JP4255744B2 - 動作補助装置の制御システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人間の脚体の関節回りにトルクを付与することで該人間の動作を補助する動作補助装置を制御するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、人間の大腿部の角速度に応じ、大腿部の補助力の付与タイミングが制御される動作（歩行）補助装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この動作補助装置によれば、人間の大腿部角度の変化に応じて大腿部に補助力が付与されることで、この人間の歩行動作や着席動作が補助され得る。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１６６９９７号公報
（００２０〜００２４段落、００３８〜００４４段落、図５、図８）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、人間の脚体に補助力が付与されるタイミングが適切であっても、補助力の大きさや時間変化が不適切な場合には、人間が動作補助装置の使用に違和感を覚える場合がある。
【０００５】
そこで、本発明は、人間が違和感を覚えずに自然に歩行等の動作を行うために適切なトルクが脚体の関節回りに付与されるように動作補助装置を制御し得るシステムを提供することを解決課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の動作補助装置の制御システムは、脚体が着床状態にある立脚であるか、離床状態にある遊脚であるかの別と、脚体姿勢又は脚体姿勢及び脚体動作を判定する脚体状態判定手段と、脚体状態判定手段による判定結果に基づき、第１係数ｋ1i（ｉ＝１，２，‥）と、第２係数ｋ2j（ｊ＝１，２，‥）とを設定する係数設定手段と、人間の姿勢に応じて変化する姿勢変数ｘと、人間の動作に応じて変化する動作変数ｙとを測定する測定手段と、係数設定手段により設定された第１係数ｋ1iと、測定手段により測定された姿勢変数ｘの関数ｆi （ｘ）との積の和Σi ｋ1iｆi を第１トルクＴ1 として設定し、係数設定手段により設定された第２係数ｋ2jと、測定手段により測定された動作変数ｙの関数ｇj （ｙ）との積の和Σj ｋ2jｇj を第２トルクＴ2 として設定した上で、少なくとも第１トルクＴ1 と第２トルクＴ2 の和Ｔ1 ＋Ｔ2 を含み、脚体の関節回りに付与されるトルクＴを設定するトルク設定手段と、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定手段により設定されたトルクＴに到るように動作補助装置を制御するトルク制御手段とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、第１トルクＴ1 が「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定される第１係数ｋ1iと、人間の「姿勢」に応じて変化する姿勢変数ｘの関数ｆi との積の和Σi ｋ1iｆi として設定される。すなわち、第１トルクＴ1 はバネ係数ｋ1iを有する仮想的なバネの変位ｆi に応じた力として表現される。前記のように第１係数ｋ1iは「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定され、姿勢変数ｘの関数である当該仮想的なバネの変位ｆi には人間の「姿勢」が反映されている。従って、第１トルクＴ1 は人間の「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらに人間の「姿勢」に鑑み、当該人間に違和感を感じさせない観点から適切に設定され得る。
【０００８】
また第２トルクＴ2 が「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定される第２係数ｋ2jと、人間の「動作」に応じて変動する動作変数ｙの関数ｇj との積の和Σj ｋ2jｇj として設定される。すなわち、第２トルクＴ2 はバネ係数ｋ2jを有する仮想的なバネの変位ｇj に応じた力として表現される。前記のように第２係数ｋ2jは「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定され、動作変数ｙの関数である当該仮想的なバネの変位ｇj には人間の「動作」が反映されている。従って、第２トルクＴ2 は「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらに人間の「動作」に鑑み、当該人間に違和感を感じさせない観点から適切に設定され得る。
【０００９】
そして、人間の脚体の関節回りに付与されるトルクＴが、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 に基づいて設定される。このため、人間の脚体の関節周りに付与されるトルクＴは「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらには人間の「姿勢」及び「動作」に応じ、当該人間に動作の違和感を感じさせない観点から適切な大きさに設定され得る。
【００１０】
また、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定手段により設定されたトルクＴに到るように動作補助装置が制御される。このため、人間の脚体の関節周りに付与されるトルクＴ（ｔ）は時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から当該設定トルクＴまで徐々に増加するように滑らかに変化する。
【００１１】
従って、本発明によれば「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、人間の「姿勢」及び「動作」に鑑みて適切な大きさに設定されたトルクＴが、滑らかに当該人間の脚体の関節回りに付与される。このため、動作補助装置によりその動作（歩行、走行、着座、起立等）が補助されている人間に違和感を感じさせないように動作補助装置が滑らかに制御され得る。
【００１２】
また、本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段が姿勢変数ｘ、姿勢変数ｘのａ累乗（０＜ａ＜１）ｘa 及び姿勢変数ｘの累積値Ｉｘを姿勢変数ｘの関数ｆi として用いて第１トルクＴ1 を設定し、動作変数ｙ、動作変数ｙのｂ累乗（ｂ＞１）ｙb 、動作変数ｙの累積値Ｉｙ及び動作変数ｙの変化値ｄｙを動作変数ｙの関数ｇj として用いて第２トルクＴ2 を設定することを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、姿勢変数ｘの関数ｆi ＝ｘ、ｘa 及びＩｘに反映される「姿勢」と、動作変数ｙの関数ｇj ＝ｙ、ｙb 、Ｉｙ及びｄｙに反映される「動作」と、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jに反映される「脚体状態」とに応じてトルクＴが適切に設定され得る。
【００１４】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク制御手段がトルク設定手段により設定されたトルクＴに応じたレベルの信号を生成する信号生成手段と、信号に応じ時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から該信号のレベルまで徐々に増加する信号を出力するフィルタとを備え、該信号生成手段により生成された信号に応じた該フィルタの出力を動作補助装置に付与することで、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定手段により設定されたトルクＴに到るように動作補助装置を制御することを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、信号がフィルタを経過した上で動作補助装置に付与されることで、人間の「姿勢」「動作」及び「脚体状態」に鑑みて適切な大きさに設定されたトルクＴが、滑らかに当該人間の脚体の関節回りに付与される。
【００１６】
また、本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により脚体の股関節トルクＴが設定されるとき、脚体状態判定手段により該脚体が遊脚であり、且つ、該遊脚の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より(1) 後方で前方移動すると判定された場合、(2) 後方で後方移動すると判定された場合、(3) 前方で前方移動すると判定された場合、(4) 前方で後方移動すると判定された場合に応じ、係数設定手段が(1) 第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを有限値（≠０）に設定し、(2) 第１係数ｋ1iを有限値に設定する一方、第２係数ｋ2jを０に設定し、(3) 第１係数ｋ1iを０に設定する一方、第２係数ｋ2jを有限値に設定し、(4) 第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、(1) 遊脚の大腿部が基準面より後方で前方移動する場合、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和が含まれるように当該遊脚の股関節トルク（股関節回りに付与されるトルク）Ｔが設定される。すなわち、仮想バネの変位である「姿勢」及び「動作」に応じた股関節トルクＴが、大腿部が基準面より後方で前方移動する遊脚の股関節回りに付与される。
【００１８】
また、(2) 遊脚の大腿部が基準面より後方で後方移動する場合、少なくとも第１トルクＴ1 が含まれる一方、第２トルクＴ2 が除外されるように当該遊脚の股関節トルクＴが設定される。すなわち、仮想バネの変位である「姿勢」に応じた股関節トルクＴが、大腿部が基準面より後方で後方移動する遊脚の股関節回りに付与される。
【００１９】
さらに(3) 遊脚の大腿部が基準面より前方で前方移動する場合、少なくとも第２トルクＴ2 が含まれる一方、第１トルクＴ1 が除外されるように当該遊脚の股関節トルクＴとして設定される。すなわち、仮想バネの変位としての「動作」に応じた股関節トルクＴが、大腿部が基準面より前方で前方移動する遊脚の股関節回りに付与される。
【００２０】
また(4) 遊脚の大腿部が基準面より前方で後方移動する場合、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が「０」に設定される。すなわち、大腿部が基準面より前方で後方移動する遊脚の股関節回りには、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 は付与されない。
【００２１】
前記のように場合(1) 〜(4) に応じて股関節トルクＴが設定された上で遊脚の股関節回りに付与されることにより、歩行や走行時における当該遊脚の動作を含む人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００２２】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段が基準面より前方における遊脚の大腿部の前方移動に伴って徐々に増大した後で徐々に減少するように第２トルクＴ2 を有限値に設定することを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、遊脚の大腿部が基準面より前方で前方移動するとき、第２トルクＴ2 が当該移動に伴い徐々に増大した後徐々に減少するように設定される。また、第２トルクＴ2 が含まれるように当該遊脚の股関節トルクＴが設定され、この股関節トルクＴが遊脚の股関節回りに付与される。これにより、遊脚の動作を含む人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００２４】
また本発明の動作補助装置の制御システムは、脚体状態判定手段により脚体が遊脚であると判定されたとき、トルク設定手段が、人間の脚体の股関節回りに付与されることで、歩行補助装置の装着による該人間の動作負担を軽減する第３トルクＴ3 を設定した上で、第３トルクＴ3 が含まれるように該遊脚の股関節トルクＴを設定することを特徴とする。
【００２５】
本発明によれば、第３トルクＴ3 が含まれるように設定された股関節トルクＴが遊脚の股関節回りに付与される。これにより、歩行補助装置の装着による人間の動作負担、具体的には、遊脚の移動に伴う当該遊脚の股関節回りの動作負担が軽減され得る。
【００２６】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段が遊脚の大腿部の前方移動に伴って徐々に増大した後、該大腿部の後方移動に伴って徐々に減少するように該遊脚の股関節回りに付与される第３トルクＴ3 を設定することを特徴とする。
【００２７】
本発明によれば、歩行補助装置の装着による人間の動作負担が、遊脚の大腿部の前方移動に伴い大きくなり、その後の後方移動に伴い小さくなることに鑑み、当該負担の大きさに応じた第３トルクＴが含まれる股関節トルクＴが遊脚の股関節回りに付与される。
【００２８】
これにより、歩行補助装置の装着による人間の動作負担、具体的には遊脚の移動に伴う当該負担がより確実に軽減され得る。
【００２９】
また本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により脚体の膝関節トルクが設定されるとき、脚体状態判定手段により(1')該脚体が遊脚であると判定された場合、係数設定手段が第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする。
【００３０】
本発明によれば、(1')脚体が遊脚である場合、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が排除された形で膝関節トルク（膝関節回りに付与されるトルク）Ｔが設定される。これにより、遊脚の膝関節が不自然に曲げられることが回避され、歩行時における人間の遊脚の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００３１】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により脚体の股関節トルクＴが設定されるとき、脚体状態判定手段により該脚体が立脚であり、且つ、該立脚の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より(5) 前方で後方移動すると判定された場合、(6) 前方で前方移動すると判定された場合、(7) 後方で後方移動すると判定された場合、(8) 後方で前方移動すると判定された場合に応じ、係数設定手段が(5) 第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを有限値（≠０）に設定し、(6) 第１係数ｋ1iを有限値に設定する一方、第２係数ｋ2jを０に設定し、(7) 第１係数ｋ1iを０に設定する一方、第２係数ｋ2jを有限値に設定し、(8) 第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする。
【００３２】
本発明によれば、(5) 立脚の大腿部が基準面より前方で後方移動する場合、当該立脚の股関節トルクＴが「０」に設定される。すなわち、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 は、大腿部が基準面より前方で後方移動する遊脚の股関節回りに付与されない。
【００３３】
また、(6) 立脚の大腿部が基準面より前方で前方移動する場合、少なくとも第１トルクＴ1 が含まれる一方、第２トルクＴ2 が除外されるように当該立脚の股関節トルクＴが設定される。すなわち、仮想バネの変位としての「動作」に応じたトルクＴが、大腿部が基準面より前方で前方移動する立脚の股関節回りに付与される。
【００３４】
さらに(7) 立脚の大腿部が基準面より後方で後方移動する場合、少なくとも第２トルクＴ2 が含まれ、第１トルクＴ1 が除外されるように当該立脚の股関節トルクＴが設定される。すなわち、仮想バネの変位としての「動作」に応じた股関節トルクＴが、大腿部が基準面より後方で後方移動する立脚の股関節回りに付与される。
【００３５】
また(8) 立脚の大腿部が基準面より後方で前方移動する場合、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が含まれるように当該立脚の股関節トルクＴが設定される。すなわち、仮想バネの変位としての「姿勢」及び「動作」に応じたトルクＴが、大腿部が基準面より後方で前方移動する立脚の股関節回りに付与される。
【００３６】
前記のように場合(5) 〜(8) に応じて股関節トルクＴが設定された上で立脚の股関節回りに付与されることで、歩行や走行時における立脚の動作を含む人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００３７】
また本発明の動作補助装置の制御システムは、脚体状態判定手段により一方の脚体のみが立脚であると判定される状態の開始後、トルク設定手段が第１トルクＴ1 と第２トルクＴ2 とを、両者の和Ｔ1 ＋Ｔ2 が徐々に増大した後で徐々に減少するように設定することを特徴とする。
【００３８】
本発明によれば、一方の脚体のみが立脚であると判定される状態の開始後、当該立脚の股関節トルクＴが徐々に増大するように設定される。これにより、両脚体が立脚である状態から一方の脚体のみが立脚である状態に変化した後、増大する当該一方の脚体の負担が軽減され得る。
【００３９】
また、当該トルクＴはしかる後、徐々に減少するように設定される。これにより、他方が遊脚にある場合の立脚の股関節トルクＴが過大になる事態が回避され、人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００４０】
また本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により脚体の膝関節トルクＴが設定されるとき、脚体状態判定手段により該脚体が立脚であり、且つ、該立脚の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より(2')前方にあると判定された場合、(3')後方にあると判定された場合に応じ、係数設定手段が(2')第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを有限値に設定し、(3')第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする。
【００４１】
本発明によれば、(2')立脚の大腿部が基準面より前方にある場合、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が含まれるように当該立脚の膝関節トルクＴが設定される。すなわち、仮想バネの変位としての「姿勢」及び「動作」に応じた膝関節トルクＴが、大腿部が基準面より前方にある立脚の膝関節回りに付与される。
【００４２】
また、(3')立脚の大腿部が基準面より後方にある場合、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が０に設定される。すなわち、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 は、大腿部が基準面より後方にある立脚の膝関節に付与されない。
【００４３】
前記のように場合(2')(3')に応じて膝関節トルクＴが設定された上で、 脚体の膝関節回りに付与されることで、歩行や走行時における立脚の動作を含む人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００４４】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、脚体状態判定手段により脚体が遊脚であると判定されたとき、トルク設定手段が人間の脚体の膝関節回りに付与されることで、歩行補助装置の装着による該人間の動作負担を軽減する第３トルクＴ3 を設定した上で、第３トルクＴ3 が含まれるように該遊脚の膝関節トルクＴを設定することを特徴とする。
【００４５】
本発明によれば、第３トルクＴ3 が含まれるように設定された膝関節トルクＴが、遊脚の膝関節回りに付与される。これにより、歩行補助装置の装着による人間の動作負担、具体的には、遊脚の移動に伴う当該遊脚の膝関節回りの動作負担が軽減され得る。
【００４６】
また、本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により両脚体の股関節トルクＴが設定されるとき、脚体状態判定手段により該両脚体が立脚であり、両脚体の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より前方にあり、且つ、(9) 両脚体の大腿部が後方移動し、人間の重心と該立脚の足部の重心位置との前後方向の間隔が所定間隔未満であると判定された場合、(10)両脚体の大腿部が前方移動し、該間隔が該所定間隔未満であると判定された場合、(11)該間隔が該所定間隔以上であると判定された場合に応じ、係数設定手段が(9) 第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを有限値に設定し、(10)第１係数ｋ1iを有限値に設定する一方、第２係数ｋ2jを０に設定し、(11)第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする。
