JPH03502772A - 階段昇りを模したトレーニング装置およびトレーニング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 階段昇りを模したトレーニング装置 およびトレーニング方法 背景技術 本発明はトレーニング装置、特に階段昇りを模したトレーニング装置に関する。

上記種類の装置においては、一方のペダルから他方のペダルへと交互に体重を移 し、その際に身体を繰返し持上げるので使用者のエネルギーが費やされる構造と なっている。各ペダルは上位置と下位置の間を動き、上位置にある第一ペダルを 足で踏込むと、該ペダルは使用者の体重により抵抗に反して動かされる。すると 今度は第二ペダルが上位置に移動し、使用者は他方の足でこの第二ペダルを踏下 ろすことになるが、この時に使用者は自分の体重を持上げなければならないので 運動になる。上記装置においては抵抗装置１台が、２つのペダルに対する抵抗と なるように構成されており、該ペダルはそれぞれ別個に動くようになっている。

階段昇りを模したトレーニング装置の一例として、ＵＳＰ４７０８３３８に記載 の装置がある。該装置の各ペダルは枢支されたアーム部の端部でアーク状に動き ながら上下動する。抵抗装置としてはダイナミックブレーキ（同期発動機）が設 置され、ペダルの動きをより高速に変えるトランスミッションに連結されている 。各ペダルは一方向クラッチにより上記トランスミッションに連結されている。

上記一方向クラッチによって、ペダルアームからの力はトランスミッションに対 して一方向（ペダルの下降方向）に伝達される。ペダルとダイナミックブレーキ との間では他方向に向かう力の伝達はない。

又、ペダルはばね力で上位置に復帰する。

上記トレーニング装置の欠点は２つあるがその１つはコスト高であること、もう １つはスピードに限りがあることである。スピードに関しては、従来より、ダイ ナミックブレーキを駆動させるトランスミッション（自動変速機）に限界がある のが原因である。

発明の開示 本発明は、簡単な摩擦ブレーキ、好ましくははずみ車の周囲に係合する帯状摩擦 装置を有する階段昇りを模したトレーニング装置を提供することを目的とする。

（通常、はずみ車は連続駆動の装置に用いられて、エネルギーを蓄え、動作をよ り円滑にするものである。）上記目的達成のために、摩擦ブレーキのトルクはア クチュエータ、例えばモータにより自動的に増減されるようになっている。トル クを増大させるにはモータを一方向に回転させ、減少させるには反対方向に回転 させる。トルク増減の必要性ははずみ車の実際の回転速度を検出するセンサによ り決定される。

上述のモータによるトルクの自動′制御は、はずみ車の回転を予め選定された（ 指令）速度に維持するために実行される。指令速度の値は、予めプログラムに組 込んだり、手動で制御したり、できる。値に巾をもたせることも可能である。コ ンピュータ制御によって、瞬時の所望速度と現速度（センサにて表示される）と を比較し、誤差値を求める。この誤差値を用いて、制御モータを駆動させ、はず み車の摩擦ブレーキを締めつけたり、ゆるめたりする。

上記の制御システムはディジタル化され、つまりマイクロコントローラ（ＣＰ　 Ｕ）からのパルス信号により作動し、モータに負荷されたエネルギー量とその回 転方向が判別される。該ディジタル制御システムは、使用者がトレーニング装置 に乗るとはずみ車の速度が徐々に加速し、トレーニング装置から降りるとゆっく りと減速するよう機能する。以上の通り、運転開始や停止が制御されているので 、使用者には大きな快適感を与えることができる。

図面の簡単な説明 第１図は本発明の模擬階段昇りトレーニング装置の駆動部分の等大模式図である 。

第２図は支持サイドフレーム部材を含む第１図に係る装置の側面図である。

第３図は第１図に係る装置の平面図である。

第４図は片方のペダルの押下により駆動される駆動軸の断面図である。

第５図は、はずみ車の速度を自動制御する電子制御系のブロック図である。

第６図はマイクロコントローラ（ＣＰ　Ｕ）を含むディスプレイパネルの平面図 である。

第７図Ａ、Ｂはそれぞれ摩擦ベルトのモータ接続端、該摩擦ベルトの他端とアン カーとの間に弾性関係を与えるアンカーばねのモータ接続端近くのゆるみセンサ の詳細を示す図であり、第７図Ａはベルトのゆるんだ、あるいはゆるみきった状 態を、第７図Ｂはベルトが締めつけられた状態を示す。

第８．９．１０図はモータの動作を制御する上記ＣＰＵの概略論理フローチャー トである。

好ましい実施例の詳細な説明 以下、本発明の実施例を貼付図面を参照しながら説明する。

本発明のトレーニング装置には、第１〜３図に示される通り、２つのペダルが備 えられている。右足をペダル２０に乗せ、次ぎに左足をペダル２２に乗せると、 自分の体を交互に持上げることになる。

ペダル２０および２２は、それぞれクランクアーム２４および２６に枢支されて おり、クランクアーム２４および２６の他端はシャフト２８に枢支されている。

該シャフト２８は、支持体３０および３２（第３図参照）に支持されたベアリン グで支えられている。支持体３０および３２は、後述の支持フレームの両側に位 置する。

各クランクアーム２４，２６が使用者の体重で下降すると、対応のペダルがシャ フト２８を中心として円弧状に動く。体重が一方のペダルから他方へ移動すると 、無負荷になったクランクアームはばねのような適当な復帰装置により上位置に 復帰させられる。

従って、２つのペダルの動きはそれぞれ独立した、弓形の往復運動となる。

第１〜３図ではペダル２０が上位置にある。前記クランクアーム２４には、アー ム２４上のペダル２０近くの腕木あるいはアンカー３６を介して、鎖３４が接続 されている。この鎖３４は、一方向駆動軸４０に設けられたスプロケット３８（ 第２．４図参照）に巻回されている。駆動軸４０はフレームの側部支持構造によ り支えられたベアリング４２および４４により保持されている。

