(57)【要約】【課題】小型化を実現し、短時間において下肢の関節トルクを測定する関節トルク演算システム、サイクルコンピュータ及び関節トルクの測定方法を提供する。【解決手段】関節トルク演算システム１０は、第１検出部１１と、第２検出部１２と、演算処理部１４とを備えている。演算処理部１４は、第１検出部１１から取得されるクランク３１の回転位置情報と、股関節から膝関節までの長さ情報、膝関節から足首関節までの長さ情報及び足首関節からペダルシャフト３２までの長さ情報と、足首関節の第１関節位置情報と、股関節の第３関節位置情報とに基づいて、膝関節の第２関節位置情報を算出する。演算処理部１４は、更に第２検出部１２から取得されるペダル３３に作用する踏力情報と、第１、第２及び第３関節位置情報の１つの情報とに基づいて、逆動力学解析による演算処理を行い、足首、膝及び股の１つの関節の関節トルクを算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自転車のクランク軸に一端部が連結され、前記クランク軸を中心に回転するクランクの回転位置を検出する第１検出部と、
前記クランクの他端部にペダルシャフトを介して連結されたペダルに作用する踏力を検出する第２検出部と、
前記第１検出部から取得される回転位置情報と、股関節から膝関節までの第１長さ情報、前記膝関節から足首関節までの第２長さ情報及び前記足首関節から前記ペダルシャフトまでの第３長さ情報と、前記足首関節の第１関節位置情報と、前記股関節の第３関節位置情報とに基づいて、前記膝関節の第２関節位置情報を算出し、前記第２検出部から取得される踏力情報と、前記第１関節位置情報、前記第２関節位置情報及び前記第３関節位置情報の少なくとも１つの情報とに基づいて、逆動力学解析による演算処理を行い、前記足首関節、前記膝関節及び前記股関節の少なくとも１つの関節の関節トルクを算出する演算処理部と、
を備えた関節トルク演算システム。
【請求項２】
前記第１長さ情報、前記第２長さ情報及び前記第３長さ情報を少なくとも入力する情報入力部と、
前記関節トルクの算出結果を少なくとも出力する情報出力部と、
を更に備えた請求項１に記載の関節トルク演算システム。
【請求項３】
前記ペダルの前記ペダルシャフト上における姿勢角を検出する第３検出部を更に備え、
前記第３検出部から取得される角度情報を用いて、前記第１関節位置情報及び前記踏力情報の少なくとも一方が生成される
請求項２に記載の関節トルク演算システム。
【請求項４】
前記演算処理部は、
前記関節トルクと前記回転位置情報とに基づいて、前記関節において前記クランク軸の所定の回転角度当たりの物理量を算出し、
閾値に対する前記物理量の大小を判定する
請求項２又は請求項３に記載の関節トルク演算システム。
【請求項５】
前記物理量は、前記関節トルクと前記関節の角速度とに基づき導出される関節パワーである
請求項４に記載の関節トルク演算システム。
【請求項６】
前記情報出力部は、前記関節パワーを出力する
請求項５に記載の関節トルク演算システム。
【請求項７】
前記回転位置情報は前記第１検出部からリアルタイムに取得し、
前記踏力情報は前記第２検出部からリアルタイムに取得し、
前記演算処理部は前記関節トルクをリアルタイムに算出し、
前記情報出力部は前記関節トルクをリアルタイムに出力する
請求項２又は請求項６に記載の関節トルク演算システム。
【請求項８】
前記回転位置情報は前記第１検出部からリアルタイムに取得し、
前記踏力情報は前記第２検出部からリアルタイムに取得し、
前記演算処理部は前記関節トルク及び前記関節パワーをリアルタイムに算出し、
前記情報出力部は少なくとも前記関節パワーをリアルタイムに出力する
請求項６に記載の関節トルク演算システム。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の演算処理部が筐体に内蔵されているサイクルコンピュータ。
【請求項１０】
自転車のクランク軸に一端部が連結され、前記クランク軸を中心に回転するクランクの回転位置を検出して回転位置情報を取得し、
前記クランクの他端部にペダルシャフトを介して連結されたペダルに作用する踏力を検出して踏力情報を取得し、
股関節から膝関節までの第１長さ情報、前記膝関節から足首関節までの第２長さ情報及び前記足首関節から前記ペダルシャフトまでの第３長さ情報を取得し、
前記足首関節の第１関節位置情報及び前記股関節の第３関節位置情報を取得し、
前記回転位置情報と前記第１関節位置情報と前記第３関節位置情報とに基づいて、前記膝関節の第２関節位置情報を算出し、
前記踏力情報と、前記第１関節位置情報、前記第２関節位置情報及び前記第３関節位置情報の少なくとも１つの情報とに基づいて、逆動力学解析による演算処理を行い、前記足首関節、前記膝関節及び前記股関節の少なくとも１つの関節の関節トルクを算出する
関節トルクの測定方法。
【請求項１１】
前記関節トルクと前記回転位置情報とに基づいて、前記関節において前記クランク軸の所定の回転角度当たりの物理量を算出し、
閾値に対する前記物理量の大小を判定する
請求項１０に記載の関節トルクの測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節トルク演算システム、サイクルコンピュータ及び関節トルクの測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、関節力及び関節モーメントのフィードバック推定方法並びに装置が開示されている。この推定方法並びに装置は、バイオメカニクス分野（Biomechanics field）において、逆動力学に基づいて人間や動物の動作の解析に使用されている。例えば、上記推定方法及び装置では、人間や動物の関節トルクや関節間の力を見積もることができる。
また、下記特許文献２には、有限要素解析、プロセス統合及び設計最適化を用いた筋骨格モデリングが開示されている。この開示された技術では、モーションキャプチャデータ（Motion capture data）からモーションデータを生成し、このモーションデータから筋骨格モデルの逆動力学解析が行われる。
【０００３】
一方、下記特許文献３には、ペダリング状態計測装置が開示されている。この装置では自転車のペダリングスキルの評価指標を算出することができる。
同様に自転車に関して、下記特許文献４には、筋疲労決定装置、筋疲労決定方法及び筋疲労決定用プログラムが開示されている。この開示された技術では、自転車のペダリング中の筋疲労情報をリアルタイムに生成することができる。
そして、下記特許文献５には、自転車サイクリングの膝関節の運動軌跡を分析する測定システム及びその方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４２６４３４５号公報
【特許文献２】特開２０１５−０１１７１４号公報
【特許文献３】特開２０１４−００８７８９号公報
【特許文献４】特開２０１６−１０７０９３号公報
【特許文献５】特開２０１５−０９１３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
自転車のペダリング動作中にライダー（人間）の下肢の関節位置を推定する手法は、特許文献３〜特許文献５の各々に開示される通り複数存在する。しかしながら、関節位置の推定には、モーションキャプチャシステム等の大掛かりな装置が必要とされ、しかも時間が掛かる。
一方、自転車に市販のサイクルコンピュータ及びセンサ類を装着すれば、ペダリング動作がセンサ類により検出され、検出された各種情報がサイクルコンピュータの表示画面に表示される。ここで、各種情報とは、例えば走行距離、積算距離、走行速度、ケイデンス、心拍数、消費カロリー等の情報である。しかしながら、上記センサ類を用いて下肢の関節トルクを推定する技術は皆無である。
【０００６】
本発明は、上記事実を考慮し、簡易な構成により小型化を実現することができ、かつ、短時間において下肢の関節の関節トルクを測定することができる関節トルク演算システム、サイクルコンピュータ及び関節トルクの測定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１態様に係る関節トルク演算システムは、
自転車のクランク軸に一端部が連結され、クランク軸を中心に回転するクランクの回転位置を検出する第１検出部と、
クランクの他端部にクランクシャフトを介して連結されたペダルに作用する踏力を検出する第２検出部と、
第１検出部から取得される回転位置情報と、股関節から膝関節までの第１長さ情報、膝関節から足首関節までの第２長さ情報及び足首関節からペダルシャフトまでの第３長さ情報と、足首関節の第１関節位置情報と、股関節の第３関節位置情報とに基づいて、膝の第２関節位置情報を算出し、第２検出部から取得される踏力情報と、第１関節位置情報、第２関節位置情報及び第３関節位置情報の少なくとも１つの情報とに基づいて、逆動力学解析による演算処理を行い、足首関節、膝関節及び股関節の少なくとも１つの関節の関節トルクを算出する演算処理部と、
