JP2015093188A - 歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 周辺の環境を認識し、周辺環境によって迅速に対応することができる歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法を提供すること。【解決手段】 歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法に関し、歩行補助ロボットの制御方法は、歩行方向の地面に対する情報である地面情報を獲得する地面情報獲得段階と、前記生成した地面情報を分析し、歩行補助ロボットに対する制御パターンを決定する制御パターン決定段階と、前記決定した制御パターンに基づいて歩行補助ロボットを制御する歩行補助ロボット制御段階とを含むことができる。【選択図】 図１

Description

歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法に関する。

歩行補助器具というのは、弱い足筋力などの多様な理由で歩行が不便な人が容易に歩行を行うことができるようにするために補助する器具を意味する。人の歩行の不便は、遺伝的結合のような先天的理由や、疾病や事故などのような後天的理由で発生することができる。

このような歩行補助器具としては、所定の回転手段と人を支持する支持台が設置され、人の押す力によって移動する歩行補助車が人体の足に固定されて、歩行時に必要な力を人体の筋肉に印加し、歩行に必要な力の不足分を補充する歩行補助ロボットなどが存在し得る。

歩行補助ロボットは、人体の大腿部や向こうずねなどに固定され、所定のモーターなどのような各種機械的手段によって筋肉及び関節の運動を補助することによって、人が容易に歩行することができるようにする。

本発明の目的は、周辺の環境を認識し、周辺環境によって迅速に対応することができる歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法が提供される。

歩行補助ロボットは、地面に対する複数の地面データを収集する地面データ収集部と、前記複数の地面データに基づいて地面に対する情報である地面情報を生成し、前記生成した地面情報を分析し、歩行補助ロボットに対する制御パターンを決定し、前記決定した制御パターンに基づいて歩行補助ロボットを制御する制御部とを含むことができる。

また、歩行補助ロボットは、地面情報を受信する地面情報受信部と、前記収集した地面情報を分析し、歩行補助ロボットに対する制御パターンを決定し、前記決定した制御パターンに基づいて歩行補助ロボットを制御する制御部とを含むことができる。

一方、歩行補助ロボットの制御方法は、地面情報を獲得する地面情報獲得段階と、前記獲得した地面情報を分析し、歩行補助ロボットに対する制御パターンを決定する制御パターン決定段階と、前記決定した制御パターンに基づいて前記歩行補助ロボットを制御する歩行補助ロボット制御段階とを含むことができる。

前述した歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法によれば、歩行補助ロボットが周辺歩行環境が変化する場合にも迅速に対処することができる効果を得ることができる。

また、歩行補助ロボットの場合、歩行補助ロボットで加えられる力や圧力などによって誘発された歩行補助ロボットの着用者が感じる抵抗感を最小化することができる。

また、歩行補助ロボットを利用する着用者が多様な地形でも自然に歩行することができる効果を得ることができる。

また、前述した歩行補助ロボット、歩行補助ロボットの制御方法によれば、歩行補助ロボットを利用する着用者が地面上の凹凸などのような障害物が存在するか、地面が階段、傾斜などのように特異地形である場合においても安全に歩行を行うことができる効果を得ることができる。

また、前述した歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法によれば、歩行補助ロボットの着用者は、歩行補助ロボットの抵抗感なしに補助を受けることができ、着用者が歩行をさらに便利にすることができる効果を得ることができる。

図１は、歩行補助ロボットの一実施形態に対する正面図である。 図２は、歩行補助ロボットの一実施形態に対する側面図である。 図３は、歩行補助ロボットの一実施形態に対する背面図である。 図４は、歩行補助ロボットの一実施形態に対する構成図である。 視覚的走行距離測定方法を説明するための図である。 視覚的走行距離測定方法を説明するための図である。 視覚的走行距離測定方法を説明するための図である。 図８は、エゴモーションの一実施形態を示す図である。 図９は、地面情報の一例である歩行方向の地図を生成する方法の一実施形態を説明するための図である。 図１０は、地面情報の一例である歩行方向の地図を生成する方法の一実施形態を説明するための図である。 図１１は、地面情報の一例である歩行方向の地図を生成する方法の一実施形態を説明するための図である。 図１２は、地面情報の一例である歩行方向の地図を生成する方法の一実施形態を説明するための図である。 図１３は、地面情報の一例である歩行方向の地図を生成する方法の一実施形態を説明するための図である。 図１４は、地面情報の一例である歩行方向の地図を生成する方法の一実施形態を説明するための図である。 図１５は、歩行方向の地図を管理する方法の一実施形態を説明するための図である。 図１６は、基準地面及び比較地面を説明するための図である。 図１７は、基準地面及び比較地面を説明するためのさらに他の図である。 図１８は、基準地面及び比較地面によって少なくとも１つの地面形態を決定する方法の一実施形態を説明するための図である。 図１９は、基準地面及び比較地面によって少なくとも１つの地面形態を決定する方法の一実施形態を説明するための図である。 図２０は、基準地面及び比較地面によって少なくとも１つの地面形態を決定する方法の一実施形態を説明するための図である。 図２１は、歩行補助ロボットの他の一実施形態に対する構成図である。 図２２は、歩行補助ロボット制御方法の一実施形態に対する流れ図である。 図２３は、地面情報獲得方法の一実施形態に対する流れ図である。 図２４は、歩行補助ロボットを制御する方法の一実施形態に対する流れ図である。

以下、図１〜図２１を参照して歩行補助装置の一実施形態について説明する。図１〜図２１には、歩行補助装置の一例として人体に装着可能な歩行補助ロボットの一実施形態が示されている。

図１〜図３は、歩行補助ロボットの一実施形態に対する正面図、側面図及び背面図である。図１〜図３に示されるように、歩行補助ロボット１は、本体部１０及び歩行動作部２０〜４０を含むことができる。

本体部１０は、各種部品が内蔵可能なハウジング１０ａを含むことができる。ハウジング１０ａは、内蔵される各種部品を安全に保護すると共に、安定的に固定させる機能を提供することができる。ハウジング１０ａは、内部に中央処理装置（ＣＰＵ、ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）やグラフィック処理装置（ＧＰＵ、ｇｒａｐｈｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）などのような多様な処理装置及びプリント回路基板などが内蔵されていてもよく、必要に応じて多様な種類の記憶装置が内蔵されていてもよい。

ハウジング１０ａに設置された中央処理装置は、マイクロプロセッサであってよい。マイクロプロセッサは、シリコーンチップに算術論理演算器、レジスタ、プログラムカウンター、命令デコーダーや制御回路などが設置されている処理装置である。中央処理装置は、歩行動作部２０〜４０の動作を制御するための制御信号を生成し、生成した制御信号を歩行動作部２０〜４０に伝達する。中央処理装置は、実施形態によって地面データ収集部１３で収集した地面データに基づいて所定の地面情報を生成し、生成された地面情報によって制御信号を生成することもできる。

地面情報は、地面の凹凸や形態などに対する情報を含むことができる。地面情報は、歩行補助ロボット１の一定の範囲内の地面に対する情報を含むことができる。また、地面情報は、着用者が歩行する方向の地面に対する情報を含むこともできる。また、地面情報は、着用者の後方または側方に位置する地面に対する情報を含むこともできる。一実施形態によれば、地面情報は、歩行方向の地図であってもよい。

グラフィック処理装置は、マイクロプロセッサのうち主にグラフィックに関連した情報を処理する処理装置を意味する。グラフィック処理装置は、中央処理装置のグラフィック処理機能を補助するかまたは単独でグラフィック処理を行うようにすることができる。グラフィック処理装置は、実施形態によって地面データ収集部１３で収集した映像データに基づいて所定の映像処理を行うこともできる。また、グラフィック処理装置は、地面データ収集部１３で収集した地面データに基づいて所定の地面情報を生成することもできる。

プリント回路基板は、所定の回路が印刷されている基板であって、プリント回路基板には、中央処理装置やグラフィック処理装置、多様な記憶装置が設置されていてもよい。プリント回路基板は、ハウジング１０ａの内側面に固定され、中央処理装置などが安定的に固定されることができるようにする機能を提供することができる。

ハウジング１０ａは、多様な記憶装置を内蔵していてもよい。記憶装置は、磁気ディスク表面を磁化させてデータを格納する磁気ディスク記憶装置であってもよく、多様な種類のメモリ半導体を利用してデータを格納する半導体メモリ装置であっもよい。記憶装置には、地面情報または地面データなどが格納されることもできる。ハウジング１０ａは、また、ハウジング内部の各種部品または歩行動作部２０〜４０に動力を供給するための電源がさらに内蔵されていてもよい。また、ハウジング１０ａは、歩行動作部２０〜４０の動作を制御するかまたは駆動させるための所定のアクチュエーター（ａｃｔｕａｔｏｒ）がさらに設置されていてもよい。

実施形態によって本体部１０は、着用者の腰を支持するための腰支持部１１をさらに含むこともできる。腰支持部１１は、着用者の腰を支持するために湾曲された平面板の形状を具備することができる。

