JP2016154680A - バランス訓練システム - Google Patents

Abstract

【課題】倒立移動体の実際の向きと訓練画像での倒立移動体の向きとの乖離を抑制する。【解決手段】本発明の一態様に係るバランス訓練システム１は、倒立移動体２の車輪２３ａの回転速度情報を用いて、訓練エリア３での倒立移動体２の座標位置及び第１の向きを推定し、倒立移動体２の左右方向の姿勢情報及び倒立移動体２が訓練エリア３の傾斜面３ａを移動した際の倒立移動体２の左右方向の姿勢と向きとを関連付けた情報を用いて、訓練エリア３での倒立移動体２の第２の向きを推定し、第１の向きと第２の向きとの差の絶対値が予め設定された閾値より大きいと、第２の向きを用いて訓練画像を生成し、第１の向きと第２の向きとの差の絶対値が予め設定された閾値以下であると、第１の向きを用いて訓練画像を生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、バランス訓練システムに関し、例えば、倒立移動体を用いたバランス訓練システムに関する。

近年、倒立移動体に搭乗した訓練者が当該倒立移動体の移動に連動する訓練画像を見ながら倒立移動体を操作して、バランス訓練を実行するバランス訓練システムがリハビリ現場などで検討されている。

一般的なリハビリ訓練システムは、倒立移動体の左右の車輪の回転速度に基づいて当該倒立移動体の自己位置（即ち、訓練エリアでの倒立移動体の座標位置及び向き）を推定し、推定した倒立移動体の自己位置に基づいて当該倒立移動体の移動に訓練画像を連動させている。

ちなみに、特許文献１のバランス訓練システムは、エリアセンサなどを用いて倒立移動体の自己位置を検出している。

特開２０１４−１８２３１８号公報

一般的なリハビリ訓練システムは、倒立移動体の左右の車輪の回転速度に基づいて当該倒立移動体の向きを推定するので、例えば車輪がスリップしたり、左右の車輪への訓練者の体重のかけ方によって当該左右の車輪の変形具合に差が生じたり、すると倒立移動体の向きを正確に推定することができず、倒立移動体の実際の向きと訓練画像での倒立移動体の向きとが乖離する。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、倒立移動体の実際の向きと訓練画像での倒立移動体の向きとの乖離を抑制する。

本発明の一態様に係るバランス訓練システムは、
倒立状態を維持するように制御される倒立移動体と、
前記倒立移動体に訓練者が搭乗してバランス訓練を実行する訓練エリアと、
前記訓練エリアでの前記倒立移動体の座標位置及び前記倒立移動体の重心を通り、且つ前記倒立移動体の上下方向に延在するヨー軸回りの回転角度である前記倒立移動体の向きを推定し、推定した前記倒立移動体の座標位置及び向きに連動するように訓練画像を生成する画像生成部と、
前記訓練画像を表示する表示部と、
を備えるバランス訓練システムであって、
前記訓練エリアにおける前記倒立移動体が移動する移動面は、予め設定された傾斜角度を有する傾斜面であり、
前記倒立移動体は、当該倒立移動体の車輪の回転速度を検出する速度検出部、及び前記倒立移動体の重心を通り、且つ前記倒立移動体の前後方向に延在するロール軸回りの回転角度である当該倒立移動体の左右方向の姿勢を検出する姿勢検出部又は前記倒立移動体の車輪のトルク値を検出するトルク検出部を備え、
前記画像生成部は、
前記倒立移動体の車輪の回転速度情報を取得し、前記回転速度情報を用いて、前記訓練エリアでの前記倒立移動体の座標位置及び第１の向きを推定し、
前記倒立移動体の左右方向の姿勢情報を取得し、前記姿勢情報及び前記倒立移動体が前記傾斜面を移動した際の当該倒立移動体の左右方向の姿勢と向きとを関連付けた情報、又は、前記倒立移動体が前記傾斜面で停止した際の当該倒立移動体の車輪のトルク値情報を取得し、前記トルク値情報及び前記倒立移動体が前記傾斜面で停止した際の当該倒立移動体の車輪のトルク値と向きとを関連付けた情報を用いて、前記訓練エリアでの前記倒立移動体の第２の向きを推定し、
前記第１の向きと前記第２の向きとの差の絶対値が予め設定された閾値より大きいと、前記第２の向きを用いて前記訓練画像を生成し、
前記第１の向きと前記第２の向きとの差の絶対値が予め設定された閾値以下であると、前記第１の向きを用いて前記訓練画像を生成する。
このように、訓練エリアでの倒立移動体の左右方向の姿勢に基づいて、訓練エリアでの倒立移動体の実際の向きである第２の向きを推定し、推定した倒立移動体の第２の向きに対して、推定した倒立移動体の第１の向きの誤差が大きい場合、倒立移動体の第２の向きを用いて訓練画像を生成する。そのため、倒立移動体の実際の向きと訓練画像での倒立移動体の向きとの乖離を抑制することができる。

