JP5379304B2 - 移動補助器械用制御システム - Google Patents

Description

本発明は、移動性に障害のあるユーザ（移動性障害者）を支持するのに適した移動補助器械（mobility aid）又は歩行補助器械（walking aid ：ＷＡ）のための制御システムに関する。

移動性に障害のある人、例えば、対麻痺を患っている人は、車椅子を使用せざるを得ない場合が多く、これは、かかる障害者の唯一の移動手段としての役目を果たす。車椅子により提供される移動性範囲は制限されている。加うるに、長期間にわたり車椅子を使用せざるを得ないことによって健康上の問題が生じる。

かかる健康上の問題を予防するため、種々の訓練システムが、移動性に障害のある人が自分の下肢を働かすのを助けて筋肉量保持を助けると共に循環を促進するよう開発された。かかる訓練システムの中には、ユーザが移動の練習を行なうのを助けるようユーザにより着用される非電動式ブレースシステムを有するものがある。

近年、移動性に障害のある人が日々の機能的移動活動、例えば歩行を行なうのを助けるよう電動式又は動力式ブレーシングシステム、歩行補助器械及び歩行移動器械が提案された。かかるシステムは、典型的には、ユーザに取り付けられる外骨格を有し、この外骨格は、股関節、膝関節及び足首関節に連結される対応の大腿部分、脛部分及び足部分を有する下肢区分を有する。下肢区分の大腿部分、脛部分及び足部分を移動させるアクチュエータが提供され、かかるアクチュエータは、人の歩行を行なわせるようジョイスティック又は他の制御システムにより作動可能である。かかるシステムは、特にでこぼこの地形を横切って移動する際及びこれらシステムが外骨格に対するユーザの上半身の運動を含む他の外乱に遭遇したときに安定性に関する問題を生じる。安定性を助けるため、ユーザは、典型的には、かかる動力式歩行補助器械と組み合わせてクラッチ（松葉杖）を用いることが必要になる。

特許明細書、他の外国特許若しくは非特許文献又は他の情報源を参照する本明細書では、これは、本発明の特徴を説明する技術の前後関係の提供を目的としている。別段の指定がなければ、かかる外国特許文献若しくは非特許文献の参照は、かかる文献又はかかる情報源が任意の管轄範囲内において、先行技術であり又は当該技術分野における通常の知識の一部をなす旨の承認として解されるべきではない。

本発明の目的は、移動の際にユーザを十分に支持することができる安定性のある歩行補助器械を提供し又は少なくとも公衆に有用な選択肢を提供することにある。

第１の観点では、本発明の要旨は、広義には、ユーザにより着用される外骨格を制御する制御方法であって、外骨格は、各々がユーザの身体部分に対応する外骨格の種々の身体部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを有し、この方法は、所望の運動シーケンスを表す入力データを受け取るステップと、少なくとも、運動シーケンスを実行するのに必要な着地足命令を含む１つ又は２つ以上の順次命令を表す事前プログラム運動データをメモリから得るステップとを有し、各命令は、この命令を実行するために相対アクチュエータ運動と関連しており、この方法は、各命令に関する相対アクチュエータ運動に従って１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすステップと、地形勾配の変化を表すデータの受け取り時に着地足命令を調節するステップとを更に有し、調節ステップは、外骨格の着地足部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かして足部材を最大許容勾配角度に向かって回動させるステップと、足部材と勾配の位置合わせを表す入力の受け取り時に足部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータの運動を停止させるステップとを含むことを特徴とする方法にあると言える。

好ましくは、足部材は、足部材の裏面の全てのコーナ領域のところに設けられた少なくとも１つの接触センサを有し、コーナ領域は、横方向に２つの対をなす実質的に位置合わせされたコーナ領域及び長手方向に２つの対をなす実質的に位置合わせされたコーナ領域を形成する。

好ましくは、各接触センサは、触覚センサである。変形例として、各接触センサは、圧力センサである。

好ましくは、地形勾配の変化を表すデータは、トリガ信号が着地足部材の裏面と地形との接触時にコーナ領域のうちの幾つかだけの１つ又は複数個のセンサから受け取られると、受け取られる。

地形勾配は、長手方向成分と、横方向成分とから成り、地形勾配の変化を表すデータは、地形勾配の長手方向成分の変化若しくは地形勾配の横方向成分の変化又はこれら両方を表している。

好ましくは、最大許容勾配角度は、勾配と長手方向に延びる実質的に水平の線とのなす最大許容角度か勾配と横方向に延びる実質的に水平の線とのなす最大許容横方向角度かのいずれかである。

好ましくは、２つの対をなす横方向に位置合わせされたコーナ領域のうちの１つだけと関連した少なくとも１つの接触センサからのトリガ信号の受け取りは、地形勾配の長手方向成分の変化を表し、２つの対をなす長手方向に位置合わせされたコーナ領域のうちの１つだけと関連した少なくとも１つの接触センサからのトリガ信号の受け取りは、地形勾配の横方向成分の変化を表す。

好ましくは、外骨格の着地足部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かして足部材を最大許容勾配角度に向かって回動させるステップは、足部材をトリガ信号の受け取りの源である対をなす位置合わせされたコーナ領域を通る軸線回りに回動させるステップを含む。

好ましくは、１つ又は２つ以上のアクチュエータの運動を停止させるステップは、ピボット軸線が通る対とは反対側の対をなす位置合わせされたコーナ領域と関連した少なくとも１つのセンサから、足部材と地形勾配との位置合わせを表すトリガ信号を受け取った際に運動を停止させるステップを含む。

好ましくは、最大許容勾配角度は、あらかじめ定められていて、メモリに記憶されている。

好ましくは、本方法は、地形勾配の変化を表すデータの受け取り時に１つ又は２つ以上のアクチュエータの運動を停止させるステップを更に有する。

好ましくは、本方法は、１つ又は２つ以上のアクチュエータの運動を停止させるステップの実施後に、現在の地形勾配を表す地形状態データを格納するステップを更に有する。

好ましくは、現在の地形勾配を表す地形状態データを格納するステップは、足部材の角度及び足部材と関連した加速度計からの入力データを平均するステップと、平均した角度を現在の地形勾配を表すデータとして記憶するステップとを含む。

好ましくは、本方法は、１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすステップの実施前であって事前プログラムの運動データを得た後に、地形勾配を表す格納された地形状態データに従って相対アクチュエータ運動を更新するステップを更に有する。

好ましくは、各アクチュエータを動かすステップは、アクチュエータの長さを変えるステップを含み、アクチュエータの長さを変えることは、外骨格の身体部材相互間に形成された関連の関節の角度を変更する。

好ましくは、着地足部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かして足部材を最大許容勾配角度に向かって回動させるステップは、足部材を地形勾配に位置合わせするのに必要なピボット軸線及びピボット方向を識別するステップと、関連の１つ又は複数の関節の角度を各アクチュエータの長さから得るステップと、足関節の角度を用いて必要なピボット軸線及びピボット方向と関連した外骨格の足関節の相対位置を計算するステップと、足部材を最大許容勾配角度まで回動させるのに必要な着地足部材と関連した足関節の所望の位置を求めるステップと、逆運動学的原理を利用して足関節の位置に影響を及ぼす各関節の所望の位置を求めるステップと、足関節の位置に影響を及ぼす関節の所望の位置から所望の関節角度を求めるステップと、各所望の関節角度と関連した各アクチュエータの長さの所望の変化分を求めるステップと、各所望の関節角度と関連した各アクチュエータの長さをアクチュエータの長さの所望の変化に向かって変化させるステップとを含む。

好ましくは、逆運動学的原理を利用するステップは、足関節の位置に影響を及ぼす関節の所望の位置を求めるために円を交差させる方法を利用するステップを含む。

好ましくは、足部材は、足部材と地形の位置合わせに関する分解能を向上させるよう足部材の中央前側及び後側領域と地形の接触状態に関する情報を提供する２つの中間領域接触センサを有する。

第２の観点では、本発明の要旨は、広義には、ユーザにより着用される外骨格を制御する制御方法であって、外骨格は、各々がユーザの身体部分に対応する外骨格の種々の身体部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを有し、この方法は、所望の運動シーケンスを表す入力データを受け取るステップと、運動シーケンスを実行するのに必要な１つ又は２つ以上の順次命令を表す事前プログラム運動データをメモリから得るステップとを有し、各命令は、この命令を実行するために相対アクチュエータ運動と関連しており、この方法は、現在の地形状態を表す記憶された調節データに従って相対アクチュエータ運動を更新するステップと、各命令に関する更新された相対アクチュエータ運動に従って１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすステップとを更に有することを特徴とする方法にあると言える。

第３の観点では、本発明の要旨は、広義には、ユーザにより着用される外骨格を制御する方法であって、外骨格は、ユーザの足に対応した外骨格の少なくとも足部材と関連していて、足部材を地形勾配の変化に合わせて調節する１つ又は２つ以上のアクチュエータを有し、この方法は、足部材と関連した着地命令の実行中、地形勾配の変化を表すデータを受け取るステップと、足部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かして足部材を最大許容勾配角度に向かって回動させるステップと、足部材と勾配の位置合わせを表す入力の受け取り時に、足部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータの運動を停止させるステップとを有することを特徴とする方法にあると言える。

第４の観点では、本発明の要旨は、広義には、ユーザにより着用させる外骨格を制御する方法であって、外骨格は、各々がユーザの身体部分に対応した外骨格の種々の身体部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを有し、この方法は、所望の運動シーケンスを表す入力データを受け取るステップと、運動シーケンスを実行するのに必要な１つ又は２つ以上の順次命令を表す事前プログラム運動データをメモリから得るステップとを有し、各命令は、この命令を実行するために相対アクチュエータ運動と関連しており、この方法は、各命令に関する相対アクチュエータ運動に従って１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすステップと、現在の命令に従って１つ又は２つ以上のアクチュエータの運動中、外骨格を定期的にバランス取りするステップとを更に有し、定期的バランス取りステップは、足の１つ又は２つ以上の領域のところの圧力を表す入力圧力データに基づいて外骨格の少なくとも１つの着地足部材の裏面のところの実際の圧力中心場所を求め、１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすもとになる現在の命令と関連した所望の圧力中心場所を得て、着地足部材の向きと関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを足の下の実際の圧力中心を現在の命令に関する所望の圧力中心に向かってシフトさせる位置まで動かすことによって実施されることを特徴とする方法にあると言える。

好ましくは、外骨格を定期的にバランス取りするステップは、現在の命令の実行中、所定の時間ステップで実施される。

好ましくは、外骨格を定期的にバランス取りするステップは、実際の圧力中心場所と現在の時間ステップに関する所望の圧力中心場所との圧力中心の誤差を求めるステップと、着地した足部材の向きと関連した各アクチュエータに関し、次の時間ステップについて所望のアクチュエータ位置を求めるステップと、各アクチュエータに関する誤差に基づいて次の時間ステップについて所望のアクチュエータ位置を調節するステップと、次の時間ステップ中、各アクチュエータを調節されたアクチュエータ位置に向かって動かすステップとを更に含む。

好ましくは、現在の時間ステップのための所望の圧力中心場所は、先の時間ステップのところで、先の時間ステップのところでの実際の圧力中心場所と命令に関する所望の圧力中心場所との間を補間し、次の時間ステップのための所望の圧力中心場所を補間により求めることによって求められる。

好ましくは、次の時間ステップのための所望のアクチュエータ位置を求めるステップは、実際のアクチュエータ位置と現在の命令に関する完了したアクチュエータ運動から生じる所望のアクチュエータ位置との間を補間するステップと、次の時間ステップに関する所望のアクチュエータ位置を補間から求めるステップとを含む。

好ましくは、次の時間ステップに関する所望のアクチュエータ位置を調節するステップは、圧力中心誤差を用いてアクチュエータ位置の変化を求めるステップと、アクチュエータ位置の変化を次の時間ステップに関する所望のアクチュエータ位置に加えて次の時間ステップに関する所望のアクチュエータ位置を調節するステップとを含む。

好ましくは、圧力中心誤差を用いてアクチュエータ位置の変化を求めるステップは、アクチュエータ位置の変化の指標を出力するよう構成された比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラに誤差を入力することによって達成される。

好ましくは、１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすステップは、１つ又は２つ以上のアクチュエータの長さを変化させるステップを含む。

好ましくは、各着地足部材は、着地足の裏面の４つのコーナ部のところに少なくとも１つの圧力センサを有する。

好ましくは、実際の圧力中心場所を求めるステップは、足の裏面の４つのコーナ部により定められた長方形の領域を２つの大きな三角形に分割するステップと、圧力センサ入力を用いて大きな三角形の各々に関する図心場所を求めるステップと、図心場所及び圧力センサ入力を用いて各大きな三角形の内部に且つ大きな三角形の関連の図心周りに内側三角形を形成するステップと、各内側三角形に関する図心場所を求めるステップと、圧力センサ入力及び内側三角形の図心を用いて実際の圧力中心場所を求めるステップとを含む。

第５の観点では、本発明の要旨は、広義には、使用者により着用される外骨格を外骨格の１つ又は２つ以上のアクチュエータの相対運動中にバランス取りして所定の命令を実行する方法であって、バランス取り方法は、足の１つ又は２つ以上の領域のところの圧力を表す入力圧力データに基づいて外骨格の少なくとも１つの着地足の下の実際の圧力中心を計算するステップと、実際の圧力中心と所定の命令に関する所望の圧力中心との間の圧力中心誤差を求めるステップと、１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かして足の下の実際の圧力中心を所定の命令に関する所定の圧力中心に向かってシフトさせることにより圧力中心誤差を帳消しにするステップとを有することを特徴とする方法にあると言える。

第６の観点では、本発明の要旨は、広義には、ユーザにより着用される外骨格を制御する制御システムであって、外骨格は、各々がユーザの身体部分に対応する外骨格の種々の身体部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを有し、制御システムは、所望の運動シーケンスを表す入力データを受け取るユーザインターフェイスと、運動シーケンスを実行するのに必要な１つ又は２つ以上の順次命令を表す事前プログラム運動データを格納するメモリコンポーネントとを有し、各命令は、この命令を実行するために相対アクチュエータ運動と関連しており、制御システムは、各命令に関する相対アクチュエータ運動に従って１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすアクチュエータコントローラと、地形勾配の変化の検出時にアクチュエータ運動を調節する地形サブシステムと、１つ又は２つ以上のアクチュエータの相対運動中、外骨格のバランスを定期的に調節するバランス制御サブシステムとを更に有することを特徴とする制御システムにあると言える。

好ましくは、制御システムは、地形勾配の変化を検出するよう外骨格の足部材の裏面の４つのコーナ領域のところに配置された４つの接触センサからの入力を受け取る。

好ましくは、地形サブシステムは、外骨格の足部材を最大許容勾配角度に向かって回動させるのに必要な足部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータの運動を求め、足部材と勾配の位置合わせを表す入力の受け取り時に足部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータの運動を停止させるよう構成されている。

好ましくは、バランス制御サブシステムは、外骨格の足部材の裏面の４つのコーナ領域のところに配置された４つの圧力センサからの入力を受け取る。

好ましくは、圧力センサの入力は、バランス制御サブシステムが足の裏面のところの圧力中心の場所を求め、それによりアクチュエータ運動の所望の調節を求めて圧力中心の場所を特定の命令に関する所望の圧力中心場所に向かってシフトさせることができるようにする。

好ましくは、制御システムは、足部材と地形の位置合わせに関する分解能を向上させるよう足部材の中央前側及び後側領域と地形の接触状態に関する情報を提供する足部材の２つの中間領域接触センサからの入力を受け取る。

第７の観点では、本発明の要旨は、広義には、ユーザにより着用される外骨格を制御する制御システムであって、外骨格は、各々がユーザの身体部分に対応する外骨格の種々の身体部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを有し、制御システムは、所望の運動シーケンスを表す入力データを受け取るユーザインターフェイスと、運動シーケンスを実行するのに必要な１つ又は２つ以上の順次命令を表す事前プログラム運動データを格納するメモリコンポーネントとを有し、各命令は、この命令を実行するために相対アクチュエータ運動と関連しており、制御システムは、各命令に関する相対アクチュエータ運動に従って１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすアクチュエータコントローラと、地形勾配の変化の検出時にアクチュエータ運動を調節する地形サブシステムとを更に有することを特徴とする制御システムにあると言える。

第８の観点では、本発明の要旨は、広義には、ユーザにより着用される外骨格を制御する制御システムであって、外骨格は、各々がユーザの身体部分に対応する外骨格の種々の身体部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを有し、制御システムは、所望の運動シーケンスを表す入力データを受け取るユーザインターフェイスと、運動シーケンスを実行するのに必要な１つ又は２つ以上の順次命令を表す事前プログラム運動データを格納するメモリコンポーネントとを有し、各命令は、この命令を実行するために相対アクチュエータ運動と関連しており、制御システムは、各命令に関する相対アクチュエータ運動に従って１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすアクチュエータコントローラと、１つ又は２つ以上のアクチュエータの相対運動中、外骨格のバランスを定期的に調節するバランス制御サブシステムとを更に有することを特徴とする制御システムにあると言える。

