WO2009157433A1

WO2009157433A1 - 他動訓練装置の支持台用の最適動作条件に関連するシミュレーションおよび計測の方法とシステム

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Publication number: WO2009157433A1
Application number: PCT/JP2009/061389
Authority: WO
Inventors: 和弘越智; 葉一四宮; 孝夫後藤; 尚久小澤
Original assignee: パナソニック電工株式会社
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2009-12-30
Also published as: JP2010004954A; US20110105962A1; TW201007578A; CN102112183A; EP2305355A1; KR20110036066A

Abstract

　シミュレータは、他動訓練装置の支持台を移動させるための動作条件に従って筋活動および関節間力をコンピュータシミュレーションにより求める。条件絞込部は、種々の動作条件に従ってシミュレータで求めた筋活動および関節間力から望ましい筋活動および関節間力に対応する複数の中間条件を求める。動作模擬装置は、中間条件に従って支持台を移動させる。筋電計測装置は、支持台で支持される被験者の筋電を計測する。評価装置は、筋電の計測結果から大きな筋活動量に対応する動作条件を選択し、それを他動訓練装置の動作条件として定める。

Description

他動訓練装置の支持台用の最適動作条件に関連するシミュレーションおよび計測の方法とシステム

　本発明は、他動訓練装置の支持台用の最適動作条件、たとえば、支持台を通じて、相対的に重い筋負荷および軽い関節負荷を使用者にかけるための最適動作条件を決定することができるシミュレーションおよび計測の方法とシステムに関するものである。

　利用者の身体の一部を支えるための支持台を動かして利用者の姿勢を変化させるように構成された種々の他動訓練装置が提案されている。

　たとえば、２００４年１２月９日に公開された日本国特許出願公開番号２００４－３４４６８４は、バランス訓練装置を開示する。この装置は、利用者が跨る形で着座することができる支持台を揺動させることにより乗馬運動を模擬するように構成される。

　２００６年５月１８日に公開された日本国特許出願公開番号２００６－１２２５９５は、揺動型運動装置を開示する。この装置は、足で自重の一部を支える姿勢（座位）をとる利用者の臀部ないし腰部を支持することができる支持台を有し、該支持台を揺動させることにより利用者の脚部に作用する自重の割合を変化させるように構成される。また、利用者が立位の姿勢で足を載せることができる支持台を有し、利用者の足の位置や向きを変化させるように支持台を動かすことにより、歩行運動や脚部の関節可動域を広げるための運動を利用者に提供するように構成される装置も存在する。

　他動訓練装置では、支持台の動作条件を変化させると各筋に作用する負荷の大きさや各関節に作用する負荷の大きさが変化する。すなわち、支持台の動作条件を変化させることにより、負荷が主として作用する筋の種類や当該筋の筋活動の程度が変化し、また各関節における関節間力が変化する。一般的には、関節間力を小さくしつつ、筋活動を高めるように支持台の動作条件を決定することが望ましい。

　ところで、支持台の動作条件と筋活動と関節間力との関係を求める場合に、現状では、複数の被験者に他動訓練装置を実際に利用させ、支持台の動作条件を変化させることによって、筋活動や関節間力がどのように変化するかを計測している。筋活動は、被験者の筋電を計測することにより求めることができるが、関節間力は直接計測することができないから、測定可能な部位に作用する力を計測するとともに、人体を模擬するモデルを用いてコンピュータシミュレーションを行うことによって、関節間力を推定する技術を採用している（たとえば、２００６年２月９日に公開された日本国特許出願公開番号２００６－０３４６４０参照）。この技術では、関節間力として、関節に作用する剪断力を求めている。

　ところで、上述のように他動訓練装置を実際に動作させて筋活動や関節間力を求めると、１日に実測可能な動作条件の種類は２０条件程度が上限になる。したがって、着目する筋の活動を高め、かつ関節間力を小さくするような最適な動作条件を求めようとすれば、膨大な時間を要する上に、被験者の負担が大きくなるという問題を有している。

　また、支持台の動作条件によっては関節間力が大きくなるから、被験者の安全を考慮して実測を行うには、関節間力が大きくなると予想される動作条件を排除して計測を行うことが必要である。その結果、動作条件の選択範囲を必要以上に狭めてしまうことがあり、最適とは言えない動作条件が選択されることもある。

　さらに、他動訓練装置を用いることによる人の実際の筋のすべての動きをコンピュータシミュレーションによって求めることはできず、その一方で、伸展性反射では筋放電量が小さいことがあるから、筋電図から観測できる筋放電量だけで筋使用量を判断すると判断を誤る場合がある。

　本発明の目的は、コンピュータシミュレーションを用いることにより比較的短い時間で多くの動作条件について筋活動および関節間力を評価し、しかもコンピュータシミュレーションのみによって実機の動作条件を決定するのではなく、被験者の筋電も併せて評価することでコンピュータシミュレーションと筋放電量の計測との組み合わせで最適な動作条件を決定することを可能にし、実機に搭載する動作条件を最適化することにある。

　本発明は、利用者の体重の全部または一部を支えるように構成される支持台と、該支持台を動かすように構成される駆動装置とを備え、動作条件に従って該駆動装置を通じて該支持台を動かすことにより該利用者に他動運動を提供するように構成される他動訓練装置の支持台用の最適動作条件に関連するシミュレーションおよび計測の方法である。本発明は、（ａ）複数の動作条件の各々に従って、順次、コンピュータシミュレーションにより該利用者の着目部位における種々の筋活動および種々の関節間力を求めること、該種々の筋活動は種々の筋の活動であり、該種々の関節間力は種々の関節に関する関節間力であり、（ｂ）該複数の動作条件から複数の中間条件を求めること、該複数の中間条件は、該複数の動作条件の各々に従って順次求めた全筋活動および全関節間力が、それぞれあらかじめ決定された筋活動および関節間力範囲内にあれば、当該動作条件を該複数の中間条件に含めることにより得られ、（ｃ）該複数の中間条件の各々に従って、順次、複数の自由度で該支持台を動かすように構成される動作模擬装置を制御しながら、該支持台上の被験者の筋電を計測すること、（ｄ）該複数の中間条件の各々に従って順次計測された各筋電に基づいて、該複数の中間条件から最適動作条件を決定して出力することの複数のコンピュータ実行ステップを含む。

　この発明では、他動訓練装置の実機を用いずにコンピュータシミュレーションにより種々の動作条件について筋活動および関節間力を推定する。それ故に、比較的短い時間で多くの動作条件について筋活動および関節間力を評価することができる。ただし、コンピュータシミュレーションで求めた筋活動および関節間力には誤差があり、とくに多数の動作条件について短時間で評価しようとすればシミュレーションに用いるモデルとしてパラメータの少ない簡単なモデルを用いることになる。したがって、筋活動および関節間力についてコンピュータシミュレーションのみで動作条件を決定すると、最適な動作条件を選択することができない場合がある。

　そこで、本発明では、コンピュータシミュレーションの結果の中から利用者の着目部位における種々の筋活動および種々の関節間力が目的範囲内である複数の動作条件を選択して、中間条件を得る。最適な動作条件はその中間条件から得られる。すなわち、支持台を多自由度で移動させる動作模擬装置を各中間条件で制御することによってコンピュータシミュレーションで得られた中間条件に合致する支持台の動きを実現する。また、支持台上の被験者の筋電を計測しており、中間条件ごとの筋電の計測結果から支持台の動作条件を決定している。

