JP4815486B2 - 運動補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、エージェントに力を与えることによりこのエージェント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、この人間の歩行運動等の周期的な運動を補助する装置が提案されている（特許文献１および２参照）。
特許第４００８４６４号公報 特許第４００８４６５号公報

しかし、エージェントの運動態様に基づいて装置の動作態様を決定するための演算処理に際して複数のモデルが用いられる場合、当該演算処理時間に起因する時間遅れが生じてしまう可能性がある。その結果、エージェントの周期的な運動と、運動補助装置の周期的な動作との位相差が、エージェントの運動態様および装置の動作態様の調和の観点から不適当になる可能性がある。このような状況は特にエージェントの運動態様が急激に変化した場合に生じやすい。

その一方、当該複数のモデルのうち一部が省略された場合、演算処理負荷が軽減されるので前記のような時間遅れの影響は軽減または解消されうる。しかし、演算処理内容が簡易化された分だけ、エージェントの運動態様が、装置の動作態様との調和の観点から不適当に当該装置の動作態様に反映される可能性が高くなる。

そこで、本発明は、演算処理負荷の軽減を図りながら、人間等のエージェントの周期的な運動態様との調和を図りうる動作態様によって当該エージェントの運動を補助することができ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、エージェントに装着される装具と、前記装具に連結されているアクチュエータと、前記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、前記装具を介して前記アクチュエータの出力が前記エージェントに伝達されることにより前記エージェントの周期運動を補助する装置であって、前記制御装置が、前記エージェントの運動に応じて周期的に変化する位相により定義される運動振動子を測定する運動状態測定要素と、前記エージェントの運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、固有角速度に基づいて定まる前記連立微分方程式に含まれる時定数にしたがって変化する出力振動信号を入力振動信号に基づいて生成する一のモデルに、前記運動状態測定要素により測定された前記運動振動子を前記入力振動信号として入力することにより、前記出力振動信号として基礎振動子を生成する基礎振動子生成要素と、前記複数の基礎振動子に基づき、前記アクチュエータの制御基礎である補助振動子を生成する補助振動子生成要素とを備え、前記運動状態測定要素が前記エージェントの運動周期を測定し、前記基礎振動子生成要素が、前記運動状態測定要素により測定された前記エージェントの運動周期に基づき、前記モデルにおける前記固有角速度を流動的に設定することを特徴とする。

第１発明の運動補助装置によれば、アクチュエータの制御基礎としての基礎振動子を生成するための演算処理に一のモデルのみが用いられるので、当該一のモデルに加えて他のモデルが用いられる場合と比較して当該演算処理の負荷が軽減されうる。さらに、モデルからの出力振動信号である「基礎振動子」の角速度または位相の時間変化率に反映される固有角速度が、モデルへの入力振動信号である「運動振動子」により定義されるエージェントの運動周期に基づき、流動的に設定される。また、最新の固有角速度により定義されるモデルにしたがって基礎振動子が生成される。そして、基礎振動子に基づいて補助振動子が生成され、当該補助振動子に基づいてアクチュエータからエージェントに伝達される力の振幅および位相が制御される。この結果、エージェントの運動周期の長短に応じて、エージェントの運動態様および装置の動作態様の調和の観点から適当に装置の動作周期が調節されうる。このため、演算処理内容が簡易化されているにもかかわらず、エージェントの運動態様の変化に対して装置の動作態様が適当に追従して変化するように制御されうる。よって、演算処理負荷の軽減を図りながら、エージェントの周期的な運動態様との調和を図る観点から適当な動作態様により当該エージェントの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、前記基礎振動子生成要素が前記エージェントの運動周期を変数とする連続的または断続的な減少関数にしたがって、前記モデルにおける前記固有角速度を流動的に設定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、エージェントの運動周期の長短に応じて、エージェントの運動態様および装置の動作態様の調和の観点から適当に装置の動作周期が調節されうる。すなわち、エージェントの運動周期が短い状態（エージェントが比較的速いリズムで周期運動している状態）では比較的高い角速度で変化する出力によりエージェントの周期運動が補助される。また、エージェントの運動周期が長い状態（エージェントが比較的遅いリズムで運動している状態）では比較的低い角速度で変化する出力によりエージェントの周期運動が補助される。よって、演算処理負荷の軽減を図りながら、エージェントの周期的な運動態様との調和を図る観点から適当な動作態様により当該エージェントの運動が補助されうる。

