(57)【要約】【課題】被験者の四肢の筋に対して意図した負荷を正確に付与することができ、被験者に過度の負担をかけることがなく、安全に筋力測定及び／又は筋力トレーニングを行うことができるようにする。【解決手段】筋力測定及び／又は筋力トレーニングの開始前に、上肢又は下肢の自重及びロボットアーム１２の自重によって関節軸に発生する自重支持の軸トルクを測定し、測定した自重支持の軸トルクと関節軸の角度との関係を記録し、記録された自重支持の軸トルクと関節軸の角度との関係に基づいて、筋力測定及び／又は筋力トレーニングのときに関節軸の軸トルクを補正する。【選択図】図１
2010051604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）被験者が着座するサドルと、
（ｂ）前記被験者の上肢又は下肢の長さに調整可能なロボットアームと、
（ｃ）該ロボットアームを前記被験者の上肢又は下肢に沿って固定する装着具と、
（ｄ）前記ロボットアームの関節軸の軸トルクを制御する制御装置と、
（ｅ）前記ロボットアームの関節軸の角度を測定する角度測定装置と、
（ｆ）前記軸トルクを測定するトルク測定装置と、
（ｇ）前記関節軸の軸トルク及び関節軸の角度を記録する記録装置とを有し、
（ｈ）筋力測定及び／又は筋力トレーニングの開始前に、前記上肢又は下肢の自重及びロボットアームの自重によって前記関節軸に発生する自重支持の軸トルクを測定し、測定した自重支持の軸トルクと関節軸の角度との関係を記録し、記録された自重支持の軸トルクと関節軸の角度との関係に基づいて、筋力測定及び／又は筋力トレーニングのときに前記関節軸の軸トルクを補正することを特徴とする筋力測定及びトレーニング装置。
【請求項２】
前記自重支持の軸トルクは、前記関節軸の角度を変化させた複数の測定姿勢において測定される請求項１に記載の筋力測定及びトレーニング装置。
【請求項３】
前記複数の測定姿勢に基づいて前記ロボットアームの関節軸の可動域を設定する請求項２に記載の筋力測定及びトレーニング装置。
【請求項４】
前記自重支持の軸トルクの測定を中止させる前記被験者が操作可能な中止スイッチを更に有し、
前記自重支持の軸トルクの測定が中止されると、中止前に自重支持の軸トルクが測定された測定姿勢の範囲内に前記ロボットアームの関節軸の可動域を制限する請求項３に記載の筋力測定及びトレーニング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筋力測定及びトレーニング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、二関節アーム装置のような二関節リンク機構を利用した筋力測定したり筋力トレーニングをしたりするシステムや装置が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。これらのシステムや装置においては、被験者の拮（きっ）抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群の筋出力を圧力センサによって測定している。そして、被験者の四肢において所定の複数方向に等尺的最大努力で力を発揮させ、これに基づいて六角形の出力分布特性図を作成し、機能別実行筋力を評価する。
【０００３】
また、二関節リンク機構を駆動させるためのアクチュエータとして、人間を含む動物において腕を曲げるために機能する二関節筋のモデルを提案し、該モデルを使用して二関節リンク機構の動作制御に関する研究も行われている（例えば、非特許文献１参照。）。この研究では、二関節同時駆動源を備えた二関節リンク機構においてアーム先端部の力及び剛性を制御するためには、駆動源として、収縮方向に力を発揮する収縮要素と弾性要素とを有するアクチュエータのモデルを使用することが好適であるとされている。
【特許文献１】特開２０００−２１０２７２号公報
【特許文献２】特開２００７−６１１３７号公報
【特許文献３】特開２００８−２９５６６号公報
【非特許文献１】藤川智彦、他３名、「拮抗筋群による協調制御機能」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、６３巻６０７号（１９９７−３）、ｐ．７６９−７７６、論文Ｎｏ．９６−１０４０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の筋力測定及びトレーニング装置においては、被験者の四肢に装着したロボットアーム等の部材から四肢に負荷を与えて筋力の測定及びトレーニングを行うようになっている。そのため、装置が発生する負荷と、装置の可動部分の自重と、被験者の四肢の自重との合計が被験者の筋肉の負荷となる。したがって、装置の可動部分の自重と被験者の四肢の自重との影響を考慮しない限り、被験者の四肢に与える負荷を正確に制御することはできなかった。
