸面的位置所述線相對于豎直方向向后并 向上傾斜并且通過最大體格的使用者和最小體格的使用者推算出。因此， 能夠從理論上限定出座椅接觸面的位置的調節范圍，從而無論使用者的身高如何都能夠可靠地進行將屈膝角度保持在期望角度的調節。
理想地，升降機構構造成包括用以相對于保持在固定位置的底座來移 位座椅的位置的升降驅動器。升降驅動器構造成沿著如下路徑線性地改變
座椅的位置所i^M圣在允許座椅豎向運動和前后運動的豎直平面內以預 定角度向后并向上傾斜。由于所述升降機構以這樣的方式線性地改變所述 座椅的位置，因此能夠通過線性地移動座椅的簡單機構實現所述升降機 構。
理想地，所述升降驅動器包括緊固至底座的固定構件；可動構件， 其構造成相對于固定構件沿線性路徑運動并支撐座椅；以及驅動馬達，其 構造成使可動構件朝向和遠離固定構件運動。在這種情況下，能夠借助于 驅動馬達的驅動力升高和降低座椅，并且即使當使用者的臀部支撐在座椅 上時仍然能夠調節座椅的位置。


圖l是示出根據本發明一種實施方式的運動輔助設備的示意性側視
圖2是運動輔助設備的示意性平面圖； 圖3是說明運動輔助設備的操作原理的圖； 圖4是運動輔助設備的分解立體圖5是運動輔助設備中所使用的座椅驅動器的分解立體圖；以及 圖6是運動輔助設備中所使用的座椅驅動器的側視圖。
具體實施例方式
如圖l和圖2所示，才艮據本發明一種實施方式的運動輔助設備具有 設置在地板等上的固定位置處的底座10，并且在該底座10的頂部上設 置有座椅支座20，在其上端部上設置有支撐使用者M的臀部的座椅 21;以及手柄支桿30，在其上端部上設置有供使用者M用手抓握所需 的手柄31。腳蹬40設置在底座10上并設置成位于座椅支座20與手柄30之間。腳蹬40具有形成腳支撐面40a的上表面。通過使用者M將他 的或她的腳放置在腳支撐面40a上，腳蹬40限制使用者的腳的位置。
座椅支座20上設置有使座椅21擺動的座椅驅動器50和升降機構 60,升降機構60相對于底座10提升和降低座椅31和座椅驅動器50。 下面描述座椅驅動器50和升降機構60的構造。
座椅驅動器50操作驅動源以使座椅21擺動，因此座椅驅動器50 改變坐在座椅21的接觸面21a上并將腳放置在腳蹬40的支撐面40a上 的使用者M的重量。所以，作用在使用者M膝部上的使用者M的重 量改變。換而言之，使用者M的體重以分散的方式由臀部和腿部支撐。 這樣，當使用者臀部的位置變化時，臀部所支撐的重量發生增減。隨著 膂部所支撐的重量變化，作用在腿部上的重量也發生變化。
當膝部彎曲預定角度時，那么如果由座椅21支撐的體重的比率減 小，則作用在使用者M的大腿上的負載增大并且會使大腿區的肌群收 縮，類似于通過進行下蹲運動而彎曲膝部。換而言之，當通過驅動源使 座椅21擺動時，大腿肌群以非使用者M的自發運動的被動運動的方式 重復拉伸和松弛動作。換而言之，大體上能夠通過座椅驅動器50使座 椅21擺動來鍛煉大腿區。
期望將座椅21的擺動方向設定成使得沒有剪切力作用在膝關節上。 當使用者M的膂部由座椅21的接觸面21a支撐時，使用者M的腳自 然呈圖2所示的姿態腳尖之間的距離大于腳跟之間的距離，而且兩腳 之間的開口角度62可以由腳放置在腳蹬40上的位置來確定。因此， 能夠通過沿如下方向擺動座椅21而在不向膝關節施加剪切力的情況下 進行鍛煉所述方向順著使用者的腳放置在腳蹬40上時連接每只腳的 腳跟與腳尖的中心線。換而言之，當座椅21從擺動范圍內的后端位置 向前運動時，優選具有座椅21朝右前方斜向運動的時間段以及座椅21 朝左前方斜向運動的時間段。因此，能夠使使用者的重量分別作用在左 腿和右腿的大腿區，同時不向膝關節施加剪切力。
