JP4468532B2 - トレーニング装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、体本来の機能回復（リハビリテーション）や、さらなる筋力アップを目的に、使用者の筋力を鍛えるために供されるトレーニング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
近年の各種スポーツの普及に伴い、これらに向けて体力を増進させるためのアスレチックジム等の体力トレーニング施設が各所に設けられるようになった。また、低下した体力の機能回復を図るリハビリテーション施設も増加している。
しかるに、これら施設に設置されたいわゆるトレーニングマシンは、旧来からの滑車マシン、外力稼働マシン、ゴムチューブマシン、バネ弾性マシン、油圧マシンが多く、トレーニング機能としては必ずしも満足のいくものではない。
【０００３】
即ち、これらの多くは、いわゆる終動負荷トレーニングマシンと呼ばれるもので、身体の屈曲状態から伸長動作を開始するとき（初動状態）の負荷を初動負荷と呼び、最終伸長状態に到達したとき（終動状態）の負荷を終動負荷と呼ぶことにすると、上述した各種マシンでは、初動負荷は小さく動作の進行につれて負荷が大きくなり、最終の終動負荷が最大となる（終動負荷トレーニング）。
ところが、最新の筋力トレーニング理論（例えば、１９９４年９月講談社発行小山裕史著「新トレーニング革命」参照）によると、この終動負荷トレーニングでは、関節の硬化を助長させることになり、逆に筋肉の伸縮機能を失わせる状態となって関節の可動域を狭くしてしまう恐れがあると指摘されている。
【０００４】
同理論によれば、このような終動負荷トレーニングに対して、初動負荷トレーニングが注目されている。これは、初動状態における初動負荷が大きく、動作の進行につれて負荷が小さくなり、終動負荷が最小となるトレーニングで、この初動負荷トレーニングでは、トレーニング対象の根幹部が初動作で力とスピードを生み、末端部への力の伝達が円滑に行われるようになり、身体の能力が向上するとされる。
【０００５】
例えば、特開平９−２４１１７号公報は、この初動負荷トレーニングを実現するトレーニング装置を開示している。この装置は、一端を支点として回動可能なアームの他端に重錘を設け、初動状態でほぼ水平姿勢にあるアームをロープを介して使用者が引っ張ることで当該アームを次第に起き上がるようにしたものである。この場合、ロープに掛かる負荷は、初動時のアームが水平にあるときに重錘の重量が１００％働いて最大となり、アームの回動が進むにつれて次第に減少し、いわゆる初動負荷パターンとなる。
【０００６】
ところで、トレーニングをする使用者の体力や身体的特性は一律ではなく、また、トレーニングによって機能回復すべき身体部位や筋力増強すべき身体部位も多岐にわたる。従って、トレーニング装置としては、必要な負荷の大きさ、また、初動姿勢から終動姿勢に至る負荷の変化パターンも、これらトレーニング対象の種別によって変化させ得ることが要請される。
【０００７】
しかるに、この上掲公報の装置は、重錘の重力とアームの回動を利用した、純粋に機械構造的な構成のものであるため、負荷の大きさを調整するには、重錘やアームを取り替えてその重さや長さを変える必要があり、その取り替えの作業が煩雑で、かつ、連続的な調整は困難とならざるを得ない。更に、負荷の変化パターンがその原理上、いわゆる余弦関数特性に限定されるという欠点もあり、トレーニング装置として実用性に劣ると言わざるを得ない。
【０００８】
これに対し、例えば、特開昭５４−１３８７３６号公報には、負荷の大きさを自由に調整可能な運動訓練用抵抗負荷装置が開示されている。これは、負荷の発生手段に電磁継手を採用し、この電磁継手をブレーキとして作用させ、更に、この電磁ブレーキに供給する励磁電流を変化させることで負荷としてのトルクを調整するというものである。
例えば、使用者が動かすロッドに加えられた力の変化に比例して負荷を変化させる、また、加えられた力の変化に反比例して負荷を変化させることができる旨説明されている。
【０００９】
ところで、発明者等が上述した最新の筋力トレーニング理論を詳細に分析したところ、トレーニング装置としては単にその負荷を自由に変化させ得るというのでは不十分であることが判明した。即ち、たとえ、初動負荷トレーニングを目標に初動時に高く終動時に低くなるような負荷パターンを設定したとしても、トレーニングを行う使用者が実際に働かせる力である作用力は規制することができない。
【００１０】
この原因は以下の通りである。即ち、今、使用者が装置に設けられたレバーの端部を握り、これを初動位置から終動位置まで押し込んでいく場合を想定すると、｜作用力｜＝｜負荷｜が成立するのは、レバーが静止状態にバランスしたときのみであり、使用者の作用力によってレバーが初動位置から終動位置に向かって移動していく過程では成立し得ない。具体的には、使用者の力の大きさ、力の掛け方等によって、作用力が大きく変動することになる。
【００１１】
一方、理想的な筋力トレーニングは、使用者の体力、身体特性やそのトレーニング対象部位等に応じて定まる作用力パターンに沿って、使用者に当該所望の作用力を働かせる体験をさせることである。
従って、上述した先行文献（特開昭５４−１３８７３６号公報）の装置では、たとえ、その負荷は制御し得ても、使用者の作用力が所望のパターンに沿って変化するようにすることは不可能である。この点では、先に挙げた先行文献（特開平９−２４１１７号公報）も全く同様と言える。
【００１２】
この発明は、使用者が働かせる作用力を所望のパターンに一致して変化させることができる、いわば筋力トレーニングとしてより理想に近い機能を備えたトレーニング装置を実現するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るトレーニング装置は、使用者からの作用力を受ける受力部を有する可動体を備え、上記使用者が上記可動体をその初動姿勢から終動姿勢に至るまで動かすことにより、上記使用者の筋力を鍛えるトレーニング装置において、
上記可動体として上記使用者からの作用力を受ける受力部を一端に備え他端が回転軸に結合された作用アームを備え、
更に、その回転駆動軸が上記回転軸に連結され上記作用力に対向する方向の反力負荷を上記受力部に発生させるモータ、上記回転軸の回転位置を検出する位置検出手段、上記回転軸の回転速度を検出する速度検出手段、上記所定の作用力−位置変化特性に対応して設定された作用力指令と回転軸の回転位置との関係を記憶した負荷テーブル、速度指令＝零を出力する速度指令発生回路、この速度指令発生回路からの零速度指令と上記速度検出手段からの速度検出値との偏差を入力し、この偏差が零となるよう、少なくとも比例要素と積分要素とを有する制御により上記モータのトルク指令を作成するトルク指令作成回路、および上記位置検出手段からの回転位置検出値に相当する作用力指令を上記負荷テーブルから読み取り、上記トルク指令作成回路の出力を、当該読み取った作用力指令がその最大値となるよう制限するリミッタ回路を備えたものである。
【００１４】
また、この発明に係るトレーニング装置におけるトルク指令作成回路の比例ゲインは、速度検出値が終動姿勢の位置から初動姿勢の位置に向かう方向に変化することにより偏差入力の極性が反転した場合、負極性で急増するトルク指令を発生し、この比例ゲインの出力により上記トルク指令作成回路の出力を急減させるようにしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
先ず、具体的な構成例の説明に入る前に、本願になるトレーニング装置を使用して実際にトレーニングを行っている状態をイメージ的に図１に示す。トレーニングは主として人体の四肢を対象に行うものであるが、図１はいずれも下肢を対象としたものである。点線で囲んだ部分が可動部分で、同図（ａ）では、使用者が座席の部分に座り、足の甲で後述する作用アーム端部の受圧部を初動状態の下端位置から終動状態の水平位置まで押し上げる動作を行う。
同図（ｂ）は、足の裏で作用アームの受圧部を踏む形でトレーニングを行うものである。同図（ｃ）は、座席の背部を倒して水平とし、使用者はこの水平台上に俯せになり足のかかとの部分で作用アームの受圧部を水平位置から上端位置まで移動させてトレーニングを行うものである。
