【手続補正書】
【提出日】平成15年11月7日(2003.11.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】運動負荷調節装置および運動負荷調節方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】被験者によって与えられる駆動力を伝達する駆動力伝達部と、
前記駆動力伝達部より伝達される駆動力に対して前記被験者に運動負荷を付与する運動負荷発生部と、前記駆動力伝達部からの駆動力に対して前記駆動力伝達部から前記運動負荷発生部までの機械損を減少させる補助力を付与する補助力発生部と、前記機械損と、予め設定された運動負荷設定値とを比較し、前記機械損が運動負荷設定値より大きい場合、前記機械損と運動負荷設定値との差分を補う値を補助力として付与するよう前記補助力発生部を制御する動力制御部とを備えた運動負荷調節装置。
【請求項２】運動負荷発生部と補助力発生部を共用したことを特徴とする請求項１記載の運動負荷調節装置。
【請求項３】動力制御部は、運動負荷設定値が機械損より大きい場合、運動負荷発生部で付与する運動負荷の値として、前記運動負荷設定値から前記機械損の値を除いて演算することを特徴とする請求項１または２記載の運動負荷調節装置。
【請求項４】運動負荷設定値は、機械損以下の値から設定最大負荷までの範囲で設定されることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の運動負荷調節装置。
【請求項５】補助力はサーボモータを用いて付与することを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の運動負荷調節装置。
【請求項６】運動負荷は発電機を用いて付与することを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の運動負荷調節装置。
【請求項７】運動負荷発生部の回転数を検出する回転数検出部を設け、動力制御部は、前記回転数検出部で検出された回転数に基づいて、前記運動負荷発生部の回転数による負荷特性の変化を補正することを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の運動負荷調節装置。
【請求項８】運動負荷発生部の温度を検出する温度検出手段を設け、動力制御部は、前記温度検出手段で検出された温度に基づいて、前記運動負荷発生部の温度による負荷特性の変化を補正することを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の運動負荷調節装置。
【請求項９】駆動力伝達部は被験者が回転駆動力を与えるための回転駆動部を有するものであり、動力制御部は、運動負荷発生部で得られる発生負荷と前記駆動力伝達部より伝達される駆動力に基づいて、前記回転駆動部の回転数または回転角度を算出するものであることを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１記載の運動負荷調節装置。
【請求項１０】駆動力伝達部は被験者が回転駆動力を与えるための回転駆動部を有するものであり、動力制御部は、回転駆動部の下限回転数または上限回転数が設定された場合、前記回転駆動部の回転数が前記下限回転数の設定値より低い場合は、運動負荷の減少を行い、前記回転駆動部の回転数が前記上限回転数を超えた場合は、運動負荷が増加するよう制御を行うことを特徴とする請求項１から請求項９のうちのいずれか１記載の運動負荷調節装置。
【請求項１１】動力制御部は、ランプ出力負荷のモードが設定された場合、運動負荷設定値を機械損より小さい負荷から設定最大負荷までの間の任意の範囲を連続して増加または減少させて制御を行うことを特徴とする請求項１から請求項１０のうちのいずれか１項記載の運動負荷調節装置。
【請求項１２】駆動力伝達部は被験者が回転駆動力を与えるための回転駆動部を有するものであり、機械損は、前記回転駆動部の回転がほぼ停止状態の摩擦と、回転数に応じて増加する摩擦とを含んだものであることを特徴とする請求項１から請求項１１のうちのいずれか１項記載の運動負荷調節装置。
【請求項１３】運動負荷を付与する発電機の巻線の出力端を短絡する短絡手段を設け、動力制御部は、制御オフ時または運動負荷制御を行わない場合は、前記短絡手段で前記発電機の出力を短絡することを特徴とする請求項１から請求項１２のうちのいずれか１項記載の運動調節装置。
【請求項１４】運動負荷を付与する発電機の巻線の出力端を開放する開放手段を設け、動力制御部は、制御オフ時または運動負荷制御を行わない場合は、前記開放手段で前記発電機の出力を開放することを特徴とする請求項１から請求項１２のうちのいずれか１項記載の運動調節装置。
【請求項１５】動力制御部は、運動処方が選択された場合は、被験者から各種バイタル情報を取得するために被験者に機械損以下から最大設定値までのランプ運動負荷を与え、運動療法が選択された場合は、当該運動処方に基づき運動負荷条件を設定して療法を行う運動療法のどちらかの制御を行うことを特徴とする請求項１から請求項１４のうちのいずれか１項記載の運動負荷調節装置。
【請求項１６】運動負荷設定値を予め設定する工程と、被験者によって与えられる駆動力に対して運動負荷を付与する工程と、前記駆動力の伝達部から前記運動負荷の発生部までの機械損を決定する工程と、前記機械損と前記運動負荷設定値とを比較する工程と、前記機械損が前記運動負荷設定値より大きい場合、前記機械損と前記運動負荷設定値との差分を補う値を補助力として付与するよう制御する工程とを備えた運動負荷調節方法。
