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技術 倒立振子型移動体、および足関節トルク推定方法

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 大槻将久高橋正浩
出願日 2016年8月23日 (4年3ヶ月経過) 出願番号 2016-162991
公開日 2018年3月1日 (2年8ヶ月経過) 公開番号 2018-030421
状態 特許登録済
技術分野 体操訓練用具 自転車用入れ物、その他の付属品 自動自転車、自転車一般
主要キーワード 同軸芯線 判定欄 隆起面 本トレー トレーニングユニット 合格ライン 経時変化分 最大値α
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (12)

課題

倒立振子型移動装置トレーニング装置として利用する場合に、搭乗者がどれくらいの運動負荷を受けているかを客観的に観察できると良い。しかし、搭乗者の足首負荷を観察する場合には、搭乗者に計測装置を装着する必要があるなどの煩わしさを伴っていた。

解決手段

搭乗者が立って搭乗する搭乗部と、駆動輪とを有する倒立振子型移動体であって、倒立状態を維持する駆動輪の駆動トルクを検出する検出部と、搭乗者が搭乗部に加えている足関節トルクトルク情報を、検出部で検出された駆動トルクから生成して出力する出力部とを備える倒立振子型移動体を提供する。

概要

背景

ジャイロセンサ加速度センサなどを用いて姿勢情報を検出し、検出した姿勢情報に基づいて駆動制御を行う走行装置の中でも、倒立振子姿勢制御モデルを応用して駆動輪を制御する倒立振子型二輪車が知られている。例えば、特許文献1には、搭乗者ハンドルを傾斜させることにより、前進させたり旋回させたりすることができる倒立振子型二輪車が開示されている。

概要

倒立振子型の移動装置トレーニング装置として利用する場合に、搭乗者がどれくらいの運動負荷を受けているかを客観的に観察できると良い。しかし、搭乗者の足首負荷を観察する場合には、搭乗者に計測装置を装着する必要があるなどの煩わしさを伴っていた。搭乗者が立って搭乗する搭乗部と、駆動輪とを有する倒立振子型移動体であって、倒立状態を維持する駆動輪の駆動トルクを検出する検出部と、搭乗者が搭乗部に加えている足関節トルクトルク情報を、検出部で検出された駆動トルクから生成して出力する出力部とを備える倒立振子型移動体を提供する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

搭乗者が立って搭乗する搭乗部と、駆動輪とを有する倒立振子型移動体であって、倒立状態を維持する前記駆動輪の駆動トルクを検出する検出部と、前記搭乗者が前記搭乗部に加えている足関節トルクトルク情報を、前記検出部で検出された前記駆動トルクから生成して出力する出力部とを備える倒立振子型移動体。

請求項2

前記搭乗者の体重および足のサイズの少なくともいずれかを取得する取得部を備え、前記出力部は、前記駆動トルクと、前記取得部が取得した前記体重および前記足のサイズの少なくともいずれかを用いて前記トルク情報を生成する請求項1に記載の倒立振子型移動体。

請求項3

前記出力部は、前記駆動トルクと、固定値として予め設定した前記搭乗者の体重および足のサイズの少なくともいずれかを用いて前記トルク情報を生成する請求項1または2に記載の倒立振子型移動体。

請求項4

前記搭乗者の足関節トレーニングするトレーニングモードとして設定される、前記搭乗者の重心移動に応じて走行する能動モードと、擬似的な外乱を発生させて倒立状態を不安定にさせる受動モードとを切り替え切替部を備える請求項1から3のいずれか1項に記載の倒立振子型移動体。

請求項5

前記出力部が出力する前記トルク情報に基づいて、前記搭乗部を傾斜させる傾斜制御部を備える請求項1から4のいずれか1項に記載の倒立振子型移動体。

請求項6

前記出力部は、前記倒立振子型移動体が水平方向への加速度を生じていない時の前記駆動トルクから前記トルク情報を生成する請求項1から5のいずれか1項に記載の倒立振子型移動体。

請求項7

前記出力部は、前記倒立振子型移動体が旋回移動をしていない時の前記駆動トルクから前記トルク情報を生成する請求項1から6のいずれか1項に記載の倒立振子型移動体。

請求項8

前記出力部が出力する前記トルク情報から、前記足関節トルクが予め定められた閾値を超えたと推定される回数計数して呈示する呈示部を備える請求項1から7のいずれか1項に記載の倒立振子型移動体。