【００１６】
図２は目標とする作用力−位置変化特性の代表例を示す図である。後段で詳述するように、使用者が実際に体感する力、作用力が図の作用力−位置変化特性の曲線上を追随するように、作用アームの駆動部を制御する訳である。
図２のその１、その２はいずれも既述した初動負荷理論に基づくもので、その１は一般的なトレーニングパターンで、その２は、例えば、マラソン選手などが地面を蹴り出すときの脚筋力トレーニングなどに適用され、初めに駆動部を停止させた状態で初動姿勢に入り、作用力の検出値が設定された最大値を越えたとき動作を開始する。
【００１７】
次に、具体的な実施例について説明する。図３はこの発明の実施の形態１におけるトレーニング装置の、特に機構部分を示す構成図である。図において、１は可動体としての作用アームで、その一端は直角に曲げられ使用者からの作用力を受ける受力部２となっている。そして、作用アーム１の他端は第１の回転軸３に結合されている。４は第１の回転軸３の回転位置Ｐｌを検出する位置検出手段としてのエンコーダ、５は作用力検出手段としてのトルクメータ６を介して第１の回転軸３に連結された第２の回転軸、７は減速機構８を介してその回転駆動軸が第２の回転軸５に連結された負荷発生手段としてのサーボモータである。トルクメータ６は作用力に相当する作用トルクＴｈａｎｄを出力する。
【００１８】
サーボモータは、入力される速度指令Ｖｒｅｆと内蔵するエンコーダからの速度検出値との偏差入力が零となるようトルク指令を作成しこのトルク指令に基づいて回転駆動する方式のモータで、例えば、ＤＣサーボモータ、同期形ＡＣサーボモータ、誘導形ＡＣサーボモータ等が適用し得るが、上記した駆動制御構成を具備する限り、例えば流体（油等）エネルギーを駆動源に使用したいわゆる油圧サーボモータ等も適用可能である。
【００１９】
９は後段で詳述する負荷制御装置で、エンコーダ４からの回転位置Ｐｌおよびトルクメータ６からの作用トルクＴｈａｎｄを入力し、使用者からの作用力が予め設定された、例えば図２で説明したような、所定の作用力−位置変化特性に追随するように、サーボモータ７に速度指令Ｖｒｅｆを出力する。
【００２０】
図４は、この発明の実施の形態１におけるトレーニング装置の、特に制御機構を示す構成図で、各部の符号は図３の各部に対応させている。図４において、１０は例えば図２で説明したような作用力−位置変化特性を記憶した負荷テーブルで、同特性を特定するための、作用トルク指令Ｔｒｅｆと回転位置Ｐｌとの関係をテーブルの形に記憶したＲＯＭ等で構成されている。負荷テーブル１０は使用者やトレーニングプログラムに応じて異なる複数の特性を予め適当な入力手段により設定しておき、使用の都度、それら複数のテーブルの中から必要なものを選択して適用するようにすればよい。
【００２１】
また、図示は省略するが、トレーニング動作中に使用者や観察者が、この負荷テーブル１０の設定内容を適宜変更できる入力手段を設けるようにしてもよい。更に、同じく図示は省略するが、トレーニング動作中の使用者の身体データ（例えば脈拍、血圧等）を検出する手段を設け、この身体データが予め設定した危険領域に達したときは、負荷テーブル１０の作用トルク指令の設定値を自動的に下げて安全にトレーニング動作を変更または停止できるようにしてもよい。
【００２２】
１１は、負荷テーブル１０から読み取られた、エンコーダ４からの回転位置Ｐｌに相当する作用トルク指令Ｔｒｅｆとトルクメータ６で検出された作用トルクＴｈａｎｄとのトルク偏差ΔＴを演算する減算器、１２は入力されたトルク偏差ΔＴが零となるようサーボモータ７に与える速度指令Ｖｒｅｆを作成するコントローラ、７はサーボモータで、既述したが図の点線枠内に示すように、駆動源であるモータと、入力された速度指令Ｖｒｅｆと検出したモータの回転速度である回転数信号Ｖｆ（Ｎｍ）との速度偏差ｅが零となるようモータにトルク指令Ｔｃを与えるＰＩ制御器を備えている。
【００２３】
次に、トレーニング実行時の本装置の動作を、図５に示すフローチャートをも参照して説明する。使用者が作用アーム１の受力部２に力を掛けると、即ち、作用トルクＴｈａｎｄ＞０になるとスタートする（ステップＳ０）。なお、以下の動作は所定の制御周期で実行されるものである。
先ず、エンコーダ４から検出した回転位置Ｐｌがトレーニングの初動位置（Ｐｌ＝０）と終動位置（Ｐｌ＝Ｐｌｍａｘ）との間にあるか否か、即ち、０≦Ｐｌ≦Ｐｌｍａｘが成立するか否かを判断し、Ｎｏであれば動作を終了し、Ｙｅｓであれば以下の本来の制御動作に入る（ステップＳ１）。続いて、ステップＳ２で、負荷テーブル１０からその時の回転位置Ｐｌに相当する作用トルク指令Ｔｒｅｆを読み取る。
【００２４】
次に、負荷テーブル１０から読み取った作用トルク指令Ｔｒｅｆがトルクメータ６から検出した作用トルクＴｈａｎｄ以上か否か、即ち、Ｔｈａｎｄ≦Ｔｒｅｆが成立するか否かを判断する（ステップＳ３）。
ステップＳ３でＹｅｓ、即ち、使用者からの作用トルクＴｈａｎｄが作用トルク指令Ｔｒｅｆを越えていないときは、コントローラ１２からサーボモータ７に速度指令Ｖｒｅｆ＝０を出力する（ステップＳ４）。従って、この場合、サーボモータ７はその回転数信号Ｖｆ＝Ｖｒｅｆ＝０を達成するため、作用トルクＴｈａｎｄに対向する反力負荷であるモータトルクＴｍを発生する（ステップＳ５）。
なお、図３で説明したように、作用アーム１が結合された第２の回転軸５とサーボモータ７の回転駆動軸との間に減速機構８が設けられているので、この減速比をＲｍとすると、Ｔｈａｎｄ＝Ｒｍ・Ｔｍが成立するように、モータトルクＴｍを発生させることになる。
【００２５】
ステップＳ５でモータトルクＴｍを発生すると、当該単位周期の制御動作を終わり、ステップＳ１に戻って次周期の動作を繰り返す。
例えば、負荷テーブル１０で設定する作用力−位置変化特性が例えば、先の図２のその２に示すパターンであるとすると、Ｐｌ＝０、即ち、初動位置における作用トルクＴｈａｎｄが、図２（その２）のパターンのＰ点における値（Ｔｒｅｆｍａｘ）を越えるまで、上述したステップＳ４を通る動作を繰り返し、結果として作用アーム１は停止状態を保持することになる。換言すれば、図２（その２）で設定された作用力−位置変化特性の立上り部のパターンを忠実に再現する訳である。
【００２６】
使用者からの作用トルクＴｈａｎｄが負荷テーブル１０からの作用トルク指令Ｔｒｅｆを越えると（ステップＳ３でＮｏ）、コントローラ１２はそのトルク偏差ΔＴ＝Ｔｒｅｆ−Ｔｈａｎｄが零となるよう、例えば、以下の（１）式で示される関数Ｆｕｎｃ（Ｔｒｅｆ−Ｔｈａｎｄ）に基づきサーボモータ７へ出力する速度指令Ｖｒｅｆを作成する（ステップＳ６）。
【００２７】
【数１】
【００２８】
なお、コントローラ１２はＰＩ制御系で構成されるもので、（１）式のＫ、Ｔｉは、それぞれＰＩのパラメータである。
【００２９】
ステップＳ６で作成された速度指令Ｖｒｅｆに基づきサーボモータ７がモータトルクＴｍを発生すると、作用アーム１は作用トルクＴｈａｎｄとモータトルクＴｍ（正確にはＲｍ・Ｔｍ）との差に応じて回転を始める、即ち、終動姿勢の向きに動き始めることになる。また、この動きによって、作用トルクＴｈａｎｄの上昇が抑制されその値が設定された作用力−位置変化特性に追随する訳である。 作用アーム１がその初動姿勢から終動姿勢に至り、トレーニングの１周期が終わると、ステップＳ１の判断がＮｏとなり一連の制御動作を終了する。
【００３０】
以上のように、この発明の実施の形態１によるトレーニング装置は、使用者の作用力が所望の作用力−位置変化特性に沿った作用力となるよう、上記作用力に対向するサーボモータによる反力負荷を制御するので、使用者に所望通りのトレーニング体験を提供することができる。
しかも、その作用力−位置変化特性は極めて簡便に設定できるので、最新の筋力トレーニング理論を考慮した、いわゆる初動負荷トレーニングは勿論、トレーニング対象種目、使用者の体力等に応じて任意のパターンの作用力−位置変化特性を設定することができる。
【００３１】
また、トルク偏差ΔＴ＝Ｔｒｅｆ−Ｔｈａｎｄを入力にしてサーボモータ７の速度指令Ｖｒｅｆを作成するコントローラ１２は、図５のステップＳ３〜Ｓ６で説明したように、
ｉｆ Ｔｈａｎｄ≦Ｔｒｅｆ ｔｈｅｎ Ｖｒｅｆ＝０
