JP2016141326A - 倒立二輪台車 - Google Patents

Abstract

【課題】足の硬縮の回復度合いの判定を誤るおそれが小さい倒立二輪台車の提供。【解決手段】踵部に設けられた踵部荷重圧センサと、親指側部に設けられた親指側部荷重圧センサと、小指側部に設けられた小指側部荷重圧センサと、回復度判定部９２と、を備える倒立二輪台車である。回復度判定部９２は、重心揺動訓練の開始後、踵部荷重圧センサと、親指側部荷重圧センサと、小指側部荷重圧センサとの各々が所定の荷重値より大きい荷重を検出してから、重心揺動訓練の終了までの時間であると、重心揺動訓練の開始から終了までの時間であるとの比が所定の値を超えたときに、回復済みと判定する。【選択図】図７

Description

本発明は、倒立二輪台車に関する。

踏板に揺動を与えることで、ユーザの足関節に運動を与えて、訓練を行う足関節運動装置がある。特許文献１では、ユーザの踵側とつま先側との荷重を検知するセンサを有する踏板（ペダル部）を備える足関節運動装置が開示されている。この足関節運動装置では、ユーザの異常を検知して訓練を停止することができる。また、上記した訓練は、この足関節運動装置と同様の構成を含む倒立二輪台車を用いて実施し得る。

特開２００８−０６１９６４号公報

ところで、硬縮した足を有する患者が、特許文献１で開示される足関節運動装置を用いて上記した訓練を行うと、足裏全体を踏板に載せることができないことがある。センサによる荷重の検出に基づいて、足の硬縮の回復度合いを判定することが考えられる。しかし、足裏の外側部分、又は、内側部分を踏板に載せている状態と、足裏全体を踏板に載せている状態とを判別しにくい。そのため、足の硬縮の回復度合いの判定精度に改善の余地が有った。

本発明は、足の硬縮の回復度合いの判定を誤るおそれが小さい倒立二輪台車を提供するものである。

本発明にかかる倒立二輪台車は、
搭乗者の足を載せる踏板と、前記踏板に設けられた荷重圧センサ群とを備え、重心揺動訓練装置として用いられる倒立二輪台車であって、
回復度判定部を備え、
前記踏板は、踵部と、親指側部と、小指側部と、を含み、
前記荷重圧センサ群は、前記踵部に設けられた踵部荷重圧センサと、前記親指側部に設けられた親指側部荷重圧センサと、前記小指側部に設けられた小指側部荷重圧センサと、を含み、
前記回復度判定部は、重心揺動訓練の開始後、前記踵部荷重圧センサと、前記親指側部荷重圧センサと、前記小指側部荷重圧センサとの各々が所定の荷重値より大きい荷重を検出してから、前記重心揺動訓練の終了までの時間であるＴｇと、前記重心揺動訓練の開始から終了までの時間であるＴｓとの比Ｒｔが所定の値を超えたときに、回復済みと判定する。

このような構成によれば、足の複数の部位にそれぞれ対応する踏板を備え、それぞれの部位の荷重を検出することができる。足裏の外側部分、又は、内側部分を踏板に載せている状態と、足裏全体を踏板に載せている状態とを判別できる。したがって、この重心揺動訓練では、足の硬縮の回復度合いの判定を誤るおそれが小さい。

本発明によれば、足の硬縮の回復度合いの判定を誤るおそれが小さい倒立二輪台車を提供することができる。

実施の形態１にかかる倒立二輪台車の斜視図である。 実施の形態１にかかる倒立二輪台車の要部の一例である。 実施の形態１にかかる倒立二輪台車の制御方法を示すフローチャートである。 訓練課題レベルに対する回復度判定基準を示すグラフである。 実施の形態１にかかる倒立二輪台車の要部の変形例を示す模式図である。 実施の形態１にかかる倒立二輪台車の要部の別の変形例を示す模式図である。 実施の形態１にかかる倒立二輪台車のブロック構成図である。

実施の形態１．
図１、図２及び図７を参照して、実施の形態１にかかる倒立二輪台車の構成について説明する。図１は、実施の形態１にかかる倒立二輪台車の斜視図である。図２は、実施の形態１にかかる倒立二輪台車の要部の一例である。図７は、実施の形態１にかかる倒立二輪台車のブロック構成図である。

