JP2009225870A - トレーニング装置、及びトレーニング装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】運動者の個々の運動能力や身体的機能に適した負荷でトレーニングができるトレーニング装置を提供する。
【解決手段】負荷特性入力装置７が所望の速度−負荷特性の入力を運動者Ｅから受け付けると、その速度−負荷特性は負荷特性記憶装置８に記憶される。速度算出手段６から負荷特性記憶装置８へ入力された速度に応じて、速度−負荷特性によって負荷指令値が決定され、制御手段１へ送信される。制御手段１は、負荷指令値に応じたトルク指令値でサーボモータ２を回転運動させる。運動機構３が回転運動を直線運動に変えて可動部４を移動させる。これにより往復運動のトレーニングを行うことができる。また、位置検出センサ５が可動部４の位置を検出し、速度算出手段６が速度を算出して負荷特性記憶装置８へ入力する。これによって、速度に応じた負荷でフルコンセントリック運動を行うことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、運動者が筋力トレーニング（以下、単にトレーニングともいう。）を行うためのトレーニング装置等に関し、特に、電動モータの回転トルクによって運動者に負荷を与えてトレーニングを行わせるトレーニング装置及びトレーニング装置の制御方法に関する。

近年、健康志向の高まりなどにともなって、フィットネスジムなどでトレーニング装置を利用してトレーニングを行う人が増加している。また、国の施策として、高齢者が要介護者などにならないようにするための介護予防の観点から、健康維持や体力低下の防止のためにトレーニング装置によって筋肉トレーニングを行う高齢者が増えてきている。このようなトレーニング装置としては、例えば、脚の筋肉を鍛えるためのレッグプレスマシンや、胸や腕の筋肉を鍛えるためのチェストプレスマシンなどがある。また、このような用途に用いられるトレーニング装置としては、板おもり（金属製などの重量プレート）を用いて運動者に負荷を与える板おもり方式が主流であるが、この板おもり方式はきめ細かな負荷調整を行うことが困難なので、個々の運動者に対して適切な筋肉トレーニングを行わせることが難しい。そこで、近年では、電動モータのトルク力によって運動者に負荷を与えるモータ方式のトレーニング装置が普及し始めている。モータ方式のトレーニング装置は、電動モータをトルク制御することによって負荷の大きさをきめ細かに調整することができるので、運動者（特に、高齢者）は、安全で、楽しく、かつ効果的に筋肉トレーニングを行うことができる。

モータ方式のトレーニング装置としては、例えば、レッグプレスマシンの足先の板（以下、押圧板という。）の相対移動位置を検出して負荷の大きさを可変させるようにしたトレーニング装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、トレーニング装置でレッグプレスするときの運動者と押圧板との相対移動位置を検出して、あらかじめプログラムされている位置に対する負荷特性により、電動モータの負荷を制御している。これによって、レッグプレスの初動状態のときの初動負荷を最も大きくし、押圧板の相対移動とともに負荷をだんだん小さくして、終動状態のときの終動負荷を最も小さくすることができるので、運動者は適切な筋肉トレーニングを行うことができる。

また、レッグプレスマシンの押圧板の相対移動速度を検出して負荷の大きさを可変させるようにしたトレーニング装置も開示されている（例えば、特許文献２参照）。この技術によれば、トレーニング装置でレッグプレスするときの押圧板の相対移動速度を検出し、その相対移動速度の変化によって電動モータの負荷を可変制御している。これによって、レッグプレスするときの押圧板の相対的動きが遅くなったら徐々に負荷を軽減させるというように、運動者の疲労度に応じて負荷を軽減させることができるので、運動者に対して筋肉トレーニング継続の促進と目標運動量の達成を実現させることができる。

ところで、筋肉は、収縮する方向にしか力を出すことができないが、筋肉トレーニングとしては、コンセントリック運動とエキセントリック運動の２種類がある。コンセントリック運動とは、筋肉が縮みながら力を出す運動であって、例えば、レッグプレス運動では押圧板を押しながら膝を伸ばすトレーニングである。そのとき、大腿四頭筋（太ももの前面の筋肉群）は、縮みながら、収縮する方向に力を出している。また、エキセントリック運動とは、筋肉が伸ばされながら力を出す運動で、例えば、レッグプレス運動では、押圧板を押してはいるが、膝が曲がる方向に行うトレーニングのことである。そのとき、大腿四頭筋は、伸ばされながら、収縮する方向に力を出している。

一般的に、コンセントリック運動よりもエキセントリック運動の方が、筋肉の強化には有効であると言われている。なぜなら、コンセントリック運動よりもエキセントリック運動のほうが、運動による筋線維の損傷の度合いが大きく、損傷修復機転により筋肥大が得られやすいからである。

しかし、エキセントリック運動は（遅発性）筋肉痛の頻度が高い運動であり、プロのスポーツ選手などにとってはともかく、高齢者やリハビリテーションを行う病人やケガ人などにとっては、コンセントリック運動の方が適していると言われている。したがって、健康の維持や体力低下の防止のためのトレーニングとしては、エキセントリック運動よりもコンセントリック運動の方が好ましい。例えば、従来のレッグプレスマシンのような機器によるトレーニングであれば、膝を伸ばすときは押圧板を押し（つまり、レッグプレス運動を行い）、また、膝を曲げるときは押圧板を引くようにすれば（本明細書では、このようにレッグプレス運動と逆方向に力を加える運動を「リフトオフ運動」と呼ぶ。）、足先の往復運動のいずれにおいてもコンセントリック運動（本明細書では、往復の双方向ともにコンセントリック運動を行うことを「フルコンセントリック運動」と呼ぶ。）をしていることになり、好ましい。この場合、膝を曲げるときは、ハムストリングス（太ももの後面の筋肉群）によるコンセントリック運動をしていることになる。なお、板おもり方式のトレーニング装置では、フルコンセントリック運動を実現することができないが、モータ方式のトレーニング装置では、押圧板の運動方向によって負荷方向を変えることによりフルコンセントリック運動を実現させることができる。
特開２００１−２０４８５０号公報 特開２００５−２９６６７２号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、トレーニング装置でレッグプレスするときの押圧板の相対移動位置によって運動者に与える負荷の大きさを変えているので、運動者の座る位置や姿勢がある程度ずれると（例えば、日によって座る位置や姿勢がずれる場合、あるいは、運動中に座る位置や姿勢がずれる場合など）、適切な負荷を与えることができないという問題がある。

