(57)【要約】【課題】負荷装置が発生する負荷が変動したとしても、操作ハンドルに与えられる負荷の大きさを一定に保つことができると共に、その一定に与えられる負荷の大きさを調整することができる負荷可変装置を提供する。【解決手段】制御回路８は、トルク指令値設定部７によりトルク指令値Ｓが設定された状態で、負荷装置５が発生する所定方向への負荷に抗して操作ハンドル３が所定方向と反対方向に操作されたときに、トルクセンサ６により検出されたトルクの大きさとトルク指令値Ｓとの大小に応じて、トルクセンサ６により検出されたトルクの大きさとトルク指令値Ｓとの差に相当する大きさで且つトルクセンサ６により検出されたトルクの方向と同一方向または反対方向へのトルクをシャフト４に発生させるようにモータ９を制御する。【選択図】図１
2007175170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作ハンドルと負荷装置とを連結するシャフトに作用するトルクの大きさ及び方向を検出するトルクセンサと、
トルク指令値を設定可能なトルク指令値設定手段と、
前記シャフトにトルクを発生させるモータと、
前記トルク指令値設定手段によりトルク指令値が設定された状態で、前記負荷装置が発生する所定方向への負荷に抗して前記操作ハンドルが前記所定方向と反対方向に操作されたときに、前記トルクセンサにより検出されたトルクの大きさと前記トルク指令値設定手段により設定されたトルク指令値とを比較すると共に前記トルクセンサにより検出されたトルクの方向を判定し、前記トルクセンサにより検出されたトルクの大きさが前記トルク指令値設定手段により設定されたトルク指令値よりも大きい場合には、前記トルクセンサにより検出されたトルクの大きさと前記トルク指令値設定手段により設定されたトルク指令値との差に相当する大きさで且つ前記トルクセンサにより検出されたトルクの方向と反対方向へのトルクを前記シャフトに発生させるように前記モータを制御するモータ制御手段とを備えたことを特徴とする負荷可変装置。
【請求項２】
前記モータ制御手段は、前記トルクセンサにより検出されたトルクの大きさが前記トルク指令値設定手段により設定されたトルク指令値よりも小さい場合には、前記トルクセンサにより検出されたトルクの大きさと前記トルク指令値設定手段により設定されたトルク指令値との差に相当する大きさで且つ前記トルクセンサにより検出されたトルクの方向と同一方向へのトルクを前記シャフトに発生させるように前記モータを制御することを特徴とする請求項１に記載の負荷可変装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷装置が発生する負荷が操作ハンドルに与えられるものについて、操作ハンドルに与えられる負荷を可変させる負荷可変装置に関する。
【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において、操作ハンドルに与えられる負荷の大きさは、錘の数を増減させることにより設定する構成のものが一般的である。このものにおいては、錘１つあたりの重さごとに段階的にしか負荷の設定ができず、木目細かい負荷の設定ができないものであった。
【０００３】
そこで、近年のトレーニング装置やリハビリ装置等では、操作ハンドルに負荷を与える手段として錘を用いるのではなく、負荷装置が発生する負荷が操作ハンドルに与えられるように構成すると共に、操作ハンドルに与えられる負荷を可変させる負荷可変装置を用いるものが考えられている。
【０００４】
この種の負荷可変装置として、例えば特許文献１に記載されているものは、負荷装置により回転される入力用シャフトと操作ハンドルと共に回転可能な出力用シャフトとが結合装置を介して連結されていて、操作ハンドルが操作されると、操作ハンドルに発生したトルクや操作ハンドルの回転角度が物理諸量検出器により検出され、この検出結果に基づいて結合装置の通電量が増減されるようになっている。
【０００５】