【０００５】
本発明は、前記従来の筋力測定及びトレーニング装置の問題点を解決して、筋力測定及び／又は筋力トレーニングを開始する前に、被験者の四肢の自重及びロボットアームの自重によって関節軸に発生する自重支持の軸トルクと関節軸の角度との関係とを記録し、記録された関係に基づいて、筋力測定及び／又は筋力トレーニングにおける軸トルクを補正することによって、被験者の四肢の筋に対して意図した負荷を正確に付与することができ、被験者に過度の負担をかけることがなく、安全に筋力測定及び／又は筋力トレーニングを行うことができる筋力測定及びトレーニング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そのために、本発明の筋力測定及びトレーニング装置においては、被験者が着座するサドルと、前記被験者の上肢又は下肢の長さに調整可能なロボットアームと、該ロボットアームを前記被験者の上肢又は下肢に沿って固定する装着具と、前記ロボットアームの関節軸の軸トルクを制御する制御装置と、前記ロボットアームの関節軸の角度を測定する角度測定装置と、前記軸トルクを測定するトルク測定装置と、前記関節軸の軸トルク及び関節軸の角度を記録する記録装置とを有し、筋力測定及び／又は筋力トレーニングの開始前に、前記上肢又は下肢の自重及びロボットアームの自重によって前記関節軸に発生する自重支持の軸トルクを測定し、測定した自重支持の軸トルクと関節軸の角度との関係を記録し、記録された自重支持の軸トルクと関節軸の角度との関係に基づいて、筋力測定及び／又は筋力トレーニングのときに前記関節軸の軸トルクを補正する。
【０００７】
本発明の他の筋力測定及びトレーニング装置においては、さらに、前記自重支持の軸トルクは、前記関節軸の角度を変化させた複数の測定姿勢において測定される。
【０００８】
本発明の更に他の筋力測定及びトレーニング装置においては、さらに、前記複数の測定姿勢に基づいて前記ロボットアームの関節軸の可動域を設定する。
【０００９】
本発明の更に他の筋力測定及びトレーニング装置においては、さらに、前記自重支持の軸トルクの測定を中止させる前記被験者が操作可能な中止スイッチを更に有し、前記自重支持の軸トルクの測定が中止されると、中止前に自重支持の軸トルクが測定された測定姿勢の範囲内に前記ロボットアームの関節軸の可動域を制限する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、筋力測定及びトレーニング装置においては、筋力測定及び／又は筋力トレーニングを開始する前に、被験者の四肢の自重及びロボットアームの自重によって関節軸に発生する自重支持の軸トルクと関節軸の角度との関係とを記録し、記録された関係に基づいて、筋力測定及び／又は筋力トレーニングにおける軸トルクを補正する。これにより、被験者の四肢の筋に対して意図した負荷を正確に付与することができ、被験者に過度の負担をかけることがなく、安全に筋力測定及び／又は筋力トレーニングを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図２は本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋群を模式的に示す図、図３は本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋の活動パターンを示す図、図４は本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋の出力分布特性を示す図である。
【００１３】
図２において、２０は本実施の形態における被験者としての使用者であり、後述される筋力測定及びトレーニング装置１０を使用して筋力の測定及びトレーニングを行う者である。まず、筋力測定及びトレーニング装置１０の背景となる人間の体肢の二関節リンク機構について、本発明の理解に必要な範囲で説明する。
【００１４】
