(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人力により駆動しうる駆動部と、
前記駆動部に一方向クラッチを使用することなく直接動力が伝達される動力伝達機構を介して接続されるアクチュエーターと、
このアクチュエーターの制御を行う制御装置であって、前記アクチュエーターを前記駆動部に対して負荷装置として作動させると共に同一アクチュエーターを使用して人力による前記駆動部の運動に補助力を付与する補助力装置として作動させるよう前記アクチュエーターを人力により駆動しうる前記駆動部若しくはその人力により駆動された前記アクチュエーターの状態を判別し制御する制御装置と、
を備える運動療法装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記アクチュエーターを運動の補助力装置として使用する際に、補助力のトルクを調節および制限することができる請求項１記載の運動療法装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記アクチュエーターを運動の補助力装置として使用する際に、前記駆動部の機械摩擦が、これを使用する運動者の力を上回る位置または角度範囲、および運動者の身体的能力により駆動できない位置または角度範囲を基準として補助力を効かせることができる請求項１記載の運動療法装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記アクチュエーターを負荷装置として使用する際に、運動時の前記駆動部の速度を調節および制限することができる請求項１記載の運動療法装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記アクチュエーターを運動の補助力装置として使用する際に、前記駆動部の速度を調節および制限することができる請求項１記載の運動療法装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記アクチュエーターを負荷装置として使用する際に、運動時の負荷トルクを調節及び制限することができる請求項４記載の運動療法装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記アクチュエーターの回転停止時や低速回転時に、前記アクチュエーターに電流を供給することにより、回転停止時や低速回転時の負荷を得ることができる請求項１記載の運動療法装置。
【請求項８】
前記制御装置は、前記アクチュエーターの定格電流よりも大きな電流を供給することにより、定格負荷よりも大きな負荷を得ることができる請求項１記載の運動療法装置。
【請求項９】
運動者が前記駆動部の運動を行なう際に可動部分の位置あるいは角度を検出する検出部を備え、前記制御装置は、前記検出部の検出位置あるいは角度情報に基づき運動者に与える負荷量を調節することができる請求項１記載の運動療法装置。
【請求項１０】
前記制御装置は、運動を行なう際に可動部分の位置あるいは角度の基準点を電源遮断時にもバックアップすることができる請求項９記載の運動療法装置。
【請求項１１】
前記制御装置によって前記アクチュエーターに流れる電流の方向を逆転することにより正転と逆転の両方で使用することができる請求項１記載の運動療法装置。
【請求項１２】
前記制御装置は、定ワットでの負荷制御を行う際に、低速域にて高くなるべき負荷トルクを低く抑えることにより、運動しやすくすることができる請求項１記載の運動療法装置。
【請求項１３】
前記制御装置は、定ワットでの負荷制御を行う際に、運動者の出せる力を考慮し、個人毎に低速域にて高くなるべき負荷トルクを低く抑えるよう調節することができる請求項１２記載の運動療法装置。
【請求項１４】
前記制御装置は、速度と負荷の調整手段として、運動者が設定した速度よりも速い速度で運動しようとしても設定速度を保つように負荷を調節することができる請求項４記載の運動療法装置。
【請求項１５】
前記制御装置は、速度と負荷の調整手段として、負荷制御の制御パラメータを有し、この制御パラメータにより応答性を調節、決定することができる請求項１４記載の運動療法装置。
【請求項１６】
前記制御装置は、運動者が運動する際の当該運動療法装置の使い心地を、前記負荷制御の制御パラメータを変えることにより設定することができる請求項１５記載の運動療法装置。
【請求項１７】
前記制御装置は、運動者毎に前記負荷制御の制御パラメータを変えて設定することができる請求項１５または請求項１６記載の運動療法装置。
【請求項１８】
前記駆動部の運動を行なう際に可動部分の速度を検出する速度検出部を備え、前記制御装置は、前記速度検出部の検出速度情報に基づき、前記可動部分が機械的限界あるいは電気的限界を越えて動かされるのを防止するための過速度保護機能を有する請求項１記載の運動療法装置。
【請求項１９】
前記アクチュエーターに流れる電流を検出する電流検出部を備え、前記制御装置は、前記電流検出部の検出電流情報に基づき、前記制御装置を焼損させる過電流を防止するための過電流保護機能を有する請求項１記載の運動療法装置。
【請求項２０】
前記アクチュエーターに流れる電流を検出する電流検出部を備え、前記制御装置は、前記電流検出部の検出電流情報に基づき、前記アクチュエーターの過大熱量による焼損を防止するための過負荷保護機能を有する請求項１記載の運動療法装置。
【請求項２１】
前記制御装置は、当該運動療法装置の使い心地を、ばね定数、粘性係数、慣性からなる機械パラメータにより設定、調節することができる請求項１記載の運動療法装置。
【請求項２２】
前記制御装置は、運動者個人が持つ下肢の等価機械パラメータを、ばね定数、粘性係数、慣性のパラメータとして計測することができる請求項１記載の運動療法装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば身体障害者または高年齢者が運動療法を行う際に、ペダルの回転運動を補助的に他動で支援することにより、運動機能の回復、および体力の維持を図ることができる運動療法装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１４は、例えば特開平１１−１６９４８４号公報に開示された従来の運動療法装置を示す構成図である。図において、２０１はペダル２０２に結合したプーリー、２０３はプーリー２０１とモータ２０７との間に設けられたプーリー、２０４はプーリー２０１とプーリー２０３にかけられたベルト、２０５はプーリー２０３と併設されたプーリー、２０６はプーリー２０５とモータ２０７にかけられたベルト、２０８，２０９はプーリー２０１、２０５に取り付けられたマグネット、２１０、２１１はマグネット２０８、２０９を検知するホール素子、２１２はホール素子２１０、２１１からの信号を入力しプーリー２０１とプーリー２０５との回転数を算出するコンピュータ、２１３はこのコンピュータ２１２からの回転数に基づいてモータ２０７の負荷を制御する負荷制御装置である。
【０００３】
次に、この従来の運動療法装置の動作について説明する。ペダル２０２の回転はこのプーリー２０１とプーリー２０３にかけられたベルト２０４によってプーリー２０５に伝えられて増速され、さらにベルト２０６によりモータ２０７に伝えられる。プーリー２０１とプーリー２０５の１回転毎にホール素子２１０、２１１よりパルスがコンピュータ２１２に出力される。そして、このコンピュータ２１２はこのパルスの数を算出した後、負荷制御装置２１３に出力する。負荷制御装置２１３ではこのパルスの数に基づいて回転数を決定し、モータ２０７の負荷を制御する。
【０００４】
また、左右のペダル別に負荷を変える場合には、位相角をπだけずらして大負荷と小負荷とを繰り返す。すなわち、今右下肢によって踏む場合に最も踏みやすい場所での負荷を大きくし、この位相角からπだけ回転させた場所（左下肢によって踏む場合に最も踏みやすい場所）での負荷を小さくすると、左下肢にかかる負荷より右下肢にかかる負荷の方が大きくなり、特に、右下肢を鍛えたい場合等に効果的であった。
