JP6860203B2 - 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、ユーザ（トレイニー）の筋力をトレーニングする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。

身体機能の向上のため、また、健康維持のために、ユーザ（トレイニー）の手、足、胸部、腹部などの筋力をトレーニングするためのさまざまなトレーニング装置が知られている。トレイニーに負荷を与えるために、重り、バネ、モータなど、さまざまな機構が使用される。例えば、特許文献１及び２は、モータを用いたトレーニング装置を開示している。

特許第５０５５５０６号 特許第５７８５７１６号

トレーニングの効果を上げるには、まず、トレイニーの筋力を定量的に評価する必要があり、さらに、トレイニーの筋力に基づいて適切な負荷を与える必要がある。

トレイニーの筋力は、壁を押すような静的な力としてではなく、例えば足を踏み出すような動的な力として測定されることが望ましい。さらに、トレーニング装置は、そのような動的な力を増すようなトレーニングを実施可能であることが望ましい。

また、このようなトレーニング装置を多数の人が利用するために、トレーニング装置は、圧力変換器等を使用せず、簡単かつ安価に構成されることが望ましい。

従来、これらの条件のすべてをみたすことができるトレーニング装置は提供されていない。

本発明の目的は、簡単かつ安価な構成でありながら、トレイニーの筋力に基づいて適切な負荷を与えるために、トレイニーの筋力を正確に測定することができるトレーニング装置及びトレーニング方法を提供することにある。

本発明の第１の態様に係るトレーニング装置は、
トレイニーによって所定の可動範囲で移動される少なくとも１つの可動部材と、
前記可動部材を前記可動範囲において移動させ、前記可動部材を介して所定の負荷を前記トレイニーに与える駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部とを備えるトレーニング装置であって、
前記駆動部は、前記制御部の制御下で所定のトルクを発生するサーボモータを備え、
前記制御部は、
前記トレイニーが前記可動部材に触れていないときに前記可動部材を前記可動範囲において移動させるために前記サーボモータにより発生される第１のトルクを測定し、
前記トレイニーのトレーニング部位の重さが前記可動部材にかかっているときに前記可動部材を前記可動範囲において移動させるために前記サーボモータにより発生される第２のトルクを測定し、
前記トレイニーが前記可動部材を移動させるときに前記サーボモータにかかる第３のトルクを測定し、
前記第１のトルクに基づいて、前記トレーニング装置の機械的損失を計算し、
前記第１及び第２のトルクに基づいて、前記トレーニング部位の重さを計算し、
前記第２及び第３のトルクに基づいて、前記トレイニーが前記可動部材に与えた正味の力を計算する。

本発明の第２の態様に係るトレーニング装置は、第１の態様に係るトレーニング装置において、
前記制御部は、前記サーボモータに流れる電流を測定することにより、前記第１〜第３のトルクを測定する。

本発明の第３の態様に係るトレーニング装置は、
トレイニーによって所定の可動範囲で移動される少なくとも１つの可動部材と、
前記可動部材を前記可動範囲において移動させ、前記可動部材を介して所定の負荷を前記トレイニーに与える駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部とを備えるトレーニング装置であって、
前記駆動部は、前記制御部の制御下で所定のトルクを発生するサーボモータを備え、
前記制御部は、
前記トレイニーのトレーニング部位の重さが前記可動部材にかかっているときに前記可動部材を前記可動範囲において移動させるために前記サーボモータにより発生される第１のトルクを測定し、
前記トレイニーが前記可動部材を移動させるときに前記サーボモータにかかる第２のトルクを測定し、
前記第１のトルクに基づいて、前記トレーニング装置の機械的損失及び前記トレーニング部位の重さに起因する合計の損失を計算し、
前記第１及び第２のトルクに基づいて、前記トレイニーが前記可動部材に与えた正味の力を計算する。

本発明の第４の態様に係るトレーニング装置は、第３の態様に係るトレーニング装置において、
前記制御部は、前記サーボモータに流れる電流を測定することにより、前記第１及び第２のトルクを測定する。

本発明の第５の態様に係るトレーニング装置は、第１〜第４のうちの１つの態様に係るトレーニング装置において、
前記トレーニング装置はシーテッドレッグプレス装置である。

本発明の第６の態様に係るトレーニング装置は、第１〜第４のうちの１つの態様に係るトレーニング装置において、
前記トレーニング装置はディップス装置である。

本発明の第７の態様に係るトレーニング装置は、第１〜第６のうちの１つの態様に係るトレーニング装置において、
前記制御部は、前記正味の力の大きさに基づいて決定された所定の負荷を前記トレイニーに与えるように、かつ、前記トレーニング装置の機械的損失及び前記トレーニング部位の重さをキャンセルするように、前記可動範囲にわたって変動する所定のトルクを前記サーボモータに設定する。

本発明の第８の態様に係るトレーニング装置は、
トレイニーによって所定の可動範囲で移動される少なくとも１つの可動部材と、
前記可動部材を前記可動範囲において移動させ、前記可動部材を介して所定の負荷を前記トレイニーに与える駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部とを備えるトレーニング装置であって、
前記駆動部は、前記制御部の制御下で所定のトルクを発生するサーボモータを備え、
前記制御部は、
前記トレイニーが前記可動部材に触れていないときに前記可動部材を前記可動範囲において移動させるために前記サーボモータにより発生される第１のトルクを測定し、
前記トレイニーが前記可動部材を移動させるときに前記サーボモータにかかる第２のトルクを測定し、
前記第１のトルクに基づいて、前記トレーニング装置の機械的損失を計算し、
前記第１及び第２のトルクに基づいて、前記トレイニーが前記可動部材に与えた正味の力を計算する。

本発明の第９の態様に係るトレーニング装置は、第８の態様に係るトレーニング装置において、
前記制御部は、前記サーボモータに流れる電流を測定することにより、前記第１及び第２のトルクを測定する。

本発明の第１０の態様に係るトレーニング装置は、第８又は第９の態様に係るトレーニング装置において、
前記トレーニング装置はレッグカール装置である。

本発明の第１１の態様に係るトレーニング装置は、第８又は第９の態様に係るトレーニング装置において、
前記トレーニング装置はシーテッドチェストプレス装置である。

本発明の第１２の態様に係るトレーニング装置は、第８〜第１１のうちの１つの態様に係るトレーニング装置において、
前記制御部は、前記正味の力の大きさに基づいて決定された所定の負荷を前記トレイニーに与えるように、かつ、前記トレーニング装置の機械的損失をキャンセルするように、前記可動範囲にわたって変動する所定のトルクを前記サーボモータに設定する。

本発明の第１３の態様に係るトレーニング装置は、第７又は第１２の態様に係るトレーニング装置において、
前記制御部は、前記正味の力の大きさに基づいて、前記トレイニーに与える負荷の大きさを決定する。

本発明の第１４の態様に係るトレーニング装置は、第１７又は第１２の態様に係るトレーニング装置において、
前記制御部は、
前記正味の力の大きさを示す情報を外部のサーバ装置に送信し、
前記サーバ装置によって前記正味の力の大きさに基づいて決定された負荷の大きさを示す情報を前記サーバ装置から受信する。

本発明の第１５の態様に係るトレーニング装置は、第１〜第１４のうちの１つの態様に係るトレーニング装置において、
前記制御部は、前記可動範囲の両端の位置を検出する。

本発明の第１６の態様に係るトレーニング方法は、
トレイニーによって所定の可動範囲で移動される少なくとも１つの可動部材と、
前記可動部材を前記可動範囲において移動させ、前記可動部材を介して所定の負荷を前記トレイニーに与える駆動部とを備えるトレーニング装置を用いたトレーニング方法であって、
前記駆動部は、所定のトルクを発生するサーボモータを備え、
前記トレーニング方法は、
前記トレイニーが前記可動部材に触れていないときに前記可動部材を前記可動範囲において移動させるために前記サーボモータにより発生される第１のトルクを測定するステップと、
前記トレイニーのトレーニング部位の重さが前記可動部材にかかっているときに前記可動部材を前記可動範囲において移動させるために前記サーボモータにより発生される第２のトルクを測定するステップと、
前記トレイニーが前記可動部材を移動させるときに前記サーボモータにかかる第３のトルクを測定するステップと、
前記第１のトルクに基づいて、前記トレーニング装置の機械的損失を計算するステップと、
前記第１及び第２のトルクに基づいて、前記トレーニング部位の重さを計算するステップと、
前記第２及び第３のトルクに基づいて、前記トレイニーが前記可動部材に与えた正味の力を計算するステップとを含む。

