JP2010068857A

JP2010068857A - 筋力トレーニング装置

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Publication number: JP2010068857A
Application number: JP2008236696A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kadota; 健志門田; Mamoru Tokita; 守鴇田
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2010-04-02
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: JP5176805B2

Abstract

【課題】被験者の四肢に沿って装着されたロボットアームの関節軸の角度に応じた軸トルクを発生し、被験者の運動の軌道を所定の軌道に保ちながら特定の実効筋群のためのトレーニング負荷を被験者の四肢に付与することによって、実際の運動の形を擬似的に再現しながら特定の実効筋群のトレーニングを効果的に行うことができ、被験者が楽しみながら、所望の筋を対象にした筋力トレーニングを安全に、かつ、効果的に行うことができるようにする。
【解決手段】参照テーブルに示される関節軸の軸トルクと関節軸の角度との関係に基づいて軸トルクを発生することによって、被験者の上肢又は下肢の先端が軌道を描くように保ち、かつ、特定の実効筋群のためのトレーニング負荷を被験者の上肢又は下肢に付与する。
【選択図】図１

Description

本発明は、筋力トレーニング装置に関するものである。

従来、二関節アーム装置のような二関節リンク機構を利用した筋力トレーニングを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、機能別実効筋力を評価する。

また、二関節リンク機構を駆動させるためのアクチュエータとして、人間を含む動物において腕を曲げるために機能する二関節筋のモデルを提案し、該モデルを使用して二関節リンク機構の動作制御に関する研究も行われている（例えば、非特許文献１参照。）。この研究では、二関節同時駆動源を備えた二関節リンク機構においてアーム先端部の力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

しかしながら、前記従来の筋力トレーニング装置においては、効率的に実効筋のトレーニングを行うことができるが、比較的単調な動きなので、被験者が飽きやすい。そこで、自転車漕（こ）ぎのような実際の運動を取り入れることによって、被験者が楽しみながらトレーニングを行うことができるようにすることが考えられる。そのため、疑似自転車型の筋力トレーニング装置を使用して、回転角に応じて負荷を変化させ、特定の筋を鍛えることが提案されている。しかし、前記疑似自転車型の筋力トレーニング装置では、全運動に対して、目的の筋に負荷がかかっている状態が比較的短いので、効率的にトレーニングを行うことができない。

本発明は、前記従来の筋力トレーニング装置の問題点を解決して、被験者の四肢に沿って装着されたロボットアームの関節軸の角度に応じた軸トルクを発生し、被験者の運動の軌道を所定の軌道に保ちながら特定の実効筋群のためのトレーニング負荷を被験者の四肢に付与することによって、実際の運動の形を擬似的に再現しながら特定の実効筋群のトレーニングを効果的に行うことができ、被験者が楽しみながら、所望の筋を対象にした筋力トレーニングを安全に、かつ、効果的に行うことができる筋力トレーニング装置を提供することを目的とする。

そのために、本発明の筋力トレーニング装置においては、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、前記ロボットアームの先端が所定の軌道を描くように運動する際の前記関節軸の軸トルクと関節軸の角度との関係を示す参照テーブルを保存する記憶装置とを有し、前記参照テーブルに示される関節軸の軸トルクと関節軸の角度との関係に基づいて軸トルクを発生することによって、前記被験者の上肢又は下肢の先端が前記軌道を描くように保ち、かつ、特定の実効筋群のためのトレーニング負荷を前記被験者の上肢又は下肢に付与する。

本発明の他の筋力トレーニング装置においては、さらに、前記参照テーブルに示される関節軸の軸トルクは、前記軌道の接線方向の負荷に相当する軸トルクと前記軌道に垂直な方向の負荷に相当する軸トルクとを含み、前記軌道の接線方向の負荷に相当する軸トルクは、前記軌道の接線方向の速度に対応して変化する。

本発明の更に他の筋力トレーニング装置においては、さらに、前記軌道は円軌道であり、前記被験者は自転車を漕ぐ動作を行う。

本発明の更に他の筋力トレーニング装置においては、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を有し、想定された仮想モデルと前記ロボットアームの実際の姿勢との関係に基づき、前記仮想モデルにおいて発生する反力を計算し、該反力と同等のトレーニング負荷を前記被験者の上肢又は下肢に付与する。

