專利名稱：腿部訓(xùn)練設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種設(shè)備，其可由膝痛的使用者使用以有效地訓(xùn)練腿部肌肉，并且優(yōu)選地用于美體鍛煉或者克服身體懶惰的目的。
背景技術(shù)：
過去，固定式腳踏機(cycling machine)(室內(nèi)鍛煉自行車)以及固定式跑步機(踏車)公知為鍛煉輔助裝置，以允許使用者主動地鍛煉腿部肌肉。另一方面，作為為使用者提供被動鍛煉而不需要使用者主動做動作的另一種鍛煉輔助裝置，提出了一種騎馬式健身器材(例如日本特開平No.11-155836)。
當(dāng)使用室內(nèi)鍛煉自行車或踏車時，有時膝部彎曲和拉伸的鍛煉會過度，或者膝關(guān)節(jié)上會作用有大于使用者自重的負(fù)載。這些對于具有膝痛的使用者而言并不合適。另一方面，當(dāng)使用傳統(tǒng)的騎馬式健身器時，由于使用者在鍛煉過程中坐在座位上，因此作用到膝關(guān)節(jié)上的負(fù)載相對較小。不過，由于其目的在于主要使身體軀干處例如后背腰部的肌肉收縮，因此并不能十分有效地使腿部肌肉收縮。
另外，通過有氧運動減少身體脂肪可以有效防止在近些年來趨于快速增加的與生活方式有關(guān)的疾病。此外，當(dāng)通過積極使肌肉收縮而提高胰島素敏感性來增強糖代謝時，也有助于防止與生活方式有關(guān)的疾病。使具有較大體積肌肉的股骨區(qū)域的肌肉收縮可有效地增加糖代謝。另一方面，由于糖尿病患者通常具有膝痛，因此他們不能進(jìn)行諸如蹲伏等鍛煉以使股骨區(qū)域的肌肉有效收縮。另外，即時他們進(jìn)行諸如走路等少量運動，也可能造成臨床惡化或者膝痛增加。因此，不能進(jìn)行這些鍛煉的人具有強烈的鍛煉愿望。
在這種情況下，就期望能開發(fā)既能有效鍛煉腿部肌肉同時減小作用于膝部的負(fù)載的設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，本發(fā)明的主要目的是提供一種腿部訓(xùn)練設(shè)備，其可使具有膝痛的使用者進(jìn)行使股骨區(qū)域的肌肉收縮的鍛煉，從而有效地防止與生活方式有關(guān)的疾病。
即，本發(fā)明的腿部訓(xùn)練設(shè)備的特征在于包括基部，其固定在適當(dāng)位置；支撐部分，其構(gòu)造成支撐使用者身體的一部分，以便使用者的至少一部分自重作用于包括股骨區(qū)域的腿部；以及連接機構(gòu)，其構(gòu)造成將所述支撐部分移動式地連接至所述基部，以便通過使用者自重作用至所述腿部的負(fù)載根據(jù)使用者腳位置和重心位置之間的相對位移而變化；并且其構(gòu)造成對所述支撐部分的移動方向進(jìn)行限制，以便至少當(dāng)作用至所述腿部的負(fù)載增加時，腳位置和重心位置之間的相對位移方向基本上被限制在膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的方向上。
根據(jù)本發(fā)明，在使用者身體的一部分由支撐部分支撐時，可以向使用者包括股骨區(qū)域的腿部肌肉施加相對較輕的負(fù)載。換句話說，由于施加至使用者的相對較輕負(fù)載增強了股骨部分的肌肉代謝(其能對于糖代謝有效)，因此可以向由于關(guān)節(jié)炎疼痛及肌肉強度惡化而導(dǎo)致鍛煉能力下降的使用者提供適當(dāng)?shù)耐炔坑?xùn)練。另外，通過持續(xù)使用該訓(xùn)練設(shè)備，有望能防止并改善與生活方式有關(guān)的疾病。此外，在本發(fā)明中，使用者腳位置和重心位置之間的相對位移方向被基本限制在膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的方向上。這意味著可以將施加負(fù)載的方向限制在連接膝部中心和第二腳趾的方向上。當(dāng)沿這樣的方向施加負(fù)載時，可以向具有膝痛例如膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的使用者安全地進(jìn)行使腿部肌肉收縮的訓(xùn)練，而不會造成臨床惡化或膝痛。由于支撐部可移動地連接至基部，因此可以采用如下任一結(jié)構(gòu)供使用者放腳的踏板；以坐姿支撐使用者的支撐裝置；或者以懸吊姿勢支撐使用者的支撐裝置。另外，優(yōu)選地，連接機構(gòu)限制支撐部分的移動方向，使使用者腳位置和臀部位置之間的距離基本保持恒定。
在上述的腿部訓(xùn)練設(shè)備中，當(dāng)支撐部分由踏板提供時，優(yōu)選地，踏板通過連接機構(gòu)連接至基部，以相對于所述基部沿水平方向及豎直方向中的至少一個方向移動。
在如上的腿部訓(xùn)練設(shè)備中，當(dāng)支撐部分由以坐姿支撐使用者的支撐裝置提供時，優(yōu)選地，該支撐裝置包括座位構(gòu)件，其構(gòu)造成支撐使用者臀部的座位構(gòu)件，且通過所述連接機構(gòu)以擺動的方式移動式地連接至所述基部。在這種情況下，當(dāng)使用者的一部分體重通過使使用者臀部騎坐于座位構(gòu)件上而得以支撐時，可以實現(xiàn)座位構(gòu)件的擺動，以便施加至使用者的包括股骨區(qū)域的腿部的負(fù)載增強肌肉收縮。此外，優(yōu)選地，使用驅(qū)動單元，其構(gòu)造成以擺動方式移動所述座位構(gòu)件。通過控制以不需要使用者主動做動作的被動方式作用至使用者腿部的負(fù)載的大小，可以增強肌肉收縮。因此，對于由于肌肉強度惡化導(dǎo)致步態(tài)紊亂，或者需要康復(fù)鍛煉的使用者而言，很容易進(jìn)行腿部訓(xùn)練。此外，由于所述驅(qū)動單元在重復(fù)同樣的鍛煉時可以具有導(dǎo)引功能，因此可以一種消遣的心態(tài)愉快地進(jìn)行所述訓(xùn)練。
在上述腿部訓(xùn)練設(shè)備中，優(yōu)選地，支撐部分具有座位構(gòu)件，其構(gòu)造成支撐使用者的臀部并且通過所述連接機構(gòu)以擺動的方式移動式地連接至所述基部；以及踏板，其上放置使用者的腳；并且所述踏板可以通過聯(lián)鎖單元與所述座位構(gòu)件的擺動同步地運動。此時，踏板的位置可以隨座位構(gòu)件的擺動而變化，從而防止膝部彎曲角度的變化。換句話說，由于可以進(jìn)行基本相當(dāng)于等長收縮的鍛煉，因此可以減小由于膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展而導(dǎo)致的膝部損傷。因此，不需要膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展就可以實現(xiàn)肌肉收縮。這樣，即使使用者具有由于膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎產(chǎn)生的膝痛，也可以安全地進(jìn)行腿部訓(xùn)練。此外，特別優(yōu)選地，該腿部訓(xùn)練設(shè)備具有第一驅(qū)動單元，其構(gòu)造成以擺動方式移動所述座位構(gòu)件；第二驅(qū)動單元，其構(gòu)造成移動所述踏板；以及控制單元，其構(gòu)造成以同步方式控制所述第一驅(qū)動單元以及所述第二驅(qū)動單元。通過適當(dāng)調(diào)整第一和第二驅(qū)動單元之間的關(guān)系，可以改變施加至使用者腿部的負(fù)載，以提供基本不改變膝關(guān)節(jié)彎曲角度的腿部訓(xùn)練。因此，通過根據(jù)使用者的需要改變作用至腿部的負(fù)載，可以有效地促進(jìn)股骨區(qū)域的肌肉收縮。
另外，優(yōu)選地，所述座位構(gòu)件具有立柱，其通過所述連接機構(gòu)連接至所述基部；鞍座，其設(shè)置于所述立柱的頂端以支撐使用者的臀部；以及結(jié)合裝置，其構(gòu)造成將所述鞍座與所述立柱結(jié)合，以提供所述鞍座相對于所述立柱的平行運動和旋轉(zhuǎn)運動中的至少其中之一。在這種情況下，由于除了座位構(gòu)件的擺動外還提供了鞍座的運動，因此使用者重心的位置變化可以更大。例如，當(dāng)立柱傾斜且鞍座移動時，由于使用者重心的位移更大，因此作用至使用者腿部的負(fù)載可以進(jìn)一步增加?？蛇x地，鞍座可以沿使作用至使用者腿部負(fù)載減小的方向移動。
為實現(xiàn)鞍座的所述旋轉(zhuǎn)運動，優(yōu)選地，所述結(jié)合裝置將所述鞍座以蹺蹺板的方式移動式地支撐在所述立柱上。為實現(xiàn)鞍座的所述平行運動，優(yōu)選地，所述結(jié)合裝置將所述鞍座滑動式地支撐在與所述立柱的軸線方向相交的平面內(nèi)。此外，特別優(yōu)選地，該腿部訓(xùn)練設(shè)備具有鞍座驅(qū)動單元，其構(gòu)造成使所述鞍座相對于所述立柱的滑動。
在使用該座位構(gòu)件的腿部訓(xùn)練設(shè)備中，優(yōu)選地，所述立柱能沿其縱向方向收縮，且該腿部訓(xùn)練設(shè)備具有立柱驅(qū)動單元，其構(gòu)造成使所述立柱伸長和縮短。在這種情況下，由于膝關(guān)節(jié)的彎曲角度隨立柱的伸長和縮短而變化，因此可以調(diào)整作用至使用者腿部的負(fù)載的大小。此外，使用者臀部的位置可以根據(jù)使用者的腿長而適當(dāng)調(diào)整。
根據(jù)本發(fā)明的腿部訓(xùn)練設(shè)備的另一優(yōu)選實施例，所述立柱能沿其縱向方向收縮，且該腿部訓(xùn)練設(shè)備具有供使用者放腳的踏板，以及控制單元，所述控制單元構(gòu)造成對以擺動方式移動所述座位構(gòu)件的第一驅(qū)動單元進(jìn)行控制，使其與至少一個下述驅(qū)動單元同步驅(qū)動所述踏板的第二驅(qū)動單元；使所述立柱伸長和縮短的第三驅(qū)動單元；以及使所述鞍座在與所述立柱軸線方向相交的平面內(nèi)滑動的第四驅(qū)動單元。在這種情況下，通過將所述第一驅(qū)動單元與所述第二至第四驅(qū)動單元中的至少一個組合，可以增大鍛煉程序設(shè)計的自由度，并且根據(jù)使用者的需求提供各種腿部訓(xùn)練。
在上述的腿部訓(xùn)練設(shè)備中，優(yōu)選地，所述聯(lián)鎖單元使所述踏板的運動與所述座位構(gòu)件的擺動同步，以便在使用者坐在所述座位構(gòu)件上并且將腳放于所述踏板上的條件下，當(dāng)使用者重心位置發(fā)生變化時，使用者膝關(guān)節(jié)的彎曲角度在小于或等于45°的范圍內(nèi)。在這種情況下，即使使用者具有例如膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的膝痛，也可以使用該腿部訓(xùn)練設(shè)備而不會造成臨床惡化或膝痛?；蛘?，優(yōu)選地，所述聯(lián)鎖單元使所述踏板的運動與所述座位構(gòu)件的擺動同步，以便當(dāng)使用者的重心位置發(fā)生變化時，使用者膝關(guān)節(jié)的彎曲角度基本保持恒定。
在上述的腿部訓(xùn)練設(shè)備中，同樣優(yōu)選地，所述聯(lián)鎖單元選擇性地提供第一鍛煉模式和第二鍛煉模式；在第一鍛煉模式中，所述踏板的運動與所述座位構(gòu)件的擺動同步，以便在使用者坐在所述座位構(gòu)件上并且將腳放于所述踏板上的條件下，當(dāng)使用者重心位置發(fā)生變化時，使用者膝關(guān)節(jié)的彎曲角度在小于或等于45°的范圍內(nèi)；在第二鍛煉模式中，所述踏板的運動與所述座位構(gòu)件的擺動同步，以便當(dāng)使用者的重心位置發(fā)生變化時，使用者膝關(guān)節(jié)的彎曲角度基本保持恒定；并且，該腿部訓(xùn)練設(shè)備具有選擇器，其構(gòu)造成選擇所述第一鍛煉模式和所述第二鍛煉模式其中之一。
另外，優(yōu)選地，該腿部訓(xùn)練設(shè)備具有測量單元，其構(gòu)造成測量關(guān)于代謝的生理測量值；評估單元，其構(gòu)造成根據(jù)所述測量單元的輸出確定所述代謝；負(fù)載施加單元，其構(gòu)造成向使用者施加負(fù)載；以及控制單元，其構(gòu)造成根據(jù)所述評估單元提供的代謝控制通過所述負(fù)載施加單元施加至使用者的負(fù)載的大小。在這種情況下，進(jìn)一步優(yōu)選地，所述評估單元利用權(quán)重因數(shù)為所述生理測量值賦予權(quán)重，從而獲得作為代謝的加權(quán)生理測量值，其中，所述權(quán)重因數(shù)是進(jìn)行所述負(fù)載施加單元提供鍛煉的肌肉的體積以及進(jìn)行所述鍛煉的紅肌的體積其中之一。
此外，優(yōu)選地，本發(fā)明的腿部訓(xùn)練設(shè)備具有負(fù)載傳感器，其設(shè)置于所述支撐部分上以檢測相對于使用者自重的、施加至所述腿部的負(fù)載；以及負(fù)載變化通知單元，其構(gòu)造成以實時的方式向使用者通知由所述負(fù)載傳感器所測負(fù)載隨時間的變化。在這種情況下，由于作用至使用者腿部的負(fù)載隨時間的變化以實時的方式顯示給使用者，因此很容易就可以檢查是否向使用者施加了適當(dāng)?shù)呢?fù)載。當(dāng)負(fù)載過量或不足時，使用者可以通過調(diào)節(jié)所述設(shè)備或者移動使用者的身體位置從而在適當(dāng)?shù)呢?fù)載下進(jìn)行鍛煉。
另外，優(yōu)選地，該腿部訓(xùn)練設(shè)備具有輸入單元，其構(gòu)造成輸入使用者的數(shù)據(jù)；計算單元，其構(gòu)造成根據(jù)從所述輸入單元輸入的數(shù)據(jù)，計算待由使用者施加至所述支撐部分的壓力的適當(dāng)范圍；壓力傳感器，其構(gòu)造成檢測由使用者實際施加至所述支撐部分的壓力；以及顯示單元，其構(gòu)造成向使用者顯示由所述計算單元提供的所述適當(dāng)范圍、以及由所述壓力傳感器所測的實際壓力值。根據(jù)本發(fā)明，由于所述顯示單元提供根據(jù)使用者特有的數(shù)據(jù)例如體重、年齡、性別、有無疾病、疾病名稱及臨床記錄等確定的適當(dāng)負(fù)載范圍，因此使用者在進(jìn)行腿部訓(xùn)練的同時可以理解最適于各使用者的負(fù)載范圍。
