特許 7264373 トレッドミルおよびトレッドミルの荷重検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-17

(45)【発行日】2023-04-25

(54)【発明の名称】トレッドミルおよびトレッドミルの荷重検出方法

(51)【国際特許分類】

   A63B 22/02 20060101AFI20230418BHJP

   A63B 24/00 20060101ALI20230418BHJP

【ＦＩ】

A63B22/02

A63B24/00

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019087701

(22)【出願日】2019-05-07

(65)【公開番号】P2020182644

(43)【公開日】2020-11-12

【審査請求日】2022-04-25

(73)【特許権者】

【識別番号】503061485

【氏名又は名称】株式会社テック技販

(74)【代理人】

【識別番号】100111349

【弁理士】

【氏名又は名称】久留 徹

(72)【発明者】

【氏名】纐纈 和美

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 圭

【審査官】鈴木 智之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１３９９７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１４２２９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０１３９７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６３Ｂ ２２／０２

Ａ６３Ｂ ２４／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

周回部材における人間が載る走行面の下面側に設けられる載置プレートと、
前記周回部材を周回させるモーターと、
前記載置プレートの下方に設けられ、周回部材上を歩行もしくは走行する運動者からのＸＹＺ軸方向の荷重を検出するロードセルと、
を備えてなるトレッドミルにおいて、
前記周回部材に運動者が載っていない状態で前記モーターを異なる回転数で空回りさせ、
当該異なる回転数に基づく周期で生じたＸＹＺ軸方向の荷重を記憶させ、
前記周回部材に運動者が載った状態で所定の回転数で前記モーターを回転させた場合、当該所定の回転数でモーターを回転させた際に生ずる荷重から、前記所定の回転数に基づく周期で生ずる荷重であって、前記所定の回転数に応じて、前記異なる回転数で生じたＸＹＺ軸方向の荷重に対して線形的に変化させた大きさの荷重を除去するノイズ除去部を設けたことを特徴とするトレッドミル。

【請求項2】

周回部材における人間が載る走行面の下面側に設けられる載置プレートと、
前記周回部材を周回させるモーターと、
前記載置プレートの下方に設けられ、周回部材上を歩行もしくは走行する運動者からのＸＹＺ軸方向の荷重を検出するロードセルと、
を備えてなるトレッドミルの荷重検出方法において、
前記周回部材に運動者が載っていない状態で前記モーターを異なる回転数で空回りさせ、当該異なる回転数に基づく周期で生じたＸＹＺ軸方向の荷重を記憶するステップと、
前記周回部材に運動者が載った状態で所定の回転数で前記モーターを回転させた場合、当該所定の回転数でモーターを回転させた際に生ずる荷重から、前記所定の回転数に基づく周期で生ずる荷重であって、前記所定の回転数に応じて、前記異なる回転数で生じたＸＹＺ軸方向の荷重に対して線形的に変化させた大きさの荷重を除去するステップと、
を設けたことを特徴とするトレッドミルの荷重検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、歩行運動や走行運動（以下、「走行運動」と総称する）の際に使用されるトレッドミルに関するものであって、より詳しくは、運動時に掛かる荷重などを正確に検出できるようにしたトレッドミルに関するものである。

【背景技術】

【0002】

一般的なトレッドミルは、図１１に示すように、金属製の載置プレート１０２上を周回する幅広のベルト１０１と、そのベルト１０１を上下方向に周回させるモーター１０３などを備えて構成されている。そして、図示しない操作パネルを用いて速度を指定することにより、その指定された速度でベルト１０１を周回させながら、運動者を走行させるようにしている（特許文献１）。

【0003】

ところで、近年では、走行者の運動状態を検出できるようにしたトレッドミルが提案されている。このようなトレッドミルは、ベルトの下方に設けられた載置プレートにロードセルを設け、そのロードセルによって検出された荷重から、その走行者におけるＣＯＰ（Center of Pressure）や蹴り出し力などの運動状態を検出できるようにしたものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８―１８７３４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、このような荷重検出機能を有するトレッドミルにおいて、走行者の運動状態を検出する場合、次のような問題がある。