【００４７】
本発明によれば(9) 基準面より前方にある両立脚の大腿部が後方移動し、前記間隔が所定間隔未満である場合、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が含まれるように両立脚の股関節トルクＴが設定される。この場合、人間が椅子からの起立動作の終期にあることが想定され、仮想バネの変位としての「姿勢」及び「動作」に応じた大きさの股関節トルクＴが、大腿部が基準面より前方で後方移動する両立脚の股関節回りに付与される。
【００４８】
また、(10)基準面より前方にある両立脚の大腿部が前方移動し、前記間隔が所定間隔未満である場合、少なくとも第１トルクＴ1 が含まれる一方、第２トルクＴ2 が除外されるように両立脚の股関節トルクＴが設定される。この場合、椅子への着座動作の初期にあることが想定され、仮想バネの変位としての「姿勢」に応じた股関節トルクＴが、大腿部が基準面より前方で前方移動する両立脚の股関節回りに付与される。
【００４９】
さらに(11)両立脚の大腿部が基準面より前方にあり、前記間隔が所定間隔以上である場合、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が０に設定される。この場合、椅子への着座動作の終期又は椅子からの起立動作の初期にあることが想定され、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 は両立脚の股関節回りに付与されない。
【００５０】
前記のように場合(9) 〜(11)に応じて股関節トルクＴが設定された上で、両脚体の股関節回りに付与されることで、椅子へ着座、椅子から起立する人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００５１】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により両脚体の膝関節トルクＴが設定されるとき、脚体状態判定手段により該両脚体が立脚であり、両脚体の大腿部が両脚体の股関節角度を含み上体を前後に分割する基準面より前方にあり、且つ(4')人間の重心と該立脚の足部の重心位置との前後方向の間隔が所定間隔未満であると判定された場合、(5')該間隔が該所定間隔以上であると判定された場合に応じ、係数設定手段が(4')第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを有限値に設定し、(5')第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする。
【００５２】
本発明によれば、(4')両立脚の大腿部が基準面より前方にあり、前記間隔が所定間隔未満である場合、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が含まれるように、両立脚の膝関節トルクＴが設定される。この場合、椅子への着座動作の初期又は椅子からの起立動作の終期にあることが想定され、仮想バネの変位としての「姿勢」及び「動作」に応じた膝関節トルクＴが両脚体の膝関節回りに付与される。
【００５３】
また、(5')両脚体の大腿部が基準面より前方にあり、前記間隔が所定間隔以上である場合、第１トルクＴ1 と第２トルクＴ2 とが除外されるように両脚体の膝関節トルクＴが設定される。この場合、椅子への着座動作の終期又は椅子からの起立動作の初期にあることが想定され、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 は、大腿部が基準面より前方にあり、股関節角度が所定角度以上である両脚体に付与されない。
【００５４】
前記のように場合(4')(5')に応じてトルクＴが両立脚の膝関節に付与されることにより、椅子へ着座・椅子から起立する人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００５５】
また、本発明の動作補助装置の制御システムは、測定手段が姿勢変数ｘ及び動作変数ｙとして脚体の股関節角度θ及び股関節角速度θ’を測定し、トルク設定手段が第１係数ｋ1iと、脚体の股関節角度θの関数ｆi （θ）との積の和Σi ｋ1iｆi を第１トルクＴ1 として設定し、第２係数ｋ2jと、股関節角速度θ’の関数ｇj （θ’）との積の和Σj ｋ2jｇj を第２トルクＴ2 として設定した上で、該脚体の股関節トルクＴを設定することを特徴とする。
【００５６】
本発明によれば「脚体の股関節角度θ」に反映される「脚体姿勢」と、「脚体の股関節角速度θ’」に反映される「脚体動作」とに応じてトルクＴが適切に設定され得る。
【００５７】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、測定手段が姿勢変数ｘ及び動作変数ｙとして脚体の膝関節角度φ及び膝関節角速度φ’を測定し、トルク設定手段が第１係数ｋ１ｉと、脚体の股関節角度φの関数ｆｉ(φ)との積の和Σｉｋ１ｉｆｉ を第１トルクＴ１ として設定し、第２係数ｋ２ｊと、膝関節角速度φ’の関数ｇｊ(φ’)との積の和Σｊｋ２ｊｇｊ を第２トルクＴ２ として設定した上で、該遊脚の膝関節トルクＴを設定することを特徴とする。
【００５８】
本発明によれば「脚体の膝関節角度φ」に反映される「脚体姿勢」と、「脚体の膝関節角速度φ’」に反映される「脚体動作」とに応じてトルクＴが適切に設定され得る。
【００５９】
【発明の実施の形態】
本発明の動作補助装置の制御システムの実施形態について、図面を用いて説明する。
【００６０】
図１は動作補助装置及び本発明の制御システムの構成説明図であり、図２は姿勢変数及び動作変数の定義説明図であり、図３は重力補償トルクの導出用変数の説明図であり、図４は股関節トルク設定方法の説明図であり、図５は膝関節トルク設定方法の説明図であり、図６は平地歩行時における人間の姿勢及び動作の説明図であり、図７は平地歩行時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図であり、図８は平地歩行時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図であり、図９は昇り歩行時における人間の姿勢及び動作の説明図であり、図１０は昇り歩行時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図であり、図１１は昇り歩行時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図であり、図１２は椅子着座・起立時における人間の姿勢及び動作の説明図であり、図１３は椅子着座・起立時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図であり、図１４は椅子着座・起立時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図であり、図１５は歩行時における股関節角度−膝関節角度軌跡の説明図であり、図１６は両膝屈伸時における股関節角度−膝関節角度軌跡の説明図である。
【００６１】
まず、動作補助装置及び本発明の制御システムの構成について図１を用いて説明する。
【００６２】
図１に示す動作補助装置１００は、左右一対の股関節アクチュエータ１０２と、左右一対の膝関節アクチュエータ１０４とを備えている。
【００６３】
股関節アクチュエータ１０２は人間の腹部、大腿部にそれぞれ取り付けられる腹部サポータ１１２及び大腿部サポータ１１４を介し、バッテリ１０６からの供給電力によりトルクＴを各脚体の股関節回りに付与する。膝関節アクチュエータ１０４は歩行者の大腿部、下腿部に取り付けられた大腿部サポータ１１４及び下腿部サポータ１１６を介し、バッテリ１０６からの供給電力によりトルクＴを各脚体の膝関節回りに付与する。バッテリ１０６は人間の背中に装着されるバックパック１１８に格納されている。
【００６４】
本発明の制御システム２００は、バックパック１１８に格納されたＣＰＵ等により構成されている。
【００６５】
制御システムは、脚体状態判定ユニット２１０と、係数設定ユニット２２０と、測定ユニット２３０と、トルク設定ユニット２４０と、トルク制御ユニット２５０とを備えている。
【００６６】
脚体状態判定ユニット２１０は人間の足裏に前後一対に配置され、荷重に応じた信号を出力するフットスイッチ２１２の出力信号に基づき、各脚体が着床状態にある「立脚」であるか、離床状態にある「遊脚」であるかの別を判定する。また、脚体状態判定ユニット２１０は脚体の股関節角度θに応じた信号を出力する股関節角度センサ２２２の出力信号に基づき、各脚体が両股関節を含み上体を前後に分割する基準面ｐ（図２参照）より前方及び後方のいずれにあるか等「脚体姿勢」を判定する。さらに脚体状態判定ユニット２１０は股関節角度センサ２２２の出力信号に基づき、各脚体が前方及び後方のいずれに移動しているか等「脚体動作」を判定する。基準面ｐは、人間の直立時には当該人間の両股関節を含む鉛直平面と一致する。
【００６７】
係数設定ユニット２２０は脚体状態判定ユニット２１０による判定結果に基づき、脚体の股関節及び膝関節ごとに第１係数ｋ1i（ｉ＝１，２，３）と、第２係数ｋ2j（ｊ＝１，２，３，４）を設定する。
【００６８】
測定ユニット２３０は股関節角度センサ２２２からの出力信号に基づき、左右の股関節角度θ（＝姿勢変数ｘ：図２参照）を測定し、左右の股関節角速度θ’（＝動作変数ｙ）を測定する。股関節角度θは基準面ｐ（図２参照）より前方に大腿部がある場合を正、基準面ｐより後方に大腿部がある場合を負として定義される。また、股関節角速度θ’は大腿部が前方移動する場合を正、大腿部が後方移動する場合を負として定義される。
【００６９】
また、測定ユニット２３０は膝関節角度センサ２２４からの出力信号に基づき、左右の膝関節角度φ（＝姿勢変数ｘ：図２参照）を測定し、左右の膝関節角速度φ’（＝動作変数ｙ）を測定する。
【００７０】
さらに、測定ユニット２３０は記憶装置（図示略）により記憶されている大腿部長さｌ1 及び下腿部長さｌ2 と、股関節角度センサ２２２の出力に応じた股関節角度θと、膝関節角度センサ２２４の出力に応じた膝関節角度φとに基づき、人間の重心ＣＧと、脚体の足部の重心位置ＳＣＧとの前後方向の間隔ｄを測定する（図２参照）。
【００７１】
トルク設定ユニット２４０は係数設定ユニット２２０により設定された第１係数ｋ1iと、測定ユニット２２０により測定された姿勢変数ｘ＝（θ，φ）の関数ｆi としての姿勢変数ｘ、姿勢変数ｘのａ累乗（０＜ａ＜１）ｘa 及び姿勢変数ｘの累積値Ｉｘとに基づき、次式(i) に従って脚体の股関節及び膝関節ごとに第１トルクＴ1 を設定する。
【００７２】
またトルク設定ユニット２４０は係数設定ユニット２２０により設定された第２係数ｋ2jと、測定ユニット２３０により測定された動作変数ｙ＝（θ’，φ’）の関数ｇj としての動作変数ｙ、動作変数ｙのｂ累乗（ｂ＞１）ｙb 、動作変数ｙの累積値Ｉｙ及び動作変数ｙの変化値ｄｙとに基づき、次式(ii)に従って脚体の股関節及び膝関節ごとの第２トルクＴ2 を設定する。
【００７３】
さらにトルク設定ユニット２４０は人間の脚体の股関節、膝関節回りに付与されることで、歩行補助装置１００の装着による当該人間の動作負担を軽減する第３トルクＴ3 を設定する。
【００７４】
第３トルクＴ3 には動作補助装置１００の重さの影響を軽減する重力補償トルクＴ3Gと、アクチュエータ１０２、１０４のフリクションの影響を軽減する摩擦力補償トルクＴ3Fとが含まれる。
【００７５】
トルク設定ユニット２４０は記憶装置（図示略）により記憶されている複数の変数と、測定ユニット２３０により測定される複数の変数とに基づき、股関節、膝関節回りに付与される重力補償トルクＴ3Gを設定する。記憶装置により記憶されている当該変数には、図３に示す大腿部の質量ｍ1 、下腿部の質量ｍ2 、大腿部長さｌ1 、下腿部長さｌ2 、股関節−大腿部重心距離ｌ10及び膝関節−下腿部重心距離ｌ20とが含まれる。測定ユニット２３０により測定される当該変数には、鉛直方向に対する大腿部の角度（股関節角度θから基本全額面に対する基準面ｐの傾斜角度を差し引いた角度）θq 及び膝関節角度φが含まれる。これら変数に基づき、股関節、膝関節回りに付与される重力補償トルクＴ3Gがそれぞれ次式(iii)(iv) に従って設定される。
【００７６】
トルク設定ユニット２４０は第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 及び第３トルクＴ3 に基づき、次式(v) に従って脚体の各股関節及び各膝関節トルクＴを設定する。
【００７７】
Ｔ＝Ｔ1 ＋Ｔ2 ＋Ｔ3 ‥(v)
なお脚体の股関節回りに付与される第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 、第３トルクＴ3 及びトルクＴは当該脚体の大腿部の後方移動を補助する場合は正、前方移動を補助する場合は負で定義される。また、脚体の膝関節回りに付与される第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 、第３トルクＴ3 及びトルクＴは当該脚体の膝の折り曲げを補助する場合は負、膝の伸ばしを補助する場合は正で定義される。
【００７８】
トルク制御ユニット２５０は信号生成ユニット２５２と、フィルタ２５４とを備えている。
【００７９】
信号生成ユニット２５２はトルク設定ユニット２４０により設定されたトルクＴに応じたレベルの信号を生成する。
【００８０】
フィルタ２５４は１次遅れフィルタ等、遅れ要素を有するフィルタであり、信号に応じ、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から当該信号のレベルまで徐々に増加する信号を出力する。
【００８１】
トルク制御ユニット２５０は信号生成ユニット２５２により生成された信号に応じたフィルタ２５４の出力に基づき、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定ユニット２４０により設定されたトルクＴに到るようにバッテリ１０６からアクチュエータ１０２及び１０４への供給電力を制御する。
【００８２】
次に、前記構成の本発明の制御システムによる動作補助装置の制御方法について図４〜図１１を用いて説明する。
【００８３】
まず、動作補助装置１００の股関節アクチュエータ１０２により、脚体の股関節トルクＴが、制御システム２００によりどのように設定されるかについて図４を用いて説明する。なお、次に説明するトルク設定処理は、動作補助装置１００のスイッチ（図示略）がＯＦＦからＯＮに切り替えられたとき等、所定のタイミングで開始させられる。
【００８４】
脚体状態判定ユニット２１０により左右のフットスイッチ２１２の出力信号に基づいて各脚体が離床状態にある「遊脚」であるか、着床状態にある「立脚」であるかが判定される（ｓ１．１）。
【００８５】
脚体状態判定ユニット２１０により脚体が「遊脚」であると判定された場合、測定ユニット２３０により測定された当該脚体の股関節角度θに基づき、脚体状態判定判定ユニット２１０により、当該脚体の大腿部が基準面より前方及び後方のいずれにあるかが判定される（ｓ１．２）。また、この場合、測定ユニット２３０により測定された当該脚体の股関節角速度θ’に基づき、脚体状態判定判定ユニット２１０により、当該脚体の大腿部が前方及び後方のいずれに移動しているかが判定される（ｓ１．２）。
【００８６】
続いて係数設定ユニット２２０により、脚体状態判定ユニットの判定結果（ｓ１．１，ｓ１．２参照）に基づき、第１係数ｋ1i（ｉ＝１，２，３）及び第２係数ｋ2j（ｊ＝１，２，３，４）が次のように複数の場合(1) 〜(4) に応じて設定される。
【００８７】
すなわち、(1) 遊脚の大腿部が基準面より後方にあり（股関節角度θが負）、当該遊脚の大腿部が前方移動している（股関節角速度θ’が正）場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定される（ｓ２．１）。
【００８８】
また、(2) 遊脚の大腿部が基準面より後方にあり（股関節角度θが負）、当該遊脚の大腿部が後方移動している（股関節角速度θ’が負）場合、第１係数ｋ1iが有限値に設定され、第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ２．２）。
【００８９】
さらに(3) 遊脚の大腿部が基準面より前方にあり（股関節角度θが正）、当該遊脚の大腿部が前方移動している（股関節角速度θ’が正）場合、第１係数ｋ1iが０に設定され、第２係数ｋ2jが有限値に設定される（ｓ２．３）。
【００９０】
また、(4) 遊脚の大腿部が基準面より前方にあり（股関節角度θが正）、当該遊脚の大腿部が後方移動している（股関節角速度θ’が負）場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ２．４）。
【００９１】
次に測定ユニット２３０により当該遊脚の股関節角度θ及び股関節角速度θ’が測定される（ｓ３）。
【００９２】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１係数ｋ1iと、股関節角度θの関数ｆi としてのθ、θa 及びＩθとに基づき、前記式(i) に従って第１トルクＴ1 が設定される（ｓ４．１）。
【００９３】
またトルク設定ユニット２４０により第２係数ｋ2jと、股関節角速度θ’の関数ｇj としてのθ’、θ’b 、Ｉθ’及びｄθ’と前記式(ii)に従って第２トルクＴ2 が設定される（ｓ４．２）。
【００９４】
さらにトルク設定ユニット２４０により、当該遊脚の股関節回りに付与されることで、動作補助装置１００の装着に伴う人間の動作負担を軽減するための第３トルクＴ3 が設定される（ｓ４．３）。
【００９５】
そして、トルク設定ユニット２４０により、第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 及び第３トルクＴ3 に基づき、前記式(v) に従って遊脚の股関節トルクＴが設定される（ｓ４．４）。
【００９６】
具体的には、(1) 遊脚の大腿部が基準面より後方で前方移動している場合、第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 及び第３トルクＴ3 の和が当該遊脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定され（ｓ２．１）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 も有限値に設定され得るからである。
【００９７】
また、(2) 遊脚の大腿部が基準面より後方で後方移動している場合、第１トルクＴ1 及び第３トルクＴ3 の和が当該遊脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1iが有限値に設定され、第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ２．２）、第１トルクＴ1 が有限値に設定され得る一方、第２トルクＴ2 が０に設定されるからである。
【００９８】
さらに(3) 遊脚の大腿部が基準面より前方で前方移動している場合、第２トルクＴ2 及び第３トルクＴ3 の和が当該遊脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1iが０に設定され、第２係数ｋ2jが有限値に設定され（ｓ２．３）、第１トルクＴ1 が０に設定される一方、第２トルクＴ2 が有限値に設定され得るからである。
【００９９】
また、(4) 遊脚の大腿部が基準面より前方で後方移動している場合、第３トルクＴ3 が当該遊脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ２．４）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が０に設定されるからである。
【０１００】
一方、脚体状態判定ユニット２１０により脚体が「立脚」であると判定された場合、測定ユニット２３０により測定された両脚体の大腿部が基準面より前方にあるか（股関節角度θがともに正であるか）否かが判定される（ｓ１．３）。
【０１０１】
ここで、両脚体の大腿部が基準面より前方にある（股関節角度θがともに正である）のではないと判定された場合、係数設定ユニット２２０により、脚体状態判定ユニット２１０の判定結果（ｓ１．１，ｓ１．３参照）に基づき、第１係数ｋ1i（ｉ＝１，２，３）及び第２係数ｋ2j（ｊ＝１，２，３，４）が次のように複数の場合(5) 〜(8) に応じて設定される。
【０１０２】
すなわち、(5) 立脚の大腿部が基準面より前方にあり（股関節角度θが正）、立脚の大腿部が後方移動している（股関節角速度θ’が負）場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定される（ｓ２．５）。
【０１０３】
また、(6) 立脚の大腿部が基準面より前方にあり（股関節角度θが正）、立脚の大腿部が前方移動している（股関節角速度θ’が正）場合、第１係数ｋ1iが有限値に設定され、第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ２．６）。
【０１０４】
さらに(7) 立脚の大腿部が基準面より後方にあり（股関節角度θが負）、立脚の大腿部が後方移動している（股関節角速度θ’が負）場合、第１係数ｋ1iが０に設定され、第２係数ｋ2jが有限値に設定される（ｓ２．７）。
