(57)【要約】【課題】操作ハンドルに対して与えられる負荷の態様を容易に変更することができ、一種類の装置で目的が異なる複数種類の運動を行うことができると共に、設置場所の省スペース化や導入コストの低減を図ることができる運動負荷制御装置を提供する。【解決手段】制御部１０は、セレクタ２６が検出部２１，２３や演算部２４，２９により検出または演算された複数の検出信号及び演算信号の中から何れか１つの信号を選択信号として選択すると、セレクタ２６により選択された信号に基づいて、夫々異なった態様の負荷をシャフト４に対して与えるようにモータ９を制御する。【選択図】図１
2007296070.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作ハンドルと共に回転するシャフトと、
前記シャフトに対して負荷を与える負荷装置と、
トルクセンサからのトルク信号に基づいて前記シャフトに作用するトルクの大きさを検出するトルク大きさ検出手段、回転センサからの回転信号に基づいて前記シャフトの回転速度を検出する回転速度検出手段及び前記トルクセンサからのトルク信号に基づいて前記シャフトに作用するトルクの変化率を演算するトルク変化率演算手段のうち少なくとも２つの手段と、
前記少なくとも２つの手段により検出または演算された少なくとも２つの値の中から何れか１つの値を選択値として選択するセレクタと、
前記セレクタにより選択された選択値に基づいて前記負荷装置を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記セレクタにより選択された選択値が前記トルク大きさ検出手段により検出された前記シャフトに作用するトルクの大きさである場合には、前記シャフトに作用するトルクの大きさに基づいて大きさが一定となる負荷を前記シャフトに対して与えるように前記負荷装置を制御し、前記セレクタにより選択された選択値が前記回転速度検出手段により検出された前記シャフトの回転速度である場合には、前記シャフトの回転速度に追従して大きさが変化する負荷を前記シャフトに対して与えるように前記負荷装置を制御し、前記セレクタにより選択された選択値が前記トルク変化率演算手段により演算された前記シャフトに作用するトルクの変化率である場合には、前記シャフトに作用するトルクの変化率に追従して大きさが変化する負荷を前記シャフトに対して与えるように前記負荷装置を制御することを特徴とする運動負荷制御装置。
【請求項２】
前記トルク大きさ検出手段により検出された前記シャフトに作用するトルクの大きさ及び前記回転速度検出手段により検出された前記シャフトの回転速度に基づいて運動負荷の仕事率を演算する仕事率演算手段を備え、
前記セレクタは、前記トルク大きさ検出手段、前記回転速度検出手段、前記トルク変化率演算手段及び前記仕事率演算手段のうち少なくとも２つの手段により検出または演算された少なくとも２つの値の中から何れか１つの値を選択値として選択し、
前記制御手段は、前記セレクタにより選択された選択値が前記仕事率演算手段により演算された運動負荷の仕事率である場合には、前記運動負荷の仕事率に追従して大きさが変化する負荷を前記シャフトに対して与えるように前記負荷装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の運動負荷制御装置。
【請求項３】
前記仕事率演算手段により演算された運動負荷の仕事率に基づいて前記シャフトの運動エネルギーを演算する運動エネルギー演算手段を備え、
前記制御手段は、前記運動エネルギー演算手段により演算された前記シャフトの運動エネルギーが異常値よりも大きくなったときに、前記シャフトに対して与える負荷の大きさを小さくするようにまたは前記シャフトに対して負荷を与えることを停止するように前記負荷装置を制御することを特徴とする請求項２に記載の運動負荷制御装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記トルク大きさ検出手段により検出された前記シャフトに作用するトルクの大きさが異常値よりも大きくなったときに、前記シャフトに対して与える負荷の大きさを小さくするようにまたは前記シャフトに対して負荷を与えることを停止するように前記負荷装置を制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の運動負荷制御装置。
【請求項５】