好ましくは、外骨格は、剛性骨盤支持部材を有し、剛性骨盤支持部材は、ユーザを動作的に支持するためにユーザを少なくとも骨盤支持部材に締結するユーザ固定装置を含み、外骨格は、第１の下肢構造体及び第２の下肢構造体を有し、第１の下肢構造体及び第２の下肢構造体は各々、ユーザのそれぞれの下肢に隣接した動作場所が得られるよう骨盤支持部材に結合されると共にこれから延び、第１の下肢構造体及び第２の下肢構造体の各々は、ユーザの上側下肢に係合する上側下肢構造部材を有し、上側下肢構造部材は、その第１の端部が股関節により骨盤支持部材に回動可能に係合され、第１の下肢構造体及び第２の下肢構造体の各々は、ユーザの下側下肢に係合する下側下肢構造部材を更に有し、下側下肢構造部材は、その第１の端部が股関節により上側下肢構造部材の第２の端部に回動可能に係合され、第１の下肢構造体及び第２の下肢構造体の各々は、ユーザの足に係合する足部材を更に有し、足部材は、足関節により下側下肢構造部材の第２の端部に回動可能に係合され、第１の下肢構造体及び第２の下肢構造体の各々は、股関節回りの骨盤支持部材に対する上側下肢構造部材の回転を作動させて使用中、上側下肢構造部材を前方／後方平面内で回動させるよう構成された主股関節アクチュエータと、膝関節回りの上側下肢構造部材に対する下側下肢構造部材の回転を作動させるよう構成された膝関節アクチュエータと、膝関節の回転軸線に実質的に平行な回転軸線を中心とした足関節回りの下側下肢構造部材に対する足部材の回転を作動させるよう構成された主足関節アクチュエータとを更に有し、外骨格は、動力を主股関節アクチュエータ、膝関節アクチュエータ及び主足関節アクチュエータから選択された少なくとも１つ又は２つ以上に動力を提供するよう構成された動力源を更に有する。

本明細書及び特許請求の範囲で用いられる「前方」という用語は、ユーザとしての人間の前部（腹側）又は前に対応した方向に関し、「前方に」という用語は、それに応じて解されるべきである。

本明細書及び特許請求の範囲で用いられる「後方」という用語は、ユーザとしての人間の後部（背側）又は後ろに対応した方向に関し、「後方に」という用語は、それに応じて解されるべきである。

本明細書及び特許請求の範囲で用いられる「前方／後方平面」という用語は、ユーザから見て前方に且つ／或いは後方に延びる平面に関する。

本明細書及び特許請求の範囲で用いられる「内側」という用語は、ユーザの内側の腕からユーザの体に向かって内方に延びる方向に関し、「内側に」という用語は、それに従って解されるべきである。

本明細書及び特許請求の範囲で用いられる「外側」という用語は、ユーザの体から側方へ外方に延びる方向に関し、「外側に」という用語は、それに従って解されるべきである。

本明細書及び特許請求の範囲で用いられる「内側／外側平面」という用語は、ユーザから見て内側に且つ／或いは外側に延びる平面に関する。

本明細書で用いられる「及び／又は」という表現は、「及び」若しくは「又は」、又はこれら両方を意味している。

原文明細書において名詞の後に用いられる“ｓ”（複数のｓ）は、名詞の複数形及び／又は単数形を意味している。

原文明細書及び原文特許請求の範囲で用いられる“comprising”（翻訳文では、「〜を有する」と訳されている場合が多い）という用語は、“consisting at least in part of”（「少なくとも一部が〜から成る」）を意味している。本明細書及び特許請求の範囲において“comprising”という用語を含む各記載を解釈する際、この用語の前に位置した１つの特徴又は複数の特徴以外の特徴も又存在する場合がある。例えば“comprise”及び“comprises”という関連用語は、同様に解されるべきである。

本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照して説明するが、これらは例示に過ぎない。

第１の実施形態において示されている装具が設けられたＷＡの一部をなす外骨格の側面図であり、補助股関節アクチュエータが設けられていない状態を示す図である。 外骨格及び図１に示されている装具の一部の切除正面図である。 図１に示されている外骨格及び装具の正面図である。 ユーザを支持した図１のＷＡの正面図である。 足部材の付近の図１の外骨格の一部の切除側面図である。 図５の背面図である。 股関節の付近に補助股関節アクチュエータを有する第２の実施形態の外骨格の一部の切除正面図である。 図７の側面図である。 前から見た外骨格の外側運動アクチュエータの概略配置図である。 足部材の左側面斜視図である。 図９の足部材の底面図である。 足部材の右側面斜視図である。 膝関節のオフセットを示す膝関節の概略側面図である。 人が補助股関節アクチュエータを含むＷＡの別の実施形態により支持されている状態を示す側面図である。 カバーが取り付けられたＷＡにより支持されている人の側面図である。 外骨格の足部材及び下側下肢構造部材の切除背面斜視図である。 骨盤ブレースに対する上半身の運動をサポートする上半身制御延長部を含む外骨格の上側領域の側面図である。 ＷＡを歩進前方位置で示す側面図である。 補助股関節アクチュエータを含むＷＡの背面図である。 外骨格によりユーザを固定するよう設けられたブレーシング及び支持体を詳細に示す正面図である。 膝関節ピボットオフセットを示す外骨格の膝関節領域の切除右側面図である。 好ましい膝関節ピボットオフセットの切除右背面図である。 膝関節ピボットオフセットの切除右正面図である。 カバーが取り付けられたＷＡの側面図である。 カバーが取り付けられたＷＡの背面図である。 カバーが設けられると共にユーザを支持したＷＡの正面図である。 ＷＡの第３の実施形態を歩進位置で示す正面斜視図である。 ユーザを支持したＷＡの第３の実施形態を立位で示す正面斜視図である。 ユーザを支持したＷＡの第３の実施形態を立位で示す側面図である。 ＷＡの第３の実施形態の正面図である。 図２６の股関節の近くの領域の背面図である。 図２６の股関節の近くの領域の側面図である。 図２６の膝関節の近くの領域の背面図である。 図２６の膝関節の正面斜視図である。 図２６の股関節の近くの領域の正面斜視図である。 図２６の膝関節の近くの領域の側面図である。 カバーが取り付けられていない状態のＷＡの第３の実施形態を立位で示す側面図である。 カバーが取り付けられていない状態のＷＡの第３の実施形態を歩進位置で示す側面図である。 カバーが取り付けられた状態のＷＡの第３の実施形態を歩進位置で示す側面図である。 カバーが取り付けられていない状態のＷＡの第３の実施形態を座位で示す正面斜視図である。 カバーが取り付けられていない状態のＷＡの第３の実施形態を座位で示す正面図である。 ＷＡの足関節の近くの領域の正面斜視図である。 ＷＡの足関節の近くの領域の正面図である。 歩行運動中における歩み相互間のＷＡ及びユーザの質量中心の動きを示す略図である。 くさび形フォーム充填構造体を示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って静的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って静的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って静的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って静的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って静的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って静的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って静的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って静的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って静的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って静的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って左動的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って左動的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って左動的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って左動的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って左動的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って右動的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って右動的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って右動的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って右動的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って右動的歩進運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って座位運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って座位運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って立位運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って立位運動シーケンスを行なっている外骨格のモデルを示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って地形サブシステムにより実行される動作のシーケンスの流れ図である。 図５０の地形サブシステムにより採用された数学モデルにより実行される動作のシーケンスの流れ図である。 地形サブシステムで採用された外骨格のモデルに関する基準関節角度を示す図である。 地形サブシステムで採用された外骨格のモデルに関する基準関節角度を示す図である。 地形サブシステムにより計算されるべき外骨格モデルの身体箇所基準場所を示す図である。 地形サブシステムにより計算されるべき外骨格モデルの身体箇所基準場所を示す図である。 外骨格モデルに対する長手方向の地形勾配変化への外骨格の足の調節と関連した方法の一例を示す図である。 外骨格モデルに対する長手方向の地形勾配変化への外骨格の足の調節と関連した方法の別の例を示す図である。 外骨格モデルに対する長手方向の地形勾配変化への外骨格の足の調節と関連した方法の別の例を示す図である。 外骨格モデルに対する長手方向の地形勾配変化への外骨格の足の調節と関連した方法の別の例を示す図である。 外骨格モデルに対する長手方向の地形勾配変化への外骨格の足の調節と関連した方法の別の例を示す図である。 外骨格モデルに対する横方向の地形勾配変化への外骨格の足の調節と関連した方法の一例を示す図である。 外骨格モデルに対する横方向の地形勾配変化への外骨格の足の調節と関連した方法の別の例を示す図である。 外骨格モデルに対する横方向の地形勾配変化への外骨格の足の調節と関連した方法の別の例を示す図である。 外骨格モデルに対する横方向の地形勾配変化への外骨格の足の調節と関連した方法の別の例を示す図である。 外骨格モデルに対する横方向の地形勾配変化への外骨格の足の調節と関連した方法の別の例を示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って地形状態を地形サブシステムで更新する方法の流れ図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従って外骨格の足のモデル及びバランスサブシステムについて関心のある種々の領域の場所を示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従ってバランスサブシステムにより実行される動作のシーケンスの流れ図である。 バランスサブシステムに関するアクチュエータ位置と関連した直線補間のグラフ図である。 バランスサブシステムに関する圧力中心場所と関連した直線補間のグラフ図である。 ＷＡの足と関連した圧力中心を計算する際にバランスサブシステムにより実行される動作のシーケンスの流れ図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従ってバランスサブシステムにより求められる足の圧力中心の計算と関連した方法の一例を示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従ってバランスサブシステムにより求められる足の圧力中心の計算と関連した方法の別の例を示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従ってバランスサブシステムにより求められる足の圧力中心の計算と関連した方法の別の例を示す図である。 ＷＡの制御システムの好ましい形態に従ってバランスサブシステムにより求められる足の圧力中心の計算と関連した方法の別の例を示す図である。 ＷＡの好ましい形態としての制御システムの全体的略図である。

図面を参照すると（図中、互いに似通っている特徴は、一般に、同一の符号で示されている）、一形態において歩行補助器械（ＷＡ）であるのが良い装具又は器械が全体を符号１００で示されており、制御可能な歩行補助器械で用いられるのに適した外骨格（exoskeleton ）が全体を符号５００で示されている。「歩行補助器械」や「移動補助器械」という用語は、本明細書においては区別なく用いられる。かかる器械は又、別の形態では、かかる器械がユーザを歩行又は足踏み状態で動かすことができるにせよそうでないにせよいずれにせよ、移動性に障害のあるユーザの一方又は両方の下肢の非移動性の悪影響を減少するのを助けることができる医療器械であると考えることができる。

ＷＡの好ましい実施形態の機械的構造について図１〜図４４を参照して以下に詳細に説明する。この後、ＷＡの制御システムの好ましい形態について図４５ａ〜図７３を参照して説明する。

ＷＡの機械的構造

図１〜図４４を参照すると、ＷＡ１００は、移動性に障害のあるユーザを支持する一方で、歩行動作と相関した１組の運動を行なうのに適している。ＷＡ１００は、外骨格５００、関連の電源ケーブル（図示せず）付きのバッテリパック又は他の同様な搭載型パワーパック（図示せず）の形態をした電源及び制御システム（図示せず）を有している。

外骨格５００は、骨盤ハーネス９６を含む剛性の骨盤支持部材又は股関節フレーム１５及び１組の下肢構造体５０（第１の下肢構造体及び第２の下肢構造体）を有する。股関節フレーム１５は、比較的軽量のものであることが必要であり、他方、剛性が高く且つ動作中における撓み量が低いことが必要である。この理由で、股関節フレーム１５は、内部中空スペース（図示せず）を備えた単一ユニットとして炭素繊維から成形されている。股関節フレーム１５は又、ガラス繊維から成形されても良いことが想定されている。股関節フレーム１５は、その内部中空スペースを横切って延びる横方向剪断ウェブを更に有する。

下肢構造体５０の各々は、上側下肢構造部材１０、下側下肢構造部材１１、足部材１８、主股関節アクチュエータ１６、膝関節アクチュエータ１３及び主足関節アクチュエータ１９を有する。上側下肢構造部材１０は、ユーザ６００の上側下肢６１０を固定するためのものであり、上側下肢構造部材１０は、その第１の端部１０ａが股関節１４によって股関節フレーム１５に回動可能に取り付けられている。下側下肢構造部材１１は、ユーザ６００の下側下肢６２０を固定するためのものであり、下側下肢構造部材１１は、その第１の端部１１ａが膝関節１２によって上側下肢構造部材１０の第２の端部１０ｂに回動可能に取り付けられている。

一実施形態では、膝関節１２は、上側下肢構造部材１０と下側下肢構造部材１１との単一平面に沿う相対回動運動のみを可能にすることが想定される。膝関節１２は、好ましくは、これを達成するためにころ軸受構造（図示せず）を用いる。しかしながら、股関節１２は、大きなねじり力又は横向き力を受ける場合があり、それによりころ軸受構造に軸方向力が加わる。この理由で、膝関節は、膝関節１２に加わる軸方向力に抵抗するよう構成されたスラスト軸受構造（図示せず）を有することが想定される。

上側下肢構造部材１０及び下側下肢構造部材１１の各々は、使用の際、それぞれの下肢構造体５０をユーザ６００の関連の下肢に締結する調節可能な締結具４６の形態をした締結構造体を有する。締結具４６は、可撓性ウェブ又はストラップで構成されるのが良く、かかる締結具は、調節可能な締結構造体４７を有するのが良く、この調節可能な締結構造体は、バックルを通る面ファスナシステム、例えばＶｅｌｃｒｏ（登録商標）を備えたストラップの形態をしているのが良いことが想定される。変形例として、調節可能な締結構造体は、代表的なバックル、ラチェットバックル又はキャッチ形成部を有しても良い。

足部材１８は、ユーザ６００の足６３０に固定可能であり、足部材１８は、足関節１７によって下側下肢構造部材１１の第２の端部１１ｂに回動可能に取り付けられている。足部材１８の各々は、ユーザの足６３０の運動を操作的に案内する足部材構造コンポーネント１２６を有する。

一実施形態では、足部材１８の各々は、足部材構造コンポーネント１２６に取り外し可能に係合可能なシュー３１を有し、ユーザ６００は、このシューの中に自分の足を入れることができる。シュー３１は、好都合には、固定形成部、例えばクリップ型形成部、スナップ嵌め型形成部、差し込み型形成部又は任意他の適当な形成部によって足部材構造コンポーネント１２６に取り外し可能に係合可能である。足部材構造コンポーネント１２６に対するシュー３１の位置は、ユーザの足首と足関節の回転軸線１７Ａとの位置合わせを可能にするよう調節可能であることが想定される。

別の実施形態では、足部材１８の各々は、ユーザの足６３０に間接的に係合する（即ち、ユーザは靴を履いている）足係合形成部３４を有する。足係合形成部３４は、この場合も又ユーザ６００の足首の位置決めを可能にするよう足部材構造コンポーネント１２６に調節可能な仕方で結合されている。

主股関節アクチュエータ１６は、股関節１４回りの股関節フレーム１５に対する上側下肢構造部材１０の回転を作動させ、それにより（使用の際）上側下肢構造部材１０をユーザ６００の前方／後方平面内で回動させるよう構成されている。

外骨格５００は、下肢構造体５０の各々について、補助股関節アクチュエータ３８を更に有している。補助股関節アクチュエータ３８は、股関節フレーム１５回りにおいて且つ使用の際ユーザ６００に対して内側／外側平面内における上側下肢構造部材１０の回転を作動させるよう構成されている。

好ましい実施形態では、補助股関節アクチュエータ３８は、内側／外側平面内における約２９°の範囲内において、より好ましくは約１１°内方に且つ１８°外方に上側下肢構造部材１０の回転を作動するよう構成されている。変形実施形態では、この範囲は、２９°未満に制限されると共に／或いは特定の用途の必要性に応じて内方成分及び外方成分に適当に分割されても良い。

膝関節アクチュエータ１３は、膝関節１２回りにおける上側下肢構造部材１０に対する下側下肢構造部材１１の回転を作動させるよう構成されている。

主足関節アクチュエータ１９は、実質的に膝関節１２の回転軸線１２Ａに平行な回転軸線１７Ａを中心とした足関節１７回りの下側下肢構造部材１１に対する足部材１８の回転を作動させるよう構成されている。

さらに、外骨格５００は、下肢構造体５０の各々について、補助足関節アクチュエータ３９を有している。補助足関節アクチュエータ３９は、足関節１７回りにおける実質的に内側／外側平面内における足部材１８の回転を作動させるよう構成されている。各補助足関節アクチュエータ３９は、約１０°の範囲内において、より好ましくは垂線の各側に約６°の内側／外側平面内における関連の上側下肢構造部材１０の回転を作動させるよう構成されている。

電源は、電力をアクチュエータ１６，１３，１９，３８，３９に提供するよう構成可能である。

後で説明するように、制御システムは、主股関節アクチュエータ、補助股関節アクチュエータ、膝関節アクチュエータ、主足関節アクチュエータ及び補助足関節アクチュエータの運動を制御するよう構成可能である。これにより、歩行補助器械が載る地面に対する外骨格５００の運動が生じる。歩行動作は、制御システムがアクチュエータを正しいシーケンスで作動させたときに外骨格によって得られる。移動性に障害のあるユーザ６００をＷＡに固定すると、ユーザ６００は、歩行動作により自分の関節及び筋肉を動かすようになり、それによりユーザ６００の生理学的特徴の低下の予防が助けられる。

移動性に障害のあるユーザが自分で立つことができない程度まで支持される必要があることに注目することが重要である。この関係で、移動性に障害のあるユーザは、「十分に」支持されるといえる。しかしながら、現行のＷＡの重要な観点は、ＷＡが移動性に障害のあるユーザをユーザ自体の下肢が体重を支持するような位置で支持し、その結果、ユーザの骨が応力を受けるようになるようにすることができるということにある。代表的には、移動性に障害のあるユーザの下肢及び寛骨が経時的に劣化する。これは、ユーザの骨が通常の応力を受けない場合にユーザの足からミネラルが取り出され又は浸出することによって生じる。移動性に障害のあるユーザは、ユーザの骨の弱体化に加えて、これらミネラルがユーザの体の他の部分、例えば胆石等の中に堆積する場合があるという点でこのミネラルの取り出しに起因して後で生じる合併症に苦しむ場合がある。

