JP2009225810A - Electrical muscle stimulation method and muscle training device - Google Patents

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JP2009225810A
JP2009225810A JP2008050805A JP2008050805A JP2009225810A JP 2009225810 A JP2009225810 A JP 2009225810A JP 2008050805 A JP2008050805 A JP 2008050805A JP 2008050805 A JP2008050805 A JP 2008050805A JP 2009225810 A JP2009225810 A JP 2009225810A
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Kazuhiro Yoshimitsu
一浩 吉光
Naoto Shiba
直人 志波
Yoshihiko Tagawa
善彦 田川
Tomohisa Inada
智久 稲田
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Kyushu Institute of Technology NUC
Japan Space Forum
Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Kurume University
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Kyushu Institute of Technology NUC
Japan Space Forum
Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Kurume University
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a muscle training device which makes a user expect higher exercising effects with a higher safety of exercising by preventing the awkwardness of the user's motion and the user's feeling of uneasiness in motion in the exercising of joints associated with the stretching or bending of hands, elbows, foot joints, a trunk and the like under a closed motion chain. <P>SOLUTION: The muscle training device (A) includes an instrument (1) having electrode parts (10 and 11) for applying electrical stimulus onto the muscle, an angle detector (2) for detecting the angle of each stretched or bent site, a controller (3) for supplying electricity to the electrode parts (10 and 11), and a computer (4) for controlling the controller (3). The computer (4) includes a program which controls the intensity of electrical stimulation to be applied onto antagonistic muscles so as to generate a contraction force sufficiently smaller than the contraction force of mainly moving exercised muscles in the initial exercising period in the antagonistic muscles based on the information detected with the angle detector (2) and this enables the optimal contraction of the antagonistic muscles previously determined for each angle of sites toward the final end stage of exercising. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、筋肉の電気的刺激方法及び筋肉鍛錬装置に関する。更に詳しくは、閉鎖性運動連鎖による手、肘、膝、足関節、体幹等の関節を伸展または屈曲する運動において、例えば同じ強さの電気的刺激でも関節の角度によって異なる筋肉の収縮力を勘案して電気的刺激の強さを制御することにより、使用者の運動が不自然になることや、使用者が運動に違和感を覚えることを防止して、安全かつ円滑で効果的な運動が可能な筋肉の電気的刺激方法及び筋肉鍛錬装置に関する。   The present invention relates to a muscle electrical stimulation method and a muscle training device. More specifically, in the exercise of extending or flexing joints such as hands, elbows, knees, ankles, and trunks by the closed movement chain, for example, even with the same strength of electrical stimulation, the muscle contraction force varies depending on the joint angle. By taking into account and controlling the strength of the electrical stimulation, the user's movement becomes unnatural and prevents the user from feeling uncomfortable. The present invention relates to a method for electrically stimulating muscle and a muscle training device.

従来、電気的刺激を利用した筋肉鍛錬装置(筋力増強器)としては、すでに本発明者らが提案したものがある(特許文献1、2参照)。この筋肉鍛錬装置は、主動筋となる筋肉が収縮しているときに、拮抗筋となる筋肉に電気的刺激を与えて遠心性収縮を行わせる、いわゆる閉鎖性運動連鎖による運動(以下「閉鎖性運動」という。)を行うことができるようにしたものである。   Conventionally, as a muscle training device (muscle strength enhancer) using electrical stimulation, there have already been proposed by the present inventors (see Patent Documents 1 and 2). This muscle training device, when the muscle serving as the main muscle is contracting, applies electrical stimulation to the muscle serving as the antagonist muscle to cause centrifugal contraction (hereinafter referred to as “closed motion”). Called “exercise”).

この閉鎖性運動によれば、ダンベル等の重いもので筋肉に負荷をかける一般的な運動とは相違して、重いものは使用せずに主動筋と拮抗筋に同時に負荷をかけることによって、安全にかつ効率的に使用者の筋力の維持または増強を図ることができる。   According to this closed exercise, unlike the general exercise that loads a muscle with a heavy object such as a dumbbell, it is safe to apply a load to the main and antagonist muscles simultaneously without using a heavy object. In addition, the user's muscular strength can be maintained or enhanced.

なお、特許請求の範囲及び明細書で「主動筋」とは、収縮して膝や肘等の関節を伸展屈曲させる筋肉のことをいい、また「拮抗筋」とは、主動筋によって膝や肘等の関節が伸展屈曲されるときに伸張する筋肉のことをいう。すなわち、主動筋と拮抗筋は対抗してはたらき合うもので、互いに反対の動きを同時に営むものである。   In the claims and the description, the “main muscle” refers to a muscle that contracts and stretches and bends the joints such as the knee and elbow, and the “antagonist muscle” refers to the knee and elbow depending on the main muscle. This refers to the muscle that stretches when the joint is stretched and bent. In other words, the main and antagonist muscles work against each other and simultaneously perform opposite movements.

特許3026007号Patent 3026007 特開2005−253539JP-A-2005-253539

ところで、前記閉鎖性運動は、拮抗筋に対し電気的刺激による筋収縮を起こさせることにより、これを運動抵抗とするものであるが、本発明者等は、閉鎖性運動について更に研究を重ねたところ、同じ強さの電気的刺激を行った場合では、伸展または屈曲する関節の角度の違いによって刺激筋の収縮力が異なることが知見された。
具体的には、例えば肘関節を動かす筋肉である上腕二頭筋においては、肘関節の屈曲角度(伸展状態を0度として何度曲がっているか)が60度で最大収縮力が得られるが、この値は屈曲角度が0度での収縮力の約2倍である(表1参照)。
By the way, the above-mentioned closing exercise is to make the resistance to movement by causing muscle contraction by electrical stimulation to the antagonist muscle, but the present inventors have further researched on the closing exercise. However, it has been found that when electrical stimulation of the same strength is performed, the contraction force of the stimulating muscle differs depending on the angle of the joint that extends or bends.
Specifically, in the biceps, which is a muscle that moves the elbow joint, for example, the maximum contractile force can be obtained when the bending angle of the elbow joint (how many times the extension state is bent at 0 degree) is 60 degrees. This value is about twice the contraction force when the bending angle is 0 degree (see Table 1).

また、電気的刺激の強さによって筋肉の収縮力が異なり、例えば上腕二頭筋においては、電圧を20%減少(基準が45V:100%である場合は、36Vとなる)させると、筋収縮力は半分以下になることも知見された(表2参照)。すなわち、例えば印加電圧の強さを変えて電気的刺激の強さを制御することにより、筋肉の収縮力の調節ができることが分かった。   In addition, the contraction force of the muscle differs depending on the strength of the electrical stimulation. For example, in the biceps, when the voltage is reduced by 20% (when the reference is 45V: 100%, it becomes 36V), the muscle contraction. It was also found that the force was less than half (see Table 2). That is, it has been found that, for example, the contractile force of the muscle can be adjusted by changing the strength of the applied voltage to control the strength of the electrical stimulation.

これらの研究から、拮抗筋に対して単純に一定電圧の電気的刺激を与えるだけでは、一定の筋収縮力または運動に好ましい筋収縮力を得られず、運動によって関節の角度が変化するに伴って運動が不安定になる可能性があることがわかった。
具体的には、上腕の運動において、前記のように肘関節の屈曲角度が60度で電気的刺激による最大筋収縮力が発生し、0度ではその約50%になるということは、例えば、肘関節を屈曲状態(例えば屈曲角度90度)から伸展させる運動を行う場合、運動の初期に最大値の約60%の運動抵抗が生じ、中期(屈曲角度60度)で最大値100%の運動抵抗が生じ、運動終端の伸展状態に近付く終期では、最大値の約50%の運動抵抗となる。つまり、伸展運動中に拮抗筋による運動抵抗が大きく変動する。これでは、自然な運動を行うことができず、運動している使用者は違和感を覚えてしまう。
From these studies, simply applying a constant voltage electrical stimulus to the antagonist muscles does not provide a certain muscle contraction force or a muscle contraction force favorable to exercise, and as the joint angle changes due to exercise, It was found that there is a possibility that the movement becomes unstable.
Specifically, in the upper arm exercise, as described above, the maximum muscle contraction force generated by electrical stimulation occurs when the bending angle of the elbow joint is 60 degrees, and is about 50% at 0 degrees. When exercise is performed to extend the elbow joint from a bent state (for example, a flexion angle of 90 degrees), an exercise resistance of about 60% of the maximum value occurs at the beginning of the exercise, and an exercise with a maximum value of 100% in the middle period (flexion angle of 60 degrees). At the end of the period when resistance occurs and approaches the extension state at the end of exercise, the exercise resistance is about 50% of the maximum value. That is, the exercise resistance due to the antagonist muscle greatly fluctuates during the extension exercise. With this, natural exercise cannot be performed, and the user who exercises feels uncomfortable.

この問題を解消し、より自然な運動ができるようにするには、例えばダンベル運動のように運動の初めから終わりまで一定の運動抵抗を発生させるようにするのも一方法であるが、むしろ、より運動効果が高いといわれているチューブ運動のように運動初期では小さく、運動中期から終期では、より大きい運動抵抗を発生させるようにするのが実用的であり好ましい。   In order to solve this problem and enable more natural movement, it is one way to generate a constant movement resistance from the beginning to the end of the movement, such as dumbbell movement, but rather, It is practical and preferable to generate a smaller resistance in the initial stage of exercise, such as a tube movement, which is said to have a higher exercise effect, and to generate a greater resistance in the middle and final stages of exercise.

また、運動中の電気的刺激による拮抗筋の筋収縮により、使用者にとって大きすぎる運動抵抗が発生すると、自発運動による主動筋の収縮力が下回ることもあり得る。この場合、意図する運動方向とは反対の方向へ運動が起こり、この運動情報も関節の動きを感知するセンサー(エンコーダ等)が取得してしまうことになる。
これにより、反対方向への運動の運動抵抗となる電気的刺激による筋収縮が発生する。前記反対の動きに抵抗しようとしている使用者は、これに助けられて再度意図する方向への自発運動を行うが、この運動をすぐにセンサーが感知し、再度同様に主動筋の収縮力が拮抗筋の収縮力より下回る状況になる。このようにして小さな屈伸を繰り返す運動を起こしやすくなり、ギクシャクとした不安定な動きをしてしまい、目的の運動ができなくなるばかりでなく、筋肉や関節を痛めてしまう危険がある。
In addition, if the resistance of the antagonistic muscles due to electrical stimulation during exercise causes contraction that is too large for the user, the contraction force of the main muscles due to spontaneous movement may be reduced. In this case, movement occurs in a direction opposite to the intended movement direction, and this movement information is also acquired by a sensor (encoder or the like) that senses the movement of the joint.
Thereby, the muscle contraction by the electrical stimulation which becomes the movement resistance of the exercise | movement to an opposite direction generate | occur | produces. The user who is trying to resist the opposite movement is assisted by this, and again performs spontaneous movement in the intended direction, but this movement is immediately detected by the sensor, and the contraction force of the main muscle again antagonizes. The situation is less than the muscle contraction force. In this way, it becomes easy to cause a movement that repeats small bending and stretching, and it makes a jerky and unstable movement, and not only does the target movement become impossible, but also there is a risk of damaging muscles and joints.