【0006】

すなわち、一般的なトレッドミルは、フレームにモーターやローラー、載置プレートなどを設け、これにベルトを周回させるようにしているため、モーターやローラーの回転によって周期的な振動が生じると、その振動がフレームから載置プレートを介してロードセルに伝達されてしまう。また、ベルトを周回させる場合、ベルトの厚みをもった接合部分が載置プレートに摩擦力を与えてしまい、周期的な荷重となって検出されてしまう。このため、運動時におけるノイズの荷重が入り込み、正確な運動状態を把握することができないといった問題があった。

【0007】

そこで、本発明は、上記課題に着目してなされたもので、モーターやローラー、ベルトの回転などに基づくノイズの荷重を除去して、正確に走行者の運動状態を検出できるようにしたトレッドミルを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、周回部材における人間が載る走行面の下面側に設けられる載置プレートと、前記周回部材を周回させるモーターと、前記載置プレートの下方に設けられ、周回部材上を歩行もしくは走行する運動者からのＸＹＺ軸方向の荷重を検出するロードセルと、を備えてなるトレッドミルにおいて、前記周回部材に運動者が載っていない状態で前記モーターを異なる回転数で空回りさせ、当該異なる回転数に基づく周期で生じたＸＹＺ軸方向の荷重を記憶させ、前記周回部材に運動者が載った状態で所定の回転数で前記モーターを回転させた場合、当該所定の回転数でモーターを回転させた際に生ずる荷重から、前記所定の回転数に基づく周期で生ずる荷重であって、前記所定の回転数に応じて、前記異なる回転数で生じたＸＹＺ軸方向の荷重に対して線形的に変化させた大きさの荷重を除去するノイズ除去部を設けるようにしたものである。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、モーターの回転に基づく振動によるノイズを除去することができ、走行者の運動に基づく荷重を正確に検出することができるようになる。これにより、走行者の運動状態を正確に把握することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施の形態を示すトレッドミルの概略図

【図2】同形態におけるベルトの繋ぎ目を示す図

【図3】同形態における周回部材としてプレート要素を用いた場合の概略図

【図4】図３におけるトレッドミルを走行面上から見た概略図

【図5】プレート要素の裏面を示す図

【図6】図３におけるトレッドミルを走行面に沿って見た断面概略図

【図7】同形態におけるノイズの荷重除去を示すフローチャート

【図8】同形態におけるノイズの荷重除去を示すフローチャート

【図9】本実施の形態における検出荷重とノイズを除去した荷重を示す比較表

【図10】本実施の形態における検出モーメントとノイズを除去したモーメントを示す比較表

【図11】従来例におけるトレッドミルを示す図

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。

【0012】

この実施の形態におけるトレッドミル１は、図１に示すように、フレーム８に取り付けられたモーター７や、そのモーター７の駆動力によって回転するローラー３などを備えてなるもので、前後に設けられたローラー３にベルト２１などの周回部材２を周回させて、ベルト２１上で人間に走行させるようにしたものである。そして、特徴的に、その載置プレート４にロードセル５を取り付けて走行者の運動によって生ずる荷重を検出し、その運動状態を把握できるようにするとともに、モーター７の回転によって生ずる周期的なノイズの荷重を除去して、正確に走行者の運動状態を把握できるようにしたものである。以下、本実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、トレッドミル１の走行方向をＸ軸、横幅方向をＹ軸、体重が掛かる鉛直方向をＺ軸として説明する。

