(57)【要約】【課題】訓練したい部位に対し適切な負荷がかかるバランス訓練が実施できること。【解決手段】訓練装置は、訓練を行う部位の情報を取得する部位取得手段と、所定動作時にかかる外力の情報を取得する外力取得手段と、該部位の情報と外力の情報とモデル情報とに基づいて、所定動作時における部位毎の負荷を算出する負荷算出手段と、所定動作時における倒立台車の動作の特徴量を算出する特徴量算出手段と、算出された部位毎の負荷と動作の特徴量とに基づいて、所定動作における部位毎の該部位に対する負荷と動作の特徴量との関係を示すマップ情報を生成するマップ生成手段と、バランス訓練で優先的に訓練を行う訓練者の体の部位を設定する優先部位設定手段と、設定された部位に基づいて、マップ情報を選択し該マップ情報に基づき動作指令を生成し倒立台車に対して出力する動作指令生成手段と、を備える。【選択図】図３
2018070098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
倒立台車に所定動作させることで該倒立台車に搭乗する訓練者に対し、バランス訓練を行う訓練装置であって、
前記訓練者が訓練を行う体の部位の情報を取得する部位取得手段と、
前記所定動作時に訓練者に対してかかる外力の情報を取得する外力取得手段と、
前記部位取得手段により取得された部位の情報と、外力取得手段により取得された外力の情報と、前記部位と外力と該部位にかかる負荷との関係を示すモデル情報と、に基づいて、前記所定動作時における部位毎の負荷を算出する負荷算出手段と、
前記所定動作時における倒立台車の動作の特徴量を算出する特徴量算出手段と、
前記負荷算出手段により算出された部位毎の負荷と、前記特徴量算出手段により算出された倒立台車の動作の特徴量と、に基づいて、前記所定動作における部位毎の該部位に対する負荷と前記倒立台車の動作の特徴量との関係を示すマップ情報を生成するマップ生成手段と、
前記バランス訓練で優先的に訓練を行う訓練者の体の部位を設定する優先部位設定手段と、
前記優先部位設定手段により設定された部位に基づいて、前記マップ情報を選択し、該選択したマップ情報に基づいて、前記倒立台車を動作させる動作指令を生成し、該生成した動作指令を前記倒立台車に対して出力する動作指令生成手段と、
を備える、ことを特徴する訓練装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、倒立台車を用いてバランス訓練を行う訓練装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
倒立台車を制御して、倒立台車に搭乗する訓練者のバランス訓練を行う訓練装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−０３１６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記訓練装置において、バランス訓練時に訓練者の体にかかる負荷を見ることができず、その訓練効果を確認できない。さらに、バランス訓練時に訓練者の体の各部位にどのような負荷がかかるか分からない。このため、訓練したい部位に適切な負荷がかかるバランス訓練が実施できなかった。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、訓練したい部位に対し適切な負荷がかかるバランス訓練が実施できる訓練装置を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
倒立台車に所定動作させることで該倒立台車に搭乗する訓練者に対し、バランス訓練を行う訓練装置であって、
前記訓練者が訓練を行う体の部位の情報を取得する部位取得手段と、
前記所定動作時に訓練者に対してかかる外力の情報を取得する外力取得手段と、
前記部位取得手段により取得された部位の情報と、外力取得手段により取得された外力の情報と、前記部位と外力と該部位にかかる負荷との関係を示すモデル情報と、に基づいて、前記所定動作時における部位毎の負荷を算出する負荷算出手段と、
前記所定動作時における倒立台車の動作の特徴量を算出する特徴量算出手段と、
前記負荷算出手段により算出された部位毎の負荷と、前記特徴量算出手段により算出された倒立台車の動作の特徴量と、に基づいて、前記所定動作における部位毎の該部位に対する負荷と前記倒立台車の動作の特徴量との関係を示すマップ情報を生成するマップ生成手段と、
前記バランス訓練で優先的に訓練を行う訓練者の体の部位を設定する優先部位設定手段と、
前記優先部位設定手段により設定された部位に基づいて、前記マップ情報を選択し、該選択したマップ情報に基づいて、前記倒立台車を動作させる動作指令を生成し、該生成した動作指令を前記倒立台車に対して出力する動作指令生成手段と、
