CN1522134A - 扭矩施加系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种扭矩施加系统，通过构筑一对应于步行者的腿部等、经关节而连接的连接体的多种运动条件，能够适当地辅助该连接体运动的系统，提供一种在进行包括关节的弯曲等的各种转动时，可以将对应于连接体的运动状况的适当的扭矩施加给连接体的系统。该扭矩施加系统包括：第1测定机构(6)、第2测定机构(7)、基准功确定机构(8)、以及外在扭矩确定机构(10)。

Description

扭矩施加系统
技术领域
本发明涉及一种将以关节为轴转动用的外在扭矩施加到经由关节而可以相对转动地被连接的连接体上的系统，进一步具体而言，涉及一种将以踝关节、膝关节或髋关节为轴转动用的外在扭矩施加到步行者的腿部上的系统。
背景技术
关于辅助因脚力的降低而导致用自己的力量步行起来比较困难的人的步行的系统，已公开在特开平7-163607号公报和特开2000-166997号公报上等处。根据这种系统，通过将扭矩施加装置安装在患者的膝关节部分等处，然后利用该装置对膝盖等处施加扭矩，来辅助步行者的步行。
然而，根据现有的系统，只不过是对台阶、平地等的步行条件大致地进行识别，而在对高低不平无规则的台阶或者倾斜程度不等的坡路等的多种的步行条件进行识别之后，也不施加对应的扭矩。这样，也就有可能产生有多余的扭矩被施加的问题。
因此，本发明以提供一种通过构筑一对应于步行者的腿部、一般经关节而连接的连接体的多种运动条件，能够适当地辅助该连接体运动的系统，从而在进行包括关节的弯曲等在内的各种转动时，可以将对应于连接体的运动状况的适当的扭矩施加给连接体的系统作为解决之课题。
发明内容
为解决上述课题，本发明的扭矩施加系统的特征在于，具有：第1测定机构，该第1测定机构对由连接体产生的以关节为轴转动用的内在功进行测定；第2测定机构，该第2测定机构对施加到连接体上的以关节为轴转动用的外在功进行测定；基准功确定机构，该基准功确定机构基于通过第1测定机构测定的连接体的内在功，来确定基准功；外在扭矩确定机构，该外在扭矩确定机构基于通过第2测定机构测定的外在功，确定施加给连接体的外在扭矩，以减少通过第1测定机构测定的连接体的内在功与通过基准功确定机构确定的基准功之间的偏差；以及外在扭矩施加机构，该外在扭矩施加机构将通过外在扭矩确定机构确定的外在扭矩施加给连接体。
根据本发明，为使得连接体的以关节为轴转动用的内在功与基准功相一致，而对连接体施加以关节为轴转动用的外在扭矩。因此，在连接体的运动条件发生变动，而该运动所需要的连接体的功又超过基准功的场合时，以辅助该超过部分的形式，来对连接体施加外在扭矩。而且，无论运动条件变动与否，通过连接体上的与基准功相对应的内在扭矩的发挥，可以使之运动。
另外，施加到连接体上的外在扭矩是基于施加到连接体上的外在功确定的，作为该确定的基准的基准功又是基于连接体的内在功被确定的。因此，可以将与连接体的内在功与外在功之间的平衡相对应的适当的外在扭矩施加给连接体。另外，根据本系统而被施加的外在扭矩包含以运动方向作为x轴而以竖直方向作为z轴的xy平面、yz平面、zx平面的所有平面内的外在扭矩，即，朝向3维空间内的所有方向的外在扭矩。
另外，本发明的扭矩施加系统的特征在于，上述连接体是包括髋关节、膝关节及踝关节在内的步行者的腿部。
根据本发明，对应于步行者的腿部的膝关节的弯曲等的各种步行条件，通过施加对应于步行状况的适当的扭矩，可以对该步行进行恰当的辅助。
此外，本发明的扭矩施加系统的特征还在于，具有第1系数确定机构，该第1系数确定机构将施加给连接体的外在功与处于与通过基准功确定机构确定的基准功之间的偏差为0的场合时的连接体的内在功之间的比作为目标值，使之随时间推移逐渐收敛于该目标值地对第1系数进行逐步确定，第1测定机构对连接体的以关节为轴转动用的内在扭矩进行测定，外在扭矩确定机构对通过第1测定机构测定的连接体的内在扭矩与通过第1系数确定机构确定的第1系数的积进行运算，并且将该运算结果确定为施加给连接体的外在扭矩。
根据本发明，在因运动条件的变动，而使连接体的内在功超过基准功的场合时，为解除该超出部分，对第1系数、进而对施加给连接体的外在扭矩进行逐步确定。另外，当第1系数收敛于其目标值时，通过将基于第1系数确定的外在扭矩施加给该连接体，可以通过与连接体的基准功相对应的内在扭矩的发挥，来进行运动。
此外，通过增大第1系数朝向其目标值的收敛速度，在因运动条件的变动使该运动所需要的功超过基准功的场合时，可以将外在扭矩施加给连接体，以迅速地消除该超出部分。另一方面，通过减小第1系数朝向其目标值的收敛速度，在因运动条件的变动使该运动所需要的功超过基准功的场合时，可以将外在扭矩施加给连接体，以在时间上缓慢地消除该超出部分。
另外，本发明的扭矩施加系统的特征在于，第1系数确定机构基于通过第1测定机构测定的内在功或者通过第2测定机构测定的外在功，来确定第1系数的上限或下限。
根据本发明，通过对第1系数设定上限或下限，可以避免施加给连接体的外在扭矩产生过大或过小的问题。因此，当连接体是步行者的腿部的场合时，该步行者可以更舒适地步行。另外，由于第1系数的上限或下限是基于对应于连接体的运动情况而变动的内在功或外在功而确定的，因此，可以对应于该运动情况，来对外在扭矩进行适当的限制。
