特許 6561452 訓練装置、算出方法、及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6561452

(24)【登録日】2019年8月2日

(45)【発行日】2019年8月21日

(54)【発明の名称】訓練装置、算出方法、及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   A61H 1/02 20060101AFI20190808BHJP

【ＦＩ】

   A61H1/02 G

   A61H1/02 K

   A61H1/02 N

【請求項の数】13

【全頁数】49

(21)【出願番号】特願2014-220047(P2014-220047)

(22)【出願日】2014年10月29日

(65)【公開番号】特開2016-83309(P2016-83309A)

(43)【公開日】2016年5月19日

【審査請求日】2017年8月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006297

【氏名又は名称】村田機械株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】新樹グローバル・アイピー特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】村上 武

(72)【発明者】

【氏名】大松 弘明

【審査官】 胡谷 佳津志

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／１１７４８６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−１１８４６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１５４９００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第１９９５／０３００５９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１１／０５６１５２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−１８２３１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２２９０８４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｈ １／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

使用者自らの上肢及び／又は下肢の四肢の動きに追従するように動作する訓練プログラムを実行し、前記四肢を訓練する訓練装置であって、
床面上又は床面に近接して載置される固定フレームに、２以上の自由度にて動作可能に支持され、保持した肢を動作させる操作ロッドと、
前記操作ロッドに加えられた力量の前記操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の成分である力量成分のそれぞれを検出し、検出された前記力量成分の大きさに基づいた力量成分信号を出力する複数の力量検出部と、
前記操作ロッドの、前記操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の動作位置を検出する複数の動作位置検出部と、
前記操作ロッドが動作可能な範囲を定める操作ロッド可動領域の境界を定める可動領域境界線に沿った方向の速度成分である境界線方向速度を算出する境界線方向速度算出部と、
前記操作ロッドの現在の動作位置において前記操作ロッドに前記各自由度方向の力量成分を合成した合成力量が加えられたときに、前記操作ロッドが到達すると予測される予測動作位置を算出する動作位置予測部と、
前記予測動作位置が前記操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、前記境界線方向速度を含む速度を、前記操作ロッドが動作すべき動作速度として算出する動作速度算出部と、
を備える訓練装置。

【請求項2】

所定の訓練プログラムに従って、使用者の上肢及び／又は下肢の四肢を訓練する訓練装置であって、
床面上又は床面に近接して載置される固定フレームに、２以上の自由度にて動作可能に支持され、保持した肢を動作させる操作ロッドと、
前記操作ロッドに加えられた力量の前記操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の成分である力量成分のそれぞれを検出し、検出された前記力量成分の大きさに基づいた力量成分信号を出力する複数の力量検出部と、
前記操作ロッドの、前記操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の動作位置を検出する複数の動作位置検出部と、
前記操作ロッドが動作可能な範囲を定める操作ロッド可動領域の境界を定める可動領域境界線に沿った方向の速度成分である境界線方向速度を算出する境界線方向速度算出部と、
前記操作ロッドの現在の動作位置において前記操作ロッドに前記各自由度方向の力量成分を合成した合成力量が加えられたときに、前記操作ロッドが到達すると予測される予測動作位置を算出する動作位置予測部と、
前記予測動作位置が前記操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、前記境界線方向速度を含む速度を、前記操作ロッドが動作すべき動作速度として算出する動作速度算出部と、を備え、
前記境界線方向速度算出部は、前記操作ロッドの動作位置の基準点である動作位置基準点と前記予測動作位置とを結ぶ直線と前記可動領域境界線との交点と前記操作ロッドの現在の動作位置との位置偏差とに基づいて、前記境界線方向速度を算出する、
訓練装置。

【請求項3】

所定の訓練プログラムに従って、使用者の上肢及び／又は下肢の四肢を訓練する訓練装置であって、
床面上又は床面に近接して載置される固定フレームに、２以上の自由度にて動作可能に支持され、保持した肢を動作させる操作ロッドと、
前記操作ロッドに加えられた力量の前記操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の成分である力量成分のそれぞれを検出し、検出された前記力量成分の大きさに基づいた力量成分信号を出力する複数の力量検出部と、
前記操作ロッドの、前記操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の動作位置を検出する複数の動作位置検出部と、
前記操作ロッドが動作可能な範囲を定める操作ロッド可動領域の境界を定める可動領域境界線に沿った方向の速度成分である境界線方向速度を算出する境界線方向速度算出部と、
前記操作ロッドの現在の動作位置において前記操作ロッドに前記各自由度方向の力量成分を合成した合成力量が加えられたときに、前記操作ロッドが到達すると予測される予測動作位置を算出する動作位置予測部と、
前記予測動作位置が前記操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、前記境界線方向速度を含む速度を、前記操作ロッドが動作すべき動作速度として算出する動作速度算出部と、
前記複数の力量検出部により出力された前記力量成分信号に基づいて、前記操作ロッドの力量速度を算出する力量速度算出部と、
前記操作ロッドの現在の動作位置から前記可動領域境界線までの境界線距離に基づいて、境界線到達速度を算出する境界線到達速度算出部と、を備え、
前記動作速度算出部は、前記境界線方向速度と、前記境界線到達速度及び／又は前記力量速度と、を合成して前記動作速度を算出する、
訓練装置。

【請求項4】

前記予測動作位置は、前記力量速度が一定時間継続したと仮定したときに、前記操作ロッドが到達すると予測される位置である、請求項３に記載の訓練装置。

【請求項5】

前記予測動作位置は、前記操作ロッドが前記力量速度から所定の減速度にて減速停止すると予測される位置である、請求項３に記載の訓練装置。

【請求項6】

前記動作速度算出部は、前記力量速度又は前記境界線到達速度のいずれか小さい方と、前記境界線方向速度又は前記力量速度と前記境界線方向速度とを含む第２合成速度のいずれかと、を前記現在の動作位置に基づいて変化する第１の比にて合成した第１合成速度を、前記動作速度として算出する請求項３〜５のいずれかに記載の訓練装置。

【請求項7】

前記第１の比は、前記可動領域境界線と前記操作ロッドの現在の動作位置との間の距離に基づいて算出される、請求項６に記載の訓練装置。

【請求項8】

前記第２合成速度は、前記力量速度と前記境界線方向速度とを前記予測動作位置に基づいて変化する第２の比にて合成して算出される、請求項６又は７に記載の訓練装置。

【請求項9】

前記第２の比は、前記可動領域境界線と前記予測動作位置との間の距離に基づいて算出される、請求項８に記載の訓練装置。

【請求項10】

前記境界線方向速度が最低走行速度よりも小さく、かつ、前記予測動作位置が前記操作ロッド可動領域の外に存在する場合、前記動作速度算出部は、前記境界線方向速度を０として動作速度を算出する、請求項１〜９のいずれかに記載の訓練装置。

【請求項11】

動作位置検出部と、力量検出部と、境界線方向速度算出部と、動作位置予測部と、動作速度算出部と、を備え、使用者自らの上肢及び／又は下肢の四肢の動きに追従するように動作する訓練プログラムを実行し、前記四肢を訓練する訓練装置における、保持した前記四肢を動作させる操作ロッドの動作速度の算出方法を含む作動方法であって、
前記動作位置検出部が、前記操作ロッドの現在の動作位置を検出するステップと、
前記力量検出部が、前記操作ロッドに加えられた力量の各自由度方向の力量成分を検出するステップと、
前記現在の動作位置において、前記操作ロッドに、前記各自由度方向の力量成分を合成した合成力量が加えられたときに、前記操作ロッドが到達すると予測される予測動作位置を、前記動作位置予測部が予測するステップと、
前記予測動作位置が、前記操作ロッドが動作可能な範囲を定める操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、前記操作ロッド可動領域の境界を定める可動領域境界線に沿った方向の速度成分であり前記境界線方向速度算出部により算出された境界線方向速度を含む速度を、前記動作速度として前記動作速度算出部が算出するステップと、
を含む作動方法。

【請求項12】

前記境界線方向速度を含む速度を前記動作速度として算出するステップは、前記境界線方向速度算出部が実行するステップとして、
前記操作ロッドの動作位置の基準点である動作位置基準点と前記予測動作位置とを結ぶ直線を算出するステップと、
前記直線と前記可動領域境界線との交点を算出するステップと、
前記交点と、前記操作ロッドの現在の動作位置との位置偏差とに基づいて、前記境界線方向速度を算出するステップと、
をさらに含む請求項１１の作動方法。

【請求項13】

所定の訓練プログラムに従って、使用者の上肢及び／又は下肢の四肢を訓練する訓練装置であって、
床面上又は床面に近接して載置される固定フレームに、２以上の自由度にて動作可能に支持され、保持した肢を動作させる操作ロッドと、
前記操作ロッドに加えられた力量の前記操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の成分である力量成分のそれぞれを検出し、検出された前記力量成分の大きさに基づいた力量成分信号を出力する複数の力量検出部と、
前記操作ロッドの、前記操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の動作位置を検出する複数の動作位置検出部と、
前記操作ロッドが動作可能な範囲を定める操作ロッド可動領域の境界を定める可動領域境界線に沿った方向の速度成分である境界線方向速度を算出する境界線方向速度算出部と、
前記操作ロッドの現在の動作位置において前記操作ロッドに前記各自由度方向の力量成分を合成した合成力量が加えられたときに、前記操作ロッドが到達すると予測される予測動作位置を算出する動作位置予測部と、
前記予測動作位置が前記操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、前記境界線方向速度を含む速度を、前記操作ロッドが動作すべき動作速度として算出する動作速度算出部と、
前記複数の力量検出部により出力された前記力量成分信号に基づいて、前記操作ロッドの力量速度を算出する力量速度算出部と、
前記操作ロッドの現在の動作位置から前記可動領域境界線までの境界線距離に基づいて、境界線到達速度を算出する境界線到達速度算出部と、
を備え、
前記境界線方向速度算出部は、前記操作ロッドの動作位置の基準点である動作位置基準点と前記予測動作位置とを結ぶ直線と前記可動領域境界線との交点と前記操作ロッドの現在の動作位置との位置偏差とに基づいて、前記境界線方向速度を算出し、
前記動作速度算出部は、前記境界線方向速度と、前記境界線到達速度及び／又は前記力量速度と、を合成して前記動作速度を算出する、
訓練装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、所定の訓練プログラムに従って、患者の上肢および下肢等のリハビリテーションを支援する訓練装置に関する。

【背景技術】

【0002】

脳卒中患者の片麻痺した上肢や下肢の運動機能回復を目的とするリハビリテーションは、一般に作業療法士や理学療法士によって行われるため、リハビリテーションの効率的な提供の面においては限界がある。たとえば、上肢の運動機能回復を目的としたリハビリテーションでは、主には麻痺した上肢の正確な動作を、現状よりも僅かに広い動作範囲で、他動的及び能動的に、可能な限り反復することが求められる。これらの運動機能回復に関するリハビリテーションをベースに、作業療法士又は理学療法士は、患者に正確な動作を教授し、さらに手技によって患者の上肢に対して他動的負荷を加えながら能動的な動作を誘導する。

【0003】

かかるリハビリテーションでは、動作の反復回数は、療法士の体力の限界によって制限される。また、療法士の経験によって、リハビリテーションの医学的な質についても差が生ずる可能性がある。よって、療法士による訓練を補助して、疲労による制約を無くし、かつ、その医学的な質をできるだけ標準化するために、例えば、特許文献１のような、腕などの肢が不自由な患者のリハビリテーションを支援するための上肢訓練装置が、知られている。この装置は、床面上に配置可能な固定フレームと、全方向に傾動可能に固定フレームに支持された可動フレームと、可動フレームに伸縮自在に装着され、訓練を受ける人の手で操作される操作ロッドとを備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０１２／１１７４８８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に開示された訓練装置では、患者等が訓練中に椅子から転倒などしないように、操作ロッドの動作範囲（操作ロッド可動領域）が定められている。従来の訓練装置においては、操作ロッドが操作ロッド可動領域の境界に到達した時点において、操作ロッドを使用する患者の意思に関係なく操作ロッドの動作速度を０としていた。

【0006】

操作ロッド可動領域の境界近傍において操作ロッドを当該境界に沿った方向に動作させたいとき、従来の訓練装置は、境界の外に出ようとする速度成分が少しでもあれば、操作ロッドを停止していた。
例えば境界が円形の場合、境界に沿って動かそうとすると必ず境界外側に進もうとする成分が発生するので、実質的に境界に沿って動かすことはできなかった。

【0007】

本発明の課題は、操作ロッド可動領域の境界近傍において、操作ロッドを境界に沿った方向に動作させることにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。
本発明の一見地に係る訓練装置は、所定の訓練プログラムに従って、使用者の上肢及び／又は下肢の四肢を訓練する訓練装置である。
訓練装置は、操作ロッドと、力量検出部と、動作位置検出部と、境界線方向速度算出部と、動作位置予測部と、動作速度算出部と、を備える。

【0009】

操作ロッドは、床面上又は床面に近接して載置される固定フレームに、２以上の自由度にて動作可能に支持されている。また、操作ロッドは、保持した肢を動作させる。
複数の力量検出部のそれぞれは、力量成分を検出し、検出した力量成分を力量成分信号として算出する。力量成分は、操作ロッドに加えられた力量の操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の成分である。動作位置検出部は、操作ロッドの動作位置を検出する。操作ロッドの動作位置は、操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の動作位置である。

【0010】

境界線方向速度算出部は、境界線方向速度を算出する。境界線方向速度は、可動領域境界線に沿った方向の速度成分である。可動領域境界線は、操作ロッド可動領域の境界を定める境界線である。操作ロッド可動領域は、操作ロッドが動作可能な範囲を定める領域である。動作位置予測部は、予測動作位置を予測する。予測動作位置は、操作ロッドの現在の動作位置において、操作ロッドに合成力量が加えられたときに、操作ロッドが到達すると予測される、操作ロッドの動作位置である。合成力量は、各自由度方向の力量成分を合成して得られる力量である。
動作速度算出部は、予測動作位置が操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、境界線方向速度を含む速度を、動作速度として算出する。動作速度は、操作ロッドが動作すべき速度である。

【0011】

上記の訓練装置においては、まず、操作ロッドの現在の動作位置と操作ロッドに加えられる力量の力量成分が検出される。次に、動作位置予測部が、操作ロッドの現在の動作位置において合成力量が操作ロッドに加えられたときに、操作ロッドが到達する予測動作位置を予測する。そして、予測動作位置が操作ロッド可動領域外に存在すると予測された場合、動作速度算出部が、境界線方向速度算出部において算出された境界線方向速度を含む速度を、動作速度として算出する。

【0012】

上記の訓練装置においては、操作ロッドに合成力量が加えられた結果、操作ロッドが操作ロッド可動領域外に存在すると予測される場合に、可動領域境界線に沿った方向の速度成分である境界線方向速度を含む速度が、動作速度として算出される。つまり、操作ロッドに加えられた力により、操作ロッドが操作ロッド可動領域外へ移動するときに、操作ロッドを可動領域境界線に沿った方向に動作させる。これにより、操作ロッド可動領域の境界近傍において、加えられた力に対して可動領域境界線に沿った自然な動きを実現することができる。

【0013】

境界線方向速度算出部は、動作位置基準点と予測動作位置とを結ぶ直線と可動領域境界線との交点と操作ロッドの現在の動作位置との位置偏差に基づいて、境界線方向速度を算出してもよい。動作位置基準点は、操作ロッドの動作位置の基準点である。
これにより、境界線方向速度を、操作ロッドの現在の動作位置から上記の交点へと向かう可動領域境界線に沿った方向の速度として算出できる。

【0014】

上記の訓練装置は、力量速度算出部と境界線到達速度算出部とをさらに備えていてもよい。力量速度算出部は、複数の力量検出部により出力された力量成分信号に基づいて、操作ロッドの力量速度を算出する。境界線到達速度算出部は、操作ロッドの現在の動作位置から可動領域境界線までの境界線距離に基づいて、境界線到達速度を算出する。
この場合、動作速度算出部は、境界線方向速度と、境界線到達速度及び／又は力量速度と、を合成して動作速度を算出する。
これにより、境界線方向速度と境界線到達速度及び／又は力量速度とを含んだ動作速度を算出できる。

【0015】

予測動作位置は、力量速度が一定時間継続したと仮定したときに、操作ロッドが到達すると予測される位置であってもよい。これにより、操作ロッドが力量速度にて一定時間移動した場合の位置を予測動作位置として予測できる。

【0016】

予測動作位置は、操作ロッドが力量速度から所定の減速度にて減速停止すると予測される位置であってもよい。これにより、操作ロッドが最終的に停止する位置を予測動作位置として予測できる。

【0017】

動作速度算出部は、第１合成速度を動作速度として算出してもよい。第１合成速度は、力量速度又は境界線到達速度のいずれか小さい方と、境界線方向速度又は第２合成速度のいずれかと、を第１の比にて合成した速度である。第２合成速度は、境界線方向速度と力量速度とを含む速度である。第１の比は、現在の動作位置に基づいて変化する。
これにより、操作ロッドの現在の動作位置により、境界線方向速度と力量速度又は境界線到達速度とを適切な比率にて合成した動作速度を算出できる。その結果、境界線方向速度の影響と力量速度又は境界線到達速度の影響とを徐々に変化させて、滑らかに操作ロッドを動作できる。

【0018】

第１の比は、可動領域境界線と操作ロッドの現在の動作位置との間の距離に基づいて算出されてもよい。これにより、任意の形状の可動領域境界線について第１の比を決定できる。

