JP2003079684A - トルク付与システム - Google Patents

トルク付与システム

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JP2003079684A JP2001236336A JP2001236336A JP2003079684A JP 2003079684 A JP2003079684 A JP 2003079684A JP 2001236336 A JP2001236336 A JP 2001236336A JP 2001236336 A JP2001236336 A JP 2001236336A JP 2003079684 A JP2003079684 A JP 2003079684A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】多様な歩行条件に応じて適切に歩行を補助し得
るシステムの構築を通じ、歩行に伴う膝関節の折り曲げ
等を含む種々の回動に状況に応じた適切なトルクを付与
し得るシステムを提供する。 【解決手段】本発明のトルク付与システムは、第１測定
手段６と、第２測定手段７と、基準仕事量決定手段８
と、外的トルク決定手段１０とを備えている。第１測定
手段６は関節回りの脚部の内的仕事量を測定する。第２
測定手段７は脚部に付与される関節回りの外的仕事量を
測定する。基準仕事量決定手段８は第１測定手段６によ
り測定される脚部の内的仕事量に基づいて基準仕事量を
決定する。外的トルク決定手段１０は第２測定手段７に
より測定される外的仕事量に基づき、第１測定手段６に
より測定される脚部の内的仕事量と、基準仕事量決定手
段８により決定される基準仕事量との偏差を減少するよ
うに脚部へ付与される外的トルクを決定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、関節を介して相対
的に回動可能に連結された連結体に対して関節回りの外
的トルクを付与するシステム、より具体的には歩行者の
脚部に対して足関節、膝関節又は股関節回りの外的トル
クを付与するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】脚力の低下のため自力での歩行が困難と
なった者の歩行を補助するシステムが特開平７−１６３
６０７号公報や特開２０００−１６６９９７号公報等に
おいて提案されている。かかるシステムによれば、患者
の膝関節部分等にトルク付与装置が取り付けられ、当該
装置によって膝等にトルクが付与されることで、歩行者
の歩行が補助される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のシステ
ムによれば、階段、平地等の歩行条件は大まかに識別さ
れていたに過ぎず、段差が不規則な階段や傾斜の相違す
る坂道等、多様な歩行条件が識別された上でトルクが付
与されていなかった。このため、付与されるトルクが過
剰になってしまうおそれがある。
【０００４】そこで、本発明は、多様な歩行条件に応じ
て適切に歩行を補助し得るシステムの構築を通じ、歩行
に伴う膝関節の折り曲げ等を含む種々の回動に状況に応
じた適切なトルクを付与し得るシステムを提供すること
を解決課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の本発明の第１態様のトルク付与システムは、脚部から
生じる関節回りの内的仕事量を測定する第１測定手段
と、脚部に付与される関節回りの外的仕事量を測定する
第２測定手段と、第１測定手段により測定される脚部の
内的仕事量に基づいて基準仕事量を決定する基準仕事量
決定手段と、第２測定手段により測定される外的仕事量
に基づき、第１測定手段により測定される脚部の内的仕
事量と、基準仕事量決定手段により決定される基準仕事
量との偏差を減少するように脚部へ付与される外的トル
クを決定する外的トルク決定手段と、外的トルク決定手
段により決定された外的トルクを脚部に付与する外的ト
ルク付与手段とを備えていることを特徴とする。
【０００６】前記課題を解決するための本発明の第２態
様のトルク付与システムは、連結体から生じる関節回り
の内的仕事量を測定する第１測定手段と、連結体に付与
される関節回りの外的仕事量を測定する第２測定手段
と、第１測定手段により測定される連結体の内的仕事量
に基づいて基準仕事量を決定する基準仕事量決定手段
と、第２測定手段により測定される外的仕事量に基づ
き、第１測定手段により測定される連結体の内的仕事量
と、基準仕事量決定手段により決定される基準仕事量と
の偏差を減少するように連結体へ付与される外的トルク
を決定する外的トルク決定手段と、外的トルク決定手段
により決定された外的トルクを連結体に付与する外的ト
ルク付与手段とを備えていることを特徴とする。
【０００７】本発明によれば、歩行者の脚部又は連結体
（以下「脚部等」という。）の関節回りの内的仕事量が
基準仕事量に一致するように、脚部等に対して関節回り
の外的トルクが付与される。従って、歩行者が平地歩行
から階段歩行へ移行する等、脚部等の歩行又は動作（以
下「歩行等」という。）の条件が変動し、歩行等に要す
る脚部等の仕事量が基準仕事量を超過した場合、当該超
過分が補助される形で脚部等に外的トルクが付与され
る。そして、歩行等の条件変動に関わらず、脚部等にお
ける基準仕事量に対応する内的トルクの発揮によって歩
行等を可能とすることができる。
【０００８】また、脚部等に付与される外的トルクは、
脚部等に付与される外的仕事量に基づいて決定され、当
該決定の基準となる基準仕事量は脚部等の内的仕事量に
基づいて決定される。従って、脚部等の内的仕事量と外
的仕事量とのバランスに応じた適切な外的トルクを脚部
等に付与することができる。なお、本システムにより付
与される外的トルクには、歩行等の方向をｘ軸、鉛直方
向をｚ軸として、ｘｙ平面、ｙｚ平面、ｚｘ平面の全て
の平面内の外的トルク、即ち、３次元空間内のあらゆる
方向への外的トルクが包含されている。
【０００９】上記システムにおいて、基準仕事量決定手
段により決定される基準仕事量との偏差が０となる場合
の脚部の内的仕事量に対する脚部に付与される外的仕事
量の比を目標値とし、時間を追って該目標値に収束する
よう第１係数を逐次決定する第１係数決定手段を備え、
第１測定手段は脚部の関節回りの内的トルクを測定し、
外的トルク決定手段は第１測定手段により測定される脚
部の内的トルクと、第１係数決定手段により決定される
