(57)【要約】【課題】他動訓練装置の移動条件に対する筋および関節への負荷をコンピュータシミュレーションにより評価する。【解決手段】装置模擬部１１は、移動条件設定部１２から与えられた移動条件に応じて他動訓練装置における時間経過に伴う支持台の位置変化を出力する。振動モデル生成部２１は、身体情報入力部１３から与えられた体格の情報に基づいて人体の機械振動モデルとして倒立振子を生成する。動力学演算部２２は、装置模擬部１１で生成した位置変化を倒立振子に適用し、倒立振子の位置変化を算出する。倒立振子の位置は人体の関節の位置に関係付けられている。筋骨格モデル生成部２１は、身体情報入力部１３から与えられた体格の情報に基づいて筋骨格モデルを生成し、逆動力学演算部３２は倒立振子を用いて求めた関節の位置を筋骨格モデルに当てはめることにより、筋および関節への負荷を推算する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
利用者の少なくとも一部の荷重を支える支持台を備え支持台を移動させることにより他動的に筋収縮を生じさせる他動訓練装置について、支持台の移動と利用者の筋および関節に作用する負荷との関係をコンピュータシミュレーションにより求める方法であって、人体のモデルとなる少なくとも１本の倒立振子を、設定した支持台の移動条件に従って強制振動させたときの時間経過に伴う倒立振子の位置変化から時間経過に伴う人体の関節の位置変化を推定し、推定した関節の位置変化を筋骨格モデルに適用することにより筋および関節に作用する負荷を求めることを特徴とする他動訓練装置による運動作用のシミュレーション方法。
【請求項２】
前記倒立振子による人体のモデルは、下端が前記支持台に関節軸を介して結合された１個のリンクからなり、関節軸の周りにはリンクの正立位置に対する角度に応じた復元力が作用することを特徴とする請求項１記載の他動訓練装置による運動作用のシミュレーション方法。
【請求項３】
前記倒立振子による人体のモデルは、下端に第１の関節軸を有した第１のリンクと、第１の関節軸を介して第１のリンクに結合された第２のリンクとからなり、第２のリンクの下端が前記支持台に第２の関節軸を介して結合され、第１の関節軸の周りには第１のリンクと第２のリンクとがなす角度に応じた復元力が作用し、第２の関節軸の周りには第２のリンクの正立位置に対する角度に応じた復元力が作用することを特徴とする請求項１記載の他動訓練装置による運動作用のシミュレーション方法。
【請求項４】
前記倒立振子による人体のモデルは、前記筋骨格モデルの体節および関節とそれぞれ等価であるリンクおよび関節軸からなり、いずれかのリンクを支持台に結合する関節軸の周りには当該リンクの正立位置に対する角度に応じた復元力が作用し、他の関節軸の周りには関節軸を介して結合された各一対のリンクがなす角度に応じた復元力が作用することを特徴とする請求項１記載の他動訓練装置による運動作用のシミュレーション方法。
【請求項５】
利用者の少なくとも一部の荷重を支える支持台を備え支持台を移動させることにより他動的に筋収縮を生じさせる他動訓練装置について、支持台の移動と利用者の筋および関節に作用する負荷との関係をコンピュータシミュレーションにより求める装置であって、支持台の位置変化を規定する移動条件を設定する移動条件設定部と、利用者の体格を入力する身体情報入力部と、身体情報入力部から入力された利用者の体格に基づいて少なくとも１本の倒立振子からなる人体のモデルを生成する振動モデル生成部と、移動条件設定部により設定した移動条件により時間経過に伴う支持台の位置変化を算出する装置模擬部と、振動モデル生成部により生成した倒立振子に装置模擬部で算出した位置変化を適用して強制振動させたときの時間経過に伴う倒立振子の位置変化から時間経過に伴う人体の関節の位置変化を推定する動力学演算部と、身体情報入力部から入力された利用者の体格に基づいて筋骨格モデルを生成する筋骨格モデル生成部と、筋骨格モデル生成部により生成した筋骨格モデルに動力学演算部で求めた関節の位置変化を適用することにより筋および関節に作用する負荷を求める逆動力学演算部とを備えることを特徴とする他動訓練装置による運動作用のシミュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、利用者の身体の一部を支える支持台を他動的に移動させて利用者の姿勢を変化させることにより利用者の筋を刺激する他動訓練装置について、他動訓練装置および利用者をコンピュータ上で模擬するモデルを用いることにより、支持台の移動条件と利用者の各部位に作用する負荷との関係を推定する他動訓練装置による運動作用のシミュレーション方法、他動訓練装置による運動作用のシミュレーション装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、利用者の身体の一部を支える支持台を他動的に移動させて利用者の姿勢を変化させるようにした他動訓練装置が種々提案されている。
【０００３】
この種の他動訓練装置には、たとえば、利用者が跨る形で着座する支持台を揺動させることにより乗馬運動を模擬するものがある（たとえば、特許文献１参照）。また、利用者が足で自重の一部を支える姿勢（座位）において臀部ないし腰部を支持する支持台を揺動させることにより利用者の脚部に作用する自重の割合を変化させるもの（たとえば、特許文献２参照）や、利用者が足を支持台に載せた姿勢（立位）において足の位置や向きを変化させるように支持台を移動させることにより歩行運動や脚部の関節可動域を広げる運動を行わせるものもある。
