JP3570208B2 - 運動分析装置および運動補助装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、腰痛の防止やバランス機能の訓練に必要なデータの作成のための運動分析装置および腰痛の防止やバランス機能の訓練のための運動を被訓練者に行なわせることができる運動補助装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、被訓練者に刺激（一般に振動や揺動）を与えて強制的に運動させ、特定の運動効果を得るようにした運動補助装置が各種提案されている。とくに、腰痛の緩和や予防のために提案されたこの種の運動補助装置としては、特開平７−６７９２４号公報に記載されたものがある。この公報に記載された運動補助装置は、人が跨いで座る鞍（座席）を備え、鞍を前後に往復移動させることによって、腰部を主体とする筋肉群を緊張・弛緩させるようにしたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、座席を単純に前後移動させるものでも腰痛の緩和や予防にある程度の効果はあるものの十分ではなく、さらに効果の高い運動補助装置が要望されている。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、腰痛の防止やバランス機能の向上に適した刺激を求めることができるようにした運動分析装置を提供すること、および腰部を主体とする筋肉群を訓練して腰痛の防止やバランス機能の向上を図る運動補助装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、被訓練者が着座するとともに腰部を主体とする筋肉群が緊張・弛緩するように揺動する座席と、腰部付近の位置情報と腰部を主体とする筋肉群の緊張・弛緩の状態とを対応付けて計測する計測部とを備えるものである。この構成によれば、腰部付近の位置変化と腰部を主体とする筋肉群の活動とを対応付けて腰痛の予防やバランス機能の強化に役立つ筋肉群を強化するために腰部にどのような位置変化を与えればよいかを容易に解析することができる。
【０００５】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記座席が馬に取り付けた鞍であって、前記計測部は、被訓練者の腰部付近に取り付けた反射球を撮像する複数台のＴＶカメラを配置したモーションキャプチャを用いて腰部付近の位置情報の計測を開始すると同時に、テレメータによる脊椎起立筋、広背筋、左右の腹斜筋、腹直筋の表面筋電位の計測を開始するものである。この構成では、モーションキャプチャを用いるから実際の馬の動きに追随することが可能である。
【０００６】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記座席が鞍上の動きを模擬するシミュレータの座席であって、前記計測部は、磁気計測装置を用いて腰部付近の位置情報の計測を開始すると同時に、テレメータによる脊椎起立筋、広背筋、左右の腹斜筋、腹直筋の表面筋電位の計測を開始するものである。この構成では、実際に馬を用いることなく、室内でデータを作成することが可能になる。
【０００７】
請求項４の発明は、前記計測部の計測結果から腰痛の防止に関連する筋肉群の訓練に適した腰部付近の位置移動に関する情報を抽出するものである。
請求項５の発明は、前記計測部の計測結果からバランス保持に関連する筋肉群の訓練に適した腰部付近の位置移動に関する情報を抽出するものである。
【０００８】
請求項４、請求項５の発明は望ましい実施態様である。
請求項６の発明は、被訓練者が着座する座席と、座席を揺動させる駆動手段と、座席の位置を駆動手段に指示する制御手段とを備え、各時刻における座席の位置が請求項４または請求項５の運動分析装置により抽出した腰痛の防止に適した腰部付近の位置移動に関する情報により決定されるものである。この構成によれば、被訓練者は座席に着座するだけで、とくに筋肉強化の努力をすることなく腰部を主体とする筋肉群を強化することができ、腰痛の予防やバランス機能の強化が行なえるのである。
【００１２】
請求項７の発明は、被訓練者が着座する座席と、座席を揺動させる駆動手段と、座席の位置を駆動手段に指示する制御手段と、請求項４または請求項５の運動分析装置により抽出した周期性を有する腰部付近の位置移動に関する情報から求めた座席の位置の単位パターンに直交変換を施して係数群をパラメータとして求めるパラメータ抽出手段と、パラメータを記憶するデータ記憶手段と、パラメータ記憶手段に格納されたパラメータを用いて各時刻の座席の位置を示す複数要素からなる位置データを求めて制御手段に与える演算手段とを備えるものである。この構成によれば、請求項６の発明と同様の作用に加えて、単位パターンに比較してデータ量の少ないパラメータをデータ記憶手段に格納しておけばよいから、データ記憶手段に格納しておくデータ量を低減することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態は、図１に示すように、被訓練者が着席する座席１を駆動手段としてのパラレルメカニズム２により移動させる。パラレルメカニズム２の動作制御は後述する制御手段を含む制御装置３により行なわれる。
【００１８】
パラレルメカニズム２は、図２に示すように、定位置に固定される固定台２１と、６本の脚２３を介して固定台２１の上方に支持された可動台２２とを備える。各脚２３は、固定台２１および可動台２２に対してそれぞれユニバーサルジョイント２４ａ，２４ｂを介して結合されている。また、各脚２３は、固定台２１にユニバーサルジョイント２４ａを介して結合したサポート筒２３ａと、サポート筒２３ａの中に進退自在に挿入されたボールねじよりなるロッド２３ｂと、ロッド２３ｂに噛合するギアを備え正逆の回転に伴ってロッド２３ｂを進退させるアクチュエータ２３ｃとからなる。ロッド２３ｂの先端部はユニバーサルジョイント２４ｂを介して可動台２２に結合される。したがって、各脚２３のアクチュエータ２３ｃをそれぞれ制御してロッド２３ｂの進退量を調節すれば固定台２１に対する可動台２２の位置を適宜に調節することができる。
【００１９】
６本の脚２３は、２本ずつが近接するように固定台２１に結合され、また、固定台２１に対して近接して結合されている脚２３同士を離して可動台２２に結合してある。このような構成によって、互いに直交する３方向の平行移動と、各方向の軸を中心とする回転移動との６自由度の制御が可能になる。つまり、可動台２２は前後、左右、上下の直進往復移動と前後軸、左右軸、上下軸の回りでの回転往復移動とを組み合わせた移動が可能になり、結果的に可動台２２に結合された座席１は６自由度で移動する。パラレルメカニズム２の可動台２２は、現実的には上述のような直進移動と回転移動とに分解した動作よりも、むしろそれらの複合した動作を行なうことになる。
【００２０】
以下の説明を容易にするために、座席１を中心とする座標系を導入する。すなわち、座席１の前後方向をＸ軸方向、左右方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向とし、原点をパラレルメカニズム２の固定台２１の中心とする右手系の直交座標系を設定する。しかして、パラレルメカニズム２の可動台２２は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の３方向の位置が可変であるとともに、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸回りの傾きが可変になる。Ｘ軸回りの回転をロール、Ｙ軸回りの回転をピッチ、Ｚ軸回りの回転をヨーと呼ぶ。
【００２１】