第１係数との積を演算し、該演算結果を脚部に付与され
る外的トルクとして決定することが好ましい。
【００１０】本発明によれば、歩行者の歩行条件の変動
により脚部の内的仕事量が基準仕事量を超過した場合、
この超過分を解消すべく、第１係数、ひいては脚部に付
与される外的トルクが逐次決定される。また、第１係数
がその目標値に収束したとき、第１係数に基づき決定さ
れる外的トルクが脚部に付与されることで、脚部の基準
仕事量に対応する内的トルクの発揮による歩行を可能と
することができる。
【００１１】さらに、第１係数のその目標値への収束速
度を大きくすることで、歩行条件の変動により歩行に要
する仕事量が基準仕事量を超過した場合、当該超過分を
迅速に解消するように外的トルクを脚部に付与すること
ができる。一方、第１係数のその目標値への収束速度を
小さくすることで、歩行条件の変動により歩行に要する
仕事量が基準仕事量を超過した場合、当該超過分を時間
的にゆるやかに解消するように外的トルクを脚部に付与
することができる。
【００１２】上記システムにおいて、第１係数決定手段
は、第１測定手段により測定される内的仕事量、又は第
２測定手段により測定される外的仕事量に基づいて第１
係数の上限又は下限を決定することが好ましい。
【００１３】本発明によれば、第１係数に上限又は下限
が設定され、これにより脚部に付与される外的トルクが
過大又は過少となり、歩行者が肉体的苦痛を覚えたり、
歩行者の心理に悪影響が及ぶおそれを解消することがで
きる。また、第１係数の上限又は下限は、歩行者の歩行
状況に応じて変動する内的仕事量又は外的仕事量に基づ
いて決定されるので、当該歩行状況に応じて適切に外的
トルクを制限することができる。
【００１４】上記システムにおいて、第１係数決定手段
は、第１測定手段により測定される内的仕事量と、第２
測定手段により測定される外的仕事量との和である合計
仕事量が、基準仕事量決定手段により決定される基準仕
事量以下のとき、第１係数の下限を０と決定することが
好ましい。
【００１５】上述のように脚部の内的仕事量と基準仕事
量とが一致するように第１係数の目標値が決定される。
従って、脚部の合計仕事量が減少して基準仕事量を下回
った場合、脚部の内的トルクひいては内的仕事量を増大
させて基準トルクに一致させるべく、第１係数が負に決
定され、脚部には歩行の抵抗となる負の外的トルクが付
与される。
【００１６】本発明によれば、このような場合、第１係
数の下限が０と決定されるので、第１係数と内的トルク
との積として決定される外的トルクが０となるので、脚
部に負の外的トルクが付与される事態を防止することが
できる。
【００１７】上記システムにおいて、第１係数決定手段
は、第１測定手段により測定される内的仕事量と、第２
測定手段により測定される外的仕事量との和である合計
仕事量が、基準仕事量決定手段により決定される基準仕
事量以上の所定量以上のとき、第１係数の上限を決定す
ることが好ましい。
【００１８】脚部の合計仕事量が増大して基準仕事量を
大きく上回った場合、脚部の内的トルクひいては内的仕
事量を減少させて基準仕事量に一致させるべく、第１係
数が過大に決定され、脚部に過大な外的トルクが付与さ
れる。
【００１９】本発明によれば、このような場合、第１係
数の上限が決定されるので、第１係数と内的トルクとの
積として決定される外的トルクに上限が設けられ、脚部
に過大な外的トルクが付与される事態を防止することが
できる。
【００２０】上記システムにおいて、第１測定手段は脚
部の関節回りの内的トルク及び角速度の積を測定し、第
１係数決定手段は第１測定手段により測定された積の区
分に応じて第１係数を区分して決定し、外的トルク決定
手段は第１測定手段により測定された積の区分が先に第
１測定手段により測定された過去の積の区分に一致する
とき、第１係数決定手段によって該過去の積の区分に応
じた内的仕事量に基づいて先に決定された第１係数を用
いて外的トルクを決定することが好ましい。
【００２１】さらに、第１係数決定手段は第１測定手段
により測定された脚部の関節回りの内的トルク及び角速
度の積の正負に応じて第１係数を区分して決定すること
が好ましい。
【００２２】上記システムにおいて、基準仕事量決定手
段は第１測定手段により測定される内的仕事量と、第２
測定手段により測定される外的仕事量の和である合計仕
事量を演算し、合計仕事量と第１測定手段により測定さ
れる歩行者の無負荷状態における平地歩行時の脚部の内
的仕事量との差と、脚部の内的仕事量と基準仕事量との
偏差を０とする外的トルクに関する第２係数との積を演
算し、合計仕事量と該積との差を演算し、該演算結果を
基準仕事量として決定することが好ましい。
【００２３】本発明によれば、歩行に際して必要な合計
仕事量の基準仕事量に対する変動分のうち、どれだけを
外的トルクにより補償するかが第２係数の大小によって
決定される。即ち、第２係数が大きく設定されること
で、当該変動分のうち外的トルクにより補償される分の
割合を大きくすることができる。一方、第２係数が小さ
く設定されることで、当該変動分のうち外的トルクによ
り補償される分の割合を小さくすることができる。なお
「歩行者の無負荷状態における平地歩行時の内的仕事
量」には、外部から負荷が加わっていない状態で歩行者
が平地を歩行する際の内的仕事量のほか、外部から負荷
が加わっている状態で歩行者が平地を歩行する際の内的
仕事量であって、当該負荷が加わっていない状態での内
的仕事量と擬制され得るように当該負荷を考慮に入れて
補正される内的仕事量も含まれる。
【００２４】上記システムにおいて、第１及び第２測定
手段は、歩行者の歩行周期を積分時間とすることでそれ
ぞれ内的及び外的仕事量を測定することが好ましい。
【００２５】本発明によれば、右又は左の足平が離床し
てから接地し、且つ、左又は右の足平が離床してから接
地するまでの内的仕事量、外的仕事量に基づいて次回の
左右の脚部に付与される外的トルクを決定することがで
きる。
【００２６】上記システムにおいて、第１測定手段は、
脚部の足平への床反力を測定し、測定した床反力に基づ
き逆動力学モデルに従って脚部の足関節、膝関節又は股
関節回りの内的トルクと外的トルクとの合計トルクを測
定し、測定した合計トルクから第２測定手段により測定
される外的トルクとの差を演算することで脚部の足関
節、膝関節又は股関節回りの内的トルクを測定すること
が好ましい。
【００２７】詳細は後述するが逆動力学モデルによれ
ば、脚部が関節を介して回動可能に順次連結された複数
