JP6319731B2 - 電気刺激装置の制御装置、電気刺激装置、および、ペダルこぎ運動システム - Google Patents

Description

本発明は、ペダルこぎ運動に連動してペダルこぎ運動する身体の所定部位に電気刺激を与える電気刺激装置の制御装置、電気刺激装置、および、ペダルこぎ運動システムに関する。

特許文献１には、足踏みペダルの位置または回転角度に基づいて、電気刺激装置により下肢に電気刺激を与えることによってペダルこぎ運動を惹起または増強させることが開示されている。

特開２００３−１４４５５６号公報

足踏みペダルの位置または回転角度と下肢の膝関節角度との関係は、様々な要因により本来望ましい関係からずれる場合がある。これにより、電気刺激装置が適切なタイミングで下肢に電気刺激を与えることが困難となるおそれがある。

本発明の電気刺激装置の制御装置の一形態は、ペダルこぎ運動する身体の所定部位である脚および腕の少なくとも一方に電気刺激を付与する電極の出力を調節し、前記ペダルこぎ運動における前記所定部位の動作にともなう前記所定部位の角速度を検出する角速度検出部と通信する制御部を備え、前記制御部は、前記ペダルこぎ運動における前記所定部位の動作状態が所定の動作状態のときに前記所定部位に電気刺激が付与されるように、前記角速度検出部の検出結果に応じて前記電極による電気刺激の出力タイミングを調節する。

上記電気刺激装置の制御装置、電気刺激装置、および、ペダルこぎ運動システムは、ペダルこぎ運動する身体の所定部位に適切なタイミングで電気刺激を与えることができる。

実施の形態のペダルこぎ運動システムの斜視図。 図１のペダルこぎ運動システムにおける電気刺激装置のブロック図。 膝関節角度の推移およびフィルタ処理後の角速度の推移を示すグラフ。 制御部により実行されるフィルタ処理における周波数特性のグラフ。 制御部により実行されるフィルタ処理における位相特性のグラフ。 クランクが低回転速度時におけるフィルタ処理後の角速度の一例を示すグラフ。 クランクが高回転速度時におけるフィルタ処理後の角速度の一例を示すグラフ。 第１の電極への電圧の印加タイミングを演算するためのマップ。 第２の電極への電圧の印加タイミングを演算するためのマップ。 クランクの回転数と印加電圧との関係を示すグラフ。 各電極への印加電圧を示すグラフ。 クランクの回転速度と印加電圧の増加率との関係を示すマップ。 制御部により実行される第１の処理のフローチャート。 制御部により実行される第２の処理のフローチャート。 制御部により実行される第３の処理のフローチャート。

（電気刺激装置の制御装置、電気刺激装置、および、ペダルこぎ運動システムが取り得る形態の一例）
〔１〕本発明の電気刺激装置の制御装置の一形態は、ペダルこぎ運動する身体の所定部位である脚および腕の少なくとも一方に電気刺激を付与する電極の出力を調節し、前記ペダルこぎ運動における前記所定部位の動作にともなう前記所定部位の角速度を検出する角速度検出部と通信する制御部を備え、前記制御部は、前記ペダルこぎ運動における前記所定部位の動作状態が所定の動作状態のときに前記所定部位に電気刺激が付与されるように、前記角速度検出部の検出結果に応じて前記電極による電気刺激の出力タイミングを調節する。

これにより、ペダルこぎ運動する身体の所定部位の動作状態を角速度検出部によって直接的に検出することができる。このため、例えば下肢に角速度検出部が装着されたとき、足踏みペダルの位置もしくは回転角度と下肢の膝関節角度との関係が本来望ましい関係からずれたとしても下肢の動作を精度よく検出できる。したがって、ペダルこぎ運動時においてペダルこぎ運動する身体の所定部位に適切なタイミングで生体に電気刺激を与えることができる。なお、所定の動作状態とは、電気刺激が付与されることに適した動作状態として予め規定された状態である。

〔２〕前記電気刺激装置の制御装置の一例によれば、前記制御部は、前記角速度検出部の検出結果、および、前記所定部位の角速度に対する前記角速度検出部の検出結果の遅れに応じて前記電極による電流の出力タイミングを調節する。

これにより、測定された所定部位の動作が実際の所定部位の動作よりも遅れたとしても、実際の所定部位の動作に即して適切なタイミングで所定部位に電気刺激を与えることができる。

〔３〕前記電気刺激装置の制御装置の一例によれば、前記制御部は、クランクの回転速度に基づいて前記遅れを演算する。
所定部位の角速度に対する角速度検出部の検出結果の遅れにおけるクランクの回転速度による影響を反映した値に設定することにより、クランクの回転速度が変化しても、適切なタイミングで所定部位に電気刺激を与えることができる。

〔４〕前記電気刺激装置の制御装置の一例によれば、前記制御部は、前記ペダルこぎ運動におけるクランクの回転数が第１の範囲に含まれる場合に第１のフィルタを用いて前記角速度検出部の検出結果を平滑化し、前記ペダルこぎ運動における前記クランクの回転数が前記第１の範囲よりも大きい第２の範囲に含まれる場合に前記第１のフィルタよりも緩やかな周波数特性を有する第２のフィルタを用いて前記角速度検出部の検出結果を平滑化する。

〔５〕前記電気刺激装置の制御装置の一例によれば、前記制御部は、前記ペダルこぎ運動におけるクランクの回転数が所定の回転数以下の期間である第１の期間における前記角速度のピークまたはボトムの代表値に基づいて、前記クランクの回転数が前記所定の回転数を超えた後の期間である第２の期間における前記角速度のピークまたはボトムを検出する。

