JP2018131019A - Inverted pendulum type movable body - Google Patents
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Abstract
【課題】倒立振子型移動体に搭乗する搭乗者の足関節トルクを、センサなどの特別な装置を装着することなく定量的により精度良く観察できるようにする。【解決手段】搭乗者が立って搭乗する搭乗部と、駆動輪とを有する倒立振子型移動体は、倒立状態を維持する駆動輪の駆動トルクを検出する検出部と、搭乗者が搭乗部に加えている足関節トルクのトルク情報を、検出部で検出された駆動トルクから生成して出力する出力部とを備え、出力部は、検出部によって検出された駆動トルクが走行面の状態に起因して変化したと判断した場合に、トルク情報の出力を中断する。【選択図】図6A foot joint torque of a passenger who rides on an inverted pendulum type moving body can be quantitatively and accurately observed without wearing a special device such as a sensor. An inverted pendulum type moving body having a riding section on which a passenger stands and a drive wheel, a detection section for detecting a driving torque of the drive wheel that maintains the inverted state, and a passenger in the riding section An output unit that generates and outputs torque information of the added ankle torque from the drive torque detected by the detection unit, and the output unit is caused by the state of the running surface with the drive torque detected by the detection unit When it is determined that the torque has changed, the output of torque information is interrupted. [Selection] Figure 6
Description
本発明は、倒立振子型移動体に関する。 The present invention relates to an inverted pendulum type moving body.
ジャイロセンサや加速度センサなどを用いて姿勢情報を検出し、検出した姿勢情報に基づいて駆動制御を行う走行装置の中でも、倒立振子の姿勢制御モデルを応用して駆動輪を制御する倒立振子型二輪車が知られている。例えば、特許文献1には、搭乗者がハンドルを傾斜させることにより、前進させたり旋回させたりすることができる倒立振子型二輪車が開示されている。 Inverted pendulum type two-wheeler that controls the drive wheel by applying the attitude control model of the inverted pendulum among the traveling devices that detect the attitude information using a gyro sensor, an acceleration sensor, etc., and perform drive control based on the detected attitude information It has been known. For example, Patent Document 1 discloses an inverted pendulum type two-wheeled vehicle that can be moved forward or turned by a passenger tilting a handle.
倒立振子型二輪車は、単に移動するための道具としてではなく、自転車などと同様にトレーニング装置として利用することもできる。トレーニング装置として利用する場合には、搭乗者がどれくらいの運動負荷を受けているかを客観的に観察できると良い。しかし、運動負荷を観察する場合には、搭乗者の身体に計測装置を装着する必要があるなど、利便性が良いとは言えなかった。 The inverted pendulum type two-wheeled vehicle can be used not only as a tool for moving but also as a training device in the same manner as a bicycle. When used as a training device, it is desirable to be able to objectively observe how much exercise the passenger is receiving. However, when observing the exercise load, it is not convenient because it is necessary to wear a measuring device on the body of the passenger.
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、特に、倒立振子型移動体に搭乗する搭乗者の足関節トルクを、センサなどの特別な装置を装着することなく定量的により精度良く観察できるようにするものである。 The present invention has been made to solve such a problem. In particular, the ankle joint torque of a passenger who rides on an inverted pendulum type moving body is quantitatively analyzed without wearing a special device such as a sensor. This makes it possible to observe with higher accuracy.
本発明の一態様における倒立振子型移動体は、搭乗者が立って搭乗する搭乗部と、駆動輪とを有する倒立振子型移動体であって、倒立状態を維持する駆動輪の駆動トルクを検出する検出部と、搭乗者が搭乗部に加えている足関節トルクのトルク情報を、検出部で検出された駆動トルクから生成して出力する出力部とを備え、出力部は、検出部によって検出された駆動トルクが走行面の状態に起因して変化したと判断した場合に、トルク情報の出力を中断する。 An inverted pendulum type moving body according to an aspect of the present invention is an inverted pendulum type moving body having a riding section on which a passenger stands and rides, and driving wheels, and detects driving torque of driving wheels that maintain the inverted state. And an output unit that generates and outputs the torque information of the ankle torque applied by the occupant to the riding unit from the drive torque detected by the detection unit, and the output unit is detected by the detection unit When it is determined that the generated drive torque has changed due to the state of the running surface, the output of torque information is interrupted.
このような構成により、搭乗者あるいは搭乗者を補助する補助者は、搭乗者にセンサなどの特別な装置を装着することなく、搭乗者の足首の運動負荷を客観的に把握することができる。特に、段差などの走行面の状態に起因して駆動トルクの出力が変化する場合は、その駆動トルクからトルク情報を生成して出力することがないので、搭乗者の運動負荷をより正確に見積もることができる。 With this configuration, the passenger or an assistant who assists the passenger can objectively grasp the exercise load on the passenger's ankle without wearing a special device such as a sensor on the passenger. In particular, when the output of the driving torque changes due to the state of the running surface such as a step, torque information is not generated and output from the driving torque, so the motion load of the passenger can be estimated more accurately. be able to.
