JP7099380B2 - バランス訓練装置、バランス訓練装置の制御プログラムおよびバランス訓練装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、バランス訓練装置およびバランス訓練装置の制御プログラムに関する。

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によって訓練者に与える刺激は、ゲームに連動させる等によって任意に設定できるので、訓練者によっては、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。一方で、大きな刺激があるほどリハビリ訓練としては楽しい。

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バランス機能を回復するための適切なリハビリ訓練を安全に行えるバランス訓練装置等を提供するものである。

本発明の第１の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、複数の設定のうちから選択された設定を用いて荷重重心の変位量から制御量へ変換し、当該制御量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る。このように、荷重重心の変位量に対してどの程度の制御量とするかを複数の設定のうちから選択された設定によって決定すれば、安全な範囲で、訓練者ごとに相応しい刺激を与えることができる。

また、上記のバランス訓練装置において複数の設定のそれぞれは、訓練段階に応じて予め用意されており、変換に用いられる設定は、訓練者の訓練段階に応じて選択されると良い。このように構成されていると、例えば、ゲーム形式で訓練試行を行う場合に、課題ゲームのレベルに応じて移動台車による刺激を変化させることができる。すなわち、訓練者は、自らの訓練段階に応じて、相応しい刺激を楽しむことができる。

また、上記のバランス訓練装置において複数の設定のそれぞれは、変位量が予め設定された閾値までよりも閾値より大きい方が、単位変位量あたりの制御量の変位量が大きくなるように定められていると良い。このように設定されていれば、訓練者が基準位置付近で前後しても、大きな振動が生じることがない。また、訓練者が重心を小さく変動させたときは移動台車も少し動き、重心を大きく変動させたときは移動台車も大きく動く方が、訓練者の感覚によく合致する。

また、上記のバランス訓練装置において制御部は、選択された設定を用いて変位量から目標速度へ変換し、移動台車を当該目標速度に到達させるための制御量を演算すると良い。あるいは、選択された設定を用いて変位量から目標位置へ変換し、移動台車を当該目標位置に到達させるための制御量を演算すると良い。このように、荷重重心の変位量を制御量へ変換する場合に、速度制御に基づいて変換したり、位置制御に基づいて変換したりすれば、訓練者へ与える加速度感を重視したり、施設の広さに応じた制御が行えたりする。また、上記のバランス訓練装置において移動台車は、駆動部の駆動により直線方向に移動可能である場合に、制御部は、荷重重心の当該直線方向に沿った変位量を制御量へ変換すると良い。このように移動方向に沿った荷重重心の変位量に応じて移動台車を移動させれば、訓練者の操作感が向上する。

本発明の第２の態様におけるバランス訓練装置の制御プログラムは、駆動部を駆動することにより移動面上を移動する移動台車に訓練者が立ってバランス訓練を行うバランス訓練装置の制御プログラムであって、移動台車が訓練者の足から受ける荷重を検出する検出ステップと、検出ステップで検出され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ステップと、複数の設定のうちから選択された設定を用いて荷重重心の変位量から制御量へ変換する変換ステップと、制御量に基づいて駆動部を駆動することにより移動台車を移動させる移動ステップとをコンピュータに実行させる。このような制御プログラムによって制御されたバランス訓練装置は、上記の通り、安全な範囲で、訓練者ごとに相応しい刺激を与えることができる。

本発明により、バランス機能に疾患を有する訓練者がバランス機能を回復するための適切なリハビリ訓練を安全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。 荷重重心の変位量と移動台車の移動の関係を説明する図である。 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。 速度制御を行う場合の変位量と目標速度の関係を示す図である。 位置制御を行う場合の変位量と目標位置の関係を示す図である。 訓練試行の処理の流れを示す図である。 他の例における変位量と目標速度の関係を示す図である。