　このようにコンピュータシミュレーションにより絞り込んだ中間条件を用いて被験者の筋電を実測しているから、多種類の動作条件について短時間で大まかに評価することができる。また、評価した動作条件から中間条件を絞り込む際に、筋力の強化効果を重視したり被験者にとっての安全性を重視したりする絞り込みが可能になる。さらに、絞り込んだ中間条件に対して筋電の実測に基づく評価を行うことで、筋電の実測に要する時間が低減され、比較的短い時間でほぼ最適な動作条件を決定することが可能になる。

　一実施形態において、該ステップ（ａ）は、人体のモデルとなる少なくとも１本の倒立振子を、該複数の動作条件の各々に従って順次強制振動させたときの倒立振子の時間経過に伴う位置変化から、該利用者の人体関節の時間経過に伴う位置変化を推定すること、および該推定した位置変化を筋骨格モデルに適用することにより該種々の筋活動および該種々の関節間力を求めることを含む。この実施形態では、他動訓練装置の動作を機械振動モデルである倒立振子のモデルに関連付けることにより、関節の時間経過に伴う位置変化を推定し、関節の位置変化を筋骨格モデルに当てはめることにより、筋骨格モデルを用いて筋活動や関節間力を推算している。それ故に、比較的少ない演算量で筋活動や関節間力を求めることができる。つまり、多数の動作条件について、比較的短時間でコンピュータシミュレーションを行うことができる。

　一実施形態において、該ステップ（ｄ）は、該複数の中間条件の各々に従って順次計測された各筋電から、筋放電量の最大平均値または最大ピーク値を求めること、および該最大平均値または該最大ピーク値に対応する中間条件を、該最適動作条件と定めることを含む。この実施形態では、種々の筋放電量の平均値またはピーク値が最大となる動作条件を他動訓練装置の動作条件として決定するから、被験者の筋電に基づいて中間条件から最適な動作条件を決定する作業を自動化することができる。

　一実施形態において、該関節間力範囲は、規定値以下である。該筋活動範囲は、第１の筋活動から第２の筋活動の範囲である。該第１の筋活動は、該関節間力範囲内にある複数の動作条件に従って求められた各筋活動のうちの最も高い筋活動である。該第２の筋活動は、該関節間力範囲内にある複数の動作条件に従って求められた各筋活動のうちの、規定個数だけ該第１の筋活動よりも低い筋活動である。この実施形態では、中間条件の選択を自動化することができる。

　本発明は、利用者の体重の全部または一部を支えるように構成される支持台と、該支持台を動かすように構成される駆動装置とを備え、動作条件に従って該駆動装置を通じて該支持台を動かすことにより他動運動を該利用者に提供するように構成される他動訓練装置の支持台用の最適動作条件に関連するシミュレーションおよび計測のシステムである。本発明は、シミュレータ、動作模擬装置、筋電測定装置および評価装置を備える。シミュレータは、（ｉ）複数の動作条件の各々に従って、順次、該利用者の着目部位における種々の筋活動および種々の関節間力を、コンピュータシミュレーションにより求め、（ｉｉ）該複数の動作条件から複数の中間条件を求める、ように構成される。該種々の筋活動は種々の筋に関する筋活動である。該種々の関節間力は種々の関節に関する関節間力である。該複数の中間条件は、該複数の動作条件の各々について順次求めた全筋活動および全関節間力が、それぞれあらかじめ定められた筋活動範囲および関節間力範囲内にあれば、当該動作条件を該複数の中間条件に含めることにより得られる。動作模擬装置は、該複数の中間条件の各々に従って、順次、該支持台を複数の自由度で動かすように構成される。筋電測定装置は、該支持台上の被験者の筋電を計測するように構成される。評価装置は、該複数の中間条件の各々に従って順次計測された各筋電に基づいて、該複数の中間条件から最適動作条件を決定して出力するように構成される。本発明は、対応する方法と同様の利点を持つ。

　一実施形態において、該シミュレータは、バランスシミュレータおよび筋・骨格シミュレータを備える。バランスシミュレータは、人体のモデルとなる少なくとも１本の倒立振子を、該複数の動作条件の各々に従って強制振動させたときの倒立振子の時間経過に伴う位置変化から、該利用者の人体関節の時間経過に伴う位置変化を推定するように構成される。筋・骨格シミュレータは、該推定した位置変化を筋骨格モデルに適用することにより種々の筋活動および種々の関節間力を求めるように構成される。本実施形態は、対応する方法と同様の利点を持つ。

　一実施形態において、該評価装置は、該複数の中間条件の各々に従って順次計測された各筋電から、筋放電量の最大平均値または最大ピーク値を求め、該最大平均値または該最大ピーク値に対応する中間条件を、該最適動作条件に定めるように構成される。本実施形態は、対応する方法と同様の利点を持つ。

　本発明の好ましい実施形態をさらに詳細に記述する。本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な記述および添付図面に関連して一層良く理解されるものである。
実施形態を示すブロック図である。実施形態の対象である他動訓練装置を示す斜視図である。他動訓練装置の他例を示す図である。他動訓練装置の別例を示す図である。同上に用いる動作模擬装置の一例を示す側面図である。同上に用いるシミュレータを示すブロック図である。同上の倒立振子によるモデルの例を示す図である。同上における倒立振子の復元力を説明する図である。同上において１リンクモデルと関節の位置との関係を示す図である。同上において２リンクモデルと関節の位置との関係を示す図である。同上に用いる筋の力学モデルを示す図である。同上において種々の動作条件に対して得られた結果を示す図である。同上において候補条件に対する％ＭＶＣを示す図である。

　本実施形態では、他動訓練装置として、利用者の体重の全部または一部を支えるように構成される支持台を備え、駆動装置で支持台を動かす。他動訓練装置１としては、たとえば、図２に示すように、利用者が立った姿勢で利用するものがあり、この他動訓練装置１は、利用者が左右の足をそれぞれ載せる一対の足置き台４１（第１および第２の支持台）を備え、足置き台４１の位置をベースフレーム４０に内蔵した駆動装置（図示せず）により変位させる構成を有している。足置き台４１は、前後方向、左右方向、上下方向、前後方向の軸周り、左右方向の軸周り、上下方向の軸周りの少なくとも１自由度の変位が可能となる駆動装置を用いて駆動される。

　たとえば、伸縮する６本のロッドを備え２本ずつのロッドを並行させて配置したパラレルリンク機構を用いて各足置き台４１をそれぞれ移動させれば、各足置き台４１はそれぞれ６自由度の変位が可能になる。あるいはまた、モータを駆動源とし、クランクやギアなどを組み合わせて直進移動と回転移動との変換を行う機構を用いれば、適宜の自由度で足置き台４１を移動させることができる。とくに駆動源が１個である場合には、左右の足置き台４１を特定の関係で連動させるのが容易になる。

　他動訓練装置１には、図３に示すように、利用者Ｈの臀部を支持する支持台（座部４２）を備え、利用者Ｈが座部４２に跨る形で使用され、座部４２を移動させることにより利用者Ｈに乗馬運動を模擬した運動を行わせる装置がある。また、図４に示すように、利用者Ｈの臀部ないし腰部を支持する支持台（座部４３）と利用者Ｈの左右の各足をそれぞれ載せる支持台（足置き台４４）とを備え、利用者Ｈの荷重を３箇所で支持するとともに座部４３を傾動するように移動させ、座部４３で支持する荷重の割合を変化させることにより、利用者Ｈの脚部に作用する負荷を変化させる装置もある。図４に示す構成では、足置き台４４に作用する荷重に応じて足置き台４４が上下方向に移動可能であって、膝関節の角度がほぼ一定に保たれるようにしてある。

