专利名称：运动辅助设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种被动式运动辅助设备，其中，在使用者的脚放置在 脚支撑面上并且使用者的胥部由座椅支撑的情况下通过利用驱动源使 座椅移位而改变作用在使用者腿部上的使用者重量。
背景技术：
日本专利申请/zS报No. 2005-58733 (专利文献1)和日本专利申请 公报No. 2007-89650 (专利文献2)提出了一种运动辅助设备，其中， 在使用者的脚放置在脚支撑面上且使用者的臀部支撑在座椅的接触面 上的情况下通过使座椅移位而拉伸和松弛大腿肌群而膝部几乎不伸展。 这种运动辅助设备通过移位座椅的位置而使座椅所支撑的使用者重量 的比率发生变化从而改变作用在使用者腿部的使用者的重量。
通过这种操作，与全部重量都作用在使用者腿部的情况相比，负载 减小，并且大腿肌肉收缩而膝部几乎不伸展，因此，例如，即使诸如患 有糖尿病的患者这样的膝部疼痛的使用者仍然能够强化大腿肌群，而且 由于大腿肌群体积大，因此预期还有益于通过与肌肉收缩相关联的葡萄 糖代谢而改善与生活方式有关的疾病。此外，由于利用驱动源来移位座 椅，使用者能够被动锻炼而无需自发地施加肌力，因此负载轻所以即便 是运动能力低下的人也能够使用该设备。
顺带地，具有上述构造的运动辅助设备通过改变作用在使用者腿部 的使用者的重量而在膝部实际上无伸展的情况下拉伸和松弛大腿肌群， 因此屈膝角度是有效进行锻炼的一个重要因素。通过模拟下蹲运动很容 易看出，作用在大腿肌群上的负载随屈膝角度变化。此外，在患有膝部 疼痛的使用者的情况下，如果在使用者的膝部弯曲至一定角度时有负载 作用在膝部上，则使用者往往感到疼痛，因此为了得到这种类型的人也能够使用的设备，必须限制这种弯曲角度。
目前，已获得的实验结果表明如果屈膝角度(实际上，测量的角 度是大腿与小腿在膝前侧所形成的角度)设定为140度，那么锻炼效果 好且不大可能发生膝部疼痛，因此该角度已经被定为适合角度。
在专利文献2所述的设备中，提出使得能够以将屈膝角度变成适合 角度的方式调节座椅的位置，并且根据与使用者身高相关的输入参数自 动调节座椅的位置。座椅的位置至少能够沿竖直方向和前后方向之中的
一个方向进行调节，而且如果座椅升高那么与脚位置水平距离就变大， 而如果座椅降低那么与脚位置的水平距离就变小。
专利文献2描述了通过调节座椅的位置而使得能够将屈膝角度调节 至适合角度，并建议将屈膝角度变为适合角度时的座椅位置与对应于使 用者身高的参数联系起来，但是却未提供与如何相对于使用者身高改变 座椅位置从而实现期望的屈膝角度有关的理论。因此，在专利文献2所 述的构造中，并不清楚使用者的身高与座椅支撑使用者臀部时的位置是 如何关联的以便将屈膝角度设定为所需角度。
发明内容
鉴于以上原因构想出本发明。本发明的目的是提供一种构造成无论 使用者身高如何都能够将屈膝角度调节至期望角度的运动辅助设备。基 于座位中的支撑使用者膂部的接触面的位置、屈膝角度以及使用者身高 的关系理论，通过确定座椅接触面的位置的调节范围来进行所述调节。