第３発明の運動補助装置は、第２発明の運動補助装置において、前記エージェントの異なる２つの身体部分のそれぞれに装着される２つの前記装具のそれぞれを介して、２つの前記アクチュエータのそれぞれの出力が前記２つの身体部分のそれぞれに伝達されるように構成され、前記基礎振動子生成要素が、前記２つのアクチュエータの制御基礎となる２つの前記補助振動子のそれぞれの基礎として、一方の前記固有角速度に基づいて定まる時定数にしたがって変化する一方の基礎振動子と、他方の前記固有角速度に基づいて定まる時定数にしたがって変化する他方の基礎振動子とを生成するとともに、一方の前記固有角速度の変化に対して他方の前記固有角速度が同期してまたは追従して変化するように前記減少関数にしたがって前記２つの固有角速度を流動的に設定することを特徴とする。

第３発明の運動補助装置によれば、前記一のモデルにしたがって２つの固有角速度のそれぞれにより定まる角速度で振動する２つの基礎振動子が生成される。この際、一方の固有角速度が前記のように流動的に設定されることにより変化した場合、他方の固有角速度がこの変化に同期または追従して設定される。すなわち、一方の固有角速度が変更されたとき、これと同時にまたは当該追従特性に応じて定まる指定時間だけ遅れて他方の固有角速度が変更される。そして、当該２つの基礎振動子に基づいて２つのアクチュエータのそれぞれの出力の振幅および位相が制御され、当該出力がエージェントの異なる２つの身体部分のそれぞれに伝達されることによりエージェントの周期運動が補助される。この結果、エージェントの２つの身体部分のそれぞれの動きを補助するための装置の動作周期または角速度の過度な乖離が抑制されうる。このため、エージェントがその２つの異なる身体部分の動きの相関関係（位相関係等）を一定に維持するように運動する一方、装置がこの相関関係を崩すように動作する等、エージェントの運動態様および装置の動作態様の調和が崩れるような事態が回避されうる。よって、演算処理負荷の軽減を図りながら、エージェントの周期的な運動態様との調和を図る観点から適当な動作態様によって当該エージェントの運動が補助されうる。

第４発明の運動補助装置は、第３発明の運動補助装置において、前記エージェントの前記２つの身体部分としての左右対称な身体部分のそれぞれに、前記２つのアクチュエータのそれぞれの出力が伝達されるように構成されていることを特徴とする。

第４発明の運動補助装置によれば、エージェントの左右対称の身体部分のそれぞれの動きを補助するための装置の動作周期または角速度の乖離が抑制されうる。このため、エージェントがその左右の運動対称性を維持するように運動する一方、装置がこの対称性を崩すように動作する等、エージェントの運動態様および装置の動作態様の調和が短時間であっても過度に崩れるような事態が回避されうる。よって、演算処理負荷の軽減を図りながら、エージェントの周期的な運動態様との調和を図る観点から適当な動作態様により当該エージェントの運動が補助されうる。

第５発明の運動補助装置は、第１〜第４発明のうちいずれか１つの運動補助装置において、前記運動状態測定要素が、前記エージェントの運動振幅に基づいて定まる運動指標値を測定し、前記基礎振動子生成要素が、前記連立微分方程式に含まれる係数の値に応じて振幅が変化する出力振動信号を入力振動信号に基づいて生成する前記一のモデルに、前記運動状態測定要素により測定された前記運動振動子を前記入力振動信号として入力することにより、前記出力振動信号として前記基礎振動子を生成し、前記基礎振動子生成要素が、前記運動状態測定要素により測定された前記運動指標値がその目標値に近づくように前記係数の値を流動的に設定することを特徴とする。

第５発明の運動補助装置によれば、エージェントの運動振幅に基づいて定まる運動指標値をその目標値に近づける観点から、装置の動作スケールおよび動作リズムのうち一方または両方が適当に制御されうる。よって、演算処理負荷の軽減を図りながら、エージェントの周期的な運動態様との調和を図ることに加えて、エージェントの運動指標値をその目標値に維持する観点から適当な動作態様によって当該エージェントの運動が補助されうる。