本発明によれば、倒立移動体の実際の向きと訓練画像での倒立移動体の向きとの乖離を抑制することができる。

実施の形態１のバランス訓練システムを模式的に示す側面図である。 実施の形態１のバランス訓練システムの制御系のブロック図である。 実施の形態１のバランス訓練システムで用いられる倒立移動体を模式的に示す側面図である。 実施の形態１の画像生成部の訓練画像の生成方法の流れを示すフローチャート図である。 傾斜面の前側に向かって停止している倒立移動体の状態を示す図である。 傾斜面の右側に向かって停止している倒立移動体の状態を示す図である。 実施の形態２のバランス訓練システムの制御系のブロック図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜実施の形態１＞
本実施の形態のバランス訓練システムを説明する。先ず、本実施の形態のバランス訓練システムの基本構成を説明する。図１は、本実施の形態のバランス訓練システムを模式的に示す側面図である。図２は、本実施の形態のバランス訓練システムの制御系のブロック図である。図３は、本実施の形態のバランス訓練システムで用いられる倒立移動体を模式的に示す側面図である。

本実施の形態のバランス訓練システム１は、図１及び図２に示すように、倒立移動体２、訓練エリア３、画像生成部４及び表示部５を備えている。倒立移動体２は、図３に示すように、搭乗部２１、ハンドル２２、左右の駆動輪２３、姿勢検出部２４、角度検出部２５、速度検出部２６及び制御部２７を備えている。

搭乗部２１は、訓練者が搭乗する基部であり、例えば訓練者が両脚を載せて立位姿勢で搭乗する。但し、搭乗部は、訓練者が着座する構成でもよい。

ハンドル２２は、倒立移動体２の左右方向に回転可能に搭乗部２１の前部に設けられている。本実施の形態では、訓練者がハンドル２２を倒立移動体２の左右方向に回転させることで、倒立移動体２の左右方向への旋回操作を行う。但し、倒立移動体２は、搭乗部２１の左右方向への回転に基づいて旋回する構成でもよい。

左右の駆動輪２３は、車輪２３ａ、減速機（図示を省略）、及びモータ２３ｂを備えており、モータ２３ｂの角速度が所望の角速度になるように、制御部２７から入力される旋回指令信号及び姿勢指令信号に基づいてモータ２３ｂが動作する。左右の駆動輪２３は、搭乗部２１に支持されている。

姿勢検出部２４は、倒立移動体２の姿勢、例えば、倒立移動体２の前後方向への回転角度や左右方向への回転角度を検出し、検出信号を制御部２７及び画像生成部４に出力する。姿勢検出部２４としては、一般的な姿勢検出装置を用いることができ、例えばジャイロセンサや加速度センサなどを用いることができる。

