JP2007061137A

JP2007061137A - 筋力トレーニングシステム

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Publication number: JP2007061137A
Application number: JP2005247243A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Oda; 高広小田; Mamoru Tokita; 守鴇田; Kenji Kadota; 健志門田
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2025-08-29
Also published as: JP4715394B2

Abstract

【課題】二関節アーム装置の先端に被験者の上肢又は下肢の先端を固定し、二関節アーム装置の出力に拮（きっ）抗するような筋力を被験者に発生させることによって、被験者に負担をかけることなく、被験者の筋力を容易に、かつ、高い精度で測定することができるとともに、被験者の筋力をトレーニングすることができるようにする。
【解決手段】人間の上肢又は下肢を模した構造を備える二関節アーム装置１０を有し、該二関節アーム装置１０の先端部に被験者６０の上肢又は下肢の先端部を固定し、前記二関節アーム装置１０が力を発生した場合、被験者６０が前記二関節アーム装置１０の力に抗して上肢又は下肢の先端部の位置を移動させないようにすることによって、被験者６０の上肢又は下肢の筋力を測定するとともにトレーニングする。
【選択図】図１

Description

本発明は、筋力トレーニングシステムに関するものである。

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の測定システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。該測定システムにおいては、被験者の拮（きっ）抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の筋出力を圧力センサによって測定している。

また、二関節リンク機構を駆動させるためのアクチュエータとして、人間を含む動物において腕を曲げるために機能する二関節筋のモデルを提案し、該モデルを使用して二関節リンク機構の動作制御に関する研究も行われている（例えば、非特許文献１参照。）。この研究では、二関節同時駆動源を備えた二関節リンク機構においてアーム先端部の力と剛性を制御するためには、駆動源として、収縮方向に力を発揮する収縮要素と弾性要素とを有するアクチュエータのモデルを使用することが好適であるとされている。
特開２０００−２１０２７２号公報藤川智彦、他３名、「拮抗筋群による協調制御機能」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、６３巻６０７号（１９９７−３）、ｐ．７６９−７７６、論文Ｎｏ．９６−１０４０

しかしながら、前記従来の測定システムにおいては、被験者が出力の方向を強く意識して測定する必要があり、また、出力検出用センサとして圧力センサを使用しているので、ストロークがないため違和感が強く、被験者の負担が大きくなるという問題点があった。

さらに、前記測定システムでは、拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の筋力を測定することはできても、拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の筋力トレーニングを行うことはできなかった。

本発明は、前記従来のシステムの問題点を解決して、二関節アーム装置の先端に被験者の上肢又は下肢の先端を固定し、二関節アーム装置の出力に拮抗するような筋力を被験者に発生させることによって、被験者に負担をかけることなく、被験者の筋力を容易に、かつ、高い精度で測定することができるとともに、被験者の筋力をトレーニングすることができる筋力トレーニングシステムを提供することを目的とする。

そのために、本発明の筋力トレーニングシステムにおいては、人間の上肢又は下肢を模した構造を備える二関節アーム装置を有し、該二関節アーム装置の先端部に被験者の上肢又は下肢の先端部を固定し、前記二関節アーム装置が力を発生した場合、被験者が前記二関節アーム装置の力に抗して上肢又は下肢の先端部の位置を移動させないようにすることによって、被験者の上肢又は下肢の筋力を測定するとともにトレーニングする。

本発明の他の筋力トレーニングシステムにおいては、ベース、該ベースに根本端部が回転可能に取り付けられた第２リンク、及び、該第２リンクの先端部に根本端部が回転可能に取り付けられた第１リンクを備える二関節アーム装置であって、前記第１リンク及び第２リンクを各々独立して回転させるための駆動力を発生する第１アクチュエータ及び第２アクチュエータ並びに第３アクチュエータ及び第４アクチュエータと、前記第１リンク及び第２リンクをベースに対して同時に回転させるための駆動力を発生する第５アクチュエータ及び第６アクチュエータとを更に備える二関節アーム装置と、所定の駆動シーケンスに従って前記第１〜第６アクチュエータを動作させ、前記第１リンクの先端部において六方向の力を発生させる制御装置とを有する。

本発明の更に他の筋力トレーニングシステムにおいては、さらに、前記第１リンクの先端部に被験者の上肢又は下肢の先端部を固定し、前記第１リンクの先端部において発生される六方向の力と前記被験者の力とを拮抗させて、前記被験者の上肢又は下肢の先端部において発生される六方向の力を測定することによって、前記被験者の上肢又は下肢の拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の筋力を測定する。

本発明の更に他の筋力トレーニングシステムにおいては、さらに、前記被験者の筋力を測定した結果に基づいて筋力が低下した前記被験者の上肢又は下肢の筋を特定し、前記第１リンクの先端部において発生される六方向の力を制御することによって、特定された前記被験者の上肢又は下肢の拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の筋力をトレーニングする。

本発明の更に他の筋力トレーニングシステムにおいては、さらに、前記制御装置に接続された表示装置を更に有し、前記第１リンクの先端部の動作軌跡と目標軌跡とを前記表示装置に表示させ、前記動作軌跡が目標軌跡と一致するように前記被験者に力を発生させることによって、前記被験者の上肢又は下肢の拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の筋力の測定及びトレーニングを行う。

本発明によれば、二関節アーム装置の先端に被験者の上肢又は下肢の先端を固定し、二関節アーム装置の出力に拮抗するような筋力を被験者に発生させるようになっている。これにより、被験者に負担をかけることなく、被験者の筋力を容易に、かつ、高い精度で測定することができるとともに、被験者の筋力をトレーニングすることができる。

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。

図１は本発明の実施の形態における二関節アーム装置の構成を示す図、図２は本発明の実施の形態における関節部の側面を示す図、図３は本発明の実施の形態における関節部の側面を示す図である。