　以下では、図２に示す他動訓練装置１に適用する場合を例として説明するが、本発明の技術思想は、図３または４に示す形態の他動訓練装置１に適用することも可能である。

　本実施形態は、図１に示すように、他動訓練装置１における支持台の動作条件を変更したときの利用者の身体の応答をコンピュータシミュレーションにより求めるシミュレータ２と、他動訓練装置２の支持台の動きを様々な動作条件で模擬する動作模擬装置３と、動作模擬手段３の支持台で支持される被験者Ｈｅについて着目する各筋の筋電を計測する筋電測定装置４とを備える。

　ここに、支持台の動作条件とは、支持台が移動する軌道、振幅（移動範囲）、周波数（移動速度）などのパラメータで設定される条件を意味する。シミュレータ２の内部では、動作条件は支持台の代表点位置の時間変化として表現されるが、シミュレータ２のオペレータは、パラメータ（具体例は後述する）を設定すれば、シミュレータ２の内部において支持台の代表点位置の時間変化が自動的に生成される。

　シミュレータ２で設定する動作条件には、現実の他動訓練装置１に設定できない範囲の動作条件や利用者に許容できないような動作条件であっても設定可能である。実現できない動作条件も含めて種々の動作条件をシミュレータ２で試行すれば、動作条件と利用者の身体の応答との関係についておよその傾向を知ることが可能になる。したがって、シミュレータ２において種々の動作条件を試行すれば、実際に人の搭乗する支持台に適用した場合に、高い運動効果が得られかつ安全な使用が可能な動作条件を絞り込むことが可能になる。

　図１に示す構成では、シミュレータ２で試行した各種の動作条件から動作模擬装置３で試行する中間条件を絞り込むための条件絞込部６を設けている。シミュレータ２と条件絞込部６とはコンピュータにおいてプログラムを実行することにより実現されるものであり、ＣＲＴや液晶ディスプレイのようなモニタ装置と、キーボードやマウスのような入力装置とを備える。

　条件絞込部６では、シミュレータ２で試行した各種の動作条件について得られた結果をモニタ装置の画面上に表示し、オペレータが入力装置を用いることにより中間条件を指定することが可能である。また、後述するように、中間条件として採用するためのルール（つまり、高い運動効果が得られかつ安全な使用が可能な動作条件を選択するルール）を規定しておき、ルールに適合する動作条件のうちルールに対する適合度の高いほうから規定の複数個（たとえば、１０個程度）を中間条件として採用するようにしてもよい。このような方法を採用すれば、中間条件の絞り込みを自動化することが可能である。

　条件絞込部６で中間条件として採用した動作条件は動作模擬装置３に適用される。動作模擬装置３は、図２に示した他動訓練装置２の支持台（足置き台４１）の動きを模擬するものであるから、たとえば、図５に示すように、被験者Ｈｅの左右の足を支持する支持台５１を、それぞれ多自由度（図示例は６自由度）で移動させることが可能な一対のパラレルリンク機構５０を用いる。

　パラレルリンク機構５０は、支持台５１を架台５２に対して６本のリンク５３で支持するとともに、各リンク５３にそれぞれ付設され正逆に回転するモータ５４を用いて各リンク５３を個別に伸縮させることによって、支持台５１を移動させる構成になっている。各リンク５３の各一端はそれぞれ支持台５１と架台５２とにユニバーサルジョイント５５を介して結合される。この構成ではリンク５３の伸縮により、支持台５１を前後方向、左右方向、上下方向、前後軸回り方向、左右軸回り方向、上下軸回り方向に移動させることができる。

　動作模擬装置３の各モータ５４の回転量および回転のタイミングは、図示しないコントローラにより制御される。したがって、条件絞込部６で採用された中間条件で支持台５１を移動させるために、コントローラには、中間条件を各モータ５４の回転量および回転タイミングに変換する変換演算部が設けられている。変換演算部では、１つの中間条件を与えると当該中間条件を各モータ５４に与える操作量の時系列に変換する演算を行う。つまり、変換演算部は、コンピュータにより構成され、中間条件を入力としてモータ５４の操作量を出力する。したがって、変換演算部は、シミュレータ２および条件絞込部６と同じコンピュータで構成することが可能である。

　動作模擬装置３は、被験者Ｈｅを支持台５１上に立たせ、中間条件で支持台５１を移動させた場合における被験者Ｈｅの筋活動を計測する目的で設けられている。したがって、動作模擬装置３を駆動する際には、被験者Ｈｅの着目部位における種々の筋に関する筋活動を筋電測定装置４により検出する。たとえば、図２に示した他動訓練装置１を使用すると、利用者の足部、下腿部、大腿部、臀部、腰背部、腹部などの筋活動が高まると考えられるから、動作模擬装置３に立つ被験者Ｈｅにおいても、これらの筋を着目部位として筋電を筋電測定装置４により計測する。

　シミュレータ２においてシミュレーションを行った動作条件（たとえば、２０００個）の中から１０個の中間条件に絞り込んだとすれば、１０個の中間条件についてそれぞれ被験者Ｈｅの筋電を計測することになる。この場合、１人の被験者Ｈｅのみについて筋電を計測するのではなく、年齢や性別の異なる被験者Ｈｅについて筋電を計測する。また、１人について複数回ずつ筋電を計測するのが望ましい。１０種類程度の中間条件であれば、筋電の実測を行っても比較的短期間で計測できる。

　中間条件についてそれぞれ筋電を計測すれば、各中間条件で支持台５１を移動させることによる人体の筋活動を知ることができるから、評価装置５において、各中間条件のうち筋活動について最適と判断できる中間条件を他動訓練装置１の動作条件として決定する。評価装置５で決定する動作条件は、シミュレータ２で設定した動作条件の中から最終的に１個に絞り込んだものであり、他動訓練装置１を安全に利用できる範囲か否かはシミュレータ２および動作模擬装置３によって検証されており、運動効果については動作模擬装置３によって実証されているから、他動訓練装置１に搭載する動作条件として最適であると言える。

　以下では、上述した各部についてさらに詳しく説明する。シミュレータ２は、図６に示すように、それぞれコンピュータシミュレーションを行う３種類のシミュレータ１０、２０、３０を統合した構成を有する。以下では、第２のシミュレータ２０をバランスシミュレータと呼び、第３のシミュレータ３０を筋・骨格シミュレータと呼ぶ。

　第１のシミュレータ１０は、他動訓練装置１における支持台（足置き台４１）の移動を模擬する装置模擬部１１を備え、他動訓練装置１に設けた動作条件が動作条件設定部１２から入力されることにより、動作条件に応じた支持台の移動を模擬する。

　支持台の移動には必ずしも周期性は要求されず、また支持台の移動軌跡は幾何学形状である必要もない。しかし、動作条件の設定の容易さを考慮し、本実施形態では、支持台の移動が周期性を有し、移動軌跡は１以上の方向の往復移動の合成で表される形状を採用する。つまり、移動軌跡は、前後方向、左右方向、上下方向から選択される直進往復移動と、ロール（前後方向の軸周り）、ピッチ（左右方向の軸周り）、ヨー（上下方向の軸周り）から選択される回転往復移動とから適宜に選択される往復移動の合成で表される（もちろん、１自由度の場合には１種類の往復移動で表される）。

