JP4234765B1 - 運動補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】人間等の動物の周期運動のリズムの速さまたは遅さにかかわらずこの動物にその運動スケールを目標運動スケールに一致させるために適当な強さの力を与えながらその周期運動を補助する装置を提供する。
【解決手段】運動補助装置１０によれば、人間Ｐの周期運動の振幅（運動スケール）の関数である運動変数ζの値が目標値ζ₀に近づくように第２モデルが補正される。そして、当該補正後の第２モデルにしたがって第２振動子が生成され、この第２振動子に基づいて人間Ｐに与えられる周期的な力（トルク）が制御される。これにより、人間Ｐの周期運動のリズムの速さまたは遅さにかかわらず、この人間Ｐにその運動スケール（たとえば歩幅）を目標運動スケールに一致させるために適当な強さの力を与えながらその周期運動が補助されうる。
【選択図】図１

Description

本発明は、動物に力を与えることにより当該動物の周期運動を補助する装置に関する。

下肢等の身体部分の機能が低下している人間等の動物に周期的に変化する力を与えることにより、この人間の周期的な歩行運動を補助する装置が提案されている（特許文献１参照）。また、人間の運動スケールを目標運動スケールに一致させるように仮想的な弾性要素の挙動特性を表わすモデル（バネモデル）にしたがってこの人間に与えられる力の強弱を調節しながら、この人間の周期運動を補助または誘導する装置が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００４−０７３６４９号公報 特開２００７−０６１２１７号公報

しかるに、バネモデルによれば、人間の周期運動のリズムの速さまたは遅さに応じてこの人間に与えられる力の強弱が変動する。このため、人間の動作がある程度速い場合にはこれに応じて運動スケールを目標運動スケールに一致させる観点から十分に強い力でこの人間の周期運動が補助されうる。その一方、身体機能の著しい低下等のために人間の動作が遅い場合、運動誘導装置により人間に与えられる力の強さが、この人間の運動スケールを目標運動スケールに一致させる観点から不十分になる可能性がある。

そこで、本発明は、人間等の動物の周期運動のリズムの速さまたは遅さにかかわらず、この動物にその運動スケールを目標運動スケールに一致させるために適当な強さの力を与えながらその周期運動を補助する装置を提供することを解決課題とする。

第１発明の運動補助装置は、動物に装着される装具と、該装具に連結されているアクチュエータと、該アクチュエータの該アクチュエータの出力の振幅および位相を制御する制御装置とを備え、該装具を介して該アクチュエータの周期的に変化する出力を該動物に与えることにより該動物の周期運動を補助する装置であって、前記制御装置が、前記動物の周期運動の振幅の関数である運動変数の値を測定する運動変数測定要素と、前記動物の運動に応じて周期的に変化する第１および第２運動振動子のそれぞれを測定する運動振動子測定要素と、入力振動信号と相互に引き込み合うことで第１固有角速度に基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を生成する第１モデルに、該運動振動子測定要素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振動子生成要素と、該運動振動子測定要素により測定された該第１運動振動子と該第１振動子生成要素により生成された該第１振動子との位相差である第１位相差に基づき、相互作用しながら第２位相差で周期的に変化する第１仮想振動子と第２仮想振動子とが表現されている仮想モデルにしたがって、該第２位相差が目標位相差に近づくように該第２仮想振動子の角速度を第２固有角速度として設定する固有角速度設定要素と、入力振動信号に基づき、該固有角速度設定要素により設定された該第２固有角速度に基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を生成する第２モデルに、該運動振動子測定要素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前記動物に与えられる力の制御基礎となる第２振動子を生成し、かつ、前記運動変数測定要素による前記運動変数の測定値が目標値に近づくように前記第２モデルを補正する第２振動子生成要素とを備えていることを特徴とする。

第１発明の運動補助装置によれば、動物の周期運動の振幅（運動スケール）の関数である運動変数の値が目標値に近づくように第２モデルが補正される。そして、当該補正後の第２モデルにしたがって第２振動子が生成され、この第２振動子に基づいて動物に与えられる周期的な力が制御される。これにより、動物の周期運動のリズムの速さまたは遅さにかかわらず、この動物にその運動スケールを目標運動スケールに一致させるために適当な強さの力を与えながらその周期運動が補助されうる。

第２発明の運動補助装置は、第１発明の運動補助装置において、前記第２モデルが前記動物の挙動状態を表わす複数の状態変数の連立微分方程式により表現され、当該連立微分方程式には前記運動変数の前記目標値および係数の積が含まれ、前記第２振動子生成要素が当該連立方程式を解くことによって得られる前記状態変数の値に基づいて前記第２振動子を生成し、かつ、前記運動変数測定要素による前記運動変数の測定値が前記目標値に近づくように前記係数を補正することにより前記第２モデルを補正することを特徴とする。