また、本体部１０は、着用者とハウジング１０ａまたは腰支持部１１を固定するために１つまたは複数の固定手段１２ａ、１２ｂをさらに含むことができる。固定手段１２ａ、１２ｂとしては、ハウジング１０ａを腰や尻などに固定させることができる多様な種類の手段が利用されるてよい。例えば、固定手段１２ａ、１２ｂは、弾性力を具備したバンドや各種多様な種類のストラップ（ｓｔｒａｐ）であってもよい。

一方、本体部１０は、地面に対する複数の地面データを収集する１つまたは複数の地面データ収集部１３を含むことができる。地面データ収集部１３は、着用者歩行経路上の障害物の存在や地形の変化を早期に収集することによって、障害物の存在や地形の変化によって歩行動作部２０〜４０が適切に制御される得る。

地面データ収集部１３は、地面で反射するか、発生した可視光線や赤外線などを収集し、データを収集することができる。地面データ収集部１３は、可視光線、赤外線、レーザーなどの光線を利用してデータを収集することもでき、超短波や極超短波などの電磁気波を利用してデータを収集することもでき、超音波などを利用してデータを収集することもできる。

地面データ収集部１３は、歩行補助ロボット１の一定の範囲内の地面に対するデータを収集することができる。例えば、地面データ収集部１３は、着用者と近距離に位置する地形に対するデータを収集することもできる。実施形態によって着用者と遠距離に位置する地形のデータまでも収集することもできる。一実施形態によれば、地面データ収集部１３は、着用者の歩行方向前方の地面に対するデータを収集することができる。また、着用者の歩行方向の後方または側方の地面に対するデータを収集することもできる。このような地面データの収集範囲は、地面データ収集部１３のカメラまたは３次元深さセンサーの方向や画角などによって決定され得る。地面データの収集範囲は、歩行補助ロボット１の設計者によって任意的に決定されてよく、使用者の選択によって決定されてもよい。

一実施形態によれば、地面データ収集部１３は、外部から伝達される可視光線または赤外線を変換し、地面に対する映像データを収集するカメラなどのような映像撮影装置であってもよい。例えば、カメラは、汎用静止画像カメラ、動画カメラ、ステレオカメラ、パノラマカメラ及び赤外線カメラのうち少なくとも１つを含むことができる。この場合、地面データ収集部１３で収集される地面データは、可視光線映像データ及び赤外線映像データを含むこともできる。

また、他の一実施形態によれば、地面データ収集部１３は、３次元深さセンサー（３Ｄ ｄｅｐｔｈ ｓｅｎｓｏｒ）であってもよい。３次元深さセンサーは、所定の光線を利用して地面に対する情報を収集することができる。例えば、３次元深さセンサーは、所定の赤外線を被写体、一例として地面に照射し、被写体で反射する赤外線を受光した後、受光した赤外線に基づいて被写体の形態や位置などを感知することができる。

前述したカメラやセンサー以外にも、映像をキャプチャーして収集することができる多様な映像装置が前述した地面データ収集部１３に利用され得る。

地面データ収集部１３は、図１〜図３に示されるように、ハウジング１０ａに設置されていてもよい。

地面データ収集部１３は、ハウジング１０ａの外部に突出して設置されることもできる。地面データ収集部１３は、ハウジング１０ａの地面データを容易に収集するために、ハウジング１０ａの１つまたは複数の側面に設置されていてもよい。また、地面データ収集部１３は、ハウジング１０ａに埋め込まれて設置されてもよい。もし地面データ収集部１３がハウジング１０ａに埋め込まれて設置される場合、ハウジング１０ａの外面には、地面データ収集部１３のレンズなどが外部の光を受光することができるように所定の切欠孔が形成してもよい。歩行補助ロボット１には、ただ１つの地面データ収集部１３だけが設置されてもよく、図１に示されるように、複数個の地面データ収集部１３ａ、１３ｂが設置されてもよい。

地面データ収集部１３がハウジング１０ａの外側面に設置される場合、地面データ収集部１３ａは、センサーハウジング１３ｃ、センサー１３ｄ及び回転手段１３ｅを含み得る。

センサーハウジング１３ｃは、センサー１３ｄを内蔵することができ、センサー１３ｄを固定しながら保護する機能を提供することができる。

センサー１３ｄは、前述したように、カメラなどの映像撮影装置や３次元深さセンサーであってよい。

回転手段１３ｅは、センサーハウジング１３ｃ及びハウジング１０ａを連結すると同時に、センサーハウジング１３ｃを１つまたは複数の方向に回転することができる。回転手段１３ｅは、ボールやローラーなどを具備したベアリングを含むことができる。ベアリングの種類は、設計者の選択によって多様に決定されてよい。回転手段１３ｅは、モーター（ｍｏｔｏｒ）やシリンダー装置の駆動によって自動で回転することもでき、着用者によって手動で回転することもできる。

一実施形態によれば、地面データ収集部１３は、歩行方向の前方、後方及び側方のうち１つまたは複数の方向に向いてもよい。例えば、地面データ収集部１３は、歩行方向の前方の地面に対する地面データ収集のために歩行方向の前方に向いてもよく、歩行方向の側方または後方の地面データ収集のために歩行方向の側方または後方に向いてもよい。また、地面データ収集部１３は、地面データ収集部１３のハウジング１０ａなどが所定の回動軸、一例として回転手段１３ｅを中心に回転しながら複数の方向のデータを収集することもできる。

本体部１０は、１つまたは複数の慣性測定装置（ＩＭＵ、ｉｎｅｒｔｉａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｎｉｔ）を含むことができる。慣性測定装置は、ハウジング１０ａ内部または外部に設置されていてもよく、より具体的には、慣性測定装置は、ハウジング１０ａの内側に固定されたプリント回路基板に設置されていてもよい。慣性測定装置は、複数軸の慣性センサー（ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｏｒ）、例えば３軸慣性センサー及びジャイロセンサー（ｇｙｒｏ ｓｅｎｓｏｒ）のうち少なくとも１つを含むことができる。慣性測定装置によって測定された慣性などに基づいて本体部１０の中央処理装置などのような制御装置は、歩行動作部２０〜４０の動作を制御する。

歩行動作部２０〜４０は、図１〜図３に示されるように、第１構造部２０、第２構造部３０及び第３構造部４０を含み得る。第１構造部２０は、歩行動作において着用者の大腿部及び股関節の動きを補助することができる。第２構造部３０は、歩行動作において着用者の下腿部及び膝関節の動きを補助することができる。また、第３構造部４０は、歩行動作において着用者の足首関節及び関連筋肉の動きを補助することができる。

一実施形態によれば、第１構造部２０、第２構造部３０及び第３構造部４０は、歩行補助ロボット１にそれぞれ１つだけ存在し得る。この場合、着用者の左足及び右足のうちいずれか１つで第１構造部２０、第２構造部３０及び第３構造部４０が着用され得る。また、他の実施形態によれば、第１構造部２０、第２構造部３０及び第３構造部４０は、二足歩行を補助するために左足及び右足に設置され得るようにペアで存在することができる（図１の２０ａ、２０ｂ、３０ａ、３０ｂ、４０ａ、４０ｂ参照）。第１構造部２０、第２構造部３０及び第３構造部４０が１つだけ存在するかまたは複数で存在する場合であっても、第１構造部２０、第２構造部３０及び第３構造部４０の機能や動作は大同小異である。

以下では、説明の便宜のために複数の第１構造部２０、第２構造部３０及び第３構造部４０を含む歩行補助ロボット１について説明する。

複数の第１構造部２０ａ、２０ｂは、それぞれ第１駆動部２１ａ、２１ｂ及び第１支持部２２ａ、２２ｂを含むことができる。第１駆動部２１ａ、２１ｂは、回転しながら多様なサイズの回転力を発生させることができる。第１駆動部２１ａ、２１ｂで発生した回転力は、第１支持部２２ａ、２２ｂに印加され得る。第１駆動部２１ａ、２１ｂは、人体の股関節の動作範囲内で回転駆動するように設定され得る。

一実施形態によれば、第１駆動部２１ａ、２１ｂは、本体部１０などで供給される電気エネルギーなどによって所定トルクの回転力を発生させるモーターを含むこともできる。また、本体部１０などで供給される電気エネルギーまたは流体の圧力、一例として油圧や空気圧などの圧力によって動作し、回転力を発生させるピストンやシリンダー装置を含むでもよい。実施形態によって、第１駆動部２１ａ、２１ｂは、モーター、ピストン及びシリンダー装置をすべて含むことができる。

少なくとも１つの第１支持部２２ａ、２２ｂは、第１駆動部２１ａ、２１ｂと物理的に連結されていてもよく、第１駆動部２１ａ、２１ｂで発生した回転力によって所定の方向に回転することができる。

第１支持部２２ａ、２２ｂは、図１〜図３に示されるように、１つまたは複数の支持台によって具現されることができる。第１支持部２２ａ、２２ｂは、必要に応じて多様な形状を具備することができる。例えば、第１支持部２２ａ、２２ｂは、六面体の形状を具備することもできる。もちろん第１支持部２２ａ、２２ｂは、複数の支持台が結合されて具現されることも可能である。

