JPS63234986A - 運動システム - Google Patents

運動システム

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JPS63234986A
JPS63234986A JP63009434A JP943488A JPS63234986A JP S63234986 A JPS63234986 A JP S63234986A JP 63009434 A JP63009434 A JP 63009434A JP 943488 A JP943488 A JP 943488A JP S63234986 A JPS63234986 A JP S63234986A
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user
computer
actuating member
torque
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ゲァリ・ディー・ストュワート
トッド・エム・ジョンソン
パトリシャ・ビー・オーマン
ジョウセフ・ウェストリ・ラムブライト
ゲァリ・エム・オーマン
ロドニー・イー・シュバーツ
ゲァリ・シー・ジョーゲンスン
ジョン・ケー・ガイスト
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UNIVERSAL JIMU EQUIP Inc
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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】 発明の背景 肉体の発達およびリハビリテーションの用途の運動マシ
ンは公知であり、多様な形式をとっている。典型的な形
式は次のものを含む。すなわち、チェストプレス、ショ
ルダプレスなどのような、重りが標準抵抗の形式かまた
は可変抵抗の形式のいずれかの直線に沿って持上げられ
る、ユーザ動作自在のウェイトマシン、所望の力の曲線
を得るためのカム動作マシン、ユーザが空気圧力に対し
て運動を行なうマシンなどである。そのようなマシンの
各々は、成る一定の態様で肉体の末端または一部の１群
以上の筋肉を働かせるように設計されており、すなわち
ユーザが予め定められかつ位置が定められた方法で対抗
して運動する抵抗力を提供するように設計されている。
力対位置の関係はしばしば力曲線すなわち力のプロファ
イルと呼ばれる。
典型的には、ユーザが実行したいと思う運動には３つの
モードがあり、これらは筋肉等尺性のもの、筋肉等仮性
のものおよび等速性のものである。
ａ）　筋肉等尺性のモードの運動では、働かされる肉体
の部分の角変化または速度の割合は０であり、一方で２
方向のうちいずれかへ力が付与され得る。すなわち、こ
の運動は速度が０であり、ユーザが被可動物に対し押す
か引くかすると熱だけが出る。
ｂ）　筋肉等張性のモードの運動では、°速度が変化す
る一方で、荷重すなわち抵抗力が一定の値を有する。そ
のような運動のモードはしばしば標準抵抗のウェイトマ
シンで実施され、このマシンではユーザがリフティング
アームやフットペダルなどを動かすと重量プレートがト
ラックを上下に移動する。
Ｃ）　等速性のモードの運動では、力を付与する速度が
一定を保つような方法でユーザが付与した力に一致する
ように、力が変化する。
各ユーザは異なる肉体の発達またはリハビリテーション
の目標を満たすために１つまたはそれ以上の運動のモー
ドを実施したいと望む。各運動は、ユーザが自分の目標
および自分の力の能力に合わせるように、個別にされた
力曲線を有することが好ましいであろう。かつて、重量
プレートまたは摩擦型装置を用いるマシンが採用されて
いた頃、このためにはいくつかの異なる型のマシンを使
用したり抵抗力を機械調節することが必要であった。
そのようなマシンはまた実施され得る運動のモードおよ
び型の数に制約を有する。
コンピュータまたはマイクロプロセッサを使用すること
により運動とその抵抗力を選択して制御するための試み
もなされてきた。たとえば、エアリエル（Ａｒｉｅｌ）
に与えられた米国特許第４゜３５４．６７６号、ウィル
ソン（Ｗｉｌｓｏｎ）に与えられた米国特許第４，０６
３，６７２号および第３．９０２，４８０号、フローエ
ル（Ｆｌｏｗｅ　１１）に与えられた米国特許第３．８
６９゜１２１号、およびヨーロッパ特許出願箱８３３０
１８８７．２号（公開番号００９５８３２Ａ１）を参照
されたい。これら特許および公報に開示された装置はそ
れらにおける抵抗力が生じられる方法と実施され得る運
動の多様性および型の双方において種々の制限を有する
。
発明の概要 この発明に従って新規なコンピュータ制御の運動マシン
が提供され、そのマシンではユーザは自己が実施したい
と望む運動のモードおよび力、速度などのようなそのパ
ラメータをコンピュータにプログラミングすることによ
りそれらを選択する。
次にユーザは、たとえば３６０°までまたはそれを越え
ていずれかの方向へ回転可能な部材のような、抵抗発生
装置に結合される作動部材を動かす方法により運動を実
施する。この発明の好ましい実施例では、抵抗発生装置
は磁気粒体ブレーキのような、作動部材の全３６０°に
わたって所要量の抵抗力を生じ得る、電気制御型のもの
である。
与えられる抵抗力に対しユーザが作動部材を動かすと、
ユーザが付与する力の量（トルク）とその速度（スピー
