JP2010259607A - トレーニング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速な運動動作での筋力トレーニングにおいて、最大動作速度をほとんど減少させることなく、効果的な負荷を与えることができるトレーニング装置を提供する。
【解決手段】 操作部２に加わる負荷、及び予め目標として設定される仮想慣性、仮想粘性、仮想弾性に基づいて、前記操作部の目標角度、目標角速度、及び目標角加速度を算出し、この目標角度、目標角速度、目標角加速度、操作部２の回転角度、及び角速度に基づいて生成される制御信号により操作部２に発生させる負荷を制御するトレーニング装置１であって、操作部２が所定の角度に到達するまでの間は、前記仮想粘性に目標角速度を乗じた負荷に、前記仮想慣性に目標角加速度を乗じた負荷を加算した負荷を操作部２に発生させ、操作部２が所定の角度に到達した後は、前記仮想慣性を当該仮想慣性よりも低い値に変更した負荷を操作部２に発生させるトレーニング装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、筋力トレーニングやリハビリテーションを行うためのトレーニング装置に関し、特に、高速な運動動作における筋力トレーニングにおいても効果的な負荷を与えることができるトレーニング装置に関する。

従来の筋力トレーニングとしては、ダンベルやバーベル等の錘を用いたトレーニングが一般的であるが、これらの錘を用いたトレーニングでは、動作開始時に最も大きな負荷を生じ、その後は慣性の影響で負荷が小さくなるため、動作開始時に必要以上の負荷を生じるとともに、逆にその後は適切な負荷が得られなくなる場合がある。また、従来から運動速度を一定の速度に規定する等速性負荷を発生させるトレーニング装置がある（例えば、特許文献１参照）。このような等速性負荷を発生する装置は、リハビリテーションや筋力測定を行うための装置として、これまで多く用いられてきている。しかしながら、従来の等速性負荷を発生させる装置では、規定された速度に到達するまでは、ほとんど負荷が加わらない状態であるため、高速な運動動作のトレーニングについては、負荷が加わる動作領域が限られてしまう。そのため、高速な運動動作で行うトレーニングに対しては、有効な負荷を与えることは困難であった。

これに対して、運動速度に比例して負荷が増大する負荷様式である等粘性負荷を発生させるトレーニング装置が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。この等粘性負荷を発生させる装置では、運動速度に比例して負荷を増大させることができるので、トレーニング動作開始時からトレーニング動作終了時までの全ての動作領域において、負荷が与えることができる。

特開２００２−１２６１２２号公報

伊藤晋彦、三田勝己、赤滝久美、渡壁誠、添田敏視、野中壽子、加藤厚生「粘性負荷に対する筋運動（等粘性収縮）の力学的特性−等張性および等速性収縮との比較−」、体力科学、Vol.４６、１９９７、p.２１１−２２０．

しかしながら、等粘性負荷を発生させるトレーニング装置においても、高速な運動動作でトレーニングを行う場合、粘性の値は低く設定されるため、運動動作の加速状態においては、負荷が小さく感じられることが多くあった。また、高速な運動動作のトレーニングにおいては、その運動速度が重要な意味を持つことが多いため、単純に負荷を強めるために、粘性を高く設定した場合には、運動速度も減少してしまうため、目的とするトレーニング効果を得ることができないという問題があった。

本発明は、上記のような種々の課題に鑑みてなされたものであって、高速な運動動作での筋力トレーニングにおいて、最大運動速度をほとんど減少させることなく、効果的な負荷を与えることができるトレーニング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載のトレーニング装置では、操作部の回転に連動して回転するシャフト部と、該シャフト部を介して前記操作部に負荷を発生させる負荷発生手段と、前記操作部に加わる負荷を検出する負荷検出手段と、前記操作部の回転角度を検出する回転角度検出手段と、前記操作部の角速度を算出する演算手段と、前記負荷検出手段により検出される負荷、及び予め目標として設定される仮想慣性、仮想粘性、仮想弾性に基づいて、前記操作部の目標角度、目標角速度、及び目標角加速度を算出する目標値算出手段と、該目標値算出手段により算出される前記目標角度、前記目標角速度、前記目標角加速度、前記回転角度検出手段により検出される前記操作部の回転角度、及び前記演算手段により算出される前記操作部の角速度に基づいて生成される制御信号を前記負荷発生手段に入力することにより、前記操作部に発生させる負荷を制御する負荷制御手段とを備えるトレーニング装置であって、前記負荷制御手段は、前記回転角度検出手段により前記操作部が所定の角度に達したことが検出されるまでの間は、前記仮想粘性に前記目標角速度を乗じた負荷に、前記仮想慣性に前記目標角加速度を乗じた負荷を加算した負荷を前記負荷発生手段により前記操作部に発生させ、前記回転角度検出手段により前記操作部が前記所定の角度に達したことが検出された後は、前記仮想慣性を当該仮想慣性よりも低い値に変更して、前記負荷発生手段により前記操作部に負荷を発生させるよう制御することを特徴としている。

