JP5785716B2 - トレーニング装置及びトレーニング方法 - Google Patents

Description

本発明は、運動者が筋力トレーニングを行なうためのトレーニング装置及びトレーニング方法に関する。

近年、健康志向の高まりなどにともなって、フィットネスジムなどでトレーニング装置を利用してトレーニングを行う人が増加している。また、国の施策として、高齢者が要介護者などにならないようにするための介護予防の観点から、健康維持や体力低下の防止のためにトレーニング装置によって筋肉トレーニングを行う高齢者が増えてきている。このようなトレーニング装置としては、例えば、脚の筋肉を鍛えるためのレッグプレスマシンや、胸や腕の筋肉を鍛えるためのチェストプレスマシンなどがある。

また、このような用途に用いられるトレーニング装置としては、板おもり（金属製などの重量プレート）を用いて運動者に負荷を与える板おもり方式が主流であるが、この板おもり方式はきめ細かな負荷調整を行うことが困難なので、個々の運動者に対して適切な筋肉トレーニングを行わせることが難しい。

そこで、近年では、電動モータのトルク力によって運動者に負荷を与えるモータ方式のトレーニング装置が普及し始めている。モータ方式のトレーニング装置は、電動モータをトルク制御することによって負荷の大きさをきめ細かに調整することができるので、運動者（特に、高齢者）は、安全で、楽しく、かつ効果的に筋肉トレーニングを行うことができる。

ところで、最近のスポーツ医学や運動生理学の進歩に伴い、従来のトレーニング装置では、真に有効なトレーニングが実現されないことが徐々に明らかとなりつつある。例えば水泳では水を掻き終えるその瞬間に力を最大限発揮する必要がある一方、投球動作では動作の初めに力を最大限発揮し、球を離した後は力を抜いてゆく、というように、スポーツ種目等ごとにその一動作中における力の出し方は異なっており、トレーニングについてもその動作特性に従った負荷特性で行なうことが望ましい。

すなわち、筋肉は、その動きの早さや動かした角度、力発揮の仕方など実際にトレーニングした様式に合わせて特異的に成長するという特異性の原則が知られている。よって、特定の運動動作に適合した負荷を与えることで、特異性の原則にしたがったトレーニングをいかに効率よく行なうことができるかが着目されるようになってきている。

このようなトレーニングを実現可能な装置として、特許文献１や２などに、レバーの位置に応じて予めプログラムされた負荷を与える位置−負荷特性を採用した筋力トレーニング装置が知られている。このトレーニング装置では、特定の運動動作に応じた動作特性となるように位置−負荷特性が定められ、レバーの位置に応じて負荷を調整するため、特異性の原則に適合したトレーニングすることができるようになっている。

実願昭５６−１３３７８６号のマイクロフィルム 特開２００１−２０４８５０号公報

しかし、特許文献１及び特許文献２にかかるトレーニング装置は、トレーニング中にセンサによってレバーの位置及び利用者の作用力を検出し、当該検出結果に応じてレバーの負荷値を調整するものであり、当該負荷値の調整は予め定められた位置−負荷特性に応じて決定されている。一般的に、特異性の原理にしたがってトレーニングをするには、当該位置−負荷特性は動作特定の他に、利用者の体格、関節周りの筋肉量や筋肉の付着位置など個人の身体的な機能特性に応じて決定されるべきものであり、レバーの動作ストロークや、動作中の位置に応じた負荷値の変化割合などは個人の機能特性によって大きく影響を受ける。上記特許文献１及び特許文献２に開示のトレーニング装置は、動作特性により位置−負荷特性を決定するものではあるが、上記個人の機能特性に対応したものではなく、すべての利用者に一定の負荷特性を与えるものであった。

一方で、個人の機能特性に応じた負荷から逸脱したトレーニングを行なうと、長時間にわたり筋肉がこわばり、筋肉に流れる血流が減少するため、その結果として血圧が上がるという循環器機能に障害を及ぼす。また、関節及び関節周りの筋肉の損傷などの原因となることが知られている。このため、特許文献１及び特許文献２にかかるトレーニング装置は、高齢者向けあるいは介護施設などでの使用には適さないなど、動作特性のみで一律に決定された位置−負荷特性にしたがったトレーニングは好ましくない場合があった。

したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、上記問題を解決し、利用者の個人の機能特性に応じた負荷でトレーニングをすることができるトレーニング機器及びトレーニング方法を提供することである。

