JP2016202612A - Lower limb training device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、使用者が脚を屈曲させた状態から伸展させる動作を行う下肢トレーニング装置に関する。 The present invention relates to a lower limb training apparatus that performs an operation of extending a leg from a bent state.
従来から多く利用されている筋力トレーニング装置としては、例えば、バーベル式やウエイトスタック式のもの等がある。これらの筋力トレーニング装置では、事前に錘の量等を調節することによって負荷の調節が行われる。また、使用者の関節発揮力を評価するための計測には、例えば、Biodex等の装置が用いられている(例えば、非特許文献1参照)。 As a strength training apparatus that has been widely used, there are, for example, a barbell type and a weight stack type. In these muscle strength training apparatuses, the load is adjusted by adjusting the amount of the weight or the like in advance. In addition, for example, a device such as Biodex is used for measurement for evaluating the joint exertion force of the user (see, for example, Non-Patent Document 1).
一方で、本発明者らは、これまでに使用者が脚を屈曲させた状態から伸展させる動作を行う下肢トレーニング装置において、コンピュータ制御によってトレーニング動作中の負荷を操作できるものを開発した(例えば、非特許文献2参照。)この非特許文献2では、負荷を途中でコンピュータ制御によって変えた場合の筋活動がどのようになるかを筋電計によって計測している。
On the other hand, the present inventors have developed a device that can operate a load during a training operation by computer control in a lower limb training apparatus that performs an operation of extending a leg from a state where the user has bent the leg (for example, (See Non-Patent
しかしながら、非特許文献1のような装置では、単関節運動時の関節発揮力は評価することができるが、多関節運動時の各関節発揮力を評価することはできないという問題がある。また、非特許文献2では、筋活動を計測するために、トレーニング動作時に筋電計を使用者に装着しておく必要がある。
However, the apparatus as described in
本発明は、上記のような種々の課題に鑑みてなされたものであって、多関節運動である脚伸展動作時の計測対象となる使用者の各関節にトルクを計測するための計測装置を装着することなく、各関節トルクを算出することができる下肢トレーニング装置を提供することを目的とする。また、本発明は、使用者の脚伸展動作時の筋活動を計測する筋電計を装着することなく、脚伸展動作時の筋張力を推定することができる下肢トレーニング装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the various problems as described above, and includes a measuring device for measuring torque at each joint of a user to be measured during a leg extension operation that is a multi-joint movement. An object is to provide a lower limb training apparatus that can calculate each joint torque without wearing. Another object of the present invention is to provide a lower limb training apparatus capable of estimating muscle tension during leg extension operation without wearing a myoelectric meter that measures muscle activity during leg extension operation of the user. And
上記目的を達成するために、本発明に係る下肢トレーニング装置は、使用者が脚を屈曲させた状態から伸展させる動作を行う下肢トレーニング装置であって、前記使用者の脚伸展動作に連動してスライド移動するスライド部と、前記スライド部を介して前記使用者に負荷を与える負荷発生手段と、前記使用者の脚伸展動作に伴う前記スライド部の移動量を計測する移動量計測手段と、前記使用者の脚伸展動作時の床反力を計測する床反力計測手段と、前記使用者の股関節、膝関節、及び足関節の関節角度を計測する関節角度計測手段と、前記移動量計測手段によって計測される前記スライド部の移動量と、前記床反力計測手段によって計測される前記床反力と、前記関節角度計測手段によって計測されるそれぞれの関節角度と、胴体、大腿部、下腿部、足部の4つの剛体セグメントが股関節、膝関節、足関節の3つの関節で連結されて表現される人体モデルとを用いて逆動力学計算により、前記それぞれの関節の関節トルクを算出する演算手段と、を備えることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a lower limb training apparatus according to the present invention is a lower limb training apparatus that performs an operation of extending a user from a state in which a leg is bent, in conjunction with the leg extension operation of the user. A slide unit that slides, a load generating unit that applies a load to the user via the slide unit, a movement amount measuring unit that measures a movement amount of the slide unit accompanying a leg extension operation of the user, Floor reaction force measuring means for measuring the floor reaction force during the leg extension operation of the user, joint angle measuring means for measuring the joint angles of the hip joint, knee joint and ankle joint of the user, and the movement amount measuring means The amount of movement of the slide part measured by the above, the floor reaction force measured by the floor reaction force measuring means, the respective joint angles measured by the joint angle measuring means, the trunk, and the thigh The joint torque of each joint is calculated by inverse dynamics calculation using a human body model in which the four rigid body segments of the lower leg and foot are connected by the hip joint, knee joint, and ankle joint. And a calculating means for calculating.
