JP2023110448A - 負荷抵抗発生装置および負荷抵抗制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】仮想現実における坂道の勾配変化などの環境条件や、利用者のニーズに合わせて適切な負荷変動を再現可能にする負荷抵抗発生装置および負荷抵抗制御方法を提供する。【解決手段】トレーニング機器１０の回転自在に支持された可動部の回転に対してＭＲ流体負荷機構６２を用いて所望の負荷抵抗を付与する。負荷目標値生成部４７及びピーク位置調整部４５を備える。負荷目標値生成部４７は、発生する負荷抵抗の大きさに前記可動部の回転角度変化に対して周期的変化を発生すると共に、少なくとも１つの負荷抵抗ピーク位置を前記周期的変化に形成する。ピーク位置調整部４５は、負荷抵抗ピーク位置の回転角度を、仮想現実表示システム３１が再現する坂道の勾配の状態や、利用者の体調、利用者の操作入力、回転速度などを反映して変更する。基準パターンの変動波形（ＳＧ３）を回転角度の前方側の方向にシフトしてピーク位置をずらす。【選択図】図１

Description

本発明は、負荷抵抗発生装置および負荷抵抗制御方法に関する。

例えばスポーツのためのトレーニング施設や、医療機関等におけるリハビリテーションの分野においては、従来より自転車の構造を模擬した形態のトレーニング機器が一般的に採用されている。

例えば特許文献１のペダル式回動運動装置は、筋力によって抵抗に抗してペダルを回動させることによって人に運動効果を与えることができる。また、特許文献１はペダル６及び７の１回動中における踏下げ力を略一定として目標のクランク軸トルクに滑らかに漸近させるための技術を開示している。

また、特許文献２の運動療法装置は、リハビリテーションにおける運動負荷強度に一定の目標を設定するための技術を開示している。具体的には、ペダルを有するペダル軸プーリーは無端ベルトを介して負荷側プーリーに連結され、この負荷側プーリーには負荷モータが結合され、この負荷モータの反負荷側にはプーリーに対するペダルの回転角度をモニタする位置検出器が接続され、この位置検出器には当該位置検出器の検出出力を微分計算して速度情報を出力する位置検出回路が接続されている。負荷モータには負荷量を制御する負荷制御装置が接続され、この負荷制御装置には上記位置検出回路からの速度情報が一定の設定値になるように当該負荷制御装置に負荷指令を送るコンピュータが接続されている。運動者の筋力値はペダルの回転角度ごとに測定され、ペダルに与える運動負荷等が設定される。

また、特許文献３の振動発生装置は、モータなどの特別なアクチュエータを必要とすることなく、所望の振動を発生するための技術を開示している。具体的には、可動部材と固定部材との間の空間に充填されたＭＲ流体のような機能性流体を利用して摺動抵抗を発生することを示している。また、摺動抵抗に振動を発生させる振動発生部を備える。人間の老化による骨密度低下防止など、様々な用途で振動を利用できる。

特開２０００－３２５４９６号公報 特開２００１－２７６２７５号公報 特開２０１９－７６３７６号公報

ところで、近年ではトレーニングやリハビリテーションの分野においても、公知のＶＲ（Virtual Reality：仮想現実）などの技術を採用し、より現実に近い環境でトレーニング機器を利用可能にすることが望まれている。

例えば、人間が一般的な自転車を漕いで実際に道路を走行している時に視認可能な時々刻々と変化する前方の風景と同等の映像を、仮想空間を表現する画面上にコンピュータで制御しながら再現し表示することが可能である。これにより、実際には移動しないトレーニング機器のペダルを利用者が漕ぐだけで、通常の自転車を漕いで実際に走行する場合と同じような感覚を利用者に与えることができ、リアリティの演出ができる。このような演出は、トレーニングを行う利用者を飽きさせないために非常に効果的である。

一方、利用者がトレーニング機器を使用する場合には、利用者が仮想空間で視認可能な風景等の映像だけでなく、利用者の筋肉に実際に加わる負荷トルクの大きさについてもより現実的であることが望まれる場合がある。

例えば、通常の自転車で走行する場合に人間の筋肉に加わる負荷トルクの大きさは、平地走行、上り坂、下り坂、坂道の傾斜の違い等の走行環境に応じて大きく変化する。特に、ペダルを漕ぐ力に対して負荷が最大になる状況は、ペダルの回転角度の違いと大きな相関があることが判明している。また、負荷が最大になる状態のペダルの回転角度は、平地走行、上り坂、下り坂、坂道の勾配の違い等の走行環境に応じて変化する。

また、トレーニング機器の利用者がペダルを漕ぐ際に感じる負荷変動の好ましいフィーリングについては、個人差や好みの影響により一定ではない可能性がある。特に、筋肉の付き方には大きな個人差があるので、利用者毎に負荷変動の好ましいフィーリングが異なることが想定される。また、様々なスポーツ、あるいはリハビリテーションのためのトレーニングを行うような用途では、利用者毎に部分的に鍛えたい筋肉の部位が異なるため、それぞれ異なる固有のフィーリングの負荷変動を利用者が希望する可能性がある。

しかしながら、例えば特許文献１の技術では負荷が最大になる回転角度が９０度、２７０度のみに固定されている（例えば図６）ので、負荷の大きさの調整は可能であるがペダルの回転角度毎に利用者が感じる負荷のフィーリングを適正に調整することができない。また、特許文献２の図３に示された動作においては、測定した回転角度毎の筋力値に基づいて疾患の有無を判定し、その結果を負荷の設定に反映することができるが、例えば上り坂の勾配などの環境変化に合わせて適切な負荷変動を再現することはできない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、仮想現実における坂道の勾配変化などの環境条件や、利用者のニーズに合わせて適切な負荷変動を再現することが容易な負荷抵抗発生装置および負荷抵抗制御方法を提供することにある。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 回転自在に支持された所定の可動部の回転に対して所望の負荷抵抗を付与する負荷抵抗発生部を有する負荷抵抗発生装置であって、
前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗の大きさに前記可動部の回転角度変化に対して周期的変化を発生すると共に、少なくとも１つの負荷抵抗ピーク位置を前記周期的変化に形成する制御目標値生成部と、
前記負荷抵抗ピーク位置の回転角度を所定の入力条件の変化に応じて可変にするピーク位置調整部と、
を備える負荷抵抗発生装置。