ド）が連続的に測定されて、コンピュータにより高速で
連続的にサンプリングされる。これら測定された力の付
与特性は、リアルタイム式に運動パラメータの結果を計
算するためにコンピュータが使用する。それらはまた、
プログラムの制御のもとで与えられて所望の運動を達成
するように意図された力の特性と比較され得る。
選択された運動とそのパラメータに依存して、コンピュ
ータはユーザが遭遇する抵抗を調節するための適当な制
御信号を発生させるかまたは力の付与をモニタする。
この発明のシステムは、それが多目的であり、かつ多様
な運動のモードに適用されるように広範囲の力と速度を
調節し得るという点で、大いに有利である。それはまた
選択されたモードと力の曲線の双方を個別的に容易に変
更する備えがあり、広範囲のユーザに便宜を図る。
さらに、ユーザにより実施される運動の結果は連続的に
コンピュータにより分析され得て、付与される力、付与
する速度、予め定められた最大または最小量の力または
速度が生じられる角位置、力の使用などのような項目に
関連する情報を得る。
この情報はすべてその生産と同時にディスプレイされる
かまたは運動している人、訓練士または療法士が後で使
用するために記録され得る。
発明の目的 それゆえこの発明の目的は、コンピュータ制御の運動マ
シンを提供することである。
さらなる目的は、ユーザが選択したかまたは予めプログ
ラミングされた運動の抵抗力および速度特性を用いてユ
ーザに多様な運動のモードを与えるためのコンピュータ
制御の運動マシンを提供することである。
さらなる目的は、ユーザの作用を連続的にモニタするコ
ンピュータ制御下にある運動マシンを提供することであ
る。
別な目的は、その抵抗発生機構が選択されたプログラム
に従ってコンピュータにより制御される運動マシンを提
供することであり、そのマシンではユーザがそのマシン
に付与する力とその付与の速度がモニタされて、選択さ
れプログラミングされた力持性に対応するようにマシン
の抵抗発生機構を調節するために制御信号を生じる。
この発明の他の目的および利点は、次の詳細な説明と添
付の図面を参照するとより明らかとなるであろう。
発明の詳細な説明 第１図はこのシステムの概略図である。このシステムは
コンピュータ１０を含み、それは基本的に、トルク、ス
ピードおよびシャフトの角位置のデータをモニタして、
モータとブレーキの制御信号を出力する、所望の運動の
型をもたらす高速システムである。それはまたトルクと
スピードに従って、運動結果を構成してそれを普通のマ
イクロプロセッサ、ユーティリティと周辺装置に対する
ＲＯＭベースの命令、ＲＡＭメモリキーボードなどを有
するユーザ・インターフェイス−コンピュータに渡す。
このコンピュータは、たとえば種々のプログラムがそこ
にストアされたディスクを受容する従来のフロッピィデ
ィスク装置１２のような、適当な置換可能記憶装置を含
むことが好ましい。コンピュータの動作システムと個々
のユーザの運動のパラメータはそのようなディスクにス
トアされる。ユーザが過去に実施した種々の運動の結果
もまたディスクにストアされ得る。
このコンピュータのオペレーティング−ユーザ・インタ
ーフェイスの部分はｒＰｃＪ１６で示され、それがいわ
ゆるパーソナル・マイクロコンピュータのタイプである
かまたはそれに相当するこ−とを意味している。それは
周辺の入出力装置とインターフェイスするのに必要なノ
１−ドウエアおよび電子回路を有する。１個または複数
個のディスク駆動装置１２に加えて、これらは運動パラ
メータのような数字データを記入したりプログラム指令
に応答したりするなどのためのキーボード１８、入出力
データ双方をディスプレイするためのモニタ１３、およ
び好ましくは、ディスプレイ上でカーソルまたはイコン
を動かし、さらに運動を選択するために用いられる「マ
ウス」２０を含む。そのような周辺装置およびそれらの
機能はまた当該技術分野では公知である。
コンピュータは２４で示される普通のマイクロプロセッ
サボードを有する。そのようなボードはマイクロプロセ
ッサ自体や、マイクロプロセッサとその算術論理演算装
置を制御するための命令コードを有してフロッピィディ
スク上のプログラムからマイクロプロセッサに与えられ
る命令に従って種々の機能を実施するＲＯＭチップなど
のような構成要素を含む。そのような構成要素と機能は
すべて当該技術分野では周知である。
ボード２４上の制御データバス３０はフロッピィディス
ク１２およびキーボード１８かまたはマウス２０に挿入
されたプログラムから制御信号とデータ信号を受信する
。これらの信号はマイクロプロセッサ２４の動作を制御
しかつそれにデータを与えるために用いられる。マイク
ロプロセッサ２４はまたユーザにより付与される力の特
性、すなわち量および速度のデータ信号を受信する。
測定されたトルクの信号はライン４５で、スピードはラ
イン４６で、回転中のシャフト４０の位置の瞬間角度は
ライン４７で生じられる。これらの信号がアナログ形式
であるならば、マイクロプロセッサボードは適当な回路
を有してアナログディジタル（Ａ／Ｄ）変換を行なう。
シャフトの回転の方向は測定されたトルクか角度信号の
いずれかから計算され得る。たとえば、シャフトの角位
置センサは、回転の２つの異なる方向に対し、普通電圧
変化は反対極性であるが、両方向に進む信号を生じる。
このシステムの動作では、ユーザはディスク駆動装置１
２に制御プログラムディスクを挿入する。
このディスクは所望の運動とそのパラメータに対応する