を備える、ことを特徴する訓練装置
である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、訓練したい部位に対し適切な負荷がかかるバランス訓練が実施できる訓練装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態１に係る倒立台車の概略的構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る倒立台車の概略的なシステム構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る訓練装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。
【図４】位置情報及び外力情報を説明するための図である。
【図５】指令特徴量を説明するための図である。
【図６】特性マップの一例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態１に係る訓練装置の処理フローの一例を示すフローチャートである。
【図８】多次元特性マップの一例を示す図である。
【図９】複数の特性マップを選択する方法を説明するための図である。
【図１０】複数の特性マップを合成する方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施形態１
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態１に係る倒立台車の概略的構成を示す斜視図である。本発明の実施形態１に係る訓練装置は、図１に示す倒立台車１０に所定動作させることで該倒立台車１０に搭乗する訓練者に対し、バランス訓練を行う。倒立台車１０は、例えば、訓練者が搭乗し、重心移動、ハンドル操作、スイッチ操作、レバー操作、などの操作に応じて移動する。
【００１０】
図２は、本実施形態１に係る倒立台車の概略的なシステム構成を示すブロック図である。倒立台車１０は、例えば、訓練者が搭乗するステップ台部１１と、ステップ台部１１に設けられ、訓練者は把持するハンドル１２と、ステップ台部１１に回転可能に設けられた一対の車輪１３と、各車輪１３を駆動するモータなどの駆動部１４と、車輪１３の回転情報、ステップ台部１１の傾斜情報、ステップ台部１１やハンドル１２にかかる荷重情報などのセンサ情報を検出するセンサ部１５と、センサ部１５により検出されたセンサ情報に基づいて駆動部１４を制御する制御部１６、など、を有している。
【００１１】
倒立台車１０は、例えば、倒立状態を維持しつつ、訓練者の重心移動に応じて所望の走行を行う。例えば、訓練者がステップ台部１１上で前後方向に重心移動すると倒立台車１０は前後進する。訓練者がステップ台部１１上で左右方向へ重心移動すると、倒立台車１０は左右旋回する。また、訓練者は、ステップ台部１１上で重心移動の大きさを調整することで、倒立台車１０の加減速度の大きさを調整することができる。なお、上記倒立台車１０の構成は一例であり、これに限定されない。
【００１２】
訓練装置１は、例えば、倒立台車１０に対し、動作指令を送信することで、倒立台車１０に所定動作（前後動作、左右旋回動作、加減速動作、など）させる。これに対し、訓練者は、その所定動作に対応して、倒立台車１０において重心移動の走行操作を行うというようなバランス訓練を行う。これにより、訓練者の身体機能、バランス機能等を効率的に向上させることができる。
【００１３】
訓練装置１は、例えば、制御処理、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）１ａ、ＣＰＵ１ａによって実行される演算プログラム、制御プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ１ｂ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）１ｃ、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、それぞれ、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ１ａ、メモリ１ｂ、及びインターフェイス部１ｃは、データバス１ｄなどを介して相互に接続されている。
【００１４】
ところで、従来の訓練装置において、バランス訓練時に訓練者の体にかかる負荷を見ることができず、その訓練効果を確認できない。さらに、バランス訓練時に訓練者の体の各部位にどのような負荷がかかるかが分からない。このため、訓練したい部位に適切な負荷がかかるバランス訓練が実施できなかった。
【００１５】
