JP2018121911A - 訓練システム - Google Patents

Abstract

【課題】適切に訓練効果の評価を行うことが可能な訓練システムを提供する。
【解決手段】訓練システム１は、倒立台車２と、訓練者姿勢検出部３０と、制御装置１００とを有する。倒立台車２は、訓練者９０が搭乗した状態で倒立状態を維持し、訓練者９０の重心移動に応じて動作する。制御装置１００は、倒立台車２を用いた訓練の実行を制御する。訓練者姿勢検出部３０は、倒立台車２に搭乗して訓練を行っている訓練者９０の姿勢を検出する。制御装置１００は、訓練者姿勢検出部３０によって検出された姿勢から訓練者９０のバランス戦略が足関節戦略であると判定された場合に訓練効果が良好であると判定し、訓練者９０のバランス戦略が股関節戦略であると判定された場合に訓練効果が不良であると判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、訓練システムに関し、特に、訓練者が搭乗した状態で倒立状態を維持したまま走行可能な倒立台車を用いて訓練を行う訓練システムに関する。

近年、ジャイロセンサや加速度センサなどの検出信号から自己の姿勢情報を検出して、倒立制御等を行うことにより、自己の姿勢を維持するように車輪の回転を制御する移動体が開発されている。この技術に関連し、特許文献１には、倒立制御を行う移動体を用いて訓練を行う方法が開示されている。特許文献１では、移動体に搭乗した搭乗者が重心移動を行うことで、移動体の動作が制御されている。

特開２０１１−０３１６６９号公報

リハビリテーション等の訓練では、訓練者が移動体（倒立台車）に搭乗して訓練を行うとき、直立時の運動効率の面から、訓練者が足関節を動かすことが望まれる。一方、高齢者等の筋力の低下した訓練者は、訓練内容によっては足関節を用いることが困難であり、その場合、股関節を用いる傾向がある。ここで、訓練者のバランス戦略（姿勢制御）が足関節を用いたものである状態を足関節戦略（Ankle Strategy）といい、訓練者のバランス戦略が股関節を用いたものである状態を股関節戦略（Hip Strategy）という。

倒立台車に搭乗している訓練者は、足関節を用いずに股関節を用いても、つまりバランス戦略が足関節戦略ではなく股関節戦略である場合でも、重心移動を行うことができてしまう。したがって、訓練者が股関節戦略で訓練を行うと、訓練効果が低下するおそれがある。しかしながら、訓練中の所望の動作が終了したことで訓練を評価する方法では、訓練者のバランス戦略を考慮していないので、適切に訓練効果を評価することができなかった。

本発明は、適切に訓練効果の評価を行うことが可能な訓練システムを提供することにある。

本発明にかかる訓練システムは、訓練者が搭乗した状態で倒立状態を維持し前記訓練者の重心移動に応じて動作する倒立台車を用いて訓練を行う訓練システムであって、前記倒立台車と、前記倒立台車を用いた訓練の実行を制御する制御手段と、前記倒立台車に搭乗して訓練を行っている前記訓練者の姿勢を検出する検出手段とを有し、前記制御手段は、前記検出手段によって検出された姿勢から前記訓練者のバランス戦略が足関節戦略であると判定された場合に訓練効果が良好であると判定し、前記検出手段によって検出された姿勢から前記訓練者のバランス戦略が股関節戦略であると判定された場合に訓練効果が不良であると判定する。

本発明によれば、適切に訓練効果の評価を行うことが可能な訓練システムを提供できる。

実施の形態１にかかる訓練システムを示す図である。 実施の形態１にかかる訓練システムのシステム構成を示すブロック図である。 訓練を行っている訓練者のバランス戦略が足関節戦略である状態を示す図である。 訓練を行っている訓練者のバランス戦略が足関節戦略である状態を示す図である。 訓練を行っている訓練者のバランス戦略が股関節戦略である状態を示す図である。 訓練を行っている訓練者のバランス戦略が股関節戦略である状態を示す図である。 実施の形態１にかかる訓練システムによって実行される動作を示すフローチャートである。 実施の形態１にかかるバランス戦略の判定処理を示すフローチャートである。 足関節戦略か股関節戦略かの判定方法を例示するフローチャートである。 実施の形態１にかかる目標値変更処理を示すフローチャートである。 実施の形態２にかかる訓練システムによって実行される動作を示すフローチャートである。 実施の形態２にかかる運動強度の判定処理を示すフローチャートである。 実施の形態２にかかる課題達成率の算出方法を示すフローチャートである。 実施の形態２にかかる目標値変更処理を示すフローチャートである。 実施の形態２にかかる課題成否判定処理を示すフローチャートである。

（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

図１は、実施の形態１にかかる訓練システム１を示す図である。また、図２は、実施の形態１にかかる訓練システム１のシステム構成を示すブロック図である。図１に示すように、訓練システム１は、倒立台車２と、訓練者姿勢検出部３０と、表示装置４０と、制御装置１００とを有する。なお、後述するように、制御装置１００は、倒立台車２、訓練者姿勢検出部３０及び表示装置４０と、有線又は無線で通信可能に接続されている。