請求項9

前記搭乗部は、前記搭乗者に推奨する足の載置位置を示す指標を有する請求項1から8のいずれか1項に記載の倒立振子型移動体。

請求項10

前記搭乗部は、前記搭乗者に足の載置を促す凹凸を有する請求項1から9のいずれか1項に記載の倒立振子型移動体。

請求項11

前記搭乗者が把持するためのハンドルを備える請求項1から10のいずれか1項に記載の倒立振子型移動体。

請求項12

搭乗者が立って搭乗する搭乗部と駆動輪とを有する倒立振子型移動体に搭乗する搭乗者の足関節トルクを推定する足関節トルク推定方法であって、倒立状態を維持する前記駆動輪の駆動トルク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駆動トルクを変換して前記足関節トルクの推定値を生成する生成ステップとを含む足関節トルク推定方法。

技術分野

0001

本発明は、倒立振子型移動体、および足関節トルク推定方法に関する。

背景技術

0002

ジャイロセンサ加速度センサなどを用いて姿勢情報を検出し、検出した姿勢情報に基づいて駆動制御を行う走行装置の中でも、倒立振子姿勢制御モデルを応用して駆動輪を制御する倒立振子型二輪車が知られている。例えば、特許文献1には、搭乗者ハンドルを傾斜させることにより、前進させたり旋回させたりすることができる倒立振子型二輪車が開示されている。

先行技術

0003

特開2010−30436号公報

発明が解決しようとする課題

0004

倒立振子型二輪車は、単に移動するための道具としてではなく、自転車などと同様にトレーニング装置として利用することもできる。トレーニング装置として利用する場合には、搭乗者がどれくらいの運動負荷を受けているかを客観的に観察できると良い。しかし、運動負荷を観察する場合には、搭乗者の身体に計測装置を装着する必要があるなど、利便性が良いとは言えなかった。

0005

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、特に、倒立振子型移動体に搭乗する搭乗者の足関節トルクを、センサなどの特別な装置を装着することなく定量的に観察できるようにするものである。

課題を解決するための手段

0006

本発明の第1の態様における倒立振子型移動体は、搭乗者が立って搭乗する搭乗部と、駆動輪とを有する倒立振子型移動体であって、倒立状態を維持する駆動輪の駆動トルクを検出する検出部と、搭乗者が搭乗部に加えている足関節トルクのトルク情報を、検出部で検出された駆動トルクから生成して出力する出力部とを備える。

0007

本発明の第2の態様における足関節トルク推定方法は、搭乗者が立って搭乗する搭乗部と駆動輪とを有する倒立振子型移動体に搭乗する搭乗者の足関節トルクを推定する足関節トルク推定方法であって、倒立状態を維持する駆動輪の駆動トルクを検出する検出ステップと、検出ステップで検出された駆動トルクを変換して足関節トルクの推定値を生成する生成ステップとを含む。

0008

以上の各実施態様の構成により、倒立振子型移動体を用いてトレーニングする場合に、搭乗者あるいは搭乗者を補助する補助者は、搭乗者にセンサなどの特別な装置を装着することなく、搭乗者の足首の運動負荷を客観的に把握することができる。

発明の効果

0009

本発明により、センサなどの特別な装置を事前に装着する手間や装着に伴う煩わしさを伴うことなく、倒立振子型移動体に搭乗する搭乗者の足関節トルクを定量的に観察することができる。

図面の簡単な説明

0010

本実施形態に係る倒立二輪車外観斜視図である。
倒立二輪車の主な構成を示す概略図である。
倒立二輪車の制御ブロック図である。
足関節トルクの検出原理を説明する説明図である。
倒立二輪車の全体制フローを示すフロー図である。
受動モードにおけるトレーニング用の試行制御を説明する説明図である。
受動モードの制御フローを示すフロー図である。
能動モードによる訓練の様子を示す概観斜視図である。
能動モードの制御フローを示すフロー図である。
能動モードにおける表示例を示す図である。
搭乗台の変形例について示す倒立二輪車の部分拡大図である。

実施例

0011

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。

0012

図1は、本実施形態に係る倒立振子型移動体としての倒立二輪車100の外観斜視図である。倒立二輪車100は、全体の骨格を成す基台190に、ハンドル110、左右に跨がる搭乗台121、左右の車輪131、132が備え付けられて構成されている。ハンドル110は、搭乗者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、表示部140を支持する支持部としての機能を担う。表示部140は、例えば液晶パネルによって構成され、搭乗者に各種情報呈示する。