例えば、倒立台車１０のバランス訓練時に駆動部１４の出力するトルクに基づいて、訓練者の足首にかかる負荷をある程度推定できるが、足首以外の部位にかかる負荷を把握するのは困難であった。このため、倒立台車１０を用いたバランス訓練では、訓練したい足首以外の部位については、その部位に適切な負荷をかけたバランス訓練が実施できなかった。
【００１６】
これに対し、本実施形態に係る訓練装置１は、倒立台車１０の所定動作時における訓練者の体の部位と負荷との関係を示す特性マップを生成し、その特性マップを利用して、優先的に訓練したい部位に対し適切な負荷がかかる倒立台車１０の動作指令を生成する。これにより、訓練したい部位に対し適切な負荷がかかるバランス訓練が実施できる。したがって、バランス訓練をより効果的に実施できる。
【００１７】
図３は、本実施形態１に係る訓練装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態１に係る訓練装置１は、記憶部２と、位置情報取得部３と、外力情報取得部４と、筋活動量算出部５と、特徴量算出部６と、特性マップ生成部７と、優先部位設定部８と、動作指令生成部９と、を備えている。
【００１８】
記憶部２は、例えば、上記メモリなどにより構成されている。記憶部２は、特性マップなどの情報を記憶する。
位置情報取得部３は、部位取得手段の一具体例である。位置情報取得部３は、例えば、入力装置などを介して、図４に示す如く、訓練者が訓練を行う体の部位（以下、訓練部位）の位置を示す位置情報を取得する。訓練部位は、例えば、訓練者の頭部、首部、胸部、腰部、胴体部、上腿部、下腿部、足部、上腕部、前腕部、などである。入力装置は、例えば、モーションキャプチャ（カメラ、慣性センサなどを含む）、キーボード、マウス、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、タッチパネル、携帯端末（スマートフォンなど）である。位置情報は、予め記憶部２などに設定されていて、位置情報取得部３は、記憶部２から位置情報を取得してもよい。位置情報取得部３は、取得した訓練部位の位置情報を筋活動量算出部５に出力する。
【００１９】
外力情報取得部４は、外力取得手段の一具体例である。外力情報取得部４は、倒立台車１０の所定動作時において、訓練者にかかる外力の情報（以下、外力情報）を取得する。外力情報取得部４は、例えば、図４に示す如く、倒立台車１０の所定動作時におけるセンサ部１５から出力される外力情報（ステップ台部１１やハンドル１２の荷重情報など）を取得する。ここでは、倒立台車１０の所定動作に対する、訓練者の反応（随意運動）を考慮した外力情報の取得が行われている。外力情報取得部４は、取得した外力情報を筋活動量算出部５に出力する。
【００２０】
筋活動量算出部５は、負荷算出手段の一具体例である。筋活動量算出部５は、位置情報取得部３からの位置情報と、外力情報取得部４からの外力情報と、を筋骨格モデルに入力し逆動力学演算を行って、倒立台車１０の所定動作時における訓練者の訓練部位毎の筋活動量を算出する。筋骨格モデルは、訓練部位と外力と訓練部位にかかる負荷との関係を示すモデル情報である。筋骨格モデルは、例えば、記憶部２などに予め記憶されている。筋活動量算出部５は、訓練部位毎の筋活動量を、最大の筋活動量である最大筋活動量に対する割合（％）、あるいは、各部位の比率として、算出してもよい。なお、筋肉活動量の数値が大きければ、それだけ、その筋肉に対する負荷が高く、その活動量が大きくなる。筋活動量算出部５は、算出した倒立台車１０の所定動作時における訓練部位毎の筋活動量を特性マップ生成部７に出力する。
【００２１】
特徴量算出部６は、特徴量算出手段の一具体例である。特徴量算出部６は、倒立台車１０の所定動作の特徴量を算出する。特徴量算出部６は、例えば、倒立台車１０の所定動作時に制御部１６から駆動部１４に対して送信される指令値に基づいて、駆動部１４に対する指令値の特徴量である指令特徴量を算出する。例えば、指令値は、図５に示す如く、正弦波（振幅ａ、周波数ｆ）や矩形波（振幅ａ′、周期Ｔ、デユーティ比ｄ）である。この場合、特徴量算出部６は、正弦波や矩形波の特徴量を周波数として算出する。特徴量算出部６は、算出した指令特徴量を特性マップ生成部７に出力する。
【００２２】
特性マップ生成部７は、マップ生成手段の一具体例である。特性マップ生成部７は、筋活動量算出部５により算出された訓練部位毎の筋活動量と、特徴量算出部６により算出された指令特徴量と、に基づいて、倒立台車１０の所定動作時における訓練部位毎の、筋活動量と指令特徴量との関係を示す特性マップを生成する。特性マップは、マップ情報の一具体例である。
【００２３】
特性マップは、例えば、図６に示す如く、縦軸を筋活動量とし、横軸を周波数として、訓練部位毎（訓練部位１（実線（１））、訓練部位２（点線（２））、訓練部位３（点線（３））など）に筋活動量の変化を示している。特性マップを参照することで、どの指令特徴量が人体のどの訓練部位の筋肉に影響があるかが分かる。
