JP5756230B2 - トレーニング装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施の形態1にかかるトレーニング装置のシステム構成を示す図である。図1には、トレーニングを実施しているユーザ2も併せて示している。本実施形態にかかるトレーニング装置10は、筋力トレーニング機12を備えている。筋力トレーニング機12は、いわゆるレッグプレスを行うことができ、レッグプレスの際にユーザ2が脚を固定する可動部16を備えている。レッグプレスは、膝を伸ばす運動であり、下肢全体の筋力を強化し、立ち上がる、歩く、座るなどの基本動作に必要な筋力を向上させることができる。
[解析基本データ]
図2乃至図13は、本発明の実施の形態にかかる、運動状況に基づく負荷制御技術について説明するための図である。前述したように、本実施形態にかかるトレーニング装置10はレッグプレスを行うための装置である。
ユーザ2のレッグプレス動作に伴って、図2および図3に示すように、運動開始位置(L=0)から距離Lが一定の最大値まで増加し、その後、減少してもとの値に戻るという波形が描かれる。以下、レッグプレスの往復動作一単位において、脚を伸ばすことで距離Lが増加する期間を時間T1とし、脚を縮めることで距離Lが減少する期間を時間T2とする。本実施の形態では、一例として、往路(伸ばす)に4秒かけ、復路(縮める)に4秒かけてレッグプレスの往復運動を行うことを前提とするものとする。それぞれの三角波形の最大値を頂点Pと称し、1回目の往復運動の頂点をP1、2回目の往復運動の頂点をP2、・・・、n回目の往復運動の頂点をPnとも称す。ただし、nは正の整数である。
処理(1)は、複数の頂点Pの関係に基づいて負荷の妥当性を判定する処理である。
処理(2)は、1つの波形の対称性などに基づいて負荷の妥当性を判定する処理である。
なお、以下に述べる解析方法や演算処理(判定処理)において評価のために「所定値」を用いている。この所定値は解析手法ごとや処理ごとに異なる値を用いることが普通であるが、可能であれば複数の解析手法、処理の間で共用してもよい。
図4乃至9は、本実施の形態において演算装置20が実行する負荷妥当性判定処理の処理内容を説明する為の図である。本実施の形態では、複数の三角波形の頂点P1、P2、・・・Pnのうち所定個数を利用して、それらの頂点の位置関係に基づいて、負荷の妥当性の判定を行う。具体的には、本実施の形態では、図4などにあるとおり6つの波形それぞれの頂点の位置関係を判定に利用する。
頂点Pの抽出は、エンコーダ22aの出力を監視することで行うことができる。すなわち、図2にも示したとおり、往路と復路との間で距離Lの増大と減少とが切り替わるため、その切り替わりの点を頂点Pとして抽出することができる。つまり、頂点Pは、距離Lの軸上における、往復運動の折り返し位置である。
なお、本実施の形態では6つの頂点Pを解析に用いるが、解析に使用する頂点Pの個数は2つ以上であればよく、また6つより多数であってもよい。
(解析方法1)
複数の頂点Pのばらつきを解析する。つまり、距離Lの軸上における折り返し位置のばらつきを解析する。ばらつきの評価は、例えば平均偏差の大きさに基づいて行えばよい。頂点Pのばらつき(折り返し位置のばらつき)が小さいほど、つまり頂点Pの距離軸方向成分の値が同一であるほど、負荷がより妥当であると考えられる。また、設定した所定折り返し位置L1と、頂点Pの位置が近いほど、負荷がより妥当であると判定してもよい。
ここで、複数の頂点P全体を現すために作成した直線、折れ線、曲線を、「ピーク線」とも称す。本実施の形態では、ピーク線は複数の頂点Pの間をつなげて作成した線としている。しかしながら、本発明はこれに限られず、複数の頂点Pに対して最小二乗法などを適用して作成した線でもよく、複数の頂点Pに対して直線あるいは曲線でフィッティングを行って作成した線であっても良い。
図8では、折り返し位置(頂点Pの距離方向成分)が当初上がり調子であったものが途中から下がり調子となっており、ピーク線が山の形状を有している。これは、過負荷によりユーザ2が疲労していることによるものと考えられるため、負荷が重いと判定される。そこで、次回以降のトレーニング開始時には負荷が軽減される。図8のケースに該当するか否かの判定は、ピーク線の傾きが増加(正の値)と減少(負の値)の両方を有しているか否かの判定や、その正の値の絶対値および負の値の絶対値がそれぞれ所定値以上か否かを判定すればよい。
図9は、距離L1の設定間違い等により全体のストロークが短く検出されている状態を示す。この場合は、距離L1に基づく評価はできないので、このL1を再設定(図9であれば、より小さな値に設定)する。負荷の変更はしない。図9のケースに該当するか否かの判定は、ピーク線と距離L1との平均的な距離が所定値以上に大きいか否かを判定すればよい。
