(57)【要約】【課題】目標負荷と現実負荷とをほぼ一致させることができるトレーニングマシンを備えたトレーニングシステムを提供すること。【解決手段】本発明は、運動者に対する目標負荷値を生成する制御装置１と、当該目標負荷値に基づいて負荷を発生させるトレーニングマシン２と、を備えたトレーニングシステムである。制御装置１に備えられた負荷調整部１３は、外乱推定機構１３３と力覚推定機構１３５が推定した値に基づき、前記目標負荷値から前記トレーニングマシンの機構に起因する抵抗力を減じた大きさの負荷を可変負荷発生手段に発生させる電流値情報をドライバ２１に送信する。【選択図】図１
2007229323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
運動者に対する目標負荷値を生成する制御装置と、当該目標負荷値に基づいて負荷を発生させるトレーニングマシンと、を備えたトレーニングシステムであって、
前記トレーニングマシンは、
受信した電流値情報に基づいて電流を発生させるドライバと、
前記ドライバから供給された電流の大きさに応じた負荷を発生させる可変負荷発生手段と、
前記運動者の動きに関する情報について演算する演算部と、を備え、
前記制御装置は、
予め与えられたトレーニングプログラムに基づいて前記目標負荷値を生成する負荷値生成部と、
前記目標負荷値を、前記可変負荷発生手段がその目標負荷値の負荷を実現するための電流値に変換し、その電流値情報を前記ドライバに送信する負荷調整部と、を備え、
前記負荷調整部は、
前記演算部から受信した前記運動者の動きに関する情報と、前記ドライバが受信する前記電流値情報とに基づいて、前記可変負荷発生手段に加えられる前記運動者による力と前記トレーニングマシンの機構に起因する抵抗力との合力を推定する外乱推定機構と、
少なくとも前記演算部から受信した前記運動者の動きに関する情報と、前記ドライバが受信する前記電流値情報とに基づいて、前記可変負荷発生手段に加えられる前記運動者による力を推定する力覚推定機構と、を有し、
前記外乱推定機構と前記力覚推定機構が推定したそれぞれの値に基づき、前記目標負荷値から前記トレーニングマシンの機構に起因する抵抗力を減じた大きさの負荷を前記可変負荷発生手段に発生させる電流値情報を前記ドライバに送信する
ことを特徴とするトレーニングシステム。
【請求項２】
前記可変負荷発生手段は、サーボモータであることを特徴とする請求項１に記載のトレーニングシステム。
【請求項３】
前記負荷調整部は、前記運動者の前記トレーニングマシンによるトレーニング時の可動部の加速度情報に基づいて、前記した各種処理を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトレーニングシステム。
【請求項４】
前記トレーニングマシンは、さらに、前記可動部の位置を検出する位置センサを備え、
前記演算部は、前記位置センサが検出した前記可動部の位置に基づいて前記可動部の加速度情報を算出し、その加速度情報を前記外乱推定機構および前記力覚推定機構に、前記運動者の動きに関する情報として送信することを特徴とする請求項３に記載のトレーニングシステム。
【請求項５】
前記演算部は、前記位置センサが検出した前記可動部の位置に基づいて前記可動部の速度情報を算出し、
前記負荷値生成部は、前記演算部が検出した前記可動部の位置と、前記演算部が算出した前記可動部の速度情報を使用して、前記目標負荷値を生成することを特徴とする請求項４に記載のトレーニングシステム。
【請求項６】
前記トレーニングマシンは、前記可動部が前記運動者とともに動く構成となっており、
前記外乱推定機構は、予め入力された体重データに基づき、前記運動者がその体重であるものと仮定して前記合力を推定することを特徴とする請求項３に記載のトレーニングシステム。
【請求項７】
受信した電流値情報に基づいて電流を発生させるドライバ、前記ドライバから供給された電流の大きさに応じた負荷を発生させる可変負荷発生手段、運動者の動きに関する情報について演算する演算部、を備えたトレーニングマシンと、
予め与えられたトレーニングプログラムに基づいて運動者に対する目標負荷値を生成する負荷値生成部、前記目標負荷値を前記可変負荷発生手段がその目標負荷値の負荷を実現するための電流値に変換し、その電流値情報を前記ドライバに送信する負荷調整部、を備えた制御装置と、
を備えたトレーニングシステムにおけるトレーニングマシンの制御方法であって、
前記負荷調整部は、
