JP2018093961A - 訓練システム、および足関節トルク推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】倒立振子型の移動装置をトレーニング装置として利用する場合に、搭乗者がどれくらいの運動負荷を受けているかを客観的に観察できると良い。しかし、搭乗者の足首の負荷を観察する場合には、搭乗者に計測装置を装着する必要があるなどの煩わしさを伴っていた。
【解決手段】搭乗者が立って搭乗する搭乗部と駆動輪とを有する倒立振子型移動体であって、倒立状態を維持する駆動輪の駆動トルクを検出する検出部と、搭乗者が搭乗部に加えている足関節トルクのトルク情報を、検出部で検出された駆動トルクから生成して出力する出力部とを備える倒立振子型移動体を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、訓練システム、および足関節トルク推定方法に関する。

ジャイロセンサや加速度センサなどを用いて姿勢情報を検出し、検出した姿勢情報に基づいて駆動制御を行う走行装置の中でも、倒立振子の姿勢制御モデルを応用して駆動輪を制御する倒立振子型二輪車が知られている。例えば、特許文献１には、搭乗者がハンドルを傾斜させることにより、前進させたり旋回させたりすることができる倒立振子型二輪車が開示されている。

特開２０１０−３０４３６号公報

倒立振子型二輪車は、単に移動するための道具としてではなく、自転車などと同様にトレーニング装置として利用することもできる。トレーニング装置として利用する場合には、搭乗者がどれくらいの運動負荷を受けているかを客観的に観察できると良い。しかし、運動負荷を観察する場合には、搭乗者の身体に計測装置を装着する必要があるなど、利便性が良いとは言えなかった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、特に、倒立振子型移動体に搭乗する搭乗者の足関節トルクを、センサなどの特別な装置を装着することなく定量的に観察できるようにするものである。

本発明の第１の態様における訓練システムは、搭乗者が立って搭乗する搭乗部と駆動輪とを有する倒立振子型移動体を含む訓練システムであって、倒立振子型移動体の倒立状態を維持する駆動輪の駆動トルクを検出する第１検出部と、搭乗者のバランス維持を補助する補助支持部に搭乗者が加える荷重を検出する第２検出部と、搭乗者が搭乗部に加えている足関節トルクのトルク情報を、第１検出部で検出された駆動トルクと第２検出部で検出された荷重とから生成して出力する出力部とを備える。

このような構成により、搭乗者あるいは搭乗者を補助する補助者は、搭乗者にセンサなどの特別な装置を装着することなく、搭乗者の足首の運動負荷を客観的に把握することができる。特に、ハンドルなどの補助支持部に搭乗者が加える荷重も考慮して足関節トルクのトルク情報を生成するので、搭乗者の運動負荷をより正確に見積もることができる。

また、上記の構成において、第２検出部で検出された荷重が予め定められた閾荷重を超えた場合に、その旨を告知する告知部を備えても良い。このような告知部を備えていれば、搭乗者は、トレーニング中にも搭乗の姿勢を修正したりすることができる。また、出力部は、第２検出部で検出された荷重が予め定められた閾荷重を超えた場合に、トルク情報に付加情報を追加しても良い。このように付加情報を追加すれば、搭乗者のトレーニング状況を後から確認する段階で、搭乗者の様子をより正しく把握することができる。

上記の補助支持部は、倒立振子型移動体に設けられた搭乗者が把持するハンドルを含んでいても良く、また、倒立振子型移動体とは独立して設置され、搭乗者の上体に装着される吊具を含んでいても良い。搭乗者をサポートする様々な態様の補助支持部を含んでいても、それぞれに対して正確なトルク情報を生成することができる。

また、搭乗者の体重および足のサイズの少なくともいずれかを取得する取得部を備え、出力部は、駆動トルクと、荷重と、取得部が取得した体重および足のサイズの少なくともいずれかとを用いてトルク情報を生成しても良い。このような情報を取得できれば、トルク情報をより正確に精製することができる。あるいは、出力部は、駆動トルクと、荷重と、固定値として予め設定した搭乗者の体重および足のサイズの少なくともいずれかとを用いてトルク情報を生成しても良い。このようなパラメータの少なくとも一部を簡易的に固定値とすれば、搭乗者は、その正確な値を入力する手間が省ける。

また、搭乗者の足関節をトレーニングするトレーニングモードとして設定される、搭乗者の重心移動に応じて走行する能動モードと、擬似的な外乱を発生させて倒立状態を不安定にさせる受動モードとを切り替える切替部を備えても良い。訓練システムがこのような複数のモードを備えれば、搭乗者の状況に応じたトレーニングプログラムを提供することができる。また、出力部が出力するトルク情報に基づいて、搭乗部を傾斜させる傾斜制御部を備えても良い。このような傾斜制御を実行すれば、搭乗者により効果的なトレーニングプログラムを提供することができる。

また、出力部は、倒立振子型移動体が旋回移動をしていない時の駆動トルクからトルク情報を生成しても良い。このように、トルク情報を出力する条件を設定することにより、生成されるトルク情報の信頼性を向上させることができる。

また、出力部が出力するトルク情報から、足関節トルクが予め定められた閾値を超えたと推定される回数を計数して呈示する呈示部を備えても良い。このような呈示部を備えれば、搭乗者は、自身のトレーニングの進捗状況を容易に把握することができる。

本発明の第２の態様における足関節トルク推定方法は、搭乗者が立って搭乗する搭乗部と駆動輪とを有する倒立振子型移動体に搭乗する搭乗者の足関節トルクを推定する足関節トルク推定方法であって、倒立振子型移動体の倒立状態を維持する駆動輪の駆動トルクを検出する第１検出ステップと、搭乗者のバランス維持を補助する補助支持部に搭乗者が加える荷重を検出する第２検出ステップと、第１検出ステップで検出された駆動トルクと、第２検出ステップで検出された荷重とを用いて足関節トルクの推定値を生成する生成ステップとを含む。

このような各ステップを経て足関節トルクの推定値を生成すれば、搭乗者がセンサなどの特別な装置を装着することなく、搭乗者の足首の運動負荷を客観的に把握するための情報を提供することができる。特に、ハンドルなどの補助支持部に搭乗者が加える荷重も考慮して足関節トルクのトルク情報を生成するので、運動負荷の情報として非常に正確である。