データを有する１つまたはそれ以上のプログラムをそこ
にストアしている。これらは筋肉等尺性、筋肉等優性ま
たは等速性の型のいずれかであり得る。運動のディレク
トリがモニタ１３に呼出されるときには、多様なプログ
ラムが１個のディスクで利用可能でありかつディスプレ
イされることが好ましい。ユーザはマウス２０により特
定の運動（モード）を選択し、そのプロトコル（パラメ
ータ）をキーボード１８を動作することにより選択する
。すなわち、１個のディスクがいくつかの異なる運動モ
ードとこれらモードでの種々の強度レベルの運動に対応
するプログラムを含み得る。ユーザは運動を選択して、
次にデータが得られるシャフトの成る角位置のような照
会点で抵抗力および速度のようなパラメータをマウスと
キーボードとを介して挿入する。ディスクにはパラメタ
ーが修正され得ない運動プログラムも存在し得る。
この発明の好ましい実施例で後でより詳細に説明される
ように、ユーザは回転アクチュエータ部材に力を付与す
る。システムにより与えられた抵抗力に対し付与された
力のトルクと速度が測定される。この発明のコンピュー
タ制御運動システムはまた湾曲した経路などに沿って力
が線形に付与される用途を有する。しかしながら、全３
６０゜を通る回転力を使用することによりマシンにより
高い多様性が与えられることがわかっている。
機械仕掛けの、ユーザが対抗するこのシステムの部分は
一般に第１図の図面の右側に示されている。これは回転
可能作動部材３６を含み、この部材はその端部に回転可
能ハンドル３８を有し得る。
作動部材３６はバー、ホイールなどのいずれかであり得
る。部材３６は制御ヘッドパネル４２を通って延びる出
力シャフト４０を有し、制御ヘッドパネル４２はシャフ
ト４０に関連して、たとえばマシンのフレームに固定さ
れる。シャフト４０はトルク感知装置を通って延びる。
１９８７年１月２０日に出願され、同じ譲受人に譲渡さ
れた同時係属出願連続番号箱００５．０３７号で説明さ
れているようなトルク感知カラーが使用されることが好
ましい。そのような装置は基本的には一方の端部がフレ
ーム４２に固定され、他方の端部が付与された力に応答
して可動な、ギヤボックスのような部分に固定される。
カラーのその２つの端部の間での「ねじれ」の量は、抵
抗力に対しユーザにより付与される力に対応し、歪ゲー
ジまたは他の装置、およびその関連電子回路により測定
される。他のどのような適当なトルク測定装置でも使用
され得て、そのためトルク感知装置４４は単にブロック
形式で示されている。
シャフト４０は力の削減装置の中へと延びている。好ま
しい実施例では、これは逆の態様で駆動されるウオーム
ギヤであることが好ましい、ギヤボックス４６である。
すなわち、シャフト４０の端部の入力駆動ギヤはギヤボ
ックス４６の出力ギヤよりも大きい。ギヤボックス４６
自体は実際には電気モータ５２のシャフトの一方の端部
である出力シャフト５０を有し、このモータ５２はその
ハウジングと関連する普通のステータ（示されていない
）とシャフト５０に設置されるロータ（示されていない
）とを有する。モータ５２は、たとえば強力恒久磁石が
ロータ上にある型の、高速モータであることが好ましい
。シャフト５０の他方の端部はブレーキ５４の中へ延び
、このブレーキ５４はこのブレーキに与えられる電気制
御信号に従って可変な抵抗が与えられ得るような型の磁
気粒体ブレーキであることが好ましい。シャフト５０の
一部はブレーキを通って延び、いかなる従来の光学型ま
たは機械型のものであってもよい、速度および角位置セ
ンサ５６に結合される。
コンピュータディスク駆動装置の中へ挿入されるディス
クはまたアプリケーションまたはオペレーティング・プ
ログラムを含む。すなわち、このプログラムは測定され
たトルク、速度、回転の方向および角位置データのサン
プリングの速度についておよびどのようにしてそれを用
いるかについてコンピュータに命令を与える。そのよう
な命令は何のデータが処理されるかおよびそれがどうや
って処理されるか、計算されるべき結果、成る選択され
た結果およびデータのディスプレイなどについてマイク
ロプロセッサに命令を与える。アプリケーション・プロ
グラムのいくつかまたはすべては、ディスク上でソフト
ウェアの一部となる代わりにコンピュータシステムのフ
ィルムウェア／ハードウェアの一部となるプログラム可
能リードオンリメモリ（ＦＲＯＭまたはＥＰＲＯＭ）に
存在し得ることが理解されるべきである。そのような技
術選択は周知である。
運動のプロトコルが確立された後で、ディジタル形式で
フロッピィディスクに含まれている情報は周知の技術に
従ってマイクロプロセッサボード２４に与えられる。す
なわち、それは１度に、あるいは連続してなど、回路ボ
ードまたはマイクロプロセッサのＲＡＭヘロードされ得
る。再び、これはコンピュータの容量とディスク上のプ
ログラムが書込まれる態様に従っている。そのパラメー
タがユーザによりキーボードまたはマウスを介して修正
され得ないかまたは選択され得ない運動もディスク上に
存在する。ディスクはまた、運動結果が別なときに比較
可能であり分析され得るように、ユーザにより前に実施
された過去の結果を有し得る。典型的な場合では、１ユ
ーザの経歴がディスク上に保管され得て、すなわち各ユ
ーザは自分自身のディスクを有する。所望されるならば
、これは別個のデータディスクで達成され得る。
プログラムから与えられる情報はマイクロプロセッサ２
４を介して処理され、最初にブレーキおよびモータ制御
