(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも訓練範囲を移動することのできる倒立二輪車を備えるバランス訓練装置であって、
前記倒立二輪車の倒立状態の安定性を低下させる外乱動作パターンと、前記外乱動作パターンによる前記倒立二輪車の移動距離Ｄｍと、を関連付けて記憶する記憶部と、
前記倒立二輪車に指令として送る外乱動作パターンを選定する動作パターン選定部と、
前記倒立二輪車の位置及び方向を推定する倒立二輪車位置方向推定部と、
前記倒立二輪車から、前記倒立二輪車の前方における前記訓練範囲の外縁までの前方距離ｄ１と、前記倒立二輪車から、前記倒立二輪車の後方における前記訓練範囲の外縁までの後方距離ｄ２と、を算出する距離算出部と、を備え、
前記倒立二輪車の移動距離Ｄｍは、前記外乱動作パターンによって、前記倒立二輪車が移動中において移動を開始した位置から最も離れた位置までの距離であり、
前記動作パターン選定部は、前方距離ｄ１、後方距離ｄ２、及び、移動距離Ｄｍの関係が、
ｄ１＞Ｄｍ      （…関係式１）
ｄ２＞Ｄｍ      （…関係式２）
を満たす外乱動作パターンを選定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、バランス訓練装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
搭乗者を倒立二輪車に搭乗させた状態で、搭乗者の意図しない動作を倒立二輪車にさせて、搭乗者にバランスを取る訓練を行わせるバランス訓練装置がある。
【０００３】
例えば、特許文献１では、倒立二輪車の位置情報を得て、倒立二輪車の位置が倒立二輪車の可動範囲外であると判定した場合、倒立二輪車を可動範囲内に復帰させるバランス訓練装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１８２３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１で開示されるバランス訓練装置では、倒立二輪車を可動範囲内に復帰させる際中、搭乗者のバランス訓練が一時的に中断される。そのため、訓練効率が低下することが有った。
【０００６】
本発明は、訓練効率が低下するおそれを抑制した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】
【０００７】
本発明にかかるバランス訓練装置は、
少なくとも訓練範囲を移動することのできる倒立二輪車を備えるバランス訓練装置であって、
前記倒立二輪車の倒立状態の安定性を低下させる外乱動作パターンと、前記外乱動作パターンによる前記倒立二輪車の移動距離Ｄｍと、を関連付けて記憶する記憶部と、
前記倒立二輪車に指令として送る外乱動作パターンを選定する動作パターン選定部と、
前記倒立二輪車の位置及び方向を推定する倒立二輪車位置方向推定部と、
前記倒立二輪車から、前記倒立二輪車の前方における前記訓練範囲の外縁までの前方距離ｄ１と、前記倒立二輪車から、前記倒立二輪車の後方における前記訓練範囲の外縁までの後方距離ｄ２と、を算出する距離算出部と、を備え、
前記動作パターン選定部は、前方距離ｄ１、後方距離ｄ２、及び、移動距離Ｄｍの関係が、
ｄ１＞Ｄｍ      （…関係式１）
ｄ２＞Ｄｍ      （…関係式２）
を満たす外乱動作パターンを選定する。
【０００８】
このような構成によれば、訓練を中断させることなく、訓練を継続させる。したがって、訓練効率が低下するおそれを抑制することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、訓練効率が低下するおそれを抑制したバランス訓練装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１にかかるバランス訓練装置の斜視図である。
【図２】実施の形態１にかかるバランス訓練装置のブロック図である。
【図３】前方距離と後方距離とを示す概略図である。
【図４】実施の形態１にかかるバランス訓練装置の制御方法１のフローチャートである。
【図５】変更前の外乱波形を示すグラフである。
【図６】変更後の外乱波形を示すグラフである。
【図７】変更後の外乱波形を示すグラフである。
【図８】実施の形態１にかかるバランス訓練装置の制御方法２のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１を参照して実施の形態１にかかるバランス訓練装置の構成について説明する。図１は、実施の形態１にかかるバランス訓練装置の斜視図である。
【００１２】
図１に示すように、バランス訓練装置１００は、バランス訓練ロボット１０と、装置本体２０とを含む。バランス訓練装置１００は、ユーザＵ１がバランス訓練を行うための訓練領域Ａｔ１を有する載置面Ｆ１上で使用される。