鎖３４の、腕木３６と反対側の端部は、ばね４６に連接されており、このばね４ ６はアイドルプーリ５０に巻回されて装置フレームに固定されている。ペダル２ ０がその最上位置にある時は、テンションスプリング４６は伸長状態から最も解 放された状態にある。

図中、ペダル２２は、使用者の左足で支えられた体重により下位置に移動されて いる。

別の鎖５２は、ペダル２２近くの腕木又はアンカー５４を介して、クランクアー ム２６に連結され、スプロケット５６（第４図）に巻回されている。該スプロケ ット５６は、前記スプロケット３８と同様に、駆動軸４０に載置されている。

鎖５２の、腕木５４と反対側の端部は、ばね５８に連接され、このばね５８はア イドルプーリ６２に巻回されて装置のフレームに固着されている。ペダル２２が その最下位置にある時、テンションスプリング５８は最も展張された状態にあり 、使用者の体重がペダル２２から離れたら即座に、ペダル２２を最上位置に戻そ うとする。

側部支持体３０および３２で支持されたシャフト６４が、上記アイドルプーリ５ ０および６２の軸線の機能を果たす。

使用者がその左右の足で身体を交互に持上げられるようにするためには、適切な 抵抗装置で各ペダル２０．２２の下降運動に対抗する必要がある。上記抵抗装置 は１台で十分であるが、これは各スプロケット３８．５６が一方向クラッチ（惰 性クラッチ）を用いて駆動軸４０を駆動するようになっているからである。

第４図に示す通り、スプロケット３８は一方向クラッチ６８に設けられ、スプロ ケット５６は一方向クラッチ７０に配置されている。

従って、駆動軸４０は、第２図で示される通り、スプロケットホイール３８．５ ６によって反時計回り（第１図では時計回り）にのみ回転させられる。ペダル２ ０．２２のいずれかが下降すると、対応する一方向クラッチにより駆動軸４０が 該クラッチと同一方向に回転させられる。そして、ペダルが上昇し始めると、そ の対応一方向クラッチによる駆動軸４０への力の伝達はなくなる。

第１．２．４図において、上記駆動軸４０にはそれより一回り太きな駆動スプロ ケット７２が固着されている。このスプロケット７２の回転で、鎖７４が回転し 、駆動軸７８に配されたスプロケットホイール７６（第１図）を動かす。駆動軸 ７８は、はずみ車８０に固定されており、はずみ車８０を回転させる。第１図に おいて、スプロケットホイール７２および７６、そしてはずみ車８０の回転方向 が矢印で示されている。はずみ車８０には重みがあるので多少の抵抗とはなるが 、その第一の機能はエネルギーの蓄積であり、円滑な速度応答性を提供する。実 際上は、駆動軸７８が回転するよりも、むしろ非回転軸としてスプロケットホイ ール７６とはずみ車８０を直接固定して、駆動軸を中心に共通の回転をするよう に構成している方が好ましい。

ペダル２０および２２の下降動作に対する抵抗は、使用者が自分の体重を持上げ る際に必要であるが、本発明においては、摩擦力の変化を利用するブレーキ機構 により得られ、クランクアーム２４および２６の回転を所望速度に維持できる。

はずみ車８０の周囲に巻回され、摩擦係合状態にあるベルト８２により、上記摩 擦抵抗が与えられる。

摩擦装置を用いてトレーニング装置の抵抗を変える方法はよく知られているが、 多くの場合、その抵抗は簡単な機械的ブレーキ手段によって人的に設定されてい た。例えば、ＵＳＰ４７２００９３には、はずみ車３０のリムに接するベルト４ ０が開示されており、摩擦力は負荷荷重により決定される構成となっている。こ のような構成では、しかし、所望の運動量を体感するには不十分である。

一方、本発明装置にあっては、摩擦ベルトは、はずみ車の回転速度と、はずみ車 を駆動するクランクアームの駆動速度とを制御するのに使われており、指令速度 は使用者が選定できる。電子制御装置（ＣＰＵ）が速度センサからのフィードバ ック速度を指令速度と比較し、はずみ車の過大速度あるいは過小速度を表わす誤 差値を算出し、モータを自動的に制御する。この結果、モータが一方向に回転さ れベルトを締めつけたり、他方向に回転してベルトをゆるめたりする。

誤差値は、ＣＰＵに記憶された指令速度と、速度センサが検出した実際の速度と の差を表わす。

第１〜３図のベルト張力制御モータ８４は、ベルト８２の一端を巻回したプーリ ８６を駆動する。モータ８４は直流ギヤモータでも可能である。モータ８４が一 方向に回転すると、ベルト８２が展張され、反対方向に回転すると、ゆるめられ る（第１図の双方向矢印）。

はずみ車８０の回転速度は光センサ９０で検出される。該光センサ９０は、装置 のフレームに装着され、はずみ車８０のハブに設置さとたエンコーダディスク９ ２と連動する。エンコーダラインがこの先センサを通過する毎に、１つのディジ タル信号が出力される。

エンコーダディスク９２には５０本のラインで十分であるが、そのライン数は速 度フィードバック信号の希望の解像度によって決定される。

前記張力制御モータ８４と反対側のベルト８２の端部は、取付点９４を介して装 置フレームに係留されている。上記取付点９４とベルト８２とを弾性的に接続す るには、アンカーばね装置９６の設置か望ましい。この種トレーニング装置の弱 点解消に、もう一つベルトのゆるみセンサ９８（第２．５．７Ａ、７Ｂ図）の存 在が大きい。該ゆるみセンサ９８は、ベルト８２のモータとの接続端近くに位置 し、ベルト８２のたるみ具合に応じてＯＮ１０　Ｆ　Ｆする電気式スイッチであ る。

