JP7081539B2

JP7081539B2 - バランス訓練装置

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Inventors: 貢菊地
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Description

本発明は、バランス訓練装置に関する。

脚の不自由な患者がリハビリ訓練を行うための訓練装置が普及しつつある。例えば、訓練を行う訓練者を踏み板の上に立たせてその重心位置を観察し、踏み出しを促したり転倒を防いだりするために、踏み板を駆動手段で移動させる訓練装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１５－１００４７７号公報

踏み板が訓練装置に対して微小量移動する構成では、訓練者は原則として床面に対して直立した状態を維持するので、環境の変化に乏しく、訓練者のモチベーションを維持することが困難である。特に訓練試行にゲーム性を与える場合には、ゲームに連動して大きな体感が得られるほど、訓練者は意欲を持って訓練試行に臨むことができる。そこで、バランス訓練装置に移動台車を設け、訓練者を搭乗させた状態でバランス訓練装置ごと移動させる構成がリハビリ訓練に効果的であることがわかってきた。

しかし、このようなバランス訓練装置における移動台車の移動量は、ゲームに連動させる等によって任意に設定できるので、訓練者が搭乗面上で立った状態を維持することが困難になる場合がある。特に訓練者の両足の荷重重心が基準位置からどれだけ変位しているかに応じて移動台車が制御される場合に、例えば搭乗面から片足が浮いてしまうと、訓練者が予期しないような移動台車の急激な動作変動が生じてしまうこともある。そこで、急激な動作変動を抑制する安全制御を行うためにも、正確な荷重重心を算出できることが必要となってきた。

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、バランス機能に疾患を有する訓練者がリハビリ訓練を安全かつ効果的に行えるバランス訓練装置等を提供するものである。

本発明の具体的態様におけるバランス訓練装置は、駆動部を駆動することにより移動面上を移動可能な移動台車と、移動台車に立つ訓練者の足から受ける荷重を検出する検出部と、検出部が検出した荷重から訓練者の搭乗面における両足の荷重重心を算出する算出部と、算出部が算出した荷重重心に基づいて駆動部を駆動して移動台車の移動を制御する制御部とを備え、搭乗面を構成する搭乗プレートは、訓練者のつま先側が載せられる前方プレートと、かかと側が載せられる後方プレートとに分割されており、検出部は、前方プレートの搭乗面とは反対の裏面側において、右足側に偏位して設けられた右前荷重センサと、左足側に偏位して設けられた左前荷重センサと、後方プレートの搭乗面とは反対の裏面側において、右足側に偏位して設けられた右後荷重センサと、左足側に偏位して設けられた左後荷重センサとを含む。このように、それぞれに荷重センサが配置された前方プレートと後方プレートが独立していれば、つま先およびかかとのそれぞれの浮きを正確に検出するとができ、ひいては正確な荷重重心を算出することができる。

上記のバランス訓練装置において前方プレートは、右前荷重センサが設けられた位置に対応する右前プレートと、左前荷重センサが設けられた位置に対応する左前プレートとに分割されており、後方プレートは、右後荷重センサが設けられた位置に対応する右後プレートと、左後荷重センサが設けられた位置に対応する左後プレートとに分割されていても良い。このように左右にも分割されていれば、右足および左足の浮きをより正確に区別することができる。また、搭乗プレートがこのように分割されていれば、訓練者９００は移動台車１１０の移動方向に対して直交する方向を向いて搭乗することができるので、一台のバランス訓練装置で、左右方向のバランス訓練も安全に行うことができる。

また、上記のバランス訓練装置の制御部は、算出部が算出した荷重重心に基づいて訓練者のつま先浮きおよびかかと浮きが生じたかを判定し、その判定結果に基づいて移動台車の移動を制御しても良い。例えば、制御部は、つま先浮きおよびかかと浮きのいずれかが生じたと判定した場合に、移動台車の移動速度を漸減させる減速制御を実行することができる。あるいは、制御部は、つま先浮きおよびかかと浮きのいずれかが生じたと判定した場合に、移動台車の移動速度を予め定められた制限速度以下に制限する制限速度制御を実行しても良い。訓練者につま先浮きおよびかかと浮きが生じた場合には、バランスを崩す可能性も考慮して、このようにより安全な移動制御を実行することが望ましい。

