JP4008464B2 - 運動誘導装置 - Google Patents

Description

本発明は、ユーザの運動を誘導するための装置に関する。

ユーザの身体に対して脚体関節（股関節、膝関節、足関節）回りのトルクを付与することにより、このユーザの歩行運動を補助する装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、ユーザの歩行運動リズムに変化に追従しながらも、歩行補助装置による歩行補助リズムに自律性を持たせるように、この歩行補助装置を制御するシステムが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
特開２００３−１３５５４３号公報 特開２００４−０７３６４９号公報

しかし、歩行補助装置による歩行補助リズムが適当なものであっても、補助力やその作用距離に過不足が生じ、歩幅や脚体関節角度が過大または過小となってユーザに違和感や不安感等を覚えさせてしまう可能性があった。たとえば、ユーザが小さい歩幅でゆっくりと歩きたい場合、一歩ごとの時間間隔が長くても歩幅が大きくなってしまうとユーザに違和感等を覚えさせることになる。また、ユーザが大きい歩幅で速く歩きたい場合、一歩ごとの時間間隔が短くても歩幅が小さくなってしまうとユーザに違和感等を覚えさせることになる。このように、ユーザの運動を誘導するリズムが、その運動のリズムを目標リズムに一致させるものである一方、ユーザの運動を誘導するための力やその作用距離が、その運動のスケールを目標スケールから乖離させるものとなり、ユーザに違和感等を覚えさせる可能性があった。

そこで、本発明は、ユーザの運動のリズムおよびスケールをその目標とするリズムおよびスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を誘導しうる装置を提供することを解決課題とする。

前記課題を解決するための第１発明の運動誘導装置は、誘導振動子に応じてユーザの運動を誘導するための装置であって、前記ユーザの身体運動に応じて時間変化するパラメータとしての第１および第２運動振動子と、前記ユーザの身体運動に応じて時間変化する、該ユーザの運動スケールを表すパラメータとしての第３運動振動子とを測定する運動振動子測定手段と、入力振動信号と相互に引き込み合うことで固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成する第１モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子を該入力振動信号として入力することにより、該出力振動信号として第１振動子を生成する第１振動子生成手段と、該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子と該第１振動子生成手段により生成された該第１振動子との位相差である第１位相差を目標位相差に近づけるように該固有角速度を新たに設定する固有角速度設定手段と、入力振動信号に基づき、該固有角速度設定手段により設定された該固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成する第２モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該第２運動振動子を該入力振動信号として入力することにより、該出力振動信号として第２振動子を生成する第２振動子生成手段と、該第２振動子生成手段により生成された該第２振動子と、該固有角速度設定手段により設定された該固有角速度とに応じて、該運動振動子測定手段により測定された該第３運動振動子の値を該ユーザの目標運動スケールに応じた目標値に近付けるように該ユーザの運動を誘導するための仮想的な弾性要素による弾性力を表す第１誘導振動子を生成し、該第１誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成する誘導振動子生成手段とを備えていることを特徴とする。

第１発明の運動誘導装置によれば、主に次の理由により、ユーザの運動リズムをその目標とするリズムに一致させるようにユーザの運動が誘導されうる。

すなわち第１運動振動子が入力振動信号として第１モデルに入力されることにより、第１モデルの出力振動信号としての第１振動子が生成される。「第１モデル」は入力振動信号と相互に引き込み合うことで固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成するモデルである。これにより、「第１振動子」は「第１運動振動子」との「相互引き込み」の効果によってユーザの第１運動振動子のリズムと調和しながら、固有角速度に基づいて定まる自律的なリズムまたは角速度をもって振動する。なお、第１運動振動子として、後述の第２運動振動子の時間微分が測定されてもよい。ここで「振動」とは、現実的または仮想的なものがほぼ一定の周期を持って揺れ動くことのほか、広く時間変化することを含む概念である。また「振動子」とは、値が時間変化する電気信号や、ソフトウェアにおいて値が時間変化するものとして定義された関数等を含む概念である。しかるに、第１振動子は、ユーザの運動リズムと運動誘導装置による誘導リズムとの調和を図りながら、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させる観点から、ユーザの運動振動子と不適当な位相差を有している可能性がある。したがって、第１振動子から直接的に誘導振動子が生成された場合、この誘導振動子によって誘導されたユーザの運動リズムが、目標リズムから乖離してしまうおそれがある。

そこで「新たな固有角速度」が、ユーザの第１運動振動子と第１振動子との位相差である第１位相差を目標位相差に近づけるように設定される。これにより、新たな固有角速度は第１運動振動子により特定されるユーザの運動リズムとの目標位相差に応じた調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標運動リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当するものになりうる。また、その後、新たな固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する新たな第１振動子が第１モデルにしたがって生成されることが繰り返されることにより、第１振動子のリズムと第１運動振動子のリズムとの調和を図りながら、第１運動振動子と第１振動子との位相差である第１位相差の目標位相差からの偏差を徐々に減少させることができる。これにより、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化への誘導振動子の追従性を、ユーザに違和感等を与えない観点から適当なものとし、ユーザの運動リズムを目標リズムに適度なペースで徐々に一致させることができる。

続いて、第２運動振動子が入力振動信号として第２モデルに入力され、第２モデルからの出力振動信号として第２振動子が生成される。「第２モデル」は入力振動信号に基づき、新たな固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成するモデルである。これにより、当該新たな固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する「第２振動子」が生成される。さらに第２振動子を含むに基づいて「誘導振動子」が生成される。これにより、誘導振動子によって誘導されたユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとを調和させながら、ユーザの運動リズムを目標運動リズムに一致させることができる。ユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとの調和により、運動誘導装置による誘導リズムがユーザの運動リズムに調和し、かつ、ユーザの運動リズムも運動誘導装置による誘導リズムに調和するといったようにユーザ（人間）と装置（機械）との調和（相互の歩み寄り）が図られる。

第１発明の運動誘導装置によれば、主に次の理由により、ユーザの運動スケールをその目標とするスケールに一致させるようにユーザの運動が誘導されうる。

ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子をその目標値に近付けるように当該ユーザの運動を誘導するための仮想的なバネ等の弾性要素の弾性力を表している「第１誘導振動子」が生成され、この第１誘導振動子を含む誘導振動子が生成される。なお、第３運動振動子として第２運動振動子が測定されてもよい。仮想的な弾性要素の弾性力は、ユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当する新たな固有角速度に応じている。したがって、第１誘導振動子を含む誘導振動子に応じてユーザの運動が誘導されることで、ユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとの調和、およびユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図り、かつ、ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子の値が目標値に近づくように、すなわち、ユーザの運動スケールが目標スケールに近付くようにユーザの運動が誘導されうる。

以上のように、本発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動のリズムおよびスケールをその目標とするリズムおよびスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を誘導しうる。

なお、ユーザの運動には、歩行、走行、ものづくりに伴う手作業等、種々の運動が含まれ得る。たとえば、自動車等の製品の製造に関する手作業が誘導される場合、ユーザは誘導振動子にしたがうことで、目標とする動きのリズムおよび動きの大きさ（または力加減）をもって作業することができる。目標となる運動のリズムおよびスケールが、熟練作業者等の手作業に基づいて設定されている場合、このユーザに熟練作業者の微妙な手の動きや力加減等を実感させ、その技術を早期に修得させることができる。

また、第２発明の運動誘導装置は、第１発明の運動誘導装置において、前記運動振動子測定手段が、前記第３運動振動子の時間微分を第４運動振動子として測定し、前記誘導振動子生成手段が、前記第２振動子生成手段により生成された前記第２振動子と、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度と、前記運動振動子測定手段により測定された該第４運動振動子とに応じて、該第３運動振動子の絶対値の増大を抑制するように前記ユーザの運動を誘導するための仮想的な減衰要素による減衰力を表す第２誘導振動子を生成し、該第２誘導振動子をさらに含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする。

第２発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子の絶対値の増大を抑制するように当該ユーザの運動を誘導するための仮想的なダンパによる減衰力として表される「第２誘導振動子」が生成され、この第２誘導振動子を含む誘導振動子が生成される。仮想的なダンパ等の弾性要素による減衰力は、ユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当する新たな固有角速度と、第４運動振動子とに応じている。なお、第１運動振動子として第３運動振動子の時間微分が測定されてもよい。したがって、第２誘導振動子を含む誘導振動子が生成されることにより、ユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとの調和、およびユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図り、かつ、第４運動振動子の値に応じて第３運動振動子の絶対値の増大を抑制しながら、ユーザの運動スケールが目標スケールに近付くようにユーザの運動が誘導されうる。

さらに、第３発明の運動誘導装置は、第１発明の運動誘導装置において、前記誘導振動子生成手段が、前記仮想的な弾性要素の弾性係数としての、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度の関数である第１係数と、前記第３運動振動子の値と前記目標値との偏差の関数と、前記第２振動子との積として算出される振動子が含まれている前記第１誘導振動子を生成することを特徴とする。

第３発明の運動誘導装置によれば、第１誘導振動子が第１係数を弾性係数（バネ係数）とし、かつ、ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子の値を目標値に復元させる仮想的なバネ等の弾性要素による弾性力として表現される。これにより、筋肉の収縮状態から伸展状態への移行時の弾性力等、ユーザの身体の弾性要素が反映されたリズムおよびスケールをもってユーザの運動が誘導されうる。

また、第４発明の運動誘導装置は、第２発明の運動誘導装置において、前記誘導振動子生成手段が、前記仮想的な減衰要素の減衰係数としての、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度の関数である第２係数と、前記第４運動振動子の関数と、第２振動子との積として算出される振動子を含む前記第２誘導振動子を生成することを特徴とする。