の剛体棒と仮定され、一の剛体棒の一の関節回りのトル
ク及び関節の反力に基づいて当該一の剛体の他の関節回
りのトルク及び関節の反力が決定される。従って、本発
明によれば、床反力に基づき足関節回りのトルク及び関
節の反力が測定されることで、膝関節、股関節のトルク
を順次測定することができる。また、逆動力学モデルに
従って測定されたトルクは内的トルク及び外的トルクの
和なので、これから外的トルクを差し引くことで内的ト
ルクを測定することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】本発明のトルク付与システムの実
施形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形
態のトルク付与システムとしての歩行補助装置の構成説
明図であり、図２は歩行補助装置による歩行補助の概要
説明図であり、図３は歩行補助装置の機能を説明するフ
ローチャートであり、図４は歩行者の足平の床反力測定
の概念説明図であり、図５は歩行者の関節周りのトルク
測定の概念説明図であり、図６は歩行補助装置による歩
行補助の実験結果の説明図であり、図７及び図８は歩行
補助装置による歩行補助のシミュレーション結果の説明
図である。
【００２９】図１に示すトルク付与システムは、歩行者
の腰部に取り付けられて股関節回りの外的トルクを付与
する第１アクチュエータ（外的トルク付与手段）１と、
歩行者の膝部に取り付けられて膝関節回りの外的トルク
を付与する第２アクチュエータ２（同）と、各アクチュ
エータ１、２の作動等を制御する制御ユニット３と、各
アクチュエータ１、２に電力を供給するＮｉ−Ｚｎバッ
テリ等のバッテリ４とを備えている。制御ユニット３及
びバッテリ４は歩行者の背中に担がれるバックパック５
の中に格納されている。第１アクチュエータ１は歩行者
に取り付けられた腹帯ｂと、大腿部当てｃとを介して股
関節回りの外的トルクを付与する。第２アクチュエータ
２は歩行者に取り付けられた大腿部当てｃと脛部当てｄ
とを介して膝関節回りの外的トルクを付与する。なお、
歩行者の腰部、大腿部、脛部は本発明の「連結体」に相
当する。
【００３０】また、本歩行補助装置は、歩行者の背後に
取り付けられ、上半身の鉛直方向に対する角速度を測定
するジャイロセンサｇと、水平方向の加速度を測定する
Ｇセンサｇ’とを備えている。さらに、歩行者の腰部に
取り付けられ、腰部の鉛直方向に対する角速度を測定す
るジャイロセンサｇと、水平方向、鉛直方向の加速度を
測定するＧセンサｇ’とを備えている。また、歩行者の
腰部に取り付けられて腰部に対する左右の大腿部の股関
節回りの回転角を測定し、膝部に取り付けられて大腿部
に対する脛部の回転角を測定する角度センサａを備えて
いる。
【００３１】制御ユニット３は、第１測定手段６と、第
２測定手段７と、基準仕事量決定手段８と、第１係数決
定手段９と、外的トルク決定手段１０と、記憶手段１１
とを備えている。制御ユニット３は、後述の諸機能を発
揮可能となりようにＣＰＵ、信号入出力回路、メモリ等
が組み合わせられることで構成されている。
【００３２】第１測定手段６は各センサｇ、ｇ’、ａの
測定値に基づいて膝関節、股関節回りの脚部の内的トル
クＴ1 と、内的トルクＴ1 と内的角速度ω1 との積の絶
対値の時間積分である内的仕事量ｗ1 とを測定する。第
２測定手段７は各アクチュエータ１、２の電流値や角度
センサａの測定値に基づいて膝関節、股関節回りの外的
トルクＴ2 と外的角速度ω2 との積の絶対値の時間積分
である外的仕事量ｗ2を測定する。基準仕事量決定手段
８は第１測定手段６により測定される脚部の内的仕事量
ｗ1 に基づいて基準仕事量ｗ0 を決定する。第１係数決
定手段９は基準仕事量決定手段８により決定される基準
仕事量ｗ0 との偏差が０となる場合の内的仕事量ｗ1 に
対する外的仕事量ｗ2 の比を目標値ｃTGとし、内的仕事
量ｗ1 に対する外的仕事量ｗ2 の比を第１系数ｃ1 と
し、時間を追ってこの目標値に収束するよう第１係数ｃ
1 を逐次決定する。外的トルク決定手段１０は第１測定
手段６により測定される内的トルクＴ1 と、第１係数決
定手段９により決定される第１係数ｃ1 との積を演算
し、アクチュエータ１、２を通じて股関節、膝関節回り
に付与される外的トルクＴ2 を決定する。記憶手段１１
はＲＯＭ等の不揮発性メモリや、ＲＡＭ等の揮発性メモ
リ等により構成され、後述のように基準仕事量ｗ 0 の決
定に用いられる第２係数ｃ2 や、歩行者の左右の足平へ
の床反力等の測定に用いられるデータテーブル等を記憶
する。
【００３３】上記構成の歩行補助装置の機能について図
２〜図８を用いて説明する。
【００３４】まず、第２アクチュエータ２から歩行者の
脚部に対して付与される膝関節回りの外的トルクの概要
について図２を用いて説明する。歩行者が無負荷状態で
平地を歩行するときの膝関節回りの内的仕事量ｗ1 が黒
塗部分で表されている。なお「無負荷状態での内的仕事
量ｗ1 」には、歩行者が歩行補助装置を装着していない
状態で三次元動作解析装置等により測定される内的仕事
量のほか、歩行者が歩行補助装置を装着した状態で上記
角度センサａ等により測定される内的仕事量が、当該装
置の重量やフリクションを考慮して減少補正されること
で決定される内的仕事量も含まれる。
【００３５】歩行者が階段を上り始めたとき、膝関節回
りの内的仕事量ｗ1 が、平地歩行時よりもΔｗ（の斜
線部分）だけ超過したとする。この超過は歩行者が階段
を上るとき、平地歩行時よりも脚部を大きく動かす必要
があることに起因している。従って、筋力低下等のため
に平地歩行はできても階段歩行がままならない歩行者は
階段を上ることが困難となる。
【００３６】そこで、歩行者の階段歩行を補助すべく脚
部に外的トルクＴ2 が付与される。外的トルクＴ2 は、
後述のように基準仕事量ｗ0 が決定された上で、内的仕
事量ｗ1 がこの基準仕事量ｗ0 に収束するように内的ト
ルクＴ1 に基づいて逐次決定される。これにより歩行者
が階段を上るにつれ、から、から、からに
移行するごとに外的仕事量ｗ2 （〜の白塗部分）が
徐々に増大し、その分だけ内的仕事量ｗ1 が徐々に減少
して基準仕事量ｗ0 に収束する。このため、膝関節回り
に内的トルクを生じるために必要な歩行者の筋力負担
が、階段を上るにつれて軽減されていく。これ以後、歩
行者は基準仕事量ｗ0 に対応する内的トルクＴ1 の発揮
により登り階段歩行を継続することができる。
【００３７】次に、第１、第２アクチュエータ１、２か