本発明により、センサなどの特別な装置を事前に装着する手間や装着に伴う煩わしさを伴うことなく、倒立振子型移動体に搭乗する搭乗者の足関節トルクを定量的により精度良く観察することができる。 According to the present invention, it is possible to quantitatively and accurately observe an ankle joint torque of a passenger who rides on an inverted pendulum type mobile body without the trouble of attaching a special device such as a sensor in advance or the trouble associated with the mounting. Can do.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the invention according to the claims is not limited to the following embodiments. In addition, all of the configurations described in the embodiments are not necessarily essential as means for solving the problem.
図1は、本実施形態に係る訓練システムとしての倒立二輪車100の外観斜視図である。本実施形態においては、倒立二輪車100は、倒立振子型移動体であり、倒立二輪車100が訓練システムの全体を構成するものとして説明する。
FIG. 1 is an external perspective view of an inverted two-
倒立二輪車100は、全体の骨格を成す基台190に、ハンドル110、左右に跨がる搭乗台121、左右の車輪131、132が備え付けられて構成されている。ハンドル110は、基台190に連結される支柱部と搭乗者が把持する把持部から成る。ハンドル110は、搭乗者に把持されることにより、搭乗者のバランス維持を補助する補助支持部としての機能を発揮する。
The inverted two-
ハンドル110の支柱部には、例えばひずみゲージが貼着されたロードセルから成る加重センサ120が設けられている。加重センサ120は、搭乗者がハンドル110を押したり引いたりする荷重を検出する。また、ハンドル110の把持部には、搭乗者が視認できるように、表示部140が設けられている。表示部140は、例えば液晶パネルによって構成され、搭乗者に各種情報を呈示する。
For example, a
本実施形態に係る倒立二輪車100は、搭乗者が立って搭乗することを想定しており、搭乗台121は、搭乗者が左足、右足を乗せる搭乗部としての機能を担う。搭乗台121は、基台190に対して固定されていても良いし、左右方向への旋回に合わせて載置面が左右方向へ傾斜するようにリンク機構を設けても良い。
The inverted two-
左側の車輪131は、搭乗台121の中心に対して左側に偏位して取り付けられており、後述するモータによって回転駆動される駆動輪である。右側の車輪132は、搭乗台121の中心に対して右側に偏位して取り付けられており、後述するモータによって回転駆動される駆動輪である。左側の車輪131と右側の車輪132は、同軸芯線上に平行に配置されている。したがって、左側の車輪131と右側の車輪132が、同じ方向に同じ速度で回転すれば直進するし、異なる速度で回転すれば左右に旋回する。
The
本実施形態に係る倒立二輪車100は、倒立振子の姿勢制御モデルに基づいて駆動輪である車輪131、132の回転を制御する同軸二輪車である。後述する制御部は、搭乗者が搭乗した倒立二輪車100の全体の姿勢を検知して、搭乗者が搭乗した状態を安定的に維持できるように車輪131、132の回転駆動を制御する。このような制御により、搭乗者は、自身の重心を移動したい方向へ傾けることにより、倒立二輪車100をその方向へ移動させることができる。前方へ傾けば前進し、後方へ傾ければ後進する。右へ傾ければ右方向へ旋回し、左へ傾ければ左方向へ旋回する。
An inverted two-
本実施形態にかかる倒立二輪車100は、足首にある足関節に障害を抱える患者が足関節機能を回復させるためのリハビリテーション機能を有する装置である。倒立二輪車100は、患者が搭乗者として倒立二輪車100にバランスを取りつつ搭乗を続けようとすると、患者の足関節にリハビリ効果を期待できる程度の負荷を与えることができる。当該負荷は、患者が足関節に発生させる足関節トルクに対応する負荷であり、当該足関節トルクが患者に見合った程度の大きさであれば、リハビリ効果を期待できる。本実施形態にかかる倒立二輪車100は、搭乗者が発生させた足関節トルクを定量的に呈示する機能を有する。
The inverted two-
なお、倒立二輪車100は、リハビリテーションを行う場合に限らず、目的地に移動するための走行装置としても利用できる。走行装置として利用する場合は、足関節に障害を抱える患者に限らず、健常者も利用することができる。倒立二輪車100は、走行装置として利用する通常モードが選択された場合には左右方向への旋回も行うが、リハビリテーションを行うトレーニングモードが選択された場合には、左右方向への旋回駆動が禁止される。以下においては、足関節に障害を抱える患者を搭乗者と想定して説明する。
The inverted
倒立二輪車100の座標系は、図示するように、両車輪を結ぶ車軸方向に直交する前進方向をx軸プラス方向、両車輪を結ぶ車軸方向で車輪131へ向かう方向をy軸プラス方向、x軸y軸に共に直交する方向で、搭乗者の頭部へ向かう方向をz軸プラス方向と定める。以降の図面においては、ここで定義した座標系を示してその向きを表す場合がある。