【０１０５】
また、(8) 立脚の大腿部が基準面より前方にあり（股関節角度θが正）、立脚の大腿部が後方移動している（股関節角速度θ’が負）場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ２．８）。
【０１０６】
次に測定ユニット２３０により当該遊脚の股関節角度θ及び股関節角速度θ’が測定される（ｓ３）。
【０１０７】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 、第３トルクＴ3 及び当該立脚の股関節トルクＴが設定される（ｓ４．１〜４．４）。なお、第３トルクＴ3 は「０」に設定される。
【０１０８】
具体的には、(5) 立脚の大腿部が基準面より前方で後方移動している場合、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和が当該立脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定され（ｓ２．５）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 も有限値に設定され得るからである。
【０１０９】
また、(6) 立脚の大腿部が基準面より前方で前方移動している場合、第１トルクＴ1 が当該立脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1iが有限値に設定され、第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ２．６）、第１トルクＴ1 が有限値に設定され得る一方、第２トルクＴ2 は０に設定されるからである。
【０１１０】
さらに、(7) 立脚の大腿部が基準面より後方で後方移動している場合、第２トルクＴ2 が当該立脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1iが０に設定され、第２係数ｋ2jが有限値に設定され（ｓ２．７）、第１トルクＴ1 が０に設定される一方、第２トルクＴ2 が有限値に設定され得るからである。
【０１１１】
また、(8) 立脚の大腿部が基準面より後方で前方移動している場合、当該立脚の股関節トルクＴは０に設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ２．８）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が０に設定されるからである。
【０１１２】
また両脚体の大腿部がともに基準面より前方にある（股関節角度θが正）と判定された場合、係数設定ユニット２２０により、脚体状態判定ユニット２１０の判定結果（ｓ１．１，ｓ１．３参照）に基づき、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが次のように複数の場合(9) 〜(11)に応じて設定される。
【０１１３】
すなわち、(9) 両立脚の大腿部が後方移動し（股関節角速度θ’が負）、人間の重心ＣＧと、脚体の足部の重心位置ＳＣＧとの前後方向の間隔ｄ（図２参照）が所定間隔ｄ0 未満であると判定された場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定される（ｓ２．９）。
【０１１４】
また、(10)両立脚の大腿部が前方移動し（股関節角速度θ’が正）、間隔ｄが所定間隔ｄ0 未満であると判定された場合、第１係数ｋ1iが有限値に設定される一方、第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ２．１０）。
【０１１５】
さらに(11)間隔ｄが所定間隔ｄ0 以上であると判定された場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ２．１１）。
【０１１６】
次に測定ユニット２３０により当該遊脚の股関節角度θ及び股関節角速度θ’が測定される（ｓ３）。
【０１１７】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 、第３トルクＴ3 及び当該立脚の股関節トルクＴが設定される（ｓ４．１〜４．４）。なお、第３トルクＴ3 は「０」に設定される。
【０１１８】
具体的には、(9) 間隔ｄ（図２参照）が所定間隔ｄ0 未満の状態で両立脚の大腿部が基準面より前方で後方移動している場合、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和が両立脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定され（ｓ２．９）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が有限値に設定され得るからである。
【０１１９】
また、(10)間隔ｄ（図２参照）が所定間隔ｄ0 未満の状態で両立脚の大腿部が基準面より前方で前方移動している場合、第１トルクＴ1 が両立脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1iが有限値に設定され、第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ２．１０）、第１トルクＴ1 が有限値に設定され得る一方、第２トルクＴ2 が０に設定されるからである。
【０１２０】
さらに(11)両立脚の大腿部がともに基準面より前方にあって間隔ｄが所定間隔ｄ0 以上である場合、当該両立脚の股関節トルクＴが０に設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ２．１１）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が０に設定されるからである。
【０１２１】
次に、動作補助装置１００の膝関節アクチュエータ１０４により、脚体の膝関節トルクＴが、制御システム２００によりどのように設定されるかについて図５を用いて説明する。
【０１２２】
まず、脚体状態判定ユニット２１０により左右のフットスイッチ２１２の出力信号に基づいて各脚体が離床状態にある「遊脚」であるか、着床状態にある「立脚」であるかが判定される（ｓ５．１）。
【０１２３】
(1')脚体が「遊脚」であると判定された場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ６．１）。
【０１２４】
次に測定ユニット２３０により当該遊脚の膝関節角度φ及び膝関節角速度φ’が測定される（ｓ７）。
【０１２５】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１係数ｋ1iと、股関節角度θの関数ｆi としてのθ、θa 及びＩθとに基づき、前記式(i) に従って第１トルクＴ1 が設定される（ｓ８．１）。
【０１２６】
またトルク設定ユニット２４０により第２係数ｋ2jと、股関節角速度θ’の関数ｇj としてのθ’、θ’b 、Ｉθ’及びｄθ’と前記式(ii)に従って第２トルクＴ2 が設定される（ｓ８．２）。
【０１２７】
さらにトルク設定ユニット２４０により、脚体の膝関節回りに付与されることで、動作補助装置１００の装着に伴う人間の動作負担を軽減するための第３トルクＴ3 が設定される（ｓ８．３）。
【０１２８】
そして、トルク設定ユニット２４０により、第１トルクＴ１ 、第２トルクＴ２ 及び第３トルクＴ３ に基づき、前記式（ｖ） に従って遊脚の膝関節トルクＴが設定される（ｓ８．４）。
【０１２９】
具体的には、(1')脚体が「遊脚」である場合、第３トルクＴ3 が当該遊脚の膝関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ６．１）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が０に設定されるからである。
【０１３０】
一方、脚体が「立脚」であると判定された場合、両脚体の大腿部が基準面より前方にあるか（測定ユニット２３０により測定された両脚体の股関節角度θがともに正であるか）否かが判定される（ｓ５．２）。
【０１３１】
両脚体の大腿部が基準面より前方にあるのではない（股関節角度θがともに正であるのではない）と判定された場合、係数設定ユニット２２０により、脚体状態判定ユニット２１０の判定結果（ｓ５．１，ｓ５．２参照）に基づき、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが次のように複数の場合(2')及び(3')に応じて設定される。
【０１３２】
すなわち、(2')立脚の大腿部が基準面より前方にある（股関節角度θが正）場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値に設定される（ｓ６．２）。
【０１３３】
また、(3')立脚の大腿部が基準面より後方にある（股関節角度θが負）場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ６．３）。
【０１３４】
次に測定ユニット２３０により当該立脚の膝関節角度φ及び膝関節角速度φ’が測定される（ｓ７）。
【０１３５】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 、第３トルクＴ3 及び当該立脚の膝関節トルクＴが設定される（ｓ８．１〜８．４）。なお、第３トルクＴ3 は「０」に設定される。
【０１３６】
具体的には、(2')立脚の大腿部が基準面より前方にある場合、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和が当該立脚の膝関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定され（ｓ６．２）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が有限値に設定され得るからである。
【０１３７】
また、(3')立脚の大腿部が基準面より後方にある場合、当該立脚の膝関節トルクＴが０に設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ６．３）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が０に設定されるからである。
【０１３８】
また、両脚体の大腿部が基準面より前方にある（両脚体の股関節角度θがともに正である）と判定された場合、係数設定ユニット２２０により、脚体状態判定ユニットの判定結果（ｓ２１０，ｓ２１２参照）に基づき、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが次のように複数の場合(4')及び(5')に応じて設定される。
【０１３９】
すなわち、(4')人間の重心ＣＧと足部の重心位置ＳＣＧとの前後方向の間隔ｄ（図２参照）が所定間隔ｄ0 未満である場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定される（ｓ６．４）。
【０１４０】
また、(5')間隔ｄが所定間隔ｄ0 以上である場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ６．５）。
【０１４１】
次に測定ユニット２３０により当該立脚の膝関節角度φ及び膝関節角速度φ’が測定される（ｓ７）。
【０１４２】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 、第３トルクＴ3 及び当該立脚の膝関節トルクＴが設定される（ｓ８．１〜８．４）。なお、第３トルクＴ3 は「０」に設定される。
【０１４３】
具体的には、(4')両立脚が基準面より前方にあって、間隔ｄが所定間隔ｄ0 未満である場合、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和が当該立脚の膝関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定され（ｓ６．４）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が有限値に設定され得るからである。
【０１４４】
また、(5')両立脚が基準面より前方にあって、間隔ｄが所定間隔ｄ0 以上である場合、当該立脚の膝関節トルクＴは０に設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ６．５）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が０に設定されるからである。
【０１４５】
図４及び図５に示された手順に従って設定されたトルクＴが、脚体の股関節及び膝関節に付与されるようにトルク制御ユニット２５０により動作補助装置１００が制御される。
【０１４６】
具体的には、まず信号生成ユニット２５２によりトルク設定ユニット２４０により設定されたトルクＴに応じたレベルの信号が生成される。次に信号生成ユニット２５２により生成された信号がフィルタ２５４に入力される。そして、トルク制御ユニット２５０により、フィルタ２５４の出力に基づき、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、当該トルクＴに到るようにバッテリ１０６からアクチュエータ１０２及び１０４への供給電力が制御される。
【０１４７】
続いて、動作補助装置１００を装着した人間の脚体の股関節及び膝関節トルクＴ（ｔ）が、当該人間の動作に応じて制御システム２００によりどのように制御されるかを図６〜図１４を用いて説明する。
【０１４８】
まず、平地歩行時において、脚体の股関節及び膝関節の角度と、脚体の股関節及び膝関節トルクとがどのように変化するかを図６、図７及び図８を用いて説明する。
【０１４９】
平地歩行時における人間の姿勢及び動作は図６（ａ）〜図６（ｇ）に示すように変化する。
【０１５０】
図６（ａ）は右脚体Ｒが遊脚であり、右大腿部が基準面ｐより後方で矢印Ａ+ で示すように前方移動する一方、左脚体Ｌが立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲１▼を示す。
【０１５１】
図６（ｂ）は右脚体Ｒが遊脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ+ で示すように前方移動する一方、左脚体Ｌが立脚であり、左大腿部が基準面ｐより後方にある状態▲２▼を示す。
【０１５２】
図６（ｃ）は右脚体Ｒが遊脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌが立脚であり、左大腿部が基準面ｐより後方にある状態▲３▼を示す。
【０１５３】
図６（ｄ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌも立脚であり、左大腿部が基準面ｐより後方にある状態▲４▼を示す。
【０１５４】
図６（ｅ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌが遊脚であり、左大腿部が基準面ｐより後方にある状態▲５▼を示す。
【０１５５】
図６（ｆ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより後方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌが遊脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲６▼を示す。
【０１５６】
図６（ｇ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより後方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌも立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲７▼を示す。
【０１５７】
平地歩行時において図６（ａ）〜図６（ｇ）に示す状態▲１▼〜▲７▼の変遷に応じ、右脚体Ｒの股関節角度θ及び股関節トルクＴは図７に示すように変化する。図７に示す状態▲１▼〜▲７▼の変遷周期は約１．５［ｓｅｃ］である。
【０１５８】
図４に示すトルク設定処理によれば、状態▲１▼では第１トルクＴ1 （＝Σi ｋ1iｆi （θ））及び第２トルクＴ2 （＝Σj ｋ2jｇj （θ））の和（一点鎖線）と、第３トルクＴ3 （点線）との和が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．１，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。
【０１５９】
さらに状態▲２▼では第２トルクＴ2 と第３トルクＴ3 との和が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．２，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。
【０１６０】
また、状態▲３▼では第３トルクＴ3 が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．４，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。状態▲２▼から状態▲３▼に切り替わったとき、図７に示すように第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和（一点鎖線）が０に設定されるので、股関節トルクＴの大きさが減少する。
【０１６１】
さらに状態▲４▼及び▲５▼では第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．５，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。状態▲４▼から状態▲５▼に切り替わった後、図７に示すように股関節トルクＴは徐々に増大した後徐々に減少するように設定される。
【０１６２】
また状態▲６▼及び▲７▼では第２トルクＴ2 が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．７，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。
【０１６３】
また、平地歩行時において、図６（ａ）〜図６（ｇ）に示す状態▲１▼〜▲７▼の変遷に応じ、右脚体Ｒの膝関節角度φ及び膝関節トルクＴは図８に示すように変化する。図８に示す状態▲１▼〜▲７▼の変遷周期は約１．５［ｓｅｃ］である。
【０１６４】
図５に示すトルク設定処理によれば、状態▲１▼〜▲３▼では第３トルクＴ3 （点線）が膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．１，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。
【０１６５】
また、状態▲４▼及び▲５▼では第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和（一点鎖線）が膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．２，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。状態▲４▼から状態▲５▼に切り替わった後、図８に示すように膝関節トルクＴは徐々に増大した後徐々に減少するように設定される。
【０１６６】
さらに状態▲６▼及び▲７▼では第２トルクＴ2 が膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．３，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。
【０１６７】
次に階段や坂道等の昇り歩行時において、脚体の股関節及び膝関節の角度と、脚体の股関節及び膝関節トルクとがどのように変化するかを図９、図１０及び図１１を用いて説明する。
【０１６８】
昇り歩行時における人間の姿勢及び動作は図９（ａ）〜図９（ｆ）に示すように変化する。
【０１６９】
図９（ａ）は右脚体Ｒが遊脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ+ で示すように前方移動する一方、左脚体Ｌが立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲１▼’を示す。
【０１７０】
図９（ｂ）は右脚体Ｒが遊脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌが立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲２▼’を示す。
【０１７１】
図９（ｃ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌも立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲３▼’を示す。
【０１７２】
図９（ｄ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌが遊脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲４▼’を示す。
【０１７３】
