JP2016209445A - 力発生装置、力変換装置、トレーニング装置、連結セレクタ、回転部材 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の特性を有する力もしくはトルクを発生する力発生装置を提供する。
【解決手段】力変換装置１００は、紐状部材１０２および回転部材１１０を備える。回転部材１１０は、回動自在に軸支され、その回転により紐状部材１０２を巻き取る。回転部材１１０は、径が紐状部材１０２の巻き取り量に応じて徐変する第１部分１１２を有する。引張装置２０２は、紐状部材１０２を、回転部材１１０から引き出す方向に引っ張る。
【選択図】図２

Description

本発明は、力発生装置に関する。

従来のトレーニング装置は、運動者に対してウェイトを使って負荷を加えるものが一般的であった（特許文献１参照）。このため運動者が７０ｋｇのバーベルを持ち上げる運動をしたければ、７０ｋｇのウェイトが必要になるため、装置が重くなるという問題がある。またトレーニング中にウェイトが落下すると大きな事故を起こしかねず、したがって運動者を補助する補助者が付き添うことが必要な場合もある。更に、トレーニング中の重さの調整やトレーニング装置の運搬もウェイトが存在しているために面倒で不便である。

特開２００６−１２２４９９号公報

本発明者らは、ウェイトの代替としてバネを利用することを検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
ウェイトを用いたトレーニング装置では、移動量に依存しない一定の負荷を加えることができる。これに対してバネが発生する力は、フックの法則に従ってその伸び量（変位量）に比例するため、バネを用いたトレーニング装置では、移動量に応じて負荷が変化する。たとえば、バネを用いたウェイトリフティングのトレーニング装置では、負荷が、持ち上げ初めは軽く、持ち上げるに従って重くなるため、実際のウェイトリフティングのそれとはかけ離れたものとなる。

かかる状況において本発明者らは、バネを用いてもウェイトと同じ負荷を得るためには、変位量ｘを引数とするある関数ｆ（ｘ）で与えられる力Ｆ_ＩＮを、変位量ｘを引数とする別の関数ｇ（ｘ）で与えられる力Ｆ_ＯＵＴに変換する装置、機構が有用であることを認識するに至った。かかる装置、機構は、トレーニング装置に限らず、さまざまな用途、場面において、ある特性を有する力を、別の特性を有する力に変換する際に有用である。なお以上の考察を、本発明の分野における共通の一般知識の範囲として捉えてはならない。さらに言えば、上記考察自体が本発明者らがはじめて想到したものである。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、所望の特性を有する力を発生する力発生装置の提供にある。

本発明のある態様は、力発生装置に関する。力発生装置は、紐状部材と、回動自在であり、その回転により紐状部材を巻き取る回転部材であって、その径が紐状部材の巻き取り量に応じて徐変する第１部分を有する回転部材と、紐状部材を、回転部材から引き出す方向に引っ張る引張装置と、を備える。

第１部分の径（半径）ｒが、回転部材の回転角θの関数としてｒ（θ）で表されるものとする。紐状部材が回転部材に対して滑ることなく巻回する場合、引張装置が紐状部材に与える力をＦとするとき、回転部材のトルクＮは、
Ｎ＝ｒ（θ）×Ｆ
で与えられる。Ｆは、変位量や時間を引数とする関数で表されてもよく、定数であってもよい。この力発生装置によれば、第１部分の半径を表す関数ｒ（θ）の設計に応じて、所望の特性を有するトルクを発生することができ、あるいはそのトルクを力として出力できる。

本発明の別の態様もまた、力発生装置である。この力発生装置は、紐状部材と、回動自在であり、紐状部材が巻回されるとともに、紐状部材の引き出しにより回転する回転部材であって、その径が紐状部材の引き出し量に応じて徐変する第１部分を有する回転部材と、回転部材に対して、紐状部材の引き出しを妨げる方向にトルクを与える引張装置と、を備える。
第１部分の径（半径）ｒが、回転部材の回転角θの関数としてｒ（θ）で表されるものとする。紐状部材が回転部材に対して滑ることなく巻回する場合、引張装置が回転部材に与えるトルクをＮとするとき、紐状部材が負荷を引く力Ｆは、
Ｆ＝Ｎ／ｒ（θ）
で与えられる。Ｎは、変位量や時間を引数とする関数で表されてもよく、定数であってもよい。この力発生装置によれば、第１部分の半径を表す関数ｒ（θ）の設計に応じて、所望の特性を有する力Ｆを発生することができる。

本発明の別の態様は、トレーニング装置に関する。トレーニング装置は、上述のいずれかの力発生装置と、力発生装置の出力を負荷として運動者に与える伝達手段と、を備える。
この態様によれば、運動者に与える負荷を、回転部分の半径ｒを表す関数ｒ（θ）に応じて設計、調整することができる。

本発明のさらに別の態様は、力変換装置である。この力変換装置は、紐状部材と、紐状部材が巻き付けられる回転部材であって、その径が紐状部材の巻き込み量、引き出し量に応じて徐変する回転部材と、を備える。

この態様によると、ある特性を有する力あるいはトルクを、別の特性を有する力あるいはトルクに変換することができる。

本発明によれば、所望の特性を有する力を発生することができる。

図１（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係る力変換装置の原理を説明する模式図である。 第１の実施の形態の第１実施例に係る力発生装置を示す図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、図２の力発生装置の動作を示す図である。 第２実施例に係る力発生装置および力変換装置の斜視図である。 第３実施例に係る力発生装置および力変換装置の斜視図である。 図６（ａ）は、力発生装置の出力を一定とするｒ（θ）を示す図であり、図６（ｂ）は、ガイドの軌跡を示す図である。 第２の実施の形態の第１実施例に係る力発生装置を示す図である。 図８（ａ）〜（ｄ）は、図７の力発生装置の動作を示す図である。 第２実施例に係る力発生装置および力変換装置の斜視図である。 第３実施例に係る力発生装置および力変換装置の斜視図である。 力発生装置を備えるトレーニング装置の斜視図である。 トレーニング装置の側面図である。 伝達手段の斜視図である。 伝達手段の斜視図である。 連結セレクタを上から見た斜視図である。 連結セレクタを下から見た斜視図である。 図１７（ａ）は、複数のギアを示す斜視図であり、図１７（ｂ）はギアの凹凸の模式図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