此外，本发明的扭矩施加系统的特征还在于，当通过第1测定机构测定的内在功与通过第2测定机构测定的外在功的和的合计功处于通过基准功确定机构确定的基准功以下时，第1系数确定机构将第1系数的下限确定为0。
如上所述，为了使连接体的内在功与基准功相一致地确定第1系数的目标值。因此，当连接体的合计功发生减少且处于基准功以下的场合时，以使得连接体的内在扭矩、进而内在功增大，与基准扭矩相一致地将第1系数确定为负值，从而可以将作为运动的抵抗的负的外在扭矩施加给连接体。
根据本发明，在这种场合，由于将第1系数的下限确定为0，作为第1系数与内在扭矩的积被确定的外在扭矩变成0，因此，可以防止负的外在扭矩被施加到连接体上的问题发生。
另外，本发明的扭矩施加系统的特征在于，当通过第1测定机构测定的内在功与通过第2测定机构测定的外在功之间的和的合计功处于通过基准功确定机构确定的基准功以上的预定量以上时，第1系数确定机构确定第1系数的上限。
在连接体的合计功增大，且大大超过基准功的场合时，以使得连接体的内在扭矩、进而内在功减少，与基准扭矩相一致地对第1系数进行过大地确定，从而可以将过大的外在扭矩施加给连接体。
根据本发明，在这种场合，由于确定第1系数的上限，因此，对作为第1系数与内在扭矩的积确定的外在扭矩设定上限，这样，可以防止过大的外在扭矩被施加到连接体上的问题发生。
此外，本发明的扭矩施加系统的特征还在于，第1测定机构对连接体的以关节为轴转动用的内在扭矩与角速度的积进行测定，第1系数确定机构对应于通过第1测定机构测定的积的划分，来对第1系数进行划分并确定，当在通过第1测定机构测定的积的划分与在先前通过第1测定机构测定的过去的积的划分相一致时，外在扭矩确定机构使用在先前通过第1系数确定机构基于与该过去的积的划分相对应的内在功确定的第1系数，来确定外在扭矩。
另外，本发明的扭矩施加系统的特征在于，第1系数确定机构对应于通过第1测定机构测定的连接体的以关节为轴转动用的内在扭矩与角速度的积的正负，来对第1系数进行划分并确定。
此外，本发明的扭矩施加系统的特征还在于，基准功确定机构、对通过第1测定机构测定的内在功与通过第2测定机构测定的外在功的和的合计功进行运算，对合计功与通过第1测定机构测定的无负荷状态下的连接体的内在功之间的差、与关于使得连接体的内在功与基准功之间的偏差为0的外在扭矩的第2系数的积进行运算，对合计功与该积之间的差进行运算，并确定该运算结果作为基准功。
根据本发明，在运动时所必要的合计功相对于基准功的变动部分中，通过第2系数的大小来确定通过外在扭矩补偿多少。即，通过较大地设定第2系数，可以增大该变动部分中通过外在扭矩补偿的部分的比例。另一方面，通过较小地设定第2系数，可以减小该变动部分中通过外在扭矩补偿的部分的比例。另外，在“无负荷状态下的连接体的内在功”中，除了包含有在从外部不施加负荷的状态下的连接体于运动时的内在功之外，还包含有在从外部施加负荷的状态下的连接体于运动时的内在功，而该内在功是将该负荷考虑在内而被修正的内在功，以能够看成不施加该负荷的状态下的内在功。
另外，本发明的扭矩施加系统的特征在于，第1及第2测定机构通过将连接体的运动周期设定为积分时间，来分别对内在及外在功进行测定。
根据本发明，基于连接体的前一运动周期中的内在功、外在功，可以确定在下一运动周期施加给连接体的外在扭矩。另外，在连接体为步行者的腿部的场合下，基于从右侧或左侧的脚底离开地面之后又接触地面，到左侧或右侧的脚底离开地面之后又接触地面之间的内在功、外在功，可以确定施加到左右的腿部上的下一次的外在扭矩。
此外，本发明的扭矩施加系统的特征还在于，第1测定机构测定作用到连接体的一个关节上的反作用力，基于测得的反作用力，并按照逆动力学模型，来对连接体的以各关节为轴转动用的内在扭矩与外在扭矩的合计扭矩进行测定，通过对所测得的合计扭矩与利用第2测定机构测定的外在扭矩之间的差进行运算，来测定连接体的以各关节为轴转动用的内在扭矩。
根据将在后面详细说明的逆动力学模型，将连接体假定为经由关节而可以转动地被依次连接的多个刚体棒，基于一个刚体棒的以一关节为轴转动用的扭矩及一关节的反作用力，来确定该一个刚体棒的以其它关节为轴转动用的扭矩及其它关节的反作用力。因此，根据本发明，基于连接体的端部上的反作用力，来测定作用到该端部处的以关节为轴转动用的扭矩及关节的反作用力，从而可以依次测定其它关节的扭矩。另外，由于按照逆动力学模型而测得的扭矩是内在扭矩与外在扭矩的和，因此，通过从该和之中减去外在扭矩，则可以测得内在扭矩。
附图说明
图1是表示作为本实施方式的扭矩施加系统的步行辅助装置的构成示意图。
图2是表示通过步行辅助装置而进行步行辅助的概要示意图。
图3是对步行辅助装置的功能进行说明的流程图。
图4是表示对步行者的脚底的地面反作用力进行测定的概念性示意图。
图5是表示对步行者的以关节为轴转动用的扭矩进行测定的概念性示意图。
图6是表示通过步行辅助装置而进行步行辅助的实验结果的示意图。
图7及图8是表示通过步行辅助装置而进行步行辅助的模拟结果的示意图。
具体实施方式
