JP7327194B2

JP7327194B2 - 訓練装置

Info

Publication number: JP7327194B2
Application number: JP2020021785A
Authority: JP
Inventors: 知之渥美
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-02-12
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2023-08-16
Anticipated expiration: 2040-02-12
Also published as: JP2021126245A

Description

本発明は、訓練装置に関する。

特許文献１には、脚の不自由な患者がリハビリを行うためのリハビリ支援装置を開示している。特許文献１のリハビリ支援装置は、フォースプレートと荷重検出センサとを有している。被験者はフォースプレートの上に立つことができる。荷重検出センサはフォースプレートにかかる荷重を検出している。フォースプレートが、被験者の重心位置の移動に伴って水平方向に移動している。

特開２０１５－１００４７７号公報

このような装置では、重心位置をより高い精度で算出することで、より効果的な訓練を行うことができる。つまり、重心位置の精度が低い場合、水平方向が動作を効果的に行うことができないというおそれがある。

本開示は、効果的な訓練を行うことが可能な訓練装置を提供するものである。

本開示にかかる訓練装置は、訓練者の重心移動に応じて移動する移動台車と、前記移動台車に乗っている訓練者を撮像する撮像部と、前記撮像部の撮像画像に基づいて、前記訓練者の骨格を推定する骨格推定部と、前記骨格が示す姿勢に基づいて、前記移動台車の移動を制御する移動制御部と、前記移動台車に乗っている前記訓練者をサポートするために設けられた手摺りと、を備え、前記手摺りは、前記骨格推定部が前記手摺りを直線形状と認識しないような形状又は模様を有している。

本開示によれば、効果的な訓練を行うことが可能な訓練装置を提供することができる。

実施の形態１にかかる訓練装置の構成を示す図である。訓練装置の制御系を示す制御ブロック図である。実施の形態２にかかる訓練装置の構成を示す図である

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲にかか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。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施形態にかかる訓練装置１００の概略斜視図である。訓練装置１００は、例えば、訓練者９００がバランス能力を改善するためのバランス訓練装置である。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を有している。また訓練装置１００は、移動台車１１０から離間した位置に設置された撮像部１８０を有している。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。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矩形平板が用いられる。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。荷重センサ１４０は搭乗プレート１３０の四隅に配置され、搭乗プレート１３０を支持する。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と支柱１６３とを含む。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。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。

手摺り１６２は、訓練者をサポートするために設けられている。訓練中に訓練者９００は手摺り１６２を把持することができる位置に、手摺り１６２が配置されている。訓練者９００の自重の一部を支えるために、訓練者９００が手摺り１６２を把持する。これにより、訓練者９００がバランスを崩した場合でも、訓練者９００の転倒を防ぐことができる。よって、訓練者９００が、より安心してバランス訓練を行うことができる。

フレーム１６０は例えば、金属製又は樹脂製のパイプ等で形成されている。パイプを連結又は屈曲させることで、フレーム１６０が形成される。例えば、フレーム１６０は鉛直方向に沿って延びる支柱１６３を有している。４本の支柱１６３が移動台車１１０から上方向に延びている。移動台車１１０の右前、左前、右後ろ、左後ろの四角に支柱１６３が固定されている。

支柱１６３の上端には、手摺り１６２が設けられている。手摺り１６２は、水平方向に沿って設けられている。手摺り１６２は上面視において矩形枠状に形成されている。手摺り１６２は、訓練者９００の前後左右にそれぞれ設けられている。上面視において、手摺り１６２は訓練者９００を囲むように設けられている。開閉扉１６１は、訓練者９００の右側の側面に配置されており、鉛直方向と平行な回転軸周りに開閉する。フレーム１６０には、縞模様が付されている。つまり、開閉扉１６１と手摺り１６２と支柱１６３には、縞模様が付されている。この理由については後述する。