装置の支持フレームか第２．３図に示されている。使用者側を装置の後部、はず み車側を装置の前部とすると、水平支持棒１００は支持フレームの前部を通り、 Ｕ字状水平支持棒１０２が後部を横切っている。後部支持棒１０２はＵ字状に形 成されているので、使用者は自由に乗り降りでき、ペダル２０および２２に何の 障害もなく足を載せることが可能である。水平サイド棒１０４および＋０６によ り、前記の前・後部支持棒１００，１０２がフレームの両側で連接されている。

はずみ車８０並びに第４図の駆動スプロケットの支持体となる垂直フレームは、 装置の側部（左・右側）に各々位置するフレーム部材から成り立っている。第２ 図に、その片側のフレーム部材か図示されている。前部支持部材１０８は上方に 延び、前後支持部材１１２によって後部下向支持部材！１０と連接されている。

前後支持部材１１２（左・右支持部材）は、はずみ車のシャフト７８を支持する 。

上記支持部材１１２の上端（左・右端部）は、ペダルを動かす駆動軸４０のベア リングとなる。支持板１１４（左・右支持板）は、クランクアーム２４および２ ６が枢支されたシャフト２８を支えている。

又、上記支持板１１４により、アイドルプーリ５０と６２を支えたシャフト６４ が支持されている。

枢支されたクランクアーム２４および２６の上昇運動は、第２図から明らかなよ うに、復帰ばねのばね力を受け、前記上向支持部材１１０間に固定された機械棒 あるいはロッド１１６により制限されている。使用者の小中は、このロッド１１ ６の低位置で限定されるが、小中を大きくするにはロッド１１６を低位置から離 し、点線で示された１１６ａの位置に固定してもよい。小中を更に調整すること も可能である。接触音を最小限に抑えるために、各クランクアームはロッド１１ ６と接合する範囲で動くようになっている。

本発明の第一の特徴は速度自動制御システムにある。第５図に、該制御システム の模式図が示されている。マイクロコントローラ（ＣＰＵ）１２０はデータバス １２２を介して、フロントパネル１２４とメモリ１２６に接続されている。フロ ントパネル１２４からデータが提供され、使用者の指令をキーボードから入力す る。指令には第６図のディスプレイパネルに見られるように幾つかの選択枝があ る。

指令の第一は駆動速度に関するもので、特定のレベルに設定した上記マイクロコ ントローラ１２０は、指令信号の入力に加えて、装置駆動部からのフィードバッ ク信号を入力する。はずみ車の速度信号はライン１２８を介して増巾器１３０で 増巾されてからマイクロコントローラに入力される。この速度信号は、既述した 通り、はずみ車８０に装着したエンコーダディスク９２と連動する光センサ９０ により得られる。マイクロコントローラ１２０では、実際の速度を表わすフィー ドバック速度信号と指令信号が比較され、エラー信号を出力する。そしてギアモ ータ８４が制御される。（ギアモータ８４は、その電気的な接続関係と、バンド ブレーキ（ベルト）８２との接続関係を示すために、第５図では重複図示されて いる。）もう一つの検出器として、ゆるみ感知スイッチ９８がライン１３２を介 して、増巾器１３４を通じ、マイクロコントローラ１２０に接続されている。こ の感知スイッチ９８の機能につき、以下に詳述する。

マイクロコントローラ１２０からモータ８４に送られた制御信号は、パルス巾の 変化するパルス信号であることが好ましい。はずみ車８０に添接のベルト８２を 締めつけるための信号は、ライン１３６を介して、増巾器１３８で増巾された後 、モータ８４に入力される。一方、ベルト８２をゆるめるための信号は、増巾器 １４２で増巾されてからライン１４０を介して、モータ８４に入力される。ライ ン１３６を通過したパルス信号は、バイポーラトランジスタ１４４と電界効果ト ランジスタ（好ましくはＭＯＳＦＥＴ）！　４６とを作動させ、モータの左側と 電圧源１４８とをライン１５０を介して接続し、又、モータの右側をライン１５ ４を介して接地１５２する。

こうして、モータ８４は時計回りに回転させられ、ベルト８２を締めっける。ラ イン１４０を通るパルス信号は、バイポーラトランジスタ１５６と電界効果トラ ンジスタ（好ましくはＭＯＳＦＥＴ）１５８とを駆動させ、モータ８４の右側と 電圧源１４８とをライン１５４を介して接続し、モータの左側をライン１５０を 介して接地している。その結果、モータ８４は反時計回りに回転し、ベルト８２ をゆるめる。

エラー信号の大きさに一部左右されるモータ駆動用エネルギーを得るためには、 ＣＰＵからモータ制御システムに送られるディジタル信号のパルス巾を変えるの が望ましい。又、場合に応じて、モータ制御システムに送られるディジタル信号 の周波数を高くしたり低くしたりするのが好ましい。モータがベルトを締めっけ る時には、ゆるめる際よりも高目の周波数信号を用いる。はずみ車の回転は、ベ ルトを締めつける力に対抗するものであり、モータの回転は、ベルト係留ばねに 抗して駆動する等の理由から、ベルト締めつけにはより大きなエネルギーが要求 されるからである。更新をすばやく実行するためにも、より高い周波数信号が望 ましい。高・低周波数は２対Ｉの割が効果的である。−例として、高周波数値（ モータがベルトを締めつける場合や、モータ停止時）として１２０Ｈｚ、低周波 数値（モータがベルトをゆるめる時）として６０Ｈｚを用いる。