下面，结合附图说明本发明的扭矩施加系统的实施方式。
图1中的扭矩施加系统包括：第1传动器1(外在扭矩施加机构)，该第1传动器1安装在步行者的腰部上，并施加以髋关节为轴转动用的外在扭矩；第2传动器2(同第1传动器)，该第2传动器2安装在步行者的膝部，施加以膝关节为轴转动用的外在扭矩；控制单元3，该控制单元3控制各传动器1、2的动作等；以及蓄电池4，该蓄电池4为Ni-Zn等蓄电池，供电给各传动器1、2。控制单元3及蓄电池4被容纳在步行者的后背所背着的背包5中。第1传动器1经由安装在步行者上的腹带b与大腿护具c，施加以髋关节为轴转动用的外在扭矩。第2传动器2经由安装在步行者上的大腿护具c与小腿护具d，施加以膝关节为轴转动用的外在扭矩。另外，步行者的腰部、大腿部、小腿部相当于本发明的“连接体”。
另外，本步行辅助装置安装在步行者的后背，并具有对相对于上半身的竖直方向的角速度进行测定的回转传感器g、以及对水平方向的加速度进行测定的G传感器g’。此外，在步行者的腰部上还安装有：对相对于腰部的竖直方向的角速度进行测定的回转传感器g、以及对水平方向、竖直方向的加速度进行测定的G传感器g’。另外，在步行者的腰部上还安装有对左右大腿部相对于腰部的以髋关节为轴转动用的旋转角度进行测定的角度传感器a，在膝部安装有角度传感器a，以对小腿部相对于大腿部的旋转角度进行测定。
控制单元3具有：第1测定机构6、第2测定机构7、基准功确定机构8、第1系数确定机构9、外在扭矩确定机构10、以及存储机构11。控制单元3通过由CPU、信号输入输出电路、以及存储器等组合而成，以能够发挥将在后边说明的各种功能。
第1测定机构6基于各传感器g、g’、a的测定值，对以膝关节、髋关节为轴转动用的腿部的内在扭矩T1、以及内在功w1进行测定，其中该内在功w1为内在扭矩T1与内在角速度ω1的积的绝对值的时间积分。第2测定机构7基于各传动器1、2的扭矩值和角度传感器a的测定值，对外在功w2进行测定，其中该外在功w2为以膝关节、髋关节为轴转动用的外在扭矩T2与外在角速度ω2的积的绝对值的时间积分。基准功确定机构8基于通过第1测定机构6测定的腿部的内在的功w1来确定基准功w0。第1系数确定机构9在内在功w1与通过基准功确定机构8确定的基准功w0之间的偏差为0的场合时，将外在功w2与内在功w1之间的比作为目标值cTG，将外在功w2与内在功w1的比作为第1系数c1，使之逐渐收敛于该目标值地逐步确定第1系数c1。外在扭矩确定机构10对通过第1测定机构6测定的内在扭矩T1与通过第1系数确定机构9确定的第1系数c1的积进行运算，并确定通过传动器1、2而施加的以膝关节、髋关节为轴转动用的外在扭矩T2。存储机构11通过ROM等的非易失性存储器、或RAM等的易失性存储器等构成，如在后边所说明的那样，存储在基准功w0的确定上所使用的第2系数c2、和在作用到步行者的左右脚底部上的地面反作用力等的测定上所使用的数据表等。
下面，结合图2至图8，关于上述构成的步行辅助装置的功能进行说明。
首先，参照图2，关于第2传动器2对步行者的腿部施加的以膝关节为轴转动用的外在扭矩的概要进行说明。黑色阴影部分是表示步行者在无负荷状态下步行于平地上时的以膝关节为轴转动用的内在功w1。另外，在“无负荷状态下的内在功w1”中，除了包含有在步行者未安装步行辅助装置的状态下通过三维动作解析装置等来测得的内在功之外，还包含有通过考虑该装置的重量和摩擦而对在步行者安装步行辅助装置的状态下利用上述角度传感器a等所测得的内在功进行减少修正从而确定的内在功。
在步行者开始上台阶时，以膝关节为轴转动用的内在功w1比平地步行时的内在功超出Δw(参照图2中①的斜线部分)。该超出部分是因为，在步行者上台阶时，与平地步行时相比，需要较大功程度地移动腿部。因此，由于体力的降低等原因，在平地步行时虽然无妨，但对于上台阶不能随意的步行者而言，在攀升台阶时就显得比较困难。
因此，对腿部施加外在扭矩T2，以辅助步行者在台阶上步行。外在扭矩T2如在后边所述的那样，在对基准功w0确定的基础上，基于内在扭矩T1逐步确定外在扭矩T2，以使得内在功w1向基准功w0收敛。由此，随着步行者攀登台阶，在图2中从①至②、从②至③、从③至④的每一过程中，外在功w2(参照图2的②～④的空白部分)渐渐地增大，内在功w1以其增大部分而渐渐地减少，并收敛于基准功w0。由此，为产生以膝关节为轴转动用的内在扭矩，随着攀升台阶，而减轻步行者的所必需的体力负担。其后，步行者可以通过对应于基准功w0的内在扭矩T1的发挥，继续攀升台阶。
接着，参照图3～图6，关于确定从第1、第2传动器1、2施加给腿部的以髋关节、膝关节为轴转动用的外在扭矩T2的详细过程予以说明。另外，对于步行者的第i项(i＝1、2、......)的步行周期(以下称‘第i周期’)中的物理量添加适当的记号i。
首先，测定以膝关节及髋关节为轴转动用的内在扭矩T1(1)及角速度ω1(1)(图3s1)。参照图4及图5，说明内在扭矩T1(1)的测定方法。
使用图4所示的模型，测定作用到步行者的左右腿部上的地面反作用力。作用到图4所示的质量m的步行者的左右腿部上的地面反作用力分别为(FLx，FLy)、(FRx，FRy)。另外，步行者的身体重心坐标、左踝关节坐标及右踝关节坐标分别为(xG、yG)、(xL、yL)、(xR、yR)。若考虑该模型上的力的平衡和方向，则可以得到下面的关系式(1a)～(1d)。
