(57)【要約】【課題】人体に外力を正確に与えることができる仮想環境付与装置を提供する。【解決手段】仮想環境付与装置１０には人体に外力を与える電磁モータ１５が設けられている。また、仮想環境付与装置１０は、人体の運動情報を検出する運動情報検出部２１と、人体に特定の仮想環境を与えるために運動情報を利用して外力を算出する外力算出部２２と、当該外力算出部２２により算出された外力が人体に与えられるように電磁モータ１５を制御する制御部２３とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体に外力を与える外力付与手段と、
人体の運動情報を検出する運動情報検出部と、
人体に特定の仮想環境を与えるために前記運動情報を利用して前記外力を算出する外力算出部と、
前記外力算出部により算出された外力が人体に与えられるように前記外力付与手段を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項２】
請求項１に記載の仮想環境付与装置において、
前記仮想環境を設定可能な仮想環境設定手段をさらに備えたことを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の仮想環境付与装置において、
前記運動情報検出部は、前記運動情報として、人体における所定の部位が回転又は並進したときの位置、速度及び加速度のうちの少なくとも一つを検出することを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記運動情報検出部は、前記運動情報として、人体における所定の部位が回転又は並進したときの位置、速度及び加速度のいずれか一つを検出するとともに、当該検出された運動情報を利用して他の運動情報を推定することを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記外力算出部は、前記運動情報を利用して、水中環境で人体に与えられる浮力、流体抗力及び付加慣性力のうちの少なくとも一つを前記外力として算出するとともに、
前記制御部は、人体に対して水中環境を与えるために前記外力付与手段を制御することで人体に前記外力を与えることを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記外力算出部は、前記運動情報を利用して重力、慣性力、遠心力、コリオリ力のうちの少なくとも一つを前記外力として算出するとともに、
前記制御部は、人体に対して人体の質量が増減した感覚を与えるために前記外力付与手段を制御することで人体に前記外力を与えることを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項７】
請求項６に記載の仮想環境付与装置において、
前記制御部は、人体の手又は足に所定の質量が付加された感覚を与えるために前記外力付与手段を制御することで人体の手又は足に外力を与えることを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項８】
請求項７に記載の仮想環境付与装置において、
前記制御部は、人体に与えられる外力としての重力の方向を仮想的に変えるように前記外力付与手段を制御することを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記外力付与手段は、人体の関節軸周りに前記外力としてトルクを与えることを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項１０】
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記外力付与手段は、人体の手又は足に前記外力として並進力又はトルクを与えることを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項１１】
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記外力付与手段は、人体の関節軸周りに前記外力としてトルクを与えるとともに、人体の先端部位に前記外力として並進力又はトルクを与えることを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記外力付与手段の動作情報を検出する動作検出手段を備え、
前記外力算出部は、前記動作情報を利用して生成される前記外力付与手段の特性を除去して前記外力を算出することを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項１３】
請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記外力付与手段により発生した外力を検出する外力検出手段を備え、
前記外力算出部は、特定の仮想環境を人体に与えるために必要な外力と、前記外力検出手段により検出された外力との偏差に基づいて外力を算出することを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項１４】
請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記外力付与手段は電磁モータであることを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項１５】
請求項２〜請求項１４のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記仮想環境付与装置を使用者が使用している状態において、前記仮想環境の設定を前記仮想環境設定手段により切替可能であることを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項１６】
請求項２〜請求項１５のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記外力の向きを前記仮想環境設定手段により設定可能であることを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項１７】
請求項２〜請求項１６のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記外力の大きさを前記仮想環境設定手段により設定可能であることを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項１８】
請求項２〜請求項１７のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記外力を前記仮想環境設定手段により追加及び削除可能であることを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項１９】
請求項２〜請求項１８のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記運動情報として検出された人体における所定の部位が回転又は並進したときの位置に応じて、前記外力の向きの設定、前記外力の大きさの設定、及び前記外力の追加と削除のうちの少なくとも一つを前記仮想環境設定手段により行うことが可能であることを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項２０】
請求項２〜請求項１９のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記運動情報として検出された人体における所定の部位が回転又は並進したときの速度に応じて、前記外力の向きの設定、前記外力の大きさの設定、及び前記外力の追加と削除のうちの少なくとも一つを前記仮想環境設定手段により行うことが可能であることを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項２１】
請求項２〜請求項２０のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記運動情報として検出された人体における所定の部位が回転又は並進したときの加速度に応じて、前記外力の向きの設定、前記外力の大きさの設定、及び前記外力の追加と削除のうちの少なくとも一つを前記仮想環境設定手段により行うことが可能であることを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項２２】
請求項２〜請求項２１のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
前記仮想環境付与装置を使用者が使用している時間の経過に応じて、前記外力の向きの設定、前記外力の大きさの設定、及び前記外力の追加と削除のうちの少なくとも一つを前記仮想環境設定手段により行うことが可能であることを特徴とする仮想環境付与装置。
【請求項２３】
請求項２〜請求項２２のいずれか一項に記載の仮想環境付与装置において、
