バランス装置
【課題】胴体の傾斜角を基準方向に回復する動作を補助する。
【解決手段】バランス装置は、センサと少なくとも１個のフライホイールとコントローラを備える。センサは、基準方向に対する胴体の傾斜角を検出する。少なくとも１個のフライホイールは、人に装着されたときに、軸線が胴体のヨー軸と非平行となるようにバランス装置に配置されている。胴体のヨー軸とは、胴体の長手方向に相当する。また、ヨー軸は、人が直立したときに基準方向に一致する。コントローラは、センサによって検出される傾斜角に基づいてフライホイールの回転速度を変更する。
【解決手段】バランス装置は、センサと少なくとも１個のフライホイールとコントローラを備える。センサは、基準方向に対する胴体の傾斜角を検出する。少なくとも１個のフライホイールは、人に装着されたときに、軸線が胴体のヨー軸と非平行となるようにバランス装置に配置されている。胴体のヨー軸とは、胴体の長手方向に相当する。また、ヨー軸は、人が直立したときに基準方向に一致する。コントローラは、センサによって検出される傾斜角に基づいてフライホイールの回転速度を変更する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フライホイールを用いて人のバランス能力を補助する技術、或いはバランス能力向上のための訓練のための技術に関する。なお、本明細書において、「バランス能力」とは、典型的には、傾いた胴体を定められた基準方向に回復する能力を意味する。
【背景技術】
【０００２】
発明者らの知る限りにおいて、人のバランス能力を補助する装着型の装置は現在までほとんど研究されていない。なお、後述するように本明細書が開示する新規な技術はフライホイールを利用する。そこで、フライホイールを利用したロボット技術に関する２つの背景技術を以下に列挙する。
【０００３】
（１）特許文献１：特許文献１に開示されている脚式ロボットは、 胴体と脚の少なくとも一方にフライホイールを利用したコントロールモーメントジャイロを搭載している。その脚式ロボットは、コントロールモーメントジャイロによって胴体の姿勢を変化させる。
【０００４】
（２）特許文献２：特許文献２には、フライホイールを利用した歩行補助装置が開示されている。その歩行補助装置は、大腿に取り付ける第１装着部と下腿に取り付ける第２装着部を備える。夫々の装着部はフライホイールを有している。その歩行補助装置は、フライホイールの反力トルクを、脚の動作を補助するために利用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−９２０５号公報
【特許文献２】特開２００９−２５４７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
障害や怪我によってバランス能力が低下してしまうことがある。しかしながら、前述したように、発明者らの知る限りにおいて、人のバランス能力を補助する装着型の装置は、現在までほとんど研究されていない。バランス能力が低下した人のために、バランス能力を補助する装着型の装置が望まれている。なお、装着型のバランス補助装置は、バランス能力向上のための訓練装置にも用いることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する一つの技術は、人の胴体に装着されるバランス装置を提供する。このバランス装置は、センサと少なくとも１個のフライホイールとコントローラを備える。センサは、定められた基準方向に対する胴体の傾斜角を検出する。基準方向の一例は、鉛直方向である。基準方向は、バランス装置を所望の向きに傾け、センサが出力する傾斜角をゼロにリセットすることによって定めることができる。この場合、センサが傾斜角ゼロを出力するときのバランス装置の傾斜方向が基準方向に相当する。少なくとも１個のフライホイールは、人に装着されたときに、軸線が胴体のヨー軸と非平行となるようにバランス装置に配置されている。胴体のヨー軸とは、胴体の長手方向に相当する。また、ヨー軸は、人が直立したときに鉛直方向に一致する。コントローラは、センサによって検出される傾斜角に基づいてフライホイールの回転速度を変更する。
【０００８】
上記のバランス装置は、フライホイールの回転速度変化によって生じる反力トルクを利用して人のバランス能力を補助する。ここで、反力トルクとは、フライホイールから胴体が受けるトルクを意味する。以下、フライホイールの回転速度変化によって生じる反力トルクを単に「反力トルク」と称する。また、上記のバランス装置は、傾斜角とフライホイールの回転速度変化との関係を適宜に変更することによって、人のバランス能力向上のための訓練装置として利用することができる。上記のバランス装置は、胴体の傾斜角を基準方向に戻す向きの反力トルクを発生するように制御すればバランス補助装置として機能する。他方、上記のバランス装置は、胴体の傾斜角を増大する向き（基準方向から離れる向き）の反力トルクを発生するように制御すればバランス訓練装置として機能する。
【０００９】
１個のフライホイールを有するバランス装置の場合、傾斜角の方向とフライホイールの回転方向と反力トルクの方向の関係は次の通りである。フライホイールの回転軸と交差する面内での胴体の傾斜角を仮定する。胴体が基準方向から時計回り方向に傾斜している場合、フライホイールの時計回り方向の回転速度を増加すると、胴体に反時計回り方向の反力トルク、即ち、胴体の傾斜角を基準方向に回復する向きの反力トルクが発生する。複数のフライホイールを有する場合は、各フライホイールが発生する反力トルクの合成トルクが、胴体の傾斜角を基準方向へ戻す方向に作用するように各フライホイールの回転速度を変化させる。合成トルクの向きや大きさは、各フライホイールの幾何学的配置によって定まる。
【００１０】
上記のバランス装置をバランス能力の補助装置として用いる一つの実施形態を説明する。バランス装置のコントローラは、傾斜角が基準方向を含む予め定められた第１範囲内にあるときには、反力トルクが予め定められた反力閾値以下となるようにフライホイールの回転速度を制御し、傾斜角が第１範囲外を超えた場合に、反力トルクが反力閾値以上で傾斜角を基準方向に戻す方向に生じるようにフライホイールの回転速度を変化させる。
【００１１】
１個のフライホイールを有するバランス装置の場合、コントローラは、傾斜角が第１範囲外にある場合、傾斜方向と同じ回転方向に回転速度を増加させるようにフライホイールを制御する。フライホイールのそのような回転角速度（回転速度の変化）は、胴体の傾斜角を基準方向に戻す方向に作用する反力トルクを発生する。
【００１２】
上記のバランス装置をバランス補助装置として用いる他の実施形態では、コントローラは、傾斜角が増大している場合に、反力トルクが反力閾値以上で傾斜角を基準方向に戻す方向に生じるようにフライホイールの回転速度を変化させ、傾斜角が減少している場合は反力トルクが反力閾値以下となるようにフライホイールの回転速度を制御する。
【００１３】
前者の場合は、傾斜角の基準方向からのずれが大きくなった場合に、傾斜角を基準方向に戻す方向の反力トルクが胴体に加えられる。後者の場合は、胴体の傾斜角が増大している場合に、傾斜角を基準方向に戻す方向の反力トルクが胴体に加えられる。そのような動作によって、バランス装置は人のバランス能力を補助する。いずれの場合も、反力閾値は、人のバランスに影響を与えないような小さな値に予め設定される。反力閾値は実質的にゼロであることが好ましい。
【００１４】
検出される傾斜角の範囲の条件と、傾斜角の変化方向の条件を組み合わせてフライホイールの回転速度を変更するように構成することも好適である。例えば、コントローラは、以下の３つの条件の下でフライホイールの回転速度を変化させることが好ましい。（条件１）傾斜角が第１範囲内にある場合、傾斜角の変化にかかわらずに反力トルクが反力閾値以下となるようにフライホイールの回転速度を制御する。（条件２）傾斜角が第１範囲外にあり、かつ、傾斜角が増大している場合、反力トルクが反力閾値以上で傾斜角を基準方向に戻す方向に生じるようにフライホイールの回転速度を変化させる。（条件３）傾斜角が第１範囲外にあり、かつ、傾斜角が減少している場合、反力トルクが反力閾値以下となるようにフライホイールの回転速度を変化させる。
【００１５】
上記３つの条件の意味を説明する。傾斜角が第１範囲内にある場合、ユーザがバランスを維持しているので、反力トルクは必要ない（条件１）。傾斜角が減少しているということは、ユーザが自力でバランスを回復していることを示しているので、傾斜角が第１範囲外であっても反力トルクは必要ない（条件３）。傾斜角が第１範囲外であり、かつ、傾斜角が増大している場合だけ、ユーザがバランスを回復できない可能性が高いので、反力トルクによってバランス回復を補助する（条件２）。このように、検出される傾斜角の範囲の条件と傾斜角の変化方向の条件を組み合わせることによって、一層適切にバランス回復の補助が可能となる。
【００１６】
本明細書が開示する新規な技術の一実施形態では、コントローラは、反力トルクが反力閾値以下となるようにフライホイールの回転速度を制御しながら、フライホイールの回転速度をゼロまで低下させることが好ましい。そのような構成のバランス装置は、胴体の傾斜角が鉛直に近い場合に、別言すればユーザがバランスを維持している場合に、フライホイールの回転速度をゼロまで低下させる。そのようなバランス装置は、ユーザがバランスを維持している間にフライホイールの回転が止まればジャイロ効果が生じることがなく、胴体がふらついたときに無用なジャイロトルクを与えることがない。また、フライホイールの回転速度をゼロまで低下させることによって、回転数の飽和を防止することができる。なお、ジャイロトルクとは、回転しているフライホイールの軸線を変化させることに起因して生じるトルクである。ジャイロトルクは、一定速度で回転しているフライホイールであっても生じ得る。
【００１７】
コントローラは、フライホイールのメカニカルな摩擦抵抗によって回転速度をゼロまで低下させてもよい。そのようなバランス装置は、電力消費抑制することができる。
【００１８】
上記のバランス装置をバランス能力向上の訓練装置として用いる一つの実施形態を説明する。コントローラは、傾斜角が基準方向を含む予め定められた第２範囲内にあるときには、反力トルクが傾斜角を増大させる方向に生じるようにフライホイールの回転速度を変化させる。またコントローラは、傾斜角が第２範囲の外側の第３範囲内にあるときには、反力トルクが反力閾値以下となるようにフライホイールの回転速度を制御する。
【００１９】
上記のバランス装置は、胴体の向きが基準方向に近い場合、別言すればユーザがバランスを維持しているときに、胴体の傾斜角を増大させる方向の反力トルクを加える。バランス装置のユーザは、反力トルクに抗してバランスを維持しようと試みる。そのような動作を繰り返すことによって、ユーザのバランス能力が訓練される。
【００２０】
さらに上記バランス装置のコントローラは、傾斜角が第３範囲よりも大きい場合に、反力トルクが反力閾値以上で傾斜角を基準方向に戻す方向に生じるようにフライホイールの回転速度を変化させることが好ましい。そのようなバランス装置は、訓練中であっても胴体が大きく傾いた場合にはユーザのバランス能力を補助し、ユーザの傾斜角を速やかに回復させることができる。
【００２１】
コントローラは傾斜角が第３範囲内にあるときには、反力トルクが反力閾値以下となるようにフライホイールの回転速度を制御しながら、フライホイールの回転速度をゼロまで低下させることも好ましい。フライホイールの回転速度をゼロまで減じることで、無用なジャイロトルクの発生を抑制することができる。コントローラは、フライホイールのメカニカルな摩擦抵抗によって回転速度をゼロまで低下させてもよい。そのようなバランス装置は、消費電力を抑制できる。
【００２２】
１個のフライホイールを有するバランス装置は、１軸回りの傾斜角の変化に対応することができる。軸線が非平行の２つのフライホイールを有するバランス装置は、２軸周りの傾斜角に対応することができる。特殊な相互関係で配置された３つのフライホイールを有するバランス装置は、胴体のヨー軸に交差する２軸回りの傾斜角の変化と、ヨー軸回りの胴体の旋回角の変化に対応することができる。「特殊は相互関係」とは、３個のフライホイールの夫々の軸線が互いに非平行であるとともに３本の軸線が一平面上に配置されていない関係に相当する。そのような特殊な相互関係を有するバランス装置は、胴体の傾斜角のみならず旋回角についてもユーザの能力を補助／訓練することができる。
【００２３】
バランス装置の上記した機能は、典型的には、バランス装置のコントローラに実装されるプログラムによって実現されてよい。
【発明の効果】
【００２４】