第４発明の運動誘導装置によれば、第２誘導振動子が、第２係数を減数係数（ダンパ係数）とし、かつ、第４運動振動子に応じて、第３運動振動子の絶対値の増大を抑制する仮想的なダンパ等の減衰要素による減衰力として表現される。これにより、筋肉の伸展状態から屈曲状態への移行時の粘性力等、ユーザの身体の減衰要素が反映されたリズムおよびスケールをもってユーザの運動が誘導されうる。

さらに、第５発明の運動誘導装置は、第１発明の運動誘導装置において、前記第１モデルが、複数の前記入力振動信号とそれぞれ相互に引き込み合うことにより前記固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する複数の前記出力振動信号のそれぞれに第１相関係数がかけられた項が含まれる第１連立方程式により表現され、前記運動振動子測定手段が複数の前記第１運動振動子を測定し、前記第１振動子生成手段が、該第１モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該複数の第１運動振動子を該複数の入力振動信号として入力することによって、該複数の出力振動信号として複数の前記第１振動子を生成することを特徴とする。

第５発明の運動誘導装置によれば、ユーザの実際の運動に関係する現実の複数の第１要素の関係を、第１モデルにしたがって生成される複数の（第１要素の）出力振動信号の相関関係を表す第１相関係数に反映させることで、当該複数の第１要素の相関関係に鑑みて適当な第１振動子が生成されうる。たとえば、複数の第１要素として左右の脚体や同一脚体の複数の関節が想定された場合、交互に前後に動く等の左右の脚体の定性的関係や股関節回りの脚体運動と膝関節回りの脚体運動との周期や位相差等の同一脚体の関節間の定性的関係等が反映された形で第１振動子が生成される。したがって、ユーザの運動を誘導する誘導振動子のリズムおよびスケールを当該関係に鑑みて適当なものとすることができる。

また、第６発明の運動誘導装置は、第１発明に運動誘導装置において、前記第２モデルが、複数の前記入力振動信号に基づき、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度に基づいて定まる角速度で振動する複数の前記出力振動信号に第２相関係数がかけられている項が含まれる第２連立方程式により表現され、前記運動振動子測定手段が複数の前記第２運動振動子を測定し、前記第２振動子生成手段が、該第２モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該複数の第２運動振動子を該複数の入力振動信号として入力することによって、該複数の出力振動信号として複数の前記第２振動子を生成することを特徴とする。

第６発明の運動誘導装置によれば、ユーザの実際の運動に関係する現実の複数の第２要素の相関関係を第２モデルにしたがって生成される複数の（第２要素の）出力振動信号の相関関係を表す第２相関係数に反映させることで、当該現実の複数の第２要素の相関関係に鑑みて適当な第２振動子が生成されうる。たとえば、現実の複数の第２要素としてユーザの複数の神経（ニューロン）が想定された場合、左右の脚体による歩行を支配するニューロン間の定性的関係等が反映された形で第２振動子が生成される。したがって、ユーザの運動を誘導する誘導振動子のリズムおよびスケールを当該関係に鑑みて適当なものとすることができる。

さらに、第７発明の運動誘導装置は、第１発明の運動誘導装置において、前記固有角速度設定手段が、前記第１位相差に基づき、仮想モデルにおける２つの振動子の位相差である第２位相差を目標位相差に近付けさせるように当該２つの振動子のうち一方の角速度を新たな前記固有角速度として設定することを特徴とする。

第７発明の運動誘導装置によれば、仮想モデルにおける仮想的な２つの振動子の関係がユーザの第１運動振動子と第１振動子との位相差（第１位相差）に応じたものに設定される。また、当該２つの振動子の位相差（第２位相差）を目標位相差に近づけるように２つの振動子の角速度のうち一方が新たな固有角速度として設定される。これにより、新たな固有角速度は、第１運動振動子により特定されるユーザの運動リズムとの、目標位相差に応じた調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当するものとなる。

また、第８発明の運動誘導装置は、第７発明の運動誘導装置において、前記仮想モデルが前記２つの振動信号としての２つの振動子に相関係数がかけられた項が含まれている連立方程式により表現され、前記固有角速度設定手段が、前記第１位相差に基づき、該相関係数を設定する相関係数設定手段と、該相関係数設定手段により設定された該相関係数に基づき、前記第１位相差と前記第２位相差との差が最小になるように前記２つの振動子のうち一方の角速度を設定する第１角速度設定手段と、該第１角速度設定手段により設定された該角速度に基づき、前記第２位相差と前記目標位相差との差が最小になるように前記２つの振動子のうち他方の角速度を新たな前記固有角速度として設定する第２角速度設定手段とを備えていることを特徴とする。

第８発明の運動誘導装置によれば、仮想モデルにおける２つの振動子の相関係数の設定等を経て、前記のように第１運動振動子により特定されるユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標位相差に応じた目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度が新たな固有角度として設定されうる。これにより、第１運動振動子により特定されるユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標位相差に応じた目標リズムに一致させる観点から適当なリズムおよびスケールを有する誘導振動子が設定されうる。

さらに、第９発明の運動誘導装置は、第１発明の運動誘導装置において、前記誘導振動子生成手段が、前記運動振動子測定手段により測定された前記第３運動振動子の値を、さらに前記ユーザの目標運動リズムに応じて前記目標値に近付けるように該ユーザの運動を誘導するための前記第１誘導振動子を生成し、該第１誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする。

第９発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動スケールを表す第３運動振動子の値を、このユーザの目標運動リズムに応じて目標値に近付けるための第１誘導振動子を含む誘導振動子が生成され、当該誘導振動子に応じてユーザの運動が誘導される。これにより、ユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとの調和、およびユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図りながら、第３運動振動子の値が目標値に近付けられるようにユーザの運動が誘導されうる。

また、第１０発明の運動誘導装置は、第２発明の運動誘導装置において、前記誘導振動子生成手段が、前記運動振動子測定手段により測定された前記第３運動振動子の絶対値の増大を、さらに前記ユーザの目標運動リズムに応じて抑制するように該ユーザの運動を誘導するための前記第２誘導振動子を生成し、該第２誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする。

第１０発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動スケールを表す第３運動振動子の絶対値の増大を、このユーザの目標運動リズムに応じて抑制するための第２誘導振動子を含む誘導振動子が生成され、当該誘導振動子に応じてユーザの運動が誘導される。これにより、ユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとの調和、およびユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図りながら、ユーザの第３運動振動子の値の絶対値の増大が抑制されるようにユーザの運動が誘導されうる。

本発明の運動誘導装置の実施形態について図面を用いて説明する。

図１は本発明の運動誘導装置およびその制御システムの構成例示図であり、図２は本発明の運動誘導装置の機能例示図であり、図３は運動振動子と第１振動子との関係例示図であり、図４は誘導振動子生成に関する仮想的なバネおよびダンパの説明図であり、図５および図６は本発明の運動誘導装置の作用効果に関する概念説明図であり、図７〜図９は本発明の運動誘導装置による運動誘導に関する実験結果の説明図である。

以下、歩行者の脚体等について左右を区別するために基本的にパラメータに添字Ｌ、Ｒを付するが、表記の簡単のため添字Ｌ、Ｒを省略する場合もある。

図１に示されている歩行誘導装置（運動誘導装置）２００は、腰部装具２０２と、大腿部装具２０４と、力伝達部材２０６と、バッテリ２０８と、アクチュエータ（電動モータ）２１０と、股関節角度センサ２１２とを備えている。

腰部装具２０２は剛性のある素材と柔軟性のある素材とが組み合わせられて作られており、ユーザの腰部に装着される。大腿部装具２０４も剛性のある素材と柔軟性のある素材とが組み合わせられて作られており、ユーザの大腿部の前後それぞれに装着される。力伝達部材は、軽量の硬質プラスチック等の定形性のある素材より作られており、ユーザの大腿部に沿って、ユーザの腰部の横から下方に延びた後で大腿部の前後に向けて二股に分かれた形状であり、アクチュエータ２１０および前後の大腿部装具２０４のそれぞれに連結されている。バッテリ２０８は腰部装具２０２に収納されており（たとえば、腰部装具２０２を構成する複数枚の素材の間に固定されており）、アクチュエータ２１０等に対して電力を供給する。アクチュエータ２１０は腰部装具２０２に収納されており、力伝達部材２０６および大腿部装具２０４を介してユーザの大腿部に力を作用させる。股関節角度センサ２１２はユーザの腰部の横に設けられたロータリエンコーダ等により構成され、股関節角度に応じた信号を出力する。

図１に示されている制御システム１００は、腰部装具２０２に収納されたハードウェアとしてのコンピュータ１００と、このコンピュータ１００に対して歩行誘導装置２００の制御機能を付与するソフトウェアとしての本発明の「制御プログラム」とにより構成されている。

制御システム１００は、運動振動子測定ユニット１０２と、状態測定ユニット１１０と、目標運動設定ユニット１１１と、目標位相差設定ユニット１１２と、第１振動子生成ユニット１２０と、固有角速度設定ユニット１３０と、第２振動子生成ユニット１４０と、誘導振動子生成ユニット１５０とを備えている。各ユニットは、ハードウェアとしてのＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、信号入力回路、信号出力回路等と、ＣＰＵ等に対して諸機能を付与するソフトウェアとしての本発明の「制御プログラム」とにより構成されている（以下同様）。なお、各ユニットは、それぞれ別個のＣＰＵ等により構成されていてもよく、共通のＣＰＵ等により構成されていてもよい。

運動振動子測定ユニット１０２は、股関節角度センサ２１２の出力に基づき、ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子として股関節角度（「第２運動振動子」にも該当する。）φ_Hを測定する。また、運動振動子測定ユニット１０２は、股関節角度センサ２１２の出力に基づき、ユーザの運動スケールに応じた運動振動子の時間微分値である第４運動振動子として股関節角速度（「第１運動振動子」にも該当する。）ｄφ_H／ｄｔを測定する。