【請求項１７】被験者によって与えられる回転駆動力に対する運動負荷を予め設定生成する工程と、前記回転駆動力を与えるための回転駆動部の下限回転数または上限回転数を設定する工程と、前記被験者の回転駆動力に基づく前記回転駆動部の実際の回転数と前記下限回転数または前記上限回転数とを比較する工程と、前記実際の回転数が前記下限回転数より低い場合に前記運動負荷を減少させる工程と、前記実際の回転数が前記上限回転数を超えた場合に前記運動負荷を増加するよう制御を行う工程とを備えたことを特徴とする請求項１６記載の運動負荷調節方法。
【請求項１８】ランプ出力負荷のモードを設定する工程と、前記ランプ出力負荷のモードが設定された場合、運動負荷設定値を機械損より小さい負荷から設定最大負荷までの間の任意の範囲を連続して増加または減少させて制御を行う工程とを備えたことを特徴とする請求項１６または請求項１７記載の運動負荷調節方法。
【請求項１９】運動処方が選択された場合に行われ、被験者から各種バイタル情報を取得するために当該被験者に機械損以下から最大設定値までのランプ運動負荷を与える制御と、運動療法が選択された場合に行われ、前記運動処方に基づき運動負荷条件を設定して運動療法を行う制御のどちらかの制御を行う工程を備えたことを特徴とする請求項１６から請求項１８のうちのいずれか１項記載の運動負荷調節方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、被験者に運動をさせることにより、被験者に運動負荷を与える運動負荷調節装置および運動負荷調節方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は従来の運動負荷調節装置を示す全体図であり、図において、２１は運動療法装置として使用される運動負荷調節装置（通称：エルゴバイク）、２２は運動負荷調節装置２１のペダル、２３は運動負荷調節装置２１の座椅子、２４は座椅子２３に座った状態でペダル２２を回転させる被験者、２５は被験者２４の手首に装着され、被験者２４の血圧や脈拍数等のバイタル情報を計測するセンサ、２６は被験者２４の手首を載せる受け台である。
【０００３】
次に動作について説明する。
運動負荷調節装置２１は負荷のかかったペダル２２を一定のペースでスピーカ等から出るビープ音や回転数表示を被験者が確認しながらペダル２２の回転数を指定の回転数に合わせるようにしていた。具体的には、被験者２４の手首に装着されたセンサ２５が被験者２４の血圧や脈拍数等のバイタル情報を計測し、その計測結果を運動負荷調節装置２１の図示せぬ演算装置に出力する。そして、演算装置が、例えば、バイタル情報として計測された被験者２４の最高血圧が予め設定された最高血圧より高くなったとき、又は、バイタル情報として計測された被験者２４の最高脈拍数が予め設定された最高脈拍数より高くなったとき、ブザー等を鳴らすことによって被験者２４に警報を発し、運動の中止を促すようにしている。
【０００４】
上述の運動負荷調節装置２１の運動負荷として、ペダル２２による回転を機械的に増速し、直流発電機、交流発電機、渦電流ブレーキ、パウダブレーキ等を使用し、スイッチング素子を使用して負荷を制御するものである。具体的には、直流又は交流発電機を用いる場合は外部に抵抗器を接続し、スイッチング素子でパルス幅変調制御（以下、ＰＷＭ制御という）を行い、負荷を制御している。また、渦電流又はパウダ等のブレーキを負荷として用いる場合は、励磁コイルに流す電流をＰＷＭ制御を行い、負荷を制御している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の運動負荷調節装置は以上のように構成されているので、ペダル等から機械的増速部を経て発電機又はブレーキに連結されているため、機械損が必ず発生しており、特にランプ（漸増または漸減）運動負荷を被験者に与えて、運動機能等を測定し、運動処方をするような場合に、最小設定運動負荷が機械損より小さくできないため、健常者の測定には余り問題とならないが高齢者や病気治療を要する者といった体力レベルの低い者の測定を正確に行うことができないなどの課題があった。
【０００６】
また、被験者が運動負荷測定を行う場合、従来は一定の指定回転数とするために、一定のペースでスピーカ等から出るビープ音や回転数表示を被験者が確認しながらペダル等の回転数を指定の回転数に合わせるようにしていた。しかし、指定の回転数に合わせるために、そちらに相当の神経を使う必要があり、また、安定して一定の回転数に保つことは非常に難しいなどの課題があった。
【０００７】
また、回転数に影響の無いように一定の出力になるように制御すると、低速回転で負荷トルクが重くなり過ぎ、高速では負荷トルクが軽くなり過ぎて、回転数を一定に維持するのが益々難しくなる等の課題があった。
【０００８】
また、従来、運動者が操作するペダルと電動機とを動力伝動機構を介して接続し、電動機を制動することによって運動者に運動負荷を与えたり、電動機を駆動することによって運動者にストレッチ運動等を行わせるようにしたものがあった（例えば、特開平７−３０８４０３号公報、特開平７−３０８４０５号公報および特開平７−３０８４０６号公報）。しかしながら、このような運動機では、単に１台の電動機を駆動または制動するという構成を備えているだけであるため、上記のような体力レベルの低い者の測定を高精度で行うといったことを実現するには不十分であった。
【０００９】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、発電機をサーボモータとして動作させて、機械損を保証することにより、被験者が健常者、高齢者、女性等、体力レベルの如何に関わらず、被験者のバイタル情報を高精度で測定ができる運動負荷調整装置を得ることを目的としている。