本発明の第１７の態様に係るトレーニング方法は、
トレイニーによって所定の可動範囲で移動される少なくとも１つの可動部材と、
前記可動部材を前記可動範囲において移動させ、前記可動部材を介して所定の負荷を前記トレイニーに与える駆動部とを備えるトレーニング装置を用いたトレーニング方法であって、
前記駆動部は、所定のトルクを発生するサーボモータを備え、
前記トレーニング方法は、
前記トレイニーのトレーニング部位の重さが前記可動部材にかかっているときに前記可動部材を前記可動範囲において移動させるために前記サーボモータにより発生される第１のトルクを測定するステップと、
前記トレイニーが前記可動部材を移動させるときに前記サーボモータにかかる第２のトルクを測定するステップと、
前記第１のトルクに基づいて、前記トレーニング装置の機械的損失及び前記トレーニング部位の重さに起因する合計の損失を計算するステップと、
前記第１及び第２のトルクに基づいて、前記トレイニーが前記可動部材に与えた正味の力を計算するステップとを含む。

本発明の第１８の態様に係るトレーニング方法は、
トレイニーによって所定の可動範囲で移動される少なくとも１つの可動部材と、
前記可動部材を前記可動範囲において移動させ、前記可動部材を介して所定の負荷を前記トレイニーに与える駆動部とを備えるトレーニング装置を用いたトレーニング方法であって、
前記駆動部は、所定のトルクを発生するサーボモータを備え、
前記トレーニング方法は、
前記トレイニーが前記可動部材に触れていないときに前記可動部材を前記可動範囲において移動させるために前記サーボモータにより発生される第１のトルクを測定するステップと、
前記トレイニーが前記可動部材を移動させるときに前記サーボモータにかかる第２のトルクを測定するステップと、
前記第１のトルクに基づいて、前記トレーニング装置の機械的損失を計算するステップと、
前記第１及び第２のトルクに基づいて、前記トレイニーが前記可動部材に与えた正味の力を計算するステップとを含む。

本発明の一態様に係るトレーニング装置及びトレーニング方法によれば、装置の機械的損失を予め測定することにより、簡単かつ安価な構成でありながら、トレイニーの筋力に基づいて適切な負荷を与えるために、トレイニーの筋力を正確に測定することができる。

実施形態１に係るトレーニング装置１の構成を示す斜視図である。 図１の制御装置１２及び駆動装置１３の構成を示すブロック図である。 図１のトレーニング装置１をトレイニー１００が使用するときの第１の状態を示す斜視図である。 図１のトレーニング装置１をトレイニー１００が使用するときの第２の状態を示す斜視図である。 図１のトレーニング装置１によって実行されるトレーニング制御処理を示すフローチャートである。 図１のシャフト１４及びフットレスト１５にかかる重力Ｗ１を説明するための概略図である。 図１のシャフト１４及びフットレスト１５を下端位置から上端位置に、また、上端位置から下端位置に移動させるときのトルクを説明するための概略図である。 さまざまなトレイニーによってシャフト１４及びフットレスト１５に与えられる正味の力を示すグラフである。 図８のトレイニー３に所定の負荷を与えるためにサーボモータ７１に設定されるトルクを示すグラフである。 図１のトレーニング装置１によって実行されるトレーニング制御処理の変形例を示すフローチャートである。 実施形態２に係るトレーニング装置２の構成を示す斜視図である。 図１１のトレーニング装置２をトレイニー１００が使用するときの第１の状態を示す斜視図である。 図１１のトレーニング装置２をトレイニー１００が使用するときの第２の状態を示す斜視図である。 図１１のトレーニング装置２によって実行されるトレーニング制御処理を示すフローチャートである。 実施形態３に係るトレーニング装置３の構成を示す斜視図である。 図１５のトレーニング装置３をトレイニー１００が使用するときの第１の状態を示す斜視図である。 図１５のトレーニング装置３をトレイニー１００が使用するときの第２の状態を示す斜視図である。 実施形態３の変形例に係るトレーニング装置３ＡＡの構成を示す斜視図である。 実施形態４に係るトレーニング装置４の構成を示す斜視図である。 図１９のトレーニング装置４をトレイニー１００が使用するときの第１の状態を示す斜視図である。 図１９のトレーニング装置４をトレイニー１００が使用するときの第２の状態を示す斜視図である。 実施形態５に係るトレーニングシステムの構成を示すブロック図である。

実施形態１．
図１は、実施形態１に係るトレーニング装置１の構成を示す斜視図である。トレーニング装置１は、トレイニーの身体のうちの所定の部位、例えば、大腿四頭筋、大臀筋、中臀筋などを鍛えるためのシーテッドレッグプレス装置として構成されている。

トレーニング装置１は、コンソール１０、シャーシ１１、制御装置１２、駆動装置１３、シャフト１４、フットレスト１５、シート１６、ハンドル１７、支柱１８、及び停止スイッチＳＷ１を備える。

シャーシ１１には、トレーニング装置１の各構成要素が取り付けられる。

シャフト１４及びフットレスト１５は、トレイニーによって所定の可動範囲で移動される可動部材である。シャフト１４の一端は、後述するように、駆動装置１３の回転軸に連結され、回転軸のまわりに回転可能に支持される。シャフト１４の他端にはフットレスト１５が連結される。

駆動装置１３は、シャフト１４及びフットレスト１５をそれらの可動範囲において移動させ、さらに、シャフト１４及びフットレスト１５を介して所定の負荷をトレイニーに与える。本明細書において、駆動装置１３を「駆動部」ともいう。

コンソール１０及び制御装置１２は、駆動装置１３を制御する。コンソール１０は、所定の制御プログラムを実行し、ユーザ入力を受け、制御装置１２はコンソール１０の制御下で駆動装置１３を制御する。コンソール１０は、ディスプレイ及びタッチパネルを備えたタブレット端末装置であってもよく、ディスプレイ及び、キーボード及びポインティングデバイスを備えたパーソナルコンピュータであってもよい。例えば、制御装置１２は駆動装置１３に有線接続され、コンソール１０は制御装置１２に有線又は無線で接続される。以下、コンソール１０は制御装置１２にＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）で接続されるものとする。本明細書において、コンソール１０及び制御装置１２をまとめて「制御部」ともいう。

コンソール１０及び制御装置１２は、互いに一体化されていてもよい。

停止スイッチＳＷ１は、トレイニーがトレーニング装置１の緊急停止を希望するときなど、押下されたときにシャフト１４及びフットレスト１５の動きを停止する。

トレイニーは、シート１６に座り、フットレスト１５にトレイニーの足を載せ、両手でハンドル１７を握る。実施形態１では、可動部材（シャフト１４及びフットレスト１５）を移動させるトレイニーの部位である足を「トレーニング部位」という。

支柱１８は、コンソール１０及び停止スイッチＳＷ１を、トレイニーの周りで回転可能に支持する。

図２は、図１の制御装置１２及び駆動装置１３の構成を示すブロック図である。制御装置１２は、制御回路６１、電源回路６２、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信回路６３、及びサーボアンプ６４を備える。駆動装置１３は、サーボモータ７１、モータエンコーダ７２、及びギアボックス７３を備える。

サーボモータ７１は、コンソール１０及び制御装置１２の制御下で所定のトルクを発生する。モータエンコーダ７２は、サーボモータ７１の回転位置を検出する。サーボモータ７１の回転位置を検出することにより、シャフト１４及びフットレスト１５の位置がわかる。ギアボックス７３は、サーボモータ７１の回転軸の回転を減速してシャフト１４及びフットレスト１５に伝達する。