を備える。
【０００８】
第１態様に係る関節トルク演算システムは、第１検出部と、第２検出部と、演算処理部とを備える。第１検出部は、自転車のクランク軸に一端部が連結され、クランク軸を中心に回転するクランクの回転位置を検出する。第２検出部は、クランクの他端部にペダルシャフトを介して連結されたペダルに作用する踏力を検出する。
【０００９】
演算処理部は、第１検出部から取得される回転位置情報と、第１長さ情報〜第３長さ情報と、足首関節の第１関節位置情報と、股関節の第３関節位置情報とに基づいて、膝関節の第２関節位置情報を算出する。
ここで、回転位置情報は、クランク軸を中心としてクランクを介して回転するペダルシャフトの回転位置情報でもある。第１長さ情報は股関節から膝関節までの長さ情報、第２長さ情報は膝関節から足首関節までの長さ情報、第３長さ情報は足首関節からペダルシャフトまでの長さ情報である。第１長さ情報の長さの値、第２長さ情報の長さの値、第３長さ情報の長さの値は、各々、一定である。また、第３関節位置情報は位置が固定された股関節の位置情報である。
第１関節位置情報は、足首関節の位置情報であり、ペダルの姿勢角度の変化に伴い変動する。第１関節位置情報は、例えば、初期値として取得するか、又はペダルの姿勢角度の実測値から取得する。
演算処理部では、第１関節位置情報に基づいて、幾何学計算により簡易に第２関節位置情報を算出することができる。
【００１０】
第２関節位置情報が幾何学計算により算出されると、第１関節位置情報、第２関節位置情報及び第３関節位置情報がすべて特定される。演算処理部では、第１関節位置情報、第２関節位置情報及び第３関節位置情報の少なくとも１つの情報と、第２検出部から取得される踏力情報とに基づいて、逆動力学解析（筋骨格解析）による演算処理を行う。
これにより、演算処理部では、モーションキャプチャシステム等の大掛かりな装置を用いることなく、簡単な演算処理により、足首関節、膝関節及び股関節の少なくとも１つの関節の関節トルク（関節負担）を算出することができる。
【００１１】
本発明の第２態様に係る関節トルク演算システムは、第１実施態様に係る関節トルク演算システムにおいて、第１長さ情報、第２長さ情報及び第３長さ情報を少なくとも入力する情報入力部と、関節トルクの算出結果を少なくとも出力する情報出力部と、を更に備える。
【００１２】
第２態様に係る関節トルク演算システムは、情報入力部と、情報出力部とを備える。情報入力部には第１長さ情報、第２長さ情報及び第３長さ情報が少なくとも入力されるので、この入力により演算処理部において第２関節位置情報を算出することができる。
また、情報出力部では、演算処理部により算出された関節トルクの算出結果が少なくとも出力される。例えば、情報出力部に表示機能が装備されている場合、ユーザが関節トルクの算出結果を確認することができる。
【００１３】
本発明の第３態様に係る関節トルク演算システムでは、第２実施態様に係る関節トルク演算システムにおいて、ペダルのペダルシャフト上における姿勢角を検出する第３検出部を更に備え、第３検出部から取得される角度情報を用いて、第１関節位置情報及び前記踏力情報の少なくとも一方が生成される。
【００１４】
第３態様に係る関節トルク演算システムは、第３検出部を更に備える。第３検出部では、ペダルのペダルシャフト上における姿勢角が検出される。この姿勢角情報が取得されると、この姿勢角情報と足首関節からペダルシャフトまでの第３長さ情報とに基づいて、演算処理部では第１関節位置情報を算出することができる。このため、第３検出部から取得される姿勢角情報に基づいて、第１関節位置情報がリアルタイムに算出することができるので、関節トルクもリアルタイムに算出することができる。
【００１５】
また、関節トルク演算システムでは、第１関節位置情報が、足首関節の関節位置の実測に基づいて生成されてもよい。この場合、足首の関節位置の実測に基づいて第１関節位置情報が生成されるので、センサ類等の追加装置が無くなる。例えば、足首関節からペダルシャフトまでの第３長さ情報はメジャーを用いて測定され、この測定値が第１関節位置情報とされる。
【００１６】
さらに、第１関節位置情報として、例えばペダリング動作を行うユーザの技能レベル毎、ユーザの体格毎等に平均化され、かつ、データベース化された関節位置情報を使用することができる。そして、第１関節位置情報は情報入力部から入力される。このため、追加装置が無い分、関節トルク演算システムの小型化を更に図ることができる。
【００１７】
本発明の第４態様に係る関節トルク演算システムでは、第２態様又は第３態様に係る関節トルク演算システムにおいて、演算処理部は、関節トルクと回転位置情報とに基づいて、関節においてクランク軸の所定の回転角度当たりの物理量を算出し、閾値に対する物理量の大小を判定する。
【００１８】
第４態様に係る関節トルク演算システムでは、演算処理部は、物理量を算出し、閾値に対する物理量の大小を判定する。物理量は、関節トルクと回転位置情報とに基づいて、クランク軸の所定の回転角度当たりの関節における物理量として算出される。閾値は任意に設定される。
このため、物理量の大小が判定される結果として、例えばユーザのペダリングパフォーマンスを測定することができる。さらに、ペダリングパフォーマンスの測定結果に基づいて、ポジショニング、ペダリング等の操作状態がユーザ自身において確認可能となる。また、第三者がユーザに対して理想的な操作状態を提案可能となる。
【００１９】
本発明の第５態様に係る関節トルク演算システムでは、第４態様に係る関節トルク演算システムにおいて、物理量は、関節トルクと関節の角速度とに基づき導出される関節パワーである。
【００２０】
第５態様に係る関節トルク演算システムでは、物理量が関節トルクと関節の角速度とに基づき導出される関節パワーとされているので、ユーザのペダリングパフォーマンスの定量化を実現することができる。
【００２１】
本発明の第６態様に係る関節トルク演算システムでは、第５態様に係る関節トルク演算システムにおいて、情報出力部は、関節パワーを出力する。
【００２２】
第６態様に係る関節トルク演算システムでは、関節パワーが情報出力部から出力されるので、ユーザが関節パワーを確認することができる。
【００２３】
本発明の第７態様に係る関節トルク演算システムでは、第２態様又は第６態様に係る関節トルク演算システムにおいて、回転位置情報は第１検出部からリアルタイムに取得し、踏力情報は第２検出部からリアルタイムに取得し、演算処理部は関節トルクをリアルタイムに算出し、情報出力部は関節トルクをリアルタイムに出力する。
【００２４】
第７態様に係る関節トルク演算システムでは、関節トルクが、演算処理部によりリアルタイムに算出され、情報出力部によりリアルタイムに出力される。このため、例えばユーザは関節トルクをリアルタイムに確認することができる。
【００２５】
本発明の第８態様に係る関節トルク演算システムでは、第６態様に係る関節トルク演算システムにおいて、回転位置情報は第１検出部からリアルタイムに取得し、踏力情報は第２検出部からリアルタイムに取得し、演算処理部は関節トルク及び関節パワーをリアルタイムに算出し、情報出力部は少なくとも関節パワーをリアルタイムに出力する。
【００２６】
第８態様に係る関節トルク演算システムでは、関節トルク及び関節パワーが演算処理部によりリアルタイムに算出され、少なくとも関節パワーが情報出力部によりリアルタイムに出力される。このため、例えばユーザは少なくとも関節パワーをリアルタイムに確認することができる。
【００２７】
本発明の第９態様に係るサイクルコンピュータでは、第１態様〜第８態様のいずれか１つに係る関節トルク演算システムの演算処理部が筐体に内蔵されている。
【００２８】
第９態様に係るサイクルコンピュータでは、演算処理部が筐体に内蔵される。サイクルコンピュータは例えば自転車にコンパクトに装着されるので、自転車の走行中に関節トルク、関節パワーを算出してユーザがペダリングパフォーマンスを確認することができる。
【００２９】
本発明の第１０態様に係る関節トルクの測定方法は、
自転車のクランク軸に一端部が連結され、かつ、クランク軸を中心に回転するクランクの回転位置を検出して回転位置情報を取得し、
クランクの他端部にペダルシャフトを介して連結されたペダルに作用する踏力を検出して踏力情報を取得し、
股関節から膝関節までの第１長さ情報、膝関節から足首関節までの第２長さ情報及び足首関節からペダルシャフトまでの第３長さ情報を取得し、
足首関節の第１関節位置情報及び股関節の第３関節位置情報を取得し、
回転位置情報と第１関節位置情報と第３関節位置情報とに基づいて、膝関節の第２関節位置情報を算出し、
