KR100791584B1 - 운동 보조 장치 - Google Patents

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다카히사 오자와
요우이치 시노미야
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마츠시다 덴코 가부시키가이샤
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Abstract

운동 보조 장치는, 기대에 대해서 움직일 수 있는 둔부 지지부재와, 기대에 대하여 움직일 수 있는 발 받침대와, 둔부 지지부재를 구동하는 구동 수단과, 사용자의 지방량과 근육량 중 적어도 하나를 추정하는 체질 추정부와, 구동 수단을 제어하는 제어부를 가진다. 제어부는, 둔부 지지부재 상의 사용자의 대퇴부에 걸리는 부하가 사용자의 발끝과 큰 굴림대의 사이의 상대 위치 변화에 따라 변화되고, 상기 위치 변화가 사용자의 무릎 관절의 굴신 방향으로 제한되고, 또한 무릎 관절의 각도가 거의 일정하게 유지되도록 구동 수단을 제어한다. 또한, 제어부는 체질 추정부의 출력을 이용하여 구동 수단을 제어하므로, 각각의 사용자에게 적절한 강도로 무릎 관절에 부담이 적은 운동을 제공한다.
운동, 보조, 제어, 체질, 둔부, 지방량, 근육량, 무릎, 관절, 추정

Description

운동 보조 장치{EXERCISE AID DEVICE}
본 발명은 착석 상태에서 사용자의 무릎 관절에 부담이 적은 운동을 제공하기 위한 운동 보조 장치에 관한 것이다.
사용자에게 타동적(他動的)인 운동 자극을 제공하는 운동 보조 장치로서, 종래에는 사용자가 착석한 시트부에 모의 승마 운동을 제공하는 장치(예를 들면, 일본국 특개평 11-155836호 공보)나, 사용자가 발을 올려둔 페달을 전동으로 회전시키는 것으로 사용자에게 사이클링 운동시키는 장치 등이 공지되어 있다. 이러한 장치들은, 사용자에게 유산소 운동을 제공해 체지방을 감소시키는 동시에, 근수축을 일으켜 당대사를 촉진시키므로 생활 습관병 개선에 유효한 것이다.
근수축에 의한 당대사를 효율적으로 행하는 데는, 부피가 큰 근육(특히 유산소 운동에 기여하는 적근)에 근수축을 일으키는 것이 바람직하고, 대퇴부나 등부의 근육을 근수축 시키는 것이 유효한 것으로 고려되고 있다. 그러나, 당뇨병 환자처럼 무릎 통증을 수반한 사용자에 있어서는, 무릎에 통증을 일으키거나, 증상을 악화시키기 때문에, 대퇴부나 등부의 근육을 근수축 시키는데 효과적인 운동을 행할 수 없는 경우가 많았다.
이와 같은 이유로, 상기 사이클링 운동을 제공하는 장치에서는, 무릎에 부담 이 크며, 운동을 하는데 고통이 따를 가능성이 높다. 또한, 상기 모의 승마 장치에서는, 사용자가 좌석에 착석하기 때문에 무릎에 부담은 적지만, 허리 등부 등의 주로 체간부의 근수축을 촉진하는 것을 목적으로 하기 때문에, 대퇴부의 근수축을 효과적으로 행하는 장치의 개발이 기대되고 있다.
또한, 유산소 운동을 행하는 경우에는, 각 사용자에게 최적의 운동량이 설정되지 않으면, 사용자에게 과도한 운동을 제공해 무릎 통증을 악화시키거나, 반대로 충분한 운동 효과를 얻을 수 없는 문제도 있다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 본 발명의 주된 목적은, 사용자의 무릎에 걸리는 부담을 저감시키면서, 대퇴부의 근수축에 따른 타동적인 운동 자극을 효율적으로 사용자에게 부여하기 위한 운동 보조 장치를 제공하는 것에 있다.
즉, 본 발명의 운동 보조 장치는,
기대;
상기 기대에 대해서 움직일 수 있고, 사용자의 둔부를 지지하는 지지부재;
상기 기대에 대해서 움직일 수 있는 발 받침대;
상기 지지부재 및 상기 발 받침대 중 적어도 한쪽을 구동하는 구동 수단; 및
상기 지지부재 상의 사용자의 체중에 의해 대퇴부에 걸리는 부하가 사용자의 발끝과 큰 굴림대 사이의 상대 위치 변화에 따라 변화되고, 상기 위치 변화가 사용자의 무릎 관절의 굴신(屈伸) 방향으로 허용되며, 또한 상기 무릎 관절의 각도가 실질적으로 일정하게 유지되도록 구동 수단을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 따르면, 근력의 저하나 무릎 통증 등에 의해 운동 기능이 저하된 사용자의 대퇴부의 근수축을 촉진시키는데 적합한 타동적인 운동 자극을 효율적으로 제공할 수 있어, 계속적인 운동에 의해 생활 습관병의 예방/개선 효과가 기대된다. 또한, 사용자의 발끝과 큰 굴림대 사이의 상대 위치 변화가 사용자의 무릎 관절의 굴신 방향으로 허용(바람직하게는 제한)되므로, 변형성 무릎 관절증과 같이 무릎 관절에 통증이 있는 사용자라도, 통증이나 증상의 악화를 초래하지 않고, 다리부의 근수축에 따른 운동을 안심하고 행할 수 있다.
상기 운동 보조 장치에 있어서, 구동 수단은 지지부재만을, 또는 지지부재를 발 받침대과 연동시켜 구동하는 것이 바람직하다. 특히, 지지부재만을 구동하는 경우는, 비용면에서 뛰어난 운동 보조 장치를 달성할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 사용자의 지방량과 근육량 중 적어도 하나를 추정하는 체질 추정부를 포함하고, 제어부는 체질 추정부의 출력을 이용하여 구동 수단을 제어하는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 사용자의 근육량 및 지방량 중 적어도 하나를 계측하고, 그 계측 결과에 따라 지지부재의 운동 속도나 운동 시간을 사용자 개인에 맞게 적절히 제어할 수 있다.
체질 추정부의 바람직한 실시예로서, 운동 보조 장치는, 발 받침대 상에 배치되는 한쌍의 제1 전극과, 사용자가 파지할 수 있는 그립 상에 설치되는 한쌍의 제2 전극으로, 사용자가 발 받침대에 발을 올려두고 그립을 잡고 있는 상태에서, 제1 전극의 한쪽과 제2 전극의 한쪽 사이에 고주파 전류를 흐르게 함과 동시에, 제1 전극 다른쪽과 제2 전극 다른쪽 사이의 전위차를 검출하여 사용자의 생체 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부를 구비하고, 체질 추정부는 임피던스 측정부의 출력을 이용하여 사용자의 지방량과 근육량 중 적어도 하나를 추정한다.