本発明により、センサなどの特別な装置を事前に装着する手間や装着に伴う煩わしさを伴うことなく、倒立振子型移動体に搭乗する搭乗者の足関節トルクを定量的に観察することができる。

本実施形態に係る倒立二輪車の外観斜視図である。 倒立二輪車の主な構成を示す概略図である。 倒立二輪車の制御ブロック図である。 足関節トルクの検出原理を説明する説明図である。 倒立二輪車の全体制御フローを示すフロー図である。 受動モードにおけるトレーニング用の試行制御を説明する説明図である。 受動モードの制御フローを示すフロー図である。 能動モードによる訓練の様子を示す概観斜視図である。 能動モードの制御フローを示すフロー図である。 能動モードにおける表示例を示す図である。 他の実施形態にかかる訓練システムの外観斜視図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る訓練システムとしての倒立二輪車１００の外観斜視図である。本実施形態においては、倒立二輪車１００は、倒立振子型移動体であり、倒立二輪車１００が訓練システムの全体を構成するものとして説明する。

倒立二輪車１００は、全体の骨格を成す基台１９０に、ハンドル１１０、左右に跨がる搭乗台１２１、左右の車輪１３１、１３２が備え付けられて構成されている。ハンドル１１０は、基台１９０に連結される支柱部と搭乗者が把持する把持部から成る。ハンドル１１０は、搭乗者に把持されることにより、搭乗者のバランス維持を補助する補助支持部としての機能を発揮する。

ハンドル１１０の支柱部には、例えばひずみゲージが貼着されたロードセルから成る加重センサ１２０が設けられている。加重センサ１２０は、搭乗者がハンドル１１０を押したり引いたりする荷重を検出する。また、ハンドル１１０の把持部には、搭乗者が視認できるように、表示部１４０が設けられている。表示部１４０は、例えば液晶パネルによって構成され、搭乗者に各種情報を呈示する。

本実施形態に係る倒立二輪車１００は、搭乗者が立って搭乗することを想定しており、搭乗台１２１は、搭乗者が左足、右足を乗せる搭乗部としての機能を担う。搭乗台１２１は、基台１９０に対して固定されていても良いし、左右方向への旋回に合わせて載置面が左右方向へ傾斜するようにリンク機構を設けても良い。

左側の車輪１３１は、搭乗台１２１の中心に対して左側に偏位して取り付けられており、後述するモータによって回転駆動される駆動輪である。右側の車輪１３２は、搭乗台１２１の中心に対して右側に偏位して取り付けられており、後述するモータによって回転駆動される駆動輪である。左側の車輪１３１と右側の車輪１３２は、同軸芯線上に平行に配置されている。したがって、左側の車輪１３１と右側の車輪１３２が、同じ方向に同じ速度で回転すれば直進するし、異なる速度で回転すれば左右に旋回する。

本実施形態に係る倒立二輪車１００は、倒立振子の姿勢制御モデルに基づいて駆動輪である車輪１３１、１３２の回転を制御する同軸二輪車である。後述する制御部は、搭乗者が搭乗した倒立二輪車１００の全体の姿勢を検知して、搭乗者が搭乗した状態を安定的に維持できるように車輪１３１、１３２の回転駆動を制御する。このような制御により、搭乗者は、自身の重心を移動したい方向へ傾けることにより、倒立二輪車１００をその方向へ移動させることができる。前方へ傾けば前進し、後方へ傾ければ後進する。右へ傾ければ右方向へ旋回し、左へ傾ければ左方向へ旋回する。

本実施形態にかかる倒立二輪車１００は、足首にある足関節に障害を抱える患者が足関節機能を回復させるためのリハビリテーション機能を有する装置である。倒立二輪車１００は、患者が搭乗者として倒立二輪車１００にバランスを取りつつ搭乗を続けようとすると、患者の足関節にリハビリ効果を期待できる程度の負荷を与えることができる。当該負荷は、患者が足関節に発生させる足関節トルクに対応する負荷であり、当該足関節トルクが患者に見合った程度の大きさであれば、リハビリ効果を期待できる。本実施形態にかかる倒立二輪車１００は、搭乗者が発生させた足関節トルクを定量的に呈示する機能を有する。

なお、倒立二輪車１００は、リハビリテーションを行う場合に限らず、目的地に移動するための走行装置としても利用できる。走行装置として利用する場合は、足関節に障害を抱える患者に限らず、健常者も利用することができる。倒立二輪車１００は、走行装置として利用する通常モードが選択された場合には左右方向への旋回も行うが、リハビリテーションを行うトレーニングモードが選択された場合には、左右方向への旋回駆動は禁止される。以下においては、足関節に障害を抱える患者を搭乗者と想定して説明する。

倒立二輪車１００の座標系は、図示するように、両車輪を結ぶ車軸方向に直交する前進方向をｘ軸プラス方向、両車輪を結ぶ車軸方向で車輪１３１へ向かう方向をｙ軸プラス方向、ｘ軸ｙ軸に共に直交する方向で、搭乗者の頭部へ向かう方向をｚ軸プラス方向と定める。以降の図面においては、ここで定義した座標系を示してその向きを表す場合がある。

図２は、倒立二輪車１００の主な構成を示す概略図である。具体的には、ｙｚ平面による断面をｘ軸プラス側から観察した様子を模式的に表したものである。

左右２つの車輪１３１、１３２は、それぞれの車軸１８１、１８２が一直線になるように、基台１９０に回転可能に軸支されている。左の車輪１３１を駆動するためのモータ１６１と、右の車輪１３２を駆動するためのモータ１６２は、基台１９０に固定配置されている。モータ１６１の駆動力は、減速機を兼ねる伝達機構１７１を介して車軸１８１に伝達され、車輪１３１を回転駆動する。モータ１６２の駆動力は、減速機を兼ねる伝達機構１７２を介して車軸１８２に伝達され、車輪１３２を回転駆動する。すなわち、それぞれの車輪１３１、１３２は、互いにそれぞれ独立したモータ１６１、１６２および伝達機構１７１、１７２により、別個に制御されて回転駆動される。

