JP2001204850A - トレーニング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 使用者が働かせる作用力を所望のパターンに
一致して変化させることができる、いわば筋力トレーニ
ングとしてより理想に近い機能を備えたトレーニング装
置を実現する。 【解決手段】 使用者からの作用力をその受力部２で受
ける作用アーム１、作用アーム１の受力部２に反力負荷
を発生させるサーボモータ７、およびエンコーダ４から
の回転位置Ｐｌとトルクメータ６からの作用トルクＴｈ
ａｎｄとを入力し、初動姿勢の位置から終動姿勢の位置
に至る作用力の変化が負荷テーブル１０により予め設定
された所定の作用力−位置変化特性となるようサーボモ
ータ７を駆動制御する負荷制御装置９を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、体本来の機能回
復（リハビリテーション）や、さらなる筋力アップを目
的に、使用者の筋力を鍛えるために供されるトレーニン
グ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】近年
の各種スポーツの普及に伴い、これらに向けて体力を増
進させるためのアスレチックジム等の体力トレーニング
施設が各所に設けられるようになった。また、低下した
体力の機能回復を図るリハビリテーション施設も増加し
ている。しかるに、これら施設に設置されたいわゆるト
レーニングマシンは、旧来からの滑車マシン、外力稼働
マシン、ゴムチューブマシン、バネ弾性マシン、油圧マ
シンが多く、トレーニング機能としては必ずしも満足の
いくものではない。

【０００３】即ち、これらの多くは、いわゆる終動負荷
トレーニングマシンと呼ばれるもので、身体の屈曲状態
から伸長動作を開始するとき（初動状態）の負荷を初動
負荷と呼び、最終伸長状態に到達したとき（終動状態）
の負荷を終動負荷と呼ぶことにすると、上述した各種マ
シンでは、初動負荷は小さく動作の進行につれて負荷が
大きくなり、最終の終動負荷が最大となる（終動負荷ト
レーニング）。ところが、最新の筋力トレーニング理論
（例えば、１９９４年９月講談社発行小山裕史著「新ト
レーニング革命」参照）によると、この終動負荷トレー
ニングでは、関節の硬化を助長させることになり、逆に
筋肉の伸縮機能を失わせる状態となって関節の可動域を
狭くしてしまう恐れがあると指摘されている。

【０００４】同理論によれば、このような終動負荷トレ
ーニングに対して、初動負荷トレーニングが注目されて
いる。これは、初動状態における初動負荷が大きく、動
作の進行につれて負荷が小さくなり、終動負荷が最小と
なるトレーニングで、この初動負荷トレーニングでは、
トレーニング対象の根幹部が初動作で力とスピードを生
み、末端部への力の伝達が円滑に行われるようになり、
身体の能力が向上するとされる。

【０００５】例えば、特開平９−２４１１７号公報は、
この初動負荷トレーニングを実現するトレーニング装置
を開示している。この装置は、一端を支点として回動可
能なアームの他端に重錘を設け、初動状態でほぼ水平姿
勢にあるアームをロープを介して使用者が引っ張ること
で当該アームを次第に起き上がるようにしたものであ
る。この場合、ロープに掛かる負荷は、初動時のアーム
が水平にあるときに重錘の重量が１００％働いて最大と
なり、アームの回動が進むにつれて次第に減少し、いわ
ゆる初動負荷パターンとなる。

【０００６】ところで、トレーニングをする使用者の体
力や身体的特性は一律ではなく、また、トレーニングに
よって機能回復すべき身体部位や筋力増強すべき身体部
位も多岐にわたる。従って、トレーニング装置として
は、必要な負荷の大きさ、また、初動姿勢から終動姿勢
に至る負荷の変化パターンも、これらトレーニング対象
の種別によって変化させ得ることが要請される。

【０００７】しかるに、この上掲公報の装置は、重錘の
重力とアームの回動を利用した、純粋に機械構造的な構
成のものであるため、負荷の大きさを調整するには、重
錘やアームを取り替えてその重さや長さを変える必要が
あり、その取り替えの作業が煩雑で、かつ、連続的な調
整は困難とならざるを得ない。更に、負荷の変化パター
ンがその原理上、いわゆる余弦関数特性に限定されると
いう欠点もあり、トレーニング装置として実用性に劣る
と言わざるを得ない。

【０００８】これに対し、例えば、特開昭５４−１３８
７３６号公報には、負荷の大きさを自由に調整可能な運
動訓練用抵抗負荷装置が開示されている。これは、負荷
の発生手段に電磁継手を採用し、この電磁継手をブレー
キとして作用させ、更に、この電磁ブレーキに供給する
励磁電流を変化させることで負荷としてのトルクを調整
するというものである。例えば、使用者が動かすロッド
に加えられた力の変化に比例して負荷を変化させる、ま
た、加えられた力の変化に反比例して負荷を変化させる
ことができる旨説明されている。

【０００９】ところで、発明者等が上述した最新の筋力
トレーニング理論を詳細に分析したところ、トレーニン
グ装置としては単にその負荷を自由に変化させ得るとい
うのでは不十分であることが判明した。即ち、たとえ、
初動負荷トレーニングを目標に初動時に高く終動時に低
くなるような負荷パターンを設定したとしても、トレー
ニングを行う使用者が実際に働かせる力である作用力は
規制することができない。

【００１０】この原因は以下の通りである。即ち、今、
使用者が装置に設けられたレバーの端部を握り、これを
初動位置から終動位置まで押し込んでいく場合を想定す
ると、｜作用力｜＝｜負荷｜が成立するのは、レバーが
静止状態にバランスしたときのみであり、使用者の作用
力によってレバーが初動位置から終動位置に向かって移
動していく過程では成立し得ない。具体的には、使用者
の力の大きさ、力の掛け方等によって、作用力が大きく
変動することになる。

【００１１】一方、理想的な筋力トレーニングは、使用
者の体力、身体特性やそのトレーニング対象部位等に応
じて定まる作用力パターンに沿って、使用者に当該所望
の作用力を働かせる体験をさせることである。従って、
上述した先行文献（特開昭５４−１３８７３６号公報）
の装置では、たとえ、その負荷は制御し得ても、使用者
の作用力が所望のパターンに沿って変化するようにする
ことは不可能である。この点では、先に挙げた先行文献
（特開平９−２４１１７号公報）も全く同様と言える。