【０００５】
上記従来の運動療法装置は以上のように構成されているので、ペダル２０２が上死点または下死点以外の回転角度範囲に位置するときには、ペダル回転負荷が軽減されなかった。したがって、ペダル２０２の上死点または下死点以外の回転角度範囲において筋力（例えば、大腿四頭筋および股関節伸筋群）の低下または運動麻痺を有している脳障害による身体障害者または高年齢者が運動療法を行う際には、ペダル回転運動を全角度で継続して行うことができなかった。また、身体障害者または高年齢者の運動機能の状態によっては、低回転域での機械系の摩擦負荷が生じている場合には、ペダル回転運動の負荷が大きくなり、ペダル回転運動を全角度で継続して行うことができなかった。このため、身体障害者または高年齢者はエルゴバイク等の運動療法装置による運動機能の回復、および体力の維持を図ることができないなどの問題点があった。
【０００６】
そこで、上記問題点を解決するため、特開平１１−１６９４８４号公報において、身体障害者または高年齢者が運動療法を行う際に、ペダル回転運動を円滑に継続して行えるようにすることにより、運動機能の回復および体力の維持を図ることができるようにした運動療法装置が提案されている。
【０００７】
この運動療法装置は、ペダル軸プーリーの回転速度がアシストモータで設定された速度以下に減速したときに、アシスト駆動機構によりペダル軸プーリーを回転させると共に、中間プーリーを回転させる。
【０００８】
また、アシスト駆動機構において、アシストモータが予め設定された速度で一方向回りに常時回転し、このアシストモータのモータ軸に固定されたワンウェイクラッチにより、アシストモータが一方向回りに回転するときにはモータ軸に回転自在に取り付けられたプーリーをモータ軸に連動して回転させ、アシストモータが他方向回りに回転するときにはプーリーをモータ軸に対して空転させ、中間プーリーの回転軸に設けられた２次アシストプーリーにより、アシストベルトを介してプーリーと接続され、中間プーリーの回転軸に設けられた１次アシストプーリーにより、１次ベルトを介してペダル軸プーリーと接続される。
【０００９】
このような構成により、身体障害者または高年齢者が運動療法を行う際に、ペダル回転運動を全角度で継続して行うことができ、運動機能の回復および体力の維持を図ることができる。
【００１０】
さらに、負荷モータの回転によるペダル軸プーリーへの回転運動を解除するワンウェイクラッチを設け、負荷減少駆動機構によりアシストモータを回転させて負荷モータを回転させることにより、低回転域での負荷を減少させることができる。
【００１１】
また、特開平１０−１７９６６０号公報には、運動負荷発生部に交流の発電機を用いて、機械損以下の設定運動負荷の場合には、発電機を直流ブラシレスサーボモータ制御に切り替え、機械損以上の設定運動負荷の場合は、発電機の出力を負荷制御するように構成した運動負荷調節装置が開示されている。この運動負荷調節装置では、１つの発電機しか用いられていないが、この発電機は、主として運動負荷調節を行うものであり、機械損以下の運動負荷の場合に、機械損を補償するように働くだけで、運動者に対して積極的に運動補助力を与えるようには作用しない。
【００１２】
以上の従来例において、特開平１１−１６９４８４号公報に記載された運動療法装置では、負荷を発生させる負荷モータと補助力（補助力）を発生するアシストモータとの２台のモータを用いていたため、各モータからペダル軸への動力伝導機構が２系統必要になり、構成が複雑であると共に、部品点数も多くなり、小型化、軽量化、低コスト化を図ることが難しいという問題点があった。
【００１３】
また、特開平１０−１７９６６０号公報に記載された運動負荷調節装置では、運動者に対して積極的に運動補助力を与えないため、運動者が体力的に劣る身体障害者または高年齢者である場合等において、ペダルのこぎ始めや、低速回転時等の補助力を要するような場合に、ペダル回転運動を無理なく円滑に継続して行うのに困難を伴うという問題点があった。
【００１４】
この発明は上述したような問題点を解決しようとするものであり、身体障害者または高年齢者が運動療法を行う際に、運動者自身の体力に合わせてペダル回転運動を無理なく円滑に継続して行うことができ、これにより運動機能の回復、および体力の維持を図ることができる上、唯１つのアクチュエータを負荷装置および補助力発生装置として兼用することにより、構成が簡素で、小型、軽量で低コストで製造し得る運動療法装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、人力により駆動しうる駆動部と、前記駆動部に一方向クラッチを使用することなく直接動力が伝達される動力伝達機構を介して接続されるアクチュエーターと、このアクチュエーターの制御を行う制御装置であって、前記アクチュエーターを前記駆動部に対して負荷装置として作動させると共に同一アクチュエーターを使用して人力による前記駆動部の運動に補助力を付与する補助力装置として作動させるよう前記アクチュエーターを人力により駆動しうる前記駆動部若しくはその人力により駆動された前記アクチュエーターの状態を判別し制御する制御装置とを備える運動療法装置である。
【００１６】
また、前記制御装置は、前記アクチュエーターを運動の補助力装置として使用する際に、補助力のトルクを調節および制限することができるものである。
【００１７】
さらに、前記制御装置は、前記アクチュエーターを運動の補助力装置として使用する際に、前記駆動部の機械摩擦が、これを使用する運動者の力を上回る位置または角度範囲、および運動者の身体的能力により駆動できない位置または角度範囲を基準として補助力を効かせることができるものである。
【００１８】
さらにまた、前記制御装置は、前記アクチュエーターを負荷装置として使用する際に、運動時の前記駆動部の速度を調節および制限することができるものである。
【００１９】
また、前記制御装置は、前記アクチュエーターを運動の補助力装置として使用する際に、前記駆動部の速度を調節および制限することができるものである。
【００２０】
さらに、前記制御装置は、前記アクチュエーターを負荷装置として使用する際に、運動時の負荷トルクを調節及び制限することができるものである。
【００２１】
さらにまた、前記制御装置は、前記アクチュエーターの回転停止時や低速回転時に、アクチュエーターに電流を供給することにより、回転停止時や低速回転時の負荷を得ることができるものである。
【００２２】
また、前記制御装置は、前記アクチュエーターの定格電流よりも大きな電流を供給することにより、定格負荷よりも大きな負荷を得ることができるものである。
【００２３】
さらに、本発明の運動療法装置は、運動を行なう際に可動部分の位置あるいは角度を検出する検出部を備え、前記制御装置は、前記検出部の検出位置あるいは角度情報に基づき運動者に与える負荷量を調節することができるものである。
【００２４】
さらにまた、前記制御装置は、運動を行なう際に可動部分の位置あるいは角度の基準点を電源遮断時にもバックアップすることができるものである。
【００２５】
さらにまた、前記制御装置によって前記アクチュエーターに流れる電流の方向を逆転することにより正転と逆転の両方で使用することができるものである。
【００２６】
また、前記制御装置は、定ワットでの負荷制御を行う際に、低速域にて高くなるべき負荷トルクを低く抑えることにより、運動しやすくすることができるものである。
【００２７】
さらに、前記制御装置は、定ワットでの負荷制御を行う際に、運動者の出せる力を考慮し、個人毎に低速域にて高くなるべき負荷トルクを低く抑えるよう調節することができるものである。
【００２８】
