JP2905788B2 - 回転運動倣い装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】 本発明は，筋力とスピードおよ
び持久力が必要とされる回転運動を伴なうスポーツの選
手の能力向上装置および能力判定装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】漕艇競技では，漕手がオールのハンドル
を水平方向に約９０゜の範囲で反復的に回転させて艇を
推進し、自転車競技では，選手がペダルを回転させて自
転車を前進させる。両競技においてより速い平均速度を
実現するために選手には，筋力とスピードおよび持久力
が要求される。これらの競技の選手の能力を向上させる
ためにも，各選手の能力を比較・判定するためにも，回
転運動をさせるためのトルクおよび回転速度を同時に制
御する倣い装置が必要とされる。これまで回転運動の負
荷トルクと回転速度を同時に精度および再現性よく制御
できる回転運動倣い装置はなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】漕艇競技のオールのハ
ンドルの回転速度と負荷トルクはハンドルの回転角θに
よって変化するので，該回転速度と該回転角θの関係を
速度関数Ｎ（θ）と定義し，該負荷トルクの該回転角θ
の関係をトルク関数Ｔ（θ）と名付ける。自転車競技の
ペダルの回転速度と負荷トルクもペダルの回転角θによ
って変化するので，該回転速度と該θの関係および該負
荷トルクと該θの関係を漕艇競技と同様にそれぞれ速度
関数Ｎ（θ）およびトルク関数Ｔ（θ）と名付ける。あ
る速度を一定時間継続して実現するためには，選手はこ
の負荷トルク関数Ｔ（θ）および速度関数Ｎ（θ）を同
時に継続して実現する必要がある。

【０００４】これら競技の選手の能力を判定評価するた
めの回転運動倣い装置には，選手が負荷を取り付けた回
転軸を正転させる時，設計した負荷トルクに打ち勝つ必
要のある機能および該回転軸の回転速度の上限を制御す
る機能が必要である。本発明が解決しようとする課題
は， （１）負荷を取り付けた回転軸を正転方向に回転させる
ためには，該トルク関数Ｔ（θ）の関数として設計した
負荷トルクに打ち勝つ必要があり （２）該回転軸の正転方向の回転速度が該速度関数Ｎ
（θ）として設計した回転速度を越えようとすると該回
転軸に追加の負荷トルクが加わり （３）該回転軸を逆回転方向に回転させる時には，無負
荷で回転できる装置を考案することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】負荷として、漕艇のオー
ルのハンドルを取り付けた回転軸の一端部にワンウェイ
クラッチと変速機および速度制御用可変速モータを連結
するとともに、前記回転軸の他端部にワンウェイクラッ
チと変速機およびトルク制御用可変速モータをそれぞれ
連結し、この負荷の回転角を変数としてそれぞれ任意に
設定する関数の値を指令信号に変換して、前記速度制御
用およびトルク制御用可変速モータのそれぞれのドライ
バに入力することにより、前記負荷を正転方向に回転さ
せるためのトルクの下限および前記負荷の回転速度の上
限を、前記負荷の回転角の関数として同時に制御するこ
とを特徴とする回転運動倣い装置で本発明の課題を解決
する。

【０００６】

【作用】図１に基いて説明する。本発明の課題を解決す
るためには， （１）負荷トルク１０７を取り付けた回転軸１０６およ
び１０８は正転する時，可変速モータ１０１および１１
４と連結し，回転軸１０６および１０８が逆転する時に
は可変速モータ１０１および１１４と非連結となるよう
に可変速モータ１０１と回転軸１０６との間に変速機１
０２およびワンウェイクラッチ１０３を配置し，可変速
モータ１１４と回転軸１０８の間に変速機１１３および
ワンウェイクラッチ１１２を配置すること （２）速度制御用可変速モータ１０１は常に回転軸１０
６の正転方向と同じ方向に回転し，トルク制御用可変速
モータ１１４も原則として回転軸１０８の正転方向と同
じ方向に回転する。