在圖l所示的示例中，作為座椅21的上表面的接觸面21a是基本 水平的表面。但是，刺激大腿肌群的肌肉收縮的鍛煉是通過改變作用在 使用者M腿部的使用者M的重量來進行。因此，期望座椅21的與使 用者M的膂部接觸的接觸面21a應該沿座椅21的擺動方向的前方向下傾斜。換而言之，理想地，位于座椅21的前端部上的支撐使用者M的 右臀位的部分沿右前方向下傾斜。類似地，理想地，支撐使用者M的 左臀位的部分沿左前方向下傾斜。如果采用這種形狀，那么當座椅21 從擺動范圍的后端位置向前運動時，作用在使用者腿上的使用者M的 重量會增大從而能夠提高鍛煉效果。
在位于手柄桿30的上端部上的手柄31中部上"&置有控制及顯示i更 備32。該控制及顯示設備32設置用于發布與座椅驅動器50及升降機構 60的操作相關的指令和顯示指示運動量等的測量值。使用者M能夠通 過抓握手柄31來穩定他或她的上體的位置。
下面更詳細地描述手柄支座20的結構。如圖4所示，手柄支座20 具有豎立在底座10上的中空支柱22，并且升降機構60的下端部容置在 支柱22內。升降機構60具有能夠相對于支柱22以滑動的方式上升和 下降的升降器座61 ，并且座椅驅動器50安裝在升降器座61的上端部上。 因此，座椅驅動器50能夠與座椅21—起相對于底座10運動。
支柱22的中心線是相對于豎直方向向后傾斜(換而言之，向后上 方傾斜)的直線，通過升降器座61在支柱22內滑動，能夠沿順著支柱 22的中心線的單直線在豎直方向上調節座椅21的接觸面21a的位置。 換而言之，能夠同時沿前后方向和豎直方向調節座椅21的接觸面21a 的位置。另外，接觸面的位置越往上，則越靠后。下面描述支柱22的 中心線與底座IO之間形成的角度。
升降器座61由包括驅動馬達63的升降驅動器62驅動而上升和下 降。除驅動馬達63之外，升降驅動器62還包括固定至底座10的圓柱 狀固定構件64和包括旋入固定構件64中的滾珠絲桿的可動構件65，并 且升降驅動器釆用這樣的構造使得通過使驅動馬達63減速旋轉從而 旋轉可動構件65來相對于固定構件64進給和回縮可動構件65。升降器 座61安裝在可動構件65的上端部上并隨著可動構件65相對于固定構 件64的進給或回縮而上升和下降。
升降器座61包括座板61a和一對導板61b。座椅驅動器50安裝在 座板61a上。 一對導板設置在座板61a的下表面上。升降驅動器62中 的可動構件65的上端部聯接至座板61a的下表面側。此外，導板61b 的外表面上安裝有滾輪61c，而且通過沿設置在支柱22的內表面上的軌道段22a引導這些滾輪61c,能夠相對于支柱22順利地移動升降器座 61。設置有確定可動構件65相對于固定構件64的進給或回縮量的傳感 器，并且控制驅動馬達63的旋轉，使得通過傳感器確定的值與+艮據通 過顯示及控制單元32的輸入給定的目標值一致。但是，由于這種構造 并非必要特征，因此此處未包括對這種構造的進一步描述。
管狀升降器套66附連至升降器座61的座板61a。升降器罩66的下 端部與支柱22的外表面在升降驅動器62的伸展和收縮范圍內重疊，并 且通過這種方式，即使當升降驅動器62伸展到最大量時升降器座61也 不會暴露于外部。而且，由類似織物的軟材料形成的機械單元罩蓋67 附連至升降器座61的座板61a。機械單元罩蓋67通過遮蓋座板61a與 座椅21之間的部分而防止座椅驅動器50暴露于外部。