As shown in the drawing, the coordinate system of the inverted two-
図2は、倒立二輪車100の主な構成を示す概略図である。具体的には、yz平面による断面をx軸プラス側から観察した様子を模式的に表したものである。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the main configuration of the inverted
左右2つの車輪131、132は、それぞれの車軸181、182が一直線になるように、基台190に回転可能に軸支されている。左の車輪131を駆動するためのモータ161と、右の車輪132を駆動するためのモータ162は、基台190に固定配置されている。モータ161の駆動力は、減速機を兼ねる伝達機構171を介して車軸181に伝達され、車輪131を回転駆動する。モータ162の駆動力は、減速機を兼ねる伝達機構172を介して車軸182に伝達され、車輪132を回転駆動する。すなわち、それぞれの車輪131、132は、互いにそれぞれ独立したモータ161、162および伝達機構171、172により、別個に制御されて回転駆動される。
The two left and
車軸182には、トルクセンサ170が設けられている。トルクセンサ170は、モータ162が車輪132に対して出力するモータトルクを検出する。トルクセンサ170は、例えばシャフトにひずみゲージを貼着してシャフトのねじり変形を検出する方式を採用するセンサである。本実施形態における倒立二輪車100では、トルクセンサ170を車軸182に設け、車軸181には設けていないが、より精度を高めるために、車軸181に設けても良い。両軸に設ける場合は、2つのトルクセンサの出力を平均して後述するモータトルクを算出しても良い。また、検出しようとするモータトルクの精度によっては、トルクセンサ170を設ける代わりに、モータ161、162に供給する電力の電流値を検出して、当該電流値をモータトルクに換算しても良い。
A
荷重センサ151は、搭乗台121に埋め込まれた荷重センサであり、搭乗者が足を載せたことを検出する。荷重センサ151は、例えば、加圧されたときに閉塞するメカニカルスイッチである。
The
バッテリ300は、例えばリチウムイオン電池による二次電池であり、変圧回路等を介して、モータ161、162等へ電力を供給する。二次電池は、例えば家庭用AC電源で充電することができ、着脱可能に構成されていても良い。
The
図3は、倒立二輪車100の制御ブロック図である。制御部200は、例えばCPUであり、基台190に設けられている。制御部200は、倒立二輪車100の各要素部を統括的に制御する。駆動輪ユニット210は、車輪131、132を駆動するための駆動回路やモータ161、162を含み、制御部200は、駆動輪ユニット210へ駆動信号を送ることにより、車輪131、132の回転を制御する。
FIG. 3 is a control block diagram of the
加重センサ120は、制御部200の要求信号に応じて検出信号を制御部200へ送信する。当該検出信号は、例えばハンドル110の支柱部に向きを違えて貼着された複数のひずみゲージの出力信号を含み、これにより制御部200は、搭乗者がハンドル110に加えた荷重の向きと大きさを把握することができる。
The
トルクセンサ170は、制御部200の要求信号に応じて検出信号を制御部200へ送信する。制御部200は、倒立二輪車100が倒立状態を維持するために車輪132へ出力するモータ162のモータトルクを当該検出信号から演算する。つまり、トルクセンサ170は、制御部200と協働して、倒立二輪車100が倒立状態を維持する駆動輪の駆動トルクを検出する検出部としての機能を担う。
姿勢センサ150は、加速度センサやジャイロセンサを含み、制御部200の要求信号に応じて検出信号を制御部200へ送信する。制御部200は、これらの検出信号から倒立二輪車100の倒立状態を認識し、倒立状態を維持するために必要な駆動信号を生成して駆動輪ユニット210へ送信する。
The
荷重センサ151は、制御部200の要求信号に応じて検出信号を制御部200へ送信する。制御部200は、当該検出信号を受信したら、搭乗者が搭乗したと認識して、倒立振子の姿勢制御を開始する。
The
表示部140は、制御部200からの表示信号に従って、搭乗者に呈示する各種情報を表示する。搭乗者がリハビリテーションを行うトレーニングモードを選択しているときには、トレーニングのメニュー項目や進捗状況に加え、制御部200が演算した搭乗者の足関節トルクのトルク情報を表示する。つまり、表示部140は、制御部200と協働して、検出部が検出したトルク情報を出力する出力部としての機能も担う。
The
入力受付部142は、例えば表示部140の液晶パネルに重畳して設けられたタッチパネルや、ハンドル110に設けられたスイッチ類などの搭乗者が操作する操作部材を含む。入力受付部142は、搭乗者の入力操作を受け付けて、入力信号を制御部200へ送信する。搭乗者は、例えばモード選択や後述する初期入力パラメータを、入力受付部142を介して制御部200へ与える。つまり、入力受付部142は、制御部200と協働して、ユーザからの情報や指示を取得する取得部としての機能を担う。
The
入出力IF144は、外部機器からの情報を入力する入力インタフェースと、外部機器へ情報を出力する出力インタフェースである。入出力IF144は、例えば無線LANやUSBである。制御部200は、トルク情報を外部機器に出力する場合は、入出力IF144を介して出力する。この場合、入出力IF144は、制御部200と協働して、トルク情報を出力する出力部としての機能を担う。また、制御部200は、初期入力パラメータなどを外部機器から入出力IF144を介して入力できる。この場合、入出力IF144は、制御部200と協働して、搭乗者の情報を取得する取得部としての機能を担う。
