JP6167768B2 - 抵抗トルク発生装置及びトレーニング装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸の回転に抵抗トルクを発生可能な抵抗トルク発生装置及びこの抵抗トルク発生装置を用い筋力トレーニングによるリハビリテーション等に供するトレーニング装置に関する。

従来の抵抗トルク発生装置としては、例えば非特許文献１に記載され、図１１の多層ＥＡＭブレーキデバイス１０１がある。

この図１１の多層ＥＡＭブレーキデバイス１０１は、ケース１０３に対して軸１０５がボール・ベアリング１０７、１０９により回転自在に支持され、ケース１０３及び軸１０５間に抵抗トルク発生部１１１が設けられたものである。抵抗トルク発生部１１１は、電圧印加に応じて軸１０５の回転に抵抗トルクを付与するものである。

したがって、多層ＥＡＭブレーキデバイス１０１を用いて上肢等のトレーニング装置を構成し、抵抗トルクにより筋力トレーニングを行わせることができる。

具体的には、多層ＥＡＭブレーキデバイス１０１をベースに取り付け、多層ＥＡＭブレーキデバイス１０１の軸１０５にレバーの一端を結合し、レバーの他端に握り部が備える。

そして、ベースを上腕側に取り付けて多層ＥＡＭブレーキデバイス１０１を人の腕の肘部に配置し、レバーを前腕に沿って延設配置し、レバーの握り部を握ってレバーを介し軸１０５を回転操作する。

この回転操作により、多層ＥＡＭブレーキデバイス１０１が発生する抵抗トルクにより筋力トレーニングを行わせることができる。

しかし、人の肘の軸は、単一ではなく、肘の曲げ動作と共に変化し、多層ＥＡＭブレーキデバイス１０１の軸１０５が肘の軸からずれた際に、腕に余計な負荷が作用する問題があった。

多層ＥＡＭブレーキデバイスを用いた装着型トレーニング装置の開発（０１−０５−５）

解決しようとする問題点は、抵抗トルク発生装置の軸が肘等の軸からずれた際に、余計な負荷が発生する点である。

本発明の抵抗トルク発生装置は、抵抗トルク発生装置の軸が肘等の軸からずれた際でも、余計な負荷が発生しないようにするため、一対の対向壁が側壁で結合され前記一対の対向壁の一方に軸を貫通させる円形の開口を備えたケースと、前記開口に遊嵌して前記ケース内からケース外へ突出し前記ケースに対し前記開口内で軸交差方向への移動が可能に支持された軸と、前記ケース及び軸間に設けられ前記ケース側に対し前記軸の回転に軸交差方向への移動を許容しながら抵抗トルクを付与する抵抗トルク発生部とを備えたことを特徴とする。

本発明のトレーニング装置は、上記抵抗トルク発生装置を用いたトレーニング装置であって、前記抵抗トルク発生装置が取り付けられたベースと、前記ケース外で前記軸に一端が結合され、他端に握り部が設けられたレバーとを備え、前記ベースを上腕側に取り付けて前記抵抗トルク発生装置を肘部に配置し前記レバーを前腕に沿って延設配置し前記握り部を握って前記レバーを介し前記軸を回転操作可能であることを特徴とする。

本発明の抵抗トルク発生装置は、上記構成であるから、軸の回転に軸交差方向への移動を許容しながら適正な抵抗トルクを付与することができる。

本発明のトレーニング装置は、上記構成であるから、ベースを上腕側に取り付けて抵抗トルク発生装置を人の腕の肘部に配置し、レバーを前腕に沿って延設配置し、レバーの握り部を握ってレバーを介し軸を回転操作することで抵抗トルクにより筋力トレーニングを行わせることができる。

しかも、人の肘の軸が肘の曲げ動作と共に変化し、抵抗トルク発生装置の軸と肘の軸とがずれようとする際に、レバーに結合されている軸がケースの開口内で軸交差方向へ移動することができる。

このため、人の肘の軸が肘の曲げ動作と共に変化しても抵抗トルク発生装置の軸も同様に変化し、肘に軸ずれによる余計な負荷が作用する問題を改善し、適正な抵抗トルクを付与することができる。

かかる抵抗トルク発生装置の働きは、トレーニング装置以外、例えばロボットなどにも適用することができ、軸が移動する取り付け対象に適用し、軸のずれによる余計な負荷の発生を抑制できる。

