(57)【要約】【課題】運動装置本体の動きと人の動きとを総合的に解析し装置を最適な状態にダイナミックに制御する、トレーニング効果が高くかつ安全な他動運動鍛錬装置を提供する。【解決手段】他動運動鍛錬装置は、人の身体に対して動作影響を与える対人動作機器部１と、人の動きを検出する人動作検出手段２と、対人動作機器部１の動きを検出する機器動作検出手段３と、上記２つの検出手段によって得られた時系列の動作状態データを解析して、機器動作の適正を判定する解析手段４と、解析手段４により得られた判定結果にもとづいて対人動作機器部１を制御する制御手段５とを備えている。【選択図】図１
2004344468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の身体に対して動作影響を与える対人動作機器部を有した他動運動鍛錬装置であって、
人の動きを検出する人動作検出手段と、
対人動作機器部の動きを検出する機器動作検出手段と、
上記２つの検出手段によって得られた時系列の動作状態データを解析して、機器動作の適正を判定する解析手段と、
解析手段により得られた判定結果にもとづいて対人動作機器部をフィードバック制御する制御手段とを備えたことを特徴とする他動運動鍛錬装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記対人動作機器部は、傾斜角度が可変な座席部と、この座席部を所定方式で往復運動させる駆動装置とを含んで構成されることを特徴とする他動運動鍛錬装置。
【請求項３】
請求項２において、
上記人動作検出手段は、光学的もしくは磁気的に人の動きを検出し、空間座標上の位置変化を計測することを特徴とする他動運動鍛錬装置。
【請求項４】
請求項２において、
上記人動作検出手段は、動作中の人の速度変化および／または加速度変化を計測することを特徴とする他動運動鍛錬装置。
【請求項５】
請求項２において、
上記機器動作検出手段は、上記駆動装置の駆動量により、空間座標上の位置変化を計測することを特徴とする他動運動鍛錬装置。
【請求項６】
請求項２において、
上記機器動作検出手段は、装置自体の速度変化および／または加速度変化を計測することを特徴とする他動運動鍛錬装置。
【請求項７】
請求項２において、
上記解析手段は、上記２つの検出手段によって得られた時系列の動作状態波形の位相差にもとづいて、機器動作の適正の判定を行うことを特徴とする他動運動鍛錬装置。
【請求項８】
請求項７において、
上記制御手段は、上記判定結果にもとづいて、上記座席が最適速度で所定方式の往復運動をするように、上記駆動装置を駆動制御することを特徴とする他動運動鍛錬装置。
【請求項９】
請求項２において、
上記解析手段は、上記２つの検出手段によって得られた時系列の動作状態波形の振幅量差にもとづいて、機器動作が適正の判定を行うことを特徴とする他動運動鍛錬装置。
【請求項１０】
請求項９において、
上記制御手段は、上記判定結果にもとづいて、上記座席が最適傾斜角度になるように、上記座席を傾斜制御することを特徴とする他動運動鍛錬装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかにおいて、
上記判定結果ならびに判定結果にもとづく所定のガイド情報を報知する報知部をさらに備えている他動運動鍛錬装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人と機器の動きを検出し、装置を自動的に最適状態にフィードバック制御する他動運動鍛錬装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筋力トレーニング機器は、利用者が自らの意思にもとづいてペダルを漕いだり、走ったりといった動作を行うものがほとんどであるが、近年では、機器自体の動作の影響を受けながら、機器の動きに合わせて他動的にトレーニングできるような他動運動機器も商品化されている。
【０００３】
この種の他動運動機器を使用して身体トレーニングをすると、機器の動きに対して身体の動きを合わせようと反応するため、そのトレーニング効果がきわめて高いことが認められている。
【０００４】
しかしながら、利用者の運動能力によっては機器の動きについていけない場合もあり、そのようなときは効果的な運動とならないばかりか、身体に余分な負担がかかり、けがの危険性すらあった。
【０００５】
また、利用者の運動能力に合わせて機器の動作速度等を設定可能なものもあるが、いったん設定した後は一定速度でしか動作しないため、人の動作状態の変化にダイナミックに対応できず、利用者の安全を十分に考慮したものとはいえなかった。