踏力情報と、第１関節位置情報、第２関節位置情報及び第３関節位置情報の少なくとも１つの情報とに基づいて、逆動力学解析による演算処理を行い、足首関節、膝関節及び股関節の少なくとも１つの関節の関節トルクを算出する。
【００３０】
第１０態様に係る関節トルクの測定方法では、自転車のクランク軸を中心に回転するクランクの回転位置が検出され、回転位置情報が取得される。一方、クランク軸にクランクを介して連結されたペダルに作用する踏力が検出され、踏力情報が取得される。また、第１長さ情報〜第３長さ情報、足首関節の第１関節位置情報、股関節の第３関節位置情報がそれぞれ取得される。
ここで、回転位置情報は、クランク軸を中心としてクランクを介して回転するペダルシャフトの回転位置情報でもある。第１長さ情報は股関節から膝関節までの長さ情報、第２長さ情報は膝関節から足首関節までの長さ情報、第３長さ情報は足首関節からペダルシャフトまでの長さ情報である。第１長さ情報の長さの値、第２長さ情報の長さの値、第３長さ情報の長さの値は、各々、一定である。また、第３関節位置情報は位置が固定された股関節の位置情報である。
第１関節位置情報は、足首関節の位置情報であり、ペダルの姿勢角度の変化に伴い変動する。第１関節位置情報は、例えば、初期値として取得するか、又はペダルの姿勢角度の実測値から取得する。
この第１関節位置情報に基づいて、幾何学計算により簡易に第２関節位置情報を算出することができる。
【００３１】
第２関節位置情報が幾何学計算により算出されると、第１関節位置情報、第２関節位置情報及び第３関節位置情報がすべて特定される。第１関節位置情報、第２関節位置情報及び第３関節位置情報の少なくとも１つの情報と、第２検出部から取得される踏力情報とに基づいて、逆動力学解析による演算処理が行われる。
これにより、モーションキャプチャシステム等の大掛かりな装置を用いることなく、簡単な演算処理により、足首関節、膝関節及び股関節の少なくとも１つの関節トルクを算出することができる。
【００３２】
本発明の第１１態様に係る関節トルクの測定方法は、第１０態様に係る関節トルクの測定方法において、関節トルクと回転位置情報とに基づいて、関節においてクランク軸の所定の回転角度当たりの物理量を算出し、閾値に対する物理量の大小を判定する。
【００３３】
第１１態様に係る関節トルクの測定方法では、物理量が算出され、閾値に対する物理量の大小が判定される。物理量は、関節トルクと回転位置情報とに基づいて、クランク軸の所定の回転角度当たりの関節における物理量として算出される。閾値は任意に設定される。
このため、物理量の大小が判定される結果として、例えばユーザのペダリングパフォーマンスを測定することができる。さらに、ペダリングパフォーマンスの測定結果に基づいて、ポジショニング、ペダリング等の操作状態がユーザ自身において確認可能となる。また、第三者がユーザに対して理想的な操作状態を提案可能となる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、簡易な構成により小型化を実現することができ、かつ、短時間において下肢の関節の関節トルクを測定することができる関節トルク演算システム、サイクルコンピュータ及び関節トルクの測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態に係る関節トルク演算システム及びこの関節トルク演算システムが適用される自転車の概略構成図である。
【図２】図１に示される関節トルク演算システムのシステムブロック図である。
【図３】図１に示される関節トルク演算システムの演算処理部が含まれるサイクルコンピュータの斜視図である。
【図４】図１に示される関節トルク演算システムが適用される自転車にユーザが乗った状態においてユーザの下肢の関節位置関係を示す模式図である。
【図５】図４に示される足首の関節位置関係をペダル座標系において示す要部の模式図である。
【図６】実施の形態に係る関節トルク演算システムを用いた関節トルクの測定方法を説明するフローチャートである。
【図７】図１に示される関節トルク演算システムが適用される自転車にユーザが乗った状態においてユーザの下肢の関節位置関係をクランクの一定角度毎に示す模式図である。
【図８】図１〜図３に示される関節トルク演算システムにおいて第２検出部により取得された踏力情報を説明する測定図である。
【図９】関節パワーの発生源を説明する図４に対応するユーザの下肢を示す模式図である。
【図１０】（Ａ）は実施の形態に係る関節トルク演算システムを用いた膝関節トルクの算出結果を示す図であり、（Ｂ）は股関節トルクの算出結果を示す図である。
【図１１】（Ａ）は比較例に係るシステムを用いた膝関節トルクの算出結果を示す図であり、（Ｂ）は股関節トルクの算出結果を示す図である。
【図１２】（Ａ）は実施の形態に係る関節トルク演算システムを用いた股関節トルクの算出結果を示す図、（Ｂ）は股関節の角速度の算出結果を示す図、（Ｃ）は股関節パワーの算出結果を示す図である。
【図１３】実施の形態に係る関節トルク演算システムを用いた各関節パワーの割合の算出結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、図１〜図１３を用いて、本発明の一実施の形態に係る関節トルク演算システム、サイクルコンピュータ及び関節トルクの測定方法を説明する。ここで、図中、適宜、示される矢印Ｘ、矢印Ｙ、矢印Ｚは、３次元座標のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に一致する方向である。なお、本実施の形態の適用方向が限定されるものではない。
【００３７】
［関節トルク演算システムの構成］
（１）自転車の構成
図１に示されるように、本実施の形態に係る関節トルク演算システム１０は、自転車２０に適用され、この自転車２０に装着されている。自転車２０は骨格部材としてのフレーム２１を備えている。フレーム２１は、トップチューブ２１１、ダウンチューブ２１２及びシートチューブ２１３を側面視において実質的に三角形状に連結し、シートチューブ２１３、シートステイ２１４及びチェーンステイ２１５を側面視において三角形状に連結して組立てられている。シートチューブ２１３の上部には高さ調整が可能とされるシートポスト２２１を介してサドル２２が取付けられている。
【００３８】
フレーム２１の前部には上下方向に延設されたヘッドチューブ２３が連結されている。ヘッドチューブ２３の上部にはヘッドチューブ２３の軸芯を中心として回動可能なハンドルバー２４が取り付けられ、ハンドルバー２４の両端部にはそれぞれハンドルグリップ２４１が設けられている。ヘッドチューブ２３の下部には上下方向に延設された左右一対のフロントフォーク２５の一端部が連結されている。フロントフォーク２５の他端部には外周部にタイヤ２６１が装着されたフロントホイール２６が取付けられている。フロントホイール２６はＹ軸を中心として回転可能とされている。
【００３９】
一方、フレーム２１の後部には、リアギア２７を介して、外周部にタイヤ２８１が装着されたリアホイール２８が取付けられている。リアホイール２８は、フロントホイール２６と同様に、Ｙ軸を中心として回転可能とされている。
【００４０】
フレーム２１のダウンチューブ２１２とシートチューブ２１３とチェーンステイ２１５との連結部分にはフロントギア２９が取付けられている。フロントギア２９はＹ軸方向を回転軸方向とするクランク軸３０に連結され、クランク軸３０はＹ軸を中心として矢印Ａ方向のＹ軸周りに回転する構成とされている。クランク軸３０にはクランク（クランクアーム）３１の一端部が連結されている。クランク３１はクランク軸３０の両端部に左右一対に設けられている。一方のクランク３１は、他方のクランク３１に対して、クランク軸３０を中心として１８０度反転した位置に取付けられている。クランク３１の他端部にはペダルシャフト３２が連結され、ペダルシャフト３２にはペダル３３が矢印Ｂ方向に回動自在（又は回転自在）に取付けられている。
【００４１】
フロントギア２９とリアギア２７との間はチェーン３４が巻き掛けられている。つまり、ペダル３３にユーザ４０の踏力が入力されると、踏力は、ペダルシャフト３２及びクランク３１を介してクランク軸３０に、このクランク軸３０を回転させる回転力として伝達される。そして、この回転力は、フロントギア２９、チェーン３４及びリアギア２７を介してリアホイール２８に伝達され、自転車２０を走行させる駆動力となる。
【００４２】
（２）ユーザ
図１に示されるように、自転車２０にはユーザ４０が乗り、ユーザ４０は自転車２０を操作して走行させる。ここでは、ユーザ４０は人間である。一般的に、逆動力学解析（筋骨格解析）において、剛体と見なせる２以上の自然数Ｎ個のリンク（セグメント）ＳとＮ−１個の関節（ジョイント）Ｊとを含んで構成されるオブジェクト（測定対象物）として、ユーザ４０を表現することができる。
【００４３】