電源回路６２は、商用電源５５から１００Ｖの交流電力の供給を受けて直流電力を発生し、直流電力を制御回路６１及びサーボアンプ６４に供給する。

Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信回路６３は、コンソール１０に無線接続される。

サーボアンプ６４は、制御回路６１の制御下で、サーボモータ７１を制御する。サーボアンプ６４は、サーボモータ７１の現在のトルク、位置、及び速度をモニタリングし、所望のトルク、位置、及び速度をサーボモータ７１に指示する。サーボアンプ６４は、サーボモータ７１に流れる電流を測定することにより、サーボモータ７１のトルクを測定する。また、サーボアンプ６４は、サーボモータ７１に流れる電流を設定することにより、サーボモータ７１のトルクを設定する。

制御回路６１は、サーボモータ７１のトルク、位置、及び速度をモニタリングするためのモニタ信号をサーボアンプ６４から受信し、サーボモータ７１のトルク、位置、及び速度を指示するためのコマンド信号をサーボアンプ６４に送信する。制御回路６１は、例えば、パラレル又はシリアルのインターフェースを介してサーボアンプ６４に接続される。

スイッチＳＷ２，ＳＷ３は、シャフト１４及びフットレスト１５の可動範囲の限界の位置（両端位置）にそれぞれ設けられる。スイッチＳＷ２又はＳＷ３がシャフト１４及びフットレスト１５により押下されたとき、制御回路６１はサーボモータ７１を停止させる。これにより、トレーニング装置１の故障を防止することができ、また、トレイニーの身体に過大な負荷がかかることを防止することができる。

また、トレイニーが停止スイッチＳＷ１を押下したとき、制御回路６１はサーボモータ７１を停止させる。

図３は、図１のトレーニング装置１をトレイニー１００が使用するときの第１の状態を示す斜視図である。図４は、図１のトレーニング装置１をトレイニー１００が使用するときの第２の状態を示す斜視図である。コンソール１０及び制御装置１２は、図３の状態において、所定の負荷をトレイニー１００に与えるように、駆動装置１３のサーボモータ７１に所定のトルクを設定する。トレイニー１００は、図３の状態から図４の状態になるように、シャフト１４及びフットレスト１５を押し下げる。コンソール１０及び制御装置１２は、シャフト１４及びフットレスト１５が図３の状態から図４の状態に変化する過程において変動する所定のトルクを、駆動装置１３のサーボモータ７１に設定する。シャフト１４及びフットレスト１５がトレイニー１００により図４の状態まで押し下げられると、コンソール１０及び制御装置１２は、シャフト１４及びフットレスト１５を図３の状態まで押し上げ、再びトレイニー１００により押し下げられることを待機する。この動作を繰り返すことにより、トレイニー１００は筋力をトレーニングする。

図５は、図１のトレーニング装置１によって実行されるトレーニング制御処理を示すフローチャートである。ここでは、コンソール１０がトレーニング制御処理に係る制御プログラムを実行するものとして説明する。

まず、トレイニーは、ステップＳ１を実行するために、トレーニング部位を可動部材に配置する（すなわち、足をフットレスト１５に載せる）。

ステップＳ１において、コンソール１０は、トレイニーのトレーニング部位の可動範囲の両端の位置を検出する。図１のようなシーテッドレッグプレス装置の場合には、図３のようにトレイニーの足を曲げた状態におけるシャフト１４及びフットレスト１５の位置と、図４のようにトレイニーの足を伸ばした状態におけるシャフト１４及びフットレスト１５の位置とを検出する。

トレーニング部位の可動範囲の両端の位置を検出した後、トレイニーは、ステップＳ２を実行するために、いったんトレーニング部位を可動部材から離す（すなわち、足をフットレスト１５から下ろす）。

ステップＳ２において、コンソール１０は、トレイニーが可動部材（シャフト１４及びフットレスト１５）に触れていないときに可動部材をトレイニーの可動範囲において移動させるためにサーボモータ７１によって発生されるトルクを測定する。このとき、コンソール１０は、予め決められた速度をサーボモータ７１に設定する。

図６は、図１のシャフト１４及びフットレスト１５にかかる重力Ｗ１を説明するための概略図である。点Ｏは、駆動装置１３の回転軸を示す。点Ｐは、トレイニーのトレーニング部位とシャフト１４及びフットレスト１５とが互いに対向する領域の重心（すなわち、トレイニーの力がシャフト１４及びフットレスト１５にかかる位置）を示す。Ｒは、点Ｏから点Ｐまでの距離を示す。θは、水平面に対するシャフト１４の角度を示す。Ｗ１は、点Ｐにかかるシャフト１４及びフットレスト１５の重さ（ｋｇ）を示す。

シャフト１４が点Ｏの周りに回転可能に支持されるとき、中心Ｏ及び半径Ｒの円周上の点Ｐにおける重さＷ１の接線方向の分力（ｋｇ）は、Ａ１＝Ｗ１・ｃｏｓθによって表される。従って、この分力Ａ１に起因する点Ｐにおける接線方向のトルク（ｋｇ・ｍ）は、Ａ１（ｋｇ）×Ｒ（ｍ）によって表される。

サーボモータ７１、ギアボックス７３、シャフト１４及びフットレスト１５の摺動摩擦などにより生じるトルク（ｋｇ・ｍ）を、Ｆｒｉにより表す。シャフト１４及びフットレスト１５を持ち上げるときに必要なサーボモータ７１のトルクＴｕｐと、シャフト１４及びフットレスト１５を押し下げるときに必要なサーボモータ７１のトルクＴｄｏｗｎとは、次式により表される。

Ｔｕｐ＝Ｆｒｉ＋Ａ１×Ｒ
Ｔｄｏｗｎ＝Ｆｒｉ−Ａ１×Ｒ

上述したトルクＴｕｐ及びＴｄｏｗｎの式によれば、シャフト１４が水平面に対して９０度に近い角度にあると、分力Ａ１よりも摩擦などに起因するトルクＦｒｉの方が大きくなり、シャフト１４は倒れにくくなる。角度θが小さくなると、分力Ａ１が大きくなり、シャフト１４は水平面にさらに近づくように回転する。

図７は、図１のシャフト１４及びフットレスト１５を下端位置から上端位置に、また、上端位置から下端位置に移動させるときのトルクを説明するための概略図である。図７は、シャフト１４が水平面に対して０度〜４３度の可動範囲を有する場合を示す。点Ｐにおける接線方向の分力Ａ１の２倍の力が、持ち上げる方向及び押し下げる方向のトルクのヒステリシスとなって現れる。

図７において、シャフト１４及びフットレスト１５が下端位置（θ＝０度）及び上端位置（θ＝４３度）の各近傍にあるとき、トルクは厳密には釣り合っていない可能性がある。シャフト１４及びフットレスト１５の位置を保持するために、シャフト１４及びフットレスト１５が他の構成要素に押しつけられている可能性がある。また、シャフト１４及びフットレスト１５が静止状態から動き始めたことにより、摩擦係数が変化する可能性がある。

トルクＴｕｐ及びＴｄｏｗｎを測定した後、トレイニーは、ステップＳ３を実行するために、再びトレーニング部位を可動部材に配置する（すなわち、再び足をフットレスト１５に載せる）。

図５のステップＳ３において、コンソール１０は、トレーニング部位の重さが可動部材（シャフト１４及びフットレスト１５）にかかっているときに可動部材を可動範囲において移動させるためにサーボモータ７１によって発生されるトルクＴ１を測定する。このとき、コンソール１０は、ステップＳ２でサーボモータ７１に設定した速度と同じ速度をサーボモータ７１に設定する。トレイニーは、トレイニー自身の力をシャフト１４及びフットレスト１５にかけないように、フットレスト１５にトレイニーの足を載せる。トレイニーのトレーニング部位の重さを、Ｗ２により表し、重さＷ２の点Ｐにおける接線方向の分力を、Ａ２＝Ｗ２・ｃｏｓθにより表す。このとき、トルクＴ１は、次式で表される。