図９（ｅ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌも立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲５▼’を示す。
【０１７４】
平地歩行時において、図９（ａ）〜図９（ｅ）に示す状態▲１▼’〜▲５▼’の変遷に応じ、右脚体Ｒの股関節角度θ及び股関節トルクＴは図１０に示すように変化する。図７に示す平地歩行時の股関節トルクＴと比較して図１０に示す昇り歩行時の股関節トルクＴが全般的に大きくなっている。図１０に示す状態▲１▼’〜▲５▼’の変遷周期は約３．０［ｓｅｃ］である。
【０１７５】
図４に示すトルク設定処理によれば、状態▲１▼’では第２トルクＴ2 （二点鎖線）と、第３トルクＴ3 （点線）との和が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．３，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。
【０１７６】
また状態▲２▼’では第３トルクＴ3 が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．４，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。状態▲１▼’から状態▲２▼’に切り替わったとき、図１０に示すように第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和（一点鎖線）が０に設定されるので、トルクＴの大きさが減少する。
【０１７７】
さらに状態▲３▼’〜▲５▼’では第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和（一点鎖線）が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．５，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。状態▲３▼’から状態▲４▼’に切り替わった後、図１０に示すように股関節トルクＴは徐々に増大した後徐々に減少するように設定される。
【０１７８】
また、昇り歩行時において、図９（ａ）〜図９（ｅ）に示す状態▲１▼’〜▲５▼’の変遷に応じ、右脚体Ｒの膝関節角度φ及び膝関節トルクＴは図１１に示すように変化する。図８に示す平地歩行時の膝関節トルクＴと比較して図１１に示す昇り歩行時の膝関節トルクＴが全般的に大きくなっている。図１１に示す状態▲１▼’〜▲５▼’の変遷周期は約３．０［ｓｅｃ］である。
【０１７９】
図５に示すトルク設定処理によれば、状態▲１▼’及び▲２▼’では第３トルクＴ3 （点線）が膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．１，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。
【０１８０】
また状態▲３▼’〜▲５▼’では第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和（一点鎖線）が膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．２，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。状態▲３▼’から状態▲４▼’に切り替わった後、図１１に示すように膝関節トルクＴは徐々に増大した後徐々に減少するように設定される。
【０１８１】
続いて、椅子着座・起立時において、脚体の股関節及び膝関節の角度と、脚体の股関節及び膝関節トルクとがどのように変化するかを図１２、図１３及び図１４を用いて説明する。
【０１８２】
椅子着座・起立時における人間の姿勢及び動作は図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示すように変化する。
【０１８３】
図１２（ａ）は人間が起立している状態▲１▼”を示す。
【０１８４】
図１２（ｂ）は両脚体が立脚であり、重心ＣＧと足部の重心位置ＳＣＧとの前後方向の間隔ｄが所定間隔ｄ0 未満である状態▲２▼”を示す。
【０１８５】
図１２（ｃ）は両脚体が立脚であり、間隔ｄが所定間隔ｄ0 以上である状態▲３▼”を示す。
【０１８６】
図１２（ｄ）は人間が椅子ｃに着座している状態▲４▼”を示す。
【０１８７】
椅子着座・起立時において図１２（ａ）〜図１２（ｄ）に示す状態▲１▼”〜▲４▼”の変遷（起立状態から椅子に着座するまでの動作に相当）及び状態▲４▼”〜▲１▼”の変遷（椅子への着座状態から起立するまでの動作に相当）に応じ、脚体の股関節角度θ及び股関節トルクＴは図１３に示すように変化する。図１３に示す状態▲１▼”〜▲４▼”の変遷周期は約５．５［ｓｅｃ］である。
【０１８８】
図４に示すトルク設定処理によれば状態▲１▼”では、両立脚の股関節トルクＴが０に設定される。
【０１８９】
図１３で右側の状態▲２▼”では、両立脚の大腿部が後方移動しており（起立動作）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和が両立脚の股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．９，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。また図１３で左側の状態▲２▼”では、両立脚の大腿部が前方移動しており（着座動作）、第１トルクＴ1 が両立脚の股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．１０，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。
【０１９０】
また、状態▲３▼”では両立脚の股関節トルクＴが０に設定され（図４ｓ２．１１，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）、状態▲４▼”でも両立脚の股関節トルクＴが０に設定される。
【０１９１】
また、椅子着座・起立時において図１２（ａ）〜図１２（ｄ）に示す状態▲１▼”〜▲４▼”の変遷（起立状態から椅子に着座するまでの動作に対応する。）及び状態▲４▼”〜▲１▼”の変遷（椅子への着座状態から起立するまでの動作に対応する。）に応じ、脚体の膝関節角度φ及び膝関節トルクＴは図１４に示すように変化する。図１４に示す状態▲１▼”〜▲４▼”の変遷周期は約５．５［ｓｅｃ］である。
【０１９２】
図５に示すトルク設定処理によれば、状態▲１▼”では両立脚の膝関節トルクＴが０に設定される。
【０１９３】
状態▲２▼”では第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和が両立脚の膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．４，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。
【０１９４】
また状態▲３▼”では両立脚の膝関節トルクＴが０に設定され（図５ｓ６．５，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）、状態▲４▼”でも両立脚の膝関節トルクＴが０に設定される。
【０１９５】
前記のように動作補助装置１００を制御する制御システム２００によれば、第１トルクＴ1 が第１係数ｋ1iと、股関節角度θ及び膝関節角度φ（姿勢変数ｘ）の関数ｆi との積の和Σi ｋ1iｆi として設定される（前記式(i) 参照）。すなわち、第１トルクＴ1 はバネ係数ｋ1iを有する仮想的なバネの変位ｆi に応じた力として表現される。
【０１９６】
前記のように第１係数ｋ1iは、「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定され、当該仮想的なバネの変位ｆi には脚体の股関節角度θ及び膝関節角度φにより表される人間の「姿勢」が反映されている。従って、第１トルクＴ1 は人間の「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらに人間の「姿勢」に鑑み、当該人間に違和感を感じさせない観点から適切に設定され得る。
【０１９７】
また、第２トルクＴ2 が第２係数ｋ2jと、股関節角速度θ’及び膝関節角速度φ’（動作変数ｙ）の関数ｇj との積の和Σj ｋ2jｇj として設定される（前記式(ii)参照）。すなわち、第２トルクＴ2 はバネ係数ｋ2jを有する仮想的なバネの変位ｇj に応じた力として表現される。
【０１９８】
前記のように第２係数ｋ2jは、「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定され、当該仮想的なバネの変位ｇj には股関節角速度θ’及び膝関節角速度φ’により表される人間の「動作」が反映されている。従って、第２トルクＴ2 は「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらに人間の「動作」に鑑み、当該人間に違和感を感じさせない観点から適切に設定され得る。
【０１９９】
そして、人間の脚体の関節回りに付与されるトルクＴが、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 に基づいて設定される。このため、人間の脚体の関節周りに付与されるトルクＴは「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらには人間の「姿勢」及び「動作」に応じ、当該人間に動作の違和感を感じさせない観点から適切な大きさに設定され得る。
【０２００】
また、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定手段により設定されたトルクＴに到るように動作補助装置が制御される。このため、人間の脚体の関節周りに付与されるトルクＴ（ｔ）は時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から当該設定トルクＴまで徐々に増加するように滑らかに変化する。
【０２０１】
従って、本発明によれば「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、人間の「姿勢」及び「動作」に鑑みて適切な大きさに設定されたトルクＴが、滑らかに当該人間の脚体の関節回りに付与される。このため、動作補助装置によりその動作（歩行、走行、着座、起立等）が補助されている人間に違和感を感じさせないように動作補助装置が滑らかに制御され得る。
【０２０２】
さらに、第３トルクＴ3 が含まれるように設定されたトルクＴが脚体（遊脚）の関節回りに付与され得る。これにより、歩行補助装置１００の装着による人間の動作負担、具体的には、遊脚の移動に伴う当該遊脚の関節回りの動作負担が軽減され得る。
【０２０３】
ここで歩行時に（Ａ）全くトルクが付与されない場合、（Ｂ）第３トルクＴ3 のうち摩擦力補償トルクＴ3Fが付与された場合、（Ｃ）第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 及び摩擦力補償トルクＴ3Fが付与された場合の股関節角度θ−膝関節角度φの軌跡を図１５を用いて説明する。
【０２０４】
歩行時に（Ｂ）第３トルクＴ3 のみが付与された場合の軌跡（破線）は（Ａ）全くトルクが付与されない場合の軌跡（一点鎖線）よりも、膝関節角度φについて広がりが大きくなっている。これは、股関節及び膝関節回りに摩擦力補償トルクＴ3Fが付与されることで歩行動作が補助され、脚体動作が大きくなり、人間が自然に近い動作・姿勢で歩行し得ることを意味する。
【０２０５】
また、歩行時に（Ｃ）第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 及び摩擦力補償トルクＴ3Fが付与された場合の軌跡（実線）は（Ｂ）摩擦力補償トルクＴ3Fが付与された場合の軌跡（破線）よりも股関節角度θ及び膝関節角度φについて広がりが大きなっている。これは、摩擦力補償トルクＴ3Fに加えて第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が付与されることで歩行動作が補助され、脚体動作がさらに大きくなり、人間がさらに自然に近い動作・姿勢で歩行し得ることを意味する。
【０２０６】
続いて両膝屈伸時に（Ａ）全くトルクが付与されない場合、（Ｂ）第３トルクＴ3 のうち摩擦力補償トルクＴ3Fが付与された場合、（Ｃ）第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 及び摩擦力補償トルクＴ3Fが付与された場合の股関節角度θ−膝関節角度φの軌跡を図１６を用いて説明する。
【０２０７】
両膝屈伸時に（Ｂ）第３トルクＴ3 のみが付与された場合の軌跡（破線）は（Ａ）全くトルクが付与されない場合の軌跡（一点鎖線）よりも、膝関節角度φについて正方向にずれている。これは、股関節及び膝関節回りに摩擦力補償トルクＴ3Fが付与されることで両膝屈伸動作が補助され、脚体動作が大きくなり、人間が自然に近い動作・姿勢で両膝を屈伸し得ることを意味する。
【０２０８】
また、両膝屈伸時に（Ｃ）第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 及び摩擦力補償トルクＴ3Fが付与された場合の軌跡（実線）は（Ｂ）摩擦力補償トルクＴ3Fが付与された場合の軌跡（破線）よりも膝関節角度φについて正方向にずれている。これは、摩擦力補償トルクＴ3Fに加えて第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が付与されることで両膝屈伸動作が補助され、脚体動作がさらに大きくなり、人間がさらに自然に近い動作・姿勢で両膝を屈伸し得ることを意味する。
【０２０９】
なお前記実施形態では第１トルクＴ1 の設定時、姿勢変数ｘ＝（θ，φ）の関数ｆi として（θ，φ）、（θa ，φa ）及び（Ｉθ，Ｉφ）が用いられ、第２トルクＴ2 の設定時、動作変数ｙ＝（θ’，φ’）の関数ｇj として、（θ’，φ’）、（θ’a ，φ’a ）、（Ｉθ’，Ｉφ’）及び（ｄθ’，ｄφ’）が用いられたが、他の実施形態として関数ｆi 及び関数ｇj として前記以外の関数が用いられてもよく、また、関数の組合せパターンが種々変更されてもよい。
【０２１０】
前記実施形態では第２バネ係数ｋ2jが有限値に設定される場合があったが（図４ｓ２．１，ｓ２．３，ｓ２．５，図５ｓ６．１等参照）、他の実施形態として第２バネ係数ｋ2jが定常的に０に設定されてもよい。当該他の実施形態によれば、人間の動作に応じた第２トルクＴ2 が排除された形で、当該人間の脚体の関節回りにトルクＴが付与され得る。
【０２１１】
前記実施形態ではフットスイッチ２１２（図１参照）により脚体が遊脚であるか立脚であるかが判断されたが（図４ｓ１．１，図５ｓ５．１参照）、他の実施形態として膝関節部分や足関節部分に赤外線を用いて床面との距離を測定する距離センサ（図示略）が設けられ、当該距離センサにより測定される距離に基づいて脚体が遊脚であるか立脚であるかが判断されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】動作補助装置及び本発明の制御システムの構成説明図
【図２】姿勢変数及び動作変数の定義説明図
【図３】重力補償トルクの導出用変数の説明図
【図４】股関節トルクの設定方法の説明図
【図５】膝関節トルクの設定方法の説明図
【図６】平地歩行時における人間の姿勢及び動作の説明図
【図７】平地歩行時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図
【図８】平地歩行時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図
【図９】昇り歩行時における人間の姿勢及び動作の説明図
【図１０】昇り歩行時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図
【図１１】昇り歩行時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図
【図１２】椅子着座・起立時における人間の姿勢及び動作の説明図
【図１３】椅子着座・起立時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図
【図１４】椅子着座・起立時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図
【図１５】歩行時における股関節角度−膝関節角度軌跡の説明図
【図１６】両膝屈伸時における股関節角度−膝関節角度軌跡の説明図
【符号の説明】
１００‥動作補助装置、１０２，１０４‥アクチュエータ、２００‥制御システム、２１０‥脚体状態判定ユニット、２１２‥フットスイッチ、２２０‥係数設定ユニット、２２２‥股関節角度センサ、２２４‥膝関節角度センサ、２３０‥測定ユニット、２４０‥トルク設定ユニット、２５０‥トルク制御ユニット、２５２‥信号生成ユニット、２５４‥フィルタ、ｐ‥基準面
【発明の属する技術分野】
本発明は、人間の脚体の関節回りにトルクを付与することで該人間の動作を補助する動作補助装置を制御するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、人間の大腿部の角速度に応じ、大腿部の補助力の付与タイミングが制御される動作（歩行）補助装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この動作補助装置によれば、人間の大腿部角度の変化に応じて大腿部に補助力が付与されることで、この人間の歩行動作や着席動作が補助され得る。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１６６９９７号公報
（００２０〜００２４段落、００３８〜００４４段落、図５、図８）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、人間の脚体に補助力が付与されるタイミングが適切であっても、補助力の大きさや時間変化が不適切な場合には、人間が動作補助装置の使用に違和感を覚える場合がある。
【０００５】
そこで、本発明は、人間が違和感を覚えずに自然に歩行等の動作を行うために適切なトルクが脚体の関節回りに付与されるように動作補助装置を制御し得るシステムを提供することを解決課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の動作補助装置の制御システムは、脚体が着床状態にある立脚であるか、離床状態にある遊脚であるかの別と、脚体姿勢又は脚体姿勢及び脚体動作を判定する脚体状態判定手段と、脚体状態判定手段による判定結果に基づき、第１係数ｋ1i（ｉ＝１，２，‥）と、第２係数ｋ2j（ｊ＝１，２，‥）とを設定する係数設定手段と、人間の姿勢に応じて変化する姿勢変数ｘと、人間の動作に応じて変化する動作変数ｙとを測定する測定手段と、係数設定手段により設定された第１係数ｋ1iと、測定手段により測定された姿勢変数ｘの関数ｆi （ｘ）との積の和Σi ｋ1iｆi を第１トルクＴ1 として設定し、係数設定手段により設定された第２係数ｋ2jと、測定手段により測定された動作変数ｙの関数ｇj （ｙ）との積の和Σj ｋ2jｇj を第２トルクＴ2 として設定した上で、少なくとも第１トルクＴ1 と第２トルクＴ2 の和Ｔ1 ＋Ｔ2 を含み、脚体の関節回りに付与されるトルクＴを設定するトルク設定手段と、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定手段により設定されたトルクＴに到るように動作補助装置を制御するトルク制御手段とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、第１トルクＴ1 が「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定される第１係数ｋ1iと、人間の「姿勢」に応じて変化する姿勢変数ｘの関数ｆi との積の和Σi ｋ1iｆi として設定される。すなわち、第１トルクＴ1 はバネ係数ｋ1iを有する仮想的なバネの変位ｆi に応じた力として表現される。前記のように第１係数ｋ1iは「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定され、姿勢変数ｘの関数である当該仮想的なバネの変位ｆi には人間の「姿勢」が反映されている。従って、第１トルクＴ1 は人間の「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらに人間の「姿勢」に鑑み、当該人間に違和感を感じさせない観点から適切に設定され得る。
【０００８】
また第２トルクＴ2 が「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定される第２係数ｋ2jと、人間の「動作」に応じて変動する動作変数ｙの関数ｇj との積の和Σj ｋ2jｇj として設定される。すなわち、第２トルクＴ2 はバネ係数ｋ2jを有する仮想的なバネの変位ｇj に応じた力として表現される。前記のように第２係数ｋ2jは「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定され、動作変数ｙの関数である当該仮想的なバネの変位ｇj には人間の「動作」が反映されている。従って、第２トルクＴ2 は「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらに人間の「動作」に鑑み、当該人間に違和感を感じさせない観点から適切に設定され得る。