少し詳しく説明すると、例えば、人間の頭部はリンクＳ１、胴体、腰部は各々リンクＳ２、Ｓ３として表現される。右上腕、右前腕、右手は各々リンクＳ４、Ｓ５、Ｓ６、左上腕、左前腕、左手は各々リンクＳ７、Ｓ８、Ｓ９として表現される。右大腿、右下腿、右足は各々リンクＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１２、左大腿、左下腿、左足は各々リンクＳ１３、Ｓ１４、Ｓ１５として表現される。すなわち、オブジェクトは１５（＝Ｎ）個のリンクＳ１〜Ｓ１５を備えている。
なお、リンクＳ１〜リンクＳ１５の順序は、説明を簡単にするために、便宜的に並べている。
【００４４】
一方、リンクＳ１、リンクＳ２の各々は関節Ｊ１により連結され、リンクＳ２、リンクＳ３の各々は関節Ｊ２により連結されている。リンクＳ２、リンクＳ４の各々は関節Ｊ３、リンクＳ４、リンクＳ５の各々は関節Ｊ４、リンクＳ５、リンクＳ６の各々は関節Ｊ５によりそれぞれ連結されている。リンクＳ２、リンクＳ７の各々は関節Ｊ６、リンクＳ７、リンクＳ８の各々は関節Ｊ７、リンクＳ８、リンクＳ９の各々は関節Ｊ８によりそれぞれ連結されている。
同様に、リンクＳ３、リンクＳ１０（以下、「右大腿Ｓ１０」という場合がある）の各々は関節Ｊ９（以下、「右股関節Ｊ９」という場合がある）により連結されている。リンクＳ１０、リンクＳ１１（以下、「右下腿Ｓ１１」という場合がある）の各々は関節Ｊ１０（以下、「右膝関節Ｊ１０」という場合がある）により連結されている。リンクＳ１１、リンクＳ１２（以下、「右足Ｓ１２」という場合がある）の各々は関節Ｊ１１（以下、「右足首関節Ｊ１１」という場合がある）により連結されている。
さらに、リンクＳ３、リンクＳ１３の各々は関節（左股関節）Ｊ１２により連結され、リンクＳ１３、リンクＳ１４の各々は関節（左膝関節）Ｊ１３により連結され、リンクＳ１４、リンクＳ１５の各々は関節（左足首関節）Ｊ１４によりそれぞれ連結されている。すなわち、オブジェクトは１４（＝Ｎ−１）個の関節Ｊ１〜関節Ｊ１４を備えている。
この関節Ｊ１〜関節Ｊ１４の順序は、同様に、便宜的に並べている。
【００４５】
ここで、すべてのリンクＳ１〜リンクＳ１５は、各々、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を含む３次元座標系において３つの位置的自由度及び３つの速度的自由度を有する。つまり、すべてのリンクＳ１〜リンクＳ１５は合計６個の自由度を備えている。同様に、すべての関節Ｊ１〜関節Ｊ１４は合計６個の自由度を備えている。
【００４６】
（３）関節トルク演算システムの具体的構成
図１及び図２に示されるように、関節トルク演算システム１０は、第１検出部１１と、第２検出部１２と、第３検出部１３と、演算処理部１４とを含んで構成されている。さらに、関節トルク演算システム１０は、情報入力部１５と、情報出力部１６と、電源１７とを備えている。
【００４７】
第１検出部１１は例えばフロントギア２９に装着され、この第１検出部１１には磁気式又は光学式の回転（回転数）検出センサが使用されている。第１検出部１１では、クランク軸３０を中心に回転するクランク３１の回転位置を検出することができる。また、クランク３１の回転位置の検出は、クランク３１の長手方向の長さ、詳細にはクランク軸３０の中心からペダルシャフト３２の中心までの寸法が既知であるので、ペダルシャフト３２の回転位置の検出を意味する。
第２検出部１２はペダルシャフト３２に装着され、この第２検出部１２には踏力検出センサ（踏力計）が使用されている。第２検出部１２では、少なくともＸ軸及びＺ軸を含む二次元座標系において、ユーザ４０の下肢からペダル３３を介してペダルシャフト３２に作用する踏力の大きさ、又は大きさと方向とを検出することができる。また、第２検出部１２には、ペダル３３に装着された圧力センサを使用することができる。
第３検出部１３はペダル３３及びペダルシャフト３２のいずれか一方に装着され、この第３検出部１３には例えば慣性センサが使用されている。第３検出部１３では、ペダルシャフト３２に対するペダル３３の姿勢角（傾斜角度）を検出することができる。
【００４８】
演算処理部１４は、本実施の形態において、ユーザ４０の下肢の右股関節Ｊ９、右膝関節Ｊ１０、右足首関節Ｊ１１の少なくとも１つの関節の関節トルクを算出する。演算処理部１４は、例えば、中央演算処理ユニット（CPU: Central Processing Unit）、記憶装置を少なくとも備えたマイクロプロセッサにより構築されている。
関節Ｊを回転させることによりユーザ（人間）４０の動作が生成されているので、関節トルク（関節モーメント）は、関節負担であり、関節の負担を示す物理量である。演算処理部１４における関節トルクの算出方法は後に説明する。
【００４９】
また、演算処理部１４は、同様に、関節（左股関節）Ｊ１２、関節（左膝関節）Ｊ１３、関節（左足首関節）Ｊ１４の少なくとも１つの関節の関節トルクを算出する。関節トルクの算出方法は左右において同一手法であるため、本実施の形態は下肢の右側の右股関節Ｊ９、右膝関節Ｊ１０及び右足首関節Ｊ１１の関節トルクの算出方法を説明し、左側の関節Ｊ１２〜関節Ｊ１４の関節トルクの算出方法の説明は省略する。
【００５０】
さらに、演算処理部１４では、下肢の右側の右股関節Ｊ９、右膝関節Ｊ１０及び右足首関節Ｊ１１の少なくとも１つの関節の関節パワーが算出され、かつ、下肢の左側の関節Ｊ１２〜関節Ｊ１４の少なくとも１つの関節の関節パワーが算出される。ここで、関節パワーは、関節の関節トルクと関節の角速度との積（関節パワー＝関節トルク×角速度）により定義される。演算処理部１４における関節パワーの算出方法は後に説明する。
【００５１】
情報入力部１５では、関節トルクの算出に必要な情報が少なくとも入力される。例えば、図４に示されるように、情報入力部１５には、第１長さ情報としての右股関節Ｊ９から右膝関節Ｊ１０までの右大腿Ｓ１０の長さLf と、第２長さ情報としての右膝関節Ｊ１０から右足首関節Ｊ１１までの右下腿Ｓ１１の長さLl とが入力される。
また、情報入力部１５には、第３長さ情報としての右足首関節Ｊ１１からペダルシャフト３２の中心位置までの長さLapが入力される。これらの第１長さ情報〜第３長さ情報は関節トルクの算出に際して事前に測定器具（measure）を用いて測定して取得される。第１長さ情報〜第３長さ情報は、「ユーザモデル情報」として情報入力部１５に入力され、関節トルク演算システム１０の図示を省略した記憶装置に登録（格納）される。
【００５２】
さらに、情報入力部１５には、右股関節Ｊ９の関節位置が第３関節位置情報として入力される。ユーザ４０はサドル２２に腰掛けて自転車２０を操作するので、右股関節Ｊ９の関節位置は固定値として取扱われる。具体的には、自転車２０のサドル２２の位置のジオメトリ（geometry）を測定し、例えば、サドル２２の前後中間位置及び左右中間位置においてサドル２２の上面から上方へ３０ｍｍの位置が右股関節Ｊ９の関節位置とされる。この第３関節位置情報は、「ユーザモデル情報」として情報入力部１５に入力され、関節トルク演算システム１０の記憶装置に登録される。
【００５３】
また、関節トルク演算システム１０では、第３検出部１３を備えてペダル３３の姿勢角が検出される構成とされ、この姿勢角情報に基づいて右足首関節Ｊ１１の関節位置が第１関節位置情報として算出される構成とされている。
一方において、第３検出部１３の構成に代えて、或いは第３検出部１３と併用して、関節トルク演算システム１０では、右足首関節Ｊ１１の第１関節位置情報が情報入力部１５から入力される構成とされてもよい。具体的には、関節トルクの算出に際して事前に測定器具を用いて測定され、ユーザ４０のタイプ毎に診断して決定され、データベース化された第１関節位置情報が使用される。
ここで、ユーザ４０のタイプは、例えば、プロフェショナルのロードレーサレベルの上級者、アマチュアのロードレーサレベルの中級者、上級者並びに中級者以外の一般的レベルの初級者の３つに分類される。データベース化された第１関節位置情報は、「ユーザモデル情報」として情報入力部１５から入力されると、関節トルク演算システム１０の記憶装置に登録される。
【００５４】
図１及び図２に戻って、情報出力部１６は、ここでは表示装置、更に具体的には液晶表示ディスプレイ（Liquid Crystal Display）又は有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ（Organic Electroluminescence Display）を含んで構成されている。情報出力部１６としては、ユーザ４０がディスプレイにタッチして各種情報を入力することができ、情報入力部１５の一部として使用することができるタッチセンサ式の表示装置であることが好ましい。情報出力部１６は、演算処理部１４により算出された関節トルク及び関節パワーの少なくとも一方の情報を表示する構成とされている。表示方法として、例えば関節トルク、関節パワーの各々の数値を表示する方法、関節トルク、関節パワーの各々の大きさを示す記号やグラフ等を表示する方法のいずれかが採用される。
