鍛煉輔助裝置的制作方法

專利名稱：鍛煉輔助裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鍛煉輔助裝置，其為處于坐姿的使用者提供鍛煉，且給膝關(guān)節(jié)帶來較少的負(fù)擔(dān)。
背景技術(shù)：
在過去，作為為使用者提供被動(dòng)鍛煉刺激的鍛煉輔助裝置，已知存在為坐在座椅部分的使用者提供模擬騎馬鍛煉的裝置(例如，日本專利早期公開NO.11-155836)，以及在使用者的腳放在踏板上的條件下電動(dòng)驅(qū)動(dòng)踏板因此允許使用者進(jìn)行周期鍛煉的裝置。據(jù)說這些裝置通過為使用者提供有氧鍛煉來減少身體脂肪，并且致使肌肉收縮來促使糖類新陳代謝，從而對(duì)于防止與生活方式有關(guān)的疾病是有用的。
為了通過肌肉收縮來提高糖類新陳代謝的效率，據(jù)信在大體積肌肉(尤其是對(duì)有氧鍛煉有貢獻(xiàn)的紅色肌肉)位置致使肌肉收縮是有效的，并且優(yōu)選為股骨和背部區(qū)域的肌肉。然而，由于膝部疼痛或者癥狀加劇現(xiàn)象的發(fā)生，通常很難讓膝部疼痛的使用者諸如糖尿病人來進(jìn)行有效的鍛煉，使得股骨和背部區(qū)域的肌肉收縮。
為此，用來提供上述循環(huán)鍛煉的裝置可能對(duì)使用者的膝部帶來沉重的負(fù)擔(dān)，并且更可能的是，由于鍛煉引發(fā)疼痛。另一方面，在使用可提供模擬騎馬鍛煉的裝置的情況下，由于使用者在鍛煉過程中坐在座椅部分上，所以可以減小膝部的負(fù)擔(dān)。然而，這種裝置主要用來促進(jìn)身體軀干諸如下背部區(qū)域的肌肉收縮。因此，希望開發(fā)一種裝置，用來有效地在股骨區(qū)域引導(dǎo)肌肉收縮。
另外，在做有氧鍛煉的情況下，當(dāng)不為每個(gè)使用者設(shè)定適當(dāng)?shù)腻憻捔繒r(shí)，會(huì)導(dǎo)致由于過度鍛煉造成膝部疼痛加劇的問題，或者不能達(dá)到充分鍛煉的效果。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，本發(fā)明的主要關(guān)切是提供一種鍛煉輔助裝置，用來有效地為使用者提供被動(dòng)鍛煉刺激，使得股骨區(qū)域的肌肉收縮，同時(shí)減小使用者膝部的負(fù)擔(dān)。
就是說，本發(fā)明的鍛煉輔助裝置的特征在于包括基部；支撐構(gòu)件，其可以相對(duì)于基部移動(dòng)，且配置成支撐使用者的臀部；腳踏板，其可以相對(duì)于基部移動(dòng)；驅(qū)動(dòng)器件，其配置成驅(qū)動(dòng)腳踏板和支撐構(gòu)件至少其中之一；和控制器，其配置成控制驅(qū)動(dòng)器件，使得由支撐在支撐構(gòu)件上的使用者的自重作用在股骨區(qū)域的載荷可以根據(jù)使用者的腳趾和大轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置位移而變化，該位置位移允許處于使用者膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展方向內(nèi)，而且膝關(guān)節(jié)的角度基本上保持恒定。
根據(jù)這種配置，可以有效地提供被動(dòng)鍛煉刺激，這種刺激適合為鍛煉功能中因肌肉虛弱或者膝部疼痛而變差的使用者的股骨區(qū)域引發(fā)肌肉收縮，而且不會(huì)給膝部帶來負(fù)擔(dān)。因此，通過持續(xù)鍛煉，預(yù)期可以達(dá)到防止和改善與生活方式有關(guān)的疾病的效果。另外，由于使用者腳趾和大轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置位移允許處于(優(yōu)選為限制在)使用者膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展方向內(nèi)，所以可以安全地提供鍛煉，使腿部的肌肉收縮，而且不會(huì)導(dǎo)致疼痛或者癥狀加劇，即使使用者膝部疼痛諸如患有膝部關(guān)節(jié)炎時(shí)也是如此。
在上述的鍛煉輔助裝置中，優(yōu)選地，驅(qū)動(dòng)器件以互鎖方式僅驅(qū)動(dòng)支撐構(gòu)件或者驅(qū)動(dòng)支撐構(gòu)件和腳踏板。特別地，當(dāng)僅驅(qū)動(dòng)支撐構(gòu)件時(shí)，可以以極佳的成本性能實(shí)現(xiàn)鍛煉輔助裝置。
還優(yōu)選地，上述鍛煉輔助裝置包括身體組成推算單元，其配置成推算使用者脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量至少其中之一，并且控制器利用身體組成推算單元的輸出控制驅(qū)動(dòng)器件。在這種情況下，使用者的脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量至少其中之一可以被推算，并且根據(jù)推算結(jié)果為各使用者適當(dāng)?shù)乜刂浦螛?gòu)件的操作速度和時(shí)間。
作為身體組成推算單元的優(yōu)選實(shí)施例，鍛煉輔助裝置包括被使用者握持的抓手；設(shè)置在腳踏板上的一對(duì)第一電極；設(shè)置在抓手上的一對(duì)第二電極；和阻抗測量單元，其配置成在使用者的腳放在腳踏板上并且抓手被使用者握持的條件下，通過檢測第一電極其中之一和第二電極其中之一之間的電勢差同時(shí)在另一個(gè)第一電極和另一個(gè)第二電極之間施加高頻電流來測量使用者的生物電阻抗，并且其中身體組成推算單元利用阻抗測量單元的輸出推算使用者的脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量至少其中之一。
為了提高身體組成推算單元實(shí)施的脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量的推算精度，優(yōu)選該鍛煉輔助裝置具有體重輸入單元，其配置成輸入使用者的體重，并且身體組成推算單元利用阻抗測量單元的輸出和通過體重輸入單元輸入的使用者體重來推算使用者的脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量至少其中之一。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例，該鍛煉輔助裝置進(jìn)一步包括身體信息輸入單元，其配置成輸入使用者的體重和身高；和能量消耗操作單元，其配置成利用身體組成推算單元的輸出和通過身體信息輸入單元輸入的使用者的體重和身高來計(jì)算使用者在鍛煉過程中每單位時(shí)間的能量消耗和使用者每單位時(shí)間的目標(biāo)能量消耗其中之一，而且控制器根據(jù)能量消耗操作單元的輸出控制驅(qū)動(dòng)器件。