第２発明の運動補助装置によれば、第２モデルを定義する、動物の身体部分の挙動を表す複数の状態変数の連立微分方程式に、動物の周期運動の振幅の関数である運動変数の目標値および係数の積が含まれ、この係数が補正されることにより第２モデルが補正される。そして、当該補正後の第２モデルを定義する連立微分方程式の解である当該複数の状態変数の値に基づいて第２振動子が生成され、この第２振動子に基づいて動物に与えられる周期的な力が制御される。これにより、動物の周期運動のリズムの速さまたは遅さにかかわらず、この動物にその運動スケールを目標運動スケールに一致させるために適当な強さの力を与えながらその周期運動が補助されうる。

第３発明の運動補助装置は、第１または第２発明の運動補助装置において、前記動物の第１身体部分、第２身体部分および第３身体部分のそれぞれに装着される第１装具、第２装具および第３装具と、該第１装具および該第２装具に直接的に連結され、かつ、該第２装具を介して該第３装具に間接的に連結されているアクチュエータとを備え、前記第２振動子生成要素により生成された前記第２振動子に基づいて前記アクチュエータの動作が制御されることにより前記第１装具、前記第２装具および前記第３装具のそれぞれを介して前記動物に力が与えられることを特徴とする。

第３発明の運動補助装置によれば、アクチュエータが動作することにより第１装具に対して第２装具が動かされ、第２装具の動きに追従して第３装具が動かされる。これにより、第１身体部分に対する第２身体部分の周期的な動きに加えて、第２身体部分の動きに追従するように第３身体部分の動きが補助されうる。

本発明の運動補助装置の実施形態について図面を用いて説明する。以下、脚体等の左右を区別するために符号「Ｌ」および「Ｒ」を用いるが、左右を区別する必要がない場合や左右成分を有するベクトルを表現する場合には当該符号を省略する。また、脚体（具体的には大腿部）の屈曲運動（前方運動）および伸展運動（後方運動）を区別するために符号「＋」および「−」を用いる。

図１に示されている本発明の第１実施形態における運動補助装置１０は人間Ｐの歩行運動を補助するための装置であり、人間Ｐの腰部（第１身体部分）、大腿部（第２身体部分）および足部（第３身体部分）のそれぞれに取り付けられる第１装具１１００、第２装具１２００および第３装具１３００を備えている。また、運動補助装置１０は股関節角度センサ１１と、アクチュエータ１５と、第１制御装置１００と、バッテリ１０００とを備えている。

第１装具１１００は第１サポータ１１１０と第１リンク部材１１２０とを備えている。第１サポータ１１１０は硬質樹脂等の剛性素材と繊維等の柔軟素材とが組み合わせられて構成され、腰部の後側に装着される。第１リンク部材１１２０は硬質樹脂により形成され、第１サポータ１１１０が腰部に取り付けられたときにこの腰部の左右に配置されるように第１サポータ１１１０に固定されている。第２装具１２００は第２サポータ１２１０と、第２リンク部材１２２と、リブ部材１２４０とを備えている。第２サポータ１２１０は第１サポータ１１１０と同様に剛性素材と柔軟素材とが組み合わせられて構成され、大腿部の前側および後側のそれぞれに装着される。第１リンク部材１１２０は硬質樹脂により大腿部の外側に沿って縦に伸びるように形成され、アクチュエータ１５の出力軸に連結されている。リブ部材１２４０は硬質樹脂により第１リンク部材１１２０から横方向に大腿部に沿って曲がりながら大腿部の前側および後側のそれぞれに伸びるように形成され、第２サポータ１２１０に連結されている。第３装具１３００は第３サポータ１３１０と、第３リンク部材１３２０とを備えている。第３サポータ１３１０は人間Ｐの足に装着されるスリッパ状または靴状に形成されている。第３リンク部材１３２０は硬質樹脂により下腿部の外側に沿って縦に伸びるように形成され、上端部において第１リンク部材１１２０の下端部に可動に連結され、その下端部において第３サポータ１３１０に可動に連結または固定されている。なお、第３装具１３００は省略されてもよい。

股関節角度センサ１１は人間Ｐの腰部の横に配置されるロータリエンコーダにより構成され、股関節角度に応じた信号を出力する。アクチュエータ１５はモータにより構成され、減速機およびコンプライアンス機構のうち一方または両方を適宜備えている。バッテリ１０００は第１装具１１００に収納されており（たとえば、第１サポータ１１１０を構成する複数枚の布素材の間に固定されており）、アクチュエータ１５および制御装置１００等に対して電力を供給する。なお、制御装置１００およびバッテリ１０００のそれぞれは第２装具１２００や第３装具１３００に取り付けられまたは収納されていてもよいし、運動補助装置１０とは別個に設置されてもよい。

制御装置１００は第１装具１１００に収納されたコンピュータと、このコンピュータのメモリまたは記憶装置に格納されているソフトウェアとにより構成されている。制御装置１００はバッテリ１０００からアクチュエータ１５への供給電力を調節することによりアクチュエータ１５の動作または出力トルクＴを制御する。図２に示されている制御装置１００は、運動変数測定要素１０２と、運動振動子測定要素１１０と、第１振動子生成要素１２０と、固有角速度設定要素１３０と、第２振動子生成要素１４０と、補助振動子生成要素１５０とを備えている。各要素はそれぞれ別個の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。