前記トルクセンサは、前記シャフトの外周面に設けられた磁歪材と前記磁歪材の透磁率の変化をインダクタンスの変化として検出する検出コイルとを有する磁歪式のトルクセンサから構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の運動負荷制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、錘や油圧シリンダ或いはモータなどの負荷手段により、ユーザが操作する操作ハンドルに対して負荷が与えられる構成の運動負荷制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人の筋力トレーニングに供されるトレーニング装置やリハビリに供されるリハビリ装置
などの運動負荷制御装置では、例えば錘や油圧シリンダなどの負荷手段により、ユーザが操作する操作ハンドルに対して負荷が与えられるようになっている。
【０００３】
負荷手段として錘を利用した運動負荷制御装置では、錘の重さにより、一定の大きさ（錘の重さに相当する大きさ）で一定の方向（錘を持ち上げる方向）の負荷が操作ハンドルに対して与えられる。一方、負荷手段として油圧シリンダを利用した運動負荷制御装置では、操作ハンドルの動きに対して油圧シリンダが発生する反発力により、操作ハンドルの動きに応じて変化する負荷が操作ハンドルに対して与えられる。
【０００４】
また、近年では、負荷手段として、例えばモータからなる負荷装置を利用した運動負荷制御装置が考えられている。この種のものでは、操作ハンドルの動きに対してモータが抵抗を加えることにより、操作ハンドルに対して負荷が与えられる。この場合、モータの駆動をトルクセンサや回転センサの検出値に基づいて制御することにより、操作ハンドルに対して与えられる負荷を定量的に調整することができる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２７９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したように、運動負荷制御装置に利用する負荷手段の種類によって、操作ハンドルに対して与えられる負荷の態様が異なってくる。そのため、ユーザは、運動の目的（例えば、一定の大きさの負荷で筋力を増強する目的やユーザの操作力に応じた負荷でリハビリを行う目的など）に応じて、その目的に適した負荷の態様で運動を行うことができる運動負荷制御装置を選択して使用する。
【０００６】
しかしながら、選択した一種類の運動負荷制御装置では、操作ハンドルに対して与えられる負荷の態様が、その運動負荷制御装置に利用されている負荷手段に対応したものに限られてしまい、目的が異なる運動を行おうとしても、その目的に適した負荷の態様で運動を行うことができない。そのため、目的が異なる運動を行う場合には、その運動の目的に応じて、使用する運動負荷制御装置を別の運動負荷制御装置（その目的に適した負荷の態様で運動を行うことができる運動負荷制御装置）に変更しなければならない。
【０００７】
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、操作ハンドルに対して与えられる負荷の態様を容易に変更することができ、一種類の装置で目的が異なる複数種類の運動を行うことができると共に、設置場所の省スペース化や導入コストの低減を図ることができる運動負荷制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の運動負荷制御装置は、操作ハンドルと共に回転するシャフトと、前記シャフトに対して負荷を与える負荷装置と、トルクセンサからのトルク信号に基づいて前記シャフトに作用するトルクの大きさを検出するトルク大きさ検出手段、回転センサからの回転信号に基づいて前記シャフトの回転速度を検出する回転速度検出手段及び前記トルクセンサからのトルク信号に基づいて前記シャフトに作用するトルクの変化率を演算するトルク変化率演算手段のうち少なくとも２つの手段と、前記少なくとも２つの手段により検出または演算された少なくとも２つの値の中から何れか１つの値を選択値として選択するセレクタと、前記セレクタにより選択された選択値に基づいて前記負荷装置を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記セレクタにより選択された選択値が前記トルク大きさ検出手段により検出された前記シャフトに作用するトルクの大きさである場合には、前記シャフトに作用するトルクの大きさに基づいて大きさが一定となる負荷を前記シャフトに対して与えるように前記負荷装置を制御し、前記セレクタにより選択された選択値が前記回転速度検出手段により検出された前記シャフトの回転速度である場合には、前記シャフトの回転速度に追従して大きさが変化する負荷を前記シャフトに対して与えるように前記負荷装置を制御し、前記セレクタにより選択された選択値が前記トルク変化率演算手段により演算された前記シャフトに作用するトルクの変化率である場合には、前記シャフトに作用するトルクの変化率に追従して大きさが変化する負荷を前記シャフトに対して与えるように前記負荷装置を制御することに特徴を有する。