また、本発明に係る下肢トレーニング装置は、前記人体モデルが、下肢の主要な複数の筋を配置した筋骨格モデルであって、前記演算手段は、前記筋骨格モデルと、前記逆動力学計算によって算出された前記それぞれの関節トルクとを用いて最適化計算により、前記複数の筋のそれぞれの筋張力を推定することを特徴としている。 The lower limb training apparatus according to the present invention is a musculoskeletal model in which the human body model includes a plurality of main muscles of the lower limbs, and the computing means includes the musculoskeletal model and the inverse dynamics calculation. The muscle tension of each of the plurality of muscles is estimated by optimization calculation using the calculated joint torques.
また、本発明に係る下肢トレーニング装置は、前記負荷発生手段が、前記使用者の脚伸展動作時に前記スライド部を介して制動力による負荷を発生させることを特徴としている。 Further, the lower limb training apparatus according to the present invention is characterized in that the load generating means generates a load due to a braking force through the slide portion during the user's leg extension operation.
また、本発明に係るトレーニング装置は、前記関節角度計測手段によって計測された前記膝関節の関節角度に基づいて、前記負荷発生手段の前記制動力を制御する制御手段を備えることを特徴としている。 In addition, the training device according to the present invention is characterized by comprising control means for controlling the braking force of the load generating means based on the joint angle of the knee joint measured by the joint angle measuring means.
また、本発明に係るトレーニング装置は、前記スライド部が、前記使用者の背中が当接される背当て部材と、前記背当て部に前記使用者の背中が当接された状態で前記使用者の上半身を拘束する拘束部材とを有することを特徴としている。 In the training apparatus according to the present invention, the slide unit includes a back support member with which the back of the user is in contact, and the user with the back of the user in contact with the back of the user. And a restraining member that restrains the upper half of the body.
本発明に係る下肢トレーニング装置によれば、使用者の脚伸展動作に連動してスライド移動するスライド部の移動量が移動量計測手段によって計測され、使用者の脚伸展動作時の床反力が床反力計測手段によって計測され、使用者の股関節、膝関節、及び足関節の関節角度が関節角度計測手段によって計測される。そして、演算手段では、これらの計測されたスライド部の移動量、床反力、及び、それぞれの関節角度と、胴体、大腿部、下腿部、足部の4つの剛体セグメントが股関節、膝関節、足関節の3つの関節で連結されて表現される人体モデルとを用いて逆動力学計算により、それぞれの関節の関節トルクを算出する。これにより、本発明に係る下肢トレーニング装置では、使用者の脚伸展動作時の計測対象となるそれぞれの関節にトルクを計測するためのトルクメータのような計測装置を装着することなく、それぞれの関節トルクを算出することができる。また、トルクメータのような計測装置を使用者は装着する必要がないので、脚伸展動作時にこのような計測装置によって下肢の可動域が拘束されることを防止することができる。 According to the lower limb training apparatus according to the present invention, the movement amount of the slide portion that slides in conjunction with the leg extension operation of the user is measured by the movement amount measuring means, and the floor reaction force during the leg extension operation of the user is measured. It is measured by the floor reaction force measuring means, and the joint angles of the user's hip joint, knee joint and ankle joint are measured by the joint angle measuring means. In the calculation means, the measured movement amount of the slide portion, the floor reaction force, and the respective joint angles, and the four rigid body segments of the torso, the thigh, the crus, and the foot are connected to the hip joint, the knee, and the knee. The joint torque of each joint is calculated by inverse dynamics calculation using a human body model that is represented by being connected by three joints, a joint and an ankle joint. Thus, in the lower limb training apparatus according to the present invention, each joint is mounted without a measuring device such as a torque meter for measuring torque on each joint to be measured at the time of the user's leg extension operation. Torque can be calculated. Further, since the user does not need to wear a measuring device such as a torque meter, the range of motion of the lower limb can be prevented from being restrained by such a measuring device during the leg extension operation.