また、第１支持部２２ａ、２２ｂは、複数の節が互いに連結されている形態で具現されてもよい。この場合、複数の節の間には、複数の節を連結する複数の関節が結合されていてもよい。複数の関節は、所定の方向に回転することができる。これにより、第１支持部２２ａ、２２ｂは、複数の関節の回転範囲によって所定の方向に一定の範囲内で曲がることができる。実施形態によって、複数の節のうち２つの節を１つの関節が連結することができ、複数の関節が連結することもできる。２つの節を複数の関節が連結する場合、それぞれの関節は、互いに異なる方向に回転することができる。これにより、第１支持部２２ａ、２２ｂは、多様な方向に一定の範囲内で曲がることができる。

実施形態によって第１支持部２２ａ、２２ｂは、可撓性がある素材で形成されてよく、素材の可撓性によって一定の範囲内で曲がり得る。

複数の第１構造部２０ａ、２０ｂは、第１支持部２２ａ、２２ｂを着用者の大腿部に固定させるための第１固定手段２３ａ、２３ｂを含むことができる。第１支持部２２ａ、２２ｂは、第１固定手段２３ａ、２３ｂを通じて着用者の大腿部の内側または外側に固定される得る。第１駆動部２１ａ、２１ｂの駆動によって第１支持部２２ａ、２２ｂが回転するようになれば、第１支持部２２ａ、２２ｂが固定された大腿部は、同一の方向に股関節を軸として回転することができる。

第１固定手段２３ａ、２３ｂは、金属素材で形成されたものであってもよく、またはゴムなどのような各種弾性力ある素材で形成されたものであってもよい。第１固定手段２３ａ、２３ｂは、図１に示されるように、所定のチェーン（ｃｈａｉｎ）であってもよい。また、第１固定手段２３ａ、２３ｂは、弾性力を具備したバンドまたは各種ストラップであってもよい。その他、第１支持部２２ａ、２２ｂが大腿部などに固定され得るようにするための多様な固定手段が、第１固定手段２３ａ、２３ｂの一例に利用される。

第１固定手段２３ａ、２３ｂが大腿部などに固定されることによって、第１構造部２０ａ、２０ｂは、大腿部を持ち上げるか、または、下す着用者の動作を補助するように所定の回転力を着用者の大腿部や股関節などに印加することができるようになる。これにより、着用者は、足を持ち上げる動作をするか、または歩行動作をする場合に、便宜を提供されることができる。

第１構造部２０には、１つまたは複数の慣性測定装置が設置されていてもよい。慣性測定装置は、第１駆動部２１ａ、２１ｂに設置されてもよく、第１支持部２２ａ、２２ｂに設置されてもよく、両方に設置されてもよい。

第２構造部３０は、図１〜図３に示されるように、第２駆動部３１、第２支持部３２及び第２固定部３３を含むことができる。

第２駆動部３１ａ、３１ｂは、所定の方向に多様なサイズの回転力を発生させることができる。第２駆動部３１ａ、３１ｂは、人体の膝関節の動作範囲内で駆動するように設定され得る。

一実施形態によれば、第２駆動部３１ａ、３１ｂは、本体部１０などで直接供給される電力または流体の圧力、もしくは、第１構造部２０ａ、２０ｂなどを通じて間接的に伝達される電力や流体の圧力などによって所定トークの回転力を発生させるモーター、ピストンまたはシリンダー装置を含むこともできる。前述したものと同様に、第２駆動部３１ａ、３１ｂは、モーター、ピストン及びシリンダー装置をすべて含んでもよい。

少なくとも１つの第２支持部３２ａ、３２ｂは、第２駆動部３１ａ、３１ｂと物理的に連結されていてもよく、第２駆動部３１ａ、３１ｂで発生した回転力によって所定の方向に回転し得る。第２支持部３２ａ、３２ｂの構成、構造及び素材などは、前述した第１支持部２２ａ、２２ｂと同一であってもよく、異なっていてもよい。

第２構造部３０ａ、３０ｂは、第２支持部３２ａ、３２ｂを着用者の下腿部に固定させるための第２固定手段３３ａ、３３ｂを含むことができる。第２支持部３２ａ、３２ｂは、第２固定手段３３ａ、３３ｂを通じて着用者の大腿部の内側または外側に固定されることができる。第２固定手段３３ａ、３３ｂの構成、構造及び素材などは、前述した第１固定手段２３ａ、２３ｂと同一であってもよく、異なっていてもよい。

第２固定手段３３ａ、３３ｂによって下腿部が第２支持部３２ａ、３２ｂなどに固定され、第２構造部３０ａ、３０ｂは、所定の回転力を着用者の下腿部や膝関節などに印加することができる。これにより、第２構造部３０ａ、３０ｂは、下腿部を持ち上げるか、または、下す着用者の動作を補助することができる。

第２構造部３０には、１つまたは複数の慣性測定装置が設置されてもよい。実施形態によって第１構造部２０の代わりに第２構造部３０にのみ慣性測定装置が設置されることも可能である。

第３構造部４０は、歩行動作において着用者の足首の動作を補助することができる。第３構造部４０は、図１に示されるように、第３固定手段４１ａ、４１ｂ、足保持部４２ａ、４２ｂ、及び、第４固定手段４３ａ、４３ｂなどを含むことができる。

第３固定手段４１ａ、４１ｂは、前述した第２支持部３２ａ、３２ｂなどと連結されていてもよく、着用者の足首と第２支持部３２ａ、３２ｂなどを固定する機能を提供することができる。第３固定手段４１ａ、４１ｂの構成、構造及び素材などは、前述した第１固定手段２３ａ、２３ｂと同一であってもよく、異なっていてもよい。

足保持部４２ａ、４２ｂは、着用者の足裏に装着されることができる。足保持部４２ａ、４２ｂには、所定の圧力センサーが設置されていてもよい。所定の圧力センサーは、着用者の重さを感知し、着用者が歩行補助ロボット１を着用したか否か、または着用者が立ち上がったか否かなどを感知することができる。また、足保持部４２ａ、４２ｂには、着用者が歩行する場合、着用者の足に伝達される地面反力（ＧＲＦ、ｇｒｏｕｎｄ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ）を感知するための所定の圧力センサーである地面反力センサーが設置されていてもよい。重さを感知する圧力センサー及び地面反力センサーは、互いに異なる独立的なセンサーで具現されてよく、必要に応じて１つのセンサーで具現されてもよい。

第４固定手段４３ａ、４３ｂは、足保持部４２ａ、４２ｂに保持された着用者の足と足保持部４２ａ、４２ｂを相互固定させることによって、着用者が安定的に足を足保持部４２ａ、４２ｂに保持できるようにする機能を提供することができる。

実施形態によって、第３構造部４０は、モーターやシリンダーなどのように所定の駆動手段を含むことができ、第３構造部４０の駆動手段は、足首関節及び足首周辺の筋肉と関連した着用者動作を補助することができる。

また、第３構造部４０には、前述したものと同様に、１つまたは複数の慣性測定装置が設置されていてもよい。もちろん実施形態によって第３構造部４０にのみ慣性測定装置が設置されることも可能である。

実施形態によって、歩行補助ロボット１の固定手段２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂ、４１ａ、４１ｂ、４３ａ、４３ｂの個数は、歩行補助ロボット１の設計者の設計意図によって前述したものよりさらに多いことがあり、またはさらに少ないことがある。

一実施形態によれば、前述した第１構造部〜第３構造部２０〜４０の駆動及び動作は、本体部１０などに設置されたアクチュエーターによって始動されるか、または、制御されることができる。また、第１構造部〜第３構造部２０〜４０それぞれが互いに別に制御信号を伝達され、それぞれ別に始動及び動作することも可能である。

以上説明した各種部品及びこれらの動作によって、歩行補助ロボット１は、使用者の歩行を補助することができる。

以下、図４〜図２１を参照して歩行補助ロボット１の歩行動作部２０〜４０を制御するための歩行補助ロボット１の各構成について説明する。

図４は、歩行補助ロボットの一実施形態に対する構成図である。図４を参照すれば、歩行補助ロボット１の本体部１０は、地面データ収集部１３及び制御部１４を含む。歩行補助ロボット１は、地面データ収集部１３及び制御部１４を利用して歩行補助ロボット１を制御することができる。地面データ収集部１３は、複数の地面データを獲得することができる。地面データ収集部１３は、前述したように、本体部１０の外部または内部に設置されることができ、外部の地面から所定の地面データを収集することができる。

図４を参照すれば、具体的に、地面データ収集部１３は、レンズ１３１０、撮像素子１３１１及び格納部１３１２を含むことができる。レンズ１３１０は、可視光線レンズ及び赤外線レンズのうち少なくとも１つを含み、外部の物体で照射されるか、または、反射した可視光線または赤外線を受光することができる。この場合、外部の物体で反射した可視光線または赤外線は、地面データ収集部１３で生成され、外部の物体に照射されたものであってもよい。

撮像素子１３１１は、受光した可視光線または赤外線を、受光した可視光線または赤外線に相当する電気的信号に変換することができる。撮像素子１３１１は、電荷結合素子（ＣＣＤ、ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）であってもよく、ＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）であってもよい。その他、フォベオンなどであってもよい。このような撮像素子１３１１の種類や個数、サイズなどは、設計者の必要に応じて任意的に選択されたものであってよい。