【０００６】
そのため、トレーニング効果も高くしかも安全な他動運動機器の商品化が望まれていた。
【０００７】
なお、特許文献１で開示されている人体動作判別装置は、人体に加速度計を装着してその動作状態を検出し、装着者の特定の動作を判別するものであるが、計測機器としての機能性が強く、判別した結果にもとづいて人体に動作を与えるような鍛錬機能は有していない。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２１３９６７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情を考慮して提案されたもので、運動装置本体の動きと人の動きとを総合的に解析し装置を最適な状態にダイナミックに制御する、トレーニング効果が高くかつ安全な他動運動鍛錬装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の他動運動鍛錬装置は、人の身体に対して動作影響を与える対人動作機器部を有した他動運動鍛錬装置であって、次の各部より構成される。
【００１１】
すなわち、この他動運動鍛錬装置は、上記対人動作機器部に加え、人の動きを検出する人動作検出手段と、対人動作機器部の動きを検出する機器動作検出手段と、上記２つの検出手段によって得られた時系列の動作状態データを解析して、機器動作の適正を判定する解析手段と、解析手段により得られた判定結果にもとづいて対人動作機器部を制御する制御手段とを備えている。
【００１２】
このような構成によれば、人と機器の動作状態を検出して、その状態比較により人に対して適切な機器動作がなされているかが装置自体で判断でき、その結果、対人動作機器部をリアルタイムにフィードバック制御することができる。また、身体に余分な負担がかからないようになるため、無理な運転によるけがを防止することもできる。
【００１３】
請求項２では、対人動作機器部が、傾斜角度が可変な座席部と、この座席部を所定方式で往復運動させる駆動装置とを含んで構成されている。
【００１４】
ここで、所定方式の往復運動には、たとえば、前後、左右、上下方向の直進往復運動や、前後、左右、上下軸の各軸回りの回転往復運動などの往復運動が含まれる。
【００１５】
すなわち、この装置は人が馬乗りになってバランス訓練を目的とする装置であり、上記のフィードバック制御により、利用者に合ったバランス訓練ができるとともに、落下などの危険を防止することもできる。
【００１６】
請求項３では、人動作検出手段は、光学的もしくは磁気的に人の動きを検出し、空間座標上の位置変化を計測することを特徴とする。
【００１７】
請求項４では、人動作検出手段は、動作中の人の速度変化および／または加速度変化を計測することを特徴とする。
【００１８】
請求項５では、機器動作検出手段は、駆動装置の駆動量により、空間座標上の位置変化を計測することを特徴とする。
【００１９】
請求項６では、機器動作検出手段は、装置自体の速度変化および／または加速度変化を計測することを特徴とする。
【００２０】
請求項７では、解析手段は、上記２つの検出手段によって得られた時系列の動作状態波形の位相差にもとづいて、機器動作の適正の判定を行うことを特徴とする。
【００２１】
請求項８では、制御手段は、解析手段の出力した判定結果にもとづいて、座席が最適速度で所定方式の往復運動をするように駆動装置を駆動制御することを特徴とする。
【００２２】
請求項９では、解析手段は、上記２つの検出手段によって得られた時系列の動作状態波形の振幅量差にもとづいて、機器動作が適正の判定を行うことを特徴とする。
【００２３】
請求項１０では、制御手段は、解析手段の出力した判定結果にもとづいて、座席が最適傾斜角度になるように、座席を傾斜制御することを特徴とする。
【００２４】
請求項１１に記載の他動運動鍛錬装置は、上記の判定結果ならびに判定結果にもとづく所定のガイド情報を報知する報知部をさらに備えた構成となっている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面とともに説明する。
【００２６】
図１は、本発明の他動運動鍛錬装置の基本構成の一例を示すブロック図である。
【００２７】
ここで説明する他動運動鍛錬装置は、利用者が機器本体にまたがってバランス訓練ができるようにした運動装置であるが、本発明装置は、このような装置に限定されず、たとえばトレッドミルやエアロバイクなどのように、人が自発的に動作するようなトレーニング装置であってもよい。すなわち、少なくとも機器が動作し、その機器動作が利用者に対して身体的に何らかの影響を与えるようなものであればよい。