このとき、結合装置の通電量が増加されると、入力用シャフトと出力用シャフトとの間の結合度が強まることから、負荷装置が発生する負荷が入力用シャフト及び出力用シャフトを介して操作ハンドルに伝わりやすくなり、操作ハンドルに与えられる負荷が大きくなる。逆に、結合装置の通電量が減少されると、入力用シャフトと出力用シャフトとの間の結合度が弱まることから、負荷装置が発生する負荷が入力用シャフト及び出力用シャフトを介して操作ハンドルに伝わりにくくなり、操作ハンドルに与えられる負荷が小さくなる。これにより、ユーザが操作ハンドルを操作すると、操作ハンドルに発生したトルクや操作ハンドルの回転角度に応じて操作ハンドルに与えられる負荷が連続的に変化するようになっている。
【特許文献１】特開平５−１８０２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した構成の負荷可変装置において、操作ハンドルに与えられる負荷は、結合装置の通電量（入力用シャフトと出力用シャフトとの間の結合度）に依存している。しかしながら、この結合装置は、例えば、熱や摩耗によって特性が変化する場合があり、このような場合には、通電量が一定に保たれたとしても、負荷装置が発生する負荷が変動してしまい、操作ハンドルに与えられる負荷を一定に保つことが困難であった。
【０００７】
また、例えば、この種の負荷可変装置を用いたトレーニング装置やリハビリ装置を使用する場合、ユーザにとっては所望する負荷でトレーニングやリハビリを行いたいというニーズがあるが、上記した構成の負荷可変装置では、操作ハンドルに与えられる負荷の大きさは、操作ハンドルに発生したトルクや操作ハンドルの回転角度に基づいてのみ変化する構成であることから、ユーザの所望する大きさに調整することはできず、ユーザのニーズに応えられない場合があった。
【０００８】
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、負荷装置が発生する負荷が変動したとしても、操作ハンドルに与えられる負荷の大きさを一定に保つことができると共に、その一定に与えられる負荷の大きさを調整することができる負荷可変装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の負荷可変装置は、操作ハンドルと負荷装置とを連結するシャフトに作用するトルクの大きさ及び方向を検出するトルクセンサと、トルク指令値を設定可能なトルク指令値設定手段と、前記シャフトにトルクを発生させるモータと、前記トルク指令値設定手段によりトルク指令値が設定された状態で、前記負荷装置が発生する所定方向への負荷に抗して前記操作ハンドルが前記所定方向と反対方向に操作されたときに、前記トルクセンサにより検出されたトルクの大きさと前記トルク指令値設定手段により設定されたトルク指令値とを比較すると共に前記トルクセンサにより検出されたトルクの方向を判定し、前記トルクセンサにより検出されたトルクの大きさが前記トルク指令値設定手段により設定されたトルク指令値よりも大きい場合には、前記トルクセンサにより検出されたトルクの大きさと前記トルク指令値設定手段により設定されたトルク指令値との差に相当する大きさで且つ前記トルクセンサにより検出されたトルクの方向と反対方向へのトルクを前記シャフトに発生させるように前記モータを制御するモータ制御手段とを備えたことに特徴を有する。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の負荷可変装置によれば、トルクセンサにより検出されたトルクの大きさがトルク指令値よりも大きければ、操作ハンドルに与えられる負荷の大きさが、負荷装置が発生する負荷からモータが回転することにより発生するトルクの大きさの分だけ軽減された大きさとなり、このようにフィードバック制御を行うことにより、負荷装置が発生する負荷が変動したとしても、操作ハンドルに与えられる負荷の大きさをトルク指令値の大きさに相当する負荷の大きさで一定に保つことができる。