さらには筋肉の伸縮の状態も問題となる。すなわち、筋肉が弛緩している状態で電気的刺激による筋収縮が起こると、例えば関節運動に関与しない部分での電気的刺激による筋収縮が発生し、筋収縮と関節運動が直ちに連動せず、電気的刺激による筋収縮が関節運動になるまでに遅延が起こる。一方この間、主動筋の運動は拮抗筋の電気的刺激による筋収縮による抵抗を受けないため、比較的弱い自発筋収縮によって運動がなされる。その後、拮抗筋が緊張し関節運動に関与するようになると、それまでに起こっていた電気的刺激による筋収縮も相まって、突発的な運動抵抗の発生となる。
このような状態では、拮抗筋の収縮による力に抵抗しようと一時的に自発筋収縮が大きくなるが、筋収縮と関節運動のバランスが取れると、その大きな自発筋収縮は電気的刺激による収縮力に対し大きくなりすぎ、速い関節運動になるため、無意識にそれを抑制しようと自発筋収縮を減少させる。すると電気的刺激による筋収縮力と拮抗し、関節運動が停止することになり、エンコーダの情報により電気的刺激も停止する。これが数度繰り返され、運動が不安定になることがある。特に、この現象は刺激電圧が高いと起こりやすい。
Furthermore, the state of muscle expansion and contraction also becomes a problem. That is, when muscle contraction due to electrical stimulation occurs while the muscle is relaxed, for example, muscle contraction due to electrical stimulation in a portion not involved in joint motion occurs, and muscle contraction and joint motion are not immediately linked, There is a delay before the muscle contraction due to electrical stimulation becomes joint motion. On the other hand, during this period, the movement of the main muscle does not receive resistance due to the muscle contraction due to the electrical stimulation of the antagonist muscle, and therefore the movement is performed by the relatively weak spontaneous muscle contraction. Thereafter, when the antagonistic muscles become tense and become involved in joint movement, the muscle contraction due to the electrical stimulation that has occurred so far is coupled with the sudden movement resistance.
In such a state, spontaneous muscle contraction temporarily increases in order to resist the force of antagonistic muscle contraction, but when the muscle contraction and joint motion are balanced, the large spontaneous muscle contraction is contracted by electrical stimulation. It becomes too large and becomes a fast joint movement, so it reduces spontaneous muscle contraction to suppress it unconsciously. Then, it antagonizes the muscle contraction force due to the electrical stimulation, and the joint motion is stopped, and the electrical stimulation is also stopped by the information of the encoder. This is repeated several times, and the movement may become unstable. In particular, this phenomenon is likely to occur when the stimulation voltage is high.

(本発明の目的)
そこで本発明の目的は、閉鎖性運動連鎖による手、肘、膝、足関節、体幹等の関節を伸展または屈曲する運動において、同じ強さの電気的刺激でも関節の角度によって異なる筋肉の収縮力を勘案して電気的刺激の強さを制御することにより、運動抵抗となる拮抗筋の収縮力が大きくなりすぎて主動筋の収縮力が下回ることがないようにして、使用者の運動が不自然になることや使用者が運動に違和感を覚えることを防止でき、運動の安全性をより高め、円滑な運動が可能で運動効果の向上も期待できる筋肉の電気的刺激方法及び筋肉鍛錬装置を提供することである。
(Object of the present invention)
Accordingly, an object of the present invention is to perform muscle contraction that varies depending on the angle of the joint even with electrical stimulation of the same strength in the exercise of extending or bending joints such as hands, elbows, knees, ankles, and trunks by a closed chain of motion. By controlling the strength of the electrical stimulation in consideration of the force, the contraction force of the antagonistic muscle that becomes resistance to movement does not become too large and the contraction force of the main muscle does not fall, so that the user's exercise Muscle electrical stimulation method and muscle training device that can prevent unnaturalness and users from feeling uncomfortable with exercise, improve exercise safety, enable smooth exercise and also improve exercise effect Is to provide.

上記課題を解決するために講じた本発明の手段は次のとおりである。   The means of the present invention taken in order to solve the above problems are as follows.

(1)本発明は、主動筋となる筋肉が収縮しているときに、拮抗筋となる筋肉に電気的刺激を与えて遠心性収縮を行わせる閉鎖性運動連鎖による関節を伸展または屈曲する運動において、
運動に伴い変化する関節の角度の情報を元に、使用者が耐え得るあらかじめ決められた電気的刺激の強さの範囲内において、運動初期には拮抗筋に対し、運動時の主動筋の収縮力より十分に小さい収縮力を拮抗筋に生じさせる強さの電気的刺激を与え、運動終端へ向けて電気的刺激の強さを徐々に強くするか、または、運動終端へ向けて各関節の角度毎にあらかじめ決められている、拮抗筋に対し好適な筋収縮が得られる強さの電気的刺激を与えるようにする、筋肉の電気的刺激方法である。
(1) In the present invention, when the muscle that is the main muscle is contracting, the movement that extends or bends the joint by the closed motor chain that applies electrical stimulation to the muscle that becomes the antagonistic muscle to perform centrifugal contraction. In
Based on information on joint angles that change with exercise, within the predetermined range of electrical stimulation that the user can withstand, the muscles of the main muscle during exercise are contracted against antagonistic muscles at the beginning of exercise. Give the antagonistic muscle an electrical stimulus that produces a contraction force that is sufficiently smaller than the force, and gradually increase the strength of the electrical stimulus toward the end of exercise, or This is an electrical stimulation method for muscles, which is determined in advance for each angle, and gives an electrical stimulation of strength that can provide a suitable muscle contraction to the antagonist muscle.

(2)本発明は、主動筋を収縮させて拮抗筋が伸張するときに、拮抗筋に電気的刺激を与えて収縮させることにより主動筋と拮抗筋を並行して鍛えることができる筋肉鍛錬装置であって、
筋肉に電気的刺激を与える電気的刺激部を備えた装具と、
伸展または屈曲運動をする関節の角度を検出する角度検出手段と、
前記電気的刺激部に電気を供給する電気供給部と、
該電気供給部を制御するコンピュータと、
を備えており、
前記コンピュータは、
角度検出手段により検出された、運動に伴い変化する関節の角度を演算するための情報を元に、使用者が耐え得るあらかじめ決められた電気的刺激の強さの範囲内において、拮抗筋に対し、運動初期には電気的刺激部によって運動時の主動筋の収縮力より十分に小さい収縮力を拮抗筋に生じさせる強さの電気的刺激を与え、運動終端へ向けて電気的刺激の強さを徐々に強くするよう制御するプログラムを備えている、
筋肉鍛錬装置である。
(2) The present invention provides a muscle training device that can train the main and antagonist muscles in parallel by applying electrical stimulation to the antagonist muscles and contracting them when the main muscles contract and the antagonist muscles extend. Because
A brace equipped with an electrical stimulation unit for applying electrical stimulation to muscles;
An angle detection means for detecting the angle of the joint that performs extension or bending movement;
An electric supply unit for supplying electricity to the electrical stimulation unit;
A computer for controlling the electricity supply unit;
With
The computer
Based on the information for calculating the angle of the joint that changes with movement, detected by the angle detection means, within the range of the predetermined electrical stimulation strength that the user can withstand, against the antagonist muscle In the initial stage of exercise, the electrical stimulation unit gives an electrical stimulus of strength that causes the antagonistic muscle to produce a contraction force sufficiently smaller than the contraction force of the main muscle during exercise, and the strength of the electrical stimulus toward the end of exercise It has a program to control to gradually strengthen,
It is a muscle training device.

(3)本発明は、主動筋を収縮させて拮抗筋が伸張するときに、拮抗筋に電気的刺激を与えて収縮させることにより主動筋と拮抗筋を並行して鍛えることができる筋肉鍛錬装置であって、
筋肉に電気的刺激を与える電気的刺激部を備えた装具と、
伸展または屈曲運動をする関節の角度を検出する角度検出手段と、
前記電気的刺激部に電気を供給する電気供給部と、
該電気供給部を制御するコンピュータと、
を備えており、
前記コンピュータは、
角度検出手段により検出された、運動に伴い変化する関節の角度を演算するための情報を元に、使用者が耐え得るあらかじめ決められた電気的刺激の強さの範囲内において、拮抗筋に対し、運動初期には電気的刺激部によって運動時の主動筋の収縮力より十分に小さい収縮力を拮抗筋に生じさせる強さの電気的刺激を与え、運動終端へ向けて各関節の角度毎にあらかじめ決められている、拮抗筋に対し好適な筋収縮が得られる強さの電気的刺激を与えるよう制御するプログラムを備えている、
筋肉鍛錬装置である。
(3) The present invention provides a muscle training device that can train the main and antagonist muscles in parallel by applying electrical stimulation to the antagonist muscles and contracting them when the main muscles contract and the antagonist muscles expand. Because
A brace equipped with an electrical stimulation unit for applying electrical stimulation to muscles;
An angle detection means for detecting the angle of the joint that performs extension or bending movement;
An electric supply unit for supplying electricity to the electrical stimulation unit;
A computer for controlling the electricity supply unit;
With
The computer
Based on the information for calculating the angle of the joint that changes with movement, detected by the angle detection means, within the range of the predetermined electrical stimulation strength that the user can withstand, against the antagonist muscle In the early stage of exercise, the electrical stimulation unit gives an electrical stimulus of strength that causes the antagonistic muscle to produce a contraction force sufficiently smaller than the contraction force of the main muscle during exercise, and for each joint angle toward the end of exercise A program for controlling the antagonistic muscle to give an electrical stimulus having a strength that can provide a suitable muscle contraction to the antagonistic muscle is provided.
It is a muscle training device.

(4)本発明に係る筋肉鍛錬装置は、コンピュータに、使用者の運動に不安定な動きが発生したときに、該動きを角度検出手段により取得される情報を元に感知し、電気的刺激部による電気的刺激の強さを弱めるか、または電気的刺激を止めるよう制御するプログラムを備えることもできる。 (4) The muscle training device according to the present invention senses the movement based on the information acquired by the angle detection means when an unstable movement occurs in the movement of the user in the computer, and the electrical stimulation It is also possible to provide a program for controlling to reduce the intensity of the electrical stimulation by the unit or to stop the electrical stimulation.

(5)本発明に係る筋肉鍛錬装置は、モニターを備えて、コンピュータに、使用者が行う運動の模範的な動きをするモデルの映像を前記モニターに表示し、使用者の運動に伴い角度検出手段により取得される情報を元に前記モデルの動きに対する評価を演算し、該評価を前記モニターに表示するプログラムを備えることもできる。 (5) The muscle training device according to the present invention includes a monitor, and displays on the monitor an image of a model that performs an exemplary movement of the user's exercise on the computer, and detects the angle according to the user's exercise. A program for calculating an evaluation of the movement of the model based on information acquired by the means and displaying the evaluation on the monitor may be provided.