また、本発明に係る下肢トレーニング装置によれば、演算手段は、下肢の主要な複数の筋を配置した筋骨格モデルと、逆動力学計算によって算出したそれぞれの関節トルクとを用いて最適化計算により、複数の筋のそれぞれの筋張力を推定する。従って、本発明に係る下肢トレーニング装置では、使用者の脚伸展動作時の筋活動を計測する筋電計を使用者に装着することなく、脚伸展動作時の筋張力を推定することができる。 Further, according to the lower limb training apparatus according to the present invention, the calculation means performs optimization calculation using a musculoskeletal model in which a plurality of main muscles of the lower limbs are arranged, and each joint torque calculated by inverse dynamics calculation. Thus, the muscle tension of each of the plurality of muscles is estimated. Therefore, in the lower limb training apparatus according to the present invention, the muscle tension during the leg extension operation can be estimated without wearing the electromyograph that measures the muscle activity during the user's leg extension operation.
また、本発明に係る下肢トレーニング装置によれば、負荷発生手段は、使用者の脚伸展動作時にスライド部を介して制動力(ブレーキ)によって負荷を発生させるので、使用者がスライド部から受ける抗力は使用者が発揮している力を超えることがなく、疲労等によって使用者の発揮力が低下したような場合でも過度な負荷が使用者に与えられることがないため、安全に脚伸展動作のトレーニングを行うことができる。 Further, according to the lower limb training apparatus according to the present invention, the load generating means generates a load by a braking force (brake) through the slide portion during the user's leg extension operation, and thus the drag force that the user receives from the slide portion. Because it does not exceed the force that the user is exerting, and even if the user's exertion power is reduced due to fatigue, etc., the user will not be overloaded, so the leg extension operation can be performed safely. Training can be done.
また、本発明に係る下肢トレーニング装置によれば、関節角度計測手段によって計測された膝関節の関節角度に基づいて、負荷発生手段の制動力を制御するので、脚伸展動作中の膝関節角度に応じた負荷を与えることができる。 Further, according to the lower limb training apparatus according to the present invention, the braking force of the load generating unit is controlled based on the joint angle of the knee joint measured by the joint angle measuring unit, so that the knee joint angle during the leg extension operation is adjusted. A corresponding load can be given.
また、本発明に係る下肢トレーニング装置によれば、スライド部は、使用者の背中が当接される背当て部材と、背当て部に使用者の背中が当接された状態で使用者の上半身を拘束する拘束部材とを有しているので、脚伸展動作時に使用者がバランス等を崩すことを防止し、適切な姿勢を維持することができる。 Further, according to the lower limb training apparatus according to the present invention, the slide unit includes the back support member with which the user's back is in contact, and the upper body of the user in a state in which the user's back is in contact with the back support unit. Therefore, it is possible to prevent the user from losing balance or the like during the leg extending operation and maintain an appropriate posture.