【０００４】
他動訓練装置では、支持台の移動条件を変化させることにより、各筋や各関節に作用する負荷の大きさが変化する。すなわち、支持台の移動条件を変化させることにより、負荷が主として作用する筋の種類や負荷の大きさが変化し、また各関節に作用する負荷の大きさが変化する。一般的には、関節に作用する負荷を小さくしつつ、筋収縮の効果を高めるように支持台の移動条件を決定することが望ましい。
【０００５】
ところで、支持台の移動条件と筋収縮の効果と関節に作用する負荷との関係を求める場合に、現状では、複数の被験者に他動訓練装置を実際に利用させ、支持台の移動条件を変化させることによって、筋収縮の効果や関節への負荷がどのように変化するかを計測する方法を採用している。
【０００６】
ただし、筋や関節への負荷を直接計測することはできないから、測定可能な部位に作用する力を計測するとともに、人体を模擬するモデルを用いてコンピュータシミュレーションを行うことによって、筋や関節への負荷を推定する技術を採用している（たとえば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００４−３４４６８４号公報
【特許文献２】特開２００６−１２２５９５号公報
【特許文献３】特開２００６−３４６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように他動訓練装置を実際に動作させて筋や関節への負荷の大きさを評価しようとすると、１日に実測可能な移動条件の種類は２０条件程度が上限になる。
【０００８】
したがって、目的とする筋に作用する負荷を高め、かつ関節に作用する負荷を小さくするような最適な移動条件を求めるには、多大な時間を要し、被験者の負担が大きくなるという問題を有している。
【０００９】
また、移動条件によっては関節への負荷が大きくなるから、被験者の安全を考慮して実測を行うには、関節への負荷が大きくなると予想される移動条件を排除して計測を行うことが必要である。その結果、移動条件の選択範囲を必要以上に狭めてしまうことがあり、その場合、最適とは言えない移動条件が選択されることもある。
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、比較的短い時間で多くの移動条件について筋および関節への負荷を評価することを可能にし、しかも安全に使用できると考えられる移動条件の範囲を超える移動条件についても評価を可能にし、結果的に最適な移動条件を比較的短時間で求めることを可能にした他動訓練装置による運動作用のシミュレーション方法を提供することにあり、さらに当該方法を実現する他動訓練装置による運動作用のシミュレーション装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、利用者の少なくとも一部の荷重を支える支持台を備え支持台を移動させることにより他動的に筋収縮を生じさせる他動訓練装置について、支持台の移動と利用者の筋および関節に作用する負荷との関係をコンピュータシミュレーションにより求める方法であって、人体のモデルとなる少なくとも１本の倒立振子を、設定した支持台の移動条件に従って強制振動させたときの時間経過に伴う倒立振子の位置変化から時間経過に伴う人体の関節の位置変化を推定し、推定した関節の位置変化を筋骨格モデルに適用することにより筋および関節に作用する負荷を求めることを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記倒立振子による人体のモデルは、下端が前記支持台に関節軸を介して結合された１個のリンクからなり、関節軸の周りにはリンクの正立位置に対する角度に応じた復元力が作用することを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明では、請求項１の発明において、前記倒立振子による人体のモデルは、下端に第１の関節軸を有した第１のリンクと、第１の関節軸を介して第１のリンクに結合された第２のリンクとからなり、第２のリンクの下端が前記支持台に第２の関節軸を介して結合され、第１の関節軸の周りには第１のリンクと第２のリンクとがなす角度に応じた復元力が作用し、第２の関節軸の周りには第２のリンクの正立位置に対する角度に応じた復元力が作用することを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明では、請求項１の発明において、前記倒立振子による人体のモデルは、前記筋骨格モデルの体節および関節とそれぞれ等価であるリンクおよび関節軸からなり、いずれかのリンクを支持台に結合する関節軸の周りには当該リンクの正立位置に対する角度に応じた復元力が作用し、他の関節軸の周りには関節軸を介して結合された各一対のリンクがなす角度に応じた復元力が作用することを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明は、利用者の少なくとも一部の荷重を支える支持台を備え支持台を移動させることにより他動的に筋収縮を生じさせる他動訓練装置について、支持台の移動と利用者の筋および