本発明により、バランス機能に疾患を有する訓練者がリハビリ訓練を安全かつ効果的に行えるバランス訓練装置等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。バランス訓練装置のシステム構成を示す図である。荷重重心の算出を説明する図である。安定範囲の設定について説明する図である。訓練試行開始時のゲーム画面と荷重重心を示す図である。訓練試行中のゲーム画面と荷重重心を示す図である。訓練試行中のゲーム画面と荷重重心を示す図である。荷重重心の変位量と移動台車の目標速度の関係を示す図である。荷重重心が安定範囲を外れた場合の様子を示す図である。訓練試行の処理の流れを示す図である。他の実施形態における搭乗プレートの様子と、荷重重心の算出を説明する図である。

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。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訓練装置１００に搭乗を続けようとすると、訓練装置１００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、リハビリ施設の床面等を移動面として、その移動面上を前後方向に移動可能な移動台車１１０と、移動台車１１０に立設され、移動台車１１０に搭乗する訓練者９００の脱落を防止するフレーム１６０を備える。移動台車１１０は、主に、駆動輪１２１、キャスタ１２２、搭乗プレート１３０、荷重センサ１４０、コントロールボックス１５０を備える。

駆動輪１２１は、走行方向に対して２つの前輪として配置されている。駆動輪１２１は、駆動部としての不図示のモータによって回転駆動され、移動台車１１０を前進させたり後退させたりする。キャスタ１２２は、従動輪であり、走行方向に対して２つの後輪として配置されている。搭乗プレート１３０は、訓練者９００が搭乗して両足を載置する搭乗部である。具体的には、搭乗プレート１３０は、訓練者９００の両足のつま先側が載せられる前方プレート１３０ａと、両足のかかと側が載せられる後方プレート１３０ｂとに分割されている。前方プレート１３０ａと後方プレート１３０ｂのそれぞれは、訓練者９００の搭乗に耐える比較的剛性の高い、例えばポリカーボネート樹脂製の平板が用いられる。前方プレート１３０ａと後方プレート１３０ｂのそれぞれは、荷重センサ１４０を介して移動台車１１０の上面に支持されている。

荷重センサ１４０は、例えばロードセルであり、移動台車１１０に立つ訓練者９００の足から受ける荷重を検出する検出部としての機能を担う。荷重センサ１４０の具体的な配置については後述する。コントロールボックス１５０は、後述する演算処理部やメモリを収容する。

フレーム１６０は、開閉扉１６１と手摺り１６２を含む。開閉扉１６１は、訓練者９００が搭乗プレート１３０に搭乗する場合に開いて、訓練者９００の通路を形成する。訓練試行を行う場合には閉じられてロックされる。手摺り１６２は、訓練者９００がバランスを崩しそうになった時や不安に感じた時に掴むことができるように、訓練者９００を取り囲むように設けられている。なお、訓練者９００は、訓練試行を行う間は、手摺り１６２を掴むことなく、自らバランスを取って直立姿勢を保つよう試みる。フレーム１６０は、表示パネル１７０を支持している。表示パネル１７０は、例えば液晶パネルである表示部であり、訓練者９００が訓練試行中に視認しやすい位置に配置されている。

図２は、訓練装置１００のシステム構成を示す図である。演算処理部２００は、例えばＭＰＵであり、メモリ２４０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。駆動輪ユニット２１０は、駆動輪１２１を駆動するための駆動回路やモータを含む。また、駆動輪ユニット２１０は、駆動輪１２１の回転量を検出するロータリエンコーダを含む。

操作受付部２２０は、訓練者９００やオペレータからの入力操作を受け付けて、操作信号を演算処理部２００へ送信する。訓練者９００やオペレータは、操作受付部２２０を構成する、装置に設けられた操作ボタンや表示パネル１７０に重畳されたタッチパネル、付属するリモコン等を操作して、電源のオン／オフや訓練試行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２３０は、演算処理部２００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、表示パネル１７０に表示する。メモリ２４０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。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記憶している。メモリ２４０は、特に、訓練者９００が楽しく訓練試行を行えるようにゲーム形式で課題を与えるプログラムである課題ゲーム２４１を記憶している。荷重センサ１４０は、前方プレート１３０ａと後方プレート１３０ｂのそれぞれに２つずつ設けられており、前方プレート１３０ａと後方プレート１３０ｂを介して訓練者９００の足から加えられる荷重を検出して、その検出信号を演算処理部２００へ送信する。