ここで、倒立移動体２の前後方向への回転角度（即ち、倒立移動体２の前後方向の姿勢）は、倒立移動体２における左右の車輪２３ａの車軸を通り、且つ倒立移動体２の左右方向に延在するピッチ軸回りの倒立移動体２の回転角度である。また、倒立移動体２の左右方向への回転角度（即ち、倒立移動体２の左右方向の姿勢）は、倒立移動体２の重心位置を通り、且つ倒立移動体２の前後方向に延在するロール軸回りの倒立移動体２の回転角度である。

角度検出部２５は、ハンドル２２における倒立移動体２の左右方向への回転角度を検出し、検出信号を制御部２７に出力する。角度検出部２５としては、一般的な角度検出装置を用いることができ、例えばエンコーダなどを用いることができる。

速度検出部２６は、左右の車輪２３ａの回転速度を検出し、検出信号を制御部２７及び画像生成部４に出力する。速度検出部２６としては、一般的な速度検出装置を用いることができ、例えばエンコーダなどを用いることができる。

制御部２７は、姿勢検出部２４から入力される検出信号に基づいて姿勢指令信号を生成し、生成した姿勢指令信号に基づいて、倒立移動体２の倒立状態を維持しつつ前後進を実現するように、左右の駆動輪２３のモータ２３ｂを制御する。

また、制御部２７は、角度検出部２５から入力される検出信号に基づいて旋回指令信号を生成し、生成した旋回指令信号に基づいて、倒立移動体２の左右方向への旋回を実現するように、左右の駆動輪２３のモータ２３ｂを制御する。

さらに、制御部２７は、倒立移動体２の状態（即ち、倒立制御状態か否か、及び前進、後進、右旋回並びに左旋回の何れの走行状態か）を示す信号を画像生成部４に出力する。

訓練エリア３は、図１に示すように、訓練者が倒立移動体２に搭乗してバランス訓練を実行するエリアであり、予め設定された傾斜角度θ１を有する傾斜面３ａを倒立移動体２が移動する移動面として備えている。本実施の形態の傾斜面３ａは、前側に向かって低くなる傾斜面である。但し、傾斜面３ａが傾斜する方向は、特に限定されず、後側、右側又は左側でもよい。

画像生成部４は、詳細は後述するが、速度検出部２６から入力される検出信号が示す倒立移動体２の車輪２３ａの回転速度情報、及び姿勢検出部２４から入力される検出信号が示す倒立移動体２の姿勢情報（本実施の形態では、倒立移動体２のロール軸回りの回転角度情報）に基づいて、訓練エリア３での倒立移動体２の座標位置及び向きを推定し、推定した倒立移動体２の座標位置及び向きに連動するように訓練画像を生成して表示部５に出力する。

訓練画像は、訓練エリア３での倒立移動体２の動作を訓練者に実行させるための指示画像である。また、倒立移動体２の向きは、倒立移動体２の重心位置を通り、且つ上下方向に延在するヨー軸回りの回転角度であり、例えば、倒立移動体２の前側を０°とし、反時計回りを＋方向とする。

ここで、画像生成部４と姿勢検出部２４との間の通信、画像生成部４と速度検出部２６との間の通信、及び画像生成部４と制御部２７との間の通信は、有線でも無線でもよい。また、画像生成部４は、制御部２７内、または表示部５に搭載されていてもよく、表示部５とは別に設けられていてもよい。

表示部５は、画像生成部４から入力された訓練画像を表示する。表示部５としては、一般的な液晶ディスプレイなどを用いることができる。このような表示部５は、訓練エリア３の前側（即ち、傾斜面３ａの最も低い側）に配置されている。

次に、本実施の形態の画像生成部の訓練画像の生成方法を説明する。図４は、本実施の形態の画像生成部の訓練画像の生成方法の流れを示すフローチャート図である。図５は、傾斜面の前側に向かって停止している倒立移動体の状態を示す図である。図６は、傾斜面の右側に向かって停止している倒立移動体の状態を示す図である。