上記制御システムの更なる特徴は、前記スイッチ９８の使用にある。摩擦ベルト ８２が過度にゆるみすぎると、スイッチ９８がこれを検知する。従って、モータ ８４がベルトをゆるめる方向に高速で回転しすぎて、ベルトが過度に締めつけら れるのが防止できる。該センサスイッチ９８には別の利点もある。つまり、減速 過程にあっては、急激に速度が低下するのを防ぎ、言い換えれば、動作に周期を 与えて、ベルトとはずみ車の連接・分離を交互に行ない、連続的な減速・突発的 でない減速を達成する。従って、使用者はトレーニング装置から容易に降りるこ とができる。その上、はずみ車が停止した時にモータを停止させるにも、このセ ンサスイッチは有効であり、制御システムを次回の駆動開始に向けて徐々に待機 状態に導く。

もし降車後もベルトがゆるんでいなければ、次の使用者は、使用開始時から大き な抵抗にはばまれ、はずみ車の回転は妨げられ、そして制御システムの作動開始 に必要なセンサの検知機能が妨げられるる。ＬＥＤ群１６２が、ペダルこぎ速度 の増加を、１０刻みで、ｌＯ〜１５０の範囲の数字で表わす。数字はフィート／ 分単位である。

隣接ＬＥＤ間のスペースは、従って、５フイ一ト／分を表わす。８０フイ一ト／ 分と８５フイ一ト／分のＬＥＤ間の“関節”部分は、設計上、視覚上設けられた 随意のものである。

数値表示ウィンドウ１６４には数種の数値を表示できる。モードキー１６６の押 圧により、リストアツブされた４７の数値を連続して動かすことができる。ウィ ンドウ１６４の“高度″は、使用者が昇った全距離を表わす。“時間”もウィン ドウ１６４に表示され、これは経過時間を表わす。“代謝”は、体重ＩＪについ ての理論上の酸素吸引量に基づく新陳代謝当量値を表わす。“脈拍”は、脈拍セ ンサがパネル１２４と使用者の身体間に接続されている時に求められる値を表示 する。

“解除°キー１６８を押すと、タイマーと高度表示がゼロにリセットされる。“ 高速”キー１７０および“低速”キー１７２で、はずみ車の回転速度つまり運動 量を調整することができる。“プログラム°キー１７４は、予め設定された自動 プログラムを使用する際に用いられる。この時のプログラムは、ビルト・イン・ プログラムから選択するか、使用者が設計したユーザー・デザイン・プログラム を設定してもよい。゛入力”キー１７６によって、上記ビルト・イン・プログラ ムか、ユーザー・デザイン・プログラムかの選択ができる。ビルト・イン・プロ グラムが１０以上プログラムされている場合もあるが、使用者のマニュアルにＰ Ｒｌ、ＰＲ２等と指定しておけばよい。ビルト・イン・プログラムの入力には、 前記ウィンドウが即座に対応でき、“プログラム゛キーの操作で制御される。ユ ーザー・デザイン・プログラムの入力には、°入力”キーで手動入力し、次に、 “高速°、“低速”キーを使って速度を選定する。速度値は５フイ一ト／分単位 で任意に変更でき、マイクロコントローラ１２０のメモリに記憶された指令値は ５フイ一ト／分ずつ１５０フイ一ト／分まで増減変更できる。

第７図Ａ、Ｈには前記のゆるみ感知スイッチ９８と、そのベルト８２および係留 ばね装置９６との関係が示されている。係留ばね装置９６の利点は、ベルトの係 接感触の円滑化と、モータの運動量増加時のその回転の直進性向上にある。上記 構成の一実施例として、ここでは二段階ばねが用いられ、ベルトがアンカー９４ から若干離間して後、一方のばねが最下位にくる構成となっている。こうするこ とにより、軽ばね１８０の圧縮時に、より大きな弾性（より軽度の抵抗）が得ら れる。軽ばね１８０が最下位にくると、重ばね１８２がより大きな抵抗をベルト に与える。上記二段階ばねがなぜ有望であるのか十分に解明されていないが、こ れによってトレーニング装置のより円滑な駆動が保証される。ベルト８２の係留 端は、ボルト＋８６のナツト１８５でブラケット１８４に連結されている。前記 径ばね１８０はボルト１８６の頭部と座金１８７間に、府記重ばね１８２は座金 １８７とアンカー９４のフランジ部１８８間に位置する。

ベルト８２の他端はプーリ８６に固着されており、該プーリ８６はモータ８４で 駆動される。ゆるみセンサ９８は内部スイッチ（図示せず）と、スイッチ制御ア ーム１９０を有し、該アーム１９０はばね仕掛けの部材１９２によりベルト８２ に押接されている。上記アーム１９０には、ベルト８２に係合するローラがある のが好ましい。第７図Ａには、ゆるみ検出状態が図示されているが、第７図Ｂに おいては、締めつけられたベルトがアーム１９０を右方に押圧し、部材１９２を 引込み位置に移動させている。ゆるみセンサ９８のスイッチはベルト締めつけ時 に開き、ゆるんでいる時には閉じている。

又はその反対でもよい。第７図Ａの位置で、スイッチが開いた状態が好ましい。

このゆるみセンサから、ベルト８２がゆるみ検知位置までゆるんでいるかどうか の情報がＣＰＵに伝えられる。

上記の通り、第７図Ａはプーリ８０に対してベルト８２がゆるんだ位置にある状 態を示している。アンカーの軽ばね１８０および重ばね１８２は展張されている 。そして、スイッチ９８はゆるみ検出位置にある。第７図Ｂはプーリ８０に対し てベルト８２が完全に締めっけられた位置にある状態を示しており、アンカーの 圧縮ばね１８０と１８２は圧縮されている。スイッチ９８はベルト緊張位置にあ る。もちろん、上記の中間の状態もひんばんに発生するし、そんな場合にはベル トは緊張状態でも、ゆるみ検出状態でもない。