此外，優(yōu)選地，該腿部訓(xùn)練設(shè)備具有輸入單元，其構(gòu)造成輸入使用者的數(shù)據(jù)；計算單元，其構(gòu)造成根據(jù)從所述輸入單元輸入的數(shù)據(jù)，計算待由使用者施加至所述支撐部分的壓力的適當(dāng)范圍；壓力傳感器，其構(gòu)造成檢測由使用者實際施加至所述支撐部分的壓力；以及控制單元，其構(gòu)造成以反饋的方式控制所述連接機構(gòu)，使由所述壓力傳感器所測的壓力值保持在所述適當(dāng)范圍。根據(jù)本發(fā)明，由于通過例如體重、年齡、性別、有無疾病、疾病名稱及臨床記錄等參數(shù)確定了目標(biāo)范圍，因此可以施加適于使用者的負(fù)載。特別地，當(dāng)使用者的體重被用作待輸入?yún)?shù)時，所述目標(biāo)范圍可以根據(jù)作用至腿部(主要是股骨區(qū)域)的負(fù)載與使用者體重的比而確定(其由所述壓力傳感器所測壓力值計算)，因此可以不用考慮使用者體重的差異而獲得適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)范圍。此外，通過所述反饋控制可以改進(jìn)該腿部訓(xùn)練設(shè)備的安全性。
在該腿部訓(xùn)練設(shè)備中，優(yōu)選地，所述支撐裝置具有身體保持單元，其構(gòu)造成以懸吊姿勢保持使用者身體，并且通過所述連接機構(gòu)以擺動的方式移動式地連接至所述基部；以及供使用者放腳的踏板；其中，所述腿部訓(xùn)練設(shè)備還具有聯(lián)鎖單元，其構(gòu)造成使所述踏板的運動與所述身體保持單元的擺動同步。特別地，所述身體保持單元優(yōu)選設(shè)置有腰部保持構(gòu)件，其構(gòu)造成保持使用者的腰；以及用于使用者的懸吊構(gòu)件，其構(gòu)造成能沿其軸線方向收縮。當(dāng)需要在使用者臀部不接觸座位構(gòu)件的情況下進(jìn)行腿部訓(xùn)練時這個是有用的。
此外，優(yōu)選地，所述腿部訓(xùn)練設(shè)備具有驅(qū)動單元，其構(gòu)造成以擺動的方式移動所述身體保持單元。特別地，所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備優(yōu)選具有第一驅(qū)動單元，其構(gòu)造成以擺動的方式移動所述身體保持單元；第二驅(qū)動單元，其構(gòu)造成移動所述踏板；以及控制單元，其構(gòu)造成以同步的方式控制所述第一驅(qū)動單元以及所述第二驅(qū)動單元。
從下述實施本發(fā)明的最佳模式，本發(fā)明的其他特征以及由其產(chǎn)生的優(yōu)點將更加顯而易見。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備的示意圖；圖2A至圖2C為該腿部訓(xùn)練設(shè)備工作情形的解釋性視圖；圖3A和圖3B為具有移動式踏板的腿部訓(xùn)練設(shè)備的工作情形的解釋性視圖；圖4A和圖4B為具有固定式踏板的腿部訓(xùn)練設(shè)備的工作情形的解釋性視圖；圖5A和圖5B為座位構(gòu)件傾斜時鞍座的工作情形的解釋性視圖；圖6為座位構(gòu)件傾斜時鞍座的另一工作情形的解釋性視圖；圖7A和圖7B為解釋性視圖，示出了用于該實施例的鞍座的結(jié)合裝置的一個例子；圖8A和圖8B為解釋性視圖，示出了用于鞍座的結(jié)合裝置的另一個例子；圖9為立體圖，示出了用于鞍座的結(jié)合裝置的又一個例子；圖10為肌肉代謝的測量結(jié)果的圖表；圖11為糖代謝的測量結(jié)果的圖表；圖12為膝痛的感官評估結(jié)果的圖表；圖13為鍛煉條件和積分EMG之間關(guān)系的圖表；圖14為表示作用到踏板上的自重比與座位構(gòu)件擺動的往返次數(shù)之間關(guān)系的圖表；圖15為表示鍛煉狀態(tài)和作用至踏板上的自重比之間關(guān)系的圖表；圖16A和圖16B為解釋性視圖，示出了根據(jù)該實施例的一種修改的用于座位構(gòu)件的連接機構(gòu)；圖17為該腿部訓(xùn)練設(shè)備的控制單元的方框圖；圖18為表示相對負(fù)載和肌肉代謝之間關(guān)系的圖表；圖19為根據(jù)該實施例的一種修改的腿部訓(xùn)練設(shè)備的示意圖；圖20為用于選取較大代謝運動方式的運動確定裝置；圖21為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備的示意圖；圖22為該腿部訓(xùn)練設(shè)備的連接機構(gòu)的立體圖；圖23A和圖23B為該腿部訓(xùn)練設(shè)備的工作情形的解釋性視圖；圖24A為根據(jù)本發(fā)明第三實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備的踏板和座位構(gòu)件的互鎖單元的示意圖；圖24B為該踏板結(jié)構(gòu)的立體圖；圖25為該腿部訓(xùn)練設(shè)備的踏板的第一修改例的示意圖；圖26為該腿部訓(xùn)練設(shè)備的踏板的第二修改例的示意圖；圖27為該腿部訓(xùn)練設(shè)備的踏板的第三修改例的示意圖；
圖28為該腿部訓(xùn)練設(shè)備的踏板的第四修改例的示意圖；圖29為該腿部訓(xùn)練設(shè)備的踏板的第五修改例的示意圖；圖30A和圖30B為根據(jù)本發(fā)明第四實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備的工作情形的解釋性視圖；圖31為根據(jù)該實施例的一個修改例的腿部訓(xùn)練設(shè)備的示意圖；圖32為根據(jù)本發(fā)明第五實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備的示意性立體圖；圖33A為該腿部訓(xùn)練設(shè)備的連接機構(gòu)的工作情形的解釋性視圖，圖33B為示出了踏板位置以及由該連接機構(gòu)提供的移動路徑的視圖；圖34A和圖34B為根據(jù)本發(fā)明第六實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備的示意性側(cè)視圖和俯視圖；圖35A至圖35C為該腿部訓(xùn)練設(shè)備的驅(qū)動單元的示意性側(cè)視圖、俯視圖以及主視圖；圖36A和圖36B為解釋性視圖，其示出了用于不同身高使用者的座位位置調(diào)節(jié)器的工作情形；以及圖37為該腿部訓(xùn)練設(shè)備的踏板的一種修改例的示意圖。
具體實施例方式
下面根據(jù)優(yōu)選實施例對本發(fā)明的腿部訓(xùn)練設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)說明。
<第一實施例>
如圖1所示，該實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備具有安裝在地面上的基部1、用于支撐使用者臀部的座位構(gòu)件2、以及一對供使用者擱腳的踏板3。座位構(gòu)件2和踏板3通過連接機構(gòu)4、5安裝到基部1上。馬達(dá)6、7分別作為驅(qū)動單元與連接機構(gòu)4、5連接，并且由控制器10進(jìn)行控制。馬達(dá)7被設(shè)置為用于每個踏板3。
座位構(gòu)件2設(shè)有立柱21，立柱21的頂端設(shè)置有鞍座以支撐使用者的臀部；結(jié)合部23，用于將鞍座與立柱結(jié)合以實現(xiàn)鞍座相對于立柱的平行運動和旋轉(zhuǎn)運動。鞍座被構(gòu)造成三角形，且俯視時其前端部(坐在鞍座22上的使用者的前側(cè))的寬度窄于后端部。鞍座22也可以構(gòu)造成其他形狀，例如座椅式或馬背式等。立柱21的底端與連接機構(gòu)4連接。
在該實施例中，連接機構(gòu)4具有沿前后方向及左右方向延伸的轉(zhuǎn)軸。舉例來說，立柱21可沿前后方向圍繞沿左右方向延伸的轉(zhuǎn)軸做樞轉(zhuǎn)運動，并且包括所述沿左右方向延伸轉(zhuǎn)軸的接頭可沿左右方向圍繞沿前后方向的轉(zhuǎn)軸做樞轉(zhuǎn)運動。因此，根據(jù)該連接機構(gòu)4，立柱21的底端用作杠桿支點，立柱21可以擺動的方式前后移動及轉(zhuǎn)動。在該實施例中，連接機構(gòu)4通過兩個馬達(dá)6而提供立柱21沿任選方向的擺動。
立柱21以一種嵌套結(jié)構(gòu)而可伸縮地形成，其具有底端部和頂端部。附圖標(biāo)記8表示馬達(dá)，其作為驅(qū)動單元設(shè)置在立柱21的縱向中部處。該馬達(dá)8的轉(zhuǎn)動使立柱21伸長和縮短。此外，附圖標(biāo)記9表示馬達(dá)，其作為驅(qū)動單元設(shè)置在立柱21和鞍座22之間的接頭部23處。該馬達(dá)9可使鞍座22相對于立柱21沿前后方向做擺動。
用于踏板3的連接機構(gòu)5具有設(shè)置在基部1上的伸縮裝置(pantograph)51，踏板3安裝在該伸縮裝置51上。作為驅(qū)動單元設(shè)置在連接機構(gòu)5內(nèi)的馬達(dá)7可使踏板3通過伸縮裝置51的伸展和收縮而進(jìn)行上下運動。
簡要地說，座位構(gòu)件2通過馬達(dá)6可以擺動方式來回運動及轉(zhuǎn)動。通過馬達(dá)7可以實現(xiàn)踏板3的上下運動。通過馬達(dá)8可以實現(xiàn)立柱21的伸展和收縮。馬達(dá)9可使鞍座23相對于立柱21沿前后方向做角度調(diào)整。通過分別使用兩個用于座位構(gòu)件2的馬達(dá)6、以及兩個用于踏板3的馬達(dá)7，對全部的六個馬達(dá)6至9進(jìn)行控制可以獲得上述運動的組合。如前所述，馬達(dá)6至9中的每一個均由使用微型計算機作為主要組件的控制器10進(jìn)行控制。在控制器10中，安裝有多組用于馬達(dá)6至9中每一個馬達(dá)的轉(zhuǎn)角的時序數(shù)據(jù)，以獲得適當(dāng)?shù)腻憻捸?fù)載。因此，通過選擇適當(dāng)?shù)臅r序數(shù)據(jù)組可以獲得期望的操作。
根據(jù)提供給使用者的腿部訓(xùn)練類型，選擇性地驅(qū)動馬達(dá)6至9。基本上，馬達(dá)6始終被驅(qū)動以提供座位構(gòu)件2的擺動。當(dāng)不使用其他馬達(dá)7～9時，僅提供座位構(gòu)件2的擺動。下文將要述及，優(yōu)選地，以與移動座位構(gòu)件2的馬達(dá)6同步的方式，驅(qū)動用于移動踏板3的馬達(dá)7以及用于移動鞍座22的馬達(dá)9中至少一個。
下面將對使用上述腿部訓(xùn)練設(shè)備的方法進(jìn)行說明。首先，使用者坐在鞍座22上，并將腳放在踏板3上。踏板3和鞍座22之間的位置關(guān)系可以根據(jù)使用者的腿長，通過調(diào)整踏板3的高度及立柱21的長度中的至少一個而改變。
當(dāng)通過坐在鞍座22上的使用者提供座位構(gòu)件2的擺動時，使用者的重心位置相對于使用者腳的位置發(fā)生移位。坐在座位構(gòu)件2上的使用者的重心位于使用者臀部略靠前的位置。當(dāng)座位構(gòu)件2從直立位置向前傾斜時，使用者的重心位置向前移位，從而作用至使用者腿部包括股骨區(qū)域的負(fù)載相對于使用者自重的比增大。此外，當(dāng)座位構(gòu)件2沿使用者的左右方向傾斜時，由使用者自重產(chǎn)生的負(fù)載主要作用至座位構(gòu)件2傾斜側(cè)的這條腿上。因此，由于鞍座22承受使用者的一部分自重，并且作用至腿上(尤其是肌肉體積相對較大的股骨區(qū)域)的負(fù)載由于座位構(gòu)件2的擺動而改變，因此可以有效地實現(xiàn)肌肉代謝。
在該實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備中，如上所述，腿部訓(xùn)練是在使用者坐于鞍座22上并且將腳放于踏板3上的這樣一種狀態(tài)中進(jìn)行的?；蛘撸褂谜咭部梢圆蛔诎白?2上而僅將一只腳放于對應(yīng)的踏板3上，以這樣一種狀態(tài)進(jìn)行腿部訓(xùn)練。
另外，當(dāng)使用者具有膝痛時，驅(qū)動馬達(dá)6以將座位構(gòu)件2的擺動方向(即沿著使用者重心位置和踏板3上腳的位置之間相對位移的方向)限制在膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的方向上。在這種情況下，使用者重心的移位方向與使用者膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展方向平行。圖2C是從處于坐姿的使用者的上方得到的視圖，該圖所示的各個箭頭對應(yīng)于膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展方向。例如，當(dāng)控制器10內(nèi)安裝馬達(dá)6的時序數(shù)據(jù)以使座位構(gòu)件2沿膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展的方向進(jìn)行擺動時，連接機構(gòu)4限制座位構(gòu)件2的擺動方向。當(dāng)驅(qū)動馬達(dá)6時，優(yōu)選地，對座位構(gòu)件2的可移動范圍進(jìn)行限制，使得膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展范圍位于從伸展位置到45°的范圍。這樣，由于膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的角度方向受到限制而不會使膝關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)，并且該膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展(角度)范圍也受到限制，因此具有膝痛例如膝關(guān)節(jié)炎的使用者可以安全地進(jìn)行腿部訓(xùn)練而不會使臨床惡化或膝痛。
