JP5176805B2 - Strength training equipment - Google Patents
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Description
本発明は、筋力トレーニング装置に関するものである。 The present invention relates to a strength training apparatus.
従来、二関節アーム装置のような二関節リンク機構を利用した筋力トレーニングをするシステムや装置が提案されている(例えば、特許文献1〜3参照。)。これらのシステムや装置においては、被験者の拮(きっ)抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の筋出力を圧力センサによって測定している。そして、被験者の四肢において所定の複数方向に等尺的最大努力で力を発揮させ、これに基づいて六角形の出力分布特性図を作成し、機能別実効筋力を評価する。
2. Description of the Related Art Conventionally, systems and devices that perform muscle strength training using a two-joint link mechanism such as a two-joint arm device have been proposed (see, for example,
また、二関節リンク機構を駆動させるためのアクチュエータとして、人間を含む動物において腕を曲げるために機能する二関節筋のモデルを提案し、該モデルを使用して二関節リンク機構の動作制御に関する研究も行われている(例えば、非特許文献1参照。)。この研究では、二関節同時駆動源を備えた二関節リンク機構においてアーム先端部の力及び剛性を制御するためには、駆動源として、収縮方向に力を発揮する収縮要素と弾性要素とを有するアクチュエータのモデルを使用することが好適であるとされている。
しかしながら、前記従来の筋力トレーニング装置においては、効率的に実効筋のトレーニングを行うことができるが、比較的単調な動きなので、被験者が飽きやすい。そこで、自転車漕(こ)ぎのような実際の運動を取り入れることによって、被験者が楽しみながらトレーニングを行うことができるようにすることが考えられる。そのため、疑似自転車型の筋力トレーニング装置を使用して、回転角に応じて負荷を変化させ、特定の筋を鍛えることが提案されている。しかし、前記疑似自転車型の筋力トレーニング装置では、全運動に対して、目的の筋に負荷がかかっている状態が比較的短いので、効率的にトレーニングを行うことができない。 However, in the conventional muscle strength training apparatus, effective muscle training can be performed efficiently, but since the movement is relatively monotonous, the subject is easily bored. Therefore, it is conceivable that the subject can enjoy training while incorporating an actual exercise such as a bicycle kite. For this reason, it has been proposed to train a specific muscle by using a pseudo-bicycle-type strength training device, changing the load according to the rotation angle. However, in the above-described pseudo-bicycle-type muscle strength training apparatus, since the load on the target muscle is relatively short with respect to all exercises, it is not possible to perform training efficiently.
本発明は、前記従来の筋力トレーニング装置の問題点を解決して、被験者の四肢に沿って装着されたロボットアームの関節軸の角度に応じた軸トルクを発生し、被験者の運動の軌道を所定の軌道に保ちながら特定の実効筋群のためのトレーニング負荷を被験者の四肢に付与することによって、実際の運動の形を擬似的に再現しながら特定の実効筋群のトレーニングを効果的に行うことができ、被験者が楽しみながら、所望の筋を対象にした筋力トレーニングを安全に、かつ、効果的に行うことができる筋力トレーニング装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the problems of the conventional strength training apparatus, generates an axial torque according to the angle of the joint axis of the robot arm attached along the limb of the subject, and determines the trajectory of the subject's movement. By applying a training load for a specific effective muscle group to the subject's limbs while maintaining the trajectory of the subject, the specific effective muscle group can be effectively trained while reproducing the actual movement shape in a pseudo manner. It is an object of the present invention to provide a strength training device that can perform strength training safely and effectively on a desired muscle while allowing a subject to enjoy.
そのために、本発明の筋力トレーニング装置においては、被験者の上肢又は下肢の長さに調整可能なロボットアームと、該ロボットアームを前記被験者の上肢又は下肢に沿って固定する装着具と、前記ロボットアームの関節軸の軸トルクを制御する制御装置と、前記ロボットアームの関節軸の角度を測定する角度測定装置と、前記軸トルクを測定するトルク測定装置と、前記ロボットアームの先端が所定の軌道を描くように運動する際の前記関節軸の軸トルクと関節軸の角度との関係を示す参照テーブルを保存する記憶装置とを有し、前記参照テーブルに示される関節軸の軸トルクと関節軸の角度との関係に基づいて軸トルクを発生することによって、前記軌道に垂直な方向の負荷が前記軌道の接線方向の負荷よりも大きくなるようにトレーニング負荷を発生し、前記被験者の上肢又は下肢の先端が前記軌道を描くように保ち、かつ、特定の実効筋群のためのトレーニング負荷を前記被験者の上肢又は下肢に付与する。
Therefore, in the strength training device of the present invention, a robot arm that can be adjusted to the length of the upper limb or lower limb of a subject, a mounting tool that fixes the robot arm along the upper limb or lower limb of the subject, and the robot arm A control device for controlling the axial torque of the joint axis, an angle measuring device for measuring the angle of the joint axis of the robot arm, a torque measuring device for measuring the axial torque, and a tip of the robot arm having a predetermined trajectory. A storage device that stores a reference table indicating a relationship between an axial torque of the joint axis and an angle of the joint axis when moving as depicted, and the axial torque of the joint axis and the joint axis of the joint axis shown in the reference table by generating the axial torque based on the relationship between the angle, the tray so that the load in the direction perpendicular to the track is greater than the load of the tangential direction of said track Generating a ring load, the tip of the upper limb or lower limb of the subject maintaining so as to draw the trajectory, and to impart training load for a particular effective muscles in the upper limb or lower limb of the subject.