【0019】

第２合成速度は、力量速度と境界線方向速度とを第２の比にて合成して算出されてもよい。第２の比は、予測動作位置に基づいて変化する。
これにより、操作ロッドに加えられた力によっては、操作ロッドを操作ロッドに加えられた力の方向になるべく動作させつつ、操作ロッド可動領域の境界近傍において、加えられた力に対して可動領域境界線に沿った自然な動きを実現することができる。

【0020】

第２の比は、可動領域境界線と予測動作位置との間の距離に基づいて算出されてもよい。これにより、任意の形状の可動領域境界線について第２の比を決定できる。

【0021】

境界線方向速度が最低走行速度よりも小さく、かつ、予測動作位置が操作ロッド可動領域の外に存在する場合、動作速度算出部は、境界線方向速度を０として動作速度を算出してもよい。これにより、操作ロッドを可動領域境界線上にて安定して停止できる。
また、制御遅れなどにより操作ロッドが操作ロッド可動領域の外にわずかに出た場合には、動作位置基準点に向かう速度が操作ロッド可動領域に入るまで作用するため、操作ロッドは速やかに可動領域境界線へ移動する。

【0022】

本発明の他の見地に係る算出方法は、所定の訓練プログラムに従って、使用者の上肢及び／又は下肢の四肢のいずれかを訓練する訓練装置における、保持した四肢を動作させる操作ロッドの動作速度の算出方法である。算出方法は、以下のステップを含む。
◎操作ロッドの現在の動作位置を検出するステップ。
◎操作ロッドに加えられた力量の各自由度方向の力量成分を検出するステップ。
◎現在の動作位置において、操作ロッドに合成力量が加えられたときに、操作ロッドが到達する予測動作位置を予測するステップ。
◎予測動作位置が操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、境界線方向速度を含む速度を動作速度として算出するステップ。

【0023】

操作ロッドの動作速度が上記のステップを含む算出方法により算出されることにより、操作ロッドを可動領域境界線に沿った方向に動作できる。

【0024】

上記の境界線方向速度を含む速度を動作速度として算出するステップは、以下のステップを含んでいてもよい。
◎動作位置基準点と予測動作位置とを結ぶ直線を算出するステップ。
◎上記直線と可動領域境界線との交点を算出するステップ。
◎上記交点と操作ロッドの現在の動作位置との位置偏差とに基づいて、境界線方向速度を算出するステップ。

【0025】

境界線方向速度が上記のステップを含む算出方法により算出されることにより、境界線方向速度を、上記の交点へと向かう可動領域境界線に沿った方向の速度として算出できる。これにより、操作ロッド可動領域の境界近傍において、加えられた力に対して可動領域境界線に沿った自然な動きを実現することができる。

【0026】

本発明のさらに他の見地に係るプログラムは、上記の算出方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。

【発明の効果】

【0027】

操作ロッド可動領域の境界近傍において、操作ロッドを境界に沿った方向に動作できる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】訓練装置の全体構成を示す図。

【図2】固定フレーム内の制御部と操作ロッド傾動機構の全体構成を示す図。

【図3】操作ロッド可動領域を模式的に示す図。

【図4A】操作ロッド傾動機構及び力量検出機構のＡ−Ａ’平面における断面図。

【図4B】操作ロッドに力が加えられたときの操作ロッド傾動機構と力量検出機構との関係を示す図。

【図5】操作ロッドの構成を示す図。

【図6】制御部の全体構成を示す図。

【図7】指令作製部の構成を示す図。

【図8】第１実施形態に係る訓練装置の第１指令算出部の構成を示す図。

【図9】境界線到達速度の算出方法を模式的に示す図。

【図10】操作ロッドの動作位置と算出される境界線到達速度との関係を示す図。

【図11】中心方向速度の算出方法を模式的に示す図。

【図12A】訓練装置の基本動作を示すフローチャート。

【図12B】第１動作モードの動作を示すフローチャート。

【図12C】第１実施形態に係る訓練装置における操作ロッドの動作速度の算出方法を示すフローチャート。

【図13】操作ロッド可動領域内における動作速度と操作ロッドの動作位置との関係を示す図。

【図14A】第２実施形態に係る訓練装置の速度成分算出部の構成を示す図。

【図14B】第２実施形態に係る訓練装置の動作速度算出部の構成を示す図。

【図15A】境界線方向速度の算出方法を模式的に示す図。

【図15B】境界線方向速度の算出方法を示すフローチャート。

【図16A】第１速度成分合成部における第１合成速度の算出方法を示すフローチャート。

【図16B】第１合成係数及び第２合成係数と動作位置基準点から動作位置までの距離との関係を示す図。

【図17A】第２速度成分合成部における速度の算出方法を示すフローチャート。

【図17B】第３合成係数及び第４合成係数と動作位置基準点から予測動作位置までの距離との関係を示す図。

【図18】第３速度成分合成部における速度の算出方法を示すフローチャート。

【図19】境界線方向速度が小さな値として算出される場合の一例を模式的に示す図。

【図20】第２実施形態に係る訓練装置における動作速度の算出方法を示すフローチャート。

【図21】境界線方向速度の他の実施形態を模式的に示す図。

【発明を実施するための形態】

【0029】

１．第１実施形態
（１）訓練装置の全体構成
以下、本発明の訓練装置について説明する。まず、第１実施形態に係る訓練装置１００の全体構成を、図１を用いて説明する。図１は、訓練装置１００の全体構成を示す図である。訓練装置１００は、所定の訓練プログラムに従って、使用者（患者）の上肢及び／又は下肢の四肢のうちのいずれかの肢の運動機能回復を目的とした訓練を行うための訓練装置である。
訓練装置１００は、固定フレーム１と、操作ロッド３と、訓練指示部５、とを主に備える。固定フレーム１は、訓練装置１００を設置する床面上又は床面に近接して載置される。また、固定フレーム１は、訓練装置１００の本体筐体を形成している。

【0030】

操作ロッド３は、固定フレーム１内部に備えられた操作ロッド傾動機構１３（図２）を介して、固定フレーム１に取り付けられている。この結果、操作ロッド３は、操作ロッド傾動機構１３により、固定フレーム１の長さ方向に平行なＸ軸、及び、固定フレーム１の幅方向に平行なＹ軸（図１及び図２）方向に動作（傾動）可能となる。
なお、操作ロッド３は、必要に応じて、上記のＸ軸方向又は上記のＹ軸方向のみに動作（傾動）可能となっていてもよい。この場合、操作ロッド３は、１自由度にて傾動可能となる。

【0031】

また、操作ロッド３は、内部に操作ロッド３の長手方向に伸縮機構（図５）を備えてもよい。このとき、操作ロッド３は、操作ロッド３の長さ方向に伸縮可能となるので、操作ロッド傾動機構１３と合わせて少なくとも２自由度又は３自由度の動作を形成することができる。

【0032】

さらに、操作ロッド３は、その上端部に肢支持部材３１（後述）を有している。患者の肢を肢支持部材３１に支持することにより、操作ロッド３によって患者の肢を動かすことを可能とする。または、患者自らの意思で操作ロッド３を動かすことを可能とする。

【0033】

訓練指示部５は、固定部材７を介して、固定フレーム１に固定されている。訓練指示部５は、予め設定した訓練プログラムを実行し、当該訓練プログラムに基づいて、第１動作モード（後述）を実行するか、又は、第２動作モードを実行するかを決定する。第１動作モードは、操作ロッド３を、操作ロッド３に患者等により加えられた力量に基づいて動作させるための動作モードである。第２動作モードは、訓練プログラムにおいて操作ロッド３の動作が指定された時の動作モードである。

【0034】

また、訓練指示部５は、予め設定された訓練プログラムによって、訓練ルートと実際の患者の肢の訓練動作を視覚的情報又は聴覚的情報によって提供する。これにより、患者は、訓練プログラムにより設定された訓練動作と実際の動作とをフィードバックしながら、肢の訓練を行える。
さらに、訓練指示部５は、患者の肢が訓練プログラムに示された目標点（目標傾動角度）まで操作ロッド３を傾動できたときにも、使用者に対して、視覚的情報又は聴覚的情報により、目標傾動角度に到達したことを知らせてもよい。これにより、患者が訓練を続けるためのモチベーションを維持できる。

【0035】

訓練指示部５としては、液晶ディスプレーなどの表示装置と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｉｓｋ）などの記憶装置と、必要に応じてタッチパネルなどの入力装置と、を備えた、一体型コンピュータシステムを用いることができる。また、訓練指示部５は、表示装置と、その他のコンピュータシステムとが分離して構成されていてもよい。この場合、固定フレーム１に固定部材７を介して固定されるのは、表示装置である。

【0036】

訓練指示部５において実行される訓練プログラムは、例えば、（ｉ）ガイデッドモード（Ｇｕｉｄｅｄ Ｍｏｄｅ）、（ｉｉ）イニシエーティッドモード（Ｉｎｉｔｉａｔｅｄ Ｍｏｄｅ）、（ｉｉｉ）ステップイニシエーティッドモード（Ｓｔｅｐ Ｉｎｉｔｉａｔｅｄ Ｍｏｄｅ）、（ｉｖ）フォローアシストモード（Ｆｏｌｌｏｗ Ａｓｓｉｓｔ Ｍｏｄｅ）、（ｖ）フリーモード（Ｆｒｅｅ Ｍｏｄｅ）という、５つの訓練モード等を有している。ガイデッドモードは、操作ロッド３が患者の肢の動きに関係なく、肢を予め決められた方向に一定速度で動かす訓練モードである。イニシエーティッドモードは、訓練プログラムで予め設定された訓練ルートに対して、患者が肢により操作ロッド３を初動位置にて正しい方向に動かそうとした力（力覚トリガーと呼ぶこともある）を検出し、操作ロッド３が患者の肢を予め決められた訓練ルートの方向に一定速度で動かす訓練モードである。ステップイニシエーティッドモードは、操作ロッド３の訓練ルート中の所定の箇所において、力覚トリガーを検出したとき、訓練ルートにおける一定距離だけ、操作ロッド３が患者の肢を動かす訓練モードである。フォローアシストモードは、所定周期毎に力覚トリガーを検出して、検出した力覚トリガーの大きさに応じて、操作ロッド３の速度を変化させる訓練モードである。フリーモードは、患者自らの肢の動きに追従するように操作ロッド３を動かす訓練モードである。

【0037】

上記の５つの訓練モードのうち、フリーモードが第１動作モードに含まれる。一方、他の訓練モードは第２動作モードに含まれる。すなわち、第１動作モードは、操作ロッド３の動作方向及び／又は動作速度を、患者の肢の動き（すなわち、患者の肢が操作ロッド３に対して加えた力量）に基づいて決定する動作モードである。一方、第２動作モードは、動作初期においては力量を検出することもあるが、操作ロッド３の主動作（動作方向／動作速度）は、訓練プログラムにおいて指定された訓練指示に基づいて指示されている。

【0038】

また、訓練装置１００は、患者が訓練中に腰掛けるための椅子９をさらに備えていてもよい。椅子９は、椅子接続部材９１を介して、固定フレーム１に接続されていることで、訓練装置１００の安定性を確保でき、また椅子接続部材９１を再現良く固定することで患者が毎回訓練を同じ位置で実施することができる。

【0039】

（２）制御部及び操作ロッド傾動機構の構成
Ｉ．全体構成
次に、制御部１１と、操作ロッド傾動機構１３の全体構成について図２を用いて説明する。図２は、固定フレーム内の制御部と操作ロッド傾動機構の全体構成を示す図である。制御部１１と、操作ロッド傾動機構１３は、固定フレーム１内に配置されている。
制御部１１は、訓練指示部５から、第１動作モードを実行するための第１動作モード実行指示、又は、第２動作モードを実行するための第２動作モード実行指示のいずれかを受信可能となっている。

【0040】

制御部１１は、第１動作モードの実行時（第１動作モード実行指示の受信時）においては、患者等により操作ロッド３に加えられた力量に基づいて操作ロッド３を動作させる第１モータ制御指令（後述）を算出する。一方、第２動作モードの実行時（第２動作モード実行指示の受信時）においては、制御部１１は、操作ロッドの訓練指示に基づいて第２モータ制御指令を算出する。

【0041】

また、制御部１１は、Ｘ軸方向傾動モータ１３５ｂ（後述）、Ｙ軸方向傾動モータ１３５ａ（後述）、及び伸縮モータ３５９（図５）に電気的に接続されており、これらモータに駆動電力を供給可能となっている。よって、制御部１１は、上記の第１モータ制御指令又は第２モータ制御指令に基づいて出力する駆動電力量を調整することにより、これらのモータを制御できる。

【0042】

さらに、制御部１１は、図３に示すような、操作ロッド３が動作可能な範囲を定める操作ロッド可動領域ＭＡを定義している。図３は、操作ロッド可動領域を模式的に示す図である。本実施形態において、操作ロッド可動領域ＭＡは、操作ロッド３が傾動していない場合に操作ロッド３が存在する位置（動作位置基準点Ｏ（後述））を中心とした半径ｒの円内の領域であって、Ｘ軸方向の前方方向（図３においては、訓練指示部５が設置された方向）において、半径ｒよりも小さい範囲内にて操作ロッド３が動作（傾動）可能となるように定義されている。また、操作ロッド可動領域ＭＡにおいては、操作ロッド可動領域ＭＡの境界線を定める可動領域境界線Ｂが定義されている。

【0043】

本実施形態において、制御部１１は、操作ロッド３の動作位置が半径ｒ以下（Ｘ軸方向の前方方向においては、半径ｒよりも小さい予め決められた値以下）であるか、又は、半径ｒ以上（Ｘ軸方向の前方方向においては、半径ｒよりも小さい予め決められた値以上）であるかにより、操作ロッド３に所定の動作をさせるように上記のモータを制御する。これにより、制御部１１は、操作ロッド３を患者等にとって苦痛とならない範囲にて動作できる。
なお、操作ロッド可動領域ＭＡは、上記の円以外にも任意の形状の領域とすることもできる。また、操作ロッド可動領域ＭＡは、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標における関数（領域を表す不等式）として表現されていてもよいし、操作ロッド可動領域ＭＡの境界を定めるいくつかの座標点により定義されていてもよい。さらに、操作ロッド可動領域ＭＡを定める半径、関数、及び／又は座標値は、制御部１１を構成するマイコンシステム（後述）の記憶装置に記憶されていてもよい。
また、本実施形態において、上記の操作ロッド可動領域ＭＡは、ソフトウェア的に実現されているが、これに限られず、スイッチなどを用いて機械的に実現されていてもよい。
制御部１１の構成及び動作の詳細については、後ほど詳しく説明する。

【0044】

操作ロッド傾動機構１３は、固定フレーム１に固定された操作ロッド傾動機構固定部材１５ａ、１５ｂを介して、固定フレーム１に傾動可能に取り付けられている。そのため、操作ロッド傾動機構１３は、固定フレーム１に対しては、Ｙ軸方向（後述）に動作（傾動）可能となっている。以下に、操作ロッド傾動機構１３の構成について、詳細に説明する。

【0045】

ＩＩ．操作ロッド傾動機構の構成
ここで、本実施形態の操作ロッド傾動機構１３の構成について、図２を用いて説明する。操作ロッド傾動機構１３は、２軸を可動させうる「ジンバル」機構により、操作ロッド３をＸ軸方向及びＹ軸方向に傾動可能とする機構である。ここで、Ｘ軸方向とは、図２において、上下方向に記載した軸に平行な水平方向である。Ｙ軸方向とは、図２において、左右方向に記載した軸に平行な水平方向である。

【0046】

操作ロッド傾動機構１３は、Ｘ軸方向傾動部材１３１と、Ｙ軸方向傾動部材１３３と、それぞれに対応するＸ軸方向傾動モータ１３５ｂと、Ｙ軸方向傾動モータ１３５ａと、力量検出機構１７（図２、図４Ａ〜図４Ｂ）と、を有している。

【0047】

Ｘ軸方向傾動部材１３１は、Ｙ軸方向傾動部材１３３（後述）の空間の内側に配置されている。また、Ｘ軸方向傾動部材１３１は、Ｙ軸に平行な法線を有する２つの側面から外側に伸びる２つの軸１３１ａ、１３１ｂを有している。この２つの軸１３１ａ、１３１ｂのそれぞれが、Ｙ軸方向傾動部材１３３のＹ軸に平行な法線を有する２つの側面のそれぞれに、Ｘ軸方向傾動部材１３１をＹ軸回りに回動可能なように支持されている。

【0048】

一方、Ｙ軸方向傾動部材１３３は、Ｘ軸に平行な法線を有する２つの側面から外側へ伸びる２つの軸１３３ａ、１３３ｂを有している。この２つの軸１３３ａ、１３３ｂのそれぞれが、操作ロッド傾動機構固定部材１５ａ、１５ｂに、Ｙ軸方向傾動部材１３３をＸ軸回りに回動可能なように支持されている。

【0049】

上記のように、Ｘ軸方向傾動部材１３１がＹ軸方向傾動部材１３３に対してＸ軸方向に傾動可能であり、Ｙ軸方向傾動部材１３３が操作ロッド傾動機構固定部材１５ａ、１５ｂに対してＹ軸方向に傾動可能となることにより、操作ロッド傾動機構１３は、固定フレーム１に対して２次元（場合によっては１次元）の自由度にて動作（傾動）できる。

