(57)【要約】【課題】ロボットアーム先端の弾性を、実効筋がリンク系先端に発揮し得る力の第１関節及び第２関節の角度変化に伴う変化に追従させることによって、被験者の姿勢が変化しても、力を発揮する方向を被験者に対して適切に教示することができ、被験者は力を発揮する方向を確実に把握することができるようにする。【解決手段】系先端が固定されるロボットアームの先端は、方向によって異なる弾性を備え、弾性が、拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群によって系先端において発揮される力の第１関節及び第２関節の角度変化に伴う変化に追従するように変化することにより、系先端において発揮させる力の方向を被験者に教示する。【選択図】図１
2008206889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）両端に第１関節及び第２関節が接続された第１リンクと、
（ｂ）一端が前記第２関節に接続され、他端が系先端である第２リンクと、
（ｃ）前記第１関節、第２関節及び系先端を含む平面の運動に実効を及ぼす第１関節及び第２関節周りの拮抗一関節筋群と、
（ｄ）前記第１関節及び第２関節に跨る拮抗二関節筋群とを備える被験者の２関節リンク機構の筋力評価トレーニングシステムであって、
（ｅ）前記系先端が固定されるロボットアームの先端は、方向によって異なる弾性を備え、
（ｆ）該弾性が、前記拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群によって系先端において発揮される力の前記第１関節及び第２関節の角度変化に伴う変化に追従するように変化することにより、前記系先端において発揮させる力の方向を前記被験者に教示することを特徴とする筋力評価トレーニングシステム。
【請求項２】
前記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第１関節及び第２関節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角度を測定する角度測定装置とを備える筋力評価トレーニング装置を有し、前記制御装置がロボットアームの先端のスティフネスを制御する請求項１に記載の筋力評価トレーニングシステム。
【請求項３】
前記スティフネスは、前記第１関節の軸トルク及び第２関節の軸トルクを２本の軸とする平面上において、前記被験者が発揮すべき力の方向及び該方向と直交する方向に関する固有値が各々一定である楕円として表現される請求項２に記載の筋力評価トレーニングシステム。
【請求項４】
（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第１関節及び第２関節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、ロボットアームの先端が方向によって異なる弾性を備え、かつ、該弾性を、前記被験者の上肢又は下肢の姿勢の変化に追従するように変化させることにより、上肢又は下肢の先端において発揮させる力の方向を前記被験者に教示することを特徴とする筋力評価トレーニング装置。
【請求項５】
（ａ）両端に第１関節及び第２関節が接続された第１リンクと、
（ｂ）一端が前記第２関節に接続され、他端が系先端である第２リンクと、
（ｃ）前記第１関節、第２関節及び系先端を含む平面の運動に実効を及ぼす第１関節及び第２関節周りの拮抗一関節筋群と、
（ｄ）前記第１関節及び第２関節に跨る拮抗二関節筋群とを備える被験者の２関節リンク機構の筋力評価トレーニング方法であって、
（ｅ）前記系先端が固定されるロボットアームの先端の弾性を、前記拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群によって系先端において発揮される力の前記第１関節及び第２関節の角度変化に伴う変化に追従するように変化させることにより、前記系先端において発揮させる力の方向を前記被験者に教示することを特徴とする筋力評価トレーニング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筋力評価トレーニングシステム、装置及び方法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トレーニング装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、四肢に沿って配置されたロボットアームを用いて筋力を評価したりトレーニングしたりするシステムや装置において、ロボットアーム先端の弾性を方向によって硬軟を付けることにより、被験者に力を発揮する方向を教示する技術も開示されている。
【特許文献１】特開２０００−２１０２７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記従来の筋力評価トレーニングシステムにおいては、特定の方向の弾性率が四肢の姿勢に関わらず一定であるのに対して、実際の人間の四肢の先端で発生する力は、四肢の姿勢によって大きく変化する。そのため、被験者の姿勢が変化し、使用者が四肢の先端で発揮することができる力が大きくなったり小さくなったりすると、硬軟の感じ方が変化し、硬軟の差が不明瞭となる場合があった。この場合、被験者は力を発揮する方向を把握することができなくなってしまう。
【０００４】
本発明は、前記従来の筋力評価トレーニングシステムの問題点を解決して、ロボットアーム先端の弾性を、実効筋がリンク系先端に発揮し得る力の第１関節及び第２関節の角度変化に伴う変化に追従させることによって、被験者の姿勢が変化しても、力を発揮する方向を被験者に対して適切に教示することができ、被験者は力を発揮する方向を確実に把握することができる筋力評価トレーニングシステム、装置及び方法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】
【０００５】
そのために、本発明の筋力評価トレーニングシステムにおいては、両端に第１関節及び第２関節が接続された第１リンクと、一端が前記第２関節に接続され、他端が系先端である第２リンクと、前記第１関節、第２関節及び系先端を含む平面の運動に実効を及ぼす第１関節及び第２関節周りの拮（きっ）抗一関節筋群と、前記第１関節及び第２関節に跨（またが）る拮抗二関節筋群とを備える被験者の２関節リンク機構の筋力評価トレーニングシステムであって、前記系先端が固定されるロボットアームの先端は、方向によって異なる弾性を備え、該弾性が、前記拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群によって系先端において発揮される力の前記第１関節及び第２関節の角度変化に伴う変化に追従するように変化することにより、前記系先端において発揮させる力の方向を前記被験者に教示する。