本発明の他の筋力トレーニング装置においては、さらに、前記参照テーブルに示される関節軸の軸トルクは、前記軌道の接線方向の負荷に相当する軸トルクと前記軌道に垂直な方向の負荷に相当する軸トルクとを含み、前記軌道の接線方向の負荷に相当する軸トルクは、前記軌道の接線方向の速度に対応して変化する。 In another strength training device of the present invention, the shaft torque of the joint shaft shown in the reference table further corresponds to a shaft torque corresponding to a load in a tangential direction of the track and a load in a direction perpendicular to the track. The shaft torque including the shaft torque and corresponding to the load in the tangential direction of the track changes in accordance with the speed in the tangential direction of the track.
本発明の更に他の筋力トレーニング装置においては、さらに、前記軌道は円軌道であり、前記被験者は自転車を漕ぐ動作を行う。 In still another strength training apparatus of the present invention, the trajectory is a circular trajectory, and the subject performs a motion of riding a bicycle.
本発明の更に他の筋力トレーニング装置においては、被験者の上肢又は下肢の長さに調整可能なロボットアームと、該ロボットアームを前記被験者の上肢又は下肢に沿って固定する装着具と、前記ロボットアームの関節軸の軸トルクを制御する制御装置と、前記ロボットアームの関節軸の角度を測定する角度測定装置と、前記軸トルクを測定するトルク測定装置とを有し、想定された仮想モデルと前記ロボットアームの実際の姿勢との関係に基づき、前記仮想モデルにおいて発生する反力を計算し、該反力と同等のトレーニング負荷を前記被験者の上肢又は下肢に付与する。 In still another strength training apparatus of the present invention, a robot arm that can be adjusted to the length of an upper limb or a lower limb of a subject, a mounting tool that fixes the robot arm along the upper limb or the lower limb of the subject, and the robot arm A control device that controls the axial torque of the joint axis of the robot arm, an angle measuring device that measures the angle of the joint axis of the robot arm, and a torque measuring device that measures the axial torque, and an assumed virtual model and Based on the relationship with the actual posture of the robot arm, a reaction force generated in the virtual model is calculated, and a training load equivalent to the reaction force is applied to the upper limb or the lower limb of the subject.
本発明の更に他の筋力トレーニング装置においては、さらに、前記仮想モデルはばね−ダンパ系の床面モデルを含み、前記被験者は床上を歩行する動作を行う。 In still another strength training apparatus of the present invention, the virtual model further includes a spring-damper floor model, and the subject performs an action of walking on the floor.
本発明によれば、筋力トレーニング装置は、被験者の四肢に沿って装着されたロボットアームの関節軸の角度に応じた軸トルクを発生し、被験者の運動の軌道を所定の軌道に保ちながら特定の実効筋群のためのトレーニング負荷を被験者の四肢に付与する。これにより、実際の運動の形を擬似的に再現しながら特定の実効筋群のトレーニングを効果的に行うことができ、被験者が楽しみながら、所望の筋を対象にした筋力トレーニングを安全に、かつ、効果的に行うことができる。 According to the present invention, the muscle strength training device generates an axial torque corresponding to the angle of the joint axis of the robot arm attached along the limb of the subject, and maintains a predetermined trajectory of the subject while maintaining a specific trajectory. A training load for the effective muscle group is applied to the limb of the subject. As a result, it is possible to effectively train a specific effective muscle group while simulating the shape of an actual exercise, and while the subject enjoys it, the strength training for a desired muscle can be performed safely, and Can be done effectively.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図2は本発明の第1の実施の形態における使用者の体肢の筋群を模式的に示す図、図3は本発明の第1の実施の形態における使用者の体肢の筋の活動パターンを示す図、図4は本発明の第1の実施の形態における使用者の体肢の筋の出力分布特性を示す図である。 FIG. 2 is a diagram schematically showing a muscle group of a user's limb according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an activity of a muscle of the user's limb according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing a pattern, and FIG. 4 is a diagram showing output distribution characteristics of muscles of the user's limbs according to the first embodiment of the present invention.