【0050】

なお、図２ではＸ軸方向傾動部材１３１は、Ｙ軸方向傾動部材１３３の空間の内側に配置されているが、Ｘ軸方向傾動部材１３１を、Ｙ軸方向傾動部材１３３の空間の外側に配置し、それに対応する部材を傾動できるように設計変更してもよい。

【0051】

Ｙ軸方向傾動モータ１３５ａは、操作ロッド傾動機構固定部材１５ａに固定されている。また、Ｙ軸方向傾動モータ１３５ａの出力回転軸は、図示されない減速機構を介して、Ｙ軸方向傾動部材１３３から伸びる軸１３３ａに対して、軸１３３ａを回動可能なように接続されている。

【0052】

Ｘ軸方向傾動モータ１３５ｂは、Ｘ軸方向傾動部材１３１から伸びる軸１３１ａを軸支している側面に固定されている。また、Ｘ軸方向傾動モータ１３５ｂの出力回転軸は、図示されない減速機構を介して、Ｘ軸方向傾動部材１３１から伸びる軸１３１ａに対して、軸１３１ａを回動可能なように接続されている。

【0053】

Ｙ軸方向傾動モータ１３５ａ及びＸ軸方向傾動モータ１３５ｂは、制御部１１から駆動電力の供給を受けて制御されている。従って、Ｙ軸方向傾動モータ１３５ａ及びＸ軸方向傾動モータ１３５ｂは、モータ制御指令から算出される駆動電力に基づいて、操作ロッド３を、それぞれＹ軸方向及びＸ軸方向に２自由度で傾動できる。

【0054】

Ｙ軸方向傾動モータ１３５ａ及びＸ軸方向傾動モータ１３５ｂとしては、例えば、サーボモータ又はブラシレスモータなどの、電動モータを用いることができる。

【0055】

なお、操作ロッド傾動機構１３が操作ロッド３を１自由度にて傾動させる場合、操作ロッド傾動機構１３は、Ｘ軸方向傾動部材１３１とＸ軸方向傾動モータ１３５ｂとのみを備えるか、又は、Ｙ軸方向傾動部材１３３とＹ軸方向傾動モータ１３５ａとのみを備えていれば十分である。あるいは、操作ロッド傾動機構１３が上記４つの部材及びモータを備えている場合であっても、いずれかの部材とモータとの組み合わせを無効にすることにより、操作ロッド傾動機構１３は、操作ロッド３を１自由度にて傾動可能となる。

【0056】

力量検出機構１７は、操作ロッド３に加えられた力（力量）を、力量検出機構１７のＸ軸方向傾動部材１３１に対する傾動角度として検出する。そして、力量検出機構１７は、検出された当該傾動角度を、電気信号（力量成分信号（後述））に変換して出力する。以下に、力量検出機構１７の構成の詳細について説明する。

【0057】

ＩＩＩ．力量検出機構の構成
力量検出機構１７の構成の詳細について、図２及び図４Ａを用いて説明する。図４Ａは、操作ロッド傾動機構１３及び力量検出機構１７の、Ａ−Ａ’平面における断面図である。図２に示すように、力量検出機構１７は、操作ロッド傾動機構１３と同様、２軸を可動させうる「ジンバル」機構により、操作ロッド３をＸ軸方向及びＹ軸方向に傾動可能とする機構である。
そのため、力量検出機構１７は、Ｙ軸方向力量検出部材１７１と、Ｘ軸方向力量検出部材１７３と、Ｙ軸方向力量検出部１７５と、Ｘ軸方向力量検出部１７７と、付勢部材１７９と、を有する。

【0058】

Ｙ軸方向力量検出部材１７１は、Ｘ軸に平行な法線を有する２つの側面から外側へ伸びる２つの軸１７１ａ、１７１ｂを有している。この２つの軸１７１ａ、１７１ｂのそれぞれが、Ｘ軸方向傾動部材１３１にＸ軸回りに回動可能なように支持されている。
Ｘ軸方向力量検出部材１７３は、Ｙ軸に平行な法線を有する２つの側面から外側へ伸びる２つの軸１７３ａ、１７３ｂを有している。この２つの軸１７３ａ、１７３ｂのそれぞれが、Ｙ軸方向力量検出部材１７１にＹ軸回りに回動可能なように支持されている。

【0059】

Ｙ軸方向力量検出部材１７１がＸ軸回りに回動可能にＸ軸方向傾動部材１３１に支持され、Ｘ軸方向力量検出部材１７３がＹ軸回りに回動可能にＹ軸方向力量検出部材１７１に支持されることにより、力量検出機構１７は、操作ロッド傾動機構１３に対して、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に傾動可能となる。

【0060】

Ｙ軸方向力量検出部１７５は、回転可能な軸（回転軸）を備え、当該回転軸の回転量に基づいた信号（力量成分信号）を出力する。Ｙ軸方向力量検出部１７５は、回転軸がＹ軸方向力量検出部材１７１の軸１７１ａ、又は、１７１ｂと一致するように、Ｘ軸方向傾動部材１３１に固定される。
Ｘ軸方向力量検出部１７７は、回転可能な軸（回転軸）を備え、当該回転軸の回転量に基づいた信号（力量成分信号）を出力する。Ｘ軸方向力量検出部１７７は、回転軸がＸ軸方向力量検出部材１７３の軸１７３ａ、又は、１７３ｂと一致するように、Ｙ軸方向力量検出部材１７１に固定される。

【0061】

上記の構成により、Ｙ軸方向力量検出部１７５及びＸ軸方向力量検出部１７７は、それぞれ、Ｘ軸方向傾動部材１３１に対するＹ軸方向力量検出部材１７１の傾動角度、及び、Ｙ軸方向力量検出部材１７１に対するＸ軸方向力量検出部材１７３の傾動角度を検出できる。

【0062】

なお、Ｘ軸方向傾動部材１３１に対するＹ軸方向力量検出部材１７１の傾動角度は、力量検出機構１７の操作ロッド傾動機構１３に対するＹ軸方向の傾動角度に対応する。またＹ軸方向力量検出部材１７１に対するＸ軸方向力量検出部材１７３の傾動角度は、力量検出機構１７の操作ロッド傾動機構１３に対するＸ軸方向の傾動角度に対応する。

【0063】

Ｙ軸方向力量検出部１７５及びＸ軸方向力量検出部１７７としては、例えば、軸回転検出用のポテンショメータを用いることができる。
軸回転検出用のポテンショメータは、基準電極と測定電極とを備えており、基準電極間には基準電圧（あるいは基準電流）を印加しておく。この状態において、ポテンショメータの回転軸が回転したとき、ポテンショメータの軸の回転量に応じた電圧が測定電極に発生する。すなわち、ポテンショメータは、上記の力量検出機構１７の操作ロッド傾動機構に対する傾動角度を、電圧変化として検出できる。

【0064】

付勢部材１７９は、例えば、複数の円形の渦巻き形状の板バネにより構成されている。図４Ａに示すように、付勢部材１７９を構成する渦巻き形状のバネの渦巻きの中心部に設けられた接続端が、Ｘ軸方向力量検出部材１７３の中心に設けられた付勢部材固定部１７３−１に固定される。また、付勢部材１７９を構成する渦巻き形状のバネの最外円周部に設けられた接続端が、Ｘ軸方向傾動部材１３１に設けられた付勢部材固定部１３１−１に固定される。

【0065】

このように、Ｘ軸方向傾動部材１３１とＸ軸方向力量検出部材１７３とが、付勢部材１７９を介して接続されることにより、力量検出機構１７は、操作ロッド傾動機構１３の傾動に追随して傾動できる。

【0066】

また、操作ロッド３は、Ｘ軸方向力量検出部材１７３に設けられた空間Ｓ内に挿入されて、Ｘ軸方向力量検出部材１７３に固定される。これにより、操作ロッド３は、操作ロッド傾動機構１３の傾動に追随して、力量検出機構１７を介して、２自由度にて動作（傾動）可能となる。

【0067】

ここで、上記のような構成を有する力量検出機構１７が操作ロッド３に加えられる力量を検出する原理について説明する。
今、例えば、図４Ｂのように操作ロッド３にＹ軸方向の紙面右方向の力が加えられたとする。図４Ｂは、操作ロッドに力が加えられたときの操作ロッド傾動機構と力量検出機構との関係を示す図である。

【0068】

操作ロッド３にＹ軸方向の力が加えられると、その力に応じて、Ｙ軸方向力量検出部材１７１及びＸ軸方向力量検出部材１７３がＸ軸方向傾動部材１３１に対してＹ軸方向に傾動して、付勢部材１７９が変形する。具体的には、操作ロッド３に力が加えられていないときの付勢部材１７９の半径をｄ_１とした場合、付勢部材１７９の付勢部材固定部１７３−１よりも紙面左側部分はＸ軸方向力量検出部材１７３の付勢部材固定部１７３−１により圧縮されて、長さが半径ｄ_１よりも小さくなる。一方、付勢部材固定部１７３−１よりも紙面右側部分はＸ軸方向力量検出部材１７３の付勢部材固定部１７３−１により伸長されて、長さが半径ｄ_１よりも大きくなる。

【0069】

上記の付勢部材１７９の変形により、力量検出機構１７のＹ軸方向力量検出部材１７１が、操作ロッド傾動機構１３のＸ軸方向傾動部材１３１に対して傾動角度θ_Ｆだけ右回りに変位する。そして、傾動角度θ_Ｆは、操作ロッド３に加えられた力量と、付勢部材１７９の変形による付勢力とが釣り合った時に一定の値となる。

【0070】

従って、上記の傾動角度θ_Ｆ（軸１７１ａの回転量）を、Ｙ軸方向力量検出部１７５により電圧信号として検出することにより、操作ロッド３に加えられたＹ軸方向の力量成分を力量成分信号として出力できる。

【0071】

一方、操作ロッド３にＸ軸方向の力が加えられた場合には、付勢部材１７９の変形による付勢力と当該Ｘ軸方向の力とが釣り合うように、Ｘ軸方向力量検出部材１７３は、Ｙ軸方向力量検出部材１７１に対して傾動することにより、Ｘ軸方向傾動部材１３１に対して傾動する。操作ロッド３にＸ軸方向の力が加えられた場合、Ｙ軸方向力量検出部材１７１はＸ軸方向傾動部材１３１に対する傾動角度を変化しない。なぜなら、Ｙ軸方向力量検出部材１７１は、Ｘ軸方向傾動部材１３１にＸ軸回りに回動可能に軸支されているからである。

【0072】

従って、Ｘ軸方向に力が加えられたときのＸ軸方向力量検出部材１７３のＹ軸方向力量検出部材１７１に対する傾動角度は、Ｘ軸方向力量検出部材１７３のＸ軸方向傾動部材１３１に対する傾動角度となる。よって、Ｘ軸方向力量検出部材１７３のＹ軸方向力量検出部材１７１に対する傾動角度を、Ｘ軸方向力量検出部１７７により検出することにより、Ｘ軸方向の力量成分を力量成分信号として測定できる。

【0073】

実際の力量成分は、上記の付勢部材１７９の変形度合いと操作ロッド３に加えられる力量との関係に基づいて、上記の力量成分信号から算出できる。なお、付勢部材１７９の変形度合いと操作ロッド３に加えられる力量は、一般的には比例関係を有しているが、比例関係に限られず、付勢部材１７９の特性などに応じて、任意の関係とすることができる。

【0074】

また、操作ロッド３にＸ軸方向又はＹ軸方向に平行ではない力量が加えられた場合には、Ｙ軸方向力量検出部１７５及びＸ軸方向力量検出部１７７は、それぞれ、操作ロッド３に加えられた力量のＹ軸方向成分（Ｙ軸方向力量成分）及びＸ軸方向成分（Ｘ軸方向力量成分）を検出する。そして、Ｙ軸方向力量検出部１７５及びＸ軸方向力量検出部１７７は、検出された力量成分の大きさに基づいた力量成分信号を出力する。
このように、力量検出機構１７が２つの力量検出部を有することにより、力量検出機構１７は、Ｘ−Ｙ平面の任意の方向の力量を検出できる。

【0075】

（３）操作ロッドの構成
Ｉ．全体構成
次に、操作ロッド３の構成について、図５を用いて説明する。まず、操作ロッド３の全体構成について説明する。図５は、操作ロッドの構成を示す図である。操作ロッド３は、肢支持部材３１と、固定ステイ３３と、伸縮機構３５と、長さ方向力量検出機構３９と、を備えている。肢支持部材３１は、伸縮機構３５のカバー３５３（後述）の上端部に固定されている。肢支持部材３１は、患者の肢を支持する。

【0076】

固定ステイ３３は、操作ロッド３の本体を形成している。また、固定ステイ３３は、伸縮機構３５の可動ステイ３５１（後述）を収納する空間Ｓ’を有している。
さらに、固定ステイ３３は、Ｘ軸方向力量検出部材１７３の操作ロッド固定部に固定される。

【0077】

伸縮機構３５は、固定ステイ３３の長さ方向に沿って移動可能なように、固定ステイ３３に設けられる。これにより、操作ロッド３は、操作ロッド３の長さ方向に伸縮可能となる。伸縮機構３５の構成については、後ほど詳しく説明する。

【0078】

長さ方向力量検出機構３９は、操作ロッド３の長さ方向に患者の肢によって加えられた力量を検出する。具体的には、長さ方向力量検出機構３９は、一端がカバー３５３に固定され、他端が可動ステイ３５１に固定された付勢部材３９１（例えば、バネ）の伸びΔＬを長さ方向力量検出部３９３（本実施形態においては、リニア動作ポテンショメータ）により検出して、上記の長さ方向の力量を検出する。

【0079】

長さ方向力量検出部３９３をリニア動作ポテンショメータにより構成した場合、長さ方向の力量成分を表す長さ方向力量成分信号は、付勢部材３９１の伸びΔＬに応じて変化するリニア動作ポテンショメータの出力電圧として得られる。

【0080】

ＩＩ．伸縮機構の構成
次に、伸縮機構３５の構成について、図５を用いて説明する。伸縮機構３５は、可動ステイ３５１と、カバー３５３と、ナット３５５と、ねじ軸３５７と、伸縮モータ３５９と、を有している。
可動ステイ３５１は、固定ステイ３３に設けられた空間Ｓ’に挿入されている。また、可動ステイ３５１は、図示しないスライドユニットを有している。このスライドユニットは、固定ステイ３３の内壁に設けられた案内レール３７に摺動可能に係合している。
カバー３５３は、可動ステイ３５１の上端部に長さ方向力量検出機構３９の付勢部材３９１を介して固定されている。また、カバー３５３は、上端部に肢支持部材３１を備えている。

【0081】

ナット３５５は、可動ステイ３５１の底部に取り付けられている。ナット３５５は、ねじ軸３５７（後述）を螺合している。ねじ軸３５７は、固定ステイ３３の長さ方向と平行な方向に伸びる、ねじ山が設けられた部材である。

【0082】

伸縮モータ３５９は、固定ステイ３３の底部に固定されている。また、伸縮モータ３５９の出力回転軸は、ねじ軸３５７の長さ方向の一端に、ねじ軸３５７を軸回りに回転可能なように接続されている。さらに、伸縮モータ３５９は、制御部１１と電気的に接続されている。従って、伸縮モータ３５９は、制御部１１から出力される駆動電力により駆動される。
伸縮機構３５が上記の構造を有することにより、可動ステイ３５１は、伸縮モータ３５９によりねじ軸３５７を軸回りに回転させることにより、固定ステイ３３の長さ方向に沿って移動可能となる。

【0083】

（４）制御部の構成
Ｉ．全体構成
次に、制御部１１の全体構成について、図６を用いて説明する。図６は、制御部の全体構成を示す図である。制御部１１としては、例えば、ＣＰＵと、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク装置、ＳＳＤなどの記憶装置と、電気信号を変換するインターフェースなどを備えたマイコンシステムなどを用いることができる。また、以下に説明する制御部１１の機能の一部又は全部は、マイコンシステムにおいて実行可能なプログラムとして実現されていてもよい。また、当該プログラムは、マイコンシステムの記憶装置に記憶されていてもよい。さらに、制御部１１の機能の一部又は全部は、カスタムＩＣなどにより実現されていてもよい。
制御部１１は、指令作製部１１１と、モータ制御部１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃと、を有する。

【0084】

指令作製部１１１は、Ｙ軸方向力量検出部１７５、Ｘ軸方向力量検出部１７７、及び長さ方向力量検出部３９３から、それぞれ、Ｙ軸方向の力量成分を表すＹ軸方向力量成分信号、Ｘ軸方向の力量成分を表すＸ軸方向力量成分信号、及び操作ロッド３の長さ方向の力量成分を表す長さ方向力量成分信号を入力可能となっている。また、指令作製部１１１は、第１動作位置検出部１３５ａ−１、第２動作位置検出部１３５ｂ−１、及び第３動作位置検出部３５９−１から、信号を入力可能となっている。

【0085】

上記の動作位置検出部は、それぞれ、Ｙ軸方向傾動モータ１３５ａの出力回転軸、Ｘ軸方向傾動モータ１３５ｂの出力回転軸、伸縮モータ３５９の出力回転軸に固定され、それぞれのモータの出力回転軸の回転量を出力する。すなわち、上記の動作位置検出部のそれぞれは、操作ロッド３が動作可能な対応する各自由度方向の動作位置を検出する。

【0086】

具体的には、第１動作位置検出部１３５ａ−１は、Ｙ軸方向傾動モータ１３５ａの回転量に基づいて、操作ロッド３のＹ軸方向の動作位置（傾動角度）を検出する。第２動作位置検出部１３５ｂ−１は、Ｘ軸方向傾動モータ１３５ｂの回転量に基づいて、操作ロッド３のＸ軸方向の動作位置（傾動角度）を検出する。第３動作位置検出部３５９−１は、伸縮モータ３５９の回転量に基づいて、操作ロッド３の長さ方向の動作位置を検出する。