如上所述，當(dāng)將座位構(gòu)件2的擺動方向限制在膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展方向上時，優(yōu)選地，除了控制座位構(gòu)件2的擺動方向之外，還要正確確定踏板3上的腳位置和腳趾方向，或者通過傳感器檢測腳位置和腳趾方向。在該實施例中，踏板3上設(shè)置有易于確定腳位置和腳趾方向的標(biāo)記(未圖示)。此外，踏板還優(yōu)選有定趾(toe clip)部分例如拖鞋或涼鞋的頂端部，以容置腳趾。
此外，當(dāng)通過僅在一條腿上施加負(fù)載來進(jìn)行腿部訓(xùn)練時，這一條腿放在踏板3上，座位構(gòu)件2通過連接機構(gòu)4分別在包括用于支撐使用者臀部的部分以及使用者每條腿的第二腳趾的兩個平面內(nèi)進(jìn)行擺動。例如，如圖2A所示，當(dāng)座位構(gòu)件2相對于基部1呈直立姿勢時，由于使用者的自重，作用至座位構(gòu)件2上的負(fù)載比作用至踏板3的大。另一方面，如圖2B所示，當(dāng)座位構(gòu)件2相對于基部1呈傾斜姿勢時，與圖2A的情形相比，由使用者自重而作用至踏板3的負(fù)載變大。即，圖2B情形中由于使用者自重而作用至股骨區(qū)域的負(fù)載要比圖2A的情形大。在圖2B中，使用者仍有一部分的自重作用至座位構(gòu)件2，但與通過借助使用者的全部自重進(jìn)行蹲伏鍛煉的情況相比，這是輕量運動。因此，通過調(diào)整作用至膝關(guān)節(jié)的負(fù)載，該腿部訓(xùn)練設(shè)備可用于具有膝痛的使用者。另外，由于膝關(guān)節(jié)可以無扭矩的彎曲和伸展，因此可以防止臨床惡化或膝痛。
在本實施例中，由于腿部訓(xùn)練設(shè)備具有用于兩腿的一對踏板3，因此，座位構(gòu)件2的擺動方向可以針對每條腿進(jìn)行限制，使腳位置和重心位置之間的相對位移方向與膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展方向一致。即，如圖2C所示，在使用者的腿由其平行位置略微打開的這樣一種狀態(tài)下，使用者將腳放在踏板3上。此外，座位構(gòu)件2在前后方向不能擺動。即，在座位構(gòu)件2相對于基部1呈直立姿勢的位置、以及座位構(gòu)件2沿前左或前右的方向傾斜的位置之間進(jìn)行擺動。通過座位構(gòu)件2的這種運動，負(fù)載可以如下方式交替地作用到各腿上，即當(dāng)一條腿接受訓(xùn)練時，另一條腿處于休息狀態(tài)。
當(dāng)使用者將腳平行放在踏板3上，并且踏板3的運動被鎖定成將負(fù)載均勻作用至兩腿的情況下，座位構(gòu)件2沿前后(彎曲和伸展)方向進(jìn)行擺動時，具有設(shè)備簡化的優(yōu)點。不過，作用至各腿的負(fù)載最大為使用者自重的50％。因此，當(dāng)需要進(jìn)一步增大作用至使用者腿部的負(fù)載時，優(yōu)選使用上述的腿部訓(xùn)練設(shè)備。此外，當(dāng)向使用者處于平行姿勢的兩腿施加負(fù)載時，要顧慮由于左右腿的肌肉力量差異或者左右膝關(guān)節(jié)的膝痛程度的差異而導(dǎo)致作用至一條腿的負(fù)載大于作用至另外一條腿的負(fù)載。根據(jù)本實施例，可以交替地為各條腿提供適當(dāng)負(fù)載。
如上所述，踏板3可沿上下方向相對于基部1進(jìn)行移動，并且踏板3的運動可以控制成與座位構(gòu)件2的擺動同步。即，圖3A示出了當(dāng)座位構(gòu)件2呈基本直立姿勢時踏板3的位置，圖3B示出了當(dāng)座位構(gòu)件2呈傾斜姿勢時踏板3的位置。由這些圖可以理解，踏板3在座位構(gòu)件2呈傾斜姿勢時的位置要低于座位構(gòu)件2呈直立姿勢時的位置。這可以通過控制用于傾斜座位構(gòu)件2的馬達(dá)6，使其與沿上下方向移動踏板3的馬達(dá)7同步來實現(xiàn)。
因此，當(dāng)踏板隨座位構(gòu)件2的傾斜角度增大而向下移動時，作用至使用者腿部的負(fù)載可以通過使用者自重而發(fā)生變化，基本不需要改變膝關(guān)節(jié)的彎曲角度。即，腿部肌肉可以等長收縮的方式進(jìn)行收縮，從而通過作用于使用者膝部的較小負(fù)載實現(xiàn)肌肉收縮。另外，由于座位構(gòu)件2和踏板3由馬達(dá)6、7驅(qū)動，因此使用者通過簡單地跟隨座位構(gòu)件2和踏板3的運動就可以有效地進(jìn)行腿部訓(xùn)練而不需要主動移動身體。
此外，當(dāng)座位構(gòu)件2從基本直立的姿勢向左右踏板3中的一個傾斜時，優(yōu)選地，僅移動位于座位構(gòu)件2向下方擺動(傾斜)一側(cè)的踏板3。在這種情況下，可以將負(fù)載有效地作用至所期望的一條腿。此時，位于另一側(cè)的踏板3可沿向上的方向略微移動。在這種情況下，通過座位構(gòu)件2較小的傾斜就可以有效地將較大的負(fù)載作用至使用者的腿部。可以僅對左右腿中的一條腿重復(fù)座位構(gòu)件2的擺動?？蛇x地，可以左右腿交替進(jìn)行。
另外，作為一種修改例，優(yōu)選地，將踏板3固定，以同步的方式對馬達(dá)6、8進(jìn)行控制，使座位構(gòu)件2的傾斜角度與立柱21的伸展和收縮相互聯(lián)鎖。即，圖4A示出了當(dāng)座位構(gòu)件2呈直立姿勢時立柱21的長度L1，圖4B示出了當(dāng)座位構(gòu)件2呈傾斜姿勢時立柱21的長度L2。在座位構(gòu)件2處于傾斜姿勢時立柱21的長度變大(L1＜L2)。在這種情況下，基本不需要改變膝關(guān)節(jié)的彎曲角度θ就可以改變由使用者自重作用至腿部的負(fù)載。
下面是有關(guān)踏板不動時座位構(gòu)件2的優(yōu)選移動路徑的進(jìn)一步解釋。在圖4A和圖4B中，立柱長度伸長使得膝部角度不變化。腳和臀部之間的距離，具體為髖關(guān)節(jié)到踝關(guān)節(jié)(腳踝)的距離由半徑“R”表示。對座位構(gòu)件2的傾斜角度進(jìn)行控制，使臀部沿著以踝關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動中心的圓形路徑軌跡(在圖中，角度范圍由“α”表示)運動。當(dāng)角度范圍“α”較小時，所述圓形路徑可近似為直線路徑，因為其間的誤差可以忽略不計。
在該實施例中，由于鞍座22相對于立柱21的傾斜角度通過馬達(dá)9而沿前后方向變化，因此座位構(gòu)件2的傾斜角度和鞍座22的傾斜角度可以相互聯(lián)鎖的方式進(jìn)行控制。即，如圖5A所示，當(dāng)座位構(gòu)件2相對于基部1呈基本直立的姿勢時，與立柱21的軸線方向正交的平面基本平行于鞍座22的就座表面。另一方面，當(dāng)座位構(gòu)件2傾斜時，鞍座22結(jié)合部23處產(chǎn)生蹺蹺板運動使鞍座22的前端向下運動。此時，與立柱21的軸線方向正交的平面與鞍座22的就座表面相交。鞍座22的傾斜角度隨座位構(gòu)件2的傾斜角度的增加而增加。簡要地說，通過座位構(gòu)件2和鞍座22的傾斜角度可以進(jìn)一步增大作用至腿部的負(fù)載。相反，當(dāng)鞍座22隨著座位構(gòu)件2的傾角的增大沿與上述相反的方向傾斜時，作用至腿部的負(fù)載隨著座位構(gòu)件2的傾斜的增大而減小。
如上所述，當(dāng)以同步的方式對馬達(dá)6至9中的至少兩個馬達(dá)進(jìn)行控制時，可以獲得這樣的運動，即膝關(guān)節(jié)的彎曲角度保持恒定，并可以改變作用至腿部的負(fù)載相對于使用者自重的比率，或者隨時間調(diào)整負(fù)載施加方式的變化。這些可以任意組合，并且可以根據(jù)使用者的運動能力以及身體狀況而由控制器10進(jìn)行控制以確定適當(dāng)?shù)倪\動。
在上述的說明中，踏板3可相對于基部1沿上下方向(豎直方向)運動。可選地，踏板可以相對于基部1沿水平(平行)方向移動。例如，當(dāng)進(jìn)行控制使踏板3和座位構(gòu)件2的底端之間的水平距離隨座位構(gòu)件2的傾斜角度的增大而減小時，不需要改變膝關(guān)節(jié)的彎曲角度就可以改變作用至腿部的負(fù)載。另外，當(dāng)踏板相對于基部1沿豎直方向和水平方向均可以移動時，座位構(gòu)件2的傾斜角度可與踏板3的運動相互關(guān)聯(lián)。
踏板的結(jié)構(gòu)并不受限制。例如，優(yōu)選在踏板下方設(shè)置單個彈簧件，并且該彈簧件的彈簧常數(shù)要使得根據(jù)負(fù)載產(chǎn)生期望的下降量?？蛇x地，下降量可以通過使用多個具有不同彈簧常數(shù)的彈簧構(gòu)件根據(jù)負(fù)載進(jìn)行調(diào)整(例如，使用具有非線性彈簧常數(shù)的兩段式彈簧)。另外，下降量可以根據(jù)使用者的體重或目標(biāo)負(fù)載，通過選擇性地改變具有相同彈簧常數(shù)的多個彈簧的數(shù)量來進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。此外，可以根據(jù)使用者的體重或者負(fù)載的即時值，通過控制設(shè)置于踏板下方的氣動汽缸的活塞的空氣量對踏板的下降量進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，可以根據(jù)作用至踏板的負(fù)載，通過置于踏板下方的氣袋或氣管的膨脹及收縮控制踏板的位置。
在上述情形中，鞍座22相對于立柱21頂端的傾斜角度可沿前后方向改變?？蛇x地，如圖6所示，鞍座22可沿與立柱21的軸線方向相交的平面內(nèi)的一個方向(前后)滑動。在這種情況中，由馬達(dá)9驅(qū)使鞍座22相對于立柱21滑動。隨著座位構(gòu)件2的傾斜角度的增加，鞍座22沿向前的方向(在圖中，虛線示出了呈直立姿勢的座位構(gòu)件2上的鞍座22的位置)滑動，從而使用者的臀部向前運動。這可使使用者采用基本站立的姿勢，因而增大作用至使用者腿部的負(fù)載。
在上述情形中，通過馬達(dá)6至9對以下四個因素進(jìn)行控制，即座位構(gòu)件2相對于基部1的傾斜角度、踏板3相對于基部1的位置、座位構(gòu)件2的伸展和收縮長度、以及鞍座22相對于立柱21的位置?？蛇x地，座位構(gòu)件2的傾斜角度的變化與鞍座22相對于立柱21的位置變化相互聯(lián)鎖。在這種情況中，用于驅(qū)動鞍座22的馬達(dá)9可以略去。
舉例來說，如圖7A和圖7B所示，在鞍座22的前端和基部1之間連接由拉伸性能差的剛性材料制成的線(wire)24，以改變鞍座22相對于立柱21的傾斜角度。鞍座22可相對于立柱21沿前后方向傾斜。此外，對鞍座22施加彈性偏壓使鞍座22的就座表面返回到與立柱21的軸線方向基本正交的位置。圖7A示出了座位構(gòu)件2相對于基部1的直立姿勢，圖7B示出了座位構(gòu)件2相對于基部1的傾斜姿勢。此時，如圖7B所示，由于鞍座22的前端受線24限制，因此其對抗彈性偏壓而向前傾斜。如圖7A所示，當(dāng)座位構(gòu)件2為直立姿勢時，鞍座22返回到初始位置，在該位置鞍座22的就座表面與立柱21的軸線方向基本正交。當(dāng)使用長度恒定的桿來代替線24時，就不需要在立柱21的頂端向鞍座22施加彈性偏壓。
另外，當(dāng)鞍座22被支撐為可以相對于立柱21滑動時，優(yōu)選鞍座22前端的重量大于其后端的重量。例如，當(dāng)座位構(gòu)件2從圖8A所示的直立姿勢移動到圖8B所示的傾斜姿勢時，通過配重25實現(xiàn)鞍座22向前的運動。
此外，如圖9所示，立柱21可以通過球窩接頭連接至鞍座22。這時，鞍座22可相對于立柱21沿任意方向傾斜。因此，當(dāng)座位構(gòu)件2處于直立姿勢時，立柱21承受施加到鞍座22上的大部分負(fù)載。另一方面，當(dāng)座位構(gòu)件2傾斜時，使用者的腿部部分承受自重，從而腿部肌肉收縮。即，與鞍座22固定到立柱21上的情形相比，在座位構(gòu)件2處于傾斜姿勢時可以進(jìn)一步增大作用至使用者腿部的負(fù)載。
另外，該腿部訓(xùn)練設(shè)備的主要目的是增加使用者的糖代謝并改善與生活方式有關(guān)的疾病。即，當(dāng)作為肌肉能量源的葡萄糖被肌肉吸收，然后進(jìn)行代謝時，消耗過剩的葡萄糖，從而改善高血糖，并且提升血漿內(nèi)的胰島素水平，從而促進(jìn)改善與生活方式有關(guān)的疾病(糖尿病、肥胖癥、高血脂等等)。伴隨葡萄糖被肌肉吸收的行為是胰島素行為以及肌肉收縮行為，后兩者彼此相關(guān)。當(dāng)肌肉中吸收的葡萄糖量通過肌肉收縮得以增加時，可以促進(jìn)糖代謝。通常，與健康者相比，糖尿病人的糖代謝較差，并且肌肉吸收的葡萄糖量較少。因此，通過主動使肌肉收縮加速糖代謝，可以消耗過剩的葡萄糖。從而，有助于改善糖尿病。
為了通過收縮肌肉有效地實現(xiàn)糖代謝，優(yōu)選使體積較大的肌肉(尤其是有助于有氧運動的紅肌(慢肌))進(jìn)行收縮。從此觀點出發(fā)，優(yōu)選使使用者股骨區(qū)域或背部的肌肉收縮。在傳統(tǒng)的騎馬式設(shè)備中，在股骨區(qū)域的收肌附近實現(xiàn)糖代謝的增加。不過，由于收肌的體積僅為股骨區(qū)域的伸肌體積的一半，因此與使伸肌的肌肉收縮的情形相比，其增強糖代謝的效果相對較小。另外，雖然在騎馬式鍛煉過程中使用者很少將其腳放至鐙形部內(nèi)，但是使用者腿部通常保持在不與地面接觸的懸浮狀態(tài)。因此，通過將馬背式座位置于使用者腿的股骨區(qū)域之間使肌肉收縮，使用者進(jìn)行訓(xùn)練。因此，考慮到作用到股骨區(qū)域的負(fù)載大小，這是一種辛苦的鍛煉。