(6)本発明に係る筋肉鍛錬装置は、モニターを備えて、コンピュータに、使用者の運動に伴い角度検出手段により取得される情報を元に使用者の動きを演算し、該動きをモデルの映像として前記モニターに表示するプログラムを備えることもできる。 (6) A muscle training device according to the present invention includes a monitor, and calculates, on a computer, a user's movement based on information acquired by the angle detection means according to the user's movement, It is also possible to provide a program for displaying on the monitor as an image.

特許請求の範囲及び明細書にいう「電気的刺激」の用語は、筋肉に対して所要の電圧を印加し、所要の電流を流して刺激する意味を含むものとして使用している。また、この電気的刺激の強さの制御は、印加する電圧の制御によって行うこともできるし、電流の制御によって行うこともできる。
また、特許請求の範囲及び明細書にいう「徐々に強くする」の用語は、「段階的に、または無段階で少しずつ強くする、または、だんだん強くする」の意味を含むものとして使用している。
さらに、明細書にいう「関節の屈曲角度」及び「関節角度」の用語は、例えば肘関節、膝関節または体幹部の伸展時(本質的に真っ直ぐになったとき)を0度とし、その状態からの屈曲角度を表す意味で使用している。
The term “electrical stimulation” in the claims and specification is used to include the meaning of applying a required voltage to a muscle and applying a required current to stimulate the muscle. Further, the control of the intensity of the electrical stimulation can be performed by controlling the applied voltage or by controlling the current.
In addition, the term “increase gradually” in the claims and the specification is used to include the meaning of “increase gradually or gradually, steplessly or steplessly”. Yes.
Furthermore, the terms “joint bending angle” and “joint angle” in the specification are, for example, 0 degrees when the elbow joint, the knee joint or the trunk is extended (when the trunk becomes essentially straight). It is used to mean the bending angle from

(作用)
本発明に係る筋肉鍛錬装置の作用を説明する。筋肉鍛錬装置によれば、手や肘、膝、足関節等の関節に限らず、体幹(胴部)の筋肉(脊柱起立筋、腹直筋、左右の外腹斜筋等)のトレーニングも可能である。
(Function)
The operation of the muscle training device according to the present invention will be described. According to the muscle training device, training of not only joints such as hands, elbows, knees and ankles, but also trunk (torso) muscles (vertical spine, rectus abdominis, left and right external obliques) Is possible.

筋肉鍛錬装置は、例えば関節の伸展あるいは屈曲方向への運動をするに伴い、拮抗筋に対する電気的刺激の強さを徐々に強くするように(例えば印加電圧を徐々に高めるように)、または部位の角度毎にあらかじめ決められている、拮抗筋に対し好適な筋収縮が得られる強さの電気的刺激を与えるように変化させる。このように電気的刺激の強さを徐々に強くすることや部位の角度に合わせて電気的刺激の強さを制御することで、使用者は、例えばチューブ運動のように運動抵抗が徐々に増加するような自然な感覚が得られる。   The muscle training device, for example, gradually increases the strength of the electrical stimulation to the antagonist muscles (for example, gradually increases the applied voltage) or the part as the joint moves or moves in the bending direction. The angle is changed so as to give an electrical stimulus having a strength that provides a suitable muscle contraction to the antagonistic muscle, which is predetermined for each angle. In this way, by gradually increasing the strength of the electrical stimulation and controlling the strength of the electrical stimulation according to the angle of the part, the user gradually increases the exercise resistance, such as tube exercise A natural feeling is obtained.

また、運動初期には運動時の主動筋の収縮力(例えば最大収縮力)より十分に小さい収縮力を拮抗筋に生じさせるので、主動筋による自発運動が拮抗筋の収縮による運動抵抗に対抗できないで停止してしまう状況も避けることができる。これにより、運動初期に小さな屈伸を繰り返すギクシャクとした不安定な運動を起こして目的の運動ができなくなることや、筋肉を痛めてしまうことを防止することができ、安定した状態で運動を開始できる。なお、運動に伴い変化する関節の角度の情報を元に、拮抗筋に対して与える電気的刺激の強さを制御(調節)するので、電圧の立ち上がり時間を短く設定しても、使用者は急な筋収縮感を感じにくく、これにより運動の安定に寄与することができる。   In addition, since the antagonistic muscle generates a contraction force sufficiently smaller than the contraction force (for example, the maximum contraction force) of the main muscle during exercise in the initial stage of exercise, the spontaneous movement by the main muscle cannot resist the exercise resistance due to the contraction of the antagonist muscle. You can also avoid the situation where you stop. As a result, it is possible to prevent the target exercise from becoming impossible due to the jerky and unstable movement that repeats small bending and stretching at the beginning of the exercise, and to prevent the muscles from being damaged, and the exercise can be started in a stable state. . In addition, since the strength of the electrical stimulation given to the antagonistic muscle is controlled (adjusted) based on the information on the joint angle that changes with exercise, the user can set the voltage rise time short. It is difficult to feel a sudden muscle contraction, thereby contributing to the stability of the exercise.

モニターを備えて、コンピュータに、使用者が行う運動の模範的な動きをするモデルの映像を前記モニターに表示し、使用者の運動に伴い角度検出手段により取得される情報を元に前記モデルの動きに対する評価を演算し、該評価を前記モニターに表示するプログラムを備えた筋肉鍛錬装置は、使用者は運動中にモニターに表示されている評価をみて、自分の運動をモデルの動きに合わせるように修正することができる。これにより、無駄がなく正確で、より効果的な運動を行うことができる。また、モデルの理想的な運動により近い運動を行うようにすることにより、評価も上がるので、例えばリハビリテーションのための運動をゲーム感覚で楽しく行うことができ、使用者が運動に対するモチベーションを維持しやすい。   A monitor is provided on the computer, and an image of a model that exhibits a typical movement of the movement performed by the user is displayed on the monitor, and the model of the model is based on information acquired by the angle detection means according to the movement of the user. A muscle training device having a program for calculating an evaluation of movement and displaying the evaluation on the monitor so that the user observes the evaluation displayed on the monitor during exercise and adjusts his movement to the movement of the model. Can be corrected. Thereby, it is possible to perform a more effective exercise with no waste and accuracy. In addition, since the evaluation is improved by performing an exercise closer to the ideal exercise of the model, for example, the exercise for rehabilitation can be performed happily like a game, and the user can easily maintain the motivation for the exercise. .

モニターを備えて、コンピュータに、使用者の運動に伴い角度検出手段により取得される情報を元に使用者の動きを演算し、該動きをモデルの映像として前記モニターに表示するプログラムを備えた筋肉鍛錬装置は、使用者はモニターに表示されるモデルの動きを自分の動きとして認識しながら運動することができる。これにより、使用者が仮に不自然でぎこちない運動をしている場合でも、使用者が自分自身で自然でスムーズな動きとなるように修正することが可能になる。   A muscle having a monitor, and a computer having a program for calculating a user's movement based on information acquired by the angle detection means according to the user's movement and displaying the movement on the monitor as a model image The training device allows the user to exercise while recognizing the movement of the model displayed on the monitor as his / her movement. Thereby, even when the user is performing an unnatural and awkward exercise, the user can correct the movement so that the user can move naturally and smoothly.

前述のとおり、高すぎる刺激電圧も運動が不安定になる原因となる。刺激電圧設定時には、刺激電圧に対して耐えられたとしても、運動時に刺激電圧により筋収縮が起こった際に、主動筋の筋力(収縮力)が拮抗筋の電気的刺激による筋力(収縮力)より下回ることがある。特に、下肢(脚部大腿部)の運動においては起こりやすい。   As described above, an excessively high stimulation voltage causes unstable movement. When the stimulation voltage is set, even if it can withstand the stimulation voltage, when muscle contraction occurs due to the stimulation voltage during exercise, the muscle strength (contraction force) of the main muscle is the muscle strength (contraction force) due to the electrical stimulation of the antagonistic muscle. May be lower. In particular, it tends to occur in the movement of the lower limb (leg thigh).

この現象は、多くの場合、刺激電圧を弱めることで解消することができる。そこで、コンピュータに、使用者の運動に不安定な動き(例えば微小な屈伸の繰り返し)が発生したときに、該動きを角度検出手段により取得される情報を元に感知し、電気的刺激部による電気的刺激の強さを弱めるか、または電気的刺激を止めるプログラムを備えることにより、例えば自動的に最大印加電圧を20%減少させる等の仕組み(セーフモード)を取り入れることができ、これにより、不安定な動きを止めることができる。なお、セーフモードは、休憩に入ると自動的に解除されるようにしてもよいし、運動中、任意に解除できるようにしてもよい。   In many cases, this phenomenon can be eliminated by weakening the stimulation voltage. Therefore, when an unstable movement (for example, repeated slight bending and stretching) occurs in the user's movement in the computer, the movement is detected based on the information acquired by the angle detection means, and the electric stimulation unit By providing a program that reduces the intensity of electrical stimulation or stops electrical stimulation, a mechanism (safe mode) such as automatically reducing the maximum applied voltage by 20% can be incorporated. Stable movement can be stopped. The safe mode may be automatically canceled when a break is entered, or may be arbitrarily canceled during exercise.

本発明によれば、例えば関節の伸展あるいは屈曲方向への運動をするに伴い、拮抗筋に対する電気的刺激の強さを徐々に強くするように、または部位の角度毎にあらかじめ決められており拮抗筋に対し好適な筋収縮が得られる強さの電気的刺激を与えるように変化させ、電気的刺激の強さを徐々に強くすることや、部位の角度に合わせて電気的刺激の強さを制御することで、使用者は運動抵抗が徐々に増加するような自然な感覚が得られる。
また、運動初期には運動時の主動筋の収縮力より十分に小さい収縮力を拮抗筋に生じさせるので、主動筋による自発運動が拮抗筋の収縮による運動抵抗に対抗できないで負けてしまう状況も避けることができる。これにより、運動初期に小さな屈伸を繰り返すギクシャクとした不安定な運動を起こして目的の運動ができなくなることや、筋肉を痛めてしまうことを防止することができ、安定した状態で運動を開始できる。
さらに、運動に伴い変化する関節の角度の情報を元に、拮抗筋に対して与える電気的刺激の強さを制御(調節)することにより、電圧の立ち上がり時間を短く設定しても、使用者は急な筋収縮感を感じにくく、これにより運動の安定に寄与することができる。
したがって、使用者の運動が不自然になることや使用者が運動に違和感を覚えることを防止でき、運動の安全性をより高めることができるとともに、円滑な運動が可能で運動効果の向上も期待できる。
According to the present invention, for example, with the movement of the joint in the extension or bending direction, the strength of the electrical stimulation to the antagonist muscle is gradually increased, or is determined in advance for each part angle. Change the intensity of the electrical stimulation to give a suitable muscle contraction to the muscle, gradually increase the intensity of the electrical stimulation, or adjust the strength of the electrical stimulation according to the angle of the part. By controlling, the user can get a natural feeling that the motor resistance gradually increases.
In addition, since the antagonistic muscle generates a contraction force sufficiently smaller than the contraction force of the main muscle during exercise in the initial stage of exercise, there are situations where the spontaneous movement by the main muscle loses without being able to counter the motor resistance due to the contraction of the antagonist muscle. Can be avoided. As a result, it is possible to prevent the target exercise from becoming impossible due to the jerky and unstable movement that repeats small bending and stretching at the beginning of the exercise, and to prevent the muscles from being damaged, and the exercise can be started in a stable state. .
Furthermore, even if the rise time of the voltage is set short by controlling (adjusting) the strength of the electrical stimulation applied to the antagonistic muscle based on information on the joint angle that changes with exercise, the user Can hardly feel a sudden muscle contraction, which can contribute to the stability of exercise.
Therefore, it is possible to prevent the user's movement from becoming unnatural and the user from feeling uncomfortable with the movement, to improve the safety of the movement, and to enable smooth movement and to improve the movement effect. it can.