倒立台車２は、車体１０と、車輪４と、ステップ６とを有する。また、倒立台車２は、倒立台車２に搭乗している訓練者９０が把持するためのハンドルを有してもよい。車輪４は、車体１０の左右（図１の手前側及び奥側）に設けられている。倒立台車２は、訓練者９０を乗せて倒立状態を維持したまま、地面８０を走行可能である。つまり、倒立台車２は、訓練者９０が搭乗した状態で倒立状態を維持し、訓練者９０の重心移動に応じて動作する。訓練システム１は、この倒立台車２を用いて訓練を行う。

また、倒立台車２は、車輪４を駆動するモータ１２と、車輪４（又はモータ１２）の駆動トルクを検知するトルクセンサ１４と、倒立台車２（又は車体１０）の位置を検知する位置センサ１６と、車体の姿勢（傾き）を検知する傾斜センサ１８と、倒立台車２（モータ１２）の動作を制御する制御部２０とを有する。

トルクセンサ１４は、例えばモータ１２の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。また、トルクセンサ１４は、モータ１２に供給する電流値からモータトルクを検知してもよい。トルクセンサ１４は、駆動トルクを示す信号を、制御装置１００に送信する。

位置センサ１６は、車輪４の回転角度及び回転数を検出するセンサである。位置センサ１６は、車輪４の回転角度及び回転数から、倒立台車２（車体１０）の位置（移動量）を検出することができる。位置センサ１６は、車体１０の位置を示す信号を、制御装置１００に送信する。

傾斜センサ１８は、例えばジャイロセンサ又は加速度センサ等の慣性センサであって、車体１０の姿勢つまり傾き（傾斜角度及び傾斜方向）を検知する。例えば、傾斜センサ１８は、車体１０の前後方向（ピッチ方向）の傾きを検知する。傾斜センサ１８は、車体１０の傾斜を示す信号を、制御部２０及び制御装置１００に送信する。

ステップ６に訓練者９０が乗り、訓練者９０が重心移動をすることで車体１０が傾く。倒立台車２（制御部２０）は、その車体１０の傾きを傾斜センサ１８が検知することに応じて、モータ１２（車輪４）の回転動作（回転速度及び回転方向）を制御する。具体的には、訓練者９０が前方（図１の左側）に重心を移動した場合に、倒立台車２は前方に移動する。このとき、車輪４は、モータ１２によって正方向（図１の矢印Ａの方向）に回転する。また、訓練者９０が後方（図１の右側）に重心を移動した場合に、倒立台車２は後方に移動する。このとき、車輪４は、モータ１２によって逆方向（図１の矢印Ｂの方向）に回転する。また、制御部２０は、車体１０の傾斜角度に応じて、モータ１２の回転数を制御し得る。

なお、訓練者９０が重心移動をすることでステップ６が傾き、そのステップ６の傾き傾斜センサ１８が検知することで、倒立台車２（制御部２０）がモータ１２（車輪４）の回転動作を制御してもよい。また、ステップ６に設けられた荷重センサ等を用いて訓練者９０の重心移動を検知することで、倒立台車２（制御部２０）がモータ１２（車輪４）の回転動作を制御してもよい。

訓練者姿勢検出部３０は、倒立台車２に搭乗して訓練を行っている訓練者９０の姿勢を検出する検出手段としての機能を有する。訓練者姿勢検出部３０は、訓練を行っている訓練者９０が自身の体のどの部位を主に使用してバランスを取っている（重心移動を行っている）かを示すバランス戦略の判定に用いられる。つまり、訓練者姿勢検出部３０は、訓練を行っている訓練者９０のバランス戦略が足関節戦略か股関節戦略かを判定するために用いられる。

図３及び図４は、訓練を行っている訓練者９０のバランス戦略が足関節戦略である状態を示す図である。また、図５及び図６は、訓練を行っている訓練者９０のバランス戦略が股関節戦略である状態を示す図である。また、図３及び図５は、訓練者９０が矢印Ｃで示す方向に倒立台車２を前進させている状態を示し、図４及び図６は、訓練者９０が矢印Ｄで示す方向に倒立台車２を後退させている状態を示す。

図３に示す状態では、訓練者９０は、足関節９２を動かして前方に重心移動を行っている。同様に、図４に示す状態では、訓練者９０は、足関節９２を動かして後方に重心移動を行っている。このとき、訓練者９０は、股関節９４をほとんど動かしていない。このように、図３及び図４に示す状態では、訓練者９０は足関節戦略で訓練を行っているので、このときの訓練効果は良好であるといえる。

一方、図５に示す状態では、訓練者９０は、股関節９４を屈曲させることで前方に重心移動を行っている。同様に、図６に示す状態では、訓練者９０は、股関節９４を伸展（過伸展）させることで後方に重心移動を行っている。このように、図５及び図６に示す状態では、訓練者９０は股関節戦略で訓練を行っているので、このときの訓練効果は良好ではない（不良である）といえる。なお、股関節戦略の場合であっても、足関節９２は動いている可能性はある。また、訓練者９０にとって訓練の負荷が過大である場合、つまり訓練の難易度が高すぎる場合に、訓練者９０は、股関節戦略で訓練を行う傾向にある。

