JP2020146273A - トレッドミル - Google Patents

Abstract

【課題】速度の急激な上昇を抑制し、乗り心地を維持することができるトレッドミルの提供。【解決手段】トレッドミル１００は、ユーザＨ１が歩行可能な歩行面３ａを含む無端ベルト３と、無端ベルト３を回転駆動するモータ２と、無端ベルト３の現在速度Ｖｃが開始時刻ｔ０から終了時刻ｔｅまでに開始速度ｖ０から最終目標速度Ｖｔに到達するよう、当該無端ベルト３を回転駆動させるよう制御する制御部１と、複数の中間目標速度更新時刻ｔｎにおいて複数の中間目標速度Ｖｎをそれぞれ演算する速度指令演算部１１とをに備える。制御部１は、現在速度Ｖｃを中間目標速度Ｖｎに到達させるよう、モータ２をフィードバック制御する。中間目標速度Ｖｎは、指令平均加速度Ａ１と中間目標更新時間Ｔｎとの積と、現在速度Ｖｃとの和である。【選択図】図１

Description

本発明は、トレッドミルに関し、特に、ユーザが歩行訓練を行うために使用可能なトレッドミルに関する。

特許文献１には、ユーザが歩行する歩行面を有するベルトを備えるトレッドミルが開示されている。当該トレッドミルは、手摺に作用する３軸方向の外力に基づいて、ベルトの速度を制御する。

特開２０１７−１５３７２１号公報

本願発明者等は、上記したトレッドミルについて以下の課題を発見した。
歩行面の加速度は、歩行面が受ける力に応じて、変化する。そのため、トレッドミルが、歩行面の速度を上昇させて最終目標速度に達するまでの加速期間において、歩行面が大きな力を受けて、歩行面の速度が急激に上昇することがある。

そこで、本願発明者等は、複数の中間目標速度更新時刻において、歩行面の現在速度Ｖｃを、複数の中間目標速度Ｖｎにそれぞれ到達させようフィードバック制御することを想起した。複数の中間目標速度Ｖｎは、それぞれ、複数の中間目標速度更新時刻における現在速度に基づいて求められる。

インクリメンタル形エンコーダを用いて、当該ベルトを回転駆動させるモータの駆動軸の回転角度を検出し、さらに、この検出した回転角度に基づいて現在速度Ｖｃを求める場合がある。このような場合、インクリメンタル形エンコーダは、Ｚ相信号を受けて、この検出した回転角度の補正を行う。

この時点において、実際の回転角度の偏差と、補正による回転角度の偏差とは、区別することが困難である。そのため、実際の現在速度と、求められた現在速度が大きく異なることがあった。例えば、図９に示すように、求められた現在速度が、所定の時点において大きく変化する。従って、次の中間目標速度更新時刻における中間目標速度が大きく変動することがあった。中間目標速度が大きく増大すると、中間目標速度と現在速度との差が大きくなる。そのため、現在速度を中間目標速度に上昇させるよう制御するため、歩行面の現在速度が急激に上昇することがあった。歩行面の速度が急激に上昇すると、ユーザが違和感を覚え、乗り心地が阻害されるおそれがあった。

本発明は、歩行面の速度の急激な上昇を抑制し、乗り心地を維持するものとする。

本発明に係るトレッドミルは、
ユーザが歩行可能な歩行面を含む無端ベルトと、
当該無端ベルトを回転駆動するモータと、
当該無端ベルトの現在速度Ｖｃが開始時刻から終了時刻までに開始速度から最終目標速度に上昇するよう、当該無端ベルトを回転駆動させるよう制御する制御部と、を備えるトレッドミルであって、
複数の中間目標速度更新時刻において複数の中間目標速度Ｖｎをそれぞれ演算する速度指令演算部と、
前記モータの駆動軸の回転角度及びＺ相信号を時々刻々と検出するインクリメンタル形エンコーダと、
前記回転角度に基づいて、前記現在速度を時々刻々と算出する角度・速度算出部と、をさらに備え、
前記制御部は、前記複数の中間目標速度更新時刻において、前記現在速度Ｖｃを前記複数の中間目標速度Ｖｎにそれぞれ到達させるよう、前記モータをフィードバック制御し、
前記複数の中間目標速度Ｖｎは、それぞれ前記複数の中間目標速度更新時刻における前記現在速度Ｖｃに基づいて算出され、
前記角度・速度算出部は、
前記インクリメンタル形エンコーダがＺ相信号を検出した場合、前回算出された前記現在速度Ｖｃを前記速度指令演算部に出力する。