以下、本発明に係る下肢トレーニング装置の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本発明に係る下肢トレーニング装置1は、使用者Aが脚を屈曲させた状態から伸展させる脚伸展動作を行うためのものであって、図1及び図3に示すように、使用者Aの脚伸展動作に連動してスライド移動するスライド部2と、スライド部2を介して使用者Aに負荷を与える電磁ブレーキ(負荷発生手段)3と、使用者Aの脚伸展動作に伴うスライド部2の移動量を計測するためのロータリーエンコーダ(移動量計測手段)4と、使用者Aの脚伸展動作時の床反力を計測するフォースプレート(床反力計測手段)5と、使用者の股関節、膝関節、及び足関節にそれぞれ取り付けられ、各関節角度を計測するためのゴニオメータ(関節角度計測手段)6と、各種の演算処理を行うための演算部(演算手段)14や各部の制御を行うための制御部(制御手段)15等を有するコンピュータ7とを備えている。尚、図1及び図2では、使用者Aに取り付けられるゴニオメータ6については省略して図示している。
Hereinafter, an embodiment of a lower limb training apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings. A lower
また、下肢トレーニング装置1は、図1及び図2に示すように、土台となるベースユニット部8と、ベースユニット部8上に設けられ、スライド部2を傾斜方向にスライド可能に案内するための傾斜ユニット部9とを備えている。ベースユニット部8は、床に設置される土台部81と、土台部81の使用者Aの頭部が位置する側の端部側から平行に立設される2本の支柱部82と、支柱部82の強度を確保するために一端が土台部81に固定され、他端が支柱部82を支えるように所定の傾斜角を有して固定される支持部83とを有している。
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the lower
傾斜ユニット部9は、脚伸展動作時に使用者Aの頭部が足部よりも上方に位置するように、使用者Aの頭部が位置する一端側(上端側)が支柱部82にボルト・ナット等の固定具10を介して固定されることによって所定の角度だけ傾斜して設けられる略矩形状の傾斜部91と、脚伸展動作時に使用者Aの足部が置かれるフォースプレート5を固定できるように、傾斜部91の他端(下端)から略垂直方向に突出するように設けられる底部92と、傾斜部91と同じ傾斜角になるように、上端及び下端がそれぞれ傾斜部91の上端部及び下端部に固定されることにより平行に設けられる2本のレール93と、傾斜部91の上端側及び下端側の裏面にそれぞれ設けられる上部側プーリ94a、下部側プーリ94bと、上部側プーリ94a及び下部側プーリ94bに巻き掛けられるタイミングベルト95とを有している。また、ベースユニット部8の支柱部82には、傾斜部91を固定具10によって着脱自在に取り付けるための複数のボルト孔82aが異なる高さに形成されており、傾斜ユニット部9では、傾斜部91の支柱部82への取り付け位置を変更することによって傾斜角度を変更することができる。
The
スライド部2は、図1及び図2に示すように、使用者Aの脚伸展動作に連動してレール93に沿って矢印方向へスライド移動するものであって、レール93に沿って転動する複数の車輪21と、車輪21が取り付けられ、レール93上に配置される略長方形状の板材であるスライド板22と、スライド板22上に固定され、脚伸展動作を行う際に仰向けになった状態の使用者Aの背中が当接される背当て部材23と、背当て部材23に使用者Aの背中を当接した状態で使用者Aの上半身を拘束するための2本のベルト部材(拘束部材)24と、スライド板22の移動に連動してタイミングベルト95を回動させるように、スライド板22とタイミングベルト95を連結させる連結部材25とを有している。背当て部材23としては、例えば、ウレタン等の若干のクッション性を有するものを用いることが好ましいが、これに限定されるものでなく、脚伸展動作に使用者Aの背中を当接した状態で胴体を支えられるものであれば良い。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
電磁ブレーキ3は、使用者Aの脚伸展動作時にスライド部2を介して制動力による負荷を発生させるためのものであって、下部側プーリ94bに回転軸11を介して連結されている。この電磁ブレーキ3による制動力は、使用者Aの脚伸展動作に連動してスライド部2がレール93上をスライド移動する際に、抗力として発生する。従って、電磁ブレーキ3の制動力による負荷は、使用者Aが脚伸展動作を行った際に、下部側プーリ94b、タイミングベルト95、及びタイミングベルト95に連結される連結部材25を有するスライド部2を介して、背当て部材23に背中を当接した状態で上半身が拘束されている使用者Aへ抗力(トーニング負荷)として作用する。このように下肢トレーニング装置1では、電磁ブレーキ3の制動力によって負荷を発生させているので、使用者Aがスライド部2から受ける抗力は使用者Aが発揮している力を超えることがなく、疲労等によって使用者Aの発揮力が低下したような場合でも過度な負荷が使用者に与えられることがないため、安全に脚伸展動作を行うことができる。尚、この電磁ブレーキ3は、不図示のケーブルによってコンピュータ7に接続されており、図3に示すように、コンピュータ7の制御部15からの制御信号によって直流電源20からの入力を調整することにより制動力を制御できるように構成されている。また、制御部15では、ゴニオメータ6によって計測される膝伸展動作時の使用者Aの膝関節角度に応じて、電磁ブレーキ3の制動力を制御するようにしても良い。尚、本実施形態に係る下肢トレーニング装置1では、負荷発生手段として安全性等を考慮し、電磁ブレーキ3を適用しているが、これに限定されるものではなく、従来公知の負荷を用いるようにしても良い。