【００５５】
上記第１検出部１１、第２検出部１２、第３検出部１３、演算処理部１４、情報入力部１５、情報出力部１６は各々バス配線１８に接続されている。ここで、バス配線１８として、ケーブル等の有線、国際標準規格IEEE 802.11規格、IEEE 802.15.1規格等を使用した無線の一方又は双方が含まれる。
【００５６】
電源１７は、第１検出部１１、第２検出部１２、第３検出部１３、演算処理部１４、情報入力部１５、情報出力部１６の各々に電力を供給し、関節トルク演算システム１０を動作させる。電源１７には一次電池、二次電池のいずれか一方又は双方が使用されている。また、電源１７は、第１検出部１１、第２検出部１２及び第３検出部１３に電力を供給する電源と、演算処理部１４、情報入力部１５及び情報出力部１６に電力を供給する電源との複数系統としてもよい。
【００５７】
（４）サイクルコンピュータの構成
図１及び図３に示されるように、自転車２０のハンドルバー２４にはサイクルコンピュータ１９が装着されている。サイクルコンピュータ１９は、装着状態において、前後方向（Ｘ軸方向）及び左右方向（Ｙ軸方向）の寸法に対して高さ方向（Ｚ軸方向）の寸法が小さい、樹脂製又は軽金属性の中空六面体の筐体１９０を備えている。筐体１９０には関節トルク演算システム１０の演算処理部１４が内蔵され、更に電源１７が内蔵されている。筐体１９０の上面部分には、大半の面積を占め、情報入力部１５、情報出力部１６の各々として使用されるタッチセンサ式の表示装置が配設されている。
【００５８】
図３に示される情報出力部１６では、メニューモードの選択によって、関節トルク、関節パワーの少なくとも一方の情報が表示可能とされている。加えて、情報出力部１６では、例えば走行距離、積算距離、走行速度、日時、気温、湿度、ラップタイム、ケイデンス、心拍数、消費カロリー等の各種情報の１つ又は複数が表示可能とされている。情報出力部１６では、一度に複数の情報が表示可能とされている。
【００５９】
サイクルコンピュータ１９の筐体１９０の右側面には、サイクルコンピュータ１９（関節トルク演算システム１０）の起動、停止を操作する電源スイッチ１９１、ラップタイムの操作スイッチ１９２が配設されている。また、筐体１９０の左側面には、メニューモードの選択スイッチ１９３が配設されている。
【００６０】
なお、図示を省略するが、サイクルコンピュータ１９には、外部機器に接続可能なインターフェースが配設されている。ここで、外部機器とは、パーソナルコンピュータ、外部モニタ、外部プリンタ等である。インターフェースが配設されているので、例えばパーソナルコンピュータからサイクルコンピュータ１９へ各種情報がインターフェースを介して入力可能である。また、各種情報がインターフェースを介してパーソナルコンピュータ、外部モニタ或いは外部プリンタへ出力可能である。
【００６１】
［関節トルクの測定方法］
上記関節トルク演算システム１０を用いた関節トルクの測定方法は以下の通りである。関節トルクの測定方法では、関節トルクが測定された後、関節パワーが測定される。
【００６２】
関節トルクの測定方法では、図４に示されるように、ユーザ４０の下肢がＸ軸及びＺ軸を含む二次元モデルとして取扱われる。ここで、自転車２０のクランク軸３０の中心位置と下肢の右股関節Ｊ９の関節位置（関節中心位置。以下、同様。）との相対位置は常に同一であり、クランク軸３０から右股関節Ｊ９までの長さＬhcは一定であると仮定する。測定により、右股関節Ｊ９の関節位置が特定され、図６に示されるように、第３関節位置情報が取得される（Ｓ５０）。第３関節位置情報は関節トルク演算システム１０の情報入力部１５から入力される（図１〜図３参照）。
【００６３】
図４に示されるように、下肢の右大腿Ｓ１０の長さLf 、右下腿Ｓ１１の長さLl 、右足首関節Ｊ１１からペダルシャフト３２までの長さLapは一定であると仮定する。測定により、長さLf  は第１長さ情報として、長さLl は第２長さ情報として、長さLapは第３長さ情報として各々特定され、図６に示されるように、第１長さ情報〜第３長さ情報が取得される。第１長さ情報〜第３長さ情報は情報入力部１５から入力される（Ｓ５１）。
【００６４】
図１及び図２に示される第１検出部１１によりクランク３１の回転位置が検出される。図４に示されるように、クランク３１は一定長さを有しているので、クランク軸３０の中心位置からペダルシャフト３２の中心位置までの長さLc は常に同一である。
このため、クランク軸３０からペダルシャフト３２の二次元座標系における回転位置は、Ｚ軸とクランク３１とがなすクランク角度をθ とすると、下記式（１）及び式（２）により算出されるＸ軸方向の座標位置Xp 及びＺ軸方向の座標位置Zp により特定される。回転位置は図１〜図３に示される演算処理部１４により算出される。
【数１】
2018038656.tif 000003
【数２】
2018038656.tif 000004
上記式（１）及び式（２）によりペダルシャフト３２の回転位置が算出されると、図６に示されるように、ペダルシャフト３２の回転位置情報が取得される（Ｓ５２）。
ここで、クランク角度θ の角速度は一定であると仮定する。演算処理部１４では、例えば１分間当たりのペダル回転数を算出することができるので、この算出結果に基づいて一周期に掛かる時間が算出され、角速度を算出することができる。この角速度は演算処理部１４により算出される。
【００６５】
図１及び図２に示される第２検出部１２によりペダル３３を介してペダルシャフト３２に作用する踏力が検出される。第２検出部１２は、踏力検出センサ、具体的には３分力計や６分力計が使用され、二次元座標系における踏力の大きさと方向とが検出される。踏力が検出されると、図６に示されるように、踏力情報が取得される（Ｓ５３）。
【００６６】
ここで、図７に示されるように、クランク３１が例えば３０度回転する毎に踏力情報が取得され、クランク３１が１回転すると、踏力情報が１２回取得される。踏力情報は、図８に示されるように、横軸をクランク角度［deg］、縦軸を踏力［N］とすると、クランク３１の所定回転角度毎に、Ｘ軸方向に作用する力の大きさ及びＺ軸方向に作用する力の大きさを示す情報として得られる。
データＦx1、Ｆz1は、クランク３１の一回転を１００分割して、１００分の１の回転角度毎に精密に測定したＸ軸方向に作用する力、Ｚ軸方向に作用する力の測定値である。データＦx2、Ｆz2は、本実施の形態に使用される第２検出部１２を用いて、クランク３１の一回転を１２分割して、１２分の１の回転角度毎に測定したＸ軸方向に作用する力、Ｚ軸方向に作用する力の測定値である。
双方のデータから、第２検出部１２により測定された踏力は精密に測定された踏力に対して大差が無く、第２検出部１２により取得される踏力情報は正確である。なお、クランク３１一回転当たりの踏力情報の取得回数はこの１２回に限定されるものではない。
【００６７】
次に、図１及び図２に示される第３検出部１３によりペダルシャフト３２に対するペダル３３の姿勢角が検出され、図６に示されるように、ペダル３３の姿勢角情報が取得される（Ｓ５４）。
図４に示されるように、ペダル３３に右足Ｓ１２（のシューズ）が固定されていると仮定すると、右足首関節Ｊ１１からペダルシャフト３２までの長さLapは常に一定になる。図５に示されるように、ペダル３３を中心とした二次元座標系で見たとき、ペダルシャフト３２に対する右足首関節Ｊ１１の関節位置の座標は（a1 ,a2 ）により表される。
クランク軸３０からの右足首関節Ｊ１１の関節位置は、Ｘ軸とペダル３３とがなす姿勢角をθp  とすると、下記式（３）及び式（４）により算出されるＸ軸方向の座標位置Xa 及びＺ軸方向の座標位置Za により特定される。座標位置Xa 及び座標位置Za は演算処理部１４により算出される（Ｓ５５）。
【数３】
2018038656.tif 000005
【数４】
2018038656.tif 000006
上記式（３）及び式（４）に基づいて右足首関節Ｊ１１の関節位置が算出されると、第１関節位置情報が取得される（Ｓ５６）。
【００６８】
一方、事前に測定した測定値から、又はデータベース化された情報から第１関節位置情報を取得することができる（Ｓ５７）。このとき、関節トルク演算システム１０では、ペダル３３の姿勢角を検出する第３検出部１３が配設されていても、配設されていなくてもよい。第１関節位置情報は情報入力部１５から入力される。
【００６９】
次に、図６に示されるように、右膝関節Ｊ１０の関節位置が算出され（Ｓ５８）、第２関節位置情報が取得される（Ｓ５９）。図４に示されるように、右膝関節Ｊ１０の関節位置は、右股関節Ｊ９の第３関節位置情報と、ペダルシャフト３２の回転位置情報と、第１長さ情報〜第３長さ情報と、右足首関節Ｊ１１の第１関節位置情報とに基づいて、演算処理部１４により算出される。この算出には幾何学計算が使用される。右膝関節Ｊ１０の関節位置が算出されると、この算出結果に基づいて右膝関節Ｊ１０の関節位置が第２関節位置情報として取得される。