ら脚部に対して付与される股関節、膝関節回りの外的ト
ルクＴ2 を決定する手順の詳細について図３〜図６を用
いて説明する。なお、歩行者のｉ番目（ｉ＝１、２、
‥）の歩行周期（以下「第ｉ周期」という。）における
物理量に適宜添字ｉを付する。
【００３８】まず、膝関節及び股関節回りの内的トルク
Ｔ1(i)及び角速度ω1(i)が測定される（図３ｓ１）。内
的トルクＴ1(i)の測定方法について図４及び図５を用い
て説明する。
【００３９】歩行者の左右の脚部への床反力が図４に示
すモデルを用いて測定される。図４に示す質量ｍの歩行
者の左右の脚部にはそれぞれ床反力（ＦLx、ＦLy）、
（ＦRx、ＦRy）が作用している。また、歩行者の身体重
心座標、左足関節座標及び右足関節座標はそれぞれ（ｘ
G 、ｙG ）、（ｘL 、ｙL ）、（ｘR 、ｙR ）である。
このモデルにおける力のバランスや方向を考慮すると次
の関係式（１ａ）〜（１ｄ）が得られる。
【００４０】 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）
【００４１】歩行者の質量ｍは事前に測定され、また、
身体重心座標（ｘG 、ｙG ）、左右の足関節座標
（ｘL 、ｙL ）、（ｘR 、ｙR ）、身体重心座標の加速
度（ｘG ”、ｙG ”）は歩行者の事前の身体測定、及び
歩行者の腰部等に取り付けられたジャイロセンサｇやＧ
センサｇ’、股関節及び膝関節に取り付けられた角度セ
ンサａの測定値に基づいて測定される。詳細には、左右
の足関節座標（ｘL 、ｙL ）、（ｘR 、ｙR ）等は、記
憶手段１１に記憶されている股関節や膝関節の角度、大
腿部や脛部の長さ等との対応関係を特定するデータテー
ブルに基づいて測定される。そして、これらの測定値が
上の関係式に代入されることで第１測定手段６により床
反力（ＦLx、ＦLy）、（ＦRx、ＦRy）が測定される。
【００４２】次に、測定された床反力に基づき、図５に
示すモデルを用い、逆動力学モデルに従って膝関節、股
関節回りの合計トルクが測定される。図５に示すように
足関節に床反力（Ｆax、Ｆay）が作用し、膝関節に反力
（Ｆbx、Ｆby）が作用し、質量ｍの脛部の重心には加速
度に伴う力（ｍｘ”、ｍ（ｙ”＋ｇ））が作用している
とする。また、足関節、膝関節回りのトルクがそれぞれ
Ｔa 、Ｔb であり、脛部と床とのなす角をθ、脛部の慣
性モーメントをＩ、足関節、膝関節から脛部の重心まで
の距離がそれぞれａ、ｂとする。このモデルにおいて力
やトルクのバランスを考慮すると、次の関係式（２ａ）
〜（２ｃ）が得られる。
【００４３】 Ｆax−Ｆbx−ｍｘ”＝０‥（２ａ） Ｆay−Ｆby−ｍｙ”−ｍｇ＝０‥（２ｂ） Ｉθ”＝Ｔa −Ｔb ＋Ｆaxａｓｉｎθ−Ｆayａｃｏｓθ ＋Ｆbxｂｓｉｎθ−Ｆbyｂｃｏｓθ‥（２ｃ）
【００４４】床反力（Ｆax、Ｆay）は上述の方法により
測定される。また、脛部の重心位置の加速度（ｘ”、
ｙ”）、脛部の床に対する角度θ、及び角加速度θ”は
歩行者の事前の身体測定や歩行者に取り付けられたジャ
イロセンサｇ、Ｇセンサｇ’、角度センサａの測定値に
基づいて測定される。さらに、脛部の慣性モーメント
Ｉ、足関節、膝関節から脛部の重心までの距離ａ、ｂは
歩行者の事前の身体測定に基づいて測定される。また、
足関節回りのトルクＴa は、床反力（Ｆax、Ｆay）に基
づき記憶手段１１に記憶されているデータテーブル従っ
て第１測定手段６により測定される。そして、これらの
測定値を上の関係式（２ａ）〜（２ｃ）に代入すること
で膝関節回りのトルクＴb が測定される。同様に、上の
関係式（２ａ）〜（２ｃ）を用いることで股関節回りの
トルクも測定される。
【００４５】以上のように測定された膝関節、股関節回
りのトルクから、第１、第２アクチュエータ１、２によ
り付与されている外的トルクＴ2(i)が差し引かれること
で膝関節、股関節回りの内的トルクＴ1(i)が測定される
（図３ｓ１）。また、内的角速度ω1(i)及び外的角速度
ω2(i)（両者は略一致すると考えられるので角速度ω
(i) と共通して表す）も角度センサａにより測定される
（図３ｓ１）。なお、各関節回りの外的トルクＴ2(i)は
第１、第２アクチュエータ１、２の電流値に基づいて第
２測定手段により測定される。
【００４６】次に、外的トルクＴ2(i)が外的トルク付与
手段１０により決定され、第１、第２アクチュエータ
１、２を通じて歩行者の脚部に付与される（図３ｓ
２）。外的トルクＴ2(i)は第１測定手段６により逐次測
定される内的トルクＴ1(i)と、第１係数決定手段９によ
り歩行周期ごとに決定される第１係数ｃ1(i)との積をも
って決定される。即ち、第１係数ｃ1(i)は外的トルクＴ
2(i)を内的トルクＴ1(i)の何％にするかを決定するもの
である。第１係数ｃ1(i)の決定方法については後述す
る。
【００４７】続いて、制御ユニット３によって第ｉ周期
が経過したか否かが判断される（図３ｓ３）。具体的に
は、第１制御手段６により測定される右足平の床反力が
有限値から０になり、再び有限値になった後で０になっ
たことが測定される周期が歩行周期の経過と判断され
る。
【００４８】第ｉ周期経過前（図３ｓ３でＮＯ）、歩行
補助装置の作動が終了されない限り（図３ｓ１０でＮ
Ｏ）、上記ｓ１〜ｓ３の処理が繰り返される。
【００４９】第ｉ周期が経過したと判断されたとき（図
３ｓ３でＹＥＳ）、第１測定手段６により、各関節回り
の内的仕事量ｗ1(i)が次式（３）に従って測定される
（図３ｓ４）。即ち、内的仕事量ｗ1(i)が、各関節回り
の内的トルクＴ1(i)と、角速度ω(i) との積の絶対値が
第ｉ周期にわたり積分されることで測定される。
【００５０】 ｗ1(i)＝∫ｄｔ・｜Ｔ1(i)×ω(i) ｜‥（３）
【００５１】また、第２測定手段７により、各関節回り
の外的仕事量ｗ2(i)が次式（４）に従って測定される
（図３ｓ５）。即ち、外的仕事量ｗ2(i)が、各関節回り
の外的トルクＴ2(i)と角速度ω(i) との積の絶対値が第
ｉ周期にわたり積分されることで測定される。
【００５２】 ｗ2(i)＝∫ｄｔ・｜Ｔ2(i)×ω(i) ｜‥（４）
【００５３】なお、各関節回りの内的トルクＴ1(i)、外
的トルクＴ2(i)及び角速度ω(i) は第ｉ周期内において
も時々刻々変動する時間関数としての物理量である。
【００５４】さらに、基準仕事量決定手段８により第ｉ
＋１周期の基準仕事量ｗ0(i+1)が次式（５）に従って決
定される（図３ｓ６）。詳細にはまず、内的仕事量ｗ
