专利名称：锻炼辅助装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种锻炼辅助装置，其为处于坐姿的使用者提供锻炼，且给膝关节带来较少的负担。
背景技术：
在过去，作为为使用者提供被动锻炼刺激的锻炼辅助装置，已知存在为坐在座椅部分的使用者提供模拟骑马锻炼的装置(例如，日本专利早期公开NO.11-155836)，以及在使用者的脚放在踏板上的条件下电动驱动踏板因此允许使用者进行周期锻炼的装置。据说这些装置通过为使用者提供有氧锻炼来减少身体脂肪，并且致使肌肉收缩来促使糖类新陈代谢，从而对于防止与生活方式有关的疾病是有用的。
为了通过肌肉收缩来提高糖类新陈代谢的效率，据信在大体积肌肉(尤其是对有氧锻炼有贡献的红色肌肉)位置致使肌肉收缩是有效的，并且优选为股骨和背部区域的肌肉。然而，由于膝部疼痛或者症状加剧现象的发生，通常很难让膝部疼痛的使用者诸如糖尿病人来进行有效的锻炼，使得股骨和背部区域的肌肉收缩。
为此，用来提供上述循环锻炼的装置可能对使用者的膝部带来沉重的负担，并且更可能的是，由于锻炼引发疼痛。另一方面，在使用可提供模拟骑马锻炼的装置的情况下，由于使用者在锻炼过程中坐在座椅部分上，所以可以减小膝部的负担。然而，这种装置主要用来促进身体躯干诸如下背部区域的肌肉收缩。因此，希望开发一种装置，用来有效地在股骨区域引导肌肉收缩。
另外，在做有氧锻炼的情况下，当不为每个使用者设定适当的锻炼量时，会导致由于过度锻炼造成膝部疼痛加剧的问题，或者不能达到充分锻炼的效果。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的主要关切是提供一种锻炼辅助装置，用来有效地为使用者提供被动锻炼刺激，使得股骨区域的肌肉收缩，同时减小使用者膝部的负担。
就是说，本发明的锻炼辅助装置的特征在于包括基部；支撑构件，其可以相对于基部移动，且配置成支撑使用者的臀部；脚踏板，其可以相对于基部移动；驱动器件，其配置成驱动脚踏板和支撑构件至少其中之一；和控制器，其配置成控制驱动器件，使得由支撑在支撑构件上的使用者的自重作用在股骨区域的载荷可以根据使用者的脚趾和大转子之间的相对位置位移而变化，该位置位移允许处于使用者膝关节的弯曲和伸展方向内，而且膝关节的角度基本上保持恒定。
根据这种配置，可以有效地提供被动锻炼刺激，这种刺激适合为锻炼功能中因肌肉虚弱或者膝部疼痛而变差的使用者的股骨区域引发肌肉收缩，而且不会给膝部带来负担。因此，通过持续锻炼，预期可以达到防止和改善与生活方式有关的疾病的效果。另外，由于使用者脚趾和大转子之间的相对位置位移允许处于(优选为限制在)使用者膝关节的弯曲和伸展方向内，所以可以安全地提供锻炼，使腿部的肌肉收缩，而且不会导致疼痛或者症状加剧，即使使用者膝部疼痛诸如患有膝部关节炎时也是如此。
在上述的锻炼辅助装置中，优选地，驱动器件以互锁方式仅驱动支撑构件或者驱动支撑构件和脚踏板。特别地，当仅驱动支撑构件时，可以以极佳的成本性能实现锻炼辅助装置。
还优选地，上述锻炼辅助装置包括身体组成推算单元，其配置成推算使用者脂肪质量和肌肉质量至少其中之一，并且控制器利用身体组成推算单元的输出控制驱动器件。在这种情况下，使用者的脂肪质量和肌肉质量至少其中之一可以被推算，并且根据推算结果为各使用者适当地控制支撑构件的操作速度和时间。
作为身体组成推算单元的优选实施例，锻炼辅助装置包括被使用者握持的抓手；设置在脚踏板上的一对第一电极；设置在抓手上的一对第二电极；和阻抗测量单元，其配置成在使用者的脚放在脚踏板上并且抓手被使用者握持的条件下，通过检测第一电极其中之一和第二电极其中之一之间的电势差同时在另一个第一电极和另一个第二电极之间施加高频电流来测量使用者的生物电阻抗，并且其中身体组成推算单元利用阻抗测量单元的输出推算使用者的脂肪质量和肌肉质量至少其中之一。
为了提高身体组成推算单元实施的脂肪质量和肌肉质量的推算精度，优选该锻炼辅助装置具有体重输入单元，其配置成输入使用者的体重，并且身体组成推算单元利用阻抗测量单元的输出和通过体重输入单元输入的使用者体重来推算使用者的脂肪质量和肌肉质量至少其中之一。
作为本发明的进一步优选实施例，该锻炼辅助装置进一步包括身体信息输入单元，其配置成输入使用者的体重和身高；和能量消耗操作单元，其配置成利用身体组成推算单元的输出和通过身体信息输入单元输入的使用者的体重和身高来计算使用者在锻炼过程中每单位时间的能量消耗和使用者每单位时间的目标能量消耗其中之一，而且控制器根据能量消耗操作单元的输出控制驱动器件。