（２） 前記ピーク位置調整部は、前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗の影響を受ける特定ユーザの体調を検出する体調センサ、前記特定ユーザが操作可能な操作部、前記特定ユーザが置かれた実空間もしくは仮想空間における状態、及び前記可動部の回転速度の少なくとも１つの変化に応じて前記負荷抵抗ピーク位置の回転角度を変更する、
上記（１）に記載の負荷抵抗発生装置。

（３） 前記可動部は、前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗を利用して身体のトレーニング又はリハビリテーションを行うユーザが使用する所定のトレーニング機器に連結されている、
上記（１）又は（２）に記載の負荷抵抗発生装置。

（４） 前記制御目標値生成部は、前記可動部の１回転の中に、複数の前記負荷抵抗ピーク位置が現れるように前記周期的変化のパターンを形成する、
上記（１）から（３）のいずれかに記載の負荷抵抗発生装置。

（５） 前記負荷抵抗ピーク位置で前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗の大きさを、前記可動部の回転方向の違い、又は前記可動部の回転速度の違いに応じて変更する負荷抵抗調整部、を備える、
上記（１）から（４）のいずれかに記載の負荷抵抗発生装置。

（６） 回転自在に支持された所定の可動部の回転に対して所望の負荷抵抗を付与する負荷抵抗発生部を制御するための負荷抵抗制御方法であって、
前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗の制御目標値に前記可動部の回転角度変化に対して周期的変化を発生すると共に、少なくとも１つの負荷抵抗ピーク位置を前記周期的変化に形成し、
所定の入力条件の変化を検出し、その変化を前記負荷抵抗ピーク位置の回転角度の変化に反映する、
負荷抵抗制御方法。

（７） 前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗の影響を受ける特定ユーザの体調を検出する体調センサ、前記特定ユーザが操作可能な操作部、前記特定ユーザが置かれた実空間もしくは仮想空間における状態、及び前記可動部の回転速度の少なくとも１つの変化に応じて前記負荷抵抗ピーク位置の回転角度を変更する、
上記（６）に記載の負荷抵抗制御方法。

（８） 前記可動部は、前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗を利用して身体のトレーニング又はリハビリテーションを行うユーザが使用する所定のトレーニング機器に連結されている、
上記（６）又は（７）に記載の負荷抵抗制御方法。

（９） 前記可動部の１回転の中に、複数の前記負荷抵抗ピーク位置が現れるように前記周期的変化のパターンを形成する、
上記（６）から（８）のいずれかに記載の負荷抵抗制御方法。

（１０） 前記負荷抵抗ピーク位置で前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗の大きさを、前記可動部の回転方向の違い、又は前記可動部の回転速度の違いに応じて変更する、
上記（６）から（９）のいずれかに記載の負荷抵抗制御方法。

上記（１）の構成の負荷抵抗発生装置によれば、可動部を足などで操作して回転させるユーザに加わる負荷変動の負荷抵抗ピーク位置の回転角度を入力条件の変化に合わせて移動することができる。したがって、例えば坂道を自転車で走行する状況を模擬した仮想現実空間を再現しようとする場合に、現実空間における勾配の違いや上り坂、下り坂の違いなどの影響で発生する負荷変動の負荷抵抗ピーク位置の移動を容易に再現可能になる。また、ユーザ毎の体調、鍛えたい筋肉の部位、希望するフィーリングなどの個人差に適合するように、負荷抵抗ピーク位置を適切に変更することが容易になる。

上記（２）の構成の負荷抵抗発生装置によれば、可動部を実際に足などで操作して回転させるそれぞれのユーザについて、必要とされる適切な負荷変動パターンを容易に再現できる。すなわち、体調センサにより検出される各ユーザの体調（例えば、心拍数、血圧、体温など）の変化、各ユーザが希望する負荷フィーリングの変化、坂道などの走行環境の変化、回転速度などトレーニング状態の変化に合わせて、適切な負荷変動パターンを再現できる。

上記（３）の構成の負荷抵抗発生装置によれば、身体のトレーニング又はリハビリテーションを行う様々なユーザがトレーニング機器を使用する際に、それぞれのユーザが必要とする適切な負荷変動パターンを容易に再現できる。

上記（４）の構成の負荷抵抗発生装置によれば、例えば自転車のペダルを漕ぐ場合と同じように、ユーザが左右の足で可動部を回転させる場合に、左右の足のそれぞれについて、最適な回転角度の位置で負荷が最大になる状況を容易に再現できる。

上記（５）の構成の負荷抵抗発生装置によれば、トレーニング環境の変化に合わせてより適切な負荷変動を再現することが容易になる。すなわち、鍛えるべき筋肉の部位の変化に合わせて可動部の回転方向が変化した場合や、鍛えるべき筋肉の動く早さに合わせて回転速度が変化した場合に、より適切な大きさの負荷を生成できる。

上記（６）の構成の負荷抵抗制御方法によれば、可動部を足などで操作して回転させるユーザに加わる負荷変動の負荷抵抗ピーク位置の回転角度を入力条件の変化に合わせて移動することができる。したがって、例えば坂道を自転車で走行する状況を模擬した仮想現実空間を再現しようとする場合に、現実空間における勾配の違いや上り坂、下り坂の違いなどの影響で発生する負荷変動の負荷抵抗ピーク位置の移動を容易に再現可能になる。また、ユーザ毎の体調、鍛えたい筋肉の部位、希望するフィーリングなどの個人差に適合するように、負荷抵ピーク位置を適切に変更することが容易になる。