1(i)と外的仕事量ｗ2(i)との和である合計仕事量ｗ1(i)
＋ｗ2(i)が、予め測定された平地歩行時の内的仕事量ｗ
1(0)に対してどれだけ変動したかが測定される。即ち、
基準仕事量ｗ0(i+1)は、合計仕事量ｗ1(i)＋ｗ2(i)から
記憶手段１１に記憶されている第２係数ｃ2 （０≦ｃ2
≦１）と当該変動量Δｗi との積を差し引くことで決定
される。第２係数ｃ2 は、この変動量Δｗi のうち外的
トルクＴ2(i+1)の付与により補償される割合を決定する
ものである。例えば、第２係数ｃ2 が１．０に設定され
ていれば、変動量Δｗi の全てを補償するように、即
ち、歩行状態の変動に関わらず平地歩行状態における内
的仕事量ｗ1(0)によって歩行継続が可能となるように外
的トルクＴ2(i+1)が決定される。また、第２係数ｃ2 が
０．５に設定されていれば、変動量Δｗi の半分を補償
するように外的トルクＴ2(i+1)が決定される。なお、第
２係数ｃ2 は、操作パネル（図示略）等において設定・
更新可能とされていてもよい。
【００５５】 ｗ0(i+1)＝ｗ1(i)＋ｗ2(i)−ｃ2 Δｗi ‥（５）
【００５６】また、第１係数決定手段９により第１係数
の目標値ｃTG(i+1) が次式（６）に従って決定される
（図３ｓ７）。
【００５７】 ｃTG(i+1) ＝ｃ2 Δｗi ／｛ｗ1(0)＋（１−ｃ2 ）Δｗi ｝‥（６）
【００５８】また、第１係数決定手段によって第１係数
ｃ1(i+1)が記憶手段１１に記憶されているゲイン係数Ｇ
（０＜Ｇ≦１）を用いて次式（７）に従って決定され
る。ゲイン係数Ｇはその大小により内的仕事量ｗ1(i+1)
が基準仕事量ｗ0(i+1)に収束する速度を決定するもので
ある。即ち、ゲイン係数Ｇを大きくするほど内的仕事量
ｗ1(i)が迅速に基準仕事量ｗ0(i)に収束するように外的
トルクＴ2(i)が大きく決定される。なお、ゲイン係数Ｇ
は、操作パネル（図示略）において設定・更新可能とさ
れてもよい。
【００５９】 ｃ1(i+1)＝ｗ2(i)／ｗ1(i)＋Ｇ（ｃTG(i+1) −ｗ2(i)／ｗ1(i)）‥（７）
【００６０】歩行補助装置の作動が終了されなければ
（図３ｓ９でＮＯ）、第ｉ周期の第１係数ｃ1(i)がｃ
1(i+1)に更新される（図３ｓ１１）。この上で、第ｉ＋
１周期について、第１測定手段６により内的トルクＴ
1(i+1)が測定される（図３ｓ１）。また、外的トルク決
定手段１０により上述のように外的トルクＴ2(i+1)が上
述のように第１係数ｃ1(i+1)と、内的トルクＴ1(i+1)と
の積として次式（８）のように決定される（図３ｓ
２）。
【００６１】Ｔ2(i+1)＝ｃ1(i+1)Ｔ1(i+1)‥（８）
【００６２】そして、外的トルク決定手段１０により決
定された外的トルクＴ2(i+1)が第１、第２アクチュエー
タを通じて歩行者の脚部に付与される（図３ｓ２）。
【００６３】次に、歩行者の膝関節に付与される外的ト
ルクＴ2 が歩行条件の変動に伴いどのように変動するか
について実験した結果を、図６を用いて説明する。図６
には歩行者が平地で歩行を開始し、階段を上り、そして
階段を下りた場合に第１係数ｃ1 がどのように変動する
かが示されている。上述のように第１係数ｃ1 は内的ト
ルクＴ1 のうち何％を外的トルクＴ2 として決定・付与
するかを左右するので、その変動を通じて間接的に外的
トルクＴ2 の変動を把握することができる。なお、実験
に際して第１係数ｃ1 の上限が０．２５に設定され、第
２係数ｃ2 が０．２５に設定されている。
【００６４】平地での歩行時、第１係数ｃ1 は０からそ
の上限０．２５に達した後、徐々に減少して０に至って
いる（図中下向き矢印参照）。これは、平地での歩行開
始直後は膝関節に大きな外的トルクが付与されて歩行者
の歩行が補助され、その後、徐々に外的トルクが減少し
て歩行者が自力で歩行していることを示している。
【００６５】また、階段を上るとき、第１係数ｃ1 は０
からその上限０．２５に達した後、以後もほぼ全時間に
わたってその上限に維持されている。これは、階段を上
る間は膝関節に定常的に大きな外的トルクが付与されて
歩行者の歩行が補助されていることを示している。
【００６６】さらに、階段を下りるとき、第１係数ｃ1
は０から０．１程度に上昇し、やや減少した上で０．１
５程度まで徐々に増大している（図中上向き矢印参
照）。これは、階段を下りる間は階段を上るときよりは
小さいながらも、適切な大きさの外的トルクが膝関節に
付与されて歩行者の歩行が補助されていることを示して
いる。
【００６７】続いて、歩行者に付与される外的仕事量ｗ
2 が歩行条件の変動に伴いどのように変動するかについ
てシミュレーションを行った結果について図７及び図８
を用いて説明する。図７及び図８では縦軸に歩行に要す
る合計仕事量、横軸に歩行者の歩行周期が表されてい
る。また、仕事量は平地歩行時における合計仕事量（点
線）で規格化されている。さらに図７では平地歩行時を
基準とした合計仕事量の変動量が斜線で表され、図８で
は外的仕事量の変動量が斜線で表されている。
【００６８】図７に示すように合計仕事量が第１〜第４
周期で１．０、第５周期に１．０から１．５に増大し、
第６〜第１１周期で１．５、第１２周期に１．５から
２．０に増大したとする。また、第１３〜第１７周期で
２．０、第１８周期に２．０から１．５に減少し、第１
９〜第２１周期で１．５、第２２周期に１．５から１．
０に減少し、第２３周期以降は１．０と変動したとす
る。合計仕事量の増大は例えば平地歩行から坂道や階段
を登る歩行への移行に対応し、合計仕事量の減少は例え
ば坂道や階段を降る歩行から平地歩行への移行に対応し
ている。
【００６９】第２係数ｃ2 、ゲイン係数Ｇの組み合わせ
を（１．０、０．６）、（０．５、０．６）、（１．
０、１．０）、（０．５、１．０）とした場合の内的仕
事量及び外的仕事量の変動のシミュレーション結果をそ
れぞれ図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）、図８
（ｄ）に示す。
【００７０】図８（ａ）及び図８（ｃ）を見ると、第２
係数ｃ2 が１．０の場合、平地歩行状態を基準とした合
計仕事量の変動量（図７斜線部）の全部が補償されるよ
うに外的トルク、ひいては外的仕事量（図８（ａ）、図
８（ｃ）斜線部）が付与されていることがわかる。ま
た、図８（ｂ）及び図８（ｄ）を見ると、第２係数ｃ2
が０．５の場合、変動量（図７斜線部）の半分が補償さ
れるように外的トルク、ひいては外的仕事量（図８
