Device for automatically adjusting load of weight machine

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、上腕部、胸部、腹部、腰部、大腿部、ふくらはぎなどの筋肉に力学的な負荷を与えて、これらの筋肉を強化するためのウエイトマシンに関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】健康づくりのためのマシンによる運動としては、心肺機能の向上や体脂肪の燃焼を目的としたトレッドミルによるウォーキングやランニング運動、自転車エルゴメータによる自転車こぎ運動、ステアクライマによる階段上り運動、ローイングマシンによるボートこぎ運動など、有酸素運動が中心に行われてきた。

【０００３】しかし、日常生活の中でのさまざまな動作を生み出す基本となるのは筋肉であり、活動的で人間らしい生活をできるだけ長く持続するためには、ウエイトマシンや、ダンベルなどのフリーウエイトを使って体に抵抗を加え、筋肉を強化するレジスタンストレーニングを行って身体の土台となる筋肉の機能を維持することが重要である。

【０００４】筋肉は使わなければ萎縮し、それに伴って機能も低下する。 従って、トレーニングによって得られた効果を維持するには、その後も継続的なトレーニングが必要である。 また、短期間のレジスタンストレーニングによって得られる効果は、神経系の適応によるところが大きく、肥大化など筋肉の形態的な変化によってもたらされる効果が出るまでには、長期間のトレーニングの積み重ねが必要である。

【０００５】また、レジスタンストレーニングは局所的な部位のみに偏らず、全身をバランスよくトレーニングすることが大切である。 拮抗筋や左右の筋力のバランスが崩れると、肉離れや捻挫などの整形外科的な障害を招くことがあるので、このような障害を予防するためにも、全身をバランスよくトレーニングする必要がある。

【０００６】さらに、レジスタンストレーニングは基礎的な筋力を養うことから始めるのが望ましい。 基礎的な筋力として大筋群は、大きな筋パワーを生み出して動作の基本となる筋肉なので、大筋群を優先してトレーニングする方がより効果的である。

【０００７】このように、ウエイトマシンによって局所的な部位のみに偏らず基礎的な大筋群を中心に全身の筋肉にバランスよく負荷を与えると、生理的な適応によって全身の筋肉が肥大し、神経系を活性化して筋機能が向上する。 また、筋肉が肥大すると筋肉を支える骨も密度が高くなって丈夫になり、重量も重くなる。 このため、
レジスタンストレーニングを行うと筋肉や骨などの組織が発達し、体重から体脂肪量を除いた除脂肪体重が増加する。 従って、除脂肪体重は長期間にわたるレジスタンストレーニングの効果を見る指標として好適であり、除脂肪体重を目標にすると目標が定まってトレーニング効率が向上する。

【０００８】また、筋力トレーニングを長期間行う場合、どの程度のトレーニングを、どのくらいの頻度で、
どのくらいの期間続ければよいかなど、トレーニングに関するカウンセリングを受けながら行うとより効果的である。 ところが、カウンセリングを受けるには、経済的な負担や時間的な制約を伴うので、誰もが簡単に手軽に受けるわけにはいかなかった。

【０００９】そこで本発明は、除脂肪体重を目標に立て、目標の除脂肪体重の身体を作るには、どの程度の負荷の運動を、どのくらいの頻度で、どのくらいの期間続ければよいか、という運動プログラムを自動的に演算して決定し、この決定した運動プログラムで定める負荷の値になるように、ウエイトマシンの負荷変更手段を自動的に操作することにより、煩雑な機械操作に煩わされることなく、確実に運動効果を発揮して、無理なく目標の除脂肪体重になるようにすることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

【００１１】負荷が可変な筋力トレーニング用ウエイトマシンにおいて、身体に接触すべき電極を介して人体インピーダンスを測定する人体インピーダンス測定手段と、性別、年齢、身長および体重の個人データを入力するデータ入力手段と、前記人体インピーダンスと個人データから体脂肪率を算出する体脂肪率算出手段と、前記体脂肪率と体重から除脂肪体重を算出する除脂肪体重算出手段と、目標の除脂肪体重を設定する目標除脂肪体重設定手段と、運動回数を設定する運動回数設定手段と、
目標の除脂肪体重と前記の算出した除脂肪体重を比較して、その差の解消に必要な運動量を算出する必要運動量算出手段と、算出した必要運動量と前記設定運動回数にもとづき、ウエイトマシンの負荷および使用時間を定めた運動プログラムを決定する運動プログラム決定手段と、ウエイトマシンの負荷を、前記の決定した運動プログラムの定める負荷の値に一致するように変更する負荷変更手段と、を備え、目標除脂肪体重達成に必要な運動プログラムの負荷になるように、ウエイトマシンの負荷を調節する。 また、算出した必要運動量と前記設定運動回数にもとづき、目標心拍数および使用時間を定めた運動プログラムを決定する運動プログラム決定手段と、運動中の心拍数を測定する心拍数測定手段、および、運動中の心拍数が前記運動プログラムの定める目標心拍数になるように、エアロビック運動器具の負荷を変更する負荷変更手段とを備えて、目標除脂肪体重達成のために必要な運動プログラムの定める負荷になるように、エアロビック運動器具の負荷を調節する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