撮像素子１３１１によって変換された電気的信号は、別途の処理なしにすぐ地面データに利用されてよい。一方、撮像素子１３１１によって変換された電気的信号は、地面データの生のデータ（ｒａｗ ｄａｔａ）に利用されてもよい。この場合、撮像素子１３１１によって変換された電気的信号は、増幅されることもでき、アナログ−デジタル変換（ａｎａｌｏｇ−ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）過程を経ることもできる。このような過程を経た電気的信号が地面データに利用されてもよい。

格納部１３１２は、地面データを一時的または非一時的に格納することができる。実施形態によって、格納部１３１２は省略され得る。

前述した地面データ収集部１３によって、歩行方向の前方、後方、及び、側方のうち１つまたは複数の方向に対する複数の地面データが獲得され得る。獲得された複数の地面データは、図４に示されるように制御部１４に伝達され得る。

制御部１４は、撮像素子１３１１で変換された電気的信号や格納部１３１２で伝達される電気的信号に基づいて所定の制御命令を生成した後、歩行動作部２０〜４０を制御するための制御信号を生成することができる。制御部１４は、前述した中央処理装置、キャッシュ（ｃａｃｈｅ）やバッファー（ｂｕｆｆｅｒ）などの格納媒体及び各種回路によって具現され得る。必要に応じて、制御部１４は、グラフィック処理装置をさらに利用して具現されてもよい。制御部１４は、地面データ収集部１３で収集したデータに基づいて各種演算を行い、行った演算の結果によって所定の制御命令を生成し、生成した制御命令を歩行動作部２０〜４０に伝達し、歩行動作部２０〜４０が着用者の歩行を補助することができるように制御することができる。

制御部１４は、図４に示されるように、エゴモーション演算部１４１１及び地面情報生成部１４１２を含むことができる。エゴモーション演算部１４１１及び地面情報生成部１４１２を利用して制御部１４は、地面データを利用して図２３に示されたエゴモーションの演算乃至地面情報獲得過程ｓ１２０〜ｓ１４０を行うことができる。

制御部１４のエゴモーション演算部１４１１は、図４の地面データ収集部１３のエゴモーションを演算することができる。所定の環境内でカメラなどのセンサーの動きであるエゴモーションは、２次元平面上でのセンサーの動きまたは３次元空間上でのセンサーの動きを含んでよい。

エゴモーション演算部１４１１は、視覚的走行距離測定方法（ｖｉｓｕａｌ ｏｄｏｍｅｔｒｙ）を利用して地面データ収集部１３のエゴモーションを測定することができる。視覚的走行距離測定方法は、動くセンサー、一例として地面データ収集部１３により収集された一連の複数の可視光線映像または赤外線映像を利用してカメラなどのセンサーのエゴモーションを獲得する方法である。

図５〜図７は、視覚的走行距離測定方法を説明するための図である。図５〜図７では、映像の一例として可視光線映像を示すが、赤外線映像の場合にも、後述するものと同様に、動きに対するベクトルを演算することができる。

図５に示されるように、地面データ収集部１３は、特定時間ｔに周辺の被写体を撮影し、第１時点ｔでの第１映像ｉ１を獲得することができる。地面データ収集部１３は、所定の時間ΔΔｔが経過した後、第２時点ｔ＋Δｔに周辺の被写体を撮影し、図６に示されるように、第２時点ｔ＋Δｔでの第２映像ｉ２を獲得することができる。

もし地面データ収集部１３が移動中の場合なら、第１時点ｔで獲得した第１映像ｉ１に表示された被写体の位置や形態と第２時点ｔ＋Δｔで獲得した第２映像ｉ２に表示された被写体の位置や形態は、図５及び図６に示されるように異なり得る。この場合、２つの映像ｉ１、ｉ２間の差異点を利用して映像を撮影したセンサーである地面データ収集部１３の移動を推定及び測定することができる。例えば２つの映像ｉ１、ｉ２それぞれで特徴点（ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔ）などを検出し、各特徴点の差異、例えば、各特徴点のサイズ変化または位置変化などを測定することによって、各特徴点の移動ベクトルを測定することができる。その結果、図７に示されるように、複数の特徴点それぞれに相当する複数の移動ベクトルの獲得が可能になる。エゴモーション演算部１４１１は、このような複数の移動ベクトルを演算及び獲得し、地面データ収集部１３のエゴモーションを演算することができる。

図８は、エゴモーションの一実施形態を示す図である。もし地面データ収集部１３が持続的に移動する場合、エゴモーション演算部１４１１は、続いてエゴモーションを演算することができる。エゴモーション演算部１４１１は、あらかじめ定義された所定の周期ごとにエゴモーションを演算することもできる。所定の周期ごとにエゴモーションが演算されれば、図８に示されるように、複数の移動ベクトルｖ１〜ｖ６を獲得することができる。獲得された複数の移動ベクトルｖ１〜ｖ６を組み合わせて、結果的に地面データ収集部１３の移動であるエゴモーションを獲得することができる。

エゴモーションが演算される周期は、設計者または着用者によって任意的に決定されてよい。例えば、図８に示された移動ベクトルｖ１〜ｖ６は、１秒以内の周期で獲得されたものであってもよく、１分の周期で獲得されたものであってもよい。また、エゴモーションが演算される周期は、必ずいつも一定である必要はない。例えば、エゴモーション演算部１４１１は、歩行補助ロボット１の着用者の歩行速度が早い場合、相対的に短い周期でエゴモーションを演算し、着用者の歩行速度が遅い場合、相対的に長い周期でエゴモーションを演算することも可能である。

制御部１４の地面情報生成部１４１２は、地面データ収集部１３で収集した地面データを利用して地面情報を生成することができる。一実施形態によれば、地面情報生成部１４１２は、獲得した地面データを組み合わせて地面情報を生成することができる。生成される地面情報は、地面に対する地図を含むことができる。一実施形態によれば、地面に対する地図は、３次元地図を含むことができる。また、地面に対する地図は、歩行方向の前方に対する地図を含むことができ、歩行方向の側方または後方に対する地図を含むこともできる。地面情報生成部１４１２は、エゴモーション演算部１４１１で獲得したエゴモーションを利用して地面情報を生成することもできる。

図９〜図１３は、地面データを合成して地面情報、具体的に地図を獲得する過程の一実施形態を説明するための図である。

地面データ収集部１３は、前述したように、歩行補助ロボット１の一定範囲内の地面データｚ１を第１時点ｔで収集することができる。収集した一定範囲内の地面データｚ１は、図９に示されるように、３次元で示され得る。着用者が移動すれば、地面データ収集部１３は、第２時点ｔ＋Δｔで新しい範囲内の地面データｚ２を収集することができる。第２時点ｔ＋Δｔは、第１時点ｔで所定の時間Δｔが経過した後の時点を意味する。新たに収集された新しい範囲内の地面データｚ２は、図１０に示されるように３次元で示され得る。

図１１を参照すれば、第１時点ｔで収集された地面データｚ１及び第２時点ｔ＋Δｔで収集された地面データｚ２は、一定の領域ｚ１２で重畳され得る。地面情報生成部１４１２は、重畳された部分ｚ１２を利用して第１時点ｔに収集された地面データｚ１及び第２時点ｔ＋Δｔで収集された地面データｚ２を合成することができる。その結果、地面情報生成部１４１２は、図１２に示されるように、合成された地面データｚｎを獲得することができる。合成された地面データｚｎは、一定範囲内の地面に対する地図であり得る。

一実施形態によれば、第１時点ｔで収集された地面データｚ１及び第２時点ｔ＋Δｔで収集された地面データｚ２を合成するために、地面情報生成部１４１２は、反復最近接点（ＩＣＰ、ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｃｌｏｓｅｔ ｐｏｉｎｔ）アルゴリズムを利用することができる。反復最近接点アルゴリズムは、複数の点群（ｃｌｏｕｄｓ ｏｆ ｐｏｉｎｔ）間の異なることを最小化するためのアルゴリズムであって、複数の点群内の複数の点間の変換係数を獲得し、複数の点群間の関係を獲得するアルゴリズムである。

より具体的に、反復最近接点アルゴリズムによれば、まず、複数の点群のうちいずれか１つの点群内の少なくとも１つの点が選択され、他の点群中で選択された少なくとも１つの点と最も近接した少なくとも１つの点が検出される。次いで、いずれか１つの点群内で選択された点と他の点群内で検出された点との間の変換係数が推定される。この場合、変換係数は、所定の変換関数、例えば平均二乗費用関数（ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ｃｏｓｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）などを利用して推定され得る。獲得された変換係数を利用してそれぞれの点を変換し、新しい変換された点群を獲得し、さらに変換された点群内の複数の点または変換された点群と元々の点群内の複数の点に対して前述した過程を繰り返して最終的な変換係数を獲得し、複数の点群間の関係を獲得することができる。

このような反復最近接点アルゴリズムによれば、複数の点群をマッチングするためのサイズ変換、回転、移動などに関連した変換関数を演算することができる。反復最近接点アルゴリズムは、リアルタイム（ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ）で行われ得るので、迅速に地面情報を生成することができるという長所を得ることができる。

