JP6740927B2

JP6740927B2 - バランス訓練装置

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Publication number: JP6740927B2
Application number: JP2017027002A
Authority: JP
Inventors: 優佐々木; 高橋　正浩; 正浩高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-02-16
Filing date: 2017-02-16
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2037-02-16
Also published as: JP2018130383A

Description

本発明は、バランス訓練装置の制御方法に関する。

倒立振子型の移動装置を、訓練者である搭乗者がバランスを取りながら走行させることにより、歩行に必要な重心移動を訓練者に習得させるバランス訓練装置が知られている。訓練は、移動装置の移動を表示装置に表示されたキャラクタの移動に連動させ、表示装置を介して与えられるゲーム形式の課題を達成することにより行われることがある。訓練者は、このような課題を連続的に試行することにより、一定のトレーニング効果を得る。

特開２０１６−７３３８６号公報

倒立振子型の移動装置は、表示装置等を備えるバランス訓練装置の本体とは独立して移動するので、電力供給源として充電式のバッテリが採用されることが多い。一方で、ゲーム形式の課題は、訓練者が選択するレベル等によってその難易度が決定されるが、難易度の高い課題は、移動装置に対して短時間に長距離の移動を要求する。したがって、移動装置は、バッテリの残容量や温度によっては、与えられた課題をそもそも性能的に達成できないことがあった。移動装置の性能が原因で与えられた課題が達成できないのであれば、訓練者の意欲減退を招いてしまう。

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、訓練者の課題への意欲を維持して高いトレーニング効果を期待できるバランス訓練装置を提供するものである。

本発明の一態様におけるバランス訓練装置は、訓練者が搭乗して移動操作を行う、バッテリとモータを備えた倒立振子型の移動装置と連動するバランス訓練装置であって、バッテリの温度と残容量を検出する検出部と、バッテリの温度と残容量ごとに予め作成された、電力供給が可能なモータの回転数とトルクの範囲を示すバッテリマップと、訓練者に初期位置から目標位置への往復移動を所定時間以内に行わせる課題ごとに予め作成された、課題の遂行に必要とするモータの回転数とトルクの範囲を示す課題マップとを記憶する記憶部と、複数の課題マップから、検出部が検出した温度と残容量に対応するバッテリマップが示す範囲に収まるモータの回転数とトルクの範囲を示す課題マップを選択し、選択された課題マップに対応する課題を実行する制御部とを備える。

このように、バッテリの状態に応じて達成可能な課題を選択すれば、移動装置の性能によって課題が達成できないということがなくなるので、訓練者の課題への意欲を維持できる。

本発明により、訓練者の課題への意欲を維持して高いトレーニング効果を期待できるバランス訓練装置を提供することができる。

本実施形態にかかるバランス訓練装置の概略斜視図である。移動装置の概略斜視図である。バランス訓練装置のシステム構成を示す図である。課題試行中の表示映像の例を示す図である。課題試行中の表示映像の推移を示す図である。課題試行中に移動装置が移動する様子を示す図である。課題リストを説明する図である。課題マップを説明する図である。バッテリマップを説明する図である。課題選択可否の判断を説明する図である。一回の課題ゲームの開始から終了までの処理を示すフロー図である。

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、本実施形態にかかるバランス訓練装置の一例としての訓練装置１００の概略斜視図である。訓練装置１００は、片麻痺などの障害を持つ障害者が歩行に必要な重心移動を習得するためや、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装置である。訓練装置１００は、連動して作動する移動装置１２０を含む。例えば、足関節機能を回復させたい訓練者９００がバランスを取りつつ移動装置１２０に搭乗を続けようとすると、移動装置１２０は、訓練者９００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。