如上所述，優(yōu)選地，在使用者生理可接受的范圍內(nèi)增加代謝。不過，由于作用至具有膝痛(膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展使然)的使用者的負(fù)載有限，因此需要對腿部訓(xùn)練設(shè)備進(jìn)行操作以避免發(fā)生膝痛。本實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備的特點在于向座位構(gòu)件2(使用者的臀部位于其上)提供擺動(傾斜運動)，從而將使用者的至少一部分自重作為負(fù)載作用至使用者腿部。在這種情況下，負(fù)載的瞬時值取決于傾斜角度。另外，肌肉代謝或糖代謝與負(fù)載的累計量(下文稱為負(fù)載量)之間相關(guān)。因此，單位時間的負(fù)載量取決于座位構(gòu)件2的擺動(傾斜)速度。另外，當(dāng)使用者自重作用至腿部時，由于膝關(guān)節(jié)從伸展位置彎曲較大的角度很容易發(fā)生膝痛。因此，還需要考慮膝關(guān)節(jié)的角度。在下面的說明中，膝關(guān)節(jié)相對于伸展位置的角度定義為“膝部角度”。該膝部角度可以通過180°減去膝關(guān)節(jié)的彎曲角度θ來計算。即，彎曲角度和膝部角度之和等于180°。
在該實施例中，進(jìn)行關(guān)于肌肉代謝(或糖代謝)的下面四個測量。此外，還進(jìn)行關(guān)于膝痛的下面五個測量。根據(jù)測量的評估結(jié)果確定腿部訓(xùn)練設(shè)備的工作條件。座位構(gòu)件2以往返方式，在座位構(gòu)件2相對于基部1基本呈直立姿勢的位置、與座位構(gòu)件相對于基部呈傾斜姿勢的位置之間移動。下文所述的往返次數(shù)(單位Hz)定義為每秒鐘往返運動重復(fù)次數(shù)，其中，座位構(gòu)件從直立姿勢向傾斜姿勢的運動、以及從傾斜姿勢向直立姿勢的返回運動為一次往返運動。因此，隨著往返次數(shù)增加，座位構(gòu)件2的運動速度變快。“自重比”定義為作用至踏板3的負(fù)載相對于使用者自重(體重)的比的百分值。由于作用至踏板3的負(fù)載隨時間變化，因此在座位構(gòu)件2的往返運動過程中所施加負(fù)載的峰值被用作代表值。另外，由于該代表值在每一往返運動中波動，因此采用1分鐘內(nèi)所獲取的代表值的平均值。
表1中示出了用于評估肌肉代謝或者糖代謝的測量條件，表2中示出了用于評估膝痛的測量條件。在表1中，進(jìn)行測量1至3以評估肌肉代謝，進(jìn)行測量4以評估糖代謝。肌肉代謝通過近紅外分光技術(shù)進(jìn)行測量，糖代謝通過葡萄糖鉗制測試(glucose clamp test)進(jìn)行測量。為了評估肌肉代謝和糖代謝，與使用能為馬背式座位上的使用者提供騎馬運動的腿部訓(xùn)練設(shè)備(下文稱作傳統(tǒng)設(shè)備)比較結(jié)果。
表1

表2


在表1所示的用于評估肌肉代謝的測量1中，負(fù)載僅作用至一條腿。在這種情況中，肌肉代謝關(guān)于往返次數(shù)和膝部角度沒有顯著差異。不過，肌肉代謝關(guān)于自重比差異顯著。測量1中的最大肌肉代謝值達(dá)到了使用傳統(tǒng)設(shè)備時的1.5倍。另外，在測量2中是使用傳統(tǒng)設(shè)備時的1.2倍。
圖10中示出了測量3中測得的肌肉代謝結(jié)果。在圖10中，(a)示出了往返次數(shù)為1Hz、膝部角度為40°，自重比為40％時的情形；(b)示出了往返次數(shù)為1.43Hz、膝部角度為40°，自重比為40％時的情形；(c)示出了往返次數(shù)為1.43Hz、膝部角度為40°，自重比為60％時的情形；(d)示出了往返次數(shù)為2Hz、膝部角度為40°，自重比為60％時的情形。從圖10中顯而易見，情形(d)中的負(fù)載為使用傳統(tǒng)設(shè)備時的3.1倍。即，當(dāng)測量1中往返次數(shù)不大于1Hz時，肌肉代謝關(guān)于往返次數(shù)沒有顯著差異。不過，當(dāng)往返次數(shù)超過1Hz時，肌肉代謝出現(xiàn)明顯差異。
在測量4中，當(dāng)座位構(gòu)件2的擺動開始于脛骨相對于基部1直立的位置時，所得糖代謝為使用傳統(tǒng)設(shè)備時的1.35倍。在圖11中，(a)示出了使用傳統(tǒng)設(shè)備時在休息和鍛煉期間測得的糖代謝，而(b)示出了使用本發(fā)明腿部訓(xùn)練設(shè)備時在休息和鍛煉期間測得的糖代謝。從這些結(jié)果中顯而易見，當(dāng)使用傳統(tǒng)設(shè)備時，在鍛煉期間測得的糖代謝為休息期間所測糖代謝的1.6倍。另一方面，當(dāng)使用本發(fā)明的設(shè)備時，在鍛煉期間所測的糖代謝為休息期間測得的糖代謝的2.1倍。這意味著糖代謝效率增加了1.35倍。因此，從肌肉代謝和糖代謝的角度出發(fā)，優(yōu)選往返次數(shù)為2Hz，膝部角度為40°，以及自重比為60％。
接下來，通過根據(jù)疼痛程度的疼痛表情等級，進(jìn)行表2所示的用于評估膝痛的測量。該疼痛表情等級設(shè)置成從笑臉到哭臉有20種不同的表情，每個表情具有預(yù)定的分值。當(dāng)沒有疼痛時，選擇具有最高分值(20分)的笑臉。另一方面，隨著疼痛的增加，選擇愈接近哭臉的表情(即分?jǐn)?shù)愈低于20分)。
當(dāng)在測量5的條件下進(jìn)行評估時，膝痛可以忽略不計，膝痛關(guān)于膝部角度沒有顯著差異。另外，關(guān)于座位2開始擺動時脛骨的位置，其在相對于基部呈直立方向的位置與其向下前方傾斜的位置之間并沒有顯著差異。根據(jù)往返次數(shù)以及自重比，膝痛程度會有些許變化。在使用本發(fā)明的腿部訓(xùn)練設(shè)備的情形(a)、在平面上行走的情形(b)以及向下移步的情形(c)的每一種情形中，通過疼痛表情等級評估膝痛程度。結(jié)果示于圖12。情形(a)中的膝痛要顯著小于情形(c)。另外，即使與情形(b)相比，可以理解情形(a)的膝痛要小。在圖12中，各柱狀圖頂部的突起表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。
進(jìn)行測量6用以調(diào)查在持續(xù)使用本實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備15分鐘之后是否發(fā)生膝痛。在這種情況中，脛骨的直立姿勢作為開始位置。在測量6的條件下，在訓(xùn)練中及訓(xùn)練后沒有膝痛發(fā)生。
在測量7中，在表3所示的條件下對股直肌A、股外側(cè)肌B、股內(nèi)側(cè)肌C、收肌D、腓腸肌E、脛前肌F、股二頭肌G的肌電電位進(jìn)行測量。從測量結(jié)果中可以確定各肌肉的EMG(積分肌電電位(integrated myoelectricpotential))的平均值。圖13示出了所得平均值的曲線。在表3中，列“腳跟”中的“高”表示腳底傾斜成腳跟高于腳趾。此時，踏板3的傾斜角度為10°。
表3


在圖13中，當(dāng)將腳跟高于腳趾(鍛煉條件2、4、6、8、10、12)的情形與腳趾和腳跟基本位于相同高度的情形相比時，可以理解，腓腸肌E和股二頭肌G的肌肉收縮在腳跟高于腳趾的條件下要高，在其他條件下相同。
另一方面，在測量8中，在測量7的條件下即除改變腳跟高度之外相同的條件下進(jìn)行感官評價。這樣，當(dāng)腳跟高于腳趾時，確認(rèn)膝痛減少?？梢哉J(rèn)為這種膝痛減少效應(yīng)由下述原因所致位于腿部前側(cè)的股四頭肌以及位于腿部后側(cè)的股二頭肌兩者的肌肉收縮產(chǎn)生的對抗作用抑制了膝關(guān)節(jié)的運動，從而減小了作用于膝關(guān)節(jié)上的剪切力。
在測量9中，與測量6情形一樣，在連續(xù)使用該腿部訓(xùn)練設(shè)備15分鐘之后檢測是否發(fā)生膝痛。在測量9的條件下在進(jìn)行腿部訓(xùn)練的過程中和之后未發(fā)生膝痛。從這些測量結(jié)果可知，為了防止出現(xiàn)膝痛，優(yōu)選地，往返次數(shù)為2Hz，膝部角度為40°，自重比為60％。
根據(jù)表1和表2所示測量而得到的結(jié)果，圖14示出了當(dāng)膝部角度為40°時自重比和往返次數(shù)以及肌肉代謝、糖代謝和膝痛的感官評價之間的關(guān)系。在圖14中，水平軸為往返次數(shù)，豎直軸為自重比。符號“□”、“△”、“○”分別表示肌肉代謝、糖代謝以及膝痛的感官評價。肌肉代謝和糖代謝由使用腿部訓(xùn)練設(shè)備與使用傳統(tǒng)設(shè)備的倍數(shù)來代表。在圖14中，右上方向?qū)?yīng)于代謝增加的方向，左下方向?qū)?yīng)于(膝痛減小的)高分值方向。
總之，由表1所示的測量可以得出，優(yōu)選地，往返次數(shù)為2Hz，膝部角度為40°，自重比為60％，以獲得期望的肌肉代謝和糖代謝。另外，可以理解，在上述條件下持續(xù)進(jìn)行15分鐘腿部訓(xùn)練不發(fā)生膝痛。因此，可以說，上述條件優(yōu)選作為鍛煉條件。上述條件應(yīng)視為上限值。當(dāng)需要減弱肌肉代謝和糖代謝時，將使用更多輕量的鍛煉條件。在圖14中，陰影區(qū)域表示具有期望代謝并且處于膝痛感官評價中15分至20分之間高分的區(qū)域，其中，甚至持續(xù)使用訓(xùn)練設(shè)備15分鐘之后也不會發(fā)生膝痛。因此，推薦從往返次數(shù)為1.4至2Hz，自重比為40至60％的范圍內(nèi)選擇條件。此外，至于鍛煉開始位置，優(yōu)選使用脛骨相對于基部1呈直立的位置。
另外，可以通過控制座位構(gòu)件2的運動來改變往返次數(shù)。此外，通過控制座位構(gòu)件2和踏板3之間的位置關(guān)系可以維持膝部角度不變。另一方面，自重比是通過使用者作用至踏板3的負(fù)載。隨著座位構(gòu)件2的移動速度增加，運動方向改變時將會產(chǎn)生更大的加速度。即，有更大的負(fù)載作用至踏板。另外，隨著座位構(gòu)件2的傾斜角度增大，座位構(gòu)件2承受的負(fù)載相對于使用者自重的比變小。從而，踏板3承受的負(fù)載增加。因此，自重比以往返次數(shù)和傾斜角度為參量。由于使用者的體重位于幾十公斤的范圍，因此可以設(shè)想，在這樣窄的范圍內(nèi)，自重比和往返次數(shù)以及傾斜角度之間存在線性關(guān)系。如下述等式所示，通過分別為往返次數(shù)和傾斜角度賦予必要的權(quán)重a、b然后確定其線性和，就可以獲得負(fù)載的估計值。對權(quán)重的確定要使該估計值與自重比對應(yīng)。在該等式中，傾斜角度是指最大傾斜角度。
(負(fù)載估計值)＝a×(往返次數(shù))+b×(傾斜角度)圖15示出了在不同的往返次數(shù)和傾斜角度的條件下的自重比的實際測量結(jié)果。即，對于八個未使用過本發(fā)明設(shè)備的成年人進(jìn)行測量，測量條件是膝部角度為40°，持續(xù)記錄作用至右腿的負(fù)載1分鐘。在圖15中，(往返次數(shù)、傾斜角度、自重比)的關(guān)系分別為(1.4Hz、3°、38.6％)、(1.4Hz、5°、52.2％)、(2Hz、3°、41.1％)、(2Hz、5°、58.8％)。通過這些值以及上述回歸表達(dá)式進(jìn)行多重線性回歸分析的結(jié)果，權(quán)重a、b分別為8.9和8.1。即，根據(jù)往返次數(shù)和(最大)傾斜角度通過下述等式可以確定自重比。
(自重比[％])＝8.9×(往返次數(shù)[Hz])+8.1×(傾斜角度(度))
當(dāng)通過上述等式確定自重比時，圖14陰影區(qū)域內(nèi)的座位構(gòu)件2的傾斜角度位于2.7至5.7的范圍。因此，期望將傾斜角度設(shè)置在3°至5°的范圍。即，當(dāng)膝部角度設(shè)置為40°、座位構(gòu)件2的往返次數(shù)位于1.4至2Hz的范圍、座位構(gòu)件2的傾斜角度位于3至5°的范圍時，可以進(jìn)行腿部訓(xùn)練獲得期望的代謝而不會造成膝痛。在上述情形中，使用者的臀部置于座位構(gòu)件2上，膝部角度保持在40°以獲得穩(wěn)定的感覺。不過，由于代謝和膝痛并沒有顯著差異，因此膝部角度可以小于40°。
由上述結(jié)果，本發(fā)明可以提供一種使用該腿部訓(xùn)練設(shè)備的腿部訓(xùn)練方法；所述腿部訓(xùn)練設(shè)備具有以坐姿支撐使用者的座位構(gòu)件以及供使用者放腳的踏板，并且限制座位構(gòu)件擺動(傾斜)過程中使用者腳位置和重心位置之間的相對位移方向，使其基本位于膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的方向上。該腿部訓(xùn)練的特點在于在如下條件下進(jìn)行，即膝部角度保持在40°，座位構(gòu)件2的擺動往返次數(shù)在1.4Hz至2Hz的范圍內(nèi)，座位構(gòu)件2的傾斜角度在3°至5°的范圍內(nèi)。此外，該腿部訓(xùn)練可以這樣實現(xiàn)控制器10控制座位構(gòu)件2和踏板3的運動，使座位構(gòu)件2在其相對于基部1呈直立姿勢的位置和與該直立姿勢的角度不大于5°的傾斜姿勢的位置之間進(jìn)行往返擺動，膝部角度(膝關(guān)節(jié)相對于伸展位置的角度)保持在不大于40°的范圍內(nèi)，座位構(gòu)件2每秒鐘的擺動往返次數(shù)不大于2。
在本發(fā)明中，如上所述，可以確定適當(dāng)?shù)耐炔坑?xùn)練條件。不過，由于個體差異，該設(shè)備優(yōu)選具有諸如鍵盤或觸板的輸入單元(未圖示)，以將負(fù)載和往返次數(shù)的目標(biāo)值輸入控制器10。至于負(fù)載的目標(biāo)值，可以使用自重比，所述自重比由于上述原因優(yōu)選可在40％至60％的范圍內(nèi)調(diào)整。類似地，往返次數(shù)優(yōu)選可在1.4至2Hz的范圍內(nèi)調(diào)整。當(dāng)從輸入單元將負(fù)載和往返次數(shù)的目標(biāo)值輸入時，通過在上述等式中代入這些輸入值確定傾斜角度。通過控制座位構(gòu)件2，使所得傾斜角度為座位構(gòu)件2的最大傾斜角度，可使作用至使用者腿部的負(fù)載與目標(biāo)值匹配。
另外，由于座位構(gòu)件2的推薦往返次數(shù)在1.4至2Hz的范圍內(nèi)，自重比的期望目標(biāo)值在40至60％的范圍內(nèi)，因此輸入單元優(yōu)選形成為僅允許來自這些范圍的輸入數(shù)據(jù)。另外，優(yōu)選地，當(dāng)輸入非上述范圍的數(shù)據(jù)時，輸入單元給出警告或者拒絕輸入。可選地，輸入單元可以具有根據(jù)適當(dāng)?shù)姆秶鴮Σ粚儆谏鲜龇秶腻e誤數(shù)據(jù)進(jìn)行自動修正的功能。