0013

本実施形態に係る倒立二輪車100は、搭乗者が立って搭乗することを想定しており、搭乗台121は、搭乗者が左足右足を乗せる搭乗部としての機能を担う。搭乗台121は、基台190に対して固定されていても良いし、左右方向への旋回に合わせて載置面が左右方向へ傾斜するようにリンク機構を設けても良い。

0014

左側の車輪131は、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、後述するモータによって回転駆動される駆動輪である。右側の車輪132は、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、後述するモータによって回転駆動される駆動輪である。左側の車輪131と右側の車輪132は、同軸芯線上に平行に配置されている。したがって、左側の車輪131と右側の車輪132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。

0015

本実施形態に係る倒立二輪車100は、倒立振子の姿勢制御モデルに基づいて駆動輪である車輪131、132の回転を制御する同軸二輪車である。後述する制御部は、搭乗者が搭乗した倒立二輪車100の全体の姿勢を検知して、搭乗者が搭乗した状態を安定的に維持できるように車輪131、132の回転駆動を制御する。このような制御により、搭乗者は、自身の重心を移動したい方向へ傾けることにより、倒立二輪車100をその方向へ移動させることができる。前方へ傾けば前進し、後方へ傾ければ後進する。右へ傾ければ右方向へ旋回し、左へ傾ければ左方向へ旋回する。

0016

本実施形態にかかる倒立二輪車100は、足首にある足関節障害を抱える患者足関節機能回復させるためのリハビリテーション機能を有する装置である。倒立二輪車100は、患者が搭乗者として倒立二輪車100にバランスを取りつつ搭乗を続けようとすると、患者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。当該負荷は、患者が足関節に発生させる足関節トルクに対応する負荷であり、当該足関節トルクが患者に見合った程度の大きさであれば、リハビリ効果を期待できる。本実施形態にかかる倒立二輪車100は、搭乗者が発生させた足関節トルクを定量的に呈示する機能を有する。

0017

なお、倒立二輪車100は、リハビリテーションを行う場合に限らず、目的地に移動するための走行装置としても利用できる。走行装置として利用する場合は、足関節に障害を抱える患者に限らず、健常者も利用することができる。倒立二輪車100は、走行装置として利用する通常モードが選択された場合には左右方向への旋回も行うが、リハビリテーションを行うトレーニングモードが選択された場合には、左右方向への旋回駆動禁止される。以下においては、足関節に障害を抱える患者を搭乗者と想定して説明する。

0018

倒立二輪車100の座標系は、図示するように、両車輪を結ぶ車軸方向に直交する前進方向をx軸プラス方向、両車輪を結ぶ車軸方向で車輪131へ向かう方向をy軸プラス方向、x軸y軸に共に直交する方向で、搭乗者の頭部へ向かう方向をz軸プラス方向と定める。また、それぞれの直交軸に対して右手回りを正方向とするθx(ロール軸)、θy(ピッチ軸)、θz(ヨー軸)を定める。

0019

図2は、倒立二輪車100の主な構成を示す概略図である。具体的には、yz平面による断面をx軸プラス側から観察した様子を模式的に表したものである。

0020

左右2つの車輪131、132は、それぞれの車軸181、182が一直線になるように、基台190に回転可能に軸支されている。左の車輪131を駆動するためのモータ161と、右の車輪132を駆動するためのモータ162は、基台190に固定配置されている。モータ161の駆動力は、減速機を兼ねる伝達機構171を介して車軸181に伝達され、車輪131を回転駆動する。モータ162の駆動力は、減速機を兼ねる伝達機構172を介して車軸182に伝達され、車輪132を回転駆動する。すなわち、それぞれの車輪131、132は、互いにそれぞれ独立したモータ161、162および伝達機構171、172により、別個に制御されて回転駆動される。

0021

車軸182には、トルクセンサ170が設けられている。トルクセンサ170は、モータ162が車輪132に対して出力するモータトルクを検出する。トルクセンサ170は、例えばシャフトひずみゲージを貼着してシャフトのねじり変形を検出する方式を採用するセンサである。本実施形態における倒立二輪車100では、トルクセンサ170を車軸182に設け、車軸181には設けていないが、より精度を高めるために、車軸181に設けても良い。両軸に設ける場合は、2つのトルクセンサの出力を平均して後述するモータトルクを算出しても良い。また、検出しようとするモータトルクの精度によっては、トルクセンサ170を設ける代わりに、モータ161、162に供給する電力電流値を検出して、当該電流値をモータトルクに換算しても良い。