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の運動負荷制御装置によれば、セレクタが、複数の手段（トルク大きさ検出手段、回転速度検出手段及びトルク変化率演算手段のうち少なくとも２つの手段）により検出または演算された複数の値（シャフトに作用するトルクの大きさ、シャフトの回転速度及びシャフトに作用するトルクの変化率のうち少なくとも２つの値）の中から何れか１つの値を選択値として選択し、制御手段が、セレクタにより選択された選択値に基づいて、夫々異なった態様の負荷をシャフトに対して与えるように負荷手段を制御する構成としたので、操作ハンドルに対して与えられる負荷の態様を容易に変更することができ、一種類の運動負荷制御装置で目的が異なる複数種類の運動を行うことができる。また、運動の目的ごとに複数の運動負荷制御装置を設ける必要がなく、運動負荷制御装置の設置場所の省スペース化や運動負荷制御装置の導入コストの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図２に示すように、運動負荷制御装置１の操作ハンドル２は、負荷発生装置３のシャフト４に連結されていて、図２中矢印Ａ１方向（ユーザから見て押し方向）及び矢印Ａ２方向（ユーザから見て引き方向）に回転するようになっている。また、運動負荷制御装置１には、操作ハンドル２の把持部２ａに挟まれるようにして、ユーザが着席するための椅子１ａが備えられていると共に、この椅子１ａに対向する位置に後述する表示部１８、モード選択部１９及び負荷設定部２０などを備えたコントロール部５が設けられている。
【００１１】
次に、負荷発生装置３の構成について図３を参照して説明する。
負荷発生装置３は、シャフト４、回転センサ６、トルクセンサ７、ギア機構８及びモータ９（負荷装置に相当）を備えて構成されている。
シャフト４の一端側（図３では左側）には、上記した操作ハンドル２の基部２ｂが連結されていて、操作ハンドル２が図２中矢印Ａ１，Ａ２方向に回転すると、この操作ハンドル２と共にシャフト４が図３中矢印Ａ１，Ａ２方向に回転するようになっている。一方、シャフト４の他端側（図３では右側）には、ギア機構８を介してモータ９の回転軸９ａが連結されていて、モータ９が駆動すると、シャフト４（操作ハンドル２）の図３中矢印Ａ１，Ａ２方向への回転に対して負荷が与えられるようになっている。
【００１２】
回転センサ６は、シャフト４にあって操作ハンドル２側に配置されていて、シャフト４の回転を検出して回転信号として制御部１０（制御手段に相当）に出力する。
トルクセンサ７は、シャフト４にあってギア機構８側（モータ９側）に配置されている。このトルクセンサ７は磁歪式のものであり、図４に示すように、シャフト４の外周面に設けられた第１の磁歪材１１及び第２の磁歪材１２と、この第１の磁歪材１１及び第２の磁歪材１２を囲繞するコイルホルダ１３と、このコイルホルダ１３に設けられた第１の検出コイル１４及び第２の検出コイル１５とを備えて構成されている。
【００１３】
第１の磁歪材１１及び第２の磁歪材１２には、シャフト４の回転方向（図４中矢印Ａ１，Ａ２方向）に対して左右対称に略４５度の角度で傾斜する複数本の凹部及び凸部が設けられている。コイルホルダ１３には、第１の磁歪材１１の周方向に沿って第１の検出コイル１４が配置され、第２の磁歪材１２の周方向に沿って第２の検出コイル１５が配置されている。第１の検出コイル１４と第２の検出コイル１５との間には仕切壁１６が設けられている。また、第１の磁歪材１１及び第２の磁歪材１２の外周面と第１の検出コイル１４及び第２の検出コイル１５の内周面との間にはエアギャップが形成されていて、シャフト４（第１の磁歪材１１及び第２の磁歪材１２）が回転しても、コイルホルダ１３（第１の検出コイル１４及び第２の検出コイル１５）は回転しないようになっている。コイルホルダ１３の外周部には、磁気シールド性を有するカバー１７が設けられている。
【００１４】
そして、操作ハンドル２が操作されてシャフト４にトルクが発生すると、第１の磁歪材１１及び第２の磁歪材１２のうち、一方の磁歪材には引張応力が作用し、他方の磁歪材には圧縮応力が作用するようになり、第１の磁歪材１１と第２の磁歪材１２との間に透磁率の差（変化）が発生する。すると、第１の検出コイル１４及び第２の検出コイル１５が、この透磁率の差をインダクタンスの変化として検出する。トルクセンサ７は、このインダクタンスの変化からシャフト４に作用するトルクを検出し、検出したトルクをトルク信号として制御部１０に出力する。