また、特許文献２の技術は、押圧板の相対移動速度によって負荷の大きさを可変させているので、運動者の疲労の程度などに応じて負荷を軽減させることはできるが、双方向に負荷を与えるフルコンセントリック運動を実現することはできないという問題がある。

そこで、本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、運動者の個々の運動能力や身体的機能に適した負荷で、安全かつ効果的にトレーニングができるようなトレーニング装置、及びトレーニング装置の制御方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、電動モータの回転トルクにより運動者に負荷を与えて筋力トレーニングを行わせるトレーニング装置であって、前記筋力トレーニングにおける運動の速度又は加速度を求める検出手段と、前記速度に対する負荷の特性である速度−負荷特性、又は前記加速度に対する負荷の特性である加速度−負荷特性を入力するための負荷特性入力装置と、前記速度−負荷特性、又は前記加速度−負荷特性を記憶する負荷特性記憶装置と、前記負荷特性記憶装置に記憶された前記速度−負荷特性、又は前記加速度−負荷特性からトルク指令値を算出し、そのトルク指令値に基づいて前記電動モータの回転トルクを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。その他の手段については後記する。

本発明によれば、運動者の個々の運動能力や身体的機能に適した負荷で、安全かつ効果的にトレーニングができるようなトレーニング装置、及びトレーニング装置の制御方法を提供することができる。

以下、本発明の各実施形態に係るトレーニング装置について、適宜図面を参照しながら説明する。

《第１の実施形態》
まず、理解を容易にするためにトレーニング装置の構造について説明する。図１は、本発明の各実施形態に係るトレーニング装置の構造図である。図１に示すように、トレーニング装置１０は、制御手段１、サーボモータ２、位置検出センサ５、速度算出手段６、イス２０１、押圧板２０２、レール２０３、ベルト２０４、滑車２０５及び固定部材２０６を備えて構成される。

制御手段１は、速度算出手段６から受信した速度情報（サーボモータ２の回転速度又はベルト２０４の直線移動速度）に基づいてサーボモータ２の駆動電流を発生する手段である。サーボモータ２は、制御手段１が生成した駆動電流によって回転駆動し、駆動電流の大きさに応じた回転トルクを発生させてベルト２０４に伝達して直線駆動力を与える。位置検出センサ５は、サーボモータ２の動き、又はベルト２０４の動きを検出することにより、押圧板２０２とイス２０１との相対位置を検出する手段であり、例えばエンコーダなどによって実現することができる。

イス２０１は、運動者Ｅがトレーニング中に座る手段であり、下部の一部がベルト２０４の一部に固定されている。このイス２０１は、ベルト２０４の移動と共にレール２０３の上を図の左右方向にスライドする。押圧板２０２は、トレーニングをする運動者Ｅが足先を固定部材２０６で固定して押圧する手段である。ベルト２０４は、サーボモータ２と滑車２０５に巻きつけられて、サーボモータ２の回転トルク力を直線駆動力に変換する手段である。

次に、図１に示すトレーニング装置の動作について概略的に説明する。イス２０１に座っている運動者Ｅが足先で押圧板２０２を押圧すると、サーボモータ２の回転トルクからベルト２０４に伝達された直線駆動力に抗して、運動者Ｅは、イス２０１とともに図の左方向に移動する（つまり、レッグプレス運動を行う）。また、運動者Ｅは、膝を曲げるようにして脚に力を入れると、固定部材２０６によって足先が押圧板２０２に固定されているので、運動者Ｅはイス２０１とともに図の右方向に移動する（つまり、リフトオフ運動を行う）。なお、ここでのトレーニングプログラムは、レッグプレス運動とリフトオフ運動の双方向の運動に関するものとなっているが、その他の運動形態のトレーニングプログラムを実現することもできる。また、サーボモータ２が時計回りに回転する方向、つまり、運動者Ｅがレッグプレスを行うときに与えられるべき負荷の方向を、負荷の正方向（順方向）とする。

一方、サーボモータ２は、制御手段１からの速度情報に基づいた駆動電流の大きさに応じて回転トルクを発生させ、ベルト２０４に駆動力を伝達してイス２０１とともに運動者Ｅを直線移動させることにより、押圧板２０２を介して運動者Ｅの脚に負荷を与える。このとき、位置検出センサ５が、ベルト２０４の直線移動位置又はサーボモータ２の回転位置を検出しているので、速度算出手段６が、所定の時間で移動した移動距離を時間で微分して速度を算出し、その速度情報を制御手段１へ送信している。これによって、制御手段１は速度情報に応じた駆動電流を発生させてサーボモータ２を回転駆動させている。

図２は、本発明の第１の実施形態に係るトレーニング装置のシステム構成図である。このシステム構成はサーボモータ２が運動者Ｅに与える負荷を制御するための制御ブロック線図として表わしている。また、図３の（ａ）は、図２のトレーニング装置に入力される速度−負荷特性の図であり、横軸に速度、縦軸に負荷を表わしている。この速度−負荷特性は速度に応じて負荷の大きさが変わる速度依存負荷特性を示している。

