JP6233266B2 - バランス訓練機 - Google Patents

Description

本発明は、倒立二輪型移動体を用いた搭乗者のためのバランス訓練機に関するものである。

例えば特許文献１には、姿勢センサから検出した自己の姿勢情報に基づいて、倒立制御を行い、自己の姿勢を維持しながら車輪をモータ駆動する倒立二輪型移動体が開示されている。このような倒立二輪型移動体は、搭乗者の重心移動により車体を傾斜させることなどにより操作される。そのため、単なる移動手段ではなく、搭乗者の身体機能やバランス機能を向上あるいは回復させるための訓練に用いることもできる。

特許文献１に開示された倒立二輪型移動体は、通常モードに加え、訓練モードを備えている。ここで、特許文献１では、訓練の効果を向上させるために、訓練モードにおいて倒立制御の制御ゲインを低下させ、通常モード時よりも倒立二輪型移動体を動き易くしている。

特開２０１１−０３１６６９号公報

搭乗者の操作能力は、身体の状態によってばらつきがある。また、訓練時には、倒立二輪型移動体の周囲に存在する障害物や他の人物などを回避して安全性を確保する必要がある。これらのことを考慮して、特許文献１に記載されている倒立二輪型移動体をバランス訓練に用いるためには、搭乗者の身体状態および倒立二輪型移動体の周囲の人や障害物を検知して、それを倒立二輪型移動体の倒立制御のための制御ゲインを変更する必要がある。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、搭乗者の能力および障害物の有無に基づいて倒立二輪型移動体の倒立制御のための制御ゲインを変更する、倒立二輪型移動体を用いたバランス訓練機を提供することを目的とする。

本発明は、倒立二輪型移動体を用いたバランス訓練機であって、前記倒立二輪型移動体を駆動する駆動部と、前記駆動部を制御する制御部と、前記駆動部の駆動状態を監視し、監視結果に基づいて搭乗者の乗車状態および訓練の改善度を推定する搭乗者状態推定手段と、前記搭乗者状態推定手段が推定した前記乗車状態および前記改善度に基づいて前記倒立二輪型移動体の許容移動範囲を決定する制御適用領域決定手段と、前記倒立二輪型移動体周辺の障害物を検出する障害物検出手段と、を備え、前記制御部は、前記許容移動範囲決定手段が決定した前記許容移動範囲内の障害物の有無に基づいて倒立二輪型移動体の倒立制御のための制御ゲインを変更する。

本発明はこのような構成により、搭乗者の身体の状態によって倒立二輪型移動体の許容移動範囲を変更することができる。さらに、本発明は倒立二輪型移動体の周辺に存在する障害物の有無を検知して倒立二輪型移動体の倒立制御のための制御ゲインを変更することができる。

本発明によれば、倒立二輪型移動体を用いたバランス訓練機において、搭乗者の能力および障害物の有無に基づいて倒立二輪型移動体の倒立制御のための制御ゲインを変更することができる。

本発明の実施形態にかかるバランス訓練機を示した図である。 バランス訓練機の内部構成を示したブロック図である。 バランス訓練機の処理を示したフロチャートである。 倒立二輪型移動体の倒立制御のための制御ゲインの変更の内容を示した図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

図１に示すように、バランス訓練機８０は、倒立制御により倒立状態を維持しつつ、搭乗者の重心移動に応じて、前後進、左右旋回、加減速などの走行を行うことができる倒立二輪型移動体１０を用いた搭乗者のためのバランス訓練に用いられる装置である。バランス訓練機８０は、倒立二輪型移動体１０と、倒立二輪型移動体１０を撮像するカメラ２０と、搭乗者に仮想空間や乗車状態等のデータを表示する表示部９５とを有している。

倒立二輪型移動体１０は、車両本体１と、車両本体１に回転自在に連結された左右一対の車輪２Ｒ，２Ｌと、車両本体１に設けられた搭乗者の操作のための操作ハンドル４と、車両本体１に設けられ搭乗者が搭乗可能な左右一対のステップ部６Ｒ，６Ｌと、を備えている。車両本体１の下部には、一対の車輪２Ｒ，２Ｌが設けられている。車輪２Ｒ，２Ｌは、車両本体１の走行方向と直交する方向の両側において同軸上に配置されると共に当該車両本体１に回転自在に支持されている。

車両本体１の上部には、操作ハンドル４が起立状態で前後左右方向に回動自在に支持されている。操作ハンドル４は、前後方向に傾けられることによって、倒立二輪型移動体１０の前進又は後退操作が実行さる。そして、操作ハンドル４は、ロール方向（左右方向）へ傾けることによって、倒立二輪型移動体１０の旋回操作が実行される。

操作ハンドル４の左右両側には、一対のステップ部６Ｒ，６Ｌが設けられている。各ステップ部６Ｒ，６Ｌには、搭乗者の片足がそれぞれ乗せられる。つまり、ステップ部６Ｒ，６Ｌは搭乗者が搭乗するためのステップである。