【０００９】
そして、人間の脚体の関節回りに付与されるトルクＴが、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 に基づいて設定される。このため、人間の脚体の関節周りに付与されるトルクＴは「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらには人間の「姿勢」及び「動作」に応じ、当該人間に動作の違和感を感じさせない観点から適切な大きさに設定され得る。
【００１０】
また、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定手段により設定されたトルクＴに到るように動作補助装置が制御される。このため、人間の脚体の関節周りに付与されるトルクＴ（ｔ）は時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から当該設定トルクＴまで徐々に増加するように滑らかに変化する。
【００１１】
従って、本発明によれば「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、人間の「姿勢」及び「動作」に鑑みて適切な大きさに設定されたトルクＴが、滑らかに当該人間の脚体の関節回りに付与される。このため、動作補助装置によりその動作（歩行、走行、着座、起立等）が補助されている人間に違和感を感じさせないように動作補助装置が滑らかに制御され得る。
【００１２】
また、本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段が姿勢変数ｘ、姿勢変数ｘのａ累乗（０＜ａ＜１）ｘa 及び姿勢変数ｘの累積値Ｉｘを姿勢変数ｘの関数ｆi として用いて第１トルクＴ1 を設定し、動作変数ｙ、動作変数ｙのｂ累乗（ｂ＞１）ｙb 、動作変数ｙの累積値Ｉｙ及び動作変数ｙの変化値ｄｙを動作変数ｙの関数ｇj として用いて第２トルクＴ2 を設定することを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、姿勢変数ｘの関数ｆi ＝ｘ、ｘa 及びＩｘに反映される「姿勢」と、動作変数ｙの関数ｇj ＝ｙ、ｙb 、Ｉｙ及びｄｙに反映される「動作」と、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jに反映される「脚体状態」とに応じてトルクＴが適切に設定され得る。
【００１４】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク制御手段がトルク設定手段により設定されたトルクＴに応じたレベルの信号を生成する信号生成手段と、信号に応じ時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から該信号のレベルまで徐々に増加する信号を出力するフィルタとを備え、該信号生成手段により生成された信号に応じた該フィルタの出力を動作補助装置に付与することで、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定手段により設定されたトルクＴに到るように動作補助装置を制御することを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、信号がフィルタを経過した上で動作補助装置に付与されることで、人間の「姿勢」「動作」及び「脚体状態」に鑑みて適切な大きさに設定されたトルクＴが、滑らかに当該人間の脚体の関節回りに付与される。
【００１６】
また、本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により脚体の股関節トルクＴが設定されるとき、脚体状態判定手段により該脚体が遊脚であり、且つ、該遊脚の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より(1) 後方で前方移動すると判定された場合、(2) 後方で後方移動すると判定された場合、(3) 前方で前方移動すると判定された場合、(4) 前方で後方移動すると判定された場合に応じ、係数設定手段が(1) 第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを有限値（≠０）に設定し、(2) 第１係数ｋ1iを有限値に設定する一方、第２係数ｋ2jを０に設定し、(3) 第１係数ｋ1iを０に設定する一方、第２係数ｋ2jを有限値に設定し、(4) 第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、(1) 遊脚の大腿部が基準面より後方で前方移動する場合、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和が含まれるように当該遊脚の股関節トルク（股関節回りに付与されるトルク）Ｔが設定される。すなわち、仮想バネの変位である「姿勢」及び「動作」に応じた股関節トルクＴが、大腿部が基準面より後方で前方移動する遊脚の股関節回りに付与される。
【００１８】
また、(2) 遊脚の大腿部が基準面より後方で後方移動する場合、少なくとも第１トルクＴ1 が含まれる一方、第２トルクＴ2 が除外されるように当該遊脚の股関節トルクＴが設定される。すなわち、仮想バネの変位である「姿勢」に応じた股関節トルクＴが、大腿部が基準面より後方で後方移動する遊脚の股関節回りに付与される。
【００１９】
さらに(3) 遊脚の大腿部が基準面より前方で前方移動する場合、少なくとも第２トルクＴ2 が含まれる一方、第１トルクＴ1 が除外されるように当該遊脚の股関節トルクＴとして設定される。すなわち、仮想バネの変位としての「動作」に応じた股関節トルクＴが、大腿部が基準面より前方で前方移動する遊脚の股関節回りに付与される。
【００２０】
また(4) 遊脚の大腿部が基準面より前方で後方移動する場合、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が「０」に設定される。すなわち、大腿部が基準面より前方で後方移動する遊脚の股関節回りには、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 は付与されない。
【００２１】
前記のように場合(1) 〜(4) に応じて股関節トルクＴが設定された上で遊脚の股関節回りに付与されることにより、歩行や走行時における当該遊脚の動作を含む人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００２２】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段が基準面より前方における遊脚の大腿部の前方移動に伴って徐々に増大した後で徐々に減少するように第２トルクＴ2 を有限値に設定することを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、遊脚の大腿部が基準面より前方で前方移動するとき、第２トルクＴ2 が当該移動に伴い徐々に増大した後徐々に減少するように設定される。また、第２トルクＴ2 が含まれるように当該遊脚の股関節トルクＴが設定され、この股関節トルクＴが遊脚の股関節回りに付与される。これにより、遊脚の動作を含む人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００２４】
また本発明の動作補助装置の制御システムは、脚体状態判定手段により脚体が遊脚であると判定されたとき、トルク設定手段が、人間の脚体の股関節回りに付与されることで、歩行補助装置の装着による該人間の動作負担を軽減する第３トルクＴ3 を設定した上で、第３トルクＴ3 が含まれるように該遊脚の股関節トルクＴを設定することを特徴とする。
【００２５】
本発明によれば、第３トルクＴ3 が含まれるように設定された股関節トルクＴが遊脚の股関節回りに付与される。これにより、歩行補助装置の装着による人間の動作負担、具体的には、遊脚の移動に伴う当該遊脚の股関節回りの動作負担が軽減され得る。
【００２６】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段が遊脚の大腿部の前方移動に伴って徐々に増大した後、該大腿部の後方移動に伴って徐々に減少するように該遊脚の股関節回りに付与される第３トルクＴ3 を設定することを特徴とする。
【００２７】
本発明によれば、歩行補助装置の装着による人間の動作負担が、遊脚の大腿部の前方移動に伴い大きくなり、その後の後方移動に伴い小さくなることに鑑み、当該負担の大きさに応じた第３トルクＴが含まれる股関節トルクＴが遊脚の股関節回りに付与される。
【００２８】
これにより、歩行補助装置の装着による人間の動作負担、具体的には遊脚の移動に伴う当該負担がより確実に軽減され得る。
【００２９】
また本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により脚体の膝関節トルクが設定されるとき、脚体状態判定手段により(1')該脚体が遊脚であると判定された場合、係数設定手段が第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする。
【００３０】
本発明によれば、(1')脚体が遊脚である場合、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が排除された形で膝関節トルク（膝関節回りに付与されるトルク）Ｔが設定される。これにより、遊脚の膝関節が不自然に曲げられることが回避され、歩行時における人間の遊脚の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００３１】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により脚体の股関節トルクＴが設定されるとき、脚体状態判定手段により該脚体が立脚であり、且つ、該立脚の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より(5) 前方で後方移動すると判定された場合、(6) 前方で前方移動すると判定された場合、(7) 後方で後方移動すると判定された場合、(8) 後方で前方移動すると判定された場合に応じ、係数設定手段が(5) 第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを有限値（≠０）に設定し、(6) 第１係数ｋ1iを有限値に設定する一方、第２係数ｋ2jを０に設定し、(7) 第１係数ｋ1iを０に設定する一方、第２係数ｋ2jを有限値に設定し、(8) 第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする。
【００３２】
本発明によれば、(5) 立脚の大腿部が基準面より前方で後方移動する場合、当該立脚の股関節トルクＴが「０」に設定される。すなわち、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 は、大腿部が基準面より前方で後方移動する遊脚の股関節回りに付与されない。
【００３３】
また、(6) 立脚の大腿部が基準面より前方で前方移動する場合、少なくとも第１トルクＴ1 が含まれる一方、第２トルクＴ2 が除外されるように当該立脚の股関節トルクＴが設定される。すなわち、仮想バネの変位としての「動作」に応じたトルクＴが、大腿部が基準面より前方で前方移動する立脚の股関節回りに付与される。
【００３４】
さらに(7) 立脚の大腿部が基準面より後方で後方移動する場合、少なくとも第２トルクＴ2 が含まれ、第１トルクＴ1 が除外されるように当該立脚の股関節トルクＴが設定される。すなわち、仮想バネの変位としての「動作」に応じた股関節トルクＴが、大腿部が基準面より後方で後方移動する立脚の股関節回りに付与される。
【００３５】
また(8) 立脚の大腿部が基準面より後方で前方移動する場合、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が含まれるように当該立脚の股関節トルクＴが設定される。すなわち、仮想バネの変位としての「姿勢」及び「動作」に応じたトルクＴが、大腿部が基準面より後方で前方移動する立脚の股関節回りに付与される。
【００３６】
前記のように場合(5) 〜(8) に応じて股関節トルクＴが設定された上で立脚の股関節回りに付与されることで、歩行や走行時における立脚の動作を含む人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００３７】
また本発明の動作補助装置の制御システムは、脚体状態判定手段により一方の脚体のみが立脚であると判定される状態の開始後、トルク設定手段が第１トルクＴ1 と第２トルクＴ2 とを、両者の和Ｔ1 ＋Ｔ2 が徐々に増大した後で徐々に減少するように設定することを特徴とする。
【００３８】
本発明によれば、一方の脚体のみが立脚であると判定される状態の開始後、当該立脚の股関節トルクＴが徐々に増大するように設定される。これにより、両脚体が立脚である状態から一方の脚体のみが立脚である状態に変化した後、増大する当該一方の脚体の負担が軽減され得る。
【００３９】
また、当該トルクＴはしかる後、徐々に減少するように設定される。これにより、他方が遊脚にある場合の立脚の股関節トルクＴが過大になる事態が回避され、人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００４０】
また本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により脚体の膝関節トルクＴが設定されるとき、脚体状態判定手段により該脚体が立脚であり、且つ、該立脚の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より(2')前方にあると判定された場合、(3')後方にあると判定された場合に応じ、係数設定手段が(2')第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを有限値に設定し、(3')第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする。
【００４１】
本発明によれば、(2')立脚の大腿部が基準面より前方にある場合、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が含まれるように当該立脚の膝関節トルクＴが設定される。すなわち、仮想バネの変位としての「姿勢」及び「動作」に応じた膝関節トルクＴが、大腿部が基準面より前方にある立脚の膝関節回りに付与される。
【００４２】
また、(3')立脚の大腿部が基準面より後方にある場合、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が０に設定される。すなわち、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 は、大腿部が基準面より後方にある立脚の膝関節に付与されない。
【００４３】
前記のように場合(2')(3')に応じて膝関節トルクＴが設定された上で、 脚体の膝関節回りに付与されることで、歩行や走行時における立脚の動作を含む人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００４４】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、脚体状態判定手段により脚体が遊脚であると判定されたとき、トルク設定手段が人間の脚体の膝関節回りに付与されることで、歩行補助装置の装着による該人間の動作負担を軽減する第３トルクＴ3 を設定した上で、第３トルクＴ3 が含まれるように該遊脚の膝関節トルクＴを設定することを特徴とする。
【００４５】
本発明によれば、第３トルクＴ3 が含まれるように設定された膝関節トルクＴが、遊脚の膝関節回りに付与される。これにより、歩行補助装置の装着による人間の動作負担、具体的には、遊脚の移動に伴う当該遊脚の膝関節回りの動作負担が軽減され得る。
【００４６】
また、本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により両脚体の股関節トルクＴが設定されるとき、脚体状態判定手段により該両脚体が立脚であり、両脚体の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より前方にあり、且つ、(9) 両脚体の大腿部が後方移動し、人間の重心と該立脚の足部の重心位置との前後方向の間隔が所定間隔未満であると判定された場合、(10)両脚体の大腿部が前方移動し、該間隔が該所定間隔未満であると判定された場合、(11)該間隔が該所定間隔以上であると判定された場合に応じ、係数設定手段が(9) 第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを有限値に設定し、(10)第１係数ｋ1iを有限値に設定する一方、第２係数ｋ2jを０に設定し、(11)第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする。
【００４７】
本発明によれば(9) 基準面より前方にある両立脚の大腿部が後方移動し、前記間隔が所定間隔未満である場合、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が含まれるように両立脚の股関節トルクＴが設定される。この場合、人間が椅子からの起立動作の終期にあることが想定され、仮想バネの変位としての「姿勢」及び「動作」に応じた大きさの股関節トルクＴが、大腿部が基準面より前方で後方移動する両立脚の股関節回りに付与される。
【００４８】
また、(10)基準面より前方にある両立脚の大腿部が前方移動し、前記間隔が所定間隔未満である場合、少なくとも第１トルクＴ1 が含まれる一方、第２トルクＴ2 が除外されるように両立脚の股関節トルクＴが設定される。この場合、椅子への着座動作の初期にあることが想定され、仮想バネの変位としての「姿勢」に応じた股関節トルクＴが、大腿部が基準面より前方で前方移動する両立脚の股関節回りに付与される。
【００４９】
さらに(11)両立脚の大腿部が基準面より前方にあり、前記間隔が所定間隔以上である場合、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が０に設定される。この場合、椅子への着座動作の終期又は椅子からの起立動作の初期にあることが想定され、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 は両立脚の股関節回りに付与されない。
【００５０】
前記のように場合(9) 〜(11)に応じて股関節トルクＴが設定された上で、両脚体の股関節回りに付与されることで、椅子へ着座、椅子から起立する人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００５１】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により両脚体の膝関節トルクＴが設定されるとき、脚体状態判定手段により該両脚体が立脚であり、両脚体の大腿部が両脚体の股関節角度を含み上体を前後に分割する基準面より前方にあり、且つ(4')人間の重心と該立脚の足部の重心位置との前後方向の間隔が所定間隔未満であると判定された場合、(5')該間隔が該所定間隔以上であると判定された場合に応じ、係数設定手段が(4')第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを有限値に設定し、(5')第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする。
【００５２】
本発明によれば、(4')両立脚の大腿部が基準面より前方にあり、前記間隔が所定間隔未満である場合、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が含まれるように、両立脚の膝関節トルクＴが設定される。この場合、椅子への着座動作の初期又は椅子からの起立動作の終期にあることが想定され、仮想バネの変位としての「姿勢」及び「動作」に応じた膝関節トルクＴが両脚体の膝関節回りに付与される。
【００５３】
また、(5')両脚体の大腿部が基準面より前方にあり、前記間隔が所定間隔以上である場合、第１トルクＴ1 と第２トルクＴ2 とが除外されるように両脚体の膝関節トルクＴが設定される。この場合、椅子への着座動作の終期又は椅子からの起立動作の初期にあることが想定され、少なくとも第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 は、大腿部が基準面より前方にあり、股関節角度が所定角度以上である両脚体に付与されない。
【００５４】
前記のように場合(4')(5')に応じてトルクＴが両立脚の膝関節に付与されることにより、椅子へ着座・椅子から起立する人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００５５】
また、本発明の動作補助装置の制御システムは、測定手段が姿勢変数ｘ及び動作変数ｙとして脚体の股関節角度θ及び股関節角速度θ’を測定し、トルク設定手段が第１係数ｋ1iと、脚体の股関節角度θの関数ｆi （θ）との積の和Σi ｋ1iｆi を第１トルクＴ1 として設定し、第２係数ｋ2jと、股関節角速度θ’の関数ｇj （θ’）との積の和Σj ｋ2jｇj を第２トルクＴ2 として設定した上で、該脚体の股関節トルクＴを設定することを特徴とする。