另外，優(yōu)選地是，鍛煉輔助裝置具有載荷傳感器，其配置成檢測作用在腳踏板上的載荷；體重推算單元，其配置成利用載荷傳感器的輸出推算使用者的體重，而且身體組成推算單元利用阻抗測量單元和體重推算單元的輸出推算使用者的脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量至少其中之一?？商娲兀瑑?yōu)選支撐構(gòu)件沿高度方向是長度可調(diào)的，并且鍛煉輔助裝置包括距離傳感器，其配置成檢測支撐構(gòu)件沿高度方向的長度；和身高推算單元，其配置成利用距離傳感器的輸出推算使用者的身高，而且身體組成推算單元利用阻抗測量單元和身高推算單元的輸出推算使用者的脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量至少其中之一。在這些情況下，由于除了阻抗測量單元的輸出外，考慮了專屬于使用者的身體信息諸如體重和身高，所以可以進(jìn)一步提高身體組成推算單元做出的脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量的推算精度。
另外，優(yōu)選鍛煉輔助裝置進(jìn)一步包括存儲(chǔ)器，其配置成存儲(chǔ)使用者的脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量至少其中之一的變化；和評(píng)估單元，其配置成根據(jù)記錄在存儲(chǔ)器內(nèi)的變化評(píng)估鍛煉效果，而且控制器利用評(píng)估單元的輸出控制驅(qū)動(dòng)器件。
作為根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例的鍛煉輔助裝置，鍛煉輔助裝置包括存儲(chǔ)器，其配置成記錄通過生物學(xué)概況確定的多種鍛煉程序；輸入單元，其配置成輸入使用者的生物學(xué)概況，而且控制器從存儲(chǔ)器中讀取相應(yīng)于通過輸入單元輸入的使用者生物學(xué)概況的其中一個(gè)鍛煉程序，并且根據(jù)讀出的鍛煉程序控制驅(qū)動(dòng)器件。
作為根據(jù)本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施例的鍛煉輔助裝置，這種鍛煉輔助裝置進(jìn)一步包括載荷傳感器，其配置成檢測作用在腳踏板上的載荷；和操作單元，其配置成利用載荷傳感器的輸出推算作用在使用者膝關(guān)節(jié)上的力，而且控制器以實(shí)時(shí)方式控制驅(qū)動(dòng)器件(例如，驅(qū)動(dòng)器件的操作速度諸如支撐構(gòu)件傾斜角度的改變速率)，使得被操作單元推算的力處于預(yù)定范圍內(nèi)。在這種情況下，由于根據(jù)作用在腳踏板上的載荷來推算作用在使用者膝部的力來控制驅(qū)動(dòng)器件，所以可以以實(shí)時(shí)方式監(jiān)測提供給使用者的鍛煉，并且防止過度的力作用在使用者膝部。從安全性的觀點(diǎn)來看，特別優(yōu)選地是，當(dāng)操作單元推算的力超過預(yù)定的上限值時(shí)，停止驅(qū)動(dòng)器件。另外，當(dāng)作用在膝關(guān)節(jié)上的力通過顯示器件顯示給使用者時(shí)，使用者可以在具有安全感的情況下，以放松的狀態(tài)接收適當(dāng)?shù)腻憻捿o助。
本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)勢以及由此帶來的優(yōu)勢將從下述實(shí)施本發(fā)明的最佳方式中變得更為明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的鍛煉輔助裝置的示意性透視圖；圖2是鍛煉輔助裝置的框圖；圖3A至3E是鍛煉輔助裝置操作的解釋圖；圖4是示出用來確定作用在使用者膝部的剪切力的連桿模型圖；圖5是示出鍛煉輔助裝置的操作控制的流程圖；圖6A和6B是示出坐在鍛煉輔助裝置上的使用者位姿的示意性視圖；圖7是鍛煉輔助裝置的輔助支撐件的示意圖；圖8是示出鍛煉輔助裝置的顯示器示例的示意性透視圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的鍛煉輔助裝置的示意性透視圖；圖10是相同的鍛煉輔助裝置的框圖；圖11A和11B是示出腳踏板和抓手上的電極布置的圖形；圖12是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的鍛煉輔助裝置的示意性透視圖；圖13是鍛煉輔助裝置的框圖；圖14是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的鍛煉輔助裝置的示意性透視圖；
圖15是鍛煉輔助裝置的框圖。
具體實(shí)施例方式
下面，將根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例解釋本發(fā)明的鍛煉輔助裝置。
<第一實(shí)施例>
如圖1和2所示，本實(shí)施例的鍛煉輔助裝置主要形成有位于地板上的基部1；支撐使用者M(jìn)臀部的支撐構(gòu)件2；放置使用者的腳的一對(duì)腳踏板3；驅(qū)動(dòng)支撐構(gòu)件2和腳踏板3的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4；和用于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4的控制器10。在圖1中，數(shù)字50指代用來顯示鍛煉條件和使用者生物學(xué)信息的顯示器。
支撐構(gòu)件2包括支柱21和設(shè)置在支柱21上端用來支撐使用者臀部的鞍座22。支柱21在其下端受到支撐，從而可通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4相對(duì)于基部1傾斜。就是說，作為驅(qū)動(dòng)器件的馬達(dá)41的輸出通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4傳輸?shù)街螛?gòu)件2，在垂直位姿和傾斜位姿之間為支柱21提供往復(fù)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
如圖1所示，在使用者M(jìn)坐在鞍座22上并且腿部分開的條件下，支撐構(gòu)件2可以在鞍座和使用者股骨區(qū)域構(gòu)成的平面內(nèi)傾斜。就是說，當(dāng)支撐構(gòu)件2相對(duì)于基部1傾斜時(shí)，力基本上僅沿著彎曲和伸展方向作用在膝關(guān)節(jié)上，而不會(huì)有側(cè)向力作用在膝關(guān)節(jié)上。在本實(shí)施例中，支柱21的長度是可調(diào)節(jié)的，使得在使用者坐在鞍座22上并且將腳放在腳踏板3上的條件下，使用者的膝部角度被設(shè)置成希望的角度。如果有需要，擴(kuò)展和收縮支柱21的器件可以包含在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4內(nèi)。