なお、速度とは、図１に示すサーボモータ２の回転速度又はベルト２０４の直線移動速度である。また、負荷とは、図１に示す押圧板２０２が運動者Ｅに与える負荷である。ここでは、速度−負荷特性を、速度と負荷とを各軸とする座標上に特性線として表した場合に、座標軸の原点を通り、速度が正の場合と負の場合とで負荷の向きが逆となり、かつ、原点付近で連続している（微分可能である）線（直線又は曲線又はその組み合わせ）、あるいは、原点付近での不連続さが軽微な線で表される負荷特性として設定することで、運動者Ｅは、運動方向が変わるときに強い衝撃を受けずに済み、スムーズにフルコンセントリック運動を行うことができる。なお、原点を挟んだ前後において、特性線の傾きが大きく変わるように設定したり、原点を挟んだ前後において、特性線の値が軽微ではない不連続となるように設定したりすることで、運動者Ｅに何らかの変化や衝撃を感じさせるように（与えるように）してもよい。つまり、運動の目的や用途に応じて、特性線を種々に設定することができる。ちなみに、図３の（ｂ）と（ｃ）は、速度−負荷特性の変形例を示す図である。

まず、図１及び図３（ａ）を適宜参照しながら、図２に示すトレーニング装置のシステム構成について説明する。このトレーニング装置のシステムは、制御手段１、サーボモータ２、運動機構３、可動部４、位置検出センサ５、速度算出手段６、負荷特性入力装置７、及び負荷特性記憶装置８を備えて構成されている。なお、制御手段１、速度算出手段６、負荷特性入力装置７、及び負荷特性記憶装置８（及び後記するコントロールユニット９）は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、入力手段（キーボード、マウスなど）、出力手段（ディスプレイ、スピーカなど）、通信インタフェースなどからなるコンピュータ装置の一部又は全部により実現することができる。

制御手段１は、図３（ａ）の速度−負荷特性からなる負荷指令値に基づいて駆動電流を発生させ、この駆動電流をトルク指令値としてサーボモータ２へ供給する手段である。サーボモータ（電動モータ）２は、トルク指令値（駆動電流）に応じた回転トルク力を発生させる手段である。運動機構３は、サーボモータ２の回転運動を直線運動に変換させる手段であって、図１に示すトレーニング装置１０のベルト２０４及び滑車２０５がそれに相当する。

可動部４は、運動機構３（ベルト２０４）が可動することによって押圧板２０２（図１参照）を介して運動者Ｅに負荷を与え、運動者Ｅに作用力を働かせる媒体であって、図１に示すトレーニング装置１０のレール２０３及びイス２０１がそれに相当する。位置検出センサ５は、サーボモータ２の回転位置又は運動機構３（ベルト２０４）の直線移動位置を検出する手段である。速度算出手段６は、位置検出センサ５が検出した位置の移動量（移動距離）を時間で微分して速度を算出する手段である。なお、請求項１の検出手段は、位置検出センサ５と速度算出手段６によって実現される。

負荷特性入力装置７は、運動者Ｅが、図３（ａ）に示すような速度−負荷特性を入力する手段である。このときの速度−負荷特性は、図３（ａ）に示すように、往路（すなわち、図１において運動者Ｅが右方向に移動するレッグプレス運動の方向）の速度に対する負荷の勾配と、復路（すなわち、図１において運動者Ｅが左方向に移動するリフトオフ運動の方向）の速度に対する負荷の勾配は異なっているが、運動者Ｅの運動能力等によってその勾配は任意に可変することができる。また、必要に応じて往路と復路の勾配を同じにすることもできる。なお、この速度−負荷特性は、負荷が運動者Ｅに向かうレッグプレス運動の方向を図３（ａ）の第１象限で表わし、負荷が運動者Ｅから遠ざかるリフトオフ運動の方向を図３（ａ）の第３象限で表わしている。また、負荷特性入力装置７から入力する速度−負荷特性は速度の１次関数の線形特性であってもよいし、運動者Ｅの運動能力に応じて図３の（ｂ）と（ｃ）に示すような速度のｎ次関数の非線形特性であってもよい。つまり、ｎを正数として、速度の１乗、２乗、３乗、１/２乗などの負荷特性にすることができる。

負荷特性記憶装置８は、運動者Ｅが負荷特性入力装置７から入力した図３（ａ）に示すような速度−負荷特性を、関数、マップ、テーブルなどの形式で、メモリに記憶しておき、この速度−負荷特性に基づいて、速度算出手段６から入力された速度に対する負荷の大きさを負荷指令値として制御手段１へ入力する。

すなわち、図２において、あらかじめ、図３（ａ）に示すような速度に対する負荷の特性（速度−負荷特性）を負荷特性入力装置７から入力すると、その速度−負荷特性は負荷特性記憶装置８に記憶される。したがって、運動者Ｅが負荷に抗した作用力を働かせるトレーニングを行うとき、位置検出センサ５が、レッグプレス運動及びリフトオフ運動による可動部４の移動位置を検出する。そして、速度算出手段６が可動部４の検出した位置の移動量を時間で微分して速度を算出して、この速度を負荷特性記憶装置８へ入力する。

これによって、運動者Ｅがあらかじめ入力して負荷特性記憶装置８に記憶されている速度−負荷特性を参照し、速度算出手段６から入力された速度に対応する負荷の値が負荷指令値として制御手段１へ入力される。例えば、速度算出手段６から負荷特性記憶装置８へ速度Ｖ_１が入力されると、負荷特性記憶装置８にあらかじめ記憶されている速度−負荷特性に基づいて負荷Ｌ_１の値が負荷指令値として制御手段１に入力される。