請求項２記載のトレーニング装置では、請求項１記載のトレーニング装置において、前記負荷制御手段は、前記操作部の目標角加速度に対してローパスフィルタを施すとともに、前記回転角度検出手段により前記操作部が前記所定の角度に達したことが検出された後に、前記仮想慣性を当該仮想慣性よりも低い値に変更する際、前記仮想慣性の値を所定時間用いて、線形に減少させて変更することを特徴としている。

請求項３記載のトレーニング装置では、請求項１又は２に記載のトレーニング装置において、前記仮想粘性の値は、０．５〜１．２［Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ］の間で設定され、前記操作部が前記所定の角度に達するまでの前記仮想慣性の値は、０．２［Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ］以上に設定され、前記操作部が前記所定の角度に達した後の前記仮想慣性の値は、０．０２［Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ］以下の正の値に設定されることを特徴としている。

請求項４記載のトレーニング装置では、請求項１乃至３のいずれかに記載のトレーニング装置において、前記所定の角度は、操作者により前記操作部が操作される際の最大動作速度到達時における回転角度を実験的に求めたデータに基づいて、設定されるものであり、前記実験的に求めた最大動作速度到達時における回転角度よりも手前の角度に設定されることを特徴としている。

請求項５記載のトレーニング装置では、請求項１乃至４のいずれかに記載のトレーニング装置において、前記所定の角度を設定する入力を受け付ける入力受付手段を備えることを特徴としている。

請求項６記載のトレーニング装置では、請求項１乃至５のいずれかに記載のトレーニング装置において、前記入力受付手段は、前記仮想粘性の値の設定、前記操作部が前記所定の角度に達するまでの前記仮想慣性の値の設定、及び前記操作部が前記所定の角度に達した後の前記仮想慣性の値の設定の入力を受け付けることを特徴としている。

請求項１記載のトレーニング装置によれば、操作部が所定の角度に達するまでの間は、等粘性負荷に慣性負荷が加えられた負荷が与えられるので、単に等粘性負荷のみの場合に比べて、大きな負荷を与えることができる。また、等粘性負荷をベースとしているので、単純に慣性負荷のみが与えられる場合のように、動作終盤の減速域で動作方向とは逆の方向に大きな負荷を生じて、操作者の関節等を痛める危険性も抑制することができる。また、所定の角度に達した後は、仮想慣性を低い値に変更するので、等粘性負荷のみの場合とほぼ同様の運動速度でのトレーニングも可能となる。これにより、最大運動速度をほとんど減少させることなく、筋への刺激を高め、運動動作開始から運動動作終了までの１回の運動で消費するエネルギーを増大させることが可能になるため、高速な運動動作のトレーニングにおいて、より効果的なトレーニングが可能になる。

請求項２記載のトレーニング装置によれば、目標角加速度に対してローパスフィルタを施すとともに、仮想慣性の値を変更する際に、仮想慣性の値を線形に減少させている。これにより、仮想慣性を変化させたときに一時的に目標角加速度が増加することによるトルクの不連続性を低減させることができる。

請求項３記載のトレーニング装置によれば、仮想粘性の値が高速動作での運動に適した値に設定されているので、より効率的な高速動作でのトレーニングが可能になる。

請求項４記載のトレーニング装置によれば、仮想慣性の値を変更する基準となる所定の角度が、予め実験的に求められた操作者の最大動作速度に到達する時点の回転角度よりも手前の角度に設定される。そのため、仮想慣性の値がより低い値に変更された後に、操作者の動作速度が上がるので、単に等粘性負荷のみを操作部に与えた場合とほぼ同様の最大角速度でのトレーニングが可能になる。

請求項５記載のトレーニング装置によれば、仮想慣性の値を変更する基準となる所定の角度の設定の入力を行うことができるので、操作者毎の適性に応じた角度を設定することにより、より効果的なトレーニングを行うことができる。