【００１０】
また、この発明はペダルの回転数を一定に保ちやすくし、運動負荷測定が精度良くできる運動負荷調整装置を得ることを目的としている。
【００１１】
さらに、この発明は回転数が低下してきても負荷トルクが重くならず、回転数が高くなっても負荷トルクが軽くならない運動負荷調整装置を得ることを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る運動負荷調節装置は、運動負荷発生部と補助力発生部とを備え、駆動力伝達部から運動負荷発生部までの機械損以下の運動負荷設定値の場合は、運動負荷発生部を補助力発生部に切り替え、機械損以上の運動負荷設定値の場合は、運動負荷発生部の出力を負荷制御するようにしたものである。
【００１３】
この発明に係る運動負荷調節装置は、運動負荷発生部と補助力発生部を共用するようにしたものである。
【００１４】
この発明に係る運動負荷調節装置は、運動負荷設定値が機械損より大きい場合、運動負荷発生部で付与する運動負荷の値として、運動負荷設定値から機械損の値を除いて演算するようにしたものである。
【００１５】
この発明に係る運動負荷調節装置は、運動負荷設定値は、機械損以下の値から設定最大負荷までの範囲で設定されるようにしたものである。
【００１６】
この発明に係る運動負荷調節装置は、補助力はサーボモータを用いて付与するようにしたものである。
【００１７】
この発明に係る運動負荷調節装置は、運動負荷の付与は発電機を用いて行うようにしたものである。
【００１８】
この発明に係る運動負荷調節装置は、運動負荷発生部の回転数を検出する回転数検出部を設け、動力制御部は、回転数検出部で検出された回転数に基づいて、運動負荷発生部の回転数による負荷特性の変化を補正するようにしたものである。
【００１９】
この発明に係る運動負荷調節装置は、運動負荷発生部の温度を検出する温度検出手段を設け、動力制御部は、温度検出手段で検出された温度に基づいて、運動負荷発生部の温度による負荷特性の変化を補正するようにしたものである。
【００２０】
この発明に係る運動負荷調節装置は、駆動力伝達部は被験者が回転駆動力を与えるための回転駆動部を有し、動力制御部は、運動負荷発生部で得られる発生負荷と駆動力伝達部より伝達される駆動力に基づいて、回転駆動部の回転数または回転角度を算出するようにしたものである。
【００２１】
この発明に係る運動負荷調節装置は、回転駆動部の下限回転数または上限回転数が設定された場合、動力制御部は、回転駆動部の回転数が下限回転数の設定値より低い場合は、運動負荷の減少を行い、回転駆動部の回転数が上限回転数を超えた場合は、運動負荷が増加するよう制御を行うものである。
【００２２】
この発明に係る運動負荷調節装置は、ランプ負荷のモードが設定された場合、動力制御部は、運動負荷設定値を機械損より小さい負荷から設定最大負荷までの間の任意の範囲を連続して増加または減少させて制御を行うようにしたものである。
【００２３】
この発明に係る運動負荷調節装置は、機械損は、回転駆動部の回転がほぼ停止状態の摩擦と、回転数に応じて増加する摩擦との含んだものである。
【００２４】
この発明に係る運動負荷調節装置は、発電機の巻線の出力端を短絡する短絡手段を設け、動力制御部は、制御オフ時または運動負荷制御を行わない場合は、短絡手段で発電機の出力を短絡するようにしたものである。
【００２５】
この発明に係る運動負荷調節装置は、発電機の巻線の出力端を開放する開放手段を設け、動力制御部は、制御オフ時または運動負荷制御を行わない場合は、開放手段で発電機の出力を開放するようにしたものである。
【００２６】
この発明に係る運動負荷調節装置は、動力制御部は、運動処方が選択された場合は、被験者から各種バイタル情報を取得するために被験者に機械損以下から最大設定値までのランプ運動負荷を与え、運動療法が選択された場合は、運動処方に基づき運動負荷条件を設定して療法を行う運動療法のどちらかの制御を行うようにしたものである。
【００２７】
この発明に係る運動負荷調節方法は、運動負荷設定値を予め設定する工程と、被験者によって与えられる駆動力に対して運動負荷を付与する工程と、駆動力の伝達部から運動負荷の発生部までの機械損を決定する工程と、機械損と運動負荷設定値とを比較する工程と、機械損が運動負荷設定値より大きい場合、機械損と運動負荷設定値との差分を補う値を補助力として付与するよう制御する工程とを備えたものである。
【００２８】
この発明に係る運動負荷調節方法は、被験者によって与えられる回転駆動力に対する運動負荷を予め設定生成する工程と、回転駆動力を与えるための回転駆動部の下限回転数または上限回転数を設定する工程と、被験者の回転駆動力に基づく回転駆動部の実際の回転数と下限回転数または上限回転数とを比較する工程と、実際の回転数が下限回転数より低い場合に運動負荷を減少させる工程と、実際の回転数が上限回転数を超えた場合に運動負荷を増加するよう制御を行う工程とを備えたものである。
【００２９】
この発明に係る運動負荷調節方法は、ランプ出力負荷のモードを設定する工程と、ランプ出力負荷のモードが設定された場合、運動負荷設定値を機械損より小さい負荷から設定最大負荷までの間の任意の範囲を連続して増加または減少させて制御を行う工程とを備えたものである。
【００３０】
