(57)【要約】【課題】被験者の四肢の筋力がピークを超えた時点を的確に判定することができ、被験者の最大筋力を正確に測定することができ、被験者に過度の負担をかけることがなく、安全に筋力の測定及びトレーニングを行うことができるようにする。【解決手段】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を有し、前記制御装置は、前記軸トルクの方向における前記関節軸の角速度が所定値を超えた時点の前記軸トルクの値を前記被験者の上肢又は下肢の最大筋力として記録するとともに、前記時点で前記軸トルクの付与を停止する。【選択図】図１
2010051603.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を有し、
（ｆ）前記制御装置は、前記軸トルクの方向における前記関節軸の角速度が所定値を超えた時点の前記軸トルクの値を前記被験者の上肢又は下肢の最大筋力として記録するとともに、前記時点で前記軸トルクの付与を停止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】
前記制御装置は、前記関節軸の初期位置からの角度変化が一定の範囲を超えた場合に、前記軸トルクの方向における前記関節軸の角速度が所定値を超えた時点の前記軸トルクの値を前記被験者の上肢又は下肢の最大筋力として記録するとともに、前記時点で前記軸トルクの付与を停止する請求項１に記載の筋力測定及びトレーニング装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記関節軸の初期位置からの角度変化が一定の範囲内では、前記軸トルクの方向における前記関節軸の角速度が所定値を超えた時点での前記軸トルクの値を記録せず、かつ、前記時点でも前記軸トルクの付与を停止しない請求項２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を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と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。このように、被験者が装着した装置から被験者に対して能動的に負荷を加える場合には、被験者に危険を及ぼさないように、適切に負荷を停止させることが重要である。
【０００５】
一方、被験者の筋力を限界まで使用しなければ、筋力測定又は筋力トレーニングという目的を達成することができない。したがって、筋力測定及びトレーニング装置では、被験者の筋力の限界を的確に判定して負荷を停止することが非常に重要である。しかし、被験者の筋力の限界を的確に判定することは困難であった。
【０００６】
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、被験者の四肢の関節軸の角度変化を測定し、負荷をかけた方向の前記関節軸の角速度が所定値を超えた時点の負荷を最大筋力として記録するとともに、負荷を停止することによって、被験者の四肢の筋力がピークを超えた時点を的確に判定することができ、被験者の最大筋力を正確に測定することができ、被験者に過度の負担をかけることがなく、安全に筋力の測定及び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】
【０００７】
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を有し、前記制御装置は、前記軸トルクの方向における前記関節軸の角速度が所定値を超えた時点の前記軸トルクの値を前記被験者の上肢又は下肢の最大筋力として記録するとともに、前記時点で前記軸トルクの付与を停止する。
【０００８】
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、前記制御装置は、前記関節軸の初期位置からの角度変化が一定の範囲を超えた場合に、前記軸トルクの方向における前記関節軸の角速度が所定値を超えた時点の前記軸トルクの値を前記被験者の上肢又は下肢の最大筋力として記録するとともに、前記時点で前記軸トルクの付与を停止する。
【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、前記制御装置は、前記関節軸の初期位置からの角度変化が一定の範囲内では、前記軸トルクの方向における前記関節軸の角速度が所定値を超えた時点での前記軸トルクの値を記録せず、かつ、前記時点でも前記軸トルクの付与を停止しない。