訓練装置１００は、主に、全体の骨格を成すフレーム１３０に取り付けられた制御盤１３３、ハーネス引張部１１２と、訓練者９００が搭乗する移動装置１２０を備える。

訓練者９００やオペレータは、移動装置１２０をフレーム１３０に囲まれた走行面に移動させてから、訓練を実施する。走行面には、移動装置１２０の正常な移動範囲として移動制限範囲１９０が設定されている。また、その中央付近に、移動装置１２０の基準位置となる初期位置Ｖ_ｓが設定されている。初期位置Ｖ_ｓは、訓練者９００等が認識できるように、床面等にマーキングが施されている。また、移動制限範囲１９０も、訓練者９００等が視認識できるように、床面等にマーキングが施されていることが好ましい。

フレーム１３０は、モータやセンサの制御を行う全体制御部２１０を収容する制御盤１３３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１３８などを支持している。また、フレーム１３０は、訓練者９００の頭上部付近でハーネス引張部１１２を支持している。

訓練装置１００は、装具１１０、ハーネスワイヤ１１１、ハーネス引張部１１２を主な構成要素とする、安全装置としてのハーネス装置を備える。ハーネス装置は、訓練者９００がバランスを崩しそうな場合に、訓練者９００の上体を支えて訓練者９００の安全を図る。装具１１０は、訓練者９００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。ハーネスワイヤ１１１は、一端が装具１１０に連結されており、他端がハーネス引張部１１２の巻取機構に連結されている。ハーネス引張部１１２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１１１を巻き取ったり繰り出したりする。

移動装置１２０は、倒立振子の姿勢制御モデルに基づいて姿勢を保ちつつ移動する同軸二輪車であり、訓練装置１００と連動して作動する倒立移動訓練装置である。移動装置１２０の位置は、フレーム１３０に設置された位置センサ１１３によって検出される。位置センサ１１３は、例えば、レーザレンジファインダや超音波センサである。なお、本実施形態において位置センサ１１３は、移動制限範囲１９０内に示す矢印方向における一次元上の移動装置１２０の位置を検出するが、位置センサ１１３は、二次元上の位置や回転量も検出できるものであっても良い。

図２は、移動装置１２０の概略斜視図である。移動装置１２０は、全体の骨格を成す基台１２６に、左右に跨がる搭乗台１２１、左駆動輪１２３、右駆動輪１２４、ハンドルユニット１２５が備え付けられて構成されている。

ハンドルユニット１２５は、訓練者９００が把持してバランスを保つための支えとしての機能を担うと共に、前進および旋回を指示するための指示受付部としての機能を担う。具体的には、移動装置１２０は、訓練者９００がハンドルユニット１２５を前方に傾斜させると前進し、後方に傾斜させると後進する。同様に、進行方向に対して左側に傾斜させると左方向へ旋回し、右側に傾斜させると右方向へ旋回する。なお、後述する課題においては、訓練者９００は移動装置１２０を前進させたり後進させたりするが旋回はさせないので、移動装置１２０は、旋回機能を省いたものであっても良い。

左駆動輪１２３は、左右の搭乗台１２１の中心に対して左側に偏位して取り付けられており、不図示のモータによって回転駆動される。右駆動輪１２４は、左右の搭乗台１２１の中心に対して右側に偏位して取り付けられており、不図示のモータによって回転駆動される。左駆動輪１２３と右駆動輪１２４は、同軸芯線上に平行に配置されている。したがって、左駆動輪１２３と右駆動輪１２４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。後述する移動体制御部は、訓練者９００が搭乗した移動装置１２０の全体の姿勢を検知して、訓練者９００が搭乗した状態を安定的に維持できるように左駆動輪１２３と右駆動輪１２４の回転を制御する。

荷重センサ１２２は、左右の搭乗台１２１のそれぞれに埋め込まれた荷重センサであり、訓練者９００の各脚からの荷重を検知する。バッテリ１２９は、移動装置１２０を動作させるために必要な電力を供給する。バッテリ１２９は、例えばリチウムイオン電池であり、充電により繰り返し利用できる。バッテリについては、後に詳述する。