この発明に係る運動負荷調節方法は、運動処方が選択された場合に行われ、被験者から各種バイタル情報を取得するために被験者に機械損以下から最大設定値までのランプ運動負荷を与える制御と、運動療法が選択された場合に行われ、運動処方に基づき運動負荷条件を設定して運動療法を行う制御のどちらかの制御を行う工程を備えたものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による運動負荷調節装置を備える運動負荷測定装置を示す側面図であり、図において、１は運動負荷調節装置本体、２は運動負荷調節装置本体１の両側で対となるペダル、３は運動負荷調節装置本体１の両側で対となるクランク、４はクランク軸に固定された大プーリＡ、５は中間軸の小プーリＢ、６は同じく中間軸の小プーリＢに固定された大プーリＣ、７は発電機軸に固定された小プーリＤ、８は大プーリＡ４と小プーリＢ５とを連結するベルトＡ、９は同じく大プーリＣ６と小プーリＤ７とを連結するベルトＢ、１０は運動負荷発生部となる発電機であり、かつ、補助力発生部となるサーボモータ、１１は運動負荷制御用マイクロコンピュータやスイッチング素子やサーボモータ制御部等で構成される動力制御部であり、これらは運動負荷調節装置本体１内に収納されている。また、ペダル２とクランク３で被験者が回転駆動力を与えるための回転駆動部が構成され、更に、ペダル２〜ベルトＢ９により、回転駆動力を伝達するための駆動力伝達部が構成されている。
【００３２】
また、１２はバイタル情報や各種演算処理結果等を表示するＣＲＴ、液晶等の表示器、１３は運動負荷調節装置本体１のケース、１４は表示器１２の画面表面に取り付けられ、各種操作を行うためのタッチパネル、１５はバイタル情報や各種演算処理の結果を記録するプリンタ、１６は被験者の血圧／脈拍センサ等のバイタルセンサ２００（後述説明）からのバイタル情報を収集演算制御するバイタル情報処理部、１７は運動負荷調節装置本体１への負荷制御やバイタル情報処理部１６からのデータ取り込みやプリンタ１５や表示器１２やタッチパネル１４等を制御する情報制御部、１８は被験者が運動負荷を測定する際に座る椅子である。
【００３３】
図２はこの発明の実施の形態１による運動負荷調節装置の動力制御部と情報制御部との構成を示す回路図であり、図において、図１と同一の符号については同一または相当部分を示すので説明を省略する。１０ａは発電機１０を直流ブラシレスサーボモータとして使用する際の回転子の磁極位置を検出する磁極位置センサで、三相の場合は１２０度毎に３個使用される。１０ｂは発電機のフレームや巻線等に取り付けて発電機の温度を検出する温度センサである。
【００３４】
また、運動負荷調節装置本体１内の動力制御部１１は次のように構成されている。１１ａはマイクロコンピュータ等で構成される演算制御部、１１ｂはダイオードＤ１で三相ダイオードブリッジＤＳを構成し、三相ダイオードブリッジＤＳと並列に接続するパワートランジスタやＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子ＴＲ１で同様に構成された三相スイッチング素子ブリッジＴＳで構成された混合ブリッジ、１１ｃはサーボモータ制御部、１１ｄはパワートランジスタやＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子ＴＲ２と、発電機１０の電流を検出するための抵抗Ｒ１と、発電機１０の出力電圧検出用の分圧用抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３とスイッチング素子ＴＲ２の遮断時に発生するサージ電圧吸収用の非直線抵抗素子ＺＮで構成された運動負荷制御部を構成している。
【００３５】
また、１１ｅは磁極位置センサ１０ａの信号を用いて発電機１０の回転数を検出する回転数検出部、１１ｆは運動負荷制御を行うためのＰＷＭ制御部、１１ｇは異常通報やペダル回転数のペースメーカとしてのビープ音発生用のブザー、１１ｈは発電機１０の負荷制御か、発電機１０をサーボモータとして駆動トルクを発生させるかを切り替えるリレー等の切替スイッチ部であり、この切替スイッチ部１１ｈにより、切り替えたサーボモータ側には図示しない直流電源のＤＣ＋に接続されている端子ａとＤＣ−に接続されている端子ｂが接続されるようになっている。１１ｉは制御電源未投入や運動負荷を未制御中の発電機１０の出力を短絡するようにした短絡手段となるリレー等の短絡スイッチ部、１１ｊは制御電源未投入や運動負荷を未制御中発電機と混合ブリッジ１１ｂを切り離すようにした開放手段となるリレー等の開放スイッチ部、１１ｋは情報制御部１７との通信用インターフェイスである。なお、短絡スイッチ部１１ｉと開放スイッチ部１１ｊは併用しても単独に用いてもよい。
【００３６】
また、被験者の運動負荷の測定演算制御部としての情報制御部１７は以下のように構成されている。まず、１７ａは被験者の異常呼び出し、正常確認用等の入力信号や異常通報、異常表示用等の出力をする外部操作部、１７ｂは処理データ等を記憶するＦＤＤ、ＨＤＤ、ＩＣメモリ等の外部記憶部、１７ｃは被験者に運動負荷測定装置の操作説明等の音声、測定中にリラックスさせるためのバックグラウンドミュージック（以下、ＢＧＭ）等を発生させるスピーカ、１７ｄは運動負荷調節装置本体１の演算制御部１１ａと通信をするための通信用インターフェイス、１７ｅはバイタルセンサ２００のセンサ信号を受けて血圧／脈拍等を検出演算処理するバイタル情報処理部１６の信号と、外部操作部１７ａの信号と、タッチパネル１４の信号等を受けて演算処理して、表示器１２への表示、プリンタ１５への処理結果の印刷表示、運動負荷調節装置本体１への運動負荷指令出力等を制御するマイクロコンピュータ等で構成されている。
【００３７】