請求項６記載のトレーニング装置によれば、操作部に与える負荷を操作者の適性に応じて、柔軟に設定することが可能になる。

本発明の実施形態に係るトレーニング装置の一例を示す概略側面図である。 本発明の実施形態に係るトレーニング装置の制御系の説明図である。 本発明の実施形態に係るトレーニング装置の制御部における制御の流れを示すフローチャートである。 仮想粘性を０．５［Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ］に設定した場合の等粘性負荷の実験結果及び等粘性負荷に慣性負荷を加算した負荷の実験結果を示す図である。 仮想粘性を５．０［Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ］に設定した場合の等粘性負荷の実験結果及び等粘性負荷に慣性負荷を加算した負荷の実験結果を示す図である。 各仮想粘性における等粘性負荷と等粘性負荷に慣性負荷を加算した負荷の最大トルクの結果を示す図である。 各仮想粘性における等粘性負荷と等粘性負荷に慣性負荷を加算した負荷の消費エネルギーの結果を示す図である。 各仮想粘性における等粘性負荷と等粘性負荷に慣性負荷を加算した負荷の最大角速度の結果を示す図である。 仮想粘性を０．５［Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ］に設定した場合の等粘性負荷の実験結果及び操作部の回転角度がπ／３［ｒａｄ］に到達した際に仮想慣性の値を変更するよう制御した負荷の実験結果を示す図である。 仮想粘性を５．０［Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ］に設定した場合の等粘性負荷の実験結果及び操作部の回転角度がπ／３［ｒａｄ］に到達した際に仮想慣性の値を変更するよう制御した負荷の実験結果を示す図である。 各仮想粘性における等粘性負荷と操作部の回転角度がπ／３［ｒａｄ］に到達した際に仮想慣性の値を変更するよう制御した負荷の最大トルクの結果を示す図である。 各仮想粘性における等粘性負荷と操作部の回転角度がπ／３［ｒａｄ］に到達した際に仮想慣性の値を変更するよう制御した負荷の消費エネルギーの結果を示す図である。 各仮想粘性における等粘性負荷と操作部の回転角度がπ／３［ｒａｄ］に到達した際に仮想慣性の値を変更するよう制御した負荷の最大角速度の結果を示す図である。

以下に本発明に係るトレーニング装置について、各図面を用いて説明する。本発明に係るトレーニング装置１は、図１，２に示すように、操作部２の回転に連動して、回転するシャフト部３と、該シャフト部３を介して操作部２に負荷を与える負荷発生部４と、操作部２に加わる負荷を検出する負荷検出部５と、操作部２の回転角度を検出する回転角度検出部６と、負荷発生部４が発生する負荷の制御等を行うための制御部７と、操作者の所定の入力操作等を受け付ける入力受付部８とを備えている。

トレーニング装置１では、ハンドル状に形成される操作部２は、アーム９の先端部に取付けられており、アーム９は負荷発生部４に回転可能に取り付けられているシャフト部３の一端に固定されている。操作部２は、操作者の体格に応じて、アーム９の長尺方向に沿って取付位置を調整できるようになっている。そして、操作者は、操作部２の取付位置を調節した後、ハンドル状の操作部２を握った状態で、シャフト部３を回転中心とした回転方向に力を加えることにより、操作部２と共に、シャフト部３が回転する。

シャフト部３には、ストッパー用アーム１１が取り付けられており、所定の回転可動域を超えた場合には、このストッパー用アーム１１が基台１０にネジ等によって固定されているストッパー用ブロック１２に当たるようになっている。これにより、アーム９の回転可動域は、制限されている。また、ストッパー用ブロック１２の上面には、安全性に配慮して、非常停止用のスイッチ１３が設けられており、アーム９が想定する回転可動域を超えた場合には、このスイッチ１３がストッパー用アーム１１に押圧されて、負荷発生部４の駆動が停止されるようになっている。尚、ストッパー用ブロック１２は、基台１０から取り外すことも可能であるので、トレーニングの仕方によっては、ストッパー用ブロック１２を取り外して、アーム９の回転可動域を制限しないようにすることも可能である。また、本実施形態に係るトレーニング装置１では、肘の屈曲又は伸展動作を行うトレーニングのための構造を示しているが、操作部２の機構を公知のトレーニング装置に利用されている機構等に変更することにより、脚の伸展動作等、他の部位に適用させることも当然可能である。

負荷検出部５は、操作部２に加わる負荷を検出するためのものであり、ひずみゲージ式センサ等が使用される。回転角度検出部６は、負荷発生手段４と共に設けられるエンコーダからなるものであって、操作部２の回転角度を検出する。

