| 【発明の名称】 |
筋力トレーニング装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】門田 健志
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| 【要約】 |
【課題】使用者の体肢がいかなる姿勢であっても、所望の筋を対象にした筋力トレーニングを効果的に行うことができるようにする。
【構成】使用者が着座するサドルと、前記使用者の体肢の長さに調整可能なロボットアームと、該ロボットアームを使用者の体肢に固定する装着具と、前記ロボットアームの関節駆動源のトルクを制御する制御装置と、前記使用者がトレーニングの条件を入力する入力装置とを有し、前記使用者がトレーニングする体肢先端の出力方向及びトレーニング負荷を入力すると、該トレーニング負荷を発生するのに必要なトルクの値を算出し、前記出力方向と反対方向及び算出された値のトルクをロボットアームが発生することによって、使用者の姿勢に関わらず、使用者に一定のトレーニング負荷を与える。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）使用者が着座するサドルと、
（ｂ）前記使用者の体肢の長さに調整可能なロボットアームと、
（ｃ）該ロボットアームを使用者の体肢に固定する装着具と、
（ｄ）前記ロボットアームの関節駆動源のトルクを制御する制御装置と、
（ｅ）前記使用者がトレーニングの条件を入力する入力装置とを有し、
（ｆ）前記使用者がトレーニングする体肢先端の出力方向及びトレーニング負荷を入力すると、該トレーニング負荷を発生するのに必要なトルクの値を算出し、前記出力方向と反対方向及び算出された値のトルクをロボットアームが発生することによって、使用者の姿勢に関わらず、使用者に一定のトレーニング負荷を与えることを特徴とする筋力トレーニング装置。
【請求項２】
（ａ）使用者が着座するサドルと、
（ｂ）前記使用者の体肢の長さに調整可能なロボットアームと、
（ｃ）該ロボットアームを使用者の体肢に固定する装着具と、
（ｄ）前記ロボットアームの関節駆動源のトルクを制御する制御装置と、
（ｅ）前記ロボットアームの関節角度を検出する関節角度検出装置と、
（ｆ）前記使用者がトレーニングの条件を入力する入力装置とを有し、
（ｇ）前記制御装置は、ロボットアームの先端が弾性を備えるように制御し、前記使用者がトレーニングする体肢先端の出力方向を入力すると、出力方向の弾性を出力方向と垂直な方向の弾性より小さく設定することを特徴とする筋力トレーニング装置。
【請求項３】
（ａ）使用者が着座するサドルと、
（ｂ）前記使用者の体肢の長さに調整可能なロボットアームと、
（ｃ）該ロボットアームを使用者の体肢に固定する装着具と、
（ｄ）前記ロボットアームの関節駆動源のトルクを制御する制御装置と、
（ｅ）前記ロボットアームの関節角度を検出する関節角度検出装置と、
（ｆ）前記使用者がトレーニングの条件を入力する入力装置とを有し、
（ｇ）前記制御装置は、ロボットアームの先端が弾性を備えるように制御し、前記使用者がトレーニングする体肢先端の出力方向を入力すると、出力方向の弾性を出力方向と垂直な方向の弾性より大きく設定することを特徴とする筋力トレーニング装置。
【請求項４】
（ａ）使用者が着座するサドルと、
（ｂ）前記使用者の体肢の長さに調整可能なロボットアームと、
（ｃ）該ロボットアームを使用者の体肢に固定する装着具と、
（ｄ）前記ロボットアームの関節駆動源のトルクを制御する制御装置と、
（ｅ）前記ロボットアームの関節角度を検出する関節角度検出装置と、
（ｆ）前記使用者がトレーニングの条件を入力する入力装置とを有し、
（ｇ）前記制御装置は、ロボットアームの先端が弾性を備えるように制御し、前記使用者がトレーニングする体肢先端の出力方向を入力し、かつ、弾性に関する選択を行うと、該選択に従って、出力方向の弾性を出力方向と垂直な方向の弾性より小さく又は大きく設定することを特徴とする筋力トレーニング装置。
【請求項５】
（ａ）前記使用者がトレーニングする体肢先端の出力方向及びトレーニング負荷を入力すると、
（ｂ）前記制御装置は、入力されたトレーニング負荷を前記ロボットアームが発生するトレーニング負荷の上限とし、０を前記ロボットアームが発生するトレーニング負荷の下限とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の筋力トレーニング装置。