図１において、１０は本実施の形態における筋力トレーニングシステムに含まれる二関節アーム装置であって、人間の上肢、すなわち、腕の部分を模した構造を有する。なお、前記二関節アーム装置１０は、人間の下肢、すなわち、脚の部分を模した構造を有するものであってもよいが、ここでは上肢を模した構造を有するものである場合について説明する。

そして、１１は、上肢を模した構造の二関節アーム装置１０の下膊（はく）に該当する第１リンクであり、１２は、上肢を模した構造の二関節アーム装置１０の上膊に該当する第２リンクである。また、１３は、肩に該当するベースとしてのフレームであり、根本端部（図における上端部）が図示されない土台等に固定された固定部材３３に固着されている。そして、前記フレーム１３の先端部（図における下端部）には、肩関節に該当する第２関節部１５を介して、第２リンク１２の根本端部が回転可能に接続されている。さらに、第２リンク１２の先端部には、肘（ひじ）関節に該当する第１関節部１４を介して、第１リンク１１の根本端部が回転可能に接続されている。

また、１６〜２１はアクチュエータとしての第１アクチュエータ〜第６アクチュエータであり、２２は前記第１リンク１１に第１アクチュエータ１６及び第２アクチュエータ１７を固定する第１ブラケット、２３は前記フレーム１３に第５アクチュエータ２０及び第６アクチュエータ２１を固定する第２ブラケットである。そして、２４〜３１はワイヤであり、ワイヤ２４は第２アクチュエータ１７と第２リンク固定肘プーリ１４ａとを連結し、ワイヤ２５は第１アクチュエータ１６と第２リンク固定肘プーリ１４ａとを連結し、ワイヤ２６は第３アクチュエータ１８と第１リンク固定肘プーリ１４ｂとを連結し、ワイヤ２７は第３アクチュエータ１８とフレーム固定肩プーリ１５ｂとを連結し、ワイヤ２８は第４アクチュエータ１９とフレーム固定肩プーリ１５ｂとを連結し、ワイヤ２９は第４アクチュエータ１９とフレーム固定肩プーリ１５ｂとを連結し、ワイヤ３０は第５アクチュエータ２０と第２リンク固定肩プーリ１５ａとを連結し、ワイヤ３１は第６アクチュエータ２１と第２リンク固定肩プーリ１５ａとをそれぞれ連結している。

この場合、第１アクチュエータ１６及び第２アクチュエータ１７並びに第３アクチュエータ１８及び第４アクチュエータ１９は、第１リンク１１及び第２リンク１２を各々独立して回転させるための駆動力を発生する。また、第５アクチュエータ２０及び第６アクチュエータ２１は、第１リンク１１及び第２リンク１２をフレーム１３に対して同時に回転させるための駆動力を発生する。

図２に示されるように、第２関節部１５は、プーリとしての第２リンク固定肩プーリ１５ａ及びフレーム固定肩プーリ１５ｂを有する。そして、第２リンク固定肩プーリ１５ａは、第２リンク１２に回転しないように固定され、フレーム固定肩プーリ１５ｂはフレーム１３に回転しないように固定されている。また、第２リンク１２とフレーム１３とはブッシュ１５ｃによって連結されており、相互に回転可能となっている。そして、１５ｄはエンコーダであり、第２リンク１２に対するフレーム１３の回転角度を測定する。また、ワイヤ３１及びワイヤ３０は、第２リンク固定肩プーリ１５ａに巻き付けられ、終端が第２リンク固定肩プーリ１５ａに固定されている。同様に、ワイヤ２９及びワイヤ２７は、フレーム固定肩プーリ１５ｂに巻き付けられ、終端がフレーム固定肩プーリ１５ｂに固定されている。

また、図３に示されるように、第１関節部１４は、プーリとしての第２リンク固定肘プーリ１４ａ及び第１リンク固定肘プーリ１４ｂを有する。そして、第２リンク固定肘プーリ１４ａは第２リンク１２に回転しないように固定され、第１リンク固定肘プーリ１４ｂは第１リンク１１に回転しないように固定されている。また、第１リンク１１と第２リンク１２とはブッシュ１４ｃによって連結されており、相互に回転可能となっている。そして、１４ｄはエンコーダであり、第２リンク１２に対する第１リンク１１の回転角度を測定する。また、ワイヤ２４及びワイヤ２５は第２リンク固定肘プーリ１４ａに巻き付けられ、終端が第２リンク固定肘プーリ１４ａに固定されている。同様に、ワイヤ２８及びワイヤ２６は第１リンク固定肘プーリ１４ｂに巻き付けられ、終端が第１リンク固定肘プーリ１４ｂに固定されている。

次に、前記第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１の構成について説明する。

図４は本発明の実施の形態におけるアクチュエータの構成を示す図、図５は本発明の実施の形態における二関節アーム装置の動作を制御する制御装置を示す回路ブロック図である。

本実施の形態において、前記第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１は、実質的に同一の構成を備え、図４に示されるように、モータ４０、ウォーム４１、はすば歯車４２、ラック４３、第１ポテンショメータ４４、第２ポテンショメータ４５、ばね４６、第１ブラケット４７、第２ブラケット４８及びワイヤ４９を有する。該ワイヤ４９は、図１に示すワイヤ２４〜３１のアクチュエータ側の端部に該当し、第１ブラケット４７に固定されている。なお、ワイヤ２４〜３１の反対側の端部は、第２リンク固定肘プーリ１４ａ、第１リンク固定肘プーリ１４ｂ、第２リンク固定肩プーリ１５ａ及びフレーム固定肩プーリ１５ｂに固定されている。また、第１アクチュエータ１６及び第２アクチュエータ１７においては、モータ４０が第１ブラケット２２に固定され、第５アクチュエータ２０及び第６アクチュエータ２１においては、モータ４０が第２ブラケット２３に固定されている。さらに、第３アクチュエータ１８及び第４アクチュエータ１９においては、モータ４０が第２リンク固定肩プーリ１５ａ及びフレーム固定肩プーリ１５ｂに固定されている。