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。なお、移動台車１１０が移動する前後方向をｘ軸と定め、訓練装置１００が初期状態として設置される基準位置を原点（ｘ＝０）とし、前進方向をプラス方向、後退方向をマイナス方向と定める。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。搭乗プレート１３０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。搭乗プレート１３０は、四隅に配置された荷重センサ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。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、搭乗プレート１３０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。具体的には、４つの荷重センサ１４０のそれぞれの位置は既知であるので、それぞれの荷重センサ１４０が検出する鉛直方向の荷重の分布から重心位置を算出して、その位置を荷重重心とする。荷重重心は、このように荷重分布の重心位置として算出するので、訓練者９００の両足が搭乗面に与える足圧中心と捉えることもできる。

位置取得部２０２は、駆動輪ユニット２１０が備えるロータリエンコーダの出力信号や他のセンサ信号を利用して移動台車１１０の現在位置を取得する。例えば、訓練試行の開始時点における位置を原点とし、取得したロータリエンコーダの出力信号を積分することにより、原点からの移動量を現在位置として算出する。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。具体的な制御手法については後述する。

図３は、荷重重心ＣＰの変位量ΔＣと移動台車１１０の移動の関係を説明する図である。訓練試行の開始時に、訓練者９００は、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。その後、訓練者９００は、訓練試行の進捗に応じて自らの重心を移動させ、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から変位させる。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、二次元的に変位する荷重重心ＣＰのうち、移動方向に沿う成分を変位量ΔＣとする。

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４（ａ）は、訓練試行開始時のゲーム画面を示す図であり、図４（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４（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４（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５（ａ）は、訓練試行中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。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５（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に応じて算出される制御量によって駆動輪１２１を駆動し、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のその時の速度ｖ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６（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に応じて算出される制御量によって駆動輪１２１を駆動し、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のその時の速度ｖ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の速度ｖ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。

まず、移動制御部２０３が、速度制御を採用して移動台車１１０を制御する場合について説明する。図７は、速度制御を行う場合の重心荷重の変位量ΔＣと移動台車１１０の目標速度Ｖ_Ｔの関係を示す図である。横軸は重心荷重の変位量ΔＣを表わし、縦軸は目標速度Ｖ_Ｔを表わす。

変位量ΔＣ_ｆｌｉｍは、訓練者９００が足を踏み換えることなく重心を前方に傾けた場合の限界変位量であり、変位量ΔＣ_ｂｌｉｍは、訓練者９００が足を踏み換えることなく重心を後方に傾けた場合の限界変位量である。例えば、変位量ΔＣ_ｆｌｉｍは、訓練者９００に立脚姿勢を維持したままかかとが浮く直前まで重心を前方に傾けてもらった測定結果によって得られ、変位量ΔＣ_ｂｌｉｍは、訓練者９００に立脚姿勢を維持したままつま先が浮く直前まで重心を後方に傾けてもらった測定結果によって得られる。あるいは、移動制御部２０３は、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変位量ΔＣ_ｆｌｉｍ、ΔＣ_ｂｌｉｍ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。

本実施形態の速度制御においては、実線で示すように上級者に対するΔＣ－Ｖ_Ｔ変換式と、点線で示すように初心者に対するΔＣ－Ｖ_Ｔ変換式とが用意されている。上級者に対するΔＣ－Ｖ_Ｔ変換式は、変位量ΔＣが基準位置ＲＰ(ΔＣ＝０）を含むΔＣ_ｂｃ～ΔＣ_ｆｃの範囲にある場合は、傾きα_ａ１（＞０）の比例関係にあり、ΔＣ＝ΔＣ_ｆｃのときにＶ_Ｔ＝ｖ_ａｆｃであり、ΔＣ＝ΔＣ_ｂｃのときにＶ_Ｔ＝ｖ_ａｂｃである。また、変位量ΔＣがΔＣ_ｂｌｉｍ～ΔＣ_ｂｃまたはΔＣ_ｆｃ～ΔＣ_ｆｌｉｍの範囲にある場合は、傾きα_ａ２（＞α_ａ１）の比例関係にあり、ΔＣ＝ΔＣ_ｂｌｉｍのときにＶ_Ｔ＝ｖ_{ａｂｌｉｍ}であり、ΔＣ＝ΔＣ_ｆｌｉｍのときにＶ_Ｔ＝ｖ_{ａｆｌｉｍ}である。