ｅｌｓｅ Ｖｒｅｆ＝Ｆｕｎｃ（Ｔｒｅｆ−Ｔｈａｎｄ）
に示すロジックで動作するようにしたので、作用トルクＴｈａｎｄを作用力−位置変化特性に追随させる制御が円滑になされるとともに、初動負荷特性を徹底させた、例えば、図２のその２に示されるような、設定作用力が高い値から始まる特性に対しても確実に追随させることができる。
【００３２】
更に、使用者が、何らかの理由で終動姿勢に至る手前にその作用力を急減するか、トレーニング本来の向きと逆向きの力を働かせた場合、コントローラ１２からの速度指令Ｖｒｅｆは直ちに零となるので、使用者がサーボモータ７による反力負荷で衝撃的に押し反されるという危険性が防止される。
【００３３】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、制御に必要な作成トルクＴｈａｎｄおよび回転位置Ｐｌを、それぞれ専用に設けたトルクメータ６およびエンコーダ４により検出していたが、この実施の形態２は、これらの情報をサーボモータ７からの信号を基に演算により求めるようにして、これら専用の検出器を不要として装置のコストダウン、小形化を図っている。
【００３４】
図６は、この発明の実施の形態２におけるトレーニング装置の、特に機構部分を示す構成図である。以下、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。ここでは、作用アーム１を結合する回転軸３は、そのまま減速機構８を介してサーボモータ７の回転駆動軸に連結されている。そして、作用トルクおよび回転位置を演算するために必要なトルク信号Ｔｍおよび回転数信号Ｎｍをサーボモータ７から負荷制御装置９Ａに送っている。
【００３５】
図７は、この発明の実施の形態２におけるトレーニング装置の、特に制御機構を示す構成図で、各部の符号は図６の各部に対応させている。図７において、１３はサーボモータ７からのトルク信号Ｔｍ（実際には、モータの電機子電流から算出される）と回転数信号Ｎｍとから作用トルク演算値Ｔｌを作成する作用力検出手段としての演算回路で、この演算は以下の運動方程式に基づき求められ、先の形態１でトルクメータ６により検出される作用トルクＴｈａｎｄとほぼ等しい値が得られる。即ち、Ｔｌ≒Ｔｈａｎｄが成立する。
つまり、運動方程式として（２）式が成立する。
【００３６】
【数２】
【００３７】
ここで、Ｒｍは減速機構８の減速比、Ｊはモータ軸等価慣性、ｆはモータ軸等価摩擦である。（２）式を変形して（３）式が得られる。
【００３８】
【数３】
【００３９】
従って、演算制御周期をτとすると、第ｋ周期における作用トルク演算値Ｔｌ（ｋ）は、第（ｋ−１）周期におけるトルク信号値Ｔｍ（ｋ−１）と回転数信号値Ｎｍ（ｋ−１）とから（４）式により求めることができる。
【００４０】
【数４】
【００４１】
図７に戻り、１４はサーボモータ７の回転数信号Ｎｍから演算により回転位置Ｐｌを作成する位置検出手段としての演算回路で、同ブロック内に図示するように、以下の（５）式により求めることができる。
Ｐｌ＝Ｎｍ・（１／Ｒｍ）・（１／ｓ） ・・・（５）
但し、ｓはラプラス演算子である。
【００４２】
作用トルクＴｈａｎｄとして演算回路１３で作成された演算値Ｔｌを採用し、回転位置Ｐｌとして演算回路１４で作成された演算値Ｐｌを採用することにより、先の実施の形態１と全く同様に、使用者の作用力を所望の作用力−位置変化特性に追随させる制御動作が可能となる。
【００４３】
以上のように、この実施の形態２では、サーボモータでは必ず存在するトルク信号Ｔｍおよび回転数信号Ｎｍ（Ｖｆ）を有効に活用し、特別の検出手段（トルクメータ６およびエンコーダ４）を採用することなく、制御に必要な作用トルクＴｈａｎｄおよび回転位置Ｐｌを上記両信号から演算により求めるようにしたので、装置の小形化、コストダウンが実現する。
【００４４】
なお、以上の形態例では、負荷制御装置９のコントローラ１２において、Ｔｈａｎｄ≦ＴｒｅｆのときはＶｒｅｆ＝０とする制御方式を採用したが、設定される作用力−位置変化特性のパターンやその他トレーニング条件によっては、必ずしも上記の判別条件を加えた制御方式を採用せず、トルク偏差ΔＴ＝Ｔｒｅｆ−Ｔｈａｎｄを零にする通例の制御方式を適用するようにしてもよい。
【００４５】
実施の形態３．
先の実施の形態１、２では、回転位置Ｐｌに応じて負荷テーブル１０から読み取った作用トルク指令Ｔｒｅｆに検出作用トルクＴｈａｎｄ（Ｔｌ）が一致するよう速度指令Ｖｒｅｆを作成し、この速度指令Ｖｒｅｆをサーボモータ７に与える速度指令制御方式を採用したが、この実施の形態３では、サーボモータとしてはこれに速度指令Ｖｒｅｆ＝０を与え、この速度指令Ｖｒｅｆ＝０と検出速度（回転数信号）Ｖｆとの偏差に基づき、負荷テーブル１０に応じた所望の作用トルクを発生するようモータにトルク指令Ｔｃを与えるトルク指令制御を採用している。
【００４６】
図８は実施の形態３におけるトレーニング装置の、特に制御機構を示す構成図である。図において、１５は速度指令Ｖｒｅｆ＝０を出力する速度指令発生回路、１６は速度指令発生回路１５からの速度指令Ｖｒｅｆ＝０とモータの回転数信号Ｖｆ（Ｎｍ）との速度偏差ｅを演算する減算器である。
１７は速度偏差ｅに基づきモータへのトルク指令Ｔｃを作成するＰＩ制御のコントローラで、比例要素１８と積分要素１９を有し、それぞれからの出力値ＴＰとＴＴとを加算器２０で加算してトルク指令Ｔｃとして出力する。
【００４７】
２１は、積分要素１９で演算された出力を、負荷テーブル１０から読み取ったその時点の回転位置Ｐｌに相当する作用トルク指令Ｔｒｅｆがその最大値となるよう制限するリミッタ回路である。
なお、速度偏差ｅが負、即ち、回転数信号Ｖｆが正で、従って、作用アーム１が初動位置から終動位置に向かっているトレーニングの本来の動作状態の場合には、比例要素１８の枠内にその特性を示すように、比例ゲインＫｐを小さく設定しＴＴ≫ＴＰとなるようにしている。
【００４８】
これに対し、使用者が例えばトレーニングの動作途中で作用アーム１をそれまでと逆の向きに操作した場合などで、回転数信号Ｖｆが負となって速度偏差ｅが正に反転した場合には、図に示すように、比例ゲインＫｐは負極性で急増するよう設定されている。この結果、この速度偏差ｅが反転するとモータへのトルク指令Ｔｃは急減する。従って、この場合、使用者がモータによる反力負荷で急激に押し反されるという危険性が防止される。
【００４９】
次に、初動姿勢から終動姿勢へ向かう本来のトレーニングを実行する場合の本装置の動作を、図９に示すフローチャートをも参照して説明する。使用者が作用アーム１の受力部２に力を掛けると、作用トルクＴｈａｎｄ＞０となりスタートする（ステップＴ０）。なお、以下の動作は所定の制御周期で実行される。
先ず、モータの回転数信号Ｖｆ（Ｎｍ）を基に演算回路１４で求められた回転位置Ｐｌがトレーニングの初動位置（Ｐｌ＝０）と終動位置（Ｐｌ＝Ｐｌｍａｘ）との間にあるか否かを判断する（ステップＴ１）。Ｎｏであれば動作を終了する。
【００５０】
ステップＴ１でＹｅｓであれば、速度指令発生回路１５から速度指令Ｖｒｅｆ＝０を入力する。先の図８の点線枠で示す７Ａは、速度指令Ｖｒｅｆに応じて制御されるサーボモータを構成するが、この実施の形態３は、このサーボモータ７Ａに対し、常に速度指令Ｖｒｅｆ＝０を与えるものである。速度指令Ｖｒｅｆとモータからの回転数信号Ｖｆとの速度偏差ｅを演算し（ステップＴ３）、この速度偏差ｅに基づきＰＩ制御によりトルク指令Ｔｃを作成する（ステップＳ４）。
【００５１】
ところで、このＰＩ制御による出力は、リミッタ回路２１により、ステップＴ５で回転位置Ｐｌに対応して負荷テーブル１０から読み取られた作用トルク指令Ｔｒｅｆにその最大値が制限されている。従って、このＰＩ制御による出力が、リミッタ回路２１のリミッタ領域に至っていないときは、換言すると、作用トルクＴｈａｎｄが作用力−位置変化特性で設定されたトルク以下のときは、速度偏差ｅを零にするためのトルク指令の値がそのままＴｃとしてモータに与えられるので、モータは作用トルクＴｈａｎｄに等しい反力負荷Ｔｍを発生して作用アーム１は静止状態を保つことになる。
【００５２】
