JP5388747B2 - トレーニング装置 - Google Patents

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Description

本発明は、アクチュエータの動作により生じる力を、装具を介してエージェントの身体に伝達させるように構成されているトレーニング装置に関する。
エージェント（人間）に力を作用させて、その脚体等の動作を補助する技術が提案されている（特許文献１および２参照）。
特開２００７−０５４０８６号公報 特開２００７−２５９１７５号公報
しかし、力の作用形態が一定であるためにエージェントに違和感を覚えさせる可能性がある。
そこで、本発明は、さまざまな形態でエージェントに力を作用させることができるトレーニング装置を提供することを解決課題とする。
前記課題を解決するための本発明のトレーニング装置は、エージェントの上体および脚体のそれぞれに装着される第１装着要素および第２装着要素と、アクチュエータと、前記アクチュエータの動作を制御する制御装置とを備え、前記第１装着要素および前記第２装着要素を介して前記アクチュエータの動作により生じる力を前記エージェントに伝達させるように構成されているトレーニング装置であって、前記エージェントにその上体および脚体の相対運動に対する補助力を作用させるアシストモードと、前記エージェントにその上体および脚体の相対運動に対する抵抗力を作用させるトレーニングモードとを使い分けて動作し、前記制御装置が、前記エージェントの上体に対する脚体の相対姿勢を表わす姿勢変数が第１アシスト基準値以上であり、かつ、前記姿勢変数の１階時間微分である姿勢変化速度が負であって前記姿勢変数が極大値に近づくほど前記姿勢変化速度が０に近づく第１アシスト定義域において、前記姿勢変数が極大値に近づくほど０に近づく一方、前記姿勢変数が前記第１アシスト基準値に近づくほど極小値に近づく変化特性を有する関数にしたがって前記補助力を制御し、前記姿勢変数が前記第１アシスト基準値未満であり、かつ、前記姿勢変化速度が負であって前記姿勢変数が極小値に近づくほど前記姿勢変化速度が０に近づく第２アシスト定義域において、前記姿勢変数が極小値に近づくほど０に近づく一方、前記姿勢変数が前記第１アシスト基準値に近づくほど極小値に近づく変化特性を有する関数にしたがって前記補助力を制御し、前記姿勢変数が第２アシスト基準値未満であり、かつ、前記姿勢変化速度が正であって前記姿勢変数が極小値に近づくほど前記姿勢変化速度が０に近づく第３アシスト定義域において、前記姿勢変数が極小値に近づくほど０に近づく一方、前記姿勢変数が前記第２アシスト基準値に近づくほど極大値に近づく変化特性を有する関数にしたがって前記補助力を制御し、前記姿勢変数が前記第２アシスト基準値以上であり、かつ、前記姿勢変化速度が正であって前記姿勢変数が極大値に近づくほど前記姿勢変化速度が０に近づく第４アシスト定義域において、前記姿勢変数が極大値に近づくほど０に近づく一方、前記姿勢変数が前記第２アシスト基準値に近づくほど極大値に近づく変化特性を有する関数にしたがって前記補助力を制御するように構成されていることを特徴とする（第１発明）。
本発明のトレーニング装置によれば、モードの使い分けにより、エージェントにその上体および脚体の相対運動の方向に対して順方向の力（補助力）が作用する状況と、エージェントにその上体および脚体の相対運動の方向に対して逆方向の力（抵抗力）が作用する状況とが実現される。これにより、エージェントがその上体および脚体の相対運動を伴う歩行運動等をしている際、さまざまな形態でエージェントに力を作用させることができる。
当該構成のトレーニング装置によれば、エージェントの上体および脚体の相対姿勢および相対姿勢の時系列的な変化態様のうち少なくとも１つに応じて、当該エージェントに作用させる力の強さおよび方向を変化させることができる。
当該構成のトレーニング装置によれば、エージェントが歩行運動しており、その姿勢変数および姿勢変化速度のそれぞれの測定値が第１アシスト定義域、第２アシスト定義域、第３アシスト定義域および第４アシスト定義域の順で循環的に遷移する場合、次のようにその動作が制御される。当該測定値が第ｉアシスト定義域（ｉ＝１〜４）に含まれる期間が第ｉアシスト期間と定義される。
「第１アシスト期間」においては、補助力が０からその極小値まで連続的に低下するように制御される。「第２アシスト期間」においては、補助力がその極小値から０まで連続的に上昇するように制御される。「第３アシスト期間」においては、補助力が０からその極大値まで連続的に上昇するように制御される。「第４アシスト期間」においては、補助力がその極大値Ｆから０まで連続的に低下するように制御される。
これにより、エージェントの歩行運動時における上体に対する脚体の相対的な動きを補助する力が、姿勢変数および姿勢変化角度の測定値により表わされるエージェントの運動状態に鑑みて適当な変化形態でエージェントに与えられる。