上記（７）の構成の負荷抵抗制御方法によれば、可動部を実際に足などで操作して回転させるそれぞれのユーザについて、必要とされる適切な負荷変動パターンを容易に再現できる。すなわち、体調センサにより検出される各ユーザの体調（例えば、心拍数、血圧、体温など）の変化、各ユーザが希望する負荷フィーリングの変化、坂道などの走行環境の変化、回転速度などトレーニング状態の変化に合わせて、適切な負荷変動パターンを再現できる。

上記（８）の構成の負荷抵抗制御方法によれば、身体のトレーニング又はリハビリテーションを行う様々なユーザがトレーニング機器を使用する際に、それぞれのユーザが必要とする適切な負荷変動パターンを容易に再現できる。

上記（９）の構成の負荷抵抗制御方法によれば、例えば自転車のペダルを漕ぐ場合と同じように、ユーザが左右の足で可動部を回転させる場合に、左右の足のそれぞれについて、最適な回転角度の位置で負荷が最大になる状況を容易に再現できる。

上記（１０）の構成の負荷抵抗制御方法によれば、トレーニング環境の変化に合わせてより適切な負荷変動を再現することが容易になる。すなわち、鍛えるべき筋肉の部位の変化に合わせて可動部の回転方向が変化した場合や、鍛えるべき筋肉の動く早さに合わせて回転速度が変化した場合に、より適切な大きさの負荷を生成できる。

本発明の負荷抵抗発生装置および負荷抵抗制御方法によれば、例えば仮想現実における坂道の勾配変化などの環境条件や、利用者のニーズなどに合わせて適切な負荷変動を再現することが容易になる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本発明の実施形態における負荷抵抗発生装置を含むトレーニングシステムの構成例を示すブロック図である。 図２は、ペダルの回転角度と補正係数との対応関係の例を示す模式図である。 図３は、複数種類の補正係数変化パターンを示す模式図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、それぞれ補正がない場合及び補正がある場合の動作例を示すタイムチャートである。 図５は、実験結果のデータ例を示す模式図である。 図６は、トレーニング機器の使用例を示す斜視図である。 図７は、トレーニング機器の具体的なＭＲ流体負荷機構の構造を断面の部位について示す斜視図である。 図８は、図７の一部分を示す拡大図である。

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

＜システム全体の構成＞
本発明の実施形態における負荷抵抗発生装置を含むトレーニングシステム１００の構成例を図１に示す。

図１に示したトレーニングシステム１００は、例えばスポーツや健康促進のために体の筋肉を鍛えたい人や、リハビリテーションのために体の特定の部位を動かしたい患者などが回転を伴う運動を行うための動作を支援するために利用できる。

図１に示したトレーニングシステム１００は、トレーニング機器１０と、負荷制御ユニット４０と、仮想現実表示システム３１とを備えている。

トレーニング機器１０は、例えばフィットネスバイクなどと呼ばれる機器のように、回転可能に支持された一対のペダルを有し、このペダルを利用者の両足で漕いで回転させることにより、下肢の筋肉等に負荷のかかる運動を可能にするものである。

図１に示したトレーニング機器１０は、ペダル付き操作部６１、ＭＲ流体負荷機構６２、ドライバ回路６３、及び回転角度センサ６４を有している。

ペダル付き操作部６１は、所定の回転軸に支持されて回転運動が可能な一対のペダルを有している。トレーニング機器１０の利用者はペダル付き操作部６１のペダルを自分の足で踏むことでペダルを漕ぎ、回転運動を行うことができる。勿論、足の代わりに手を使って操作するようなトレーニング機器であっても良い。

ＭＲ流体負荷機構６２は、ＭＲ流体（Magneto Rheological Fluid）を利用した負荷機構であり、ペダル付き操作部６１のペダルを支持する回転軸の回転に対して負荷を加えることができる。また、ＭＲ流体負荷機構６２は電気的な制御により、制動力の大きさや負荷のオンオフを制御することが可能である。ＭＲ流体負荷機構６２が発生する制動力により、利用者の筋肉等に加わる負荷を調整することができる。

ドライバ回路６３は、負荷制御ユニット４０から入力される目標値に従い、ＭＲ流体負荷機構６２を駆動することができる。
回転角度センサ６４は、ペダル付き操作部６１のペダルを支持する回転軸の回転位置の角度を検出し、その角度を表す回転角度信号ＳＧ１を出力することができる。

一方、仮想現実表示システム３１は、公知の仮想現実の技術を利用して、運動に適した仮想現実空間を再現するものである。具体的には、様々な場所の道路上を利用者が自転車で移動する場合に視認可能な前方の風景などの変化する映像を、計算処理の結果を反映して時々刻々とその都度生成してディスプレイ３２の画面上に表示することができる。

例えば、トレーニング機器１０のペダル操作による回転動作に対応して、仮想的な走行により移動した距離を計算して利用者の現在位置の変化に反映し、表示する画像の位置を移動することができる。

ディスプレイ３２はトレーニング機器１０の利用者の前方に配置される。したがって、利用者は実際に自転車を漕いで道路上を走行している時に見える風景と同じような状況を、前方のディスプレイ３２に表示される仮想的な変化する映像により視認しながらトレーニングを継続することができる。これにより、周囲の風景が変化しないトレーニング室内でトレーニング機器１０を使用する通常の状態と比べて、利用者に飽きやすさが生じにくい好ましいトレーニング環境を実現できる。

ＶＲ操作部３３は、仮想現実表示システム３１が再現するＶＲ環境を変更するために利用者等が操作することができる。例えば、仮想現実表示システム３１が再現する道路の様々な地域の選択や、坂道、平坦路、周囲の天候などの様々な種類のシーンの選択について、利用者はＶＲ操作部３３の操作により仮想現実表示システム３１に指示を与えることができる。

一方、負荷制御ユニット４０はトレーニング機器１０のＭＲ流体負荷機構６２が発生する負荷抵抗を制御するための機能を備えている。図１に示した負荷制御ユニット４０は、走行環境検出部４１、心拍数センサ４２、血圧センサ４３、負荷操作部４４、ピーク位置調整部４５、基準パターンデータ保持部４６、負荷目標値生成部４７、回転状態検出部４８、及びピーク強度調整部４９を備えている。