作用トルクＴｈａｎｄが作用力−位置変化特性で設定されたトルクを越えると、ＰＩ制御による出力がリミッタ回路２１のリミッタ領域に達し、即ち、速度偏差ｅを零にするためのトルク指令の値がそのまま出力されず、それより低い値に制限された値がＴｃとしてモータに与えられることになる。このため、Ｔｈａｎｄ＞Ｔｍとなり、この差で作用アーム１は作用力の方向に動き、使用者から見ると、自分が掛けた力が一定量抜ける形になり、作用力は頭打ちとなって、結果として作用力−位置変化特性に追随することになる。
【００５３】
この実施の形態３においては、作用トルクの検出値（または、演算に基づく検出値）を使用することなく、実際に作用アーム１に働く作用力が所望の作用力−位置変化特性に追随するよう制御することができる。即ち、作用トルクに関しては、フィードバック制御系を有さず、いわばオープン制御系となっている。従って、先の実施の形態１、２のフィードバック制御系を有する場合に比較して、制御動作の安定性が優れている。
【００５４】
なお、図８、図９では、回転位置Ｐｌをモータの回転数信号Ｖｆ（Ｎｍ）から演算により求める構成としたが、エンコーダ等による直接の検出値を用いてもよいことは言うまでもない。
また、コントローラ１７は比例要素１８および積分要素１９からなるものとしたが、微分要素を加えたものとしてもよい。
【００５５】
また、既述した各形態例では、作用アーム１が結合された回転軸とモータの回転駆動軸との間には減速機構８を介在させているが、モータの種別によっては、この減速機構８を介することなく、上記回転軸にモータを直結する構成としてもよく、その場合も、本願発明は上述したと同様の効果を奏するものである。
【００５６】
更に、既述した各形態例では、トレーニングの初動姿勢から終動姿勢までの過程が、作用アーム１の一方向の移動、例えば、使用者の手前側から開始して遠ざける方向へのみ動かす、いわばＯＮＥ ＷＡＹの方式を対象としたが、トレーニングの種別によっては、往復動作を行うものがあるが、この発明はこれらタイプのトレーニングにも同様に適用することができ同等の効果を奏する。
即ち、一方向のトレーニングが終動姿勢で終了すると、この時点で制御回路の必要な入出力端の極性を切り換えることにより逆方向のトレーニングの始動姿勢としてリセットし、当該逆方向の制御動作を実行するようにすればよい。
【００５７】
また、既述した各形態例では、回転軸に一端が結合された作用アーム１の他端に形成された受力部２に使用者が作用力を掛ける、従って、この受力部２は初動姿勢から終動姿勢に向かって円周軌道を移動する構造のものとしたが、トレーニングの種別によっては、例えば、この受力部が直線軌道を移動するタイプのものも必要となるが、この発明はこれらタイプのトレーニングにも同様に適用することができ同等の効果を奏する。
即ち、例えば受力部とともに直線運動をする作用アームを、適当な歯車機構を介して回転軸に結合することにより、上記直線運動を回転軸の回転運動に変換するようにすればよい。
従って、本願明細書の特許請求の範囲に記載された「回転軸に結合された作用アーム」は、上記に示したような、移動方向の変換を含む構成で両者が結合される場合も含む概念とする。
【００５８】
更に、以上では、筋力トレーニングはいわゆる初動負荷トレーニングが理想であると説明したが本願発明の装置の適用にあっては、その負荷テーブル１０で設定する作用力−位置変化特性は、初動負荷パターンに限らず、任意のパターンに設定できることは言うまでもない。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係るトレーニング装置は、使用者からの作用力を受ける受力部を有する可動体を備え、上記使用者が上記可動体をその初動姿勢から終動姿勢に至るまで動かすことにより、上記使用者の筋力を鍛えるトレーニング装置において、
上記可動体として上記使用者からの作用力を受ける受力部を一端に備え他端が回転軸に結合された作用アームを備え、
更に、その回転駆動軸が上記回転軸に連結され上記作用力に対向する方向の反力負荷を上記受力部に発生させるモータ、上記回転軸の回転位置を検出する位置検出手段、上記回転軸の回転速度を検出する速度検出手段、上記所定の作用力−位置変化特性に対応して設定された作用力指令と回転軸の回転位置との関係を記憶した負荷テーブル、速度指令＝零を出力する速度指令発生回路、この速度指令発生回路からの零速度指令と上記速度検出手段からの速度検出値との偏差を入力し、この偏差が零となるよう、少なくとも比例要素と積分要素とを有する制御により上記モータのトルク指令を作成するトルク指令作成回路、および上記位置検出手段からの回転位置検出値に相当する作用力指令を上記負荷テーブルから読み取り、上記トルク指令作成回路の出力を、当該読み取った作用力指令がその最大値となるよう制限するリミッタ回路を備えたので、使用者からの作用力を検出する手段を備えることなく、使用者が実際に掛ける作用力が予め定められた任意の作用力−位置変化特性に追随する、所望通りの筋力トレーニングが可能となる。更に、作用力に対しオープン制御の構成となり、安定した反力負荷制御特性が得られる。
【００６０】
また、この発明に係るトレーニング装置におけるトルク指令作成回路の比例ゲインは、速度検出値が終動姿勢の位置から初動姿勢の位置に向かう方向に変化することにより偏差入力の極性が反転した場合、負極性で急増するトルク指令を発生し、この比例ゲインの出力により上記トルク指令作成回路の出力を急減させるようにしたので、初動姿勢から終動姿勢に向かう過程で使用者がその作用力を急に緩める等の操作をしても、サーボモータによる反力負荷が使用者に働くという危険が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願になるトレーニング装置を使用したトレーニング状態をイメージ的に示す図である。
【図２】 トレーニングで目標とする作用力−位置変化特性の代表例を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態１におけるトレーニング装置の、特に機構部分を示す構成図である。
【図４】 この発明の実施の形態１におけるトレーニング装置の、特に制御機構を示す構成図である。
【図５】 この発明の実施の形態１におけるトレーニング装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】 この発明の実施の形態２におけるトレーニング装置の、特に機構部分を示す構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態２におけるトレーニング装置の、特に制御機構を示す構成図である。
【図８】 この発明の実施の形態３におけるトレーニング装置の、特に制御機構を示す構成図である。
【図９】 この発明の実施の形態３におけるトレーニング装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１ 作用アーム、２ 受力部、３ 第１の回転軸、４ エンコーダ、
５ 第２の回転軸、６ トルクメータ、７，７Ａ サーボモータ、
８ 減速機構、９，９Ａ 負荷制御装置、１０ 負荷テーブル、
１１，１６ 減算器、１２，１７ コントローラ、１３，１４ 演算回路、
１５ 速度指令発生回路、１８ 比例要素、１９ 積分要素、２０ 加算器、
２１ リミッタ回路、Ｐｌ 回転位置、Ｔｈａｎｄ 作用力（作用トルク）、
Ｔｒｅｆ 作用トルク指令、ΔＴ トルク偏差、Ｖｒｅｆ 速度指令、
Ｖｆ（Ｎｍ） 回転数信号、ｅ 速度偏差、Ｔｃ トルク指令、
Ｔｍ モータトルク、Ｒｍ 減速比。
【発明の属する技術分野】
この発明は、体本来の機能回復（リハビリテーション）や、さらなる筋力アップを目的に、使用者の筋力を鍛えるために供されるトレーニング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
近年の各種スポーツの普及に伴い、これらに向けて体力を増進させるためのアスレチックジム等の体力トレーニング施設が各所に設けられるようになった。また、低下した体力の機能回復を図るリハビリテーション施設も増加している。
しかるに、これら施設に設置されたいわゆるトレーニングマシンは、旧来からの滑車マシン、外力稼働マシン、ゴムチューブマシン、バネ弾性マシン、油圧マシンが多く、トレーニング機能としては必ずしも満足のいくものではない。