訓練者は、訓練エリア３の傾斜面３ａで倒立移動体２の前側を当該傾斜面３ａの前側に向けた状態で、倒立移動体２の搭乗部２１に搭乗して訓練を開始する。すなわち、訓練者は、表示部５に表示される訓練画像の指示に従って、傾斜面３ａで倒立移動体２を前進、後進、右旋回及び左旋回させる。

そして、画像生成部４は、倒立移動体２の制御部２７が当該倒立移動体２を倒立制御しているか否かを判定する（Ｓ１）。詳細には、画像生成部４は、制御部２７から取得した倒立移動体２の状態情報に基づいて、倒立移動体２が倒立制御状態か否かを判定する。

このとき、制御部２７が倒立移動体２の状態情報を示す信号を逐次、画像生成部４に出力してもよく、バランス訓練システム１が訓練者のバランス訓練を開始する際に画像生成部４が倒立移動体２の制御部２７に当該倒立移動体２の状態情報を示す信号を問い合わせてもよい。画像生成部４は、倒立移動体２の制御部２７が当該倒立移動体２を倒立制御していないと判定すると（Ｓ１のＮＯ）、Ｓ１の工程に戻る。

次に、画像生成部４は、速度検出部２６から倒立移動体２の左右の車輪２３ａの回転速度情報を取得する（Ｓ２）。そして、画像生成部４は、速度検出部２６から取得した倒立移動体２の左右の車輪２３ａの回転速度（例えば、右側の車輪２３ａの回転速度の絶対値と左側の車輪２３ａの回転速度の絶対値との平均回転速度又は右側の車輪２３ａの回転速度の絶対値と左側の車輪２３ａの回転速度の絶対値の和）の絶対値が第１の閾値より小さいか否かを判定する（Ｓ３）。

つまり、倒立移動体２が移動している場合、倒立移動体２の移動時の振動を姿勢検出部２４がノイズとして検出してしまうため、倒立移動体２の移動時の振動を姿勢検出部２４がノイズとして検出しない程度に当該倒立移動体２が減速又は停止しているか否かを判定する。

ここで、倒立移動体２の左右の車輪２３ａの回転速度が＋の値の場合、倒立移動体２は前進状態であり、左右の車輪２３ａの回転速度が−の値の場合、倒立移動体２は後進状態である。

画像生成部４は、倒立移動体２の左右の車輪２３ａの回転速度の絶対値が第１の閾値以上であると（Ｓ３のＮＯ）、Ｓ１の工程に戻る。一方、画像生成部４は、倒立移動体２の左右の車輪２３ａの回転速度の絶対値が第１の閾値より小さいと（Ｓ３のＹＥＳ）、取得した倒立移動体２の左右の車輪２３ａの回転速度情報に基づいて、訓練エリア３での倒立移動体２の第１の向きを推定する（Ｓ４）。つまり、画像生成部４は、倒立移動体２の左右の車輪２３ａの回転角度差に基づいて、訓練エリア３での倒立移動体２のヨー軸回りの回転角度を推定する。このとき、画像生成部４は、取得した倒立移動体２の左右の車輪２３ａの回転速度情報に基づいて、訓練エリア３での倒立移動体２の座標位置を推定する。

また、画像生成部４は、姿勢検出部２４から取得した倒立移動体２のロール軸回りの回転角度情報、及び傾斜面３ａでの倒立移動体２のロール軸回りの回転角度と当該倒立移動体２の向きとを関連付けた情報に基づいて、訓練エリア３での倒立移動体２の第２の向きを推定する（Ｓ５）。

例えば、図５に示すように、倒立移動体２が傾斜面３ａの前側に向かって停止している場合、倒立移動体２のロール軸回りの回転角度θ２が０°である。一方、図６に示すように、倒立移動体２が傾斜面３ａの右側に向かって停止している場合、倒立移動体２のロール軸回りの回転角度θ２は傾斜面３ａの傾斜角度θ１と等しい。このように倒立移動体２の傾斜面３ａでの位置に応じて、倒立移動体２のロール軸回りの回転角度θ２は異なる。