【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、被験者の四肢の関節軸の角度変化を測定し、負荷をかけた方向の前記関節軸の角速度が所定値を超えた時点の負荷を最大筋力として記録するとともに、負荷を停止する。これにより、被験者の四肢の筋力がピークを超えた時点を的確に判定することができ、被験者の最大筋力を正確に測定することができ、被験者に過度の負担をかけることがなく、安全に筋力の測定及び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グラフ、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】
人間の上肢と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出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と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３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が筋力評価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、筋力評価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の股関節軸に一致させ、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の発生するトルクは、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】
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。まず、筋力を測定及びトレーニングするための基本的な動作について説明する。
【００３１】
図５は本発明の第１の実施の形態におけるリンク系先端の力の出力分布図と関節軸トルクの出力分布図との対比を示す図、図６は本発明の第１の実施の形態におけるトレーニング前後の関節軸トルクの出力分布図の変化を示す図である。なお、図５において、（ａ）はリンク系先端の力の出力分布図を示し、（ｂ）は関節軸トルクの出力分布図を示している。
【００３２】
上肢では手根関節部、また、下肢では足関節部に該当するリンク系先端において発揮される力の出力分布図は、リンク系の関節角度によって変化する。そこで、本実施の形態においては、図５（ｂ）に示されるように、横軸に第１関節軸トルク（τ１）を採り、縦軸に第２関節軸トルク（τ２）を採った図であって、第１関節軸と第２関節軸とで同時に発生し得るトルクをプロットした関節軸トルクの分布図を考える。
【００３３】
機能別実効筋の理論によれば、関節軸トルクの出力分布図も、図５（ａ）に示されるようなリンク系先端の力の出力分布図と同様に、六角形となる。図５には、関節軸トルクの分布図とリンク系先端における力の出力分布図とが対応するように示されている。
【００３４】
ここで、図５（ａ）及び（ｂ）に示される２つの六角形の対応について説明する。
【００３５】
図５（ａ）は特許文献１の出力分布特性に対応するものであるが、図５（ａ）に示される六角形において、第２杆（かん）、すなわち、第２リンクに平行な２辺は、第二関節に対するモーメントが変化しないので、関節軸トルクの出力分布図では、τ２＝一定、すなわち、τ１軸に平行な直線と等価である。同様に、図５（ａ）に示される六角形において、第一関節とリンク系先端とを結ぶ直線に平行な２辺は、第一関節に対するモーメントが変化しないので、関節軸トルクの出力分布図では、τ１＝一定、すなわち、τ２軸に平行な直線と等価である。
【００３６】
また、図５（ａ）に示される六角形の辺のうち、第１杆、すなわち、第１リンクに平行な２辺については、該辺のいずれか一方の頂点から他方の頂点への力の変化を考えれば、その方向は第１リンクの方向に等しく、第一関節と第二関節とに等しいトルク変化を与えると考えられるので、τ１＝τ２の直線に平行な直線と等価である。
【００３７】
そして、図５（ｂ）に示されるような関節軸トルクの出力分布図を測定することができれば、任意の関節角度におけるリンク先端の出力分布図を得ることも可能である。
【００３８】
また、各機能別実効筋の個別の筋力を評価するには、特許文献１に示されるように、一対の拮抗二関節筋の除脂肪断面積を特定することによって推定することができる。
【００３９】
前記筋力測定及びトレーニング装置１０において、関節軸トルクの出力分布図を得るには、使用者２０の下肢にロボットアーム１２を沿うように装着した状態で、使用者２０が最大努力で様々な方向に出した力を関節軸トルクとして記録する。この場合、使用者２０に力の方向を、図示などの手段によって指示しながら、力を発揮させる。また、ロボットアーム１２は、関節角度が変化しないように関節軸トルクを制御することによって、使用者２０に対して反力を発生するので、関節角度が変化しないときの関節軸トルクを、使用者２０が発揮した関節軸トルクとして記録する。