訓練者姿勢検出部３０は、例えば、股関節９４の角度を検出する装置である。訓練者姿勢検出部３０は、検出された角度を示す信号を、制御装置１００に送信する。訓練者姿勢検出部３０は、例えば、訓練者９０の股関節９４の近傍に取り付けられる関節角度計であってもよい。また、例えば、訓練者姿勢検出部３０は、ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit；慣性計測装置）型の関節角度測定装置であってもよい。また、例えば、訓練者姿勢検出部３０は、モーションキャプチャ等により股関節９４の角度を測定可能なカメラであってもよい。

表示装置４０は、例えば、画像を表示するディスプレイである。また、表示装置４０は、音声を出力するスピーカであってもよい。表示装置４０は、制御装置１００の制御によって、訓練に関する情報を表示する。例えば、表示装置４０は、訓練結果を表示する。また、表示装置４０は、訓練内容を表示する。なお、訓練内容については後述する。

制御装置１００は、例えばコンピュータである。制御装置１００は、主要なハードウェア構成として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０４と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０６と、インタフェース部１０８（ＩＦ；Interface）とを有する。ＣＰＵ１０２、ＲＯＭ１０４、ＲＡＭ１０６及びインタフェース部１０８は、データバスなどを介して相互に接続されている。

ＣＰＵ１０２は、制御処理及び演算処理等を行う演算装置としての機能を有する。ＲＯＭ１０４は、ＣＰＵ１０２によって実行される制御プログラム及び演算プログラム等を記憶するための機能を有する。ＲＡＭ１０６は、処理データ等を一時的に記憶するための機能を有する。インタフェース部１０８は、有線又は無線を介して外部と信号の入出力を行う。インタフェース部１０８は、通信ポートを含み得る。また、インタフェース部１０８は、管理者の操作を受け付けるユーザインタフェースを含み得る。

制御装置１００は、倒立台車２を用いた訓練の実行を制御する制御手段としての機能を有する。制御装置１００は、後述する図７に示す処理を実行する。この処理は、例えば、ＣＰＵ１０２がＲＯＭ１０４に記憶されたプログラムを実行することによって実現可能である。また、必要なプログラムを任意の不揮発性記録媒体に記録しておき、必要に応じてインストールすることで、図７に示す処理を実行するようにしてもよい。

また、プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ）を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

なお、図７に示す処理は、上記のようにソフトウェアによって実現されることに限定されず、何らかの回路素子等のハードウェアによって実現されてもよい。さらに、図７に示す処理を行う構成要素は、物理的に１つの装置内に設けられている必要はない。したがって、制御装置１００は、複数のハードウェアとして構成されていてもよい。

図２に示すように、制御装置１００は、トルクセンサ１４、位置センサ１６、傾斜センサ１８、訓練者姿勢検出部３０、表示装置４０及びモータ１２と、有線又は無線によって通信可能に接続されている。制御装置１００は、トルクセンサ１４、位置センサ１６、傾斜センサ１８、及び訓練者姿勢検出部３０から、信号を受信する。そして、制御装置１００は、これらの受信した信号に応じて、表示装置４０及びモータ１２を制御する。

ここで、制御装置１００によって制御される訓練には、例えば、能動訓練及び受動訓練がある。能動訓練では、制御装置１００は、表示装置４０を用いて訓練者９０に移動距離（及び移動方向）を指示する。訓練者９０は、その指示に従って、倒立台車２を、（指示された移動方向に）指示された移動距離、動かすようにする。この、制御装置１００によって指示される移動距離は、能動訓練における後述する目標値（目標設定）に対応する。そして、制御装置１００は、位置センサ１６を用いて倒立台車２が指定された移動距離進んだことを検知した場合に、能動訓練における１回の動作が終了したと判定する。

例えば、能動訓練の場合、制御装置１００は、ゲーム画面を表示装置４０の画面４２に表示するようにしてもよい。この場合、制御装置１００は、位置センサ１６からの信号を用いて、倒立台車２の動きに応じて動作するキャラクタ（アバター）を表示装置４０の画面４２に表示させる。例えば表示装置４０に表示するゲームがテニスゲームである場合、制御装置１００は、テニスボールを表示装置４０の画面４２の任意の位置に表示させる。訓練者９０は、画面４２上でキャラクタがテニスボールに追いつくように、倒立台車２を動作させる。この場合、制御装置１００によって指示される移動距離は、テニスボールが現れたときのテニスボールとキャラクタとの距離に対応し得る。

また、受動訓練では、制御装置１００は、傾斜センサ１８を用いて、倒立台車２の車体１０の傾斜角度をランダムに制御する。この場合、制御装置１００は、指定された傾斜角度となるように、モータ１２を制御する。このとき、倒立台車２は、傾斜角度に応じて移動し得る。したがって、訓練者９０は、倒立台車２を予め定められた範囲内に留めるように、倒立台車２を動作させる。この、制御装置１００によって指示される傾斜角度は、受動訓練における後述する目標値（目標設定）に対応する。そして、制御装置１００は、位置センサ１６を用いて倒立台車２が所定の範囲内に位置したことを検知した場合に、受動訓練における１回の動作が終了したと判定する。