走行環境検出部４１は、仮想現実表示システム３１が出力するＶＲ状態信号ＳＧ８に基づいて仮想現実表示システム３１が再現している現在のトレーニング機器１０の仮想走行環境を把握する。例えば、トレーニング機器１０が走行中の道路における上り坂、下り坂、平坦路の区分や、坂道の勾配の大きさなどを把握する。

心拍数センサ４２は、トレーニング機器１０を利用してトレーニングしている利用者が手首などに装着可能な光学センサを含む測定器であり、当該利用者について単位時間あたりの心拍数を繰り返し測定してその結果を出力することができる。

血圧センサ４３は、トレーニング機器１０を利用してトレーニングしている利用者が上腕などに装着可能な圧力センサを含む測定器であり、当該利用者について最高血圧、最低血圧などを繰り返し測定してその結果を出力することができる。

負荷操作部４４は、トレーニング機器１０の利用者が操作可能なボタンなどの操作部を有している。この負荷操作部４４は、利用者が個人的な好みに合わせて、あるいは鍛えたい筋肉部位の違いなどにあわせて負荷が最大になる回転角度の調整指示を手動で発生するために利用できる。

ピーク位置調整部４５は、走行環境検出部４１、心拍数センサ４２、血圧センサ４３、及び負荷操作部４４のそれぞれが出力する信号や、回転速度信号ＳＧ７に基づいて、それらの少なくとも１つを反映するようにピーク位置調整量ＳＧ４を生成し、負荷目標値生成部４７に対してピーク位置（ピークが現れる回転角度）の調整を指示する。

基準パターンデータ保持部４６は、不揮発性メモリなどにより構成され、負荷目標値生成部４７が生成する負荷変動パターンの元になる複数種類の基準パターンデータを予め保持している。各基準パターンデータは、それぞれの回転角度に割り当てられた補正値のデータを有している。

負荷目標値生成部４７は、回転角度信号ＳＧ１により現在の回転角度を把握すると共に、基準パターンデータ保持部４６から入力される基準パターン信号ＳＧ３に基づいて、現在の回転角度に適した負荷目標値信号ＳＧ２を生成する。また、負荷目標値生成部４７はピーク位置調整量ＳＧ４に従い、負荷目標値のピーク位置の回転角度を自動的に移動する。また、負荷目標値生成部４７はピーク強度調整量ＳＧ５に従い、負荷目標値のピーク強度などを自動的に修正する。

回転状態検出部４８は、トレーニング機器１０から出力される回転角度信号ＳＧ１を監視して、現在のペダルの回転方向（順方向／逆方向）および回転速度（単位時間あたりのペダル回転数）を把握する。そして、回転状態検出部４８は回転方向信号ＳＧ６および回転速度信号ＳＧ７を生成してピーク強度調整部４９に与える。

ピーク強度調整部４９は、回転方向信号ＳＧ６および回転速度信号ＳＧ７を反映して負荷目標値のピーク強度を調整するためのピーク強度調整量ＳＧ５を負荷目標値生成部４７に与える。

＜ペダルの回転角度と補正係数との対応関係＞
ペダルの回転角度と補正係数との対応関係の例を図２に示す。図２において、横軸はペダルの踏み込みにより回転するペダル付き操作部６１の回転軸の回転角度[deg]を表している。また、この例では回転角度０[deg]はこのクランク機構が上死点にある状態に相当し、回転角度９０[deg]はクランク機構のペダルが水平の位置にある状態に相当し、回転角度１８０[deg]はクランク機構が下死点にある状態に相当する。

また、図２の例では２種類の基準パターン信号ＳＧ３Ａ、ＳＧ３Ｂのそれぞれに相当する基準パターンのデータが基準パターンデータ保持部４６に保持されている場合を想定している。また、基準パターン信号ＳＧ３Ａ、ＳＧ３Ｂは、回転角度９０[deg]の位置で制動トルクが最大になり、その前後４５[deg]程度の範囲で制動トルクが緩やかに増減するパターンを表している。また、一方の基準パターン信号ＳＧ３Ａは制動トルクが最大の位置（ピーク位置）を基準としてその前後の変化がほぼ対称なパターンであり、他方の基準パターン信号ＳＧ３Ｂはピーク位置の前後の変化が非対称なパターンになっている。

図１に示した負荷目標値生成部４７は、図２中に示した基準パターン信号ＳＧ３Ａに基づいて、図２中に示した負荷目標値信号ＳＧ２Ａのパターンを生成することができる。また、負荷目標値信号ＳＧ２Ａのパターンを進角制御量θ１の角度だけ前側にシフトすることで図２中の負荷目標値信号ＳＧ２Ｂのパターンを生成することもできる。

また、負荷目標値生成部４７は図２中に示した基準パターン信号ＳＧ３Ｂに基づいて、図２中の負荷目標値信号ＳＧ２Ｃのパターンを生成することができる。また、負荷目標値信号ＳＧ２Ｃのパターンを進角制御量θ２の角度だけ前側にシフトすることで図２中の負荷目標値信号ＳＧ２Ｄのパターンを生成することもできる。

図２中の負荷目標値信号ＳＧ２Ａ、ＳＧ２Ｂ、ＳＧ２Ｃ、及びＳＧ２Ｄの縦軸方向の値は負荷補正係数ＫＡを表している。すなわち、図２中の負荷目標値信号ＳＧ２Ａ、ＳＧ２Ｂ、ＳＧ２Ｃ、又はＳＧ２Ｄを制御目標値としてトレーニング機器１０のドライバ回路６３に与えることで、ＭＲ流体負荷機構６２の発生する制動トルクがペダルの回転角度の変化に連動して周期的に変動するように制御することができる。