FRy+FLy＝m(g+yG”)(g：重力加速度)     ··(1a)
FRx+FLx＝mxG”                                                   ··(1b)
(yG-yR)/(xG-xR)＝FRy/FRx          ··(1c)
(yG-yL)/(xG-xL)＝FLy/FLx          ··(1d)
预先测定步行者的质量m，而且，身体重心坐标(xG、yG)、左右的踝关节坐标(xL、yL)、(xR、yR)、身体重心坐标的加速度(xG”、yG”)是基于步行者的预先的身体测定、安装在步行者的腰部等的回转传感器g或G传感器g’、以及安装在髋关节及膝关节上的角度传感器a的测定值测定的。具体而言，左右的踝关节坐标(xL、yL)、(xR、yR)等是基于对与存储在存储机构11中的髋关节和膝关节的角度、大腿部和小腿部的长度等之间的对应关系进行特定的数据表测定的。而且，通过将这些测定值代入上面的关系式中，并利用第1测定机构6，测定地面反作用力(FLx、FLy)、(FRx、FRy)。
接着，基于所测得的地面反作用力，并使用图5所示的模型，按照逆动力学模型，来测定以膝关节、髋关节为轴转动用的合计扭矩。如图5所示，地面反作用力(Fax、Fay)作用到踝关节上，反作用力(Fbx、Fby)作用到膝关节上，伴随加速度的力(mx”、m(y”+g))作用到质量m的小腿部的重心上。另外，以踝关节、膝关节为轴转动用的扭矩分别为Ta、Tb，将小腿部与地面间的夹角设定为θ，将小腿部的惯性力矩设定为I，将从踝关节、膝关节到小腿部重心的距离分别设定为a、b。在该模型中，若考虑力和扭矩的平衡，则可以得到下面的关系式(2a)～(2c)。
Fax-Fbx-mx”＝0                              ··(2a)
Fay-Fby-my”-mg＝0                           ··(2b)
Iθ”＝Ta-Tb+Faxasinθ-Fayacosθ
       +Fbxbsinθ-Fbybcosθ                                        ··(2c)
地面反作用力(Fax、Fay)通过上述的方法来测得。另外，小腿部的重心位置的加速度(x”、y”)、小腿部与地面所成的角度θ、以及角加速度θ”是基于步行者的预先的身体测定和安装在步行者上的回转传感器g、G传感器g’、角度传感器a的测定值来测得的。此外，从小腿部的惯性力矩I、踝关节、膝关节到小腿部重心的距离a、b是基于步行者的预先的身体测定来测得的。另外，以踝关节为轴转动用的扭矩Ta是基于地面反作用力(Fax、Fay)，并按照存储在存储机构11中的数据表，利用第1测定机构6来测得的。而且，通过将这些测定值代入上面的关系式(2a)～(2c)中，来测定以膝关节为轴转动用的扭矩Tb。同样地，通过使用上面的关系式(2a)～(2c)，也可以测得以髋关节为轴转动用的扭矩。
通过从如上所述测定的以膝关节、髋关节为轴转动用的扭矩中，减去利用第1、第2传动器1、2而被施加的外在扭矩T2(i)，来测定以膝关节、髋关节为轴转动用的内在扭矩T1(i)(图3s1)。另外，内在角速度ω1(i)及外在角速度ω2(i)(因两者大致相同，故共用角速度ω(i)予以表示)也可以通过角度传感器a来测定(图3s1)。此外，以各关节为轴转动用的外在扭矩T2(i)基于第1、第2传动器1、2的扭矩值，利用第2测定机构来测得。
接着，外在扭矩T2(i)由外在扭矩施加机构10确定，并通过第1、第2传动器1、2而被施加到步行者的腿部上(图3s2)。外在扭矩T2(i)是由通过第1测定机构6而被逐步测定的内在扭矩T1(i)、与通过第1系数确定机构9在每一步行周期确定的第1系数c1(i)的积确定的。即，第1系数c1(i)是确定将外在扭矩T2(i)设定为内在扭矩T1(i)的百分之多少的系数。关于第1系数c1(i)的确定方法将在后面说明。
接着，由控制单元3对是否经过了第i周期进行判断(图3s3)。具体而言，是将测得通过第1测定机构6测定的右脚底的地面反作用力从有限值到0，再变成有限值之后，又变成0的情况的周期判断为步行周期的经过。
在第i周期经过之前(图3s3处为NO)，只要步行辅助装置的动作不结束(图3s10处为NO)，就反复进行上述s1～s3的处理。
当判断为第i周期已经经过了时(图3中s3处为YES)，则通过第1测定机构6，对以各关节为轴转动用的内在功w1(i)按照下式(3)来进行测定(图3s4)。即，通过对以各关节为轴转动用的内在扭矩T1(i)与角速度ω(i)的积的绝对值在整个第i周期进行积分，来测定内在功w1(i)。
w1(i)＝∫dT·|T1(i)×ω(i)|...                ··(3)
另外，通过第2测定机构7，对以各关节为轴转动用的外在功w2(i)按照下式(4)来进行测定(图3s5)。即，通过对以各关节为轴转动用的外在扭矩T2(i)与角速度ω(i)的积的绝对值在整个第i周期进行积分，来测定外在功w2(i)。