前記演算部から受信した前記運動者の動きに関する情報と、前記ドライバが受信する前記電流値情報とに基づいて、前記可変負荷発生手段に加えられる前記運動者による力と前記トレーニングマシンの機構に起因する抵抗力との合力を推定する外乱推定機構と、
少なくとも前記演算部から受信した前記運動者の動きに関する情報と、前記ドライバが受信する前記電流値情報とに基づいて、前記可変負荷発生手段に加えられる前記運動者による力を推定する力覚推定機構と、を有し、
前記外乱推定機構と前記力覚推定機構が推定したそれぞれの値に基づき、前記目標負荷値から前記トレーニングマシンの機構に起因する抵抗力を減じた大きさの負荷を前記可変負荷発生手段に発生させる電流値情報を前記ドライバに送信する
ことを特徴とするトレーニングマシンの制御方法。
【請求項８】
トレーニングシステムにおいて、目標負荷値に基づき可変負荷発生手段によって負荷を発生させるトレーニングマシンと接続され、運動者に対する当該目標負荷値を生成する制御装置であって、
前記制御装置は、
予め与えられたトレーニングプログラムに基づいて前記目標負荷値を生成する負荷値生成部と、
前記目標負荷値を、前記可変負荷発生手段がその目標負荷値の負荷を実現するための電流値に変換し、その電流値情報を前記トレーニングマシンに送信する負荷調整部と、を備え、
前記負荷調整部は、
前記トレーニングマシンから受信した前記運動者の動きに関する情報と、前記トレーニングマシンが受信する前記電流値情報とに基づいて、前記可変負荷発生手段に加えられる前記運動者による力と前記トレーニングマシンの機構に起因する抵抗力との合力を推定する外乱推定機構と、
少なくとも前記トレーニングマシンから受信した前記運動者の動きに関する情報と、前記トレーニングマシンが受信する前記電流値情報とに基づいて、前記可変負荷発生手段に加えられる前記運動者による力を推定する力覚推定機構と、を有し、
前記外乱推定機構と前記力覚推定機構が推定したそれぞれの値に基づき、前記目標負荷値から前記トレーニングマシンの機構に起因する抵抗力を減じた大きさの負荷を前記可変負荷発生手段に発生させる電流値情報を前記トレーニングマシンに送信する
ことを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トレーニングシステム、トレーニングマシンの制御方法および制御装置に関し、より詳しくは、トレーニングマシンで正確な負荷を発生させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、健康志向の高まりなどにともなって、フィットネスジムなどでトレーニングマシンを使用した運動を行う人々が増加している。また、国の施策として、あるいは、個人的にも、健康の維持や体力低下の防止のためにトレーニングマシンによる運動を行う高齢者が増えてきている。そして、トレーニングマシンとしては、たとえば、足の筋肉を鍛えるためのレッグプレスマシンや、胸や腕の筋肉を鍛えるためのチェストプレスマシンなどがある。
【０００３】
そのようなトレーニングマシンとして、金属製などの重量プレートを用いたものがあるが、その場合、重量変更が面倒だったり、１回のトレーニング中の負荷が一定なので運動者の脈拍が上がり過ぎているときなどでも負荷を下げたりすることができない、という問題があった。
【０００４】
そのため、重量プレートの代わりに、モータやバネなどを使って運動者に対する負荷を自由に変化させることができるトレーニングマシンが多く開発されている。
たとえば、特許文献１では、トルクモータによって負荷を発生させ、運動者の動きが弱まった場合に負荷を徐々に下げるトレーニングマシンに関する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１９８８４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１などの従来の技術では、トレーニングマシンにおいて、可動部（ワイヤや滑車など）の摩擦や経時劣化などにより、与えようとする負荷（目標負荷）と実際の負荷（現実負荷）とが異なっている場合があるという問題があった。そうなると、運動者に予定よりも大きな負荷を与えてしまうことにもなりかねなく、好ましくない。