図2において、20は本実施の形態における被験者としての使用者であり、後述される筋力トレーニング装置10を使用して筋力の測定及びトレーニングを行う者である。まず、筋力トレーニング装置10の背景となる人間の体肢の二関節リンク機構について、本発明の理解に必要な範囲で説明する。
In FIG. 2,
人間の体肢、すなわち、四肢には二関節筋が存在し、該二関節筋は、1つの関節に作用する一関節筋と協調して先端の出力を制御しており、その先端出力は、図4に示されるような六角形の出力分布で表されることが知られている(例えば、非特許文献2参照。)。そして、六角形の出力分布特性に基づいて機能別実効筋力を評価する方法も知られている(例えば、特許文献1参照。)。
次に、本発明の理解に必要な範囲で、非特許文献2及び特許文献1に記載された四肢の先端出力特性について説明する。
Next, the extremity output characteristics of the limbs described in Non-Patent Document 2 and
人間の上肢及び下肢ともに、第一関節、第二関節及び系先端を含む二次元平面内の運動において、第一関節及び第二関節に作用する筋群は、その機能を考慮すると、図2に示されるように、第一関節周りの一対の拮抗一関節筋ペア(f1、e1)、第二関節周りの一対の拮抗一関節筋ペア(f2、e2)、及び、第一関節と第二関節とに跨(またが)る一対の拮抗一関節筋ペア(f3、e3)の3対6筋で代表させることが可能であり、これを機能別実効筋と呼ぶ。なお、図2に示される例は、使用者20の下肢の股(こ)関節及び膝(ひざ)関節に作用する筋群である。
In the movement in the two-dimensional plane including the first joint, the second joint, and the tip of the system for both the human upper limb and the lower limb, the muscle groups acting on the first joint and the second joint are shown in FIG. As shown, a pair of antagonistic one-joint muscles (f1, e1) around the first joint, a pair of antagonistic one-joint muscles (f2, e2) around the second joint, and the first and second joints It can be represented by 3 to 6 muscles of a pair of antagonistic one-joint muscles (f3, e3) straddling (or straddling), and this is called an effective muscle classified by function. Note that the example shown in FIG. 2 is a muscle group that acts on the hip (knee) joint and knee (knee) joint of the lower limb of the
一関節筋は1つの関節にのみ作用する筋で、上肢では肩関節の三角筋前部や三角筋後部、肘(ひじ)関節の上腕筋や上腕三頭筋外側頭が相当し、下肢では股関節の大殿筋や大腰筋、膝関節の大腿(たい)二頭筋短頭や外側広筋が相当する。そして、二関節筋は、2つの関節に跨って作用する筋で、上肢では上腕二頭筋や上腕三頭筋長頭が相当し、下肢ではハムストリングスや大腿直筋が相当する。 An articular muscle is a muscle that acts on only one joint. In the upper limb, it corresponds to the front and back of the deltoid muscle of the shoulder joint, the upper arm muscle of the elbow (elbow) joint and the outer head of the triceps, and the hip joint in the lower limb. This corresponds to the gluteal and large psoas muscles, and the thigh biceps short head and lateral vastus muscles of the knee joint. The biarticular muscle is a muscle that acts across two joints. The upper limb corresponds to the biceps brachii and the triceps long head, and the lower limb corresponds to the hamstrings and rectus femoris.
人間の上肢及び下肢の二関節リンクの系先端、すなわち、上肢では手根関節部、下肢では足関節部において発揮される力及びその出力方向は、3対6筋の機能別実効筋の協調活動で制御される。前記系先端で各方向に最大努力で力を発揮すると、力の出力方向に応じて3対6筋の機能別実効筋が、図3に示されるように交代的に収縮する。なお、図3において、Fは添え字で示される関節筋の力を表している。 The system tip of the bi-joint link of the upper and lower limbs of humans, that is, the force exerted at the wrist joint portion in the upper limb and the ankle joint portion in the lower limb and the output direction thereof are coordinated activities of the effective muscles by function of 3 to 6 It is controlled by. When a force is exerted with maximum effort in each direction at the tip of the system, the effective muscles classified by function of 3 to 6 muscles contract alternately as shown in FIG. 3 according to the output direction of the force. In FIG. 3, F represents the force of the joint muscle indicated by the subscript.
また、3対6筋の機能別実効筋が発揮する収縮力によって体肢先端に発生する力の方向は、図4に示されるとおりであり、図3に示されるような交代パターンに従った協調制御による力の合成によって、六角形の最大出力分布特性を示す。 In addition, the direction of the force generated at the tip of the limb by the contraction force exerted by the effective muscles according to the function of the 3 to 6 muscles is as shown in FIG. 4, and the cooperation according to the alternation pattern as shown in FIG. The maximum output distribution characteristic of hexagon is shown by the composition of force by control.
この最大出力分布特性の六角形の各辺は、第1リンク、第2リンク、第一関節と系先端とを結ぶ直線に平行であるという特徴がある。したがって、六角形の形状は体肢の姿勢によって異なる。そして、筋の収縮力が一定で各関節に発生しているトルクが変化しなくても、関節トルクにより、人間の体肢の先端に発生する力は、上肢又は下肢の姿勢によってその方向も大きさも変化する。 Each side of the hexagon having the maximum output distribution characteristic is characterized by being parallel to a straight line connecting the first link, the second link, the first joint, and the system tip. Therefore, the hexagonal shape varies depending on the posture of the limb. Even if the muscle contraction force is constant and the torque generated at each joint does not change, the direction of the force generated at the tip of the human limb by the joint torque depends on the posture of the upper or lower limb. It also changes.