１． 力変換装置
はじめに、力変換装置について説明する。図１（ａ）〜（ｂ）は、実施の形態に係る力変換装置１００の原理を説明する模式図である。図１（ａ）には力変換装置１００の斜視図が、図１（ｂ）、（ｃ）に、回転部材１１０の側面図および平面図が示される。

力変換装置１００は、主として、紐状部材１０２および回転部分１１０を備える。紐状部材１０２は、柔軟性を有する張力の伝達手段であり、負荷に応じてワイヤ、ロープ、ケーブル、紐、糸、ベルト、チェーンなどから選択することができる。

回転部分１１０は、回動自在に軸支され、その回転に応じて紐状部材１０２が巻き付けられ、あるいは引き出される。回転部材１１０の半径ｒは、紐状部材１０２の巻き込み量、引き出し量に応じて渦巻き状に徐変する。ここでは、説明の簡易化、理解の容易化のため、紐状部材１０２の一端１０４が、回転部材１１０に対して固定されているものとする。

いま回転部材１１０の基準位置からの回転角をθと定義し、回転部材１１０の半径ｒが、回転角θを引数とする関数ｒ（θ）で与えられるものとする。紐状部材１０２が回転部材１１０に対して滑ることなく巻回する場合、紐状部材１０２が引かれる力Ｆ、回転部材１１０のトルクＮ、半径ｒ（θ）の間には、以下の式が成り立つ。
Ｆ×ｒ（θ）＝Ｎ

したがって、ある特性を有するトルクＮを入力とした場合、Ｆ＝Ｎ／ｒ（θ）で与えられる力Ｆに変換することができる。あるいは反対に、ある特性を有する力Ｆを入力とした場合、Ｎ＝Ｆ×ｒ（θ）で与えられるトルクＮに変換することができる。つまり、回転部材の半径ｒ（θ）の形状に応じて、ある特性を有する力あるいはトルクを、別の特性を有する力あるいはトルクに相互変換することができる。

以上が力変換装置１００の原理である。本発明は、上述の説明から導かれるさまざまな装置に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例を説明する。

続いて力変換装置１００を用いた力発生装置２００について、第１、第２の実施の形態に即して具体的に説明する。

２． 第１の実施の形態に係る力発生装置
（１） 第１実施例
図２は、第１の実施の形態の第１実施例に係る力発生装置２００を示す図である。力発生装置２００は、主として、上述の力変換装置１００と、引張装置２０２と、を備える。第１の実施の形態では、図１の力変換装置１００を、紐状部材１０２に与える力Ｆが入力、トルクＮが出力となる態様で利用する。

力変換装置１００の回転部材１１０は、その回転によって紐状部材１０２を巻き取る。図２には、巻き取り量がゼロの状態が示される。この実施の形態においても、紐状部材１０２の一端１０４は、回転部材１１０のある点に固定されているものとする。回転部材１１０の第１部分１１２には、巻き取られた紐状部材１０２が沿うべき経路に沿って溝（以下、この溝をガイド１１４と称する）が形成される。このガイド１１４の半径がｒ（θ）で与えられる。かくして、回転部材１１０を図中、θ正方向に回転させると、紐状部材１０２が、回転部材１１０の第１部分１１２に設けられたガイド１１４に沿って巻き取られていく。引張装置２０２は、紐状部材１０２を、回転部材１１０から引き出す方向に引っ張る。

引張装置２０２は、たとえばコイルやスプリング、ばねのような弾性体であってもよいし、油圧あるいは空気圧を用いた装置であってもよく、あるいはウェイトを用いた一定加重を与える手段であってもよく、紐状部材１０２に力Ｆを付与できればその構成、方式は問わない。以下では、理解の容易化、説明の簡潔化のため、引張装置２０２は、力Ｆが、変位量ｘを引数とする関数ｆ（ｘ）で与えられるものとする。
Ｆ＝ｆ（ｘ）

以上が力発生装置２００の構成である。続いてその動作を説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は、図２の力発生装置２００の動作を示す図である。

図３（ａ）〜（ｃ）には、力発生装置２００のθ＝０°，１８０°，３６０°の状態が示される。図中、紐状部材１０２のうち、回転部材１１０の第１部分１１２に巻き取られた部分にハッチングを付している。

図３（ａ）〜（ｃ）それぞれの状態において、引張装置２０２が紐状部材１０２に与える力Ｆ、および回転部材１１０のトルクＮは、以下で与えられる。
θ＝０°， Ｆ_０＝ｆ（０）， Ｎ_０＝ｒ（０°）・Ｆ_０
θ＝１８０°， Ｆ_１＝ｆ（ｘ_１）， Ｎ_１＝ｒ（１８０°）・Ｆ_１
θ＝３６０°， Ｆ_２＝ｆ（ｘ_２）， Ｎ_２＝ｒ（３６０°）・Ｆ_２

したがってこれらを一般化すれば、任意の角度θにおけるトルクＮとして、式（１）を得る。
Ｎ＝ｒ（θ）×ｆ（ｘ） …（１）
つまり、ｒ（θ）の形状に応じて、所望の特性（たとえばθ依存性）を有するトルクＮを発生することができる。