代表値として予め設定された値を用いるのではなく、ペダルこぎ運動の開始時において使用者個々の角速度のピークまたはボトムを測定し、代表値を演算する。これにより、使用者の体格等によって角速度のピークまたはボトムとなるタイミングがばらつくことを抑制できる。したがって、使用者の体格がばらついても使用者個々に対して適切なタイミングで所定部位に電気刺激を与えることができる。

〔６〕前記電気刺激装置の一形態は、上記〔１〕〜〔５〕のいずれか一つの電気刺激装置の制御装置と、前記電極と、前記角速度検出部とを備える。
〔７〕前記ペダルこぎ運動システムの一形態は、上記〔６〕に記載の電気刺激装置と、ペダルこぎ運動器とを備える。

（実施の形態）
図１に示されるように、ペダルこぎ運動システム１は、使用者の下肢に装着される電気刺激装置１０と、使用者がペダルこぎ運動を行うためのペダルこぎ運動器３０と、使用者が着座する椅子４０とを備える。なお、ペダルこぎ運動システム１の構成は任意に変更可能である。第１の例では、ペダルこぎ運動器３０と椅子４０とが一体的に形成される。第２の例では、ペダルこぎ運動時に使用者が把持するハンドルをさらに有する。第３の例では、椅子４０には、椅子４０の高さを調整可能な機構を有する。これにより、ペダルこぎ運動しやすい椅子４０の高さに調整できる。

電気刺激装置１０は、使用者のペダルこぎ運動に応じて下肢に電気刺激を与える。電気刺激装置１０は、右下肢および左下肢のそれぞれに装着されるサポーター１１と、電気刺激装置１０を制御する制御装置の一例であるコントローラ２０とを備える。

サポーター１１には、２つの第１の電極１２、２つの第２の電極１３、および、角速度検出部１４が取り付けられている。第１の電極１２および第２の電極１３は、互いに間隔を空けて配置されている。２つの第１の電極１２は、互いに間隔を空けて配置されている。２つの第２電極１３は、互いに間隔を空けて配置されている。角速度検出部１４は、第２の電極１３よりも第１の電極１２寄りに配置されている。角速度検出部１４は、例えば２つの第１の電極１２の間に配置されている。なお、第１の電極１２および第２の電極１３の個数は任意に変更可能である。一例では、第１の電極１２および第２の電極１３の少なくとも一方が１個または３個以上設けられる。

サポーター１１が下肢に装着されたとき、第１の電極１２が例えば下肢の大腿四頭筋に対応する位置に配置され、第２の電極１３が例えば大腿二頭筋に対応する位置に配置される。角速度検出部１４は、例えば大腿四頭筋に対応する位置に配置される。このため、ペダルこぎ運動時において第１の電極１２は大腿四頭筋に電気刺激を出力し、第２の電極１３は大腿二頭筋に電気刺激を出力し、角速度検出部１４は大腿四頭筋の角速度を検出する。角速度検出部１４は、角速度に応じた検出信号をコントローラ２０に出力する。

コントローラ２０は、サポーター１１と有線により接続されることにより、第１の電極１２、第２の電極１３、および、角速度検出部１４と電気的に接続されている。コントローラ２０は、角速度検出部１４からの検出信号に基づいて、第１の電極１２および第２の電極１３への電圧の印加態様を制御する。なお、コントローラ２０は、無線通信を通じて第１の電極１２、第２の電極１３、および、角速度検出部１４と電気的に接続されてもよい。

ペダルこぎ運動器３０は、例えば床に置かれる本体部３１と、ペダル３５が取り付けられたクランク３２とを備える。本体部３１には、クランク３２を回転させるための電気モータ（図示略）が設けられている。クランク３２は、クランク軸３３および一対のクランクアーム３４を含む。クランク軸３３は、その軸方向両端部が本体部３１から突出するように本体部３１に挿入されている。クランクアーム３４は、クランク軸３３の両端部に取り付けられ、クランク軸３３の軸方向と直交する方向に延びている。クランクアーム３４の先端部にはペダル３５が取り付けられている。

ペダルこぎ運動器３０は、電気モータによりクランク３２を回転させる自動運転モードと、使用者のペダルこぎ運動によりクランク３２が回転する他動運転モードとの２つの動作モードを備える。他動運転モードでは、例えば電気モータが停止している。なお、ペダルこぎ運動器３０から自動運転モードを省略してもよい。この場合、ペダルこぎ運動器３０から電気モータが省略される。

図２を参照して、電気刺激装置１０の電気的な構成について説明する。
コントローラ２０は、制御部２１、記憶部２４、操作部２５、操作表示部２６、および、電気刺激回路２７を備える。

制御部２１は、予め定められた制御プログラムを実行する。制御部２１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＭＰＵ（Micro Processing Unit）を含む。制御部２１は、電気刺激回路２７を制御するための制御信号を電気刺激回路２７に出力する。これにより、制御部２１は、ペダルこぎ運動する下肢（脚）に電気刺激を付与する第１の電極１２および第２の電極１３の出力を調節する。

記憶部２４には、各種の制御プログラムおよび各種の制御処理に用いられる情報が記憶される。記憶部２４は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）を含む。なお、記憶部２４は、制御部２１内に設けられてもよい。

操作部２５は、電気刺激回路２７を通じて第１の電極１２および第２の電極１３に印加する電圧、電気刺激が付与されるペダルこぎ運動の期間、電気刺激の回数の上限値等が設定することができる。操作部２５は、第１の電極１２に印加する電圧および第２の電極１３に印加する電圧を個別に設定可能である。以降の説明において、各電極１２、１３への印加電圧のうちの操作部２５により設定された電気刺激の設定強度となる電圧を「設定電圧」とする。