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【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、筋力トレーニング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、二関節アーム装置のような二関節リンク機構を利用した筋力トレーニング装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）また、疑似自転車型の筋力トレーニング装置を使用して、回転角に応じて負荷を変化させ、特定の筋を鍛える技術も開示されている。
【特許文献１】特願２００５−２４７２４３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記従来の疑似自転車型の筋力トレーニング装置においては、全運動に対して、目的の筋に負荷がかかっている状態が比較的短いので、効率的でない。また、従来周知の重りを使用した筋力トレーニング装置においては、まず、正しいフォームを身に付けなければ、効果があるトレーニングをすることができない。さらに、様々な部位の筋を鍛えるためには、様々な種類の筋力トレーニング装置を用いなければならなかった。
【０００４】
本発明は、前記従来の筋力トレーニング装置の問題点を解決して、使用者が着座するサドルと、使用者の体肢の長さに調整可能な二関節のロボットアームとを有し、該ロボットアームを使用者の体肢に固定し、所望の筋の筋力と反対方向の力をロボットアームが発生するようにして、使用者の体肢がいかなる姿勢であっても、所望の筋を対象にした筋力トレーニングを効果的に行うことができる筋力トレーニング装置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】
【０００５】
そのために、本発明の筋力トレーニング装置においては、使用者が着座するサドルと、前記使用者の体肢の長さに調整可能なロボットアームと、該ロボットアームを使用者の体肢に固定する装着具と、前記ロボットアームの関節駆動源のトルクを制御する制御装置と、前記使用者がトレーニングの条件を入力する入力装置とを有し、前記使用者がトレーニングする体肢先端の出力方向及びトレーニング負荷を入力すると、該トレーニング負荷を発生するのに必要なトルクの値を算出し、前記出力方向と反対方向及び算出された値のトルクをロボットアームが発生することによって、使用者の姿勢に関わらず、使用者に一定のトレーニング負荷を与える。
【０００６】
本発明の他の筋力トレーニング装置においては、使用者が着座するサドルと、前記使用者の体肢の長さに調整可能なロボットアームと、該ロボットアームを使用者の体肢に固定する装着具と、前記ロボットアームの関節駆動源のトルクを制御する制御装置と、前記ロボットアームの関節角度を検出する関節角度検出装置と、前記使用者がトレーニングの条件を入力する入力装置とを有し、前記制御装置は、ロボットアームの先端が弾性を備えるように制御し、前記使用者がトレーニングする体肢先端の出力方向を入力すると、出力方向の弾性を出力方向と垂直な方向の弾性より小さく設定する。
【０００７】
本発明の更に他の筋力トレーニング装置においては、使用者が着座するサドルと、前記使用者の体肢の長さに調整可能なロボットアームと、該ロボットアームを使用者の体肢に固定する装着具と、前記ロボットアームの関節駆動源のトルクを制御する制御装置と、前記ロボットアームの関節角度を検出する関節角度検出装置と、前記使用者がトレーニングの条件を入力する入力装置とを有し、前記制御装置は、ロボットアームの先端が弾性を備えるように制御し、前記使用者がトレーニングする体肢先端の出力方向を入力すると、出力方向の弾性を出力方向と垂直な方向の弾性より大きく設定する。
【０００８】
本発明の更に他の筋力トレーニング装置においては、使用者が着座するサドルと、前記使用者の体肢の長さに調整可能なロボットアームと、該ロボットアームを使用者の体肢に固定する装着具と、前記ロボットアームの関節駆動源のトルクを制御する制御装置と、前記ロボットアームの関節角度を検出する関節角度検出装置と、前記使用者がトレーニングの条件を入力する入力装置とを有し、前記制御装置は、ロボットアームの先端が弾性を備えるように制御し、前記使用者がトレーニングする体肢先端の出力方向を入力し、かつ、弾性に関する選択を行うと、該選択に従って、出力方向の弾性を出力方向と垂直な方向の弾性より小さく又は大きく設定する。
【０００９】