ΔＣ_ｆｃは、例えばΔＣ_ｆｃ＝０．６×ΔＣ_ｆｌｉｍとして設定され、ΔＣ_ｂｃは、例えばΔＣ_ｂｃ＝０．６×ΔＣ_ｂｌｉｍとして設定される。すなわち、ΔＣ_ｂｃ～ΔＣ_ｆｃの範囲は、足浮きを生じることなく立脚状態を維持できる範囲であるΔＣ_ｂｌｉｍ～ΔＣ_ｆｌｉｍの範囲に対して、基準位置ＲＰ近傍の中心範囲に設定されている。そして、この範囲においては、目標速度へ変換する傾きα_ａ１を、ΔＣ_ｂｌｉｍ～ΔＣ_ｂｃおよびΔＣ_ｆｃ～ΔＣ_ｆｌｉｍの範囲における傾きα_ａ２よりも小さくしている。換言すれば、｜ΔＣ_ｂｃ｜および｜ΔＣ_ｆｃ｜を閾値として、変位量の大きさ｜ΔＣ｜が大きい場合に単位変位量あたりの目標速度の増分が大きくなるように定められている。このように設定されていれば、訓練者９００が基準位置ＲＰ付近で重心を前後させても、移動台車１１０に大きな振動が生じることがない。また、訓練者９００が重心を小さく変動させたときは移動台車１１０もゆっくり動き、重心を大きく変動させたときは移動台車１１０も急激に早く動くので、訓練者９００の感覚によく合致することが期待できる。なお、本実施形態においては、移動台車１１０が前進する場合の閾値｜ΔＣ_ｆｃ｜と後退する場合の閾値｜ΔＣ_ｂｃ｜を互いに異なる値としている。しかし、これらの値は、訓練者９００の状態等に合わせて調整され得る。例えば、両閾値を同じ値にしても良いし、前進する場合の閾値｜ΔＣ_ｆｃ｜を後退する場合の閾値｜ΔＣ_ｂｃ｜よりも小さくしても良い。

初心者に対するΔＣ－Ｖ_Ｔ変換式は、変位量ΔＣが基準位置ＲＰ(ΔＣ＝０）を含むΔＣ_ｂｃ～ΔＣ_ｆｃの範囲にある場合は、傾きα_ｂ１（＞０）の比例関係にあり、ΔＣ＝ΔＣ_ｆｃのときにＶ_Ｔ＝ｖ_ｂｆｃであり、ΔＣ＝ΔＣ_ｂｃのときにＶ_Ｔ＝ｖ_ｂｂｃである。また、変位量ΔＣがΔＣ_ｂｌｉｍ～ΔＣ_ｂｃまたはΔＣ_ｆｃ～ΔＣ_ｆｌｉｍの範囲にある場合は、傾きα_ｂ２（＞α_ｂ１）の比例関係にあり、ΔＣ＝ΔＣ_ｂｌｉｍのときにＶ_Ｔ＝ｖ_{ｂｂｌｉｍ}であり、ΔＣ＝ΔＣ_ｆｌｉｍのときにＶ_Ｔ＝ｖ_{ｂｆｌｉｍ}である。

