JP2010051604A - Muscle force measuring and training apparatus - Google Patents

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Nobuharu Nishino
信晴 西濃
Kenji Kadota
健志 門田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To allow a subject to safely perform muscle force measuring and/or training without imposing an excessive load on the subject by correctly imparting the intended load on the muscles of four limbs of the subject. <P>SOLUTION: Before starting the muscle force measuring and/or training, a self-weight support axial torque to be generated in a joint shaft by the self-weight of an upper or lower limb and the self-weight of a robot arm 12 is measured. Relation between the measured self-weight support axial torque and the angle of the joint shaft is recorded. The axial torque of the joint shaft is corrected in the muscle force measuring and/or training, based on the recorded relation between the self-weight support axial torque and the angle of the joint shaft. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、筋力測定及びトレーニング装置に関するものである。   The present invention relates to a muscle strength measurement and training apparatus.

従来、二関節アーム装置のような二関節リンク機構を利用した筋力測定したり筋力トレーニングをしたりするシステムや装置が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。これらのシステムや装置においては、被験者の拮（きっ）抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の筋出力を圧力センサによって測定している。そして、被験者の四肢において所定の複数方向に等尺的最大努力で力を発揮させ、これに基づいて六角形の出力分布特性図を作成し、機能別実行筋力を評価する。   2. Description of the Related Art Conventionally, systems and devices that measure muscle strength and perform muscle strength training using a two-joint link mechanism such as a two-joint arm device have been proposed (see, for example, Patent Documents 1 to 3). In these systems and devices, the muscle outputs of the subject's antagonistic anti-articular muscle group and antagonistic bi-articular muscle group are measured by a pressure sensor. Then, the force is exerted with a maximum isometric effort in a plurality of predetermined directions in the subject's limbs, and a hexagonal output distribution characteristic diagram is created based on this to evaluate the execution-specific muscle strength by function.

また、二関節リンク機構を駆動させるためのアクチュエータとして、人間を含む動物において腕を曲げるために機能する二関節筋のモデルを提案し、該モデルを使用して二関節リンク機構の動作制御に関する研究も行われている（例えば、非特許文献１参照。）。この研究では、二関節同時駆動源を備えた二関節リンク機構においてアーム先端部の力及び剛性を制御するためには、駆動源として、収縮方向に力を発揮する収縮要素と弾性要素とを有するアクチュエータのモデルを使用することが好適であるとされている。
特開２０００−２１０２７２号公報 特開２００７−６１１３７号公報 特開２００８−２９５６６号公報 藤川智彦、他３名、「拮抗筋群による協調制御機能」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、６３巻６０７号（１９９７−３）、ｐ．７６９−７７６、論文Ｎｏ．９６−１０４０ In addition, as an actuator to drive the bi-joint link mechanism, we proposed a model of bi-joint muscle that functions to bend the arm in animals including humans, and researched the motion control of the bi-joint link mechanism using the model. (For example, refer nonpatent literature 1). In this research, in order to control the force and stiffness of the arm tip in a two-joint link mechanism equipped with a two-joint simultaneous drive source, the drive source has a contraction element and an elastic element that exert a force in the contraction direction. It is preferred to use an actuator model.
JP 2000-210272 A JP 2007-61137 A JP 2008-29566 A Tomohiko Fujikawa and 3 others, “Cooperative control function by antagonistic muscle group”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (C), Vol. 63, No. 607 (1997-3), p. 769-776, paper no. 96-1040

しかしながら、前記従来の筋力測定及びトレーニング装置においては、被験者の四肢に装着したロボットアーム等の部材から四肢に負荷を与えて筋力の測定及びトレーニングを行うようになっている。そのため、装置が発生する負荷と、装置の可動部分の自重と、被験者の四肢の自重との合計が被験者の筋肉の負荷となる。したがって、装置の可動部分の自重と被験者の四肢の自重との影響を考慮しない限り、被験者の四肢に与える負荷を正確に制御することはできなかった。   However, in the conventional muscular strength measurement and training apparatus, the muscular strength is measured and trained by applying a load to the limb from a member such as a robot arm attached to the limb of the subject. Therefore, the total of the load generated by the device, the weight of the movable part of the device, and the weight of the subject's extremities is the load on the subject's muscles. Therefore, unless the influence of the weight of the movable part of the apparatus and the weight of the subject's limbs is taken into account, the load applied to the subject's limbs cannot be accurately controlled.

本発明は、前記従来の筋力測定及びトレーニング装置の問題点を解決して、筋力測定及び／又は筋力トレーニングを開始する前に、被験者の四肢の自重及びロボットアームの自重によって関節軸に発生する自重支持の軸トルクと関節軸の角度との関係とを記録し、記録された関係に基づいて、筋力測定及び／又は筋力トレーニングにおける軸トルクを補正することによって、被験者の四肢の筋に対して意図した負荷を正確に付与することができ、被験者に過度の負担をかけることがなく、安全に筋力測定及び／又は筋力トレーニングを行うことができる筋力測定及びトレーニング装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the problems of the conventional muscle strength measurement and training device, and before starting the muscle strength measurement and / or strength training, the weight of the subject's limbs and the weight of the robot arm caused by the weight of the robot arm. Record the relationship between the axial torque of the support and the angle of the joint axis, and correct the axial torque in the muscle strength measurement and / or strength training based on the recorded relationship to An object of the present invention is to provide a muscular strength measurement and training apparatus that can accurately apply the applied load and can safely perform muscular strength measurement and / or muscular strength training without imposing an excessive burden on the subject.

そのために、本発明の筋力測定及びトレーニング装置においては、被験者が着座するサドルと、前記被験者の上肢又は下肢の長さに調整可能なロボットアームと、該ロボットアームを前記被験者の上肢又は下肢に沿って固定する装着具と、前記ロボットアームの関節軸の軸トルクを制御する制御装置と、前記ロボットアームの関節軸の角度を測定する角度測定装置と、前記軸トルクを測定するトルク測定装置と、前記関節軸の軸トルク及び関節軸の角度を記録する記録装置とを有し、筋力測定及び／又は筋力トレーニングの開始前に、前記上肢又は下肢の自重及びロボットアームの自重によって前記関節軸に発生する自重支持の軸トルクを測定し、測定した自重支持の軸トルクと関節軸の角度との関係を記録し、記録された自重支持の軸トルクと関節軸の角度との関係に基づいて、筋力測定及び／又は筋力トレーニングのときに前記関節軸の軸トルクを補正する。   Therefore, in the muscle strength measurement and training apparatus of the present invention, a saddle on which a subject sits, a robot arm that can be adjusted to the length of the upper limb or lower limb of the subject, and the robot arm along the upper limb or lower limb of the subject. A mounting tool to be fixed, a control device for controlling the axial torque of the joint axis of the robot arm, an angle measuring device for measuring the angle of the joint axis of the robot arm, a torque measuring device for measuring the axial torque, And a recording device that records the axial torque of the joint axis and the angle of the joint axis, and is generated in the joint axis by the weight of the upper limb or the lower limb and the weight of the robot arm before the start of muscle strength measurement and / or strength training Measure the shaft torque of the weight support to be recorded, record the relationship between the measured shaft torque of the weight support and the angle of the joint shaft, and record the recorded shaft torque of the weight support And based on the relationship between the angle of the joint axis, to correct the axial torque of the joint axle when the muscle strength and / or strength training.