車軸１８２には、トルクセンサ１７０が設けられている。トルクセンサ１７０は、モータ１６２が車輪１３２に対して出力するモータトルクを検出する。トルクセンサ１７０は、例えばシャフトにひずみゲージを貼着してシャフトのねじり変形を検出する方式を採用するセンサである。本実施形態における倒立二輪車１００では、トルクセンサ１７０を車軸１８２に設け、車軸１８１には設けていないが、より精度を高めるために、車軸１８１に設けても良い。両軸に設ける場合は、２つのトルクセンサの出力を平均して後述するモータトルクを算出しても良い。また、検出しようとするモータトルクの精度によっては、トルクセンサ１７０を設ける代わりに、モータ１６１、１６２に供給する電力の電流値を検出して、当該電流値をモータトルクに換算しても良い。

荷重センサ１５１は、搭乗台１２１に埋め込まれた荷重センサであり、搭乗者が足を載せたことを検出する。荷重センサ１５１は、例えば、加圧されたときに閉塞するメカニカルスイッチである。

バッテリ３００は、例えばリチウムイオン電池による二次電池であり、変圧回路等を介して、モータ１６１、１６２等へ電力を供給する。二次電池は、例えば家庭用ＡＣ電源で充電することができ、着脱可能に構成されていても良い。

図３は、倒立二輪車１００の制御ブロック図である。制御部２００は、例えばＣＰＵであり、基台１９０に設けられている。制御部２００は、倒立二輪車１００の各要素部を統括的に制御する。駆動輪ユニット２１０は、車輪１３１、１３２を駆動するための駆動回路やモータ１６１、１６２を含み、制御部２００は、駆動輪ユニット２１０へ駆動信号を送ることにより、車輪１３１、１３２の回転を制御する。

加重センサ１２０は、制御部２００の要求信号に応じて検出信号を制御部２００へ送信する。当該検出信号は、例えばハンドル１１０の支柱部に向きを違えて貼着された複数のひずみゲージの出力信号を含み、これにより制御部２００は、搭乗者がハンドル１１０に加えた荷重の向きと大きさを把握することができる。つまり、加重センサ１２０は、制御部２０と協働して、ハンドル１１０に搭乗者が加える荷重を検出する検出部としての機能を担う。

トルクセンサ１７０は、制御部２００の要求信号に応じて検出信号を制御部２００へ送信する。制御部２００は、倒立二輪車１００が倒立状態を維持するために車輪１３２へ出力するモータ１６２のモータトルクを当該検出信号から演算する。つまり、トルクセンサ１７０は、制御部２００と協働して、倒立二輪車１００が倒立状態を維持する駆動輪の駆動トルクを検出する検出部としての機能を担う。

姿勢センサ１５０は、加速度センサやジャイロセンサを含み、制御部２００の要求信号に応じて検出信号を制御部２００へ送信する。制御部２００は、これらの検出信号から倒立二輪車１００の倒立状態を認識し、倒立状態を維持するために必要な駆動信号を生成して駆動輪ユニット２１０へ送信する。

荷重センサ１５１は、制御部２００の要求信号に応じて検出信号を制御部２００へ送信する。制御部２００は、当該検出信号を受信したら、搭乗者が搭乗したと認識して、倒立振子の姿勢制御を開始する。

表示部１４０は、制御部２００からの表示信号に従って、搭乗者に呈示する各種情報を表示する。搭乗者がリハビリテーションを行うトレーニングモードを選択しているときには、トレーニングのメニュー項目や進捗状況に加え、制御部２００が演算した搭乗者の足関節トルクのトルク情報を表示する。つまり、表示部１４０は、制御部２００と協働して、検出部が検出したトルク情報を出力する出力部としての機能も担う。

入力受付部１４２は、例えば表示部１４０の液晶パネルに重畳して設けられたタッチパネルや、ハンドル１１０に設けられたスイッチ類などの搭乗者が操作する操作部材を含む。入力受付部１４２は、搭乗者の入力操作を受け付けて、入力信号を制御部２００へ送信する。搭乗者は、例えばモード選択や後述する初期入力パラメータを、入力受付部１４２を介して制御部２００へ与える。つまり、入力受付部１４２は、制御部２００と協働して、ユーザからの情報や指示を取得する取得部としての機能を担う。また、制御部２００は、入力受付部１４２を介して搭乗者から後述する能動モードや受動モードの選択を受け付けた場合に、当該選択に従ったモードに切り替える。この場合、入力受付部１４２は、制御部２００と協働して、能動モードと受動モードを切り替える切替部としての機能を担う。

入出力ＩＦ１４４は、外部機器からの情報を入力する入力インタフェースと、外部機器へ情報を出力する出力インタフェースである。入出力ＩＦ１４４は、例えば無線ＬＡＮやＵＳＢである。制御部２００は、トルク情報を外部機器に出力する場合は、入出力ＩＦ１４４を介して出力する。この場合、入出力ＩＦ１４４は、制御部２００と協働して、トルク情報を出力する出力部としての機能を担う。また、制御部２００は、初期入力パラメータなどを外部機器から入出力ＩＦ１４４を介して入力できる。この場合、入出力ＩＦ１４４は、制御部２００と協働して、搭乗者の情報を取得する取得部としての機能を担う。

一連の制御プログラムは、予めメモリ２４０に記憶されており、制御部２００は、起動時にメモリ２４０から制御プログラムを読み込んで、各種制御を実行する。メモリ２４０は、不揮発性の記録媒体であり、例えばソリッドステートドライブが用いられる。メモリ２４０は、制御プログラムの他にも、制御に用いられる様々なパラメータ値、関数、ルックアップテーブル等を記録している。

次に、検出したモータトルクを用いて搭乗者の足関節トルクを検出する原理について説明する。図４は、足関節トルクの検出原理を説明する説明図である。図は、トルクセンサ１７０が連結された車輪１３２と、搭乗者が右足を載せている搭乗台１２１とを、進行方向に対して右側から観察した様子を簡易的に表している。

図示するように、車輪１３２の回転中心位置をＷ_Ａ、右足の足関節中心位置をＪ_Ａ、搭乗者と倒立二輪車１００を合わせた全体の重心位置をＰ、Ｐから搭乗面に下ろした垂線の足をＢ_Ｐとする。また、搭乗者と倒立二輪車１００を合わせた全体の質量をＭとし、足関節トルクをＴ_ｆｏｏｔ、モータトルクをＴ_{ｍｏｔｏｒ}とする。また、それぞれｘ軸方向における、Ｊ_ＡからＢ_Ｐの距離をｄ_ｆｍ、Ｊ_ＡからＷ_Ａの距離をｄ_ｆｔ、Ｗ_ＡからＢ_Ｐの距離をｄ_ｔｍとする。