ここで、右足首関節Ｊ１１の第１関節位置情報、右膝関節Ｊ１０の第２関節位置情報及び右股関節Ｊ９の第３関節位置情報の下肢の関節位置情報がすべて取得される。
【００７０】
なお、ユーザ４０の下肢の左側の関節（左膝関節）Ｊ１３についても、同様の手順に基づいて、関節トルク演算システム１０により関節位置が算出され、関節位置情報が取得される。
【００７１】
関節トルク演算システム１０では、クランク３１の一定の回転角度毎に第２関節位置情報が取得される構成とされている。ここでは、踏力情報の取得回数と同様に、クランク３１が３０度回転する毎に第２関節位置情報が取得され、クランク３１が１回転すると、第２関節位置情報が１２回取得される（図７参照）。同様に、クランク３１の一回転当たりの第２関節位置情報の取得回数は１２回に限定されるものではない。
【００７２】
図６に示されるように、逆動力学解析（筋骨格解析）による演算処理を行い、右足首関節Ｊ１１、右膝関節Ｊ１０及び右股関節Ｊ９の少なくとも１つの関節の関節トルクが算出される（Ｓ６０）。関節トルクは、第２検出部１２から取得される踏力情報と、第１関節位置情報、第２関節位置情報及び第３関節位置情報の少なくとも１つの関節位置情報とに基づいて、演算処理部１４により算出される。
【００７３】
逆動力学解析において、関節トルクの算出にはニュートンオイラー法（Newton Euler method）が使用される。
まず、ユーザ４０の下肢系の右足首関節Ｊ１１の関節反力と関節トルクとの関係は下記式（５）及び式（６）により表される。
【数５】
2018038656.tif 000007
【数６】
2018038656.tif 000008
【００７４】
ここで、各数式に使用される記号の意味は以下の通りである。
【数７】
2018038656.tif 000009
【００７５】
上記式（５）と式（６）とを連立させることにより、右足首関節Ｊ１１に関して、関節トルクを表す下記式（７）を得ることができる。
【数８】
2018038656.tif 000010
【００７６】
逆動力学解析では、ユーザ４０の外部と接触する端部のリンク側、ここでは右足Ｓ１２側から計算が開始され、ユーザ４０の体幹部に向けて逐次的に関節トルクが算出される。ニュートンオイラー法に従えば、数値解が得られるだけではなく、上記式（７）に示されるように、解析解を得ることができる。
【００７７】
すなわち、式（７）の右辺第１項は、右足関節Ｊ１１からペダルシャフト３２までのモーメントアームにより、ペダル３３に踏力相当を付与するための等価トルクである。右辺第２項は、右足Ｓ１２の重心を重力に対抗しながら加速するためのトルクである。右辺第３項は、右足Ｓ１２の角運動量の変化を実現するためのトルクである。
【００７８】
さらに、帰納的手法により、右膝関節Ｊ１０に関して、関節トルクを表す式（８）を得ることができる。同様に、右股関節Ｊ９に関して、関節トルクを表す式（９）を得ることができる。
【数９】
2018038656.tif 000011
【数１０】
2018038656.tif 000012
【００７９】
右足首関節Ｊ１１、右膝関節Ｊ１０、右股関節Ｊ９の各々の関節トルクが算出されると、図６に示されるように、下肢系の各関節の関節トルクが取得される（Ｓ６１）。
関節トルクが取得されると、この関節トルクは図２及び図３に示される情報出力部１６において数値又は記号やグラフにより出力可能となる。情報出力部１６では、クランク３１の一回転当たりにおいて、例えば、踏力情報の取得回数及び第２関節位置情報の取得回数と同様に、リアルタイムに関節トルクを１２回表示することができる。また、情報出力部１６では、クランク３１の回転位置毎に対応させて該当する回転位置の関節トルクを表示することができる。
【００８０】
［関節パワーの測定方法］
本実施の形態に係る関節トルク演算システム１０では、図６に示されるように、関節トルクが取得された後に、関節パワーが算出される（Ｓ６２）。上記の通り、自転車２０においてユーザ４０のペダリング動作中における下肢系の関節トルクが算出される。ここでは、取得された関節トルク情報からユーザ４０に対して意味のある物理量を取得し、この物理量の大小を判定することによりペダリングパフォーマンスの指標化を実現することができる。
【００８１】
詳しく説明すると、図１に示されるように、ユーザ４０は自転車２０のペダル３３にパワーを伝達する。ペダル３３に伝達されたパワーは、ペダルシャフト３２、クランク３１、クランク軸３０、フロントギア２９を順次介してチェーン３４に伝達される。このパワーは、更にリアギア２７を介してリアホイール２８に伝達され、自転車２０の駆動力になる。ペダル３３に伝達されるパワー、すなわちペダルパワー（推進パワー）の発生源がどこであるかは、図９を参照すると、ユーザ４０に対する運動方程式から下記式（１０）に示すように導くことができる。
【数１１】
2018038656.tif 000013
ここで、各数式に使用される記号の意味は以下の通りである。
【数１２】
2018038656.tif 000014
【００８２】
上記式（１０）の右辺第１項は股関節、ここでは右股関節Ｊ９の並進運動によるパワーである。右辺第２項は右股関節Ｊ９の股関節パワー、右辺第３項は右膝関節Ｊ１０の膝関節パワー、そして右辺第４項は右足首関節Ｊ１１の足首関節パワーである。すなわち、関節パワーは関節トルクと角速度との積により表わされる。関節パワーは図１〜図３に示される演算処理部１４により算出され、この関節パワーが算出されると、図６に示されるように関節パワーが取得される（Ｓ６３）。
【００８３】
ここで、右辺第１項の股関節の並進運動によるパワーは、ユーザ４０が上体の体重を使って股関節を通じて足を下方に押す成分、左足の動きを通して右足を動かす成分、ハンドルバー２４を強く押し引きする反動により下肢に力を伝える成分等が含まれている。つまり、純粋に股関節が発生させるパワーではなく、下肢以外の部位が股関節を通じてペダル３３に影響を及ぼす成分である。
ペダルパワーにおける股関節パワーの寄与率は下記式（１１）により表される。
【数１３】
2018038656.tif 000015
股関節の併進運動によるパワーの寄与率は、ペダルパワーにおいて支配的ではなく、実験の結果、全体の約１０[%]を支配するに止まる（図１３参照）。
【００８４】
ペダルパワーは、単位時間当たりのエネルギの変化量であるため、時々刻々と変化する物理量である。従って、上記式（１０）の右辺第１項から右辺第４項の各成分のペダルパワーに対する寄与率は時々刻々と変化する。
【００８５】
そこで、ペダル３３の所定の回転角度当たり（一周期当たり）のペダルパワーの平均値と各成分の平均値との比が下記式（１２）を用いて算出され、関節パワーが定量化される（Ｓ６４）。式（１２）ではペダルパワーの平均値と股関節パワーの平均値との比が算出され、股関節パワーが定量化されている。他の関節パワーについても、同様の手法により定量化することができる。また、所定の回転角度とは、クランク３１の１回転中の角度、例えばクランク３１の上死点から下死点までの１８０度の角度、クランク３１の１回転、又は２回転以上の複数回転を含む意味において使用されている。
【数１４】
2018038656.tif 000016
ここで、t cycle はペダル３３が１回転に要する時間である。
【００８６】
この後、定量化された関節パワーが閾値に対して比較され、閾値に対して関節パワーの大小が判定される（Ｓ６５）。例えば、右股関節パワーが閾値よりも大きいと判定されると、右股関節Ｊ９では大きな股関節パワーが発生していることが、ユーザ４０において認識可能となる。また、右股関節パワーが閾値よりも小さいと判定されると、右股関節Ｊ９では小さい関節パワーが発生していることが、ユーザ４０において認識可能となる。下肢の片側だけでなく、例えば、右股関節Ｊ９の関節パワーと関節Ｊ１２（図１に示される左股関節）の関節パワーとの違いも判定することができる。判定は、図１〜図３に示される演算処理部１４において実行され、判定結果はペダリングパフォーマンスとして情報出力部１６に数値又は記号やグラフにより表示される。
【００８７】
なお、ペダリングパフォーマンスは、ペダル３３の一周期における関節パワーの最大値と最小値とを算出し、閾値に対して関節パワーの最大値の大小、閾値に対して最小値の大小をそれぞれ判定し、この判定結果によりユーザ４０において判断してもよい。また、ペダリングパフォーマンスは、ペダル３３の一周期における変動値を算出し、閾値に対して関節パワーの変動値の大小を判定し、この判定結果によりユーザ４０において判断してもよい。
【００８８】