器回路６０に信号を送る。これはライン６２をわたって
信号を与えるのに必要な回路を有して磁気粒体ブレーキ
５４を制御し、それにより所望の量の抵抗力を与える。
回路６０はまたライン６３で信号を与え、ユーザに対し
援助を提供するモータ５２を制御する。すなわち、高速
で、低抵抗力（低トルク）の運動が要求されるならば、
ギヤボックスからくるようなシステム内の成る量の慣性
力とブレーキのヒステリシス値が克服されなければなら
ない。このために、回路６０からモータ５２へ信号が与
えられ、ユーザが入力シャフト４０を回転させるときに
自分がシャフト５０を回すのと同じ方向にシャフト５０
を回転させることによりモータが補助力を与える。
ユーザがシャフト４０を回転させると、トルク感知装置
４４とその関連電子回路とによりトルクが測定される。
この測定されたトルクはライン４５をわたってマイクロ
プロセッサ２４に与えられる。同様に、シャフト４０の
測定された回転速度および角位置情報がまたマイクロプ
ロセ・ツサ２４に与えられる。トルク、スピードおよび
角度のこれら測定されたパラメータはマイクロプロセッ
サにより処理されて、多様な量、たとえば瞬間トルク、
スピードおよび出力、平均トルク、スピードおよび出力
、最高スピードまたは最高トルクに対するシャフトの角
位置、合計のおよび平均の力の使用、などのディスプレ
イを計算しかつ生じ得る。
これら測定値のすべてはコンピュータプログラムの動作
に従って高速式に行なわれかつ処理される。
すなわち、このプログラムは測定された情報を連続的に
用いて１秒につき数十ガフの速度で多様な機能と計算を
実施するようマイクロプロセッサに命令する。実際には
、連続的に生じられたトルク、スピードおよび角度の信
号がサンプリングされ、それらのデータは１秒につき数
十ガロコンピュータにより処理される。
少なくとも運動の等速性のモードでは、フロッピィディ
スクを介してコンピュータヘロードされたプログラムに
より設定されたように、ブレーキにより生じられた抵抗
力と選択された回転速度との間で比較がなされるが、力
の量は実際ユーザがシャフト４０を回転したときにユー
ザにより生じられる。この比較がディジタル形式で連続
高速式に行なわれていることが理解されるべきである。
この比較の結果、マイクロプロセッサボードはブレーキ
／モータ制御器ボードへと逆に与えられる制御信号を発
生し、ユーザがシャフト４０を回転したときにブレーキ
５４によりユーザに提供される抵抗力の量を制御する。
このシステムの、その種々の運動モードに対する動作が
ここに説明される。コンピュータによるある信号の使用
を例示するブロック図である第２図をまず参照する。
マイクロプロセッサ算術論理演算装置（Ａ　Ｌ　Ｕ）は
、コンピュータの一部である高周波数クロック２０４か
らタイミング信号を受信する。近年のマイクロプロセッ
サ演算装置はすべて、少なくとも４Ｍｈｚで、またある
ものは１６Ｍｈｚかまたはそれよりも高い速度でクロッ
クパルスを生じる、高い安定状態のクロッククリスタル
を有することが理解されるべきである。したがって、一
定速度でのかつ正確な時間間隔でのデータサンプリング
のような機能を実施することは比較的簡単なことであり
、また従来通りである。コンピュータの動作速度は価格
の制限と一致して可能な限り高くされる。マイクロプロ
セッサＡＬＵはまたライン４５．４６．４７で先に説明
された、測定されたトルク、スピードおよび角位置の信
号のディジタルバージョンを受信する。後者の２つのう
ち少なくとも１つからシャフトの回転の方向が決定され
る。
マイクロプロセッサ２４はまたディスクから読出された
プログラムからデータを、さらにプログラムから読出さ
れた命令に従ってコンピュータシステムＢＩＯ８２０６
から動作命令を受信する。
これら命令はＡＬＵの動作を制御して、それ自体の内部
記憶レジスタに、またはたとえばマイクロプロセッサが
アクセスしたＰＣシステム１６の一部である別個のＲＡ
Ｍ２１０における他のメモリ場所で与えられたデータに
ついてその機能、たとえば加算、減算、比較を実行する
。
マイクロプロセッサＡＬＵは種々の測定のデータおよび
計算結果をストアするＲＡＭ２１０と通信する。ＲＡＭ
は次々とＰＣシステムを介してモニタ１２、プリンタ、
ディスク駆動装置１２（その結果をストアするための）
などのような１個またはそれ以上の出力装置と通信する
。上記のことはすべてコンピュータの技術分野では周知
である。
筋肉等張性 種々の運動のモードと起こり得る測定されかつ計算され
た結果のいくつかがここで検討される。
筋肉等張性の運動を実施する際に、コンビ二一夕は多数
の機能を実施する。これらは接頭文字Ｔ（ｉｓｏＴｏｎ
ｉｃ）を用いて下で説明される。
Ｔ１．最高スピード（速度）の測定。すなわち、スピー
ドセンサ５６により生じられた信号が測定される。コン
ピュータＲＡＭ２１０の一部が、マイクロプロセッサを
介してそれに与えられる、このスピードのデータを保持
するために割当てられる。フロッピィディスク上のコン
ピュータプログラムが所与の回数でこのストアされた情
報を更新するようにマイクロプロセッサＡＬＵに命令し
、それはクロック２０４により与えられた信号に従って
、ユーザにより新しい最高速度が達成されたときにＲＡ
Ｍにストアされた最高スピードのデータを取替えるため
に測定される。実際には、新しい測定されたスピードの
各値のデータは前にストアされた最高スピードの値と比
較され、新しいスピードの値は、その値が比較されてい