本発明の実施の形態を図面に基づき更に詳細に説明する。
図1は本発明に係る筋肉鍛錬装置の概略説明図、
図2は角度検出具の装着状態を示す説明図である。
Embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a muscle training device according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing a mounting state of the angle detector.

筋肉鍛錬装置Aは、例えば手関節(手指)、肘関節、膝関節、足関節または体幹等の伸展または屈曲する関節の運動を行うことにより、手関節の運動では前腕部の筋肉(長・短橈側手根伸筋と橈側手根屈筋、尺側手根伸筋と尺側手根屈筋等)、肘関節の運動では上腕部の筋肉(上腕二頭筋、上腕三頭筋等)、膝関節の運動では大腿部の筋肉(大腿四頭筋、大腿二頭筋、半腱様筋、半膜様筋等)、足関節の運動では下腿部の筋肉(前脛骨筋、長母指伸筋、長指伸筋、腓腹筋、ヒラメ筋等)、体幹部の運動では腹、背、体側部の筋肉(腹直筋、脊柱起立筋、左右の内腹斜筋、外腹斜筋等)のトレーニングを行うことができるものである。   The muscle training device A performs, for example, a wrist joint (finger), an elbow joint, a knee joint, an ankle joint, a trunk joint, and other joints that extend or bend. (Minor lateral and extensor carpal flexors, ulnar carpal extensors and ulnar carpal flexors, etc.), elbow joint exercise, upper arm muscles (biceps, triceps, etc.), knee For joint movement, the thigh muscles (quadriceps, biceps, half-tendonoid, half-membranous muscle, etc.), and for the ankle movement, the lower leg muscles (anterior tibial muscle, long thumb) Extensors, long finger extensors, gastrocnemius, soleus, etc., for trunk exercises, abdominal, dorsal, and lateral muscles (stratus abdominal muscle, spine standing muscle, left and right internal oblique muscles, external oblique muscles, etc.) It is something that can be trained.

図1を主に参照する。
筋肉鍛錬装置Aは、筋肉に電気的な刺激を与える電極部10、11(電気的刺激部を構成)を備え、上肢(腕部)と下肢(脚部)に装着可能な装具1と、運動により変化する関節の角度を検出する角度検出具2と、電極部10、11に電気を供給する電気供給部を構成するコントローラ3と、コントローラ3を制御するコンピュータ4により構成されている。
Reference is mainly made to FIG.
The muscle training device A includes electrode units 10 and 11 (which constitute an electrical stimulation unit) that apply electrical stimulation to muscles, and includes a brace 1 that can be worn on an upper limb (arm) and a lower limb (leg), and exercise. The angle detector 2 detects the angle of the joint that changes due to the above, a controller 3 that constitutes an electricity supply unit that supplies electricity to the electrode units 10 and 11, and a computer 4 that controls the controller 3.

(装具1)
装具1については、ここでは上肢に装着する装具を例にとり説明する。装具1は、柔軟性及び伸縮性を有する材料を基材として形成されており、上腕部に密着した状態で装着したときに筒状になる展開可能なベルト状(または帯状)である。なお、装具1を形成する材料としては、例えばジャージー(伸縮性のある厚地のメリヤス地)やスポンジゴム、不織布等があげられ、これらを単独で、または複合して使用することができる。
(Appliance 1)
The brace 1 will be described here by taking the brace worn on the upper limb as an example. The brace 1 is formed of a material having flexibility and stretchability as a base material, and has a deployable belt shape (or belt shape) that becomes a cylindrical shape when attached in a state of being in close contact with the upper arm portion. Examples of the material for forming the brace 1 include jersey (a stretchy thick knitted fabric), sponge rubber, non-woven fabric, and the like, and these can be used alone or in combination.

装具1の内面側には、使用者の皮膚に接触して運動時に拮抗筋となる筋肉に対し制御された電圧を印加して電気的刺激を与える電極部10、11が設けられている。電極部10、11は、それぞれ筋のモーターポイント(筋肉を電気的刺激するとき、最も効率よく筋肉を収縮させることができる点)に設けられ、通電性ゲルにより皮膚に密着させるようになっている。電極部10は、装具1を装着したときに上腕二頭筋と対応し、電極部11は上腕三頭筋に対応する位置に設けられている。   On the inner surface side of the brace 1, there are provided electrode portions 10 and 11 for applying electrical stimulation by applying a controlled voltage to muscles that are antagonistic muscles during exercise while in contact with the user's skin. Each of the electrode portions 10 and 11 is provided at a muscle motor point (a point at which the muscle can be contracted most efficiently when the muscle is electrically stimulated), and is brought into close contact with the skin by a conductive gel. . The electrode portion 10 corresponds to the biceps brachii when the appliance 1 is worn, and the electrode portion 11 is provided at a position corresponding to the triceps surae.

電極部10、11は、それぞれコントローラ3の給電部30と給電用のケーブル32(図1に図示、図2では図示省略)でつながっている。
なお、装具は前記ベルト状の装具1に限定されるものではなく、例えば上半身に装着することができる上着状のもの(上肢用)、あるいは下半身に装着することができる下穿き状のもの(下肢用)等、他の構造のものでもよい。
The electrode units 10 and 11 are connected to the power supply unit 30 of the controller 3 by a power supply cable 32 (shown in FIG. 1 and not shown in FIG. 2).
Note that the brace is not limited to the belt-like brace 1. For example, a bracelet that can be worn on the upper body (for upper limbs), or a lower-bore-shaped brace that can be worn on the lower body (lower limbs). Etc.) and other structures may be used.

(角度検出具2)
図2を主に参照する。
角度検出手段である角度検出具2は、エンコーダ20と、上腕用装着具21及び前腕用装着具22で構成されている。本実施の形態で採用しているエンコーダ20は、ワイヤ23の引き出し量で対象物の移動距離を計測する機能を有するリニアエンコーダであるが、同様の機能を有していれば他の構造のエンコーダを採用することもできる。なお、エンコーダ20を含む角度検出具2は、後述するように関節の屈曲角度そのものを検出するものではなく、コンピュータ4で関節の屈曲角度を演算するための情報を得るものである。
(Angle detector 2)
Reference is mainly made to FIG.
The angle detection tool 2 that is an angle detection means includes an encoder 20, an upper arm attachment tool 21, and a forearm attachment tool 22. The encoder 20 employed in the present embodiment is a linear encoder having a function of measuring the moving distance of the object by the amount of the wire 23 drawn, but an encoder having another structure has a similar function. Can also be adopted. Note that the angle detector 2 including the encoder 20 does not detect the joint bending angle itself as described later, but obtains information for calculating the joint bending angle by the computer 4.

エンコーダ20は、上腕用装着具21の外面側に取り付けられており、コントローラ3とデータ送信用のケーブル33でつながっている。上腕用装着具21はベルト状に形成され、上腕部に装着された前記装具1の上から適宜位置に巻着することができる。また、前腕用装着具22もベルト状に形成され、前腕部の適宜位置に巻着することができる。エンコーダ20から引き出されるワイヤ23の先端部は、前腕用装着具22の適宜位置に取着できるようになっている。   The encoder 20 is attached to the outer surface side of the upper arm attachment 21 and is connected to the controller 3 by a data transmission cable 33. The upper arm wearing tool 21 is formed in a belt shape, and can be wound around the brace 1 mounted on the upper arm portion at an appropriate position. The forearm wearing tool 22 is also formed in a belt shape and can be wound around the forearm at an appropriate position. The distal end portion of the wire 23 drawn out from the encoder 20 can be attached to an appropriate position of the forearm mounting tool 22.

エンコーダ20は、上腕用装着具21及び前腕用装着具22を使用者の腕に取付けた状態で肘関節の伸展または屈曲運動を行うと、その運動に伴って出入りするワイヤ23の出入り量を正逆方向に検出する。なお、この情報は、後述するようにコントローラ3によってカウントされ、このカウント値がコンピュータ4へ送られる。コンピュータ4は、この情報(カウント値)を基に肘関節の角度をリアルタイムで演算し、その角度に対しあらかじめ決められた印加電圧等の各種制御情報をコントローラ3へ送る。   When the upper arm wearing tool 21 and the forearm wearing tool 22 are attached to the user's arm and the elbow joint is extended or bent, the encoder 20 corrects the amount of the wire 23 that goes in and out with the movement. Detect in the reverse direction. This information is counted by the controller 3 as will be described later, and this count value is sent to the computer 4. The computer 4 calculates the angle of the elbow joint in real time based on this information (count value), and sends various control information such as an applied voltage predetermined for the angle to the controller 3.

エンコーダ20を使用した制御には、筋肉に対し電圧を印加する(電気的刺激を与える)タイミングを遅らせる(タイミングをずらす)という意味での、いわゆる「あそび」が設けられている。仮に、使用者が運動を開始して直ちに拮抗筋に対し電気的刺激を与えて拮抗筋を収縮させれば、運動が不安定になりやすい。また、関節の屈曲あるいは伸展方向へ運動する速度が低下あるいはごく短時間停止した場合、これを運動停止とみなして電気的刺激を与えなくすることも、運動を不安定にさせる原因となる。   The control using the encoder 20 is provided with so-called “play” in the sense of delaying the timing of applying a voltage (applying electrical stimulation) to the muscle (shifting the timing). If the user starts exercise and immediately applies electrical stimulation to the antagonist muscles to contract the antagonist muscles, the exercise tends to become unstable. In addition, when the speed of movement in the direction of bending or extension of the joint is reduced or stopped for a very short time, it is considered that this is regarded as a stop of motion, and the electric stimulus is not applied, which causes the motion to become unstable.