【００５６】
本発明によれば「脚体の股関節角度θ」に反映される「脚体姿勢」と、「脚体の股関節角速度θ’」に反映される「脚体動作」とに応じてトルクＴが適切に設定され得る。
【００５７】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、測定手段が姿勢変数ｘ及び動作変数ｙとして脚体の膝関節角度φ及び膝関節角速度φ’を測定し、トルク設定手段が第１係数ｋ１ｉと、脚体の股関節角度φの関数ｆｉ(φ)との積の和Σｉｋ１ｉｆｉ を第１トルクＴ１ として設定し、第２係数ｋ２ｊと、膝関節角速度φ’の関数ｇｊ(φ’)との積の和Σｊｋ２ｊｇｊ を第２トルクＴ２ として設定した上で、該遊脚の膝関節トルクＴを設定することを特徴とする。
【００５８】
本発明によれば「脚体の膝関節角度φ」に反映される「脚体姿勢」と、「脚体の膝関節角速度φ’」に反映される「脚体動作」とに応じてトルクＴが適切に設定され得る。
【００５９】
【発明の実施の形態】
本発明の動作補助装置の制御システムの実施形態について、図面を用いて説明する。
【００６０】
図１は動作補助装置及び本発明の制御システムの構成説明図であり、図２は姿勢変数及び動作変数の定義説明図であり、図３は重力補償トルクの導出用変数の説明図であり、図４は股関節トルク設定方法の説明図であり、図５は膝関節トルク設定方法の説明図であり、図６は平地歩行時における人間の姿勢及び動作の説明図であり、図７は平地歩行時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図であり、図８は平地歩行時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図であり、図９は昇り歩行時における人間の姿勢及び動作の説明図であり、図１０は昇り歩行時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図であり、図１１は昇り歩行時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図であり、図１２は椅子着座・起立時における人間の姿勢及び動作の説明図であり、図１３は椅子着座・起立時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図であり、図１４は椅子着座・起立時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図であり、図１５は歩行時における股関節角度−膝関節角度軌跡の説明図であり、図１６は両膝屈伸時における股関節角度−膝関節角度軌跡の説明図である。
【００６１】
まず、動作補助装置及び本発明の制御システムの構成について図１を用いて説明する。
【００６２】
図１に示す動作補助装置１００は、左右一対の股関節アクチュエータ１０２と、左右一対の膝関節アクチュエータ１０４とを備えている。
【００６３】
股関節アクチュエータ１０２は人間の腹部、大腿部にそれぞれ取り付けられる腹部サポータ１１２及び大腿部サポータ１１４を介し、バッテリ１０６からの供給電力によりトルクＴを各脚体の股関節回りに付与する。膝関節アクチュエータ１０４は歩行者の大腿部、下腿部に取り付けられた大腿部サポータ１１４及び下腿部サポータ１１６を介し、バッテリ１０６からの供給電力によりトルクＴを各脚体の膝関節回りに付与する。バッテリ１０６は人間の背中に装着されるバックパック１１８に格納されている。
【００６４】
本発明の制御システム２００は、バックパック１１８に格納されたＣＰＵ等により構成されている。
【００６５】
制御システムは、脚体状態判定ユニット２１０と、係数設定ユニット２２０と、測定ユニット２３０と、トルク設定ユニット２４０と、トルク制御ユニット２５０とを備えている。
【００６６】
脚体状態判定ユニット２１０は人間の足裏に前後一対に配置され、荷重に応じた信号を出力するフットスイッチ２１２の出力信号に基づき、各脚体が着床状態にある「立脚」であるか、離床状態にある「遊脚」であるかの別を判定する。また、脚体状態判定ユニット２１０は脚体の股関節角度θに応じた信号を出力する股関節角度センサ２２２の出力信号に基づき、各脚体が両股関節を含み上体を前後に分割する基準面ｐ（図２参照）より前方及び後方のいずれにあるか等「脚体姿勢」を判定する。さらに脚体状態判定ユニット２１０は股関節角度センサ２２２の出力信号に基づき、各脚体が前方及び後方のいずれに移動しているか等「脚体動作」を判定する。基準面ｐは、人間の直立時には当該人間の両股関節を含む鉛直平面と一致する。
【００６７】
係数設定ユニット２２０は脚体状態判定ユニット２１０による判定結果に基づき、脚体の股関節及び膝関節ごとに第１係数ｋ1i（ｉ＝１，２，３）と、第２係数ｋ2j（ｊ＝１，２，３，４）を設定する。
【００６８】
測定ユニット２３０は股関節角度センサ２２２からの出力信号に基づき、左右の股関節角度θ（＝姿勢変数ｘ：図２参照）を測定し、左右の股関節角速度θ’（＝動作変数ｙ）を測定する。股関節角度θは基準面ｐ（図２参照）より前方に大腿部がある場合を正、基準面ｐより後方に大腿部がある場合を負として定義される。また、股関節角速度θ’は大腿部が前方移動する場合を正、大腿部が後方移動する場合を負として定義される。
【００６９】
また、測定ユニット２３０は膝関節角度センサ２２４からの出力信号に基づき、左右の膝関節角度φ（＝姿勢変数ｘ：図２参照）を測定し、左右の膝関節角速度φ’（＝動作変数ｙ）を測定する。
【００７０】
さらに、測定ユニット２３０は記憶装置（図示略）により記憶されている大腿部長さｌ1 及び下腿部長さｌ2 と、股関節角度センサ２２２の出力に応じた股関節角度θと、膝関節角度センサ２２４の出力に応じた膝関節角度φとに基づき、人間の重心ＣＧと、脚体の足部の重心位置ＳＣＧとの前後方向の間隔ｄを測定する（図２参照）。
【００７１】
トルク設定ユニット２４０は係数設定ユニット２２０により設定された第１係数ｋ1iと、測定ユニット２２０により測定された姿勢変数ｘ＝（θ，φ）の関数ｆi としての姿勢変数ｘ、姿勢変数ｘのａ累乗（０＜ａ＜１）ｘa 及び姿勢変数ｘの累積値Ｉｘとに基づき、次式(i) に従って脚体の股関節及び膝関節ごとに第１トルクＴ1 を設定する。
【００７２】
【００７３】
【００７４】
第３トルクＴ3 には動作補助装置１００の重さの影響を軽減する重力補償トルクＴ3Gと、アクチュエータ１０２、１０４のフリクションの影響を軽減する摩擦力補償トルクＴ3Fとが含まれる。
【００７５】
トルク設定ユニット２４０は記憶装置（図示略）により記憶されている複数の変数と、測定ユニット２３０により測定される複数の変数とに基づき、股関節、膝関節回りに付与される重力補償トルクＴ3Gを設定する。記憶装置により記憶されている当該変数には、図３に示す大腿部の質量ｍ1 、下腿部の質量ｍ2 、大腿部長さｌ1 、下腿部長さｌ2 、股関節−大腿部重心距離ｌ10及び膝関節−下腿部重心距離ｌ20とが含まれる。測定ユニット２３０により測定される当該変数には、鉛直方向に対する大腿部の角度（股関節角度θから基本全額面に対する基準面ｐの傾斜角度を差し引いた角度）θq 及び膝関節角度φが含まれる。これら変数に基づき、股関節、膝関節回りに付与される重力補償トルクＴ3Gがそれぞれ次式(iii)(iv) に従って設定される。
【００７６】
【００７７】
Ｔ＝Ｔ1 ＋Ｔ2 ＋Ｔ3 ‥(v)
なお脚体の股関節回りに付与される第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 、第３トルクＴ3 及びトルクＴは当該脚体の大腿部の後方移動を補助する場合は正、前方移動を補助する場合は負で定義される。また、脚体の膝関節回りに付与される第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 、第３トルクＴ3 及びトルクＴは当該脚体の膝の折り曲げを補助する場合は負、膝の伸ばしを補助する場合は正で定義される。
【００７８】
トルク制御ユニット２５０は信号生成ユニット２５２と、フィルタ２５４とを備えている。
【００７９】
信号生成ユニット２５２はトルク設定ユニット２４０により設定されたトルクＴに応じたレベルの信号を生成する。
【００８０】
フィルタ２５４は１次遅れフィルタ等、遅れ要素を有するフィルタであり、信号に応じ、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から当該信号のレベルまで徐々に増加する信号を出力する。
【００８１】
トルク制御ユニット２５０は信号生成ユニット２５２により生成された信号に応じたフィルタ２５４の出力に基づき、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定ユニット２４０により設定されたトルクＴに到るようにバッテリ１０６からアクチュエータ１０２及び１０４への供給電力を制御する。
【００８２】
次に、前記構成の本発明の制御システムによる動作補助装置の制御方法について図４〜図１１を用いて説明する。
【００８３】
まず、動作補助装置１００の股関節アクチュエータ１０２により、脚体の股関節トルクＴが、制御システム２００によりどのように設定されるかについて図４を用いて説明する。なお、次に説明するトルク設定処理は、動作補助装置１００のスイッチ（図示略）がＯＦＦからＯＮに切り替えられたとき等、所定のタイミングで開始させられる。
【００８４】
脚体状態判定ユニット２１０により左右のフットスイッチ２１２の出力信号に基づいて各脚体が離床状態にある「遊脚」であるか、着床状態にある「立脚」であるかが判定される（ｓ１．１）。
【００８５】
脚体状態判定ユニット２１０により脚体が「遊脚」であると判定された場合、測定ユニット２３０により測定された当該脚体の股関節角度θに基づき、脚体状態判定判定ユニット２１０により、当該脚体の大腿部が基準面より前方及び後方のいずれにあるかが判定される（ｓ１．２）。また、この場合、測定ユニット２３０により測定された当該脚体の股関節角速度θ’に基づき、脚体状態判定判定ユニット２１０により、当該脚体の大腿部が前方及び後方のいずれに移動しているかが判定される（ｓ１．２）。
【００８６】
続いて係数設定ユニット２２０により、脚体状態判定ユニットの判定結果（ｓ１．１，ｓ１．２参照）に基づき、第１係数ｋ1i（ｉ＝１，２，３）及び第２係数ｋ2j（ｊ＝１，２，３，４）が次のように複数の場合(1) 〜(4) に応じて設定される。
【００８７】
すなわち、(1) 遊脚の大腿部が基準面より後方にあり（股関節角度θが負）、当該遊脚の大腿部が前方移動している（股関節角速度θ’が正）場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定される（ｓ２．１）。
【００８８】
また、(2) 遊脚の大腿部が基準面より後方にあり（股関節角度θが負）、当該遊脚の大腿部が後方移動している（股関節角速度θ’が負）場合、第１係数ｋ1iが有限値に設定され、第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ２．２）。
【００８９】
さらに(3) 遊脚の大腿部が基準面より前方にあり（股関節角度θが正）、当該遊脚の大腿部が前方移動している（股関節角速度θ’が正）場合、第１係数ｋ1iが０に設定され、第２係数ｋ2jが有限値に設定される（ｓ２．３）。
【００９０】
また、(4) 遊脚の大腿部が基準面より前方にあり（股関節角度θが正）、当該遊脚の大腿部が後方移動している（股関節角速度θ’が負）場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ２．４）。
【００９１】
次に測定ユニット２３０により当該遊脚の股関節角度θ及び股関節角速度θ’が測定される（ｓ３）。
【００９２】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１係数ｋ1iと、股関節角度θの関数ｆi としてのθ、θa 及びＩθとに基づき、前記式(i) に従って第１トルクＴ1 が設定される（ｓ４．１）。
【００９３】
またトルク設定ユニット２４０により第２係数ｋ2jと、股関節角速度θ’の関数ｇj としてのθ’、θ’b 、Ｉθ’及びｄθ’と前記式(ii)に従って第２トルクＴ2 が設定される（ｓ４．２）。
【００９４】
さらにトルク設定ユニット２４０により、当該遊脚の股関節回りに付与されることで、動作補助装置１００の装着に伴う人間の動作負担を軽減するための第３トルクＴ3 が設定される（ｓ４．３）。
【００９５】
そして、トルク設定ユニット２４０により、第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 及び第３トルクＴ3 に基づき、前記式(v) に従って遊脚の股関節トルクＴが設定される（ｓ４．４）。
【００９６】
具体的には、(1) 遊脚の大腿部が基準面より後方で前方移動している場合、第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 及び第３トルクＴ3 の和が当該遊脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定され（ｓ２．１）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 も有限値に設定され得るからである。
【００９７】
また、(2) 遊脚の大腿部が基準面より後方で後方移動している場合、第１トルクＴ1 及び第３トルクＴ3 の和が当該遊脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1iが有限値に設定され、第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ２．２）、第１トルクＴ1 が有限値に設定され得る一方、第２トルクＴ2 が０に設定されるからである。
【００９８】
さらに(3) 遊脚の大腿部が基準面より前方で前方移動している場合、第２トルクＴ2 及び第３トルクＴ3 の和が当該遊脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1iが０に設定され、第２係数ｋ2jが有限値に設定され（ｓ２．３）、第１トルクＴ1 が０に設定される一方、第２トルクＴ2 が有限値に設定され得るからである。
【００９９】
また、(4) 遊脚の大腿部が基準面より前方で後方移動している場合、第３トルクＴ3 が当該遊脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ２．４）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が０に設定されるからである。
【０１００】
一方、脚体状態判定ユニット２１０により脚体が「立脚」であると判定された場合、測定ユニット２３０により測定された両脚体の大腿部が基準面より前方にあるか（股関節角度θがともに正であるか）否かが判定される（ｓ１．３）。
【０１０１】
ここで、両脚体の大腿部が基準面より前方にある（股関節角度θがともに正である）のではないと判定された場合、係数設定ユニット２２０により、脚体状態判定ユニット２１０の判定結果（ｓ１．１，ｓ１．３参照）に基づき、第１係数ｋ1i（ｉ＝１，２，３）及び第２係数ｋ2j（ｊ＝１，２，３，４）が次のように複数の場合(5) 〜(8) に応じて設定される。
【０１０２】
すなわち、(5) 立脚の大腿部が基準面より前方にあり（股関節角度θが正）、立脚の大腿部が後方移動している（股関節角速度θ’が負）場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定される（ｓ２．５）。
【０１０３】
また、(6) 立脚の大腿部が基準面より前方にあり（股関節角度θが正）、立脚の大腿部が前方移動している（股関節角速度θ’が正）場合、第１係数ｋ1iが有限値に設定され、第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ２．６）。
【０１０４】
さらに(7) 立脚の大腿部が基準面より後方にあり（股関節角度θが負）、立脚の大腿部が後方移動している（股関節角速度θ’が負）場合、第１係数ｋ1iが０に設定され、第２係数ｋ2jが有限値に設定される（ｓ２．７）。
【０１０５】
また、(8) 立脚の大腿部が基準面より前方にあり（股関節角度θが正）、立脚の大腿部が後方移動している（股関節角速度θ’が負）場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ２．８）。
【０１０６】
次に測定ユニット２３０により当該遊脚の股関節角度θ及び股関節角速度θ’が測定される（ｓ３）。
【０１０７】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 、第３トルクＴ3 及び当該立脚の股関節トルクＴが設定される（ｓ４．１〜４．４）。なお、第３トルクＴ3 は「０」に設定される。
【０１０８】
具体的には、(5) 立脚の大腿部が基準面より前方で後方移動している場合、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和が当該立脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定され（ｓ２．５）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 も有限値に設定され得るからである。
【０１０９】
また、(6) 立脚の大腿部が基準面より前方で前方移動している場合、第１トルクＴ1 が当該立脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1iが有限値に設定され、第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ２．６）、第１トルクＴ1 が有限値に設定され得る一方、第２トルクＴ2 は０に設定されるからである。
【０１１０】
さらに、(7) 立脚の大腿部が基準面より後方で後方移動している場合、第２トルクＴ2 が当該立脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1iが０に設定され、第２係数ｋ2jが有限値に設定され（ｓ２．７）、第１トルクＴ1 が０に設定される一方、第２トルクＴ2 が有限値に設定され得るからである。
【０１１１】
また、(8) 立脚の大腿部が基準面より後方で前方移動している場合、当該立脚の股関節トルクＴは０に設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ２．８）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が０に設定されるからである。
【０１１２】
また両脚体の大腿部がともに基準面より前方にある（股関節角度θが正）と判定された場合、係数設定ユニット２２０により、脚体状態判定ユニット２１０の判定結果（ｓ１．１，ｓ１．３参照）に基づき、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが次のように複数の場合(9) 〜(11)に応じて設定される。
【０１１３】
すなわち、(9) 両立脚の大腿部が後方移動し（股関節角速度θ’が負）、人間の重心ＣＧと、脚体の足部の重心位置ＳＣＧとの前後方向の間隔ｄ（図２参照）が所定間隔ｄ0 未満であると判定された場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定される（ｓ２．９）。
【０１１４】
また、(10)両立脚の大腿部が前方移動し（股関節角速度θ’が正）、間隔ｄが所定間隔ｄ0 未満であると判定された場合、第１係数ｋ1iが有限値に設定される一方、第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ２．１０）。
【０１１５】
さらに(11)間隔ｄが所定間隔ｄ0 以上であると判定された場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ２．１１）。
【０１１６】
次に測定ユニット２３０により当該遊脚の股関節角度θ及び股関節角速度θ’が測定される（ｓ３）。
【０１１７】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 、第３トルクＴ3 及び当該立脚の股関節トルクＴが設定される（ｓ４．１〜４．４）。なお、第３トルクＴ3 は「０」に設定される。
【０１１８】
具体的には、(9) 間隔ｄ（図２参照）が所定間隔ｄ0 未満の状態で両立脚の大腿部が基準面より前方で後方移動している場合、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和が両立脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定され（ｓ２．９）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が有限値に設定され得るからである。
【０１１９】
また、(10)間隔ｄ（図２参照）が所定間隔ｄ0 未満の状態で両立脚の大腿部が基準面より前方で前方移動している場合、第１トルクＴ1 が両立脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1iが有限値に設定され、第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ２．１０）、第１トルクＴ1 が有限値に設定され得る一方、第２トルクＴ2 が０に設定されるからである。
【０１２０】