したがって、制御手段１は、負荷指令値（負荷Ｌ_１）に対応するトルク指令値（駆動電流）をサーボモータ２へ供給する。これによって、サーボモータ２は、負荷指令値として入力された負荷Ｌ_１に相当する回転トルクを発生させて運動機構３（図１のベルト２０４）へ伝達する。そして、運動機構３が、負荷Ｌ_１に相当する直線運動によって可動部４（図１のベルト２０４及びイス２０１）をレール２０３に沿って移動させる。

このようにして、イス２０１に座っている運動者Ｅは、サーボモータ２の回転運動から可動部４の直線運動に変換された運動エネルギーによって押圧板２０２に加えられる負荷Ｌ_１に抗する脚の筋肉トレーニングを行うことができる。

このような筋肉トレーニングの運動によって可動部４が移動すると、位置検出センサ５が可動部４の移動した位置（移動量）を検出する。そして、速度算出手段６が、可動部４の移動量を時間で微分して速度を算出し、この速度を負荷特性記憶装置８へ入力する。さらに、負荷特性記憶装置８が、速度−負荷特性から速度に対応する負荷の大きさを求め、この負荷の大きさを負荷指令値として制御手段１へ入力してサーボモータ２を回転駆動させる。このようにして、運動者Ｅは、負荷特性記憶装置８に入力された速度−負荷特性に基づいて往路のレッグプレス運動を行う。

また、復路についても、図３（ａ）の第３象限に示すような速度−負荷特性に基づいて、速度に応じた負荷を押圧板２０２から運動者Ｅの脚へ与えると、運動者Ｅは、押圧板２０２が遠ざかる方向の負荷に対応した作用力を脚に働かせてリフトオフ運動を行う。このようにして、図２に示す第１の実施形態のトレーニング装置ではフルコンセントリック運動を行うことができる。

なお、速度−負荷特性における負荷の勾配は、往路と復路で任意に変えることにより、個々の運動者に適したレッグプレス運動とリフトオフ運動を行って最適なフルコンセントリック運動を実現させることができる。また、運動者の運動能力によっては、往路と復路の勾配を同じにすることもできるし、速度−負荷特性を線形特性にすることもできるし非線形特性にすることもできる。

すなわち、図１に示す第１の実施形態のトレーニング装置は、運動者Ｅが、負荷特性入力装置７へ速度に対する負荷特性（速度−負荷特性）をあらかじめ入力することにより、その速度−負荷特性が負荷特性記憶装置８に記憶される。そして、制御手段１が、負荷特性記憶装置８に記憶された速度−負荷特性に応じてサーボモータ２の回転トルク力を制御し、運動機構３及び可動部４によって回転トルク力を直線駆動力に変換して運動者Ｅに負荷を与えることにより、運動者Ｅにコンセントリック運動を実現させることができる。また、位置検出センサ５によって可動部４の位置を検出し、さらに、速度算出手段６によって位置の移動量を時間で微分して速度を算出し、この速度情報を負荷特性記憶装置８へ入力することにより、速度に対する負荷特性に応じて運動者Ｅに最適なフルコンセントリック運動を行わせることができる。また、図３に示すような負荷特性によって運動者Ｅに負荷を与えるので、初動時の負荷が小さく、高齢者などの運動者Ｅに優しいトレーニングを実現できる。

なお、速度算出手段６の代わりに加速度算出手段を用いることもできる。この場合は、加速度算出手段が、位置検出センサ５の検出した位置の移動量を２度微分することによって加速度を求めて負荷特性記憶装置８へ入力する。このときは、図３（ａ）に示す速度−負荷特性の代わりに加速度−負荷特性が負荷特性記憶装置８に記憶されている。したがって、制御手段１は加速度−負荷特性に応じた負荷指令値に基づいてサーボモータ２へトルク指令値を与える。なお、加速度−負荷特性は、例えば、図３（ａ）に示す速度−負荷特性と比べて、縦軸を同じく負荷とし、横軸を加速度（速度の傾き（変化率））とした特性とすればよい。

また、往路のレッグプレス運動と復路のリフトオフ運動においてはサーボモータ２の回転方向が逆転するので、サーボモータ２が発電機となって逆転時の電気エネルギーが回生される。また、このときの電気エネルギーは図示しない充電装置に充電され、必要に応じてこの電気エネルギーによってトレーニング装置のディスプレイ等を駆動させることができる。

《第２の実施形態》
図４は、本発明の第２の実施形態に係るトレーニング装置のシステム構成図である。図４のシステム構成が図２のシステム構成と異なるところは、位置検出センサ５と速度算出手段６がなく、各種設定値を入力するためのコントロールユニット９が存在している点である。すなわち、このトレーニング装置のシステムは、制御手段１、サーボモータ２、運動機構３、可動部４、負荷特性入力装置７、負荷特性記憶装置８、及びコントロールユニット９を備えて構成されている。

また、図２のトレーニング装置のシステム構成では、運動者Ｅが自分で負荷特性入力装置７へ速度−負荷特性を入力したが、図４のトレーニング装置のシステム構成では、トレーナ（運動指導者）Ｔが運動者Ｅの自覚強度に応じてコントロールユニット９へ各種設定値を入力している。