【００１５】
表示部１８は、制御部１０から入力された各種の検出信号や演算信号（後述する回転速度信号、トルク大きさ信号、トルク変化率信号、仕事率信号及び運動エネルギー信号）に応じた値を表示する。この場合、表示部１８は、例えば、操作ハンドル２に対して与えられる負荷の大きさを［Ｎ＊ｍ］や［ｋｇ］の単位で表示し、シャフト４の回転速度を［ｒａｄ／ｓｅｃ］や［ｍ／ｓｅｃ］の単位で表示し、シャフト４の運動エネルギーを［Ｊ］や［ｃａｌ］の単位で表示する。
【００１６】
モード選択部１９は、ユーザが図示しない負荷態様選択スイッチを操作することにより、操作ハンドル２（シャフト４）に与えられる負荷の態様（フィーリング）のモードを、
（１）シャフト４に作用するトルクの大きさに基づいて大きさが一定となる負荷が操作ハンドル２に対して与えられる負荷一定モード
（２）シャフト４に作用するトルクの変化率に追従して大きさが変化する負荷が操作ハンドル２に対して与えられるトルク変化率追従モード
（３）シャフト４の回転速度に追従して大きさが変化する負荷が操作ハンドル２に対して与えられる回転速度追従モード
（４）運動負荷の仕事率に追従して大きさが変化する負荷が操作ハンドル２に対して与えられる仕事率追従モード
の中から選択できるように構成されている。そして、選択された負荷の態様のモードを示す信号を負荷態様信号として制御部１０に出力する。また、モード選択部１９は、ユーザが図示しない負荷方向選択スイッチを操作することにより、操作ハンドル２（シャフト４）に対して与えられる負荷の方向のモードを、図２中矢印Ａ１方向の負荷が与えられる押し方向モード、図２中矢印Ａ２方向の負荷が与えられる引き方向モード、図２中矢印Ａ１方向及び矢印Ａ２方向の両方向の負荷が与えられる両方向モードの中から選択できるように構成されている。そして、選択された負荷の方向のモードを示す信号を負荷方向信号として制御部１０に出力する。
【００１７】
負荷設定部２０は、ユーザが図示しない操作ダイヤルを操作することにより、ユーザの所望する負荷の大きさを負荷設定信号として制御部１０に出力する。
【００１８】
次に、制御部１０の構成について図１を参照して説明する。
制御部１０において、上記した回転センサ６から出力された回転信号は回転速度検出部２１（回転速度検出手段に相当）及び回転方向検出部２２に与えられ、トルクセンサ７から出力されたトルク信号はトルク大きさ検出部２３（トルク大きさ検出手段に相当）、トルク変化率演算部２４（トルク変化率演算手段に相当）及びトルク方向検出部２５に与えられる。また、上記したモード選択部１９から出力された負荷態様信号はセレクタ２６に与えられ、モード選択部１９から出力された負荷方向信号は負荷方向制御部２７に与えられる。負荷設定部２０から出力された負荷設定信号はフィーリング設定部２８に与えられる。
【００１９】
回転速度検出部２１は、回転センサ６から入力された回転信号の電圧レベルを整流して、シャフト４の回転速度を示す回転速度信号としてセレクタ２６、積算器２９（仕事率演算手段に相当）及び表示部１８に出力する。回転方向検出部２２は、回転センサ６から入力された回転信号の極性を判別して、シャフト４の回転方向を示す回転方向信号として異常診断部３０に出力する。
【００２０】
トルク大きさ検出部２３は、トルクセンサ７から入力されたトルク信号の電圧レベルを整流して、シャフト４に作用するトルクの大きさを示すトルク大きさ信号としてセレクタ２６、積算器２９、異常診断部３０及び表示部１８に出力する。トルク変化率演算部２４は、トルクセンサ７から入力されたトルク信号の単位時間当たりの変化量（変化率）を演算して、シャフト４に作用するトルクの変化率を示すトルク変化率信号としてセレクタ２６及び表示部１８に出力する。トルク方向検出部２５は、トルクセンサ７から入力されたトルク信号の極性を判別して、シャフト４に作用するトルクの方向を示すトルク方向信号として負荷方向制御部２７に出力する。
【００２１】
負荷方向制御部２７は、モード選択部１９から入力された負荷方向信号及びトルク方向検出部２５から入力されたトルク方向信号に基づいて極性を制御した信号を、負荷方向指令信号としてモータ駆動回路３２に出力する。
【００２２】
上記した積算器２９は、回転速度検出部２１から入力された回転速度信号とトルク大きさ検出部２３から入力されたトルク大きさ信号とを式（１）により積算して運動負荷の仕事率を演算する。
運動負荷の仕事率＝回転速度信号の大きさ×トルク大きさ信号の大きさ・・・（１）