【００１３】
バランス訓練ロボット１０は、ロボット本体１１と、踏板１２と、車輪１３と、ハンドル１４と、グリップ１５とを含む。踏板１２は、ロボット本体１１の両側に配置されており、ユーザＵ１の足を支持する。車輪１３は、踏板１２の下側に回転可能に設置されており、後述するモータ１７（図２参照）から駆動力を与えられて、回転する。ハンドル１４は、ロボット本体１１の前側から、ロボット本体１１の上方に向かって延びる棒状体であり、グリップ１５をその先端に支持する。グリップ１５は、ユーザＵ１に把持される。ハンドル１４は、ユーザＵ１による操作入力を受けて、後述する制御部１６（図２参照）に送る。ユーザＵ１による操作入力は、例えば、バランス訓練の設定、外乱レベルｇｌｖ（後述）の設定や倒立二輪車としての制御であってもよい。なお、バランス訓練ロボット１０は、倒立二輪車として使用することができるように、別の構成を含んでもよい。
【００１４】
バランス訓練ロボット１０は、ユーザＵ１を搭乗させた状態で、ユーザＵ１の意思とは別にランダムに動くことで、ユーザＵ１にバランス訓練ロボット１０の動きに対抗させるように重心移動させる。バランス訓練ロボット１０のランダムな動きは、例えば、バランス訓練ロボット１０の倒立状態の安定性を低下させる動作であり、外乱動作とも称する。この外乱動作によって、ユーザＵ１にバランス訓練を行わせる。外乱動作の大きさは、外乱レベルｇｌｖの大きさにより、表現される。
【００１５】
装置本体２０は、制御盤２１と、ディスプレイ２２と、フレーム２３と、ハンガー２４と、ハーネス２５と、３次元カメラ２６とを含む。制御盤２１は、訓練領域Ａｔ１の近傍に配置される。ディスプレイ２２は、訓練領域Ａｔ１で訓練するユーザＵ１が視認できる位置に設置され、例えば、制御盤２１の外壁面に設置される。フレーム２３は、並列して延びる２本の棒状体を含み、これらの棒状体は、制御盤２１の上側から訓練領域Ａｔ１を跨ぐように延びる。フレーム２３は、訓練領域Ａｔ１の上方において、ハンガー２４を移動可能に支持する。ハンガー２４は、訓練領域Ａｔ１と対向する面上において移動可能である。また、ハンガー２４は、ハーネス２５を吊り、ハーネス２５はユーザＵ１の上半身に巻き付けられて、ユーザＵ１の上半身に装着される。ユーザＵ１が転倒しても、ハーネス２５は、ユーザＵ１の上半身を保持することによって、ユーザＵ１の安全を確保する。３次元カメラ２６（図２参照）は、訓練領域Ａｔ１を撮像可能な位置に設置されており、例えばディスプレイ２２の近傍に設置される。３次元カメラ２６は、例えば、赤外線を用いた深度センサであり、ＫＩＮＥＣＴ（登録商標）を使用することができる。
【００１６】
次に、図２を参照して、バランス訓練装置１００の制御系について説明する。図２は、実施の形態１にかかるバランス訓練装置の制御系のブロック図である。
【００１７】
３次元カメラ２６は、撮像した画像情報とそれに対応する深度情報をロボット位置方向第２算出部３１へ送る。３次元カメラ２６と制御ＰＣ３０とは、有線通信又は無線通信を用いて、相互に送受信を行う。
【００１８】
制御ＰＣ３０は、ロボット位置方向第２算出部３１と、位置方向補正部３２と、距離算出部３３と、記憶部３４と、動作パターン選定部３５とを含む。制御ＰＣ３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する演算回路と、プログラムメモリやデータメモリその他のＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する記憶装置等を備えている。制御ＰＣ３０は、制御盤２１の内部に格納される。
【００１９】
ロボット位置方向第２算出部３１は、３次元カメラ２６から送られた画像情報とそれに対応する深度情報とから、バランス訓練ロボット１０の位置及び方向を算出する。ロボット位置方向第２算出部３１は、バランス訓練ロボット１０の位置及び方向の情報を位置方向補正部３２へ送る。３次元カメラ２６と制御ＰＣ３０と、バランス練習ロボット１０と制御ＰＣ３０とは、有線通信又は無線通信を用いて、相互に送受信を行う。
【００２０】
位置方向補正部３２は、ロボット位置方向第１算出部１９（後述）から送られたバランス訓練ロボット１０の位置及び方向を、ロボット位置方向第２算出部３１から送られたバランス訓練ロボット１０の位置及び方向を用いて、補正する。位置方向補正部３２は、補正したバランス訓練ロボット１０の位置及び方向の情報を、距離算出部３３へ送る。位置方向補正部３２、ロボット位置方向第１算出部１９、及び、ロボット位置方向第２算出部３１は、バランス訓練ロボット１０の位置及び方向を推定する。
【００２１】
