JP3911097B2 - エアロビック運動器具の負荷自動調整装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウォーキング運動やジョギング運動を行うトレッドミル、サイクリング運動を行う自転車エルゴメータ、階段上り運動を行うステアクライマなど、全身運動や身体の部分的な運動によって酸素を供給し体脂肪を燃焼させる効果のあるトレーニング用のエアロビック運動器具に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
身体組成は体脂肪と筋肉や骨などの除脂肪組織からなり、体脂肪量と除脂肪体重の合計が体重となる。
体重は肥満を表すバロメータであるが、体重と体脂肪のバランスによって体型が肥満型と筋肉質型に大別され、その中間にさまざまな体型が区分できる。
肥満型と筋肉質型では、運動のパフォーマンスや健康状態が大きく異なり、見た目も違うので、体重が同じでも体型は同じとはいえない。
このように、体型は、その人の運動能力や健康状態、外観などを表すバロメータであるが、運動トレーニングによって体重と体脂肪のバランスを変化させることにより、体型も変化させることができる。
【０００３】
エアロビック運動器具を使用して運動を行う目的は、心肺機能を強化して全身持久力を高めることの他に、運動によって体重と体脂肪のバランスをよくして理想的な体型に近付けることも大きな狙いである。
そのためには、目標となる体型を頭に描くことが大切で、それによって、どの程度の負荷の運動を、どのくらいの頻度で、どのくらいの期間続ければそのような体型にできるのかを知ることができれば、自分の目標が定まって目標を達成しやすくなる。
また、目標設定の手段として体型を基準にしたほうが、体脂肪率など単なる無意味な数字を基準にするよりも、イメージが具体的に掴めて分かりやすい。
【０００４】
そこで本発明は、エアロビック運動器具を使用して運動を行うに当たって、目標の体型を基準にして、この目標を達成するためには、どの程度の負荷の運動を、どのくらいの頻度で、どのくらいの期間続ければよいか、という運動プログラムを決定し、この決定した運動プログラムで定める負荷の値になるように、エアロビック運動器具の負荷変更手段を自動的に操作することにより、煩雑な機械操作に煩わされることなく、確実に運動効果を発揮して、無理なく目標の体型になれるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【０００６】
すなわち、負荷が可変なトレーニング用エアロビック運動器具において、
身体に接触すべき電極を介して人体インピーダンスを測定する人体インピーダンス測定手段と、
性別、年齢、身長および体重の個人データを入力するデータ入力手段と、
前記人体インピーダンスと個人データから体脂肪率を算出する体脂肪率算出手段と、
体重及び体脂肪率から現在の体型を判定する体型判定手段と、
目標の体型を設定する目標体型設定手段と、
運動回数を設定する運動回数設定手段と、
目標の体型と現在の体型を比較して、その差の解消に必要な運動量を算出する必要運動量算出手段と、
算出した必要運動量と前記設定運動回数にもとづき、エアロビック運動器具の負荷および使用時間を定めた運動プログラムを決定する運動プログラム決定手段と、
エアロビック運動器具の負荷を、前記の決定した運動プログラムの定める負荷の値に一致するように変更する負荷変更手段と、
所定の運動回数毎に目標の体型と現在の体型を比較して、その差に応じて必要な運動量を修正し、この修正した運動量を前記必要運動量算出手段に送出する運動量修正手段と、
を備え、
目標体型達成のために必要な運動プログラムの定める負荷になるように、現在の体型に応じてエアロビック運動器具の負荷を調整する。
また、算出した必要運動量と前記設定運動回数にもとづき、目標心拍数及び使用時間を定めた運動プログラムを決定する運動プログラム決定手段と、
運動中の心拍数を測定する心拍数測定手段、および、測定した心拍数が前記運動プログラムの目標心拍数になるようにエアロビック運動器具の負荷を変更する負荷変更手段と、
所定の運動回数毎に目標の体型と現在の体型を比較して、その差に応じて必要な運動量を修正し、この修正した運動量を前記必要運動量算出手段に送出する運動量修正手段と、を備えて、