このような構成によれば、インクリメンタル形エンコーダがＺ相信号を検出すると、前回算出された前記現在速度Ｖｃを前記速度指令演算部に出力する。前回算出された現在速度Ｖｃの回転角度は、Ｚ相信号を検出したときの回転角度と比較して、実際の回転角度に近い傾向にある。そのため、前回算出された現在速度Ｖｃは、前回算出された回転角度に基づいて求められていることから、実際の現在速度と大きな差を有しない。よって、歩行面の速度が急激に上昇することを抑制して、乗り心地を維持することができる。

本発明は、速度の急激な上昇を抑制し、乗り心地を維持することができる。

実施の形態１に係るトレッドミルを示す概略図である。 実施の形態１に係るトレッドミルの要部のシステム構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係るトレッドミルの現在速度Ｖｃの算出方法を示すフローチャートである。 時間に対する角度、現在速度Ｖｃ等を示すグラフである。 実施の形態１に係るトレッドミルの速度制御方法の一具体例を示すフローチャートである。 時間に対するベルトの現在速度Ｖｃを示すグラフの第１の一具体例である。 時間に対するベルトの現在速度Ｖｃを示すグラフの第２の一具体例である。 時間に対するベルトの現在速度Ｖｃを示すグラフの第３の一具体例である。 本発明が解決しようとする課題に係る、時間に対する角度、及び現在速度を示すグラフの一例である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施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）
図１を参照して実施の形態１にかかるトレッドミルのハードウェア構成の一構成例について説明する。図１は、実施の形態１に係るトレッドミルの側面を示す概略図である。なお、当然のことながら、図１に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸プラス向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面である。

図１に示すように、トレッドミル１００は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１と、モータ２と、無端ベルト３と、トレッドミル本体４と、図示しないインタフェースとを備える。

トレッドミル本体４は、所定の間隔を空けて回転可能に配置された回転軸４ａ、４ｂを備える。

無端ベルト３は、回転軌道上に連続するベルト状体である。無端ベルト３は、回転軸４ａ、４ｂに回転可能に支持されている。無端ベルト３は、ユーザＨ１が歩行可能な歩行面３ａを含む。歩行面３ａは、ユーザＨ１の足を支持する。回転軸４ａが、図１紙面に向かって時計回り方向に回転すると、無端ベルト３も回転し、歩行面３ａが、回転軸４ａから回転軸４ｂへ（ここでは、ｘ軸プラス側）に移動する。

モータ２は、例えば、ベルト２ａ等を介して回転軸４ａに回転駆動力を伝達し、無端ベルト３を回転駆動させる。

ＥＣＵ１は、モータ２に指令信号を送り、モータ２の回転駆動を制御する。ＥＣＵ１（制御部と称してもよい。）は、例えば、無端ベルト３の現在速度Ｖｃが開始時刻ｔ０から終了時刻ｔｅまでに開始速度Ｖ０から最終目標速度Ｖｔに到達するよう、無端ベルト３を回転駆動させるよう制御する。ＥＣＵ１は、図示しないインタフェースを介して、ユーザＨ１による操作入力を取得する。ユーザＨ１による操作入力は、加速指令や最終目標速度Ｖｔを含む。

（システム構成）
次に、図２を参照して、実施の形態１に係るトレッドミルの要部のシステム構成の一構成例について説明する。図２は、実施の形態１に係るトレッドミルの要部のシステム構成を示すブロック図である。

