JP2008023244A - 揺動装置の揺動制御装置及び揺動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】揺動装置を使用する者のバランス運動能力の程度に応じて、揺動板の傾斜角や揺動速度を最適に制御することにより、使用者の安全を確保しつつ、使用者のバランス感覚とバランス運動能力を向上させる揺動制御を行う。
【解決手段】
任意の方向に傾斜可能な揺動板を備えた揺動装置の揺動制御装置であって、搭乗者を載せた前記揺動板の重心位置を計測する重心位置計測手段を有し、前記重心位置計測手段が計測した前記揺動板の重心位置の変動幅に応じて、前記揺動板の傾斜角度と揺動速度の変更を行う。そして、前記重心位置計測手段が計測した前記揺動板の重心位置の変動幅が、予め設定した閾値を超えた場合には、前記揺動板の傾斜角度及び／又は揺動速度を小さくするのである。
【選択図】図９

Description

本発明は、人間が搭乗する揺動板を傾斜揺動させる揺動装置に関し、特に、当該揺動装置が、例えば人間のバランス運動能力、バランス感覚及びそのための筋力を発達、育成、強化又は回復等させるために使用される場合に、搭乗者の安全を確保しつつ各搭乗者のバランス運動能力等を効率よく向上させる揺動装置のための揺動制御装置及び揺動制御方法に関する。

揺動装置は、搭乗者を載せた揺動板を前後左右３６０度の異なる方向に傾斜させると共にその傾斜角度と傾斜方向を時間の経過と共に変更する（揺動）ものである。このような揺動装置で、揺動板上の搭乗者は、揺動板の揺動動作に対応して自己のバランス感覚を発揮して揺動板の常時変化する傾斜方向に自己の体がなるべく傾かないようにバランス維持のための平衡動作を継続することにより、搭乗者のバランス感覚、バランス運動能力及びそのために必要な筋力を発達、育成、強化又は回復させることができるのである。

このため、従来から上記目的を達成するために使用される種々のタイプの揺動装置（バランストレーナー）が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

一方、搭乗者の重心移動の反応動作速度の計測データに基づいて、搭乗者に自分の重心移動のコントロールについての運動能力又は転倒危険度を客観的に評価するべく、搭乗者が乗った測定プレート上における前記搭乗者の重心位置に関する情報を出力する重心計と、前記搭乗者の起立姿勢を司る筋肉に取り付け可能であり前記筋肉の活動を電気的に検出し出力する筋電計と、前記搭乗者に対して前記搭乗者の時々刻々の重心位置と目標重心位置とを表示可能な表示器と、前記重心計及び前記筋電計からの各出力信号の入力を受けて前記重心位置及び前記目標重心位置について前記表示器の表示動作を制御する制御装置と、を備え、当該制御装置は、前記目標重心位置を指示する動作指令時刻と前記重心計及び前記筋電計からの各出力信号が示す動作反応時刻とから定められる時間パラメータに基づいて前記搭乗者の重心制御運動能力を算出するようにした運動能力評価システムが知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開平６−２５４１７８号公報 特開２００３−１３５６２２号公報 特開２００５−１８５５５７号公報

しかし、特許文献１又は特許文献２に開示されたバランストレーナーは、各文献に明確には記載されてはいないものの、使用者が揺動板の上に搭乗する前に自己のバランス運動能力に応じて、揺動板の傾斜角度の大きさや揺動速度等に基づいて予め設定された複数段の揺動モードを設定して使用するものであり、使用者が使用時に選択したバランストレーナーの揺動モードにおける揺動板の傾斜角又は揺動速度等が、当該使用者のバランス運動能力を超えていた場合、使用者が揺動板上で転倒又は揺動板の上からバランストレーナーを設置する床の上に落下する危険性があった。特に、人間のバランス運動能力は、その時の体調や疲労度等に応じて刻々変化するものであることから、当該使用者が前回使用時に設定したバランストレーナーの揺動モード（種々の揺動速度等に対応した揺動板の複数の動作モード）が今回使用時も前回使用時の揺動モードが適しているとは限らないからである。

また、特許文献３に記載の運動能力評価システムは、単に、固定された静止板の上に搭乗した搭乗者の反応動作速度（即ち、神経と筋肉活動の反応速度）を計測するものであって、必ずしも、搭乗者のバランス感覚、バランス運動能力及びそのために必要な筋力を発達、育成、強化又は回復させるものではない。また、搭乗者の筋肉の活動を検出する筋電計を必要とすることから、装置が複雑となりコスト高の要因となっていたのである。

このため、本発明は、揺動装置を使用する者のバランス運動能力の程度に応じて、また使用者のその時の体調や疲労度により変動するバランス運動能力の変化に応じて、揺動板の傾斜角や揺動速度を最適に制御することにより、使用者の安全を確保しつつ、使用者のバランス感覚とバランス運動能力及びそのために必要な筋力を発達、育成、強化又は回復させることを可能にする揺動装置の揺動制御装置を提供することを目的とするものである。

このため、本発明は、任意の方向に傾斜可能な揺動板を備えた揺動装置の揺動制御装置であって、搭乗者を載せた前記揺動板の重心位置を計測する重心位置計測手段を有し、前記重心位置計測手段が計測した前記揺動板の重心位置の変動幅に応じて前記揺動板の揺動制御を変更することを特徴とする揺動制御装置を提供するものである。ここで、上記揺動制御の変更は、例えば、前記揺動板の傾斜角度と揺動速度との少なくとも一方の変更を含む揺動モードの変更を意味するのである。

このように、本発明に係る揺動装置の揺動制御装置は、搭乗者を載せた揺動板の重心位置を計測する重心位置計測手段を有し、当該重心位置計測手段が計測した前記揺動板の重心位置の変動幅に応じて揺動装置の揺動板の揺動制御を変更するので、バランス運動能力が劣っている人に対しては、より小さい揺動傾斜及び揺動変化速度の動作モードで揺動板を揺動させることにより搭乗者の転倒等を防止しつつ、バランス維持訓練を行い、バランス運動能力に優れている搭乗者に対しては、より大きい揺動傾斜及び揺動変化速度の揺動制御を行うことにより搭乗者の効率的な更なるバランス運動能力及びそのために必要な筋力を発達、育成、強化を図ることを可能にするのである。