【０００６】
本発明の他の筋力評価トレーニングシステムにおいては、さらに、前記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第１関節及び第２関節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角度を測定する角度測定装置とを備える筋力評価トレーニング装置を有し、前記制御装置がロボットアームの先端のスティフネスを制御する。
【０００７】
本発明の更に他の筋力評価トレーニングシステムにおいては、さらに、前記スティフネスは、前記第１関節の軸トルク及び第２関節の軸トルクを２本の軸とする平面上において、前記被験者が発揮すべき力の方向及び該方向と直交する方向に関する固有値が各々一定である楕（だ）円として表現される。
【０００８】
本発明の筋力評価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第１関節及び第２関節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角度を測定する角度測定装置とを有し、前記制御装置は、ロボットアームの先端が方向によって異なる弾性を備え、かつ、該弾性を、前記被験者の上肢又は下肢の姿勢の変化に追従するように変化させることにより、上肢又は下肢の先端において発揮させる力の方向を前記被験者に教示する。
【０００９】
本発明の筋力評価トレーニング方法においては、両端に第１関節及び第２関節が接続された第１リンクと、一端が前記第２関節に接続され、他端が系先端である第２リンクと、前記第１関節、第２関節及び系先端を含む平面の運動に実効を及ぼす第１関節及び第２関節周りの拮抗一関節筋群と、前記第１関節及び第２関節に跨る拮抗二関節筋群とを備える被験者の２関節リンク機構の筋力評価トレーニング方法であって、前記系先端が固定されるロボットアームの先端の弾性を、前記拮抗一関節筋群及び拮抗二関節筋群によって系先端において発揮される力の前記第１関節及び第２関節の角度変化に伴う変化に追従するように変化させることにより、前記系先端において発揮させる力の方向を前記被験者に教示する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、筋力評価トレーニングシステムは、ロボットアーム先端の弾性を、実効筋がリンク系先端に発揮し得る力の第１関節及び第２関節の角度変化に伴う変化に追従させるようになっている。これにより、被験者の姿勢が変化しても、力を発揮する方向を被験者に対して適切に教示することができ、被験者は力を発揮する方向を確実に把握することができる。
【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、筋力評価トレーニングシステムを使用して筋力の評価及びトレーニングを行う者である。まず、筋力評価トレーニングシステムの背景となる人間の体肢の２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１参照。）。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１】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１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１関節、第２関節及び系先端を含む二次元平面内の運動において、第１関節及び第２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１関節周りの一対の拮抗一関節筋ペア（ｆ１、ｅ１）、第２関節周りの一対の拮抗一関節筋ペア（ｆ２、ｅ２）、及び、第１関節と第２関節とに跨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２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って、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１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、関節軸トルクによって、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評価トレーニングシステムで使用される筋力評価トレーニング装置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評価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評価トレーニング装置１０は、前述のような人間の体肢の先端における出力特性を考慮し、効果的な筋力評価及び筋力トレーニングを実現するものである。そして、前記筋力評価トレーニング装置１０は、図１に示されるように、使用者２０が着座するサドル１１、使用者２０の体肢に沿って装着されるロボットアーム１２、該ロボットアーム１２を制御する図示されない制御装置、及び、使用者２０が筋力評価及び筋力トレーニングの意図を入力する図示されない入力操作装置を有する。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。
【００２４】
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１４ａと、下腿部に対応する第２リンク１４ｂ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１４ａ及び第２リンク１４ｂ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１５ａ及び第２装着具１５ｂによって使用者２０の大腿部及び下腿部に固定されて装着される。なお、第１リンク１４ａ及び第２リンク１４ｂ並びに第１装着具１５ａ及び第２装着具１５ｂを統合的に説明する場合には、各々、リンク１４及び装着具１５として説明する。
【００２５】