The input / output IF 144 is an input interface for inputting information from an external device and an output interface for outputting information to the external device. The input / output IF 144 is, for example, a wireless LAN or USB. When outputting the torque information to the external device, the
一連の制御プログラムは、予めメモリ240に記憶されており、制御部200は、起動時にメモリ240から制御プログラムを読み込んで、各種制御を実行する。メモリ240は、不揮発性の記録媒体であり、例えばソリッドステートドライブが用いられる。メモリ240は、制御プログラムの他にも、制御に用いられる様々なパラメータ値、関数、ルックアップテーブル等を記録している。
A series of control programs are stored in the
次に、検出したモータトルクを用いて搭乗者の足関節トルクを検出する原理について説明する。図4は、足関節トルクの検出原理を説明する説明図である。図は、トルクセンサ170が連結された車輪132と、搭乗者が右足を載せている搭乗台121とを、進行方向に対して右側から観察した様子を簡易的に表している。
Next, the principle of detecting the occupant's ankle torque using the detected motor torque will be described. FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the detection principle of ankle joint torque. The figure simply shows a state in which the
図示するように、車輪132の回転中心位置をWA、右足の足関節中心位置をJA、搭乗者と倒立二輪車100を合わせた全体の重心位置をP、Pから搭乗面に下ろした垂線の足をBPとする。また、搭乗者と倒立二輪車100を合わせた全体の質量をMとし、足関節トルクをTfoot、モータトルクをTmotorとする。また、それぞれx軸方向における、JAからBPの距離をdfm、JAからWAの距離をdft、WAからBPの距離をdtmとする。
As shown in the figure, the rotation center position of the
また、加重センサ120の位置をHPとし、加重センサ120が検出した力をFhとする。Fhのうち、WAとHPを結ぶ直線に直交する成分をFhaとする。さらに、WAとHPの距離をdmhとする。
Also, the position of the
まず、搭乗者がハンドル110に力を加えていない状態について、すなわちFhが0の場合について考える。このとき、BPにおけるモータが発生させる垂直方向の力Fmotorvと足関節が発生させる垂直方向の力Ffootvは釣り合い、
Fmotorv=Ffootv (1)
が成り立つ。これをトルクの関係式に置き換えると、
Tfoot/dfm=Tmotor/dtm (2)
となる。したがって、目的変数であるTfootは、
Tfoot=Tmotor・dfm/dtm (3)
と表される。また、x軸方向における距離の関係は、
dfm=dft+dtm (4)
であるので、これを(3)式に代入すると、
Tfoot=Tmotor・(dft/dtm+1) (5)
となる。dtmはWAからBPのx軸方向における距離であるので、
dtm=Tmotor/(Mg) (6)
と表すことができる。ここでgは、重力加速度である。すると、(5)式は、
Tfoot=Mg・dft+Tmotor (7)
と解くことができる。
First, consider a state where the passenger is not applying force to the
F motorv = F footv (1)
Holds. If this is replaced with the relational expression of torque,
Tfoot / dfm = Tmotor / dtm (2)
It becomes. Therefore, the target variable Tfoot is
T foot = T motor · d fm / d tm (3)
It is expressed. Also, the distance relationship in the x-axis direction is
d fm = d ft + d tm (4)
Therefore, if this is substituted into equation (3),
T foot = T motor · (d ft / d tm +1) (5)
It becomes. Since d tm is the distance from W A in the x-axis direction of the B P,
d tm = T motor / (Mg) (6)
It can be expressed as. Here, g is a gravitational acceleration. Then, equation (5) becomes
T foot = Mg · d ft + T motor (7)
Can be solved.
