JP2022175861A - 運動訓練装置及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】使用者に適した操作部の軌道を自動で設定する運動訓練装置、及び、運動訓練装置に用いられるプログラムを提供する。【解決手段】運動訓練装置は、能動訓練モードと、可動域設定モードと、軌道設定モードとを実行可能である。能動訓練モードでは、使用者が目標軌道に沿って操作部３を操作する。可動域設定モードでは、使用者が操作部３を操作可能な領域である可動域αを設定する。軌道設定モードでは、可動域設定モードで設定した可動域α内で能動訓練モードにおける目標軌道ＴＬ１～ＴＬ３を設定可能である。【選択図】図１５

Description

本発明は、使用者の平面運動を支援可能な運動訓練装置、及び、運動訓練装置に用いられるプログラムに関する。

従来、運動機能を向上させるために様々な運動訓練が行われている。例えば、机上を拭くような動作で肩や肘を屈伸させるワイピング訓練や傾斜したボード上で手を上下方向に滑動させるサンディング訓練が広く行われている。そして、これらの運動訓練を支援するために種々の運動訓練装置が提案されている。

例えば、特許文献１には、ＸＹ平面で移動可能な操作部と、Ｘ軸およびＹ軸方向駆動モータを有し操作部をＸＹ平面で駆動する駆動部と、操作部に作用するＸ軸およびＹ軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙを検出する力センサと、力センサで検出されたＸ軸およびＹ軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙに基づいてＸ軸およびＹ軸方向駆動モータを制御する制御部とを備えた運動訓練装置が開示されている。

特開２０２０－８９６２１号公報

運動訓練装置を用いて訓練を行う場合、例えば、使用者が操作部を掴みその上から訓練指導者が使用者の手をとって使用者の上肢状況に応じた動作範囲で操作部を移動させることで、操作部が辿る軌道を設定していた。しかしながら、近年、リハビリが必要な患者（使用者）の数が増えてきており、使用者毎に訓練指導者が上述のような作業を行うことは負担となる。このため、使用者の上肢状況に合わせて操作部の軌道を設定する際に訓練指導者の負担を軽減することが望まれる。

本発明の運動訓練装置は、ＸＹ平面で移動可能な操作部と、Ｘ軸およびＹ軸方向駆動モータを有し、前記操作部をＸＹ平面で駆動する駆動部と、前記操作部を操作する使用者から前記操作部に作用するＸ軸およびＹ軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙを検出する力センサと、前記ＸＹ平面における前記操作部の位置を検出する位置検出手段と、前記Ｘ軸およびＹ軸方向駆動モータを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、使用者が設定軌道に沿って前記操作部を操作する能動訓練モードと、使用者が前記操作部を操作可能な領域である可動域を設定する可動域設定モードと、前記可動域設定モードで設定した前記可動域内で、前記能動訓練モードにおける前記設定軌道を設定可能な軌道設定モードと、を実行可能であることを特徴とする。

また、本発明のプログラムは、ＸＹ平面で移動可能な操作部と、Ｘ軸およびＹ軸方向駆動モータを有し、前記操作部をＸＹ平面で駆動する駆動部と、前記操作部を操作する使用者から前記操作部に作用するＸ軸およびＹ軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙを検出する力センサと、前記ＸＹ平面における前記操作部の位置を検出する位置検出手段と、前記Ｘ軸およびＹ軸方向駆動モータを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、使用者が設定軌道に沿って前記操作部を操作する能動訓練モードを実行可能な運動訓練装置に用いられるプログラムであって、使用者が前記操作部を操作可能な領域である可動域を設定する第１工程と、前記第１工程で設定した前記可動域内で、前記能動訓練モードにおける前記設定軌道を設定可能な第２工程と、をコンピュータにより実行させることを特徴とする。

本発明によれば、使用者に適した操作部の軌道を設定する際に訓練指導者の負担を軽減することができる。

第１の実施形態の運動訓練システムの外観斜視図。 第１の実施形態の運動訓練装置の装置本体の斜視図。 第１アクチュエータ機構の詳細を示す断面図。 第２アクチュエータ機構の詳細を示す断面図。 操作部の構成を示す分解斜視図。 運動訓練システムの制御部のブロック図。 アシストモードの運動訓練開始時において操作部に作用する力と速度ベクトルとの関係を説明する図。 アシストモードで使用者により操作される操作部の位置が所定の目標領域内にある場合に、操作部に作用する力と速度ベクトルとの関係を説明する図。 アシストモードで使用者により操作される操作部の位置が所定の目標領域から外れた場合に、操作部に作用する力と速度ベクトルとの関係を説明する図。 アシストモードで使用者により操作される操作部の位置が所定の目標領域から外れた後、所定の目標領域内に戻った場合に、操作部に作用する力と速度ベクトルとの関係を説明する図。 力センサにより検出される合成力の大きさや方向を示す第１チャートと、エンコーダにより検出された操作部３の位置を軌跡と共に示す第２チャートを示す図。 可動域設定モードで操作部を移動させる軌道の一例を示す図。 可動域設定モードで操作部を移動させた場合の第１チャートを示す図。 可動域設定モードで設定された可動域の一例を示す図。 軌道設定モードで設定された複数の軌道の一例を示す図。 新たに設定された可動域内の複数の軌道の一例を示す図。 可動域設定モード及び軌道設定モードの流れを示すフローチャート。 第２の実施形態において、可動域設定モードで操作部を移動させる軌道の一例及び可動域の一例を示す図。 第３の実施形態において、可動域設定モードで設定された可動域の一例を示す図。

＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して本発明が適用可能な第１の実施形態の運動訓練装置について説明する。なお、本実施形態の運動訓練装置は略水平な載置面に載置され、例えば、使用者（運動訓練者）の上肢の運動機能向上を目的として行われる運動訓練に使用される（図１参照）。運動訓練装置１は、図１に示すように、操作部３を有し、使用者Ｕは運動訓練装置１の前側に位置し、例えば上肢運動訓練を行うために、右腕ＵＬを前方に伸ばして操作部３を右手で把持している。尚、本明細書中では、図１の運動訓練装置１における使用者Ｕの手前側を前側、奥側を後側と称することとする。

運動訓練装置１は、装置本体１００と、ＰＣ（パーソナルコンピューター）７０とを有する。また、本実施形態では、これら装置本体１００及びＰＣ７０に加えて、運動訓練装置１の情報を表示するモニター７６を含めて運動訓練システム１０００を構成している。なお、ＰＣ７０は、運動訓練システム１０００全体を制御する制御部であり、制御プログラムがインストールされた汎用性のあるＰＣでも良いし、運動訓練装置１専用のものであっても良い。いずれにしても、制御部は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を有している。ＣＰＵは、ＲＯＭに格納された制御手順に対応するプログラムを読み出しながら各部の制御を行う。また、ＲＡＭには、作業用データや入力データが格納されており、ＣＰＵは、前述のプログラム等に基づいてＲＡＭに収納されたデータを参照して制御を行う。

装置本体１００は、ＸＹ平面（載置面および基台２と平行な水平面）で移動可能な操作部３、操作部３をＸＹ平面で駆動する駆動部２００などを有する。これら操作部３や駆動部２００は、基台２上に配置されている。駆動部２００は、Ｘ軸およびＹ軸方向駆動モータとしての第１モータ６及び第２モータ３０を有する。具体的には、駆動部２００は、第１モータ６を有し、操作部３をＸ軸方向（図２の矢印Ｘの方向）に移動させる第１アクチュエータ機構ＡＸと、第２モータ３０を有し、操作部３及び第１アクチュエータ機構ＡＸをＹ軸方向（図２の矢印Ｙの方向）に移動させる第２アクチュエータ機構ＡＹとを備えている。