関節に作用する負荷との関係をコンピュータシミュレーションにより求める装置であって、支持台の位置変化を規定する移動条件を設定する移動条件設定部と、利用者の体格を入力する身体情報入力部と、身体情報入力部から入力された利用者の体格に基づいて少なくとも１本の倒立振子からなる人体のモデルを生成する振動モデル生成部と、移動条件設定部により設定した移動条件により時間経過に伴う支持台の位置変化を算出する装置模擬部と、振動モデル生成部により生成した倒立振子に装置模擬部で算出した位置変化を適用して強制振動させたときの時間経過に伴う倒立振子の位置変化から時間経過に伴う人体の関節の位置変化を推定する動力学演算部と、身体情報入力部から入力された利用者の体格に基づいて筋骨格モデルを生成する筋骨格モデル生成部と、筋骨格モデル生成部により生成した筋骨格モデルに動力学演算部で求めた関節の位置変化を適用することにより筋および関節に作用する負荷を求める逆動力学演算部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１、５の発明の構成によれば、他動訓練装置の実機を用いることなく、種々の移動条件について筋や関節への負荷を推定することが可能になる。したがって、比較的短い時間で多くの移動条件について筋および関節への負荷を評価することが可能になる。また、被験者に実機を使用させるのではないから、どのような移動条件を設定しても安全に利用することができ、設定する移動条件の範囲を広げることが可能になる。すなわち、安全性を考慮して従来は被験者に適用できなかった移動条件についても試験が可能になる。このように移動条件の試験範囲を広げることにより、移動条件の最適化が容易になる。
【００１７】
さらにまた、筋や関節への負荷を推定するには、筋骨格モデルを用いることが必要であるものの、他動訓練装置の動作を筋骨格モデルに直接結びつけることは困難であるのに対して、請求項１の発明では、他動訓練装置の動作を機械振動モデルである倒立振子によるモデルに関連付けることによって、時間経過に伴う関節の位置変化を推定し、関節の位置変化を筋骨格モデルに当てはめることによって、筋骨格モデルを用いて筋や関節への負荷を推算することが可能になる。すなわち、他動訓練装置の動作と筋骨格モデルとを結びつけるために、倒立振子による機械振動モデルを用いていることにより、演算量の比較的少ない演算で移動条件に対する筋や関節への負荷の程度を見積もることが可能になる。
【００１８】
請求項２の発明の構成によれば、人体の機械振動モデルとして１個のリンクを備える倒立振子を用いるから、他動訓練装置の動作に対する関節の動きを少ない計算量で求めることが可能になる。
【００１９】
請求項３の発明の構成によれば、人体の機械振動モデルとして２個のリンクを備える倒立振子を用いるから、１個のリンクによる機械振動モデルよりは計算量が多くなるが、上半身と下半身との動きを分けるなど、人体のうちでも動きが異なる部位を考慮する必要があるときに、比較的少ない計算量でありながら比較的よい精度で関節の動きを求めることが可能になる。
【００２０】
請求項４の発明の構成によれば、人体の機械振動モデルとして、筋骨格モデルの体節および関節とそれぞれ等価であるリンクおよび関節軸を備えた倒立振子を用いるから、倒立振子により求めた関節の位置を、筋骨格モデルにそのまま適用することができ、筋や関節への負荷を高い精度で推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本実施形態は、図１に示すように、それぞれコンピュータシミュレーションを行う３種類のシミュレータ１０、２０、３０を統合した構成を有する。
【００２２】
第１のシミュレータ１０は、他動訓練装置における支持台の移動を模擬する装置模擬部１１を備え、他動訓練装置に設けた支持台の移動条件が移動条件設定部１２から入力されることにより、移動条件に応じた支持台の移動を模擬する。
【００２３】
支持台の移動には必ずしも周期性は要求されず、また支持台の移動軌跡は幾何学形状である必要もないが、移動条件の設定の容易さを考慮し、本実施形態では、支持台の移動が周期性を有し、移動軌跡は１以上の方向の往復移動の合成で表される形状を採用する。つまり、移動軌跡は、前後方向、左右方向、上下方向から選択される直進往復移動と、ロール（前後方向の軸周り）、ピッチ（左右方向の軸周り）、ヨー（上下方向の軸周り）から選択される回転往復移動とから適宜に選択される往復移動の合成で表される（もちろん、１自由度の場合には１種類の往復移動で表される）。
【００２４】
したがって、移動条件設定部１２において、移動条件として、支持台の移動軌跡を決める往復移動の方向、往復移動の方向ごとの振幅および周期（周波数）、複数の往復移動が合成されている場合の各往復移動の位相関係、往復移動の基準位置（往復移動の中央位置など）を設定することができる。
【００２５】
本実施形態では、他動訓練装置の支持台の移動に伴って利用者の筋や関節に作用する負荷を評価することが目的であるから、第３のシミュレータ３０では、体節（骨）、関節、筋（筋肉）を要素とする筋骨格モデルを用いる。ただし、他動訓練装置の支持台の動きを筋骨格モデルに直接適用するのは困難である。
【００２６】