【００２８】
図中、符号１は、傾斜可変な座席部１ａと、この座席を所定方式で往復運動させるよう構成された駆動装置（モータ）１ｂを含んだ対人動作機器部（本体部）である。ここで所定方式の往復運動には、たとえば、前後、左右、上下方向の直進往復運動や、前後、左右、上下軸の各軸回りの回転往復運動などの運動が含まれる。
【００２９】
また、符号２は、光学的または磁気的に人の動きを検出し、人の空間座標上の位置や速度、加速度を所定時間ごとに計測し、これらの変化量を検出できるようにした人動作検出手段である。符号３は、駆動モータ１ｂの回転数などの実績駆動量により、機器本体１ａの空間座標上の位置や速度、加速度を一定時間（たとえば１秒）ごとに計測し、これらの変化量を検出するようにした機器動作検出手段である。符号４は、各検出手段２、３で取り込んだデータにもとづき運動状態を評価、判定し、フィードバック制御指令を出力する解析手段である。符号５は、この指令にもとづいて座席角度制御部５ａ、駆動モータ制御部５ｂがそれぞれ対象機器に対して制御出力するようにした制御手段である。符号６は、画面表示、音声ガイドなどで状態を報知する報知部である。
【００３０】
以上の各手段２〜５は、ＣＰＵやプログラム等で構成され、本体部１に内蔵、もしくは本体設置面の地下に埋設されている。また、上記各手段２〜５の一部または全部を含んだ中央監視制御装置を設け、複数台の他動運動鍛錬装置を遠隔にて制御監視するようにしてもよい。
【００３１】
また、報知部６の表示画面は座席の前部に設置してもよいし、本体と少し離れた利用者が見やすい位置に別体として設置してもよい。
【００３２】
以下に、人動作検出手段２、機器動作検出手段３、解析手段４について、さらに詳細に説明する。
【００３３】
人動作検出手段２は、利用者の肩や腰などの関節点にマーキングポイントを貼り付け、これに赤外光などの光線を反射させることにより光学的に人の動きを検出するものである。この方法によれば、きわめて簡易な構成により時間ごとに変化する位置を容易に検出することができる。また、それらの時間ごとの位置にもとづいて時間ごとに変化する速度も算出することができる。
【００３４】
図２は、利用者の身体重心の赤外光検出による移動位置の軌跡グラフを示したものである。ここで、縦軸は上下方向の座標位置、横軸は前後方向の座標位置を示している。
【００３５】
その他の人動作検出方法として、利用者のあるポイント間に磁気センサを取り付ける方法や、ある１点にレーザ距離計からレーザ光を反射させる手法の速度検出方法などがある。一般的に磁気センサとは、部材の可動部分に取り付けた磁石による磁界信号の変化から、その部材の速度、変位、回転数等を計測するために用いられており、これを人に応用すれば人の速度等が計測できる。また、レーザ距離計は、物体の２次元の形状や距離が正確に検出できるもので、レーザを動く物体の１点に反射させ、その反射量により物体の３次元の距離情報を検出するようにしたものであり、さらにこの距離情報から速度が得られる。
【００３６】
なお、加速度センサを取り付けて人の加速度変化を検出するようにしてもよい。
【００３７】
速度センサや加速度センサを使用する構成によれば、時間変化に対する位置にもとづいて速度や加速度を計算するものに比べ、正確かつ短時間に速度等を算出することができる。
【００３８】
そして、以上のような方法を用いて、人の空間座標上の位置、速度、加速度を時系列情報として装置内の記憶部（不図示）に保存する。
【００３９】
一方、機器動作検出手段３は、本体部１に往復運動をさせるための駆動モータ３の回転数をカウンタ（不図示）で計測することにより、本体部１の位置変化を検出するものである。なお、回転数などの駆動量は実績値でもよいが、制御手段５から出力される制御信号にもとづいてカウントしてもよい。また、上記人動作検出の方法と同様の検出機器を使用して、空間座標上の位置、速度、加速度を検出してもよい。
【００４０】
そして、以上のような方法を用いて、本体部１の空間座標上の位置、速度、加速度を時系列情報として装置内の記憶部に保存する。
【００４１】
次に、解析手段４は、各検出手段２、３で保存した情報をもとにして、図１に示すような波形処理４ａ、位相差等解析処理４ｂ、判定処理４ｃを順次実行して、判定結果および制御手段５に対する制御指令を出力する。
【００４２】
波形処理４ａでは、人動作検出手段２と機器動作検出手段３により検出した各検出値を時間変位として表わすように波形処理する。次に、時間変化ごとの人動作検出値と機器動作検出値の開始時間（原点）を合わせ、両波形を重ね合わせる。