本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成のトレーニング装置を提供する。

本発明の第１態様によれば、利用者のトレーニング動作によって加えられた力により移動し、前記利用者による移動に抗する負荷力を調整可能な可動部と、
位置と前記可動部に与えられる負荷力とを対応付けた位置−負荷特性に基づいて、前記可動部の位置に応じた負荷量となるように前記可動部の負荷量を制御する負荷調整部とを備えたトレーニング装置であって、
前記可動部の移動位置を検出する位置検出部と、
前記利用者と前記可動部の間に働く力の大きさを検出する力量検出部と、
特定の運動動作に応じた負荷と動作経過との関係を示す運動特性情報と前記トレーニング動作によって屈伸される関節の位置に応じた筋力の変化率を示す筋力情報を記憶する特性情報記憶部と、
前記利用者が所定の負荷量に設定された可動部に対して行なった予備トレーニング動作時の前記力量検出部の力量情報を位置検出部により検出された位置情報と対応させた前記利用者の機能特性に関する予備情報を作成する予備情報作成部と、
前記運動特性情報及び筋力情報と前記作成された予備情報に基づいて、前記位置−負荷特性情報を作成する特性情報作成部と、を備え、
前記負荷調整部は、本トレーニング時に、前記位置−負荷特性情報に示される位置−負荷特性に基づいて負荷量を制御することを特徴とする、トレーニング装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、前記特性情報作成部は、前記運動特性情報の動作経過を前記予備情報に含まれる前記可動部の移動幅に対応させて割り振ることを特徴とする、第１態様のトレーニング装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記予備情報作成部が作成する予備情報は、前記利用者の予備トレーニング動作時の可動部の初動位置及び終動位置を含むことを特徴とする、第１又は第２態様のトレーニング装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、前記特性情報作成部は、運動特性情報を基礎情報として、前記予備情報に基づいて運動範囲の解析を行い、予備情報及び筋力情報により負荷力の解析を行うことによって、前記位置−負荷特性を作成することを特徴とする、第１から第３態様のいずれか１つのトレーニング装置を提供する。

本発明の第５態様によれば、前記負荷調整部は、前記予備トレーニング動作時において、可動部の負荷量を一定値に固定することを特徴とする、第１から第４態様のいずれか１つのトレーニング装置を提供する。

本発明の第６態様によれば、前記負荷調整部が本トレーニング時に行なう負荷量の制御は、前記力量検出部の出力値に基づいてフィードバック制御することを特徴とする、第１から第５態様のいずれか１つのトレーニング装置を提供する。

本発明の第７態様によれば、移動に抗する負荷力を位置に応じた負荷量となるように調整可能な可動部を動かすトレーニング方法であって、
トレーニング動作によって屈伸される関節の位置に応じた筋力の変化率を示す筋力に関する筋力情報を準備する段階と、
利用者が所定の負荷量に設定された可動部に対して行なった予備トレーニング動作時に前記可動部に作用する力量を前記可動部の位置と対応させた前記利用者の機能特性に関する予備情報を作成する段階と、
特定の運動動作に応じた負荷と動作経過との関係を示す運動特性の情報を基礎情報として、前記予備情報及び筋力情報に基づいて前記可動部の位置に応じた負荷量を決定する段階と、
本トレーニング時に、前記決定した位置に応じた負荷量に基づいて負荷量を調整する段階とを備えることを特徴とする、トレーニング方法を提供する。

本発明によれば、予め予備測定により位置と負荷力を測定することで、記憶された運動特性情報を利用者個人の特性に応じて修正し、位置−負荷特性情報を作成するため、利用者の身体的特徴に応じた負荷特性とすることができる。さらに、予備測定により実際に測定した結果に基づいて負荷を決定するため、利用者の能力に応じた負荷量とすることができ、過負荷による身体への過負荷を防止することができる。

また、一定負荷を数秒間など長時間にかけて与え続けたり、瞬発的に大きな力を加えるようにすることで、目的に応じた筋肉の発達を促進することができ、身体の過負荷を防止しつつ目的の動作特性に応じたトレーニングを行うことができる。

本発明の第２態様によれば、利用者他の体格に応じた運動範囲に応じて負荷特性を修正することができる。

本発明の第３態様によれば、初動位置及び終動位置を含むことで、動作制御及び負荷量の基準位置を初動位置及び終動位置とすることができ、より正確な負荷量制御をすることができる。

本発明の第４態様によれば、トレーニング動作によって身体が移動しているそのときの状態に応じて筋力がどのようになっているかの情報に基づいてトレーニング時の負荷を決定することができる。身体状態としては、関節の角度（位置）、動作方向（屈曲か伸展か）、姿勢（重心位置）などが挙げられる。人間の身体構造に基づいた筋力の情報を利用することで、機能的に過負荷となる運動を防止することができる。

本発明の各実施形態に係るトレーニング装置の構造を示す斜視図である。 図１のトレーニング装置のシステム構成図である。 図１のトレーニング装置の記憶装置に格納されている運動特性情報の例を示す図である。 図１のトレーニング装置の記憶装置に格納されている運動特性情報の例を示す図である。 図１のトレーニング装置の記憶装置に格納されている関節の位置に対応した筋力情報の例を示す図である。 図１のトレーニング装置の動作フローを示す図である。 図１のトレーニング装置の予備測定のサブフローチャートである。 図１のトレーニング装置により作成された予備情報の例を示す図である。 図１のトレーニング装置の位置−負荷特性作成のサブフローチャートである。 図１のトレーニング装置の位置−負荷特性情報の作成原理を説明する図である。 図１のトレーニング装置の位置−負荷特性情報の作成原理の他の例を説明する図である。 図１のトレーニング装置により作成された位置−負荷特性情報の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るトレーニング装置について、図面を参照しながら説明する。

まず、理解を容易にするためにトレーニング装置の構造について説明する。図１は、本発明の各実施形態に係るトレーニング装置の構造を示す斜視図である。本実施形態のトレーニング装置はレッグプレスマシンであり、下半身、特に大腿四頭筋・大臀筋・中臀筋を鍛える。