操作部３は、ハンドル部材６２に作用するＸ軸およびＹ軸方向の力を検出する力センサ６０（図５参照）を備えている。ＰＣ７０は、力センサ６０、モータ制御部２７，３１及びモニター７６に接続されている。Ｘ軸およびＹ軸方向駆動モータ６，３０は、ＸＹ平面での操作部３の位置を検出する位置検出手段としてのエンコーダ６ａ、３０ａ（図６）と一体に構成されている。

これらの構成により、制御部としてのＰＣ７０は、力センサ６０やエンコーダ６ａ、３０ａからの入力値に基づいて、モータ制御部２７，３１を介して第１モータ６及び第２モータ３０の駆動を制御し、操作部３をＸＹ平面上で移動させ、訓練情報や操作部３の移動軌跡等をモニター７６に表示する。

以下、図２～図５に基づいて各構成について詳細に説明する。操作部３は、第１スライダーブロック４（第１保持部材）に取付プレート５を介して取り付けられており、第１スライダーブロック４と一体となって移動するように構成されている。第１スライダーブロック４は、ＸＹ平面上のＸ軸方向に延設した第１ガイドロッド９ａおよび９ｂに沿ってスライド可能に設けられている。そして、第１ベルト１０の一部は、ベルト固定プレート２８とビス２９によって第１スライダーブロック４に固定されている。これにより、第１ベルト１０が第１モータ（Ｘ軸方向駆動モータ）６によって回転駆動すると、第１スライダーブロック４は第１ガイドロッド９ａ，９ｂに沿ってＸ軸方向にスライド移動する。

図３に示す通り、第１アクチュエータ機構ＡＸの第１モータ６の駆動は、軸１３、プーリー１４、ベルト１５、プーリー１７および軸１６を介してプーリー１８に伝達される。第１モータ６は支持板２１に設けられており、支持板２１は支持板１１に固定されている。支持板１１は、軸１６を回転可能に支持し、第２スライダーブロック７とモータ制御部２７を固定支持している。なお、支持板１１及び第２スライダーブロック７を併せて第１ガイドロッド９ａ，９ｂの一端およびプーリー１８を保持する第２保持部材という。

Ｘ軸方向において第１モータ６の反対側には、支持板１２，２４が設けられている。支持板１２，２４は、軸１９を回転可能に支持し、第３スライダーブロック８を固定支持している。軸１９にはプーリー２０が設けられており、プーリー１８とプーリー２０との間に第１ベルト１０が架け渡されている。また、第１ガイドロッド９ａ，９ｂの一端は第２スライダーブロック７に固定支持され、第１ガイドロッド９ａ，９ｂの他端は第３スライダーブロック８に固定支持されている。なお、支持板１２，２４及び第３スライダーブロック８を併せて第１ガイドロッド９ａ，９ｂの他端およびプーリー２０を保持する第３保持部材という。

上述した通り、第１スライダーブロック４は、第１ベルト１０の一部が固定されており、第１モータ６を駆動するとプーリー１８が回転してプーリー２０と共に第１ベルト１０が回転する。このため、第１スライダーブロック４は、第１ガイドロッド９ａ，９ｂに沿ってＸ軸方向にスライド移動する。なお、第１ベルト１０と第１ガイドロッド９ａ，９ｂは、それぞれＸ軸方向に平行で且つ第１ベルト１０の両側に第１ガイドロッド９ａと９ｂが配置され、基台２からの高さ位置は略同一となっている。

図２に示す様に、第１アクチュエータ機構ＡＸが有する第２スライダーブロック７と第３スライダーブロック８は、第２ガイドロッド５５と第３ガイドロッド４８に対してＹ軸方向にスライド移動可能に支持されている。そして、第２ベルト５３と第３ベルト４６が回転することで、第１アクチュエータ機構ＡＸ全体がＹ軸方向に移動可能となっている。図３に示す通り、第２ベルト５３の一部は、第２スライダーブロック７に固定された支持板２１に設けられたベルト固定プレートにビス２３によって固定されている。また、第３ベルト４６の一部は、第３スライダーブロック８に固定された支持板２４に設けられたベルト固定プレート２５にビス２６によって固定されている。そして、第２アクチュエータ機構ＡＹの第２モータ（Ｙ軸方向駆動モータ）３０が回転駆動することによって第３ベルト４６および第２ベルト５３が回転し、それにより第１アクチュエータ機構ＡＸはＹ軸方向にスライド移動する。

次に、図２と図４を用いて第２アクチュエータ機構ＡＹについて説明する。第２アクチュエータ機構ＡＹは、第１アクチュエータ機構ＡＸをＹ軸方向に移動させるための機構である。第２モータ３０およびモータ制御部３１は、基台２に設けられた支持板３４，支柱３３および支持板３２からなる支持フレームの上部に設けられている。この支持フレームは使用者Ｕと反対の装置奥側（基台２のモニター７６側）の中央部に固定されている。

第２モータ３０には不図示の軸およびプーリーが設けられており、プーリー３６との間でベルト３７が架け渡されている。支持板３２と３４との間には軸３５が回転可能に支持され、この軸３５にはプーリー３６，３８および３９が設けられており、プーリー３６の回転力が軸３５を通じてプーリー３８および３９に伝達される。

支持フレーム３２、３４のＸ軸方向の両側には、コの字に形成された支持板４５ａ，５２ａが設けられている。支持板４５ａは、軸４３を回転可能に支持しており、軸４３にプーリー４２と４４ａが設けられている。プーリー３８とプーリー４２にはベルト４０が架け渡されており、第２モータ３０の回転駆動をベルト３７，プーリー３６，軸３５，プーリー３８，ベルト４０，プーリー４２および軸４３を介してプーリー４４ａに伝達する。つまり、ベルト４０は、第２モータ３０の駆動を第３ベルト４６に伝達するための第５ベルトである。

支持板４５ａ近傍にはガイド支持部４７ａが設けられており、第３ガイドロッド４８の一端を支持している。また、基台２上で支持板４５ａのＹ軸方向における反対側（装置右手前側）には、支持板４５ａの対となる支持板４５ｂとガイド支持部４７ａの対となるガイド支持部４７ｂとが配置されている。

支持板４５ｂは、軸４３ｂを回転可能に支持し、軸４３ｂにはプーリー４４ａの対となるプーリー４４ｂが設けられている。第３ベルト４６はプーリー４４ａと４４ｂとの間で架け渡されており、上述した通りその一部が第３スライダーブロック８と一体に移動するベルト固定プレート２５に固定されている。また、ガイド支持部４７ｂは、第３ガイドロッド４８の他端を支持し、ガイド支持部４７ａと共に第３ガイドロッド４８を固定支持している。第３ベルト４６と第３ガイドロッド４８とはそれぞれＹ軸方向に平行に延設され、基台２からの高さ位置は略同一となっている。

Ｘ軸方向において支持フレームに対して支持板４５ａの反対側（基台２の左奥側）には、支持板５２ａが配置されている。支持板５２ａは、軸４９を回転可能に支持しており、軸４９にプーリー５０と５１ａが設けられている。プーリー３９とプーリー５０には、ベルト４１が架け渡されており、第２モータ３０の回転駆動をベルト３７，プーリー３６，軸３５，プーリー３９，ベルト４１，プーリー５０および軸４９を介してプーリー５１ａに伝達する。つまり、ベルト４１は、第２モータ３０の駆動を第２ベルト５３に伝達するための第４ベルトである。

支持板５２ａ近傍にはガイド支持部５４ａが設けられており、第２ガイドロッド５５の一端を支持している。また、基台２上で支持板５２ａのＹ軸方向における反対側（装置左手前側）には支持板５２ａの対となる支持板５２ｂとガイド支持部５４ａの対となるガイド支持部５４ｂとが配置されている。