撮像部１８０は、訓練中の訓練者の全身および移動台車１１０の画像を撮像して距離情報を含む画像データを取得し、取得した画像データをコントロールボックス１５０に供給する測距センサである。撮像部１８０は、画像データから訓練者の重心が推定できるように、例えば訓練者の側面の画像を撮像するように設置される。撮像部１８０は、画像データを逐次コントロールボックス１５０に送信するための無線通信装置を併せ持つ。なお、撮像部１８０は、フレーム１６０の外側に配置されている。

図２は、訓練装置１００のシステム構成を示す図である。訓練装置１００は、システム構成として、演算処理部２００、駆動部２１０、操作受付部２２０、表示制御部２３０、メモリ２４０、荷重センサ１４０および撮像部１８０を有している。

演算処理部２００は、例えばＭＰＵ（Micro Processing Unit）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。また演算処理部２００は、実行した訓練の結果をメモリ２４０に記録する。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。演算処理部２００は、第１重心算出部２０１、第２重心推定部２０２、判断部２０３、移動制御部２０４、及び骨格推定部２０５を有している。

第１重心算出部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、その位置を第１重心とする。

骨格推定部２０５は、撮像部１８０の撮像画像に基づいて、訓練者９００の骨格を推定する。骨格推定部２０５は、撮像部１８０から撮像画像を取得して、画像解析処理を施す。骨格推定部２０５は、画像解析によって、訓練者９００の骨格を推定する。例えば、骨格推定部２０５は、撮像画像中において、各関節の位置を検出する。ここでは、首関節、肩関節、股関節、肘関節、手首関節、膝関節、足首関節などの位置が検出される。骨格推定部２０５は、各関節位置により、訓練者９００の骨格を推定する。骨格推定部２０５は、汎用ソフトウェアによって、骨格推定を行ってもよい。骨格推定部２０５は、訓練者９００の全身の骨格を推定してもよく、一部分の骨格を推定してもよい。なお、骨格推定部２０５の一部機能は、撮像部１８０に設けられていてもよい。

ここで、骨格推定部２０５で推定される骨格では、上腕、前腕、大腿、下腿、及び体幹（胴体）などが、直線状となっている。つまり、骨格推定部２０５は、撮像画像において直線状に検出される部分を訓練者９００の上腕、前腕、大腿、下腿等と認識する。なお、上腕は、肩関節から肘関節までの直線状の部分であり、前腕は肘関節から手首関節までの直線状の部分である。大腿は、股関節から膝関節までの直線状の部分であり、下腿は膝関節から足首関節までの直線状の部分である。なお、以下の説明では、上腕、前腕をまとめて腕とし、大腿、下腿をまとめて脚とする。

撮像部１８０の撮像画像に直線状の部材があると、骨格推定部２０５は、直線状の部材を腕や脚などと誤認識してしまうおそれがある。フレーム１６０は、訓練者９００の周りにあるため、撮像画像にフレーム１６０が含まれてしまう。骨格推定部２０５は、直線状のフレーム１６０を腕や脚と誤認識してしまうおそれがある。そこで、本実施の形態では、フレーム１６０に縞模様を付している。これにより、骨格推定部２０５が、直線状のフレーム１６０を腕や脚と誤認識することを防ぐことができる。骨格の推定精度を向上することができる。

骨格推定部２０５がフレーム１６０を直線形状と認識しないような模様がフレーム１６０に付されている。例えば、フレーム１６０は、白色と黒色とが交互に出現する縞模様となっている。ここでは、縞模様が白黒であるとして説明するが、縞模様の色は特に限定されるものではない。また、３色以上の色を用いた縞模様が設けられていてもよい。

例えば、鉛直方向に延びる支柱１６３には、上下方向に白と黒が交互に現れる。つまり、支柱１６３では、白の上側及び下側が黒となり、黒の下側及び上側が白となっている。また、水平方向に延びる手摺り１６２には、水平方向に白と黒が交互に現れる。例えば、手摺り１６２の左右方向に延びる部分には、白の左右が黒となっており、黒の左右が白となっている。手摺り１６２の前後方向に延びる部分には、白の前後が黒となっており、黒の前後が白となっている。このように、フレーム１６０が延びる方向において、フレーム１６０には、異なる色が交互に現れるように着色されている。