図５は、図４のトレーニング装置へ入力される速度−負荷特性の図であり、横軸に速度、縦軸に負荷を表わしている。図５の速度−負荷特性は、第１象限の往路、第２象限の復路ともに、速度の変化に関わらず一定の負荷となる等張負荷特性（定トルク負荷特性）を示している。なお、この等張負荷特性は往路も復路も運動者Ｅに向かう方向の力が働くので、第１象限と第２象限で負荷特性が表われている。このような等張負荷特性は、板おもり方式のトレーニング装置によって実現できるものをモータ方式によって実現したものである。また、コントロールユニット９によって等張負荷を設定するものとしたが、コントロールユニット９が等張負荷の設定に必須の構成ということではなく、第１の実施形態の構成（図２参照）であっても負荷特性入力装置７を用いて等張負荷の設定を行うことができる。

次に、図５の速度−負荷特性を参照しながら、図４のトレーニング装置におけるシステムの動作を説明する。トレーナＴは、運動者Ｅのトレーニングの自覚強度とコントロールユニット９に表示される運動者Ｅに関する各種情報とに基づいて、コントロールユニット９へ図５に示すような等張負荷特性の値（一定レベルの負荷の値）を設定する。

すると、コントロールユニット９から図５に示すような等張負荷設定値の特性が入力されて負荷特性記憶装置８に記憶される。負荷特性記憶装置８は、その等張負荷設定値に対応した負荷指令値を制御手段１へ入力する。制御手段１は、その負荷指令値に対応したトルク指令値（駆動電流）をサーボモータ２へ供給する。これによって、サーボモータ２は、トルク指令値に相当する回転トルクを発生させて定トルク負荷制御を行う。

このようにして、イス２０１に座っている運動者Ｅは、サーボモータ２による定トルクの回転運動から可動部４の直線運動に変換された等張負荷の運動エネルギーによって押圧板２０２に加えられる負荷Ｌ_１に抗する脚の筋肉トレーニングを行うことができる。

このとき、往路のレッグプレス運動では運動者Ｅに向かう方向に負荷が働くのでコンセントリック運動が行われ、復路においても運動者Ｅに向かう方向に負荷が働くのでエキセントリック運動が行われる。すなわち、図４に示す第２の実施形態のレーニング装置ではコンセントリック−エキセントリック運動を行うことができる。

《第３の実施形態》
図６は、本発明の第３の実施形態に係るトレーニング装置のシステム構成図である。図６のシステム構成は、図２に示す第１の実施形態のシステム構成と図４に示す第２の実施形態のシステム構成がコンビネーションされたものである。このトレーニング装置のシステムは、制御手段１、サーボモータ２、運動機構３、可動部４、位置検出センサ５、速度算出手段６、負荷特性入力装置７、負荷特性記憶装置８、及びコントロールユニット９を備えて構成されている。

また、図７は、図６のトレーニング装置に入力される速度−負荷特性の図であり、横軸に速度、縦軸に負荷を表わしている。この速度−負荷特性は、座標軸の原点を挟んだ所定の速度の範囲内（図７では−Ｖ_３〜Ｖ_２の範囲内）では速度に応じて負荷の大きさが変わる速度依存負荷特性を示し、前記所定の速度の範囲外では速度の変化に関わらず一定の負荷となる等張負荷特性（定トルク負荷特性）を示している。

重複する説明を避けて、図６に示す第３の実施形態に係るトレーニング装置の動作を説明する。運動者Ｅが、あらかじめ、図７に示すような速度−負荷特性を負荷特性入力装置７に入力すると、その速度−負荷特性は負荷特性記憶装置８に記憶される。すなわち、このときの速度−負荷特性は、負荷特性入力装置７から入力された速度依存負荷特性とコントロールユニット９から設定された等張負荷特性とが加算されたものである。

図６において、運動者Ｅが、サーボモータ２で発生した負荷に抗して作用力を働かせるトレーニングを行うとき、位置検出センサ５が、レッグプレス運動及びリフトオフ運動による可動部４の移動位置を検出し、速度算出手段６が位置検出センサ５の検出した位置の移動量を時間で微分して速度を算出し、この速度を負荷特性記憶装置８へ入力する。

このとき、検出した速度が−Ｖ_３〜Ｖ_２の範囲内にあるときは、負荷特性記憶装置８は、自己のメモリに記憶されている速度依存負荷特性を参照し、速度算出手段６から入力された速度に対応する負荷の値を負荷指令値として制御手段１へ入力する。制御手段１は、入力された負荷指令値に対応するトルク指令値（駆動電流）をサーボモータ２へ供給する。サーボモータ２は、トルク指令値に相当する回転トルクを発生させて運動機構３へ伝達する。運動機構３は、トルク指令値に相当する直線運動によって可動部４を移動させる。

このようにして、イス２０１に座っている運動者Ｅは、所定の速度の範囲内（−Ｖ_３〜Ｖ_２）では、サーボモータ２の回転運動から可動部４の直線運動に変換された運動エネルギーによって押圧板２０２に加えられる負荷に抗する脚の筋肉トレーニングを行うことができる。

このような筋肉トレーニングの運動によって可動部４が移動すると、位置検出センサ５が可動部４の移動位置を検出する。そして、速度算出手段６が、可動部４の移動量を時間で微分して速度を算出し、この速度を負荷特性記憶装置８へ入力する。さらに、負荷特性記憶装置８が、速度−負荷特性から速度に対応する負荷の大きさを求め、この負荷の大きさを負荷指令値として制御手段１へ入力してサーボモータ２を回転駆動させる。このようにして、運動者Ｅは、負荷特性記憶装置８に入力された速度−負荷特性に基づいて往路のレッグプレス運動を行う。

また、復路についても、図７の第３象限に示すような速度−負荷特性に基づいて、速度に応じた負荷を押圧板２０２から運動者Ｅの脚へ与えると、運動者Ｅは、押圧板２０２が遠ざかる方向の負荷に対応した作用力を脚に働かせてリフトオフ運動を行う。