運動変数測定要素１０２は人間Ｐの周期運動のスケールを表す運動変数ζの値を測定する。運動振動子測定要素１１０は股関節角度センサ１１の出力に基づき、各股関節の角速度および角度のそれぞれを第１運動振動子φ₁および第２運動振動子φ₂のそれぞれとして測定する。第１運動振動子φ₁および第２運動振動子φ₂は人間Ｐの周期運動に応じて周期的に変化し、その変化パターンは振幅および位相（または位相の１回時間微分である角速度）により定義される。振動子を測定するとは、この振動子の周期的な変化パターンを測定することを意味する。第１振動子生成要素１２０は、運動振動子測定要素１１０により測定された第１運動振動子φ₁を入力振動信号として第１モデルに入力することにより、出力振動信号として第１振動子ξ₁を生成する。振動子を生成するとは、この振動子の周期的な変化パターンを定義することを意味する。「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第１固有角速度ω₁に基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を生成するモデルである。

固有角速度設定要素１３０は、第１位相差設定要素１３１と、第２位相差設定要素１３２と、相関係数設定要素１３３と、第１角速度設定要素１３４と、第２角速度設定要素１３５とを備えている。固有角速度設定要素１３０は第１位相差δθ₁に基づき、仮想モデルにしたがって第２位相差δθ₂が目標位相差δθ₀に近づくように第２固有角速度ω₂を設定する。第１位相差δθ₁は、運動振動子測定要素１１０により測定された第１運動振動子φ₁と、第１振動子生成要素１２０により生成された第１振動子ξ₁との位相差である。仮想モデルは、人間Ｐの周期運動、運動補助装置１０の周期動作および両者の位相差のそれぞれを、第１仮想振動子ψ₁の周期変化、第２仮想振動子ψ₂の周期変化および第１仮想振動子ψ₁と第２仮想振動子ψ₂との位相差である第２位相差δθ₂のそれぞれとして表現するモデルである。

第２振動子生成要素１４０は、運動振動子測定要素１１０により測定された第２運動振動子φ₂を入力振動信号として第２モデルに入力することにより、出力振動信号として第２振動子ξ₂を生成する。「第２モデル」は入力振動信号に基づき、固有角速度設定要素１３０により設定された第２固有角速度ω₂に基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を生成するモデルである。

補助振動子生成要素１５０は、第２振動子生成要素１４０により生成された第２振動子ξ₂に基づき、運動補助装置１０のアクチュエータ１５により大腿部に与えられるトルクの変化パターンを定める補助振動子ηを生成する。

前記構成の運動補助装置１０による人間Ｐの歩行運動の補助方法について説明する。

運動変数測定要素１０２が股関節角度センサ１１の出力信号に基づき、歩行周期ごとの大腿部の屈曲運動の終了時点および大腿部の伸展運動の終了時点のそれぞれにおける左右の股関節角度を運動変数ζ＝｛ζ_i｜ｉ＝Ｌ＋，Ｌ−，Ｒ＋，Ｒ−｝として測定する（図３／Ｓ００２）。なお、運動変数ζとして人間Ｐの歩幅が測定されてもよい。歩幅は、たとえば股関節角度センサ１１の出力信号から測定される人間Ｐの股関節角度と、メモリに格納されている人間Ｐの股関節角度と前後方向の足の位置との相関関係とに基づいて測定される。また、人間Ｐの歩行率（単位時間当たりの歩数）および歩行速度が測定され、この歩行率および歩行速度に基づいて人間Ｐの歩幅が測定されてもよい。歩行率は人間Ｐに取り付けられ、人間Ｐの上下方向の加速度に応じた信号を出力する加速度センサの出力信号に基づいて測定されうる。歩行速度はトレッドミル３０に設けられ、エンドレスベルト３２の速度に応じた信号を出力する速度センサの出力信号に基づいて測定されうる。また、運動変数ζとして歩行比（＝歩幅／歩行率）や、歩幅、または、歩行周期ごとの大腿部の屈曲運動の終了時点および大腿部の伸展運動の終了時点のそれぞれにおける左右の股関節角度が少なくとも含まれる複数の変数により定義される関数の値が測定されてもよい。

また、運動振動子測定要素１１０は股関節角度センサ１１の出力に基づき、人間Ｐの左右各股関節の角速度を第１運動振動子φ₁＝（φ_1L，φ_1R）として測定する（図３／Ｓ０１１）。さらに、運動振動子測定要素１１０は股関節角度センサ１１の出力に基づき、人間Ｐの左右各股関節の角度を第２運動振動子φ₂＝（φ_2L，φ_2R）として測定する（図３／Ｓ０１２）。