このため、バランス運動能力が劣る搭乗者の場合であって、重心位置計測手段が計測した揺動板の重心位置の変動幅が、予め設定した閾値を超えた場合には、前記揺動板の傾斜角度及び／又は揺動速度を小さくする変更を行うのである。一方、バランス運動能力に優れる搭乗者であって、重心位置計測手段が計測した揺動板の重心位置の変動幅が前記閾値に対してかなり小さい場合は、揺動板の傾斜角度及び／又は揺動速度を徐々に大きくする変更を行うことができるのである。

ここで、前記閾値は、前記揺動板における予め設定された基準位置から当該揺動板の外周縁側側方向へ所定距離離れた領域内に任意に設定される。尚、閾値が設定される当該領域は搭乗者の転倒又は落下の危険性が想定される領域である。

ところで、前記重心位置計測手段は、前記揺動板を支持する複数の支柱の加圧重量を測定する複数のロードセルの出力値に基づいて前記揺動板の重心位置を計測する。尚、前記揺動板を指示する支柱と当該支柱の加圧重量を測定するロードセルの数が３つあれば、揺動板の前後左右３６０度のあらゆる方向の揺動板の重心移動方向とその移動距離を算出することができることとなる。

さらに、本揺動制御装置は、重心位置計測手段が計測した前記揺動板の重心位置と当該重心位置の軌跡とを記憶する記憶手段と、当該記憶手段において記憶された前記軌跡を図形表示する表示手段と、を備えるようにすることが可能である。これにより、前記表示手段は、前記揺動板の重心位置と当該重心位置の軌跡とを前記閾値を示す領域と共に図形表示することができるのである。これにより、搭乗者は、常時自己のバランスの変動を視覚的に確認できるのである。

また、前記表示手段は、前記重心位置計測手段が計測した前記揺動板の重心位置が前記設定された閾値を超えた場合に、搭乗者にそれを了知させるための赤色表示等の警告表示を行うことができる。これにより、搭乗者に転倒等の危険性を知らせるのである。

ところで、本揺動制御装置は、制御対象の揺動装置の例として、本発明の実施の形態において詳しく説明するように、その揺動動板が、略水平面内の異なる複数の方向に駆動力を発生する駆動源に連動して当該揺動板を異なる複数の方向に揺動する駆動機構により揺動される揺動装置に適用することができる。この場合、前記駆動源は、略水平面内の一の方向に往復動する第１アクチュエータと、前記第１アクチュエータの往復動方向に対して略直交する略直交する略水平面内の他の方向に往復動する第２アクチュエータと、を含み、前記駆動機構は、前記揺動板を支持すると共に前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータにより得られる前記二つの方向の往復動を前記揺動板に伝達することにより、前記揺動板をその中心から全方位方向に揺動可能となっている。

本発明は、また、任意の方向に傾斜可能な揺動板の重心位置を計測する揺動装置の揺動制御方法であって、（ａ）搭乗者を載せた前記揺動板の重心位置の変動幅を搭乗中に測定するステップと、（ｂ）前記測定した変動幅に応じて、前記揺動板の揺動制御を変更するステップと、の各ステップを有することを特徴とする揺動装置の揺動制御方法を提供するものである。

ここで、前記ステップ（ｂ）における揺動制御の変更は、前記揺動モードの変更であることを特徴とする。そして、前記ステップ（ａ）において計測された前記揺動板の重心位置の変動幅が予め設定した閾値を超えた場合には、前記ステップ（ｂ）における揺動制御は、前記揺動板の傾斜角度及び／又は揺動速度を小さくするのである。これにより、揺動板上の搭乗者の転倒を防止するのである。このため、前記閾値は、前記揺動板における予め設定された基準位置から当該揺動板の外周縁側側方向へ所定距離離れた領域内に任意に設定される。

本発明は、さらに、任意の方向に傾斜可能な揺動板の重心位置を計測する揺動装置の制御方法であって、（ａ）搭乗者を載せた前記揺動板の重心位置の変動許容値を所定の閾値に設定するステップと、（ｂ）前記重心位置の変動を搭乗中に測定するステップと、（ｃ）前記測定した変動幅が前記閾値内にあるか否かを判定するステップと、（ｄ）前記測定した変動幅が前記閾値を超えている場合には前記揺動板の傾斜角度及び／若しくは揺動速度を小さくする変更を行い、又は前記測定した変動幅が前記閾値を超えていない場合には前記揺動板の傾斜角度及び／若しくは揺動速度を大きくする変更の少なくとも一つを行うステップと、（ｅ）前記ステップ（ｂ）乃至（ｄ）を任意の回数繰り返するステップと、の各ステップを有することを特徴とする揺動装置の揺動制御方法を提供するものである。

ここで、前記ステップ（ｂ）における前記揺動板の重心位置の変動測定は、前記揺動板を支持する複数の支柱の加圧重量を測定する複数のロードセルの出力値に基づいて算出する。また、前記ステップ（ｂ）は、前記算出された前記揺動板の重心位置の変動の軌跡を表示するステップを含むようにすることができる。そして、前記揺動板の重心位置及び／又は当該重心位置の軌跡は、前記閾値を示す領域と共に表示される。また、前記揺動板の重心位置が前記設定された閾値を超えた場合に、搭乗者にそれを了知させるステップを含むのである。

本発明に係る揺動装置の揺動制御装置は、搭乗者を載せた揺動板の重心位置を計測する重心位置計測手段を有し、当該重心位置計測手段が計測した前記揺動板の重心位置の変動幅に応じて揺動装置の揺動板の揺動制御を変更するので、バランス運動能力が劣っている人に対しては、より小さい揺動傾斜及び揺動変化速度の動作モードで揺動板を揺動させることにより搭乗者の転倒等を防止しつつ、バランス維持訓練を行うことができる。他方、バランス運動能力に優れている搭乗者に対しては、より大きい揺動傾斜及び揺動変化速度の動作モードで揺動板を揺動させることにより搭乗者の効率的な更なるバランス運動能力及びそのために必要な筋力を発達、育成、強化等を図ることを可能にするのである。