【0013】

まず、周回部材２は、無端ベルト２１（図１）や、横長状のプレート要素２２（図３）を連結して構成される。このとき、周回部材２として無端ベルト２１を用いた場合は、図２に示すように、繋ぎ目２１ａが斜め方向となるように接合しておき、これを前後のローラー３に周回させる。一方、周回部材２として、金属やプラスチックなどのような横長状のプレート要素２２で構成した場合は、図３などに示すように、横長状のプレート要素２２をＸ軸方向に沿って並べ、これを左右のベルト２４（図６参照）に取り付けて周回させる。このプレート要素２２をベルト２４で連結させる場合は、図５に示すように、プレート要素２２の下面に凹部２３を設けるとともに、図６に示すように周回するベルト２４の上面に凸部２５を形成し、凹部２３と凸部２５を嵌め合わせてボルトなどで固定しておく。そして、このようなプレート要素２２を周回させる際には、前後のローラー３で滑りを生じないように、図３に示すように、ベルト２４の下面に凹凸２６を形成しておき、これを、ローラー３に形成された図示しない凹凸部に噛み合わせて周回させるようにしておく。これらの周回部材２は、フレーム８に取り付けられたモーター７によって駆動するようになっており、図示しない操作パネルからの入力によって、指定された速度で周回するようになっている。

【0014】

この周回部材２の下面側には、載置プレート４が設けられる。この載置プレート４は、走行面９Ｕの全面にわたって設けられるものであって、例えば、周回部材２がベルト２１で構成されている場合は、ベルト２１の左右幅の範囲内に設けられる。また、周回部材２がプレート要素２２で構成されている場合は、左右に設けられたベルト２４の内側領域に設けられる。これらの載置プレート４の表面には、蹴り出し時や着地時における大きな摩擦を低減させるための加工（例えば、フッ素加工など）が施されるとともに、周回部材２がプレート要素２２で構成されている場合は、そのプレート要素２２にフェルトなどの摩擦低減部材６を設けて摩擦を低減させるようにしておく。このとき、プレート要素２２に摩擦防止部材６を設けるようにする場合、左右に設けられたベルト２４上に摩擦防止部材６からの荷重が分散されてしまうため、載置プレート４上にのみ摩擦防止部材６を接触させるようにしておく。

【0015】

一方、この載置プレート４の四隅下方には、ロードセル５が設けられる。このロードセル５は、周知のように、起歪部にひずみゲージを貼り付けてなるものであって、そのひずみゲージのひずみによって抵抗変化を生じさせ、その抵抗変化に基づいて電圧を変化させてＸＹＺ軸方向の荷重や各軸周りのモーメントを検出できるようにしたものである。このように検出された荷重やモーメントにより、運動時における走行者の重心位置や、運動時の重心の振れ、蹴り出し力、着地時に掛かる荷重などを検出し、運動者の運動状態などを把握できるようにする。

【0016】

このように構成されたトレッドミル１を使用する場合、走行者は一定の周期で周回部材２上を走行し、その際、ロードセル５によってその周期でＸＹＺ軸方向の荷重やモーメントが検出される。このとき、Ｚ軸方向の荷重は、蹴り出し時や着地時の鉛直方向の荷重として検出され、Ｘ軸方向の荷重は、蹴り出し時や着地時の水平方向の荷重として検出され、Ｙ軸方向の荷重は、左右方向の重心の振れに基づく荷重として検出される。

【0017】

ところで、このロードセル５には、モーター７やローラー３の回転や、周回部材２の周回に基づく振動がフレーム８に伝達され、そのフレーム８に取り付けられた載置プレート４が振動してノイズの荷重として検出される。このとき、モーター７やローラー３からの振動は、偏芯に基づく振動としてロードセル５に伝達され、また、周回部材２がベルト２１で構成されている場合は、厚みを有する繋ぎ目２１ａ２１ａがローラー３に接触するタイミングや、その繋ぎ目２１ａが載置プレート４に擦動するタイミングでの摩擦によるノイズの荷重として検出される。また、周回部材２がプレート要素２２で構成されている場合は、各プレート要素２２がローラー３に当たるタイミングで振動が生じ、その振動がロードセル５に伝達される。これらの荷重は、すべてモーター７やローラー３の回転や周回部材２の周回によって生ずるものであるが、その周期は、走行者の足の着地や蹴り出しのタイミングよりも周期が短くなる（周波数が高くなる）。そこで、この周期の違いを利用して、ロードセル５に作用するノイズの荷重を除去する。