人体が前記仮想環境付与装置に加えた外力に応じて、人体に与えられる外力の向きの設定、人体に与えられる外力の大きさの設定、及び人体に与えられる外力の追加と削除のうちの少なくとも一つを前記仮想環境設定手段により行うことが可能であることを特徴とする仮想環境付与装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体に外力を与えて特定の仮想環境を付与する仮想環境付与装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
人体の動作を補助あるいは代行するために、パワーアシストを目的としたものとして、例えば特許文献１のものが挙げられる。特許文献１の装着式動作補助装置は、装着者に装着される動作補助装着具を有するとともに、動作補助装着具には装着者に対して補助動力を付与する駆動モータが複数設けられている。また、装着者の皮膚表面には、装着者の筋活動に伴う表面筋電位（生体信号）を検出する筋電位センサが複数貼り付けられている。そして、筋電位センサにより検出された表面筋電位に基づいて、各駆動モータに供給する駆動電流を求めるとともに、この駆動電流で駆動モータを駆動することで、アシスト力が付与されて装着者の動作を補助するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２００４９２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、特許文献１の装着式動作補助装置では、表面筋電位を検出するために、筋電位センサを装着者の皮膚表面に直接貼り付けなければならない。よって、例えば、装着式動作補助装置を長時間使用する場合、皮膚表面に対する筋電位センサの貼着位置がずれてしまう等、筋電位センサにおける表面筋電位の検出条件が異なってしまうことがあり、人体が同じ表面筋電位を出力していたとしても、筋電位センサによる再現性のある表面筋電位の検出ができなくなってしまう。その結果、表面筋電位に基づいて各駆動モータに供給する駆動電流を正確に求めることができず、駆動モータの駆動にばらつきが生じてしまい、アシスト力を装着者に対して正確に付与することができなくなってしまう虞がある。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、人体に外力を正確に与えることができる仮想環境付与装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の仮想環境付与装置は、人体に外力を与える外力付与手段と、人体の運動情報を検出する運動情報検出部と、人体に特定の仮想環境を与えるために前記運動情報を利用して前記外力を算出する外力算出部と、前記外力算出部により算出された外力が人体に与えられるように前記外力付与手段を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
この仮想環境付与装置において、前記仮想環境を設定可能な仮想環境設定手段をさらに備えたことが好ましい。
この仮想環境付与装置において、前記運動情報検出部は、前記運動情報として、人体における所定の部位が回転又は並進したときの位置、速度及び加速度のうちの少なくとも一つを検出することが好ましい。
【０００８】
この仮想環境付与装置において、前記運動情報検出部は、前記運動情報として、人体における所定の部位が回転又は並進したときの位置、速度及び加速度のいずれか一つを検出するとともに、当該検出された運動情報を利用して他の運動情報を推定することが好ましい。
【０００９】
この仮想環境付与装置において、前記外力算出部は、前記運動情報を利用して、水中環境で人体に与えられる浮力、流体抗力及び付加慣性力のうちの少なくとも一つを前記外力として算出するとともに、前記制御部は、人体に対して水中環境を与えるために前記外力付与手段を制御することで人体に前記外力を与えることが好ましい。
【００１０】
この仮想環境付与装置において、前記外力算出部は、前記運動情報を利用して重力、慣性力、遠心力、コリオリ力のうちの少なくとも一つを前記外力として算出するとともに、前記制御部は、人体に対して人体の質量が増減した感覚を与えるために前記外力付与手段を制御することで人体に前記外力を与えることが好ましい。
【００１１】
この仮想環境付与装置において、前記制御部は、人体の手又は足に所定の質量が付加された感覚を与えるために前記外力付与手段を制御することで人体の手又は足に外力を与えることが好ましい。
【００１２】
この仮想環境付与装置において、前記制御部は、人体に与えられる外力としての重力の方向を仮想的に変えるように前記外力付与手段を制御することが好ましい。
この仮想環境付与装置において、前記外力付与手段は、人体の関節軸周りに前記外力としてトルクを与えることが好ましい。
【００１３】
この仮想環境付与装置において、前記外力付与手段は、人体の手又は足に前記外力として並進力又はトルクを与えることが好ましい。
この仮想環境付与装置において、前記外力付与手段は、人体の関節軸周りに前記外力としてトルクを与えるとともに、人体の先端部位に前記外力として並進力又はトルクを与えることが好ましい。
【００１４】
この仮想環境付与装置において、前記外力付与手段の動作情報を検出する動作検出手段を備え、前記外力算出部は、前記動作情報を利用して生成される前記外力付与手段の特性を除去して前記外力を算出することが好ましい。
【００１５】
この仮想環境付与装置において、前記外力付与手段により発生した外力を検出する外力検出手段を備え、前記外力算出部は、特定の仮想環境を人体に与えるために必要な外力と、前記外力検出手段により検出された外力との偏差に基づいて外力を算出することが好ましい。
【００１６】
この仮想環境付与装置において、前記外力付与手段は電磁モータであることが好ましい。
この仮想環境付与装置において、前記仮想環境付与装置を使用者が使用している状態において、前記仮想環境の設定を前記仮想環境設定手段により切替可能であることが好ましい。
【００１７】
この仮想環境付与装置において、前記外力の向きを前記仮想環境設定手段により設定可能であることが好ましい。
この仮想環境付与装置において、前記外力の大きさを前記仮想環境設定手段により設定可能であることが好ましい。
【００１８】
この仮想環境付与装置において、前記外力を前記仮想環境設定手段により追加及び削除可能であることが好ましい。
この仮想環境付与装置において、前記運動情報として検出された人体における所定の部位が回転又は並進したときの位置に応じて、前記外力の向きの設定、前記外力の大きさの設定、及び前記外力の追加と削除のうちの少なくとも一つを前記仮想環境設定手段により行うことが可能であることが好ましい。
【００１９】
この仮想環境付与装置において、前記運動情報として検出された人体における所定の部位が回転又は並進したときの速度に応じて、前記外力の向きの設定、前記外力の大きさの設定、及び前記外力の追加と削除のうちの少なくとも一つを前記仮想環境設定手段により行うことが可能であることが好ましい。
【００２０】
この仮想環境付与装置において、前記運動情報として検出された人体における所定の部位が回転又は並進したときの加速度に応じて、前記外力の向きの設定、前記外力の大きさの設定、及び前記外力の追加と削除のうちの少なくとも一つを前記仮想環境設定手段により行うことが可能であることが好ましい。
【００２１】
この仮想環境付与装置において、前記仮想環境付与装置を使用者が使用している時間の経過に応じて、前記外力の向きの設定、前記外力の大きさの設定、及び前記外力の追加と削除のうちの少なくとも一つを前記仮想環境設定手段により行うことが可能であることが好ましい。
【００２２】
この仮想環境付与装置において、人体が前記仮想環境付与装置に加えた外力に応じて、人体に与えられる外力の向きの設定、人体に与えられる外力の大きさの設定、及び人体に与えられる外力の追加と削除のうちの少なくとも一つを前記仮想環境設定手段により行うことが可能であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、人体に外力を正確に与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（ａ）第１の実施形態における仮想環境付与装置の外観図であり、（ｂ）は仮想環境付与装置の電気的構成を説明するためのブロック図である。
【図２】人の腕を近似したリンクモデルを示す図である。
【図３】第２の実施形態における人の腕に外骨格型の仮想環境付与装置が取り付けられた状態を示す図である。
【図４】物体が流体中で運動しているときの様子を模式的に示す図である。
【図５】人の腕を円柱形状に近似した図である。
【図６】人の腕をｍ個の微小要素に分割したときに得られるリンクモデルを示す図である。
【図７】（ａ）は別の実施形態における重力方向が下向きの場合を示す図であり、（ｂ）は重力方向が上向きの場合を示す図である。
【図８】別の実施形態におけるリンク系及び駆動系のリンクモデルを示す図である。