図１に示すように、倒立二輪台車１００は、本体１と、搭乗台２Ｒ、２Ｌと、踏板３Ｒ、３Ｌと、車輪４Ｒ、４Ｌと、ハンドル５とを含む。図１では、三次元ＸＹＺを規定した。なお、ここでは、倒立二輪台車１００の前方向は、−Ｘ方向であり、その右方向は、Ｙ方向である。倒立二輪台車１００は、搭乗者に、重心を揺動させる訓練を行う重心揺動訓練装置としても使用することができる。この搭乗者は、例えば、硬縮した足を有し得るものである。

本体１は、車輪４Ｒ、４Ｌの駆動を制御する制御部９（図７参照）と、車輪４Ｒ、４Ｌを駆動させるモータ１０（図７参照）とを含む。制御部９は、電源（図示略）に接続されており、必要に応じて、電流を供給される。制御部９は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する演算回路と、プログラムメモリやデータメモリその他のＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する記憶装置等を備えている。制御部９は、倒立二輪台車１００を重心揺動訓練装置としても使用できるように、制御するためのプログラムメモリやデータメモリを備える。また、必要に応じて、制御部９は、倒立二輪台車１００が倒立状態となるように、制御するためのプログラムメモリやデータメモリを備える。

搭乗台２Ｒ、２Ｌは、本体１の両側にそれぞれ設置されており、車輪４Ｒ、４Ｌは、それぞれ、搭乗台２Ｒ、２Ｌの下方（ここでは、−Ｚ方向）に回転可能に設置されている。本体１は、踏板３Ｒ、３Ｌをそれぞれ回動可能に支持する。荷重圧センサ群７（図７参照）と、姿勢角センサ群８（図７参照）とが踏板３Ｒ、３Ｌに設けられる。踏板３Ｒ、３Ｌは、搭乗者の足を載せる板である。荷重圧センサ群７は、踏板３Ｒ、３Ｌにかかる荷重圧を検出し、姿勢角センサ群８は、踏板３Ｒ、３Ｌの姿勢角を検出する。

踏板３Ｒの一例について説明する。図２に示すように、踏板３Ｒは、踵部３１と、親指側部３２と、小指側部３３とを含む。踵部３１は、倒立二輪台車１００の後側に配置され、親指側部３２と小指側部３３とは、踵部３１の前方（ここでは、−Ｘ方向）に配置される。小指側部３３は親指側部３２よりも右側（ここでは、Ｙ方向）に配置される。搭乗者の足ｆ０の足裏全体が踏板３Ｒに載ったとき、踵部３１は足ｆ０の踵部を載せ、親指側部３２は足ｆ０の親指側部分を載せ、小指側部３３は足ｆ０の小指側部分を載せることとなる。踵部３１と、親指側部３２と、小指側部３３とは、一枚の板を分割することで形成してもよい。

踵部３１は、蝶番３４を介して、搭乗台２Ｒ（図１参照）に回動可能に支持されており、親指側部３２は、蝶番３５を介して、搭乗台２Ｒに回動可能に支持されている。また、小指側部３３は、蝶番３６を介して、搭乗台２Ｒに回動可能に支持されている。荷重圧センサ群７は、踵側荷重圧センサ７１と、親指側荷重圧センサ７２と、小指側荷重圧センサ７３と、を含む。踵側荷重圧センサ７１は、踵部３１に設置されている。また、親指側荷重圧センサ７２は、親指側部３２に設置され、小指側荷重圧センサ７３は、小指側部３３に設置されている。親指側荷重圧センサ７２は搭乗者の足ｆ０の拇指球に対応する位置に設置すると好ましく、小指側荷重圧センサ７３は搭乗者の足ｆ０の小指球に対応する位置に設置すると好ましい。具体的には、拇指球は、搭乗者の足の親指の付け根であり、小指球は、搭乗者の足の小指の付け根である。搭乗者の足が踏板３Ｒ、３Ｌ等の面に載せると、足裏において踵、拇指球、小指球の３点で重心を取ることが多い。その場合、踵、拇指球、小指球が踏板３Ｒ、３Ｌ等の面に強く押し当たり、荷重を加える。なお、踏板３Ｌは、本体１の軸に関して左右対称であることを除き、踏板３Ｒと同様の構成を有する。例えば、踏板３Ｌでは、小指側部３３は親指側部３２よりも左側（ここでは、−Ｙ方向）に配置される。

ハンドル５は、ロッド５ａと、接続部５ｂと、支持ロッド５ｃと、ハンドルバー５ｄとを含む。ロッド５ａは、本体１の前側から上方に延びて、接続部５ｂを介して支持ロッド５ｃと接続する。支持ロッド５ｃは、本体１の上側後方へ延びて、ハンドルバー５ｄを支持する。ハンドルバー５ｄの両端には、グリップ５ｅＲ、５ｅＬがそれぞれ設置されている。