0022

荷重センサ151は、搭乗台121に埋め込まれた荷重センサであり、搭乗者が足を載せたことを検出する。荷重センサ151は、例えば、加圧されたときに閉塞するメカニカルスイッチである。

0023

バッテリ300は、例えばリチウムイオン電池による二次電池であり、変圧回路等を介して、モータ161、162等へ電力を供給する。二次電池は、例えば家庭用AC電源充電することができ、着脱可能に構成されていても良い。

0024

図3は、倒立二輪車100の制御ブロック図である。制御部200は、例えばCPUであり、基台190に設けられている。制御部200は、倒立二輪車100の各要素部を統括的に制御する。駆動輪ユニット210は、車輪131、132を駆動するための駆動回路やモータ161、162を含み、制御部200は、駆動輪ユニット210へ駆動信号を送ることにより、車輪131、132の回転を制御する。

0025

トルクセンサ170は、制御部200の要求信号に応じて検出信号を制御部200へ送信する。制御部200は、倒立二輪車100が倒立状態を維持するために車輪132へ出力するモータ162のモータトルクを当該検出信号から演算する。つまり、トルクセンサ170は、制御部200と協働して、倒立二輪車100が倒立状態を維持する駆動輪の駆動トルクを検出する検出部としての機能を担う。

0026

姿勢センサ150は、加速度センサやジャイロセンサを含み、制御部200の要求信号に応じて検出信号を制御部200へ送信する。制御部200は、これらの検出信号から倒立二輪車100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210へ送信する。

0027

荷重センサ151は、制御部200の要求信号に応じて検出信号を制御部200へ送信する。制御部200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。

0028

表示部140は、制御部200からの表示信号に従って、搭乗者に呈示する各種情報を表示する。搭乗者がリハビリテーションを行うトレーニングモードを選択しているときには、トレーニングのメニュ項目進捗状況に加え、制御部200が演算した搭乗者の足関節トルクのトルク情報を表示する。つまり、表示部140は、制御部200と協働して、検出部が検出したトルク情報を出力する出力部としての機能も担う。

0029

入力受付部142は、例えば表示部140の液晶パネルに重畳して設けられたタッチパネルや、ハンドル110に設けられたスイッチ類などの搭乗者が操作する操作部材を含む。入力受付部142は、搭乗者の入力操作受け付けて、入力信号を制御部200へ送信する。搭乗者は、例えばモード選択や後述する初期入力パラメータを、入力受付部142を介して制御部200へ与える。つまり、入力受付部142は、制御部200と協働して、ユーザからの情報や指示を取得する取得部としての機能を担う。また、制御部200は、入力受付部142を介して搭乗者から後述する能動モードや受動モードの選択を受け付けた場合に、当該選択に従ったモードに切り替える。この場合、入力受付部142は、制御部200と協働して、能動モードと受動モードを切り替える切替部としての機能を担う。

0030

入出力IF144は、外部機器からの情報を入力する入力インタフェースと、外部機器へ情報を出力する出力インタフェースである。入出力IF144は、例えば無線LANやUSBである。制御部200は、トルク情報を外部機器に出力する場合は、入出力IF144を介して出力する。この場合、入出力IF144は、制御部200と協働して、トルク情報を出力する出力部としての機能を担う。また、制御部200は、初期入力パラメータなどを外部機器から入出力IF144を介して入力できる。この場合、入出力IF144は、制御部200と協働して、搭乗者の情報を取得する取得部としての機能を担う。

0031

一連制御プログラムは、予めメモリ240に記憶されており、制御部200は、起動時にメモリ240から制御プログラムを読み込んで、各種制御を実行する。メモリ240は、不揮発性記録媒体であり、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、制御プログラムの他にも、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録している。

0032

次に、検出したモータトルクを用いて搭乗者の足関節トルクを検出する原理について説明する。図4は、足関節トルクの検出原理を説明する説明図である。図は、トルクセンサ170が連結された車輪132と、搭乗者が右足を載せている搭乗台121とを、進行方向に対して右側から観察した様子を簡易的に表している。