なお、第１運動振動子φ₁および第２運動振動子φ₂のそれぞれとして、人間Ｐの周期運動に応じて周期的に変化する任意の変数が適当なセンサを用いて測定されてもよい。たとえば、運動振動子として股関節、膝関節、足関節、肩関節、肘関節等の任意の関節の角度や角速度、大腿部、足平部、上腕部、手部、腰部の位置（人間Ｐの重心を基準とした前後方向の位置または上下方向の位置など）、速度や加速度の変化パターンが測定されてもよい。さらに、左右の脚体の着床するときに生じる音、呼吸音、意図的な発音等、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の変化パターンが第１運動振動子φ₁および第２運動振動子φ₂のうち一方または両方として測定されてもよい。また、同一関節の角度および角速度等、同一の身体部分の周期的な運動状態を表わす変数が第１運動振動子φ₁および第２運動振動子φ₂のそれぞれとして測定されるほか、異なる関節のそれぞれの角速度等、異なる身体部分の周期的な運動状態を表わす変数が第１運動振動子φ₁および第２運動振動子φ₂のそれぞれとして測定されてもよい。

さらに、第１振動子生成要素１２０が、運動振動子測定要素１１０により測定された第１運動振動子φ₁を入力振動信号として第１モデルに入力することにより、出力振動信号として第１振動子ξ₁を生成する（図３／Ｓ０１１）。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り、前記のように入力振動信号と相互に引き込み合うことで第１固有角速度ω₁＝（ω_1L，ω_1R）に基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を生成するモデルである。第１モデルはたとえば式（１０）で表わされるファン・デル・ポル（ｖａｎ ｄｅｒ Ｐｏｌ）方程式によって定義される。なお、第１振動子設定要素１２０は、固有角速度設定要素１３０により設定された最新の第２固有角速度ω₂を最新の第１固有角速度ω₁として採用することにより第１モデルを逐次更新し、以後の第１運動振動子φ₁を入力振動信号として最新の第１モデルに入力することにより、出力振動信号として以後の第１振動子ξ₁を生成してもよい。

“Ａ”は第１振動子ξ₁およびその１回時間微分値（ｄξ₁／ｄｔ）がξ₁−（ｄξ₁／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正の係数である。“ｇ”は人間Ｐの左右の脚体等、異なる身体部分の相関関係を、第１振動子ξ₁の左右各成分の相関関係（複数の第１要素の出力振動信号の相関関係）に反映させるための第１相関係数である。“Ｋ₁”は第１運動振動子φ₁に応じたフィードバック係数である。

第１振動子ξ₁＝（ξ_1L，ξ_1R）はルンゲ・クッタ法にしたがって算定または生成される。第１振動子ξ₁の成分ξ_1Lおよびξ_1Rのそれぞれの角速度は、左右の脚体のそれぞれの運動を補助する仮定的なリズムを表わしている。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角速度またはリズムで変化する第１運動振動子φ₁のリズムと調和しながらも第１固有角速度ω₁に基づいて定まる自律的な角速度またはリズムをもって周期的に変化または振動するという性質がある。

なお、式（１０）で表現されたファン・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、入力振動信号との相互引き込みを伴い、第１固有角速度ω₁に基づいて定まる角速度で周期的に変化する出力振動信号が生成され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。また、測定対象となる第１運動振動子φ₁の数が増やされてもよい。第１モデルに入力される第１運動振動子φ₁が多くなるほど、この第１モデルを定義するファン・デル・ポル方程式等の第１振動子ξ₁の生成に応じた非線形微分方程式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人間Ｐの身体の様々な部分の動きに鑑みた一層緻密な運動の補助が実現される。

人間Ｐの周期運動と運動補助装置１０の周期動作との位相差は、運動補助装置１０の動作に対する人間Ｐの運動態様を定めるものである。たとえば、この位相差が正である場合、人間Ｐは運動補助装置１０を先導するような形態で運動することができる。一方、この位相差が負である場合、人間Ｐは運動補助装置１０によって先導されるような形態で運動することができる。このため、第１振動子ξ₁の第１運動振動子φ₁に対する位相差（第１位相差）δθ₁が目標位相差δθ₀から乖離していると、人間Ｐの運動態様が不安定になりやすい。その結果、補助振動子ηに応じた角速度で周期的に変化するトルクＴによって腰部および大腿部の相対的運動が補助される人間Ｐの運動リズムが、目標運動リズムから乖離してしまう可能性が高い。

そこで、第１運動振動子φ₁と第１振動子ξ₁との相互調和性を維持しつつも、人間Ｐの運動リズムを目標運動リズムに一致させる観点から、固有角速度設定要素１３０により第２振動子ξ₂の角速度を定める適当な第２固有角速度ω₂が設定される。すなわち、歩行補助装置１０による補助リズムを人間Ｐの運動リズムに調和させながら、この人間Ｐの運動リズムを目標運動リズムに一致させるため、歩行補助装置１０の補助リズムと人間Ｐの運動リズムとの適切な位相差を実現する観点から、適当な第２固有角速度ω₂が設定される。