本発明の更に他の筋力トレーニング装置においては、さらに、前記使用者がトレーニングする体肢先端の出力方向及びトレーニング負荷を入力すると、前記制御装置は、入力されたトレーニング負荷を前記ロボットアームが発生するトレーニング負荷の上限とし、０を前記ロボットアームが発生するトレーニング負荷の下限とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、筋力トレーニング装置は、使用者が着座するサドルと、使用者の体肢の長さに調整可能な二関節のロボットアームとを有し、該ロボットアームを使用者の体肢に固定し、所望の筋の筋力と反対方向の力をロボットアームが発生するようになっている。これにより、使用者の体肢がいかなる姿勢であっても、所望の筋を対象にした筋力トレーニングを効果的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図２は本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋群を模式的に示す図、図３は本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋の活動パターンを示すグラフ、図４は本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋の出力分布特性を示す図である。
【００１３】
図２において、２０は本実施の形態における使用者であり、後述される筋力トレーニング装置１０を使用して筋力のトレーニングを行う者である。まず、筋力トレーニング装置１０の背景となる人間の体肢の二関節リンク機構について、本発明の理解に必要な範囲で説明する。
【００１４】
人間の体肢、すなわち、四肢には二関節筋が存在し、該二関節筋は、１つの関節に作用する一関節筋と協調して先端の出力を制御しており、その先端出力は、図４に示されるような六角形の出力分布で表されることが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。そして、六角形の出力分布特性に基づいて機能別実行筋力を評価する方法も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献２】特開２０００−２１０２７２号公報
【非特許文献１】藤川智彦、大島徹、熊本水頼、山本倫久、「上肢における拮抗する一関節筋及び二関節筋群の協調活動とその機械モデルによる制御機能解析」、バイオメカニズム１３、バイオメカニズム学会、（１９９６）１８１．。
【００１５】
次に、本発明の理解に必要な範囲で、非特許文献１及び特許文献２に記載された四肢の先端出力特性について説明する。
【００１６】
人間の上肢及び下肢ともに、第一関節、第二関節及び系先端を含む二次元平面内の運動において、第一関節及び第二関節に作用する筋群は、その機能を考慮すると、図２に示されるように、第一関節周りの一対の拮抗一関節筋ペア（ｆ１、ｅ１）、第二関節周りの一対の拮抗一関節筋ペア（ｆ２、ｅ２）、及び、第一関節と第二関節とに跨（またが）る一対の拮抗一関節筋ペア（ｆ３、ｅ３）の３対６筋で代表させることが可能であり、これを機能別実行筋と呼ぶ。なお、図２に示される例は、使用者２０の下肢の股（こ）関節及び膝（ひざ）関節に作用する筋群である。
【００１７】
一関節筋は１つの関節にのみ作用する筋で、上肢では肩関節の三角筋前部や三角筋後部、肘（ひじ）関節の上腕筋や上腕三頭筋外側頭が相当し、下肢では股関節の大殿筋や大腰筋、膝関節の大腿（たい）二頭筋短頭や外側広筋が相当する。そして、二関節筋は、２つの関節に跨って作用する筋で、上肢では上腕二頭筋や上腕三頭筋長頭が相当し、下肢ではハムストリングスや大腿直筋が相当する。
【００１８】
人間の上肢と下肢の２関節リンクの系先端、すなわち、上肢では手根関節部、下肢では足関節部、において発揮される出力及びその出力方向は、３対６筋の機能別実行筋の協調活動で制御される。前記系先端で各方向に最大努力で力を発揮すると、力の出力方向に応じて３対６筋の機能別実行筋が、図３に示されるように交代的に収縮する。なお、図３において、Ｆは添え字で示される関節筋の力を表している。
【００１９】
また、３対６筋の機能別実行筋が発揮する収縮力によって体肢先端に発生する力の方向は、図４に示されるとおりであり、図３に示されるような交代パターンに従った協調制御による力の合成により、六角形の最大出力分布特性を示す。
【００２０】