図７は、実施の形態１にかかる訓練システム１によって実行される動作を示すフローチャートである。まず、制御装置１００は、目標値の設定を行う（ステップＳ１０２）。目標値の設定は、制御装置１００のユーザインタフェース（インタフェース部１０８）を用いて行われ得る。ここで、設定される目標値は、訓練が難しいほど（訓練の難易度が高いほど）高く、訓練が易しいほど（訓練の難易度が低いほど）低い。上述した能動訓練では、移動距離が長いほど訓練は難しくなる。また、受動訓練では、指定された傾斜角度が大きいほど、倒立台車２は所定範囲から逸脱してしまうので、訓練は難しくなる。この目標値は、訓練者９０の属性（年齢、性別、体格等）及び病状に応じて、管理者が適宜定め得る。

目標値を上げると、訓練は難しくなり、したがって訓練の負荷が増加する。一方、目標値を下げると、訓練は易しくなり、したがって訓練の負荷が減少する。ここで、本実施の形態において実行される訓練は、訓練者９０ができる限り足関節戦略で行うことが前提となっている。この場合、訓練者９０にとって訓練の難易度が低いときは、訓練者９０が足関節戦略で訓練を行うことは比較的容易である。一方、訓練者９０にとって訓練の難易度が高いときは、訓練者９０が足関節戦略で訓練を行うことは困難であり、したがって、訓練者９０は、股関節戦略で訓練を行ってしまうことが多くなる。

制御装置１００は、訓練を実行する（ステップＳ１０４）。具体的には、上述したように、制御装置１００は、設定された目標値に応じて能動訓練又は受動訓練を行うように、表示装置４０又はモータ１２を制御する。なお、訓練における１回目の動作では、Ｎ＝０とする。ここで、Ｎは、０以上の整数であって、終了した動作の回数を示す。

制御装置１００は、１回の動作が終了したと判定すると（ステップＳ１０６のＹＥＳ）、動作回数をカウントする（ステップＳ１１０）。つまり、制御装置１００は、Ｎを１つインクリメントする。例えば、Ｎ＝１となった場合、１回目の動作が終了したことを示す。

そして、制御装置１００は、Ｎ＝ｋＭであるか否かを判定する（ステップＳ１１２）。ここで、ｋは１以上の任意の整数であり、Ｍは、１以上の予め定められた整数である。Ｎ＝ｋＭでない場合（Ｓ１１２のＮＯ）、制御装置１００は、Ｎ回目の動作における訓練者９０のバランス戦略を判定する（ステップＳ１２０）。一方、Ｎ＝ｋＭである場合（Ｓ１１２のＹＥＳ）、制御装置１００は、目標値変更処理を行う（ステップＳ１４０）。

つまり、制御装置１００は、Ｍ回の動作が終了するごとに、目標値変更処理を行う。例えば、Ｍ＝１０である場合、制御装置１００は、１０回目（ｋ＝１）の動作、２０回目（ｋ＝２）の動作、３０回目（ｋ＝３）の動作が終了するごとに、目標値変更処理を行う。また、例えば、Ｍ＝２である場合、制御装置１００は、偶数回の動作が終了するごとに、目標値変更処理を行う。このＭの値は、目標値の設定精度の要求度合等に応じて、適宜定められ得る。なお、バランス戦略の判定処理及び目標値変更処理については後述する。

目標値変更処理の終了後、制御装置１００は、予め定められた訓練時間（所定時間）が経過したか否かを判定する（ステップＳ１５２）。所定時間が経過していない場合（Ｓ１５２のＮＯ）、制御装置１００は、Ｎ回目の動作における訓練者９０のバランス戦略を判定する（Ｓ１２０）。所定時間が経過した場合（Ｓ１５２のＹＥＳ）、制御装置１００は、訓練を終了する。訓練が終了したとき、制御装置１００は、訓練が終了したことを示すメッセージを、表示装置４０に表示させてもよい。なお、Ｓ１５２の処理は、Ｓ１２０の処理の後で行われてもよい。バランス戦略の判定処理（Ｓ１２０）の終了後、次の（Ｎ＋１）回目の訓練の動作が行われる（Ｓ１０４）。

図８は、実施の形態１にかかるバランス戦略の判定処理（Ｓ１２０）を示すフローチャートである。制御装置１００は、訓練者姿勢検出部３０からの信号に応じて、訓練者９０のバランス戦略が足関節戦略であるか否かを判定する（ステップＳ１２２）。バランス戦略が足関節戦略であると判定された場合（Ｓ１２２のＹＥＳ）、制御装置１００は、Ｎ回目の動作における訓練効果を「良好」と判定する（ステップＳ１２４）。このとき、制御装置１００は、足関節戦略回数Ｎａをカウントする（ステップＳ１２６）。つまり、制御装置１００は、Ｎａを１つインクリメントする。

一方、バランス戦略が足関節戦略でない、つまり股関節戦略であると判定された場合（Ｓ１２２のＮＯ）、制御装置１００は、Ｎ回目の動作における訓練効果を「不良」と判定する（ステップＳ１２４）。このとき、制御装置１００は、足関節戦略回数Ｎａをカウントしない。