制御装置３はコンピュータ装置を用いて構成されたものであり、図３に示すように、データ入力部３１からデータ記憶部（データ記憶手段）３２にあらかじめ書き込まれた制御情報（位置情報）に基づいてパラレルメカニズム２を制御する。データ入力部３１としては、人の尾骨付近に取り付けた３次元センサ（磁気計測器やジャイロセンサなど）を用いたり、人の腰部付近に取り付けた反射球（球状の反射物）を撮像して位置を検出する複数台のＴＶカメラよりなるモーションキャプチャなどを用いる。制御情報の生成については後述する。
【００２２】
データ記憶部３２は半導体メモリよりなり、データ記憶部３２に格納された制御情報は、演算部３０においてパラレルメカニズム２の各脚２３の長さに変換される（このような変換演算を逆運動学計算という）。演算部３０での演算結果はアクチュエータ制御部３３に与えられる。アクチュエータ制御部３３では演算部３０で求めた各脚２３の長さに応じたアクチュエータ２３ｃの動作量を決め、駆動部３４を介してアクチュエータ２３ｃを駆動する。駆動部３４はアクチュエータ制御部３３で決められた動作量に基づいてアクチュエータ２３ｃへの通電を制御する。つまり、本実施形態においては、演算部３０とアクチュエータ制御部３３と駆動部３４とにより制御手段が構成される。
【００２３】
ところで、データ記憶部３２に格納される制御情報は、表１のように、座席１に関して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の位置Ｘｉ ，Ｙｉ ，Ｚｉ （ｉは正数）と、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りの傾き（ロール、ピッチ、ヨー）θＸｉ，θＹｉ，θＺｉ（ｉは正数）との６つ組を一定時間間隔で設定したものである。この制御情報は後述するようにして生成された時系列データであり、周期性のある一連の振動パターンとして１周期分が格納されている。以下では、このような一連の振動パターンを単位パターンという。この単位パターンは１周期よりも十分に短い一定時間間隔で区切られ、各区切りごとに上記６つ組が設定されている。要するに、単位パターンは６つ組の時系列データにより構成されている。
【００２４】
【表１】
【００２５】
表１のような制御情報（単位パターン）に基づいて、演算部３０で表１の各時刻のデータに逆運動学計算を施すとパラレルメカニズム２の各脚２３の長さＬｉｊ（ｉ＝１〜６、ｊは正数）を求めることができる。つまり、表２のように、一定時間間隔での６本の脚（表２では脚１〜６で表してある）２３の長さＬｉｊが求められる。
【００２６】
【表２】
【００２７】
ところで、腰痛の防止やバランス機能の向上を目的として腰部を主体とする筋肉群を訓練するには、座席１をどのように揺動させると、腰部を主体とする筋肉群がどのように緊張・弛緩するのかを分析しなければならない。そこで、乗馬をしている人や馬と同様の動作を行なうようなシミュレータに乗っている人にどのような刺激（揺動）が与えられたときに、腰部を主体とする筋肉群がどのように緊張・弛緩するかを実測すれば、それらの筋肉群を訓練するために、どのような刺激を与えればよいかがわかり、座席１に与える揺動パターンとしてどのようなものが望ましいかがわかる。
【００２８】
単位パターンを抽出するには以下の方法を採用する。まず、馬に乗る人の腰周囲の背中と左右とに図４のように反射球１１を取り付ける。また、脊柱起立筋、広背筋、左右の腹斜筋、腹直筋の表面筋電位を測定することができるようにテレメータで用いる筋電位計測センサ１２を取り付ける。反射球１１の動きは、図５のように馬の通過経路（移動方向を矢印Ａで示している）の周囲に複数台の高感度なＴＶカメラ１３を配置したモーションキャプチャで検出し、腰部付近の３次元の位置情報を検出する。この計測の際に表面筋電位と３次元の位置情報とは計測開始時刻を合わせておく。つまり、時刻により対応付けることで腰の位置がどのように変化したときに、どの筋肉がどのように緊張・弛緩したかを知ることができる。具体的には図６（ａ）のような３次元の位置情報と図６（ｂ）のような筋電位の測定データとが対応付けられることになる。
【００２９】
単位パターンの抽出には、馬と同様に動くシミュレータに乗った人についてデータを収集してもよい。つまり、図７に示すように鞍形の座席１ａを上述したパラレルメカニズム２により駆動して馬と同様の揺動を与え、３次元の位置情報と腰部を主体とする筋肉群の緊張・弛緩の情報とを収集してもよい。また、この種の装置は屋内で用いるから、腰部の３次元の位置情報を収集する手段としては磁気計測装置を用いることができる。この場合も馬に乗っている人と同様に３次元の位置情報と筋電位の測定データとは時刻によって対応付ける。
【００３０】
ところで、腰痛とくに姿勢性腰痛症と称する腰痛は、以下のようなプロセスで発生すると考えられている。つまり、腹筋や背筋などの筋肉を用いずに骨盤と背骨の関節の部分で骨が体幹を直接支えるようになる。これは腹を前に突き出すようにして立っている状態である。次に、背筋群（とくに脊柱起立筋）を使わなくなり、その後、腹筋も使わなくなる。こうして神経が圧迫されるようになり腰痛を発症する。このようなプロセスで腰痛が発症するのであるから、腰痛を予防しようとすれば、これらの筋肉群を強化すればよいことがわかる。
【００３１】
本発明者らは上述した測定を行なうことによって、馬の歩様のうち速歩に対応する上下動を中心にした２拍子の動きは、へその真裏に位置する広背筋とその５０ｍｍ上部の広背筋の活動を促すという知見を得た。ここに、表面筋電位は、へそ部の腹直筋、へそより５０ｍｍ上の腹直筋、右側の外腹斜筋、左側の外腹斜筋、へその真裏の広背筋、へそより５０ｍｍ上の広背筋の６箇所で測定した。その結果、速歩による振動は腰部を主体とする筋肉群のうち脊柱起立筋および背中中心部の筋肉の活動を促すという結果が得られた（図８に速歩での３次元の位置、図９に速歩での筋電図を示す。また、図９（ａ）はへそ部の腹直筋、同図（ｂ）はへそより５０ｍｍ上の腹直筋、同図（ｃ）は右側の外腹斜筋、同図（ｄ）は左側の外腹斜筋、同図（ｅ）はへその真裏の広背筋、同図（ｆ）はへそより５０ｍｍ上の広背筋を示す。以下の筋電図も同様である）。また、駆歩に対応する上下動を中心に前後への回転を強調する３拍子の動きは、腹直筋の活動を促すという知見を得た（図１０に駆歩での３次元の位置、図１１に駆歩での筋電図を示す）。つまり、速歩と駆歩との動きを組み合わせれば、腹筋および背筋を強化することができる。一方、上述した腰痛の発症プロセスで説明したように、腹筋や背筋などの筋肉を使わないことによって腰痛が発症するのであり、腹筋および背筋を強化すれば腰痛の発症を防止することができるから、速歩と駆歩とに対応する揺動を与えれば腰痛の発症を予防することができるのである。
【００３２】
上述の観点に従い実測データに基づいて速歩および駆歩に対応した単位パターンを作成しデータ記憶部３２に格納しておく。腰痛の予防を目的とする場合には、データ記憶部３２に格納された図１２（ａ）（ｂ）のような速歩および駆歩の単位パターンを時系列的に接続する（図示例では速歩の単位パターンの周期をＴ１、駆歩の単位パターンの周期をＴ２としている）。ただし、異なる単位パターンを接続する際には変化が不連続になるから、図１２（ｃ）のように両単位パターンを滑らかに接続するためにつなぎパターンを用いて補間する（つなぎパターンの周期をＴ３としている）。
【００３３】
一方、バランス機能についても腰部を主体とする筋肉群を訓練することで強化されることが知られている。本発明者らの研究によれば馬の歩様のうち常歩に対応する上下動を中心にした４拍子の動きが左右の外腹斜筋の活動を促し、左右の揺れに対して腹筋を用いるという知見が得られている（図１３に常歩での３次元の位置、図１４に常歩での筋電図を示す）。
【００３４】