根据本发明的运动辅助设备包括座椅，其具有接触表面，接触表 面构造成在使用者的脚放置在预定的脚支撑面上的情况下使用者的f^P 支撑在接触表面上；座椅驱动机构，其构造成利用驱动源沿改变作用在使 用者腿部上的使用者重量的方向来移位座椅；以及升降机构，其构造成 当使用者坐在保持于基准位置的座椅上并且使用者的脚放置在脚支撑面 上的预定位置上时，升降机构调节座椅的接触面的竖直位置和前后位置以 便将使用者的屈膝角度保持在规定角度。升降机构构造成沿如下线在受限 制的范围内调节座椅构件的接触面的位置所述线相对于竖直方向向后并 向上倾斜并且通过最大体格的使用者和最小体格的使用者推算出。因此， 能够从理论上限定出座椅接触面的位置的调节范围，从而无论使用者的身高如何都能够可靠地进行将屈膝角度保持在期望角度的调节。
理想地，升降机构构造成包括用以相对于保持在固定位置的底座来移 位座椅的位置的升降驱动器。升降驱动器构造成沿着如下路径线性地改变
座椅的位置所i^M圣在允许座椅竖向运动和前后运动的竖直平面内以预 定角度向后并向上倾斜。由于所述升降机构以这样的方式线性地改变所述 座椅的位置，因此能够通过线性地移动座椅的简单机构实现所述升降机 构。
理想地，所述升降驱动器包括紧固至底座的固定构件；可动构件， 其构造成相对于固定构件沿线性路径运动并支撑座椅；以及驱动马达，其 构造成使可动构件朝向和远离固定构件运动。在这种情况下，能够借助于 驱动马达的驱动力升高和降低座椅，并且即使当使用者的臀部支撑在座椅 上时仍然能够调节座椅的位置。
图l是示出根据本发明一种实施方式的运动辅助设备的示意性侧视
图2是运动辅助设备的示意性平面图； 图3是说明运动辅助设备的操作原理的图； 图4是运动辅助设备的分解立体图5是运动辅助设备中所使用的座椅驱动器的分解立体图；以及 图6是运动辅助设备中所使用的座椅驱动器的侧视图。
具体实施例方式
如图l和图2所示，才艮据本发明一种实施方式的运动辅助设备具有 设置在地板等上的固定位置处的底座10，并且在该底座10的顶部上设 置有座椅支座20，在其上端部上设置有支撑使用者M的臀部的座椅 21;以及手柄支杆30，在其上端部上设置有供使用者M用手抓握所需 的手柄31。脚蹬40设置在底座10上并设置成位于座椅支座20与手柄30之间。脚蹬40具有形成脚支撑面40a的上表面。通过使用者M将他 的或她的脚放置在脚支撑面40a上，脚蹬40限制使用者的脚的位置。
座椅支座20上设置有使座椅21摆动的座椅驱动器50和升降机构 60,升降机构60相对于底座10提升和降低座椅31和座椅驱动器50。 下面描述座椅驱动器50和升降机构60的构造。
座椅驱动器50操作驱动源以使座椅21摆动，因此座椅驱动器50 改变坐在座椅21的接触面21a上并将脚放置在脚蹬40的支撑面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 量改变。换而言之，使用者M的体重以分散的方式由臀部和腿部支撑。 这样，当使用者臀部的位置变化时，臀部所支撑的重量发生增减。随着 膂部所支撑的重量变化，作用在腿部上的重量也发生变化。
当膝部弯曲预定角度时，那么如果由座椅21支撑的体重的比率减 小，则作用在使用者M的大腿上的负载增大并且会使大腿区的肌群收 缩，类似于通过进行下蹲运动而弯曲膝部。换而言之，当通过驱动源使 座椅21摆动时，大腿肌群以非使用者M的自发运动的被动运动的方式 重复拉伸和松弛动作。换而言之，大体上能够通过座椅驱动器50使座 椅21摆动来锻炼大腿区。