【００１２】この発明は、使用者が働かせる作用力を所
望のパターンに一致して変化させることができる、いわ
ば筋力トレーニングとしてより理想に近い機能を備えた
トレーニング装置を実現するものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明に係るトレーニ
ング装置は、使用者からの作用力を受ける受力部を有す
る可動体を備え、上記使用者が上記可動体をその初動姿
勢から終動姿勢に至るまで動かすことにより、上記使用
者の筋力を鍛えるトレーニング装置において、上記使用
者からの作用力を検出する作用力検出手段、上記可動体
の姿勢位置を検出する位置検出手段、上記可動体と機械
的に結合され上記作用力に対向する方向の反力負荷を上
記受力部に発生させる負荷発生手段、および上記初動姿
勢の位置から終動姿勢の位置に至る上記作用力の変化が
予め設定された所定の作用力−位置変化特性となるよう
上記反力負荷を制御する負荷制御手段を備えたものであ
る。

【００１４】また、この発明に係るトレーニング装置
は、使用者からの作用力を受ける受力部を一端に備え他
端が第１の回転軸に結合された作用アーム、上記使用者
からの作用力を検出するトルクメータを介して上記第１
の回転軸に連結された第２の回転軸、その回転駆動軸が
上記第２の回転軸に連結され上記作用力に対向する方向
の反力負荷を上記受力部に発生させるサーボモータ、上
記第１の回転軸の回転位置を検出する位置検出手段、お
よび上記トルクメータの出力と上記位置検出手段の出力
とを入力し上記初動姿勢の位置から終動姿勢の位置に至
る上記作用力の変化が予め設定された所定の作用力−位
置変化特性となるよう上記サーボモータを駆動制御する
負荷制御手段を備えたものである。

【００１５】また、この発明に係るトレーニング装置
は、使用者からの作用力を受ける受力部を一端に備え他
端が回転軸に結合された作用アーム、その回転駆動軸が
上記回転軸に連結され上記作用力に対向する方向の反力
負荷を上記受力部に発生させるサーボモータ、上記サー
ボモータのトルクおよび回転速度から演算により上記作
用力を検出する作用力検出手段、上記サーボモータの回
転速度から演算により上記回転軸の回転位置を検出する
位置検出手段、および上記作用力検出手段の出力と上記
位置検出手段の出力とを入力し上記初動姿勢の位置から
終動姿勢の位置に至る上記作用力の変化が予め設定され
た所定の作用力−位置変化特性となるよう上記サーボモ
ータを駆動制御する負荷制御手段を備えたものである。

【００１６】また、この発明に係るトレーニング装置の
負荷制御手段は、所定の作用力−位置変化特性に対応し
て設定された作用力指令と回転軸の回転位置との関係を
記憶した負荷テーブル、および回転位置の検出値に相当
する作用力指令を上記負荷テーブルから読み取り、作用
力の検出値が上記作用力指令と一致するようにサーボモ
ータの速度指令を作成する速度指令作成回路を備えたも
のである。

【００１７】また、この発明に係るトレーニング装置の
速度指令作成回路は、作用力の検出値が作用力指令以下
のとき、サーボモータの速度指令を零に設定するように
したものである。

【００１８】また、この発明に係るトレーニング装置
は、使用者からの作用力を受ける受力部を有する可動体
を備え、上記使用者が上記可動体をその初動姿勢から終
動姿勢に至るまで動かすことにより、上記使用者の筋力
を鍛えるトレーニング装置において、上記可動体の姿勢
位置を検出する位置検出手段、上記可動体と機械的に結
合され上記作用力に対向する方向の反力負荷を上記受力
部に発生させる負荷発生手段、および上記初動姿勢の位
置から終動姿勢の位置に至る上記作用力の変化が予め設
定された所定の作用力−位置変化特性となるよう上記反
力負荷を制御する負荷制御手段を備えたものである。

【００１９】また、この発明に係るトレーニング装置
は、使用者からの作用力を受ける受力部を一端に備え他
端が回転軸に結合された作用アーム、その回転駆動軸が
上記回転軸に連結され上記作用力に対向する方向の反力
負荷を上記受力部に発生させるモータ、上記回転軸の回
転位置を検出する位置検出手段、上記回転軸の回転速度
を検出する速度検出手段、所定の作用力−位置変化特性
に対応して設定された作用力指令と回転軸の回転位置と
の関係を記憶した負荷テーブル、速度指令＝零を出力す
る速度指令発生回路、この速度指令発生回路からの零速
度指令と上記速度検出手段からの速度検出値との偏差を
入力し、この偏差が零となるよう、少なくとも比例要素
と積分要素とを有する制御により上記モータのトルク指
令を作成するトルク指令作成回路、および上記位置検出
手段からの回転位置検出値に相当する作用力指令を上記
負荷テーブルから読み取り、上記トルク指令作成回路の
出力を、当該読み取った作用力指令がその最大値となる
よう制限するリミッタ回路を備えたものである。

【００２０】また、この発明に係るトレーニング装置に
おけるトルク指令作成回路の比例ゲインは、速度検出値
が終動姿勢の位置から初動姿勢の位置に向かう方向に変
化することにより偏差入力の極性が反転した場合、負極
性で急増するトルク指令を発生し、この比例ゲインの出
力により上記トルク指令作成回路の出力を急減させるよ
うにしたものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】実施の形態１．先ず、具体的な構
成例の説明に入る前に、本願になるトレーニング装置を
使用して実際にトレーニングを行っている状態をイメー
ジ的に図１に示す。トレーニングは主として人体の四肢
を対象に行うものであるが、図１はいずれも下肢を対象
としたものである。点線で囲んだ部分が可動部分で、同
図（ａ）では、使用者が座席の部分に座り、足の甲で後
述する作用アーム端部の受圧部を初動状態の下端位置か
ら終動状態の水平位置まで押し上げる動作を行う。同図
（ｂ）は、足の裏で作用アームの受圧部を踏む形でトレ
ーニングを行うものである。同図（ｃ）は、座席の背部
を倒して水平とし、使用者はこの水平台上に俯せになり
足のかかとの部分で作用アームの受圧部を水平位置から
上端位置まで移動させてトレーニングを行うものであ
る。