しかしながら、正常な人のバランス保持機能では、周期的な揺れに対しては２〜３秒程度で動きを予測するようになり、バランス機能を強化するためには周期的な揺れのみでは効果が少ない。そこで、本実施形態では、安全性が保たれる範囲内の加速度で急激な変化を不規則なタイミングで与えるようにしてある。つまり、図１５（ａ）のような単位パターンとともに、急激な変化を含む図１５（ｂ）のような変化パターンをデータ記憶部３２に用意しておき、基本的には図１５（ａ）の単位パターンを時系列的に接続しつつも図１５（ｂ）のような変化パターンを不規則なタイミングで重畳することで、図１５（ｃ）のように急激な変化を与えることができるようにしている（図示例では常歩の単位パターンの周期をＴ４とし、変化パターンを重畳している期間をＴ５として示している）。
【００３５】
以上説明したように、データ記憶部３２には各種の単位パターンや変化パターンなどを格納しておき、演算部３０では単位パターンを時系列的に接続したり、補間したり、重畳したりすることによって揺動パターンを生成する。このように揺動パターンが複数の単位パターンを各種に組み合わせて生成されるから、比較的少数の単位パターンを用いながらも複雑な揺動パターンを生成することができ、揺動パターンを経済的に生成することができる。
【００３６】
演算部３０で生成された揺動パターンは上述のようにアクチュエータ制御部３３および駆動部３４を通してパラレルメカニズム２に与えられ、パラレルメカニズム２の動作によって座席１が揺動するのである。また、上述のように揺動パターンに応じて腰痛の予防やバランス機能の強化に用いることができる。
（実施形態２）
実施形態１はＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向と、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りの傾き（ロール、ピッチ、ヨー）との６自由度で座席１を駆動しているが、腰痛の予防やバランス機能の強化には、３自由度で座席１を駆動しても効果が得られる。とくに、Ｚ軸方向、ピッチ、ロールの組み合わせでは高い効果があるという知見を得た。
【００３７】
常歩の単位パターンを用いて座席１を駆動し、各種筋肉の表面筋電位を３人について測定したところ、各人ごとに図１６ないし図１８のような結果が得られた。各図に示す９種類の結果は、Ｘ軸（▲１▼）、Ｙ軸（▲２▼）、Ｚ軸（▲３▼）、ヨー（▲４▼）、ピッチ（▲５▼）、ロール（▲６▼）の各１自由度のみ、ピッチとロールとの組み合わせ（▲７▼）、Ｘ軸とピッチとロールとの組み合わせ（▲８▼）、Ｚ軸とピッチとロールとの組み合わせ（▲９▼）の９種類のそれぞれで座席１を駆動したときの結果である。また、各図の横軸は筋肉の種類、縦軸は６自由度で駆動した場合の筋電位に対する上記駆動での筋電位の百分率である。さらに、駆歩についても同様に測定した結果を図１９ないし図２１に示す。
【００３８】
これらの測定結果にはばらつきがあるが、Ｚ軸方向、ピッチ、ロールの３自由度で座席１を駆動した場合でも腰痛の予防やバランス機能の強化に効果のある筋肉群を訓練することができることがわかる。したがって、このような３自由度の駆動手段を用いて座席１を揺動させることによって、駆動手段としてパラレルメカニズムを用いる場合に比較して大幅なコストの低減が可能になる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【００３９】
（実施形態３）
実施形態１では、データ記憶部３２に単位パターンを格納しているが、単位パターンを構成する６つ組の時系列データの個数が多くなると、データ記憶部３２として大きな記憶容量が要求されることになる。時系列データの個数が多くなるのは、単位パターンを構成している時系列データの時間間隔を短く設定したり、単位パターンの周期が長くなったりした場合である。
【００４０】
そこで、本実施形態では、データ記憶部３２に格納するデータ量を低減するとともに、単位パターンの特性の把握が容易になるように、単位パターンを構成する時系列データに離散的な直交変換を施している。具体的には単位パターンを構成する時系列データに離散フーリエ変換を施すことによって係数列を抽出するのである。一般に、直交変換を行なえば低次の係数に特徴が集中するから、高次の係数を切り捨てたとしても逆直交変換によって元の情報に近い情報を復元することができる。そこで、歪が多少増加することを許すのであれば、高次の係数を切り捨てることによって、データ量をさらに低減することができる。このようにして単位パターンを構成する時系列データから求めた係数列をパラメータとしてデータ記憶部３２に格納すれば、単位パターンをデータ圧縮したことになり、単位パターンをデータ記憶部３２に格納する場合に比較して、データ記憶部３２に要求される記憶容量が低減されることになる。また、単位パターンの特徴は低次の係数に集中しているから、パラメータによって単位パターンの特徴を容易に把握することができる。
【００４１】
データ記憶部３２に格納されたパラメータを用いると各時刻における座席１の位置の６つ組を求めることができる。このような６つ組を位置データと呼ぶ。つまり、演算部３０ではパラメータを用いて逆直交変換（逆フーリエ変換）により各時刻ごとの位置データを求める。
実施形態１のデータの流れと本実施形態のデータの流れとを図２２と図２３とにそれぞれ示す。実施形態１では、図２２（ａ）に示すように、データ入力部３１が、人の腰部付近の３次元の位置情報を検出する計測部３１ａと、計測部３１ａから単位パターンを抽出する処理部３１ｂとで構成されており、処理部３１ｂで求めた単位データがデータ記憶部３２に格納されるようになっている。データ記憶部３２に単位パターンを格納する処理は、パラレルメカニズム２を駆動する処理とは別に行なわれる（つまり、パラレルメカニズム２を駆動する処理をオンラインとすれば、オフラインで行なわれる）。パラレルメカニズム２を駆動する際には、図２３（ｂ）のように、データ記憶部３２に格納された単位パターンが読み出されて、演算部３０、アクチュエータ制御部３３、駆動部３４よりなる制御部３５を通してパラレルメカニズム２を駆動する信号が生成される。上述のように演算部３０は演算手段としても兼用されている。
【００４２】
一方、本実施形態では、図２３（ａ）に示すように、データ入力部３１が、人の腰部付近の３次元の位置情報を検出する計測部３１ａと、計測部３１ａから単位パターンを抽出する処理部３１ｂと、単位パターンに離散フーリエ変換を施してパラメータを抽出するパラメータ抽出部３１ｃとにより構成される。データ記憶部３２には、パラメータ抽出部３１ｃで求めたパラメータが格納される。たとえば、表１に示した単位パターンに対して、表３のような形でパラメータを得ることができる。ここに、ｎ＞Ｎである。つまり、パラメータのほうが単位パターンの時系列データよりも個数が少なくなる。
【００４３】
【表３】
【００４４】
パラレルメカニズム２を駆動する際には、図２３（ｂ）に示すように、データ記憶部３２に格納されたパラメータに対して演算手段である演算部３０で逆フーリエ変換を行ない各時刻の位置データを求める。位置データは、各時刻ｔごとの６つ組として表４のような形で生成される。
【００４５】
【表４】
【００４６】
演算部３０は実施形態１と同様に逆運動学計算を行ない、たとえば、表５のように位置データからパラレルメカニズム２の各脚２３の長さＬｉｔ（ｉ＝１〜６，ｔは時刻ｔのデータであることを示す）を求める。
【００４７】
【表５】
【００４８】
パラレルメカニズム２の脚２３の長さＬｉｔは、アクチュエータ制御部３３および駆動部３４よりなる制御部３５を通してパラレルメカニズム２に与えられ、パラレルメカニズム２が駆動される。
ところで、上述のように、単位パターンの繰り返しによりパラレルメカニズム２を駆動する場合や、パラメータを用いてパラレルメカニズム２を駆動する場合に周期毎の揺動パターンが同じになるから、座席１が周期的で単調な動きになり、使用者が飽きたり使用者が動きになれて腰を使わずにバランスをとるようになったりするという問題がある。そこで、座席１の移動に変化をつけるために、以下のような各種の技術を単独ないし組み合わせて用いる。