另外，优选地是，锻炼辅助装置具有载荷传感器，其配置成检测作用在脚踏板上的载荷；体重推算单元，其配置成利用载荷传感器的输出推算使用者的体重，而且身体组成推算单元利用阻抗测量单元和体重推算单元的输出推算使用者的脂肪质量和肌肉质量至少其中之一。可替代地，优选支撑构件沿高度方向是长度可调的，并且锻炼辅助装置包括距离传感器，其配置成检测支撑构件沿高度方向的长度；和身高推算单元，其配置成利用距离传感器的输出推算使用者的身高，而且身体组成推算单元利用阻抗测量单元和身高推算单元的输出推算使用者的脂肪质量和肌肉质量至少其中之一。在这些情况下，由于除了阻抗测量单元的输出外，考虑了专属于使用者的身体信息诸如体重和身高，所以可以进一步提高身体组成推算单元做出的脂肪质量和肌肉质量的推算精度。
另外，优选锻炼辅助装置进一步包括存储器，其配置成存储使用者的脂肪质量和肌肉质量至少其中之一的变化；和评估单元，其配置成根据记录在存储器内的变化评估锻炼效果，而且控制器利用评估单元的输出控制驱动器件。
作为根据本发明的进一步优选实施例的锻炼辅助装置，锻炼辅助装置包括存储器，其配置成记录通过生物学概况确定的多种锻炼程序；输入单元，其配置成输入使用者的生物学概况，而且控制器从存储器中读取相应于通过输入单元输入的使用者生物学概况的其中一个锻炼程序，并且根据读出的锻炼程序控制驱动器件。
作为根据本发明的另一种优选实施例的锻炼辅助装置，这种锻炼辅助装置进一步包括载荷传感器，其配置成检测作用在脚踏板上的载荷；和操作单元，其配置成利用载荷传感器的输出推算作用在使用者膝关节上的力，而且控制器以实时方式控制驱动器件(例如，驱动器件的操作速度诸如支撑构件倾斜角度的改变速率)，使得被操作单元推算的力处于预定范围内。在这种情况下，由于根据作用在脚踏板上的载荷来推算作用在使用者膝部的力来控制驱动器件，所以可以以实时方式监测提供给使用者的锻炼，并且防止过度的力作用在使用者膝部。从安全性的观点来看，特别优选地是，当操作单元推算的力超过预定的上限值时，停止驱动器件。另外，当作用在膝关节上的力通过显示器件显示给使用者时，使用者可以在具有安全感的情况下，以放松的状态接收适当的锻炼辅助。
本发明进一步的优势以及由此带来的优势将从下述实施本发明的最佳方式中变得更为明显。
图1是根据本发明第一实施例的锻炼辅助装置的示意性透视图；图2是锻炼辅助装置的框图；图3A至3E是锻炼辅助装置操作的解释图；图4是示出用来确定作用在使用者膝部的剪切力的连杆模型图；图5是示出锻炼辅助装置的操作控制的流程图；图6A和6B是示出坐在锻炼辅助装置上的使用者位姿的示意性视图；图7是锻炼辅助装置的辅助支撑件的示意图；图8是示出锻炼辅助装置的显示器示例的示意性透视图；图9是根据本发明第二实施例的锻炼辅助装置的示意性透视图；图10是相同的锻炼辅助装置的框图；图11A和11B是示出脚踏板和抓手上的电极布置的图形；图12是根据本发明第三实施例的锻炼辅助装置的示意性透视图；图13是锻炼辅助装置的框图；图14是根据本发明第四实施例的锻炼辅助装置的示意性透视图；
图15是锻炼辅助装置的框图。
具体实施例方式
下面，将根据优选实施例解释本发明的锻炼辅助装置。
<第一实施例>
如图1和2所示，本实施例的锻炼辅助装置主要形成有位于地板上的基部1；支撑使用者M臀部的支撑构件2；放置使用者的脚的一对脚踏板3；驱动支撑构件2和脚踏板3的驱动机构4；和用于驱动机构4的控制器10。在图1中，数字50指代用来显示锻炼条件和使用者生物学信息的显示器。
支撑构件2包括支柱21和设置在支柱21上端用来支撑使用者臀部的鞍座22。支柱21在其下端受到支撑，从而可通过驱动机构4相对于基部1倾斜。就是说，作为驱动器件的马达41的输出通过驱动机构4传输到支撑构件2，在垂直位姿和倾斜位姿之间为支柱21提供往复振动运动。
如图1所示，在使用者M坐在鞍座22上并且腿部分开的条件下，支撑构件2可以在鞍座和使用者股骨区域构成的平面内倾斜。就是说，当支撑构件2相对于基部1倾斜时，力基本上仅沿着弯曲和伸展方向作用在膝关节上，而不会有侧向力作用在膝关节上。在本实施例中，支柱21的长度是可调节的，使得在使用者坐在鞍座22上并且将脚放在脚踏板3上的条件下，使用者的膝部角度被设置成希望的角度。如果有需要，扩展和收缩支柱21的器件可以包含在驱动机构4内。