【００１３】ウエイトマシンにはトレーニング種目に応じていろいろな種類のものが市販されている。 ここでは代表的な3例を図１〜図３に示す。 図１はアームカールＡ１で、上腕部を反復してねじ曲げることにより上腕二頭筋などの筋肉を強化する。 図２はレッグカールＡ２
で、大腿部を反復してねじ曲げることによりハムストリングなどの筋肉を強化する。 図３はアブドミナルＡ３
で、腹部を反復して屈伸することにより腹筋などの筋肉を強化する。 これらのウエイトマシンに用いられる負荷方法には、ウエイトを滑車やてこなどを使って持ち上げるウエイトスタック式の他、油圧や空気圧あるいは電磁石の抵抗を利用した油圧式、空気圧式あるいは電磁式などがある。

【００１４】各ウエイトマシンＡ１、Ａ２、Ａ３には、
図示しないタッチ式のカラー液晶パネルをそれぞれ設置し、負荷の調節や各種データの入力および表示を行う。
負荷の変更は、自動的に油圧を変更して行う。 もしくは適正ウエイトをカラー液晶パネルに表示し、その表示に従って人がウエイトを積み替えて行ってもよい。 また負荷変更の例として、運動に伴い回転する回転軸に円板を一体的に連結して、この円板の脇に配置した電磁石の磁束により円板に渦電流を起すことにより、回転軸にブレーキをかけるものがある。 この場合は、電磁石に流すコイル電流を変更することにより、回転軸の制動トルクを変更する。 人体インピーダンスや心拍数の測定は、ウエイトマシンＡ１、Ａ２、Ａ３にそれぞれ設けたグリップハンドルＨを握って行う。

【００１５】図４に、本発明を実施した負荷自動調整装置の機能ブロック図を示す。 この負荷自動調整装置は、
ハンドルバーＨの電極を介して人体インピーダンスを測定する人体インピーダンス測定手段１１と、カラー液晶パネルを介して性別、年齢、身長および体重の個人データを入力するデータ入力手段１２と、人体インピーダンスの測定結果とデータの入力内容から体脂肪率を算出する体脂肪率算出手段１３と、体脂肪率と体重から除脂肪体重を算出する除脂肪体重算出手段１４と、筋肉と骨など体重から体脂肪を除いた除脂肪組織と性別および年齢とを評価して運動能力を推計する運動能力推計手段１５
と、目標の除脂肪体重を設定する目標除脂肪体重設定手段１６と、期間と頻度を指定して目標の除脂肪体重に到達するために必要な運動回数を設定する運動回数設定手段１７と、目標の除脂肪体重と前記の算出した除脂肪体重を比較して、その差の解消に必要な運動量を算出する必要運動量算出手段１８と、運動回数毎に目標の除脂肪体重と現在の除脂肪体重を比較してその差に応じて運動量を修正する運動量修正手段１９と、ハンドルバーＨの電極を介して心拍数を測定する心拍数測定手段２０と、
算出した必要運動量と前記設定運動回数にもとづき、目標心拍数及び使用時間を定めた運動プログラムを決定する運動プログラム決定手段２１と、心拍数測定手段２０
による測定心拍数と前記の目標心拍数を比較して両者が一致するようにウエイトマシンの負荷を変更する負荷変更手段２２と、で構成する。 なお、体重については歪ゲージなどをウエイトマシンに設けて運動中に測定してもよい。

【００１６】図５に、電極を装着したハンドルバーＨの一部を拡大した要部拡大図を示す。 ハンドルバーＨは、
棒状の絶縁体の中部に左右の把持部ＨＬ、ＨＲを設け、
それぞれに給電側電極Ｈ１、Ｈ１と検出側電極Ｈ２、Ｈ
２を巻着して４端子電極を構成する。 給電側電極Ｈ１、
Ｈ１と検出側電極Ｈ２、Ｈ２の間は接触しないように間隔を設ける。 これらの電極の設置場所は、ハンドルバーＨに限らず、その他の場所たとえばカラー液晶パネルのケース外周でもよい。