下面，參照圖5和圖6描述座椅驅動器50。座椅驅動器50構成使 座椅21與升降器座61的座板61a —起擺動的機構。座椅驅動器50沿 軸向安裝在一對前后軸板51a、 51b和一對前后軸52a、 52b上。該前后 軸板對51a、51b以豎立的方式設置在座板61a的上表面上。前后軸52a、 52b同軸設置，并且能夠通過座椅驅動器50繞這些軸52a、 52b旋轉而 使聯接至座椅驅動器50的座椅21左右(沿圖4中的箭頭N所指示的方 向)擺動。
座椅驅動器50包括一對前后框架板53a、 53b，并且這兩個框架板 53a、 53b通過左右側上的一對框架側板54a、 54b聯接。繞在左右方向 上的軸線旋轉的前連接裝置55和后連接裝置56的下端部通過軸55a、 56a沿軸向安裝在兩個框架側板54a、 54b上，并且前連接裝置55和后 連接裝置56的上端部通過軸55b、 56b沿軸向安裝在基板57上。其中， 后連接裝置56的上端部沿軸向安裝在固定至基板57的支承板57a上， 而非沿軸向直接安裝在基板57上。
限制基板57的運動范圍，使得基板57的前端部經以軸55a為中心 的圓弧運動，而基板57的后端部經以軸56a為中心的圓弧運動。此處， 后連接裝置56形成為其尺寸長于前連接裝置55，因此基板57的前端部 和后端部具有不同的曲率半徑，所以上表面的傾斜角度隨著基板57前 后運動而變化。更具體地，如果圖6所示的位置作為在前后方向上的運 動范圍的后端位置，那么當基板57向前運動時，基板的前端部相對于 其后端部相對下降，從而使上表面的傾斜角度增大。相反地，如果基板從前端位置向后運動，基板57的前端部則相對于后端部相對地上升， 從而使上表面的傾斜角度減小。換而言之，座椅21能夠沿前后方向(圖 4中的箭頭X所指示的方向)運動。圖4示出線性運動，但是在實際操 作中，因為前后方向的傾斜角度變化，所以這種位移結合了在前后方向 上的線性運動和轉動。
作為使基板57相對于座板61a擺動的驅動源的馬達71由兩個框架 側板54a、 54b保持。而且，馬達71沿豎向設置成使得其輸出軸沿向上 的方向伸出。蝸桿72聯接至馬達71的輸出軸。框架側板54a和54b上 支撐有第一軸73和第二軸74,并且第一軸73上設置有與蝸桿72嚙合 的蝸輪75。第一軸73上還設置有齒輪76，并且齒輪76與設置在第二 軸74上的齒輪77嚙合。
第一軸73的兩個端部上分別附連有偏心曲柄78，偏心曲柄78與第 一軸73 —起旋轉。臂桿79的一端分別沿軸向安裝在各個偏心曲柄78 上，而臂桿79的另一端則分別沿軸向安裝在朝所述前連接裝置55的左 右凸出的軸銷55c上。
通過這種構造，當馬達71轉動進而第一軸73旋轉時，前連接裝置 55因偏心曲柄78和臂桿79的緣故而繞軸55a在前后方向上往復地后退 和前進，并且基板57的前部繞軸55a沿前后方向(圖4中的箭頭X所 指示的方向)擺動。此外，在后連接裝置56繞軸56a轉動之后，隨著 基板57沿前后方向運動，上表面的傾斜角度變化。
另一方面，偏心銷74a以直立的方式"^殳置在第二軸74的一個端部 上，并且偏心桿80的一個端部沿軸向安裝在該偏心銷74a上。偏心桿 80的另 一個端部以可擺動的方式聯接至附連于座板61a的聯接件81上。 偏心桿80的銷74a可設置在座椅驅動器50的左側或右側上。