(7)式右辺の第一項のMg・dftは、搭乗者の固有情報を含む。具体的には搭乗者の質量と足関節中心位置JAである。簡易的には、標準的な人体モデルからこれらの仮定値を設定することができる。例えば搭乗者の体重を60kgとすれば、倒立二輪車100の質量は既知であるのでMを算出することができる。また、足長の標準値を26cmとする。統計的には足長に対して、足関節位置JAは踵端から22%の位置にあり、人体の中立位置は踵端から45%の位置にあると言われている。搭乗者は静止状態において人体の中立位置が車軸上に位置するように搭乗することを考慮すると、dft=26×(0.45−0.22)=5.98cmと設定できる。このような仮定値を利用すれば、第一項を簡易的に算出することができる。
(7) Mg · d ft of the first term on the right side of the equation includes the unique information of the passenger. Specifically a mass and ankle center position J A of the occupant. In a simple manner, these assumed values can be set from a standard human body model. For example, if the weight of the passenger is 60 kg, M can be calculated because the mass of the
また、入力受付部142や入出力IF144を介して、初期入力パラメータとして搭乗者の体重と足のサイズの少なくともいずれかを取得すれば、より精度を高めて第一項を算出することができる。搭乗者による入力に限らず、例えば荷重センサ151が搭乗者の体重や足長を計測できれば、搭乗者が搭乗台121に搭乗することにより自動的にこれらの値を取得することもできる。
Further, if at least one of the weight of the passenger and the size of the foot is acquired as the initial input parameter via the
次に、搭乗者がハンドル110に力を加えた状態について、すなわちFhが0でない場合について考える。ハンドル110の支柱部は基台190に対して固定して設置されており、加重センサ120の位置HPは、車輪132の回転中心位置WAに対して相対的に不変であるので、Fhaの向きも一定である。したがって、制御部200は、加重センサ120の検出信号からFhとFhaのなす角θを算出することができ、Fhaを、
Fha=Fh・cosθ (8)
と算出できる。搭乗者がハンドル110に力を加えることによって発生するFhaのWA周りのトルクをThとすると、
Th=Fha・dmh (9)
である。したがって、搭乗者がハンドル110に力を加えた場合には、(7)式を、
Tfoot=Mg・dft+Tmotor−Th (10)
と修正することができる。
Next, the state in which the rider applies a force to the
F ha = F h · cos θ (8)
And can be calculated. When the rider a torque around W A of F ha generated by applying a force to the
T h = F ha · d mh (9)
It is. Therefore, when the passenger applies force to the
T foot = Mg · d ft + T motor −T h (10)
And can be corrected.
なお、以上の計算式においては、本実施形態においてFhの重力方向の成分Fhbは微小であって実質的には無視し得るので考慮していないが、考慮するのであれば、(10)式のMgをMg−Fhbに置き換えれば良い。 In the above calculation formula, the component F hb in the gravitational direction of F h is very small and can be ignored in the present embodiment, but is not considered, but if considered, (10) The Mg in the formula may be replaced with Mg—F hb .
ここで、(10)式右辺の第一項Mg・dftは、搭乗者が搭乗台121に搭乗すれば定まる固定値と捉えることができる。一方で、(10)式右辺の第二項および第三項のTmotor−Thは、倒立二輪車100が倒立制御を行っている期間に刻々と変動する値である。Tmotor−Thの値は、トルクセンサ170の出力、加重センサ120の出力を監視すれば追跡できる。つまり、足関節トルクTfootの変動成分は、Tmotor−Thであると言える。したがって、制御部200が演算して出力する足関節トルクTfootの経時変化は、Tmotor−Thの経時変化と相関する。
Here, the first term Mg · d ft on the right side of Equation (10) can be regarded as a fixed value that is determined when the passenger gets on boarding
このような関係から、足関節トルクのトルク情報として、経時変化分を出力したい場合には、Tmotor−Thのみを出力しても構わない。足関節トルクの実際の値を簡易的に出力したい場合には、Tmotor−Thに仮定値を加えて出力すれば良いし、より精度良く出力したい場合には、搭乗者の固有情報も勘案して出力すれば良い。いずれの場合も、制御部200は、トルクセンサ170および加重センサ120の出力からTmotor−Thを演算して足関節のトルク情報を生成する。換言すれば、モータトルクとハンドル110に加えられる荷重に基づいて足関節トルクを推定していると言える。
From such a relationship, as the torque information ankle torque, if you want to output time variation is may be output only T motor -T h. Consideration when you want to output the actual value of the ankle joint torque simply is to the T motor -T h may be output by adding the assumed value, when it is desired to more accurately output also specific information of the passenger And output. In either case, the
このような原理によって足関節トルクを推定する装置によれば、従来のようにトレーニングを行う患者に筋力を測定するセンサなどの特別な装置を事前に装着する煩わしさを伴うことなく、患者の足首の運動負荷を客観的に把握することができる。また、搭乗する患者の足関節トルクを定量的に、しかもほぼリアルタイムで観察することができるので、患者の達成状況に合わせてトレーニング時間や目標負荷量などを動的に調整するトレーニングを行うことができる。また、搭乗者がバランスを維持するためにハンドル110に寄りかかったとしても、そのときの足関節トルクをより正確に算出することができるので、リハビリ効果を得るためのトレーニングをより確実に行うことができる。