作為本實施例的一種修改，還優(yōu)選使用傳感器檢測腳位置和腳趾方向來代替由踏板確定這些數(shù)據(jù)，并且通過控制器10確定座位構(gòu)件2的擺動方向。至于傳感器，例如可以使用稱重傳感器檢測腳底的多個位置，或者使用用于采集使用者腳的圖像的電視攝影機以及圖像處理器的組合。此外，當(dāng)通過控制器10對座位構(gòu)件2的移動范圍進(jìn)行限制時，控制器10需要數(shù)據(jù)輸入單元，用于輸入使用者的諸如腿長的數(shù)據(jù)。不過，座位構(gòu)件2的移動范圍可以通過使用限位開關(guān)或者機械止擋裝置來取代數(shù)據(jù)輸入單元進(jìn)行限制。
在上述情形中，座位構(gòu)件2的底端可樞轉(zhuǎn)地連接至基部1，以提供座位構(gòu)件的擺動?？蛇x地，通過使用者自重而作用至腿部的負(fù)載可以不需要座位構(gòu)件2的擺動而進(jìn)行改變。例如，如圖16A和圖16B所示，優(yōu)選使用連接機構(gòu)，以提供座位構(gòu)件2相對于基部1的平行移動，同時保持座位構(gòu)件的直立姿勢。即，該連接機構(gòu)具有位于基部1上表面的導(dǎo)軌46，座位構(gòu)件的底端可沿該導(dǎo)軌移動。在這種情況下，如第一實施例一樣通過踏板確定使用者的腳位置和腳趾方向。導(dǎo)軌46形成于連接基部1上所需位置和踏板3之間的線路上。當(dāng)座位構(gòu)件2沿導(dǎo)軌46移動時，使用者M(jìn)的腳趾和腳跟之間的距離發(fā)生變化，使膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展。即，由使用者自重作用至腿部的負(fù)載可以根據(jù)座位構(gòu)件2和踏板3之間的距離進(jìn)行控制。在這種情況中，座位構(gòu)件2的移動方向被導(dǎo)軌46限制在膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的方向上。這種修改是基于使用者M(jìn)主動進(jìn)行移動座位構(gòu)件2的假設(shè)。不過，可以使用用于移動座位構(gòu)件2的驅(qū)動單元。在圖16A的情形中，負(fù)載僅作用至一條腿。如果需要，導(dǎo)軌可沿兩個方向形成以將負(fù)載作用至兩條腿。其他組件和功能與上述實施例相同。移動座位構(gòu)件2和踏板3中任一個均足以實現(xiàn)腳位置和重心位置之間的相對位移。例如，踏板3可以相對于座位構(gòu)件2可滑動。
另外，該實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備優(yōu)選具有用于檢測作用至使用者腿部(主要是股骨區(qū)域)的負(fù)載的負(fù)載傳感器。此時，負(fù)載傳感器設(shè)置在鞍座22和/或者左右踏板3下方的位置。換句話說，優(yōu)選地，作為支撐部分的座位構(gòu)件2和踏板3至少其中之一具有該負(fù)載傳感器。特別地，負(fù)載傳感器優(yōu)選設(shè)置于各個踏板3上。在這種情況下，負(fù)載傳感器所測到的負(fù)載的增加量可以視為作用至腿部的負(fù)載。當(dāng)然，當(dāng)通過置于鞍座22上的負(fù)載傳感器檢測負(fù)載時，所測負(fù)載的減少量可以用作作用至腿部的負(fù)載的指導(dǎo)。
另外，如圖17所示，優(yōu)選地，由負(fù)載傳感器測得的負(fù)載通過數(shù)據(jù)處理單元12以實時方式顯示在顯示器13上。此時，數(shù)據(jù)處理單元12和顯示器13用作負(fù)載變化通知單元。因此，作用至使用者腿部的負(fù)載以實時的方式顯示在顯示器13上。例如，可以借助與負(fù)載對應(yīng)的數(shù)值、顯示負(fù)載隨時間變化的線圖、根據(jù)負(fù)載而具有不同柱長的柱狀圖，或者位于半圓形顯示區(qū)域內(nèi)的隨所施加負(fù)載而變化指針角位置的表頭指示等手段，在顯示器13上顯示信息。由于負(fù)載隨時間變化，因此優(yōu)選地使用柱狀圖或者表頭指示。在這些情況中，易于更新用于指示目標(biāo)范圍的標(biāo)記，這將在后面說明。顯示器13用作向使用者可視化地顯示負(fù)載變化的裝置。如果需要，可以通過頻率隨負(fù)載變化的聲響而將負(fù)載變化從聽覺上告知使用者。當(dāng)使用可視顯示功能或聲學(xué)效應(yīng)時，使用者很容易就可以檢查作用至使用者的負(fù)載是否合適。當(dāng)負(fù)載過度和不足時，可以通過調(diào)整所述設(shè)備或允許使用者移動身體位置而適當(dāng)?shù)馗淖冐?fù)載的大小。
另外，肌肉代謝和作用于腿部的負(fù)載之間相關(guān)。不過，實際上，即使負(fù)載的大小恒定，由于使用者的參數(shù)例如體重、年齡、性別、有無疾病、疾病類型及臨床記錄(臨床癥狀)等也會導(dǎo)致肌肉代謝的差異。特別是由于個體間的體重差異明顯，這會對肌肉代謝產(chǎn)生巨大影響。根據(jù)本發(fā)明人關(guān)于作用至使用者一條腿上的負(fù)載與股四頭肌和收肌整體肌肉代謝之間關(guān)系的研究，得到下述結(jié)果。
存在如下特征，即隨著代謝增加，氧合血紅蛋白的減少比例變大。根據(jù)該特征，通過近紅外分光技術(shù)進(jìn)行血紅蛋白測量以評估肌肉代謝。如圖18所示，在如下條件下對肌肉代謝進(jìn)行評估作用至一條腿的負(fù)載(即負(fù)載傳感器11測得的負(fù)載)相對于使用者自重(即體重)的比為20％和40％。圖18中的肌肉代謝由相對于休息時肌肉代謝的比率代表。結(jié)果顯示，20％和40％時的肌肉代謝存在顯著差異。在圖18中，粗條柱表示肌肉代謝，從粗條柱的頂端延伸的細(xì)條柱表示數(shù)據(jù)波動。即使將這些波動考慮進(jìn)來，兩者之間仍然存在顯著差異。從這些測量結(jié)果看，當(dāng)使用作用于腿部的負(fù)載與體重的比率來代替?zhèn)€體之間存在巨大差異的體重時，該比率與肌肉代謝相關(guān)，可以不用考慮使用者體重的差異。
因此，優(yōu)選地，數(shù)據(jù)處理單元12計算由負(fù)載傳感器11所測的負(fù)載相對于由輸入單元14輸入的體重之間的百分比，并將該百分比作為目標(biāo)值顯示在顯示器13上。此外，可以從輸入單元14輸入非體重的其他參數(shù)。因此，當(dāng)考慮年齡、性別以及體重確定了鍛煉負(fù)載的適當(dāng)范圍并顯示于顯示器13上時，使用者可以持續(xù)鍛煉，并使負(fù)載(作用于腿部的負(fù)載除以體重所得的值)保持在該適當(dāng)范圍。即，由于使用者能看到該負(fù)載的適當(dāng)范圍，因此可以避免負(fù)載過量或不足。優(yōu)選地，預(yù)先準(zhǔn)備關(guān)于使用者參數(shù)和負(fù)載適當(dāng)范圍之間對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫。在這種情況下，當(dāng)從輸入單元14輸入使用者參數(shù)時，從該數(shù)據(jù)庫可以自動讀出對應(yīng)的負(fù)載適當(dāng)范圍。此外，由于顯示器13顯示與輸入的使用者參數(shù)對應(yīng)的負(fù)載適當(dāng)范圍，因此很容易與負(fù)載傳感器11所測負(fù)載作比較。
同樣優(yōu)選地，由負(fù)載傳感器11測得的作用于腿部的負(fù)載以及使用者的輸入?yún)?shù)被送至反饋處理單元15。該反饋處理單元15具有將馬達(dá)6至9的運行順序提供給控制器10，使作用于腿部的負(fù)載保持在預(yù)定目標(biāo)范圍的功能。即，以反饋的方式控制作用于使用者腿部的負(fù)載。該目標(biāo)范圍可以根據(jù)從輸入單元14輸入的使用者參數(shù)而恰當(dāng)確定。當(dāng)使用反饋處理單元15時，優(yōu)選地，預(yù)先準(zhǔn)備關(guān)于使用者參數(shù)和負(fù)載目標(biāo)范圍之間對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，如同數(shù)據(jù)處理單元12。在這種情況下，當(dāng)從輸入單元14輸入使用者的參數(shù)時，從數(shù)據(jù)庫可以選取適當(dāng)?shù)呢?fù)載目標(biāo)范圍。這樣，由于目標(biāo)范圍根據(jù)使用者特有的數(shù)據(jù)例如體重、年齡、性別、有無疾病、疾病名稱及臨床記錄等而自動確定，因此可以將適當(dāng)?shù)呢?fù)載作用于個體的使用者。至于目標(biāo)負(fù)載，希望使用負(fù)載相對于使用者體重的百分比。這樣，不用考慮個體間差異就足以確定目標(biāo)范圍。
在形成反饋處理單元15的情況中，優(yōu)選通過用來檢測作用于踏板3的負(fù)載的重量傳感器(未圖示)的輸出來計算自重比，并且反饋處理單元15監(jiān)視該重量傳感器的輸出使自重比保持在預(yù)定的目標(biāo)范圍(即40％至60％)內(nèi)。當(dāng)由重量傳感器的輸出而得到的自重比不在該目標(biāo)范圍時，以反饋控制的方式改變座位構(gòu)件2的最大傾斜角度以使負(fù)載落入該目標(biāo)范圍。當(dāng)即使最大傾斜角度調(diào)整在可調(diào)整范圍內(nèi)(優(yōu)選3至5°)，但由重量傳感器的輸出而得到的自重比仍未落入目標(biāo)范圍時，對往返周期進(jìn)行控制。在本實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備中，鞍座22優(yōu)選具有靠背。通過該靠背，可以防止使用者向后方傾斜，并且縮小使用者重心的位移范圍。
作為本實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備的另一種修改，優(yōu)選地，踏板3的上表面通過向前方延伸并向下傾斜(例如，相對于基部傾斜大約10°)而形成，如圖19所示。在這種情況中，使用者可以在腳跟高于腳趾的狀態(tài)下進(jìn)行腿部訓(xùn)練。這將有效降低膝關(guān)節(jié)處剪切應(yīng)力的發(fā)生。也可以不使用具有傾斜上表面的踏板3，而將傾斜構(gòu)件31可拆卸地安裝于踏板3上以調(diào)整傾斜角度或傾斜方向。附圖標(biāo)記32表示形成在該傾斜構(gòu)件31前端的定趾部分，其作為防止移位構(gòu)件。當(dāng)負(fù)載由于座位構(gòu)件2的傾斜而集中于腳趾時，可以防止腳的移位。當(dāng)僅在腳趾處防止腳的移位時，會擔(dān)心腳趾上作用大的負(fù)載。因此，優(yōu)選形成防滑部33，作為附加的防止移位構(gòu)件來防止腳底在傾斜構(gòu)件31上的滑動。特別地，在傾斜構(gòu)件31的上表面上可以形成起絨部(raising portion)?？蛇x地，也可以形成槽或突起作為防滑部33以增加摩擦系數(shù)。此外，防滑部優(yōu)選地由具有大摩擦系數(shù)的材料例如橡膠制成。當(dāng)通過形成防滑部將腳位置同定時，容易使座位構(gòu)件2的擺動方向與膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展方向匹配。這樣，可以防止出現(xiàn)膝痛。并非必須要使整個腳底傾斜。例如，腳趾部分可以不使用傾斜構(gòu)件而水平支撐。
另外，當(dāng)使用者具有例如“膝外翻”或“弓形腿”等變形的膝關(guān)節(jié)時，在彎曲膝關(guān)節(jié)時經(jīng)常發(fā)生膝痛。為了使該設(shè)備與具有膝外翻或弓形腿傾向的使用者匹配，優(yōu)選地，左右踏板3上的傾斜構(gòu)件31的上表面傾斜，以沿左右方向彼此靠近或者彼此分開。這樣，可以減小膝外翻或弓形腿的使用者彎曲膝關(guān)節(jié)時產(chǎn)生的膝痛。另外，傾斜構(gòu)件3可以可轉(zhuǎn)動地安裝在于踏板上。
作為本實施例的另一修改，優(yōu)選地，腿部訓(xùn)練設(shè)備具有測量單元，其用于測量關(guān)于代謝的生理測量值；評估單元，其用于根據(jù)所述測量單元測得的生理測量值而確定代謝；以及運動控制單元，其用于控制所述設(shè)備使運動方式在各預(yù)定時間段發(fā)生變化，并且存儲由評估單元確定的代謝以及對應(yīng)的運動方式。在這種情況下，優(yōu)選地，所述評估單元利用權(quán)重因數(shù)為生理測量值賦予權(quán)重，所述權(quán)重因數(shù)為使用該腿部訓(xùn)練設(shè)備進(jìn)行鍛煉的肌肉體積或者鍛煉的紅肌的體積，從而得到加權(quán)的生理測量值作為代謝。
該修改的特點在于，實際測量涉及代謝的生理測量值，同時改變腿部訓(xùn)練設(shè)備的運動方式，從測量結(jié)果中選取大代謝的運動方式，然后根據(jù)所選運動方式來操作腿部訓(xùn)練設(shè)備。下面是通過如圖20所示的運動確定裝置而選取大代謝的運動方式的技術(shù)說明。該裝置具有運動控制單元60，用于分別控制腿部訓(xùn)練設(shè)備的馬達(dá)6、7、8、9。與控制器10一樣，運動控制單元60的主要構(gòu)件為微型計算機。在運動控制單元60中，運動方式并非由存儲器提供。即，各種運動方式由運動控制單元60產(chǎn)生。該運動控制單元60還具有使產(chǎn)生的運動方式與時間信息相互關(guān)聯(lián)并進(jìn)行存儲的功能。所述運動方式可以從多種預(yù)定的運動方式中選擇?？蛇x地，運動方式可以從腿部訓(xùn)練設(shè)備所提供的可接受鍛煉范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生。
另一方面，至于涉及代謝的生理測量值，可以使用通過近紅外分光技術(shù)所得的肌肉代謝以及由肌電作用造成的肌肉收縮程度中的任何一個。下面是使用近紅外分光技術(shù)的解釋。即，如圖20所示，使用近紅外分光計61作為測量單元。紅外發(fā)射及接收探針形成為可以在股骨區(qū)域拆裝。如已經(jīng)公知的，在通過近紅外分光技術(shù)測量肌肉代謝時，通過氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收近紅外光的差異來確定血中氧量變化(肌肉代謝)。由于糖代謝需要氧，因此肌肉代謝成為糖代謝的替代參數(shù)。