図１に示すように、トレーニング装置１は、フレーム２にシート３と可動部ユニット４が設けられている。シート３は、トレーニング中に運動者が座る手段であり、運動者をシートに固定する固定具（図示なし）を備えている。可動部ユニット４は、運動者が移動させることによって移動に用いた身体部位を鍛えるものである。運動者は、シート３に腰掛けた状態でハンドル５を握り、膝関節が胸部の近くに来るように足を曲げた状態で始端位置に存在する押圧板１０に足裏を載置する。運動者が足を伸ばすことによって押圧板１０がシートから遠ざかる方向へ移動抵抗に抗して移動する。

終動位置まで移動させた後は、脚を曲げる方向に力を加え、脚の屈曲動作についても同様に負荷を持って可動ユニット４を移動させる。以下、脚の伸展、脚の屈曲の双方向について負荷が加わった運動の動作を繰り返し行なう。

なお、ハンドル５には、後述する予備測定開始を実行するためのスイッチ類が設けられている。

可動部ユニット４は、ガイドレール６，フットプレート７，スライダ８，サーボモータ９，押圧板１０、押圧センサ１１を備えている。また、図には示されていないが制御演算部２０（図２参照）も設けられており、後述のガイドレール６とスライダ８との間の移動抵抗（運動負荷）の調整のために、サーボモータ９のトルク演算、トルク調整制御、駆動制御などを行なう。

ガイドレール６は、スライダ８の直線的な移動をガイドするためのレールである。フットプレート７は、押圧板１０とスライダ８とを接続するための部材である。また、フットプレート７の左右それぞれの押圧板１０の取り付け位置には、押圧センサ１１が設けられており、押圧板１０に加えられた押圧力を検出可能に構成されている。

押圧板１０は、スライダ８、フットプレート７と共にガイドレール６に沿って可動範囲内をスライドする。また、脚の屈曲運動についてもトレーニングできるように、押圧板１０と足裏を固定するための部材（図示なし）を備えている。ここで可動範囲の押圧板１０がもっともシート３側に存在する位置を始端位置といい、押圧板１０がもっともシート３から遠い側に存在する位置を終端位置という。なお、運動者が、トレーニング時において、押圧板１０を動かす運動範囲は、上記の押圧板１０の可動範囲とは必ずしも一致しない。運動範囲の始端位置側の位置を初動位置、終端位置側の位置を終動位置という。

スライダ８には、ベルト１３を介してサーボモータ９の出力軸と連動するように構成された駆動軸１２によって移動に対する負荷力が与えられる。

サーボモータ９は、スライダ８に対し始端位置から終端位置方向への移動に抗する負荷及び、終端位置から始端位置方向への移動に抗する負荷を与えるものであり、制御演算部２０が生成した駆動電流によって回転駆動し、駆動電流の大きさに応じた回転トルクを発生させてベルト１３を介して駆動軸１２に伝達して直線駆動力を与える。サーボモータ９に設けられているエンコーダ１５（図２参照）は、位置検出部として機能し、サーボモータ９の動き、又はベルト１３の動きを検出することにより、スライダ８の位置を検出する。

シート３に座っている運動者が足先で押圧板１０を押圧すると、サーボモータ９の回転トルクからベルト１３に伝達された直線駆動力に抗して、押圧板１０は、スライダ８、フットプレート７とともに運動者から離れる方向に移動する（つまり、レッグプレス運動を行う）。また、押圧板１０を終動位置まで移動させると、サーボモータ９のトルクを逆方向に働くように切り替える。運動者は脚を曲げる方向に移動させて、負荷力に抗して押圧板１０を初動位置まで移動する。（つまり、リフトオフ運動を行う）。

一方、サーボモータ９は、制御演算部２０からの位置−負荷情報（図１２参照）に基づいた駆動電流の大きさに応じて回転トルクを発生させ、ベルト１３に駆動力を伝達して押圧板１０の移動に対する抵抗を与え、運動者の脚に負荷を与える。このとき、サーボモータ９のエンコーダ１５（図２参照）が、サーボモータ９の回転位置を検出しているので、スライダの位置を測定し、その位置情報を制御演算部２０へ送信している。これによって、制御演算部２０は位置情報に応じた駆動電流を発生させてサーボモータ９を回転駆動させている。

図２は、本発明の第１の実施形態に係るトレーニング装置のシステム構成図である。このシステム構成はサーボモータ９が運動者に与える負荷を制御するための制御ブロック線図として表わしている。

図３、図４は、図２のトレーニング装置の記憶装置４０に格納されている運動特性情報の例を示す図であり、横軸に動作の経過、縦軸に負荷の変化率を表わしている。この運動特性情報は、関数、マップ、テーブルなどの形式で特定の運動動作に応じた動作経過と負荷との関係を定めるものである。

運動特性情報は、負荷量の変化率を示すものであり、具体的な負荷値の情報は備えていない。動作の経過途中に与えられる最大の負荷値（Ｒ_max）を基準として、身体のある特定の状態（すなわち、押圧板１０の位置としてとらえることができる）のときに、最大負荷値に対する割合を示すものである。