そこで、本実施形態では、第２のシミュレータ２０において、人体の動きの本質を失わない程度に単純化した機械振動系のモデルとして人体を記述し、記述したモデルと装置模擬部１１で模擬した他動訓練装置の動作との関係を運動方程式で表している。機械振動系のモデルによる人体の記述は振動モデル生成部２１で行われる。また、上述の運動方程式の解を求める動力学演算を行うために、第２のシミュレータ２０には動力学演算部２２が設けられる。動力学演算部２２では、他動訓練装置を動作させたときの人体の関節の位置の変化（位置および速度）を求める。
【００２７】
関節の屈伸は当該関節に関連した筋の収縮により生じるから、第３のシミュレータ３０で用いる筋骨格モデルに対して、第２のシミュレータ２０で求めた時間経過に伴う関節の位置の変化を適用することにより、当該関節に関連した筋に作用する負荷を求めることができる。また、体節に作用する負荷が求められることにより関節に作用する負荷（関節間力）が求められる。すなわち、各関節の屈伸に関わる筋が発揮した力（筋に作用する負荷）と、各関節に作用する負荷とは、関節の位置の変化（軌道）から逆動力学演算により求められる。
【００２８】
したがって、第３のシミュレータ３０には、筋骨格モデルによる人体の記述を行う筋骨格モデル生成部３１と、第２のシミュレータ２０で求めた関節の位置の変化から筋および関節に作用する負荷を求める逆動力学演算部３２とが設けられる。
【００２９】
上述した構成について、以下にさらに詳述する。以下では、図２に示すように、他動訓練装置１が、立った姿勢の利用者が左右の足をそれぞれ載せる一対の足置き台２を支持台として備え、足置き台２の位置を駆動源（図示せず）により変位させる構成であるものとして説明する。足置き台２は、前後方向、左右方向、上下方向、前後方向の軸周り、左右方向の軸周り、上下方向の軸周りの少なくとも１自由度の変位が可能となる機構を用いて駆動される。
【００３０】
たとえば、伸縮する６本のロッドを備え２本ずつのロッドを並行させて配置したパラレルリンク機構を用いて各足置き台２をそれぞれ移動させれば、各足置き台２はそれぞれ６自由度の変位が可能になる。あるいはまた、モータを駆動源とし、クランクやギアなどを組み合わせて直進移動と回転移動との変換を行う機構を用いれば、適宜の自由度で足置き台２を移動させることができ、とくに駆動源が１個である場合には、左右の足置き台２を特定の関係で連動させるのが容易になる。
【００３１】
装置模擬部１１では、利用者の荷重を支持する支持台の位置と、各支持台の移動条件とにのみ着目しており、機構についてはとくに考慮しない。言い換えると、装置模擬部１１は、人体のどの部位が支持台で支持され、接触部位のうちのどこをどのように移動させるかを模擬する。人体のうち支持台で支持される部位は、支持台に接触する接触部位であり、接触部位は人体の動きを拘束する拘束条件になる。なお、支持台の移動に関する自由度は移動条件における往復移動の方向に含まれる。
【００３２】
本実施形態が想定している他動訓練装置１は、利用者の両足を支持し、各足を６自由度で（６方向に）移動させるものであるから、装置模擬部１１では、各足置き台２ごとにそれぞれ移動を規定する６組の移動条件が必要である。各方向別の時間経過に伴う位置変化は任意に設定可能であり、どのように複雑な位置変化であっても位置変化の波形をフーリエ級数などに展開すれば記述可能であるが、移動条件として記述するパラメータの数が多くなり実用的ではないから、以下では、各方向別の位置変化の波形をそれぞれ正弦波状に設定しているものとする。
【００３３】
したがって、各移動条件は、表１のように、移動方向ごとの振幅、周波数、移動方向の位相関係（初期位相で表す）、移動方向ごとのオフセット（初期位置で表す）の４個のパラメータで表す。振幅とオフセットは、直進移動では単位に〔ｍｍ〕を用い、回転移動では単位に〔°〕を用いている。また、周波数の単位は〔Ｈｚ〕であり、位相は正弦波上での位相として単位に〔°〕を用いている。位相の値が等しい移動方向は同位相で移動することを意味し、位相の値が異なる移動方向は位相差があることを意味している。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
ここに、移動方向を表す座標系は左手直交座標系を用い、各座標軸周りの回転は各座標軸の正の向きに向かって右回り（時計方向）としている。また、各座標軸方向への直進移動に関してはそれぞれ適宜の位置を位相が０°である基準位置とし、各座標軸周りの回転移動に関しては当該座標軸に直交する平面に含まれる一方の座標軸の方向をそれぞれ位相が０°である基準位置とする。たとえば、ｘｙｚ直交座標系を用いるとすると、ｘ軸周りの回転移動における基準位置は、ｘ軸に直交するｙｚ平面に含まれるｙ軸の方向またはｚ軸の方向を位相が０°である基準位置とする。
【００３６】
本実施形態では、他動訓練装置１における座標系は各足置き台２ごとに設定され、足の大きさは無視して足関節をｙ軸回りの関節軸とみなし、足置き台２の上面が水平である位置をｘ軸周りとｙ軸周りとの基準位置としている。また、ｘ軸の正の向きは踵から爪先に向かう向きとする。
【００３７】
移動条件は表１のように直進移動と回転移動との諸条件を人手によって個別に設定するほかに、各パラメータについて上限値と下限値と刻み幅（あるいは分割数）とを適宜に設定し、上限値と下限値との間の値を刻み幅ずつ変更した複数のパラメータを自動的に生成し、生成したパラメータを組合せて種々の移動条件を自動的に生成するようにしてもよい。