負荷発生部４は、回転駆動力を発生するモータからなるものであり、当該負荷発生部４に取り付けられているシャフト部３を介して、操作部２に負荷を発生させる。また、トレーニング装置１には、この負荷発生手段４が発生する負荷の制御等を行うための制御部７が備えられている。この制御部７は、図２に示すように、回転角度検出部６により検出された操作部２の回転角度の情報に基づいて、操作部２の回転角速度及び回転角加速度の算出、及び負荷検出部５により検出された操作部２に加わる負荷に基づいて、操作部２に加わるトルクの算出を行う演算部７１と、操作部２に加わるトルク、及びトレーニング装置１で実現すべき目標とする機械的インピーダンスモデルの仮想慣性、仮想粘性、仮想弾性に基づいて、操作部２の目標角度、目標角速度、及び目標角加速度を算出する目標算出部７２と、該目標算出部７２により算出される目標角度、目標角速度、目標角加速度、回転角度検出部６により検出される操作部２の回転角度、及び演算部７１により算出される操作部２の角速度に基づいて生成される制御信号を負荷発生部４に入力することにより、操作部２に発生させる負荷を制御する負荷制御部７３とを有している。

また、入力受付部８には、図示しないが、制御部４による制御動作の開始を指示するためのスタートキーや操作者の情報等を入力するための文字入力キー等が備えられており、後述する所定の角度の設定、仮想粘性、及び仮想慣性の値の設定もこの入力受付部８により行われる。そして、この入力受付部８で受け付けられた情報は制御部７へと送られ、制御部７では、入力されたこれらの情報を受信するようになっている。

次に、このようにして構成されるトレーニング装置１において得られる負荷の制御方法等について説明する。まず、トレーニング装置１では、実現すべき目標とする機械的インピーダンスモデルが以下の式（１）で与えられる。
ｍα_ｄ＋ｂν_ｄ＋ｋθ_ｄ＝τ_ｈ 式（１）
ここで、ｍは目標として設定される仮想慣性、ｂは目標として設定される仮想粘性、ｋは目標として設定される仮想弾性、τ_ｈは操作者の発揮トルク（操作部２に加わるトルク）を表している。また、理想的なインピーダンス値（ｍ、ｂ、ｋ）が設定される場合の運動θ_ｄ（ｔ）を実際のシステムへの目標運動としており、α_ｄ、ν_ｄ、θ_ｄは、それぞれ理想的なインピーダンス値（ｍ、ｂ、ｋ）が設定される場合の目標角加速度、目標角速度、目標角度を表している。

また、図１で示したトレーニング装置１全体のダイナミクスは以下の式（２）のように表される。
Ｍα＋Ｂν＋ｇ＝ｕ＋τ_ｈ 式（２）
但し、Ｍはシステムの慣性、Ｂはシステムの粘性、αは操作部２の角加速度、νは操作部２の角速度、θは操作部２の角度、ｇは重力項、ｕは制御入力を表している。ここで、制御入力ｕを以下の式（３）とする。
ｕ＝ｋ_ｐ（θ_ｄ−θ）＋ｋ_ν（ν_ｄ−ν）
＋（＾Ｍ−ｍ）α_ｄ＋（＾Ｂ−ｂ）ν_ｄ−ｋθ_ｄ＋ｇ 式（３）
式（３）におけるｋｐ、ｋνはゲイン定数、＾Ｍはシステム慣性の推定値、＾Ｂはシステム粘性の推定値である。

そして、この式（３）を式（２）に代入することにより、以下の式（４）を得る。
ｍα_ｄ＋ｂν_ｄ＋ｋθ_ｄ＋η＝τ_ｈ 式（４）
ここで、ηは誤差項を表しており、この誤差項ηは、以下の式（５）のように表される。システムのインピーダンスパラメータ（慣性、粘性、弾性）が良好に推定され、制御入力のフィードバックゲインが十分大きく設定されれば、誤差項ηは無視できる程度まで小さくなり、所望の機械的インピーダンスが実現される。
η＝Ｍ（α−α_ｄ）＋（Ｂ＋ｋ_ν）（ν−ν_ｄ）＋ｋ_ｐ（θ−θ_ｄ）
＋（Ｍ−＾Ｍ）α_ｄ＋（Ｂ−＾Ｂ）ν_ｄ 式（５）
尚、目標角度θ_ｄ、目標角速度ν_ｄは、式（１）からルンゲクッタ・ジル法により求められ、目標角加速度α_ｄは、ルンゲクッタ・ジル法により求められた目標角度θ_ｄ、目標角速度ν_ｄ、及び操作者の発揮トルクτ_ｈから求めている。また、操作部２の角速度ν及び操作者の発揮トルクτ_ｈには、遮断周波数２０［Ｈｚ］のローパスフィルタを施している。