【図９】別の実施形態における仮想環境付与装置の外観図である。
【図１０】（ａ）は別の実施形態における人の腕にゴニオメータが取り付けられた状態を示す図であり、（ｂ）別の実施形態における人の手首に加速度センサが取り付けられた状態を示す図である。
【図１１】別の実施形態における仮想環境付与装置が人体に取り付けられた状態を示す図である。
【図１２】別の実施形態における仮想環境付与装置が人の足に取り付けられた状態を示す図である。
【図１３】（ａ）は別の実施形態における仮想環境付与装置が人体に取り付けられた状態を示す図、（ｂ）は設定部を示す図である。
【図１４】別の実施形態における設定部を示す図である。
【図１５】（ａ）は手が所定の仮想環境切替地点に到達していない状態を示す図であり、（ｂ）は手が所定の仮想環境切替地点に到達した状態を示す図である。
【図１６】別の実施形態における手が所定の仮想環境切替領域内に入った状態を示す図である。
【図１７】別の実施形態における速度と負荷の大きさとの関係を示すグラフである。
【図１８】別の実施形態における時間の経過を示す図である。
【図１９】別の実施形態における時間の経過を示す図である。
【図２０】別の実施形態における時間の経過を示す図である。
【図２１】別の実施形態における人体が仮想環境付与装置に加えた外力と外力算出部により算出される外力との関係を示す図である。
【図２２】別の実施形態における仮想環境付与装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図面に従って説明する。
図１（ａ）に示すように、仮想環境付与装置１０は、例えば１２本のフレーム１１を組み立てることで区画形成される空間１２を有するとともに、空間１２内には人Ｐが着座可能な座席１３が設けられている。また、仮想環境付与装置１０にはエンコーダ１４が内蔵された外力付与手段としての電磁モータ１５が複数（本実施形態では６つ）設けられている。各電磁モータ１５は減速機（図示せず）を介してプーリ（図示せず）に接続されている。
【００２６】
各プーリにはワイヤ１６の一端が巻回されるとともに、ワイヤ１６の他端が人Ｐの手首に取り付けられたワイヤ接点１７に接続されることで、ワイヤ接点１７から複数のワイヤ１６が放射状に延びるように設けられている。そして、各電磁モータ１５の駆動により減速機を介してプーリを回転させることで各ワイヤ１６が巻き取られるとともに、各電磁モータ１５の駆動力で各ワイヤ１６に張力を発生させることで人Ｐの手に外力として並進力又はトルクを与えるようになっている。ここで、本実施形態において、「手」とは手首から指先にかけての部位のことをいう。
【００２７】
次に、仮想環境付与装置１０の電気的構成について説明する。
図１（ｂ）に示すように、仮想環境付与装置１０のＣＰＵ２０は、各種プログラムやマップ等を予め記憶した読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵ２０の演算結果等を一時記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、タイマカウンタ、入力インターフェース、出力インターフェース等を備えたマイクロコンピュータを中心に構成されている。
【００２８】
ＣＰＵ２０は、人体の運動情報を検出する運動情報検出部２１と、人体における所定の部位（本実施形態では手）に与える外力を算出する外力算出部２２と、算出された外力が人体における所定の部位に与えられるように電磁モータ１５の駆動を制御する制御部２３とを有している。ＣＰＵ２０は、エンコーダ１４により計測される電磁モータ１５の回転角度の計測信号を受信するとともに、当該計測信号を利用して運動情報検出部２１が人体の運動情報を検出するようになっている。また、仮想環境付与装置１０には、仮想環境を設定可能な仮想環境設定手段としての設定部２４が設けられている。ここで、「仮想環境」とは、人体が仮想的に特定の運動をしているような人体の動的な環境や、人体が仮想的に特定の姿勢を静止した状態で維持しているような人体の静的な環境のことをいう。
【００２９】
次に、上記構成の仮想環境付与装置１０の作用について説明する。尚、本実施形態では、使用者により設定部２４が操作されたことで、人Ｐの手で仮想的にダンベルを握ったような仮想環境になるように仮想環境付与装置１０が設定されたとする。
【００３０】
ここで、エンコーダ１４により計測される電磁モータ１５の回転角度をθ、減速機の減速比をｎとすると、プーリの回転角はθ／ｎとなる。プーリの半径をｒとすると、ワイヤ１６の長さＬは式１のようにエンコーダ１４の計測値θから算出することができる。なお、ワイヤ１６の初期値をＬ０とする。
【００３１】
【数１】
2012148056.tif 000003
エンコーダ１４は、ワイヤ１６の初期値Ｌ０からの相対変化を計測することができる。そして、各エンコーダ１４により全てのワイヤ１６の長さＬが計測されると、運動情報検出部２１は、これら全てのワイヤ１６の長さＬに基づいて、パラレルワイヤ駆動システムの順運動学計算により、人体の運動情報として、人体に対するワイヤ１６の取り付け位置（人Ｐの手）が回転又は並進したときの位置情報を検出する。
【００３２】
また、運動情報検出部２１は、検出された位置情報から他の運動情報を推定することができる。例えば、運動情報検出部２１は、位置情報を表す検出値に対して数値微分を行うことで人Ｐの手が回転又は並進したときの速度情報を推定することができる。さらに、運動情報検出部２１は、算出された速度情報を数値微分することで加速度情報を推定することができる。ここで、数値微分を行う際には、ノイズ等が発生するため、より真値に近い運動情報を検出するためには、ローパスフィルタ等でフィルタリング処理をすることが望ましい。
【００３３】
そして、外力算出部２２は、運動情報検出部２１により検出された位置情報、速度情報及び加速度情報に基づいて、重力、慣性力、遠心力、コリオリ力のうちの少なくとも一つを外力として算出する。ここでは、身体運動のダイナミクスについて考える。一般に剛体リンクのダイナミクスは、関節トルクベクトルτ、関節変位ベクトルｑを用いて式２のように記述することができる。
【００３４】
【数２】
2012148056.tif 000004
Ｍは慣性行列、ｈは遠心力及びコリオリ力項、ｇは重力項であり、どれも人体の各リンクの質量が含まれる。例えば、人Ｐの手に与える外力としてのトルクをτｅｘｔとし、人体が能動的に発生するトルクをτａｎとすると、元々の人体の慣性行列、遠心力及びコリオリ力項、重力項との関係は式３のようになり、また、トルクτｅｘｔは式４にて算出できる。
【００３５】
【数３】
2012148056.tif 000005
ここで、＋αは、人体の粘弾性などの剛体リンクモデル以外のダイナミクス成分とする。また、Ｊ（ｑ）は人Ｐの手の位置と関節位置とに関するヤコビ行列を表す。ヤコビ行列は、人体の幾何学的な情報（関節角度やリンクの長さ）で算出することができ、関節角度の関数となる。ｆは人Ｐの手に加わる力ベクトルであり、最大６次元（並進３次元、回転３次元）のベクトルである。式４は手先の力と各関節トルクとの関係を示している。ここで、図２に示すようなｘｙの２次元平面内の２関節のリンクについて考える。人体の手首に対するワイヤ１６の取り付け座標を（Ｘ，Ｙ）とすると、人Ｐの腕に対する逆運動学計算により肩関節角度θ１、肘関節角度θ２を算出することができる。この場合、ヤコビ行列は式５のようになる。
【００３６】
【数４】
2012148056.tif 000006
ただし、ｌ１は第１リンク長さ、ｌ２は第２リンク長さ、Ｓ１、Ｓ１２、Ｃ１、Ｃ１２はそれぞれｓｉｎθ１、ｓｉｎ（θ１＋θ２）、ｃｏｓθ１、ｃｏｓ（θ１＋θ２）を表す。このとき、手先の力ベクトルｆは、ｆｘ、ｆｙの２成分になる。仮想的に手先に質量を付加する場合、ｆｙマイナス方向に外力を生成すればよい。そして、外力算出部２２は、式６にてｆｘ、ｆｙを算出する。
【００３７】
【数５】
2012148056.tif 000007
このように算出された手先の力ベクトルｆが作用するように、制御部２３が電磁モータ１５の駆動を制御する。すると、人Ｐの手に質量ｍの物体（重力）が仮想的に付加されるとともに、人Ｐの手で仮想的にダンベルを握ったような仮想環境を与えることができる。
【００３８】
次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）運動情報検出部２１は、人体における所定の部位（本実施形態では手）が回転又は並進したときの位置情報を検出するとともに、外力算出部２２は、検出された位置情報に基づいて特定の仮想環境を与えるために人体に与えるべき外力を算出する。そして、算出された外力に基づいて電磁モータ１５を駆動することで、例えば、人体の手に質量ｍの物体（重力）が付加されたような感覚を与えることができる。よって、背景技術のように、表面筋電位のような生体信号を利用して駆動モータが人体に与える外力を算出する場合に比べて、人体の目に見える運動情報を利用することで、精度良く外力を算出することができる。その結果、電磁モータ１５の駆動にばらつきが生じてしまうことが無く、人体に外力を正確に与えることができる。