（ｂ）、図８（ｄ）斜線部）が付与されていることがわ
かる。
【００７１】また、図８（ａ）及び図８（ｃ）、又は図
８（ｂ）及び図８（ｄ）を比較すると、ゲイン係数Ｇが
大きい方が関節回りに付与される外的トルク、ひいては
外的仕事量（図８（ａ）〜８（ｄ）斜線部）が変動量
（図７斜線部）に対応して迅速に変動するのがわかる。
また、ゲイン係数Ｇが小さい方が関節回りに付与される
外的仕事量（図８（ａ）〜８（ｄ）斜線部）が変動量
（図７斜線部）に対応して緩やかに変動するのがわか
る。即ち、図２を用いて既に説明した通り、外的仕事量
（白塗部分）ｗ2 が階段上り時に徐々に増加していく
が、ゲイン係数Ｇが大きいほどから、から、
からへと移行する速度が大きくなり、ゲイン係数Ｇが
小さいほど当該速度は小さくなる。
【００７２】本歩行補助装置によれば、歩行者の脚部の
関節回りの内的仕事量ｗ1 が基準仕事量ｗ0 に一致する
ように、脚部に対して関節回りの外的トルクＴ2 が付与
される。従って、歩行者が平地歩行から階段歩行へ移行
する等、歩行条件が変動し、歩行に要する脚部の仕事量
が基準仕事量ｗ0 を超過した場合、当該超過分が補助さ
れる形で脚部等に外的トルクＴ2 が付与される。そし
て、歩行条件の変動に関わらず、脚部における基準仕事
量ｗ0 に対応する内的トルクＴ1 の発揮による歩行を可
能とすることができる。
【００７３】また、脚部に付与される外的トルクＴ
2 は、第１係数ｃ1 、さらには脚部に付与される外的仕
事量ｗ2 に基づいて決定され（上式（６）〜（８）参
照）、当該決定の基準となる基準仕事量ｗ0 は脚部の内
的仕事量ｗ1 に基づいて決定される（上式（５）参
照）。従って、脚部の内的仕事量ｗ1 と外的仕事量ｗ2
とのバランスに応じた適切な外的トルクＴ2 を脚部に付
与することができる。
【００７４】さらに、ゲイン係数Ｇを大きくすることで
第１係数ｃ1 のその目標値ｃTGへの収束速度を大きくす
ることができる。そして、歩行条件の変動により歩行に
要する仕事量が基準仕事量ｗ0 を超過した場合、当該超
過分を迅速に解消するように外的トルクＴ2 を脚部に付
与することができる（図８（ｃ）、８（ｄ）参照）。一
方、ゲイン係数Ｇを小さくすることで第１係数ｃ1 のそ
の目標値ｃTGへの収束速度を小さくすることができる。
そして、歩行条件の変動により歩行に要する仕事量が基
準仕事量ｗ0 を超過した場合、当該超過分を時間的にゆ
るやかに解消するように外的トルクＴ2 を脚部に付与す
ることができる（図８（ａ）、８（ｂ）参照）。
【００７５】また、基準仕事量ｗ0 に対する歩行に際し
て必要な合計仕事量の変動分のうち、どれだけを外的ト
ルクＴ2 により補償するかが第２係数ｃ2 の大小によっ
て決定される。即ち、第２係数ｃ2 が大きく設定される
ことで、当該変動分のうち外的トルクＴ2 により補償さ
れる分の割合を大きくすることができる（図８（ａ）、
８（ｃ）参照）。一方、第２係数ｃ2 が小さく設定され
ることで、当該変動分のうち外的トルクＴ2 により補償
される分の割合を小さくすることができる（図８
（ｂ）、８（ｄ）参照）。
【００７６】なお、本実施形態では歩行者の脚部に対し
て股関節及び膝関節回りの外的トルクが付与されたが、
他の実施形態として脚部に対して足関節回りの外的トル
クが付与されてもよく、腕部の手根関節、肘関節又は肩
関節回りの外的トルクが付与されてもよい。即ち、本実
施形態では外的トルクが付与される対象としての「連結
体」が股関節を介して連結された歩行者の腰部と大腿
部、及び膝関節を介して連結された大腿部と脛部であっ
たが、他の実施形態として「連結体」が足関節を介して
連結された脛部と足平等であってもよい。
【００７７】また、本実施形態では人間の動作を補助す
べくその脚部に関節回りの外的トルクが付与されたが、
他の実施形態として猫や犬等の動物の動作を補助すべく
その脚部に関節回りの外的トルクが付与されてもよい。
これは、本発明のトルク付与システムが人間の医療分野
等のみならず、獣医学の分野にも適用可能であることを
意味する。
【００７８】さらに、本実施形態では左右両脚部に外的
トルクが付与されたが、他の実施形態として左右いずれ
か一方の脚部にのみ外的トルクが付与されてもよい。
【００７９】本実施形態では歩行者の歩行を補助すべく
外的トルクＴ2 が付与されたが、他の実施形態として歩
行者が動かそうとする方向とは逆方向に外的トルクＴ2
が付与されてもよい。当該他の実施形態によれば、第１
係数決定手段９により第１係数ｃ1 が負に決定されるこ
とで外的トルクＴ2 がと内的トルクＴ1 との符号が異な
る（上式（８）参照）。そして、歩行者がかかる外的ト
ルクＴ2 に反して体を動かそうとすることで歩行者の筋
力強化を図ることができる。即ち、本発明のトルク付与
システムがスポーツ選手等の筋力増強を図るトレーニン
グ装置として利用される。
【００８０】本実施形態では制御ユニット３が歩行補助
装置のバックパック５に格納されたが、他の実施形態と
して制御ユニット３と、歩行補助装置とが分離され、両
者間の信号送受信することで制御ユニット３における内
的トルクＴ1 の測定や外的トルクＴ2 の決定、第１、第
２アクチュエータ１、２の作動指示等が実行されてもよ
い。
【００８１】また、第１係数決定手段９は、第１測定手
段６により測定される内的仕事量ｗ 1 と、第２測定手段
７により測定される外的仕事量ｗ2 との和である合計仕
事量が、基準仕事量決定手段８により決定される基準仕
事量ｗ0 以下のとき、第１係数ｃ1 の下限を０と決定し
てもよい。これにより、脚部の合計仕事量ｗ1 ＋ｗ2が
減少して基準仕事量ｗ0 を下回った場合、第１係数ｃ1
が負に決定され、脚部に負の外的トルクＴ2 が付与され
る事態を防止することができる。
【００８２】さらに、第１係数決定手段９は、脚部の合
計仕事量ｗ1 ＋ｗ2 が、基準仕事量決定手段８により決
定される基準仕事量ｗ0 以上の所定量（０、１．５
ｗ0 、２．５ｗ0 、‥等）以上のとき、第１係数ｃ1 の
上限を決定してもよい。これにより、脚部の合計仕事量
ｗ1 ＋ｗ2 が増大して基準仕事量ｗ0 を大きく上回った
場合、第１係数ｃ1 が過大に決定され、脚部に過大な外
的トルクＴ2 が付与される事態を防止することができ
る。
【００８３】本実施形態では内的トルクＴ1 及び角速度
ω1 の積、外的トルクＴ2 及び角速度ω2 の積が歩行者
の歩行周期にわたり時間積分されることで内的仕事量ｗ
1 、外的仕事量ｗ2 が測定されたが（上式（３）、
（４）、図３ｓ３〜ｓ５参照）、他の実施形態として当
