(57)【要約】【課題】高い訓練効果が得られるバランス訓練装置を提供すること。【解決手段】バランス訓練装置１は、同軸上に配置された２つの車輪１３と、車輪１３を駆動させる駆動手段と、駆動手段をコントロールする駆動コントローラ１６と、を有する倒立車両１１と、倒立車両１１の駆動手段に、倒立姿勢を崩すように外乱トルクを発生させる外乱トルク付与コントローラ１７と、倒立車両にかかる搭乗者の重心移動を検知するセンサ１５と、を備え、外乱トルク付与コントローラ１７は、外乱トルクの発生から搭乗者が重心移動を実行するまでの反応時間と、あらかじめ閾値として設定した時間と、を比較した結果に応じて、外乱トルクの立ち上がり時間を調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同軸上に配置された２つの車輪と、前記車輪を駆動させる駆動手段と、前記駆動手段をコントロールする駆動コントローラと、を有する倒立車両と、
前記倒立車両の駆動手段に、倒立姿勢を崩すように外乱トルクを発生させる外乱トルク付与コントローラと、
前記倒立車両にかかる搭乗者の重心移動を検知するセンサと、を備え、
前記外乱トルク付与コントローラは、外乱トルクの発生から搭乗者が重心移動を実行するまでの反応時間と、あらかじめ閾値として設定した時間と、を比較した結果に応じて、外乱トルクの立ち上がり時間を調整する、
バランス訓練装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、倒立二輪車を用いたバランス訓練装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、同軸上に２つの車輪が配置される倒立二輪車を用いて、搭乗者のバランス訓練が行われている。このような分野の技術として、特開２０１７−０４７０１０号公報がある。この公報に記載された訓練装置は、倒立状態から姿勢を崩すように車両に対して外乱トルクを発生させるように、コントローラによる制御を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−０４７０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した従来の訓練装置において、外乱トルクに反応して倒立姿勢を維持しようとする反応速度は、搭乗者の能力によって異なる。ここで、搭乗者の反応速度が遅い場合に、搭乗者にあわせて外乱トルクの強さを下げてしまうと、バランス訓練効果が上がりにくいという問題もある。例えば、バランス訓練を行う人によって、ゆっくりかつ大きい姿勢変化には耐えられるが、急激な姿勢変化には耐えられないという場合がある。
本発明は、高い訓練効果が得られるバランス訓練装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明にかかるバランス訓練装置は、同軸上に配置された２つの車輪と、前記車輪を駆動させる駆動手段と、前記駆動手段をコントロールする駆動コントローラと、を有する倒立車両と、前記倒立車両の駆動手段に、倒立姿勢を崩すように外乱トルクを発生させる外乱トルク付与コントローラと、前記倒立車両にかかる搭乗者の重心移動を検知するセンサと、を備え、前記外乱トルク付与コントローラは、外乱トルクの発生から搭乗者が重心移動を実行するまでの反応時間と、あらかじめ閾値として設定した時間と、を比較した結果に応じて、外乱トルクの立ち上がり時間を調整する。
これにより、搭乗者の能力に併せて外乱トルクの立ち上がり時間を調整することで、外乱トルク自体を下げずに訓練を実行することができる。
【発明の効果】
【０００６】
これにより、高い訓練効果が得られるバランス訓練装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】バランス訓練装置に用いる倒立車両を示した図である。
【図２】倒立車両における車台とステップ板の配置を示す拡大図である。