さらに(11)両立脚の大腿部がともに基準面より前方にあって間隔ｄが所定間隔ｄ0 以上である場合、当該両立脚の股関節トルクＴが０に設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ２．１１）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が０に設定されるからである。
【０１２１】
次に、動作補助装置１００の膝関節アクチュエータ１０４により、脚体の膝関節トルクＴが、制御システム２００によりどのように設定されるかについて図５を用いて説明する。
【０１２２】
まず、脚体状態判定ユニット２１０により左右のフットスイッチ２１２の出力信号に基づいて各脚体が離床状態にある「遊脚」であるか、着床状態にある「立脚」であるかが判定される（ｓ５．１）。
【０１２３】
(1')脚体が「遊脚」であると判定された場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ６．１）。
【０１２４】
次に測定ユニット２３０により当該遊脚の膝関節角度φ及び膝関節角速度φ’が測定される（ｓ７）。
【０１２５】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１係数ｋ1iと、股関節角度θの関数ｆi としてのθ、θa 及びＩθとに基づき、前記式(i) に従って第１トルクＴ1 が設定される（ｓ８．１）。
【０１２６】
またトルク設定ユニット２４０により第２係数ｋ2jと、股関節角速度θ’の関数ｇj としてのθ’、θ’b 、Ｉθ’及びｄθ’と前記式(ii)に従って第２トルクＴ2 が設定される（ｓ８．２）。
【０１２７】
さらにトルク設定ユニット２４０により、脚体の膝関節回りに付与されることで、動作補助装置１００の装着に伴う人間の動作負担を軽減するための第３トルクＴ3 が設定される（ｓ８．３）。
【０１２８】
そして、トルク設定ユニット２４０により、第１トルクＴ１ 、第２トルクＴ２ 及び第３トルクＴ３ に基づき、前記式（ｖ） に従って遊脚の膝関節トルクＴが設定される（ｓ８．４）。
【０１２９】
具体的には、(1')脚体が「遊脚」である場合、第３トルクＴ3 が当該遊脚の膝関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ６．１）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が０に設定されるからである。
【０１３０】
一方、脚体が「立脚」であると判定された場合、両脚体の大腿部が基準面より前方にあるか（測定ユニット２３０により測定された両脚体の股関節角度θがともに正であるか）否かが判定される（ｓ５．２）。
【０１３１】
両脚体の大腿部が基準面より前方にあるのではない（股関節角度θがともに正であるのではない）と判定された場合、係数設定ユニット２２０により、脚体状態判定ユニット２１０の判定結果（ｓ５．１，ｓ５．２参照）に基づき、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが次のように複数の場合(2')及び(3')に応じて設定される。
【０１３２】
すなわち、(2')立脚の大腿部が基準面より前方にある（股関節角度θが正）場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値に設定される（ｓ６．２）。
【０１３３】
また、(3')立脚の大腿部が基準面より後方にある（股関節角度θが負）場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ６．３）。
【０１３４】
次に測定ユニット２３０により当該立脚の膝関節角度φ及び膝関節角速度φ’が測定される（ｓ７）。
【０１３５】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 、第３トルクＴ3 及び当該立脚の膝関節トルクＴが設定される（ｓ８．１〜８．４）。なお、第３トルクＴ3 は「０」に設定される。
【０１３６】
具体的には、(2')立脚の大腿部が基準面より前方にある場合、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和が当該立脚の膝関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定され（ｓ６．２）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が有限値に設定され得るからである。
【０１３７】
また、(3')立脚の大腿部が基準面より後方にある場合、当該立脚の膝関節トルクＴが０に設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ６．３）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が０に設定されるからである。
【０１３８】
また、両脚体の大腿部が基準面より前方にある（両脚体の股関節角度θがともに正である）と判定された場合、係数設定ユニット２２０により、脚体状態判定ユニットの判定結果（ｓ２１０，ｓ２１２参照）に基づき、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが次のように複数の場合(4')及び(5')に応じて設定される。
【０１３９】
すなわち、(4')人間の重心ＣＧと足部の重心位置ＳＣＧとの前後方向の間隔ｄ（図２参照）が所定間隔ｄ0 未満である場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定される（ｓ６．４）。
【０１４０】
また、(5')間隔ｄが所定間隔ｄ0 以上である場合、第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定される（ｓ６．５）。
【０１４１】
次に測定ユニット２３０により当該立脚の膝関節角度φ及び膝関節角速度φ’が測定される（ｓ７）。
【０１４２】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 、第３トルクＴ3 及び当該立脚の膝関節トルクＴが設定される（ｓ８．１〜８．４）。なお、第３トルクＴ3 は「０」に設定される。
【０１４３】
具体的には、(4')両立脚が基準面より前方にあって、間隔ｄが所定間隔ｄ0 未満である場合、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和が当該立脚の膝関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが有限値（≠０）に設定され（ｓ６．４）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が有限値に設定され得るからである。
【０１４４】
また、(5')両立脚が基準面より前方にあって、間隔ｄが所定間隔ｄ0 以上である場合、当該立脚の膝関節トルクＴは０に設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jが０に設定され（ｓ６．５）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が０に設定されるからである。
【０１４５】
図４及び図５に示された手順に従って設定されたトルクＴが、脚体の股関節及び膝関節に付与されるようにトルク制御ユニット２５０により動作補助装置１００が制御される。
【０１４６】
具体的には、まず信号生成ユニット２５２によりトルク設定ユニット２４０により設定されたトルクＴに応じたレベルの信号が生成される。次に信号生成ユニット２５２により生成された信号がフィルタ２５４に入力される。そして、トルク制御ユニット２５０により、フィルタ２５４の出力に基づき、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、当該トルクＴに到るようにバッテリ１０６からアクチュエータ１０２及び１０４への供給電力が制御される。
【０１４７】
続いて、動作補助装置１００を装着した人間の脚体の股関節及び膝関節トルクＴ（ｔ）が、当該人間の動作に応じて制御システム２００によりどのように制御されるかを図６〜図１４を用いて説明する。
【０１４８】
まず、平地歩行時において、脚体の股関節及び膝関節の角度と、脚体の股関節及び膝関節トルクとがどのように変化するかを図６、図７及び図８を用いて説明する。
【０１４９】
平地歩行時における人間の姿勢及び動作は図６（ａ）〜図６（ｇ）に示すように変化する。
【０１５０】
図６（ａ）は右脚体Ｒが遊脚であり、右大腿部が基準面ｐより後方で矢印Ａ+ で示すように前方移動する一方、左脚体Ｌが立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲１▼を示す。
【０１５１】
図６（ｂ）は右脚体Ｒが遊脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ+ で示すように前方移動する一方、左脚体Ｌが立脚であり、左大腿部が基準面ｐより後方にある状態▲２▼を示す。
【０１５２】
図６（ｃ）は右脚体Ｒが遊脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌが立脚であり、左大腿部が基準面ｐより後方にある状態▲３▼を示す。
【０１５３】
図６（ｄ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌも立脚であり、左大腿部が基準面ｐより後方にある状態▲４▼を示す。
【０１５４】
図６（ｅ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌが遊脚であり、左大腿部が基準面ｐより後方にある状態▲５▼を示す。
【０１５５】
図６（ｆ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより後方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌが遊脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲６▼を示す。
【０１５６】
図６（ｇ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより後方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌも立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲７▼を示す。
【０１５７】
平地歩行時において図６（ａ）〜図６（ｇ）に示す状態▲１▼〜▲７▼の変遷に応じ、右脚体Ｒの股関節角度θ及び股関節トルクＴは図７に示すように変化する。図７に示す状態▲１▼〜▲７▼の変遷周期は約１．５［ｓｅｃ］である。
【０１５８】
図４に示すトルク設定処理によれば、状態▲１▼では第１トルクＴ1 （＝Σi ｋ1iｆi （θ））及び第２トルクＴ2 （＝Σj ｋ2jｇj （θ））の和（一点鎖線）と、第３トルクＴ3 （点線）との和が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．１，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。
【０１５９】
さらに状態▲２▼では第２トルクＴ2 と第３トルクＴ3 との和が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．２，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。
【０１６０】
また、状態▲３▼では第３トルクＴ3 が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．４，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。状態▲２▼から状態▲３▼に切り替わったとき、図７に示すように第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和（一点鎖線）が０に設定されるので、股関節トルクＴの大きさが減少する。
【０１６１】
さらに状態▲４▼及び▲５▼では第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．５，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。状態▲４▼から状態▲５▼に切り替わった後、図７に示すように股関節トルクＴは徐々に増大した後徐々に減少するように設定される。
【０１６２】
また状態▲６▼及び▲７▼では第２トルクＴ2 が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．７，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。
【０１６３】
また、平地歩行時において、図６（ａ）〜図６（ｇ）に示す状態▲１▼〜▲７▼の変遷に応じ、右脚体Ｒの膝関節角度φ及び膝関節トルクＴは図８に示すように変化する。図８に示す状態▲１▼〜▲７▼の変遷周期は約１．５［ｓｅｃ］である。
【０１６４】
図５に示すトルク設定処理によれば、状態▲１▼〜▲３▼では第３トルクＴ3 （点線）が膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．１，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。
【０１６５】
また、状態▲４▼及び▲５▼では第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和（一点鎖線）が膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．２，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。状態▲４▼から状態▲５▼に切り替わった後、図８に示すように膝関節トルクＴは徐々に増大した後徐々に減少するように設定される。
【０１６６】
さらに状態▲６▼及び▲７▼では第２トルクＴ2 が膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．３，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。
【０１６７】
次に階段や坂道等の昇り歩行時において、脚体の股関節及び膝関節の角度と、脚体の股関節及び膝関節トルクとがどのように変化するかを図９、図１０及び図１１を用いて説明する。
【０１６８】
昇り歩行時における人間の姿勢及び動作は図９（ａ）〜図９（ｆ）に示すように変化する。
【０１６９】
図９（ａ）は右脚体Ｒが遊脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ+ で示すように前方移動する一方、左脚体Ｌが立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲１▼’を示す。
【０１７０】
図９（ｂ）は右脚体Ｒが遊脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌが立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲２▼’を示す。
【０１７１】
図９（ｃ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌも立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲３▼’を示す。
【０１７２】
図９（ｄ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌが遊脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲４▼’を示す。
【０１７３】
図９（ｅ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ- で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌも立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲５▼’を示す。
【０１７４】
平地歩行時において、図９（ａ）〜図９（ｅ）に示す状態▲１▼’〜▲５▼’の変遷に応じ、右脚体Ｒの股関節角度θ及び股関節トルクＴは図１０に示すように変化する。図７に示す平地歩行時の股関節トルクＴと比較して図１０に示す昇り歩行時の股関節トルクＴが全般的に大きくなっている。図１０に示す状態▲１▼’〜▲５▼’の変遷周期は約３．０［ｓｅｃ］である。
【０１７５】
図４に示すトルク設定処理によれば、状態▲１▼’では第２トルクＴ2 （二点鎖線）と、第３トルクＴ3 （点線）との和が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．３，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。
【０１７６】
また状態▲２▼’では第３トルクＴ3 が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．４，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。状態▲１▼’から状態▲２▼’に切り替わったとき、図１０に示すように第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和（一点鎖線）が０に設定されるので、トルクＴの大きさが減少する。
【０１７７】
さらに状態▲３▼’〜▲５▼’では第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和（一点鎖線）が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．５，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。状態▲３▼’から状態▲４▼’に切り替わった後、図１０に示すように股関節トルクＴは徐々に増大した後徐々に減少するように設定される。
【０１７８】
また、昇り歩行時において、図９（ａ）〜図９（ｅ）に示す状態▲１▼’〜▲５▼’の変遷に応じ、右脚体Ｒの膝関節角度φ及び膝関節トルクＴは図１１に示すように変化する。図８に示す平地歩行時の膝関節トルクＴと比較して図１１に示す昇り歩行時の膝関節トルクＴが全般的に大きくなっている。図１１に示す状態▲１▼’〜▲５▼’の変遷周期は約３．０［ｓｅｃ］である。
【０１７９】
図５に示すトルク設定処理によれば、状態▲１▼’及び▲２▼’では第３トルクＴ3 （点線）が膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．１，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。
【０１８０】
また状態▲３▼’〜▲５▼’では第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和（一点鎖線）が膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．２，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。状態▲３▼’から状態▲４▼’に切り替わった後、図１１に示すように膝関節トルクＴは徐々に増大した後徐々に減少するように設定される。
【０１８１】
続いて、椅子着座・起立時において、脚体の股関節及び膝関節の角度と、脚体の股関節及び膝関節トルクとがどのように変化するかを図１２、図１３及び図１４を用いて説明する。
【０１８２】
椅子着座・起立時における人間の姿勢及び動作は図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示すように変化する。
【０１８３】
図１２（ａ）は人間が起立している状態▲１▼”を示す。
【０１８４】
図１２（ｂ）は両脚体が立脚であり、重心ＣＧと足部の重心位置ＳＣＧとの前後方向の間隔ｄが所定間隔ｄ0 未満である状態▲２▼”を示す。
【０１８５】
図１２（ｃ）は両脚体が立脚であり、間隔ｄが所定間隔ｄ0 以上である状態▲３▼”を示す。
【０１８６】
図１２（ｄ）は人間が椅子ｃに着座している状態▲４▼”を示す。
【０１８７】
椅子着座・起立時において図１２（ａ）〜図１２（ｄ）に示す状態▲１▼”〜▲４▼”の変遷（起立状態から椅子に着座するまでの動作に相当）及び状態▲４▼”〜▲１▼”の変遷（椅子への着座状態から起立するまでの動作に相当）に応じ、脚体の股関節角度θ及び股関節トルクＴは図１３に示すように変化する。図１３に示す状態▲１▼”〜▲４▼”の変遷周期は約５．５［ｓｅｃ］である。
【０１８８】
図４に示すトルク設定処理によれば状態▲１▼”では、両立脚の股関節トルクＴが０に設定される。
【０１８９】