本明細書が開示する一つの新規な技術によれば、人のバランス能力を補助する装置、或いは、バランス能力向上のための訓練装置を提供することができる。特に、上記した所定の場合にフライホイールの回転速度をゼロにまで低下させるように構成したバランス装置は、無用なジャイロトルクをユーザに与えることがない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施例のバランス装置の模式的３面図である。
【図２】バランス装置のブロック図である。
【図３】コントローラのハードウエア構成を示す図である。
【図４】バランス補助装置としての動作を説明する模式図である。
【図５】バランス装置が実行する処理のフローチャートである。
【図６】バランス訓練装置としての動作を説明する模式図である。
【図７】第２実施例のバランス装置の模式的斜視図である。
【図８】第２実施例のバランス装置の模式的平面図である。
【図９】第２実施例のバランス装置の模式的部分側面図である。
【図１０】第３実施例のバランス装置の模式的平面図である。
【実施例１】
【００２６】
図面を参照して第１実施例のバランス装置１０を説明する。バランス装置１０は、胴体の傾斜角を鉛直方向に回復するユーザの動作を補助する。バランス装置１０は、ユーザの胴体（腰）に取り付けるためのコルセット１２とフライホイール２０を備えている。フライホイール２０は、バランス装置１０をユーザＨが装着したときにユーザＨの背面に位置する。
【００２７】
図１に、ユーザＨが装着したときのバランス装置１０の３面図を示す。図１（Ａ）は正面図を示しており、図１（Ｂ）は側面図を示しており、図１（Ｃ）は平面図を示している。なお、図１（Ｃ）では、ユーザＨを楕円で模式化して描いている。また、フライホイール２０はユーザＨの背面側に位置するため、図１（Ａ）はユーザＨの背面が描かれている。
【００２８】
以後の説明で用いる座標系を説明する。ユーザＨの前方がＸ軸に相当し、ユーザＨの側方がＹ軸に相当し、Ｘ軸とＹ軸に直交する方向がＺ軸に相当する。ロボット工学においては、そのようなＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、それぞれロール軸、ピッチ軸、及びヨー軸と呼ばれる。本明細書でも主に、ロール軸、ピッチ軸、及びヨー軸との呼称を用いる。ヨー軸は、胴体の長手方向に一致する。より具体的には、ヨー軸は、胴体の中心を通り胴体の長手方向に伸びる直線に相当する。
【００２９】
コルセット１２にはモータ１４が取り付けられている。そのモータ１４がフライホイール２０を回転させる。なお、フライホイール２０は、カバーに覆われている。フライホイール２０は、ユーザＨがバランス装置１０を装着したときに、その回転軸線ｓがユーザＨの胴体のヨー軸と交差するように配置されている。以下、回転軸線ｓを単に軸線ｓと称する。本実施例のバランス装置１０の場合、フライホイール２０の軸線ｓは、ユーザＨのロール軸方向に沿って伸びる。
【００３０】
なお、フライホイール２０は、ユーザＨがバランス装置１０を装着したときに、その回転軸線ｓがヨー軸と非平行となるように配置されていればよい。そのような配置によって、バランス装置は、ヨー軸と交差する直線周りに反力トルクを発生することができ、傾斜角を補助することができる。
【００３１】
さらにコルセット１２には、コントローラ１６とバッテリ１７と傾斜角センサ１８が内蔵されている。傾斜角センサ１８は、基準方向に対するコルセット１２の傾斜角、即ちユーザＨの胴体の傾斜角を計測する。基準方向は、バランス装置１０を所望の方向に向けておきながら、傾斜角センサ１８が傾斜角ゼロを出力するように傾斜角センサ１８をリセットすることによって定まる。以下では、バランス装置１０をユーザが装着し、ユーザの胴体のヨー軸が鉛直方向に一致したときに、傾斜角センサ１８をリセットする。即ち本実施例では、胴体のヨー軸が鉛直方向に一致している場合が傾斜角ゼロに相当する。別言すれば、傾斜角は、鉛直線とヨー軸との間の角度に相当する。コントローラ１６は、傾斜角センサ１８によって検出される傾斜角に基づいてフライホイール２０の回転速度を制御する。バッテリ１７は、コントローラ１６、傾斜角センサ１８、及びモータ１４に電力を供給する。
【００３２】
図２に、バランス装置１０のブロック図を示す。コントローラ１６は、詳細には、上位コントローラ１６ａとサーボコントローラ１６ｂを含む。上位コントローラ１６ａは、傾斜角センサ１８が出力する傾斜角θと、エンコーダ１５によって計測されるモータ１４の回転数（回転速度）に基づいて、所望の反力トルク「−Ｔ」を発生するようにモータ１４への指令回転数ｎ（ｒｐｍ）をサーボコントローラ１６ｂに出力する。ここで、反力トルク「−Ｔ」を発生するには、モータ１４がトルクＴでフライホイール２０の回転を加速すればよい。モータ１４への指令回転数ｎを変化させることによって、モータ１４がトルクを発生する。モータ１４がフライホイール２０にトルクＴを加えると、反力トルク「−Ｔ」がモータ１４を介してユーザＨに加わる。反力トルクについては後に詳しく説明する。サーボコントローラ１６ｂは、モータ１４の回転数が指令された回転数ｎに追従するようにモータ１４をフィードバック制御する。サーボコントローラ１６ｂは、回転数ｎと電流ｉの２重のフィードバックループでモータ１４を制御する。
【００３３】
図３にコントローラ１６のハードウエア構成の一実施形態を示す。コントローラ１６は、ＣＰＵ３１、メモリ３２、ＤＡ変換器３３、パルスカウンタ３４、及び、ＲＳ２３２Ｃ回路３５（シリアル通信回路）を備える。ＤＡ変換器３３、パルスカウンタ３４、及び、ＲＳ２３２Ｃ回路３５は、ＰＣＩバスによってＣＰＵ３１と接続されている。メモリ３２には、ＣＰＵ３１が実行するプログラム、及び、反力閾値（後述）などのパラメータが記憶されている。ＤＡ変換器３３は、サーボコントローラ１６ｂへ回転数指令値を送信する。この実施例では、サーボコントローラ１６ｂは、入出力がアナログ信号であるため、ＤＡ変換器３３が、ＣＰＵ３１が算出した指令値のデジタル値をアナログ値に変換して出力する。パルスカウンタ３４は、エンコーダ１５が出力するパルスを係数する。エンコーダ１５が出力するパルスが、モータ１４の回転数（即ちフライホイールの回転数）に相当する。ＲＳ２３２Ｃ回路３５は、傾斜センサ１８が出力するデータを受信し、ＣＰＵ３１へ送る。良く知られているように、ＲＳ２３２Ｃは、米国のＥＩＡ（Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ａｌｌｉａｎｃｅ）が制定したシリアル通信の規格である。
【００３４】
バランス装置１０の動作概要を説明する。モータ１４がフライホイール２０の回転を加速（減速）すると、モータ１４がフライホイール２０に加えるトルクの反力トルクがユーザＨに加わる。フライホイール２０の軸線ｓはロール軸方向に伸びているので、反力トルクはロール軸回りに加わる。即ち、このバランス装置１０は、フライホイール２０の回転速度を変化させることによって、ユーザＨにロール軸回りのトルク（フライホイール２０の反力トルク）を加えることができる。バランス装置１０は、フライホイール２０の制御ルールを適宜に選択することによって、ユーザＨの胴体のロール軸（Ｘ軸）回りの傾斜角を減少させる方向に反力トルクを加えることもできれば、傾斜角を増大させる方向に反力トルクを加えることもできる。前者の場合、バランス装置１０はユーザの胴体のヨー軸を鉛直方向に戻すバランス補助装置として機能する。後者の場合、バランス装置１０はユーザのバランス能力向上のための訓練装置として機能する。
【００３５】
図４を参照して、バランス補助装置としてのバランス装置１０の動作を説明する。図４は、ユーザＨを模式的に線で表している。Ｈ１はユーザＨの脚に相当し、Ｈ２は腰に相当し、Ｈ３及びＨ４は胴体に相当する。Ｈ４は、胴体のヨー軸（長手方向）が鉛直方向に沿っている場合を示しており、Ｈ３は、ヨー軸が鉛直方向から角度θだけ傾いている場合を示している。角度θが胴体の傾斜角θに相当する。
【００３６】
符号「Ｐ１」は、ロール軸（Ｘ軸）周りの角度範囲を示している。第１範囲Ｐ１は、鉛直方向を含む。第１範囲Ｐ１は、ユーザＨが自力でバランスを維持することができる角度範囲に設定される。第１範囲Ｐ１は、予め定められており、コントローラ１６に記憶されている。第１範囲Ｐ１は、例えば鉛直から両側に２度づつ、トータルで４度に設定される。
【００３７】
バランス装置１０は、ユーザＨの胴体の傾斜角θが第１範囲Ｐ１を超えた場合に、反力トルクが傾斜角θを鉛直に戻す方向に生じるようにフライホイール２０の回転速度を制御する。なお、フライホイール２０の慣性モーメントと角加速度を夫々符号Ｉｗ、ｄｗで表すと、モータ１４がフライホイール２０に加えるトルクＴは、Ｔ＝Ｉｗ・ｄｗで表される。モータ１４が加えるトルクＴの逆向きのトルクがユーザＨに加わるので、図４では反力トルクは「−Ｔ」で表されている。図４に示すように、時計回りの角加速度ｄｗが加わるとき、反時計回りの反力トルク「−Ｔ」が発生する。即ち、バランス装置１０のコントローラ１６は、モータがトルクＴを出力するとき、反力トルク「−Ｔ」を発生することができる。
【００３８】
傾斜角θに応じてモータ１４に発生させるべきトルクＴを決定する制御ルールは次の（数１）で与えられる。
【００３９】
【数１】
【００４０】
符号Ｋｄは制御ゲインを表している。符号ｄθは、フライホイール２０の回転速度を示している。（数１）を、フライホイール２０の角加速度目標値ｄｗを決定する制御ルールに変換すると、次の（数２）となる。
【００４１】
【数２】
【００４２】
コントローラ１６は、（数２）で定まる角加速度目標値ｄｗでフライホイール２０の回転速度を変更する。
【００４３】
（数１）と（数２）の制御ルールにおいて、条件１は、傾斜角θが第１範囲Ｐ１内にある場合を示している。コントローラ１６は、条件１が成立するとき、角加速度ｄｗ＝ゼロ、即ち、反力トルクがゼロとなるようにフライホイール２０を制御する。条件２は、傾斜角θが第１範囲Ｐ１を超えた場合を示している。コントローラ１６は、胴体の傾斜角速度ｄθに比例する大きさの反力トルク「−Ｔ＝Ｋｄ・ｄθ」が生じるようにフライホイール２０を制御する。反力トルク「−Ｔ」は前述したように、傾斜角θを鉛直に戻す方向に発生する。従って別言すれば、コントローラ１６は、傾斜角θが第１範囲Ｐ１を超えた場合には、反力トルクが傾斜角θを鉛直方向に戻す方向に生じるようにフライホイールの回転速度を変化させる。なお、傾斜角速度ｄθは、センサ１８によって得られる傾斜角θの時間差分から得られる。
【００４４】
（数２）の制御ルールを採用した場合、バランス装置１０のコントローラ１６は、胴体の傾斜角θが第１範囲Ｐ１内にあるときには、反力トルクがゼロとなるようにフライホイール２０の回転速度を制御する。他方、コントローラ１６は、傾斜角θが第１範囲Ｐ１を超えた場合に、反力トルクが傾斜角θを鉛直方向に戻す方向に生じるようにフライホイール２０の回転速度を変化させる。そのような制御ルールによって、バランス装置１０は、ユーザ胴体のロール軸回りの傾斜角θを鉛直方向に回復するトルクを与える。
【００４５】
（数２）の代替制御ルールを説明する。バランス装置１０は、（数２）に代えて次の（数３）の制御ルールを採用してもよい。
【００４６】
【数３】
【００４７】
（数３）の制御ルールは、条件３が（数２）の場合と異なる。θ・ｄθ＞０は、θ＞０かつｄθ＞０、と、θ＜０かつｄθ＜０を意味している。角度θの正負は、図４に示す座標系で定まる。条件３は、傾斜角θが増大していることを示している。別言すれば、条件３は、傾斜角θが倒れていくことを示している。即ち、（数３）の制御ルールを採用した場合、コントローラ１６は、傾斜角θが増大している場合に、フライホイール２０の回転速度変化によって生じる反力トルクが傾斜角θを鉛直方向に戻す方向に生じるようにフライホイール２０の回転速度を変化させる。またコントローラ１６は、傾斜角が減少している場合は、反力トルクがゼロとなるようにフライホイールの回転速度を制御する。
【００４８】
（数３）の制御ルールを採用した場合、バランス装置１０は、傾斜角θの大きさに関わらずに、傾斜角θが増大している場合に傾斜角θを鉛直に戻す方向の反力トルクを与える。
【００４９】
（数２）のさらに他の代替制御ルールを説明する。バランス装置１０は、（数２）に代えて次の（数４）の制御ルールを採用してもよい。
【００５０】
【数４】
【００５１】
（数４）の制御ルールにおける条件１と条件２は（数２）の場合と同じである。（数４）の制御ルールに基づくコントローラ１６の処理を図５に示す。図５のフローチャートにおいて、傾斜角θと角加速度ｄｗの正負の向きは、図４に示すロール軸（Ｘ軸）を基準とする。即ち、傾斜角θの正の向きは、図４の反時計回り方向に相当する。角加速度ｄｗの正の向きも、反時計回り方向に相当する。
【００５２】