特定の運動動作に応じた運動特性とは、例えば水泳では水を掻き終えるその瞬間に力を最大限発揮する必要がある一方、投球動作では動作の初めに力を最大限発揮し、球を離した後は力を抜いてゆく、というように、スポーツ種目等ごとにその一動作中における力の出し方を負荷の変化率として示すものである。

なお、運動特性情報の負荷の変化率は、上記のように特定のスポーツ種目等ごとにその一動作に応じた負荷の変化を示すものに限定されない。単に運動の最初から最後までを一定の負荷とするような変化率を持つようなものであってもよい。

運動特性情報は、Ｓ_０からＳ_ｅに至るまでの一連の動作の経過は、押圧板１０の位置とみなして、押圧板１０に与える負荷の大きさを変える位置−負荷特性としてとらえることができ、後述するように運動特性情報から位置−負荷特性情報を作成する。

なお、位置は図１に示すスライダ８、すなわち、押圧板１０の位置である。同じ運動者が同じ装置を用いてトレーニングをする場合であっても、毎回座る位置などが異なったりするため、押圧板１０が同じ位置にあったとしても、運動者が常に同じ体勢であるとは限らず、また運動者が異なる場合は体格によって押圧板１０の運動範囲が変化する。このため、本実施形態のトレーニング装置は、動作の負荷特性を示す運動特性情報から、装置の押圧板１０の位置における負荷特性を示す位置−負荷特性情報を作成する。位置−負荷特性情報の作成動作の詳細は後述する。

まず、図１及び図３を適宜参照しながら、図２に示すトレーニング装置のシステム構成について説明する。このトレーニング装置のシステムは、制御演算部２０、サーボモータ９、可動部であるスライダ８及び押圧板１０、位置検出部としてのエンコーダ１５、運動者が押圧板１０に与える作用力の力を検出する押圧センサ１１、入力部３０、各種情報を記憶する記憶装置４０を備える。なお、制御演算部２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、出力手段（ディスプレイ、スピーカなど）、通信インタフェースなどからなるコンピュータ装置の一部又は全部により実現することができる。入力部３０（キーボード、マウス、タッチパネルなど）は、運動動作に応じた運動特性情報の選択、本トレーニング時の負荷量の増減など諸条件の入力、及び後述する予備測定時における測定開始のトリガに用いられる。

制御演算部２０は、予備情報作成部２１，特性情報作成部２２，負荷調整部２３を備える。予備情報作成部２１は、位置−負荷特性情報の作成のための予備情報を作成する手段である。また、特性情報作成部２２は、運動特性情報及び予備情報から位置-負荷特性情報を作成する手段である。負荷調整部２３は、後述する最終的に修正された位置−負荷特性からなる負荷指令値に基づいて駆動電流を発生させ、この駆動電流をトルク指令値としてサーボモータ９へ供給する手段である。

サーボモータ（電動モータ）９は、トルク指令値（駆動電流）に応じた回転トルク力を発生させる手段である。

可動部は、サーボモータ９が駆動することによって押圧板１０を介して運動者に負荷を与え、運動者に作用力を働かせる。エンコーダ１５は、サーボモータ９の回転位置を検出し、これに基づいてスライダ８の位置を検知する手段である。

記憶装置４０には、上記図３，４に示した特定の動作特性に基づく運動特性情報の他に、本トレーニング装置でトレーニングしたときに屈伸される関節の位置に対応した筋力情報が格納されている。

図５に関節の位置に対応した筋力情報の例を示す。図５の筋力情報は、膝関節の伸展させる動作において大腿部と下腿部との角度に応じて発揮される筋力の大きさの変化量を示している。人間の関節は、関節の両側の骨をつなぐように筋肉がついており、関節の角度に応じてそのモーメントが変化する。すなわち、膝関節の伸展を例にとって説明すると、膝関節の伸展に寄与する大腿筋は、大腿骨から起始して脛骨の近位端（膝関節）の下側に停止する。このため、大腿部と下腿部が約１２０度をなすとき、大腿筋が脛骨を引っ張るモーメントが大きくなり最大値（Ｍ_ｍａｘ）となる。一方、膝関節が完全に伸展した状態あるいは屈曲した状態ではモーメントが小さくなるため、最大値（Ｍ_ｍａｘ）よりも筋力が小さくなる。例えば、膝関節が４０°に屈曲した状態では、最大値（Ｍ_ｍａｘ）の７割程度の筋力しか発揮することができない。このように関節の位置に応じた筋力の変化は、人間の身体的構成から決定される特性である。なお、関節の角度に応じて発揮される筋力の大きさについては、「トレーニングの科学的基礎」（出版社ブックハウスＨＤ）に説明されている。

筋力情報は、関節の位置に応じた筋力の変化率を示すものであり、具体的な値の情報は備えていない。動作の経過途中に与えられる最大の負荷値（Ｍ_max）に対して、ある特定の関節の位置のときに発揮できる筋力の割合を示すものである。

