(57)【要約】【課題】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より精度良く観察できるようにする。【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は、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、出力部は、検出部によって検出された駆動トルクが走行面の状態に起因して変化したと判断した場合に、トルク情報の出力を中断する。【選択図】図６
2018131019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【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のトルク情報を、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、
前記出力部は、前記検出部によって検出された前記駆動トルクが走行面の状態に起因して変化したと判断した場合に、前記トルク情報の出力を中断する倒立振子型移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、倒立振子型移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロセンサや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、倒立振子の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、搭乗者が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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−３０４３６号公報
【発明の概要】
【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より精度良く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】
本発明の一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、出力部は、検出部によって検出された駆動トルクが走行面の状態に起因して変化したと判断した場合に、トルク情報の出力を中断する。
【０００７】
このような構成により、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。特に、段差などの走行面の状態に起因して駆動トルクの出力が変化する場合は、その駆動トルクからトルク情報を生成して出力することがないので、搭乗者の運動負荷をより正確に見積もることができる。
【発明の効果】
【０００８】
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より精度良く観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る倒立二輪車の外観斜視図である。
【図２】倒立二輪車の主な構成を示す概略図である。
【図３】倒立二輪車の制御ブロック図である。
【図４】足関節トルクの検出原理を説明する説明図である。
【図５】トレーニングの様子を示す図である。
【図６】路面不良が検出結果に与える影響を説明する図である。
【図７】トレーニングモードにおける制御フローを示すフロー図である。
【図８】トレーニング中における表示例を示す図である。
【図９】他の実施形態にかかる訓練システムの外観斜視図である。
【図１０】ハーネスワイヤが足関節トルクの演算に与える影響を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
図１は、本実施形態に係る訓練システムとしての倒立二輪車１００の外観斜視図である。本実施形態においては、倒立二輪車１００は、倒立振子型移動体であり、倒立二輪車１００が訓練システムの全体を構成するものとして説明する。
【００１２】
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、基台１９０に連結される支柱部と搭乗者が把持する把持部から成る。ハンドル１１０は、搭乗者に把持されることにより、搭乗者のバランス維持を補助する補助支持部としての機能を発揮する。
【００１３】
ハンドル１１０の支柱部には、例えばひずみゲージが貼着されたロードセルから成る加重センサ１２０が設けられている。加重センサ１２０は、搭乗者がハンドル１１０を押したり引いたりする荷重を検出する。また、ハンドル１１０の把持部には、搭乗者が視認できるように、表示部１４０が設けられている。表示部１４０は、例えば液晶パネルによって構成され、搭乗者に各種情報を呈示する。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
本実施形態にかかる倒立二輪車１００は、足首にある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。
【００１８】
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が禁止される。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。
【００１９】