Ｔ１＝Ｆｒｉ−（Ａ１＋Ａ２）×Ｒ

ステップＳ４において、コンソール１０は、トレイニーがトレイニー自身の力により可動部材（シャフト１４及びフットレスト１５）を移動させるときにサーボモータ７１にかかるトルクＴ２を測定する。このとき、コンソール１０は、ステップＳ２及びＳ３でサーボモータ７１に設定した速度と同じ速度をサーボモータ７１に設定する。コンソール１０は、シャフト１４及びフットレスト１５を図３の位置に移動させる。トレイニーは、図３の状態から図４の状態になるように、シャフト１４及びフットレスト１５を押し下げる。トレイニー自身の力により発生するトルクを、Ｍｅｓにより表す。このとき、トルクＴ２は、次式で表される。

Ｔ２＝Ｆｒｉ−（Ａ１＋Ａ２）×Ｒ＋Ｍｅｓ

ステップＳ５において、コンソール１０は、トレーニング装置の機械的損失を計算する。機械的損失は、摩擦などにより生じるトルクＦｒｉと、シャフト１４及びフットレスト１５の重さに起因するトルクＡ１×Ｒとを含む。トルクＦｒｉ及び分力Ａ１は、ステップＳ２で測定したトルクＴｕｐ及びＴｄｏｗｎに基づいて計算される。

ステップＳ６において、コンソール１０は、トレーニング部位の重さＷ２を計算する。ステップＳ２で測定したトルクＴｄｏｗｎ及びステップＳ３で測定したトルクＴ１に基づいて、トレーニング部位の重さＷ２に起因するトルクＡ２×Ｒ＝Ｔｄｏｗｎ−Ｔ１を計算し、これにより、トレーニング部位の重さＷ２が計算される。

ステップＳ７において、コンソール１０は、トレイニーが可動部材（シャフト１４及びフットレスト１５）に与えた正味の力を示すトルクＭｅｓを計算する。ステップＳ３で測定したトルクＴ１及びステップＳ４で測定したトルクＴ２に基づいて、トレイニー自身の力により発生するトルクＭｅｓ＝Ｔ２−Ｔ１が計算される。

ステップＳ８において、コンソール１０は、トレイニーの正味の力の大きさに基づいて、トレイニーに与える負荷の大きさを示す情報であるトレーニングメニューを決定する。トレイニーに与える負荷の大きさは、トレイニーの正味の力よりも小さく設定され、例えば、トレイニーの正味の力の最大値の０．６〜０．７倍に設定される。これにより、トレイニーの身体に過大な負荷がかかることを防止することができる。また、トレイニーに与える負荷の大きさは、所望のトレーニングの効果を達成するように、トレイニーのトレーニング部位の可動範囲にわたって変化する。

ステップＳ９において、コンソール１０は、決定したトレーニングメニューに基づいて、駆動装置１３にトルクを設定する。コンソール１０は、正味の力の大きさに基づいて決定された所定の負荷をトレイニーに与えるように、かつ、トレーニング装置１の機械的損失のトルクＦｒｉ及びトレーニング部位の重さＷ２をキャンセルするように、可動範囲にわたって変動する所定のトルクＴ３をサーボモータ７１に設定する。正味の力の大きさに基づいて決定された所定の負荷のトルクを、Ｔｒａにより表す。このとき、トルクＴ３は、次式で表される。

Ｔ３＝Ｆｒｉ＋（Ａ１＋Ａ２）×Ｒ＋Ｔｒａ

図８は、さまざまなトレイニーによってシャフト１４及びフットレスト１５に与えられる正味の力を示すグラフである。図９は、図８のトレイニー３に所定の負荷を与えるためにサーボモータ７１に設定されるトルクを示すグラフである。図８及び図９の横軸の移動距離は、図６の中心Ｏ及び半径Ｒの円周上における点Ｐの移動距離を示す。トレーニング装置１を実際に使用中のトレイニー３の正味の力を計算することにより、トレイニー３に最も適したトレーニングメニューを決定することができる。

ステップＳ１０において、コンソール１０は、トレイニーの筋力のトレーニングを実行する。ここで、トレーニング中にトレイニーが発生した力の大きさは、サーボモータ７１にかかるトルクから、トルクＴ３の各成分を減算することによって計算される。ステップＳ１１において、コンソール１０は、トレーニングを繰り返すか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ１０に戻り、ＮＯのときは処理を終了する。

図５のトレーニング制御処理を実行するとき、コンソール１０は、そのディスプレイ上に、トルクを測定するためのトレイニーへの指示、例えば、足をフットレスト１５に載せる（ステップＳ１及びＳ３）、足をフットレスト１５から下ろす（ステップＳ２）、トレイニーの力をフットレスト１５にかける（ステップＳ４）、などを表示してもよい。また、コンソール１０は、そのディスプレイ上に、ステップＳ２〜Ｓ４で測定されたトルクを表示してもよく、ステップＳ５〜Ｓ７で計算されたトレーニング装置の機械的損失、トレーニング部位の重さ、及び正味の力を表示してもよい。また、ステップＳ９において複数のトレーニングメニュー（例えば、異なる負荷を有するトレーニングメニュー）が利用可能である場合、コンソール１０は、トレーニングメニューを選択するためのユーザ入力をトレイニーから取得してもよい。

以上の説明では、コンソール１０が図５のトレーニング制御処理に係る制御プログラムを実行するものとしたが、コンソール１０に代えて、制御装置１２がトレーニング制御処理に係る制御プログラムを実行してもよい。この場合、コンソール１０は、そのディスプレイ上にさまざまな情報を表示し、また、ユーザ入力をトレイニーから取得する単なるユーザインターフェースとして動作する。

以上説明したように、実施形態１に係るトレーニング装置１によれば、装置の摩擦などにより生じるトルクと、装置の重さに起因するトルクとを含む機械的損失を予め測定することができる。これにより、簡単かつ安価な構成でありながら、トレイニーの筋力を正確に測定し、トレイニーの筋力に基づいて適切な負荷を与えることができる。

図１０は、図１のトレーニング装置１によって実行されるトレーニング制御処理の変形例を示すフローチャートである。ここでもまた、図５と同様に、コンソール１０がトレーニング制御処理に係る制御プログラムを実行するものとして説明する。

図５のトレーニング制御処理では、トレーニング装置１の機械的損失と、トレーニング部位の重さとを別個に計算したが、これらの合計の損失を計算してもよい。

まず、トレイニーは、ステップＳ２１を実行するために、トレーニング部位を可動部材に配置する（すなわち、足をフットレスト１５に載せる）。

ステップＳ２１において、コンソール１０は、図５のステップＳ１と同様に、トレイニーのトレーニング部位の可動範囲の両端の位置を検出する。

ステップＳ２２において、コンソール１０は、トレーニング部位の重さが可動部材（シャフト１４及びフットレスト１５）にかかっているときに可動部材を可動範囲において移動させるためにサーボモータ７１によって発生されるトルクを測定する。このとき、コンソール１０は、予め決められた速度をサーボモータ７１に設定する。トレイニーは、トレイニー自身の力をシャフト１４及びフットレスト１５にかけないように、フットレスト１５にトレイニーの足を載せる。コンソール１０は、シャフト１４及びフットレスト１５を持ち上げるときに必要なサーボモータ７１のトルクＴｕｐ’と、シャフト１４及びフットレスト１５を押し下げるときに必要なサーボモータ７１のトルクＴｄｏｗｎ’とを測定する。

Ｔｕｐ’＝Ｆｒｉ＋（Ａ１＋Ａ２）×Ｒ
Ｔｄｏｗｎ’＝Ｆｒｉ−（Ａ１＋Ａ２）×Ｒ

ステップＳ２３において、コンソール１０は、図５のステップＳ４と同様に、トレイニーがトレイニー自身の力により可動部材（シャフト１４及びフットレスト１５）を移動させるときにサーボモータ７１にかかるトルクＴ２を測定する。このとき、コンソール１０は、ステップＳ２２でサーボモータ７１に設定した速度と同じ速度をサーボモータ７１に設定する。コンソール１０は、シャフト１４及びフットレスト１５を図３の位置に移動させる。トレイニーは、図３の状態から図４の状態になるように、シャフト１４及びフットレスト１５を押し下げる。トレイニー自身の力により発生するトルクを、Ｍｅｓにより表す。このとき、トルクＴ２は、次式で表される。