According to the device for estimating the ankle joint torque based on such a principle, the ankle of the patient can be obtained without the trouble of wearing a special device such as a sensor for measuring the muscular strength in advance for the patient who performs training as in the past. The exercise load can be objectively grasped. In addition, the ankle torque of the patient on board can be observed quantitatively and almost in real time, so training that dynamically adjusts the training time, target load, etc. according to the patient's achievement status can be performed. it can. Also, even if the passenger leans on the
なお、上記(1)式から(10)式においては、水平方向(x軸方向)の加速度を考慮していない。つまり、倒立二輪車100が水平方向へ加速度を伴って移動するような状況においては、(10)式は正確性に欠けるとも言える。しかし、実際の制御においては、搭乗者の安全の観点からも、急激な加速度を伴った移動制御はほとんど行わないので、水平方向の加速度成分が(10)式に与える影響は相対的に小さい。したがって、実用的には(10)式に基づいて生成されるトルク情報で足りる。ただし、より精度の高いトルク推定を行いたい場合には、倒立二輪車100が水平方向への加速度を生じていない時のトルクセンサ170の出力を用いて演算すれば良い。
In the above equations (1) to (10), the acceleration in the horizontal direction (x-axis direction) is not considered. That is, in a situation where the inverted two-
同様に、旋回時におけるz軸周りの角加速度の影響を排除したい場合には、倒立二輪車100が旋回移動をしていない時のトルクセンサ170の出力を用いて演算すれば良い。なお、以下に説明するトレーニングモードでは旋回移動が禁止されるので、トレーニングモード中に出力されるトルク情報は、z軸周りの角加速度の影響を含み得ない。
Similarly, when it is desired to eliminate the influence of angular acceleration around the z-axis during turning, the calculation may be performed using the output of the
図5は、倒立二輪車100を用いたトレーニングの様子を示す図である。足関節トルクの演算は、上述の加速度や角速度の影響の他にも、倒立二輪車100が走行する走行面である路面の状態に起因する影響を受ける場合がある。
FIG. 5 is a diagram showing a state of training using the
トレーニングモードに切り替えて路面400上を往復するトレーニングを行う場合に、例えば図示するような段差410が路面400に存在すると、モータは、倒立二輪車100がこの段差410を乗り越えるためのトルクを出力する。すなわち、足関節トルクに対応するモータトルクに対して、路面不良に応じた相対的に大きなトルクが加算もしくは減算され、全体として大きなトルク変化が生じる。
When training is performed to reciprocate on the
図6は、路面不良が検出結果に与える影響を説明する図である。図6(a)は、トレーニングモードの実行時において検出されたモータトルクの一例を表す。横軸は経過時間であり、縦軸はトルクセンサ170が検出したモータトルクである。図示するように、時刻t1とt2でモータトルクに突発的な変化があることがわかる。路面不良は、図5に示した段差の存在の他にも、路面が濡れている場合なども考えられる。出願人は、路面不良に起因するモータトルクの変化の多くが、それまでの検出されていた値から突発的に大きく値を変えて短時間の間に収束するものであるとの知見を得た。
FIG. 6 is a diagram for explaining the influence of road surface defects on detection results. FIG. 6A shows an example of the motor torque detected when the training mode is executed. The horizontal axis is the elapsed time, and the vertical axis is the motor torque detected by the
図6(b)は、図6(a)のモータトルクを時間で微分したものである。横軸は経過時間であり、縦軸は微分値である。このようにモータトルクの微分値を観察すると、路面不良に遭遇した場合には、微分値が概ね+D0を超えるか、−D0を下回ることが分かった。そこで、本実施形態においては、閾値としてD0を定め、検出されたモータトルクの微分値の絶対値がこの閾値を超えたら、一定時間t0の間、足関節トルクの算出を中断する。このように足関節トルクの算出を中断することにより、誤った足関節トルク情報を呈示することを防ぐ。 FIG. 6 (b) is obtained by differentiating the motor torque of FIG. 6 (a) with respect to time. The horizontal axis is the elapsed time, and the vertical axis is the differential value. With this observation of the differential value of the motor torque, when encountered road surface defect, the differential value is approximately + or greater than D 0, was found to be less than -D 0. Therefore, in this embodiment, defines a D 0 as a threshold, if the absolute value of the differential value of the detected motor torque exceeds this threshold value, for a predetermined time t 0, it suspends the calculation of the ankle joint torque. Thus, by interrupting the calculation of the ankle torque, it is possible to prevent presenting incorrect ankle torque information.