フレーム１６０が縞模様となっている。これにより、骨格推定部２０５が、フレーム１６０の一部分を腕や脚などと誤認識するのを防ぐことができる。もちろん、フレーム１６０に設ける模様や縞模様に限られるものではない。例えば、フレーム１６０に波模様やドット模様、格子模様、などを付してもよい。また、文字や記号などを模様として付してもよい。フレーム１６０全体に模様を付さなくてもよい。つまり、骨格推定部２０５が誤認識しやすい部分にのみに模様が付されていてもよい。また、骨格推定部２０５にフレーム１６０の模様を登録しておいてもよい。そして、フレーム１６０の模様が認識された直線状の部分を脚や腕と認識しないように、骨格推定部２０５が画像処理を行ってもよい。

第２重心推定部２０２は、推定された骨格から訓練者の姿勢を解析し、解析した訓練者の姿勢から訓練者の重心位置である第２重心を推定する。第２重心推定部２０２は、例えば骨格の質量や、訓練者の身長や体重などのデータベースを予め記憶し、画像データから推定した訓練者の体格と、データベースとを照合することにより、重心を推定してもよい。

判断部２０３は、訓練中の訓練者に対して所定の注意喚起等のメッセージを出力することを判断する。所定の注意喚起とは、例えば訓練者の姿勢が試行中の訓練内容に適合していない場合に、正しい姿勢をとることを促すメッセージである。このようなメッセージを出力することを判断するために判断部２０３は、重心と姿勢との差を算出し、算出した第１重心と第２重心との差と予め設定された閾値とを比較することにより、訓練者に対する注意喚起を出力することを判断する。

骨格推定部２０５で推定された骨格が示す姿勢に基づいて、移動制御部２０４が移動台車１１０を制御する。移動制御部２０４は、駆動部２１０へ送信する駆動信号を生成し、駆動部２１０を介して移動台車１１０の移動を制御する。駆動信号は、例えば、重心や姿勢の変化に応じて予め設定された速度または予め設定された加速度により移動することを駆動部２１０に指示する信号である。駆動信号は、重心や姿勢の変化に応じて予め設定された距離を移動することを駆動部２１０に指示する信号であってもよい。したがって、移動制御部２０４は、骨格推定部２０５で推定された骨格が示す重心位置に基づいて、移動台車１１０の移動を制御する。

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、訓練者に対するメッセージ等や、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。本実施の形態における表示制御部２３０は、訓練者９００に対するメッセージとして、訓練中の姿勢が正しくないことを注意喚起するメッセージを表示する。

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。つまり、演算処理部２００がメモリ２４０に格納された制御プログラムを実行することで、第１重心算出部２０１、第２重心推定部２０２，判断部２０３，移動制御部２０４，及び骨格推定部２０５の処理が実行される。

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。本実施例において、搭乗プレート１３０を支持する４個の荷重センサ１４０は、それぞれが検出する鉛直方向の荷重を検出信号として演算処理部２００へ送信する。

駆動部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、駆動部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。駆動部２１０は、駆動輪１２１を駆動させる駆動部であって、移動制御部が生成する駆動信号に従って駆動輪１２１を駆動する。駆動部２１０は、例えば訓練者９００の重心の変化に応じて予め設定された速度または予め設定された加速度により、または予め設定された移動距離に移動台車１１０を移動させるべく駆動輪１２１を駆動する。

このように、本実施の形態では、手摺り１６２が縞模様を有している。これにより、手摺り１６２が腕や脚と誤認識されることを防ぐことができる。骨格推定の精度を向上することができるため、第２重心推定部２０２が重心位置を精度よく推定することができる。したがって、訓練者９００が、効果的に訓練を行うことが可能となる。