人間の体肢、すなわち、四肢には二関節筋が存在し、該二関節筋は、１つの関節に作用する一関節筋と協調して先端の出力を制御しており、その先端出力は、図４に示されるような六角形の出力分布で表されることが知られている（例えば、非特許文献２参照。）。そして、六角形の出力分布特性に基づいて機能別実行筋力を評価する方法も知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【非特許文献２】藤川智彦、大島徹、熊本水頼、山本倫久、「上肢における拮抗する一関節筋及び二関節筋群の協調活動とその機械モデルによる制御機能解析」、バイオメカニズム１３、バイオメカニズム学会、（１９９６）１８１．。
【００１５】
次に、本発明の理解に必要な範囲で、非特許文献２及び特許文献１に記載された四肢の先端出力特性について説明する。
【００１６】
人間の上肢及び下肢ともに、第一関節、第二関節及び系先端を含む二次元平面内の運動において、第一関節及び第二関節に作用する筋群は、その機能を考慮すると、図２に示されるように、第一関節周りの一対の拮抗一関節筋ペア（ｆ１、ｅ１）、第二関節周りの一対の拮抗一関節筋ペア（ｆ２、ｅ２）、及び、第一関節と第二関節とに跨（またが）る一対の拮抗一関節筋ペア（ｆ３、ｅ３）の３対６筋で代表させることが可能であり、これを機能別実行筋と呼ぶ。なお、図２に示される例は、使用者２０の下肢の股（こ）関節及び膝（ひざ）関節に作用する筋群である。
【００１７】
一関節筋は１つの関節にのみ作用する筋で、上肢では肩関節の三角筋前部や三角筋後部、肘（ひじ）関節の上腕筋や上腕三頭筋外側頭が相当し、下肢では股関節の大殿筋や大腰筋、膝関節の大腿（たい）二頭筋短頭や外側広筋が相当する。そして、二関節筋は、２つの関節に跨って作用する筋で、上肢では上腕二頭筋や上腕三頭筋長頭が相当し、下肢ではハムストリングスや大腿直筋が相当する。
【００１８】
人間の上肢及び下肢の二関節リンクの系先端、すなわち、上肢では手根関節部、下肢では足関節部において発揮される力及びその出力方向は、３対６筋の機能別実行筋の協調活動で制御される。前記系先端で各方向に最大努力で力を発揮すると、力の出力方向に応じて３対６筋の機能別実行筋が、図３に示されるように交代的に収縮する。なお、図３において、Ｆは添え字で示される関節筋の力を表している。
【００１９】
また、３対６筋の機能別実行筋が発揮する収縮力によって体肢先端に発生する力の方向は、図４に示されるとおりであり、図３に示されるような交代パターンに従った協調制御による力の合成により、六角形の最大出力分布特性を示す。
【００２０】
この最大出力分布特性の六角形の各辺は、第１リンク、第２リンク、第一関節と系先端とを結ぶ直線に平行であるという特徴がある。したがって、六角形の形状は体肢の姿勢によって異なる。そして、筋の収縮力が一定で各関節に発生しているトルクが変化しなくても、関節トルクにより、人間の体肢の先端に発生する力は、上肢又は下肢の姿勢によってその方向も大きさも変化する。
【００２１】
次に、本実施の形態における筋力測定及びトレーニング装置１０の構成について説明する。
【００２２】
図１は本発明の第１の実施の形態における筋力測定及びトレーニング装置の構造を模式的に示す図である。なお、図１において、（ａ）は側面を示す図であり、（ｂ）は正面を示す図である。
【００２３】
本実施の形態における筋力測定及びトレーニング装置１０は、前述の人間の体肢の出力特性を考慮し、四肢に存在する一関節筋及び二関節筋による協調制御によって四肢先端の出力が制御されているという実効筋協調制御理論に基づいて実効筋力を測定するとともに、効果的なトレーニングを実現する装置である。
【００２４】
なお、特許文献１に記載されたシステムでは、機能別実効筋力を測定するために、四肢先端出力の六角形の出力分布図を作成する必要があるので、使用者は複数の方向に最大努力で力を出す必要がある。
【００２５】
また、特許文献１に記載されたシステムでは、固定されたセンサで先端出力を測定するので、固定されたセンサに対して使用者が力を加えるために、力の方向を測定すべき方向に誘導する必要がある。力の方向を誘導する方法としては、視覚的に表示する方法、特許文献１に示されるようなバイオフィードバックによる方法等が考えられるが、いずれも使用者の慣れが必要であるとともに、最大筋力を発揮しながら力の方向も制御する技能が要求される。また、必ずしも測定すべき方向に力を発揮することができるとも限らないので、測定し直さなければならない場合もあり、使用者に過度の負担を強いることとなる。
【００２６】