図１３で右側の状態▲２▼”では、両立脚の大腿部が後方移動しており（起立動作）、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和が両立脚の股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．９，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。また図１３で左側の状態▲２▼”では、両立脚の大腿部が前方移動しており（着座動作）、第１トルクＴ1 が両立脚の股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．１０，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。
【０１９０】
また、状態▲３▼”では両立脚の股関節トルクＴが０に設定され（図４ｓ２．１１，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）、状態▲４▼”でも両立脚の股関節トルクＴが０に設定される。
【０１９１】
また、椅子着座・起立時において図１２（ａ）〜図１２（ｄ）に示す状態▲１▼”〜▲４▼”の変遷（起立状態から椅子に着座するまでの動作に対応する。）及び状態▲４▼”〜▲１▼”の変遷（椅子への着座状態から起立するまでの動作に対応する。）に応じ、脚体の膝関節角度φ及び膝関節トルクＴは図１４に示すように変化する。図１４に示す状態▲１▼”〜▲４▼”の変遷周期は約５．５［ｓｅｃ］である。
【０１９２】
図５に示すトルク設定処理によれば、状態▲１▼”では両立脚の膝関節トルクＴが０に設定される。
【０１９３】
状態▲２▼”では第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 の和が両立脚の膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．４，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。
【０１９４】
また状態▲３▼”では両立脚の膝関節トルクＴが０に設定され（図５ｓ６．５，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）、状態▲４▼”でも両立脚の膝関節トルクＴが０に設定される。
【０１９５】
前記のように動作補助装置１００を制御する制御システム２００によれば、第１トルクＴ1 が第１係数ｋ1iと、股関節角度θ及び膝関節角度φ（姿勢変数ｘ）の関数ｆi との積の和Σi ｋ1iｆi として設定される（前記式(i) 参照）。すなわち、第１トルクＴ1 はバネ係数ｋ1iを有する仮想的なバネの変位ｆi に応じた力として表現される。
【０１９６】
前記のように第１係数ｋ1iは、「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定され、当該仮想的なバネの変位ｆi には脚体の股関節角度θ及び膝関節角度φにより表される人間の「姿勢」が反映されている。従って、第１トルクＴ1 は人間の「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらに人間の「姿勢」に鑑み、当該人間に違和感を感じさせない観点から適切に設定され得る。
【０１９７】
また、第２トルクＴ2 が第２係数ｋ2jと、股関節角速度θ’及び膝関節角速度φ’（動作変数ｙ）の関数ｇj との積の和Σj ｋ2jｇj として設定される（前記式(ii)参照）。すなわち、第２トルクＴ2 はバネ係数ｋ2jを有する仮想的なバネの変位ｇj に応じた力として表現される。
【０１９８】
前記のように第２係数ｋ2jは、「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定され、当該仮想的なバネの変位ｇj には股関節角速度θ’及び膝関節角速度φ’により表される人間の「動作」が反映されている。従って、第２トルクＴ2 は「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらに人間の「動作」に鑑み、当該人間に違和感を感じさせない観点から適切に設定され得る。
【０１９９】
そして、人間の脚体の関節回りに付与されるトルクＴが、第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 に基づいて設定される。このため、人間の脚体の関節周りに付与されるトルクＴは「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらには人間の「姿勢」及び「動作」に応じ、当該人間に動作の違和感を感じさせない観点から適切な大きさに設定され得る。
【０２００】
また、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定手段により設定されたトルクＴに到るように動作補助装置が制御される。このため、人間の脚体の関節周りに付与されるトルクＴ（ｔ）は時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から当該設定トルクＴまで徐々に増加するように滑らかに変化する。
【０２０１】
従って、本発明によれば「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、人間の「姿勢」及び「動作」に鑑みて適切な大きさに設定されたトルクＴが、滑らかに当該人間の脚体の関節回りに付与される。このため、動作補助装置によりその動作（歩行、走行、着座、起立等）が補助されている人間に違和感を感じさせないように動作補助装置が滑らかに制御され得る。
【０２０２】
さらに、第３トルクＴ3 が含まれるように設定されたトルクＴが脚体（遊脚）の関節回りに付与され得る。これにより、歩行補助装置１００の装着による人間の動作負担、具体的には、遊脚の移動に伴う当該遊脚の関節回りの動作負担が軽減され得る。
【０２０３】
ここで歩行時に（Ａ）全くトルクが付与されない場合、（Ｂ）第３トルクＴ3 のうち摩擦力補償トルクＴ3Fが付与された場合、（Ｃ）第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 及び摩擦力補償トルクＴ3Fが付与された場合の股関節角度θ−膝関節角度φの軌跡を図１５を用いて説明する。
【０２０４】
歩行時に（Ｂ）第３トルクＴ3 のみが付与された場合の軌跡（破線）は（Ａ）全くトルクが付与されない場合の軌跡（一点鎖線）よりも、膝関節角度φについて広がりが大きくなっている。これは、股関節及び膝関節回りに摩擦力補償トルクＴ3Fが付与されることで歩行動作が補助され、脚体動作が大きくなり、人間が自然に近い動作・姿勢で歩行し得ることを意味する。
【０２０５】
また、歩行時に（Ｃ）第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 及び摩擦力補償トルクＴ3Fが付与された場合の軌跡（実線）は（Ｂ）摩擦力補償トルクＴ3Fが付与された場合の軌跡（破線）よりも股関節角度θ及び膝関節角度φについて広がりが大きなっている。これは、摩擦力補償トルクＴ3Fに加えて第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が付与されることで歩行動作が補助され、脚体動作がさらに大きくなり、人間がさらに自然に近い動作・姿勢で歩行し得ることを意味する。
【０２０６】
続いて両膝屈伸時に（Ａ）全くトルクが付与されない場合、（Ｂ）第３トルクＴ3 のうち摩擦力補償トルクＴ3Fが付与された場合、（Ｃ）第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 及び摩擦力補償トルクＴ3Fが付与された場合の股関節角度θ−膝関節角度φの軌跡を図１６を用いて説明する。
【０２０７】
両膝屈伸時に（Ｂ）第３トルクＴ3 のみが付与された場合の軌跡（破線）は（Ａ）全くトルクが付与されない場合の軌跡（一点鎖線）よりも、膝関節角度φについて正方向にずれている。これは、股関節及び膝関節回りに摩擦力補償トルクＴ3Fが付与されることで両膝屈伸動作が補助され、脚体動作が大きくなり、人間が自然に近い動作・姿勢で両膝を屈伸し得ることを意味する。
【０２０８】
また、両膝屈伸時に（Ｃ）第１トルクＴ1 、第２トルクＴ2 及び摩擦力補償トルクＴ3Fが付与された場合の軌跡（実線）は（Ｂ）摩擦力補償トルクＴ3Fが付与された場合の軌跡（破線）よりも膝関節角度φについて正方向にずれている。これは、摩擦力補償トルクＴ3Fに加えて第１トルクＴ1 及び第２トルクＴ2 が付与されることで両膝屈伸動作が補助され、脚体動作がさらに大きくなり、人間がさらに自然に近い動作・姿勢で両膝を屈伸し得ることを意味する。
【０２０９】
なお前記実施形態では第１トルクＴ1 の設定時、姿勢変数ｘ＝（θ，φ）の関数ｆi として（θ，φ）、（θa ，φa ）及び（Ｉθ，Ｉφ）が用いられ、第２トルクＴ2 の設定時、動作変数ｙ＝（θ’，φ’）の関数ｇj として、（θ’，φ’）、（θ’a ，φ’a ）、（Ｉθ’，Ｉφ’）及び（ｄθ’，ｄφ’）が用いられたが、他の実施形態として関数ｆi 及び関数ｇj として前記以外の関数が用いられてもよく、また、関数の組合せパターンが種々変更されてもよい。
【０２１０】
前記実施形態では第２バネ係数ｋ2jが有限値に設定される場合があったが（図４ｓ２．１，ｓ２．３，ｓ２．５，図５ｓ６．１等参照）、他の実施形態として第２バネ係数ｋ2jが定常的に０に設定されてもよい。当該他の実施形態によれば、人間の動作に応じた第２トルクＴ2 が排除された形で、当該人間の脚体の関節回りにトルクＴが付与され得る。
【０２１１】
前記実施形態ではフットスイッチ２１２（図１参照）により脚体が遊脚であるか立脚であるかが判断されたが（図４ｓ１．１，図５ｓ５．１参照）、他の実施形態として膝関節部分や足関節部分に赤外線を用いて床面との距離を測定する距離センサ（図示略）が設けられ、当該距離センサにより測定される距離に基づいて脚体が遊脚であるか立脚であるかが判断されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】動作補助装置及び本発明の制御システムの構成説明図
【図２】姿勢変数及び動作変数の定義説明図
【図３】重力補償トルクの導出用変数の説明図
【図４】股関節トルクの設定方法の説明図
【図５】膝関節トルクの設定方法の説明図
【図６】平地歩行時における人間の姿勢及び動作の説明図
【図７】平地歩行時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図
【図８】平地歩行時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図
【図９】昇り歩行時における人間の姿勢及び動作の説明図
【図１０】昇り歩行時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図
【図１１】昇り歩行時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図
【図１２】椅子着座・起立時における人間の姿勢及び動作の説明図
【図１３】椅子着座・起立時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図
【図１４】椅子着座・起立時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図
【図１５】歩行時における股関節角度−膝関節角度軌跡の説明図
【図１６】両膝屈伸時における股関節角度−膝関節角度軌跡の説明図
【符号の説明】
１００‥動作補助装置、１０２，１０４‥アクチュエータ、２００‥制御システム、２１０‥脚体状態判定ユニット、２１２‥フットスイッチ、２２０‥係数設定ユニット、２２２‥股関節角度センサ、２２４‥膝関節角度センサ、２３０‥測定ユニット、２４０‥トルク設定ユニット、２５０‥トルク制御ユニット、２５２‥信号生成ユニット、２５４‥フィルタ、ｐ‥基準面
Claims (16)
- 人間の脚体の関節回りにトルクを付与することで該人間の動作を補助する動作補助装置を制御するシステムであって、
脚体が着床状態にある立脚であるか、離床状態にある遊脚であるかの別と、脚体姿勢又は脚体姿勢及び脚体動作を判定する脚体状態判定手段と、
脚体状態判定手段による判定結果に基づき、第１係数ｋ1i（ｉ＝１，２，‥）と、第２係数ｋ2j（ｊ＝１，２，‥）とを設定する係数設定手段と、
人間の姿勢に応じて変化する姿勢変数ｘと、人間の動作に応じて変化する動作変数ｙとを測定する測定手段と、
係数設定手段により設定された第１係数ｋ1iと、測定手段により測定された姿勢変数ｘの関数ｆi （ｘ）との積の和Σi ｋ1iｆi を第１トルクＴ1 として設定し、係数設定手段により設定された第２係数ｋ2jと、測定手段により測定された動作変数ｙの関数ｇj （ｙ）との積の和Σj ｋ2jｇj を第２トルクＴ2 として設定した上で、少なくとも第１トルクＴ1 と第２トルクＴ2 の和Ｔ1 ＋Ｔ2 を含み、脚体の関節回りに付与されるトルクＴを設定するトルク設定手段と、
脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定手段により設定されたトルクＴに到るように動作補助装置を制御するトルク制御手段とを備えていることを特徴とする制御システム。 - トルク設定手段が姿勢変数ｘ、姿勢変数ｘのａ累乗（０＜ａ＜１）ｘa 及び姿勢変数ｘの累積値Ｉｘを姿勢変数ｘの関数ｆi として用いて第１トルクＴ1 を設定し、動作変数ｙ、動作変数ｙのｂ累乗（ｂ＞１）ｙb 、動作変数ｙの累積値Ｉｙ及び動作変数ｙの変化値ｄｙを動作変数ｙの関数ｇj として用いて第２トルクＴ2 を設定することを特徴とする請求項１記載の制御システム。
- トルク制御手段がトルク設定手段により設定されたトルクＴに応じたレベルの信号を生成する信号生成手段と、
信号に応じ、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から該信号のレベルまで徐々に増加する信号を出力するフィルタとを備え、
該信号生成手段により生成された信号に応じた該フィルタの出力を動作補助装置に付与することで、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定手段により設定されたトルクＴに到るように動作補助装置を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の制御システム。 - トルク設定手段により脚体の股関節トルクＴが設定されるとき、
脚体状態判定手段により該脚体が遊脚であり、且つ、該遊脚の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より(1) 後方で前方移動すると判定された場合、(2) 後方で後方移動すると判定された場合、(3) 前方で前方移動すると判定された場合、(4) 前方で後方移動すると判定された場合に応じ、
係数設定手段が(1) 第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを有限値（≠０）に設定し、(2) 第１係数ｋ1iを有限値に設定する一方、第２係数ｋ2jを０に設定し、(3) 第１係数ｋ1iを０に設定する一方、第２係数ｋ2jを有限値に設定し、(4) 第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする請求項１、２又は３記載の制御システム。 - トルク設定手段が基準面より前方における遊脚の大腿部の前方移動に伴って徐々に増大した後で徐々に減少するように第２トルクＴ2 を有限値に設定することを特徴とする請求項４記載の制御システム。
- 脚体状態判定手段により脚体が遊脚であると判定されたとき、トルク設定手段が、人間の脚体の股関節回りに付与されることで、歩行補助装置の装着による該人間の動作負担を軽減する第３トルクＴ3 を設定した上で、第３トルクＴ3 が含まれるように該遊脚の股関節トルクＴを設定することを特徴とする請求項４又は５記載の制御システム。
- トルク設定手段が遊脚の大腿部の前方移動に伴って徐々に増大した後、該大腿部の後方移動に伴って徐々に減少するように該遊脚の股関節回りに付与される第３トルクＴ3 を設定することを特徴とする請求項６記載の制御システム。
- トルク設定手段により脚体の膝関節トルクが設定されるとき、脚体状態判定手段により(1')該脚体が遊脚であると判定された場合、係数設定手段が第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の制御システム。
- トルク設定手段により脚体の股関節トルクＴが設定されるとき、
脚体状態判定手段により該脚体が立脚であり、且つ、該立脚の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より(5) 前方で後方移動すると判定された場合、(6) 前方で前方移動すると判定された場合、(7) 後方で後方移動すると判定された場合、(8) 後方で前方移動すると判定された場合に応じ、
係数設定手段が(5) 第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを有限値（≠０）に設定し、(6) 第１係数ｋ1iを有限値に設定する一方、第２係数ｋ2jを０に設定し、(7) 第１係数ｋ1iを０に設定する一方、第２係数ｋ2jを有限値に設定し、(8) 第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７又は８記載の制御システム。 - 脚体状態判定手段により一方の脚体のみが立脚であると判定される状態の開始後、トルク設定手段が第１トルクＴ1 と第２トルクＴ2 とを、両者の和Ｔ1 ＋Ｔ2 が徐々に増大した後で徐々に減少するように設定することを特徴とする請求項９記載の制御システム。
- トルク設定手段により脚体の膝関節トルクＴが設定されるとき、
脚体状態判定手段により該脚体が立脚であり、且つ、該立脚の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より(2')前方にあると判定された場合、(3')後方にあると判定された場合に応じ、
係数設定手段が(2')第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを有限値に設定し、(3')第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０記載の制御システム。 - 脚体状態判定手段により脚体が遊脚であると判定されたとき、トルク設定手段が人間の脚体の膝関節回りに付与されることで、歩行補助装置の装着による該人間の動作負担を軽減する第３トルクＴ3 を設定した上で、第３トルクＴ3 が含まれるように該遊脚の膝関節トルクＴを設定することを特徴とする請求項１１記載の制御システム。
- トルク設定手段により両脚体の股関節トルクＴが設定されるとき、
脚体状態判定手段により該両脚体が立脚であり、両脚体の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より前方にあり、且つ、(9) 両脚体の大腿部が後方移動し、人間の重心と該立脚の足部の重心位置との前後方向の間隔が所定間隔未満であると判定された場合、(10)両脚体の大腿部が前方移動し、該間隔が該所定間隔未満であると判定された場合、(11)該間隔が該所定間隔以上であると判定された場合に応じ、
係数設定手段が(9) 第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを有限値に設定し、(10)第１係数ｋ1iを有限値に設定する一方、第２係数ｋ2jを０に設定し、(11)第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１又は１２記載の制御システム。 - トルク設定手段により両脚体の膝関節トルクＴが設定されるとき、
脚体状態判定手段により該両脚体が立脚であり、両脚体の大腿部が両脚体の股関節角度を含み上体を前後に分割する基準面より前方にあり、且つ(4')人間の重心と該立脚の足部の重心位置との前後方向の間隔が所定間隔未満であると判定された場合、(5')該間隔が該所定間隔以上であると判定された場合に応じ、
係数設定手段が(4')第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを有限値に設定し、(5')第１係数ｋ1i及び第２係数ｋ2jを０に設定することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２又は１３記載の制御システム。 - 測定手段が姿勢変数ｘ及び動作変数ｙとして脚体の股関節角度θ及び股関節角速度θ’を測定し、
トルク設定手段が第１係数ｋ1iと、脚体の股関節角度θの関数ｆi （θ）との積の和Σi ｋ1iｆi を第１トルクＴ1 として設定し、第２係数ｋ2jと、股関節角速度θ’の関数ｇj （θ’）との積の和Σj ｋ2jｇj を第２トルクＴ2 として設定した上で、該脚体の股関節トルクＴを設定することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３又は１４記載の制御システム。 - 測定手段が姿勢変数ｘ及び動作変数ｙとして脚体の膝関節角度φ及び膝関節角速度φ’を測定し、
トルク設定手段が第１係数ｋ１ｉと、脚体の股関節角度φの関数ｆｉ(φ)との積の和Σｉ ｋ１ｉｆｉ を第１トルクＴ１ として設定し、第２係数ｋ２ｊと、膝関節角速度φ’の関数ｇｊ(φ’)との積の和Σｊｋ２ｊｇｊ を第２トルクＴ２ として設定した上で、該遊脚の膝関節トルクＴを設定することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４又は１５記載の制御システム。
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