この対策として、運動開始時におけるエンコーダの微少な動きを運動とみなさないようにすることや、電圧を印加するときに最大電圧に達するまでに、例えば0.2秒かけるようにして電圧を瞬間的には上昇させないようにした。運動中におけるエンコーダのごく短時間の停止あるいは微小な動きを、運動の停止とみなさないようにして、それらの間においては電気的刺激を続けるようにした。また、肘関節・膝関節・体幹の各部位での運動に最適なエンコーダのあそびを設定することで、使用者によって異なる運動能力への対応を行いやすくすることができる。   As countermeasures, the slight movement of the encoder at the start of movement is not regarded as movement, and the voltage is instantaneously applied by, for example, 0.2 seconds before reaching the maximum voltage when applying the voltage. I tried not to raise it. A very short stop or minute movement of the encoder during movement is not regarded as a stop of movement, and electrical stimulation is continued between them. In addition, by setting the play of the encoder that is optimal for exercise at each part of the elbow joint, knee joint, and trunk, it is possible to easily cope with different exercise ability depending on the user.

(コントローラ3)
コントローラ3は、装具1に備えられている電極部10、11に電気を供給するための(刺激電圧を印加するための)給電部30(後述する図3に図示)を備えている。また、コントローラ3は、コンピュータ4と情報のやり取りを行うための通信部31を備えている。コントローラ3は、角度検出具2のエンコーダ20からの情報を基にカウントしたカウント値をコンピュータ4へ送る。また、コンピュータ4から送られる制御情報を取得して、この情報を基に、運動時の関節の屈曲角度に適した電圧をリアルタイムで電極部10、11に印加する。
(Controller 3)
The controller 3 includes a power feeding unit 30 (shown in FIG. 3 to be described later) for supplying electricity to the electrode units 10 and 11 provided in the appliance 1 (for applying a stimulation voltage). In addition, the controller 3 includes a communication unit 31 for exchanging information with the computer 4. The controller 3 sends the count value counted based on the information from the encoder 20 of the angle detector 2 to the computer 4. Moreover, the control information sent from the computer 4 is acquired, and a voltage suitable for the bending angle of the joint during exercise is applied to the electrode units 10 and 11 in real time based on this information.

(コンピュータ4)
コンピュータ4は、演算装置や記憶装置等を備えて構成されている汎用のノートパソコン(ノート型パーソナルコンピュータ)である。コンピュータ4には、表示装置であるモニター40が付属しており、コントローラ3と情報のやり取りを行うための通信部41を備えている。
コンピュータ4は、コントローラ3と無線による情報のやり取りが可能なように組まれている。なお、情報のやり取りは無線に限定されるものではなく、通信ケーブルを使用して有線で組んでもよい。さらにLAN(Local Area Network)、インターネットを利用して外部コンピュータとの間でデータ交換することも可能である。
(Computer 4)
The computer 4 is a general-purpose notebook computer (notebook personal computer) configured to include an arithmetic device, a storage device, and the like. The computer 4 includes a monitor 40 that is a display device, and includes a communication unit 41 for exchanging information with the controller 3.
The computer 4 is assembled so that information can be exchanged wirelessly with the controller 3. Note that the exchange of information is not limited to wireless communication, and may be wired using a communication cable. Furthermore, it is possible to exchange data with an external computer using a LAN (Local Area Network) or the Internet.

なお、コンピュータ4の記憶装置(符号省略)には、(a)コントローラ3から送られる情報(カウント値)を基に、使用者の運動に伴い変化する関節の角度(関節の屈曲角度等)を演算するプログラム、(b)部位の角度毎にあらかじめ決められており拮抗筋に対し好適な筋収縮が得られる強さの電気的刺激を与えるようコントローラ3を制御するプログラム、(c)演算された部位の角度の情報を基にモデルの映像(バーチャル映像)をつくり、モニター40に表示するプログラム、(d)運動の模範的な動きをするモデルの映像をつくり、モニター40に表示するプログラム、(e)モデルの模範的な動きに対する使用者の運動の評価を演算し、この評価をグラフ等としてモニター40に表示するプログラム等の各種プログラムが記憶されている。   The storage device (not shown) of the computer 4 stores (a) the joint angle (joint bending angle, etc.) that changes with the user's movement based on the information (count value) sent from the controller 3. A calculation program, (b) a program for controlling the controller 3 so as to give an electrical stimulation of a strength that is determined in advance for each angle of the region and that provides a suitable muscle contraction to the antagonist muscle, and (c) is calculated A program for creating a model image (virtual image) based on the information on the angle of the part and displaying it on the monitor 40, (d) a program for creating a model image showing an exemplary movement and displaying it on the monitor 40, ( e) Various programs such as a program for calculating an evaluation of the user's movement with respect to an exemplary movement of the model and displaying the evaluation as a graph on the monitor 40 are stored. It has been.

モニター40に表示されるバーチャル映像には、モデルの表示が異なるいくつかのモードが設定されている。例えば、画面上部に模範的な動きをするモデル42が表示され、画面下部に使用者の動きをサンプリングして動くモデル43が表示されるモード(図6参照)の他、模範的な動きをするモデル42を様々な方向から見ることができるモード、使用者の動きと同期して動くモデル43を様々な方向から見ることができるモード等である。   In the virtual image displayed on the monitor 40, several modes with different model displays are set. For example, in addition to a mode (see FIG. 6) in which a model 42 that performs an exemplary movement is displayed at the top of the screen and a model 43 that samples and moves the user is displayed at the bottom of the screen (see FIG. 6), the model 42 performs an exemplary movement. These include a mode in which the model 42 can be viewed from various directions, and a mode in which the model 43 that moves in synchronization with the movement of the user can be viewed from various directions.

また、模範的運動のデータをあらかじめ設定し、このデータとリアルタイムで比較することにより、使用者の運動の評価を行うことができる。画面中段部の右側に表示される角度評価グラフ44は、運動に伴う関節の屈曲角度の変化によって画面上のグラフの長さと色が変わるものである。グラフは、関節の屈曲角度が大きくなるにつれ長くなり、小さくなるにつれ短くなる。なお、模範の動きをするモデル42の動きに対し関節の屈曲角度が十分でないと(曲げ方が不十分だと)グラフが赤色で表示され、十分であれば青色で表示される。   Further, by setting exemplary exercise data in advance and comparing the data with this data in real time, the user's exercise can be evaluated. The angle evaluation graph 44 displayed on the right side of the middle stage of the screen changes the length and color of the graph on the screen according to the change in the bending angle of the joint accompanying the movement. The graph becomes longer as the bending angle of the joint becomes larger and becomes shorter as it becomes smaller. Note that the graph is displayed in red if the bending angle of the joint is not sufficient for the movement of the model 42 that performs the model movement (if the bending method is insufficient), and if it is sufficient, the graph is displayed in blue.

さらに、画面下部に表示される運動評価グラフ45は、模範の動きにどれだけ近い運動ができたかを評価するグラフ(上段)と、運動を規定のどこまで達成できたかを評価するグラフ(下段)で構成されている。使用者は、このような評価グラフ44、45をモニター40の画面で見ながら動きを補正することを意識して運動を行うことにより、理想的な動きに近付けることができると共に運動の評価を上げることができるので、ゲーム感覚で楽しく運動することができ、モチベーションを維持しやすくなる。   Furthermore, the exercise evaluation graph 45 displayed at the bottom of the screen is a graph (upper row) that evaluates how close the exercise is to the model movement, and a graph (lower row) that evaluates how much the exercise can be achieved. It is configured. The user can move closer to the ideal movement and increase the evaluation of the exercise by exercising with the intention of correcting the movement while viewing the evaluation graphs 44 and 45 on the screen of the monitor 40. It is possible to enjoy exercising like a game and to maintain motivation.

(作用)
図3は運動時における関節角度の検出から電気的刺激までのフローチャート、
図4は運動時における電気的刺激の制御を示すフローチャート、
図5は肘関節を伸展または屈曲運動する際の刺激電圧の制御を表すグラフ、
図6は運動時にモニターに表示される画面を示す説明図である。
図1ないし図6を参照して、肘関節の屈曲運動及び伸展運動を例にとり、本実施の形態に係る筋肉鍛錬装置Aの作用をコンピュータ4による制御の説明(図3、図4参照)を含めて説明する。
(Function)
FIG. 3 is a flowchart from joint angle detection to electrical stimulation during exercise.
FIG. 4 is a flowchart showing control of electrical stimulation during exercise,
FIG. 5 is a graph showing the control of the stimulation voltage when the elbow joint is extended or bent,
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a screen displayed on the monitor during exercise.
With reference to FIG. 1 to FIG. 6, taking an example of flexion movement and extension movement of the elbow joint, an explanation of the control of the muscle training device A according to the present embodiment by the computer 4 (see FIG. 3 and FIG. 4). Including.

まず、装具1を使用者M(訓練者)の左右の腕の上腕部にそれぞれ装着する(図1、図2では、便宜上、左腕に装着した状態のみを示している)。
装具1は、電極部10が上腕二頭筋と対応し、電極部11が上腕三頭筋に対応するようにして装着する。なお、例えばリハビリテーションなどを運動の目的とする場合は、リハビリテーションを行う側の腕のみに装着することもできる。
First, the brace 1 is worn on the upper arms of the left and right arms of the user M (trainer) (FIGS. 1 and 2 show only the state worn on the left arm for convenience).
The brace 1 is worn so that the electrode portion 10 corresponds to the biceps brachii muscle and the electrode portion 11 corresponds to the triceps brachii muscle. For example, when the purpose of exercise is rehabilitation, it can be worn only on the arm on the side where rehabilitation is performed.

次に、角度検出具2を使用者の両方の腕にそれぞれ取り付ける。エンコーダ20が取り付けられた上腕用装着具21は上腕部の所要箇所に、前腕用装着具22を前腕部の所要箇所にそれぞれ巻き付けて取り付ける。このとき、上腕用装着具21のエンコーダ20及び前腕用装着具22のワイヤ取着部は腕の後面側に位置させる。そして、エンコーダ20からワイヤ23を引き出し、その先端部を前腕用装着具22に取着する(図2参照)。   Next, the angle detector 2 is attached to both arms of the user. The upper arm attachment device 21 to which the encoder 20 is attached is attached to the required portion of the upper arm portion by winding the forearm attachment device 22 around the required portion of the forearm portion. At this time, the encoder 20 of the upper arm attachment tool 21 and the wire attachment portion of the forearm attachment tool 22 are positioned on the rear side of the arm. Then, the wire 23 is pulled out from the encoder 20, and the tip portion is attached to the forearm mounting tool 22 (see FIG. 2).