次に、本実施の形態における筋力トレーニング装置10の構成について説明する。
Next, the structure of the muscular
図1は本発明の第1の実施の形態における筋力トレーニング装置の構造を模式的に示す図である。なお、図において、(a)は側面を示す図であり、(b)は正面を示す図である。 FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of the strength training apparatus according to the first embodiment of the present invention. In addition, in the figure, (a) is a figure which shows a side surface, (b) is a figure which shows a front.
本実施の形態における筋力トレーニング装置10は、前述の人間の体肢の出力特性を考慮し、四肢に存在する一関節筋及び二関節筋による協調制御によって四肢先端の出力が制御されているという実効筋協調制御理論に基づいて実効筋力を測定するとともに、効果的なトレーニングを実現する装置である。
The muscle
なお、特許文献1に記載されたシステムでは、機能別実効筋力を測定するために、四肢先端出力の六角形の出力分布図を作成する必要があるので、使用者は複数の方向に最大努力で力を出す必要がある。
In addition, in the system described in
また、特許文献1に記載されたシステムでは、固定されたセンサで先端出力を測定するので、固定されたセンサに対して使用者が力を加えるために、力の方向を測定すべき方向に誘導する必要がある。力の方向を誘導する方法としては、視覚的に表示する方法、特許文献1に示されるようなバイオフィードバックによる方法等が考えられるが、いずれも使用者の慣れが必要であるとともに、最大筋力を発揮しながら力の方向も制御する技能が要求される。また、必ずしも測定すべき方向に力を発揮することができるとも限らないので、測定し直さなければならない場合もあり、使用者に過度の負担を強いることとなる。
Further, in the system described in
これに対し、本実施の形態における筋力トレーニング装置10は、特許文献1に記載されたシステムの有する前述の問題点を解決したものである。そのため、前記筋力トレーニング装置10は、図に示されるように、使用者20が着座するサドル11と、使用者20の体肢に沿って装着されるロボットアーム12と、該ロボットアーム12を制御する図示されない制御装置と、使用者20が筋力測定の意図を入力する図示されない入力操作装置とを有する。なお、ここでは説明の都合上、下肢の例についてのみ説明するが、上肢についても同様である。
On the other hand, the muscular
そして、前記ロボットアーム12は、大腿部に対応する第1リンク13aと、下腿部に対応する第2リンク13bとの2つのリンクから成る2自由度のロボットアームである。また、前記第1リンク13a及び第2リンク13bは、リンク長を調節することができるスライド機構を備え、筋力測定及び筋力トレーニングを行うときには、それぞれ、使用者20の大腿部及び下腿部の長さと同じになるように調整され、第1装着具14a及び第2装着具14bによって大腿部及び下腿部に固定される。なお、第1リンク13a及び第2リンク13b並びに第1装着具14a及び第2装着具14bを統合的に説明する場合には、各々、リンク13及び装着具14として説明する。
The
なお、前記ロボットアーム12は、使用者20がサドル11に着座した状態で、使用者20に装着されるが、このとき、ロボットアーム12の第1関節軸15aを使用者20の股関節に一致させ、ロボットアーム12の第2関節軸15bを使用者20の膝関節軸に一致させる。また、前記第1関節軸15a及び第2関節軸15bには、第1サーボモータ16a及び第2サーボモータ16bが連結され、さらに、関節角度を測定するための角度測定装置としてアブソリュート型エンコーダが装備されている。なお、前記第1関節軸15a及び第2関節軸15b並びに第1サーボモータ16a及び第2サーボモータ16bを統合的に説明する場合には、各々、関節軸15及びサーボモータ16として説明する。ここで、該サーボモータ16は、関節駆動源として機能し、関節軸15を回転させるための軸トルクとしてのトルクを発生する。そして、サーボモータ16が発生するトルクは、前記制御装置によって制御される。また、該制御装置が有する記憶装置によって、ロボットアーム12の関節軸15が発生しているトルクを記憶することができる。
The
さらに、前記制御装置には、図示されないCRT、液晶ディスプレイ等を備える表示装置、プリンタ等の印刷装置等の出力手段が接続されている。該出力手段は、ロボットアーム12が発揮している力の大きさや方向を表示又は印刷したり、使用者20に対して発揮すべき力の方向、姿勢変化量等の表示を行う。
Further, the control device is connected to output means such as a display device including a CRT, a liquid crystal display (not shown), and a printing device such as a printer. The output means displays or prints the magnitude and direction of the force exerted by the
また、各関節軸15には軸トルクを測定するトルク測定装置としてのトルクセンサが装備されている。そして、制御装置がサーボモータ16を制御することによって、関節角度及び関節軸15が発生するトルクを制御することができる。なお、関節角度の制御とトルクの制御とは、適宜切り替えて行われる。また、制御装置に内蔵された又は接続されたハードディスク装置、フラッシュメモリ等の不揮発性の記憶装置によって、ロボットアーム12の関節軸15が発生するトルク及び関節角度を記憶することができる。