脚踏板3受到支撑，可以通过驱动机构4沿着上下方向相对于基部1移动。就是说，脚踏板3相对于基部1的高度位置可以根据支撑构件2相对于基部1的倾斜角度调节，从而当支撑构件2相对于基部1倾斜时，使用者膝关节的角度不会变化。另外，脚踏板3通过驱动机构4支撑，从而可以相对于基部1倾斜。图1示出了脚踏板可沿左右方向倾斜。在本实施例中，脚踏板3的倾斜包括脚板可以相对于基部沿着连接脚趾和脚跟的前后方向倾斜的情况。例如，可以通过沿着前后方向改变脚板的倾斜角度来改变作用在膝关节上的剪切力。另外，如果有需要，脚踏板可以围绕与脚踏板3顶面正交的轴线旋转。通过参照设置在其上的适当标记，使用者可以将脚放在脚踏板3上的所需位置。另外，每个脚踏板3具有载荷传感器30，用来检测使用者的脚施加在脚踏板上的载荷。
在本实施例中，为了以实时方式控制左右脚踏板3相对于基部1的倾斜角度，采用了两个分开调节脚踏板3的倾斜角度的马达42、43。另外，用来倾斜支撑构件2的马达41还用来沿上下方向移动脚踏板3。用来移动脚踏板3的器件不限于马达。例如，可以使用能够利用气压来上下移动脚踏板的折叠装置。可替代地，脚踏板可以受到支撑，从而通过使用弹性构件诸如具有所需弹簧常数的弹簧来相对于基部移动，从而获得等同的效果。
控制器10主要包括微计算机，其控制作为驱动源的、用于移动支撑构件2的马达41，和作为驱动源的、用于移动脚踏板3的马达42、43，使得由于被支撑在支撑构件2上的使用者M的自重而作用在股骨区域上的载荷可根据使用者的脚趾和大转子(trochanter major)之间的相对位置位移而变化，该位置位移基本上限制在使用者的膝关节的弯曲和伸展方向内，并且膝关节的角度基本上保持恒定。在本实施例中，支撑构件2的可动范围如此限制，使得膝关节的弯曲和伸展处于从伸展位置到45度的范围内。
本实施例的锻炼辅助装置进一步包括存放有关每个马达旋转速度的时间序列数据的存储器11，其被设定用来得到合适的锻炼强度；用来输入使用者信息诸如性别、年龄、体重和身高的输入单元12；和根据设置在脚踏板3上的载荷传感器30的输出推算作用在使用者膝关节上的力的操作单元13。控制器10以实时方式控制马达(41至43)，使得被操作单元13推算出来的力处于预定范围内。从输入单元12输入的信息存放在存储器11内。
如图3A所示，上述锻炼辅助装置用在使用者把脚放在脚踏板3上并且坐在鞍座22上且两腿分开的条件下。脚踏板3和鞍座22之间的位置关系可以通过调节脚踏板3的高度位置和支柱21的伸展和收缩长度中的至少其中之一来确定。支撑构件2在支柱21相对于基部1的垂直位姿和支柱沿着向右方向或者向左方向的倾斜位姿之间振动，使得使用者重心的位移方向平行于膝关节的弯曲和伸展方向。另外，在这种振动运动过程中，使用者膝关节的弯曲角度θ基本上保持恒定。就是说，由于脚踏板3支撑得可通过驱动机构4相对于基部1沿上下方向移动，所以当支柱21处于基本上垂直位姿时，脚踏板3如图3B或者3D所示定位，当支柱21处于倾斜位姿时，脚踏板3如图3C或者3E所示定位。因此，通过向下移动脚踏板3，膝关节的弯曲角度θ可以基本上保持恒定。此时，代替通过驱动源移动脚板，脚踏板3可以被具有适当弹簧系数的弹簧支撑，如图3C中所示。可替代地，如图3E所示，脚踏板3的位置可以被驱动源改变。在支撑构件2从基本上垂直位姿向着左和右脚踏板3其中之一倾斜的情况下，仅定位在支撑构件2的振动(倾斜)侧的脚踏板3被向下移动。因此，可以有效地给予其中一条腿的股骨区域以载荷，同时不会改变膝关节的弯曲角度θ。
根据本实施例的锻炼辅助装置，支撑构件2的振动方向(即，脚踏板3上的使用者的脚和使用者的大转子之间的相对位置位移的方向)被限制在膝关节的弯曲和伸展方向内，并且弯曲和伸展范围(角度范围)也受到限制。因此，即使当使用者膝部疼痛诸如膝部关节炎，使用者也可以带着安全意识来进行锻炼，同时不会导致膝关节扭曲或者导致不好的影响诸如疼痛或者症状加剧。另外，由于脚踏板3根据支撑构件2的倾斜而向下移动，所以可以防止膝关节弯曲角度改变。结果是，可能使得腿部肌肉基本上等长收缩，因此肌肉的新陈代谢受到促进，从而改善了胰岛素抵抗力(insulin resistance)，同时不会增加膝部的负担。另外，由于支撑构件2和脚踏板3通过马达移动，所以不需要使用者主动移动其身体。换句话说，足够使用者被动地进行所提供的锻炼。
另外，该实施例的锻炼辅助装置的特征在于，以实时方式推算了锻炼过程中作用在使用者膝部上的剪切力，并且根据推算结果控制了支撑构件2和脚踏板3的运动。作为示例，参照图4解释通过使用刚性连杆模型推算作用在膝部的剪切力的方法。推算剪切力的方法并不限于这种方法。例如，利用有限元分析的另一种方法也可以采用。