【0087】

上記の動作位置検出部としては、例えば、インクリメンタル型のエンコーダや、アブソリュート型のエンコーダなどのエンコーダを好適に用いることができる。上記のエンコーダは、対応するモータの回転量に応じたパルス信号を出力する。

【0088】

また、指令作製部１１１は、訓練指示部５から第１動作モード実行指示、又は、第２動作モード実行指示を受信可能となっており、受信した実行指示に応じて、第１モータ制御指令（後述）又は第２モータ制御指令（後述）のいずれかを出力する。なお、指令作製部１１１の構成の詳細については、後ほど説明する。

【0089】

モータ制御部１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃは、それぞれ、指令作製部１１１からモータ制御指令を入力可能となっており、入力したモータ制御指令に基づき、各モータの駆動電力を算出する。そして、モータ制御部１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃは、それぞれ、Ｙ軸方向傾動モータ１３５ａ、Ｘ軸方向傾動モータ１３５ｂ、伸縮モータ３５９に対して、算出した駆動電力を供給する。

【0090】

また、モータ制御部１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃは、それぞれ、第１動作位置検出部１３５ａ−１、第２動作位置検出部１３５ｂ−１、及び第３動作位置検出部３５９−１から対応するモータの回転量を入力可能となっており、当該モータの回転量を考慮して、上記のモータを制御できる。従って、上記のモータ制御部１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃとしては、例えば、フィードバック制御理論を用いたモータ制御装置などを用いることができる。

【0091】

制御部１１が上記のような構成を有することにより、制御部１１は、訓練指示部５から入力した動作モード実行指示に応じて、適切なモータ制御指令（第１モータ制御指令、又は、第２モータ制御指令）を出力し上記の各モータを制御できる。その結果、操作ロッド３は、実行中の動作モードに応じて、適切に動作できる。

【0092】

ＩＩ．指令作製部の構成
次に、指令作製部１１１の構成について、図７を用いて説明する。図７は、指令作製部の構成を示す図である。指令作製部１１１は、第１指令算出部１１１１と、第２指令算出部１１１３と、制御指令切替部１１１５と、を有する。
第１指令算出部１１１１は、上記の力量成分信号及び上記の操作ロッド３の動作位置を、それぞれ、上記の力量検出部及び上記の動作位置検出部から入力可能となっている。第１指令算出部１１１１は、入力した力量成分信号及び／又は操作ロッド３の動作位置に基づいて、第１モータ制御指令を算出する。なお、第１指令算出部１１１１の構成については、後ほど詳しく説明する。

【0093】

第２指令算出部１１１３は、訓練指示部５から、訓練プログラムにおいて指定された訓練指示を入力可能となっており、入力した訓練指示に基づいて、第２モータ制御指令を算出する。

【0094】

制御指令切替部１１１５は、２つの入力ｅ、ｆと、１つの出力ｇを有している。入力ｅには第１指令算出部１１１１から第１モータ制御指令が入力され、入力ｆには第２指令算出部１１１３から第２モータ制御指令が入力される。また、出力ｇは、モータ制御部１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃに接続されている。
制御指令切替部１１１５は、訓練指示部５から第１動作モード実行指示を受信したときは、出力ｇを入力ｅと接続する。一方、制御指令切替部１１１５において、訓練指示部５から第２動作モード実行指示を受信したときは、出力ｇと入力ｆとが接続される。

【0095】

上記の構成により、指令作製部１１１は、第１動作モードの実行時には第１モータ制御指令を、第２動作モードの実行時には第２モータ制御指令を、モータ制御部１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃに対して選択して出力できる。
これにより、上記の各モータは、実行中の動作モードに応じて適切なモータ制御指令により制御される。その結果、操作ロッド３は、実行中の動作モードに応じて適切に動作できる。

【0096】

ＩＩＩ．第１指令算出部の構成
次に、第１指令算出部１１１１の構成について、図８を用いて説明する。図８は、第１実施形態に係る訓練装置の第１指令算出部の構成を示す図である。第１指令算出部１１１１は、速度成分算出部１１１１−１と、動作速度算出部１１１１−３と、第１モータ制御指令算出部１１１１−５と、を有する。
速度成分算出部１１１１−１は、上記の３つの力量検出部から力量成分信号を、上記の３つの動作位置検出部から操作ロッド３の動作位置を入力可能となっている。速度成分算出部１１１１−１は、これらの力量成分信号及び／又は操作ロッド３の動作位置に基づいて、特性の異なる複数の速度成分を算出する。なお、速度成分算出部１１１１−１の構成と、本実施形態において算出される速度成分とについては、後ほど詳しく説明する。

【0097】

動作速度算出部１１１１−３は、速度成分算出部１１１１−１にて算出された複数の速度成分を入力可能となっており、これらの複数速度成分を予め決められた条件に基づいて合成して、操作ロッド３の動作速度を算出する。なお、本実施形態における動作速度算出部１１１１−３の構成については、後ほど詳しく説明する。

【0098】

第１モータ制御指令算出部１１１１−５は、動作速度算出部１１１１−３から操作ロッド３の動作速度を入力可能となっており、入力した動作速度に基づいて、第１モータ制御指令を算出する。

【0099】

上記の構成により、第１指令算出部１１１１は、予め決められた条件に基づいて、上記の複数の速度成分を用いて適切な操作ロッド３の動作速度を算出し、算出した動作速度に基づいた第１モータ制御指令を算出できる。

【0100】

ＩＶ．速度成分算出部の構成
次に、本実施形態の速度成分算出部１１１１−１の構成について、図８を用いて説明する。速度成分算出部１１１１−１は、力量速度算出部１１１１−１１と、境界線到達速度算出部１１１１−１３と、中心方向速度算出部１１１１−１５と、を有する。
力量速度算出部１１１１−１１は、上記の３つの力量検出部から出力された力量成分信号を入力可能となっており、当該力量成分信号に基づいて、操作ロッド３の力量速度を算出する。本実施形態においては、力量速度は、操作ロッド３に加えられた力量の増加に対してリニアに増加する速度として算出される。しかし、これに限られず、操作ロッド３の動作等により、力量速度を、力量に対する任意の関数として算出してもよい。

【0101】

境界線到達速度算出部１１１１−１３は、上記の３つの動作位置検出部から操作ロッド３の動作位置を入力可能となっている。境界線到達速度算出部１１１１−１３は、操作ロッド３の現在の動作位置から図３に示した操作ロッド可動領域ＭＡの可動領域境界線Ｂまでの距離に基づいて、境界線到達速度を算出する。なお、上記の操作ロッド３の現在の動作位置から可動領域境界線Ｂまでの距離を、「境界線距離」と呼ぶことにする。

【0102】

境界線到達速度算出部１１１１−１３は、境界線到達速度として、境界線距離が小さくなるに従ってその絶対値が小さくなる速度を算出している。すなわち、境界線到達速度算出部１１１１−１３は、操作ロッド３の動作位置が可動領域境界線Ｂに近づくに従って、操作ロッド３をゆっくりと動作させる速度を、境界線到達速度として算出している。

【0103】

中心方向速度算出部１１１１−１５は、上記３つの動作位置検出部から操作ロッド３の動作位置を入力し、操作ロッド３の現在の動作位置が操作ロッド可動領域ＭＡ外である場合には、中心方向速度を算出する。

【0104】

中心方向速度は、操作ロッド３の動作位置を基準点へ向かう方向の速度成分である。つまり、中心方向速度は、操作ロッド３を動作位置の基準点へ移動させるための速度である。なお、上記の操作ロッド３の動作位置の基準点のことを「動作位置基準点Ｏ」と呼ぶこともある。本実施形態において、動作位置基準点Ｏは、操作ロッド３の傾動角度（動作位置）が０となる点である。

【0105】

上記の構成を有することにより、速度成分算出部１１１１−１は、速度成分として、力量の増加に対してリニアに増加する力量速度と、可動領域境界線Ｂに近づくに従い操作ロッド３をゆっくり動作させる境界線到達速度と、動作位置基準点に向かう中心方向速度の３種類の速度を算出できる。

【0106】

Ｖ．動作速度算出部の構成
次に、本実施形態における動作速度算出部１１１１−３の構成について、図８を用いて説明する。本実施形態において、動作速度算出部１１１１−３は、速度成分比較部１１１１−３１と、速度成分合成部１１１１−３３と、を有する。
速度成分比較部１１１１−３１は、速度成分算出部１１１１−１から、力量速度と境界線到達速度を入力可能となっており、力量速度又は境界線到達速度のいずれか（絶対値が）小さい方を選択して出力する。

【0107】

速度成分合成部１１１１−３３は、速度成分比較部１１１１−３１から入力した力量速度又は境界線到達速度のいずれかと、速度成分算出部１１１１−１から入力した中心方向速度とを合成して動作速度を算出する。

【0108】

動作速度を算出する際、速度成分合成部１１１１−３３は、入力された力量速度又は境界線到達速度の絶対値が最大動作速度Ｖ_ｍａｘより大きい場合、最大動作速度Ｖ_ｍａｘと中心方向速度とを合成して動作速度とする。すなわち、速度成分合成部１１１１−３３は、操作ロッド３の動作速度を最大動作速度Ｖ_ｍａｘ以下に制限する。

【0109】

上記の構成により、動作速度算出部１１１１−３は、操作ロッド３の現在の動作位置が操作ロッド可動領域ＭＡ内にあるときは、力量速度又は境界線到達速度のいずれか（絶対値が）小さい方を操作ロッド３の動作速度として出力する一方、操作ロッド３の動作位置が操作ロッド可動領域ＭＡの外にあるときには、中心方向速度を含んだ動作速度を算出する。

【0110】

これにより、動作速度算出部１１１１−３は、操作ロッド３が操作ロッド可動領域ＭＡ内の可動領域境界線Ｂの近傍にあるときには、操作ロッド３の動作速度を低い速度に制限できる一方、操作ロッド３が操作ロッド可動領域ＭＡ外にあるときには、操作ロッド３が操作ロッド可動領域ＭＡ内へ戻す方向の速度を算出できる。

【0111】

その結果、操作ロッド３が操作ロッド可動領域ＭＡ内の可動領域境界線Ｂに到達したときに、操作ロッド３が急激に停止して肢に対して衝撃を与えたり、操作ロッド３が慣性により操作ロッド可動領域ＭＡ外へと移動したりすることを抑制できる。また、万が一、操作ロッド３が操作ロッド可動領域ＭＡ外へと移動しても、操作ロッド３を操作ロッド可動領域ＭＡの内側に戻す。

【0112】

（５）訓練装置の動作
次に、本実施形態の訓練装置１００の動作について説明する。まず、上記の境界線到達速度算出部１１１１−１３における境界線到達速度の算出方法、及び、中心方向速度算出部１１１１−１５における中心方向速度の算出方法について説明する。

【0113】

Ｉ．境界線到達速度の算出方法
まず、境界線到達速度算出部１１１１−１３における境界線到達速度の算出方法について、図９を用いて説明する。図９は、境界線到達速度の算出方法を模式的に示す図である。図９を用いた説明では、境界線到達速度のＸ軸方向の成分の算出方法を例にとって説明する。なぜなら、境界線到達速度のＹ軸方向の成分も同様にして算出できるからである。
境界線到達速度の長さ方向の成分については、例えば、操作ロッド３の最小収縮長さと最大伸長長さとの中間の長さを、長さ方向の動作位置基準点として、以下に説明するのとほぼ同様にして境界線到達速度を算出できる。

【0114】

境界線到達速度を算出するため、境界線到達速度算出部１１１１−１３は、まず、操作ロッド３の現在の動作位置を、動作位置検出部から取得する。今、操作ロッド３の現在の動作位置が動作位置Ｐ（Ｘ_Ｐ，Ｙ_Ｐ）にあるとする。

【0115】

次に、境界線到達速度算出部１１１１−１３は、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐから可動領域境界線Ｂまでの境界線距離Ｄを算出する。本実施形態において、Ｘ軸方向の境界線距離Ｄは、現在の動作位置Ｐを通るＸ軸に平行な直線と可動領域境界線Ｂとの交点Ｑと、現在の動作位置ＰのＸ座標値Ｘ_Ｐとの間の距離としている。

【0116】

境界線到達速度算出部１１１１−１３は、以下のようにして、交点Ｑの具体的な（Ｘ）座標値を算出する。図９に示すように、交点ＱのＹ座標値は動作位置ＰのＹ座標値Ｙ_Ｐと同じである。一方、交点ＱのＸ座標値は、図９に示すように、動作位置基準点Ｏと、交点Ｑと、交点ＱからＸ軸に下ろした垂線とＸ軸との交点Ｑ’により構成される三角形ＯＱＱ’の辺ＯＱ’の長さに対応することが分かる。

【0117】

なお、本実施形態において、操作ロッド可動領域ＭＡは、Ｘ軸の負値側の所定の領域を除いて、半径ｒの円内の領域であるとして定義される（操作ロッド可動領域ＭＡはＤ字形の領域）。また、図９に示すように、三角形ＯＱＱ’の辺ＯＱの長さは、操作ロッド可動領域ＭＡの半径ｒと一致している。
よって、三角形ＯＱＱ’において、辺ＯＱの長さをｒ、辺ＱＱ’の長さをＹ_Ｐとして、辺ＯＱ’の長さを算出することにより、交点ＱのＸ座標値を算出できる。

【0118】

交点ＱのＸ座標値を算出後、境界線到達速度算出部１１１１−１３は、交点ＱのＸ座標値と動作位置ＰのＸ座標値との差分（の絶対値）をＸ軸方向の境界線距離Ｄとして算出する。

【0119】

次に、境界線到達速度算出部１１１１−１３は、算出した境界線距離Ｄを用いて、現在の動作位置Ｐから交点Ｑへ向かう方向の速度を、境界線到達速度のＸ軸方向成分として算出する。本実施形態においては、境界線到達速度算出部１１１１−１３は、予め決められた一定の減速度にて減速しながら動作位置Ｐから交点Ｑへ向かうように、境界線到達速度（のＸ軸方向成分）を算出する。

【0120】

上記の算出方法により境界線到達速度を算出すると、図１０に示すような境界線到達速度を算出できる。図１０は、操作ロッドの動作位置と算出される境界線到達速度との関係を示す図である。

【0121】

図１０に示すように、上記の方法により算出された境界線到達速度は、操作ロッド可動領域ＭＡ内において、操作ロッド３の動作位置（図１０の横軸）が可動領域境界線Ｂに近づくほど（すなわち、境界線距離が小さいほど）大きさ（絶対値）が小さくなる速度として算出されることが分かる。

【0122】

なお、本実施形態では、境界線到達速度は、境界線距離Ｄ（操作ロッド３の動作位置）の二乗根に比例する式として算出されている。なぜなら、この領域においては、境界線到達速度が一定の減速度にて減速しながら可動領域境界線Ｂに近づくためである。

【0123】

このことは、さらに、距離、速度、加速度、及び時間の関係を表した式（Ｄ＝ａｔ^２／２、及び、Ｖ＝ａｔから、Ｖ＝ＳＱＲＴ（２ａＤ）（Ｄ：距離、ａ：加速度、Ｖ：速度、ｔ：時間、ＳＱＲＴ（２ａＤ）：値２ａＤの二乗根））からも分かる。

【0124】

なお、境界線到達速度算出部１１１１−１３は、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡの外にある場合にも、上記と同様にして、可動領域境界線Ｂに近づく方向の境界線到達速度を算出できる。

【0125】

ＩＩ．中心方向速度の算出方法
次に、本実施形態における、中心方向速度算出部１１１１−１５における中心方向速度の算出方法について、図１１を用いて説明する。図１１は、中心方向速度の算出方法を模式的に示す図である。
中心方向速度は、図１１に示すように、操作ロッド３の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡの外にある場合に算出される。そのため、中心方向速度算出部１１１１−１５は、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが、操作ロッド可動領域ＭＡ外にあるかどうか確認する。例えば、図１１において、動作位置基準点Ｏから動作位置Ｐまでの距離が、操作ロッド可動領域ＭＡを定める円の半径ｒ以上であるかどうかを確認することより、動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡ外にあるかどうか確認できる。

【0126】

操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡ内にあると判断された場合、中心方向速度算出部１１１１−１５は、中心方向速度を０の速度として算出する。
一方、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡ外にあると判断された場合、以下のようにして中心方向速度を算出する。

【0127】

まず、中心方向速度算出部１１１１−１５は、動作位置基準点Ｏと動作位置Ｐ（座標：（Ｘ_Ｐ’，Ｙ_Ｐ’））とを通る直線と、可動領域境界線Ｂとの交点Ｒを導出し、線分ＰＲの長さと、線分ＯＰの長さを算出する。さらに、中心方向速度算出部１１１１−１５は、線分ＰＲの長さを用いて、上記の境界線到達速度を算出する式（すなわち、線分ＰＲの長さの二乗根に比例する式）により、中心方向速度Ｖ_Ｃの大きさ（スカラー量）を算出する。

