JP2023513687A - 外骨格の軌道を生成する方法、及び外骨格を運動させる方法 - Google Patents

Abstract

【要約】本発明は、それぞれが足を有する２つの脚部を含む外骨格（１）の軌道を生成する方法に関し、この方法は、サーバ（１０ａ）のデータ処理手段（１１ａ）により以下のステップ、即ち、（ａ）外骨格（１）の所与の歩行を定義する歩行パラメータの、少なくとも１つのｎ個組を取得するステップと、（ｂ）歩行パラメータのｎ個組に対して、外骨格（１）の少なくとも１つの周期的な基本軌道を生成するステップであり、その結果、周期的な基本軌道は、第１軌道部分と第２軌道部分とをシーケンスで含み、第１軌道部分のうちで各足は純粋な回転を行い、第２軌道部分のうちで１つの足のみが平行移動を行うステップとを実行することを備えている。

Description

本発明は、外骨格型のロボットの分野に関する。

さらに正確には、外骨格の軌道を生成する方法、及び外骨格を運動させる方法に関する。

近年、対麻痺の人などの運動障害のある人のために、外骨格と呼ばれる歩行補助装置が出現している。外骨格の動きを自分の動きに結びつける締結具のシステムを介して、オペレータ（人間のユーザ）が「身に着ける」外部ロボット装置となっている。歩行運動を再現するために、下肢の外骨格は、一般的には少なくとも膝と股関節とにいくつかの関節を有する。アクチュエータは、これらの関節を動かすことを可能にし、オペレータを移動させる。インターフェースシステムは、外骨格に命令を与えることをオペレータに可能にする。命令システムは、これらの命令をアクチュエータに対する命令に変換する。さらにセンサは、装置を補完する。

これらの外骨格は、オペレータが立ち上がって歩くことを可能にするため、車椅子に対しては進歩となるものである。外骨格はもはや車輪によって制限されず、理論的にはほとんどの非平坦環境で動きまわることができる。しかし、車輪は、脚部と異なり、高さが過大である段差、階段、障害物などのような相当な障害物を横切ることができない。

しかし、これらの外骨格のいずれも、擬人的かつ無補助で、人間の自律歩行、即ち、さまざまな地形上で安定して実行可能な歩行を行うことはない。

ほとんどの場合に、これらの制限は、装置がバランス又は歩行自体の方向を管理することが不可能であることによって現実化される。これらの２つの仕事は、通常、オペレータに移され、オペレータは、例えば、Ｒｅｗａｌｋの特許ＵＳ７１５３２４２、又はＥｋｓｏ－Ｂｉｏｎｉｃｓの出願ＵＳ２０１６０３８３７１で提案されているように、松葉杖を介してそれらを実行する。

Ｒｅｘ－Ｂｉｏｎｉｃｓの特許ＥＰ２２３１０９６には、自らの安定性を保証することができない人のために外部からの援助なしで使用できる、唯一の外骨格が記載されている。段落０１２２に記載されている制御原理は、支持多角形の一部（地面との接地点の凸包絡線）から支持多角形の別の部分に圧力中心（システム上の地面から加えられた反力のモーメントがゼロとなる物理的点）を移動させる必要性を明確に説明している。

この制限は、足が地面と常に平坦に接触している短いステップ（３０ｃｍ未満、正常な歩幅は５０ないし８０ｃｍ）で、極めて遅い歩行（数ｍ／分、正常な歩行は３３ｍ／分で２ｋｍ／時を超える）を強いる。従って、不均一な地形は事実上排除されるため、アクセス可能な環境のタイプは限定的である。同様に、小さな物体である石のような最もわずかな障害物は、ある瞬間にその足をその上に置くと、システムのバランスを崩し、最終的にはシステムが転倒するリスクを生じる。

反対に、図１に示すように、足が、地面上で平坦であり、空気中で平坦であり、又は地面上でロールするプロセスにある、一連の位相によって、「自然な」人間の歩行は特徴付けられる。足をロールする能力は歩行に不可欠である。これは、足がより大きな歩幅をとることが可能になり、さまざまな地形での安定を可能にするからである。

しかしながら、上述のいわゆる第１世代の外骨格は、作動足を備えず、また、支持足を地面上に保持していない。

このロールを実行することは、実際には、二足歩行のヒューマノイドロボット又はロボット装置にとって複雑である。出願ＷＯ２０１５１４０３５３で提案されているような中断のある足の構造が提供されたとしても、圧力中心が支持多角形の限界に達すると、システムはこの点を中心にロールし始め、従って、もはや静的平衡状態ではない。