【００３８】
たとえば、前後方向の直進移動の周波数について、上限値を３Ｈｚ、下限値を１Ｈｚ、分割数を６（分割数は上限値と下限値とを含むものとし、刻み幅＝（上限値−下限値）／（分割数−１）の関係があるものとする。したがって、刻み幅は０．４Ｈｚになる。）とすると、１Ｈｚ、１．４Ｈｚ、１．８Ｈｚ、２．２Ｈｚ、２．６Ｈｚ、３Ｈｚの６個のパラメータを自動的に生成することができる。他のパラメータについても同様に生成し、生成したパラメータ同士を組み合わせて移動条件を自動的に生成する。
【００３９】
装置模擬部１１では、上述した各方向のパラメータが与えられると、時間経過に伴う足置き台２の位置変化を算出する。すなわち、一定時間毎の足置き台２の位置の時系列を出力する。
【００４０】
ところで、第２のシミュレータ２０および第３のシミュレータ３０において、人体をモデルで記述するにあたっては、個人の体格に関する条件が必要である。筋や関節に作用する負荷を評価するにはモデルの記述が重要であって、個人の体格の条件としては、身長、体重だけではなく、筋の分布を決める年齢、性別も必要である。また、体脂肪量や筋量などの条件もモデルの記述の精度を高めるのに役立つ条件になる。たとえば、「身長：１７０ｃｍ、体重：６０ｋｇ、年齢：７０歳、性別：男性」を個人の体格に関する条件として第２のシミュレータ２０および第３のシミュレータ３０に与える。体格の条件は、身体情報入力部１３から入力する。なお、本実施形態では、身体情報入力部１３から（身長，体重，年齢，性別）を入力するものとする。
【００４１】
身体情報入力部１３から入力された体格の情報は、データ照合部１４において、（身長，体重，年齢，性別）の４つ組と（体節の長さ，体節の質量，体節の慣性モーメント）とを関係付けて登録した人体データ記憶部１５と照合される。人体データ記憶部１５の諸データは、人体の統計的な値により求められたものを用いる。表２に人体データ記憶部１５の内容の一例を示す。表２に示す例では、計算量を低減するために、年齢、性別、体節の慣性モーメントは考慮せず、（身長，体重）に体節の長さ（上半身長、大腿長など）と体節の質量とを関係付けた場合の例を示している。表２において、身長と体節の長さとの単位は〔ｃｍ〕、体重と体節の質量との単位は〔ｋｇ〕である。
【００４２】
【表２】
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【００４３】
なお、（身長，体重）に対する体節の長さおよび質量は解剖学的に求めた統計的な値を用いることができるが、（身長，体重）の標準値に対する体節の長さおよび質量を規定しておき、（身長，体重）が身体情報入力部１３から与えられたときに、体節の長さおよび質量を標準値に対する比例演算（あるいは、他の適宜の関係式）で算出するようにしてもよい。このような演算の際には年齢や性別も考慮する。また、後述するように、人体のモデルの要素として慣性要素や復元要素を考慮する必要があるから、復元力の強さについても、人体データ記憶部１５に格納しておくのが望ましい。復元力についても標準値を規定しておき、年齢や性別ごとの筋力に関するデータを用いて補正するようにしてもよい。
【００４４】
本実施形態では、上述したように、第２のシミュレータ２０において人体を機械振動系のモデルとして記述する。すなわち、足置き台２に足を載せているから足が接触部位であり、足位置が支持台に拘束されるという拘束条件を有している。この状態で足置き台２を周期的に移動させると、利用者はバランスを保って真っ直ぐに立とうとする。
【００４５】
したがって、もっとも簡単な機械振動系のモデルとしては、図３（ａ）に示すように、利用者の体重に相当する質量Ｍを有する１本のリンクＬからなる倒立振子を用いることができる（以下、「１リンクモデル」という）。この倒立振子の振る舞いを解析するために、倒立振子は、慣性要素（加速度に比例した力を発揮する要素：重力を含む）と減衰要素（速度に比例した力を発揮する要素）と復元要素（変位に比例した力を発揮する要素）との３要素を備えているものとする。
【００４６】
他動訓練装置１の足置き台２を周期的に移動させることは、リンクＬの下端位置を周期的に変位させる動作で表すことにし、１リンクモデルでは、リンクＬは下端位置に設けた関節軸Ｊの周りでの回転のみが許容されているものとする。つまり、リンクＬの慣性要素、減衰要素、復元要素は、関節軸Ｊの周りに作用する。したがって、倒立振子の運動は、慣性要素と減衰要素と復元要素とを含む運動方程式で記述することができる。一方、他動訓練装置１が倒立振子に作用させる力は、上述したように、各方向ごとに正弦波状に変化する振動としているから、動力学演算部２２において強制振動の運動方程式を解くことによって、倒立振子の位置の時間変化を算出することができる。
【００４７】
ところで、時刻ｔにおいて関節軸Ｊの周りに作用するトルクＴ（ｔ）については、図４に示すモデルで求めている。関節軸Ｊの周りで体節（リンクＬ）が基準角度θ０に対して角度θ（ｔ）だけ回転したときに、トルクＴ（ｔ）は次式で表すことができる。角度θ（ｔ）は関節角度であって、１リンクモデルではリンクＬの正立位置に対する傾き角度に相当し、一対のリンク間の関節軸Ｊの周りではリンク同士のなす角度になる。なお、関節角度θ（ｔ）は、リンクのなす角度の絶対値を用いるほか、安静時（立位の場合は安静立位時）の関節角度を基準角度として計測した角度を用いてもよい。
