JP2006247035A

JP2006247035A - 平衡感覚測定訓練機器

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Publication number: JP2006247035A
Application number: JP2005065567A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Tsutsumi; 一義堤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】本発明の目的は平行能力を客観的に評価することができ、またそれを改善・強化訓練することのできる平衡感覚訓練機器を提供することにある。
【解決手段】本発明の平衡感覚訓練機器１０は、人１１が乗る台車１２と、出力により台車１２の状態を制御するアクチュエータ１６と、台車１４の状態を検知するセンサ１８と、センサ１８で検知された状態と目標値とを比較し、その差分を取る手段２０と、差分が入力され、差分を基にアクチュエータ１６を制御するコントローラ２２とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、身体能力の１つである平衡感覚を改善・強化するための平衡感覚訓練機器に関するものである。

身体能力の１つである平衡感覚は加齢により能力低下がおこる。その低下の原因としては、「三半規管や前庭の感度の低下」「視覚など感覚器における識別能力の低下」「筋肉・骨格など運動を制御する部位の能力低下」「情報の伝達系（神経）や情報を整理し指令を出す脳の機能低下もしくは障害」などが考えられ、転倒事故や転落事故をはじめとする多くの事故の要因ともなっており、捻挫・骨折などの障害に至る場合もある。

従来より、この平衡感覚を測定する方法として、「閉眼片足立ち」などが広く知られている。しかしながら、この方法は三半規管や前庭の機能を評価する目安となっても、感覚領域や運動領域からの情報を脳で処理し指令を出して平衡性を維持するという全身的かつダイナミックな平衡維持能力の評価とはいえず、仮に測定できたとしてもそれを改善し鍛えることは困難である。

特許文献１には、平衡感覚、身体のバランス矯正、強化セットが開示されている。円盤形のボードの下にボールを取り付けたものが開示されている。しかし、個人の能力に合わせて乗りこなしのためのレベルを設定したりすることはできない。

特開２０００−６０９９４号公報

本発明の目的は平衡維持能力を客観的に評価することができ、またそれを改善・強化訓練することのできる平衡感覚測定訓練機器を提供することにある。

本発明の平衡感覚測定訓練機器は、人が乗る台車と、前記台車に設けられ、出力により該台車の状態を変化させるアクチュエータと、前記台車の状態を検知するセンサと、前記センサで検知された状態と目標値とを比較し、その差分を取る手段と、前記差分が入力され、該差分を基に前記アクチュエータの出力を制御するコントローラと、を含む。

前記台車に乗った人が該台車に与えた外力を前記アクチュエータの出力に加算し、該外力が加算された出力により変化した該台車の状態を、前記センサが検知する。

前記台車に乗った人が該台車に与えた外力を、直接前記アクチュエータの出力に加算するだけでなく、その大きさを専用センサで検出し、それを増幅または減衰させて間接的に前記アクチュエータの入力信号に加算する経路を加えても良い。

前記コントローラにニューラルネットワークまたは連続関数の近似をおこなう手段を含む。

前記コントローラがおこなうアクチュエータの制御水準が可変である。

前記コントローラがおこなうアクチュエータの制御水準の程度に応じて、前記台車に乗った人が機器に対して与える適切な外力は異なることになり、その適切な外力を獲得するまでの過程が平衡感覚の訓練となり得、またその過程を測定する手段と、この手段によって得られたデータを基に平衡感覚を評価する手段とを含む。具体的には、コントローラの制御水準が最上位であれば、台車に乗った人がどのような行動を取ったとしてもコントローラが適切な制御量をアクチュエータに与えて乗車を持続できる。一方、前記コントラーラの制御水準が最下位であれば、前記台車に乗った人は適切な外力を獲得するまで長時間にわたって訓練を続けなければ持続的乗車は達成できない。なお、上記の適切な外力とは、台車を所望の状態にするために人が台車に対して与える力であり、例えば、台車を水平に保つために台車に対して与える力であったり、台車を一定の傾きで前進させるために台車に対して与える力であったりする。

本発明によれば、センサによるフィードバックによって台車を所望の状態になるように補償するだけでなく、人が台車を所望の状態にするプロセスが平衡感覚の改善・強化訓練となりうる。本発明の平衡感覚測定訓練機器を用いれば、人の平衡能力を客観的に評価することができる。同時にまた平衡感覚測定訓練機器におけるコントローラの制御水準を調整することにより、所望の状態を実現するために人に求められる難易度を変えることができ、その過程により人の平衡能力を改善・強化訓練することができる。