歩行の場合に、足のロールは支持足の地面との接触を部分的に失い、いくつかの結果をもたらす。

・支持多角形（平衡状態面）は、潜在的にある点まで低減され、支持多角形内の圧力中心を維持することを不可能ではないにしても困難にする；
・システムは、作動不足状態、即ち、もはや、その自由度全体にわたって作用することはできない。そうなれば、全ての動きはもはや不可能になる。

このような状況では、以下の文献に記載されているような、すり足歩行（平坦な足の歩行）の従来の形式は、もはや有効に働くものではない。
Kajita S., K. F. (2003). Biped Walking pattern generation by using preview control of Zero-Moment Point. ICRA (pp. 1620-1626)、又は、
Rex-Bionics EP2231096に記載されている原理。

自然な考え方として、として、揺動脚部を前に行かせ、地面での第２足を支持多角形にもどしてバランスさせるということがある。この間、システムは支持足の周りを自由に回転し、いくらか「転倒」する過程にある。これは、体が一連の不安定な姿勢を経過するため、動歩行と称されるが、一時的に（もし「止まる」ならば、人は歩行の途中で転倒することになる）そうなるだけである。

この動歩行アプローチでは、揺動する足を速やかに動かして、バランスを再び確立する姿勢に少なくとも短時間ですることは、複雑である。実際、この足が予め計算された時間内に設定された軌道をたどるように作られているならば、わずかな外乱を受けた場合に作動不良のシステムの制御不能な挙動のために、この足は、早すぎる又は遅すぎるときに地面を蹴るリスクがある（計画した軌道からわずかに逸脱した軌道を修正することは不可能である）。これは、オペレータに不快感を与え、バランスを崩し、単純な地形での場合を含めて転倒させる可能性さえある。

このため、全ての第１世代の外骨格（及び多くのヒューマノイドロボット）は、支持足を平坦に保つことによってこの種の状況を避けようとする。その結果、歩行速度、ステップの長さ（歩幅）、地形の許容されるタイプ、歩行の一般的安定性に対する前述の制限が生じる。

その結果、外骨格に対する新しい歩行パラダイムが出願ＷＯ２０１８１３０７８４で提案され、「仮想制約」と「ハイブリッドゼロダイナミクス」（ＨＺＤ）の原理を組み合わせて、速くて自然な歩行を可能にし、困難で予想不能な地形でも転倒や不均衡のリスクを伴わない。

従来は、軌道、即ち各自由度の変化は、時間の関数として表される。システムの「ダイナミクス（動力学）」は以下の関数、

及び、以下の出発点によって定義される。

関数ｆは以下のように書き表される。

ここで、χは外骨格１の状態空間であり、Ｕは制御空間であり、ｔは時間を表す。

その逆であるが、ＨＺＤは非作動自由度のダイナミクスである。このダイナミクスは、コマンドが動作できない／動作を望まない度合いに対応するので「ゼロ」と呼ばれ、つまり、コマンドは０である。また、足の地面への衝撃は、連続する位相に交差する不連続な瞬間の位相を生じさせるので「ハイブリッド」と呼ばれる。

いわゆる「仮想制約」法では、その原理は、変更パラメータによって構成される作動自由度の選択のために、時間ではなく変更パラメータによって構成される軌道を定義することであり、これは、構成に直接従う。このパラメータは位相変数と呼ばれる。このような位相変数の一例は、踵／股関節軸と垂直方向との間の角度であり、この角度は、上述の非作動自由度を構成する。

位相変数は、ステップの「進行」を定義することを可能にする。一層正確には、各ステップにおいて、位相変数は、それが再度初期値に割り当てられる前に、初期値から最終値に連続的に切り替わる。これが次のステップの開始点である。問題を容易にするために、位相パラメータの値を０と１との間で正規化してよい。

変更パラメータの各値は、システムがそれに従うことを強制しなければならない作動自由度の値に対応する。即ち、仮想制約と呼ばれるのは、これらの関係（作動自由度のそれぞれについて１つあり、このように制御される）である。

もし、システムが、それに基づいて行動することが可能であるか望まれる自由度でこの軌道に正確に従うならば、言い換えれば、仮想的な制約が、この自由度で従われるならば、システムの変化は、ＨＺＤであるそれら自身のダイナミクスに従う、非作動自由度の変化によって、完全に決定される。

従って、仮想制約の良い選択は、引きつける周期的「軌道」、即ち、システムが自然に引きつけられる安定な軌道を、このダイナミクスが含むようにすることができる。

この方法ＨＺＤは大きな満足を与えるが、困難なことは軌道の生成にある（これはさらに「すり足」法の場合にも当てはまる）。実際に、取得された軌道は、足を「ほとんどロールさせない」こと、即ち、ロールが示されている上述の図１に示された自然の人間の歩行とは反対に、足が実質的に水平なままである（踵及び足指が地面からほとんど離陸しない）ことが観察される。