【００４９】
つまり、表６に示すように、位置データ（もしくは単位パターンを構成する時系列データ）の６つ組の各要素に変化値αＮｔ（Ｎ＝Ｘ，Ｙ，Ｚ，θＸ ，θＹ ，θＺ 、ｔは時刻ｔのデータを意味する）を加算し、変化値αＮｔを加算した位置データに逆運動学変換を施すことによってパラレルメカニズム２の脚２３の長さＬｉｔを求める。ここに変化値αＮｔは乱数で発生させることができる。また、１／ｆゆらぎを含むような変化値αＮｔであってもよい。ただし、変化値αＮｔの振幅は元の位置データの振幅よりは小さく設定されており、変化値αＮｔを加算した後も位置データが反映されるようにしてある。
【００５０】
【表６】
【００５１】
座席１の揺動に変化を与えるには、表７のように、位置データを構成する６つ組の各要素のうちの少なくとも１つに係数βＮ （Ｎ＝Ｘ，Ｙ，Ｚ，θＸ ，θＹ ，θＺ ）を乗算する。表７ではすべての要素に係数βＮ を乗算している。このように係数βＮ を乗算すれば、係数βＮ の大きさによって座席１を揺動させる振幅を変化させることができる。
【００５２】
【表７】
【００５３】
また、表８のように、位置データを構成する６つ組を逆運動学変換する時間間隔（時間データ）を変化させれば（表８では時刻に係数γを乗じている）、位置データの周期を変化させることができ、座席１の動きの速さを変化させることができる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【００５４】
【表８】
【００５５】
【発明の効果】
請求項１の発明は、被訓練者が着座するとともに腰部を主体とする筋肉群が緊張・弛緩するように揺動する座席と、腰部付近の位置情報と腰部を主体とする筋肉群の緊張・弛緩の状態とを対応付けて計測する計測部とを備えるものであり、腰部付近の位置変化と腰部を主体とする筋肉群の活動とを対応付けて腰痛の予防やバランス機能の強化に役立つ筋肉群を強化するために腰部にどのような位置変化を与えればよいかを容易に解析することができる。
【００５６】
請求項２の発明のように、座席が馬に取り付けた鞍であって、計測部が、被訓練者の腰部付近に取り付けた反射球を撮像する複数台のＴＶカメラを配置したモーションキャプチャを用いて腰部付近の位置情報の計測を開始すると同時に、テレメータによる脊椎起立筋、広背筋、左右の腹斜筋、腹直筋の表面筋電位の計測を開始するものでは、モーションキャプチャを用いるから実際の馬の動きに追随することが可能である。
【００５７】
請求項３の発明のように、座席が鞍上の動きを模擬するシミュレータの座席であって、計測部が、磁気計測装置を用いて腰部付近の位置情報の計測を開始すると同時に、テレメータによる脊椎起立筋、広背筋、左右の腹斜筋、腹直筋の表面筋電位の計測を開始するものでは、実際に馬を走らせることなく、室内でデータを作成することが可能になる。
【００５８】
請求項４の発明のように、計測部の計測結果から腰痛の防止に関連する筋肉群の訓練に適した腰部付近の位置移動に関する情報を抽出したり、請求項５の発明のように、計測部の計測結果からバランス保持に関連する筋肉群の訓練に適した腰部付近の位置移動に関する情報を抽出したりすれば、腰痛の予防やバランス保持の訓練に適した腰部付近の動きを知ることができる。
【００５９】
請求項６の発明は、被訓練者が着座する座席と、座席を揺動させる駆動手段と、座席の位置を駆動手段に指示する制御手段とを備え、各時刻における座席の位置が請求項４または請求項５の運動分析装置により抽出した腰痛の防止に適した腰部付近の位置移動に関する情報により決定されるものであり、被訓練者は座席に着座するだけで、とくに筋肉強化の努力をすることなく腰部を主体とする筋肉群を強化することができ、腰痛の予防やバランス機能の強化が行なえるという利点がある。
【００６２】
請求項７の発明は、被訓練者が着座する座席と、座席を揺動させる駆動手段と、座席の位置を駆動手段に指示する制御手段と、請求項４または請求項５の運動分析装置により抽出した周期性を有する腰部付近の位置移動に関する情報から求めた座席の位置の単位パターンに直交変換を施して係数群をパラメータとして求めるパラメータ抽出手段と、パラメータを記憶するデータ記憶手段と、パラメータ記憶手段に格納されたパラメータを用いて各時刻の座席の位置を示す複数要素からなる位置データを求めて制御手段に与える演算手段とを備えるものであり、請求項６の発明と同様の効果に加えて、単位パターンに比較してデータ量の少ないパラメータをデータ記憶手段に格納しておけばよいから、データ記憶手段に格納しておくデータ量を低減することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の斜視図である。
【図２】同上に用いるパラレルメカニズムを示す斜視図である。
【図３】同上のブロック図である。
【図４】同上における３次元の位置情報および筋電位の測定方法の説明図である。
【図５】同上における３次元の位置情報の測定方法の説明図である。
【図６】同上における３次元の位置情報および筋電位の測定結果を示す図である。
【図７】同上に用いるシミュレータの一例を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は背面図である。
【図８】同上において速歩での３次元位置を示す図である。
【図９】同上において速歩での筋電図を示す図である。
【図１０】同上において駆歩での３次元位置を示す図である。
【図１１】同上において駆歩での筋電図を示す図である。
【図１２】同上において単位パターンからの腰痛予防の揺動パターンの生成を示す説明図である。
【図１３】同上において常歩での３次元位置を示す図である。
【図１４】同上において常歩での筋電図を示す図である。
【図１５】同上において単位パターンからのバランス機能強化の揺動パターンの生成を示す説明図である。
【図１６】実施形態２に対応した測定結果を示す図である。
【図１７】実施形態２に対応した測定結果を示す図である。
【図１８】実施形態２に対応した測定結果を示す図である。
【図１９】実施形態２に対応した測定結果を示す図である。
【図２０】実施形態２に対応した測定結果を示す図である。
【図２１】実施形態２に対応した測定結果を示す図である。
【図２２】実施形態３との比較例として示す実施形態１のブロック図である。
【図２３】実施形態３を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 座席
２ パラレルメカニズム
３ 制御装置
１１ 反射球
１２ 筋電位計測センサ
１３ ＴＶカメラ
３０ 演算部
３１ データ入力部
３１ａ 計測部
３１ｂ 処理部
３１ｃ パラメータ抽出部
３２ データ記憶部
３３ アクチュエータ制御部
３４ 駆動部
３５ 制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、腰痛の防止やバランス機能の訓練に必要なデータの作成のための運動分析装置および腰痛の防止やバランス機能の訓練のための運動を被訓練者に行なわせることができる運動補助装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、被訓練者に刺激（一般に振動や揺動）を与えて強制的に運動させ、特定の運動効果を得るようにした運動補助装置が各種提案されている。とくに、腰痛の緩和や予防のために提案されたこの種の運動補助装置としては、特開平７−６７９２４号公報に記載されたものがある。この公報に記載された運動補助装置は、人が跨いで座る鞍（座席）を備え、鞍を前後に往復移動させることによって、腰部を主体とする筋肉群を緊張・弛緩させるようにしたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、座席を単純に前後移動させるものでも腰痛の緩和や予防にある程度の効果はあるものの十分ではなく、さらに効果の高い運動補助装置が要望されている。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、腰痛の防止やバランス機能の向上に適した刺激を求めることができるようにした運動分析装置を提供すること、および腰部を主体とする筋肉群を訓練して腰痛の防止やバランス機能の向上を図る運動補助装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、被訓練者が着座するとともに腰部を主体とする筋肉群が緊張・弛緩するように揺動する座席と、腰部付近の位置情報と腰部を主体とする筋肉群の緊張・弛緩の状態とを対応付けて計測する計測部とを備えるものである。この構成によれば、腰部付近の位置変化と腰部を主体とする筋肉群の活動とを対応付けて腰痛の予防やバランス機能の強化に役立つ筋肉群を強化するために腰部にどのような位置変化を与えればよいかを容易に解析することができる。