また、力覚検知センサ（圧力センサなど）を用いれば正確な現実負荷を実現することができるが、そうすると、費用、設置スペース、故障などの様々な問題が発生してしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、力覚検知センサを用いなくても、目標負荷と現実負荷とをほぼ一致させることができるトレーニングマシンを備えたトレーニングシステム、トレーニングマシンの制御方法および制御装置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】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は、運動者に対する目標負荷値を生成する制御装置と、当該目標負荷値に基づいて負荷を発生させるトレーニングマシンと、を備えたトレーニングシステムである。
そして、トレーニングマシンは、受信した電流値情報に基づいて電流を発生させるドライバと、前記ドライバから供給された電流の大きさに応じた負荷を発生させる可変負荷発生手段と、前記運動者の動きに関する情報について演算する演算部と、を備えている。
また、制御装置は、予め与えられたトレーニングプログラムに基づいて前記目標負荷値を生成する負荷値生成部と、前記目標負荷値を、前記可変負荷発生手段がその目標負荷値の負荷を実現するための電流値に変換し、その電流値情報を前記ドライバに送信する負荷調整部と、を備えている。
さらに、負荷調整部は、前記演算部から受信した前記運動者の動きに関する情報と、前記ドライバが受信する前記電流値情報とに基づいて、前記可変負荷発生手段に加えられる前記運動者による力と前記トレーニングマシンの機構に起因する抵抗力との合力を推定する外乱推定機構と、少なくとも前記演算部から受信した前記運動者の動きに関する情報と、前記ドライバが受信する前記電流値情報とに基づいて、前記可変負荷発生手段に加えられる前記運動者による力を推定する力覚推定機構と、を有している。
また、負荷調整部は、前記外乱推定機構と前記力覚推定機構が推定したそれぞれの値に基づき、前記目標負荷値から前記トレーニングマシンの機構に起因する抵抗力を減じた大きさの負荷を前記可変負荷発生手段に発生させる電流値情報を前記ドライバに送信する。
その他の手段については後記する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、力覚検知センサを用いなくても、目標負荷と現実負荷とをほぼ一致させることができるトレーニングマシンを備えたトレーニングシステム、トレーニングマシンの制御方法および制御装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態に係るトレーニングシステムについて、適宜図面を参照しながら説明する。まず、図１を参照しながら、トレーニングシステムの構成について説明する。図１は、トレーニングシステムの構成図である。
【００１０】
図１に示すように、トレーニングシステムＳは、１台の管理装置Ｍと、複数のトレーニングユニットＵを備えて構成される。
なお、便宜上、トレーニングシステムＳ、トレーニングユニットＵという表現を使い分けているが、トレーニングユニットＵをトレーニングシステムと呼んでも（みなしても）かまわない。
【００１１】
管理装置Ｍは、複数のトレーニングユニットＵを総合的に管理する装置であり、たとえば、ＰＣ（Personal Computer）から構成される。管理装置Ｍは、各トレーニングユニットＵに対して、そのトレーニングユニットＵを使用する者（以下「運動者」という）に合わせたトレーニングプログラムを送信し、また、各トレーニングユニットＵからトレーニング結果を受信し、記録する。
【００１２】
トレーニングプログラムは、実際の重量プレートに換算した負荷（３０ｋｇなど）、反復回数（１０回）、および、セット数（５セット）などから構成される。トレーニング結果についても同様である。なお、運動者の識別は、ＩＤ（Identification）カードや暗証番号などにより行えばよいが、それらの手段などについては図示や詳細な説明を省略する。
【００１３】
トレーニングユニットＵは、制御装置１とトレーニングマシン２を備えて構成される。
制御装置１は、処理部１１、負荷値生成部１２および負荷調整部１３を備えて構成される。制御装置１は、たとえば、ＰＣ（Personal Computer）によって実現することができ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤ（Hard Disk）などによって、処理部１１〜負荷調整部１３の機能を実現する。
【００１４】
ここで、図１の説明の途中であるが、便宜のため、図２について説明する（適宜図１参照）。図２は、トレーニングマシン（レッグプレスマシン）の構成図である。