The
ロータリーエンコーダ4は、使用者Aの脚伸展動作に伴うスライド部2の移動量を計測するためのものであって、上部側プーリ94aの回転軸の端に設けられている。下肢トレーニング装置1では、このロータリーエンコーダ4によって検出された上部側プーリ94aの回転情報の検出信号はコンピュータ7へと入力され、演算部14で、この回転情報に基づいてスライド部2の移動量が算出される。下肢トレーニング装置1では、スライド部2は、使用者Aの脚伸展動作に連動してスライド移動するので、このスライド部2の移動量を使用者Aの胴体の移動量(変位)としてみなすことができる。
The
フォースプレート5は、使用者Aが脚を屈曲させた状態から脚伸展動作を行う際の床反力及び床反力作用点(COP)を計測するためのものであって、傾斜ユニット部9の底部92に取り付けられている。使用者Aは、このフォースプレート5に足部を乗せた状態で脚伸展動作を行う。下肢トレーニング装置1では、このフォースプレート5によって検出される床反力の検出信号は、コンピュータ7へと入力される。
The
ゴニオメータ6は、使用者Aの脚伸展動作時の矢状面における股関節、膝関節、及び足関節の関節角度を計測するためのものであって、使用者Aの股関節、膝関節、及び足関節にそれぞれ取り付けられている。下肢トレーニング装置1では、このゴニオメータ6によって検出された股関節、膝関節、及び足関節の関節角度の検出信号は、コンピュータ7へと入力される。
The
コンピュータ7は、ロータリーエンコーダ4、フォースプレート5、及びゴニオメータ6によって検出された情報に基づいて、外力に抗して各関節が発生するトルクである使用者Aの関節トルクの算出や筋張力の推定等のための演算処理等を行うものであって、図3に示すように、例えば、CPU(Central Proceessing Unit)12と、ハードディスク13と、演算部14と、制御部15と、RAM(Random Access Memory:記憶部)16と、表示部17と、操作部18等を備えている。また、これら各部は、互いにシステムバス19に接続され、このシステムバス19を介して種々のデータ等が入出力されて、CPU12の制御の下、種々の処理が実行される。
Based on the information detected by the
ハードディスク13は、ロータリーエンコーダ4、フォースプレート5、及びゴニオメータ6によって検出された情報に基づいて、使用者Aの関節トルクの算出や筋張力の推定等を行うための処理プログラム等を格納している。尚、本実施形態では、処理プログラムをハードディスク13に格納している例を示しているが、これに代えて、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体(不図示)に格納しておき、この記録媒体から処理プログラムを読み出すように構成することも可能である。
The
演算部14は、ハードディスク13に格納される処理プログラムに基づいて、CPU12の制御の下、各種の演算処理等を行う。また、制御部15は、ハードディスク13に格納される処理プログラムに基づいて、CPU12の制御の下、電磁ブレーキ3の制動力の制御を行う。
The
RAM16は、ハードディスク13から読み出された処理プログラムを一時的に記憶したり、CPU12の作業領域等として用いられるものである。また、RAM16では、演算部14によって行われる関節トルクの算出や筋張力の推定に用いられる人体モデルに関するデータを予め記憶している。この人体モデルとしては、例えば、図5に示すように、胴体(頭部、左右腕部、及び骨盤を含む)、大腿部、下腿部、足部の4つの剛体セグメントが股関節、膝関節、足関節の3つの関節で連結されて表現される剛体リンクモデルに、下肢の主要な複数の筋を配置した筋骨格モデルを用いることができる。図5に示すli,(i=0,1,2,3)は剛体セグメントの長さ、ai,(i=0,1,2,3)は関節からそれぞれの剛体セグメントの質量中心までの距離、mi,(i=0,1,2,3)は剛体セグメントの質量、Ii,(i=1,2,3)は剛体セグメントの慣性モーメントを表わしている。尚、胴体はベルト部材24によって固定され、回転しないので、後述する数式(2)で表わされる人体モデルの運動方程式には胴体の慣性モーメントは影響しない。また、実装する主要な下肢屈曲・伸展筋としては、例えば、大腰筋、大臀筋、大腿二頭筋、大腿直筋、広筋群、前脛骨筋、ヒラメ筋、腓腹筋等がある。このような筋張力の推定のために必要な身体物理パラメータと筋の配置に関しては、例えば、阿江通良、湯海鵬、横井孝志:Society of Biomechanisms Japan,11,pp.23−33(1992)、P.Allard et al:Three-Dimensional Analysis of Human Movement,human Kinetics,pp.224−225(1995)やその他の筋の起始・停止位置に関する従来の文献等に基づいて行うことができる。