しかし、理論的には軌道を生成するためのアルゴリズムは、自然の人の歩行と同じくらい顕著であるロール位相を完全に可能にするが、しかし、それらは、一般に、制約下の非凸非線形問題を最適化する方法に基づくので、それらは、一層「擬人的」な軌道の悪影響に対して一層安定であると考えられる「最適」軌道を好む。しかし、一層「擬人的」な軌道は、外骨格の人間であるオペレータによって主に好まれる。

従って、軌道の安定性を損なうことなく、軌道の自然な側を増加させる軌道を生成するための新しい解決を有することが望ましい。

従って、第１の態様によれば、本発明は、それぞれが足を有する２つの脚部を含む外骨格の軌道を生成する方法に関し、サーバのデータ処理手段により以下のステップ、即ち、
（ａ）外骨格の所与の歩行を定義する歩行パラメータの、少なくとも１つのｎ個組を取得するステップと、
（ｂ）歩行パラメータのｎ個組に対して、外骨格の少なくとも１つの周期的な基本軌道を生成するステップであり、その結果、周期的な基本軌道は、第１軌道部分と第２軌道部分とをシーケンスで含み、第１軌道部分のうちで各足は純粋な回転を行い、第２軌道部分のうちで１つの足のみが平行移動を行うステップ
とを実行することを備えている。

有利かつ非限定的な特徴によれば、以下の通りである。
周期的な基本軌道は、第１軌道部分と、次いで第２軌道部分とのシーケンスを、サイクル的に繰り返す。

第２軌道部分のうちで、平行移動を実行する足は、最初に後となる足であり、最初に前となる足は純粋な回転を実行する。

第２軌道部分の間には、最初に前となる足は、不動のままである。

第１軌道部分の終わりで、前となる足は、地面上で平坦である。

ステップ（ｂ）は、少なくとも１つのニューラルネットワークを使用して実施される。

外骨格は、人間であるオペレータを受け入れ、ステップ（ａ）は、オペレータが望む外骨格の歩行パラメータのｎ個組のシーケンスを決定することを含む。

外骨格の生成された軌道は、シーケンスの各ｎ個組について、新しい周期的な基本軌道と、新しい周期的な基本軌道への移行とを含む。

第２の態様によれば、本発明は、複数の自由度を有する外骨格を運動させる方法であり、複数の自由度のうち少なくとも１つの自由度が、データ処理手段により制御されたアクチュエータにより作動される方法に関し；第１の態様に係る方法により生成された外骨格の軌道を外骨格のデータ処理手段により実行するステップ（ｃ）であり、外骨格を歩かせるようにするステップ（ｃ）を備えている。

第３の態様によれば、本発明は、第１サーバと外骨格とを備え、第１サーバと外骨格とのそれぞれがデータ処理手段を含むシステムに関し；データ処理手段は、第１の態様に係る、外骨格の軌道を生成する方法、及び／又は、第２の態様に係る、外骨格を運動させる方法を実行するように構成されている。

第４及び第５の態様によれば、本発明は、プログラムがコンピュータで実行された場合に、第１の態様に係る、外骨格の軌道を生成する方法、及び／又は、第２の態様に係る、外骨格を運動させる方法を実行するコード命令を備えている、コンピュータプログラム製品に関する。また、コンピュータプログラム製品が記録された１つのコンピュータ機器により可読な記憶手段であって、コンピュータプログラム製品は、第１の態様に係る、外骨格の軌道を生成する方法、及び／又は、第２の態様に係る、外骨格を運動させる方法を実行するコード命令を備えている、記憶手段に関する。

本発明の他の特徴及び利点は、好ましい実施形態の以下の説明を読むときに現れるものである。この説明は、以下の添付の図面を参照して与えられる。

人の歩行を示す。 本発明の方法によって使用される外骨格の図である。 本発明の方法を実施するアーキテクチャーの図である。 本発明の例示的な実施形態における、外骨格の足のロールを伴う歩行軌道の全ての位相を記述する、最適化の問題の構造を示す図である。

構成（アーキテクチャー）
本発明の２つの相補的な（ＣＯＭＰＬＥＭＥＮＴＡＩＲＥＳ）態様によれば、以下が提案される。
・外骨格１の軌道を生成する方法。
・外骨格１に運動を行わせる（運動させる）方法（第１の態様の方法によって生成された軌道を適用する）。

図２を参照すると、前述の外骨格１は、二足歩行ロボット装置タイプの関節式機械システムであり、作動及び制御され、２つの脚部を備え、人間であるオペレータを一層正確に受け入れる。オペレータは、それぞれの下肢が、外骨格１の脚部に（特にストラップを利用して）しっかりと取り付けられる。これは、おおよそヒューマノイドロボットであってよい。ここで、「歩行」という用語は、ロボット装置１を運動させることを意味し、これは、変位を生じるような方法で、立位で脚部に対する代替の支持を実際に生じさせる。