コントローラ１６は、傾斜角センサ１８から、胴体の傾斜角θを取得する（Ｓ２）。コントローラ１６は、傾斜角θが第１角度範囲Ｐ１内であるか否かを判定する（Ｓ４）。傾斜角θが第１角度範囲Ｐ１内であるとき（Ｓ４：ＹＥＳ）、コントローラ１６は、フライホイール２０の回転速度をゼロまで低下させる（Ｓ６）。（数４）と図５において、Ｔｍｉｎは、反力閾値を示す。即ち、コントローラ１６は、傾斜角θが第１範囲Ｐ１内にあるときには、フライホイール２０の回転速度変化によって生じる反力トルクＴが予め定められた反力閾値Ｔｍｉｎ以下となるようにフライホイール２０の回転速度を制御する。反力閾値Ｔｍｉｎは、反力トルクがユーザに影響を与えないように小さな値に設定される。コントローラ１６は、ｄｗ（絶対値）＜（Ｔｍｉｎ／Ｉｗ）の条件を満たしつつ、フライホイール２０の回転速度を停止するように回転速度を制御することが好ましい。即ちバランス装置１０は、傾斜角θが第１範囲Ｐ１内にあるとき、すなわち、ユーザが胴体のバランスを保っている間に、フライホイール２０の回転速度をゼロまで下げる。フライホイール２０の回転速度をゼロまで下げることによって、バランス装置１０がユーザに不要なトルクを加えることがない。回転しているフライホイールの軸線の向きが変化することによって生じるジャイロトルクが、「不要なトルク」に相当する。
【００５３】
他方、傾斜角θが第１角度範囲Ｐ１外であるとき（Ｓ４：ＮＯ）、コントローラ１６は、傾斜角θの向きに応じて、フライホイール２０の角加速度を制御する（Ｓ８）。傾斜角θ＞０の場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、コントローラ１６は、正の角加速度でフライホイール２０の回転速度を変化させる（Ｓ１０）。傾斜角θ＜０の場合（Ｓ８：ＮＯ）、コントローラ１６は、負の角加速度でフライホイール２０の回転速度を変化させる（Ｓ１２）。図５のステップＳ１０とＳ１２では、条件を簡略化して示している。ステップＳ１０とＳ１２におけるｄｗの条件は、上記した条件２に相当することに留意されたい。即ち、ステップＳ１０とＳ１２では、反力トルクＴの大きさが反力閾値Ｔｍｉｎよりも大きくなるようにフライホイール２０の角加速度ｄｗを決定する。ステップＳ１０とＳ１２の処理は、傾斜角θが第１範囲Ｐ１を超えた場合に、反力トルクが反力閾値Ｔｍｉｎ以上で傾斜角θを鉛直方向に戻す方向に生じるようにフライホイールの回転速度を変化させることに相当する。図５の処理は、コントローラ１６に実装されたプログラムによって実現される。
【００５４】
（数２）の制御ルールは、（数４）の制御ルールにおいてＴｍｉｎ＝０の場合に相当する。また、（数４）の制御ルールで導入した反力閾値Ｔｍｉｎは、（数３）の制御ルールに適用することも好適である。その場合、コントローラ１６は、傾斜角θが増大していく場合に、反力トルクが反力閾値Ｔｍｉｎ以上で傾斜角θを鉛直方向に戻す方向に生じるようにフライホイールの回転速度を変化させる。またコントローラ１６は、傾斜角θが減少していく場合は反力トルクが反力閾値Ｔｍｉｎ以下となるようにフライホイールの回転速度を制御する。特に、傾斜角θが減少していく場合、コントローラ１６は、ｄｗ（絶対値）＜（Ｔｍｉｎ／Ｉｗ）の条件を満たしつつ、フライホイール２０の回転速度を停止するように回転速度を制御することが好ましい。その場合の利点は、前述した通りである。
【００５５】
（数２）のさらに他の代替制御ルールを説明する。バランス装置１０は、（数２）に代えて、次の（数５）の制御ルールを採用してもよい。
【００５６】
【数５】
【００５７】
（数５）の制御ルールは、（数２）が表す傾斜角の範囲に依存した条件と、（数３）が示す傾斜角の変化方向に依存した条件を組み合わせている。条件１は、（数２）の制御ルールの場合と同じである。この制御ルールにおける条件１は、傾斜角が第１範囲Ｐ１内にある場合は、傾斜角θの変化方向にかかわらずに反力トルクが反力閾値以下となるようにフライホイールの回転速度を制御することを表している。傾斜角θが第１範囲Ｐ１内であれば、ユーザは自力でバランスを回復できる可能性が高いので、バランス装置１０は、反力トルクを出力しない。
【００５８】
条件５は、傾斜角θが第１範囲Ｐ１外にあり、かつ、傾斜角θが増大している場合、コントローラ１６は、反力トルクが反力閾値Ｔｍｉｎ以上で傾斜角θを鉛直方向に戻す方向に生じるようにフライホイール２０の回転速度を変化させる。条件５は、ユーザが自力ではバランスを回復することができない可能性が高いことを示している。そのような場合は、バランス装置１０が、バランスを回復するのを補助する反力トルクを発生する。
【００５９】
傾斜角θが減少している場合、ユーザが自力でバランスを回復していることを示しているので、傾斜角θが第１範囲外であっても、バランス装置１０は反力トルクを発生しない（条件６）。（数５）の制御ルールを採用するバランス装置１０は、ユーザが自力ではバランスの回復が困難である可能性が高いときにだけ、反力トルクを出力する。
【００６０】
バランス装置１０は、モータ１４とフライホイール２０のメカニカルな摩擦抵抗によってフライホイール２０の回転速度をゼロまで下げることも好適である。動力を使わずに回転速度をゼロまで下げることによって、電力消費を抑えることができる。
【００６１】
次に、図６を参照して、バランス訓練装置としてのバランス装置１０の動作を説明する。バランス訓練装置は、胴体の傾斜角θをユーザＨが自力で鉛直付近に維持している間に、意図的に外乱トルクを与える。傾斜角θを増大させる方向の反力トルクが、「外乱トルク」に相当する。ユーザは、外乱トルクに抗して傾斜角θを回復しようと試みる。その試みが、バランス能力を向上させる訓練に相当する。
【００６２】
図６における符号Ｐ２、Ｐ３、及びＰ４は、ロール軸回りの角度範囲を示している。第２範囲Ｐ２は、鉛直方向を含む。第２範囲Ｐ２は、ユーザＨが自力で安定して立っていることのできる角度範囲に設定される。符号Ｐ３は、第２範囲Ｐ２の境界の外側に設定された角度範囲（第３範囲）を示している。符号Ｐ４は、第３範囲Ｐ３よりも傾斜角が大きい範囲（第４範囲）を示している。
【００６３】
バランス訓練装置としてバランス装置１０が実行する制御ルールを（数６）に示す。
【数６】
【００６４】
ここで、「ｓｇｎ（θ）」は、傾斜角θの正負を表す関数である。図６に示すように、傾斜角θが正値の場合、コントローラ１６は、ロール軸（Ｘ軸）の負の方向（反時計回り）にフライホイール２０を加速させる。その結果、反力トルクは時計回り、即ち、傾斜角θを増大させる方向となる。コントローラ１６は、条件７が成立する場合、即ち、傾斜角θが第２範囲Ｐ２内にあるとき、反力トルクが反力閾値以上で傾斜角θを増大させる向きに生じるようにフライホイール２０の回転速度を変化させる。そうすると、ユーザに外乱トルクが加えられ、傾斜角θが乱れる。ユーザは傾斜角θを鉛直方向に回復させようと試みる。その試みがバランス能力を向上させる訓練である。
【００６５】
なお、条件７成立時の「ｓｇｎ（θ）ｃｏｓ（θ）」の項は、一例であり、「ｓｇｎ（θ）ｃｏｓ（θ）」に代えて、例えば、定数や傾斜角θを採用してもよい。
【００６６】
条件８が成立する場合、即ち、傾斜角θが第２範囲の外側の第３範囲内にあるときには、コントローラ１６は、反力トルクが反力閾値Ｔｍｉｎ以下となるようにフライホイール２０の回転速度を制御する。バランス装置１０は不要な反力トルクをユーザに与えない。ユーザは、自らの力で傾斜角θを鉛直方向へ回復させようと試みる。
【００６７】
条件８が成立する場合、コントローラ１６は、ｄｗ（絶対値）＜（Ｔｍｉｎ／Ｉｗ）の条件を満たしつつ、フライホイール２０の回転速度を停止するように回転速度を制御することが好ましい。フライホイール２０の回転が停止すれば、ジャイロトルクが発生することがなく、不要なトルクがユーザに加わらない。さらに、メカニカルな摩擦抵抗によって回転速度を減じれば、消費電力を抑えることができる。
【００６８】
条件９が成立する場合、即ち、傾斜角θが第３範囲を超えて大きくなった場合、コントローラ１６は、反力トルクが反力閾値Ｔｍｉｎ以上で傾斜角θを鉛直方向に戻す方向に生じるようにフライホイール２０の回転速度を変化させる。即ち、バランス装置１０は、傾斜角θが第３範囲を超えて大きくなった場合、バランス回復を補助する。
【００６９】
（数６）の制御ルールにおいて反力閾値Ｔｍｉｎをゼロに設定してもよい。（数６）の制御ルールよりもさらにきめ細かい代替制御ルールを（数７）に示す。
【００７０】
【数７】
【００７１】
条件１０における「θ・ｄθ≧０」の条件は、傾斜角θが増大している場合を表す。即ち、傾斜角θが第２範囲Ｐ２内にあり、傾斜角θが増大している場合、バランス装置１０は、傾斜角θを増大させる方向の反力トルク（外乱トルク）を発生する。なお、第２範囲Ｐ２は、胴体の傾斜角θが鉛直に近く、上体のバランスが安定する範囲に予め定められる。
【００７２】
条件１１が成立する場合、即ち、傾斜角θが第２範囲内で減少している場合（即ちユーザが傾斜角を鉛直に戻そうとしている場合）、及び、傾斜角θが第３範囲内にあるときには、バランス装置１０は反力トルクを発生しない。
【００７３】
条件１２が成立する場合、即ち、傾斜角θが第４範囲Ｐ４内であり傾斜角θが増加している場合、バランス装置１０は傾斜角θを鉛直方向に戻す方向の反力トルクを発生する。上記以外の場合（条件１３）、バランス装置１０は反力トルクを発生しない。（数７）の制御ルールを採用することによって、効果的なバランス訓練が可能となる。
【実施例２】
【００７４】
次に、第２実施例のバランス装置２００を説明する。図７は、ユーザＨに装着されたバランス装置２００の模式的斜視図を示す。バランス装置２００は、３個のフライホイール２０ａ、２０ｂ、及び２０ｃを備える。３個のフライホイールは、コルセット１２によってユーザに装着される。フライホイール２０ｂはユーザＨの後方に配置され、残りのフライホイールは、ユーザＨの前方左右にそれぞれ配置される。後述するように、３個のフライホイールは、夫々のフライホイールの軸線が互いに非平行であるとともに３本の軸線が一平面上に位置しないように配置されている。そのように配置することによってバランス装置２００は、３軸夫々の周りに独立に反力トルクを発生することができる。このバランス装置２００は、ロール軸周りとピッチ軸周りの傾斜角の回復補助ができるだけなく、胴体のヨー軸回りにも所望のヨー角へ胴体を向ける補助を行うことができる。或いはそのようなバランス装置２００は、ロール軸周りとピッチ軸周りの傾斜角のバランス訓練を提供するだけなく、胴体のヨー軸回りのバランス訓練も提供することができる。
【００７５】
図８と図９を参照して、バランス装置２００が発生することのできる反力トルクについて説明する。図８は、バランス装置２００の模式的平面図である。第１実施例のバランス装置１０と同様に、第２実施例のバランス装置２００も、フライホイールを保持するコルセット１２に傾斜角を計測するセンサ１８とコントローラ１６が内蔵されている。コルセット１２には、モータ１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃを介して３個のフライホイール２０ａ、２０ｂ、２０ｃが取り付けられている。図中の符号ｓ１、ｓ２、及びｓ３は、各フライホイールの回転軸線を示す。フライホイール２０ｂはユーザＨの後方に配置されている。残りのフライホイール２０ａ、２０ｃは、平面視において方位角αでロール軸（Ｘ軸）の両側に取り付けられている。方位角αは、ＸＹ平面におけるロール軸（Ｘ軸）と軸線の間の角度を意味する。平面視において、３本の回転軸線ｓ１、ｓ２、及びｓ３はユーザの胴体内の略中央で交差する。
【００７６】
図９は、ＸＺ平面におけるフライホイール２０ｂの取り付け角度を示している。フライホイール２０ｂは、ＸＺ平面においてロール軸（Ｘ軸）から仰角βだけ下方に傾けて取り付けられている。他の２個のフライホイールも同様に仰角βで取り付けられている。即ち、３個のフライホイールは、夫々のフライホイールの軸線が互いに非平行であるとともに３本の軸線が一平面上に位置しないように配置されている。
【００７７】
ＸＹＺ座標系における３本の回転軸線ｓ１、ｓ２、及びｓ３の向きは、次の（数８）で与えられる。なお、（数８）におけるｓ１、ｓ２、及びｓ３は、回転軸線の向きを表す単位ベクトルである。
【００７８】
【数８】
【００７９】
Ｒ（α、β）は、ヨー軸（Ｚ軸）周りの角度αの回転変換とピッチ軸（Ｙ軸）周りの角度βの回転変化の積を意味する関数である。回転変換の関数は良く知られている。
【００８０】
夫々のフライホイールが発生する反力トルクをＴ１、Ｔ２、及びＴ３とすると、それら反力トルクの合成反力トルクＴｄはＴｄ＝Ｔ１・ｓ１＋Ｔ２・ｓ２＋Ｔ３・ｓ３で表される。ここでも、ｓ１、ｓ２、及びｓ３は上述した単位ベクトルである。発明者らは、方位角αと仰角βと各軸回り発生する反力トルクの関係を調べた。合成反力トルクＴｄをロール軸周りの分力トルクＴｘ、ピッチ軸周りの分力トルクＴｙ、及びヨー軸回りの分力トルクＴｚに分解して調査した。その結果、以下の知見を得た。
【００８１】