【００４３】
図３は、時間変化に対する人の運動速度を示した波形図の一例であり、図４には、この人速度波形図（図３）と、同様の形態の機器速度波形図（図省略）を重ね合わせた波形図を示している。
【００４４】
また位相差等解析処理４ｂでは、図５に示すように、人動作波形と機器動作波形のピーク値を特定し、ピーク値の時間差（位相差）Ａｎと速度差（振幅量差）Ｂｎを算出する。
【００４５】
位相差Ａｎは、機器の動作と機器動作により発生する人の動作の時間差であるから、ある程度の時差が発生する。この時間差がほぼ一定あれば問題はないが、一定でなければ適正な他動運動とはいえない。すなわち、位相差Ａｎが一定に保たれていない場合には、機器の速度を不適正と判断することができる。
【００４６】
また、振幅量差Ｂｎは、人と機器の速度差を表したものであるから、極端に差がある場合には、機器の動作が人に十分に伝わっていないものと判断することができ、座席に対する人の座り方に問題があるものと推定できる。
【００４７】
そこで、判定処理４ｃでは、このような判断基準にもとづき、機器動作の適正を判定する。具体的には、位相差により機器の速度が適正であるかを判断し、振幅量差により機器（座席）の傾斜角度が適正であるかを判断する。そして、不適正の場合には、駆動モータ１ａや座席部１ｂを適切な速度や傾斜角度に、機器運動中にダイナミックに変更できるように、判定結果および制御指令を制御手段５に対して出力する。
【００４８】
このような判定処理により、リアルタイムに機器運動の適正判定ができるため、その判定結果により他動運動鍛錬装置のリアルタイムなフィードバック制御を実現することができる。
【００４９】
次に、より具体的な判定方法の一例について説明する。
【００５０】
図６は、理想的な運動状態の速度波形図を示すもので、このデータと実績データとを比較して位相差と振幅量差の適正を判定する。
【００５１】
ここで、判定の対象となる実績データとして、連続する１０データ（Ａｎ〜Ａｎ＋９、Ｂｎ〜Ｂｎ＋９）より算出した平均値（平均位相差Ａｍｅａｎ、平均振幅量差Ｂｍｅａｎ）を用いる。
【００５２】
１）位相差の適正判定
平均位相差Ａｍｅａｎが式（１）を満たせば、機器は最適速度であると判定し、
Ａ´−０．０８  ｓｅｃ  ≦  Ａｍｅａｎ  ≦  Ａ´＋０．０８  ｓｅｃ  ・・・（１）
式（１）を満たさない場合は、式（２）を実行し、
Ａｍｅａｎ  ＞  Ａ´＋０．０８  ｓｅｃ        ・・・（２）
式（２）を満たした場合、この利用者に対する機器の速度は速すぎると判定し、満たさない場合は、遅すぎると判定する。
【００５３】
２）振幅量差の適正判定
平均振幅量差Ｂｍｅａｎが式（３）を満たせば、最適振幅量であると判定し、
Ｂ´−３０ｍｍ／ｓｅｃ  ≦  Ｂｍｅａｎ  ≦  Ｂ´＋３０ｍｍ／ｓｅｃ  ・・・（３）
式（３）を満たさない場合は、式（４）を実行し、
Ｂｍｅａｎ  ＞  Ｂ´＋３０ｍｍ／ｓｅｃ        ・・・（４）
式（４）を満たした場合、この利用者に対する振幅は大きすぎると判定し、満たさない場合は、小さすぎると判定する。
【００５４】
図７には、解析手段４での判定処理と制御手段５の対応する制御内容を示すフローチャートを、また図８には、上記判定結果と制御内容の対応関係を示している。
【００５５】
解析手段４では、このようにして出力した判定結果にもとづいて適切な制御指令を出力し、これらの判定結果や制御指令にもとづいて、制御手段５では、駆動モータ１ｂの回転数と座席１ａの傾斜角度の変更制御を行い、報知部６では、平均位相差Ａｍｅａｎ、平均振幅量差Ｂｍｅａｎ、判定結果、制御指令の内容（たとえば「回転数を下げます」）などを画面表示や音声で報知する。また、利用者自身に乗り方や座り位置を調整させるためのガイダンスを、画面や音声で報知するようにしてもよい。
【００５６】
このような報知部６により、利用者は画面を見ながら、あるいは音声ガイダンスを聞きながら、適正な機器運動ができているかどうかを確認でき、また自分自身で座席位置などを調整することができる。
【００５７】
以上に説明した実施形態の例では、解析手段４が機器動作の制御量を変更するために、「回転数を上げる／下げる」といったもっとも簡易な制御指令を出力するようにしているが、回転数の目標設定値を制御指令として出力し、制御手段５側において回転数の自動制御をするようにしてもよい。
【００５８】
また、以上の実施形態の例では、人、機器の速度を解析して機器動作の判定を行っているが、空間座標上の位置や加速度を解析対象としてもよいことはいうまでもない。
【００５９】