w2(i)＝∫dT·|T2(i)×ω(i)|...                ··(4)
另外，以各关节为轴转动用的内在扭矩T1(i)、外在扭矩T2(i)以及角速度ω(i)即使是在第i周期内，也是作为时刻变动的时间函数的物理量。
此外，通过基准功确定机构8，按照下式(5)来确定第i+1周期的基准功w(i+1)(图3s6)。具体而言，首先，对内在功w1(i)与外在功w2(i)的和的合计功w1(i)+w2(i)相对于预先测定的平地步行时的内在功w1(0)发生了多少变动进行测定。即，通过从合计功w1(i)+w2(i)中减去存储在存储机构11中的第2系数c2(0≤c2≤1)与该变动量Δwi的积，来确定基准功w0(i+1)。第2系数c2是确定该变动量Δwi中通过外在扭矩T2(i+1)的施加而被补偿的比例的系数。例如，如果将第2系数c2设定为1.0，则为了对变动量Δwi的全部进行补偿，即无论步行状态变动与否，都使得通过平地步行状态中的内在功w1(0)可以继续步行地确定外在扭矩T2(i+1)。另外，如果将第2系数c2设定为0.5，则为了对变动量Δwi的一半进行补偿，而确定外在扭矩T2(i+1)。另外，也可以在操作板(图示略)上对第2系数c2进行设定·变更。
w0(i+1)＝w1(i)+w2(i)-c2Δwi                     ··(5)
另外，通过第1系数确定机构9按照下式(6)确定第1系数的目标值cTG(i+1)(图3s7)。
cTG(i+1)＝c2Δwi/{w1(0)+(1-c2)Δwi}           ··(6)
另外，通过第1系数确定机构，使用存储在存储机构11中的增益系数G(0＜G≤1)并按照下式(7)，确定第1系数c1(i+1)。增益系数G是通过其大小而确定内在功w1(i+1)向基准功w0(i+1)收敛的速度的系数。即，增益系数G设定得越大，内在功w1(i)越迅速地向基准功w0(i)收敛地较大地确定外在扭矩T2(i)内在功功。另外，也可以在操作板(图示略)上对增益系数G进行设定·变更。
c1(i+1)＝w2(i)/w1(i)+G(cTG(i+1)-w2(i)/w1(i)...    ··(7)
如果不结束步行辅助装置的动作(3s9处为NO)，则第i周期的第1系数c1(i)将被变更成c1(i+1)(图3s11)。其后，关于第i+1周期，也通过第1测定机构6来测定内在扭矩T1(i+1)(图3s1)。另外，如上所述，通过外在扭矩确定机构10如下式(8)所示地将外在扭矩T2(i+1)确定为如上所述的第1系数c1(i+1)与内在扭矩T1(i+1)的积(图3s2)。
T2(i+1)＝c1(i+1)T1(i+1)                                (8)
而且，通过外在扭矩确定机构10确定的外在扭矩T2(i+1)又通过第1、第2传动器被施加到步行者的腿部上(图3s2)。
下面，参照图6，对施加到步行者的膝关节上的外在扭矩T2在伴随步行条件的变动时发生怎样的变动的实验结果进行说明。图6是当步行者开始在平地步行，上台阶，然后下台阶的场合时，表示第1系数c1将发生怎样的变动的图。如上所述，由于第1系数c1控制将内在扭矩T1(i)中的百分之多少作为外在扭矩T2进行的确定·施加，因此，通过其变动，可以间接地把握外在扭矩T2的变动。另外，在实验时，将第1系数c1的上限设定为0.25，将第2系数c2设定为0.25。
在平地上步行时，第1系数c1从0达到其上限0.25之后，开始渐渐地减少至0(参照图中向下的箭头)。这是表示在平地上的步行开始之后，有较大的外在扭矩施加到膝关节上，以辅助步行者的步行，此后，外在扭矩开始渐渐地减少，步行者以其自身的力量而进行步行。
另外，在上台阶时，第1系数c1从0达到其上限0.25，而在此之后几乎于整个时间内被维持于其上限值。这是表示在上台阶中，有较大的外在扭矩持续地施加于膝关节上，以辅助步行者的步行。
此外，在下台阶时，第1系数c1从0上升到0.1左右，在稍微减少之后又渐渐地增大到0.15左右(参照图中向上的箭头)。这是表示在下台阶中，虽然小于上台阶的时候，但将适当的比较大的外在扭矩持续地施加于膝关节上，以辅助步行者的步行。
接着，参照图7及图8，对施加给步行者的外在功w2伴随步行条件的变动发生怎样的变动而进行模拟的结果进行说明。在图7及图8中，纵轴表示步行所需要的合计功，横轴表示步行者的步行周期。另外，通过以平地步行时的合计功(虚线)为准，对功进行标准化。此外，在图7中，斜线所表示的是以平地步行时为基准的合计功的变动量，在图8中，斜线所表示的是外在功的变动量。
如图7所示，合计功在第1～第4周期为1.0，在第5周期从1.0增大到1.5，在第6～第11周期为1.5，在第12周期从1.5增大到2.0。另外，在第13～第17周期为2.0，在第18周期从2.0减少到1.5，在第19～第21周期为1.5，在第22周期从1.5减少到1.0，在第23周期以后变动为1.0。合计功的增大与例如从平地上的步行向攀登坡路或台阶的步行进行过渡的场合相对应，而合计功的减少与例如从下坡路或台阶的步行向平地上的步行进行过渡的场合相对应。