期望将座椅21的摆动方向设定成使得没有剪切力作用在膝关节上。 当使用者M的膂部由座椅21的接触面21a支撑时，使用者M的脚自 然呈图2所示的姿态脚尖之间的距离大于脚跟之间的距离，而且两脚 之间的开口角度62可以由脚放置在脚蹬40上的位置来确定。因此， 能够通过沿如下方向摆动座椅21而在不向膝关节施加剪切力的情况下 进行锻炼所述方向顺着使用者的脚放置在脚蹬40上时连接每只脚的 脚跟与脚尖的中心线。换而言之，当座椅21从摆动范围内的后端位置 向前运动时，优选具有座椅21朝右前方斜向运动的时间段以及座椅21 朝左前方斜向运动的时间段。因此，能够使使用者的重量分别作用在左 腿和右腿的大腿区，同时不向膝关节施加剪切力。
在图l所示的示例中，作为座椅21的上表面的接触面21a是基本 水平的表面。但是，刺激大腿肌群的肌肉收缩的锻炼是通过改变作用在 使用者M腿部的使用者M的重量来进行。因此，期望座椅21的与使 用者M的膂部接触的接触面21a应该沿座椅21的摆动方向的前方向下倾斜。换而言之，理想地，位于座椅21的前端部上的支撑使用者M的 右臀位的部分沿右前方向下倾斜。类似地，理想地，支撑使用者M的 左臀位的部分沿左前方向下倾斜。如果采用这种形状，那么当座椅21 从摆动范围的后端位置向前运动时，作用在使用者腿上的使用者M的 重量会增大从而能够提高锻炼效果。
在位于手柄杆30的上端部上的手柄31中部上"&置有控制及显示i更 备32。该控制及显示设备32设置用于发布与座椅驱动器50及升降机构 60的操作相关的指令和显示指示运动量等的测量值。使用者M能够通 过抓握手柄31来稳定他或她的上体的位置。
下面更详细地描述手柄支座20的结构。如图4所示，手柄支座20 具有竖立在底座10上的中空支柱22，并且升降机构60的下端部容置在 支柱22内。升降机构60具有能够相对于支柱22以滑动的方式上升和 下降的升降器座61 ，并且座椅驱动器50安装在升降器座61的上端部上。 因此，座椅驱动器50能够与座椅21—起相对于底座10运动。
支柱22的中心线是相对于竖直方向向后倾斜(换而言之，向后上 方倾斜)的直线，通过升降器座61在支柱22内滑动，能够沿顺着支柱 22的中心线的单直线在竖直方向上调节座椅21的接触面21a的位置。 换而言之，能够同时沿前后方向和竖直方向调节座椅21的接触面21a 的位置。另外，接触面的位置越往上，则越靠后。下面描述支柱22的 中心线与底座IO之间形成的角度。
升降器座61由包括驱动马达63的升降驱动器62驱动而上升和下 降。除驱动马达63之外，升降驱动器62还包括固定至底座10的圆柱 状固定构件64和包括旋入固定构件64中的滚珠丝杆的可动构件65，并 且升降驱动器釆用这样的构造使得通过使驱动马达63减速旋转从而 旋转可动构件65来相对于固定构件64进给和回缩可动构件65。升降器 座61安装在可动构件65的上端部上并随着可动构件65相对于固定构 件64的进给或回缩而上升和下降。
升降器座61包括座板61a和一对导板61b。座椅驱动器50安装在 座板61a上。 一对导板设置在座板61a的下表面上。升降驱动器62中 的可动构件65的上端部联接至座板61a的下表面侧。此外，导板61b 的外表面上安装有滚轮61c，而且通过沿设置在支柱22的内表面上的轨道段22a引导这些滚轮61c,能够相对于支柱22顺利地移动升降器座 61。设置有确定可动构件65相对于固定构件64的进给或回缩量的传感 器，并且控制驱动马达63的旋转，使得通过传感器确定的值与+艮据通 过显示及控制单元32的输入给定的目标值一致。但是，由于这种构造 并非必要特征，因此此处未包括对这种构造的进一步描述。