【００４０】
そして、記録された関節軸トルクを２つの関節軸が同時に発生し得るトルクとして、図６に示されるようなτ１−τ２座標平面にプロットする。続いて、プロット全体の集合を内部に含み、２辺がτ１軸に平行であり、２辺がτ２軸に平行であり、他の２辺がτ２＝τ１の直線に平行であるような六角形であって最小の六角形を描画し、該六角形を関節軸トルクの出力分布図とする。そして、使用者２０がトレーニングを行う前に筋力測定及びトレーニング装置１０を使用して作成した六角形と、同じ使用者２０がトレーニングを行った後に筋力測定及びトレーニング装置１０を使用して作成した六角形とを、図６に示されるように、同一画面上に示すことにより、トレーニング前後の筋力の変化を把握することができる。
【００４１】
なお、前記筋力測定及びトレーニング装置１０を使用してトレーニングを行うこともできる。トレーニングを行う場合、使用者２０は、まず、筋力測定及びトレーニング装置１０の入力操作装置を操作して、トレーニングメニューを入力する。該トレーニングメニューの入力は、例えば、図４に示されるような最大出力分布特性の六角形に基づいて、自身の体肢先端で増強したい出力方向とトレーニング負荷の大きさとを入力することである。
【００４２】
例えば、立ち幅跳びの跳躍距離を伸ばしたいという意図で、図４に示されるような六角形におけるｂ方向の先端出力を増強したい場合、使用者２０は、トレーニングする出力方向としてｂ方向を選択し、トレーニング負荷の大きさを入力する。そして、図３に示されるような３対６筋の交代パターンから、ｂ方向に力を発揮する場合に活動する筋は、ｆ１（股関節一関節屈筋群）、ｅ２（膝関節一関節屈筋群）及びｆ３（大腿部二関節筋屈筋群）であることが分かる。
【００４３】
ｂ方向の先端出力を増強するには、前記ｆ１、ｅ２及びｆ３の３筋群を鍛えればよいので、筋力測定及びトレーニング装置１０は、前記３筋群が活動したときに股関節及び膝関節に対応する第１サーボモータ１６ａ及び第２サーボモータ１６ｂが発生するトルクを反対方向で、使用者２０が入力したトレーニング負荷の大きさまで徐々に、又は、段階的に増加させる。そして、使用者２０は、筋力測定及びトレーニング装置１０が発生するトルクに対抗するように力を入れることによって、所定の筋出力の状態を維持し、筋力をトレーニングすることができる。
【００４４】
前記筋力測定及びトレーニング装置１０は、使用者２０に対して一定のトルクを負荷としてかけているので、使用者２０が、体肢先端（前記の例の場合、足首）の位置を変化させないように努力することで、等尺性のトレーニングをすることも可能である。また、トレーニング中に使用者２０の姿勢が変化しても筋に対する負荷が変化しないので、等張性のトレーニングをすることも可能である。
【００４５】
このように、使用者２０が何らかのトレーニングを行うことによって変化した筋力を評価したい、すなわち、変化した筋力の差を評価したいという目的であれば、必ずしも各機能別実効筋の個別の筋力を特定しなくても、関節軸トルクの出力分布を示す六角形の変化から、筋力にどのような変化があったのかを評価することができる。
【００４６】
例えば、何らかのトレーニングを行うことによって、関節軸トルクの出力分布図が図６に示されるように変化したとすれば、実効筋ｆ３の筋力が増大した場合と同等の効果が得られていると評価することができる。
【００４７】
リンク系先端の力の出力分布図は、各リンクの長さ及びリンクの角度によって変化するが、関節軸トルクの出力分布図は、実効筋の出力によってのみ変化する。したがって、関節軸トルクの分布図を得る目的において、使用者２０の姿勢の情報は必要としない。関節軸トルクの出力分布図を使用することによって、測定時の関節角度が異なっていても、実効筋力を比較することができる。
【００４８】
このように、筋力測定及びトレーニング装置１０では、該筋力測定及びトレーニング装置１０の側から使用者２０に負荷を与え、使用者２０は負荷に対抗して位置が動かないように負荷に拮抗する出力を発揮するようになっている。そして、特定の方向に力の大きさを漸増させ、使用者２０が負荷に負けた時点の負荷が最大筋力となる。
【００４９】
前記筋力測定及びトレーニング装置１０が発生する力は、方向及び大きさがともに制御可能であるので、使用者２０は位置が動かないように力を入れているだけで、特定の方向の最大出力を測定することができる。
【００５０】