本発明の他の筋力測定及びトレーニング装置においては、さらに、前記自重支持の軸トルクは、前記関節軸の角度を変化させた複数の測定姿勢において測定される。   In another muscular strength measurement and training apparatus of the present invention, the shaft torque of the self-weight support is measured in a plurality of measurement postures in which the angle of the joint shaft is changed.

本発明の更に他の筋力測定及びトレーニング装置においては、さらに、前記複数の測定姿勢に基づいて前記ロボットアームの関節軸の可動域を設定する。   In still another muscle strength measurement and training apparatus according to the present invention, a range of motion of the joint axis of the robot arm is set based on the plurality of measurement postures.

本発明の更に他の筋力測定及びトレーニング装置においては、さらに、前記自重支持の軸トルクの測定を中止させる前記被験者が操作可能な中止スイッチを更に有し、前記自重支持の軸トルクの測定が中止されると、中止前に自重支持の軸トルクが測定された測定姿勢の範囲内に前記ロボットアームの関節軸の可動域を制限する。   In still another muscle strength measurement and training device of the present invention, the device further includes a stop switch operable by the subject to stop measuring the self-weight support shaft torque, and the measurement of the self-weight support shaft torque is stopped. Then, the range of motion of the joint axis of the robot arm is limited within the range of the measurement posture in which the shaft torque of the self-weight support is measured before the suspension.

本発明によれば、筋力測定及びトレーニング装置においては、筋力測定及び／又は筋力トレーニングを開始する前に、被験者の四肢の自重及びロボットアームの自重によって関節軸に発生する自重支持の軸トルクと関節軸の角度との関係とを記録し、記録された関係に基づいて、筋力測定及び／又は筋力トレーニングにおける軸トルクを補正する。これにより、被験者の四肢の筋に対して意図した負荷を正確に付与することができ、被験者に過度の負担をかけることがなく、安全に筋力測定及び／又は筋力トレーニングを行うことができる。   According to the present invention, in the muscle strength measurement and training device, before starting the muscle strength measurement and / or muscle strength training, the shaft torque and joint of the own weight generated in the joint axis by the weight of the subject's limbs and the weight of the robot arm. The relationship with the angle of the shaft is recorded, and the shaft torque in the strength measurement and / or the strength training is corrected based on the recorded relationship. Thereby, the intended load can be accurately applied to the muscles of the limbs of the subject, and the strength measurement and / or strength training can be performed safely without imposing an excessive burden on the subject.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図２は本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋群を模式的に示す図、図３は本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋の活動パターンを示す図、図４は本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋の出力分布特性を示す図である。   FIG. 2 is a diagram schematically showing a muscle group of a user's limb according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an activity of a muscle of the user's limb according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing a pattern, and FIG. 4 is a diagram showing output distribution characteristics of muscles of a user's limb in the first embodiment of the present invention.

図２において、２０は本実施の形態における被験者としての使用者であり、後述される筋力測定及びトレーニング装置１０を使用して筋力の測定及びトレーニングを行う者である。まず、筋力測定及びトレーニング装置１０の背景となる人間の体肢の二関節リンク機構について、本発明の理解に必要な範囲で説明する。   In FIG. 2, reference numeral 20 denotes a user as a subject in the present embodiment, who performs muscle strength measurement and training using the muscle strength measurement and training apparatus 10 described later. First, the bi-joint link mechanism of the human limb that is the background of the muscle strength measurement and training apparatus 10 will be described within the scope necessary for understanding the present invention.

人間の体肢、すなわち、四肢には二関節筋が存在し、該二関節筋は、１つの関節に作用する一関節筋と協調して先端の出力を制御しており、その先端出力は、図４に示されるような六角形の出力分布で表されることが知られている（例えば、非特許文献２参照。）。そして、六角形の出力分布特性に基づいて機能別実行筋力を評価する方法も知られている（例えば、特許文献１参照。）。
藤川智彦、大島徹、熊本水頼、山本倫久、「上肢における拮抗する一関節筋及び二関節筋群の協調活動とその機械モデルによる制御機能解析」、バイオメカニズム１３、バイオメカニズム学会、（１９９６）１８１．。 There are biarticular muscles in the human limbs, that is, the extremities, and the biarticular muscles control the output of the tip in cooperation with the one joint muscle acting on one joint, and the tip output is It is known that it is represented by a hexagonal output distribution as shown in FIG. 4 (see, for example, Non-Patent Document 2). And the method of evaluating the execution muscular strength according to function based on the output distribution characteristic of a hexagon is also known (for example, refer to patent documents 1).
Tomohiko Fujikawa, Toru Oshima, Mizuyasu Kumamoto, Michihisa Yamamoto, "Cooperative activities of antagonistic arm and biarticular muscle groups in the upper limbs and their control function analysis using mechanical models", Biomechanism 13, Biomechanism Society, (1996) 181. .

次に、本発明の理解に必要な範囲で、非特許文献２及び特許文献１に記載された四肢の先端出力特性について説明する。   Next, the extremity output characteristics of the limbs described in Non-Patent Document 2 and Patent Document 1 will be described within the scope necessary for understanding the present invention.

人間の上肢及び下肢ともに、第一関節、第二関節及び系先端を含む二次元平面内の運動において、第一関節及び第二関節に作用する筋群は、その機能を考慮すると、図２に示されるように、第一関節周りの一対の拮抗一関節筋ペア（ｆ１、ｅ１）、第二関節周りの一対の拮抗一関節筋ペア（ｆ２、ｅ２）、及び、第一関節と第二関節とに跨（またが）る一対の拮抗一関節筋ペア（ｆ３、ｅ３）の３対６筋で代表させることが可能であり、これを機能別実行筋と呼ぶ。なお、図２に示される例は、使用者２０の下肢の股（こ）関節及び膝（ひざ）関節に作用する筋群である。   In the movement in the two-dimensional plane including the first joint, the second joint, and the tip of the system for both the human upper limb and the lower limb, the muscle groups acting on the first joint and the second joint are shown in FIG. As shown, a pair of antagonistic one-joint muscles (f1, e1) around the first joint, a pair of antagonistic one-joint muscles (f2, e2) around the second joint, and the first and second joints It can be represented by 3 to 6 muscles of a pair of antagonistic one joint muscles (f3, e3) straddling (or straddling), and this is called a function-specific execution muscle. Note that the example shown in FIG. 2 is a muscle group that acts on the hip (knee) joint and knee (knee) joint of the lower limb of the user 20.