（２） 第２実施例
図４は、第２実施例に係る力発生装置２００ａおよび力変換装置１００ａの斜視図である。回転部材１１０は半径ｒが略一定値ｒ_０である第２部分１１６を有している。力変換装置１００ａは図２の力変換装置１００に加えて、出力用の紐状部材１２０を備える。紐状部材１２０は、第２部分１１６に巻き付けられており、紐状部材１２０の一端１２２は、第２部分１１６のある箇所に固定される。

紐状部材１２０の力をＧと書くとき、式（２）が成り立つ。
Ｇ×ｒ_０＝Ｎ …（２）
したがって、力発生装置２００ａによれば、式（３）で与えられる力Ｇを発生することができる。
Ｇ＝Ｎ／ｒ_０＝ｒ（θ）×ｆ（ｘ）／ｒ_０ …（３）
また図４の力変換装置１００ａによれば、引張装置２０２が発生する力Ｆを、力Ｇに変換することができる。なお図４の力変換装置１００ａにおいて、ｒ_０は任意でよい。

（３） 第３実施例
図５は、第３実施例に係る力発生装置２００ｂおよび力変換装置１００ｂの斜視図である。この実施例では第２部分１１６は第１部分１１２と連続しており、第２部分１１６の半径ｒ_０は、第１部分１１２のｒ（０）と実質的に等しい。また図４では別々であった紐状部材１０２と紐状部材１２０とが、連続する一本の紐状部材１３０となっている。紐状部材１３０が第１部分１１２および第２部分１１６に滑り無く巻き付けられる場合には、図５の構成と図４の構成は力学的に等価とみなすことができる。

図５の力変換装置１００ｂおよび力発生装置２００ｂによれば、図４のそれらと同様に、力Ｆを力Ｇに変換することができる。また図４では二本必要であった紐状部材が一本で足りるため、構造を簡素化でき、コストを下げることができる。

（４） 力の変換の具体例
第１の実施の形態に係る力発生装置２００によれば、ある特性を有する力Ｆを、別の特性を有するトルクＮもしくは力Ｇに変換することができるが、以下では、力Ｆと力Ｇの変換について、いくつかの具体例を説明する。以下の説明では、図５の力発生装置２００ｂを採用する。

（４．１） 第１の具体例
第１の具体例では、引張装置２０２として弾性体が使用され、力発生装置２００ｂの出力Ｇは一定である。弾性体の力Ｆは、ばね定数ｋを用いて、式（４）で表される。Ｌはバネの伸び量であり、Ｌ＝ｘ＋Ｌ_０の関係が成り立つ。
Ｆ＝ｆ（ｘ）＝ｋＬ＝ｋ（ｘ＋Ｌ_０） …（４）
この場合、式（４）を式（３）に代入し、式（５）を得る。
Ｇ＝Ｎ／ｒ_０＝ｒ（θ）×（Ｆ_０＋ｋｘ）／ｒ_０ …（５）
ただしＦ_０＝ｋＬ_０
したがって求めるべきｒ（θ）は、式（６）となる。
ｒ（θ）＝Ｇ・ｒ_０／（Ｆ_０＋ｋｘ） …（６）

式（６）を満たすｒ（θ）は、数値的に計算することができる。
図６（ａ）は、力発生装置２００ｂの出力Ｇを一定とするｒ（θ）を示す図であり、図６（ｂ）は、ガイド１１４の軌跡を示す図である。計算のパラメータとして、Ｇ＝５ｋｇｆ、ｒ_０＝６ｃｍ、Ｎ＝３０ｋｇｆ−ｃｍ、ｋ＝０．１６ｋｇｆ／ｃｍを用いている。

第１の具体例によれば、弾性体を用いて、変位に依存しない一定の力Ｇを発生することができる。

（４．２） 第２の具体例
第２の具体例では、引張装置２０２としてウェイトなどの一定荷重Ｆが使用され、力発生装置２００ｂの出力Ｇは、弾性体と同様に変位に比例する。この場合、
Ｆ＝ｆ（ｘ）＝Ｆ_０
Ｇ＝ｇ（ｘ）＝Ｇ_０＋ｋｘ …（７）
を満たすように、ｒ（θ）を決めればよい。
Ｇ_０＋ｋｘ＝ｒ（θ）×Ｆ_０／ｒ_０ …（８）
従って求めるべきｒ（θ）は、式（９）となる。
ｒ（θ）＝（Ｇ_０＋ｋｘ）×ｒ_０／Ｆ_０ …（９）

式（９）を満たすｒ（θ）も数値的に計算することができる。第２の具体例によれば、ウェイトを用いて、弾性体と同様の力Ｇを発生できる。

（４．３） そのほかの具体例
当業者によれば、第１、第２の具体例に限らず、力発生装置２００が任意の力Ｇを発生可能であることが理解される。たとえばＧは変位量ｘに対して、任意の実数Ｍを用いて、以下の関数ｇ（ｘ）で与えられてもよい。
Ｇ＝ｇ（ｘ）＝ｋ・ｘ^Ｍ
Ｍ＝０の場合、第１の具体例の一定出力に相当し、Ｍ＝１の場合、第２の具体例の弾性体に相当する。０＜Ｍであれば、変位量が増加するほど力Ｇは増大することとなり、たとえば０＜Ｍ＜１であれば、変位量に対して弾性体よりも緩やかに増大する力を再現し、１＜Ｍであれば、変位量に対して弾性体よりも急峻に強くなる力を再現できる。