また、加重センサ１２０の位置をＨ_Ｐとし、加重センサ１２０が検出した力をＦ_ｈとする。Ｆ_ｈのうち、Ｗ_ＡとＨ_Ｐを結ぶ直線に直交する成分をＦ_ｈａとする。さらに、Ｗ_ＡとＨ_Ｐの距離をｄ_ｍｈとする。

まず、搭乗者がハンドル１１０に力を加えていない状態について、すなわちＦ_ｈが０の場合について考える。このとき、Ｂ_Ｐにおけるモータが発生させる垂直方向の力Ｆ_{ｍｏｔｏｒｖ}と足関節が発生させる垂直方向の力Ｆ_{ｆｏｏｔｖ}は釣り合い、
Ｆ_{ｍｏｔｏｒｖ}＝Ｆ_{ｆｏｏｔｖ} （１）
が成り立つ。これをトルクの関係式に置き換えると、
Ｔ_ｆｏｏｔ／ｄ_ｆｍ＝Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}／ｄ_ｔｍ （２）
となる。したがって、目的変数であるＴ_ｆｏｏｔは、
Ｔ_ｆｏｏｔ＝Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}・ｄ_ｆｍ／ｄ_ｔｍ （３）
と表される。また、ｘ軸方向における距離の関係は、
ｄ_ｆｍ＝ｄ_ｆｔ＋ｄ_ｔｍ （４）
であるので、これを（３）式に代入すると、
Ｔ_ｆｏｏｔ＝Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}・（ｄ_ｆｔ／ｄ_ｔｍ＋１） （５）
となる。ｄ_ｔｍはＷ_ＡからＢ_Ｐのｘ軸方向における距離であるので、
ｄ_ｔｍ＝Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}／（Ｍｇ） （６）
と表すことができる。ここでｇは、重力加速度である。すると、（５）式は、
Ｔ_ｆｏｏｔ＝Ｍｇ・ｄ_ｆｔ＋Ｔ_{ｍｏｔｏｒ} （７）
と解くことができる。

（７）式右辺の第一項のＭｇ・ｄ_ｆｔは、搭乗者の固有情報を含む。具体的には搭乗者の質量と足関節中心位置Ｊ_Ａである。簡易的には、標準的な人体モデルからこれらの仮定値を設定することができる。例えば搭乗者の体重を６０ｋｇとすれば、倒立二輪車１００の質量は既知であるのでＭを算出することができる。また、足長の標準値を２６ｃｍとする。統計的には足長に対して、足関節位置Ｊ_Ａは踵端から２２％の位置にあり、人体の中立位置は踵端から４５％の位置にあると言われている。搭乗者は静止状態において人体の中立位置が車軸上に位置するように搭乗することを考慮すると、ｄ_ｆｔ＝２６×（０．４５−０．２２）＝５．９８ｃｍと設定できる。このような仮定値を利用すれば、第一項を簡易的に算出することができる。

また、入力受付部１４２や入出力ＩＦ１４４を介して、初期入力パラメータとして搭乗者の体重と足のサイズの少なくともいずれかを取得すれば、より精度を高めて第一項を算出することができる。搭乗者による入力に限らず、例えば荷重センサ１５１が搭乗者の体重や足長を計測できれば、搭乗者が搭乗台１２１に搭乗することにより自動的にこれらの値を取得することもできる。

次に、搭乗者がハンドル１１０に力を加えた状態について、すなわちＦ_ｈが０でない場合について考える。ハンドル１１０の支柱部は基台１９０に対して固定して設置されており、加重センサ１２０の位置Ｈ_Ｐは、車輪１３２の回転中心位置Ｗ_Ａに対して相対的に不変であるので、Ｆ_ｈａの向きも一定である。したがって、制御部２００は、加重センサ１２０の検出信号からＦ_ｈとＦ_ｈａのなす角θを算出することができ、Ｆ_ｈａを、
Ｆ_ｈａ＝Ｆ_ｈ・ｃｏｓθ （８）
と算出できる。搭乗者がハンドル１１０に力を加えることによって発生するＦ_ｈａのＷ_Ａ周りのトルクをＴ_ｈとすると、
Ｔ_ｈ＝Ｆ_ｈａ・ｄ_ｍｈ （９）
である。したがって、搭乗者がハンドル１１０に力を加えた場合には、（７）式を、
Ｔ_ｆｏｏｔ＝Ｍｇ・ｄ_ｆｔ＋Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}−Ｔ_ｈ （１０）
と修正することができる。

なお、以上の計算式においては、本実施形態においてＦ_ｈの重力方向の成分Ｆ_ｈｂは微小であって実質的には無視し得るので考慮していないが、考慮するのであれば、（１０）式のＭｇをＭｇ−Ｆ_ｈｂに置き換えれば良い。

ここで、（１０）式右辺の第一項Ｍｇ・ｄ_ｆｔは、搭乗者が搭乗台１２１に搭乗すれば定まる固定値と捉えることができる。一方で、（１０）式右辺の第二項および第三項のＴ_{ｍｏｔｏｒ}−Ｔ_ｈは、倒立二輪車１００が倒立制御を行っている期間に刻々と変動する値である。Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}−Ｔ_ｈの値は、トルクセンサ１７０の出力、加重センサ１２０の出力を監視すれば追跡できる。つまり、足関節トルクＴ_ｆｏｏｔの変動成分は、Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}−Ｔ_ｈであると言える。したがって、制御部２００が演算して出力する足関節トルクＴ_ｆｏｏｔの経時変化は、Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}−Ｔ_ｈの経時変化と相関する。