この最大出力分布特性の六角形の各辺は、第１リンク、第２リンク、第一関節と系先端を結ぶ直線に平行であるという特徴がある。したがって、六角形の形状は体肢の姿勢によって異なる。そして、筋の収縮力が一定で各関節に発生しているトルクが変化しなくても、関節トルクにより、人間の体肢の先端に発生する力は、上肢又は下肢の姿勢によってその方向も大きさも変化する。
【００２１】
次に、本実施の形態における筋力トレーニング装置１０の構成について説明する。
【００２２】
図１は本発明の第１の実施の形態における筋力トレーニング装置の構造を模式的に示す図である。なお、図１（ａ）は側面を示す図、図１（ｂ）は正面を示す図である。
【００２３】
本実施の形態における筋力トレーニング装置１０は、前記の人間の体肢の出力特性を考慮し、効果的なトレーニングを実現するものである。そして、前記筋力トレーニング装置１０は、図１に示されるように、使用者２０が着座するサドル１１、使用者２０の体肢に沿って装着されるロボットアーム１２、該ロボットアーム１２を制御する図示されない制御装置、使用者２０が筋力トレーニングの意図を入力する図示されない入力操作装置で構成される。なお、ここでは説明の都合上、下肢の例についてのみ説明するが、上肢についても同様である。
【００２４】
そして、前記ロボットアーム１２は、大腿部に対応する第１リンク１４ａと、下腿部に対応する第２リンク１４ｂとの２つのリンクから成る２自由度のロボットアームである。また、第１リンク１４ａ及び第２リンク１４ｂは、リンク長を調節することができるスライド機構を備え、筋力トレーニングを行うときには、それぞれ、使用者２０の大腿部及び下腿部の長さと同じになるように調整され、第１装着具１５ａ及び第２装着具１５ｂによって大腿部及び下腿部に固定される。なお、第１リンク１４ａ及び第２リンク１４ｂ並びに第１装着具１５ａ及び第２装着具１５ｂを統合的に説明する場合には、各々、リンク１４及び装着具１５として説明する。
【００２５】
なお、前記ロボットアーム１２は、使用者２０がサドル１１に着座した状態で、使用者２０に装着されるが、このとき、ロボットアーム１２の第１関節軸１６ａを使用者２０の股関節に一致させ、ロボットアーム１２の第２関節軸１６ｂを使用者２０の膝関節軸に一致させる。また、前記第１関節軸１６ａ及び第２関節軸１６ｂには、第１サーボモータ１７ａ及び第２サーボモータ１７ｂが連結されている。なお、前記第１関節軸１６ａ及び第２関節軸１６ｂ並びに第１サーボモータ１７ａ及び第２サーボモータ１７ｂを統合的に説明する場合には、各々、関節軸１６及びサーボモータ１７として説明する。ここで、サーボモータ１７は、関節駆動源として機能し、関節軸を回転させるためのトルクを発生する。そして、サーボモータ１７の発生するトルクは、前記制御装置によって制御される。
【００２６】
次に、前記構成の筋力トレーニング装置１０の動作について説明する。
【００２７】
まず、使用者２０は、筋力トレーニング装置１０の入力操作装置を操作して、トレーニングメニューを入力する。該トレーニングメニューの入力は、例えば、図４に示されるような最大出力分布特性の六角形に基づいて、自身の体肢先端で増強したい出力方向とトレーニング負荷の大きさとを入力することである。
【００２８】
例えば、立ち幅跳びの跳躍距離を伸ばしたいという意図で、図４に示されるような六角形におけるｂ方向の先端出力を増強したい場合、使用者２０は、トレーニングする出力方向としてｂ方向を選択し、トレーニング負荷の大きさを入力する。そして、図３に示されるような３対６筋の交代パターンから、ｂ方向に力を発揮する場合に活動する筋は、ｆ１（股関節一関節屈筋群）、ｅ２（膝関節一関節屈筋群）及びｆ３（大腿部二関節筋屈筋群）であることが分かる。
【００２９】
ｂ方向の出力を増強するには、前記ｆ１、ｅ２及びｆ３の３筋群を鍛えればよいので、筋力トレーニング装置１０は、前記３筋群が活動したときに股関節及び膝関節に対応する第１サーボモータ１７ａ及び第２サーボモータ１７ｂが発生するトルクを反対方向で、使用者２０が入力したトレーニング負荷の大きさまで徐々に、又は、段階的に増加させる。そして、使用者２０は、筋力トレーニング装置１０が発生するトルクに対抗するように力を入れることによって、所定の筋出力の状態を維持し、筋力をトレーニングすることができる。
【００３０】
前記筋力トレーニング装置１０は、使用者２０に対して一定のトルクを負荷としてかけているので、使用者２０が、体肢先端（前記の例の場合足首）の位置を変化させないように努力することで、等尺性のトレーニングをすることも可能である。また、トレーニング中に使用者２０の姿勢が変化しても筋に対する負荷が変化しないので、等張性のトレーニングをすることも可能である。