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。以降の図面においては、ここで定義した座標系を示してその向きを表す場合がある。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、例えばシャフトに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に供給する電力の電流値を検出して、当該電流値をモータトルクに換算しても良い。
【００２３】
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。
【００２４】
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電源で充電することができ、着脱可能に構成されていても良い。
【００２５】
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。
【００２６】
加重センサ１２０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。当該検出信号は、例えばハンドル１１０の支柱部に向きを違えて貼着された複数のひずみゲージの出力信号を含み、これにより制御部２００は、搭乗者がハンドル１１０に加えた荷重の向きと大きさを把握することができる。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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ー項目や進捗状況に加え、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。
【００３１】
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、搭乗者の入力操作を受け付けて、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。
【００３２】
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。
【００３３】
一連の制御プログラムは、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、不揮発性の記録媒体であり、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
また、加重センサ１２０の位置をＨＰとし、加重センサ１２０が検出した力をＦｈとする。Ｆｈのうち、ＷＡとＨＰを結ぶ直線に直交する成分をＦｈａとする。さらに、ＷＡとＨＰの距離をｄｍｈとする。
【００３７】
まず、搭乗者がハンドル１１０に力を加えていない状態について、すなわちＦｈが０の場合について考える。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。これをトルクの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ｘ軸方向における距離であるので、
ｄｔｍ＝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）  
と解くことができる。
【００３８】
（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、足長の標準値を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、人体の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。
【００３９】
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。
【００４０】
次に、搭乗者がハンドル１１０に力を加えた状態について、すなわちＦｈが０でない場合について考える。ハンドル１１０の支柱部は基台１９０に対して固定して設置されており、加重センサ１２０の位置ＨＰは、車輪１３２の回転中心位置ＷＡに対して相対的に不変であるので、Ｆｈａの向きも一定である。したがって、制御部２００は、加重センサ１２０の検出信号からＦｈとＦｈａのなす角θを算出することができ、Ｆｈａを、
Ｆｈａ＝Ｆｈ・ｃｏｓθ                                                    （８）
と算出できる。搭乗者がハンドル１１０に力を加えることによって発生するＦｈａのＷＡ周りのトルクをＴｈとすると、
Ｔｈ＝Ｆｈａ・ｄｍｈ                                                    （９）
である。したがって、搭乗者がハンドル１１０に力を加えた場合には、（７）式を、
Ｔｆｏｏｔ＝Ｍｇ・ｄｆｔ＋Ｔｍｏｔｏｒ−Ｔｈ                          （１０）
と修正することができる。
【００４１】
なお、以上の計算式においては、本実施形態においてＦｈの重力方向の成分Ｆｈｂは微小であって実質的には無視し得るので考慮していないが、考慮するのであれば、（１０）式のＭｇをＭｇ−Ｆｈｂに置き換えれば良い。
【００４２】
ここで、（１０）式右辺の第一項Ｍｇ・ｄｆｔ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、（１０）式右辺の第二項および第三項のＴｍｏｔｏｒ−Ｔｈ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。Ｔｍｏｔｏｒ−Ｔｈの値は、トルクセンサ１７０の出力、加重センサ１２０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、Ｔｍｏｔｏｒ−Ｔｈ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、Ｔｍｏｔｏｒ−Ｔｈの経時変化と相関する。