【0128】

中心方向速度Ｖ_Ｃの大きさを算出後、中心方向速度算出部１１１１−１５は、中心方向速度Ｖ_ＣのＸ軸方向成分Ｖ_ＣＸ及びＹ軸方向成分Ｖ_ＣＹを算出する。
具体的には、中心方向速度算出部１１１１−１５は、中心方向速度Ｖ_Ｃの大きさと第１成分比との積を、中心方向速度Ｖ_ＣのＸ軸方向成分Ｖ_ＣＸとして算出する。第１成分比は、動作位置ＰのＸ座標値Ｘ_Ｐ’の線分ＯＰの長さに対する比の値である。また、中心方向速度算出部１１１１−１５は、中心方向速度Ｖ_Ｃの大きさと第２成分比との積を、中心方向速度Ｖ_ＣのＹ軸方向成分Ｖ_ＣＹとして算出する。第２成分比は、動作位置ＰのＹ座標値Ｙ_Ｐ’の線分ＯＰの長さに対する比の値である。

【0129】

上記のように中心方向速度Ｖ_ＣのＸ軸方向成分Ｖ_ＣＸ及びＹ軸方向成分Ｖ_ＣＹを算出し、操作ロッド３をＸ軸方向成分Ｖ_ＣＸの速度にてＸ軸方向に移動し、Ｙ軸方向成分Ｖ_ＣＹの速度にてＹ軸方向に移動すると、これらの速度が合成されて、操作ロッド３は、図１１に示すように、現在の動作位置Ｐから動作位置基準点Ｏに向かって移動する。
言い換えると、中心方向速度算出部１１１１−１５は、上記のように中心方向速度Ｖ_ＣのＸ軸方向成分Ｖ_ＣＸ及びＹ軸方向成分Ｖ_ＣＹを算出することにより、動作位置基準点Ｏへ向かう中心方向速度Ｖ_Ｃ（ベクトル量）を算出できる。

【0130】

ＩＩＩ．訓練装置の動作
（ｉ）基本動作
次に、本実施形態に係る訓練装置１００の基本動作について、図１２Ａを用いて説明する。図１２Ａは、訓練装置の基本動作を示すフローチャートである。

【0131】

訓練装置１００が動作を開始すると、まず、訓練指示部５において、第１動作モードにて操作ロッド３を動作させるか、又は、第２動作モードにて操作ロッド３を動作させるかが選択される（ステップＳ１）。

【0132】

具体的には、訓練指示部５において、訓練プログラムとして上記のフリーモードが選択された場合には、操作ロッド３に加えられた力量に基づいて操作ロッド３を動作させる第１動作モードが、動作モードとして選択される。
一方、訓練指示部５において、訓練プログラムとしてフリーモード以外のモードが選択された場合には、訓練プログラムに指定された訓練指示に基づいて操作ロッド３を動作させる第２動作モードが、動作モードとして選択される。

【0133】

訓練指示部５において動作モードを選択後、訓練指示部５は、第１動作モードを動作モードとして選択した場合は第１動作モード実行指示を、第２動作モードを動作モードとして選択した場合は第２動作モード実行指示を、制御部１１に送信する。

【0134】

訓練指示部５から第１動作モード実行指示が送信されると（ステップＳ１において「第１動作モード」の場合）、制御指令切替部１１１５は、入力ｅと出力ｇとを接続する。これにより、第１指令算出部１１１１において算出された第１モータ制御指令が、モータ制御部１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃに対して出力されるようになる（ステップＳ２）。すなわち、訓練装置１００において、第１動作モードが実行される。

【0135】

一方、制御部１１が訓練指示部５から第２動作モード実行指示を受信すると（ステップＳ１において「第２動作モード」の場合）、制御指令切替部１１１５は、入力ｆと出力ｇとを接続する。これにより、第２指令算出部１１１３において算出された第２モータ制御指令が、モータ制御部１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃに対して出力されるようになる（ステップＳ３）。すなわち、訓練装置１００において、第２動作モードが実行される。

【0136】

このように、訓練プログラムに応じて適切な動作モードを選択し、選択された動作モード（第１動作モード。又は、第２動作モード）に基づいて操作ロッド３（モータ１３５ａ、１３５ｂ、３５９）を制御するためのモータ制御指令（第１モータ制御指令、又は、第２モータ制御指令）を選択することにより、訓練装置１００は、訓練プログラムに応じて、適切に操作ロッド３を動作できる。

【0137】

（ｉｉ）第１動作モードの実行時における訓練装置の動作
次に、上記のステップＳ２における第１動作モードの実行時における訓練装置１００の動作の詳細について、図１２Ｂを用いて説明する。図１２Ｂは、第１動作モードの動作を示すフローチャートである。
第１動作モードの実行が開始されると、まず、第１指令算出部１１１１が、上記３つの動作位置検出部から各自由度方向の操作ロッド３の現在の動作位置を、上記３つの力量検出部から各自由度方向の力量成分信号（力量成分）を取得する（ステップＳ２１）。

【0138】

その後、速度成分算出部１１１１−１が、ステップＳ２１にて取得した操作ロッド３の現在の動作位置及び力量成分信号を用いて、速度成分を算出する（ステップＳ２２）。具体的には、力量速度算出部１１１１−１１が力量成分信号に基づいて力量速度を算出し、境界線到達速度算出部１１１１−１３が操作ロッド３の現在の動作位置に基づいて境界線到達速度を算出する。さらに、中心方向速度算出部１１１１−１５が中心方向速度を算出する。
このとき、速度成分算出部１１１１−１は、操作ロッド３の動作可能な各自由度方向に対して対応する速度成分を算出する。

【0139】

次に、動作速度算出部１１１１−３が、ステップＳ２２にて算出された３つの速度成分（力量速度、境界線到達速度、中心方向速度）を用いて、操作ロッド３の動作速度を算出する（ステップＳ２３）。なお、ステップＳ２３における操作ロッド３の動作速度算出方法については、後ほど詳しく説明する。

【0140】

動作速度算出部１１１１−３において操作ロッド３の動作速度を算出後、第１モータ制御指令算出部１１１１−５が、動作速度算出部１１１１−３から入力した操作ロッド３の動作速度に基づいて、第１モータ制御指令を算出する（ステップＳ２４）。このとき、第１モータ制御指令算出部１１１１−５は、操作ロッド３の動作可能な各自由度方向に対して、対応する第１モータ制御指令を算出する。

【0141】

第１モータ制御指令を算出後、３つのモータ制御部１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃが、それぞれ、Ｙ軸方向傾動モータ１３５ａ、Ｘ軸方向傾動モータ１３５ｂ、及び伸縮モータ３５９を制御するための対応する第１モータ制御指令を入力する。そして、３つのモータ制御部のそれぞれは、対応する第１モータ制御指令に基づいて、対応するモータに対して、当該モータを駆動するための駆動電力を出力する。
これにより、上記３つのモータは、第１モータ制御指令に基づいて制御される（ステップＳ２５）。

【0142】

次に、制御部１１は、第１動作モードが終了したかどうかを確認する（ステップＳ２６）。具体的には、例えば、訓練指示部５から、上記のフリーモードの実行の停止が指示された場合などに、制御部１１は、第１動作モードが終了したと判断する。

【0143】

制御部１１が、第１動作モードが終了したと判断した場合（ステップＳ２６において「Ｙｅｓ」の場合）、制御部１１は、上記の３つのモータの制御を停止して、第１動作モードの実行を停止する。
一方、制御部１１が第１動作モードを実行中（継続中）と判断した場合（ステップＳ２６において「Ｎｏ」の場合）、訓練装置１００の動作プロセスはＳ２１に戻る。つまり、制御部１１は、上記の３つのモータの制御を継続する。
これにより、制御部１１は、第１動作モードを実行中に、上記の３つのモータを第１モータ制御指令に基づいて継続して制御できる。

【0144】

（ｉｉｉ）操作ロッドの動作速度の算出方法
次に、本実施形態における、上記のステップＳ２３における操作ロッド３の動作速度の算出方法について、図１２Ｃを用いて説明する。図１２Ｃは、第１実施形態に係る訓練装置における操作ロッドの動作速度の算出方法を示すフローチャートである。
操作ロッド３の動作速度の算出を開始すると、まず、速度成分比較部１１１１−３１が、速度成分算出部１１１１−１から、力量速度及び境界線到達速度を入力し、力量速度と境界線到達速度との大きさ（絶対値）の比較を行う（ステップＳ２３１）。

【0145】

速度成分比較部１１１１−３１において、力量速度が境界線到達速度よりも大きいと判断された場合（ステップＳ２３１において「Ｙｅｓ」の場合）、速度成分比較部１１１１−３１は、境界線到達速度を、速度成分合成部１１１１−３３に出力する（ステップＳ２３２）。
一方、力量速度が境界線到達速度以下であると判断された場合（ステップＳ２３１において「Ｎｏ」の場合）、速度成分比較部１１１１−３１は、力量速度を、速度成分合成部１１１１−３３に出力する（ステップＳ２３３）。

【0146】

次に、速度成分合成部１１１１−３３は、入力した力量速度又は境界線到達速度の絶対値が最大動作速度Ｖ_ｍａｘより大きいかどうか確認する（ステップＳ２３４）。力量速度又は境界線到達速度の絶対値が最大動作速度Ｖ_ｍａｘより大きい場合（ステップＳ２３４において「Ｙｅｓ」の場合）、速度成分合成部１１１１−３３は、中心方向速度と合成する速度として最大動作速度Ｖ_ｍａｘを選択する。そして、速度成分合成部１１１１−３３は、最大動作速度Ｖ_ｍａｘと中心方向速度とを合成して動作速度を算出し、第１モータ制御指令算出部１１１１−５に算出した動作速度を出力する（ステップＳ２３６）。その後、動作速度の算出を終了する。

【0147】

一方、力量速度又は境界線到達速度の絶対値が最大動作速度Ｖ_ｍａｘ以下の場合（ステップＳ２３４において「Ｎｏ」の場合）、速度成分合成部１１１１−３３は、中心方向速度と合成する速度として、力量速度又は境界線到達速度を選択する。そして、速度成分合成部１１１１−３３は、力量速度又は境界線到達速度のうち上記のステップＳ２３１〜Ｓ２３３を実行して選択された速度と中心方向速度とを合成して動作速度を算出し、第１モータ制御指令算出部１１１１−５に算出した動作速度を出力する（ステップＳ２３５）。その後、動作速度の算出を終了する。

【0148】

ここで、上記のステップＳ２３１〜Ｓ２３６を実行することにより、中心方向速度と合成される速度が、操作ロッド可動領域ＭＡ内にてどのように変化するかを、図１３を用いて説明する。図１３は、操作ロッド可動領域ＭＡ内における動作速度と操作ロッドの動作位置との関係を示す図である。

【0149】

今、操作ロッド３に力を加えて、動作位置基準点Ｏから可動領域境界線Ｂまで、操作ロッド３を動作させる例を考える。この例において、操作ロッド３に力が加えられた結果、図１３の点線に示すような力量速度が算出されているとする。なお、図１３において、算出された境界線到達速度を一点鎖線にて、最大動作速度Ｖ_ｍａｘを二点鎖線にて、操作ロッド可動領域ＭＡ内における操作ロッド３の実際の動作速度を実線にて示している。

【0150】

図１３に示すように、動作位置基準点Ｏから動作位置Ｐ１までにおいて、力量速度及び境界線到達速度はともに最大動作速度Ｖ_ｍａｘよりも大きい値として算出されている。このような場合、操作ロッド３の動作速度は、最大動作速度Ｖ_ｍａｘに制限される。このように、本実施形態においては、力量速度及び／又は境界線到達速度が最大動作速度Ｖ_ｍａｘよりも大きな値として算出されても、操作ロッド３の動作速度は最大動作速度Ｖ_ｍａｘ以下に制限される。

【0151】

動作位置Ｐ１以降において、力量速度（の絶対値）は、境界線到達速度（の絶対値）より小さく、かつ、最大動作速度Ｖ_ｍａｘよりも小さい。従って、操作ロッド３の動作速度として力量速度が出力されている。すなわち、動作位置Ｐ１以降において、操作ロッド３は操作ロッド３に加えられた力（力量）に基づき動作している。

【0152】

さらに、動作位置Ｐ_ＴＨ以降から可動領域境界線Ｂまでの範囲において、境界線到達速度（の絶対値）が力量速度（の絶対値）より小さく、かつ、最大動作速度Ｖ_ｍａｘよりも小さくなっている。このため、当該動作位置範囲において、操作ロッド３は境界線到達速度にて動作している。すなわち、可動領域境界線Ｂの近傍において、操作ロッド３の動作速度は上記の境界線距離Ｄによる制限（境界線到達速度による制限）を受けている。

【0153】

なお、上記の動作位置Ｐ_ＴＨ以降から可動領域境界線Ｂまでの範囲において、操作ロッド３に加えられる力（力量）が減少して、算出された力量速度が境界線到達速度よりも小さくなった場合には、力量速度が操作ロッド３の動作速度として選択される。従って、境界線到達速度は、可動領域境界線Ｂの近傍における動作速度の上限値を定めていると言える。

【0154】

上記のように、特に操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが可動領域境界線Ｂの近傍にあるときに、操作ロッド３の動作速度に対して境界線距離Ｄによる制限を設けることにより、操作ロッド３へ加えられる力（力量）が大きい場合でも、操作ロッド３が可動領域境界線Ｂにおいて急激に停止することを抑制できる。その結果、操作ロッド３が可動領域境界線Ｂに到達したときに、操作ロッド３が肢に与える衝撃を低減できる。

【0155】

また、操作ロッド３の動作速度に対して境界線距離Ｄによる制限を設けることにより、操作ロッド３が、速い速度のまま可動領域境界線Ｂに近づいて、慣性などにより可動領域境界線Ｂを越えて操作ロッド可動領域ＭＡの外へ移動してしまうことを抑制できる。

【0156】

さらに、力量速度の算出値と、境界線到達速度の算出値と、最大動作速度Ｖ_ｍａｘとの大小関係（上記のように、これらの速度の最小値が選択される）に基づいて、中心方向速度と合成される速度（操作ロッド可動領域ＭＡ内の動作速度）を選択することにより、操作ロッド３が過剰に速い速度にて動作したり、操作ロッド３の動作速度が急激に変化したりすることがなくなる。そのため、動作速度を切り替えたときに、操作ロッド３が肢に与える衝撃を低減できる。

【0157】

また、上記のステップＳ２３５又はＳ２３６において、操作ロッド３の現在の動作位置が操作ロッド可動領域ＭＡの外に存在する場合には、上記のステップＳ２３１〜Ｓ２３４のステップにより選択された速度成分と０でない中心方向速度とが合成される。これにより、操作ロッド３は速やかに操作ロッド可動領域ＭＡ内に戻される。

【0158】

なお、上記において説明した第１実施形態に係る訓練装置１００の動作は、本発明の範囲を超えない範囲にて、各動作に対して変更を加えたり、及び／又は、各動作の実行順序を入れ替えたりしてもよい。

【0159】

２．第２実施形態
（１）第２実施形態に係る訓練装置の構成
上記の第１実施形態に係る訓練装置１００においては、力量速度、境界線到達速度、又は最大動作速度Ｖ_ｍａｘのうちの最小の速度成分と、中心方向速度とが合成された動作速度が算出されていた。そのため、第１実施形態に係る訓練装置１００において、可動領域境界線Ｂに近づくほど操作ロッド３の動作速度は小さくなるように制限され、可動領域境界線Ｂ上では操作ロッド３が停止するように動作速度が算出されていた。しかし、これに限られない。以下に説明する第２実施形態に係る訓練装置２００においては、操作ロッド３に加えられた力量によっては、操作ロッド３が可動領域境界線Ｂの近傍や可動領域境界線Ｂ上にある場合に操作ロッド３を停止するのではなく、操作ロッド３を可動領域境界線Ｂに沿って動作させる。

【0160】

このような第２実施形態に係る訓練装置２００は、第１指令算出部１１１１の速度成分算出部１１１１−１’の構成と動作速度算出部１１１１−３’の構成が、第１実施形態に係る訓練装置１００の速度成分算出部１１１１−１の構成と動作速度算出部１１１１−３の構成と異なっている。従って、以下の説明においては、第２実施形態の速度成分算出部１１１１−１’の構成と、動作速度算出部１１１１−３’の構成についてのみ説明し、他の構成の説明は省略する。

【0161】

Ｉ．速度成分算出部の構成
まず、第２実施形態に係る訓練装置２００の速度成分算出部１１１１−１’の構成について、図１４Ａを用いて説明する。図１４Ａは、第２実施形態に係る訓練装置の速度成分算出部の構成を示す図である。
第２実施形態に係る訓練装置２００の速度成分算出部１１１１−１’は、力量速度算出部１１１１−１１’と、境界線到達速度算出部１１１１−１３’と、中心方向速度算出部１１１１−１５’と、さらに、境界線方向速度算出部１１１１−１７’と、動作位置予測部１１１１−１９’と、を有する。

【0162】

なお、第２実施形態に係る訓練装置２００の力量速度算出部１１１１−１１’、境界線到達速度算出部１１１１−１３’、及び中心方向速度算出部１１１１−１５’の構成と機能は、それぞれ、第１実施形態の力量速度算出部１１１１−１１、境界線到達速度算出部１１１１−１３、及び中心方向速度算出部１１１１−１５と同じであるので、ここでは説明を省略する。

【0163】

境界線方向速度算出部１１１１−１７’は、境界線方向速度を算出する。境界線方向速度は、可動領域境界線Ｂに沿った方向の速度成分である。境界線方向速度算出部１１１１−１７’は、動作位置予測部１１１１−１９’（後述）から予測動作位置Ｐ’’（後述）を、３つの動作位置検出部から操作ロッド３の動作位置を入力可能となっており、入力した予測動作位置Ｐ’’及び操作ロッド３の現在の動作位置Ｐに基づいて、境界線方向速度を算出する。
なお、境界線方向速度算出部１１１１−１７’における境界線方向速度の算出方法については、後ほど詳しく説明する。