初心者に対するΔＣ－Ｖ_Ｔ変換式においても、ΔＣ_ｂｃ～ΔＣ_ｆｃの範囲における傾きα_ｂ１を、ΔＣ_ｂｌｉｍ～ΔＣ_ｂｃおよびΔＣ_ｆｃ～ΔＣ_ｆｌｉｍの範囲における傾きα_ｂ２よりも小さくしている。また、ΔＣ_ｂｃ～ΔＣ_ｆｃの範囲においては、上級者に対する傾きα_ａ１を初心者に対する傾きα_ｂ１よりも大きく設定している（α_ａ１＞α_ｂ１＞０）。同様に、ΔＣ_ｂｌｉｍ～ΔＣ_ｂｃおよびΔＣ_ｆｃ～ΔＣ_ｆｌｉｍの範囲においても、上級者に対する傾きα_ａ２を初心者に対する傾きα_ｂ２よりも大きく設定している（α_ａ２＞α_ｂ２＞０）。すなわち、上級者用の設定の方が初心者用の設定よりも、移動台車１１０をより激しく移動させる。このような設定により、訓練者９００は、訓練段階に相応しい刺激を楽しむことができる。例えば、上述のテニスをモチーフにした課題ゲーム２４１においては、移動制御部２０３は、ステージをクリアして一定のゲームレベルまで上がったことをトリガとして、初心者用のΔＣ－Ｖ_Ｔ変換式から上級者用のΔＣ－Ｖ_Ｔ変換式へ自動的に切替える。あるいは、訓練者９００やオペレータが、訓練試行の開始時に、操作受付部２２０を介して初心者用または上級者用のいずれかを選択できる構成であっても良い。

なお、本実施形態においては、上級者に対するΔＣ_ｆｃも初心者に対するΔＣ_ｆｃも共に０．６×ΔＣ_ｆｌｉｍとして設定したが、上級者に対するΔＣ_ｆｃと初心者に対するΔＣ_ｆｃの定義をそれぞれ異ならせても良い。例えば、上級者に対してはより狭くΔＣ_ｆｃ＝０．４×ΔＣ_ｆｌｉｍとしても良い。同様に、上級者に対するΔＣ_ｂｃと初心者に対するΔＣ_ｂｃの定義をそれぞれ異ならせても良い。ΔＣ_ｂｃ～ΔＣ_ｆｃの範囲を狭くすれば、移動台車１１０をより激しく移動させることになるので、上級者に対してはより高度な訓練を提供することができる。

次に、移動制御部２０３が、位置制御を採用して移動台車１１０を制御する場合について説明する。図８は、位置制御を行う場合の重心荷重の変位量ΔＣと移動台車１１０の目標位置Ｘ_Ｔの関係を示す図である。横軸は重心荷重の変位量ΔＣを表わし、縦軸は目標位置Ｘ_Ｔを表わす。

変位量ΔＣ_ｆｌｉｍ、ΔＣ_ｂｌｉｍ、ΔＣ_ｂｃ、ΔＣ_ｆｃは、図７におけるΔＣ_ｆｌｉｍ、ΔＣ_ｂｌｉｍ、ΔＣ_ｂｃ、ΔＣ_ｆｃと同様である。本実施形態の位置制御も上述の速度制御と同様に、実線で示すように上級者に対するΔＣ－Ｘ_Ｔ変換式と、点線で示すように初心者に対するΔＣ－Ｘ_Ｔ変換式とが用意されている。上級者に対するΔＣ－Ｘ_Ｔ変換式は、変位量ΔＣが基準位置ＲＰ(ΔＣ＝０）を含むΔＣ_ｂｃ～ΔＣ_ｆｃの範囲にある場合は、傾きβ_ａ１（＞０）の比例関係にあり、ΔＣ＝ΔＣ_ｆｃのときにＸ_Ｔ＝ｘ_ａｆｃであり、ΔＣ＝ΔＣ_ｂｃのときにＸ_Ｔ＝ｘ_ａｂｃである。また、変位量ΔＣがΔＣ_ｂｌｉｍ～ΔＣ_ｂｃまたはΔＣ_ｆｃ～ΔＣ_ｆｌｉｍの範囲にある場合は、傾きβ_ａ２（＞β_ａ１）の比例関係にあり、ΔＣ＝ΔＣ_ｂｌｉｍのときにＸ_Ｔ＝ｘ_{ａｂｌｉｍ}であり、ΔＣ＝ΔＣ_ｆｌｉｍのときにＸ_Ｔ＝ｘ_{ａｆｌｉｍ}である。