距離算出部３３は、位置方向補正部３２から送られたバランス訓練ロボット１０の位置及び方向から、訓練領域Ａｔ１におけるバランス訓練ロボット１０の前方距離ｄ１と後方距離ｄ２とを算出する。図３に示すように、前方距離ｄ１は、バランス訓練ロボット１０の中心から、バランス訓練ロボット１０の前方向における想定訓練範囲円Ａｃ１の外縁までの距離である。図３は、前方距離と後方距離とを示す概略図である。また、後方距離ｄ２は、バランス訓練ロボット１０の中心から、バランス訓練ロボット１０の後方向における想定訓練範囲円Ａｃ１の外縁までの距離である。想定訓練範囲円Ａｃ１は、訓練領域Ａｔ１と同一である、又は、訓練領域Ａｔ１に包含されていてもよい。距離算出部３３は、前方距離ｄ１と後方距離ｄ２との情報を、動作パターン選定部３５へ送る。
【００２２】
記憶部３４は、複数の外乱動作パターンと、各外乱動作パターンによるバランス訓練ロボット１０の移動距離Ｄｍとを、記憶する。外乱動作パターンは、搭乗者が意図しない動作であり、バランス訓練ロボット１０が、外乱動作パターンに従って動作すると、搭乗者は訓練領域Ａｔ１の中央に留まるために、バランスを取ってロボットの移動を防ごうとする。外乱動作パターンと、この外乱動作パターンによるバランス訓練ロボット１０の移動距離Ｄｍとは、それぞれ関連付けられている。記憶部３４は、これらの外乱動作パターンと移動距離Ｄｍとの情報を動作パターン選定部３５へ送る。なお、記憶部３４は、各外乱動作パターンによるバランス訓練ロボット１０の移動距離Ｄｍに対応する外乱レベルｇｌｖをさらに記憶していてもよい。
【００２３】
動作パターン選定部３５は、複数の外乱動作パターンのうち下記の関係式１と関係式２とを満たす外乱動作パターンを選定し、選定した外乱動作パターンを制御部１６に送る。
ｄ１＞Ｄｍ      …（関係式１）
ｄ２＞Ｄｍ      …（関係式２）
【００２４】
バランス訓練ロボット１０は、制御部１６と、モータ１７と、エンコーダ１８と、ロボット位置方向第１算出部１９とを含む。
【００２５】
制御部１６は、動作パターン選定部３５から送られた外乱動作パターンに基づいて、モータ１７を駆動させるための外乱指令値を生成する。制御部１６は、モータドライバ（図示略）等を介して、この外乱指令値に基づく電流をモータ１７に供給する。外乱指令値は、時間に対する外乱波形曲線により、表わせることができる。なお、適宜、制御部１６は、ハンドル１４（図１参照）からの入力を受けて、その入力に応じて駆動指令に基づく電流をモータ１７に供給することができる。また、制御部１６は、外乱指令値及び駆動指令に基づく電流をモータ１７に供給してもよい。
【００２６】
モータ１７は、制御部１６によって、供給された電流に基づいて、車輪１３（図１参照）を駆動させる。
【００２７】
エンコーダ１８は、車輪１３（図１参照）の回転角度及びハンドル１４の回転角度を計測し、計測した回転角度情報をロボット位置方向第１算出部１９に送る。
【００２８】
ロボット位置方向第１算出部１９は、オドメトリによって、送られた回転角度から、バランス訓練ロボット１０の位置及び方向を算出し、算出した位置及び方向を位置方向補正部３２に送る。なお、制御部１６及びロボット位置方向第１算出部１９は、例えば、ＣＰＵを有する演算回路と、プログラムメモリやデータメモリその他のＲＡＭやＲＯＭ等を有する記憶装置等を備えている。制御部１６及びロボット位置方向第１算出部１９は、ロボット本体１１の内部に格納される。
【００２９】
制御方法１．
次に、図４〜図７を参照して、バランス訓練装置１００の制御方法１について説明する。図４は、実施の形態１にかかるバランス訓練装置の制御方法のフローチャートである。図５は、変更前の外乱波形を示すグラフである。図６及び図７は、変更後の外乱波形を示すグラフである。バランス訓練装置１００の制御方法は、バランス訓練中における制御である。
【００３０】
まず、現在行われているバランス訓練の外乱レベルｇｌｖを取得し、外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖを取得する（外乱抑制距離取得ステップＳ１）。外乱レベルｇｌｖは複数あり、外乱レベルｇｌｖが大きくなるほど外乱動作パターンによるバランス訓練ロボット１０の動作の大きさが大きくなる。具体的には、外乱指令値の波形の振幅が大きくなる。
【００３１】
続いて、バランス訓練ロボット１０の位置及び方向を取得する（ロボット位置方向取得ステップＳ２）。
【００３２】
続いて、前方距離ｄ１及び後方距離ｄ２を算出する（前方距離ｄ１及び後方距離ｄ２の算出ステップＳ３）。
【００３３】
続いて、次に動作する予定のバランス訓練ロボット１０の外乱動作が、バランス訓練ロボット１０の前方向に動作するか、又は、後方向に動作するのかを判定する（前方向判定ステップＳ４）。