ピッチ軸周りのトルクＴｙが最大となるとき、方位角αと仰角βに依存せずに、トルクＴｘとＴｙはゼロである。ヨー軸回りのトルクＴｚが最大となるとき、方位角αと仰角βに依存せずに、トルクＴｙはゼロである。このとき、トルクＴｘは、方位角αに依存する。方位角α＝６０度のとき、Ｔｘはほぼゼロである。ロール軸回りのトルクＴｘが最大となるとき、方位角αと仰角βに依存せずに、トルクＴｙはゼロである。このとき、トルクＴｚは方位角αと仰角βに依存する。仰角β＝０度のとき、Ｔｚはほぼゼロである。仰角βが増加すると、トルクＴｘ、Ｔｙは減少するが、トルクＴｚは増大する。
【００８２】
上記の調査から、方位角α＝６０度を採用し、仰角βを可変とすることで、任意の軸回りに反力トルクを発生させることが可能であることが判明した。なお、図８と図９に示すバランス装置２００は、方位角α＝６０度を採用している。
【実施例３】
【００８３】
第３実施例のバランス装置３００を図１０に示す。バランス装置３００は、第２実施例のバランス装置２００の変形例である。図１０のバランス装置３００は、１個のフライホイール２０ｂをコルセット１２の後方（ユーザの後方）に配置し、残りの２個のフライホイール２０ａ、２０ｃを方位角α１２０度で配置している。図１０のバランス装置３００も、仰角βを可変とすることによって、任意の軸周りに反力トルクを発生させることができる。
【００８４】
バランス装置２００、３００は、３個のフライホイール２０ａ、２０ｂ、及び２０ｃが発生する反力トルクの合成トルクが、第１実施例の１個のフライホイール２０と同様の機能を果すように、各フライホイールの回転速度を制御する。即ち、このバランス装置２００をバランス補助装置として用いる場合、バランス装置２００、３００は、所定の条件の下、合成トルクが反力閾値以上で傾斜角を基準方向に戻す向きに作用するように各フライホイールの回転速度を制御する。他の条件では、バランス装置２００、３００は、合成トルクが閾値以下となるように各フライホイールの回転速度を制御する。具体的な制御ルール（回転速度を変化させる条件は）、第１実施例の場合と同様でよい。このバランス装置２００、３００をバランス訓練装置として用いる場合も、第１実施例で示したバランス訓練装置の場合と同様である。
【００８５】
実施例のバランス装置が有する他の技術的特徴を列挙する。
（１）平面視したときに、３個のフライホイールが略１２０度間隔で胴体の周囲に配置されている。
（２）３個のフライホイールの回転軸線が、ユーザがバランス装置を装着したときにユーザの胴体内部の略一点で交わるように３個のフライホイールが配置されている。
（３）コントローラは、胴体が傾いていくときの傾斜角速度が大きいほどフライホイールの回転角速度を大きくする。
【００８６】
上記説明したバランス装置についての留意点を以下に述べる。発明者らが試験的に作成したバランス装置の緒元を示しておく。フライホイール２０は、直径が概ね３０ｃｍであり、質量は概ね１．５ｋｇである。モータ１４は、ブラシレスモータを用いた。モータの出力は６０Ｗであり、最大出力トルクは９Ｎｍである。最大回転数は２０００ｒｐｍである。ギア比は３：２である。そのようなバランス装置を用いて試験を行った結果、ユーザの傾斜角を回復する効果があることが確かめられた。
【００８７】
第１実施例のバランス装置１０では、軸線がロール軸方向を向くようにフライホイールが配置されている。バランス装置は、軸線がピッチ軸方向を向くようにフライホイールを配置してもよい。その場合は、胴体のピッチ軸周りの傾斜角に対して、バランス補助を提供することができる。或いは、そのようなバランス装置は、ピッチ軸周りのバランス訓練を提供することができる。
【００８８】
バランス装置は、ピッチ軸とロール軸が形成する平面内で互いの回転軸線が交差する２つのフライホイールを有していてもよい。そのように配置された２個のフライホイールは、ピッチ軸とロール軸が形成する平面内で任意の方向の直線周りの反力トルクを発生することができる。即ち、そのような２個のフライホイールを有するバランス装置は、ピッチ軸周りとロール軸回りの傾斜角に対して補助を行うことができ、或いは訓練を提供することができる。
【００８９】
傾斜角センサは、脚の各関節の角度を計測する角度センサと接地センサで代替することができる。接地している脚の各関節の角度から胴体の傾斜角を算出することができるからである。
【００９０】
反力閾値Ｔｍｉｎは、反力トルクがユーザに影響を与えないように小さな値に設定されればよい。反力閾値Ｔｍｉｎは、実質的にゼロであることが好ましい。コントローラ１６は、反力トルクが反力閾値Ｔｍｉｎ（実質的にゼロとみなせる小さな値）以下となることを満たしながら、フライホイール２０の回転速度を停止するように回転速度を制御することが好ましい。
【００９１】
実施例のバランス装置は、フライホイールの回転速度を検知し、所望の反力トルクを得るために回転速度をフィードバックするフィードバック制御を構成している（例えば図２参照）。モータは、電流制御によって所望のトルクを出力するように制御することもできる。本明細書が開示するバランス装置は、回転速度フィードバックを採用せずに、電流フィードバック制御によって所望の反力トルクを得るように構成することも好適である。なお、フライホイールの角加速度と出力トルク、及び、モータへの供給電流は比例関係にあるため、所望の反力トルクを出力する観点では、電流フィードバック制御は回転速度フィードバックと等価であることに留意されたい。
【００９２】
なお、回転速度フィードバックには、次の利点があることに留意されたい。回転速度フィードバックは、フライホイールの回転速度をゼロに維持する制御が可能である。回転速度フィードバックは、最大許容回転速度以下に抑える制御が可能である、
【００９３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００９４】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００９５】
１０：バランス装置
１２：コルセット
１４：モータ
１６：コントローラ
１８：傾斜角センサ
２０：フライホイール
２００、３００：バランス装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フライホイールを用いて人のバランス能力を補助する技術、或いはバランス能力向上のための訓練のための技術に関する。なお、本明細書において、「バランス能力」とは、典型的には、傾いた胴体を定められた基準方向に回復する能力を意味する。
【背景技術】
【０００２】
発明者らの知る限りにおいて、人のバランス能力を補助する装着型の装置は現在までほとんど研究されていない。なお、後述するように本明細書が開示する新規な技術はフライホイールを利用する。そこで、フライホイールを利用したロボット技術に関する２つの背景技術を以下に列挙する。
【０００３】
（１）特許文献１：特許文献１に開示されている脚式ロボットは、 胴体と脚の少なくとも一方にフライホイールを利用したコントロールモーメントジャイロを搭載している。その脚式ロボットは、コントロールモーメントジャイロによって胴体の姿勢を変化させる。
【０００４】
（２）特許文献２：特許文献２には、フライホイールを利用した歩行補助装置が開示されている。その歩行補助装置は、大腿に取り付ける第１装着部と下腿に取り付ける第２装着部を備える。夫々の装着部はフライホイールを有している。その歩行補助装置は、フライホイールの反力トルクを、脚の動作を補助するために利用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−９２０５号公報
【特許文献２】特開２００９−２５４７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
障害や怪我によってバランス能力が低下してしまうことがある。しかしながら、前述したように、発明者らの知る限りにおいて、人のバランス能力を補助する装着型の装置は、現在までほとんど研究されていない。バランス能力が低下した人のために、バランス能力を補助する装着型の装置が望まれている。なお、装着型のバランス補助装置は、バランス能力向上のための訓練装置にも用いることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する一つの技術は、人の胴体に装着されるバランス装置を提供する。このバランス装置は、センサと少なくとも１個のフライホイールとコントローラを備える。センサは、定められた基準方向に対する胴体の傾斜角を検出する。基準方向の一例は、鉛直方向である。基準方向は、バランス装置を所望の向きに傾け、センサが出力する傾斜角をゼロにリセットすることによって定めることができる。この場合、センサが傾斜角ゼロを出力するときのバランス装置の傾斜方向が基準方向に相当する。少なくとも１個のフライホイールは、人に装着されたときに、軸線が胴体のヨー軸と非平行となるようにバランス装置に配置されている。胴体のヨー軸とは、胴体の長手方向に相当する。また、ヨー軸は、人が直立したときに鉛直方向に一致する。コントローラは、センサによって検出される傾斜角に基づいてフライホイールの回転速度を変更する。
【０００８】
上記のバランス装置は、フライホイールの回転速度変化によって生じる反力トルクを利用して人のバランス能力を補助する。ここで、反力トルクとは、フライホイールから胴体が受けるトルクを意味する。以下、フライホイールの回転速度変化によって生じる反力トルクを単に「反力トルク」と称する。また、上記のバランス装置は、傾斜角とフライホイールの回転速度変化との関係を適宜に変更することによって、人のバランス能力向上のための訓練装置として利用することができる。上記のバランス装置は、胴体の傾斜角を基準方向に戻す向きの反力トルクを発生するように制御すればバランス補助装置として機能する。他方、上記のバランス装置は、胴体の傾斜角を増大する向き（基準方向から離れる向き）の反力トルクを発生するように制御すればバランス訓練装置として機能する。
【０００９】
１個のフライホイールを有するバランス装置の場合、傾斜角の方向とフライホイールの回転方向と反力トルクの方向の関係は次の通りである。フライホイールの回転軸と交差する面内での胴体の傾斜角を仮定する。胴体が基準方向から時計回り方向に傾斜している場合、フライホイールの時計回り方向の回転速度を増加すると、胴体に反時計回り方向の反力トルク、即ち、胴体の傾斜角を基準方向に回復する向きの反力トルクが発生する。複数のフライホイールを有する場合は、各フライホイールが発生する反力トルクの合成トルクが、胴体の傾斜角を基準方向へ戻す方向に作用するように各フライホイールの回転速度を変化させる。合成トルクの向きや大きさは、各フライホイールの幾何学的配置によって定まる。
【００１０】
上記のバランス装置をバランス能力の補助装置として用いる一つの実施形態を説明する。バランス装置のコントローラは、傾斜角が基準方向を含む予め定められた第１範囲内にあるときには、反力トルクが予め定められた反力閾値以下となるようにフライホイールの回転速度を制御し、傾斜角が第１範囲外を超えた場合に、反力トルクが反力閾値以上で傾斜角を基準方向に戻す方向に生じるようにフライホイールの回転速度を変化させる。
【００１１】
１個のフライホイールを有するバランス装置の場合、コントローラは、傾斜角が第１範囲外にある場合、傾斜方向と同じ回転方向に回転速度を増加させるようにフライホイールを制御する。フライホイールのそのような回転角速度（回転速度の変化）は、胴体の傾斜角を基準方向に戻す方向に作用する反力トルクを発生する。
【００１２】
上記のバランス装置をバランス補助装置として用いる他の実施形態では、コントローラは、傾斜角が増大している場合に、反力トルクが反力閾値以上で傾斜角を基準方向に戻す方向に生じるようにフライホイールの回転速度を変化させ、傾斜角が減少している場合は反力トルクが反力閾値以下となるようにフライホイールの回転速度を制御する。
【００１３】
前者の場合は、傾斜角の基準方向からのずれが大きくなった場合に、傾斜角を基準方向に戻す方向の反力トルクが胴体に加えられる。後者の場合は、胴体の傾斜角が増大している場合に、傾斜角を基準方向に戻す方向の反力トルクが胴体に加えられる。そのような動作によって、バランス装置は人のバランス能力を補助する。いずれの場合も、反力閾値は、人のバランスに影響を与えないような小さな値に予め設定される。反力閾値は実質的にゼロであることが好ましい。
【００１４】
検出される傾斜角の範囲の条件と、傾斜角の変化方向の条件を組み合わせてフライホイールの回転速度を変更するように構成することも好適である。例えば、コントローラは、以下の３つの条件の下でフライホイールの回転速度を変化させることが好ましい。（条件１）傾斜角が第１範囲内にある場合、傾斜角の変化にかかわらずに反力トルクが反力閾値以下となるようにフライホイールの回転速度を制御する。（条件２）傾斜角が第１範囲外にあり、かつ、傾斜角が増大している場合、反力トルクが反力閾値以上で傾斜角を基準方向に戻す方向に生じるようにフライホイールの回転速度を変化させる。（条件３）傾斜角が第１範囲外にあり、かつ、傾斜角が減少している場合、反力トルクが反力閾値以下となるようにフライホイールの回転速度を変化させる。