　したがって、動作条件設定部１２において、動作条件として、支持台の移動軌跡を決める往復移動の方向、往復移動の方向ごとの振幅および周期（周波数）、複数の往復移動が合成されている場合の各往復移動の位相関係、往復移動の基準位置（往復移動の中央位置など）を設定することができる。

　本実施形態では、他動訓練装置１の支持台の移動に伴って利用者の筋活動や関節間力を評価することが目的であるから、筋・骨格シミュレータ３０では、体節（骨）、関節、筋（筋肉）を要素とする筋骨格モデルを用いる。関節間力とは、体節（リンク）と関節（関節軸）との間の接触面の法線方向における該関節（関節軸）に作用する力を意味する。

　他動訓練装置の支持台の動きを筋骨格モデルに直接適用するのは困難である。そこで、本実施形態では、バランスシミュレータ２０において、人体の動きの本質を失わない程度に単純化した機械振動系のモデルが、記述され、人体の代わりに使用される。記述したモデルと装置模擬部１１で模擬した他動訓練装置の動作との関係を運動方程式で表している。人体の代用としての機械振動系のモデルの記述は振動モデル生成部２１で行われる。また、上述の運動方程式の解を求める動力学演算を行うために、バランスシミュレータ２０には動力学演算部２２が設けられる。動力学演算部２２では、他動訓練装置を動作させたときの人体の関節の位置の変化（位置および速度）を求める。

　関節の屈伸は当該関節に関連した筋の収縮により生じるから、筋・骨格シミュレータ３０で用いる筋骨格モデルに対して、バランスシミュレータ２０で求めた関節の時間経過に伴う位置の変化を適用することにより、当該関節に関連した筋に作用する負荷（筋活動）を求めることができる。また、体節に作用する負荷が求められることにより関節に作用する負荷（関節間力）が求められる。すなわち、各関節の屈伸に関わる筋の筋活動（筋に作用する負荷）と、各関節に作用する負荷（関節間力）とは、関節の位置の変化（軌道）から逆動力学演算により求められる。

　したがって、筋・骨格シミュレータ３０には、人体の代用としての筋骨格モデルの記述を行う筋骨格モデル生成部３１と、バランスシミュレータ２０で求めた関節の位置の変化から筋負荷および関節負荷を求める逆動力学演算部３２とが設けられる。

　シミュレータ２の動作について、さらに詳しく説明する。装置模擬部１１では、利用者の荷重を支持するための支持台の位置と、各支持台の動作条件とにのみ着目しており、機構についてはとくに考慮しない。言い換えると、装置模擬部１１は、人体のどの部位が支持台で支持され、接触部位のうちのどこをどのように移動させるかを模擬する。人体のうち支持台で支持される部位は、支持台に接触する接触部位であり、接触部位は人体の動きを拘束する拘束条件になる。なお、支持台の移動に関する自由度は動作条件における往復移動の方向に含まれる。

　本実施形態が想定している他動訓練装置１は、利用者の両足を支持し、各足を６自由度で（６方向に）移動させるものであるから、装置模擬部１１では、足置き台４１ごとにそれぞれ移動を規定する６自由度の動作条件が必要である。ただし、左右の足置き台４１は逆位相または同位相で対称に移動するという制約条件を用いることによって、両足置き台４１ごとに個々に動作条件を既定する場合よりは動作条件の記述量を低減させることができる。

　上述したように、動作条件は、シミュレータ２の内部では足置き台４１の代表点位置の時間変化として表されるが、オペレータが動作条件設定部１２から入力する動作条件は、動作軌道、周波数、振幅、位相などの複数個のパラメータにより表される。

　ここでは、床面などに設置されるベースフレーム４０の上面に沿って足置き台４１が移動する場合を想定している。また、実際の他動訓練装置１では、足置き台４１はベースフレーム４１の上面に沿った回転軸の回りで回転往復移動が可能であって、足置き台４１に載せた足を足関節の回りに回転させる（底屈と背屈との少なくとも一方）が可能であるが、シミュレーションを簡単に行うために、本実施形態のバランスシミュレータ２０ではこの動作のシミュレーションを省略している。

　動作軌道は、ベースフレーム４０の上面に沿う面内での足置き台４１の代表点位置の移動軌跡であり、一直線、弧状、８字状などの移動軌跡を選択することができる。周波数は、足置き台４１の１秒間における往復移動の回数であって、足置き台４１の移動速度を規定し、振幅は、足置き台４１の往復移動の際の移動距離を規定する。また、位相は、左右の足置き台４１が同じ位置に移動する動作（たとえば、一方の足置き台４１が移動範囲の前端位置であるときに、他方の足置き台４１も移動範囲の前端位置に位置する動作）と、左右の足置き台４１が逆の位置に移動する動作（たとえば、一方の足置き台４１が移動範囲の前端位置であるときに、他方の足置き台４１が移動範囲の後端位置に位置する動作）とを選択可能である。前者を同相、後者を逆相と呼ぶ。

　パラメータとしては、上述したもののほか、ベースフレーム４０の前後方向に対して足置き台４１の移動方向がなす角度（斜め角度）、左右の足置き台４１の代表点（たとえば、中心点）がなす平均距離（足幅）などがある。また、本実施形態では、バランスシミュレータ２０においては、底屈・背屈を考慮していないが、足置き台４１を上下に回転させて底屈・背屈を行う場合には、足置き台４１の回転軸に関して位置・向き・回転の角度範囲（回転振幅）・回転の角度範囲の中心位置がベースフレーム４０の上面に対してなす角度（オフセット角度）などもパラメータになる。

　ここに、移動方向を表す座標系は左手直交座標系を用い、各座標軸周りの回転は各座標軸の正の向きに向かって右回り（時計方向）としている。また、各座標軸方向への直進移動に関してはそれぞれ適宜の位置を位相が０°である基準位置とし、各座標軸周りの回転移動に関しては当該座標軸に直交する平面に含まれる一方の座標軸の方向をそれぞれ位相が０°である基準位置とする。たとえば、ｘｙｚ直交座標系を用いるとすると、ｘ軸周りの回転移動における基準位置は、ｘ軸に直交するｙｚ平面に含まれるｙ軸の方向またはｚ軸の方向が、位相が０°である基準位置になる。

　本実施形態では、他動訓練装置１における座標系は足置き台４１ごとに設定され、足の大きさは無視して足関節をｙ軸回りの関節軸とみなし、足置き台４１の上面が水平である位置をｘ軸周りとｙ軸周りとの基準位置としている。また、ｘ軸の正の向きは踵から爪先に向かう向きとする。

　装置模擬部１１では、上述したパラメータが与えられると、足置き台４１の時間経過に伴う位置変化を算出する。すなわち、一定時間毎の足置き台４１の位置の時系列を出力する。

　ところで、バランスシミュレータ２０および筋・骨格シミュレータ３０において、人体の代用としてのモデル（人体のモデル）を記述するにあたっては、個人の体格に関する条件が必要である。筋負荷や関節負荷を評価するにはモデルの記述が重要であって、個人の体格の条件としては、身長、体重だけではなく、筋の分布を決める年齢、性別も必要である。また、体脂肪量や筋量などの条件もモデルの記述の精度を高めるのに役立つ条件になる。たとえば、「身長：１７０ｃｍ、体重：６０ｋｇ、年齢：７０歳、性別：男性」を個人の体格に関する条件としてバランスシミュレータ２０および筋・骨格シミュレータ３０に与える。体格の条件は、身体情報入力部１３から入力する。なお、本実施形態では、身体情報入力部１３から（身長，体重，年齢，性別）を入力するものとする。