在图4中，“L1”是相应于脚部区域的刚性连杆。“L2”是相应于小腿区域的刚性连杆。“L3”是相应于股骨区域的刚性连杆。“P2”是相应于踝关节的支撑点。“P3”是相应于膝关节的支撑点。另外，“r1”、“r2”和“r3”分别是“L1”、“L2”和“L3”的长度。“m1”、“m2”和“m3”分别是“L1”、“L2”和“L3”的重量。这些连杆的长度和重量根据人类身体的解剖学信息从使用者的体重和身高来确定。通过考虑其他参数诸如性别和年龄，它们可以以更高的精度确定。
在图4中，垂直于基部1顶面的方向定义为Y轴方向，水平方向定义为X轴方向。因此，使用者膝关节的弯曲和伸展运动被限定在XY平面内。在该坐标系统中，脚趾、踝关节、膝关节和大转子的坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)和(x4，y4)。另外，“F1”指代由设置在脚踏板上的载荷传感器30检测到的载荷(反作用力)。“F2”指代作用在踝关节上的力，“F3”指代作用在膝关节上的力。角度“θ”是连杆“L3”相对于水平轴的倾斜角度。
在上述条件下，沿前后方向作用在膝关节上的剪切力Fs3由以下方程(1)表示。
Fs3＝F3x·cosθ+F3y·sinθ (1)F3x和F3y分别由以下方程(2)和(3)表示。
F3x＝F2x+m2·(d2x2/dt2)(2)F3y＝F2y-m2g+m2·(d2y2/dt2)(3)另外，F2x和F2y分别由以下方程(4)和(5)表示。
F2x＝F1x+m1·(d2x1/dt2)(4)F2y＝F1y-m1g+m1·(d2y1/dt2)(5)在上述中，“g”是重力加速度，F1x和F1y是载荷传感器检测到的载荷的x和y方向分量，它们可以根据脚踏板3相对于基部1的倾斜角度确定。另外，(d2x2/dt2)、(d2y2/dt2)、(d2x1/dt2)和(d2y1/dt2)可以根据脚趾和踝关节相对于时间的位置变化来确定。类似地，沿着与前后方向(前平面方向)正交的方向作用在膝关节上的剪切力和作用在其他关节上的剪切力可以被计算出来。这些计算在操作单元13内执行。由操作单元13确定的作用在膝关节上的剪切力对于控制驱动机构4是有用的，以下将说明。作用在膝关节上的剪切力可以显示在显示器50上。为了解释方便，上面的例子中采用了三刚性连杆模型。但是，通过使用根据人类身体的实际解剖学数据的详细设定，可以进一步提高推算的精度。
另外，踝关节和大转子的位置可以如下确定。就是说，在图3C中，“φ”是支撑构件2的倾斜角度，并且“d”是支撑构件2的回转半径。“r”是大转子和支撑构件的回转中心之间的距离。结果是，大转子的坐标(x，y)由以下方程确定。
x＝r·sinφy＝r·(1-cosφ)
踝关节的位置通过确定脚踏板的位置位移来获得。另外，当踝关节和大转子的位置计算出来后，使用者膝关节的角度根据以前存放的关于膝关节角度的测量数据来确定。由于支撑构件被倾斜，所以相应的脚踏板向下移动，使得膝关节角度基本上保持恒定。因此，膝关节的位置也可以确定。
接着，作为示例，参照图5解释根据由上述方法确定的剪切力来控制锻炼辅助装置的方法。当使用者的体重和身高作为使用者的生物学信息通过输入单元12输入时，马达以预定的标准值被控制器10驱动。接着，读入由载荷检测器30检测到的载荷(W)，通过上述方法计算作用在膝关节上的剪切力(F1，F2)。为了进一步提高精度，还优选检测由使用者臀部施加到支撑构件2上的载荷，并且通过使用检测到的载荷推算剪切力。
作用在膝关节上的推算剪切力(F1，F2)和由载荷检测器30检测到的载荷(W)分别与预定的阈值(T1，T2)(S1)比较。当剪切力和载荷其中之一超过阈值时，马达的操作速度降低，支撑构件和脚踏板返回到初始位置(S2)，并且马达操作停止(S3)。以此方式，可以防止过度的载荷作用在膝关节上。
当剪切力和载荷两者不大于阈值时，沿着前后方向作用的剪切力(F1)和沿着左右方向作用的剪切力(F2)分别与提醒值(A1，A2)比较(S4，S5)。在该实施例中，相对于各剪切力设置大小两个阈值。大的阈值T2意味着极限值，每个较小的阈值A1、A2意味着提醒值。沿着前后方向作用的剪切力的提醒值A1不同于沿着左右方向作用的剪切力的提醒值A2。即使当剪切力变得大于提醒值时，也不需要立即停止支撑构件和脚踏板的运动。该值是示出恐怕使用者会感到膝关节疼痛的值。当大于该值时，驱动器件受到控制以降低剪切力。例如，可以通过改变脚踏板的倾斜、支撑构件的长度、或者支撑构件倾斜的速度来减轻膝部的负担。当该装置这样操作时，没有力沿左右方向作用在膝关节上，可以省略将沿左右方向作用的剪切力(F2)与提醒值比较的步骤S5。