一関節筋は１つの関節にのみ作用する筋で、上肢では肩関節の三角筋前部や三角筋後部、肘（ひじ）関節の上腕筋や上腕三頭筋外側頭が相当し、下肢では股関節の大殿筋や大腰筋、膝関節の大腿（たい）二頭筋短頭や外側広筋が相当する。そして、二関節筋は、２つの関節に跨って作用する筋で、上肢では上腕二頭筋や上腕三頭筋長頭が相当し、下肢ではハムストリングスや大腿直筋が相当する。   An articular muscle is a muscle that acts on only one joint. In the upper limb, it corresponds to the front part of the deltoid muscle, the rear part of the deltoid muscle, the upper arm muscle of the elbow (elbow) joint, and the outer head of the triceps. This corresponds to the gluteal and large psoas muscles, and the thigh biceps short head and lateral vastus muscles of the knee joint. The biarticular muscle is a muscle that acts across two joints. The upper limb corresponds to the biceps brachii and the triceps long head, and the lower limb corresponds to the hamstrings and rectus femoris.

人間の上肢及び下肢の二関節リンクの系先端、すなわち、上肢では手根関節部、下肢では足関節部において発揮される力及びその出力方向は、３対６筋の機能別実行筋の協調活動で制御される。前記系先端で各方向に最大努力で力を発揮すると、力の出力方向に応じて３対６筋の機能別実行筋が、図３に示されるように交代的に収縮する。なお、図３において、Ｆは添え字で示される関節筋の力を表している。   The system tip of the bijoint link of the upper and lower limbs of humans, that is, the force exerted at the wrist joint part in the upper limb and the ankle joint part in the lower limb, and the output direction thereof are coordinated activities of the executive muscles by function of 3-6 muscles It is controlled by. When the force is exerted with the maximum effort in each direction at the tip of the system, the function-specific execution muscles of 3 to 6 muscles contract alternately as shown in FIG. 3 according to the output direction of the force. In FIG. 3, F represents the force of the joint muscle indicated by the subscript.

また、３対６筋の機能別実行筋が発揮する収縮力によって体肢先端に発生する力の方向は、図４に示されるとおりであり、図３に示されるような交代パターンに従った協調制御による力の合成により、六角形の最大出力分布特性を示す。   Further, the direction of the force generated at the limb tip by the contraction force exerted by the function-specific execution muscles of 3 to 6 muscles is as shown in FIG. 4, and cooperation according to the alternation pattern as shown in FIG. The maximum output distribution characteristic of hexagon is shown by the synthesis of force by control.

この最大出力分布特性の六角形の各辺は、第１リンク、第２リンク、第一関節と系先端とを結ぶ直線に平行であるという特徴がある。したがって、六角形の形状は体肢の姿勢によって異なる。そして、筋の収縮力が一定で各関節に発生しているトルクが変化しなくても、関節トルクにより、人間の体肢の先端に発生する力は、上肢又は下肢の姿勢によってその方向も大きさも変化する。   Each side of the hexagon having the maximum output distribution characteristic is characterized by being parallel to a straight line connecting the first link, the second link, the first joint, and the system tip. Therefore, the hexagonal shape varies depending on the posture of the limb. Even if the muscle contraction force is constant and the torque generated at each joint does not change, the direction of the force generated at the tip of the human limb by the joint torque depends on the posture of the upper or lower limb. It also changes.

次に、本実施の形態における筋力測定及びトレーニング装置１０の構成について説明する。   Next, the configuration of the muscle strength measurement and training apparatus 10 in the present embodiment will be described.

図１は本発明の第１の実施の形態における筋力測定及びトレーニング装置の構造を模式的に示す図である。なお、図１において、（ａ）は側面を示す図であり、（ｂ）は正面を示す図である。   FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of a muscle strength measurement and training apparatus according to the first embodiment of the present invention. In addition, in FIG. 1, (a) is a figure which shows a side surface, (b) is a figure which shows a front.

本実施の形態における筋力測定及びトレーニング装置１０は、前述の人間の体肢の出力特性を考慮し、四肢に存在する一関節筋及び二関節筋による協調制御によって四肢先端の出力が制御されているという実効筋協調制御理論に基づいて実効筋力を測定するとともに、効果的なトレーニングを実現する装置である。   In the muscle strength measurement and training apparatus 10 according to the present embodiment, the output of the limb tip is controlled by cooperative control by the one joint muscle and the two joint muscles existing in the limb in consideration of the output characteristics of the human limb described above. This is a device that measures effective muscle strength based on the effective muscle coordination control theory and realizes effective training.

なお、特許文献１に記載されたシステムでは、機能別実効筋力を測定するために、四肢先端出力の六角形の出力分布図を作成する必要があるので、使用者は複数の方向に最大努力で力を出す必要がある。   In addition, in the system described in Patent Document 1, it is necessary to create a hexagonal output distribution map of the extremity output in order to measure the effective muscular strength by function, so the user can make maximum effort in a plurality of directions. It is necessary to use power.

また、特許文献１に記載されたシステムでは、固定されたセンサで先端出力を測定するので、固定されたセンサに対して使用者が力を加えるために、力の方向を測定すべき方向に誘導する必要がある。力の方向を誘導する方法としては、視覚的に表示する方法、特許文献１に示されるようなバイオフィードバックによる方法等が考えられるが、いずれも使用者の慣れが必要であるとともに、最大筋力を発揮しながら力の方向も制御する技能が要求される。また、必ずしも測定すべき方向に力を発揮することができるとも限らないので、測定し直さなければならない場合もあり、使用者に過度の負担を強いることとなる。   Further, in the system described in Patent Document 1, since the tip output is measured by a fixed sensor, the direction of the force is guided in the direction to be measured in order for the user to apply force to the fixed sensor. There is a need to. As a method for inducing the direction of force, a method of visually displaying, a method of biofeedback as shown in Patent Document 1, and the like can be considered. Skills that control the direction of force while demonstrating are required. In addition, since it is not always possible to exert a force in the direction to be measured, there is a case where it is necessary to re-measure, which places an excessive burden on the user.

これに対し、本実施の形態における筋力測定及びトレーニング装置１０は、特許文献１に記載されたシステムの有する前述の問題点を解決したものである。そのため、前記筋力測定及びトレーニング装置１０は、図に示されるように、使用者２０が着座するサドル１１と、使用者２０の体肢に沿って装着されるロボットアーム１２と、該ロボットアーム１２を制御する図示されない制御装置と、使用者２０が筋力測定の意図を入力する図示されない入力操作装置とを有する。なお、ここでは説明の都合上、下肢の例についてのみ説明するが、上肢についても同様である。   On the other hand, the muscular strength measurement and training apparatus 10 according to the present embodiment solves the above-described problems of the system described in Patent Document 1. Therefore, as shown in the figure, the muscle strength measurement and training apparatus 10 includes a saddle 11 on which a user 20 is seated, a robot arm 12 that is worn along the limb of the user 20, and the robot arm 12. A control device (not shown) for controlling, and an input operation device (not shown) for inputting the intention of the muscle strength measurement by the user 20 are provided. Here, for convenience of explanation, only the example of the lower limb will be described, but the same applies to the upper limb.