外骨格１は、複数の自由度、即ち、変形可能な関節（一般に回転を介して）、即ち、相互に対して可動な関節を有する。複数の自由度は、それぞれ「作動」又は「非作動」のいずれかである。

作動自由度は、データ処理手段１１ｃによって制御されるアクチュエータを備えた関節を示すものである。即ち、この自由度は制御され、それに基づいて動作することが可能である。反対に、非作動自由度は、アクチュエータがない関節を示す。即ち、この自由度は、それ自体のダイナミクスに従い、データ処理手段１１は、それに直接的な制御を行わない（ただし、アプリオリには、他の作動自由度を介した間接的な制御を行う）。図１の例では、踵と地面との接触は時間的に正確であり、従って、外骨格１はこの接触点に対して回転について自由である。次に、踵／股関節軸と垂直方向との間の角度は、非作動自由度を構成する。

この外骨格は、当然、少なくとも１つの作動自由度、好ましくは複数の作動自由度を有し、及び少なくとも１つの非作動自由度、即ち、前述のように「作動不良」の程度を有する。非作動自由度の数は、作動不良度と呼ばれる。

データ処理手段１１ｃは、１つのコンピュータ機器（典型的にはプロセッサ、又は、外骨格１が「リモート制御」されているが、好ましくは外骨格１に埋め込まれている場合は外部プロセッサである。下記の記載を参照）を指定する。１つのコンピュータ機器は、命令を処理し、また種々のアクチュエータに対して意図されたコマンドを生成するように構成されている後者は、電気的、油圧的などであってよい。

本出願は、外骨格１のいかなるアーキテクチャーにも限定されない。例は、出願ＷＯ２０１５１４０３５２及びＷＯ２０１５１４０３５３に記載されたものから採用することとする。

従って、好ましくは、これらの出願の記載に従って、外骨格１は、各脚部に足構造を備えている。足構造は、外骨格を着用している人の脚部の足が持ちこたえられる、支持平面を含む。

この支持平面は、前部プラットフォームと後部プラットフォームとを備え、足のピボット接続が前部プラットフォームを後部プラットフォームに接続し、非作動自由度を構成する。

しかしながら、当業者は、本方法を他の任意の機械的アーキテクチャーに適合させる方法を知るようになる。

好ましい実施形態によれば、軌道及び歩行を生成する本発明の方法は、図３に示すような構造の中に、第１及びさらに第２サーバ１０ａ，１０ｂを含んでよい。

第１サーバ１０ａは、軌道を生成するサーバであり、第２サーバ１０ｂは、可能な学習サーバである。

実際、外骨格１の軌道の生成は、ニューラルネットワーク、特に、出願ＦＲ１９１０６４９で提案されているような「フィードフォワード」タイプ（ＦＮＮ「フィードフォワードニューラルネットワーク」）を使用してよい。次いで、第２サーバ１０ｂは、前述のニューラルネットワークのパラメータを学習する方法を実施するためのサーバである。本方法は、ニューラルネットワークの使用に限定されず、さらにその全体において軌道を生成するための任意の既知の技術、またそれ以上のものを使用してよいことに留意するものとする。

いずれにしても、これら２つのサーバが統合される（ＣＯＮＦＯＮＤＵＳ）可能性は十分にあるが、実際には、第２サーバ１０ｂは、リモートサーバであることが最も多い。一方、図２に示すように、第１サーバ１０ａはリアルタイムに外骨格１によって埋め込まれて動作可能である。好ましい実施形態によれば、第１サーバ１０ａは、第２サーバ１０ｂから検索されたパラメータを使用するニューラルネットワークによって外骨格１の軌道を生成する方法を実施し、外骨格１は、その場で（ＩＮ ＳＩＴＵ）生成された前述の軌道を直接適用して、それ自身に運動を行わせる。

これらのサーバ１０ａ，１０ｂのそれぞれは、典型的には、データを交換するためにインターネットネットワークのような拡張ネットワーク２０に接続された１つのコンピュータ機器であるが、実際には、ニューラルネットワークが学習され、第２サーバ１０ｂに埋め込まれると、少なくとも一時的に通信を中断することができる。各サーバは、プロセッサタイプのデータ処理手段１１ａ，１１ｂ（特に、第２サーバのデータ処理手段１１ｂは、学習されたニューラルネットワークの単純な使用に関して学習が長く複雑であるため、強い計算能力を有する）と、適用可能な場合には、コンピュータメモリ、例えばハードドライブのようなデータ記憶手段１２ａ，１２ｂを備えている。ニューラルネットワークによって軌道を生成する場合に、第２サーバ１０ｂのメモリ１２ｂによって学習データベースを記憶してよい。