当剪切力超过相对于前后方向或者左右方向的任一方向的提醒值时(S6，S7)，并且脚踏板3的角度处于可变范围内时，脚踏板3相对于基部1的倾斜角度被改变(S8，S9)。通过改变脚踏板3的倾斜角度，作用在使用者脚底的载荷重心位置和载荷的作用方向变化，使得作用在膝关节上的剪切力可以改变。在改变沿左右方向作用在膝关节上的剪切力的情况下，脚踏板设计成可沿左右方向倾斜。
另一方面，当角度不能改变时，驱动器件可以受到控制以减小剪切力(S10)。例如，当剪切力到达提醒值时，马达受到控制，增大脚踏板3相对于基部1的倾斜角度，使得脚跟处于高于脚趾的位置。根据这种方式，由腿后腱作用在膝关节上的拉伸力可以较之由四头肌导致的拉伸力而增大，从而减小沿前后方向作用在膝关节上的剪切力。
当沿着前后方向作用的剪切力和沿左右方向作用的剪切力二者不大于提醒值时，载荷传感器30检测到的载荷与预定的阈值(T3)比较(S11)。该阈值(T3)设定为确定作用在肌肉上的载荷是否达到对改善糖尿病有贡献的程度。当不大于该阈值(T3)时，认为施加给使用者的载荷是不够的，所以驱动机构4受到控制，增大载荷(S12)。另一方面，当载荷传感器检测到的载荷大于阈值(T3)时，认为给使用者施加了适当的锻炼强度，因此马达继续当前操作。
在步骤10中，作为在不改变脚踏板3的角度的情况下减小剪切力的另一种方法，以下(1)至(3)可以例证。
(1)驱动机构受到控制，减小支撑构件2和脚踏板3每时间单位内的角度改变速率。简要地说，支撑构件2和脚踏板3的角度改变速度被降低。
(2)图6A中所示的角度φ1是股骨区域相对于身体躯干的角度，图6B中所示的角度φ2是腿分开时髋关节改变的角度。通过调节角度φ1和φ2，作用在膝关节上的载荷的程度可以改变。具体地说，可以通过改变支撑构件的长度、脚踏板3相对于基部1的高度位置或者脚踏板之间的水平间隔来改变角度φ1和φ2。通过减小支撑构件2的长度，膝关节的角度变小，因此剪切力减小。另外，当支撑构件2倾斜时，与采用长度更大的支撑构件2的情况相比，使用者臀部的位移距离变得更小。因此，可以减小作用在膝关节上的力。
(3)如图7所示，辅助支撑件60用来支撑或者牵引使用者的小腿。辅助支撑件60与支撑构件2整体形成以支撑或者牵引脚、小腿和股骨区域中的至少其中之一。例如，可以通过控制内部气压来调节硬度，并且在支撑或者牵引时变硬。
如图8所示，显示器50用来示意性地示出马达的控制量和支撑构件2和脚踏板3的运动、由操作单元13推算的作用在使用者膝关节上的剪切力曲线、以及载荷传感器30检测到的载荷相对于时间的变化。另外，可显示用来引导锻炼的信息。此外，优选地，数据通过通信器件传输到位于远程位置的专家，并且专家的建议通过显示器给予使用者。
<第二实施例>
如图9和10所示，该实施例的锻炼辅助装置主要形成有固定在安装表面诸如地板上的基部1；支撑使用者M臀部的支撑构件2；其上放置使用者的脚的一对脚踏板3；相对于基部1驱动支撑构件2的鞍座22的驱动机构4；推算使用者脂肪质量的身体组成推算单元6；和根据推算结果控制驱动机构4的控制器10。
支撑构件2包括位于基部1顶面上的支柱21；将驱动机构4容纳在其中的壳体25；和支撑使用者臀部的鞍座25。为了将膝关节的弯曲角度设置为需要的角度(例如，40度)，脚踏板3相对于基部1的位置和鞍座25的初始位置(高度位置)可调。例如，垫圈弹簧可以用来调节鞍座25的高度位置。可替代地，可以使用上下移动脚踏车鞍座的传统配置。另外，鞍座22可以通过马达上下移动。还优选地是，准备多个高度不同的座椅构件，并且根据使用者的体形互换使用它们中适当的一个。
各脚踏板3可以用弹性构件37相对于基部1移动。作用在股骨区域的载荷和支撑构件2的移动范围之间的关系先前已经确定，并且根据这种关系选择具有适当弹性系数的弹性构件。通过使用这种脚踏板3，有可能在锻炼过程中保持膝关节的角度基本上恒定。在本实施例中，脚踏板3受到支撑，通过弹簧和可以上下伸展和收缩的缩放仪之类的机构相对于基部1沿上下方向位移。另外，脚踏板具有从脚跟向脚趾倾斜的顶面。可以用马达来上下移动脚踏板3。为了调节踝关节的角度，脚板沿着向前和向后方向的倾斜角度、脚板沿着左右方向的倾斜角度或者围绕脚板垂直方向的旋转角度可以变化。
在图9中，数字51指代竖立在脚踏板3之间的立杆。数字52指代在该立杆顶端沿着左右方向延伸的手柄。就是说，立杆51和手柄52配置成基本上成T形。一对抓手设置在手柄52的两端，它们可以被坐在鞍座22上的使用者保持。数字12指代带有触摸板的输入单元，其用于输入使用者的信息诸如体重。输入单元还具有显示使用者输入的信息和锻炼菜单的显示器。如以下将要说明的，主要在推算使用者身体组成时使用抓手54，因此它们在锻炼过程中不经常用。然而，对于使用者诸如年老的人或者虚弱的人安全地骑上支撑构件2或者从其上下来是有用的。