0033

図示するように、車輪132の回転中心位置をWA、右足の足関節中心位置をJA、搭乗者と倒立二輪車100を合わせた全体の重心位置をP、Pから搭乗面に下ろした垂線の足をBPとする。また、搭乗者と倒立二輪車100を合わせた全体の質量をMとし、足関節トルクをTfoot、モータトルクをTmotorとする。また、それぞれx軸方向における、JAからBPの距離をdfm、JAからWAの距離をdft、WAからBPの距離をdtmとする。

0034

このとき、BPにおけるモータが発生させる垂直方向の力Fmotorvと足関節が発生させる垂直方向の力Ffootvは釣り合い、
Fmotorv=Ffootv (1)
が成り立つ。これをトルク関係式に置き換えると、
Tfoot/dfm=Tmotor/dtm (2)
となる。したがって、目的変数であるTfootは、
Tfoot=Tmotor・dfm/dtm (3)
と表される。また、x軸方向における距離の関係は、
dfm=dft+dtm (4)
であるので、これを(3)式に代入すると、
Tfoot=Tmotor・(dft/dtm+1) (5)
となる。dtmはWAからBPのz軸方向における距離であるので、
dfm=Tmotor/(Mg) (6)
と表すことができる。ここでgは、重力加速度である。すると、(5)式は、
Tfoot=Mg・dft+Tmotor (7)
解くことができる。

0035

(7)式右辺の第一項のMg・dftは、搭乗者の固有情報を含む。具体的には搭乗者の質量と足関節中心位置JAである。簡易的には、標準的な人体モデルからこれらの仮定値を設定することができる。例えば搭乗者の体重を60kgとすれば、倒立二輪車100の質量は既知であるのでMを算出することができる。また、足長標準値を26cmとする。統計的には足長に対して、足関節位置JAは踵端から22%の位置にあり、人体中立位置は踵端から45%の位置にあると言われている。搭乗者は静止状態において人体の中立位置が車軸上に位置するように搭乗することを考慮すると、dft=26×(0.45−0.22)=5.98cmと設定できる。このような仮定値を利用すれば、第一項を簡易的に算出することができる。

0036

また、入力受付部142や入出力IF144を介して、初期入力パラメータとして搭乗者の体重と足のサイズの少なくともいずれかを取得すれば、より精度を高めて第一項を算出することができる。搭乗者による入力に限らず、例えば荷重センサ151が搭乗者の体重や足長を計測できれば、搭乗者が搭乗台121に搭乗することにより自動的にこれらの値を取得することもできる。

0037

したがって、(7)式右辺の第一項は、搭乗者が搭乗台121に搭乗すれば定まる固定値と捉えることができる。一方で、(7)式右辺の第二項のTmotorは、倒立二輪車100が倒立制御を行っている期間に刻々と変動する値である。この値は、トルクセンサ170の出力を監視すれば追跡できる。つまり、足関節トルクTfootの変動成分は、モータトルクTmotorの成分であると言える。したがって、制御部200が演算して出力する足関節トルクTfootの経時変化は、モータトルクTmotorの経時変化と相関する。

0038

このような関係から、足関節トルクのトルク情報として、経時変化分を出力したい場合には、第二項のみを出力しても構わない。足関節トルクの実際の値を簡易的に出力したい場合には、モータトルクTmotorに仮定値を加えて出力すれば良いし、より精度良く出力したい場合には、搭乗者の固有情報も案して出力すれば良い。いずれの場合も、制御部200は、トルクセンサ170の出力からモータトルクTmotorを演算して足関節のトルク情報を生成する。換言すれば、モータトルクTmotorに基づいて足関節トルクを推定していると言える。

0039

このような原理によって足関節トルクを推定する装置によれば、従来のようにトレーニングを行う患者に筋力を測定するセンサなどの特別な装置を事前に装着する煩わしさを伴うことなく、患者の足首の運動負荷を客観的に把握することができる。また、搭乗する患者の足関節トルクを定量的に、しかもほぼリアルタイムで観察することができるので、患者の達成状況に合わせてトレーニング時間や目標負荷量などを動的に調整するトレーニングを行うことができる。

0040

なお、上記(1)式から(7)式においては、水平方向(x軸方向)の加速度を考慮していない。つまり、倒立二輪車100が水平方向へ加速度を伴って移動するような状況においては、(7)式は正確性に欠けるとも言える。しかし、実際の制御においては、搭乗者の安全の観点からも、急激な加速度を伴った移動制御はほとんど行わないので、水平方向の加速度成分が(7)式に与える影響は相対的に小さい。したがって、実用的には(7)式に基づいて生成されるトルク情報で足りる。ただし、より精度の高いトルク推定を行いたい場合には、倒立二輪車100が水平方向への加速度を生じていない時のトルクセンサ170の出力を用いて演算すれば良い。