以下、本発明の揺動制御装置及び揺動制御方法の詳細と共に、本発明の揺動制御装置及び方法が適用可能な揺動装置の例を、図面を参照しつつ詳しく説明する。

以下、最初に、図１乃至８の記載に基づいて本発明の揺動制御装置及び揺動制御方法が適用可能な揺動装置の例を説明し、次に、図９乃至１４の記載に基づいて、本発明の揺動制御装置及び揺動制御方法の詳細を説明する。尚、本発明の揺動制御装置及び方法は、必ずしも以下本明細書で説明する揺動装置に限定されるものではなく、揺動板を複数の支柱で支持する種々のタイプの揺動装置であればそれら装置に適用可能であることは言うまでもない。

図１は、本発明の揺動制御装置及び揺動方法を適用する揺動装置（以下、適宜「装置」という）の例の全体側面図、図２は、装置の正面図を、図３は、装置の部分断面図を、図４は、装置の部分平面図を、図５及び図６は、装置の部分側面図を、図７及び図８は、装置の動作を説明する動作図を、それぞれ示す。

本発明が適用可能な揺動装置は、図１乃至４に示すように、床面等に設置される固定フレーム１０、固定フレーム１０と分離して形成された保持フレーム２０、保持フレーム２０と固定フレーム１０との間に介在する計測手段としての三つのロードセル３０、搭乗者を載せる揺動板４０、揺動板４０を支持して揺動させる駆動機構としての略水平面内の異なる複数の方向に駆動力を発生する駆動源（第１アクチュエータ５０及び第２アクチュエータ６０）及び駆動源に連動して揺動板４０を異なる複数の方向に揺動させる揺動機構７０、駆動機構を制御する本揺動制御装置としての本揺動制御装置８０等を備えている。

固定フレーム１０は、図１乃至３に示すように、搭乗者が踏み台にすると共に揺動板４０を揺動可能に突出させる上板１１、周りを覆う外壁１２、揺動板４０の上方まで伸長すると共に上方において屈曲して一体的に形成されたパイプ状の左右一対の鉛直フレーム１３、一対の鉛直フレーム１３を横方向において連結するパイプ状の連結フレーム１４、昇降方向の左右に設けられたパイプ上の手摺用フレーム１５等を備えている。

鉛直フレーム１３は、図１に示すように、必要に応じて、揺動板４０に搭乗した搭乗者を所定の緩みをもって吊り下げるスリング用の吊り紐Ｓを掛止できるように形成されている。したがって、搭乗者が高齢者等の場合には、鉛直フレーム１３に吊るした吊り紐Ｓで搭乗者を緩く吊るすことにより、揺動に追従した運動を許容しつつも搭乗者の転倒等を防止することができる。

保持フレーム２０は、図３及び図４に示すように、下側保持フレーム２１及び上側保持フレーム２２により形成されており、上側保持フレーム２２は、４本の支柱２３を介して下側保持フレーム２１に結合されている。そして、保持フレーム２０（下側フレーム２１）は、３つのロードセル３０を介して固定フレーム１０に連結されている。ここで、下側フレーム２１は、図３及び図４に示すように、駆動源５０，６０を保持し、上側フレーム２２は、揺動機構７０を保持している。

三つのロードセル３０は、図３及び図４に示すように、保持フレーム２０（下側保持フレーム２１）と固定フレーム２０（上板２１）との間に介在して、それぞれの位置における保持フレーム２０全体から受ける荷重の変動を計測するものであり、揺動板４０の全周を略三等分する位置に対応して設けられている。

すなわち、三つのロードセル３０の計測値に基づいて所定の演算処理を施すことにより、搭乗者を載せた揺動板４０の重心軌跡を計測することができるようになっている。

このように、搭乗者を載せた揺動板４０の重心位置を計測する重心位置計測手段を採用することにより、搭乗者が揺動板４０に搭乗してバランスの訓練を行う場合に、その搭乗者の重心軌跡を計測することで、バランス感覚の発達、強化、回復等のレベルを確認することができ、訓練の効果を評価する一つの指標とすることができる。

また、計測手段としてロードセル３０を採用することにより、構造を簡素化でき、装置を小型化することができる。特に、三つのロードセル３０が円板状をなす揺動板４０の全周を三等分する位置に対応して配置されているため、構成部品の個数を抑えつつも高精度に計測することができる。

揺動板４０は、図１乃至４に示すように、円板状に形成されて、固定フレーム１０の上板１１から所定高さだけ突出した位置に配置され、その外周領域と上板１１との間が蛇腹状の伸縮ブーツ４１により覆われると共に、後述する揺動機構７０により揺動自在に支持されている。

揺動機構７０は、図３乃至６に示すように、揺動板４０の中央において垂下するように結合された軸部材７１、軸部材７１をＸ軸回りに揺動自在に支持するリンク部材７２、リンク部材７２（及び軸部材７１）をＹ軸回りに揺動自在に支持する支持部材７３等を備えている。すなわち、リンク部材７２及び支持部材７３により、軸部材７１（及び揺動板４０）を、Ｘ軸回り及びＹ軸回りに揺動自在に支持する自在継手が構成されている。

軸部材７１は、図３、図５及び図６に示すように、その上端部において揺動板４０を支持（固定）し、その下端部において後述する第１アクチュエータ５０及び第２アクチュエータ６０に連結され、その上端部と下端部との闇の領域において自在継手（リンク部材７２、支持部材７３）に連結されている。

すなわち、軸部材７１を揺動させる際に、その中間領域に支点（自在継手）、その下端部に力点（二つのアクチュエータ５０，６０の駆動力）、その上端部に作用点（揺動板４０）が配置される構成となるため、装置の小型化、集約化、低重心化を達成しつつ、揺動板の揺動角度をある程度広く、例えば、−１５度〜＋１５度の範囲に設定することができる。

第１アクチュエータ５０は、略水平面内の一方向（Ｘ軸方向）に往復動する駆動力を発生するものであり、第２アクチュエータ６０は、第１アクチュエータ５０の往復動方向（Ｘ軸方向）に対して略直交する略水平面内の他方向（Ｙ方向）に往復動する駆動力を発生するものである。

第１アクチュエータ５０は、図３、図４及び図５に示すように、下側保持フレーム２１に固定された第１モータ５１、第１モータ５１に直結された第１リードスクリュー５２、軸部材７１を挟んで第１モータ５１の反対側に配置されると共に第１リードスクリュー５２に螺合する第１可動子５３、第１可動子５３と軸部材７１とを連結する第１リンク５４等を備えている。