驱动机构4具有至少一个马达，用作鞍座22的驱动源，以改变鞍座22的倾斜角度。例如，通过采用齿轮-曲柄机构或者适当组合的机械组件诸如连杆和凸轮，鞍座22的顶部可以在支撑构件2和每个脚踏板3构成的平面内在水平位置和倾斜位置之间以往复的方式移动。根据这种方式，有可能将锻炼方向与膝关节的弯曲和伸展方向相匹配，并且防止力沿左右方向作用在膝关节上。当鞍座22顶部的倾斜角度改变时，作用在使用者股骨区域的载荷会波动，因此作用在脚踏板3上的载荷也增大或者减小，从而上下移动脚踏板3。此时，被鞍座22支撑的使用者的臀部和位于脚踏板3上的使用者的脚底之间的相对距离基本上保持恒定。因此，膝关节的弯曲角度仅承受最小的改变。因此，实现了等长收缩状态，从而减小了膝关节上的负担。
如图10所示，控制器10主要包括微机算机，并且通过驱动电路15控制驱动机构4。驱动电路15是控制器和驱动机构4之间的接口，并且根据控制器的输出向马达提供需要的电力。
在使用上述锻炼辅助装置的情况下，使用者把脚放在脚踏板3上，使得脚底密切接触脚踏板，并且坐在鞍座22上。在这种条件下，通过改变鞍座顶部的倾斜角度，可以改变作用在使用者股骨区域的载荷量级。此时，实现了G11/G12＞G21/G22的关系，其中“G11”是作用在鞍座22上的载荷，“G12”是当鞍座22顶部基本上平行于基部1顶部时作用在脚踏板3上的载荷，“G21”是作用在鞍座22上的载荷，“G22”是当鞍座22顶部相对于基部顶部倾斜时作用在脚踏板3上的载荷。因此，随着鞍座22倾斜增大，使用者的位姿变得更靠近站立位姿，并且作用在股骨区域的载荷因使用者的自重而增大。
本实施例最重要的特征是通过使用由身体组成推算单元6推算的使用者的脂肪质量来控制驱动源。就是说，本实施例的锻炼辅助装置设置有一对设置在每个脚踏板3上的第一电极(60，62)，如图11A所示；安装在抓手54上的两对第二电极(61，63)，如图11B所示；和阻抗测量单元65，其配置成在使用者把脚放在脚踏板3上并且握住抓手的条件下，通过检测第一电极其中之一(62)和第二电极其中之一(63)之间的电势差，同时在另一个第一电极(60)和另一个第二电极(61)提供的信号电极之间施加高频电流，来测量使用者的生物电阻抗。身体组成推算单元6利用阻抗测量单元65的输出来推算使用者的脂肪质量。所推算的使用者的脂肪质量优选示出在输入单元12的显示器上。
在以前，已经采用了通过测量生物电阻抗来确定使用者身体的脂肪百分比。简言之，由于身体内的脂肪较之其他地方具有更低的含水量，所以随着身体内的脂肪量变大，阻抗增大。通过利用这种原理，可以推算身体内的脂肪量。在使用多个电极对测量阻抗的情况下，优选在每个电极对之间施加的高频电流区别于施加在其他电极对之间的高频电流的频率。例如，通过测量两手之间的阻抗，两脚之间的阻抗，以及手脚之间的阻抗，然后从手脚之间的阻抗减去两手之间和两脚之间的阻抗，可以确定身体躯干的阻抗。由于脂肪量和阻抗之间有相关性，所以可以根据这种相关性推算身体躯干内的脂肪量。另外，随着身体脂肪量的减少，可以推算肌肉量对立地增多。因此，可以使用测量的身体脂肪量和体重作为参数推算肌肉量。
为了精确推算脂肪质量或者肌肉质量，从使用者的体重、身高、年龄和性别的组中选择的体重优选地用作身体的特征量以及生物电阻抗。在本实施例中，使用者可以通过输入单元12输入体重。另外，当身高用作额外的参数时，有可能进一步改善脂肪质量和肌肉质量的推算精度。控制器10根据推算的使用者的脂肪质量或者肌肉质量为每个使用者设定适当的锻炼量，并且控制驱动机构4。
<第三实施例>
如图12和13所示，本实施例的锻炼辅助装置的特征在于包括身体组成推算单元6，代替允许使用者通过输入单元12输入体重和身高，该单元包括体重推算单元70和身高推算单元72；用于计算使用者每单位时间的目标能量消耗的能量消耗操作单元16；和利用能量消耗操作单元16的输出控制驱动机构4的控制器10。因此，其他组件基本上与第二实施例相同，并且重复的解释省略。
体重推算单元70根据每个脚踏板3上的载荷传感器30的输出计算使用者的体重。作为载荷传感器30，例如，可以利用带有压电元件的测力传感器(load cell)或者用差动变压器检测弹簧拉伸量的装置。当使用者在坐在鞍座22上之前踏上脚踏板3时，载荷传感器30检测到的载荷总量提供了使用者体重。取代在脚踏板上采取站立的位姿，还可能推算处于坐姿的使用者的体重。在这种情况下，载荷传感器还位于鞍座22上。在该对脚踏板上检测到的载荷和鞍座22的载荷传感器检测到的载荷之和被确定为使用者的体重。