それぞれの第１サーバ１０ａを埋め込む（限定された電力及びサイズであってよく、専用の外骨格１に対してのみ軌道を生成する）複数の外骨格１があってよいこと、又は、それぞれさらに強力な第１サーバ１０ａに接続され、第２サーバ１０ｂと統合可能である（及び全ての外骨格１に対して飛行（ＶＯＬＥＥ，空中の通過）中の軌道を生成する能力を有する）複数の外骨格１があってよいことが、理解される。

発明の原理
ここで説明されるように、従来、外骨格の「軌道」という用語は、可変な時間又は位相の関数として表される各自由度（特に作動自由度）の変化を意味する。

さらに、「複雑な」軌道を、移行と交差する「基本的」と呼ばれる周期的軌道のシーケンスとして定義する方法が知られている。「周期的軌道」という用語は、ステップ（ＰＡＳ，歩行ステップ，一歩）の開始時の外骨格１の初期状態（足の接触の瞬間）から始まり、次のステップの開始時に同じ状態にもどるように、ステップの持続時間にわたって適用される（反復して適用可能である）任意の軌道を意味する（これは、平面での任意の歩行を包含するが、傾斜路、昇降階段などにおいても同様である）。また、周期的軌道は「限界サイクル」を形成すると言われている。従って、前述の周期的軌道は、任意の数のステップにわたって安定して適用することができる。

言い換えれば、各基本軌道は、外骨格１の所与の歩行（歩行パラメータのｎ個組によって定義される歩行）に関連付けられ、この歩行を安定かつ実行可能な方法で維持することを可能にする（即ち、理解されるように、最適化問題の全ての制約に従い、可能な限りコスト関数を最小化する）。説明したように、歩行パラメータは、歩行の「特徴」、例えば、ステップの長さ（歩幅）、歩行頻度、上体（ＢＵＳＴＥ，胸から上側）の傾き、さらに、階段の出会う場所の場合のステップの高さ、カーブした動きに対する瞬間的な回転角に対応する。さらには、オペレータの形態学的特徴（患者パラメータと呼ばれる歩行パラメータのサブグループ）、例えば、腰、体重、大腿部又は脛骨の長さ、重心位置（前方に向かうオフセットの値）、リハビリテーション活動の枠組みにおける上体の側方クリアランスなどに対応する。

上述の歩行の「制約」は変化可能であり、所望の歩行のタイプ、例えば「すり足（平坦な足，ＰＩＥＤ ＰＬＡＴ）」歩行、又は「ＨＺＤ」に依存する可能性がある。本方法は、いかなるタイプの所望の歩行にも限定されない。

移行は、歩行における変化、即ち、歩行パラメータの値の変化（例えば、ステップの長さの増加）に対応する。即ち、歩行パラメータの初期セット及び歩行パラメータの最終セットを知ることであり、従って、初期周期的軌道（歩行パラメータの初期セットに関連する）及び最終周期的軌道（歩行パラメータの最終セットに関連する）を知ることである。前述の移行は、軌道断片であり、初期周期的軌道から最終軌道に切り替えることを可能にする。なお、以下に示すように、「初期」又は「最終」移行が必ず存在することに注意するものとする。

この方法の基礎となる工夫は、一層明確に擬人化するような方法で、周期的な基本的軌道の２つの下位部分を生じさせることが可能であることに注目することである。「ロール」と呼ばれる軌道の第１部分では、２つの足は地面に接触し、それぞれは純粋な回転運動を行う。即ち、後足（少なくとも「先端部」、典型的には足構造の前部プラットフォームに接触し、最初は、全接触として、即ち、平坦であることが有利である）は、踵を徐々に持ち上げる。前足（踵のみに接触する）は、図１の先端部に漸進的に姿勢を作らせる（図１の最初の２つの描画）。次いで、「スイング」又は単に「ステップ」と呼ばれる第２部分では、前足は、地面に接触したままであり、他の足は、離陸した状態であり（ＤＥＣＯＬＬＥ）（これは「足のクリアランス」と呼ばれる）、平行移動運動（もちろん、種々の回転を含んでよい）を行う。換言すれば、最初に後となる足が、地面との接触を中断し、前へ行き、踵で地面との接触を再開する（図１の最後の３つの描画）。この段階では、２つの足は、第１部分の最初の場合とは反対に地面と接触している（後足が前足となっている）が、同一の形状（後足は先端部で接触し、後足はさらに平坦であり、前足は踵のみ接触している）になっている。即ち、ステップを踏んで、第１及び第２部分などを対称の形態で繰り返すことが可能である（軌道の「周期的な基本の」性質を与える）。