る、ストアされた値よりもそれが大きければ、最高スピ
ードとしてストアされる。この値はディスク上の制御プ
ログラムに従ってまたはユーザが選択したオプションと
してまたはその両方で、更新されると連続してディスプ
レイされるか、または所与の時間間隔でまたは運動サイ
クルが完了された後でディスプレイされてストアされ得
る。
Ｔ２．最高スピードが生じる角位置の測定。作動部材の
回転のどの角位置で最高スピードが生じるかを知ること
がしばしば所望される。これはマシンがリハビリテーシ
ョンのために使用される状況で所望される。たとえばこ
れは予め定められた位置での腕または脚の筋肉群の反応
性に関連し得る。これは腕または脚の伸びの間かまたは
その縮み間のいずれかであり得る。ユーザが運動した回
数全体のこれの記録を療法士が保管してユーザのしんし
ゃくすべき筋肉群の改善または悪化を分析するか、また
はユーザ自身がそれを用いて自己の肉体的発達の目標に
向けての自己の進歩をモニタするであろう。
マイクロプロセッサＡＬＵはセンサ５６により連続的に
生じられる角位置データをストアするためにコンピュー
タＲＡＭ２１０の一部を使用する。
ここでコンピュータは、Ｔ１で説明されたように最高ス
ピードのデータが更新される度ごとに、シャフトの角位
置（度）のデータも更新されてＲＡＭにストアされる。
これはディスク上のシステム制御プログラムのもとで行
なわれる。
Ｔ３．最高スピードに達する時間。これは上のＴ１で明
らかにされた情報に関連する。ユーザが付与部材３６を
回転することにより運動を始めると、クロック２０４か
らのクロック信号が運動サイクルの時間を計るためにカ
ウントされ始める。
クロックタイミングサイクルは、たとえばライン４７上
の角位置信号またはライン４５および４６上のトルクお
よびスピード信号の変化がＯの値になると開始される。
ここでは、ＲＡＭ２１０の一部も時間のデータを保持す
るために割当てられる。
最高スピードのデータが更新される度ごとに、最高スピ
ードの更新が生じる、０から始まる時間がまた更新され
る。
Ｔ４．トルク到達時間。筋肉等張性運動は一定の（力の
）トルクにある。この一定のトルクの値は制御プログラ
ムの一部として設定されるが、それはユーザがキーボー
ドからその値を設定するためのオプションを含み得て、
さらに所要の抵抗力を与えるのに必要とされる信号がブ
レーキ制御回路に与えられてブレーキ装置５４を制御す
る。このトルクは瞬時には到達され得ないので、それを
達成するのにユーザはいくらか限られた時間がかかる。
この情報もユーザの状態および／または目標を評価する
際に療法士またはユーザにとって有用である。ここでは
また、ＲＡＭ２１０の一部がＡＬＵの制御のもとてこの
データをストアする。
マイクロプロセッサΔＬＵは制御プログラムにより動作
され、プログラムまたはユーザにより設定されるトルク
を実際の測定されたトルクに対し比較することにより、
運動サイクルの時間０から始まる、この時間を算出しか
つストアする。ユーザがシャフトを回転することにより
前者の量に達したとき、測定時間がＲＡＭにストアされ
る。
Ｔ５．成る角位置でのスピード。これは最高スピードが
生じる角位置の測定と類似する理由で測定される。すな
わち、ユーザにより回転されるような作動部材３６の成
る回転の位置に対応する筋肉群を評価するために、その
角位置でのスピードが測定される。これはシャフト５０
のスピードと角位置に関するデータを連続して受取るマ
イクロプロセッサＡＬＵにより行なわれる。制御プログ
ラムにより設定される角位置で、そのスピードがコンピ
ュータＲＡＭ２１０にストアされる。所望されるならば
、プログラムはシャフトの２個以上の角位置でのスピー
ドを測定する能力を備える。
ユーザにより１つまたはそれ以上の角位置が選択可能で
あることが好ましく、すなわちそれらはキーボードを介
してユーザにより選択される変数である。
Ｔ６．全仕事量。これはユーザが運動している全時間に
わたりユーザにより拡大された力の測定値（抵抗力に対
し付与されたトルク）である。トルクが付与される回転
システムでは、仕事ｆｆｉ　（Ｗ）は次のように測定さ
れる。
貿−叩 Ｊ　Ｔａθ ここでは Ｔ−付与されたトルク　単位フートポンド＝−Ｆ（付与
された力）Ｘｌ−（モーメント・アームの長さ） θ−シャフトの全角回転　単位度 運動サイクルの始めから開始して、マイクロプロセッサ
ＡＬＵは連続して生じられる測定されたトルクのデータ
を１秒あたり数十ガロの一定の速度でサンプリングし、
シャフト５０の角回転の跡を辿る。このデータは付加的
にＲＡＭにストアされる。ストアされた値はディスプレ
イされるように所望の単位、すなわち全フートボンドに
変換される。
各シャフトの角位置のデータ更新の所与の時点までの全
仕事量が利用できるように、全仕事量の値は継続的にＲ
ＡＭで増分されている。この連続して増分されたデータ
はたとえば１秒または１／２秒につき１度といった妥当
な増分でディスプレイされ、そのためディスプレイは視
覚化されて有意義となり得る。
Ｔ７．平均仕事量。この値はＴ６に基づいて明らかにさ
れる。すなわち、全仕事量の値は、ユーザが付与したト
ルクが時間の最後まで変化するので、線形時間関数では
ない。全仕事量に関するデータは常にＲＡＭにストアさ
れ、連続して更新されている。平均仕事量を計算するた
めに、ＡＬＵは運動サイクルの開始以後の時間を測定し
、さらに運動の開始以後の経過時間で全仕事量を除算し
て平均仕事量を計算する。この計算されたデータはＲＡ