また、トレーニング装置１の制御部７により行われる制御の流れについて、図３を用いて説明する。図３に示すように、入力受付手段８のスタートキーが押され、制御が開始されると、まず操作部２の回転角度情報を回転角度検出部６により取得する（Ｓ１）。このように取得された回転角度は、演算部７１で微分操作が施された後、ローパスフィルタリングされることにより、操作部２の角速度が算出される。また、この角速度を更に微分操作し、ローパスフィルタリングすることにより角加速度情報が取得される（Ｓ２）。また、負荷検出部５により操作部２に加わる負荷が取得され、この取得された負荷に対応する電圧値が、ひずみアンプを介して演算部７１に取り込まれ、演算部７１によりローパスフィルタリング後、トルク係数を乗算することにより操作部２に加わるトルクが算出される（Ｓ３）。

そして、回転角度検出部６により取得された操作部２の回転角度が、予め入力受付手段８で設定される所定の角度であるπ／３［ｒａｄ］以上であるか否かが判断される（Ｓ４）。本実施形態では、肘の屈曲動作のトレーニングを例に説明しており、肘の屈曲動作において、仮想粘性ｂの値を０．５〜１．２（Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ）の間に設定した場合の等粘性負荷を用いたトレーニングでは、最大角速度が発揮される角度は、およそ１．７７〜１．９０［ｒａｄ］であることが実験的に得られている。従って、ここでは、所定の角度をこの最も動作速度が早くなる１．７７〜１．９０［ｒａｄ］よりも手前のπ／３（≒１．０５）［ｒａｄ］に設定している。

ここで、回転角度検出部６により取得された操作部２の回転角度が、まだπ／３［ｒａｄ］に到達していないと判断された場合は（Ｓ４：ＮＯ）、予め目標の慣性として一定に設定されている式（１）の仮想慣性ｍの値を変更することなく、目標算出部７２にて、目標角度θ_ｄ、目標角速度ν_ｄ、及び目標角加速度α_ｄを算出する（Ｓ６）。具体的に、Ｓ６では、負荷検出部５で取得された負荷に基づいて得られた操作部２に加わるトルクτ_ｈ、及び予め目標として一定に設定される仮想慣性ｍ、仮想粘性ｂ、仮想弾性ｋからルンゲクッタ・ジル法を用いて、目標角度θ_ｄ、目標角速度ν_ｄを算出する。そして、この目標角度θ_ｄ、目標角速度ν_ｄ、及びトルクτ_ｈを式（１）に代入することにより、目標角加速度α_ｄを算出する。このようにして算出された目標角加速度α_ｄには、遮断周波数２０［Ｈｚ］のローパスフィルタが施される（Ｓ７）。

そして、負荷制御部７３では、目標角度θ_ｄ及び目標角速度ν_ｄと現在の操作部２の角度及び角速度との偏差と、目標角度θ_ｄ、目標角速度ν_ｄ、及び目標角加速度α_ｄで構成されるフィードフォーワード項とを用いて式（３）の制御入力ｕを算出し、この制御入力ｕをモータドライバへ出力することにより、負荷発生部４により発生する負荷を制御する（Ｓ８）。尚、本実施形態では、このようにＰＤフィードバックを用いて制御を行っているが、力フィードバックを用いて制御することも可能である。

また、回転角度検出部５により取得された操作部２の回転角度が、π／３［ｒａｄ］以上であると判断された場合（Ｓ４：ＹＥＳ）には、予め目標の慣性として一定に設定されている式（１）の仮想慣性ｍの値を、現在の値よりも低い一定の値へと変更する（Ｓ５）。これにより、操作部２の回転角度が、π／３［ｒａｄ］に到達する前より慣性負荷が軽減されるため、その後は、素早い動作でのトレーニングが可能になる。具体的には、仮想慣性ｍを零に近付けることが望ましく、ここでは、操作部２の回転角度が、π／３［ｒａｄ］に到達するまでの間の仮想慣性ｍの値は、０．２０［Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ］に設定されており、π／３［ｒａｄ］に到達すると、仮想慣性ｍの値を０．０２［Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ］へと変更するように制御している。尚、仮想慣性ｍの値は、０．０２［Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ］以下の正の値に変更しても良い。