管状升降器套66附连至升降器座61的座板61a。升降器罩66的下 端部与支柱22的外表面在升降驱动器62的伸展和收缩范围内重叠，并 且通过这种方式，即使当升降驱动器62伸展到最大量时升降器座61也 不会暴露于外部。而且，由类似织物的软材料形成的机械单元罩盖67 附连至升降器座61的座板61a。机械单元罩盖67通过遮盖座板61a与 座椅21之间的部分而防止座椅驱动器50暴露于外部。
下面，参照图5和图6描述座椅驱动器50。座椅驱动器50构成使 座椅21与升降器座61的座板61a —起摆动的机构。座椅驱动器50沿 轴向安装在一对前后轴板51a、 51b和一对前后轴52a、 52b上。该前后 轴板对51a、51b以竖立的方式设置在座板61a的上表面上。前后轴52a、 52b同轴设置，并且能够通过座椅驱动器50绕这些轴52a、 52b旋转而 使联接至座椅驱动器50的座椅21左右(沿图4中的箭头N所指示的方 向)摆动。
座椅驱动器50包括一对前后框架板53a、 53b，并且这两个框架板 53a、 53b通过左右侧上的一对框架侧板54a、 54b联接。绕在左右方向 上的轴线旋转的前连接装置55和后连接装置56的下端部通过轴55a、 56a沿轴向安装在两个框架侧板54a、 54b上，并且前连接装置55和后 连接装置56的上端部通过轴55b、 56b沿轴向安装在基板57上。其中， 后连接装置56的上端部沿轴向安装在固定至基板57的支承板57a上， 而非沿轴向直接安装在基板57上。
限制基板57的运动范围，使得基板57的前端部经以轴55a为中心 的圆弧运动，而基板57的后端部经以轴56a为中心的圆弧运动。此处， 后连接装置56形成为其尺寸长于前连接装置55，因此基板57的前端部 和后端部具有不同的曲率半径，所以上表面的倾斜角度随着基板57前 后运动而变化。更具体地，如果图6所示的位置作为在前后方向上的运 动范围的后端位置，那么当基板57向前运动时，基板的前端部相对于 其后端部相对下降，从而使上表面的倾斜角度增大。相反地，如果基板从前端位置向后运动，基板57的前端部则相对于后端部相对地上升， 从而使上表面的倾斜角度减小。换而言之，座椅21能够沿前后方向(图 4中的箭头X所指示的方向)运动。图4示出线性运动，但是在实际操 作中，因为前后方向的倾斜角度变化，所以这种位移结合了在前后方向 上的线性运动和转动。
作为使基板57相对于座板61a摆动的驱动源的马达71由两个框架 侧板54a、 54b保持。而且，马达71沿竖向设置成使得其输出轴沿向上 的方向伸出。蜗杆72联接至马达71的输出轴。框架侧板54a和54b上 支撑有第一轴73和第二轴74,并且第一轴73上设置有与蜗杆72啮合 的蜗轮75。第一轴73上还设置有齿轮76，并且齿轮76与设置在第二 轴74上的齿轮77啮合。
第一轴73的两个端部上分别附连有偏心曲柄78，偏心曲柄78与第 一轴73 —起旋转。臂杆79的一端分别沿轴向安装在各个偏心曲柄78 上，而臂杆79的另一端则分别沿轴向安装在朝所述前连接装置55的左 右凸出的轴销55c上。
通过这种构造，当马达71转动进而第一轴73旋转时，前连接装置 55因偏心曲柄78和臂杆79的缘故而绕轴55a在前后方向上往复地后退 和前进，并且基板57的前部绕轴55a沿前后方向(图4中的箭头X所 指示的方向)摆动。此外，在后连接装置56绕轴56a转动之后，随着 基板57沿前后方向运动，上表面的倾斜角度变化。
另一方面，偏心销74a以直立的方式"^殳置在第二轴74的一个端部 上，并且偏心杆80的一个端部沿轴向安装在该偏心销74a上。偏心杆 80的另 一个端部以可摆动的方式联接至附连于座板61a的联接件81上。 偏心杆80的销74a可设置在座椅驱动器50的左侧或右侧上。