さらにまた、前記制御装置は、速度と負荷の調整手段として、運動者が設定した速度よりも速い速度で運動しようとしても設定速度を保つように負荷を調節することができるものである。
【００２９】
また、前記制御装置は、速度と負荷の調整手段として、負荷制御の制御パラメータを有し、この制御パラメータにより応答性を調節、決定することができるものである。
【００３０】
さらに、前記制御装置は、運動者が運動する際の当該運動療法装置の使い心地を、前記負荷制御の制御パラメータを変えることにより設定することができるものである。
【００３１】
さらにまた、前記制御装置は、運動者毎に前記負荷制御の制御パラメータを変えて設定することができるものである。
【００３２】
また、本発明の運動療法装置は、前記駆動部の運動を行なう際に可動部分の速度を検出する速度検出部を備え、前記制御装置は、前記速度検出部の検出速度情報に基づき、前記可動部分が機械的限界あるいは電気的限界を越えて動かされるのを防止するための過速度保護機能を有するものである。
【００３３】
また、本発明の運動療法装置は、前記アクチュエーターに流れる電流を検出する電流検出部を備え、前記制御装置は、前記電流検出部の検出電流情報に基づき、前記制御装置を焼損させる過電流を防止するための過電流保護機能を有するものである。
【００３４】
さらに、本発明の運動療法装置は、前記アクチュエーターに流れる電流を検出する電流検出部を備え、前記制御装置は、前記電流検出部の検出電流情報に基づき、前記アクチュエーターの過大熱量による焼損を防止するための過負荷保護機能を有するものである。
【００３５】
さらにまた、前記制御装置は、当該運動療法装置の使い心地を、ばね定数、粘性係数、慣性からなる機械パラメータにより設定、調節することができるものである。
【００３６】
また、前記制御装置は、運動者個人が持つ下肢の等価機械パラメータを、ばね定数、粘性係数、慣性のパラメータとして計測することができるものである。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００３８】
実施の形態１．
図１は本発明の運動療法装置の概略構成を示す側面図、図２はその要部の斜視図である。
図１において、２０はペダル２２が予め設定された回転速度以下になった回転角度範囲において補助的に働くアシスト駆動機能と、低回転域での機械系の動摩擦負荷を低減させることができる負荷減少駆動機能と、中、高回転域において運転者によるペダル２２の回転に対して負荷を与える負荷付与機能とを備えた運動療法本体部である。この運動療法本体部２０には、駆動部としてのペダル２２を有するペダル軸プーリー２１と、アクチュエータとしてのサーボモータ２５と、サーボモータ２５の回転力をペダル軸プーリー２１へ伝える動力伝達機構Ｔと、サーボモータ２５を制御する制御装置としてのサーボアンプ２７とが内蔵されており、動力伝達機構Ｔは、中間軸２３の両端に固着された中間プーリー２３ａ、２３ｂとそれら中間プーリー２３ａ、２３ｂとペダル軸プーリー２１およびサーボモータ２５とに懸回されたベルト２４、２６とにより構成される。また、サーボモータ２５には、その回転速度を検出するエンコーダ等よりなる速度検出部としての速度センサ２５ａが内蔵されている。２８は運動療法本体部２０に設けられたハンドルポールである。動力伝達機構Ｔを構成するベルト２４、２６はチェーンでもよい。
【００３９】
２９は運動者が体を支えるためにハンドルポール２８に設けられたハンドル、３０はハンドル２９の上方でかつ運動者に向けて装着された表示部及び操作部であり、ペダリング運動を行なうにあたって、各種の負荷や、プログラム内容、アシスト駆動モードか零負荷駆動モード等の設定を行うことができる。３１は運動療法本体部２０に対面して設けられたリクライニング式のイスであり、スライドレバー３２を操作することにより、イス土台３３上を表示部３０に対して前後にスライドさせることができる。３４は運動療法本体部２０とイス３１とを一体化するレールベースであり、長さ方向の端部には移動用の車輪３５が設けられている。
【００４０】
また、サーボモータ２５はアシスト駆動機能、負荷減少駆動機能、負荷付与機能を兼用するものであり、アシスト駆動機能或いは負荷減少駆動機能を遂行させる場合には、反時計回りにトルクを発生し、負荷付与機能を遂行させる場合には時計回りにトルクを発生する。
【００４１】
図３は、サーボモータ２５の動作を制御する制御装置としてのサーボアンプ２７の機能的構成を示すブロック図である。
【００４２】
図３において、一点鎖線内の機能ブロックが、通常のサーボ制御にプラスされた本発明独特の制御機能部分である。また、電流の＋／−の極性の扱いは、正転状態において、アシスト時は「＋」、運動中（負荷時）は「−」としており、そうした意味で、負荷算出部の符号に「−」（マイナス）が付けてある。
【００４３】
次に、図３を参照して、制御装置としてのサーボアンプ２７の制御動作について説明する。通常のサーボアンプ２７及びサーボモータ２５の使用形態として速度運転モードにて使用する場合、与えられた速度指令はその時点に於けるサーボモータ２５の実速度フィードバック値ＮFBとの差がなくなるよう速度制御部５１にて制御される。この速度制御部５１により計算された指示値は、サーボモータ２５に流す電流指令であるが、サーボアンプ２７およびサーボモータ２５の最大許容電流を越えて破損することのないよう、電流制限部５２により制限を加えられて保護される。また、本発明では、電流制限部５２は、本発明装置の使用者に過大な補助力が加わらないように電流指令を制限するように作用する。ちなみに速度制御部５１からの電流指令ＩCMDを制限する判断基準を、サーボアンプ２７及びサーボモータ２５の保護レベルではなく、使用する人に対するトルク制限として使用することにより、アシスト時のトルクを使用者に応じて調節することができる。
【００４４】
電流制限部５２のチェックをパスした電流指令ＩCMDは、電流比較部５３で零電流と比較され、ＩCMD＜０であれば、指令電流制御部５４で零に制御され、ＩCMD≧０であれば、そのまま加算部５５へ出力され、そこで後述する負荷制御系の出力と加算されて、減算部５６へ送られる。
【００４５】
減算部５６では、加算部５５の出力が、サーボモータ２５を制御する後述のトランジスタ５８の出力電流を検出する電流検出部５９からのフィードバック出力により減算されて電流制御部５７へ送られる。
【００４６】
電流制御部５７では、先程の速度と同様に、減算部５６の出力に基づいて、その時点に於けるサーボモータ２５に流れる実電流値（フィードバックされる電流値）との差がなくなるよう電流制御され、この制御結果に基づいて、サーボモータ２５に流す電流をコントロールするトランジスタ５８をオン、オフする。トランジスタ５８には外部より電源電圧Ｖｐが加えられており、オン時にサーボモータ２５に電流を流してサーボモータ２５を駆動する。
【００４７】
なお、この際、正転時にサーボモータ２５に流れる電流の方向（＝電流指令の向き）として、停止からアシスト速度までの加速時を「＋」とすると、アシスト速度より高い速度からアシスト速度までの減速時は「−」となる。サーボモータ２５が逆転すると極性が逆になるが、説明の便宜上、これ以降正転を基準として説明する。
【００４８】
今、本発明装置に対しても、通常のサーボアンプと同様の制御のみを行い、アシスト駆動（補助力駆動）しようとした場合、サーボモータ２５により回転駆動されるペダル２２は、速度指令の速度をとり続けるよう制御されるため、人が速く回わそうとしたり、人の力で回す（＝負荷をとりながら運動する）ことができない。
【００４９】
また一方、サーボモータ２５を負荷として使用する際は、先述の電流方向を基準として考えると、逆向きに流すことにより反力を得ることができる。この場合、先述の速度制御（アシスト制御）がなければ、後述する負荷制御モードに従って指示された負荷トルクがサーボアンプ２７の電流指令として入力されればよい。
【００５０】