このセット状態で肘関節の伸展または屈曲運動を行うと、肘関節の角度の変化に伴ってエンコーダ20のワイヤ23は出入りして引き出し量が正逆方向に変化する。このワイヤ23の引き出し量の変化は、後述するようにコントローラ3によってカウントされ、関節角度を演算するための情報としてコンピュータ4へ送られる。   When the elbow joint is extended or bent in this set state, the wire 23 of the encoder 20 moves in and out with the change in the angle of the elbow joint, and the pull-out amount changes in the forward and reverse directions. As will be described later, the change in the drawing amount of the wire 23 is counted by the controller 3 and sent to the computer 4 as information for calculating the joint angle.

また、肘関節の運動中に電極部10、11に印加される電圧(肘関節の屈曲角度毎の電圧)や運動スタート時の電圧印加のタイミングを遅らせる時間(あそび)は、あらかじめ使用者毎に設定されており、コンピュータ4に記憶されているプログラムに組み込まれている。以下にその設定例を示すが、これは一使用者に対応した一例であり限定されるものではない。なお、上腕部の鍛錬用(肘関節の運動)の設定例の後に続いて、大腿部の鍛錬用(膝関節の運動)の設定例、下腿部の鍛錬用(足関節の運動)の設定例及び体幹部の鍛錬用の設定例を示している。   In addition, the voltage applied to the electrode units 10 and 11 during the elbow joint movement (voltage for each bending angle of the elbow joint) and the time for delaying the timing of voltage application at the start of the exercise (play) are determined in advance for each user. It is set and incorporated in the program stored in the computer 4. Although the example of a setting is shown below, this is an example corresponding to one user and is not limited. Following the setting example for upper arm training (elbow movement), setting example for thigh training (knee movement), lower leg training (ankle movement) A setting example and a setting example for training the trunk are shown.

(a)上腕部の鍛錬(肘関節の運動)
運動方向:伸展→屈曲
(拮抗筋となる上腕三頭筋の電圧設定)
・肘関節角度0度以下:
出力電圧=設定電圧×0.8
・肘関節角度0度より大きく30度以下:
出力電圧=設定電圧×(0.8+0.2×sin(2×π×(肘関節角度÷360)))
・肘関節角度30度より大きく50度以下:
出力電圧=設定電圧×(0.9+((肘関節角度−30)÷200))
・肘関節角度50度より大きく85度以下:
出力電圧=設定電圧
・肘関節角度85度より大きい:
出力電圧=設定電圧×(1.0−((肘関節角度−85)÷175))
(A) Upper arm training (movement of the elbow joint)
Direction of movement: Extension → Flexion (Voltage setting for triceps, which is an antagonistic muscle)
・ Elbow joint angle 0 degrees or less:
Output voltage = set voltage x 0.8
・ Elbow joint angle greater than 0 degrees and less than 30 degrees:
Output voltage = set voltage x (0.8 + 0.2 x sin (2 x pi x (elbow joint angle ÷ 360)))
・ Elbow joint angle greater than 30 degrees and less than 50 degrees:
Output voltage = Setting voltage x (0.9 + ((Elbow joint angle-30) / 200))
・ Elbow joint angle greater than 50 degrees and less than 85 degrees:
Output voltage = set voltage-Elbow joint angle greater than 85 degrees:
Output voltage = Setting voltage x (1.0-((Elbow joint angle -85) ÷ 175))

運動方向:屈曲→伸展
(拮抗筋となる上腕二頭筋の電圧設定)
・肘関節角度0度以下:
出力電圧=設定電圧×0.9
・肘関節角度0度より大きく20度以下:
出力電圧=設定電圧×(1.0−((20−肘関節角度)÷200))
・肘関節角度20度より大きく60度以下:
出力電圧=設定電圧
・肘関節角度60度より大きく75度以下:
出力電圧=設定電圧×(0.9+((75−肘関節角度)÷150))
・肘関節角度75度より大きく90度以下:
出力電圧=設定電圧×(0.8+0.2×sin(2×π×(2×(90−肘関節角度)÷360)))
・肘関節角度90度より大きい:
出力電圧=設定電圧×0.8
Movement direction: Bending → Extension (Voltage setting for biceps as antagonist)
・ Elbow joint angle 0 degrees or less:
Output voltage = set voltage x 0.9
・ Elbow joint angle greater than 0 degrees and less than 20 degrees:
Output voltage = set voltage x (1.0-((20-elbow joint angle) ÷ 200))
・ Elbow joint angle greater than 20 degrees and less than 60 degrees:
Output voltage = set voltage-Elbow joint angle greater than 60 degrees and less than 75 degrees:
Output voltage = set voltage x (0.9 + ((75-elbow joint angle) / 150))
・ Elbow joint angle greater than 75 degrees and less than 90 degrees:
Output voltage = set voltage x (0.8 + 0.2 x sin (2 x pi x (2 x (90-elbow joint angle) ÷ 360)))
-Elbow joint angle greater than 90 degrees:
Output voltage = set voltage x 0.8

(b)大腿部の鍛錬(膝関節の運動)
運動方向:伸展→屈曲
(拮抗筋となる大腿四頭筋、大腿内・外側広筋の電圧設定)
・膝関節角度0度以下:
出力電圧=設定電圧×(1.0−((−膝関節角度)÷100))
・膝関節角度0度より大きく30度未満:
出力電圧=設定電圧
・膝関節角度30度以上50度未満:
出力電圧=設定電圧×(0.9+((50−膝関節角度)÷200))
・膝関節角度50度以上80度未満:
出力電圧=設定電圧×(0.8+0.2×sin(2×π×((80−膝関節角度)÷360)))
・膝関節角度80度以上:
出力電圧=設定電圧×0.8
(B) Thigh training (knee joint exercise)
Direction of movement: Extension → Flexion (Voltage setting for quadriceps, internal and lateral vastus muscles that are antagonistic muscles)
・ Knee joint angle 0 degrees or less:
Output voltage = Setting voltage x (1.0-((-Knee joint angle) ÷ 100))
-Knee joint angle greater than 0 degrees and less than 30 degrees:
Output voltage = Setting voltage ・ Knee joint angle 30 degrees or more and less than 50 degrees:
Output voltage = set voltage x (0.9 + ((50-knee joint angle) ÷ 200))
・ Knee joint angle 50 degrees or more and less than 80 degrees:
Output voltage = set voltage x (0.8 + 0.2 x sin (2 x pi x ((80-knee joint angle) ÷ 360)))
・ Knee joint angle 80 degrees or more:
Output voltage = set voltage x 0.8

運動方向:屈曲→伸展
(拮抗筋となるハムストリングスの電圧設定)
・膝関節角度5度未満:
出力電圧=設定電圧×(1.0−((5−膝関節角度)÷125))
・膝関節角度5度以上40度未満:
出力電圧=設定電圧
・膝関節角度40度以上60度未満:
出力電圧=設定電圧×(0.9+((60−膝関節角度)÷200))
・膝関節角度60度以上80度未満:
出力電圧=設定電圧×(0.8+0.2×sin(2×π×((90−膝関節角度÷360)))
・膝関節角度90度以上:
出力電圧=設定電圧×0.8
Movement direction: Flexion → Extension (hamstrings voltage setting as antagonistic muscle)
-Knee joint angle less than 5 degrees:
Output voltage = Setting voltage x (1.0-((5-Knee joint angle) / 125))
・ Knee joint angle 5 degrees or more and less than 40 degrees:
Output voltage = Setting voltage ・ Knee joint angle 40 degrees or more and less than 60 degrees:
Output voltage = set voltage x (0.9 + ((60-knee joint angle) ÷ 200))
・ Knee joint angle 60 degrees or more and less than 80 degrees:
Output voltage = set voltage x (0.8 + 0.2 x sin (2 x pi x ((90-knee joint angle ÷ 360)))
・ Knee joint angle 90 degrees or more:
Output voltage = set voltage x 0.8

(c)下腿部の鍛錬(足関節の運動)
運動方向:背屈→底屈
(拮抗筋となる前脛骨筋、長母趾伸筋の電圧設定)
上腕鍛錬の上腕三頭筋の設定に同じ
運動方向:底屈→背屈
(拮抗筋となる内・外側腓腹直筋の電圧設定)
上腕鍛錬の上腕二頭筋の設定に同じ
(C) Lower leg training (ankle joint exercise)
Movement direction: dorsiflexion → plantar flexion (voltage setting for anterior tibialis anterior muscle, longus extensor muscle)
Same as triceps setting for upper arm training Movement direction: plantar flexion → dorsiflexion (voltage setting for the internal and lateral rectus calf muscles that are antagonistic muscles)
Same as biceps setting for upper arm training

(d)体幹部の鍛錬(体幹の前後屈・左右側屈の運動)
出力電圧=設定電圧
(D) Training of the trunk (exercise of trunk flexion and lateral flexion)
Output voltage = set voltage

使用者M毎に前記のような刺激電圧の設定を行った後、使用者Mが運動を開始する。
本実施例の肘関節の運動において、腕部を伸展した状態から屈曲する運動を行う場合(運動方向が伸展→屈曲)、腕部を伸展した状態が初期状態である。このとき、電極部10、11に電気は供給されていない。
After setting the stimulation voltage as described above for each user M, the user M starts exercise.
In the movement of the elbow joint according to the present embodiment, when the arm is bent from the extended state (the movement direction is extended → bent), the extended state of the arm is the initial state. At this time, electricity is not supplied to the electrode portions 10 and 11.

図3、図4を主に参照する。
(1)使用者Mが初期状態から前腕部を動かして肘関節が屈曲し始めると、エンコーダ20のワイヤ23が引き出され、これによってコントローラ3のカウンタ部34で引き出し量がカウントされ、そのカウント値が情報として無線でコンピュータ4へ送られる。
3 and 4 will be mainly referred to.
(1) When the user M moves the forearm from the initial state and the elbow joint begins to bend, the wire 23 of the encoder 20 is pulled out, whereby the counter unit 34 of the controller 3 counts the pull-out amount. Is sent as information to the computer 4 wirelessly.

(2)コンピュータ4で取得されたカウント値は、各エンコーダ20毎に分割され、各エンコーダ20に対応したカウント値を基に、演算部46にて関節角度、運動方向、エンコーダの部位が演算される。運動方向の演算結果から運動状態の確認及び評価が行われる(運動の評価については後述)。また、運動方向とエンコーダの部位の演算結果から刺激部位が決定される。 (2) The count value acquired by the computer 4 is divided for each encoder 20, and based on the count value corresponding to each encoder 20, the calculation unit 46 calculates the joint angle, the movement direction, and the encoder part. The The movement state is confirmed and evaluated from the calculation result of the movement direction (movement evaluation will be described later). Further, the stimulation part is determined from the calculation result of the movement direction and the encoder part.