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に示されている運動補助装置１０はエージェント（人間）Ｐの歩行運動を補助するための装置であり、エージェントＰの腰部（第１身体部分）および大腿部（第２身体部分）のそれぞれに取り付けられる第１装具１１００および第２装具１２００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、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リンク部材１１１０と、第１装着器具１１２０とを備えている。第１リンク部材１１１０は外側が硬質樹脂等の剛性素材により構成され、内側が繊維等の柔軟素材により構成され、エージェントＰの腰部後側にあてがわれる。アクチュエータ１５は第１リンク部材１１１０がエージェントＰの腰部後側にあてがわれた状態で、この腰部横側付近に配置されるように第１リンク部材１１１０を構成する剛性部材に取り付けられている。第１装着器具１１２０はベルトのように腰部に巻きつけられることにより第１リンク部材１１１０をエージェントＰの腰部後側に締め付けるための機構と、この締め付け力の強弱を調節するための機構とを有している。第２装具１２００は第２リンク部材１２１０と、第２装着器具１２２０とを備えている。第２リンク部材１２１０は剛性素材により構成され、アクチュエータ１５の出力軸に直接的または減速機構等を介して間接的に連結されている。第２装着器具１２２０は第２リンク部材１２１０に連結されており、ベルトのように大腿部に巻きつけられることにより第２装着器具１２２０を大腿部に締め付けるための機構と、この締め付け力を調節するための機構とを有している。なお、エージェントＰの腰部および大腿部の相対運動を補助しうる範囲で、第１装具１１００および第２装具１２００の素材および形状、または、アクチュエータ１５の位置等は任意に変更されうる。

股関節角度センサ１１はエージェント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は電動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の適当な箇所に収納されており、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（ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等のメモリ、Ｉ／Ｏ回路およびＡ／Ｄ変換回路等により構成されている。）と、このコンピュータのメモリまたは記憶装置（ＨＤＤなど）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τを制御するように構成またはプログラムされている。図２に示されている制御装置１００は、運動状態測定要素１１０と、基礎振動子生成要素１４０と、補助振動子生成要素１５０とを備えている。各要素はそれぞれ物理的に別個のハードウェア（ＣＰＵなど）により構成されていてもよく、一部または全部が物理的に共通のハードウェアにより構成されていてもよい。

運動状態測定要素１１０は股関節角度センサ１１の出力に基づき、各股関節の角度を運動振動子φとして測定する。運動振動子φはエージェント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、この振動子の各時刻における振幅および位相を測定することを意味する。運動振動子φは、本出願人の前記特許文献１および２等の関連発明における「第２運動振動子」に相当する。運動状態測定要素１１０は適当なセンサの出力信号に基づき、エージェントＰの運動周期Ｔを測定する。運動状態測定要素１１０は適当なセンサの出力信号に基づき、エージェントＰの運動スケールおよび運動リズムのうち一方または両方に基づいて定まる運動指標値ζを測定する。

基礎振動子生成要素１４０は、運動状態測定要素１１０により測定された運動振動子φを入力振動信号としてモデルに入力することにより、出力振動信号として基礎振動子ξを生成する。振動子を生成するとは、この振動子の振幅および位相の時間変化態様を定義することを意味する。「モデル」はエージェントの運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、固有角速度ωに基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を入力振動信号に基づいて生成するモデルである。当該モデルは、本出願人の前記特許文献１および２等の関連発明における「第２モデル」に相当する。基礎振動子生成要素１４０は運動状態測定要素１１０により測定された運動周期Ｔに基づき、減少関数にしたがって固有角速度ωを流動的に設定する。基礎振動子生成要素１４０は運動状態測定要素１１０により測定された運動指標値ζに基づき、モデルを定義する連立微分方程式に含まれる係数または項の値を流動的に設定する。

補助振動子生成要素１５０は、基礎振動子生成要素１４０により生成された基礎振動子ξ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（または振幅、位相および角速度）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によるエージェントＰの歩行運動の補助方法について説明する。