具体的には、第１位相差設定要素１３１が第１運動振動子φ₁と第１振動子ξ₁との位相差を第１位相差δθ₁として設定する（図３／Ｓ０３１）。たとえば、φ₁＝０かつ（ｄφ₁／ｄｔ）＞０となる時刻と、ξ₁＝０かつ（ｄξ₁／ｄｔ）＞０となる時刻との時間差に基づいて第１位相差δθ₁が算定または設定される。

また、第２位相差設定要素１３２が、最近の３歩行周期にわたって第１位相差δθ₁が一定であることまたは第１位相差δθ₁の変動が許容範囲内に収まっていることを要件として第２位相差δθ₂を設定する（図３／Ｓ０３２）。具体的には、式（２１）および（２２）により定義され仮想モデルにおいて定義される第１仮想振動子ψ₁＝（ψ_1L，ψ_1R）と第２仮想振動子ψ₂＝（ψ_2L，ψ_2R）との位相差を式（２３）にしたがって第２位相差δθ₂として設定する。第１仮想振動子ψ₁は仮想モデルにおいて第１運動振動子φ₁を擬似的に表現する。第２仮想振動子ψ₂は仮想モデルにおいて補助振動子ηを擬似的に表現する。

“ε＝（ε_L，ε_R）”の各成分は第１仮想振動子ψ₁の各成分および第２仮想振動子ψ₂の各成分の相関関係を表わす相関係数である。“ω_1/＝（ω_1/L，ω_1/R）”は第１仮想振動子ψ₁の各成分の角速度である。“ω_2/＝（ω_2/L，ω_2/R）”は第２仮想振動子ψ₂の各成分の角速度である。

続いて、相関係数設定要素１３３が、第１位相差設定要素１３１により設定された第１位相差δθ₁と第２位相差設定要素１３２により設定された第２位相差δθ₂との偏差が最小になるように相関係数εを設定する（図３／Ｓ０３３）。

具体的には式（２４）にしたがって、左右各成分について第１運動振動子φ₁が０となる各時刻ｔ_kにおける相関係数ε（ｔ_i）が逐次設定される。

“Ｂ＝（Ｂ_L，Ｂ_R）”の各成分は、第１位相差δθ₁の各成分と、第２位相差δθ₂の左右各成分とを近づけるポテンシャルＶ₁＝（Ｖ_1Ｌ，Ｖ_1Ｒ）の安定性を表す係数である。

次に、第１角速度設定要素１３４が、相関係数設定要素１３３により設定された相関係数εに基づき、第２仮想振動子ψ₂の角速度ω_2/が一定であるという条件下で、各成分について第１位相差δθ₁および第２位相差δθ₂の偏差が最小となるように第１仮想振動子ψ₁の角速度を第１角速度ω_1/として式（２５）にしたがって設定する（図３／Ｓ０３４）。

“α＝（α_L，α_R）”の各成分は系の安定性を表す係数である。

相関係数εおよび角速度ω_1/が設定されることにより、第１運動振動子φ₁および第１振動子ξ₁の相互調和性を、第１仮想振動子ψ₁および第２仮想振動子ψ₂に持たせるように仮想モデルが構築される。すなわち、人間Ｐの周期運動を表現する第１仮想振動子ψ₁と、運動補助装置１０の周期動作を表現する第２仮想振動子ψ₂とが第２位相差δθ₂で相互に調和しながら周期変化するように仮想モデルが構築される。

続いて、第２角速度設定要素１３５が各成分について、第１角速度設定要素１３４により設定された第１角速度ω_1/に基づき、第２仮想振動子ψ₂の角速度を第２角速度ω_2/として設定する（図３／Ｓ０３５）。左右各成分について第２位相差δθ₂が目標位相差δθ₀に近づくように、式（２６）にしたがって第２角速度ω_2/＝（ω_2/L，ω_2/R）を設定する。そして、第２角速度ω_2/が第２固有角速度ω₂として設定される（図３／Ｓ０３６）。

“β＝（β_L，β_R）”の各成分は系の安定性を表す係数である。

これにより、第１仮想振動子ψ₁により表現されている人間Ｐの周期運動と、第２仮想振動子ψ₂により表現されている運動補助装置１０の周期動作とに第１運動振動子φ₁および第１振動子ξ₁が有する相互調和性を持たせながらも、両者の位相差を目標位相差δθ₀に近づける観点から適切に第２角速度ω_2/が設定される。

第２振動子生成要素１４０は式（２８）にしたがって第２モデルを表わす連立微分方程式に含まれる係数ｃを適宜補正することにより、この第２モデルを補正する（図３／Ｓ０３８）。“ｃ＝｛ｃ_i｜ｉ＝Ｌ＋，Ｌ−，Ｒ＋，Ｒ−｝”は運動変数測定要素１０２により測定された運動変数ζが目標値ζ₀に近づくようにまたは偏差が最小になるように調節される係数である。