【００２４】
特性マップ生成部７は、倒立台車１０の各所定動作（前後動作（並進動作）、左右旋回動作（回転動作）、加減速動作、これらの組合せ動作など）時における訓練部位毎の、筋活動量と指令特徴量との関係を示す特性マップを夫々生成する。特性マップ生成部７は、生成した各特性マップを記憶部２に記憶させる。なお、特性マップ生成部７は、表示装置などを用いて、生成した特性マップを適宜表示させてもよい。訓練者は、この特性マップを参照することで、所定動作に対して、訓練者の体の筋肉（訓練部位）がどのように動員させているかを認識することができる。
【００２５】
優先部位設定部８は、優先度設定手段の一具体例である。優先部位設定部８は、訓練者などにより設定された情報あるいは、予め設定された情報に基づいて、バランス訓練で優先的に訓練を行う訓練者の訓練部位を設定する。優先部位設定部８は、例えば、集中的な訓練（より高い負荷をかける訓練）が必要な、１つの訓練部位（３）を設定、複数の訓練部位（１）、（２）を設定、あるいは、訓練部位（１）〜（３）を交互又はランダムに設定する。
【００２６】
動作指令生成部９は、動作指令生成手段の一具体例である。動作指令生成部９は、優先部位設定部８により設定された訓練部位に基づいて、その訓練部位を訓練するの適切な特性マップを選択する。例えば、動作指令生成部９は、優先部位設定部８により設定された訓練部位の筋活動量の平均値がより高い特性マップを、記憶部２の特性マップの中から選択する。また、動作指令生成部９は、優先部位設定部８により設定された訓練部位の筋活動量（又はその平均値）が所定量以上となる特性マップを、記憶部２の特性マップの中から選択してもよい。このようにして、動作指令生成部９は、優先部位設定部８により設定された優先度の高い訓練部位により高い負荷をかけることができる特性マップを選択する。
【００２７】
動作指令生成部９は、選択した特性マップに基づいて動作指令を生成し、倒立台車１０の制御部１６に対して出力する。例えば、動作指令生成部９は、選択した特性マップに基づいて、その特性マップに対応する所定動作を行うための動作指令を生成し、倒立台車１０の制御部１６に対して出力する。倒立台車１０の制御部１６は、動作指令生成部９からの動作指令に従って、駆動部１４を制御し、倒立台車１０を走行させる。これにより、設定された優先度の高い訓練部位により高い負荷をかけて、その訓練部位を重点的に訓練することができる。すなわち、訓練したい部位に対し適切な負荷がかかるバランス訓練が実施できる。
【００２８】
図７は、本実施形態１に係る訓練装置の処理フローの一例を示すフローチャートである。
位置情報取得部３は、入力装置などを介して、訓練部位の位置情報を取得し、筋活動量算出部５に出力する（ステップＳ１０１）。
【００２９】
外力情報取得部４は、倒立台車１０の所定動作時におけるセンサ部１５から出力される外力情報を取得し、筋活動量算出部５に出力する（ステップＳ１０２）。
筋活動量算出部５は、位置情報取得部３からの位置情報と、外力情報取得部４からの外力情報と、を筋骨格モデルに入力し逆動力学演算を行って、倒立台車１０の所定動作時における訓練者の訓練部位毎の筋活動量を算出し、特性マップ生成部７に出力する（ステップＳ１０３）。
【００３０】
特徴量算出部６は、倒立台車１０の所定動作時に制御部１６から駆動部１４に対して送信される指令値に基づいて、駆動部１４に対する指令値の特徴量である指令特徴量を算出し、特性マップ生成部７に出力する（ステップＳ１０４）。
【００３１】
特性マップ生成部７は、筋活動量算出部５により算出された訓練部位毎の筋活動量と、特徴量算出部６により算出された指令特徴量と、に基づいて、倒立台車１０の所定動作時における訓練部位毎の、筋活動量と指令特徴量との関係を示す特性マップを生成し、記憶部２に記憶させる（ステップＳ１０５）。
【００３２】
優先部位設定部８は、バランス訓練で優先的に訓練を行う訓練者の訓練部位を設定し、設定した訓練部位を動作指令生成部９に出力する（ステップＳ１０６）。
動作指令生成部９は、優先部位設定部８により設定された訓練部位に基づいて、その訓練部位を訓練するのに適切な特性マップを選択し、選択した特性マップに基づいて動作指令を生成し、倒立台車１０の制御部１６に対して出力する（ステップＳ１０７）。
【００３３】