また、仮想慣性ｍの値を瞬間的に大きく変更させた場合には、負荷トルクの不連続性を誘発するため、制御性能が劣化する。そこで、Ｓ５では、仮想慣性ｍの値を変更する際、５０[ｍｓｅｃ]の時間を用いて、仮想慣性ｍの値を０．２０から０．０２へと線形に減少させている。これにより、仮想慣性ｍを変化させたときに一時的に目標角加速度α_ｄが増加することによるトルクの不連続性を低減させることができる。このようにＳ５の処理により仮想慣性ｍが変更されることにより、Ｓ８では、仮想慣性ｍの値が変更された制御入力ｕが算出されることになるので、操作部２の回転角度が、π／３［ｒａｄ］以降の場合は、慣性負荷が軽減された負荷が操作部２に発生することになる。また、その後、操作者の運動動作が終了するまでの間、Ｓ１〜Ｓ８の処理が繰り返される。尚、図３のフローチャートでは、Ｓ４の条件判断の処理をＳ６の目標角度θ_ｄ、目標角速度ν_ｄ、及び目標角加速度α_ｄを算出する処理の前に行う場合を示しているが、Ｓ６，Ｓ７の処理の後に、Ｓ３の条件処理を行うようにすることも可能である。また、仮想慣性ｍ及び仮想粘性ｂの値は、操作者が予め入力受付部８により設定できるように構成しておいても良いし、予め設定しておいた仮想慣性ｍ及び仮想粘性ｂの値を用いるようにしても良い。

以下では、本実施形態に係るトレーニング装置１を用いた実験結果について説明する。尚、従来の負荷様式と比較するために、図４〜１３では、従来の負荷様式である等粘性負荷の実験結果も示している。また、図４〜８では、仮想慣性ｍの値を操作部２の回転角度がπ／３［ｒａｄ］に到達した際に、低い値に変更しないままの負荷様式の実験結果を示している。

図４，５では、等粘性負荷による実験結果を点線で示しており、等粘性負荷に慣性負荷を加算した負荷による実験結果を実線で示している。図４の等粘性負荷による実験では、上記の式（１）におけるインピーダンスパラメータを仮想慣性ｍ＝０．０２［Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ］、仮想粘性ｂ＝０．５［Ｎｍ・ｓ／ｒaｄ］、仮想弾性ｋ＝０．２［Ｎｍ／ｒａｄ］に設定している。また、等粘性負荷に慣性負荷を加算させる負荷による実験では、インピーダンスパラメータを仮想慣性ｍ＝０．２［Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ］、仮想粘性ｂ＝０．５［Ｎｍ・ｓ／ｒaｄ］、仮想弾性ｋ＝０．２［Nｍ／ｒａｄ］に設定しており、仮想慣性は、等粘性負荷の場合に比べて１０倍の値になっている。また、図５には、図４の仮想粘性ｂ＝５．０［Ｎｍ・ｓ／ｒaｄ］に設定した場合の実験結果を示している。尚、理想的には、慣性及び弾性を零に近付けることが好ましいが、システムの安定性を保証するため、ここでは、等粘性負荷の場合にも、仮想慣性ｍを０．０２［Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ］、仮想弾性ｋを０．２［Nｍ／ｒａｄ］という小さな値に設定している。

図４および５の（ａ）では角度−角速度の関係、（ｂ）では角度−トルクの関係、（ｃ）では角速度−トルクの関係を表している。図４の（ａ）に示されるように、仮想粘性ｂ＝０．５という低い値に設定され、早い運動速度でトレーニングが行える負荷において、等粘性負荷に慣性負荷を加算した負荷では、慣性負荷の影響により角速度の値が等粘性負荷単独の場合と比べて低下している。一方、図５の（ａ）に示されるように、仮想粘性ｂ＝５．０と高い値に設定した場合には、操作者による操作部２の角加速度が小さくなるため、慣性負荷の影響が小さくなり、等粘性負荷に近い軌道を示すようになっている。また、図４の（ｂ）に示すように、等粘性負荷に慣性負荷を加算した負荷では、等粘性負荷のみの場合に比べて、最大トルクの値は増えているが、慣性負荷の影響により、運動範囲の後半において負のトルクが発生している。