“Ｃ＝（Ｃ_L+，Ｃ_L-，Ｃ_R+，Ｃ_R-）”の各成分は、運動変数ζの測定値の各成分と、その目標値ζ₀の各成分とを近づけるポテンシャルＶ₂＝（Ｖ_2Ｌ+，Ｖ_2L-，Ｖ_2R+，Ｖ_2R-）の安定性を表す係数である。“ζ₀＝｛ζ_0i｜ｉ＝Ｌ＋，Ｌ−，Ｒ＋，Ｒ−｝”は歩行周期ごとの大腿部の屈曲運動の終了時点および大腿部の伸展運動の終了時点のそれぞれにおける左右の股関節角度の目標値である。この目標値ζ₀はメモリにあらかじめ格納されている人間Ｐの目標歩幅に基づき、同じくメモリに格納されている、歩行周期ごとの大腿部の屈曲運動の終了時点および大腿部の伸展運動の終了時点のそれぞれにおける左右の股関節角度および歩幅の相関関係にしたがって算出されうる。

また、第２振動子生成要素１４０が、運動振動子測定要素１１０により測定された第２運動振動子φ₂を入力振動信号として第２モデルに入力することにより、出力振動信号として第２振動子ξ₂＝（ξ_2L+，ξ_2L-，ξ_2R+，ξ_2R-）を生成する（図３／Ｓ０４０）。第２モデルは各脚体の屈曲方向（前方）への動きおよび伸展方向（後方）への動きを司る神経要素等、複数の第２要素の相関関係を表現するモデルであり、前記のように入力振動信号に基づき、固有角速度設定要素１３０により設定された第２固有角速度ω₂に基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を生成するモデルである。

第２モデルはたとえば式（３０）により表現される連立微分方程式により定義される。この連立微分方程式には各大腿部の屈曲方向（前方）および伸展方向（後方）のそれぞれへの挙動状態（振幅および位相により特定される。）を表現する状態変数ｕ＝｛ｕ_i｜ｉ＝Ｌ＋，Ｌ−，Ｒ＋，Ｒ−｝と、各挙動状態の順応性を表現するための自己抑制因子ｖ＝｛ｖ_i｜ｉ＝Ｌ＋，Ｌ−，Ｒ＋，Ｒ−｝とが含まれている。また、この連立微分方程式には歩行周期ごとの大腿部の屈曲運動の終了時点および大腿部の伸展運動の終了時点のそれぞれにおける左右の股関節角度の目標値ζ₀および前記のように補正される係数ｃが含まれている。なお、測定対象となる第２運動振動子φ₂の数が増やされてもよい。第２モデルに入力される第２運動振動子φ₂が多くなるほど連立微分方程式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人間Ｐの身体の様々な部分の動作状態の相関関係に鑑みて人間Ｐの周期運動が適切に補助されうる。

“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、ω依存性を有する係数ｔ（ω）と、定数γ＝（γ_L，γ_R）とを用いて式（３１）により表現されるが、第２固有角速度ω₂に依存して変化する。

“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。“ｗ_i/j” は人間Ｐの左右各脚体の屈曲方向および伸展方向への動きを表わす状態変数ｕ_iおよびｕ_jの相関関係を第２振動子ξ₂の各成分の相関関係（複数の第２要素の出力振動信号の相関関係）として表現するための負の第２相関係数である。“λ_L”および“λ_R”は慣れ係数である。“Ｋ₂”は第２運動振動子φ₂に応じたフィードバック係数である。

“ｆ₁”は正の係数ｃを用いて式（３２）により定義される第２固有角速度ω₂の１次関数である。“ｆ₂”は係数ｃ₀，ｃ₁およびｃ₂を用いて式（３３）により定義される第２固有角速度ω₂の２次関数である。

第２振動子ξ_2i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。あるいは、第２振動子ξ_2iは、シグモイド関数ｆｓによって定義されている（式（３０）参照）。これにより、左大腿部の前側への挙動を表わす状態変数ｕ_L+が大きくなると第２振動子ξ₂の左／屈曲成分ξ_2L+の振幅が左伸展側成分ξ_2L-よりも大きくなる。また、右大腿部の前側への挙動を表わす状態変数ｕ_R+が大きくなると第２振動子ξ₂の右／屈曲成分ξ_2R+の振幅が右伸展側成分ξ_2R-の振幅よりも大きくなる。さらに、左大腿部の後側への挙動を表わす状態変数ｕ_L-が大きくなると第２振動子ξ₂の左伸展側成分ξ_2L-の振幅が左／屈曲成分ξ_2L+よりも大きくなる。また、右大腿部の後側への挙動を表わす状態変数ｕ_R-が大きくなると第２振動子ξ₂の右伸展側成分ξ_2R-の振幅が右／屈曲成分ξ_2R+の振幅よりも大きくなる。脚体（大腿部）の前方または後方への動きは、たとえば、股関節角速度の極性によって識別される。脚体（大腿部）の前方または後方への動きは、たとえば、股関節角速度の極性によって識別される。