【００２２】図２は目標とする作用力−位置変化特性の
代表例を示す図である。後段で詳述するように、使用者
が実際に体感する力、作用力が図の作用力−位置変化特
性の曲線上を追随するように、作用アームの駆動部を制
御する訳である。図２のその１、その２はいずれも既述
した初動負荷理論に基づくもので、その１は一般的なト
レーニングパターンで、その２は、例えば、マラソン選
手などが地面を蹴り出すときの脚筋力トレーニングなど
に適用され、初めに駆動部を停止させた状態で初動姿勢
に入り、作用力の検出値が設定された最大値を越えたと
き動作を開始する。

【００２３】次に、具体的な実施例について説明する。
図３はこの発明の実施の形態１におけるトレーニング装
置の、特に機構部分を示す構成図である。図において、
１は可動体としての作用アームで、その一端は直角に曲
げられ使用者からの作用力を受ける受力部２となってい
る。そして、作用アーム１の他端は第１の回転軸３に結
合されている。４は第１の回転軸３の回転位置Ｐｌを検
出する位置検出手段としてのエンコーダ、５は作用力検
出手段としてのトルクメータ６を介して第１の回転軸３
に連結された第２の回転軸、７は減速機構８を介してそ
の回転駆動軸が第２の回転軸５に連結された負荷発生手
段としてのサーボモータである。トルクメータ６は作用
力に相当する作用トルクＴｈａｎｄを出力する。

【００２４】サーボモータは、入力される速度指令Ｖｒ
ｅｆと内蔵するエンコーダからの速度検出値との偏差入
力が零となるようトルク指令を作成しこのトルク指令に
基づいて回転駆動する方式のモータで、例えば、ＤＣサ
ーボモータ、同期形ＡＣサーボモータ、誘導形ＡＣサー
ボモータ等が適用し得るが、上記した駆動制御構成を具
備する限り、例えば流体（油等）エネルギーを駆動源に
使用したいわゆる油圧サーボモータ等も適用可能であ
る。

【００２５】９は後段で詳述する負荷制御装置で、エン
コーダ４からの回転位置Ｐｌおよびトルクメータ６から
の作用トルクＴｈａｎｄを入力し、使用者からの作用力
が予め設定された、例えば図２で説明したような、所定
の作用力−位置変化特性に追随するように、サーボモー
タ７に速度指令Ｖｒｅｆを出力する。

【００２６】図４は、この発明の実施の形態１における
トレーニング装置の、特に制御機構を示す構成図で、各
部の符号は図３の各部に対応させている。図４におい
て、１０は例えば図２で説明したような作用力−位置変
化特性を記憶した負荷テーブルで、同特性を特定するた
めの、作用トルク指令Ｔｒｅｆと回転位置Ｐｌとの関係
をテーブルの形に記憶したＲＯＭ等で構成されている。
負荷テーブル１０は使用者やトレーニングプログラムに
応じて異なる複数の特性を予め適当な入力手段により設
定しておき、使用の都度、それら複数のテーブルの中か
ら必要なものを選択して適用するようにすればよい。

【００２７】また、図示は省略するが、トレーニング動
作中に使用者や観察者が、この負荷テーブル１０の設定
内容を適宜変更できる入力手段を設けるようにしてもよ
い。更に、同じく図示は省略するが、トレーニング動作
中の使用者の身体データ（例えば脈拍、血圧等）を検出
する手段を設け、この身体データが予め設定した危険領
域に達したときは、負荷テーブル１０の作用トルク指令
の設定値を自動的に下げて安全にトレーニング動作を変
更または停止できるようにしてもよい。

【００２８】１１は、負荷テーブル１０から読み取られ
た、エンコーダ４からの回転位置Ｐｌに相当する作用ト
ルク指令Ｔｒｅｆとトルクメータ６で検出された作用ト
ルクＴｈａｎｄとのトルク偏差ΔＴを演算する減算器、
１２は入力されたトルク偏差ΔＴが零となるようサーボ
モータ７に与える速度指令Ｖｒｅｆを作成するコントロ
ーラ、７はサーボモータで、既述したが図の点線枠内に
示すように、駆動源であるモータと、入力された速度指
令Ｖｒｅｆと検出したモータの回転速度である回転数信
号Ｖｆ（Ｎｍ）との速度偏差ｅが零となるようモータに
トルク指令Ｔｃを与えるＰＩ制御器を備えている。

【００２９】次に、トレーニング実行時の本装置の動作
を、図５に示すフローチャートをも参照して説明する。
使用者が作用アーム１の受力部２に力を掛けると、即
ち、作用トルクＴｈａｎｄ＞０になるとスタートする
（ステップＳ０）。なお、以下の動作は所定の制御周期
で実行されるものである。先ず、エンコーダ４から検出
した回転位置Ｐｌがトレーニングの初動位置（Ｐｌ＝
０）と終動位置（Ｐｌ＝Ｐｌｍａｘ）との間にあるか否
か、即ち、０≦Ｐｌ≦Ｐｌｍａｘが成立するか否かを判
断し、Ｎｏであれば動作を終了し、Ｙｅｓであれば以下
の本来の制御動作に入る（ステップＳ１）。続いて、ス
テップＳ２で、負荷テーブル１０からその時の回転位置
Ｐｌに相当する作用トルク指令Ｔｒｅｆを読み取る。

【００３０】次に、負荷テーブル１０から読み取った作
用トルク指令Ｔｒｅｆがトルクメータ６から検出した作
用トルクＴｈａｎｄ以上か否か、即ち、Ｔｈａｎｄ≦Ｔ
ｒｅｆが成立するか否かを判断する（ステップＳ３）。
ステップＳ３でＹｅｓ、即ち、使用者からの作用トルク
Ｔｈａｎｄが作用トルク指令Ｔｒｅｆを越えていないと
きは、コントローラ１２からサーボモータ７に速度指令
Ｖｒｅｆ＝０を出力する（ステップＳ４）。従って、こ
の場合、サーボモータ７はその回転数信号Ｖｆ＝Ｖｒｅ
ｆ＝０を達成するため、作用トルクＴｈａｎｄに対向す
る反力負荷であるモータトルクＴｍを発生する（ステッ
プＳ５）。なお、図３で説明したように、作用アーム１
が結合された第２の回転軸５とサーボモータ７の回転駆
動軸との間に減速機構８が設けられているので、この減
速比をＲｍとすると、Ｔｈａｎｄ＝Ｒｍ・Ｔｍが成立す
るように、モータトルクＴｍを発生させることになる。