第１発明のトレーニング装置において、前記制御装置が、前記補助力および前記姿勢変数により定義される平面において、前記補助力の変化態様を表わす曲線の近似式と、前記姿勢変数および前記姿勢変化速度の測定値とを用いて前記補助力を制御するように構成されていてもよい（第２発明）。
当該構成のトレーニング装置によれば、歩行運動等、姿勢変数および姿勢変化速度のそれぞれが連続的に変化している状態で、エージェントに与えられる補助力が連続的に変化するように調節されうる。
第１または第２発明のトレーニング装置において、前記制御装置が、前記姿勢変数が第１トレーニング基準値以上であり、かつ、前記姿勢変数の１階時間微分である姿勢変化速度が負であって前記姿勢変数が極大値に近づくほど前記姿勢変化速度が０に近づく第１トレーニング定義域において、前記姿勢変数が極大値に近づくほど０に近づく一方、前記姿勢変数が前記第１トレーニング基準値に近づくほど極大値に近づく変化特性を有する関数にしたがって前記抵抗力を制御し、前記姿勢変数が前記第１トレーニング基準値未満であり、かつ、前記姿勢変化速度が負であって前記姿勢変数が極小値に近づくほど前記姿勢変化速度が０に近づく第２トレーニング定義域において、前記姿勢変数が極小値に近づくほど０に近づく一方、前記姿勢変数が前記第１トレーニング基準値に近づくほど極大値に近づく変化特性を有する関数にしたがって前記抵抗力を制御し、前記姿勢変数が第２トレーニング基準値未満であり、かつ、前記姿勢変化速度が正であって前記姿勢変数が極小値に近づくほど前記姿勢変化速度が０に近づく第３トレーニング定義域において、前記姿勢変数が極小値に近づくほど０に近づく一方、前記姿勢変数が前記第２トレーニング基準値に近づくほど極小値に近づく変化特性を有する関数にしたがって前記抵抗力を制御し、前記姿勢変数が前記第２トレーニング基準値以上であり、かつ、前記姿勢変化速度が正であって前記姿勢変数が極大値に近づくほど前記姿勢変化速度が０に近づく第４トレーニング定義域において、前記姿勢変数が極大値に近づくほど０に近づく一方、前記姿勢変数が前記第２トレーニング基準値に近づくほど極小値に近づく変化特性を有する関数にしたがって前記抵抗力を制御するように構成されていてもよい（第３発明）。
当該構成のトレーニング装置によれば、エージェントが歩行運動しており、その姿勢変数および姿勢変化速度のそれぞれの測定値が第１トレーニング定義域、第２トレーニング定義域、第３トレーニング定義域および第４トレーニング定義域の順で循環的に遷移する場合、次のようにその動作が制御される。当該測定値が第ｉトレーニング定義域（ｉ＝１〜４）に含まれる期間が第ｉトレーニング期間と定義される。
「第１トレーニング期間」においては、抵抗力が０からその極大値まで連続的に上昇するように制御される。「第２トレーニング期間」においては、抵抗力がその極大値から０まで連続的に低下するように制御される。「第３トレーニング期間」においては、抵抗力が０からその極小値まで連続的に低下するように制御される。「第４トレーニング期間」においては、抵抗力がその極小値から０まで連続的に上昇するように制御される。
これにより、エージェントの歩行運動時における上体に対する脚体の相対的な動きに抵抗する力が、姿勢変数および姿勢変化角度の測定値により表わされるエージェントの運動状態に鑑みて適当な変化形態でエージェントに与えられる。
第３発明のトレーニング装置において、前記制御装置が、前記抵抗力および前記姿勢変数により定義される平面において、前記抵抗力の変化態様を表わす曲線の近似式と、前記姿勢変数および前記姿勢変化速度の測定値とを用いて前記抵抗力を制御するように構成されていてもよい（第４発明）。
当該構成のトレーニング装置によれば、歩行運動等、姿勢変数および姿勢変化速度のそれぞれが連続的に変化している状態で、エージェントに与えられる抵抗力が連続的に変化するように調節されうる。
第１〜第４発明のうちいずれか１つのトレーニング装置において、前記制御装置が、前記エージェントの上体に対する脚体の相対姿勢を表わす姿勢変数に対する、前記アクチュエータの動作により前記エージェントに作用する力の位相差を制御することにより、前記力を前記補助力および前記抵抗力のうち一方として前記エージェントに作用させるように構成されていてもよい（第５発明）。
第１〜第５発明のうちいずれか１つのトレーニング装置において、前記制御装置が、前
記エージェントの脚体のそれぞれの立脚状態および遊脚状態の別を判定し、当該判定結果の別に応じて前記補助力および前記抵抗力のそれぞれの変化形態が相違するように、前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていてもよい（第６発明）。