そして、傾斜面３ａでの倒立移動体２のロール軸回りの回転角度θ２と当該倒立移動体２の向きとの関係は、以下の＜式１＞で表すことができる。

＜式１＞ 倒立移動体２の向き＝ｓｉｎ^−１（θ２／θ１）
ここで、倒立移動体２のロール軸回りの回転角度θ２は、図５の矢印方向（即ち、倒立移動体２を前側から見てロール軸を中心とする反時計回り）を＋方向とする。

このように画像生成部４は、上述の＜式１＞を用いて訓練エリア３での倒立移動体２の実際の第２の向きを推定することができる。

次に、画像生成部４は、倒立移動体２の第１の向きと第２の向きとの差の絶対値が予め設定された第２の閾値より大きいか否かを判定する（Ｓ６）。つまり、左右の車輪２３ａの回転速度に基づいて推定した訓練エリア３での倒立移動体２のヨー軸回りの回転角度と、倒立移動体２のロール軸回りの回転角度θ２に基づいて推定した訓練エリア３での倒立移動体２のヨー軸回りの回転角度と、の差の絶対値が第２の閾値より大きいか否かを判定する。

画像生成部４は、倒立移動体２の第１の向きと第２の向きとの差の絶対値が閾値より大きいと（Ｓ６のＹＥＳ）、訓練エリア３での倒立移動体２の座標位置及び第２の向きに連動するように訓練画像を生成する（Ｓ７）。

一方、画像生成部４は、倒立移動体２の第１の向きと第２の向きとの差の絶対値が閾値以下であると（Ｓ６のＮＯ）、訓練エリア３での倒立移動体２の座標位置及び第１の向きに連動するように訓練画像を生成する（Ｓ８）。

このように本実施の形態では、訓練エリア３での倒立移動体２の左右方向の姿勢に基づいて、訓練エリア３での倒立移動体２の実際の向きである第２の向きを推定し、推定した倒立移動体２の第２の向きに対して、推定した倒立移動体２の第１の向きの誤差が大きい場合、倒立移動体２の第２の向きを用いて訓練画像を生成する。そのため、倒立移動体２の実際の向きと訓練画像での倒立移動体２の向きとの乖離を抑制することができる。

しかも、本実施の形態では、エリアセンサなどの高価な装置を用いなくても、一般的な倒立移動体２に搭載されているセンサを用いて当該倒立移動体２の向きを推定するので、倒立移動体２の向きを安価に推定することができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では倒立移動体２の左右方向の姿勢に基づいて当該倒立移動体２の第２の向きを推定したが、この限りでない。例えば、傾斜面３ａと倒立移動体のピッチ軸とが平行な状態で、傾斜面３ａに停止する倒立移動体の左右の車輪２３ａのトルク値を用いて当該倒立移動体２の第２の向きを推定してもよい。ここで、図７は、本実施の形態のバランス訓練システムの制御系のブロック図である。

傾斜面３ａの位置に応じて、当該位置で倒立移動体が停止するために左右の車輪２３ａが必要とするトルク値は異なる。そこで、本実施の形態では、図７に示すように、左右の車輪２３ａのトルク値を夫々検出するトルク検出部６を倒立移動体７が備えている。尚、トルク検出部６はモータ２３ｂの電流値からトルクを推定してもよい。そして、画像生成部８は、倒立移動体７の制御部２７から取得した当該倒立移動体７の状態情報、及びトルク検出部６から取得した倒立移動体７が傾斜面３ａで停止した際の当該倒立移動体７の左右の車輪２３ａのトルク値情報、並びに倒立移動体７が傾斜面３ａで停止した際の当該倒立移動体７の車輪２３ａのトルク値と向きとを関連付けた情報に基づいて、訓練エリア３での倒立移動体７の実際の第２の向きを推定する。