図２に示すように、トレーニングマシン２は、ドライバ２１、サーボモータ２２（可変負荷発生手段）、位置センサ２３、演算部２４、イス２０１、押圧部２０２（可動部）、レール２０３、ワイヤ２０４および滑車２０５を備えて構成される。
【００１５】
ドライバ２１は、サーボモータ２２の駆動電流を発生する手段である。
サーボモータ２２は、ドライバ２１が生成した駆動電流により駆動し、その駆動電流の大きさに応じた力でワイヤ２０４を引っ張る。
位置センサ２３は、サーボモータ２２の動き、ワイヤ２０４の動き、押圧部２０２の動きなどのいずれかを検出することにより、押圧部２０２の位置を検出する手段である。
演算部２４は、位置センサ２３が検出した押圧部２０２の位置に基づき、押圧部２０２の速度や加速度を算出する。
【００１６】
イス２０１は、運動者Ｅがトレーニング中に座るものである。
押圧部２０２は、トレーニングをする運動者Ｅが足の力で押圧する部分である。運動者Ｅが押圧部２０２を足で押圧すると、押圧部２０２はレール２０３の上を図２の左方向に移動する。そのとき、サーボモータ２２に巻き取られていたワイヤ２０４は、その分、引き出される。ワイヤ２０４は、図２の右端で滑車２０５に引っかけられている。
【００１７】
図１に戻って（適宜図２参照）、処理部１１は、管理装置Ｍからトレーニングプログラムを受信し、また、トレーニングマシン２の演算部２４からトレーニングマシン２の押圧部２０２の位置情報や速度情報を受信し、それらを負荷値生成部１２に送信する。
【００１８】
負荷値生成部１２は、重量変換部１２１、速度情報演算部１２２および位置情報演算部１２３を備えて構成される。
重量変換部１２１は、処理部１１から受信した負荷情報を力の大きさに変換する。たとえば、処理部１１から受信した負荷情報（Ｍｆ）が「３０ｋｇ」（実際の重量プレートに換算した負荷）であるとすると、そのＭｆにｇ（地球の重力加速度9.8ｍ/ｓ２）を乗算することで、３０（ｋｇ）×９．８（ｍ/ｓ２）＝２９４Ｎ（ニュートン）という力の大きさに変換することができる。
【００１９】
速度情報演算部１２２は、トレーニングマシン２の押圧部２０２の速度情報（ｖ）によってトレーニングマシン２の負荷を変化させるときに、ｖにＤｆ（ダンピングファクタ：押圧部２０２の速度に応じて負荷を変化させるためにｖに乗算する係数）を乗算することでその変化量を算出する。
押圧部２０２の速度情報（ｖ）によってトレーニングマシン２の負荷を変化させる必要がないときは、Ｄｆをゼロにしておけばよい。
【００２０】
位置情報演算部１２３は、トレーニングマシン２の押圧部２０２の位置情報（ｘ）によってトレーニングマシン２の負荷を変化させるときに、ｘにＫｆ（位置定数：押圧部２０２の位置に応じて負荷を変化させるためにｘに乗算する係数）を乗算することで、その変化量を算出する。
押圧部２０２の位置情報（ｘ）によってトレーニングマシン２の負荷を変化させる必要がないときは、Ｋｆをゼロにしておけばよい。
【００２１】
負荷値生成部１２は、重量変換部１２１、速度情報演算部１２２および位置情報演算部１２３により算出した値の合計を、目標負荷値として負荷調整部１３に出力する。なお、ここでは、目標負荷値を、力（たとえば単位がＮ（ニュートン））であるものとしているが、トレーニングマシン２のサーボモータ２２に対する目標トルク（たとえば単位がＮ・ｍ（ニュートンメートル））などであってもよい。
【００２２】
負荷調整部１３は、加速度変換部１３１、電流変換部１３２、外乱推定機構１３３、電流変換部１３４、力覚推定機構１３５、減算部１３６および加算部１３７を備えて構成される。
減算部１３６は、負荷値生成部１２が生成した目標負荷値から力覚推定機構１３５により推定された運動者の力覚入力Ｐを減じ、偏差を算出する。
【００２３】
加速度変換部１３１は、その偏差を、トレーニングマシン２の押圧部２０２（可動部）の質量（ｋｇ）で除算することで、その偏差の力によって与えられるべき押圧部２０２の加速度を算出する。たとえば、その偏差がゼロであれば、加速度変換部１３１が算出する加速度もゼロとなる。
電流変換部１３２は、加速度変換部１３１で算出した加速度に１／Ｋｔｎを乗算することで、その加速度を電流値に変換するものである。なお、Ｋｔｎは、サーボモータ２２のトルク定数である。
【００２４】
加算部１３７は、電流変換部１３２が変換した電流値（電流値情報）と、電流変換部１３４が変換した電流値（電流値情報）を加算するものである。