【0164】

動作位置予測部１１１１−１９’は、３つの力量検出部１７５、１７７、３９３から対応する自由度方向の力量成分信号を入力し、入力した力量成分信号を合成して合成力量を算出する。よって、合成力量は、検出された各自由度方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、長さ方向）の力量成分を合成することにより得られる、操作ロッド３に加えられた力量に対応する。すなわち、動作位置予測部１１１１−１９’は、ベクトル量としての合成力量（操作ロッド３に加えられた力量）、すなわち合成力量ベクトルＦを算出する。

【0165】

また、動作位置予測部１１１１−１９’は、３つの動作位置検出部から操作ロッド３の動作位置を入力し、合成力量と入力した操作ロッド３の現在の動作位置Ｐとに基づいて、予測動作位置Ｐ’’を算出する。

【0166】

予測動作位置Ｐ’’とは、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐにおいて、操作ロッド３に合成力量が加えられたときに、操作ロッド３が到達すると予測される操作ロッド３の動作位置に対応する。なお、動作位置予測部１１１１−１９’における予測動作位置Ｐ’’の具体的な算出方法については、後ほど説明する。

【0167】

このように、速度成分算出部１１１１−１’が境界線方向速度算出部１１１１−１７’をさらに有することにより、速度成分算出部１１１１−１’は、力量速度、境界線到達速度、中心方向速度に加えて、さらに、境界線方向速度を速度成分として算出できる。

【0168】

ＩＩ．動作速度算出部の構成
次に、第２実施形態に係る訓練装置２００の動作速度算出部１１１１−３’の構成について、図１４Ｂを用いて説明する。図１４Ｂは、第２実施形態に係る訓練装置の動作速度算出部の構成を示す図である。
第２実施形態に係る訓練装置２００の動作速度算出部１１１１−３’は、速度成分比較部１１１１−３１’と、第１速度成分合成部１１１１−３３’と、第２速度成分合成部１１１１−３５’と、第３速度成分合成部１１１１−３７’と、を有する。
なお、速度成分比較部１１１１−３１’の構成及び機能は、第１実施形態の速度成分比較部１１１１−３１と同じであるため、ここでは説明を省略する。

【0169】

第１速度成分合成部１１１１−３３’は、速度成分比較部１１１１−３１’にて選択された力量速度又は境界線到達速度のいずれか小さい方の速度と、第２速度成分合成部１１１１−３５’（後述）から入力した速度とを合成して、第１合成速度を算出する。具体的には、第１速度成分合成部１１１１−３３’は、力量速度又は境界線到達速度の小さい方の速度と、第２速度成分合成部１１１１−３５’から入力した速度とを、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐに基づいて変化する第１に比にて合成する。なお、第１速度成分合成部１１１１−３３’における第１合成速度の具体的な算出方法については、後ほど詳しく説明する。

【0170】

第２速度成分合成部１１１１−３５’は、速度成分算出部１１１１−１’から入力した力量速度と境界線方向速度とを、予測動作位置Ｐ’’に基づいて変化する第２の比にて合成して、出力すべき速度を算出する。第２速度成分合成部１１１１−３５’における速度の算出方法については後述する。

【0171】

第３速度成分合成部１１１１−３７’は、最終的な動作速度を算出し、第１モータ制御指令算出部１１１１−５に出力する。なお、第３速度成分合成部１１１１−３７’における動作速度の算出方法については、後ほど詳しく説明する。

【0172】

（２）第２実施形態に係る訓練装置の動作
Ｉ．境界線方向速度の算出方法
以下に、第２実施形態に係る訓練装置２００の動作について説明する。まず、境界線方向速度算出部１１１１−１７’における境界線方向速度の算出方法について、図１５Ａ及び図１５Ｂを用いて説明する。図１５Ａは、境界線方向速度の算出方法を模式的に示す図である。図１５Ｂは、境界線方向速度の算出方法を示すフローチャートである。境界線方向速度は、具体的には以下のように算出される。

【0173】

まず、動作位置予測部１１１１−１９’が、合成力量（合成力量信号）を算出し、算出した合成力量を用いて予測動作位置Ｐ’’を算出する（ステップＳ１００１）。具体的には、図１５Ａに示すように、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐから合成力量ベクトルＦを伸ばしたときの合成力量ベクトルＦの終端位置（図１５Ａにおいては、矢印が付されている方の先端）を予測動作位置Ｐ’’として算出する。

【0174】

上記の合成力量ベクトルＦの大きさは、入力した合成力量信号に対応する力量が操作ロッド３に加えられたときの操作ロッド３の動作速度（力量速度）が一定時間継続したと仮定したときに操作ロッド３が移動する距離となる。この場合、予測動作位置Ｐ’’は、操作ロッド３に合成力量が加えられたときに、操作ロッド３が到達すると予測される位置として算出される。このような合成力量ベクトルＦは、例えば、上記の合成力量信号と所定の係数との積として算出できる。これにより、操作ロッド３が力量速度にて一定時間移動した場合の位置を予測動作位置Ｐ’’として予測できる

【0175】

または、上記の合成力量ベクトルＦを、例えば、現在の動作位置Ｐと、上記の力量速度から所定の減速度にて減速して停止する（減速停止する）と予測される位置とを結ぶベクトルとして算出してもよい。すなわち、予測動作位置Ｐ’’を、操作ロッド３が力量速度から所定の減速度にて減速停止すると予測される位置としてもよい。これにより、操作ロッド３が最終的に停止する位置を予測動作位置Ｐ’’として予測できる。

【0176】

次に、境界線方向速度算出部１１１１−１７’は、動作位置基準点Ｏと予測動作位置Ｐ’’とを結ぶ直線（図１５Ａの点線にて示した線分ＯＰ’’）を算出する（ステップＳ１００２）。そして、当該直線と可動領域境界線Ｂとの交点Ｍを算出する（ステップＳ１００３）。交点Ｍの座標は、例えば、上記直線（線分ＯＰ’’）を表す方程式と可動領域境界線Ｂを表す方程式との連立方程式を解くことにより算出できる。

【0177】

上記の交点Ｍを算出後、境界線方向速度算出部１１１１−１７’は、交点Ｍと操作ロッド３の現在の動作位置Ｐとの位置偏差に基づいて、境界線方向速度Ｖ_Ｂを算出する（ステップＳ１００４）。具体的には、境界線方向速度Ｖ_ＢのＸ軸方向成分Ｖ_ＢＸを、一定の減速度にて動作位置ＰのＸ座標値Ｘ_Ｐから交点ＭのＸ座標値Ｘ_Ｍまで移動するための速度として算出する。すなわち、Ｖ_ＢＸの大きさは、位置偏差Ｘ_Ｐ（動作位置ＰのＸ座標値）−Ｘ_Ｍ（交点ＭのＸ座標値）の絶対値の二乗根に比例する式により算出される。また、Ｖ_ＢＸの方向は、動作位置ＰのＸ座標値Ｘ_Ｐと交点ＭのＸ座標値Ｘ_Ｍとの大小関係に基づいて決定できる。

【0178】

一方、境界線方向速度Ｖ_ＢのＹ軸方向成分Ｖ_ＢＹは、一定の減速度にて動作位置ＰのＹ座標値Ｙ_Ｐから交点ＭのＹ座標値Ｙ_Ｍまで移動するための速度として算出する。具体的には、境界線方向速度Ｖ_ＢのＹ軸方向成分Ｖ_ＢＹの大きさは、位置偏差Ｙ_Ｐ（動作位置ＰのＹ座標値）−Ｙ_Ｍ（交点ＭのＹ座標値）の絶対値の二乗根に比例する式により算出される。また、Ｖ_ＢＹの方向は、動作位置ＰのＹ座標値Ｙ_Ｐと交点ＭのＹ座標値Ｙ_Ｍとの大小関係に基づいて決定される。

【0179】

図１５Ａに示されているとおり、上記のＸ軸方向成分Ｖ_ＢＸ及びＹ軸方向成分Ｖ_ＢＹを合成して得られる境界線方向速度Ｖ_Ｂは、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐから交点Ｍへと向かう可動領域境界線Ｂに沿った方向の速度として算出できている。

【0180】

なお、上記のように、境界線方向速度は交点Ｍを用いて算出されている。よって、予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡの内側にある場合には、交点Ｍは存在しないことになる。この場合、境界線方向速度は算出できない。
従って、予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡの内側にある場合、境界線方向速度算出部１１１１−１７’は、境界線方向速度を０値として算出してもよいし、境界線方向速度を算出することなく上記の境界線方向速度を算出するプロセスを終了してもよい。

【0181】

ＩＩ．第１合成速度の算出方法
次に、第１速度成分合成部１１１１−３３’における第１合成速度の算出方法について、図１６Ａを用いて説明する。図１６Ａは第１速度成分合成部における第１合成速度の算出方法を示すフローチャートである。本実施形態において、第１速度成分合成部１１１１−３３’は、力量速度又は境界線到達速度のいずれか小さい方の速度と第１合成係数との積と、第２速度成分合成部１１１１−３５’から入力した速度と第２合成係数との積との和を、第１合成速度として算出する。すなわち、第１合成速度は、力量速度又は境界線到達速度のいずれか小さい方の速度と、第２速度成分合成部１１１１−３５’から入力した速度とを、第１の比（第１合成係数／第２合成係数）にて合成した速度として定義される。

【0182】

具体的には、まず、第１速度成分合成部１１１１−３３’が、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐに基づいて、第１合成係数及び第２合成係数を算出する（ステップＳ１１０１）。本実施形態において、第１合成係数及び第２合成係数は、図１６Ｂのように算出される。図１６Ｂは、第１合成係数及び第２合成係数と動作位置基準点から動作位置までの距離との関係を示す図である。図１６Ｂに示すように、第１合成係数（図１６Ｂの点線）は、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが動作位置基準点Ｏから境界方向速度合成開始位置Ｒ_ＴＨまでの範囲にあるときは、１となる。また、操作ロッド３の動作位置Ｐが境界方向速度合成開始位置Ｒ_ＴＨから可動領域境界線Ｂまでの範囲にあるときは、第１合成係数は１から０に単調減少する。さらに、操作ロッド３の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡ外にあるときは、第１合成係数は０となる。

【0183】

一方、第２合成係数（図１６Ｂの実線）は、第１合成係数とは逆に、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが動作位置基準点Ｏから境界方向速度合成開始位置Ｒ_ＴＨまでにあるときは、０となる。操作ロッド３の動作位置Ｐが境界方向速度合成開始位置Ｒ_ＴＨから可動領域境界線Ｂまでの範囲にあるときは、第２合成係数は０から１に単調増加する。さらに、操作ロッド３の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡ外にあるときは、第２合成係数は１となる。

【0184】

また、上記の第１合成係数及び第２合成係数（第１の比）は、可動領域境界線Ｂと操作ロッド３の現在の動作位置Ｐとの距離に基づいて、上記の図１６Ｂのように算出されてもよい。これにより、円形ではない任意の形状の操作ロッド可動領域ＭＡについて上記の第１合成係数及び第２合成係数を決定できる。

【0185】

上記のような第１合成係数及び第２合成係数を算出後、第１速度成分合成部１１１１−３３’は、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが動作位置基準点Ｏから境界方向速度合成開始位置Ｒ_ＴＨまでの範囲にあるかどうかを判断する（ステップＳ１１０２）。操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが動作位置基準点Ｏから境界方向速度合成開始位置Ｒ_ＴＨまでの範囲にあると判断された場合（ステップＳ１１０２において「Ｙｅｓ」の場合）、第１速度成分合成部１１１１−３３’は、境界線到達速度又は力量速度のいずれか小さい方の速度を第１合成速度として算出する（ステップＳ１１０３）。なぜなら、操作ロッド３の動作位置Ｐが動作位置基準点Ｏから境界方向速度合成開始位置Ｒ_ＴＨまでの範囲にあるとき、第１合成係数は１と算出され、第２合成係数は０と算出されているからである。

【0186】

一方、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが動作位置基準点Ｏから境界方向速度合成開始位置Ｒ_ＴＨまでの範囲外にあると判断された場合（ステップＳ１１０２において「Ｎｏ」の場合）、第１速度成分合成部１１１１−３３’は、さらに、現在の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡの外（ここでは、可動領域境界線Ｂ上も操作ロッド可動領域ＭＡ外にあるものとする）にあるかどうかを判断する（ステップＳ１１０４）。

【0187】

操作ロッド３の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡの外にあると判断された場合（ステップＳ１１０４において「Ｙｅｓ」の場合）、第１速度成分合成部１１１１−３３’は、第２速度成分合成部１１１１−３５’から出力された速度を第１合成速度として算出する（ステップＳ１１０５）。なぜなら、この場合、第１合成係数は０と算出され、第２合成係数は１と算出されているからである。

【0188】

一方、操作ロッド３の動作位置Ｐが、操作ロッド可動領域ＭＡの内側の境界方向速度合成開始位置Ｒ_ＴＨよりも可動領域境界線Ｂに近い位置にあると判断された場合、すなわち、操作ロッド３の動作位置Ｐが可動領域境界線Ｂの近傍にあると判断された場合（ステップＳ１１０４において「Ｎｏ」の場合）、第１合成係数及び第２合成係数のいずれもが０から１の範囲の数値となっている。従って、第１速度成分合成部１１１１−３３’は、力量速度又は境界線到達速度のうちの小さい方と、第２速度成分合成部１１１１−３５’にて出力された速度とを、第１の比にて合成して第１合成速度を算出する（ステップＳ１１０６）。

【0189】

上記のステップＳ１１０１〜Ｓ１１０６を実行することにより、第１速度成分は、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐに基づいて、以下のように算出される。

【0190】

（ｉ）操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが動作位置基準点Ｏから境界方向速度合成開始位置Ｒ_ＴＨまでの範囲にある場合は、力量速度又は境界線到達速度のいずれか小さい方が第１合成速度となる（ステップＳ１１０３）。すなわち、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡの十分に内部にある場合は、第１実施形態と同様に、力量速度又は境界線到達速度のいずれか小さい方が第１合成速度として算出される。

【0191】

（ｉｉ）操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡの内側の境界方向速度合成開始位置Ｒ_ＴＨよりも可動領域境界線Ｂに近い位置にある場合、すなわち、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが可動領域境界線Ｂの近傍にあるとき、力量速度又は境界線到達速度のうちの小さい方と、第２速度成分合成部１１１１−３５’から出力された速度とを、第１の比にて合成して第１合成速度が算出される（ステップＳ１１０６）。

【0192】

（ｉｉｉ）操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡの外側（可動領域境界線Ｂを含む）にある場合、第２速度成分合成部１１１１−３５’から出力される速度が第１合成速度として算出される（ステップＳ１１０５）。

【0193】

また、図１６Ｂに示すように、第１合成係数及び第２合成係数は連続的に変化しているため、第１合成速度における、第２速度成分合成部１１１１−３５’から出力された速度の割合と、力量速度又は境界線到達速度のいずれかの速度の割合とが、操作ロッド３の動作位置Ｐに対して連続的に変化する。これにより、第１合成速度が急激に変化することがなくなり、操作ロッド３を滑らかに動作できる。

【0194】

ＩＩＩ．第２速度成分合成部における速度の算出方法
次に、第２速度成分合成部１１１１−３５’における速度の算出方法について図１７Ａを用いて説明する。図１７Ａは、第２速度成分合成部における速度の算出方法を示すフローチャートである。第２速度成分合成部１１１１−３５’は、力量速度と第３合成係数との積と境界線方向速度と第４合成係数との積との和により速度を算出する。

【0195】

具体的には、第２速度成分合成部１１１１−３５’は、まず、予測動作位置Ｐ’’に基づいて、図１７Ｂに示すような第３合成係数及び第４合成係数を算出する（ステップＳ１２０１）。図１７Ｂは、第３合成係数及び第４合成係数と動作位置基準点から予測動作位置までの距離との関係を示す図である。

【0196】

図１７Ｂに示すように、第３合成係数（図１７Ｂの点線）は、予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡ内にあるときに１であり、予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡの外にある場合には、可動領域境界線Ｂから予測動作位置Ｐ’’までの距離が増加するに従って単調減少する。そして、予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡ外の所定の位置よりもさらに離れた位置にある場合、第３合成係数は０となる。

【0197】

一方、第４合成係数（図１７Ｂの実線）は、予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡ内にあるときに０であり、予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡの外にある場合には、可動領域境界線Ｂから予測動作位置Ｐ’’までの距離が増加するに従って単調増加する。そして、予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡ外の所定の位置よりもさらに離れた位置にある場合、第４合成係数は１となる。

【0198】

また、上記の第３合成係数及び第４合成係数（第２の比）は、可動領域境界線Ｂと予測動作位置Ｐ’’との距離に基づいて、上記の図１７Ｂのように算出されてもよい。これにより、円形ではない任意の形状の操作ロッド可動領域ＭＡについて上記の第３合成係数及び第４成係数を決定できる。

【0199】

第３合成係数及び第４合成係数を上記のように算出後、第２速度成分合成部１１１１−３５’は、予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡの外にあるかどうかを判断する（ステップＳ１２０２）。
予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡの内側にあると判断された場合（ステップＳ１２０２において「Ｎｏ」の場合）、上記の第３合成係数は１と算出され、第４合成係数は０と算出されている。従って、第２速度成分合成部１１１１−３５’からは力量速度が出力される（ステップＳ１２０３）。