【００３１】
このように、本実施の形態においては、使用者２０がトレーニングする体肢先端の出力方向及びトレーニング負荷を入力すると、該トレーニング負荷を発生するのに必要なトルクの値を算出し、前記出力方向と反対方向及び算出された値のトルクをロボットアーム１２が発生することによって、使用者２０の姿勢に関わらず、使用者２０に一定のトレーニング負荷を与えるようになっている。これにより、使用者２０は、筋力トレーニング装置１０を使用することによって、トレーニング動作のフォームを気にしなくても、また、体肢がいかなる姿勢であっても、指定の負荷をかけた状態で効果が高いトレーニングを実施することができる。そのため、使用者２０が初心者の場合であっても、容易に目的のトレーニングを行うことができる。また、筋力を増強したい方向に対してのみ負荷をかけることができるので、効率的にトレーニングを行うことができる。
【００３２】
なお、実効筋群と体肢先端出力との関係を考慮すると、ｆ１（股関節一関節筋屈筋群）は、図４に示されるような六角形において、ａ及びｃ方向に力を発生する場合にも活動しているが、ｅ２（膝関節一関節屈筋群）はｃ方向では活動せず、また、ｆ３（大腿部二関節筋屈筋群）はａ方向では活動しない。したがって、ａ方向及びｃ方向のトレーニングを１：１で実施すれば、ｆ１（股関節一関節筋屈筋群）はｅ２（膝関節一関節屈筋群）及びｆ３（大腿部二関節筋屈筋群）に対して２倍のトレーニングを実施したことになり、選択的にｆ１（股関節一関節筋屈筋群）を鍛えることができる。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００３４】
本実施の形態においては、筋力トレーニング装置１０のロボットアーム１２として、本出願人の先願である特願２００５−０４８５６３号の請求項６に係る多関節アーム機構を使用する。また、該多関節アーム機構を使用するために、各関節にアブソリュート型エンコーダ等から成る図示されない関節角度検出装置を配設し、さらに、使用者２０に対してトレーニング負荷の情報を提供するために図示されない表示装置を配設した。その他の構成については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００３５】
次に、本実施の形態における筋力トレーニング装置１０の動作について説明する。
【００３６】
図５は本発明の第２の実施の形態における負荷の方向とスティフネス特性の固有ベクトルとを一致させる方法を示す図である。
【００３７】
前記先願の請求項６に係る多関節アーム機構は、各関節に配設された関節角度検出装置によって測定された関節角度に基づき、各関節に装備されたアクチュエータが発生するトルクが、次の式（１）によって計算されるトルクとなるように制御される。
【００３８】
【数１】
これにより、非特許文献１によって明らかにされた人間の四肢の出力特性及びスティフネス特性と同等な特性を再現するものである。
【００３９】
本実施の形態においては、前記筋力トレーニング装置１０のロボットアーム１２として、前記先願の請求項６に係る多関節アーム機構を使用することによって、ロボットアーム１２の先端に、その特性が楕（だ）円で示されるスティフネス特性を持たせることができる。
【００４０】
また、前記第１の実施の形態においては、使用者２０が、筋力トレーニング装置１０が発生するトルクに対抗する形態でトレーニングを行うが、本実施の形態においては、前記スティフネス特性を利用して使用者２０にトレーニング中の力の方向を表示することによって、正しい負荷でトレーニングするように誘導する。
【００４１】
ここで、スティフネス特性は、関節トルクと変位角との関係として、次の式（２）のような行列で表され、二関節リンクの場合は楕円で表現することができる。
【００４２】
【数２】
楕円の長軸と短軸は、行列の固有ベクトルの方向に一致し、互いに垂直である。そして、楕円の長軸又は短軸方向の弾性率は、固有ベクトルに対する固有値に一致する。筋力トレーニング装置１０のロボットアーム１２においては、固有値及び固有ベクトルを任意に設定することが可能である。
【００４３】
この場合、使用者２０が入力したトレーニングメニューによって負荷の方向が決まるので、負荷の方向の弾性率を、負荷に垂直な方向の弾性率に対して小さくなるように設定する。そして、制御装置は、ロボットアーム１２を、設定されたスティフネス特性に基づき、外部からの関節角度変位に応答して関節トルクを発生するように制御する。また、使用者２０が力を入れてロボットアーム１２に角度変位を与えると、該角度変位に応じてロボットアーム１２が負荷トルクを発生する。