そして、演算した結果を運動負荷の仕事率を示す仕事率信号としてセレクタ２６、異常診断部３０、運動エネルギー演算部３１（運動エネルギー演算手段に相当）及び表示部１８に出力する。この場合、運動時間（ユーザが運動負荷制御装置１を用いて運動を行う時間）に対する運動負荷の仕事率の変化は、運動時間に対する負荷の大きさ（操作ハンドル２に対して与えられる負荷の大きさ）の変化（図５（ａ）参照）及び運動時間に対する操作速度（操作ハンドル２が操作される速度）の変化（図５（ｂ）参照）に応じて図５（ｃ）に示すように変化する。
【００２３】
運動エネルギー演算部３１は、積算器２９から入力された仕事率信号を式（２）により積分してシャフト４の運動エネルギーを演算する。
運動エネルギー＝∫（仕事率信号の大きさ）ｄｔ・・・（２）
そして、演算した結果をシャフト４の運動エネルギーを示す運動エネルギー信号として異常診断部３０及び表示部１８に出力する。この場合、運動時間に対する運動エネルギーの変化は、例えば図５（ｃ）に示すように運動負荷の仕事率が変化した場合では、図５（ｄ）に示すように運動時間の経過に伴って増加するように変化する。
【００２４】
セレクタ２６は、モード選択部１９から入力された負荷態様信号に基づいて、回転速度検出部２１から入力された回転速度信号、トルク大きさ検出部２３から入力されたトルク大きさ信号、トルク変化率演算部２４から入力されたトルク変化率信号及び積算器２９から入力された仕事率信号の中から何れか１つの信号を選択信号（選択値に相当）として選択してフィーリング設定部２８に出力する。
【００２５】
具体的に説明すると、セレクタ２６は、モード選択部１９から入力された負荷態様信号が回転速度追従モードを示す信号である場合には、回転速度検出部２１から入力された回転速度信号を選択信号として選択し、負荷態様信号が負荷一定モードを示す信号である場合には、トルク大きさ検出部２３から入力されたトルク大きさ信号を選択信号として選択する。また、セレクタ２６は、負荷態様信号がトルク変化率追従モードである場合には、トルク変化率演算部２４から入力されたトルク変化率信号を選択信号として選択し、負荷態様信号が仕事率追従モードを示す信号である場合には、積算器２９から入力された仕事率信号を選択信号として選択する。
【００２６】
フィーリング設定部２８は、セレクタ２６から入力された選択信号及び負荷設定部２０から入力された負荷設定信号に基づいて電圧レベルの大きさを制御した信号を、負荷大きさ指令信号としてモータ駆動回路３２に出力する。
【００２７】
モータ駆動回路３２は、フィーリング設定部２８から入力された負荷大きさ指令信号に基づいて電圧レベルの大きさを制御すると共に負荷方向制御部２７から入力された負荷方向指令信号に基づいて極性を制御した信号を、モータ駆動信号としてモータ９に出力する。このとき、モータ駆動回路３２は、モータ駆動信号の電圧レベルを負荷大きさ指令信号の大きさに対応した大きさに制御すると共にモータ駆動信号の極性を負荷方向指令信号の極性に対応した極性に制御する。モータ９は、モータ駆動回路３２から入力されたモータ駆動信号の電圧レベルに応じた回転力で且つモータ駆動信号の極性に応じた方向に回転することにより、シャフト４（操作ハンドル２）に対して負荷を与える。
【００２８】
次に上記した構成の作用について図６乃至図１２をも参照して説明する。ここでは、負荷の態様のモードとして、
（１）負荷一定モードが選択された場合
（２）トルク変化率追従モードが選択された場合
（３）回転速度追従モードが選択された場合
（４）仕事率追従モードが選択された場合
について順次説明する。
【００２９】
（１）負荷一定モードが選択された場合
最初に、負荷一定モードが選択された場合について、図６乃至図８を参照して説明する。尚、上記したように運動負荷制御装置１は負荷の方向のモードを選択可能に構成されていることから、押し方向モードが選択されている場合、引き方向モードが選択されている場合及び両方向モードが選択されている場合に場合分けをして説明する。
【００３０】
負荷一定モードにおいて押し方向モードが選択されている場合、フィーリング設定部２８は、図６（ａ）に基づいて、負荷大きさ指令信号の大きさをシャフト４に作用するトルクの大きさに基づいて大きさが一定となるように制御する。この場合、負荷設定信号の大きさが閾値ａよりも小さいときには、負荷設定信号の大きさに比例して負荷大きさ指令信号の大きさが増加し、負荷設定信号の大きさが閾値ａよりも大きいときには、負荷大きさ指令信号の大きさがそれ以上増加しないようになっている。また、負荷方向制御部２７は、負荷方向指令信号の極性をトルク方向信号の極性に対して反対方向（または同一方向）に制御する。従って、操作ハンドル２に対して与えられる負荷の大きさは、図６（ｂ）に示すように、シャフト４に作用するトルクの大きさに基づいて大きさが一定となり且つ押し方向の負荷が操作ハンドル２に対して与えられる。また、例えば運動時間がｔの時に、ユーザが所望する負荷の大きさを変更すると、変更後の大きさで一定となる負荷が操作ハンドル２に対して与えられる。