　身体情報入力部１３から入力された体格の情報は、データ照合部１４において、（身長，体重，年齢，性別）の４つ組と（体節の長さ，体節の質量，体節の慣性モーメント）とを関係付けて登録した人体データ記憶部１５と照合される。人体データ記憶部１５の諸データは、人体の統計的な値により求められたものを用いる。ただし、計算量を低減するために、年齢、性別、体節の慣性モーメントは考慮せず、（身長，体重）に体節の長さ（上半身長、大腿長など）と体節の質量とを関係付けておく。

　なお、（身長，体重）に対する体節の長さおよび質量は解剖学的に求めた統計的な値を用いることができる。しかし、（身長，体重）の標準値に対する体節の長さおよび質量を規定しておき、（身長，体重）が身体情報入力部１３から与えられたときに、体節の長さおよび質量を標準値に対する比例演算（あるいは、他の適宜の関係式）で算出するようにしてもよい。このような演算の際には年齢や性別も考慮する。また、後述するように、人体のモデルの要素として慣性要素や復元要素を考慮する必要があるから、復元力の強さについても、人体データ記憶部１５に格納しておくのが望ましい。復元力についても標準値を規定しておき、年齢や性別ごとの筋力に関するデータを用いて補正するようにしてもよい。

　本実施形態では、上述したように、バランスシミュレータ２０において人体の代用として機械振動系のモデルを記述する。すなわち、足置き台４１に足を載せているから足が接触部位であり、足位置が支持台に拘束されるという拘束条件を有している。この状態で足置き台４１を周期的に移動させると、利用者はバランスを保って真っ直ぐに立とうとする。

　したがって、もっとも簡単な機械振動系のモデルとしては、図７Ａに示すように、利用者の体重に相当する質量Ｍを有する１本のリンクＬからなる倒立振子を用いることができる（以下、「１リンクモデル」という）。この倒立振子の振る舞いを解析するために、倒立振子は、慣性要素（加速度に比例した力を発揮する要素：重力を含む）と減衰要素（速度に比例した力を発揮する要素）と復元要素（変位に比例した力を発揮する要素）との３要素を備えているものとする。

　他動訓練装置１の足置き台４１を周期的に移動させることは、リンクＬの下端位置を周期的に変位させる動作で表すことにし、１リンクモデルでは、リンクＬは下端位置に設けた関節軸Ｊの周りでの回転のみが許容されているものとする。つまり、リンクＬの慣性要素、減衰要素、復元要素は、関節軸Ｊの周りに作用する。したがって、倒立振子の運動は、慣性要素と減衰要素と復元要素とを含む運動方程式で記述することができる。一方、他動訓練装置１が倒立振子に作用させる力は、上述したように、方向ごとに正弦波状に変化する振動としているから、動力学演算部２２において強制振動の運動方程式を解くことによって、倒立振子の位置の時間変化を算出することができる。

　ところで、時刻ｔにおいて関節軸Ｊの周りに作用するトルクＴ（ｔ）については、図８に示すモデルで求めている。関節軸Ｊの周りで体節（リンクＬ）が基準角度θ₀に対して角度θ（ｔ）だけ回転したときに、トルクＴ（ｔ）は、
　Ｔ（ｔ）＝Ｋｐ・（θ（ｔ）－θ₀）＋Ｋｄ・ｄθ（ｔ）／ｄｔ
で表すことができる。

　角度θ（ｔ）は関節角度であって、１リンクモデルではリンクＬの正立位置に対する傾き角度に相当し、一対のリンク間の関節軸Ｊの周りではリンク同士のなす角度になる。なお、関節角度θ（ｔ）は、リンクのなす角度の絶対値を用いるほか、安静時（立位の場合は安静立位時）の関節角度を基準角度として計測した角度を用いてもよい。

　ただし、Ｋｐ：比例ゲイン、Ｋｄ：微分ゲインである。比例ゲインＫｐおよび微分ゲインＫｄは、モデルとする人体の筋力から求められる。トルクＴ（ｔ）は関節角度θ（ｔ）に比例する値のみとしたり、関節角度θ（ｔ）の積分値を加味したり、人体の応答時間を考慮した時間遅れを加味したりしてもよい。また、一般的なＰＩＤ制御と同様に、数１の項を加算してもよい。数１におけるＫｉは積分ゲインである。

　上述した倒立振子によるモデルでは、個々の関節の位置が不明であるから、筋・骨格シミュレータ３０で用いる筋骨格モデルに関節の位置を当てはめることができない。そこで、図９に示すように、実際の他動訓練装置１の初期位置において人体の基準点（たとえば、重心）と各関節との位置関係を実測し、その位置関係をリンクＬの基準点（たとえば、重心）の位置に当てはめることにより、倒立振子における基準点の位置から関節ｊ０～ｊ６の各位置を推定する。なお、図示例において、ｊ０は腰関節、ｊ１，ｊ２は股関節、ｊ３，ｊ４は膝関節、ｊ５，ｊ６は足関節を表す。また、人体の基準点と各関節との位置関係を実測する際にはモーションキャプチャなどの装置を用いる。

　１リンクモデルは単純であるから計算量は少ないが、関節ｊ０～ｊ６の各位置を１個の基準点の位置から推定しているので、求めた関節ｊ０～ｊ６の各位置が高い精度であるとは言えない。そこで、図７Ｂのように、上半身と下半身とに分けた質量Ｍ１，Ｍ２を有する２本のリンクＬ１，Ｌ２と２個の関節軸Ｊ１，Ｊ２とからなるモデル（以下、「２リンクモデル」という）で人体を表すようにしてもよい。

　このモデルでは、図１０に示すように、一方の関節軸Ｊ１に１つの基準点（腰関節など）を関係付けるとともに、各リンクＬ１，Ｌ２にそれぞれ基準点（たとえば、重心）を規定している。ただし、本実施形態では、主として下半身の関節ｊ０～ｊ６について動きを考察するものであるから、各リンクＬ１，Ｌ２のうち上半身に相当するリンクＬ１については、下半身に相当するリンクＬ２の動きに影響を与えるものとしてのみ用いており、各関節ｊ０～ｊ６とリンクＬ１の基準点との位置関係は不要である。

　倒立振子を用いるモデルで各関節位置を精度よく検出するには、図７Ｃのように、筋骨格モデルと同数の体節および関節軸（関節ｊ０～ｊ６）を備えるモデル（以下、「多リンクモデル」という）を用いることが考えられる。多リンクモデルでは、関節ｊ０～ｊ６の位置を個々に求めることができるから、バランスシミュレータ２０で求めた関節ｊ０～ｊ６の各位置をそのまま筋・骨格シミュレータ３０に当てはめることが可能になる。ただし、バランスシミュレータ２０で関節ｊ０～ｊ６の位置を個々に求めるから計算量は大幅に増加する。