目標体型達成のために必要な運動プログラムの定める負荷になるように、現在の体型に応じてエアロビック運動器具の負荷を調整する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【０００８】
図１〜図３に、本発明を実施した各種エアロビック運動器具の概略図をそれぞれ示す。
図１はトレッドミルＡ１で、ランニングベルトＢの上を歩行あるいは走行してウォーキング運動やジョギング運動を行う。
トレッドミルＡ１の前方にはタッチ式のカラー液晶パネルＣを設置し、運動負荷の調節やランニングベルトＢの勾配やスピード、心拍数などを、これに表示する。
運動負荷の調節は、ランニングベルトＢの勾配や、ベルトの支軸の制動トルクを変化させて行う。
人体インピーダンスや心拍数の測定は、図４に示すように、カラー液晶パネルＣの下方に取り付けたハンドルバーＨを握って行う。
【０００９】
図２は自転車エルゴメータＡ２で、足でペダルＰをこいでサイクリング運動を行う。
自転車エルゴメータＡ２の前方には、タッチ式のカラー液晶パネルＣを設置し、運動負荷の調節やペダルスピード、走行距離、心拍数などを表示する。
運動負荷の調節は、ペダルＰの摩擦抵抗や、ペダル回転軸の制動トルクを変化させて行う。
人体インピーダンスや心拍数の測定は、カラー液晶パネルＣの下方に取り付けたハンドルバーＨを握って行う。
【００１０】
図３はステアクライマＡ３で、足でペダルＰを踏んで階段上り運動を行う。
ステアクライマＡ３の前方には、タッチ式のカラー液晶パネルＣを設置し、運動負荷の調節や上りスピード、上り階数、心拍数などを表示する。
運動負荷の調節は、ペダルＰの重さや制動トルクを変化させて行う。
人体インピーダンスや心拍数の測定は、カラー液晶パネルＣの下方に取り付けたハンドルバーＨを握って行う。
なお、エアロビック運動器具の運動負荷の変更装置としては、運動に伴い回転する回転軸に円板を一体的に連結して、この円板の脇に配置した電磁石の磁束により円板に渦電流を起すことにより、回転軸にブレーキをかけるものが知られている。この場合、電磁石に流すコイル電流を変更することにより、回転軸の制動トルクを変更する。
【００１１】
図５に、本発明を実施した負荷自動調整装置の機能ブロック図を示す。
この負荷自動調整装置は、ハンドルバーＨの電極を介して人体インピーダンスを測定する人体インピーダンス測定手段１１と、
カラー液晶パネルＣを介して性別、年齢、身長、体重などのデータを入力するデータ入力手段１２と、
人体インピーダンスの測定結果とデータの入力内容から体脂肪率を算出する体脂肪率算出手段１３と、
体重と体脂肪率のバランスを評価して９分類２９種の体型区分のいずれかに体型を判定分類する体型判定手段１４と、
筋肉と骨など体重から体脂肪を除いた除脂肪組織と性別および年齢とを評価して運動能力を推計する運動能力推計手段１５と、
手段１４が判定した現在の体型をもとに、９分類２９種の体型区分の中から目標の体型を選んで設定する目標体型設定手段１６と、
期間と頻度を指定して目標の体型に到達するために必要な運動回数を設定する運動回数設定手段１７と、
目標の体型と現在の体型を比較して必要な運動量（負荷と時間の積）を運動回数毎に算出する必要運動量算出手段１８と、
運動回数毎に目標の体型と現在の体型を比較してその差に応じて運動量を修正する運動量修正手段１９と、
ハンドルバーＨの電極を介して心拍数を測定する心拍数測定手段２０と、
算出した必要運動量と前記設定運動回数にもとづき、目標心拍数及び使用時間を定めた運動プログラムを決定する運動プログラム決定手段２１と、
心拍数測定手段２０による測定心拍数と前記の目標心拍数を比較して両者が一致するようにエアロビック運動器具の負荷を調節する負荷調節手段２２と、
で構成する。
なお、体重については歪ゲージなどをエアロビック運動器具に設けて運動中に測定してもよい。
【００１２】
図６に、電極を装着したハンドルバーＨの一部を拡大した要部拡大図を示す。
ハンドルバーＨは、棒状の絶縁体の中部に左右の把持部ＨＬ、ＨＲを設け、それぞれに給電側電極Ｈ１、Ｈ１と検出側電極Ｈ２、Ｈ２を接着して４端子電極を構成する。給電側電極Ｈ１、Ｈ１と検出側電極Ｈ２、Ｈ２の間は互いに接触しないように間隔を設ける。
これらの電極の設置場所は、ハンドルバーＨに限らず、その他の場所たとえばカラー液晶パネルＣのケース外周でもよい。
【００１３】
図７に、人体インピーダンス測定手段１１の測定回路のブロック図を示す。
測定回路は、発振器２３が生成する５０ｋＨｚの正弦波交流電圧を駆動回路２４、トランスＴ１、切換スイッチ２５Ａを介して給電側電極Ｈ１、Ｈ１に供給する。