図９は、足関節戦略か股関節戦略かの判定方法（Ｓ１２２）を例示するフローチャートである。制御装置１００は、訓練者姿勢検出部３０を用いて、Ｎ回目の動作における、股関節９４の角度である股関節角度θを取得する（ステップＳ１３２）。なお、この股関節角度θは、Ｎ回目の動作において最大の股関節９４の角度であってもよい。また、股関節角度θは、訓練者９０が直立状態のときに０であるとする。また、股関節角度θは、直立状態から股関節９４が屈曲した状態（図５に示す）のときに正の値であり、直立状態から股関節９４が伸展した状態（図６に示す）のときに負の値であってもよい。

制御装置１００は、股関節角度θの絶対値が予め定められた閾値θｔｈよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１３４）。ここで、閾値θｔｈは、例えば５度であるが、これに限られない。

股関節角度θの絶対値｜θ｜が閾値θｔｈ以下である場合（Ｓ１３４のＮＯ）、制御装置１００は、バランス戦略が足関節戦略であると判定する（ステップＳ１３６）。一方、股関節角度θの絶対値が閾値θｔｈよりも大きい場合（Ｓ１３４のＹＥＳ）、制御装置１００は、バランス戦略が股関節戦略であると判定する（ステップＳ１３８）。

図１０は、実施の形態１にかかる目標値変更処理（Ｓ１４０）を示すフローチャートである。制御装置１００は、足関節戦略割合Ｒａを算出する（ステップＳ１４２）。具体的には、制御装置１００は、動作回数Ｎに対する足関節戦略回数Ｎａの割合である足関節戦略割合Ｒａを、以下の式（１）を用いて算出する。
（１） Ｒａ＝Ｎａ／Ｎ

次に、制御装置１００は、足関節戦略割合Ｒａが、予め定められた閾値Ｒａｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１４４）。例えば、Ｒａｔｈ＝０．７であるが、これに限られない。足関節戦略割合Ｒａが閾値Ｒａｔｈ未満である場合（Ｓ１４４のＮＯ）、制御装置１００は、Ｓ１０２で設定した目標値を下げる（ステップＳ１４６）。これにより、訓練の難易度が低くなる。一方、足関節戦略割合Ｒａが閾値Ｒａｔｈ以上である場合（Ｓ１４４のＹＥＳ）、制御装置１００は、目標値を変更しない。

足関節戦略割合Ｒａが閾値Ｒａｔｈ未満である場合、訓練者９０は、足関節戦略で訓練を行っている割合が少ない。言い換えると、訓練者９０は、好ましくないバランス戦略である股関節戦略で、訓練を行う傾向となっている。つまり、実行された訓練は、訓練者９０にとって難易度が高すぎるため、良好な訓練の効果を得られないおそれがある。したがって、目標値を下げて訓練の難易度を低くすることで、訓練者９０が足関節戦略で訓練を行うことが容易となる。したがって、効果的な訓練を行うことが可能となる。

このように、本実施の形態にかかる訓練システム１は、訓練者９０のバランス戦略を判定するので、訓練者９０が、足関節戦略で訓練を行ったか、股関節戦略で訓練を行ったかを判定できる。これにより、本実施の形態にかかる訓練システム１は、足関節戦略で訓練を行ったときには訓練効果が良好であると判定し、股関節戦略で訓練を行ったときには訓練効果が不良であると判定できる。したがって、本実施の形態にかかる訓練システム１は、適切に訓練効果を評価することが可能となる。

さらに、上述したように、本実施の形態にかかる訓練システム１は、訓練者９０が股関節戦略で訓練を行ったため訓練効果が不良である傾向が高い場合には、目標値を下げて訓練を易しくすることができる。これにより、訓練者９０は、足関節戦略で訓練を行うことが容易となる。したがって、本実施の形態にかかる訓練システム１は、訓練者９０の運動能力等に応じて訓練効果を高めることが可能となる。

また、訓練の難易度が訓練者９０にとって高すぎる場合、訓練課題の達成率が低くなるので、訓練者９０の訓練に対するモチベーションが低下するおそれがある。本実施の形態にかかる訓練システム１は、訓練者９０にとって適切な難易度で訓練を行うことができるので、訓練者９０の訓練に対するモチベーションの低下を抑制することが可能となる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。実施の形態２は、制御装置１００の処理内容が実施の形態１にかかるものと異なる点で、実施の形態１と異なる。具体的には、実施の形態２にかかる制御装置１００は、バランス戦略の判定に加え、運動強度の判定及び課題達成率の判定を行っている。なお、実施の形態２にかかる訓練システム１のハードウェア構成については、実施の形態１にかかる訓練システム１のものと実質的に同様であるので、説明を省略する。

図１１は、実施の形態２にかかる訓練システム１によって実行される動作を示すフローチャートである。なお、Ｓ１０２〜Ｓ１２０の処理は、図７に示したＳ１０２〜Ｓ１２０と実質的に同様であるので、説明を省略する。