支持板５２ｂは軸４９ｂを回転可能に支持し、軸４９ｂにはプーリー５１ａの対となるプーリー５１ｂが設けられている。第２ベルト５３は、プーリー５１ａと５１ｂとの間で架け渡されており、上述した通りその一部が第２スライダーブロック７と一体に移動するベルト固定プレート２２に固定されている。また、ガイド支持部５４ｂは、第２ガイドロッド５５の他端を支持し、ガイド支持部５４ａと共に第２ガイドロッド５５を固定支持している。第３ベルト４６と第３ガイドロッド４８とは、それぞれＹ軸方向に平行に延設され、基台２からの高さ位置は略同一となっている。

上述した通り、第２モータ３０の回転駆動はプーリー４４ａとプーリー５１ａに伝達され、第３ベルト４６と第２ベルト５３が回転する。これにより、第３ベルト４６と第２ベルト５３にそれぞれ固定された第３スライダーブロック８と第２スライダーブロック７（つまり第１アクチュエータ機構ＡＸ全体）が第３ガイドロッド４８と第２ガイドロッド５５に沿ってＹ軸方向にスライド移動する。

ここで、図４を参照するとベルト４０とベルト４１とは、Ｘ軸方向に平行に延設しているが、高さ方向の位置（基台２からの距離）が異なっている。具体的には、ベルト４０の下方にベルト４１が配置されている。そして、この高さ方向において、第３ベルト４６、第３ガイドロッド４８、第２ベルト５３および第２ガイドロッド５５は、ベルト４０とベルト４１との間で略同一高さに配置されている。

また、図２及び図３を参照すると、操作部３をＸ軸方向に移動させるための第１ガイドロッド９ａ，９ｂおよび第１ベルト１０は、操作部３および第１アクチュエータ機構ＡＸをＹ軸方向に移動させるための第３ガイドロッド４８と第２ガイドロッド５５との間で、且つ、Ｙ軸方向に平行に配置された第３ガイドロッド４８，第３ベルト４６，第２ガイドロッド５５および第２ベルト５３に対して直交するＸ軸方向に延設するように配置されている。そして、これらの第１ベルト１０，第１ガイドロッド９ａ・９ｂ，第３ベルト４６，第３ガイドロッド４８，第２ベルト５３および第２ガイドロッド５５は、高さ方向においてベルト４０とベルト４１との間に配置されている。これにより、運動訓練装置の高さ方向の寸法を薄く構成することができる。

言い換えると、図４において基台２からプーリー４４ａ，５１ａの上端までの距離（ＸＹ平面と直交する方向、つまり高さ）をＬ１、基台２からプーリー４４ａ，５１ａの下端までの距離をＬ２、基台２からプーリー３８，４２の下端までの距離をＬ３、基台２からプーリー３９，５０までの距離をＬ４としたときに、以下の関係が成り立つように各部材が配置されている。「Ｌ１＞Ｌ２」「Ｌ３＞Ｌ１」「Ｌ２＞Ｌ４」。よって、「Ｌ３＞Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ４」となり、プーリー４４ａとプーリー５１ａとはＬ３とＬ４との間に配置されている。そして、ベルトはそれぞれプーリーの上端と下端との間で架け渡されており、第３ベルト４６，第２ベルト５３の高さ方向における中央と第３ガイドロッド４８，第２ガイドロッド５５の高さ方向の中央とが略同一で、第３ガイドロッド４８の上端がベルト４０に干渉せず、第２ガイドロッド５５の下端がベルト４１に干渉しないように配置されている。

また、図３において基台２とプーリー１８，１９の上端までの距離がＬ１、基台２とプーリー１８，１９の下端までの距離がＬ２となるように配置されている。以上から、第１ベルト１０、第１ガイドロッド９ａ，９ｂ、第３ベルト４６、第３ガイドロッド４８、第２ベルト５３および第２ガイドロッド５５は、高さ方向においてＬ３とＬ４との間、すなわちプーリー３８，４２の下端とプーリー３９，５０の上端との間で重複して配置されている。

また、第１ベルト１０は第１ガイドロッド９ａ，９ｂに挟まれるように配置されている。よって、使用者Ｕが操作部３に力を加えた際に第１ガイドロッド９ａまたは９ｂを中心に回転する力を受けることができ、回転方向の移動を抑えることができる。

操作部３は、図１に示すように第１スライダーブロック４の前方向に配置され、図５に示すように、比較的短い垂直な操作ロッド６１と、その上端に設けられたハンドル部材６２とからなる。本実施形態のハンドル部材６２は、使用者Ｕの上肢ＵＬの運動機能を訓練するために片手で掴むことができるように、比較的厚い小型の円形ディスク状に形成されている。ハンドル部材６２は、使用者Ｕが掴んだ手で回すことができるように、操作ロッド６１を中心に回動可能に取り付けられる。

また、操作部３は、操作ロッド６１に一体に設けられた力センサ６０を有する。力センサ６０は、取付プレート５を介して、第１アクチュエータ機構ＡＸのスライダーブロック４に一体に固定されている。力センサ６０は、使用者Ｕが自力で操作部３を動かす能動訓練モード及び操作部３の力で上肢又は下肢を動かす受動訓練モードのいずれにおいても、ハンドル部材６２から操作ロッド６１に作用する使用者Ｕの力を検出する。本実施形態では、力センサ６０として、歪みゲージを用いた６軸力覚センサが採用されている。

一般に、６軸力覚センサは、直交する３軸方向ｘ，ｙ，ｚの力（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）とｘ，ｙ，ｚ３軸周りのモーメント（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）とを検出することができる。本実施形態では、６軸力覚センサを、そのＸ軸及びＹ軸が、第１アクチュエータ機構ＡＸの左右方向（第１ガイドロッド９ａ，９ｂと平行な方向）及び前後方向（第３ガイドロッド４８および第２ガイドロッド５５と平行な方向）とそれぞれ一致するように配向する。

これにより、力センサ６０は、使用者Ｕの上肢又は下肢が操作部３を動かし又は該操作部により動かされるとき、操作ロッド６１が使用者Ｕの上肢又は下肢から直接受ける力を、前後方向の力成分と左右方向の力成分とそれらに直交する垂直方向の力成分とに分けて、更に前後方向、左右方向及び垂直方向の各軸周りにそれぞれ作用するモーメントとして、検出することができる。

実際の運動訓練装置１の使用において、力センサ６０が検出する前後方向（Ｙ軸方向）、左右方向（Ｘ軸方向）及び垂直方向（ＸＹ平面と直交する高さ方向）の力成分は、第１及び／又は第２駆動モータ６、３０の回転力と使用者Ｕが操作部３に及ぼす力との差分、即ち操作部３が使用者Ｕの上肢又は下肢から受ける抗力として検出される。

上述のように、運動訓練装置１は、第１モータ６及び第２モータ３０を制御するための制御部としてのＰＣ７０を備える。ＰＣ７０は、図６に示すように、駆動制御部７１と、信号制御部７２と、表示制御部７３と、メモリ７４と、それらを制御管理するための制御ＣＰＵ７５とを備える。

駆動制御部７１は、モータ制御部２７，３１を介して第１モータ６及び第２モータ３０に接続され、それらの駆動を制御する。モータ制御部２７，３０は、ＰＣ７０の中に組み込んでもよい。信号制御部７２は、力センサ６０及びエンコーダ６ａ、３０ａに接続され、力センサ６０及びエンコーダ６ａ、３０ａから出力される信号を受信する。表示制御部７３は、モニター７６に接続され、該モニター７６の表示を制御する。メモリ７４は、運動訓練装置１を動作させるためのプログラムに加えて、例えば使用者Ｕの個人データや訓練履歴等の訓練に関するデータを保存する。

制御ＣＰＵ７５は、力センサ６０、エンコーダ６ａ，３０ａ、および不揮発性のメモリ７４から入力される情報に基づいて操作部３の速度を求め、駆動制御部７１に電流値（出力電流Ｉｉ、デューティ）を出力して、第１モータ６及び第２モータ３０への電力供給を制御する。