ＥＣＵ１は、速度指令演算部１１と、速度制御部１２と、電流制御部１３と、インバータ１４と、電流センサ１５と、角度センサ１６と、角度・速度算出部１７とを備える。ＥＣＵ１は、内部又は外部の記録装置（図示略）からプログラムを供給される。ＥＣＵ１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサによって構成されることができる。つまり、ＥＣＵ１は、コンピュータとしての機能を備えることができる。ＥＣＵ１は、記憶装置に記憶されたプログラムを実行させ、各種処理を行うことができる。また、ＥＣＵ１は、このプログラムを実行することによって、速度指令演算部１１と、速度制御部１２と、電流制御部１３と、インバータ１４と、電流センサ１５と、角度センサ１６と、角度・速度算出部１７として機能する。

角度センサ１６は、インクリメンタル型角度センサ、具体的には、インクリメンタル型ロータリーエンコーダを用いる。角度センサ１６は、モータ２の回転駆動軸の回転角度を検出し、この検出した回転角度を角度・速度算出部１７に出力する。

角度・速度算出部１７は、角度センサ１６から受け取った回転角度に基づいて、無端ベルト３の現在速度Ｖｃ、又は回転角度を算出する。角度・速度算出部１７は、無端ベルト３の現在速度Ｖｃ、又は回転角度を、速度指令演算部１１、速度制御部１２、及び電流制御部１３に送信する。

速度指令演算部１１は、トレッドミル１００のインタフェースを介して、加速度指令と最終目標速度Ｖｔとを取得する。速度指令演算部１１は、角度・速度算出部１７から、無端ベルト３の現在速度Ｖｃ、又は回転角度を取得する。

速度指令演算部１１は、複数の中間目標速度更新時刻ｔｎ−１において複数の中間目標速度Ｖｎをそれぞれ演算する。ここで、ｎは、自然数である。中間目標速度Ｖｎ［rad/s］と、現在速度Ｖｃ［rad/s］と指令平均加速度Ａ１［rad/s²］と、中間目標更新時間Ｔｎ［s］との関係は、以下の関係式１を満たす。
Ｖｎ＝Ｖｃ＋Ａ１×Ｔｎ …（関係式１）

指令平均加速度Ａ１は、開始時刻ｔ０から終了時刻ｔｅまで一定であり、かつ、現在速度Ｖｃが開始時刻ｔ０から終了時刻ｔｅまでに開始速度Ｖ０［rad/s］から最終目標速度Ｖｔ［rad/s］に到達することができると仮定した場合の加速度値である。指令平均加速度Ａ１と、開始速度Ｖ０［rad/s］と、最終目標速度Ｖｔと、開始時刻ｔ０と終了時刻ｔｅとの差分（ｔｅ−ｔ０）［s］との関係を、以下の関係式２に示す。
Ａ１＝（Ｖｔ−Ｖ０）／（ｔｅ−ｔ０） …（関係式２）

中間目標更新時間Ｔｎ［s］は、中間目標速度Ｖｎを演算した中間目標速度更新時刻ｔｎ−１から次の中間目標速度更新時刻ｔｎまでの時間の長さである。

速度制御部１２は、速度指令演算部１１が算出した中間目標速度Ｖｎを取得する。また、速度制御部１２は、角度・速度算出部１７から、無端ベルト３の現在速度Ｖｃ、又は回転角度を取得する。速度制御部１２は、無端ベルト３の現在速度Ｖｃを中間目標速度Ｖｎに変化させるように、電流制御部１３へ制御信号を出力する。

電流センサ１５は、例えば、モータ２に供給される電流値を計測し、この計測した電流値を電流制御部１３へ出力する。

電流制御部１３は、速度制御部１２が出力した制御信号を取得する。また、電流制御部１３は、角度・速度算出部１７から、無端ベルト３の現在速度Ｖｃ、又は回転角度を取得する。電流制御部１３は、無端ベルト３の現在速度Ｖｃを中間目標速度Ｖｎに変化させるように電流を出力するよう、ベクトル制御を用いてインバータ１４を制御する。