【００３９】
（２）背景技術では、装着者にアシスト力を付与する駆動モータを制御するために、筋電位センサにより装着者の表面筋電位を検出する必要がある。人体は一つの関節を動かす際に複数の筋肉が活動することから、一つの関節を動かすために複数の表面筋電位が必要となり、筋電位センサにより検出される表面筋電位の情報が多くなることで制御が複雑化する。しかし、本実施形態では、人体の運動情報のみを利用して、人体に外力を付与する電磁モータ１５を制御しているため、背景技術に比べて制御を簡素化することができる。
【００４０】
（３）使用者は、設定部２４を操作するだけで、自分の所望する仮想環境になるように仮想環境付与装置１０を設定することができるため使い勝手が良い。例えば、人Ｐの手に付加された仮想的な質量の大きさを所望の大きさに変更する際には、設定部２４を操作する。すると、人Ｐの手に付加された仮想的な質量が所望の大きさになるように、外力算出部２２が人Ｐの手に与えられる外力を算出し、算出された外力に基づいて制御部２３が電磁モータ１５を制御することで、人Ｐの手に所望の外力を付与することができる。
【００４１】
（４）運動情報検出部２１は、検出された位置情報から他の運動情報を推定することができる。よって、位置情報、速度情報及び加速度情報を検出するためのセンサをそれぞれ別途設ける必要が無く、安価なシステムで運動情報を検出することができる。また、位置情報、速度情報及び加速度情報を同時に得ることができるため、外力算出部２２により線形又は非線形な外力を複数算出することができ、より多彩な外力を人体に与えることができる。
【００４２】
（５）人Ｐの手に仮想的な質量を付加した感覚を与えることで、例えば、人Ｐの手で仮想的にダンベルを握った感覚を得ることができ、トレーニングやリハビリをすることができる。
【００４３】
（第２の実施形態）
以下、本発明を具体化した第２の実施形態を図３〜図６にしたがって説明する。尚、以下に説明する実施形態では、既に説明した第１の実施形態と同一構成について同一符号を付すなどして、その重複する説明を省略又は簡略する。
【００４４】
図３に示す仮想環境付与装置３０は、外骨格型で、且つ装着型の装置構成とされ、その仮想環境付与装置３０を人Ｐの腕に取り付けることにより、肘関節軸周りに外力としてトルクを与えるようになっている。そして、第２の実施形態では、使用者に設定部２４が操作されたことで、人Ｐが仮想的に水中環境で運動しているかのような仮想環境になるように仮想環境付与装置３０が設定されたとする。なお、以下においては、人体の肘１軸を対象に説明する。ここで、人Ｐが仮想的に水中環境で運動している状態とは、人体が水中で仮想的に特定の運動をしているような人体の動的な環境や、人体が水中で仮想的に特定の姿勢を静止した状態で維持しているような人体の静的な環境のことをいう。
【００４５】
一般に、人体が水中で運動している場合の運動情報と関節トルクとの関係、つまり流体ダイナミクスを求めることは容易ではない。人体が水中で運動している場合、人体の部位が３次元的に簡単でない形状をしていることや、人体の皮膚や筋肉が変形しながら動作することや、体毛の影響などがあったりすることで、厳密に正確なダイナミクスを求めるのは困難である。そこで、ここでは人Ｐの腕を剛体と仮定するとともに、前腕と手とが一体となって動作する円柱形状であると仮定して流体ダイナミクスを求める。流体ダイナミクスとしては、付加慣性力、流体抗力及び浮力の３つの項について考える。ここでは、人体に外力としてトルクを与えるため、関節軸周りの流体ダイナミクスを算出する必要がある。
【００４６】
まず、付加慣性力について説明する。
図４に示すように、一般に物体が流体中で運動する場合、周囲の流体を動かすための余分な力が必要になる。これは、物体の質量があたかも増加したかのように影響するためである。この質量増加は付加慣性と呼ばれ、物体の形状に依存する。この実施形態では、図５に示すように、人Ｐの腕（前腕及び手）を円柱形状に近似して、図３において矢印で示すように、肘関節にトルクを与え、肘関節を駆動するために、この円柱形状がｘ方向、またはｙ方向に動作することを想定している。このとき、付加慣性Ｍａｄｄは式７のように表せる。なお、ρは流体の密度である。
【００４７】
【数６】
2012148056.tif 000008
2012148056.tif 000009
【００４８】
【数７】
2012148056.tif 000010
これは、並進動作に関する付加慣性力であるが、想定している人体の動作は、回転運動であるため、付加慣性力をトルクに換算する必要がある。そのため、図６に示すように、人Ｐの腕をｍ個の微小要素に分割して考える。微小要素の長さをｄｌとすると、関節中心位置から第ｉ番目の微小要素までの長さは、式９にて算出される。
【００４９】
【数８】
2012148056.tif 000011
第ｉ要素に加わる力をＦａｄｄｉとすると、第ｉ要素に加わるトルクτａｄｄｉは式１０にて算出される。
【００５０】
【数９】
2012148056.tif 000012
ただし、ｖｉは第ｉ番目で発生する流速である。流速は関節運動によって生じるとすると、第ｉ要素の流速は式１１のように関節角速度で表すことができる。
【００５１】
【数１０】
2012148056.tif 000013
式１１の両辺を時間微分すると、式１２のように加速度の関係が求められる。
【００５２】
【数１１】
2012148056.tif 000014
腕全体に加わる付加慣性力によるトルクτａｄｄは、微小要素に加わるトルクを全て足し合わせることで、式１３にて算出できる。
【００５３】
【数１２】
2012148056.tif 000015
以上をまとめると、式１４のようになり、シンプルな形式で表すことができる。
【００５４】
【数１３】
2012148056.tif 000016
以上により、人体の運動情報として、肘の角加速度を検出して、肘の角加速度に基づいて式１４により、トルクτａｄｄを算出することができる。
【００５５】
次に、流体抗力について説明する。
流体抗力は、流速の２乗に比例して運動と反対方向に作用する。流体抗力ＦＤは一般に式１５にて求められる。なお、ＣＤは流体抗力係数、Ａは代表面積である。
【００５６】
【数１４】
2012148056.tif 000017
付加慣性力と同様に、図６に示すように、人Ｐの腕をｍ個の微小要素に分割して、各要素に加わる流体抗力を足し合わせることで、腕全体に加わる流体抗力によるトルクτＤを求める。第ｉ番目の微小要素に加わる流体抗力をＦＤｉとすると、トルクτＤは式１６にて算出できる。
【００５７】
【数１５】
2012148056.tif 000018
ここで、円柱直径をＲとすると、ｄＡ＝Ｒｄｌとなるため、式１７のようになり、シンプルな形式で表すことができる。
【００５８】
【数１６】
2012148056.tif 000019
以上により、人体の運動情報として肘の角速度を検出して、肘の角速度に基づいて式１７により、トルクτＤを算出することができる。
【００５９】
次に、浮力について説明する。
浮力は、物体が流体から受ける圧力差によって重力とは逆方向の力が作用する。浮力をＦｂ、人の腕の体積をＶ、浮心をｌｃωとすると、浮力トルクτｂは式１８にて算出できる。なお、ｇは重力加速度である。
【００６０】
【数１７】
2012148056.tif 000020
以上により、人体の運動情報として、人体の肘の角度を検出して、人体の肘の角度に基づいて式１８により、浮力トルクτｂを算出することができる。
【００６１】
上述したように、式１４、式１７及び式１８を用いて、外力算出部２２は、検出された運動情報に基づいて、仮想的に水中環境で人体が運動しているかのように、浮力、流体抗力及び付加慣性力のうちの少なくとも一つを人体に与える外力として算出することができる。
【００６２】
付加慣性力や流体抗力は、加速度運動や速度運動をしない限り発生しないが、浮力はある位置で静止していても発生する。浮力によりある程度アシストをしつつ、人体の加速度や速度の運動に合わせて、負荷になる外力が働くことになり、個人に合わせてトレーニングやリハビリを行うことができる。浮力は、体重をキャンセルする方向に働き、人体の動作をアシストすることができる。付加慣性力及び流体抗力は、人体が動作した方向と反対方向に負荷として働くため、トレーニングやリハビリを行うことができる。これら選択的に与えることで、目的に合わせて人体に最適な仮想環境を与えることができる。
【００６３】
尚、これまでは、人体の肘１軸を対象にしたが、人体の運動が多関節運動になった場合、上述した計算よりもやや複雑になるが、運動情報に基づいて外力として与えるべき関節トルクの計算は、例えば、多関節ロボットの流体ダイナミクス計算などを参考にすれば可能である。この実施形態では、運動情報を検出して、人体に仮想環境を与えるための外力をリアルタイムで人体に与える。外力算出部２２の計算性能にもよるが、リアルタイムの計算を実現させるためには、人体を円柱形状に近似したり、密度を一定にしたりする等、ある程度の近似により計算の簡素化が必要となる。