【0200】

一方、予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡの外にあると判断された場合（ステップＳ１２０２において「Ｙｅｓ」の場合）、第２速度成分合成部１１１１−３５’は、さらに、予測動作位置Ｐ’’が可動領域境界線Ｂから上記の所定の位置までの範囲（図１７Ｂの所定の範囲）内にあるかどうかを判断する（ステップＳ１２０４）。

【0201】

予測動作位置Ｐ’’が図１７Ｂに示す所定の範囲よりもさらに外側にある場合（ステップＳ１２０４において「Ｎｏ」の場合）、第３合成係数は０と算出され、第４合成係数は１と算出されている。従って、この場合、第２速度成分合成部１１１１−３５’は、境界線方向速度を出力する（ステップＳ１２０５）。

【0202】

一方、予測動作位置Ｐ’’が図１７Ｂに示す所定の範囲内にある場合（ステップＳ１２０４において「Ｙｅｓ」の場合）、第３合成係数及び第４合成係数はともに、０から１の間の数値をとる。従って、第２速度成分合成部１１１１−３５’は、力量速度と境界線方向速度とを第２の比にて合成した第２合成速度を出力する（ステップＳ１２０６）。

【0203】

上記のステップＳ１２０１〜Ｓ１２０６を実行することにより、第２速度成分合成部１１１１−３５’は、予測動作位置Ｐ’’の位置によって、以下のような速度を出力する。

【0204】

（ｉｖ）予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡ内にある場合、すなわち、現在の力量により操作ロッド３が操作ロッド可動領域ＭＡの外に移動しないと予測される場合には、第２速度成分合成部１１１１−３５’は力量速度を出力する。

【0205】

（ｖ）予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡ外の可動領域境界線Ｂから所定の距離の範囲内にある場合、すなわち、現在の力量により、操作ロッド３が、操作ロッド可動領域ＭＡの外の可動領域境界線Ｂの近傍に移動すると予測される場合には、第２速度成分合成部１１１１−３５’は第２合成速度を出力する。

【0206】

（ｖｉ）予測動作位置Ｐ’’が可動領域境界線Ｂから所定の距離以上離れた位置にある場合、すなわち、現在の力量により操作ロッド３が操作ロッド可動領域ＭＡからある程度離れた位置に移動すると予測される場合、第２速度成分合成部１１１１−３５’は境界線方向速度を出力する。

【0207】

また、図１７Ｂに示すように、第３合成係数及び第４合成係数は、予測動作位置に対して連続的に変化している。
これにより、第２速度成分合成部１１１１−３５’から出力される速度を、予測動作位置Ｐ’’の大きさに基づいて、力量速度から境界線方向速度へと、又はその逆方向に、滑らかに切り替えられる。その結果、操作ロッド３の動作速度が急激に変化することがなくなる。

【0208】

ＩＶ．第３速度成分合成部における動作速度の算出方法
次に、第３速度成分合成部１１１１−３７’における動作速度の算出方法について、図１８を用いて説明する。図１８は、第３速度成分合成部における速度の算出方法を示すフローチャートである。第３速度成分合成部１１１１−３７’においては、操作ロッド３の動作位置Ｐ及び予測動作位置Ｐ’’の存在位置に基づいて、第１速度成分合成部１１１１−３３’からの第１合成速度に対してさらに速度を合成して、最終的な動作速度を算出している。

【0209】

具体的には、第３速度成分合成部１１１１−３７’は、まず、操作ロッド３の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡの外にあるかどうかを判断する（ステップＳ１３０１）。なお、ステップＳ１３０１においては、可動領域境界線Ｂは操作ロッド可動領域ＭＡ内に含まれるものとする。操作ロッド３の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡの外にあると判断された場合（ステップＳ１３０１において「Ｙｅｓ」の場合）、第３速度成分合成部１１１１−３７’は、第１合成速度と中心方向速度とを合成した速度を動作速度とする（ステップＳ１３０２）。

【0210】

一方、操作ロッド３の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡの内側にあると判断された場合（ステップＳ１３０１において「Ｎｏ」の場合）、第３速度成分合成部１１１１−３７’は、算出された境界線方向速度が最低走行速度よりも小さいかどうかを判断する（ステップＳ１３０３）。
境界線方向速度が最低走行速度以上の値として算出されている場合（ステップＳ１３０３において「Ｎｏ」の場合）、第３速度成分合成部１１１１−３７’は、第１合成速度を動作速度として出力する（ステップＳ１３０５）。

【0211】

一方、境界線方向速度が最低走行速度より小さい値として算出されている場合（ステップＳ１３０３において「Ｙｅｓ」の場合）、第３速度成分合成部１１１１−３７’は、さらに、予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡの外にあるかどうかを判断する（ステップＳ１３０４）。
予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡの内側にあると判断された場合（ステップＳ１３０４において「Ｎｏ」の場合）、第３速度成分合成部１１１１−３７’は、第１合成速度を動作速度として出力する（ステップＳ１３０５）。
一方、予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡの外にあると判断された場合（ステップＳ１３０４において「Ｙｅｓ」の場合）、第３速度成分合成部１１１１−３７’は、境界線方向速度を０として動作速度を算出する（ステップＳ１３０６）。

【0212】

ここで、境界線方向速度が最低走行速度よりも小さいことについての意味について説明する。境界線方向速度が小さな値として算出される場合は、図１９に示すように、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐと交点Ｍとの間の距離が小さくなっている場合である。または、操作ロッド３の動作位置Ｐと上記の交点Ｍとの間の距離は大きいが、動作位置Ｐが線分ＯＰ’’上に存在する場合である。図１９は、境界線方向速度が小さな値として算出される場合の一例を模式的に示す図である。

【0213】

Ｖ．第２実施形態に係る訓練装置の動作
次に、第２実施形態に係る訓練装置２００の動作について図２０を用いて説明する。図２０は、第２実施形態に係る訓練装置における動作速度の算出方法を示すフローチャートである。
なお、第２実施形態に係る訓練装置２００の動作は、第１動作モードの実行時における動作速度の算出方法（図１２ＢのフローチャートのステップＳ２３に対応）以外は、第１実施形態に係る訓練装置１００における動作と同じである。従って、以下においては、第２実施形態に係る訓練装置２００における第１動作モード実行時の動作速度の算出方法についてのみ説明し、それ以外の動作についての説明は省略する。

【0214】

訓練装置２００において動作速度の算出が開始されると、まず、ステップＳ２２において算出された力量速度、境界線到達速度、及び中心方向速度に加えて、さらに、境界線方向速度算出部１１１１−１７’が、上記のステップＳ１００１〜Ｓ１００４を実行して境界線方向速度を算出する（ステップＳ２３０１）。

【0215】

境界線方向速度を算出後、第２速度成分合成部１１１１−３５’が、上記のステップＳ１２０１〜Ｓ１２０６を実行して、予測動作位置Ｐ’’の位置に基づいた所定の速度を出力する（ステップＳ２３０２）。

【0216】

第２速度成分合成部１１１１−３５’が所定の速度を出力後、第１速度成分合成部１１１１−３３’が、上記のステップＳ１１０１〜１１０６を実行して、第１合成速度を算出する（ステップＳ２３０３）。

【0217】

第１合成速度を算出後、第３速度成分合成部１１１１−３７’が、上記のステップＳ１３０１〜Ｓ１３０６を実行して、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐ及び予測動作位置Ｐ’’の位置に基づいて、最終的な動作速度を算出する（ステップＳ２３０４）。

【0218】

上記にて説明したステップＳ２３０１〜Ｓ２３０４を実行することにより、動作速度は、予測動作位置Ｐ’’及び操作ロッド３の現在の動作位置Ｐなどに基づいて、以下のように算出される。

【0219】

（Ｉ）操作ロッドの現在の動作位置が操作ロッド可動領域内に存在するとき
操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡの内側に存在する場合には、予測動作位置Ｐ’’の位置や操作ロッド３に加えられている力の向きにより、以下ように動作速度が算出される。

【0220】

（ｉ）操作ロッドに加えられている力の向きが可動領域境界線に対して垂直に近く、かつ、加えられた力量に基づくと操作ロッド３が操作ロッド可動領域ＭＡからある程度離れた位置に移動することになるとき
この場合、境界線方向速度は０となっている。従って、可動領域境界線Ｂ上において、操作ロッド３に可動領域境界線Ｂに対して垂直に近い力が加えられている場合は、操作ロッド３を可動領域境界線Ｂにおいて安定して停止できる。

【0221】

（ｉｉ）操作ロッドの動作位置が操作ロッド可動領域の十分内側にあるとき
操作ロッド３の動作位置Ｐが境界方向速度合成開始位置Ｒ_ＴＨよりも動作位置基準点Ｏに近い場合、すなわち、操作ロッド３の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡの十分内側にあるとき、操作ロッド３の動作速度は、第１実施形態の訓練装置１００と同様、力量速度又は境界線到達速度のいずれか小さい方の速度となる。

【0222】

なお、上記（ｉｉ）の場合のみに限られず、動作速度として力量速度又は境界線到達速度のいずれか小さい方の速度が出力される場合、第１実施形態と同様に、動作速度の上限値を最大動作速度Ｖ_ｍａｘに制限してもよい。これにより、操作ロッド３か過剰に高速に動作することを回避できる。

【0223】

（ｉｉｉ）操作ロッドの動作位置が可動領域境界線の近傍にあり、かつ、予測動作位置が操作ロッド可動領域内に存在するとき
操作ロッド３の動作位置Ｐが可動領域境界線Ｂの近傍にあり、かつ、予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡの内側に存在する（すなわち、操作ロッド３に加えられた力により操作ロッド３が操作ロッド可動領域ＭＡの外に移動しない）とき、動作速度は、第１実施形態の訓練装置１００と同様に、力量速度又は境界線到達速度のいずれか小さい方となる。

【0224】

つまり、操作ロッド３の動作位置Ｐが可動領域境界線Ｂの近傍にあっても、操作ロッド３に加えられる力により操作ロッド３が操作ロッド可動領域ＭＡの外に移動しない場合には、第１実施形態と同様に、操作ロッド３の動作速度は、力量速度又は境界線到達速度のいずれか小さい方の速度となる。

【0225】

（ｉｖ）操作ロッドの動作位置が可動領域境界線の近傍にあり、かつ、予測動作位置が操作ロッド可動領域外の可動領域境界線の近傍に存在するとき
操作ロッド３の動作位置Ｐが可動領域境界線Ｂの近傍にあり、かつ、予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡ外の可動領域境界線Ｂの近傍に存在するとき、動作速度は、力量速度と境界線方向速度とを含むか、又は、力量速度と境界線方向速度と境界線到達速度とを含む速度として算出される。

【0226】

上記の動作速度における境界線方向速度の割合は、後述する予測動作位置Ｐ’’が可動領域境界線Ｂ近傍よりも離れた位置の場合に算出される動作速度における境界線方向速度の割合よりも低い。なぜなら、予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡ外の可動領域境界線Ｂの近傍に存在する場合、第２速度成分合成部１１１１−３５’は、境界線方向速度と力量速度とを両方含む第２合成速度を出力するからである。一方、後述するように、予測動作位置Ｐ’’が可動領域境界線Ｂから離れた位置に存在する場合、第２速度成分合成部１１１１−３５’は、境界線方向速度を出力するからである。

【0227】

言い換えると、可動領域境界線Ｂの近傍において、操作ロッド３が操作ロッド可動領域ＭＡから大きく外れて移動することがない力が操作ロッド３に加えられているとき、動作速度には境界線方向速度が含まれる一方、力量速度及び／又は境界線到達速度も比較的高い割合にて含まれる。

【0228】

従って、操作ロッド３の動作位置Ｐが可動領域境界線Ｂの近傍にあって、操作ロッド３に加えられた力によって操作ロッド３が操作ロッド可動領域ＭＡから大きく外れて移動しない場合（例えば、加えられる力の大きさが小さい場合、及び／又は、加えられる力の向きと可動領域境界線Ｂの接線とがなす角（鋭角）が小さい場合）には、操作ロッド３を可動領域境界線Ｂに沿った方向に移動させつつ、加えられた力の向きにも操作ロッド３を移動できる。

【0229】

また、上記のように、第１合成係数及び第２合成係数は操作ロッド３の動作位置Ｐに対して連続的に変化し（図１６Ｂ）、第３合成係数及び第４合成係数は予測動作位置Ｐ’’に対して連続的に変化する（図１７Ｂ）する。この結果、動作速度における境界線方向速度の割合は、操作ロッド３の動作位置Ｐが動作位置基準点Ｏから離れるにつれて、及び／又は、予測動作位置Ｐ’’が可動領域境界線Ｂから離れるにつれて、徐々に大きくなる。これにより、動作速度における力量速度及び／又は境界線到達速度から境界線方向速度への変化、またはその逆の変化をスムーズに行える。その結果、動作速度の変化により操作ロッド３に対して衝撃が与えられることを抑制できる。

【0230】

（ｖ）操作ロッドの動作位置が可動領域境界線の近傍にあり、かつ、予測動作位置が操作ロッド可動領域外の可動領域境界線から離れた位置に存在する場合
操作ロッド３の動作位置Ｐが可動領域境界線Ｂの近傍にあり、かつ、予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡ外の可動領域境界線Ｂから離れた位置（すなわち、上記の所定の範囲の外）に存在する場合、動作速度は、境界線方向速度と力量速度又は境界線到達速度とを含む速度として算出される。ただし、当該条件において算出される動作速度における境界線方向速度の割合は、上記（ｉｖ）の条件にて算出される動作速度における境界線方向速度の割合よりも大きくなっている。すなわち、動作速度において、境界線方向速度による影響が上記（ｉｖ）の場合より強調されている。

【0231】

言い換えると、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが可動領域境界線Ｂの近傍にあって、操作ロッド３に加えられている力による予測動作位置Ｐ’’が操作ロッド可動領域ＭＡからある程度外れている場合には、動作速度において境界線方向速度の影響を大きくする。これにより、例えば、操作ロッド３に加えられる力が極端に小さくなかったり、加えられる力の向きと可動領域境界線Ｂの接線とがなす角度（鋭角）が大きくなったりしても、操作ロッド３が操作ロッド可動領域ＭＡの外へ移動することを抑制できる。

【0232】

（ＩＩ）操作ロッドの現在の動作位置が可動領域境界線上にあるとき
操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが可動領域境界線Ｂ上にあるとき、予測動作位置Ｐ’’が上記の所定の範囲内に存在する場合には、第２合成速度が動作速度として出力される。一方、予測動作位置Ｐ’’が上記の所定の範囲よりも外にある場合には、境界線方向速度が動作速度として出力される。

【0233】

言い換えると、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが可動領域境界線Ｂ上にあるときに、例えば、操作ロッド３に加えられる力の大きさが小さい場合や、加えられる力の向きと可動領域境界線Ｂの接線とがなす角（鋭角）が小さい場合には、操作ロッド３に加えられた力も考慮して操作ロッド３を動作させる。

【0234】

一方、例えば、操作ロッド３に加えられる力が極端に小さくない場合や、加えられる力の向きと可動領域境界線Ｂの接線とがなす角（鋭角）が大きい場合には、可動領域境界線Ｂに沿った方向に操作ロッド３を動作させる。

【0235】

（ＩＩＩ）操作ロッドの現在の動作位置が操作ロッド可動領域外に存在するとき
操作ロッド３の現在の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡの外にあるとき、動作速度には、動作位置基準点Ｏに向かう方向の速度成分である中心方向速度が含まれる。これにより、操作ロッド３の動作位置Ｐが操作ロッド可動領域ＭＡ外にある場合に、操作ロッド３は操作ロッド可動領域ＭＡ内へと移動される。

【0236】

なお、上記にて説明した第２実施形態における動作速度の算出方法は、本発明の範囲を超えない範囲にて、上記のフローチャートにて示した動作の順番を変更したり、各動作の動作を変更したりしてもよい。

【0237】

３．実施形態の効果
上記第１実施形態及び第２実施形態の効果は、以下のように記載できる。
第１実施形態に係る訓練装置（例えば、訓練装置１００）は、所定の訓練プログラムに従って、使用者の上肢及び／又は下肢の四肢を訓練する訓練装置である。訓練装置は、操作ロッド（例えば、操作ロッド３）と、力量検出部（例えば、Ｙ軸方向力量検出部１７５、Ｘ軸方向力量検出部１７７、長さ方向力量検出部３９３）と、動作位置検出部（例えば、第１動作位置検出部１３５ａ−１、第２動作位置検出部１３５ｂ−１、第３動作位置検出部３５９−１）と、力量速度算出部（例えば、力量速度算出部１１１１−１１）と、境界線到達速度算出部（例えば、境界線到達速度算出部１１１１−１３）と、動作速度算出部（例えば、動作速度算出部１１１１−３）と、を備える。

【0238】

操作ロッドは、床面上又は床面に近接して載置される固定フレーム（例えば、固定フレーム１）に、１以上の自由度にて動作可能に支持されている。また、操作ロッドは、保持した肢を動作させる。力量検出部は、力量成分を検出し、検出した力量成分の大きさに基づいた力量成分信号を出力する。力量成分は、操作ロッドに加えられた力量の操作ロッドが動作可能な各自由度方向の成分である。動作位置検出部は、操作ロッドの動作位置（例えば、操作ロッドの動作位置Ｐ）を検出する。操作ロッドの動作位置は、操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向における操作ロッドの位置である。