【００１４】
ハンドルバーＨの左右の把持部ＨＬ、ＨＲを両手で握ると、検出側電極Ｈ２、Ｈ２の間に交流電圧が発生する。
検出側電極Ｈ２、Ｈ２に発生した交流電圧を切換スイッチ３３ＡＳ、トランスＴ２、帯域フィルタ２６、整流回路２７、増幅器２８を介して直流電圧に変換し、波形整形、レベル調整、オフセット調整した後、Ａ／Ｄ変換器２９、Ｉ／Ｏインタフェース３０を介してＣＰＵ３１に入力する。３２はメモリである。
【００１５】
測定回路を構成する要素の経時変化や温度特性による測定誤差を修正するため、人体インピーダンスを測定する前に、検出側回路の出力特性をあらかじめ校正する。
すなわち、２つの変量である人体インピーダンスＺと検出側回路が検出する交流電圧Ｖの関係を、回帰直線Ｚ＝ｋ・Ｖ＋Ｃ０ にあてはめる。
そして、抵抗値が既知の２つの抵抗Ｒ１とＲ２の両端に、人体インピーダンスＺを測定するときと同じ所定の交流電圧を印加し、抵抗Ｒ１とＲ２の両端に発生する交流電圧Ｖを検出して回帰直線の比例定数ｋと固定定数Ｃ０を求める。
【００１６】
このため、ＣＰＵ３１から制御信号を出力してＩ／Ｏインタフェース３０、切換ユニット３３、切換制御回路３３Ａを介して切換スイッチ３３ＡＳを切換え、トランスＴ１の二次側とトランスＴ２の一次側との間に２つの抵抗Ｒ１とＲ２を切り換え自在にそれぞれ接続する。
次に、ＣＰＵ３１から制御信号を出力してＩ／Ｏインタフェース３０、切換ユニット３３、切換制御回路３３Ｂを介して切換スイッチ３３ＢＳを切換え、測定対象を抵抗Ｒ１あるいは抵抗Ｒ２に切換える。
【００１７】
人体インピーダンス測定手段１１が計算する人体インピーダンスの計算方法を数式１に示す。
【数１】

また、体脂肪率算出手段１３が計算する体脂肪率の計算方法を数式２に示す。
【数２】

【００１８】
図８に、体型判定手段１４が体重と体脂肪率のバランスを評価してカラー液晶パネルＣに表示する体型分類図を示す。
この体型分類図は、体重と体脂肪率で縦横を構成するマトリックスを作成し、体重と体脂肪率をそれぞれ健康範囲、それ以上、それ以下の３段階に区分して全体を９分類に分割する。
体重の健康範囲は、理想体重×０．９〜理想体重×１．１とし、体脂肪率の健康範囲は、女性の場合１０〜２０％、男性の場合８〜１８％とする。
９分類は、それぞれ超スポーツマン型、スポーツマン型、肥満型、スポーツマン理想型、健康理想型、過脂肪型、超やせ型、やせ型、超過脂肪型と定義し、さらにクロス方向に細分化して全体を２９種の体型区分に分類する。
ここで、理想体重＝（身長−１００）×０．９×０．９１（体重の単位はＫｇで、身長の単位はｃｍで、それぞれ表す）とする。
そして、図９に示すように、現在の体型がいずれの体型区分に属するかを示すために、カラー液晶パネルＣの、該当する体型区分の領域の明るさを変えたり、あるいは点滅させたりする。
【００１９】
運動能力推計手段１５は、運動を安全に行うのと、運動効果を最大限に高めるために、体力に応じた運動強度を設定する前提となる運動能力を推計する。
運動能力は、一般的には最大酸素摂取量を基準に推計するが、ここでは筋肉や骨など体重から体脂肪を除いた除脂肪組織をパフォーマンスのバロメータとして運動能力を推計する。また、体脂肪を効率よく燃焼させる運動強度は、心拍数のレベルで最高心拍数の約６０〜９０％が好適とされるので、最高心拍数＝２２０−年齢とされることから、年齢も運動能力の評価に加える。また、性別も同様に評価に加える。
【００２０】
目標体型設定手段１６は、タッチ式のカラー液晶パネルＣを介して体型分類図に表示される９分類２９種の体型区分の中から目標とする体型を選択する。
体型を選択すると目標体型設定手段１６は、図９に示すように、その領域の明るさを変えたり、あるいは点滅させたりする。
目標とする体型は、好みに応じて選択することができるが、一定の時間内に選択されない場合は、体型分類図の中央に位置する健康理想型の体型区分が自動的に設定される。
【００２１】
運動回数設定手段１７は、例えば３か月、半年、１年などの期間と、週１回、週３回、毎日などの頻度がメニューに表示され、その中から期間と頻度を選択して、運動回数を設定する。
決められた入力時間内に、期間と頻度が選択されない場合は、目標体型と現在の体型の差に応じて適当な期間と頻度が自動的に選択されて、運動回数が自動設定される。
【００２２】