또한, 체질 추정부에 의한 지방량 및 근육량의 추정 정밀도를 높이기 위해서, 운동 보조 장치는, 사용자의 체중을 입력하는 체중 입력부를 가지며, 체질 추정부는 체중 입력부에 의해 입력된 사용자의 체중과, 임피던스 측정부의 출력을 이용하여, 사용자의 지방량과 근육량 중 적어도 하나를 추정하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 더욱 바람직한 실시예로서, 운동 보조 장치는, 사용자의 체중 및 신장을 입력하는 신체 정보 입력부와, 신체 정보 입력부에 의해 입력된 사용자의 체중, 신장, 및 체질 추정부의 출력을 이용하여, 운동중인 사용자의 단위 시간당 에너지 대사량, 및 사용자의 단위 시간당 목표 에너지 대사량 중 하나를 산출하는 에너지 대사량 연산부를 구비하고, 제어부는 에너지 대사량 연산부의 출력을 이용하여 구동 수단을 제어한다.
또한, 발 받침대에 걸리는 하중을 검출하는 하중 센서와, 하중 센서의 출력을 이용하여 사용자의 체중을 추정하는 체중 추정부를 운동 보조 장치에 설치하고, 체질 추정부는 임피던스 측정부의 출력과 체중 추정부의 출력을 이용하여 지방량과 근육량 중 적어도 하나를 추정하는 것이 바람직하다. 또는, 지지부재는 높이 방향으로 길이를 조절할 수 있으며, 운동 보조 장치는, 지지부재의 높이를 검출하는 거리 센서와, 거리 센서의 출력을 이용하여 사용자의 신장을 추정하는 신장 추정부를 구비하고, 체질 추정부는 임피던스 측정 수단의 출력과 신장 추정부의 출력을 이용하여 지방량과 근육량 중 적어도 하나를 추정하는 것도 바람직하다. 이들 경우에는, 임피던스 측정부의 출력에 사용자의 고유 신체 정보인 체중이나 신장이 가미되므로, 체질 추정부에 의한 지방량 및 근육량의 추정 정밀도를 더욱 높일 수 있다.
또한, 사용자의 지방량과 근육량 중 적어도 한쪽의 변화를 기록하는 기록부와, 기록부에 기록된 상기 변화에 따라, 운동 효과를 평가하는 평가부를 운동 보조 장치에 설치하고, 평가부의 출력을 이용하여 제어부가 구동 수단을 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 운동 보조 장치의 더욱 바람직한 실시예로서, 사용자의 생체 프로필 외에 별도로 복수개의 운동 프로그램을 기억하는 기억부와, 사용자의 생체 프로필을 입력하는 입력부를 운동 보조 장치에 설치하고, 제어부는 입력부에 의해 입력된 사용자의 생체 프로필에 대응하는 상기 운동 프로그램의 1개를 기억부로부터 추출하여, 추출된 운동 프로그램에 따라 구동 수단을 제어한다.
본 발명의 운동 보조 장치의 다른 바람직한 실시예로서, 운동 보조 장치는, 또한 발 받침대에 걸리는 하중을 검출하는 하중 센서와, 하중 센서의 출력을 이용하여, 사용자의 무릎 관절에 작용하는 힘을 추정하는 연산부를 구비하고, 제어부는 연산부에 의해 추정된 힘이 미리 설정한 범위 내가 되도록 구동 수단(예를 들면, 지지부재의 경사 각도의 변화 속도와 같은 구동 수단을 동작시키는 속도)을 실시간으로 제어하는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 발 받침대에 걸리는 하중에 따라, 무릎 관절에 작용하는 힘을 추정하고, 이것을 이용하여 구동 수단을 제어하기 때문에, 사용자의 무릎에 과도한 힘이 작용하지 않도록 사용자에게 부여되는 운동을 실시간으로 감시할 수 있다. 특히, 추정된 힘이 상한값을 초과했을 경우에, 구동 수단을 정지시키는 구성으로 하는 것이 안전상 바람직하다. 또한, 무릎 관절에 작용하는 힘을 표시 수단을 통하여 사용자에게 표시함으로써 사용자에게 안심을 주고, 사용자가 편안한 상태에서 적절한 운동 보조를 받을 수 있다.
본 발명의 새로운 특징 및 효과는, 이하에 설명하는 발명을 실시하기 위한 최선의 형태로부터 보다 명확하게 이해할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 운동 보조 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 운동 보조 장치의 블록도이다.
도 3(a)~도 3(e)는 운동 보조 장치의 동작 설명도이다.
도 4는 사용자의 무릎에 작용하는 전단력을 구하기 위한 링크 모델을 나타낸 도면이다.
도 5는 운동 보조 장치의 동작 제어를 나타낸 플로차트이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 운동 보조 장치에 착석한 사용자의 자세를 나타낸 개략도이다.
도 7은 운동 보조 장치의 보조 지지체를 나타낸 개략도이다.
도 8은 운동 보조 장치의 표시부의 일례를 나타낸 개략적인 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 운동 보조 장치의 개략적인 사시도이 다.
도 10은 도 9의 운동 보조 장치의 블록도이다.
도 11(a) 및 도 11(b)는 발 받침대 및 그립에 있어서의 전극 배치를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 운동 보조 장치의 개략적인 사시도이다.
도 13은 도 12의 연동 보조 장치의 블록도이다.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 운동 보조 장치의 개략적인 사시도이다.
도 15는 도 14의 운동 보조 장치의 블록도이다.
이하, 본 발명의 운동 보조 장치를 바람직한 실시예에 따라서 상세하게 설명한다.
<제1 실시예>
본 실시예의 운동 보조 장치는, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 바닥면에 설치되는 기대(1), 사용자(M)의 둔부를 지지하는 지지부재(2), 사용자의 발을 올려두는 한쌍의 발 받침대(3), 지지부재(2) 및 발 받침대(3)를 구동하기 위한 구동 기구(4), 및 구동 기구(4)의 제어부(10)로 구성된다. 그리고, 도 1에서, 참조번호 50은 사용자의 생체 정보나 운동 상태를 표시하는 표시부이다.
지지부재(2)는, 포스트(21)와, 포스트(21)의 상단에 설치되는 사용자(M)의 둔부를 지지하는 안장(22)으로 구성된다. 포스트(21)는 그 하단에서 구동 기구(4)에 의해 기대(1)에 경사 가능하게 지지된다. 즉, 구동 수단인 모터(41)의 출력이, 구동 기구(4)를 통하여 지지부재(2)에 전달되어, 포스트(21)가 수직 자세와 경사 자세 사이에서 왕복 요동 운동한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 사용자(M)가 다리를 벌려 안장(22)에 착석한 상태에서, 사용자의 대퇴부와 안장을 포함하는 면 내에서 지지부재(2)를 경사 이동시킨다. 즉, 지지부재(2)가 기대(1)에 대해서 기울어졌을 때, 무릎 관절에 횡방향의 힘이 작용하지 않고, 무릎 관절에 대하여 실질적으로 굴신 방향으로만 힘이 작용하도록 경사 이동하는 것이다. 본 실시예에 있어서, 포스트(21)의 길이는, 사용자가 안장(22)에 착석하고, 발 받침대(3)에 발을 올려둔 상태에 있어서, 사용자의 무릎의 각도가 소정 각도로 되도록 조절할 수 있다. 그리고, 구동 기구(4)에 포스트(21)를 신축시키는 기구를 도입하여도 된다.