一実施形態によれば、地面情報生成部１４１２は、エゴモーション演算部１４１１で演算されたエゴモーション値を初期値として反復最近接点アルゴリズムを行うことができる。

結果的に、地面情報生成部１４１２は、複数の地面データを組み合わせて地面情報を生成することができる。一方、地面情報生成部１４１２は、図９〜図１２に示されるように、２つの時点ｔ、ｔ＋Δｔでの地面データｚ１及びｚ２を利用して地面情報を生成することもでき、図１３に示されるように、３以上の時点での地面データｚ１〜ｚ３を利用して地面情報を生成することもできる。

３以上の時点での地面データｚ１〜ｚ３を利用して地面情報を生成する場合、多様な方法によって地面情報を生成及び獲得することができる。一実施形態によれば、まず、２つの時点での地面データｚ１及びｚ２を組み合わせた後、組み合わせられた地面情報とさらに他の地面データｚ３を組み合わせて、最終的な地面情報を獲得することができる。他の一実施形態によれば、３以上の時点での地面データを同時に組み合わせて、最終的な地面情報を獲得することもできる。

前述した反復最近接点アルゴリズムは、３以上の時点での地面データを組み合わせる場合にも利用することができる。

図１４は、地面情報の一例として歩行方向前方の地面に対する地図の一例を示す図である。以下、説明の便宜のために歩行方向の前方の地面に対する地図を利用して地面情報の一例を説明するが、歩行方向の側方または後方の地面に対する地図は、地面情報の一例に利用され得る。

地面情報生成部１４１２は、前述したように、複数の地面データを組み合わせて、着用者の歩行方向の地面情報、一例として図１４に示されるような地面に対する地図Ｌを生成することができる。

生成した地面情報Ｌは、一定範囲の地面の全部または一部の高さに対する情報を含むことができる。具体的に、図１４を参照すれば、地面情報Ｌのうち明るい部分は、他の区域に比べて相対的に高い区域を意味し、暗い部分は、他の区域に比べて相対的に低い区域を意味する。言い替えれば、地面情報Ｌのうち明るい部分は、地面で突出した部分を、暗い部分は、地面で凹設された部分を意味する。

生成された地面情報は、地面形態決定部１４１３に伝達され得る。実施形態によって生成された地面情報は、地面形態決定部１４１３に伝達される前に、所定の格納空間、例えば中央処理装置のバッファーメモリ装置などに一時的に格納されてもよい。もちろん生成された地面情報が別途の記憶装置に非一時的に格納されることも可能である。

地面情報生成部１４１２は、一定の周期ごとに地面情報を生成することができる。これは、着用者が歩行をする場合、歩行の進行によって歩行方向の地面の形態などが続いて変更され得るからである。この場合、地面情報生成部１４１２は、地面データが収集される度に毎度地面情報を生成することもできる。しかし、地面情報生成部１４１２が必ず地面データが収集される度に地面情報を生成しなければならないものではない。この場合、一部の地面データは、地面情報収集に利用されずに、廃棄されてもよい。地面情報生成部１４１２が生成した地面情報は、一定周期ごとに廃棄されてもよい。

図１５は、地面情報を管理する方法の一実施形態を説明するための図である。図１５を参照すれば、制御部１４の地面情報生成部１４１２は、最初に第１地面情報Ｌ１を生成し、所定の時間が経過した後、新しい第２地面情報Ｌ２を生成することができる。また、さらに所定の時間が経過すれば、また新しい第３地面情報Ｌ３を生成することができる。さらに所定の時間が経過すれば、新しい第４地面情報Ｌ４を生成することができる。

一方、着用者は、続いて歩行しているので、生成した地面情報は、一定時間が経過すれば、これ以上は、不要になり得る。例えば、図１５に示されるように、時間の経過によって第１地面情報Ｌ１は、着用者が既に通過した地面に対する情報であることがある。したがって、第１地面情報Ｌ１は、これ以上不要な地面情報になることもある。この場合、制御部１４は、従来の地面情報である第１地面情報Ｌ１は廃棄されてよい。第１地面情報Ｌ１の廃棄は、バッファーメモリ装置などの記憶装置から削除されるもので具現され得る。

制御部１４は、生成した地面情報に基づいて歩行動作部２０〜４０を制御するための制御信号を生成し、歩行補助ロボット１を制御することができる。

一実施形態によれば、制御部１４は、生成した地面情報に基づいて歩行補助ロボット１に対する制御パターンを決定し、決定した制御パターンによって歩行補助ロボット１を制御するための制御信号を生成することができる。

具体的に、制御部１４は、図４に示されるように、地面形態決定部１４１３及び制御パターン決定部１４１４をさらに含むことができる。地面形態決定部１４１３は、生成した地面情報を利用して地面の形態を決定することができる。

図１６は、基準地面及び比較地面を説明するための図である。一実施形態によれば、地面形態決定部１４１３は、図１６に示されるように、生成された地面情報Ｌから基準地面ｐ１及び比較地面ｐ２を抽出し、抽出した基準地面ｐ１と比較地面ｐ２を利用して、一例として歩行方向の前方の地面がどんな種類の地面であるかを決定することができる。例えば、地面形態決定部１４１３は、歩行方向の前方の地面が平地地面であるか、階段地面であるかまたは上り坂地面や下り坂地面であるかを区分して決定することができる。

基準地面ｐ１は、地面情報Ｌのうち地面の比較のための基準になる領域を意味する。地面情報が歩行方向の地面に対する情報の場合、基準地面ｐ１は、歩行方向の地面のうち一部の地面であり得る。

地面形態決定部１４１３は、地面情報Ｌで所定の領域を選択した後、選択した所定の領域を基準地面ｐ１として決定することができる。一実施形態において地面形態決定部１４１３は、地面情報Ｌで任意の領域を選択し、選択した領域を基準地面ｐ１として決定することができる。他の一実施形態において、地面形態決定部１４１３は、地面情報Ｌで最も広い範囲を占有している領域を選択した後、選択した領域を基準地面ｐ１として決定することもできる。

地面形態決定部１４１３は、地面情報Ｌを方向及び高さによって分類し、分類された複数の領域のうちいずれか１つを基準地面ｐ１として決定するようにできる。したがって、基準地面ｐ１は、ただ１つの方向及び高さに対する値を具備することもできる。複数回数の地面情報Ｌ１〜Ｌ４が生成された場合、地面形態決定部１４１３は、既に利用された地面情報Ｌ１で抽出された基準地面を新たに地面形態を決定するための地面情報Ｌ２の基準地面ｐ１として選択することができる。言い替えれば、新しい地面情報Ｌ２から新たに抽出される基準地面ｐ１は、既に利用された地面情報Ｌ１から抽出された地面情報の基準地面と同一であり得る。

比較地面ｐ２は、地面情報Ｌのうち基準地面ｐ１と比較されて地面の形態を判断するための領域である。地面情報が歩行方向の地面に対する情報である場合、比較地面ｐ２は、前記歩行方向の地面のうち基準地面ｐ１と異なる一部の地面であり得る。

地面形態決定部１４１３は、基準地面ｐ１に該当しない他の区域の全部または一部を選択し、選択した区域を比較地面ｐ２として決定することができる。この場合、地面形態決定部１４１３は、基準地面ｐ１として選択されないすべての地面を比較地面ｐ２として決定することができる。

一実施形態によれば、地面形態決定部１４１３は、図１６に示されるように、１つの地面情報のうち特定の１つの区域のみを比較地面として決定することができる。他の実施形態によれば、地面形態決定部１４１３は、複数の区域を比較地面として決定することもできる。

図１７は、基準地面及び比較地面を説明するためのさらに他の図である。

地面形態決定部１４１３は、ＲＡＮＳＡＣ（ＲＡＮｄｏｍ ＳＡｍｐｌｅ Ｃｏｎｓｅｎｓｕｓ）アルゴリズムを利用して、基準地面ｐ１及び比較地面ｐ２のうち少なくとも１つを決定することができる。

ＲＡＮＳＡＣアルゴリズムは、位相を含む複数のデータ集団から数学的モデルを反復処理を通じて導出するためのアルゴリズムである。ここで、導出される数学的モデルは、一次元方程式であってもよく、二次元方程式であってもよく、さらに高い高次元方程式であってもよい。もちろん指数方程式やログ方程式であってもよい。

一実施形態によれば、地面形態決定部１４１３は、ＲＡＮＳＡＣアルゴリズムを利用して生成された地面情報に含まれる複数のデータ集団から複数の方程式を獲得することができる。ＲＡＮＳＡＣアルゴリズムによって獲得される複数の方程式は、互いに異なる高さまたは方向を具備した複数の区域を意味することができる。地面形態決定部１４１３は、獲得した複数の方程式によって表現される複数の互いに異なる区域のうちいすれか１つの区域を基準地面ｐ１として決定し、他の区域を比較地面ｐ２として決定することができる。この場合、基準地面ｐ１を表現する所定の方程式は、下記の数式（１）のように表現され得る。

数式（１）で、ａ、ｂ及びｃは、基準地面ｐ１の方向を示す。数式（１）で、ｄは、基準地面ｐ１の位置、一例として高さによって決定され得る値である。前述した数式（１）の係数は、図１７の基準地面ｐ１に示されるように、ベクトル形式で表現され得る。この場合、数式（１）は、下記の数式（２）のようにさらに使用され得る。