またＭ＜０として、変位量が増加するほど減少する力を発生することも可能である。この場合、渦巻きのガイド１１４の径ｒの徐変する方向を反対とすればよい。

また、出力Ｇは必ずしも連続である必要はなく、２個あるいは３個以上の複数の関数で表されてもよい。
Ｇ＝ｇ_１（ｘ） （０＜ｘ＜ｘ_０）
Ｇ＝ｇ_２（ｘ） （ｘ_０＜ｘ）
これにより、出力特性を途中で切り替えることができる。

（５） 半径ｒ（θ）の厳密解
上述のように、半径ｒ（θ）は、数値的に計算することが可能であるが、数学的には以下のように求められる。引張装置２０２の変位量ｘは、紐状部材１０２のうち、第１部分１１２に巻き取られた長さＬと等しい。ガイド１１４の半径がｒ（θ）であるとき、巻き取り量Ｌは、式（１０）で与えられる。
ｘ＝Ｌ＝∫_{θ１〜θ２}√（ｒ（θ）^２＋ｒ’（θ）^２）ｄθ …（１０）
ただし、ｒ’（θ）＝ｄｒ（θ）／ｄθである。

式（１０）を式（１）に代入すれば、式（１１）を得る。
Ｎ＝ｒ（θ）×ｆ（∫_{θ１〜θ２}√（ｒ（θ）^２＋ｒ’（θ）^２）ｄθ） …（１１）

力発生装置２００により発生すべきトルクＮが、θの既知の関数としてＮ（θ）で与えられるとする。そうすると、微分方程式（１１）を解くことにより、ｒ（θ）を求めることができる。
Ｎ（θ）＝ｒ（θ）×ｆ（∫_{θ１〜θ２}√（ｒ（θ）^２＋ｒ’（θ）^２）ｄθ） …（１２）

たとえば第１の具体例で説明したように、回転角θに依存せず、一定のトルクＮ_０を発生させたい場合、式（１２）は式（１３）となる。
Ｎ_０＝ｒ（θ）×Ｆ_０＋ｋ（∫_{θ１〜θ２}√（ｒ（θ）^２＋ｒ’（θ）^２）ｄθ）
…（１３）

この微分方程式（１３）を直接解くことは容易ではないが、上述のように数値的には簡単に式（１２）を満たすｒ（θ）を得ることができる。

３． 第２の実施の形態に係る力発生装置
（１）第１実施例
図７は、第２の実施の形態の第１実施例に係る力発生装置３００を示す図である。力発生装置３００は、主として、上述の力変換装置１００と、引張装置３０２と、を備える。第２の実施の形態では、図１の力変換装置１００を、紐状部材１０２の力Ｆが出力、トルクＮが入力となる態様で利用する。

力変換装置１００の回転部材１１０の第１部分１１２には、紐状部材１０２が巻回され、その一端１０４は、回転部材１１０のある点で固定される。回転部材１１０は、紐状部材１０２を引き出すことにより回転する。第１部分１１２の半径ｒは、紐状部材１０２の引き出し量に応じて徐変する。引張装置２０２は、回転部材１１０に対して、紐状部材１０２の引き出しを妨げる方向にトルクＮを与える。

紐状部材１０２を、力Ｆに逆らって引っ張ると、紐状部材１０２が第１部分１１２から引き出され、それに応じて回転部材１１０がθ正方向に回転する。

以上が力発生装置３００の構成である。続いてその動作を説明する。図８（ａ）〜（ｄ）は、図７の力発生装置３００の動作を示す図である。

図８（ａ）〜（ｃ）には、力発生装置３００のθ＝０°，１８０°，３６０°の状態が示される。図中、紐状部材１０２のうち、回転部材１１０の第１部分１１２に巻き取られた部分にはハッチングを付している。

いま力発生装置２００に対する入力であるトルクＮを、θの関数としてＮ（θ）と書くとする。このとき、図８（ａ）〜（ｃ）それぞれの状態において、紐状部材１０２に与える力Ｆ、および回転部材１１０のトルクＮ（θ）は、以下で与えられる。
θ＝０°， Ｎ_０＝Ｎ（０°）， ｆ_０＝Ｎ_０／ｒ（０°）
θ＝１８０°， Ｎ_１＝Ｎ（１８０°）， ｆ_１＝Ｎ_１／ｒ（１８０°）
θ＝３６０°， Ｆ_２＝ｆ（３６０°）， ｆ_２＝Ｎ_２／ｒ（３６０°）

したがってこれらを一般化すれば、任意の角度θにおける力Ｆとして、式（１４）を得る。
Ｆ（θ）＝Ｎ（θ）／ｒ（θ） …（１４）
つまり、ｒ（θ）の形状に応じて、所望の特性（たとえばθ依存性）を有する力Ｆを発生することができる。

（２） 第２実施例
図９は、第２実施例に係る力発生装置３００ａおよび力変換装置１００ｃの斜視図である。回転部材１１０は半径ｒが略一定値ｒ_０である第２部分１１６を有している。力変換装置１００ｃは図２の力変換装置１００に加えて、トルク入力用の紐状部材１４０を備える。紐状部材１４０は、第２部分１１６に巻き付けられており、紐状部材１４０の一端１４２は、第２部分１１６のある箇所に固定される。

引張装置２０２は、紐状部材１４０を力Ｇで引く。力Ｇは、θの関数であってもよい。このとき引張装置２０２が回転部材１１０に与えるトルクＮは、式（１５）で与えられる。
Ｎ＝Ｇ×ｒ_０ …（１５）

したがって力発生装置３００ａによれば、式（１６）で与えられる力Ｆを発生することができる。
Ｆ（θ）＝Ｇ×ｒ_０／ｒ（θ） …（１６）
また図９の力変換装置１００ｃによれば、引張装置２０２が発生する力Ｇを、力Ｆに変換することができる。なお図９の力変換装置１００ｃにおいて、ｒ_０は任意でよい。