このような関係から、足関節トルクのトルク情報として、経時変化分を出力したい場合には、Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}−Ｔ_ｈのみを出力しても構わない。足関節トルクの実際の値を簡易的に出力したい場合には、Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}−Ｔ_ｈに仮定値を加えて出力すれば良いし、より精度良く出力したい場合には、搭乗者の固有情報も勘案して出力すれば良い。いずれの場合も、制御部２００は、トルクセンサ１７０および加重センサ１２０の出力からＴ_{ｍｏｔｏｒ}−Ｔ_ｈを演算して足関節のトルク情報を生成する。換言すれば、モータトルクとハンドル１１０に加えられる荷重に基づいて足関節トルクを推定していると言える。

このような原理によって足関節トルクを推定する装置によれば、従来のようにトレーニングを行う患者に筋力を測定するセンサなどの特別な装置を事前に装着する煩わしさを伴うことなく、患者の足首の運動負荷を客観的に把握することができる。また、搭乗する患者の足関節トルクを定量的に、しかもほぼリアルタイムで観察することができるので、患者の達成状況に合わせてトレーニング時間や目標負荷量などを動的に調整するトレーニングを行うことができる。また、搭乗者がバランスを維持するためにハンドル１１０に寄りかかったとしても、そのときの足関節トルクをより正確に算出することができるので、リハビリ効果を得るためのトレーニングをより確実に行うことができる。

なお、上記（１）式から（１０）式においては、水平方向（ｘ軸方向）の加速度を考慮していない。つまり、倒立二輪車１００が水平方向へ加速度を伴って移動するような状況においては、（１０）式は正確性に欠けるとも言える。しかし、実際の制御においては、搭乗者の安全の観点からも、急激な加速度を伴った移動制御はほとんど行わないので、水平方向の加速度成分が（１０）式に与える影響は相対的に小さい。したがって、実用的には（１０）式に基づいて生成されるトルク情報で足りる。ただし、より精度の高いトルク推定を行いたい場合には、倒立二輪車１００が水平方向への加速度を生じていない時のトルクセンサ１７０の出力を用いて演算すれば良い。

同様に、旋回時におけるｚ軸周りの角加速度の影響を排除したい場合には、倒立二輪車１００が旋回移動をしていない時のトルクセンサ１７０の出力を用いて演算すれば良い。なお、以下に説明するトレーニングモードでは旋回移動が禁止されるので、トレーニングモード中に出力されるトルク情報は、ｚ軸周りの角加速度の影響を含み得ない。

次に、倒立二輪車１００の全体制御について説明する。図５は、倒立二輪車１００の全体制御フローを示すフロー図である。倒立二輪車１００は、搭乗者が選択するモードに従ってメモリ２４０から読み出した制御プログラムを実行する。

電源がオンにされて一連の処理が開始されると、制御部２００は、ステップＳ１０１で、搭乗者が入力受付部１４２を介して指示するモードを取得する。そしてステップＳ１０２で、取得したモードがリハビリテーションを行うためのトレーニングモードであるか否かを判断する。制御部２００は、トレーニングモードでないと判断したら、ステップＳ１０３へ進み、倒立二輪車１００を移動装置として利用する通常モードで制御を開始する。制御部２００は、通常モードでは、搭乗者の体重移動に応じて前進、後進、旋回を行う。このとき、足関節トルクのトルク情報を表示部１４０に表示しても良い。

制御部２００は、ステップＳ１０２でトレーニングモードであると判断したら、ステップＳ１０４へ進み、更に、トレーニングモードの中でも受動モードであるか否かを判断する。受動モードであると判断したら、ステップＳ１０５へ進み、受動モードによるトレーニングプログラムを実行する。一方、受動モードでないと判断したら、ステップＳ１０６へ進み、能動モードによるトレーニングプログラムを実行する。

それぞれのモードでの制御プログラムが完了したら、ステップＳ１０７へ進み、制御部２００は、搭乗者によって所定時間以内にモードが切り替えられたか否かを判断する。モードが切り替えられたと判断した場合には再度ステップＳ１０１から処理を繰り返す。モードが切り替えられなかった判断した場合には、一連の処理を終了する。

次に、受動モードについて説明する。図６は、受動モードにおけるトレーニング用の試行制御を説明する説明図である。受動モードは、搭乗者自らが意識的に何らかの指示を与えなくても倒立二輪車１００が自動的に所定の動作を実行するモードであり、搭乗者は、その間搭乗台１２１に立ってバランスを取っていれば、一定のトレーニング効果を期待できる。受動モードにおいて、制御部２００は、擬似的な外乱を発生させて倒立状態を不安定にさせることで、搭乗者にバランスの維持を強制する。

倒立二輪車１００が擬似的な外乱として自動的に実行する所定の動作の一例は、倒立振子制御に伴う前後方向の微小移動以外はほぼその場で停止したまま、搭乗台１２１が車輪１３２の回転中心位置Ｗ_Ａ周りに揺動を繰り返す動作である。例えば図示するように、制御部２００は、搭乗台１２１の搭乗面を水平方向に対してα度前傾させる。すると、搭乗者は重心位置Ｐを前後に調整すると共に足裏を搭乗面に対して踏ん張り、つまり足関節トルクＴ_ｆｏｏｔを増して、バランスを取ろうとする。この傾斜角αを断続的あるいは連続的に変化させると、搭乗者はその変化に合わせて足関節トルクＴ_ｆｏｏｔの強弱を調整する。このように、倒立状態を故意に不安定化させて、搭乗者に積極的にバランスを取らせる動作が、足関節トルクを回復するリハビリテーションとして効果的である。

一般的には、患者がトレーニング時点で備えている筋力の４０％以上の力を発揮して動作を繰り返せば、リハビリテーションの効果が得られると言われている。したがって、搭乗する患者ごとにリハビリテーションの効果が得られる足関節トルクの基準を設定し、当該基準を上回る足関節トルクを発生させるように揺動角の最大値α_０を決定すれば良い。搭乗者あるいはオペレータは、このような最大値α_０を、入力受付部１４２、入出力ＩＦ１４４を介して入力する。

制御部２００は、このように設定された最大値α_０に従って搭乗台１２１を揺動する。この動作に平行してトルクセンサ１７０から検出信号を受信し、足関節トルクＴ_ｆｏｏｔを演算して表示部１４０等に出力する。そして、制御部２００は、搭乗者が基準となる足関節トルクを予め設定された回数を超えて発生させることができたら、トレーニング成功の旨を出力する。