【００３１】ステップＳ５でモータトルクＴｍを発生す
ると、当該単位周期の制御動作を終わり、ステップＳ１
に戻って次周期の動作を繰り返す。例えば、負荷テーブ
ル１０で設定する作用力−位置変化特性が例えば、先の
図２のその２に示すパターンであるとすると、Ｐｌ＝
０、即ち、初動位置における作用トルクＴｈａｎｄが、
図２（その２）のパターンのＰ点における値（Ｔｒｅｆ
ｍａｘ）を越えるまで、上述したステップＳ４を通る動
作を繰り返し、結果として作用アーム１は停止状態を保
持することになる。換言すれば、図２（その２）で設定
された作用力−位置変化特性の立上り部のパターンを忠
実に再現する訳である。

【００３２】使用者からの作用トルクＴｈａｎｄが負荷
テーブル１０からの作用トルク指令Ｔｒｅｆを越えると
（ステップＳ３でＮｏ）、コントローラ１２はそのトル
ク偏差ΔＴ＝Ｔｒｅｆ−Ｔｈａｎｄが零となるよう、例
えば、以下の（１）式で示される関数Ｆｕｎｃ（Ｔｒｅ
ｆ−Ｔｈａｎｄ）に基づきサーボモータ７へ出力する速
度指令Ｖｒｅｆを作成する（ステップＳ６）。

【００３３】

【数１】

【００３４】なお、コントローラ１２はＰＩ制御系で構
成されるもので、（１）式のＫ、Ｔｉは、それぞれＰＩ
のパラメータである。

【００３５】ステップＳ６で作成された速度指令Ｖｒｅ
ｆに基づきサーボモータ７がモータトルクＴｍを発生す
ると、作用アーム１は作用トルクＴｈａｎｄとモータト
ルクＴｍ（正確にはＲｍ・Ｔｍ）との差に応じて回転を
始める、即ち、終動姿勢の向きに動き始めることにな
る。また、この動きによって、作用トルクＴｈａｎｄの
上昇が抑制されその値が設定された作用力−位置変化特
性に追随する訳である。作用アーム１がその初動姿勢か
ら終動姿勢に至り、トレーニングの１周期が終わると、
ステップＳ１の判断がＮｏとなり一連の制御動作を終了
する。

【００３６】以上のように、この発明の実施の形態１に
よるトレーニング装置は、使用者の作用力が所望の作用
力−位置変化特性に沿った作用力となるよう、上記作用
力に対向するサーボモータによる反力負荷を制御するの
で、使用者に所望通りのトレーニング体験を提供するこ
とができる。しかも、その作用力−位置変化特性は極め
て簡便に設定できるので、最新の筋力トレーニング理論
を考慮した、いわゆる初動負荷トレーニングは勿論、ト
レーニング対象種目、使用者の体力等に応じて任意のパ
ターンの作用力−位置変化特性を設定することができ
る。

【００３７】また、トルク偏差ΔＴ＝Ｔｒｅｆ−Ｔｈａ
ｎｄを入力にしてサーボモータ７の速度指令Ｖｒｅｆを
作成するコントローラ１２は、図５のステップＳ３〜Ｓ
６で説明したように、 ｉｆ Ｔｈａｎｄ≦Ｔｒｅｆ ｔｈｅｎ Ｖｒｅｆ＝０ ｅｌｓｅ Ｖｒｅｆ＝Ｆｕｎｃ（Ｔｒｅｆ−Ｔｈａｎｄ） に示すロジックで動作するようにしたので、作用トルク
Ｔｈａｎｄを作用力−位置変化特性に追随させる制御が
円滑になされるとともに、初動負荷特性を徹底させた、
例えば、図２のその２に示されるような、設定作用力が
高い値から始まる特性に対しても確実に追随させること
ができる。

【００３８】更に、使用者が、何らかの理由で終動姿勢
に至る手前にその作用力を急減するか、トレーニング本
来の向きと逆向きの力を働かせた場合、コントローラ１
２からの速度指令Ｖｒｅｆは直ちに零となるので、使用
者がサーボモータ７による反力負荷で衝撃的に押し反さ
れるという危険性が防止される。

【００３９】実施の形態２．先の実施の形態１では、制
御に必要な作成トルクＴｈａｎｄおよび回転位置Ｐｌ
を、それぞれ専用に設けたトルクメータ６およびエンコ
ーダ４により検出していたが、この実施の形態２は、こ
れらの情報をサーボモータ７からの信号を基に演算によ
り求めるようにして、これら専用の検出器を不要として
装置のコストダウン、小形化を図っている。

【００４０】図６は、この発明の実施の形態２における
トレーニング装置の、特に機構部分を示す構成図であ
る。以下、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
ここでは、作用アーム１を結合する回転軸３は、そのま
ま減速機構８を介してサーボモータ７の回転駆動軸に連
結されている。そして、作用トルクおよび回転位置を演
算するために必要なトルク信号Ｔｍおよび回転数信号Ｎ
ｍをサーボモータ７から負荷制御装置９Ａに送ってい
る。

【００４１】図７は、この発明の実施の形態２における
トレーニング装置の、特に制御機構を示す構成図で、各
部の符号は図６の各部に対応させている。図７におい
て、１３はサーボモータ７からのトルク信号Ｔｍ（実際
には、モータの電機子電流から算出される）と回転数信
号Ｎｍとから作用トルク演算値Ｔｌを作成する作用力検
出手段としての演算回路で、この演算は以下の運動方程
式に基づき求められ、先の形態１でトルクメータ６によ
り検出される作用トルクＴｈａｎｄとほぼ等しい値が得
られる。即ち、Ｔｌ≒Ｔｈａｎｄが成立する。つまり、
運動方程式として（２）式が成立する。