ここで、前記ばね４６は、弾性を有する材質であれば、金属以外の材質から成るものであってもよく、例えば、合成樹脂から成るものであってもよい。そして、前記ばね４６は、図４に示される例においては、コイルばねであり、コイルの軸心が第１ブラケット４７及びラック４３に固定された第２ブラケット４８の面に対して垂直に延在するように配設されている。そして、前記ラック４３が平行移動することによって、ばね４６の位置が変化するようになっている。

そして、前記ラック４３は、図示されない固定部材に固定されたガイド部材に沿って、図４における左右方向にスライド可能に取り付けられ、前記はすば歯車４２と噛（か）み合っている。なお、前記ラック４３における噛み合い歯は、前記はすば歯車４２側の面、すなわち、図４における上側面に形成されている。

また、前記はすば歯車４２は、図示されない固定部材に固定された回転軸に回転可能に取り付けられている。そして、前記はすば歯車４２は、図４における下側の部分において前記ラック４３と噛み合うとともに、図４における上側の部分において前記ウォーム４１と噛み合っている。この場合、前記はすば歯車４２は、ウォームホイールとして機能し、ウォーム４１によって、回転軸を中心として回転させられる。

ここで、前記ウォーム４１は、前記モータ４０の回転軸に取り付けられて、回転させられるようになっている。なお、前記モータ４０の回転軸及びウォーム４１は、図４において左右方向に延在する軸の回りに回転する。これにより、前記モータ４０によってウォーム４１が回転させられると、該ウォーム４１に噛み合っているはすば歯車４２が回転させられ、さらに、該はすば歯車４２に噛み合っている前記ラック４３が図４における左右方向に移動させられる。

そして、前記モータ４０は、図示されない固定部材に固定され、後述されるドライバ５３〜５８からの駆動電流によって駆動され、回転軸を所定の方向に所定の速度で回転させるようになっている。なお、前記モータ４０は、例えば、ＤＣモータであるが、いかなる種類のモータであってもよい。

ここで、二関節アーム装置１０の動作を制御する制御装置は、図５に示されるような構成を有する。図５において、５０は演算手段としてのＣＰＵであり、該ＣＰＵ５０で実行されるプログラム等を記憶するＲＯＭ５１、及び、前記ＣＰＵ５０がプログラムを実行する際のデータ等を一時記憶するＲＡＭ５２が接続されている。また、前記ＣＰＵ５０には、第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１を動作させるための駆動回路としてのドライバ５３〜５８が接続されている。該ドライバ５３〜５８は、前記ＣＰＵ５０の指示を受けて第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１を動作させる。さらに、前記ＣＰＵ５０には、第２リンク１２に対する第１リンク１１の回転角度を測定するエンコーダ１４ｄ、及び、第２リンク１２に対するフレーム１３の回転角度を測定するエンコーダ１５ｄが接続されている。

そして、前記ＣＰＵ５０は、ネットワーク等によって図示されない上位装置と通信可能に接続されている。ここで、該上位装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、キーボード、マウス等の入力手段、ＣＲＴ、液晶ディスプレイ等の表示手段、通信手段等を備えるコンピュータであり、前記二関節アーム装置１０の動作を統括的に制御する装置である。そして、前記ＣＰＵ５０は、あらかじめ組み込まれたプログラム又は入力手段から入力されたオペレータの指令に従って、前記ドライバ５３〜５８に制御信号を送信して、前記モータ４０を駆動させる。

例えば、前記ＣＰＵ５０が第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１に収縮させる方向の出力を発生させる収縮指令を送信すると、前記モータ４０が駆動され、該モータ４０の回転軸及びウォーム４１が所定方向に回転する。すると、該ウォーム４１に噛み合っているはすば歯車４２が回転させられ、さらに、該はすば歯車４２に噛み合っている前記ラック４３が図４における左方向に移動させられる。そして、前記ばね４６が左方向に移動させられ、前記第１ブラケット４７が左方向に移動させられる。

このように、前記モータ４０、ウォーム４１、はすば歯車４２及びラック４３は、弾性体としてのばね４６の一端の位置を制御する手段として機能する。また、第１ブラケット４７は、前記ばね４６の他端からばね４６の弾性力、すなわち、ばね力を第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１の出力として取り出す手段として機能する。また、ドライバ５３〜５８は収縮力を発生する旨の指令を受ける手段として機能する。

次に、前記構成の筋力トレーニングシステムの動作について説明する。まず、二関節アーム装置１０の動作を説明する。

図６は本発明の実施の形態におけるアクチュエータの駆動シーケンスと力の方向を示す図、図７は本発明の実施の形態における二関節アーム装置の動作を示す図である。なお、図６の縦軸にはアクチュエータの出力を〔％〕単位で表している。

図７において、ａ〜ｆは第１リンク１１の先端部に発生する力の方向を示したものであり、例えば、図７のａ方向に力を発生させる場合には、図６の駆動シーケンスａのように、第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１の出力を制御することによって実現することができる。このように、図６の駆動シーケンスａ〜ｆは、図７の力の発生方向ａ〜ｆに対応している。なお、図６には、各アクチュエータと、後述される上肢における各筋との対応関係も示されている。

また、第１アクチュエータ１６の出力をＦ２、第２アクチュエータ１７の出力をＥ２、第３アクチュエータ１８の出力をＦ３、第４アクチュエータ１９の出力をＥ３、第５アクチュエータ２０の出力をＦ１、第６アクチュエータ２１の出力をＥ１とし、図６に示される駆動シーケンスに従って各アクチュエータを駆動したときのａ〜ｆの発生力を示すと、該発生力が、図７に示されるように、六角形になることが知られている。