Each joint shaft 15 is equipped with a torque sensor as a torque measuring device for measuring shaft torque. The control device controls the servo motor 16 to control the joint angle and the torque generated by the joint shaft 15. Note that the joint angle control and the torque control are appropriately switched. Further, the torque and joint angle generated by the joint shaft 15 of the
次に、前記構成の筋力トレーニング装置10の動作について説明する。ここでは、下肢のトレーニングを行うための自転車を漕ぐ動作を例に説明する。この場合、使用者20の左右の脚にロボットアーム12をそれぞれ装着する。
Next, the operation of the
図5は本発明の第1の実施の形態におけるロボットアームの先端の円軌道及び力の関係を示す図、図6は本発明の第1の実施の形態におけるロボットアームの姿勢を示す第1の図、図7は本発明の第1の実施の形態におけるロボットアームの姿勢を示す第2の図、図8は本発明の第1の実施の形態におけるロボットアームの姿勢と負荷の変化との関係を示す図である。なお、図5において、(a)はロボットアームの先端を円軌道へ復元させる復元力の状態を示し、(b)はロボットアームの先端の円軌道からの距離と復元力の大きさとの関係を示している。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the circular trajectory and the force at the tip of the robot arm in the first embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a first diagram showing the posture of the robot arm in the first embodiment of the present invention. FIG. 7 is a second view showing the posture of the robot arm in the first embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a relationship between the posture of the robot arm and the change in load in the first embodiment of the present invention. FIG. In FIG. 5, (a) shows the state of restoring force that restores the tip of the robot arm to a circular orbit, and (b) shows the relationship between the distance from the circular orbit of the tip of the robot arm and the magnitude of the restoring force. Show.
自転車を漕ぐ動作は、脚の先端を自転車のペダルに固定してクランクを回す円運動である。そこで、図5(a)に示されるように、仮想的な円軌道25を想定し、使用者20の脚の先端に対応するロボットアーム12の先端が円軌道25から半径方向に離れると、ロボットアーム12は、矢印で示されるように、その先端を円軌道25に復元させる復元力を発生し、これにより、脚の先端が円軌道25を描くような運動を使用者20に強制する。
The operation of rowing the bicycle is a circular motion in which the tip of the leg is fixed to the pedal of the bicycle and the crank is turned. Therefore, as shown in FIG. 5A, assuming a virtual
そして、先端の軌道が円軌道25に固定されているならば、ロボットアーム12の関節角度とロボットアーム12が発生する力との関係を、ロボットアーム12の関節角度とロボットアーム12の関節軸が発生するトルクとの関係としてあらかじめ計算し、計算の結果を参照テーブルとして制御装置の記憶装置に保存しておくことができる。筋力トレーニングを行う際に、前記参照テーブルを参照するようにすると、制御装置の演算処理負荷を軽減することができる。
If the tip trajectory is fixed to the
特許文献2には、股関節屈曲側一関節筋屈筋群f1のトレーニングを実施する場合には、股関節屈曲側一関節筋屈筋群f1と膝関節伸展側一関節屈筋群e2と大腿部伸展側二関節筋屈筋群e3とが活動するa方向のトレーニング、及び、股関節屈曲側一関節筋屈筋群f1と膝関節屈曲側一関節屈筋群f2と大腿部屈曲側二関節筋屈筋群f3とが活動するc方向のトレーニングを、1:1の割合で実施すると効果的であることが示されている。 In Patent Document 2, when training the hip joint flexion side joint flexor muscle group f1, the hip joint flexion side joint flexor muscle group f1, the knee joint extension side joint flexor muscle group e2, and the thigh extension side joint two are disclosed. Training in the a direction in which the articular flexor muscle group e3 is active, and the hip flexion side joint flexor muscle group f1, the knee flexion side joint flexor muscle group f2, and the thigh flexion side biarticular flexor muscle group f3 are active. It has been shown that it is effective to perform training in the c direction at a ratio of 1: 1.