（３） 第３実施例
図１０は、第３実施例に係る力発生装置３００ｂおよび力変換装置１００ｄの斜視図である。この変形例では第２部分１１６は第１部分１１２と連続しており、第２部分１１６の半径ｒ_０は、第１部分１１２のｒ（０）と実質的に等しい。また図９では別々であった紐状部材１０２と紐状部材１４０とが、連続する一本の紐状部材１５０となっている。紐状部材１５０が第１部分１１２および第２部分１１６に滑り無く巻き付けられる場合には、図１０の構成と図９の構成は力学的に等価とみなすことができる。

（４） 具体例
第２の実施の形態に係る力発生装置３００によれば、ある特性を有する力ＦもしくはトルクＮを、別の特性を有する力Ｇに変換することができるが、以下では、力Ｆ（トルクＮ）と力Ｇの変換について、いくつかの具体例を説明する。

（４．１） 第１の具体例
以下の説明では、図１０の力発生装置３００ｂを採用する。

第１の具体例では、引張装置２０２とし弾性体が使用され、力発生装置３００ｂの出力Ｆは一定である。弾性体の力Ｇは、ばね定数ｋを用いて、式（１７）で表される。
Ｇ＝Ｇ（ｘ）＝Ｇ_０＋ｋｘ …（１７）

また、回転部材１１０がθ回転したときの変位ｘは、引き出された紐状部材１５０の長さと等しいから、式（１８）で表される。
ｘ＝ｒ_０×θ …（１８）

したがって、式（１７）、（１８）を、式（１６）に代入すると、式（１９）を得る。
Ｆ＝（Ｇ_０＋ｋｒ_０θ）×ｒ_０／ｒ（θ） …（１９）

これをｒ（θ）について解けば、式（２０）が得られる。
ｒ（θ）＝（Ｇ_０＋ｋｒ_０θ）×ｒ_０／Ｆ …（２０）
つまり第１の具体例では、半径ｒ（θ）は、一般的な螺旋関数として規定すればよい。

（４．２） 第２の具体例
第２の具体例では、引張装置２０２としてウェイトなどの一定荷重Ｇが使用される。力発生装置３００ｂの出力Ｆは、弾性体と同様に変位ｘに比例する。
Ｆ＝Ｆ（ｘ）＝Ｆ_０＋ｋｘ …（２１）

また回転部材１１０がθ回転したときの変位ｘは、引き出された紐状部材１５０の長さと等しいから、式（２２）で表される。
ｘ＝∫_{θ１〜θ２}√（ｒ（θ）^２＋ｒ’（θ）^２）ｄθ …（２２）

したがって、式（２１）、（２２）を、式（１６）に代入すると、式（２３）を得る。
Ｆ_０＋ｋ（∫_{θ１〜θ２}√（ｒ（θ）^２＋ｒ’（θ）^２）ｄθ）＝Ｇ×ｒ_０／ｒ（θ）
…（２３）
これをｒ（θ）について解けばよい。

（４．３） そのほかの具体例
当業者によれば、第１、第２の具体例に限らず、力発生装置３００が任意の力Ｆを発生可能であることが理解される。たとえばＦは変位量ｘに対して、任意の実数Ｍを用いて、以下の関数で与えられてもよい。
Ｆ＝ｋ・ｘ^Ｍ

また、出力Ｆは必ずしも連続である必要はなく、２個あるいは３個以上の複数の関数で表されてもよい。
Ｆ＝ｆ_１（ｘ） （０＜ｘ＜ｘ_０）
Ｆ＝ｆ_２（ｘ） （ｘ_０＜ｘ）
これにより、出力特性を途中で切り替えることができる。

（用途）
続いて、力発生装置２００の用途を説明する。上述のように力発生装置２００もしくは３００（以下、２００と表記する）によれば、変位量に対して所望の特性を有する力Ｇを発生できる。たとえば変位量に依存しない一定の力はウェイトが発生する力と等価であるため、トレーニング装置に用いることができる。以下、力発生装置２００を用いたトレーニング装置４００について説明する。

４． トレーニング装置
図１１は、力発生装置２００を備えるトレーニング装置４００の斜視図である。図１２は、トレーニング装置４００の側面図である。単一の図面を参照してトレーニング装置４００の構造を理解するのは困難であるため、図１１、図１２を同時参照しながら説明する。

トレーニング装置４００は、力発生装置２００と、伝達手段４１０と、フレーム４０４を備える。伝達手段４１０は、力発生装置２００の出力Ｇを負荷として運動者に与える。

トレーニング装置４００の一形態であるベンチプレスを例に説明する。力発生装置２００が発生した力Ｇは、伝達手段４１０によってバー４１２に伝達され、バー４１２を鉛直下方向に牽引する。フレーム４０４には、座面４０６が固定される。運動者は、座面４０６に仰向けに横たわり、力Ｇに逆らってバー４１２を鉛直方向に持ち上げる。

以上がトレーニング装置４００の基本構成である。この力発生装置２００は、以下の利点を有する。
・従来のトレーニング装置で使用されたウェイトが不要となる。特に引張装置２０２をスプリングで構成した場合、ある重量のウェイトと同じ力を発生可能な引張装置２０２の重量は、ウェイトに比べて著しく軽量化できる。
加えて従来は、重いウェイトに耐えうるようにフレームを設計するため、フレームの重量も重くなる。本実施の形態では、フレームも併せて軽量化できるため、装置の総重量は著しく軽くできる。一例として、従来のトレーニング装置は、ウェイトだけでも数十ｋｇであったのに対して、本実施の形態では、総重量を１０ｋｇ以下とすることも可能であり、ポータブルとすることが可能である。