ΔＣ_ｂｃ～ΔＣ_ｆｃの範囲においては、目標位置へ変換する傾きβ_ａ１を、ΔＣ_ｂｌｉｍ～ΔＣ_ｂｃおよびΔＣ_ｆｃ～ΔＣ_ｆｌｉｍの範囲における傾きβ_ａ２よりも小さくしている。換言すれば、ΔＣ_ｂｃおよびΔＣ_ｆｃを閾値として、変位量の大きさ｜ΔＣ｜が大きい場合に単位変位量あたりの目標位置の増分が大きくなるように定められている。このように設定されていれば、訓練者９００が基準位置ＲＰ付近で重心を前後させても、移動台車１１０に大きな振動が生じることがない。また、訓練者９００が重心を小さく変動させたときは移動台車１１０も少し動き、重心を大きく変動させたときは移動台車１１０もより遠くへ移動しようとするので、訓練者９００の感覚によく合致することが期待できる。

初心者に対するΔＣ－Ｘ_Ｔ変換式は、変位量ΔＣが基準位置ＲＰ(ΔＣ＝０）を含むΔＣ_ｂｃ～ΔＣ_ｆｃの範囲にある場合は、傾きβ_ｂ１（＞０）の比例関係にあり、ΔＣ＝ΔＣ_ｆｃのときにＸ_Ｔ＝ｘ_ｂｆｃであり、ΔＣ＝ΔＣ_ｂｃのときにＸ_Ｔ＝_ｂｂｃである。また、変位量ΔＣがΔＣ_ｂｌｉｍ～ΔＣ_ｂｃまたはΔＣ_ｆｃ～ΔＣ_ｆｌｉｍの範囲にある場合は、傾きβ_ｂ２（＞β_ｂ１）の比例関係にあり、ΔＣ＝ΔＣ_ｂｌｉｍのときにＸ_Ｔ＝ｘ_{ｂｂｌｉｍ}であり、ΔＣ＝ΔＣ_ｆｌｉｍのときにＸ_Ｔ＝ｘ_{ｂｆｌｉｍ}である。

初心者に対するΔＣ－Ｘ_Ｔ変換式においても、ΔＣ_ｂｃ～ΔＣ_ｆｃの範囲における傾きβ_ｂ１を、ΔＣ_ｂｌｉｍ～ΔＣ_ｂｃおよびΔＣ_ｆｃ～ΔＣ_ｆｌｉｍの範囲における傾きβ_ｂ２よりも小さくしている。また、ΔＣ_ｂｃ～ΔＣ_ｆｃの範囲においては、上級者に対する傾きβ_ａ１を初心者に対する傾きβ_ｂ１よりも大きく設定している（β_ａ１＞β_ｂ１＞０）。同様に、ΔＣ_ｂｌｉｍ～ΔＣ_ｂｃおよびΔＣ_ｆｃ～ΔＣ_ｆｌｉｍの範囲においても、上級者に対する傾きβ_ａ２を初心者に対する傾きβ_ｂ２よりも大きく設定している（β_ａ２＞β_ｂ２＞０）。すなわち、上級者用の設定の方が初心者用の設定よりも、移動台車１１０をより大きく移動させる。このような設定により、訓練者９００は、訓練段階に相応しい刺激を楽しむことができる。例えば、上述のテニスをモチーフにした課題ゲーム２４１においては、移動制御部２０３は、ステージをクリアして一定のゲームレベルまで上がったことをトリガとして、初心者用のΔＣ－Ｘ_Ｔ変換式から上級者用のΔＣ－Ｘ_Ｔ変換式へ自動的に切替える。あるいは、訓練者９００やオペレータが、訓練試行の開始時に、操作受付部２２０を介して初心者用または上級者用のいずれかを選択できる構成であっても良い。