自転車を漕ぐ動作を行いながらf1のトレーニングを実施するために、ロボットアーム12の姿勢によって負荷を変化させる。
The load is changed according to the posture of the
図6には、自転車を漕ぐ動作を行う場合の使用者20の脚の先端が描く円軌道25の円の接線方向と、股関節屈曲側一関節筋屈筋群f1と膝関節伸展側一関節屈筋群e2と大腿部伸展側二関節筋屈筋群e3とが活動するa方向とが一致するロボットアーム12の姿勢が示されている。なお、図6において、矢印は、前記円の接線方向ではあるが、前記a方向と反対方向であって、ロボットアーム12が発生するトレーニング負荷の方向を示している。また、αは、使用者20の脚の先端に対応するロボットアーム12の先端の位置を円軌道25の中心を原点(極)とする極座標で表す場合の偏角であり、始点(円の頂点)からロボットアーム12の先端までの中心角の大きさを示している。
FIG. 6 shows the tangential direction of the circle of the
一方、図7には、自転車を漕ぐ動作を行う場合の使用者20の脚の先端が描く円軌道25の円の接線方向と、股関節屈曲側一関節筋屈筋群f1と膝関節屈曲側一関節屈筋群f2と大腿部屈曲側二関節筋屈筋群f3とが活動するc方向とが一致するロボットアーム12の姿勢が示されている。なお、図7においても、図6と同様に、矢印は、前記円の接線方向ではあるが、前記c方向と反対方向であって、ロボットアーム12が発生するトレーニング負荷の方向を示している。また、βは、使用者20の脚の先端に対応するロボットアーム12の先端の位置を円軌道25の中心を原点(極)とする極座標で表す場合の偏角であり、始点(円の頂点)からロボットアーム12の先端までの中心角の大きさを示している。
On the other hand, FIG. 7 shows the tangential direction of the circle of the
そこで、本実施の形態においては、使用者20の脚に装着されたロボットアーム12の姿勢が図6及び7に示されるようになったときに、すなわち、使用者20の脚の先端が円軌道25上において偏角α及びβの位置に到達したときに、矢印で示されるような円周方向の負荷をロボットアーム12が発生し、トレーニング負荷として、使用者20の脚に付与する。つまり、図8に示されるように、使用者20の脚の先端の位置が始点から角度α及びβとなったときに円周方向の負荷が使用者20の脚に付与される。この場合、制御装置は、前記参照テーブルとして保存されたデータに基づいて、図8に示されるような円周方向の負荷をロボットアーム12に発生させる。これにより、使用者20の脚の股関節屈曲側一関節筋屈筋群f1を対象にした筋力トレーニングを選択的に行うことができる。
Therefore, in the present embodiment, when the posture of the
なお、実際に使用者20の脚に与えられる負荷は、図5(a)において矢印で示されるような脚の先端が円軌道25を描くような運動を使用者20に強制するための半径方向の復元力と、図6及び7において矢印で示されるような使用者20の脚の股関節屈曲側一関節筋屈筋群f1のトレーニング負荷としての円周方向の負荷とを合わせたものになる。
It should be noted that the load actually applied to the leg of the
また、該円周方向の負荷についても、あらかじめ計算して前記参照テーブルに加えておくこともできる。 Further, the load in the circumferential direction can be calculated in advance and added to the reference table.
前記半径方向の復元力は、前記円周方向の負荷に対して十分に大きくすることが望ましい。本実施の形態におけるトレーニングの開始直後では、使用者20の脚の先端が描く軌道は、一般的に、円軌道25から大きく外れるものと考えられる。そのため、トレーニングの開始直後では、大きな半径方向の復元力が使用者20の脚に付与される。しかし、使用者20がトレーニングを重ねるに従って、脚の先端が描く軌道は、徐々に円軌道25に近付くものと考えられる。したがって、使用者20の脚に付与される半径方向の復元力は、漸減してゼロに近付き、それに伴い、使用者20の脚に付与される負荷の総和、円周方向の負荷に近付いていく。
It is desirable that the radial restoring force be sufficiently large with respect to the circumferential load. Immediately after the start of training in the present embodiment, the trajectory drawn by the tip of the leg of the
なお、本実施の形態においては、使用者20の脚の先端が描く軌道が円軌道25である場合について説明したが、前記軌道は必ずしも円軌道25に限定されるものではなく、いかなる形状の軌道であってもよい。すなわち、円軌道25の場合の半径方向及び円周方向を、軌道に垂直な方向及び軌道の接線方向と置き換えて考えれば、いかなる形状の軌道にも適用することができる。また、トレーニングの対象は、脚でなく腕であってもよい。
In the present embodiment, the case where the trajectory drawn by the tip of the leg of the
このように、本実施の形態においては、参照テーブルに示される関節軸の軸トルクと関節軸の角度との関係に基づいて軸トルクを発生することによって、使用者20の脚の先端が所定の軌道を描くように保ち、かつ、特定の実効筋群のためのトレーニング負荷を使用者20の脚に付与する。これにより、自転車漕ぎのような実際の運動の形を擬似的に再現しながら、特定の実効筋群のトレーニングを効果的に行うことができる。
As described above, in this embodiment, the tip of the leg of the
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第1の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing which has the same structure as 1st Embodiment, the description is abbreviate | omitted by providing the same code | symbol. The description of the same operation and the same effect as those of the first embodiment is also omitted.
図9は本発明の第2の実施の形態におけるロボットアームの姿勢と負荷の変化との関係を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the posture of the robot arm and the change in load in the second embodiment of the present invention.