【００６４】
したがって、第２の実施形態によれば以下に示す効果を得ることができる。
（６）仮想環境付与装置３０は仮想的な水中環境を人体に与えることができる。よって、例えば、浮力が体重をキャンセルする方向に働くことで人体の動作をアシストすることができる。また、付加慣性力及び流体抗力が、人体が動作した方向と反対方向に働くことで、トレーニングやリハビリができる。これらを選択することで、使用者の目的に合わせた最適な仮想環境を与えることができ、日常生活においても、無理なく安心してトレーニング、リハビリあるいはアシストをすることができる。
【００６５】
（７）人体に対して浮力、付加慣性力及び流体抗力の全てを与えると、現実の水中環境に近い仮想環境を人体に与えることができ、仮想的に水中リハビリテーションやアクアビクスといった水中運動を行うことができる。
【００６６】
尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・第１の実施形態において、各ワイヤ１６を、人体の手首、足首、肘、肩、背中、腰などの人体のあらゆる部位に接続して、人体の各部位に外力を与えることで、人体の質量が増減したかのような仮想環境を人体に与えるようにしてもよい。人体の質量を増減させるためには、身体運動のダイナミクスについて考える必要がある。ここでは、人体の質量のみを増減させるため、人体の粘弾性要素を考慮する必要はなく、剛体リンクのダイナミクスを考えればよい。一般に、剛体リンクのダイナミクスは、上記式２のように表される。
【００６７】
人体の質量を増減させるためには、慣性行列、遠心力及びコリオリ力項、重力項の３つの項について考えなければならない。外力により与えるトルクをτｅｘｔ、人間が能動的に発生するトルクをτａｎ、外力により質量を増減させることで変化する慣性行列をＭｅｘｔ、遠心力及びコリオリ力項をｈｅｘｔ、重力項をｇｅｘｔとし、元々の人体の慣性行列をＭ、遠心力及びコリオリ力をｈ、重力項をｇとすると、これらの関係は、式１９−１及び式１９−２により表すことができる。
【００６８】
【数１８】
2012148056.tif 000021
ここで、＋αは、人体の粘弾性などの剛体リンクモデル以外のダイナミクス成分とする。通常、人体が単独で動作する場合は、慣性行列Ｍｅｘｔ、遠心力及びコリオリ力項ｈｅｘｔ及び重力項ｇｅｘｔがなく、人間が能動的に発生するトルクτａｎによって自分自身の剛体リンク成分と粘弾性などの成分とにしたがって運動が生成される。
【００６９】
通常の人体動作のときは、人間が能動的に発生するトルクτａｎにて、元々の人体の慣性行列Ｍ、遠心力及びコリオリ力ｈ、重力項ｇ及び粘弾性などのダイナミクスαにしたがって運動する。したがって、増減したい質量を式２０の右辺で計算するとともに、式２０により算出した外力トルクτｅｘｔを式１９−２のτｅｘｔとして、人体にトルクを与えれば、仮想的に人体のダイナミクスは式１９−１により算出される。
【００７０】
したがって、式２０により算出された外力トルクτｅｘｔは質量ベクトルｍ＝（ｍ＿１，ｍ＿２，・・・・，ｍ＿ｎ）の関数となり、右辺の各項の計算時に増減させたいｍを代入する。ただし、ｍ＿１からｍ＿ｎは人体の各部位の質量を表す。
【００７１】
【数１９】
2012148056.tif 000022
また、式２０は、重力、慣性力、遠心力及びコリオリ力の全てを与えているが、選択的に与えてもよい。例えば、重力項だけを与える場合、人体及び質量と同じ重力項をマイナスで与えると、仮想的に重力項の質量が０（零）になり、式１９−１は式２１のようになる。つまり、人体のダイナミクスから重力項を取り除くことができ、人体を軽やかに動作させることができる。
【００７２】
【数２０】
2012148056.tif 000023
よって、例えば、体重が１０ｋｇ減ったときの感覚を人体に与えることで、１０ｋｇダイエットしたらどれだけ人体の運動が軽やかになるかを体感することができ、ダイエットのモチベーションアップに繋がる。さらには、体重が１０ｋｇ減った感覚を人体に与えることで、人体を軽くすることができアシストの効果を得ることができる。
【００７３】
また、速度、加速度を伴う運動をするときだけ、人体はトルクを発揮することになる。よって、重力項をキャンセルしてアシストしながら、速度、加速度を伴う運動をすることで、リハビリやトレーニングを行うことができる。
【００７４】
一方、重力項を同じ方向に加えると、式１９−１は式２２のようになる。つまり、人体に対して質量が２倍になったような感覚を人体に与えることができる。
【００７５】
【数２１】
2012148056.tif 000024
これにより、人体は同じ運動をするために、重力を支えるのに必要な重力トルクが２倍必要になり、体重が２倍になったかのような感覚を与えることができる。よって、例えば、体重が１０ｋｇ増えたときの感覚を人体に与えることで、人体を重くすることができ、トレーニングやリハビリの効果を得ることができる。
【００７６】
尚、例えば、重力項ｇｅｘｔを０（零）にして、慣性行列Ｍｅｘｔ、遠心力及びコリオリ力項ｈｅｘｔについて仮想的に質量を増減させることもできる。例えば、質量を増加させた場合、静止中は普段の仮想環境付与装置１０がない状態の重力トルクだけが必要となり、速度又は加速度を伴う運動中のときだけ人体が発揮する必要トルクを大きくすることができる。これにより、使用者は自分のペースで負荷を調整することができ、静止することで、いつでも仮想環境付与装置１０がない場合と同じ状態にすることができる。
【００７７】
また、人体における特定の部位だけを軽くしたり重くしたりしてもよい。これによれば、人体における特定の部位をアシスト、トレーニング又はリハビリすることができるとともに、人体における特定の部位を疲れ難くしたり、人体における特定の部位だけを鍛えたりすることができ、効果的なアシスト、トレーニング又はリハビリをすることができる。さらには、人体における特定の部位だけの質量を減少させることで、特定の部位の動作を行い易くすることができ、アシスト効果が得られる。また、人体における特定の部位だけの質量を増大させることで、人体における特定の部位の動作を行い難くすることができ、トレーニングやリハビリ効果が得られる。
【００７８】
・第１の実施形態において、制御部２３は、重力の方向を仮想的にｙ方向上向きにしたり、あるいはｘ方向に重力方向を変えたりするように電磁モータ１５を制御してもよい。例えば、人Ｐの腕の運動について考える。人Ｐの手に質量を付加する場合を考えると、図７（ａ）に示すように、重力方向が下向きのとき、人Ｐの腕が伸展する方向に外力が働くため、通常のダンベル動作のようになり、主に上腕二頭筋（図７（ａ）において斜線を付した部分）を鍛えることができる。また、図７（ｂ）に示すように、重力方向が上向きのとき、人Ｐの腕を屈曲する方向に外力が働くため、主に上腕三頭筋（図７（ｂ）において斜線を付した部分）を鍛えることができる。このように、重力方向を任意に変えることで、狙った筋肉を同じ姿勢のままで効果的に鍛えることができる。
【００７９】
・上記各実施形態において、エンコーダ１４にて電磁モータ１５の動作情報を検出するようにしてもよい。すなわち、エンコーダ１４を動作検出手段として機能させてもよい。例えば、図８に示すリンク系と駆動系とからなるリンクモデルにより、電磁モータ１５を用いて減速機１５ａ及びリンク１５ｂを介して人体に外力を与える場合について考える。電磁モータ１５により発生するトルクをτｉｎ、回転角度をθｉｎ、出力軸側の発揮トルクをτｏｕｔ、回転角度をθｏｕｔとする。例えば、図３の人体の肘の角度をｑとすると、θｏｕｔと一致する。電磁モータ１５の特性である慣性及び粘性をそれぞれａ１、ｂ１、減速機の特性である慣性及び粘性をそれぞれａ２、ｂ２とすると、駆動系ダイナミクスとして式２３の関係が成立する。
【００８０】
【数２２】
2012148056.tif 000025
θｏｕｔ＝θｉｎ／ｎであることを考慮して、式２３をまとめると、駆動系ダイナミクスとして式２４が得られる。
【００８１】
【数２３】
2012148056.tif 000026
これをτｏｕｔについて書き直すと、式２５が得られる。
【００８２】
【数２４】
2012148056.tif 000027
θｏｕｔ＝ｑ、τｏｕｔ＝τａであることと、ｎ２ａ１＋ａ２＝Ｉａ、ｎ２ｂ１＋ｂ２＝Ｄａとすると、駆動系ダイナミクスτａは式２６にて与えられる。
【００８３】
【数２５】
2012148056.tif 000028
ここで、駆動系ダイナミクスτａを人体に与えたい仮想環境のための外力トルクτｅｘｔに付加することで、電磁モータ１５と減速機のダイナミクスを除去することができる。また、式２６は、電磁モータ１５と減速機の慣性及び粘性のみを考慮したモデルになっているが、例えば、式２７のように、電磁モータ１５と減速機の慣性及び粘性に加えて、クーロン摩擦を考慮してもよい。なお、ｆａはクーロン摩擦係数、ｓｉｇｎ（）は符号関数である。