なお、移動制御部２０３に速度制御を行わせるか位置制御を行わせるかは、例えば、複数用意された課題ゲーム２４１のそれぞれの性質に合わせて課題ゲーム２４１ごとに対応付けることができる。あるいは、訓練者９００やオペレータが、訓練試行の開始時に、操作受付部２２０を介して移動制御を採用するか位置制御を採用するかを選択できるようにしても良い。さらには、例えば移動台車１１０の位置に応じて移動制御と位置制御を切り替えても良い。

図９は、訓練試行の処理の流れを示す図である。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。演算処理部２００は、ステップＳ１０１で、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Ｓ１０２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Ｓ１０３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。

そして、移動制御部２０３は、ステップＳ１０４で、受け取った荷重重心から変位量ΔＣを演算する。そして、現在の訓練試行が上級者用として設定されているのか、初心者用として設定されているのかを確認する。移動制御部２０３は、上述のように、初心者用として設定されているのであれば初心者用の変換式を用いて、上級者用として設定されているのであれば上級者用の変換式を用いて、変位量ΔＣを目標速度Ｖ_Ｔまたは目標位置Ｘ_Ｔへ変換する。

目標速度Ｖ_Ｔへ変換した場合には、移動台車１１０を目標速度Ｖ_Ｔに到達させるための制御量としての駆動トルクを算出する。具体的には、移動制御部２０３は、駆動輪ユニット２１０の出力から移動台車１１０の現在の速度ｖを演算し、目標速度Ｖ_Ｔと現在の速度ｖとの差から、例えばＰＩＤ制御により駆動トルクを算出する。目標位置Ｘ_Ｔへ変換した場合には、移動台車１１０を目標位置Ｘ_Ｔに到達させるための制御量としての駆動トルクを算出する。具体的には、移動制御部２０３は、位置取得部２０２から移動台車１１０の現在の位置ｘを受け取り、目標位置Ｘ_Ｔと現在の位置ｘとの差から、例えばＰＩＤ制御により駆動トルクを算出する。そして、ステップＳ１０５へ進み、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へ送信して駆動輪１２１を駆動する。また、演算処理部２００は、これに合わせて表示パネル１７０上のキャラクタＰを移動させ、課題ゲーム２４１を進行させる。

演算処理部２００は、ステップＳ１０６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Ｓ１０２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Ｓ１０７へ進む。演算処理部２００は、ステップＳ１０８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。

図１０は、他の例における変位量ΔＣと目標速度Ｖ_Ｔの関係を示す図である。図７の例においては、上級者用と初心者用の２つのΔＣ－Ｖ_Ｔ変換式を用意したが、図１０に示すように、例えば課題ゲーム２４１が６つのレベルからなる場合には、それぞれのレベルに応じてＬ_１～Ｌ_６の６つのΔＣ－Ｖ_Ｔ変換式を対応させても良い。この場合、レベルが上がるにしたがって、傾きαは大きくなるように設定される。例えば、Ｌ_１の変換式をゲイン１．０とすれば、Ｌ_２～Ｌ_６のゲインを１．１、１．２、１．３、１．４、１．５のように設定し、Ｌ_１の変換式の傾きαに各レベルに応じたゲインを乗じることによってそれぞれの傾きを演算するようにしても良い。また、位置制御に対しても同様にそれぞれのレベルに応じてＬ_１～Ｌ_６の６つのΔＣ－Ｘ_Ｔ変換式を対応させても良い。

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、移動台車１１０の移動方向である前後方向の変位量ΔＣを算出して移動制御を行ったが、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を定め、同様の移動制御を実行することができる。この場合、移動領域は二次元的に定義されるので、第１制御量の重み付けと第２制御量の重み付けも、二次元的に定義しても良い。