【００１５】
上記３つの条件の意味を説明する。傾斜角が第１範囲内にある場合、ユーザがバランスを維持しているので、反力トルクは必要ない（条件１）。傾斜角が減少しているということは、ユーザが自力でバランスを回復していることを示しているので、傾斜角が第１範囲外であっても反力トルクは必要ない（条件３）。傾斜角が第１範囲外であり、かつ、傾斜角が増大している場合だけ、ユーザがバランスを回復できない可能性が高いので、反力トルクによってバランス回復を補助する（条件２）。このように、検出される傾斜角の範囲の条件と傾斜角の変化方向の条件を組み合わせることによって、一層適切にバランス回復の補助が可能となる。
【００１６】
本明細書が開示する新規な技術の一実施形態では、コントローラは、反力トルクが反力閾値以下となるようにフライホイールの回転速度を制御しながら、フライホイールの回転速度をゼロまで低下させることが好ましい。そのような構成のバランス装置は、胴体の傾斜角が鉛直に近い場合に、別言すればユーザがバランスを維持している場合に、フライホイールの回転速度をゼロまで低下させる。そのようなバランス装置は、ユーザがバランスを維持している間にフライホイールの回転が止まればジャイロ効果が生じることがなく、胴体がふらついたときに無用なジャイロトルクを与えることがない。また、フライホイールの回転速度をゼロまで低下させることによって、回転数の飽和を防止することができる。なお、ジャイロトルクとは、回転しているフライホイールの軸線を変化させることに起因して生じるトルクである。ジャイロトルクは、一定速度で回転しているフライホイールであっても生じ得る。
【００１７】
コントローラは、フライホイールのメカニカルな摩擦抵抗によって回転速度をゼロまで低下させてもよい。そのようなバランス装置は、電力消費抑制することができる。
【００１８】
上記のバランス装置をバランス能力向上の訓練装置として用いる一つの実施形態を説明する。コントローラは、傾斜角が基準方向を含む予め定められた第２範囲内にあるときには、反力トルクが傾斜角を増大させる方向に生じるようにフライホイールの回転速度を変化させる。またコントローラは、傾斜角が第２範囲の外側の第３範囲内にあるときには、反力トルクが反力閾値以下となるようにフライホイールの回転速度を制御する。
【００１９】
上記のバランス装置は、胴体の向きが基準方向に近い場合、別言すればユーザがバランスを維持しているときに、胴体の傾斜角を増大させる方向の反力トルクを加える。バランス装置のユーザは、反力トルクに抗してバランスを維持しようと試みる。そのような動作を繰り返すことによって、ユーザのバランス能力が訓練される。
【００２０】
さらに上記バランス装置のコントローラは、傾斜角が第３範囲よりも大きい場合に、反力トルクが反力閾値以上で傾斜角を基準方向に戻す方向に生じるようにフライホイールの回転速度を変化させることが好ましい。そのようなバランス装置は、訓練中であっても胴体が大きく傾いた場合にはユーザのバランス能力を補助し、ユーザの傾斜角を速やかに回復させることができる。
【００２１】
コントローラは傾斜角が第３範囲内にあるときには、反力トルクが反力閾値以下となるようにフライホイールの回転速度を制御しながら、フライホイールの回転速度をゼロまで低下させることも好ましい。フライホイールの回転速度をゼロまで減じることで、無用なジャイロトルクの発生を抑制することができる。コントローラは、フライホイールのメカニカルな摩擦抵抗によって回転速度をゼロまで低下させてもよい。そのようなバランス装置は、消費電力を抑制できる。
【００２２】
１個のフライホイールを有するバランス装置は、１軸回りの傾斜角の変化に対応することができる。軸線が非平行の２つのフライホイールを有するバランス装置は、２軸周りの傾斜角に対応することができる。特殊な相互関係で配置された３つのフライホイールを有するバランス装置は、胴体のヨー軸に交差する２軸回りの傾斜角の変化と、ヨー軸回りの胴体の旋回角の変化に対応することができる。「特殊は相互関係」とは、３個のフライホイールの夫々の軸線が互いに非平行であるとともに３本の軸線が一平面上に配置されていない関係に相当する。そのような特殊な相互関係を有するバランス装置は、胴体の傾斜角のみならず旋回角についてもユーザの能力を補助／訓練することができる。
【００２３】
バランス装置の上記した機能は、典型的には、バランス装置のコントローラに実装されるプログラムによって実現されてよい。
【発明の効果】
【００２４】
本明細書が開示する一つの新規な技術によれば、人のバランス能力を補助する装置、或いは、バランス能力向上のための訓練装置を提供することができる。特に、上記した所定の場合にフライホイールの回転速度をゼロにまで低下させるように構成したバランス装置は、無用なジャイロトルクをユーザに与えることがない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施例のバランス装置の模式的３面図である。
【図２】バランス装置のブロック図である。
【図３】コントローラのハードウエア構成を示す図である。
【図４】バランス補助装置としての動作を説明する模式図である。
【図５】バランス装置が実行する処理のフローチャートである。
【図６】バランス訓練装置としての動作を説明する模式図である。
【図７】第２実施例のバランス装置の模式的斜視図である。
【図８】第２実施例のバランス装置の模式的平面図である。
【図９】第２実施例のバランス装置の模式的部分側面図である。
【図１０】第３実施例のバランス装置の模式的平面図である。
【実施例１】
【００２６】
図面を参照して第１実施例のバランス装置１０を説明する。バランス装置１０は、胴体の傾斜角を鉛直方向に回復するユーザの動作を補助する。バランス装置１０は、ユーザの胴体（腰）に取り付けるためのコルセット１２とフライホイール２０を備えている。フライホイール２０は、バランス装置１０をユーザＨが装着したときにユーザＨの背面に位置する。
【００２７】
図１に、ユーザＨが装着したときのバランス装置１０の３面図を示す。図１（Ａ）は正面図を示しており、図１（Ｂ）は側面図を示しており、図１（Ｃ）は平面図を示している。なお、図１（Ｃ）では、ユーザＨを楕円で模式化して描いている。また、フライホイール２０はユーザＨの背面側に位置するため、図１（Ａ）はユーザＨの背面が描かれている。
【００２８】
以後の説明で用いる座標系を説明する。ユーザＨの前方がＸ軸に相当し、ユーザＨの側方がＹ軸に相当し、Ｘ軸とＹ軸に直交する方向がＺ軸に相当する。ロボット工学においては、そのようなＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、それぞれロール軸、ピッチ軸、及びヨー軸と呼ばれる。本明細書でも主に、ロール軸、ピッチ軸、及びヨー軸との呼称を用いる。ヨー軸は、胴体の長手方向に一致する。より具体的には、ヨー軸は、胴体の中心を通り胴体の長手方向に伸びる直線に相当する。
【００２９】
コルセット１２にはモータ１４が取り付けられている。そのモータ１４がフライホイール２０を回転させる。なお、フライホイール２０は、カバーに覆われている。フライホイール２０は、ユーザＨがバランス装置１０を装着したときに、その回転軸線ｓがユーザＨの胴体のヨー軸と交差するように配置されている。以下、回転軸線ｓを単に軸線ｓと称する。本実施例のバランス装置１０の場合、フライホイール２０の軸線ｓは、ユーザＨのロール軸方向に沿って伸びる。
【００３０】
なお、フライホイール２０は、ユーザＨがバランス装置１０を装着したときに、その回転軸線ｓがヨー軸と非平行となるように配置されていればよい。そのような配置によって、バランス装置は、ヨー軸と交差する直線周りに反力トルクを発生することができ、傾斜角を補助することができる。
【００３１】
さらにコルセット１２には、コントローラ１６とバッテリ１７と傾斜角センサ１８が内蔵されている。傾斜角センサ１８は、基準方向に対するコルセット１２の傾斜角、即ちユーザＨの胴体の傾斜角を計測する。基準方向は、バランス装置１０を所望の方向に向けておきながら、傾斜角センサ１８が傾斜角ゼロを出力するように傾斜角センサ１８をリセットすることによって定まる。以下では、バランス装置１０をユーザが装着し、ユーザの胴体のヨー軸が鉛直方向に一致したときに、傾斜角センサ１８をリセットする。即ち本実施例では、胴体のヨー軸が鉛直方向に一致している場合が傾斜角ゼロに相当する。別言すれば、傾斜角は、鉛直線とヨー軸との間の角度に相当する。コントローラ１６は、傾斜角センサ１８によって検出される傾斜角に基づいてフライホイール２０の回転速度を制御する。バッテリ１７は、コントローラ１６、傾斜角センサ１８、及びモータ１４に電力を供給する。
【００３２】
図２に、バランス装置１０のブロック図を示す。コントローラ１６は、詳細には、上位コントローラ１６ａとサーボコントローラ１６ｂを含む。上位コントローラ１６ａは、傾斜角センサ１８が出力する傾斜角θと、エンコーダ１５によって計測されるモータ１４の回転数（回転速度）に基づいて、所望の反力トルク「−Ｔ」を発生するようにモータ１４への指令回転数ｎ（ｒｐｍ）をサーボコントローラ１６ｂに出力する。ここで、反力トルク「−Ｔ」を発生するには、モータ１４がトルクＴでフライホイール２０の回転を加速すればよい。モータ１４への指令回転数ｎを変化させることによって、モータ１４がトルクを発生する。モータ１４がフライホイール２０にトルクＴを加えると、反力トルク「−Ｔ」がモータ１４を介してユーザＨに加わる。反力トルクについては後に詳しく説明する。サーボコントローラ１６ｂは、モータ１４の回転数が指令された回転数ｎに追従するようにモータ１４をフィードバック制御する。サーボコントローラ１６ｂは、回転数ｎと電流ｉの２重のフィードバックループでモータ１４を制御する。
【００３３】
図３にコントローラ１６のハードウエア構成の一実施形態を示す。コントローラ１６は、ＣＰＵ３１、メモリ３２、ＤＡ変換器３３、パルスカウンタ３４、及び、ＲＳ２３２Ｃ回路３５（シリアル通信回路）を備える。ＤＡ変換器３３、パルスカウンタ３４、及び、ＲＳ２３２Ｃ回路３５は、ＰＣＩバスによってＣＰＵ３１と接続されている。メモリ３２には、ＣＰＵ３１が実行するプログラム、及び、反力閾値（後述）などのパラメータが記憶されている。ＤＡ変換器３３は、サーボコントローラ１６ｂへ回転数指令値を送信する。この実施例では、サーボコントローラ１６ｂは、入出力がアナログ信号であるため、ＤＡ変換器３３が、ＣＰＵ３１が算出した指令値のデジタル値をアナログ値に変換して出力する。パルスカウンタ３４は、エンコーダ１５が出力するパルスを係数する。エンコーダ１５が出力するパルスが、モータ１４の回転数（即ちフライホイールの回転数）に相当する。ＲＳ２３２Ｃ回路３５は、傾斜センサ１８が出力するデータを受信し、ＣＰＵ３１へ送る。良く知られているように、ＲＳ２３２Ｃは、米国のＥＩＡ（Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ａｌｌｉａｎｃｅ）が制定したシリアル通信の規格である。
【００３４】
バランス装置１０の動作概要を説明する。モータ１４がフライホイール２０の回転を加速（減速）すると、モータ１４がフライホイール２０に加えるトルクの反力トルクがユーザＨに加わる。フライホイール２０の軸線ｓはロール軸方向に伸びているので、反力トルクはロール軸回りに加わる。即ち、このバランス装置１０は、フライホイール２０の回転速度を変化させることによって、ユーザＨにロール軸回りのトルク（フライホイール２０の反力トルク）を加えることができる。バランス装置１０は、フライホイール２０の制御ルールを適宜に選択することによって、ユーザＨの胴体のロール軸（Ｘ軸）回りの傾斜角を減少させる方向に反力トルクを加えることもできれば、傾斜角を増大させる方向に反力トルクを加えることもできる。前者の場合、バランス装置１０はユーザの胴体のヨー軸を鉛直方向に戻すバランス補助装置として機能する。後者の場合、バランス装置１０はユーザのバランス能力向上のための訓練装置として機能する。
【００３５】
図４を参照して、バランス補助装置としてのバランス装置１０の動作を説明する。図４は、ユーザＨを模式的に線で表している。Ｈ１はユーザＨの脚に相当し、Ｈ２は腰に相当し、Ｈ３及びＨ４は胴体に相当する。Ｈ４は、胴体のヨー軸（長手方向）が鉛直方向に沿っている場合を示しており、Ｈ３は、ヨー軸が鉛直方向から角度θだけ傾いている場合を示している。角度θが胴体の傾斜角θに相当する。
【００３６】