【００８４】
【数２６】
2012148056.tif 000029
Ｉａ、Ｄａ、ｆａのようなパラメータは、電磁モータ１５や減速機のカタログ値を用いたり、予めパラメータ同定などを行ったりすることで得ることができる。そして、外力算出部２２は、式２８により外力を算出するとともに、電磁モータ１５により算出された外力を人体に与える。
【００８５】
【数２７】
2012148056.tif 000030
これによれば、外力算出部２２は、電磁モータ１５と減速機自体の慣性、粘性及び摩擦などのダイナミクスを除去しつつ人体に与える外力を算出することができ、電磁モータ１５により正確に人体に所望の外力を与えることができる。
【００８６】
・上記各実施形態において、図９に示すように、人体接触部に外力検出手段としてのロードセル４１を設けて電磁モータ１５の駆動により発生した外力を検出するようにしてもよい。図９に示す仮想環境付与装置４０は、パラレルワイヤ駆動システム４０ａと外骨格型装置４０ｂとを組み合わせてなる。これにより、人体の肘関節軸周りや人Ｐの手に対して所望の外力を与えることができる。
【００８７】
そして、外力算出部２２は、ロードセル４１により検出した外力ｆｅｘｔと、特定の仮想環境を人体に与えるために必要な外力ｆｅｘｔｄとの偏差に基づいて、式２９のようなフィードバック制御則により、電磁モータ１５への指令値を算出する。ただし、ｖｉｎｐｕｔは手先の座標系における電磁モータ１５への指令値、Ｋｆは力フィードバックゲインである。
【００８８】
【数２８】
2012148056.tif 000031
電磁モータ１５の制御入力をワイヤ１６の張力とすると、式２９による電磁モータ１５への指令値ｖｉｎｐｕｔを電磁モータ１５の幾何学的関係から各電磁モータ１５への制御入力に変換して制御することで、人体に与える外力のフィードバック制御が可能となる。また、外力として与える関節トルクτｅｘｔを外力算出部２２により算出したとき、上記式４の関係を用いて、関節トルクτｅｘｔからロードセル４１により検出した外力ｆｅｘｔを式３０にて算出することができる。
【００８９】
【数２９】
2012148056.tif 000032
人Ｐの手に与えるべき外力ｆｅｘｔは、式４を用いて、各電磁モータ１５をトルク制御することで人体に与えることもできる。また、ロードセル４１で人Ｐの手に与えるべき外力ｆｅｘｔを検出する場合は式２９を用いて、式４の関係から各電磁モータ１５のトルクを式３１により決定することができる。
【００９０】
【数３０】
2012148056.tif 000033
・図１０（ａ）に示す実施形態では、人Ｐの腕に関節角度計の一種であるゴニオメータ５１が取り付けられている。そして、このゴニオメータ５１により人体の関節角度を検出するようにしてもよい。そして、ＣＰＵ２０は、ゴニオメータ５１により検出された人体の関節角度の検出信号を受信するとともに、当該検出信号を利用して運動情報検出部２１が人体の運動情報を検出する。
【００９１】
・図１０（ｂ）に示す実施形態では、人体の手首に加速度センサ６１が取り付けられている。そして、この加速度センサ６１により、運動情報として、手先が回転又は並進したときの加速度を検出するようにしてもよい。そして、ＣＰＵ２０は、加速度センサ６１により検出された加速度の検出信号を受信するとともに、当該検出信号を利用して運動情報検出部２１が人体の運動情報を検出する。また、検出された加速度を表す検出値を数値積分することで速度情報及び位置情報を検出してもよい。
【００９２】
・例えば、速度センサを用いて、運動情報として、手先の回転又は並進したときの速度を検出してもよい。この場合、速度センサは、運動情報検出部として機能する。そして、検出された速度を表す検出値を数値微分することで加速度情報を検出してもよく、さらには、検出された速度を数値積分することで位置情報を検出してもよい。
【００９３】
・図１１に示す実施形態では、人Ｐの腰に仮想環境付与装置７０の土台部７１を取り付けるとともに、土台部７１から延在する仮想環境付与装置７０のリンク部７２の先端が人体の手首に取り付けられている。そして、リンク部７２に設けられた複数（この実施形態では７つ）の電磁モータ１５を駆動させることで、人Ｐの手、または関節と関節とを結ぶリンク部７２に対して並進力又はトルクを与えることができる。また、このような装着型の仮想環境付与装置７０を用いることで、装着した状態で動作が可能となり、自由に動き回ることができ、仮想環境付与装置７０を装着しながら日常生活を送ることができる。
【００９４】
・上記各実施形態において、電磁モータ１５をトルク制御モードで使用してもよい。これによれば、人体に与えられる外力を検出するためのセンサを別途設ける必要が無く、電磁モータ１５をトルク制御モードで使用することで、人体に対して所望の外力を与えることができる。
【００９５】
・上記各実施形態において、設定部２４を削除してもよい。
・第２の実施形態において、例えば、図１２に示すように、仮想環境付与装置８０を人Ｐの足に装着し、人Ｐが歩行することで水中を歩行している感覚を人体に与えるようにしてもよい。
【００９６】
・上記各実施形態では、使用者が仮想環境付与装置１０を使用している使用状態において、使用者が設定部２４を操作して自分の所望する仮想環境になるように仮想環境付与装置１０のモードを切り替えてもよい。ここで、「使用者が仮想環境付与装置１０を使用している状態」とは、「人体に対して外力が付与されている状態」のことをいう。
【００９７】
例えば、図１３（ａ）に示すように、仮想環境付与装置９０は装着型となっており、床面に載置された土台部９１から延在するリンク部９２の先端に装着部９２ａが設けられている。装着部９２ａは人体の腰に装着される。リンク部９２には複数の電磁モータ１５が配設されており、各電磁モータ１５を駆動させることで、人Ｐの腰に対して並進力又はトルクを与えることができる。
【００９８】
図１３（ｂ）に示すように、仮想環境付与装置９０には仮想環境設定手段としての設定部９４が設けられている。設定部９４には、仮想環境付与装置９０のモードを切替可能な仮想環境モード切替スイッチＳＷ１が設けられている。そして、この実施形態では、使用者によって仮想環境モード切替スイッチＳＷ１が押されたことで、仮想環境付与装置９０のモードが水中環境に設定された状態を示している。
【００９９】
また、設定部９４には、人体に水中環境を与えるために必要な外力の要素である付加慣性力、流体抗力及び浮力をＯＮ／ＯＦＦにするためのＯＮ／ＯＦＦ切替スイッチＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４が設けられている。さらに、設定部９４には、付加慣性力、流体抗力及び浮力の項の向きを正転又は反転に設定可能な向き設定スイッチＳＷ５が設けられている。また、設定部９４には、付加慣性力、流体抗力及び浮力の項の大きさを、０．５倍、１．０倍、２．０倍に設定可能な大きさ設定スイッチＳＷ６が設けられている。
【０１００】
そして、使用者は、ＯＮ／ＯＦＦ切替スイッチＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を操作することで、付加慣性力、流体抗力及び浮力をＯＮ又はＯＦＦに切り替える。例えば、使用者は、付加慣性力及び流体抗力をＯＦＦにして、浮力のみをＯＮにする。すると、人体には浮力のみが付与されることになり、高齢者などの筋肉が少なく力が出せない使用者には、身体を軽くして使用者に対する負担を減らすように外力を与えることができる。また、例えば、使用者は、付加慣性力及び流体抗力をＯＮにして、浮力のみをＯＦＦにする。すると、人体には付加慣性力及び流体抗力が付与されることになり、筋肉が多い使用者に対してさらに負荷を大きくすることができ、より効果的に筋肉を鍛えることができる。このように、付加慣性力、流体抗力及び浮力を追加及び削除することで、使用者にとって付与される仮想環境のバリエーションが増え、使用者は飽きずに仮想環境付与装置９０を使用し続けることができる。
【０１０１】
また、例えば、図１３（ｂ）に示すように、付加慣性力及び浮力をＯＮにし、流体抗力のみをＯＦＦにした状態において、使用者により向き設定スイッチＳＷ５が押されて設定が正転から反転に切り換えられると、ＯＮになっている付加慣性力及び浮力の向きが正転から反転に切り換えられる。すると、使用者の運動方向と人体に付与される外力の方向とを反対の向きにすることができ、効果的にトレーニングすることができる。
【０１０２】
また、使用者は、大きさ設定スイッチＳＷ６を操作することで、ＯＮになっている付加慣性力及び浮力の大きさを０．５倍、１．０倍、２．０倍等に切り換えることができる。例えば、使用者は、大きさ設定スイッチＳＷ６を操作して、仮想環境付与装置９０の使用開始時には付加慣性力及び浮力の大きさを０．５倍に設定しておく。そして、使用者は、仮想環境付与装置９０の使用途中で大きさ設定スイッチＳＷ６を操作して、付加慣性力及び浮力の大きさを１．０倍、２．０倍に切り換える。さらに、仮想環境付与装置９０の使用を終了する前に、使用者は大きさ設定スイッチＳＷ６を操作して、付加慣性力及び浮力の大きさを０．５倍に戻すように切り換える。このようにすれば、ウォーミングアップからクールダウンまでの一連の動作を実現することができ、トレーニング効果を効率良く得ることができる。