移動性に障害のあるユーザの骨に応力を及ぼす際、かかるユーザの骨がもしそうではない場合は、ユーザの骨の劣化及びユーザの骨から取り出されたミネラルがユーザの器官系中のどこかの場所に堆積するその後の合併症の予防に役立つ。さらに、ユーザの下肢の運動を生じさせることは、ユーザの器官系を通る血液の流れを刺激するのを助け、これにより、関連の生理学的利点が得られる。

図を参照すると、図１及び図３には、全体として、歩行補助器械（ＷＡ）１００が示されている。ＷＡ１００は、ユーザ６００を効果的に支持する可動機械的フレーム又は外骨格５００を有する。ＷＡは、ユーザ６００を支持すると共に運ぶことができる。

ＷＡ１００は、ユーザ６００の外側に着用される骨格構造体である外骨格５００を有する。ＷＡは、好ましくは電源、例えば自動車から又は任意の家庭用電源コンセントのところで充電可能な搭載型パワーパック（図示せず）により電力供給されるのが良い。

ユーザは、外骨格５００にストラップで取り付けられると共にこれによって支持される。ＷＡ１００は、ユーザ６００を移動させることができる自立型構造体であることが想定される。ＷＡ１００は、ユーザ６００の臀部を股関節フレーム１５にぴったりと保持するブレース、テザー、ストラップ、ハーネス又はウェブを含む骨盤ハーネス９６の形態をしたユーザ固定構造体及びユーザの下肢及び／又は足を下肢構造体５０に固定する装具又は調節可能な締結具を有する。一実施形態では、ブレースは、ユーザの手足及び関節の正確な位置合わせを保証するような位置決め、構成及び設計が行なわれている装具４を有し、かかるブレースは、ストラップ又はウェブを更に有するのが良い。

好ましい形態では、ＷＡは、通常腰の高さに配置されたジョイスティック２及びキーパッド３によりユーザによって制御される。キーパッド３及びジョイスティック２は、アーム５によって支持されるのが良い。これは、少なくとも１つの動作位置（例えば、使用中、水平に延び又は垂直方向下方に向く）と引っ込み位置（例えば、垂直方向に延びる）との間で動くよう回動することができる。

後で説明するように、ＷＡの制御システムは、命令を受け取ってこれら命令に作用してＷＡを動かすようプログラムされるのが良い。ＷＡは、前後に歩行しながら回ったり、定位置で回り、片側に歩進することができるよう動くことができる。ＷＡは、座位及び立位も又可能にする。ＷＡは又、１つ又は２つ以上の平面を通って傾斜面を登ったり下ったりすることも可能である。ＷＡの静的動作と動的動作の両方の間、ＷＡは、ユーザがバランスの取れた状態のままであるようにするよう制御される。後で説明するように、ＷＡは、とりわけ、ＷＡが例えば地形の勾配に自動的に順応することができるようにする特徴を更に有するのが良い。

図１〜図３を参照すると、外骨格５００は、上側下肢構造部材１０及び下側下肢構造部材１１を有している。これら構造部材は、膝関節１２により互いに連結され、膝関節１２は、上側下肢構造部材１０と下側下肢構造部材１１が互いに対して回動することができるようにするピボット軸線１２Ａを定めている。ピボット軸線１２Ａは、上側下肢構造部材と下側下肢構造部材が互いに対して回転することができるが、１つのピボット軸線だけを中心として回転することができるようにする。

膝関節軸線１２Ａ回りにおける上側下肢構造部材及び下側下肢構造部材の運動は、膝関節アクチュエータ１３によって実施されるのが良い。膝関節アクチュエータ１３は、上側下肢構造部材１０と下側下肢構造部材１１の相対回転運動を作動させる目的で上側下肢構造部材の一部と下側下肢構造部材の一部との間に延びている。

膝関節１２は、好ましくは、上側下肢構造部材１０の第１の遠位端部１０ｂのところに配置される。上側下肢構造部材１０の第１の端部１０ａのところには、上側下肢構造部材１０を股関節フレーム１５に回動可能に係合させる股関節１４が設けられている。股関節１４は、股関節軸線１４Ａを定め、この股関節軸線１４Ａは、使用の際、ユーザ６００に対し前方／後方運動方向における生まれつき備わった股関節回転軸線のところ又はこのすぐ近くに位置する。好ましい実施形態では、各股関節１４は、その回転軸線１４Ａが０°〜１０°、より好ましくは約４°の角度をなして外側方向に下方に延びた状態で股関節フレーム１５に対して構成されている。回転軸線１４Ａのこの傾斜は、人間の上側下肢位置合わせを真似ており、図３０において角度αで示されている。この傾斜は、ＷＡ１００の足部材が互いに近くに位置し、それにより、ＷＡ１００が歩行動作により動くよう制御されると、足部材１８によって提供される支持領域内への一点までの質量中心（一般に、骨盤のほぼ中間に位置している）の自然な移動を可能することを意味している。これは更に、図４３に示されており、図４３は、ＷＡが股関節（破線で示されている）のかかる回転軸線の傾斜を備えていない場合と比較して、ＷＡ１００及びユーザの組み合わせ質量中心（点Ｃで示されている）の運動が歩行運動における個々の歩み相互間で側から側への運動を減少した状態でどのように動くかを示している。

股関節１４は、上側下肢構造部材１０と股関節フレーム１５との相対回転を可能にする。かかる回転は、好ましくは、主として、膝関節軸線１２Ａに平行な軸線回りである。しかしながら、股関節１４は又、内側／外側平面方向における股関節フレーム１５に対する上側下肢構造部材１０の回転を可能にし、その結果、動作中、内側／外側平面に沿うユーザ６００の下肢の運動が生じる（例えば、下肢は、外方に広がる）。この多軸回動機能は、股関節１４を構成するローズ継手又は関節（rose joint）の使用により実行容易である。股関節１４（ローズ関節の形態をしている）は、その運動がローズ関節の各側に設けられた１対の水平に位置合わせされたプラスチック、好ましくは硬質プラスチック（例えば、テフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）又は高密度ポリエチレン）のブッシュ（図示せず）により制限される場合のあることが想定される。上側下肢構造部材１０に連結された垂直に位置合わせされているフランジ（図示せず）は、このように水平面内における回動運動が阻止され、上側下肢構造部材１０のその長手方向軸線回りの回動運動が少なくとも部分的に阻止される。

股関節１４のところの膝関節軸線１２Ａに平行な軸線回りにおける上側下肢構造部材１０に対する股関節フレーム（又は、本明細書では、骨盤ハーネス１５とも呼ばれている）の回転は、主股関節アクチュエータ１６の使用によって達成できる。

下側下肢構造部材１１の第２の遠位端部１１ｂ（膝関節から見て遠くに位置する端部）のところには、足部材１８が設けられている。足部材１８は、足関節１７によって下側下肢構造部材１１に対して回転することができる。足関節１７は、好ましくは、膝関節軸線１２Ａに平行に延びるピボット軸線１７Ａを定める。前方／後方平面内における下側下肢構造部材１１に対する足関節１７回りの足部材１８の回動運動は、足関節アクチュエータ１９により実施可能である。足関節１７は、股間節と同様、その多軸回動機能の実行を容易にするローズ関節であるのが良い。足関節１７により、足部材１８は、下側下肢構造部材１１に対する多数の回転運動度を有することができる。好ましい実施形態では、足関節１７は、足部材１８回りにおける内側／外側平面及び前方／後方平面内における下側下肢構造部材１１の回動運動をもたらす一方で、足部材１８に対する下側下肢構造部材１１のその長手方向軸線回りの回動運動を少なくとも部分的に阻止するよう構成されることが想定される。回動又はねじり運動に対するこの制限は、股関節１４の仕方と同様な仕方で、即ち、ローズ関節の各側の硬質プラスチック材料で作られたブッシュの挿入によって達成される。好ましい実施形態では、各足関節１７は、その回転軸線１７Ａが０°〜６°の角度、より好ましくは約４°の角度をなして外側方向に下方に延びる状態で構成されることが想定される。

補助足関節アクチュエータ３９が設けられていて、これは、主足関節アクチュエータ１９が回転運動を制御することができる方向に対して実質的に横の方向における且つ実質的に内側／外側平面に沿う足部材の回転運動を制御するよう足部材１８に結合されるのが良い。補助足関節アクチュエータ３９は、この回動運動を容易にするよう足部材１８のアクスル又はレバーアーム４０に係合するのが良い。

図５及び図６を参照すると、図５には、器械の足部材１８、足関節１７及び下側下肢構造部材１１の拡大図が示されており、この図では、補助軸線１７ｂが設けられ、足部材１８は、補助アクチュエータ３９の動作の結果としてこの補助軸線１７ｂ回りに回転することができることが分かる。

図７及び図８を参照すると、主回転軸線が軸線１４ａであり、補助軸線は、軸線１４ｂにより定められ、この軸線回りの運動を補助股関節アクチュエータ３８により制御することができる。

ＷＡ１００をユーザに装着してユーザが安全な仕方でこの器械を動作することができるようにするためには、股関節１４と膝関節１２と足関節１７との間の間隔が適当であるようにすることが重要である。かかる関節ができるだけ近い状態でユーザの対応の生まれつき備わっている関節と位置合わせされる適当な位置決めを行なうことが必要である。

外骨格５００は、ユーザにより着用されると、ユーザ６００を種々の要因の組み合わせにより定められる位置に座位させることになる。ユーザは、好ましくは、外骨格に取り付けられた装具（後で詳細に説明する）の使用により外骨格に装着保持される。股関節、膝関節及び足関節の位置の調節は、上側下肢構造部材１０及び下側下肢構造部材１１の有効長さの調節によって達成される。かかる調節は、下側下肢構造部材１１の第２の遠位端部のところに配置されるのが良いターンバックル型調節手段２０及び上側下肢構造部材１０の第１の遠位端部のところに設けられたターンバックル２１によって達成できる。ターンバックル２１により、股関節１４と膝関節１２との間の距離を変化させることができ、ターンバックル２０により、膝関節と足関節１７との間の距離を変化させることができる。変形実施形態では、長さの調節は、長くなるインサートの挿入によって達成でき、このインサートを上側及び下側下肢構造部材１０，１１中にねじ込むのが良い。理解されるように、調節特徴部をどこか他の場所に設けても良く、かかる調節特徴部は、種々の形態、例えば、スナップ嵌め構造体、差し込み型構造体、関節相互間の距離を設定する入れ子式又は他の手段の形態でも提供できる。この調節により、１つの器械を体の形状又はサイズが互いに異なる場合のある種々のユーザにより使用することができる。

図１２を参照すると、側部から見た膝関節１２の図が示されている。理解できるように、好ましい実施形態では、上側下肢構造部材１０は、その細長い方向が膝関節１２のピボット軸線１２ａからオフセットしている。下側下肢構造部材１１は、軸線１２ａを通って突き出る。これにより、ピボット膝関節とユーザの膝関節が正しく位置合わせされ、それにより、膝関節によるユーザ６００に対する損傷が阻止される。軸線１２ａは、上側下肢構造部材１０が突き出た場所の後ろに（ユーザの前方移動方向に）位置した場所に存在する。ＷＡ膝関節のこのオフセットは、再現されて人間の骨格の形態に適合し、したがって、ユーザの膝関節への応力又は損傷が回避される。

図２は、外骨格の一部しか示されていないが、図３を参照すると、外骨格全体が示され、この場合、２つの下肢構造体５０ａ，５０ｂが示されている。下肢構造体５０は、股関節フレーム１５によって互いに保持されている。股関節フレーム１５は、股関節１４の一部を保持し、それにより、股関節１４の互いに対する一定の間隔が設定される。股関節フレーム１５は、好ましくは、ユーザの腰の一部の周りに着座することができる剛性部材である。好ましくは、股関節フレーム１５は、実質的にユーザ６００の臀部領域の後方周りに延びる。股関節フレーム１５は又、ユーザの腰の一部周りに延びるのが良い。

ユーザは、股関節フレームが骨盤ハーネス９６により支持され、骨盤ハーネスは、ユーザの下肢周りに延びてユーザにより適宜締結されたり解除されたりする調節可能なストラップ又はウェブを含むのが良い。かかるウェブは、長さが調節可能であるのが良い。ウェブは、ユーザによるＷＡへの出入りを容易にする面ファスナシステム、例えばＶｅｌｃｒｏ（登録商標）を含むのが良い。図４を参照すると、骨盤ハーネスは、ウェブ２３を含むのが良いことが理解できる。ユーザ６００は、ウェブ２３により腰周りのウェブ２３により股関節フレーム１５にストラップで取り付け可能であり、それにより、ユーザは、股関節フレーム１５に対してしっかりと保持されたままになる。例えばウェッジ型フォーム又は発泡プラスチックのような材料で構成された充填構造体１０１を用いると、股関節フレーム１５内へのユーザの締まり嵌めを保証することができる。また、充填構造体１０１は、インフレート可能な薄肉圧力容器（図示せず）であっても良いことが想定される。

ユーザに対するそれ以上の支持は、上述の調節可能な締結具４６の代替手段として又はこれに加えて装具によって提供される。装具は、ユーザ６００が支持されるだけでなく、ユーザ６００の手足又は関節を損傷させないよう外骨格内に正確に位置合わせされるようにするのを助ける装具設計ブレースである。これら装具は、ユーザを装具の成形部分に対して定位置に保持するウェブ又はストラップを含むのが良い。ウェブ２３は又、ＷＡ１００に対するユーザの容易且つ調節可能な取り付け及び取り外しを容易にすることができる。

装具ブレースは、好ましくは、外骨格に取り付けられると共に／或いは解除可能に取り付けることができる。図３を参照すると、装具は、上側下肢装具部材２６及び下側下肢装具部材２７を含むのが良い。これら装具部材は、互いに直接接合されても良く、或いは、外骨格により互いに間接的に接合されても良い。例えば、図３を参照すると、上側下肢装具部材２６と下側下肢装具部材２７は、継手２８のところで接合されるのが良い。装具は、コネクタ２９を介して外骨格５００に係合可能である。

コネクタ２９は、装具を外骨格にしっかりと保持する。コネクタ２９は、外骨格５００への装具の解除可能な係合を容易にすることができる。これは、通常、装具を着用するユーザ６００にとって有益であるといえる。これにより、かかる人は、自分自身を外骨格５００に迅速に関連付けることができる。また、これにより、かかる人は、より快適な仕方で外骨格５００と関連することが可能であり、その理由は、装具４を適当な場所でその人に既に着用されているからである。したがって、ユーザ６００は、ＷＡ１００と共に調達される調節可能な締結具４６を用いることができ又はユーザの装具専門家がユーザブレースに装着できる供給されたインターフェイスの使用により使用者自身のブレースを用いることができる。ユーザは、多くのユーザ６００が特定の装具要件を有し、一般的なブレースを着用することができないということを念頭に置いて、ＷＡ１００とインターフェイスすることができるということが必要である。

装具ブレースをＷＡ１００が解除することができると共にブレースを通常使用のブレースとして着用することができるということにより、ユーザは、ブレースを変更する必要なく、器械を迅速に着脱することができる。

コネクタ２９は、人の上側下肢と下側下肢の正確の位置合わせが外骨格にいったん係合されると達成されるような形状及び構成のものである。コネクタ２９は、装具と外骨格の迅速な着脱を容易にするためにダブテール形構成若しくはスナップロック構成又はその他のものであるのが良い。

ユーザ１００は、各足部材１８のプラットホーム３０上に置くことができる自分自身の靴を着用した状態で外骨格を着用することができる。変形例として、外骨格は、ユーザ６００が自分の足６３０を入れることができる履物、例えばシュー３１を含む。履物３１は、外骨格５００と永続的な係合状態のままであるのが良く、ユーザは、自分の足を履物の中に入れることができる。

シュー３１は、好ましくは、外側縁部に設けられていて、正確なキー溝を備えた剛性フレームを有する。キー溝のネガは、ＷＡ１００に設けられている。これら２つの部分は、互いに入れ子状に摺動し、それにより、自動ロックピンは、正確に位置決めされたときに働く。固定手段の後方部分は、シューの中に含まれているセンサの電気的接続部の全てを収容している。シューの正確な位置合わせにより、完全な連結が保証される。自動ロックピンは、手動で又は電子的に解除可能である。

用いられる直線アクチュエータは、好ましくは、アクチュエータに設けられたセンサを介して位置フィードバックを備えた低電圧ＤＣアクチュエータである。アクチュエータが低電圧であるという観点は、このアクチュエータが使用上安全であり、故障の場合にユーザに危害を与えることがないという点で重要である。フィードバックセンサは、これらセンサがシステムに任意の時点での手足の位置を知らせると共にかかるセンサを用いると、手足を後で説明する制御システムにより実行される事前プログラムシーケンスにおいて所定の固定された位置に動かすことができるという点で適切である。代表的には、アクチュエータは、ウォーム歯車（図示せず）を駆動する電気モータ（図示せず）によって動くようになり、それにより、アクチュエータは、伸縮する。