將肌肉代謝作為生理測量值輸入評估單元62，以確定相對于休息時測得的肌肉代謝的比。由于一部分肌肉的氧氣消耗通過近紅外分光技術(shù)進(jìn)行測量，因此評估單元利用肌肉體積作為權(quán)重因數(shù)為近紅外分光技術(shù)確定的肌肉代謝賦予權(quán)重，從而估計所有涉及鍛煉的肌肉的代謝。由于肌肉代謝和肌肉體積之間相關(guān)，因此需要考慮肌肉體積進(jìn)行加權(quán)，以正確地估計所有鍛煉涉及的肌肉的肌肉代謝。
用作權(quán)重因數(shù)的肌肉體積是指與該腿部訓(xùn)練設(shè)備所提供的鍛煉相關(guān)的肌肉總體積。為了正確測量肌肉體積，需要例如MRI等的大型設(shè)備?？紤]到減少時間和成本，可以使用文檔中所報告的數(shù)據(jù)。例如，股伸肌以及大收肌的體積可以分別看作500ml和250ml。若假設(shè)每單位體積的肌肉代謝恒定，則股伸肌的收縮的代謝是大收肌收縮的兩倍。即，為了增加代謝，優(yōu)選選擇使股伸肌有效收縮的運動方式。表4和表5中示出了兩種運動方式的評估結(jié)果。
表4

表5

由表4和表5之間的比較可以理解，通過與表5對應(yīng)的運動方式可以獲得更大的代謝。因此，在考慮較大糖代謝的鍛煉時選擇與表5對應(yīng)的運動方式。
作為一個例子，下面對確定安裝于該腿部訓(xùn)練設(shè)備的存儲器(未圖示)內(nèi)的適當(dāng)運動方式的方法進(jìn)行說明。當(dāng)測試者通過由運動控制單元進(jìn)行控制的腿部訓(xùn)練設(shè)備進(jìn)行鍛煉時，血液中的氧量同時通過近紅外分光技術(shù)進(jìn)行測量。此時，對腿部訓(xùn)練設(shè)備進(jìn)行控制使各種不同的運動方式進(jìn)行所需(恒定)的時間段，并且在對應(yīng)運動方式的開始和結(jié)束時間記錄每個所需時間段所測的氧量。評估單元為這樣測得的氧量賦予權(quán)重，以估計鍛煉涉及的所有肌肉的肌肉代謝。從與所得肌肉代謝相關(guān)的運動方式中選擇具有肌肉代謝最大的運動方式。然后，將這樣獲得的運動方式安裝到存儲器內(nèi)，并且實際用于控制器10以控制腿部訓(xùn)練設(shè)備。
這樣，研究運動方式和代謝之間的對應(yīng)關(guān)系，確定腿部訓(xùn)練設(shè)備的運動方式使代謝為適當(dāng)值，該適當(dāng)值定義為在通過該運動方式給人體的能量數(shù)量恒定的條件下所得到的代謝最大值。例如，腿部訓(xùn)練設(shè)備的功耗可以作為該能量數(shù)量的替換值。通過如上所述根據(jù)運動確定裝置所提供的運動方式運行該腿部訓(xùn)練設(shè)備，可以從眾多鍛煉中選取能更有效增強代謝的鍛煉，并且將該鍛煉提供給使用者。
當(dāng)從肌電效應(yīng)(myoelectric activity)確定生理測量值時，肌電描記裝置(electromyography)代替近紅外分光計連接至該運動控制單元。作為生理測量值，可以使用需要時間段測量的積分肌電描記值，或者使用與在最大肌肉收縮處所需時間段測得的積分肌電描記值的比。此外，與糖代謝有關(guān)的肌肉主要為紅肌。因此，權(quán)重優(yōu)選根據(jù)紅肌體積進(jìn)行指定，以更準(zhǔn)確地評估由腿部訓(xùn)練設(shè)備所提供鍛煉的糖代謝。
在運動控制單元中，可以設(shè)定鍛煉負(fù)載瞬時值的上限值，并且當(dāng)鍛煉負(fù)載的瞬時值小于上限值時自動產(chǎn)生運動方式。同時，通過使用多變量分析或神經(jīng)計算機技術(shù)為各馬達(dá)的運行提供適當(dāng)波動，并實時改變運動方式，從而接近最優(yōu)方案(即肌肉代謝在運動方式可接受的范圍內(nèi)為最大)。根據(jù)這種控制方法，可以在不大于鍛煉負(fù)載的瞬時值上限值的范圍內(nèi)確定肌肉代謝基本最大的運動方式。在上述情況中，運動方式沿代謝增大的方向變化。可選地，優(yōu)選可以為代謝預(yù)先設(shè)定非最大值的適當(dāng)值，并且運動方式趨向于使代謝接近該適當(dāng)值。
<第二實施例>
如圖21所示，該實施例涉及一種允許使用者不借助任何驅(qū)動單元而主動進(jìn)行腿部訓(xùn)練的腿部訓(xùn)練設(shè)備。即，在第一實施例中，馬達(dá)6至9用作驅(qū)動單元，因此使用者被動地接受腿部訓(xùn)練，而不是主動進(jìn)行鍛煉。在該實施例中，座位構(gòu)件2和踏板3分別通過連接機構(gòu)4、5連接到基部1而沒有使用驅(qū)動單元。用于將踏板3連接到基部1的連接機構(gòu)5通過伸縮裝置51提供踏板的上下運動，這一點與第一實施例一樣。至于座位構(gòu)件2，立柱21可收縮以沿高度方向調(diào)整鞍座位置，并且與立柱21連接的鞍座22可以沿前后方向繞(一個)沿左右方向延伸的軸線傾斜。如第一實施例中的情形，鞍座22可以通過配重25或球窩接頭26傾斜。連接機構(gòu)5的伸縮裝置51用來將踏板沿高度方向的位置變化與座位構(gòu)件2的角度變化聯(lián)鎖。座位構(gòu)件2和踏板3通過連接機構(gòu)4、5的連桿和凸輪的適當(dāng)組合而機械地相互聯(lián)鎖。即，所述連接機構(gòu)形成為使得踏板3的高度位置根據(jù)座位構(gòu)件2相對于基部1的傾斜角度的變化而變化。
當(dāng)使用該實施例的訓(xùn)練設(shè)備時，使用者需要積極(主動)地移動其自身身體。即，當(dāng)坐在鞍座22上將腳放在踏板3上的使用者向腿施加負(fù)載，使得使用者的臀部向前運動時，座位構(gòu)件2相對于基部1傾斜，同時，踏板3向下移動，從而作用至腿部的負(fù)載由于使用者的自重而增加，基本不會使膝關(guān)節(jié)的彎曲角度發(fā)生變化。連接機構(gòu)4、5可以具有用于恢復(fù)原始位置的彈簧?？蛇x地，可以通過使用者腿的長度而恢復(fù)該原始位置。座位構(gòu)件2的傾斜方向被連接機構(gòu)4限制在包括鞍座22和相應(yīng)踏板3的兩個平面內(nèi)。這意味著座位構(gòu)件2的傾斜方向(使用者腳位置和重心位置之間的相對位移方向)被限制在膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的方向。
圖22中示出了用于本實施例的連接機構(gòu)4的一個例子。連接機構(gòu)4具有一個半球形的導(dǎo)引構(gòu)件41。座位構(gòu)件2的立柱21的底端可滑動地結(jié)合于形成于導(dǎo)引構(gòu)件41內(nèi)的導(dǎo)軌槽42中。附圖標(biāo)記43表示復(fù)位彈簧，其用于沿使座位構(gòu)件2返回到導(dǎo)引構(gòu)件41頂部位置的方向提供彈簧偏壓。此時，當(dāng)座位構(gòu)件2的底端沿導(dǎo)軌槽42移動時，座位構(gòu)件2的傾斜角度增大。同時，座位構(gòu)件2的立柱21的頂端沿圓形路徑移動，該圓形路徑以半球形導(dǎo)引構(gòu)件41為中心。由于座位構(gòu)件2傾斜時復(fù)位彈簧43提供較大的回復(fù)力，因此使用者稍微用力就可以使座位構(gòu)件2返回到原始位置。另外，座位構(gòu)件2的可動方向由導(dǎo)軌槽42進(jìn)行限制。因此，通過在包括膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展方向的位置形成導(dǎo)軌槽42，不需要扭轉(zhuǎn)膝關(guān)節(jié)就可以向腿部施加負(fù)載。在圖22中，導(dǎo)軌槽42形成于單個平面內(nèi)。當(dāng)導(dǎo)引構(gòu)件41由基部1可轉(zhuǎn)動地支撐，并且調(diào)整導(dǎo)引構(gòu)件41的轉(zhuǎn)動位置使座位構(gòu)件2的傾斜方向與踏板3的方向一致時，使用者可以向期望的一條腿上施加負(fù)載。此外，當(dāng)導(dǎo)引構(gòu)件41固定在固定位置時，導(dǎo)軌槽42可以形成于與兩踏板3對應(yīng)的兩個平面中的每一個平面內(nèi)。
作為該實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備的修改，可以省略踏板3。即，如圖23A和圖23B所示，連接機構(gòu)4形成為使得座位構(gòu)件2可以相對于基部1傾斜并且省略踏板3。因此，使用者M(jìn)坐于鞍座22上，并且將腳放于基部1上或者放于放置基部1的地面上。當(dāng)使用圖22的連接機構(gòu)4時，可以限制座位構(gòu)件2的擺動方向。由于沒有踏板3，因此不存在用于使腳位置和腳趾方向與座位構(gòu)件2的擺動方向匹配的導(dǎo)引件。在該實施例中，連接機構(gòu)4具有方向指示板44，其可轉(zhuǎn)動地支撐于基部1內(nèi)平行于基部上表面的平面內(nèi)。在方向指示板44內(nèi)設(shè)置有箭頭標(biāo)志45。該標(biāo)志45位于包括圖22的連接機構(gòu)4的導(dǎo)軌槽42的平面內(nèi)。因此，當(dāng)腳放于該標(biāo)志的延長線上時，使用者很容易使座位構(gòu)件2的擺動方向與膝關(guān)節(jié)的彎曲及伸展方向匹配。
例如，當(dāng)座位構(gòu)件2從圖23A所示的直立姿勢向圖23B所示的傾斜姿勢傾斜時，座位構(gòu)件2的傾斜角度由導(dǎo)軌槽42限制，使得膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的方向均位于座位構(gòu)件2的擺動平面內(nèi)。所述附圖示出了座位構(gòu)件僅沿單個方向的擺動?？蛇x地，座位構(gòu)件2可設(shè)置成沿兩方向擺動，從而可以向每條腿交替施加負(fù)載。此外，當(dāng)使用圖22的連接機構(gòu)4時，導(dǎo)引構(gòu)件41可用作基部1。此時，優(yōu)選地將方向指示板44設(shè)置在導(dǎo)引構(gòu)件41的外周，如上所述。
<第三實施例>
在該實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備中，踏板3只能沿上下方向移動，并且座位構(gòu)件2的底端部與踏板3之間的距離保持恒定。即，如圖24A和圖24B所示，通過在板狀踏板3的四個拐角形成導(dǎo)引孔3a，并且將在基部1上突起的四個導(dǎo)引銷3b插入該導(dǎo)引孔，踏板只能沿上下方向移動。在這種情況中，當(dāng)連接體70固定至座位構(gòu)件2和踏板3時，座位構(gòu)件不能相對于基部1發(fā)生傾斜。在該實施例中，由于連接體70在其相對兩端具有例如球軸承的鉸接件——所述鉸接件與座位構(gòu)件2和踏板3接合，因此座位構(gòu)件2和連接體70之間的角度、以及踏板3和連接本體70之間的角度均可以變化。這樣，踏板3可以隨座位構(gòu)件的擺動而沿上下方向移動。
由圖24A所示組件實現(xiàn)的運動也可以通過圖25所示的組件實現(xiàn)。即，踏板3通過可沿上下方向收縮的伸縮裝置3c安裝到基部1上。此外，如圖26所示，優(yōu)選地，在使用者的后方位置通過鉸接件3e可樞轉(zhuǎn)地支撐連桿3d，而踏板3安裝于該連桿的前端。在這種情形中，連接體70的下端通過鉸接件72連接至連桿3d的前部。連桿3d為剛性體。當(dāng)連桿3d具有足夠的長度使得踏板3可以基本沿上下方向移動時，使用者的腳的移動被限制在上下方向，如圖24A和圖25所示情形。
在該實施例的上述組件中，如圖27所示，優(yōu)選地，設(shè)置在連接體70相對兩端處的鉸接件71、72分別設(shè)置在髖關(guān)節(jié)J2側(cè)以及腳關(guān)節(jié)(foot joint)J3側(cè)。即，鉸接件71所在位置高于設(shè)置在座位構(gòu)件2的頂端處的鞍座，而鉸接件72所在位置高于踏板3的上表面。為防止髖關(guān)節(jié)J2和鉸接件71之間以及腳關(guān)節(jié)J3與鉸接件72之間出現(xiàn)位移，可以對鞍座和踏板3使用例如束帶的限制構(gòu)件。此外，優(yōu)選地，踏板3的運動方向被限制在上下方向以防止出現(xiàn)上述的位移。其他組件及其功能與第一實施例相同。
作為該實施例的另一個修改，如圖28所示，優(yōu)選地使用線75代替連接體70并且形成運動限制部分，用于將踏板3的運動限制在上下方向。線75被用來通過多個滑輪76至78將座位構(gòu)件2的頂端部與踏板3的需要位置連接。這些滑輪設(shè)置成使所述線從座位構(gòu)件2的背側(cè)延伸至踏板3的底側(cè)。在該圖中，從座位構(gòu)件2的頂端部向后延伸的線75置于滑輪76上以使線的路徑改變?yōu)檠叵蛳路较颍缓笾糜诨?7上以使線的路徑改變?yōu)檠叵蚯胺较?。最后，線75置于滑輪78上以使線的路徑改變?yōu)檠叵蛏戏较颍缓筮B接至踏板3。在這種情況中，當(dāng)座位構(gòu)件2從相對于基部1的直立姿勢向左前方或右前方傾斜時，座位構(gòu)件2和滑輪76間的線沿左右方向搖擺。因此，優(yōu)選安裝滑輪76，使得線條可以搖擺?；?6、77可由單個滑輪代替。
在上述情形中，當(dāng)座位構(gòu)件2向圖中的左側(cè)傾斜時，踏板3由于線75的張力而向下移動。另一方面，當(dāng)座位構(gòu)件2從傾斜姿勢返回到直立姿勢時，踏板3通過上述組件不能實現(xiàn)向上運動。在這樣的情形中，需要一個附加的組件以向上移動踏板3。例如，優(yōu)選地，在踏板3和基部1之間設(shè)置彈性構(gòu)件，以提供彈性力對抗向下作用至踏板3的負(fù)載。其他組件及其功能與第一作為該實施例的另一種修改，如圖29所示，在基部1和踏板3之間設(shè)置有作為該彈性構(gòu)件的復(fù)位彈簧79。在這種情況中，當(dāng)負(fù)載向下作用至踏板3時，復(fù)位彈簧79向踏板3提供對抗該負(fù)載的彈性力。因此，當(dāng)座位構(gòu)件2從傾斜姿勢返回到直立姿勢時，復(fù)位彈簧79的彈性力通過連接體70有效地作用于座位構(gòu)件2。也可以不用復(fù)位彈簧79，而使用其他的彈性構(gòu)件例如聚氨酯泡沫。