動作予定のバランス訓練ロボット１０の外乱動作がバランス訓練ロボット１０の前方向に動作する場合（ＹＥＳ：前方向判定ステップＳ４）、前方距離ｄ１が外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖよりも小さいかどうかを判定する（前方距離ｄ１と外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖとの大小判定ステップＳ５１）。
【００３４】
前方距離ｄ１が外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖよりも小さいと判定した場合（ＹＥＳ：前方距離ｄ１と外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖとの大小判定ステップＳ５１）、次に動作する予定のバランス訓練ロボット１０の外乱動作を、別の外乱動作に変更する（外乱動作変更ステップＳ６）。具体的には、動作パターン選定部３５によって、上記した関係式１と関係式２とを満たす外乱動作パターンを選定し、選定した外乱動作パターンを制御部１６に送る。選定した外乱動作パターンによる外乱指令値の波形の振幅は、次に動作する予定の外乱動作パターンによる外乱指令値の波形の振幅と比較して、小さい傾向にある。
【００３５】
変更前の外乱波形の一例を図５に示し、変更後の外乱波形の一例を図６に示した。図５に示すように、時間４０〜４５ｓｅｃにおいて、外乱動作変更ステップＳ６が行なわれる。時間４５〜５５ｓｅｃにおいて、図６に示す変更後の外乱動作パターンによる外乱指令値の波形の振幅は、図５に示す変更前の外乱動作パターンによる外乱指令値の波形と比較して小さい。
【００３６】
さらに、変更後の外乱波形の別の一例を図７に示した。図７に示す外乱指令値の波形において、正側の振幅がバランス訓練ロボット１０の前方向の外乱動作に対応し、負側の振幅がバランス訓練ロボット１０の後方向の外乱動作に対応する。時間４５〜９０ｓｅｃにおいて、図７に示す外乱指令値の波形は、図５に示す外乱指令値の波形を負の方向にシフトした波形と同一である。図７に示す変更後の外乱動作パターンによる外乱指令値の波形の正側の振幅は、図５に示す変更前の外乱動作パターンによる外乱指令値の波形の正側の振幅と比較して小さい。また、図７に示す変更後の外乱動作パターンによる外乱指令値の波形の負側の振幅は、図５に示す変更前の外乱動作パターンによる外乱指令値の波形の負側の振幅と比較して大きい。したがって、バランス訓練ロボット１０は、想定訓練範囲円Ａｃ１の中心に戻り易くなる。
【００３７】
最後に、変更後の外乱動作パターンによる外乱指令値をバランス訓練ロボット１０に送り（外乱動作送信ステップＳ７）、制御方法１を終了する。
【００３８】
なお、動作予定のバランス訓練ロボット１０の外乱動作が、バランス訓練ロボット１０の後方向に動作する場合（ＮＯ：前方向判定ステップＳ４）、後方距離ｄ２が外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖよりも小さいかどうかを判定する（後方距離ｄ２と外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖとの大小判定ステップＳ５２）。後方距離ｄ２が外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖよりも小さいと判定した場合（ＹＥＳ：後方距離ｄ２と外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖとの大小判定ステップＳ５２）、次に動作する予定のバランス訓練ロボット１０の外乱動作を、別の外乱動作に変更する（外乱動作変更ステップＳ６）。
【００３９】
制御方法２．
次に、図８を用いて、実施の形態１にかかるバランス訓練装置の制御方法２について説明する。図８は、実施の形態１にかかるバランス訓練装置の制御方法２のフローチャートである。実施の形態１にかかるバランス訓練装置の制御方法１と共通する制御ステップについて説明を省略し、異なる制御ステップについて説明する。
【００４０】
実施の形態１にかかるバランス訓練装置の制御方法２は、制御方法１と同様に、外乱抑制距離取得ステップＳ１〜前方向判定ステップＳ４、前方距離ｄ１と外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖとの大小判定ステップＳ５１、後方距離ｄ２と外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖとの大小判定ステップＳ５２まで、同じ制御を行なう。
【００４１】
前方距離ｄ１が外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖよりも小さいと判定した場合（ＹＥＳ：前方距離ｄ１と外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖとの大小判定ステップＳ５１）、外乱動作パターン変更回数Ｃｔ１を１カウントし、外乱動作パターン変更回数Ｃｔ１を１増加させる（外乱動作変更回数カウントステップＳ２６１）。ここでは、外乱動作パターン変更回数Ｃｔ１の上限は、４とした。