【0018】

このようなノイズの荷重を除去する場合、ノイズ除去部５１によって次のような方法で除去する。

【0019】

まず、モーター７の回転数に基づく周期で生ずる荷重を除去する。具体的には、モーター７の回転数に基づく周期をＦ１とした場合、その周期Ｆ１に対応する周期で生ずる荷重を除去する。このとき、ノイズには、モーター７の回転による振動のみならず、ローラー３や周回部材２などによる振動も加わるため、ローラー３や周回部材２による振動によって生ずるノイズも除去する。ここで、ローラー３の回転周期をＦ２とした場合、Ｆ２の周期で生ずる荷重も除去するようにしておく。さらには、周回部材２がベルト２１で構成されている場合、ベルト２１の繋ぎ目２１ａがローラー３に差し掛かる周期Ｆ３で生ずる振動による荷重も除去する。一方、周回部材２がプレート要素２２で構成されている場合は、各プレート要素２２がローラー３や載置プレート４に当たる周期Ｆ４で生ずる荷重を除去する。これらの周期Ｆ１～Ｆ４は、いずれもモーター７の回転数に依存するものであり、このモーター７の回転数に所定の係数を掛け合わせた値となる。そこで、これらＦ１～Ｆ４の周期で生ずる荷重を除去すべく、人間が周回部材２に載っていない状況（すなわち、空回しの状態）での荷重を検出し、それぞれの周期で生ずるＸＹＺ軸方向荷重を検出して、それを除去する。なお、これらのＦ１～Ｆ４の周期や荷重には、一定の幅を持たせておき、その幅内の周期で生ずる荷重を除去するとよい。

【0020】

次に、このように構成されたトレッドミル１による荷重の検出方法について、図７や図８のフローチャートを用いて説明する。

【0021】

まず、トレッドミル１を使用する前に、事前にトレッドミル１を空回りさせて（ステップＳ１）運動者が載っていない状態での荷重を検出する。

【0022】

このとき、モーター７の回転（回転数Ｒ１）に基づく周期Ｆ１や、ローラー３の回転に基づく周期Ｆ２、ベルト２１の周回に基づく周期Ｆ３、プレート要素２２の周回に基づく周期Ｆ４とした場合、Ｆ１～Ｆ４の周期で生ずる荷重Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４を検出しておく（ステップＳ２）。また、これらの荷重は、モーター７の回転が速くなればなるほど、偏芯に基づく振動が大きくなると考えられるため、モーター７の回転数をＲ２に変えて、各周期Ｆ１～Ｆ４に基づく荷重Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４を検出しておき（ステップＳ３）、これらを記憶させておく（ステップＳ４）。

【0023】

そして、このように事前にノイズの荷重を記憶させたのち、走行者にトレッドミル１に載って走行してもらう。

【0024】

この際、走行者に、図示しない操作パネルから走行スピードを設定してもらい（ステップＴ１）、その入力値に基づいてモーター７を回転数Ｒで回転させる（ステップＴ２）。

【0025】

すると、周回部材２が載置プレート４上を周回し、その周回部材２の周期に合わせて、走行者が走行していく。

【0026】

このとき、走行者が周回部材２に接触した瞬間に、載置プレート４の四隅に設けられたロードセル５によって、ＸＹＺ軸方向の荷重やモーメントなどが検出される（ステップＴ３）。この検出された荷重には、モーター７の回転に基づく荷重を含まれているため、Ｆ１～Ｆ４の周期で生ずる荷重Ｗ１～Ｗ４を除去する。これらの荷重Ｗ１～Ｗ４は、モーター７の回転数Ｒによって変化するため、モーター７の回転数Ｒに対してノイズの荷重も線形的に変化すると仮定して、モーター７の回転数に応じた大きさのノイズの荷重も除去する（ステップＴ４）。