状態測定ユニット１１０は、ユーザの歩行状態と、ｎ個の運動振動子によってｎ次元空間に描かれる軌道パターンとの対応関係をメモリから読み取る。この上で、状態測定ユニット１１０は、この対応関係と、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度ｄφ_H／ｄｔを含むｎ個の運動振動子によってｎ次元空間に描かれる軌道パターンとに基づき、ユーザの「歩行状態」を判定する。

目標運動設定ユニット１１１は状態測定ユニット１１０によって判定された「歩行状態」に応じ、ユーザの目標運動とするリズムおよびスケール、具体的には当該目標リズムおよびスケールに関する係数等を設定する。

目標位相差設定ユニット１１２は状態測定ユニット１１０によって判定された「歩行状態」に応じ、ユーザの運動振動子と、歩行補助装置２００による誘導振動子（トルク）Ｔとの目標位相差θ_dを設定する。

第１振動子生成ユニット１１０は運動振動子測定ユニット１０２により測定された「第１運動振動子」としての股関節角速度ｄφ_H／ｄｔと固有角速度ω_Mとに基づき、「第１モデル」にしたがって第１振動子ｘを生成する。

固有角速度設定ユニット１３０は、第１位相差設定ユニット１３１と、第２位相差設定ユニット１３２と、相関係数設定ユニット１３３と、第１角速度設定ユニット１３４と、第２角速度設定ユニット１３５とを備えている。

第１位相差設定ユニット１３１は股関節角速度ｄφ_H／ｄｔの角速度ω_Hと、ファン・デル・ポル方程式に含まれる固有角速度ω_M に基づいて定まる角速度で振動する第１振動子ｘとの位相差を第１位相差θ_HMとして設定する。

第２位相差設定ユニット１３２は２つの振動子、すなわち、仮想運動振動子θ_hと仮想誘導振動子θ_mとの関係を表す「仮想モデル」にしたがって仮想運動振動子θ_hと仮想誘導振動子θ_mとの位相差を第２位相差θ_hm（＝θ_h−θ_m）として設定する。

相関係数設定ユニット１３３は、第２位相差設定ユニット１３２により設定された第２位相差θ_hmが、第１位相差設定ユニット１３１により設定された第１位相差θ_HMに近づくように仮想運動振動子θ_hと仮想誘導振動子θ_mとの相関係数εを設定する。

第１角速度設定ユニット１３４は、相関係数設定ユニット１３３により設定された相関係数εに基づき、仮想運動振動子θ_hの角速度ω_hを設定する。

第２角速度設定ユニット１３５は、第１角速度設定ユニット１３４により設定された仮想運動振動子θ_hの角速度ω_hに基づき、第２位相差設定ユニット１３２により設定された第２位相差θ_hmが、目標位相差設定ユニット１１２により設定された目標位相差θ_dに近づくように仮想誘導振動子θ_mの角速度ω_mを新たな固有角速度ω_Mとして設定する。

第２振動子生成ユニット１４０は、運動振動子測定ユニット１０２により測定された「第２運動振動子」としての股関節角度φ_Hと、固有角速度設定ユニット１３０により設定された新たな固有角速度ω_Mとに基づき「第２モデル」にしたがって第２振動子ｙを生成する。

誘導振動子生成ユニット１５０は、固有角速度設定ユニット１３０により設定された固有角速度ω_Mと、第２振動子生成ユニット１４０により生成された第２振動子ｙとに基づき、歩行補助装置２００による誘導振動子ｚを生成する。

前記構成の歩行補助装置およびその制御システム１００の機能について図２〜図４を用いて説明する。

運動振動子測定ユニット１０２が、股関節角度センサ２１２の出力に基づき、ユーザの左右の股関節角度（「第２運動振動子」および「第３運動振動子」の両方に該当する。）φ_H＝（φ_HL，φ_HR）を測定する（図２／ｓ１０１）。また、運動振動子測定ユニット１０２が、股関節角度センサ２１２の出力に基づき、ユーザの左右の股関節角速度（「第１運動振動子」および「第４運動振動子」の両方に該当する。）ｄφ_H／ｄｔ＝（ｄφ_HL／ｄｔ，ｄφ_HR／ｄｔ）を測定する（図２／ｓ１０２）。

さらに、状態測定ユニット１１０が、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度（ｄφ_H／ｄｔ）を含むｎ（ｎ＝１、２、‥）個の運動振動子に基づいてユーザの歩行状態を判定する（図２／ｓ１１０）。具体的には、状態測定ユニット１１０は、メモリ（図示略）から歩行状態と、ｎ個の運動振動子によってｎ次元空間に描かれる軌道パターンとの対応関係を読み取る。そして、状態測定ユニット１１０は、この対応関係と、ｎ個の運動振動子によってｎ次元空間に描かれるパターンとに基づき「歩行状態」を判定する。ユーザの歩行状態には、ユーザがほぼ平坦な床面を歩行する「平地歩行状態」、ユーザが坂または階段を昇る「上昇歩行状態」およびユーザがある坂または階段を下る「下降歩行状態」並びにユーザがゆっくりと歩行する「スロー歩行状態」およびユーザが速く歩行する「クイック歩行状態」等が含まれ得る。

なお、歩行状態測定用の運動振動子として、ユーザの股関節角度φ_Hや、膝関節、足関節、肩関節、肘関節の角度や角速度、角加速度、脚体の一部の位置、さらには歩行者の着地音、呼吸音、意図的な発声音等、歩行運動リズムと連関したリズムで変動する種々のパラメータが測定されてもよい。

また、目標運動設定ユニット１１１が、状態測定ユニット１１０によって判定された「歩行状態」に応じ、ユーザの目標運動とするリズムおよびスケール、具体的には当該目標リズムおよびスケールに関する後述の係数等を設定する（図２／ｓ１１１）。

さらに、目標位相差設定ユニット１１２が、状態測定ユニット１１０により判定された「歩行状態」に基づき、目標位相差θ_d＝（θ_dL，θ_dR）を設定する（図２／ｓ１１２）。たとえば、ユーザが「平地歩行状態」にあるとの判定結果に応じて目標位相差θ_dが「０」に設定される。また、ユーザが「上昇歩行状態」にあるとの判定結果に応じて目標位相差θ_dが負の値（たとえば０．５［ｒａｄ］以下）に設定される。さらに、ユーザが「下降歩行状態」にあるとの判定結果に応じて目標位相差θ_dが正の値（たとえば＋０．３［ｒａｄ］以上）に設定される。また、ユーザが「クイック歩行状態」にあるとの判定結果に応じて目標位相差θ_dが負の値（たとえば０．２［ｒａｄ］以下）に設定される。さらに、ユーザが「スロー歩行状態」にあるとの判定結果に応じて目標位相差θ_dが正の値（たとえば＋０．５［ｒａｄ］以上）に設定される。なお、目標位相差θ_dの左右各成分θ_dLおよびθ_dRは同一であっても異なっていてもよい。

さらに、第１振動子生成ユニット１２０が、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度ｄφ_H／ｄｔおよび固有角速度ω_M＝（ω_ML，ω_MR）に基づき第１モデルにしたがって第１振動子ｘ＝（ｘ_L，ｘ_R）を生成する（図２／ｓ１２０）。「第１モデル」は左右の脚体等、複数の第１要素の相関関係を表現するモデルである。具体的には「第１モデル」は入力振動信号と相互に引き込み合うことで固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号（当該第１要素の出力振動信号）を生成するモデルである。第１モデルは、だとえば式（１）のファン・デル・ポル（ｖａｎ ｄｅｒ Ｐｏｌ）方程式（「第１連立方程式」に該当する。）によって表現される。第１振動子生成ユニット１２０によって股関節角速度（第１運動振動子）ｄφ _H ／ｄｔ＝（ｄφ _HL ／ｄｔ，ｄφ _HR ／ｄｔ）が当該入力振動信号として第１モデルに入力されることにより、当該出力振動信号として第１振動子ｘ＝（ｘ _L 、ｘ _R ）が生成される。

（ｄ²ｘ_L／ｄｔ²）＝ξ（１−ｘ_L ²）（ｄｘ_L／ｄｔ）
−ω_ML ²ｘ_L＋ｇ（ｘ_L−ｘ_R）＋Ｋ（ｄφ_HL／ｄｔ），
（ｄ²ｘ_R／ｄｔ²）＝ξ（１−ｘ_R ²）（ｄｘ_R／ｄｔ）
−ω_MR ²ｘ_R＋ｇ（ｘ_R−ｘ_L）＋Ｋ（ｄφ_HR／ｄｔ） ‥（１）

ここで「ξ」は第１振動子ｘおよびその１回時間微分（ｄｘ／ｄｔ）がｘ−（ｄｘ／ｄｔ）平面で安定なリミットサイクルを描くように設定される係数（＞０）である。ｇは左右の脚体（複数の第１要素）の相関関係を第１モデルにしたがって生成される複数の（第１要素の）出力振動信号の関係に反映させるための第１相関係数である。Ｋはフィードバック係数である。なお、固有角速度ω_Mは、歩行補助装置２００による実際の歩行補助リズム（歩行誘導リズム）から大きく外れない範囲で任意に設定されてよい。

第１振動子ｘ＝（ｘ_L，ｘ_R）はルンゲ・クッタ法により設定生成される。第１振動子ｘの成分ｘ_Lおよびｘ_Rはそれぞれ左右の脚体に関する仮想的な歩行補助リズムを表す。また、第１振動子ｘはファン・デル・ポル方程式の１つの性質である「相互引き込み」により、実際の歩行運動リズムとほぼ同じのリズム（角速度）で時間変化する股関節角速度ｄφ_H／ｄｔのリズムと調和しながらも「固有角速度」ω_M に基づいて定まる自律的なリズムをもって時間変化または振動するという性質がある。