トレーニング装置を人の腕に装着した状態の全体図である。（実施例１） 軸可動型ＥＡＭブレーキデバイスの平面図である。（実施例１） 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。（実施例１） 図３のＩＶ部拡大断面図である。（実施例１） 軸と抵抗トルク発生部との関係の概念的な斜視図である。（実施例１） 軸を含めた可動側の分解斜視図である。（実施例１） 軸を含めた可動側の動きを示す斜視図である。（実施例１） （Ａ）は、電圧印加前のＥＲ粒子の状態を示す概念図、（Ｂ）は、電圧印加後のＥＲ粒子の状態を示す概念図である。（実施例１） 性能評価の説明図である。（実施例１） 性能測定結果のグラフである。（実施例１） 多層ＥＡＭブレーキデバイスの断面図である。（従来例）

抵抗トルク発生装置の軸が肘等の軸からずれた際でも、余計な負荷が発生しないようにするという目的を、ケースの開口内で軸交差方向への移動が可能に軸を支持し、軸に対して軸交差方向への移動を許容しながら回転に抵抗トルクを付与することで実現した。

［トレーニング装置］
図１は、トレーニング装置を人の腕に装着した状態の全体図である。

図１のように、トレーニング装置１は、抵抗トルク発生装置としての軸可動型ＥＡＭブレーキデバイス３（以下、「デバイス３」と称する。）が取り付けられたベース５と、レバー７とを備えている。

レバー７の一端は、デバイス３のケース９から突出する軸１１に結合され、他端側に握り部１３が設けられている。

前記ベース５には、他にショルダー・サポーター１５と変圧出力可能な電源１７とが備えられている。電源１７は、デバイス３の後述する固定電極及び可動電極に結線され後述する機能性体に電圧印加を行うものであり、電圧印化に応じてデバイス３のケース９側に対し機能性体が軸１１の回転に抵抗トルクを付与する。

したがって、図１のようにショルダー・サポーター１５を肩部に装着し、上肢の筋力トレーニングを行わせることができる。

具体的には、ベース５を上腕側に取り付けてデバイス３を肘部に配置し、レバー７を前腕に沿って延設配置する。この状態で握り部１３を握ってレバー７を介し軸１１を回転操作する。この回転操作に対し、電圧印加に応じてデバイス３が軸１１に抵抗トルクを付与する。抵抗トルクは、電圧印加に応じて可変となる。この抵抗トルクによる負荷でレバー７の操作による筋力トレーニングを行わせることができる。

このとき、デバイス３の軸１１が、後述のように軸交差方向への移動が可能に支持されているため、肘の軸が肘の曲げ動作と共に変化してもデバイス３の軸も同様に変化し、軸１１に適正な抵抗トルクを付与しつつ、肘に余計な負荷が作用する問題を改善することができる。

なお、本発明の要旨は、デバイス３の軸１１が適正な抵抗トルクを受けながら軸交差方向へ移動し得ることであり、デバイス３としては、発生する抵抗トルクが一定の場合にも適用することができる。また、デバイス３も、後述するＥＡＭを用いたものに限らず、多板クラッチ、磁性流体を用いたクラッチなど、種々適用することができる。
［ＥＡＭブレーキデバイス］
図２〜図４は、ＥＡＭブレーキデバイスに係り、図２は、ＥＡＭブレーキデバイスの平面図、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図、図４は、図３のＩＶ部拡大断面図、図５は、軸と抵抗トルク発生部との関係の概念的な斜視図、図６は、軸を含めた可動側の分解斜視図、図７は、軸を含めた可動側の動きを示す斜視図である。

図２、図３のように、デバイス３は、前記ケース９及び軸１１の他に、抵抗トルク発生部１９を備えている。

ケース９は、外形が平面から見て正方形に形成され、軸１１に交差する方向の断面内周形状も矩形となっている。但し、ケース９の形状は特に限定されるものではなく、後述の固定電極が簡易に回り止めできるものであれば、その他の多角形、或いは円形等に形成することもできる。

ケース９の一対の対向壁２１、２３は、側壁２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄで結合され、一対の対向壁２１、２３の一方２１に軸１１を貫通させる円形の開口２７を備えている。対向壁２１の内面には、開口２７に対し段付状に形成されたスプリング座２９が形成されている。一対の対向壁２１、２３の他方２３には、軸支持用の円形の凹部３０が形成されている。

側壁２５ｂの内面中央部には、導電性のゴム電極３１が取り付けられている。側壁２５ｂには、ゴム電極３１に配線するための貫通部３３が対向壁２１に対して形成されている。ゴム電極３１は、貫通部３３を介した配線により電源１７（図１）に接続されている。