外乱推定機構１３３は、加算部１３７が算出した電流値と、演算部２４から受信した押圧部２０２の加速度情報に基づき、サーボモータ２２の回転に対する抵抗力（運動者の力覚入力Ｐと摩擦力Ｆの和）を推定するものであり、いわゆる外乱オブザーバとしての機能を有する。なお、外乱推定機構１３３は、ワイヤ２０４の振動を抑制するためなどに用いられる、いわゆる状態オブザーバとしての機能を備えていてもよい。
【００２５】
なお、外乱オブザーバ（外乱推定機構１３３および力覚推定機構１３５における一機能）については、特開２００５−２１２０５４号公報などに、その詳細な記載がある。ただし、従来の外乱オブザーバは、産業用ロボットなど、予め決められた作業に関する制御に対して用いられていたものであり、本実施形態のように、人（運動者Ｅ）による不確定な力覚入力に対して用いられたものではない。
【００２６】
つまり、本実施形態の外乱オブザーバは、外乱オブザーバとしての根本的な動作原理自体は従来のものと同様であるが、トレーニングマシンという適用分野や、不確定な力覚入力に対応するアルゴリズムなどの点で、従来のものと大きく異なっている。
【００２７】
なお、トレーニングマシン２の機構に起因する抵抗力としては、摩擦力Ｆのほかに、構成部品の経時劣化など他の要因も考えられるが、ここでは便宜的に、それらすべてをまとめて「摩擦力Ｆ」と表記する。
【００２８】
電流変換部１３４は、外乱推定機構１３３が推定した抵抗力に１／Ｋｔｎを乗算することで、その抵抗力を電流値に変換するものである。なお、Ｋｔｎは、サーボモータ２２のトルク定数である。
【００２９】
力覚推定機構１３５は、加算部１３７が算出した電流値と、演算部２４から受信した押圧部２０２の加速度情報と、予めサーボモータ２２について行った実験結果（回転速度と摩擦力Ｆとの関係）に基づき、サーボモータ２２の回転に対する抵抗力のうち、運動者の力覚入力Ｐだけを推定するものであり、いわゆる外乱オブザーバとしての機能を有する。なお、力覚推定機構１３５は、ワイヤ２０４の振動を抑制するためなどに用いられる、いわゆる状態オブザーバとしての機能を備えていてもよい。
【００３０】
トレーニングマシン２については、図２とともにすでに説明しているので、重複説明を適宜省略し、補足説明のみを行う。
サーボモータ２２に対しては、その回転の抵抗力として、運動者の力覚入力Ｐおよび摩擦力Ｆが加えられる。
【００３１】
演算部２４は、位置センサ２３が検出した押圧部２０２の位置に基づき、押圧部２０２の速度や加速度を算出し、制御装置１の処理部１１にはその位置情報と速度情報を、負荷調整部１３の外乱推定機構１３３と力覚推定機構１３５にはその加速度情報を送信する。
【００３２】
続いて、図３および図４を参照しながら、トレーニングシステムにおける制御装置とトレーニングマシンの処理について説明する（適宜図１、図２参照）。図３および図４は、制御装置とトレーニングマシンの処理の流れを示したフローチャートである。
まず、制御装置１の処理部１１は、管理装置Ｍからトレーニングプログラム（３０ｋｇ×１０回×５セットなど）を受信する（ステップＳ１）。
【００３３】
次に、負荷値生成部１２は、処理部１１からトレーニングプログラムを受信し、それに応じて目標負荷値を生成する（ステップＳ２）。たとえば、トレーニングプログラムの負荷情報（Ｍｆ）が「３０ｋｇ」であるとすると、目標負荷値は、その「３０ｋｇ」にｇ（9.8ｍ/ｓ２）を乗算することで２９４Ｎと算出することができる。
なお、トレーニングマシン２の押圧部２０２の速度情報（ｖ）や位置情報（ｘ）によってトレーニングマシン２の負荷を変化させるときは、速度情報演算部１２２や位置情報演算部１２３も演算を行うことになる。
【００３４】
続いて、負荷調整部１３の加速度変換部１３１は、負荷値生成部１２で算出した目標負荷値（たとえば２９４Ｎ）を、トレーニングマシン２の押圧部２０２（可動部）の質量（ｋｇ）で除算することで、その目標負荷値の力によって与えられるべき押圧部２０２の加速度を算出する（ステップＳ３）。
なお、このステップＳ３は、２周目以降では、後記するステップＳ１６とステップＳ１７の処理を行うことになる。
【００３５】
次に、電流変換部１３２は、加速度変換部１３１で算出した加速度に１／Ｋｔｎを乗算することで、その加速度を電流値に変換し、その電流値を、加算部１３７を経由して、トレーニングマシン２のドライバ２１に送信する（ステップＳ４）。
【００３６】
続いて、トレーニングマシン２のドライバ２１は、受信した電流値に応じて、サーボモータ２２の駆動電流を生成する（ステップＳ５）。
その後、サーボモータ２２は、ドライバ２１が生成した駆動電流により駆動し（ステップＳ６）、その駆動電流の大きさに応じた力でワイヤ２０４を引っ張る。