「前」と「後」の概念は、歩行の方向に関して定義されていることに注意するものとする。つまり、前となる足と後となる足とは常に存在し、これらの足は各ステップで逆転する。

従って、各周期的な基本軌道は、第１部分と第２部分とから構成され、第１部分と第２部分との連鎖は、繰り返すことが可能なサイクルを構成する（各サイクルで左足と右足とを逆転することによって）。

これらの第１及び第２部分の存在は、軌道の生成中に条件を加えることと、一方の部分から他方の部分へ軌道パラメータの連続性（ＣＯＮＴＩＮＵＩＴＥ）を適用することによって、生じさせることができる。これらの条件は、有利なこととして、以下の通りである。

・第１部分については、各足の純粋な回転（単一の回転軸での一様な回転）であり、好ましくは、前となる足は第１部分の終わりで平坦（すり足）である。
・第２部分については、（最初に）後となる足のみのクリアランスと平行移動である。（新しい前となる足になり、「最初の」という言葉が由来する）再び地面に触れるまでである。この間に（最初に）前となる足の純粋な回転を行う。さらに、前となる足は動かない。

この２つの部分への区分は、人間が実際に行うことではなく、実際には２つの部分が実際に人間の歩行に存在しているが、それほど明確ではないこと（前足の回転の一部は平行移動に付随している）に留意するものとする。しかし、この「誇張」によって、実際には、はるかに自然な外骨格１の歩行を行わせることが可能になる。さらに、これらの条件は非常に制限的であるように見える可能性があるが、実際の条件では、安定性が全く変化せず、軌道の生成がさらに複雑にならないことが観察される。

ここで分かるように、これらの第１及び第２部分を移行の中で、特に、最初及び最後の移行の中で、定義することも、可能である。

第１及び第２軌道部分
図４は、初期移行と、次いでステップと、最終移行との好ましい例を示す。第１部分（ロール位相）で始まることによって、ステップ、即ち、周期的な基本軌道が、最初に記述されるものとする。図４の例では、左足（点線であり、右足は実線である）が前足である。当業者は、図の場合になるように、この例を自然に転置してよい。

従って、これは、周期的な「サイクル的」軌道の第１部分を定義する「サイクル的ロール」の場合である。各足の動きは、３軸によって３つのスピード、及び３軸によって３回転で、三面図の上で定義される。以下のことが生じさせられることが分かる。

・右足（後足）については、連続性、またｖ_ｘ＝ｖ_ｙ＝ｖ_ｚ＝Ωｒ＝Ωｙ＝０であり、純粋な回転を可能にするために単にΩｘ≠０である。
・左足（前足）については、連続性、またｖ_ｘ＝ｖ_ｙ＝ｖ_ｚ＝Ωｒ＝Ωｙ＝０であり、純粋な回転を可能にするために単にΩｘ≠０であり、出力位置ｐ＝０、即ち、すり足（「ゼロ」位置）である。
・各足は、移動中に、足上の地面の反応を示す非ゼロの垂直な力を受ける。

前足が出力位置に達すると、制御は周期的軌道の第２部分の「サイクル的ステップ」ケースに移る。以下のことが生じさせられることが分かる。

・左足（前足）については、連続性、ｖ＝０、即ち純粋な回転。
・右足（後足）については、連続性、及び足のクリアランス。
・右足は、いかなる力も加えられない形態で空中にある。

これは「サイクル性（ＣＹＣＬＩＣＩＴＥ）」で終わる。即ち、この第２部分の終わりの外骨格１の完全な構成は、サイクル的ロール（第１部分）の開始時の構成の対称性に等しい必要がある。サイクル的ロールは、左足（ＬＦ）と右足（ＲＦ）とを逆転することによって再び開始される。

図４の場合に、与えられた開始姿勢（不動姿勢、立位など）からの初期移行で始まると仮定する。ここで説明するように、周期的な基本軌道の第１及び第２部分との類似によって、この移行の第１及び第２部分を再び有することができる。ここでは、「左足が後ろにある」開始ロールで始まると想定されているが、これは任意の選択であり、反対のことも可能である。実際には、２つの足はほぼ横に並んでいる。上述したように、足を純粋に回転させることが生じさせられるが、実際には、骨盤のみを動かしたままで、平坦なときに足を動かさないようにすることさえ可能である。この発想は、運動のダイナミクスを引き起こすことである。

次に、この最初の移行の第２部分（開始ステップ）と連鎖し、右足は動かず（又は少なくとも純粋な回転のみを行う）、左足は再び地面に到達するまで離陸状態である。そして周期的軌道、一層正確には第１部分（サイクル的ロール）が開始されることができる。