そこで、負荷とアシストとを両立させた制御を実現するために、電流の極性に着目して、図３に示すブロック図のように、それぞれの指令が電流制御部５７へ入力される部分を構成することによって可能となる。
【００５１】
すなわち、サーボモータ２５の実速度を表す実速度フィードバック値ＮFBがアシスト指令速度ＮAST以下の状態（ＮFB≦ＮAST）であれば、人の足には負荷がかからずにアシスト指令速度ＮASTに増速する必要があるため、速度制御部５１から指示された電流指令ＩCMDが電流制御部５７に入力されるとともに負荷トルク指令値ＴCMDをキャンセルするようにする。
【００５２】
また、サーボモータ２５の現在速度（実速度フィードバック値）ＮFBがアシスト指令速度ＮASTを越えている状態（ＮFB＞ＮAST）であれば、人の足に負荷が加わるとともに速度制御系からの制御でアシスト指令速度ＮASTに下がらないよう速度制御系からの電流指令ＩCMDをキャンセルする（ＩCMD＝０）とともに、負荷トルク指令値ＴCMDを電流制御部５７に入力する。
【００５３】
具体的には、現在速度ＮFBがアシスト指令速度ＮAST以下の状態（ＮFB≦ＮAST）であれば、速度制御部５１から出力される電流指令ＩCMDの極性は「＋」のため電流制御部５７にそのまま入力されるが、現在速度ＮFBがアシスト指令速度ＮAST以上の状態（ＮFB＞ＮAST）であれば、速度制御部５１から出力される電流指令ＩCMDの極性は「−」となるため、これが電流制御部５７に入らないよう零にする（ＩCMD＝０）。
【００５４】
一方、負荷制御系は、現在速度ＮFBがアシスト指令速度ＮAST以下の状態（ＮFB≦ＮAST）であれば、負荷が加わらないよう負荷トルク指令値ＴCMDを零にし、現在速度ＮFBがアシスト指令速度ＮASTを越える状態（ＮFB＞ＮAST）であれば、負荷トルク指令値ＴCMDを出力する。
【００５５】
ここで、負荷制御について説明する。負荷制御方法には、図３に示すように、等速度制御モード、定ワット（運動量）制御モード、定トルク制御モードの３種類が一般的に存在する。
【００５６】
等速度制御モードは、目標となるペダル回転速度を人の漕ぎ方によらず一定に維持させるモードで、目標速度以下の状態では負荷を加えず軽くすることで加速し易くし、目標速度を少しでも越えるとその力の量に応じて負荷を与え、目標速度に拮抗させる。
【００５７】
等速度制御モードの制御方法としては幾つかのものがあるが、本発明では、ペダル２２すなわちサーボモータ２５の目標速度（指令速度）と現在速度との偏差εを減算部６０で求めて、この偏差εに応じて負荷が決まるように、等速制御部６１で偏差εに制御ゲイン（ＧP＋ＧI＋ＧD）を乗じて負荷（トルク指令値）を算出する方法を採用している。ここで、ＧPは比例ゲイン、ＧIは積分ゲイン、ＧDは微分ゲインである。すなわち、負荷トルク指令値ＴCMDは、
ＴCMD＝−ε（ＧP＋ＧI＋ＧD）
により求める。この等速度制御モードにおける負荷トルクとペダル回転速度との関係の一例を図４の（Ｃ）に示す。この図において、ペダル回転速度が所定回転速度Ｎ以下では、負荷トルクは略メカロス分と等しい値に制御され、所定回転速度Ｎを越えると急峻に増大する。
【００５８】
定ワット制御モードは、ペダル２２を回す速度によらずワット（運動量）を一定にする負荷制御方法である。物理的にワット（運動量）は、
ワット＝速度×トルク×比例定数
の方程式の関係があることより、定ワット制御部６３により、ペダル回転速度に反比例して負荷トルクを与える制御を行う。すなわち、上記方程式より、負荷トルク指令値ＴCMDは、
ＴCMD＝−ｋ＊ＷCMD／ＮFB
として求められる。ここで、−ｋは比例定数、ＷCMDはワット指令値である。一例として、定ワット制御モードにおける負荷トルクとペダル回転速度との関係を図４の（Ａ）に示す。この例では、負荷トルクはペダル回転速度が増大するに従って２次曲線的に減少していき、ペダル回転速度が１２０ｒｐｍに達するとメカロス分に相当する値に減少する。
【００５９】
定トルク制御モードは、負荷トルク一定でサーボアンプ２７の電流制御に指令を与えればよいが、設定方式をワット（運動量）指示とするために、規定速度ＮCMDという値を設定し、ワット指示値ＷCMDを規定速度ＮCMDで除して負荷トルクを算出する方式をここでは採用している。すなわち、負荷トルク指令値ＴCMDは、
ＴCMD＝−ｋ＊ＷCMD／ＮCMD
として求められる。この場合の負荷トルクとペダル回転速度との関係を図４の（Ｂ）に示す。
【００６０】
また、負荷制御系では、サーボモータ２５の実速度フィードバック値ＮFBを積分部６７により積分して求めたペダル位置データにより負荷トルク指令値ＴCMDを変更すれば、ペダル角度に応じた負荷を得ることができる。
【００６１】
このため、定ワット制御部６３により得られた負荷トルク指令値ＴCMDは、第１角度変更部６９により変更制御され、また、定トルク制御部６５により得られた負荷トルク指令値ＴCMDは、第２角度変更部７１により変更制御される。例えば、使用者のペダル駆動力が最大となるペダル位置（使用者の両脚が揃った状態で、脚に対して９０度の位置）では、負荷ゲインを１００％にして、使用者のペダル駆動力が最小となるペダル位置（使用者の両脚が揃った状態で、脚に対して０度或いは１８０度の位置）では、負荷ゲインを０％に設定し、駆動力最大ペダル位置から駆動力最小ペダル位置へは、負荷ゲインが、例えばコサイン曲線に沿って徐々に減少し、一方、駆動力最小ペダル位置から駆動力最大ペダル位置へは、負荷ゲインが、例えばサイン曲線に沿って徐々に増大するように制御する。
【００６２】
そして、等速制御部６１、第１角度変更部６９、第２負荷変更部７１の出力ＴCMDを後述する切替部７３により運転モードに応じて切替制御して負荷トルク比較部７５に出力し、そこで負荷トルク指令値ＴCMDが零以下か判定する。負荷トルク指令値ＴCMDが零より大きければ（ＴCMD＞０）、負荷トルク制御部７７で負荷トルク指令値ＴCMDを零にし（ＴCMD＝０）、一方、負荷トルク指令値ＴCMDが零以下であれば（ＴCMD≦０）、負荷トルク指令値ＴCMDをそのまま速度比較部７９へ出力する。速度比較部７９では、速度フィードバック値ＮFBをアシスト速度指令値ＮASTと比較して、ＮFB≦ＮASTであれば、負荷トルク制御部８１で負荷トルク指令値ＴCMDを零にし、一方ＮFB＞ＮASTであれば、そのまま、負荷トルク指令値ＴCMDを加算部５５へ出力する。
【００６３】
加算部５５では負荷制御系の出力である負荷トルク指令値ＴCMDとアシスト制御系の出力である電流指令値ＩCMDとを加算して、減算部５６へ出力する。減算部５６では、加算部５５の出力（ＴCMD＋ＩCMD）をトランジスタ５８からフィードバックされた出力（サーボモータ２５への供給電流）で減算して、電流制御部５７へ出力する。電流制御部５７は、減算部５６からの出力に応じてトランジスタ５８をオンオフ制御して、サーボモータ２５の電流を制御する。
【００６４】
以上から明なように、本発明によれば、サーボモータ２５を運動の補助力装置として使用する際に、電流制限部５２等により補助トルクを調節および制限することができるので、運動する個人の許容レベル毎に補助トルクを調整し、明らかに危険な力を制限することにより、絶対的および個人に合わせて安全性を確保することができる。また、補助トルクを弱めに調節すれば、ある程度自分で力を出さないと動作しないため、完全に機械に頼るのではなく、運動を助長することができる。
【００６５】
さらに、サーボモータ２５を運動の補助力装置として使用する際に、運動療法装置の機械摩擦が、これを使用する運動者の力を上回る位置または角度範囲、および運動者の身体的能力によりペダリングできない位置または角度範囲を基準として補助力を効かせることができるので、ペダル一回転内の全ての領域で機械摩擦の補償をするのではなく、人がペダルを廻せない範囲のみを補償することにより、機械摩擦の重さに対して運動者の力が不足している区間および片麻痺などの身体的能力低下等により、ペダリングできない区間があるために連続的にペダリングできない運動者に対し、連続的に運動できるようにすることが可能である。