なお、本実施形態では、操作部３を取付プレート５を介して第１スライダーブロック４と高さ方向において重複する位置に設け、操作部３の下端が基台２から浮いている状態で固定する態様を示したが、取付プレート５の下面に自由回転するコロなどの摺動部材を設けて基台２上で滑らかに動くようにした上で取付プレート５の下面と基台２とが接触するように構成してもよい。これにより、使用者Ｕによる下方にかかる力を基台２で受けることができる。また、操作部３を第１スライダーブロック４の上部に取り付けるようにしてもよい。そうすることで操作部３の可動領域がより装置奥側に広げることができる。

次に、本実施形態の運動訓練装置１を含む運動訓練システム１０００の動作について説明する。従来、運動訓練装置１により使用者Ｕが運動訓練を行う際には、例えば、使用者Ｕが操作部３を掴みその上から訓練指導者が使用者Ｕの手をとって使用者Ｕの上肢状況に応じた動作範囲で操作部３を移動させることで、操作部３が辿る軌道を設定していた。そして、使用者Ｕのみが操作部３を掴み設定された軌道を辿ることで、使用者Ｕによる操作部３の位置とそのときに操作部３が受ける負荷とを検出する運動訓練モードを行なっていた。

しかしながら、近年、リハビリが必要な患者（使用者）の数が増えてきており、使用者毎に訓練指導者が上述のような作業を行うことは負担となる。また、訓練指導者の数は限られており、訓練指導者が一人の使用者に多くの時間を取りにくい。そこで、本実施形態では、運動訓練装置１により使用者に適した可動域を設定する可動域設定モードと、可動域内で操作部３の軌道（設定軌道）を自動で設定する軌道設定モードとを実行可能としている。可動域設定モード及び軌道設定モードについては後述し、まず、運動訓練モードについて説明する。

［運動訓練モード］
まず、運動訓練モードには、使用者Ｕが自ら軌道設定モードで設定された軌道をなぞるように操作部３を移動させる能動訓練モード（アシストモード、トレーニングモード）と、自動的に軌道を辿る操作部３に引っ張られて運動する受動訓練モード（自動モード）とがある。受動訓練モードは主としてリハビリ中の人を対象とする運動訓練モード、能動訓練モードはリハビリ最終段階の人や健常者を対象とする運動訓練モードとして想定されている。

［アシストモード］
上述の運動訓練モードのうち、アシストモードについて、図７～図１０を用いて説明する。アシストモードとは、使用者Ｕが操作部３を操作している際に、操作部３の位置が所定の領域から外れた場合に、操作部３を所定の領域に戻すアシスト力Ｆ_Ａを発生させるように、第１モータ６及び第２モータ３０を制御する能動訓練モードの１つである。

即ち、本実施形態において、ＰＣ７０の制御ＣＰＵ７５は、使用者Ｕにより操作される操作部３の位置が、予め設定した所定の領域内にある場合と、所定の領域から外れた場合とで、操作部３の駆動制御を切り替えて行う。所定の領域は、予め設定した目標軌道上の各点から一定の距離の範囲であり、この一定の距離は、運動訓練の観点から操作部３が実質的に目標軌道をなぞるように操作されていると見なすことができる大きさに設定される。本実施形態では、ＰＣ７０は、このようなアシストモードを実行可能である。

具体的には、アシストモードでは、ＰＣ７０の制御ＣＰＵ７５は、使用者Ｕにより操作されてＸＹ平面を移動する操作部３の位置が所定の領域内にあることをエンコーダ６ａ、３０ａが検出するとき、力センサ６０により検出されるＸ軸およびＹ軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙの合成力Ｆ_０の大きさに基づいた第１速度ベクトルに応じて第１モータ６及び第２モータ３０を制御する。即ち、操作部３の位置が所定の領域内にある場合には、アシスト力Ｆ_Ａを発生させない。

一方、制御ＣＰＵ７５は、使用者Ｕにより操作されてＸＹ平面を移動する操作部３の位置が所定の領域から外れていることをエンコーダ６ａ、３０ａが検出するとき、第１速度ベクトルと、操作部３を所定の領域内に戻すように作用する第２速度ベクトルとに応じたアシスト方向に操作部３を移動させるアシスト力Ｆ_Ａを発生させるように、第１モータ６及び第２モータ３０を制御する。

図７は、アシストモードの運動訓練開始時において、操作部３の中心Ｏが目標軌道ＴＬ上の開始位置ＴＰ０に一致するように配置されている場合を示している。所定の領域は、その外郭を目標軌道ＴＬ上の点（図７では、開始位置ＴＰ０）を中心とする円ＴＲで表している。操作部３の中心Ｏから延びる太い矢印ＦＡは、使用者Ｕから操作部３に加えられる操作力の向きおよび大きさを表しており、その大きさ｜ＦＡ｜と、その向きを表す操作力ＦＡのＸ軸方向およびＹ軸方向成分は、力センサ６０への入力値として検出される。操作力ＦＡは、同図に示すように、操作部３に発生する速度ベクトルＮで表すことができる。

図７の運動訓練開始時には、操作部３の中心Ｏが目標軌道ＴＬ上に位置して、目標領域（所定の領域）ＴＲ内にあるので、制御ＣＰＵ７５は、使用者Ｕからの操作力ＦＡに対応する力センサ６０への入力値に基づいて、速度ベクトルＮに等しい速度ベクトルＱを操作部３に発生させるように、第１モータ６及び第２モータ３０を制御する。別言すれば、使用者Ｕの操作を妨げたり操作力ＦＡ以外の余計な力を発揮させることなく、操作部３を動かすことができるように、第１モータ６及び第２モータ３０を駆動する。

図８は、使用者Ｕの操作により図７の開始位置ＴＰ０から移動した操作部３の現在位置ＬＰにおいて、その中心Ｏが目標軌道ＴＬ上の目標位置ＴＰから逸れているが、目標領域ＴＲ内にある場合を示している。この場合、制御ＣＰＵ７５は、図７の場合と同様に、使用者Ｕからの操作力ＦＡに対応する力センサ６０への入力値に基づいて、速度ベクトルＮに等しい速度ベクトルＱを操作部３に発生させるように、第１モータ６及び第２モータ３０を制御する。従って、操作部３は、使用者Ｕからの操作力ＦＡに対応する力センサ６０への入力値に基づいて、使用者Ｕが動かす向きに移動する。

図９は、使用者Ｕの操作により図８の位置から移動した操作部３の現在位置ＬＰにおいて、その中心Ｏが目標領域ＴＲから外れた場合を示している。この場合、制御ＣＰＵ７５は、使用者Ｕからの操作力ＦＡに対応する力センサ６０への入力値に基づく速度ベクトルＮに加えて、操作部３を目標領域ＴＲに戻す向きに働く速度ベクトルＷを発生させるように、第１モータ６及び第２モータ３０を制御する。それにより、操作部３には、速度ベクトルＮと速度ベクトルＷとの合成ベクトルである速度ベクトルＱが発生する。従って、操作部３は、使用者Ｕからの操作力ＦＡに速度ベクトルＷを加えて補助することにより、使用者Ｕが動かす向きを目標領域ＴＲに戻すように調節して移動させることができる。

制御ＣＰＵ７５は、操作部３の中心Ｏが、図９のように目標領域ＴＲから外れた位置から目標領域ＴＲに戻ると、操作力ＦＡを補助する速度ベクトルＷを０または小さくして、操作部３の移動速度を遅らせる。それにより、操作部３が目標領域ＴＲを通り過ぎて、反対側の外れた位置まで移動することを未然に回避することができる。

図１０は、操作部３の中心Ｏが目標領域ＴＲ内に戻ったとき、速度ベクトルＷを０にした場合を示している。速度ベクトルＷによる補助が無くなることにより、操作部３に作用する力及び速度ベクトルは、上述した図８の状態と同じになる。即ち、制御ＣＰＵ７５は、使用者Ｕからの操作力ＦＡに対応する力センサ６０への入力値に基づいて、速度ベクトルＮに等しい速度ベクトルＱを操作部３に発生させるように、第１モータ６及び第２モータ３０を制御し、操作部３は、使用者Ｕからの操作力ＦＡに対応して、使用者Ｕが動かす向きに移動する。