これらの一連の手順が完了すると、図６に示されるように、関節トルク演算システム１０を用いた関節トルクの測定方法が終了する。
【００８９】
［本実施の形態の作用及び効果］
本実施の形態に係る関節トルク演算システム１０は、図１及び図２に示されるように、第１検出部１１と、第２検出部１２と、演算処理部１４とを備える。第１検出部１１は、自転車２０のクランク軸３０に一端部が連結され、クランク軸３０を中心に回転するクランク３１の回転位置を検出する。第２検出部１２は、クランク３１の他端部にクランクシャフト３２を介して連結されたペダル３３に作用する踏力を検出する。
【００９０】
演算処理部１４は、第１検出部１１から取得される回転位置情報と、第１長さ情報〜第３長さ情報と、右足首関節Ｊ１１の第１関節位置情報と、右股関節Ｊ９の第３関節位置情報とに基づいて、右膝関節Ｊ１０の第２関節位置情報を算出する。
ここで、図４に示されるように、回転位置情報は、クランク軸３０を中心としてクランク３１を介して回転するペダルシャフト３２の回転位置情報でもある。第１長さ情報は右股関節Ｊ９から右膝関節Ｊ１０までの長さ情報、第２長さ情報は右膝関節Ｊ１０から右足首関節Ｊ１１までの長さ情報、第３長さ情報は右足首関節Ｊ１１からペダルシャフト３２までの長さ情報である。第１長さ情報の長さの値、第２長さ情報の長さの値、第３長さ情報の長さの値は、各々、一定である。また、第３関節位置情報は位置が固定された右股関節Ｊ９の位置情報である。第１関節位置情報は、右足首関節Ｊ１１の位置情報であり、図５に示されるように、ペダル３３の姿勢角度の変化に伴い変動する。
第１関節位置情報は、例えば、初期値として取得するか、又はペダル３３の姿勢角度の実測値から取得する。
演算処理部１４では、第１関節位置情報に基づいて、幾何学計算により簡易に第２関節位置情報を算出することができる。
【００９１】
第２関節位置情報が幾何学計算により算出されると、第１関節位置情報、第２関節位置情報及び第３関節位置情報がすべて特定される。演算処理部１４では、第１関節位置情報、第２関節位置情報及び第３関節位置情報の少なくとも１つの情報と、第２検出部１２から取得される踏力情報とに基づいて、逆動力学解析による演算処理を行う。
これにより、演算処理部１４では、モーションキャプチャシステム等の大掛かりな装置を用いることなく、簡単な演算処理により、右足首関節Ｊ１１、右膝関節Ｊ１２及び右股関節Ｊ９の少なくとも１つの関節の関節トルクを算出することができる。ユーザ４０の下肢の左側の関節Ｊ１４、関節Ｊ１３、関節Ｊ１２についても、同様に、関節トルクを算出することができる。
【００９２】
従って、関節トルク演算システム１０では、簡易な構成により小型化を実現することができ、かつ、短時間において下肢の関節Ｊ９〜Ｊ１４の関節トルクを測定することができる。
【００９３】
図１０（Ａ）には本実施の形態に係る関節トルク演算システム１０を用いた膝関節トルクの測定結果が示されている。横軸はクランク３１の回転角度［deg］であり、縦軸は膝関節トルク［Nm］である。膝関節トルクはクランク３１の回転角度が３０度毎に測定（算出）されている。すなわち、クランク３１の１回転において１２回の膝関節トルクが測定されている。
図１１（Ａ）には、モーションキャプチャシステムを含む大掛かりな装置を用いた膝関節トルクの測定結果が示されている。ここでは、精密な踏力計が使用され、膝関節トルクはクランク３１の回転角度が３．６度毎に測定され、クランク３１の１回転において１００回の膝関節トルクが測定されている。
図１０（Ａ）に示される膝関節トルクの測定値並びに膝関節トルクの変化傾向は、図１１（Ａ）に示される膝関節トルクの測定値並びに膝関節トルクの変化傾向に対してほぼ一致している。すなわち、関節トルク演算システム１０を用いた膝関節トルクの測定結果の精度が高く、十分な実用性がある。
【００９４】
図１０（Ｂ）には本実施の形態に係る関節トルク演算システム１０を用いた股関節トルクの算出結果が示されている。横軸はクランク３１の回転角度［deg］であり、縦軸は股関節トルク［Nm］である。股関節トルクはクランク３１の回転角度が３０度毎に算出されている。すなわち、クランク３１の１回転において１２回の股関節トルクが測定されている。
図１１（Ｂ）には、上記大掛かりな装置を用いた股関節トルクの算出結果が示されている。股関節トルクはクランク３１の回転角度が３．６度毎に算出され、クランク３１の１回転において１００回の股関節トルクが算出されている。
図１０（Ｂ）に示される股関節トルクの算出値並びに股関節トルクの変化傾向は、図１１（Ｂ）に示される股関節トルクの算出値並びに股関節トルクの変化傾向に対してほぼ一致している。ここでも、関節トルク演算システム１０を用いた股関節トルクの算出結果の精度が高く、十分な実用性がある。
【００９５】
また、本実施の形態に係る関節トルク演算システム１０は、図１〜図３に示されるように、更に情報入力部１５と、情報出力部１６とを備える。情報入力部１５には第１長さ情報、第２長さ情報及び第３長さ情報が少なくとも入力されるので、この入力により演算処理部１４において第２関節位置情報を算出することができる。
一方、情報出力部１６では、演算処理部１４により算出された関節トルクの算出結果が少なくとも出力される。情報出力部１６には表示機能が装備されているので、ユーザ４０が目視によって関節トルクの算出結果を確認することができる。
【００９６】
さらに、本実施の形態に係る関節トルク演算システム１０では、右足首関節Ｊ１１の関節位置の実測に基づいて第１関節位置情報が生成されるので、センサ類等の追加装置が無くなる。例えば、図４及び図５に示されるように、右足首関節Ｊ１１からペダルシャフト３２までの第３長さ情報（長さLap）はメジャーを用いて測定され、この測定値が第１関節位置情報とされる。
また、第１関節位置情報として、例えばペダリング動作を行うユーザ４０の技能レベル毎、ユーザ４０の体格毎等に平均化され、かつ、データベース化された関節位置情報を使用することができる。そして、第１関節位置情報は図１〜図３に示される情報入力部１５から入力される。このため、追加装置が無い分、関節トルク演算システム１０の小型化を更に図ることができる。
【００９７】
また、本実施の形態に係る関節トルク演算システム１０は、図１及び図２に示されるように、第３検出部１３を更に備える。第３検出部１３では、ペダル３３のペダルシャフト３２上における姿勢角が検出される。ペダル３３の姿勢角情報が取得されると、図４及び図５に示されるように、この姿勢角情報と右足首関節Ｊ１１からペダルシャフト３２までの第３長さ情報（長さLap）とに基づいて、演算処理部１４では第１関節位置情報を算出することができる。
このため、第３検出部１３から取得される姿勢角情報に基づいて、第１関節位置情報がリアルタイムに算出することができるので、関節トルクもリアルタイムに算出することができる。例えば、クランク３１の１回転当たり１２回の関節トルクをリアルタイムに算出することができる。
また、第３検出部１３は、慣性センサ等の非常に小さな装置（部品）であるため、関節トルク演算システム１０の小型化を実現することができる。第３検出部１３として例えば市販されている慣性センサを利用することができるので、関節トルク演算システム１０の製作費用も削減することができる。
【００９８】
さらに、本実施の形態に係る関節トルク演算システム１０では、演算処理部１４は、物理量を算出し（図９参照）、閾値に対する物理量の大小を判定する。物理量は、関節トルクと回転位置情報とに基づいて、クランク３１の所定の回転角度当たりの関節における物理量として算出される。閾値は任意に設定される。
このため、物理量の大小が判定される結果として、例えばユーザ４０のペダリングスキルを測定することができる。加えて、ペダリングスキルの測定結果に基づいて、ポジショニング、ペダリング等の自転車の操作状態がユーザ４０自身において確認可能であり、又第三者がユーザ４０に対して理想的な操作状態を提案可能となる。
【００９９】
また、本実施の形態に係る関節トルク演算システム１０では、図９に示されるように、物理量が関節トルクと関節の角速度とに基づき導出される関節パワーとされているので、ユーザ４０のペダリングパフォーマンスの定量化を実現することができる。
【０１００】
図１２（Ａ）には本実施の形態に係る関節トルク演算システム１０を用いた股関節トルクの算出結果が示されている。横軸はクランク３１の回転角度［deg］であり、縦軸は股関節トルク［Nm/W］である。符号４０（１）が付されたデータは上級者であるユーザ４０（図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）において同様）の股関節トルクの算出結果である。符号４０（２）が付されたデータは中級者であるユーザ４０（図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）において同様）の股関節トルクの算出結果である。