【０００７】（３）ロータリーエンコーダ１２３を配置
し，回転軸１０８に取り付けたタイミングプーリ１０９
とタイミングベルト１１５およびタイミングプーリ１１
６を介して，負荷の１０７の回転角θを計測すること （４）負荷１０７の回転角θの関数として速度関数Ｎ
（θ）とトルク関数Ｔ（θ）を設計し，ロータリーエン
コーダ１２３で計測する負荷１０７の回転角θの値に対
応する速度関数Ｎ（θ）とトルク関数Ｔ（θ）の値を求
め，速度関数Ｎ（θ）の値は可変速モータ１０１のドラ
イバーに速度指令信号として入力し，トルク関数Ｔ
（θ）の値は可変速モータ１１４のドライバーにトルク
指令信号として入力することが必要である。

【０００８】本発明による回転運動倣い装置は，回転軸
１０６と１０８および負荷１０７は，バックラッシュな
しで一体となって回転する。負荷１０７が可変速モータ
１１４の制御方向と同じ方向に回転する時，ワンウェイ
クラッチ１１２が連結して，負荷１０７には可変速モー
タ１１４の制御トルクがかかる。可変速モータ１１４は
例えばＡＣサーボモータのようにトルク指令信号をドラ
イバーに入力することにより，負荷トルクを制御できる
モータであり，ワンウェイクラッチ１１２が連結してい
る時負荷１０７を回転させるための負荷トルクを可変速
モータ１１４のドライバーに入力するトルク指令信号に
よって制御でき，負荷１０７の回転が可変速モータ１０
１の回転に追い付くとワンウェイタラッチ１０３が連結
して１０７には更に可変速モータ１０１の制御トルクが
加わる。可変速モータ１０１は例えばＡＣサーボモータ
のようにドライバーに速度指令信号を入力することによ
り，回転速度を制御できるものであり，負荷１０７の回
転速度の上限は可変速モータ１０１のドライバーに入力
する速度指令信号によって制御できる。

【０００９】可変速モータ１０１のドライバーには負荷
１０７の正転方向にモータが回転する速度指令信号を入
力し，可変速モータ１１４のドライバーには負荷１０７
が正転する時に制動トルクが働き，負荷１０７が逆転す
る時可変速モータ１１４を正転させるため負荷１０７の
逆転方向に可変速モータ１１４の制動トルクが働くよう
にトルク指令信号を入力することによって，負荷１０７
を正転させると可変速モータ１１４の制動トルクが常に
負荷１０７にかかり，負荷１０７の回転が可変速モータ
１０１の回転に追い付くと負荷１０７には可変速モータ
１０１の制動トルクが可変速モータ１１４の制動トルク
に追加されて加わわる。可変速モータ１０１の制動トル
クがドライバーに設定してあるトルク制限の値に達する
と可変速モータ１０１は，負荷１０７によって加速され
る。負荷１０７が逆転する時には，可変速モータ１０１
および１１４は正転するのでワンウェイクラッチ１０３
および１１２は非連結となり，負荷１０７を無負荷で回
転できる。

【００１０】ロータリーエンコーダ１２３で計測する負
荷１０７の回転角θに対応する前記の速度関数Ｎ（θ）
およびトルク関数Ｔ（θ）の値を求め，可変速モータ１
０１のドライバーと可変速モータ１１４のドライバーに
それぞれ速度指令信号およびトルク指令信号として該関
数の値を入力して，正転する時の負荷１０７の負荷トル
クの下限を可変速モータ１１４の制動トルクによって，
また負荷１０７の回転速度の上限を可変速モータ１０１
の回転速度によって，負荷１０７の回転角の関数として
制御することができる。前記の速度関数Ｎ（θ）および
トルク関数Ｔ（θ）は，それぞれ自由に設計することが
できることから，各選手の能力を向上させるように両関
数を設計することも，両関数の設計を工夫して各選手の
能力を科学的に比較評価することも可能となる。

【００１１】

【実施例】図面に基いて本発明の実施例を説明する。図
１は本発明の漕艇競技への実施例であり，図２は負荷１
０７と軸１０６および１０８の組立図の正面図であり，
図３は該組立図の側面図である。本発明の回転運動倣い
装置は回転軸１０６および１０８が鉛直になるように据
え付けられる。回転軸１０６と１０８および軸受押え２
０２が一体であり，軸受押え２０１および２０３は軸受
２０４の内輪を，軸受押え２０２および２０５は軸受２
０４の外輪を押えており，軸受け押え２０１に取り付け
られた負荷１０７は軸受２０４を中心として上下方向に
自由に回転することができる。オール先端のブレードが
水中に入って艇を推進するストローク過程では，漕手は
負荷１０７を正転させて艇の推進力を造り出し，該ブレ
ードが空中にあるフォワード過程では漕手は，負荷１０
７を逆転させて次のストローク過程の準備をする。