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１６ａ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１６ｂ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１６ａ及び第２関節軸１６ｂには、第１サーボモータ１７ａ及び第２サーボモータ１７ｂが連結され、さらに、関節角度を測定するための角度検出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１６ａ及び第２関節軸１６ｂ並びに第１サーボモータ１７ａ及び第２サーボモータ１７ｂを統合的に説明する場合には、各々、関節軸１６及びサーボモータ１７として説明する。ここで、該サーボモータ１７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を発生する。そして、サーボモータ１７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。
【００２６】
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、後述される六角形の出力分布図を作成して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等に関する教示を行う。
【００２７】
次に、前記構成の筋力評価トレーニング装置１０の動作について説明する。
【００２８】
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スティフネス楕円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、図６において、（ａ）〜（ｄ）は第２関節の伸展状態に対応するスティフネス楕円の変化を示している。
【００２９】
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関節の軸トルク（τ１）を採り、縦軸に第２関節の軸トルク（τ２）を採った図であって、第１関節と第２関節とで同時に発生し得る軸トルクをプロットした関節軸トルクの出力分布図を考える。
【００３０】
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、関節軸トルクの出力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。
【００３１】
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。
【００３２】
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２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１関節とリンク系先端とを結ぶ直線に平行な２辺は、第１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。
【００３３】
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１関節と第２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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
前記筋力評価トレーニング装置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。
【００３７】
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５（ｂ）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評価トレーニング装置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評価トレーニング装置１０を使用して作成した六角形とを、同一画面上に示すことによって、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。
【００３８】
次に、トレーニングを行う場合、使用者２０は、まず、筋力評価トレーニング装置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。
【００３９】
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。
【００４０】
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、筋力評価トレーニング装置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１７ａ及び第２サーボモータ１７ｂ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、筋力評価トレーニング装置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。
【００４１】
前記筋力評価トレーニング装置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。
【００４２】
さらに、前記筋力評価トレーニング装置１０は、使用者２０が筋力の評価及びトレーニングを行う場合、使用者２０の上肢又は下肢に沿って配置されたロボットアーム１２先端のスティフネス特性によって、力を発揮すべき方向を前記使用者２０に対して教示する。すなわち、ロボットアーム１２の先端におけるある方向の弾性率と、前記方向に垂直な方向の弾性率とに差を付けることによって、例えば、弾性率が低く柔らかい方向が力を出すべき方向であると、使用者２０に対して、方向を教示する。また、使用者２０の上肢又は下肢の姿勢が変化したときに上肢又は下肢の先端出力が大きくなる方向には弾性率が大きくなるように変化し、逆に先端出力が小さくなる方向には弾性率が小さくなるように変化させる。
【００４３】
図５に示されるように、作業空間内での方向を、ａベクトル（股関節を始点とし、足関節を終点とするベクトル）及びｂベクトル（膝関節を始点とし、足関節を終点とするベクトル）を基底ベクトルとして、力を出すべき方向ｐベクトルをａベクトルとｂベクトルとの一次結合で、次の式（１）のように表す。
【００４４】
【数１】
2008206889.tif 000003
そして、α及びβの値を一定にすると、機能別実効筋における各実効筋の収縮力の比が一定になる。
【００４５】
また、ｐベクトルと垂直な方向のベクトルをｑベクトルとすると、該ｑベクトルは、二関節アーム機構先端のヤコビ行列をＪとして、次の式（２）で表すことができる。
【００４６】
【数２】
2008206889.tif 000004
さらに、次の式（３）が成立する。
【００４７】
【数３】
2008206889.tif 000005