また、所定の速度（−Ｖ_３又はＶ_２）の範囲をはずれると、あらかじめコントロールユニット９から負荷特性記憶装置８へ等張負荷特性（定トルク負荷特性）が入力されて記憶されているので、制御手段１は、定トルク負荷制御によってサーボモータ２を一定トルクで回転させる。そして、サーボモータ２による一定トルクの回転運動は運動機構３から可動部４に伝達されて直線運動に変換され、運動者Ｅに負荷を与える。このようにして、図６に示す第３の実施形態のトレーニング装置ではコンセントリック−コンセントリック運動（フルコンセントリック運動）を行うことができる。

すなわち、図６に示す第３の実施形態のトレーニング装置のシステムは、所定の速度の範囲内では速度比例負荷制御を行い、所定の速度の範囲をはずれたところでは一定トルク負荷制御（等張負荷制御）を行うというハイブリッド制御によってフルコンセントリック運動を実現することができる。

なお、このような双方向負荷制御によって負荷方向反転時の安全性を確保することができ、トレーニング装置による安全な双方向運動を実現することが可能となる。また、前記した速度−負荷特性によって運動者Ｅによる通常運動時と疲労時の負荷を柔軟に変えることができるので、運動者Ｅの状況に応じた適切な負荷設定を行うことが可能となる。

《第４の実施形態》
図８は、本発明の第４の実施形態に係るトレーニング装置のシステム構成図である。図８のシステム構成は、図６に示す第３の実施形態のシステム構成とほぼ同じであるが、コントロールユニット９ａの機能のみが異なる。すなわち、図６の第３の実施形態ではコントロールユニット９が等張負荷設定を行う機能を有していたのに対し、図８ではコントロールユニット９ａは速度−負荷特性の勾配を可変する機能を有している。したがって、図６のトレーニング装置ではコントロールユニット９と符号を付したところを、図８のトレーニング装置ではコントロールユニット９ａと符号を付している。それ以外の構成は図６と同じであるので構成の重複説明は省略する。また、トレーニング運動の往路と復路のうち、代表して往路の場合について説明する。

図９は、図８のトレーニング装置に入力される速度−負荷特性の図であり、横軸に速度、縦軸に負荷を表わしている。まず、速度−負荷特性として、「（ａ）変更前」の負荷特性が与えられているものとする。ここでは、「（ａ）変更前」の負荷特性として、運動者Ｅにとっての理想的な運動速度の目安となる基準速度Ｖ_４と、理想的な負荷Ｌ_４とに対応する点Ｐ１（および原点）を通る直線が与えられている。

しかし、運動者Ｅが基準速度Ｖ_４で運動するとは限らず、疲労などにより実際には速度Ｖ_５で運動をしていたものとする。「（ａ）変更前」の負荷特性において、速度Ｖ_５のとき負荷はＬ_５となり、その座標はＰ２である。その場合、速度−負荷特性の勾配を小さくすることで運動者Ｅの運動速度の向上を図ることができるが、その勾配の変え方には、例えば、次の２通りの方法がある。

１つの方法は、サーボモータ２のトルクを一定に維持するように速度−負荷特性の勾配を小さくする方法である。具体的には、図９の「（ｂ）変更後＃１」の負荷特性に示すように、速度がＶ_４で負荷がＬ_５である点Ｐ３（および原点）を通る直線に、負荷特性を変更すればよい。

もう１つの方法は、仕事率（エネルギー）を一定に維持するように速度−負荷特性の勾配を小さくする方法である。具体的には、図９の「（ｃ）変更後＃２」の負荷特性に示すように、速度がＶ_４で負荷がＬ_６である点Ｐ４（および原点）を通る直線に、負荷特性を変更すればよい。この場合、運動者Ｅの仕事率である速度×負荷の値が一定になるようにするので、点Ｐ２に関する仕事率（Ｖ_５×Ｌ_５）と、点Ｐ４に関する仕事率（Ｖ_４×Ｌ_６）とが一定の値になるように、「（ｃ）変更後＃２」の負荷特性の直線の勾配を決定すればよい。

図８に示す第４の実施形態のトレーニング装置では、運動者Ｅが、負荷特性入力装置７へ変更前の速度−負荷特性（ａ）（「（ａ）変更前」）（図９参照）をあらかじめ入力することにより、その速度−負荷特性（ａ）が負荷特性記憶装置８に記憶される。そして、トレーニング時は、位置検出センサ５が可動部４の位置を検出し、さらに、速度算出手段６によって位置の移動量を時間で微分して速度を算出し、この速度情報を負荷特性記憶装置８へ入力する。その後、制御手段１が、この速度情報を用い、負荷特性記憶装置８に記憶された速度−負荷特性（ａ）に応じたトルク指令値に基づいてサーボモータ２の回転トルク力を制御し、運動機構３及び可動部４によって回転トルク力を直線駆動力に変換して運動者Ｅに負荷を与える。このように、速度算出と負荷付与を繰り返すことで、運動者Ｅに、速度に対する負荷特性に応じたフルコンセントリック運動を行わせることができる。

さらに、制御手段１は、運動者Ｅの運動速度が低下したことなどに対応して、速度−負荷特性を「（ｂ）変更後＃１」（図９参照）又は「（ｃ）変更後＃２」（図９参照）に自動的に変更することができる。なお、この変更は、徐々に行うのが好ましいが、ある程度早く行ってもよい。

これによって、制御手段１は、負荷特性記憶装置８に記憶された「（ｂ）変更後＃１」（図９参照）又は「（ｃ）変更後＃２」（図９参照）の負荷特性に応じたトルク指令値に基づいてサーボモータ２の回転トルクを制御し、運動機構３及び可動部４によって回転トルクを直線駆動力に変換して運動者Ｅに負荷を与えることにより、運動者Ｅにコンセントリック運動を実現させることができる。