また、筋力測定及びトレーニング装置１０の側から使用者２０に負荷を加える場合には、使用者２０の最大筋力を的確に判定して負荷を停止することが重要である。使用者２０の筋力の限界を超えてしまうと、使用者２０に対して過負荷を与えることになるので、好ましくない。一方、筋力の限界の手前で停止すれば、最大筋力を測定することができない。また、使用者２０は、力を出し切った実感がないまま終了してしまう。
【００５１】
なお、使用者２０の最大筋力を判定する方法としては、四肢先端の位置又は関節角度が、測定開始時に比べて一定以上に変位した時点での負荷を最大筋力と判定する方法が考えられる。これに対し、本実施の形態においては、使用者２０の四肢の関節軸の角度変化を測定し、負荷をかけた方向の前記関節軸の角速度が所定値を超えた時点の負荷を最大筋力と判定することにより、最大筋力を正確に判定することができる。具体的には、ロボットアーム１２の関節軸１５の角度を測定し、サーボモータ１６が付与するトルクの方向における関節軸１５の角速度が所定値を超えた時点の前記トルクの値を使用者２０の上肢又は下肢の最大筋力として記録するとともに、前記時点でトルクの付与を停止する。
【００５２】
次に、本実施の形態における最大筋力を判定する方法について詳細に説明する。
【００５３】
図７は本発明の第１の実施の形態における最大筋力を判定する方法を示す図である。
【００５４】
まず、使用者２０は、下肢又は上肢に装着したロボットアーム１２が発生する力に抗しながらも、姿勢を多少変化させる。使用者２０の姿勢変化の要因としては、（α）ロボットアーム１２が発生している力よりも大きな力を入れてしまうこと、（β）力を入れる方向を探ってロボットアーム１２が発生している力の方向と異なる方向に力を入れてしまうこと、（γ）瞬間的にロボットアーム１２が発生している力に抗しきれなかったこと、等が考えられる。
【００５５】
要因（α）及び（β）に起因する使用者２０の姿勢変化は、使用者２０が力を入れ始める初期の段階でロボットアーム１２が発生する力が小さいときに発生する。また、要因（γ）に起因する使用者２０の姿勢変化は、ロボットアーム１２が発生する力が大きくなり、使用者２０の最大筋力に近くなった状態で発生する。
【００５６】
したがって、要因（γ）に起因する使用者２０の姿勢変化において最大筋力の判定を誤ると、最大筋力を測定することができないだけでなく、使用者２０も疲労するため再測定を開始するまで時間を空ける必要がある。また、要因（γ）に起因する使用者２０の姿勢変化において、姿勢が変化した後に再び姿勢を保持することができるのであれば、ロボットアーム１２が発生している力と同等の筋力を使用者２０が有すると考えることができるので、姿勢変化だけで最大筋力を判定すると、正確に最大筋力を測定することができない可能性がある。
【００５７】
そこで、本実施の形態においては、図７に示されるように、使用者２０の下肢又は上肢の関節角度の変化、すなわち、関節軸の角度変化の許容範囲を、使用者２０の安全を確保することができる範囲で、広く設定し、関節角速度、すなわち、関節軸の角速度によって最大筋力を判定する。
【００５８】
人間は持続して最大筋力を出し続けることはできないので、使用者２０が発揮する力はある時点から漸減し、使用者２０がロボットアーム１２に押し込まれる速度が増加する。そのため、関節軸の角速度を監視することによって、より正確に使用者２０の最大筋力を測定することができる。
【００５９】
なお、使用者２０の関節軸の角速度は、ロボットアーム１２が関節軸１５に備えるアブソリュート型エンコーダ等の角度測定装置によって、１〜５〔ｍｓ〕程度の一定の時間間隔における角度の変化量として測定される。そして、図７に示されるように、筋力測定中に、ロボットアーム１２がその関節軸１５において発生するトルクの向きにあらかじめ定めた一定の値以上の関節角速度が測定されたら、その時点におけるロボットアーム１２の出力を使用者２０の最大筋力とし、ロボットアーム１２の動作を停止する。
【００６０】
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、使用者２０の四肢の関節軸の角度変化を測定し、前記関節軸の負荷をかけた方向の角速度が所定値を超えた時点の負荷を最大筋力と判定するとともに、前記時点で負荷をかけることを停止する。つまり、筋力測定及びトレーニング装置１０の制御装置は、ロボットアーム１２の関節軸１５の角度を測定し、サーボモータ１６が付与するトルクの方向における関節軸１５の角速度が所定値を超えた時点の前記トルクの値を使用者２０の上肢又は下肢の最大筋力として記録するとともに、前記時点でトルクの付与を停止する。
【００６１】
これにより、使用者２０の四肢の筋力がピークを超えた時点を的確に判定することができ、最大筋力を正確に測定することができる。また、使用者２０に過度の負担をかけることがなく、使用者２０の四肢の最大筋力を安全に測定することができる。
【００６２】