Ｔ（ｔ）＝Ｋｐ・（θ（ｔ）−θ０）＋Ｋｄ・ｄθ（ｔ）／ｄｔ
ただし、Ｋｐ：比例ゲイン、Ｋｄ：微分ゲインである。比例ゲインＫｐおよび微分ゲインＫｄは、モデルとする人体の筋力から求められる。トルクＴ（ｔ）は関節角度θ（ｔ）に比例する値のみとしたり、関節角度θ（ｔ）の積分値を加味したり、人体の応答時間を考慮した時間遅れを加味したりしてもよい。また、一般的なＰＩＤ制御と同様に、数１の項を加算してもよい。数１におけるＫｉは積分ゲインである。
【００４８】
【数１】
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【００４９】
上述した倒立振子によるモデルでは、個々の関節の位置が不明であるから、第３のシミュレータ３０で用いる筋骨格モデルに関節の位置を当てはめることができない。そこで、図５に示すように、実際の他動訓練装置１の初期位置において人体の基準点（たとえば、重心）と各関節との位置関係を実測し、その位置関係をリンクＬの基準点（たとえば、重心）の位置に当てはめることにより、倒立振子における基準点の位置から各関節ｊ０〜ｊ６の位置を推定する。なお、図示例において、ｊ０は腰関節、ｊ１，ｊ２は股関節、ｊ３，ｊ４は膝関節、ｊ５，ｊ６は足関節を表す。また、人体の基準点と各関節との位置関係を実測する際にはモーションキャプチャなどの装置を用いる。
【００５０】
１リンクモデルは単純であるから計算量は少ないが、各関節ｊ０〜ｊ６の位置を１個の基準点の位置から推定しているので、求めた各関節ｊ０〜ｊ６の位置が高い精度であるとは言えない。そこで、図３（ｂ）のように、上半身と下半身とに分けた質量Ｍ１，Ｍ２を有する２本のリンクＬ１，Ｌ２と２個の関節軸Ｊ１，Ｊ２とからなるモデル（以下、「２リンクモデル」という）で人体を表すようにしてもよい。
【００５１】
このモデルでは、図６に示すように、一方の関節軸Ｊ１に１つの基準点（腰関節など）を関係付けるとともに、各リンクＬ１，Ｌ２にそれぞれ基準点（たとえば、重心）を規定している。ただし、本実施形態では、主として下半身の関節ｊ０〜ｊ６について動きを考察するものであるから、各リンクＬ１，Ｌ２のうち上半身に相当するリンクＬ１については、下半身に相当するリンクＬ２の動きに影響を与えるものとしてのみ用いており、各関節ｊ０〜ｊ６とリンクＬ１の基準点との位置関係は不要である。
【００５２】
倒立振子を用いるモデルで各関節位置を精度よく検出するには、図３（ｃ）のように、筋骨格モデルと同数の体節および関節軸（関節ｊ０〜ｊ６）を備えるモデル（以下、「多リンクモデル」という）を用いることが考えられる。多リンクモデルでは、各関節ｊ０〜ｊ６の位置を個々に求めることができるから、第２のシミュレータ２０で求めた各関節ｊ０〜ｊ６の位置をそのまま第３のシミュレータ３０に当てはめることが可能になる。ただし、第２のシミュレータ２０で関節ｊ０〜ｊ６の位置を個々に求めるから計算量は大幅に増加する。
【００５３】
第２のシミュレータ２０では、計算量と精度とがトレードオフになるから、必要に応じてモデルを選択するのが望ましい。たとえば、概略の評価のために図３（ａ）の１リンクモデルまたは図３（ｂ）の２リンクモデルを用いて移動条件の範囲を絞り込み、その後、絞り込んだ範囲内で図３（ｃ）の多リンクモデルを用いて評価を行うようにするなどの使用が可能になる。
【００５４】
なお、人体データ記憶部１５から抽出されるデータは各体節の長さや質量であるから、１リンクモデルや２リンクモデルを用いる場合には、人体データ記憶部１５から抽出したデータをそのまま用いることができず、リンク長、リンク質量、復元力への修正が必要である。したがって、どのモデルを用いるかに応じて、人体データ記憶部１５から抽出したデータを倒立振子モデル修正部２３において修正することにより、リンク長、リンク質量，復元力を求める。また、図５、図６に示す例では、頭部を分離したモデルを図示しているが、本実施形態では頭部を分離せずに演算を行っている。
【００５５】
上述した各関節ｊ０〜ｊ６の位置は所定の時間間隔で求められる。すなわち、動力学演算部２２では、表３のような時間経過に伴う各関節ｊ０〜ｊ６の位置変化を算出する。言い換えると、各関節ｊ０〜ｊ６の位置の時系列を出力する。
【００５６】
【表３】
2009219557.tif 000006
【００５７】
第３のシミュレータ３０は、第２のシミュレータ２０の動力学演算部２２で求めた各関節ｊ０〜ｊ６の位置の時間変化を筋骨格モデルに適用し、逆動力学演算により各筋および各関節に作用する負荷を算出する。筋骨格モデルは、倒立振子を用いた人体のモデルと同様に、身体情報入力部１３から入力された（身長，体重，年齢，性別）を用いて設定される。すなわち、データ照合部１４において身体情報入力部１３から入力されたデータを人体データ記憶部１５と照合することにより、得られた体節の長さ、体節の質量、体節の慣性モーメントなどを用いる。また、人体データ記憶部１５から抽出したデータは、必要に応じて筋骨格モデル修正部３３において修正される。筋骨格モデル生成部３１では、必要に応じて修正されたデータを用いて筋骨格モデルを生成する。
【００５８】