【００４３】
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、Ｔｍｏｔｏｒ−Ｔｈ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、Ｔｍｏｔｏｒ−Ｔｈ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勘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および加重センサ１２０の出力からＴｍｏｔｏｒ−Ｔｈを演算して足関節のトルク情報を生成する。換言すれば、モータトルクとハンドル１１０に加えられる荷重に基づいて足関節トルクを推定していると言える。
【００４４】
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。また、搭乗者がバランスを維持するためにハンドル１１０に寄りかかったとしても、そのときの足関節トルクをより正確に算出することができるので、リハビリ効果を得るためのトレーニングをより確実に行うことができる。
【００４５】
なお、上記（１）式から（１０）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、（１０）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（１０）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（１０）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。
【００４６】
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。
【００４７】
図５は、倒立二輪車１００を用いたトレーニングの様子を示す図である。足関節トルクの演算は、上述の加速度や角速度の影響の他にも、倒立二輪車１００が走行する走行面である路面の状態に起因する影響を受ける場合がある。
【００４８】
トレーニングモードに切り替えて路面４００上を往復するトレーニングを行う場合に、例えば図示するような段差４１０が路面４００に存在すると、モータは、倒立二輪車１００がこの段差４１０を乗り越えるためのトルクを出力する。すなわち、足関節トルクに対応するモータトルクに対して、路面不良に応じた相対的に大きなトルクが加算もしくは減算され、全体として大きなトルク変化が生じる。
【００４９】
図６は、路面不良が検出結果に与える影響を説明する図である。図６（ａ）は、トレーニングモードの実行時において検出されたモータトルクの一例を表す。横軸は経過時間であり、縦軸はトルクセンサ１７０が検出したモータトルクである。図示するように、時刻ｔ１とｔ２でモータトルクに突発的な変化があることがわかる。路面不良は、図５に示した段差の存在の他にも、路面が濡れている場合なども考えられる。出願人は、路面不良に起因するモータトルクの変化の多くが、それまでの検出されていた値から突発的に大きく値を変えて短時間の間に収束するものであるとの知見を得た。
【００５０】
図６（ｂ）は、図６（ａ）のモータトルクを時間で微分したものである。横軸は経過時間であり、縦軸は微分値である。このようにモータトルクの微分値を観察すると、路面不良に遭遇した場合には、微分値が概ね＋Ｄ０を超えるか、−Ｄ０を下回ることが分かった。そこで、本実施形態においては、閾値としてＤ０を定め、検出されたモータトルクの微分値の絶対値がこの閾値を超えたら、一定時間ｔ０の間、足関節トルクの算出を中断する。このように足関節トルクの算出を中断することにより、誤った足関節トルク情報を呈示することを防ぐ。
【００５１】
なお、Ｄ０は、倒立二輪車１００を走行させる路面４００の状況に応じて、選択して設定されるようにしても良い。Ｄ０の値は、例えば、屋内か屋外か、屋内でもワックスが塗布された床面かどうかなどによって最適値が異なる。そこで、倒立二輪車１００が使用される路面４００の状況を想定し、予め実験などによってそれぞれの状況におけるＤ０を定めておくと良い。
【００５２】
また、中断する一定時間ｔ０についても、モータトルクの変化が収束する時間に応じて予め実験などによって定めておく。一定時間ｔ０についても、倒立二輪車１００を走行させる路面４００の状況に応じてそれぞれ定めておき、選択して設定されるようにしても良い。
【００５３】
図７は、トレーニングモードにおける制御フローを示すフロー図である。フローは、倒立二輪車１００の電源がオンにされ、トレーニングモードのプログラムがメモリ２４０から読み出されて開始される。
【００５４】
制御部２００は、ステップＳ１０１で、患者が搭乗するまで待機する。具体的には、制御部２００は、荷重センサ１５１から一定荷重の検出信号を取得したら、患者が搭乗したと判断してステップＳ１０２へ進む。
【００５５】
制御部２００は、ステップＳ１０２で、トレーニングとしての課題付与を開始する。課題は、例えば、表示部１４０に「前進して下さい」「後進して下さい」などのメッセージを連続的に表示して、メッセージに従った操作を患者に促すものである。制御部２００は、トレーニングを開始したら、トルクセンサ１７０の検出信号の取得を開始し、上述のように足関節トルクのトルク情報を演算して、表示部１４０にその結果を表示する。
【００５６】
制御部２００は、トレーニング中であるステップＳ１０３において、トルクセンサ１７０の検出信号を継続して取得し、その微分値を監視する。そして、微分値Ｄの絶対値｜Ｄ｜が、予め定められた閾値Ｄ０を超えたか否かを判断する。超えていないと判断した場合はステップＳ１０４へ進み、足関節トルクを演算してその情報を表示部１４０に表示して、ステップＳ１０６へ進む。超えていると判断最多場合はステップＳ１０５へ進み、一定時間ｔ０の間足関節トルクの演算を中断して、ステップＳ１０６へ進む。