【００４２】

【数２】

【００４３】ここで、Ｒｍは減速機構８の減速比、Ｊは
モータ軸等価慣性、ｆはモータ軸等価摩擦である。
（２）式を変形して（３）式が得られる。

【００４４】

【数３】

【００４５】従って、演算制御周期をτとすると、第ｋ
周期における作用トルク演算値Ｔｌ（ｋ）は、第（ｋ−
１）周期におけるトルク信号値Ｔｍ（ｋ−１）と回転数
信号値Ｎｍ（ｋ−１）とから（４）式により求めること
ができる。

【００４６】

【数４】

【００４７】図７に戻り、１４はサーボモータ７の回転
数信号Ｎｍから演算により回転位置Ｐｌを作成する位置
検出手段としての演算回路で、同ブロック内に図示する
ように、以下の（５）式により求めることができる。 Ｐｌ＝Ｎｍ・（１／Ｒｍ）・（１／ｓ） ・・・(5) 但し、ｓはラプラス演算子である。

【００４８】作用トルクＴｈａｎｄとして演算回路１３
で作成された演算値Ｔｌを採用し、回転位置Ｐｌとして
演算回路１４で作成された演算値Ｐｌを採用することに
より、先の実施の形態１と全く同様に、使用者の作用力
を所望の作用力−位置変化特性に追随させる制御動作が
可能となる。

【００４９】以上のように、この実施の形態２では、サ
ーボモータでは必ず存在するトルク信号Ｔｍおよび回転
数信号Ｎｍ（Ｖｆ）を有効に活用し、特別の検出手段
（トルクメータ６およびエンコーダ４）を採用すること
なく、制御に必要な作用トルクＴｈａｎｄおよび回転位
置Ｐｌを上記両信号から演算により求めるようにしたの
で、装置の小形化、コストダウンが実現する。

【００５０】なお、以上の形態例では、負荷制御装置９
のコントローラ１２において、Ｔｈａｎｄ≦Ｔｒｅｆの
ときはＶｒｅｆ＝０とする制御方式を採用したが、設定
される作用力−位置変化特性のパターンやその他トレー
ニング条件によっては、必ずしも上記の判別条件を加え
た制御方式を採用せず、トルク偏差ΔＴ＝Ｔｒｅｆ−Ｔ
ｈａｎｄを零にする通例の制御方式を適用するようにし
てもよい。

【００５１】実施の形態３．先の実施の形態１、２で
は、回転位置Ｐｌに応じて負荷テーブル１０から読み取
った作用トルク指令Ｔｒｅｆに検出作用トルクＴｈａｎ
ｄ（Ｔｌ）が一致するよう速度指令Ｖｒｅｆを作成し、
この速度指令Ｖｒｅｆをサーボモータ７に与える速度指
令制御方式を採用したが、この実施の形態３では、サー
ボモータとしてはこれに速度指令Ｖｒｅｆ＝０を与え、
この速度指令Ｖｒｅｆ＝０と検出速度（回転数信号）Ｖ
ｆとの偏差に基づき、負荷テーブル１０に応じた所望の
作用トルクを発生するようモータにトルク指令Ｔｃを与
えるトルク指令制御を採用している。

【００５２】図８は実施の形態３におけるトレーニング
装置の、特に制御機構を示す構成図である。図におい
て、１５は速度指令Ｖｒｅｆ＝０を出力する速度指令発
生回路、１６は速度指令発生回路１５からの速度指令Ｖ
ｒｅｆ＝０とモータの回転数信号Ｖｆ（Ｎｍ）との速度
偏差ｅを演算する減算器である。１７は速度偏差ｅに基
づきモータへのトルク指令Ｔｃを作成するＰＩ制御のコ
ントローラで、比例要素１８と積分要素１９を有し、そ
れぞれからの出力値Ｔ_PとＴ_Tとを加算器２０で加算して
トルク指令Ｔｃとして出力する。

【００５３】２１は、積分要素１９で演算された出力
を、負荷テーブル１０から読み取ったその時点の回転位
置Ｐｌに相当する作用トルク指令Ｔｒｅｆがその最大値
となるよう制限するリミッタ回路である。なお、速度偏
差ｅが負、即ち、回転数信号Ｖｆが正で、従って、作用
アーム１が初動位置から終動位置に向かっているトレー
ニングの本来の動作状態の場合には、比例要素１８の枠
内にその特性を示すように、比例ゲインＫｐを小さく設
定しＴ_T≫Ｔ_Pとなるようにしている。

【００５４】これに対し、使用者が例えばトレーニング
の動作途中で作用アーム１をそれまでと逆の向きに操作
した場合などで、回転数信号Ｖｆが負となって速度偏差
ｅが正に反転した場合には、図に示すように、比例ゲイ
ンＫｐは負極性で急増するよう設定されている。この結
果、この速度偏差ｅが反転するとモータへのトルク指令
Ｔｃは急減する。従って、この場合、使用者がモータに
よる反力負荷で急激に押し反されるという危険性が防止
される。

【００５５】次に、初動姿勢から終動姿勢へ向かう本来
のトレーニングを実行する場合の本装置の動作を、図９
に示すフローチャートをも参照して説明する。使用者が
作用アーム１の受力部２に力を掛けると、作用トルクＴ
ｈａｎｄ＞０となりスタートする（ステップＴ０）。な
お、以下の動作は所定の制御周期で実行される。先ず、
モータの回転数信号Ｖｆ（Ｎｍ）を基に演算回路１４で
求められた回転位置Ｐｌがトレーニングの初動位置（Ｐ
ｌ＝０）と終動位置（Ｐｌ＝Ｐｌｍａｘ）との間にある
か否かを判断する（ステップＴ１）。Ｎｏであれば動作
を終了する。

【００５６】ステップＴ１でＹｅｓであれば、速度指令
発生回路１５から速度指令Ｖｒｅｆ＝０を入力する。先
の図８の点線枠で示す７Ａは、速度偏差Ｖｒｅｆに応じ
て制御されるサーボモータを構成するが、この実施の形
態３は、このサーボモータ７Ａに対し、常に速度偏差Ｖ
ｒｅｆ＝０を与えるものである。速度偏差Ｖｒｅｆとモ
ータからの回転数信号Ｖｆとの速度偏差ｅを演算し（ス
テップＴ３）、この速度偏差ｅに基づきＰＩ制御により
トルク指令Ｔｃを作成する（ステップＳ４）。