また、比較地面ｐ２を表現する所定の方程式は、下記の数式（３）のように表現され得る。

数式（３）で、ａ_１、ｂ_１及びｃ_１は、比較地面ｐ２の方向を示し、ｄ_１は、比較地面ｐ２の位置、一例として高さによって決定され得る値である。前述したものと同様に、数式（３）の係数は、図１７の比較地面ｐ２に示されるようにベクトル形式で表現され得る。この場合、数式（３）は、下記の数式（４）のようにさらに使用され得る。

他の実施形態によれば、地面形態決定部１４１３は、まず、基準地面ｐ１と比較地面ｐ２を決定し、ＲＡＮＳＡＣアルゴリズムを利用して生成された地面情報のうち基準地面ｐ１に含まれる複数のデータ集団のうち基準地面ｐ１を表現するための所定の方程式を獲得し、同一の方法で生成された地面情報のうち比較地面ｐ２に含まれる複数のデータ集団のうち比較地面ｐ２を表現するための所定の方程式を獲得することができる。基準地面ｐ１を表現するための所定の方程式及び比較地面ｐ２を表現するための所定の方程式は、前述した数式（１）及び数式（３）で使用され得る。もちろん基準地面ｐ１を表現するための所定の方程式及び比較地面ｐ２を表現するための所定の方程式は、数式（２）及び数式（４）で使用され得る。

地面形態決定部１４１３は、このように決定された基準地面ｐ１及び比較地面ｐ２を利用して地面形態を決定することができる。地面形態決定部１４１３は、地面形態の決定のために別途の地面データベース１４２０を参照することもできる。具体的に、地面形態決定部１４１３は、基準地面ｐ１及び比較地面ｐ２に対する情報を獲得した後、地面データベース１４２０で獲得した情報に対応する部分があるか否かを検索し、地面形態を決定することができる。

図１８は、基準地面及び比較地面によって決定される地面の一例を説明するための図である。前述したように、基準地面ｐ１及び比較地面ｐ２が決定されれば、地面形態決定部１４１３は、基準地面ｐ１と比較地面ｐ２のサイズを比較し、比較結果によって地面形態を決定することができる。もし比較地面ｐ２の広さが基準地面ｐ１の広さよりあらかじめ定められた値または比率より小さいかを判断し、比較地面ｐ２の広さが基準地面ｐ１の広さよりあらかじめ定められた値または比率より小さい場合、地面形態決定部１４１３は、比較地面ｐ２を障害物、一例として凹凸として判断することができる。この場合、あらかじめ定められた値または比率は、別途の地面データベース１４２０に格納されていてもよい。

または、地面形態決定部１４１３は、比較地面ｐ２の絶対的広さを演算し、演算された絶対的広さがあらかじめ定められた値より小さいか否かを判断した後、比較地面ｐ２の絶対的広さがあらかじめ定められた値より小さい場合、比較地面ｐ２を障害物、一例として凹凸として判断することができる。地面形態決定部１４１３は、比較地面ｐ２が障害物、例えば凹凸として判断される場合、比較地面ｐ２の位置やサイズなどに対する情報を地面情報などから抽出し、抽出した比較地面ｐ２の位置やサイズなどに対する情報を歩行補助ロボット１を制御するのに反映することができる。

一実施形態によれば、地面形態決定部１４１３は、獲得した基準地面ｐ１に対する方程式またはベクトル値と比較地面ｐ２に対する方程式またはベクトル値を利用して地面形態を決定することができる。

図１９は、基準地面及び比較地面によって決定される地面の他の例を説明するための図である。図１９に示されるように、１つの基準地面ｐ１と複数の比較地面ｐ２〜ｐ４が決定された場合、地面形態決定部１４１３は、各地面の方向及び高さを比較することができる。もし図１９に示されるように、基準地面ｐ１と複数の比較地面ｐ２〜ｐ４の方向ａ、ｂ、ｃがすべて同一であり、且つただ地面の位置によって決定され得る値ｄだけが異なっている場合、地面形態決定部１４１３は、地面の形態を階段に決定することができる。

図１９を参照すれば、基準地面ｐ１と複数の比較地面ｐ２〜ｐ４の方向が同一であれば、基準地面ｐ１と複数の比較地面ｐ２〜ｐ４は、互いに平行であることを意味する。しかし、地面の位置によって決定され得る値ｄが互いに異なっているので、基準地面ｐ１と複数の比較地面ｐ２〜ｐ４間の位置、すなわち高さは、互いに異なっていてよい。したがって、地面情報は、互いに平行であり、且つ高さが異なる複数の地面を含んでいることが分かり、これに対応する地面の形態は、階段地形であるから、地面形態決定部１４１３は、地面の形態を階段に決定することができる。

図１９では、上り坂階段である場合のみが示されているが、地面形態決定部１４１３は、下り坂階段である場合にも同一に地面の形態を階段に決定することができる。この場合、地面の位置によって決定され得る値ｄは、上り坂階段である場合と異なっているように与えられる。したがって、地面形態決定部１４１３は、地面の位置によって決定され得る値ｄによって歩行方向の階段が上り坂階段であるか、または下り坂階段であるかを決定することができる。

図２０は、基準地面及び比較地面によって決定される地面のさらに他の例を説明するための図である。図２０に示されるように、１つの基準地面ｐ１と複数の比較地面ｐ２及びｐ３が決定された場合、前述したものと同様に、地面形態決定部１４１３は、各地面の方向及び高さを比較することができる。もし図２０に示されるように、いずれか１つの比較地面ｐ２の方向ａ２、ｂ２、ｃ２が基準地面ｐ１の方向ａ１、ｂ１、ｃ１と異なっている場合、地面形態決定部１４１３は、地面の形態を上り坂傾斜または下り坂傾斜に決定することができる。

図２０を参照すれば、基準地面ｐ１といずれか１つの比較地面ｐ２の方向が異なる場合、基準地面ｐ１と他のいずれか１つの比較地面ｐ２は、互いに平行しないことを意味することができる。したがって、基準地面ｐ１と他のいずれか１つの比較地面ｐ２との間の角度は、０ではない他の値を有することができる。このように基準地面ｐ１といずれか１つの比較地面ｐ２ととの間の角度が０ではない場合、両地面の傾斜は、互いに異なるものなので、地面形態決定部１４１３は、地面の形態を上り坂傾斜または下り坂傾斜に決定することができる。もし基準地面ｐ１が平地である場合、比較地面ｐ２は、上り坂傾斜または下り坂傾斜に決定されることができる。もし基準地面ｐ１が平地ではない上り坂傾斜または下り坂傾斜である場合、比較地面ｐ２は、平地に決定されることもでき、上り坂傾斜または下り坂傾斜に決定され得る。基準地面ｐ１が上り坂傾斜または下り坂傾斜である場合、比較地面がどんな種類の地面であるか否かは、基準地面ｐ１と比較地面ｐ２との間の角度によって決定され得る。基準地面ｐ１と比較地面ｐ２との間の角度は、複数ベクトルの角度を求める多様な公式を利用して演算され得る。

この場合、上り坂傾斜であるかまたは下り坂傾斜である否かは、傾斜地面に該当する比較地面ｐ２のｄ値に基づいて判断することができる。または、いずれか１つの比較地面ｐ２が上り坂傾斜であるかまたは下り坂傾斜であるか否かは、基準地面ｐ１と他の比較地面ｐ３の位置、言い替えれば、比較地面ｐ３の高さによって決定されてもよい。もし他の比較地面ｐ３の位置が基準地面ｐ１の位置よりさらに高い所に存在すれば、いずれか１つの比較地面ｐ２は、上り坂傾斜と判断することができる。逆に、他の比較地面ｐ３の位置が基準地面ｐ１の位置よりさらに低い所に存在すれば、いずれか１つの比較地面ｐ２は、下り坂傾斜と判断することができる。

一方、図２０に示されるように、さらに他の比較地面ｐ３の方向ａ１、ｂ１、ｃ１が基準地面ｐ１の方向ａ１、ｂ１、ｃ１と同一であり、ただｄ値だけが異なっている場合、基準地面ｐ１とさらに他の比較地面ｐ３は、互いに平行であり、且つ高さだけが異なる場合なので、地面形態決定部１４１３は、さらに他の比較地面ｐ３で上り坂傾斜または下り坂傾斜が終わると判断することができる。

以上、図１８〜図２０を通じて説明した地面形態を決定する方法の一例は、地面データベース１４２０に格納されていてもよい。

地面形態決定部１４１３が地面形態を決定すれば、決定された地面形態は、制御部１４の制御パターン決定部１４１４に伝達され得る。

制御部１４の制御パターン決定部１４１４は、地面形態決定部１４１３に決定した地面形態によって歩行補助ロボット１の制御パターンを決定することができる。例えば、図１８に示されるように、地面に障害物が存在する場合なら、制御パターン決定部１４１４は、地面に存在する障害物を回避することができるように歩行補助ロボット１の制御パターンを決定することができる。もし図１９に示されるように地面の形態が階段である場合、制御パターン決定部１４１４は、着用者が階段を上がるかまたは下がることを補助することができるように歩行補助ロボット１の制御パターンを決定することができる。もし図２０に示されるように地面の形態が上り坂傾斜または下り坂傾斜である場合、制御パターン決定部１４１４は、着用者の上り坂傾斜または下り坂傾斜の歩行を補助することができるように歩行補助ロボット１の制御パターンを決定することができる。