演算処理部２００は、制御プログラムの要請に従って様々な演算や個別要素の制御を実行する機能実行部としての役割も担う。荷重算出部２０１は、４つの荷重センサ１４０の検出信号を取得して、訓練者９００の搭乗面における両足の荷重重心を算出する。具体的な算出方法については後述する。

範囲設定部２０２は、訓練者９００が搭乗面で直立を維持できると推定される荷重重心の範囲である安定範囲を設定する。具体的な設定方法については後述する。移動制御部２０３は、駆動輪ユニット２１０へ送信する駆動信号を生成し、駆動輪ユニット２１０を介して移動台車１１０の移動を制御する。本実施形態においては特に、モータを駆動して移動台車１１０を移動させる訓練試行中に、荷重重心が安定範囲を外れたと判断した場合に、安全を確保するための安全制御を実行する。安全制御の詳細については後述する。

図３は、荷重重心の算出を説明する図である。図示するように、前方プレート１３０ａは、搭乗面とは反対の裏面側において、右足側に偏位して設けられた右前荷重センサ１４０ａと、左足側に偏位して設けられた左前荷重センサ１４０ｂに支持されている。同様に、後方プレート１３０ｂは、搭乗面とは反対の裏面側において、右足側に偏位して設けられた右後荷重センサ１４０ｃと、左足側に偏位して設けられた左後荷重センサ１４０ｄに支持されている。前方プレート１３０ａと後方プレート１３０ｂの全体としての搭乗プレート１３０の中心位置を基準位置ＲＰと定める。

基準位置ＲＰを原点とし、図示するように、進行方向に直交する方向をＷ軸、進行方向をＬ軸と定める。また、右前荷重センサ１４０ａ、左前荷重センサ１４０ｂ、右後荷重センサ１４０ｃ、左後荷重センサ１４０ｄが設置されているそれぞれの位置を（Ｗ_ｒｈ、Ｌ_ｆｒ）、（Ｗ_ｌｈ、Ｌ_ｆｒ）、（Ｗ_ｒｈ、Ｌ_ｒｒ）、（Ｗ_ｌｈ、Ｌ_ｒｒ）とする。右前荷重センサ１４０ａが検出した荷重をｆ_ａ、左前荷重センサ１４０ｂが検出した荷重をｆ_ｂとすると、つま先側の荷重重心ＣＰ_ｆの左右方向の座標値Ｗ_ｆは、
（数式１）
Ｗ_ｆ＝（ｆ_ａ×Ｗ_ｒｈ＋ｆ_ｂ×Ｗ_ｌｈ）／（ｆ_ａ＋ｆ_ｂ）
で表わされる。

同様に、右後荷重センサ１４０ｃが検出した荷重をｆ_ｃ、左後荷重センサ１４０ｄが検出した荷重をｆ_ｄとすると、かかと側の荷重重心ＣＰ_ｒの左右方向の座標値Ｗ_ｒは、
（数式２）
Ｗ_ｒ＝（ｆ_ｃ×Ｗ_ｒｈ＋ｆ_ｄ×Ｗ_ｌｈ）／（ｆ_ｃ＋ｆ_ｄ）
で表わされる。

すると、全体の荷重重心ＣＰの座標値（Ｗ_ａｌｌ，Ｌ_ａｌｌ）は、
（数式３）
Ｗ_ａｌｌ＝（（ｆ_ａ＋ｆ_ｂ）×Ｗ_ｆ＋（ｆ_ｃ＋ｆ_ｄ）×Ｗ_ｒ）／（ｆ_ａ＋ｆ_ｂ＋ｆ_ｃ＋ｆ_ｄ）
（数式４）
Ｌ_ａｌｌ＝（（ｆ_ａ＋ｆ_ｂ）×Ｌ_ｆｒ＋（ｆ_ｃ＋ｆ_ｄ）×Ｌ_ｒｒ）／（ｆ_ａ＋ｆ_ｂ＋ｆ_ｃ＋ｆ_ｄ）
と表せる。