【００４２】
続いて、次に動作する予定のバランス訓練ロボット１０の外乱動作を、外乱動作パターン変更回数Ｃｔ１に応じた別の外乱動作に変更する（外乱動作変更ステップＳ２７１）。具体的には、動作パターン選定部３５によって、上記した関係式１と関係式２とを満たす外乱動作パターンの中から、外乱動作パターン変更回数Ｃｔ１に応じて選定し、選定した外乱動作パターンを制御部１６に送る。例えば、外乱動作パターン変更回数Ｃｔ１が大きくなるにつれて、上記した関係式１と関係式２とを満たす外乱動作パターンの中から、より振幅の小さい外乱動作パターンを選定してもよい。具体的には、外乱動作パターン変更回数Ｃｔ１＝０、振幅１０ｄｅｇの条件である場合、外乱動作パターン変更回数Ｃｔ１＝１のとき、振幅７．５ｄｅｇとなる。また、外乱動作パターン変更回数Ｃｔ１＝２のとき、振幅５．０ｄｅｇとなる。また、外乱動作パターン変更回数Ｃｔ１＝３のとき、振幅２．５ｄｅｇとなる。また、外乱動作パターン変更回数Ｃｔ１＝４のとき、振幅０．０ｄｅｇとなる。
【００４３】
最後に、変更後の外乱動作パターンによる外乱指令値をバランス訓練ロボット１０に送り（外乱動作送信ステップＳ２８）、制御方法２を終了する。
【００４４】
なお、前方距離ｄ１が外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖよりも大きいと判定した場合（ＮＯ：前方距離ｄ１と外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖとの大小判定ステップＳ５１）、外乱動作パターン変更回数Ｃｔ１を１減らし（外乱動作変更回数カウントステップＳ２７２）、制御方法２を終了する。ここでは、外乱動作パターン変更回数Ｃｔ１の下限は、０（ゼロ）とした。
【００４５】
一方、後方距離ｄ２が外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖよりも小さいと判定した場合（ＹＥＳ：後方距離ｄ２と外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖとの大小判定ステップＳ５２）、外乱動作パターン変更回数Ｃｔ１を１カウントし、外乱動作パターン変更回数Ｃｔ１を１増加させる（外乱動作変更回数カウントステップＳ２６２）。続いて、次に動作する予定のバランス訓練ロボット１０の外乱動作を、別の外乱動作に変更する（外乱動作変更ステップＳ２７１）。最後に、外乱動作送信ステップＳ２８に進み、制御方法２を終了する。
【００４６】
なお、前方距離ｄ１が外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖよりも大きいと判定した場合（ＮＯ：前方距離ｄ１と外乱抑制閾値距離Ｄｇｌｖとの大小判定ステップＳ５１）、外乱動作パターン変更回数Ｃｔ１を１減らし（外乱動作変更回数カウントステップＳ２７２）、制御方法２を終了する。
【００４７】
以上、実施の形態１によれば、ユーザが想定訓練範囲円の外縁近傍に接近しても、想定訓練範囲円の外へ出ないように小さな振幅を有する外乱波形の外乱動作パターンに変更する。したがって、訓練を中断させることが無いので、効率を低下させるおそれがなく、訓練を継続することができる。
【００４８】
また、実施の形態１によれば、外乱動作を抑制した回数に応じて、さらに小さな振幅を有する外乱波形の外乱動作パターンに変更する。したがって、ユーザの訓練レベルに応じて、外乱動作パターンの動作の大きさを変更することができる。
【００４９】
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。
【符号の説明】
【００５０】
１００  バランス訓練装置
１０  バランス訓練ロボット
３３  距離算出部                            ３４  記憶部
３５  動作パターン選定部
Ａｃ１  想定訓練範囲円
ｄ１  前方距離                              ｄ２  後方距離
Ｄｍ  移動距離
Ａｔ１  訓練領域
【図１】
0006361525.tif 000002
【図２】
0006361525.tif 000003
【図３】
0006361525.tif 000004
【図４】
0006361525.tif 000005
【図５】
0006361525.tif 000006
【図６】
0006361525.tif 000007
【図７】
0006361525.tif 000008
【図８】
0006361525.tif 000009