발 받침대(3)는, 구동 기구(4)를 통하여 기대(1)에 대해서 상하 방향으로 이동 가능하게 지지된다. 즉, 지지부재(2)가 기대(1)에 대해서 경사 이동해도 사용자의 무릎 관절의 각도가 변화하지 않도록, 지지부재(2)의 기대(1)에 대한 경사 각도에 따라 발 받침대(3)의 기대(1)에 대한 높이 위치가 조절된다. 또한, 발 받침대(3)는, 기대(1)에 대해서 경사 가능하게 구동 기구(4)를 통하여 지지된다. 도 1에 있어서는, 발 받침대가 좌우방향으로 경사 가능한 모습이 그려져 있지만, 여기서 "발 받침대(3)의 경사"는, 발끝과 발꿈치를 연결하는 전후 방향의 기대에 대한 경사의 의미도 포함된다. 예를 들면, 발 받침대의 전후방향에 있어서의 발바닥의 경사 각도를 변화시킴으로써 무릎 관절에 작용하는 전단력을 변화시킬 수가 있다. 또한, 필요에 따라, 발 받침대(3)의 상면에 직교하는 축 주위에 발 받침대를 회전 가능하게 해도 된다. 그리고, 발 받침대(3)에 발을 올려두는 위치는 적당히 마크 등으로 표시되고, 각각의 발 받침대(3)에는 사용자의 발로부터 받는 하중을 검출하기 위한 하중 센서(30)가 설치되어 있다.
본 실시예에 있어서는, 기대(1)에 대한 좌우의 발 받침대(3)의 경사 각도를 실시간으로 조절하기 위해, 좌우 발 받침대(3)의 경사 각도를 독립적으로 조절하는 2개의 모터(42, 43)가 사용된다. 또한, 지지부재(2)를 경사 이동시키는 모터(41)는, 발 받침대(3)를 상하 방향으로 이동시키는 모터로서 겸용된다. 그리고, 발 받침대(3)는 반드시 모터에 의해 구동될 필요는 없고, 공기압에 의해 발 받침대를 상하로 이동시키는 벨로우즈 장치와 같은 구성이라도 된다. 또는, 동일한 수준의 효과를 얻을 수 있도록 스프링 계수가 설정된 스프링 등의 탄성 부재에 의해 기대에 대해서 움직일 수 있도록 지지되는 구성으로 해도 된다.
제어부(10)는, 주로 마이크로 컴퓨터로 구성되며, 지지부재(2) 상의 사용자(M)의 체중에 의해 대퇴부에 걸리는 부하가 사용자 발끝과 큰 굴림대의 사이의 상대 위치 변화에 따라 변화되고, 상기 위치 변화가 사용자의 무릎 관절의 굴신 방향으로 실질적으로 제한되고, 또한 상기 무릎 관절의 각도가 대략 일정하게 유지되도록 지지부재(2)의 구동원으로서의 모터(41), 발 받침대(3)의 구동원으로서의 모터(42, 43)를 제어한다. 본 실시예에서, 지지부재(2)의 움직일 수 있는 범위는, 무릎 관절의 굴신 범위가 신장 위치로부터 45°까지의 범위로 제한된다.
본 실시예의 운동 보조 장치는, 적정한 운동 부하를 얻기 위해 각 모터의 회전 속도에 관한 시계열 데이터가 설정되고, 기억된 기억부(11)와, 사용자의 신장이나 체중, 연령, 성별 등의 개인정보를 입력하기 위한 입력부(12)와, 발 받침대(3)에 설치한 하중 센서(30)의 출력에 기초하여 사용자의 무릎 관절에 작용하는 힘을 추정하는 연산부(13)을 추가로 가지며, 제어부(10)는, 연산부(13)에 의해 추정된 힘이 미리 설정한 범위 내가 되도록 모터(41~43)를 실시간으로 제어한다. 입력부(12)로부터 입력된 정보는 기억부(11)에 수납된다.
상기 운동 보조 장치는, 도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 약간 다리를 벌린 상태에서 사용자의 발을 발 받침대(3)에 올려두고, 안장(22)에 착석한 상태로 사용된다. 발 받침대(3)와 안장(22)의 위치 관계는, 사용자의 다리 길이에 따라, 발 받침대(3)의 높이 위치와, 포스트(21)의 신축 길이 중 적어도 하나를 조절함으로써 결정할 수 있다. 지지부재(2)는, 사용자의 중심 이동 방향이 무릎 관절의 굴신 방향과 평행하게 되도록, 기대(1)에 대해서 포스트(21)가 수직 자세로 기립 위치와 앞 우측 방향 또는 앞 좌측 방향에서 경사 자세로 되는 위치 사이에서 요동한다. 또한, 이 요동 운동중, 사용자의 무릎 관절의 굴곡 각도(θ)는 실질적으로 변화되지 않도록 유지된다. 즉, 발 받침대(3)는 구동 기구(4)에 의해 기대(1)에 대해서 상하 방향으로 움직일 수 있도록 지지되어 있으므로, 포스트(21)가 대략 수직 자세로 있을 때, 도 3(b)나 도 3(d)에 나타낸 위치에 발 받침대(3)가 위치되고, 포스트(21)가 경사 자세로 있을 때, 도 3(c)나 도 3(e)에 나타낸 바와 같이 발 받침대(3)를 하방으로 이동시킴으로써, 무릎 관절의 굴곡 각도(θ)를 거의 일정하게 유 지할 수 있다. 이때, 발 받침대(3)는, 예를 들면, 도 3(c)에 나타낸 바와 같이, 구동원에 의해 구동되지 않고, 적절한 스프링 계수를 가지는 스프링에 의해 지지될 수 있으며, 또는 도 3(e)에 나타낸 바와 같이, 구동원에 의해 발 받침대(3)의 위치를 타동적으로 변화시킬 수도 있다. 그리고, 지지부재(2)를 거의 수직 자세인 상태로부터 좌우의 한쪽 발 받침대(3)를 향해 경사지게 할 때는, 지지부재(2)를 요동(경사)시킨 쪽의 발 받침대(3)만을 하방으로 이동시킨다. 이와 같이 하여, 무릎 관절의 굴곡 각도(θ)를 변경하지 않고, 한쪽 다리의 대퇴부에 효율적으로 부하를 부여할 수 있다.
본 실시예의 운동 보조 장치에 의하면, 지지부재(2)의 요동 방향(즉, 발 받침대(3)에 올려둔 발의 위치와 사용자의 큰 굴림대의 상대 위치 변화 방향)이 무릎 관절의 굴신 방향으로 제한되는 동시에, 무릎 관절의 굴신 범위(각도 범위)도 제한되므로, 무릎 관절이 뒤틀리지 않고, 변형성 무릎 관절증과 같이 관절 통증이 있는 사용자라도 통증의 증가나 증상의 악화와 같은 악영향을 주지 않아, 안심하고 운동할 수 있다. 또한, 지지부재(2)의 경사에 따라 발 받침대(3)를 하방으로 이동시키므로, 무릎 관절의 굴곡 각도가 변화되는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 다리 근육을 등척성 신축에 가까운 상태에서 수축시키는 것이 가능하게 되어, 무릎에 부담을 증가시키지 않고 근육 대사를 촉진해 인슐린 저항성을 개선할 수 있다. 또한, 지지부재(2)와 발 받침대(3)가 모터에 의해 구동되므로, 사용자는 적극적으로 몸을 움직이지 않아도 되고, 타동적인 운동에 추종하면 된다.