さらに、線分ａｂ及び線分ｄｅの長さはＦ３とＥ３との和に等しく、線分ｂｃ及び線分ｅｆの長さはＦ２とＥ２との和に等しく、線分ｃｄ及び線分ａｆの長さはＦ１とＥ１との和に等しいことが知られている。

次に、第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１の出力について説明する。

図４に示されるように、ワイヤ２４〜３１のアクチュエータ側の端部に該当するワイヤ４９は、第１ブラケット４７に固定されている。また、ワイヤ２４〜３１の反対側の端部は、第２リンク固定肘プーリ１４ａ、第１リンク固定肘プーリ１４ｂ、第２リンク固定肩プーリ１５ａ及びフレーム固定肩プーリ１５ｂに固定されている。そして、第１アクチュエータ１６及び第２アクチュエータ１７においては、モータ４０が第１ブラケット２２に固定され、第５アクチュエータ２０及び第６アクチュエータ２１においては、モータ４０が第２ブラケット２３に固定されている。さらに、第３アクチュエータ１８及び第４アクチュエータ１９においては、モータ４０が第２リンク固定肩プーリ１５ａ及びフレーム固定肩プーリ１５ｂに固定されている。

ここで、ワイヤ４９が弛（ゆる）みなく張られ、かつ、ワイヤ４９の張力が０である状態をアクチュエータ出力０とする。そして、アクチュエータ出力０の状態から、モータ４０を駆動し、第２ブラケット４８を矢印方向に最大量移動させた位置においてワイヤ４９の張力が最大となった状態をアクチュエータ出力１００〔％〕とする。

次に、被験者の筋力を測定する方法について説明する。

図８は本発明の実施の形態における被験者の筋力を測定する方法を説明する図である。

図において、６０は被験者であり、６１は被験者６０の上体と上膊とを連結する肩関節であり、６２は被験者６０の上膊と下膊とを連結する肘関節であり、６３は被験者６０の下膊と手とを連結する手首関節であって、上肢の先端部である。そして、６４〜６９は被験者６０の上肢における筋であり、６４は三角筋前部、６５は三角筋後部、６６は上腕二頭筋長頭、６７は上腕三頭筋長頭、６８は上腕筋、６９は上腕三頭筋外側頭である。ここで、肩関節６１の中心点をＯ₁、肘関節６２の中心点をＯ₂、手首関節６３の中心点をＯ₃とする。また、二関節アーム装置１０においては、第１リンク１１の先端部における円形部分の中心点をＯ₄、第１関節部１４の中心点をＯ₅、第２関節部１５の中心点をＯ₆とする。

そして、被験者６０の筋力を測定する場合、二関節アーム装置１０と被験者６０との位置関係を、図８に示されるようにする。すなわち、中心点Ｏ₁、Ｏ₃、Ｏ₄及びＯ₆が同一直線上にあるようにする。そして、線分Ｏ₁Ｏ₂と中心点Ｏ₁から鉛直方向に引いた直線とがなす角度をθ₁、線分Ｏ₂Ｏ₃と中心点Ｏ₂から鉛直方向に引いた直線とがなす角度をθ₂、線分Ｏ₅Ｏ₆と中心点Ｏ₅から鉛直方向に引いた直線とがなす角度をθ₅、線分Ｏ₅Ｏ₆と中心点Ｏ₆から鉛直方向に引いた直線とがなす角度をθ₆とすると、θ₁＝θ₂＝θ₅＝θ₆＝θ_refとなるように設定する。なお、θ_refは所定角度であり、任意に設定することができる。

次に、被験者６０の各筋の筋力を測定する方法について説明する。

図９は本発明の実施の形態におけるアクチュエータの出力値の例を示す図である。

まず、被験者６０は二関節アーム装置１０と正対した状態となり、被験者６０と二関節アーム装置１０との位置関係を図８に示されるようにする。そして、この位置関係を初期位置として、エンコーダ１４ｄとエンコーダ１５ｄとのカウント値を記録する。なお、被験者６０の手首関節６３を第１リンク１１の先端部に、任意の手段によって固定しておく。例えば、被験者６０の手首関節６３と第１リンク１１の先端部とを紐（ひも）によって結ぶことにより手首関節６３を第１リンク１１の先端部に固定してもよいし、被験者６０が手で第１リンク１１の先端部を把持することによって手首関節６３を第１リンク１１の先端部に固定してもよい。また、被験者６０に対しては、二関節アーム装置１０から力を受けても、受けた力に抗して上肢に力を入れ、手首関節６３の位置を初期位置、すなわち、図８に示される位置から移動させないようにする旨の指示をあらかじめ与えておく。

そして、二関節アーム装置１０は、第１リンク１１の先端部において、図７に示されるａ方向に力を発生させる。この場合、図６の駆動シーケンスａのように、第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１の出力を制御することによってａ方向に力を発生させる。具体的には、第１アクチュエータ１６、第３アクチュエータ１８及び第６アクチュエータ２１の出力は０のままで固定し、第２アクチュエータ１７、第４アクチュエータ１９及び第５アクチュエータ２０の出力を同時に、かつ、等しくなるように変化させ、すなわち、同期させて、０から徐々に増加させる。これにより、二関節アーム装置１０の第１リンク１１の先端部がａ方向に向けて発生する力は、徐々に増加する。