操作表示部２６は、例えば液晶パネルであり、操作部２５によって設定された内容等を表示する。
電気刺激回路２７は、制御部２１の制御信号に基づいて、サポーター１１の第１の電極１２および第２の電極１３への電圧の印加を制御する。電気刺激回路２７は、各電極１２、１３にパルス状の電圧（パルス電圧）を印加する。これにより、第１の電極１２および第２の電極１３により電流が出力される。

制御部２１は、下肢の状態、クランク３２の回転数、および、回転速度を検出する状態検出部２２と、サポーター１１の各電極１２、１３への電圧の印加タイミングや印加電圧の大きさを制御する電気刺激制御部２３とを含む。

状態検出部２２は、角速度演算部２２Ａ、検出閾値演算部２２Ｂ、ピーク検出部２２Ｃ、回転数演算部２２Ｄ、回転速度演算部２２Ｅ、および、フィルタ切替部２２Ｆを含む。状態検出部２２は、電気刺激制御部２３および記憶部２４と電気的に接続されている。

角速度演算部２２Ａは、角速度検出部１４からの検出信号に対してフィルタ切替部２２Ｆにより設定されたフィルタを用いてフィルタ処理を行うことにより、ノイズを除去して平滑化した角速度（以下、「角速度ＡＣ」）を演算する。フィルタ処理の一例は、移動平均フィルタ処理である。

検出閾値演算部２２Ｂは、角速度ＡＣに基づいて、角速度ＡＣのピークを検出するための検出閾値を演算する。検出閾値演算部２２Ｂは、例えばクランク３２（図１参照）の回転数が所定の回転数ＲＸ以下である第１の期間におけるクランク３２の１回転毎の角速度ＡＣのピーク値を取得する。角速度ＡＣのピーク値は、角速度ＡＣが増加傾向から減少傾向に変更される角速度ＡＣの領域における最大値である。そして検出閾値演算部２２Ｂは、角速度ＡＣの複数のピーク値に基づいて角速度ＡＣのピークを検出するためのピーク閾値ＸＰとして設定する。一例では、検出閾値演算部２２Ｂは、複数のピーク値の平均値をピーク閾値ＸＰとして設定する。

ピーク検出部２２Ｃは、角速度ＡＣとピーク閾値ＸＰとの比較に基づいて、クランク３２の回転数が所定の回転数ＲＸを越えた後の期間である第２の期間における角速度ＡＣのピークを検出する。

回転数演算部２２Ｄは、角速度ＡＣにおけるピークの数に基づいて、クランク３２の回転数を演算する。回転数演算部２２Ｄは、クランク３２の回転速度が０となったとき、クランク３２の累積の回転数をリセットする。

回転速度演算部２２Ｅは、角速度ＡＣに基づいてクランク３２の回転速度を演算する。下肢の角速度とクランク３２の回転速度とは相関があるため、記憶部２４には、角速度ＡＣの１周期とクランク３２の回転速度との関係を示す情報が例えばマップまたは関数として予め記憶されている。角速度ＡＣの１周期とクランク３２の回転速度との関係を示す情報に基づいて、角速度演算部２２Ａにより演算された角速度からクランク３２の回転速度が演算される。なお、回転速度演算部２２Ｅは、例えば角速度ＡＣの１周期を角速度ＡＣにおける隣り合うピークに基づいて演算する。

フィルタ切替部２２Ｆは、急峻な周波数特性を有する第１のフィルタと、第１のフィルタよりも緩やかな周波数特性を有する第２のフィルタとを有する。第１のフィルタは、第２のフィルタよりも参照するデータが多い。第１のフィルタおよび第２のフィルタは、ローパスフィルタである。なお、各フィルタはハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、またはＲＣフィルタであってもよい。

フィルタ切替部２２Ｆは、クランク３２の回転数に基づいて第１のフィルタおよび第２のフィルタを切り替える。フィルタ切替部２２Ｆは、クランク３２の回転数が第１の範囲に含まれる場合に第１のフィルタに設定し、クランク３２の回転数が第１の範囲よりも大きい第２の範囲に含まれる場合に第２のフィルタに設定する。一例では、フィルタ切替部２２Ｆは、クランク３２の回転数が所定の回転数ＲＸ以下のとき、第１のフィルタに設定し、クランク３２の回転数が所定の回転数ＲＸを超えた後、第２のフィルタに設定する。

使用者がペダルこぎ運動を開始して間もない期間はペダルこぎ運動が安定しにくく、角速度検出部１４の検出信号にノイズがのりやすい。このため、クランク３２の回転数が所定の回転数ＲＸ以下のとき、角速度演算部２２Ａが第１のフィルタに基づくフィルタ処理を実施することにより、角速度ＡＣのノイズが除去される。したがって、角速度ＡＣが精度よく演算される。一方、使用者がペダルこぎ運動を開始してしばらくするとペダルこぎ運動が安定しやすく、角速度検出部１４の検出信号にノイズがのりにくい。そこで、クランク３２の回転数が所定の回転数ＲＸよりも多ければ、角速度演算部２２Ａが第２のフィルタに基づくフィルタ処理を実施するため、第１のフィルタによるフィルタ処理を実施する場合に比べ、制御部２１の負荷を少なくすることができる。