次に訓練装置１００のシステム構成について説明する。図３は、訓練装置１００のシステム構成図である。全体制御部２１０は、例えばＣＰＵであり、メモリ２１４から読み込んだ制御プログラムを実行することにより、装置全体の制御を実行する。操作受付部２１１は、訓練者９００やオペレータからの入力操作を受け付けて、操作信号を全体制御部２１０へ送信する。訓練者９００やオペレータは、操作受付部２１１を構成する、装置に設けられた操作ボタンやタッチパネル、付属するリモコン等を操作して、電源のオン／オフやトレーニングの開始の指示を与えたり、設定に関する数値の入力やメニュー項目の選択を行ったりする。

表示制御部２１２は、全体制御部２１０からの表示信号に従って、後述する課題ゲームのグラフィック映像等を生成し、表示部１３８に表示する。ハーネス駆動部２１３は、ハーネス引張部１１２を構成する、ハーネスワイヤ１１１を引張するためのモータとその駆動回路を含む。全体制御部２１０は、ハーネス駆動部２１３へ駆動信号を送ることにより、ハーネスワイヤ１１１の巻き取りと、ハーネスワイヤ１１１の引張力を制御する。

位置センサ１１３は、検出した移動装置１２０の位置を全体制御部２１０へ送信する。メモリ２１４は、不揮発性の記憶媒体であり、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、訓練装置１００を制御するための制御プログラム等を記憶している。メモリ２４０は、特に、訓練者９００が楽しくトレーニングできるようにゲーム形式で連続する課題を与えるプログラムである課題ゲーム２１５を記憶している。また、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管理するデータベース２１６を記憶している。

上述のように、移動装置１２０は、フレーム１３０に囲まれた走行面上を走行するが、訓練装置１００は、移動装置１２０に指令を与えたり、センサ情報を受け取ったりするために、全体制御部２１０に接続された通信接続ＩＦ２１９を備える。移動装置１２０も、通信接続ＩＦ２１９と有線または無線によって接続される通信接続ＩＦ２２９を備える。通信接続ＩＦ２２９は、移動装置１２０の移動体制御部２２０に接続されている。通信接続ＩＦ２１９、２２９は、通信規格に則った例えば無線ＬＡＮ等の通信インタフェースである。

移動体制御部２２０は、例えばＣＰＵであり、全体制御部２１０から与えられた制御プログラムを実行することにより、移動装置１２０の制御を実行する。また、移動装置１２０の状態を、通信接続ＩＦ２１９、２２９を介して全体制御部２１０へ通知する。また、全体制御部２１０からの指令を受けて、移動装置１２０の起動／停止等を実行する。

駆動輪ユニット２２１は、左駆動輪１２３、右駆動輪１２４を駆動するための駆動回路やモータを含み、移動体制御部２２０は、駆動輪ユニット２２１へ駆動信号を送ることにより、左駆動輪１２３、右駆動輪１２４の回転を制御する。

姿勢センサ２２２は、加速度センサやジャイロセンサを含み、移動体制御部２２０の要求信号に応じて検出信号を移動体制御部２２０へ送信する。移動体制御部２２０は、これらの検出信号から移動装置１２０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２２１へ送信する。

バッテリセンサ２２３は、バッテリ１２９の残容量を検出する残容量センサや、バッテリ１２９の温度を検出する温度センサを含む。バッテリセンサ２２３は、残容量や温度を含むバッテリ１２９の各種検出結果を移動体制御部２２０へ送信する。

荷重センサ１２２は、訓練者９００が搭乗したことを検出して、検出信号を移動体制御部２２０へ送信する。移動体制御部２２０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。

ハンドルユニット１２５は、基台１２６に軸支された軸支部分に設けられた角度センサを含む。ハンドルユニット１２５は、角度センサが検出した傾斜方向と角度を検出信号として移動体制御部２２０へ送信する。

本実施形態においては、課題ゲーム２１５を実行することにより、訓練者９００にトレーニングを促す。全体制御部２１０によって処理される課題ゲーム２１５は、刻々と変化するグラフィック映像を生成して表示部１３８に映しだし、訓練者９００は、その映像に促されて移動装置１２０の移動操作を行う。

図４は、課題試行中の表示映像の例を示す図である。図は、表示部１３８に表示された映像であり、複数の課題ゲーム２１５の中からテニスをモチーフにしたものが選択され、実行されている様子を示している。