また、図６〜８では、それぞれ仮想粘性ｂの値を０．５，０．８，１．２，２．０，３．０，５．０[Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ]に設定した場合の最大トルクの値、消費エネルギーの値、及び最大角速度の値を示している。尚、この場合の消費エネルギーとは、操作者の動作開始から動作終了までに消費したエネルギーのことであり、肘屈曲動作においては、肘の伸展状態から肘を屈曲させた状態までに消費したエネルギーのことである。この消費エネルギーＥは、以下の式（６）により求めている。
Ｅ＝∫τ_ｈ（ｔ）・ν（ｔ）ｄｔ 式（６）
但し、ｔは動作開始から動作終了までの時刻、τ_ｈ（ｔ）は、時刻ｔにおける操作者の発揮トルク（操作部２に加わるトルク）、ν（ｔ）は時刻ｔにおける操作部２の角速度を表しており、式（６）では、動作開始時から動作終了時の時刻ｔまで積分したものを消費エネルギーＥとしている。

図６に示すように、仮想粘性ｂの値が、０．５〜１．２（Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ）の間で設定されている場合において、等粘性負荷に慣性負荷を加算した負荷は、等粘性負荷のみの場合に比べて、操作部２に加わる負荷が、顕著に増加している。しかしながら、図７，８に示すように、消費エネルギー及び最大角速度の値は、等粘性負荷に慣性負荷を加算した負荷の方が、等粘性負荷のみの場合に比べて低くなっている。つまり、単に等粘性負荷に慣性負荷を加算した負荷様式では、図４の（ａ）、（ｂ）に示すように、慣性負荷の影響により、最大角速度が低下するとともに、運動範囲の後半において負のトルクが発生するので、消費エネルギーも低下する結果になる。また、仮想粘性ｂの値を３．０[Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ]のように比較的高い値に設定した場合には、等粘性負荷のみの場合と等粘性負荷に慣性負荷を加算した負荷とではそれほど顕著な差が見られない。

そこで、図９〜１３では、図３のフローチャートに示すように、所定の角度π／３［ｒａｄ］に到達した際に、仮想慣性ｍの値を０．０２[Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ]へと変更する制御を行った場合の実験結果を示している。尚、図９，１０でも図図４，５と同様に、等粘性負荷による実験結果を点線で示しており、所定の角度π／３［ｒａｄ］に到達した際に、仮想慣性ｍの値を０．０２[Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ]へと変更する負荷による実験結果を点で示している。また、図９〜１３では、仮想慣性ｍの値を０．０２[Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ]へと変更する負荷を慣性ゼロ化負荷と表している。図９の等粘性負荷では、式（１）におけるインピーダンスパラメータを仮想慣性ｍ＝０．０２［Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ］、仮想粘性ｂ＝０．５［Ｎｍ・ｓ／ｒaｄ］、仮想弾性ｋ＝０．２［Nｍ／ｒａｄ］に設定している。また、等粘性負荷に慣性負荷を加算させる負荷では、インピーダンスパラメータを仮想慣性ｍ＝０．２［Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ］、仮想粘性ｂ＝０．５［Ｎｍ・ｓ／ｒaｄ］、仮想弾性ｋ＝０．２［Nｍ／ｒａｄ］に設定しており、操作部２の回転角度がπ／３［ｒａｄ］に到達した際には、仮想慣性ｍを０．２から０．０２［Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ］へと変更している。また、図１０では、図９の仮想粘性ｂを５．０［Ｎｍ・ｓ／ｒaｄ］に設定した場合の実験結果を示している。

図９の（ａ）に示すように、π／３［ｒａｄ］に到達した際に仮想慣性ｍを変更するよう制御した負荷様式では、等粘性負荷の場合とほぼ同様の最大角速度が発揮されている。また、図９の（ｂ），（ｃ）に示すように、最大トルクの値は、等粘性負荷の場合に比べて、顕著に増大していることが分かる。また、仮想慣性ｍの値を０．０２［Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ］という零に近い低い値に変更することにより、図４の（ｂ）の仮想慣性ｂの値を変更しない場合の実験結果のように、運動範囲の後半において、負のトルクが生じることも解消される。つまり、このような制御を行うことにより、最大運動速度をほとんど減少させることなく、筋への刺激を高めることができる。尚、図１０の仮想粘性ｂを５．０［Ｎｍ・ｓ／ｒaｄ］に設定した場合には、等粘性負荷の場合とほぼ同様の軌道を示す結果になっている。

また、図１１〜１３では、それぞれ仮想粘性ｂの値を０．５，０．８，１．２，２．０，３．０，５．０[Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ]に設定した場合の最大トルクの値、消費エネルギーの値、及び最大加速度の値を示している。図１１に示すように、仮想慣性ｍを変更する制御を行う負荷では、仮想粘性ｂの値が、０．５〜１．２（Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ）の間で設定されている場合において、等粘性負荷の場合に比べて顕著に最大トルクが増加していることが分かる。また、図１２に示すように、消費エネルギーは、等粘性負荷の場合に比べて、全て増大しており、特に仮想粘性ｂの値が０．５〜１．２（Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ）の間で設定されている場合において、顕著に増大していることがわかる。また、図１３に示すように、最大角速度の値については、等粘性負荷の場合とほとんど差がない値を得ている。