次に、倒立二輪台車１００の制御系について説明する。

図７に示すように、制御部９は、足裏割合算出部９１と、回復度判定部９２と、目標生成部９３と、モータドライバ９４とを含む。

足裏割合算出部９１は、荷重圧情報を荷重圧センサ群７から受けて、荷重圧情報に基づいて、足裏接地時間Ｔｇと重心揺動時間Ｔｓとの比Ｒｔを算出する。比Ｒｔは、搭乗者の足裏全体が踏板３Ｒ、３Ｌに載った時間の割合に相当する。

回復度判定部９２は、足裏接地時間Ｔｇと重心揺動時間Ｔｓとの比Ｒｔに基づいて、搭乗者の回復度合を算出する。例えば、足裏接地時間Ｔｇと重心揺動時間Ｔｓとの比Ｒｔが閾値を超えた場合に、「回復済み」と判定し、超えなかった場合に、「未回復」と判定する。

目標生成部９３は、姿勢角センサ群８から姿勢角度情報を受けて、姿勢角度情報に基づいて、目標トルク値を算出する。なお、目標トルク値は、重心揺動訓練の課題レベルに応じて、設定されてもよい。

モータドライバ９４は、目標生成部９３から目標トルク値を受けて、目標トルク値に基づいて、車輪４Ｒ、４Ｌを駆動させるための電流をモータ１０に供給する。モータ１０は、モータドライバ９４から電流を得て、車輪４Ｒ、４Ｌを駆動させる。

制御方法．
次に、図３を参照しつつ、実施の形態１にかかる倒立二輪台車の制御方法について説明する。図３は、実施の形態１にかかる倒立二輪台車の制御方法を示すフローチャートである。

まず、搭乗者の足の回復度の計測及び判定を開始し（計測判定開始ステップＳ１）、倒立二輪台車１００が重心揺動モード状態になっているか否かを判定する（重心揺動モード判定ステップＳ２）。重心揺動モード状態は、倒立二輪台車１００が重心揺動装置として制御される状態である。搭乗者は、倒立二輪台車１００を重心揺動モード状態にさせることで、重心揺動訓練することができる。倒立二輪台車１００が重心揺動モード状態であると判定した場合（ＹＥＳ：重心揺動モード判定ステップＳ２）、重心揺動時間Ｔｓを計測する（重心揺動時間カウントアップステップＳ３）。重心揺動時間Ｔｓは、例えば、倒立二輪台車１００が重心揺動モード状態であると判定された時点から、重心揺動モード状態が解除される時点までの時間である。重心揺動時間Ｔｓは、搭乗者が重心揺動訓練を行った時間に相当する。具体的には、重心揺動時間Ｔｓの計測は、倒立二輪台車１００が重心揺動モード状態であると判定した時点ｔ１から開始する。

続いて、踵側荷重圧センサ７１と、親指側荷重圧センサ７２と、小指側荷重圧センサ７３とから荷重圧情報を取得する（荷重圧情報取得ステップＳ４）。踵側荷重圧センサ７１と、親指側荷重圧センサ７２と、小指側荷重圧センサ７３とが所定の荷重値より大きい荷重を検出するか否かを判定する（踵、拇指球、小拇指球の乗車ＯＮ判定ステップＳ５）。所定の荷重値は、搭乗者の踵、拇指球、小拇指球がそれぞれ踵部３１と、親指側部３２と、小指側部３３とに載せた時の値である。搭乗者が右足裏全体で踏板３Ｒを踏んでいる場合、踵側荷重圧センサ７１と、親指側荷重圧センサ７２と、小指側荷重圧センサ７３とが所定の荷重値より大きい荷重を検出する。

続いて、足裏接地時間Ｔｇを計測する（足裏接地時間カウントアップステップＳ６）。足裏接地時間Ｔｇの計測は、踵側荷重圧センサ７１と、親指側荷重圧センサ７２と、小指側荷重圧センサ７３とが所定の荷重値より大きい荷重を検出した時点ｔ２から、開始する。所定の荷重値より小さい荷重を検出したときには、計測を中断してもよい。また、足裏接地時間Ｔｇは、搭乗者が足裏全体で踏板３Ｒを踏んだ時間に相当する。