次に、補助振動子生成要素１５０が、第２振動子生成要素１４０により生成された第２振動子ξ₂に基づき、補助振動子η＝（η_L，η_R）を設定する（図３／Ｓ０５０）。具体的には式（４０）にしたがって補助振動子ηが生成される。すなわち、補助振動子ηの左成分η_Lは、第２振動子ξ₂の左／屈曲成分ξ_2L+および係数χ_L+の積と、左側伸展成分ξ_2L-および係数−χ_L-の積との和として算定される。補助振動子ηの右成分η_Rは、第２振動子ξ₂の右／屈曲成分ξ_2R+および係数χ_R+の積と、右側伸展成分ξ_2R-および係数−χ_R-の積との和として算定される。

そして、第１制御装置１００により補助振動子ηに基づいてバッテリ１０００から左右のアクチュエータ１５にそれぞれ供給される電流Ｉ＝（Ｉ_L，Ｉ_R）が調節される。電流Ｉは補助振動子ηに基づき、たとえばＩ（ｔ）＝Ｇ₁・η（ｔ）（Ｇ₁：比例係数）と表現される。これにより、第１装具１１００および第２装具１２００を介して運動補助装置１０から人間Ｐに与えられる、腰部（第１身体部分）に対して各大腿部（第２身体部分）を動かす力または股関節回りのトルクＴ＝（Ｔ_L，Ｔ_R）が調節される（図３／Ｓ０６０）。トルクＴは電流Ｉに基づき、たとえばＴ（ｔ）＝Ｇ₂・Ｉ（ｔ）（Ｇ₂：比例係数）と表現される。以降、前述の一連の処理が繰り返し実行される。なお、人間Ｐが歩行運動を開始した後、２〜３歩分の歩行運動を完了するまでの期間において、大腿部が腰部に対して適度に動かされるように運動補助装置１０の動作が前記制御方法とは無関係に制御されてもよい。

前記機能を発揮する運動補助装置１０によれば、アクチュエータ１５により図４（ａ）（ｂ）に示されているように第１装具１１００に対して第２装具１２００が動かされ、第２装具１２００の動きに追従して第３装具１３００が動かされる。これにより、腰部（第１身体部分）に対する大腿部（第２身体部分）の周期的な動きに加えて、大腿部の動きに追従するように下腿部（第３身体部分）の動きが補助される。これにより、人間Ｐの周期的な歩行運動のスケールおよびリズムのそれぞれが、目標運動スケールおよび目標運動リズムのそれぞれに一致するようにこの歩行運動が補助される。

具体的には、次の理由により、人間Ｐの運動リズムを目標運動リズムに一致させるように人間Ｐの運動が運動補助装置１０によって補助されうる。すなわち、前記のように第１仮想振動子ψ₁により表現されている人間Ｐの周期運動と、第２仮想振動子ψ₂により表現されている運動補助装置１０の周期動作とに第１運動振動子φ₁および第１振動子ξ₁が有する相互調和性を持たせながらも、両者の位相差を目標位相差δθ₀に近づける観点から適切に第２固有角速度ω₂が設定される（図３／Ｓ０３１〜Ｓ０３６参照）。このため、第２固有角速度ω₂に基づいて定まる角速度で周期的に変化する第２振動子ξ₂に基づいて制御される出力トルクＴは、第２固有角速度ω₂に基づいて定まる角速度で周期的に変化する（図３／Ｓ０４０，Ｓ０５０，Ｓ０６０参照）。したがって、このトルクＴが人間Ｐに与えられることにより、人間Ｐの運動リズムと運動補助装置１０の動作リズムとを調和させ、人間Ｐの運動リズムを目標運動リズムに一致させるようにその周期的な歩行運動が補助される。

また、次の理由により、人間Ｐの運動スケールを目標運動スケールに一致させるように人間Ｐの運動が運動補助装置１によって補助されうる。すなわち、人間Ｐの周期的な歩行運動の運動スケールを表わす運動変数（歩行周期ごとの大腿部の屈曲運動の終了時点および大腿部の伸展運動の終了時点のそれぞれにおける左右の股関節角度）ζの値が目標値ζ₀に近づくように第２モデルが補正される（図３／Ｓ０３８参照）。そして、当該補正後の第２モデルにしたがって第２振動子ξ₂が生成され、この第２振動子ξ₂に基づいて人間Ｐに与えられるトルクＴが制御される（図３／Ｓ０５０，Ｓ０６０参照）。これにより、人間Ｐの周期運動のリズムの速さまたは遅さにかかわらず、この人間Ｐにその運動スケール（歩幅、股関節角度の最大値など）を目標運動スケールに一致させるために適当な強さの力を与えながらその周期運動が補助されうる。