Ｔ２＝Ｆｒｉ−（Ａ１＋Ａ２）×Ｒ＋Ｍｅｓ

ステップＳ２４において、コンソール１０は、トレーニング装置の機械的損失及びトレーニング部位の重さに起因する合計の損失を計算する。前述のように、機械的損失は、摩擦などにより生じるトルクＦｒｉと、シャフト１４及びフットレスト１５の重さに起因するトルクＡ１×Ｒとを含み、また、トレーニング部位の重さＷ２に起因するトルクＡ２×Ｒが生じている。コンソール１０は、ステップＳ２２で測定したトルクＴｕｐ’及びＴｄｏｗｎ’に基づいて、トルクＦｒｉ及び（Ａ１＋Ａ２）×Ｒを計算する。

ステップＳ２５において、コンソール１０は、図５のステップＳ７と同様に、トレイニーが可動部材（シャフト１４及びフットレスト１５）に与えた正味の力を示すトルクＭｅｓを計算する。ステップＳ２２で測定したトルクＴｄｏｗｎ’及びステップＳ２３で測定したトルクＴ２に基づいて、トレイニー自身の力により発生するトルクＭｅｓ＝Ｔ２−Ｔｄｏｗｎ’が計算される。

以後、ステップＳ２６〜Ｓ２９は、図５のステップＳ８〜Ｓ１１と同様である。

図１０のトレーニング制御処理によれば、図５のステップＳ２におけるトルクの測定が不要になり、また、トレーニング装置の機械的損失及びトレーニング部位の重さに起因する合計の損失を計算するので、図５の場合よりも処理を簡単化することができる。

実施形態１に係るトレーニング装置１を作成するにあたって、実際の足の踏み出し及び踏み込みに近い動きになるように、フットレスト１５及びシート１６の位置関係及び寸法と、フットレスト１５の動きとを検討した。その結果、従来のレッグプレス装置のように可動部材が平行移動するのではなく、可動部材が水平面に対して約５０度の角度を有する位置から約０度の角度を有する位置まで回転運動するように構成した。

実施形態１に係るトレーニング装置１では、トレイニーがシャフト１４及びフットレスト１５を押し下げる場合について説明したが、トレイニーの足をフットレスト１５に固定し、トレイニーがシャフト１４及びフットレスト１５を引き上げてもよい。

実施形態２．
図１１は、実施形態２に係るトレーニング装置２の構成を示す斜視図である。トレーニング装置２は、トレイニーの身体のうちの所定の部位、例えば、半腱様筋、半膜様筋などを鍛えるためのレッグカール装置として構成されている。

トレーニング装置２は、コンソール２０、シャーシ２１、制御装置２２、駆動装置２３、バーアセンブリ２４、クッション２５ａ，２５ｂ、シート２６、ハンドル２７、及び支柱２８を備える。

バーアセンブリ２４及びクッション２５ａ，２５ｂは、トレイニーによって所定の可動範囲で移動される可動部材である。バーアセンブリ２４は、駆動装置２３の回転軸に連結され、回転軸のまわりに回転可能に支持される。バーアセンブリ２４は、トレイニーの足を上下に挟む２つのバーを含み、これらのバーの周り（すなわち、トレイニーの足に接する可能性がある位置）にクッション２５ａ，２５ｂが設けられる。

実施形態２では、可動部材（バーアセンブリ２４及びクッション２５ａ，２５ｂ）を移動させるトレイニーの部位である足を「トレーニング部位」という。

トレーニング装置２の他の構成要素は、図１のトレーニング装置１における同じ名称を有する構成要素と実質的に同様に構成される。

図１２は、図１１のトレーニング装置２をトレイニー１００が使用するときの第１の状態を示す斜視図である。図１３は、図１１のトレーニング装置２をトレイニー１００が使用するときの第２の状態を示す斜視図である。コンソール２０及び制御装置２２は、図１２の状態において、所定の負荷をトレイニー１００に与えるように、駆動装置２３のサーボモータに所定のトルクを設定する。トレイニー１００は、図１２の状態から図１３の状態になるように、バーアセンブリ２４及びクッション２５ａ，２５ｂを押し上げる。コンソール２０及び制御装置２２は、バーアセンブリ２４及びクッション２５ａ，２５ｂが図１２の状態から図１３の状態に変化する過程において変動する所定のトルクを、駆動装置２３のサーボモータに設定する。バーアセンブリ２４及びクッション２５ａ，２５ｂがトレイニー１００により図１３の状態まで押し上げられると、コンソール２０及び制御装置２２は、バーアセンブリ２４及びクッション２５ａ，２５ｂを図１２の状態まで押し下げ、再びトレイニー１００により押し上げられることを待機する。この動作を繰り返すことにより、トレイニー１００は筋力をトレーニングする。

図１４は、図１１のトレーニング装置２によって実行されるトレーニング制御処理を示すフローチャートである。ここでもまた、図５と同様に、コンソール２０がトレーニング制御処理に係る制御プログラムを実行するものとして説明する。

レッグカール装置であるトレーニング装置２では、トレーニング部位の重さがトレーニング装置にかからないので、トレーニング部位の重さを計算することは不要になる。

まず、トレイニーは、ステップＳ３１を実行するために、トレーニング部位を可動部材に配置する（すなわち、足をクッション２５ａ，２５ｂの間に配置する）。

ステップＳ３１において、コンソール２０は、トレイニーのトレーニング部位の可動範囲の両端の位置を検出する。図１１のようなレッグカール装置の場合には、図１１のようにトレイニーの足を下げた状態におけるバーアセンブリ２４及びクッション２５ａ，２５ｂの位置と、図１７のようにトレイニーの足を上げた状態におけるバーアセンブリ２４及びクッション２５ａ，２５ｂの位置とを検出する。

トレーニング部位の可動範囲の両端の位置を検出した後、トレイニーは、ステップＳ３２を実行するために、いったんトレーニング部位を可動部材から離す（すなわち、足をバーアセンブリ２４及びクッション２５ａ，２５ｂから離す）。

ステップＳ３２において、コンソール２０は、トレイニーが可動部材（バーアセンブリ２４及びクッション２５ａ，２５ｂ）に触れていないときに可動部材をトレイニーの可動範囲において移動させるためにサーボモータ７１によって発生されるトルクを測定する。このとき、コンソール２０は、予め決められた速度をサーボモータ７１に設定する。可動部材を持ち上げるときに必要なサーボモータ７１のトルクＴｕｐと、可動部材を押し下げるときに必要なサーボモータ７１のトルクＴｄｏｗｎとは、次式により表される。

Ｔｕｐ＝Ｆｒｉ＋Ａ１×Ｒ
Ｔｄｏｗｎ＝Ｆｒｉ−Ａ１×Ｒ

トルクＴｕｐ及びＴｄｏｗｎを測定した後、トレイニーは、ステップＳ３３を実行するために、再びトレーニング部位を可動部材に配置する（すなわち、再び足をクッション２５ａ，２５ｂの間に配置する）。

ステップＳ３３において、コンソール２０は、トレイニーがトレイニー自身の力により可動部材（バーアセンブリ２４及びクッション２５ａ，２５ｂ）を移動させるときにサーボモータ７１にかかるトルクＴ２を測定する。このとき、コンソール２０は、ステップＳ３２でサーボモータ７１に設定した速度と同じ速度をサーボモータ７１に設定する。コンソール２０は、可動部材を図１２の位置に移動させる。トレイニーは、図１２の状態から図１３の状態になるように、可動部材を押し上げる。トレイニー自身の力により発生するトルクを、Ｍｅｓにより表す。このとき、トルクＴ２は、次式で表される。

Ｔ２＝Ｆｒｉ−Ａ１×Ｒ＋Ｍｅｓ

ステップＳ３４において、コンソール２０は、トレーニング装置の機械的損失を計算する。機械的損失は、摩擦などにより生じるトルクＦｒｉと、可動部材の重さに起因するトルクＡ１×Ｒとを含む。トルクＦｒｉ及び分力Ａ１は、ステップＳ３２で測定したトルクＴｕｐ及びＴｄｏｗｎに基づいて計算される。