腳踏板3受到支撐，可以通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4沿著上下方向相對(duì)于基部1移動(dòng)。就是說，腳踏板3相對(duì)于基部1的高度位置可以根據(jù)支撐構(gòu)件2相對(duì)于基部1的傾斜角度調(diào)節(jié)，從而當(dāng)支撐構(gòu)件2相對(duì)于基部1傾斜時(shí)，使用者膝關(guān)節(jié)的角度不會(huì)變化。另外，腳踏板3通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4支撐，從而可以相對(duì)于基部1傾斜。圖1示出了腳踏板可沿左右方向傾斜。在本實(shí)施例中，腳踏板3的傾斜包括腳板可以相對(duì)于基部沿著連接腳趾和腳跟的前后方向傾斜的情況。例如，可以通過沿著前后方向改變腳板的傾斜角度來改變作用在膝關(guān)節(jié)上的剪切力。另外，如果有需要，腳踏板可以圍繞與腳踏板3頂面正交的軸線旋轉(zhuǎn)。通過參照設(shè)置在其上的適當(dāng)標(biāo)記，使用者可以將腳放在腳踏板3上的所需位置。另外，每個(gè)腳踏板3具有載荷傳感器30，用來檢測使用者的腳施加在腳踏板上的載荷。
在本實(shí)施例中，為了以實(shí)時(shí)方式控制左右腳踏板3相對(duì)于基部1的傾斜角度，采用了兩個(gè)分開調(diào)節(jié)腳踏板3的傾斜角度的馬達(dá)42、43。另外，用來傾斜支撐構(gòu)件2的馬達(dá)41還用來沿上下方向移動(dòng)腳踏板3。用來移動(dòng)腳踏板3的器件不限于馬達(dá)。例如，可以使用能夠利用氣壓來上下移動(dòng)腳踏板的折疊裝置?？商娲兀_踏板可以受到支撐，從而通過使用彈性構(gòu)件諸如具有所需彈簧常數(shù)的彈簧來相對(duì)于基部移動(dòng)，從而獲得等同的效果。
控制器10主要包括微計(jì)算機(jī)，其控制作為驅(qū)動(dòng)源的、用于移動(dòng)支撐構(gòu)件2的馬達(dá)41，和作為驅(qū)動(dòng)源的、用于移動(dòng)腳踏板3的馬達(dá)42、43，使得由于被支撐在支撐構(gòu)件2上的使用者M(jìn)的自重而作用在股骨區(qū)域上的載荷可根據(jù)使用者的腳趾和大轉(zhuǎn)子(trochanter major)之間的相對(duì)位置位移而變化，該位置位移基本上限制在使用者的膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展方向內(nèi)，并且膝關(guān)節(jié)的角度基本上保持恒定。在本實(shí)施例中，支撐構(gòu)件2的可動(dòng)范圍如此限制，使得膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展處于從伸展位置到45度的范圍內(nèi)。
本實(shí)施例的鍛煉輔助裝置進(jìn)一步包括存放有關(guān)每個(gè)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度的時(shí)間序列數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器11，其被設(shè)定用來得到合適的鍛煉強(qiáng)度；用來輸入使用者信息諸如性別、年齡、體重和身高的輸入單元12；和根據(jù)設(shè)置在腳踏板3上的載荷傳感器30的輸出推算作用在使用者膝關(guān)節(jié)上的力的操作單元13?？刂破?0以實(shí)時(shí)方式控制馬達(dá)(41至43)，使得被操作單元13推算出來的力處于預(yù)定范圍內(nèi)。從輸入單元12輸入的信息存放在存儲(chǔ)器11內(nèi)。
如圖3A所示，上述鍛煉輔助裝置用在使用者把腳放在腳踏板3上并且坐在鞍座22上且兩腿分開的條件下。腳踏板3和鞍座22之間的位置關(guān)系可以通過調(diào)節(jié)腳踏板3的高度位置和支柱21的伸展和收縮長度中的至少其中之一來確定。支撐構(gòu)件2在支柱21相對(duì)于基部1的垂直位姿和支柱沿著向右方向或者向左方向的傾斜位姿之間振動(dòng)，使得使用者重心的位移方向平行于膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展方向。另外，在這種振動(dòng)運(yùn)動(dòng)過程中，使用者膝關(guān)節(jié)的彎曲角度θ基本上保持恒定。就是說，由于腳踏板3支撐得可通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4相對(duì)于基部1沿上下方向移動(dòng)，所以當(dāng)支柱21處于基本上垂直位姿時(shí)，腳踏板3如圖3B或者3D所示定位，當(dāng)支柱21處于傾斜位姿時(shí)，腳踏板3如圖3C或者3E所示定位。因此，通過向下移動(dòng)腳踏板3，膝關(guān)節(jié)的彎曲角度θ可以基本上保持恒定。此時(shí)，代替通過驅(qū)動(dòng)源移動(dòng)腳板，腳踏板3可以被具有適當(dāng)彈簧系數(shù)的彈簧支撐，如圖3C中所示?？商娲?，如圖3E所示，腳踏板3的位置可以被驅(qū)動(dòng)源改變。在支撐構(gòu)件2從基本上垂直位姿向著左和右腳踏板3其中之一傾斜的情況下，僅定位在支撐構(gòu)件2的振動(dòng)(傾斜)側(cè)的腳踏板3被向下移動(dòng)。因此，可以有效地給予其中一條腿的股骨區(qū)域以載荷，同時(shí)不會(huì)改變膝關(guān)節(jié)的彎曲角度θ。
根據(jù)本實(shí)施例的鍛煉輔助裝置，支撐構(gòu)件2的振動(dòng)方向(即，腳踏板3上的使用者的腳和使用者的大轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置位移的方向)被限制在膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展方向內(nèi)，并且彎曲和伸展范圍(角度范圍)也受到限制。因此，即使當(dāng)使用者膝部疼痛諸如膝部關(guān)節(jié)炎，使用者也可以帶著安全意識(shí)來進(jìn)行鍛煉，同時(shí)不會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)扭曲或者導(dǎo)致不好的影響諸如疼痛或者癥狀加劇。另外，由于腳踏板3根據(jù)支撐構(gòu)件2的傾斜而向下移動(dòng)，所以可以防止膝關(guān)節(jié)彎曲角度改變。結(jié)果是，可能使得腿部肌肉基本上等長收縮，因此肌肉的新陳代謝受到促進(jìn)，從而改善了胰島素抵抗力(insulin resistance)，同時(shí)不會(huì)增加膝部的負(fù)擔(dān)。另外，由于支撐構(gòu)件2和腳踏板3通過馬達(dá)移動(dòng)，所以不需要使用者主動(dòng)移動(dòng)其身體。換句話說，足夠使用者被動(dòng)地進(jìn)行所提供的鍛煉。