【００４４】
使用者２０がトレーニングしたい力の方向は、その他の方向に対して弾性率が低く、変位しやすい方向となっている。したがって、使用者２０は、トレーニングする体肢を動かしたときに動かしやすい方向として、力を入れるべき方向を認識することができる。
【００４５】
次に、負荷の方向とスティフネス特性の固有ベクトルを一致させる方法について説明する。
【００４６】
図５に示されるように、トレーニングの作業空間内での方向をａベクトル（股関節を始点とし、足関節を終点とするベクトル）とｂベクトル（膝関節を始点とし、足関節を終点とするベクトル）を基底ベクトルとして表す。そして、図４に示されるような六角形において力をかける方向を次の式（３）で示される方向とする。
【００４７】
【数３】
また、二関節アーム機構先端のヤコビ行列をＪとするとｐs に垂直な方向は、次の式（４）で表すことができる。
【００４８】
【数４】
さらに、次の式（５）が成立する。
【００４９】
【数５】
したがって、関節トルクと二関節アーム機構先端の変位との関係は、次の式（６）で表される。
【００５０】
【数６】
そして、二関節アーム機構先端の変位と関節角度変位との関係を使って、関節トルクと関節角度変位との関係に直すと、次の式（７）となる。
【００５１】
【数７】
Ｊはヤコビ行列であるので関節角度の関数となる。そのため、Ｊの行列の成分を求めるために、ロボットアーム１２の関節に配設された関節角度検出装置によって実際の関節角度を測定する。
【００５２】
そして、以上の数式によって、ロボットアーム１２を基準点から変位させたときに、ロボットアーム１２が発生すべき関節トルクを計算し、計算された関節トルクを目標値として制御装置がロボットアーム１２の関節トルクを制御することによって、所望のスティフネス特性を得ることができる。前記第１の実施の形態のように、特定の筋群を鍛えるための負荷方向は、前記ａベクトル及びｂベクトルを基底ベクトルとする一次結合で表したとき、その係数は一定である。したがって、トレーニングの負荷の方向からα及びβを計算し、λ１をλ２よりも小さく設定すればよい。本実施の形態の筋力トレーニング装置１０においては、トレーニングの負荷は、使用者２０が発揮する力と同等であるので、使用者２０に対して、トレーニングの負荷の大きさ、及び、あらかじめ使用者２０が入力したトレーニング負荷に達しているか否かを表示装置に表示する。
【００５３】
このように、本実施の形態においては、制御装置は、ロボットアーム１２の先端が弾性を備えるように制御し、使用者２０がトレーニングする体肢先端の出力方向を入力すると、出力方向の弾性を出力方向と垂直な方向の弾性より小さく設定する。すなわち、ロボットアーム１２は、使用者２０が角度変位を与えると、該角度変位に対する応答として負荷が発生するようになっている。このとき、トレーニング負荷の方向が軽く感じられるので、使用者２０は、自然に、違和感を感じることなく、正しいトレーニング負荷の方向に誘導される。また、使用者２０が能動的にトレーニング動作を行わなければトレーニング負荷が発生しないので、安全にトレーニングを行うことができる。
【００５４】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００５５】
本実施の形態における筋力トレーニング装置１０は、前記第２の実施の形態と同様の構成を有するので、構成についての説明を省略し、動作についてのみ説明する。
【００５６】
本実施の形態においては、前記第２の実施の形態と同様に、スティフネス特性によって使用者２０に対してトレーニングで力を入れる方向を誘導する。しかし、前記第２の実施の形態とは異なり、トレーニングで力を入れる方向の弾性率を高くし、トレーニングで力を入れる方向に垂直な方向の弾性率λ２をほぼ０にするようになっている。なお、その他の点については、前記第２の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００５７】