軸１１は、直径が開口２７よりも小径に形成されて開口２７に遊嵌している。この遊嵌により、開口２７内で軸１１は軸交差方向への移動が可能となっている。

軸１１には、ケース３外で二面幅部１１ａ、１１ｂが形成されている。二面幅部１１ａには、結合孔３４が形成され、この結合孔３４にレバー７の一端が結合される。二面幅部１１ｂ下端部には、後述する可動電極が回り止め結合される。

軸１１は、ケース３内でスラスト軸受３５を備え、電源１７に接続される。スラスト軸受３５は、一対の対向壁２１、２３の他方２３に突き当り軸支される。この突き当たりは、凹部３０内で行われる。従って、凹部３０によりスラスト軸受３５の移動範囲を規制する。スラスト軸受３５の凹部３０内での突き当りは、付勢部材であるコイル・スプリング３７により付勢されている。

具体的には、コイル・スプリング３７の一端が対向壁２１のスプリング座２９に受けられ、同他端が抵抗トルク発生部１９の固定電極３９に当接している。固定電極３９の若干の撓みにより軸１１側へ付勢力が伝達される。

図２〜図７のように、抵抗トルク発生部１９は、固定電極３９と可動電極４１と機能性体４３とを備えている。

固定電極３９は、一対の対向壁２１、２３間の中間部に配置されケース９に回り止めされている。固定電極３９は、ケース９に嵌合して回り止めが行われる矩形板状に形成されている。本実施例において、固定電極３９は正方形の板状に形成され、ケース９の内周に嵌合するようにして回り止めされている。固定電極３９は、縁部においてゴム電極３１に当接して接続されている。

固定電極３９の中央部には、円形の貫通孔３９ａが形成されている。貫通孔３９ａは、対向壁２１の開口２７と同径に形成され、貫通孔３９ａの縁部上でコイル・スプリング３７の他端を受けている。

可動電極４１は、円板状に形成され、一対の対向壁２１、２３間で軸１１に結合されている。可動電極４１は、固定電極３９に対向配置されて相対回転可能となっている。可動電極４１の中心部には、二面幅の嵌合孔４１ａが形成されている。可動電極４１は、スラスト軸受３５の背面で受けられながら嵌合孔４１ａが軸１１の二面幅部１１ｂの部分に回り止め嵌合している。

機能生体４３は、電気絶縁性の粘着性媒体、例えばシリコーン・ゴムに、分極しやすい微粒子である電気レオロジー粒子４５（以下「ＥＲ粒子４５」と称する。）を混ぜ合わせ、分散させたものである。この機能生体４３は、ＥＡＭ（Electro Attractive Material:電気的吸引材料）と称され、印加する電圧を調節するだけで抵抗トルクを容易に変えることができる。

すなわち、この機能生体４３は、固定電極３９及び可動電極４１間に介設されて固定電極３９及び可動電極４１間への電圧印加により固定電極３９及び可動電極４１間に抵抗トルクを発生させるものである。

スラスト軸受３５を備えた軸１１、可動電極４１、及び機能生体４３は、固定電極３９に対して一体的に動作する可動側４７（図５の実線で囲まれた部分。）となる。

この場合、固定電極３９又は可動電極４１に対向する伝達面の少なくとも一方、本実施例では固定電極３９に対向する伝達面に図８（Ａ）のように突出分布したＥＲ粒子４５を、固定電極３９又は可動電極４１間への電圧印加により図８（Ｂ）のように粘着性媒体の内部に埋没させることで固定電極３９及び可動電極４１間に抵抗トルクを発生させることができる。固定電極３９又は可動電極４１間への印加電圧を調節することで伝達面に対するＥＲ粒子４５の突出を調節することができ、電圧印加に応じた抵抗トルクを発生させることができる。
［軸移動］
前記のように、握り部１３を握ってレバー７を介し軸１１を回転操作すると、機能生体４３が電圧印加に応じて固定電極３９及び可動電極４１間に抵抗トルクを発生させ、この抵抗トルクによる負荷でレバー７の操作による筋力トレーニングを行わせることができる。

このとき、肘の軸が肘の曲げ動作と共に変化すると、レバー７に結合されている軸１１が適正な抵抗トルクを受けながら開口２７内で軸交差方向へ移動するから、肘に余計な負荷が作用する問題を改善することができる。

しかも、軸１１の軸交差方向への動きに対し、スラスト軸受３５が凹部３０内でコイル・スプリング３７の付勢力を受けながら転動することができ、軸１１の倒れを抑制しつつ平行移動を行わせることができる。
［性能評価］
図９は、性能評価の説明図、図１０は、性能測定結果のグラフである。図９において、上段に測定概念の平面概略図を示し、下段に軸と開口との位置関係を示し、下段左から奥、中心、手前への移動とする。