【００１７】図６に、人体インピーダンス測定手段１１
の測定回路のブロック図を示す。 測定回路は、発振器２
３が生成する５０ｋＨｚの正弦波交流電圧を駆動回路２
４、トランスＴ１、切換スイッチ２５Ａを介して給電側電極Ｈ１、Ｈ１に供給する。

【００１８】ハンドルバーＨの左右の把持部ＨＬ、ＨＲ
を両手で握ると、検出側電極Ｈ２、Ｈ２に交流電圧が発生する。 検出側電極Ｈ２、Ｈ２に発生した交流電圧を切換スイッチ３３Ａ、トランスＴ２、帯域フィルタ２６、
整流回路２７、増幅器２８を介して直流電圧に変換し、
波形整形、レベル調整、オフセット調整した後、Ａ／Ｄ
変換器２９、Ｉ／Ｏインタフェース３０を介してＣＰＵ
３１に入力する。 ３２はメモリである。

【００１９】測定回路を構成する要素の経時変化や温度特性による測定誤差を修正するため、人体インピーダンスを測定する前に、検出側回路の出力特性をあらかじめ校正する。 すなわち、２つの変量である人体インピーダンスＺと検出側回路が検出する交流電圧Ｖの関係を回帰直線Ｚ＝ｋ・Ｖ＋Ｃ０ にあてはめる。 そして、抵抗値が既知の２つの抵抗Ｒ１とＲ２の両端に、人体インピーダンスＺを測定するときと同じ所定の交流電圧を印加し、抵抗Ｒ１とＲ２の両端に発生する交流電圧Ｖを検出して回帰直線の比例定数ｋと固定定数Ｃ０を求める。

【００２０】このため、ＣＰＵ３１から制御信号を出力してＩ／Ｏインタフェース３０、切換ユニット３３、および切換制御回路３３Ａを介して切換スイッチ３３ＡＳ
を切換え、トランスＴ１の二次側とトランスＴ２の一次側との間に，２つの抵抗Ｒ１とＲ２を切換え自在にそれぞれ接続する。 次に、ＣＰＵ３１から制御信号を出力してＩ／Ｏインタフェース３０、切換ユニット３３、および切換制御回路３３Ｂを介して切換スイッチ３３ＢＳを切換え、測定対象を抵抗Ｒ１あるいは抵抗Ｒ２に切換える。

【００２１】人体インピーダンス測定手段１１が計算する人体インピーダンスの計算方法を数式１に示す。

【数１】

【数２】

【００２２】運動能力推計手段１５は、運動を安全に行うのと、運動効果を最大限に高めるために、体力に応じた運動強度を設定する前提となる運動能力を推計する。
運動能力は、一般的には最大酸素摂取量を基準に推計するが、ここでは筋肉や骨など体重から体脂肪を除いた除脂肪組織をパフォーマンスのバロメータとして運動能力を推計する。 また、体脂肪を効率よく燃焼させる運動強度は、心拍数のレベルで最高心拍数の約６０〜９０％が好適とされるので、最高心拍数＝２２０−年齢とされることから、年齢も運動能力の評価に加える。 また、性別も同様に評価に加える。

【００２３】目標除脂肪体重設定手段１６は、タッチ式のカラー液晶パネルを介して目標とする除脂肪体重をメニューの中から選択する。 目標とする除脂肪体重が一定の時間内に選択されない場合は、女性の場合と男性の場合に分けて、かつ算出した実際の除脂肪体重を勘案して、標準の除脂肪体重が自動設定される。

【００２４】運動回数設定手段１７は、例えば３か月、
半年、１年などの期間と、週１回、週３回、毎日などの頻度がメニューに表示され、その中から期間と頻度を選択して、運動回数を設定する。 決められた入力時間内に、期間と頻度が選択されない場合は、目標除脂肪体重と現在の除脂肪体重の差に応じて適当な期間と頻度が自動的に選択されて、運動回数が自動設定される。

【００２５】必要運動量算出手段１８は、目標除脂肪体重と現在の除脂肪体重を比較して運動回数毎に必要な運動量を算出する。 必要な運動量は、運動量と除脂肪体重の実験的な相関関係から目標除脂肪体重と現在の除脂肪体重の差に応じた値を設定する。 一般に、運動量は、運動の強度と時間の積として、次のように表すことができる。 運動量（ｋｃａｌ）＝運動強度（ｋｃａｌ／分）×運動時間（分） 従って、運動量を上げるには、運動強度をきつくするか、運動時間を長くすることが必要である。 運動強度は、オーバロード（過負荷）の原則から最低でも日常生活で使用する筋力以上の抵抗を筋肉に与えるように設定する。 また、運動強度は、効果に伴って増加させないと運動効果が停滞するので、除脂肪体重の増加に伴って運動強度を上げていく。