【００５７】ところで、このＰＩ制御による出力は、リ
ミッタ回路２１により、ステップＴ５で回転位置Ｐｌに
対応して負荷テーブル１０から読み取られた作用トルク
指令Ｔｒｅｆにその最大値が制限されている。従って、
このＰＩ制御による出力が、リミッタ回路２１のリミッ
タ領域に至っていないときは、換言すると、作用トルク
Ｔｈａｎｄが作用力−位置変化特性で設定されたトルク
以下のときは、速度偏差ｅを零にするためのトルク指令
の値がそのままＴｃとしてモータに与えられるので、モ
ータは作用トルクＴｈａｎｄに等しい反力負荷Ｔｍを発
生して作用アーム１は静止状態を保つことになる。

【００５８】作用トルクＴｈａｎｄが作用力−位置変化
特性で設定されたトルクを越えると、ＰＩ制御による出
力がリミッタ回路２１のリミッタ領域に達し、即ち、速
度偏差ｅを零にするためのトルク指令の値がそのまま出
力されず、それより低い値に制限された値がＴｃとして
モータに与えられることになる。このため、Ｔｈａｎｄ
＞Ｔｍとなり、この差で作用アーム１は作用力の方向に
動き、使用者から見ると、自分が掛けた力が一定量抜け
る形になり、作用力は頭打ちとなって、結果として作用
力−位置変化特性に追随することになる。

【００５９】この実施の形態３においては、作用トルク
の検出値（または、演算に基づく検出値）を使用するこ
となく、実際に作用アーム１に働く作用力が所望の作用
力−位置変化特性に追随するよう制御することができ
る。即ち、作用トルクに関しては、フィードバック制御
系を有さず、いわばオープン制御系となっている。従っ
て、先の実施の形態１、２のフィードバック制御系を有
する場合に比較して、制御動作の安定性が優れている。

【００６０】なお、図８、図９では、回転位置Ｐｌをモ
ータの回転数信号Ｖｆ（Ｎｍ）から演算により求める構
成としたが、エンコーダ等による直接の検出値を用いて
もよいことは言うまでもない。また、コントローラ１７
は比例要素１８および積分要素１９からなるものとした
が、微分要素を加えたものとしてもよい。

【００６１】また、既述した各形態例では、作用アーム
１が結合された回転軸とモータの回転駆動軸との間には
減速機構８を介在させているが、モータの種別によって
は、この減速機構８を介することなく、上記回転軸にモ
ータを直結する構成としてもよく、その場合も、本願発
明は上述したと同様の効果を奏するものである。

【００６２】更に、既述した各形態例では、トレーニン
グの初動姿勢から終動姿勢までの過程が、作用アーム１
の一方向の移動、例えば、使用者の手前側から開始して
遠ざける方向へのみ動かす、いわばＯＮＥ ＷＡＹの方
式を対象としたが、トレーニングの種別によっては、往
復動作を行うものがあるが、この発明はこれらタイプの
トレーニングにも同様に適用することができ同等の効果
を奏する。即ち、一方向のトレーニングが終動姿勢で終
了すると、この時点で制御回路の必要な入出力端の極性
を切り換えることにより逆方向のトレーニングの始動姿
勢としてリセットし、当該逆方向の制御動作を実行する
ようにすればよい。

【００６３】また、既述した各形態例では、回転軸に一
端が結合された作用アーム１の他端に形成された受力部
２に使用者が作用力を掛ける、従って、この受力部２は
初動姿勢から終動姿勢に向かって円周軌道を移動する構
造のものとしたが、トレーニングの種別によっては、例
えば、この受力部が直線軌道を移動するタイプのものも
必要となるが、この発明はこれらタイプのトレーニング
にも同様に適用することができ同等の効果を奏する。即
ち、例えば受力部とともに直線運動をする作用アーム
を、適当な歯車機構を介して回転軸に結合することによ
り、上記直線運動を回転軸の回転運動に変換するように
すればよい。従って、本願明細書の特許請求の範囲に記
載された「回転軸に結合された作用アーム」は、上記に
示したような、移動方向の変換を含む構成で両者が結合
される場合も含む概念とする。

【００６４】更に、以上では、筋力トレーニングはいわ
ゆる初動負荷トレーニングが理想であると説明したが本
願発明の装置の適用にあっては、その負荷テーブル１０
で設定する作用力−位置変化特性は、初動負荷パターン
に限らず、任意のパターンに設定できることは言うまで
もない。

【００６５】

【発明の効果】以上のように、この発明に係るトレーニ
ング装置は、使用者からの作用力を受ける受力部を有す
る可動体を備え、上記使用者が上記可動体をその初動姿
勢から終動姿勢に至るまで動かすことにより、上記使用
者の筋力を鍛えるトレーニング装置において、上記使用
者からの作用力を検出する作用力検出手段、上記可動体
の姿勢位置を検出する位置検出手段、上記可動体と機械
的に結合され上記作用力に対向する方向の反力負荷を上
記受力部に発生させる負荷発生手段、および上記初動姿
勢の位置から終動姿勢の位置に至る上記作用力の変化が
予め設定された所定の作用力−位置変化特性となるよう
上記反力負荷を制御する負荷制御手段を備えたので、使
用者が実際に掛ける作用力が予め定められた任意の作用
力−位置変化特性に追随する、所望通りの筋力トレーニ
ングが可能となる。

【００６６】また、この発明に係るトレーニング装置
は、使用者からの作用力を受ける受力部を一端に備え他
端が第１の回転軸に結合された作用アーム、上記使用者
からの作用力を検出するトルクメータを介して上記第１
の回転軸に連結された第２の回転軸、その回転駆動軸が
上記第２の回転軸に連結され上記作用力に対向する方向
の反力負荷を上記受力部に発生させるサーボモータ、上
記第１の回転軸の回転位置を検出する位置検出手段、お
よび上記トルクメータの出力と上記位置検出手段の出力
とを入力し上記初動姿勢の位置から終動姿勢の位置に至
る上記作用力の変化が予め設定された所定の作用力−位
置変化特性となるよう上記サーボモータを駆動制御する
負荷制御手段を備えたので、使用者の作用力と作用アー
ムの回転位置を実検出した精度の高い負荷制御が実現さ
れる。