電気刺激制御部２３は、印加タイミング設定部２３Ａおよび印加電圧設定部２３Ｂを含む。
印加タイミング設定部２３Ａは、ペダルこぎ運動する身体の所定部位である脚の動作状態が所定の動作状態のときに脚に電気刺激が付与されるように、角速度ＡＣに応じて各電極１２、１３による電気刺激の出力タイミングを調節する。一例では、印加タイミング設定部２３Ａは、各電極１２、１３のうち、拮抗筋に対応する電極に電圧を印加する。これにより、ペダルこぎ運動時において拮抗筋に負荷が加えられる。

印加電圧設定部２３Ｂは、ペダルこぎ運動における運動の単位に対応してペダルこぎ運動する身体の所定部位である脚に電気刺激が付与されるように第１の電極１２および第２の電極１３の出力を調節する。印加電圧設定部２３Ｂは、ペダルこぎ運動における身体活動量に応じて運動の単位に対応する電気刺激の強度を調節する。身体活動量の一例は、クランク３２の回転数である。運動の単位の一例は、クランク３２の１回転である。電気刺激の強度の一例は、印加電圧の大きさである。このため、印加電圧設定部２３Ｂは、クランク３２の回転数に基づいて、各電極１２、１３への印加電圧の大きさを設定する。印加電圧の大きさは、クランク３２の回転数の増加に応じて設定電圧に向けて漸増するように設定される。なお、運動の単位は、クランク３２の複数回転およびペダルこぎ運動の所定時間であってもよい。

図１および図２を参照して、ペダルこぎ運動システム１の使用形態について説明する。
使用者は、椅子４０に着座し、ペダルこぎ運動器３０によりペダルこぎ運動を開始する。使用者は、クランク３２の推奨回転速度範囲（例えば、毎分３０回転以上かつ毎分６０回転以下の範囲）でクランク３２を回転させるようにペダルこぎ運動を行うことが好ましい。電気刺激装置１０は、クランク３２の回転数が所定の回転数ＲＸ以下のとき、各電極１２、１３に電圧を印加せず、クランク３２の回転数が所定の回転数ＲＸを超えた後、各電極１２、１３に所定のタイミングおよび所定のパターンで電圧を印加する。

図３〜図７を参照して、各電極１２、１３への電圧の印加タイミングの設定方法について説明する。なお、図６および図７は、角速度ＡＣの位相遅れ量の違いが分かりやすいように、クランク３２が高回転速度のときの角速度ＡＣの１周期の長さと、クランク３２が低回転速度のときの角速度ＡＣの１周期の長さとが等しくなるように示されている。

図３の上段のグラフＬ２は、使用者がペダルこぎ運動を行った場合の使用者の右膝関節角度の推移を示し、図３の下段のグラフＬ１は、サポーター１１の角速度検出部１４により検出された角速度の推移を示している。グラフＬ１の角速度は、フィルタ処理後の角速度ＡＣである。

グラフＬ１、Ｌ２から理解できるとおり、右膝関節角度と角速度ＡＣとの間には、右膝関節角度に対して角速度ＡＣが遅れるような位相差が生じている。角速度ＡＣの遅れの主な原因は、フィルタ処理にともなう角速度ＡＣの位相遅れである。

クランクのがたつき、クランクアームに対するペダルのがたつき等によって角速度検出部１４が検出する角速度にノイズが重畳する場合がある。また椅子４０とペダルこぎ運動器３０との距離が、使用者がペダルこぎ運動を行いやすい推奨距離とは異なる場合、角速度検出部１４が検出する角速度にノイズが重畳する場合がある。このため、電気刺激装置１０は、第１のフィルタおよび第２のフィルタによって、角速度検出部１４が検出する角速度のノイズを除去し平滑化して角速度ＡＣを演算する。図４の実線で示されるグラフＬＦおよび図５の実線で示されるグラフＬＰは第２のフィルタの周波数特性の一例である。

フィルタ処理によって角速度ＡＣが演算されるとき、フィルタの周波数特性（位相特性）により、クランク３２の回転速度が高くなるにつれて右膝関節角度に対する角速度ＡＣの位相遅れの影響が大きくなる。例えば、図４および図５の周波数Ｌは、クランク３２が低回転速度時における角速度検出部１４が検出する角速度に対する角速度ＡＣ振幅減少量および位相遅れ量である。周波数Ｈは、クランク３２が高回転速度時における角速度検出部１４が検出する角速度に対する角速度ＡＣの振幅減少量および位相遅れ量である。図５に示されるとおり、第２のフィルタの位相遅れ量は周波数が高くなるにつれて多くなるため、角速度ＡＣの位相遅れ量はクランク３２の回転速度が高くなるにつれて多くなる。その結果、図６および図７の角速度ＡＣの推移のグラフに示されるように、クランク３２が低回転速度のときの角速度ＡＣの位相遅れ量は、クランク３２が高回転速度のときの角速度ＡＣの位相遅れ量よりも多くなる。これにより、図６および図７から理解できるとおり、クランク３２が高回転速度のときの割合Ｘ、Ｙは、クランク３２が低回転速度のときの割合Ｘ、Ｙよりも小さくなる。

このような実情に鑑み、印加タイミング設定部２３Ａは、フィルタ処理による角速度ＡＣの位相遅れおよびクランク３２の回転速度による角速度ＡＣの位相遅れの度合を反映して、各電極１２、１３への電圧の印加タイミングを設定する。具体的には、膝関節角度と下肢の角速度との関係を予め規定し、記憶部２４に記憶しておく。印加タイミング設定部２３Ａは、膝関節角度と下肢の角速度との関係に基づいて各電極１２、１３への電圧の印加タイミングを設定する。