このように荷重重心ＣＰが算出される場合は、例えば右足のつま先が浮いた状態では、右足のかかとにかかる荷重が右前荷重センサ１４０ａへ伝わらないので、荷重重心ＣＰ_ｆは、左側に大きく寄る。また、左足のかかとが浮いた状態では、左足のつま先にかかる荷重が左後荷重センサ１４０ｄへ伝わらないので、荷重重心ＣＰ_ｒは、右側に大きく寄る。したがって、つま先およびかかとに浮きが生じた場合には、ＣＰ_ｆおよびＣＰ_ｒが大きく偏るので、これらを観察すれば、つま先およびかかとに浮きが生じたかを判定することができる。例えば、それぞれに閾値を予め設け、当該閾値を超えて一方に偏るような座標値が検出された場合には、浮きが生じていると判定する。また、ｆ_ａおよびｆ_ｂが共に予め定められた閾値よりも小さな場合は、両つま先が浮いた状態であると判定することができる。この場合には、ＣＰ＝ＣＰ_ｒとする。同様に、ｆ_ｃおよびｆ_ｄが共に予め定められた閾値よりも小さな場合は、両かかとが浮いた状態であると判定することができる。この場合には、ＣＰ＝ＣＰ_ｆとする。

図４は、安定範囲の設定について説明する図である。範囲設定部２０２は、訓練試行に先立って訓練者９００が行うキャリブレーション作業を通じて安定範囲を設定する。キャリブレーション作業において、訓練者９００は、搭乗面に対して定められた基準位置ＲＰが両足の中心となるように、できる限り自然な立脚姿勢で搭乗面に立つ。そして、図４の上図に示すように順に、訓練者９００は、立脚姿勢を維持したまま、両足のかかとが浮く直前まで前方に重心を移動させ、次に左足が浮く直前まで右足に重心を移動させ、さらに両足のつま先が浮く直前まで後方に重心を移動させ、最後に右足が浮く直前まで左足に重心を移動させる。荷重算出部２０１は、図示するように、それぞれの重心移動に対して荷重重心ＣＰ_Ｆ、ＣＰ_Ｒ、ＣＰ_Ｂ、ＣＰ_Ｌを算出する。

範囲設定部２０２は、このように算出された荷重重心ＣＰ_Ｆ、ＣＰ_Ｒ、ＣＰ_Ｂ、ＣＰ_Ｌを通過するように滑らかな閉曲線を当てはめ、この閉曲線で囲まれた範囲を安定範囲ＬＣとして設定する。このように設定された安定範囲ＬＣは、訓練者９００の荷重重心がこの範囲に含まれている間は訓練者９００が自らのバランス調整により立脚状態を維持できると期待される範囲である。本実施形態においては、移動台車１１０の移動方向は前後方向であるので、二次元的に定義される安定範囲ＬＣのうち、移動方向に沿ってΔＣ軸と定める。ΔＣ軸に沿って、基準位置ＲＰを０とし、安定範囲ＬＣの最大値をΔＣ_ｍａｘ、最小値をΔＣ_ｍｉｎとする。なお、安定範囲ＬＣは、キャリブレーション作業を通じて設定するほか、訓練者９００の身長、体重、足のサイズ、リハビリ訓練の進捗度合等に対応するものを予め設定されたルックアップテーブルから選択して設定するようにしても良い。

本実施形態においては、課題ゲーム２４１を実行することにより、訓練者９００にトレーニングを促す。演算処理部２００によって処理される課題ゲーム２４１は、刻々と変化するグラフィック映像を生成して表示パネル１７０に映しだし、訓練者９００は、その映像に促されて訓練装置１００の移動操作を行う。

図５（ａ）は、訓練試行開始時のゲーム画面を示す図であり、図５（ｂ）は、訓練者９００のその時点の荷重重心を示す図である。ゲーム画面は表示パネル１７０に表示される映像であり、複数の課題ゲーム２４１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２４１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、訓練装置１００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、ゲーム画面は、ゲームの状況に応じて変化するスコアや経過時間等の情報も含む。

図５（ａ）に示すように、訓練試行開始時においてキャラクタ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。この時、訓練者９００の荷重重心ＣＰは、図５（ｂ）に示すように、基準位置ＲＰと重なっていることが望ましい。すなわち、訓練者９００は、訓練試行を開始する準備として、搭乗プレート１３０の搭乗面に対して定められた基準位置ＲＰを中心が両足の中心となるように、できる限り自然な立脚姿勢で搭乗面に立つ。