本発明の更に他の筋力トレーニング装置においては、さらに、前記仮想モデルはばね−ダンパ系の床面モデルを含み、前記被験者は床上を歩行する動作を行う。

本発明によれば、筋力トレーニング装置は、被験者の四肢に沿って装着されたロボットアームの関節軸の角度に応じた軸トルクを発生し、被験者の運動の軌道を所定の軌道に保ちながら特定の実効筋群のためのトレーニング負荷を被験者の四肢に付与する。これにより、実際の運動の形を擬似的に再現しながら特定の実効筋群のトレーニングを効果的に行うことができ、被験者が楽しみながら、所望の筋を対象にした筋力トレーニングを安全に、かつ、効果的に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図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。

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。

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効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．。

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。

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、これを機能別実効筋と呼ぶ。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。

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。

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筋の機能別実効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筋の機能別実効筋が、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。

また、３対６筋の機能別実効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って、六角形の最大出力分布特性を示す。

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。

次に、本実施の形態における筋力トレーニング装置１０の構成について説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態における筋力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。

本実施の形態における筋力トレーニング装置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。

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。

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。

これに対し、本実施の形態における筋力トレーニング装置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。

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、前記第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。

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、該制御装置が有する記憶装置によって、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憶することができる。

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。

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って、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、制御装置に内蔵された又は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の記憶装置によって、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憶することができる。

次に、前記構成の筋力トレーニング装置１０の動作について説明する。ここでは、下肢のトレーニングを行うための自転車を漕ぐ動作を例に説明する。この場合、使用者２０の左右の脚にロボットアーム１２をそれぞれ装着する。

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の先端の円軌道及び力の関係を示す図、図６は本発明の第１の実施の形態におけるロボットアームの姿勢を示す第１の図、図７は本発明の第１の実施の形態におけるロボットアームの姿勢を示す第２の図、図８は本発明の第１の実施の形態におけるロボットアームの姿勢と負荷の変化との関係を示す図である。なお、図５において、（ａ）はロボットアームの先端を円軌道へ復元させる復元力の状態を示し、（ｂ）はロボットアームの先端の円軌道からの距離と復元力の大きさとの関係を示している。

自転車を漕ぐ動作は、脚の先端を自転車のペダルに固定してクランクを回す円運動である。そこで、図５（ａ）に示されるように、仮想的な円軌道２５を想定し、使用者２０の脚の先端に対応するロボットアーム１２の先端が円軌道２５から半径方向に離れると、ロボットアーム１２は、矢印で示されるように、その先端を円軌道２５に復元させる復元力を発生し、これにより、脚の先端が円軌道２５を描くような運動を使用者２０に強制する。

そして、先端の軌道が円軌道２５に固定されているならば、ロボットアーム１２の関節角度とロボットアーム１２が発生する力との関係を、ロボットアーム１２の関節角度とロボットアーム１２の関節軸が発生するトルクとの関係としてあらかじめ計算し、計算の結果を参照テーブルとして制御装置の記憶装置に保存しておくことができる。筋力トレーニングを行う際に、前記参照テーブルを参照するようにすると、制御装置の演算処理負荷を軽減することができる。

特許文献２には、股関節屈曲側一関節筋屈筋群ｆ１のトレーニングを実施する場合には、股関節屈曲側一関節筋屈筋群ｆ１と膝関節伸展側一関節屈筋群ｅ２と大腿部伸展側二関節筋屈筋群ｅ３とが活動するａ方向のトレーニング、及び、股関節屈曲側一関節筋屈筋群ｆ１と膝関節屈曲側一関節屈筋群ｆ２と大腿部屈曲側二関節筋屈筋群ｆ３とが活動するｃ方向のトレーニングを、１：１の割合で実施すると効果的であることが示されている。