【０００５】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記座席が馬に取り付けた鞍であって、前記計測部は、被訓練者の腰部付近に取り付けた反射球を撮像する複数台のＴＶカメラを配置したモーションキャプチャを用いて腰部付近の位置情報の計測を開始すると同時に、テレメータによる脊椎起立筋、広背筋、左右の腹斜筋、腹直筋の表面筋電位の計測を開始するものである。この構成では、モーションキャプチャを用いるから実際の馬の動きに追随することが可能である。
【０００６】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記座席が鞍上の動きを模擬するシミュレータの座席であって、前記計測部は、磁気計測装置を用いて腰部付近の位置情報の計測を開始すると同時に、テレメータによる脊椎起立筋、広背筋、左右の腹斜筋、腹直筋の表面筋電位の計測を開始するものである。この構成では、実際に馬を用いることなく、室内でデータを作成することが可能になる。
【０００７】
請求項４の発明は、前記計測部の計測結果から腰痛の防止に関連する筋肉群の訓練に適した腰部付近の位置移動に関する情報を抽出するものである。
請求項５の発明は、前記計測部の計測結果からバランス保持に関連する筋肉群の訓練に適した腰部付近の位置移動に関する情報を抽出するものである。
【０００８】
請求項４、請求項５の発明は望ましい実施態様である。
請求項６の発明は、被訓練者が着座する座席と、座席を揺動させる駆動手段と、座席の位置を駆動手段に指示する制御手段とを備え、各時刻における座席の位置が請求項４または請求項５の運動分析装置により抽出した腰痛の防止に適した腰部付近の位置移動に関する情報により決定されるものである。この構成によれば、被訓練者は座席に着座するだけで、とくに筋肉強化の努力をすることなく腰部を主体とする筋肉群を強化することができ、腰痛の予防やバランス機能の強化が行なえるのである。
【００１２】
請求項７の発明は、被訓練者が着座する座席と、座席を揺動させる駆動手段と、座席の位置を駆動手段に指示する制御手段と、請求項４または請求項５の運動分析装置により抽出した周期性を有する腰部付近の位置移動に関する情報から求めた座席の位置の単位パターンに直交変換を施して係数群をパラメータとして求めるパラメータ抽出手段と、パラメータを記憶するデータ記憶手段と、パラメータ記憶手段に格納されたパラメータを用いて各時刻の座席の位置を示す複数要素からなる位置データを求めて制御手段に与える演算手段とを備えるものである。この構成によれば、請求項６の発明と同様の作用に加えて、単位パターンに比較してデータ量の少ないパラメータをデータ記憶手段に格納しておけばよいから、データ記憶手段に格納しておくデータ量を低減することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態は、図１に示すように、被訓練者が着席する座席１を駆動手段としてのパラレルメカニズム２により移動させる。パラレルメカニズム２の動作制御は後述する制御手段を含む制御装置３により行なわれる。
【００１８】
パラレルメカニズム２は、図２に示すように、定位置に固定される固定台２１と、６本の脚２３を介して固定台２１の上方に支持された可動台２２とを備える。各脚２３は、固定台２１および可動台２２に対してそれぞれユニバーサルジョイント２４ａ，２４ｂを介して結合されている。また、各脚２３は、固定台２１にユニバーサルジョイント２４ａを介して結合したサポート筒２３ａと、サポート筒２３ａの中に進退自在に挿入されたボールねじよりなるロッド２３ｂと、ロッド２３ｂに噛合するギアを備え正逆の回転に伴ってロッド２３ｂを進退させるアクチュエータ２３ｃとからなる。ロッド２３ｂの先端部はユニバーサルジョイント２４ｂを介して可動台２２に結合される。したがって、各脚２３のアクチュエータ２３ｃをそれぞれ制御してロッド２３ｂの進退量を調節すれば固定台２１に対する可動台２２の位置を適宜に調節することができる。
【００１９】
６本の脚２３は、２本ずつが近接するように固定台２１に結合され、また、固定台２１に対して近接して結合されている脚２３同士を離して可動台２２に結合してある。このような構成によって、互いに直交する３方向の平行移動と、各方向の軸を中心とする回転移動との６自由度の制御が可能になる。つまり、可動台２２は前後、左右、上下の直進往復移動と前後軸、左右軸、上下軸の回りでの回転往復移動とを組み合わせた移動が可能になり、結果的に可動台２２に結合された座席１は６自由度で移動する。パラレルメカニズム２の可動台２２は、現実的には上述のような直進移動と回転移動とに分解した動作よりも、むしろそれらの複合した動作を行なうことになる。
【００２０】
以下の説明を容易にするために、座席１を中心とする座標系を導入する。すなわち、座席１の前後方向をＸ軸方向、左右方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向とし、原点をパラレルメカニズム２の固定台２１の中心とする右手系の直交座標系を設定する。しかして、パラレルメカニズム２の可動台２２は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の３方向の位置が可変であるとともに、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸回りの傾きが可変になる。Ｘ軸回りの回転をロール、Ｙ軸回りの回転をピッチ、Ｚ軸回りの回転をヨーと呼ぶ。
【００２１】
制御装置３はコンピュータ装置を用いて構成されたものであり、図３に示すように、データ入力部３１からデータ記憶部（データ記憶手段）３２にあらかじめ書き込まれた制御情報（位置情報）に基づいてパラレルメカニズム２を制御する。データ入力部３１としては、人の尾骨付近に取り付けた３次元センサ（磁気計測器やジャイロセンサなど）を用いたり、人の腰部付近に取り付けた反射球（球状の反射物）を撮像して位置を検出する複数台のＴＶカメラよりなるモーションキャプチャなどを用いる。制御情報の生成については後述する。
【００２２】
データ記憶部３２は半導体メモリよりなり、データ記憶部３２に格納された制御情報は、演算部３０においてパラレルメカニズム２の各脚２３の長さに変換される（このような変換演算を逆運動学計算という）。演算部３０での演算結果はアクチュエータ制御部３３に与えられる。アクチュエータ制御部３３では演算部３０で求めた各脚２３の長さに応じたアクチュエータ２３ｃの動作量を決め、駆動部３４を介してアクチュエータ２３ｃを駆動する。駆動部３４はアクチュエータ制御部３３で決められた動作量に基づいてアクチュエータ２３ｃへの通電を制御する。つまり、本実施形態においては、演算部３０とアクチュエータ制御部３３と駆動部３４とにより制御手段が構成される。