インバータ１４は、電流制御部１３からの制御信号に基づいて、モータ２に電流を供給して、モータ２の回転駆動力を変化させ、無端ベルト３の現在速度Ｖｃを中間目標速度Ｖｎに変化させる。ＥＣＵ１は、現在速度Ｖｃを中間目標速度Ｖｎに到達させるよう、モータ２をフィードバック制御することができる。

（現在速度Ｖｃの算出方法）
次に、図３を参照して、現在速度Ｖｃの算出方法について説明する。図３は、実施の形態１に係るトレッドミルの現在速度Ｖｃの算出方法を示すフローチャートである。なお、ここでは、角度センサ１６は、インクリメンタル型ロータリーエンコーダを用いた。

まず、角度センサ１６であるインクリメンタル型ロータリーエンコーダの出力から、エンコーダ値を取得する（ステップＳＴ１）。エンコーダ値は、モータ２の回転駆動軸の回転角度の値である。

続いて、ステップＳＴ１で取得したエンコーダ値と、前回の取得したエンコーダ値との差分を求め、モータ２の回転駆動軸の回転角度量を算出する（ステップＳＴ２）。

続いて、Ｚ相信号が、当該インクリメンタル型ロータリーエンコーダの出力に含まれているか否かを判定する（ステップＳＴ３）。

Ｚ相信号が、当該インクリメンタル型ロータリーエンコーダの出力に含まれていない場合（ステップＳＴ４：ＮＯ）、周期と回転角度量とに基づいて現在速度Ｖｃを算出する（ステップＳＴ６）。当該周期とは、エンコーダ値を取得する周期である。

一方、Ｚ相信号が、当該インクリメンタル型ロータリーエンコーダの出力に含まれている場合（ステップＳＴ４：ＹＥＳ）、前回算出した現在速度Ｖｃを現在速度Ｖｃとして利用する（ステップＳＴ５）。

以上より、現在速度Ｖｃを取得することができる。角度・速度算出部１７は、現在速度Ｖｃを、速度指令演算部１１に出力する。インクリメンタル形エンコーダは、Ｚ相信号を受けると、角度・速度算出部１７は、前回算出された現在速度Ｖｃを速度指令演算部１１に出力する。前回算出された現在速度Ｖｃは、Ｚ相信号を受けた時の補正された現在速度Ｖｃと比較して、実際の現在速度Ｖｃからの誤差が小さいと考えられる。そのため、中間目標速度Ｖｎは、前回算出された現在速度Ｖｃに基づいて求められていることから、現在速度と大きな差を有しない。よって、歩行面３ａの速度が急激に上昇することを抑制して、乗り心地を維持することができる。

上記した現在速度Ｖｃの算出方法の一具体例について、時間に対する現在速度等を図４に示す。図４に示すように、Ｚ信号角度補正実施フラグが立った時点、つまりＺ信号を受けた時点において、現在速度はあまり変化していない。よって、この一具体例において、歩行面３ａの速度が急激に上昇することが抑制されており、乗り心地が維持されている。

（速度制御方法の一具体例）
次に、図５〜図８を参照して、トレッドミル１００の速度制御方法の一具体例について説明する。図５は、実施の形態１に係るトレッドミルの速度制御方法の一具体例を示すフローチャートである。図６〜図８は、それぞれ、時間に対するベルト回転速度を示すグラフの第１〜第３の一具体例である。