筋骨格モデルは、筋を伸縮しない線、骨格を剛体のリンク、関節を関節軸として表したものである。第３のシミュレータ３０に設けた逆動力学演算部３２では、第２のシミュレータ２０において倒立振子を用いて求めた各関節ｊ０〜ｊ６の位置変化を、筋骨格モデルの関節軸の位置変化として当てはめる。ここに、筋骨格モデルでは、各リンクに筋の力学モデルに従う筋が設けられているものとし、筋や関節に作用する負荷を逆動力学演算により求める。
【００５９】
筋の力学モデルとしては、Ｈｉｌｌのモデルを用いる。すなわち、図７に示すように、収縮要素（張力発生器と減衰要素とを並列に結合したもの）４１と弾性要素４２とを直列に結合し、さらに弾性要素４３を並列に結合して筋の機能を模擬している。また、図示例では筋に対して弾性要素４４を直列に結合して腱の機能を模擬している。
【００６０】
筋骨格モデルに適用する筋のモデルは、図７に示す構成に限らず、計算量を低減するために弾性要素のみで模擬する簡略な構成を用いたり、精度を高めるために筋の収縮速度を考慮した構成を用いたりすることも可能である。
【００６１】
逆運動学演算部３２では、筋骨格モデルの各部位の位置の時間変化に基づいて逆動力学演算を行うことにより、筋や関節に作用する負荷を算出するから、筋骨格モデル生成部３１で生成された筋骨格モデルのほか、装置模擬部１１で生成された足置き台２の位置変化と、動力学演算部２２で求めた関節ｊ０〜ｊ６の位置変化とが必要である。これらの位置の時系列を筋骨格モデルに適用することで、筋や関節に作用する負荷を算出することができ、表４、表５のような結果を得ることができる。表４は各筋に作用する負荷の時系列を表し、表５は各関節に作用する負荷の時系列を表している。表４、表５において時間の単位は〔ｓ〕、負荷の単位は〔Ｎ〕である。
【００６２】
【表４】
2009219557.tif 000007
【００６３】
【表５】
2009219557.tif 000008
【００６４】
ところで、一連の動きに関与する筋は複数存在しているから、一般に、複数の関節の位置変化から筋や関節への負荷を算出すると複数の解が得られる。したがって、何らかの規定（ルール）により解を絞り込むことが必要である。本実施形態では、生物はエネルギー消費の少ない効率がよいほうの解を選択するというルールにより解を絞り込んでいる。すなわち、複数の解のうち筋の使用度（たとえば、発揮できる最大筋力に対する実際に発揮した筋力を百分率で表した値）の合計がもっとも小さい解を選択する。なお、筋の使用度だけではなく、筋の体積を筋の使用度に乗算した値や、遅筋と速筋との使用度の比率を解の選択の指標に用いてもよい。
【００６５】
移動条件設定部１２により設定する移動条件や身体情報入力部１３により入力する体格の条件を変更して、第２のシミュレータ２０と第３のシミュレータ３０とによる処理を繰り返すことにより、装置模擬部１１で模擬した他動訓練装置１を使用する場合について、種々の移動条件や体格による各筋および各関節への負荷を算出することができる。
【００６６】
算出結果の評価は、他動訓練装置１を用いる目的に応じて異なるが、一般には、特定の筋群の強化を目的として使用することが多いから、着目する筋群に作用する負荷が大きく、しかも各関節に作用する負荷が小さいという条件を満たすように算出結果を評価することが多いと考えられる。
【００６７】
筋群に作用する負荷の評価には、着目する筋群の使用度の平均値（足置き台２の１周期の間の平均値）、筋骨格モデルで設定したすべての筋の使用度の平均値などを用いる。着目する筋群は、筋を個別（たとえば、内側広筋と外側広筋）に指定したり、身体の特定部位（大腿部、下腿部など）の筋群として指定したり、機能別の筋群（膝関節伸展筋群、足関節底屈筋群など）として指定したりする。
【００６８】
また、関節に作用する負荷の評価には、特定の関節（膝関節、足関節、股関節など）に作用する力や特定の関節の角度などを用いる。たとえば、膝関節に作用するせん断方向の力であれば４００Ｎ以下という制約条件で評価したり、膝関節の角度であれば１００度（膝関節を伸展させた位置を０度としている）以下という制約条件で評価する。これらの制約条件をあらかじめ制限値として与えておき、移動条件や体格に応じて制限値の範囲外か否かを自動的に判断するようにしてもよい。
【００６９】
第３のシミュレータ３０で算出された各筋および各関節に作用する負荷を上述のように評価することで、着目する筋の使用度が大きくなり、かつ関節への負荷が小さくなるように移動条件を求めることが可能になる。
【００７０】
たとえば、移動条件ごとに着目する筋群について使用度の平均値と関節に作用する負荷（関節間力）とを求め、筋の使用度を横軸とし関節間力を縦軸として、１０００種類程度の移動条件について結果を示すと図８のようになる。ここで、筋の使用度と関節間力との関係をグラフ上に表すと、関節間力が制限値以下であって筋の使用度が最大になるような結果をただちに見つけることができるから、この結果に対応する移動条件を求めると、運動に適した移動条件を容易に決定することができる。
【００７１】
なお、筋および関節に対する負荷は、移動条件だけではなく体格によっても異なる。したがって、特定の移動条件について適正な運動が行える体格の範囲を求めたり、特定の体格に対して適正な運動が行える移動条件を求めたりすることも可能である。これらの結果は、図示しない記憶装置に格納することにより、いつでも参照できるようにしておくのが望ましい。
【００７２】