一実施形態によれば、制御パターン決定部１４１４は、歩行環境に相当する制御パターンに構築された制御パターンデータベース１４２１を閲覧し、地面形態に相当する制御パターンを制御パターンデータベース１４２１で検出し、歩行補助ロボット１の制御パターンを決定することもできる。

制御パターンデータベース１４２１は、着用者が歩行する歩行環境である地面の形態によって着用者を補助するための多様な制御パターンが格納されていてもよい。下記の表１は、制御パターンデータベース１４２１に格納されることができる多様なパターンの一例を示すものである。

制御部１４は、制御信号生成部１４１５を含むことができる。制御パターン決定部１４１４が歩行補助ロボット１に対する制御パターンを決定すれば、制御信号生成部１４１５は、決定された制御パターンによって所定の制御信号を生成し、生成した制御信号を第１駆動部２１ａ、２１ｂ及び第２駆動部３１ａ、３１ｂのうち少なくとも１つに伝達することができる。制御信号生成部１４１５で伝達される制御信号によって歩行補助ロボット１の歩行動作部２０〜４０は、着用者の歩行を支持できるように駆動することができる。以下、制御信号によって歩行補助ロボット１が駆動する一例について説明する。以下説明する歩行補助ロボット１の一例は、単純に例示に過ぎず、設計者または着用者の任意的選択によって多様な駆動例が存在し得る。

表１に示されるように、歩行補助ロボット１は平地である場合、一般的な歩行サイクルにしたがって歩行を補助することができるように制御されることができる。

もし障害物が地面に存在する場合、障害物が存在する位置に歩行する足に着用された第１駆動部２１ａ、２１ｂは、平常時の歩行よりさらに大きい回転力を発生させるように制御され得る。その結果、着用者は、容易に大腿部を平常時の歩行よりさらに高く持ち上げて障害物を回避することができる。

もし着用者が歩行中であるか、または、歩行する地面が上り坂傾斜である場合、第１駆動部２１ａ、２１ｂは、傾斜度によって平常時の歩行よりさらに大きい回転力で所定の方向に回転し、使用者が容易に大腿部を持ち上げるようにする。次いで、第１駆動部２１ａ、２１ｂは、所定の方向の反対方向に平常時の歩行よりさらに短く回転しながら、大腿部を持ち上げる前に触れた地面よりさらに高い位置の地面に足が触れるようにすることができる。

もし着用者が階段を上がるか、または、上がる直前の場合、第１駆動部２１ａ、２１ｂは、平常時の歩行よりさらに大きい回転力で所定の方向に回転し、使用者が容易に大腿部を持ち上げる。次いで、第１駆動部２１ａ、２１ｂは、平常時の歩行より反対方向にさらに短く回転し、且つ第２駆動部３１ａ、３１ｂは、階段の上面に着用者の足が保持することができるように一定の角度で回転し、使用者が容易に階段を上がるように補助することができる。

一方、歩行補助ロボット１の本体部１０は、必要に応じて前述した地面データ収集部１３及び制御部１４に電力を供給するためのバッテリー１５をさらに含むことができる。バッテリー１５は、実施形態によって１次電池であってもよく、２次電池であってもよい。実施形態によって、本体部１０は、バッテリー１５の代わりに、別途の発電機をさらに含むこともできる。

以下、図２１を参照して歩行補助ロボットの他の一実施形態について説明する。図２１は、歩行補助ロボットの他の一実施形態に対する構成図である。

図２１に示されるように、歩行補助ロボット１は、通信モジュール１６をさらに含むことができる。通信モジュール１６は、有線または無線通信ネットワークを利用して所定のデータを外部の装置に送信するか、または、外部の装置から所定のデータを受信することができる。通信モジュール１６は、外部の装置から地面情報を受信することができる。

一実施形態によれば、設計者や着用者が所定の位置に対する地面情報を事前に獲得し、データベースの形態で構築した後、サーバー装置などに設けられた場合、歩行補助ロボット１の通信モジュール１６は、地面情報で構築されたデータベースが設けられたサーバー装置などから地面情報を受信することができる。さらに他の一実施形態によれば、特定区域を移動する着用者の歩行補助ロボット１の通信モジュール１６が、特定区域をあらかじめ移動した他の着用者の歩行補助ロボット１で生成された地面情報を受信することもできる。この場合、他の着用者の歩行補助ロボット１の通信モジュール１６は、生成された地面情報を着用者の歩行補助ロボット１の通信モジュール１６に伝送することもできる。

着用者があらかじめ地面に対する地面情報が獲得された場所に位置すれば、通信モジュール１６は、着用者が地面情報が獲得された場所に相当する地面情報を受信し、受信した地面情報を地面形態決定部１４１３に伝達することができる。この場合、衛星航法装置（ＧＰＳ、ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）のような各種位置確認装置（ｌｏｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）を利用すれば、着用者があらかじめ地面に対する地面情報が獲得された場所に位置するか否かを確認することができる。

以上、地面情報、一例として歩行方向の地図が地面データ収集部１３ａ、１３ｂによって収集された地面データに基づいて生成されるか、または通信モジュール１６を通じて受信する一実施形態について説明したが、地面情報は、他の実施形態によれば、歩行補助ロボット１の所定の記憶装置にあらかじめ格納されていてもよい。この場合、地面情報は、着用者が所定の区域を歩行する前にあらかじめ生成及び獲得されたものであってもよい。

以下、図２２〜図２４を参照して歩行補助ロボットを制御する方法の一実施形態について説明する。図２２は、歩行補助ロボット制御方法の一実施形態に対する流れ図である。図２２に示されるように、歩行補助ロボット１の制御方法は、まず、地面情報を獲得する段階（ｓ１００）と、獲得した地面情報に基づいて歩行補助ロボット１に対する制御パターンを決定する段階（ｓ２００）と、決定した制御パターンによって歩行補助ロボット１を制御する段階（ｓ３００）とを含むことができる。

地面情報を獲得する段階（ｓ１００）は、前述した地面データ収集部１３及び制御部１４によって行われ得る。他の実施形態によれば、地面情報を獲得する段階（ｓ１００）は、前述した通信モジュール１６及び制御部１４によって行われ得る。

図２３は、地面情報を獲得する段階の一実施形態を説明するための流れ図である。図２３に示されるように、地面情報を獲得する段階（ｓ１００）は、まず、複数の地面データを獲得する段階（ｓ１１０）と、地面データ収集部１３のエゴモーションを演算する段階（ｓ１２０）と、複数の地面データを組み合わせて（ｓ１３０）、地面情報を獲得する段階（ｓ１４０を含むことができる。

複数の地面データの獲得は、図１〜図４に示された地面データ収集部１３によって行われ得る。複数の地面データは、地面データ収集部１３が収集した可視光線または赤外線を電気的信号に変換して獲得されたものであってもよい。複数の地面データは、歩行方向の前方、後方及び側方のうち地面に対する地面データを含んでよい。

歩行方向の地面に対する複数の地面データが獲得されれば、図５〜図８に示されるように、獲得された地面データを利用して地面データ収集部１３のエゴモーション値が演算され得る（ｓ１２０）。エゴモーションの演算段階は、複数の地面データ合成段階（ｓ１３０）の前に行われることもでき、複数の地面データ合成段階(ｓ１３０)の後にも行われ得る。

複数の地面データが獲得されれば、図９〜図１３に示されるように、複数の地面データが合成され（ｓ１３０）、地面情報が獲得され得る（ｓ１４０）。ここで、地面情報は、図１４に示されるように地図であってよい。地面情報は、一定の周期で獲得されることができ、これ以上使用されない地面情報は除去され得る。

前述したエゴモーション演算段階（ｓ１２０）、地面データ組合段階（ｓ１３０）及び地面情報を獲得段階（ｓ１４０）は、中央処理装置やグラフィック処理装置などを含む制御部１４によって行われることができる。

以上説明したように、地面情報が獲得されれば、図２２に示されるように、獲得した地面情報に基づいて歩行補助ロボット１に対する制御パターンを決定し（ｓ２００）、決定した制御パターンによって歩行補助ロボット１が制御され得る。制御パターンの決定（ｓ２００）及び歩行補助ロボット１の制御は、前述した制御部１４で行われ得る。

図２４は、歩行補助ロボットを制御する方法の一実施形態に対する流れ図である。図２４に示されるように、前述のように、地面情報、一例として図１５に示されたような地図が獲得された後、地図で基準地面が抽出され得る（ｓ２１０）。基準地面の抽出と同時にまたは基準地面が抽出された後に、地図で比較地面が抽出され得る（ｓ２２０）。

基準地面は、地図から任意に選択された所定の領域であってよい。また、基準地面は、地図から最も広い範囲を占有している領域であってもよい。比較地面は、地図で基準地面に該当しない他の区域であり得る。比較地面は、地図からただ１つだけ抽出されることもでき、複数個が抽出され得る。