또한, 본 실시예의 운동 보조 장치는, 운동 중의 사용자의 무릎에 작용하는 전단력을 실시간으로 추정하고, 이에 따라 지지부재(2) 및 발 받침대(3)의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다. 일예로서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 무릎에 작용하는 전단력을 강체 링크 모델을 이용하여 추정하는 방법에 대하여 설명한다. 그리고, 전단력을 추정하는 방법은, 이 방법에 한정되지 않으며, 유한 요소법 해석과 같은 다른 방법을 사용해도 된다.
도 4에서, "L1"은 발부분에 상당하는 강체 링크이고, "L2"는 종아리부에 상당하는 강체 링크이며, "L3"는 대퇴부에 상당하는 강체 링크이다. "P2"는 발 관절에 상당하는 지점이며, "P3"는 무릎 관절에 상당하는 지점이다. 또한, "r1", "r2" 및 "r3"는, 각각 L1, L2, 및 L3의 길이를 나타내고, "m1", "m2" 및 "m3"는, 각각 L1, L2, 및 L3의 질량을 나타낸다. 이들 링크의 길이 및 질량은, 인체 해부학적 정보에 따라 사용자의 신장 및 체중으로부터 설정된다. 그리고, 성별, 연령과 그 외의 파라미터를 고려함으로써, 보다 양호한 정밀도로 설정할 수 있다.
또한, 도 4에 있어서, 기대(1)의 상면에 대해서 수직 방향을 Y축 방향으로 하고, 수평 방향을 X축 방향으로 한다. 따라서, 사용자의 무릎 관절의 굴신 운동은 XY 평면에 의해 정의된다. 이 좌표계에 있어서, 발끝부, 발 관절, 무릎 관절 및 큰 굴림대의 좌표 위치를 각각, (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3), (x4, y4)로 한다. 또한, F1은, 발 받침대에 설치한 하중 센서(30)에 의해 검출된 하중(반력)을 나타낸다. F2는 발 관절에 작용하는 힘이며, F3은 무릎 관절에 작용하는 힘이다. 또한, 각도 "θ"는, 링크 L3의 수평 축에 대한 경사 각도이다.
상기 조건하에서, 무릎 관절에 작용하는 전후 방향의 전단력(Fs3)은, 다음 식(1)에 의해 결정된다.
Fs3 = F3x·cosθ + F3y·sinθ···(1)
F3x 및 F3y는 각각 다음 식(2) 및 (3)로 표시된다.
F3x = F2x + m2·(d2x2/dt2)···(2)
F3y = F2y - m2g + m2·(d2y2/dt2)···(3)
또한, F2x 및 F2y는, 각각 다음 식(4) 및 (5)로 표시된다.
F2x = F1x + m1·(d2x1/dt2)···(4)
F2y = F1y - m1g + m1·(d2y1/dt2)···(5)
여기에서, g는 중력가속도, F1x 및 F1y는 하중 센서가 검출하는 하중의 x 방향 성분 및 y 방향 성분이며, 발 받침대(3)의 기대(1)에 대한 경사 각도에 따라서 구할 수 있다. 또한, (d2x2/dt2), (d2y2/dt2), (d2x1/dt2), (d2y1/dt2)는 발끝 및 발 관절의 위치의 시간 변화로부터 구해진다. 마찬가지로, 무릎 관절의 전후 방향에 직교하는 방향(전액면 방향)에 있어서의 전단력이나, 다른 관절에 있어서의 전단력 을 산출하는 것이 가능하다. 이들 연산은, 연산부(13)에 의해 행해진다. 연산부(13)에 의해 구해진 무릎 관절에 작용하는 전단력은, 후술하는 바와 같이, 구동 기구(4)의 제어에 사용된다. 또한, 무릎 관절에 작용하는 전단력을 디스플레이(50) 상에 표시해도 된다. 또한, 설명을 용이하게 하기 위해, 상기에서는 3개의 강체 링크 모델에 기초하여 설명하였지만, 인체의 실제 해부학 데이터에 기초하여 보다 상세한 설정을 채용하면, 추정 정밀도를 더욱 높일 수 있다.
또한, 발 관절이나 큰 굴림대의 위치는 다음과 같이 결정할 수 있다. 즉, 도 3(c)에 있어서, "φ"는, 지지부재(2)의 경사 각도이며, "d"는, 지지부재(2)의 회전 반경이며, "r"는 지지부재(2)의 회전 중심으로부터 큰 굴림대까지의 거리이다. 이로써, 큰 굴림대의 위치(x, y)는, 각각 다음 식으로 표시된다.
x = r·sinφ
y = r·(1-cosφ)
그리고, 발 관절의 위치는, 발 받침대의 위치 변위를 구함으로써 얻어진다. 또한, 발 관절의 위치와 큰 굴림대의 위치가 산출되면, 무릎 관절의 각도는 미리 기억되어 있는 무릎 관절 각도의 계측 데이터에 기초하여 결정된다. 또한, 지지부재가 경사짐에 따라, 발 받침대의 위치를 내려 무릎 관절 각도를 거의 일정하게 유지하는 동작이므로, 무릎 관절의 위치도 결정된다.
다음에, 상기 방법에 따라 추정한 전단력에 근거하는 운동 보조 장치의 제어 방법의 일예를 도 5에 따라서 설명한다. 사용자의 생체 정보를 입력하기 위한 입력부(12)에 사용자의 체중과 신장을 입력하면, 제어부(10)는 미리 설정되어 있는 기준치로 모터를 동작시킨다. 다음에, 하중 센서(30)에 의해 검출된 하중(W)을 판독하고, 전술한 방법에 의해 무릎 관절에 작용하는 전단력(F1, F2)을 산출한다. 바람직하게는, 사용자의 둔부로부터 지지부재(2)에 작용하는 하중을 검출하고, 그것을 전단력의 추정에 사용하면, 더욱 정밀도를 향상시킨다.
하중 센서(30)에 의해 검출된 하중(W)과 추정된 무릎 관절에 작용하는 전단력(F1, F2)이, 각각 미리 설정된 임계값(T1, T2)과 비교된다(S1). 전단력과 하중에서 하나라도 임계값을 초과하면, 모터의 동작 속도를 떨어뜨리고, 지지부재 및 발 받침대의 위치를 초기 위치로 되돌리고(S2), 모터의 동작을 정지한다(S3). 이에 따라, 무릎 관절에 과도한 부담이 걸리는 것을 미연에 방지할 수 있다.