【００１２】可変速モータ１０１および１１４は負荷１
０７の正転方向と同じ方向にそれぞれ回転している。例
えば負荷１０７の正転方向が上から見て時計回り方向と
すると可変速モータ１０１は負荷１０７側から見て反時
計回り方向に回転し，可変速モータ１１４は負荷１０７
側から見て時計回りに回転する。負荷１０７を逆転方向
に回転する時，ワンウェイクラッチ１０３および１１２
は非連結となり，無負荷で負荷１０７を回転することが
できる。負荷１０７を正転させる時ワンウェイクラッチ
１１２が連結するので，トルク制御用可変速モータ１１
４の制動トルクが負荷１０７にかかる。負荷１０７の回
転が速度制御用可変速モータ１０１の回転に追い付く
と，ワンウェイクラッチ１０３が連結して，負荷１０７
には可変速モータ１１４の制動トルクと可変速モータ１
０１の制動トルクの合計が負荷トルクとして加わる。可
変速モータ１０１のドライバーにはトルク制限指令が設
定してあり，可変速モータ１０１の制動トルクがこのト
ルク制限値に達すると，負荷１０７は可変速モータ１０
１を加速する。

【００１３】可変速モータ１０１のドライバーには速度
指令信号を入力して回転速度を設定し，可変速モータ１
１４のドイラバーにはトルク指令信号を入力して，トル
ク制御を行なわせる。速度指令信号を負荷１０７の回転
角θの関数である速度関数Ｎ（θ）として設計し，トル
ク指令信号を負荷１０７の回転角θの関数であるトルク
関数Ｔ（θ）として設計し，ロータリーエンコーダ１２
３で計測した負荷トルク１０７の回転角θの値に対応し
た該速度関数Ｎ（θ）の値および該トルク関数Ｔ（θ）
の値を求め，可変速モータ１０１のドライバーおよび可
変速モータ１１４のドライバーにそれぞれ入力すること
により，負荷１０７を正転させる時の負荷トルクの下限
および回転速度の上限を該関数Ｎ（θ）およびＴ（θ）
によって，負荷１０７の回転角θの関数としてそれぞれ
制御することができる。

【００１４】負荷１０７に働くトルクをＴ_１（θ）と
し，回転軸１０８に働くトルクをＴ_２（θ）とし，負荷
１０７の回転速度をＮ_１（θ）とし，変速機１０２の低
速側の回転速度の設計値をＮ_２（θ）として，Ｔ
_１（θ）／Ｔ_２（θ）およびＮ_１（θ）／Ｎ_２（θ）の
値をそれぞれ観察することにより，負荷１０７を操作す
る漕手の能力を判定することができる。すなわち （１）Ｔ_１（θ）／Ｔ_２（θ）＝１，Ｎ_１（θ）／Ｎ_２
（θ）＜１のとき負荷１０７の回転が可変速モータ１０
１の回転に追い付くことができず，漕手がスピードにお
いて劣っていることがわかる。 （２）Ｔ_１（θ）／Ｔ_２（θ）＞１，Ｎ_１（θ）／Ｎ_２
（θ）＝１のとき負荷１０７が設計した該速度関数Ｎ
（θ）と該トルク関数Ｔ（θ）を倣っており，漕手が目
標とする艇速を実現する能力を有していると判定でき
る。 （３）Ｔ_１（θ）／Ｔ_２（θ）＞１，Ｎ_１（θ）／Ｎ_２
（θ）＞１のとき負荷１０７が可変速モータ１０１を可
速しており，設計した該速度関数Ｎ（θ）と該トルク関
数Ｔ（θ）で実現できる艇速より速い艇速を実現する能
力を漕手が持っていると判定できる。能力をさらに向上
させるためには，該速度関数をＮ（θ）＋ΔＮ（θ）
と，該トルク関数をＴ（θ）＋ΔＴ（θ）と設計し直し
て，より速い艇速を目標とすればよい。