【００６６】
また、サーボモータ２５の回転停止時や低速回転時に、サーボモータ２５に電流を供給することにより、回転停止時や低速回転時の負荷を得ることができるので、従来の機器のように、回転停止時や低速回転時の十分な発電エネルギーを得ることができない状態でも負荷を発生することができる。従って、老人や疾病患者など運動者の身体的能力により、低速でしか運動できない者の使用に対して、有効な負荷制御範囲を得て使用させることが可能であり、また、健常者に対してもこれまで実施できなかった速度範囲での運動を開拓することができる。
【００６７】
さらにまた、サーボアンプ２７を使用することでサーボモータ２５の定格電流よりも大きな電流を供給することができるので、定格負荷よりも大きな負荷を得られる。つまり、発電エネルギーに依存する従来方式では、最大でも定格負荷までしか取ることができないのに対し、本発明では、同一アクチュエータ（サーボモータ２５）にてそれ以上の負荷を取ることができる。このため、アクチュエータとして定格負荷の小さなサーボモータ２５が使用できるため、装置全体を一層小型化することができる。
【００６８】
さらに、本発明によれば、運動を行なう際に可動部分としてのペダル２２の位置あるいは角度を検出する検出部としての速度センサ２５ａを備え、これからの検出位置あるいは角度情報に基づいて、第１および第２負荷変更部６９、７１により運動者に与える負荷量を調節することができるので、従来機器では、１回転内の位置に応じて負荷を変えることができなかったのに対し、本発明では、これを可能とすることができる。従って、ペダル２２の位置（角度）によって、これを回転させるのに活躍する筋肉が異なるが、角度毎に負荷を変えることにより、鍛えたい筋肉毎に負荷調節することが可能となり、効果的なトレーニングが可能となる。また、片麻痺などの身体的能力低下の問題により、ペダリングできない区間がある運動者に対しても、廻すことができる範囲とそうでない範囲とに区別した負荷設定をすることで、連続的な運動が可能になる。
【００６９】
実施の形態２．
図５は、使用者個人の許容負荷ＴPAS等に応じて定ワット制御部６３の出力を調整する負荷トルク調整部８３を設けた例を示している。負荷トルク調整部８３は、実施の形態１の図３において定ワット制御部６３と第１角度変更部６９との間、或いは第１角度変更部６９と切替部７３との間に挿入され、定ワット制御部６３の出力或いは第１角度変更部６９の出力を調整するものである。すなわち、サーボモータ２５の現在速度（実速度フィードバック値ＮFB）により、負荷トルクの割合を調節、決定するものである。この調節方法の一例としては、第１の所定速度ＮLOWの場合には、負荷トルク＝０つまり負荷ワット＝０として、停止時からの踏み始めで漕ぎにくくないようにする。また、第１の所定速度ＮLOWよりも大きな第２の所定速度ＮHIGHまでの間についても、負荷をかけつつも踏みやすさを得るため本来加えるべき力の割合を徐々に増加させる。
【００７０】
図６は負荷トルク調整部８３の動作を示すもので、図６の（Ａ）は負荷トルク調整部８３の動作内容を示すフローチャートであり、（Ｂ）はペダル回転速度と負荷率との関係を示す特性図であり、破線（ａ）は定ワット制御部６３の出力、一点鎖線（ｂ）は定ワット制御部６３の出力ＴCMDに乗算される負荷率、実線（ｃ）は負荷トルク調整部８３の出力をそれぞれ表しており、（Ｃ）は負荷トルクが個人許容負荷ＴPASを越えないように調整された状態を表す特性図である。
【００７１】
次に、この負荷トルク調整部８３の動作について図６を参照して説明する。
まず、サーボモータ２５の現在速度（実速度フィードバック値ＮFB）が第１の所定回転速度ＮLOWより小さいかを判定し（ステップＳ１）、「ＹＥＳ」であれば定ワット制御部６３の出力ＴCMDに負荷率「０」を掛けて零に設定して出力し（ＴCMD＝０）（ステップＳ２）、「ＮＯ」であれば、次いでＮFBが第１の所定回転速度ＮLOWより大きな第２の所定回転速度ＮHIGHより大きいかを判定し（ステップＳ４）、「ＮＯ」であれば、ＴCMDを次式により調整する。
【００７２】
ＴCMD＝ＴCMD×（ＮFB−ＮLOW）／（ＮHIGH−ＨLOW）
ここで、（ＮFB−ＮLOW）／（ＮHIGH−ＨLOW）は負荷率である。例えば負荷率は、図６（Ｂ）に一点鎖線（ｂ）で示すように、回転速度が零からＮLOW迄は０％、ＮLOWからＮHIGHの間では一定の勾配で増大し、ＮHIGH以上では１００％に設定される。この結果、負荷率を掛けて調整された出力ＴCMDは、図６（Ｂ）に実線（ｃ）で示すような曲線を描く。
【００７３】
ステップＳ３で「ＹＥＳ」であれば、ステップＳ４をスキップして、或いはステップＳ４に続いて、ステップＳ５で、ＴCMDがＴPASより大きいか（ＴCMD＞ＴPAS）を判定し、図６（Ｃ）に示すように、「ＮＯ」であればＴCMDをそのまま出力し（ステップＳ６）、「ＹＥＳ」であれば、ＴCMDをＴPASでクリップして（ＴCMD＝ＴPAS）出力する（ステップＳ７）。
【００７４】
また、サーボモータ２５を負荷装置として使用するの際に、負荷トルク調整部８３により運動時の速度を調節および制限することができるので、運動時に運動者にとって過度の速度でペダリングすることを防ぐことができる。従って、運動者が過度の速度を出すことがなくなるため、足の筋を痛める等、急激な運動による疾病を予防ことが可能である。
【００７５】
さらに、サーボモータ２５を運動の補助力装置として使用する際に、駆動部の速度を調節および制限することができるので、運動の速度と相関関係を持った速度を設定するとともに、明らかに危険な速度を出なくすることにより、絶対的および個人に合わせた安全性の確保が可能となる。また、補助トルクが発生する速度を運動させたいペダリング速度より低く設定すると、疲労や身体的能力によりペダリングしない区間のみ補助力を有効とし、自分で運動できる区間は自力で運動できるようにすることができる。
【００７６】
ところで、運動時のペダリング速度を一定にするためには、ペダル反力（負荷）を加えられた力に拮抗させて対抗することが必要であるが、本発明によれば、サーボモータ２５を負荷装置として使用する際に、負荷トルク調整部８３により運動時の負荷トルクを調節及び制限することができるので、この制御の力の限界を制限することにより、明らかに危険な力を発生させないようにして、運動者に危険が及ぶのを未然に防止するとともに、個人レベルに合わせた安全性を確保することができる。
【００７７】
以上の説明では、負荷トルク調整部８３を定ワット制御部６３と第１角度変更部６９との間に設けたものとして説明したが、負荷トルク調整部８３を第１角度変更部６９と切替部７３との間に設けてもよく、この場合にも、負荷トルク調整部８３は第１角度変更部６９の出力に対して略同様に作用する。
【００７８】
実施の形態３．
図７は本発明の実施の形態３に係る運動療法装置の動作を示すブロック図である。この実施の形態３では、負荷制御には直接関与しないが、現在の運動状態を判別して異常な速度（過速度）時には、使用者に警報（アラーム）するようにした処理を、実施の形態１で説明した処理とは別にサーボアンプ２７内に設けたものである。具体的には、図７のフローチャートに示すように、ペダル回転速度が所定の制限速度より速いか否かを判定し（ステップＳ１１）、「ＹＥＳ」の場合には、使用者に「過速度」を警告する過速度アラーム処理を行い（ステップＳ１２）、「ＮＯ」の場合には、警報を発しないで現状の制御を許容する（ステップＳ１３）。過速度アラーム処理としては、過速度アラームとして運動者にその旨のメッセージを表示して、人の運動制御の下にペダリングの速度を落とす方法や、過速度時に負荷を徐々に重くしていき、負荷が重くなることにより、速い速度で漕げなくする方法等により、運動時の速度を調節、制限することが考えられる。