另外，該實(shí)施例的鍛煉輔助裝置的特征在于，以實(shí)時(shí)方式推算了鍛煉過程中作用在使用者膝部上的剪切力，并且根據(jù)推算結(jié)果控制了支撐構(gòu)件2和腳踏板3的運(yùn)動(dòng)。作為示例，參照?qǐng)D4解釋通過使用剛性連桿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這種方法。例如，利用有限元分析的另一種方法也可以采用。
在圖4中，“L1”是相應(yīng)于腳部區(qū)域的剛性連桿。“L2”是相應(yīng)于小腿區(qū)域的剛性連桿。“L3”是相應(yīng)于股骨區(qū)域的剛性連桿?！癙2”是相應(yīng)于踝關(guān)節(jié)的支撐點(diǎn)?！癙3”是相應(yīng)于膝關(guān)節(jié)的支撐點(diǎn)。另外，“r1”、“r2”和“r3”分別是“L1”、“L2”和“L3”的長度。“m1”、“m2”和“m3”分別是“L1”、“L2”和“L3”的重量。這些連桿的長度和重量根據(jù)人類身體的解剖學(xué)信息從使用者的體重和身高來確定。通過考慮其他參數(shù)諸如性別和年齡，它們可以以更高的精度確定。
在圖4中，垂直于基部1頂面的方向定義為Y軸方向，水平方向定義為X軸方向。因此，使用者膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展運(yùn)動(dòng)被限定在XY平面內(nèi)。在該坐標(biāo)系統(tǒng)中，腳趾、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和大轉(zhuǎn)子的坐標(biāo)分別為(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)和(x4，y4)。另外，“F1”指代由設(shè)置在腳踏板上的載荷傳感器30檢測到的載荷(反作用力)。“F2”指代作用在踝關(guān)節(jié)上的力，“F3”指代作用在膝關(guān)節(jié)上的力。角度“θ”是連桿“L3”相對(duì)于水平軸的傾斜角度。
在上述條件下，沿前后方向作用在膝關(guān)節(jié)上的剪切力Fs3由以下方程(1)表示。
Fs3＝F3x·cosθ+F3y·sinθ (1)F3x和F3y分別由以下方程(2)和(3)表示。
F3x＝F2x+m2·(d2x2/dt2)(2)F3y＝F2y-m2g+m2·(d2y2/dt2)(3)另外，F(xiàn)2x和F2y分別由以下方程(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，F(xiàn)1x和F1y是載荷傳感器檢測到的載荷的x和y方向分量，它們可以根據(jù)腳踏板3相對(duì)于基部1的傾斜角度確定。另外，(d2x2/dt2)、(d2y2/dt2)、(d2x1/dt2)和(d2y1/dt2)可以根據(jù)腳趾和踝關(guān)節(jié)相對(duì)于時(shí)間的位置變化來確定。類似地，沿著與前后方向(前平面方向)正交的方向作用在膝關(guān)節(jié)上的剪切力和作用在其他關(guān)節(jié)上的剪切力可以被計(jì)算出來。這些計(jì)算在操作單元13內(nèi)執(zhí)行。由操作單元13確定的作用在膝關(guān)節(jié)上的剪切力對(duì)于控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4是有用的，以下將說明。作用在膝關(guān)節(jié)上的剪切力可以顯示在顯示器50上。為了解釋方便，上面的例子中采用了三剛性連桿模型。但是，通過使用根據(jù)人類身體的實(shí)際解剖學(xué)數(shù)據(jù)的詳細(xì)設(shè)定，可以進(jìn)一步提高推算的精度。
另外，踝關(guān)節(jié)和大轉(zhuǎn)子的位置可以如下確定。就是說，在圖3C中，“φ”是支撐構(gòu)件2的傾斜角度，并且“d”是支撐構(gòu)件2的回轉(zhuǎn)半徑。“r”是大轉(zhuǎn)子和支撐構(gòu)件的回轉(zhuǎn)中心之間的距離。結(jié)果是，大轉(zhuǎn)子的坐標(biāo)(x，y)由以下方程確定。
x＝r·sinφy＝r·(1-cosφ)
踝關(guān)節(jié)的位置通過確定腳踏板的位置位移來獲得。另外，當(dāng)踝關(guān)節(jié)和大轉(zhuǎn)子的位置計(jì)算出來后，使用者膝關(guān)節(jié)的角度根據(jù)以前存放的關(guān)于膝關(guān)節(jié)角度的測量數(shù)據(jù)來確定。由于支撐構(gòu)件被傾斜，所以相應(yīng)的腳踏板向下移動(dòng)，使得膝關(guān)節(jié)角度基本上保持恒定。因此，膝關(guān)節(jié)的位置也可以確定。
接著，作為示例，參照?qǐng)D5解釋根據(jù)由上述方法確定的剪切力來控制鍛煉輔助裝置的方法。當(dāng)使用者的體重和身高作為使用者的生物學(xué)信息通過輸入單元12輸入時(shí)，馬達(dá)以預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)值被控制器10驅(qū)動(dòng)。接著，讀入由載荷檢測器30檢測到的載荷(W)，通過上述方法計(jì)算作用在膝關(guān)節(jié)上的剪切力(F1，F(xiàn)2)。為了進(jìn)一步提高精度，還優(yōu)選檢測由使用者臀部施加到支撐構(gòu)件2上的載荷，并且通過使用檢測到的載荷推算剪切力。
作用在膝關(guān)節(jié)上的推算剪切力(F1，F(xiàn)2)和由載荷檢測器30檢測到的載荷(W)分別與預(yù)定的閾值(T1，T2)(S1)比較。當(dāng)剪切力和載荷其中之一超過閾值時(shí)，馬達(dá)的操作速度降低，支撐構(gòu)件和腳踏板返回到初始位置(S2)，并且馬達(dá)操作停止(S3)。以此方式，可以防止過度的載荷作用在膝關(guān)節(jié)上。