次に、本発明に係る平衡感覚訓練機器について図面を用いて説明する。

図１（ａ）、（ｂ）および図２に示すように、本発明の平衡感覚訓練機器１０は、人１１が乗る台車１２と、出力により台車１２の状態を制御するアクチュエータ（モータ）１６と、台車１４の状態を検知するセンサ１８と、センサ１８で検知された状態と目標値とを比較し、その差分を取る手段２０と、差分が入力され、差分を基にアクチュエータ１６を制御するコントローラ２２とを含む。

図１（ｂ）に示すように、台車１２は人１１が直立した状態で乗るものである。台車１２に設けられる車輪１４は例えば２輪である。台車１２の中に上述した種々の手段が設けられる。

アクチュエータ１６は、車輪１４の駆動用および台車１２の転倒防止用の装置であり、アクチュエータ１６の出力によって台車１２の状態が制御される。

センサ１８は、台車１２の傾き、速度、人１１の足裏加重分布など、台車１２における種々の状態を検出するものである。

差分を取る手段２０は、センサ１８から出力された信号電圧と台車１２の状態を保つために目標値として設定されている信号電圧との差分を取る回路などである。この差分はいわゆる目標値と台車１２の状態の誤差である。

コントローラ２２は所望の制御をおこなうために設計されたＣＰＵ、ＤＳＰ、プログラムなどで構成される。制御は、上記差分を基に台車１２の状態を一定状態に保とうとする制御である。台車１２の状態の一例としては、台車１２の傾きなどである。

その他、アクチュエータ１６やコントローラ２２などを動作させるための電源、人１１が台車１２とのバランスを保つために人１１が持つガイド２４などが平衡感覚訓練機器１０に含まれる。

図２の制御のブロック図より、センサ１８により検出された台車１２の傾きや速度が目標値と比較される。比較による差がコントローラ２２に入力されることによりアクチュエータ１６の駆動トルクが計算される。コントローラ２２から計算された駆動トルクに対応する電圧をアクチュエータ１６に与えることによりアクチュエータ１６が駆動する。すなわち、所望の状態に保つようにアクチュエータ１６に電圧が与えられる。必要な制御プログラムは「倒立振子制御」を基礎としている。図２より、本発明は、台車１２の状態がコントローラ２２にフィードバックされている。フィードバックは、例えば約１００〜１０００Ｈｚでおこなう。

機器１０が起動し、ＣＰＵやモータ１２などに通電がおこなわれた後は、プログラムが常に働いて機器１０の転倒が防止される。基本的にこの機器１０は制御をおこなっていない状態で人１１が台車１２の上で直立することは極めて難しいが、仮に制御がおこなわれている場合でも、その制御レベルが充分でなく、および／または初めて乗った場合などには、人１１のつま先の動きは台車１２の外乱として作用することになる。すなわち、機器１０に人１１が乗ることで台車１２は揺れ、その揺れを押さえようとして人１１は重心移動をおこなうが、必要な重心移動量がわからないためにますます台車１２が揺れ、バランスを崩して持続的な乗車ができない。

人１１が台車１２に及ぼす外乱を考慮し、外乱によって転倒を防止するための構成を考えると図２は図３のようになる。図３の構成では、図２の構成とは異なり、外乱によってアクチュエータ１６の出力が変化したのを検知するものである。センサ１８は、人１１が台車１２に与えた外乱をアクチュエータ１６の出力に加算し、その加算された出力によって変化した台車１２の状態を検知することになる。したがって、人１１が台車１２に与える外乱を含めて制御されることとなるので、初めて台車１２に乗車する人１１でも台車１２を乗りこなすことが可能となる。なお、図３において、外乱に＋のマークが付してあるが、負の力であってもアクチュエータ１６の出力に加算する意味である。

こうした外乱に対する台車１２の制御能力を向上させるためには、より多くのセンサ情報を得た上で、コントローラ２２の性能向上、特に「台車の傾き」と「バランスを保つために必要となるモータに与えるべきトルク」との非線形関係に着目した性能向上が１つの解決策として考えられる。例えば、足裏の荷重分布などを調べることで、人間１１がどの方向に重心を移動しようとしているかを推測することが可能であるから、コントローラ２２をそうした点を充分に考慮した形にすることにより、初めて乗車するような場合でも、持続的な乗車が可能となる。