自転車を漕ぐ動作を行いながらｆ１のトレーニングを実施するために、ロボットアーム１２の姿勢によって負荷を変化させる。

図６には、自転車を漕ぐ動作を行う場合の使用者２０の脚の先端が描く円軌道２５の円の接線方向と、股関節屈曲側一関節筋屈筋群ｆ１と膝関節伸展側一関節屈筋群ｅ２と大腿部伸展側二関節筋屈筋群ｅ３とが活動するａ方向とが一致するロボットアーム１２の姿勢が示されている。なお、図６において、矢印は、前記円の接線方向ではあるが、前記ａ方向と反対方向であって、ロボットアーム１２が発生するトレーニング負荷の方向を示している。また、αは、使用者２０の脚の先端に対応するロボットアーム１２の先端の位置を円軌道２５の中心を原点（極）とする極座標で表す場合の偏角であり、始点（円の頂点）からロボットアーム１２の先端までの中心角の大きさを示している。

一方、図７には、自転車を漕ぐ動作を行う場合の使用者２０の脚の先端が描く円軌道２５の円の接線方向と、股関節屈曲側一関節筋屈筋群ｆ１と膝関節屈曲側一関節屈筋群ｆ２と大腿部屈曲側二関節筋屈筋群ｆ３とが活動するｃ方向とが一致するロボットアーム１２の姿勢が示されている。なお、図７においても、図６と同様に、矢印は、前記円の接線方向ではあるが、前記ｃ方向と反対方向であって、ロボットアーム１２が発生するトレーニング負荷の方向を示している。また、βは、使用者２０の脚の先端に対応するロボットアーム１２の先端の位置を円軌道２５の中心を原点（極）とする極座標で表す場合の偏角であり、始点（円の頂点）からロボットアーム１２の先端までの中心角の大きさを示している。

そこで、本実施の形態においては、使用者２０の脚に装着されたロボットアーム１２の姿勢が図６及び７に示されるようになったときに、すなわち、使用者２０の脚の先端が円軌道２５上において偏角α及びβの位置に到達したときに、矢印で示されるような円周方向の負荷をロボットアーム１２が発生し、トレーニング負荷として、使用者２０の脚に付与する。つまり、図８に示されるように、使用者２０の脚の先端の位置が始点から角度α及びβとなったときに円周方向の負荷が使用者２０の脚に付与される。この場合、制御装置は、前記参照テーブルとして保存されたデータに基づいて、図８に示されるような円周方向の負荷をロボットアーム１２に発生させる。これにより、使用者２０の脚の股関節屈曲側一関節筋屈筋群ｆ１を対象にした筋力トレーニングを選択的に行うことができる。

なお、実際に使用者２０の脚に与えられる負荷は、図５（ａ）において矢印で示されるような脚の先端が円軌道２５を描くような運動を使用者２０に強制するための半径方向の復元力と、図６及び７において矢印で示されるような使用者２０の脚の股関節屈曲側一関節筋屈筋群ｆ１のトレーニング負荷としての円周方向の負荷とを合わせたものになる。

また、該円周方向の負荷についても、あらかじめ計算して前記参照テーブルに加えておくこともできる。

前記半径方向の復元力は、前記円周方向の負荷に対して十分に大きくすることが望ましい。本実施の形態におけるトレーニングの開始直後では、使用者２０の脚の先端が描く軌道は、一般的に、円軌道２５から大きく外れるものと考えられる。そのため、トレーニングの開始直後では、大きな半径方向の復元力が使用者２０の脚に付与される。しかし、使用者２０がトレーニングを重ねるに従って、脚の先端が描く軌道は、徐々に円軌道２５に近付くものと考えられる。したがって、使用者２０の脚に付与される半径方向の復元力は、漸減してゼロに近付き、それに伴い、使用者２０の脚に付与される負荷の総和、円周方向の負荷に近付いていく。

なお、本実施の形態においては、使用者２０の脚の先端が描く軌道が円軌道２５である場合について説明したが、前記軌道は必ずしも円軌道２５に限定されるものではなく、いかなる形状の軌道であってもよい。すなわち、円軌道２５の場合の半径方向及び円周方向を、軌道に垂直な方向及び軌道の接線方向と置き換えて考えれば、いかなる形状の軌道にも適用することができる。また、トレーニングの対象は、脚でなく腕であってもよい。