第８〜１０図のフローチャートにはモータ８４を制御するマイクロコントローラ １２０の論理系が３種表わされている。“入力検出”から始まる第８図フローチ ャートは、はずみ車８０のハブ上の光エンコーダ９０〜９２からマイクロコント ローラにパルス入力があった時に起こる事柄を示している。“ミリ秒更新”から 始まる第９図のフローチャートには、３つの基本手順、つまり（ａ）はずみ車の 停止検出、（ｂ）限界条件下でのモータ停止、そして（ｃ）パルス巾変調モータ 駆動信号の発生が図示されている。“１６ヘルツ　サービス”からスタートする 第１θ図は、“指令“値に変更する際に用いる“制御”値の増減処理過程が示さ れている。通常のフローチャートと同様に、第８〜１０図フローチャートの長方 形ブロックは各処理過程を示し、ダイヤ形ブロックは判定過程を表わし、平行四 辺形は入／出力処理、そして矢印付きの線は論理の流れをそれぞれ示している。

第８図の処理ブロック２００で、速度センサから新たにパルスが入力されると、 新パルス“Ｔｉｍｅ”と旧パルス“Ｌｉ５ｔ”との時間を算出する。上記時間は 、クロック信号をカウントすることにより求められる。ブロック２０２において 、現時刻を“Ｌａ５ｔ”としてセーブし・現時刻と次パルス間の時間の判定に用 いられる。ブロック２０４で、“Ｆ　ａｃｔｏｒ”と呼ばれる基準ファクターを 前記時間で割って、主速度値■を求める。上記基準ファクターは、求められた速 度値Ｖが多数のフィート／分値を表わすように設定されている。ブロック２０６ で、最新の速度値Ｖ、とＶ、の平均値を現“速度”として任意に設定する。この ように平均化することで、異常な測定値を除外できる。ブロック２０８では、最 新速度Ｖ、と前回速度ｖｌとの差である加速度の値Ａが算出される。この加速値 Ａはプラスでもマイナスでもよい。

ブロック２１０において、次に、最新速度値Ｖ、を前回速度値ｖｌとして記憶し 、次回パルス入力時に用いる。

ブロック２１２では、誤差値Ｅが現速度（ブロック２０６）マイナス任意の制御 値“Ｃｔｒｌ“から算出される。上記誤差値Ｅはプラスでもマイナスでもよい。

現速度も指令速度も、単位はフィート７分であり、誤差値もフィート／分単位で 表わされる。制御値（これもフィート／分単位）は、使用者の設定する指令速度 と同一ではなく、指令速度に到達するだめの速度を決定する値であり、制御シス テムに徐々に変化させるのに重要な役割を果たしている。

中間値として’ｐｗ’という値が用いられるが、これはブロック２１４に示され る通り、誤差値Ｅの１／２プラス加速度Ａである。“ｐｖ”の値はパルス巾決定 に用いられる。

ブロック２１６で、締めつけフラグが立てられる。該フラグが立てられると、ベ ルト締めつけ過程が選択され、フラグが解除されるとベルトゆるめ過程が自動的 に設定される。

判定ブロック２１８で、はずみ車の回転速度が制御値より遅いか判定され、遅い 場合にはＥのマイナス値で表示される。回転速度の方が制御値より速い場合には 、判定ブロック２２０でｐｗ値がマイナスかどうか判定される。ｐｖの値がマイ ナスの場合、処理ブロック２２２でパルス中がゼロに設定され（従って、パルス 中を解除し）、入／出力ブロック２２４でモータが停止させられる。ブロック２ ２０で目位がマイナスでない場合は、ブロック２２６でｐｗの値をパルス中の値 に設定する。

現速度が制御値より小で（判定ブロック２１８）、ｐｗの値がプラスの時（判定 ブロック２２８）は、現速度が制御値より大であったかのような結果となる。つ まり、実際の速度が制御値より小さく、しかし加速傾向にある時は、ベルトが締 めつけられ、将来の速度を予測して、より安定した制御が得られるようになって いる。他方、もしｐｖの値がマイナスであれば（判定ブロック２２８）、これを プラスに設定しくブロック２３０）、締めつけフラグを解除する（ブロック２３ ２）。いずれの場合でも、ｐｗの値がパルス中に設定される（ブロック２２６） 。

次に第９図において、６６ミリ秒の時間内（１６ビツトタイマーが満了する時間 ）にパルス入力がなければ、はずみ車の停止が検出される。上記６６ミリ秒は、 約２フイート／分に相当し、非常にゆつくりとした昇段速度である。はずみ車が 停止すると、ベルトの締めつけ動作も停止させられる。判定ブロック２４０では 、パルス間の時間が６６ミリ秒に達したか判定される。“Ｔｉ１ｌｌｅ”が６６ ミリ秒以上で、同時に判定ブロック２４２においてパルス入力が検出されなけれ ば、モータ停止を生、じる限界条件が検出されている。ブロック２４４で現速度 “Ｓ　ｐｅｅｄ”がゼロに設定され、ベルト締めつけモードが作動中かどうか判 定ブロック２４６で判定される。作動中ならば、処理ブロック２４８，２５０へ と進む。該ブロック２４８と２５０は、限界条件、つまり、モータが停止すべき 状態であることを示す。

ブロック２４８ではモータのパルス中が０に設定され、ブロック２５０ではパル スカウンタの値が１に設定されるので、即座に回転が中断される。

処理ブロック２４８および２５０のルートは二通りある。一方は上述の通りであ り、他方はゆるみ感知スイッチがゆるみを検出し、判定ブロック２５２を介して 、ブレーキが締めつけモードにない場合には判定ブロック２５４を介して、上記 ブロック２４８，２５０に通じる。つまり、ブレーキがゆるみモードで、ベルト にゆるみのある場合には、モータをＯＦＦにしなければならない。下記３ルート のいずれを通っても、論理の流れは最終的には判定ブロック２５２に達する。つ まり、（ａ）判定ブロック２４０で“Ｔｉｍｅ”が６６ミリ秒より小と判定され る、（ｂ）ブロック２４２で速度センサからのパルス入力が判定される、あるい は（ｃ）ブロック２４６でブレーキが締めつけモードにないと判定されると、ブ ロック２５２に進む。