図２に示した例では、負荷目標値信号ＳＧ２Ａ、ＳＧ２Ｃのピーク角度Ｐ１Ａ、Ｐ２Ａは９０、２７０[deg]の各位置にあり、負荷目標値信号ＳＧ２Ｂ、ＳＧ２Ｄのピーク角度Ｐ１Ｂ、Ｐ２Ｂは５０、２３０[deg]程度の各位置にある。つまり、負荷目標値生成部４７が進角制御量θ１、又はθ２のパターンシフトを実施することで、ピーク角度Ｐ１Ａ、Ｐ１Ｂ、Ｐ２Ａ、Ｐ２Ｂの位置を必要に応じて変更できる。

＜複数種類の補正係数変化パターン＞
３種類の補正係数変化パターンの負荷目標値信号ＳＧ２Ａ、ＳＧ２Ｅ、ＳＧ２Ｆを図３に示す。

図３中の負荷目標値信号ＳＧ２Ａは、図２に示した例と同様に基準パターン信号ＳＧ３Ａに基づいて負荷目標値生成部４７が容易に生成できる。

一方、図３中の負荷目標値信号ＳＧ２Ｅは、負荷補正係数ＫＡに＋０．１程度の補正値オフセットＳＧ２ａの修正を加え、０～３６０[deg]の全角度範囲において、負荷補正係数ＫＡの最小値が＋０．１になるように負荷目標値信号ＳＧ２Ａを変更することで生成できる。勿論、このような補正値オフセットＳＧ２ａを持つように基準パターン信号ＳＧ３Ａ、ＳＧ３Ｂのデータを予め変更しておいてもよい。

また、図３中の負荷目標値信号ＳＧ２Ｆは、基準パターン信号ＳＧ３Ａの変化パターンに比べてパターン立ち上がりＳＧ２ｂ、及びパターン立ち下がりＳＧ２ｃの各領域における補正値変化の傾きが緩やかになっている。このようなパターンは、負荷目標値信号ＳＧ２Ａのパターンを部分的に修正することで生成できる。勿論、このようなパターン立ち上がりＳＧ２ｂ、及びパターン立ち下がりＳＧ２ｃを有するように基準パターン信号ＳＧ３Ａ、ＳＧ３Ｂのデータを予め変更しておいてもよい。

＜動作例＞
図２中の負荷補正係数ＫＡによる補正がない場合、及び補正がある場合の動作例を図４（ａ）、及び図４（ｂ）にそれぞれ示す。すなわち、負荷目標値信号ＳＧ２が一定で変化しない場合に図４（ａ）の状態になり、負荷制御ユニット４０内の負荷目標値生成部４７が負荷目標値信号ＳＧ２を制御する場合に図４（ｂ）の状態になる。

トレーニング機器１０の利用者がペダル付き操作部６１のペダルをほぼ一定の回転速度で漕ぐ動作を行うことにより、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すようにペダル回転角度ＰＡは、０～３６０[deg]の範囲で周期的に変化を繰り返す。

図４（ａ）に示した例では、負荷目標値信号ＳＧ２が一定の場合を想定しているので、全角度範囲においてドライバ回路６３の出力に流れる制御電流ＩＢが一定になり、ＭＲ流体負荷機構６２の発生する負荷トルクＢＴも一定になる。

一方、図４（ｂ）に示した例ではドライバ回路６３に入力される目標値が例えば図２に示した負荷目標値信号ＳＧ２Ａ、ＳＧ２Ｂ、ＳＧ２Ｃ、ＳＧ２Ｄのように周期的に変化する。したがって、制御電流ＩＢ及び負荷トルクＢＴも回転角度の変化に伴って負荷目標値信号ＳＧ２Ａ、ＳＧ２Ｂ、ＳＧ２Ｃ、ＳＧ２Ｄのように周期的に変化する。

一方、図４（ａ）、図４（ｂ）に示したペダルケイデンス（cadence）Ｐｃａ[rpm]は、利用者のペダル操作によって動くペダル付き操作部６１のクランク回転数を表している。ＭＲ流体負荷機構６２が発生する負荷トルクＢＴが一定の場合には、図４（ａ）に示すようにペダルケイデンスＰｃａに周期的な変動が発生しやすい傾向があることが実験により確かめられている。

一方、図４（ｂ）に示した例では、ペダルケイデンスＰｃａの変動が非常に小さく安定している。すなわち、このペダルケイデンスＰｃａから図４（ｂ）の例では図４（ａ）の状態に比べて利用者がペダルをスムーズに回転させていることが分かる。このような傾向があることは実験により確かめられている。

＜実験結果のデータ例＞
実験結果のデータ例を図５に示す。
図５において、項目ｉ１は負荷目標値信号ＳＧ２の補正状態の違いを表し、項目ｉ２はペダルの踏み込みに対して加わるトルクの目標値［Ｎｍ］を表し、項目ｉ３はペダルケイデンスＰｃａの平均値、標準偏差、及び標準偏差の割合（補正あり／補正なし）［％］を表している。また、各データＤｘ、Ｄ０、Ｄ１、Ｄ２、及びＤ３は、それぞれ負荷補正係数ＫＡを「１」に固定した場合、負荷目標値信号ＳＧ２Ａ、ＳＧ２Ｃ、ＳＧ２Ｂ、及びＳＧ２Ｄに従って変動させた場合の実験結果を表している。

図５に示した実験結果においては、ペダルの負荷を周期的に変動させることにより各データＤ０～Ｄ３におけるペダルケイデンスＰｃａが負荷を一定に固定する場合のデータＤｘに比べて安定することが分かる。すなわち、負荷目標値信号ＳＧ２Ａ、ＳＧ２Ｃ、ＳＧ２Ｂ、ＳＧ２Ｄ等を用いて負荷を変動させることにより、自転車などの器具においてペダリングの状況を理想的な状態に近づけることができる。

また、例えば負荷のピーク位置をクランク上死点に近づけることで、実際に自転車が坂道を上っている状況で発生する負荷トルク変動と同様のフィーリングをトレーニング機器１０の利用者に与える状態を負荷制御ユニット４０により再現可能である。