図３はこの発明の実施の形態１による運動負荷調節装置で用いられるバイタルセンサの構造を示す断面図、図４は図３のバイタルセンサで測定された脈拍毎の血圧波形を示す波形図であり、図において、２００は一般に間接的連続血圧測定法としてのトノメータ法として知られているバイタルセンサであり、被験者の手首等に装着して被験者の血圧／脈拍を測定する。２００ａは内側に空気圧室を持つセンサフレーム、２００ｂは圧力センサエレメント、２００ｃは圧力センサエレメント２００ｂの固定台、２００ｄはセンサーフレーム２００ａの内側の空気圧室を圧力センサエレメント２００ｂの固定台２００ｃで囲み、かつ固定台２００ｃを可動可能に取り付け密封するダイヤフラムである。
【００３８】
このバイタルセンサ２００の測定原理を説明すると、まず、バイタルセンサ２００を手首に取り付けると、圧力センサエレメント２００ｂが被験者の手首の皮膚２１０ａを通して、橈骨動脈の血管２１０ｂをセンサフレーム２００ａ内の空気圧室の圧力を受けて押圧する。これにより、橈骨動脈の血管２１０ｂは橈骨２１０ｃに挟まれて橈骨動脈の血管２１０ｂの圧力センサエレメント２００ｂ側が扁平となり、橈骨動脈の血管２１０ｂ内の１脈拍毎の血圧を圧力センサエレメント２００ｂが検出することとなる。この検出信号としては、図４に示されるような動脈波形が観測される。
【００３９】
次に動作について説明する。
図５はこの発明の実施の形態１による運動負荷調節装置を備える運動負荷測定装置全体の動作を示すフローチャートである。
まず、初期処理が実行されることにより、内部設定の運動負荷設定量、内部タイマー等がクリアされる（ステップＳＴ１）。また、必要に応じて、運動負荷調節装置本体の動力制御部１１へも通信指令を出して必要な設定量を指示しても良い。次に、被験者の年齢、性別、体重、運動効率、体力レベル、測定時間、血圧・脈拍・ＰＲＰ（Pressure Rate Product：脈拍数と収縮期血圧の積）等の目標値や前回測定値や測定値のトレンド等の各種設定を行う（ステップＳＴ２）。そして、運動療法の測定モードの選択を行い（ステップＳＴ３）、定出力運動負荷の出力値を設定し（ステップＳＴ４）、定トルク運動負荷のトルク値を設定する（ステップＳＴ５）。
【００４０】
次に、各種目標値の選択を行い（ステップＳＴ６）、血圧の目標値をステップＳＴ２で入力した値を読み込むとともに（ステップＳＴ７）、脈拍の目標値をステップＳＴ２で入力した値を読み込み（ステップＳＴ８）、ＰＲＰの目標値をステップＳＴ２で入力した値を読み込む（ステップＳＴ９）。次に、バイタルセンサからのデータを読み取り（ステップＳＴ１０）、脈波データから脈波振幅、脈波微分値、脈波振幅の時間波形信号、収縮期血圧、拡張期血圧、平均血圧、脈拍数、収縮期血圧と脈拍数との積（ＰＲＰ）等のバイタル情報を演算し、更に、脈拍数、血圧、ＰＲＰの時間変化と変曲点の算出をする（ステップＳＴ１１）。
【００４１】
次に、ステップＳＴ７、ＳＴ８、ＳＴ９で読み込んだ目標値とステップＳＴ１１で算出した実測値と比較し（ステップＳＴ１２）、実測値が目標値より大きくなった場合は、運動負荷量を所定量減じる（ステップＳＴ１３）。一方、実測値が目標値より小さい場合は、負荷モードがランプ出力負荷か否かを判断する（ステップＳＴ１４）。そして、負荷モードがランプ出力負荷である場合、又は運動負荷を増加させると判断した場合は、運動負荷量を所定量増やす（ステップＳＴ１５）。一方、ステップＳＴ１４で負荷モードがランプ出力負荷で無い場合又は運動負荷量を変更せず継続すると判断した場合は、運動負荷量を変化させずにステップＳＴ１６へ進む。
【００４２】
次に、ステップＳＴ１６においては、ステップＳＴ１３又はステップＳＴ１５で設定された運動負荷量を設定値として運動負荷調節装置本体１の制御部で受信し、運動負荷調節を行う（ステップＳＴ１６）。なお、詳細動作については、図６のフローチャートに基づき後述する。そして、ＣＲＴ、液晶等の表示器１２やプリンタ１５に表示し（ステップＳＴ１７）、必要によってはＦＤＤ、ＨＤＤ、ＩＣメモリ等の外部記憶部１７ｂに記憶させたり、外部操作部１７ａに信号出力を送ったり、音声や音楽をスピーカ１７ｃで鳴らしたりする。
【００４３】
次に、異常発生の有無を判定し（ステップＳＴ１８）、異常が無ければ、更に設定時間内かどうか判定し（ステップＳＴ１９）、設定時間内であれば、再びステップＳＴ１０へ進み、上記処理を繰り返す。一方、ステップＳ１８で異常が発生していた場合は、異常内容を表示器等に表示し（ステップＳＴ２０）、全ての運動負荷測定装置の動作の停止処理を行い、終了する（ステップＳＴ２１）。また、ステップＳＴ１９で設定時間となっている場合には、ステップＳＴ２０での表示処理を実行することなく、全ての運動負荷測定装置の動作の停止処理を行い、終了する（ステップＳＴ２１）。なお、停止処理としては、各種演算結果の図示しない内部記憶装置への格納、運動負荷を除々に減少させるクールダウン処理等も行う。
【００４４】
次に、ステップＳＴ３でランプ出力負荷が選択された場合には、ランプ出力負荷の最大値、ランプ出力負荷の時間当たりの運動負荷の増加率等が設定され（ステップＳＴ２２）、この測定が運動処方用かどうか判断され（ステップＳＴ２３）、運動療法であれば、ステップＳＴ６に進み上述の動作となる。一方、運動処方であれば、バイタルセンサからのデータを読み取り（ステップＳＴ２４）、脈波データから脈波振幅、脈波微分値、脈波振幅の時間波形信号、収縮期血圧、拡張期血圧、平均血圧、脈拍数、収縮期血圧と脈拍数との積（ＰＲＰ）等のバイタル情報を演算し、更に、脈拍数、血圧、ＰＲＰの時間変化と変曲点の算出をする（ステップＳＴ２５）。
【００４５】
次に、運動負荷量を所定量増やし（ステップＳＴ２６）、運動負荷調節装置本体１の制御部で受信し、運動負荷調節を行う（ステップＳＴ２７）。そして、ＣＲＴ、液晶等の表示器１２やプリンタ１５に表示し（ステップＳＴ２８）、必要によってはＦＤＤ、ＨＤＤ、ＩＣメモリ等の外部記憶部１７ｂに記憶させたり、外部操作部１７ａに信号出力を送ったり、音声や音楽をスピーカ１７ｃで鳴らしたりする。