図７は、図５においてサブファンクションとして示した受動モード（ステップＳ１０５）の制御フローを示すフロー図である。受動モードが開始されると（ステップＳ１０５）、制御部２００は、ステップＳ５０１で、繰り返しカウント変数ｎに初期値ｎ_０を代入し、成功カウント変数ｓに０を代入する。

制御部２００は、ステップＳ５０２へ進み、トレーニング課題用の試行制御を開始する。具体的には、上述のように定められた最大値α_０まで搭乗面を徐々に傾け、その後もとの水平位置まで徐々に戻す試行を一回行う。これに並行して、制御部２００は、足関節トルクＴ_ｆｏｏｔを演算する（ステップＳ５０３）。

制御部２００は、ステップＳ５０４へ進み、ステップＳ５０２の一回の試行の間に足関節トルクＴ_ｆｏｏｔが基準値Ｔ_ｏを超えたか否かを判断する。超えたと判断したら成功カウント変数ｓをインクリメントして（ステップＳ５０５）、ステップＳ５０６へ進む。超えていないと判断したら、変数ｓをインクリメントすることなくステップＳ５０６へ進む。

制御部２００は、ステップＳ５０６で、ステップＳ５０２の一回の試行の間に加重センサ１２０が検出した力Ｆ_ｈのうち、Ｗ_ＡとＨ_Ｐを結ぶ直線に直交する成分をＦ_ｈａが予め定められた閾荷重Ｆ_０を超えたか否かを判断する。超えたと判断したら、ステップＳ５０７へ進みその旨を告知する告知処理を実行してから、ステップＳ５０８へ進む。超えていないと判断したら、ステップＳ５０７を経由することなく、ステップＳ５０８へ進む。

告知処理は、例えば、表示部１４０に「ハンドルに寄り掛かり過ぎですよ」などと表示して搭乗者に告知する処理である。この場合、表示部１４０は、制御部２００と協働して、閾荷重を超えた旨を告知する告知部としての機能を担う。告知の手段は表示に限らず、例えば、音や光、振動であっても良い。また、告知情報を入出力ＩＦ１４４から訓練を補助する補助者の携帯端末などに送信して、補助者に告知しても良い。この場合は、入出力ＩＦ１４４が、制御部２００と協働して、告知部としての機能を担うことになる。

また、加重センサ１２０の構成から、Ｆ_ｈがＦ_ｈａと大きく異ならないのであれば、閾荷重Ｆ_０の比較対象を直接的にＦ_ｈにしても良い。また、上記の処理では、一回の試行の間に閾荷重を超えたらその試行の後に告知処理を行ったが、割り込み処理等により、試行中であってもほぼリアルタイムで告知処理を実行しても良い。逆に、後に説明する成功、失敗の判定後に告知処理を纏めて行っても良い。その場合は、単に超えたことを告知するのではなく、閾荷重を超えた回数、時間なども併せて告知しても良い。

制御部２００は、ステップＳ５０８で、繰り返しカウント変数ｎをデクリメントする。そして、ステップＳ５０９で、変数ｎがまだ０に到達していないかを判断し、到達していないと判断したらステップＳ５０２へ戻って試行制御を繰り返す。変数ｎが０に到達したと判断したらステップＳ５１０へ進む。

制御部２００は、ステップＳ５１０で、成功カウント変数ｓが基準回数ｓ_０を上回ったか否かを判断する。ｓ_０を上回ったと判断したらステップＳ５１１へ進み、今回のトレーニングに効果が期待できるものとして、成功を示す成功表示を表示部１４０に表示する。ｓ_０を上回らなかったと判断したらステップＳ５１２へ進み、今回のトレーニングには効果が期待できないとして、失敗を示す失敗表示を表示部１４０に表示する。表示が完了したら受動モードを終了してメインフローへ戻る。

上記の受動モードでは、予め揺動角の最大値α_０を定めて、それまでに足関節トルクＴ_ｆｏｏｔが基準値Ｔ_ｏを超えたか否かを観察したが、足関節トルクＴ_ｆｏｏｔが基準値Ｔ_ｏを超えるまで搭乗面を傾斜させるように制御しても良い。この場合、制御部２００は、駆動輪ユニット２１０と協働して、演算された足関節トルクＴ_ｆｏｏｔに基づいて搭乗台１２１を傾斜させる傾斜制御部として機能する。このように制御すれば、トレーニング効果が確実に得られる。

次に、能動モードについて説明する。図８は、能動モードによる訓練の様子を示す概観斜視図である。能動モードは、搭乗者自らがバランスを取りつつ倒立二輪車１００を前後に移動させるモードであり、予め定められた時間内に基準を上回る足関節トルクを繰り返し発生させるトレーニングを行う。

トレーニングユニット４００は、囲われた走行面４１０を備える。走行面４１０は、走行方向に１ｍ程度であり、搭乗者は倒立二輪車１００に搭乗してこの間を前進したり後進したりを繰り返す。トレーニングユニット４００は、例えばスクリーンを備えて、倒立二輪車１００の移動に伴って景色映像を前後させるなどのエンタテイメント機能を有していても良い。

このように限られた走行面を往復するトレーニングでは、特に前進から後進、後進から前進に移行するときに搭乗者は足裏を搭乗面に対して踏ん張り、つまり足関節トルクＴ_ｆｏｏｔを増して、バランスを取ろうとする。この動作が足関節トルクを回復するリハビリテーションとして効果的である。搭乗者は、表示部１４０に表示されるトレーニングの進捗情報を確認しながらトレーニングできる。

上述の通り、一般的には、患者がトレーニング時点で備えている筋力の４０％以上の力を発揮して動作を繰り返せば、リハビリテーションの効果が得られると言われているので、能動モードの場合も、搭乗する患者ごとにリハビリテーションの効果が得られる足関節トルクの基準値Ｔ_０を設定する。搭乗者あるいはオペレータは、基準値Ｔ_０を、入力受付部１４２、入出力ＩＦ１４４を介して入力する。

制御部２００は、搭乗者の体重移動に従って前進、後進の走行制御を実行しつつ、トルクセンサ１７０、加重センサ１２０から検出信号を受信し、足関節トルクＴ_ｆｏｏｔを演算して表示部１４０等に出力する。そして、制御部２００は、搭乗者が所定の制限時間以内に基準値Ｔ_０を予め設定された回数を超えて発生させることができたら、トレーニング成功の旨を出力する。