続いて、足裏接地時間Ｔｇと重心揺動時間Ｔｓとの比Ｒｔを算出する（足裏接地時間／重心揺動時間の算出ステップＳ７）。重心揺動訓練が終了する時点ｔ３では、足裏接地時間Ｔｇ及び重心揺動時間Ｔｓの計測を終了する。比Ｒｔは、下記の数式１を用いて、求められる。
Ｒｔ＝Ｔｇ／Ｔｓ …（数式１）

続いて、足裏接地時間Ｔｇと重心揺動時間Ｔｓとの比Ｒｔに基づいて、回復度を判定する（回復度判定ステップＳ８）。回復度は、例えば、足裏接地時間Ｔｇと重心揺動時間Ｔｓとの比Ｒｔが所定の判定値以上であるか未満かで、判定される。

例えば、図４に示すように、重心揺動訓練の課題レベルに応じて、所定の判定値をそれぞれ設けてもよい。図４は、訓練課題レベルに対する回復度判定基準を示すグラフである。回復度判定基準は、足裏接地判定値である。例えば、足裏接地時間Ｔｇが、足裏接地判定値を超えると「回復済み」と判定し、超えないと「未回復」と判定する。重心揺動訓練の課題レベルが難化するにつれて、その判定値が高くなるように、設定される。なお、重心揺動訓練の課題レベルが難化するにつれて、揺動の大きさが大きくなる。

最後に、搭乗者の足の回復度の計測及び判定を完了する（計測判定終了ステップＳ９）。なお、再び計測判定する場合、計測判定開始ステップＳ１に戻る。

以上、実施の形態１にかかる倒立二輪台車によれば、踏板が複数の部位を有し、複数の部位はそれぞれ独立している。足裏の外側部分、又は、内側部分を踏板に載せている状態と、足裏全体を踏板に載せている状態とを判別できる。搭乗者が踏板の一部を踏んでも、搭乗者の乗車を誤って検出するおそれが少ない。したがって、この重心揺動訓練では、足の硬縮の回復度合いの判定を誤るおそれが小さい。

また、実施の形態１にかかる倒立二輪台車によれば、踏板の部位は、足裏の部位である踵、親指側、小指側に対応し、複数の荷重圧センサがこれらの各部位の接地を検出する。搭乗者の乗車を誤って検出するおそれがより少ない。

また、実施の形態１にかかる倒立二輪台車によれば、重心揺動訓練中に足裏接地の有無を考慮した回復度の判定を行うことができる。

変形例．
次に、図５及び図６を用いて、実施の形態１にかかる倒立二輪台車の変形例について説明する。図５は、実施の形態１にかかる倒立二輪台車の要部の変形例を示す模式図である。図６は、実施の形態１にかかる倒立二輪台車の要部の別の変形例を示す模式図である。

図５に示す踏板２３Ｒは、踏板３Ｒの変形例である。踏板２３Ｒは、踵部２３１と、拇指球部２３２と、小指球部２３３とを含む。センサ群２７は、踵側荷重圧センサ２７１と、親指側荷重圧センサ２７２と、小指側荷重圧センサ２７３とを含む。踵部２３１、拇指球部２３２、及び、小指球部２３３は略正方形状板である。踵部２３１、拇指球部２３２、及び、小指球部２３３の一辺の長さは、足ｆ０の短手方向（ここでは、Ｙ方向）の長さよりも短い。踵側荷重圧センサ２７１は踵部２３１の中心近傍に設置され、親指側荷重圧センサ２７２は拇指球部２３２の中心近傍に設置される。また、小指側荷重圧センサ２７３は小指球部２３３の中心近傍に設置される。踵部２３１、拇指球部２３２、及び、小指球部２３３は、搭乗者の足ｆ０に応じて、配置される。具体的には、踵部２３１は、搭乗者の足ｆ０の踵ｆ１近傍に位置しつつ、拇指球部２３２は、搭乗者の足ｆ０の拇指球ｆ２近傍に位置しつつ、小指球部２３３は、搭乗者の足ｆ０の小指球ｆ３近傍に位置する。踵部２３１、拇指球部２３２、及び、小指球部２３３は、略正方形状板であるので、搭乗者の足ｆ０の形状に応じて、好ましい位置に配置することができる。これによって、搭乗者の足ｆ０からの荷重をより適切に検出し得る。