上級者の股関節トルクは、クランク角度が９０度付近において、中級者の股関節トルクに比べて約２倍大きい。
【０１０１】
図１２（Ｂ）には股関節の角速度の算出結果が示されている。横軸はクランク３１の回転角度［deg］であり、縦軸は股関節の角速度［deg/sec］である。角速度は幾何学的に決まってしまうので、上級者、中級者のスキルに関係無く、角速度の違いは少ない。
【０１０２】
そして、図１２（Ｃ）には股関節パワーの算出結果が示されている。横軸はクランク３１の回転角度［deg］であり、縦軸は股関節パワーである。
上級者では、クランク角が９０度付近の股関節の角速度のピークに股関節トルクのピークを合わせているので、股関節パワーが極めて大きくなっている。上級者の股関節パワーは中級者の股関節パワーに比べて約２倍大きい。
【０１０３】
図１３は下肢の各関節パワーの割合の算出結果をグラフにより示している。横軸は、左側から右側に向かって、足首関節パワー、膝関節パワー及び股関節パワーのそれぞれを含む回転によるパワーと、股関節の並進運動によるパワーとを示している。縦軸は各関節パワーの割合[%]である。符号４０（１１）、４０（１２）が付されたデータは２名の上級者のそれぞれの関節パワーの算出結果である。符号４０（２１）、４０（２２）、４０（２３）が付されたデータは３名の中級者のそれぞれの関節パワーの算出結果である。そして、符号４０（３１）、４０（３２）、４０（３３）が付されたデータは３名の初級者のそれぞれの関節パワーの算出結果である。
上級者では、中級者並びに初級者に比べて、膝関節パワーの割合が低いので、膝関節の負担率が低い。また、上級者では、中級者並びに初級者に比べて、股関節パワーの割合が高いので、股関節の負担率が高い。
【０１０４】
さらに、本実施の形態に係る関節トルク演算システム１０では、演算処理部１４により算出された関節パワーが図１〜図３に示される情報出力部１６から出力される。演算処理部１４では、例えば図１２（Ｃ）に示されるように、股関節パワーが１つの物理量として算出され、この算出結果が情報出力部１６から数値又は記号やグラフ等により表示される。また、演算処理部１４では、例えば図１３に示されるように、各関節パワーの割合が物理量として算出され、この算出結果が情報出力部１６からグラフにより表示される。
このため、上級者、中級者、初級者のそれぞれのペダリングパフォーマンスが、ユーザ４０の目視によって、一目瞭然に、しかも明確に認識可能となる。
【０１０５】
また、本実施の形態に係る関節トルク演算システム１０では、関節トルクが、演算処理部１４によりリアルタイムに算出され、情報出力部１６によりリアルタイムに出力される。例えば、クランク３１の回転角度が３０度毎に１２回の関節トルクを表示することができる。このため、例えばユーザ４０は関節トルクをリアルタイムに目視によって確認することができる。
【０１０６】
さらに、本実施の形態に係る関節トルク演算システム１０では、関節トルク及び関節パワーが演算処理部１４によりリアルタイムに算出され、少なくとも関節パワーが情報出力部１６によりリアルタイムに出力される。このため、例えばユーザは少なくとも関節パワーをリアルタイムに目視によって確認することができる。
【０１０７】
また、図３に示されるように、本実施の形態に係るサイクルコンピュータ１９では、演算処理部１４が筐体１９０に内蔵される。サイクルコンピュータ１９は例えば自転車２０にコンパクトに装着されるので、自転車２０の走行中に関節トルク、関節パワーを算出してユーザ４０が目視によりペダリングパフォーマンスを確認可能となる。
【０１０８】
また、サイクルコンピュータ１９では、演算処理部１４に内蔵された図示を省略した記憶装置、或いは演算処理部１４に対して外付けの記憶装置に、関節トルクの算出結果（関節トルク情報）、関節パワーの算出結果（関節パワー情報）を格納することができる。これらの情報は、サイクルコンピュータ１９のインターフェースを介して外部コンピュータ（例えば、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯端末等）に転送可能である。これにより、自転車２０の走行中や走行後に、外部コンピュータを用いてペダリングパフォーマンスの分析を実施することができる。
【０１０９】
さらに、図６に示されるように、本実施の形態に係る関節トルクの測定方法では、まず図１及び図４に示される自転車２０のクランク軸３０を中心に回転するクランク３１の回転位置が検出され、回転位置情報が取得される（Ｓ５２）。一方、クランク軸３０にクランク３１を介して連結されたペダルシャフト３２に作用する踏力が検出され、踏力情報が取得される（Ｓ５３）。また、第１長さ情報〜第３長さ情報が取得され（Ｓ５１）、右足首関節Ｊ１１の第１関節位置情報が取得される（Ｓ５６又はＳ５７）。なお、回転位置情報、第１長さ情報〜第３長さ情報、第１関節位置情報のそれぞれの取得順序は問わない。
【０１１０】
ここで、回転位置情報は、クランク軸３０を中心としてクランク３１を介して回転するペダルシャフト３２の回転位置情報でもある。例えば下肢の右側では、第１長さ情報は右股関節Ｊ９から右膝関節Ｊ１０までの長さ情報、第２長さ情報は右膝関節Ｊ１０から右足首関節Ｊ１１までの長さ情報、第３長さ情報は足首関節Ｊ１１からペダルシャフト３２までの長さ情報である。第１長さ情報の長さLf の値、第２長さ情報の長さLl の値、第３長さ情報の長さLapの値は、各々、一定である。また、第３関節位置情報は位置が固定された右股関節Ｊ９の位置情報である。第１関節位置情報は、右足首関節Ｊ１１の位置情報であり、ペダル３３の姿勢角度の変化に伴い変動する。この第１関節位置情報に基づいて、幾何学計算により簡易に第２関節位置情報（右膝関節Ｊ１０の位置情報）を算出することができる。
【０１１１】
第２関節位置情報が幾何学計算により算出されると、第１関節位置情報、第２関節位置情報及び第３関節位置情報がすべて特定される。第１関節位置情報、第２関節位置情報及び第３関節位置情報の少なくとも１つの情報と、図１及び図２に示される第２検出部１２から取得される踏力情報とに基づいて、逆動力学解析による演算処理が行われる。
これにより、モーションキャプチャシステム等の大掛かりな装置を用いることなく、簡単な演算処理により、右足首関節Ｊ１１、右膝関節Ｊ１０及び右股関節Ｊ９の少なくとも１つの関節トルクを算出することができる。
従って、関節トルクの測定方法では、簡易な構成により小型化を実現することができ、かつ、短時間において下肢の関節の関節トルクを測定することができる。
【０１１２】
また、本実施の形態に係る関節トルクの測定方法では、物理量が算出され、閾値に対する物理量の大小が判定される。物理量は、関節トルクと回転位置情報とに基づいて、クランク３１の所定の回転角度当たりの関節Ｊ９〜Ｊ１４における物理量として算出される。閾値は任意に設定される。
このため、物理量の大小が判定される結果として、例えばユーザ４０のペダリングパフォーマンス（ペダリングスキル）を測定することができる。さらに、ペダリングパフォーマンスの測定結果に基づいて、最適なポジショニング、最適なペダリング等の提案がユーザ４０に対して可能となる。
【０１１３】
［その他の実施形態］
上記実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
例えば、上記実施の形態では、自転車に乗るユーザの下肢の関節トルクや関節パワーの測定（算出）に本発明が適用されたが、本発明は、競技用ボートを漕ぐユーザの下肢や上肢の関節トルクや関節パワーの測定に適用してもよい。
また、上記実施の形態では、ユーザは人間とされているが、例えば人間と同等のリンクと関節とを有する人間型ロボットや、下肢に相当するリンクと関節とを有するロボットに、本発明を適用することができる。勿論、本発明は、動物の関節トルクや関節パワーの測定にも適用可能である。
さらに、上記実施の形態では、情報出力部として表示装置に適用された例を説明したが、情報出力部は、音声出力装置としてもよいし、表示装置と音声出力装置とを混在させてもよい。具体的には、音声出力装置は、自転車の操作中のユーザに対して、関節トルクや関節パワーを音声により知らせる構成とされる。
【符号の説明】
【０１１４】
１０…関節トルク演算システム、１１…第１検出部、１２…第２検出部、１３…第３検出部、１４…演算処理部、１５…情報入力部、１６…情報出力部、１９…サイクルコンピュータ、２０…自転車、３０…クランク軸、３１…クランク、３２…ペダルシャフト、３３…ペダル、４０…ユーザ、Ｓ１〜Ｓ１５…リンク（セグメント）。Ｊ１〜Ｊ１４…関節（ジョイント）。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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