中央に表示されたテニスコートの右側には、テニスボールＢを投擲するキャラクタＭが背景画像に重畳して配され、同じく左側には、投擲されたテニスボールＢを打ち返すキャラクタＰが背景画像に重畳して配されている。キャラクタＭは、課題ゲーム２１５が与える課題に合わせて上下に移動したり投擲したりする動作を表現する。キャラクタＰは、訓練者９００を示すキャラクタであり、移動装置１２０の移動に合わせて上下に移動したり、テニスボールＢの到達に合わせてラケットを振ったりする動作を表現する。テニスボールＢは、キャラクタＭ、Ｐの動作に合わせて、テニスコート上を左右に往復する。

また、ゲームの状況を表す情報も表示される。図示する例では、課題ゲーム２１５の中から「テニス」のゲームが選択されていることを示す「トレーニングゲーム０１」、難易度を示す「レベル０３」、現時点での得点を表す「スコア０１５００」が表示されている。スコアは、課題の達成に対して賦与される数値であり、例えば、テニスボールＢを打ち返すごとに１００点が加点され、初期位置に戻れなかった場合には初期位置までの距離に応じて減点される。

画面の右上には、バッテリ１２９の残容量を示すアイコンＩが表示される。アイコンＩは、残容量に応じて変化する。具体的には、バッテリセンサ２２３が検出した検出信号を、移動体制御部２２０を経由して全体制御部２１０が受け取り、その結果に応じてアイコンＩを表示する表示信号を生成して表示制御部へ送信する。訓練者９００は、アイコンIを確認することにより、課題ゲームを続行できそうかを判断できる。

課題ゲーム２１５は、複数の課題を連続して与え、訓練者９００に試行させる。「テニス」のゲームの場合、１つの課題は、投擲されたテニスボールＢを一回打ち返すものである。１つの課題の試行について、より具体的に説明する。図５は、課題試行中の表示映像の推移を示す図である。また、図６は、課題試行中に移動装置が移動する様子を上方から観察した図である。図５（ａ）と図６（ａ）、図５（ｂ）と図６（ｂ）、図５（ｃ）と図６（ｃ）が、それぞれ対応している。

図５（ａ）は、課題開始直前の様子を示し、キャラクタＰは、上下方向の真ん中である初期位置Ｔ_ｓに位置している。キャラクタＭも、初期位置Ｔ_ｓに対してコートを挟んで反対側に位置している。図６（ａ）は、このときの訓練者９００の状況を示し、移動装置１２０は、移動制限範囲１９０の中央である初期位置Ｖ_ｓ上に留まっている。すなわち、訓練者９００が課題の開始まで待機している状況である。

なお、訓練者９００は、図５（ａ）の画面が表示されている表示部１３８を注視しているので、移動装置１２０が表示部１３８へ向かって移動する場合を前進とする。また、移動装置１２０が表示部１３８から遠ざかるときにも訓練者９００は表示部１３８を注視したままなので、移動装置１２０が表示部１３８から遠ざかる場合を後進とする。

図５（ｂ）は、課題開始直後の様子を示し、キャラクタＭは、この課題に設定された目標位置Ｂ_ｈへテニスボールＢを到達させるべく、コートの上方へ移動してテニスボールＢを投擲する。すると、テニスボールＢは、図示する軌跡に沿って移動する。テニスボールＢが移動する速さは、レベルに応じて予め定められており、レベルが高いほど速い。

訓練者９００は、テニスボールＢがＢ_ｈに到達する前に、Ｂ_ｈで打ち返すことができる打撃位置Ｔ_ｈまでキャラクタＰを移動させる。すなわち、図６（ｂ）に示すように、訓練者９００は、移動装置１２０を移動制限範囲１９０において打撃位置Ｔ_ｈに対応する目標位置Ｖ_ｈへ前進させる。