なお、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔに代えてまたは加えて、股関節角度φ_Hや、膝関節、足関節、肩関節、肘関節の角度や角速度、さらには歩行者の着地音、呼吸音、断続的な発声音等、ユーザの歩行運動リズム（運動リズム）が反映されたリズムで変動する種々の第１運動振動子に基づき、第１振動子ｘが生成されてもよい。

また、式（１）で表現されるファン・デル・ポル方程式とは異なる形のファン・デル・ポル方程式によって第１モデルが表現されてもよく、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ等の入力振動信号と相互引き込み効果をもって出力振動信号が生成されうるあらゆる方程式によって第１モデルが表現されてもよい。

続いて、固有角速度設定ユニット１１０が、目標位相差設定ユニット１１２により設定された目標位相差θ_dと、第１振動子設定ユニット１１０により生成された第１振動子ｘとに基づき、仮想的な２つの振動子が含まれている仮想モデルにしたがって固有角速度ω_Mを新たに設定する（図２／ｓ１３０）。

具体的には、まず、第１位相差測定ユニット１３１が、左右各成分について、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度ｄφ_H／ｄｔの位相θ_Hと、第１振動子設定ユニット１１０により生成された第１振動子ｘの位相θ_Mとの位相差θ_H−θ_Mを、第１位相差θ_HMとして設定する（図２／ｓ１３１）。たとえば、図３に示されているように、（ｄφ_H／ｄｔ）＝０かつ（ｄ²φ_H／ｄｔ²）＞０となる時点（・・，ｔ_id，ｔ_id+1，‥）と、ｘ＝０かつ（ｄｘ／ｄｔ）＞０となる時点との時間差に応じ、股関節角速度（ｄφ_H／ｄｔ）の位相θ_Hと第１振動子ｘの位相θ_Mとの位相差（第１位相差）θ_HM（＝θ_H−θ_M）が設定される。

次に、第２位相差設定ユニット１３２が、過去３歩行周期にわたって第１位相差設定ユニット１３１により設定された第１位相差θ_HMが一定であったことを要件として、左右各成分について、次式（２．１）および（２．２）によって表される「仮想モデル」にしたがって、次式（２．３）によって表される仮想運動振動子θ_hと仮想誘導振動子θ_mとの位相差θ_h−θ_mを第２位相差θ_hmとして設定する（図２／ｓ１３２）。

ｄθ_h／ｄｔ＝ω_h＋ε・ｓｉｎ（θ _m −θ _h ） ‥（２．１）
ｄθ_m／ｄｔ＝ω_m＋ε・ｓｉｎ（θ _h −θ _m ） ‥（２．２）
θ_hm＝ａｒｃｓｉｎ［（ω_h−ω_m）／２ε］ ‥（２．３）

ここで、ε＝（ε_L，ε_R）は仮想モデルにおける仮想運動振動子θ_h＝（θ_hL，θ_hR）および仮想誘導振動子θ_m＝（θ_mL，θ_mR）の左右成分ごとの相関係数である。また、ω_hは仮想運動振動子θ_hの角速度であり、ω_mは仮想誘導振動子θ_mの角速度である。

続いて、相関係数設定ユニット１３３が、第１位相差設定ユニット１３１により設定された第１位相差θ_HMと、第２位相差設定ユニット１３２により設定された第２位相差θ_hmとの差θ_HM−θ_hmが最小になるように相関係数εを設定する（図２／ｓ１３３）。

具体的には次式（２．４）にしたがって、左右各成分について、股関節角速度（第１運動振動子）ｄφ_H／ｄｔが０となる離散的な時間（・・，ｔ_id-1，ｔ_id，ｔ_id+1，・・）（図３参照）における相関係数εが逐次設定される。

ε（ｔ_id+1）＝ε（ｔ_id）−η｛Ｖ₁（ｔ_id+1）−Ｖ₁（ｔ_id）｝／｛ε（ｔ_id）−ε（ｔ_id-1）｝，
Ｖ（ｔ_id+1）≡（１／２）｛θ_HM（ｔ_id+1）−θ_hm（ｔ_id）｝² ‥（２．４）

ここで、η＝（η_L，η_R）の各成分は、第１位相差θ_HMの左右各成分と、第２位相差θ_hmの左右各成分とを近づけるポテンシャルＶ＝（Ｖ_Ｌ，Ｖ_Ｒ）の安定性を表す係数である。

次に、第１角速度設定ユニット１３４が、相関係数設定ユニット１３３により設定された相関係数εに基づき、仮想誘導振動子θ_ｍの固有角速度ω_ｍが一定であるという条件下で、左右各成分について、第１および第２位相差の差θ_HM−θ_hmの各成分が最小となるように仮想運動振動子θ_ｈの角速度ω_ｈを次式（２．５）にしたがって設定する（図２／ｓ１３４）。

ω_h（ｔ_id）＝−α∫ｄｔ・（［４ε（ｔ_id）²−｛ω_h（ｔ）−ω_m（ｔ_id）｝²］^1/2
×ｓｉｎ［ａｒｃ^-1｛（ω_h（ｔ）−ω_m（ｔ_id-1））／２ε（ｔ_id）｝−θ_HM（ｔ_id）］）
‥（２．５）

ここで、α＝（α_L，α_R）の各成分は系の安定性を表す係数である。

続いて、第２角速度設定ユニット１３５が、左右各成分について、第１角速度設定ユニット１３４により設定された仮想運動振動子θ_hの角速度ω_hに基づき、仮想誘導振動子θ_mの角速度ω_mを新たな固有角速度ω_Mとして設定する（図２／ｓ１３５）。具体的には、第２角速度設定ユニット１３５が、左右各成分について、第２位相差θ _hm が目標位相差θ_dに近づくように、次式（２．６）にしたがって仮想誘導振動子θ_mの角速度ω_m＝（ω_mL，ω_mR）を設定する。

ω_m（ｔ_id）＝β∫ｄｔ・（［４ε（ｔ_id）²−｛ω_h（ｔ_id）−ω_m（ｔ）｝²）
×ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛（ω_h（ｔ_id）−ω_m（ｔ））／２ε（ｔ_id）｝−θ_d］）‥（２．６）

ここで、β＝（β_L，β_R）の各成分は系の安定性を表す係数である。

続いて、第２振動子生成ユニット１４０が、運動振動子測定ユニット１０２により測定された「第２運動振動子」としての股関節角度φ_Hと、固有角速度設定ユニット１３０により設定された新たな固有角速度ω_Mとに基づき、第２モデルにしたがって第２振動子ｙ＝（ｙ_L+，ｙ_L-，ｙ_R+，ｙ_R-）を生成する（図２／ｓ１４０）。「第２モデル」は複数の神経要素等、複数の第２要素の相関関係を表現するモデルである。具体的には「第２モデル」は入力振動信号に応じて当該新たな固有角速度ω _M に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号（当該第２要素の出力振動信号）を生成するモデルである。第２モデルはたとえば次式（３）の連立微分方程式（「第２連立方程式」に該当する。）により表現される。当該連立微分方程式には左大腿部の屈曲方向（前方）および伸展方向（後方）のそれぞれへの運動を支配する神経要素Ｌ＋およびＬ−、並びに右大腿部の屈曲方向および伸展方向のそれぞれへの運動を支配する神経要素Ｒ＋およびＲ−の膜電位の変動に対応する状態変数ｕ_i（ｉ＝Ｌ＋，Ｌ−，Ｒ＋，Ｒ−）と、神経要素ｉの順応効果が反映される自己抑制因子ｖ_iとが含まれている。第２振動子生成ユニット１４０により、股関節角度（第２運動振動子）φ _H が当該入力振動信号として第２モデルに入力されることにより、当該出力振動信号として第２振動子ｙが生成される。

τ_1L+・ｄｕ_L+／ｄｔ
＝−ｕ_L+＋ｗ_L+/L-ｙ_L-＋ｗ_L+/R+ｙ_R+−λ_Lｖ_L+＋ｆ₁（ω_ML）＋ｆ₂（ω_ML）Ｋ（φ_L），
τ_1L-・ｄｕ_L-／ｄｔ
＝−ｕ_L-＋ｗ_L-/L+ｙ_L+＋ｗ_L-/R-ｙ_R-−λ_Lｖ_L-＋ｆ₁（ω_ML）＋ｆ₂（ω_ML）Ｋ（φ_L），
τ_1R+・ｄｕ_R+／ｄｔ
＝−ｕ_R+＋ｗ_R+/L+ｙ_L+＋ｗ_R+/R-ｙ_R-−λ_Rｖ_R+＋ｆ₁（ω_MR）＋ｆ₂（ω_MR）Ｋ（φ_R），
τ_1R-・ｄｕ_R-／ｄｔ
＝−ｕ_R-＋ｗ_R-/L-ｙ_L-＋ｗ_R-/R+ｙ_R+−λ_Rｖ_R-＋ｆ₁（ω_MR）＋ｆ₂（ω_MR）Ｋ（φ_R），
τ_2i・ｄｖ_i／ｄｔ＝−ｖ_i＋ｙ_i，
ｙ_i＝Ｈ（ｕ_i−ｕ_th），Ｈ≡０（ｕ_i＜ｕ_th），１（ｕ_i≧ｕ_th）または
＝ｆｓ（ｕ_i）≡１／｛１＋ｅｘｐ（−ｕ_i／ξ）｝ ‥（３）

ここで、τ_1iは状態変数ｕ_iの変化特性を規定する時定数であり、左右各成分について、次式（３．１）によって表されているように、新たな固有角速度ω_Mへの依存性を有する。