このようにして、図８に示す第４の実施形態のトレーニング装置では、運動者Ｅの仕事率、又は、サーボモータ２のトルクが一定になるように、負荷を自動調整しながら適切なフルコンセントリック運動を実現させることができる。なお、このような仕事率あるいはトルクが一定のフルコンセントリック運動を行う場合などに、不整脈検出によってアラームを発したり緊急停止させたりするようなエマージェンシー機能をトレーニング装置に付加することもできる。すなわち、運動者Ｅの身体的状況に応じた適切な自動負荷調整や非常停止機能を持たせることにより、熟練トレーナの人手不足の問題を解消することができる。なお、速度−負荷特性は図９に示すような線形特性に限ることはなく、第１の実施形態で述べたような非線形特性にすることもできる。

《フルコンセントリック運動に関する考察》
上記の各実施形態で実現されるトレーニング装置によって効果的なフルコンセントリック運動が実現できる状態について、臨床の視点から考察する。図１０は、フルコンセントリック運動における脚の筋肉トレーニングの状態を示す概念図であり、（ａ）は往路のレッグプレス運動、（ｂ）は復路のリフトオフ運動を示している。

図１０（ａ）に示す往路では、矢印で示すように、負荷の方向が足先を押す方向に働き、その負荷に抗して脚を伸ばす方向にレッグプレス運動が行われる。このとき、下腿三頭筋２１、大腿四頭筋２２、及び大殿筋２３の筋肉トレーニングが行われる。

また、図１０（ｂ）に示す復路では、矢印で示すように、負荷の方向が脚を延ばす方向に働き、その負荷に抗して脚を縮める方向にリフトオフ運動が行われる。このとき、前脛骨筋２４、ハムストリング２５、及び腸腰筋２６の筋肉トレーニングが行われる。

このようなレッグプレス運動とリフトオフ運動によるフルコンセントリック運動によって各筋肉へのダメージが低減されるので、高齢者に対して身体に優しいトレーニングを行うことができる。さらには、レッグプレス運動とリフトオフ運動における筋力比率の定量把握を行うことによって、往路と復路の負荷の大きさやトレーニング回数を適切に設定することができる。

また、本実施形態のトレーニング装置によって、レッグプレス運動の反転運動であるリフトオフ運動を適切に行うことにより、高齢者にとって斬新かつ有用な運動モードを実現させることができる。さらには、筋肉トレーニングによって前脛骨筋２４を強化させることにより、つまずき防止や歩行能力向上の効果を呈することができる。また、腸腰筋２６を強化させることにより、もも上げ動作や歩行能力向上の効果を呈することができる。

さらに、本実施形態のトレーニング装置によって筋肉トレーニングを行えば、多数の筋群を同時に強化することができる。つまり、さまざまな運動形態における筋力トレーニングを１台のトレーニング装置で行うことができるので、トレーニングを短時間で効率的に行ったり、トレーニングジムなどにおいて機器の設備投資を節約したり機器の設置スペースを小さくしたりすることが可能となる。また、本実施形態のトレーニング装置によって、トレーニングの１サイクル中で主働筋と拮抗筋が交互に収縮するので、疲労（乳酸）を分散することができる。また、屈伸運動の往路と復路の負荷抵抗を独立して制御することができる。さらに、フルコンセントリック運動によって、筋肉痛などの負担がなく、身体に優しいトレーニングを行うことができる。また、本実施形態のトレーニング装置によって有酸素運動を行うことができるので、メタボリックシンドロームへの対策や心肺機能の強化を図ることができる。

なお、本実施形態のトレーニング装置は、レッグプレスマシンだけでなく、チェストプレスマシン、アームカールマシンなど、負荷により運動を行うトレーニング装置全般に適用することが可能である。具体的には、例えば、筋力トレーニングを行う運動者が座る椅子と、運動者が筋力トレーニングを行うときに手で握るバーと、椅子に座った運動者に腕の屈伸運動をさせるように電動モータの回転運動を直線運動に変換する運動機構と、を用いたトレーニング装置としてもよい。また、手で握るバーと足先で押圧する押圧板とを組み合わせ、椅子に座った運動者に脚と腕の屈伸運動をさせるように電動モータの回転運動を直線運動に変換する運動機構を使用したトレーニング装置としてもよい。その際、運動者が筋力トレーニングを行うときに脚と腕の屈伸運動の向きが逆となる運動機構とすることもできる。

また、図１のトレーニング装置では、押圧板が固定されイスが動くものとしたが、逆に、イスが固定され押圧板が動くものとしてもよい。さらに、図９では、速度−負荷特性を示す直線を変更する場合に、その勾配を小さくするものとしたが、運動者が手抜きをしていることなどを想定して、その勾配を大きくするように変更してもよい。その他、具体的な構成について、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

本発明の各実施形態に係るトレーニング装置の構造図である。 本発明の第１の実施形態に係るトレーニング装置のシステム構成図である。 （ａ）は図２のトレーニング装置に入力される速度−負荷特性の図であり、（ｂ）と（ｃ）は速度−負荷特性の変形例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るトレーニング装置のシステム構成図である。 図４のトレーニング装置へ入力される速度−負荷特性の図である。 本発明の第３の実施形態に係るトレーニング装置のシステム構成図である。 図６のトレーニング装置に入力される速度−負荷特性の図である。 本発明の第４の実施形態に係るトレーニング装置のシステム構成図である。 図８のトレーニング装置に入力される速度−負荷特性の図である。 フルコンセントリック運動における脚の筋肉トレーニングの状態を示す概念図であり、（ａ）は往路のレッグプレス運動、（ｂ）は復路のリフトオフ運動を示す。