図９は、図５においてサブファンクションとして示した能動モード（ステップＳ１０６）の制御フローを示すフロー図である。能動モードが開始されると（ステップＳ１０６）、制御部２００は、ステップＳ６０１で、タイマーｔをクリアすると共に計時を開始する。さらに、ステップＳ６０２で、延長カウント変数ｎに０を代入し、成功カウント変数ｓに０を代入する。これらの初期化を完了したら、制御部２００は、搭乗者の体重移動に従って前進、後進させる走行制御を開始し、また、トルクセンサ１７０、加重センサ１２０の出力から足関節トルクＴ_ｆｏｏｔを演算する処理を開始する。搭乗者は、計時開始と共に表示される「スタート」の合図を確認して、倒立二輪車１００の前進、後進の移動動作を開始する。

制御部２００は、演算した足関節トルクＴ_ｆｏｏｔを監視し、Ｔ_ｆｏｏｔが基準値Ｔ_０を超えたか否かを判断する（ステップＳ６０３）。超えたと判断したら成功カウント変数ｓをインクリメントして（ステップＳ６０４）、ステップＳ６０５へ進む。超えていないと判断したら、変数ｓをインクリメントすることなくステップＳ６０５へ進む。

制御部２００は、ステップＳ６０５で、加重センサ１２０が検出した力Ｆ_ｈのうち、Ｗ_ＡとＨ_Ｐを結ぶ直線に直交する成分をＦ_ｈａが予め定められた閾荷重Ｆ_０を超えたか否かを判断する。超えたと判断したら、ステップＳ６０６へ進みその旨を告知する告知処理を実行してから、ステップＳ６０７へ進む。超えていないと判断したら、ステップＳ６０６を経由することなく、ステップＳ６０７へ進む。具体的な告知処理は、受動モードで説明した告知処理と同様である。

制御部２００は、ステップＳ６０７で、タイマーｔが制限時間ｔ_０を超えたか否かを判断する。延長カウント変数ｎが１以上の場合は、予め設定された単位延長時間Ｔにｎを掛けた延長時間をｔ_０に足した時間を制限時間とする。制限時間以内であればステップＳ６０３へ戻る。制限時間を超えていればステップＳ６０８へ進む。

制御部２００は、ステップＳ６０８で、成功カウント変数ｓが基準回数ｓ_０を上回ったか否かを判断する。ｓ_０を上回ったと判断したらステップＳ６０９へ進み、今回のトレーニングに効果が期待できるものとして、成功を示す成功表示を表示部１４０に表示する。ｓ_０を上回らなかったと判断したらステップＳ６１０へ進む。

制御部２００は、ステップＳ６１０で、延長カウント変数ｎが予め定められた上限延長回数ｎ_０を上回ったか否かを判断する。上回っていないと判断したら、ステップＳ６１２でｎをインクリメントしてステップＳ６０３へ戻る。上回ったと判断したらステップＳ６１1へ進み、今回のトレーニングには効果が期待できないとして、失敗を示す失敗表示を表示部１４０に表示する。ステップＳ６０９またはＳ６１1で表示が完了したら能動モードを終了してメインフローへ戻る。

図１０は、能動モードの実行中における表示部１４０の表示例を示す図である。グラフは、足関節トルクＴ_ｆｏｏｔを負荷量（縦軸）として、時間経過（横軸）と共に示している。現時点でのＴ_ｆｏｏｔを星印で示し、波形が全体的に左方向へスクロールして過去の波形が左端から消去されていく。合格ラインは基準値Ｔ_０を示し、波形がこのラインを上回れば、判定欄に「○」が示される。波形がこのラインに到達しなければ、判定欄に「×」が示される。時間軸の下には、制限時間ｔ_０までのトレーニングが「基本トレーニング」と示され、延長されたトレーニングが「延長トレーニング」と示される。そして、基準回数ｓ_０に到達するまでの残り回数が示される。

図示するように、訓練中にＦ_ｈａが予め定められた閾荷重Ｆ_０を超えた場合には、制御部２００は、現時点でのＴ_ｆｏｏｔを表す星印を消去し、Ｆ_０を超えている期間をグレイアウトで表示しても良い。追加的に「ハンドル加重オーバー！」などのメッセージを表示して告知処理をおこなっても良い。制御部２００は、この期間は、トルク情報の出力を停止しても良いし、閾荷重Ｆ_０を超えた旨を表すフラグなどの付加情報を追加してトルク情報を出力しても良い。トルク情報を継続的なログとして記録する場合は、付加情報を含めて記録すると良い。

また、図示するような表示情報に限らず、他のさまざまな情報も表示し得る。例えば、負荷量を積算してゲージ形式で表示しても良いし、「もっと思い切って力を入れましょう」などのメッセージを表示しても良い。このような表示により、搭乗者はトレーニングの進捗状況を確認できる。また、このような表示は、搭乗者のトレーニング意欲向上に貢献する。

以上説明した実施形態においては、倒立二輪車１００が訓練システムの全体を構成する実施態様を説明したが、倒立二輪車１００が訓練システムの一部を構成する実施態様であっても構わない。図１１は、他の実施形態にかかるトレーニング装置５００の外観斜視図である。

トレーニング装置５００は、上述の倒立二輪車１００とほぼ同様の構成を有する倒立二輪車１００’を一部の構成として含む訓練システムである。トレーニング装置５００は、倒立二輪車１００’の他には主に、全体の骨格を成すフレーム５３０に取り付けられたハーネス引張部５１２を備える。搭乗者は、倒立二輪車１００’をフレーム５３０に囲まれた走行面上を移動させて訓練を行う。

フレーム５３０は、モータやセンサの制御を行う全体制御部５２０を収容する制御盤５３３や、訓練の進捗状況等を表示する例えば液晶パネルである表示部５３８などを支持している。また、フレーム５３０は、搭乗者の頭上部付近でハーネス引張部５１２を支持している。全体制御部５２０は、例えばＣＰＵであり、倒立二輪車１００’が備える制御部２００’と交信して、トレーニング装置５００の全体を統括的に制御する。