膝関節角度と下肢の角速度との関係は、膝関節角度および下肢の角速度を同時に測定することにより、膝関節角度と角速度ＡＣとの位相差を取得することができる。そしてクランク３２の回転速度毎に膝関節角度および下肢の角速度を同時に測定することにより、クランク３２の回転速度による膝関節角度と角速度ＡＣとの位相差の度合を取得することができる。膝関節角度および下肢の角速度の測定結果の一例が図３のグラフＬ１、Ｌ２である。グラフＬ２では、最大屈曲時においてピーク（最大値）となり、最大伸長時においてボトム（最小値）となる。

記憶部２４には、膝関節角度と下肢の角速度との関係として、グラフＬ２のピークおよびボトムに対するグラフＬ１の位相差が記憶されている。グラフＬ２のボトムに対するグラフＬ１の位相差は、角速度ＡＣの１周期に対する第１の位相差の割合（以下、「割合Ｘ」）として記憶されている。グラフＬ２のピークに対するグラフＬ１の位相差は、角速度ＡＣの１周期に対する第２の位相差の割合（以下、「割合Ｙ」）として記憶されている。これら割合Ｘ、Ｙは、クランク３２の回転速度毎に記憶されている。一例では、記憶部２４には、図８に示されるようなクランク３２の回転速度に対する割合ＸのマップＭＰＸ、および、図９に示されるようなクランク３２の回転速度に対する割合ＹのマップＭＰＹが記憶されている。一例では、マップＭＰＸはクランク３２の回転速度が増加するにつれて割合Ｘが小さくなり、マップＭＰＹはクランク３２の回転速度が増加するにつれて割合Ｙが小さくなる。

なお、制御部２１は、図８のマップＭＰＸおよび図９のマップＭＰＹに代えて、割合Ｘ、Ｙを補正式に基づいて演算してもよい。割合Ｘの補正式は、回転速度をＲ、図８のマップＭＰＸの直線の傾きをＡ１とし、切片をＢ１としたとき、Ｘ＝Ａ１×Ｒ＋Ｂ１で示される。割合Ｙの補正式は、図９のマップＭＰＹの直線の傾きをＡ２とし、切片をＢ２としたとき、Ｙ＝Ａ２×Ｒ＋Ｂ２で示される。

印加タイミング設定部２３Ａは、図８のマップＭＰＸを用いて、現在のクランク３２の回転速度から第１の電極１２の印加タイミングを設定する。また印加タイミング設定部２３Ａは、図９のマップＭＰＹを用いて、現在のクランク３２の回転速度から第２の電極１３の印加タイミングを設定する。これにより、ペダルこぎ運動時において、印加タイミング設定部２３Ａは、下肢が最大伸長となるとき、第１の電極１２への電圧の印加を開始する一方、第２の電極１３への電圧の印加を停止する。また印加タイミング設定部２３Ａは、下肢が最大屈曲となるとき、第２の電極１３への電圧の印加を開始する一方、第１の電極１２への電圧の印加を停止する。このように、電気刺激装置１０は、ペダルこぎ運動時において、大腿四頭筋および大腿二頭筋に適切なタイミングで電気刺激を与えることができる。またクランク３２の回転速度に応じて割合Ｘ、Ｙが設定されるため、電気刺激装置１０は、ペダルこぎ運動に応じて大腿四頭筋および大腿二頭筋に適切なタイミングで電気刺激を与えることができる。

また、印加タイミング設定部２３Ａは、第１の印加期間Ｔ１（図３参照）に亘って第１の電極１２に電圧を印加する一方、第２の電極１３に電圧を印加しない。印加タイミング設定部２３Ａは、第２の印加期間Ｔ２（図３参照）に亘って第２の電極１３に電圧を印加する一方、第１の電極１２に電圧を印加しない。図３に示されるように、第１の印加期間Ｔ１は第１の電極１２の印加タイミングから第２の電極１３の印加タイミングまでの期間であり、第２の印加期間Ｔ２は第２の電極１３の印加タイミングから第１の電極１２の印加タイミングまでの期間である。これにより、大腿四頭筋および大腿二頭筋が伸長している期間に亘って大腿四頭筋および大腿二頭筋に電気刺激を与えることができる。

次に、各電極１２、１３への印加電圧の大きさの設定方法について説明する。
記憶部２４には、クランク３２の回転数と各電極１２、１３への印加電圧の大きさとの関係を示す情報が記憶されている。この情報において、クランク３２の回転数が所定の回転数ＲＸ以下のとき、各電極１２、１３に電圧が印加されず、クランク３２の回転数が所定の回転数ＲＸよりも多いとき、各電極１２、１３に電圧が印加される。クランク３２の回転数がＲＸ＋１回転目のときの各電極１２、１３への印加電圧の初期値は設定電圧よりも小さい。そしてクランク３２の回転数の増加にともない設定電圧に向けて印加電圧が漸増する。これにより、ペダルこぎ運動におけるペダル３５のこぎ始めのときに徐々に負荷が増大するため、大腿四頭筋および大腿二頭筋に急激な負荷が加えられることが抑制される。したがって、ペダルこぎ運動の負荷の増大による違和感を使用者に与えることを抑制できる。

図１０は、上記情報の一例である。図１０から理解できるように、クランク３２が５回転以下のとき、各電極１２、１３に電圧が印加されず、クランク３２の回転数が６回転目以降のとき、各電極１２、１３に電圧が印加される。クランク３２が６回転目のとき、各電極１２、１３に設定電圧よりも低い電圧が印加される。図１０に示される印加パターンでは、クランク３２が６回転のときの印加電圧の初期値は、設定電圧の５０％である。そしてクランク３２が７回転〜１１回転の間において、クランク３２の回転数が１回転増加する毎に各電極１２、１３への印加電圧が１０％ずつ上昇している。