ステップＳ３５において、コンソール２０は、トレイニーが可動部材（バーアセンブリ２４及びクッション２５ａ，２５ｂ）に与えた正味の力を示すトルクＭｅｓを計算する。ステップＳ３２で測定したトルクＴｄｏｗｎ及びステップＳ３３で測定したトルクＴ２に基づいて、トレイニー自身の力により発生するトルクＭｅｓ＝Ｔ２−Ｔｄｏｗｎが計算される。

ステップＳ３６において、コンソール２０は、トレイニーの正味の力の大きさに基づいて、トレイニーに与える負荷の大きさを示す情報であるトレーニングメニューを決定する。

ステップＳ３７において、コンソール２０は、決定したトレーニングメニューに基づいて、駆動装置１３にトルクを設定する。コンソール２０は、正味の力の大きさに基づいて決定された所定の負荷をトレイニーに与えるように、かつ、トレーニング装置１の機械的損失のトルクＦｒｉをキャンセルするように、可動範囲にわたって変動する所定のトルクＴ３’をサーボモータ７１に設定する。正味の力の大きさに基づいて決定された所定の負荷のトルクを、Ｔｒａにより表す。このとき、トルクＴ３’は、次式で表される。

Ｔ３’＝Ｆｒｉ＋Ａ１×Ｒ＋Ｔｒａ

ステップＳ３８において、コンソール２０は、トレイニーの筋力のトレーニングを実行する。ステップＳ３９において、コンソール２０は、トレーニングを繰り返すか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ３８に戻り、ＮＯのときは処理を終了する。

実施形態２に係るトレーニング装置２もまた、実施形態１に係るトレーニング装置１と同様に、装置の摩擦などにより生じるトルクと、装置の重さに起因するトルクとを含む機械的損失を予め測定することができる。これにより、簡単かつ安価な構成でありながら、トレイニーの筋力を正確に測定し、トレイニーの筋力に基づいて適切な負荷を与えることができる。

実施形態３．
図１５は、実施形態３に係るトレーニング装置３の構成を示す斜視図である。トレーニング装置３は、トレイニーの身体のうちの所定の部位、例えば、上腕三頭筋、大胸筋、三角筋を鍛えるためのディップス装置として構成されている。

トレーニング装置３は、コンソール３０、シャーシ３１、制御装置３２、駆動装置３３、シャフト３４ａ，３４ｂ、ハンドル３５ａ，３５ｂ、リンク３６ａ，３６ｂ、レバー３７ａ，３７ｂ、及びシート３８を備える。

シャフト３４ａ，３４ｂ、ハンドル３５ａ，３５ｂ、リンク３６ａ，３６ｂ、及びレバー３７ａ，３７ｂは、トレイニーによって所定の可動範囲で移動される可動部材である。各シャフト３４ａ，３４ｂの一端は、駆動装置３３の回転軸に連結され、回転軸のまわりに回転可能に支持される。各シャフト３４ａ，３４ｂの他端には、ハンドル３５ａ，３５ｂが回転可能にそれぞれ接続される。ハンドル３５ａ，３５ｂには、所定長さを有するレバー３７ａ，３７ｂがそれぞれ固定される。各レバー３７ａ，３７ｂ上の一点は、リンク３６ａ，３６ｂを介して、駆動装置３３又はシャーシ３１における、駆動装置３３の回転軸とは異なる位置にそれぞれ連結される。図１５の例では、リンク３６ａ及びレバー３７ａは、シャフト３４ａよりも外側の位置において互いに連結され、リンク３６ｂ及びレバー３７ｂは、シャフト３４ｂよりも外側の位置において互いに連結され、リンク３６ａ，３６ｂは、駆動装置３３の回転軸の下方の位置にそれぞれ連結される。これにより、トレイニーがシャフト３４ａ，３４ｂを押し下げたとき、ハンドル３５ａは反時計回りに回転し、ハンドル３５ｂは時計回りに回転する。

各レバー３７ａ，３７ｂにおいてリンク３６ａ，３６ｂを連結する位置は変更可能に構成されてもよい。これにより、シャフト３４ａ，３４ｂを押し下げる角度に対するハンドル３５ａ，３５ｂの回転角度の比率を変化させることができる。トレイニーの身体（すなわち腕及び手首）の柔軟性の程度に合わせて、この比率を調整することができる。

実施形態３では、可動部材（シャフト３４ａ，３４ｂ、ハンドル３５ａ，３５ｂ、リンク３６ａ，３６ｂ、及びレバー３７ａ，３７ｂ）を移動させるトレイニーの部位である腕を「トレーニング部位」という。

駆動装置３３は１つのサーボモータを備え、シャフト３４ａ，３４ｂは駆動装置３３の内部で互いに連結されていてもよい。それに代わって、駆動装置３３は、各シャフト３４ａ，３４ｂに対応して１つずつのサーボモータを備えていてもよい。

トレーニング装置３の他の構成要素は、図１のトレーニング装置１における同じ名称を有する構成要素と実質的に同様に構成される。

図１６は、図１５のトレーニング装置３をトレイニー１００が使用するときの第１の状態を示す斜視図である。図１７は、図１５のトレーニング装置３をトレイニー１００が使用するときの第２の状態を示す斜視図である。コンソール３０及び制御装置３２は、図１６の状態において、所定の負荷をトレイニー１００に与えるように、駆動装置３３のサーボモータに所定のトルクを設定する。トレイニー１００は、図１６の状態から図１７の状態になるように、シャフト３４ａ，３４ｂ及びハンドル３５ａ，３５ｂを押し下げる。コンソール３０及び制御装置３２は、シャフト３４ａ，３４ｂ及びハンドル３５ａ，３５ｂが図１６の状態から図１７の状態に変化する過程において変動する所定のトルクを、駆動装置３３のサーボモータに設定する。シャフト３４ａ，３４ｂ及びハンドル３５ａ，３５ｂがトレイニー１００により図１７の状態まで押し下げられると、コンソール３０及び制御装置３２は、シャフト３４ａ，３４ｂ及びハンドル３５ａ，３５ｂを図１６の状態まで押し上げ、再びトレイニー１００により押し下げられることを待機する。この動作を繰り返すことにより、トレイニー１００は筋力をトレーニングする。

コンソール３０又は制御装置３２は、図５又は図１０のトレーニング制御処理と同様のトレーニング制御処理に係る制御プログラムを実行する。

実施形態３に係るトレーニング装置３もまた、実施形態１に係るトレーニング装置１と同様に、装置の摩擦などにより生じるトルクと、装置の重さに起因するトルクとを含む機械的損失を予め測定することができる。これにより、簡単かつ安価な構成でありながら、トレイニーの筋力を正確に測定し、トレイニーの筋力に基づいて適切な負荷を与えることができる。

図１８は、実施形態３の変形例に係るトレーニング装置３ＡＡの構成を示す斜視図である。図１８の例では、リンク３６ａ及びレバー３７ａは、シャフト３４ａよりも内側の位置において互いに連結され、リンク３６ｂ及びレバー３７ｂは、シャフト３４ｂよりも内側の位置において互いに連結され、リンク３６ａ，３６ｂは、駆動装置３３の回転軸の下方の位置にそれぞれ連結される。これにより、トレイニーがシャフト３４ａ，３４ｂを押し下げたとき、ハンドル３５ａは時計回りに回転し、ハンドル３５ｂは反時計回りに回転する。

ハンドル３５ａ，３５ｂを回転させるために、図１５及び図１８を参照して説明したような機械的な機構を用いてもよく、電気的な機構を用いてもよい。図１５及び図１８を参照して説明したような機械的な機構を用いることにより、簡単な構造で安価に構成することができる。

実施形態３に係るトレーニング装置３は、腕の下降と共にハンドル３５ａ，３５ｂを回転させる機構を付加し、肩甲骨の回転を促すことで、肩こりの解消及び爽快感のアップを図る。