符号「Ｐ１」は、ロール軸（Ｘ軸）周りの角度範囲を示している。第１範囲Ｐ１は、鉛直方向を含む。第１範囲Ｐ１は、ユーザＨが自力でバランスを維持することができる角度範囲に設定される。第１範囲Ｐ１は、予め定められており、コントローラ１６に記憶されている。第１範囲Ｐ１は、例えば鉛直から両側に２度づつ、トータルで４度に設定される。
【００３７】
バランス装置１０は、ユーザＨの胴体の傾斜角θが第１範囲Ｐ１を超えた場合に、反力トルクが傾斜角θを鉛直に戻す方向に生じるようにフライホイール２０の回転速度を制御する。なお、フライホイール２０の慣性モーメントと角加速度を夫々符号Ｉｗ、ｄｗで表すと、モータ１４がフライホイール２０に加えるトルクＴは、Ｔ＝Ｉｗ・ｄｗで表される。モータ１４が加えるトルクＴの逆向きのトルクがユーザＨに加わるので、図４では反力トルクは「−Ｔ」で表されている。図４に示すように、時計回りの角加速度ｄｗが加わるとき、反時計回りの反力トルク「−Ｔ」が発生する。即ち、バランス装置１０のコントローラ１６は、モータがトルクＴを出力するとき、反力トルク「−Ｔ」を発生することができる。
【００３８】
傾斜角θに応じてモータ１４に発生させるべきトルクＴを決定する制御ルールは次の（数１）で与えられる。
【００３９】
【数１】
【００４０】
符号Ｋｄは制御ゲインを表している。符号ｄθは、フライホイール２０の回転速度を示している。（数１）を、フライホイール２０の角加速度目標値ｄｗを決定する制御ルールに変換すると、次の（数２）となる。
【００４１】
【数２】
【００４２】
コントローラ１６は、（数２）で定まる角加速度目標値ｄｗでフライホイール２０の回転速度を変更する。
【００４３】
（数１）と（数２）の制御ルールにおいて、条件１は、傾斜角θが第１範囲Ｐ１内にある場合を示している。コントローラ１６は、条件１が成立するとき、角加速度ｄｗ＝ゼロ、即ち、反力トルクがゼロとなるようにフライホイール２０を制御する。条件２は、傾斜角θが第１範囲Ｐ１を超えた場合を示している。コントローラ１６は、胴体の傾斜角速度ｄθに比例する大きさの反力トルク「−Ｔ＝Ｋｄ・ｄθ」が生じるようにフライホイール２０を制御する。反力トルク「−Ｔ」は前述したように、傾斜角θを鉛直に戻す方向に発生する。従って別言すれば、コントローラ１６は、傾斜角θが第１範囲Ｐ１を超えた場合には、反力トルクが傾斜角θを鉛直方向に戻す方向に生じるようにフライホイールの回転速度を変化させる。なお、傾斜角速度ｄθは、センサ１８によって得られる傾斜角θの時間差分から得られる。
【００４４】
（数２）の制御ルールを採用した場合、バランス装置１０のコントローラ１６は、胴体の傾斜角θが第１範囲Ｐ１内にあるときには、反力トルクがゼロとなるようにフライホイール２０の回転速度を制御する。他方、コントローラ１６は、傾斜角θが第１範囲Ｐ１を超えた場合に、反力トルクが傾斜角θを鉛直方向に戻す方向に生じるようにフライホイール２０の回転速度を変化させる。そのような制御ルールによって、バランス装置１０は、ユーザ胴体のロール軸回りの傾斜角θを鉛直方向に回復するトルクを与える。
【００４５】
（数２）の代替制御ルールを説明する。バランス装置１０は、（数２）に代えて次の（数３）の制御ルールを採用してもよい。
【００４６】
【数３】
【００４７】
（数３）の制御ルールは、条件３が（数２）の場合と異なる。θ・ｄθ＞０は、θ＞０かつｄθ＞０、と、θ＜０かつｄθ＜０を意味している。角度θの正負は、図４に示す座標系で定まる。条件３は、傾斜角θが増大していることを示している。別言すれば、条件３は、傾斜角θが倒れていくことを示している。即ち、（数３）の制御ルールを採用した場合、コントローラ１６は、傾斜角θが増大している場合に、フライホイール２０の回転速度変化によって生じる反力トルクが傾斜角θを鉛直方向に戻す方向に生じるようにフライホイール２０の回転速度を変化させる。またコントローラ１６は、傾斜角が減少している場合は、反力トルクがゼロとなるようにフライホイールの回転速度を制御する。
【００４８】
（数３）の制御ルールを採用した場合、バランス装置１０は、傾斜角θの大きさに関わらずに、傾斜角θが増大している場合に傾斜角θを鉛直に戻す方向の反力トルクを与える。
【００４９】
（数２）のさらに他の代替制御ルールを説明する。バランス装置１０は、（数２）に代えて次の（数４）の制御ルールを採用してもよい。
【００５０】
【数４】
【００５１】
（数４）の制御ルールにおける条件１と条件２は（数２）の場合と同じである。（数４）の制御ルールに基づくコントローラ１６の処理を図５に示す。図５のフローチャートにおいて、傾斜角θと角加速度ｄｗの正負の向きは、図４に示すロール軸（Ｘ軸）を基準とする。即ち、傾斜角θの正の向きは、図４の反時計回り方向に相当する。角加速度ｄｗの正の向きも、反時計回り方向に相当する。
【００５２】
コントローラ１６は、傾斜角センサ１８から、胴体の傾斜角θを取得する（Ｓ２）。コントローラ１６は、傾斜角θが第１角度範囲Ｐ１内であるか否かを判定する（Ｓ４）。傾斜角θが第１角度範囲Ｐ１内であるとき（Ｓ４：ＹＥＳ）、コントローラ１６は、フライホイール２０の回転速度をゼロまで低下させる（Ｓ６）。（数４）と図５において、Ｔｍｉｎは、反力閾値を示す。即ち、コントローラ１６は、傾斜角θが第１範囲Ｐ１内にあるときには、フライホイール２０の回転速度変化によって生じる反力トルクＴが予め定められた反力閾値Ｔｍｉｎ以下となるようにフライホイール２０の回転速度を制御する。反力閾値Ｔｍｉｎは、反力トルクがユーザに影響を与えないように小さな値に設定される。コントローラ１６は、ｄｗ（絶対値）＜（Ｔｍｉｎ／Ｉｗ）の条件を満たしつつ、フライホイール２０の回転速度を停止するように回転速度を制御することが好ましい。即ちバランス装置１０は、傾斜角θが第１範囲Ｐ１内にあるとき、すなわち、ユーザが胴体のバランスを保っている間に、フライホイール２０の回転速度をゼロまで下げる。フライホイール２０の回転速度をゼロまで下げることによって、バランス装置１０がユーザに不要なトルクを加えることがない。回転しているフライホイールの軸線の向きが変化することによって生じるジャイロトルクが、「不要なトルク」に相当する。
【００５３】
他方、傾斜角θが第１角度範囲Ｐ１外であるとき（Ｓ４：ＮＯ）、コントローラ１６は、傾斜角θの向きに応じて、フライホイール２０の角加速度を制御する（Ｓ８）。傾斜角θ＞０の場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、コントローラ１６は、正の角加速度でフライホイール２０の回転速度を変化させる（Ｓ１０）。傾斜角θ＜０の場合（Ｓ８：ＮＯ）、コントローラ１６は、負の角加速度でフライホイール２０の回転速度を変化させる（Ｓ１２）。図５のステップＳ１０とＳ１２では、条件を簡略化して示している。ステップＳ１０とＳ１２におけるｄｗの条件は、上記した条件２に相当することに留意されたい。即ち、ステップＳ１０とＳ１２では、反力トルクＴの大きさが反力閾値Ｔｍｉｎよりも大きくなるようにフライホイール２０の角加速度ｄｗを決定する。ステップＳ１０とＳ１２の処理は、傾斜角θが第１範囲Ｐ１を超えた場合に、反力トルクが反力閾値Ｔｍｉｎ以上で傾斜角θを鉛直方向に戻す方向に生じるようにフライホイールの回転速度を変化させることに相当する。図５の処理は、コントローラ１６に実装されたプログラムによって実現される。
【００５４】
（数２）の制御ルールは、（数４）の制御ルールにおいてＴｍｉｎ＝０の場合に相当する。また、（数４）の制御ルールで導入した反力閾値Ｔｍｉｎは、（数３）の制御ルールに適用することも好適である。その場合、コントローラ１６は、傾斜角θが増大していく場合に、反力トルクが反力閾値Ｔｍｉｎ以上で傾斜角θを鉛直方向に戻す方向に生じるようにフライホイールの回転速度を変化させる。またコントローラ１６は、傾斜角θが減少していく場合は反力トルクが反力閾値Ｔｍｉｎ以下となるようにフライホイールの回転速度を制御する。特に、傾斜角θが減少していく場合、コントローラ１６は、ｄｗ（絶対値）＜（Ｔｍｉｎ／Ｉｗ）の条件を満たしつつ、フライホイール２０の回転速度を停止するように回転速度を制御することが好ましい。その場合の利点は、前述した通りである。
【００５５】
（数２）のさらに他の代替制御ルールを説明する。バランス装置１０は、（数２）に代えて、次の（数５）の制御ルールを採用してもよい。
【００５６】
【数５】
【００５７】
（数５）の制御ルールは、（数２）が表す傾斜角の範囲に依存した条件と、（数３）が示す傾斜角の変化方向に依存した条件を組み合わせている。条件１は、（数２）の制御ルールの場合と同じである。この制御ルールにおける条件１は、傾斜角が第１範囲Ｐ１内にある場合は、傾斜角θの変化方向にかかわらずに反力トルクが反力閾値以下となるようにフライホイールの回転速度を制御することを表している。傾斜角θが第１範囲Ｐ１内であれば、ユーザは自力でバランスを回復できる可能性が高いので、バランス装置１０は、反力トルクを出力しない。
【００５８】
条件５は、傾斜角θが第１範囲Ｐ１外にあり、かつ、傾斜角θが増大している場合、コントローラ１６は、反力トルクが反力閾値Ｔｍｉｎ以上で傾斜角θを鉛直方向に戻す方向に生じるようにフライホイール２０の回転速度を変化させる。条件５は、ユーザが自力ではバランスを回復することができない可能性が高いことを示している。そのような場合は、バランス装置１０が、バランスを回復するのを補助する反力トルクを発生する。
【００５９】
傾斜角θが減少している場合、ユーザが自力でバランスを回復していることを示しているので、傾斜角θが第１範囲外であっても、バランス装置１０は反力トルクを発生しない（条件６）。（数５）の制御ルールを採用するバランス装置１０は、ユーザが自力ではバランスの回復が困難である可能性が高いときにだけ、反力トルクを出力する。
【００６０】
バランス装置１０は、モータ１４とフライホイール２０のメカニカルな摩擦抵抗によってフライホイール２０の回転速度をゼロまで下げることも好適である。動力を使わずに回転速度をゼロまで下げることによって、電力消費を抑えることができる。
【００６１】
次に、図６を参照して、バランス訓練装置としてのバランス装置１０の動作を説明する。バランス訓練装置は、胴体の傾斜角θをユーザＨが自力で鉛直付近に維持している間に、意図的に外乱トルクを与える。傾斜角θを増大させる方向の反力トルクが、「外乱トルク」に相当する。ユーザは、外乱トルクに抗して傾斜角θを回復しようと試みる。その試みが、バランス能力を向上させる訓練に相当する。
【００６２】
図６における符号Ｐ２、Ｐ３、及びＰ４は、ロール軸回りの角度範囲を示している。第２範囲Ｐ２は、鉛直方向を含む。第２範囲Ｐ２は、ユーザＨが自力で安定して立っていることのできる角度範囲に設定される。符号Ｐ３は、第２範囲Ｐ２の境界の外側に設定された角度範囲（第３範囲）を示している。符号Ｐ４は、第３範囲Ｐ３よりも傾斜角が大きい範囲（第４範囲）を示している。
【００６３】
バランス訓練装置としてバランス装置１０が実行する制御ルールを（数６）に示す。
【数６】
【００６４】
ここで、「ｓｇｎ（θ）」は、傾斜角θの正負を表す関数である。図６に示すように、傾斜角θが正値の場合、コントローラ１６は、ロール軸（Ｘ軸）の負の方向（反時計回り）にフライホイール２０を加速させる。その結果、反力トルクは時計回り、即ち、傾斜角θを増大させる方向となる。コントローラ１６は、条件７が成立する場合、即ち、傾斜角θが第２範囲Ｐ２内にあるとき、反力トルクが反力閾値以上で傾斜角θを増大させる向きに生じるようにフライホイール２０の回転速度を変化させる。そうすると、ユーザに外乱トルクが加えられ、傾斜角θが乱れる。ユーザは傾斜角θを鉛直方向に回復させようと試みる。その試みがバランス能力を向上させる訓練である。
【００６５】
なお、条件７成立時の「ｓｇｎ（θ）ｃｏｓ（θ）」の項は、一例であり、「ｓｇｎ（θ）ｃｏｓ（θ）」に代えて、例えば、定数や傾斜角θを採用してもよい。
【００６６】
条件８が成立する場合、即ち、傾斜角θが第２範囲の外側の第３範囲内にあるときには、コントローラ１６は、反力トルクが反力閾値Ｔｍｉｎ以下となるようにフライホイール２０の回転速度を制御する。バランス装置１０は不要な反力トルクをユーザに与えない。ユーザは、自らの力で傾斜角θを鉛直方向へ回復させようと試みる。
【００６７】
条件８が成立する場合、コントローラ１６は、ｄｗ（絶対値）＜（Ｔｍｉｎ／Ｉｗ）の条件を満たしつつ、フライホイール２０の回転速度を停止するように回転速度を制御することが好ましい。フライホイール２０の回転が停止すれば、ジャイロトルクが発生することがなく、不要なトルクがユーザに加わらない。さらに、メカニカルな摩擦抵抗によって回転速度を減じれば、消費電力を抑えることができる。
【００６８】
条件９が成立する場合、即ち、傾斜角θが第３範囲を超えて大きくなった場合、コントローラ１６は、反力トルクが反力閾値Ｔｍｉｎ以上で傾斜角θを鉛直方向に戻す方向に生じるようにフライホイール２０の回転速度を変化させる。即ち、バランス装置１０は、傾斜角θが第３範囲を超えて大きくなった場合、バランス回復を補助する。