車両本体１は、互いに平行に上下に配置された車体上部材及び車体下部材と、互いに平行に左右に配置されると共に車体上部材及び車体下部材と回動可能に連結された一対の側面部材と、を有する平行リンク機構として構成されている。なお、上述した倒立二輪型移動体１０の構成は一例であり、これに限らず、例えば、操作ハンドル４を有しない構成でもよく、倒立状態を維持しつつ搭乗者の重心移動に応じて走行する任意の移動体に適用可能である。

倒立二輪型移動体１０の上部には、倒立二輪型移動体１０とその周辺を撮像するためのカメラ２０が床面に固定されたフレーム６０によって取り付けられている。カメラ２０は、例えば天井や壁などに固定されていてもよい。バランス訓練機８０は、カメラ２０によって取得した画像に基づいて、人や物などの障害物を検出する。障害物が検出されると、後述する処理によって倒立二輪型移動体１０の稼働範囲が制限される。倒立二輪型移動体１０は、この稼動範囲を自由に拡大もしくは縮小することができる。

図２には、バランス訓練機８０の概略的なシステム構成がブロック図で示されている。倒立二輪型移動体１０には、車両本体１に設けられた車輪２Ｒ，２Ｌを駆動する駆動部９０と、駆動部を制御する制御部９１と、駆動部９０の駆動状態を監視し、監視結果に基づいて搭乗者の乗車状態および訓練の改善度を推定する搭乗者状態推定手段９２と、搭乗者の乗車状態および改善度に基づいて倒立二輪型移動体１０の許容移動範囲を決定する許容移動範囲決定手段９３とを有している。倒立二輪型移動体１０の外部には、倒立二輪型移動体１０周辺の障害物を検出する障害物検出手段９４が設けられている。

駆動部９０は、車輪２Ｒ，２Ｌがそれぞれ接続された２つのモータ９０Ｒ，９０Ｌを有し、車輪２Ｒ，２Ｌをそれぞれ独立に駆動する。駆動部９０には、搭乗者状態推定手段９２が接続されている。搭乗者状態推定手段９２には、モータ９０Ｒ，９０Ｌの状態を電流や回転数で検出する検出部９２ａが設けられている。搭乗者状態推定手段９２には、さらに、検出部９２ａの検出結果から搭乗者の動きや操作などの乗車状態を推定すると共に、一連の搭乗者の乗車状態のデータを比較して、搭乗者の身体がどれだけ回復したかどうかを判定するための改善度を推定する推定部９２ｂが設けられている。また、搭乗者状態推定手段９２には、搭乗者毎に乗車状態のデータが記憶された記憶部９２ｃが設けられている。

搭乗者状態推定手段９２には、許容移動範囲決定手段９３が接続されている。許容移動範囲決定手段９３は、推定部９２ｂから出力された搭乗者の乗車状態および改善度のデータに基づいて倒立二輪型移動体１０の許容移動範囲を決定する。即ち、搭乗者の身体の状態によって倒立二輪型移動体１０の許容移動範囲を決定する。搭乗者状態推定手段９２には、制御部９１が接続されている。制御部９１は、モータ９０Ｒ，９０Ｌをそれぞれ独立に制御し、倒立二輪型移動体１０の倒立および移動を制御する。制御部９１には、倒立二輪型移動体１０の外部に設けられた障害物検出手段９４が接続されている。障害物検出手段９４は、カメラ２０を有し、カメラ２０の撮像データから倒立二輪型移動体１０の周囲に存在する人や物などの障害物を検出する。障害物検出手段９４にはさらに、検出された障害物の位置を判定して制御部９１に出力する障害物検出部９４ａが設けられている。

制御部９１は、また、障害物検出部９４ａから出力された障害物の位置が、許容移動範囲決定手段９３によって決定された許容移動範囲内に存在するかどうかを判定する。制御部９１は、障害物の位置が、許容移動範囲内にあると判定した場合、倒立二輪型移動体１０および搭乗者が障害物に触れないように駆動部９０を制御して倒立二輪型移動体１０の稼動範囲を狭める。そして、制御部９１は、駆動部９０を制御して倒立二輪型移動体１０の倒立制御のための制御ゲインを上げるように変更して倒立二輪型移動体１０の動作を制限する。この場合の制御ゲインを上げる変更とは、図４に示すように、倒立二輪型移動体１０の倒立を保持する制御において、搭乗者が同じ力で倒立二輪型移動体１０を傾けようとした場合に、倒立二輪型移動体１０を傾きづらくすること、即ち倒立二輪型移動体１０を動きにくく制御することをいう。これにより、倒立二輪型移動体１０および搭乗者が障害物に接触することを防止することができる。