なお、D0は、倒立二輪車100を走行させる路面400の状況に応じて、選択して設定されるようにしても良い。D0の値は、例えば、屋内か屋外か、屋内でもワックスが塗布された床面かどうかなどによって最適値が異なる。そこで、倒立二輪車100が使用される路面400の状況を想定し、予め実験などによってそれぞれの状況におけるD0を定めておくと良い。
D 0 may be selected and set according to the condition of the
また、中断する一定時間t0についても、モータトルクの変化が収束する時間に応じて予め実験などによって定めておく。一定時間t0についても、倒立二輪車100を走行させる路面400の状況に応じてそれぞれ定めておき、選択して設定されるようにしても良い。
As for the interrupted predetermined time t 0, previously determined by an experiment or the like in advance according to the time variation of the motor torque converges. The predetermined time t 0 may also be determined and selected according to the situation of the
図7は、トレーニングモードにおける制御フローを示すフロー図である。フローは、倒立二輪車100の電源がオンにされ、トレーニングモードのプログラムがメモリ240から読み出されて開始される。
FIG. 7 is a flowchart showing a control flow in the training mode. The flow starts when the power of the
制御部200は、ステップS101で、患者が搭乗するまで待機する。具体的には、制御部200は、荷重センサ151から一定荷重の検出信号を取得したら、患者が搭乗したと判断してステップS102へ進む。
In step S101, the
制御部200は、ステップS102で、トレーニングとしての課題付与を開始する。課題は、例えば、表示部140に「前進して下さい」「後進して下さい」などのメッセージを連続的に表示して、メッセージに従った操作を患者に促すものである。制御部200は、トレーニングを開始したら、トルクセンサ170の検出信号の取得を開始し、上述のように足関節トルクのトルク情報を演算して、表示部140にその結果を表示する。
In step S102, the
制御部200は、トレーニング中であるステップS103において、トルクセンサ170の検出信号を継続して取得し、その微分値を監視する。そして、微分値Dの絶対値|D|が、予め定められた閾値D0を超えたか否かを判断する。超えていないと判断した場合はステップS104へ進み、足関節トルクを演算してその情報を表示部140に表示して、ステップS106へ進む。超えていると判断最多場合はステップS105へ進み、一定時間t0の間足関節トルクの演算を中断して、ステップS106へ進む。
In step S103 during training, the
制御部200は、ステップS106で、トレーニングとしての課題付与がすべて終了したか否かを判断する。終了していないと判断したらステップS103へ戻り、トレーニングプログラムを継続する。終了したと判断したらステップS107へ進む。制御部200は、ステップS107で、確定したトレーニング結果を表示部140に表示したり、患者が降機するための停止制御を行ったりする終了処理を実行し、完了したら一連の処理を終了する。
In step S106, the
図8は、トレーニング中における表示部140の表示例を示す図である。グラフは、足関節トルクTfootを負荷量(縦軸)として、時間経過(横軸)と共に示している。現時点でのTfootを星印で示し、波形が全体的に左方向へスクロールして過去の波形が左端から消去されていく。合格ラインは合格基準値を示し、波形がこのラインを上回れば、判定欄に「○」が示される。波形がこのラインに到達しなければ、判定欄に「×」が示される。そして、目標回数s0に到達するまでの残り回数が示される。
FIG. 8 is a diagram illustrating a display example of the
図示するように、トレーニング中に微分値の絶対値|D|が閾荷重D0を超えた場合には、制御部200は、現時点でのTfootを表す星印を消去し、一定時間t0の期間をグレイアウトで表示しても良い。追加的に「路面不良!」などのメッセージを表示して告知処理をおこなっても良い。制御部200は、この期間は、トルク情報の出力を停止しても良いし、閾荷重D0を超えた旨を表すフラグなどの付加情報を追加してトルク情報を出力しても良い。トルク情報を継続的なログとして記録する場合は、付加情報を含めて記録すると良い。
As shown in the figure, when the absolute value | D | of the differential value exceeds the threshold load D 0 during the training, the
以上のような本実施形態にかかる倒立二輪車100によれば、患者である搭乗者あるいは患者を補助する補助者は、搭乗者にセンサなどの特別な装置を装着することなく、搭乗者の足首の運動負荷を客観的に把握することができる。特に、段差などの走行面の状態に起因して駆動トルクの出力が変化する場合は、その駆動トルクからトルク情報を生成して出力することがないので、搭乗者の運動負荷をより正確に見積もることができる。
According to the
図9は、他の実施形態にかかるトレーニング装置500の外観斜視図である。トレーニング装置500は、上述の倒立二輪車100とほぼ同様の構成を有する倒立二輪車100’を一部の構成として含む訓練システムである。トレーニング装置500は、倒立二輪車100’の他には主に、全体の骨格を成すフレーム530に取り付けられたハーネス引張部512を備える。搭乗者は、倒立二輪車100’をフレーム530に囲まれた走行面上を移動させて訓練を行う。
FIG. 9 is an external perspective view of a
フレーム530は、モータやセンサの制御を行う全体制御部520を収容する制御盤533や、訓練の進捗状況等を表示する例えば液晶パネルである表示部538などを支持している。また、フレーム530は、搭乗者の頭上部付近でハーネス引張部512を支持している。全体制御部520は、例えばCPUであり、倒立二輪車100’が備える制御部200’と交信して、トレーニング装置500の全体を統括的に制御する。
The
トレーニング装置500は、装具510、ハーネスワイヤ511、ハーネス引張部512を主な構成要素とする安全装置を備える。装具510は、搭乗者の腰部に巻き付けられるベルトであり、例えば面ファスナによって腰部に固定される。装具510は、吊具であるハーネスワイヤ511の一端に連結される。