図１６を参照すると、器械を上半身の強さ及び／又は機能が失われているユーザにとって適切であるようにする本発明のＷＡの追加の観点が示されている。

股関節フレーム１５に取り付けられた１つ又は２つ以上の胴ハーネス又は上半身ブレース９２が設けられるのが良い。上半身ブレース９２は、上半身の制御が制限されているユーザ６００のために提供されるのが良い。この上半身ブレース９２は、ユーザの上半身６４０を動かしてユーザのバランス取りを助けるよう使用されるフレーム又はコルセットを含むのが良い。一実施形態（図示せず）では、胴ハーネス９２は、骨盤ハーネス９６に連結されるのが良い。外骨格５００のコンポーネントのうちの幾つか又は全ては、カバー９８により全体的に又は部分的に覆われるのが良い（図１４、図２３、図２５及び図３８に示されているように）。これらカバー９８は、安全目的、防水目的、ほこり除け目的及び美的目的で設けられており、これらカバー９８は、ユーザ６００が支持のためのカバーを用いることによりＷＡを着脱することができるのに十分な強度及び安定性のものである。一実施形態では、外骨格５００へのユーザ６００の着脱を容易にするよう取っ手がカバー９８に組み込まれるのが良い。

一実施形態では、外骨格５００は、座位（図３９及び図４０に示されている）に構成可能である。例えば、外骨格５００が座位にあるとき、カバーの表面９９（例えば、図２３に示されているが、座位にはない）は、実質的に水平に延びる。座部上に位置したＷＡ１００は、この場合、器械へのユーザの着脱目的でユーザが利用する剛性の表面を与える。したがって、カバー９８は、好ましくは、外骨格にしっかりとした仕方で且つカバーが外骨格に対して安定性があるような仕方で外骨格に取り付けられる。カバー９８は又（或いは、これとは異なり）握り棒を同様な目的でユーザに提供することができる機能的形状の特徴部を有するのが良い。

装具支持体の使用により、ユーザは、非常に制限され又は外骨格構造体に対して動かないようになる。人は、自分の下肢を外骨格構造体に対して回転することができず、したがって、自分の下肢が外骨格を構造体に対して長手方向又は外側方向に動くことがないようになる。

図１０を参照すると、一実施形態では、各足部材１８は、そのソールに１つ又は２つ以上の接触センサ、例えば触覚センサ又は圧力センサ（又はこれら両方）を備えている。これらセンサは、外骨格５００の運動の制御を容易にするための上方を制御システムに提供するよう構成可能である。これらセンサは、代表的には、検出されるべき特定の特性を検出し、この特性を表す信号を発生させ、そしてこの信号を外骨格５００の運動の制御を容易にするために制御システムに送ることによりこれを行なう。例えば、触覚又は圧力センサは、接触情報を制御システムの地形サブシステムに送り、圧力センサは、代替的に／追加的に、情報を制御システムのバランスサブシステムに送り、これについては、後で詳細に説明する。

好ましい形態では、各足部材のソールは、４つの触覚センサ６６，６７，６８，６９を備え、各触覚センサは、ソールのそれぞれのコーナ領域部のところに或いはかかるコーナ領域寄りに配置されている。例えば、各足部材は、左前触覚センサ６６、右前触覚センサ６７、左後触覚センサ６８及び右後触覚センサ６９を有する。各触覚センサは、ソールのそれぞれのコーナ部が地面に接触すると、トリガするよう構成された少なくとも１つの触覚又は接触スイッチを有する。図示の好ましい形態では、各触覚センサは、ひとまとめに、並列に配線された３つの別々の触覚スイッチにより形成されている。理解されるように、各接触センサは、１つの触覚スイッチだけで動作するが、並列に配線された多数個のスイッチを用いることにより、スイッチの故障又は誤動作の場合であっても万全を期すことができる。同様に、各足部材は、足のソールの各コーナ領域のところに１つずつ４つの圧力センサを更に備えている。好ましい形態では、各圧力センサは、それぞれの接触センサの後ろに設けられている。これら圧力センサは、足部材１８のそれぞれのコーナ領域により地面に及ぼされる圧力の大きさ又は足部材１８の底部全体にわたって路面に及ぼされる圧力変化の大きさを検出するよう構成されている。好ましい実施形態では、足部材１８の触覚及び圧力センサは、防水カバー（図示せず）によって封止されている。

変形形態では、必要な接触信号（地面との接触時にトリガする）と圧力信号（それぞれの領域のところの圧力の大きさ）の両方を制御システム、特に制御システムの地形サブシステム及びバランスサブシステムにそれぞれ提供する（これについては、後で詳細に説明する）圧力センサだけが設けられる（即ち、触覚センサは設けられない）。

図１０に示された好ましい形態では、足部材１８のソールは、地面又は下に位置する地形に接触するとトリガするよう構成された１つ又は２つ以上の中間領域接触センサ７１，７２を更に有する。中間領域接触センサ７１，７２は、少なくとも１つの触覚又は圧力センサを含み、好ましくは、並列に配線された一連の又は列状に配置された３つの触覚又は圧力センサにより形成されている。２つの中間領域接触センサ７１，７２は、好ましくは、実質的に足部材の長手方向中心軸線に沿って配置されている。好ましい形態では、一方の接触センサ７１は、横方向中心軸線ＡＡに対しソールの後ろ半分に設けられ、他方の接触センサ７２は、ソールの前半分に設けられている。作用を説明すると、中間領域接触センサのセンサ出力は、地形サブシステムに接触分布状態及び足部材のソールと下に位置する地形との位置合わせ状態に対する追加の分解能を提供する。この追加の接触情報は、特に傾斜した地形と平坦との地形との間の移行部及び平坦な地形と下降した地形との間の移行部とのところで下に位置する地形に適合するよう外骨格の運動シーケンスを調節するのを助けるよう地形サブシステムによって利用可能である。特に、中間領域接触センサにより提供される追加の接触情報は、足部材が地形移行部を通過する度合い、即ち例えば傾斜‐平坦な地形移行部において平坦な地形よりも足の下の更により傾斜した地形が存在しているかどうか又は足が移行部をほぼ通るように足の下に平坦な地形があるかどうかを判定するのを助けるよう地形サブシステムにより利用される。同じ情報は、平坦‐下降地形移行部について得られる。理解されるように、中間領域接触センサ７１，７２は、制御システムにとって必要不可欠であるというわけではなく、地形移行部が存在する場合が多いと見込まれる用途について追加の足接触情報及び分解能を提供する。

ＷＡは、ユーザによりＷＡに及ぼされる力を検出する座部センサ（図示せず）を更に有するのが良い。これら座部センサは、ストレインケージ（図示せず）の形態をしているのが良いことが想定される。これらセンサのうちの２つは、各「大腿」領域に１つずつＷＡ１００の後部に存在するのが良い。

ＷＡ制御システム（図示せず）は、制御システムとのヒューマンインターフェイスを行なうヒューマンインターフェイス装置１６０１を介してユーザ入力を受け取るよう構成されており、かかるＷＡ制御システムは、感覚信号、例えば音、光又は振動を介して情報を入力したり情報を受け取ったりすることができる。かかるヒューマンインターフェイス装置の幾つかの例は、制御パッド（図示せず）、キーパッド３、ジョイスティック２、タッチスクリーン／ＬＣＤスクリーン等である。

制御システムは、ヒューマンインターフェイス装置１６０１を有する。上述したように、アクチュエータに設けられているセンサを含む種々のセンサは、アクチュエータの制御を容易にするために制御システムにより使用できるフィードバック信号を提供するよう構成可能である。

好ましい実施形態では、制御パッド４は、ヒューマン‐マシーンインターフェイス用に用いられる。制御パッドは、スイングアーム５を中心として回動可能である。一実施形態では、制御パッド７は、メンブレンキーパッド（３）、発光ダイオード（ＬＥＤ）灯（図示せず）、ジョイスティック２及びバッテリメータ（図示せず）を有することが想定される。他の適当なヒューマン‐マシーンインターフェイス制御装置を用いても良い。例えば、タッチスクリーン（図示せず）が制御パッドに取って代わっても良い。

好ましい実施形態のキーパッド３は、警告及び制御システムの入力及び／又は機能の選択を示す可聴ブザーを更に有するのが良い。ＬＥＤは、電源の充電状態を示し又は非常用電源（図示せず）が用いられているかどうかを示す種々の機能（故障表示を含む）に使用できることが想定される。ＬＥＤは又、バッテリが完全に充填されていることを示す全てのＬＥＤが点灯している状態からバッテリが充填を必要とする点灯しているＬＥＤがゼロであることまでにわたる主バッテリパックの利用可能な電力の指標を提供するバッテリメータとして使用可能である。

変形実施形態では、ＬＣＤスクリーンは、ＬＥＤ表示器に取って代わり、適当な装置状態情報、例えばバッテリメータ及び他の上述の指標を表示するために設けられる。

ジョイスティックには、制御命令を制御システムに入力するユーザ入力手段として使用される。

ＷＡは、搭載型バッテリパック（図示せず）により電力供給される。好ましい実施形態では、バッテリパックは、股関節フレームの後部のところに配置される。変形例として、バッテリパックは、股関節フレーム内の「腎臓」のところ且つ下肢カバー９８の「脛」の前に配置されても良い。バッテリシステムは、低電圧ＤＣシステムであり、バッテリパックは、家庭用電源又は車両電源から充電可能である。少なくとも、アクチュエータは、作動することができるようにするためにはバッテリパックからの電力を必要とする。バッテリパックは、同様な容量又は拡大容量の別のバッテリパックと迅速に交換できるよう取り外し可能である。バッテリパックは、ＷＡに搭載状態で又は特別に設定された充電器により外部で充電可能である。

代表的には、バッテリパックの一部だけを用い、これらの電力が少なくなった場合に、可聴警告が鳴ると共に制御パネルに設けられている視覚的バッテリ充電表示器がユーザに低バッテリ電力状況を警告し、次に、ＷＡは、電力を予備バッテリ部分に自動的に切り換えることができる。変形例として、別の好ましい実施形態では、コントロールパネルは、ユーザに低電力状況を警告するだけであり、重さを増加させないよう予備バッテリパックは設けられない。ＷＡ１００は、障害者としてのユーザに基本的移動性を取り戻すのを助けることが想定される。

ＷＡは、搭載型電力及び制御システムを内蔵しており、自動車充電器又は家庭用電源を用いて充電可能である。

ＷＡの制御システム

次に、図４５ａ〜図７３を参照してＷＡの制御システムの好ましい形態について説明する。一例を挙げると、図１〜図４４を参照して説明した外骨格の好ましい実施形態に関して用いられる制御システムについて説明する。しかしながら、制御システムの構成、方法及び技術、特に地形サブシステム及びバランスサブシステムを同様な制御機能及び安定性に関する要件を有する他の移動補助器械及び外骨格システムに適合させてこれに利用できることは理解されよう。

制御システムは、任意適当なハードウェアシステム、プラットホーム又はアーキテクチャで具体化できることは理解されよう。ハードウェアシステムは、ＷＡに搭載して設けられ、かかるハードウェアシステムは、好ましくは、少なくとも、制御システムアルゴリズムを実行するプロセッサ、制御システムアルゴリズム及びデータを格納するメモリ又は記憶装置及び他のＷＡコンポーネントと通信してこれを作動させ、例えば、センサ信号を受け取って外骨格アクチュエータを作動させるインターフェイス回路を有する。プロセッサは、任意形式のプログラム可能なハードウェア装置、例えば、ＣＰＵ、デジタル信号プロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路等であって良いことは理解されよう。

制御システムは、ユーザ入力に基づいてヒューマンインターフェイス装置及びＷＡバランス取り及び環境要因、例えば地形の変化を検出するセンサ入力を介して外骨格のアクチュエータの挙動及び運動を制御する。ＷＡ制御システムは、電力供給されると、その現在の位置を維持すると共に制御パッドを介するユーザ入力を待機するアイドル状態のままである。ユーザ入力は、アクチュエータコントローラ、例えば１組のモータコントローラを介してアクチュエータの運動の事前プログラムシーケンスをトリガする１組の指令値に変換される。好ましい形態の制御システムは、各々が異なる運動、例えば歩行、座位及び立位（これらには限定されない）を実施するよう構成された一連の事前プログラムシーケンスを記憶している。各事前プログラムシーケンスは、別々のバランス及び地形検出サブシステムからの環境変数によって中断されて調節可能であり、これらサブシステムは、事前プログラムシーケンスを変更してその現在の環境に合わせるよう構成されている。

事前プログラムシーケンスは、アクチュエータの物理的位置及び／又は環境センサからの適当な信号により定められる１つのイベント又は一連のイベント／命令になる。事前プログラム時間及び位置シーケンスを提供すると共に環境に合わせて調節することにより、コンピュータ処理時間及び電力が節約される。

図７３を参照すると、好ましい形態の制御システムは、ヒューマン‐マシーンインターフェイス１６０１、地形検出サブシステム１６４０、バランスサブシステム１６３０及びモータ制御サブシステム１６２０を有している。モータ制御サブシステム（即ち、アクチュエータコントローラ）は、アクチュエータ１６１２に結合されている。種々のセンサ１６１０，１６１１（アクチュエータ１６１２に設けられているセンサを含む）は、フィードバック、例えばアクチュエータの位置を提供する。

制御パネル１６０１を介するユーザ入力は、制御システム１６９０によって事前プログラム指令に変換される。事前プログラム指令は、モータコントローラ１６２０に命令を与えてアクチュエータ１６１２を動かす。アクチュエータセンサ１６１６は、フィードバックを制御装置に与えてアクチュエータの正確な運動を保証する。事前プログラム指令は、センサ入力に応じてバランスサブシステム１６３０及び／又は地形サブシステム１６４０によって変更可能である。各サブシステムは、他のサブシステムとは別個に動作するが、サブシステム相互間の通信は、例えばネットワーク又はバスを介して行なうのが良い。

以下において、種々のサブシステム及び事前プログラム指令の例について説明する。

ヒューマン‐マシーンインターフェイス

好ましい実施形態では、制御パッドは、ヒューマン‐マシーンインターフェイスに用いられ、この制御パッドは、１２個のメンブレンキーパッドボタン、３つのＬＥＤ、ジョイスティック及びバッテリメータを有する。他の適当なヒューマン‐マシーンインターフェイス制御装置を用いることができる。例えば、タッチセンサは、制御パッドに取って代わることができる。別の変形例では、ＬＣＤスクリーンは、ＬＥＤ及びバッテリメータに取って代わることができ、かかるＬＣＤスクリーンは、器械に関連付けられた他の適当な状態情報を表示する。

好ましい実施形態のキーパッドは、ＷＡをターンオンしたりターンオフしたりするために用いられる「オン／オフ」ボタン、ＷＡを座位にさせるために用いられる「座位」ボタン、ＷＡを立位にさせる（起立させる）ために用いられる「立位」ボタン及び主電源がいったん切れると、非常用バッテリが電力をＷＡに供給することができるようにする「非常用バッテリ電源」を有する。選択された機能をキャンセルするためのキャンセルボタンが設けられる。座位で用いられる「足上げ」及び「足下げ」機能が設けられる。警告及び或る特定の機能の選択を表示する可聴ブザーが設けられる。

キーパッドは、３つのＬＥＤを有し、これらＬＥＤのうちの１つは、ＷＡに故障が生じたときに一定速度で点滅し、ＬＥＤのうちの１つは、器械が充電されているときに点灯し、もう１つのＬＥＤは、非常用電源が用いられているときに点灯する。

バッテリメータは、ＬＥＤのアレイであり、バッテリが完全に充填されていることを示す全てのＬＥＤが点灯している状態からバッテリが充填を必要とする点灯しているＬＥＤがゼロであることまでにわたる主バッテリパックの利用可能な電力の指標を提供する。

上述の変形実施形態について説明したように、ＬＥＤに代えて、ＬＣＤスクリーンを用いることができ、ＬＣＤスクリーンは、ＬＥＤにより提供される情報を同様の又は別の仕方で表示する。

ジョイスティックは、ＷＡの歩行動作を制御するために用いられる。前方又は後方の方向におけるジョイスティックの選択及び迅速解除により、それぞれ、前方又は後方に静的歩み（一歩踏み出す）を行い、他方、ジョイスティックを長期間にわたって前方又は後方に保持することにより、ＷＡは、それぞれ、前方又は後方に動的歩みを行う（交互に連続的に歩く）。ジョイスティックを左又は右に押すことにより、ＷＡは、それぞれ左側又は右側に歩みを行う。ジョイスティックを前方又は後方に且つそれと同時に左側又は右側に斜めに押すことにより、ＷＡは、それに対応した方向に回る。

事前プログラム指令／シーケンス

ＷＡは、ヒューマン‐マシーンインターフェイスによりユーザにより制御される。上述したように、好ましい実施形態のヒューマン‐マシーンインターフェイスは、キーパッドである。キーパッドに作用を及ぼすことにより、イベントの事前プログラムシーケンスがトリガされる。これらシーケンスは、ユーザをバランスの取れた状態に常時維持する計時された角度的な一連の動作であり、このバランスの取れた状態が外部環境の力又はユーザの運動によって崩されると、器械サブシステムは、事前プログラムシーケンスを中断させ、環境要因に合わせて調節する入力変数でこれらシーケンスを更新する。

したがって、事前プログラムシーケンスは、平坦な地形、即ち、運動方向に対して長手方向又は横方向かのいずれかに傾斜していない地形を取る。各事前プログラム運動シーケンスは、所望の運動を実施するのに必要な多くの順次命令と関連している。順次命令は、特定の運動シーケンスを実施するよう人間の関節により必要とされる運動ステップを或る程度まで別々に真似ている。全ての命令は、所望の命令を実行する或る特定の１組の相対アクチュエータ運動と関連している。したがって、制御システムは、全ての事前プログラムシーケンス、このシーケンスと関連した命令及び全ての命令に必要なアクチュエータ運動を記憶しなければならない。