しかしながら、一方で、機器１０に人１１が乗車した時点から、機器１０と人１１との間で相互作用が始まる。仮に乗車した直後は機器１０に対して外乱を与えるだけであったとしても、つま先の角度から必要な重心移動量を推定し、然るべき大きさのトルクをつま先を通して台車１２に与えることにより、安定した状態に保とうとする。こうして乗車開始直後から人１１と機器１０との相互作用が始まるが、こうした状況は時間の経過と共に改善され、ある程度の時間が経過した直後には、様々なつま先角度（速度や加速度を含む）に応じた安定状態に必要な補償量を、直接つま先を通じて台車１２に与えることができるようになり、安定した状態が生み出される。

図３に示したブロック図は、人１１の相互作用を考慮することで図４のような構成に変更される。すなわち、図３において外乱であった量が、人１１が台車１２の状態を補償しようとして台車１２に及ぼす量に変わることになる。これにより、センサ１８は、人１１が台車１２に与えた補償量とアクチュエータ１６の出力とが加算された状態を検知することになる。ただし、図５に示すように、人１１が台車１２に与える外力を、直接前記アクチュエータの出力に加算するだけでなく、外力の大きさを専用のセンサ１９で検出し、専用センサ１９の出力信号を増幅または減衰させて間接的にアクチュエータの入力信号に加算する手段２１を加えても良い。人１１の台車１２に与える外力が、アクチュエータ１６の入力および出力に加算することになる。また、図４または図５におけるコントローラ２２ｂとして、精度の高いコントローラを実現するためにニューラルネットワークまたは連続関数の近似をおこなう処理系（コンピュータ等）を含めても良い。上記増幅または減衰はセンサ１９、加算する手段２１のどちらでおこなっても良い。

制御部分の不完全さを人間１１が補償することになり、またその補償の程度が学習によって向上することから、機器１０を用いることにより平衡感覚から運動能力への連合の程度を強化訓練することが可能となる。

次に、制御レベルや構造の変更に伴う新たな平衡維持能力の測定および強化訓練について説明する。

コントローラ２２における不完全さの程度が異なっていても、基本的に同じ効果を生み出すことができるが、強化訓練（学習）に要する時間が異なる。すなわち、コントローラ２２の能力が高い場合には学習時間は短くて済み、コントローラ２２の能力が低い場合には学習時間が長くなる。ただし、コントローラ２２の能力が著しく低い場合には、学習が終了しない場合もあるため、コントローラ２２としてはある程度の制御水準のものが必要である。

また、コントローラ２２の制御レベルと学習時間の関係は個人個人の平衡感覚の程度によっても異なる。そこで、そうした点に着目し、図４および図５に示すように、コントローラ２２ｂがおこなうアクチュエータ１６の制御を可変となるようにする。コントローラ２２ｂの制御プログラムは制御の段階を複数に切り替えることができるようになっている。制御レベルに対する学習完了までの時間、台車１２の傾きやその速度などを調べることで、上達の速度を数値化することができるから、使用者の平衡維持能力を客観的に計測・把握・記録することができる。このために、センサ１８やコントローラ２２ｂに記録手段を設け、センサ１８などの出力を記録し、記録された出力をコンピュータに取り込めるようにする。このコンピュータには記録手段に記録されたデータを基に平衡感覚を評価するプログラムなどを含む。または、センサ１８やコントローラ２２ｂとコンピュータとを無線接続し、センサ１８などの出力をコンピュータに取り込めるようにする。この場合、コンピュータでリアルタイムに平衡維持能力などを確認することができ、また、コンピュータから無線接続でコントローラ２２ｂの制御レベルを変化させる構成であっても良い。

使用者が、ある制御レベルにおいて強化訓練をおこなった結果、十分な平衡維持能力を獲得した場合には、より難易度の高いレベルに制御を変更することにより、さらに新たな感覚で継続的に平衡維持能力を測定・強化することができる。自転車などは一端乗りこなし能力を獲得してしまうとそれ以上には進化しないことから、この点は既存の乗り物を用いた方法に対して優れている点といえる。