【００２３】
ところで、データ記憶部３２に格納される制御情報は、表１のように、座席１に関して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の位置Ｘｉ ，Ｙｉ ，Ｚｉ （ｉは正数）と、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りの傾き（ロール、ピッチ、ヨー）θＸｉ，θＹｉ，θＺｉ（ｉは正数）との６つ組を一定時間間隔で設定したものである。この制御情報は後述するようにして生成された時系列データであり、周期性のある一連の振動パターンとして１周期分が格納されている。以下では、このような一連の振動パターンを単位パターンという。この単位パターンは１周期よりも十分に短い一定時間間隔で区切られ、各区切りごとに上記６つ組が設定されている。要するに、単位パターンは６つ組の時系列データにより構成されている。
【００２４】
【表１】
表１のような制御情報（単位パターン）に基づいて、演算部３０で表１の各時刻のデータに逆運動学計算を施すとパラレルメカニズム２の各脚２３の長さＬｉｊ（ｉ＝１〜６、ｊは正数）を求めることができる。つまり、表２のように、一定時間間隔での６本の脚（表２では脚１〜６で表してある）２３の長さＬｉｊが求められる。
【００２６】
【表２】
ところで、腰痛の防止やバランス機能の向上を目的として腰部を主体とする筋肉群を訓練するには、座席１をどのように揺動させると、腰部を主体とする筋肉群がどのように緊張・弛緩するのかを分析しなければならない。そこで、乗馬をしている人や馬と同様の動作を行なうようなシミュレータに乗っている人にどのような刺激（揺動）が与えられたときに、腰部を主体とする筋肉群がどのように緊張・弛緩するかを実測すれば、それらの筋肉群を訓練するために、どのような刺激を与えればよいかがわかり、座席１に与える揺動パターンとしてどのようなものが望ましいかがわかる。
【００２８】
単位パターンを抽出するには以下の方法を採用する。まず、馬に乗る人の腰周囲の背中と左右とに図４のように反射球１１を取り付ける。また、脊柱起立筋、広背筋、左右の腹斜筋、腹直筋の表面筋電位を測定することができるようにテレメータで用いる筋電位計測センサ１２を取り付ける。反射球１１の動きは、図５のように馬の通過経路（移動方向を矢印Ａで示している）の周囲に複数台の高感度なＴＶカメラ１３を配置したモーションキャプチャで検出し、腰部付近の３次元の位置情報を検出する。この計測の際に表面筋電位と３次元の位置情報とは計測開始時刻を合わせておく。つまり、時刻により対応付けることで腰の位置がどのように変化したときに、どの筋肉がどのように緊張・弛緩したかを知ることができる。具体的には図６（ａ）のような３次元の位置情報と図６（ｂ）のような筋電位の測定データとが対応付けられることになる。
【００２９】
単位パターンの抽出には、馬と同様に動くシミュレータに乗った人についてデータを収集してもよい。つまり、図７に示すように鞍形の座席１ａを上述したパラレルメカニズム２により駆動して馬と同様の揺動を与え、３次元の位置情報と腰部を主体とする筋肉群の緊張・弛緩の情報とを収集してもよい。また、この種の装置は屋内で用いるから、腰部の３次元の位置情報を収集する手段としては磁気計測装置を用いることができる。この場合も馬に乗っている人と同様に３次元の位置情報と筋電位の測定データとは時刻によって対応付ける。
【００３０】
ところで、腰痛とくに姿勢性腰痛症と称する腰痛は、以下のようなプロセスで発生すると考えられている。つまり、腹筋や背筋などの筋肉を用いずに骨盤と背骨の関節の部分で骨が体幹を直接支えるようになる。これは腹を前に突き出すようにして立っている状態である。次に、背筋群（とくに脊柱起立筋）を使わなくなり、その後、腹筋も使わなくなる。こうして神経が圧迫されるようになり腰痛を発症する。このようなプロセスで腰痛が発症するのであるから、腰痛を予防しようとすれば、これらの筋肉群を強化すればよいことがわかる。
【００３１】
本発明者らは上述した測定を行なうことによって、馬の歩様のうち速歩に対応する上下動を中心にした２拍子の動きは、へその真裏に位置する広背筋とその５０ｍｍ上部の広背筋の活動を促すという知見を得た。ここに、表面筋電位は、へそ部の腹直筋、へそより５０ｍｍ上の腹直筋、右側の外腹斜筋、左側の外腹斜筋、へその真裏の広背筋、へそより５０ｍｍ上の広背筋の６箇所で測定した。その結果、速歩による振動は腰部を主体とする筋肉群のうち脊柱起立筋および背中中心部の筋肉の活動を促すという結果が得られた（図８に速歩での３次元の位置、図９に速歩での筋電図を示す。また、図９（ａ）はへそ部の腹直筋、同図（ｂ）はへそより５０ｍｍ上の腹直筋、同図（ｃ）は右側の外腹斜筋、同図（ｄ）は左側の外腹斜筋、同図（ｅ）はへその真裏の広背筋、同図（ｆ）はへそより５０ｍｍ上の広背筋を示す。以下の筋電図も同様である）。また、駆歩に対応する上下動を中心に前後への回転を強調する３拍子の動きは、腹直筋の活動を促すという知見を得た（図１０に駆歩での３次元の位置、図１１に駆歩での筋電図を示す）。つまり、速歩と駆歩との動きを組み合わせれば、腹筋および背筋を強化することができる。一方、上述した腰痛の発症プロセスで説明したように、腹筋や背筋などの筋肉を使わないことによって腰痛が発症するのであり、腹筋および背筋を強化すれば腰痛の発症を防止することができるから、速歩と駆歩とに対応する揺動を与えれば腰痛の発症を予防することができるのである。
【００３２】
上述の観点に従い実測データに基づいて速歩および駆歩に対応した単位パターンを作成しデータ記憶部３２に格納しておく。腰痛の予防を目的とする場合には、データ記憶部３２に格納された図１２（ａ）（ｂ）のような速歩および駆歩の単位パターンを時系列的に接続する（図示例では速歩の単位パターンの周期をＴ１、駆歩の単位パターンの周期をＴ２としている）。ただし、異なる単位パターンを接続する際には変化が不連続になるから、図１２（ｃ）のように両単位パターンを滑らかに接続するためにつなぎパターンを用いて補間する（つなぎパターンの周期をＴ３としている）。
【００３３】
一方、バランス機能についても腰部を主体とする筋肉群を訓練することで強化されることが知られている。本発明者らの研究によれば馬の歩様のうち常歩に対応する上下動を中心にした４拍子の動きが左右の外腹斜筋の活動を促し、左右の揺れに対して腹筋を用いるという知見が得られている（図１３に常歩での３次元の位置、図１４に常歩での筋電図を示す）。
【００３４】
しかしながら、正常な人のバランス保持機能では、周期的な揺れに対しては２〜３秒程度で動きを予測するようになり、バランス機能を強化するためには周期的な揺れのみでは効果が少ない。そこで、本実施形態では、安全性が保たれる範囲内の加速度で急激な変化を不規則なタイミングで与えるようにしてある。つまり、図１５（ａ）のような単位パターンとともに、急激な変化を含む図１５（ｂ）のような変化パターンをデータ記憶部３２に用意しておき、基本的には図１５（ａ）の単位パターンを時系列的に接続しつつも図１５（ｂ）のような変化パターンを不規則なタイミングで重畳することで、図１５（ｃ）のように急激な変化を与えることができるようにしている（図示例では常歩の単位パターンの周期をＴ４とし、変化パターンを重畳している期間をＴ５として示している）。
【００３５】
以上説明したように、データ記憶部３２には各種の単位パターンや変化パターンなどを格納しておき、演算部３０では単位パターンを時系列的に接続したり、補間したり、重畳したりすることによって揺動パターンを生成する。このように揺動パターンが複数の単位パターンを各種に組み合わせて生成されるから、比較的少数の単位パターンを用いながらも複雑な揺動パターンを生成することができ、揺動パターンを経済的に生成することができる。
【００３６】