当該構成のトレーニング装置によれば、脚体の立脚状態（脚体が着床している状態）および遊脚状態（脚体が離床している状態）の別に応じて、エージェントの上体および当該脚体の相対運動に対して作用する補助力および抵抗力のそれぞれの変化形態を相違させることができる。
第６発明のトレーニング装置において、前記制御装置が、前記エージェントの脚体が立脚状態であると判定された場合、前記エージェントの脚体が遊脚状態であると判定された場合と比較して、前記補助力および前記抵抗力のそれぞれが強くなるように、前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていてもよい（第７発明）。
当該構成のトレーニング装置によれば、脚体の立脚状態および遊脚状態の別に応じて、エージェントの上体および当該脚体の相対運動に対して作用する補助力および抵抗力のそれぞれの強弱を相違させることができる。ここでの力の強弱とは、立脚状態および遊脚状態の別以外の因子が同一である状況における力の強弱を意味する。
第１〜第７発明のうちいずれか１つのトレーニング装置において、前記制御装置が、前記エージェントの歩行面の姿勢を認識し、当該認識結果の相違に応じて前記補助力および前記抵抗力のそれぞれの変化形態が相違するように、前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていてもよい（第８発明）。
第８発明のトレーニング装置において、前記制御装置が、前記歩行面の姿勢が上昇傾斜姿勢であると認識した場合、前記歩行面の姿勢が平坦姿勢または下降傾斜姿勢であると認識した場合と比較して、前記補助力が強くなるように前記アクチュエータの動作を制御するとともに、前記歩行面の姿勢が平坦姿勢であると認識した場合、前記歩行面の姿勢が下降傾斜姿勢であると認識した場合と比較して、前記補助力が強くなるように前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていてもよい（第９発明）。
第８発明のトレーニング装置において、前記制御装置が、前記歩行面の姿勢が下降傾斜姿勢であると認識した場合、前記歩行面の姿勢が平坦姿勢または上昇傾斜姿勢であると認識した場合と比較して、前記抵抗力が強くなるように前記アクチュエータの動作を制御するとともに、前記歩行面の姿勢が平坦姿勢であると認識した場合、前記歩行面の姿勢が上昇傾斜姿勢であると認識した場合と比較して、前記抵抗力が強くなるように前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていてもよい（第１０発明）。
当該構成のトレーニング装置によれば、エージェントが歩行する地面または床面（歩行面）の姿勢の別に応じた、歩行に要する上体および脚体の相対運動の力の強弱の相違に鑑みて、強弱が適当に調節された抵抗力をエージェントに作用させることができる。
第１〜第１０発明のうちいずれか１つのトレーニング装置において、前記制御装置が、前記アシストモードの開始時点から終了時点にかけて前記補助力が０から連続的に変化した上で０に戻るように前記アクチュエータの動作を制御するとともに、前記トレーニングモードの開始時点から終了時点にかけて前記抵抗力が０から連続的に変化した上で０に戻るように前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていてもよい（第１１発明）。
第１〜第１１発明のうちいずれか１つのトレーニング装置において、前記アシストモードおよび前記トレーニングモードのうち１つの前記エージェントによる指定を可能とする第１インターフェースを備え、前記制御装置が、前記第１インターフェースから出力される当該指定に応じた信号に基づき、前記アシストモードおよび前記トレーニングモードのうち１つにしたがって前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていてもよい（第１２発明）。
当該構成のトレーニング装置によれば、エージェントの意思に応じてアシストモードおよびトレーニングモードの間で動作モードが切り替えられる。これにより、エージェントがその上体および脚体の相対運動を伴う歩行運動等をしている際、当該エージェントの意思が反映されたさまざまな形態でエージェントに力を作用させることができる。
第１〜第１２発明のうちいずれか１つのトレーニング装置において、同一条件下における前記補助力の変化形態が異なる複数の前記アシストモードを、動作モードの選択肢として有し、前記複数のアシストモードのうち１つの前記エージェントによる指定を可能とする第２インターフェースを備え、前記制御装置が、前記第２インターフェースから出力された当該指定に応じた信号に基づき、前記複数のアシストモードのうち１つにしたがって前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていてもよい（第１３発明）。