The
表示部17は、例えば、液晶ディスプレイ等から構成されるものであって、演算部14での算出結果等を表示したりするものである。操作部18は、マウスやキーボード等で構成されており、使用者Aや補助者等が種々のデータ及び操作指令等の入力を行うために使用されるものである。尚、表示部17と操作部18をタッチパネルとして、一体的に構成しても良い。
The
以下、下肢トレーニング装置1による各関節トルクの算出及び筋張力の推定の演算処理の流れについて図面を参照しながら説明する。尚、下肢トレーニング装置1による演算処理は、ハードディスク13に格納された処理プログラムに従ってCPU12の制御の下、オフラインで演算部14によって実行されるものである。
Hereinafter, the flow of calculation processing of each joint torque and muscle tension estimation by the lower
まず、下肢トレーニング装置1による演算処理を行うに際して、使用者Aは、図1に示すように、脚を屈曲させた状態で足部をフォースプレート5の上に乗せ、背中が背当て部材23に合うように仰向けで凭れた状態で、ベルト部材24によって上半身を固定する。また、使用者Aの股関節、膝関節、及び足関節にはそれぞれゴニオメータ6が装着される。そして、この状態から使用者Aは、脚伸展動作を行う。
First, when performing arithmetic processing by the lower
使用者Aの脚伸展動作が開始されると、下肢トレーニング装置1では、使用者Aの脚伸展動作時のロータリーエンコーダ4、フォースプレート5、及びゴニオメータ6によって検出されたそれぞれの検出信号が順次コンピュータ7へ入力される。コンピュータ7では、図4に示すように、それぞれの検出信号に基づいて、演算部14で使用者Aの脚伸展動作時のスライド部2の移動量、床反力及び床反力作用点(COP)、各関節角度(股関節、膝関節、及び足関節の関節角度)がそれぞれ算出される。尚、この際、制御部15では、計測された膝関節の関節角度に応じた制御信号によって直流電源20からの入力を調整することにより、電磁ブレーキ3の制動力を制御するようにしても良い。
When the leg extension operation of the user A is started, the lower
その後、演算部14では、図4に示すように、各関節角度及びスライド部2の移動量に対してローパスフィルタ処理を行うことによってノイズ除去を行う。また、ローパスフィルタ処理を行った各関節角度及びスライド部2の移動量に対して、それぞれ微分処理を施し、各関節の脚伸展動作時の角速度、角加速度、及びスライド部2の速度、加速度をそれぞれ算出する。
Thereafter, as shown in FIG. 4, the
そして、図3及び図4に示すように、関節トルク算出部141では、図5に示す人体モデルの運動方程式として表わされる下記の数式(1)にスライド部2の移動量、床反力及び床反力作用点(COP)、各関節角度と、微分処理によって算出された各関節の角速度、角加速度、及びスライド部2の速度、加速度を適用して逆動力学計算を行う。
これにより、関節トルク算出部141では、下記の数式(2)及び数式(3)に示すように、各関節の関節トルクであるベクトルτ、及び使用者Aがスライド部から受ける抗力FRを算出することができる。
また、関節トルク算出部141では、人体モデルに配置した下肢の代表的な各筋の二次元的な起始・停止位置を求め、初期姿勢から各筋が対応する関節に対して発生させるモーメントのモーメントアームを幾何学的に計算する。次に、関節トルク算出部141では、モーメントアームと筋張力とモーメントの関係を成立させる下記の数式(4)に示すヤコビアンJを求める。
Further, the joint
そして、筋張力推定部142では、関節トルク算出部141で算出した関節トルクベクトルτとヤコビアンJに基づいて、数式(4)の最適化計算を行って筋張力ベクトルfを算出する。ここでは、筋張力の計算は、筋の生み出すトルクが関節トルクと一致し、且つ、筋張力の総和が最小となるように求めている。
このように本発明に係る下肢トレーニング装置1では、使用者Aの脚伸展動作時の計測対象となるそれぞれの関節にトルクを計測するためのトルクメータのような計測装置を装着することなく、それぞれの関節トルクを算出することができる。また、下肢トレーニング装置1では、使用者の脚伸展動作時の筋活動を計測する筋電計を使用者に装着することなく、この算出したそれぞれの関節トルクを用いて最適化計算によって複数の筋のそれぞれの筋張力を推定することができる。尚、本実施形態に係る下肢トレーニング装置1では、センサ数の軽減のために、両脚の動作は左右で同じであると仮定し、動作を矢状面内に限定して演算を行っているが、片脚スクワット等の解析を行う場合には、センサの追加及び計算モデルの修正を行うことで対応可能である。