上述のようにして適正な運動を行うことができる移動条件および体格が決まれば、実際の他動訓練装置１の足置き台２の制御に移動条件を反映させることができる。装置模擬部１１では、足置き台２の移動の態様のみを模擬しているが、移動条件を実際の他動訓練装置１に反映させるには、他動訓練装置１の機構を考慮し、当該機構で移動条件を満たすように、他動訓練措置１を駆動する駆動源の制御を行わなければならない。そのため、移動条件が６自由度で指定される場合には、他動訓練装置１も６自由度の制御が可能でなければならない。移動条件に応じて駆動源の制御条件を決定する演算は、ロボットにおいて効果器の移動条件に応じて駆動源の制御条件を決定する演算と同様に行うことができる。
【００７３】
ところで、上述の例では、第２のシミュレータ２０において、利用者が足を支持台（足置き台２）に載せた立位で用いる他動訓練装置１について、利用者の関節の位置変化を倒立振子を用いたモデルから求めているが、他構成の他動訓練装置１では異なるモデルを用いる必要がある。
【００７４】
他動訓練装置１の一例としては、図９に示すように、利用者Ｈの臀部を支持する支持台（座部３）を備え、利用者Ｈが座部３に跨る形で搭乗する構成を有し、座部３を移動させることにより利用者Ｈに乗馬運動を模擬した運動を行わせるものがある。
【００７５】
また、図１０に示すように、利用者Ｈの臀部ないし腰部を支持する支持台（座部４）と利用者Ｈの左右の各足をそれぞれ載せる支持台（足置き台５）とを備え、利用者Ｈの荷重を３箇所で支持するとともに座部４を移動させ、座部４で支持する荷重の割合を変化させることにより、利用者Ｈの脚部に作用する負荷を変化させるものもある。図１０に示す構成では、足置き台５は足置き台５に作用する荷重に応じて上下方向に移動可能であって、膝関節の角度がほぼ一定に保たれるようにしてある。
【００７６】
図９に示す他動訓練装置１は、股関節の位置で座部３に拘束されている。つまり、股関節の位置は座部３（支持台）の移動条件により決定される。そこで、倒立振子としては、多リンクモデルのほか、図９（ｂ）のような上半身に相当するリンクＬを備えた１リンクモデルを用いることができる。図示例では下端が関節軸Ｊになっている。
【００７７】
図１０に示す他動訓練装置１は、座部４で股関節の位置が拘束され足置き台５により足関節の位置が拘束されている。言い換えると、股関節の位置と足関節の位置とは座部４（支持台）の移動条件により決定される。この他動訓練装置１については、図９に示した他動訓練装置１と同様に、多リンクモデルのほか、図１０（ｂ）のような上半身に相当するリンクＬを備えた１リンクモデルを用いることができる。図示例では下端が関節軸Ｊになっている。
【００７８】
図９に示す他動訓練装置１と図１０に示す他動訓練装置１とのいずれの場合であっても、１リンクモデルを用いる場合には、図３（ａ）に示した１リンクモデルを用いる場合と同様に、着目する関節について基準点に対する位置関係で推定することができる。
【００７９】
なお、図９、図１０に示す他動訓練装置１では、座部３、４に着座した状態において、人体と座部３、４との接触箇所を複数点に分割する必要があれば、移動条件から各接触箇所ごとの位置変化を求めてモデルの動きに反映させてもよい。また、上半身を１リンクモデルで模擬しているが、背骨や首の位置に適宜の関節軸を設け複数のリンクを有する倒立振子によるモデルを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】実施形態を示すブロック図である。
【図２】実施形態の対象である他動訓練装置を示す斜視図である。
【図３】同上の倒立振子によるモデルの例を示す図である。
【図４】同上における倒立振子の復元力を説明する図である。
【図５】同上において１リンクモデルと関節の位置との関係を示す図である。
【図６】同上において２リンクモデルと関節の位置との関係を示す図である。
【図７】同上に用いる筋の力学モデルを示す図である。
【図８】同上において種々の移動条件に対して得られた結果を示す図である。
【図９】同上に用いる他動訓練装置の他例を示す図である。
【図１０】同上に用いる他動訓練装置の別例を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１  他動訓練装置
２  足置き台（支持台）
３  座部（支持台）
４  座部（支持台）
５  足置台（支持台）
１１  装置模擬部
１２  移動条件設定部
１３  身体情報入力部
２１  振動モデル生成部
２２  動力学演算部
３１  筋骨格モデル生成部
３２  逆動力学演算部
Ｊ  関節軸
Ｊ１，Ｊ２  関節軸
Ｌ  リンク
Ｌ１，Ｌ２  リンク
【図１】
2009219557.tif 000009
【図２】
2009219557.tif 000010
【図３】
2009219557.tif 000011
【図４】
2009219557.tif 000012
【図５】
2009219557.tif 000013
【図６】
2009219557.tif 000014
【図７】
2009219557.tif 000015
【図８】
2009219557.tif 000016
【図９】
2009219557.tif 000017
【図１０】
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