전단력과 하중 양쪽이 임계값 이하인 경우는, 전후 방향의 전단력(F1)과 좌우 방향의 전단력(F2)을 각각 경계치(A1, A2)와 비교한다(S4, S5). 본 실시예에 있어서는, 각각의 전단력에 관해서, 대소 2개의 임계값이 설정되고, 큰 쪽의 임계값 T2는 한계치를 의미하고, 작은 쪽의 임계값 A1, A2는 각각 경계치를 의미한다. 전후 방향의 전단력에 관한 경계치(A1)와 좌우 방향의 전단력에 관한 경계치(A2)는 상이한 값으로 한다. 전단력이 경계치 이상이라도, 지지 수단 및 발 받침대의 동작을 즉시 정지할 필요는 없다. 이 값은, 사용자가 무릎 관절에 통증을 느낄 가능성이 있는 값으로서, 이 값을 상회하는 경우는, 전단력이 저하되도록 구동부를 제어한다. 예를 들면, 발 받침대의 경사나 지지부재의 길이를 변화시켜, 지지부재가 경사지는 속도를 변화시켜서 무릎에 작용하는 부하의 크기를 줄일 수 있다. 그리고, 무릎 관절에 좌우 방향의 힘이 작용하지 않도록 장치를 동작시키는 경우에는, 좌우 방향의 전단력(F2)을 경계치와 비교하는 단계(S5)를 생략할 수 있다.
전후 방향 및 좌우 방향 중 어느 하나에 있어서 전단력이 경계치를 초과하는 경우(S6, S7), 발 받침대(3)의 각도가 변경 가능한 범위 내에 있으면, 기대(1)에 대한 발 받침대(3)의 경사 각도를 변경한다(S8, S9). 발 받침대의 경사 각도를 변화시킴으로써, 발바닥에 작용하는 하중의 중심 위치 및 하중의 작용 방향이 변화하게 되어, 이에 따라 무릎 관절에 작용하는 전단력을 변화시킬 수 있다. 그리고, 무릎 관절의 좌우 방향의 전단력을 변화시키는 경우에는, 발 받침대를 좌우방향으로 경사 가능하게 하는 구성을 채용하면 된다.
한편, 각도의 변경이 없는 경우에는, 전단력을 경감하도록 구동 장치가 제어된다(S10). 예를 들면, 전단력이 경계치에 이르면, 모터를 제어하여, 발끝보다 발꿈치의 위치가 높아지도록 발 받침대(3)의 기대(1)에 대한 경사 각도를 크게 한다. 이로써, 무릎 관절에 작용하는 햄스트링스에 의한 인장력을 대퇴사두근(大腿四頭筋)에 의한 인장력을 보다 크게 할 수 있고, 무릎 관절의 전후방향으로 작용하는 전단력을 저감시킬 수 있다.
전후 방향의 전단력과 좌우 방향의 전단력이, 모두 경계치 이하인 경우는, 하중 센서(30)에 의해 검출되는 하중을 규정의 임계값(T3)과 비교한다(S11). 상기 임계값(T3)은, 당뇨병 등의 개선에 효과가 있으면 되는 정도의 부하가, 근육에 작용하고 있는지 여부를 판단하기 위해서 설정된다. 임계값(T3) 이하의 경우에는, 사용자에게 부여되는 부하가 부족한 것으로 간주해, 부하가 증가하도록 구동 기구(4)가 제어된다(S12). 한편, 하중 센서로 검출되는 하중이 임계값(T3) 이상일 때는, 적당한 운동 부하가 사용자에게 부여되는 것으로, 현재의 모터 동작이 계속 된다.
그리고, 단계(10)에 있어서, 발 받침대(3)의 각도를 변경할 수 없는 경우의 전단력을 저감하기 위한 그 외의 방법으로서는, 이하의 (1)~(3)를 예시할 수 있다.
(1) 지지 수단(2)과 발 받침대(3)의 매 시각의 각도 변화율이 작아지도록 구동 기구를 제어한다. 필요에 따라, 지지부재(2)와 발 받침대(3)의 각도 변화 속도를 저감시킨다.
(2) 도 6(a)에 나타낸 체간에 대한 대퇴부의 각도(φ1)나, 도 6(b)에 나타낸 고간접(股間接)의 개방 각도(φ2)를 변화시킨다. 각도(φ1, φ2)를 조절함으로써, 무릎 관절에 하중이 걸리는 쪽이 변화된다. 구체적으로는, 예를 들면, 지지부재의 길이를 변화시키거나, 발 받침대(3)의 기대(1)에 대한 높이 위치를 변화시키거나, 또는 발 받침대의 수평면 내에서의 간격을 변화시킴으로써, 각도(φ1 및 φ2)를 변화시킬 수가 있다. 지지부재(2)의 길이를 짧게 하면, 무릎 관절의 각도가 작아지므로 전단력이 작아진다. 또한, 지지부재(2)가 경사 이동하는 경우, 지지부재가 긴 경우보다, 사용자 둔부의 이동거리가 작아진다. 따라서, 무릎 관절에 작용하는 힘을 저감할 수 있다.
(3) 도 7에 나타낸 바와 같이, 사용자의 다리를 지지 내지 견인하는 보조 지지체(60)를 사용한다. 보조 지지부재(60)는, 지지부재(2)에 일체로 형성되고, 사용자의 발부분, 종아리부 및 대퇴부 중 적어도 1곳을 지지 내지 견인한다. 예를 들면, 내부의 공기압을 조절함으로써 경도 조절이 가능하며, 지지 내지 견인하는 경우에 경화된다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 표시부(50)에는, 모터의 제어량이나, 지지부재(2)나 발 받침대(3)의 동작을 개략적으로 나타내거나, 연산부(13)에 의해 추정된 사용자의 무릎 관절에 작용하는 전단력을 그래프로 나타내거나, 하중 센서(30)로 검출된 하중의 시간 변화를 표시하거나 할 수 있다. 또한, 사용자의 운동을 가이드 하는 정보를 표시해도 된다. 또한, 통신 수단을 통하여 원격지에 있는 전문가에게 데이터를 송신하고, 표시부를 통하여 어드바이스를 받도록 할 수도 있다.
<제2 실시예>
본 실시예의 운동 보조 장치는, 도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 바닥과 같은 설치면에 고정되는 기대(1), 사용자(M)의 둔부를 지지하는 지지부재(2), 사용자의 발을 올려두는 한쌍의 발 받침대(3), 지지부재(2)의 안장(22)을 기대(1)에 대해서 구동시키는 구동 기구(4), 사용자의 지방량을 추정하는 체질 추정부(6), 및 그 추정 결과에 따라 구동 기구(4)를 제어하는 제어부(10)를 포함하여 주로 구성된다.
지지부재(2)는, 기대(1)의 상면에 설치된 포스트(21)와, 구동 기구(4)를 수납한 박스(25)와, 박스 상부에 배치되고, 사용자의 둔부를 지지하는 안장(22)으로 구성된다. 무릎 관절의 휨 각도를 소정 각도(예를 들면, 40°)로 하기 위해, 기대(1)에 대한 발 받침대(3)의 위치 및 안장(22)의 초기 위치(높이 위치)는 조절 가능하다. 예를 들면, 안장(22)의 높이 조절에는 개스킷 스프링을 사용할 수 있다. 또는, 자전거의 안장을 상하 이동시키는 것과 같은 구성을 채용하거나, 안장(22)을 모터로 승강시키는 구성으로 하거나, 상이한 높이의 시트 부재를 복수개 준비해 두어, 사용자의 체형에 따라 교환 가능하게 장착해도 된다.