【００７９】
また、この過速度アラーム処理としては、運動者が設定した速度よりも速い速度で運動しようとしても設定速度を保つように負荷を調節するようにしてもよい。
【００８０】
実施の形態４．
図８は本発明の実施の形態４に係る運動療法装置の動作を示すブロック図で、この実施の形態４では、基本的には等速度制御モード以外の運動モード使用時に、過速度となった場合には等速度制御モードへ移行する機能を設けたものであり、例えばこの機能を実施の形態１の切替部７３により実行させることにより、各制御モードを切り替えるようにしてもよい。
【００８１】
具体的には、図８のフローチャートに示すように、先ず、サーボアンプ２７への入力（目標速度、指令ワット、規定速度）から等速度制御モードか否か判定し（ステップＳ２１）、目標速度の入力があれば（「ＹＥＳ」の場合）等速度制御モードを実行し、目標速度の入力が無ければ（「ＮＯ」の場合）、次いでサーボアンプ２７への入力（目標速度、指令ワット、規定速度）から定ワット制御モードか否かを判定し（ステップＳ２３）、指令ワットの入力があれば（「ＹＥＳ」の場合）、次にサーボモータ２５の現在速度が設定速度より速いか否か判定し（ステップＳ２４）、「ＹＥＳ」であれば等速度制御モードを実行し（ステップＳ２２）、「ＮＯ」であれば定ワット制御モードを実行する（ステップＳ２５）。また、ステップＳ２３で指令ワットの入力が無ければ（「ＮＯ」の場合）、サーボモータ２５の現在速度が設定速度より速いか否か判定し（ステップＳ２６）、「ＹＥＳ」であれば等速度制御モードを実行し（ステップＳ２２）、「ＮＯ」であれば定トルク制御モードを実行する（ステップＳ２７）。
【００８２】
尚、ステップＳ２５の定ワット制御及びステップＳ２７の定トルク制御は一例を示したものであり、他の制御モードを設ければ、それを実行するようにしてもよい。
【００８３】
実施の形態５．
図９は本発明の実施の形態５に係る運動療法装置の動作を示すブロック図で、この実施の形態５では、図３の実施の形態１のサーボアンプ２７の等速制御部６１の各制御パラメータ（比例ゲインＧP、積分ゲインＧI、微分ゲインＧD）を調整する設定入力部６２を設け、この設定入力部６２の入力操作により等速制御部６１の各制御パラメータを変更制御し得るようにしたものであり、これにより負荷トルクを制御して、装置の応答性を調整することができる。
【００８４】
すなわち、図９に示すように、等速制御部６１は、目標速度とサーボモータ２５の現在速度（実速度フィードバック値ＮFB）の偏差εに比例ゲインＧPを乗算し、また偏差εを積分（累積）したものに積分ゲインＧIを乗算し、更に偏差εを微分したものに微分ゲインＧDを乗算して、それらを加算して負荷トルク値として出力するが、設定入力部６２に「かたい」、「ふつう」、「やわらかい」等の指令を操作ボタン、キーボード、マウス等の入力手段により入力することにより、比例ゲインＧP、積分ゲインＧI、微分ゲインＧDを変更して、負荷トルクを調節することにより装置の応答性を調整することができる。例えば、「かたい」を入力することにより、各ゲインを大きくし負荷トルクを急激に変化させて応答性を良くしたり、「やわらかい」を入力して各ゲインを小さくすることにより負荷トルクをゆっくり変化させて装置の応答性を緩やかに変えることができる。
【００８５】
また、設定入力部６２のこのような動作は、「かたい」、「ふつう」、「やわらかい」等の所定の入力に対応する比例ゲインＧP、積分ゲインＧI、微分ゲインＧDの変更を予めテーブル等にしておいたり、パターン化して記憶しておくことにより行うことができる。
【００８６】
また、このような制御パラメータの変更は、患者等の使用者各人に合わせて予め設定しておき、操作ボタン、キーボード、マウス等の入力手段により「患者１設定」、「患者２設定」等を入力することを行うようにしてもよい
【００８７】
実施の形態６．
図１０は本発明の実施の形態６に係る運動療法装置の動作を示すブロック図で、この実施の形態６では、負荷制御には直接関与しないが、現在の電流状態を判別して異常な電流（過電流度）時には、使用者に警報（アラーム）するようにした処理を、実施の形態１で説明した処理とは別にサーボアンプ２７内に設けたものである。具体的には、図１０のフローチャートに示すように、サーボモータ２５への供給電流（トランジスタ５８の出力）が所定の制限電流より大きいか否かを判定して（ステップＳ３１）、「ＹＥＳ」の場合には、使用者に「過電流」を警告する過電流アラーム処理を行い（ステップＳ３２）、「ＮＯ」の場合には、警報を発しないで現状の制御を許容する（ステップＳ３３）。
【００８８】
過電流アラーム処理の具体例としては、サーボモータ２５への供給電流（トランジスタ５８の出力）が所定の制限電流より大きい場合に、例えば、電流制限部５７（図３参照）により、トランジスタ５８への供給電流を減少させたりオフにして、サーボモータ２５の動作を制御する。
【００８９】
図１１は、サーボアンプ２７内に使用されているトランジスタ５８等の半導体電子部品およびサーボモータ２５の耐熱特性を示すもので、耐熱限界付近における電流と時間との関係を表している。この図において、実線は半導体電子部品の耐熱特性（加熱保護協調カーブ）で、点線はサーボモータ２５の耐熱特性（加熱保護協調カーブ）を示している。この図から明らかなように、過度の瞬時電流が流れるような場合には、サーボモータ２５の方が半導体電子部品よりも耐熱性に優れるが、過度の連続負荷による温度上昇（電流が長時間継続して流れている）ような場合には、逆に半導体電子部品の方が耐熱性に優れている。
【００９０】
従って、このような耐熱特性を考慮して、サーボモータ２５へ供給する電流を制御することにより、運動時に機器にとって過度の瞬時電流が流れることを防止して過度の瞬時過電流による半導体電子部品等の焼損や損傷を未然に防いだり、或いは運動時に機器にとって過度の連続負荷（オーバロード）による温度上昇を防止して、過負荷によるサーボモータ２５等の焼損や損傷を防ぐことができる。
【００９１】
実施の形態７．
図１２は本発明の実施の形態６に係る運動療法装置の動作を示すブロック図で、この実施の形態７では、当該運動療法装置の使い心地を、ばね定数、粘性係数、慣性からなる機械パラメータにより設定、調節することができるようにしたものである。すなわち、負荷トルクをばね力、粘性力、慣性力に分解して捉えて、これらの合力として表すことにより、負荷トルクをばね定数Ｋ、粘性係数Ｂ、慣性係数Ｍよりなる機械パラメータにより設定、調節し得るようにしたものである。
【００９２】
図１２において、制御装置としてのサーボアンプ２７は、基準位置（停止位置）と速度センサ出力（サーボモータ２５の実速度フィードバック値ＮFB）を積分して得た現在位置（位置FB）との差分より位置変位を検出し、その位置変位にばね定数Ｋを乗算し、また、速度センサ出力（速度ＦＢ）に粘性係数Ｂを乗算し、更に、速度センサ出力（速度ＦＢ）を微分した値に慣性係数Ｍを乗算して、これらの演算値を加算して負荷トルクとして出力するパラメータ演算制御部を有する。
【００９３】
このように、パラメータ演算制御部は、サーボモータ２５の現在位置の基準位置に対する偏差に基づいて負荷トルクを演算するものであり、パラメータＫ、Ｂ、Ｍを変更することにより、出力される負荷トルクを調節することができ、これにより運動療法装置の使い心地を調節することができる。
【００９４】
実施の形態８．
図１３は本発明の実施の形態８に係る運動療法装置の構成を示すブロック図である。この実施の形態８は、上記実施の形態７のパラメータ演算制御部を組み込むことにより、運動者個人が持つ、下肢の等価機械パラメータを、ばね定数Ｋ、粘性係数Ｂ、慣性係数Ｍの各パラメータとして計測することができるようにしたものである。
【００９５】