また記憶部２４には、第１の印加期間Ｔ１における第１の電極１２への印加電圧の大きさ、および、第２の印加期間Ｔ２における第２の電極１３への印加電圧の大きさが予め記憶されている。図１１は、その印加電圧の一例である。図１１から理解できるように、各印加期間Ｔ１、Ｔ２の開始点を含む前半期間において各電極１２、１３への印加電圧が漸増する。そして各印加期間Ｔ１、Ｔ２の前半期間経過後、各電極１２、１３への印加電圧が一定となる。各印加期間Ｔ１、Ｔ２における各電極１２、１３に印加される電圧の上限値は、図１０に示される印加電圧の上限値となる。なお、操作部２５により、クランク３２の回転数の増加にともなう各電極１２、１３への印加電圧の増加率、各印加期間Ｔ１、Ｔ２における各電極１２、１３への印加電圧の増加率のそれぞれは変更可能である。

印加電圧設定部２３Ｂは、図１０の印加電圧の印加パターンを用いて、クランク３２の回転数毎において各電極１２、１３への印加電圧を設定する。また印加電圧設定部２３Ｂは、図１１の印加電圧の印加パターンを用いて、第１の印加期間Ｔ１および第２の印加期間Ｔ２における各電極１２、１３への印加電圧を設定する。

このように、各印加期間Ｔ１、Ｔ２の開始時において各電極１２、１３に印加する電圧が低く設定され、時間の経過とともに電圧が徐々に高くなることにより、大腿四頭筋および大腿二頭筋に急激に負荷が加えられることが一層抑制される。したがって、負荷の増大による違和感を使用者に与えることを一層抑制できる。

ところで、クランク３２が高回転速度の場合における第１の印加期間Ｔ１および第２の印加期間Ｔ２は、クランク３２が低回転速度の場合における第１の印加期間Ｔ１および第２の印加期間Ｔ２よりも短い。一方、第１の電極１２および第２の電極１３への印加電圧の周波数は一定である。このため、例えばクランク３２の１１回転以降において、クランク３２が高回転速度の場合における各電極１２、１３に設定電圧が印加される割合は、クランク３２が低回転速度の場合における各電極１２、１３に設定電圧が印加される割合よりも少なくなる。なお、第１の電極１２に設定電圧が印加される割合は、（第１の印加期間Ｔ１における第１の電極１２に設定電圧が印加される時間）／（第１の印加期間Ｔ１）×１００で示される。第２の電極１３に設定電圧が印加される割合は、（第２の印加期間Ｔ２における第２の電極１３に設定電圧が印加される時間）／（第２の印加期間Ｔ２）×１００で示される。

そこで、印加電圧設定部２３Ｂは、クランク３２の回転速度に応じて、各印加期間Ｔ１、Ｔ２における各電極１２、１３への印加電圧の増加率を調整している。詳細には、印加電圧設定部２３Ｂは、クランク３２の回転速度が高くなるにつれて各電極１２、１３への印加電圧の増加率が高くなるように設定する。記憶部２４には、クランク３２の回転速度と、各電極１２、１３への印加電圧の増加率との関係を示す情報が記憶されている。この情報は、図１２に示されるようなマップとして記憶部２４に記憶されてもよく、関数として記憶部２４に記憶されてもよい。実施形態では、第１の印加期間Ｔ１における第１の電極１２への印加電圧の増加率および第２の印加期間Ｔ２における第２の電極１３への印加電圧の増加率が互いに等しい。このため、クランク３２の回転速度と、各電極１２、１３への印加電圧の増加率との関係では、図１２に示す共通のマップが用いられる。印加電圧設定部２３Ｂは、例えば図１２のマップを用いてクランク３２の回転速度から各電極１２、１３への印加電圧の増加率を設定する。これにより、クランク３２が高回転速度の場合における各電極１２、１３に設定電圧が印加される割合と、クランク３２が低回転速度の場合における各電極１２、１３に設定電圧が印加される割合との差を小さく、または０とすることができる。

図１３〜図１５を参照して、制御部２１による各種処理の手順について説明する。
制御部２１は、第１の処理、第２の処理、および、第３の処理を実行する。第１の処理は、使用者がペダルこぎ運動を開始してからクランク３２の回転数が所定の回転数ＲＸとなるまでの期間において角速度ＡＣのピークを検出する。第２の処理は、第１の処理後において、各電極１２、１３への電圧の印加タイミングを設定する。第３の処理は、第１の処理後において、各電極１２、１３への印加電圧の大きさを設定する。第２の処理および第３の処理は同時に実行される。

図１３は、第１の処理の処理手順を示す。制御部２１は、ステップＳ１１において角速度ＡＣのピーク値を取得する。この角速度ＡＣのピーク値は記憶部２４に記憶される。そして制御部２１は、ステップＳ１２においてクランク３２の回転数が所定の回転数ＲＸに達したか否かを判定する。制御部２１は、クランク３２の回転数が所定の回転数ＲＸに達していないと判定したとき、ステップＳ１１に移行する。一方、制御部２１は、クランク３２の回転数が所定の回転数ＲＸに達したと判定したとき、ステップＳ１３において角速度ＡＣの複数のピーク値からピーク閾値ＸＰを演算し、第１の処理を終了する。このとき、制御部２１は、クランク３２が所定の回転数ＲＸのときのピーク値を取得した後、ピーク閾値ＸＰを演算する。