발 받침대(3)는, 탄성 부재(37)에 의해 기대에 대해서 움직일 수 있다. 미리 대퇴부에의 부하와 지지부재(2)의 이동 범위와의 관계를 구하고, 그 관계로부터 최적인 탄성 계수를 가지는 탄성 부재가 선택된다. 이로써, 발 받침대(3)는, 무릎 관절 각도를 운동중에 대략 일정하게 유지하는 것이 가능하게 된다. 본 실시예에서는, 발 받침대(3)는, 상하로 신축하는 팬터그래프형 기구와 스프링을 통하여 상하 방향으로 변위 가능하게 기대(1)에 지지되어 있다. 또한, 발꿈치로부터 발끝을 향해 경사지는 상면을 가진다. 그리고, 발 받침대(3)의 승강에 모터를 사용해도 된다. 또한, 발 관절 각도를 조절하기 위해, 전후, 좌우의 경사 각도나, 발 받침대의 연직 방향을 중심으로 회전각을 변경 가능하게 해도 된다.
도 9에 있어서, 참조번호 51은, 양 발 받침대(3) 사이에 설치된 지지대이며, 참조번호 52는, 지지대의 상단에서 좌우방향으로 연장되는 핸들(52)이다. 즉, 지지대(51)와 핸들(52)은 대략 T자형을 구성하고 있다. 핸들(52)의 양단부에는, 안장(22) 위에 착석한 사용자가 파지할 수 있는 한쌍의 그립(54)이 형성되어 있다. 참조번호 12는, 사용자의 체중 이외의 정보를 입력하기 위한 터치 패널식의 입력부이며, 사용자가 입력한 정보나, 운동 메뉴가 표시되는 디스플레이를 구비하고 있다. 후술하는 바와 같이, 그립(54)은 사용자의 체질을 추정할 때에 잡아서, 운동의 실행 중에서는 통상적으로 사용되지 않지만, 사용자가 고령자나 저체력자인 경우는 지지부재(2)에 안전하게 승하차 하는데 도움이 된다.
구동 기구(4)는, 안장(22)의 구동원으로서의 모터를 적어도 1개 구비하고, 안장(22)의 경사 각도를 변화시킨다. 예를 들면, 기어·크랭크 기구를 도입하거나, 링크나 캠과 같은 기계 요소를 적당히 조합함으로써, 지지부재(2)와 각 발 받침대(3)를 포함하는 면에서, 안장(22)의 상면을 수평 위치와 경사 위치 사이에 왕복 운동시킬 수가 있다. 이로써, 운동 방향을 무릎의 굴신 방향으로 거의 일치시켜 무릎 관절에 좌우 방향의 힘이 작용하는 것을 막을 수 있다. 그리고, 안장(22)의 상면의 경사 각도가 변화되면, 사용자의 대퇴부에 작용하는 하중이 변화되고, 결과적으로 발 받침대(3)에 작용하는 하중도 증감하므로 발 받침대(3)가 높이 방향으로 상하 이동하게 된다. 또한, 안장(22)에 의해 지지된 사용자의 둔부와 발 받침대(3) 상의 사용자 발바닥의 위치의 상대 거리가 거의 일정하게 유지되므로, 무릎 관절의 휨 각도는 대략 변화되지 않는다. 이 결과, 등척성 근수축 상태를 얻을 수 있어, 무릎 관절에의 부담을 경감시킬 수 있다.
제어부(10)는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 마이크로 컴퓨터로 주로 구성되며, 드라이브 회로(15)를 통하여 구동 기구(4)의 제어를 행한다. 드라이브 회로(15)는, 제어부와 구동 기구(4) 사이의 인터페이스(interface)이며, 제어부의 출력을 받아 모터에 소정의 전력을 공급한다.
상기 운동 보조 장치를 사용하는데 있어서, 사용자는 발 받침대(3)에 발바닥을 밀착시켜 발을 올려두고, 안장(22)에 착석한다. 이 상태에서, 안장(22) 상면의 경사 각도를 변화시킴으로써, 사용자의 대퇴부에 작용하는 부하의 크기를 변화시킨다. 여기에, 기대(1)의 상면에 대해서 안장(22)의 상면이 대략 평행인 경우에 안 장(22)에 작용하는 하중을 G11, 발 받침대에 작용하는 하중을 G12, 기대(1)의 상면에 대해서 안장(22)의 상면이 경사질 때에 작용하는 하중을 G21, 이때의 발 받침대(3)에 작용하는 하중을 G22로 하면, G11/G12>G21/G22의 관계가 성립한다. 따라서, 안장(22)의 경사에 기초하여 사용자의 대퇴부에 작용하는 부하의 크기는 변화한다. 예를 들면, 안장(22)이 크게 기우는 만큼, 사용자는 기립 자세에 가까워져, 사용자의 자중에 의해 대퇴부에 작용하는 부하는 커진다.
그런데, 본 실시예의 최대 특징은, 체질 추정부(6)에 의해 추정된 사용자의 지방량을 사용하여 구동원을 제어한다는 점에 있다. 즉, 본 운동 보조 장치는, 도 11(a)에 나타낸 바와 같이 각 발 받침대(3) 상에 배치되는 한쌍의 제1 전극(60, 62)과, 도 11(b)에 나타낸 바와 같이 그립(54) 상에 설치되는 2쌍의 제2 전극(61, 63)과 사용자가 발 받침대(3)에 발을 올려두고, 그립(54)을 잡고 있는 상태에서, 제1 전극의 한쪽(60)과 제2 전극의 한쪽(61)에 의해 제공되는 신호 전극 사이에 고주파 전류를 흐르게 함과 동시에, 제1 전극 다른쪽(62)과 제2 전극 다른쪽(63)으로 구성되는 측정 전극 사이의 전위차를 검출하여 사용자의 생체 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부(65)를 구비한다. 상기 체질 추정부(6)는, 임피던스 측정부(65)의 출력을 이용하여, 사용자의 지방량을 추정한다. 추정된 사용자의 지방량은, 입력부(12)의 디스플레이 상에 표시되는 것이 바람직하다.
그리고, 생체의 임피던스를 측정하여 사용자의 체지방율을 구하는 일 자체는 이미 종래부터 행해지고 있다. 간단하게 말하면, 체내의 지방이 다른 부위보다 수분 함유량이 적기 때문에, 체내의 지방량이 많을수록, 임피던스는 커진다. 이 원 리를 이용하여 체내의 지방량을 추정하는 것이다. 복수개의 전극 쌍을 사용하여 임피던스를 측정하는 경우에는, 각 전극쌍 사이에 통전되는 고주파 전류의 주파수를 서로 상이한 주파수로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 양 손 사이의 임피던스와 양 발 사이의 임피던스와 손발 사이의 임피던스를 구하면, 손발 사이의 임피던스로부터 양 손 사이 및 양 발 사이의 임피던스를 감산함으로써, 바디부의 임피던스를 구할 수 있다. 임피던스는 지방량과 상관관계를 가지므로, 이로써 바디부의 체지방량을 추정할 수 있다. 또한, 체지방량이 적지 않으면, 반대로 근육량이 많다고 추정되므로, 손발 사이에서 측정한 체지방량과 체중을 파라미터로 근육량을 추정해도 된다.