【００６７】また、この発明に係るトレーニング装置
は、使用者からの作用力を受ける受力部を一端に備え他
端が回転軸に結合された作用アーム、その回転駆動軸が
上記回転軸に連結され上記作用力に対向する方向の反力
負荷を上記受力部に発生させるサーボモータ、上記サー
ボモータのトルクおよび回転速度から演算により上記作
用力を検出する作用力検出手段、上記サーボモータの回
転速度から演算により上記回転軸の回転位置を検出する
位置検出手段、および上記作用力検出手段の出力と上記
位置検出手段の出力とを入力し上記初動姿勢の位置から
終動姿勢の位置に至る上記作用力の変化が予め設定され
た所定の作用力−位置変化特性となるよう上記サーボモ
ータを駆動制御する負荷制御手段を備えたので、作用力
と作用アームの回転位置とを実際に検出する手段が不要
となり装置の小形、低廉化が実現される。

【００６８】また、この発明に係るトレーニング装置の
負荷制御手段は、所定の作用力−位置変化特性に対応し
て設定された作用力指令と回転軸の回転位置との関係を
記憶した負荷テーブル、および回転位置の検出値に相当
する作用力指令を上記負荷テーブルから読み取り、作用
力の検出値が上記作用力指令と一致するようにサーボモ
ータの速度指令を作成する速度指令作成回路を備えたの
で、作用力−位置変化特性として所望の特性を任意に、
しかも簡便に設定することができる。

【００６９】また、この発明に係るトレーニング装置の
速度指令作成回路は、作用力の検出値が作用力指令以下
のとき、サーボモータの速度指令を零に設定するように
したので、作用アームが初動姿勢から終動姿勢に向かっ
て円滑に動作し、たとえ、その過程で使用者がその作用
力を急に緩める等の操作をしても、サーボモータによる
反力負荷が使用者に働くという危険が防止される。

【００７０】また、この発明に係るトレーニング装置
は、使用者からの作用力を受ける受力部を有する可動体
を備え、上記使用者が上記可動体をその初動姿勢から終
動姿勢に至るまで動かすことにより、上記使用者の筋力
を鍛えるトレーニング装置において、上記可動体の姿勢
位置を検出する位置検出手段、上記可動体と機械的に結
合され上記作用力に対向する方向の反力負荷を上記受力
部に発生させる負荷発生手段、および上記初動姿勢の位
置から終動姿勢の位置に至る上記作用力の変化が予め設
定された所定の作用力−位置変化特性となるよう上記反
力負荷を制御する負荷制御手段を備えたので、使用者か
らの作用力を検出する手段を備えることなく、使用者が
実際に掛ける作用力が予め定められた任意の作用力−位
置変化特性に追随する、所望通りの筋力トレーニングが
可能となる。

【００７１】また、この発明に係るトレーニング装置
は、使用者からの作用力を受ける受力部を一端に備え他
端が回転軸に結合された作用アーム、その回転駆動軸が
上記回転軸に連結され上記作用力に対向する方向の反力
負荷を上記受力部に発生させるモータ、上記回転軸の回
転位置を検出する位置検出手段、上記回転軸の回転速度
を検出する速度検出手段、所定の作用力−位置変化特性
に対応して設定された作用力指令と回転軸の回転位置と
の関係を記憶した負荷テーブル、速度指令＝零を出力す
る速度指令発生回路、この速度指令発生回路からの零速
度指令と上記速度検出手段からの速度検出値との偏差を
入力し、この偏差が零となるよう、少なくとも比例要素
と積分要素とを有する制御により上記モータのトルク指
令を作成するトルク指令作成回路、および上記位置検出
手段からの回転位置検出値に相当する作用力指令を上記
負荷テーブルから読み取り、上記トルク指令作成回路の
出力を、当該読み取った作用力指令がその最大値となる
よう制限するリミッタ回路を備えたので、作用力に対し
オープン制御の構成となり、安定した反力負荷制御特性
が得られる。

【００７２】また、この発明に係るトレーニング装置に
おけるトルク指令作成回路の比例ゲインは、速度検出値
が終動姿勢の位置から初動姿勢の位置に向かう方向に変
化することにより偏差入力の極性が反転した場合、負極
性で急増するトルク指令を発生し、この比例ゲインの出
力により上記トルク指令作成回路の出力を急減させるよ
うにしたので、初動姿勢から終動姿勢に向かう過程で使
用者がその作用力を急に緩める等の操作をしても、サー
ボモータによる反力負荷が使用者に働くという危険が防
止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本願になるトレーニング装置を使用したトレ
ーニング状態をイメージ的に示す図である。