また、操作ハンドルに与えられる負荷の大きさをトルク指令値として設定可能な構成としたので、操作ハンドルに一定に与えられる負荷の大きさを調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、説明に際しては、負荷可変装置１を、例えば、図２に示すような人の筋力トレーニングに供されるトレーニング装置２に適用し、ユーザがトレーニング装置２の椅子２ａに着席して操作ハンドル３の把持部３ｂを介して操作ハンドル３を図２中矢印Ａ１，Ａ２方向に操作する際に、操作ハンドル３に与えられる図２中矢印Ａ１，Ａ２方向への負荷を可変させる場合を想定して具体的に説明する。
【００１２】
図１に示すように、上記した操作ハンドル３の基部３ａは、シャフト４の一端側（図１では左端側）に連結されていて、操作ハンドル３を図２中矢印Ａ１，Ａ２方向に回転させると、この操作ハンドル３の回転に連動してシャフト４が図１中矢印Ｂ１，Ｂ２方向に回転されるようになっている。一方、シャフト４の他端側（図１では右端側）には、例えば、ヒステリシスブレーキで構成される負荷装置５が連結されていて、シャフト４の図１中矢印Ｂ１，Ｂ２方向への回転に対して図１中矢印Ｂ２，Ｂ１方向への負荷を発生するようになっている。
【００１３】
負荷可変装置１は、トルクセンサ６、トルク指令値設定部７（トルク指令値設定手段に相当）、制御回路８（モータ制御手段に相当）及びモータ９を備えて構成されている。
トルクセンサ６は、シャフト４のうち操作ハンドル３と負荷装置５とを連結する部分に介在されている。そして、例えば、負荷装置５が発生する図１中矢印Ｂ２（Ｂ１）方向への負荷（所定方向への負荷に相当）に抗して操作ハンドル３が図２中矢印Ａ１（Ａ２）方向（所定方向と反対方向に相当）に操作されたときに、シャフト４に作用するトルクの大きさ及び方向（トルクの方向は負荷装置５が発生する負荷の方向と同一方向となる）を検出してトルクセンサ信号Ｔとして制御回路８のトルク用入力端子１０に出力する。
【００１４】
トルク指令値設定部７は、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トルク指令値Ｓとして設定可能となっている。そして、設定されたトルク指令値Ｓを、制御回路８のトルク指令値用入力端子１１に出力する。
制御回路８は、信号処理回路１２、零点調整回路１３、絶対値回路１４、極性判別回路１５、減算器１６、ＰＷＭ電流制御回路１７及びドライバ回路１８を備えて構成されている。
【００１５】
信号処理回路１２は、トルクセンサ６からのトルクセンサ信号Ｔを、そのトルクの大きさに応じた電圧レベルに増幅し且つそのトルクの方向に応じた極性に整流して、直流電圧信号より成るトルク信号Ｖｔに変換する。零点調整回路１３は、信号処理回路１２から出力されるトルク信号Ｖｔの零点調整を行い、絶対値回路１４及び極性判別回路１５に出力する。
【００１６】
絶対値回路１４は、零点調整回路１３から入力されたトルク信号Ｖｔの電圧レベル（トルクセンサ６により検出されたトルクの大きさ）を整流して、トルクの大きさを示す電圧信号Ｖｔ１として減算器１６の一方の入力端子（−）に与える。この減算器１６の他方の入力端子（＋）には、上記したトルク指令値設定部７からのトルク指令値Ｓが与えられるようになっている。そして、減算器１６は、電圧信号Ｖｔ１のレベルの大きさとトルク指令値Ｓのレベルの大きさとの電圧偏差ΔＶ（ΔＶ＝Ｖｔ１−Ｓ）を求めてＰＷＭ電流制御回路１７に出力する。
【００１７】
ＰＷＭ電流制御回路１７は、減算器１６からの電圧偏差ΔＶの大きさに比例させて、モータ９に供給する駆動信号Ｄのレベルを制御する。具体的に説明すると、電圧偏差ΔＶが大きい場合（トルクセンサ６により検出されたトルクの大きさ（電圧信号Ｖｔ１）とユーザの所望する負荷の大きさ（トルク指令値Ｓ）との差が大きい場合）は、モータ９に供給する駆動信号Ｄのレベルが大きくなるように制御する。一方、電圧偏差ΔＶが小さい場合は、モータ９に供給する駆動信号Ｄのレベルが小さくなるように制御する。つまり、ユーザの所望する負荷の大きさとトルクセンサ６により検出されたトルクの大きさとの差が大きい場合ほど、モータ９の回転力（出力トルク）が大きくなるようになっている。
【００１８】
極性判別回路１５は、零点調整回路１３から入力されたトルク信号Ｖｔの極性（トルクセンサ６により検出されたトルクの方向）を判別して、その判別結果をトルクの方向を示す極性信号Ｖｔ２としてドライバ回路１８に与える。