【０００３】
即ち、これらの多くは、いわゆる終動負荷トレーニングマシンと呼ばれるもので、身体の屈曲状態から伸長動作を開始するとき（初動状態）の負荷を初動負荷と呼び、最終伸長状態に到達したとき（終動状態）の負荷を終動負荷と呼ぶことにすると、上述した各種マシンでは、初動負荷は小さく動作の進行につれて負荷が大きくなり、最終の終動負荷が最大となる（終動負荷トレーニング）。
ところが、最新の筋力トレーニング理論（例えば、１９９４年９月講談社発行小山裕史著「新トレーニング革命」参照）によると、この終動負荷トレーニングでは、関節の硬化を助長させることになり、逆に筋肉の伸縮機能を失わせる状態となって関節の可動域を狭くしてしまう恐れがあると指摘されている。
【０００４】
同理論によれば、このような終動負荷トレーニングに対して、初動負荷トレーニングが注目されている。これは、初動状態における初動負荷が大きく、動作の進行につれて負荷が小さくなり、終動負荷が最小となるトレーニングで、この初動負荷トレーニングでは、トレーニング対象の根幹部が初動作で力とスピードを生み、末端部への力の伝達が円滑に行われるようになり、身体の能力が向上するとされる。
【０００５】
例えば、特開平９−２４１１７号公報は、この初動負荷トレーニングを実現するトレーニング装置を開示している。この装置は、一端を支点として回動可能なアームの他端に重錘を設け、初動状態でほぼ水平姿勢にあるアームをロープを介して使用者が引っ張ることで当該アームを次第に起き上がるようにしたものである。この場合、ロープに掛かる負荷は、初動時のアームが水平にあるときに重錘の重量が１００％働いて最大となり、アームの回動が進むにつれて次第に減少し、いわゆる初動負荷パターンとなる。
【０００６】
ところで、トレーニングをする使用者の体力や身体的特性は一律ではなく、また、トレーニングによって機能回復すべき身体部位や筋力増強すべき身体部位も多岐にわたる。従って、トレーニング装置としては、必要な負荷の大きさ、また、初動姿勢から終動姿勢に至る負荷の変化パターンも、これらトレーニング対象の種別によって変化させ得ることが要請される。
【０００７】
しかるに、この上掲公報の装置は、重錘の重力とアームの回動を利用した、純粋に機械構造的な構成のものであるため、負荷の大きさを調整するには、重錘やアームを取り替えてその重さや長さを変える必要があり、その取り替えの作業が煩雑で、かつ、連続的な調整は困難とならざるを得ない。更に、負荷の変化パターンがその原理上、いわゆる余弦関数特性に限定されるという欠点もあり、トレーニング装置として実用性に劣ると言わざるを得ない。
【０００８】
これに対し、例えば、特開昭５４−１３８７３６号公報には、負荷の大きさを自由に調整可能な運動訓練用抵抗負荷装置が開示されている。これは、負荷の発生手段に電磁継手を採用し、この電磁継手をブレーキとして作用させ、更に、この電磁ブレーキに供給する励磁電流を変化させることで負荷としてのトルクを調整するというものである。
例えば、使用者が動かすロッドに加えられた力の変化に比例して負荷を変化させる、また、加えられた力の変化に反比例して負荷を変化させることができる旨説明されている。
【０００９】
ところで、発明者等が上述した最新の筋力トレーニング理論を詳細に分析したところ、トレーニング装置としては単にその負荷を自由に変化させ得るというのでは不十分であることが判明した。即ち、たとえ、初動負荷トレーニングを目標に初動時に高く終動時に低くなるような負荷パターンを設定したとしても、トレーニングを行う使用者が実際に働かせる力である作用力は規制することができない。
【００１０】
この原因は以下の通りである。即ち、今、使用者が装置に設けられたレバーの端部を握り、これを初動位置から終動位置まで押し込んでいく場合を想定すると、｜作用力｜＝｜負荷｜が成立するのは、レバーが静止状態にバランスしたときのみであり、使用者の作用力によってレバーが初動位置から終動位置に向かって移動していく過程では成立し得ない。具体的には、使用者の力の大きさ、力の掛け方等によって、作用力が大きく変動することになる。
【００１１】
一方、理想的な筋力トレーニングは、使用者の体力、身体特性やそのトレーニング対象部位等に応じて定まる作用力パターンに沿って、使用者に当該所望の作用力を働かせる体験をさせることである。
従って、上述した先行文献（特開昭５４−１３８７３６号公報）の装置では、たとえ、その負荷は制御し得ても、使用者の作用力が所望のパターンに沿って変化するようにすることは不可能である。この点では、先に挙げた先行文献（特開平９−２４１１７号公報）も全く同様と言える。
【００１２】
この発明は、使用者が働かせる作用力を所望のパターンに一致して変化させることができる、いわば筋力トレーニングとしてより理想に近い機能を備えたトレーニング装置を実現するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るトレーニング装置は、使用者からの作用力を受ける受力部を有する可動体を備え、上記使用者が上記可動体をその初動姿勢から終動姿勢に至るまで動かすことにより、上記使用者の筋力を鍛えるトレーニング装置において、
上記可動体として上記使用者からの作用力を受ける受力部を一端に備え他端が回転軸に結合された作用アームを備え、
更に、その回転駆動軸が上記回転軸に連結され上記作用力に対向する方向の反力負荷を上記受力部に発生させるモータ、上記回転軸の回転位置を検出する位置検出手段、上記回転軸の回転速度を検出する速度検出手段、上記所定の作用力−位置変化特性に対応して設定された作用力指令と回転軸の回転位置との関係を記憶した負荷テーブル、速度指令＝零を出力する速度指令発生回路、この速度指令発生回路からの零速度指令と上記速度検出手段からの速度検出値との偏差を入力し、この偏差が零となるよう、少なくとも比例要素と積分要素とを有する制御により上記モータのトルク指令を作成するトルク指令作成回路、および上記位置検出手段からの回転位置検出値に相当する作用力指令を上記負荷テーブルから読み取り、上記トルク指令作成回路の出力を、当該読み取った作用力指令がその最大値となるよう制限するリミッタ回路を備えたものである。
【００１４】
また、この発明に係るトレーニング装置におけるトルク指令作成回路の比例ゲインは、速度検出値が終動姿勢の位置から初動姿勢の位置に向かう方向に変化することにより偏差入力の極性が反転した場合、負極性で急増するトルク指令を発生し、この比例ゲインの出力により上記トルク指令作成回路の出力を急減させるようにしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
先ず、具体的な構成例の説明に入る前に、本願になるトレーニング装置を使用して実際にトレーニングを行っている状態をイメージ的に図１に示す。トレーニングは主として人体の四肢を対象に行うものであるが、図１はいずれも下肢を対象としたものである。点線で囲んだ部分が可動部分で、同図（ａ）では、使用者が座席の部分に座り、足の甲で後述する作用アーム端部の受圧部を初動状態の下端位置から終動状態の水平位置まで押し上げる動作を行う。
同図（ｂ）は、足の裏で作用アームの受圧部を踏む形でトレーニングを行うものである。同図（ｃ）は、座席の背部を倒して水平とし、使用者はこの水平台上に俯せになり足のかかとの部分で作用アームの受圧部を水平位置から上端位置まで移動させてトレーニングを行うものである。
【００１６】
図２は目標とする作用力−位置変化特性の代表例を示す図である。後段で詳述するように、使用者が実際に体感する力、作用力が図の作用力−位置変化特性の曲線上を追随するように、作用アームの駆動部を制御する訳である。
図２のその１、その２はいずれも既述した初動負荷理論に基づくもので、その１は一般的なトレーニングパターンで、その２は、例えば、マラソン選手などが地面を蹴り出すときの脚筋力トレーニングなどに適用され、初めに駆動部を停止させた状態で初動姿勢に入り、作用力の検出値が設定された最大値を越えたとき動作を開始する。
【００１７】