将第2系数c2、增益系数G的组合设定为(1.0、0.6)、(0.5、0.6)、(1.0、1.0)、(0.5、1.0)的场合时的内在功及外在功的变动的模拟结果分别以图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)表示。
参看图8(a)及图8(c)可知，在第2系数c2为1.0的场合，为了对以平地步行状态为基准的合计功的变动量(图7中的斜线部分)的全部进行补偿，而施加外在扭矩、进而外在功(图8(a)、图8(c)中的斜线部分)。另外，参看图8(b)及图8(d)可知，在第2系数c2为0.5的场合，为了对合计功变动量(图7中的斜线部分)的一半进行补偿，而施加外在扭矩、进而外在功(图8(b)、图8(d)中的斜线部分)。
另外，对图8(a)及图8(c)、或者图8(b)及图8(d)进行比较可知，在增益系数G较大的时侯，施加给以关节为轴转动用的外在扭矩、进而外在功(图8(a)～图8(d)中的斜线部分)对应于变动量(图7中的斜线部分)而迅速地发生变动。另外还可知，在增益系数G较小的时侯，施加给以关节为轴转动用的外在外在功(图8(a)～图8(d)中的斜线部分)对应于变动量(图7中的斜线部分)缓慢地发生变动。即，如使用图2已经说明的那样，虽然在上台阶时外在功(空白部分)w2渐渐地增大，但是增益系数G越大，图2中从①至②、从②至③、从③至④的移动的速度变大，而增益系数G越小，该速度也将变小。
根据本步行辅助装置，为了使步行者的腿部的以关节为轴转动用的内在功w1与基准功w0相一致，而对腿部施加以关节为轴转动用的外在扭矩T2。因此，在步行者从平地上步行向台阶步行进行过渡等、步行条件的变动，导致步行所需要的腿部的功超过基准功w0的场合时，以对该超过部分进行补偿的形式，对腿部等施加外在扭矩T2。而且，无论步行条件变动与否，通过腿部上的与基准功w0相对应的内在扭矩T1的发挥，可以使之步行。
另外，基于第1系数c1，此外还基于施加到腿部上的外在功w2，来确定施加到腿部上的外在扭矩T2(参照上式(6)～(8))，功基于腿部的内在功w1确定作为该确定的基准的基准功w0(参照上式(5))。因此，可以将与腿部的内在功w1和外在功w2间的平衡相对应的适当的外在扭矩T2施加给腿部。
此外，通过增大增益系数G，可以增大第1系数c1向其目标值cTG的收敛速度。而且，在因步行条件的变动，步行所需要的功超过基准功w0的场合，可以通过对腿部施加外在扭矩T2，迅速地消除该超过的部分(参照图8(c)、图8(d))。另一方面，通过减小增益系数G，可以减小第1系数c1向其目标值cTG的收敛速度。而且，在因步行条件的变动，使步行所需要的功超过基准功w0的场合，可以通过对腿部施加外在扭矩T2，在时间上缓慢地消除该超过的部分(参照图8(a)、图8(b))。
另外，在步行时所需要的合计功相对于基准功w0的变动部分当中，通过第2系数c2的大小来确定通过外在扭矩T2补偿多少。即，通过较大地设定第2系数c2，可以增大该变动部分中通过外在扭矩T2补偿的部分的比例(参照图8(a)、图8(c))。另一方面，通过较小地设定第2系数c2，可以减少该变动部分中通过外在扭矩T2补偿的部分的比例(参照图8(b)、图8(d))。
另外，在本实施方式中，虽然对步行者的腿部施加了以髋关节及膝关节为轴转动用的外在扭矩，但是，作为其它的实施方式，也可以对腿部施加以踝关节为轴转动用的外在扭矩，而且还可以施加以臂部的手腕关节、肘关节或肩关节为轴转动用的外在扭矩。即，在本实施方式中，作为外在扭矩所施加的对象的“连接体”虽然是指经由髋关节连接的步行者的腰部与大腿部、以及经由膝关节连接的大腿部与小腿部，但是，作为其它实施方式的‘连接体’，也可以是经由踝关节连接的小腿部与脚底等。
另外，在本实施方式中，虽然通过对人的腿部施加以关节为轴转动用的外在扭矩，来辅助人的动作，但是，作为其它的实施方式，也可以对猫或狗等动物的腿部施加以关节为轴转动用的外在扭矩，以辅助猫或狗等的动物的动作。这就说明本发明的扭矩施加系统不仅可以适用在人类的医疗、福利、体育等领域，而且还可以适用在兽医学的领域。
此外，在本实施方式中，虽然是对左右两腿部施加了外在扭矩，但是，作为其它的实施方式，也可以只对左右两腿部中的任何一侧的腿部施加外在扭矩。
在本实施方式中，为辅助步行者的步行，虽然施加了外在扭矩T2，但是，作为其它的实施方式，也可以将外在扭矩T2施加在与步行者要运动的方向相反的方向上。根据该其它的实施方式，通过利用第1系数确定机构9而将第1系数c1确定为负的系数，使外在扭矩T2与内在扭矩T1的符号相反(参照上式(8))。而且，步行者通过抵抗该外在扭矩T2而使身体运动，从而可以增强步行者的体力。即，还可以作为增强体育选手等的体力的锻炼装置使用本发明的扭矩施加系统。
在本实施方式中，控制单元3虽然被收纳在步行辅助装置的背包5内，但是，作为其它的实施方式，也可以将控制单元3与步行辅助装置分开，并通过两者间的信号的传送接收来实行控制单元3的内在扭矩T1的测定和外在扭矩T2的确定、以及第1、第2传动器1、2的动作指示等。