＜実施の形態２＞
実施の形態２にかかる訓練装置１００について、図３を用いて説明する。図３は、訓練装置１００の主要部を示す図である。実施の形態２では、フレーム１６０のみが異なっている。なお、フレーム１６０以外の構成は、実施の形態１と同様であるため、適宜説明を省略する。

フレーム１６０は、骨格推定部２０５がフレーム１６０を直線形状と認識しないような形状を有している。本実施の形態では、フレーム１６０が円形状となっている。ここでは、４つの円形の輪がフレーム１６０として設けられている。訓練者９００の前後左右にそれぞれ円形の輪が設けられることで、フレーム１６０を構成している。実施の形態１と同様に、訓練者９００は、フレーム１６０の内部に入って、バランス訓練を行う。なお、４つの輪の１つは、実施の形態１の開閉扉１６１と同様に開閉してもよい。フレーム１６０の上側の円弧部分が手摺り１６２となる。つまり、サポートを受けるために、訓練者９００がフレーム１６０の上側部分を把持することができる。この構成により、手摺り１６２が腕や足と誤認識されるのを防ぐことができるため、骨格の推定精度を向上することができる。

なお、図３では、フレーム１６０が円形となっていたが、フレーム１６０は曲線形状となっていればよい。例えば、フレーム１６０は、円弧形状、楕円形状、あるいは波形状となっていてもよい。さらには、複数の曲線形状を組み合わせた形状であってもよい。フレーム１６０は、訓練者９００が把持しやすい曲線形状となっていることが好ましい。もちろん、フレーム１６０の全体が曲線形状となっていなくてもよい。例えば、腕や脚と誤認識されやすい場所のみ、フレーム１６０が曲線形状となっていてもよい。

さらに、実施の形態１と実施の形態２は適宜組み合わせることが可能である。例えば、フレーム１６０を曲線形状とした上で、曲線形状部分に縞模様等を付してもよい。あるいは、フレーム１６０の一部を曲線形状として、残りの部分を直線形状としてもよい。そして、直線形状の部分に縞模様などが付されていてもよい。手摺り１６２は、骨格推定部２０５が手摺り１６２を直線形状と認識しないような形状又は模様を有している。このようにすることで、骨格の推定精度を向上することができる。

近年のカメラ性能の向上やプロセッサの処理能力の向上によって、マーカ無しでも骨格推定が可能となる。つまり、訓練者９００が関節などに検出用マーカを装着しなくても、骨格推定部２０５が撮像画像から骨格を推定することができる。マーカ無しの場合、直線形状の手摺り１６２が腕や脚と誤認識されるおそれがある。したがって、本実施の形態では、手摺り１６２は、骨格推定部２０５が手摺り１６２を直線状と認識しないような形状又は模様を有している。これにより、骨格推定精度を向上することができるため、姿勢や重心位置を高い精度で算出することができる。したがって、移動台車１１０を適切に駆動させることができるため、訓練者９００が効果的な訓練を行うことができる。

なお、演算処理部２００などで実行されるプログラムは、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
１３１載置面
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
１８０撮像部
２００演算処理部
２０１第１重心算出部
２０２第２重心推定部
２０３判断部
２０４移動制御部
２０５骨格推定部
２１０駆動部
２２０操作受付部
２３０表示制御部
２４０メモリ
９００訓練者

Claims

訓練者の重心移動に応じて移動する移動台車と、
前記移動台車に乗っている訓練者の側面の画像を撮像する撮像部と、
前記撮像部の撮像画像に基づいて、前記訓練者の骨格を推定する骨格推定部と、
前記骨格が示す姿勢に基づいて、前記移動台車の移動を制御する移動制御部と、
前記移動台車に乗っている前記訓練者をサポートするために設けられた手摺りと、を備え、
前記手摺りは、前記骨格推定部が前記手摺りを直線形状と認識しないような形状又は模様を有している、訓練装置。
側面視において、前記手摺りが、円弧形状、楕円形状又は波形状の部分を有している請求項１に記載の訓練装置。
側面視において、前記手摺りに縞模様が形成されている請求項１、又は２に記載の訓練装置。