以上、本実施形態１に係る訓練装置１において、位置情報取得部３は、訓練者が訓練を行う訓練部位の情報を取得し、外力情報取得部４は、所定動作時に訓練者に対してかかる外力情報を取得する。筋活動量算出部５は、位置情報取得部３により取得された訓練部位の情報と、外力情報取得部４により取得された外力情報と、モデル情報と、に基づいて、所定動作時における訓練部位毎の筋活動量を算出する。特徴量算出部６は、所定動作時における倒立台車１０の動作の指令特徴量を算出する。特性マップ生成部７は、筋活動量算出部５により算出された訓練部位毎の筋活動量と、特徴量算出部６により算出された倒立台車１０の動作の指令特徴量と、に基づいて、倒立台車１０の所定動作時における訓練部位毎の、筋活動量と指令特徴量との関係を示す特性マップを生成する。優先部位設定部８は、バランス訓練で優先的に訓練を行う訓練者の訓練部位を設定する。動作指令生成部９は、優先部位設定部８により設定された訓練部位に基づいて、マップ情報を選択し、該選択したマップ情報に基づいて、倒立台車１０を動作させる動作指令を生成し、該生成した動作指令を倒立台車１０に対して出力する。これにより、設定された優先度の高い訓練部位により高い負荷をかけて、その訓練部位を重点的に訓練することができる。すなわち、訓練したい部位に対し適切な負荷がかかるバランス訓練が実施できる。
【００３４】
実施形態２
本発明の実施形態２において、特性マップ生成部７は、例えば、所定動作（前後動作、左右旋回動作、加減速動作、など）、ハンドル１２の有無、ハンドル１２の高さ、訓練者の足幅、訓練者、などの訓練条件毎に、上記の訓練部位毎の筋活動量と指令特徴量との特性マップを多次元的に生成する。特性マップ生成部７は、例えば、図８に示す如く、Ｘ軸方向に足幅の異なる特性マップを並べ、Ｙ軸方向にハンドル１２高さの異なる特性マップを並べ、Ｚ軸方向に所定動作（並進動作、回転動作）の異なる特性マップを並べた、多次元特性マップを生成する。特性マップ生成部７は、生成した複数の特性マップを含む多次元特性マップを記憶部２に記憶させる。
【００３５】
動作指令生成部９は、優先部位設定部８により設定された訓練部位に基づいて、その訓練部位を訓練するのに適切な特性マップを、記憶部２の多次元特性マップの中から少なくとも１つ選択する。
【００３６】
動作指令生成部９は、優先部位設定部８により設定された訓練部位の筋活動量がより高い特性マップを、記憶部２の多次元特性マップの中から少なくとも１つ選択してもよい。動作指令生成部９は、例えば、図９に示す如く、複数の特性マップ（１）及び（２）を、記憶部２の多次元マップの中から選択する。
【００３７】
動作指令生成部９は、例えば、複数の特性マップを選択した場合、これら選択した特性マップを合成する。例えば、動作指令生成部９は、図１０に示す如く、訓練部位毎に、選択した特性マップの指令特徴量及び周波数の曲線（点線（１）及び点線（２））を重ね合わせて曲線（実線（３））を生成して、合成した特性マップを生成してもよい。これにより、特性マップの曲線に変化を持たせることで、バランス訓練の所定動作に変化を持たせ、動作が単調になるのを抑制できる。動作指令生成部９は、合成した特性マップに基づいて動作指令を生成し、倒立台車１０の制御部１６に対して出力する。
なお、本実施形態２において、上記実施形態１と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３８】
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。
本発明は、例えば、図７に示す処理を、ＣＰＵ１ａにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。
【００３９】
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）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、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。
【００４０】
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。
【符号の説明】
【００４１】
１  訓練装置、２  記憶部、３  位置情報取得部、４  外力情報取得部、５  筋活動量算出部、６  特徴量算出部、７  特性マップ生成部、８  優先部位設定部、９  動作指令生成部、１０  倒立台車、１１  ステップ台部、１２  ハンドル、１３  車輪、１４  駆動部、１５  センサ部、１６  制御部
【図１】
2018070098.tif 000003
【図２】
2018070098.tif 000004
【図３】
2018070098.tif 000005
【図４】
2018070098.tif 000006
【図５】
2018070098.tif 000007
【図６】
2018070098.tif 000008
【図７】
2018070098.tif 000009
【図８】
2018070098.tif 000010
【図９】
2018070098.tif 000011
【図１０】
2018070098.tif 000012