0041

同様に、旋回時におけるz軸周りの角加速度の影響を排除したい場合には、倒立二輪車100が旋回移動をしていない時のトルクセンサ170の出力を用いて演算すれば良い。なお、以下に説明するトレーニングモードでは旋回移動が禁止されるので、トレーニングモード中に出力されるトルク情報は、z軸周りの角加速度の影響を含み得ない。

0042

次に、倒立二輪車100の全体制御について説明する。図5は、倒立二輪車100の全体制御フローを示すフロー図である。倒立二輪車100は、搭乗者が選択するモードに従ってメモリ240から読み出した制御プログラムを実行する。

0043

電源オンにされて一連の処理が開始されると、制御部200は、ステップS101で、搭乗者が入力受付部142を介して指示するモードを取得する。そしてステップS102で、取得したモードがリハビリテーションを行うためのトレーニングモードであるか否かを判断する。制御部200は、トレーニングモードでないと判断したら、ステップS103へ進み、倒立二輪車100を移動装置として利用する通常モードで制御を開始する。制御部200は、通常モードでは、搭乗者の体重移動に応じて前進、後進、旋回を行う。このとき、足関節トルクのトルク情報を表示部140に表示しても良い。

0044

制御部200は、ステップS102でトレーニングモードであると判断したら、ステップS104へ進み、更に、トレーニングモードの中でも受動モードであるか否かを判断する。受動モードであると判断したら、ステップS105へ進み、受動モードによるトレーニングプログラムを実行する。一方、受動モードでないと判断したら、ステップS106へ進み、能動モードによるトレーニングプログラムを実行する。

0045

それぞれのモードでの制御プログラムが完了したら、ステップS107へ進み、制御部200は、搭乗者によって所定時間以内にモードが切り替えられたか否かを判断する。モードが切り替えられたと判断した場合には再度ステップS101から処理を繰り返す。モードが切り替えられなかった判断した場合には、一連の処理を終了する。

0046

次に、受動モードについて説明する。図6は、受動モードにおけるトレーニング用の試行制御を説明する説明図である。受動モードは、搭乗者自らが意識的に何らかの指示を与えなくても倒立二輪車100が自動的に所定の動作を実行するモードであり、搭乗者は、その間搭乗台121に立ってバランスを取っていれば、一定のトレーニング効果を期待できる。受動モードにおいて、制御部200は、擬似的な外乱を発生させて倒立状態を不安定にさせることで、搭乗者121にバランスの維持を強制する。

0047

倒立二輪車100が擬似的な外乱として自動的に実行する所定の動作の一例は、倒立振子制御に伴う前後方向の微小移動以外はほぼその場で停止したまま、搭乗台121が車輪132の回転中心位置WA周り揺動を繰り返す動作である。例えば図示するように、制御部200は、搭乗台121の搭乗面を水平方向に対してα度前傾させる。すると、搭乗者は重心位置Pを前後に調整すると共に足裏を搭乗面に対して踏ん張り、つまり足関節トルクTfootを増して、バランスを取ろうとする。この傾斜角α断続的あるいは連続的に変化させると、搭乗者はその変化に合わせて足関節トルクTfootの強弱を調整する。このように、倒立状態を故意不安定化させて、搭乗者に積極的にバランスを取らせる動作が、足関節トルクを回復するリハビリテーションとして効果的である。

0048

一般的には、患者がトレーニング時点で備えている筋力の40%以上の力を発揮して動作を繰り返せば、リハビリテーションの効果が得られると言われている。したがって、搭乗する患者ごとにリハビリテーションの効果が得られる足関節トルクの基準を設定し、当該基準を上回る足関節トルクを発生させるように揺動角最大値α0を決定すれば良い。搭乗者あるいはオペレータは、このような最大値α0を、入力受付部142、入出力IF144を介して入力する。

0049

制御部200は、このように設定された最大値α0に従って搭乗台121を揺動する。この動作に平行してトルクセンサ170から検出信号を受信し、足関節トルクTfootを演算して表示部140等に出力する。そして、制御部200は、搭乗者が基準となる足関節トルクを予め設定された回数を超えて発生させることができたら、トレーニング成功の旨を出力する。