次に、具体的な実施例について説明する。図３はこの発明の実施の形態１におけるトレーニング装置の、特に機構部分を示す構成図である。図において、１は可動体としての作用アームで、その一端は直角に曲げられ使用者からの作用力を受ける受力部２となっている。そして、作用アーム１の他端は第１の回転軸３に結合されている。４は第１の回転軸３の回転位置Ｐｌを検出する位置検出手段としてのエンコーダ、５は作用力検出手段としてのトルクメータ６を介して第１の回転軸３に連結された第２の回転軸、７は減速機構８を介してその回転駆動軸が第２の回転軸５に連結された負荷発生手段としてのサーボモータである。トルクメータ６は作用力に相当する作用トルクＴｈａｎｄを出力する。
【００１８】
サーボモータは、入力される速度指令Ｖｒｅｆと内蔵するエンコーダからの速度検出値との偏差入力が零となるようトルク指令を作成しこのトルク指令に基づいて回転駆動する方式のモータで、例えば、ＤＣサーボモータ、同期形ＡＣサーボモータ、誘導形ＡＣサーボモータ等が適用し得るが、上記した駆動制御構成を具備する限り、例えば流体（油等）エネルギーを駆動源に使用したいわゆる油圧サーボモータ等も適用可能である。
【００１９】
９は後段で詳述する負荷制御装置で、エンコーダ４からの回転位置Ｐｌおよびトルクメータ６からの作用トルクＴｈａｎｄを入力し、使用者からの作用力が予め設定された、例えば図２で説明したような、所定の作用力−位置変化特性に追随するように、サーボモータ７に速度指令Ｖｒｅｆを出力する。
【００２０】
図４は、この発明の実施の形態１におけるトレーニング装置の、特に制御機構を示す構成図で、各部の符号は図３の各部に対応させている。図４において、１０は例えば図２で説明したような作用力−位置変化特性を記憶した負荷テーブルで、同特性を特定するための、作用トルク指令Ｔｒｅｆと回転位置Ｐｌとの関係をテーブルの形に記憶したＲＯＭ等で構成されている。負荷テーブル１０は使用者やトレーニングプログラムに応じて異なる複数の特性を予め適当な入力手段により設定しておき、使用の都度、それら複数のテーブルの中から必要なものを選択して適用するようにすればよい。
【００２１】
また、図示は省略するが、トレーニング動作中に使用者や観察者が、この負荷テーブル１０の設定内容を適宜変更できる入力手段を設けるようにしてもよい。更に、同じく図示は省略するが、トレーニング動作中の使用者の身体データ（例えば脈拍、血圧等）を検出する手段を設け、この身体データが予め設定した危険領域に達したときは、負荷テーブル１０の作用トルク指令の設定値を自動的に下げて安全にトレーニング動作を変更または停止できるようにしてもよい。
【００２２】
１１は、負荷テーブル１０から読み取られた、エンコーダ４からの回転位置Ｐｌに相当する作用トルク指令Ｔｒｅｆとトルクメータ６で検出された作用トルクＴｈａｎｄとのトルク偏差ΔＴを演算する減算器、１２は入力されたトルク偏差ΔＴが零となるようサーボモータ７に与える速度指令Ｖｒｅｆを作成するコントローラ、７はサーボモータで、既述したが図の点線枠内に示すように、駆動源であるモータと、入力された速度指令Ｖｒｅｆと検出したモータの回転速度である回転数信号Ｖｆ（Ｎｍ）との速度偏差ｅが零となるようモータにトルク指令Ｔｃを与えるＰＩ制御器を備えている。
【００２３】
次に、トレーニング実行時の本装置の動作を、図５に示すフローチャートをも参照して説明する。使用者が作用アーム１の受力部２に力を掛けると、即ち、作用トルクＴｈａｎｄ＞０になるとスタートする（ステップＳ０）。なお、以下の動作は所定の制御周期で実行されるものである。
先ず、エンコーダ４から検出した回転位置Ｐｌがトレーニングの初動位置（Ｐｌ＝０）と終動位置（Ｐｌ＝Ｐｌｍａｘ）との間にあるか否か、即ち、０≦Ｐｌ≦Ｐｌｍａｘが成立するか否かを判断し、Ｎｏであれば動作を終了し、Ｙｅｓであれば以下の本来の制御動作に入る（ステップＳ１）。続いて、ステップＳ２で、負荷テーブル１０からその時の回転位置Ｐｌに相当する作用トルク指令Ｔｒｅｆを読み取る。
【００２４】
次に、負荷テーブル１０から読み取った作用トルク指令Ｔｒｅｆがトルクメータ６から検出した作用トルクＴｈａｎｄ以上か否か、即ち、Ｔｈａｎｄ≦Ｔｒｅｆが成立するか否かを判断する（ステップＳ３）。
ステップＳ３でＹｅｓ、即ち、使用者からの作用トルクＴｈａｎｄが作用トルク指令Ｔｒｅｆを越えていないときは、コントローラ１２からサーボモータ７に速度指令Ｖｒｅｆ＝０を出力する（ステップＳ４）。従って、この場合、サーボモータ７はその回転数信号Ｖｆ＝Ｖｒｅｆ＝０を達成するため、作用トルクＴｈａｎｄに対向する反力負荷であるモータトルクＴｍを発生する（ステップＳ５）。
なお、図３で説明したように、作用アーム１が結合された第２の回転軸５とサーボモータ７の回転駆動軸との間に減速機構８が設けられているので、この減速比をＲｍとすると、Ｔｈａｎｄ＝Ｒｍ・Ｔｍが成立するように、モータトルクＴｍを発生させることになる。
【００２５】
ステップＳ５でモータトルクＴｍを発生すると、当該単位周期の制御動作を終わり、ステップＳ１に戻って次周期の動作を繰り返す。
例えば、負荷テーブル１０で設定する作用力−位置変化特性が例えば、先の図２のその２に示すパターンであるとすると、Ｐｌ＝０、即ち、初動位置における作用トルクＴｈａｎｄが、図２（その２）のパターンのＰ点における値（Ｔｒｅｆｍａｘ）を越えるまで、上述したステップＳ４を通る動作を繰り返し、結果として作用アーム１は停止状態を保持することになる。換言すれば、図２（その２）で設定された作用力−位置変化特性の立上り部のパターンを忠実に再現する訳である。
【００２６】
使用者からの作用トルクＴｈａｎｄが負荷テーブル１０からの作用トルク指令Ｔｒｅｆを越えると（ステップＳ３でＮｏ）、コントローラ１２はそのトルク偏差ΔＴ＝Ｔｒｅｆ−Ｔｈａｎｄが零となるよう、例えば、以下の（１）式で示される関数Ｆｕｎｃ（Ｔｒｅｆ−Ｔｈａｎｄ）に基づきサーボモータ７へ出力する速度指令Ｖｒｅｆを作成する（ステップＳ６）。
【００２７】
【数１】
なお、コントローラ１２はＰＩ制御系で構成されるもので、（１）式のＫ、Ｔｉは、それぞれＰＩのパラメータである。
【００２９】
ステップＳ６で作成された速度指令Ｖｒｅｆに基づきサーボモータ７がモータトルクＴｍを発生すると、作用アーム１は作用トルクＴｈａｎｄとモータトルクＴｍ（正確にはＲｍ・Ｔｍ）との差に応じて回転を始める、即ち、終動姿勢の向きに動き始めることになる。また、この動きによって、作用トルクＴｈａｎｄの上昇が抑制されその値が設定された作用力−位置変化特性に追随する訳である。 作用アーム１がその初動姿勢から終動姿勢に至り、トレーニングの１周期が終わると、ステップＳ１の判断がＮｏとなり一連の制御動作を終了する。
【００３０】
以上のように、この発明の実施の形態１によるトレーニング装置は、使用者の作用力が所望の作用力−位置変化特性に沿った作用力となるよう、上記作用力に対向するサーボモータによる反力負荷を制御するので、使用者に所望通りのトレーニング体験を提供することができる。
しかも、その作用力−位置変化特性は極めて簡便に設定できるので、最新の筋力トレーニング理論を考慮した、いわゆる初動負荷トレーニングは勿論、トレーニング対象種目、使用者の体力等に応じて任意のパターンの作用力−位置変化特性を設定することができる。
【００３１】
また、トルク偏差ΔＴ＝Ｔｒｅｆ−Ｔｈａｎｄを入力にしてサーボモータ７の速度指令Ｖｒｅｆを作成するコントローラ１２は、図５のステップＳ３〜Ｓ６で説明したように、
ｉｆ Ｔｈａｎｄ≦Ｔｒｅｆ ｔｈｅｎ Ｖｒｅｆ＝０
ｅｌｓｅ Ｖｒｅｆ＝Ｆｕｎｃ（Ｔｒｅｆ−Ｔｈａｎｄ）
に示すロジックで動作するようにしたので、作用トルクＴｈａｎｄを作用力−位置変化特性に追随させる制御が円滑になされるとともに、初動負荷特性を徹底させた、例えば、図２のその２に示されるような、設定作用力が高い値から始まる特性に対しても確実に追随させることができる。
【００３２】
更に、使用者が、何らかの理由で終動姿勢に至る手前にその作用力を急減するか、トレーニング本来の向きと逆向きの力を働かせた場合、コントローラ１２からの速度指令Ｖｒｅｆは直ちに零となるので、使用者がサーボモータ７による反力負荷で衝撃的に押し反されるという危険性が防止される。