【００３１】
負荷一定モードにおいて引き方向モードが選択されている場合、フィーリング設定部２８は、図７（ａ）に基づいて、負荷大きさ指令信号の大きさを負荷設定信号の大きさに対応した一定の大きさとなるように制御する。また、負荷方向制御部２７は、負荷方向指令信号の極性をトルク方向信号の極性に対して反対方向（または同一方向）に制御する。従って、図７（ｂ）に示すように、シャフト４に作用するトルクの大きさに基づいて大きさが一定となり且つ引き方向の負荷が操作ハンドル２に対して与えられる。
【００３２】
負荷一定モードにおいて両方向モードが選択されている場合、フィーリング設定部２８は、図８（ａ）に基づいて、負荷大きさ指令信号の大きさを負荷設定信号の大きさに対応した一定の大きさとなるように制御する。また、負荷方向制御部２７は、負荷方向指令信号の極性をトルク方向信号の極性に対して反対方向及び同一方向に制御する。従って、図８（ｂ）に示すように、シャフト４に作用するトルクの大きさに基づいて大きさが一定となり且つ押し方向及び引き方向の両方向の負荷が操作ハンドル２に対して与えられる。
【００３３】
（２）トルク変化率追従モードが選択された場合
次に、トルク変化率追従モードが選択された場合について、図９及び図１０を参照して説明する。
【００３４】
トルク変化率追従モードにおいて押し方向モードが選択されている場合、フィーリング設定部２８は、図９（ａ）に基づいて、負荷大きさ指令信号の大きさをトルク変化率信号の大きさに追従（比例）するように制御する。この場合、負荷設定信号の大きさに応じて第１〜第３の基準値が設定されていて、負荷設定信号の大きさが大きく設定されたときには（負荷設定値が大きく設定されたときには）、トルク変化率が小さくても第１の基準値を超えれば、負荷大きさ指令信号の大きさが変化するようになっている。また、負荷方向制御部２７は、負荷方向指令信号の極性をトルク方向信号の極性に対して反対方向（または同一方向）に制御する。従って、操作ハンドル２に対して与えられる負荷の大きさは、図９（ｂ）に示すように、ユーザが操作ハンドル２を速く操作すると（シャフト４に作用するトルクの変化率が大きくなると）大きくなり（図９（ｂ）中左から１つ目のピーク参照）、ユーザが操作ハンドル２をゆっくり操作すると小さくなる（図９（ｂ）中左から２つ目のピーク参照）。また、操作ハンドル２に対して与えられる負荷の方向は押し方向となる。
【００３５】
尚、トルク変化率追従モードにおいても、引き方向モードが選択されている場合には、引き方向の負荷が操作ハンドル２に対して与えられ、両方向モードが選択されている場合には、押し方向及び引き方向の両方向の負荷が操作ハンドル２に対して与えられる。
【００３６】
また、トルク変化率追従モードにおいて、図１０（ａ）に基づいて、負荷大きさ指令信号の大きさを制御するようにしても良い。この場合、基準値が負荷設定信号の大きさに拘らず一定に設定されているが、負荷設定信号の大きさが大きいほど（負荷設定値が大きいほど）、負荷大きさ指令信号の大きさが大きく変化するようになっている。この場合も、トルク変化率信号が基準値を超えると負荷大きさ指令信号の大きさがトルク変化率信号の大きさに追従（比例）するように制御されることから、操作ハンドル２に対して与えられる負荷の大きさは、図１０（ｂ）に示すように、ユーザが操作ハンドル２を速く操作すると大きくなり、ユーザが操作ハンドル２をゆっくり操作すると小さくなる。
【００３７】
（３）回転速度追従モードが選択された場合
回転速度追従モードが選択された場合は、上記したトルク変化率追従モードが選択された場合と同じ動作となる。
【００３８】
（４）仕事率追従モードが選択された場合
最後に、仕事率追従モードが選択された場合について、図１１を参照して説明する。
仕事率追従モードにおいて押し方向モードが選択されている場合、フィーリング設定部２８は、図１１（ａ）に基づいて、負荷大きさ指令信号の大きさを仕事率信号の大きさに追従（比例）するように制御する。この場合、負荷設定信号の大きさが大きいほど（負荷設定値が大きいほど）、負荷大きさ指令信号の大きさの変化量が大きくなるようになっている。また、負荷方向制御部２７は、負荷方向指令信号の極性をトルク方向信号の極性に対して反対方向（または同一方向）に制御する。従って、操作ハンドル２に対して与えられる負荷の大きさは、図１１（ｂ）に示すように、ユーザが操作ハンドル２を操作してシャフト４にトルクが作用している間において連続的に変化する。また、操作ハンドル２に対して与えられる負荷の方向は押し方向となる。