図４５ａ〜図４９ｂは、事前プログラム運動シーケンス、これらシーケンスと関連した命令及びこれら特定の命令を実行するのに必要な相対アクチュエータ運動の例を提供している。以下の例において、図１〜図４４の外骨格５００のモデル７００が分かりやすくするために概略的な形態で示されている。図示の矢印は、先の命令に対するアクチュエータの運動（又は、第１の命令の場合、直立制御位置からの運動）に対応している。

図１〜図４４の外骨格５００について説明したように、外骨格の関節角度は、特定の関節と関連したアクチュエータの長さを変えることにより変更される。したがって、アクチュエータ７０１〜７１０は、アクチュエータが特定の命令（これは、所望の運動を実施するために関連の関節を変化させる）の間に長くされるか短くされるかを示すために矢印で表されている。アクチュエータ７０１〜７１０は各々、以下の表１に示されている外骨格５００のアクチュエータ１９，３９，１３，１６，３８（関節１７，１２，１４と関連している）のうちの１つに対応している。

以下の図４５〜４９の例示の運動シーケンスに関し、図面の関連の矢印によって表されているようにアクチュエータ７０１〜７１０、特にこれらの長さの変化について参照する。

歩行‐静的歩み

静的歩み運動シーケンスが図４５ａ〜図４５ｊに示されている。静的歩みは、各下肢により取られるべき一歩の歩みを必要とし、その結果、外骨格７００は、両方の下肢が互いに（隣り合って）整列した状態で制御された位置（左側又は右側に傾かない状態）で立つ。一歩進む前に、ＷＡは、ＷＡが立位にあるかどうかをチェックするのが良い。ＷＡとユーザの組み合わせ状態の質量中心を先ず最初に片足の真上で片側にシフトさせる。システムは、質量中心がその片足の真上に位置するようにする。もう一方の足を持ち上げ、そして前方に動かし、次に第１の足の前方の位置で地面に降ろす。ＷＡとユーザの組み合わせ質量中心を次に前方の足の真上で片側にシフトさせ、次に、もう片方の足を持ち上げて、第１の足と整列した位置まで前方に動かし、そしてこの位置で地面に降ろす。

図４５に示されている特定の例は、右側の下肢が静的歩みを導く状態を示している。理解されるように、先導する左側下肢運動の同様なプログラムされたシーケンスも又、命令のうちの幾つかの順序を単に変えることによりシステムによって記憶させることができる。さらに、図示の例は、前方の歩みに関する例であり、理解されるように、後方の歩みも又、当業者にはもとより明らかであるように命令をそれに応じて変えることによりあらかじめプログラム可能である。

したがって、以下の命令は、図４５の静的歩みプログラムシーケンス（右側の下肢が先導する場合の前方の歩み）について記憶されている。
ｉ）外骨格７００を左側に曲げる（図４５ａ）、
ｉｉ）骨盤を左側に傾ける（図４５ｂ）、
ｉｉｉ）左側下肢を持ち上げ、これを前方に動かす（図４５ｃ）、
ｉｖ）左側下肢を地面に降ろして（図４５ｄ）、右側下肢が左側下肢の前に位置するようにする、
ｖ）外骨格７００の重量を（ユーザが外骨格内に位置した状態で）右側に、外骨格７００が制御された位置を取る位置に移す（図４５ｅ）、
ｖｉ）引き続き重量を外骨格７００が右側位置を取る位置まで右側に移す（図４５ｆ）、
ｖｉｉ）外骨格７００の骨盤を右側に傾ける（図４５ｇ）、
ｖｉｉｉ）左側下肢を持ち上げ、これを前方に動かす（図４５ｈ）、
ｉｘ）左側下肢を地面に降ろし（図４５ｉ）、左側下肢が右側下肢に隣接して位置するようする、
ｘ）外骨格７００の重量を（ユーザがこの外骨格内に位置した状態で）外骨格７００が制御された位置を取る位置まで左側に移す（図４５ｊ）。

したがって、システム搭載記憶装置は、各運動シーケンスに対して上述の命令のうちの各々について相対アクチュエータ運動を記憶している。長さを変化させるアクチュエータだけが図４５ａ〜図４５ｊに示されている。両方向を指し示す矢印は、関連のアクチュエータの長さの増大／拡張を表し、互いに向かい合った２つの矢印は、関連のアクチュエータの長さの減少／収縮を表している。例えば、静的歩み運動シーケンスについて左側曲げ命令（ｉ）を実施するためには、アクチュエータ７０１〜７１０は、
・アクチュエータ７０１，７０２，７０４，７０６，７０９を長くし、
・アクチュエータ７０３，７０５，７０７，７０８，７１０を短くすることによってこれらの制御した位置／立っている状態（即ち、例えば図４５ｊに示された命令後に達する状態）に対して動く必要がある。

同様に、静的歩みシーケンスの上述の命令の残り（ｉｉ）〜（ｘ）は、図４５ｂ〜図４５ｊに示されているようなアクチュエータ運動（先の命令の結果としてのアクチュエータの長さに対して）必要とする。

例示として挙げるに過ぎないが、以下の表２は、図４５の静的歩み運動シーケンス中における１０個のアクチュエータ７０１〜７１０の長さの相対変化を示している。これらの長さの変化を表す変数は、各命令に対して記憶され、静的歩み運動シーケンスが開始されると、例えばユーザインターフェイスを介してユーザにより各順次命令の合図でモータ制御システムに送られる。

表２に記載された負の値は、先の命令の終了時点におけるアクチュエータが短くなっていることを表し、正の値は、アクチュエータが長くなっていることを表している（これ又、先の命令の終了時におけるアクチュエータの長さに対して）。

歩行‐動的歩み

左側の動的歩み運動シーケンスが図４６ａ〜図４６ｅに示されており、右側の動的歩み運動シーケンスが図４７ａ〜図４７ｅに示されている。動的歩みシーケンスは、ユーザが一歩だけ歩むのではなく、連続的に歩行したいと思う場合に用いられる（ユーザは、例えば前方位置にユーザインターフェイスのジョイスティックを保持することによりこのシーケンスの実施を命令することができる）。制御システムは、左側動的歩みと右側動的歩みを交互に実施することにより動的歩みシーケンスを実行する。

一歩進む前に、ＷＡは、ＷＡが立位にあるかどうかをチェックするのが良い。ＷＡとユーザの組み合わせ状態の質量中心を先ず最初に一方の足の真上で片側にシフトさせる。他方の足を持ち上げ、そして前方に動かし、次に第１の足の前方の位置で地面に降ろす。次に、ＷＡとユーザの組み合わせ質量中心を次に前方の足の真上で片側にシフトさせ、次に、もう片方の足を持ち上げて、第１の足の前方の位置まで前方に動かし、そしてこの位置で地面に降ろす。このシーケンスは、ユーザがジョイスティックを適当な指令位置に保持した状態で繰り返され、ジョイスティックを放すと、次の足下げが前方の足（隣接している）と一致して行なわれ、それにより、ユーザは両方の足が並んだ状態で停止立位に至る。

図４６ａ〜図４６ｅに示されている左側動的歩みは、次の１組の順次命令から成る。
（ｉ）外骨格７００の重量を（ユーザがこの外骨格内に位置した状態で）左側に向かって外骨格７００が左側曲げ位置にある位置に移す（図４６ａ）、
（ｉｉ）外骨格７００の骨盤を左側に傾ける（図４６ｂ）、
（ｉｉｉ）左足を持ち上げてこれを前方に動かす（図４６ｃ）、
（ｉｖ）左足を地面に降ろし（図４６ｄ）、右足が左足の前に位置するようにする、
（ｖ）外骨格７００の重量を（ユーザがこの外骨格内に位置した状態で）左側に向かって外骨格７００が制御位置にある位置に移す（図４６ｅ）。

図４６ａ〜図４６ｅは、上述の左側動的命令（ｉ）〜（ｖ）をそれぞれ実施するのに必要な相対アクチュエータ運動を示している。
図４７ａ〜図４７ｅに示されている右側動的歩みは、次の１組の順次命令から成る。
（ｉ）重量を右側に向かって、外骨格７００が右側位置にある位置に移す（図４７ａ）、
（ｉｉ）外骨格７００の骨盤を右側に傾ける（図４７ｂ）、
（ｉｉｉ）左足を持ち上げ、これを前方に移動させる（図４７ｃ）、
（ｉｖ）左足を地面に降ろし（図４７ｄ）、左足が右足に隣接するようにし、
（ｖ）外骨格７００の重量を（ユーザがこの外骨格内に位置した状態で）左側に向かって外骨格７００が制御位置にある位置に移す（図４７ｄ）。

図４７ａ〜図４７ｅは、上述の右側動的命令（ｉ）〜（ｖ）をそれぞれ実施するのに必要な相対アクチュエータ運動を示している。

次頁に示されている表３は、１つの動的歩みシーケンスに関する相対アクチュエータ長さの変化の一例を示している（左側動的歩みに続き、右側動的歩みが実施される）。

着座

着座シーケンスを作動させる前に、ＷＡは、ＷＡが立位にあるかどうかどうかをチェックするのが良い。ユーザが着座シーケンスを作動させると、座部センサを作動させることができる。アクチュエータは、ＷＡとユーザの組み合わせ質量中心を足の真上に保って安定性を保証した状態でＷＡをゆっくりと下降させる。次に、ＷＡをゆっくりと下降させ、ついには、後側カバー／座部センサが座部の表面に接触するようになる。

図４８ａ及び図４８ｂは、着座指令と関連した命令を示している。これらは次の通りである。
（ｉ）質量中心を前方に下降させる（図４８ａ）、そして、
（ｉｉ）質量中心を座部上にシフトさせる（図４８ｂの座位で終わる）。
以下の表４は、上述の命令（ｉ）及び（ｉｉ）により定められた着座シーケンスを実施するのに必要な相対アクチュエータ運動（立位から始まる）を示している。

起立

起立シーケンスを作動させる前に、ＷＡは、ＷＡが座位にあるかどうかをチェックするのが良い。ユーザが起立シーケンスを作動させると、座部センサを作動させることができる。アクチュエータは、ユーザの大腿を持ち上げるために用いられ、ついには、後側カバーセンサが座部の表面と、もはや接触しないようになる。次に、アクチュエータを用いてＷＡとユーザの組み合わせ質量中心をユーザの足の真上にシフトさせる。次に、ＷＡは、ＷＡとユーザの組み合わせ質量中心を常にユーザの足の真上に保ってＷＡが安定しているようにした状態で真っ直ぐになって立位に至る。

図４９ａ及び図４９ｂは、上述の指令と関連した命令を示している。これは次の通りである。
（ｉｉｉ）質量中心をシフトさせて座部から離す（図４９ａ）、そして、
（ｉｖ）質量中心を上方に持ち上げる（図４９ｂの立位で終わる）。

以下の表５は、上述の命令（ｉ）及び（ｉｉ）により定められた着座シーケンスを実施するのに必要な相対アクチュエータ運動（座位から始まる）を示している。

上述の表２〜表５は、上述の運動シーケンスの特定の命令を実行するのに必要な相対アクチュエータ長さの例を示している。データ、例えばこれら長さを表す値／変数は、ＷＡの制御システムをあらかじめプログラムするよう運動シーケンスの各々について各関連の命令に対して格納される。特定の運動シーケンスを呼び出すと、シーケンスの第１の命令と関連した値／変数がモータ制御システムに送られ、モータ制御システムは、それに応じてアクチュエータ７０１〜７１０の長さを変化させることにより所要の命令を実行する。第１の命令の完了時、第２の命令に関するアクチュエータ長さと関連した変数／値がモータ制御システムに送られ、モータ制御システムは、この場合も又、所要の命令をそれに応じて実行する。このプロセスは、シーケンス中の命令全てについて繰り返される。命令と関連した値／変数に加えて、ＷＡは、次の命令が出る前に各命令に割り当てられた時間を表す時間データを格納する。

上述の表に提供されているアクチュエータ長さは、例示に過ぎず、ＷＡの特定の寸法及び用途に応じて様々であって良いことは明らかであろう。さらに、理解されるように、事前プログラムシーケンスの概念は、多くの他の運動シーケンス、例えばすり足動き及びステップアップ／ステップダウン（階段に関する）に利用でき、かかる他のシーケンスは、本発明の範囲から排除されるものではない。これら他のシーケンスに関して人体の自然なステップを別々に真似る命令及び関連のアクチュエータ運動は、オフラインで決定されると共にＷＡにプログラムされるのが良く、それにより外骨格の汎用性が高められる。

地形及びバランスサブシステム

好ましい形態の制御システムは、２つのサブシステム、即ち地形サブシステム及びバランスサブシステムを有する。地形サブシステムは、事前プログラムシーケンスを修正してＷＡがでこぼこの又は傾斜した地形上を動いているとき、例えば歩行しているとき、ＷＡを安定化する。バランスサブシステムは、アクチュエータ位置をリアルタイムで修正してＷＡの圧力中心が歩行シーケンス中、支持多角形の範囲内に位置するようにする。次に、地形及びバランスサブシステムの好ましい形態のアーキテクチャについて別々に説明するが、これらアーキテクチャは、好ましい形態の制御システムにおいて同時に動作することは理解されよう。

地形サブシステム

図１０を参照して説明すると、好ましい形態の外骨格は、ＷＡの下に位置する地形を吟味するためにＷＡの各足部材の底部に設けられた４つの接触センサ、例えば触覚センサ（瞬時オンスイッチ）を採用している。触覚センサは、器械の設定箇所が地面に接触したときにトリガを行なう。好ましい形態では、各足と関連して４つの触覚センサが設けられ、足の左前部分に１つの触覚センサ、足の左後ろ部分に１つの触覚センサ、足の右前部分に１つの触覚センサ及び足の右後ろ部分に１つの触覚センサがそれぞれ設けられ、即ち、足のソールの各コーナ領域に１つの触覚センサが設けられている。これら４つのセンサは、足の向きに対する足の下の表面の勾配の指標を提供している。コーナ領域は、横方向に２つに対をなす実質的に位置合わせされたコーナ領域及び長手方向に２つの対をなす実質的に位置合わせされたコーナ領域を形成している。地形勾配の変化を表すデータは、トリガ信号が着地足部材の裏面と地形の接触時にコーナ領域の幾つかだけの１つ又は複数のセンサから受け取られると、受け取られる。例えば、４つ全てのセンサが地面上への足の着地時にトリガを行なう場合、足の向きは、地面と同一の勾配の状態にあり（即ち、足の向きは、地形勾配の横方向成分及び長手方向成分と位置合わせされる）、ＷＡは、地形に合わせて調節される必要がない。しかしながら、下肢が地面上に降ろされたときに２つの前に位置するセンサだけがトリガされた場合、地面の勾配は、長手方向における足の配向角度よりも大きく、足は、地形に合わせて調節される必要がある。変形実施形態では、特定の用途により望ましい場合、２つ以上のセンサを足の各部分のところに用いるのが良いことは理解されよう。

図１０を参照して説明すると、好ましい形態の足部材１８は、２つの中間領域接触センサを更に有するのが良い。これらセンサは、下に位置する地面と各足部材の中間又は中央前側及び後側領域の接触状態に関する情報を提供する。中間領域接触センサにより提供される追加の接触情報は、足部材と下に位置する地形との位置合わせ状態に関して地形サブシステムに対して向上した分解能を提供する。かかる情報により、地形サブシステムは、足部材が地形移行部を通る、例えば、傾斜‐平坦又は平坦‐下降の程度を計算することができる。例えば、どの中間領域接触センサをトリガするかに応じて、地形サブシステムは、足部材が地形移行部の開始部、中間部又は終了部にあるかどうかを判定することができる。この情報は、地形移行部をより効果的に取り扱うよう運動シーケンスを調節するために地形サブシステムによって利用でき、又、或る形式の制御システムで利用できる。

変形実施形態では、接触センサは、図１の触覚センサについて説明したのと同様な形態で配置された圧力センサであっても良い。圧力センサは、足のソール（裏面）と地面との接触を表す出力をもたらすことができる。地形サブシステムの以下の説明において、触覚センサ又は瞬時オンスイッチを参照するが、変形例としての圧力センサは、これとは異なり、制御サブシステムの動作方法を変更しないで採用できる。

図５０は、好ましい形態の制御システムの地形サブシステムと関連したプログラム流れ図８００を概略的に示している。ＷＡの通常の動作中、ユーザは、上述のユーザインターフェイスを介して特定の運動シーケンスを選択するオプションを有する。ユーザがステップ８０５でいったん所望の運動を選択すると、ＷＡシステムによって一連のシステムチェックを実施するのが良い（又は、変形例として、これらチェックを実施するための故障検出サブシステム又は同等手段への一時的ハンドオーバが行なわれる場合がある）。ステップ８１０のシステムチェックは、以下の動作のうちの任意のうちの１つ又は２つ以上を含むのが良い（しかしながら、これらには限定されない）。
・システム故障条件をチェックする。
・バッテリレベルが指令を完了させるのに十分であるかどうかをチェックする。
・ＷＡ及び特にアクチュエータの現在の位置をチェックする。
・現在の身体的状態の妥当性をチェックする。
・現在の所望の運動シーケンスに必要なセンサ出力の妥当性をチェックする。