必要運動量算出手段１８は、目標体型と現在の体型を比較して運動回数毎に必要な運動量を算出する。
一般に、運動量は、運動の強度と時間の積として、次のように表すことができる。
運動量（ｋｃａｌ）＝運動強度（ｋｃａｌ／分）×運動時間（分）
従って、運動量を上げるには、運動強度をきつくするか、運動時間を長くすることが必要である。
必要な運動量は、まず、運動回数毎に設定した目標体型と現在の体型の差から減量すべき体脂肪量を求める。
そして、体脂肪１ｋｇはおよそ７０００ｋｃａｌに相当するので、この体脂肪量を消費するのに必要なカロリー量を必要な運動量とする。
運動によって消費される時間当りのカロリー量は、レベル毎の強さ効率と基礎代謝量をもとに数式３の計算式によって求める。
【数３】

運動強度は、１４段階のレベルの中から、運動能力推計手段１４が推計した運動能力に応じたレベルがメニューに表示され、その中から選択する。
レベルが選択されない場合は、標準のレベルが自動設定される。
【００２３】
レベルが手動もしくは自動で設定されたら、先に求めたカロリー換算した減量すべき体脂肪を消費するのに必要な運動量を、運動によって消費される時間当りのカロリー量で除し、これにより必要な運動時間を求める。
運動時間は、体脂肪が燃えだすまでに最低必要といわれる１２分以上の時間を設定する。
【００２４】
運動量修正手段１９は、運動回数毎の目標体型と現在の体型の差から、減少すべき体脂肪量を求め、この体脂肪量を消費するのに必要なカロリー量を必要な運動量として新たに算出し、この新たな運動量を修正運動量として必要運動量算出手段１８に送出して、その必要運動量を修正する。
このように、操作パネルを介してどの程度の運動を、どのくらいの頻度で、どのくらいの期間続ければよいかなど、目標の体型になるために必要な運動プログラムを提示し、運動の進捗状況に応じて運動プログラムが修正されるようにすれば、運動の都度運動プログラムを組立てる手間がなくなり、必要な運動が効率的に集中してできるようになるという利点がある。
【００２５】
次に、運動プログラム決定手段２１は、手段１８が算出した必要運動量と手段１７で設定した設定運動回数にもとづき、１回の運動で、どのくらいの時間だけその運動器具を使用し、そのときの心拍数がどのくらいになるような負荷であれば、必要運動量を消化できるかを計算し、その結果から、目標心拍数と運動器具の使用時間を定めた運動プログラムを決定する。
負荷変更手段２２は、心拍数測定手段２０による測定心拍数と前記の目標心拍数を比較して、両者が一致するように、ランニングベルトＢの勾配や、ペダルＰの摩擦抵抗、重さ、もしくは制動トルクなどの、エアロビック運動器具の負荷を変更調節する。
これにより、必要運動量算出手段１８が設定した運動強度の心拍ゾーンに、実際の心拍数をキープさせる。
【００２６】
エアロビック運動器具には、上記のように、心拍数で負荷を調整する間接形式と、心拍数とは無関係に負荷を設定する直接形式のものとがある。
直接形式の場合は、１回の運動で、どのくらいの時間だけその運動器具を使用し、そのときの負荷がどのくらいの値であれば、必要運動量を消化できるかを計算し、その結果から、負荷と運動器具の使用時間を定めた運動プログラムを決定する。図５は、これら直接間接の両形式を表している。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のエアロビック運動器具の負荷自動調整装置では、目標の体型を基準にして、この目標を達成するためには、どの程度の負荷の運動を、どのくらいの頻度で、どのくらいの期間続ければよいか、という運動プログラムを決定し、この決定した運動プログラムで定める負荷の値になるように、エアロビック運動器具の負荷変更手段を自動的に操作するので、煩雑な機械操作に煩わされることなく、確実に運動効果を発揮して、無理なく目標の体型になれるという効果を奏する。
従って、本発明装置は、スポーツマン型、健康型、やせ型など、分かりやすいイメージを目標に設定して運動の効果を体型の変化で確認できるので、フィットネスを目的とした運動に好適である。
また、運動量修正手段により現在の体型に応じて運動量が修正され、さらにこれに応じて運動プログラム、エアロビック運動器具の負荷が修正されるので、運動の都度運動プログラムを組立てる面倒がない。また必要な運動が効率的に集中してできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施したトレッドミルの概略図である。