【００１９】
ドライバ回路１８は、電圧偏差ΔＶの極性と極性信号Ｖｔ２の極性に基づいて、モータ９に供給する駆動信号Ｄの極性（方向）を制御する。具体的に説明すると、電圧偏差ΔＶの極性が正の場合（トルクセンサ６により検出されたトルクの大きさ（電圧信号Ｖｔ１）がユーザの所望する負荷の大きさ（トルク指令値Ｓ）よりも大きい場合）は、極性信号Ｖｔ２の極性（トルクセンサ６により検出されたトルクの方向）と反対方向に、モータ９に供給する駆動信号Ｄの極性を制御する。一方、電圧偏差ΔＶの極性が負の場合（トルクセンサ６により検出されたトルクの大きさ（電圧信号Ｖｔ１）がユーザの所望する負荷の大きさ（トルク指令値Ｓ）よりも小さい場合）は、極性信号Ｖｔ２の極性と同一方向に、モータ９に供給する駆動信号Ｄの極性を制御する。
【００２０】
制御回路８の出力端子１９にはモータ９が接続されていて、このモータ９は、制御回路８から駆動信号Ｄが与えられると、回転軸２０が図１中矢印Ｃ１，Ｃ２方向に回転するようになっている。この回転軸２０は、シャフト４に配設されたウォームホイールギア２１に連結されていて、回転軸２０が図１中矢印Ｃ１，Ｃ２方向に回転されると、ウォームホイールギア２１を介してシャフト４が図１中矢印Ｂ１，Ｂ２方向に回転されるようになっている。
【００２１】
このとき、モータ９は、駆動信号Ｄのレベルの大きさに応じた回転力で且つ駆動信号Ｄの極性に応じた方向に回転することにより、トルクセンサ６により検出されたトルクの大きさとトルク指令値Ｓの大きさとの差に相当する大きさで且つトルクセンサ６により検出されたトルクの方向と同一方向または反対方向へのトルクをシャフト４に発生させるようになっている。
【００２２】
次に、上記した構成の作用について説明する。
ユーザがトルク指令値設定部７を介して所望する負荷の大きさ（トルク指令値Ｓ）を設定した状態で、操作ハンドル３を図２中矢印Ａ１，Ａ２方向に操作すると、図３（ａ），（ｂ）に示すように、負荷装置５が発生する図１中矢印Ｂ１，Ｂ２方向への負荷に相当する大きさ（図３（ａ）では矢印ａの大きさ、図３（ｂ）では矢印ｇの大きさ）で且つ負荷装置５が発生する負荷の方向（図３（ａ），（ｂ）では下方向）のトルクがシャフト４に作用する。そして、このトルクの大きさ及び方向がトルクセンサ６により検出される。
【００２３】
このとき、トルクセンサ６により検出されたトルク（負荷装置５が発生する負荷に相当するトルク）の大きさがトルク指令値Ｓよりも大きい場合（図３（ａ）参照）には、駆動信号Ｄのレベルは、トルクセンサ６により検出されたトルクの大きさ（電圧信号Ｖｔ１）とユーザの所望する負荷の大きさ（トルク指令値Ｓ）との差に相当する大きさに制御され、駆動信号Ｄの極性（方向）は、トルクセンサ６により検出されたトルクの方向と反対方向に制御される。
【００２４】
そして、この駆動信号Ｄに基づいてモータ９が回転されると、トルクセンサ６により検出されたトルクの大きさ（負荷装置５が発生する負荷の大きさ）とトルク指令値Ｓの大きさとの差に相当する大きさ（図３（ａ）中矢印ｂの大きさ）で且つトルクセンサ６により検出されたトルクの方向（負荷装置５が発生する負荷の方向）と反対方向（図３（ａ）では上方向）のトルクがシャフト４に発生する。そのため、操作ハンドル３に与えられる負荷の大きさは、負荷装置５が発生する負荷の大きさからモータ９が回転することにより発生するトルクの大きさの分だけ軽減された大きさ（図３（ａ）中矢印ｃの大きさ）となる。
【００２５】
一方、トルクセンサ６により検出されたトルク（負荷装置５が発生する負荷に相当するトルク）の大きさがトルク指令値Ｓよりも小さい場合（図３（ｂ）参照）には、駆動信号Ｄのレベルは、トルクセンサ６により検出されたトルクの大きさ（電圧信号Ｖｔ１）とユーザの所望する負荷の大きさ（トルク指令値Ｓ）との差に相当する大きさに制御され、駆動信号Ｄの極性（方向）は、トルクセンサ６により検出されたトルクの方向と同一方向に制御される。
【００２６】