そして、前記ロボットアーム１２は、大腿部に対応する第１リンク１３ａと、下腿部に対応する第２リンク１３ｂとの２つのリンクから成る２自由度のロボットアームである。また、第１リンク１３ａ及び第２リンク１３ｂは、リンク長を調節することができるスライド機構を備え、筋力測定及び筋力トレーニングを行うときには、それぞれ、使用者２０の大腿部及び下腿部の長さと同じになるように調整され、第１装着具１４ａ及び第２装着具１４ｂによって大腿部及び下腿部に固定される。なお、第１リンク１３ａ及び第２リンク１３ｂ並びに第１装着具１４ａ及び第２装着具１４ｂを統合的に説明する場合には、各々、リンク１３及び装着具１４として説明する。   The robot arm 12 is a two-degree-of-freedom robot arm composed of two links, a first link 13a corresponding to the thigh and a second link 13b corresponding to the crus. In addition, the first link 13a and the second link 13b include a slide mechanism that can adjust the link length, and when performing muscle strength measurement and muscle strength training, the length of the thigh and lower leg of the user 20, respectively. And are fixed to the thigh and lower leg by the first wearing tool 14a and the second wearing tool 14b. In addition, when describing the 1st link 13a and the 2nd link 13b, and the 1st mounting tool 14a and the 2nd mounting tool 14b integrally, it demonstrates as the link 13 and the mounting tool 14, respectively.

なお、前記ロボットアーム１２は、使用者２０がサドル１１に着座した状態で、使用者２０に装着されるが、このとき、ロボットアーム１２の第１関節軸１５ａを使用者２０の股関節に一致させ、ロボットアーム１２の第２関節軸１５ｂを使用者２０の膝関節軸に一致させる。また、前記第１関節軸１５ａ及び第２関節軸１５ｂには、第１サーボモータ１６ａ及び第２サーボモータ１６ｂが連結され、さらに、関節角度を測定するための角度測定装置としてアブソリュート型エンコーダが装備されている。なお、前記第１関節軸１５ａ及び第２関節軸１５ｂ並びに第１サーボモータ１６ａ及び第２サーボモータ１６ｂを統合的に説明する場合には、各々、関節軸１５及びサーボモータ１６として説明する。ここで、該サーボモータ１６は、関節駆動源として機能し、関節軸１５を回転させるための軸トルクとしてのトルクを発生する。そして、サーボモータ１６が発生するトルクは、前記制御装置によって制御される。また、該制御装置に接続された記録装置によって、ロボットアーム１２の関節軸１５が発生しているトルクを記録することができる。   The robot arm 12 is attached to the user 20 while the user 20 is seated on the saddle 11. At this time, the first joint shaft 15a of the robot arm 12 is made to coincide with the hip joint of the user 20. The second joint axis 15b of the robot arm 12 is made to coincide with the knee joint axis of the user 20. A first servo motor 16a and a second servo motor 16b are connected to the first joint shaft 15a and the second joint shaft 15b, and an absolute encoder is provided as an angle measuring device for measuring the joint angle. Has been. When the first joint shaft 15a and the second joint shaft 15b and the first servo motor 16a and the second servo motor 16b are described in an integrated manner, they are described as the joint shaft 15 and the servo motor 16, respectively. Here, the servo motor 16 functions as a joint drive source, and generates a torque as a shaft torque for rotating the joint shaft 15. The torque generated by the servo motor 16 is controlled by the control device. Further, the torque generated by the joint shaft 15 of the robot arm 12 can be recorded by a recording device connected to the control device.

さらに、前記制御装置には、図示されないＣＲＴ、液晶ディスプレイ等を備える表示装置、プリンタ等の印刷装置等の出力手段が接続されている。該出力手段は、ロボットアーム１２が発揮している力の大きさや方向を表示又は印刷したり、使用者２０に対して発揮すべき力の方向、姿勢変化量等の表示を行う。   Further, the control device is connected to output means such as a display device including a CRT, a liquid crystal display (not shown), and a printing device such as a printer. The output means displays or prints the magnitude and direction of the force exerted by the robot arm 12 and displays the direction of the force to be exerted on the user 20 and the posture change amount.

また、各関節軸１５には軸トルクを測定するトルク測定装置としてのトルクセンサが装備されている。そして、制御装置がサーボモータ１６を制御することにより、関節角度及び関節軸１５が発生するトルクを制御することができる。なお、関節角度の制御とトルクの制御とは、適宜切り替えて行われる。また、制御装置に接続されたハードディスク装置、フラッシュメモリ等の不揮発性記録装置により、ロボットアーム１２の関節軸１５が発生するトルク及び関節角度を記録することができる。   Each joint shaft 15 is equipped with a torque sensor as a torque measuring device for measuring shaft torque. The control device controls the servo motor 16 to control the joint angle and the torque generated by the joint shaft 15. Note that the joint angle control and the torque control are appropriately switched. Further, the torque and joint angle generated by the joint shaft 15 of the robot arm 12 can be recorded by a non-volatile recording device such as a hard disk device or a flash memory connected to the control device.

次に、前記構成の筋力測定及びトレーニング装置１０の動作について説明する。   Next, the operation of the muscle strength measurement and training apparatus 10 having the above-described configuration will be described.

図５は本発明の第１の実施の形態におけるロボットアームをモデル化した図である。なお、図５において、（ａ）は第１リンクと第２リンクとの関係を示す図、（ｂ）は第１リンクを示す図、（ｃ）は第２リンクを示す図である。   FIG. 5 is a diagram modeling the robot arm in the first embodiment of the present invention. 5A is a diagram showing the relationship between the first link and the second link, FIG. 5B is a diagram showing the first link, and FIG. 5C is a diagram showing the second link.

まず、筋力測定及びトレーニング装置１０による使用者２０の筋力測定及び／又は筋力トレーニングが初回である場合、使用者２０がロボットアーム１２を装着した状態での四肢の自重及びロボットアーム１２の自重を支持するための軸トルク、すなわち、自重支持の軸トルクを測定する必要がある。該自重支持の軸トルクは、ロボットアーム１２の関節軸１５に装備されたトルクセンサで測定し、関節角度と対応付けて評価される。   First, when the muscle strength measurement and / or muscle strength training of the user 20 by the muscle strength measurement and training device 10 is the first time, the user 20 supports the weight of the limb and the weight of the robot arm 12 when the robot arm 12 is worn. Therefore, it is necessary to measure the shaft torque to be adjusted, that is, the shaft torque of the self-weight support. The shaft torque for supporting the self-weight is measured by a torque sensor provided on the joint shaft 15 of the robot arm 12 and is evaluated in association with the joint angle.

また、自重支持の軸トルクを測定する際の姿勢は、各関節の可動範囲、すなわち、可動域内を網羅することが望ましい。例えば、股関節の可動域を６分割し、膝関節の可動域を６分割すると、股関節で７角度及び膝関節で７角度を組み合わせて測定姿勢を定める。   Further, it is desirable that the posture when measuring the shaft torque for supporting the own weight should cover the movable range of each joint, that is, the movable range. For example, when the range of motion of the hip joint is divided into 6 and the range of motion of the knee joint is divided into 6, the measurement posture is determined by combining 7 angles at the hip joint and 7 angles at the knee joint.