なお、前記実施形態では人間Ｐの運動が補助されているが、他の実施形態として猿、犬、馬、牛等、人間以外の動物の歩行運動等が補助されてもよい。

前記実施形態では人間Ｐの歩行運動が補助されるように運動補助装置１０が構成されているが（図１参照）、他の実施形態として人間Ｐのさまざまな身体部分に装着されうるように第１装具１１００、第２装具１２００および第３装具１３００の形状や素材等が変更されることにより、歩行運動以外のさまざま周期運動が補助されるように運動補助装置１０が構成されてもよい。たとえば、上腕部に対する前腕部の周期的な動きが補助されてもよい。さらに、人間Ｐの大腿部に対する上腕部の周期的な動きが補助されてもよい。

人間Ｐの歩行訓練に際して図５に示されているように運動補助装置１０のみならず、トレッドミル３０およびリフタ（荷重軽減器具）５０が用いられてもよい。人間Ｐはトレッドミル３０のベース３１の左右両側に設けられている手摺（荷重軽減器具）３２に両手でつかまることでこの手摺３２によってその体重の一部が支えられながら、後方に動くエンドレスベルト３３の動きに逆らって前方に進むように歩行運動する。エンドレスベルト３３は複数のローラに掛け回されており、当該ローラの一部の回転速度が制御されることによりエンドレスベルと３３の速度が制御される。また、人間Ｐはリフタ５０により巻き取り量が調節されるワイヤ５２によりその体重の一部が支えられている。

また、人間Ｐの歩行訓練に際して図６に示されているような歩行器７０が用いられてもよい。人間Ｐは歩行器７０のベース７１の左右両側に設けられている手摺７２に両手でつかまることでこの手摺（荷重軽減器具）７２によりその体重の一部が支持されている。ベース７１は底に取り付けられている車輪の回転速度を制御しながら、人間Ｐの歩行運動に伴って移動することができる。

本発明の一実施形態としての運動補助装置の構成説明図 運動補助装置の制御装置の構成説明図 運動補助装置の制御方法に関する説明図 運動補助装置の動作に関する説明図 運動補助装置を用いた歩行訓練方法に関する説明図（その１） 運動補助装置を用いた歩行訓練方法に関する説明図（その２）

符号の説明

１０‥運動補助装置、１１‥股関節角度センサ、１５‥アクチュエータ、１００‥制御装置、１０２‥運動変数測定要素、１１０‥運動振動子測定要素、１２０‥第１振動子生成要素、１３０‥固有角速度設定要素、１４０‥第２振動子生成要素、１５０‥補助振動子生成要素、１０００‥バッテリ、１１００‥第１装具、１２００‥第２装具、１３００‥第３装具

Claims (3)

1. 動物に装着される装具と、該装具に連結されているアクチュエータと、該アクチュエータの該アクチュエータの出力の振幅および位相を制御する制御装置とを備え、該装具を介して該アクチュエータの周期的に変化する出力を該動物に与えることにより該動物の周期運動を補助する装置であって、
   前記制御装置が、
   前記動物の周期運動の振幅の関数である運動変数の値を測定する運動変数測定要素と、
   前記動物の運動に応じて周期的に変化する第１および第２運動振動子のそれぞれを測定する運動振動子測定要素と、
   入力振動信号と相互に引き込み合うことで第１固有角速度に基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を生成する第１モデルに、該運動振動子測定要素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振動子生成要素と、
   該運動振動子測定要素により測定された該第１運動振動子と該第１振動子生成要素により生成された該第１振動子との位相差である第１位相差に基づき、相互作用しながら第２位相差で周期的に変化する第１仮想振動子と第２仮想振動子とが表現されている仮想モデルにしたがって、該第２位相差が目標位相差に近づくように該第２仮想振動子の角速度を第２固有角速度として設定する固有角速度設定要素と、
   入力振動信号に基づき、該固有角速度設定要素により設定された該第２固有角速度に基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を生成する第２モデルに、該運動振動子測定要素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前記動物に与えられる力の制御基礎となる第２振動子を生成し、かつ、前記運動変数測定要素による前記運動変数の測定値が目標値に近づくように前記第２モデルを補正する第２振動子生成要素とを備えていることを特徴とする運動補助装置。
2. 請求項１記載の運動補助装置において、
   前記第２モデルが前記動物の挙動状態を表わす複数の状態変数の連立微分方程式により定義され、当該連立微分方程式には前記運動変数の前記目標値および係数の積が含まれ、前記第２振動子生成要素が当該連立方程式を解くことによって得られる前記状態変数の値に基づいて前記第２振動子を生成しかつ前記運動変数測定要素による前記運動変数の測定値が前記目標値に近づくように前記係数を補正することにより前記第２モデルを補正することを特徴とする運動補助装置。
3. 請求項１または２記載の運動補助装置において、
   前記動物の第１身体部分、第２身体部分および第３身体部分のそれぞれに装着される第１装具、第２装具および第３装具と、該第１装具および該第２装具に直接的に連結され、かつ、該第２装具を介して該第３装具に間接的に連結されているアクチュエータとを備え、前記第２振動子生成要素により生成された前記第２振動子に基づいて前記アクチュエータの動作が制御されることにより前記第１装具、前記第２装具および前記第３装具のそれぞれを介して前記動物に力が与えられることを特徴とする運動補助装置。

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