まず、運動状態測定要素１１０が股関節角度センサ１１の出力に基づき、エージェントＰの左右各股関節の角度を運動振動子φ＝（φ_L，φ_R）として測定する（図３／ＳＴＥＰ００２）。２次元ベクトルφの成分である左股関節角度φ_Lおよび右股関節角度φ_Rのそれぞれは、エージェントＰの左右対称の２つの身体部分である左大腿部および右大腿部のそれぞれの腰部に対する周期的な動きに応じてほぼ逆位相で周期的に変化する運動振動子である。なお、運動振動子φとして、エージェント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、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（エージェント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運動振動子φとして測定されてもよい。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運動振動子φとして測定されてもよい。また、大腿部のほか、下腿部、上腕部または前腕部等の周期的な動きに応じて変化する下腿部代表点位置、膝関節角度もしくは角速度、上腕部代表点位置、肩関節角度もしくは角速度、または、前腕部代表点位置、肘関節角度もしくは角速度等が、エージェントＰの左右対称の身体部分の周期的な動きに応じて周期的に変化する２つの運動振動子として測定されてもよい。さらに、右大腿部および左上腕部、右大腿部および右上腕部、または、右上腕部および右前腕部等、左右対称ではない２つの身体部分の周期的な動きに応じて周期的に変化する２つの運動振動子として測定されてもよい。

また、運動状態測定要素１１０がエージェントＰの運動周期Ｔを測定する（図３／ＳＴＥＰ００４）。具体的には、左右一方の股関節角度センサ１１の出力信号の変化周期、または、左右両方の股関節角度センサ１１のそれぞれの出力信号の変化周期の平均値により表わされるエージェントＰの歩行周期が運動周期Ｔとして測定される。なお、各股関節角度センサ１１の出力信号の変化周期が左右それぞれの大腿部の運動周期Ｔ_LおよびＴ_Rとして測定される等、異なる身体部分、特に、運動振動子φの振幅、位相および角速度に直接的に反映される異なる身体部分のそれぞれの運動周期が別個に測定されてもよい。また、本出願人による関連出願発明にかかる特開２００７−２７５２８２号公報または特開２００７−２７５２８３号公報に開示されている手法にしたがって、エージェントＰの着地を検知するセンサの出力信号に基づき、その着床周期が運動周期Ｔとして測定されてもよい。

さらに、運動状態測定要素１１０がエージェントＰの運動指標値ζを測定する（図３／ＳＴＥＰ００６）。具体的には、エージェントＰの歩行比が運動指標値ζとして測定される。歩行比はエージェントＰの運動リズムを表わす歩行率（単位時間当たりの歩数）に対する、エージェントＰの運動スケールを表わす歩幅の比であり、運動スケールおよび運動リズムの両方に基づいて定まる。なお、歩行比に代えて歩幅または歩行率が運動指標値ζとして測定されてもよい。歩行比、歩幅または歩行率は特開２００７−２７５２８２号公報または特開２００７−２７５２８３号公報に開示されている手法にしたがって測定されうる。

また、基礎振動子生成要素１４０が運動状態測定要素１１０により測定された運動振動子φを入力振動信号としてモデルに入力することにより、出力振動信号として基礎振動子ξ＝（ξ_L+，ξ_L-，ξ_R+，ξ_R-）を生成する（図３／ＳＴＥＰ０１２）。当該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、固有角速度ωに基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を入力振動信号に基づいて生成するモデルである。