Ｍにストアされる。
Ｔ８．他のデータ。上で説明されたデータが計算される
と、他のデータも計算され得る。たとえば、 ａ、平均出力−出力は仕事をする速度である。
Ｔ７では、平均仕事量が測定される。したがって、平均
出力はこの値から計算され得る。
ｂ、平均スピード−これは運動サイクルの全期間にわた
って平均化される各増分で測定されたスピードの値であ
る。平均は各測定の増分で更新され得る。
Ｃ１力の使用−所望されるならば３つの運動のモードす
べてを関連づけるために使用され得る、任意の量が存在
する。それは１期間、普通は運動サイクルの時間の終わ
りまで付与された力の分量（トルク）である。すなわち
、４４により測定されたような、単位がフートボンドで
あるトルクのデータがＲＡＭ２１０にストアされてその
値が増分され、すなわちトルクの連続的な合計が存在す
るようになる。運動サイクルの持続期間も増分されてス
トアされる。したがって、トルク倍した時間の連続する
積が存在し、それは任意に「トルク秒」と呼ばれる。こ
の値は連続してまたは最終的にディスプレイおよび／ま
たは記録され得る。平均の力の使用も計算されてディス
プレイまたは記憶され得る。
Ｔ、　　　２方向性−ユーザは大半の運動を２方向で実
施し得る。すなわち、ユーザは作動部材を時計方向か反
時計方向のいずれかに回転し得る。これは運動されてい
る筋肉群の伸びまたは縮みに対応する。前述の結果はす
べていずれかの方向へ作動部材が運動するために計算さ
れ得る。各方向の運動の結果に対するデータはメモリに
ストアされて、ディスプレイまたは記録され得る。各測
定されかつ計算されたパラメータに対しては２個の登録
位置が、回転の各方向に対しては１個の登録位置が存在
するであろう。典型的な場合では、その結果は１対１で
、すなわち両方向の最高速度、両方向の最高速度に対す
る角位置、両方向の最高速度に対する時間などで比較さ
れるであろう。
Ｔ、　　グラフィックス−グラフィックスディスプレイ
。運動をモニタしているユーザまたは人物が結果を見る
ことが望ましい場合がしばしばある。
先に測定されかつ計算された結果はすべてディスプレイ
のために利用可能であり、ビデオモニタのような適当な
視覚ディスプレイでディプレイされ得る。その結果はコ
ンピュータのメモリで更新が起こったときにまたは１／
２秒または１秒ごとに１度のような周期に基づいて更新
され得て、そのためディスプレイが読出可能となるであ
ろう。
筋肉等張性のグラフの全体が目視のために提示され得る
。このグラフは、たとえば縦座標として１秒あたりの（
作動部材の回転の）度数で表わしたスピードを、さらに
横座標として作動部材の角位置をとることが好ましい。
後者は、たとえば１単位につき１０゛というようにいか
なる所望の単位でも寸法を示し得る。この情報はすべて
リアルタイム式でコンピュータのメモリで利用可能であ
り、それはディスプレイされ得る。筋肉等優性のモード
の運動では、ユーザが運動して最大スピードでわずかな
トルクを用いることが時には望ましい。トルクの値がこ
のシステムの機械部分の慣性損失よりも低ければ、すな
わち使用することにより作動部材と関連シャフトを回転
させるのに十分な力を及ぼし得なければ、コンピュータ
制御プログラムはモータ／ブレーキ制御器を介してモー
タに与えられる援助信号が生じるようにする。ユーザが
シャフトを回転させようと試みればモータは同じ方向に
回転するであろう。
等速性 等速性のモードでは、コンピュータプログラムが一定速
度を設定し、ブレーキ５４の抵抗力はユーザがシャフト
を回転させると変えられ、この一定速度が維持されるよ
うにする。たとえば、ユーザが自分が付与している力を
減じるならば、コンピュータがブレーキ５４により生じ
られた抵抗力を減じて、回転スピードは一定に保たれる
。
コンピュータにより実施される等速性運動は接頭文字Ｋ
（ｉｓｏＫｉｎｅｔｉｃ）を用いて下で説明される。測
定された機能は先に説明されたものと同じであるならば
、それらはそのように言及、される。
Ｋ１．最高トルク。ここでは連続的に測定されたトルク
が先に説明されたように高速でそれぞれにサンプリング
される。各測定値はＲＡＭにストアされた最大トルクの
前の値と比較され、それがそのような値を越えているな
らば新しい最高トルクの値としてストアされる。すなわ
ち、より高い最高トルクの値が生じると連続して比較さ
れかつ更新されるトルクの値のためのレジスタがある。
Ｋ２．最高トルクが生じる角位置。
ＲＡＭが新しい最高トルクの値で更新されると、前記更
新が生じる角位置センサ５４により測定されるような角
位置もＲＡＭでストアされる。これは制御プログラムの
指示のもとで行なわれる。
Ｋ３．最高トルクに到達する時間。運動サイクルが始ま
ると、サイクルのタイミングは０から始まる。最高トル
クの値（Ｋ１）が更新される度ごとに、それが生じる時
間がストアされる。
Ｋ４゜スピード到達時間。これは運動サイクルの開始か
ら測定されてコンピュータプログラムにより入力設定さ
れた速度に到達する時間である。
そのような速度の値もキーボードを介してユーザにより
選択され得る。すなわち、測定されたスピードのデータ
は設定スピードと比較され、前者が後者に等しいとき、
これが生じる時間がストアされる。
Ｋ５．最大スピード。成る場合、ユーザはプログラムに
より設定されたスピードに到達しないかまたはそれを越
えない。各サンプリング時間で測定されたスピードはス
トアされて、ストアされた値よりも高い値が測定される
度ごとにＲＡＭは更新される。すなわち、ユーザが到達