【0239】

力量速度算出部は、力量検出部により出力された力量成分信号に基づいて、操作ロッドの力量速度を算出する。境界線到達速度算出部は、境界線距離（例えば、境界線距離Ｄ）が小さくなるに従い絶対値が小さくなる境界線到達速度を算出する。境界線距離は、操作ロッドの現在の動作位置から可動領域境界線（例えば、可動領域境界線Ｂ）までの距離である。可動領域境界線は、操作ロッド可動領域（例えば、操作ロッド可動領域ＭＡ）の境界を定める境界線である。操作ロッド可動領域は、操作ロッドが動作可能な範囲を定める領域である。

【0240】

動作速度算出部は、力量速度と境界線到達速度のいずれか小さい方の速度を動作速度として算出する。動作速度は、操作ロッドが動作すべき速度である。

【0241】

上記の訓練装置においては、まず、動作位置検出部により操作ロッドの現在の動作位置が検出され、力量検出部より力量が検出される（例えば、ステップＳ２１）。現在の動作位置及び力量を検出後、力量速度算出部が力量成分信号に基づいて力量速度を、境界線到達速度算出部が境界線距離に基づいて境界線到達速度を算出する（例えば、ステップＳ２２）。その後、動作速度算出部が、上記の力量速度と境界線到達速度のいずれか小さい方の速度を動作速度として算出する（例えば、ステップＳ２３１〜Ｓ２３６）。

【0242】

上記の訓練装置においては、境界線距離が小さくなるに従い絶対値が小さくなる境界線到達速度と、力量に基づく力量速度とが算出され、これらの速度のうちいずれか小さい方が操作ロッドの動作速度として選択されている。つまり、操作ロッドの動作速度は算出された速度成分のうち最も低い速度に制限される。また、特に可動領域境界線の近傍においては、境界線距離が小さくなるに従って絶対値が小さくなる境界線到達速度によって動作速度が制限されている。これにより、操作ロッドが可動領域境界線に到達したときに、操作ロッドが急激に停止して肢に対して衝撃を与えたり、操作ロッドが操作ロッド可動領域外へと移動したりすることを抑制できる。

【0243】

また、力量速度と境界線到達速度のいずれか小さい方の速度を動作速度として選択することにより、動作速度の力量速度から境界線到達速度（又はその逆）への切り替えをスムーズに実行できる。その結果、肢に衝撃を与えることなく、操作ロッドの動作速度の切替を行える。

【0244】

動作速度は、最大動作速度（たとえば、最大動作速度Ｖ_ｍａｘ）以下に制限されている。最大動作速度は、操作ロッドの動作速度の上限値を定める速度である。これにより、操作ロッドが過剰に速い速度にて動作することを抑制できる。

【0245】

操作ロッドの現在の動作位置が、操作ロッド可動領域の外に存在すると判断された場合、動作速度算出部は、動作位置基準点（例えば、動作位置基準点Ｏ）へ向かう速度成分（例えば、中心方向速度）を含む動作速度を算出している（例えば、ステップＳ２３５及びステップＳ２３６）。動作位置基準点は、操作ロッドの動作位置の基準点である。
これにより、操作ロッドが操作ロッド可動領域外からさらに外へ向かって動作することを抑制でき、操作ロッドの現在の動作位置が操作ロッド可動領域外に存在したまま操作ロッドが動作しなくなることを抑制できる。また、操作ロッド可動領域の外にある操作ロッドは、操作ロッド可動領域内に戻される。

【0246】

第２実施形態に係る訓練装置（例えば、訓練装置２００）は、操作ロッド（例えば、操作ロッド３）と、力量検出部（例えば、Ｙ軸方向力量検出部１７５、Ｘ軸方向力量検出部１７７、長さ方向力量検出部３９３）と、動作位置検出部（例えば、第１動作位置検出部１３５ａ−１、第２動作位置検出部１３５ｂ−１、第３動作位置検出部３５９−１）と、境界線方向速度算出部（例えば、境界線方向速度算出部１１１１−１７’）と、動作位置予測部（例えば、動作位置予測部１１１１−１９’）と、動作速度算出部（例えば、動作速度算出部１１１１−３’）と、を備える。

【0247】

操作ロッドは、床面上又は床面に近接して載置される固定フレームに、２以上の自由度にて動作可能に支持されている。また、操作ロッドは、保持した肢を動作させる。
複数の力量検出部のそれぞれは、力量成分を検出し、検出した力量成分を力量成分信号として算出する。力量成分は、操作ロッドに加えられた力量の操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の成分である。動作位置検出部は、操作ロッドの動作位置を検出する。操作ロッドの動作位置は、操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の動作位置である。

【0248】

境界線方向速度算出部は、境界線方向速度を算出する。境界線方向速度は、可動領域境界線（例えば、可動領域境界線Ｂ）に沿った方向の速度成分である。可動領域境界線は、操作ロッド可動領域（例えば、操作ロッド可動領域ＭＡ）の境界を定める境界線である。操作ロッド可動領域は、操作ロッドが動作可能な範囲を定める領域である。動作位置予測部は、予測動作位置（例えば、予測動作位置Ｐ’’）を予測する。予測動作位置は、操作ロッドの現在の動作位置において、操作ロッドに合成力量が加えられたときに、操作ロッドが到達すると予測される、操作ロッドの動作位置である。合成力量は、各自由度方向の力量成分を合成して得られる力量である。
動作速度算出部は、予測動作位置が操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、境界線方向速度を含む速度を、動作速度として算出する。動作速度は、操作ロッドが動作すべき速度である。

【0249】

第２実施形態の訓練装置においては、まず、操作ロッドの現在の動作位置と操作ロッドに加えられる力量の力量成分が検出される（例えば、ステップＳ２１）。次に、動作位置予測部が、操作ロッドの現在の動作位置において合成力量が操作ロッドに加えられたときに、操作ロッドが到達する予測動作位置を予測する。そして、予測動作位置が操作ロッド可動領域外に存在すると予測された場合、動作速度算出部が、境界線方向速度算出部において算出された境界線方向速度を含む速度を、動作速度として算出する（例えば、ステップＳ２３０１〜Ｓ２３０４）。

【0250】

第２実施形態の訓練装置においては、操作ロッドに合成力量が加えられた結果、操作ロッドが操作ロッド可動領域外に存在すると予測される場合に、可動領域境界線に沿った方向の速度成分である境界線方向速度を含む速度が、動作速度として算出される。つまり、操作ロッドに加えられた力により、操作ロッドが操作ロッド可動領域外へ移動するときに、操作ロッドを可動領域境界線に沿った方向に動作させる。これにより、操作ロッド可動領域の境界近傍において、加えられた力に対して可動領域境界線に沿った自然な動きを実現することができる。

【0251】

境界線方向速度算出部は、動作位置基準点（例えば、動作位置基準点Ｏ）と予測動作位置とを結ぶ直線と可動領域境界線との交点（例えば、交点Ｍ）と操作ロッドの現在の動作位置との位置偏差に基づいて、境界線方向速度を算出する（例えば、ステップＳ１００１〜Ｓ１００４）。動作位置基準点は、操作ロッドの動作位置の基準点である。
これにより、境界線方向速度を、操作ロッドの現在の動作位置から上記の交点へと向かう可動領域境界線に沿った方向の速度として算出できる。

【0252】

第２実施形態の訓練装置は、力量速度算出部（例えば、力量速度算出部１１１１−１１’）と境界線到達速度算出部（例えば、境界線到達速度算出部１１１１−１３’）とをさらに備えている。力量速度算出部は、複数の力量検出部により出力された力量成分信号に基づいて、操作ロッドの力量速度を算出する。境界線到達速度算出部は、操作ロッドの現在の動作位置から可動領域境界線までの境界線距離（例えば、境界線距離Ｄ）に基づいて、境界線到達速度を算出する。
この場合、動作速度算出部は、境界線方向速度と、境界線到達速度及び／又は力量速度と、を合成して動作速度を算出する（例えば、ステップＳ２３０１〜Ｓ２３０４）。これにより、境界線方向速度と境界線到達速度及び／又は力量速度とを含んだ動作速度を算出できる。

【0253】

予測動作位置は、力量速度が一定時間継続したと仮定したときに、操作ロッドが到達すると予測される位置であってもよい。これにより、操作ロッドが力量速度にて一定時間移動した場合の位置を予測動作位置として予測できる。

【0254】

予測動作位置は、操作ロッドが力量速度から所定の減速度にて減速停止すると予測される位置であってもよい。これにより、操作ロッドが最終的に停止する位置を予測動作位置として予測できる。

【0255】

動作速度算出部は、第１合成速度を動作速度として算出している（例えば、ステップＳ１１０１〜Ｓ１１０６）。第１合成速度は、力量速度又は境界線到達速度のいずれか小さい方と、境界線方向速度又は第２合成速度のいずれかと、を第１の比にて合成した速度である。第２合成速度は、境界線方向速度と力量速度とを含む速度である。第１の比は、現在の動作位置に基づいて変化する。
これにより、操作ロッドの現在の動作位置により、境界線方向速度と力量速度又は境界線到達速度とを適切な比率にて合成した動作速度を算出できる。その結果、境界線方向速度の影響と力量速度又は境界線到達速度の影響とを徐々に変化させて、滑らかに操作ロッドを動作できる。

【0256】

第１の比は、可動領域境界線と操作ロッドの現在の動作位置との間の距離に基づいて算出されてもよい。これにより、任意の形状の可動領域境界線について第１の比を決定できる。

【0257】

第２合成速度は、力量速度と境界線方向速度とを第２の比にて合成して算出されている（例えば、ステップＳ１２０６）。第２の比は、予測動作位置に基づいて変化する。
これにより、操作ロッドに加えられた力によっては、操作ロッドを操作ロッドに加えられた力の方向になるべく動作させつつ、操作ロッド可動領域の境界近傍において、加えられた力に対して可動領域境界線に沿った自然な動きを実現することができる。

【0258】

第２の比は、可動領域境界線と予測動作位置との間の距離に基づいて算出されてもよい。これにより、任意の形状の可動領域境界線について第２の比を決定できる。

【0259】

境界線方向速度が最低走行速度よりも小さく（例えば、ステップＳ１３０３において「Ｙｅｓ」の場合）、かつ、予測動作位置が操作ロッド可動領域の外に存在する（例えば、ステップＳ１３０４において「Ｙｅｓ」の場合）場合、動作速度算出部は、操作ロッドが可動領域境界線に到達する速度を算出し、また、境界線方向速度を０とする（例えば、ステップＳ１３０６）。これにより、操作ロッドを可動領域境界線上にて安定して停止できる。
また、制御遅れなどにより操作ロッドが操作ロッド可動領域の外にわずかに出た場合には、動作位置基準点に向かう速度が操作ロッド可動領域に入るまで作用するため、操作ロッドは速やかに可動領域境界線へ移動する（例えば、ステップＳ１３０２）。

【0260】

第２実施形態に係る算出方法は、所定の訓練プログラムに従って、使用者の上肢及び／又は下肢の四肢のいずれかを訓練する訓練装置における、保持した四肢を動作させる操作ロッドの動作速度の算出方法である。算出方法は、以下のステップを含む。
◎操作ロッドの現在の動作位置を検出するステップ（例えば、ステップＳ２１）。
◎操作ロッドに加えられた力量の各自由度方向の力量成分を検出するステップ（例えば、ステップＳ２１）。
◎現在の動作位置において、操作ロッドに合成力量が加えられたときに、操作ロッドが到達する予測動作位置を予測するステップ（例えば、ステップＳ１００１）。
◎予測動作位置が操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、境界線方向速度を含む速度を動作速度として算出するステップ（例えば、ステップＳ２３０１〜Ｓ２３０４）。

【0261】

操作ロッドの動作速度が上記のステップを含む算出方法により算出されることにより、操作ロッドを可動領域境界線に沿った方向に動作できる。

【0262】

上記の境界線方向速度を含む速度を動作速度として算出するステップは、以下のステップを含んでいる。
◎動作位置基準点と予測動作位置とを結ぶ直線を算出するステップ（例えば、ステップＳ１００２）。
◎上記直線と可動領域境界線との交点を算出するステップ（例えば、ステップＳ１００３）。
◎上記交点と操作ロッドの現在の動作位置との位置偏差とに基づいて、境界線方向速度を算出するステップ（例えば、ステップＳ１００４）。

【0263】

境界線方向速度が上記のステップを含む算出方法により算出されることにより、境界線方向速度を、上記の交点へと向かう可動領域境界線に沿った方向の速度として算出できる。これにより、操作ロッド可動領域の境界近傍において、加えられた力に対して可動領域境界線に沿った自然な動きを実現することができる。

【0264】

４．他の実施形態
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
（Ａ）境界線方向速度についての他の実施形態
上記の第２実施形態に係る訓練装置２００において、境界線方向速度は、図１５Ａに示すように、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐから交点Ｍへと向かう方向の速度として算出されていた。しかし、これに限られず、現在の動作位置Ｐから交点Ｍまでの間に複数の目標点を設けて、操作ロッド３が各目標点を通過するような境界線方向速度を算出してもよい。

【0265】

例えば、図２１に示すように、操作ロッド３の現在の動作位置Ｐから交点Ｍまでの、可動領域境界線Ｂ上に複数の目標点Ｍ_１’、Ｍ_２’、Ｍ_３’、・・・を所定の間隔にて設けて、これらの目標点を通過するように、複数の速度を算出して、境界線方向速度としてもよい。図２１は、境界線方向速度の他の実施形態を模式的に示す図である。

【0266】

具体的には、例えば、境界線方向速度を、現在の動作位置Ｐから交点Ｍへ向かう方向に点Ｎ_１まで進む速度Ｖ１と、点Ｎ_１から可動領域境界線Ｂ上の目標点Ｍ_１’まで進む速度Ｖ２と、目標点Ｍ_１’から交点Ｍへ向かう方向に点Ｎ_２まで進む速度Ｖ３と、点Ｎ_２から可動領域境界線Ｂ上の目標点Ｍ_２’まで進む速度Ｖ４と、・・・というように、複数の速度成分により構成された速度として定義できる。

【0267】

境界線方向速度を、可動領域境界線Ｂ上の複数の目標点を通過するように、複数の速度成分により構成することにより、図２１に示すように、現在の動作位置Ｐから交点Ｍへ直接向かうように操作ロッド３を動作させるのと比較して、可動領域境界線Ｂにより近い位置にて可動領域境界線Ｂに沿うように操作ロッド３を動作させることができる。

【産業上の利用可能性】

【0268】

本発明は、所定の訓練プログラムに従って、患者の上肢および下肢等のリハビリテーションを支援する訓練装置に広く適用できる。

【符号の説明】

【0269】

１００、２００ 訓練装置
１ 固定フレーム
１１ 制御部
１１１ 指令作製部
１１１１ 第１指令算出部
１１１１−１、１１１１−１’速度成分算出部
１１１１−１１、１１１１−１１’ 力量速度算出部
１１１１−１３、１１１１−１３’ 境界線到達速度算出部
１１１１−１５、１１１１−１５’ 中心方向速度算出部
１１１１−１７’ 境界線方向速度算出部
１１１１−１９’ 動作位置予測部
１１１１−３、１１１１−３’動作速度算出部
１１１１−３１、１１１１−３１’ 速度成分比較部
１１１１−３３ 速度成分合成部
１１１１−３３’ 第１速度成分合成部
１１１１−３５’ 第２速度成分合成部
１１１１−３７’ 第３速度成分合成部
１１１１−５ 第１モータ制御指令算出部
１１１３ 第２指令算出部
１１１５ 制御指令切替部
１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃモータ制御部
１３ 操作ロッド傾動機構
１３１ Ｘ軸方向傾動部材
１３１−１ 付勢部材固定部
１３１ａ、１３１ｂ 軸
１３３ Ｙ軸方向傾動部材
１３３ａ、１３３ｂ 軸
１３５ａ Ｙ軸方向傾動モータ
１３５ａ−１ 第１動作位置検出部
１３５ｂ Ｘ軸方向傾動モータ
１３５ｂ−１ 第２動作位置検出部
１５ａ、１５ｂ操作ロッド傾動機構固定部材
１７ 力量検出機構
１７１ Ｙ軸方向力量検出部材
１７１ａ、１７１ｂ 軸
１７３ Ｘ軸方向力量検出部材
１７３−１ 付勢部材固定部
１７３ａ、１７３ｂ 軸
１７５ Ｙ軸方向力量検出部
１７７ Ｘ軸方向力量検出部
１７９ 付勢部材
３ 操作ロッド
３１ 肢支持部材
３３ 固定ステイ
３５ 伸縮機構
３５１ 可動ステイ
３５３ カバー
３５５ ナット
３５７ ねじ軸
３５９ 伸縮モータ
３５９−１ 第３動作位置検出部
３７ 案内レール
３９ 長さ方向力量検出機構
３９１ 付勢部材
３９３ 長さ方向力量検出部
５ 訓練指示部
７ 固定部材
９ 椅子
９１ 椅子接続部材
Ｂ 可動領域境界線
Ｄ 境界線距離
Ｆ 合成力量ベクトル
ＭＡ 操作ロッド可動領域
Ｏ 動作位置基準点
Ｐ 動作位置
Ｐ’’ 予測動作位置
Ｒ_ＴＨ 境界方向速度合成開始位置
Ｓ、Ｓ’ 空間
ｅ、ｆ 入力
ｇ 出力

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図13】

【図14A】

【図14B】

【図15A】

【図15B】

【図16A】

【図16B】

【図17A】

【図17B】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】