このモデルはたとえば連立微分方程式（３０）により定義される。

（数１）
-τ_1L+(ｄｕ_L+／ｄｔ)＝
ｃ_L+ζ_0L+−ｕ_L+＋ｗ_L+/L-ξ_L-＋ｗ_L+/R+ξ_R+−λ_Lｖ_L+＋ｆ₁(ω_L)＋ｆ₂(ω_L)Ｋφ_L，
-τ_1L-(ｄｕ_L-／ｄｔ)＝
ｃ_L-ζ_0L-−ｕ_L-＋ｗ_L-/L+ξ_L+＋ｗ_L-/R-ξ_R-−λ_Lｖ_L-＋ｆ₁(ω_L)＋ｆ₂(ω_L)Ｋφ_L，
- τ_1R+(ｄｕ_R+／ｄｔ)＝
ｃ_R+ζ_0R+−ｕ_R+＋ｗ_R+/L+ξ_L+＋ｗ_R+/R-ξ_R+−λ_Rｖ_R+＋ｆ₁(ω_R)＋ｆ₂(ω_R)Ｋφ_R，
-τ_1R-(ｄｕ_R-／ｄｔ)＝
ｃ_R-ζ_0R-−ｕ_R-＋ｗ_R-/L-ξ_L-＋ｗ_R-/R+ξ_R+−λ_Rｖ_R-＋ｆ₁(ω_R)＋ｆ₂(ω_R)Ｋφ_R，
τ_2i(ｄｖ_i／ｄｔ)＝−ｖ_2i＋ξ_i (i=L+,L-,R+,R-),
ξ_i＝Ｈ(ｕ_i−ｕ_th)＝０(ｕ_i＜ｕ_th)もしくはｕ_i（ｕ_i≧ｕ_th），または
ξ_i＝ｆｓ(ｕ_i)＝ｕ_i／(１＋ｅｘｐ(−ｕ_i／Ｄ)) ‥（３０）

この連立微分方程式（３０）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_i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_iとが含まれている。また、連立微分方程式（３０）には運動指標値ζの目標値ζ₀に係る係数ｃ_iが含まれている。後述するように固有角速度ωは流動的に設定されうる。また、同じく後述するように第１時定数τ_1i、第２時定数τ_2i、運動変数ζ_iの目標値ζ_0iに係る係数ｃ_iおよび相関係数ｗ_i/j等うち一部または全部の値が流動的に設定される。なお、前記のように測定対象となる運動振動子φの数が増やされてもよい。第２モデルに入力される運動振動子φ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エージェントＰの身体の様々な部分の動作状態の相関関係に鑑みてエージェントＰの周期運動が適切に補助されうる。

第１時定数「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）とを用いて関係式（３１）により表現されるが、固有角速度ωに依存して変化する。

（数２）
τ_1L+＝τ_1L-＝(ｔ(ω_L)／ω_L)−γ_L，τ_1R+＝τ_1R-＝(ｔ(ω_R)／ω_R)−γ_R ‥（３１）

第２時定数「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」はエージェント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の相関関係を基礎振動子ξ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。「Ｋ」は運動振動子φに応じたフィードバック係数である。

第１の関数「ｆ₁」は正の係数ｃを用いて関係式（３２）により定義される固有角速度ωの１次関数である。第２の関数「ｆ₂」は係数ｃ₀，ｃ₁およびｃ₂を用いて関係式（３３）により定義される固有角速度ωの２次関数である。

（数３）
ｆ₁(ω)≡ｃω ‥（３２）
ｆ₂(ω)≡ｃ₀ω＋ｃ₁ω＋ｃ₂ω² ‥（３３）

基礎振動子ξ_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。あるいは、基礎振動子ξ_iは、シグモイド関数ｆｓによって定義されている（関係式（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+が大きくなると基礎振動子ξの左／屈曲成分ξ_L+の振幅が左伸展側成分ξ_L-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+が大きくなると基礎振動子ξの右／屈曲成分ξ_R+の振幅が右伸展側成分ξ_R-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-が大きくなると基礎振動子ξの左伸展側成分ξ_L-の振幅が左／屈曲成分ξ_L+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-が大きくなると基礎振動子ξの右伸展側成分ξ_R-の振幅が右／屈曲成分ξ_R+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。

基礎振動子ξの生成に際して基礎振動子生成要素１４０が運動状態測定要素１１０により測定されたエージェントＰの運動周期Ｔに基づき、当該運動周期Ｔを変数とする減少関数にしたがって固有角速度ωを逐次または流動的に設定する（図３／ＳＴＥＰ００８）。減少関数は演算アルゴリズムまたはテーブルの形式で記憶装置に格納されており、当該記憶装置から適宜読み出されうる。減少関数の定義域は離散的であっても連続的であってもよい。たとえば、ある時刻または期間における運動周期Ｔに基づき、図４に実線で示されているような階段状のまたは断続的な減少関数ω₀(Ｔ)、一点鎖線で示されているような２階微分値が負である連続的な減少関数ω₁(Ｔ)、または、二点鎖線で示されているような２階微分値が正である連続的な減少関数ω₂(Ｔ)にしたがって固有角速度ωが逐次設定される。さらに、運動周期Ｔにより定義される定義域の一部において減少関数である一方、定義域の他の部分において増加関数である関数等、さまざまな関数にしたがって固有角速度ωが設定されてもよい。