【００１５】可変速モータ１０１および１１４として
は，ＡＣサーボモータが適当であるが，マイナス負荷に
対する回生抵抗ユニットを備えた他の型式のモータでも
よい。トルク制御用のＡＣサーボモータのドライバー
は，無負荷のときモータを制動トルクをかけたい方向と
反対の方向に回転させるので，逆転方向に回転している
負荷１０７の回転速度が遅いとワンウェイクラッチ１１
２が連結して，可変速モータ１１４が負荷１０７を加速
するという不都合が生じる。この不都合を解消するため
負荷１０７が逆転方向に回転している時には，トルク指
令信号として−Ｔ（θ）を可変速モータ１１４のドライ
バーに入力し，可変速モータ１１４の制動トルクの働く
方向を逆転方向にして可変速モータ１１４を正転させる
などの工夫をすればよい。負荷１０７の回転が逆転方向
から正転方向に切り替る時，ワンウェイクラッチ１１２
が連結する瞬間に該トルク関数Ｔ（θ）で指令された制
動トルクより大きな負荷トルクが負荷１０７にかかると
いう不都合が生じることがある。この不都合は可変速モ
ータ１１４の制動方向が逆転方向から正転方向に切り替
るときに，変速機１１３が瞬間的に停止することによる
ものなので，可変速モータ１１４のドライバーに入力す
るトルク指令信号を切り替えるタイミングを負荷１０７
の回転方向の切り替えからΔｔ秒遅らせるなどしてこの
不都合の影響を緩和する必要がある。

【００１６】自転車競技への実施例においては，負荷１
０７がペダルとなり，常に正転することから，可変速モ
ータ１０１は常に正転しており，可変速モータ１１４の
制動トルクの働く方向は正転方向である。その他の筋力
とスピードおよび持久力が必要とされるスポーツ競技に
おいても選手の体の動きが回転運動としてモデル化でき
るものに対しては，回転運動の負荷トルクの下限と回転
速度の上限を同時に制御する本発明の回転運動倣い装置
を選手の能力向上装置および選手の能力判定装置として
応用できる。変速機１１３の伝達効率が，回転数や伝達
トルクや周囲温度などによって大きく変化する場合に
は，回転軸１０８に働くトルクが可変速モータ１１４の
制動トルクに比例しなくなる。そこでより正確に負荷１
０７の負荷トルクの下限が設計値となるように制御する
ためには，回転軸１０８に働くトルクＴ_２（θ）が設計
値となるように可変速モータ１１４のドライバーに入力
するトルク指令信号を制御すればよい。

【００１７】

【発明効果】以上説明したように本発明によれば，回転
運動を伴なうスポーツ競技の選手の行なう回転運動の負
荷トルクの下限および回転速度の上限を回転角θの関数
として同時に制御することができ，二つの制御関数すな
わち負荷トルク関数Ｔ（θ）および速度関数Ｎ（θ）を
目標とする成績（例えば，平均速度や到達距離など）を
実現できるように設計することにより，選手の能力向上
および能力判定を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示した正面図である。

【図２】本発明の漕艇競技への実施例の負荷１０７の取
り付け状態を示した正面図である。

【図３】本発明の漕艇競技への実施例の負荷１０７の取
り付け状態を示した側面図である。

【符号の説明】

１０１，１１４……可変速モータ １０２，１１３……変速機 １０３，１１２……ワンウェイクラッチ １０４，１１１，１１８，１２０……軸受 １０５，１１０，１１９，１２１，１２２……サポート １０６，１０８，１１７……回転軸 １０７……負荷 １０９，１１６……タイミングプーリ １１５……タイミングベルト １２３……ロータリーエンコーダ １２４……フレキシブル継手 ２０１，２０２，２０３，２０５……軸受押え ２０４……軸受 ２０６，２０７……キー

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】負荷として、漕艇のオールのハンドルを取
   り付けた回転軸の一端部にワンウェイクラッチと変速機
   および速度制御用可変速モータを連結するとともに、前
   記回転軸の他端部にワンウェイクラッチと変速機および
   トルク制御用可変速モータをそれぞれ連結し、この負荷
   の回転角を変数としてそれぞれ任意に設定する関数の値
   を指令信号に変換して、前記速度制御用およびトルク制
   御用可変速モータのそれぞれのドライバに入力すること
   により、前記負荷を正転方向に回転させるためのトルク
   の下限および前記負荷の回転速度の上限を、前記負荷の
   回転角の関数として同時に制御することを特徴とする回
   転運動倣い装置。