當(dāng)剪切力和載荷兩者不大于閾值時(shí)，沿著前后方向作用的剪切力(F1)和沿著左右方向作用的剪切力(F2)分別與提醒值(A1，A2)比較(S4，S5)。在該實(shí)施例中，相對(duì)于各剪切力設(shè)置大小兩個(gè)閾值。大的閾值T2意味著極限值，每個(gè)較小的閾值A(chǔ)1、A2意味著提醒值。沿著前后方向作用的剪切力的提醒值A(chǔ)1不同于沿著左右方向作用的剪切力的提醒值A(chǔ)2。即使當(dāng)剪切力變得大于提醒值時(shí)，也不需要立即停止支撐構(gòu)件和腳踏板的運(yùn)動(dòng)。該值是示出恐怕使用者會(huì)感到膝關(guān)節(jié)疼痛的值。當(dāng)大于該值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器件受到控制以降低剪切力。例如，可以通過改變腳踏板的傾斜、支撐構(gòu)件的長度、或者支撐構(gòu)件傾斜的速度來減輕膝部的負(fù)擔(dān)。當(dāng)該裝置這樣操作時(shí)，沒有力沿左右方向作用在膝關(guān)節(jié)上，可以省略將沿左右方向作用的剪切力(F2)與提醒值比較的步驟S5。
當(dāng)剪切力超過相對(duì)于前后方向或者左右方向的任一方向的提醒值時(shí)(S6，S7)，并且腳踏板3的角度處于可變范圍內(nèi)時(shí)，腳踏板3相對(duì)于基部1的傾斜角度被改變(S8，S9)。通過改變腳踏板3的傾斜角度，作用在使用者腳底的載荷重心位置和載荷的作用方向變化，使得作用在膝關(guān)節(jié)上的剪切力可以改變。在改變沿左右方向作用在膝關(guān)節(jié)上的剪切力的情況下，腳踏板設(shè)計(jì)成可沿左右方向傾斜。
另一方面，當(dāng)角度不能改變時(shí)，驅(qū)動(dòng)器件可以受到控制以減小剪切力(S10)。例如，當(dāng)剪切力到達(dá)提醒值時(shí)，馬達(dá)受到控制，增大腳踏板3相對(duì)于基部1的傾斜角度，使得腳跟處于高于腳趾的位置。根據(jù)這種方式，由腿后腱作用在膝關(guān)節(jié)上的拉伸力可以較之由四頭肌導(dǎo)致的拉伸力而增大，從而減小沿前后方向作用在膝關(guān)節(jié)上的剪切力。
當(dāng)沿著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時(shí)，載荷傳感器30檢測到的載荷與預(yù)定的閾值(T3)比較(S11)。該閾值(T3)設(shè)定為確定作用在肌肉上的載荷是否達(dá)到對(duì)改善糖尿病有貢獻(xiàn)的程度。當(dāng)不大于該閾值(T3)時(shí)，認(rèn)為施加給使用者的載荷是不夠的，所以驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4受到控制，增大載荷(S12)。另一方面，當(dāng)載荷傳感器檢測到的載荷大于閾值(T3)時(shí)，認(rèn)為給使用者施加了適當(dāng)?shù)腻憻拸?qiáng)度，因此馬達(dá)繼續(xù)當(dāng)前操作。
在步驟10中，作為在不改變腳踏板3的角度的情況下減小剪切力的另一種方法，以下(1)至(3)可以例證。
(1)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)受到控制，減小支撐構(gòu)件2和腳踏板3每時(shí)間單位內(nèi)的角度改變速率。簡要地說，支撐構(gòu)件2和腳踏板3的角度改變速度被降低。
(2)圖6A中所示的角度φ1是股骨區(qū)域相對(duì)于身體軀干的角度，圖6B中所示的角度φ2是腿分開時(shí)髖關(guān)節(jié)改變的角度。通過調(diào)節(jié)角度φ1和φ2，作用在膝關(guān)節(jié)上的載荷的程度可以改變。具體地說，可以通過改變支撐構(gòu)件的長度、腳踏板3相對(duì)于基部1的高度位置或者腳踏板之間的水平間隔來改變角度φ1和φ2。通過減小支撐構(gòu)件2的長度，膝關(guān)節(jié)的角度變小，因此剪切力減小。另外，當(dāng)支撐構(gòu)件2傾斜時(shí)，與采用長度更大的支撐構(gòu)件2的情況相比，使用者臀部的位移距離變得更小。因此，可以減小作用在膝關(guān)節(jié)上的力。
(3)如圖7所示，輔助支撐件60用來支撐或者牽引使用者的小腿。輔助支撐件60與支撐構(gòu)件2整體形成以支撐或者牽引腳、小腿和股骨區(qū)域中的至少其中之一。例如，可以通過控制內(nèi)部氣壓來調(diào)節(jié)硬度，并且在支撐或者牽引時(shí)變硬。
如圖8所示，顯示器50用來示意性地示出馬達(dá)的控制量和支撐構(gòu)件2和腳踏板3的運(yùn)動(dòng)、由操作單元13推算的作用在使用者膝關(guān)節(jié)上的剪切力曲線、以及載荷傳感器30檢測到的載荷相對(duì)于時(shí)間的變化。另外，可顯示用來引導(dǎo)鍛煉的信息。此外，優(yōu)選地，數(shù)據(jù)通過通信器件傳輸?shù)轿挥谶h(yuǎn)程位置的專家，并且專家的建議通過顯示器給予使用者。
<第二實(shí)施例>
如圖9和10所示，該實(shí)施例的鍛煉輔助裝置主要形成有固定在安裝表面諸如地板上的基部1；支撐使用者M(jìn)臀部的支撐構(gòu)件2；其上放置使用者的腳的一對(duì)腳踏板3；相對(duì)于基部1驅(qū)動(dòng)支撐構(gòu)件2的鞍座22的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4；推算使用者脂肪質(zhì)量的身體組成推算單元6；和根據(jù)推算結(jié)果控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4的控制器10。
支撐構(gòu)件2包括位于基部1頂面上的支柱21；將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4容納在其中的殼體25；和支撐使用者臀部的鞍座25。為了將膝關(guān)節(jié)的彎曲角度設(shè)置為需要的角度(例如，40度)，腳踏板3相對(duì)于基部1的位置和鞍座25的初始位置(高度位置)可調(diào)。例如，墊圈彈簧可以用來調(diào)節(jié)鞍座25的高度位置?？商娲兀梢允褂蒙舷乱苿?dòng)腳踏車鞍座的傳統(tǒng)配置。另外，鞍座22可以通過馬達(dá)上下移動(dòng)。還優(yōu)選地是，準(zhǔn)備多個(gè)高度不同的座椅構(gòu)件，并且根據(jù)使用者的體形互換使用它們中適當(dāng)?shù)囊粋€(gè)。
各腳踏板3可以用彈性構(gòu)件37相對(duì)于基部1移動(dòng)。作用在股骨區(qū)域的載荷和支撐構(gòu)件2的移動(dòng)范圍之間的關(guān)系先前已經(jīng)確定，并且根據(jù)這種關(guān)系選擇具有適當(dāng)彈性系數(shù)的彈性構(gòu)件。通過使用這種腳踏板3，有可能在鍛煉過程中保持膝關(guān)節(jié)的角度基本上恒定。在本實(shí)施例中，腳踏板3受到支撐，通過彈簧和可以上下伸展和收縮的縮放儀之類的機(jī)構(gòu)相對(duì)于基部1沿上下方向位移。另外，腳踏板具有從腳跟向腳趾傾斜的頂面?？梢杂民R達(dá)來上下移動(dòng)腳踏板3。為了調(diào)節(jié)踝關(guān)節(jié)的角度，腳板沿著向前和向后方向的傾斜角度、腳板沿著左右方向的傾斜角度或者圍繞腳板垂直方向的旋轉(zhuǎn)角度可以變化。