【００３９】
尚、仕事率追従モードにおいても、引き方向モードが選択されている場合には、引き方向の負荷が操作ハンドル２に対して与えられ、両方向モードが選択されている場合には、押し方向及び引き方向の両方向の負荷が操作ハンドル２に対して与えられる。
【００４０】
上記した夫々の負荷の態様のモードにおいて、異常診断部３０は、回転方向検出部２２から入力された回転方向信号、トルク大きさ検出部２３から入力されたトルク大きさ信号、積算器２９から入力された仕事率信号及び運動エネルギー演算部３１から入力された運動エネルギー信号に基づいて、シャフト４に対して異常な負荷が与えられていないか否かを診断する。具体的に説明すると、異常診断部３０は、これらの４種の信号が与えられると、図１２に示す異常診断ルーチンを実行して、回転方向信号の極性（シャフト４の実際の回転方向）が負荷方向制御部２７から与えられた負荷方向指令信号（シャフト４に対して与えられる負荷の方向）の極性と一致するか否か（ステップＳ１）、トルク大きさ信号の大きさが予め設定された異常値を超えていないか否か（ステップＳ２）、仕事率信号の大きさが予め設定された異常値を超えていないか否か（ステップＳ３）、運動エネルギー信号の大きさが予め設定された異常値を超えていないか否か（ステップＳ４）を判断する。そして、異常診断部３０は、シャフト４に対して異常な負荷が与えられていると判断すると（上記したステップＳ１〜Ｓ４の何れかにて「ＮＯ」）、上記した負荷大きさ指令信号の大きさを減少させるための信号を減少指令信号としてフィーリング設定部２８に出力する（ステップＳ５）。
【００４１】
減少指令信号が与えられたフィーリング設定部２８は、負荷大きさ指令信号の大きさを減少させてモータ駆動回路３２に出力する。これにより、シャフト４に対して異常な負荷が与えられている場合には、モータ駆動信号の大きさが減少され、操作ハンドル２に対して与えられる負荷の大きさが減少するようになっている。
【００４２】
以上に説明したように本実施形態によれば、セレクタ２６が、複数の検出部や演算部（回転速度検出部２１、トルク大きさ検出部２３、トルク変化率演算部２４及び積算器２９）により検出または演算された複数の検出信号及び演算信号の中から何れか１つの信号を選択信号として選択し、制御部１０が、セレクタ２６により選択された信号に基づいて、夫々異なった態様の負荷をシャフト４に対して与えるようにモータ９を制御する構成としたので、操作ハンドル２に対して与えられる負荷の態様を容易に変更することができ、一種類の運動負荷制御装置１で目的が異なる複数種類の運動を行うことができる。また、運動の目的ごとに複数の運動負荷制御装置１を設ける必要がなく、運動負荷制御装置１の設置場所の省スペース化や運動負荷制御装置１の導入コストの低減を図ることができる。
【００４３】
また、検出部の種類や演算部の種類を増やしてセレクタ２６が選択可能な選択信号の種類を増やすことにより、操作ハンドル２に対して与えられる負荷の態様の種類を増やすことができ、一種類の運動負荷制御装置１で行うことができる運動の種類を更に増やすことができる。
【００４４】
また、異常診断部３０がシャフト４に対して異常な負荷が与えられていると判断した場合に、操作ハンドル２に対して与えられる負荷の大きさが小さくなるようにモータ９を制御することにより、例えば、シャフト４の運動エネルギーが異常値よりも大きくなったときやシャフト４に作用するトルクの大きさが異常値よりも大きくなったときに、ユーザが所定の運動量以上の運動を行ってしまうことや操作ハンドル２に対して過大な負荷が与えられてしまうことを回避することができる。これにより、ユーザの体力に適した運動量で運動を行うことができると共に、ユーザに過大な負荷が与えられてしまうことを未然に防止することができる。
【００４５】
また、異常診断部３０がシャフト４に対して異常な負荷が与えられていると判断した場合に、シャフト４に対して負荷を与えることを停止するようにモータ９を制御するようにしても良い。これにより、ユーザに過大な負荷が与えられてしまうことを、より確実に回避することができる。
【００４６】