鞍座22的高度位置是可调的，从而将使用者膝关节的弯曲角度保持在需要的角度。因此，鞍座22的高度位置(即，支撑构件2的长度)可以用距离传感器32测量。身高推算单元72根据鞍座22的高度、膝关节角度以及与脚踏板的位置关系推算使用者的身高。取代身高，可以推算使用者的腿长。
能量消耗操作单元16根据使用者的体重和身体组成推算单元6的输出计算使用者每单位时间的目标能量消耗。施加给使用者的锻炼量确定为能量消耗诸如葡萄糖消耗量。由于锻炼过程中使用者的位姿可以近似地确定，所以有可能根据鞍座22的操作速度和使用者的体重推算作用在腿部的载荷。如第二实施例的情况那样，腿部的肌肉质量由身体组成推算单元6利用体重推算单元70提供的使用者体重和阻抗测量单元的输出来推算。可替代地，腿部的肌肉质量可以根据身高推算单元72提供的使用者身高和阻抗测量单元的输出来推算。因此，能量消耗量诸如每单位时间的葡萄糖消耗量可以利用作用在腿部的载荷和腿部的肌肉质量来确定。取代目标能量消耗量，可以计算使用在锻炼过程中的能量消耗量。实际上，优选利用能量消耗操作单元16计算的能量消耗、身体组成推算单元6推算的肌肉质量和体重推算单元70确定的使用者体重来确定鞍座22的操作速度。在该实施例中，脂肪质量或者肌肉质量和脂肪质量两者可以用来代替肌肉质量。
<第四实施例>
如图14和15所示，本实施例的锻炼辅助装置的特征在于，根据输入单元12输入的使用者生物学概况来确定提供给使用者的锻炼量。因此，其他组件基本上与第三实施例相同，重复的解释省略。
本实施例的锻炼辅助装置具有菜单存储器80，其中存放每个生物学概况的标准锻炼菜单。根据通过输入单元12输入的使用者生物学概况，可以从菜单存储器80中读取推荐的锻炼菜单，然后由控制器10执行。
生物学概况包括使用者的体重、身高、性别、年龄、是否患病、疾病的种类、心肺容量、健康参数诸如血压和心跳、运动经验等。例如，当使用者患有高血压时，优选选择带有延长的锻炼时间和降低的载荷的运动菜单。在这种情况下，当输入血压时，其被分类为“低血压”、“正常血压”或者“高血压”，然后从菜单存储器80中抽取适当的锻炼菜单。因此，有可能通过输入单个使用者的数据来为使用者提供适当的锻炼菜单。
另外，本实施例的锻炼辅助装置设置有历史存储器90，用来存放关于单个使用者的脂肪质量或者肌肉质量改变的个人历史信息；和评估单元92，其用来根据历史存储器内存放的个人历史来改动锻炼菜单。由于脂肪质量或者肌肉质量每次锻炼中都推算，所以信息与相应的数据和时间一起存放。例如，可确定恒定时间段的开始和结束点之间的脂肪质量差异。当该差异较之预定的目标值小时，评估单元92修改锻炼菜单以增大一次的锻炼量。取代脂肪质量，可以使用肌肉质量或者脂肪质量和肌肉质量两者。由于锻炼量是支撑构件的操作速度和操作时间的乘积，所以可以改变它们中的至少其中之一来修改锻炼菜单。另外，当使用者需要锻炼来增加肌肉质量或者推算的肌肉质量达不到目标值时，锻炼菜单被改动来增大锻炼强度。菜单存储器80和历史存储器90可以设置为单个存储装置。另外，当脂肪质量或者肌肉质量的改变显示在输入单元12附近设置的显示器50上时，优势是可以增大使用者锻炼的愿望。
工业实用性如上所述，根据本发明的锻炼辅助装置，有可能有效地为肌肉虚弱的使用者或者有膝部关节炎的病人以及膝部疼痛的糖尿病人提供被动锻炼刺激，使得股骨区域的肌肉收缩，同时不给膝部带来负担。
另外，当推算使用者的脂肪质量和肌肉质量至少其中之一时，根据推算结果设定适合各使用者的锻炼速度和锻炼时间，可以可靠地为使用者提供能够获得希望效果的适当锻炼量。另外，当推算作用在使用者膝关节上的力(剪切力)时，并且以实时方式控制驱动机构使得推算的力处于预定范围时，可以防止过度的力作用在使用者的膝部，并且改善锻炼辅助装置的安全性。
因此，由于本发明可以安全地对膝部不便的使用者诸如糖尿病人的腿部提供适当的锻炼刺激，预期可以进一步增加锻炼辅助装置的使用。
权利要求
1.一种锻炼辅助装置，包括基部；支撑构件，其可以相对于所述基部移动，且配置成支撑使用者的臀部；脚踏板，其可以相对于所述基部移动；驱动器件，其配置成驱动所述脚踏板和所述支撑构件至少其中之一；和控制器，其配置成控制所述驱动器件，使得由支撑在所述支撑构件上的使用者的自重作用在股骨区域的载荷根据使用者的脚趾和大转子之间的相对位置位移而变化，所述位置位移允许处于使用者膝关节的弯曲和伸展方向内，并且膝关节的角度基本上保持恒定。