同様に、図４は、周期的な第１軌道部分による最終移行の場合を示す。初期移行との対称性により、これは第２部分（停止ステップ）で開始され、第１部分（停止ロール、即ち終了ロール）で終了する。停止ステップの部分は、固定された左足と、離陸している右足とを有する周期的軌道の第２部分と同一であることに留意するものとする（これもまた任意であるが、完全に逆が行われてよい）。唯一の違いは、このタイプの移行では、計算された動きでは、概括的に、後足が歩行時に前方の足のレベルより先ではなく、前方の足のレベルまでしか動かないことが見られる。停止ロールの部分では、再度足を回転させることが可能であり、外骨格１は、最終的な姿勢（例えば、固定された姿勢、立位など）に達するまで固定される。

方法
第１の態様によれば、外骨格１の軌道を生成する方法が提案され、サーバ１０ａのデータ処理手段１１ａによって実施される。外骨格１の軌道を生成する前述の方法は、外骨格１の所与の歩行を定義する歩行パラメータの少なくとも１つのｎ個組を取得するステップ（ａ）で始まる。歩行パラメータのｎ個組のシーケンスをさらに、漸進的に（例えば、外骨格のオペレータからの新しいコマンドのために）取得するステップ（ａ）で始まる。

主要なステップ（方法ステップ）（ｂ）では、この方法は、歩行パラメータのｎ個組に対して、外骨格１の少なくとも１つの周期的な基本軌道を生成することを含み、ここで説明するように、周期的な基本軌道は、第１軌道部分と第２軌道部分とをシーケンスで含み、第１軌道部分のうちで各足は純粋な回転を行い、第２軌道部分のうちで１つの足のみが平行移動を行う（足のクリアランスであり、もう一方は不動であるが純粋な回転を行う）。

ｎ個組のシーケンスに対して、パラメータの新しい各ｎ個組に対して、新しい周期的軌道が決定され、この新しい周期的軌道への移行が決定される。

この場合に、軌道を生成する方法は、有利なこととして、外骨格１の歩行パラメータのｎ個組の決定、即ち、ステップ（ａ）の反復を含む（該当する場合には、規則的に反復される）。

実際、外骨格１は、人間であるオペレータを受け入れる外骨格であるが、前述のパラメータを決定するのは（歩行の速度及び／又は方向の設定点を含むスタート要求を直接受け入れることができる通常のロボットの場合とは異なり）、人間であるオペレータの姿勢（及び恐らくはボタンの押下）である。

このために、ここで説明するように、それらの上体の構成（上体の方向）を検出することを可能にするセンサジャケット１５が、オペレータに与えられてよい。オペレータが上体を向ける方向は、オペレータが歩きたい方向であり、オペレータが上体を前方に位置させる強度（どの程度傾けるか）によってスピードが与えられる方向である。開始要求は、オペレータが歩行開始の意図を知らせるボタン（又は特定の姿勢）を押すことに対応してよく、従って、前述のパラメータを決定するようにデータ処理手段に命令することに対応してよい。階段の出会う場所の場合の、瞬間的な回転角又はステップの高さのような特定のパラメータは、他のセンサ１３，１４によって予め決定又は取得されてよい。

軌道自体の発生は、任意の既知の技術に限定されない。本発明の目的は、第１及び第２部分を取得する方式で、発生の間、上述の制約を適用することのみである。

ここで説明される最適化ツールは、特に既知であり、特に、選択された歩行制約とパラメータとに従って与えられた軌道を生成することが可能である。例えば、ＨＺＤ軌道の場合に、軌道生成の問題は、好ましくは、いわゆる直接コロケーションアルゴリズムによって解くことができる最適制御問題の形式で定式化される。以下の文献を参照するものとする。
Omar Harib et al., Feedback Control of an Exoskeleton for Paraplegics Toward Robustly Stable Hands-free Dynamic Walking.

また説明したように、学習軌道データベース上で訓練されたニューラルネットワークを使用することも可能である。

軌道の第１部分を生成するために第１ニューラルネットワークを使用し、軌道の第２部分を生成するために第２ニューラルネットワークを使用することが考慮できることに留意するものとする。従って、軌道の第１部分の学習データベース上の第１ネットワーク、及び軌道の第２部分の学習データベース上の第２ネットワークを学習すれば十分である。

第２の態様によれば、外骨格の軌道を生成する第１の態様（ステップ（ａ）、（ｂ））による前述の方法の実施を含み、次いで（ステップ（ｃ）として注目される）、外骨格１が歩行するように前述の軌道の実行を備えるものとして、外骨格１に運動を行わせる（運動させる）方法が提案される。