【図２】本発明を実施した自転車エルゴメータの概略図である。
【図３】本発明を実施したステアクライマの概略図である。
【図４】図１のトレッドミルにおいて、体脂肪率測定中の様子を示す使用状態図である。
【図５】本発明を実施した負荷自動調整装置の機能ブロック図である。
【図６】本発明を実施したハンドルバーの要部拡大図である。
【図７】本発明を実施した人体インピーダンス測定回路のブロック図である。
【図８】体型判定手段による体型分類図である。
【図９】体型分類図において現在の体型と目標体型の表示方法を示す図である。
【符号の説明】
１１ 人体インピーダンス測定手段
１２ データ入力手段
１３ 体脂肪率算出手段
１４ 体型判定手段
１５ 運動能力推計手段
１６ 目標体型設定手段
１７ 運動回数設定手段
１８ 必要運動量算出手段
１９ 運動量修正手段
２０ 心拍数測定手段
２１ 運動プログラム決定手段
２２ 負荷変更手段
２３ 発振器
２４ 駆動回路
２６ 帯域フィルタ
２７ 整流回路
２８ 増幅器
２９ Ａ／Ｄ変換器
３０ Ｉ／Ｏインタフェース
３１ ＣＰＵ
３２ メモリ
Ａ１ トレッドミル
Ａ２ 自転車エルゴメータ
Ａ３ ステアクライマ
Ｂ ランニングベルト
Ｃ カラー液晶パネル
Ｈ 電極ハンドル
Ｐ ペダル
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗
Ｔ１〜Ｔ４ トランス

Claims (2)

1. 負荷が可変なトレーニング用エアロビック運動器具において、
   身体に接触すべき電極を介して人体インピーダンスを測定する人体インピーダンス測定手段と、
   性別、年齢、身長および体重の個人データを入力するデータ入力手段と、
   前記人体インピーダンスと個人データから体脂肪率を算出する体脂肪率算出手段と、
   体重及び体脂肪率から現在の体型を判定する体型判定手段と、
   目標の体型を設定する目標体型設定手段と、
   運動回数を設定する運動回数設定手段と、
   目標の体型と現在の体型を比較して、その差の解消に必要な運動量を算出する必要運動量算出手段と、
   算出した必要運動量と前記設定運動回数にもとづき、エアロビック運動器具の負荷および使用時間を定めた運動プログラムを決定する運動プログラム決定手段と、
   エアロビック運動器具の負荷を、前記の決定した運動プログラムの定める負荷の値に一致するように変更する負荷変更手段と、
   所定の運動回数毎に目標の体型と現在の体型を比較して、その差に応じて必要な運動量を修正し、この修正した運動量を前記必要運動量算出手段に送出する運動量修正手段と、
   を備え、
   目標体型達成のために必要な運動プログラムの定める負荷になるように、現在の体型に応じてエアロビック運動器具の負荷を調整することを特徴とするエアロビック運動器具の負荷自動調整装置。
2. 負荷が可変なトレーニング用エアロビック運動器具において、身体に接触すべき電極を介して人体インピーダンスを測定する人体インピーダンス測定手段と、
   性別、年齢、身長および体重の個人データを入力するデータ入力手段と、
   前記人体インピーダンスと個人データから体脂肪率を算出する体脂肪率算出手段と、
   体重及び体脂肪率から現在の体型を判定する体型判定手段と、
   目標の体型を設定する目標体型設定手段と、
   運動回数を設定する運動回数設定手段と、
   目標の体型と現在の体型を比較して、その差の解消に必要な運動量を算出する必要運動量算出手段と、
   算出した必要運動量と前記設定運動回数にもとづき、目標心拍数及び使用時間を定めた運動プログラムを決定する運動プログラム決定手段と、
   運動中の心拍数を測定する心拍数測定手段と、
   運動中の心拍数が前記運動プログラムの定める目標心拍数になるように、エアロビック運動器具の負荷を変更する負荷変更手段と、
   所定の運動回数毎に目標の体型と現在の体型を比較して、その差に応じて必要な運動量を修正し、この修正した運動量を前記必要運動量算出手段に送出する運動量修正手段と、
   を備え、
   目標体型達成のために必要な運動プログラムの定める負荷になるように、現在の体型に応じてエアロビック運動器具の負荷を調整することを特徴とするエアロビック運動器具の負荷自動調整装置。

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