なお、異なる身体部分のそれぞれについて運動周期Ｔが測定された場合、運動周期Ｔごとに固有角速度ωが独立に設定されてもよい。たとえば、腰部に対する各大腿部の運動周期Ｔ_LおよびＴ_Rが測定された場合、左側固有角速度ω_Lが左大腿部の運動周期Ｔ_Lに基づいて設定され、右側固有角速度ω_Rが右大腿部の運動周期Ｔ_Rに基づいて設定されてもよい。また、一方の固有角速度が変化した場合、対応する身体部分の運動周期Ｔによらず、この変化に同期してまたは追従して他方の固有角速度が変化するように流動的に設定されてもよい。

さらに、基礎振動子ξの生成に際して基礎振動子生成要素１４０が運動状態測定要素１１０により測定されたエージェントＰの運動指標値ζがその目標値ζ₀に近づくように、連立微分方程式（３０）に含まれる係数または項の値を流動的に設定する（図３／ＳＴＥＰ０１０）。設定対象としては第１時定数τ_1i（関係式（３１）参照）、第２時定数τ₂＝τ_2i、運動変数ζ_iの目標値ζ_0iに係る係数ｃ_i、相関係数ｗ_i/j、第１の関数ｆ₁を定義する正の係数ｃ（関係式（３２）参照）ならびに第２の関数ｆ₂を定義する係数ｃ₀〜ｃ₂（関係式（３３）参照）のうち一部または全部の値が流動的に設定される。なお、エージェントＰの運動指標値ζがその目標値ζ₀に近づくように減少関数（図４参照）が変更または切り替えられ、これによって固有角速度ωへの依存性を有する第１時定数τ_1i、第１の関数ｆ₁および第２の関数ｆ₂のうち一部または全部の値が流動的に設定されてもよい（関係式（３１）〜（３３）参照）。

基礎振動子ξの生成後、補助振動子生成要素１５０が当該基礎振動子ξに基づき、たとえば関係式（４０）にしたがって補助振動子η＝（η_L，η_R）を設定する（図３／ＳＴＥＰ０１４）。すなわち、補助振動子ηの左成分η_Lは、基礎振動子ξの左／屈曲成分ξ_L+および係数χ_L+の積と、左側伸展成分ξ_L-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、基礎振動子ξの右／屈曲成分ξ_R+および係数χ_R+の積と、右側伸展成分ξ_R-および係数−χ_R-の積との和として算定される。なお、補助振動子ηは前記特許文献１および２に開示されているように仮想的な弾性要素による弾性力、または、当該弾性力に加えて仮想的な減衰要素による減衰力のうち一方または両方を表わすように生成されてもよい。

（数４）
η_L＝χ_L+ξ_L+−χ_L-ξ_L-，η_R＝χ_R+ξ_R+−χ_R-ξ_R- ‥（４０）

そして、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からエージェント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τ＝（τ_L，τ_R）が調節される（図３／ＳＴＥＰ０１６）。トルクτは電流Ｉに基づき、たとえばτ(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。これにより第１装具１１００に対して第２装具１２００が動かされ、腰部（第１身体部分）に対する大腿部（第２身体部分）の周期的な動きが補助される。なお、エージェント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。エージェントＰの歩行運動はトレッドミルの上で実施されてもよい。