・ウェイトを用いたトレーニング装置では、鉛直方向にウェイトの可動範囲を確保する必要があり、したがって装置の形状、形態がウェイトの可動範囲に制約を受ける。本実施の形態に係るトレーニング装置４００によれば、引張装置２０２の向きは制約を受けないため、装置の形状、形態の設計の自由度を格段に高めることができる。これにより、トレーニング装置を小型化することも可能である。

・このように、トレーニング装置を軽量化、小型化することにより、設置性、可搬性が高められ、一般家庭での使用の途が大きく開かれることとなる。また病院やリハビリテーション施設にも設置しやすくなる。

・力発生装置２００の出力特性は、引張装置２０２の特性および回転部材１１０の形状に応じて決めることができる。たとえば上述の（４．１）第１の具体例を採用すれば、ウェイトと同等の力を発生することが可能である。
あるいは、トレーニングの種類によっては、ウェイトとは異なる力特性の方が望ましいケースもあろう。こうしたケースでは、別の出力特性を有する力発生装置２００を採用すればよい。また力発生装置２００を交換可能なユニットとし、トレーニングの種類ごとに、あるいはユーザの好みに応じて選択可能としてもよい。

続いて伝達手段４１０について説明する。伝達手段４１０は、主として紐状部材４１４、スライダ４２０を備える。紐状部材４１４はその両端においてバー４１２と連結されており、スライダ４２０とバー４１２の間で力を相互に伝達する。スライダ４２０は、紐状部材４１４が巻回される動滑車４２２を有し、所定範囲で直線移動可能である。紐状部材４１４の片側４１４Ｌは、ガイドプーリー（定滑車）Ｐ１Ｌ、Ｐ２Ｌ、Ｐ３Ｌ、Ｐ４Ｌを経て、バー４１２と接続される。紐状部材４１４の反対側４１４Ｒは、ガイドプーリーＰ１Ｒ、Ｐ２Ｒ、Ｐ３Ｒ、Ｐ４Ｒを経て、バー４１２と接続される。力発生装置２００は、スライダ４２０を牽引する。プーリーＰ３Ｌ、Ｐ４Ｌは、可動アーム４１６Ｌに固定されており、可動軸４１８を中心に回動可能となっている。これにより、運動者の体格に合わせて、バー４１２の位置を調節できる。

またトレーニング装置４００は、運動者の体格、スキルに応じて、荷重が調節可能となっている。このために、トレーニング装置４００には、複数の力発生装置２００＿１〜２００＿４が設けられる。力発生装置２００＿１〜２００＿４それぞれが発生する力Ｇ１〜Ｇ４は、２^ｋ倍（ｋ＝０，１，…）となるように、バイナリで重み付けされてもよい。Ｗは単位荷重であり、たとえば５ｋｇｆである。Ｗは、トレーニング装置４００が発生する最も弱い負荷に相当するため、最小設定負荷とも称する。
Ｇ１＝２^０×Ｗ＝Ｗ
Ｇ２＝２^１×Ｗ＝２Ｗ
Ｇ３＝２^２×Ｗ＝４Ｗ
Ｇ４＝２^３×Ｗ＝８Ｗ
力発生装置２００＿１〜２００＿４それぞれの引張装置２０２は、太さが異なるスプリングで構成することができる。

各力発生装置２００＿１〜２００＿４は個別に、スライダ４２０との連結、解放が選択可能となっている。これにより、負荷を５〜７５ｋｇｆの範囲でＷ＝５ｋｇｆ刻みで調節することができる。なおメンテナンスを考慮して、負荷がゼロ、すなわちすべての力発生装置２００が、スライダ４２０から切り離された状態も選択可能である。

図１２を参照する。スライダ４２０には、可動フック４２４が設けられる。紐状部材１２０の先端には、可動フック４２４と係合可能なリンク部材１２４が設けられる。可動フック４２４は、力発生装置２００ごとに設けられており、各可動フック４２４と対応するリンク部材１２４の接続状態に応じて、負荷が調節される。

図１３および図１４は、伝達手段４１０の斜視図である。図１３には、運動者がバー４１２を持ち上げ、それによりスライダ４２０が端部位置から移動した状態が示される。ガイドレール４０８は、スライダ４２０の可動方向に延設され、フレーム４０４に対して固定されている。スライダ４２０には、ガイドレール４０８上を転がるローラー４２６が設けられる。

プーリー群４３４は、複数の力発生装置２００＿１〜２００＿４の紐状部材１２０＿１〜１２０＿４を、スライダ４２０の近傍に集める。図１３では、４本の紐状部材１２０のうち、２つの紐状部材１２０＿１と１２０＿２が、スライダ４２０と連結され、残りの紐状部材１２０＿３、１２０＿４は、スライダ４２０から解放されている。このときバー４１２には、１５ｋｇｆの負荷がかかっている。

リンク部材１２４にはピン１２６が設けられている。ストッパ４３０にはピン１２６と嵌合する溝４３２が設けられており、ストッパ４３０は、リンク部材１２４が、プーリー群４３４側に抜けるのを防止している。

図１４には、運動者がバー４１２を最下点まで戻した状態、つまり無負荷時の状態が示され、すべてのピン１２６が、ストッパ４３０の溝４３２と嵌合している。固定レバー４３６は、ストッパ４３８と連結している。ストッパ４３８には、ローラー４２６と勘合する溝４４０が設けられる。図１４の状態で、運動者が固定レバー４３６を倒すと、スライダ４２０が固定される。無負荷状態において複数のリンク部材１２４は、隣接して位置する。