そして、この駆動信号Ｄに基づいてモータ９が回転されると、トルクセンサ６により検出されたトルクの大きさ（負荷装置５が発生する負荷の大きさ）とトルク指令値Ｓの大きさとの差に相当する大きさ（図３（ｂ）中矢印ｈの大きさ）で且つトルクセンサ６により検出されたトルクの方向（負荷装置５が発生する負荷の方向）と同一方向（図３（ｂ）では下方向）のトルクがシャフト４に発生する。そのため、操作ハンドル３に与えられる負荷の大きさは、負荷装置５が発生する負荷の大きさにモータ９が回転することにより発生するトルクの大きさの分だけ増加された大きさ（図３（ｂ）中矢印ｉの大きさ）となる。
【００２７】
ところで、負荷装置５が発生する負荷は変動する場合があり、この場合、トルクセンサ６により検出されるトルク（例えば、図３（ａ）では矢印ｄ、図３（ｂ）では矢印ｊ参照）の大きさも変動することとなるが、上記した一連のフィードバック制御を行うことにより、トルクセンサ６により検出されたトルクの大きさがトルク指令値Ｓよりも大きい場合には、操作ハンドル３に与えられる負荷の大きさは、負荷装置５が発生する負荷の大きさからモータ９が回転することにより発生するトルクの大きさ（図３（ａ）中矢印ｅの大きさ）の分だけ軽減された大きさ（図３（ａ）中矢印ｆの大きさ）で一定に保たれる。一方、トルクセンサ６により検出されたトルクの大きさがトルク指令値Ｓよりも小さい場合には、操作ハンドル３に与えられる負荷の大きさは、負荷装置５が発生する負荷の大きさにモータ９が回転することにより発生するトルクの大きさ（図３（ｂ）中矢印ｋの大きさ）の分だけ増加された大きさ（図３（ｂ）中矢印ｌの大きさ）で一定に保たれる。
【００２８】
以上に説明したように本実施形態によれば、トルクセンサ６により検出されたトルクの大きさとトルク指令値Ｓとの大小に応じて、操作ハンドル３に与えられる負荷の大きさが、負荷装置５が発生する負荷からモータ９が回転することにより発生するトルクの大きさの分だけ軽減または増加された大きさとなるように構成したので、このようにフィードバック制御を行うことにより、負荷装置５が発生する負荷が変動したとしても、操作ハンドル３に与えられる負荷の大きさをトルク指令値Ｓの大きさに相当する負荷の大きさ（ユーザの所望する負荷の大きさ）で一定に保つことができ、ユーザは、違和感なく操作ハンドル３を操作することができる。
【００２９】
特に、トルクセンサ６により検出されたトルクの大きさ（負荷装置５が発生する負荷）がトルク指令値Ｓよりも小さければ、操作ハンドル３に負荷装置５が発生する負荷の大きさ以上の負荷を提供でき、しかも、その負荷の大きさを一定に保つことができる。
また、操作ハンドル３に与えられる負荷の大きさをトルク指令値Ｓとして設定可能に構成したので、操作ハンドル３に一定に与えられる負荷の大きさを調整することができる。
さらに、必ずしも高性能な負荷装置５を使用する必要はなく、負荷装置としては、安価なものや小型のものを使用することができる。
【００３０】
なお、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。
上記した実施形態では、操作ハンドル３を操作する構成のトレーニング装置２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が回動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トレーニング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】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであり、負荷可変装置及び周辺の構成を示す機能ブロック図
【図２】トレーニング装置の外観を概略的に示す斜視図
【図３】本発明の作用を説明するための図
【符号の説明】
【００３２】
図面中、１は負荷可変装置、３は操作ハンドル、４はシャフト、５は負荷装置、６はトルクセンサ、７はトルク指令値設定部（トルク指令値設定手段）、８は制御回路（モータ制御手段）、９はモータを示す。
【図１】
2007175170.tif 000003
【図２】
2007175170.tif 000004
【図３】
2007175170.tif 000005