【００３３】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、制御に必要な作成トルクＴｈａｎｄおよび回転位置Ｐｌを、それぞれ専用に設けたトルクメータ６およびエンコーダ４により検出していたが、この実施の形態２は、これらの情報をサーボモータ７からの信号を基に演算により求めるようにして、これら専用の検出器を不要として装置のコストダウン、小形化を図っている。
【００３４】
図６は、この発明の実施の形態２におけるトレーニング装置の、特に機構部分を示す構成図である。以下、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。ここでは、作用アーム１を結合する回転軸３は、そのまま減速機構８を介してサーボモータ７の回転駆動軸に連結されている。そして、作用トルクおよび回転位置を演算するために必要なトルク信号Ｔｍおよび回転数信号Ｎｍをサーボモータ７から負荷制御装置９Ａに送っている。
【００３５】
図７は、この発明の実施の形態２におけるトレーニング装置の、特に制御機構を示す構成図で、各部の符号は図６の各部に対応させている。図７において、１３はサーボモータ７からのトルク信号Ｔｍ（実際には、モータの電機子電流から算出される）と回転数信号Ｎｍとから作用トルク演算値Ｔｌを作成する作用力検出手段としての演算回路で、この演算は以下の運動方程式に基づき求められ、先の形態１でトルクメータ６により検出される作用トルクＴｈａｎｄとほぼ等しい値が得られる。即ち、Ｔｌ≒Ｔｈａｎｄが成立する。
つまり、運動方程式として（２）式が成立する。
【００３６】
【数２】
ここで、Ｒｍは減速機構８の減速比、Ｊはモータ軸等価慣性、ｆはモータ軸等価摩擦である。（２）式を変形して（３）式が得られる。
【００３８】
【数３】
従って、演算制御周期をτとすると、第ｋ周期における作用トルク演算値Ｔｌ（ｋ）は、第（ｋ−１）周期におけるトルク信号値Ｔｍ（ｋ−１）と回転数信号値Ｎｍ（ｋ−１）とから（４）式により求めることができる。
【００４０】
【数４】
図７に戻り、１４はサーボモータ７の回転数信号Ｎｍから演算により回転位置Ｐｌを作成する位置検出手段としての演算回路で、同ブロック内に図示するように、以下の（５）式により求めることができる。
Ｐｌ＝Ｎｍ・（１／Ｒｍ）・（１／ｓ） ・・・（５）
但し、ｓはラプラス演算子である。
【００４２】
作用トルクＴｈａｎｄとして演算回路１３で作成された演算値Ｔｌを採用し、回転位置Ｐｌとして演算回路１４で作成された演算値Ｐｌを採用することにより、先の実施の形態１と全く同様に、使用者の作用力を所望の作用力−位置変化特性に追随させる制御動作が可能となる。
【００４３】
以上のように、この実施の形態２では、サーボモータでは必ず存在するトルク信号Ｔｍおよび回転数信号Ｎｍ（Ｖｆ）を有効に活用し、特別の検出手段（トルクメータ６およびエンコーダ４）を採用することなく、制御に必要な作用トルクＴｈａｎｄおよび回転位置Ｐｌを上記両信号から演算により求めるようにしたので、装置の小形化、コストダウンが実現する。
【００４４】
なお、以上の形態例では、負荷制御装置９のコントローラ１２において、Ｔｈａｎｄ≦ＴｒｅｆのときはＶｒｅｆ＝０とする制御方式を採用したが、設定される作用力−位置変化特性のパターンやその他トレーニング条件によっては、必ずしも上記の判別条件を加えた制御方式を採用せず、トルク偏差ΔＴ＝Ｔｒｅｆ−Ｔｈａｎｄを零にする通例の制御方式を適用するようにしてもよい。
【００４５】
実施の形態３．
先の実施の形態１、２では、回転位置Ｐｌに応じて負荷テーブル１０から読み取った作用トルク指令Ｔｒｅｆに検出作用トルクＴｈａｎｄ（Ｔｌ）が一致するよう速度指令Ｖｒｅｆを作成し、この速度指令Ｖｒｅｆをサーボモータ７に与える速度指令制御方式を採用したが、この実施の形態３では、サーボモータとしてはこれに速度指令Ｖｒｅｆ＝０を与え、この速度指令Ｖｒｅｆ＝０と検出速度（回転数信号）Ｖｆとの偏差に基づき、負荷テーブル１０に応じた所望の作用トルクを発生するようモータにトルク指令Ｔｃを与えるトルク指令制御を採用している。
【００４６】
図８は実施の形態３におけるトレーニング装置の、特に制御機構を示す構成図である。図において、１５は速度指令Ｖｒｅｆ＝０を出力する速度指令発生回路、１６は速度指令発生回路１５からの速度指令Ｖｒｅｆ＝０とモータの回転数信号Ｖｆ（Ｎｍ）との速度偏差ｅを演算する減算器である。
１７は速度偏差ｅに基づきモータへのトルク指令Ｔｃを作成するＰＩ制御のコントローラで、比例要素１８と積分要素１９を有し、それぞれからの出力値ＴＰとＴＴとを加算器２０で加算してトルク指令Ｔｃとして出力する。
【００４７】
２１は、積分要素１９で演算された出力を、負荷テーブル１０から読み取ったその時点の回転位置Ｐｌに相当する作用トルク指令Ｔｒｅｆがその最大値となるよう制限するリミッタ回路である。
なお、速度偏差ｅが負、即ち、回転数信号Ｖｆが正で、従って、作用アーム１が初動位置から終動位置に向かっているトレーニングの本来の動作状態の場合には、比例要素１８の枠内にその特性を示すように、比例ゲインＫｐを小さく設定しＴＴ≫ＴＰとなるようにしている。
【００４８】
これに対し、使用者が例えばトレーニングの動作途中で作用アーム１をそれまでと逆の向きに操作した場合などで、回転数信号Ｖｆが負となって速度偏差ｅが正に反転した場合には、図に示すように、比例ゲインＫｐは負極性で急増するよう設定されている。この結果、この速度偏差ｅが反転するとモータへのトルク指令Ｔｃは急減する。従って、この場合、使用者がモータによる反力負荷で急激に押し反されるという危険性が防止される。
【００４９】
次に、初動姿勢から終動姿勢へ向かう本来のトレーニングを実行する場合の本装置の動作を、図９に示すフローチャートをも参照して説明する。使用者が作用アーム１の受力部２に力を掛けると、作用トルクＴｈａｎｄ＞０となりスタートする（ステップＴ０）。なお、以下の動作は所定の制御周期で実行される。
先ず、モータの回転数信号Ｖｆ（Ｎｍ）を基に演算回路１４で求められた回転位置Ｐｌがトレーニングの初動位置（Ｐｌ＝０）と終動位置（Ｐｌ＝Ｐｌｍａｘ）との間にあるか否かを判断する（ステップＴ１）。Ｎｏであれば動作を終了する。
【００５０】
ステップＴ１でＹｅｓであれば、速度指令発生回路１５から速度指令Ｖｒｅｆ＝０を入力する。先の図８の点線枠で示す７Ａは、速度指令Ｖｒｅｆに応じて制御されるサーボモータを構成するが、この実施の形態３は、このサーボモータ７Ａに対し、常に速度指令Ｖｒｅｆ＝０を与えるものである。速度指令Ｖｒｅｆとモータからの回転数信号Ｖｆとの速度偏差ｅを演算し（ステップＴ３）、この速度偏差ｅに基づきＰＩ制御によりトルク指令Ｔｃを作成する（ステップＳ４）。
【００５１】
ところで、このＰＩ制御による出力は、リミッタ回路２１により、ステップＴ５で回転位置Ｐｌに対応して負荷テーブル１０から読み取られた作用トルク指令Ｔｒｅｆにその最大値が制限されている。従って、このＰＩ制御による出力が、リミッタ回路２１のリミッタ領域に至っていないときは、換言すると、作用トルクＴｈａｎｄが作用力−位置変化特性で設定されたトルク以下のときは、速度偏差ｅを零にするためのトルク指令の値がそのままＴｃとしてモータに与えられるので、モータは作用トルクＴｈａｎｄに等しい反力負荷Ｔｍを発生して作用アーム１は静止状態を保つことになる。
【００５２】
作用トルクＴｈａｎｄが作用力−位置変化特性で設定されたトルクを越えると、ＰＩ制御による出力がリミッタ回路２１のリミッタ領域に達し、即ち、速度偏差ｅを零にするためのトルク指令の値がそのまま出力されず、それより低い値に制限された値がＴｃとしてモータに与えられることになる。このため、Ｔｈａｎｄ＞Ｔｍとなり、この差で作用アーム１は作用力の方向に動き、使用者から見ると、自分が掛けた力が一定量抜ける形になり、作用力は頭打ちとなって、結果として作用力−位置変化特性に追随することになる。
【００５３】
この実施の形態３においては、作用トルクの検出値（または、演算に基づく検出値）を使用することなく、実際に作用アーム１に働く作用力が所望の作用力−位置変化特性に追随するよう制御することができる。即ち、作用トルクに関しては、フィードバック制御系を有さず、いわばオープン制御系となっている。従って、先の実施の形態１、２のフィードバック制御系を有する場合に比較して、制御動作の安定性が優れている。
【００５４】