【００６９】
（数６）の制御ルールにおいて反力閾値Ｔｍｉｎをゼロに設定してもよい。（数６）の制御ルールよりもさらにきめ細かい代替制御ルールを（数７）に示す。
【００７０】
【数７】
【００７１】
条件１０における「θ・ｄθ≧０」の条件は、傾斜角θが増大している場合を表す。即ち、傾斜角θが第２範囲Ｐ２内にあり、傾斜角θが増大している場合、バランス装置１０は、傾斜角θを増大させる方向の反力トルク（外乱トルク）を発生する。なお、第２範囲Ｐ２は、胴体の傾斜角θが鉛直に近く、上体のバランスが安定する範囲に予め定められる。
【００７２】
条件１１が成立する場合、即ち、傾斜角θが第２範囲内で減少している場合（即ちユーザが傾斜角を鉛直に戻そうとしている場合）、及び、傾斜角θが第３範囲内にあるときには、バランス装置１０は反力トルクを発生しない。
【００７３】
条件１２が成立する場合、即ち、傾斜角θが第４範囲Ｐ４内であり傾斜角θが増加している場合、バランス装置１０は傾斜角θを鉛直方向に戻す方向の反力トルクを発生する。上記以外の場合（条件１３）、バランス装置１０は反力トルクを発生しない。（数７）の制御ルールを採用することによって、効果的なバランス訓練が可能となる。
【実施例２】
【００７４】
次に、第２実施例のバランス装置２００を説明する。図７は、ユーザＨに装着されたバランス装置２００の模式的斜視図を示す。バランス装置２００は、３個のフライホイール２０ａ、２０ｂ、及び２０ｃを備える。３個のフライホイールは、コルセット１２によってユーザに装着される。フライホイール２０ｂはユーザＨの後方に配置され、残りのフライホイールは、ユーザＨの前方左右にそれぞれ配置される。後述するように、３個のフライホイールは、夫々のフライホイールの軸線が互いに非平行であるとともに３本の軸線が一平面上に位置しないように配置されている。そのように配置することによってバランス装置２００は、３軸夫々の周りに独立に反力トルクを発生することができる。このバランス装置２００は、ロール軸周りとピッチ軸周りの傾斜角の回復補助ができるだけなく、胴体のヨー軸回りにも所望のヨー角へ胴体を向ける補助を行うことができる。或いはそのようなバランス装置２００は、ロール軸周りとピッチ軸周りの傾斜角のバランス訓練を提供するだけなく、胴体のヨー軸回りのバランス訓練も提供することができる。
【００７５】
図８と図９を参照して、バランス装置２００が発生することのできる反力トルクについて説明する。図８は、バランス装置２００の模式的平面図である。第１実施例のバランス装置１０と同様に、第２実施例のバランス装置２００も、フライホイールを保持するコルセット１２に傾斜角を計測するセンサ１８とコントローラ１６が内蔵されている。コルセット１２には、モータ１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃを介して３個のフライホイール２０ａ、２０ｂ、２０ｃが取り付けられている。図中の符号ｓ１、ｓ２、及びｓ３は、各フライホイールの回転軸線を示す。フライホイール２０ｂはユーザＨの後方に配置されている。残りのフライホイール２０ａ、２０ｃは、平面視において方位角αでロール軸（Ｘ軸）の両側に取り付けられている。方位角αは、ＸＹ平面におけるロール軸（Ｘ軸）と軸線の間の角度を意味する。平面視において、３本の回転軸線ｓ１、ｓ２、及びｓ３はユーザの胴体内の略中央で交差する。
【００７６】
図９は、ＸＺ平面におけるフライホイール２０ｂの取り付け角度を示している。フライホイール２０ｂは、ＸＺ平面においてロール軸（Ｘ軸）から仰角βだけ下方に傾けて取り付けられている。他の２個のフライホイールも同様に仰角βで取り付けられている。即ち、３個のフライホイールは、夫々のフライホイールの軸線が互いに非平行であるとともに３本の軸線が一平面上に位置しないように配置されている。
【００７７】
ＸＹＺ座標系における３本の回転軸線ｓ１、ｓ２、及びｓ３の向きは、次の（数８）で与えられる。なお、（数８）におけるｓ１、ｓ２、及びｓ３は、回転軸線の向きを表す単位ベクトルである。
【００７８】
【数８】
【００７９】
Ｒ（α、β）は、ヨー軸（Ｚ軸）周りの角度αの回転変換とピッチ軸（Ｙ軸）周りの角度βの回転変化の積を意味する関数である。回転変換の関数は良く知られている。
【００８０】
夫々のフライホイールが発生する反力トルクをＴ１、Ｔ２、及びＴ３とすると、それら反力トルクの合成反力トルクＴｄはＴｄ＝Ｔ１・ｓ１＋Ｔ２・ｓ２＋Ｔ３・ｓ３で表される。ここでも、ｓ１、ｓ２、及びｓ３は上述した単位ベクトルである。発明者らは、方位角αと仰角βと各軸回り発生する反力トルクの関係を調べた。合成反力トルクＴｄをロール軸周りの分力トルクＴｘ、ピッチ軸周りの分力トルクＴｙ、及びヨー軸回りの分力トルクＴｚに分解して調査した。その結果、以下の知見を得た。
【００８１】
ピッチ軸周りのトルクＴｙが最大となるとき、方位角αと仰角βに依存せずに、トルクＴｘとＴｙはゼロである。ヨー軸回りのトルクＴｚが最大となるとき、方位角αと仰角βに依存せずに、トルクＴｙはゼロである。このとき、トルクＴｘは、方位角αに依存する。方位角α＝６０度のとき、Ｔｘはほぼゼロである。ロール軸回りのトルクＴｘが最大となるとき、方位角αと仰角βに依存せずに、トルクＴｙはゼロである。このとき、トルクＴｚは方位角αと仰角βに依存する。仰角β＝０度のとき、Ｔｚはほぼゼロである。仰角βが増加すると、トルクＴｘ、Ｔｙは減少するが、トルクＴｚは増大する。
【００８２】
上記の調査から、方位角α＝６０度を採用し、仰角βを可変とすることで、任意の軸回りに反力トルクを発生させることが可能であることが判明した。なお、図８と図９に示すバランス装置２００は、方位角α＝６０度を採用している。
【実施例３】
【００８３】
第３実施例のバランス装置３００を図１０に示す。バランス装置３００は、第２実施例のバランス装置２００の変形例である。図１０のバランス装置３００は、１個のフライホイール２０ｂをコルセット１２の後方（ユーザの後方）に配置し、残りの２個のフライホイール２０ａ、２０ｃを方位角α１２０度で配置している。図１０のバランス装置３００も、仰角βを可変とすることによって、任意の軸周りに反力トルクを発生させることができる。
【００８４】
バランス装置２００、３００は、３個のフライホイール２０ａ、２０ｂ、及び２０ｃが発生する反力トルクの合成トルクが、第１実施例の１個のフライホイール２０と同様の機能を果すように、各フライホイールの回転速度を制御する。即ち、このバランス装置２００をバランス補助装置として用いる場合、バランス装置２００、３００は、所定の条件の下、合成トルクが反力閾値以上で傾斜角を基準方向に戻す向きに作用するように各フライホイールの回転速度を制御する。他の条件では、バランス装置２００、３００は、合成トルクが閾値以下となるように各フライホイールの回転速度を制御する。具体的な制御ルール（回転速度を変化させる条件は）、第１実施例の場合と同様でよい。このバランス装置２００、３００をバランス訓練装置として用いる場合も、第１実施例で示したバランス訓練装置の場合と同様である。
【００８５】
実施例のバランス装置が有する他の技術的特徴を列挙する。
（１）平面視したときに、３個のフライホイールが略１２０度間隔で胴体の周囲に配置されている。
（２）３個のフライホイールの回転軸線が、ユーザがバランス装置を装着したときにユーザの胴体内部の略一点で交わるように３個のフライホイールが配置されている。
（３）コントローラは、胴体が傾いていくときの傾斜角速度が大きいほどフライホイールの回転角速度を大きくする。
【００８６】
上記説明したバランス装置についての留意点を以下に述べる。発明者らが試験的に作成したバランス装置の緒元を示しておく。フライホイール２０は、直径が概ね３０ｃｍであり、質量は概ね１．５ｋｇである。モータ１４は、ブラシレスモータを用いた。モータの出力は６０Ｗであり、最大出力トルクは９Ｎｍである。最大回転数は２０００ｒｐｍである。ギア比は３：２である。そのようなバランス装置を用いて試験を行った結果、ユーザの傾斜角を回復する効果があることが確かめられた。
【００８７】
第１実施例のバランス装置１０では、軸線がロール軸方向を向くようにフライホイールが配置されている。バランス装置は、軸線がピッチ軸方向を向くようにフライホイールを配置してもよい。その場合は、胴体のピッチ軸周りの傾斜角に対して、バランス補助を提供することができる。或いは、そのようなバランス装置は、ピッチ軸周りのバランス訓練を提供することができる。
【００８８】
バランス装置は、ピッチ軸とロール軸が形成する平面内で互いの回転軸線が交差する２つのフライホイールを有していてもよい。そのように配置された２個のフライホイールは、ピッチ軸とロール軸が形成する平面内で任意の方向の直線周りの反力トルクを発生することができる。即ち、そのような２個のフライホイールを有するバランス装置は、ピッチ軸周りとロール軸回りの傾斜角に対して補助を行うことができ、或いは訓練を提供することができる。
【００８９】
傾斜角センサは、脚の各関節の角度を計測する角度センサと接地センサで代替することができる。接地している脚の各関節の角度から胴体の傾斜角を算出することができるからである。
【００９０】
反力閾値Ｔｍｉｎは、反力トルクがユーザに影響を与えないように小さな値に設定されればよい。反力閾値Ｔｍｉｎは、実質的にゼロであることが好ましい。コントローラ１６は、反力トルクが反力閾値Ｔｍｉｎ（実質的にゼロとみなせる小さな値）以下となることを満たしながら、フライホイール２０の回転速度を停止するように回転速度を制御することが好ましい。
【００９１】
実施例のバランス装置は、フライホイールの回転速度を検知し、所望の反力トルクを得るために回転速度をフィードバックするフィードバック制御を構成している（例えば図２参照）。モータは、電流制御によって所望のトルクを出力するように制御することもできる。本明細書が開示するバランス装置は、回転速度フィードバックを採用せずに、電流フィードバック制御によって所望の反力トルクを得るように構成することも好適である。なお、フライホイールの角加速度と出力トルク、及び、モータへの供給電流は比例関係にあるため、所望の反力トルクを出力する観点では、電流フィードバック制御は回転速度フィードバックと等価であることに留意されたい。
【００９２】
なお、回転速度フィードバックには、次の利点があることに留意されたい。回転速度フィードバックは、フライホイールの回転速度をゼロに維持する制御が可能である。回転速度フィードバックは、最大許容回転速度以下に抑える制御が可能である、
【００９３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００９４】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００９５】
１０：バランス装置
１２：コルセット
１４：モータ
１６：コントローラ
１８：傾斜角センサ
２０：フライホイール
２００、３００：バランス装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の胴体に装着されるバランス装置であり、
定められた基準方向に対する胴体の傾斜角を検出するセンサと、
人に装着されたときに、軸線がヨー軸と非平行となるように配置されている少なくとも一つのフライホイールと、
前記センサによって検出される前記傾斜角に基づいて前記フライホイールの回転速度を変更するコントローラと、
を備えていることを特徴とするバランス装置。
【請求項２】
前記コントローラは、
前記傾斜角が前記基準方向を含む予め定められた第１範囲内にある場合には、前記フライホイールの前記回転速度の変化によって生じる反力トルクが予め定められた反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御し、
前記傾斜角が前記第１範囲外にある場合には、前記反力トルクが前記反力閾値以上で前記傾斜角を前記基準方向に戻す方向に生じるように前記フライホイールの前記回転速度を変化させることを特徴とする請求項１に記載のバランス装置。
【請求項３】
前記コントローラは、
前記傾斜角が増大している場合に、前記フライホイールの前記回転速度の変化によって生じる前記反力トルクが前記反力閾値以上で前記傾斜角を前記基準方向に戻す方向に生じるように前記フライホイールの前記回転速度を変化させ、
前記傾斜角が減少している場合は前記反力トルクが前記反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のバランス装置。
【請求項４】
前記コントローラは、前記反力トルクが前記反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御しながら、前記フライホイールの前記回転速度をゼロまで低下させることを特徴とする請求項２又は３に記載のバランス装置。