他のシステムチェックは、これらシステムチェックが用いられるシステムの複雑さに応じて又はユーザにより選択された特定の運動シーケンスに応じて実施されるのが良い。

故障がない場合又はシステムについて選択された特定の運動シーケンスをそれほど故障の恐れなく適切に実施できることが確実な場合、対応の運動マップ又は命令シーケンス（例えば、上述したように、着座し、起立し、歩行し、すり足で動く）を含むプログラムデータをステップ８１５で記憶装置からモータ制御サブシステムにロードする。一連の命令をモータコントローラに送る前に（又は、モータ制御システムが用いられていない場合、直接アクチュエータに送る前に）、これら一連の命令は、現在の地形状態に基づいて調節される（ステップ８２０）。事前プログラム運動シーケンスデータは、地形が平らであることを仮定している。地形サブシステムは、現行の地形状態を交信してこれを格納し、それにより運動シーケンスデータを更新し、これを調節して現在の地形に適合させる。

現在の地形状態は、度で表された平坦な地形位置に対してオフセットデータとして格納される。平坦な地形に対する現在の地形の向きは、長手方向（外骨格の運動方向に沿う）オフセット角度及び横方向におけるオフセット角度（外骨格の運動方向にほぼ直角をなす）によって表せる。初期又は次の命令がモータ制御システムに送られる前に、現在格納されているオフセット地形データを度から対応のアクチュエータ長さに変換する。この変換は、地形サブシステム内に記憶されているアクチュエータの長さと度の関係を用いて行なわれる。外骨格の好ましい形態では、アクチュエータ７０３，７０４，７０９，７１０（図４５〜図４９）は、横方向地形状態（横方向オフセット角度）で修正され、アクチュエータ７０１，７０２は、長手方向地形状態（長手方向オフセット角度）で修正される。アクチュエータ７０５，７０６，７０７，７０８は、不変状態のままであろう。現在の地形が平坦である場合、オフセットデータは、ゼロに設定され又は更新が必要でないことを表すフラグが送られる。命令値をいったん調節すると（又は、更新が必要でない旨のフラグがもしそうでない場合に戻されると）、命令値は、モータコントローラに送られ又は直接アクチュエータに送られ、アクチュエータは、更新された命令８２５を実行する。アクチュエータに送られる命令データは、一般に、１０個のアクチュエータに関する所望の場所（又はアクチュエータ長さの変化）及び命令を実行するのに望ましい期間を含む。

事前プログラムシーケンスデータは、運動シーケンス全体に関する一連の命令を含む。また、時間及び所望のアクチュエータ場所に加えて各命令には、固定足及び下肢下方フラグ（又は着地足命令フラグ）が含まれる。固定足フラグは、左足若しくは右足又はこれら両方が地面上に固定されているかどうかを示し、この固定足フラグは、後で詳細に説明するＷＡモデル計算に用いられる。下肢下方フラグ（又は着地足命令）は、この命令が、下肢が下降している命令である場合に信号を出す。下肢下方フラグが真である場合（ステップ８３０）、地形サブシステムを作動させる。

非固定足の触覚センサのうちの１つ又は２つ以上（固定足フラグにより定められる）がトリガを行なった場合、地形サブシステムは、ＷＡに設けられている全てのアクチュエータを停止させる。非固定足が平坦である場合、即ち、全てのコーナ部のところの４つの全ての触覚センサが同時にトリガされて足が長手方向と横方向の両方向において下に位置する地形と位置合わせされた場合、地形データを更新する必要はなく、ＷＡは、地形サブシステムから出て、引き続きアクチュエータを動かして命令を完了させる。しかしながら、足が平坦ではない場合（８３５）（即ち、４つ全ての触覚センサが同時にトリガを行なわず、足が下に位置する地形と十分には位置合わせされていないことが示されている場合）、アクチュエータ運動を停止させ、アクチュエータ全ての現在の位置を格納してＷＡ数学モデルに送る。

地形勾配は、縦方向成分及び横方向成分から成り、地形勾配の変化を表す触覚センサから受け取ったデータは、地形勾配の長手方向成分の変化か地形勾配の横方向成分の変化かのいずれか又はこれら両方を示す。２つの対をなす横方向に位置合わせされたコーナ領域のうちの１つだけと関連した少なくとも１つの接触センサからトリガ信号を受け取ることは、地形勾配の長手方向成分の変化を示している。同様に、２つの対をなす長手方向に位置合わせされたコーナ領域のうちの１つだけと関連した少なくとも１つの接触センサからトリガ信号を受け取ることは、地形勾配の横方向成分の変化を示している。足は、対をなす位置合わせされたコーナ領域を通る軸線回りに最大許容角度に向かって回動され、かかるコーナ領域からトリガ信号を受け取って足を変化した勾配の成分に位置合わせする。最大許容勾配角度は、勾配のどの成分が変化したかに応じて勾配と長手方向に延びる実質的に水平の線とのなす最大許容角度か勾配と横方向に延びる実質的に水平の線とのなす最大許容横方向角度かのいずれかである。この場合、足の回動運動は、ピボット軸線が通過している対とは反対側の対をなす位置合わせされたコーナ部と関連した少なくとも１つのセンサからトリガ信号を受け取ると、止まる。これは、支持部材と地形の勾配が位置合わせされたことを示している。

ＷＡ数学モデル（８４０）は、４つ全ての触覚センサがトリガを行なうまで（即ち、足が平坦になるまで（８４５））非固定足を最大許容地形勾配（横方向若しくは長手方向かのいずれか或いは両方の方向）に向かって調節するためにアクチュエータを調節するようアクチュエータを制御するために用いられる。新たなアクチュエータ長さ（足が地形に対して平坦であるとき）を角度に変換し、足の角度は、現在の勾配の角度を表している。したがって、現在の地形状態を新たな勾配値で更新することができる（８５０）。

好ましい実施形態では、足角度から計算される勾配値に加えて、加速度計の傾斜の読みも又、長手方向及び横方向における足から読み取り可能であり、これを長手方向及び横方向勾配の計算により平均して地形状態をより正しく更新する。

地形状態をいったん更新すると、ＷＡは、アクチュエータが現在の命令８５５の実行を終わるために待機し、次に、次の命令８６０（１つあれば）行なう。次の命令に関し、新たな更新された地形状態データを用いて命令の事前プログラムアクチュエータ長さデータを調節する（８２０）。

次に、図５１の流れ図及び図５２〜図６３の例示のやり方を参照してＷＡ数学モデルの好ましい形態について詳細に説明する。

ＷＡ数学モデル

図５１は、足を地形に合わせて調節する好ましい方法の流れ図９００を示している。アクチュエータを停止させた後（ステップ８３５で上述したように）、地形サブシステムは、４つのセンサのうちどれがトリガされたかを識別する（ステップ９１１）。これにより、足を回転させるのに必要な１つ又は複数の方向の指標が得られ、その結果、足は、地形勾配と位置合わせされるようになる。例えば、２つの前側のセンサだけがトリガされた場合、足は、足の前部回りに時計回りの方向に回転することが必要である。同様に、２つの左側のセンサだけがトリガされた場合、足は、足の左側回りに時計回りの方向に回転することが必要である。足の回転度は、４つ全てのセンサから信号を受け取ったときに単に回転を停止させることにより定められ、即ち、今や地形の勾配と位置合わせされた平坦な足を示す４つ全てのセンサのトリガまで足を回転させる。理解されるように、足を地形勾配の変化に応じて長手方向、横方向又はこれら両方向に回転させることが必要な場合がある。

足を正しく回転させるため、ＷＡ数学モデルは、先ず最初に、外骨格の１０個の関節の角度を得ることが必要である（ステップ９１５）。図５２ａ及び図５２ｂは、図１〜図４０の外骨格５００のモデル及び計算することが必要な１０個の関節角度９０１〜９１０を示している。図５２ａは、横及び関節が長手方向に互いに取る角度から外骨格を示している。図５２ｂは、後ろ及び関節が横方向に互いに取る角度から外骨格を示している。以下の表６は、図５２ａ及び図５２ｂの関節角度９０１〜９１０と外骨格５００（図１１〜図４０）の対応の関節と関節がその角度をなすよう回転する中心となる軸線との間の関係を示している。

簡単な比例関係を用いて関節角度９０１〜９１０をアクチュエータ７０１〜７１０の長さから計算することができる。以下の表７は、かかる関係の一例を与えているが、理解されるように、用いられている値は、外骨格システムコンポーネント（即ち、関節及びアクチュエータの形式及び寸法）に依存している。

ＷＡ数学システムがアクチュエータ長さから関節角度を計算した後、外骨格の或る特定の身体箇所についてグローバルＸ，Ｙ及びＺ座標を反復法により計算する（ステップ９３０）。図５３ａ及び図５３ｂは、図５２ａ及び図５２ｂの場合と同一のモデルを示しており、身体箇所９７１〜９８１が表示されている。この特定の例では、身体箇所９７７〜９８１のＸＹＺ座標は、アクチュエータを停止させたときの非固定足の現在の位置を表す上で望ましい。身体箇所９７２〜９８１のＸＹＺ位置は、固定足身体箇所９７１に対して計算される。計算方法は、反復法であり、この方法は、身体箇所９７２〜９８１のＸＹＺ座標を固定されている（地面上）足、即ち、身体箇所９７１に対して逐次計算する。

「グローバル」Ｘ，Ｙ及びＺ座標を計算する方法は、四元数を用いて達成される。計算は、下肢の足首関節のところに位置し、「固定足フラグ」をターンオンさせるＸＹＺ（１）で始まり、これは、図５３ａの第１の身体箇所９７１である。ＸＹＺ（１）は、グローバルＸ，Ｙ，Ｚ座標系の基準ゼロ座標、即ち、Ｘ＝０、Ｙ＝０及びＺ＝０に初期化される。ベクトル形態では、これは次の通りである。

身体箇所９７２は、その現在の位置に到達するのに２回転、即ち角度９０１の回転（アクチュエータ７０１により生じる）及び角度９０３の回転（アクチュエータ７０３により生じる）を行なっている。角度９０１，９０３は、図５２ａ及び図５２ｂに見える。

角度θ_i回転した後におけるｎ番目の身体箇所の場所（身体箇所９７１は、最初の身体箇所、身体箇所９７２は、２番目の身体箇所等である）は、次式によって与えられる。

上式において、
ｎ＝ｎ番目の身体箇所
ｉ＝結合角度の数
Ｗ＝ｃｏｓ（θ_i／２）
Ｘ＝ｉ・ｓｉｎ（θ_i／２）
Ｙ＝ｊ・ｓｉｎ（θ_i／２）
Ｚ＝ｋ・ｓｉｎ（θ_i／２）
ｉ＝Ｘ方向における単位ベクトル
ｊ＝Ｙ方向における単位ベクトル
ｋ＝Ｚ方向における単位ベクトル

等式１．１は、関節角度９０１，９０３についてそれぞれ第２の身体箇所９７２について２回適用され、即ち、ｉ＝９０１を用いて１回、そしてｉ＝９０３を用いて１回行なわれる。ｎは、身体箇所９７２の新たなＸＹＺ位置を計算した後、増分される。このプロセスは、最後の身体箇所（身体箇所９８０）にいったん達すると終了する。次に、角度９０４，９０２を用いて身体箇所９７９に対して身体箇所９８１を計算することができる。

全ての身体箇所（９７１〜９８１）の場所をＸ，Ｙ，Ｚ座標系でいったん計算すると、地形勾配に接触する足のＸＹＺ座標（図５３の身体箇所９７６，９７７，９７８，９７９，９８０及び９８１）を操作して最大許容地形勾配を達成する。外骨格が動くことできるようにする最大許容地形は、外骨格パラメータ及び機能に従ってあらかじめ設定される。好ましい形態では、最大許容地形は、２つのパラメータ、即ち、長手方向に許容できる最大角度を示す一方のパラメータ、横方向に許容できる最大角度を示す他方のパラメータで構成されている。以下は、最大許容地形をどのようにして達成することができるかについての説明を提供するが、これは例示に過ぎない。しかしながら、この技術は、制御システムによりさしあたっての目下の状況に適切に適用でき、上述の変数の値は、例示として与えられていることは理解されよう。

最大長手方向角度の達成

後側スイッチか前側スイッチかのいずれかを作動させるが、両方を作動させなかった場合、長手方向勾配の変化が検出される。理論的には、両方のやり方にとっての最大長手方向角度を達成するのに必要なイベントのシーケンスは、同一である。

図５４は、前側のスイッチ（のうちの一方又は両方）を作動させるが、着地足と地形の長手方向勾配との間の角度の差に起因して後側のスイッチを作動させなかった場合の例を示している。上述したように、触覚スイッチを作動させると、アクチュエータは、停止する。身体箇所９７６，９７７，９７８のＸＹＺ座標は、図５４に示されている２つのベクトルＶ１，Ｖ２を定めるよう用いられる（図５１のステップ９３５）。Ｖ１及びＶ２は、地形表面に接触する足の箇所にこれらの原点を有する。図５４の場合、これは、身体箇所９７８である。ベクトルは、長手方向に延び、Ｖ１は、足首部分（この例では、身体箇所９７６）で終わり、Ｖ２は、足の他端部（この例では、身体箇所９７７）で終わる。

したがって、上述の身体箇所座標に関するベクトル表記法を用いると、数学モデルは、次のように定義されることが必要である。

２つのベクトルをいったん求めると、数学モデルは、これらのベクトルを最大許容角度まで回転させようとする。１組の単位ベクトルｉ，ｊ，ｋを数学モデルによって用いてベクトルＶ１，Ｖ２について回転軸線を定める（図５４のベクトルｊは、紙面中に進む）。足のどのコーナ部が地形に接触するかに応じてベクトルを設定する。単位ベクトルを例えばｉ＝０、ｊ＝−１、ｋ＝０に設定すると、身体箇所９７８は、Ｖ１，Ｖ２の回転の場合、ピボット箇所として働く。回転方向は、これ又、足のどの部分が地形に接触しているかに応じて、求められ、即ち、前側のセンサがトリガを行なった場合、回転は長手方向に時計回りであり、後側のセンサがトリガを行なった場合、回転は反時計回りの方向である。

ベクトルＶ１，Ｖ２が長手方向において最大許容角度の状態にあるようにベクトルＶ１，Ｖ２を回転させるのに必要な角度θ_rotateは、あらかじめ記憶されているθ_{max_long}（これは、図５４に示されている水平／平坦な地形に対する長手方向における最大許容勾配角度を規定する）とＶ２の角度θ_V2（これは、公知の数学的技術を用いて求めることができる）の差を求めることによって決定される。したがって、θ_rotate＝θ_{max_long}−θ_V2である。

図５５は、かかる回転（図５１のステップ９４０の結果）後におけるベクトルＶ１，Ｖ２の理論的場所を示している。理解できるように、Ｖ１，Ｖ２並びに外骨格のより重要な身体箇所９７６〜９７８は、今や、最大許容長手方向勾配で差し向けられているものとして表される。この場合、回転後のＶ１，Ｖ２は、身体箇所９７６〜９７８の所望の位置を定める。この所望の位置を達成するため、膝関節（又はこの例では、身体箇所９７５）は、図５６に示されている位置から図５７に示されている９７５（ｎｅｗ）で表示された新たな位置に動くことが必要である。身体箇所９７５のこの新たな所望の位置９７５（ｎｅｗ）を計算するため、逆運動学的原理を数学モデルで用いる（図５１のステップ９４５）。

好ましい形態では、図５６で理解できるように、円を交差させる方法を用いて下肢の下方部分を身体箇所９７６に連係させて身体箇所９７５（ｎｅｗ）について解を求める。身体箇所９７５（ｎｅｗ）のＸＹＺ座標をＸ座標に大きな値を持つ２つの円（身体箇所９７４，９７５のところにこれらの中心を持つと共に長さ９７４〜９７５及び長さ９７５〜９７６によりそれぞれ定められるこれらの半径を有する）相互間の交点であると見なされる。これにより、膝関節は、人間の生体力学的限度内に留まるようになる。これは、身体箇所９７５（ｎｅｗ）について解を求めるために利用できる１つの公知の逆運動学的方法であるが、変形例として、当業者に知られている他の方法をモデルによって利用できることは理解されよう。

この段階における数学モデルは、長手方向に最大許容勾配と一致する足の向きを達成する身体箇所９７５〜９７８の新たな理論的又は所望の位置（ＸＹＺ座標における）を求めた。ＸＹＺ座標におけるこれら理論的位置を関節角度に変換し（上述の等式１．１を用いて、図５１のステップ９５０）、次に、関節角度をアクチュエータ長さに変換する（これ又上述の比例関係を用いて、図５１のステップ９５５）。次に、アクチュエータ長さ（最大許容足向きを達成する）をモータコントローラに送る（又は、直接アクチュエータに送る）。アクチュエータは、これら所望の長さに向かって調節するよう作動され（図５１のステップ９６０）、ついには、後側のセンサは、地形表面に接触して足を長手方向に関し地形に位置合わせさせる。この段階において、アクチュエータは、長手方向における足の角度が図５８に示されているように勾配の角度に一致するのでこれらの動作を止める（図５１のステップ９６５）。長手方向における足の角度を現在のアクチュエータ長さから計算して現在の地形状態の長手方向成分を更新する。

最大横方向角度の達成

外骨格が横方向における勾配の変化に適合する方法は、長手方向に関して上述した方法とほぼ同じである。しかしながら、分かりやすくするために一例を記載する。

後側スイッチか前側スイッチかのいずれかを作動させるが、両方を作動させなかった場合、横方向勾配の変化が検出される。理論的には、両方のやり方にとっての最大横方向角度を達成するのに必要なイベントのシーケンスは、同一である。