なお、図８、図９では、回転位置Ｐｌをモータの回転数信号Ｖｆ（Ｎｍ）から演算により求める構成としたが、エンコーダ等による直接の検出値を用いてもよいことは言うまでもない。
また、コントローラ１７は比例要素１８および積分要素１９からなるものとしたが、微分要素を加えたものとしてもよい。
【００５５】
また、既述した各形態例では、作用アーム１が結合された回転軸とモータの回転駆動軸との間には減速機構８を介在させているが、モータの種別によっては、この減速機構８を介することなく、上記回転軸にモータを直結する構成としてもよく、その場合も、本願発明は上述したと同様の効果を奏するものである。
【００５６】
更に、既述した各形態例では、トレーニングの初動姿勢から終動姿勢までの過程が、作用アーム１の一方向の移動、例えば、使用者の手前側から開始して遠ざける方向へのみ動かす、いわばＯＮＥ ＷＡＹの方式を対象としたが、トレーニングの種別によっては、往復動作を行うものがあるが、この発明はこれらタイプのトレーニングにも同様に適用することができ同等の効果を奏する。
即ち、一方向のトレーニングが終動姿勢で終了すると、この時点で制御回路の必要な入出力端の極性を切り換えることにより逆方向のトレーニングの始動姿勢としてリセットし、当該逆方向の制御動作を実行するようにすればよい。
【００５７】
また、既述した各形態例では、回転軸に一端が結合された作用アーム１の他端に形成された受力部２に使用者が作用力を掛ける、従って、この受力部２は初動姿勢から終動姿勢に向かって円周軌道を移動する構造のものとしたが、トレーニングの種別によっては、例えば、この受力部が直線軌道を移動するタイプのものも必要となるが、この発明はこれらタイプのトレーニングにも同様に適用することができ同等の効果を奏する。
即ち、例えば受力部とともに直線運動をする作用アームを、適当な歯車機構を介して回転軸に結合することにより、上記直線運動を回転軸の回転運動に変換するようにすればよい。
従って、本願明細書の特許請求の範囲に記載された「回転軸に結合された作用アーム」は、上記に示したような、移動方向の変換を含む構成で両者が結合される場合も含む概念とする。
【００５８】
更に、以上では、筋力トレーニングはいわゆる初動負荷トレーニングが理想であると説明したが本願発明の装置の適用にあっては、その負荷テーブル１０で設定する作用力−位置変化特性は、初動負荷パターンに限らず、任意のパターンに設定できることは言うまでもない。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係るトレーニング装置は、使用者からの作用力を受ける受力部を有する可動体を備え、上記使用者が上記可動体をその初動姿勢から終動姿勢に至るまで動かすことにより、上記使用者の筋力を鍛えるトレーニング装置において、
上記可動体として上記使用者からの作用力を受ける受力部を一端に備え他端が回転軸に結合された作用アームを備え、
更に、その回転駆動軸が上記回転軸に連結され上記作用力に対向する方向の反力負荷を上記受力部に発生させるモータ、上記回転軸の回転位置を検出する位置検出手段、上記回転軸の回転速度を検出する速度検出手段、上記所定の作用力−位置変化特性に対応して設定された作用力指令と回転軸の回転位置との関係を記憶した負荷テーブル、速度指令＝零を出力する速度指令発生回路、この速度指令発生回路からの零速度指令と上記速度検出手段からの速度検出値との偏差を入力し、この偏差が零となるよう、少なくとも比例要素と積分要素とを有する制御により上記モータのトルク指令を作成するトルク指令作成回路、および上記位置検出手段からの回転位置検出値に相当する作用力指令を上記負荷テーブルから読み取り、上記トルク指令作成回路の出力を、当該読み取った作用力指令がその最大値となるよう制限するリミッタ回路を備えたので、使用者からの作用力を検出する手段を備えることなく、使用者が実際に掛ける作用力が予め定められた任意の作用力−位置変化特性に追随する、所望通りの筋力トレーニングが可能となる。更に、作用力に対しオープン制御の構成となり、安定した反力負荷制御特性が得られる。
【００６０】
また、この発明に係るトレーニング装置におけるトルク指令作成回路の比例ゲインは、速度検出値が終動姿勢の位置から初動姿勢の位置に向かう方向に変化することにより偏差入力の極性が反転した場合、負極性で急増するトルク指令を発生し、この比例ゲインの出力により上記トルク指令作成回路の出力を急減させるようにしたので、初動姿勢から終動姿勢に向かう過程で使用者がその作用力を急に緩める等の操作をしても、サーボモータによる反力負荷が使用者に働くという危険が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願になるトレーニング装置を使用したトレーニング状態をイメージ的に示す図である。
【図２】 トレーニングで目標とする作用力−位置変化特性の代表例を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態１におけるトレーニング装置の、特に機構部分を示す構成図である。
【図４】 この発明の実施の形態１におけるトレーニング装置の、特に制御機構を示す構成図である。
【図５】 この発明の実施の形態１におけるトレーニング装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】 この発明の実施の形態２におけるトレーニング装置の、特に機構部分を示す構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態２におけるトレーニング装置の、特に制御機構を示す構成図である。
【図８】 この発明の実施の形態３におけるトレーニング装置の、特に制御機構を示す構成図である。
【図９】 この発明の実施の形態３におけるトレーニング装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１ 作用アーム、２ 受力部、３ 第１の回転軸、４ エンコーダ、
５ 第２の回転軸、６ トルクメータ、７，７Ａ サーボモータ、
８ 減速機構、９，９Ａ 負荷制御装置、１０ 負荷テーブル、
１１，１６ 減算器、１２，１７ コントローラ、１３，１４ 演算回路、
１５ 速度指令発生回路、１８ 比例要素、１９ 積分要素、２０ 加算器、
２１ リミッタ回路、Ｐｌ 回転位置、Ｔｈａｎｄ 作用力（作用トルク）、
Ｔｒｅｆ 作用トルク指令、ΔＴ トルク偏差、Ｖｒｅｆ 速度指令、
Ｖｆ（Ｎｍ） 回転数信号、ｅ 速度偏差、Ｔｃ トルク指令、
Ｔｍ モータトルク、Ｒｍ 減速比。
Claims (2)
- 使用者からの作用力を受ける受力部を有する可動体を備え、上記使用者が上記可動体をその初動姿勢から終動姿勢に至るまで動かすことにより、上記使用者の筋力を鍛えるトレーニング装置において、
上記可動体として上記使用者からの作用力を受ける受力部を一端に備え他端が回転軸に結合された作用アームを備え、
更に、その回転駆動軸が上記回転軸に連結され上記作用力に対向する方向の反力負荷を上記受力部に発生させるモータ、上記回転軸の回転位置を検出する位置検出手段、上記回転軸の回転速度を検出する速度検出手段、上記所定の作用力−位置変化特性に対応して設定された作用力指令と回転軸の回転位置との関係を記憶した負荷テーブル、速度指令＝零を出力する速度指令発生回路、この速度指令発生回路からの零速度指令と上記速度検出手段からの速度検出値との偏差を入力し、この偏差が零となるよう、少なくとも比例要素と積分要素とを有する制御により上記モータのトルク指令を作成するトルク指令作成回路、および上記位置検出手段からの回転位置検出値に相当する作用力指令を上記負荷テーブルから読み取り、上記トルク指令作成回路の出力を、当該読み取った作用力指令がその最大値となるよう制限するリミッタ回路を備えたことを特徴とするトレーニング装置。 - トルク指令作成回路の比例ゲインは、速度検出値が終動姿勢の位置から初動姿勢の位置に向かう方向に変化することにより偏差入力の極性が反転した場合、負極性で急増するトルク指令を発生し、この比例ゲインの出力により上記トルク指令作成回路の出力を急減させるようにしたことを特徴とする請求項１記載のトレーニング装置。
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