これに対し、本実施の形態における筋力測定及びトレーニング装置１０は、特許文献１に記載されたシステムの有する前述の問題点を解決したものである。そのため、前記筋力測定及びトレーニング装置１０は、図に示されるように、使用者２０が着座するサドル１１と、使用者２０の体肢に沿って装着されるロボットアーム１２と、該ロボットアーム１２を制御する図示されない制御装置と、使用者２０が筋力測定の意図を入力する図示されない入力操作装置とを有する。なお、ここでは説明の都合上、下肢の例についてのみ説明するが、上肢についても同様である。
【００２７】
そして、前記ロボットアーム１２は、大腿部に対応する第１リンク１３ａと、下腿部に対応する第２リンク１３ｂとの２つのリンクから成る２自由度のロボットアームである。また、第１リンク１３ａ及び第２リンク１３ｂは、リンク長を調節することができるスライド機構を備え、筋力測定及び筋力トレーニングを行うときには、それぞれ、使用者２０の大腿部及び下腿部の長さと同じになるように調整され、第１装着具１４ａ及び第２装着具１４ｂによって大腿部及び下腿部に固定される。なお、第１リンク１３ａ及び第２リンク１３ｂ並びに第１装着具１４ａ及び第２装着具１４ｂを統合的に説明する場合には、各々、リンク１３及び装着具１４として説明する。
【００２８】
なお、前記ロボットアーム１２は、使用者２０がサドル１１に着座した状態で、使用者２０に装着されるが、このとき、ロボットアーム１２の第１関節軸１５ａを使用者２０の股関節に一致させ、ロボットアーム１２の第２関節軸１５ｂを使用者２０の膝関節軸に一致させる。また、前記第１関節軸１５ａ及び第２関節軸１５ｂには、第１サーボモータ１６ａ及び第２サーボモータ１６ｂが連結され、さらに、関節角度を測定するための角度測定装置としてアブソリュート型エンコーダが装備されている。なお、前記第１関節軸１５ａ及び第２関節軸１５ｂ並びに第１サーボモータ１６ａ及び第２サーボモータ１６ｂを統合的に説明する場合には、各々、関節軸１５及びサーボモータ１６として説明する。ここで、該サーボモータ１６は、関節駆動源として機能し、関節軸１５を回転させるための軸トルクとしてのトルクを発生する。そして、サーボモータ１６が発生するトルクは、前記制御装置によって制御される。また、該制御装置に接続された記録装置によって、ロボットアーム１２の関節軸１５が発生しているトルクを記録することができる。
【００２９】
さらに、前記制御装置には、図示されないＣＲＴ、液晶ディスプレイ等を備える表示装置、プリンタ等の印刷装置等の出力手段が接続されている。該出力手段は、ロボットアーム１２が発揮している力の大きさや方向を表示又は印刷したり、使用者２０に対して発揮すべき力の方向、姿勢変化量等の表示を行う。
【００３０】
また、各関節軸１５には軸トルクを測定するトルク測定装置としてのトルクセンサが装備されている。そして、制御装置がサーボモータ１６を制御することにより、関節角度及び関節軸１５が発生するトルクを制御することができる。なお、関節角度の制御とトルクの制御とは、適宜切り替えて行われる。また、制御装置に接続されたハードディスク装置、フラッシュメモリ等の不揮発性記録装置により、ロボットアーム１２の関節軸１５が発生するトルク及び関節角度を記録することができる。
【００３１】
次に、前記構成の筋力測定及びトレーニング装置１０の動作について説明する。
【００３２】
図５は本発明の第１の実施の形態におけるロボットアームをモデル化した図である。なお、図５において、（ａ）は第１リンクと第２リンクとの関係を示す図、（ｂ）は第１リンクを示す図、（ｃ）は第２リンクを示す図である。
【００３３】
まず、筋力測定及びトレーニング装置１０による使用者２０の筋力測定及び／又は筋力トレーニングが初回である場合、使用者２０がロボットアーム１２を装着した状態での四肢の自重及びロボットアーム１２の自重を支持するための軸トルク、すなわち、自重支持の軸トルクを測定する必要がある。該自重支持の軸トルクは、ロボットアーム１２の関節軸１５に装備されたトルクセンサで測定し、関節角度と対応付けて評価される。
【００３４】
また、自重支持の軸トルクを測定する際の姿勢は、各関節の可動範囲、すなわち、可動域内を網羅することが望ましい。例えば、股関節の可動域を６分割し、膝関節の可動域を６分割すると、股関節で７角度及び膝関節で７角度を組み合わせて測定姿勢を定める。
【００３５】
人間の四肢では、例えば、股関節が最大屈曲している状態における膝関節の最大伸展角度は、大腿が体躯とほぼ一直線になる状態における膝関節の最大伸展角度よりも小さい、というように、股関節と膝関節とが独立の自由度になっていない。そのため、股関節で７角度及び膝関節で７角度であっても、測定可能な姿勢は可動域全体では４９よりも小さい数になる。これらの測定姿勢を順に第１測定姿勢、第２測定姿勢、・・・と称する。