該積分時間は単位時間であってもよく、歩行者が単位距
離だけ移動するのに要した時間等、異なる時間であって
もよい。
【００８４】本実施形態では脚部への床反力に基づき逆
動力学モデルに従って膝関節、股関節の内的トルクＴ1
及び内的仕事量ｗ1 が測定されたが（図５、式（２ａ）
〜（２ｃ）参照）、他の実施形態として三次元動作解析
装置によって各関節の内的トルクＴ1 及び内的仕事量ｗ
1 が測定されてもよい。即ち、脚部の動作がｘｙｚ方向
から撮影され、各関節がどれだけの角速度ω1 でどれだ
けの角度折れ曲がっているかが画像解析され、この解析
結果に基づいて各関節の内的トルクＴ1 や内的仕事量ｗ
1 が測定されてもよい。
【００８５】本実施形態では角度センサａ等の測定値に
基づいて歩行者の脚部への床反力が測定されたが（図
４、式（１ａ）〜（１ｄ）参照）、他の実施形態として
歩行者が履くシューズに床反力センサが設けられ、これ
により直接床反力が測定されてもよい。
【００８６】本実施形態では関節回りの内的トルクＴ1
及び（内的）角速度ωが測定され、両者の積の絶対値が
時間積分されることで当該関節回りの内的仕事量ｗ1 が
測定されたが（式（３）参照）、他の実施形態として歩
行者の関節に関連する筋肉収縮力及び筋肉収縮速度が測
定され、両者の積に基づいて当該関節回りの内的仕事量
ｗ1 が測定されてもよく、歩行者の上体や鉛直方向に対
する左右の大腿部や脛部等の角度、又は足平の移動距離
が測定され、記憶手段１１により当該測定値と内的仕事
量ｗ1 との対応データテーブルが記憶保持され、当該測
定値及びデータテーブルとが用いられることで内的仕事
量ｗ1 が測定されてもよい。
【００８７】本実施形態では関節回りの外的トルクＴ2
及び（外的）角速度ωが測定され、両者の積の絶対値が
時間積分されることで当該関節回りの外的仕事量ｗ2 が
測定されたが（式（４）参照）、他の実施形態として各
アクチュエータ１、２の消費電力が測定され、当該消費
電力に基づいて外的仕事量ｗ2 が測定されてもよく、ア
クチュエータ１、２が油圧式の場合、油圧の変動量が測
定され、当該油圧変動量の時間積分に基づいて外的仕事
量ｗ2 が測定されてもよい。
【００８８】ここで、さらに本発明の他の実施形態につ
いて説明する。歩行者が階段を上る場合、歩行者の膝関
節回りの外的トルクＴ2 及び角速度ωの積について考え
る。また、膝が屈曲する方向を「負」、伸張する方向を
「正」とする。
【００８９】歩行者が踏み出した右足平が上段に接地し
たとき右膝は屈曲している。次に、歩行者がさらに階段
を上るべく下段から左足平を離反させると、歩行者の体
を持ち上げるべく右膝を屈曲状態から伸張させるように
「正」の内的トルクＴ1 が生じる。また、右膝部に取り
付けられたアクチュエータ２（図１参照）により右膝の
伸張を補助すべく「正」の外的トルクＴ2 が付与され
る。しかるに、歩行者が下段から左足平を離反させた直
後は、右膝は歩行者の体重によりやや屈曲し、角速度ω
は「負」となる。従って、内的トルクＴ1 と角速度ωと
の積、及び外的トルクＴ2 と角速度ωとの積はともに
「負」となる。
【００９０】続いて、歩行者が左足平を離反してからあ
る程度の時間が経過すると、歩行者の右膝は「正」の内
的トルクＴ1 及び外的トルクＴ2 により屈曲状態から徐
々に伸張し、角速度ωは「正」となる。従って、内的ト
ルクＴ1 と角速度ωとの積、及び外的トルクＴ2 と角速
度ωとの積はともに「正」となる。
【００９１】このように歩行条件によっては１の歩行周
期の中にもトルクと角速度との積が「正」になったり
「負」になったりする場合が考えられる。
【００９２】かかる事情に対応し、当該他の実施形態で
は、第１測定手段６、第２測定手段７により、内的、外
的仕事量ｗ1(i)、ｗ2(i)が次式（９）〜（１２）に従い
当該積が正の場合の積分部分ｗ1(i) + 、ｗ2(i) + と、負
の場合の積分部分ｗ1(i) - 、ｗ2(i) - とに分割して測定
される。
【００９３】 ｗ1(i)＝ｗ1(i) + ＋ｗ1(i) - ＝∫ｄｔ・ｆ+ （Ｔ1(i)×ω(i) ） ＋∫ｄｔ・ｆ- （Ｔ1(i)×ω(i) ）‥（９）
【００９４】 ｗ2(i)＝ｗ2(i) + ＋ｗ2(i) - ＝∫ｄｔ・ｆ+ （Ｔ2(i)×ω(i) ） ＋∫ｄｔ・ｆ- （Ｔ2(i)×ω(i) ）‥（１０）
【００９５】 ｆ+ （ｘ）≡ ｘ（ｉｆ ｘ≧０）、 ０（ｉｆ ｘ＜０）‥（１１）
【００９６】 ｆ- （ｘ）≡ ０（ｉｆ ｘ≧０）、 −ｘ（ｉｆ ｘ＜０）‥（１２）
【００９７】この上で、第１係数決定手段９によりｗ
1(i) + 及びｗ2(i) + に基づき、さらにｗ1(i) - 及びｗ
2(i) - に基づき、相違する第１係数ｃ1(i+1) + 、ｃ
1(i+1) - が決定される（式（７）参照）。
【００９８】そして、ｉ＋１周期で内的トルクＴ1(i+1)
及び角速度ω(i+1) の積が「正」のとき、ｉ周期で当該
積が「正」の状況に応じて決定された第１係数ｃ1(i+1)
+ に基づいて外的トルク決定手段１０によって外的トル
クＴ2(i+1)が決定される（式（８）参照）。一方、当該
積が「負」のとき、ｉ周期で当該積が「負」の状況に応
じて決定された第１係数ｃ1(i+1) - に基づいて外的トル
クＴ2(i+1)が決定される（同）。
【００９９】従って、過去の歩行条件と一致する歩行条
件に接したとき、当該過去の歩行条件に応じて予め決定
された第１係数ｃ1 に基づき、現在の外的トルクＴ2 を
決定・付与することができる。
【０１００】また、前記他の実施形態では内的トルクＴ
1 及び角速度ωの積の正負に応じてそれぞれ第１係数ｃ
1 、さらには外的トルクＴ2 が決定されたが、さらに他
の実施形態として当該積が３つ以上の複数区分のそれぞ
れに応じて第１係数ｃ1 が決定されてもよい。例えば、
当該積が任意単位をもって−２未満、−２以上＋１未
満、＋１以上のそれぞれの場合に応じた第１係数ｃ1 が
決定されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】歩行補助装置の構成説明図
【図２】歩行補助装置による歩行補助の概要説明図
【図３】歩行補助装置の機能を説明するフローチャート
【図４】歩行者の足平の床反力測定の概念説明図
【図５】歩行者の関節周りのトルク測定の概念説明図
【図６】歩行補助装置による歩行補助の実験結果の説明
図
【図７】歩行補助装置による歩行補助のシミュレーショ
ン結果の説明図（その１）
【図８】歩行補助装置による歩行補助のシミュレーショ