なお、トレーニングモードは、上述のアシストモードのようなアシスト力が作用しない能動訓練モードであり、使用者が目標軌道に沿って手動で操作部３を移動させるモードである。

［画面表示］
ここで、本実施形態で表示部としてのモニター７６に表示される表示画面について説明する。本実施形態では、モニター７６に、力センサ６０により検出されるＸ軸およびＹ軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙの合成力Ｆ_０の方向と大きさを同時に表示可能としている。なお、表示部は、モニターに限らず、合成力Ｆ_０の方向と大きさが分かれば、ランプなどで表示するものであっても良い。以下、モニター７６に表示する場合について説明する。

図１１に示すように、モニター７６に、力センサ６０により検出される合成力の大きさや方向を示す第１チャートと、位置検出手段としてのエンコーダ６ａ、３０ａにより検出された操作部３の位置を軌道と共に示す第２チャートとを、同じ時系列で表示可能である。

第１チャートは、同一の中心を有し半径が異なる複数の円からなるチャートであり、中心からの周方向の位置が合成力の方向を示し、中心からの距離が合成力の大きさを示すように、力センサ６０の検出結果がプロットされる。図１１に示す第２チャートは、使用者Ｕが操作部３を移動させる目標軌道と共に操作部３の位置をその移動軌道と共に表示するチャートである。図示の例では、目標軌道を円としているが、目標軌道の形はこの限りではない。

［可動域設定モード］
次に、上述のアシストモードやトレーニングモードなどの能動訓練モードにおける目標軌道（設定軌道）ＴＬの設定するために行う可動域設定モードについて、図１２ないし図１４を用いて説明する。本実施形態における可動域設定モードは、使用者が操作部を操作可能な領域である可動域を設定するモードである。具体的には、所定の軌道に沿って操作部３を移動させ、力センサ６０の入力値が所定の閾値になった位置を記憶し、記憶した位置に基づいて、使用者が操作部３を操作可能な領域である可動域を設定するモードである。所定の軌道は、使用者の上肢の可動域を判断するために予め設定された軌道である。

所定の軌道は、例えば、図１２に示すように、ホームポジション（ＨＰ）から操作部３を互いに異なる複数の方向に移動させる軌道である。本実施形態では、（１）～（５）の５つの軌道が所定の軌道である。なお、操作部３のホームポジションは、運動訓練装置１のＸＹ平面において、図１の使用者Ｕ側の位置で、操作部３の操作の起点となる位置である。例えば、図２のＸ軸方向中央位置で、Ｙ軸方向に関して図２の最も上側（使用者Ｕ側）の位置である。このようなホームポジションは、位置検出手段としてのエンコーダ６ａ、３０ａにより検出可能であるが、別途、ホームポジション検出用のセンサを設けても良い。

図１２の（１）～（５）の軌道は、例えば、ホームポジションからそれぞれの方向に延びた直線の軌道である。また、（１）～（５）の軌道は、隣り合う軌道同士がなす角度が同じであり、ホームポジションを通るＸ軸と平行な線よりもＹ軸方向に関して使用者Ｕから離れる方向に設定されている。また、ホームポジションを通るＹ軸と平行な線（図１２では（３）の軌道）を中心とした両側に均等に配置されている。

このような所定の軌道は、図１２のような５つの軌道に限らず、５つよりも少なくても多くても良い。また、所定の軌道は、ホームポジションから直線方向に延びる軌道に限らず、途中で折れ曲がる線、或いは、曲線でも良い。更には、１つの円、楕円、三角形などの多角形状であっても良く、円、楕円、三角形などの多角形状を複数組み合わせたものであっても良い。また、所定の軌道を複数パターン用意し、使用者に応じて選ぶようにしても良い。

所定の軌道に沿う操作部３の移動は、操作者が自ら移動させるようにしても良いが、本実施形態では、例えば、使用者が操作部３を掴んだ状態で運動訓練装置１が上述の自動モードのように自動で操作部３を移動させるようにしている。そして、この際の力センサ６０の入力値に基づいて、可動域を設定するようにしている。即ち、制御ＣＰＵ７５が第１モータ６及び第２モータ３０を制御して自動で操作部３を所定の軌道に沿って移動させた場合に、力センサ６０の入力値が所定の閾値になった位置に基づいて可動域を設定する。

図１３は、実際に使用者が操作部３を掴んだ状態で、図１２の（１）～（５）の軌道に沿って操作部３を自動で移動させた場合の第１チャートである。上述のように、第１チャートは、力センサ６０により検出される合成力の大きさや方向を示すものである。図１３に示す（１）～（５）は、それぞれ図１２の（１）～（５）の軌道に対応するものである。

本実施形態では、所定の閾値を図１３に示す第１チャートの最も外側の円（中心から３番目の円）に設定している。したがって、制御ＣＰＵ７５は、使用者が掴んだ操作部３を（１）～（５）の軌道に沿って移動させた時に、力センサ６０の入力値が図１３の最も外側の円に達したときの操作部３の位置を記憶する。この位置は、例えば、メモリ７４（図６）に記憶される。

図１２は、（１）～（５）の軌道に沿って移動させた時にそれぞれ力センサ６０の入力値が所定の閾値になった時点までを示している。例えば、（１）の軌道は、ホームポジションから近い位置で所定の閾値に達していることを示しており、（４）、（５）の軌道はホームポジションから比較的遠くで所定の閾値に達していることを示している。図１２の例では、使用者は、ホームポジションに対して左側の可動域が狭く、右側の可動域が比較的広いことが分かる。

所定の閾値は、手動で操作部３を移動させる場合、操作部３の移動の際に使用者Ｕへの過度な負担を生じさせないよう設定される値であり、使用者の上肢の可動域を判断するための値である。なお、操作部３の移動を自動で行う場合には、所定の閾値は、操作部３を、使用者Ｕから受ける抵抗力を無視して、強制的に第１モータ６及び第２モータ３０によって移動させても、使用者Ｕへの過度な負担を生じさせないよう設定される値であり、使用者の上肢の可動域を判断するための値である。

上述のように、制御ＣＰＵ７５は、軌道設定モードにおいて、力センサ６０の入力値が所定の閾値となる位置を複数記憶する。そして、記憶された複数の位置を結ぶ線の範囲内で可動域を設定し、この可動域内で、目標軌道ＴＬを設定する。例えば、図１４に示すように、可動域αを記憶された複数の位置を結ぶ線とする。

図１４は、上述のように設定された可動域αを第２チャート上に示したものである。図１４の（１）～（５）の点は、（１）～（５）の軌道に沿って移動させた時にそれぞれ力センサ６０の入力値が所定の閾値になった時点のホームポジションに対する位置である。図１４では、（１）～（５）の各点を番号順に滑らかな曲線で結んだものである。なお、各点は、直線で結んでも良い。

＜軌道設定モード＞
次に、軌道設定モードについて説明する。軌道設定モードは、上述のように可動域設定モードで設定した可動域α内で、能動訓練モードにおける設定軌道を設定可能なモードである。本実施形態の場合、図１５に示すように、目標軌道を可動域α内で複数設定している。具体的には、３つの目標軌道ＴＬ１～ＴＬ３を可動域内で設定している。また、これらの目標軌道ＴＬ１～ＴＬ３は、ＸＹ平面内の互いに異なる位置に設定され、互いに異なる形状としている。このように可動域α内で複数の目標軌道ＴＬ１～ＴＬ３を設定することで、能動訓練モードにおいて、可動域α内で使用者に対して様々な動きを行わせることができ、効果的な訓練を行うことができる。また、各目標軌道ＴＬ１～ＴＬ３が異なる位置にあることで、使用者が可動域内の異なる場所で操作部３の移動を行うことができ、より効果的な訓練を行うことができる。更に、目標軌道ＴＬ１～ＴＬ３を異なる形状とすることで、使用者が各軌道で異なる動きをすることになるので、より効果的な訓練を行うことができる。なお、複数の目標軌道は互いに同じ形状としても良いし、同じ形状で大きさが異なる相似形としても良い。また、複数の目標軌道は、一部が重なっていても良い。