【００３６】
次に、測定対象である上肢又は下肢の自重及びロボットアーム１２の自重を支持するための軸トルクを測定する手順の例について説明する。
【００３７】
まず、関節角度制御によって、ロボットアーム１２の姿勢を使用者２０が装着しやすい姿勢にする。そして、使用者２０の上肢又は下肢にロボットアーム１２の装着具１４を装着する。
【００３８】
続いて、使用者２０に対し、測定対象である上肢又は下肢の力を抜いてリラックスするように指示した上で、関節角度制御によって、ロボットアーム１２の姿勢を自重支持の軸トルク測定の開始姿勢（第１測定姿勢）にする。そして、測定姿勢が安定した時点で、各関節軸１５の軸トルクをトルクセンサによって測定し、関節角度とともに記録する。
【００３９】
続いて、関節角度制御によって、ロボットアーム１２の姿勢を第２測定姿勢にする。そして、第１測定姿勢の場合と同様に、測定姿勢が安定した時点で、各関節軸１５の軸トルクをトルクセンサで測定し、関節角度とともに記録する。
【００４０】
このようにして、ロボットアーム１２の姿勢を順次変更し、第３測定姿勢以降の各測定姿勢においても、第１測定姿勢及び第２測定姿勢の場合と同様に、各関節軸１５の軸トルクをトルクセンサで測定し、関節角度とともに記録する。
【００４１】
そして、すべての測定姿勢における各関節軸１５のトルクの測定が終了すると、関節角度制御によって、ロボットアーム１２の姿勢を使用者２０が装着具１４を外しやすい姿勢にする。
【００４２】
以上の手順によって、関節角度と自重支持の軸トルクとの関係を取得することができる。このようにして測定されたトルクは、測定対象である使用者２０の上肢又は下肢の自重とロボットアーム１２の自重とを支持するために必要なトルクである。
【００４３】
ここでは、測定姿勢の数を股関節及び膝関節ともに７角度とした例について説明したが、必ずしも７角度である必要はなく、また、股関節の角度の数と膝関節の角度の数とが異なっていてもよい。
【００４４】
筋力測定及び／又は筋力トレーニングの際に、実際に筋肉にかかる負荷は、ロボットアーム１２が発生する軸トルクから前述の自重支持をするために必要な軸トルク、すなわち、自重支持の軸トルクを差し引いたトルクである。しかし、筋力測定及び／又は筋力トレーニングを実施する場合には、使用者２０が前述の測定姿勢以外の姿勢をとる場合が多い。そこで、測定結果に基づき、すべての姿勢における自重支持の軸トルクを推定する必要がある。
【００４５】
次に、使用者２０の任意の姿勢における自重支持の軸トルクを推定する方法について説明する。
【００４６】
ここでは、第１リンク１３ａと第２リンク１３ｂとの２つのリンクから成る２自由度のロボットアーム１２を、図５に示されるようにモデル化する。図５においては、全体の座標系として、水平方向にＸ、重力方向をＹ、紙面手前向きをＺとする。なお、Ｘ、Ｙ、Ｚは右手系である。
【００４７】
また、τ1 及びτ2 は、第１リンク１３ａ及び第２リンク１３ｂリンクの自重によって股関節及び膝関節に、それぞれ、発生するトルクである。そして、第１リンク１３ａの長さはＬ1 であり、質量はｍ1 である。また、第２リンク１３ｂの長さはＬ2 であり、質量はｍ2 である。
【００４８】
さらに、第１リンク１３ａ及び第２リンク１３ｂの先端に、各々、座標系を設定する。第１リンク１３ａの座標系の原点は第１リンク１３ａの先端に設定し、ｘ1 軸は股関節軸から膝関節軸の方向、すなわち、第１リンク１３ａの延長線上に設定する。そして、ｚ1 軸の方向はＺ軸と同じ方向とし、ｘ1 、ｙ1 、ｚ1 で右手系を構成するようにｙ1 軸を設定する。また、第２リンク１３ｂの座標系についても、同様に、原点を第２リンク１３ｂの先端に設定し、ｘ2 軸、ｙ2 軸、ｚ2 軸を設定する。さらに、股関節の角度θ1 はＸ軸とｘ1 軸の成す角とし、膝関節の角度θ2 はｘ1 軸とｘ2 軸の成す角とする。
【００４９】
図５において、第１リンク１３ａの重心はｃｇ1 として表されており、ｃｇ1 の位置をｘ1 −ｙ1 座標系で見たときの位置を（ｘcg1 、ｙcg1 ）とする。同様に、第２リンク１３ｂの重心はｃｇ2 であり、ｃｇ2 の位置をｘ2 −ｙ2 座標系で見たときの位置を（ｘcg2 、ｙcg2 ）とする。また、重力加速度をｇとする。
【００５０】
すると、トルクτ1 及びτ2 は、重心ｃｇ1 及びｃｇ2 のｘ方向の座標から、次の式（１）及び（２）で表されることが分かる。