通过这种构造，如果马达71转动并且第二轴74通过第一轴73旋 转时，则偏心销74a相对于座板61a的高度位置随着销74a和偏心杆80 变化，因此，基板57绕轴52a和52b左右(图4中的箭头N所指示的 方向)摆动。
无刷直流马达等用于马达71,并且直流马达还用于驱动马达63。 此处，由于马达63设置在由框架板53a、 53b、框架侧板54a、 54b、座 板61a以及基板57所包围的空间中，并且齿轮75至77也设置在同一空间中，因此座椅驱动器50紧凑。
基本上，座椅驱动器50沿右前和右下方向以及左前和左下方向移 动座椅21。但是，在上述构造中，通过适当地设定齿轮76与齿轮77 的传动比以及偏心曲柄78与偏心销74a之间的相位差，除座椅21的V 形运动路径(其中在一个沿左右方向的往复运动期间进行两个前后往复 运动)之外，还能够将座椅21的运动路径设定成W形(其中在一个沿 左右方向的往复运动期间进行四个前后往复运动)或8字形(其中在一 个沿左右方向的往复运动期间进行两个前后往复运动并且后端位置朝 左右侧斜)等。
通过操作控制及显示设备32来控制驱动马达63和马达71的运行 和停止。换而言之，在控制及显示设备32中设置有用于指示马达71的 运行或停止以及马达71的转速的控制部，从而能够设定锻炼的时长和 锻炼的强度。此外，用于升高或降低座椅21的控制部设置成使得屈膝 角度呈适合的角度。设置在控制及显示设备32中的控制部和显示部通 过控制电路(未示出)连接至马达71和驱动马达63的操作装置。
在上述运动辅助设备中，为了即便在使用者M受到膝部疼痛的困扰 也不会引起膝部疼痛的情况下促进大腿肌群的收缩，必需将屈膝角度保 持在适合的角度。也就是说，该运动辅助设备使膝部角度为规定角度的 使用者进行改变作用在其大腿上的使用者重量的运动。当使用者使用运 动辅助设备时，使用者的脚通过放置在脚蹬40上而固定到位。此时， 为了增大作用在大腿上的负载期望膝关节与足关节沿竖直方向对齐。因 此，由于这些限制条件，使得屈膝角度由座椅21的位置来控制。不同 个体之间的腿部尺寸各异而且明显随使用者M的身高变化。
如上所述，能够通过升降机构20调节座椅21的高度位置，而且通 过在相对于底座10向后倾斜的直线上移动座椅21，升降机构60以这样 的方式调节座椅21的接触面21a的位置接触面越往上移动，其位置 越靠后。
参见图3描述升降机构60移动座椅21的方向。假设使用者的脚放 置在脚蹬40上，那么连接足关节J2与膝关节Jl的直线(即，胫骨) 与竖直方向一致。此外，假设当脚放置在脚蹬40上时两脚之间的开口 角度6 2 (见图2)为20度。此外，屈膝角度为6 1 (见图1)，髋关节J3与膝关节Jl之间的距离为Ll，从脚蹬40的上表面到膝关节Jl的距 离为L2，并且座椅21的运动方向与水平平面之间形成的角度(即，支 柱22的中心线与底座10之间形成的角度)为9。
如果使用这些参数，那么在臀部与座椅21的接触面21a进行接触 的位置Pl(使用者的身体重心的铅垂线与接触面21a的交点)，位置Pl 与足关节J2之间的水平距离X和位置Pl距离脚蹬40的上表面的高度 Y可以通过下表达式来表示
X = Ll sin (180°誦81) ' cos (62/2) Y = LI ， COS (180o - 01) + L2 - L3
L3是位置P1与髋关节J3之间的距离。例如，如果使用者M的身高在