演算部３０で生成された揺動パターンは上述のようにアクチュエータ制御部３３および駆動部３４を通してパラレルメカニズム２に与えられ、パラレルメカニズム２の動作によって座席１が揺動するのである。また、上述のように揺動パターンに応じて腰痛の予防やバランス機能の強化に用いることができる。
（実施形態２）
実施形態１はＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向と、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りの傾き（ロール、ピッチ、ヨー）との６自由度で座席１を駆動しているが、腰痛の予防やバランス機能の強化には、３自由度で座席１を駆動しても効果が得られる。とくに、Ｚ軸方向、ピッチ、ロールの組み合わせでは高い効果があるという知見を得た。
【００３７】
常歩の単位パターンを用いて座席１を駆動し、各種筋肉の表面筋電位を３人について測定したところ、各人ごとに図１６ないし図１８のような結果が得られた。各図に示す９種類の結果は、Ｘ軸（▲１▼）、Ｙ軸（▲２▼）、Ｚ軸（▲３▼）、ヨー（▲４▼）、ピッチ（▲５▼）、ロール（▲６▼）の各１自由度のみ、ピッチとロールとの組み合わせ（▲７▼）、Ｘ軸とピッチとロールとの組み合わせ（▲８▼）、Ｚ軸とピッチとロールとの組み合わせ（▲９▼）の９種類のそれぞれで座席１を駆動したときの結果である。また、各図の横軸は筋肉の種類、縦軸は６自由度で駆動した場合の筋電位に対する上記駆動での筋電位の百分率である。さらに、駆歩についても同様に測定した結果を図１９ないし図２１に示す。
【００３８】
これらの測定結果にはばらつきがあるが、Ｚ軸方向、ピッチ、ロールの３自由度で座席１を駆動した場合でも腰痛の予防やバランス機能の強化に効果のある筋肉群を訓練することができることがわかる。したがって、このような３自由度の駆動手段を用いて座席１を揺動させることによって、駆動手段としてパラレルメカニズムを用いる場合に比較して大幅なコストの低減が可能になる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【００３９】
（実施形態３）
実施形態１では、データ記憶部３２に単位パターンを格納しているが、単位パターンを構成する６つ組の時系列データの個数が多くなると、データ記憶部３２として大きな記憶容量が要求されることになる。時系列データの個数が多くなるのは、単位パターンを構成している時系列データの時間間隔を短く設定したり、単位パターンの周期が長くなったりした場合である。
【００４０】
そこで、本実施形態では、データ記憶部３２に格納するデータ量を低減するとともに、単位パターンの特性の把握が容易になるように、単位パターンを構成する時系列データに離散的な直交変換を施している。具体的には単位パターンを構成する時系列データに離散フーリエ変換を施すことによって係数列を抽出するのである。一般に、直交変換を行なえば低次の係数に特徴が集中するから、高次の係数を切り捨てたとしても逆直交変換によって元の情報に近い情報を復元することができる。そこで、歪が多少増加することを許すのであれば、高次の係数を切り捨てることによって、データ量をさらに低減することができる。このようにして単位パターンを構成する時系列データから求めた係数列をパラメータとしてデータ記憶部３２に格納すれば、単位パターンをデータ圧縮したことになり、単位パターンをデータ記憶部３２に格納する場合に比較して、データ記憶部３２に要求される記憶容量が低減されることになる。また、単位パターンの特徴は低次の係数に集中しているから、パラメータによって単位パターンの特徴を容易に把握することができる。
【００４１】
データ記憶部３２に格納されたパラメータを用いると各時刻における座席１の位置の６つ組を求めることができる。このような６つ組を位置データと呼ぶ。つまり、演算部３０ではパラメータを用いて逆直交変換（逆フーリエ変換）により各時刻ごとの位置データを求める。
実施形態１のデータの流れと本実施形態のデータの流れとを図２２と図２３とにそれぞれ示す。実施形態１では、図２２（ａ）に示すように、データ入力部３１が、人の腰部付近の３次元の位置情報を検出する計測部３１ａと、計測部３１ａから単位パターンを抽出する処理部３１ｂとで構成されており、処理部３１ｂで求めた単位データがデータ記憶部３２に格納されるようになっている。データ記憶部３２に単位パターンを格納する処理は、パラレルメカニズム２を駆動する処理とは別に行なわれる（つまり、パラレルメカニズム２を駆動する処理をオンラインとすれば、オフラインで行なわれる）。パラレルメカニズム２を駆動する際には、図２３（ｂ）のように、データ記憶部３２に格納された単位パターンが読み出されて、演算部３０、アクチュエータ制御部３３、駆動部３４よりなる制御部３５を通してパラレルメカニズム２を駆動する信号が生成される。上述のように演算部３０は演算手段としても兼用されている。
【００４２】
一方、本実施形態では、図２３（ａ）に示すように、データ入力部３１が、人の腰部付近の３次元の位置情報を検出する計測部３１ａと、計測部３１ａから単位パターンを抽出する処理部３１ｂと、単位パターンに離散フーリエ変換を施してパラメータを抽出するパラメータ抽出部３１ｃとにより構成される。データ記憶部３２には、パラメータ抽出部３１ｃで求めたパラメータが格納される。たとえば、表１に示した単位パターンに対して、表３のような形でパラメータを得ることができる。ここに、ｎ＞Ｎである。つまり、パラメータのほうが単位パターンの時系列データよりも個数が少なくなる。
【００４３】
【表３】
パラレルメカニズム２を駆動する際には、図２３（ｂ）に示すように、データ記憶部３２に格納されたパラメータに対して演算手段である演算部３０で逆フーリエ変換を行ない各時刻の位置データを求める。位置データは、各時刻ｔごとの６つ組として表４のような形で生成される。
【００４５】
【表４】
演算部３０は実施形態１と同様に逆運動学計算を行ない、たとえば、表５のように位置データからパラレルメカニズム２の各脚２３の長さＬｉｔ（ｉ＝１〜６，ｔは時刻ｔのデータであることを示す）を求める。
【００４７】
【表５】
パラレルメカニズム２の脚２３の長さＬｉｔは、アクチュエータ制御部３３および駆動部３４よりなる制御部３５を通してパラレルメカニズム２に与えられ、パラレルメカニズム２が駆動される。
ところで、上述のように、単位パターンの繰り返しによりパラレルメカニズム２を駆動する場合や、パラメータを用いてパラレルメカニズム２を駆動する場合に周期毎の揺動パターンが同じになるから、座席１が周期的で単調な動きになり、使用者が飽きたり使用者が動きになれて腰を使わずにバランスをとるようになったりするという問題がある。そこで、座席１の移動に変化をつけるために、以下のような各種の技術を単独ないし組み合わせて用いる。
【００４９】
つまり、表６に示すように、位置データ（もしくは単位パターンを構成する時系列データ）の６つ組の各要素に変化値αＮｔ（Ｎ＝Ｘ，Ｙ，Ｚ，θＸ ，θＹ ，θＺ 、ｔは時刻ｔのデータを意味する）を加算し、変化値αＮｔを加算した位置データに逆運動学変換を施すことによってパラレルメカニズム２の脚２３の長さＬｉｔを求める。ここに変化値αＮｔは乱数で発生させることができる。また、１／ｆゆらぎを含むような変化値αＮｔであってもよい。ただし、変化値αＮｔの振幅は元の位置データの振幅よりは小さく設定されており、変化値αＮｔを加算した後も位置データが反映されるようにしてある。
【００５０】
【表６】
座席１の揺動に変化を与えるには、表７のように、位置データを構成する６つ組の各要素のうちの少なくとも１つに係数βＮ （Ｎ＝Ｘ，Ｙ，Ｚ，θＸ ，θＹ ，θＺ ）を乗算する。表７ではすべての要素に係数βＮ を乗算している。このように係数βＮ を乗算すれば、係数βＮ の大きさによって座席１を揺動させる振幅を変化させることができる。
【００５２】
【表７】