実際の自転車において搭乗者が踏むペダルに加わる負荷トルクは、平地走行ではペダルの軸方向から見て搭乗者を１２時の方向とした場合、３時から５時付近で最大負荷となる。しかし、登り坂になると足に感じる最大負荷は２時～１時と１２時付近へ近づいてくる。このような状況についても、負荷制御ユニット４０が負荷目標値信号ＳＧ２のピーク角度Ｐ１Ａ、Ｐ１Ｂ、Ｐ２Ａ、Ｐ２Ｂを適宜調整することで容易に再現できる。

また、負荷目標値生成部４７が負荷目標値信号ＳＧ２のピーク位置の角度を自動調整する場合には、変更前後の間で進角制御量（θ１，θ２）を少しずつ変化させて最終的に目標の位置に収束させるように制御する。これにより、負荷トルク変動パターンにおけるピーク位置の連続的な調整が可能になる。そして、トレーニング機器１０の搭乗者は実際に自転車を漕いで坂道などを走行する場合と同じような自然なトルク変化をペダル感覚として感じることができる。

また、図２に示した負荷目標値信号ＳＧ２Ａ、ＳＧ２Ｂ、ＳＧ２Ｃ、ＳＧ２Ｄのように１回転（０～３６０[deg]）の間の２つの位置にピーク角度（Ｐ１Ａ等）が現れるように負荷トルクを変動させることにより、左右一対のペダルにより搭乗者の左右の足に加わる力の大きさが一般的な自転車の場合と同じように変化する状況を容易に再現できる。

また、負荷目標値生成部４７が発生する負荷目標値信号ＳＧ２を、例えば図２に示した負荷目標値信号ＳＧ２Ａから負荷目標値信号ＳＧ２Ｄの状態に変更することで、ペダル漕ぎ始めのより早い位置の回転角度で負荷をピークにすることができる。これにより、自転車が平坦な道路から坂道を上り始める状態と同じ状況をトレーニング機器１０により再現できる。

図１に示したトレーニングシステム１００においては、上記のような負荷変動パターンのピーク位置を、走行環境検出部４１が検出する仮想空間の走行環境（平坦路、坂道、勾配変化など）の変化に応じて、ピーク位置調整部４５が自動的に調整することができる。

また、心拍数センサ４２が検出した利用者の心拍数の変化や、血圧センサ４３が検出した利用者の血圧の変化を負荷変動パターンのピーク位置に反映するように、ピーク位置調整部４５が自動的に調整することができる。

また、利用者は自分の好みや鍛えたい筋肉の部位の違いを表す情報を負荷操作部４４の操作によりピーク位置調整部４５に入力することができる。ピーク位置調整部４５は、利用者毎に入力された情報に従い、希望の状態に近づけるように負荷変動パターンのピーク位置を調整することができる。

また、負荷のピーク位置における負荷補正係数ＫＡの大きさについては、ピーク強度調整部４９が回転状態検出部４８の検出した回転方向や、回転速度の違いを反映するように自動的に調整することができる。

＜トレーニング機器の具体例＞
＜全体の外観＞
具体的なトレーニング機器１０の使用例の外観を図６に示す。

図６に示したトレーニング機器１０は、機器フレーム１１、支持部１２、ＭＲ流体負荷機構１４、及びペダル付き操作部１５を備えている。ＭＲ流体負荷機構１４、及びペダル付き操作部１５は、それぞれ図１中のＭＲ流体負荷機構６２及びペダル付き操作部６１に相当する。

訓練者１３は、図６に示すように支持部１２に跨がり、自転車の場合と同じように足をペダル付き操作部１５に乗せた状態で、ペダル付き操作部１５に対して漕ぐ操作を行うことができる。

ペダル付き操作部１５は、ＭＲ流体負荷機構１４の回転軸に連結されている。訓練者１３がペダル付き操作部１５を漕ぐと、ＭＲ流体負荷機構１４の回転軸が回転する。ＭＲ流体負荷機構１４はこの回転軸の回転に対して制動をかけ、訓練者１３の運動に対して負荷をかけることができる。

＜ＭＲ流体負荷機構の構造＞
図６に示したトレーニング機器１０のＭＲ流体負荷機構１４の具体的な構造を図７に示す。また、図７の一部分を示す拡大した状態を図８に示す。

図７に示すように、ＭＲ流体負荷機構１４は外形がリング状に形成された固定部材２１と、円盤状のディスクロータ２２とを備えている。固定部材２１は機器フレーム１１に固定されている。ディスクロータ２２は、固定部材２１に支持され、固定部材２１の内側で回動可能な状態になっている。また、ディスクロータ２２の中央部は円筒状回転軸２３と連結されている。

この円筒状回転軸２３が図６に示したペダル付き操作部１５と連結されている。したがって、訓練者１３がペダル付き操作部１５を漕ぐことにより、円筒状回転軸２３が回転し、ディスクロータ２２も回転する。

図７および図８に示すように、固定部材２１の内側には電磁石コイル２７および電磁石ヨーク２８が配置されている。電磁石コイル２７は、ディスクロータ２２の外周と対向する位置にリング状に形成されている。また、電磁石ヨーク２８は強磁性体である鉄心により構成され、電磁石コイル２７の外側を取り囲むような形状に形成されている。

図８に示すように、固定部材２１の内側に配置されたオイルシール２４と、ディスクロータ２２との間の空間２５ａには、ＭＲ流体（Magneto Rheological Fluid）２６が充填されている。このＭＲ流体２６は、例えば油などの液体中に、鉄粉のような強磁性体粒子が多数分散した状態で存在しているものである。強磁性体粒子の粒径は、数［μｍ］程度である。

図８に示すように、ディスクロータ２２の外周に近い部分では、薄板状に形成された複数の板状部が互いに間隔を空けた状態で厚み方向に並ぶように配置されている。また、ディスクロータ２２の複数の板状部の間に、固定部材２１側の薄い板状部が重なるように配置されている。つまり、ディスクロータ２２側の薄い板状部と固定部材２１側の薄い板状部とが積層されたような状態になっている。但し、これらの間には間隙が存在する。これらの間隙の空間２５ｂは、空間２５ａと連通しているので、空間２５ｂについてもＭＲ流体２６で満たされている。