関節の位置に対応した筋力情報は、後述するように、本トレーニング時に用いられる位置−負荷特性の作成に用いられる。運動特性情報のみに基づいて位置−負荷特性を作成すると、生理的に人体に発揮できない過負荷を求める可能性があり、これが循環器機能への過負荷や関節及び関節周りの筋肉の損傷などの原因となる。筋力情報を用いて位置−負荷特性の作成することで、この問題を防止することができる。

次に、本実施形態にかかるトレーニング装置の動作について説明する。図６は、本実施形態にかかるトレーニング装置の動作フローを示す図である。本実施形態にかかるトレーニング装置は、予備測定（＃１）、位置−負荷特性情報作成（＃２）、本トレーニング（＃３）の３つのフェイズからなる動作を行なう。これらの動作は、一連として行なわれてもよいし、予備測定（＃１）、位置−負荷特性情報作成（＃２）により作成される位置−負荷特性情報を予め運動者の個人情報として登録し、以後のトレーニングは、これらの動作を省略して本トレーニングのみを行なうようにしてもよい。

図７は、予備測定（＃１）のサブフローチャートである。予備測定（＃１）は、利用者の体格に合わせた運動範囲の測定及び利用者の可動部の位置に応じた筋力値の測定を行ない、予備情報として作成する動作である。予備測定（＃１）は、制御演算部２０の予備情報作成部２１が処理を司る。

予備測定（＃１）では、まず、トレーニング装置に利用者が搭乗し、運動開始姿勢を取るために、各種部材の位置決めを行なう（＃１０１）。位置決めを行なう各種部材としては、シート３や押圧板１０などであり、押圧板１０を始端位置に移動させ、利用者がシート位置を自分の体格に合わせて調整する。利用者が運動開始姿勢を取ると、押圧板１０は、始端位置から移動して初動位置に位置する。

運動者が運動開始姿勢（＃１０１）を取った後、制御演算部２０の負荷調整部２２はサーボモータのトルクを一定値に調整し、押圧板１０の移動の負荷を一定値とする。このときの押圧板１０の負荷値は、運動者が負担無く押圧板１０を移動させることができる程度であることが好ましく、弱すぎても強すぎても正確に測定することが難しい。また、後述するように、予備情報の作成は、負荷値を変えて複数回行なうようにしても良く、それぞれで得られた情報に基づいて位置−負荷情報の作成のために用いる予備情報を作成してもよい。

次いで、運動者がハンドル５に設けられているスイッチを押し（＃１０３）、トレーニング装置ごとに決められた動作について測定を開始する（＃１０４）。測定する動作は、本実施形態にかかるレッグプレスマシンでは、脚の伸展動作及び屈曲動作であり、押圧板１０及びスライダ８が一連の位置に存在するときに、脚の伸展動作により押圧板１０に加えられる圧力である（＃１０５でｎｏ）。

測定の記録は、ある特定の位置にある押圧板１０に対し、運動者により加えられる作用力としての押圧センサ１１の出力値である。このとき押圧板１０を一定の速度でゆっくりと移動するようにサーボモータを制御することが好ましい。サーボモータにより押圧板１０が移動しているので、運動者からの作用力の付加により押圧センサ１１の検出値が変化する。具体的には、運動開始姿勢において初動位置にある押圧板１０から運動方向へ一定速度で押圧板１０を移動させ、それぞれの位置における押圧センサ１１の出力値を対応させて記録する。押圧センサ１１の出力値は、運動者が押圧板１０に与えた作用力であり、運動者の筋力に関する情報が含まれる。このように、一定速度で移動している押圧板１０に利用者が圧力を加えることにより、予備測定を行なうことで、予備測定にかかる時間を短縮することができ、また、一定の速度となるように制御しているため、利用者の作用力を確実に測定することができる。

上記のように、本実施形態にかかるレッグプレスマシンでは、押圧板１０を初動位置から終動位置まで運動範囲内で、往路及び復路について移動させるトレーニングを行なう。往路では、運動範囲の終端位置が押圧板１０の可動範囲の終動位置と一致する場合は、押圧板１０が終端位置に到達すると（＃１０５でｙｅｓ）測定を終了する（＃１０７）。

一方、両者が一致しない場合は、可動範囲の途中に終動位置が存在することになる。終動位置は、運動者が行なうトレーニング動作の最終の状態であるため、これ以上の押圧板１０及びスライダ８の移動が不可能であり、スライダ８が移動できず停止する（＃１０６でｙｅｓ）。予備情報作成部２１は、スライダ８が停止していることを検知すると、測定を終了する（＃１０７）。

上記と同様の測定を復路についても同様に行ない（＃１０８）、復路におけるそれぞれの位置において押圧センサ１１の出力値を測定する。

上記測定により得られた記録された往路及び復路についての押圧板１０の位置と作用力の対応データは、予備情報として記録される。

なお、負荷力を変えて再度の測定を行なう場合（＃１０９でｙｅｓ）は、上記の動作を繰り返し行なう。負荷力を変えて再測定（＃１０２から＃１０８）を行なうことで、運動者の筋力に応じた負荷力での測定を行うことができ、予備情報の信頼度を高めることができる。なお、複数回の記録測定を行なった場合の予備情報の作成は、複数回の測定結果に基づいて演算（例えば、平均値を作用力の値とするなど）により作成してもよい、適宜適切な測定結果を選択してもよい。また、例えば、記憶装置４０に格納されている筋力情報にもっとも近似している挙動を示すものを採用してもよい。