在圖9中，數(shù)字51指代豎立在腳踏板3之間的立桿。數(shù)字52指代在該立桿頂端沿著左右方向延伸的手柄。就是說，立桿51和手柄52配置成基本上成T形。一對(duì)抓手設(shè)置在手柄52的兩端，它們可以被坐在鞍座22上的使用者保持。數(shù)字12指代帶有觸摸板的輸入單元，其用于輸入使用者的信息諸如體重。輸入單元還具有顯示使用者輸入的信息和鍛煉菜單的顯示器。如以下將要說明的，主要在推算使用者身體組成時(shí)使用抓手54，因此它們?cè)阱憻掃^程中不經(jīng)常用。然而，對(duì)于使用者諸如年老的人或者虛弱的人安全地騎上支撐構(gòu)件2或者從其上下來是有用的。
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4具有至少一個(gè)馬達(dá)，用作鞍座22的驅(qū)動(dòng)源，以改變鞍座22的傾斜角度。例如，通過采用齒輪-曲柄機(jī)構(gòu)或者適當(dāng)組合的機(jī)械組件諸如連桿和凸輪，鞍座22的頂部可以在支撐構(gòu)件2和每個(gè)腳踏板3構(gòu)成的平面內(nèi)在水平位置和傾斜位置之間以往復(fù)的方式移動(dòng)。根據(jù)這種方式，有可能將鍛煉方向與膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展方向相匹配，并且防止力沿左右方向作用在膝關(guān)節(jié)上。當(dāng)鞍座22頂部的傾斜角度改變時(shí)，作用在使用者股骨區(qū)域的載荷會(huì)波動(dòng)，因此作用在腳踏板3上的載荷也增大或者減小，從而上下移動(dòng)腳踏板3。此時(shí)，被鞍座22支撐的使用者的臀部和位于腳踏板3上的使用者的腳底之間的相對(duì)距離基本上保持恒定。因此，膝關(guān)節(jié)的彎曲角度僅承受最小的改變。因此，實(shí)現(xiàn)了等長收縮狀態(tài)，從而減小了膝關(guān)節(jié)上的負(fù)擔(dān)。
如圖10所示，控制器10主要包括微機(jī)算機(jī)，并且通過驅(qū)動(dòng)電路15控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4。驅(qū)動(dòng)電路15是控制器和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4之間的接口，并且根據(jù)控制器的輸出向馬達(dá)提供需要的電力。
在使用上述鍛煉輔助裝置的情況下，使用者把腳放在腳踏板3上，使得腳底密切接觸腳踏板，并且坐在鞍座22上。在這種條件下，通過改變鞍座頂部的傾斜角度，可以改變作用在使用者股骨區(qū)域的載荷量級(jí)。此時(shí)，實(shí)現(xiàn)了G11/G12＞G21/G22的關(guān)系，其中“G11”是作用在鞍座22上的載荷，“G12”是當(dāng)鞍座22頂部基本上平行于基部1頂部時(shí)作用在腳踏板3上的載荷，“G21”是作用在鞍座22上的載荷，“G22”是當(dāng)鞍座22頂部相對(duì)于基部頂部傾斜時(shí)作用在腳踏板3上的載荷。因此，隨著鞍座22傾斜增大，使用者的位姿變得更靠近站立位姿，并且作用在股骨區(qū)域的載荷因使用者的自重而增大。
本實(shí)施例最重要的特征是通過使用由身體組成推算單元6推算的使用者的脂肪質(zhì)量來控制驅(qū)動(dòng)源。就是說，本實(shí)施例的鍛煉輔助裝置設(shè)置有一對(duì)設(shè)置在每個(gè)腳踏板3上的第一電極(60，62)，如圖11A所示；安裝在抓手54上的兩對(duì)第二電極(61，63)，如圖11B所示；和阻抗測量單元65，其配置成在使用者把腳放在腳踏板3上并且握住抓手的條件下，通過檢測第一電極其中之一(62)和第二電極其中之一(63)之間的電勢差，同時(shí)在另一個(gè)第一電極(60)和另一個(gè)第二電極(61)提供的信號(hào)電極之間施加高頻電流，來測量使用者的生物電阻抗。身體組成推算單元6利用阻抗測量單元65的輸出來推算使用者的脂肪質(zhì)量。所推算的使用者的脂肪質(zhì)量優(yōu)選示出在輸入單元12的顯示器上。
在以前，已經(jīng)采用了通過測量生物電阻抗來確定使用者身體的脂肪百分比。簡言之，由于身體內(nèi)的脂肪較之其他地方具有更低的含水量，所以隨著身體內(nèi)的脂肪量變大，阻抗增大。通過利用這種原理，可以推算身體內(nèi)的脂肪量。在使用多個(gè)電極對(duì)測量阻抗的情況下，優(yōu)選在每個(gè)電極對(duì)之間施加的高頻電流區(qū)別于施加在其他電極對(duì)之間的高頻電流的頻率。例如，通過測量兩手之間的阻抗，兩腳之間的阻抗，以及手腳之間的阻抗，然后從手腳之間的阻抗減去兩手之間和兩腳之間的阻抗，可以確定身體軀干的阻抗。由于脂肪量和阻抗之間有相關(guān)性，所以可以根據(jù)這種相關(guān)性推算身體軀干內(nèi)的脂肪量。另外，隨著身體脂肪量的減少，可以推算肌肉量對(duì)立地增多。因此，可以使用測量的身體脂肪量和體重作為參數(shù)推算肌肉量。
為了精確推算脂肪質(zhì)量或者肌肉質(zhì)量，從使用者的體重、身高、年齡和性別的組中選擇的體重優(yōu)選地用作身體的特征量以及生物電阻抗。在本實(shí)施例中，使用者可以通過輸入單元12輸入體重。另外，當(dāng)身高用作額外的參數(shù)時(shí)，有可能進(jìn)一步改善脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量的推算精度?？刂破?0根據(jù)推算的使用者的脂肪質(zhì)量或者肌肉質(zhì)量為每個(gè)使用者設(shè)定適當(dāng)?shù)腻憻捔浚⑶铱刂乞?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4。
<第三實(shí)施例>
如圖12和13所示，本實(shí)施例的鍛煉輔助裝置的特征在于包括身體組成推算單元6，代替允許使用者通過輸入單元12輸入體重和身高，該單元包括體重推算單元70和身高推算單元72；用于計(jì)算使用者每單位時(shí)間的目標(biāo)能量消耗的能量消耗操作單元16；和利用能量消耗操作單元16的輸出控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4的控制器10。因此，其他組件基本上與第二實(shí)施例相同，并且重復(fù)的解釋省略。