【００３７】
運動者Ｅは、サーボモータ２２の駆動力に逆らってトレーニングマシン２の押圧部２０２を足の力で押圧し、位置センサ２３は、所定時間（たとえば1/10000秒）ごとにその押圧部２０２の位置を検出する（ステップＳ７）。
次に、演算部２４は、位置センサ２３から得た押圧部２０２の位置情報から、押圧部２０２の加速度を算出し、その加速度情報を外乱推定機構１３３に送信する（ステップＳ８）。
【００３８】
続いて、外乱推定機構１３３は、加算部１３７から受信した電流値と、演算部２４から受信した押圧部２０２の加速度情報に基づき、サーボモータ２２の回転に対する抵抗力（運動者の力覚入力Ｐと摩擦力Ｆの和）を推定する（ステップＳ９）。
【００３９】
そして、負荷調整部１３は、ステップＳ９で推定した抵抗力を、電流変換部１３４でその値に１／Ｋｔｎを乗算することで、電流値に変換し、電流変換部１３２で変換した電流値と加算し、ドライバ２１にその合計値を送信する（ステップＳ１０）。
つまり、外乱推定機構１３３によってサーボモータ２２の回転に対する抵抗力を推定し、その抵抗力に相当する電流値をドライバ２１に送信することで、サーボモータ２２には、その抵抗力を完全に打ち消し、さらに、加速度変換部１３１が算出した加速度を実現するために必要な電流が供給されることになる。
【００４０】
ドライバ２１は、そのような大きさの駆動電流を生成し（ステップＳ１１）、その駆動電流によってサーボモータ２２が駆動する（ステップＳ１２）。
運動者Ｅは、サーボモータ２２の駆動力に逆らってトレーニングマシン２の押圧部２０２を足の力で押圧し、位置センサ２３は、所定時間（たとえば1/10000秒）ごとにその押圧部２０２の位置を検出する（ステップＳ１３）。
【００４１】
次に、演算部２４は、位置センサ２３から得た押圧部２０２の位置情報から、押圧部２０２の加速度を算出し、その加速度情報を力覚推定機構１３５に送信する（ステップＳ１４）。
続いて、力覚推定機構１３５は、加算部１３７から受信した電流値と、演算部２４から受信した押圧部２０２の加速度情報と、予めサーボモータ２２について行った実験結果（回転速度と摩擦力Ｆとの関係）に基づき、サーボモータ２２の回転に対する抵抗力のうち、運動者の力覚入力Ｐだけを推定する（ステップＳ１５）。
【００４２】
次に、減算部１３６は、負荷値生成部１２が生成した目標負荷値から力覚推定機構１３５により推定された運動者の力覚入力Ｐを減じ、その偏差を算出する（ステップＳ１６）。
【００４３】
そして、加速度変換部１３１は、その偏差を、トレーニングマシン２の押圧部２０２の質量（ｋｇ）で除算することで、加速度に変換する、すなわち、その偏差の力によって与えられるべき押圧部２０２の加速度を算出する（ステップＳ１７）。
【００４４】
すなわち、ステップＳ１０で、電流変換部１３４から加算部１３７に対して、サーボモータ２２の回転に対する抵抗力に相当する電流値を入力していることで、このステップＳ１６およびＳ１７に基づいた処理では、摩擦力Ｆの存在や大きさと関係なく、負荷値生成部１２が生成した目標負荷値と力覚推定機構１３５が推定した運動者の力覚入力Ｐを減算部１３６において純粋に比較して、その偏差を算出し、その偏差によってサーボモータ２２を制御することができる。
換言すれば、この後のステップＳ２０までの処理を行うことで、運動者Ｅは、摩擦力Ｆの存在や大きさと関係なく、負荷値生成部１２が生成する目標負荷値に相当する負荷によるトレーニングを行うことができる。
【００４５】
次に、電流変換部１３２は、加速度変換部１３１で算出した加速度に１／Ｋｔｎを乗算することで、その加速度を電流値に変換し、その電流値を、加算部１３７を経由して、トレーニングマシン２のドライバ２１に送信する（ステップＳ１８）。
【００４６】
続いて、図４に示すように、ドライバ２１は、ステップＳ１８で負荷調整部１３が送信した電流値に対応する大きさの駆動電流を生成し（ステップＳ１９）、その駆動電流によってサーボモータ２２が駆動する（ステップＳ２０）。
運動者Ｅは、サーボモータ２２の駆動力に逆らってトレーニングマシン２の押圧部２０２を足の力で押圧し、位置センサ２３は、所定時間ごとにその押圧部２０２の位置を検出する（ステップＳ２１）。
【００４７】
次に、演算部２４は、位置センサ２３から得た押圧部２０２の位置情報から、押圧部２０２の速度を算出し、その速度情報と位置情報を制御装置１の処理部１１に送信する（ステップＳ２２）。
【００４８】