図１３において、符号２１乃至２７は上記実施の形態１と同様の構成要素を表している。この実施の形態８の制御装置は、サーボモータ２５の動作を制御するサーボアンプ１００と、上記各パラメータを計測するためのパラメータ計測部１２１とを有する。
【００９６】
サーボアンプ１００は、外部より位置指令を入力される位置指令部１０１と、その位置指令部１０１の出力と後述する偏差累積部１１７の出力との偏差を求める減算部１０３と、減算部１０３の出力に基づいてサーボモータ２５の位置を制御する位置制御部１０５と、位置制御部１０５の出力と速度センサ２５ａの出力との偏差を求める減算部１０７と、減算部１０７の出力に基づいてサーボモータ２５の速度を制御するための電流値を出力する速度制御部１０９と、速度制御部１０９の出力と後述する電流検出部１１５の出力との偏差を求める減算部１１１と、減算部１１１の出力に基づいてサーボモータ２５への供給電流を制御する電流制御部１１３と、電流制御部１１３からサーボモータ２５へ供給される電流を検出する電流検出部１１５と、速度センサ２５ａの出力を累積（積分）してサーボモータ２５の回転位置を求める偏差累積部１１７とを含む。
【００９７】
また、パラメータ計測部１２１は、位置指令部１０１の出力と偏差累積部１１７の出力との偏差を求める減算部１２３と、減算部１２３の出力に基づいてサーボモータ２５の位置変位量を求める位置変位部１２５と、速度センサ２５ａの出力を微分する微分部１２７と、位置変位部１２５の出力にばね定数Ｋを乗算し、速度センサ２５ａの出力に粘性係数Ｂを乗算し、微分部１２７の出力に慣性係数Ｍを乗算するゲイン乗算部１２９と、ゲイン乗算部１２９の各出力を加え合わせる加算部１３１と、加算部１３１の出力と速度センサ２５ａの出力とを比較してその偏差を出力する比較部１３３と、比較部１３３の出力が零になる迄各パラメータ（ゲインＫ、Ｂ、Ｍ）を変更調節するゲイン調整部１３５とを含む。
【００９８】
サーボアンプ１００は通常の位置ループ制御のサーボアンプとして制御されるもので、位置指令部１０１に与えられる固定パターンによる位置変動指令により作動される。その際の、サーボモータ２５の位置、速度、電流の各フィードバックを測定して記憶し、運動結果の電流フィードバックと機械モデルのゲインＫ、Ｂ、Ｍの値を変えて得られる出力ができるだけ一致するＫ、Ｂ、Ｍの値を最小２乗法などにより計算する。得られたＫ、Ｂ、Ｍの値を測定値として扱う。
【００９９】
尚、この実施の形態８の説明では、負荷トルクを制御する必要がないため、負荷制御系は省略されているが、図３に示した実施の形態１と同様の負荷制御系をサーボアンプ１００に追加してもよく、このようにすれば負荷トルクの制御を行うことができる共に、負荷制御系に対する制御入力を無し（零）にして、サーボアンプ１００とパラメータ計測部１２１を作動させれば、上述したように、運動者個人の下肢の等価機械パラメータを、ばね定数Ｋ、粘性係数Ｂ、慣性係数Ｍの各パラメータとして計測することができる。
【０１００】
【発明の効果】
この発明による運動療法装置は、人力により駆動しうる駆動部と、前記駆動部に一方向クラッチを使用することなく直接動力が伝達される動力伝達機構を介して接続されるアクチュエーターと、このアクチュエーターの制御を行う制御装置であって、前記アクチュエーターを前記駆動部に対して負荷装置として作動させると共に同一アクチュエーターを使用して人力による前記駆動部の運動に補助力を付与する補助力装置として作動させるよう前記アクチュエーターを人力により駆動しうる前記駆動部若しくはその人力により駆動された前記アクチュエーターの状態を判別し制御する制御装置とを備えるので、従来のように、負荷用モータ（発電機）と補助力用モータの２つのアクチュエーターを必要とすることなく、唯１個のアクチュエーターにより負荷用モータとアシスト用モータとを兼用することができ、装置全体の構成を簡素化できる上、小型化、低コスト化が可能であるという効果を奏する。
【０１０１】
また、本発明によれば、アクチュエーターを運動の補助力装置として使用する際に、補助力のトルクを調節および制限することができるので、運動する個人の許容レベル毎に補助トルクを調整し、明らかに危険な力を制限することにより、絶対的および個人に合わせた安全性の確保が可能である。また、補助トルクを弱めに調節すれば、ある程度自分で力を出さないと動作しないため、完全に機械に頼るのではなく、運動を助長することが可能である。
【０１０２】
さらに、本発明によれば、アクチュエーターを運動の補助力装置として使用する際に、運動療法装置の機械摩擦が、これを使用する運動者の力を上回る位置または角度範囲、および運動者の身体的能力によりペダリングできない位置または角度範囲を基準として補助力を効かせることができるので、ペダル一回転内の全ての領域で機械摩擦の補償をするのではなく、人がペダルを廻せない範囲のみを補償することにより、機械摩擦の重さに対して運動者の力が不足している区間および片麻痺などの身体的能力低下等により、ペダリングできない区間があるために連続的にペダリングできない運動者に対し、連続的に運動できるようにすることが可能である。
【０１０３】
さらにまた、本発明によれば、アクチュエーターを負荷装置として使用するの際に、運動時の速度を調節および制限することができるので、運動時に運動者にとって過度の速度でペダリングすることを防ぐことができる。従って、運動者が過度の速度を出すことがなくなるため、足の筋を痛める等、急激な運動による疾病を予防ことが可能である。
【０１０４】
また、本発明によれば、アクチュエーターを運動の補助力装置として使用する際に、駆動部の速度を調節および制限することができるので、運動の速度と相関関係を持った速度を設定するとともに、明らかに危険な速度を出なくすることにより、絶対的および個人に合わせた安全性の確保が可能となる。また、補助トルクが発生する速度を運動させたいペダリング速度より低く設定すると、疲労や身体的能力によりペダリングしない区間のみ補助力を有効とし、自分で運動できる区間は自力で運動できるようにすることが可能である。
【０１０５】
さらに、運動時のペダリング速度を一定にするためには、ペダル反力（負荷）を加えられた力に拮抗させて対抗することが必要であるが、本発明によれば、アクチュエーターを負荷装置として使用する際に、運動時の負荷トルクを調節及び制限することができるので、装置の応答性を高める程、運動者はより高い瞬発力を発生する必要があるが、この制御の力の限界を制限することにより、明らかに危険な力を発生させないようにして、運動者に危険が及ぶのを未然に防止するとともに、個人レベルに合わせた安全性を確保することが可能である。
【０１０６】
さらにまた、本発明によれば、アクチュエーターの回転停止時や低速回転時に、アクチュエーターに電流を供給することにより、回転停止時や低速回転時の負荷を得ることができるので、従来の機器のように、アクチュエータを負荷として機能させるために発電エネルギーを消費する必要はなく、目的とする負荷に対して十分な発電エネルギーを得ることができない状態でも負荷を発生することができる。従って、老人や疾病患者など運動者の身体的能力により、低速でしか運動できない者の使用に対して、有効な負荷制御範囲を得て使用させることが可能であり、また、健常者に対してもこれまで実施できなかった速度範囲での運動を開拓することができる。
【０１０７】
また、本発明によれば、アクチュエーターの定格電流よりも大きな電流を供給することにより、定格負荷よりも大きな負荷を得ることができるので、発電エネルギーに依存する従来方式では、最大でも定格負荷までしか取ることができないのに対し、本発明では、同一アクチュエータにてそれ以上の負荷を取ることができる。このため、アクチュエータとして定格負荷の小さなモータが使用できるため、装置を一層小型化することが可能である。
【０１０８】