人間の四肢では、例えば、股関節が最大屈曲している状態における膝関節の最大伸展角度は、大腿が体躯とほぼ一直線になる状態における膝関節の最大伸展角度よりも小さい、というように、股関節と膝関節とが独立の自由度になっていない。そのため、股関節で７角度及び膝関節で７角度であっても、測定可能な姿勢は可動域全体では４９よりも小さい数になる。これらの測定姿勢を順に第１測定姿勢、第２測定姿勢、・・・と称する。   In human limbs, for example, the maximum extension angle of the knee joint when the hip joint is flexed to the maximum is smaller than the maximum extension angle of the knee joint when the thigh is almost in line with the heel. The knee joint is not independent. Therefore, even if the hip joint has 7 angles and the knee joint has 7 angles, the measurable posture is a number smaller than 49 in the entire range of motion. These measurement postures are referred to as a first measurement posture, a second measurement posture,.

次に、測定対象である上肢又は下肢の自重及びロボットアーム１２の自重を支持するための軸トルクを測定する手順の例について説明する。   Next, an example of a procedure for measuring the axial torque for supporting the own weight of the upper limb or the lower limb to be measured and the own weight of the robot arm 12 will be described.

まず、関節角度制御によって、ロボットアーム１２の姿勢を使用者２０が装着しやすい姿勢にする。そして、使用者２０の上肢又は下肢にロボットアーム１２の装着具１４を装着する。   First, the posture of the robot arm 12 is changed to a posture that the user 20 can easily wear by joint angle control. Then, the mounting tool 14 of the robot arm 12 is mounted on the upper limb or the lower limb of the user 20.

続いて、使用者２０に対し、測定対象である上肢又は下肢の力を抜いてリラックスするように指示した上で、関節角度制御によって、ロボットアーム１２の姿勢を自重支持の軸トルク測定の開始姿勢（第１測定姿勢）にする。そして、測定姿勢が安定した時点で、各関節軸１５の軸トルクをトルクセンサによって測定し、関節角度とともに記録する。   Subsequently, after instructing the user 20 to relax by removing the force of the upper limb or the lower limb to be measured, the posture of the robot arm 12 is changed to the starting posture of the self-supporting axial torque measurement by joint angle control. (First measurement posture). Then, when the measurement posture is stabilized, the shaft torque of each joint shaft 15 is measured by the torque sensor and recorded together with the joint angle.

続いて、関節角度制御によって、ロボットアーム１２の姿勢を第２測定姿勢にする。そして、第１測定姿勢の場合と同様に、測定姿勢が安定した時点で、各関節軸１５の軸トルクをトルクセンサで測定し、関節角度とともに記録する。   Subsequently, the posture of the robot arm 12 is set to the second measurement posture by joint angle control. Then, as in the case of the first measurement posture, when the measurement posture is stabilized, the shaft torque of each joint shaft 15 is measured by a torque sensor and recorded together with the joint angle.

このようにして、ロボットアーム１２の姿勢を順次変更し、第３測定姿勢以降の各測定姿勢においても、第１測定姿勢及び第２測定姿勢の場合と同様に、各関節軸１５の軸トルクをトルクセンサで測定し、関節角度とともに記録する。   In this way, the posture of the robot arm 12 is sequentially changed, and the axial torque of each joint shaft 15 is also measured in each measurement posture after the third measurement posture, as in the first measurement posture and the second measurement posture. Measure with torque sensor and record with joint angle.

そして、すべての測定姿勢における各関節軸１５のトルクの測定が終了すると、関節角度制御によって、ロボットアーム１２の姿勢を使用者２０が装着具１４を外しやすい姿勢にする。   When the measurement of the torque of each joint shaft 15 in all measurement postures is completed, the posture of the robot arm 12 is changed to a posture in which the user 20 can easily remove the wearing tool 14 by joint angle control.

以上の手順によって、関節角度と自重支持の軸トルクとの関係を取得することができる。このようにして測定されたトルクは、測定対象である使用者２０の上肢又は下肢の自重とロボットアーム１２の自重とを支持するために必要なトルクである。   By the above procedure, the relationship between the joint angle and the shaft torque of the own weight support can be acquired. The torque measured in this manner is a torque necessary for supporting the own weight of the upper or lower limb of the user 20 to be measured and the own weight of the robot arm 12.

ここでは、測定姿勢の数を股関節及び膝関節ともに７角度とした例について説明したが、必ずしも７角度である必要はなく、また、股関節の角度の数と膝関節の角度の数とが異なっていてもよい。   Here, an example in which the number of measurement postures is 7 angles for both the hip joint and the knee joint has been described, but it is not necessarily 7 angles, and the number of hip joint angles and the number of knee joint angles are different. May be.

筋力測定及び／又は筋力トレーニングの際に、実際に筋肉にかかる負荷は、ロボットアーム１２が発生する軸トルクから前述の自重支持をするために必要な軸トルク、すなわち、自重支持の軸トルクを差し引いたトルクである。しかし、筋力測定及び／又は筋力トレーニングを実施する場合には、使用者２０が前述の測定姿勢以外の姿勢をとる場合が多い。そこで、測定結果に基づき、すべての姿勢における自重支持の軸トルクを推定する必要がある。   During muscle strength measurement and / or strength training, the actual load on the muscle is subtracted from the shaft torque generated by the robot arm 12 to the above-mentioned shaft torque necessary for supporting the weight, that is, the shaft torque of the weight support. Torque. However, when performing muscle strength measurement and / or muscle strength training, the user 20 often takes a posture other than the above-described measurement posture. Therefore, it is necessary to estimate the shaft torque of the self-weight support in all postures based on the measurement result.

次に、使用者２０の任意の姿勢における自重支持の軸トルクを推定する方法について説明する。   Next, a method for estimating the shaft torque of the own weight support in an arbitrary posture of the user 20 will be described.

ここでは、第１リンク１３ａと第２リンク１３ｂとの２つのリンクから成る２自由度のロボットアーム１２を、図５に示されるようにモデル化する。図５においては、全体の座標系として、水平方向にＸ、重力方向をＹ、紙面手前向きをＺとする。なお、Ｘ、Ｙ、Ｚは右手系である。   Here, the two-degree-of-freedom robot arm 12 composed of two links of the first link 13a and the second link 13b is modeled as shown in FIG. In FIG. 5, it is assumed that the entire coordinate system is X in the horizontal direction, Y in the gravity direction, and Z in the front direction on the paper. X, Y, and Z are right-handed systems.

また、τ1 及びτ2 は、第１リンク１３ａ及び第２リンク１３ｂリンクの自重によって股関節及び膝関節に、それぞれ、発生するトルクである。そして、第１リンク１３ａの長さはＬ1 であり、質量はｍ1 である。また、第２リンク１３ｂの長さはＬ2 であり、質量はｍ2 である。 Further, τ 1 and τ 2 are torques generated in the hip joint and the knee joint, respectively, due to the weights of the first link 13a and the second link 13b link. The length of the first link 13a is L 1 and the mass is m 1 . The length of the second link 13b is L 2 and the mass is m 2 .