通過這種構造，如果馬達71轉動并且第二軸74通過第一軸73旋 轉時，則偏心銷74a相對于座板61a的高度位置隨著銷74a和偏心桿80 變化，因此，基板57繞軸52a和52b左右(圖4中的箭頭N所指示的 方向)擺動。
無刷直流馬達等用于馬達71,并且直流馬達還用于驅動馬達63。 此處，由于馬達63設置在由框架板53a、 53b、框架側板54a、 54b、座 板61a以及基板57所包圍的空間中，并且齒輪75至77也設置在同一空間中，因此座椅驅動器50緊湊。
基本上，座椅驅動器50沿右前和右下方向以及左前和左下方向移 動座椅21。但是，在上述構造中，通過適當地設定齒輪76與齒輪77 的傳動比以及偏心曲柄78與偏心銷74a之間的相位差，除座椅21的V 形運動路徑(其中在一個沿左右方向的往復運動期間進行兩個前后往復 運動)之外，還能夠將座椅21的運動路徑設定成W形(其中在一個沿 左右方向的往復運動期間進行四個前后往復運動)或8字形(其中在一 個沿左右方向的往復運動期間進行兩個前后往復運動并且后端位置朝 左右側斜)等。
通過操作控制及顯示設備32來控制驅動馬達63和馬達71的運行 和停止。換而言之，在控制及顯示設備32中設置有用于指示馬達71的 運行或停止以及馬達71的轉速的控制部，從而能夠設定鍛煉的時長和 鍛煉的強度。此外，用于升高或降低座椅21的控制部設置成使得屈膝 角度呈適合的角度。設置在控制及顯示設備32中的控制部和顯示部通 過控制電路(未示出)連接至馬達71和驅動馬達63的操作裝置。
在上述運動輔助設備中，為了即便在使用者M受到膝部疼痛的困擾 也不會引起膝部疼痛的情況下促進大腿肌群的收縮，必需將屈膝角度保 持在適合的角度。也就是說，該運動輔助設備使膝部角度為規定角度的 使用者進行改變作用在其大腿上的使用者重量的運動。當使用者使用運 動輔助設備時，使用者的腳通過放置在腳蹬40上而固定到位。此時， 為了增大作用在大腿上的負載期望膝關節與足關節沿豎直方向對齊。因 此，由于這些限制條件，使得屈膝角度由座椅21的位置來控制。不同 個體之間的腿部尺寸各異而且明顯隨使用者M的身高變化。
如上所述，能夠通過升降機構20調節座椅21的高度位置，而且通 過在相對于底座10向后傾斜的直線上移動座椅21，升降機構60以這樣 的方式調節座椅21的接觸面21a的位置接觸面越往上移動，其位置 越靠后。
參見圖3描述升降機構60移動座椅21的方向。假設使用者的腳放 置在腳蹬40上，那么連接足關節J2與膝關節Jl的直線(即，脛骨) 與豎直方向一致。此外，假設當腳放置在腳蹬40上時兩腳之間的開口 角度6 2 (見圖2)為20度。此外，屈膝角度為6 1 (見圖1)，髖關節J3與膝關節Jl之間的距離為Ll，從腳蹬40的上表面到膝關節Jl的距 離為L2，并且座椅21的運動方向與水平平面之間形成的角度(即，支 柱22的中心線與底座10之間形成的角度)為9。
如果使用這些參數，那么在臀部與座椅21的接觸面21a進行接觸 的位置Pl(使用者的身體重心的鉛垂線與接觸面21a的交點)，位置Pl 與足關節J2之間的水平距離X和位置Pl距離腳蹬40的上表面的高度 Y可以通過下表達式來表示
X = Ll sin (180°誦81) ' cos (62/2) Y = LI ， COS (180o - 01) + L2 - L3
L3是位置P1與髖關節J3之間的距離。例如，如果使用者M的身高在