また、シャフト４の外周面に設けられた磁歪材と当該磁歪材の透磁率の変化をインダクタンスの変化として検出する検出コイルとを有する磁歪式のトルクセンサ７を備えたので、シャフト４に作用するトルクの大きさをシャフト４に対して非接触で捩れなく検出することができる。これにより、シャフト４に作用するトルクの大きさの検出精度が向上し、モータ９の制御をより適切に行うことができる。また、シャフト４に対して非接触な構成であることから、シャフト４が摩耗などにより劣化や破損してしまうことを防止でき、信頼性を高めることができる。また、磁歪式のトルクセンサ７は、構造が簡単で非常に小型であるため、設置場所の省スペース化を図ることができる。
【００４７】
回転センサ６をトルクセンサ７よりも操作ハンドル２側に設けたので、トルクセンサ７に捩れが生じたとしても、捩れの影響を受けることなくシャフト４の回転速度を検出することができる。
【００４８】
尚、本発明は上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように拡張または変形することができる。
異常診断部３０に回転速度検出部２１が検出した回転速度信号やトルク変化率演算部２４が演算したトルク変化率演算信を入力可能に構成し、これらの信号も含めてシャフト４に対して異常な負荷が与えられていないか否かを診断するようにしても良い。
表示部１８にモード選択部１９からの負荷態様信号や異常診断部３０からの減少指令信号などの各種の信号を入力可能に構成し、選択された負荷の態様のモードや操作ハンドル２に対して異常な負荷が与えられている旨などの各種の情報を表示するように構成しても良い。
【００４９】
負荷大きさ指令信号の大きさを制御する際に、図６（ａ）のような負荷設定信号の大きさに対して負荷大きさ指令信号の大きさが比例するものではなく、例えば、負荷設定信号の大きさに対して負荷大きさ指令信号の大きさが曲線的に増加するものを用いても良い。これにより、負荷大きさ指令信号の大きさを、上記した実施形態とは異なる態様で制御することができ、一種類の運動負荷制御装置１で行うことができる運動の種類を更に増やすことができる。
【００５０】
図９（ａ）で示した基準値の数は３つに限られるものではなく、基準値の数を増減して負荷大きさ指令信号の大きさの制御を行うことが可能である。
上記した実施形態では、操作ハンドル２を操作する構成の運動負荷制御装置１に本発明を適用したものを示したが、ユーザが操作する部分の動きに連動してシャフト４が回転する構成のものであれば、例えば、ペダルを回転させる構成の運動負荷制御装置やリハビリ装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであり、制御部及びその周辺の構成を示す機能ブロック図
【図２】運動負荷制御装置の外観を概略的に示す斜視図
【図３】負荷発生装置及びその周辺の構成を示す機能ブロック図
【図４】トルクセンサの内部構成を示す縦断側面図
【図５】運動時間と操作ハンドルに対して与えられる負荷の大きさなどとの関係を示す図
【図６】負荷一定モードが選択され押し方向モードが選択された場合を説明するための図
【図７】負荷一定モードが選択され引き方向モードが選択された場合を説明するための図
【図８】負荷一定モードが選択され両方向モードが選択された場合を説明するための図
【図９】トルク変化率追従モードが選択され押し方向モードが選択された場合の一例を説明するための図
【図１０】トルク変化率追従モードが選択され押し方向モードが選択された場合の一例を説明するための図
【図１１】仕事率追従モードが選択され押し方向モードが選択された場合を説明するための図
【図１２】異常診断の内容を示すフローチャート
【符号の説明】
【００５２】
図面中、１は運動負荷制御装置、２は操作ハンドル、４はシャフト、６は回転センサ、７はトルクセンサ、９はモータ（負荷装置）、１０は制御部（制御手段）、１１，１２は磁歪材、１４，１５は検出コイル、２１は回転速度検出部（回転速度検出手段）、２３はトルク大きさ検出部（トルク大きさ検出手段）、２４はトルク変化率演算部（トルク変化率演算手段）、２６はセレクタ、２９は積算器（仕事率演算手段）、３１は運動エネルギー演算部（運動エネルギー演算手段）を示す。
【図１】
2007296070.tif 000003
【図２】
2007296070.tif 000004
【図３】
2007296070.tif 000005
【図４】
2007296070.tif 000006
【図５】
2007296070.tif 000007
【図６】
2007296070.tif 000008
【図７】
2007296070.tif 000009
【図８】
2007296070.tif 000010
【図９】
2007296070.tif 000011
【図１０】
2007296070.tif 000012
【図１１】
2007296070.tif 000013
【図１２】
2007296070.tif 000014