【００４６】
そして、異常発生の有無を判定し（ステップＳＴ２９）、異常が発生した場合はステップＳＴ２０へ進む。一方、異常が発生していない場合は、ステップＳＴ２５で演算算出されたＰＲＰの変曲点が得られたかどうか判断し（ステップＳＴ３０）、変曲点が得られていない場合は、運動負荷量が最大設定値になったかどうか判断し（ステップＳＴ３１）、最大設定値になっている場合は、ステップＳ２１へ進み停止処理を行い終了する。一方、最大設定値になっていない場合は、ステップＳＴ２４へ進み、上述の動作を繰り返す。
【００４７】
次に、運動負荷調節装置の動作を説明する。
図６はこの発明の実施の形態１による運動負荷調節装置の動作を示すフローチャートである。
まず、初期処理が実行され（ステップＳＴ６１）、入力、及び各種出力を設定するが、ここで切替スイッチ部１１ｈを発電機出力側へ、短絡スイッチ部１１ｉを発電機１０の出力を短絡する側へ、ＰＷＭ制御部１１ｆの出力をＯＦＦに設定する。また、発電機１０の出力電圧定数、巻線抵抗、インダクタンス、機械的増速率等も必要に応じて設定する。次に、運動負荷測定装置の制御部で設定された運動負荷量の設定値、運転開始信号を読み込み（ステップＳＴ６２）、運動負荷制御開始かどうか判断する（ステップＳＴ６３）。そして、制御開始を待ち、制御開始で短絡スイッチ部１１ｉのリレーをＯＮして発電機出力の短絡を解除し（ステップＳＴ６４）、発電機１０の温度を検出し、補正値を算出する（ステップＳＴ６５）。
【００４８】
ここで、発電機１０の巻線抵抗の温度補正後の巻線抵抗値Ｒｔは、
Ｒｔ＝Ｒ２０［１＋ｋ２０（ｔ−２０）］                  ・・・（１）
Ｒ２０：２０度Ｃの抵抗値
ｋ２０：２０度Ｃの抵抗の温度係数
ｔ：測定時の巻線推定温度
【００４９】
次に、発電機１０の回転子の永久磁石の温度係数による発電電圧の温度補正後の発電電圧Ｅｔは、
Ｅｔ＝Ｅ２０［１−ｊ２０（ｔ−２０）］                  ・・・（２）
Ｅ２０：２０度Ｃの出力電圧
ｊ２０：２０度Ｃの電圧温度係数
ｔ：測定時の回転子の永久磁石の推定温度
なお、サーボモータの駆動トルク出力は、電流検出によるフィードバックがなされており補正を特別には必要無いが、上記推定温度により、補正しても良い。
【００５０】
次に、サーボモータの回転子の磁極位置センサ信号により、発電機１０の回転数を検出し、併せて、ペダル軸の回転数を機械的増速率の比率より算出する（ステップＳＴ６６）。尚、磁極位置センサ信号により発電機１０の回転角度も同様に検出することができる。従って、ペダル軸の回転角度も機械的増速率の比率より同様に算出することができる。次に、ステップＳＴ６２で読み込んだ運動負荷設定値と運動負荷調節装置のペダル軸から発電機軸までの増速部を含めた機械損と比較して（ステップＳＴ６７）、機械損の方が大きい場合は、発電機１０をサーボモータとして動作するように発電機１０、サーボモータ切替スイッチ部のスイッチをサーボモータ駆動側に切替、図示しない直流電源に発電機を接続して、駆動出力トルクを発生させペダル軸の運動負荷を補償することにより（ステップＳＴ６８）、設定値に精度良く運動負荷量を合わせる。  ペダル軸換算の補償出力トルクは、
【００５１】
ＴＭ＝（Ｐ−ＰＭ）／Ｎ                                  ・・・（３）
Ｐ：運動負荷設定出力（Ｗ）
Ｎ：ペダル軸の回転数
ＰＭ：ペダル軸でのＮ回転における機械損
【００５２】
ＰＭ＝１．０２７×Ｎ×ＴＮ                              ・・・（４）
ＴＮ＝Ｔ０＋ＫＭ×Ｎ                                    ・・・（５）
ＴＮ：ペダル軸でのＮ回転における機械損トルク
Ｔ０：ペダル軸回転がほぼ停止状態の動（静摩擦）トルク
ＫＭ：動（動摩擦）トルクの回転数当たりの増加比例係数
【００５３】
ステップＳＴ６７で設定値の方が機械損より大きい場合は、発電機１０をサーボモータへ切り替える切替スイッチ部のスイッチを発電機側に接続し、発電機１０の出力をダイオードブリッジで整流し、負荷制御部でＰＷＭ制御をして運動負荷を制御する（ステップＳＴ６９）。このような制御を行うことにより、運動負荷設定値は機械損未満の所定の値から設定最大負荷までの範囲で設定されることになる。
ここで、発電機の負荷は、設定値から機械損を引いた差分であるから、
【００５４】
ＰＥ＝Ｐ−ＰＭ                                          ・・・（６）
ＰＥ：発電機の電気的負荷
【００５５】
従って、発電機の電気的負荷は
ＰＥ＝（ＩＤ＾２×Ｒｔ）／（２×Ｋ１）                  ・・・（７）
ＩＤ＝ＥＤ／Ｚｔ                                        ・・・（８）
ＥＤ＝ＫＥｔ×ｎ×６＾０．５                            ・・・（９）
ｆ＝（ＰＯＬ×ｎ）／１２０                            ・・・（１０）
Ｋ２＝ｎ／Ｎ                                          ・・・（１１）
Ｚｔ＝（（６．２８×ｆ×Ｌ）＾２＋Ｒｔ＾２）＾０．５  ・・・（１２）
ＩＤ：三相全波整流後電流
Ｒｔ：発電機の１相分抵抗
Ｋ１：三相全波整流波形率
ＥＤ：三相全波整流後電圧
Ｚｔ：発電機の１相分インピーダンス
ＫＥｔ：発電機発電電圧定数（温度補正後）
ｎ：発電機回転数