そして、処理部１１は、所定の条件（トレーニングプログラム完遂、運動者の力覚入力Ｐがゼロ、など）により、トレーニングが終了したのか否かを判断する（ステップＳ２３）。
【００４９】
トレーニングが終了していない場合（ステップＳ２３でＮｏ）、処理部１１は、トレーニングプログラム、および、トレーニングマシン２の演算部２４から受信した押圧部２０２の速度情報と位置情報に基づいて、負荷値生成部１２に負荷情報を送信する。それを受けて、負荷値生成部１２は、ステップＳ２の場合と同様に、目標負荷値を生成し（ステップＳ２４）、ステップＳ３に戻る。なお、このステップＳ３〜ステップＳ３の処理は、たとえば1/10000秒周期で行うことができる。
トレーニングプログラムが終了している場合（ステップＳ２３でＹｅｓ）、処理部１１は、トレーニング結果を管理装置Ｍに送信し（ステップＳ２５）、処理を終了する。
【００５０】
このようにして、本実施形態のトレーニングシステムＳによれば、力覚検知センサを用いなくても、外乱推定機構１３３や力覚推定機構１３５などを使用した制御により、摩擦力などの外乱要因の影響を受けることなく、運動者Ｅに正確な負荷を与えることができる。
そして、これにより、管理装置Ｍで、正確なトレーニング結果を記録することができる。
【００５１】
また、通常のフィードバック制御では、微分方程式の状態変数などに関してフィードバックを行うが、本実施形態では、運動者の力覚入力Ｐや摩擦力Ｆといった入力変数に関するフィードバックを行っているので、演算量が少なくて済み、処理を高速で行うことができる。
【００５２】
さらに、通常のフィードバック制御では、速度情報に関する演算を行うが、本実施形態のトレーニングシステムＳでは、負荷調整部１３が、速度情報でなく加速度情報に関する演算を行う。したがって、負荷調整部１３などにおいて、速度情報に関する演算を行う場合に必要となる速度・加速度変換部などが不要となり、トレーニングシステムＳ全体の処理の高速化を実現することができる。
【００５３】
なお、説明の都合上、外乱推定機構１３３による処理と力覚推定機構１３５による処理を交互に行うものとしたが、実際には並列してそれらの処理を行うようにしてもよい。
【００５４】
次に、図５を参照しながら、トレーニングマシンによって運動者に与えられる負荷について説明する（適宜図１、図２参照）。図５は、トレーニングマシンによる負荷の大きさを経時的に表わしたタイムチャートの一例である。
図５において、縦軸は、トレーニングマシン２によって運動者Ｅに与えられる負荷の大きさを表わし、横軸は、時間の経過を表わしている。なお、１回目、２回目、・・・、というのは、トレーニングマシン２において運動者Ｅが足の伸縮運動を行った回数を表わしている。
【００５５】
そして、すでに前記したように、制御装置１の負荷値生成部１２は、処理部１１から受信するトレーニングプログラムやトレーニングマシン２の押圧部２０２の速度情報や位置情報などに基づいて、運動者Ｅに与える負荷を自由に変化させることができる。
たとえば、トレーニングを行う場合、最初から大きな負荷をかけると運動者Ｅの体に過度の負担をかけてしまうことになるので、図５に示すように、１回目の負荷は小さくするのが望ましい。また、運動効果や運動者の希望などに応じて、各回ごとに、さらに、各回の運動の最中にも負荷を変えることができる。
【００５６】
続いて、図６を参照しながら、トレーニングマシンの第１変形例について説明する（適宜図１、図２参照）。図６は、第１変形例のトレーニングマシンの構成図である。
図６に示すトレーニングマシン２ａは、図２に示すトレーニングマシン２と比べて、サーボモータおよびドライバが２つずつある点で相違しており、その他の構成は同一であるので、重複説明を適宜省略する。
【００５７】
図６に示すトレーニングマシン２ａの場合、サーボモータ２２ａおよび２２ｂがワイヤ２０４を両側から引っ張ることで、運動者Ｅのトレーニング中でもワイヤ２０４がたるんだり振動したりする可能性を減らすことができる。それにより、スムーズなトレーニング動作を実現し、また、ワイヤ２０４のたるみなどによる衝撃に起因するトレーニングマシン２ａの故障を防止することができる。
【００５８】
なお、このトレーニングマシン２ａを使用する場合、図１に示すトレーニングユニットＵにおいて、トレーニングマシン２は、２つのサーボモータ２２ａ，２２ｂ、および、２つのドライバ２１ａ，２１ｂを備えることになる。