図８に予備情報作成部２１により作成された予備情報の例を示す。図８では、往路についての情報を例として示している。予備情報は、おおむね筋力情報と近似した挙動となるが、ピーク（Ｓ_ｍａｘ）の位置などは、個人の体格、関節周りの筋肉、骨格への筋肉の付着位置などにより異なる場合がある。また、予備情報は具体的な物理量としての値を含み、スライダの位置、作用力の値を有しているが、後述の演算で用いられる情報としては、最大値（Ｓ_ｍａｘ）に対する各位置での負荷の割合である。上記の処理により予備情報作成部２１により作成された予備情報は、記憶装置４０あるいは制御演算部２０内の演算領域メモリなどに記憶され、後述の位置−負荷特性作成（＃２）に用いられる。

図８は、位置−負荷特性作成（＃２）のサブフローチャートである。位置−負荷特性作成（＃２）は、記憶装置４０に予め記憶されている運動特性情報と筋力情報及び予備情報作成（＃１）により作成された予備情報を用いて、本トレーニングに用いる位置−負荷特性情報を作成する動作である。位置−負荷特性作成（＃２）は、制御演算部２０の特性情報作成部２１が処理を司る。

位置−負荷特性作成（＃２）では、処理に利用する運動特性情報、予備情報、筋力情報を読み出す（＃２０１，＃２０２，＃２０３）。

位置−負荷特性作成（＃２）ではこれらの情報のうち、運動特性情報を基礎情報として、予備情報により運動範囲（幅方向）の解析を行ない（＃２０４）、予備情報及び筋力情報により負荷力（負荷の変化率）の解析を行なう（＃２０５）。以下、説明する。

運動範囲（幅方向）の解析では、運動特性情報における動作の経緯を押圧板１０の移動幅に対応させる処理である。すなわち、運動特性情報は、単にＳ_０からＳ_ｅに至るまでの一連の動作の経過における負荷力の変化を示すものであり、幅方向の具体的な物理量は含まれていない。また、運動者の体格やシート３での座り位置などに応じて同じ動作における押圧板１０の運動幅が異なる。

運動範囲（幅方向）の解析（＃２０４）では、運動特性情報により必要とされる動作を予備測定で得られた押圧板１０の位置に応じた身体の状態とを解析し、運動幅に合わせて動作経過と負荷量の変化を割り振ることで行なわれる。すなわち、運動特性情報は、Ｓ_０からＳ_ｅまで一連の動作の経過を、予備情報に含まれる初動位置Ｐ_ｓからＰ_ｅまでに割り振ることで行なわれる。

位置例としては、運動特性情報の動作開始Ｓ_０を予備情報の初動位置Ｐ_ｓに、運動特性情報の動作終了Ｓ_ｅを予備情報の終動位置Ｐ_ｅにそれぞれ一致させるように割当を行ない、その間の位置は、動作の経過に応じて位置情報と対応させる。例えば、一連の動作における半分の姿勢のときは、運動範囲のちょうど中間位置に対応づけるようにすればよい。

負荷力（負荷の変化率）の解析（＃２０５）では、運動特性情報で示される負荷量の変化率が、筋力情報及び予備情報における筋力の値と比較して、身体機能的に過負荷となっているかどうかを確認し、過負荷となっている場合は、負荷量の変化軌跡を修正する処理を行なう。

負荷力（負荷の変化率）の解析（＃２０５）では、最初に運動特性情報の負荷の変化を物理的な負荷量に当てはめる作業を行なう。例えば、初動位置Ｓ_０の位置における負荷量あるいは最大負荷量Ｒ_ｍａｘを基準値として、これらの基準値が具体的に何ポンドに相当する負荷値とするかを決定する。負荷値への変換は運動者のレベル、年齢、性別などによってそれぞれ異なる。

次いで、各位置における運動特性の負荷値に対して所定の差分を持つように筋力情報(又は予備情報)の基準負荷量を決定する。例えば、図１０に示すように、予備情報における作用力の最小値又は筋力情報の負荷値の最小値が運動特性情報の最大値（Ｒ_ｍａｘ）における負荷値より大きくなるように基準位置を決めることができる。

なお、基準位置の決定方法は、図１０に示した運動特性情報の最大値（Ｒ_ｍａｘ）と作用力の最小値又は筋力情報の筋力変化の最小値を基準とする他に、他の方法で行なってもよい。他の例としては、図１１に示すように、作用力の最大値（Ｓ_ｍａｘ）又は筋力情報の筋力変化の最大値（Ｍ_ｍａｘ）における負荷値と運動特性情報の最大値（Ｒ_ｍａｘ）における負荷値同士を比較して、両者間に所定の差分Ｄsを持つように設定することができる。当該作用力の最大値（Ｓ_ｍａｘ）又は筋力情報の筋力変化の最大値（Ｍ_ｍａｘ）における負荷値と運動特性情報の最大値（Ｒ_ｍａｘ）との差分Ｄsの値は、自由に設定することができる。差分Ｄの値が小さくなるほど、設定される負荷値の値は、利用者の限界値に近い値となることになり、負荷が大きいトレーニングということとなる。