τ_1i≡ｔ（ω_ML）／ω_ML−γ_L （ｉ＝Ｌ＋，Ｌ−），
≡ｔ（ω_MR）／ω_MR−γ_R （ｉ＝Ｒ＋，Ｒ−）‥（３．１）

ｔ（ω）はω依存性を有する係数である。γ＝（γ_L，γ_R）は定数である。

また、τ_2iは自己抑制因子ｖ_iの変化特性を規定する時定数である。さらに、ｗ_i/j（＜０）は複数の第２要素（神経要素）ｉおよびｊの相関関係を第２モデルにしたがって生成される複数の（第２要素の）出力振動信号の相関関係に反映させるための第２相関係数（定数）である。「λ_L」および「λ_R」は慣れ係数である。Ｋは股関節角度φ_Hに応じたフィードバック係数である。

「ｆ₁」および「ｆ₂」はそれぞれ次式（３．２）および（３．３）により定義される関数である。

ｆ₁（ω）≡ｃ・ω（ｃ＞０） ‥（３．２）
ｆ₂（ω）≡ｃ₀＋ｃ₁ω＋ｃ₂ω² ‥（３．３）

新たな固有角速度ω_Mの関数であるｆ₁（ω_M）およびｆ₂（ω_M）の係数ｃ，ｃ₀，ｃ₁，ｃ₂は、目標運動設定ユニット１１１によって設定された目標となる運動リズムに応じた係数として設定されうる。

なお、股関節角度φ_Hに代えてまたは加えて、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔや、膝関節、足関節、肩関節、肘関節の角度や角速度、さらには歩行者の着地音、呼吸音、意図的な発声音等、歩行運動リズムと連関したリズムで変動する種々の第２運動振動子に基づき、第２振動子ｙ_iが生成されてもよい。

第２振動子ｙ_iは、状態変数ｕ_iの値が閾値ｕ_th未満である場合は０、状態変数ｕ_iの値が閾値ｕ_th以上である場合はこのｕ_iの値をとる。或いは、第２振動子ｙ_iは、シグモイド関数ｆｓによって定義されている（式（３）参照）。これにより、大腿部の屈曲方向（前方）への動きについてはこの動きを支配する第２要素（神経要素）Ｌ＋、Ｒ＋の出力である第２振動子ｙ_L+およびｙ_R+が、他の第２要素の出力よりも大きくなる。また、大腿部の伸展方向（後方）への動きについてはこの動きを支配する第２素子Ｌ−、Ｒ−の出力である第２振動子ｙ_L-およびｙ_R-が、他の第２要素の出力よりも大きくなる。脚体（大腿部）の前方または後方への動きは、たとえば、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔの極性によって識別される。

次に、誘導振動子生成ユニット１５０が、運動振動子測定ユニット１０２によって測定された股関節角度φ_Hと、運動振動子測定ユニット１０２によって測定された股関節角速度ｄφ_H／ｄｔと、第２振動子生成ユニット１４０により生成された第２振動子ｙ_iと、固有角速度設定ユニット１３０によって設定された新たな固有角速度ω_Mとに基づき、誘導振動子ｚを設定する（図２／ｓ１５０）。

具体的には、次式（４）にしたがって第１誘導振動子ｚ₁が生成される（図２／ｓ１５１）。

ｚ_1L＝ｇ₁₊（ω _ML ）ｇ₊（φ_HL）ｙ_L+−ｇ_1-（ω _ML ）ｇ_-（φ_HL）ｙ_L-，
ｚ_1R＝ｇ₁₊（ω _MR ）ｇ₊（φ_HR）ｙ_R+−ｇ_1-（ω _MR ）ｇ_-（φ_HR）ｙ_R- ‥（４）

ここで「ｇ₁₊」「ｇ_1-」「ｇ₊」および「ｇ_-」は次式（４．１）〜（４．４）のそれぞれによって定義される関数である。

ｇ₁₊（ω）≡Σ_kａ_k+ω^k （ａ_k+：係数，ｋ＝０〜３）‥（４．１）
ｇ_1-（ω）≡Σ_kａ_k-ω^k （ａ_k-：係数，ｋ＝０〜３）‥（４．２）
ｇ₊（φ）≡ｃ₁₊（φ−φ₀₊）＋ｃ₂₊（φ−φ₀₊）³
（ｃ₁₊，ｃ₂₊：係数，φ₀₊：屈曲方向の股関節角度φ_Hの目標値）‥（４．３）
ｇ_-（φ）≡ｃ_1-（φ−φ_0-）＋ｃ_2-（φ−φ_0-）³
（ｃ_1-，ｃ_2-：係数，φ_0-：伸展方向の股関節角度φ_Hの目標値）‥（４．４）

第１誘導振動子ｚ₁は、第１係数ｇ₁₊およびｇ_1-をそれぞれバネ係数（弾性係数）とする、図４に示されている２つの仮想的なバネＧ₁₊およびＧ_1-の弾性力として把握される。すなわち、第１誘導振動子ｚ₁は、第１係数ｇ₁₊，ｇ_1-を弾性係数（バネ係数）とし、かつ、股関節角度（第３運動振動子）φ_Hの値を目標値φ₀₊およびφ_0-に復元させる仮想的なバネ等の弾性要素による弾性力として表現される。これにより、筋肉の収縮状態から伸展状態への移行時の弾性力等、ユーザの身体の弾性要素が反映されたリズムおよびスケールをもってユーザの運動が誘導されうる。

一方の仮想的なバネＧ₁₊による弾性力は、そのバネ係数ｇ₁₊に応じて股関節角度φ_Hをその目標値φ₀₊に近付けるようにユーザの大腿部に作用する（式（４）参照）。すなわち、股関節角度φ_Hが目標値φ₀₊未満である場合、バネＧ₁₊による弾性力が股関節角度φ_Hを増加させる方向（前方）に大腿部を動かすようにこの大腿部に作用する。また、股関節角度φ_Hが目標値φ₀₊を超えた場合、バネＧ₁₊による弾性力が、股関節角度φ_Hを減少させる方向（後方）に大腿部を動かすようにこの大腿部に作用する。

また、他方の仮想的なバネＧ_1-による弾性力は、そのバネ係数ｇ_1-に応じて、股関節角度φ_Hをこの目標値φ_0-に近付けるようにユーザの大腿部に作用する（式（４）参照）。すなわち、股関節角度φ_Hが目標値φ_0-を超えている場合、バネＧ_1-による弾性力が、股関節角度φ_Hを減少させる方向（後方）に大腿部を動かすようにこの大腿部に作用する。また、股関節角度φ_Hが目標値φ_0-を下回った場合、バネＧ_1-による弾性力が股関節角度φ_Hを増加させる方向（前方）に大腿部を動かすようにこの大腿部に作用する。

また、前記のように大腿部の前方への動きおよび後方への動きの別に応じて複数の第２要素ｉ（＝Ｌ＋，Ｌ−，Ｒ＋，Ｒ−）のうち一部から偏重的に出力があるので、２つの仮想的なバネＧ₁₊およびＧ_1-のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避される。

すなわち、左の大腿部が前方に動いているとき、この動きを支配する第２要素Ｌ＋に応じた第２振動子ｙ_L+の値が他の第２要素Ｌ−に応じた第２振動子ｙ_L-の値より大きくなって、式（４）により表されている第１誘導振動ｚ_1Lが次式（４ａ）のように表される（または近似される）。

ｚ_1L＝ｇ₁₊（ω_mL）ｇ₊（φ_HL）ｙ_L+ ‥（４ａ）

このため、左の大腿部が前方に動いているとき、２つの仮想的なバネＧ₁₊およびＧ_1-のそれぞれの弾性力のうち、股関節角度φ_Hを前側の目標値φ₀₊に近付けるようにユーザの大腿部に作用するバネＧ₁₊の弾性力が偏重的に反映されることとなる。これにより、２つの仮想的なバネＧ₁₊およびＧ_1-のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避される。

また、左の大腿部が後方に動いているとき、この動きを支配する第２要素Ｌ−の出力が他の第２要素Ｌ＋の出力より大きくなり、これによって第２要素Ｌ−に応じた第２振動子ｙ_L-の値が第２要素Ｌ＋に応じた第２振動子ｙ_L+の値より大きくなって、式（４）によって表されている第１誘導振動子ｚ_1Lは次式（４ｂ）のように表される（または近似される）。

ｚ_1L＝−ｇ_1-（ω_mL）ｇ_-（φ_HL）ｙ_L- ‥（４ｂ）

このため、左の大腿部が後方に動いているとき、２つの仮想のバネＧ₁₊およびＧ_1-のそれぞれの弾性力のうち、股関節角度φ_Hを後側の目標値φ_0-に近付けるようにユーザの大腿部に作用する仮想のバネＧ_1-の弾性力が偏重的に反映されることとなる。これにより、２つの仮想的なバネＧ₁₊およびＧ_1-のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避される。これは、右の脚体（大腿部）の動きについても同様である。

なお、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔを変数とするシグモイド関数ｆｓ（式（３）参照）が第１係数ｇ₁₊，ｇ_1-に組み込まれ、これにより股関節角速度ｄφ_H／ｄｔの極性により特定される大腿部の前後への動きの別に応じて、複数の第２要素ｉの出力としての第２振動子ｙ_iのうち一部が偏重的に反映された形で第１トルクＴ₁が生成されてもよい。これによっても、２つの仮想的なバネＧ₁₊およびＧ_1-のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避されうる。