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の動作の制御基礎としての基礎振動子ξを生成するための演算処理に一のモデルのみが用いられるので、当該一のモデルに加えて他のモデルが用いられる場合と比較して当該演算処理の負荷が軽減されうる（関係式（３１）、図３／ＳＴＥＰ０１２参照）。当該他のモデルとしては前記特許文献１または２等、本出願人の関連出願発明にかかる公報に開示されている「第１モデル」および「仮想モデル」が挙げられる。第１モデルは、運動振動子φとの引き込み効果により関係式（３０）により定義されるモデルへの入力振動信号としての第１振動子を生成するためのモデルである。仮想モデルは第１振動子を基礎として固有角速度ωを設定するためのモデルである。さらに、モデルからの出力振動信号である基礎振動子ξの角速度または位相の時間変化率に反映される固有角速度ωが、このモデルへの入力振動信号である運動振動子φにより定義されるエージェントＰの運動周期Ｔに基づき、連続的または断続的な減少関数にしたがって流動的に設定される（図３／ＳＴＥＰ００８，図４参照）。そして、最新の固有角速度ωにより定義されるモデルにしたがって基礎振動子ξが生成され、この基礎振動子ξに基づいてアクチュエータ１５からエージェントＰに伝達されるトルクτの振幅および位相が制御される（図３／ＳＴＥＰ０１２〜ＳＴＥＰ０１６参照）。この結果、エージェントＰの運動周期Ｔの長短に応じて、エージェントＰの運動態様および装置１０の動作態様の調和の観点から適当に装置１０の動作周期が調節されうる。すなわち、エージェントＰの運動周期Ｔが短い状態（エージェントＰが比較的速いリズムで周期運動している状態）では比較的高い角速度で変化する出力によりエージェントＰの周期運動が補助される。また、エージェントＰの運動周期Ｔが長い状態（エージェントＰが比較的遅いリズムで運動している状態）では比較的低い角速度で変化する出力によりエージェントの周期運動が補助される。このため、演算処理内容が簡易化されているにもかかわらず、エージェントＰの運動態様の変化に対して装置１０の動作態様が適当に追従して変化するように制御されうる。よって、演算処理負荷の軽減を図りながら、エージェントＰの周期的な運動態様との調和を図る観点から適当な動作態様により当該エージェントＰの運動が補助されうる。

さらに、エージェントＰの運動スケールおよび運動リズムに基づいて定まる運動指標値ζをその目標値ζ₀に近づける観点から、装置１０の動作スケール（または動作振幅）および動作リズム（動作角速度、または、動作角速度および位相）が適当に制御されうる（関係式（３０）〜（３３）、図３／ＳＴＥＰ００６，ＳＴＥＰ０１０参照）。

また、２つの固有角速度ω_Lおよびω_Rのそれぞれが別個の運動周期に基づいて独立に設定される場合、一方の固有角速度が前記のように流動的に設定されることにより変化した場合、他方の固有角速度がこの変化に同期または追従して設定されうる。すなわち、一方の固有角速度が変更されたとき、これと同時にまたは当該追従特性に応じて定まる指定時間だけ遅れて他方の固有角速度が変更される。たとえば、一方の固有角速度が一の値から他の値に変化したとき、これと同時にまたはほぼ同時に、他方の固有角速度が当該他の値に一致するまたは近づくように変化する。そして、２つの基礎振動子ξ_Lおよびξ_Rに基づいて２つのアクチュエータ１５のそれぞれの出力またはトルクτの振幅、位相および角速度が制御され、このトルクτがエージェントＰの異なる身体部分のそれぞれに伝達されることによりエージェントＰの周期運動が補助される。この結果、エージェントＰの２つの身体部分のそれぞれの動きを補助するための装置１０の動作周期または角速度の過度な乖離が抑制されうる。このため、エージェントＰがその左右の運動対称性を維持するように運動する一方、装置１０がこの対称性を崩すように動作する等、エージェントＰの運動態様および装置の動作態様の調和が短時間であっても過度に崩れるような事態が回避されうる。

なお、前記実施形態ではエージェントＰとしての人間の運動が補助されているが、他の実施形態としてエージェントとしての猿、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。

前記実施形態では左右対称な２つの身体部分、すなわち、左右の大腿部の動きが補助されることによりそ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右上腕部および左前腕部、右大腿部および右上腕部等、エージェントＰの左右対称ではない複数の身体部分のそれぞれの動き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。また、左右一方の大腿部、左右一方の上腕部等、エージェントＰの一の身体部分の動きのみ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。エージェントＰの腰部および大腿部の相対運動に加えて、大腿部および下腿部の相対運動が補助されてもよい。エージェントＰのさまざまな身体部分に装着されうるように装具の形状、素材または個数等が変更されうる。