<第四實施例>
如圖30A和圖30B所示，該實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備的特點在于使用了由基部1通過臂27向下懸吊的座位28，該座位是用于支撐使用者的支撐部分。通過適當(dāng)設(shè)計基部1和臂27之間的連接機構(gòu)(未圖示)，與所述鞍座對應(yīng)的座位28可以移動，如上述實施例的情形。在附圖中，臂27的頂端部由基部1可樞轉(zhuǎn)地支撐，使得座位28可以鐘擺的方式移動。在這種情況下，座位28的移動方向被限制在使用者膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的方向。因此，當(dāng)通過踏板3確定使用者M(jìn)的腳位置和腳趾方向時，使用者腳位置和重心位置之間的相對位移的方向被限制在膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的方向。
作為該實施例的一個修改，如圖31所示，該設(shè)備具有身體保持單元80，其用于以懸掛的方式保持使用者身體；以及踏板3，其上放置使用者的腳。該身體保持單元80通過連接機構(gòu)82可轉(zhuǎn)動地連接至向前傾斜的基部(頂板)1，并且其一端具有可收縮以保持使用者腰部的腰部保持構(gòu)件83，并且還有具有所需長度的線84，該線的一端與所述腰部保持構(gòu)件83的一端連接，而另一端固定至頂板1。該腰部保持構(gòu)件83的另一端通過滑塊86沿著形成于頂板1上的Y形導(dǎo)軌85可滑動地支撐。
在該腿部訓(xùn)練設(shè)備中，當(dāng)由身體保持單元80支撐的使用者沿向前傾斜的基部1向前滑動時，線84由基部1向下延伸的長度減小以向上移動使用者。在這種情況中，隨著使用者沿向前方向滑動距離的增加，使用者沿向上方向的移動距離變大。此外，設(shè)置有彈簧87，該彈簧的一端固定至滑塊86，另一端固定至基部1的需要位置。彈簧的長度由于使用者向前運動而增加。因此，當(dāng)使用者向前移動時，彈簧87的恢復(fù)力沿著使使用者返回到初始位置的方向(向后)做功。此時，線84從基部1向下延伸的長度增加以向下移動使用者。通過適當(dāng)設(shè)計導(dǎo)軌85的路徑，并且正確確定使用者的腳在踏板3上的位置，可以將使用者腳位置和重心位置之間的相對位移限制在膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的方向上。
在圖31的上述組件中，假設(shè)踏板3為固定踏板。不過，踏板3可以沿水平方向以及上下方向中的至少一個方向移動。此外，可以使用聯(lián)鎖單元，以使踏板3與身體保持單元80的運動同步地移動的。該實施例旨在提供一種允許使用者在將其腳放置于踏板3上的狀態(tài)下主動進(jìn)行腿部訓(xùn)練的腿部訓(xùn)練設(shè)備。不過，通過提供身體保持單元80擺動的驅(qū)動單元，可以實現(xiàn)以被動方式為使用者提供腿部訓(xùn)練的腿部訓(xùn)練設(shè)備。此外，當(dāng)踏板3可以移動時，除了用于提供身體保持單元的擺動的驅(qū)動單元之外，還優(yōu)選使用用于驅(qū)動踏板的輔助驅(qū)動單元，以及以同步方式控制這些驅(qū)動單元的控制器。在這種情況中，可以向使用者提供更有效的腿部訓(xùn)練。
<第五實施例>
如圖32所示，該實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備由基部100、固定至基部的柱狀支撐件110、用于支撐使用者臀部的座位120、設(shè)置在柱狀支撐件與座位之間的連接機構(gòu)130、以及一對固定在柱狀支撐件前側(cè)的踏板140組成。
用于提供座位120擺動的連接機構(gòu)130能夠提供沿前后方向的往返直線運動、繞沿左右方向延伸的軸線作往返樞轉(zhuǎn)運動(俯仰)、以及繞沿前后方向延伸的軸線作往返樞轉(zhuǎn)運動(翻滾)。如圖33A所示，該連接機構(gòu)形成有固定板131，該固定板131固定至柱狀支撐件110；活動板132，其用于承載座位120，并設(shè)置于所述固定板上方；以及兩對連桿133、134，其用于將活動板132的前后端與固定板131的對應(yīng)端連接。連桿133、134繞沿左右方向延伸的軸線可樞轉(zhuǎn)地連接至固定板131和活動板132。
連桿133和固定板131連接的位置與連桿134和固定板131連接的位置之間的水平距離，被確定為小于連桿133和活動板132連接的位置與連桿134和活動板132連接的位置之間的水平距離。因此，當(dāng)座位向圖33A的右側(cè)(向后方向)移動時，座位呈傾斜姿勢，活動板132的前端略高于后端。當(dāng)座位位于圖33A的中央位置時，其呈基本水平姿勢。此外，當(dāng)座位向圖33A的左側(cè)(向前方向)移動時，座位呈傾斜姿勢，活動板132的前端略低于后端。座位120的上表面并非必須要形成為與活動板132平行。例如，座位的上表面可以形成為當(dāng)座位向圖33A的右側(cè)(向后方向)移動時具有大致水平的表面。盡管附圖中沒有示出，但是可以通過例如凸輪和曲柄的動力傳動機構(gòu)將驅(qū)動單元的輸出傳至活動板132。
另一方面，每一個踏板140的上表面向前端(腳趾方向)傾斜大約10°。另外，當(dāng)踏板140接受來自上方的負(fù)載時，可以通過內(nèi)置彈簧(未圖示)沿向下方向移動大約20至30mm的距離。另外，左右踏板彼此并非平行設(shè)置。如圖33B所示，左右踏板設(shè)置成其軸線以所需角度彼此交叉。踏板的交叉角度被確定成與連接機構(gòu)所提供的運動路徑的交叉角度相一致。在該實施例中，運動路徑從上方看基本呈8字形。此外，圖33B的左側(cè)與腿部訓(xùn)練設(shè)備的向前方向?qū)?yīng)。在連接機構(gòu)提供向右前方運動期間，右踏板的軸線方向基本平行于鍛煉方向。類似地，在連接機構(gòu)提供向左前方運動期間，左踏板的軸線方向基本平行于鍛煉方向。
此外，即使人的腿部在行走或跑步時承受超過1G的大加速度而膝關(guān)節(jié)也不出現(xiàn)損傷是有原因的。這是因為隨著負(fù)載增加，在膝關(guān)節(jié)周圍產(chǎn)生肌肉收縮，使得膝關(guān)節(jié)固定，膝關(guān)節(jié)處發(fā)生的剪切力減小。在使用該機構(gòu)的本發(fā)明的腿部訓(xùn)練設(shè)備中，當(dāng)作用至腿部的負(fù)載增加時使用者的重心沿膝關(guān)節(jié)的伸展方向移位。即，通過使連接機構(gòu)所提供的運動路徑與膝關(guān)節(jié)的伸展方向至少在向前運動階段(即作用至腿部的負(fù)載增加的階段)匹配，可以減小作用至膝關(guān)節(jié)的剪切負(fù)載。在腿部施加了最大負(fù)載之后，就不需要使連接機構(gòu)所提供的運動路徑與膝關(guān)節(jié)的伸展方向始終匹配，因為膝關(guān)節(jié)周圍產(chǎn)生足夠的肌肉收縮以固定膝關(guān)節(jié)。此外，可以使用用于將運動方向限制在前后方向上的連接機構(gòu)130。
<第六實施例>
如圖34A和圖34B所示，該實施例的腿部訓(xùn)練設(shè)備主要由基部200、可移動地支撐于基部并且內(nèi)部容置驅(qū)動單元的柱狀支撐件210、用于支撐使用者臀部的座位220、用于連接座位和柱狀支撐件的連接機構(gòu)230、一對設(shè)置在柱狀支撐件前側(cè)的踏板240、以及在座位和踏板之間延伸的連桿250組成。
如圖35A至圖35C所示，驅(qū)動單元容置于齒輪箱201中，該齒輪箱位于柱狀支撐件210內(nèi)并且由基部200沿左右方向可樞轉(zhuǎn)地支撐。軸203可轉(zhuǎn)動地支撐于齒輪箱201內(nèi)，安裝在馬達(dá)202的轉(zhuǎn)軸上的齒輪A與安裝在軸203上的減速齒輪B嚙合。通過減速齒輪B提供的軸203的轉(zhuǎn)動通過偏心凸輪204以及連接板205傳遞至框架206、207、208，從而可以實現(xiàn)座位220的前后及上下運動。另一方面，安裝在軸203上的齒輪C與安裝于軸211上的齒輪D嚙合，從而使軸203的轉(zhuǎn)速減至一半，然后傳遞至軸211。軸211的轉(zhuǎn)動通過偏心凸輪212傳遞至臂213。臂213萬向鉸接于基部200，使得座位220可沿左右方向移動，如圖35C中的箭頭所示。在各連接部分，使用軸承以實現(xiàn)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在驅(qū)動單元的運動路徑中，沿左右方向的行程約為沿前后方向行程的一半，從而以1/2減速比實現(xiàn)左右方向的擺動。通過適當(dāng)改變偏心凸輪204、212的相位差，座位由上述過程實現(xiàn)的運動路徑可以形成為V形、W形和水平的8字形。
另一方面，左右連桿250通過鉸接件242連接至固定于框架207的連接構(gòu)件241。各踏板240通過連桿250、鉸接件243以及支點244沿上下方向可移動地支撐。在這種情況下，踏板的運動路徑形成如下當(dāng)座位沿向前、向右及向下擺動時，右踏板240隨之向下移動；而當(dāng)座位沿向前、向左以及向下進(jìn)行擺動時，左踏板240隨之向下移動。這樣，使用者的腳位置和重心位置之間的相對位移可以限制在膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的方向。當(dāng)需要同時向下移動左右踏板時，左右鉸接件242的位置向位于左右之間的中心線移位。此外，優(yōu)選地，各踏板利用彈簧構(gòu)件可移動地支撐，且所述彈簧構(gòu)件的彈性特性被確定為在對應(yīng)于使用者基本一半重量的負(fù)載作用下，踏板向下移動的距離與座位220向下移動的距離相等。
如圖34B所示，座位220具有用于容置使用者臀部和腰部的突起221，并且在其左前和右前部分形成有凹部，處于坐姿的使用者的股骨區(qū)域位于該凹部。這樣，即使驅(qū)動單元沿前、下、左及右方進(jìn)行擺動時，使用者臀部和腰部可以通過突起向前推動而不會滑動，并且使用者也可以保持在踏板上，使得負(fù)載可以有效地作用于股骨區(qū)域。如圖36A和圖36B所示，座位的高度可以根據(jù)使用者的身高或者坐高進(jìn)行調(diào)整。由于隨著座位位置變高，踏板上的腳位置以及座位上的臀部位置之間的水平距離增大(D1-＞D2)，因此可以為具有不同身高的使用者提供適當(dāng)?shù)耐炔坑?xùn)練。
由上述腿部訓(xùn)練設(shè)備所提供的鍛煉并非簡單地用于搖晃使用者。當(dāng)使用者被搖晃時，該設(shè)備盡量改變頭部位置以用于平衡或者確保自身對抗搖晃，從而允許使用者肌肉張緊地進(jìn)行鍛煉。這種鍛煉向使用者的臀部和股骨區(qū)域的肌肉施加負(fù)載，從而可以同時增強身體以及腿部的肌肉強度或代謝(血流、淋巴流)。此外，由于使用者的腳位置和重心位置之間的相對位移被限制在膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的方向，因此具有膝痛的使用者可以放心地進(jìn)行腿部訓(xùn)練。
作為該實施例的一個修改，可以使用圖37中所示的踏板240’。在該踏板中，第一和第二活動板261、262均與基部260和臺階板(step board)263中每一個可樞轉(zhuǎn)地連接。此外，第一和第二活動板261、262通過銷264可轉(zhuǎn)動地彼此連接。另一方面，基部260通過銷265與臺階板263連接。在基部260和臺階板263之間設(shè)置有彈簧266。因此，通過使用該踏板——其通過將這對活動板261、262以交叉形連接形成，可以不用考慮踏板240’上的腳位置而提供踏板均勻的向下運動。
本發(fā)明的連接機構(gòu)實質(zhì)上是將支撐部分與基部移動式地連接，使得由于使用者自重而作用至腿部的負(fù)載可以通過使用者的腳位置與重心位置之間的相對位移而發(fā)生改變；并且限制支撐部分的運動方向，使得至少在作用至腿部的負(fù)載增加時，使用者的腳位置和重心位置之間的相對位移方向基本被限制在膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的方向。當(dāng)使用者坐在座位構(gòu)件2上時，使用者的重心位于使用者臀部略靠前的位置。因此，重心位置可以視為“座位構(gòu)件中心略靠前位置”。即，在圖36A和圖36B所示的座椅式腿部訓(xùn)練設(shè)備的連接機構(gòu)中，支撐部分由基部可移動地支撐，使得由使用者自重而作用至腿部的負(fù)載通過腳位置與“座位構(gòu)件中心略靠前位置”之間的相對位移而發(fā)生改變，并且支撐部分的移動方向被限制成使得至少在作用至腿部的負(fù)載增大時，腳位置和“座位構(gòu)件中心略靠前位置”之間的相對位移方向被基本限制在膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展方向。工業(yè)實用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明的腿部訓(xùn)練設(shè)備，當(dāng)使用者的一部分體重由支撐部分進(jìn)行支撐時，可以向包括股骨區(qū)域的腿部施加相對輕的負(fù)載，從而可以有效地產(chǎn)生股骨區(qū)域的肌肉收縮從而增加糖代謝。因此，可以為由于關(guān)節(jié)疼痛和肌肉強度惡化而導(dǎo)致鍛煉能力下降的使用者提供適當(dāng)?shù)耐炔坑?xùn)練。
此外，本發(fā)明的腿部訓(xùn)練設(shè)備將腳位置和重心位置之間的相對位移方向基本限制在膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的方向。這意味著可以將施加負(fù)載的方向限制在膝部中心與第二腳趾相連的方向上。當(dāng)沿該方向施加負(fù)載時，具有膝痛例如膝部骨關(guān)節(jié)炎的使用者可以安全地進(jìn)行腿部訓(xùn)練，而不會造成臨床惡化和膝痛。