すなわち、図７（ａ）に示すように、揺動被４０が水平にある状態から、第１モータ５１が一方向に回転して第１リードスクリュー５２が回転すると、図７（ｂ）に示すように、第１可動子５３がＸ軸方向の外側に移動し、この第１可動子５３の移動に追従して第１リンク５４が外側に移動し、支持部材７３に対して（Ｙ軸を中心として）、リンク部材７２及び軸部材７１が反時計回りに所定角度回転し、揺動板４０が左下がりに傾斜する。

一方、第１モータ５１が他方向に回転して第１リードスクリュー５２が回転すると、図７（ｃ）に示すように、第１可動子５３がＸ軸方向の内側に移動し、この第１可動子５３の移動に追従して第１リンク５４が内側に移動し、支持部材７３に対して（Ｙ軸を中心として）、リンク部材７２及び軸部材７１が時計回りに所定角度回転し、揺動板４０が右下がりに傾斜する。すなわち、第１モータ５１の回転方向を適宜制御することにより、揺動板４０をＹ軸回りに揺動させることができる。

第２アクチュエータ６０は、図４及び図６に示すように、下側フレーム２１に固定された第２モータ６１、第２モータ６１に直結された第２リードスクリュー６２、軸部材７１を挟んで第２モータ６１の反対側に配置されると共に第２リードスクリュー６２に螺合する第２可動子６３、第２可動子６３と軸部材７１とを連結する第２リンク６４等を備えている。

すなわち、図８（ａ）に示すように、揺動板４０が水平にある状態から、第２モータ６１が一方向に回転して第２リードスクリュー６２が回転すると、図８（ｂ）に示すように、第２可動子６３がＹ軸方向の外側に移動し、この第２可動子６３の移動に追従して第２リンク６４が外側に移動し、リンク部材７２に対して（Ｘ軸を中心として）、軸部材７１が反時計回りに所定角度回転し、揺動板４０が左下がりに傾斜する。

一方、第２モータ６１が他方向に回転して第２リードスクリュー６２が回転すると、図８（ｃ）に示すように、第２可動子６３がＹ軸方向の内側に移動し、この第２可動子６３の移動に追従して第２リンク６４が内側に移動し、リンク部材７２に対して（Ｘ軸を中心として）、軸部材７１が時計回りに所定角度回転し、揺動板４０が右下がりに傾斜する。すなわち、第２モータ６１の回転方向を適宜制御することにより、揺動板４０をＸ軸回りに揺動させることができる。

上記構成によれば、駆動機構として、二つのアクチュエータ５０，６０、揺動板４０に結合された軸部材７１及び自在継手７２，７３等からなる揺動機構７０を採用したことにより、構造の簡略化、装置の小型化等を達成しつつ、二つのアクチュエータ５０，６０の駆動を適宜制御することにより、揺動板４０を全周方向において円滑にかつ連続的に揺動させることができる。

また、略水平面内において、第１アクチュエータ５０及び第２アクチュエータ６０がそれぞれ軸部材７１（揺動板４０）を中心とする略直径方向に配置されると共にお互いに直交するように配置されるため、軸部材７１を中心にしてそれぞれの部品を集約させることができ、装置をより一層小型化することができる。

次に、図９乃至１４の記載に基づいて、本発明の揺動制御装置及び揺動制御方法の詳細を説明する。

本揺動制御装置８０は、例えば、図１及び図２に示すように、図１に示した揺動装置の連結フレーム１４に固定し、揺動板４０上の搭乗者が容易に操作及び視認できるように配置することが可能である。そして、図１、図２、図９に示すように、その外部において、種々の情報を表示する表示手段としての表示パネル８１、各種の操作及びプログラム等の入力を行う操作パネル８２、外部への接続部８３等を備えている。また、以下詳しく説明するように、搭乗者を載せた揺動板４０の重心位置を計測する重心位置計測手段（後に説明するように、例えば、図９の「データ処理回路８６」の中に含まれる）を有し、この重心位置計測手段が計測した揺動板４０の重心位置の変動幅に応じて揺動板４０の揺動制御（揺動板の傾斜角制御、揺動板の揺動速度制御、揺動モードパターンの制御）を変更するのである。ここで、この重心位置計測手段は、揺動板４０を支持する複数（図１乃８に示した揺動装置の場合は３本）の支柱の加圧重量をそれぞれ測定するロードセル３０の出力値に基づいて揺動板４０の重心位置を計測するのである。

このため、本揺動制御装置８０は、図９に示すように、その内部において、種々の制御を司る制御回路８４、ロードセル３０の荷重信号を入力する荷重入力回路８５、荷重入力回路８５の出力信号に基づいて揺動板４０の重心位置を算出する演算回路又は演算プログラム（重心位置計測部）、さらに、比較等の処理を行う演算／比較手段としてのデータ処理回路８６、搭乗者を載せた揺動板４０の重心計測位置の軌跡（以下、適宜「重心軌跡」という）に関する情報等種々のデータを記憶する記憶手段としての記憶回路８７、第１モータ５１及び第２モータ６１を駆動するための信号を発する駆動回路８８、接続部８３を介して外部の端末機１００等と接続した場合に送受信を行う送受信回路８９、外部の操作ユニットとしてのジョイスティック２００を接続した場合にその指令信号を処理する指令信号処理回路９０等を備えている。

ここで、表示パネル（表示装置）８１は、種々の情報を表示するものであり、例えば、ロードセル３０、荷重入力回路８５、及びデータ処理回路８６を介して得られた搭乗者を載せた揺動板４０の重心軌跡に関する情報、例えば、揺動板４０の揺動中心からの重心軌跡の偏差等に関する情報等を表示するようになっている。

したがって、表示パネル８１に表示された重心軌跡に関する情報を確認することにより、その搭乗者のバランス感覚のレベルを目視にて認識あるいは判断することができる。

操作パネル８２は、搭乗者等が種々の情報を表示させるために、あるいは、指令信号を入力、例えば、駆動機構（第１アクチュエータ５０及び第２アクチュエータ６０）を自動的に駆動制御するためのプログラムを任意に設定（入力）することができるようになっている。したがって、搭乗者の身体能力の状態（例えば、バランス感覚の発達レベルあるいは回復レベル等）に応じて、揺動板４０を駆動制御するプログラムを適宜設定することにより、その搭乗者に適した揺動運動を行わせることができる。さらに、操作パネル８２上のボタンの大きさ、形状、色等を異なるものにすれば、プログラムを設定（入力）する際に、誤操作、誤入力等を防止でき、例えば高齢者等も簡単に操作（設定、入力）することが可能になる。