このように、本実施の形態においては、参照テーブルに示される関節軸の軸トルクと関節軸の角度との関係に基づいて軸トルクを発生することによって、使用者２０の脚の先端が所定の軌道を描くように保ち、かつ、特定の実効筋群のためのトレーニング負荷を使用者２０の脚に付与する。これにより、自転車漕ぎのような実際の運動の形を擬似的に再現しながら、特定の実効筋群のトレーニングを効果的に行うことができる。

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。

図９は本発明の第２の実施の形態におけるロボットアームの姿勢と負荷の変化との関係を示す図である。

本実施の形態においては、制御装置に保存される参照テーブルには、使用者２０の脚の先端が描く軌道に垂直な方向（円の半径方向）の負荷に相当する軸トルクと、前記軌道の接線方向（円の円周方向）の負荷に相当する軸トルクとが区別されて保存されている。そして、前記軌道の接線方向の負荷については、トレーニングの速度、すなわち、トレーニングの際における前記軌道の接線方向の速度に対して単調増加となるような係数を参照テーブルに保存されたデータに乗じる。これにより、図９に示されるように、トレーニングの際における使用者２０の脚の先端の速度に対応して、使用者２０の脚に付与される負荷を変化させることができる。

なお、図９には、図が煩雑になるのを防ぐために、高速、中速及び低速の３段階の速度に対応する負荷の変化が示されているが、負荷は、速度に対応して段階的に変化させるよりは、連続的に変化させる方が好ましい。

なお、実際に使用者２０の脚に与えられる負荷は、前記第１の実施の形態と同様に、使用者２０の脚の先端が描く軌道に垂直な方向の負荷と、前記軌道の接線方向の負荷とを合わせたものになる。

このように、本実施の形態においては、トレーニングの結果、使用者２０の筋力が変化してトレーニングの速度が変化した場合であっても、負荷のデータが保存された参照テーブルを作り直す必要がなく、速度に対応した適切な負荷を使用者２０に付与することができる。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２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及び第２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。

図１０は本発明の第３の実施の形態におけるロボットアームの床面を想定した仮想モデルを示す図である。

本実施の形態においては、前記第１の実施の形態のように、仮想的な円軌道２５を想定した仮想モデルによって自転車を漕ぐトレーニングを行う場合でなく、図に示されるように、仮想的な床面３１を想定した仮想モデルによって床面３１から受ける反力が使用者２０の脚にトレーニング負荷として付与される擬似的な歩行のトレーニングを行う場合について説明する。

具体的には、使用者２０の体重に相当する質量２１がロボットアーム１２の基端、すなわち、使用者２０の股関節に対応する第１関節軸１５ａに付与されるものとする。また、仮想的な床面モデル３２を想定し、これにより、使用者２０の脚が床面３１から受ける反力、すなわち、床反力を計算する。この場合、床面モデル３２は、ばね３２ａ及びダンパ３２ｂを備えるばね−ダンパ系であるものとする。さらに、床面３１の摩擦係数は一定であるものと仮定する。なお、使用者２０の大腿部には第１リンク１３ａが対応し、下腿部には第２リンク１３ｂが対応する。

このような仮想モデルにおいて、使用者２０に床反力及び重力が作用している状態をシミュレーションし、使用者２０の股関節の高さを計算する。なお、計算した股関節の高さの初期値をトレーニング開始時の股関節高さとする。

そして、使用者２０は歩行するときのように脚を動かしてトレーニングを行う。仮想モデルにおける股関節高さとロボットアーム１２の実際の姿勢とから、使用者２０の脚の先端と仮想的な床面３１との干渉高さを計算し、さらに、床面モデル３２のばね−ダンパ系に基づき、床面３１に垂直な方向の床反力、すなわち、垂直床反力を計算する。

また、床面３１に平行な方向の反力は、体重の慣性力に相当する反力である。なお、該反力の最大値は、垂直床反力に床面３１の摩擦係数を乗じた最大摩擦力であるものとする。

このようにして計算された床面３１に垂直な反力と床面３１に平行な反力との合力をロボットアーム１２に発生させ、トレーニング負荷として使用者２０の脚に付与する。

なお、トレーニングを行う際の使用者２０の姿勢は、必ずしも立った姿勢に限定されるものではなく、他の姿勢、例えば、仰向けに寝た姿勢、傾斜した背もたれにもたれ掛かった姿勢等であってもよい。トレーニングを行う際の使用者２０の姿勢に合わせて、使用者２０の体躯（く）の方向を重力方向として仮想モデルを設定することが望ましい。