図１４は、第２の処理の処理手順を示す。なお、図１４では、右下肢についての第２の処理について説明する。なお、左下肢についての第２の処理も同様の手順である。
制御部２１は、ステップＳ２１においてクランク３２の回転速度を取得し、ステップＳ２２においてマップＭＰＸ，ＭＰＹを用いて、クランク３２の回転速度から割合Ｘ，Ｙを演算する。これにより、各電極１２、１３への電圧の印加タイミングが設定される。次に、制御部２１は、ステップＳ２３において第１の電極１２への電圧の印加タイミングか否かを判定する。制御部２１は、第１の電極１２への電圧の印加タイミングであると判定したとき、ステップＳ２４において第１の電極１２に電圧を印加するための制御信号を電気刺激回路２７に出力する。一方、制御部２１は、第２の電極１３に電圧を印加するための制御信号を電気刺激回路２７に出力しない。これにより、第１の電極１２による大腿四頭筋への電気刺激の出力が開始される。一方、クランク３２の回転数がＲＸ＋１回転のときでは、第２の電極１３による大腿二頭筋への電気刺激の出力が開始されない。そしてクランク３２の回転数がＲＸ＋２回転以上のとき、言い換えれば、第２の電極１３への電圧の印加が開始された後では、第２の電極１３による大腿二頭筋への電気刺激の出力が停止される。

一方、制御部２１は、第１の電極１２への電圧の印加タイミングではないと判定したとき、ステップＳ２５において第２の電極１３への電圧の印加タイミングか否かを判定する。制御部２１は、第２の電極１３への電圧の印加タイミングであると判定したとき、ステップＳ２６において第２の電極１３に電圧を印加するための制御信号を電気刺激回路２７に出力する。一方、制御部２１は、第１の電極１２に電圧を印加するための制御信号を電気刺激回路２７に出力しない。これにより、第２の電極１３による大腿二頭筋への電気刺激の付与が出力され、第１の電極１２による大腿四頭筋への電気刺激の出力が停止される。

また、制御部２１は、ステップＳ２５において第２の電極１３への電圧の印加タイミングではないと判定したとき、ステップＳ２７においてそのときの各電極１２、１３への電圧の制御状態を維持する。

次に、制御部２１は、ステップＳ２８においてペダルこぎ運動が終了か否かを判定する。制御部２１は、操作部２５により設定されたペダルこぎ運動の期間に基づいてステップＳ２８の判定を行う。制御部２１は、ペダルこぎ運動が終了していないと判定したとき、ステップＳ２１に移行し、ペダルこぎ運動が終了したと判定したとき、第２の処理を終了する。

図１５は、第３の処理の処理手順を示す。制御部２１は、ステップＳ３１において各電極１２、１３のうちのいずれかの電圧の印加タイミングか否かを判定する。制御部２１は、各電極１２、１３のうちのいずれかの電圧の印加タイミングであると判定したとき、ステップＳ３２においてそのときのクランク３２の回転数を演算する。そして制御部２１は、ステップＳ３３においてクランク３２の回転数に基づいて、各電極１２、１３のうちの電圧の印加タイミングとなる電極への印加電圧の大きさを設定する。

次に、制御部２１は、ステップＳ３４においてクランク３２の回転速度を演算する。そして制御部２１は、ステップＳ３５においてクランク３２の回転速度に基づいて、各電極１２、１３のうちの電圧の印加タイミングとなる電極への印加電圧の増加率を演算する。そして制御部２１は、ステップＳ３６においてステップＳ３５で演算した増加率に基づいて各電極１２、１３のうちの電圧の印加タイミングとなる電極への印加電圧の大きさを設定する。

次に、制御部２１は、ステップＳ３７においてペダルこぎ運動が終了か否かを判定する。制御部２１は、ペダルこぎ運動が終了していないと判定したとき、ステップＳ３１に移行し、ペダルこぎ運動が終了したと判定したとき、第３の処理を終了する。

また制御部２１は、ステップＳ３１において各電極１２、１３への電圧の印加タイミングではないと判定したとき、ステップＳ３８において現在の各電極１２、１３への電圧の印加パターンを維持し、ステップＳ３７の判定に移行する。

（変形例）
上記実施形態に関する説明は、本発明の電気刺激装置の制御装置、電気刺激装置、および、ペダルこぎ運動システムが取り得る形態の例示であり、その形態を制限することを意図していない。本発明の電気刺激装置の制御装置、電気刺激装置、および、ペダルこぎ運動システムは、例えば以下に示される上記実施形態の変形例、および、相互に矛盾しない少なくとも２つの変形例が組み合わせられた形態を取り得る。

・上記実施形態において、制御部２１は、クランクセンサの検出信号に基づいて、クランク３２の回転数および回転速度を演算してもよい。また制御部２１は、クランクセンサの検出信号に基づいて、各電極１２、１３への印加電圧を設定してもよい。

・上記実施形態において、ペダルこぎ運動器３０内に制御部２１が設けられてもよい。この場合、サポーター１１の第１の電極１２、第２の電極１３、および、角速度検出部１４とペダルこぎ運動器３０とが電気的に接続される。また、コントローラ２０とペダルこぎ運動器３０とが一体に設けられてもよい。

・上記実施形態において、２つのサポーター１１の角速度検出部１４のうちの一方を省略してもよい。
・上記実施形態において、状態検出部２２は、角速度検出部１４からの検出信号のボトムを検出するボトム検出部を有してもよい。制御部２１は、角速度ＡＣのピークおよびボトムから角速度ＡＣの振幅を演算することができる。