【図３】車台とステップ板の間に配置されたセンサを示す図である。
【図４】センサ配置を変更した例を示した図である。
【図５】外乱の入力と搭乗者の反応によるセンサ出力の一例を示す図である。
【図６】訓練フローの一例を示す図である。
【図７】外乱の立ち上がりが遅くなるように調整した状態の一例を示した図である。
【図８】外乱の立ち上がりが遅くなるように調整した状態の別の例を示した図である。
【図９】可動式ジョイントと位置センサを用いた倒立車両を示した図である。
【図１０】荷重センサによらずに搭乗者の反応時間を取得する状態を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１に示すように、バランス訓練装置１には、駆動コントローラ１６により倒立状態となるように制御される倒立車両１１が用いられる。
【０００９】
具体的には、倒立車両１１には、車台１２と、車台１２の両サイドに同軸上に配置された一対の車輪１３と、車台１２の上部に配置されるステップ板１４と、車台１２とステップ板１４の間に設けられるセンサ１５と、車輪１３を駆動させる駆動手段（図示せず）と、駆動手段の駆動状態を変更することで倒立車両１１を倒立状態となるように制御する駆動コントローラ１６と、倒立車両１１の倒立状態を崩すような外乱トルクを発生させる外乱トルク付与コントローラ１７と、車台１２の傾きを取得するジャイロセンサ１８と、タイマー１９と、記憶部２０と、判定部２１と、を備える。
【００１０】
車台１２の内部には、駆動手段と、駆動コントローラ１６と、外乱トルク付与コントローラ１７と、ジャイロセンサ１８と、タイマー１９と、記憶部２０と、判定部２１が配置されている。駆動手段とは、例えば駆動用モータであって、車輪１３に連結されている軸を回転させるための動力を発生させる。なお、タイマー１９と、記憶部２０と、判定部２１は、車台１２内以外の箇所に配置されていてもよい。
【００１１】
典型的には、車台１２の前方側上面には、上方に延在するように設けられた支持バーが立設されている。また、支持バーの上部付近には、搭乗者が把持するためのハンドルや、警告音や案内音を発生させるスピーカー、搭乗者への動作支持や動作の状態を表示するディスプレイ、スピーカーやディスプレイ等を操作するためのボタンが配置されたパネル等が設けられていてもよい。
【００１２】
図２に示すように、ステップ板１４は、車台１２の上方に設けられており、搭乗者の足を載置するための板である。ここでステップ板１４は、搭乗者の左右の足の夫々に対応するように、２枚のステップ板１４ａ、１４ｂが車台１２上に左右に並んで配置されている。例えば、ステップ板１４ａには左足が載置され、ステップ板１４ｂには右足が載置される。
【００１３】
センサ１５は、ステップ板１４の下面と車台１２の上面との間に挟まれるように配置された荷重センサである。センサ１５は、倒立車両１１にかかる搭乗者の重心移動を検出する。ここで具体的には、１つのステップ板１４と車台１２の間には、前後に並ぶように２つのセンサが配置される。例えば図３に示すように、左足を載置するステップ板１４ａと車台１２の間において、前方寄りにセンサ１５ａ、後方寄りにセンサ１５ｂが配置される。なお同様に、右足を載置するステップ板１４ｂと車台１２の間において、前方寄りにセンサ１５ｃ、後方寄りにセンサ１５ｄが配置される。
【００１４】
以下では、センサ１５により検知される荷重が大きい場合には、センサ１５からの出力が大きくなるものとして説明する。
【００１５】
なお、センサ１５の配置は図３に示した配置に限られない。図４（ａ）に示すように、センサ１５の個数を増やして配置しても良く、図４（ｂ）に示すように、単体で重心位置を検出できるシート状センサであっても良い。また、図４（ｃ）に示すように、複数の検出軸を持つセンサを用いても良い。
【００１６】