電磁石ヨーク２８は、ディスクロータ２２側の薄い板状部と固定部材２１側の薄い板状部とを外側からサンドイッチ状に挟み込むように形成されている。例えば、図８に示した電磁石コイル２７の状態において紙面に垂直な方向について上方から下方に向けて電流を流すと、電磁石コイル２７の回りに図８に示すような磁界２９が発生する。この磁界２９は、磁気抵抗が小さい電磁石ヨーク２８内を通るように磁路を形成する。

したがって、ディスクロータ２２側の薄い板状部と固定部材２１側の薄い板状部とが積層されている箇所の空間２５ｂにおいて、電磁石コイル２７はＭＲ流体２６に対して比較的強い磁場を与えることができる。また、電磁石コイル２７により磁場を発生すると、各空間２５ｂのＭＲ流体２６において、多数の強磁性体粒子が互いに引きつけ合って鎖状のクラスターを形成する。このような状態で、固定部材２１とディスクロータ２２との相対移動の動きに対して制動力が発生し、この制動力がペダルの踏み込み力に対する負荷となる。

以上のように、本実施形態に係るトレーニングシステム１００を用いる場合には、利用者は実際には移動しないトレーニング機器１０のペダルを漕ぐだけで、一般的な自転車で道路上を走行する場合と同じような仮想環境を再現した映像により走行しているかのように感じながらトレーニングを行うことができる。したがって、室内で飽きることなくトレーニングを続けることが容易になる。しかも、仮想現実表示システム３１が再現するシーンにおける平坦路や坂道などの環境の変化に応じて、負荷制御ユニット４０がペダルの回転位置毎に、加わる負荷トルクが適切に変動するように制御するので、実際に自転車で走行している環境により近い状態をトレーニング機器１０で再現できる。

また、心拍数センサ４２や血圧センサ４３の測定値をピーク位置調整部４５が負荷のピーク位置の角度に反映できるので、利用者の体調に合わせた適切な負荷の状態でトレーニングができる。

また、利用者が負荷操作部４４を操作することで、必要に応じて負荷のピーク位置の角度を調整できる。これにより、負荷に対する利用者毎の好みの違いや、鍛えたい筋肉の部位の違いなどに合わせた適切な負荷の変動パターンを使用することが可能になる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

ここで、上述した本発明の実施形態に係る負荷抵抗発生装置および負荷抵抗制御方法の特徴をそれぞれ以下［１］～［１０］に簡潔に纏めて列記する。
［１］ 回転自在に支持された所定の可動部（ディスクロータ２２）の回転に対して所望の負荷抵抗を付与する負荷抵抗発生部を有する負荷抵抗発生装置であって、
前記負荷抵抗発生部（ＭＲ流体負荷機構６２）が発生する負荷抵抗（負荷トルクＢＴ）の大きさに前記可動部の回転角度変化に対して周期的変化を発生すると共に、少なくとも１つの負荷抵抗ピーク位置（ピーク角度Ｐ１Ａ、Ｐ１Ｂ、Ｐ２Ａ、Ｐ２Ｂ）を前記周期的変化（負荷目標値信号ＳＧ２）に形成する制御目標値生成部（負荷目標値生成部４７）と、
前記負荷抵抗ピーク位置の回転角度を所定の入力条件の変化に応じて可変にするピーク位置調整部（４５）と、
を備える負荷抵抗発生装置（トレーニングシステム１００）。

［２］ 前記ピーク位置調整部（４５）は、前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗の影響を受ける特定ユーザ（訓練者１３）の体調を検出する体調センサ（心拍数センサ４２、血圧センサ４３）、前記特定ユーザが操作可能な操作部（負荷操作部４４）、前記特定ユーザが置かれた実空間もしくは仮想空間における状態（ＶＲ状態信号ＳＧ８）、及び前記可動部の回転速度（回転速度信号ＳＧ７）の少なくとも１つの変化に応じて前記負荷抵抗ピーク位置の回転角度を変更する、
上記［１］に記載の負荷抵抗発生装置。

［３］ 前記可動部は、前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗を利用して身体のトレーニング又はリハビリテーションを行うユーザが使用する所定のトレーニング機器（１０）に連結されている、
上記［１］又は［２］に記載の負荷抵抗発生装置。

［４］ 前記制御目標値生成部は、前記可動部の１回転の中に、複数の前記負荷抵抗ピーク位置が現れるように前記周期的変化のパターンを形成する（図２参照）、
上記［１］から［３］のいずれかに記載の負荷抵抗発生装置。

［５］ 前記負荷抵抗ピーク位置で前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗の大きさを、前記可動部の回転方向（回転方向信号ＳＧ６）の違い、又は前記可動部の回転速度（回転速度信号ＳＧ７）の違いに応じて変更する負荷抵抗調整部（ピーク強度調整部４９）、を備える、
上記［１］から［４］のいずれかに記載の負荷抵抗発生装置。

［６］ 回転自在に支持された所定の可動部の回転に対して所望の負荷抵抗を付与する負荷抵抗発生部を制御するための負荷抵抗制御方法であって、
前記負荷抵抗発生部（ＭＲ流体負荷機構６２）が発生する負荷抵抗の制御目標値（負荷目標値信号ＳＧ２）に前記可動部の回転角度（回転角度信号ＳＧ１）変化に対して周期的変化を発生すると共に、少なくとも１つの負荷抵抗ピーク位置を前記周期的変化に形成し（基準パターン信号ＳＧ３Ａ、ＳＧ３Ｂ）、
所定の入力条件の変化を検出し、その変化を前記負荷抵抗ピーク位置の回転角度の変化に反映する（ピーク位置調整部４５）、
負荷抵抗制御方法。

［７］ 前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗の影響を受ける特定ユーザの体調を検出する体調センサ、前記特定ユーザが操作可能な操作部、前記特定ユーザが置かれた実空間もしくは仮想空間における状態、及び前記可動部の回転速度の少なくとも１つの変化に応じて前記負荷抵抗ピーク位置の回転角度を変更する（ピーク位置調整部４５）、
上記［６］に記載の負荷抵抗制御方法。