このように、本実施の形態においては、制御装置は、ロボットアーム１２の先端が弾性を備えるように制御し、使用者２０がトレーニングする体肢先端の出力方向を入力すると、出力方向の弾性を出力方向と垂直な方向の弾性より大きく設定する。すなわち、トレーニングで力を入れる方向の弾性率を高くし、トレーニングで力を入れる方向に垂直な方向の弾性率λ２をほぼ０にするので、前記第２の実施の形態において、適切にトレーニング負荷の方向を誘導することができなかった場合に有効である。本実施の形態においては、トレーニング負荷の方向に垂直な方向には力がほとんど発生しないので、少なくともトレーニングしたい方向だけに負荷をかけることができる。さらに、前記第２の実施の形態と同様に、使用者２０が能動的にトレーニング動作を行わなければトレーニング負荷は発生しないので、安全にトレーニングを行うことができる。
【００５８】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、第１〜第３の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第３の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００５９】
本実施の形態における筋力トレーニング装置１０は、前記第２の実施の形態と同様の構成を有するので、構成についての説明を省略し、動作についてのみ説明する。
【００６０】
本実施の形態における筋力トレーニング装置１０では、トレーニングを行う際に、使用者２０は、前記第２の実施の形態における負荷方向の誘導の手段又は第３の実施の形態における負荷方向の誘導の手段のいずれかを選択して入力することによって、動作モードを変更するようになっている。前記第２の実施の形態における負荷方向の誘導の手段又は第３の実施の形態における負荷方向の誘導の手段のいずれが適しているかは、使用者２０によって相違する。そのため、本実施の形態においては、使用者２０が負荷方向の入力をする際に、誘導方法を選択することによって、筋力トレーニング装置１０の動作を切り替えることができる。これにより、使用者２０は、より自分に適した方法で効果的なトレーニングを行うことができる。
【００６１】
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。なお、第１〜第４の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第４の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００６２】
図６は本発明の第５の実施の形態におけるロボットアームが発生するトルクの飽和特性を示す図、図７は本発明の第５の実施の形態におけるロボットアームが発生するトルクの計算方法を示す図である。
【００６３】
本実施の形態における筋力トレーニング装置１０は、前記第２の実施の形態と同様の構成を有するので、構成についての説明を省略し、動作についてのみ説明する。なお、表示装置を省略することができる。
【００６４】
本実施の形態における筋力トレーニング装置１０は、前記第２の実施の形態におけるトレーニング負荷の誘導又は第３の実施の形態におけるトレーニング負荷の誘導のいずれかを行いながら、トレーニング負荷を、使用者２０が入力した大きさが上限となるように制御する。
【００６５】
具体的に、トレーニング負荷の制御方法を説明する。
【００６６】
トレーニング負荷の誘導をするためのスティフネス特性を表す行列は、弾性率だけでなく関節角度によって異なる。そのため、関節トルクと関節角度との関係は非線形なので、次の式（８）で表されるように、制御周期毎の差分によって関節トルクの目標値を計算する。
【００６７】
【数８】
ここでτt は時刻ｔにおける関節トルク、τt-1 は時刻ｔの１制御周期前における関節トルクである。また、Ｇ（θ）は、使用者２０にトレーニング負荷を誘導するためのスティフネス特性を表す行列で、関節角度の関数である。そして、Δθは時刻ｔ−１から時刻ｔの間に関節角度が変化した量である。
【００６８】
前記第２又は第３の実施の形態と同様に、使用者２０は能動的にロボットアーム１２に変位を与えなければトレーニング負荷は発生しないが、使用者２０がトレーニングしたい力の方向の最大値を、使用者２０が入力した負荷の大きさで飽和させる。そのために、時刻ｔにおいて使用者２０にかかっている負荷トルクを、使用者２０がトレーニングしたい力の方向の成分τｐと該τｐに垂直な成分τｑとに分解する。負荷トルクを分解するための計算式を例示すると、次の式（９）のようになる。
【００６９】
【数９】
なお、τ１及びτ２は、各々、股関節及び膝関節のトルクであり、添字Ｌは使用者２０がトレーニングしたい負荷の大きさを発生するトルクを示す。
【００７０】