図６（ａ）は、訓練試行中のゲーム画面を示す図であり、図６（ｂ）は、訓練者９００のその時点の荷重重心を示す図である。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、自らの重心を前方へ寄せてバランスを調整することにより荷重重心ＣＰを基準位置ＲＰよりも前方へ移動させる。移動制御部２０３は、この時の荷重重心の変位量ΔＣに応じて設定される目標速度Ｖ_Ｔで移動台車１１０を前方へ移動させる。ゲーム画面上のキャラクタＰは、移動台車１１０の目標速度Ｖ_Ｔに連動する速度Ｖ_ｃで画面上方へ移動する。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。テニスボールＢを打ち返すことができれば、スコアが加算される。

図７（ａ）は、さらにその後の訓練試行中のゲーム画面を示す図であり、図７（ｂ）は、訓練者９００のその時点の荷重重心を示す図である。キャラクタＰがテニスボールＢを打ち返したら、訓練者９００は、自らの重心を後方へ寄せてバランスを調整することにより荷重重心ＣＰを基準位置ＲＰよりも後方へ移動させる。移動制御部２０３は、この時の荷重重心の変位量ΔＣに応じて設定される目標速度Ｖ_Ｔで移動台車１１０を後方へ移動させる。ゲーム画面上のキャラクタＰは、移動台車１１０の目標速度Ｖ_Ｔに連動する速度Ｖ_ｃで画面下方へ移動する。所定時間内にキャラクタＰを初期位置Ｔ_ｓまで戻すことができれば、スコアが加算される。

キャラクタＰが打撃位置Ｔ_ｈへ到達するまで、あるいは初期位置Ｔ_ｓへ戻るまでには、キャラクタＰの速度Ｖ_ｃにも寄るが、ある程度の時間を要する。訓練者９００は、その間重心を傾けるバランス調整を行い続けることになる。このバランス調整が、バランス機能に疾患を有する訓練者９００にとって有効なリハビリ訓練となる。また、荷重重心ＣＰは、訓練者９００のバランス調整に応じて刻々と変化し得るので、移動台車１１０の目標速度Ｖ_ＴもキャラクタＰの速度Ｖ_ｃも変化し得る。訓練者９００は、自身のバランス調整に応じてキャラクタＰが移動するのみならず訓練装置１００自体も前後するので、視覚情報に留まらず、平衡感覚や体勢感覚へ作用する体感も得られ、試行訓練を楽しく行うことができる。試行訓練を楽しく行えれば、訓練者がトレーニングを積極的かつ継続的に行うことが期待できる。すなわち、より短期間でのバランス機能回復を望むことができる。

図８は、荷重重心ＣＰの変位量ΔＣと移動台車１１０の目標速度Ｖ_Ｔの関係を示す図である。横軸は変位量ΔＣを表わし、縦軸は目標速度Ｖ_Ｔを表わす。移動制御部２０３は、荷重重心ＣＰが安定範囲ＬＣに収まっている場合には、図示するように、変位量ΔＣに比例して目標速度Ｖ_Ｔを決定する。荷重重心ＣＰが安定範囲ＬＣに収まっている場合にΔＣが取り得る最大値は、図４に示すように、ΔＣ_ｍａｘであり、そのときの目標速度Ｖ_ＴはＶ_ＴＭＡＸである。同様に、変位量ΔＣが取り得る最小値は、ΔＣ_ｍｉｎであり、そのときの目標速度Ｖ_ＴはＶ_ＴＭＡＸである。ΔＣが正の値であれば移動台車１１０は前進し、負の値であれば後退する。なお、比例係数は、訓練レベルに応じて定めても良い。この場合、訓練レベルが上がるにつれて、比例係数を大きくすると良い。

リハビリ訓練中である訓練者９００は、訓練試行の間継続的に首尾良くバランス調整を行えるわけではない。時には手摺り１６２に掴まってしまったり、搭乗プレート１３０上でいずれかの足を踏み換えたりすることもある。特に、重心荷重ＣＰの変位量ΔＣに対する移動台車１１０の目標速度Ｖ_Ｔは任意に設定し得るので、訓練者９００にとって当該設定が適切でない場合もある。何の制限措置も施さないまま変位量ΔＣに比例する目標速度Ｖ_Ｔで移動台車１１０を制御すると、例えば搭乗面から片足が浮いてしまう場合などにおいて、訓練者９００が予期しないような移動台車１１０の急激な動作変動が生じてしまうこともある。そこで、本実施形態における移動制御部２０３は、荷重算出部２０１が算出した荷重重心ＣＰが安定範囲ＬＣを外れた場合に、安全制御を実行する。