テニスボールＢがＢ_ｈに到達する前にキャラクタＰをＴ_ｈまで移動させることができれば、テニスボールＢが到達したときにラケットが振られ、テニスボールＢは打ち返される。図５（ｃ）は、キャラクタＰがテニスボールＢを打ち返した後に初期位置Ｔ_ｓまで戻る様子を示す。訓練者９００は、テニスボールＢがコートの右端に到達するまでにキャラクタＰを初期位置Ｔ_ｓへ戻すべく、図６（ｃ）に示すように、移動装置１２０を初期位置Ｖ_ｓへ向かって後進させる。

図５、図６を用いて説明した課題は、表示部１３８に表示したキャラクタＰ等の動作を連動させて、訓練者９００に移動装置１２０を初期位置Ｖ_ｓから目標位置Ｖ_ｈまで前進させ、再び初期位置Ｖ_ｓまで後進させる課題であった。１つ１つの課題は、移動装置１２０を移動させる目標位置Ｖ_ｈまでの距離と方向で定義され、課題の全体は、課題リストによって管理されている。

図７は、課題リストを説明する図である。課題リストは、メモリ２１４のデータベース２１６に予め記憶されている。図示するように、１つ１つの課題には課題番号Ｈ_１、Ｈ_２、…Ｈ_ｎが与えられている。そして、それぞれの課題に対応して、初期位置Ｖ_ｓから目標位置Ｖ_ｈまでの距離Ｄ_１、Ｄ_２、…Ｄ_ｎと、方向「＋」または「−」とが関連づけられている。方向「＋」は、目標位置Ｖ_ｈが初期位置Ｖ_ｓに対して表示部１３８側に位置することを表し、方向「−」は、目標位置Ｖ_ｈが初期位置Ｖ_ｓに対して表示部１３８側とは反対側に位置することを表す。したがって、訓練者９００は、方向「＋」の課題であれば、目標位置Ｖ_ｈへ向かって移動装置１２０を前進させ、方向「−」の課題であれば、目標位置Ｖ_ｈへ向かって移動装置１２０を後進させることになる。

課題ゲーム２１５を実行する全体制御部２１０は、実行させる課題に対応させてキャラクタＭやテニスボールＢのグラフィック映像を生成して表示部１３８に表示する。例えば、課題番号Ｈ_３においては、初期位置Ｖ_ｓから「＋」方向の距離Ｄ_３である目標位置Ｖ_ｓ３に対応する表示画面上の打撃位置Ｔ_ｈ３を計算し、Ｔ_ｈ３の位置でラケットを振った場合にヒットするテニスボールＢの目標位置Ｂ_ｈ３を確定する。そして、テニスボールＢが目標位置Ｂ_ｈ３に到達する軌跡を計算し、当該軌跡に沿ってテニスボールＢを移動させるグラフィック映像を生成して表示部１３８に表示する。

１回の課題ゲームは、課題リストからランダムに選択されるｋ個の課題から成る。個数ｋは、選択されたレベルに応じて変更される。高いレベルほど多くの課題が選択される。また、選択されたレベルによっては、大きな距離が関連づけられた課題は選ばれないなど、課題リストからの課題選択に制限を設けても良い。

課題リストに含まれるそれぞれの課題は、課題マップテーブルへのリンク情報を有する。図８は、課題マップを説明する図である。課題マップは、対応する課題の遂行に必要とする、右駆動輪１２４および左駆動輪１２３を駆動するそれぞれのモータの回転数とトルクの範囲を示すグラフである。課題マップは、選択され得るレベルごとに予め実験やシミュレーションによって作成され、各レベルと課題マップを対とする課題マップテーブルとしてデータベース２１６に記憶されている。

例えば図示する課題Ｈ_１の場合は、選択され得る５つのレベルのそれぞれに対して、課題マップが関連づけられている。課題の試行時に選択されるレベルは、訓練者９００のリハビリ状況等に応じて適宜選択される。課題は、選択されたレベルが高いほど短時間で初期位置Ｖ_ｓに戻ることを要求する。すなわち、課題は、レベルごとに制限時間Ｔを有し、制限時間Ｔは、レベルが高いほど短く設定されている。上述のテニスボールＢの速度は、設定されている制限時間Ｔに応じて調整される。