本実施の形態においては、制御装置に保存される参照テーブルには、使用者20の脚の先端が描く軌道に垂直な方向(円の半径方向)の負荷に相当する軸トルクと、前記軌道の接線方向(円の円周方向)の負荷に相当する軸トルクとが区別されて保存されている。そして、前記軌道の接線方向の負荷については、トレーニングの速度、すなわち、トレーニングの際における前記軌道の接線方向の速度に対して単調増加となるような係数を参照テーブルに保存されたデータに乗じる。これにより、図9に示されるように、トレーニングの際における使用者20の脚の先端の速度に対応して、使用者20の脚に付与される負荷を変化させることができる。
In the present embodiment, the reference table stored in the control device includes an axial torque corresponding to a load in a direction perpendicular to the trajectory drawn by the tip of the leg of the user 20 (the radial direction of the circle), and the trajectory of the trajectory. The shaft torque corresponding to the load in the tangential direction (circumferential direction of the circle) is distinguished and stored. For the load in the tangential direction of the trajectory, the data stored in the reference table is multiplied by a coefficient that monotonically increases with respect to the training speed, that is, the tangential speed of the trajectory during training. Accordingly, as shown in FIG. 9, the load applied to the leg of the
なお、図9には、図が煩雑になるのを防ぐために、高速、中速及び低速の3段階の速度に対応する負荷の変化が示されているが、負荷は、速度に対応して段階的に変化させるよりは、連続的に変化させる方が好ましい。 FIG. 9 shows changes in load corresponding to three speeds, high speed, medium speed, and low speed, in order to prevent the figure from becoming complicated. It is preferable to change continuously rather than to change continuously.
なお、実際に使用者20の脚に与えられる負荷は、前記第1の実施の形態と同様に、使用者20の脚の先端が描く軌道に垂直な方向の負荷と、前記軌道の接線方向の負荷とを合わせたものになる。
Note that the load actually applied to the leg of the
このように、本実施の形態においては、トレーニングの結果、使用者20の筋力が変化してトレーニングの速度が変化した場合であっても、負荷のデータが保存された参照テーブルを作り直す必要がなく、速度に対応した適切な負荷を使用者20に付与することができる。
As described above, in the present embodiment, it is not necessary to recreate a reference table in which load data is stored even when the muscular strength of the
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。なお、第1及び第2の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第1及び第2の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing which has the same structure as 1st and 2nd embodiment, the description is abbreviate | omitted by providing the same code | symbol. Also, the description of the same operations and effects as those of the first and second embodiments is omitted.
図10は本発明の第3の実施の形態におけるロボットアームの床面を想定した仮想モデルを示す図である。 FIG. 10 is a diagram showing a virtual model that assumes the floor surface of the robot arm according to the third embodiment of the present invention.
本実施の形態においては、前記第1の実施の形態のように、仮想的な円軌道25を想定した仮想モデルによって自転車を漕ぐトレーニングを行う場合でなく、図に示されるように、仮想的な床面31を想定した仮想モデルによって床面31から受ける反力が使用者20の脚にトレーニング負荷として付与される擬似的な歩行のトレーニングを行う場合について説明する。
In the present embodiment, as shown in the figure, it is not a case where training for riding a bicycle is performed using a virtual model assuming a virtual
具体的には、使用者20の体重に相当する質量21がロボットアーム12の基端、すなわち、使用者20の股関節に対応する第1関節軸15aに付与されるものとする。また、仮想的な床面モデル32を想定し、これにより、使用者20の脚が床面31から受ける反力、すなわち、床反力を計算する。この場合、床面モデル32は、ばね32a及びダンパ32bを備えるばね−ダンパ系であるものとする。さらに、床面31の摩擦係数は一定であるものと仮定する。なお、使用者20の大腿部には第1リンク13aが対応し、下腿部には第2リンク13bが対応する。
Specifically, a
このような仮想モデルにおいて、使用者20に床反力及び重力が作用している状態をシミュレーションし、使用者20の股関節の高さを計算する。なお、計算した股関節の高さの初期値をトレーニング開始時の股関節高さとする。
In such a virtual model, a state in which floor reaction force and gravity are acting on the
そして、使用者20は歩行するときのように脚を動かしてトレーニングを行う。仮想モデルにおける股関節高さとロボットアーム12の実際の姿勢とから、使用者20の脚の先端と仮想的な床面31との干渉高さを計算し、さらに、床面モデル32のばね−ダンパ系に基づき、床面31に垂直な方向の床反力、すなわち、垂直床反力を計算する。
Then, the
また、床面31に平行な方向の反力は、体重の慣性力に相当する反力である。なお、該反力の最大値は、垂直床反力に床面31の摩擦係数を乗じた最大摩擦力であるものとする。
Further, the reaction force in the direction parallel to the
このようにして計算された床面31に垂直な反力と床面31に平行な反力との合力をロボットアーム12に発生させ、トレーニング負荷として使用者20の脚に付与する。
A resultant force of the reaction force perpendicular to the