0050

図7は、図5においてサブファンクションとして示した受動モード(ステップS105)の制御フローを示すフロー図である。受動モードが開始されると(ステップS105)、制御部200は、ステップS501で、繰り返しカウント変数nに初期値n0を代入し、成功カウント変数sに0を代入する。

0051

制御部200は、ステップS502へ進み、トレーニング課題用の試行制御を開始する。具体的には、上述のように定められた最大値α0まで搭乗面を徐々に傾け、その後もとの水平位置まで徐々に戻す試行を一回行う。これに平行して、制御部200は、トルクセンサ170の出力を得て足関節トルクTfootを演算する(ステップS503)。

0052

制御部200は、ステップS504へ進み、ステップS502の一回の試行の間に足関節トルクTfootが基準値Toを超えたか否かを判断する。超えたと判断したら成功カウント変数sをインクリメントして(ステップS505)、ステップS506へ進む。超えていないと判断したら、変数sをインクリメントすることなくステップS506へ進む。

0053

制御部200は、ステップS506で、繰り返しカウント変数nをデクリメントする。そして、ステップS507で、変数nがまだ0に到達していないかを判断し、到達していないと判断したらステップS502へ戻って試行制御を繰り返す。変数nが0に到達したと判断したらステップS508へ進む。

0054

制御部200は、ステップS508で、成功カウント変数sが基準回数s0を上回ったか否かを判断する。s0を上回ったと判断したらステップS509へ進み、今回のトレーニングに効果が期待できるものとして、成功を示す成功表示を表示部140に表示する。s0を上回らなかったと判断したらステップS510へ進み、今回のトレーニングには効果が期待できないとして、失敗を示す失敗表示を表示部140に表示する。表示が完了したら受動モードを終了してメインフローへ戻る。

0055

上記の受動モードでは、予め揺動角の最大値α0を定めて、それまでに足関節トルクTfootが基準値Toを超えたか否かを観察したが、足関節トルクTfootが基準値Toを超えるまで搭乗面を傾斜させるように制御しても良い。この場合、制御部200は、駆動輪ユニット210と協働して、演算された足関節トルクTfootに基づいて搭乗台121を傾斜させる傾斜制御部として機能する。このように制御すれば、トレーニング効果が確実に得られる。

0056

次に、能動モードについて説明する。図8は、能動モードによる訓練の様子を示す概観斜視図である。能動モードは、搭乗者自らがバランスを取りつつ倒立二輪車100を前後に移動させるモードであり、予め定められた時間内に基準を上回る足関節トルクを繰り返し発生させるトレーニングを行う。

0057

トレーニングユニット400は、囲われた走行面410を備える。走行面410は、走行方向に1m程度であり、搭乗者は倒立二輪車100に搭乗してこの間を前進したり後進したりを繰り返す。トレーニングユニット400は、例えばスクリーンを備えて、倒立二輪車100の移動に伴って景色映像を前後させるなどのエンタテイメント機能を有していても良い。

0058

このように限られた走行面を往復するトレーニングでは、特に前進から後進、後進から前進に移行するときに搭乗者は足裏を搭乗面に対して踏ん張り、つまり足関節トルクTfootを増して、バランスを取ろうとする。この動作が足関節トルクを回復するリハビリテーションとして効果的である。搭乗者は、表示部140に表示されるトレーニングの進捗情報を確認しながらトレーニングできる。

0059

上述の通り、一般的には、患者がトレーニング時点で備えている筋力の40%以上の力を発揮して動作を繰り返せば、リハビリテーションの効果が得られると言われているので、能動モードの場合も、搭乗する患者ごとにリハビリテーションの効果が得られる足関節トルクの基準値T0を設定する。搭乗者あるいはオペレータは、基準値T0を、入力受付部142、入出力IF144を介して入力する。

0060

制御部200は、搭乗者の体重移動に従って前進、後進の走行制御を実行しつつ、トルクセンサ170から検出信号を受信し、足関節トルクTfootを演算して表示部140等に出力する。そして、制御部200は、搭乗者が所定の制限時間以内に基準値T0を予め設定された回数を超えて発生させることができたら、トレーニング成功の旨を出力する。