制御レベルの変更だけでなく、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、機器１０ｂの構造をビルディングブロック式に変更することもできる。例えば図６（ｂ）に示すように、台車１２と各車輪１４ａ、１４ｂとの位置関係が異なるように変更する、各車輪１４ａ，１４ｂの径に差異を設ける、各車輪１４ａ，１４ｂの回転速度を変える、各車輪１４の車軸をずらす、各車輪１４の形状や数を変更するなど、様々な変更を加えることができる。２つの車輪を用いるのではなく、図７に示す機器１０ｃのように球状車輪３０を用いても良い。また、図８に示す機器１０ｄのように台車１２を分割できるようにした上でそれぞれに球状車輪３０を取り付け、２つに分割した台車１２ａ，１２ｂにそれぞれの足を乗せることにより、図９に示すように「竹馬」で要求されるような高度な平衡感覚の測定・訓練も可能となる。そのような構造の変更をビルディングブロック式に行った上で、それぞれに応じた基本制御プログラムを用いることにより、長期にわたって測定・強化訓練をおこなうことが可能となる。

こうして、使用者は、繰り返しこの機器により平衡維持能力を強化訓練することにより、三半規管などで司られる平衡感覚の回復・強化を図れるだけでなく、平衡維持に使用する各種筋力、反応時間の短縮など、身体能力の向上を図ることができ、転倒防止に寄与する身体能力の向上にもつながる。

また、機器１０の安全対策として、台車１２と地面との距離を離しすぎないようにし、台車１２が完全に倒れないようにしても良い。

以上、本発明について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

本発明の平衡感覚測定訓練機器の構成を示す図であり、（ａ）は平衡感覚測定訓練機器の斜視図であり、（ｂ）は平衡感覚測定訓練機器に人が乗車した図である。平衡感覚測定訓練機器の制御を示すブロック図である。平衡感覚測定訓練機器に外乱が加えられたときの制御を示すブロック図である。平衡感覚測定訓練機器と人との相互作用がある時の制御を示すブロック図であり、人の動作が直接アクチュエータの出力に加算される場合のブロック図である。平衡感覚測定訓練機器と人との相互作用がある時の制御を示すブロック図であり、図４の経路に加えて、人の動作をセンサで検出した後にそれらの信号を増幅または減衰させて間接的にアクチュエータの入力に加算する経路を考慮した場合のブロック図である。平衡感覚測定訓練機器の構造をビルディングブロック式にした図であり、（ａ）は平衡感覚測定訓練機器の構成を分解した図であり、（ｂ）は平衡感覚測定訓練機器を組み上げた図である。平衡感覚測定訓練機器における台車の移動方式として球状車輪を用いた場合の構成図である。平衡感覚測定訓練機器における台車を分割し、それぞれに球状車輪を取り付けることにより、「竹馬」のような高度な訓練が可能となる場合の機器構成の図である。図８の構成の機器に人が乗車した場合の図である。

符号の説明

１０：平衡感覚測定訓練機器
１１：人
１２：台車
１４：車輪
１６：アクチュエータ（モータ）
１８：センサ
１９：センサ
２０：センサ出力と目標値とを減算する手段
２１：アクチュエータの入力信号に加算する手段
２２：コントローラ
２４：ガイド
３０：球状車輪

Claims

人が乗る台車と、
前記台車に設けられ、出力により該台車の状態を変化させるアクチュエータと、
前記台車の状態を検知するセンサと、
前記センサで検知された状態と目標値とを比較し、その差分を取る手段と、
前記差分が入力され、該差分を基に前記アクチュエータの出力を制御するコントローラと、
を含む平衡感覚測定訓練機器。
前記台車に乗った人が該台車に与えた外力を前記アクチュエータの出力に加算し、該外力が加算された出力により変化した該台車の状態を、前記センサが検知する請求項１に記載の平衡感覚測定訓練機器。
前記台車に乗った人が該台車に与えた外力を検出するセンサと、
前記外力を検出するセンサが検出した外力を増幅または減衰させて間接的に前記アクチュエータの入力信号に加算する手段と、
を含む請求項１または２に記載の平衡感覚測定訓練機器。
前記コントローラにニューラルネットワークまたは連続関数の近似をおこなう手段を含む請求項２または３に記載の平衡感覚測定訓練機器。
前記コントローラがおこなうアクチュエータの制御水準が可変である、請求項４に記載の平衡感覚測定訓練機器。
前記コントローラがおこなうアクチュエータの制御水準の程度に応じて、前記台車に乗った人が台車に対して与える適切な外力を獲得するまでの過程を測定する手段と、
前記過程を測定する手段で得られたデータを基に平衡感覚を評価する手段と、
を含む請求項５に記載の平衡感覚測定訓練機器。