続いて、図６に示す踏板３３Ｒは、踏板３Ｒの別の変形例である。踏板３３Ｒは、中央部３３１と、親指側部３３２と、小指側部３３３とを含む。センサ群３７は、踵側荷重圧センサ３７１と、親指側荷重圧センサ３７２と、小指側荷重圧センサ３７３とを含む。親指側部３３２、中央部３３１、及び、小指側部３３３は、略長方形状板であり、搭乗者の足ｆ０の拇指球ｆ２から小指球ｆ３に向かう方向（ここでは、Ｙ方向）に順に並ぶ。親指側部３３２、中央部３３１、及び、小指側部３３３の長手方向は、搭乗者の足ｆ０の長手方向に沿う。搭乗者の足ｆ０の長手方向は、倒立二輪台車１００の前後方向（ここでは、Ｘ方向）に沿う。親指側部３３２、中央部３３１、及び、小指側部３３３の長手方向の長さは、搭乗者の足ｆ０の長手方向の長さと同じ、又は、長い。中央部３３１と、親指側部３３２と、小指側部３３３とは、一枚の板を分割して形成してもよい。

踵側荷重圧センサ３７１は中央部３３１の後側に設置され、親指側荷重圧センサ３７２は親指側部３３２の前側に設置される。また、小指側荷重圧センサ３７３は小指側部３３３の前側に設置される。踵側荷重圧センサ３７１、親指側荷重圧センサ３７２、及び、小指側荷重圧センサ３７３は、搭乗者の足ｆ０に応じて、配置されるとよい。具体的には、踵側荷重圧センサ３７１は、搭乗者の足ｆ０の踵ｆ１に当たるように配置される。また、親指側荷重圧センサ３７２は、搭乗者の足ｆ０の拇指球ｆ２に当たるように配置され、小指側荷重圧センサ３７３は、搭乗者の足ｆ０の小指球ｆ３に当たるように配置される。これによって、重心揺動訓練中に、足の硬縮の回復度合いの判定を誤るおそれがより小さい。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

例えば、実施の形態１にかかる制御部９は姿勢角情報に基づいて車輪４Ｒ，４Ｌを駆動させるが、制御部９は重心情報に基づいて車輪４Ｒ，４Ｌを駆動させてもよい。このような場合、制御部９は重心判定部を備える。重心判定部は、荷重圧センサ群７から荷重圧情報を受けて、搭乗者の重心を判定する。また、目標生成部は、重心判定部が判定した搭乗者の重心に基づいて、目標トルク値を生成する。上記した実施の形態１と同様に、重心揺動訓練中に足裏接地の有無を考慮した回復度の判定を行うことができる。

また、搭乗者のバランス能力についても、回復度判定基準としてバランス判定値を用いて判定することができる。バランス判定値は、揺動によって変化した重心の中心からの距離の所定の値である。図４に示すように、バランス判定値は、重心揺動訓練の課題レベルに応じて、設定される。例えば、揺動によって変化した重心の中心からの距離が、バランス判定値を超えると「回復済み」と判定し、超えないと「未回復」と判定する。

１００ 倒立二輪台車
３Ｒ、３Ｌ、２３Ｒ、２３Ｌ、３３Ｒ、３３Ｌ 踏板
７、２７、３７ 荷重圧センサ群
９１ 足裏割合算出部 ９２ 回復度判定部
３１、２３１、３３１ 踵部（中央部）
３２、２３２、３３２ 親指側部（拇指球部）
３３、２３３、３３３ 小指側部（小指球部）
７１、２７１、３７１ 踵側荷重圧センサ
７２、２７２、３７２ 親指側荷重圧センサ
７３、２７３、３７３ 小指側荷重圧センサ

Claims (1)

1. 搭乗者の足を載せる踏板と、前記踏板に設けられた荷重圧センサ群とを備え、重心揺動訓練装置として用いられる倒立二輪台車であって、
   回復度判定部を備え、
   前記踏板は、踵部と、親指側部と、小指側部と、を含み、
   前記荷重圧センサ群は、前記踵部に設けられた踵部荷重圧センサと、前記親指側部に設けられた親指側部荷重圧センサと、前記小指側部に設けられた小指側部荷重圧センサと、を含み、
   前記回復度判定部は、重心揺動訓練の開始後、前記踵部荷重圧センサと、前記親指側部荷重圧センサと、前記小指側部荷重圧センサとの各々が所定の荷重値より大きい荷重を検出してから、前記重心揺動訓練の終了までの時間であるＴｇと、前記重心揺動訓練の開始から終了までの時間であるＴｓとの比Ｒｔが所定の値を超えたときに、回復済みと判定する倒立二輪台車。

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