さらに、第１リンク１３ａ及び第２リンク１３ｂの先端に、各々、座標系を設定する。第１リンク１３ａの座標系の原点は第１リンク１３ａの先端に設定し、ｘ1 軸は股関節軸から膝関節軸の方向、すなわち、第１リンク１３ａの延長線上に設定する。そして、ｚ1 軸の方向はＺ軸と同じ方向とし、ｘ1 、ｙ1 、ｚ1 で右手系を構成するようにｙ1 軸を設定する。また、第２リンク１３ｂの座標系についても、同様に、原点を第２リンク１３ｂの先端に設定し、ｘ2 軸、ｙ2 軸、ｚ2 軸を設定する。さらに、股関節の角度θ1 はＸ軸とｘ1 軸の成す角とし、膝関節の角度θ2 はｘ1 軸とｘ2 軸の成す角とする。 Further, a coordinate system is set at each of the tips of the first link 13a and the second link 13b. Origin of the coordinate system of the first link 13a is set at the tip end of the first link 13a, x 1 axis direction of the knee joint axis from the hip joint axis, i.e., set on an extension of the first link 13a. The direction of the z 1 axis is the same direction as the Z axis, and the y 1 axis is set so that x 1 , y 1 , and z 1 constitute a right-handed system. As for the coordinate system of the second link 13b, likewise, to set the origin at the tip of the second link 13b, x 2 axis, y 2 axes, it sets the z 2 axis. Further, the angle θ 1 of the hip joint is an angle formed by the X axis and the x 1 axis, and the angle θ 2 of the knee joint is an angle formed by the x 1 axis and the x 2 axis.

図５において、第１リンク１３ａの重心はｃｇ1 として表されており、ｃｇ1 の位置をｘ1 −ｙ1 座標系で見たときの位置を（ｘcg1 、ｙcg1 ）とする。同様に、第２リンク１３ｂの重心はｃｇ2 であり、ｃｇ2 の位置をｘ2 −ｙ2 座標系で見たときの位置を（ｘcg2 、ｙcg2 ）とする。また、重力加速度をｇとする。 5, the center of gravity of the first link 13a is represented as cg 1, the position when viewing the position of the cg 1 in x 1 -y 1 coordinate system (x cg1, y cg1). Similarly, the center of gravity of the second link 13b is cg 2, the position when viewing the position of the cg 2 in x 2 -y 2 coordinate system (x cg2, y cg2). Also, let g be the acceleration of gravity.

すると、トルクτ1 及びτ2 は、重心ｃｇ1 及びｃｇ2 のｘ方向の座標から、次の式（１）及び（２）で表されることが分かる。
τ1 ＝ｍ1 ｇ（（Ｌ1 ＋ｘcg1 ）cos θ1 −ｙcg1 sin θ1 ）＋ｍ2 ｇ（Ｌ1 cos θ1 ＋ （Ｌ2 ＋ｘcg2 ）cos （θ1 ＋θ2 ）−ｙcg2 sin （θ1 ＋θ2 ））
＝（ｍ1 ｇ（Ｌ1 ＋ｘcg1 ）＋ｍ2 ｇＬ1 ）cos θ1 −ｍ1 ｇｙcg1 sin θ1 ＋τ2 ・・・式（１）
τ2 ＝ｍ2 ｇ（Ｌ2 ＋ｘcg2 ）cos （θ1 ＋θ2 ）−ｍ2 ｇｙcg2 sin （θ1 ＋θ2 ）
・・・式（２）
このことから、測定した関節角度と第１リンク１３ａ及び第２リンク１３ｂの自重によって発生するトルクτ1 及びτ2 との関係は、θ1 及びθ1 ＋θ2 の余弦と正弦との一次結合で、次の式（３）及び（４）のように近似式を作成することができる。
τ1 ＝Ａcos θ1 ＋Ｂsin θ1 ＋Ｃ＋τ2 ・・・式（３）
τ2 ＝Ｄcos （θ1 ＋θ2 ）＋Ｅsin （θ1 ＋θ2 ）＋Ｆ ・・・式（４）
ここで、Ａ〜Ｆの各係数は、線形重回帰分析によって決定される。また、同一の測定姿勢で測定されたτ1 からτ2 を差し引くことによって、τ1 はθ1 の余弦と正弦との線形結合となる。 Then, the torque tau 1 and tau 2 is the x direction of the coordinate of the center of gravity cg 1 and cg 2, represented can be seen by the following equation (1) and (2).
τ 1 = m 1 g ((L 1 + x cg1 ) cos θ 1 −y cg 1 sin θ 1 ) + m 2 g (L 1 cos θ 1 + (L 2 + x cg2 ) cos (θ 1 + θ 2 ) −y cg2 sin (Θ 1 + θ 2 ))
= (M 1 g (L 1 + x cg1 ) + m 2 gL 1 ) cos θ 1 −m 1 gy cg1 sin θ 1 + τ 2 Formula (1)
τ 2 = m 2 g (L 2 + x cg2 ) cos (θ 1 + θ 2 ) −m 2 gy cg2 sin (θ 1 + θ 2 )
... Formula (2)
From this, the relationship between the measured joint angle and the torques τ 1 and τ 2 generated by the weights of the first link 13a and the second link 13b is a linear combination of the cosine and sine of θ 1 and θ 1 + θ 2. An approximate expression can be created as in the following expressions (3) and (4).
τ 1 = Acos θ 1 + Bsin θ 1 + C + τ 2 Formula (3)
τ 2 = Dcos (θ 1 + θ 2 ) + Esin (θ 1 + θ 2 ) + F (4)
Here, each coefficient of A to F is determined by linear multiple regression analysis. Further, by subtracting τ 2 from τ 1 measured in the same measurement posture, τ 1 becomes a linear combination of the cosine and sine of θ 1 .

筋力測定及びトレーニング装置１０の制御装置は、線形重回帰分析から計算された係数を不揮発性記録装置に記録する。そして、使用者２０が筋力測定又は筋力トレーニングを行う際には、制御装置は、近似式である前記式（３）及び（４）に基づき、関節角度から自重によって発生するトルクを計算した結果をトルク目標値に加算して、サーボモータ１６のトルク目標値とする。   The controller of the muscular strength measurement and training device 10 records the coefficient calculated from the linear multiple regression analysis in the nonvolatile recording device. When the user 20 performs muscle strength measurement or strength training, the control device calculates the result of calculating the torque generated by the own weight from the joint angle based on the equations (3) and (4) that are approximate equations. The torque target value of the servo motor 16 is added to the torque target value.

また、自重の測定結果又は計算された近似式の係数Ａ〜Ｆを不揮発性記録装置に個々の使用者２０毎に記録しておき、筋力測定又は筋力トレーニングを行う際に、該当する使用者２０の測定結果を読み出すことによって、自重の測定を省略することができる。   Further, the measurement result of the own weight or the coefficients A to F of the calculated approximate expression are recorded for each user 20 in the nonvolatile recording device, and the corresponding user 20 is used when the muscle strength measurement or the strength training is performed. By reading out the measurement result, the weight measurement can be omitted.