　図７Ｃにおいて、Ｍ２１およびＭ２２は、それぞれ第１および第２の支持台２のモデルである。たとえば、多リンクモデル（人体のモデル）は、第１～第６のリンクＬ１～Ｌ６を含む。第１のリンクＬ１は、第１の関節軸Ｊ１を有し、これは関節ｊ３と等価であり、第１のリンクＬ１の下端に配置される。第２のリンクＬ２は、第２の関節軸Ｊ２を有し、これは関節ｊ５と等価であり、第２のリンクＬ２の下端に配置される。また、第２のリンクＬ２の上端は、第１の関節軸Ｊ１を介して第１のリンクＬ１の下端に結合される一方、第２のリンクＬ２の下端は、第２の関節軸Ｊ２を介して第１の支持台のモデルＭ２１に結合される。第３のリンクＬ３は、第３の関節軸Ｊ３を有し、これは関節ｊ４と等価であり、第３のリンクＬ３の下端に配置される。第４のリンクＬ４は、第４の関節軸Ｊ４を有し、これは関節ｊ６と等価であり、第４のリンクＬ４の下端に配置される。また、第４のリンクＬ４の上端は、第３の関節軸Ｊ３を介して第３のリンクＬ３の下端に結合される一方、第４のリンクＬ４の下端は、第４の関節軸Ｊ４を介して第２の支持台のモデルＭ２２に結合される。第５のリンクＬ５は、第５および第６の関節軸Ｊ５，Ｊ６を有し、これらは、それぞれ関節ｊ１，ｊ２と等価であり、第５のリンクＬ５の両端に配置される。また、第５のリンクＬ５の両端は、それぞれ、第５および第６の関節軸Ｊ５，Ｊ６を介して、第１および第３のリンクＬ１，Ｌ３の上端に結合される。第６のリンクＬ６は、第７の関節軸Ｊ７を有し、これは関節ｊ０と等価であり、第６のリンクＬ６の下端に配置される。また、第６のリンクＬ６の下端は、第７の関節軸Ｊ７を介して第５のリンクＬ５の中央に結合される。第１および第２のリンクＬ１，Ｌ２がなす角度に応じた復元力が、第１の関節軸Ｊ１の周りに作用する。第３および第４のリンクＬ３，Ｌ４がなす角度に応じた復元力が、第３の関節軸Ｊ３の周りに作用する。第２のリンクＬ２の正立位置に対する角度に応じた復元力が、第２の関節軸Ｊ２の周りに作用する。第４のリンクＬ４の正立位置に対する角度に応じた復元力が、第４の関節軸Ｊ４の周りに作用する。

　バランスシミュレータ２０では、計算量と精度とがトレードオフになるから、必要に応じてモデルを選択するのが望ましい。たとえば、概略の評価のために図７Ａの１リンクモデルまたは図７Ｂの２リンクモデルを用いて動作条件の範囲を絞り込み、その後、絞り込んだ範囲内で図７Ｃの多リンクモデルを用いて評価を行うようにするなどの使用が可能になる。

　なお、人体データ記憶部１５から抽出されるデータは各体節の長さや質量であるから、１リンクモデルや２リンクモデルを用いる場合には、人体データ記憶部１５から抽出したデータをそのまま用いることができず、リンク長、リンク質量、復元力への修正が必要である。したがって、どのモデルを用いるかに応じて、人体データ記憶部１５から抽出したデータを倒立振子モデル修正部２３において修正することにより、リンク長、リンク質量，復元力を求める。また、図９、１０に示す例では、頭部を分離したモデルを図示しているが、本実施形態では頭部を分離せずに演算を行っている。

　上述した関節ｊ０～ｊ６の各位置は所定の時間間隔で求められる。すなわち、動力学演算部２２では、関節ｊ０～ｊ６の各々の時間経過に伴う位置変化を算出する。言い換えると、関節ｊ０～ｊ６の各位置の時系列を出力する。

　筋・骨格シミュレータ３０は、バランスシミュレータ２０の動力学演算部２２で求めた関節ｊ０～ｊ６の各位置の時間変化を筋骨格モデルに適用し、逆動力学演算により各筋負荷および各関節負荷を算出する。筋骨格モデルは、倒立振子を用いた人体のモデルと同様に、身体情報入力部１３から入力された（身長，体重，年齢，性別）を用いて設定される。すなわち、データ照合部１４において身体情報入力部１３から入力されたデータを人体データ記憶部１５と照合することにより、得られた体節の長さ、体節の質量、体節の慣性モーメントなどを用いる。また、人体データ記憶部１５から抽出したデータは、必要に応じて筋骨格モデル修正部３３において修正される。筋骨格モデル生成部３１では、必要に応じて修正されたデータを用いて筋骨格モデルを生成する。

　筋骨格モデルは、筋を伸縮しない線、骨格を剛体のリンク、関節を関節軸として表したものである。筋・骨格シミュレータ３０に設けた逆動力学演算部３２では、バランスシミュレータ２０において倒立振子を用いて求めた関節ｊ０～ｊ６の各位置変化を、筋骨格モデルの関節軸の位置変化として当てはめる。ここに、筋骨格モデルでは、各リンクに筋の力学モデルに従う筋が設けられているものとし、筋や関節に作用する負荷を逆動力学演算により求める。

　筋の力学モデルとしては、Ｈｉｌｌのモデルを用いる。すなわち、図１１に示すように、収縮要素（張力発生器と減衰要素とを並列に結合したもの）６１と弾性要素６２とを直列に結合し、さらに弾性要素６３を並列に結合して筋の機能を模擬している。また、図示例では筋に対して弾性要素６４を直列に結合して腱の機能を模擬している。

　筋骨格モデルに適用する筋のモデルは、図１１に示す構成に限らず、計算量を低減するために弾性要素のみで模擬する簡略な構成を用いたり、精度を高めるために筋の収縮速度を考慮した構成を用いたりすることも可能である。

　逆運動学演算部３２では、筋骨格モデルの各部位の位置の時間変化に基づいて逆動力学演算を行うことにより、筋負荷や関節負荷を算出するから、筋骨格モデル生成部３１で生成された筋骨格モデルのほか、装置模擬部１１で生成された足置き台４１の位置変化と、動力学演算部２２で求めた関節ｊ０～ｊ６の位置変化とが必要である。これらの位置の時系列を筋骨格モデルに適用することで、筋活動や関節間力の時系列を算出することができる。

　ところで、一連の動きに関与する複数の筋が存在しているから、一般に、複数の関節の位置変化から筋や関節への負荷を算出すると複数の解が得られる。したがって、何らかの規定（ルール）により解を絞り込むことが必要である。本実施形態では、生物はエネルギー消費の少ない効率がよいほうの解を選択するというルールにより解を絞り込んでいる。すなわち、複数の解のうち筋の使用度（たとえば、発揮できる最大筋力に対する実際に発揮した筋力を百分率で表した値）の合計がもっとも小さい解を選択する。なお、筋の使用度だけではなく、筋の体積を筋の使用度に乗算した値や、遅筋と速筋との使用度の比率を解の選択の指標に用いてもよい。

　動作条件設定部１２により設定する動作条件や身体情報入力部１３により入力する体格の条件を変更して、バランスシミュレータ２０と筋・骨格シミュレータ３０とによる処理を繰り返すことにより、装置模擬部１１で模擬した他動訓練装置１を使用する場合について、種々の動作条件や体格による各筋および各関節への負荷を算出することができる。

　算出結果の評価は、他動訓練装置１を用いる目的に応じて異なるが、着目する筋の筋活動が大きく、しかも各関節の関節間力が小さいという条件を満たすように算出結果を評価することが多いと考えられる。着目する筋は、他動訓練装置１の動作および運動の目的に応じて異なるが、たとえば、高齢者が転倒を防止するための筋群を強化したり、膝痛や腰痛の予防のために膝周辺や腰背部周辺の筋群を強化する場合などがある。