指令信号処理回路９０は、操作ユニットとしてのジョイスティック２００を介して、揺動板４０の揺動動作を直接コントロールするためのものである。したがって、搭乗者以外の者（例えば、訓練監視者等）が、揺動板４０上の搭乗者の状態を確認しながら、ジョイスティック２００を操縦することで、その搭乗者に適した訓練を行わせることができる。

データ処理回路８６は、計測手段としてのロードセル３０及び荷重入力回路８５を介して計測された搭乗者を載せた揺動板４０の重心軌跡に関する情報を処理（演算／比較）するものであり、例えば、揺動板４０の揺動中心からの重心軌跡の偏差を演算し、又、この偏差を記憶回路８７に記憶された他のデータ情報（同一の搭乗者の以前のデータ情報、あるいは、複数の異なる搭乗者のデータ情報）と比較しその比較情報を出力するようになっている。

記憶回路８７は、計測手段３０により計測された搭乗者を載せた揺動板４０の重心軌跡（重心）に関する情報、あるいは、計測手段３０により計測された複数の搭乗者の重心軌跡に関する情報、その他の搭乗者に関する情報（年齢、性別等）、さらには駆動制御を行うプログラム情報等を記憶し得るようになっている。

また、上記構成によれば、新たに計測された搭乗者の重心軌跡に関する情報と記憶回路８７に記憶された複数の搭乗者の重心軌跡に関する情報が比較され、その比較情報に基づいて複数の搭乗者の順位が表示パネル８１に表示されるようになっている。したがって、複数の搭乗者が、この装置を用いてバランスの訓練を行う場合に、複数の搭乗者のバランス感覚のレベルを容易に確認しあるいは競い合うことができ、アミューズメント施設等の遊戯機としても適用することができる。

上記実施形態においては、駆動機構の一部をなす駆動源として、二つのアクチュエータ５０，６０を示したが、これに限定されるものではなく、三つ以上のアクチュエータを採用してもよく、又、アクチュエータとしても、モータ及びリードスクリューに限らず、略水平面内で往復動する駆動力を発生するものであれば、その他の構成を採用することができる。

上記構成においては、駆動機構の一部をなす揺動機構として、自在継手（軸部材７１、リンク部材７２、支持部材７３）を採用したが、揺動板４０を異なる複数の方向に揺動させ得るものであれば他のタイプの揺動構成を採用可能である。

既に、図３及び図４において説明したように、本揺動制御装置の制御対象である揺動装置においては、下側保持フレーム２１及び上側保持フレーム２２により保持フレーム２０が形成されており、この保持フレーム２０（下側フレーム２１）は、３つのロードセル３０を介して固定フレーム１０に連結されている。ここで、下側フレーム２１は、駆動源５０，６０を保持し、上側フレーム２２は、揺動機構７０を保持している。そして、３つのロードセル３０は、それぞれの位置における保持フレーム２０全体から受ける荷重の変動を計測するものであり、揺動板４０の全周を略三等分する位置に対応して設けられている。

ここで、本発明の揺動制御装置は、搭乗者を載せた揺動板４０の重心位置を上記した３つのロードセルの荷重値に基づいて計測し（具体的な計測方法については図１０において説明する）、当該計測した揺動板４０の重心位置の変動幅に応じて揺動板４０の揺動制御（揺動板４０の傾斜角、動作速度）を変更するのである。

これにより、バランス運動能力が劣っている人に対しては、より小さい揺動傾斜及び揺動変化速度の動作モードで揺動板４０を揺動させることにより搭乗者の転倒等を防止しつつ、バランス維持訓練を行い、バランス運動能力に優れている搭乗者に対しては、より大きい揺動傾斜及び揺動変化速度の動作モードで揺動板を揺動させることにより搭乗者の効率的な更なるバランス運動能力及びそのために必要な筋力を発達、育成、強化を可能にするのである。

このため、バランス運動能力が劣る搭乗者の場合であって、計測した揺動板４０の重心位置の変動幅が、予め設定した閾値を超えた場合には、揺動板４０の傾斜角度及び／又は揺動速度を小さくする変更を行い、バランス運動能力に優れる搭乗者であって、計測した揺動板４０の重心位置の変動幅が前記閾値に対してかなり小さい場合は、揺動板の傾斜角度及び／又は揺動速度を徐々に大きくする変更を行うことができるのである。

ここで、後に詳しく説明するように、設定される閾値は、揺動板４０における予め設定された基準位置（通常、揺動板の中心）から揺動板の外周縁側側方向へ所定距離離れた領域内に任意に設定される。ここで、閾値が設定される当該領域は搭乗者の転倒又は落下の危険性が想定される領域を意味するのである。

図１０は、揺動板４０とこの揺動板４０を支持する３本の支柱２３（図３に示す）に懸かる加圧重量を測定するロードセルの位置関係と、揺動板４０の重心位置を算出する計算式を示すものである。

図１０に示すように、揺動板４０を支持する３本の支柱２３に懸かる加圧重量を測定する３つのロードセル３０ａ、３０ｂ、３０ｃの出力値がそれぞれＷａ，Ｗｂ．Ｗｃであって、この第１のロードセル３０ａの揺動板４０の原点（中心）に対する座標位置を（Ｘａ，Ｙａ）、第２のロードセル３０ｂの揺動板４０の原点（中心）に対する座標位置を（Ｘｂ，Ｙｂ）、そして、第３のロードセル３０ｃの揺動板４０の原点（中心）に対する座標位置を（Ｘｃ，Ｙｃ）とし、データ処理回路８６内の重心位置計測手段の演算処理により算出される揺動板４０の原点（中心）に対する重心計測位置座標を（Ｗｘ、Ｗｙ）とした場合、揺動板４０の重心計測位置は、以下のとおりとなる。ここで、上記座標軸（Ｘ，Ｙ）の原点は、揺動板４０の中心としている。
Ｗｘ＝（Ｗａ・Ｘａ＋Ｗｂ・Ｘｂ＋Ｗｃ・Ｘｃ）／（Ｗａ＋Ｗｂ＋Ｗｃ）
Ｗｙ＝（Ｗａ・Ｙａ＋Ｗｂ・Ｙｂ＋Ｗｃ・Ｙｃ）／（Ｗａ＋Ｗｂ＋Ｗｃ）
そして、この重心計測位置は、例えば、少なくとも１００乃至５００ミリ秒間隔毎に算出され、本揺動制御装置８０（図９）の記憶手段に時系列的に一時記憶されると共に、表示パネル８１において図形表示されるのである。