ｆ：発電機の発電周波数
ＰＯＬ：発電機の極数
Ｋ２：機械的増速率
Ｌ：発電機の１相分インダクタンス
【００５６】
以上に算出された電気的負荷に基づきＰＷＭ制御により、発電機の負荷制御は実施されるが、上述のように交流発電機を使用して発電機出力を直接スイッチング素子で開閉すると発電機のインダクタンス分による電流の立ち上がり遅れが大きく発生するため、ＰＷＭ制御の周期をペダル回転に負荷の脈動が影響しない早さまで早くすると（ＰＷＭ制御周期で約８ｍ秒以下）発電機のＬ／Ｒ時定数の影響で制御負荷の小さい領域で設定値より小さい負荷となってしまうため、ＰＷＭ制御のＯＮ時間に補正係数Ｋ３を乗算して直線性の補正をする。
なお、設定負荷値に対する直線性補正係数は、
【００５７】
Ｋ３＝矩形波実効電力／実際の実効電力                  ・・・（１２）
となる。
【００５８】
次に、ペダルに於ける運動負荷量は、上述のようにＰ＝１．０２７×Ｎ×Ｔとなるために、定出力制御の場合、ペダル軸の回転トルクが回転数に反比例して重くなるため、低速では異常に重くなり、高速では異常に軽くなると言う現象が発生する。運動負荷測定をする場合、測定精度を上げるため極力一定速でペダル２を回転させる必要があるが、前述のような特性のためペダル回転数を一定速に保ちにくい。そのため、回転数の判別を実施する（ステップＳＴ７０）。
なお、回転数の下限（約４０回転）と上限（約７０回転）の間は定出力制御そのままとなるのでステップＳＴ７３へ進む。
【００５９】
ステップＳＴ７０での判断の結果、回転数の下限未満では定トルク負荷制御（即ち、回転数に関係なくトルク一定となるため運動負荷が減少し、回転が維持し易くなる）とし（ステップＳＴ７１）、回転数の上限超過で上限時の負荷設定値の算出パルス幅で一定とする負荷制御（即ち、トルク固定するため回転数を上げると運動負荷量が多くなり、回転が下がり回転が維持される）とする（ステップＳＴ７２）。次に、装置の通信異常や、発電機１０の電流値に基づいて運動負荷の制御異常等を判別し（ステップＳＴ７３）、アラーム出力を主制御部へ送出し（ステップＳＴ７４）、制御を中止し、無負荷の状態へ移行する（ステップＳＴ７５）。そして、短絡スイッチ部１１ｉのスイッチで発電機の出力を短絡する（ステップＳＴ７６）。
【００６０】
一方、ステップＳＴ７３で異常が無かった場合は、ステップＳＴ７７で主制御部へ回転数データ等を送信し（ステップＳＴ７７）、また、ペダル回転数を一定速に保ちやすくするためのペースメーカ用ビープ音をブザーより発生させて（ステップＳＴ７８）、ステップＳＴ６２へ進み、上述の動作を繰り返す。
以上、本発明の実施の一形態を説明したが、この他に例えば、運動負荷制御部１１ｄのスイッチング素子ＴＲ２に替えて、混合ブリッジ１１ｂ内の三相スイッチング素子ブリッジＴＳを使用して運動負荷制御を行うようにしてもよい。この場合には、三相ダイオードブリッジＤＳにより整流した後、ＯＮ／ＯＦＦのスイッチングをしてもよく、また、三相出力を直接スイッチングしてもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、運動調節装置として、被験者によって与えられる駆動力を伝達する駆動力伝達部と、駆動力伝達部からの駆動力に対して運動負荷を付与する運動負荷発生部と、駆動力伝達部からの駆動力に対して駆動力伝達部から運動負荷発生部までの機械損を減少させる補助力を付与する補助力発生部と、機械損と、予め設定された運動負荷設定値とを比較し、機械損が運動負荷設定値より大きい場合、機械損と運動負荷設定値との差分を補う値を補助力として付与するよう補助力発生部を制御する動力制御部とを備えたので、機械損より小さい運動負荷の設定ができる効果がある。
【００６２】
この発明によれば、運動負荷発生部と補助力発生部を共用したので、これらの設置スペースが少なくて済み、低コスト化および小形化を図ることができる。
【００６３】
この発明によれば、動力制御部は、運動負荷設定値が機械損より大きい場合、運動負荷発生部で付与する運動負荷の値として、運動負荷設定値から機械損の値を除いて演算するようにしたので、付与する運動負荷の値として、機械損を補正した精度の良い測定ができる効果がある。
【００６４】
この発明によれば、運動負荷設定値を、機械損以下の値から設定最大負荷までの範囲で設定するようにしたので、運動負荷の設定値をほぼ０から機械損を超えた最大負荷まで連続して設定できる効果がある。
【００６５】
この発明によれば、補助力はサーボモータを用いて付与するようにしたので、小形で精度の良い補助力を付与することができる効果がある。
【００６６】
この発明によれば、運動負荷は発電機を用いて付与するようにしたので、安価で精度の良い運動負荷の設定ができる効果がある。
【００６７】この発明によれば、運動負荷発生部の回転数を検出する回転数検出部を設け、動力制御部は、回転数検出部で検出された回転数に基づいて、運動負荷発生部の回転数による負荷特性の変化を補正するようにしたので、回転数が変動しても精度の良い負荷特性が得られる効果がある。
【００６８】
この発明によれば、運動負荷発生部の温度を検出する温度検出手段を設け、動力制御部は、温度検出手段で検出された温度に基づいて、運動負荷発生部の温度による負荷特性の変化を補正するようにしたので、運動負荷発生部の温度が変動しても指定の運動負荷を安定して与えることができる効果がある。
【００６９】
この発明によれば、駆動力伝達部は被験者が回転駆動力を与えるための回転駆動部を有するものであり、動力制御部は、運動負荷発生部で得られる発生負荷と駆動力伝達部より伝達される駆動力に基づいて、回転駆動部の回転数または回転角度を算出するようにしたので、回転駆動部の回転数や回転角度の検出として特別のセンサが不要で、構成を簡素化することができ、低コスト化に寄与することができる効果がある。