因此，本發(fā)明被期望可以廣泛用作用于防止/改善與生活方式有關(guān)的疾病或者用于美體/減肥鍛煉的鍛煉輔助裝置，以及為具有膝部疾病和需要對腿部進(jìn)行康復(fù)鍛煉的使用者提供適當(dāng)腿部訓(xùn)練的設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種腿部訓(xùn)練設(shè)備，包括基部，其固定在適當(dāng)位置；支撐部分，其構(gòu)造成支撐使用者身體的一部分，以便使用者的至少一部分自重作用于包括股骨區(qū)域的腿部；以及連接機構(gòu)，其構(gòu)造成將所述支撐部分可移動地連接至所述基部，以便通過使用者自重作用至所述腿部的負(fù)載根據(jù)使用者腳位置和重心位置之間的相對位移而變化；并且其構(gòu)造成對所述支撐部分的移動方向進(jìn)行限制，以便至少當(dāng)作用至所述腿部的負(fù)載增加時，腳位置和重心位置之間的相對位移方向基本被限制在膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的方向上。
2.如權(quán)利要求1所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述支撐部分包括踏板，使用者的腳放置在所述踏板上。
3.如權(quán)利要求1所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述支撐部分包括支撐裝置，其構(gòu)造成以坐姿支撐使用者。
4.如權(quán)利要求1所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述支撐部分包括支撐裝置，其構(gòu)造成以懸吊姿勢支撐使用者。
5.如權(quán)利要求1所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述連接機構(gòu)對所述支撐部分的移動方向進(jìn)行限制，以便使用者的腳位置和臀部位置之間的距離基本保持恒定。
6.如權(quán)利要求3所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述支撐裝置包括構(gòu)造成支撐使用者臀部的座位構(gòu)件，且所述座位構(gòu)件通過所述連接機構(gòu)以擺動的方式可移動地連接至所述基部。
7.如權(quán)利要求6所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中該設(shè)備還包括驅(qū)動單元，其構(gòu)造成以擺動方式移動所述座位構(gòu)件。
8.如權(quán)利要求2所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述踏板通過所述連接機構(gòu)與所述基部連接，以相對于所述基部沿水平方向及豎直方向中的至少一個方向移動。
9.如權(quán)利要求8所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述連接裝置包括設(shè)置在所述踏板底側(cè)的彈性構(gòu)件。
10.如權(quán)利要求1所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述支撐部分包括座位構(gòu)件，其構(gòu)造成支撐使用者的臀部并且通過所述連接機構(gòu)以擺動的方式可移動地連接至所述基部；以及踏板，其上放置使用者的腳；并且該腿部訓(xùn)練設(shè)備還包括聯(lián)鎖單元，其構(gòu)造成使所述踏板的運動與所述座位構(gòu)件的擺動同步。
11.如權(quán)利要求10所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中該設(shè)備還包括第一驅(qū)動單元，其構(gòu)造成以擺動方式移動所述座位構(gòu)件；第二驅(qū)動單元，其構(gòu)造成移動所述踏板；以及控制單元，其構(gòu)造成以同步方式控制所述第一驅(qū)動單元以及所述第二驅(qū)動單元。
12.如權(quán)利要求11所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述控制單元控制所述座位構(gòu)件及所述踏板的運動，以使所述座位構(gòu)件在相對于所述基部呈豎直姿勢的位置、以及相對于所述豎直姿勢呈小于或等于5°的傾斜姿勢的位置之間往返擺動，從而使使用者的膝部角度保持在小于或等于40°，且所述座位構(gòu)件往返擺動的每秒鐘往返次數(shù)小于或等于2。
13.如權(quán)利要求6所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述座位構(gòu)件包括立柱，其通過所述連接機構(gòu)連接至所述基部；鞍座，其設(shè)置于所述立柱的頂端以支撐使用者的臀部；以及結(jié)合裝置，其構(gòu)造成將所述鞍座與所述立柱結(jié)合，以提供所述鞍座相對于所述立柱的平行運動和旋轉(zhuǎn)運動中的至少其中之一。
14.如權(quán)利要求13所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述結(jié)合裝置將所述鞍座以蹺蹺板的方式可移動地支撐在所述立柱上。
15.如權(quán)利要求13所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述結(jié)合裝置將所述鞍座可滑動地支撐在與所述立柱的軸線方向相交的平面內(nèi)。
16.如權(quán)利要求15所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中該設(shè)備還包括鞍座驅(qū)動單元，其構(gòu)造成使所述鞍座相對于所述立柱滑動。
17.如權(quán)利要求13所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述立柱能沿其縱向方向收縮；且該腿部訓(xùn)練設(shè)備包括立柱驅(qū)動單元，其構(gòu)造成使所述立柱伸長和縮短。
18.如權(quán)利要求13所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述立柱能沿其縱向方向收縮；且該腿部訓(xùn)練設(shè)備還包括踏板，其上放置使用者腳；以及控制單元，其構(gòu)造成對以擺動方式移動所述座位構(gòu)件的第一驅(qū)動單元進(jìn)行控制，使其與至少一個下述驅(qū)動單元同步驅(qū)動所述踏板的第二驅(qū)動單元；使所述立柱伸長和縮短的第三驅(qū)動單元；以及使所述鞍座在與所述立柱軸線方向相交的平面內(nèi)滑動的第四驅(qū)動單元。
19.如權(quán)利要求1所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中該設(shè)備還包括測量單元，其構(gòu)造成測量關(guān)于代謝的生理測量值；評估單元，其構(gòu)造成根據(jù)所述測量單元的輸出確定所述代謝；負(fù)載施加單元，其構(gòu)造成向使用者施加負(fù)載；以及控制單元，其構(gòu)造成根據(jù)所述評估單元提供的代謝控制通過所述負(fù)載施加單元施加至使用者的負(fù)載大小。
20.如權(quán)利要求19所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述評估單元利用權(quán)重因數(shù)為所述生理測量值賦予權(quán)重，從而獲得作為代謝的加權(quán)生理測量值，其中，所述權(quán)重因數(shù)是進(jìn)行所述負(fù)載施加單元提供鍛煉的肌肉的體積以及進(jìn)行所述鍛煉的紅肌的體積其中之一。
21.如權(quán)利要求1所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中該設(shè)備還包括負(fù)載傳感器，其設(shè)置于所述支撐部分上以檢測相對于使用者自重的、施加至所述腿部的負(fù)載；以及負(fù)載變化通知單元，其構(gòu)造成以實時的方式向使用者通知由所述負(fù)載傳感器所測負(fù)載隨時間的變化。
22.如權(quán)利要求10所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述聯(lián)鎖單元使所述踏板的運動與所述座位構(gòu)件的擺動同步，以便在使用者坐在所述座位構(gòu)件上并且將腳放于所述踏板上的條件下，當(dāng)使用者重心位置發(fā)生變化時，使用者膝關(guān)節(jié)的彎曲角度在小于或等于45°的范圍內(nèi)。
23.如權(quán)利要求10所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述聯(lián)鎖單元使所述踏板的運動與所述座位構(gòu)件的擺動同步，以便當(dāng)使用者的重心位置發(fā)生變化時，使用者膝關(guān)節(jié)的彎曲角度基本保持恒定。
24.如權(quán)利要求10所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述聯(lián)鎖單元選擇性地提供第一鍛煉模式和第二鍛煉模式；在第一鍛煉模式中，所述踏板的運動與所述座位構(gòu)件的擺動同步，以便在使用者坐在所述座位構(gòu)件上并且將腳放于所述踏板上的條件下，當(dāng)使用者重心位置發(fā)生變化時，使用者膝關(guān)節(jié)的彎曲角度在小于或等于45°的范圍內(nèi)；在第二鍛煉模式中，所述踏板的運動與所述座位構(gòu)件的擺動同步，以便當(dāng)使用者的重心位置發(fā)生變化時，使用者膝關(guān)節(jié)的彎曲角度基本保持恒定；并且，該腿部訓(xùn)練設(shè)備包括選擇器，其構(gòu)造成選擇所述第一鍛煉模式和所述第二鍛煉模式其中之一。
25.如權(quán)利要求1所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中該設(shè)備還包括輸入單元，其構(gòu)造成輸入使用者的數(shù)據(jù)；計算單元，其構(gòu)造成根據(jù)從所述輸入單元輸入的數(shù)據(jù)，計算待由使用者施加至所述支撐部分的壓力的適當(dāng)范圍；壓力傳感器，其構(gòu)造成檢測由使用者實際施加至所述支撐部分的壓力；以及顯示單元，其構(gòu)造成向使用者顯示由所述計算單元提供的所述適當(dāng)范圍以及由所述壓力傳感器所測的實際壓力值。
26.如權(quán)利要求1所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中該設(shè)備還包括輸入單元，其構(gòu)造成輸入使用者的數(shù)據(jù)；計算單元，其構(gòu)造成根據(jù)從所述輸入單元輸入的數(shù)據(jù)，計算待由使用者施加至所述支撐部分的壓力的適當(dāng)范圍；壓力傳感器，其構(gòu)造成檢測由使用者實際施加至所述支撐部分的壓力；以及控制單元，其構(gòu)造成以反饋的方式控制所述連接機構(gòu)，使所述壓力傳感器所測的壓力值保持在所述適當(dāng)范圍內(nèi)。
27.如權(quán)利要求4所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述支撐裝置包括身體保持單元，其構(gòu)造成以懸吊姿勢保持使用者身體，并且通過所述連接機構(gòu)以擺動的方式可移動地連接至所述基部；以及踏板，其上放置使用者腳；其中，所述腿部訓(xùn)練設(shè)備還包括聯(lián)鎖單元，其構(gòu)造成使所述踏板的運動與所述身體保持單元的擺動同步。
28.如權(quán)利要求27所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中，所述身體保持單元包括腰部保持構(gòu)件，其構(gòu)造成保持使用者的腰；以及用于使用者的懸吊構(gòu)件，其構(gòu)造成能沿其軸線方向收縮。
29.如權(quán)利要求27所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中該設(shè)備還包括驅(qū)動單元，其構(gòu)造成以擺動的方式移動所述身體保持單元。
30.如權(quán)利要求27所述的腿部訓(xùn)練設(shè)備，其中該設(shè)備還包括第一驅(qū)動單元，其構(gòu)造成以擺動的方式移動所述身體保持單元；第二驅(qū)動單元，其構(gòu)造成移動所述踏板；以及控制單元，其構(gòu)造成以同步的方式控制所述第一驅(qū)動單元以及所述第二驅(qū)動單元。
全文摘要
一種腿部訓(xùn)練設(shè)備，具有固定在適當(dāng)位置的基部；被構(gòu)造成支撐使用者身體一部分的支撐部分；以及設(shè)置在基部與支撐部分之間的連接機構(gòu)。該連接機構(gòu)將支撐部分與基部可動地連接，使得由于使用者自重而作用至腿部的負(fù)載隨使用者腳位置和重心位置之間的相對位移而變化。另外，該連接機構(gòu)對支撐部分的移動方向進(jìn)行限制，使得至少當(dāng)作用至腿部的負(fù)載增加時，腳位置和重心位置之間的相對位移方向基本上被限制在膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的方向上。從而，可以為使用者有效提供施加較小負(fù)載至膝關(guān)節(jié)的鍛煉。
文檔編號A63B23/08GK1809403SQ20048001706
公開日2006年7月26日 申請日期2004年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月21日
發(fā)明者小澤尚久, 四宮葉一, 越智和弘, 豊海百合貢, 石野幸一, 河本實 申請人:松下電工株式會社