一方、被験者６０は、あらかじめ与えられた指示に従い、ａ方向と逆の方向、すなわち、ｄ方向に手首関節６３を移動するように力を発生し、手首関節６３の位置を初期位置から動かないようにするために上肢に力を入れる。そして、第１リンク１１の先端部がａ方向に向けて発生する力が徐々に増加するので、第１リンク１１の先端部に固定された手首関節６３の位置を動かないようにするために、被験者６０が上肢に入れる力も徐々に増加する。

また、二関節アーム装置１０は、第２アクチュエータ１７、第４アクチュエータ１９及び第５アクチュエータ２０の出力を同期させて増加させるとともに、第１リンク１１の先端部の初期位置からのずれをエンコーダ１４ｄとエンコーダ１５ｄとのカウント値に基づいて監視する。

そして、被験者６０が上肢に力を入れて手首関節６３の位置が動かないようにしているので、被験者６０が上肢に入れる力と二関節アーム装置１０が発生する力とが釣り合って拮抗している間は、手首関節６３に固定された第１リンク１１の先端部の位置は、初期位置から動くことがない。しかし、二関節アーム装置１０が発生する力が増加して、被験者６０が上肢に入れる力の限界、すなわち、最大値を超えると、二関節アーム装置１０が発生する力が被験者６０が上肢に入れる力に打ち勝つので、第１リンク１１の先端部がａ方向に移動することになる。そのため、第１リンク１１の先端部がａ方向に移動を開始した時点において二関節アーム装置１０が発生する力が、ｄ方向に手首関節６３を移動させるために被験者６０が上肢に入れる力の最大値、すなわち、被験者６０の上肢の筋力の最大値であると考えることができる。

そこで、本実施の形態においては、エンコーダ１４ｄとエンコーダ１５ｄとのカウント値に基づいて、第１リンク１１の先端部の位置が初期位置からａ方向に移動したと判断すると、第１リンク１１の先端部の位置が初期位置からａ方向に移動した時点における第２アクチュエータ１７の出力Ｅ２、第４アクチュエータ１９の出力Ｅ３及び第５アクチュエータ２０の出力Ｆ１の値を記録する。このようにして記録された第２アクチュエータ１７、第４アクチュエータ１９及び第５アクチュエータ２０の出力値が、ｄ方向に手首関節６３を移動させるために被験者６０が発生する上肢の筋力の最大値に対応する出力値である。これにより、ｄ方向に手首関節６３を移動させるために被験者６０が発生する上肢の筋力の最大値に対応する二関節アーム装置１０の各アクチュエータの出力値を記録することができる。

続いて、二関節アーム装置１０は、前述の動作を繰り返して行い、第１リンク１１の先端部においてｂ〜ｆ方向に力を発生させ、ｅ〜ｃ方向に手首関節６３を移動させるために被験者６０が発生する上肢の筋力の最大値に対応する二関節アーム装置１０の各アクチュエータの出力値を記録する。なお、二関節アーム装置１０が力を発生する方向の順番は、ａ〜ｆの順に限ることなく、適宜変更することができる。

ところで、二関節アーム装置１０が第１リンク１１の先端部においてａ方向に発生させる力をアクチュエータ出力Ｆａとすると、該アクチュエータ出力Ｆａは、次の式（１）で算出することができる。これは、図９に示されるように、中心点Ｏ₄から鉛直方向に引いた直線と線分Ｏ₄Ｏ₆となす角をθ₃、中心点Ｏ₄から鉛直方向に引いた直線と線分Ｏ₅Ｏ₆となす角をθ₄とすると、θ₃＝θ₄＝θ_refとなるためである。
Ｆａ＝Ｅ２＋Ｆ１×ｓｉｎθ_ref＋Ｅ３×ｓｉｎθ_ref ・・・式（１）
ここで、Ｆａの単位は〔％〕である。

そして、同様にして、二関節アーム装置１０が第１リンク１１の先端部においてｂ〜ｆ方向に発生させる力をアクチュエータ出力Ｆｂ〜Ｆｆを求めることができる。この結果に基づいて、図７に示すような六角形を描くことができる。

次に、記録された二関節アーム装置１０の各アクチュエータの出力値に基づいて、被験者６０の各筋の筋力を算出する方法について説明する。

この場合、被験者６０の上肢における三角筋前部６４の筋力をｆ１、三角筋後部６５の筋力をｅ１、上腕二頭筋長頭６６の筋力をｆ３、上腕三頭筋長頭６７の筋力をｅ３、上腕筋６８の筋力をｆ２、上腕三頭筋外側頭６９の筋力をｅ２とすると、二関節アーム装置１０の各アクチュエータの出力値と被験者６０の上肢における各筋の筋力との関係は、次の式（２）〜（４）で表される。
Ｆ２＋Ｅ２＝ｆ２＋ｅ２・・・式（２）
Ｆ３＋Ｅ３＝ｆ３＋ｅ３・・・式（３）
Ｆ１＋Ｅ１＝ｆ１＋ｅ１・・・式（４）
そのため、記録された二関節アーム装置１０の各アクチュエータの出力値を前記式（２）〜（４）に代入することによって、被験者６０の上肢における各筋の筋力の最大値を得ることができる。

このように、二関節アーム装置１０は、人間の上肢を模した構造を有し、上肢の拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の各筋、すなわち、三角筋前部６４、三角筋後部６５、上腕二頭筋長頭６６、上腕三頭筋長頭６７、上腕筋６８及び上腕三頭筋外側頭６９に対応するアクチュエータを備える。そのため、被験者６０の手首関節６３を第１リンク１１の先端部に固定し、被験者６０に二関節アーム装置１０から力を受けても、手首関節６３の位置を初期位置から移動させないようにさせることによって、被験者６０の上肢における拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の各筋の出力、すなわち、筋力を測定することができる。すなわち、第１リンク１１の先端部において発生される六方向の力と被験者６０の力とを拮抗させることによって、被験者６０の上肢の先端部において発生される六方向の力を測定することができる。この場合、第１リンク１１の先端部において発生する力の方向を六方向に変化させることによって、六方向に手首関節６３を移動させるための筋力を各々測定することができる。