動作回数がＮ＝ｋＭでない場合（Ｓ１１２のＮＯ）、制御装置１００は、Ｎ回目の動作における訓練者９０のバランス戦略を判定する（Ｓ１２０）。さらに、制御装置１００は、Ｎ回目の動作における運動強度を判定する（ステップＳ２１０）。また、制御装置１００は、Ｎ回目の動作における訓練課題の達成率を算出する（ステップＳ２２０）。

動作回数がＮ＝ｋＭである場合（Ｓ１１２のＹＥＳ）、制御装置１００は、目標値変更処理を行う（ステップＳ２４０）。この目標値変更処理は、実施の形態１にかかるものと異なる。詳しくは後述する。また、実施の形態２においては、所定時間が経過した場合（Ｓ１５２のＹＥＳ）、制御装置１００は、訓練を終了する前に、訓練課題の成否（成功又は失敗）を判定する課題成否判定処理を行う（ステップＳ２６０）。なお、Ｓ１５２の処理は、Ｓ２２０の処理の後で行われてもよい。

図１２は、実施の形態２にかかる運動強度の判定処理（Ｓ２１０）を示すフローチャートである。制御装置１００は、Ｎ回目の動作で、訓練者９０の足関節９２の運動強度が、効果的な訓練に必要とされる運動強度の基準を満たしたか否かを判定する（ステップＳ２１２）。具体的には、制御装置１００は、Ｎ回目の動作において足関節９２で発生したトルク（足関節トルク）が、予め定められた基準値以上であるか否かを判定し、足関節トルクが基準値以上である場合に、足関節９２の運動強度が基準を満たしたと判定する。なお、この足関節トルクは、Ｎ回目の動作において最大の足関節９２のトルクであってもよいし、Ｎ回目の動作における足関節９２のトルクの平均値であってもよい。

ここで、運動強度の基準値は、例えば、訓練者９０の足関節９２にかかる筋肉の最大筋力の３０％の筋力を用いて足関節９２を動かしたときの足関節トルクであってもよい。このように、最大筋力の３０％以上の筋力で訓練を行うと、一般的に、効果的な訓練を行うことができる。また、訓練時の足関節トルクの測定方法として、例えば、ステップ６に足圧中心測定装置が取り付けられている場合、制御装置１００は、この足圧中心測定装置の測定値から足関節トルクを推定してもよい。また、制御装置１００は、トルクセンサ１４で検出されたモータ１２のトルク値Ｔｍｏｔｅｒと、足関節９２の回転中心とモータ１２のシャフトの回転中心とのオフセット値Ｄｆｔと、訓練者９０及び倒立台車２の重量Ｍとから、以下の式（２）を用いて足関節トルクＴｆｏｏｔを推定してもよい。ここで、ｇは重力加速度である。また、Ｄｆｔ及びＭは訓練者９０の体格によって定められる。
（２） Ｔｆｏｏｔ＝Ｍｇ＊Ｄｆｔ＋Ｔｍｏｔｅｒ

足関節９２の運動強度が基準を満たした場合（Ｓ２１２のＹＥＳ）、制御装置１００は、必要な運動強度を達成したとして、運動強度達成回数Ｎｓをカウントする（ステップＳ２１４）。つまり、制御装置１００は、Ｎｓを１つインクリメントする。一方、足関節９２の運動強度が基準を満たさなかった場合（Ｓ２１２のＮＯ）、必要な運動強度を達成しなかったので、Ｎｓはインクリメントされない。

そして、制御装置１００は、Ｓ２１２の処理の後、運動強度達成割合Ｒｓを算出する（ステップＳ２１６）。具体的には、制御装置１００は、動作回数Ｎに対する運動強度達成回数Ｎｓの割合である運動強度達成割合Ｒｓを、以下の式（３）を用いて算出する。
（３） Ｒｓ＝Ｎｓ／Ｎ

図１３は、実施の形態２にかかる課題達成率の算出方法（Ｓ２２０）を示すフローチャートである。制御装置１００は、訓練者９０の足関節９２の運動強度が、運動強度の基準を満たしたか否かを判定する（ステップＳ２２２）。このＳ２２２の処理は、Ｓ２１２の処理と同様である。したがって、制御装置１００は、Ｓ２２２の処理においてＳ２１２の判定結果を用いてもよい。

足関節９２の運動強度が基準を満たした場合（Ｓ２２２のＹＥＳ）、制御装置１００は、訓練者９０のバランス戦略が足関節戦略であるか否かを判定する（ステップＳ２２４）。このＳ２２４の処理は、Ｓ１２２の処理と同様である。したがって、制御装置１００は、Ｓ２２４の処理においてＳ１２２の判定結果を用いてもよい。

訓練者９０のバランス戦略が足関節戦略である場合（Ｓ２２４のＹＥＳ）、制御装置１００は、制御装置１００は、Ｎ回目の動作において訓練課題を達成したと判定する。このとき、制御装置１００は、課題達成回数Ｎｐをカウントする（ステップＳ２２６）。つまり、足関節９２の運動強度が基準を満たし、かつ、訓練者９０のバランス戦略が足関節戦略である場合、制御装置１００は、Ｎｐを１つインクリメントする。一方、足関節９２の運動強度が基準を満たさない場合（Ｓ２２２のＮＯ）、または、訓練者９０のバランス戦略が足関節戦略でない場合（Ｓ２２４のＮＯ）、制御装置１００は、課題達成回数Ｎｐをカウントしない。