する最高スピードがＲＡＭにストアされる。この値はそ
の運動に対して入力設定された値よりも小さくても構わ
ない。
Ｋ６．一定の角位置でのトルク。肉体の成る部分を働か
せていると、手足の成る位置でのトルクがいくらかを決
定することが所望されるかもしれない。したがって、プ
ログラムは１つまたはそれ以上の角位置（度）を入力設
定し、そのような角位置で測定されたトルクの値をスト
アし得る。ＡＬＵでは選択された角位置で測定されたト
ルクはサンプリングされてＲＡＭへ更新して入力される
。
Ｋ７．全仕事量。Ｔ６を見られたい。
Ｋ８．平均仕事量。Ｔ７を見られたい。
Ｋ９．平均出力。Ｔ８ａを見られたい。
Ｋ１０．力の使用。Ｔ８ｃを見られたい。この量を使用
することにより、量の推定、すなわち「良度指数」の推
定が種々の運動のモードの間でなされることが可能とな
る。筋肉等尺性のモードが運動を必要としないときには
筋肉等優性および等速性のモードが作動部材の運動を必
要とすることが認められるべきである。
Ｋ、　　２方向性。Ｔの２方向性を見られたい。検討さ
れたように、作動部材がいずれかの方向に回転すればい
ずれの測定および計算もなされ得る。
Ｋ、グラフィックス−Ｔのグラフィックスを見られたい
。検討されたように、いずれの測定されたまたは計算さ
れたデータもディスプレイされ得る。
ユーザが運動を実施すると目視のために等速性のグラフ
全体が提示され得る。このグラフは縦座標として実施さ
れている瞬間仕事量をフートボンドの単位で、さらに横
座標としてシャフトの角位置（単位は度）をディスプレ
イすることが好ましい。前と同様、後者はたとえば１σ
０といったように、角回転のいかなる所望の単位であっ
てもよい。
筋肉等尺性 筋肉等尺性（ｉｓｏＭｅｔｒｉｃ）のモードの一運動で
は、働かされている肉体の一部の速度の角変化の割合は
０であり、すなわち、速度すなわちスピードは一定であ
り、さらにこの運動は２方向のうちいずれかであり得る
。すなわち、ユーザはブレーキの抵抗力に対し作動部材
をいずれかの方向へ回転させようと試みる。筋肉等尺性
運動は定常荷重に対する筋肉の力の使用を含み、筋肉接
合角度に当てられた特定数の筋肉繊維の最大労力を考慮
に入れている。運動は全く起こらないので、この型の筋
肉行使の唯一の副産物は熱である。すなわち、ユーザは
荷重に対し運動をし、ユーザが及ぼした力の測定がなさ
れることになる。コンピュータによりブレーキ５４へ入
力設定された荷重は克服され得ないほど十分大きくなけ
ればならない。運動が実施される作動部材の角位置もま
た選択され得る。
この運動において実施される種々の測定および計算され
た結果は下で検討される。
Ｍｌ−最高トルク−これはユーザにより付与された最高
の力の測定である。トルクは力とモーメントアーム（作
動部材の長さ）の積であるので、トルクを生じるために
は力はその程度の運動を必要としたことが理解されるべ
きである。測定された各データをサンプリングする間、
測定されたトルクの量がストアされた最高トルクと比較
され、現在測定されたトルクの値がストアされた値より
も大きければ新しい最高値について更新がなされる。
Ｍ２−最高の度数−先に説明されたように、ここでは最
高トルクが生じる角度がストアされる。
これはまた最高トルクの値が更新されると更新される。
Ｍ３−特定角位置でのトルク−前（Ｋ６）に説明された
ように、一定の荷重と反対に特定の角位置で付与される
トルクを測定することが所望されることがある。これは
作動部材の角位置が常に既知であるためなされ得る。プ
ログラムに入力設定された角位置またはいくつかのその
ような位置の値はＡＬＵがそのような位置でのトルクを
ＲＡＭにストアするようにする。
先に説明されたように、同じ態様で他の計算がなされ得
て、これらは全仕事量、平均仕事量、全力の使用、平均
的な力の使用などである。さらに、作動部材に対する力
の使用の両方の方向に対し測定がなされかつ結果が計算
される。
前と同様、測定された値と計算された結果のすべては所
望に応じてディスプレイおよび／または記録され得る。
筋肉等尺性運動のグラフ全体をディスプレイするために
、縦座標は付与されたトルク（単位はフートボンド）と
なり、横座標はたとえば１／２秒といったような選択さ
れた単位で表わした付与時間となるであろう。
個々の動的可変抵抗モード 運動の別な形式は、たとえばチェストプレスで働いた、
機械構造の可変抵抗であり、働かされる手足の伸びに基
づいて抵抗を変えるために配置が設けられる。
このマシンは個々のユーザに合うようにされた可変抵抗
運動モードをも実施する能力を有する。
可変抵抗モードでは、ユーザは運動される手足の伸びま
たは縮みの位置に従って変化する力に対し運動を行なわ
なければならない。たとえば腕の運動をしているときに
は、腕が十分に伸びるとユーザはより多（出力している
。したがって、ユーザが作動部材の回転中に対抗運動を
する、抵抗の量を適合させることが望ましい。
このために、ユーザは記録モードでコンピュータを使用
し、次に作動部材を回転させる。そうするうちに、ユー
ザが手足の伸びまたは縮みのその位置で及ぼすトルクが
記録される。次にこの記録はユーザ自身の個人的動的可
変抵抗（ＩＤＶＲ）力曲線を設定するために用いられる
。
運動する準備ができると、ユーザはＩＤＶＲモードと自
分の力曲線を選択し、運動を始める。ユーザは力曲線の
大きさを変え得る。作動部材の動きの範囲にわたるその
ような運動の間、上で説明された運動モードと関連して