ン結果の説明図（その２）
【符号の説明】
１‥第１アクチュエータ、２‥第２アクチュエータ、３
‥制御ユニット、４‥バッテリ、６‥第１測定手段、７
‥第２測定手段、８‥基準仕事量決定手段、９‥第１係
数決定手段、１０‥外的トルク決定手段、１１‥記憶手
段、ａ‥角度センサ、ｇ‥ジャイロセンサ、ｇ’‥Ｇセ
ンサ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】歩行者の脚部に対して足関節、膝関節又は
    股関節回りの外的トルクを付与するシステムであって、 脚部から生じる関節回りの内的仕事量を測定する第１測
    定手段と、 脚部に付与される関節回りの外的仕事量を測定する第２
    測定手段と、 第１測定手段により測定される脚部の内的仕事量に基づ
    いて基準仕事量を決定する基準仕事量決定手段と、 第２測定手段により測定される外的仕事量に基づき、第
    １測定手段により測定される脚部の内的仕事量と、基準
    仕事量決定手段により決定される基準仕事量との偏差を
    減少するように脚部へ付与される外的トルクを決定する
    外的トルク決定手段と、 外的トルク決定手段により決定された外的トルクを脚部
    に付与する外的トルク付与手段とを備えていることを特
    徴とするトルク付与システム。
  2. 【請求項２】基準仕事量決定手段により決定される基準
    仕事量との偏差が０となる場合の脚部の内的仕事量に対
    する脚部に付与される外的仕事量の比を目標値とし、時
    間を追って該目標値に収束するよう第１係数を逐次決定
    する第１係数決定手段を備え、第１測定手段は脚部の関
    節回りの内的トルクを測定し、 外的トルク決定手段は、第１測定手段により測定される
    脚部の内的トルクと、第１係数決定手段により決定され
    る第１係数との積を演算し、該演算結果を脚部に付与さ
    れる外的トルクとして決定することを特徴とする請求項
    １記載のトルク付与システム。
  3. 【請求項３】第１係数決定手段は、第１測定手段により
    測定される内的仕事量、又は第２測定手段により測定さ
    れる外的仕事量に基づいて第１係数の上限又は下限を決
    定することを特徴とする請求項２記載のトルク付与シス
    テム。
  4. 【請求項４】第１係数決定手段は、第１測定手段により
    測定される内的仕事量と、第２測定手段により測定され
    る外的仕事量との和である合計仕事量が、基準仕事量決
    定手段により決定される基準仕事量以下のとき、第１係
    数の下限を０と決定することを特徴とする請求項２記載
    のトルク付与システム。
  5. 【請求項５】第１係数決定手段は、第１測定手段により
    測定される内的仕事量と、第２測定手段により測定され
    る外的仕事量との和である合計仕事量が、基準仕事量決
    定手段により決定される基準仕事量以上の所定量以上の
    とき、第１係数の上限を決定することを特徴とする請求
    項２記載のトルク付与システム。
  6. 【請求項６】第１測定手段は脚部の関節回りの内的トル
    ク及び角速度の積を測定し、 第１係数決定手段は第１測定手段により測定された積の
    区分に応じて第１係数を区分して決定し、 外的トルク決定手段は、第１測定手段により測定された
    積の区分が先に第１測定手段により測定された過去の積
    の区分に一致するとき、第１係数決定手段によって該過
    去の積の区分に応じた内的仕事量に基づいて先に決定さ
    れた第１係数を用いて外的トルクを決定することを特徴
    とする請求項２記載のトルク付与システム。
  7. 【請求項７】第１係数決定手段は第１測定手段により測
    定された脚部の関節回りの内的トルク及び角速度の積の
    正負に応じて第１係数を区分して決定することを特徴と
    する請求項６記載のトルク付与システム。
  8. 【請求項８】基準仕事量決定手段は、第１測定手段によ
    り測定される内的仕事量と、第２測定手段により測定さ
    れる外的仕事量の和である合計仕事量を演算し、 合計仕事量と第１測定手段により測定される歩行者の無
    負荷状態における平地歩行時の脚部の内的仕事量との差
    と、脚部の内的仕事量と基準仕事量との偏差を０とする
    外的トルクに関する第２係数との積を演算し、 合計仕事量と、該積との差を演算し、該演算結果を基準
    仕事量として決定することを特徴とする請求項１、２、
    ３、４、５、６又は７記載のトルク付与システム。
  9. 【請求項９】第１及び第２測定手段は、歩行者の歩行周
    期を積分時間とすることでそれぞれ内的及び外的仕事量
    を測定することを特徴とする請求項１、２、３、４、
    ５、６、７又は８記載のトルク付与システム。
  10. 【請求項１０】第１測定手段は、脚部の足平への床反力
    を測定し、測定した床反力に基づき逆動力学モデルに従
    って脚部の足関節、膝関節又は股関節回りの内的トルク
    と外的トルクとの合計トルクを測定し、測定した合計ト
    ルクから第２測定手段により測定される外的トルクとの
    差を演算することで脚部の足関節、膝関節又は股関節回
    りの内的トルクを測定することを特徴とする請求項１、
    ２、３、４、５、６、７、８又は９記載のトルク付与シ
    ステム。
  11. 【請求項１１】関節を介して相対的に回動可能に連結さ
    れた連結体に対して関節回りの外的トルクを付与するシ
    ステムであって、 連結体から生じる関節回りの内的仕事量を測定する第１
    測定手段と、 連結体に付与される関節回りの外的仕事量を測定する第
    ２測定手段と、 第１測定手段により測定される連結体の内的仕事量に基
    づいて基準仕事量を決定する基準仕事量決定手段と、 第２測定手段により測定される外的仕事量に基づき、第
    １測定手段により測定される連結体の内的仕事量と、基
    準仕事量決定手段により決定される基準仕事量との偏差
    を減少するように連結体へ付与される外的トルクを決定
    する外的トルク決定手段と、 外的トルク決定手段により決定された外的トルクを連結
    体に付与する外的トルク付与手段とを備えていることを
    特徴とするトルク付与システム。
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