そして、制御装置１００は、課題達成率Ｒｐを算出する（ステップＳ２２８）。具体的には、制御装置１００は、動作回数Ｎに対する課題達成回数Ｎｐの割合である課題達成率Ｒｐを、以下の式（４）を用いて算出する。
（４） Ｒｐ＝Ｎｐ／Ｎ

図１４は、実施の形態２にかかる目標値変更処理（Ｓ２４０）を示すフローチャートである。なお、Ｓ１４２〜Ｓ１４６の処理については、図１０に示したＳ１４２〜Ｓ１４６と実質的に同様であるので、説明を省略する。

足関節戦略割合Ｒａが閾値Ｒａｔｈ以上である場合（Ｓ１４４のＹＥＳ）、制御装置１００は、運動強度達成割合Ｒｓが、予め定められた閾値Ｒｓｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２４２）。例えば、Ｒｓｔｈ＝０．７であるが、これに限られない。運動強度達成割合Ｒｓが閾値Ｒｓｔｈ未満である場合（Ｓ２４２のＮＯ）、訓練者９０は訓練者９０にとって小さい筋力で訓練を行うことができたということとなる。この場合、訓練者９０にとって、その訓練は、易しい、つまり、物足りないといえる。したがって、制御装置１００は、Ｓ１０２で設定した目標値を上げる（ステップＳ２４４）。これにより、訓練の難易度が高くなる。これにより、効果的な訓練を行うことが可能となる。

一方、運動強度達成割合Ｒｓが閾値Ｒｓｔｈ以上である場合（Ｓ２４２のＹＥＳ）、制御装置１００は、課題達成率Ｒｐが、予め定められた閾値Ｒｐｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２４８）。例えば、Ｒｐｔｈ＝０．９であるが、これに限られない。課題達成率Ｒｐが閾値Ｒｐｔｈ以上である場合（Ｓ２４８のＹＥＳ）、訓練者９０は容易に訓練を行ったこととなる。この場合、訓練者９０にとってその訓練は易しい（物足りない）といえる。したがって、制御装置１００は、Ｓ１０２で設定した目標値を上げる（ステップＳ２５０）。これにより、訓練の難易度が高くなる。これにより、効果的な訓練を行うことが可能となる。一方、課題達成率Ｒｐが閾値Ｒｐｔｈ未満である場合（Ｓ２４８のＮＯ）、制御装置１００は、目標値を変更しない。

図１５は、実施の形態２にかかる課題成否判定処理（Ｓ２６０）を示すフローチャートである。制御装置１００は、課題達成率Ｒｐが、予め定められた閾値Ｒｐｔｈ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ２６２）。例えば、Ｒｐｔｈ１＝０．７であるが、これに限られない。ここで、Ｒｐｔｈ１＜Ｒｐｔｈであり得る。

課題達成率Ｒｐが閾値Ｒｐｔｈ１以上である場合（Ｓ２６２のＹＥＳ）、制御装置１００は、訓練者９０は訓練課題を成功させたと判定する（ステップＳ２６４）。このとき、制御装置１００は、訓練者９０が訓練課題を成功させたことを示すメッセージを表示装置４０に表示させてもよい。一方、課題達成率Ｒｐが閾値Ｒｐｔｈ１未満である場合（Ｓ２６２のＮＯ）、制御装置１００は、訓練者９０は訓練課題を失敗したと判定する（ステップＳ２６６）。このとき、制御装置１００は、訓練者９０が訓練課題を失敗したことを示すメッセージを表示装置４０に表示させてもよい。

上述したように、実施の形態２にかかる訓練システム１は、足関節戦略割合Ｒａ、運動強度達成割合Ｒｓ及び課題達成率Ｒｐに応じて、目標値を変更することができる。これにより、訓練者９０にとって訓練が難し過ぎる場合には目標値を下げて訓練の難易度を低くし、訓練者９０にとって訓練が容易過ぎる（物足りない）場合には目標値を上げて訓練の難易度を高くすることができる。したがって、効果的な訓練を行うことが可能となる。

また、訓練の難易度が訓練者９０にとって高すぎる場合、訓練課題の達成率が低くなるので、訓練者９０の訓練に対するモチベーションが低下するおそれがある。一方、訓練の難易度が訓練者９０にとって低すぎる場合、訓練が物足りなくて訓練者９０のモチベーションが低下するおそれがある。本実施の形態にかかる訓練システム１は、訓練者９０にとって適切な難易度で訓練を行うことができるので、訓練者９０の訓練に対するモチベーションの低下を抑制することが可能となる。

（変形例）
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、上述したフローチャートにおいて、複数の処理の順序は、適宜、変更可能である。また、上述したフローチャートにおいて、複数の処理のうちの１つは、省略されてもよい。

例えば、図１０に示したＳ１４２の処理は、Ｓ１２０（図８）のフローの最後で行われてもよい。また、図１２に示したＳ２１６の処理は、Ｓ２４０（図１４）のフローのＳ２４２の前で行われてもよい。また、図１３に示したＳ２２８の処理は、Ｓ２４０（図１４）のフローのＳ２４８の前で行われてもよい。