使用者２０がトレーニングしたい負荷の大きさを発生するトルクをτL として、τｐをτL で飽和させる。なお、ロボットアーム１２が発生するトルクは、図６に示されるような飽和特性を備える。そして、前記τL で飽和させたτｐをτｒとして、ロボットアーム１２が発生すべきトルクは、τｒとτｑの和となる。なお、前記ロボットアーム１２が発生するトルクは、図７に示されるようにして計算することができる。
【００７１】
これにより、前記ロボットアーム１２は、前記第２又は第３の実施の形態と同様に、使用者２０に対してトレーニング負荷の誘導を行いつつ、トレーニング負荷の方向には使用者２０が入力した大きさ以上の負荷をかけることがない。
【００７２】
この状態で使用者２０が更に力を入れていくと、負荷が変わらずに変位していく。これにより、使用者２０は、自分で入力した負荷に達したことが分かるとともに、使用者２０が変位させる範囲内で一定の負荷でトレーニングを行うことができる。
【００７３】
また、負荷の方向と反対の向きには力がかからないように０を下限値とすることによって、使用者２０は、負荷がかからない状態でトレーニング開始の姿勢まで戻すことができる。これにより、使用者２０は、自分で入力した方向と大きさで繰り返し、効率的に一定の負荷でトレーニングを行うことができる。
【００７４】
このように、本実施の形態においては、前記第２の実施の形態におけるトレーニング負荷の誘導又は第３の実施の形態における負荷の誘導を行いつつ、使用者２０にかかる負荷が一定の状態でトレーニングを行うことができる。また、トレーニング中に使用者２０が力をかけている間は、使用者２０が自分で入力した方向及び大きさの負荷がかかっている状態を維持するので、効率的にトレーニングを行うことができる。
【００７５】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１の実施の形態における筋力トレーニング装置の構造を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋群を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋の活動パターンを示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋の出力分布特性を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態における負荷の方向とスティフネス特性の固有ベクトルとを一致させる方法を示す図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態におけるロボットアームが発生するトルクの飽和特性を示す図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態におけるロボットアームが発生するトルクの計算方法を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１０ 筋力トレーニング装置
１１ サドル
１２ ロボットアーム
１５ａ 第１装着具
１５ｂ 第２装着具
２０ 使用者
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００００２９５
【氏名又は名称】沖電気工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１８年７月２８日（２００６．７．２８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１１６２０７
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 俊明
【識別番号】１０００８９６３５
【弁理士】
【氏名又は名称】清水 守
【識別番号】１０００９６４２６
【弁理士】
【氏名又は名称】川合 誠
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| 【公開番号】 |
特開２００８−２９５６６（Ｐ２００８−２９５６６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成２０年２月１４日（２００８．２．１４） |
| 【出願番号】 |
特願２００６−２０５８２９（Ｐ２００６−２０５８２９） |
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