　筋活動の評価には、着目する筋の筋活動の平均値（足置き台４１の１周期の間の平均値）、筋骨格モデルで設定したすべての筋の筋活動の平均値などを用いる。着目する筋は、筋を個別（たとえば、内側広筋と外側広筋）に指定したり、身体の特定部位（大腿部、下腿部など）の筋群として指定したり、機能別の筋群（膝関節伸展筋群、足関節底屈筋群など）として指定したりする。図２に示した他動訓練装置１の場合、着目する筋は、たとえば、大腿伸展（大腿直筋、外側広筋、内側広筋）、大腿屈曲（大腿二頭筋長頭）、下腿背屈（前脛骨筋）、下腿屈曲（腓腹筋、ヒラメ筋）になる。

　また、関節間力の評価には、特定の関節（膝関節、足関節、股関節など）に作用する力や特定の関節の角度などを用いる。たとえば、膝関節に作用するせん断方向の力であれば４００Ｎ以下という制約条件で評価したり、膝関節の角度であれば１００度（膝関節を伸
展させた位置を０度としている）以下という制約条件で評価する。これらの制約条件をあらかじめ制限値として与えておき、動作条件や体格に応じて制限値の範囲外か否かを自動的に判断するのが望ましい。

　筋・骨格シミュレータ３０で算出された各筋および各関節に作用する負荷を上述のように評価することで、着目する筋の筋活動が大きく、かつ関節間力が小さく安全に使用できる動作条件を求めることが可能になる。

　たとえば、動作条件ごとに着目するすべての筋についての平均の筋活動率と、膝関節の関節間力である膝剪断力とを求め、筋活動率を横軸とし膝剪断力を縦軸として、２０００種類程度の動作条件についてシミュレーションを行った結果を示すと図１２のようになる。シミュレーションの際には、他動訓練装置１の実機において明らかに実現不可能である動作条件や、筋活動が目的とするレベルに対して相当に低いことが既知である動作条件に関しては除外しておくのが望ましいが、範囲外と予想される動作条件であっても含めておくのが望ましい。

　図１２のように得られた結果に対して、膝剪断力（関節間力）については、利用者が膝に痛みを感じない範囲の上限値を設定することが可能であるから、条件絞込部６では、膝剪断力について上限値を規定しておき、膝剪断力が上限値よりも小さい範囲（関節間力範囲）で中間条件を抽出する。つまり、関節間力の目的範囲をあらかじめ設定した規定値以下として、中間条件の選択範囲を安全に利用できる範囲内に絞り込んでいるのである。

　中間条件を抽出するルールは、本実施形態では、（１）「膝剪断力が上限値よりも小さい」というルールのほか、（２）「筋活動率は大きいほうが望ましい」というルール（筋活動範囲）を採用する。つまり、ルール（１）が成立し、かつルール（２）が成立する動作条件を中間条件とする。

　ただし、シミュレーションでは、実機を使用する際に利用者が予測に基づいて動作することや、利用者の個体差については考慮できないから、実機を用いたとき効果については被験者により効果を確認することが必要である。したがって、シミュレーションの結果から複数の中間条件を絞り込むのであって、本実施形態では、シミュレータ２によるシミュレーションの結果に基づいて１０個の中間条件を抽出している。

　図１２に基づいて例示すれば、上述したルール（１）を適用するために、膝剪断力の上限値を４００［Ｎ］としておき、膝剪断力が４００［Ｎ］よりも小さい範囲内で、ルール（２）を満たすように筋活動率の上位１０個（破線の楕円で囲んだ範囲）を抽出する。抽出した結果に対応する動作条件を中間条件とする。シミュレータ２および条件絞込部６はコンピュータであるから、シミュレータ２によりシミュレーションを行うすべての動作条件を図示しない記憶装置に記憶しておき、シミュレーションの結果から選択した１０個に対応する動作条件を記憶装置から読み出して中間条件とするのである。中間条件は、記憶装置において動作条件とは異なる領域に格納される。

　なお、筋活動および関節間力は、動作条件だけではなく体格によっても異なる。したがって、特定の動作条件について適正な運動が行える体格の範囲を求めたり、特定の体格に対して適正な運動が行える動作条件を求めたりすることも可能である。これらの結果は、図示しない記憶装置に格納することにより、いつでも参照できるようにしておくのが望ましい。

　シミュレータ２によるシミュレーションの結果に基づいて条件絞込部６が採用した中間条件は、上述した動作模擬装置３に適用され、動作模擬装置３の支持台５１に搭乗した被験者について筋電測定装置４を用いて筋電が計測される。被験者は、人数が多いほうが個体差の影響を除去しやすくなり、また体格、年齢、性別についても分散していることが望ましい。

　筋電測定装置４により各筋について筋電を求めた後、評価装置５では、計測した筋電から筋放電量の平均値またはピーク値が最大となる動作条件を抽出する。筋放電量の平均値は、各筋について求めた筋放電量の時間積分値を意味する。筋放電量の平均値やピーク値は、被験者ごとにかつ筋ごとに求められるから、中間条件の比較が容易になるように、評価装置５では、筋放電量の平均値あるいはピーク値を、被験者について平均し、さらに各筋について総和を求める。こうして得られた値は、中間条件ごとの筋活動の程度を表しているから、評価装置５では、筋活動が最大になる中間条件を実機に搭載する動作条件として選択する。

　上述の例では、各筋の筋放電量の絶対値を用いているが、より厳密に評価するには筋放電量を正規化するのが望ましい。つまり、筋ごとに発揮筋力（平均値またはピーク値）の最大随意筋力（MVC：Maximum Voluntary Contraction）に対する割合（％ＭＶＣ）を求めることによって正規化し、各筋について求めた％ＭＶＣの全筋に関する総和（または平均値）を被験者について平均した値を用いて中間条件を評価するのが望ましい。

　一例として１０種類の中間条件に対して、着目するすべての筋に関して求めた％ＭＶＣの平均値（平均％ＭＶＣ）を被験者について平均した値を図１３に示す。この例では、各筋の発揮筋力を最大随意筋力で正規化しているから、筋の種類にかかわらず筋活動を同基準で比較することが可能になる。図１３では中間条件Ｔ１～Ｔ１０についての筋活動の大きさ（全部位の筋についての平均％ＭＶＣ）を示しており、１０個の中間条件の中で中間条件Ｔ４の平均％ＭＶＣが最大であるから、中間条件Ｔ４が実機に搭載する動作条件として選択される。このように％ＭＶＣのような筋活動の指標を用い、評価装置５では、中間条件の中で％ＭＶＣが最大になるものを実機に搭載する動作条件として選択するから、中間条件の中から実際の他動訓練装置１に搭載する動作条件を評価装置５により自動的に選択することが可能になる。

　なお、上述の例では、筋活動を定量化するために筋電測定装置４により筋電を計測しているが、近赤外線分光法による酸素消費量を計測するなど、筋活動を定量的に計測することができる指標であれば、どのような値を用いてもよい。

　上述の例では、図２に示すように利用者が立った姿勢で利用する他動訓練装置１を例として説明し、バランスシミュレータ２０において足位置を拘束するという条件を用いたが、図３に示す他動訓練装置１は、股関節の位置で座部４２に拘束されることになる。つまり、股関節の位置は座部４２（支持台）の動作条件により決定される。そこで、倒立振子としては、多リンクモデルのほか、図３Ｂのような上半身に相当するリンクＬを備えた１リンクモデルを用いることができる。図示例では下端が関節軸Ｊになっている。