基準地面及び比較地面が抽出されれば、基準地面及び比較地面のうち少なくとも１つを利用して制御パターンを決定することができる。

まず、比較地面の面積の広さとあらかじめ定義された値を比較し（ｓ２３０）、比較地面の面積があらかじめ定義された値より小さい場合、比較地面を障害物、一例として凹凸地面に決定することができる（ｓ２３１）。そして、比較地面の位置及びサイズなどを獲得し、障害物、一例として凹凸の位置及び凹凸と関連した情報を抽出することができる（ｓ２３２）。次いで、抽出された比較地面の位置及びサイズなどによって障害物を回避するための新しい制御パターンが決定され得る（ｓ２７０）。新しい制御パターンが決定される場合、新しい制御パターンによって歩行補助ロボット１が制御され得る。

まず、比較地面の面積の広さとあらかじめ定義された値を比較し、比較地面の面積があらかじめ定義された値より大きい場合、基準地面の方向と比較地面の方向を互いに比較し、基準地面及び比較地面の方向が平行であるかを決定することができる（ｓ２４０）。基準地面の方向と比較地面の方向の比較のために、前述したＲＡＮＳＡＣアルゴリズムによって獲得された基準地面及び比較地面の方程式の係数が利用され得る。

もし基準地面の方向と比較地面の方向が互いに異なっていて、基準地面が平地である場合、比較地面傾斜地面に決定され得る（ｓ２４１）。もし基準地面の方向と比較地面の方向が互いに異なっていて、基準地面が傾斜地面である場合、比較地面は、傾斜地面または平地地面に決定され得る。傾斜地面は、上り坂地面であってもよく、下り坂地面であってもよい。次いで、抽出された比較地面の傾斜度などによって傾斜地面で歩行するための新しい制御パターンが決定され得る（ｓ２７０）。新しい制御パターンが決定される場合、新しい制御パターンによって歩行補助ロボット１が制御され得る。

もし基準地面の方向と比較地面の方向が互いに同一である場合、基準地面及び比較地面の高さが同一であるか否かを判断することができる（ｓ２５０）。もし基準地面の方向と比較地面の方向が互いに同一であるが、基準地面及び比較地面の高さが互いに異なる場合、比較値面は、階段地面に決定され得る（ｓ２５１）。もし基準地面の位置が比較地面の位置より高い場合、比較地面は、下り坂階段地面に決定され得る。逆に、基準地面の位置が比較地面の位置より低い場合、比較地面は、上り坂階段地面に決定され得る。そして、階段それぞれの広さや階段の間の高さなどによって階段地面で歩行するための新しい制御パターンが決定され得る（ｓ２７０）。新しい制御パターンが決定される場合、新しい制御パターンによって歩行補助ロボット１が制御され得る。

もし基準地面の方向と比較地面の方向が互いに同一であり、基準地面の位置と比較地面の高さが同一である場合、地面は、変化がない同一地形に決定され得る（ｓ２６０）。地面は、変化がない同一地形であるから、別に新しい制御パターンを獲得する必要がない。したがって、既存の制御パターンによって歩行補助ロボット１を制御することができる（ｓ２６１）。

このような制御過程ｓ２１０〜ｓ２７１は、歩行補助ロボット１が停止するまで続いて繰り返され得る（ｓ２８０）。

１０ 本体部
１１ 腰支持部
１２ 固定手段
２０ 歩行動作部
２１ 第１駆動部
２２ 第１支持部
２３ 第１固定手段
３０ 第２構造部
３１ 第２駆動部
３２ 第２支持部
３３ 第２固定手段
４０ 第３構造部
４１ 第３固定手段
４２ 足保持部
４３ 第４固定手段

Claims (20)

1. 地面情報を獲得する地面情報獲得段階と；
   前記獲得した地面情報を分析し、歩行補助ロボットに対する制御パターンを決定する制御パターン決定段階と；
   前記決定した制御パターンに基づいて前記歩行補助ロボットを制御する歩行補助ロボット制御段階と；を含む
   ことを特徴とする歩行補助ロボットの制御方法。
2. 前記地面情報は、前記歩行補助ロボットの歩行方向の前方、後方及び側方のうち少なくとも１つの方向に位置する地面に対する情報を含む
   請求項１に記載の歩行補助ロボットの制御方法。
3. 前記地面情報獲得段階は、地面データ収集装置が複数の地面データを獲得する地面データ獲得段階と；前記獲得した地面データに基づいて前記地面情報を生成する地面情報生成段階と；を含む
   請求項１または２に記載の歩行補助ロボットの制御方法。
4. 前記地面情報は、地面に対する地図である
   請求項１乃至３いずれか一項に記載の歩行補助ロボットの制御方法。
5. 前記地面情報獲得段階は、前記地面データ収集装置のエゴ−モーション（ｅｇｏ−ｍｏｔｉｏｎ）を演算する段階；をさらに含む
   請求項３に記載の歩行補助ロボットの制御方法。
6. 前記地面情報生成段階は、前記獲得された複数の地面データを組み合わせて地図を生成する段階；を含む
   請求項３に記載の歩行補助ロボットの制御方法。
7. 前記制御パターン決定段階は、前記獲得した地面情報を分析し、複数の地面形態のうち少なくとも１つの地面形態を決定する地面形態決定段階と；前記決定された地面形態によって前記歩行補助ロボットに対する制御パターンを決定する制御パターン決定段階と；を含む
   請求項１乃至６いずれか一項に記載の歩行補助ロボットの制御方法。
8. 前記複数の地面形態は、平地地面、上り坂傾斜地面、下り坂傾斜地面、上り坂階段地面、下り坂階段地面及び障害物地面のうち少なくとも１つを含む
   請求項７に記載の歩行補助ロボットの制御方法。
9. 前記地面情報は、基準地面及び少なくとも１つの比較地面に対する情報を含む
   請求項７に記載の歩行補助ロボットの制御方法。
10. 前記地面形態決定段階は、前記基準地面及び少なくとも１つの前記比較地面を決定し、前記決定された基準地面及び前記比較地面のうち少なくとも１つを利用して前記複数の地面形態のうち少なくとも１つの地面形態を決定する段階；を含み、
    前記地面形態決定段階は、
    前記少なくとも１つの比較地面のサイズがあらかじめ定義された値より小さい場合、前記少なくとも１つの比較地面の地面を凹凸地形に決定する段階；
    前記基準地面の方向及び前記比較地面の方向が互いに平行であり、地面の高さが異なっている場合、階段地形に決定する段階；または、
    前記地面形態決定段階は、
    前記基準地面の方向及び前記比較地面の方向が互いに異なっている場合、傾斜地形に決定する段階；を含む
    請求項９に記載の歩行補助ロボットの制御方法。
11. 地面に対する複数の地面データを収集する地面データ収集部と；
    前記複数の地面データに基づいて地面に対する情報である地面情報を生成し、前記生成した地面情報を分析し、歩行補助ロボットに対する制御パターンを決定する制御部と；を含む
    ことを特徴とする歩行補助ロボット。
12. 前記地面データ収集部は、前記歩行補助ロボットの歩行方向の前方、後方及び側方のうち少なくとも１つの方向に位置する地面に対する複数の地面データを収集する
    請求項１１に記載の歩行補助ロボット。
13. 前記地面情報は、地面に対する地図である
    請求項１１または１２に記載の歩行補助ロボット。
14. 前記制御部は、前記地面データ収集部のエゴ−モーションを演算する
    請求項１１または１２に記載の歩行補助ロボット。
15. 前記制御部は、前記収集した複数の地面データを組み合わせて地図を生成する
    請求項１１または１２に記載の歩行補助ロボット。
16. 前記制御部は、前記生成した地面情報を分析し、複数の地面形態のうち少なくとも１つの地面形態を決定し、前記決定された地面形態によって前記歩行補助ロボットに対する制御パターンを決定する
    請求項１１乃至１５いずれか一項に記載の歩行補助ロボット。
17. 前記複数の地面形態は、平地地面、上り坂傾斜地面、下り坂傾斜地面、上り坂階段地面、下り坂階段地面及び障害物地面のうち少なくとも１つを含む
    請求項１６に記載の歩行補助ロボット。
18. 前記地面情報は、基準地面及び少なくとも１つの比較地面に対する情報を含むことを特徴とする請求項16に記載の歩行補助ロボット。
19. 前記制御部は、前記基準地面及び少なくとも１つの前記比較地面を決定し、前記決定された基準地面及び前記比較地面のうち少なくとも１つを利用して前記複数の地面形態のうち少なくとも１つの地面形態を決定し、
    前記制御部は、
    前記少なくとも１つの比較地面のサイズがあらかじめ定義された値より小さい場合、前記少なくとも１つの比較地面の地面を凹凸地形に決定し、
    前記基準地面の方向及び前記比較地面の方向が互いに平行であり、地面の高さが異なっている場合、階段地形に決定し、または、
    前記基準地面の方向及び前記比較地面の方向が互いに異なっている場合、傾斜地形に決定する
    請求項１６乃至１８いずれか一項に記載の歩行補助ロボット。
20. 地面情報を受信する地面情報受信部と；
    前記受信した地面情報を分析し、歩行補助ロボットに対する制御パターンを決定し、前記決定した制御パターンに基づいて歩行補助ロボットを制御する制御部と；
    を含む歩行補助ロボット。

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