體重推算單元70根據(jù)每個(gè)腳踏板3上的載荷傳感器30的輸出計(jì)算使用者的體重。作為載荷傳感器30，例如，可以利用帶有壓電元件的測力傳感器(load cell)或者用差動(dòng)變壓器檢測彈簧拉伸量的裝置。當(dāng)使用者在坐在鞍座22上之前踏上腳踏板3時(shí)，載荷傳感器30檢測到的載荷總量提供了使用者體重。取代在腳踏板上采取站立的位姿，還可能推算處于坐姿的使用者的體重。在這種情況下，載荷傳感器還位于鞍座22上。在該對(duì)腳踏板上檢測到的載荷和鞍座22的載荷傳感器檢測到的載荷之和被確定為使用者的體重。
鞍座22的高度位置是可調(diào)的，從而將使用者膝關(guān)節(jié)的彎曲角度保持在需要的角度。因此，鞍座22的高度位置(即，支撐構(gòu)件2的長度)可以用距離傳感器32測量。身高推算單元72根據(jù)鞍座22的高度、膝關(guān)節(jié)角度以及與腳踏板的位置關(guān)系推算使用者的身高。取代身高，可以推算使用者的腿長。
能量消耗操作單元16根據(jù)使用者的體重和身體組成推算單元6的輸出計(jì)算使用者每單位時(shí)間的目標(biāo)能量消耗。施加給使用者的鍛煉量確定為能量消耗諸如葡萄糖消耗量。由于鍛煉過程中使用者的位姿可以近似地確定，所以有可能根據(jù)鞍座22的操作速度和使用者的體重推算作用在腿部的載荷。如第二實(shí)施例的情況那樣，腿部的肌肉質(zhì)量由身體組成推算單元6利用體重推算單元70提供的使用者體重和阻抗測量單元的輸出來推算?？商娲?，腿部的肌肉質(zhì)量可以根據(jù)身高推算單元72提供的使用者身高和阻抗測量單元的輸出來推算。因此，能量消耗量諸如每單位時(shí)間的葡萄糖消耗量可以利用作用在腿部的載荷和腿部的肌肉質(zhì)量來確定。取代目標(biāo)能量消耗量，可以計(jì)算使用在鍛煉過程中的能量消耗量。實(shí)際上，優(yōu)選利用能量消耗操作單元16計(jì)算的能量消耗、身體組成推算單元6推算的肌肉質(zhì)量和體重推算單元70確定的使用者體重來確定鞍座22的操作速度。在該實(shí)施例中，脂肪質(zhì)量或者肌肉質(zhì)量和脂肪質(zhì)量兩者可以用來代替肌肉質(zhì)量。
<第四實(shí)施例>
如圖14和15所示，本實(shí)施例的鍛煉輔助裝置的特征在于，根據(jù)輸入單元12輸入的使用者生物學(xué)概況來確定提供給使用者的鍛煉量。因此，其他組件基本上與第三實(shí)施例相同，重復(fù)的解釋省略。
本實(shí)施例的鍛煉輔助裝置具有菜單存儲(chǔ)器80，其中存放每個(gè)生物學(xué)概況的標(biāo)準(zhǔn)鍛煉菜單。根據(jù)通過輸入單元12輸入的使用者生物學(xué)概況，可以從菜單存儲(chǔ)器80中讀取推薦的鍛煉菜單，然后由控制器10執(zhí)行。
生物學(xué)概況包括使用者的體重、身高、性別、年齡、是否患病、疾病的種類、心肺容量、健康參數(shù)諸如血壓和心跳、運(yùn)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)等。例如，當(dāng)使用者患有高血壓時(shí)，優(yōu)選選擇帶有延長的鍛煉時(shí)間和降低的載荷的運(yùn)動(dòng)菜單。在這種情況下，當(dāng)輸入血壓時(shí)，其被分類為“低血壓”、“正常血壓”或者“高血壓”，然后從菜單存儲(chǔ)器80中抽取適當(dāng)?shù)腻憻挷藛巍Ｒ虼?，有可能通過輸入單個(gè)使用者的數(shù)據(jù)來為使用者提供適當(dāng)?shù)腻憻挷藛巍?br> 另外，本實(shí)施例的鍛煉輔助裝置設(shè)置有歷史存儲(chǔ)器90，用來存放關(guān)于單個(gè)使用者的脂肪質(zhì)量或者肌肉質(zhì)量改變的個(gè)人歷史信息；和評(píng)估單元92，其用來根據(jù)歷史存儲(chǔ)器內(nèi)存放的個(gè)人歷史來改動(dòng)鍛煉菜單。由于脂肪質(zhì)量或者肌肉質(zhì)量每次鍛煉中都推算，所以信息與相應(yīng)的數(shù)據(jù)和時(shí)間一起存放。例如，可確定恒定時(shí)間段的開始和結(jié)束點(diǎn)之間的脂肪質(zhì)量差異。當(dāng)該差異較之預(yù)定的目標(biāo)值小時(shí)，評(píng)估單元92修改鍛煉菜單以增大一次的鍛煉量。取代脂肪質(zhì)量，可以使用肌肉質(zhì)量或者脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量兩者。由于鍛煉量是支撐構(gòu)件的操作速度和操作時(shí)間的乘積，所以可以改變它們中的至少其中之一來修改鍛煉菜單。另外，當(dāng)使用者需要鍛煉來增加肌肉質(zhì)量或者推算的肌肉質(zhì)量達(dá)不到目標(biāo)值時(shí)，鍛煉菜單被改動(dòng)來增大鍛煉強(qiáng)度。菜單存儲(chǔ)器80和歷史存儲(chǔ)器90可以設(shè)置為單個(gè)存儲(chǔ)裝置。另外，當(dāng)脂肪質(zhì)量或者肌肉質(zhì)量的改變顯示在輸入單元12附近設(shè)置的顯示器50上時(shí)，優(yōu)勢是可以增大使用者鍛煉的愿望。
工業(yè)實(shí)用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明的鍛煉輔助裝置，有可能有效地為肌肉虛弱的使用者或者有膝部關(guān)節(jié)炎的病人以及膝部疼痛的糖尿病人提供被動(dòng)鍛煉刺激，使得股骨區(qū)域的肌肉收縮，同時(shí)不給膝部帶來負(fù)擔(dān)。
另外，當(dāng)推算使用者的脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量至少其中之一時(shí)，根據(jù)推算結(jié)果設(shè)定適合各使用者的鍛煉速度和鍛煉時(shí)間，可以可靠地為使用者提供能夠獲得希望效果的適當(dāng)鍛煉量。另外，當(dāng)推算作用在使用者膝關(guān)節(jié)上的力(剪切力)時(shí)，并且以實(shí)時(shí)方式控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使得推算的力處于預(yù)定范圍時(shí)，可以防止過度的力作用在使用者的膝部，并且改善鍛煉輔助裝置的安全性。
因此，由于本發(fā)明可以安全地對(duì)膝部不便的使用者諸如糖尿病人的腿部提供適當(dāng)?shù)腻憻挻碳?，預(yù)期可以進(jìn)一步增加鍛煉輔助裝置的使用。
權(quán)利要求
1.一種鍛煉輔助裝置，包括基部；支撐構(gòu)件，其可以相對(duì)于所述基部移動(dòng)，且配置成支撐使用者的臀部；腳踏板，其可以相對(duì)于所述基部移動(dòng)；驅(qū)動(dòng)器件，其配置成驅(qū)動(dòng)所述腳踏板和所述支撐構(gòu)件至少其中之一；和控制器，其配置成控制所述驅(qū)動(dòng)器件，使得由支撐在所述支撐構(gòu)件上的使用者的自重作用在股骨區(qū)域的載荷根據(jù)使用者的腳趾和大轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置位移而變化，所述位置位移允許處于使用者膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展方向內(nèi)，并且膝關(guān)節(jié)的角度基本上保持恒定。