また、表８のように、位置データを構成する６つ組を逆運動学変換する時間間隔（時間データ）を変化させれば（表８では時刻に係数γを乗じている）、位置データの周期を変化させることができ、座席１の動きの速さを変化させることができる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【００５４】
【表８】
【発明の効果】
請求項１の発明は、被訓練者が着座するとともに腰部を主体とする筋肉群が緊張・弛緩するように揺動する座席と、腰部付近の位置情報と腰部を主体とする筋肉群の緊張・弛緩の状態とを対応付けて計測する計測部とを備えるものであり、腰部付近の位置変化と腰部を主体とする筋肉群の活動とを対応付けて腰痛の予防やバランス機能の強化に役立つ筋肉群を強化するために腰部にどのような位置変化を与えればよいかを容易に解析することができる。
【００５６】
請求項２の発明のように、座席が馬に取り付けた鞍であって、計測部が、被訓練者の腰部付近に取り付けた反射球を撮像する複数台のＴＶカメラを配置したモーションキャプチャを用いて腰部付近の位置情報の計測を開始すると同時に、テレメータによる脊椎起立筋、広背筋、左右の腹斜筋、腹直筋の表面筋電位の計測を開始するものでは、モーションキャプチャを用いるから実際の馬の動きに追随することが可能である。
【００５７】
請求項３の発明のように、座席が鞍上の動きを模擬するシミュレータの座席であって、計測部が、磁気計測装置を用いて腰部付近の位置情報の計測を開始すると同時に、テレメータによる脊椎起立筋、広背筋、左右の腹斜筋、腹直筋の表面筋電位の計測を開始するものでは、実際に馬を走らせることなく、室内でデータを作成することが可能になる。
【００５８】
請求項４の発明のように、計測部の計測結果から腰痛の防止に関連する筋肉群の訓練に適した腰部付近の位置移動に関する情報を抽出したり、請求項５の発明のように、計測部の計測結果からバランス保持に関連する筋肉群の訓練に適した腰部付近の位置移動に関する情報を抽出したりすれば、腰痛の予防やバランス保持の訓練に適した腰部付近の動きを知ることができる。
【００５９】
請求項６の発明は、被訓練者が着座する座席と、座席を揺動させる駆動手段と、座席の位置を駆動手段に指示する制御手段とを備え、各時刻における座席の位置が請求項４または請求項５の運動分析装置により抽出した腰痛の防止に適した腰部付近の位置移動に関する情報により決定されるものであり、被訓練者は座席に着座するだけで、とくに筋肉強化の努力をすることなく腰部を主体とする筋肉群を強化することができ、腰痛の予防やバランス機能の強化が行なえるという利点がある。
【００６２】
請求項７の発明は、被訓練者が着座する座席と、座席を揺動させる駆動手段と、座席の位置を駆動手段に指示する制御手段と、請求項４または請求項５の運動分析装置により抽出した周期性を有する腰部付近の位置移動に関する情報から求めた座席の位置の単位パターンに直交変換を施して係数群をパラメータとして求めるパラメータ抽出手段と、パラメータを記憶するデータ記憶手段と、パラメータ記憶手段に格納されたパラメータを用いて各時刻の座席の位置を示す複数要素からなる位置データを求めて制御手段に与える演算手段とを備えるものであり、請求項６の発明と同様の効果に加えて、単位パターンに比較してデータ量の少ないパラメータをデータ記憶手段に格納しておけばよいから、データ記憶手段に格納しておくデータ量を低減することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の斜視図である。
【図２】同上に用いるパラレルメカニズムを示す斜視図である。
【図３】同上のブロック図である。
【図４】同上における３次元の位置情報および筋電位の測定方法の説明図である。
【図５】同上における３次元の位置情報の測定方法の説明図である。
【図６】同上における３次元の位置情報および筋電位の測定結果を示す図である。
【図７】同上に用いるシミュレータの一例を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は背面図である。
【図８】同上において速歩での３次元位置を示す図である。
【図９】同上において速歩での筋電図を示す図である。
【図１０】同上において駆歩での３次元位置を示す図である。
【図１１】同上において駆歩での筋電図を示す図である。
【図１２】同上において単位パターンからの腰痛予防の揺動パターンの生成を示す説明図である。
【図１３】同上において常歩での３次元位置を示す図である。
【図１４】同上において常歩での筋電図を示す図である。
【図１５】同上において単位パターンからのバランス機能強化の揺動パターンの生成を示す説明図である。
【図１６】実施形態２に対応した測定結果を示す図である。
【図１７】実施形態２に対応した測定結果を示す図である。
【図１８】実施形態２に対応した測定結果を示す図である。
【図１９】実施形態２に対応した測定結果を示す図である。
【図２０】実施形態２に対応した測定結果を示す図である。
【図２１】実施形態２に対応した測定結果を示す図である。
【図２２】実施形態３との比較例として示す実施形態１のブロック図である。
【図２３】実施形態３を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 座席
２ パラレルメカニズム
３ 制御装置
１１ 反射球
１２ 筋電位計測センサ
１３ ＴＶカメラ
３０ 演算部
３１ データ入力部
３１ａ 計測部
３１ｂ 処理部
３１ｃ パラメータ抽出部
３２ データ記憶部
３３ アクチュエータ制御部
３４ 駆動部
３５ 制御部
Claims (7)
- 被訓練者が着座するとともに腰部を主体とする筋肉群が緊張・弛緩するように揺動する座席と、腰部付近の位置情報と腰部を主体とする筋肉群の緊張・弛緩の状態とを対応付けて計測する計測部とを備えることを特徴とする運動分析装置。
- 前記座席は馬に取り付けた鞍であって、前記計測部は、被訓練者の腰部付近に取り付けた反射球を撮像する複数台のＴＶカメラを配置したモーションキャプチャを用いて腰部付近の位置情報の計測を開始すると同時に、テレメータによる脊椎起立筋、広背筋、左右の腹斜筋、腹直筋の表面筋電位の計測を開始することを特徴とする請求項１記載の運動分析装置。
- 前記座席は鞍上の動きを模擬するシミュレータの座席であって、前記計測部は、磁気計測装置を用いて腰部付近の位置情報の計測を開始すると同時に、テレメータによる脊椎起立筋、広背筋、左右の腹斜筋、腹直筋の表面筋電位の計測を開始することを特徴とする請求項１記載の運動分析装置。
- 前記計測部の計測結果から腰痛の防止に関連する筋肉群の訓練に適した腰部付近の位置移動に関する情報を抽出することを特徴とする運動分析装置。
- 前記計測部の計測結果からバランス保持に関連する筋肉群の訓練に適した腰部付近の位置移動に関する情報を抽出することを特徴とする運動分析装置。
- 被訓練者が着座する座席と、座席を揺動させる駆動手段と、座席の位置を駆動手段に指示する制御手段とを備え、各時刻における座席の位置は請求項４または請求項５に記載の運動分析装置により抽出した腰痛の防止に適した腰部付近の位置移動に関する情報により決定されることを特徴とする運動補助装置。
- 被訓練者が着座する座席と、座席を揺動させる駆動手段と、座席の位置を駆動手段に指示する制御手段と、請求項４または請求項５の運動分析装置により抽出した周期性を有する腰部付近の位置移動に関する情報から求めた座席の位置の単位パターンに直交変換を施して係数群をパラメータとして求めるパラメータ抽出手段と、パラメータを記憶するデータ記憶手段と、パラメータ記憶手段に格納されたパラメータを用いて各時刻の座席の位置を示す複数要素からなる位置データを求めて制御手段に与える演算手段とを備えることを特徴とする運動補助装置。
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