なお、トレーニングを行う際の使用者20の姿勢は、必ずしも立った姿勢に限定されるものではなく、他の姿勢、例えば、仰向けに寝た姿勢、傾斜した背もたれにもたれ掛かった姿勢等であってもよい。トレーニングを行う際の使用者20の姿勢に合わせて、使用者20の体躯(く)の方向を重力方向として仮想モデルを設定することが望ましい。
Note that the posture of the
また、使用者20の体重に相当する質量21は、必ずしも使用者20の実際の体重と一致している必要はない。そのため、使用者20の筋力の状態や関節疾患の状態に合わせて、軽い負荷でトレーニングを開始し、徐々に負荷を増やしていくことができる。
Further, the
このように、本実施の形態においては、想定された仮想モデルとロボットアーム12の実際の姿勢との関係に基づき、仮想モデルの発生する反力を計算し、該反力と同等のトレーニング負荷を使用者20の脚に付与する。これにより、任意の体重に対応した負荷を使用者20に付与しながら、擬似的な歩行のトレーニングを行うことができる。そのため、使用者20が、寝たきりで脚の筋力が低下した状態であっても、また、関節に疾患がある状態であっても、使用者20の状態に合わせた負荷で、歩行のトレーニングを行うことができる。
As described above, in the present embodiment, the reaction force generated by the virtual model is calculated based on the relationship between the assumed virtual model and the actual posture of the
また、トレーニングを行う際の使用者20の姿勢は、立った姿勢である必要はなく、座席に座った状態であっても、また、仰向けに寝た状態であってもよいので、使用者20が転倒してしまう危険性がない。
Further, the posture of the
さらに、床面31は、必ずしも仮想の重力方向に垂直である必要はなく、傾斜が付いていてもよいし、また、段差があってもよい。
Furthermore, the
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.
10 筋力トレーニング装置
12 ロボットアーム
14a 第1装着具
14b 第2装着具
15a 第1関節軸
15b 第2関節軸
20 使用者
25 円軌道
32 床面モデル
DESCRIPTION OF
Claims (5)
(b)該ロボットアームを前記被験者の上肢又は下肢に沿って固定する装着具と、
(c)前記ロボットアームの関節軸の軸トルクを制御する制御装置と、
(d)前記ロボットアームの関節軸の角度を測定する角度測定装置と、
(e)前記軸トルクを測定するトルク測定装置と、
(f)前記ロボットアームの先端が所定の軌道を描くように運動する際の前記関節軸の軸トルクと関節軸の角度との関係を示す参照テーブルを保存する記憶装置とを有し、
(g)前記参照テーブルに示される関節軸の軸トルクと関節軸の角度との関係に基づいて軸トルクを発生することによって、前記軌道に垂直な方向の負荷が前記軌道の接線方向の負荷よりも大きくなるようにトレーニング負荷を発生し、前記被験者の上肢又は下肢の先端が前記軌道を描くように保ち、かつ、特定の実効筋群のためのトレーニング負荷を前記被験者の上肢又は下肢に付与することを特徴とする筋力トレーニング装置。 (A) a robot arm that can be adjusted to the length of the upper or lower limb of the subject;
(B) a wearing tool for fixing the robot arm along the upper limb or the lower limb of the subject;
(C) a control device for controlling the axial torque of the joint axis of the robot arm;
(D) an angle measuring device for measuring the angle of the joint axis of the robot arm;
(E) a torque measuring device for measuring the shaft torque;
(F) a storage device for storing a reference table indicating a relationship between an axial torque of the joint axis and an angle of the joint axis when the tip of the robot arm moves so as to draw a predetermined trajectory;
(G) By generating an axial torque based on the relationship between the axial torque of the joint axis and the angle of the joint axis shown in the reference table, the load in the direction perpendicular to the track is greater than the load in the tangential direction of the track. Training load is generated so that the tip of the subject's upper limb or lower limb is drawn in the trajectory, and a training load for a specific effective muscle group is applied to the subject's upper limb or lower limb. A strength training device characterized by that.
(b)該ロボットアームを前記被験者の上肢又は下肢に沿って固定する装着具と、
(c)前記ロボットアームの関節軸の軸トルクを制御する制御装置と、
(d)前記ロボットアームの関節軸の角度を測定する角度測定装置と、
(e)前記軸トルクを測定するトルク測定装置とを有し、
(f)想定された仮想モデルと前記ロボットアームの実際の姿勢との関係に基づき、前記仮想モデルにおいて発生する反力を計算し、該反力と同等のトレーニング負荷を前記被験者の上肢又は下肢に付与することを特徴とする筋力トレーニング装置。 (A) a robot arm that can be adjusted to the length of the upper or lower limb of the subject;
(B) a wearing tool for fixing the robot arm along the upper limb or the lower limb of the subject;
(C) a control device for controlling the axial torque of the joint axis of the robot arm;
(D) an angle measuring device for measuring the angle of the joint axis of the robot arm;
(E) a torque measuring device that measures the shaft torque;
(F) Based on the relationship between the assumed virtual model and the actual posture of the robot arm, a reaction force generated in the virtual model is calculated, and a training load equivalent to the reaction force is applied to the upper limb or the lower limb of the subject. A strength training apparatus characterized by being given.
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