以上のように、本発明のトレーニング装置１では、仮想粘性ｂが０．５〜１．２［Ｎｍ・ｓ／ｒaｄ］のように低い値に設定されている場合に、特に有効なトレーニング効果を発揮することができる。つまり、高速な運動動作における筋力トレーニングを行う際に、最大運動速度をほとんど減少させることなく、従来のどの負荷様式よりも筋への刺激を高め、消費するエネルギーを増大させることができるので、トレーニングの効率を高めることができる。尚、本実施形態に係るトレーニング装置１では、肘の屈曲動作を対象とした場合のため、仮想慣性ｍを変更する基準となる所定の角度をπ／３［ｒａｄ］に設定した例で説明しているが、トレーニングの対象となる部位に応じて、この値を設定し直すことにより、その他のトレーニングに適用することは当然可能である。

１ トレーニング装置
２ 操作部
３ シャフト部
４ 負荷発生部（負荷発生手段）
５ 負荷検出部（負荷検出手段）
６ 回転角度検出部（回転角度検出手段）
７ 制御部
７１ 演算部（演算手段）
７２ 目標値算出部（目標値算出手段）
７３ 負荷制御部（負荷制御手段）
８ 入力受付部

Claims (6)

1. 操作部の回転に連動して回転するシャフト部と、
   該シャフト部を介して前記操作部に負荷を発生させる負荷発生手段と、
   前記操作部に加わる負荷を検出する負荷検出手段と、
   前記操作部の回転角度を検出する回転角度検出手段と、
   前記操作部の角速度を算出する演算手段と、
   前記負荷検出手段により検出される負荷、及び予め目標として設定される仮想慣性、仮想粘性、仮想弾性に基づいて、前記操作部の目標角度、目標角速度、及び目標角加速度を算出する目標値算出手段と、
   該目標値算出手段により算出される前記目標角度、前記目標角速度、前記目標角加速度、前記回転角度検出手段により検出される前記操作部の回転角度、及び前記演算手段により算出される前記操作部の角速度に基づいて生成される制御信号を前記負荷発生手段に入力することにより、前記操作部に発生させる負荷を制御する負荷制御手段とを備えるトレーニング装置であって、
   前記負荷制御手段は、前記回転角度検出手段により前記操作部が所定の角度に達したことが検出されるまでの間は、前記仮想粘性に前記目標角速度を乗じた負荷に、前記仮想慣性に前記目標角加速度を乗じた負荷を加算した負荷を前記負荷発生手段により前記操作部に発生させ、
   前記回転角度検出手段により前記操作部が前記所定の角度に達したことが検出された後は、前記仮想慣性を当該仮想慣性よりも低い値に変更して、前記負荷発生手段により前記操作部に負荷を発生させるよう制御することを特徴とするトレーニング装置。
2. 前記負荷制御手段は、前記操作部の前記目標角加速度に対してローパスフィルタを施すとともに、前記回転角度検出手段により前記操作部が前記所定の角度に達したことが検出された後に、前記仮想慣性を当該仮想慣性よりも低い値に変更する際、前記仮想慣性の値を所定時間用いて、線形に減少させて変更することを特徴とする請求項１記載のトレーニング装置。
3. 前記仮想粘性の値は、０．５〜１．２［Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ］の間で設定され、前記操作部が前記所定の角度に達するまでの前記仮想慣性の値は、０．２［Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ］以上に設定され、前記操作部が前記所定の角度に達した後の前記仮想慣性の値は、０．０２［Ｎｍ・ｓ^２／ｒａｄ］以下の正の値に設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載のトレーニング装置。
4. 前記所定の角度は、操作者により前記操作部が操作される際の最大動作速度到達時における回転角度を実験的に求めたデータに基づいて、設定されるものであり、前記実験的に求めた最大動作速度到達時における回転角度よりも手前の角度に設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のトレーニング装置。
5. 前記所定の角度を設定する入力を受け付ける入力受付手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のトレーニング装置。
6. 前記入力受付手段は、前記仮想粘性の値の設定、前記操作部が前記所定の角度に達するまでの前記仮想慣性の値の設定、及び前記操作部が前記所定の角度に達した後の前記仮想慣性の値の設定の入力を受け付けることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のトレーニング装置。

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