図１１は、搭乗者を載せた揺動板４０の重心の移動（ａ）と、当該重心移動に伴って算出された揺動板４０の重心計測位置及び閾値設定領域の表示パネルにおける表示例（ｂ）を示すものである。

図１１（ａ）において、陽動する揺動板４０上で搭乗者が例えば図面右下方向にその重心（姿勢）を傾けるように移動すると、データ処理回路８６（図９）を構成する重心位置計測手段は、上記した３つのロードセル３０ａ、３０ｂ、３０ｃの荷重出力値を、図９に示す荷重入力回路８５を介して受信し、上記方程式に基づいて揺動板４０の重心位置（Ｗｘ，Ｗｙ）を算出するのである。

そして、このように算出された揺動板４０の重心位置（Ｗｘ，Ｗｙ）は、図１１（ｂ）に示すように、表示パネル８１（図９）に表示されることとなる。尚、当該表示パネル８１上の表示には、予め設定された重心位置移動の許容範囲を示す閾値（図１１（ｂ）に示すように所定の領域を持たせるようにしてもよい）と共に算出された重心位置（Ｗｘ，Ｗｙ）をその重心移動軌跡と共に表示するのである。

図１２は、揺動板４０におけるバランス運動能力が異なる搭乗者の重心移動軌跡の例を示す。ここで、図１２（ａ）は、バランス運動能力に優れた人の場合の例を示し、図１２（ｂ）は、平均的なバランス運動能力の人の場合の例を示し、図１２（ｃ）は、バランス運動能力に劣る人の場合の例を示すものである。

図１２（ａ）に示すように、揺動板４０の重心移動が余りにも小さい場合は、搭乗者が揺動板４０の上で転倒する等の危険性がないので、揺動板４０の揺動モード（揺動板の最大傾斜角及び／又は揺動速度）を大きくする方向に再設定することにより、バランス運動能力及びそのための筋力等を効率的に且つ短時間に向上させることが可能となるのである。

また、図１２（ｃ）に示すように、揺動板４０の重心移動が大きすぎる場合は、搭乗者が揺動板４０の上で転倒する等の危険があるので、揺動板４０の揺動モード（揺動板の最大傾斜角及び／又は揺動速度）をより小さくする方向に再設定することにより、搭乗者のバランス運動能力にあったバランス運動能力及びそのための筋力等を向上させることが可能となるのである。このような、揺動板４０の揺動モードの再設定は、本発明の場合、図１４で説明するように揺動モードの自動設定モードの選択により、搭乗者の当該使用時のバランス運動能力の優劣に応じて自動的に選択されるので、搭乗者の安全性確保とバランス運動能力及びそのための筋力等の効率的な向上及び強化を同時に図ることができるのである。

これにより、図１２（ｂ）に示すように、揺動板４０の重心移動が適度の範囲に収まるようになるので、揺動板４０上での搭乗者の転倒危険性を小さくしつつ搭乗者のバランス運動能力向上に適合した揺動板４０の揺動制御を継続することができるのである。

図１３は、搭乗者を載せた揺動板４０の重心移動に伴って算出された重心計測位置の軌跡と閾値設定線の表示例を示すものである。

ここで、図１３（ａ）は、重心計測位置の軌跡が設定閾値線を越えた場合の表示例を示し、図１３（ｂ）は、重心計測位置の軌跡が設定閾値線内の最小線よりも小さい場合の表示例を示し、図１３（ｃ）は、重心計測位置の軌跡が設定閾値線内であるが最長値よりも大きい場合の表示例を示すものである。

図１３（ａ）に示すように、揺動板４０の重心移動が設定閾値線を越えて危険領域に入っている場合には、（揺動モードが、図１４に示すような自動設定モードになっている場合には、揺動を小さく制御すると共に）表示パネル８１上に図示のような警告表示を行う。また、この警告表示には、ブザー等の警告音を伴わせるようにするとよい。尚、図１３（ａ）のように、揺動モードを自動設定せずに揺動板４０の重心移動が設定閾値線を越えて危険領域に入っている場合には、特に転倒等の危険性があるので、搭乗者は、図１に示すような安全ロープＳを肩に掛ける等の安全対策を講じる必要があろう。

図１３（ｂ）に示すように、揺動板４０の重心移動が余りに小さく、重心計測位置の軌跡が設定閾値内であって且つ予め設定された最小範囲よりも小さい場合は、バランス運動能力の効率的向上が図れない表示の場合は、搭乗者は、揺動板４０の揺動モード（揺動板の最大傾斜角及び／又は揺動速度）を大きくする方向に再設定することにより、バランス運動能力及びそのための筋力等を効率的に且つ短時間に向上させることが可能である。

これにより、図１３（ｃ）に示すように、搭乗者は、表示パネル８１において揺動板４０の重心移動が適度の範囲に収まることを確認できるので、搭乗者の揺動板４０上での転倒危険をなくし、搭乗者のバランス運動能力向上に適合した揺動板４０の揺動制御を継続することができるのである。

図１４は、本揺動装置の揺動制御方法を説明するフローチャートの一例であって自動揺動モード制御の例を示す。

図１４に示す自動揺動モードは、揺動板４０の揺動（揺動板４０の最大傾斜角又は揺動速度等）を小さくする方向の制御のみならず、大きくする方向にも変更する制御を行うものであり、搭乗者の安全性を第一に考えて、揺動板４０の揺動を小さくする方向にのみ自動制御することも可能である。この場合は、図１４の制御フロー内のステップ１８及びステップ２０を削除した制御フローに依ればよいのである。他方、揺動板４０の揺動を最小揺動モードから徐々に大きくする方向に自動制御する場合は、図１４の制御フロー内のステップ１８及びステップ１９を削除した制御フローに依ればよいのである。