また、先述したように、他動運動鍛錬装置は上述のバランス訓練装置に限定されず、少なくとも機器が動作して、その機器動作が利用者に対して何らかの影響を与えるようなものであればよい。すなわち、機器と人の動作状態にもとづいて機器を自動制御変更つまりフィードバック制御可能な構成であればよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上の説明からも理解できるように、請求項１に記載の他動運動鍛錬装置は、人と機器の動作状態データを解析して得られた機器動作の適正判定にもとづいて機器をフィードバック制御するようにしているので、装置の利用者は自身の運動能力やそのときの体調に合った運動をすることができる。また、身体に対する過負荷を取り除くことができ、無理な他動運動によるけがを防止することができる。
【００６１】
請求項２では、人が座席にまたがって各種の往復運動ができるようなバランス訓練装置を対象としており、上記の構成により、利用者は落下する心配なく長時間にわたってバランス訓練を実施することができる。
【００６２】
請求項３では、光学的または磁気的に人の動きを検出するようにしているので、センサ等を人の体に貼り付ける簡単な構成で時間ごとの位置変化を検出することができる。また、座標位置情報だけでなく、位置の時間変化により速度を算出することもできる。
【００６３】
請求項４では、人の速度変化や加速度変化を検出するようにしているので、容易に速度情報等を確実に短時間で収集することができ、その結果、正確なフィードバック制御を行うことができる。
【００６４】
請求項５では、駆動装置の駆動量により、機器本体の空間座標上の位置変化を検出しているので、センサ等を使用することなく、正確な位置情報を認識、収集することができる。
【００６５】
請求項６では、機器の速度変化や加速度変化を検出するようにしているので、容易に速度情報等を確実に短時間で収集することができ、その結果、正確なフィードバック制御を行うことができる。
【００６６】
請求項７では、人と機器の位相差にもとづいて機器動作の適正判定を行っているので、利用者別にしかもリアルタイムに、機器自体が機器の移動速度について自己判断することができる。
【００６７】
請求項８では、出力された判定結果にもとづいて駆動装置を制御しているので、そのときの利用者の状態に合った適正な速度で機器を作動させることができる。
【００６８】
請求項９では、人と機器の振幅量差にもとづいて機器動作の適正判定を行っているので、利用者別にしかもリアルタイムに、機器自体が機器の座席傾斜角度について自己判断することができる。
【００６９】
請求項１０では、出力された判定結果にもとづいて座席の傾斜角度を調整制御しているので、利用者の状態に合った適正な座席傾斜角度で運動することができる。
【００７０】
請求項１１では、判定結果等を報知する報知部を備えているので、利用者は画面を見ながら、あるいは音声ガイダンスを聞きながら、適正な機器運動ができているかどうかを確認でき、また利用者自身が自ら座席位置などを調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の他動運動鍛錬装置の一実施形態の基本構成を示すブロック図である。
【図２】本実施の形態における利用者の体重心の移動位置の軌跡を示したグラフ図である。
【図３】本実施の形態における時間変化に対する人の運動速度の変化を示した波形図である。
【図４】本実施の形態における人の速度変化と機器の速度変化の波形を重ね合わせた図である。
【図５】本実施の形態における人と機器の位相差、振幅量差を示した例図である。
【図６】本実施の形態における理想的な運動状態の重ね合わせ速度波形図である。
【図７】判定処理と制御内容を示したフローチャートである。
【図８】判定結果と制御内容の対応関係を示した図である。
【符号の説明】
１      対人動作機器部（本体部）
１ａ    座席部
１ｂ    駆動装置
２      人動作検出手段
３      機器動作検出手段
４      解析手段
５      制御手段
６      報知部
【図１】
2004344468.tif 000003
【図２】
2004344468.tif 000004
【図３】
2004344468.tif 000005
【図４】
2004344468.tif 000006
【図５】
2004344468.tif 000007
【図６】
2004344468.tif 000008
【図７】
2004344468.tif 000009
【図８】
2004344468.tif 000010