図５９は、左側のスイッチ（のうちの一方又は両方）を作動させるが、着地足と地形の長手方向勾配との間の角度の差に起因して左側のスイッチを作動させなかった場合の例を示している。上述したように、１つ又は複数の触覚スイッチを作動させると、アクチュエータは、停止する。身体箇所９７９，９８０，９８１のＸＹＺ座標は、図５９に示されている２つのベクトルＶ１，Ｖ２を定めるよう用いられる（図５１のステップ９３５）。Ｖ１及びＶ２は、地形表面に接触する足の箇所にこれらの原点を有する。図５９の場合、これは、身体箇所９８０である。ベクトルは、横方向に延び、Ｖ１は、足首部分（この例では、身体箇所９７９）で終わり、Ｖ２は、足の他端部（この例では、身体箇所９８１）で終わる。

したがって、上述の身体箇所座標に関するベクトル表記法を用いると、数学モデルは、次のように定義されることが必要である。

２つのベクトルをいったん求めると、数学モデルは、これらのベクトルを最大許容角度まで回転させようとする。１組の単位ベクトルｉ，ｊ，ｋを数学モデルによって用いてベクトルＶ１，Ｖ２について回転軸線を定める（図５９のベクトルｊは、紙面中に進む）。足のどのコーナ部が地形に接触するかに応じてベクトルを設定する。単位ベクトルを例えばｉ＝０、ｊ＝−１、ｋ＝０に設定すると、身体箇所９７８は、Ｖ１，Ｖ２の回転の場合、ピボット箇所として働く。回転方向は、これ又、足のどの部分が地形に接触しているかに応じて、求められ、即ち、右側のセンサがトリガを行なった場合、回転は横方向に反時計回りであり、左側のセンサがトリガを行なった場合、回転は時計回りの方向である。

ベクトルＶ１，Ｖ２が横方向において最大許容角度の状態にあるようにベクトルＶ１，Ｖ２を回転させるのに必要な角度θ_rotateは、あらかじめ記憶されているθ_{max_trans}（これは、図５９に示されている水平／平坦な地形に対する横方向における最大許容勾配角度を規定する）とＶ２の角度θ_V2（これは、公知の数学的技術を用いて求めることができる）の差を求めることによって決定される。したがって、θ_rotate＝θ_{max_trans}−θ_V2である。

図６０は、かかる回転（図５１のステップ９４０の結果）後におけるベクトルＶ１，Ｖ２の理論的場所を示している。理解できるように、Ｖ１，Ｖ２並びに外骨格のより重要な身体箇所９７９〜９８１は、今や、最大許容横方向勾配で差し向けられているものとして表される。この場合、回転後のＶ１，Ｖ２は、身体箇所９７９〜９８１の所望の位置を定める。この所望の位置を達成するため、股関節（又はこの例では、身体箇所９７４）は、図６１に示されている位置から図６２に示されている９７４（ｎｅｗ）で表示された新たな位置に動くことが必要である。身体箇所９７４のこの新たな所望の位置９７４（ｎｅｗ）を計算するため、逆運動学的原理を数学モデルで用いる（図５１のステップ９４５）。

図６１で理解できるように、円を交差させる方法を用いて下肢の下方部分を身体箇所９７９に連係させて身体箇所９７４（ｎｅｗ）について解を求める。身体箇所９７４（ｎｅｗ）のＸＹＺ座標をＹ座標に大きな値を持つ２つの円（身体箇所９７３，９７４のところにこれらの中心を持つと共に長さ９７３〜９７４及び長さ９７４〜９７９によりそれぞれ定められるこれらの半径を有する）相互間の交点であると見なされる。これにより、股関節は、人間の生体力学的限度内に留まるようになる。これは、身体箇所９７４（ｎｅｗ）について解を求めるために利用できる１つの公知の逆運動学方法であるが、変形例として、当業者に知られている他の方法をモデルによって利用できることは理解されよう。

この段階における数学モデルは、横方向に最大許容勾配と一致する足の向きを達成する身体箇所９７９〜９８１の新たな理論的又は所望の位置（ＸＹＺ座標における）を求めた。ＸＹＺ座標におけるこれら理論的位置を関節角度に変換し（上述の等式１．１を用いて、図５１のステップ９５０）、次に、関節角度をアクチュエータ長さに変換する（これ又上述の比例関係を用いて、図５１のステップ９５５）。次に、アクチュエータ長さ（最大許容足向きを達成する）をモータコントローラに送る（又は、直接アクチュエータに送る）。アクチュエータは、これら所望の長さに向かって調節するよう作動され（図５１のステップ９６０）、ついには、後側のセンサは、地形表面に接触して足を横方向に関し地形に位置合わせさせる。この段階において、アクチュエータは、横方向における足の角度が図６３に示されているように勾配の角度に一致するのでこれらの動作を止める（図５１のステップ９６５）。横方向における足の角度を現在のアクチュエータ長さから計算して現在の地形状態の横方向成分を更新する。

地形状態更新

図６４は、足を新たな地形に適合させるよう調節した後に生じる地形状態の交信シーケンスの基本的流れ図の概観を示している。ＷＡの足が図５８又は図６３に示されているように勾配に完全に接触すると（全ての触覚スイッチがトリガを行なう）、ＷＡに新たなアクチュエータ長さをロードする。これら長さは、表７の比例関係を用いて角度に変換される。次に、長手方向及び横方向における足の角度（これは、長手方向及び横方向におけるそれぞれの地形の角度である）を関節角度から計算する（ステップ９９０）。

加速度計の傾斜読みも又、長手方向及び横方向において足から読み取る（ステップ９９１）。ＷＡにより計算された足角度と加速度計の結果の両方の結果の平均を平均し（ステップ９９２）、これを次の命令に用いるためにそれぞれの横方向及び長手方向地形データ状態にロードする（ステップ９９３）。

バランスサブシステム

バランスサブシステムは、圧力中心（ＣｏＰ）が運動シーケンス中、支持多角形内に位置するようにするようアクチュエータ位置をリアルタイムで修正する。静的シーケンスに関し、一般に、各足のＣｏＰを支持多角形内に位置させて安定性及びバランスを維持するだけで十分である。運動シーケンスを行なう動的システムの場合、これ又、特定のＣｏＰ場所をこのシーケンス中の各命令に関し支持多角形内に位置させることが必要である。これは、運動シーケンスが歪むのを阻止する（即ち、動的システム内に静的バランスを取るだけでは十分ではない）。外骨格が各命令中、各足内の所望のＣｏＰを維持する場合、システムは、バランスを歪めず又は失わないで、所要の運動シーケンスを適切に実施することができる。

上述の要件を達成するため、ＣｏＰ場所のオフライン計算により、各事前プログラム命令に関し、各足に１組の標的ｘｙ位置をもたらす。各命令に関するＣｏＰ１３００は、依然として、支持多角形１３１０及びバランス取りされるべきシステムに関し図６５に示されているように各足の周りに形成されたデッドバンド内に位置することが必要である。デッドバンドは、外骨格を互いに異なる角度でバランス取りして外骨格がバランスを欠く箇所を定めることによって見出される（試行錯誤）。

一般に、バランスサブシステムは、先ず最初に足の１つ又は２つ以上の領域のところの圧力を表す圧力センサからの入力を圧力データに基づいて外骨格の着地足部材のソールのところの実際の圧力中心場所を求めることにより現在の命令に従って１つ又は２つ以上のアクチュエータの運動中、外骨格を定期的にバランス取りする。現在の命令と関連した所望の圧力中心場所を得ること及び実際の圧力中心を現在の命令に関する所望の圧力中心に向かって足の下の実際の圧力中心をシフトさせる位置まで各着地足部材の向きと関連したアクチュエータを動かすことが実施される。

比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラが命令の実施中、ＣｏＰの変化を是正するために足部材７０１，７０２，７０３，７０４（図４５〜図４９のモデル７００の足部材アクチュエータ）の各々について用いられる（図６５に示されているようにｋの許容誤差で）。特定の命令のタイムインスタンス中における事前プログラムＣｏＰと実際のＣｏＰの誤差を次の形式を有するＰＩＤに入れる。

上式において、
ｎ＝アクチュエータ番号７０１〜７０４
ｔ＝時間
ｅ_n＝ＤＣｏＰ_n−ＡＣｏＰ_n
ＤＣｏＰ_n＝所望の圧力中心
ＡＣｏＰ_n＝実際の圧力中心
Ｋ_p＝比例ゲイン定数（試行錯誤）
Ｋ_i＝積分ゲイン定数（試行錯誤）
Ｋ_d＝微分ゲイン定数（試行錯誤）
ｕ_nの出力は、Δ_{actuator length}／ＣｏＰ_errorの形態をしており、これは、バランス制御機構体への入力である。

図６６は、バランス制御サブシステムと関連したプログラム流れ図１０００を示している。ステップ１００５では、外骨格のユーザは、所望の特定の運動シーケンスを選択する。次に、第１の命令をロードし、アクチュエータは、この命令を実行するよう動き始める（ステップ１０１０）。特定の命令を実行するのに必要な時間を一連の時間ステップに分割する。時間ステップは、試行錯誤により得られた値であり、これは、バランスサブシステムが経時的にどれほど多く呼び出されるかを特定する。理解されるように、バランスサブシステムは、任意のあらかじめ設定された頻度で運動シーケンス中定期的働くことができる。

シーケンスを開始させた後、各着地足のＣｏＰを全ての時間ステップで計算し（ステップ１０１５）、その間、アクチュエータは、動き続ける。各時間ステップ後、その特定の時間ステップに関して現在の計算されたＣｏＰと所望のＣｏＰ場所との誤差（後で詳細に説明する）を計算し（ステップ１０２０）、これをＰＩＤコントローラに入れてその誤差を是正するのに必要なアクチュエータ長さの変化を得る（ステップ１０２５）。

バランスサブシステムは、次に、現在の時間ステップにおける実際のアクチュエータ位置と図６７ａに示されている命令の終了時での所望のアクチュエータ位置との間の比例表示を補間する（ステップ１０３０）。この補間により、次の時間ステップでのアクチュエータ位置を予測することができる（ステップ１０３５）。ＰＩＤの出力（アクチュエータ長さの変化）をこのアクチュエータ位置予測に加えて次の時間ステップに関する所望のアクチュエータ位置を与える（ステップ１０４０）。このように、アクチュエータは、この命令に関して最終の所望のアクチュエータ位置に向かって動き続け、アクチュエータは又、現在の時間ステップで計算されたＣｏＰ誤差があるか誤差について是正する。

この機構体は又、図６７ｂに示されている命令の終了時における実際のＣｏＰと所望のＣｏＰ場所との間の比例表示を補間する（ステップ１０４５）。これにより、次の時間ステップでの所望のＣｏＰ場所を求めることができる（ステップ１０５０）。次に、次の時間ステップでの所望のＣｏＰ場所及び次の時間ステップでの所望のアクチュエータ位置をアクチュエータに送る（ステップ１０５５）。次の時間ステップでは、アクチュエータは、この受け取ったアクチュエータ位置に向かって調節を行ない（ステップ１０６０）、受け取ったＣｏＰ場所を用いてステップ１０２０で誤差を計算する。命令がいったん完了すると（全ての時間ステップが完了すると）、次の命令を呼び出し（シーケンス中に更にそれ以上存在していれば）、プロセスを新たな命令の所望の実際の長さ及びＣｏＰ位置について繰り返し実施する。この方法は、ＷＡのＣｏＰを維持し、かくして、システムをバランスの取れた状態に維持する。

圧力中心の計算

次に、図６８の流れ図１１００を参照して足のＣｏＰを計算する好ましい方法について説明する。足のベース（足のベースは、支持多角形であると見なされる）に沿うＣｏＰのＸ，Ｙ位置を計算するため、４つの圧力センサＰ１〜Ｐ４を図６９の足モデル１２００に示されているように各足の４つのコーナ部に用いる。三角形の幾何学的特性を用いてＣｏＰを計算し、この場合、三角形は、４つのコーナ部のところで検出された圧力により表される重み係数に基づいて大きな三角形の内部に形成される。

ＷＡの足の表示である長方形１２０５を図６９に示されているように２つの大きな三角形１２１０，１２１５に分割する（図６８のステップ１１１０）。等式２．１を用いてｘ方向における三角形１２１０の図心１２１０ａを計算し、等式２．２を用いてｙ方向における三角形１２１０の図心１２１０ａを計算する。同様に、等式２．３を用いてｘ方向における三角形１２１５の図心１２１５ａを計算し、等式２．４を用いてｙ方向における三角形１２１５の図心１２１５ａを計算する（図６８のステップ１１１５）。

上式において、
ＣＴ_nx＝ｎ＝１，２の場合、ｘ方向における大きな三角形ｎの図心
ＣＴ_ny＝ｎ＝１，２の場合、ｙ方向における大きな三角形ｎの図心
ＦＣ_x＝ｘ方向における足の図心
ＦＣ_y＝ｙ方向における足の図心
Ｐ_n＝ｎ＝１，２，３，４の場合、センサＰ_nからの圧力の読み
ＰＴ１＝Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ４
ＰＴ２＝Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４
ＩＰ_nx＝ｎ＝１，２，３，４の場合、圧力センサＰ_nのｘ座標
ＩＰ_ny＝ｎ＝１，２，３，４の場合、圧力センサＰ_nのｙ座標

次に、図７０に示されているように大きな三角形１２１０，１２１５の図心周りに小さな三角形１２１１，１２１６を形成する（図６８のステップ１１２０）。足に加わる全圧力に対するそれぞれの圧力センサ及び大きな三角形の図心と足のそれぞれのコーナ部との間の距離の重み付けを用いて小さな三角形１２１１，１２１６の座標を見出す。内側の三角形Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３，Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ２３を構成する頂点のＸ座標をそれぞれ等式２．５〜２．１０により計算し、他方、内部三角形Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３，Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ２３を構成する頂点のＹ座標をそれぞれ等式２．１１〜２．１６により計算する。

次に、三角形のコーナ部のところに存在する圧力及び２つの三角形の中心（足の中心）と内側三角形の図心１２１１ａ，１２１６ａとの間の距離によって重み付けされた係数に基づいて内側三角形１２１１，１２１６の図心１２１１ａ，１２１６ａを計算する（図６８のステップ１１２５）。これは、図７１に示されている。等式２．１７，２．１８を用いてそれぞれ内側三角形１２１１及び内側三角形１２１６の図心１２１６ａ，１２１６ａのＸ座標を計算する。等式２．１９，２．２０を用いてそれぞれ内側三角形１２１１及び内側三角形１２１６の図心のＹ座標を計算する。

図７２は、最後に、足のＣｏＰ１３００を示している。等式２．２１，２．２２にそれぞれ適用される内側三角形の図心１２１１ａ，１２１６ａのＸ座標及びＹ座標を用いてＣｏＰ１３００のＸ座標及びＹ座標（ＣｏＰ＿Ｘ及びＣｏＰ＿Ｙ）を計算する。

他の入力‐圧力パッド

座部センサ‐ＷＡの後部には２つのセンサが設けられ、即ち、各「大腿」領域に１つ設けられている。ユーザがＳＩＴ（着座）又はＳＴＡＮＤ（起立）の機能を作動させると、これらセンサが作動される。着座機能で作動されると、これらセンサは、ユーザの体重が座部に移された時点を求め、それにより着座機能が終了するようにする。起立機能で作動されると、これらセンサは、ユーザの体重がもはや座部によって支持されていない時点を求め、したがって、センサは、起立機能を続行することができるようになっている。

本発明の上述の説明は、本発明の好ましい形態を含む。添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、かかる好ましい形態の改造例を想到できる。

Claims (40)