股関節角度φ_Hの目標値φ₀₊およびφ_0-は、目標運動設定ユニット１１１により設定される目標となる運動スケール（歩幅）に応じてユーザの股関節角度φ_Hを含む脚体の姿勢の幾何学的条件にしたがって設定される。また、固有角速度ω_Mの関数である第１係数ｇ₁₊（ω_M）およびｇ_1-（ω_M）のそれぞれに含まれる係数ａ_k+およびａ_k-は、目標運動設定ユニット１１１により設定される目標となる運動リズム（歩行率（＝単位時間（たとえば１分間）当たりの歩数））に応じた係数として設定されうる。

なお、股関節角度φ_Hの目標値φ₀₊およびφ_0-は、歩行補助装置２００に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、ユーザによって設定された目標とする「歩幅」に基づき、ユーザの股関節角度φ_Hを含む脚体の姿勢の幾何学的条件にしたがって設定されてもよい。また、第１係数ｇ₁₊（ω_M）およびｇ_1-（ω_M）のそれぞれに含まれる係数ａ_k+およびａ_k-は、歩行補助装置２００に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、ユーザによって設定された目標とする「歩行率」に応じて設定されてもよい。

さらに、次式（５）にしたがって第２誘導振動子ｚ₂が設定される（図２／ｓ１５２）。

ｚ_2L＝−ｇ₂₊（ω_mL）（ｄφ_HL／ｄｔ）Ｈ₊（φ_HL）ｙ_L+
＋ｇ_2-（ω_mL）（ｄφ_HL／ｄｔ）Ｈ_-（φ_HL）ｙ_L-，
ｚ_2R＝−ｇ₂₊（ω_mR）（ｄφ_HR／ｄｔ）Ｈ₊（φ_HR）ｙ_R+
＋ｇ_2-（ω_mR）（ｄφ_HR／ｄｔ）Ｈ_-（φ_HR）ｙ_R-‥（５）

ここで「ｇ₂₊」「ｇ_2-」「Ｈ₊」および「Ｈ_-」は次式（５．１）〜（５．４）のそれぞれによって定義される関数である。

ｇ₂₊（ω）≡Σ_kｂ_k+ω^k （ｂ_k+：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．１）
ｇ_2-（ω）≡Σ_kｂ_k-ω^k （ｂ_k-：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．２）
Ｈ₊（φ）≡０（φ≦０），１（φ＞０） ‥（５．３）
Ｈ_-（φ）≡０（φ＞０），１（φ≦０） ‥（５．４）

第２誘導振動子ｚ₂は、第２係数ｇ₂₊およびｇ_2-をそれぞれダンパ係数（減衰係数）とする、図４に示されている２つの仮想的なダンパＧ₂₊およびＧ_2-の減衰力として把握される。すなわち、第２誘導振動子ｚ₂は第２係数ｇ₂₊，ｇ_2-を減数係数（ダンパ係数）とし、かつ、股関節角速度（第４運動振動子）ｄφ_H／ｄｔに応じて股関節角度（第３運動振動子）φ_Hの絶対値の増大を抑制する仮想的なダンパ等の減衰要素による減衰力として表現される。これにより、筋肉の伸展状態から屈曲状態への移行時の粘性力等、ユーザの身体の減衰要素が反映されたリズムおよびスケールをもってユーザの運動が誘導されうる。

一方の仮想的なダンパＧ₂₊による減衰力は、そのダンパ係数ｇ₂₊および股関節角速度ｄφ_H／ｄｔに応じて、前側（屈曲側）への股関節角度φ_Hの絶対値の増大を抑制するようにユーザの大腿部に作用する（式（５）参照）。すなわち、仮想的なダンパＧ₂₊による減衰力は、大腿部の前方への過剰な動きを抑制するようにこの大腿部に作用する。

また、他方の仮想的なダンパＧ_2-による弾性力は、そのダンパ係数ｇ_2-および股関節角速度ｄφ_H／ｄｔに応じて後側（伸展側）への股関節角度φ_Hの絶対値の増大を抑制するようにユーザの大腿部に作用する（式（５）参照）。すなわち、仮想的なダンパＧ_2-による減衰力は、大腿部の後方への過剰な動きを抑制するようにこの大腿部に作用する。

また、第２誘導振動子ｚ₂には、股関節角度φ_Hの関数としての階段関数Ｈ₊，Ｈ_-が含まれている。したがって、２つの仮想的なダンパＧ₂₊およびＧ_2-のそれぞれの減衰力が相殺される事態が回避される。

固有角速度ω_Mの関数である第２係数ｇ₂₊（ω_M）およびｇ_2-（ω_M）のそれぞれに含まれる係数ｂ_k+およびｂ_k-は、目標運動設定ユニット１１１により設定される目標となる運動リズムに応じた係数として設定されうる。なお、当該係数ｂ_k+およびｂ_k-は、歩行補助装置２００に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、ユーザによって設定された目標とする「歩行率」に応じて設定されてもよい。

そして、誘導振動子生成ユニット１５０により生成された第１誘導振動子ｚ₁＝（ｚ_1L，ｚ_1R）と、第２誘導振動子ｚ₂＝（ｚ_2L，ｚ_2R） とを含む誘導振動子ｚ（＝ｚ₁＋ｚ₂）に応じた電流Ｉ＝（Ｉ_L，Ｉ_R）が電池２０６から左右のアクチュエータ２１０にそれぞれ供給され、ユーザの大腿部に力（股関節回りのトルク）Ｔ＝（Ｔ _L ，Ｔ _R ）が作用する。

以後、前記処理（図２／ｓ１０１，ｓ１０２，・・，ｓ１５０）が繰り返されることで、歩行者は歩行補助装置２００によって股関節回りのトルクＴが作用している状態で歩行する。

前記機能を発揮する本発明の歩行補助装置２００およびその制御システム１００によれば、主に次の理由により、ユーザの運動リズムをその目標とする運動リズムに一致させるようにユーザの運動が誘導されうる。

すなわち、股関節角速度（第１運動振動子）ｄφ _H ／ｄｔが入力振動信号として第１モデルに入力されることにより、第１モデルの出力振動信号としての第１振動子ｘが生成される。「第１モデル」は入力振動信号と相互に引き込み合うことで固有角速度ω _M に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成するモデルである。これにより、「第１振動子」はファン・デル・ポル方程式（式（１）参照）の性質である「相互引き込み」の効果によってユーザの股関節角速度（第１運動振動子）ｄφ_H／ｄｔのリズムと調和しながら、固有角速度ω_M に基づいて定まる自律的なリズムまたは角速度をもって振動または時間変化する。

しかるに、第１振動子ｘは、ユーザの歩行運動リズムと装置によるその運動の誘導リズムとの調和を図りながらユーザの歩行運動リズムを目標運動リズムに一致させる観点から、ユーザの股関節角速度ｄφ_H／ｄｔと不適当な位相差を有している可能性がある。したがって、第１振動子ｘから直接的に誘導振動子ｚが生成された場合、この誘導振動子ｚに応じた角速度で時間変化する股関節回りのトルクＴによって誘導されたユーザの歩行運動リズムが、目標リズムから乖離してしまうおそれがある。

そこで、仮想的な仮想モデルにおける２つの振動子θ_hおよびθ_mの関係がユーザの股関節角速度ｄφ_H／ｄｔと第１振動子ｘとの位相差（第１位相差）θ_HM を目標位相差θ _d に近づけるように設定される。詳細には、第１位相差θ_HM と当該２つの振動子θ _h およびθ _m の位相差（第２位相差）θ _hm との差が最小になるように仮想モデルにおける相関係数εが設定される（図２／ｓ１３３）。また、当該２つの振動子θ_hおよびθ_mの位相差（第２位相差）θ_hmを目標位相差θ_dに近づけるように２つの振動子θ_hおよびθ_mの角速度ω_hおよびω_mが設定され、後者が新たな固有角速度ω_Mとして設定される（図２／ｓ１３４，ｓ１３５）。これにより、新たな固有角速度ω_Mは、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔにより特定されるユーザの運動リズムとの調和の、目標位相差θ_dに応じた調和を図りながら、ユーザの運動リズムを目標運動リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当するものとなる。その後、新たな固有角速度ω_Mが反映された形での第１振動子ｘの生成（図２／ｓ１１０）が繰り返されることにより、第１振動子ｘのリズムと股関節角速度ｄφ _H ／ｄｔ等の第１運動振動子のリズムとの調和を図りながら、第１位相差θ_HMの目標位相差θ_dからの偏差を徐々に減少させることができる。これにより、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化への誘導振動子ｚひいてはトルクＴの追従性を、ユーザに違和感等を与えない観点から適当なものとし、ユーザの運動リズムを目標運動リズムに適度なペースで徐々に一致させることができる。

続いて、股関節角度（第２運動振動子）φ _H が入力振動信号として第２モデルに入力され、第２モデルからの出力振動信号として第２振動子ｙが生成される。「第２モデル」は入力振動信号に基づき、新たな固有角速度ω _M に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成するモデルである。これにより、当該新たに設定された固有角速度ω_M ひいては出力振動信号の時定数τ _1i （ω _ML ）が反映された形でに基づいて定まる角速度で時間変化する第２振動子ｙ_iが生成される（図２／ｓ１４０）。さらに、第２振動子ｙ_iを含むに基づいて誘導振動子ｚが生成される（図２／ｓ１５０）。これにより、この誘導振動子ｚに応じて大腿部に作用するトルクＴによって誘導されたユーザの運動リズムと誘導リズムとを調和させながら、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させることができる。これは、歩行補助装置２００による誘導リズムがユーザの運動リズムに調和し、かつ、ユーザの運動リズムも歩行補助装置２００による誘導リズムに調和するという形のユーザ（人間）と装置（機械）との調和（相互の歩み寄り）を意味する。