符号の説明

１ 制御手段
２ サーボモータ
３ 運動機構
４ 可動部
５ 位置検出センサ
６ 速度算出手段
７ 負荷特性入力装置
８ 負荷特性記憶装置
９、９ａ コントロールユニット
１０ トレーニング装置
２０１ イス
２０２ 押圧板
２０３ レール
２０４ ベルト
２０５ 滑車
２０６ 固定部材

Claims (15)

1. 電動モータの回転トルクにより運動者に負荷を与えて筋力トレーニングを行わせるトレーニング装置であって、
   前記筋力トレーニングにおける運動の速度又は加速度を求める検出手段と、
   前記速度に対する負荷の特性である速度−負荷特性、又は前記加速度に対する負荷の特性である加速度−負荷特性を入力するための負荷特性入力装置と、
   前記速度−負荷特性、又は前記加速度−負荷特性を記憶する負荷特性記憶装置と、
   前記負荷特性記憶装置に記憶された前記速度−負荷特性、又は前記加速度−負荷特性からトルク指令値を算出し、そのトルク指令値に基づいて前記電動モータの回転トルクを制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とするトレーニング装置。
2. 前記電動モータが逆回転したときに発生する過電圧を抑止するためのエネルギー回生手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のトレーニング装置。
3. 前記エネルギー回生手段は、前記電動モータによって実現される発電機であることを特徴とする請求項２に記載のトレーニング装置。
4. 前記発電機が発生した電気エネルギーを蓄える充電装置を備えることを特徴とする請求項３に記載のトレーニング装置。
5. 前記充電装置に蓄えられた電気エネルギーによって駆動するディスプレイを備えることを特徴とする請求項４に記載のトレーニング装置。
6. 前記速度−負荷特性は、速度と負荷とを各軸とする座標上に特性線として表した場合に、座標軸の原点を通り、前記速度が正の場合と負の場合とで前記負荷の向きが逆となる負荷特性であり、
   前記制御手段は、当該負荷特性に基づいて前記電動モータの回転トルクを制御することで、双方向の前記筋力トレーニングの往路と復路で前記負荷の向きを変える
   ことを特徴とする請求項１に記載のトレーニング装置。
7. 前記速度−負荷特性は、ｎを任意の正数としたとき、負荷が速度の大きさのｎ乗に比例する負荷特性であり、
   前記制御手段は、当該負荷特性に基づいて前記電動モータの回転トルクを制御することを特徴とする請求項６に記載のトレーニング装置。
8. 前記速度−負荷特性は、速度の大きさが前記座標軸の原点を挟んだ所定の範囲内においては負荷が速度に比例する負荷特性であり、前記所定の範囲内をはずれた速度の領域では負荷が速度の変化に関わらず一定となる負荷特性であり、
   前記制御手段は、当該負荷特性に基づいて前記電動モータの回転トルクを制御することを特徴とする請求項６に記載のトレーニング装置。
9. 前記速度−負荷特性は、前記速度が変化したときに、負荷と速度との積で表わされる仕事率、又は、前記電動モータの回転トルクのいずれかが一定となるように変化し、
   前記制御手段は、当該負荷特性に基づいて前記電動モータの回転トルクを制御することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のトレーニング装置。
10. 前記速度−負荷特性は、前記座標上に特性線として表した場合に、理想的な運動速度の目安となる基準速度と理想的な負荷とに対応する点を通る線で示される負荷特性であり、
    前記制御手段は、当該負荷特性に基づいて前記電動モータの回転トルクを制御することを特徴とする請求項６に記載のトレーニング装置。
11. 前記筋力トレーニングを行う運動者が座る椅子と、
    前記運動者の足先を固定し、前記運動者が前記筋力トレーニングを行うときに足先で押圧する押圧板と、
    前記椅子に座った運動者に脚の屈伸運動をさせるように、前記電動モータの回転運動を直線運動に変換する運動機構と、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載のトレーニング装置。
12. 前記筋力トレーニングを行う運動者が座る椅子と、
    前記運動者が前記筋力トレーニングを行うときに手で握るバーと、
    前記椅子に座った運動者に腕の屈伸運動をさせるように、前記電動モータの回転運動を直線運動に変換する運動機構と、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載のトレーニング装置。
13. 前記筋力トレーニングを行う運動者が座る椅子と、
    前記運動者の足先を固定し、前記運動者が前記筋力トレーニングを行うときに足先で押圧する押圧板と、
    前記運動者が前記筋力トレーニングを行うときに手で握るバーと、
    前記椅子に座った運動者に脚と腕の屈伸運動をさせるように、前記電動モータの回転運動を直線運動に変換する運動機構と、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載のトレーニング装置。
14. 前記運動機構は、
    前記運動者が前記筋力トレーニングを行うときに脚と腕の屈伸運動の向きが逆となる機構であることを特徴とする請求項１３に記載のトレーニング装置。
15. 速度に対する負荷の特性である速度−負荷特性、又は加速度に対する負荷の特性である加速度−負荷特性に基づいて、電動モータの回転トルクにより運動者に負荷を与えて筋力トレーニングを行わせるトレーニング装置の制御方法であって、
    検出手段が、前記筋力トレーニングにおける運動の速度又は加速度を求めるステップと、
    制御手段が、前記求めた運動の速度又は加速度を用いて、前記速度−負荷特性、又は前記加速度−負荷特性からトルク指令値を算出し、そのトルク指令値に基づいて前記電動モータの回転トルクを制御するステップと、
    を実行することを特徴とするトレーニング装置の制御方法。

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