このように、本実施の形態において、筋力測定及びトレーニング装置１０は、筋力測定及び／又は筋力トレーニングを開始する前に、使用者２０の四肢の自重及びロボットアーム１２の自重によって関節軸１５に発生する自重支持の軸トルクと関節軸の角度との関係を示すデータを取得しておく。そして、筋力測定及び／又は筋力トレーニングを行う際には、取得したデータに基づいて軸トルクの値を補正する。   As described above, in the present embodiment, the muscle strength measurement and training device 10 is generated on the joint axis 15 by the weight of the limb of the user 20 and the weight of the robot arm 12 before starting the strength measurement and / or the strength training. Data indicating the relationship between the shaft torque of the self-weight support and the angle of the joint shaft is acquired. Then, when performing muscle strength measurement and / or muscle strength training, the value of the shaft torque is corrected based on the acquired data.

これにより、筋力測定及び／又は筋力トレーニングを行う際に、使用者２０の四肢の筋に対して、意図した負荷を正確に付与することが可能になる。   Thereby, when performing a muscular strength measurement and / or muscular strength training, it becomes possible to give the intended load correctly to the muscles of the limbs of the user 20.

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing which has the same structure as 1st Embodiment, the description is abbreviate | omitted by providing the same code | symbol. The description of the same operation and the same effect as those of the first embodiment is also omitted.

図６は本発明の第２の実施の形態における使用者の股関節及び膝関節の可動域の中心を示す図、図７は本発明の第２の実施の形態における使用者の股関節及び膝関節の可動域を示す第１の図、図８は本発明の第２の実施の形態における使用者の股関節及び膝関節の可動域を示す第２の図である。   FIG. 6 is a diagram showing the center of the range of motion of the user's hip joint and knee joint in the second embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a diagram of the user's hip joint and knee joint in the second embodiment of the present invention. FIG. 8 is a first diagram illustrating the movable range, and FIG. 8 is a second diagram illustrating the movable range of the hip and knee joints of the user according to the second embodiment of the present invention.

本実施の形態における筋力測定及びトレーニング装置１０は、制御装置に接続された中止スイッチを有する。そして、使用者２０は、前記中止スイッチを操作することによって自重の測定を任意に中止させることができる。   The muscle strength measurement and training device 10 in the present embodiment has a stop switch connected to the control device. Then, the user 20 can arbitrarily stop the measurement of its own weight by operating the stop switch.

なお、その他の点の構成については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。   Since the configuration of other points is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.

ところで、前記第１の実施の形態において説明した自重支持の軸トルク測定の際の第１測定姿勢は、股関節及び膝関節の角度が、前記股関節及び膝関節の可動範囲、すなわち、可動域の中心と予想される角度となるように設定される。使用者２０が健常者である場合、股関節及び膝関節の可動域の中心は、図６に示される方向で、股関節の場合はマイナス４５度程度であり、膝関節の場合はプラス７７度程度である。   By the way, the first measurement posture at the time of measuring the shaft torque of the self-support described in the first embodiment is that the angle of the hip joint and the knee joint is the movable range of the hip joint and the knee joint, that is, the center of the movable range. The angle is set to be expected. When the user 20 is a healthy person, the center of the range of motion of the hip joint and the knee joint is the direction shown in FIG. 6, and is about minus 45 degrees for the hip joint and about 77 degrees for the knee joint. is there.

また、人間の下肢の可動域、すなわち、股関節及び膝関節の可動域は、図７において点線で示されるような六角形の範囲となる。そこで、自重支持の軸トルク測定の際の測定姿勢は、前記可動域の中心となるように設定された第１測定姿勢からスタートして、螺（ら）旋状に徐々に六角形を大きくしていくように、第２測定姿勢、第３測定姿勢、・・・と、順次設定される。   Further, the range of motion of the human lower limb, that is, the range of motion of the hip and knee joints, is a hexagonal range as indicated by the dotted line in FIG. Therefore, the measurement posture at the time of measuring the axial torque of the self-support is started from the first measurement posture set so as to be the center of the movable range, and the hexagon is gradually increased in a spiral shape. The second measurement posture, the third measurement posture,...

しかし、人間の股関節及び膝関節の可動域の広さには個体差がある。そのため、ある使用者２０の場合には、図７に示されるように、点線で示されるような六角形の範囲を満たすように各測定姿勢を設定することができても、他の使用者２０の場合には、股関節及び膝関節の柔軟性が低く、その可動域が、図７において点線で示されるような六角形の範囲よりも狭い、ということがあり得る。   However, there are individual differences in the range of motion of the human hip and knee joints. Therefore, in the case of a certain user 20, as shown in FIG. 7, even if each measurement posture can be set to satisfy the hexagonal range as indicated by the dotted line, In this case, the flexibility of the hip joint and the knee joint may be low, and the range of motion may be narrower than the hexagonal range shown by the dotted line in FIG.

そこで、本実施の形態における筋力測定及びトレーニング装置１０は使用者２０が操作可能な中止スイッチを有する。これにより、使用者２０は、自重支持の軸トルクの測定中に測定姿勢を順次変更していく際に、下肢に痛み、違和感等を感じた場合、前記中止スイッチを操作することによって自重支持の軸トルクの測定を中止させることができる。したがって、使用者２０は、無理な姿勢を取る必要がなく、下肢を痛めることがない。   Therefore, the muscular strength measurement and training apparatus 10 in the present embodiment has a stop switch that can be operated by the user 20. As a result, when the user 20 feels pain, discomfort, etc. in the lower limbs when sequentially changing the measurement posture during measurement of the shaft torque of the self-weight support, the user 20 operates the stop switch to operate the self-weight support. Measurement of shaft torque can be stopped. Therefore, the user 20 does not have to take an unreasonable posture and does not hurt the lower limbs.

また、筋力測定及びトレーニング装置１０の制御装置は、中止スイッチが操作されたことを検知すると、自重支持の軸トルクの測定を中止してロボットアーム１２の姿勢を第１測定姿勢に復帰させる。そして、すべての測定姿勢での自重支持の軸トルクの測定を終了する前に、中止スイッチが操作されて自重支持の軸トルクの測定を中止した場合には、前記制御装置は、図８に示されるように、中止前に測定された測定姿勢を囲む六角形の範囲内に股関節及び膝関節の可動域を制限する。   Further, when the control device of the muscle strength measurement and training device 10 detects that the stop switch is operated, the measurement of the shaft torque of the self-weight support is stopped and the posture of the robot arm 12 is returned to the first measurement posture. If the stop switch is operated and the measurement of the self-weight support shaft torque is stopped before the measurement of the self-weight support shaft torque in all the measurement postures, the control device shown in FIG. As described above, the range of motion of the hip joint and the knee joint is limited within a hexagonal range surrounding the measurement posture measured before the suspension.

また、前記制御装置は、筋力測定及び／又は筋力トレーニングの際にロボットアーム１２の関節角が制限された股関節及び膝関節の可動域から逸脱した場合、ロボットアーム１２の制御をトルク制御から関節角度制御に切り替えて姿勢を保持し、筋力測定及び／又は筋力トレーニングの動作を停止する。   In addition, the control device controls the control of the robot arm 12 from the torque control to the joint angle when the joint angle of the robot arm 12 deviates from the limited range of motion of the hip joint and the knee joint during muscle strength measurement and / or muscle training. The posture is maintained by switching to control, and the muscle strength measurement and / or strength training operation is stopped.