続いて、可動フック４２４とリンク部材１２４の連結について説明する。可動フック４２４を１本１本、運動者が差し替えるのは面倒である。そこで伝達手段４１０は、ダイヤル（ロータリー）式の連結セレクタ４５０を備える。図１５は、連結セレクタ４５０を上から見た斜視図であり、図１６は、連結セレクタ４５０を下から見た斜視図である。図１５、図１６は、図１４のようにスライダ４２０がロックされた状態に対応する。

複数の可動フック４２４＿１〜４２４＿４は、共通の回転軸４２５に対して回動可能となっている。連結セレクタ４５０は、可動フック４２４＿１〜４２４＿４に対応する複数の押し込みレバー４５４＿１〜４５４＿４を備える。なお図１５では、一番手前の押し込みレバー４５４＿１は省略されている。複数の押し込みレバー４５４＿１〜４５４＿４は、共通の回転軸４５６を中心に回動可能である。

可動フック４２４は重力により鉛直下方向に引っ張られるため、下からの支えが無ければ、リンク部材１２４から外れようとする。押し込みレバー４５４は、対応する可動フック４２４を下から支えている。ｉ番目（ｉ＝１，２，３，４）の押し込みレバー４５４が押し上げられた状態では、可動フック４２４＿ｉがリンク部材１２４＿ｉに差し込まれ、押し込みレバー４５４が押し下げられた状態では、可動フック４２４＿ｉはリンク部材１２４＿ｉから外れる。図１５、図１６では、押し込みレバー４５４＿１、４５４＿２が押し下げられ、押し込みレバー４５４＿３、４５４＿４が押し下げられている。

複数の押し込みレバー４５４＿１〜４５４＿４それぞれの状態は、ダイヤル（ロータリースイッチともいう）４５２によって制御される。図１６に示すように、連結セレクタ４５０は、複数のギア４５８＿１〜４５８＿４を備える。複数のギア４５８＿１〜４５８＿４は、複数の押し込みレバー４５４＿１〜４５４＿４に対応しており、ダイヤル４５２に対して同軸に設けられ、ダイヤル４５２と連動して回転する。図１７（ａ）は、複数のギア４５８＿１〜４５８＿４を示す斜視図であり、図１７（ｂ）はギア４５８＿１〜４５８＿４の凹凸の模式図である。

複数のギア４５８＿１〜４５８＿４はそれぞれ、異なる凹凸形状を有する。押し込みレバー４５４はそれぞれ、動きをスムーズとするためのローラー４６０を有する。ｉ番目のローラー４６０＿ｉに関して、ギア４５８＿ｉの凹部に位置するとき、押し込みレバー４５４は押し下げられた状態となり、可動フック４２４＿ｉがリンク部材１２４＿ｉから外れる。反対にローラー４６０＿ｉが、ギア４５８＿ｉの凸部に位置するとき、押し込みレバー４５４＿ｉは押し上げられた状態となり、可動フック４２４＿ｉとリンク部材１２４＿ｉが係合する。

ダイヤル４５２は、負荷を調節するボリウムである。ギア４５８＿１〜４５８＿４それぞれの凹凸形状は、ダイヤル４５２のある回転位置において、所望の負荷が得られるように定められる。

上述のように負荷を０〜１５の１６段階で変化させる場合を考える。１６段階の負荷を、バイナリで表記すると４ビットで表され、ギア４５８＿１から４５８＿４はそれぞれ、最下位ビットから最上位ビットに対応づけられ、値１は凸部に、値０は凹部に対応する。

以上が連結セレクタ４５０の構成である。この連結セレクタ４５０によれば、ダイヤル４５２の回転位置に応じて、複数の押し込みレバー４５４の位置を制御し、それにより可動フック４２４とリンク部材１２４の係合、切断を切り替えることができる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（第１変形例）
力発生装置に関して、第１の実施の形態と第２の実施の形態を組み合わせた構造も本発明の態様として有効である。すなわち、図５の力発生装置２００ｂにおいて、第１部分１１２に加えて、紐状部材１０２の出力側が巻き付けられる第２部分１１６を、渦巻き形状としてもよい。

（第２変形例）
トレーニング装置に関して、実施の形態ではベンチプレスを例としたが、レッグカール、アームカール、ラットプルダウンなど、その他さまざまなトレーニング装置にも適用可能である。たとえば図１１のトレーニング装置４００において、バー４１２を取り外し、別のアタッチメントを装着することで、レッグカール、アームカール、ラットプルダウンに対応することも可能である。

（第３変形例）
トレーニング装置における負荷の調整に関して、複数の力発生装置２００それぞれとスライダ４２０の連結／解放の切り替え手段は、ダイヤル（ロータリースイッチ）形式の連結セレクタ４５０には限定されない。たとえば、ダイヤルに代えて、それぞれが連結、解放に対応する２位置を取り得る複数のスイッチを採用してもよい。あるいは力発生装置２００それぞれの紐状部材１２０の先端とスライダ４２０をピンの挿入により連結可能としてもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００…力変換装置、１０２…紐状部材、１０４…一端、１１０…回転部材、１１２…第１部分、１１４…ガイド、１１６…第２部分、１２０…紐状部材、１２２…一端、１２４…リンク部材、１２６…ピン、２００…力発生装置、２０２…引張装置、３００…力発生装置、３０２…引張装置、４００…トレーニング装置、４０４…フレーム、４０６…座面、４０８…ガイドレール、４１０…伝達手段、４１２…バー、４１４…紐状部材、４１６…可動アーム、４２０…スライダ、４２２…滑車、４２４…可動フック、４２６…ローラー、４３０…ストッパ、４３２…溝、４３４…プーリー群、４３６…固定レバー、４３８…ストッパ、４４０…溝、４５０…連結セレクタ、４５２…ダイヤル、４５４…押し込みレバー、４５６…回転軸、４５８…ギア。