また、実施の形態１にかかるフローチャート（図７）では、課題成否判定（Ｓ２６０）を行わないとしたが、このような構成に限られない。図７に示したフローチャートで、Ｓ１５２のＹＥＳの後で、課題成否判定（Ｓ２６０）を行ってもよい。この場合、図１３に示した処理が、課題成否判定（Ｓ２６０）で行われ得る。

また、上述したフローチャートにおいて、制御装置１００は、適宜、フラグを設定してもよい。例えば、制御装置１００は、訓練の実行を開始したとき（Ｓ１０４）に、「訓練課題設定フラグ」を「１」に設定してもよい。そして、制御装置１００は、訓練が終了したとき（図７のＳ１５２のＹＥＳ、図１１のＳ２６０の後）で、「訓練課題設定フラグ」を「０」に設定してもよい。また、制御装置１００は、訓練者９０が訓練課題を成功させたとき（Ｓ２６４）に、「訓練失敗フラグ」を「０」と設定してもよい。一方、制御装置１００は、訓練者９０が訓練課題を失敗したとき（Ｓ２６６）に、「訓練失敗フラグ」を「１」と設定してもよい。

また、図１４に示したフローチャートでは、運動強度達成割合Ｒｓ又は課題達成率Ｒｐに応じて目標値を上げるとしたが、このような構成に限られない。制御装置１００は、運動強度達成割合Ｒｓに応じて目標値を下げても（訓練の難易度を低くしても）よい。同様に、制御装置１００は、課題達成率Ｒｐに応じて目標値を下げても（訓練の難易度を低くしても）よい。

また、上述した実施の形態においては、訓練者９０のバランス戦略が足関節戦略か又は股関節戦略であるかの判定（Ｓ１２２）を、股関節角度θを用いて行うとしたが、このような構成に限られない。訓練者姿勢検出部３０は、筋電測定等により、股関節９４の動きを司る筋（大腿二頭筋及び大腿直筋等）の活動を測定してもよい。そして、制御装置１００は、訓練者姿勢検出部３０が股関節９４に関する筋の活性化（発火）を検出した場合に、バランス戦略が股関節戦略であると判定してもよい。一方、訓練者姿勢検出部３０が股関節９４に関する筋の活性化（発火）を検出しなかった場合に、制御装置１００は、バランス戦略が足関節戦略であると判定してもよい。

また、訓練者姿勢検出部３０は、モーションキャプチャ等によって、股関節９４（又は腰部）の位置を検出してもよい。そして、制御装置１００は、倒立台車２が前進している場合に股関節９４が足関節９２よりも前方に位置していることが検出されたときに、バランス戦略が足関節戦略であると判定してもよい。逆に、制御装置１００は、倒立台車２が前進している場合に股関節９４が足関節９２よりも後方に位置していることが検出されたときに、バランス戦略が股関節戦略であると判定してもよい。

また、制御装置１００は、倒立台車２が後退している場合に股関節９４が足関節９２よりも後方に位置していることが検出されたときに、バランス戦略が足関節戦略であると判定してもよい。逆に、制御装置１００は、倒立台車２が後退している場合に股関節９４が足関節９２よりも前方に位置していることが検出されたときに、バランス戦略が股関節戦略であると判定してもよい。

つまり、制御装置１００は、股関節９４が足関節９２よりも進行方向と同じ方に位置する場合に、バランス戦略が足関節戦略であると判定してもよい。逆に、制御装置１００は、股関節９４が足関節９２よりも進行方向と逆の方に位置する場合に、バランス戦略が股関節戦略であると判定してもよい。

なお、股関節９４の位置によってバランス戦略を判定する場合、股関節９４と足関節９２との位置関係を用いなくてもよい。予め、制御装置１００は、訓練者姿勢検出部３０を用いて静止立位状態における訓練者９０の股関節９４（又は腰部）の位置を初期位置として記録しておく。そして、制御装置１００は、その初期位置よりも股関節９４が前方に位置しているか後方に位置しているかによって、バランス戦略を判定してもよい。

１ 訓練システム
２ 倒立台車
４ 車輪
１０ 車体
１２ モータ
１４ トルクセンサ
１６ 位置センサ
１８ 傾斜センサ
２０ 制御部
３０ 訓練者姿勢検出部
４０ 表示装置
９０ 訓練者
９２ 足関節
９４ 股関節
１００ 制御装置

Claims (1)

1. 訓練者が搭乗した状態で倒立状態を維持し前記訓練者の重心移動に応じて動作する倒立台車を用いて訓練を行う訓練システムであって、
   前記倒立台車と、
   前記倒立台車を用いた訓練の実行を制御する制御手段と、
   前記倒立台車に搭乗して訓練を行っている前記訓練者の姿勢を検出する検出手段と
   を有し、
   前記制御手段は、前記検出手段によって検出された姿勢から前記訓練者のバランス戦略が足関節戦略であると判定された場合に訓練効果が良好であると判定し、前記検出手段によって検出された姿勢から前記訓練者のバランス戦略が股関節戦略であると判定された場合に訓練効果が不良であると判定する
   訓練システム。

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