また、以上説明した本実施形態においては、速度制御の場合はΔＣ－Ｖ_Ｔ変換式を、位置制御の場合はΔＣ－Ｘ_Ｔ変換式を用いたが、変換式を用いるのではなく、例えばルックアップテーブルを用いて変位量ΔＣを目標速度Ｖ_Ｔまたは目標位置Ｘ_Ｔに変換しても良い。また、速度制御および位置制御に限らず、他の制御を採用しても良い。その場合は、変位量ΔＣを当該制御に応じた制御量へ変換すれば良い。

１００ 訓練装置、１１０ 移動台車、１２１ 駆動輪、１２２ キャスタ、１３０ 搭乗プレート、１４０ 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 位置取得部、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 (6)

1. 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、
   複数記憶された課題ゲームのうち１つの課題ゲームを前記訓練者に提供する提供部と、
   複数の設定のうちから選択された設定を用いて前記荷重重心の変位量から制御量へ変換し、前記制御量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、
   前記制御部は、前記提供部で提供される前記課題ゲームに応じて、
   選択された設定を用いて前記変位量から目標速度へ変換し、前記移動台車を前記目標速度に到達させるための前記制御量を演算する第１演算と、選択された設定を用いて前記変位量から目標位置へ変換し、前記移動台車を前記目標位置に到達させるための前記制御量を演算する第２演算と、のいずれか一方を選択して実行するバランス訓練装置。
2. 前記複数の設定のそれぞれは、訓練段階に応じて予め用意されており、変換に用いられる設定は、前記訓練者の訓練段階に応じて選択される請求項１に記載のバランス訓練装置。
3. 前記複数の設定のそれぞれは、前記変位量が予め設定された閾値までよりも前記閾値より大きい方が、単位変位量あたりの前記制御量の変位量が大きくなるように定められている請求項１または２に記載のバランス訓練装置。
4. 前記移動台車は、前記駆動部の駆動により直線方向に移動可能であり、
   前記制御部は、前記荷重重心の前記直線方向に沿った変位量を前記制御量へ変換する請求項１から３のいずれか１項に記載のバランス訓練装置。
5. 駆動部を駆動することにより移動面上を移動する移動台車に訓練者が立ってバランス訓練を行うバランス訓練装置の制御プログラムであって、
   前記移動台車が訓練者の足から受ける荷重を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップで検出され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ステップと、
   複数記憶された課題ゲームのうち１つの課題ゲームを前記訓練者に提供する提供ステップと、
   複数の設定のうちから選択された設定を用いて前記荷重重心の変位量から制御量へ変換し、前記制御量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ステップと
   を含む処理であって、
   前記制御ステップは、前記提供ステップで提供される前記課題ゲームに応じて、
   選択された設定を用いて前記変位量から目標速度へ変換し、前記移動台車を前記目標速度に到達させるための前記制御量を演算する第１演算と、選択された設定を用いて前記変位量から目標位置へ変換し、前記移動台車を前記目標位置に到達させるための前記制御量を演算する第２演算と、のいずれか一方を選択して実行する
   処理を、コンピュータに実行させるバランス訓練装置の制御プログラム。
6. 駆動部を駆動することにより移動面上を移動する移動台車に訓練者が立ってバランス訓練を行うバランス訓練装置の制御方法であって、
   前記移動台車が訓練者の足から受ける荷重を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップで検出され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ステップと、
   複数記憶された課題ゲームのうち１つの課題ゲームを前記訓練者に提供する提供ステップと、
   複数の設定のうちから選択された設定を用いて前記荷重重心の変位量から制御量へ変換し、前記制御量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ステップと
   を含む処理を、コンピュータが実行するバランス訓練装置の制御方法であって、
   前記制御ステップは、前記提供ステップで提供される前記課題ゲームに応じて、
   選択された設定を用いて前記変位量から目標速度へ変換し、前記移動台車を前記目標速度に到達させるための前記制御量を演算する第１演算と、選択された設定を用いて前記変位量から目標位置へ変換し、前記移動台車を前記目標位置に到達させるための前記制御量を演算する第２演算と、のいずれか一方を選択して実行する
   バランス訓練装置の制御方法。

Images