軸１１を中心位置からずらした際、可動範囲においてデバイス３の軸１１がどの位置に移動しても同一の抵抗トルクを発揮するかの検討を行った。この検討は、軸１１を移動した位置での抵抗トルクの測定を行った。

測定は、軸１１の先端にφ５０ｍｍのプーリー４９を取り付け、プーリー４９に巻き付けたワイヤー５１の先をロードセルに固定したフックに取り付け、リニアステージで引張ることで行った。

測定位置は、図９のように、装置の奥、中心、手前の３箇所とし、この位置において軸１１の位置を固定して測定した。

印加電圧は、０〜２０ｋＶまで０．５ｋＶ刻みとし、各５回測定を行った。また、リニアステージの引張り速度は０．１ｍｍ／ｓ、引張り量は３０ｍｍとした。

測定結果は、図１０のように得られた。電圧２０ｋＶ印加時の抵抗トルクは、中心が１．７Ｎｍ、手前に移動したとき１．５Ｎｍ、奥に移動したとき１．７Ｎｍであった。

この結果、可動側４７がどの位置に移動しても印加電圧の増加に伴い、抵抗トルクが適正に増加することが分かった。

この測定結果から、軸１１の位置に関わらず抵抗トルクはほぼ同一であり、トレーニング装置１により肘の軸と装置の軸１１との位置関係を考慮せずにトレーニングを円滑に行わせることができることが分かった。
［実施例の効果］
本発明実施例のデバイス３は、一対の対向壁２１、２３が側壁２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄで結合され一対の対向壁２１、２３の一方２１に軸１１を貫通させる円形の開口２７を備えたケース９と、開口２７に遊嵌しケース９内からケース９外へ突出しケース９に対し開口２７内で軸交差方向への移動が可能に支持された軸１１と、ケース９及び軸１１間に設けられケース９側に対し軸１１の回転に軸交差方向への移動を許容しながら抵抗トルクを付与する抵抗トルク発生部１９とを備えた。

このため、軸１１が適正な抵抗トルクを受けながら開口２７内で軸交差方向へ移動するから、余計な負荷を抑制しつつ抵抗トルクを発生させることができる。

軸１１は、一対の対向壁２１、２３の他方２３に突き当り軸支されるスラスト軸受３５を備え、ケース９に対しスラスト軸受３５の突き当りを付勢するコイル・スプリング３７を備えた。

このため、軸１１の軸交差方向への動きに対し、スラスト軸受３５が凹部３０内でコイル・スプリング３７の付勢力を受けながら転動することができ、軸１１の倒れを抑制しつつ軸１１に平行移動を行わせることができる。

したがって、軸移動に係わらず適正な抵抗トルクを確実に発生させることができる。

抵抗トルク発生部１は、一対の対向壁２１、２３間に配置されケース９に回り止めされた固定電極３９と、一対の対向壁２１、２３間で軸１１に結合され固定電極３９に対向配置されて相対回転可能な可動電極４１と、固定電極３９及び可動電極４１間に介設されて固定電極３９及び可動電極４１間への電圧印加により固定電極３９及び可動電極４１間に抵抗トルクを発生させる機能性体４３とを備え、機能性体４３は、電気絶縁性の粘着性媒体にＥＲ粒子４５が分散されたものであって、固定電極３９に対向する伝達面に突出分布したＥＲ粒子４５を電圧印加により粘着性媒体の内部に埋没させる。

このため、簡単な構造で電圧印加に応じて固定電極３９及び可動電極４１間に抵抗トルクを発生させ、その抵抗トルクを変化させることができる。

ケース９は、軸１１に交差する方向の断面が矩形であり、固定電極３９は、ケース９に嵌合して回り止めが行われる矩形板状に形成され、可動電極４１及び機能性体４３は、固定電極３９に沿って相対移動が可能な円板状に形成された。

このため、固定電極３９の回り止めと、軸１１側の軸交差方向への移動を簡単な構造で行わせることができる。

デバイス３が取り付けられたベース５と、デバイス３の軸１１に一端が結合され他端側に握り部１３が設けられたレバー７とを備え、ベース５を上腕側に取り付けてデバイス３を肘部に配置しレバー５を前腕に沿って延設配置し握り部１３を握ってレバー７を介し軸１１を回転操作可能である。

このため、レバー７の操作によりデバイス３が抵抗トルクを発生させ、筋力トレーニングによるリハビリテーションを行わせることができる。
ベース５に、固定電極３９及び可動電極４１に結線され機能性体４３に電圧印加を行う電源１７を備えた。