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。
【００６３】
前記第１の実施の形態においては、関節軸の角速度が所定値を超えた時点の負荷を使用者２０の最大筋力と判定する例について説明したが、使用者２０の姿勢変化は要因（α）及び（β）に起因する場合もあり、この場合に関節軸の角速度が大きくなりすぎると測定が停止する可能性がある。
【００６４】
前記第１の実施の形態においても説明したように、要因（α）及び（β）に起因する使用者２０の姿勢変化は、使用者２０が力を入れ始める初期の段階でロボットアーム１２が発生する力が小さいときに発生する。そのため、使用者２０が発揮している力は最大筋力に対して余裕があるので、使用者２０は容易に元の姿勢に戻すことができる。
【００６５】
したがって、本実施の形態においては、筋力測定及びトレーニング装置１０の制御装置に接続された表示装置に使用者２０の姿勢変化を表示して使用者２０自身に示すことによって該使用者２０に一定の姿勢を保つことを意識させる。これにより、使用者２０の姿勢変化を一定の範囲内に抑えることが可能となる。
【００６６】
また、本実施の形態においては、最大筋力を判定するための関節角速度の監視を、関節角変位量が一定の範囲内では、無効とする。例えば、測定開始の初期位置から、関節角度変位が２度以内の範囲では、関節角速度に基づく最大筋力の判定を行わないようにする。これにより、要因（α）及び（β）に起因する使用者２０の姿勢変化の場合における誤判定を低減することができる。
【００６７】
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、関節軸の角度変化が一定の範囲内では、使用者２０の最大筋力を判定するための関節軸の角速度の監視を無効とする。つまり、筋力測定及びトレーニング装置１０の制御装置は、関節軸１５の初期位置からの角度変化が一定の範囲を超えた場合には、サーボモータ１６が付与するトルクの方向における関節軸１５の角速度が所定値を超えた時点の前記トルクの値を使用者２０の上肢又は下肢の最大筋力として記録するとともに、前記時点でトルクの付与を停止する。また、関節軸１５の初期位置からの角度変化が一定の範囲内では、サーボモータ１６が付与するトルクの方向における関節軸１５の角速度が所定値を超えた時点での前記トルクの値を記録せず、前記時点でもトルクの付与を停止しない。
【００６８】
これにより、測定開始後のロボットアーム１２の出力が低い状態における誤判定を低減し、使用者２０の負担を軽減することができる。
【００６９】
なお、前記第１及び第２の実施の形態においては、主として、使用者２０の筋力を測定する場合について説明したが、筋力測定及びトレーニング装置１０を使用して使用者２０の四肢に負荷をかけることによって使用者２０の筋力をトレーニングすることもできる。もっとも、トレーニングの場合も、測定の場合と同様に、使用者２０の筋力の限界を超えてしまうと、使用者２０に対して過負荷を与えることになるので、好ましくない。しかし、前記筋力測定及びトレーニング装置１０であれば、トレーニングの際にも使用者２０の四肢の最大筋力を正確に測定することができるので、トレーニングにおいて使用者２０に与える負荷を適切な値に修正することができる。
【００７０】
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】
【００７１】
【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グラフである。
【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リンク系先端の力の出力分布図と関節軸トルクの出力分布図との対比を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態におけるトレーニング前後の関節軸トルクの出力分布図の変化を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における最大筋力を判定する方法を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
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】
2010051603.tif 000003
【図２】
2010051603.tif 000004
【図３】
2010051603.tif 000005
【図４】
2010051603.tif 000006
【図５】
2010051603.tif 000007
【図６】
2010051603.tif 000008
【図７】
2010051603.tif 000009