実施形態４．
図１９は、実施形態４に係るトレーニング装置４の構成を示す斜視図である。トレーニング装置４は、トレイニーの身体のうちの所定の部位、例えば、大胸筋などを鍛えるためのシーテッドチェストプレス装置として構成されている。

トレーニング装置４は、コンソール４０、シャーシ４１、制御装置４２、駆動装置４３、ハンドル４４ａ，４４ｂ、ガイド４５ａ，４５ｂ、シート４６、及び支柱４８を備える。

ハンドル４４ａ，４４ｂは、トレイニーによって所定の可動範囲で移動される可動部材である。ハンドル４４ａ，４４ｂは、駆動装置４３の回転軸に連結され、回転軸のまわりに回転可能に支持される。ガイド４５ａ，４５ｂは、実際の腕の動きに合わせて、腕の押し出しにつれてハンドル４４ａ，４４ｂの間の間隔が狭くなるように形成される。従って、ハンドル４４ａ，４４ｂの軸は、トレイニーの身体の前後方向に動くだけでなく、左右方向にも動く。トレーニング装置４は、ハンドル４４ａ，４４ｂをガイド４５ａ，４５ｂに沿って付勢するためのバネ（図示せず）を備える。

実施形態４では、可動部材（ハンドル４４ａ，４４ｂ）を移動させるトレイニーの部位である腕を「トレーニング部位」という。

駆動装置４３は１つのサーボモータを備え、ハンドル４４ａ，４４ｂは駆動装置４３の内部で互いに連結されていてもよい。それに代わって、駆動装置４３は、各ハンドル４４ａ，４４ｂに対応して１つずつのサーボモータを備えていてもよい。

トレーニング装置４の他の構成要素は、図１のトレーニング装置１における同じ名称を有する構成要素と実質的に同様に構成される。

図２０は、図１９のトレーニング装置４をトレイニー１００が使用するときの第１の状態を示す斜視図である。図２１は、図１９のトレーニング装置４をトレイニー１００が使用するときの第２の状態を示す斜視図である。コンソール４０及び制御装置４２は、図２０の状態において、所定の負荷をトレイニー１００に与えるように、駆動装置４３のサーボモータに所定のトルクを設定する。トレイニー１００は、図２０の状態から図２１の状態になるように、ハンドル４４ａ，４４ｂを押す。コンソール４０及び制御装置４２は、ハンドル４４ａ，４４ｂが図２０の状態から図２１の状態に変化する過程において変動する所定のトルクを、駆動装置４３のサーボモータに設定する。ハンドル４４ａ，４４ｂがトレイニー１００により図２１の状態まで押されると、コンソール４０及び制御装置４２は、ハンドル４４ａ，４４ｂを図２０の状態まで押し戻され、再びトレイニー１００により押されることを待機する。この動作を繰り返すことにより、トレイニー１００は筋力をトレーニングする。

コンソール４０又は制御装置４２は、図１４のトレーニング制御処理と同様のトレーニング制御処理に係る制御プログラムを実行する。

実施形態４に係るトレーニング装置４もまた、実施形態１に係るトレーニング装置１と同様に、装置の摩擦などにより生じるトルクと、装置の重さに起因するトルクとを含む機械的損失を予め測定することができる。これにより、簡単かつ安価な構成でありながら、トレイニーの筋力を正確に測定し、トレイニーの筋力に基づいて適切な負荷を与えることができる。

実施形態５．
図２２は、実施形態５に係るトレーニングシステムの構成を示すブロック図である。図２２のトレーニングシステムは、複数のトレーニング装置１Ａ〜４Ａ、無線ＬＡＮアクセスポイント装置（ＡＰ）５１、インターネット５２、及びサーバ装置５３を備える。トレーニング装置１Ａ〜４Ａは、実施形態１〜４に係るトレーニング装置１〜４にそれぞれ対応する。ただし、トレーニング装置１Ａ〜４Ａは、トレーニング装置１〜４のコンソール１０〜４０に代えて、無線ＬＡＮアクセスポイント装置５１及びインターネット５２を介して遠隔のサーバ装置５３とさらに通信するコンソール１０Ａ〜４０Ａをそれぞれ備える。

実施形態１〜４に係るトレーニング装置１〜４はスタンドアロンで動作したが、実施形態５に係るトレーニングシステムのトレーニング装置１Ａ〜４Ａは、サーバ装置５３と協働して動作する。サーバ装置５３は、あるトレイニーの正味の力の大きさに基づいて、そのトレイニーのためのトレーニングメニューを決定する。各コンソール１０Ａ〜４０Ａは、それ自体がトレーニングメニューを決定することに代えて、サーバ装置５３によって決定されたトレーニングメニューを受信する。このため、各コンソール１０Ａ〜４０Ａは、各トレーニング装置１Ａ〜４Ａのトレイニーの正味の力の情報をサーバ装置５３に送信する。サーバ装置５３は、各コンソール１０Ａ〜４０Ａから受信した各トレーニング装置１Ａ〜４Ａのトレイニーの正味の力の大きさに基づいて、各トレイニーのためのトレーニングメニューを決定する。各コンソール１０Ａ〜４０Ａは、サーバ装置５３からトレーニングメニューを受信する。各コンソール１０Ａ〜４０Ａは、サーバ装置５３から受信したトレーニングメニューに基づいて、駆動装置１３〜４３にトルクをそれぞれ設定する。

サーバ装置５３がトレーニングメニューを決定することにより、各コンソール１０Ａ〜４０Ａ自体がトレーニングメニューを決定する場合に比べて、各コンソール１０Ａ〜４０Ａの処理を簡単化することができる。また、トレイニーの正味の力の情報をサーバ装置５３に集めることにより、トレイニーにとって適切なトレーニングメニューを決定しやすくなる。

実施形態５に係るトレーニングシステムによれば、互いに異なる及び／又は同一の種類の複数のトレーニング装置１Ａ〜４Ａがある場合、トレーニングの内容に応じて、かつ、各トレイニーの状態に応じて、各トレイニーの筋力を正確に測定し、各トレイニーの筋力に基づいて適切な負荷を与えることができる。

各実施形態のまとめ．
各実施形態に係るトレーニング装置は、図５、図１０、及び図１４のトレーニング制御処理のうちの２つ以上を実行するように構成されてもよい。トレーニング装置は、例えばユーザ入力に応じて選択的に、図５、図１０、及び図１４のトレーニング制御処理のうちの１つを実行するように構成されてもよい。

各実施形態に係るトレーニング装置はすべて、サーボモータを原動力として、サーボモータの回転軸の回転を減速し、可動部材をほぼ０度〜７０度程度の可動範囲で往復させる。駆動装置のギアボックスの減速比が大きいので、その摩擦を低減する必要がある。また、サーボモータの側から駆動するだけでなく、可動部材の側からトレイニーによって駆動されるので、駆動装置のギアボックスは、遊星歯車、ハスバ歯車等の伝達効率の高い機構が必要である。各実施形態に係るトレーニング装置の駆動機構を共通化することで、電装関係のハードウエア及びソフトウエアを共通化することができ、コストの低下及びメンテナンスの簡易化が可能である。

各実施形態に係るトレーニング装置は、直流のサーボモータで回転軸の位置を検出し、一定速で回転するように電流を制御（速度制御）する。そこに外乱が加わるとサーボモータの電流が変化するので、その電流（トルク）を知ることにより外乱を測定できる。

トレーニング装置の構造を考慮すると、外乱の原因には、例えば以下の３つがある。
（１）ギアボックス及び伝達機構における摩擦
（２）可動部材の回転による可動部材の重さのトルク方向における変化
（３）トレイニーの筋力等によって与えられる外力

トレイニーが可動部材に触れていないときに可動部材を移動させる（空運転する）ことにより、（１）及び（２）の外乱は既知となる。可動部材が一定速で動いているとき、トレイニーが押す、蹴る等の外力を可動部材に与え、その時の位置及び力（トルク、すなわち電流値）を測定し、（１）及び（２）の外乱を減算することで、一定速で動作中のストロークの位置及び筋力を動的に測定することができる。