ステップ（ｂ）及び（ｃ）は、外骨格１の軌道を常にリアルタイムで補正する方式で、繰り返されてよい。

機器及びシステム
第３の態様によれば、本発明は、第１の態様及び／又は第２の態様による方法の実施に関して、システムに関する。

ここで説明するように、このシステムは、統合される可能性のある第１サーバ１０ａと、可能な第２サーバ１０ｂと、外骨格１とを備えている。

第１サーバ１０ａは、第１の態様の方法を実施するためのデータ処理手段１１ａを含む。

外骨格１は、第２の態様による方法を実施するように構成されているデータ処理手段１１ｃを備え、また必要に応じて、データ記憶手段１２（特に、第１サーバ１０ａのもの）や、慣性測定手段１４（慣性測定ユニット）や、地面に対する足の衝撃を検出する手段１３（接触センサ、又は可能性として圧力センサ）、及び／又はセンサジャケット１５を備えている。

それは、複数の自由度（自由度機構）を有する。その自由度のうちの少なくとも１つの自由度（自由度機構）は、第３の態様に係る方法を実施する枠組みにおいて、データ処理手段１１ｃによって制御されるアクチュエータによって作動される。

コンピュータプログラム製品
第４の態様及び第５の態様によれば、本発明は、コンピュータプログラム製品に関する。コンピュータプログラム製品は、第１の態様に係る、外骨格１の軌道を生成する方法、及び／又は、第２の態様に係る、外骨格１を運動させる方法を（処理手段１１ａ、１１ｃで）実行するコード命令を備えている。また、本発明は、コンピュータプログラム製品が見出される１つのコンピュータ機器により可読な記憶手段に関する。

Claims (12)

1. それぞれが足を有する２つの脚部を含む外骨格の軌道を生成する方法であって、サーバのデータ処理手段により以下のステップ、即ち、
   （ａ）前記外骨格の所与の歩行を定義する歩行パラメータの、少なくとも１つのｎ個組を取得するステップと、
   （ｂ）前記歩行パラメータの前記ｎ個組に対して、前記外骨格の少なくとも１つの周期的な基本軌道を生成するステップであり、その結果、前記周期的な基本軌道は、第１軌道部分と第２軌道部分とをシーケンスで含み、前記第１軌道部分のうちで各足は純粋な回転を行い、前記第２軌道部分のうちで１つの足のみが平行移動を行うステップ
   とを実行することを備えている、方法。
2. 前記周期的な基本軌道は、前記第１軌道部分と、次いで前記第２軌道部分との前記シーケンスを、サイクル的に繰り返す、請求項１記載の方法。
3. 前記第２軌道部分のうちで、前記平行移動を実行する前記足は、最初に後となる足であり、最初に前となる足は純粋な回転を実行する、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記第２軌道部分の間には、前記最初に前となる足は、不動のままである、請求項３記載の方法。
5. 前記第１軌道部分の終わりで、前となる足は、地面上で平坦である、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記ステップ（ｂ）は、少なくとも１つのニューラルネットワークを使用して実施される、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記外骨格は、人間であるオペレータを受け入れ、
   前記ステップ（ａ）は、前記オペレータが望む前記外骨格の歩行パラメータのｎ個組のシーケンスを決定することを含む、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記外骨格の生成された前記軌道は、前記シーケンスの各ｎ個組について、新しい周期的な基本軌道と、前記新しい周期的な基本軌道への移行とを含む、請求項７記載の方法。
9. 複数の自由度を有する外骨格を運動させる方法であり、前記複数の自由度のうち少なくとも１つの自由度が、データ処理手段により制御されたアクチュエータにより作動される方法であって、
   請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法により生成された前記外骨格の軌道を前記外骨格の前記データ処理手段により実行するステップ（ｃ）であり、前記外骨格を歩かせるようにするステップ（ｃ）を備えている、方法。
10. 第１サーバと外骨格とを備え、前記第１サーバと前記外骨格とのそれぞれがデータ処理手段を含むシステムであって、
    前記データ処理手段は、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の、外骨格の軌道を生成する方法、及び／又は、請求項９に記載の、外骨格を運動させる方法を実行するように構成されている、システム。
11. プログラムがコンピュータで実行された場合に、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の、外骨格の軌道を生成する方法、及び／又は、請求項９に記載の、外骨格を運動させる方法を実行するコード命令を備えている、コンピュータプログラム。
12. コンピュータプログラム製品が記録された１つのコンピュータ機器により可読な記憶手段であって、前記コンピュータプログラム製品は、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の、外骨格の軌道を生成する方法、及び／又は、請求項９に記載の、外骨格を運動させる方法を実行するコード命令を備えている、記憶手段。
    

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