図１４において、例えば、揺動装置の電源スイッチがオンされると、本発明の揺動制御がスタートする（Ｓ１０）。

本揺動制御のスタートによって、表示パネル８１（図９）には、「揺動モードの設定」を要求する表示がなされる。この揺動モードの設定は、例えば、搭乗者は、表示パネル上に表示された複数の揺動パターンモードから、任意の揺動モードを選択したり又は自動揺動モードを選択され設定される（Ｓ１１）。そして、本発明に係る揺動制御方法においては、揺動板４０の揺動パターンを徐々に大きく（傾斜角の増大及び揺動変化の高速化）したり、逆に、揺動モードを小さくするが、何れの場合も、搭乗者が揺動板４０上で転倒又は揺動板４０から落下しないように、揺動板の重心移動範囲が予め設定された閾値の領域内に入るように行われる。

このため、選択された揺動モードに基づいてく閾値設定が所定の閾値領域内で行われ（Ｓ１２）、当該設定された揺動モードに基づいて揺動板４０の揺動が開始される（Ｓ１３）。そして、揺動時間を規定するタイマーがスタートし（Ｓ１４）、上記した（図１０）揺動板４０の重心位置の計測が行われるのである（Ｓ１５）。

揺動板４９の重心位置の計測は、例えば、人間のバランス反応速度に鑑みて、少なくとも１００乃至５００ミリ秒間隔で行われることが望ましい。このようにして測定された揺動板４０の重心位置の計測値は、記憶回路８７（図９）内に逐次的に格納されて、表示パネル８１にその重心移動軌跡として図形表示されるのである（Ｓ１６）。表示パネル８１上の表示画面には上記した閾値線も表示される。従って、重心移動軌跡がこの閾値線の内側（安全領域）にある場合は、搭乗者の転倒危険性が少なく、重心移動軌跡がこの閾値線の外側（危険領域）にある場合は、搭乗者の転倒危険性が高くなる。なお、重心移動軌跡がこの閾値線の外側（危険領域）に入った場合は、警告表示及び／又は警告音がなされる。

そして、例えば１００乃至５００ミリ秒間隔で計測される揺動板４０の重心移動位置が閾値線を越えている場合は、揺動板４０の揺動モードを一段小さくし（Ｓ１７，Ｓ１９）、揺動板４０の重心移動位置が閾値線内にある場合は、それがさらに最小設定値よりも小さいか否かを判断して（Ｓ１７，Ｓ１９）、最小設定値よりも大きい場合は、上記ステップ１５乃至１８の制御を継続し（Ｓ１８）、最小設定値よりも小さい場合は、搭乗者の良好なバランス運動能力に比較して揺動の程度が小さすぎると判断されるので、揺動板４０の揺動モードを一段大きくするのである（Ｓ２０）。

このように、本発明の揺動制御においては、搭乗者を載せた揺動板の重心位置を計測し、当該計測値（すなわち揺動板の重心位置）の変動幅に応じて揺動装置の揺動板の揺動制御を変更するので、バランス運動能力が劣っている人に対しては、より小さい揺動傾斜及び揺動変化速度の動作モードで揺動板を揺動させることにより搭乗者の転倒等を防止しつつ、バランス維持訓練を行い、バランス運動能力に優れている搭乗者に対しては、より大きい揺動傾斜及び揺動変化速度の動作モードで揺動板を揺動させることにより搭乗者の効率的な更なるバランス運動能力及びそのために必要な筋力を発達、育成、強化を可能としているのである。

このような揺動制御は、搭乗者による停止ボタンの押圧又は、設定された揺動時間のタイムアップにより終了するのである（Ｓ２１乃至２４）。

本発明は、人間が搭乗する揺動板を傾斜揺動させる揺動装置であって、揺動板上の搭乗者の安全を確保しつつ、搭乗者のバランス運動能力、バランス感覚及びそのための筋力を発達、育成、強化又は回復等させるために使用される揺動装置の揺動制御装置及び揺動制御方法に関するものであって、産業上の利用可能性を有する。

本発明の揺動制御装置及び揺動制御方法が適用可能な揺動装置の一例の側面図を示す。 図１に示した揺動装置の正面図を示す。 図１に示した揺動装置の部分断面図を示す。 図１に示した揺動装置の部分平面図を示す。 図１に示した揺動装置の第１の部分側面図を示す。 図１に示した揺動装置の第２の部分側面図を示す。 図１に示した揺動装置の動作を説明するための第１の動作図を示す。 図１に示した揺動装置の動作を説明するための第２の動作図を示す。 本発明に係る揺動装置の揺動制御装置の構成を説明するための制御ブロックを示す。 揺動板と揺動板を支持する３本の支柱に懸かる加圧重量を測定するロードセルの位置関係と、揺動板の重心位置を算出する計算式を示す。 搭乗者を載せた揺動板の重心の移動（ａ）と、当該重心移動に伴って算出された揺動板の重心計測位置及び閾値設定領域の表示パネルにおける表示例（ｂ）を示す。 揺動板におけるバランス運動能力が異なる搭乗者の重心移動軌跡の例を示し、（ａ）は、バランス運動能力に優れた人の場合の例を示し、（ｂ）は平均的なバランス運動能力の人の場合の例を示し、（ｃ）はバランス運動能力に劣る人の場合の例を示す。 搭乗者を載せた揺動板の重心移動に伴って算出された重心計測位置の軌跡と閾値設定線の表示例を示し、（ａ）は重心計測位置の軌跡が設定閾値線を越えた場合の表示例を示し、（ｂ）は重心計測位置の軌跡が設定閾値線内の最小線よりも小さい場合の表示例を示し、（ｃ）は重心計測位置の軌跡が設定閾値線内であるが最長値よりも大きい場合の表示例を示す。 本発明に係る揺動装置の揺動制御方法を説明するフローチャートの一例であって自動揺動モード制御の例を示す。