지방량이나 근육량을 양호한 정밀도로 추정하기 위해, 생체 임피던스에 더하여, 사용자의 체중, 신장, 연령, 성별 중 적어도 체중이 신체적 특징량으로 사용된다. 본 실시예에서는, 입력부(12)를 통하여 사용자가 체중을 입력할 수 있다. 또한, 신장을 파라미터로 사용하면 지방량이나 근육량의 추정 정밀도가 매우 향상된다. 제어부(10)는, 추정된 사용자의 근육량이나 지방량에 따라, 각 사용자에 적절한 운동량을 설정하여 구동 기구(4)를 제어한다.
<제3 실시예>
본 실시예의 운동 보조 장치는, 도 12 및 도 13에 나타낸 바와 같이, 사용자 자신이 입력부(12)로부터 체중이나 신장을 입력하는 대신에, 체중 추정부(70)와 신장 추정부(72)로 구성되는 체질 추정부(6)를 가지는 점과, 사용자의 단위 시간당 목표 에너지 대사량을 산출하는 에너지 대사량 연산부(16)를 구비하고, 제어부(10) 는, 에너지 대사량 연산부(16)의 출력을 이용하여 구동 기구(4)를 제어하는 점에 특징이 있다. 따라서, 그 외의 구성에 대하여는 실질적으로 제2 실시예와 같은 것으로, 중복되는 설명을 생략한다.
체중 추정부(70)는, 각 발 받침대(3)에 설치된 하중 센서(30)의 출력에 의해 사용자의 체중을 산출한다. 하중 센서(30)로는, 예를 들면, 압전 소자를 구비하는 로드 셀이나, 스프링의 인장량을 차동 트랜스로 검출하는 장치를 사용할 수 있다. 사용자는, 안장(22)에 착석하기 전에 발 받침대(3) 위에 오르면, 발 받침대(3)의 하중 센서(30)에 의해 검출된 하중의 합계를 사용자의 체중으로 검출한다. 그리고, 발 받침대(3) 상에 기립 자세를 취하는 대신에, 착석 자세로 사용자의 체중을 추정할 수도 있다. 그 경우에는, 발 받침대(3)외에 안장(22)에도 추가로 하중 센서를 설치하면 된다. 한쌍의 발 받침대(3)에 의해 검출된 하중과 안장(22)의 하중 센서에 의해 검출된 하중의 합계 값이 사용자의 체중으로 결정된다.
안장(22)의 높이 위치는, 사용자의 무릎 관절의 휨 각도를 소정 각도로 유지하기 위해서 조절할 수 있도록 되어 있으므로, 거리 센서(32)에 의해 안장(22)의 높이 위치(지지부재(2)의 길이)를 계측할 수 있다. 안장(22)의 높이, 무릎 관절 각도 및 발 받침대(3)와의 위치 관계에 기초하여 신장 추정부(72)는 사용자의 신장을 추정한다. 그리고, 신장 대신에 사용자의 다리 길이를 추정해도 된다.
에너지 대사량 연산부(16)는, 사용자의 체중과 체질 추정부(6)의 출력을 이용하여, 사용자의 단위 시간당 목표 에너지 대사량을 산출한다. 사용자에게 제공되는 운동량은, 포도당의 소비량 등의 에너지 대사량으로서 구해진다. 사용자의 운동 자세는 대략 정해져 있으므로, 안장(22)의 동작 속도와 사용자의 체중에 의해 다리부에 작용하는 하중을 추정하는 것이 가능하게 된다. 다리부의 근육량은, 제2 실시예와 마찬가지로, 체중 추정부(70)에 의해 제공되는 사용자의 체중과 임피던스 측정부의 출력을 이용하여 체질 추정부(6)로 추정된다. 또는, 신장 추정부(72)에 의해 제공되는 사용자의 신장과 임피던스 측정부의 출력을 이용하여 다리부의 근육량을 추정해도 된다. 따라서, 다리부에 작용하는 하중과 다리부의 근육량을 이용하여 단위 시간당 포도당의 소비량 등의 에너지 대사량을 구할 수 있다. 그리고, 목표 에너지 대사량 대신에, 운동중인 사용자의 에너지 대사량을 산출하여도 된다. 실제로는, 에너지 대사량 연산부(16)에서 산출한 에너지 대사량과, 체질 추정부(6)에서 추정한 근육량과, 체중 추정부(70)에서 구한 사용자의 체중을 이용하여, 안장(22)의 동작 속도를 결정하는 것이 바람직하다. 이 경우, 근육량 대신에, 지방량, 또는 지방량과 근육량 양쪽을 사용해도 된다.
<제4 실시예>
본 실시예의 운동 보조 장치는, 도 14 및 도 15에 나타낸 바와 같이, 입력부(12)로부터 입력된 사용자에 관한 생체 프로필에 따라 사용자에게 부하되는 운동량을 보다 적절하게 결정하는 구성을 채용한 점에 특징이 있다. 따라서, 그 외의 구성에 대하여는 실질적으로 제3 실시예와 같은 것으로, 중복되는 설명을 생략한다.
본 실시예의 운동 보조 장치에는, 메뉴 기억부(80)가 설치되어 있고, 표준적인 운동 메뉴가 생체 프로필 외에 별도로 복수개 저장되어 있다. 입력부(12)를 통 하여 입력된 사용자의 생체 프로필에 따라 추천되는 운동 메뉴가 메뉴 기억부(80)로부터 판독되어 제어부(10)에 의해 실행된다.
여기에서, 생체 프로필이란, 사용자의 체중, 신장, 연령, 성별, 질환의 유무, 질환의 종류, 심폐 능력, 혈압, 심박과 같은 컨디션 파라미터, 운동력 등을 포함한다. 예를 들면, 혈압이 높으면, 부하를 경감해 운동 시간이 긴 운동 메뉴가 바람직하다. 따라서, 예를 들면, 혈압을 입력하면, 저혈압, 정상 혈압, 고혈압 등으로 분류되어, 메뉴 기억부(80)에 대조해서 최적의 운동 메뉴가 추출되도록 구성된다. 이와 같이, 사용자의 고유 데이터를 입력함으로써, 보다 적절한 운동 메뉴를 사용자에게 제공하는 것이 가능하다.
본 운동 보조 장치는, 사용자마다 지방량이나 근육량의 변화에 대하여 이력을 기억하는 이력 기록부(90)와, 이력 기록부에 기록된 이력에 기초하여, 운동 메뉴를 보정하는 평가부(92)가 부가적으로 구비되어 있다. 운동마다 지방량이나 근육량이 추정되므로, 그 기억 일시와 대응시켜 이들 정보를 기억해 둔다. 예를 들면, 어느 일정기간의 시점과 종점의 지방량의 차를 구하고, 지방량의 차가 규정된 목표값보다 작을 때는, 평가부(92)가 1회 운동량을 증가시키도록 운동 메뉴를 보정한다. 지방량 대신에, 근육량이나, 지방량과 근육량 양쪽을 사용해도 된다. 운동량은, 시트부의 동작 속도와 동작시간이 누적되므로, 이들 중 적어도 한쪽을 변화시킴으로써 운동 메뉴를 보정할 수 있다. 또한, 사용자가 근육을 증가시키기 위한 운동을 원하는 경우나, 추정한 근육량이 목적치에 도달하지 않는 경우에는, 부하를 높이도록 운동 메뉴를 보정한다. 메뉴 기억부(80)와 이력 기록부(90)는 하나의 기 억 장치에 의해 실현하여도 된다. 또한, 지방량이나 근육량의 변화를 입력부(12)에 인접하여 설치한 표시부(50) 상에 표시하면, 사용자의 운동에 맞게 의욕을 높일 수 있어 바람직하다.