2.如權(quán)利要求1所述的鍛煉輔助裝置，進(jìn)一步包括身體組成推算單元，其配置成推算使用者的脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量至少其中之一，并且其中所述控制器利用所述身體組成推算單元的輸出控制所述驅(qū)動(dòng)器件。
3.如權(quán)利要求2所述的鍛煉輔助裝置，進(jìn)一步包括抓手，其由使用者握持；一對(duì)第一電極，其設(shè)置在所述腳踏板上；一對(duì)第二電極，其設(shè)置在所述抓手上；和阻抗測量單元，其配置成在使用者的腳放在所述腳踏板上且所述抓手被使用者握持的條件下，通過檢測所述第一電極其中之一和所述第二電極其中之一之間的電勢差同時(shí)在另一個(gè)第一電極和另一個(gè)第二電極之間施加高頻電流來測量使用者的生物電阻抗，并且其中所述身體組成推算單元利用所述阻抗測量單元的輸出推算使用者的脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量至少其中之一。
4.如權(quán)利要求3所述的鍛煉輔助裝置，進(jìn)一步包括體重輸入單元，其配置成輸入使用者的體重，并且所述身體組成推算單元利用所述阻抗測量單元的輸出和通過所述體重輸入單元輸入的使用者體重來推算使用者的脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量至少其中之一。
5.如權(quán)利要求3所述的鍛煉輔助裝置，進(jìn)一步包括身體信息輸入單元，其配置成輸入使用者的體重和身高；和能量消耗操作單元，其配置成利用所述身體組成推算單元的輸出和通過所述身體信息輸入單元輸入的使用者的體重和身高計(jì)算使用者在鍛煉過程中每單位時(shí)間的能量消耗和使用者每單位時(shí)間的目標(biāo)能量消耗其中之一，并且其中所述控制器根據(jù)所述能量消耗操作單元的輸出控制所述驅(qū)動(dòng)器件。
6.如權(quán)利要求3所述的鍛煉輔助裝置，進(jìn)一步包括載荷傳感器，其配置成檢測作用在所述腳踏板上的載荷；和體重推算單元，其配置成利用所述載荷傳感器的輸出推算使用者的體重，并且其中所述身體組成推算單元利用所述阻抗測量單元和所述體重推算單元的輸出推算使用者的脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量至少其中之一。
7.如權(quán)利要求3所述的鍛煉輔助裝置，其中所述支撐構(gòu)件沿高度方向是長度可調(diào)的，并且鍛煉輔助裝置包括距離傳感器，其配置成檢測所述支撐構(gòu)件沿高度方向的長度；和身高推算單元，其配置成利用所述距離傳感器的輸出推算使用者的身高，并且其中所述身體組成推算單元利用所述阻抗測量單元和所述身高推算單元的輸出推算使用者的脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量至少其中之一。
8.如權(quán)利要求3所述的鍛煉輔助裝置，進(jìn)一步包括存儲(chǔ)器，其配置成記錄使用者的脂肪質(zhì)量和肌肉質(zhì)量至少其中之一的變化；和評(píng)估單元，其配置成根據(jù)記錄在所述存儲(chǔ)器內(nèi)的變化評(píng)估鍛煉效果，并且其中所述控制器利用所述評(píng)估單元的輸出控制所述驅(qū)動(dòng)器件。
9.如權(quán)利要求1所述的鍛煉輔助裝置，進(jìn)一步包括存儲(chǔ)器，其配置成記錄通過生物學(xué)概況確定的多種鍛煉程序；和輸入單元，其配置成輸入使用者的生物學(xué)概況，并且其中所述控制器從所述存儲(chǔ)器讀出相應(yīng)于通過所述輸入單元輸入的使用者生物學(xué)概況的其中一種所述鍛煉程序，并且根據(jù)讀出的鍛煉程序控制所述驅(qū)動(dòng)器件。
10.如權(quán)利要求1所述的鍛煉輔助裝置，其中所述驅(qū)動(dòng)器件僅驅(qū)動(dòng)所述支撐構(gòu)件。
11.如權(quán)利要求1所述的鍛煉輔助裝置，其中所述驅(qū)動(dòng)器件以互鎖方式驅(qū)動(dòng)所述支撐構(gòu)件和所述腳踏板。
12.如權(quán)利要求1所述的鍛煉輔助裝置，進(jìn)一步包括載荷傳感器，其配置成檢測作用在所述腳踏板上的載荷；和操作單元，其配置成利用所述載荷傳感器的輸出推算作用在使用者膝關(guān)節(jié)上的力，并且其中所述控制器以實(shí)時(shí)方式控制所述驅(qū)動(dòng)器件，使得由所述操作單元推算的力處于預(yù)定范圍內(nèi)。
13.如權(quán)利要求12所述的鍛煉輔助裝置，其中當(dāng)由所述操作單元推算的力超過預(yù)定的上限值時(shí)，所述控制器致使所述驅(qū)動(dòng)器件停止。
14.如權(quán)利要求12所述的鍛煉輔助裝置，其中所述控制器控制所述驅(qū)動(dòng)器件的操作速度，使得由所述操作單元推算的力處于所述范圍內(nèi)。
15.如權(quán)利要求12所述的鍛煉輔助裝置，進(jìn)一步包括顯示器件，其配置成向使用者顯示由所述操作單元推算的力。
全文摘要
一種鍛煉輔助裝置，包括相對(duì)于基部可以移動(dòng)的臀部部件支撐構(gòu)件；相對(duì)于基部可以移動(dòng)的腳支撐部件；驅(qū)動(dòng)臀部支撐構(gòu)件的驅(qū)動(dòng)器件；推算使用者的脂肪量和肌肉量至少其中之一的組成推算部件；和控制驅(qū)動(dòng)器件的控制部件。控制部件控制驅(qū)動(dòng)器件，使得臀部支撐構(gòu)件上的使用者股部上的載荷可以根據(jù)使用者腳趾的位置相對(duì)于使用者的更大轉(zhuǎn)子的位置變化而改變，該位置變化可以限制在使用者膝關(guān)節(jié)的伸展方向上，并且膝關(guān)節(jié)之間的角度可以近似保持恒定。另外，控制部件利用組成推算部件的輸出來控制驅(qū)動(dòng)器件，從而以強(qiáng)度適合使用者的方式提供鍛煉，該鍛煉在使用者的膝關(guān)節(jié)上作用較少的負(fù)擔(dān)。
文檔編號(hào)A63B23/04GK101022855SQ20058003127
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2005年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月27日
發(fā)明者越智和弘, 小澤尚久, 四宮葉一 申請(qǐng)人:松下電工株式會(huì)社