140cm至170cm的范圍內，那么通過給if巨離LI和L2取標準值，能夠 通過計算推算出角度(p。換而言之，將距離L1和L2因體格不同而導致 的差異分別定為AL1和AL2，如果采用體格差異的最大值和最小值， 就能夠確定角度cp。
當采用年齡為65到79歲(標準值)的女性的值作為最小體格值和 采用年齡為65到79歲(標準值)的男性的值作為最大體格值進行計算 時，就能夠確定角度cp為75度，因此對于兩個人群而言，屈膝角度都 能夠保持為140度。也就是說，當找出穿過位置P1 (考慮使用者M的 最大體格和最小體格而確定)的直線時，可以看到此線相對于豎直方向 向后傾斜并相對于水平表面成75度角。
此處，由于從位置Pl (針對與最小體格和最大體格相關的兩個點指 定)來確定角度cp，因此盡管不一定確保適合其它體格的使用者M，但 是上述距離Ll和L2預計會相對于使用者的身高以基本線性的方式變 化，因此能夠在最大值與最小值之間進行線性插值。此外，由于能夠進 行線性插值，因此如上所述，能夠采用進行線性運動的筒單機構作為升 降機構60。在此，還能夠考慮體格上的差異而確定三個更多點，并能 夠沿座椅21在升降機構60作用下的運動路徑繪成曲線。
權利要求
1.一種運動輔助設備，包括座椅，其具有接觸表面，所述接觸表面構造成在使用者的腳放置在預定的腳支撐面上的情況下使用者的臀部支撐在所述接觸表面上；座椅驅動機構，其構造成利用驅動源沿改變作用在使用者腿部上的使用者重量的方向來移位所述座椅；以及升降機構，其構造成當使用者坐在保持于基準位置的所述座椅上并且使用者的腳放置在所述腳支撐面上的預定位置上時，所述升降機構調節所述座椅的所述接觸面的豎直位置和前后位置以便將使用者的屈膝角度保持在規定角度，其中，所述升降機構構造成沿如下所述的線在受限制的范圍內調節所述座椅構件的接觸面的位置所述線相對于豎直方向向后并向上傾斜并且根據最大體格的使用者和最小體格的使用者推算出。
2. 如權利要求1所述的運動輔助設備，其中， 所述升降機構包括用以相對于保持在固定位置的底座來移位所述座椅的位置的升降驅動器，所述升降驅動器構造成沿著如下路徑線性地改變 所述座椅的位置所i^徑在允許所述座椅豎向運動和前后運動的豎直平 面內以預定角度向后并向上傾斜。
3. 如權利要求2所述的運動輔助設備，其中， 所述升降驅動器包括緊固至所述底座的固定構件；可動構件，其構造成相對于所述固定構件沿線性路徑運動并支撐所述座椅；以及驅動馬 達，其構造成^^吏所述可動構件朝向和遠離所述固定構件運動。
全文摘要
一種運動輔助設備，該運動輔助設備具有帶有接觸面的座椅，該接觸面的位置能夠在由使用者的體格限定的可調節的范圍內變化，以便以期望的彎曲角度順利地調節使用者的膝部而與使用者的身高無關。座椅(21)在使用者的腳放置在腳蹬(40)上面的腳支撐面上的情況下支承使用者(M)的臀部。帶有馬達的座椅驅動器(50)沿改變作用在使用者(M)腿部上的使用者(M)重量的方向移位座椅(21)。升降機構(60)驅動座椅(21)與座椅驅動器(50)一起上下運動。升降機構(60)使座椅(21)沿如下方向運動所述方向限定于相對于豎直方向向后上方傾斜的線并根據最大體格的使用者和最小體格的使用者推算出。
文檔編號A63B23/00GK101668569SQ20088001323
公開日2010年3月10日 申請日期2008年4月23日 優先權日2007年4月23日
發明者豐海百合貢, 四宮葉一, 小澤尚久, 河本實, 越智和弘 申請人:松下電工株式會社