另外，第1系数确定机构9，也可以当通过第1测定机构6测定的内在功w1与通过第2测定机构7测定的外在功w2的和的合计功处于通过基准功确定机构8确定的基准功w0以下时，将第1系数c1的下限确定为0。由此，当腿部的合计功w1+w2发生减少，并处于基准功w0以下的场合时，可以防止第1系数c1被确定为负，以至负的外在扭矩T2被施加在腿部上的问题发生。
此外，第1系数确定机构9，也可以当腿部的合计功量w1+w2处于通过基准功确定机构8确定的基准功w0以上的预定量(0、1.5w0、2.5w0、...等)以上时，来确定第1系数c1的上限。由此，在腿部的合计功w1+w2发生增大，并大大超过基准功w0以上的场合，可以防止过大地确定第1系数c1，以至过大的外在扭矩T2被施加在腿部上的问题发生。
在本实施方式中，虽然通过在步行者的步行周期内对内在扭矩T1与角速度ω1的积、外在扭矩T2与角速度ω2的积进行时间积分，来测定内在功w1、外在功w2(参照上式(3)、(4)，图3s3～s5)，但是，作为其它的实施方式，该积分时间也可以是单位时间，还可以是步行者只移动单位距离所需要的时间等的不同时间。
在本实施方式中，虽然是基于作用到腿部上的地面反作用力，并按照逆动力学模型，来测定膝关节、髋关节的内在扭矩T1及内在功w1(参照图5，式(2a)～(2c))，但是，作为其它的实施方式，也可以通过三维动作解析装置，来测定各关节的内在扭矩T1及内在功w1。即，从xyz方向，拍摄腿部的动作，对于各关节用多少的角速度ω1能够弯曲到哪种角度的情况进行图像解析，并依据该解析结果，来测定各关节的内在扭矩T1和内在功w1。
在本实施方式中，虽然是基于角度传感器a等的测定值，来测定作用到步行者的腿部上的地面反作用力(参照图4，式(1a)～(1d))，但是，作为其它的实施方式，也可以将地面反作用力传感器设置在步行者所穿的鞋上，以此来直接测定地面反作用力。
在本实施方式中，虽然通过测定以关节为轴转动用的内在扭矩T1及(内在)角速度ω，并对两者的积的绝对值进行时间积分，来测定以该关节为轴转动用的内在功w1(参照式(3))，但是，作为其它的实施方式，也可以对步行者的关节所关连的肌肉收缩力及肌肉收缩速度进行测定，并基于两者的积，来测定以该关节为轴转动用的内在功w1，另外，也可以对步行者的上身和相对于竖直方向的左右的大腿部和小腿部等的角度、或者脚底的移动距离进行测定，并通过存储机构11而对该测定值与内在功w1对应的数据表进行存储，从而通过使用该测定值及数据表，来测定内在功w1。
在本实施方式中，虽然通过测定以关节为轴转动用的外在扭矩T2及(外在)角速度ω，并对两者的积的绝对值进行时间积分，来测定以该关节为轴转动用的外在功w2(参照式(4))，但是，作为其它的实施方式，也可以测定各传动器1、2的消耗电量，并基于该消耗电量，来测定外在功w2。另外，当传动器1、2为液压式的场合时，也可以测定液压的变动量，并基于该液压变动量的时间积分，来测定外在功w2。
在此，对本发明的其它的实施方式进行进一步说明。在步行者上台阶时，关于以步行者的膝关节为轴转动用的外在扭矩T2与角速度ω之间的积进行考虑。另外，将膝盖弯曲的方向设定为“负”，将伸展方向设定为“正”。
当步行者迈出的右脚底接触到上一节台阶时，右膝盖呈弯曲的状态。接着，步行者为进一步上台阶，一旦使左脚底离开下一节台阶，则产生“正”的内在扭矩T1，以使步行者的身体上升，而使右膝盖从弯曲状态伸展。另外，通过安装在右膝部的传动器2(参照图1)，来施加“正”的外在扭矩T2，以辅助右膝的伸展。然而，在步行者使左脚底离开下一节台阶之后，右膝盖则由于步行者的体重的原因而稍稍发生弯曲，角速度ω也变为“负”。因此，内在扭矩T1和角速度ω的积、以及外在扭矩T2和角速度ω的积都成为“负”。
然后，步行者使左脚底离开之后，并经过一定的时间，步行者的右膝通过“正”的内在扭矩T1及外在扭矩T2，从弯曲状态渐渐地开始伸展，角速度ω也变为‘正’值。因此，内在扭矩T1与角速度ω的积、以及外在扭矩T2与角速度ω的积均变为“正”。
这样，可以认为，根据步行条件的变化，在一步行周期之中，扭矩与角速度的积存在有“正”与“负”交替转变的情况。
对于这种情况，在该其它的实施方式中，通过第1测定机构6、第2测定机构7，对内在、外在功w1(i)、w2(i)，按照下式(9)～(12)，以该积分割成为正的场合下的积分部分w1(i)+、w2(i)+、以及负的场合下的积分部分w1(i)、w2(i)-的形式，来进行测定。
w1(i)＝w1(i)++w1(i)-
    ＝∫dT·f+(T1(i)×ω(i))+∫dT·f-(T1(i)×ω(i))··      (9)
w2(i)＝w2(i)++w2(i)-
    ＝∫dT·f+(T2(i)×ω(i))+∫dT·f-(T2(i)×ω(i))··      (10)
f+(x)≡x(if x≥0)、0(if x＜0)··                                     (11)
f-(x)≡0(if x≥0)、-x(if x＜0)                           (12)
在此基础上，通过第1系数确定机构9，基于w1(i)+及w2(i)+，还基于w1(i)-及w2(i)-，来确定相异的第1系数c1(i+1)+、c1(i+1)-(参照式(7))。