【０１０３】
尚、付加慣性力、流体抗力及び浮力の向き及び大きさをそれぞれ独立に切り換えられるように、向き設定スイッチ及び大きさ設定スイッチを付加慣性力、流体抗力及び浮力ごとに設けてもよい。また、大きさ設定スイッチＳＷ６を操作することで、付加慣性力、流体抗力及び浮力の大きさを０．５倍、１．０倍、２．０倍以外の倍率に設定できるようにしてもよい。
【０１０４】
また、図１１に示す実施形態のように、例えば、人Ｐの手に質量を付加する場合を考える。図１４では、使用者によって仮想環境モード切替スイッチＳＷ１が押されたことで、仮想環境付与装置１０のモードが、人Ｐの手で仮想的にダンベルを握ったような仮想環境である仮想手先質量環境に設定された状態を示している。この場合、設定部９４には、人Ｐの手に仮想的に与えられる質量の大きさを設定可能な質量設定スイッチＳＷ１１が設けられている。また、設定部９４には、人Ｐの手に仮想的に与えられる形状を設定可能な形状設定スイッチＳＷ１２が設けられている。さらに、設定部９４には、形状設定スイッチＳＷ１２を操作することで設定された形状の長さ、幅、奥行きを設定可能な長さ設定スイッチＳＷ１３、幅設定スイッチＳＷ１４及び奥行き設定スイッチＳＷ１５が設けられている。
【０１０５】
そして、使用者は、質量設定スイッチＳＷ１１を操作することで、人Ｐの手に仮想的に与えられる質量の大きさを１．０ｋｇ、２．０ｋｇ、３．０ｋｇ等に設定する。これによれば、例えば、高齢者などの筋肉が少なく力が出せない使用者に対しては質量を小さく設定したり、筋肉が多い使用者に対しては質量を大きく設定したりすることできる。
【０１０６】
また、使用者は、形状設定スイッチＳＷ１２を操作することで、人Ｐの手に仮想的に与えられる形状を質点、円柱、角柱のいずれかに設定する。形状は、手先に仮想物体を持たせる場合に、慣性モーメントが影響する。質点では慣性モーメントは０（零）であり、円柱及び角柱は、所定の慣性モーメントを有する。慣性モーメントは物体の形状に依存するため、その寸法によって慣性モーメントの大きさが変化する。よって、使用者は、形状設定スイッチＳＷ１２によって形状を設定した後に、その設定された形状の長さ、幅、奥行きを設定するために、長さ設定スイッチＳＷ１３、幅設定スイッチＳＷ１４及び奥行き設定スイッチＳＷ１５を操作する。このように、物体の形状を設定することで、人Ｐの手に仮想的に与えられる外力のバリエーションを増やすことができ、使用者は飽きずに仮想環境付与装置１０を使用し続けることができる。尚、人Ｐの手に仮想的に与えられる形状としては、質点、円柱、角柱に限らず、例えば、球、三角柱等の形状であったり、円柱の先に球が取り付けられた形状であったり、円柱の先に当該円柱の軸方向と直交する方向に延びる円柱が取り付けられた形状であったりしてもよい。
【０１０７】
尚、設定部９４により、水中環境と仮想手先質量環境とが組み合わさった仮想環境が使用者に付与されるように設定してもよい。例えば、設定部９４により、水中でダンベルを握ったような仮想環境が使用者に与えられるように設定してもよい。
【０１０８】
・運動情報検出部２１により検出された人体に対するワイヤ１６の取り付け位置が回転又は並進したときの位置情報に応じて、人体に与えられる外力の向きの設定、外力の大きさの設定、及び外力の追加と削除のうちの少なくとも一つを設定部２４により行えるようにしてもよい。この場合、例えば、設定部２４には、運動情報検出部２１により検出された人体に対するワイヤ１６の取り付け位置が回転又は並進したときの位置情報に応じて、外力の向きの設定を行うプログラム、外力の大きさの設定を行うプログラム、及び外力の追加と削除を行うプログラムの３つのプログラムが組み込まれている。尚、当該３つのプログラムのうち一つだけが組み込まれた設定部２４であってもよいし、３つのプログラムのうち二つのプログラムが組み込まれた設定部２４であってもよい。
【０１０９】
例えば、図１５（ａ）に示すように、人Ｐの手に下向きの重力が付与されている状態において、図１５（ｂ）に示すように、通常のダンベル動作を行うことで、ワイヤ１６の取り付け位置（手の位置）が所定の仮想環境切替地点Ｚ１に到達したとする。このとき、設定部２４により、人Ｐの手に付与されている重力の向きが下向きから上向きに自動的に切り替えられる。つまり、この場合、設定部２４により重力の項の向きが正転から反転に自動的に切り替えられる。これによれば、運動方向と負荷の方向を同じ向きにしたり、反対の向きにしたりすることができ、より効果的にトレーニング、リハビリ又は人Ｐの動作をアシストすることができる。なお、設定部２４は、ワイヤ１６の取り付け位置が所定の仮想環境切替地点Ｚ１に到達したときに、例えば、重力の大きさを自動的に切り替えるようにしてもよいし、重力以外の外力である慣性力、遠心力及びコリオリ力の向きや大きさを適宜切り替えるようにしてもよい。
【０１１０】
また、ワイヤ１６の取り付け位置が所定の仮想環境切替地点Ｚ１に到達したときに、重力、慣性力、遠心力及びコリオリ力の向き及び大きさのうちの少なくとも一つを設定部２４により自動的に切り替えるようにしたが、これに限らない。例えば、図１６に示すように、ワイヤ１６の取り付け位置（手の位置）が所定の仮想環境切替領域Ｚ２内に入ったときに、重力、慣性力、遠心力及びコリオリ力の向き及び大きさのうちの少なくとも一つを設定部２４により自動的に切り替えるようにしてもよい。
【０１１１】
尚、仮想環境として人体に水中環境が付与されている場合では、運動情報検出部２１により検出された人体における所定の部位の位置が仮想環境切替地点Ｚ１に到達したり、仮想環境切替領域Ｚ２内に入ったりしたときに、付加慣性力、流体抗力及び浮力の向き、大きさ、及び追加と削除のうちの少なくとも一つを設定部２４により行えるようにしてもよい。
【０１１２】
・運動情報検出部２１により検出された人体に対するワイヤ１６の取り付け位置が回転又は並進したときの速度情報に応じて、人体に与えられる外力の向きの設定、外力の大きさの設定、及び外力の追加と削除のうちの少なくとも一つを設定部２４により行えるようにしてもよい。この場合、例えば、設定部２４には、運動情報検出部２１により検出された人体に対するワイヤ１６の取り付け位置が回転又は並進したときの速度情報に応じて、外力の向きの設定を行うプログラム、外力の大きさの設定を行うプログラム、及び外力の追加と削除を行うプログラムの３つのプログラムが組み込まれている。尚、当該３つのプログラムのうち一つだけが組み込まれた設定部２４であってもよいし、３つのプログラムのうち二つのプログラムが組み込まれた設定部２４であってもよい。
【０１１３】
そして、例えば、ダンベル動作を考える。例えば、人体に１ｋｇの負荷が与えられたダンベル動作では、図１７に示すように、ダンベル動作の基準速度Ｖ１が予め設定されている。そして、基準速度Ｖ１よりも速い速度でダンベル動作ができる使用者には、例えば、重力の大きさを２倍、３倍と不連続に大きくすることで、使用者に大きな負荷を与えることができ、より効果的にトレーニングすることができる。一方、基準速度Ｖ１よりも遅い速度でダンベル動作を行っている使用者に対しては、例えば、重力の大きさを半分にすることで使用者に与える負荷を小さくすることができる。
【０１１４】
また、図１７に示すように、速度と負荷の大きさとを関係付けた特性線Ｌ１を予め設定しておき、その特性線Ｌ１に応じて負荷の大きさが連続的に変化するようにしてもよい。さらには、速度が正のときには負荷の大きさを２倍、３倍と大きくし、速度が負のときは負荷の大きさが０（零）になるように設定してもよい。また、速度が正のときには特性線Ｌ１に応じて負荷の大きさが連続的に変化するようにし、速度が負のときは負荷の大きさを半分にするようにしてもよい。
【０１１５】
また、速度は運動の向きを表す。よって、速度情報に応じて重力の項の向きを正転から反転に自動的に切り替えるようにしてもよい。尚、速度情報に応じて、重力以外の外力である慣性力、遠心力及びコリオリ力の向きや大きさを適宜切り替えるようにしてもよい。
【０１１６】
さらには、仮想環境として人体に水中環境が付与されている場合では、運動情報検出部２１により検出された人体における所定の部位が回転又は並進したときの速度情報に応じて、付加慣性力、流体抗力及び浮力の向き、大きさ、及び追加と削除の少なくとも一つを設定部２４により行えるようにしてもよい。
【０１１７】
・運動情報検出部２１により検出された人体に対するワイヤ１６の取り付け位置が回転又は並進したときの加速度情報に応じて、外力の向きの設定、外力の大きさの設定、及び外力の追加と削除のうちの少なくとも一つを設定部２４により行えるようにしてもよい。この場合、例えば、設定部２４には、運動情報検出部２１により検出された人体に対するワイヤ１６の取り付け位置が回転又は並進したときの加速度情報に応じて、外力の向きの設定を行うプログラム、外力の大きさの設定を行うプログラム、及び外力の追加と削除を行うプログラムの３つのプログラムが組み込まれている。尚、当該３つのプログラムのうち一つだけが組み込まれた設定部２４であってもよいし、３つのプログラムのうち二つのプログラムが組み込まれた設定部２４であってもよい。