その後、各位置における運動特性の負荷値と筋力情報(又は予備情報)との差分Ｄが予め定めた閾値以下である場合は、身体機能的に過負荷となっているとみなして、この負荷値を閾値内に当てはめるように下方修正する。図１０の例では、差分Ｄ１は十分な大きさであるため、当該位置Ｓ１における負荷値は修正しない。一方、差分Ｄ２は閾値よりも小さな値であるため、図１０のＲ２のように、当該位置Ｓ２における負荷値を破線で示すように下方修正する。

なお、図１１の例において、当該作用力の最大値（Ｓ_ｍａｘ）又は筋力情報の筋力変化の最大値（Ｍ_ｍａｘ）における負荷値と運動特性情報の最大値（Ｒ_ｍａｘ）との差分Ｄの値は、自由に設定することができる。差分Ｄの値が小さくなるほど、設定される負荷値の値は、利用者の限界値に近い値となることになり、負荷が大きいトレーニングということとなる。

変形例として、差分による負荷値の調整においては、差分Ｄが一定以上である場合に負荷値を上方修正するように処理してもよい。具体的には、図１１の例を取って説明すると、位置Ｓ３における差分Ｄ３は閾値よりも大きいため、図１１のＲ３のように、当該位置Ｓ３における負荷値を破線で示すように上方修正する。

なお、運動特性情報の負荷値の修正幅は、運動者が自由に設定できるようにしてもよいし、差分Ｄが所定の閾値内に収まるように自動修正してもよい。

なお、運動特性の負荷値と筋力情報との差分Ｄが小さいほど、身体に与える負荷が大きくなる。このため、運動者の体力、年齢、性別、筋肉量などにより閾値を適宜調整することができるようにすればよい。

なお、上記の通り、本実施形態では、位置−負荷特性情報の作成に運動特性情報と予備情報作成に加えて筋力情報も利用しているが、筋力情報を利用することなく作成してもよい。なお、このとき、ピーク(最大負荷値)の位置は変更しないようにすることが好ましい。

図１２に、上記処理により作成された位置−負荷特性情報の例を示す。運動範囲（Ｐ_ｓ〜Ｐ_ｅ）の範囲内では、上記の処理により位置−負荷値の調整がなされる。また、運動範囲（Ｐ_ｓ〜Ｐ_ｅ）の範囲外では、図１２に示すように、関節などの故障を防止する観点から負荷値を小さくすることが好ましい。

上記の処理により特定情報作成部２２により作成された位置−負荷特性情報は、記憶装置４０あるいは制御演算部２０内の演算領域メモリなどに記憶され（＃２０６）、後述の本トレーニング（＃３）に用いられる。

本トレーニング（＃３）は、負荷調整部２３が処理を司る。本トレーニング（＃３）では、位置−負荷特性作成（＃２）により作成された位置−負荷特性情報に基づいて負荷値を制御し、運動者のトレーニングを行なう。具体的には、次の処理を行なう。エンコーダ１５によりレッグプレス運動中及びリフトオフ運動による押圧板１０の移動位置を検出し制御演算部２０に送信する。

また、読み出された位置−負荷特性を参照し、エンコーダ１５から入力された位置に対応する負荷の値がトルク指令値としてサーボモータ２０へ入力される。

したがって、制御演算部２０は、トルク指令値（負荷Ｌ１）に対応する駆動電流をサーボモータ９へ供給する。これによって、サーボモータ９は、トルク指令値として入力された負荷Ｌ１に相当する回転トルクを発生させる。そして、運動機構３が、負荷Ｌ１に相当する直線運動によってスライダ８をガイドレール６に沿って移動させる。

シート３に座っている運動者は、サーボモータ９の回転運動から直線運動に変換された運動エネルギーによって押圧板１０に加えられる負荷に抗する脚の筋肉トレーニングを行うことができる。

このようなトレーニングの連続した動作によって可動部４がさらに移動すると、エンコーダ１５がスライダ８の移動した位置を検出する。そして、位置−負荷特性に対応する負荷の大きさを求め、この負荷の大きさをトルク指令値としてサーボモータ９へ入力して回転駆動させる。このようにして、運動者は、位置−負荷特性に基づいて往路のレッグプレス運動を行う。

なお、トレーニング装置の負荷量の変化として、位置−負荷特性を変更することなく、運動範囲（Ｐ_ｓ〜Ｐ_ｅ）の範囲内での負荷を図示しない入力装置（図２参照）を操作することで利用者が適宜に増減できるようにしてもよい。また、例えば、最大負荷が加わるピークの位置の調整を行なうなど、演算された位置−負荷特性のカーブを変更できるようにしてもよい。

また、復路については、終動位置にスライダが移動した後は、押圧センサ１１の値を一定にするように初動位置にまで押圧板１０を移動させる処理を行なう。すなわち、押圧センサ１１の値を制御演算部２０に入力すると、当該押圧センサの作用力(押圧板１０が運動者に与える負荷)が所定の値になるようにフィードバック制御を行ない、押圧板を初動位置に移動させる。このようにして運動者は、押圧板１０が近づく方向に抗する負荷に対応した作用力を脚に働かせてリフトオフ運動を行うことができる。