また、目標軌道の形状は、円、楕円、三角形、四角形などの多角形、星形などの特殊な図形などで、予め、運動訓練装置１のメモリ７４に記憶されたものである。なお、目標軌道の形状は、例えば、訓練指導者がその使用者に応じて設定できるようにしても良い。また、目標軌道の数、配置は、可動域の大きさに応じて制御ＣＰＵ７５が自動で設定するようにしても良いし、訓練指導者がその使用者に応じて手動で設定しても良い。自動で設定する場合、例えば、可動域の大きさが大きい程、目標軌道の数を多くし、且つ、可動域内でほぼ均等に配置するようにしても良い。また、目標軌道の形状の大きさについても、可動域が大きい程、大きくするようにしても良い。何れにしても、上述のように使用者が操作部３を把持した状態で所定の軌道に沿って操作部３を移動させ、所定の閾値に達した位置に基づいて可動域を設定し、その可動域内で適宜、１ないし複数の目標軌道を設定すれば良い。

また、図１６に示すように、今回の軌道設定モードで設定された可動域を第１の可動域α１とし、前回の軌道設定モードで設定された可動域を第２の可動域α２とした場合に、第１の可動域α１と第２の可動域α２とが異なる領域を有する場合、第１の可動域α１と第２の可動域α２とに跨る領域内で、能動訓練モードにおける目標軌道を設定する。図１６では、第１の可動域α１の方が第２の可動域α２よりも広い領域を有する。

例えば、訓練指導者が、前回の軌道設定モードで設定された第２の可動域α２内で能動訓練モードの訓練を行った使用者の訓練効果があったと判断した場合、次のステップの訓練を行う。この際、もう一度、その使用者に軌道設定モードを行ってもらい、その結果、可動域が第１の可動域α１まで広がった場合、第２の可動域α２内に目標軌道が設定されると訓練効果が低くなってしまう。一方で、第２の可動域α２の外側のみに目標軌道が設定されると、使用者に対する負荷が高すぎる虞がある。

そこで、本実施形態では、図１６に示すように、複数の目標軌道ＴＬ４～ＴＬ７を第１の可動域α１と第２の可動域α２とに跨る領域内で設定している。図示の例では、複数の目標軌道ＴＬ４～ＴＬ７は、全て第１の可動域α１内に存在し、且つ、何れかの目標軌道の軌道の一部が第２の可動域α２内に侵入するように設定している。また、他の軌道については第２の可動域α２よりも外側に設定している。具体的には、目標軌道ＴＬ４、ＴＬ５、ＴＬ７の一部が第２の可動域α２内に侵入するように設定し、目標軌道ＴＬ６が第２の可動域α２よりも外側に位置するように設定している。

図１６では、可動域が広がっているため、目標軌道の数を図１５の場合よりも増やしている。目標軌道の数、形状、配置については、図１５で説明した場合と同様である。但し、配置については、上述のように、第１の可動域α１と第２の可動域α２とに跨る領域内とする。この際、全部の目標軌道が第２の可動域α２の内側に侵入するように設定しても良いし、全部の目標軌道が第２の可動域α２の外側に位置するように設定しても良い。また、１ないし複数、或いは、全部の目標軌道の一部が第１の可動域α１の外側にはみ出るようにしても良い。

なお、場合によっては前回の軌道設定モードで設定された可動域よりも、今回の軌道設定モードで設定された可動域の方が狭くなる場合がある。この場合、同様に、２つの可動域に跨るように１ないし複数の目標軌道を設定する。これは、狭くなった可動域内にのみ目標軌道を設定した場合、その使用者に対する負荷が小さくなり過ぎて効果的な訓練効果が得られない虞があるためである。

また、前回の軌道設定モードで設定された可動域に対して、今回の軌道設定モードで設定された可動域が、ＸＹ平面内でずれる可能性もある。この場合も同様に、２つの可動域に跨るように１ないし複数の目標軌道を設定する。これは、ずれた可動域内にのみ目標軌道を設定した場合、その使用者に対する負荷が小さくなり過ぎて効果的な訓練効果が得られない虞があるためである。

このように、前回の可動域に対する今回の可動域が、上述のように広くなったり、狭くなったり、ずれたりした場合の何れでも、２つの可動域に跨るように目標軌道を設定することで、使用者への負担を軽減しつつ効果的な訓練を行うことができる。但し、前回の可動域に対する今回の可動域が、狭くなったり、ずれたりした場合に上述の条件で能動訓練モードを行った際に、使用者への負担が大きい場合、今回の可動域内で目標軌道を再設定するようにしても良い。

なお、前回の軌道設定モードで設定された可動域内の軌道を能動訓練モードで操作したときに、所定の判断基準を満たした場合（例えば、アシストモードの場合にアシスト力が発生した個所が全軌道の１０％以下、発生したアシスト力の最大値が初回の訓練時の３０％以下など）に、軌道設定モードを行うことなく、可動域を自動で広げるようにしても良い。例えば、前回設定された可動域の形状をそのまま広げる。そして、広げた可動域内で目標軌道を、例えば、図１６で説明したように広げる。

上述の可動域設定モード及び軌道設定モードのフローの一例について、図１７を用いて説明する。可動域設定モード及び軌道設定モードを開始すると、制御ＣＰＵ７５は、まず、所定の軌道の全ルートの動作が完了したか判断する（Ｓ１０１）。最初は全ルートの動作が完了していないので（Ｓ１０１のＮ）、可動域設定モードで操作部３を移動させる移動ルートとして、例えば、図１２の（１）の軌道を設定する（Ｓ１０２）。軌道が設定されると、制御ＣＰＵ７５は、操作部３をスタート位置（ここではホームポジション）に移動させる（Ｓ１０３）。そして、使用者が操作部３を把持した状態で、手動で操作部３を（１）の軌道に沿って移動を開始する（Ｓ１０４）。この際、制御ＣＰＵ７５は、力センサ６０の入力値（センサ値）を監視している（Ｓ１０５）。

そして、制御ＣＰＵ７５は、力センサ６０の入力値が所定の閾値以上になるか否かを判断し（Ｓ１０６）、力センサ６０の入力値が所定の閾値未満であれば（Ｓ１０６のＮ）、操作部３が移動ルートのゴール位置に到達した否かを判断する（Ｓ１０７）。ゴール位置に到達してなければ（Ｓ１０７のＮ）、Ｓ１０６に戻る。

Ｓ１０６において、力センサ６０の入力値が所定の閾値以上となった場合（Ｓ１０６のＹ）、操作部３の現在位置をメモリ７４に保存する（Ｓ１０８）。即ち、力センサ６０の入力値が所定の閾値以上となった操作部３の位置を記憶する。

次いで、Ｓ１０１に戻り、全ルートの動作が完了したかを確認し、完了してなければ、Ｓ１０２に進む。例えば、操作部３を（１）の軌道に沿って移動させ、力センサ６０の入力値が所定の閾値以上となった場合、その位置を記憶し、Ｓ１０２において、次の移動ルートとして、（２）の軌道を設定する。そして、操作部３をスタート位置に戻して、（２）の軌道に沿った移動を開始し、力センサ６０の入力値が所定の閾値以上になるか否かを監視し、力センサ６０の入力値が所定の閾値以上となった位置を保存する（Ｓ１０３～Ｓ１０８）。このような動作を（１）～（５）の軌道について繰り返す。