まず、現在時刻ｔｃが中間目標速度更新時刻ｔｎ−１に達すると（ステップＳＴ１１：ＹＥＳ）、無端ベルト３の現在速度Ｖｃを取得する（ステップＳＴ１２）。

続いて、上記した関係式１を用いて、中間目標速度Ｖｎを算出する（ステップＳＴ１３）。

続いて、中間目標速度Ｖｎが最終目標速度Ｖｔを越えた場合（ステップＳＴ１４：ＹＥＳ）、中間目標速度Ｖｎを最終目標速度Ｖｔに変更する（ステップＳＴ１５）。

一方、中間目標速度Ｖｎが最終目標速度Ｖｔ以下ならば（ステップＳＴ１４：ＮＯ）、中間目標速度Ｖｎのまま、ステップＳＴ１６に進む。

続いて、速度型ＰＩＤ制御を用いて速度制御を実施し（ステップＳＴ１６）、ユーザＨ１が歩行を完了する（ステップＳＴ１７：ＹＥＳ）まで、現在時刻ｔｃが中間目標速度更新時刻ｔｎ、ｔｎ＋１、ｔｎ＋２、ｔｎ＋３、…に達する度に、上記した速度制御方法を実施する。

（第１の一具体例）
次に、上記速度制御方法の一具体例について、時間に対するベルトの現在速度Ｖｃを示すグラフの第１の一具体例を図６に示す。図６に示すように、上記速度制御方法の一具体例では、開始時刻ｔ０において中間目標速度Ｖ１を算出し、現在速度Ｖｃが中間目標速度Ｖ１に到達するよう、無端ベルト３の現在速度Ｖｃを制御した。同様に、中間目標速度更新時刻ｔ１〜ｔ３において中間目標速度Ｖ２〜Ｖ４をそれぞれ算出し、現在速度Ｖｃが中間目標速度Ｖ２〜Ｖ４のそれぞれに到達するよう、無端ベルト３の現在速度Ｖｃを制御した。さらに、中間目標速度更新時刻ｔ４において、中間目標速度Ｖ５を最終目標速度Ｖｔに変更した。現在速度Ｖｃが最終目標速度Ｖｔに到達するよう、無端ベルト３の現在速度Ｖｃを制御した。

（第２の一具体例）
次に、上記速度制御方法の一具体例について、時間に対するベルトの現在速度Ｖｃを示すグラフの第２の一具体例を図７に示す。図７に示す第２の一具体例は、減速時刻ｔｄ１において、一時的に現在速度Ｖｃが大きく低下したところを除いて、図４に示す第１の一具体例と同じである。

図７に示すように、上記速度制御方法の一具体例では、開始時刻ｔ０、中間目標速度更新時刻ｔ１において中間目標速度Ｖ１、Ｖ２をそれぞれ算出し、現在速度Ｖｃが中間目標速度Ｖ１、Ｖ２にそれぞれ到達するよう、無端ベルト３の現在速度Ｖｃを制御した。

さらに、上記速度制御方法の一具体例では、減速時刻ｔｄ１において、現在速度Ｖｃが大きく低下した。例えば、ユーザＨ１が歩行面３ａに瞬間的な大きな力を掛けるなどした場合である。続いて、中間目標速度更新時刻ｔ２において中間目標速度Ｖ３１を算出し、現在速度Ｖｃが中間目標速度Ｖ３１に到達するよう、無端ベルト３の現在速度Ｖｃを制御した。

ここで、中間目標速度Ｖ３１は、中間目標速度Ｖ３と比較して低い。中間目標速度Ｖ３１は、減速により低下した現在速度Ｖｃを含むため、中間目標速度Ｖ３１も低下する。中間目標速度Ｖ３１と、中間目標速度更新時刻ｔ２における現在速度Ｖｃとの差が、図６に示す中間目標速度Ｖ３と、中間目標速度更新時刻ｔ２における現在速度Ｖｃとの差と比較してもあまり変わらない。すなわち、中間目標速度Ｖ３１と現在速度Ｖｃとの差があまり変わらないため、歩行面３ａの速度が急激に上昇しない。よって、歩行面３ａの速度が急激に上昇することを抑制することができる。ユーザＨ１が覚える乗り心地を維持することができる。