そして、制御装置１から２つのサーボモータ２２ａ，２２ｂに対して、たとえば、サーボモータ２２ａにはワイヤ２０４にたるみを生じさせないために必要な程度の弱い負荷をかけ、サーボモータ２２ｂには図２のサーボモータ２２と同程度の負荷を発生させるようにすればよい。あるいは、制御装置１において、負荷値生成部１２と負荷調整部１３を２つずつ設けておき、２つのサーボモータ２２ａ，２２ｂに対してそれぞれ独立した負荷をかけるようにしてもよい。
【００５９】
次に、図７を参照しながら、トレーニングマシンの第２変形例について説明する（適宜図１、図２参照）。図７は、第２変形例のトレーニングマシンの構成図である。なお、図７に示すトレーニングマシン２ｂは、図２に示すトレーニングマシン２と比べて、押圧部２０２ａが床面（不図示）に固定され、イス２０１ａ（可動部）がレール２０３上を可動となっている点で異なっており、その他の構成は同一であるので、重複説明を適宜省略する。
【００６０】
図７に示すトレーニングマシン２ｂの場合、負荷値生成部１２が生成する目標負荷値によってトレーニングするとき、運動者Ｅは、その目標負荷値の負荷のほかに、可動部の重量（自身の体重とイス２０１ａの重量の合計値）による慣性力にも抗って運動をすることになる。これは、たとえば、バーベルを担いでスクワット（屈伸運動）をする者が、バーベルの重量だけでなく、自身の体重にも抗って運動をすることになるのと同様である。
【００６１】
図７に示すトレーニングマシン２ｂによって運動者Ｅがトレーニングをする場合、トレーニング前に、外乱推定機構１３３が運動者Ｅの体重データとイス２０１ａの重量データを把握しておく必要がある。イス２０１ａの重量データは、外乱推定機構１３３に対して予め入力しておけばよい。運動者Ｅの体重データは、外乱推定機構１３３に対して予め入力しておいてもよいし、あるいは、トレーニング前に運動者Ｅがトレーニングマシン２ｂで少し運動をし、そのときの慣性データなどから外乱推定機構１３３が推定し、算出するようにしてもよい。
【００６２】
そして、外乱推定機構１３３は、運動者Ｅのその体重データに基づき、運動者Ｅがその体重であるものと仮定して、運動者の力覚入力Ｐと摩擦力Ｆの和を推定（算出）する。なお、制御装置１とトレーニングマシン２によるその他の処理は、すでに前記した図３および図４のフローチャートによる処理と同様であるので、説明を省略する。
【００６３】
また、外乱推定機構１３３に対して、運動者Ｅの実際の体重よりも軽い（あるいは重い）体重データ（慣性モーメントの値に換算してもよい）をパラメータとして入力しておくことで、体重が減った（あるいは増えた）場合を仮想したトレーニングが可能となる。たとえば、体重が７０ｋｇの運動者Ｅがトレーニングをするときに、外乱推定機構１３３に対して、体重データを６５ｋｇと入力しておけば、体重が５ｋｇ減った場合のトレーニングによる負荷を実現することができ、運動者Ｅのトレーニングに対する動機付け向上などに寄与することができる。
【００６４】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。
たとえば、本実施形態では、ローパスフィルタ（不図示）の精度などの関係上、外乱推定機構と力覚推定機構を別々に設けるものとしたが、１つの機構が両方の機能を実現するようにしてもよい。
さらに、本発明は、レッグプレスマシンだけでなく、チェストプレスマシン、アームカールマシンなど、負荷により運動を行うトレーニングマシン全般に適用が可能である。その他、具体的な構成について、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】トレーニングシステムの構成図である。
【図２】トレーニングマシンの構成図である。
【図３】制御装置とトレーニングマシンの処理の流れを示したフローチャートである。
【図４】制御装置とトレーニングマシンの処理の流れを示したフローチャートである。
【図５】トレーニングマシンによる負荷の大きさを経時的に表わしたタイムチャートの一例である。
【図６】第１変形例のトレーニングマシンの構成図である。
【図７】第２変形例のトレーニングマシンの構成図である。
【符号の説明】
【００６６】
１      制御装置
２，２ａ，２ｂ  トレーニングマシン
１１    処理部
１２    負荷値生成部
１３    負荷調整部
２２，２２ａ，２２ｂ    サーボモータ
２３    位置センサ
２４    演算部
２０２，２０２ａ  押圧部
【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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