상기와 같이, 본 발명의 운동 보조 장치에 따르면, 대퇴부의 근수축을 동반한 타동적인 운동 자극을, 근력이 저하된 사용자나 무릎 통증을 가진 당뇨병 또한 변형 무릎 관절증 환자에, 무릎에 부담을 주지 않게 효과적으로 제공하는 것이 가능하다.
또한, 사용자의 근육량 및 지방량 중 적어도 하나를 계측하고, 이에 따라서 각 사용자에게 적절한 운동 속도나 운동 시간을 설정하는 경우에는, 원하는 효과를 얻을 수 있는 적절한 운동량을 신뢰할 수 있게 사용자에게 제공할 수 있다. 또한, 사용자의 무릎 관절에 작용하는 힘(전단력)을 추정하고, 추정한 힘을 미리 설정한 범위 내가 되도록 구동 기구를 실시간으로 제어하는 경우에는, 사용자의 무릎에 과다한 힘이 작용하는 것을 방지하여, 운동 보조 장치의 안전성을 높일 수 있다.
이와 같이, 본 발명은, 당뇨병 환자처럼 무릎에 질환을 가지는 사용자의 다리부에 적절한 운동 자극을 안전하게 제공할 수 있으므로, 운동 보조 장치의 새로운 이용의 확대를 재촉하는 것으로서 기대된다.

Claims (15)

  1. 운동 보조 장치에 있어서,
    기대;
    상기 기대에 대해서 움직일 수 있고, 사용자의 둔부를 지지하는 지지부재;
    상기 기대에 대해서 움직일 수 있는 발 받침대;
    상기 지지부재 및 상기 발 받침대 중 적어도 한쪽을 구동하는 구동 수단; 및
    상기 지지부재 상의 사용자의 체중에 의해 대퇴부에 걸리는 부하가 사용자의 발끝과 큰 굴림대 사이의 상대 위치 변화에 따라 변화되고, 상기 위치 변화가 사용자의 무릎 관절의 굴신(屈伸) 방향으로 허용되며, 또한 상기 무릎 관절의 각도가 실질적으로 일정하게 유지되도록 구동 수단을 제어하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 운동 보조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    사용자의 지방량과 근육량 중 적어도 하나를 추정하는 체질 추정부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 체질 추정부의 출력을 이용하여 구동 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 운동 보조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    사용자가 파지 가능한 그립과 상기 발 받침대 상에 배치되는 한쌍의 제1 전극과, 상기 그립 상에 설치되는 한쌍의 제2 전극과, 사용자가 상기 발 받침대에 발을 올려두고, 상기 그립을 잡고 있는 상태에서, 상기 제1 전극의 한쪽과 제2 전극의 한쪽 사이에 고주파 전류를 흐르게 함으로써, 상기 제1 전극 한쪽과 제2 전극 한쪽 사이의 전위차를 검출하여 사용자의 생체 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부를 구비하고,
    상기 체질 추정부는 상기 임피던스 측정부의 출력을 이용하여, 사용자의 지방량과 근육량 중 적어도 하나를 추정하는 것을 특징으로 하는 운동 보조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    사용자의 체중을 입력하는 체중 입력부를 가지고,
    상기 체질 추정부는, 상기 체중 입력부에 의해 입력된 사용자의 체중과 상기 임피던스 측정부의 출력을 이용하여, 사용자의 지방량과 근육량 중 적어도 하나를 추정하는 것을 특징으로 하는 운동 보조 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    사용자의 체중 및 신장을 입력하는 신체 정보 입력부와, 상기 신체 정보 입력부에 의해 입력된 사용자의 체중, 신장, 및 상기 체질 추정부의 출력을 이용하여, 사용자의 운동 중의 단위 시간당 에너지 대사량, 및 사용자의 단위 시간당 목표 에너지 대사량 중 하나를 산출하는 에너지 대사량 연산부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 에너지 대사량 연산부의 출력을 이용하여 구동 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 운동 보조 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 발 받침대에 걸리는 하중을 검출하는 하중 센서와, 상기 하중 센서의 출력을 이용하여 사용자의 체중을 추정하는 체중 추정부를 구비하고,
    상기 체질 추정부는, 상기 임피던스 측정부의 출력과 상기 체중 추정부의 출력을 이용하여 상기 지방량과 근육량 중 적어도 하나를 추정하는 것을 특징으로 하는 운동 보조 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 지지부재는 높이 방향의 길이를 조절할 수 있으며,
    상기 운동 보조 장치는, 상기 지지부재의 높이 방향의 길이를 검출하는 거리 센서와, 상기 거리 센서의 출력을 이용하여 사용자의 신장을 추정하는 신장 추정부를 구비하고,
    상기 체질 추정부는, 상기 임피던스 측정 수단의 출력과 상기 신장 추정부의 출력을 이용하여 상기 지방량과 근육량 중 적어도 하나를 추정하는 것을 특징으로 하는 운동 보조 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    사용자의 지방량과 근육량 중 적어도 하나의 변화를 기록하는 기록부와, 상기 기록부에 기록된 변화에 따라, 운동 효과를 평가하는 평가부를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 평가부의 출력을 이용하여 구동 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 운동 보조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    사용자의 생체 프로필 외에 별도로 복수개의 운동 프로그램을 기억하는 기억부와, 사용자의 생체 프로필을 입력하는 입력부를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 입력부에 의해 입력된 사용자의 생체 프로필에 대응하는 상기 복수개의 운동 프로그램의 하나를 기억부로부터 추출하고, 추출된 운동 프로그램에 따라 구동 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 운동 보조 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 구동 수단은 상기 지지부재만을 구동하는 것을 특징으로 하는 운동 보조 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 구동 수단은 상기 지지부재 및 상기 발 받침대를 연동하여 구동하는 것을 특징으로 하는 운동 보조 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 발 받침대에 걸리는 하중을 검출하는 하중 센서와, 상기 하중 센서의 출력을 이용하여, 사용자의 무릎 관절에 작용하는 힘을 추정하는 연산부를 추가로 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 연산부에 의해 추정된 힘이 미리 설정된 범위 내가 되도록 구동 수단을 실시간으로 제어하는 것을 특징으로 하는 운동 보조 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연산부에 의해 추정된 힘이 미리 설정한 상한값을 초과했을 때, 상기 구동 수단을 정지하는 것을 특징으로 하는 운동 보조 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연산부에 의해 추정된 힘이 상기 범위 내가 되도록 상기 구동 수단을 동작시키는 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 운동 보조 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 연산부에 의해 추정된 힘을 사용자에 표시하는 표시 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 운동 보조 장치.
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