ブロック２５２でゆるみが検出されなければ、又はブロック２５４で締めつけモ ードが作動中であると判定されると、論理の流れはブロック２４８と２５０を迂 回して、処理ブロック２５６に移り、パルスカウンタの値が１つ減らされる。続 いて、判定ブロック２５８でパルスカウンタの値がゼロより大か判定される。大 でなければ、入／出力ブロック２６０でモータが停止させられる。パルスカウン タの値がゼロより大であれば、ブロック２６０を迂回して、処理ブロック２６２ に進み、モータカウンタの値を１つ減らす（これはブロック２６０でモータが停 止させられた時にも起こる。）ブロック２６４がモータカウンタの値がゼロより 大か判定され、大の場合は、第９図の残りのブロックをすべて飛び越す。

パルス中の変調は２台のカウンタ、つまり、モータのパルス巾設定用のパルスカ ウンタと、周波数制御用のモータカウンタとを用いて実行される。パルスカウン タがゼロになると、モータは内部フラグ（″締めつけ”）に従いＯＮされる。そ してパルスカウンタにはパルス中が負荷され、モータカウンタはモータの回転方 向によって６０ヘルツか１２０ヘルツの周波数に設定される。

パルスカウンタの値が減少しくブロック２５６）、ゼロになると（ブロック２５ ８）、モータは停止させられる。モータカウンタの値が減少しくブロック２６２ ）、ゼロでなければ（ブロック２６４）、後続の過程は飛び越すことになる。

ブロック２６４でモータカウンタ値がゼロと判定されると、パルスカウンタの値 はブロック２６６でパルス中の値に設定される。その後、ブロック２６８でパル ス中がゼロか判定され、ゼロであれば、入／出力ブロック２７０でモータを停止 させ、ブロック２７２でモ−タカウンタを！２０ヘルツに設定する。そしてモー タカウンタは次回のスタートに備えられる。

ブロック２６８での判断がＮｏの時、つまり、パルス中がゼロでないと判断され ると、モータが回転しはじめ、モータカウンタは“締めつけ°フラグの状態に応 じて設定される。ブロック２７４で締めっけフラグがＯＮかどうか判定される。

ＯＮであれば、入／出力ブロック２７６で、モータはブレーキ締めつけ方向に回 転させられ、ブロック２７８でモータカウンタが高周波数に設定される。ブロッ ク２７４で締めつけフラグがＯＮでないと判断されると、入／出力ブロック２８ ０では、ブレーキ解除方向にモータが回転される。そしてブロック２８２におい て、モータカウンタは低周波数に設定される。

上記の“パルスカウンタの値°と“モータカウンタの値”につき更に説明する。

フローチャートに見られる通り、パルスカウンタの値は、（ブロック２２６で） ｐｗと設定されたパルス中に設定される（ブロック２６６）。第８図ブロック２ １４から判る通り、上記ｐｗ値は（Ｅ／２＋Ａ）であり、誤差値Ｅと加速度Ａを 含んでいる。パルスカウンタの値は、一定のモータカウント時間におけるモータ の稼動率を制御するのに用いられる。パルスカウンタの値は１ミリ秒の更新毎に １ずつ減少する（ブロック２５６）。所定のモータカウント時間内のパルスカウ ンタの値が十分高い場合は（例えば、モータカウンタのカウント値の合計以上） 、モータの稼動率は１００％である。従って、モータカウンタには新たにパルス カウントが設定される。又、カウンタの使用数値は経験から求められた値である 。

モータカウンタの値は、摩擦ベルトの締めっけ（１２０ヘルツ）とゆるめ（６０ ヘルツ）間の所望の周波数に決定される。この値もまた経験値である。モータカ ウンタの値を１ずつ減らす（ブロック２６２）ミリ秒の更新処理によって、所望 のモータ周波数が得られるようになっている。例えば、８の二進数を用いるとモ ータカウンタは約１２０ヘルツの周波数になり、１６の二進数を用いるとそれは ６０ヘルツ程度の周波数になる。

１ミリ秒の更新毎に（第９図）、パルスカウンタの値と、モータカウンタの値り 月ずつ減る（ブロック２５６，２６２）ので、パルスカウンタの値がモータカウ ンタの値より小の時は、モータの稼動率は”１６ヘルツ　サービス°から始まる 第１θ図フローチャートには、監視ルーチンが図示されている。はずみ車が停止 せず、ベルトがのびきっていない限りは、該ルーチンでは速度制御値（Ｃｔｒｌ ）を、予め指定したＩＯフィート／分／秒の割で、使用者の選択する指令値（Ｃ ｍｄ）とする。はずみ車が停止すると、制御値は前もって選定されｆこ最小値に 設定される。又、ベルトがゆるんでいる場合には、制御値は最小値に減少させら れる。この方法によれば、装置に乗り降りの際に、はずみ車の回転状態をゆっく り変えることができる。誤差値をＯにするための制御値の増加手順もまた、速度 制御システムの過度の制御機能を抑えることができる。

°上記の予め指定した割合とは加速／減速の限界値であり、トレーニング装置の 駆動開始と停止間の速度変化を制御する。減速中の減速度を、加速中の加速度よ り大にすることもできる。実際の駆動速度と指令速度がほぼ一致する場合には、 トレーニング装置は上記速度変化に対する制限の影響は受けない。

判定ブロック２９０において、はずみ車の速度がゼロより大か判定され、大でな ければ、ブロック２９２で制御値を最小値に設定する。続いて、ブロック２９４ で、ベルトのゆるみ状態に応じてゆるみセンサが作動していると、流れはそのま ま続くが、ゆるみセンサが作動していなければ、ブロック２９６において、締め つけフラグが解除され、システムはゆるみ動作へと変更される。そしてブロック ２９８で、パルス中を最大値の５０％に設定する。