　また、図４に示す他動訓練装置１は、座部４３で股関節の位置が拘束され足置き台４４により足関節の位置が拘束されている。言い換えると、股関節の位置と足関節の位置とは座部４３（支持台）の動作条件により決定される。この他動訓練装置１については、図３に示した他動訓練装置１と同様に、多リンクモデルのほか、図４Ｂのような上半身に相当するリンクＬを備えた１リンクモデルを用いることができる。図示例では下端が関節軸Ｊになっている。

　図３に示す他動訓練装置１と図４に示す他動訓練装置１とのいずれの場合であっても、１リンクモデルを用いる場合には、図７Ａに示した１リンクモデルを用いる場合と同様に、着目する関節について基準点に対する位置関係で推定することができる。

　なお、図３、４に示す他動訓練装置１では、座部４２、４３に着座した状態において、人体と座部４２、４３との接触箇所を複数点に分割する必要があれば、動作条件から接触箇所ごとの位置変化を求めてモデルの動きに反映させてもよい。また、上半身を１リンクモデルで模擬しているが、背骨や首の位置に適宜の関節軸を設け複数のリンクを有する倒立振子によるモデルを用いてもよい。

　本発明を幾つかの好ましい実施形態について記述したが、この発明の本来の精神および範囲を逸脱することなく、当業者によって様々な修正および変形が可能である。

Claims

　利用者の体重の全部または一部を支えるように構成される支持台と、該支持台を動かすように構成される駆動装置とを備え、動作条件に従って該駆動装置を通じて該支持台を動かすことにより該利用者に他動運動を提供するように構成される他動訓練装置の支持台用の最適動作条件に関連するシミュレーションおよび計測の方法であって、
　（ａ）複数の動作条件の各々に従って、順次、コンピュータシミュレーションにより該利用者の着目部位における種々の筋活動および種々の関節間力を求めること、該種々の筋活動は種々の筋の活動であり、該種々の関節間力は種々の関節に関する関節間力であり、
　（ｂ）該複数の動作条件から複数の中間条件を求めること、該複数の中間条件は、該複数の動作条件の各々に従って順次求めた全筋活動および全関節間力が、それぞれあらかじめ決定された筋活動および関節間力範囲内にあれば、当該動作条件を該複数の中間条件に含めることにより得られ、
　（ｃ）該複数の中間条件の各々に従って、順次、複数の自由度で該支持台を動かすように構成される動作模擬装置を制御しながら、該支持台上の被験者の筋電を計測すること、
　（ｄ）該複数の中間条件の各々に従って順次計測された各筋電に基づいて、該複数の中間条件から最適動作条件を決定して出力すること
　の複数のコンピュータ実行ステップを含む、他動訓練装置の支持台用の最適動作条件に関連するシミュレーションおよび計測の方法。
　該ステップ（ａ）は、
　人体のモデルとなる少なくとも１本の倒立振子を、該複数の動作条件の各々に従って順次強制振動させたときの倒立振子の時間経過に伴う位置変化から、該利用者の人体関節の時間経過に伴う位置変化を推定すること、および
　該推定した位置変化を筋骨格モデルに適用することにより該種々の筋活動および該種々の関節間力を求めること
　を含む、請求項１記載の、他動訓練装置の支持台用の最適動作条件に関連するシミュレーションおよび計測の方法。
　該ステップ（ｄ）は、
　該複数の中間条件の各々に従って順次計測された各筋電から、筋放電量の最大平均値または最大ピーク値を求めること、および
　該最大平均値または該最大ピーク値に対応する中間条件を、該最適動作条件と定めること
　を含む、請求項１記載の、他動訓練装置の支持台用の最適動作条件に関連するシミュレーションおよび計測の方法。
　該関節間力範囲は、規定値以下であり、
　該筋活動範囲は、第１の筋活動から第２の筋活動の範囲であり、該第１の筋活動は、該関節間力範囲内にある複数の動作条件に従って求められた各筋活動のうちの最も高い筋活動であり、該第２の筋活動は、該関節間力範囲内にある複数の動作条件に従って求められた各筋活動のうちの、規定個数だけ該第１の筋活動よりも低い筋活動である
　請求項１記載の、他動訓練装置の支持台用の最適動作条件に関連するシミュレーションおよび計測の方法。
　利用者の体重の全部または一部を支えるように構成される支持台と、該支持台を動かすように構成される駆動装置とを備え、動作条件に従って該駆動装置を通じて該支持台を動かすことにより他動運動を該利用者に提供するように構成される他動訓練装置の支持台用の最適動作条件に関連するシミュレーションおよび計測のシステムであって、
　（ｉ）複数の動作条件の各々に従って、順次、該利用者の着目部位における種々の筋活動および種々の関節間力を、コンピュータシミュレーションにより求め、（ｉｉ）該複数の動作条件から複数の中間条件を求める、ように構成されるシミュレータと、該種々の筋活動は種々の筋に関する筋活動であり、該種々の関節間力は種々の関節に関する関節間力であり、該複数の中間条件は、該複数の動作条件の各々について順次求めた全筋活動および全関節間力が、それぞれあらかじめ定められた筋活動範囲および関節間力範囲内にあれば、当該動作条件を該複数の中間条件に含めることにより得られ、
　該複数の中間条件の各々に従って、順次、該支持台を複数の自由度で動かすように構成される動作模擬装置と、
　該支持台上の被験者の筋電を計測するように構成される筋電測定装置と、
　該複数の中間条件の各々に従って順次計測された各筋電に基づいて、該複数の中間条件から最適動作条件を決定して出力するように構成される評価装置と
　を備える、他動訓練装置の支持台用の最適動作条件に関連するシミュレーションおよび計測のシステム。
　該シミュレータは、
　人体のモデルとなる少なくとも１本の倒立振子を、該複数の動作条件の各々に従って強制振動させたときの倒立振子の時間経過に伴う位置変化から、該利用者の人体関節の時間経過に伴う位置変化を推定するように構成されるバランスシミュレータと、
　該推定した位置変化を筋骨格モデルに適用することにより種々の筋活動および種々の関節間力を求めるように構成される筋・骨格シミュレータと
　を備える、請求項５記載の、他動訓練装置の支持台用の最適動作条件に関連するシミュレーションおよび計測のシステム。
　該評価装置は、該複数の中間条件の各々に従って順次計測された各筋電から、筋放電量の最大平均値または最大ピーク値を求め、該最大平均値または該最大ピーク値に対応する中間条件を、該最適動作条件に定めるように構成される、請求項５記載の、他動訓練装置の支持台用の最適動作条件に関連するシミュレーションおよび計測のシステム。
　該関節間力範囲は、規定値以下であり、
　該筋活動範囲は、第１の筋活動から第２の筋活動の範囲であり、該第１の筋活動は、該関節間力範囲内にある複数の動作条件に従って求められた各筋活動のうちの最も高い筋活動であり、該第２の筋活動は、該関節間力範囲内にある複数の動作条件に従って求められた各筋活動のうちの、規定個数だけ該第１の筋活動よりも低い筋活動である
　請求項５記載の、他動訓練装置の支持台用の最適動作条件に関連するシミュレーションおよび計測のシステム。