このため、トレーニング装置１を装着して、どこでも手軽にリハビリテーションを行わせることができる。
［その他］
本発明の実施例では、機能性体４３を単層としたが、図１１と同様に多層に構成することもできる。

また、機能生体４３は、固定電極３９及び可動電極４１の何れか一方に取り付けられていればよく、実施例とは逆に固定電極３９側に取り付けることも可能である。

また、トレーニング装置１は、上肢の筋力トレーニング等に適用したが、膝周囲の下肢の筋力トレーニング等のように他の関節部周囲の筋力トレーニング等に広く応用することが可能である。

下肢の筋力トレーニング等に用いる場合は、ベース５を大腿部又は下腿部側に取り付けてデバイス３を膝部側方に配置し、レバー７を下腿部又は大腿部側に取り付ける。そして、屈伸運動等を行ってレバー７を介し軸１１を回転操作し、この回転操作に対して電圧印加に応じてデバイス３が軸１１に抵抗トルクを付与すればよい。

１ トレーニング装置
３ 軸可動型ＥＡＭブレーキデバイス（抵抗トルク発生装置）
５ ベース
７ レバー
９ ケース
１１ 軸
１３ 握り部
１７ 電源
１９ 抵抗トルク発生部
２１ 一方の対向壁
２３ 他方の対向壁
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ 周壁
２７ 開口
３５ スラスト軸受
３７ コイル・スプリング（付勢部材）
３９ 固定電極
４１ 可動電極
４３ 機能性体

Claims (7)

1. 一対の対向壁が側壁で結合され前記一対の対向壁の一方に軸を貫通させる円形の開口を備えたケースと、
   前記開口に遊嵌し前記ケース内からケース外へ突出し前記ケースに対し前記開口内で軸交差方向への移動が可能に支持された軸と、
   前記ケース及び軸間に設けられ前記ケース側に対し前記軸の回転に軸交差方向への移動を許容しながら抵抗トルクを付与する抵抗トルク発生部と、
   を備えたことを特徴とする抵抗トルク発生装置。
2. 請求項１記載の抵抗トルク発生装置であって、
   前記抵抗トルク発生部は、前記抵抗トルクが可変である、
   ことを特徴とする抵抗トルク発生装置。
3. 請求項１又は２記載の抵抗トルク発生装置であって、
   前記軸は、前記一対の対向壁の他方に突き当り軸支されるスラスト軸受を備え、
   前記ケースに対し前記スラスト軸受の突き当りを付勢する付勢部材を備えた、
   ことを特徴とする抵抗トルク発生装置。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の抵抗トルク発生装置であって、
   前記抵抗トルク発生部は、前記一対の対向壁間に配置され前記ケースに回り止めされた固定電極と、前記一対の対向壁間で前記軸に結合され前記固定電極に対向配置されて相対回転可能な可動電極と、前記固定電極及び可動電極間に介設されて前記固定電極及び可動電極間への電圧印加により前記固定電極及び可動電極間に抵抗トルクを発生させる機能性体と、を備え、
   前記機能性体は、電気絶縁性の粘着性媒体に電気レオロジー粒子が分散されたものであって、前記固定電極又は可動電極に対抗する伝達面の少なくとも一方に突出分布した前記電気レオロジー粒子を前記電圧印加により前記粘着性媒体の内部に埋没させる、
   ことを特徴とする抵抗トルク発生装置。
5. 請求項４記載の抵抗トルク発生装置であって、
   前記ケースは、前記軸に交差する方向の断面内周形状が矩形であり、
   前記固定電極は、前記ケースの内周に嵌合して回り止めが行われる矩形板状に形成され、
   前記可動電極及び機能性体は、前記固定電極に沿って面方向に相対移動が可能な円板状に形成された、
   ことを特徴とする抵抗トルク発生装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の抵抗トルク発生装置を用いたトレーニング装置であって、
   前記抵抗トルク発生装置が取り付けられたベースと、前記ケース外で前記軸に一端が結合され他端側に握り部が設けられたレバーとを備え、
   前記ベースを上腕側に取り付けて前記抵抗トルク発生装置を肘部に配置し前記レバーを前腕に沿って延設配置し前記握り部を握って前記レバーを介し前記軸を回転操作可能である、
   ことを特徴とするトレーニング装置。
7. 請求項６記載のトレーニング装置であって、
   前記ベースに、前記固定電極及び可動電極に結線され前記機能性体に前記電圧印加を行う電源を備えた、
   ことを特徴とするトレーニング装置。
   

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