140cm至170cm的范围内，那么通过给if巨离LI和L2取标准值，能够 通过计算推算出角度(p。换而言之，将距离L1和L2因体格不同而导致 的差异分别定为AL1和AL2，如果采用体格差异的最大值和最小值， 就能够确定角度cp。
当采用年龄为65到79岁(标准值)的女性的值作为最小体格值和 采用年龄为65到79岁(标准值)的男性的值作为最大体格值进行计算 时，就能够确定角度cp为75度，因此对于两个人群而言，屈膝角度都 能够保持为140度。也就是说，当找出穿过位置P1 (考虑使用者M的 最大体格和最小体格而确定)的直线时，可以看到此线相对于竖直方向 向后倾斜并相对于水平表面成75度角。
此处，由于从位置Pl (针对与最小体格和最大体格相关的两个点指 定)来确定角度cp，因此尽管不一定确保适合其它体格的使用者M，但 是上述距离Ll和L2预计会相对于使用者的身高以基本线性的方式变 化，因此能够在最大值与最小值之间进行线性插值。此外，由于能够进 行线性插值，因此如上所述，能够采用进行线性运动的筒单机构作为升 降机构60。在此，还能够考虑体格上的差异而确定三个更多点，并能 够沿座椅21在升降机构60作用下的运动路径绘成曲线。
权利要求
1.一种运动辅助设备，包括座椅，其具有接触表面，所述接触表面构造成在使用者的脚放置在预定的脚支撑面上的情况下使用者的臀部支撑在所述接触表面上；座椅驱动机构，其构造成利用驱动源沿改变作用在使用者腿部上的使用者重量的方向来移位所述座椅；以及升降机构，其构造成当使用者坐在保持于基准位置的所述座椅上并且使用者的脚放置在所述脚支撑面上的预定位置上时，所述升降机构调节所述座椅的所述接触面的竖直位置和前后位置以便将使用者的屈膝角度保持在规定角度，其中，所述升降机构构造成沿如下所述的线在受限制的范围内调节所述座椅构件的接触面的位置所述线相对于竖直方向向后并向上倾斜并且根据最大体格的使用者和最小体格的使用者推算出。
2. 如权利要求1所述的运动辅助设备，其中， 所述升降机构包括用以相对于保持在固定位置的底座来移位所述座椅的位置的升降驱动器，所述升降驱动器构造成沿着如下路径线性地改变 所述座椅的位置所i^径在允许所述座椅竖向运动和前后运动的竖直平 面内以预定角度向后并向上倾斜。
3. 如权利要求2所述的运动辅助设备，其中， 所述升降驱动器包括紧固至所述底座的固定构件；可动构件，其构造成相对于所述固定构件沿线性路径运动并支撑所述座椅；以及驱动马 达，其构造成^^吏所述可动构件朝向和远离所述固定构件运动。
全文摘要
一种运动辅助设备，该运动辅助设备具有带有接触面的座椅，该接触面的位置能够在由使用者的体格限定的可调节的范围内变化，以便以期望的弯曲角度顺利地调节使用者的膝部而与使用者的身高无关。座椅(21)在使用者的脚放置在脚蹬(40)上面的脚支撑面上的情况下支承使用者(M)的臀部。带有马达的座椅驱动器(50)沿改变作用在使用者(M)腿部上的使用者(M)重量的方向移位座椅(21)。升降机构(60)驱动座椅(21)与座椅驱动器(50)一起上下运动。升降机构(60)使座椅(21)沿如下方向运动所述方向限定于相对于竖直方向向后上方倾斜的线并根据最大体格的使用者和最小体格的使用者推算出。
文档编号A63B23/00GK101668569SQ20088001323
公开日2010年3月10日 申请日期2008年4月23日 优先权日2007年4月23日
发明者丰海百合贡, 四宫叶一, 小泽尚久, 河本实, 越智和弘 申请人:松下电工株式会社