したがって、関節軸トルクと二関節アーム機構先端の変位との関係は、次の式（４）で表される。
【００４８】
【数４】
2008206889.tif 000006
そして、二関節アーム機構先端の変位と関節角度変位との関係を使って、関節軸トルクと関節角度変位との関係（関節軸のスティフネス）に直すと、次の式（５）となる。
【００４９】
【数５】
2008206889.tif 000007
Ｊはヤコビ行列であるので、関節角度の関数となる。そのため、Ｊの行列の成分を求めるために、ロボットアーム１２の関節に配設された関節角度検出装置によって実際の関節角度を測定する。
【００５０】
さらに、Ｇについて式の変形を進めていくと、次の式（６）を得ることができる。
【００５１】
【数６】
2008206889.tif 000008
そして、該式（６）における第１項の行列の固有値と固有ベクトルとを計算すると、次の式（７）となる。
【００５２】
【数７】
2008206889.tif 000009
すなわち、第１項はｐ方向に変位するときのτ１−τ２平面における応答である。
【００５３】
また、前記式（６）における第２項の行列の固有値と固有ベクトルとを計算すると、次の式（８）となる。
【００５４】
【数８】
2008206889.tif 000010
すなわち、第２項はｑ方向に変位するときのτ１−τ２平面における応答である。
【００５５】
そして、前記式（６）〜（８）から、Ｇは次の式（９）で表される。
【００５６】
【数９】
2008206889.tif 000011
Ｇを前記式（９）のように表すと、λ’1 とλ’2 に様々な式を当て嵌（は）めることによって、ｐ方向及びｑ方向に対して多様な応答を作り出すことができる。例えば、前記式（６）で表されるＧは、作業平面におけるｐ方向及びｑ方向の弾性率が変化しない状態である。
【００５７】
関節軸が発生するトルクと、関節軸が発生するトルクとによってリンク系先端に発生する力の関係を、力の方向と関節角度による変化を考慮して、前記式（９）において
【００５８】
【数１０】
2008206889.tif 000012
とすると、リンク系先端において、先端出力の六角形の変化に応じてスティフネス楕円が変化する。
【００５９】
図６に、ｐ方向をａベクトル（図６において下方向）と一致させた場合の先端出力の六角形とスティフネス楕円の変化を示す。第２関節が伸展するに従って、ａベクトルの方向に先端出力の六角形及びスティフネス楕円がともに伸び、ａベクトルと垂直な方向に先端出力の六角形及びスティフネス楕円がともに縮んでいることが分かる。ｐ方向がどの方向であっても同様に変化する。
【００６０】
このように、本実施の形態においては、ロボットアーム１２先端の弾性を、３対６筋の実効筋が２関節リンク系先端に発揮し得る力の第１関節及び第２関節の角度変化に伴う変化に追従させることができる。すなわち、使用者２０の上肢又は下肢に沿って配置されたロボットアーム１２先端のスティフネス特性を、使用者２０の上肢又は下肢の姿勢変化に対応して変化させることができる。そのため、使用者２０の上肢又は下肢が大きな力が出せる姿勢のときは弾性率が高く、使用者２０の上肢又は下肢が小さな力しか出せない姿勢のときは弾性率が低くなる。これにより、筋力の評価又はトレーニングを行う使用者２０に対して、力を発揮すべき方向を明確に教示することができる。
【００６１】
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。
【００６２】
図７は本発明の第２の実施の形態におけるスティフネス楕円の変化を示す図である。なお、図７において、（ａ）〜（ｄ）は第２関節の伸展状態に対応するスティフネス楕円の変化を示している。
【００６３】
ここでは、τ１−τ２平面においてスティフネス楕円の大きさがほぼ一定となるように、前記式（９）における第１項及び第２項の固有値を一定とする。すなわち、前記式（９）における第１項及び第２項のスカラーが次の式（１１）で表されるものとする。
【００６４】
【数１１】
2008206889.tif 000013
機能別実効筋が第１関節と第２関節とにおいて同時に発生することができる最大のトルクは変わらないので、τ１−τ２平面におけるスティフネス楕円の大きさの変化が少ないように固有値を一定にすることによって、作業平面内におけるリンク系のスティフネス楕円は、リンク系の先端出力を示す六角形に近い変化をする。
【００６５】
図７には、本実施の形態において、ｐ方向をａベクトル（図４における下向のベクトル）と一致させた場合の先端出力の六角形及びスティフネス楕円の変化が示されている。図７（ａ）〜（ｄ）から、スティフネス楕円の変化が先端出力の六角形の変化よりも大きいものの、第２関節が伸展するに従って、ａベクトルの方向に先端出力の六角形及びスティフネス楕円がともに伸張し、ａべクトルと垂直な方向に先端出力の六角形及びスティフネス楕円がともに収縮していることが分かる。なお、ｐ方向がいかなる方向であっても、同様に変化する。
【００６６】
このように、本実施の形態においては、Ｇのスカラーを前記式（１１）で表されるものとしたので、筋力評価トレーニング装置１０の制御装置の演算処理負担を低減することができる。すなわち、前記第１の実施の形態では、Ｇのスカラーを先端出力の六角形の変化に追従する式で表されるものとしたので、計算の過程で平方根の計算が必要となり、制御装置の演算処理負担が大きい。これに対し、本実施の形態においては、先端出力の変化とスティフネス楕円の変化の方向とを揃（そろ）えながら、より簡単な加減乗除だけで計算を済ますことができるので、制御装置の演算処理負担が低減される。したがって、演算処理能力の低い制御装置を採用することができる。
【００６７】
なお、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】
【００６８】
【図１】本発明の第１の実施の形態における筋力評価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スティフネス楕円の変化を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態におけるスティフネス楕円の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０    筋力評価トレーニング装置
１１    サドル
１２    ロボットアーム
１４ａ    第１リンク
１４ｂ    第２リンク
１５ａ    第１装着具
１５ｂ    第２装着具
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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