［８］ 前記可動部は、前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗を利用して身体のトレーニング又はリハビリテーションを行うユーザが使用する所定のトレーニング機器（１０）に連結されている、
上記［６］又は［７］に記載の負荷抵抗制御方法。

［９］ 前記可動部の１回転の中に、複数の前記負荷抵抗ピーク位置が現れるように前記周期的変化のパターンを形成する（図２参照）、
上記［６］から［８］のいずれかに記載の負荷抵抗制御方法。

［１０］ 前記負荷抵抗ピーク位置で前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗の大きさを、前記可動部の回転方向の違い、又は前記可動部の回転速度の違いに応じて変更する（ピーク強度調整部４９）、
上記［６］から［９］のいずれかに記載の負荷抵抗制御方法。

１０ トレーニング機器
１１ 機器フレーム
１２ 支持部
１３ 訓練者
１４ ＭＲ流体負荷機構
１５，６１ ペダル付き操作部
２１ 固定部材
２２ ディスクロータ
２３ 円筒状回転軸
２４ オイルシール
２５ａ，２５ｂ 空間
２６ ＭＲ流体
２７ 電磁石コイル
２８ 電磁石ヨーク
２９ 磁界
３１ 仮想現実表示システム
３２ ディスプレイ
３３ ＶＲ操作部
４０ 負荷制御ユニット
４１ 走行環境検出部
４２ 心拍数センサ
４３ 血圧センサ
４４ 負荷操作部
４５ ピーク位置調整部
４６ 基準パターンデータ保持部
４７ 負荷目標値生成部
４８ 回転状態検出部
４９ ピーク強度調整部
６２ ＭＲ流体負荷機構
６３ ドライバ回路
６４ 回転角度センサ
１００ トレーニングシステム
ＢＴ 負荷トルク
ＩＢ 制御電流
ＫＡ 負荷補正係数
Ｐ１Ａ，Ｐ１Ｂ，Ｐ２Ａ，Ｐ２Ｂ ピーク角度
ＰＡ ペダル回転角度
Ｐｃａ ペダルケイデンス
ＳＧ１ 回転角度信号
ＳＧ２，ＳＧ２Ａ，ＳＧ２Ｂ，ＳＧ２Ｃ，ＳＧ２Ｄ 負荷目標値信号
ＳＧ２ａ 補正値オフセット
ＳＧ２ｂ パターン立ち上がり
ＳＧ２ｃ パターン立ち下がり
ＳＧ３，ＳＧ３Ａ，ＳＧ３Ｂ 基準パターン信号
ＳＧ４ ピーク位置調整量
ＳＧ５ ピーク強度調整量
ＳＧ６ 回転方向信号
ＳＧ７ 回転速度信号
ＳＧ８ ＶＲ状態信号
θ１，θ２ 進角制御量

Claims (10)

1. 回転自在に支持された所定の可動部の回転に対して所望の負荷抵抗を付与する負荷抵抗発生部を有する負荷抵抗発生装置であって、
   前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗の大きさに前記可動部の回転角度変化に対して周期的変化を発生すると共に、少なくとも１つの負荷抵抗ピーク位置を前記周期的変化に形成する制御目標値生成部と、
   前記負荷抵抗ピーク位置の回転角度を所定の入力条件の変化に応じて可変にするピーク位置調整部と、
   を備える負荷抵抗発生装置。
2. 前記ピーク位置調整部は、前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗の影響を受ける特定ユーザの体調を検出する体調センサ、前記特定ユーザが操作可能な操作部、前記特定ユーザが置かれた実空間もしくは仮想空間における状態、及び前記可動部の回転速度の少なくとも１つの変化に応じて前記負荷抵抗ピーク位置の回転角度を変更する、
   請求項１に記載の負荷抵抗発生装置。
3. 前記可動部は、前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗を利用して身体のトレーニング又はリハビリテーションを行うユーザが使用する所定のトレーニング機器に連結されている、
   請求項１又は請求項２に記載の負荷抵抗発生装置。
4. 前記制御目標値生成部は、前記可動部の１回転の中に、複数の前記負荷抵抗ピーク位置が現れるように前記周期的変化のパターンを形成する、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の負荷抵抗発生装置。
5. 前記負荷抵抗ピーク位置で前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗の大きさを、前記可動部の回転方向の違い、又は前記可動部の回転速度の違いに応じて変更する負荷抵抗調整部、を備える、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の負荷抵抗発生装置。
6. 回転自在に支持された所定の可動部の回転に対して所望の負荷抵抗を付与する負荷抵抗発生部を制御するための負荷抵抗制御方法であって、
   前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗の制御目標値に前記可動部の回転角度変化に対して周期的変化を発生すると共に、少なくとも１つの負荷抵抗ピーク位置を前記周期的変化に形成し、
   所定の入力条件の変化を検出し、その変化を前記負荷抵抗ピーク位置の回転角度の変化に反映する、
   負荷抵抗制御方法。
7. 前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗の影響を受ける特定ユーザの体調を検出する体調センサ、前記特定ユーザが操作可能な操作部、前記特定ユーザが置かれた実空間もしくは仮想空間における状態、及び前記可動部の回転速度の少なくとも１つの変化に応じて前記負荷抵抗ピーク位置の回転角度を変更する、
   請求項６に記載の負荷抵抗制御方法。
8. 前記可動部は、前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗を利用して身体のトレーニング又はリハビリテーションを行うユーザが使用する所定のトレーニング機器に連結されている、
   請求項６又は請求項７に記載の負荷抵抗制御方法。
9. 前記可動部の１回転の中に、複数の前記負荷抵抗ピーク位置が現れるように前記周期的変化のパターンを形成する、
   請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の負荷抵抗制御方法。
10. 前記負荷抵抗ピーク位置で前記負荷抵抗発生部が発生する負荷抵抗の大きさを、前記可動部の回転方向の違い、又は前記可動部の回転速度の違いに応じて変更する、
    請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の負荷抵抗制御方法。

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