0061

図9は、図5においてサブファンクションとして示した能動モード(ステップS106)の制御フローを示すフロー図である。能動モードが開始されると(ステップS106)、制御部200は、ステップS601で、タイマーtをクリアすると共に計時を開始する。さらに、ステップS602で、延長カウント変数nに0を代入し、成功カウント変数sに0を代入する。これらの初期化を完了したら、制御部200は、搭乗者の体重移動に従って前進、後進させる走行制御を開始し、また、トルクセンサ170の出力から足関節トルクTfootを演算する処理を開始する。搭乗者は、計時開始と共に表示される「スタート」の合図を確認して、倒立二輪車100の前進、後進の移動動作を開始する。

0062

制御部200は、演算した足関節トルクTfootを監視し、Tfootが基準値T0を超えたか否かを判断する(ステップS603)。超えたと判断したら成功カウント変数sをインクリメントして(ステップS604)、ステップS605へ進む。超えていないと判断したら、変数sをインクリメントすることなくステップS605へ進む。

0063

制御部200は、ステップS605で、タイマーtが制限時間t0を超えたか否かを判断する。延長カウント変数nが1以上の場合は、予め設定された単位延長時間Tにnを掛けた延長時間をt0に足した時間を制限時間とする。制限時間以内であればステップS603へ戻る。制限時間を超えていればステップS606へ進む。

0064

制御部200は、ステップS606で、成功カウント変数sが基準回数s0を上回ったか否かを判断する。s0を上回ったと判断したらステップS607へ進み、今回のトレーニングに効果が期待できるものとして、成功を示す成功表示を表示部140に表示する。s0を上回らなかったと判断したらステップS608へ進む。

0065

制御部200は、ステップS608で、延長カウント変数nが予め定められた上限延長回数n0を上回ったか否かを判断する。上回っていないと判断したら、ステップS610でnをインクリメントしてステップS603へ戻る。上回ったと判断したらステップS609へ進み、今回のトレーニングには効果が期待できないとして、失敗を示す失敗表示を表示部140に表示する。ステップS607またはS609で表示が完了したら能動モードを終了してメインフローへ戻る。

0066

図10は、能動モードの実行中における表示部140の表示例を示す図である。グラフは、足関節トルクTfootを負荷量(縦軸)として、時間経過横軸)と共に連続的に示している。現時点でのTfootを星印で示し、波形が全体的に左方向へスクロールして過去の波形が左端から消去されていく。合格ラインは基準値T0を示し、波形がこのラインを上回れば、判定欄に「○」が示される。波形がこのラインに到達しなければ、判定欄に「×」が示される。時間軸の下には、制限時間t0までのトレーニングが「基本トレーニング」と示され、延長されたトレーニングが「延長トレーニング」と示される。そして、基準回数s0に到達するまでの残り回数が示される。

0067

もちろん図示するような表示情報に限らず、さまざまな情報を表示し得る。例えば、負荷量を積算してゲージ形式で表示しても良いし、「もっと思い切って力を入れましょう」などのメッセージを表示しても良い。このような表示により、搭乗者はトレーニングの進捗状況を確認できる。また、このような表示は、搭乗者のトレーニング意欲向上に貢献する。

0068

以上の説明においては、搭乗台121の搭乗面は平面として説明したが、上述のように、搭乗者は静止状態において人体の中立位置が車軸上に位置するように搭乗することが好ましいので、そのような搭乗を促すような工夫を搭乗面に施しても良い。図11は、搭乗台の変形例について示す倒立二輪車100の部分拡大図である。この変形例においては、搭乗台121の搭乗面に凹凸部122を設けている。具体的には、凹凸部122は、土踏まずに相当する辺りが車輪131、132の車軸上に位置するように、その前後が深く窪んでいる。このような凹凸部122を設ければ、前後の窪みの間に位置する隆起面に搭乗者の土踏まずが自ずと載せられることが期待できる。

0069

また、凹凸部122に代えて、あるいは凹凸部と共に、搭乗台121の搭乗面に、搭乗者に推奨する足の載置位置を示す指標を設けても良い。例えば、踵位置を示すラインや、土踏まずの位置を示すサークルを搭乗面に記しても良い。

0070

100倒立二輪車、110ハンドル、121搭乗台、122凹凸部、131、132車輪、140 表示部、142入力受付部、144入出力IF、150姿勢センサ、151荷重センサ、161、162モータ、170トルクセンサ、171、172伝達機構、181、182車軸、190基台、200 制御部、210駆動輪ユニット、240メモリ、300バッテリ、400トレーニングユニット、410走行面

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