符号の説明

１０ 固定フレーム
１１ 上板
１２ 外壁
１３ 鉛直フレーム
１４ 連結フレーム
１５ 手摺用フレーム
２０ 保持フレーム
２１ 下側保持フレーム
２２ 上側保持フレーム
２３ 支柱
３０ ロードセル（計測手段）
４０ 揺動坂
４１ 伸縮ブーツ
５０ 第１アクチュエータ（駆動源）
５１ 第１モータ
５２ 第１リードスクリュー
５３ 第１可動子
５４ 第１リンク
６０ 第２アクチュエータ（駆動源）
６１ 第２モータ
６２ 第２リードスクリュー
６３ 第２可動子
６４ 第２リンク
７０ 揺動機構
７１ 軸部材
７２ リンク部材（自在継手）
７３ 支持部材（自在継手）
８０ 揺動制御装置（重心位置計測手段を含む）
８１ 表示パネル（表示手段）
８２ 操作パネル
８３ 接続部
８４ 制御回路
８５ 荷重入力回路
８６ データ処理回路（重心位置計測手段及び比較手段を含む）
８７ 記憶回路（記憶手段）
８８ 駆動回路
８９ 送受信回路
９０ 指令信号処理回路
２００ ジョイスティック（操作ユニット）

Claims (19)

1. 任意の方向に傾斜可能な揺動板を備えた揺動装置の揺動制御装置であって、
   搭乗者を載せた前記揺動板の重心位置を計測する重心位置計測手段を有し、前記重心位置計測手段が計測した前記揺動板の重心位置の変動幅に応じて前記揺動板の揺動制御を変更することを特徴とする揺動制御装置。
2. 前記揺動制御の変更は、前記揺動板の揺動モードの変更であることを特徴とする請求項１に記載の揺動制御装置。
3. 前記揺動モードの変更は、前記揺動板の傾斜角度と揺動速度との少なくとも一方の変更を含むことを特徴とする請求項２に記載の揺動制御装置。
4. 前記重心位置計測手段が計測した前記揺動板の重心位置の変動幅が、予め設定した閾値を超えた場合には、前記揺動板の傾斜角度及び／又は揺動速度を小さくする変更を行うことを特徴とする請求項３に記載の揺動制御装置。
5. 前記閾値は、前記揺動板における予め設定された基準位置から当該揺動板の外周縁側側方向へ所定距離離れた領域内に任意に設定されることを特徴とする請求項３に記載の揺動制御装置。
6. 前記重心位置計測手段は、前記揺動板を支持する複数の支柱の加圧重量を測定する複数のロードセルの出力値に基づいて前記揺動板の重心位置を計測することを特徴とする請求項１に記載の揺動制御装置。
7. 前記重心位置計測手段が計測した前記揺動板の重心位置及び／又は当該重心位置の軌跡を記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段において記憶された前記軌跡を図形表示する表示手段と、
   を備えた請求項１乃至６の何れかの項に記載の揺動制御装置。
8. 前記表示手段は、前記揺動板の重心位置及び／又は当該重心位置の軌跡を、前記閾値を示す領域と共に図形表示することを特徴とする請求項７に記載の揺動制御装置。
9. 前記表示手段は、前記重心位置計測手段が計測した前記揺動板の重心位置が前記設定された閾値を超えた場合に、搭乗者にそれを了知させる表示を行うことを特徴とする請求項８に記載の揺動制御装置。
10. 前記揺動板は、略水平面内の異なる複数の方向に駆動力を発生する駆動源に連動して当該揺動板を異なる複数の方向に揺動する駆動機構により揺動されることを特徴とする請求項１乃至９に記載の揺動制御装置。
11. 前記駆動源は、
    略水平面内の一の方向に往復動する第１アクチュエータと、
    前記第１アクチュエータの往復動方向に対して略直交する略水平面内の他の方向に往復動する第２アクチュエータと、を含み、
    前記駆動機構は、前記揺動板を支持すると共に前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータにより得られる前記二つの方向の往復動を前記揺動板に伝達することにより、前記揺動板をその中心から全方位方向に揺動可能とする請求項１０に記載の揺動制御装置。
12. 任意の方向に傾斜可能な揺動板の重心位置を計測する揺動装置の揺動制御方法であって、
    （ａ）搭乗者を載せた前記揺動板の重心位置の変動幅を搭乗中に測定するステップと、
    （ｂ）前記測定した変動幅に応じて、前記揺動板の揺動制御を変更するステップと、
    の各ステップを有することを特徴とする揺動装置の揺動制御方法。
13. 前記ステップ（ｂ）における揺動制御の変更は、前記揺動板の傾斜角度及び／又は揺動速度若しくは揺動モードの変更であることを特徴とする請求項１２に記載の揺動装置の揺動制御方法。
14. 前記揺動モードの変更は、前記揺動板の傾斜角度と揺動速度との少なくとも一方の変更を含むことを特徴とする請求項１３に記載の揺動制御方法。
15. 任意の方向に傾斜可能な揺動板の重心位置を計測する揺動装置の制御方法であって、
    （ａ）搭乗者を載せた前記揺動板の重心位置の変動許容値を所定の閾値に設定するステップと、
    （ｂ）前記重心位置の変動を搭乗中に測定するステップと、
    （ｃ）前記測定した変動幅が前記閾値内にあるか否かを判定するステップと、
    （ｄ）前記測定した変動幅が前記閾値を超えている場合には前記揺動板の傾斜角度及び／若しくは揺動速度を小さくする変更を行い、又は前記測定した変動幅が前記閾値を超えていない場合には前記揺動板の傾斜角度及び／若しくは揺動速度を大きくする変更の少なくとも一つを行うステップと、
    （ｅ）前記ステップ（ｂ）乃至（ｄ）を任意の回数繰り返するステップと、
    の各ステップを有することを特徴とする揺動装置の揺動制御方法。
16. 前記ステップ（ｂ）における前記揺動板の重心位置の変動測定は、前記揺動板を支持する複数の支柱の加圧重量を測定する複数のロードセルの出力値に基づいて算出することを特徴とする請求項１５に記載の揺動制御方法。
17. 前記ステップ（ｂ）は、前記算出された前記揺動板の重心位置の変動の軌跡を表示するステップを、含むことを特徴とする請求項１６に記載の揺動制御方法。
18. 前記揺動板の重心位置及び／又は当該重心位置の軌跡は、前記閾値を示す領域と共に表示されることを特徴とする請求項１７に記載の揺動制御方法。
19. 前記ステップ（ｂ）は、さらに、前記揺動板の重心位置が前記設定された閾値を超えた場合に、搭乗者にそれを了知させるステップを含むことを特徴とする請求項１８に記載の揺動制御方法。

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