上述した解析方法のほか、負荷の妥当性の判断は、「ストロークの平均値」を求めて所定値と比較してもよい。また、「折り返し位置の最大値と最小値との差(つまり、頂点Pの最大値と最小値の差)」を所定値と比較して、その最大値と最小値の差が小さいほど負荷が妥当であると判断してもよい。また、複数の三角波形の間で、特に隣接する2つの三角波形の間で、「頂点Pの差分を取りその差の大きさ」を所定量と比較し、2つの頂点Pの差分が小さいほど負荷が妥当であると判断してもよい。また、「ピーク線の傾きの大きさ」を所定傾きと比較し、この傾きが小さいほど負荷が妥当であると判断してもよい。「折り返し位置からの所定位置に対する差分の大きさ」を所定値と比較してもよい。
本実施の形態では、上記の「複数の頂点Pの関係に基づいて負荷の妥当性を判定する処理」に加えて、下記の処理も付随的に実行するものとする。これにより、上記の「複数の頂点Pの関係に基づいて負荷の妥当性を判定する処理」のみでは判断が難しい場合に最終的な結論を得ることができたり、或いは、より精度良く妥当性の判断を行うことができたりする。
(負荷制御および負荷自動制御モード)
上記の各解析方法によって負荷の妥当性判定を行ったら、その判定結果を、実際の運動負荷変更装置28の負荷制御に利用する。利用の態様としては、負荷が妥当(適正)と判定されたのであれば、同じ負荷でトレーニングを継続し、次回以降も同一負荷でトレーニングを開始してもよい。一方、負荷が妥当ではないと判定されたのであれば、次回以降のトレーニング開始時の負荷設定時に自動的に変更(所定規則に則って増加又は減少)してもよい。自動的に負荷を変更するモードを「負荷自動制御モード」とも称す。
上記の説明では、負荷の値を自動的に調節するという態様を説明した。しかしながら、トレーニング装置10が負荷の自動調節を行わなくともよい。つまり、上記の解析方法で得た解析結果の利用の態様としては、解析結果を表示部32に表示するのみにとどめても良く、或いは、負荷として設定する候補としての負荷設定値の算出処理に反映させるのみとしてもよい。
図14は、本発明の実施の形態においてトレーニング装置10の演算装置20が実行するルーチンのフローチャートである。
負荷自動制御モードであれば、ステップS112の解析結果がそのまま反映される。一方、アンケートモードであれば、ステップS114で入力部30への情報入力を促す処理(例えば表示部32に「アンケート回答入力待ち」等と表示する処理)を実行してもよく、入力部30への入力操作に基づいて最終的な次回の負荷を決定してもよい。つまり、表示部32に「きつい」又は「楽」という表示をしたとしても、入力部30に対して「適正」という入力があった場合には、次回の負荷は今回の負荷と同一に設定されるようにしてもよい。その後、今回のルーチンが終了する。
(神経系異常等との判別処理)
なお、図13は、負荷が妥当ではないという場合の一類型として示したが、図13に示すような波形は、ユーザ2が神経系の損傷等を有している場合に得られる波形として典型的なものの一つである。図13に示す波形は、往路においてまず速度V1で増加し、次に速度V2(但しV1<V2)で急激に増加し、さらに速度V3(但し、V3<V2)で緩やかに増加する。その後、復路において速度V4(但し、V4の絶対値は、V3の絶対値より大きい)で減少し、次いで速度V5(但しV5の絶対値はV4の絶対値よりも大きい)で更に急激に減少し、その後速度V6(但しV6の絶対値はV5の絶対値よりも小さい)で緩やかに減少する。また、往路の波形を積分値(面積S1)は、復路の波形の積分値(面積S2)よりも大きい。また、往路部分の波形と比べて、復路部分の波形は、紙面上方に向かって先細りの尖った形状を有している。
処理(A)は、上記のV1乃至V6の関係に該当するか否かの判定を行う処理である。
処理(B)は、面積S1、S2の関係に該当するか否かの判定を行う処理である。
処理(C)は、予め取得しておいた神経系異常ユーザの波形との間でフィッティングを行いその近似度(マッチング度合い)が所定%以上であるか否かの判定を行う処理である。
別途単独に用いる場合には、そのトレーニング装置は、筋力トレーニング機12と、運動状況検出器22と、演算装置20と、記憶装置26とを備える。そして、演算装置20は、対称性の低い波形が算出された場合には、更に、その対称性の比較が図13に示すような所定パターンと一致(又は有意に近似)するか否かを判定する処理を実行する。一致(又は有意に近似)する場合には、神経系などの異常が疑われるという解析結果又は負荷以外の要因によりトレーニングに異常が発生している可能性があるという解析結果を示す出力信号を発する。その出力信号に基づいて、表示部32への表示を行ったり、外部報知をしたりしてもよく、この場合には、負荷の解析結果にかかわらず負荷変更を行わないという負荷変更停止処理を実施してもよい。
なお、上記の説明では、「負荷に起因する不適当な動作」と「神経系異常」とを判別する判別処理(神経系異常等判別処理)を説明した。ここで、神経系異常の症状は、筋肉の異常(肉離れ等)、骨の異常(疲労骨折等)、関節の異常(関節面のずれ等)に起因して発生することが考えられる。そこで、上述した判別処理は、これらの筋肉、骨、関節についての異常の有無を判定する判定処理(筋肉等異常判定処理)として提供されても良い。