【0027】

そして、このようにノイズの除去されたＸＹＺ軸方向の荷重やモーメントを演算部５２に出力し、演算部５２で運動者の足の重心位置や蹴り出し力・着地による衝撃力などを算出していく（ステップＴ５）。そして、このように算出された値を時系列で記憶させておき、その運動者の運動状態を把握できるように表や数値として出力させる（ステップＴ６）。

【0028】

このように上記実施の形態によれば、周回部材２における人間が載る走行面９Ｕの下面側に設けられる載置プレート４と、前記周回部材２を周回させるモーター７と、前記載置プレート４の下方に設けられ、周回部材２上を歩行もしくは走行する運動者からのＸＹＺ軸方向の荷重を検出するロードセル５と、を備えてなるトレッドミル１において、

前記周回部材２に運動者が載っていない状態で前記モーター７を異なる回転数で空回りさせ、当該異なる回転数に基づく周期で生じたＸＹＺ軸方向の荷重を記憶させ、前記周回部材に運動者が載った状態で所定の回転数で前記モーター７を回転させた場合、当該所定の回転数でモーター７を回転させた際に生ずる荷重から、前記所定の回転数に基づく周期で生ずる荷重であって、前記所定の回転数に応じて、前記異なる回転数で生じたＸＹＺ軸方向の荷重に対して線形的に変化させた大きさの荷重を除去するノイズ除去部５１と、を設けるようにしたので、モーター７の回転に基づく振動によるノイズを除去することができ、走行者の運動に基づく荷重を正確に検出することができるようになる。これにより、走行者の運動状態を正確に把握することができるようになる。

【0029】

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。

【0030】

例えば、上記実施の形態によれば、人間が走行する場合を例に上げて説明したが、周回部材２上を歩行する場合や、車椅子、杖などを用いて歩行・走行する場合についても適用することができる。

【0031】

また、上記実施の形態では、載置プレート４を水平に設ける場合について説明したが、モーターを用いてこの載置プレート４を含むトレッドミル１の走行面９Ｕを傾斜させるような機能を持たせてもよい。このような傾斜機能を持たせる場合、走行訓練中にモーターを駆動して傾斜させる際に、そのモーターの回転に基づく振動も生ずる可能性があるため、そのモーターの駆動に基づくノイズも同様にして除去するとよい。

【0032】

さらに、周期的なノイズの荷重を除去する場合、モーター７の回転数に基づく周期の荷重や、閾値よりも高い周波数で生ずる荷重を除去するようにしたが、これ以外の方法でノイズの荷重を除去してもよい。

【実施例1】

【0033】

次に、本発明の実験例について説明する。

【0034】

実験においては、ベルト２１を周回させた場合に掛かるノイズを検出するとともに、モーター７の回転数に基づく周期で生ずる荷重や、ローラー３の回転に基づく荷重、ベルト２１の繋ぎ目２１ａが接触することに基づく荷重を除去した荷重やモーメントを検出した。

【0035】

図９や図１０に示すように、各図の上図においては、実際に走行していないにも関わらず、所定の周期でノイズの荷重（図９）やノイズのモーメント（図１０）が検出される。一方、ノイズ除去部でこれらのノイズを除去した場合は、各下図に示すように、ほとんどのノイズの荷重が除去されていることが分かる。

【符号の説明】

【0036】

１・・・トレッドミル
２・・・周回部材
２１・・・ベルト
２２・・・プレート要素
２３・・・凹部
２４・・・ベルト
２５・・・凸部
２６・・・凹凸
３・・・ローラー
４・・・載置プレート
５・・・ロードセル
５１・・・ノイズ除去部
５２・・・演算部
６・・・フェルト（摩擦防止部材）
７・・・モーター
８・・・フレーム
９Ｕ・・・走行面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】