2.如权利要求1所述的锻炼辅助装置，进一步包括身体组成推算单元，其配置成推算使用者的脂肪质量和肌肉质量至少其中之一，并且其中所述控制器利用所述身体组成推算单元的输出控制所述驱动器件。
3.如权利要求2所述的锻炼辅助装置，进一步包括抓手，其由使用者握持；一对第一电极，其设置在所述脚踏板上；一对第二电极，其设置在所述抓手上；和阻抗测量单元，其配置成在使用者的脚放在所述脚踏板上且所述抓手被使用者握持的条件下，通过检测所述第一电极其中之一和所述第二电极其中之一之间的电势差同时在另一个第一电极和另一个第二电极之间施加高频电流来测量使用者的生物电阻抗，并且其中所述身体组成推算单元利用所述阻抗测量单元的输出推算使用者的脂肪质量和肌肉质量至少其中之一。
4.如权利要求3所述的锻炼辅助装置，进一步包括体重输入单元，其配置成输入使用者的体重，并且所述身体组成推算单元利用所述阻抗测量单元的输出和通过所述体重输入单元输入的使用者体重来推算使用者的脂肪质量和肌肉质量至少其中之一。
5.如权利要求3所述的锻炼辅助装置，进一步包括身体信息输入单元，其配置成输入使用者的体重和身高；和能量消耗操作单元，其配置成利用所述身体组成推算单元的输出和通过所述身体信息输入单元输入的使用者的体重和身高计算使用者在锻炼过程中每单位时间的能量消耗和使用者每单位时间的目标能量消耗其中之一，并且其中所述控制器根据所述能量消耗操作单元的输出控制所述驱动器件。
6.如权利要求3所述的锻炼辅助装置，进一步包括载荷传感器，其配置成检测作用在所述脚踏板上的载荷；和体重推算单元，其配置成利用所述载荷传感器的输出推算使用者的体重，并且其中所述身体组成推算单元利用所述阻抗测量单元和所述体重推算单元的输出推算使用者的脂肪质量和肌肉质量至少其中之一。
7.如权利要求3所述的锻炼辅助装置，其中所述支撑构件沿高度方向是长度可调的，并且锻炼辅助装置包括距离传感器，其配置成检测所述支撑构件沿高度方向的长度；和身高推算单元，其配置成利用所述距离传感器的输出推算使用者的身高，并且其中所述身体组成推算单元利用所述阻抗测量单元和所述身高推算单元的输出推算使用者的脂肪质量和肌肉质量至少其中之一。
8.如权利要求3所述的锻炼辅助装置，进一步包括存储器，其配置成记录使用者的脂肪质量和肌肉质量至少其中之一的变化；和评估单元，其配置成根据记录在所述存储器内的变化评估锻炼效果，并且其中所述控制器利用所述评估单元的输出控制所述驱动器件。
9.如权利要求1所述的锻炼辅助装置，进一步包括存储器，其配置成记录通过生物学概况确定的多种锻炼程序；和输入单元，其配置成输入使用者的生物学概况，并且其中所述控制器从所述存储器读出相应于通过所述输入单元输入的使用者生物学概况的其中一种所述锻炼程序，并且根据读出的锻炼程序控制所述驱动器件。
10.如权利要求1所述的锻炼辅助装置，其中所述驱动器件仅驱动所述支撑构件。
11.如权利要求1所述的锻炼辅助装置，其中所述驱动器件以互锁方式驱动所述支撑构件和所述脚踏板。
12.如权利要求1所述的锻炼辅助装置，进一步包括载荷传感器，其配置成检测作用在所述脚踏板上的载荷；和操作单元，其配置成利用所述载荷传感器的输出推算作用在使用者膝关节上的力，并且其中所述控制器以实时方式控制所述驱动器件，使得由所述操作单元推算的力处于预定范围内。
13.如权利要求12所述的锻炼辅助装置，其中当由所述操作单元推算的力超过预定的上限值时，所述控制器致使所述驱动器件停止。
14.如权利要求12所述的锻炼辅助装置，其中所述控制器控制所述驱动器件的操作速度，使得由所述操作单元推算的力处于所述范围内。
15.如权利要求12所述的锻炼辅助装置，进一步包括显示器件，其配置成向使用者显示由所述操作单元推算的力。
全文摘要
一种锻炼辅助装置，包括相对于基部可以移动的臀部部件支撑构件；相对于基部可以移动的脚支撑部件；驱动臀部支撑构件的驱动器件；推算使用者的脂肪量和肌肉量至少其中之一的组成推算部件；和控制驱动器件的控制部件。控制部件控制驱动器件，使得臀部支撑构件上的使用者股部上的载荷可以根据使用者脚趾的位置相对于使用者的更大转子的位置变化而改变，该位置变化可以限制在使用者膝关节的伸展方向上，并且膝关节之间的角度可以近似保持恒定。另外，控制部件利用组成推算部件的输出来控制驱动器件，从而以强度适合使用者的方式提供锻炼，该锻炼在使用者的膝关节上作用较少的负担。
文档编号A63B23/04GK101022855SQ20058003127
公开日2007年8月22日 申请日期2005年7月21日 优先权日2004年7月27日
发明者越智和弘, 小泽尚久, 四宫叶一 申请人:松下电工株式会社