ブロック２９０ではずみ車の回転速度がゼロより大と判定されると、次に判定ブ ロック３００で、ゆるみセンサが作動しているか判定される。作動中であれば、 ブロック３０２で制御値が最小値かどうか判断される。最小値であれば、そのま ま継続し、最小値でなければ処理ブロック３０４で制御値を１減らす。

ブロック３００での判定結果がＮＯの場合、ブロック３０６に移って、制御値が 指令値（使用者の選択した値）と等しいか判断される。

制御値と指令値が等しければそのまま続き、反対にブロック３０６での判定がＮ ｏの場合は、ブロック３０８に進んで、制御値が指令値より大か判定される。ブ ロック３０８で大と判定されれば、ブロック３０４で制御値が１減らされ、続け られる。ブロック３０８でＮＯと判定されると、つまり制御値が指令値より小で あれば、制御値はブロック３１０においてｌ増やされる。

ブロック３０４および３１０での増減の単位はｌフィート７分であり、これは算 出誤差値（ブロック２１２）の性質に基づく。トレーニング装置の作動開始時や 停止時のごとく、誤差値がもつと大きい場合は、制御値を指令値に合致させるに は数秒を要する。

以下に、上記論理図（第８〜ＩＯ図）を簡単に要約する。“入力検出”で始まる 速度制御のフローは、速度情報が新しく入力されると、っまり光センサがエンコ ーダディスク上のライン端を検知した時に展開される。該フローでは、実際の回 転速度を求め、制御速度と比較し、モータのパルス中と方向フラグを求めてメモ リに記憶させる。

“ミリ秒更新”のフローにおいては、２つの仕事が遂行される。つまり、制限論 理とモータ駆動信号の発生である。これらは機械的なものであり、ハードウェア で簡単に処理できる。“１６ヘルツ　更新。

では、制御速度を使用者のプログラム速度に合致させる。と同時に、上記“ミリ 秒更新“のフローと同様に、制限条件、言い換えればはずみ車の停止とベルトの ゆるみに対する応答性とを多少高度なレベルで制御する。はずみ車の停止に呼応 して、ベルトをゆるめるが、この過程は上記制限論理により最終的に停止される 。ベルトのゆるみへの応答は制御速度の減速という形であられれる。しかし、“ ミリ秒更新”の論理では急速すぎるので、該“１６ヘルツ更新”で実行される。

上記モータ制御システムでは、はずみ車の実際の速度を使用者の選定した速度に 維持する必要があるが、装置がいったん全力駆動に入ると、速度変化は最小限に 抑えねばならない。その上、運動開始時のはずみ車の加速は徐々に行なう必要が あり、同時に、運動をやめる際にはゆっくり減速できる構造が必要である。

運動量は、昇段速度と階段の高さで決定される。トレーニング装置を所定状態に 設定し、ペダルをこぐ速度を増すにつれて、上位置と下位置間でのペダルの振巾 が小さくなる。

先にも述べたが、階段昇りを模したトレーニング装置にとっては乗り降りの容易 さが重要である。そのための機能につき、下記にその骨子を説明する。

今、プログラム速度か、それに近い速度で装置から降りるとする。

この時モータがベルトを締めつけつつあっても、使用者からの入力はないので、 摩擦によってはずみ車が減速される。制御速度より減速されると、上記の速度制 御論理に従い、モータはベルトをゆるめる。この結果、はずみ車は加速できず、 ベルトがゆるむ。ミリ秒制御の論理で、モータは停止する。

続いて１６ヘルツ更新の論理で、上記状態が認知され、制御速度が減速される。

実際の速度が制御速度よりも低速であれば、ベルトがゆるみきった時には制限論 理によりベルトの更なる弛緩動作は停止させられるので、何も起こらない。そし て次のフローで、制御速度が実際の速度よりも低速に減速される。いったん実速 度よりも制御速度が低速になると、速度制御の論理で、ベルトは再び締めつけら れ、はずみ車の速度はより遅くなる。

ベルトが締めつけられると、１６ヘルツの論理により、ベルトがゆるみきるまで 制御速度が増速されるが、速度制御の論理では制御速度が実速度より遅くなるま でベルトの締め付けを開始させない構成となっているので、上記の増速はベルト がゆるみきると逆読みされる。

一連の上記動作は、はずみ車が停止するか、使用者が再び乗るかするまで繰返さ れる。馬乗時にベルトがのびきっていると、はずみ車の速度は制御速度より大と され、ベルトを締めつける。反対に、ベルトがゆるんでいなければ、制御速度が 増速されてプログラム速度を得る。

可染がなければ、はずみ車にブレーキがかかり停止する。するとベルトがゆるみ 、制御速度は最小値になる。ペダルを踏みこむと制御速度は急速に増加し、ベル トが締めつけられ、従って制御速度はプログラム速度に傾斜していく。

この種トレーニング装置には、生態行動上からいくつかの特性が要求される。ま ず、ペダルに足を置いた時には、低速で駆動開始される必要がある。（１）抵抗 がなく、使用者が突然、床（地面）に投げ出されたり、（２）最上位置でブレー キがかかってしまって、スタートの指令が入力されるまで、使用者がその位置に とどめられたりすることは望ましいことではない。昇段運動をやめると、装置が 自動的に停止して初期状態に戻る必要があるし、又、前回の設定状態からでも駆 動再開できなければならない。

上記目的遂行のために、コントローラには基本的な速度制御ルールの他に、いく つかの駆動ルールが具わっている。すなわち、■）はずみ車の停止に際しては、 ベルトはゆっくりとゆるみ、制御速度が最小値に設定されること。