(3)前記運動状態の確認は、運動状態が適切であれば、カウント値を1ループ前(コンピュータで取得された直近)の値と比較して行う。なお、関節の微小な屈伸運動がおこなわれる等、運動状態が適切でない場合、セーフモード(最大印加電圧を20%減少させるモード)に切り替わる(図4、ステップS1)。
カウント値の変化量が設定値より小さければ電気的刺激を行わない。また、カウント値の変化量が設定値より大きければ運動の方向を判別して電気的刺激を行う部位(本実施例では上腕三頭筋)が決定され、さらに前記設定値を基に各関節角度毎の刺激電圧及び立ち上がり時間(前記設定例では省略)が決定される(図4、ステップS2)。
(3) If the exercise state is appropriate, the exercise state is confirmed by comparing the count value with the value one loop before (the latest acquired by the computer). In addition, when a motion state is not appropriate, for example, a minute bending / extending motion of the joint is performed, the mode is switched to a safe mode (a mode in which the maximum applied voltage is reduced by 20%) (FIG. 4, step S1).
If the change amount of the count value is smaller than the set value, electrical stimulation is not performed. Further, if the amount of change in the count value is larger than the set value, a region for performing electrical stimulation by determining the direction of movement (the triceps surae) is determined, and each joint angle is determined based on the set value. Each stimulation voltage and rise time (omitted in the setting example) are determined (FIG. 4, step S2).

(4)また、前記運動状態の評価は、関節角度の演算値を、模範としてあらかじめ設定された値(理想値)と比較して行われる(図4、ステップS3)。この評価は、モニター40の画面に角度評価グラフ44及び運動評価グラフ45として表示される。また、使用者の動きを表すモデル43の映像も関節角度の演算値を基にリアルタイムで演算してつくられ、モニター40の画面に表示される(図6参照)。なお、模範的な動きをするモデル42の動きは、前記理想値を基につくられている。 (4) Further, the evaluation of the motion state is performed by comparing the calculated value of the joint angle with a value (ideal value) set in advance as an example (FIG. 4, step S3). This evaluation is displayed on the screen of the monitor 40 as an angle evaluation graph 44 and an exercise evaluation graph 45. In addition, an image of the model 43 representing the user's movement is also calculated in real time based on the calculated value of the joint angle and displayed on the screen of the monitor 40 (see FIG. 6). Note that the movement of the model 42 that performs an exemplary movement is made based on the ideal value.

このように、モニター40に前記バーチャル映像を表示することにより、使用者は運動課題の評価、達成状況を視覚的に確認することができ、運動が適切に行なわれていたのかどうか等を使用者にフィードバックすることが可能となる。すなわち、双方向性の情報交換が可能なバーチャルリアリティー機器としての特徴を持っている。さらに、運動に娯楽性を与え、達成感を感じることができるようにすることにより、運動に対するモチベーションの維持または向上が期待できる。   In this way, by displaying the virtual image on the monitor 40, the user can visually check the evaluation and achievement status of the exercise task, and whether or not the exercise has been appropriately performed, etc. It is possible to provide feedback. That is, it has a feature as a virtual reality device capable of bidirectional information exchange. Furthermore, it is possible to expect to maintain or improve motivation for exercise by providing entertainment to the exercise and feeling a sense of accomplishment.

さらに、使用者は自身が十分な屈伸運動を行っているかどうかを視覚的に確認しながら運動できるばかりでなく、モニター40に表示される映像を参考にして運動後も運動の自己評価を行うことができる。本装置では、エンコーダ20の情報を伸縮方向だけでなく、関節角度として取得できるので、使用者の屈伸状態が把握でき、その情報をモニター40の画面上にフィードバックすることができる。   Furthermore, the user not only can exercise while visually confirming whether he / she is performing sufficient bending / extension exercise, but also performs self-evaluation of the exercise after exercise with reference to the image displayed on the monitor 40. Can do. In this apparatus, since the information of the encoder 20 can be acquired not only as the expansion / contraction direction but also as the joint angle, the user's bending / stretching state can be grasped, and the information can be fed back on the screen of the monitor 40.

また、画面の両側に、グラフバーが関節角度に応じて伸縮し、色調も変化する角度評価グラフ44を表示させることで、現在の屈伸状態が十分であるかどうかが容易に把握できるようにしてあり、運動評価グラフ45では運動の達成率等も表示することで、使用者に対し十分な屈伸運動を促すことができる。なお、使用者が音によっても状態が把握できるように、十分な屈伸ができた場合とできなかった場合、それぞれ異なるチャイムを鳴らすようにしてもよい。   In addition, by displaying an angle evaluation graph 44 in which the graph bar expands and contracts according to the joint angle and the color tone changes on both sides of the screen, it is possible to easily grasp whether the current bending state is sufficient. Yes, the exercise evaluation graph 45 also displays the achievement rate of the exercise, etc., and thereby can encourage the user to bend and extend sufficiently. It should be noted that different chimes may be sounded when the user is able to bend and stretch enough so that the user can grasp the state by sound.

また、これらの関節運動の記録や運動状態の記録は、印加電圧とともに記録される仕組みも取り入れられており、運動後に参照可能であり、運動状態の詳細な評価が可能となっている。これらの仕組みにより、使用者は自身が十分な屈伸運動を行っているかどうかを視覚的に確認しながら運動できるとともに、運動後にも運動状態の評価を行うことができる。   Moreover, the recording of these joint movements and the recording of the movement state incorporates a mechanism that is recorded together with the applied voltage, and can be referred to after the movement, thereby enabling detailed evaluation of the movement state. With these mechanisms, the user can exercise while visually confirming whether or not he / she is sufficiently bending / extending, and can also evaluate the exercise state after the exercise.

(5)刺激電圧と刺激部位が決定されると、その制御命令がコントローラ3へ無線で送られ、給電部(電気的刺激発生ブロック)30から電極部11(伸展運動の場合は電極10)に対して制御された電圧が印加され、屈曲運動時の拮抗筋である上腕三頭筋に電気的刺激が与えられ、筋収縮が起こる。これにより、主動筋である上腕二頭筋の運動に対し、上腕三頭筋が筋収縮することによる運動抵抗を付与することができる。 (5) When the stimulation voltage and the stimulation site are determined, the control command is wirelessly sent to the controller 3, and the power supply unit (electric stimulation generation block) 30 to the electrode unit 11 (electrode 10 in the case of extension movement) On the other hand, a controlled voltage is applied, and electrical stimulation is applied to the triceps surae muscle, which is an antagonistic muscle during flexion movement, causing muscle contraction. Thereby, the exercise | movement resistance by a triceps triceps contracting can be provided with respect to the exercise | movement of the biceps, which are main muscles.

(6)前記腕の屈曲運動が運動終端までくると、折り返し逆方向の伸展運動を行う。運動終端では前記運動中の上腕三頭筋に対する電気的刺激が止まる。伸展運動を始めると、コントローラ3とコンピュータ4による前記とほぼ同様の制御(前記刺激電圧の設定値等は異なる)により、伸展運動の拮抗筋である上腕二頭筋に対する電気的刺激が行われる。 (6) When the bending movement of the arm reaches the end of the movement, the extension movement in the reverse direction is performed. At the end of exercise, electrical stimulation to the triceps muscle during exercise stops. When the extension exercise is started, electrical stimulation is performed on the biceps brachii muscle, which is an antagonistic muscle of the extension exercise, by the control similar to the above by the controller 3 and the computer 4 (the set value of the stimulation voltage is different).

図5を参照し、肘関節を伸展または屈曲運動する際の刺激電圧の制御の一例を説明する。
なお、この運動は左右交互に行う。つまり、一方の伸展運動時は、並行して他方の屈曲運動を行う。
With reference to FIG. 5, an example of stimulation voltage control when the elbow joint is extended or bent will be described.
This exercise is performed alternately on the left and right. That is, during one extension movement, the other bending movement is performed in parallel.

(運動方向:伸展→屈曲、拮抗筋:上腕三頭筋)
肘関節角度0度
↓ 運動初期に電圧印加のタイミングを遅らせる(あそび)。
↓ 印加電圧0V→25V
肘関節角度5度 ・・・印加電圧25V
↓ 関節角度毎の設定に基づき印加電圧を段階的に上昇させる。
↓ 印加電圧25V→31V
肘関節角度56度・・・印加電圧31V
↓ 最大値31Vで維持
肘関節角度86度・・・印加電圧31V
↓ 印加電圧を下降させる。
肘関節角度89度・・・印加電圧30V
↓ 印加電圧を急激に下降させる。
肘関節角度90度・・・印加電圧0V
肘関節運動を折り返して伸展運動に移る。
(運動方向:屈曲→伸展、拮抗筋:上腕二頭筋)
肘関節角度90度・・・印加電圧0V
↓ 印加電圧0V→20V
肘関節角度89度・・・印加電圧20V
↓ 関節角度毎の設定に基づき印加電圧を段階的に上昇させる。
↓ 印加電圧20V→25V
肘関節角度46度・・・印加電圧25V
↓ 最大値25Vで維持する。
肘関節角度2度 ・・・印加電圧25V
↓ 印加電圧を下降させる。
肘関節角度1度 ・・・印加電圧24V
↓ 印加電圧を急激に下降させる。
肘関節角度0度 ・・・印加電圧0V
肘関節運動を折り返して屈曲運動に移る。
(Exercise direction: extension → flexion, antagonistic muscle: triceps)
Elbow joint angle 0 degrees ↓ Delay the timing of voltage application at the beginning of exercise (play).
↓ Applied voltage 0V → 25V
Elbow joint angle 5 degrees ... Applied voltage 25V
↓ Increase the applied voltage step by step based on the setting for each joint angle.
↓ Applied voltage 25V → 31V
Elbow joint angle 56 degrees ... Applied voltage 31V
↓ Maintain at the maximum value of 31V Elbow joint angle 86 degrees ... Applied voltage 31V
↓ Decrease the applied voltage.
Elbow joint angle 89 degrees ... Applied voltage 30V
↓ Decrease the applied voltage rapidly.
Elbow joint angle 90 degrees ... Applied voltage 0V
Turn over the elbow joint movement and move on to the extension movement.
(Exercise direction: Flexion → Extension, Antagonist muscle: Biceps)
Elbow joint angle 90 degrees ... Applied voltage 0V
↓ Applied voltage 0V → 20V
Elbow joint angle 89 degrees ... Applied voltage 20V
↓ Increase the applied voltage step by step based on the setting for each joint angle.
↓ Applied voltage 20V → 25V
Elbow joint angle 46 degrees ... Applied voltage 25V
↓ Maintain at the maximum value of 25V.
Elbow joint angle 2 degrees ... Applied voltage 25V
↓ Decrease the applied voltage.
Elbow joint angle 1 degree ... Applied voltage 24V
↓ Decrease the applied voltage rapidly.
Elbow joint angle 0 degrees ... Applied voltage 0V
Turn the elbow joint motion back to flexion.