The
ハーネスワイヤ511は、他端がハーネス引張部512の巻取機構に連結されている。ハーネス引張部512の巻取機構は、不図示のモータをオン/オフさせることにより、ハーネスワイヤ511を巻き取ったり繰り出したりする。ハーネス引張部512は、不図示のモータを含め、ハーネスワイヤ511の吊り上げおよび吊り下げを行う駆動部としての機能を担う。このような構成により、安全装置は、搭乗者がバランスを崩しそうになった場合に、搭乗者の上体を支えて搭乗者を安定させる。
The other end of the
このような装置構成において、搭乗者の腰部に装着されるハーネスワイヤ511は、搭乗者のバランス維持を補助する補助支持部としての役割を担う。このとき、ハーネス引張部512が備えるロードセルは、搭乗者がバランスを崩しそうになった場合に搭乗者がハーネスワイヤ511を引っ張る引張力Fを検出する。
In such a device configuration, the
ここで、検出された引張力Fが予め定められた閾値F0を超えるような場合は、制御部200は、足関節トルクの演算が正しく行えないと判断する。図10は、ハーネスワイヤ511が足関節トルクの演算に与える影響を説明する図である。横軸は経過時間であり、縦軸はトルクセンサ170が検出したモータトルクである。
Here, when the detected tensile force F exceeds a predetermined threshold value F 0 , the
図示するように、時刻t3でモータトルクが閾値F0を超える変化があることがわかる。制御部200は、この変化を検出したら、予め定められた一定時間t’0の間、足関節トルクの算出を中断する。このように足関節トルクの算出を中断することにより、誤った足関節トルク情報を呈示することを防ぐ。なお、制御部200は、閾値F0を下回ったら足関節トルクの算出を再開しても良い。
As shown in the figure, it can be seen that there is a change in the motor torque exceeding the threshold value F 0 at time t 3 . When detecting this change, the
100、100’ 倒立二輪車、110 ハンドル、120 加重センサ、121 搭乗台、131、132 車輪、140 表示部、142 入力受付部、144 入出力IF、150 姿勢センサ、151 荷重センサ、161、162 モータ、170 トルクセンサ、171、172 伝達機構、181、182 車軸、190 基台、200、200’ 制御部、210 駆動輪ユニット、240 メモリ、300 バッテリ、400 路面、410 段差、500 トレーニング装置、510 装具、511 ハーネスワイヤ、512 ハーネス引張部、520 全体制御部、530 フレーム、533 制御盤、538 表示部 100, 100 'inverted motorcycle, 110 steering wheel, 120 weight sensor, 121 boarding board, 131, 132 wheels, 140 display unit, 142 input receiving unit, 144 input / output IF, 150 attitude sensor, 151 load sensor, 161, 162 motor, 170 Torque sensor, 171, 172 Transmission mechanism, 181, 182 Axle, 190 Base, 200, 200 ′ Control unit, 210 Drive wheel unit, 240 Memory, 300 Battery, 400 Road surface, 410 Step, 500 Training device, 510 Equipment, 511 Harness wire, 512 Harness tension part, 520 Overall control part, 530 frame, 533 Control panel, 538 Display part
Claims (1)
倒立状態を維持する前記駆動輪の駆動トルクを検出する検出部と、
前記搭乗者が前記搭乗部に加えている足関節トルクのトルク情報を、前記検出部で検出された前記駆動トルクから生成して出力する出力部と
を備え、
前記出力部は、前記検出部によって検出された前記駆動トルクが走行面の状態に起因して変化したと判断した場合に、前記トルク情報の出力を中断する倒立振子型移動体。 An inverted pendulum type moving body having a riding section on which a passenger stands and boarding, and a drive wheel,
A detection unit for detecting a driving torque of the driving wheel that maintains an inverted state;
An output unit that generates and outputs the torque information of the ankle torque that the occupant is applying to the riding unit from the driving torque detected by the detection unit;
The output pendulum type moving body that interrupts the output of the torque information when the output unit determines that the drive torque detected by the detection unit has changed due to a state of a running surface.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2017025021A JP2018131019A (en) | 2017-02-14 | 2017-02-14 | Inverted pendulum type movable body |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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-
2017
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