２）ベルトがゆるみきったと検知されると、ゆるみモードは停止させられ、制御 速度は最小値に減速されること。

３）はずみ車の作動中は、制御速度は使用者の指令速度まで増速されること。

上記ルールのおかげて、トレーニング装置乗車時には装置がゆっくり作動開始し 、選択速度まで（使用者が該速度についていける限り）＃、々に加速できる。装 置から降りると、駆動速度は制御速度より低速になり、ベルトがのびきるまでゆ るめられる。制御値がはずみ車の速度より低速になるまで減速は徐々に行なわれ 、はずみ車の速度が制御値より小となるまでブレーキが利いている。このサイク ルは、はずみ車の停止まで反復され、ベルトはゆるめられる。減速中に再び装置 に乗ると、はずみ車はゆっくりと選択速度まで加速し始める。

従って、使用者は昇段の速度をフロントパネルスイッチを使って選定するだけで よく、トレーニング終了まで該選定速度で昇段運動をすればよい。

上記説明より、明細書の導入部に要約した機能効果が本発明装置および方法によ り達成されることが明白である。

特表千３−５０２７７２　（１３） ＦＩＧ、　６ 即ち貞る ＦＩＧ、　８ 国際調査報告

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）（ａ）使用者が階段を昇る速度で、使用者の体重により上位置から下位置 へと移動する使用者駆動のペダルと、（ｂ）前記使用者の昇段速度によってその 駆動速度の変化する可動部材とが含まれた階段昇りを模したトレーニング装置で あって、上記可動部材の駆動速度を変えるために上記可動部材に対して摩擦を与 える機械的摩擦手段と、 上記可動部材の実際の駆動速度を算出する速度検出手段と、使用者の所望する昇 段速度として指令速度を設定する被制御手段と、 上記速度検出手段による実速度と上記被制御手段設定の指令速度との差があれば 、この差を瞬時に表示する誤差値判定手段と、実速度が指令速度より大であると 誤差値が表示すれば摩擦力を増大させ、指令速度が実速度より大であると表示さ れれば摩擦力を減じるアクチュエータとからなることを特徴とする運動量制御シ ステムを有するもの。
2. （２）請求項１記載の装置において、前記可動部材は回転車であり、該可動部材 の回転速度を変える前記摩擦手段は、上記回転車に係合構成されたブレーキと、 該ブレーキと回転車間の摩擦増加のために一方向への回転力を発揮し、該摩擦減 少のためには他方向への回転力を発揮するアクチュエータとからなることを特徴 とするもの。
3. （３）請求項２記載の装置において、該装置は更に前記アクチュエータの発揮す る力を摩擦減少中よりも摩擦増加過程でより大きくする手段からなることを特徴 とするもの。
4. （４）請求項２記載の装置において、前記回転車は、はずみ車である一方、前記 ブレーキは、該はずみ車に係合構成されたベルトであって、はずみ車の回転に抵 抗を与えるものであることを特徴とするもの。
5. （５）請求項４記載の装置において、前記アクチュエータは前記ベルトの一端に 接続された回転式電気モータであり、該モータが一方向に回転すれば上記ベルト が締めつけられ、他方向に回転すればべルトがゆるむ構成となっていることを特 徴とするもの。
6. （６）請求項５記載の装置において、該装置は更に前記ベルトのゆるみを検知す る手段と、ベルトにゆるみが検知された場合にモータがベルトをゆるめる方向に 回転するのを防止する手段とからなることを特徴とするもの。
7. （７）請求項５記載の装置において、該装置は更に所定期間の前記モータ力を変 化させるモータエネルギー変更手段と、 前記誤差値の大きさに応答する手段とからなり、該応答手段は上記モータエネル ギー変更手段に対して、上記誤差値の増減に応じてモータ力を増減発揮させるこ とを特徴とするもの。
8. （８）請求項７記載の装置において、前記モータエネルギーはパネル巾の変調に より変化することを特徴とするもの。
9. （９）請求項５記載の装置において、該装置は更に前記摩擦ベルトのモータとの 反対端が連結された剛質アンカーと、前記摩擦ベルトと該アンカー間の弾性接続 装置とからなり、該接続装置は前記ベルトとはずみ車の初期接続を円滑にするこ とを特徴とするもの。
10. （１０）請求項１記載の装置において、該装置の制御システムは更に、 前記可動部材の駆動中にあっては、該可動部材を徐々に加速させる加速制限手段 を有することを特徴とするもの。
11. （１１）請求項１記載の装置において、該装置の制御システムは更に、 前記可動部材の非駆動時にあっては、該可動部材を徐々に減速させる減速制限手 段を有することを特徴とするもの。
12. （１２）請求項１記載の装置において、該装置の制御システムは更に、 実速度が指令速度より大であれば、誤差値の増加に応じて前記アクチュエータに 対して摩擦力を増大させ、指令速度が実速度より大であれば、誤差値の増加に応 じて前記アクチュエータに対して摩擦力を減少させるようにする手段を有するこ とを特徴とするもの。
13. （１３）請求項１記載の装置において、該装置の制御システムは更に、 実速度の増大に応じて前記アクチュエータに対して摩擦力を増加させ、実速度の 減少に応じてアクチュエータに対して摩擦力を低下させる手段を有することを特 徴とするもの。
14. （１４）（ａ）使用者が階段を昇る速度で、使用者の体重により上位置から下位 置へと移動する使用者駆動のペダルと、（ｂ）前記使用者の昇段速度によってそ の駆動速度の変化する可動部材とが含まれた階段昇りを模したトレーニング装置 の運動量制御方法であって、該方法は、 上記可動部材の駆動実速度を測定し、使用者の所望する昇段速度として指令速度 を算出し、 前記駆動実速度および指令速度とは別個の制御速度を設定し、該制御速度と駆動 実速度とを比較し、 使用者希望の昇段速度維持のために上記制御速度と指令速度とを比較し、 駆動実速度の変化の度合に応じて前記制御速度の変化の度合を制限し、 制御速度と駆動実速度との関数としての、前記可動部材の駆動に対する抵抗値を 変化させることを特徴とする方法。