【０１１８】
急加速、急減速といった筋肉への負担が大きい運動に対しては、急加速、急減速といった絶対値の大きな加速度を検知して、人Ｐに付与する外力を小さくすることで、筋肉を痛めることを緩和することができる。また、仮想環境付与装置１０自体にも過大な力が加わることを防ぐことができ、仮想環境付与装置１０の耐久性を向上させることができる。
【０１１９】
さらには、仮想環境として人体に水中環境が付与されている場合では、運動情報検出部２１により検出された人体における所定の部位が回転又は並進したときの加速度情報に応じて、付加慣性力、流体抗力及び浮力の向き、大きさ、及び追加と削除の少なくとも一つを設定部２４により行えるようにしてもよい。
【０１２０】
・運動情報検出部２１により検出された位置、速度、加速度の条件を組み合わせて、予め定められた位置で、且つ予め定められた速度以上のときに、仮想環境に関する設定を自動的に切り替えてもよい。また、予め定められた加速度で所定の位置を通過した場合に、仮想環境に関する設定を自動的に切り替えてもよい。これによれば、人体に与える仮想環境のバリエーションをさらに増やすことができ、さらに効果的なトレーニング、リハビリ、アシストが可能となる。
【０１２１】
・使用時間の経過に応じて、外力の向きの設定、外力の大きさの設定、及び外力の追加と削除のうちの少なくとも一つを設定部２４により行えるようにしてもよい。この場合、例えば、設定部２４には、使用時間の経過に応じて、外力の向きの設定を行うプログラム、外力の大きさの設定を行うプログラム、及び外力の追加と削除を行うプログラムの３つのプログラムが組み込まれている。尚、当該３つのプログラムのうち一つだけが組み込まれた設定部２４であってもよいし、３つのプログラムのうち二つのプログラムが組み込まれた設定部２４であってもよい。ここで、「使用時間の経過」とは、人体に対して外力が付与され始めてから、人体に対して外力が付与されなくなるまでの時間の経過のことをいう。
【０１２２】
例えば、仮想環境として水中環境が人体に付与されている場合を考える。図１８に示すように、時間ｔ０から時間ｔ１の間には浮力のみを人体に付与し、時間ｔ１から時間ｔ２の間には浮力に加えて流体抗力を人体に付与する。さらに、時間ｔ２から時間ｔ３の間には浮力及び流体抗力に加えて付加慣性力を人体に付与する。続けて、時間ｔ３から時間ｔ４の間には付加慣性力を削除して浮力及び流体抗力を人体に付与し、時間ｔ４から時間ｔ５の間には流体抗力を削除して浮力のみを人体に付与する。これによれば、時間ｔ０から時間ｔ２の間でウォーミングアップをし、時間ｔ２から時間ｔ３の間で本格的にトレーニングをし、時間ｔ３から時間ｔ５の間でクールダウンをするといったようなトレーニングコースを作成することができ、使い勝手を向上させることができる。
【０１２３】
また、使用時間の経過に応じて、人体に与える仮想環境自体を設定部２４により自動的に切り替えてもよい。例えば、図１９に示すように、時間ｔ０から時間ｔ１の間には仮想手先質量の仮想環境を人体に付与し、時間ｔ１から時間ｔ２の間には水中環境を人体に仮想環境として付与する。さらに、時間ｔ２から時間ｔ３の間には人体の質量が増減したかのような仮想環境を人体に付与してもよい。
【０１２４】
また、使用時間の経過に応じて、外力の向きを設定部２４により自動的に切り替えるようにしてもよい。例えば、人Ｐの手に質量を付加する場合を考える。図２０に示すように、時間ｔ０から時間ｔ１の間では、重力の向きを下向きにして上腕二頭筋を鍛え、時間ｔ１から時間ｔ２の間では、重力の向きを反転させて上向きにして上腕三頭筋を鍛える。このようにすれば、屈筋、伸筋をバランス良く鍛えることができる。また、例えば、伸筋を鍛える時間よりも屈筋を鍛える時間のほうが長いコースである「屈筋コース」といったコース名を設定部２４にスイッチとして配設することで、使い勝手をより向上させることができる。
【０１２５】
また、使用時間の経過に応じて、外力の大きさを設定部２４により自動的に切り替えるようにしてもよい。例えば、時間が１０秒経過する毎に重力の大きさを１％ずつ増やすといったようなことをすれば、連続的に人体に与える負荷を可変にすることが可能となる。
【０１２６】
・人体が仮想環境付与装置１０，３０，４０，７０，８０，９０に加えた外力に応じて、外力の向きの設定、外力の大きさの設定、及び外力の追加と削除のうちの少なくとも一つを設定部２４により行えるようにしてもよい。この場合、例えば、設定部２４には、人体が仮想環境付与装置１０，３０，４０，７０，８０，９０に加えた外力に応じて、外力の向きの設定を行うプログラム、外力の大きさの設定を行うプログラム、及び外力の追加と削除を行うプログラムの３つのプログラムが組み込まれている。尚、当該３つのプログラムのうち一つだけが組み込まれた設定部２４であってもよいし、３つのプログラムのうち二つのプログラムが組み込まれた設定部２４であってもよい。
【０１２７】
例えば、図９に示す仮想環境付与装置４０では、人体が仮想環境付与装置４０に加えた外力を、ロードセル４１により検出することができる。ロードセル４１は、電磁モータ１５の駆動により発生した外力を検出できるが、作用・反作用の法則により、人体が電磁モータ１５に加えた外力を検出することも可能である。例えば、人体が静止している状態において、電磁モータ１５の駆動力で各ワイヤ１６に張力を発生させて、人Ｐの手に外力として並進力又はトルクを与える場合、ロードセル４１は、人体に加わった並進力又はトルクを検出する。一方、電磁モータ１５が停止している状態において、人体が各ワイヤ１６に対して外力を加えることで各ワイヤ１６を介して電磁モータ１５に外力が加わった場合、ロードセル４１は、電磁モータ１５（各ワイヤ１６）に加わった外力を検出するようになっている。
【０１２８】
そして、例えば、使用者が、各ワイヤ１６に対して急激に力を加えたときには、ロードセル４１により検出される外力は急激に増加した値が検出される。設定部２４は、この検出された外力に応じて、例えば、遠心力及びコリオリ力の大きさを小さくしたり、遠心力及びコリオリ力の向きを反転させたりする。これによれば、使用者の筋への負担を緩和させることができ、さらには、各ワイヤ１６を介して電磁モータ１５にかかる負担を緩和させることができる。
【０１２９】
また、使用者は、ロードセル４１により検出される外力の上限値τｍａｘ及び下限値τｍｉｎを設定部２４に予め設定しておく。そして、この外力の上限値τｍａｘ及び下限値τｍｉｎに応じて、外力の項の向き及び大きさのうちの少なくとも一つを設定部２４により自動的に切り替えるようにしてもよい。具体的には、図２１に示すように、設定部２４は、ロードセル４１により検出された外力が下限値τｍｉｎ（図２１では下限値τｍｉｎ＝０）よりも小さいときは、使用者に与えられる外力を０（零）に設定する。また、ロードセル４１により検出された外力が０（零）からτｍａｘまでの間では、設定部２４は、例えば、重力を追加し、その後、重力に代えて遠心力及びコリオリ力を加え、その後、重力、遠心力及びコリオリ力を加える。さらに、設定部２４は、ロードセル４１により検出された外力がτｍａｘよりも大きいときは、使用者に与えられる外力を０（零）に設定する。これによれば、図２１に示すように、下限値τｍｉｎよりも大きな外力を常に使用者に与えることができるとともに、上限値τｍａｘよりも大きな外力を使用者に与えてしまうことを防止することができる。よって、より効果的にトレーニング効果を得ることができるとともに、仮想環境付与装置４０の安全性を向上させることができる。
【０１３０】
・図２２に示すように、仮想環境付与装置９５には、床面に載置された土台部９６から延在するリンク部９７の先端に、人Ｐが着座可能な座部９８が設けられている。リンク部９７には複数の電磁モータ１５が配設されている。そして、人Ｐが座部９８に着座した状態で、各電磁モータ１５を駆動させると、人体に対して並進力又はトルクを与えることができ、座部９８に着座している使用者が得られる感覚を変化させることができる。尚、これら並進力及びトルクの向きは設定部２４により任意に変更可能になっている。
【符号の説明】
【０１３１】
１０，３０，４０，７０，８０，９０，９５…仮想環境付与装置、１４…動作検出手段としてのエンコーダ、１５…外力付与手段としての電磁モータ、２１…運動情報検出部、２２…外力算出部、２３…制御部、２４，９４…仮想環境設定手段としての設定部、４１…外力検出手段としてのロードセル。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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