前に説明されたように種々のパラメータが測定され得る
。たとえばこれは最高スピード、最高スピードが生じる
度数、最高スピード到達時間、全仕事量、平均仕事量、
平均出力、全力の使用などであり得る。
さらに、縦座標がユーザが作動部材を回転させているス
ピード（単位は度／秒）で、かつ横座標が単位が度であ
るシャフトの角位置である図式表示が提供され得る。
このシステムはユーザが実施する「受動」運動に関連し
て説明されてきた。すなわち、ユーザが運動して現存す
る力に対し作動部材を動かし、そうでなければ作動部材
は静止している。このシステムはまた「能動」モード運
動でも使用され得る。
そのような運動では、このシステムが作動部材を回転さ
せ、ユーザは作動部材を静止させ続けるように力を及ぼ
して回転を妨げる。これは、モータ５２を適当に制御し
て所望の量のトルクでシャツ）５０を回転させて、ユー
ザがこれに対し力を付与し得るようにすることにより、
達成され得る。
先に説明されたように、このシステムは回転以外の方向
に、たとえば線形に動く作動部材と共に使用され得る。
【図面の簡単な説明】
第１図はこのシステムの全ブロックおよび概略図である
。 第２図は成る信号がどのようにして比較され、かつ生じ
られるかを示す概略図である。 図において、１０はコンピュータ、３６は回転可能作動
部材、３８は回転可能ハンドル、４０は出力シャフト、
４２は制御ヘッドパネル、４６はギヤボックス、５０は
シャフト、５２はモータ、５６は角位置センサである。 特許出願人　ユニバーサル・ジム・イクイップメント・
インコーホレーテッド ＦＩＧ、　２ 町（し１

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）多様な運動を実施するための運動システムであっ
    て、 コンピュータ手段と、 抵抗力を生じるための手段と、 前記コンピュータ手段により動作されて、前記力発生手
    段により生じられる抵抗力の量を制御するための手段と
    、 そのような抵抗力に対しユーザが動作するための作動部
    材と、 前記作動部材に付与される力を測定し、さらにそれに対
    応する信号を発生させるための手段とを含み、 前記コンピュータ手段が高速で前記信号のデータの値を
    サンプリングする、システム。
  2. （２）前記作動手段が可動であり、さらに前記測定手段
    がまた付与された力に応答して前記作動部材の運動の速
    度を測定する、特許請求の範囲第１項に記載のシステム
    。
  3. （３）前記作動部材が回転式でありかつユーザにより回
    転され、さらに測定された力が付与されるトルクである
    、特許請求の範囲第１項に記載のシステム。
  4. （４）前記作動手段が可動であり、前記測定手段がまた
    付与された力に応答して前記作動部材の運動の速度を測
    定する、特許請求の範囲第３項に記載のシステム。
  5. （５）前記測定手段が前記作動手段に付与されるトルク
    とその回転のスピードを測定する、特許請求の範囲第４
    項に記載のシステム。
  6. （６）前記測定手段がまた前記回転可能作動部材の角位
    置を測定する、特許請求の範囲第５項に記載のシステム
    。
  7. （７）前記コンピュータに実施される運動に対応する情
    報を与えるための手段と、 前記情報に応答して前記抵抗力発生手段を制御するため
    の手段とをさらに含む、特許請求の範囲第１項に記載の
    システム。
  8. （８）前記作動部材が回転式でありかつユーザにより回
    転され、さらに測定された力が付与されるトルクである
    、特許請求の範囲第７項に記載のシステム。
  9. （９）前記作動手段が可動であり、前記測定手段がまた
    付与された力に応答して前記作動部材の運動の速度を測
    定する、特許請求の範囲第８項に記載のシステム。
  10. （１０）前記測定手段が前記作動手段に付与されるトル
    クとその回転のスピードを測定する、特許請求の範囲第
    ９項に記載のシステム。
  11. （１１）前記ユーザにより付与された力に抵抗するため
    に、前記コンピュータにより制御されて前記作動部材に
    力を与える手段をさらに含む、特許請求の範囲第１項に
    記載のシステム。
  12. （１２）前記コンピュータに実施される運動に対応する
    情報を与えるための手段と、 前記情報に応答して前記抵抗力発生手段を制御するため
    の手段をさらに含む、特許請求の範囲第１１項に記載の
    システム。
  13. （１３）前記作動部材が可動であり、さらに前記作動手
    段が動くときにユーザによりそれに与えられる力曲線を
    記録するための手段と、ユーザの記録された力曲線に従
    って前記抵抗発生手段を制御するための手段を有する前
    記コンピュータ手段をさらに含む、特許請求の範囲第１
    項に記載のシステム。
  14. （１４）運動サイクルの少なくとも一部の時間にわたっ
    てユーザにより付与されるトルクを計算するための手段
    をさらに含む、特許請求の範囲第３項に記載のシステム
    。
JP63009434A 1987-01-20 1988-01-19 運動システム Pending JPS63234986A (ja)

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