実施の形態では、エンコーダ22aの出力信号から得られる複数の波形のそれぞれについて、変位座標成分が最大値となる頂点P1、P2、・・・Pnを特定することとした。この複数の頂点Pの値を利用して、負荷の妥当性の解析を行った。しかしながら、本発明は、頂点Pを用いる形態のみに限られるものではない。時間軸上においてトレーニング動作一単位分の波形が有する「固有の値」を複数の波形について少なくとも1つずつ取得し、複数個取得した固有の値についてばらつき、変化の傾向、および所定値との乖離のうち少なくとも1つを評価することができる。
なお、実施の形態では、トレーニング装置10で実施するトレーニング動作として、レッグプレスを選択した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、ヒップアブダクション、ローイング、レッグエクステンションといった各種のトレーニング動作を行うためのトレーニング装置にも、本発明を適用することができる。上半身の筋力を鍛える各種トレーニングや、四肢運動のリハビリテーションにおいて腕、肩、肘、手首、指、その他上半身、下半身の各種部位を規則的に動かすトレーニングを実施するトレーニング装置においても、本発明を適用することができる。
なお、運動状況の検出は、筋力トレーニング機12においてトレーニング中に変位する部位(変位部)の変位を検出するものであってもよいし、トレーニングの動作に応じたトレーニング実施者(ユーザ2)のトレーニング対象部位(実施の形態では、脚の角度や伸ばした長さ等)の変位を検出するものであってもよい。
なお、本発明においては、本実施の形態において説明する制御処理、演算処理、判定処理その他の処理が、CD−ROM,DVD−ROMその他のプログラム用記憶媒体に記憶して提供されても良い。また、プログラム単体として流通させても良い。また、上記の実施の形態で行った制御、解析方法、処理の内容は「トレーニング方法」の発明として実施されても良い。
10 トレーニング装置
12 筋力トレーニング機
16 可動部
20 演算装置
22 運動状況検出器
22a エンコーダ
22b エンコーダ信号検出器
26 記憶装置
28 運動負荷変更装置
29 錘
30 入力部
32 表示部
Claims (4)
- トレーニング動作に応じて変位する変位部および前記トレーニング動作中にトレーニング実施者に負荷を与えるための負荷生成部を備えたトレーニング機と、
前記変位部の変位を検出する検出手段と、
時間軸上において前記検出手段で検出した前記変位に含まれるトレーニング動作一単位分の波形が有するピーク点、前記波形の積分値、前記波形の長さ、前記波形の立ち上がり角度、前記波形のピーク点位置の角度、所定の波形形状を示すパラメータのうちから選ばれた少なくとも一つの固有の値を複数の波形について取得し、これら複数の前記固有の値の関係により複数の前記固有の値のばらつき、変化の傾向、および複数の前記固有の値の平均値と所定値との乖離のうち少なくとも1つを評価し、その評価に従って前記負荷生成部の制御、前記負荷生成部に設定する負荷値の算出および前記評価結果の報知のうち少なくとも1つを実行する演算手段と、
を備えることを特徴とするトレーニング装置。 - 前記演算手段は、
複数の前記波形のそれぞれについて、変位座標成分が最大値となる点であるピーク点を、前記固有の値として特定するピーク点特定手段と、
変位座標に見た複数の前記ピーク点の位置関係により、複数の前記ピーク点のばらつきの大きさ、複数の前記ピーク点の増減の傾向、および複数の前記ピーク点の平均値と所定変位との差分のうち少なくとも1つに基づいて、前記負荷生成部を制御し又は前記負荷生成部で設定すべき負荷値を算出する算出手段と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載のトレーニング装置。 - 前記トレーニング動作は往復運動を含む動作であり、
前記検出手段で検出した前記変位に含まれるトレーニング動作の往復運動一単位分の波形における、時間、速度、スムース性、および対称性の中から選ばれた少なくとも1つの特性に基づいて、前記負荷生成部で設定すべき負荷値を算出する単位波形評価手段を、更に備え、
前記演算手段は、前記単位波形評価手段で算出した前記負荷値を算入して、前記負荷生成部を制御し又は前記負荷生成部に設定する負荷値を算出する手段を含むことを特徴とする請求項1または2に記載のトレーニング装置。 - 前記単位波形評価手段は、
前記1つの波形の対称性が所定の度合いよりも低いか否かを判定するものであって前記トレーニング動作の往路と復路の時間的関係に基づいて対称性を判定する対称性判定手段と、
前記対称性判定手段で対称性の低い波形が算出された場合には、前記対称性の低い波形が所定パターンと一致するか否か又は所定度合い以上近似するか否かを判定するパターン判定手段と、
を含み、
前記対称性の低い波形が前記所定パターンと一致又は所定度合い以上近似する場合には、所定の信号を出力する出力手段をさらに備えることを特徴とする請求項3に記載のトレーニング装置。
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