1. ユーザにより着用される外骨格を制御する制御方法であって、前記外骨格は、各々がユーザの身体部分に対応する前記外骨格の種々の身体部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを有し、前記方法は、
   所望の運動シーケンスを表す入力データを受け取るステップを有し、
   少なくとも、前記運動シーケンスを実行するのに必要な着地足命令を含む１つ又は２つ以上の順次命令を表す事前プログラム運動データをメモリから得るステップを有し、各命令は、該命令を実行するために相対アクチュエータ運動と関連しており、
   各命令に関する前記相対アクチュエータ運動に従って１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすステップを有し、
   地形勾配の変化を表すデータの受け取り時に前記着地足命令を調節するステップを有し、前記調節ステップは、
   前記外骨格の着地足部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かして前記足部材を最大許容勾配角度に向かって回動させるステップと、
   前記足部材と前記勾配の位置合わせを表す入力の受け取り時に前記足部材と関連した前記１つ又は２つ以上のアクチュエータの運動を停止させるステップとを含む、方法。
2. 前記足部材は、前記足部材の裏面の全てのコーナ領域のところに設けられた少なくとも１つの接触センサを有し、前記コーナ領域は、横方向に２つの対をなす実質的に位置合わせされたコーナ領域及び長手方向に２つの対をなす実質的に位置合わせされたコーナ領域を形成している、請求項１記載の方法。
3. 各接触センサは、触覚センサである、請求項２記載の方法。
4. 各接触センサは、圧力センサである、請求項２記載の方法。
5. 地形勾配の変化を表す前記データは、トリガ信号が前記着地足部材の裏面と前記地形との接触時に前記コーナ領域のうちの幾つかだけの１つ又は複数個のセンサから受け取られると、受け取られる、請求項２〜４のうちいずれか一に記載の方法。
6. 前記地形勾配は、長手方向成分と、横方向成分とから成り、地形勾配の変化を表すデータは、前記地形勾配の前記長手方向成分の変化若しくは前記地形勾配の前記横方向成分の変化又はこれら両方を表している、請求項５記載の方法。
7. 前記最大許容勾配角度は、前記勾配と長手方向に延びる実質的に水平の線とのなす最大許容角度か前記勾配と横方向に延びる実質的に水平の線とのなす最大許容横方向角度かのいずれかである、請求項６記載の方法。
8. 前記２つの対をなす横方向に位置合わせされたコーナ領域のうちの１つだけと関連した少なくとも１つの接触センサからのトリガ信号の受け取りは、前記地形勾配の前記長手方向成分の変化を表し、前記２つの対をなす長手方向に位置合わせされたコーナ領域のうちの１つだけと関連した少なくとも１つの接触センサからのトリガ信号の受け取りは、前記地形勾配の前記横方向成分の変化を表す、請求項７記載の方法。
9. 前記外骨格の着地足部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かして前記足部材を最大許容勾配角度に向かって回動させる前記ステップは、前記足部材をトリガ信号の受け取りの源である対をなす位置合わせされたコーナ領域を通る軸線回りに回動させるステップを含む、請求項８記載の方法。
10. 前記１つ又は２つ以上のアクチュエータの運動を停止させる前記ステップは、前記ピボット軸線が通る前記対とは反対側の対をなす位置合わせされたコーナ領域と関連した少なくとも１つのセンサから、前記足部材と前記地形勾配との位置合わせを表すトリガ信号を受け取った際に前記運動を停止させるステップを含む、請求項９記載の方法。
11. 前記最大許容勾配角度は、あらかじめ定められていて、メモリに記憶されている、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載の方法。
12. 前記方法は、地形勾配の変化を表すデータの受け取り時に前記１つ又は２つ以上のアクチュエータの運動を停止させるステップを更に有する、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の方法。
13. 現在の地形勾配を表す地形状態データを格納する前記ステップは、
    足部材の角度及び前記足部材と関連した加速度計からの入力データを平均するステップと、
    前記平均した角度を前記現在の地形勾配を表す前記データとして記憶するステップとを含む、請求項１２記載の方法。
14. 前記１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすステップの実施前であって前記事前プログラムの運動データを得た後に、前記地形勾配を表す格納された地形状態データに従って前記相対アクチュエータ運動を更新するステップを更に有する、請求項１２又は１３記載の方法。
15. 各アクチュエータを動かす前記ステップは、前記アクチュエータの長さを変えるステップを含み、前記アクチュエータの長さを変えることにより、前記外骨格の身体部材相互間に形成された関連する関節の角度を変更する、請求項１〜１４のうちいずれか一に記載の方法。
16. 前記着地足部材と関連した前記１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かして前記足部材を最大許容勾配角度に向かって回動させる前記ステップは、
    前記足部材を前記地形勾配に位置合わせするのに必要なピボット軸線及びピボット方向を識別するステップと、
    １つ又は複数の前記関連する関節の角度を各アクチュエータの前記長さから得るステップと、
    前記足関節の角度を用いて前記必要なピボット軸線及び前記ピボット方向と関連した前記外骨格の足関節の相対位置を計算するステップと、
    前記足部材を最大許容勾配角度まで回動させるのに必要な前記着地足部材と関連した前記足関節の所望の位置を求めるステップと、
    逆運動学的原理を利用して前記足関節の位置に影響を及ぼす各関節の所望の位置を求めるステップと、
    前記足関節の前記位置に影響を及ぼす前記関節の前記所望の位置から所望の関節角度を求めるステップと、
    各所望の関節角度と関連した各アクチュエータの長さの所望の変化分を求めるステップと、
    各所望の関節角度と関連した各アクチュエータの長さを前記アクチュエータの長さの前記所望の変化に向かって変化させるステップとを含む、請求項１５記載の方法。
17. 前記足部材は、前記足部材と前記地形の位置合わせに関する分解能を向上させるよう前記足部材の中央前側及び後側領域と前記地形の接触状態に関する情報を提供する中間領域接触センサを有する、請求項１〜１６のうちいずれか一に記載の方法。
18. ユーザにより着用される外骨格を制御する制御方法であって、前記外骨格は、各々がユーザの身体部分に対応する前記外骨格の種々の身体部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを有し、前記方法は、
    所望の運動シーケンスを表す入力データを受け取るステップを有し、
    前記運動シーケンスを実行するのに必要な１つ又は２つ以上の順次命令を表す事前プログラム運動データをメモリから得るステップを有し、各命令は、該命令を実行するために相対アクチュエータ運動と関連しており、
    現在の地形状態を表す記憶された調節データに従って前記相対アクチュエータ運動を更新するステップを有し、
    各命令に関する前記更新された相対アクチュエータ運動に従って前記１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすステップを有する、方法。
19. ユーザにより着用される外骨格を制御する方法であって、前記外骨格は、前記ユーザの足に対応した前記外骨格の少なくとも足部材と関連していて、前記足部材を地形勾配の変化に合わせて調節する１つ又は２つ以上のアクチュエータを有し、前記方法は、
    前記足部材と関連した着地命令の実行中、地形勾配の変化を表すデータを受け取るステップと、
    前記足部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かして前記足部材を最大許容勾配角度に向かって回動させるステップと、
    前記足部材と前記勾配の位置合わせを表す入力の受け取り時に、前記足部材と関連した前記１つ又は２つ以上のアクチュエータの運動を停止させるステップとを有する、方法。
20. ユーザにより着用させる外骨格を制御する方法であって、前記外骨格は、各々が前記ユーザの身体部分に対応した前記外骨格の種々の身体部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを有し、前記方法は、
    所望の運動シーケンスを表す入力データを受け取るステップを有し、
    前記運動シーケンスを実行するのに必要な１つ又は２つ以上の順次命令を表す事前プログラム運動データをメモリから得るステップを有し、各命令は、該命令を実行するために相対アクチュエータ運動と関連しており、
    各命令に関する前記相対アクチュエータ運動に従って前記１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすステップを有し、
    現在の命令に従って前記１つ又は２つ以上のアクチュエータの運動中、前記外骨格を定期的にバランス取りするステップを有し、前記定期的バランス取りステップは、
    前記足の１つ又は２つ以上の領域のところの圧力を表す入力圧力データに基づいて前記外骨格の少なくとも１つの着地足部材の裏面のところの実際の圧力中心場所を求め、
    前記１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすもとになる現在の命令と関連した所望の圧力中心場所を得て、
    前記着地足部材の向きと関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを前記足の下の前記実際の圧力中心を前記現在の命令に関する前記所望の圧力中心に向かってシフトさせる位置まで動かすことによって実施される、方法。
21. 前記外骨格を定期的にバランス取りする前記ステップは、前記現在の命令の実行中、所定の時間ステップで実施される、請求項２０記載の方法。
22. 前記外骨格を定期的にバランス取りする前記ステップは、
    前記実際の圧力中心場所と現在の時間ステップに関する所望の圧力中心場所との圧力中心の誤差を求めるステップと、
    前記着地した足部材の向きと関連した各アクチュエータに関し、次の時間ステップについて所望のアクチュエータ位置を求めるステップと、
    各アクチュエータに関する前記誤差に基づいて前記次の時間ステップについて前記所望のアクチュエータ位置を調節するステップと、
    前記次の時間ステップ中、各アクチュエータを前記調節されたアクチュエータ位置に向かって動かすステップとを更に含む、請求項２１記載の方法。
23. 現在の時間ステップのための前記所望の圧力中心場所は、先の時間ステップのところで、
    前記先の時間ステップのところでの実際の圧力中心場所と前記命令に関する前記所望の圧力中心場所との間を補間し、
    次の時間ステップのための所望の圧力中心場所を前記補間により求めることによって求められる、請求項２２記載の方法。
24. 次の時間ステップのための所望のアクチュエータ位置を求める前記ステップは、
    実際のアクチュエータ位置と前記現在の命令に関する完了したアクチュエータ運動から生じる所望のアクチュエータ位置との間を補間するステップと、
    前記次の時間ステップに関する前記所望のアクチュエータ位置を前記補間から求めるステップとを含む、請求項２２又は２３記載の方法。
25. 前記次の時間ステップに関する前記所望のアクチュエータ位置を調節する前記ステップは、
    前記圧力中心誤差を用いてアクチュエータ位置の変化を求めるステップと、前記アクチュエータ位置の変化を前記次の時間ステップに関する前記所望のアクチュエータ位置に加えて前記次の時間ステップに関する前記所望のアクチュエータ位置を調節するステップとを含む、請求項２２〜２４のうちいずれか一に記載の方法。
26. 前記圧力中心誤差を用いてアクチュエータ位置の変化を求める前記ステップは、前記アクチュエータ位置の変化の指標を出力するよう構成されたフィードバックコントローラに前記誤差を入力することによって達成される、請求項２５記載の方法。
27. 前記フィードバックコントローラは、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラである、請求項２６記載の方法。
28. 前記１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かす前記ステップは、前記１つ又は２つ以上のアクチュエータの長さを変化させるステップを含む、請求項２０〜２７のうちいずれか一に記載の方法。
29. 各着地足部材は、前記着地足の裏面の４つのコーナ部のところに少なくとも１つの圧力センサを有する、請求項２０〜２８のうちいずれか一に記載の方法。
30. 使用者により着用される外骨格を前記外骨格の１つ又は２つ以上のアクチュエータの相対運動中にバランス取りして所定の命令を実行する方法であって、前記バランス取り方法は、
    前記足の１つ又は２つ以上の領域のところの圧力を表す入力圧力データに基づいて前記外骨格の少なくとも１つの着地足の下の実際の圧力中心を計算するステップと、
    前記実際の圧力中心と前記所定の命令に関する所望の圧力中心との間の圧力中心誤差を求めるステップと、
    前記１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かして前記足の下の前記実際の圧力中心を前記所定の命令に関する前記所定の圧力中心に向かってシフトさせることにより前記圧力中心誤差を帳消しにするステップとを有する、方法。
31. 前記外骨格は、
    ｉ）剛性骨盤支持部材を有し、前記剛性骨盤支持部材は、前記ユーザを動作的に支持するためにユーザを少なくとも前記骨盤支持部材に締結するユーザ固定装置を含み、
    ｉｉ）第１の下肢構造体及び第２の下肢構造体を有し、前記第１の下肢構造体及び前記第２の下肢構造体は各々、ユーザのそれぞれの下肢に隣接した動作場所が得られるよう前記骨盤支持部材に結合されると共にこれから延び、前記第１の下肢構造体及び前記第２の下肢構造体の各々は、
    前記ユーザの上側下肢に係合する上側下肢構造部材を有し、前記上側下肢構造部材は、その第１の端部が股関節により前記骨盤支持部材に回動可能に係合され、
    前記ユーザの前記下側下肢に係合する下側下肢構造部材を有し、前記下側下肢構造部材は、その第１の端部が股関節により前記上側下肢構造部材の第２の端部に回動可能に係合され、
    ユーザの足に係合する足部材を有し、前記足部材は、足関節により前記下側下肢構造部材の第２の端部に回動可能に係合され、
    前記股関節回りの前記骨盤支持部材に対する前記上側下肢構造部材の回転を作動させて使用中、前記上側下肢構造部材を前方／後方平面内で回動させるよう構成された主股関節アクチュエータを有し、
    前記膝関節回りの前記上側下肢構造部材に対する前記下側下肢構造部材の回転を作動させるよう構成された膝関節アクチュエータを有し、
    前記膝関節の回転軸線に実質的に平行な回転軸線を中心とした前記足関節回りの前記下側下肢構造部材に対する前記足部材の回転を作動させるよう構成された主足関節アクチュエータを有し、
    ｉｉｉ）動力を前記主股関節アクチュエータ、膝関節アクチュエータ及び主足関節アクチュエータから選択された少なくとも１つ又は２つ以上に動力を提供するよう構成された動力源を有する、請求項１〜３０のうちいずれか一に記載の方法。
32. ユーザにより着用される外骨格を制御する制御システムであって、前記外骨格は、各々がユーザの身体部分に対応する前記外骨格の種々の身体部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを有し、前記制御システムは、
    所望の運動シーケンスを表す入力データを受け取るユーザインターフェイスを有し、
    前記運動シーケンスを実行するのに必要な１つ又は２つ以上の順次命令を表す事前プログラム運動データを格納するメモリコンポーネントを有し、各命令は、該命令を実行するために相対アクチュエータ運動と関連しており、
    各命令に関する相対アクチュエータ運動に従って前記１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすアクチュエータコントローラを有し、
    地形勾配の変化の検出時に前記アクチュエータ運動を調節する地形サブシステムを有し、
    前記１つ又は２つ以上のアクチュエータの相対運動中、前記外骨格のバランスを定期的に調節するバランス制御サブシステムを有する、制御システム。
33. 前記制御システムは、地形勾配の変化を検出するよう前記外骨格の足部材の裏面の４つのコーナ領域のところに配置された接触センサからの入力を受け取る、請求項３２記載の制御システム。
34. 前記地形サブシステムは、
    前記外骨格の足部材を最大許容勾配角度に向かって回動させるのに必要な前記足部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータの運動を求め、
    前記足部材と前記勾配の位置合わせを表す入力の受け取り時に前記足部材と関連した前記１つ又は２つ以上のアクチュエータの運動を停止させるよう構成されている、請求項３２又は３３記載の制御システム。
35. 前記バランス制御サブシステムは、前記外骨格の足部材の裏面の４つのコーナ領域のところに配置された４つの圧力センサからの入力を受け取る、請求項３２〜３４のうちいずれか一に記載の制御システム。
36. 前記圧力センサの入力は、前記バランス制御サブシステムが前記足の裏面のところの圧力中心の場所を求め、それにより前記アクチュエータ運動の所望の調節を求めて前記圧力中心の場所を特定の命令に関する所望の圧力中心場所に向かってシフトさせることができるようにする、請求項３５記載の制御システム。
37. 前記制御システムは、前記足部材と前記地形の位置合わせに関する分解能を向上させるよう前記足部材の中央前側及び後側領域と前記地形の接触状態に関する情報を提供する足部材の２つの中間領域接触センサからの入力を受け取る、請求項３２〜３６のうちいずれか一に記載の制御システム。
38. ユーザにより着用される外骨格を制御する制御システムであって、前記外骨格は、各々がユーザの身体部分に対応する前記外骨格の種々の身体部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを有し、前記制御システムは、
    所望の運動シーケンスを表す入力データを受け取るユーザインターフェイスを有し、
    前記運動シーケンスを実行するのに必要な１つ又は２つ以上の順次命令を表す事前プログラム運動データを格納するメモリコンポーネントを有し、各命令は、該命令を実行するために相対アクチュエータ運動と関連しており、
    各命令に関する相対アクチュエータ運動に従って前記１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすアクチュエータコントローラを有し、
    地形勾配の変化の検出時に前記アクチュエータ運動を調節する地形サブシステムを有する、制御システム。
39. ユーザにより着用される外骨格を制御する制御システムであって、前記外骨格は、各々がユーザの身体部分に対応する前記外骨格の種々の身体部材と関連した１つ又は２つ以上のアクチュエータを有し、前記制御システムは、
    所望の運動シーケンスを表す入力データを受け取るユーザインターフェイスを有し、
    前記運動シーケンスを実行するのに必要な１つ又は２つ以上の順次命令を表す事前プログラム運動データを格納するメモリコンポーネントを有し、各命令は、該命令を実行するために相対アクチュエータ運動と関連しており、
    各命令に関する相対アクチュエータ運動に従って前記１つ又は２つ以上のアクチュエータを動かすアクチュエータコントローラを有し、
    前記１つ又は２つ以上のアクチュエータの相対運動中、前記外骨格のバランスを定期的に調節するバランス制御サブシステムを有する、制御システム。
40. 外骨格を制御する前記制御システムであって、前記外骨格は、
    ｉ）剛性骨盤支持部材を有し、前記剛性骨盤支持部材は、前記ユーザを動作的に支持するためにユーザを少なくとも前記骨盤支持部材に締結するユーザ固定装置を含み、
    ｉｉ）第１の下肢構造体及び第２の下肢構造体を有し、前記第１の下肢構造体及び前記第２の下肢構造体は各々、ユーザのそれぞれの下肢に隣接した動作場所が得られるよう前記骨盤支持部材に結合されると共にこれから延び、前記第１の下肢構造体及び前記第２の下肢構造体の各々は、
    前記ユーザの上側下肢に係合する上側下肢構造部材を有し、前記上側下肢構造部材は、その第１の端部が股関節により前記骨盤支持部材に回動可能に係合され、
    前記ユーザの前記下側下肢に係合する下側下肢構造部材を有し、前記下側下肢構造部材は、その第１の端部が股関節により前記上側下肢構造部材の第２の端部に回動可能に係合され、
    ユーザの足に係合する足部材を有し、前記足部材は、足関節により前記下側下肢構造部材の第２の端部に回動可能に係合され、
    前記股関節回りの前記骨盤支持部材に対する前記上側下肢構造部材の回転を作動させて使用中、前記上側下肢構造部材を前方／後方平面内で回動させるよう構成された主股関節アクチュエータを有し、
    前記膝関節回りの前記上側下肢構造部材に対する前記下側下肢構造部材の回転を作動させるよう構成された膝関節アクチュエータを有し、
    前記膝関節の回転軸線に実質的に平行な回転軸線を中心とした前記足関節回りの前記下側下肢構造部材に対する前記足部材の回転を作動させるよう構成された主足関節アクチュエータを有し、
    ｉｉｉ）動力を前記主股関節アクチュエータ、膝関節アクチュエータ及び主足関節アクチュエータから選択された少なくとも１つ又は２つ以上に動力を提供するよう構成された動力源を有する、請求項３２〜３９のうちいずれか一に記載の制御システム。

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