駆動コントローラ１６は、駆動手段の駆動状態をコントロールするための演算を行う演算部である。具体的には、駆動コントローラ１６は、ジャイロセンサ１８により取得される車台１２の傾きに基づいて倒立車両１１の走行状態を調整しながら、倒立車両１１が倒立状態となるように制御する。例えば、駆動コントローラ１６は、車台１２が深く前傾していれば走行速度が速くなるように走行状態を制御し、車台１２が左右方向に傾いていれば左右に旋回動作するように走行状態を制御しながら、倒立制御を行う。
【００１７】
外乱トルク付与コントローラ１７は、駆動手段の駆動状態をコントロールするための演算を行う演算部である。例えば、外乱トルク付与コントローラ１７は、倒立車両１１に対して外乱トルク（以下、外乱）が入った状態にすることで倒立姿勢を崩すように、駆動手段の制御を行う。例えば、倒立車両１１は、外乱が入力されることにより後方に傾いた状態、あるいは、前方に傾いた状態になる。
【００１８】
また後述するように、外乱トルク付与コントローラ１７は、倒立車両１１に外乱が入力されてから搭乗者が重心移動を実行するまでの反応時間と、記憶部２０に記憶されている閾値の時間と、を比較した判定部２１の判定結果に基づき、次に倒立車両１１に入力する際の外乱をコントロールする。なお、この外乱のコントロールにより、外乱の立ち上がり方が変更される。
【００１９】
タイマー１９は、外乱トルク付与コントローラ１７による外乱の付与から、センサ１５により取得される搭乗者の重心移動までにかかる時間を計測する。また例えば、タイマー１９は訓練の継続時刻を測定する。
【００２０】
記憶部２０は、タイマー１９により測定される時間、すなわち搭乗者による反応速度の速さを判定するために、閾値として設定した時間Ｔｓ（以下、閾値Ｔｓ）を、あらかじめ記憶する。また記憶部２０では、訓練の終了時間をあらかじめ記憶する。
【００２１】
判定部２１は、タイマー１９により測定された時間を、記憶部２０に記憶された閾値と比較する演算部である。すなわち判定部２１は、搭乗者の反応速度を判定する。また判定部２１では、タイマー１９により計測された時刻が、訓練の終了時刻に達しているか判定する。
【００２２】
ここで例えば、外乱トルク付与コントローラ１７により、倒立車両１１が後方に傾くように外乱が入力された場合、搭乗者は外乱に対抗するように重心移動を行う。このとき、センサ１５では、前方側に配置されるセンサ１５ａ、１５ｃで検知される荷重が大きく、後方側に配置されるセンサ１５ｂ、１５ｄで検知される荷重が小さくなるため、センサ１５ａの出力ｆａ、センサ１５ｃの出力ｆｃは大きく、センサ１５ｂの出力ｆｂ、センサ１５ｄの出力ｆｄは小さくなる。
【００２３】
ここで左足を載置したステップ板１４ａ、すなわち、センサ１５ａ、１５ｂ側にのみ着目して説明する。また図５に示すように、外乱入力前の立位の姿勢であり外乱入力前の所定の時刻をＴ０、外乱入力時刻をＴ１、外乱立ち上がり時間をΔＴｄ１とする。時刻Ｔ０の重心の状態と、時刻Ｔ１後に搭乗者が姿勢を制御するため重心移動を行った後を比較すると、時刻Ｔ１後において移動した重心に近くなるセンサでは、時刻Ｔ０のときに比べて出力が大きくなり、重心が遠ざかるセンサでは出力が小さくなる。
【００２４】
ここで、荷重センサの出力が一定値ｋ以上となるように重心移動がされ、外乱を抑え始めた時刻をＴ２とする。タイマー１９では、搭乗者の反応時間として、Ｔ１からＴ２までの時間ΔＴ１２が取得される。なお、判定部２１では、この時間ΔＴ１２と、記憶部２０に記憶された閾値Ｔｓを比較することで、搭乗者の反応速度の速さを判定する。
【００２５】
次に、バランス訓練装置１による訓練動作について説明する。図６は、訓練フローを示した図である。
【００２６】
最初に、訓練の開始処理を行う。すなわち、ステップ板１４上に搭乗者が搭乗し、駆動コントローラ１６により駆動手段を制御することにより、倒立車両１１は倒立状態となる。
【００２７】
外乱トルク付与コントローラ１７は、倒立車両１１に対して外乱を付与する（ステップＳ１）。このとき、搭乗者は外乱に対抗するように重心移動を行う。
【００２８】
タイマー１９は、搭乗者が外乱に対して反応し、重心移動を実行するまでに要した反応時間ΔＴ１２を測定する（ステップＳ２）。このとき外乱は入力され続けている状態であり、搭乗者は姿勢の維持を行う。