（第３の一具体例）
次に、上記速度制御方法の一具体例について、時間に対するベルトの現在速度Ｖｃを示すグラフの第３の一具体例を図８に示す。図８に示すように、上記速度制御方法の一具体例では、開始時刻ｔ０において中間目標速度Ｖ１を算出し、現在速度Ｖｃが中間目標速度Ｖ１に到達するよう、無端ベルト３の現在速度Ｖｃを制御した。さらに、中間目標速度更新時刻ｔ１において中間目標速度Ｖ２を算出し、現在速度Ｖｃが中間目標速度Ｖ２に到達するよう、モータ２を制御した。

図８には、ユーザＨ１の体重が軽い場合、及び、ユーザＨ１の体重が重い場合、ベルトの現在速度Ｖｃの時間的推移が示されている。

ユーザＨ１の体重が軽い場合の現在速度Ｖｃは、ユーザＨ１の体重が重い場合の現在速度Ｖｃと比較して、開始時刻ｔ０以降、中間目標速度Ｖ１に早く到達する。一方、ユーザＨ１の体重が軽い、及び重い場合の現在速度Ｖｃは、いずれも、中間目標速度更新時刻ｔ１までに中間目標速度Ｖ１に収束する。

したがって、ユーザＨ１の体重が軽い場合でも、現在速度Ｖｃは、中間目標速度更新時刻ｔ１において中間目標速度Ｖ１に収束し、中間目標速度更新時刻ｔ２において中間目標速度Ｖ２にそれぞれ収束し、いずれも急激に上昇しない。そのため、歩行面３ａの現在速度Ｖｃが急激に上昇することを抑制して、乗り心地を維持することができる。

なお、上述したプログラムは、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（情報通知装置を含むコンピュータ）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）を含む。さらに、この例は、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗを含む。さらに、この例は、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（Random Access Memory））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、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。また、本発明は、上記実施の形態やその一例を適宜組み合わせて実施してもよい。

１００ トレッドミル
１ ＥＣＵ
２ モータ ２ａ ベルト
３ 無端ベルト ３ａ 歩行面
４ トレッドミル本体 ４ａ、４ｂ 回転軸
１１ 速度指令演算部 １２ 速度制御部
１３ 電流制御部 １４ インバータ
１５ 電流センサ １６ 角度センサ
１７ 角度・速度算出部
Ａ１ 指令平均加速度
ＳＴ１１−ＳＴ１７ ステップ
Ｔｎ 中間目標更新時間 Ｖ０ 開始速度
Ｖｎ、Ｖ１-Ｖ５、Ｖ３１、Ｖ４１ 中間目標速度
Ｖｔ 最終目標速度
ｔ０ 開始時刻 ｔｎ、ｔ１-ｔ５ 中間目標速度更新時刻
ｔｃ 現在時刻 ｔｄ１ 減速時刻
ｔｅ 終了時刻

Claims (1)

1. ユーザが歩行可能な歩行面を含む無端ベルトと、
   当該無端ベルトを回転駆動するモータと、
   当該無端ベルトの現在速度Ｖｃが開始時刻から終了時刻までに開始速度から最終目標速度に上昇するよう、当該無端ベルトを回転駆動させるよう制御する制御部と、を備えるトレッドミルであって、
   複数の中間目標速度更新時刻において複数の中間目標速度Ｖｎをそれぞれ演算する速度指令演算部と、
   前記モータの駆動軸の回転角度及びＺ相信号を時々刻々と検出するインクリメンタル形エンコーダと、
   前記回転角度に基づいて、前記現在速度を時々刻々と算出する角度・速度算出部と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記複数の中間目標速度更新時刻において、前記現在速度Ｖｃを前記複数の中間目標速度Ｖｎにそれぞれ到達させるよう、前記モータをフィードバック制御し、
   前記複数の中間目標速度Ｖｎは、それぞれ前記複数の中間目標速度更新時刻における前記現在速度Ｖｃに基づいて算出され、
   前記角度・速度算出部は、
   前記インクリメンタル形エンコーダがＺ相信号を検出した場合、前回算出された前記現在速度Ｖｃを前記速度指令演算部に出力する、
   トレッドミル。

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