そのため、被験者６０が出力の方向を意識する必要がないので、被験者６０に負担をかけることなく、該被験者６０の筋力を容易に、かつ、高い精度で測定することができる。

次に、被験者６０の筋力をトレーニングする方法について説明する。

図１０は本発明の実施の形態における被験者の筋力の測定結果の一例を示す図である。

ここで、被験者６０の上肢における三角筋前部６４、三角筋後部６５、上腕二頭筋長頭６６、上腕三頭筋長頭６７、上腕筋６８及び上腕三頭筋外側頭６９の筋力の測定を完了したものとする。そして、測定の結果、図１０に示されるように、一部の筋の筋力が弱いことが判明した場合、その該当する筋力をトレーニングして向上させる必要がある。

図１０に示される例においては、手首関節６３の周囲に実線で描かれた六角形が被験者６０の筋力の測定結果を表しており、上腕二頭筋長頭６６の筋力が著しく低下していることを示している。これに対して、点線で描かれた六角形が上腕二頭筋長頭６６の筋力が正常な場合を示している。

この場合、二関節アーム装置１０を使用して被験者６０の筋力をトレーニングすることができる。筋力の測定結果が図１０に示されるような例においては、上腕二頭筋長頭６６の筋出力が弱いので、前記上腕二頭筋長頭６６に他の筋よりも高い負荷をかけて、トレーニングすることが有効である。そして、上腕二頭筋長頭６６の筋出力を向上させるためのトレーニングメニューを実行することによって、被験者６０は、適切な筋力トレーニングを行うことができる。

二関節アーム装置１０を使用して被験者６０の筋力をトレーニングする場合には、筋力を測定する場合と同様に、被験者６０は、図８に示されるように、二関節アーム装置１０と正対した状態となる。そして、被験者６０の手首関節６３を第１リンク１１の先端部に、任意の手段によって固定しておく。また、被験者６０に対しては、二関節アーム装置１０から力を受けても、受けた力に抗して上肢に力を入れ、手首関節６３の位置を初期位置、すなわち、図８に示される位置から移動させないようにする旨の指示をあらかじめ与えておく。

ところで、非特許文献１によれば、人間の上肢においても、図６と同様のパターンによる筋の協調活動が行われている。なお、図６には、二関節アーム装置１０の各アクチュエータと、人間の上肢における各筋との対応関係が示されているが、図６の駆動シーケンスａ〜ｆに対応させて、人間の上肢における各筋の筋力を発生させた場合の力の発生方向は、図１０に示されるａ〜ｆに対応する。図１０に示されるａ〜ｆの方向は被験者６０の側から観た方向を示しており、図７に示されるような二関節アーム装置１０の側から観たａ〜ｆの方向と対称の関係にある。

そのため、例えば、二関節アーム装置１０の第１リンク１１の先端部が、図７に示されるｂ方向に力を発生した場合に、被験者６０が上肢に力を入れて手首関節６３の位置が動かないようにすると、被験者６０は、図１０に示されるｂ方向に手首関節６３を移動するように力を発生することになる。すなわち、図１０に示されるｂ方向に手首関節６３を移動するような負荷が被験者６０の上肢における各筋に与えられることになる。この場合、図６の駆動シーケンスｂのように、三角筋前部６４、上腕三頭筋外側頭６９及び上腕二頭筋長頭６６が、負荷を与えられて筋力を発生する。

また、例えば、被験者６０が、図１０に示されるｄ方向に手首関節６３を移動するような負荷が被験者６０の上肢に与えられた場合、図６の駆動シーケンスｄのように、三角筋後部６５、上腕筋６８及び上腕二頭筋長頭６６が、負荷を与えられて筋力を発生する。

さらに、例えば、図１０に示されるｂ方向及びｄ方向に手首関節６３を移動するような負荷が、１：１の割合で被験者６０の上肢に与えられた場合、一関節筋、すなわち、三角筋前部６４、三角筋後部６５及び上腕筋６８には均等に負荷が与えられ、上腕二頭筋長頭６６には、一関節筋の２倍の負荷が与えられ、上腕三頭筋長頭６７には負荷が与えられない。したがって、この場合には、上腕二頭筋長頭６６には高い負荷が選択的に与えられ、上腕三頭筋長頭６７には低い負荷が選択的に与えられたことになる。

なお、被験者６０の上肢に与えられる負荷の大きさは、筋力の測定結果に基づいて制御される。この場合、測定された各筋の出力に応じた負荷が各筋に与えられるように、二関節アーム装置１０の各アクチュエータの出力を制御することによって、各筋にとって最適な負荷を与え続けることができる。

このように、被験者６０の上肢における各筋に対し、選択的に最適な負荷を与えることによって、被験者６０に過大な負荷をかけることなく、効果的なトレーニングを実施することができ、被験者６０の筋力を効果的に向上させ、かつ、筋力のバランスを向上させることができる。

また、筋力を現状よりさらに向上させたいという被験者６０の要求がある場合、現状における被験者６０の各筋の筋力の測定結果から目標とする筋力を設定し、トレーニングを実施する。この場合、図６に示される駆動シーケンスａ〜ｆに対応する第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１の出力を、現状における被験者６０の各筋の筋力に対応する値から徐々に増加させながら、トレーニングを繰り返すことによって、被験者６０の上肢全体の筋力をバランスよく向上させることができる。