Claims (17)

1. 紐状部材と、
   回動自在であり、その回転により前記紐状部材を巻き取る回転部材であって、その径が前記紐状部材の巻き取り量に応じて徐変する第１部分を有する回転部材と、
   前記紐状部材を、前記回転部材から引き出す方向に引っ張る引張装置と、
   を備えることを特徴とする力発生装置。
2. 前記回転部材は、前記第１部分と連続しており、かつ径が略一定の第２部分を有し、
   前記紐状部材は、その一部が前記第２部分に巻かれた状態で引き出されていることを特徴とする請求項１に記載の力発生装置。
3. 前記引張装置は、変位量に比例した力を発生する弾性体であることを特徴とする請求項１または２に記載の力発生装置。
4. 前記第１部分の径は、前記回転部材のトルクが実質的に一定となるように定められることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の力発生装置。
5. 紐状部材と、
   回動自在に軸支され、前記紐状部材が巻回されるとともに、前記紐状部材の引き出しにより回転する回転部材であって、その径が前記紐状部材の引き出し量に応じて徐変する第１部分を有する回転部材と、
   前記回転部材に対して、前記紐状部材の引き出しを妨げる方向にトルクを与える引張装置と、
   を備えることを特徴とする力発生装置。
6. 前記回転部材は、前記第１部分と連続しており、かつ径が略一定の第２部分を有し、
   前記紐状部材は、その一部が前記第２部分に巻かれた状態で引き出されており、
   前記引張装置は、前記第２部分を経て引き出された前記紐状部材の一端に接続されることを特徴とする請求項５に記載の力発生装置。
7. 前記引張装置は、変位量に比例した力を発生する弾性体であることを特徴とする請求項５または６に記載の力発生装置。
8. 前記第１部分の径は、前記紐状部材が負荷を引っ張る力が一定となるように定められることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の力発生装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の力発生装置と、
   前記力発生装置の出力を負荷として運動者に与える伝達手段と、
   を備えることを特徴とするトレーニング装置。
10. 前記伝達手段は、
    運動者に力を伝達する第２紐状部材と、
    前記第２紐状部材が巻回される動滑車を有し、所定範囲で直線移動可能なスライダと、
    を含み、
    前記力発生装置は、前記スライダを牽引することを特徴とする請求項９に記載のトレーニング装置。
11. 前記力発生装置は、複数個設けられ、各力発生装置は個別に前記スライダとの連結、解放が選択可能であることを特徴とする請求項１０に記載のトレーニング装置。
12. 複数の前記力発生装置それぞれが発生する力は２^ｋ（ｋ＝０，１…）にて重み付けされていることを特徴とする請求項１０または１１に記載のトレーニング装置。
13. 各力発生装置は、その紐状部材の先端に設けられ、対応する可動フックと係合可能なリンク部材を有し、
    前記スライダは、複数の前記リンク部材に対応する複数の可動フックを備え、
    前記トレーニング装置は、対応する前記可動フックと前記リンク部材を含む連結部の連結、解放を個別に切り替える連結セレクタをさらに備え、
    前記連結セレクタは、
    運動者が操作するダイヤルと、
    前記複数の可動フックと対応する複数のギアであって、前記ダイヤルと連動して回動可能であり、それぞれが異なる凹凸形状を有する複数のギアと、
    前記複数のギアと対応し、それぞれが対応するギアの凹凸に応じて変位する複数の押し込みレバーと、
    を備え、前記複数の押し込みレバーの変位に応じて、複数の前記連結部の連結、解放が切りかえ可能であることを特徴とする請求項１１または１２に記載のトレーニング装置。
14. 複数の力発生装置それぞれと前記スライダとの間の連結／解放を定めるスイッチを備え、前記スイッチの設定にしたがい、それら複数の力発生装置から前記スライダに伝達される合計の力が、最小設定負荷の倍数となることを特徴とする請求項１１または１２に記載のトレーニング装置。
15. 複数の力発生装置それぞれと前記スライダとの連結／解放に対応する２位置をとる複数の連結部をさらに備え、
    前記スイッチは、ロータスイッチであり、前記複数の連結部それぞれの位置は、前記スイッチの回転にともないバイナリカウンタの形式でカウントアップあるいはカウントダウンすることを特徴とする請求項１４に記載のトレーニング装置。
16. 複数の連結部の連結、解放を個別に切り替える連結セレクタであって、
    運動者が操作するダイヤルと、
    前記複数の連結部と対応する複数のギアであって、前記ダイヤルと連動して回動可能であり、それぞれが異なる凹凸形状を有する複数のギアと、
    前記複数のギアと対応し、それぞれが対応するギアの凹凸に応じて変位する複数の押し込みレバーと、
    を備え、
    前記複数の押し込みレバーの変位に応じて、前記複数の連結部の連結、解放が切りかえ可能であることを特徴とする連結セレクタ。
17. 回転により紐状部材を巻き取る回転部材であり、
    その径ｒ（θ）が前記紐状部材の巻き取り量に応じて徐変する第１部分を有し、
    使用において前記紐状部材は、変位量ｘの関数ｆ（ｘ）で与えられる力Ｆにより前記回転部材から引き出される方向に引っ張られるものであり、
    使用において発生すべきトルクが回転角θの関数としてＮ（θ）で与えられるとき、前記第１部分の径ｒ（θ）は、
    Ｎ（θ）＝ｒ（θ）×ｆ（∫_{θ１〜θ２}√（ｒ（θ）^２＋ｒ’（θ）^２）ｄθ）
    を満たすように規定されていることを特徴とする回転部材。

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