詳細には、画像生成部８は、以下の＜式２＞を用いて倒立移動体７の第２の向きを推定する。

＜式２＞ 倒立移動体７の第２の向き＝ｃｏｓ^−１（ｔ／Ｔｇ）×（倒立移動体７の向きに伴う係数）
ここで、ｔは、左側の車輪２３ａのトルク値と右側の車輪２３ａのトルク値との平均値である。更に、Ｔｇは倒立移動体７が傾斜角度θ１に対して垂直に停止している時のトルク値である。また、倒立移動体７の向きに伴う係数は、倒立移動体７が大凡左側を向いている場合は＋１、倒立移動体７が大凡右側を向いている場合は−１である。倒立移動体７の大凡の向きは、倒立移動体７の制御部２７から取得する当該倒立移動体７の状態情報に基づいて推定することができる。

このように倒立移動体７の左右の車輪２３ａのトルク値に基づいても当該倒立移動体７の第２の向きを推定することができる。このときも、エリアセンサなどの高価な装置を用いることなく、一般的な倒立移動体２に搭載されているセンサを用いて当該倒立移動体２の向きを推定するので、倒立移動体２の向きを安価に推定することができる。

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。

１ バランス訓練システム
２ 倒立移動体
３ 訓練エリア、３ａ 傾斜面
４ 画像生成部
５ 表示部
６ トルク検出部
７ 倒立移動体
８ 画像生成部
２１ 搭乗部
２２ ハンドル
２３ 駆動輪、２３ａ 車輪、２３ｂ モータ
２４ 姿勢検出部
２５ 角度検出部
２６ 速度検出部
２６ 制御部
２６ 速度検出部
２７ 制御部

Claims (1)

1. 倒立状態を維持するように制御される倒立移動体と、
   前記倒立移動体に訓練者が搭乗してバランス訓練を実行する訓練エリアと、
   前記訓練エリアでの前記倒立移動体の座標位置及び前記倒立移動体の重心を通り、且つ前記倒立移動体の上下方向に延在するヨー軸回りの回転角度である前記倒立移動体の向きを推定し、推定した前記倒立移動体の座標位置及び向きに連動するように訓練画像を生成する画像生成部と、
   前記訓練画像を表示する表示部と、
   を備えるバランス訓練システムであって、
   前記訓練エリアにおける前記倒立移動体が移動する移動面は、予め設定された傾斜角度を有する傾斜面であり、
   前記倒立移動体は、当該倒立移動体の車輪の回転速度を検出する速度検出部、及び前記倒立移動体の重心を通り、且つ前記倒立移動体の前後方向に延在するロール軸回りの回転角度である当該倒立移動体の左右方向の姿勢を検出する姿勢検出部又は前記倒立移動体の車輪のトルク値を検出するトルク検出部を備え、
   前記画像生成部は、
   前記倒立移動体の車輪の回転速度情報を取得し、前記回転速度情報を用いて、前記訓練エリアでの前記倒立移動体の座標位置及び第１の向きを推定し、
   前記倒立移動体の左右方向の姿勢情報を取得し、前記姿勢情報及び前記傾斜面での前記倒立移動体の左右方向の姿勢と向きとを関連付けた情報、又は、前記倒立移動体が前記傾斜面で停止した際の当該倒立移動体の車輪のトルク値情報を取得し、前記トルク値情報及び前記倒立移動体が前記傾斜面で停止した際の当該倒立移動体の車輪のトルク値と向きとを関連付けた情報を用いて、前記訓練エリアでの前記倒立移動体の第２の向きを推定し、
   前記第１の向きと前記第２の向きとの差の絶対値が予め設定された閾値より大きいと、前記第２の向きを用いて前記訓練画像を生成し、
   前記第１の向きと前記第２の向きとの差の絶対値が予め設定された閾値以下であると、前記第１の向きを用いて前記訓練画像を生成する、バランス訓練システム。

Images