それに対して制御部９１は、障害物の位置が、許容移動範囲内にないと判定した場合、駆動部９０を制御して倒立二輪型移動体１０の稼動範囲を許容移動範囲内に収める。そして、制御部９１は、駆動部９０を制御して倒立二輪型移動体１０の倒立制御のための制御ゲインを下げるように変更して倒立二輪型移動体１０の動作を開放する。この場合の制御ゲインを下げる変更とは、図４に示すように、倒立二輪型移動体１０の倒立を保持する制御において、搭乗者が同じ力で倒立二輪型移動体１０を傾けようとした場合に、倒立二輪型移動体１０をより多く傾けること、即ち倒立二輪型移動体１０を動きやすく制御することをいう。これにより、倒立二輪型移動体１０の動作の制約を低減して搭乗者のリハビリ効果を向上させることができる。

制御部９０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの演算回路と、各種制御プログラムやデータなどが格納されたＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などの記憶部（不図示）と、を備えている。上記の構成要素の他、駆動部９０等を駆動するための電源装置（不図示）が倒立二輪型移動体１０に設けられている。

制御部９１には、表示部９５が接続されている。制御部９１は、乗車状態等の各種データを表示部９５に出力する。さらに、表示部９５には搭乗者がリハビリ等に用いるための訓練課題となる仮想空間および各種データが表示される。表示部９５に表示される仮想空間は、操作者の操作に連動して動作する。訓練課題は例えば、表示部９５に表示される仮想テストコースや操作指示などである。

次に、バランス訓練機８０の動作の流れについて簡単に説明する。

図３に示すように、バランス訓練機８０において、搭乗者状態推定手段９２は、駆動部９０のモータ９０Ｒ，９０Ｌの駆動状態を電流や回転数で検出する（Ｓ１００）。搭乗者状態推定手段９２は、搭乗者の動きや操作などの乗車状態を推定すると共に、一連の搭乗者の乗車状態のデータを比較して、搭乗者の身体がどれだけ回復したかどうかを判定するための改善度を推定する（Ｓ１０１）。許容移動範囲決定手段９３は、搭乗者の乗車状態および改善度に基づいて倒立二輪型移動体１０の許容移動範囲を決定する（Ｓ１０２）。障害物検出手段９４は、倒立二輪型移動体１０の周囲に存在する障害物を検出する（Ｓ１０３）。障害物が検出された場合（Ｓ１０４：Ｎｏ）、制御部９１は、倒立二輪型移動体１０と障害物との距離が十分にあるかどうかを判定する（Ｓ１０５）。

倒立二輪型移動体１０と障害物との距離が十分にあると判定された場合（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、制御部９１は、駆動部９０を制御して倒立二輪型移動体１０の稼動範囲を許容移動範囲内に収めると共に、倒立制御のための制御ゲインを下げるように変更して倒立二輪型移動体１０を動きやすく制御する（Ｓ１０６）。倒立二輪型移動体１０と障害物との距離が十分にないと判定された場合（Ｓ１０５：Ｎｏ）、制御部９１は、倒立二輪型移動体１０および搭乗者が障害物に触れないように駆動部９０を制御して倒立二輪型移動体１０の稼動範囲を狭める共に、倒立二輪型移動体１０の倒立制御のための制御ゲインを上げるように変更して倒立二輪型移動体１０を動きにくく制御する（Ｓ１０７）。倒立二輪型移動体１０の周囲に障害物が検出されない場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、ステップＳ１００に戻って処理を実行する。

上述したように、バランス訓練機８０によると、倒立二輪型移動体１０を用いて搭乗者のリハビリ等の訓練をすることができる。そして、バランス訓練機８０は、倒立二輪型移動体１０の周辺に位置する障害物を検知して、障害物の有無に従って倒立二輪型移動体１０の動きやすさを変更することができる。

１…車両本体 ２Ｒ…車輪 ２Ｒ，２Ｌ…車輪 ４…操作ハンドル ６Ｒ，６Ｌ…ステップ部 １０…倒立二輪型移動体 ２０…カメラ ６０…フレーム ８０…バランス訓練機 ９０…駆動部 ９０…制御部 ９０…駆動部 ９０Ｒ，９０Ｌ…モータ ９１…制御部 ９２…搭乗者状態推定手段 ９２ａ…検出部 ９２ｂ…推定部 ９２ｃ…記憶部 ９３…許容移動範囲決定手段 ９４…障害物検出手段 ９４ａ…障害物検出部 ９５…表示部

Claims (1)

1. 倒立二輪型移動体を用いたバランス訓練機であって、
   前記倒立二輪型移動体が有する車輪を駆動する駆動部と、
   前記駆動部を制御する制御部と、
   前記駆動部の駆動状態を監視し、監視結果に基づいて搭乗者の乗車状態および訓練の改善度を推定する搭乗者状態推定手段と、
   前記搭乗者状態推定手段が推定した前記乗車状態および前記改善度に基づいて前記倒立二輪型移動体の許容移動範囲を決定する許容移動範囲決定手段と、
   前記倒立二輪型移動体周辺の障害物を検出する障害物検出手段と、
   を備え、
   前記制御部は、前記許容移動範囲決定手段が決定した前記許容移動範囲内の障害物の有無に基づいて倒立制御のための制御ゲインを変更する、
   バランス訓練機。

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