Thus, in the lower
また、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。 The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the scope of the idea of the present invention.
1 下肢トレーニング装置
2 スライド部
23 背当て部材
24 ベルト部材(拘束部材)
3 電磁ブレーキ(負荷発生手段)
4 ロータリーエンコーダ(移動量計測手段)
5 フォースプレート(床反力計測手段)
6 ゴニオメータ(関節角度計測手段)
7 コンピュータ
14 演算部(演算手段)
15 制御部(制御手段)
A 使用者
DESCRIPTION OF
3 Electromagnetic brake (load generation means)
4 Rotary encoder (travel distance measuring means)
5 Force plate (Floor reaction force measuring means)
6 Goniometer (joint angle measuring means)
7
15 Control unit (control means)
A user
Claims (5)
前記使用者の脚伸展動作に連動してスライド移動するスライド部と、
前記スライド部を介して前記使用者に負荷を与える負荷発生手段と、
前記使用者の脚伸展動作に伴う前記スライド部の移動量を計測する移動量計測手段と、
前記使用者の脚伸展動作時の床反力を計測する床反力計測手段と、
前記使用者の股関節、膝関節、及び足関節の関節角度を計測する関節角度計測手段と、
前記移動量計測手段によって計測される前記スライド部の移動量と、前記床反力計測手段によって計測される前記床反力と、前記関節角度計測手段によって計測されるそれぞれの関節角度と、胴体、大腿部、下腿部、足部の4つの剛体セグメントが股関節、膝関節、足関節の3つの関節で連結されて表現される人体モデルとを用いて逆動力学計算により、前記それぞれの関節の関節トルクを算出する演算手段と、を備えることを特徴とする下肢トレーニング装置。 A lower limb training apparatus that performs an operation of extending a leg from a bent state by a user,
A slide part that slides in conjunction with the user's leg extension operation;
Load generating means for applying a load to the user through the slide portion;
A moving amount measuring means for measuring a moving amount of the slide portion accompanying the leg extension operation of the user;
Floor reaction force measuring means for measuring the floor reaction force during the leg extension operation of the user;
A joint angle measuring means for measuring a joint angle of the user's hip joint, knee joint, and ankle joint;
The amount of movement of the slide part measured by the movement amount measuring means, the floor reaction force measured by the floor reaction force measuring means, the respective joint angles measured by the joint angle measuring means, and the body, Each of the above joints is obtained by inverse dynamics calculation using a human body model in which the four rigid segments of the thigh, the lower leg, and the foot are connected by the three joints of the hip joint, the knee joint, and the ankle joint. A lower limb training apparatus comprising: an arithmetic means for calculating the joint torque of the lower limb.