・上記変形例において、印加タイミング設定部２３Ａは、角速度ＡＣの振幅に対して予め定める割合Ｘ，Ｙに基づいて、各電極１２、１３への電圧の印加タイミングを設定してもよい。

・上記変形例において、状態検出部２２がボトム検出部を有している場合、状態検出部２２からピーク検出部２２Ｃを省略してもよい。この場合、制御部２１は、ボトム検出部により検出されたボトムに基づいて角速度ＡＣの１周期やクランク３２の回転数および回転速度を演算する。

・上記実施形態において、制御部２１は、角速度ＡＣの１周期を角速度ＡＣの隣り合うピークによって演算することに代えて、角速度ＡＣのゼロクロスに基づいて角速度ＡＣの１周期を演算してもよい。

・上記実施形態において、フィルタ切替部２２Ｆは、第１のフィルタおよび第２のフィルタのそれぞれの周波数特性とは異なる周波数特性を有する第３のフィルタを有してもよい。要するに、フィルタ切替部２２Ｆは、使用者がペダルこぎ運動を開始してから終了するまでの期間において、角速度検出部１４により検出された角速度を平滑化するフィルタを少なくとも１回以上切り替えればよい。

・上記実施形態において、クランク３２の回転速度に基づいて、クランク３２の回転数の増加にともなう各電極１２、１３への印加電圧の増加率を補正してもよい。印加電圧設定部２３Ｂは、例えばクランク３２の回転速度が高くなるにつれて各電極１２、１３への印加電圧の増加率が大きくなるように補正する。これにより、クランク３２の回転速度が高い場合、クランク３２が少ない回転数で各電極１２、１３に印加される電圧が設定電圧となる。

・上記実施形態において、印加電圧設定部２３Ｂは、クランク３２の回転数に応じて各電極１２、１３に印加する電圧の最大値を可変に設定することができる。例えば印加電圧設定部２３Ｂは、各電極１２、１３が設定電圧で印加された後、クランク３２の回転数が増加するにつれて各電極１２、１３に印加する電圧の最大値を設定電圧から徐々に減少してもよい。また印加電圧設定部２３Ｂは、各電極１２、１３に印加する電圧の最大値をクランク３２の回転数に応じて増減してもよい。

・上記実施形態において、両腕によってペダルこぎ運動を行ってもよい。この場合、サポーター１１は左上腕および右上腕のそれぞれに装着される。この場合、第１の電極１２は、例えば上腕二頭筋に対応する位置に配置され、第２の電極１３は、例えば上腕三頭筋に対応する位置に配置される。角速度検出部１４は、例えば上腕二頭筋に対応する位置に配置される。

本発明の電気刺激装置およびペダルこぎ運動システムは、家庭用および業務用をはじめとする各種の電気刺激装置およびペダルこぎ運動システムに利用できる。

１ ：ペダルこぎ運動システム
１０：電気刺激装置
１２：第１の電極
１３：第２の電極
１４：角速度検出部
２１：制御部
２０：コントローラ（制御装置）
３０：ペダルこぎ運動器
３２：クランク

Claims (6)

1. ペダルこぎ運動する身体の所定部位である脚および腕の少なくとも一方に電気刺激を付与する電極の出力を調節し、前記ペダルこぎ運動における前記所定部位の動作にともなう前記所定部位の角速度を検出する角速度検出部と通信する制御部を備え、
   前記制御部は、前記ペダルこぎ運動における前記所定部位の動作状態が所定の動作状態のときに前記所定部位に電気刺激が付与されるように、前記角速度検出部の検出結果、および、前記所定部位の角速度に対する前記角速度検出部の検出結果の遅れに応じて前記電極による電気刺激の出力タイミングを調節する
   電気刺激装置の制御装置。
2. 前記制御部は、クランクの回転速度に基づいて前記遅れを演算する
   請求項１に記載の電気刺激装置の制御装置。
3. ペダルこぎ運動する身体の所定部位である脚および腕の少なくとも一方に電気刺激を付与する電極の出力を調節し、前記ペダルこぎ運動における前記所定部位の動作にともなう前記所定部位の角速度を検出する角速度検出部と通信する制御部を備え、
   前記制御部は、前記ペダルこぎ運動における前記所定部位の動作状態が所定の動作状態のときに前記所定部位に電気刺激が付与されるように、前記角速度検出部の検出結果に応じて前記電極による電気刺激の出力タイミングを調節し、前記ペダルこぎ運動におけるクランクの回転数が所定の回転数以下の期間である第１の期間における前記角速度のピークまたはボトムの代表値に基づいて、前記クランクの回転数が前記所定の回転数を超えた後の期間である第２の期間における前記角速度のピークまたはボトムを検出する
   電気刺激装置の制御装置。
4. 前記制御部は、前記ペダルこぎ運動におけるクランクの回転数が第１の範囲に含まれる場合に第１のフィルタを用いて前記角速度検出部の検出結果を平滑化し、前記ペダルこぎ運動における前記クランクの回転数が前記第１の範囲よりも大きい第２の範囲に含まれる場合に前記第１のフィルタよりも緩やかな周波数特性を有する第２のフィルタを用いて前記角速度検出部の検出結果を平滑化する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気刺激装置の制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気刺激装置の制御装置と、
   前記電極と、
   前記角速度検出部とを備える
   電気刺激装置。
6. 請求項５に記載の電気刺激装置と、
   ペダルこぎ運動器とを備える
   ペダルこぎ運動システム。

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