なお、本実施の形態に係る筋肉鍛錬装置Aでは、上腕部において拮抗筋となる筋肉にのみ電気を与えるという単純な構成のものを示したが、これに限定するものではなく、運動中に主動筋となる筋肉にも電気的刺激を与えることや、装具を複数箇所に設けることもできる。このようにすれば、関節以外の部位の複雑な運動に対応することも可能になる。
また、本実施例では電気的刺激の強さの制御を、印加する電圧の制御によって行うようにしたが、これに限定されるものではなく、電流の制御によって行うことも可能である。
Note that the muscle training device A according to the present embodiment has a simple configuration in which electricity is supplied only to muscles that are antagonistic muscles in the upper arm, but the invention is not limited to this, and the main movement during exercise is not limited to this. It is also possible to apply electrical stimulation to muscles to be muscles and to provide orthoses at a plurality of locations. In this way, it is possible to cope with complicated movements of parts other than the joints.
In this embodiment, the intensity of the electrical stimulation is controlled by controlling the voltage to be applied. However, the present invention is not limited to this, and can be performed by controlling the current.

本明細書で使用している用語と表現は、あくまで説明上のものであって限定的なものではなく、上記用語、表現と等価の用語、表現を除外するものではない。また、本発明は図示されている実施の形態に限定されるものではなく、技術思想の範囲内において種々の変形が可能である。   The terms and expressions used in the present specification are merely explanatory and not restrictive, and do not exclude terms and expressions equivalent to the above terms and expressions. The present invention is not limited to the illustrated embodiment, and various modifications can be made within the scope of the technical idea.

本発明に係る筋肉鍛錬装置の概略説明図。Schematic explanatory drawing of the muscle training apparatus which concerns on this invention. 角度検出器の装着状態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the mounting state of an angle detector. 運動時における関節角度の検出から電気的刺激までのフローチャート。The flowchart from the detection of the joint angle at the time of exercise to electrical stimulation. 運動時における電気的刺激の制御を示すフローチャート。The flowchart which shows control of the electrical stimulation at the time of exercise | movement. 肘関節を伸展または屈曲運動する際の刺激電圧の制御を表すグラフ。The graph showing the control of the stimulation voltage at the time of extending or bending the elbow joint. 運動時にモニターに表示される画面を示す説明図。Explanatory drawing which shows the screen displayed on a monitor at the time of exercise.

符号の説明Explanation of symbols

A 筋肉鍛錬装置
1 装具
10、11 電極部
2 角度検出具
20 エンコーダ
21 上腕用装着具
22 前腕用装着具
23 ワイヤ
3 コントローラ
30 給電部
31 通信部
32 ケーブル
33 ケーブル
34 カウンタ部
4 コンピュータ
40 モニター
41 通信部
42 モデル
43 モデル
44 角度評価グラフ
45 運動評価グラフ
46 演算部
A muscle training device 1 orthosis 10 and 11 electrode 2 angle detector 20 encoder 21 upper arm attachment 22 forearm attachment 23 wire 3 controller 30 power supply unit 31 communication unit 32 cable 33 cable 34 counter unit 4 computer 40 monitor 41 communication Unit 42 Model 43 Model 44 Angle evaluation graph 45 Motion evaluation graph 46 Calculation unit

Claims (6)

主動筋となる筋肉が収縮しているときに、拮抗筋となる筋肉に電気的刺激を与えて遠心性収縮を行わせる閉鎖性運動連鎖による関節を屈曲あるいは伸展する運動において、
運動に伴い変化する関節の角度の情報を元に、使用者が耐え得るあらかじめ決められた電気的刺激の強さの範囲内において、運動初期には拮抗筋に対し、運動時の主動筋の収縮力より十分に小さい収縮力を拮抗筋に生じさせる強さの電気的刺激を与え、運動終端へ向けて電気的刺激の強さを徐々に強くするか、または、運動終端へ向けて各関節の角度毎に、あらかじめ決められている、拮抗筋に対し好適な筋収縮が得られる強さの電気的刺激を与えるようにする、
筋肉の電気的刺激方法。
In a movement that flexes or extends a joint by a closed movement chain that applies electrical stimulation to the muscle that becomes the antagonistic muscle and performs centrifugal contraction when the muscle that becomes the main muscle is contracting,
Based on information on joint angles that change with exercise, within the predetermined range of electrical stimulation that the user can withstand, the muscles of the main muscle during exercise are contracted against antagonistic muscles at the beginning of exercise. Give the antagonistic muscle an electrical stimulus that produces a contraction force that is sufficiently smaller than the force, and gradually increase the strength of the electrical stimulus toward the end of exercise, or For each angle, an electrical stimulation of a strength that gives a suitable muscle contraction to the antagonistic muscle is determined in advance.
Electrical stimulation of muscles.
主動筋を収縮させて拮抗筋が伸張するときに、拮抗筋に電気的刺激を与えて収縮させることにより主動筋と拮抗筋を並行して鍛えることができる筋肉鍛錬装置であって、
筋肉に電気的刺激を与える電気的刺激部(10,11)を備えた装具(1)と、
伸展または屈曲運動をする関節の角度を検出する角度検出手段(2,20,21,22)と、
前記電気的刺激部(10,11)に電気を供給する電気供給部(3,30)と、
該電気供給部(3,30)を制御するコンピュータ(4)と、
を備えており、
前記コンピュータ(4)は、
角度検出手段(2,20,21,22)により検出された、運動に伴い変化する関節の角度を演算するための情報を元に、使用者が耐え得るあらかじめ決められた電気的刺激の強さの範囲内において、拮抗筋に対し、運動初期には電気的刺激部(10,11)によって運動時の主動筋の収縮力より十分に小さい収縮力を拮抗筋に生じさせる強さの電気的刺激を与え、運動終端へ向けて電気的刺激の強さを徐々に強くするよう制御するプログラムを備えている、
筋肉鍛錬装置。
A muscle training device that can train the main and antagonist muscles in parallel by applying electrical stimulation to the antagonist muscles when the antagonist muscles are stretched by contracting the main muscles,
An orthosis (1) having an electrical stimulation unit (10, 11) for applying electrical stimulation to muscles;
Angle detection means (2, 20, 21, 22) for detecting the angle of the joint that performs extension or bending movement;
An electricity supply unit (3, 30) for supplying electricity to the electrical stimulation unit (10, 11);
A computer (4) for controlling the electricity supply unit (3, 30);
With
The computer (4)
Based on the information for calculating the angle of the joint that changes with movement, detected by the angle detection means (2, 20, 21, 22), the strength of the predetermined electrical stimulus that the user can withstand Within the range of the above, for the antagonistic muscle, in the initial stage of exercise, the electrical stimulation part (10, 11) causes the antagonistic muscle to generate a contraction force sufficiently smaller than the contraction force of the main muscle during exercise. And a program that controls to gradually increase the intensity of electrical stimulation toward the end of exercise,
Muscle training device.
主動筋を収縮させて拮抗筋が伸張するときに、拮抗筋に電気的刺激を与えて収縮させることにより主動筋と拮抗筋を並行して鍛えることができる筋肉鍛錬装置であって、
筋肉に電気的刺激を与える電気的刺激部(10,11)を備えた装具(1)と、
伸展または屈曲運動をする関節の角度を検出する角度検出手段(2,20,21,22)と、
前記電気的刺激部(10,11)に電気を供給する電気供給部(3,30)と、
該電気供給部(3,30)を制御するコンピュータ(4)と、
を備えており、
前記コンピュータ(4)は、
角度検出手段(2,20,21,22)により検出された、運動に伴い変化する関節の角度を演算するための情報を元に、使用者が耐え得るあらかじめ決められた電気的刺激の強さの範囲内において、拮抗筋に対し、運動初期には電気的刺激部(10,11)によって運動時の主動筋の収縮力より十分に小さい収縮力を拮抗筋に生じさせる強さの電気的刺激を与え、運動終端へ向けて各関節の角度毎にあらかじめ決められている、拮抗筋に対し好適な筋収縮が得られる強さの電気的刺激を与えるよう制御するプログラムを備えている、
筋肉鍛錬装置。
A muscle training device that can train the main and antagonist muscles in parallel by applying electrical stimulation to the antagonist muscles when the antagonist muscles are stretched by contracting the main muscles,
An orthosis (1) having an electrical stimulation unit (10, 11) for applying electrical stimulation to muscles;
Angle detection means (2, 20, 21, 22) for detecting the angle of the joint that performs extension or bending movement;
An electricity supply unit (3, 30) for supplying electricity to the electrical stimulation unit (10, 11);
A computer (4) for controlling the electricity supply unit (3, 30);
With
The computer (4)
Based on the information for calculating the angle of the joint that changes with movement, detected by the angle detection means (2, 20, 21, 22), the strength of the predetermined electrical stimulus that the user can withstand Within the range of the above, for the antagonistic muscle, in the initial stage of exercise, the electrical stimulation part (10, 11) causes the antagonistic muscle to generate a contraction force sufficiently smaller than the contraction force of the main muscle during exercise. And a program for controlling the antagonistic muscle to give an electrical stimulus having a strength that can provide a suitable muscle contraction, which is predetermined for each joint angle toward the end of movement.
Muscle training device.
コンピュータ(4)に、使用者の運動に不安定な動きが発生したときに、該動きを角度検出手段により取得される情報を元に感知し、電気的刺激部(10,11)による電気的刺激の強さを弱めるか、または電気的刺激を止めるよう制御するプログラムを備えた、
請求項2または3のいずれかに記載の筋肉鍛錬装置。
When an unstable movement occurs in the movement of the user in the computer (4), the movement is sensed based on the information acquired by the angle detection means, and the electric stimulation unit (10, 11) With a program that controls to reduce the intensity of stimulation or to stop electrical stimulation,
The muscle training apparatus in any one of Claim 2 or 3.
モニター(40)を備えており、コンピュータ(4)に、使用者が行う運動の模範的な動きをするモデル(42)の映像を前記モニター(40)に表示し、使用者の運動に伴い角度検出手段(2,20,21,22)により取得される情報を元に前記モデル(42)の動きに対する評価を演算し、該評価を前記モニター(40)に表示するプログラムを備えた、
請求項2、3または4のいずれかに記載の筋肉鍛錬装置。
A monitor (40) is provided, and the computer (4) displays an image of the model (42) that performs an exemplary movement of the movement performed by the user on the monitor (40), and the angle according to the movement of the user. Based on information acquired by the detection means (2, 20, 21, 22), an evaluation for the movement of the model (42) is calculated, and a program for displaying the evaluation on the monitor (40) is provided.
The muscle training apparatus in any one of Claim 2, 3 or 4.
モニター(40)を備えており、コンピュータ(4)に、使用者の運動に伴い角度検出手段(2,20,21,22)により取得される情報を元に使用者の動きを演算し、該動きをモデル(43)の映像として前記モニター(40)に表示するプログラムを備えた、
請求項2、3、4または5のいずれかに記載の筋肉鍛錬装置。
A monitor (40) is provided, and the computer (4) calculates the movement of the user based on information acquired by the angle detection means (2, 20, 21, 22) along with the movement of the user, A program for displaying movement on the monitor (40) as an image of the model (43) is provided.
The muscle training device according to any one of claims 2, 3, 4, and 5.
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