課題Ｈ_１は、いずれのレベルであっても初期位置Ｖ_ｓから距離Ｄ_１の地点に目標位置を定めるので、選択されたレベルが高いほど、より大きな回転数ＮとトルクＴを必要とする。図示するように、横軸に回転数Ｎ、縦軸にトルクＴを表すと、それぞれのレベルで必要な最大の回転数ＮとトルクＴは、高いレベルほど大きくなっていることがわかる。

このようなレベルごとに関連づけられた課題マップが、課題リストにリストアップされた課題Ｈのそれぞれにリンクされている。したがって、全体制御部２１０が一つの課題Ｈ_ｍを選択すると、Ｈ_ｍにリンクされた課題マップのうち、訓練者９００が選択したレベルに対応する課題マップがデータベース２１６から読み出されて参照される。

なお、ここでは、グラフを用いてモータの回転数とトルクの範囲を模式的に表したが、データベース２１６に記憶する形式は、グラフに限らず、ルックアップテーブルや関数による定義の形式であっても良い。課題とレベルに対応する回転数ＮとトルクＴの利用範囲が定義されたものであれば、いかなる形式であっても構わない。

次にバッテリマップについて説明する。図９は、バッテリマップを説明する図である。例えばリチウムイオン電池のような二次電池は、充電量の残容量とバッテリ温度に依存して給電特性が大きく変化する。本実施形態のように、バッテリからの給電によりモータを駆動する場合には、バッテリの給電特性が、モータ出力の特性となって現れる。一般的には、残容量が大きいほどモータの回転数ＮもトルクＴも大きな出力を得られる。また、バッテリ温度が高いほどモータの回転数ＮもトルクＴも大きな出力を得られる。

バッテリマップは、バッテリ１２９の温度と残容量ごとに、電力供給が可能なモータの回転数ＮとトルクＴの範囲を示すグラフである。本実施形態においてそれぞれのバッテリマップは、図８で説明した課題マップと同様に、横軸に回転数Ｎ、縦軸にトルクＴで表される。

バッテリマップは、所定の温度、所定の残容量ごとに予め実験やシミュレーションによって作成され、作成されたバッテリマップの全体は、バッテリマップテーブルとしてデータベース２１６に記憶されている。例えば図示するように、バッテリマップテーブルは、残容量に対しては４０％から１００％の間を２０％刻みで、バッテリ温度に対しては５℃から４５℃の間を１０℃刻みで、マトリックス状にバッテリマップがそれぞれ作成されている。この範囲に含まれない、残容量が４０％未満の範囲や、バッテリ温度が５℃未満または４５℃以上の範囲に対しては、モータを正常に駆動させる条件としては好ましくない範囲として、全体制御部２１０は、課題の実行を禁止しても良い。すなわち、予め設定された残容量とバッテリ温度の条件を満たさない場合は、全体制御部２１０は、課題の実行を禁止しても良い。

全体制御部２１０は、バッテリセンサ２２３から、移動体制御部２２０を介して、バッテリ１２９の温度と残容量を取得する。そして、取得した温度と残容量に最も近いバッテリマップをデータベース２１６に記憶されたバッテリマップテーブルから選択して読み出し、参照する。

なお、バッテリマップを予め用意する範囲や刻み幅は、要求仕様等によって適宜変更され得る。また、ここでは、グラフを用いてモータの回転数とトルクの範囲を模式的に表したが、データベース２１６に記憶する形式は、グラフに限らず、ルックアップテーブルや関数による定義の形式であっても良い。課題とレベルに対応する回転数ＮとトルクＴの利用範囲が定義されたものであれば、いかなる形式であっても構わない。ただし、バッテリマップの形式は、後述する課題選択可否の判断の効率向上の観点から、課題マップの形式と同じものであることが好ましい。