図９は、荷重重心ＣＰが安定範囲ＬＣを外れた場合の様子を示す図である。図は、訓練者９００がバランスを調整しきれず、左足を前方へ踏み出した様子を示している。

図示する荷重重心ＣＰに対しΔＣ軸に沿う実際の変位量はΔＣであるが、目標速度決定に適用する変位量ΔＣ’を、基準位置ＲＰと荷重重心ＣＰを結ぶ線分が安定範囲ＬＣの外周曲線と交叉する点に対する変位量とする。このΔＣ’は、ΔＣ_ｍｉｎ以上ΔＣ_ｍａｘ以下の値となるので、移動制御部２０３は、図８の関係を用いて目標速度Ｖ_Ｔを決定することができる。このように目標速度Ｖ_Ｔを決定すれば、移動台車１１０の移動速度が急激に変化することがない。また、訓練者９００が踏み換えた足を直ちに元へ戻すことも期待できるので、そのまま訓練試行を継続することもできる。すなわち、訓練者９００に対する安全確保と、訓練試行の円滑な遂行の両立を図ることができる。

なお、移動台車１１０の目標速度Ｖ_Ｔは、適用する変位量ΔＣ’に対応する速度を上限の制限速度として、この制限速度以下に設定しても構わない。荷重重心ＣＰが安定範囲ＬＣを外れるような場合には訓練者９００が慌てていることも想定されるので、例えば、荷重重心ＣＰが安定範囲ＬＣを外れてから一定期間の間は、適用する変位量ΔＣ’に対応する速度に０．９程度の係数を掛けた速度を目標速度Ｖ_Ｔとしても良い。

図１０は、訓練試行の処理の流れを示すフロー図である。フローは、例えば、訓練者９００が搭乗プレート１３０に搭乗した状態で開始される。範囲設定部２０２は、ステップＳ１０１で、キャリブレーションを実行する。具体的には、図４を用いて説明したように、訓練者９００に順次重心を移動させるキャリブレーション作業を促す。例えば、表示パネル１７０に「次は左足が浮く直前まで右足に重心を移動させてください」などと表示する。荷重算出部２０１は、重心が移動されるたびに荷重センサ１４０からの検出信号を受信して、順次荷重重心ＣＰ_Ｆ、ＣＰ_Ｒ、ＣＰ_Ｂ、ＣＰ_Ｌを算出する。範囲設定部２０２は、ステップＳ１０２へ進み、算出された荷重重心ＣＰ_Ｆ、ＣＰ_Ｒ、ＣＰ_Ｂ、ＣＰ_Ｌから安定範囲ＬＣを設定する。

演算処理部２００は、ステップＳ１０３へ進み、メモリ２４０から指定された課題ゲーム２４１を読み出し、課題ゲーム２４１を通じた訓練試行を開始する。演算処理部２００は、表示制御部２１３を介して、課題ゲーム２４１の進捗に合わせた映像を表示パネル１７０へ表示する。

ステップＳ１０４へ進むと、荷重センサ１４０は、課題ゲーム２４１の進捗に合わせて、訓練者９００の足から受ける荷重を検出し、検出した検出信号を荷重算出部２０１へ引き渡す。荷重算出部２０１は、ステップＳ１０５で、受け取った検出信号から荷重重心を算出して移動制御部２０３へ引き渡す。

ステップＳ１０６へ進み、移動制御部２０３は、荷重算出部２０１から受け取った荷重重心が、範囲設定部２０２で設定された安定範囲ＬＣの範囲内であるか否かを判断する。範囲内であると判断したら、ステップＳ１０７へ進み、算出された荷重重心に対応する実際の変位量ΔＣに応じて移動台車１１０の目標速度を設定する。範囲外であると判断したら、ステップＳ１０８へ進む。

移動制御部２０３は、ステップＳ１０８で、訓練者９００のつま先浮きおよびかかと浮きの少なくともいずれかが生じたか否かを判定する。浮きが生じていないと判定したら、ステップＳ１０９へ進み、図９を用いて説明したように算出された荷重重心から適用する変位量ΔＣ’を算出し、これに応じて移動台車１１０の目標速度を設定する。浮きが生じていると判定したら、ステップＳ１１０へ進み、図９を用いて説明したように算出された荷重重心から適用する変位量ΔＣ’を算出し、これに応じた移動台車の目標速度から、時間経過と共に目標速度を漸減させる減速制御に移行する。ステップＳ１０７、Ｓ１０９、Ｓ１１０で目標速度が設定されたら、ステップＳ１１１へ進む。