【００７０】
この発明によれば、動力制御部は、回転駆動部の下限回転数または上限回転数が設定された場合、前記回転駆動部の回転数が前記下限回転数の設定値より低い場合は、運動負荷の減少を行い、前記回転駆動部の回転数が前記上限回転数を超えた場合は、運動負荷が増加するよう制御を行うようにしたので、回転駆動部の回転数を一定に保持することが容易にでき、運動負荷測定が精度良くできる効果がある。
【００７１】
この発明によれば、動力制御部は、ランプ出力負荷のモードが設定された場合、運動負荷設定値を機械損より小さい負荷から設定最大負荷までの間の任意の範囲を連続して増加または減少させて制御を行うようにしたので、運動負荷設定値をほぼ０から機械損を超えた最大負荷まで連続して設定できる効果がある。
【００７２】
この発明によれば、機械損は、回転駆動部の回転がほぼ停止状態の摩擦と、回転数に応じて増加する摩擦との含んだものであるようにしたので、運動負荷設定値に対する回転数による影響を改善することができ、運動負荷測定を正確に行える効果がある。
【００７３】
この発明によれば、発電機の巻線の出力端を短絡する短絡手段を設け、動力制御部は、制御オフ時または運動負荷制御を行わない場合は、短絡手段で前記発電機の出力を短絡するようにしたので、制御電源が入っていないときや、制御開始前でも被験者が勝手に高速回転にしたりして発電機の出力電圧が異常に高くなっても、内部の半導体制御素子を破壊したりすることを防止することができる効果がある。
【００７４】
この発明によれば、発電機の巻線の出力端を開放する開放手段を設け、動力制御部は、制御オフ時または運動負荷制御を行わない場合は、開放手段で発電機の出力を開放するようにしたので、制御電源が入っていないときや、制御開始前でも被験者が勝手に高速回転にしたりして発電機の出力電圧が異常に高くなっても、内部の半導体制御素子を破壊したりすることを防止することができる効果がある。
【００７５】
この発明によれば、動力制御部は、運動処方が選択された場合は、被験者から各種バイタル情報を取得するために被験者に機械損以下から最大設定値までのランプ運動負荷を与え、運動療法が選択された場合は、運動処方に基づき運動負荷条件を設定して療法を行う運動療法のどちらかの制御を行うようにしたので、運動処方用、運動療法用の複数台の運動負荷調節装置を設置する必要がなく、設置スペースが節約できると共に、１台の装置で運動処方と運動療法の制御を行うことができる効果がある。
【００７６】
この発明によれば、運動負荷設定値を予め設定する工程と、被験者によって与えられる駆動力に対して運動負荷を付与する工程と、駆動力の伝達部から運動負荷の発生部までの機械損を決定する工程と、機械損と運動負荷設定値とを比較する工程と、機械損が運動負荷設定値より大きい場合、機械損と運動負荷設定値との差分を補う値を補助力として付与するよう制御する工程とを備えたので、機械損より小さい運動負荷の設定ができる効果がある。
【００７７】
この発明によれば、被験者によって与えられる回転駆動力に対する運動負荷を予め設定生成する工程と、回転駆動力を与えるための回転駆動部の下限回転数または上限回転数を設定する工程と、被験者の回転駆動力に基づく回転駆動部の実際の回転数と下限回転数または上限回転数とを比較する工程と、実際の回転数が下限回転数より低い場合に運動負荷を減少させる工程と、実際の回転数が上限回転数を超えた場合に運動負荷を増加するよう制御を行う工程とを備えたので、回転駆動部の回転数を一定に保持することが容易にでき、運動負荷測定が精度良くできる効果がある。
【００７８】
この発明によれば、ランプ出力負荷のモードを設定する工程と、ランプ出力負荷のモードが設定された場合、運動負荷設定値を機械損より小さい負荷から設定最大負荷までの間の任意の範囲を連続して増加または減少させて制御を行う工程とを備えたので、運動負荷設定値をほぼ０から機械損を超えた最大負荷まで連続して設定できる効果がある。
【００７９】
この発明によれば、運動処方が選択された場合に行われ、被験者から各種バイタル情報を取得するために当該被験者に機械損以下から最大設定値までのランプ運動負荷を与える制御と、運動療法が選択された場合に行われ、前記運動処方に基づき運動負荷条件を設定して運動療法を行う制御のどちらかの制御を行う工程を備えたので、運動処方用、運動療法用の複数台の運動負荷調節装置を設置する必要がなく、設置スペースが節約できると共に、１台の装置で運動処方と運動療法の制御を行うことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による運動負荷調節装置を備える運動負荷測定装置を示す側面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による運動負荷調節装置の動力制御部と情報制御部との構成を示す回路図である。
【図３】この発明の実施の形態１による運動負荷調節装置で用いられるバイタルセンサの構造を示す断面図である。
【図４】図３のバイタルセンサで測定された脈拍毎の血圧波形を示す波形図である。
【図５】この発明の実施の形態１による運動負荷調節装置を備える運動負荷測定装置全体の動作を示すフローチャートである。
【図６】この発明の実施の形態１による運動負荷調節装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】従来の運動療法用腕固定装置を示す断面図である。
【符号の説明】
２  ペダル、１０  発電機、１１  動力制御部。