また、使用者２０の体重に相当する質量２１は、必ずしも使用者２０の実際の体重と一致している必要はない。そのため、使用者２０の筋力の状態や関節疾患の状態に合わせて、軽い負荷でトレーニングを開始し、徐々に負荷を増やしていくことができる。

このように、本実施の形態においては、想定された仮想モデルとロボットアーム１２の実際の姿勢との関係に基づき、仮想モデルの発生する反力を計算し、該反力と同等のトレーニング負荷を使用者２０の脚に付与する。これにより、任意の体重に対応した負荷を使用者２０に付与しながら、擬似的な歩行のトレーニングを行うことができる。そのため、使用者２０が、寝たきりで脚の筋力が低下した状態であっても、また、関節に疾患がある状態であっても、使用者２０の状態に合わせた負荷で、歩行のトレーニングを行うことができる。

また、トレーニングを行う際の使用者２０の姿勢は、立った姿勢である必要はなく、座席に座った状態であっても、また、仰向けに寝た状態であってもよいので、使用者２０が転倒してしまう危険性がない。

さらに、床面３１は、必ずしも仮想の重力方向に垂直である必要はなく、傾斜が付いていてもよいし、また、段差があってもよい。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の第１の実施の形態における筋力トレーニング装置の構造を模式的に示す図である。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。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。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。本発明の第１の実施の形態におけるロボットアームの先端の円軌道及び力の関係を示す図である。本発明の第１の実施の形態におけるロボットアームの姿勢を示す第１の図である。本発明の第１の実施の形態におけるロボットアームの姿勢を示す第２の図である。本発明の第１の実施の形態におけるロボットアームの姿勢と負荷の変化との関係を示す図である。本発明の第２の実施の形態におけるロボットアームの姿勢と負荷の変化との関係を示す図である。本発明の第３の実施の形態におけるロボットアームの床面を想定した仮想モデルを示す図である。

符号の説明

１０筋力トレーニング装置
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
２５円軌道
３２床面モデル

Claims

（ａ）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、
（ｂ）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、
（ｃ）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、
（ｄ）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、
（ｅ）前記軸トルクを測定するトルク測定装置と、
（ｆ）前記ロボットアームの先端が所定の軌道を描くように運動する際の前記関節軸の軸トルクと関節軸の角度との関係を示す参照テーブルを保存する記憶装置とを有し、
（ｇ）前記参照テーブルに示される関節軸の軸トルクと関節軸の角度との関係に基づいて軸トルクを発生することによって、前記被験者の上肢又は下肢の先端が前記軌道を描くように保ち、かつ、特定の実効筋群のためのトレーニング負荷を前記被験者の上肢又は下肢に付与することを特徴とする筋力トレーニング装置。
前記参照テーブルに示される関節軸の軸トルクは、前記軌道の接線方向の負荷に相当する軸トルクと前記軌道に垂直な方向の負荷に相当する軸トルクとを含み、前記軌道の接線方向の負荷に相当する軸トルクは、前記軌道の接線方向の速度に対応して変化する請求項１に記載の筋力トレーニング装置。
前記軌道は円軌道であり、前記被験者は自転車を漕ぐ動作を行う請求項１又は２に記載の筋力トレーニング装置。
（ａ）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、
（ｂ）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、
（ｃ）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、
（ｄ）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、
（ｅ）前記軸トルクを測定するトルク測定装置とを有し、
（ｆ）想定された仮想モデルと前記ロボットアームの実際の姿勢との関係に基づき、前記仮想モデルにおいて発生する反力を計算し、該反力と同等のトレーニング負荷を前記被験者の上肢又は下肢に付与することを特徴とする筋力トレーニング装置。
前記仮想モデルはばね−ダンパ系の床面モデルを含み、前記被験者は床上を歩行する動作を行う請求項４に記載の筋力トレーニング装置。