図１０は、課題選択可否の判断を説明する図である。全体制御部２１０は、訓練者９００等が選択するレベルが高いほど、短時間に長距離の移動を要求する課題Ｈを多く含むように選択する。しかし、バッテリの残容量や温度によっては、選択された課題Ｈをそもそも移動装置１２０の性能的に達成できないことがある。移動装置１２０の性能が原因で与えられた課題が達成できないのであれば、訓練者９００の意欲減退を招いてしまう。

そこで、全体制御部２１０は、与えた課題が移動装置１２０の性能の観点からは実行可能であることを担保すべく、課題Ｈを設定する段階で課題選択可否の判断を行う。課題選択可否の判断は、仮に選択した課題Ｈに対応する課題マップと、バッテリ１２９の現在の温度および残容量に対応するバッテリマップとを掛け合わせて行う。

例えば、図１０（ａ）に示すように、訓練者９００によって選択されたレベルが４であり、全体制御部２１０が仮に選択した課題がＨ_１であって、バッテリ１２９の現在の温度および残容量が１５℃６０％だとする。それぞれに対応する課題マップとバッテリマップをデータベース２１６から抽出して掛け合わせると、右のグラフで示すように、課題マップの領域のうち網線で示す領域が、バッテリマップの領域からはみ出す。このように、課題マップの領域が部分的にバッテリマップの領域からはみ出すのであれば、そのはみ出た領域における回転数ＮおよびトルクＴは、現時点でのバッテリ１２９の能力では出力できないと言える。すなわち、全体制御部２１０は、その課題を実行できないと判断することができる。

一方で、図１０（ｂ）に示すように、同じく、訓練者９００によって選択されたレベルが４であり、全体制御部２１０が仮に選択した課題がＨ_１であっても、バッテリ１２９の現在の温度および残容量が１５℃８０％だと、その判断結果は「実行可能」となる。すなわち、１５℃８０％におけるバッテリマップの領域は、１５℃６０％におけるバッテリマップの領域よりも大きく、課題マップの領域は、１５℃８０％におけるバッテリマップの領域に包含されるので、課題Ｈ_１が実行可能であると判断できる。

図１１は、一回の課題ゲームの開始から終了までの処理を示すフロー図である。フローは、訓練者９００またはオペレータによって訓練装置１００が起動された時点から開始する。ここでは、全体制御部２１０は、起動と同時にメモリ２１４から課題ゲーム２１５のうち「テニス」のゲームを選択して読み出し、実行するものとする。

全体制御部２１０は、ステップＳ１０１で、操作受付部２１１を介して訓練者９００等から難易度としてのレベルの選択を受け付ける。そして、ステップＳ１０２へ進み、カウント変数ｍを１にセットする。さらに、ステップＳ１０３へ進み、位置センサ１１３の出力を監視して、移動装置１２０が初期位置Ｖ_ｓに到達して静止したか否かを判断する。静止していないと判断したら、静止するまで待機する。静止したと判断したら、ステップＳ１０４へ進む。

全体制御部２１０は、ステップＳ１０４で、移動体制御部２２０を介してバッテリセンサ２２３の検出結果を取得し、バッテリ１２９の温度と残容量を確認する。そして、ステップＳ１０５で、ｍ番目に実行する仮の課題として、データベース２１６の課題リストから一つの課題をランダムに選択する。なお、すでに実行不可能と判断された課題は、選択対象から除外する。

全体制御部２１０は、ステップＳ１０６へ進み、選択した課題にリンクされた課題マップテーブルの中から、対応するレベルの課題マップを抽出する。また、ステップＳ１０４で検出したバッテリ１２９の温度と残容量に対応するバッテリマップを、データベース２１６に記憶されたバッテリマップテーブルから抽出する。そして、これらの包含関係を確認する。全体制御部２１０は、図１０を用いて説明したように、バッテリマップの領域から課題マップの一部の領域がはみ出るのであれば、仮に選択した課題の実行は不可能であると判断して、課題を再選択すべくステップＳ１０５へ戻る。課題マップの領域の全部がバッテリマップの領域に包含されるのであれば、仮に選択した課題の実行は可能であると判断して、その課題をｍ番目に課す正式な課題と決定し、ステップＳ１０７へ進む。