【００５７】
制御部２００は、ステップＳ１０６で、トレーニングとしての課題付与がすべて終了したか否かを判断する。終了していないと判断したらステップＳ１０３へ戻り、トレーニングプログラムを継続する。終了したと判断したらステップＳ１０７へ進む。制御部２００は、ステップＳ１０７で、確定したトレーニング結果を表示部１４０に表示したり、患者が降機するための停止制御を行ったりする終了処理を実行し、完了したら一連の処理を終了する。
【００５８】
図８は、トレーニング中における表示部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。合格ラインは合格基準値を示し、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。そして、目標回数ｓ０に到達するまでの残り回数が示される。
【００５９】
図示するように、トレーニング中に微分値の絶対値｜Ｄ｜が閾荷重Ｄ０を超えた場合には、制御部２００は、現時点でのＴｆｏｏｔを表す星印を消去し、一定時間ｔ０の期間をグレイアウトで表示しても良い。追加的に「路面不良！」などのメッセージを表示して告知処理をおこなっても良い。制御部２００は、この期間は、トルク情報の出力を停止しても良いし、閾荷重Ｄ０を超えた旨を表すフラグなどの付加情報を追加してトルク情報を出力しても良い。トルク情報を継続的なログとして記録する場合は、付加情報を含めて記録すると良い。
【００６０】
以上のような本実施形態にかかる倒立二輪車１００によれば、患者である搭乗者あるいは患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。特に、段差などの走行面の状態に起因して駆動トルクの出力が変化する場合は、その駆動トルクからトルク情報を生成して出力することがないので、搭乗者の運動負荷をより正確に見積もることができる。
【００６１】
図９は、他の実施形態にかかるトレーニング装置５００の外観斜視図である。トレーニング装置５００は、上述の倒立二輪車１００とほぼ同様の構成を有する倒立二輪車１００’を一部の構成として含む訓練システムである。トレーニング装置５００は、倒立二輪車１００’の他には主に、全体の骨格を成すフレーム５３０に取り付けられたハーネス引張部５１２を備える。搭乗者は、倒立二輪車１００’をフレーム５３０に囲まれた走行面上を移動させて訓練を行う。
【００６２】
フレーム５３０は、モータやセンサの制御を行う全体制御部５２０を収容する制御盤５３３や、訓練の進捗状況等を表示する例えば液晶パネルである表示部５３８などを支持している。また、フレーム５３０は、搭乗者の頭上部付近でハーネス引張部５１２を支持している。全体制御部５２０は、例えばＣＰＵであり、倒立二輪車１００’が備える制御部２００’と交信して、トレーニング装置５００の全体を統括的に制御する。
【００６３】
トレーニング装置５００は、装具５１０、ハーネスワイヤ５１１、ハーネス引張部５１２を主な構成要素とする安全装置を備える。装具５１０は、搭乗者の腰部に巻き付けられるベルトであり、例えば面ファスナによって腰部に固定される。装具５１０は、吊具であるハーネスワイヤ５１１の一端に連結される。
【００６４】
ハーネスワイヤ５１１は、他端がハーネス引張部５１２の巻取機構に連結されている。ハーネス引張部５１２の巻取機構は、不図示のモータをオン／オフさせることにより、ハーネスワイヤ５１１を巻き取ったり繰り出したりする。ハーネス引張部５１２は、不図示のモータを含め、ハーネスワイヤ５１１の吊り上げおよび吊り下げを行う駆動部としての機能を担う。このような構成により、安全装置は、搭乗者がバランスを崩しそうになった場合に、搭乗者の上体を支えて搭乗者を安定させる。
【００６５】
このような装置構成において、搭乗者の腰部に装着されるハーネスワイヤ５１１は、搭乗者のバランス維持を補助する補助支持部としての役割を担う。このとき、ハーネス引張部５１２が備えるロードセルは、搭乗者がバランスを崩しそうになった場合に搭乗者がハーネスワイヤ５１１を引っ張る引張力Ｆを検出する。
【００６６】
ここで、検出された引張力Ｆが予め定められた閾値Ｆ０を超えるような場合は、制御部２００は、足関節トルクの演算が正しく行えないと判断する。図１０は、ハーネスワイヤ５１１が足関節トルクの演算に与える影響を説明する図である。横軸は経過時間であり、縦軸はトルクセンサ１７０が検出したモータトルクである。
【００６７】
図示するように、時刻ｔ３でモータトルクが閾値Ｆ０を超える変化があることがわかる。制御部２００は、この変化を検出したら、予め定められた一定時間ｔ’０の間、足関節トルクの算出を中断する。このように足関節トルクの算出を中断することにより、誤った足関節トルク情報を呈示することを防ぐ。なお、制御部２００は、閾値Ｆ０を下回ったら足関節トルクの算出を再開しても良い。
【符号の説明】
【００６８】
１００、１００’  倒立二輪車、１１０  ハンドル、１２０  加重センサ、１２１  搭乗台、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、２００’  制御部、２１０  駆動輪ユニット、２４０  メモリ、３００  バッテリ、４００  路面、４１０  段差、５００  トレーニング装置、５１０  装具、５１１  ハーネスワイヤ、５１２  ハーネス引張部、５２０  全体制御部、５３０  フレーム、５３３  制御盤、５３８  表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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