τ1 ＝ｍ1 ｇ（（Ｌ1 ＋ｘcg1 ）cos θ1 −ｙcg1 sin θ1 ）＋ｍ2 ｇ（Ｌ1 cos θ1 ＋      （Ｌ2 ＋ｘcg2 ）cos （θ1 ＋θ2 ）−ｙcg2 sin （θ1 ＋θ2 ））
＝（ｍ1 ｇ（Ｌ1 ＋ｘcg1 ）＋ｍ2 ｇＬ1 ）cos θ1 −ｍ1 ｇｙcg1 sin θ1 ＋τ2     ・・・式（１）
τ2 ＝ｍ2 ｇ（Ｌ2 ＋ｘcg2 ）cos （θ1 ＋θ2 ）−ｍ2 ｇｙcg2 sin （θ1 ＋θ2 ）
・・・式（２）
このことから、測定した関節角度と第１リンク１３ａ及び第２リンク１３ｂの自重によって発生するトルクτ1 及びτ2 との関係は、θ1 及びθ1 ＋θ2 の余弦と正弦との一次結合で、次の式（３）及び（４）のように近似式を作成することができる。
τ1 ＝Ａcos θ1 ＋Ｂsin θ1 ＋Ｃ＋τ2   ・・・式（３）
τ2 ＝Ｄcos （θ1 ＋θ2 ）＋Ｅsin （θ1 ＋θ2 ）＋Ｆ  ・・・式（４）
ここで、Ａ〜Ｆの各係数は、線形重回帰分析によって決定される。また、同一の測定姿勢で測定されたτ1 からτ2 を差し引くことによって、τ1 はθ1 の余弦と正弦との線形結合となる。
【００５１】
筋力測定及びトレーニング装置１０の制御装置は、線形重回帰分析から計算された係数を不揮発性記録装置に記録する。そして、使用者２０が筋力測定又は筋力トレーニングを行う際には、制御装置は、近似式である前記式（３）及び（４）に基づき、関節角度から自重によって発生するトルクを計算した結果をトルク目標値に加算して、サーボモータ１６のトルク目標値とする。
【００５２】
また、自重の測定結果又は計算された近似式の係数Ａ〜Ｆを不揮発性記録装置に個々の使用者２０毎に記録しておき、筋力測定又は筋力トレーニングを行う際に、該当する使用者２０の測定結果を読み出すことによって、自重の測定を省略することができる。
【００５３】
このように、本実施の形態において、筋力測定及びトレーニング装置１０は、筋力測定及び／又は筋力トレーニングを開始する前に、使用者２０の四肢の自重及びロボットアーム１２の自重によって関節軸１５に発生する自重支持の軸トルクと関節軸の角度との関係を示すデータを取得しておく。そして、筋力測定及び／又は筋力トレーニングを行う際には、取得したデータに基づいて軸トルクの値を補正する。
【００５４】
これにより、筋力測定及び／又は筋力トレーニングを行う際に、使用者２０の四肢の筋に対して、意図した負荷を正確に付与することが可能になる。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００５６】
図６は本発明の第２の実施の形態における使用者の股関節及び膝関節の可動域の中心を示す図、図７は本発明の第２の実施の形態における使用者の股関節及び膝関節の可動域を示す第１の図、図８は本発明の第２の実施の形態における使用者の股関節及び膝関節の可動域を示す第２の図である。
【００５７】
本実施の形態における筋力測定及びトレーニング装置１０は、制御装置に接続された中止スイッチを有する。そして、使用者２０は、前記中止スイッチを操作することによって自重の測定を任意に中止させることができる。
【００５８】
なお、その他の点の構成については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００５９】
ところで、前記第１の実施の形態において説明した自重支持の軸トルク測定の際の第１測定姿勢は、股関節及び膝関節の角度が、前記股関節及び膝関節の可動範囲、すなわち、可動域の中心と予想される角度となるように設定される。使用者２０が健常者である場合、股関節及び膝関節の可動域の中心は、図６に示される方向で、股関節の場合はマイナス４５度程度であり、膝関節の場合はプラス７７度程度である。
【００６０】
また、人間の下肢の可動域、すなわち、股関節及び膝関節の可動域は、図７において点線で示されるような六角形の範囲となる。そこで、自重支持の軸トルク測定の際の測定姿勢は、前記可動域の中心となるように設定された第１測定姿勢からスタートして、螺（ら）旋状に徐々に六角形を大きくしていくように、第２測定姿勢、第３測定姿勢、・・・と、順次設定される。
【００６１】
しかし、人間の股関節及び膝関節の可動域の広さには個体差がある。そのため、ある使用者２０の場合には、図７に示されるように、点線で示されるような六角形の範囲を満たすように各測定姿勢を設定することができても、他の使用者２０の場合には、股関節及び膝関節の柔軟性が低く、その可動域が、図７において点線で示されるような六角形の範囲よりも狭い、ということがあり得る。