前記実施形態では運動指標値ζが測定され、測定された運動指標値ζがその目標値ζ₀に一致するように、連立微分方程式（３０）に含まれる係数等の値が設定されたが（図３／ＳＴＥＰ００６，ＳＴＥＰ０１０参照）、他の実施形態として当該処理が省略されてもよい。当該他の実施形態において、実験結果に基づいて適当に設定または選択された減少関数（図４参照）にしたがって固有角速度ωが設定されることにより、固有角速度ωへの依存性を有する第１時定数τ_1i等がエージェントＰの歩行比等の運動指標値ζをその目標値ζ₀に一致させる観点から適当に変更されうる。

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 固有角速度の設定方法に関する説明図

符号の説明

１‥運動補助装置、１１‥股関節角度センサ、１５‥アクチュエータ１５０‥制御装置、１１０‥運動状態測定要素、１４０‥基礎振動子生成要素、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

Claims (5)

1. エージェントに装着される装具と、前記装具に連結されているアクチュエータと、前記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、前記装具を介して前記アクチュエータの出力が前記エージェントに伝達されることにより前記エージェントの周期運動を補助する装置であって、
   前記制御装置が、
   前記エージェントの運動に応じて周期的に変化する位相により定義される運動振動子を測定する運動状態測定要素と、
   前記エージェントの運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、固有角速度に基づいて定まる前記連立微分方程式に含まれる時定数にしたがって変化する出力振動信号を入力振動信号に基づいて生成する一のモデルに、前記運動状態測定要素により測定された前記運動振動子を前記入力振動信号として入力することにより、前記出力振動信号として基礎振動子を生成する基礎振動子生成要素と、
   前記複数の基礎振動子に基づき、前記アクチュエータの制御基礎である補助振動子を生成する補助振動子生成要素とを備え、
   前記運動状態測定要素が前記エージェントの運動周期を測定し、
   前記基礎振動子生成要素が、前記運動状態測定要素により測定された前記エージェントの運動周期に基づき、前記モデルにおける前記固有角速度を流動的に設定す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、
   前記基礎振動子生成要素が前記エージェントの運動周期を変数とする連続的または断続的な減少関数にしたがって、前記モデルにおける前記固有角速度を流動的に設定することを特徴とする運動補助装置。
3. 請求項２記載の運動補助装置において、
   前記エージェントの異なる２つの身体部分のそれぞれに装着される２つの前記装具のそれぞれを介して、２つの前記アクチュエータのそれぞれの出力が前記２つの身体部分のそれぞれに伝達されるように構成され、
   前記基礎振動子生成要素が、前記２つのアクチュエータの制御基礎となる２つの前記補助振動子のそれぞれの基礎として、一方の前記固有角速度に基づいて定まる時定数にしたがって変化する一方の基礎振動子と、他方の前記固有角速度に基づいて定まる時定数にしたがって変化する他方の基礎振動子とを生成するとともに、一方の前記固有角速度の変化に対して他方の前記固有角速度が同期してまたは追従して変化するように前記減少関数にしたがって前記２つの固有角速度を流動的に設定することを特徴とする運動補助装置。
4. 請求項３記載の運動補助装置において、
   前記エージェントの前記２つの身体部分としての左右対称な身体部分のそれぞれに前記２つのアクチュエータのそれぞれの出力が伝達されるように構成されていることを特徴とする運動補助装置。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の運動補助装置において、
   前記運動状態測定要素が、前記エージェントの運動振幅に基づいて定まる運動指標値を測定し、
   前記基礎振動子生成要素が、前記連立微分方程式に含まれる係数の値に応じて振幅が変化する出力振動信号を入力振動信号に基づいて生成する前記一のモデルに、前記運動状態測定要素により測定された前記運動振動子を前記入力振動信号として入力することにより、前記出力振動信号として前記基礎振動子を生成し、
   前記基礎振動子生成要素が、前記運動状態測定要素により測定された前記運動指標値がその目標値に近づくように前記係数の値を流動的に設定することを特徴とする運動補助装置。

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