トレーニング装置５００は、装具５１０、ハーネスワイヤ５１１、ハーネス引張部５１２を主な構成要素とする安全装置を備える。装具５１０は、搭乗者の腰部に巻き付けられるベルトであり、例えば面ファスナによって腰部に固定される。装具５１０は、吊具であるハーネスワイヤ５１１の一端に連結される。

ハーネスワイヤ５１１は、他端がハーネス引張部５１２の巻取機構に連結されている。ハーネス引張部５１２の巻取機構は、不図示のモータをオン／オフさせることにより、ハーネスワイヤ５１１を巻き取ったり繰り出したりする。ハーネス引張部５１２は、不図示のモータを含め、ハーネスワイヤ５１１の吊り上げおよび吊り下げを行う駆動部としての機能を担う。このような構成により、安全装置は、搭乗者がバランスを崩しそうになった場合に、搭乗者の上体を支えて搭乗者を安定させる。

このような装置構成において、搭乗者の腰部に装着されるハーネスワイヤ５１１は、搭乗者のバランス維持を補助する補助支持部としての役割を担う。このとき、ハーネス引張部５１２が備えるロードセルは、搭乗者がバランスを崩しそうになった場合に搭乗者がハーネスワイヤ５１１を引っ張る引張力Ｆ_ｈを検出する。引張力Ｆ_ｈが検出されれば、図４を用いて説明したのと同様に、引張力Ｆ_ｈによる影響を修正した足関節トルクＴ_ｆｏｏｔを算出することができる。つまり、搭乗者がバランスを維持するためにハンドル以外に荷重を加える場合であっても、その影響を除去して足関節トルクＴ_ｆｏｏｔを算出することができる。

以上変形例を説明したが、搭乗者がバランスを維持するために荷重を加える対象物は、ハンドルやハーネスワイヤに限らず、様々に考え得る。例えば、ハンドルを備えない倒立二輪車であれば、搭乗者が内股に挟んでバランスを取る、基台に固定された支持棒のようなものを備えていても良い。

１００、１００’ 倒立二輪車、１１０ ハンドル、１２０ 加重センサ、１２１ 搭乗台、１３１、１３２ 車輪、１４０ 表示部、１４２ 入力受付部、１４４ 入出力ＩＦ、１５０ 姿勢センサ、１５１ 荷重センサ、１６１、１６２ モータ、１７０ トルクセンサ、１７１、１７２ 伝達機構、１８１、１８２ 車軸、１９０ 基台、２００、２００’ 制御部、２１０ 駆動輪ユニット、２４０ メモリ、３００ バッテリ、４００ トレーニングユニット、４１０ 走行面、５００ トレーニング装置、５００ トレーニング装置、５１０ 装具、５１１ ハーネスワイヤ、５１２ ハーネス引張部、５２０ 全体制御部、５３０ フレーム、５３３ 制御盤、５３８ 表示部

Claims (12)

1. 搭乗者が立って搭乗する搭乗部と駆動輪とを有する倒立振子型移動体を含む訓練システムであって、
   前記倒立振子型移動体の倒立状態を維持する前記駆動輪の駆動トルクを検出する第１検出部と、
   前記搭乗者のバランス維持を補助する補助支持部に前記搭乗者が加える荷重を検出する第２検出部と、
   前記搭乗者が前記搭乗部に加えている足関節トルクのトルク情報を、前記第１検出部で検出された前記駆動トルクと前記第２検出部で検出された前記荷重とから生成して出力する出力部と
   を備える訓練システム。
2. 前記第２検出部で検出された前記荷重が予め定められた閾荷重を超えた場合に、その旨を告知する告知部を備える請求項１に記載の訓練システム。
3. 前記出力部は、前記第２検出部で検出された前記荷重が予め定められた閾荷重を超えた場合に、前記トルク情報に付加情報を追加する請求項１または２に記載の訓練システム。
4. 前記補助支持部は、前記倒立振子型移動体に設けられた前記搭乗者が把持するハンドルを含む請求項１から３のいずれか１項に記載の訓練システム。
5. 前記補助支持部は、前記倒立振子型移動体とは独立して設置され、前記搭乗者の上体に装着される吊具を含む請求項１から４のいずれか１項に記載の訓練システム。
6. 前記搭乗者の体重および足のサイズの少なくともいずれかを取得する取得部を備え、
   前記出力部は、前記駆動トルクと、前記荷重と、前記取得部が取得した前記体重および前記足のサイズの少なくともいずれかとを用いて前記トルク情報を生成する請求項１から５のいずれか１項に記載の訓練システム。
7. 前記出力部は、前記駆動トルクと、前記荷重と、固定値として予め設定した前記搭乗者の体重および足のサイズの少なくともいずれかとを用いて前記トルク情報を生成する請求項１から６のいずれか１項に記載の訓練システム。
8. 前記搭乗者の足関節をトレーニングするトレーニングモードとして設定される、前記搭乗者の重心移動に応じて走行する能動モードと、擬似的な外乱を発生させて倒立状態を不安定にさせる受動モードとを切り替える切替部を備える請求項１から７のいずれか１項に記載の訓練システム。
9. 前記出力部が出力する前記トルク情報に基づいて、前記搭乗部を傾斜させる傾斜制御部を備える請求項１から８のいずれか１項に記載の訓練システム。
10. 前記出力部は、前記倒立振子型移動体が旋回移動をしていない時の前記駆動トルクから前記トルク情報を生成する請求項１から９のいずれか１項に記載の訓練システム。
11. 前記出力部が出力する前記トルク情報から、前記足関節トルクが予め定められた閾値を超えたと推定される回数を計数して呈示する呈示部を備える請求項１から１０のいずれか１項に記載の訓練システム。
12. 搭乗者が立って搭乗する搭乗部と駆動輪とを有する倒立振子型移動体に搭乗する搭乗者の足関節トルクを推定する足関節トルク推定方法であって、
    前記倒立振子型移動体の倒立状態を維持する前記駆動輪の駆動トルクを検出する第１検出ステップと、
    前記搭乗者のバランス維持を補助する補助支持部に前記搭乗者が加える荷重を検出する第２検出ステップと、
    前記第１検出ステップで検出された前記駆動トルクと、前記第２検出ステップで検出された前記荷重とを用いて前記足関節トルクの推定値を生成する生成ステップと
    を含む足関節トルク推定方法。

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