而且，当在第i+1周期内，内在扭矩T1(i+1)与角速度ω(i+1)的积为“正”的时候，基于在第i周期时对应于该“正”的情况确定的第1系数c1(i+1)+，并通过外在扭矩确定机构10，来确定外在扭矩T2(i+1)(参照式(8))。另一方面，当该积为“负”的时候，基于在第i周期时对应于该积为“负”的情况确定的第1系数c1，来确定外在扭矩T2(i+1)(参照式(8))。
因此，当遇到与过去的步行条件相一致的步行条件时，基于对应于该过去的步行条件而被预先确定的第1系数c1，可以确定·施加现在的外在扭矩T2。
另外，在上述的其它的实施方式中，虽然对应于内在扭矩T1与角速度ω的积的正负而分别对第1系数c1、以及外在扭矩T2进行了确定，但是，作为另外的实施方式，也可以分别对应于将该积划分成3个以上的每一项，来确定第1系数c1。例如，可以分别对应于将该积以任意单位划分的小于-2、大于-2小于+1、大于+1的场合，来确定第1系数c1。

Claims (11)

1.一种扭矩施加系统，将以关节为轴转动用的外在扭矩施加到经由关节而可以相对转动地被连接的连接体上，其特征在于，具有：
第1测定机构，该第1测定机构对由连接体产生的以关节为轴转动用的内在功进行测定；
第2测定机构，该第2测定机构对施加到连接体上的以关节为轴转动用的外在功进行测定；
基准功确定机构，该基准功确定机构基于通过第1测定机构测定的连接体的内在功，确定基准功；
外在扭矩确定机构，该外在扭矩确定机构基于通过第2测定机构测定的外在功，确定施加给连接体的外在扭矩，以减少通过第1测定机构测定的连接体的内在功与通过基准功确定机构确定的基准功之间的偏差；以及
外在扭矩施加机构，该外在扭矩施加机构将通过外在扭矩确定机构确定的外在扭矩施加给连接体。
2.根据权利要求第1项所述的扭矩施加系统，其特征在于，上述连接体是包括髋关节、膝关节及踝关节在内的步行者的腿部。
3.根据权利要求第1项或第2项所述的扭矩施加系统，其特征在于，具有第1系数确定机构，该第1系数确定机构将施加给连接体的外在功与处于与通过基准功确定机构确定的基准功之间的偏差为0的场合时的连接体的内在功之间的比作为目标值，使之随时间推移逐渐收敛于该目标值地逐步确定第1系数，第1测定机构对连接体的以关节为轴转动用的内在扭矩进行测定；
外在扭矩确定机构对通过第1测定机构测定的连接体的内在扭矩与通过第1系数确定机构确定的第1系数的积进行运算，并且将该运算结果确定为施加给连接体的外在扭矩。
4.根据权利要求第3项所述的扭矩施加系统，其特征在于，第1系数确定机构基于通过第1测定机构测定的内在功或者通过第2测定机构测定的外在功，来确定第1系数的上限或下限。
5.根据权利要求第3项所述的扭矩施加系统，其特征在于，当通过第1测定机构测定的内在功与通过第2测定机构测定的外在功的和的合计功处于通过基准功确定机构确定的基准功以下时，第1系数确定机构将第1系数的下限确定为0。
6.根据权利要求第3项所述的扭矩施加系统，其特征在于，当通过第1测定机构测定的内在功与通过第2测定机构测定的外在功的和的合计功处于通过基准功确定机构确定的基准功以上的预定量以上时，第1系数确定机构确定第1系数的上限。
7.根据权利要求第3项所述的扭矩施加系统，其特征在于，第1测定机构对连接体的以关节为轴转动用的内在扭矩与角速度的积进行测定；
第1系数确定机构对应于通过第1测定机构测定的积的划分，来划分并确定第1系数；
当在通过第1测定机构测定的积的划分与在先前通过第1测定机构测定的过去的积的划分相一致时，外在扭矩确定机构使用在先前通过第1系数确定机构基于与该过去的积的划分相对应的内在功确定的第1系数，来确定外在扭矩。
8.根据权利要求第7项所述的扭矩施加系统，其特征在于，第1系数确定机构对应于通过第1测定机构测定的连接体的以关节为轴转动用的内在扭矩与角速度的积的正负，来划分并确定第1系数。
9.根据权利要求第1、第2、第3、第4、第5、第6、第7、或者第8项所述的扭矩施加系统，其特征在于，基准功确定机构对通过第1测定机构测定的内在功与通过第2测定机构测定的外在功的和的合计功进行运算，
对合计功与通过第1测定机构测定的无负荷状态下的连接体的内在功之间的差、与关于使得连接体的内在功与基准功之间的偏差为0的外在扭矩的第2系数的积进行运算，
对合计功与该积之间的差进行运算，并将该运算结果确定为基准功。
10.根据权利要求第1、第2、第3、第4、第5、第6、第7、第8、或者第9项所述的扭矩施加系统，其特征在于，第1及第2测定机构通过将连接体的运动周期设定为积分时间，来分别对内在及外在功进行测定。
11.根据权利要求第1、第2、第3、第4、第5、第6、第7、第8、第9、或者第10项所述的扭矩施加系统，其特征在于，第1测定机构测定作用到连接体的一个关节上的反作用力，基于测得的反作用力，并按照逆动力学模型，来对连接体的以各关节为轴转动用的内在扭矩与外在扭矩的合计扭矩进行测定，通过对所测得的合计扭矩与利用第2测定机构测定的外在扭矩之间的差进行运算，来测定连接体的以各关节为轴转动用的内在扭矩。
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