なお、Ｓ１０６において、力センサ６０の入力値が所定の閾値未満で（Ｓ１０６のＮ）、Ｓ１０７において操作部３が移動ルートのゴール位置に到達した場合（Ｓ１０７のＹ）。制御ＣＰＵ７５は、そのゴール位置をメモリ７４に保存する（Ｓ１０８）。

（１）～（５）の軌道について、上述の動作が完了した場合、即ち、全ルートの動作が完了した場合（Ｓ１０１のＹ）、制御ＣＰＵ７５は、訓練完了エリアを取得する（Ｓ１０９）。即ち、前回までに行った可動域設定モードで設定した可動域（例えば、図１６の第２の可動域α２）がメモリ７４に保存されていれば、それを取得する。次いで、制御ＣＰＵ７５は、Ｓ１０８でメモリ７４に保存した位置から保存位置エリアを取得する（Ｓ１１０）。即ち、今回の可動域設定モードにおける可動域（例えば、図１６の第１の可動域α１）を設定する。

次に、保存位置エリア（例えば第１の可動域α１）と訓練完了エリア（例えば第２の可動域α２）とから、訓練未完了エリアを算出する（Ｓ１１１）。例えば、図１６に示した第１の可動域α１と第２の可動域α２とを跨ぐ領域を算出する。そして、軌道設定モードを実行して、算出したエリア内に図１６に示したような目標軌道を自動で生成する（Ｓ１１２）。これにより、可動域設定モード及び軌道設定モードを終了する。このように生成された目標軌道は、次に行う能動訓練モードで使用される。

なお、Ｓ１０９において、訓練完了エリアがない場合、即ち、その使用者にとって最初の能動訓練モードによる訓練である場合、Ｓ１０９、Ｓ１１１をスキップして、Ｓ１１２において、Ｓ１１０で取得した保存位置エリア内に目標軌道を生成する。例えば、図１５に示したように、可動域α内に目標軌道を設定する。

本実施形態の場合、このように運動訓練装置１により使用者に適した操作部３の軌道を自動で設定できる。即ち、能動訓練モードで使用する目標軌道を運動訓練装置１により自動で設定可能である。この際、使用者に操作部３を把持させた状態で所定の軌道に沿って手動又は自動で操作部３を移動させ、力センサ６０の入力値が所定の閾値となった位置を記憶しておくことで、その使用者の可動域を設定する。そして、このように判断した可動域の範囲内で目標軌道を設定するようにしている。このため、使用者に適した目標軌道が設定可能である。

これにより、訓練指導者が目標軌道の設定作業を行う手間を省くことができ、訓練指導者の負担を減らすことができる。そして、訓練指導者の数が少なくても、多くの使用者に対して訓練を行い易くなる。

上述した実施形態の軌道設定モードでは目標軌道を自動で生成する態様を示したが、可動域設定モードで設定された可動域内で訓練指導者が手動で目標軌道を設定してもよい。訓練指導者が目標軌道を手動で設定する際は、操作部３が設定された可動域もしくは設定された可動域よりも若干広い領域（目標軌道が可動域の内側と外型とで跨って設定できるようにするため）よりも外側へ移動しないように移動の制限（ソフトリミットの設定）を行うことが望ましい。つまり、操作部３の移動範囲を設定された可動域内もしくは設定された可動域よりも所定距離外側の領域内となるように第１モータ６及び第２モータ３０を制御する。また、設定された可動域をモニター７６に表示するようにしても良い。この場合、訓練指導者がモニター７６に表示された可動域を見ながら手動で目標軌道を設定する。例えば、可動域内に収まるように目標軌道を設定しても良いし、可動域からはみ出るように目標軌道を設定しても良い。これにより、訓練指導者は使用者Ｕの可動域が設定された状態で目標軌道を設定することができるため、設定作業の手間を省くことができる。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態について、図１８を用いて説明する。上述の第１の実施形態では、図１２に示したように、可動域を設定するために操作部３を移動させる所定の軌道をホームポジションから放射状に延びる複数の直線とした。これに対して、本実施形態では、所定の軌道を、図１８に破線で示すように、直径が異なる複数の円としている。その他の構成及び作用は、上述の第１の実施形態と同様であるため、同様の構成には同じ符号を付して説明及び図示を省略し、以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。

本実施形態の場合、所定の軌道である複数の円は、全てＸ軸方向中央、且つ、Ｙ軸方向の端部位置でホームポジションＨＰを通る。また、全ての円の中心は、ホームポジションＨＰを通るＹ軸上に位置する。即ち、小さい円から順番に操作部３を軌道に沿って移動させた場合に、ホームポジションＨＰから徐々に離れるように円が描かれるように、複数の円の軌道を設定している。

また、図１８に示すように、各円の軌道は、ホームポジションＨＰから放射状の延びる複数の直線（ａ）～（ｅ）によって分けられた複数の領域β１～β４を有する。本実施形態においても、可動域設定モードを実行する場合には、制御ＣＰＵ７５が第１モータ６及び第２モータ３０を制御して自動で操作部３を所定の軌道に沿って移動させた場合に、力センサ６０の入力値が所定の閾値になった位置に基づいて可動域を設定する。この際、上述の複数の領域β１～β４毎に、力センサ６０の入力値が所定の閾値になった位置を記憶する。そして、この記憶した位置に基づいて可動域を設定する。

即ち、領域β１において、力センサ６０の入力値が所定の閾値になった位置がＨＰから２つ目の円であり、同様に、領域β２が３つ目の円、領域β３が４つ目の円、領域β４が５つ目の円で、それぞれ力センサ６０の入力値が所定の閾値になった場合、各領域の所定の閾値になった位置を例えば曲線で結ぶことで、図１８に太線で示す可動域αが得られる。なお、これらの各位置を直線で結んで可動域としても良いし、直線で結ぶことで形成される多角形状の内接円を可動域としても良い。

このような本実施形態のように、可動域を設定するための所定の軌道を複数の円としても、使用者の可動域を適切に求めることができる。なお、複数の円は、楕円であっても良い。また、可動域を設定する際には、上述ように複数の領域を設定せずに、小さい方の円から順番に操作部３を軌道に沿って移動させ、最初に、力センサ６０の入力値が所定の閾値になった円を可動域に設定しても良い。

また、第１の実施形態、第２の実施形態ともに、軌道を設定する際に操作部３をホームポジションＨＰから離れる方向に移動させているが、この「ホームポジションＨＰ」は可動域設定モードにおけるホームポジションであり、運動訓練装置１自体のホームポジションと異なる位置であってもよい。

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態について、図１９を用いて説明する。上述の第１、第２の実施形態では、可動域を設定するために、操作部３を自動で所定の軌道に沿って移動させた。これに対して本実施形態では、使用者が手動で操作部３を移動させるようにしている。その他の構成及び作用は、上述の第１、第２の実施形態と同様であるため、同様の構成には同じ符号を付して説明及び図示を省略し、以下、第１、第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。

本実施形態では、可動域設定モードにおいては、使用者がホームポジションＨＰから所定の軌道に沿って操作部３を手動で移動させた場合に、操作部３が移動した位置のうち、ホームポジションＨＰから最も遠い位置を記憶し、記憶した位置に基づいて可動域を設定する。例えば、前述の図１２に示したように、放射状の複数の直線軌道（１）～（５）に沿って、使用者が操作部３を手動で移動させる。この際、制御ＣＰＵ７５は、操作部３に対して所定の軌道に沿った移動のみ許容するように、第１モータ６及び第２モータ３０を制御する。

即ち、操作部３が各直線軌道（１）～（５）のそれぞれに対して直交する方向にずれないように、第１モータ６及び第２モータ３０を駆動し、使用者が操作部３をそれぞれの直線軌道に沿ってのみ手動で移動できるようにする。なお、ここでいう所定の軌道に沿った移動のみ許容するとは、その軌道のみを許容する場合は勿論、その軌道に対して直交する方向のある程度の幅の範囲内の移動であれば許容する場合も含む。