前記演算手段は、前記筋骨格モデルと、前記逆動力学計算によって算出された前記それぞれの関節トルクとを用いて最適化計算により、前記複数の筋のそれぞれの筋張力を推定することを特徴とする請求項1に記載の下肢トレーニング装置。 The human body model is a musculoskeletal model in which a plurality of main muscles of the lower limbs are arranged,
The computing means estimates the muscle tension of each of the plurality of muscles by an optimization calculation using the musculoskeletal model and the joint torques calculated by the inverse dynamics calculation. The lower limb training apparatus according to claim 1.
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---|---|---|---|---|
CN114712783A (en) * | 2022-05-18 | 2022-07-08 | 林凡红 | Portable outdoor fitness equipment with resistance adjusting function |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10258099A (en) * | 1997-03-17 | 1998-09-29 | Yaskawa Electric Corp | Training apparatus considering joint load |
JP2002209874A (en) * | 2001-01-18 | 2002-07-30 | Naokata Ishii | Method for measuring muscular strength |
US20070043308A1 (en) * | 2005-08-22 | 2007-02-22 | Kyungpook National University Industry-Academic Cooperation Foundation | Apparatus and method for lower-limb rehabilitation |
JP2007213015A (en) * | 2006-01-12 | 2007-08-23 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Method of constructing musculo-skeletal model, method of estimating human body stress/distortion, program, and recording medium |
US20080221487A1 (en) * | 2007-03-07 | 2008-09-11 | Motek Bv | Method for real time interactive visualization of muscle forces and joint torques in the human body |
JP2009219557A (en) * | 2008-03-13 | 2009-10-01 | Panasonic Electric Works Co Ltd | Simulation method and apparatus for exercise action with passive motion training device |
WO2010095636A1 (en) * | 2009-02-20 | 2010-08-26 | 国立大学法人東京大学 | Method and device for estimating muscle tension |
-
2015
- 2015-04-23 JP JP2015088321A patent/JP6589354B2/en active Active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10258099A (en) * | 1997-03-17 | 1998-09-29 | Yaskawa Electric Corp | Training apparatus considering joint load |
JP2002209874A (en) * | 2001-01-18 | 2002-07-30 | Naokata Ishii | Method for measuring muscular strength |
US20070043308A1 (en) * | 2005-08-22 | 2007-02-22 | Kyungpook National University Industry-Academic Cooperation Foundation | Apparatus and method for lower-limb rehabilitation |
JP2007213015A (en) * | 2006-01-12 | 2007-08-23 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Method of constructing musculo-skeletal model, method of estimating human body stress/distortion, program, and recording medium |
US20080221487A1 (en) * | 2007-03-07 | 2008-09-11 | Motek Bv | Method for real time interactive visualization of muscle forces and joint torques in the human body |
JP2009219557A (en) * | 2008-03-13 | 2009-10-01 | Panasonic Electric Works Co Ltd | Simulation method and apparatus for exercise action with passive motion training device |
WO2010095636A1 (en) * | 2009-02-20 | 2010-08-26 | 国立大学法人東京大学 | Method and device for estimating muscle tension |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114712783A (en) * | 2022-05-18 | 2022-07-08 | 林凡红 | Portable outdoor fitness equipment with resistance adjusting function |
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