本実施形態にかかるトレーニング装置によれば、予め予備測定により位置と負荷力を測定することで、記憶された運動特性情報を運動者個人の特性に応じて修正し、位置−負荷特性情報を作成するため、運動者の身体的特徴に応じた負荷特性とすることができる。さらに、予備測定により実際に測定した結果に基づいて負荷を決定するため、運動者の能力に応じた負荷量とすることができ、過負荷による身体への過負荷を防止することができる。

なお、上記実施形態にかかるトレーニング装置は、レッグプレスマシンにかかるものであるが、負荷がかけられた可動部を利用者が動かすことでトレーニングを行なうトレーニング装置全般に適用することが可能である。また、トレーニングマシンには、本実施形態のように可動部がガイドレールに沿って直線的にスライドする多関節トレーニングマシンの他に、レッグカールマシン、アームカールマシンのように回転軸を中心として回転運動する単関節トレーニングマシン、野球の投球動作のように多関節回転運動をトレーニングするマシンなどがあるが、いずれにも適用可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。例えば、シートが固定され押圧板が動く構成であるが、逆に押圧板が固定されシートが動くように構成してもよい。

また、上記実施形態では、筋力情報としてレッグプレス動作において主として鍛えられる大腿筋膝に着目し、関節の伸展動作及び屈曲動作の双方向において負荷量を設定している。これを進展及び屈曲のいずれか一方の方向に着目した股関節の動作に基づいて負荷量の設定をしてもよい。

１ トレーニング装置
２ フレーム
３ シート
４ 可動部ユニット
５ ハンドル
６ ガイドレール
７ フットプレート
８ スライダ
９ サーボモータ
１０ 押圧板
１１ 押圧センサ
１２ 駆動軸
１３ ベルト
１５ エンコーダ
２０ 制御演算部
２１ 予備情報作成部
２２ 特性情報作成部
２３ 負荷調整部
３０ 入力部
４０ 記憶装置

Claims (7)

1. 利用者のトレーニング動作によって加えられた力により移動し、前記利用者による移動に抗する負荷力を調整可能な可動部と、
   位置と前記可動部に与えられる負荷力とを対応付けた位置−負荷特性に基づいて、前記可動部の位置に応じた負荷量となるように前記可動部の負荷量を制御する負荷調整部とを備えたトレーニング装置であって、
   前記可動部の移動位置を検出する位置検出部と、
   前記利用者と前記可動部の間に働く力の大きさを検出する力量検出部と、
   特定の運動動作に応じた負荷と動作経過との関係を示す運動特性情報と前記トレーニング動作によって屈伸される関節の位置に応じた筋力の変化率を示す筋力情報を記憶する特性情報記憶部と、
   前記利用者が所定の負荷量に設定された可動部に対して行なった予備トレーニング動作時の前記力量検出部の力量情報を位置検出部により検出された位置情報と対応させた前記利用者の機能特性に関する予備情報を作成する予備情報作成部と、
   前記運動特性情報及び筋力情報と前記作成された予備情報に基づいて、前記位置−負荷特性情報を作成する特性情報作成部と、を備え、
   前記負荷調整部は、本トレーニング時に、前記位置−負荷特性情報に示される位置−負荷特性に基づいて負荷量を制御することを特徴とする、トレーニング装置。
2. 前記特性情報作成部は、前記運動特性情報の動作経過を前記予備情報に含まれる前記可動部の移動幅に対応させて割り振ることを特徴とする、請求項１に記載のトレーニング装置。
3. 前記予備情報作成部が作成する予備情報は、前記利用者の予備トレーニング動作時の可動部の初動位置及び終動位置を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載のトレーニング装置。
4. 前記特性情報作成部は、運動特性情報を基礎情報として、前記予備情報に基づいて運動範囲の解析を行い、予備情報及び筋力情報により負荷力の解析を行うことによって、前記位置−負荷特性を作成することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載のトレーニング装置。
5. 前記負荷調整部は、前記予備トレーニング動作時において、可動部の負荷量を一定値に固定することを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載のトレーニング装置。
6. 前記負荷調整部が本トレーニング時に行なう負荷量の制御は、前記力量検出部の出力値に基づいてフィードバック制御することを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載のトレーニング装置。
7. 移動に抗する負荷力を位置に応じた負荷量となるように調整可能な可動部を動かすトレーニング方法であって、
   トレーニング動作によって屈伸される関節の位置に応じた筋力の変化率を示す筋力に関する筋力情報を準備する段階と、
   利用者が所定の負荷量に設定された可動部に対して行なった予備トレーニング動作時に前記可動部に作用する力量を前記可動部の位置と対応させた前記利用者の機能特性に関する予備情報を作成する段階と、
   特定の運動動作に応じた負荷と動作経過との関係を示す運動特性の情報を基礎情報として、前記予備情報及び筋力情報に基づいて前記可動部の位置に応じた負荷量を決定する段階と、
   本トレーニング時に、前記決定した位置に応じた負荷量に基づいて負荷量を調整する段階とを備えることを特徴とする、トレーニング方法。
   
   

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