また、ユーザの運動振動子と歩行補助装置２００による誘導振動子ｚとの位相差が、正の目標位相差に一致するようにユーザの運動が誘導されることにより、ユーザは歩行補助装置２００を先導する形で歩行（運動）することができる。さらに、ユーザの運動振動子と歩行補助装置２００による誘導振動子ｚとの位相差が、負の目標位相差に一致するようにユーザの運動が誘導されることにより、ユーザは歩行補助装置２００によって先導される形で歩行（運動）することができる。

前記機能を発揮する本発明の歩行補助装置２００およびその制御システム１００によれば、主に次の理由により、ユーザの運動スケールをその目標とするスケールに一致させるようにユーザの運動が誘導されうる。

すなわち、第１誘導振動子ｚ₁に含まれている第１係数ｇ₁₊，ｇ_1-は、ユーザの股関節角度（第３運動振動子）φ_Hをその目標値φ₀₊，φ_0-に近付けるための仮想的なバネの弾性係数を表す。また、第１係数ｇ₁₊，ｇ_1-は固有角速度ω_M（＝仮想誘導振動子θ_mの角速度ω_m）に応じたものである（式（４．１）（４．２）参照）。固有角速度ω_Mは前記のようにユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当する。

さらに、第２誘導振動子ｚ₂に含まれている第２係数ｇ₂₊，ｇ_2-は、股関節角度φ_Hの絶対値の増大を抑制する仮想的なダンパの減衰係数を表す。また、第２係数ｇ₂₊，ｇ_2-は固有角速度ω_Mに応じたものである（式（５．１）（５．２）参照）。固有角速度ω_Mは前記のようにユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当する。

したがって、新たな固有角速度ω_Mに応じた第１係数ｇ₁₊（ω_M），ｇ_1-（ω_M）が反映された形で第１誘導振動子ｚ₁が生成され、かつ、固有角速度ω_Mに応じた第２係数ｇ₂₊（ω_M），ｇ_2-（ω_M）が反映された形で第２誘導振動子ｚ₂が生成されることで、ユーザの運動リズムと誘導振動子ｚのリズムとの調和、およびユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図りながら、ユーザの運動スケールが目標スケールに近付くようにユーザの運動が誘導されうる。

以上のように、本発明の歩行補助装置（運動誘導装置）２００によれば、ユーザの運動のリズムおよびスケールをその目標とするリズムおよびスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を誘導しうる。

また、ユーザの歩行状態に応じて、このユーザの目標運動リズムおよびスケールに応じた係数（φ₀₊，φ_0-，ａ_k+，ａ_k-，ｂ_k+，ｂ_k-，・・）等が設定される（図２／ｓ１１１）。したがって、ユーザの運動リズムおよびスケールを、このユーザの「歩行状態」に応じた目標リズムおよびスケールのそれぞれに一致させる観点から適当なリズムおよびスケールをもってユーザの運動が誘導されうる。

さらに、ユーザの歩行状態に応じて、目標位相差θ_dが設定される（図２／ｓ１１２）。したがって、ユーザの股関節角速度ｄφ_H／ｄｔと歩行補助装置２００による誘導振動子ｚ（ひいては股関節回りのトルクＴ）との位相差が、ユーザの「歩行状態」に応じた目標位相差θ_dに近づくように、このユーザの運動が誘導されうる。これにより、ユーザの歩行状態の変動に応じて、ユーザの運動リズムを目標リズムに近づける観点から適当なリズムでユーザの運動が誘導（補助）される。

また、複数の第１要素の相関関係を表現する第１モデルにしたがって、第１要素の出力振動信号として第１振動子ｘが生成される（式（１），図２／ｓ１２０）。これにより、ユーザの実際の運動に関係する複数の第１要素の相関関係を第１モデルにおける複数の出力振動信号の関係を表す第１相関係数ｇに反映させることで、当該複数の第１要素の相関関係に鑑みて適当な第１振動子ｘが生成されうる。たとえば複数の第１要素として左右の脚体や同一脚体の複数の関節が想定された場合、交互に前後に動く等の左右の脚体の定性的関係や股関節回りの脚体運動と膝関節回りの脚体運動との周期や位相差等の同一脚体の関節間の定性的関係等が反映された形で第１振動子ｘが生成される。したがって、ユーザの運動を誘導する誘導振動子のリズムおよびスケールを当該関係に鑑みて適当なものとすることができる。

さらに、複数の第２要素の相関関係を表現する第２モデルにしたがって、第２要素の出力振動信号として第２振動子ｙ_iが生成される（式（３），図２／ｓ１４０）。これにより、ユーザの実際の運動に関係する現実の複数の第２要素の相関関係を第２モデルにしたがって生成される複数の（第２要素の）出力振動信号の相関関係を表す第２相関係数ｗ_i/jに反映させることで、当該複数の第２要素の相関関係に鑑みて適当な第２振動子が生成されうる。たとえば複数の第２要素としてユーザの複数の神経（ニューロン）が想定された場合、左右の脚体による歩行を支配するニューロン間の定性的関係等が反映された形で第２振動子ｙ_iが生成される。したがって、ユーザの運動を誘導する誘導振動子のリズムおよびスケールを当該関係に鑑みて適当なものとすることができる。

ここで、ユーザの運動のリズムおよびスケールをその目標とするリズムおよびスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を誘導しうるという本発明の歩行補助装置２００の作用効果について、図５および図６を用いて説明する。

この作用効果は、図５および図６にそれぞれ示されている「歩行率」−「歩幅」平面において原点を通る直線（たとえば、直線Ｌ₁，Ｌ₂）の傾きとして表現される「歩行比（＝歩幅／歩行率）」が、目標とする歩行比に一致することを意味する。これは、歩行率および歩幅がそれぞれユーザの歩行（運動）のリズムおよびスケールを表しているため、ユーザの歩行運動リズムおよびスケールが目標リズムおよびスケールにそれぞれ一致した場合、ユーザの歩行運動リズムおよびスケールの相関関係が目標リズムおよびスケールの相関関係に一致することになるからである。

たとえばユーザが図５に示されている双曲線ｖにより表される「速度（＝歩行率×歩幅）」、並びに双曲線ｖ上の点ｓにより表される「歩行率」および「歩幅」で歩行している状態を考える。双曲線ｖにより表される速度が目標として設定され、かつ、直線Ｌ₁により表される歩行比が目標として設定されている場合、当該双曲線ｖおよび直線Ｌ₁の交点ｓ₁により表される歩行率および歩幅をもってユーザが歩行するように、歩行補助装置２００によってユーザの動きが誘導（補助）される（図５／矢印Ａ１参照）。すなわち、ユーザの歩行状態は、歩行速度が維持されたまま、大股でゆっくりと歩行する状態へと徐々に誘導される。また、この状態で双曲線ｖにより表される速度が目標として設定され、かつ、直線Ｌ₂により表される歩行比が目標として設定されている場合、反比例曲線ｖおよび直線Ｌ₂の交点ｓ₂により表される歩行率および歩幅をもってユーザが歩行するように、歩行補助装置２００によってユーザの動きが誘導（補助）される（図５／矢印Ａ２）。これにより、ユーザの歩行状態は、歩行速度が維持されたまま、ユーザが小股でせわしなく歩行する状態へと徐々に誘導される。

また、たとえば、ユーザが図６に示されている点ｓにより表される「歩行率」および「歩幅」で歩行している状態を考える。点ｓを通る縦直線により表される歩行率が目標として設定され、かつ、直線Ｌ₁により表される歩行比が目標として設定されている場合、当該縦直線および直線Ｌ₁の交点ｓ₁により表される歩行率および歩幅をもってユーザが歩行するように、歩行補助装置２００によってユーザの動きが誘導（補助）される（図６／矢印Ａ１参照）。すなわち、ユーザの歩行状態は、ユーザが歩行リズムを維持したまま大股で歩行する状態へと徐々に誘導される。また、この状態で点ｓを通る縦直線により表される歩行率が目標として設定され、かつ、直線Ｌ₂により表される歩行比が目標として設定されている場合、当該縦直線および直線Ｌ₂の交点ｓ₂により表される歩行率および歩幅をもってユーザが歩行するように、歩行補助装置２００によってユーザの動きが誘導（補助）される（図６／矢印Ａ２）。これにより、ユーザの歩行状態は、ユーザが歩行リズムを維持したまま小股で歩行する状態へと徐々に誘導される。

続いて、本発明の歩行補助装置２００の前記作用効果に関する実験結果について、図７〜図９を用いて説明する。

この実験に際して目標歩行比は「０．００７２」に設定された。そして、図１に示されている歩行補助装置２００が装着されたユーザが、図７に示されているようにその速度を変化させながら歩行した。すなわち、このユーザは、最初ほぼ一定速度で歩行し、その後で加速歩行し、若干減速歩行した後で再び加速歩行し、その後で減速歩行して最後はほぼ一定速度で歩行した。

この結果、ユーザの歩行比は図８に示されているように、ユーザの歩行速度の加減速に応じてその目標値である０．００７２から若干ずれるものの、この目標値にほぼ収束するような形で変化した。すなわち、歩行率−歩幅平面におけるユーザの歩行状態を表す点の軌跡は、図９に示されているように、目標歩行比０．００７２を表す直線に収束するように描かれる。この実験結果から明らかなように、本発明の歩行補助装置（運動誘導装置）２００によれば、ユーザの歩行運動リズムおよびスケールが、その目標とするリズムおよびスケールに一致するように、ユーザの歩行が誘導されうる。

なお、前記実施形態ではユーザの歩行が誘導されたが、他の実施形態としてユーザの他の動作が補助されてもよい。たとえば、自動車等の製品の製造に関する手作業が誘導される場合、ユーザは誘導振動子にしたがうことで、目標とする動きのリズムおよび動きのスケール（または力加減）をもって作業することができる。目標となる運動のリズムおよびスケールが、熟練作業者等の手作業に基づいて設定されている場合、このユーザに熟練作業者の微妙な手の動きや力加減等を実感させ、その技術を早期に修得させることができる。