さらに、本発明によれば、運動を行なう際に可動部分の位置あるいは角度を検出する機構を備え、これからの検出位置あるいは角度情報に基づき運動者に与える負荷量を調節することができるので、従来機器では、１回転内の位置に応じて負荷を変えることができなかったのに対し、本発明では、これを可能とすることができる。従って、ペダルの位置（角度）によって、これを回転させるのに活躍する筋肉が異なるが、角度毎に負荷を変えることにより、鍛えたい筋肉毎に負荷調節することが可能となり、効果的なトレーニングが可能となる。また、片麻痺などの身体的能力低下の問題により、ペダリングできない区間がある運動者に対しても、廻すことができる範囲とそうでない範囲とに区別した負荷設定をすることで、連続的な運動が可能になる。
【０１０９】
さらにまた、本発明によれば、運動を行なう際に可動部分の位置あるいは角度の基準点を電源遮断時もバックアップすることができるので、角度による負荷変更を行うなどの場合、一回転内のどこかに必ず基準点を設ける必然性があるが、電源をオフしても前回決定した基準点を記憶し、再使用することができる。従って、電源再投入後に基準点再セットを不要とすることができるため、角度の基準点を、電源オンする度に設定する煩わしさをなくすることができると共に、前回の基準を再使用することで、再現性を確保することが可能である。
【０１１０】
また、本発明によれば、アクチュエーターに流れる電流の方向を逆転することにより正転と逆転の両方で使用することができるので、従来では、ワンウェイクラッチ等により補助力駆動と負荷運動の両立を実現化していたため、逆回転ではワンウェイクラッチが機能せず、使用不可であったのを、本発明では、これを可能とするのができる。従って、逆回転運動にも使用することができ、これにより、運動形態として使用する筋肉が異なるため、正転とは別の筋肉のトレーニングが可能になる。
【０１１１】
さらに、定ワット負荷制御では、ペダリングの速度が遅くなるほど負荷トルクを大きくする必要があるため、ペダリングの速度が遅くなるほど負荷トルクを大きくする必要があり、この制御を正しく行おうとすれば、微速時になるほど、より大きなトルク（力）が必要となり、筋力限界により近くなるため、漕ぎにくい状況となるが、本発明では、定ワットでの負荷制御を行う際に、低速域にて高くなるべき負荷トルクを低く抑えることにより、運動しやすくすることができ、漕ぎやすくなる効果がある。
【０１１２】
さらにまた、本発明によれば、定ワットでの負荷制御を行う際に、運動者の出せる力を考慮し、個人毎に低速域にて高くなるべき負荷トルクを低く抑えるよう調節することができるので、筋力限界の個人差を解消し、個人毎に漕ぎやすい設定を得ることができる。従って、運動者の個人筋力レベルに合わせて設定できるため、一般健常人から低体力者までさまざまな人にとって、漕ぎやすさを提供することができる。
【０１１３】
また、本発明によれば、速度と負荷の調整手段として、設定した速度よりも速い速度で運動しようとしても設定速度を保つように負荷を調節することができるので、運動時のペダリング速度を一定にさせて、運動条件を均一に規定することができる。また、過度の速度を出すことがなくなるので、足の筋を痛める等、急激な運動による疾病を予防することが可能である。
【０１１４】
さらに、負荷制御を行うためには、目標速度と現在速度との偏差に応じて出力トルクを変える制御が必要であるが、その応答性を一義的にしか決められない場合、調整しにくくなるが、本発明によれば、速度と負荷の調整手段として、負荷制御の制御パラメータを有し、この制御パラメータにより応答性を調節、決定することができるので、簡単に応答性を変更することが可能である。
【０１１５】
さらにまた、上述した応答性は、人の運動に対しては踏み心地として評価されるものであるが、本発明によれば、運動する際の当該運動療法装置の使い心地を、前記負荷制御の制御パラメータを変えることにより設定することができるので、応答性を単なる数値ではなく、人の感覚として設定することができる。従って、数値の意味が判らない人でも、設定変更が可能となり、調節が行い易い。
【０１１６】
また、運動する運動者毎に前記負荷制御の制御パラメータを変えて設定することができるので、個人毎の運動能力や筋力などによって異なる、踏み心地としての応答性の最適値を個人毎に合わせることができる。従って、一般健常者の漕ぎ易さに合わせると、低体力者にとっては漕ぎ難いものとなるが、個人毎の運動能力や筋力などに合わせることができるので、低体力者でも漕ぎやすい機器を提供することができる。
【０１１７】
さらに、本発明によれば、運動を行なう際に可動部分の速度を検出する速度検出部を備え、この速度検出部の検出速度情報に基づき、前記可動部分が機械的限界あるいは電気的限界を越えて動かされるのを防止するための過速度保護機能を有するので、運動時に機器にとって過度の速度でペダリングすることを防止することができ、機器を過度の速度による損傷から防ぐことが可能である。
【０１１８】
さらにまた、本発明によれば、前記アクチュエーターに流れる電流を検出する電流検出部を備え、この電流検出部の検出電流情報に基づき、前記制御装置を焼損させる過電流を防止するための過電流保護機能を有するので、運動時に機器にとって過度の瞬時電流が流れることを防止することができ、機器を過度の瞬時過電流による損傷から防ぐことが可能である。
【０１１９】
また、本発明によれば、前記アクチュエーターに流れる電流を検出する電流検出部を備え、この電流検出部の検出電流情報に基づき、前記アクチュエーターの過大熱量による焼損を防止するための過負荷保護機能を有するので、運動時に機器にとって過度の連続負荷による温度上昇を防止することができ、機器を過度の負荷（オーバーロード）による損傷から防ぐことが可能である。
【０１２０】
さらに、本発明によれば、当該運動療法装置の使い心地を、ばね定数、粘性係数、慣性からなる機械パラメータにより設定、調節することができるので、運動時の踏み心地となる応答性を機械モデルとして捉え制御することにより、機械モデルのパラメータとして扱えるため、物理的意味が認識しやすくなる。
【０１２１】
また、本発明によれば、運動者個人が持つ、下肢の等価機械パラメータを、ばね定数、粘性係数、慣性のパラメータとして計測することができるので、運動者を機械モデルとして捉えることにより、運動者の運動能力を機械モデルとして解析することが可能となり、疾患による機械パラメータの特徴などの相関関係を分析できる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１に係る運動療法装置の側面図である。
【図２】  本発明の実施の形態１の要部の斜視図である。
【図３】  本発明の実施の形態１のサーボアンプのブロック図である。
【図４】  本発明の実施の形態１の負荷トルク制御モードを表す特性図である。
【図５】  本発明の実施の形態２のサーボアンプの要部のブロック図である。
【図６】  本発明の実施の形態２の動作を表すフローチャートである。
【図７】  本発明の実施の形態３の動作を表すフローチャートである。
【図８】  本発明の実施の形態４動作を表すフローチャートである。
【図９】  本発明の実施の形態５の動作を表すフローチャートである。
【図１０】  本発明の実施の形態６動作を表すフローチャートである。
【図１１】  半導体電子部品およびサーボモータ２５の耐熱特性を示す特性図である。
【図１２】  本発明の実施の形態７動作を表すフローチャートである。
【図１３】  本発明の実施の形態８の動作を表すフローチャートである。
【図１４】  従来の運動療法装置の概略構成図である。
【符号の説明】
２２  ペダル（駆動部）、２５  サーボモータ（アクチュエータ）、２７  サーボアンプ（制御装置）。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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