このように、二関節アーム装置１０は、人間の上肢を模した構造を有し、上肢の拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の各筋、すなわち、三角筋前部６４、三角筋後部６５、上腕二頭筋長頭６６、上腕三頭筋長頭６７、上腕筋６８及び上腕三頭筋外側頭６９に対応するアクチュエータを備える。そのため、被験者６０の手首関節６３を第１リンク１１の先端部に固定し、被験者６０に二関節アーム装置１０から力を受けても、手首関節６３の位置を初期位置から移動させないようにさせることによって、被験者６０の上肢における拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の各筋に選択的に負荷を与え、効果的なトレーニングを実施することができる。この場合、二関節アーム装置１０が第１リンク１１の先端部において発生する力の方向を選択することによって、負荷を与えてトレーニングする筋を選択することができる。

また、筋力の測定に使用された二関節アーム装置１０を使用することによって、被験者６０の筋力をトレーニングすることができ、筋力の測定とトレーニングのために別個の装置を用意する必要がなく、設備コストを低減することができる。

さらに、二関節アーム装置１０が人間の上肢を模した構造を有するので、被験者６０は違和感を感じることなく、効果的にトレーニングを実施することができる。

次に、筋力の測定及びトレーニングの状態を表示する方法について説明する。

図１１は本発明の実施の形態における筋力の測定及びトレーニングの状態を表示する表示画面の例を示す図である。なお、図１１（ａ）は二関節アーム装置の第１リンクの先端部の位置を示す図、図１１（ｂ）は二関節アーム装置の第１リンクの先端部の動作軌跡を示す図、図１１（ｃ）は筋力の測定結果を示す図である。

図１１において、７０はＣＲＴ、液晶ディスプレイ、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）ディスプレイ等の表示装置としてのディスプレイである。該ディスプレイ７０は、二関節アーム装置１０の動作を制御する制御装置の上位装置が備える表示手段の一部であってもよいし、該表示手段とは別個に前記制御装置又は上位装置に接続されたものであってもよい。

そして、図１１（ａ）において、７１は二関節アーム装置１０における第１リンク１１の先端部の初期位置を示すアイコンであり、７２は前記第１リンク１１の先端部における円形部分の中心点Ｏ₄の現在位置を示すアイコンである。前記アイコン７１及び７２の位置は、エンコーダ１４ｄ及び１５ｄの回転角度から算出された第１リンク１１の先端部における円形部分の中心点Ｏ₄の位置を示している。ここで、アイコン７２は、第１リンク１１の先端部における円形部分の中心点Ｏ₄の現在位置を、エンコーダ１４ｄ及び１５ｄの回転角度に基づいて、リアルタイムに示すものである。なお、筋力を測定する場合、及び、筋力をトレーニングする場合には、前述のように、被験者６０の手首関節６３が第１リンク１１の先端部に固定されているので、前記アイコン７１及び７２は、実質的に、被験者６０の手首関節６３の初期位置及び現在位置を各々示している。

まず、被験者６０の各筋の筋力を測定する場合、測定が開始される前は、被験者６０の手首関節６３及び第１リンク１１の先端部が初期位置にあるので、アイコン７１とアイコン７２とは同位置にある。そして、測定が開始されると、第１リンク１１の先端部がａ〜ｆの六方向に向けて力を発生する。一方、被験者６０は、あらかじめ与えられた指示に従い、第１リンク１１の先端部において発生される力と逆の方向に手首関節６３を移動するように力を発生し、手首関節６３の位置を初期位置から動かないようにする。

この際、被験者６０は、ディスプレイ７０を見ながら、アイコン７２をアイコン７１の位置から動かさないようにすることによって、手首関節６３の位置を初期位置から動かないようにすることができる。そのため、被験者６０は、テレビゲーム等のゲームを行っているのと同様のゲーム感覚で、筋力を測定することができる。

なお、測定を開始する前に、被験者６０に対してあらかじめ与えられる、二関節アーム装置１０から力を受けても、上肢に力を入れて、手首関節６３の位置を初期位置から移動させないようにする旨の指示は、ディスプレイ７０に表示することができる。また、該ディスプレイ７０とともに、図示されないラウドスピーカ等の音声出力装置が前記制御装置又は上位装置に接続されている場合には、前記指示を音声出力によって被験者６０に対して与えることもできる。

次に、筋力をトレーニングする場合について説明する。

筋力をトレーニングする場合には、図１１（ｂ）に示されるように、第１リンク１１の先端部における円形部分の中心点Ｏ₄の動作軌跡７３、トレーニング中の第１の目標軌跡７４及びトレーニング中の第２の目標軌跡７５がディスプレイ７０に表示される。また、被験者６０に対してあらかじめ与えられる、二関節アーム装置１０から力を受けても、上肢に力を入れて、手首関節６３の位置を初期位置から移動させないようにする旨の指示は、筋力を測定する場合と同様に、ディスプレイ７０に表示することができる。また、図示されない音声出力装置が前記制御装置又は上位装置に接続されている場合には、前記指示を音声出力によって被験者６０に対して与えることもできる。

そして、トレーニングが開始されると、二関節アーム装置１０から力を受けるが、被験者６０は、上肢に力を入れて、ディスプレイ７０を見ながら、手首関節６３の位置を示すアイコン７２が第１の目標軌跡７４又は第２の目標軌跡７５をトレースするようにする。すなわち、動作軌跡７３が第１の目標軌跡７４又は第２の目標軌跡７５と一致するようにする。これにより、被験者６０の上肢における各筋は、第１リンク１１の先端部からあらかじめ設定された方向の負荷を与えられて筋力を発生するので、被験者６０は、ゲーム感覚で、筋力をトレーニングすることができる。

また、筋力のトレーニングを開始する前と筋力のトレーニングを終了した後に、被験者６０の筋力を測定し、測定結果を、図１１（ｃ）に示されるように、ディスプレイ７０に表示することによって、トレーニングの成果をその場で確認することができる。図１１（ｃ）に示される例においては、点線で描かれた六角形がトレーニングを開始する前における被験者６０の筋力の測定結果を表しており、実線で描かれた六角形がトレーニングを終了した後における被験者６０の筋力の測定結果を表している。