さらに、可動部材の速度をさまざまな異なる速度（例えば、低速、中速、及び高速）と変化させて測定すると、そのトレイニーの詳しい筋力特性がわかる。一般に、低速では測定可能な力は大きくなり、高速では測定可能な力は小さくなる。

トレーニングを繰り返すと、筋力が増加し、可動範囲も増加する。従って、上述した位置及び筋力のパターンを比較すると共に、トレーニング装置に対するトレイニーの位置に関する情報（椅子の位置及び高さ等）を記憶して比較することも、トレーニングの効果の定量化に有用である。

（１）及び（２）の外乱の測定値を記憶し、電源を再投入するごとに（１）及び（２）の外乱の最新値を測定し、従来の測定値と比較すると、機器の摩擦の変化等を知ることができる。従って、トレーニング装置の劣化、摩擦の増加、設定間違い等を知ることができ、予防保全に役立つ。

測定の際に、トレイニーの力だけでなく体重の一部が測定値に重畳する（例えば足の重量が加わる）トレーニング装置の場合、（１）及び（２）の外乱の測定に加えて、トレイニーが力を抜いた状態で測定を行ってもよい。そのデータを減算すると、体重の影響が除され、真の力の測定ができる。

測定で得られた位置及び筋力の情報に基づき、サーボモータの位置とその場所でのトルクのパターンを設定すれば（サーボモータのトルク制御）、そのトレイニーに応じた最適の負荷で動的トレーニングを行うことが可能となる。トレイニーのトレーニングの進捗及び体調により、パターンは変えることなく、全体のトルクを増減できれば有用である。各トレーニング時の仕事率、仕事量等を計算、表示、記憶、比較することができると、トレーニング効果の定量化とモチベーションの向上が可能である。

各実施形態に係るトレーニング装置は、高齢者又は特定高齢者（介護予防対象者）に最適な下肢運動機器として有用である。トレーニングを行う高齢者の関節可動域のどの部分でどれだけの筋力が発揮されたかを測定することができる。測定結果に基づき、トレーニングを行う高齢者個人の筋力の発揮に合わせた負荷をかけることができる。

各実施形態に係るトレーニング装置は、簡単かつ安価な構成でありながら、トレイニーの力を正確に測定し、摩擦及び重力等の外乱を除去して、正確な負荷をトレイニーに与えることができる。また、トレイニーによる機器の誤設定を検出し、機器の異常をモニタできることも有用である。その為に、運動開始前に、無負荷状態で運転し、その負荷を初期データと比較し、異常の有無を判定する。またその負荷を、トレイニーに与えたい負荷に加えることにより、所望の負荷が与えられる。

１，１Ａ…トレーニング装置（シーテッドレッグプレス装置）、
２，２Ａ…トレーニング装置（レッグカール装置）、
３，３ＡＡ，３Ａ…トレーニング装置（ディップス装置）、
４，４Ａ…トレーニング装置（シーテッドチェストプレス装置）、
１０，１０Ａ…コンソール、
１１…シャーシ、
１２…制御装置、
１３…駆動装置、
１４…シャフト、
１５…フットレスト、
１６…シート、
１７…ハンドル、
１８…支柱、
２０，２０Ａ…コンソール、
２１…シャーシ、
２２…制御装置、
２３…駆動装置、
２４…バーアセンブリ、
２５ａ，２５ｂ…クッション、
２６…シート、
２７…ハンドル、
２８…支柱、
３０，３０Ａ…コンソール、
３１…シャーシ、
３２…制御装置、
３３…駆動装置、
３４ａ，３４ｂ…シャフト、
３５ａ，３５ｂ…ハンドル、
３６ａ，３６ｂ…リンク、
３７ａ，３７ｂ…レバー、
３８…シート、
４０，４０Ａ…コンソール、
４１…シャーシ、
４２…制御装置、
４３…駆動装置、
４４ａ，４４ｂ…ハンドル、
４５ａ，４５ｂ…ガイド、
４６…シート、
４８…支柱、
５１…無線ＬＡＮアクセスポイント装置（ＡＰ）、
５２…インターネット、
５３…サーバ装置、
５５…商用電源、
６１…制御回路、
６２…電源回路、
６３…Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信回路、
６４…サーボアンプ、
７１…サーボモータ、
７２…モータエンコーダ、
７３…ギアボックス、
１００…トレイニー、
ＳＷ１…停止スイッチ、
ＳＷ２，ＳＷ３…スイッチ。

Claims (9)

1. トレイニーによって所定の可動範囲で移動される少なくとも１つの可動部材と、
   前記可動部材を前記可動範囲において移動させ、前記可動部材を介して所定の負荷を前記トレイニーに与える駆動部と、
   前記駆動部を制御する制御部とを備えるトレーニング装置であって、
   前記駆動部は、前記制御部の制御下で所定のトルクを発生するサーボモータを備え、
   前記制御部は、
   前記トレイニーが前記可動部材に触れていないときに前記可動部材を前記可動範囲において移動させるために前記サーボモータにより発生される第１のトルクを測定し、
   前記トレイニーのトレーニング部位の重さが前記可動部材にかかっているときに前記可動部材を前記可動範囲において移動させるために前記サーボモータにより発生される第２のトルクを測定し、
   前記トレイニーが前記可動部材を移動させるときに前記サーボモータにかかる第３のトルクを測定し、
   前記第１のトルクに基づいて、前記トレーニング装置の機械的損失を計算し、
   前記第１及び第２のトルクに基づいて、前記トレーニング部位の重さを計算し、
   前記第２及び第３のトルクに基づいて、前記トレイニーが前記可動部材に与えた正味の力を計算する、
   トレーニング装置。
2. 前記制御部は、前記サーボモータに流れる電流を測定することにより、前記第１〜第３のトルクを測定する、
   請求項１記載のトレーニング装置。
3. 前記トレーニング装置はシーテッドレッグプレス装置である、
   請求項１又は２記載のトレーニング装置。
4. 前記トレーニング装置はディップス装置である、
   請求項１又は２記載のトレーニング装置。
5. 前記制御部は、前記正味の力の大きさに基づいて決定された所定の負荷を前記トレイニーに与えるように、かつ、前記トレーニング装置の機械的損失及び前記トレーニング部位の重さをキャンセルするように、前記可動範囲にわたって変動する所定のトルクを前記サーボモータに設定する、
   請求項１〜４のうちの１つに記載のトレーニング装置。
6. 前記制御部は、前記正味の力の大きさに基づいて、前記トレイニーに与える負荷の大きさを決定する、
   請求項５記載のトレーニング装置。
7. 前記制御部は、
   前記正味の力の大きさを示す情報を外部のサーバ装置に送信し、
   前記サーバ装置によって前記正味の力の大きさに基づいて決定された負荷の大きさを示す情報を前記サーバ装置から受信する、
   請求項５記載のトレーニング装置。
8. 前記制御部は、前記可動範囲の両端の位置を検出する、
   請求項１〜７のうちの１つに記載のトレーニング装置。
9. トレイニーによって所定の可動範囲で移動される少なくとも１つの可動部材と、
   前記可動部材を前記可動範囲において移動させ、前記可動部材を介して所定の負荷を前記トレイニーに与える駆動部とを備えるトレーニング装置を用いたトレーニング方法であって、
   前記駆動部は、所定のトルクを発生するサーボモータを備え、
   前記トレーニング方法は、
   前記トレイニーが前記可動部材に触れていないときに前記可動部材を前記可動範囲において移動させるために前記サーボモータにより発生される第１のトルクを測定するステップと、
   前記トレイニーのトレーニング部位の重さが前記可動部材にかかっているときに前記可動部材を前記可動範囲において移動させるために前記サーボモータにより発生される第２のトルクを測定するステップと、
   前記トレイニーが前記可動部材を移動させるときに前記サーボモータにかかる第３のトルクを測定するステップと、
   前記第１のトルクに基づいて、前記トレーニング装置の機械的損失を計算するステップと、
   前記第１及び第２のトルクに基づいて、前記トレーニング部位の重さを計算するステップと、
   前記第２及び第３のトルクに基づいて、前記トレイニーが前記可動部材に与えた正味の力を計算するステップとを含む、
   トレーニング方法。

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