【図２】 トレーニングで目標とする作用力−位置変化
特性の代表例を示す図である。

【図３】 この発明の実施の形態１におけるトレーニン
グ装置の、特に機構部分を示す構成図である。

【図４】 この発明の実施の形態１におけるトレーニン
グ装置の、特に制御機構を示す構成図である。

【図５】 この発明の実施の形態１におけるトレーニン
グ装置の動作を説明するためのフローチャートである。

【図６】 この発明の実施の形態２におけるトレーニン
グ装置の、特に機構部分を示す構成図である。

【図７】 この発明の実施の形態２におけるトレーニン
グ装置の、特に制御機構を示す構成図である。

【図８】 この発明の実施の形態３におけるトレーニン
グ装置の、特に制御機構を示す構成図である。

【図９】 この発明の実施の形態３におけるトレーニン
グ装置の動作を説明するためのフローチャートである。

【符号の説明】

１ 作用アーム、２ 受力部、３ 第１の回転軸、４
エンコーダ、５ 第２の回転軸、６ トルクメータ、
７，７Ａ サーボモータ、８ 減速機構、９，９Ａ 負
荷制御装置、１０ 負荷テーブル、１１，１６ 減算
器、１２，１７ コントローラ、１３，１４ 演算回
路、１５ 速度指令発生回路、１８ 比例要素、１９
積分要素、２０ 加算器、２１ リミッタ回路、Ｐｌ
回転位置、Ｔｈａｎｄ 作用力（作用トルク）、Ｔｒｅ
ｆ 作用トルク指令、ΔＴ トルク偏差、Ｖｒｅｆ 速
度指令、Ｖｆ（Ｎｍ） 回転数信号、ｅ 速度偏差、Ｔ
ｃ トルク指令、Ｔｍ モータトルク、Ｒｍ 減速比。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中谷 文彦 大阪府大阪市淀川区田川２丁目１番11号 株式会社ダイヘン内 (72)発明者 佐渡 大介 大阪府大阪市淀川区田川２丁目１番11号 株式会社ダイヘン内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 使用者からの作用力を受ける受力部を有
   する可動体を備え、上記使用者が上記可動体をその初動
   姿勢から終動姿勢に至るまで動かすことにより、上記使
   用者の筋力を鍛えるトレーニング装置において、 上記使用者からの作用力を検出する作用力検出手段、上
   記可動体の姿勢位置を検出する位置検出手段、上記可動
   体と機械的に結合され上記作用力に対向する方向の反力
   負荷を上記受力部に発生させる負荷発生手段、および上
   記初動姿勢の位置から終動姿勢の位置に至る上記作用力
   の変化が予め設定された所定の作用力−位置変化特性と
   なるよう上記反力負荷を制御する負荷制御手段を備えた
   ことを特徴とするトレーニング装置。
2. 【請求項２】 使用者からの作用力を受ける受力部を一
   端に備え他端が第１の回転軸に結合された作用アーム、
   上記使用者からの作用力を検出するトルクメータを介し
   て上記第１の回転軸に連結された第２の回転軸、その回
   転駆動軸が上記第２の回転軸に連結され上記作用力に対
   向する方向の反力負荷を上記受力部に発生させるサーボ
   モータ、上記第１の回転軸の回転位置を検出する位置検
   出手段、および上記トルクメータの出力と上記位置検出
   手段の出力とを入力し上記初動姿勢の位置から終動姿勢
   の位置に至る上記作用力の変化が予め設定された所定の
   作用力−位置変化特性となるよう上記サーボモータを駆
   動制御する負荷制御手段を備えたことを特徴とするトレ
   ーニング装置。
3. 【請求項３】 使用者からの作用力を受ける受力部を一
   端に備え他端が回転軸に結合された作用アーム、その回
   転駆動軸が上記回転軸に連結され上記作用力に対向する
   方向の反力負荷を上記受力部に発生させるサーボモー
   タ、上記サーボモータのトルクおよび回転速度から演算
   により上記作用力を検出する作用力検出手段、上記サー
   ボモータの回転速度から演算により上記回転軸の回転位
   置を検出する位置検出手段、および上記作用力検出手段
   の出力と上記位置検出手段の出力とを入力し上記初動姿
   勢の位置から終動姿勢の位置に至る上記作用力の変化が
   予め設定された所定の作用力−位置変化特性となるよう
   上記サーボモータを駆動制御する負荷制御手段を備えた
   ことを特徴とするトレーニング装置。
4. 【請求項４】 負荷制御手段は、所定の作用力−位置変
   化特性に対応して設定された作用力指令と回転軸の回転
   位置との関係を記憶した負荷テーブル、および回転位置
   の検出値に相当する作用力指令を上記負荷テーブルから
   読み取り、作用力の検出値が上記作用力指令と一致する
   ようにサーボモータの速度指令を作成する速度指令作成
   回路を備えたことを特徴とする請求項２または３に記載
   のトレーニング装置。
5. 【請求項５】 速度指令作成回路は、作用力の検出値が
   作用力指令以下のとき、サーボモータの速度指令を零に
   設定するようにしたことを特徴とする請求項４記載のト
   レーニング装置。
6. 【請求項６】 使用者からの作用力を受ける受力部を有
   する可動体を備え、上記使用者が上記可動体をその初動
   姿勢から終動姿勢に至るまで動かすことにより、上記使
   用者の筋力を鍛えるトレーニング装置において、 上記可動体の姿勢位置を検出する位置検出手段、上記可
   動体と機械的に結合され上記作用力に対向する方向の反
   力負荷を上記受力部に発生させる負荷発生手段、および
   上記初動姿勢の位置から終動姿勢の位置に至る上記作用
   力の変化が予め設定された所定の作用力−位置変化特性
   となるよう上記反力負荷を制御する負荷制御手段を備え
   たことを特徴とするトレーニング装置。
7. 【請求項７】 使用者からの作用力を受ける受力部を一
   端に備え他端が回転軸に結合された作用アーム、その回
   転駆動軸が上記回転軸に連結され上記作用力に対向する
   方向の反力負荷を上記受力部に発生させるモータ、上記
   回転軸の回転位置を検出する位置検出手段、上記回転軸
   の回転速度を検出する速度検出手段、所定の作用力−位
   置変化特性に対応して設定された作用力指令と回転軸の
   回転位置との関係を記憶した負荷テーブル、速度指令＝
   零を出力する速度指令発生回路、この速度指令発生回路
   からの零速度指令と上記速度検出手段からの速度検出値
   との偏差を入力し、この偏差が零となるよう、少なくと
   も比例要素と積分要素とを有する制御により上記モータ
   のトルク指令を作成するトルク指令作成回路、および上
   記位置検出手段からの回転位置検出値に相当する作用力
   指令を上記負荷テーブルから読み取り、上記トルク指令
   作成回路の出力を、当該読み取った作用力指令がその最
   大値となるよう制限するリミッタ回路を備えたことを特
   徴とする請求項６記載のトレーニング装置。
8. 【請求項８】 トルク指令作成回路の比例ゲインは、速
   度検出値が終動姿勢の位置から初動姿勢の位置に向かう
   方向に変化することにより偏差入力の極性が反転した場
   合、負極性で急増するトルク指令を発生し、この比例ゲ
   インの出力により上記トルク指令作成回路の出力を急減
   させるようにしたことを特徴とする請求項７記載のトレ
   ーニング装置。