【００２９】
その後、外乱トルク付与コントローラ１７は、外乱の付与を終了する（ステップＳ３）。
【００３０】
判定部２１は、タイマー１９により測定されている訓練時間が、記憶部２０に記憶された訓練の終了時間に達しているか判定する（ステップＳ４）。終了時間に達しており、残り時間が無ければ（ステップＳ４でＮｏ）、訓練を終了する。終了時間に達しておらず、訓練の残り時間が残っていれば（ステップＳ４でＹｅｓ）、ステップＳ５に進む。
【００３１】
判定部２１は、タイマー１９により測定された反応時間ΔＴ１２が、記憶部２０に記憶された閾値Ｔｓを比較する（ステップＳ５）。反応時間ΔＴ１２が閾値Ｔｓより短ければ（ステップＳ５でＹｅｓ）、入力される外乱に問題はないと判定し、ステップＳ１に戻り訓練を継続する。反応時間ΔＴ１２が閾値Ｔｓより長ければ（ステップＳ５でＮｏ）、搭乗者に対して外乱が適切ではないと判定し、ステップＳ６に進む。
【００３２】
外乱トルク付与コントローラ１７は、次に外乱を入力する際の速度設定の調整を行う（ステップＳ６）。具体的には、図７に示すように、外乱トルク付与コントローラ１７では、搭乗者が確実に反応できるように、次回の外乱の立ち上がりについて、立ち上がり時間の短いΔＴｄ１から、立ち上がり時間の長いΔＴｄ２となるように調整する。その後、ステップＳ１に戻り訓練を継続する。
【００３３】
ここで、図８に示すように、外乱トルク付与コントローラ１７により立ち上がり時間がΔＴｄ１からΔＴｄ２となるように調整する際に、立ち上がり時間を遅くするだけでなく、外乱の大きさが目標値となるまでに段階を踏むステップ状としてもよい。
【００３４】
これにより、搭乗者の反応時間にあわせて外乱の立ち上がり時間を変更することができる。したがって、外乱トルク付与コントローラ１７による外乱の入力により、倒立車両１１が姿勢を崩すとともに、搭乗者が重心移動を行い倒立車両１１の姿勢を保つバランス訓練において、外乱に対する搭乗者の反応が遅い場合であっても、外乱の入力速度を遅くすることで訓練強度を維持し、高い訓練効果を得ることができる。
【００３５】
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。
【００３６】
例えば、図９に示すように、搭乗者の外乱に対する反応速度を測定するために、荷重センサを用いず、ステップを可動式ジョイントで車台と組付け、その可動部にポテンショメータなどの位置センサを配してもよい。この場合、位置センサの出力値の変化による重心移動の開始時刻Ｔ２を用い、ΔＴ１２を検出することができる。
【００３７】
また例えば、搭乗者の外乱に対する反応時間の測定には、ジャイロセンサや加速度センサを用いることができる。すなわち図１０に示すように、外乱トルク付与コントローラ１７による外乱指令値と、搭乗者が外乱に対抗した現在姿勢値との差分の発生時刻をＴ３としておき、外乱入力時刻Ｔ１から、この差分の発生時刻Ｔ３までの時間ΔＴｄ３を算出し、反応時間とすることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１            バランス訓練装置
１１            倒立車両
１２            車台
１３            車輪
１４            ステップ板
１５            センサ
１６            駆動コントローラ
１７            外乱トルク付与コントローラ
１８            ジャイロセンサ
１９            タイマー
２０            記憶部
２１            判定部
【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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