前記実施形態では誘導振動子ｚに応じた左右の股関節回りのトルクＴ＝（Ｔ _L ，Ｔ _R ）がユーザの身体に作用させられたが、他の実施形態として膝関節、足関節、肩関節、肘関節、手根関節等、種々の関節回りのトルクがユーザの身体に作用させされてもよい。トルク作用対象となる関節の組合せは、ユーザに応じてさまざまに変更されてもよい。また、他の実施形態として、ヘッドホン等の聴覚装置（図示略）を介して歩行者が聴覚的に知覚可能な誘導振動子ｚに応じた周期的な音や、ゴーグル等の視覚装置（図示略）を介して知覚可能な誘導振動子ｚに応じた周期的な光または標識や、マッサージ機器等により歩行者が背中や肩等の身体の一部の触覚を介して知覚可能な誘導振動子ｚに応じた周期的な叩き（ノック）等がユーザに対して付与されてもよい。

測定対象となる運動振動子の種類が多くなるほどファン・デル・ポル方程式等の第１振動子ｘの生成に応じた非線形微分方程式（式（１））や、第２振動子ｙ_iの生成に応じた非線形微分方程式（式（３））における相関項は多くなるが、当該相関係数の調節によってユーザの身体の様々な部分の動きに鑑みた一層緻密な運動の誘導が実現される。

前記実施形態ではユーザの「歩行状態（運動状態）」が測定され、この測定結果に応じて目標運動リズムおよびスケールに係る係数（φ₀₊，φ_0-，ａ_k+，ａ_k-，ｂ_k+，ｂ_k-，・・）および目標位相差θ_dが設定されたが（図２／ｓ１１０，ｓ１１１，ｓ１１２）、他の実施形態としてユーザの「生理状態」が測定され、この測定結果に応じて目標運動リズムおよびスケールに係る係数および目標位相差θ_dが設定されてもよい。ユーザの生理状態には、疲労度が高い状態や、疲労度が低い状態、心拍数や発汗量が多い状態や、心拍数等が少ない状態等が含まれる。

また、歩行補助装置２００の制御システム１００が、状態測定ユニット１１０により判定されたユーザの運動状態および生理状態のうち一方または両方に応じて、第１モデルにおける第１相関係数ｇを調節する第１相関調節ユニットをさらに備えていてもよい。さらに、歩行補助装置２００の制御システム１００が、状態測定ユニット１１０により判定されたユーザの運動状態および生理状態のうち一方または両方に応じて、第２モデルにおける第２相関係数ｗ_i/jを調節する第２相関調節ユニットをさらに備えていてもよい。

本発明の運動誘導装置によれば、左右の脚体等、現実の複数の第１要素の関係または複数の第２要素の関係がユーザの「運動状態」や「生理状態」に応じて変動するという事情が反映された形で、ユーザの状態に応じてユーザの運動が適当なリズムおよびスケールをもってリアルタイムで誘導されうる。

本発明の運動誘導装置およびその制御システムの構成例示図 本発明の運動誘導装置およびその制御システムの機能例示図 運動振動子と第１振動子との関係例示図 誘導振動子生成に関する仮想的なバネおよびダンパの説明図 本発明の運動誘導装置の作用効果に関する概念説明図 本発明の運動誘導装置の作用効果に関する概念説明図 本発明の運動誘導装置の作用効果に関する実験結果の説明図 本発明の運動誘導装置の作用効果に関する実験結果の説明図 本発明の運動誘導装置の作用効果に関する実験結果の説明図

符号の説明

１００‥コンピュータ（制御システム）、１０２‥運動振動子測定ユニット、１１０‥状態測定ユニット、１１１‥目標運動設定ユニット、１１２‥目標位相差設定ユニット、１２０‥第１振動子生成ユニット、１３０‥固有角速度設定ユニット、１３１‥第１位相差設定ユニット、１３２‥第２位相差設定ユニット、１３３‥相関係数設定ユニット、１３４‥第１角速度設定ユニット、１３５‥第２角速度設定ユニット、１４０‥第２振動子生成ユニット、１５０‥誘導振動子生成ユニット、２００‥歩行補助装置（運動誘導装置）、２１０‥アクチュエータ、２１２‥股関節角度センサ

Claims (13)

1. 誘導振動子に応じてユーザの運動を誘導するための装置であって、
   前記ユーザの身体運動に応じて時間変化するパラメータとしての第１および第２運動振動子と、前記ユーザの身体運動に応じて時間変化する、該ユーザの運動スケールを表すパラメータとしての第３運動振動子とを測定する運動振動子測定手段と、
   入力振動信号と相互に引き込み合うことで固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成する第１モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子を該入力振動信号として入力することにより、該出力振動信号として第１振動子を生成する第１振動子生成手段と、
   該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子と該第１振動子生成手段により生成された該第１振動子との位相差である第１位相差を目標位相差に近づけるように該固有角速度を新たに設定する固有角速度設定手段と、
   入力振動信号に基づき、該固有角速度設定手段により設定された該固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成する第２モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該第２運動振動子を該入力振動信号として入力することにより、該出力振動信号として第２振動子を生成する第２振動子生成手段と、
   該第２振動子生成手段により生成された該第２振動子と、該固有角速度設定手段により設定された該固有角速度とに応じて、該運動振動子測定手段により測定された該第３運動振動子の値を該ユーザの目標運動スケールに応じた目標値に近付けるように該ユーザの運動を誘導するための仮想的な弾性要素による弾性力を表す第１誘導振動子を生成し、該第１誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成する誘導振動子生成手段とを備えていることを特徴とする運動誘導装置。
2. 前記運動振動子測定手段が、前記第３運動振動子の時間微分を第４運動振動子として測定し、
   前記誘導振動子生成手段が、前記第２振動子生成手段により生成された前記第２振動子と、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度と、前記運動振動子測定手段により測定された該第４運動振動子とに応じて、該第３運動振動子の絶対値の増大を抑制するように前記ユーザの運動を誘導するための仮想的な減衰要素による減衰力を表す第２誘導振動子を生成し、該第２誘導振動子をさらに含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
3. 前記誘導振動子生成手段が、前記仮想的な弾性要素の弾性係数としての、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度の関数である第１係数と、前記第３運動振動子の値と前記目標値との偏差の関数と、前記第２振動子との積として算出される振動子が含まれている前記第１誘導振動子を生成することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
4. 前記誘導振動子生成手段が、前記仮想的な減衰要素の減衰係数としての、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度の関数である第２係数と、前記第４運動振動子の関数と、第２振動子との積として算出される振動子を含む前記第２誘導振動子を生成することを特徴とする請求項２記載の運動誘導装置。
5. 前記第１モデルが、複数の前記入力振動信号とそれぞれ相互に引き込み合うことにより前記固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する複数の前記出力振動信号のそれぞれに第１相関係数がかけられた項が含まれる第１連立方程式により表現され、
   前記運動振動子測定手段が複数の前記第１運動振動子を測定し、
   前記第１振動子生成手段が、該第１モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該複数の第１運動振動子を該複数の入力振動信号として入力することによって、該複数の出力振動信号として複数の前記第１振動子を生成することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
6. 前記第２モデルが、複数の前記入力振動信号に基づき、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度に基づいて定まる角速度で振動する複数の前記出力振動信号に第２相関係数がかけられている項が含まれる第２連立方程式により表現され、
   前記運動振動子測定手段が複数の前記第２運動振動子を測定し、
   前記第２振動子生成手段が、該第２モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該複数の第２運動振動子を該複数の入力振動信号として入力することによって、該複数の出力振動信号として複数の前記第２振動子を生成することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
7. 前記固有角速度設定手段が、前記第１位相差に基づき、仮想モデルにおける２つの振動信号としての２つの振動子の位相差である第２位相差を目標位相差に近付けさせるように当該２つの振動子のうち一方の角速度を新たな前記固有角速度として設定することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
8. 前記仮想モデルが前記２つの振動子に相関係数がかけられた項が含まれている連立方程式により表現され、
   前記固有角速度設定手段が、前記第１位相差に基づき該相関係数を設定する相関係数設定手段と、
   該相関係数設定手段により設定された該相関係数に基づき、前記第１位相差と前記第２位相差との差が最小になるように前記２つの振動子のうち一方の角速度を設定する第１角速度設定手段と、
   該第１角速度設定手段により設定された該角速度に基づき、前記第２位相差と前記目標位相差との差が最小になるように前記２つの振動子のうち他方の角速度を新たな前記固有角速度として設定する第２角速度設定手段とを備えていることを特徴とする請求項７記載の運動誘導装置。
9. 前記誘導振動子生成手段が、前記運動振動子測定手段により測定された前記第３運動振動子の値を、さらに前記ユーザの目標運動リズムに応じて前記目標値に近付けるように該ユーザの運動を誘導するための前記第１誘導振動子を生成し、該第１誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
10. 前記誘導振動子生成手段が、前記運動振動子測定手段により測定された前記第３運動振動子の絶対値の増大を、さらに前記ユーザの目標運動リズムに応じて抑制するように該ユーザの運動を誘導するための前記第２誘導振動子を生成し、該第２誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする請求項２記載の運動誘導装置。
11. 前記運動振動子測定手段が、前記第１運動振動子として前記第２運動振動子の時間微分を測定することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
12. 前記運動振動子測定手段が、前記第３運動振動子として前記第２運動振動子を測定することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
13. 前記運動振動子測定手段が前記第１運動振動子として前記第３運動振動子の時間微分を測定することを特徴とする請求項２記載の運動誘導装置。

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