全体制御部２１０は、ステップＳ１０７へ進むと、ステップＳ１０６で決定したｍ番目の課題Ｈ_ｍを実行する。具体的には、図５および図６を用いて説明したように、課題Ｈ_ｍの進行を示す映像に移動装置１２０の位置に対応して訓練者９００を示すキャラクタＰを重畳して表示部１３８に表示させる。

全体制御部２１０は、課題Ｈ_ｍの制限時間Ｔ_ｍが終了したらステップＳ１０８へ進み、課題Ｈ_ｍの達成に対して賦与されるスコアを算出し、表示部１３８に表示する累積スコアを更新する。課題Ｈ_ｍの達成に対して賦与されるスコアは、制限時間内に初期位置Ｖ_ｓまで戻れたか否かによって、加点されたり減点されたりする。

全体制御部２１０は、ステップＳ１０９へ進み、カウント変数ｍをインクリメントする。そして、ステップＳ１１１で、インクリメントされたカウント変数ｍと課題の個数ｋを比較する。ｋは、課題ゲームにおいて課される課題の個数である。全体制御部２１０は、ステップＳ１０１において高いレベルが選択されている場合には、低いレベルが選択されている場合に比べて、個数ｋを多く設定する。全体制御部２１０は、ｋを超えていないと判断したらステップＳ１０４へ戻り、超えたと判断したらステップＳ１１１へ進む。

全体制御部２１０は、ステップＳ１１１へ進んだ場合は、終了処理を実行して一連のフローを終了する。終了処理は、確定したスコアを表示部１３８に表示したり、これまで実行してきたトレーニングの履歴情報を更新したりする処理である。

このような処理フローによれば、訓練者９００に試行させる課題が移動装置１２０の性能の観点からは実行可能であることを担保できるので、訓練者９００が課題ゲームに取り組む意欲を維持することを期待できる。

なお、以上説明した本実施形態においては、課題マップとバッテリマップの包含関係を判断して課題実行の可否を判断したが、モータの回転数ＮとトルクＴの関係を他の形式で定義する場合においては、それぞれの形式にふさわしい判断手法を用いる。いずれにしても、バッテリの温度と残容量によって定義されるモータの出力限界が、課題に要求されるモータ出力を含んでいれば良い。

１００訓練装置、１１０装具、１１１ハーネスワイヤ、１１２ハーネス引張部、１１３位置センサ、１２０移動装置、１２１搭乗台、１２２荷重センサ、１２３左駆動輪、１２４右駆動輪、１２５ハンドルユニット、１２６基台、１２９バッテリ、１３０フレーム、１３３制御盤、１３８表示部、１９０移動制限範囲、２１０全体制御部、２１１操作受付部、２１２表示制御部、２１３ハーネス駆動部、２１４メモリ、２１５課題ゲーム、２１６データベース、２１９通信接続ＩＦ、２２０移動体制御部、２２１駆動輪ユニット、２２２姿勢センサ、２２３バッテリセンサ、２２９通信接続ＩＦ、９００訓練者

Claims

訓練者が搭乗して移動操作を行う、バッテリとモータを備えた倒立振子型の移動装置と連動するバランス訓練装置であって、
前記バッテリの温度と残容量を検出する検出部と、
前記バッテリの前記温度と前記残容量ごとに予め作成された、電力供給が可能な前記モータの回転数とトルクの範囲を示すバッテリマップと、前記訓練者に初期位置から目標位置への往復移動を所定時間以内に行わせる課題ごとに予め作成された、前記課題の遂行に必要とする前記モータの回転数とトルクの範囲を示す課題マップとを記憶する記憶部と、
複数の前記課題マップから、前記検出部が検出した前記温度と前記残容量に対応する前記バッテリマップが示す範囲に収まる前記モータの回転数とトルクの範囲を示す課題マップを選択し、前記選択された課題マップに対応する課題を実行する制御部と
を備えるバランス訓練装置。