このように、本実施の形態において、筋力測定及びトレーニング装置１０は、筋力測定及び／又は筋力トレーニング開始前の使用者２０の四肢の自重及びロボットアーム１２の自重支持の軸トルクの測定中に関節可動域を測定する。また、自重支持の軸トルクの測定中に、使用者２０は、自らの意思で測定を中止することができる。   As described above, in the present embodiment, the muscle strength measurement and training device 10 performs joint measurement during measurement of the weight of the limb of the user 20 and the axial torque of the weight support of the robot arm 12 before starting the strength measurement and / or strength training. Measure range of motion. Further, during the measurement of the shaft torque for supporting the own weight, the user 20 can stop the measurement by his / her own intention.

これにより、使用者２０の負担及び自重の測定時間を軽減することができる。また、測定された関節可動域内にロボットアーム１２の姿勢を制限することによって、安全に筋力測定及び／又は筋力トレーニングを行うことができる。   Thereby, the burden of the user 20 and the measurement time of own weight can be reduced. Further, by limiting the posture of the robot arm 12 within the measured joint range of motion, it is possible to safely perform muscle strength measurement and / or muscle strength training.

なお、前記第１の実施の形態においては、自重支持の軸トルクの近似式を余弦と正弦との一次結合としたが、大腿及び下腿に対応の重心位置の座標ｙcg1 及びｙcg2 が０とみなせるならば、正弦の係数を０として単回帰分析によって近似式の係数を求めることができる。これにより、正弦を計算しなくて済むので、制御装置が数値演算プロセッサを備えていないマイクロコントローラ等から成る場合、計算量を削減することができる。 In the first embodiment, the approximate expression of the axial torque of the self-weight support is a linear combination of cosine and sine, but the coordinates y cg1 and y cg2 of the center of gravity corresponding to the thigh and the lower leg are 0. If it can be considered, the coefficient of the approximate expression can be obtained by single regression analysis with the coefficient of the sine being zero. Thereby, since it is not necessary to calculate the sine, the amount of calculation can be reduced when the control device is composed of a microcontroller or the like not equipped with a numerical processor.

また、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and they are not excluded from the scope of the present invention.

本発明の第１の実施の形態における筋力測定及びトレーニング装置の構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the muscular strength measurement and training apparatus in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋群を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the muscle group of the user's limb in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋の活動パターンを示す図である。It is a figure which shows the activity pattern of the muscle of the user's limb in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋の出力分布特性を示す図である。It is a figure which shows the output distribution characteristic of the muscle of the user's limb in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施の形態におけるロボットアームをモデル化した図である。It is the figure which modeled the robot arm in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施の形態における使用者の股関節及び膝関節の可動域の中心を示す図である。It is a figure which shows the center of the movable range of a user's hip joint and knee joint in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施の形態における使用者の股関節及び膝関節の可動域を示す第１の図である。It is a 1st figure which shows the movable range of a user's hip joint and knee joint in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施の形態における使用者の股関節及び膝関節の可動域を示す第２の図である。It is a 2nd figure which shows the movable range of the user's hip joint and knee joint in the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 筋力測定及びトレーニング装置
１１ サドル
１２ ロボットアーム
１４ａ 第１装着具
１４ｂ 第２装着具
１５ａ 第１関節軸
１５ｂ 第２関節軸
２０ 使用者 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Muscle strength measurement and training apparatus 11 Saddle 12 Robot arm 14a 1st mounting tool 14b 2nd mounting tool 15a 1st joint axis 15b 2nd joint axis 20 User

Claims (4)

（ａ）被験者が着座するサドルと、
（ｂ）前記被験者の上肢又は下肢の長さに調整可能なロボットアームと、
（ｃ）該ロボットアームを前記被験者の上肢又は下肢に沿って固定する装着具と、
（ｄ）前記ロボットアームの関節軸の軸トルクを制御する制御装置と、
（ｅ）前記ロボットアームの関節軸の角度を測定する角度測定装置と、
（ｆ）前記軸トルクを測定するトルク測定装置と、
（ｇ）前記関節軸の軸トルク及び関節軸の角度を記録する記録装置とを有し、
（ｈ）筋力測定及び／又は筋力トレーニングの開始前に、前記上肢又は下肢の自重及びロボットアームの自重によって前記関節軸に発生する自重支持の軸トルクを測定し、測定した自重支持の軸トルクと関節軸の角度との関係を記録し、記録された自重支持の軸トルクと関節軸の角度との関係に基づいて、筋力測定及び／又は筋力トレーニングのときに前記関節軸の軸トルクを補正することを特徴とする筋力測定及びトレーニング装置。 (A) a saddle on which the subject sits;
(B) a robot arm adjustable to the length of the upper or lower limb of the subject;
(C) a wearing tool for fixing the robot arm along the upper or lower limb of the subject;
(D) a control device for controlling the axial torque of the joint axis of the robot arm;
(E) an angle measuring device for measuring the angle of the joint axis of the robot arm;
(F) a torque measuring device for measuring the shaft torque;
(G) a recording device that records the shaft torque of the joint shaft and the angle of the joint shaft;
(H) Before the start of muscle strength measurement and / or muscle strength training, the weight of the upper limb or the lower limb and the weight of the robot arm that is caused by the weight of the robot arm are measured. The relationship with the angle of the joint axis is recorded, and the shaft torque of the joint axis is corrected at the time of muscle strength measurement and / or strength training based on the recorded relationship between the shaft torque of the supporting weight and the angle of the joint axis. A muscle strength measurement and training apparatus characterized by the above. 前記自重支持の軸トルクは、前記関節軸の角度を変化させた複数の測定姿勢において測定される請求項１に記載の筋力測定及びトレーニング装置。 The muscle force measurement and training device according to claim 1, wherein the shaft torque of the self-weight support is measured in a plurality of measurement postures in which angles of the joint shaft are changed. 前記複数の測定姿勢に基づいて前記ロボットアームの関節軸の可動域を設定する請求項２に記載の筋力測定及びトレーニング装置。 The muscle strength measurement and training device according to claim 2, wherein a movable range of the joint axis of the robot arm is set based on the plurality of measurement postures. 前記自重支持の軸トルクの測定を中止させる前記被験者が操作可能な中止スイッチを更に有し、
前記自重支持の軸トルクの測定が中止されると、中止前に自重支持の軸トルクが測定された測定姿勢の範囲内に前記ロボットアームの関節軸の可動域を制限する請求項３に記載の筋力測定及びトレーニング装置。 A stop switch operable by the subject to stop measuring the shaft torque of the self-weight support;
4. The range of movement of the joint axis of the robot arm is limited to a range of measurement postures in which the axial torque of the self-weight support is measured before the suspension when the measurement of the self-weight support shaft torque is stopped. Muscle strength and training device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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