移動制御部２０３は、ステップＳ１１１へ進むと、設定された目標速度に応じた駆動トルクを算出し、当該駆動トルクを出力させる駆動信号を駆動輪ユニット２１０へ送信する。なお、移動制御部２０３は、駆動輪ユニット２１０から駆動輪１２１の回転速度を逐次取得して、目標速度との差が０となるようにフィードバック制御を行う。

なお、減速制御を行う場合には、浮きを判定した時点における目標速度Ｖ_Ｔから一定時間をかけて目標速度を一旦０にする。この場合の一定時間は、目標速度Ｖ_Ｔの大きさや訓練者９００のリハビリ訓練の進捗度合に応じて定めても良い。このような安全制御を実行すれば、訓練試行を安全に中断して、訓練者９００を落ち着かせることができる。移動制御部２０３は、訓練者９００の再開指示を受け付けたり、一定時間が経過したりした場合に、訓練試行を再開すると良い。

演算処理部２００は、ステップＳ１１０で、訓練試行が終了したか否かを判断する。訓練試行は、例えば、課題ゲーム２４１の終了や設定された時間の経過、目標項目の達成などによって終了する。演算処理部２００は、終了していないと判断したらステップＳ１０４へ戻り、訓練試行を継続する。終了したと判断したらステップＳ１１１へ進む。演算処理部２００は、ステップＳ１１１へ進むと、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パネル１７０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。

なお、浮きが生じていると判定した場合には、移動制御部２０３は、減速制御に代えて制限速度制御に移行しても良い。制限速度制御は、上述のように、適用する変位量ΔＣ’に対応する速度を上限の制限速度とし、例えば浮きが判定されてから一定期間の間は、適用する変位量ΔＣ’に対応する速度に０．９程度の係数を掛けた速度を目標速度Ｖ_Ｔとする。いずれにしても、浮きを検出した場合には、より安全を重視した速度制御を実行することが好ましい。

以上説明した本実施形態においては、搭乗プレート１３０を前方プレート１３０ａと後方プレート１３０ｂに分割した例を説明した。搭乗プレート１３０の分割例はこれに限らない。図１１は、他の実施形態における搭乗プレート１３１の様子と、荷重重心の算出を説明する図である。図示するように、搭乗プレート１３０は、右前プレート１３１ａ、左前プレート１３１ｂ、右後プレート１３１ｃ、左後プレート１３１ｄに分割されている。そして、右前プレート１３１ａは、搭乗面とは反対の裏面側に設けられた右前荷重センサ１４１ａに支持されている。同様に、左前プレート１３１ｂは、左前荷重センサ１４１ｂに、右後プレート１３１ｃは、右後荷重センサ１４１ｃに、左後プレート１３１ｄは、左後荷重センサ１４１ｄにそれぞれ支持されている。

図３の例と同様に、基準位置ＲＰ、Ｗ軸、Ｌ軸と定め、右前荷重センサ１４０ａ、左前荷重センサ１４０ｂ、右後荷重センサ１４０ｃ、左後荷重センサ１４０ｄが設置されているそれぞれの位置を（Ｗ_ｒｈ、Ｌ_ｆｒ）、（Ｗ_ｌｈ、Ｌ_ｆｒ）、（Ｗ_ｒｈ、Ｌ_ｒｒ）、（Ｗ_ｌｈ、Ｌ_ｒｒ）とする。右前荷重センサ１４０ａが検出した荷重をｆ_ａ、左前荷重センサ１４０ｂが検出した荷重をｆ_ｂとすると、全体の荷重重心ＣＰの座標値（Ｗ_ａｌｌ，Ｌ_ａｌｌ）は、
（数式５）
Ｗ_ａｌｌ＝（（ｆ_ａ＋ｆ_ｃ）×Ｗ_ｒｈ＋（ｆ_ｂ＋ｆ_ｄ）×Ｗ_ｌｈ）／（ｆ_ａ＋ｆ_ｂ＋ｆ_ｃ＋ｆ_ｄ）
（数式６）
Ｌ_ａｌｌ＝（（ｆ_ａ＋ｆ_ｂ）×Ｌ_ｆｒ＋（ｆ_ｃ＋ｆ_ｄ）×Ｌ_ｒｒ）／（ｆ_ａ＋ｆ_ｂ＋ｆ_ｃ＋ｆ_ｄ）
と表せる。