このように、二関節アーム装置１０の第１リンク１１の先端部における円形部分の中心点Ｏ₄の位置がディスプレイ７０に表示されるので、被験者６０は、ゲーム感覚で筋力の測定及びトレーニングを行うことができる。また、被験者６０の筋力を測定した結果が表示されるので、筋力の測定結果及びトレーニングの成果を視覚的に確認することができ、筋力測定が正確になり、効果的に筋力をトレーニングすることができる。

このように、本実施の形態においては、人間の上肢を模した構造を有し、上肢の拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の各筋、すなわち、三角筋前部６４、三角筋後部６５、上腕二頭筋長頭６６、上腕三頭筋長頭６７、上腕筋６８及び上腕三頭筋外側頭６９に対応するアクチュエータを備える二関節アーム装置１０を使用して、被験者６０の上肢の拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の筋力を測定するとともに、該筋力をトレーニングする。そのため、被験者６０に負担をかけることなく、被験者６０の筋力を容易に、かつ、高い精度で測定することができるとともに、被験者６０の筋力を効果的に向上させ、かつ、筋力のバランスを向上させることができる。

なお、本実施の形態においては、上肢の拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の筋力を測定してトレーニングする場合について説明したが、人間の下肢は、上肢と同様に、一関節筋と二関節筋とを備える筋配列構造を有しているので、二関節アーム装置１０を使用して、下肢の拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の筋力を測定してトレーニングすることもできる。

また、本実施の形態においては、被験者６０と二関節アーム装置１０との位置関係について、被験者６０と二関節アーム装置１０とが正対している場合を例にして説明したが、被験者６０と二関節アーム装置１０の動作方向が同一で、かつ、被験者６０の前方又は後方に二関節アーム装置１０が設置されるような位置関係を採ることもできる。

さらに、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。

本発明の実施の形態における二関節アーム装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態における関節部の側面を示す図である。本発明の実施の形態における関節部の側面を示す図である。本発明の実施の形態におけるアクチュエータの構成を示す図である。本発明の実施の形態における二関節アーム装置の動作を制御する制御装置を示す回路ブロック図である。本発明の実施の形態におけるアクチュエータの駆動シーケンスと力の方向を示す図である。本発明の実施の形態における二関節アーム装置の動作を示す図である。本発明の実施の形態における被験者の筋力を測定する方法を説明する図である。本発明の実施の形態におけるアクチュエータの出力値の例を示す図である。本発明の実施の形態における被験者の筋力の測定結果の一例を示す図である。本発明の実施の形態における筋力の測定及びトレーニングの状態を表示する表示画面の例を示す図である。

符号の説明

１０二関節アーム装置
１１第１リンク
１２第２リンク
１３フレーム
１６第１アクチュエータ
１７第２アクチュエータ
１８第３アクチュエータ
１９第４アクチュエータ
２０第５アクチュエータ
２１第６アクチュエータ
６０被験者
６４三角筋前部
６５三角筋後部
６６上腕二頭筋長頭
６７上腕三頭筋長頭
６８上腕筋
６９上腕三頭筋外側頭
７０ディスプレイ
７３動作軌跡
７４第１の目標軌跡
７５第２の目標軌跡

Claims

（ａ）人間の上肢又は下肢を模した構造を備える二関節アーム装置を有し、
（ｂ）該二関節アーム装置の先端部に被験者の上肢又は下肢の先端部を固定し、
（ｃ）前記二関節アーム装置が力を発生した場合、被験者が前記二関節アーム装置の力に抗して上肢又は下肢の先端部の位置を移動させないようにすることによって、被験者の上肢又は下肢の筋力を測定するとともにトレーニングすることを特徴とする筋力トレーニングシステム。
（ａ）ベース、該ベースに根本端部が回転可能に取り付けられた第２リンク、及び、該第２リンクの先端部に根本端部が回転可能に取り付けられた第１リンクを備える二関節アーム装置であって、
（ｂ）前記第１リンク及び第２リンクを各々独立して回転させるための駆動力を発生する第１アクチュエータ及び第２アクチュエータ並びに第３アクチュエータ及び第４アクチュエータと、前記第１リンク及び第２リンクをベースに対して同時に回転させるための駆動力を発生する第５アクチュエータ及び第６アクチュエータとを更に備える二関節アーム装置と、
（ｃ）所定の駆動シーケンスに従って前記第１〜第６アクチュエータを動作させ、前記第１リンクの先端部において六方向の力を発生させる制御装置とを有することを特徴とする筋力トレーニングシステム。
前記第１リンクの先端部に被験者の上肢又は下肢の先端部を固定し、前記第１リンクの先端部において発生される六方向の力と前記被験者の力とを拮抗させて、前記被験者の上肢又は下肢の先端部において発生される六方向の力を測定することによって、前記被験者の上肢又は下肢の拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の筋力を測定する請求項２に記載の筋力トレーニングシステム。
前記被験者の筋力を測定した結果に基づいて筋力が低下した前記被験者の上肢又は下肢の筋を特定し、前記第１リンクの先端部において発生される六方向の力を制御することによって、特定された前記被験者の上肢又は下肢の拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の筋力をトレーニングする請求項３に記載の筋力トレーニングシステム。
前記制御装置に接続された表示装置を更に有し、前記第１リンクの先端部の動作軌跡と目標軌跡とを前記表示装置に表示させ、前記動作軌跡が目標軌跡と一致するように前記被験者に力を発生させることによって、前記被験者の上肢又は下肢の拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の筋力の測定及びトレーニングを行う請求項４に記載の筋力トレーニングシステム。