【００２６】運動強度は、数段階のレベルの中から、運動能力推計手段１５が推計した運動能力に応じたレベルがメニューに表示され、その中から選択する。 レベルが選択されない場合は、運動能力に応じて適当なレベルが設定される。

【００２７】レベルが設定されたら、先に設定した運動強度をもとに必要な運動時間を計算する。

【００２８】運動量修正手段１９は、運動回数毎の目標除脂肪体重と現在の除脂肪体重の差から修正（増強）すべき除脂肪体重の量を求め、この量からその時点で必要な運動量を求めて運動強度と運動時間を再設定する。 このように、操作パネルを介してどの程度の運動を、どのくらいの頻度で、どのくらいの期間続ければよいかなど、目標の体脂肪率になるために必要な運動プログラムを提示し、運動の進捗状況に応じて運動プログラムが修正されるように再設定すれば、運動のつど運動プログラムを組立てる手間がなくなり、能率が良いという利点がある。

【００２９】図７に、必要運動量算出手段１８がカラー液晶パネルに表示する除脂肪体重の目標と実績の推移グラフを示す。 除脂肪体重の目標と実績の推移グラフは、
縦軸と横軸にそれぞれ体脂肪量（ｋｇ）ならびに除脂肪体重（ｋｇ）と運動回数をスケーリングし、運動回数毎の体脂肪量ならびに除脂肪体重の目標値（点線）と、運動回数毎に測定した体脂肪量ならびに除脂肪体重の実績値を表示する。 このように、液晶パネルに表示すると、
目標が立てやすく、わかりやすいという利点がある。

【００３０】次に、運動プログラム決定手段２１は、手段１８が算出した必要運動量と手段１７で設定した設定運動回数にもとづき、１回の運動で、どのくらいの時間だけそのウエイトマシンを使用し、そのときの心拍数がどのくらいになるような負荷であれば、必要運動量を消化できるかを計算し、その結果から、目標心拍数と運動器具の使用時間を定めた運動プログラムを決定する。 負荷変更手段２２は、心拍数測定手段２０による測定心拍数と前記の目標心拍数を比較して、両者が一致するように、ウエイトの重さ、もしくは油圧力などの、ウエイトマシンの負荷を変更調節する。 これにより、必要運動量算出手段１８が設定した運動強度の心拍ゾーンに、実際の心拍数をキープさせる。

【００３１】ウエイトマシンには、上記のように、心拍数で負荷を調整する間接形式と、心拍数とは無関係に負荷を設定する直接形式とがある。 直接形式の場合は、１
回の運動で、どのくらいの時間だけその運動器具を使用し、そのときの負荷がどのくらいの値であれば、必要運動量を消化できるかを計算し、その結果から、負荷と運動器具の使用時間を定めた運動プログラムを決定する。
図４は、これら直接間接の両形式を表している。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のウエイトマシンの負荷自動調整装置では、目標の除脂肪体重を基準にして、この目標を達成するためには、どの程度の負荷の運動を、どのくらいの頻度で、どのくらいの期間続ければよいか、という運動プログラムを決定し、この決定した運動プログラムで定める負荷の値になるように、
ウエイトマシンの負荷変更手段を自動的に操作するので、煩雑な機械操作に煩わされることなく、確実に運動効果を発揮して、無理なく目標の除脂肪体重の体格になれるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施したウエイトマシンのアームカールの概略図である。

【図２】本発明を実施したウエイトマシンのレッグカールの概略図である。

【図３】本発明を実施したウエイトマシンのアブドミナルの概略図である。

【図４】本発明を実施した負荷自動調整装置の機能ブロック図である。

【図５】本発明を実施したハンドルバーの要部拡大図である。

【図６】本発明を実施した人体インピーダンス測定回路のブロック図である。

【図７】必要運動量算出手段が表示する除脂肪体重の推移グラフである。

【符号の説明】

１１ 人体インピーダンス測定手段 １２ データ入力手段 １３ 体脂肪率算出手段 １４ 除脂肪体重算出手段 １５ 運動能力推計手段 １６ 目標体脂肪率設定手段 １７ 運動回数設定手段 １８ 必要運動量算出手段 １９ 運動量修正手段 ２０ 心拍数測定手段 ２１ 運動プログラム決定手段 ２２ 負荷変更手段 ２３ 発振器 ２４ 駆動回路 ２６ 帯域フィルタ ２７ 整流回路 ２８ 増幅器 ２９ Ａ／Ｄ変換器 ３０ Ｉ／Ｏインタフェース ３１ ＣＰＵ ３２ メモリ Ａ１ アームカール Ａ２ レッグカーム Ａ３ アブドミナル Ｈ グリップハンドル Ｒ１、Ｒ２ 抵抗 Ｔ１、Ｔ２ トランス