使用者は、各軌道に沿って順次、操作部３を移動させ、操作部３をＨＰに戻す動作を繰り返す。そして、図１２の各軌道で示す時点まで操作部３を移動させることができた場合、制御ＣＰＵ７５は、各位置を記憶して、これら記憶した各位置に基づいて、図１９に示すような可動域αを設定する。なお、使用者が各軌道に沿って限界まで移動させたかどうかは、実際に使用者が限界まで腕を伸ばすように操作部３を移動させ、操作部３がＨＰに向けて戻り始めた時点で判断する。即ち、この位置が操作部３がその軌道においてＨＰから最も遠い位置となる。

なお、使用者が操作部３を各軌道に沿って移動させている際に、力センサ６０の入力値を監視し、入力値が所定の閾値に達した時点で、操作部３をＨＰに戻すように指示するようにしても良い。また、所定の軌道は、図１２の直線軌道に限らず、例えば、図１８にしめした複数の円軌道であっても良い。この場合も、制御ＣＰＵ７５は、操作部３に対して所定の軌道に沿った移動のみ許容するように、第１モータ６及び第２モータ３０を制御するようにしても良い。また、使用者が操作部３をその軌道に沿って移動させることができた複数の円軌道のうち、最も大きい円軌道を可動域として設定しても良い。

また、可動域設定モードにおいて、上述のように所定の軌道を設定せずに、使用者が手動で任意に移動させた軌道に基づいて、可動域を設定しても良い。例えば、使用者に対してできるだけ大きな円を描くように操作部３を移動させる動作を指示し、その際に操作部３が描く軌道を可動域として設定しても良い。或いは、使用者が操作部３を掴みその上から訓練指導者が使用者の手をとって操作部３を任意に移動させることで、可動域を設定しても良い。この場合、例えば、訓練指導者が力センサ６０の入力値を監視し、入力値が所定の閾値を超えないように操作部３を移動させるようにする。

＜他の実施形態＞
上述の運動訓練装置１では、例えば、予めＰＣ７０に、上述の制御が可能なプログラムがインストールされているが、運動訓練装置１が備える制御部に上述のプログラムをインストールしても良い。或いは、既に設置されている運動訓練装置や運動訓練システムが備えるコンピュータにこのプログラムをインストールするようにしても良い。即ち、本発明は、上述の運動訓練装置１に用いられるプログラムであっても良い。

このプログラムは、以下のような工程をコンピュータに実行させるプログラムでもある。即ち、プログラムは、次の２つの工程を有する。まず、第１工程では、使用者が操作部を操作可能な領域である可動域を設定する。例えば、所定の軌道に沿って操作部３を移動させ、力センサ６０の入力値が所定の閾値になった位置を記憶すし、記憶した位置に基づいて、使用者が操作部３を操作可能な領域である可動域を設定する。第２工程では、第１工程で設定した可動域内で能動訓練モードにおける目標軌道（設定軌道）を設定可能である。

１・・・運動訓練装置
３・・・操作部
６・・・第１モータ（Ｘ軸方向駆動モータ）
６ａ・・・エンコーダ（位置検出手段）
３０・・・第２モータ（Ｙ軸方向駆動モータ）
３０ａ・・・エンコーダ（位置検出手段）
６０・・・力センサ
７０・・・ＰＣ（制御部）
７５・・・制御ＣＰＵ
２００・・・駆動部

Claims (12)

1. ＸＹ平面で移動可能な操作部と、
   Ｘ軸およびＹ軸方向駆動モータを有し、前記操作部をＸＹ平面で駆動する駆動部と、
   前記操作部を操作する使用者から前記操作部に作用するＸ軸およびＹ軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙを検出する力センサと、
   前記ＸＹ平面における前記操作部の位置を検出する位置検出手段と、
   前記Ｘ軸およびＹ軸方向駆動モータを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   使用者が設定軌道に沿って前記操作部を操作する能動訓練モードと、
   使用者が前記操作部を操作可能な領域である可動域を設定する可動域設定モードと、
   前記可動域設定モードで設定した前記可動域内で、前記能動訓練モードにおける前記設定軌道を設定可能な軌道設定モードと、を実行可能である、
   ことを特徴とする運動訓練装置。
2. 前記制御部は、前記軌道設定モードで設定する前記設定軌道を、前記可動域内で複数設定する、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の運動訓練装置。
3. 前記設定軌道は、予め記憶された形状である、
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の運動訓練装置。
4. 前記制御部は、前記可動域設定モードで設定された第１の可動域と、前回の前記可動域設定モードで設定された第２の可動域とが異なる領域を有する場合、前記第１の可動域と前記第２の可動域とに跨る領域内で、前記能動訓練モードにおける前記設定軌道を設定する、
   ことを特徴とする、請求項１ないし３の何れか１項に記載の運動訓練装置。
5. 前記可動域設定モードは、前記制御部が前記Ｘ軸およびＹ軸駆動モータを制御して自動で前記操作部を所定の軌道に沿って移動させた場合に、前記力センサの入力値が所定の閾値になった位置を記憶し、前記記憶した位置に基づいて前記可動域を設定するモードである、
   ことを特徴とする、請求項１ないし４の何れか１項に記載の運動訓練装置。
6. 前記可動域設定モードは、使用者がホームポジションから所定の軌道に沿って前記操作部を手動で移動させた場合に、前記操作部が移動した位置のうち、前記ホームポジションから最も遠い位置を記憶し、前記記憶した位置に基づいて前記可動域を設定するモードである、
   ことを特徴とする、請求項１ないし４の何れか１項に記載の運動訓練装置。
7. 前記制御部は、前記可動域設定モードにおいて、前記操作部に対して前記所定の軌道に沿った移動のみ許容するように、前記Ｘ軸およびＹ軸駆動モータを制御する、
   ことを特徴とする、請求項６に記載の運動訓練装置。
8. 前記可動域設定モードは、前記操作部を任意に移動させた軌道に基づいて、前記可動域を設定するモードである、
   ことを特徴とする、請求項１ないし４の何れか１項に記載の運動訓練装置。
9. 前記能動訓練モードには、使用者が前記操作部を操作している際に、前記操作部の位置が前記設定軌道から外れた場合に前記操作部を前記設定軌道に戻すアシスト力を発生させるように、前記Ｘ軸およびＹ軸方向駆動モータを制御するアシストモードを含む、
   ことを特徴とする請求項１ないし８の何れか１項に記載の運動訓練装置。
10. 前記軌道設定モードにおいて前記操作部を手動で移動させることにより前記設定軌道を設定することを特徴とする請求項１に記載の運動訓練装置。
11. 前記軌道設定モードにおいて前記操作部を手動で移動させることにより前記設定軌道を設定する際に、前記制御部は前記操作部の移動範囲を前記可動域設定モードで設定された前記可動域内もしくは前記可動域よりも所定距離外側の領域内となるように前記操作部の移動を制限することを特徴とする請求項１０に記載の運動訓練装置。
12. ＸＹ平面で移動可能な操作部と、
    Ｘ軸およびＹ軸方向駆動モータを有し、前記操作部をＸＹ平面で駆動する駆動部と、
    前記操作部を操作する使用者から前記操作部に作用するＸ軸およびＹ軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙを検出する力センサと、
    前記ＸＹ平面における前記操作部の位置を検出する位置検出手段と、
    前記Ｘ軸およびＹ軸方向駆動モータを制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、使用者が設定軌道に沿って前記操作部を操作する能動訓練モードを実行可能な運動訓練装置に用いられるプログラムであって、
    使用者が前記操作部を操作可能な領域である可動域を設定する第１工程と、
    前記第１工程で設定した前記可動域内で、前記能動訓練モードにおける前記設定軌道を設定可能な第２工程と、をコンピュータにより実行させる、
    ことを特徴とするプログラム。

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