【００６２】
そこで、本実施の形態における筋力測定及びトレーニング装置１０は使用者２０が操作可能な中止スイッチを有する。これにより、使用者２０は、自重支持の軸トルクの測定中に測定姿勢を順次変更していく際に、下肢に痛み、違和感等を感じた場合、前記中止スイッチを操作することによって自重支持の軸トルクの測定を中止させることができる。したがって、使用者２０は、無理な姿勢を取る必要がなく、下肢を痛めることがない。
【００６３】
また、筋力測定及びトレーニング装置１０の制御装置は、中止スイッチが操作されたことを検知すると、自重支持の軸トルクの測定を中止してロボットアーム１２の姿勢を第１測定姿勢に復帰させる。そして、すべての測定姿勢での自重支持の軸トルクの測定を終了する前に、中止スイッチが操作されて自重支持の軸トルクの測定を中止した場合には、前記制御装置は、図８に示されるように、中止前に測定された測定姿勢を囲む六角形の範囲内に股関節及び膝関節の可動域を制限する。
【００６４】
また、前記制御装置は、筋力測定及び／又は筋力トレーニングの際にロボットアーム１２の関節角が制限された股関節及び膝関節の可動域から逸脱した場合、ロボットアーム１２の制御をトルク制御から関節角度制御に切り替えて姿勢を保持し、筋力測定及び／又は筋力トレーニングの動作を停止する。
【００６５】
このように、本実施の形態において、筋力測定及びトレーニング装置１０は、筋力測定及び／又は筋力トレーニング開始前の使用者２０の四肢の自重及びロボットアーム１２の自重支持の軸トルクの測定中に関節可動域を測定する。また、自重支持の軸トルクの測定中に、使用者２０は、自らの意思で測定を中止することができる。
【００６６】
これにより、使用者２０の負担及び自重の測定時間を軽減することができる。また、測定された関節可動域内にロボットアーム１２の姿勢を制限することによって、安全に筋力測定及び／又は筋力トレーニングを行うことができる。
【００６７】
なお、前記第１の実施の形態においては、自重支持の軸トルクの近似式を余弦と正弦との一次結合としたが、大腿及び下腿に対応の重心位置の座標ｙcg1 及びｙcg2 が０とみなせるならば、正弦の係数を０として単回帰分析によって近似式の係数を求めることができる。これにより、正弦を計算しなくて済むので、制御装置が数値演算プロセッサを備えていないマイクロコントローラ等から成る場合、計算量を削減することができる。
【００６８】
また、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施の形態における筋力測定及びトレーニング装置の構造を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋群を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋の活動パターンを示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における使用者の体肢の筋の出力分布特性を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態におけるロボットアームをモデル化した図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態における使用者の股関節及び膝関節の可動域の中心を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態における使用者の股関節及び膝関節の可動域を示す第１の図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における使用者の股関節及び膝関節の可動域を示す第２の図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０    筋力測定及びトレーニング装置
１１    サドル
１２    ロボットアーム
１４ａ    第１装着具
１４ｂ    第２装着具
１５ａ    第１関節軸
１５ｂ    第２関節軸
２０    使用者
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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