このように算出される荷重重心ＣＰによっても、上述の実施形態と同様の移動制御を実行することができる。また、このように搭乗プレート１３０が前後に加えて左右にも分割されていれば、右足および左足の浮きをより正確に区別することができる。また、搭乗プレートがこのように分割されていれば、訓練者９００は移動台車１１０の移動方向に対して直交する方向を向いて搭乗することができるので、一台の訓練装置１００で、左右方向のバランス訓練も安全に行うことができる。

なお、以上説明した各実施形態においては、最小個数の荷重センサを配置する場合を説明したが、それぞれ荷重センサの個数を更に増やしても良い。荷重センサの個数を増やすことにより、搭乗プレート１３０の安定性を高めることができ、また、荷重重心の精度を高めることができる。

以上説明した本実施形態においては、移動台車１１０は、前後に移動する構造を有していたので、これに対応する移動制御、課題ゲームを採用した。しかし、移動台車１１０が左右方向にも移動する構造を有するのであれば、相応の移動制御、課題ゲームを採用することができる。上記の実施形態においては、二次元的に規定される安定範囲ＬＣに対して、移動台車１１０の移動方向である前後方向の変位量ΔＣを算出して速度制御を行ったが、移動台車１１０が左右方向にも移動できるのであれば、基準位置ＲＰから荷重重心へのベクトルに応じて移動方向と目標速度を決定することもできる。

１００訓練装置、１１０移動台車、１２１駆動輪、１２２キャスタ、１３０、１３１搭乗プレート、１３０ａ前方プレート、１３０ｂ後方プレート、１３１ａ右前プレート、１３１ｂ左前プレート、１３１ｃ右後プレート、１３１ｄ左後プレート、１４０、１４１荷重センサ、１４０ａ、１４１ａ右前荷重センサ、１４０ｂ、１４１ｂ左前荷重センサ、１４０ｃ、１４１ｃ右後荷重センサ、１４０ｄ、１４１ｄ左後荷重センサ、１５０コントロールボックス、１６０フレーム、１６１開閉扉、１６２手摺り、１７０表示パネル、２００演算処理部、２０１荷重算出部、２０２範囲設定部、２０３移動制御部、２１０駆動輪ユニット、２２０操作受付部、２３０表示制御部、２４０メモリ、２４１課題ゲーム、９００訓練者

Claims

駆動部を駆動することにより移動面上を移動可能な移動台車と、
前記移動台車に立つ訓練者の足から受ける荷重を検出する検出部と、
前記検出部が検出した前記荷重から前記訓練者の搭乗面における両足の荷重重心を算出する算出部と、
前記算出部が算出した前記荷重重心に基づいて前記駆動部を駆動して前記移動台車の移動を制御する制御部と
を備え、
前記搭乗面を構成する搭乗プレートは、前記訓練者のつま先側が載せられる前方プレートと、かかと側が載せられる後方プレートとに分割されており、
前記検出部は、前記前方プレートの前記搭乗面とは反対の裏面側において、右足側に偏位して設けられた右前荷重センサと、左足側に偏位して設けられた左前荷重センサと、前記後方プレートの前記搭乗面とは反対の裏面側において、右足側に偏位して設けられた右後荷重センサと、左足側に偏位して設けられた左後荷重センサとを含み、
前記制御部は、前記算出部が算出した前記荷重重心に基づいて前記訓練者のつま先浮きおよびかかと浮きが生じたかを判定し、その判定結果に基づいて前記移動台車の移動を制御する
バランス訓練装置。
前記前方プレートは、前記右前荷重センサが設けられた位置に対応する右前プレートと、前記左前荷重センサが設けられた位置に対応する左前プレートとに分割されており、
前記後方プレートは、前記右後荷重センサが設けられた位置に対応する右後プレートと、前記左後荷重センサが設けられた位置に対応する左後プレートとに分割されている請求項１に記載のバランス訓練装置。
前記制御部は、前記つま先浮きおよび前記かかと浮きのいずれかが生じたと判定した場合に、前記移動台車の移動速度を漸減させる減速制御を実行する請求項１または２に記載のバランス訓練装置。
前記制御部は、前記つま先浮きおよび前記かかと浮きのいずれかが生じたと判定した場合に、前記移動台車の移動速度を予め定められた制限速度以下に制限する制限速度制御を実行する請求項１～３のいずれか１項に記載のバランス訓練装置。