【請求項５】
前記コントローラは、
前記傾斜角が前記基準方向を含む予め定められた第２範囲内にあるときには、前記フライホイールの前記回転速度の変化によって生じる前記反力トルクが前記傾斜角を増大させる方向に生じるように前記フライホイールの前記回転速度を変化させ、
前記傾斜角が前記第２範囲の外側の第３範囲内にあるときには、前記反力トルクが前記反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御することを特徴とする請求項１に記載のバランス装置。
【請求項６】
前記コントローラは、
前記傾斜角が前記第３範囲よりも大きい場合に、前記反力トルクが前記反力閾値以上で前記傾斜角を前記基準方向に戻す方向に生じるように前記フライホイールの前記回転速度を変化させることを特徴とする請求項５に記載のバランス装置。
【請求項７】
前記コントローラは前記傾斜角が前記第３範囲内にあるときには、前記反力トルクが前記反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御しながら、前記フライホイールの前記回転速度をゼロまで低下させることを特徴とする請求項５又は６に記載のバランス装置。
【請求項８】
３個のフライホイールを備えており、夫々の前記フライホイールの軸線が互いに非平行であるとともに３本の軸線が一平面上に位置しないように前記３個のフライホイールが配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のバランス装置。
【請求項９】
人の胴体の装着されたときに軸線がヨー軸と非平行となるように配置される少なくとも１個のフライホイールを有するバランス装置によって実行されるバランス補助方法であり、
定められた基準方向に対する前記胴体の傾斜角を計測するステップと、
前記傾斜角が前記基準方向を含む予め定められた第１範囲内にあるか否かを判定するステップと、
前記傾斜角が前記第１範囲内にある場合には前記フライホイールの回転速度の変化によって生じる反力トルクが予め定められた反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御し、前記傾斜角が前記第１範囲外にある場合には前記反力トルクが前記反力閾値以上で前記傾斜角を前記基準方向に戻す方向に生じるように前記フライホイールの前記回転速度を変化させるステップと、
を備えることを特徴とするバランス補助方法。
【請求項１０】
人の胴体の装着されたときに軸線がヨー軸と非平行となるように配置される少なくとも１個のフライホイールを有するバランス装置によって実行されるバランス訓練方法であり、
定められた基準方向に対する前記胴体の傾斜角を計測するステップと、
前記傾斜角が前記基準方向を含む予め定められた第２範囲内にあるか否かを判定するステップと、
前記傾斜角が前記第２範囲内にある場合には前記フライホイールの回転速度の変化によって生じる反力トルクが前記傾斜角を増大させる方向に生じるように前記フライホイールの前記回転速度を変化させ、前記傾斜角が前記第２範囲外にある場合には前記反力トルクが前記反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御するステップと、
を備えることを特徴とするバランス訓練方法。
【請求項１１】
人の胴体の装着されたときに軸線がヨー軸と非平行となるように配置される少なくとも１個のフライホイールを有するバランス装置によって実行されるプログラムであり、バランス装置のコントローラに、
定められた基準方向に対する前記胴体の傾斜角を計測するステップと、
前記傾斜角が前記基準方向を含む予め定められた第１範囲内にあるか否かを判定するステップと、
前記傾斜角が前記第１範囲内にある場合には前記フライホイールの回転速度の変化によって生じる反力トルクが予め定められた反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御し、前記傾斜角が前記第１範囲外にある場合には前記反力トルクが前記反力閾値以上で前記傾斜角を前記基準方向に戻す方向に生じるように前記フライホイールの前記回転速度を変化させるステップと、
を実行させるためのバランス補助用プログラム。
【請求項１２】
人の胴体の装着されたときに軸線がヨー軸と非平行となるように配置される少なくとも１個のフライホイールを有するバランス装置によって実行されるプログラムであり、バランス装置のコントローラに、
定められた基準方向に対する前記胴体の傾斜角を計測するステップと、
前記傾斜角が前記基準方向を含む予め定められた第２範囲内にあるか否かを判定するステップと、
前記傾斜角が前記第２範囲内にある場合には前記フライホイールの回転速度の変化によって生じる反力トルクが前記傾斜角を増大させる方向に生じるように前記フライホイールの回転速度を変化させ、前記傾斜角が前記第２範囲外にある場合には前記反力トルクが前記反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御するステップと、
を実行させるためのバランス訓練用プログラム。
【請求項１】
人の胴体に装着されるバランス装置であり、
定められた基準方向に対する胴体の傾斜角を検出するセンサと、
人に装着されたときに、軸線がヨー軸と非平行となるように配置されている少なくとも一つのフライホイールと、
前記センサによって検出される前記傾斜角に基づいて前記フライホイールの回転速度を変更するコントローラと、
を備えていることを特徴とするバランス装置。
【請求項２】
前記コントローラは、
前記傾斜角が前記基準方向を含む予め定められた第１範囲内にある場合には、前記フライホイールの前記回転速度の変化によって生じる反力トルクが予め定められた反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御し、
前記傾斜角が前記第１範囲外にある場合には、前記反力トルクが前記反力閾値以上で前記傾斜角を前記基準方向に戻す方向に生じるように前記フライホイールの前記回転速度を変化させることを特徴とする請求項１に記載のバランス装置。
【請求項３】
前記コントローラは、
前記傾斜角が増大している場合に、前記フライホイールの前記回転速度の変化によって生じる前記反力トルクが前記反力閾値以上で前記傾斜角を前記基準方向に戻す方向に生じるように前記フライホイールの前記回転速度を変化させ、
前記傾斜角が減少している場合は前記反力トルクが前記反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のバランス装置。
【請求項４】
前記コントローラは、前記反力トルクが前記反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御しながら、前記フライホイールの前記回転速度をゼロまで低下させることを特徴とする請求項２又は３に記載のバランス装置。
【請求項５】
前記コントローラは、
前記傾斜角が前記基準方向を含む予め定められた第２範囲内にあるときには、前記フライホイールの前記回転速度の変化によって生じる前記反力トルクが前記傾斜角を増大させる方向に生じるように前記フライホイールの前記回転速度を変化させ、
前記傾斜角が前記第２範囲の外側の第３範囲内にあるときには、前記反力トルクが前記反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御することを特徴とする請求項１に記載のバランス装置。
【請求項６】
前記コントローラは、
前記傾斜角が前記第３範囲よりも大きい場合に、前記反力トルクが前記反力閾値以上で前記傾斜角を前記基準方向に戻す方向に生じるように前記フライホイールの前記回転速度を変化させることを特徴とする請求項５に記載のバランス装置。
【請求項７】
前記コントローラは前記傾斜角が前記第３範囲内にあるときには、前記反力トルクが前記反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御しながら、前記フライホイールの前記回転速度をゼロまで低下させることを特徴とする請求項５又は６に記載のバランス装置。
【請求項８】
３個のフライホイールを備えており、夫々の前記フライホイールの軸線が互いに非平行であるとともに３本の軸線が一平面上に位置しないように前記３個のフライホイールが配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のバランス装置。
【請求項９】
人の胴体の装着されたときに軸線がヨー軸と非平行となるように配置される少なくとも１個のフライホイールを有するバランス装置によって実行されるバランス補助方法であり、
定められた基準方向に対する前記胴体の傾斜角を計測するステップと、
前記傾斜角が前記基準方向を含む予め定められた第１範囲内にあるか否かを判定するステップと、
前記傾斜角が前記第１範囲内にある場合には前記フライホイールの回転速度の変化によって生じる反力トルクが予め定められた反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御し、前記傾斜角が前記第１範囲外にある場合には前記反力トルクが前記反力閾値以上で前記傾斜角を前記基準方向に戻す方向に生じるように前記フライホイールの前記回転速度を変化させるステップと、
を備えることを特徴とするバランス補助方法。
【請求項１０】
人の胴体の装着されたときに軸線がヨー軸と非平行となるように配置される少なくとも１個のフライホイールを有するバランス装置によって実行されるバランス訓練方法であり、
定められた基準方向に対する前記胴体の傾斜角を計測するステップと、
前記傾斜角が前記基準方向を含む予め定められた第２範囲内にあるか否かを判定するステップと、
前記傾斜角が前記第２範囲内にある場合には前記フライホイールの回転速度の変化によって生じる反力トルクが前記傾斜角を増大させる方向に生じるように前記フライホイールの前記回転速度を変化させ、前記傾斜角が前記第２範囲外にある場合には前記反力トルクが前記反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御するステップと、
を備えることを特徴とするバランス訓練方法。
【請求項１１】
人の胴体の装着されたときに軸線がヨー軸と非平行となるように配置される少なくとも１個のフライホイールを有するバランス装置によって実行されるプログラムであり、バランス装置のコントローラに、
定められた基準方向に対する前記胴体の傾斜角を計測するステップと、
前記傾斜角が前記基準方向を含む予め定められた第１範囲内にあるか否かを判定するステップと、
前記傾斜角が前記第１範囲内にある場合には前記フライホイールの回転速度の変化によって生じる反力トルクが予め定められた反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御し、前記傾斜角が前記第１範囲外にある場合には前記反力トルクが前記反力閾値以上で前記傾斜角を前記基準方向に戻す方向に生じるように前記フライホイールの前記回転速度を変化させるステップと、
を実行させるためのバランス補助用プログラム。
【請求項１２】
人の胴体の装着されたときに軸線がヨー軸と非平行となるように配置される少なくとも１個のフライホイールを有するバランス装置によって実行されるプログラムであり、バランス装置のコントローラに、
定められた基準方向に対する前記胴体の傾斜角を計測するステップと、
前記傾斜角が前記基準方向を含む予め定められた第２範囲内にあるか否かを判定するステップと、
前記傾斜角が前記第２範囲内にある場合には前記フライホイールの回転速度の変化によって生じる反力トルクが前記傾斜角を増大させる方向に生じるように前記フライホイールの回転速度を変化させ、前記傾斜角が前記第２範囲外にある場合には前記反力トルクが前記反力閾値以下となるように前記フライホイールの前記回転速度を制御するステップと、
を実行させるためのバランス訓練用プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１２５４００（Ｐ２０１１−１２５４００Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８４３８７（Ｐ２００９−２８４３８７）
【出願日】平成２１年１２月１５日（２００９．１２．１５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１５日（２００９．１２．１５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
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