当該構成のトレーニング装置によれば、エージェントの意思に応じて複数のアシストモードのうち一のアシストモード方のアシストモードに切り替えられる。これにより、エージェントがその上体および脚体の相対運動を伴う歩行運動等をしている際、当該エージェントの意思が反映されたさまざまな形態でエージェントに補助力を作用させることができる。
第１〜第１３発明のうちいずれか１つのトレーニング装置において、同一条件下における前記抵抗力の変化形態が異なる複数の前記トレーニングモードを、動作モードの選択肢として有し、前記複数のトレーニングモードのうち１つの前記エージェントによる指定を可能とする第３インターフェースを備え、前記制御装置が、前記第３インターフェースから出力された当該指定に応じた信号に基づき、前記トレーニングモードのうち１つにしたがって前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていてもよい（第１４発明）。
当該構成のトレーニング装置によれば、エージェントの意思に応じて複数のトレーニングモードのうち１つのトレーニングモードに切り替えられる。これにより、エージェントがその上体および脚体の相対運動を伴う歩行運動等をしている際、当該エージェントの意思が反映されたさまざまな形態でエージェントに抵抗力を作用させることができる。
第１〜第１４発明のうちいずれか１つのトレーニング装置において、前記制御装置が、前記エージェントの疲労度を測定し、当該測定結果に基づいて前記アシストモードおよび前記トレーニングモードを切り替えるように構成されていてもよい（第１５発明）。
当該構成のトレーニング装置によれば、エージェントの疲労度の高低に応じて、当該エージェントにその上体および脚体の相対運動の方向に対して補助力が作用する状況と、当該エージェントにその上体および脚体の相対運動の方向に対して抵抗力が作用する状況とが実現される。
第１〜第１５発明のうちいずれか１つのトレーニング装置において、前記アクチュエータの構成要素としてのモータの出力軸から減速機構を介して前記補助力および前記抵抗力のそれぞれを前記エージェントに伝達させるように構成され、前記制御装置が、前記減速機構の減速比を切り替えることにより前記補助力および前記抵抗力のそれぞれを調節するように構成されていてもよい（第１６発明）。
当該構成のトレーニング装置によれば、減速機構の減速比が調節されることにより、強弱の異なる補助力および抵抗力をエージェントに作用させることができる。
第１〜第１６発明のうちいずれか１つのトレーニング装置において、前記アクチュエータの構成要素としてのモータの回生制動またはフリクションにより前記抵抗力を前記エージェントに伝達させるように構成され、前記モータの回生制動により生成された電気エネルギーを蓄える蓄電システムを備えていてもよい（第１７発明）。
当該構成のトレーニング装置によれば、モータのフリクションおよびモータの回生制動という仕組みの相違に応じて、エージェントに作用させる抵抗力の変化形態を相違させることができる。また、モータの回生制動により生成された電気エネルギーが蓄電システムに蓄えられる。
第１７発明のトレーニング装置において、前記蓄電システムから電気エネルギーを外部電子機器に供給するための接続端子を備えていてもよい（第１８発明）。
当該構成のトレーニング装置によれば、前記のようにモータの回生制動により生成され、蓄電システムに蓄えられた電気エネルギーを外部電子機器に利用させることができる。
第１〜第１８発明のうちいずれか１つのトレーニング装置において、前記制御装置が、前記エージェントの歩行周期、歩幅、歩行率および歩行比のうち少なくとも１つを歩行状態変数として測定し、前記歩行状態変数の測定値が目標値に一致するように前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていてもよい（第１９発明）。
当該構成のトレーニング装置によれば、エージェントがその上体および脚体の相対運動を伴う歩行運動をしている際、さまざまな形態でエージェントに力を作用させることができるとともに、その歩行形態を目標形態に近づけることができる。
本発明のトレーニング装置の構成説明図。 本発明のトレーニング装置の制御装置の構成説明図。 アシストトルクの決定方法に関する説明図。 アシストトルクの変化形態に関する説明図。 エージェントの歩行状態の変化形態に関する説明図。 トレーニングトルクの決定方法に関する説明図。 トレーニングトルクの変化形態に関する説明図。 エージェントの歩行状態の変化形態に関する説明図。 ハイブリッドモードにおけるトルクの決定方法に関する説明図。 ハイブリッドモードにおけるトルクの変化形態に関する説明図。 エージェントの歩行状態の変化形態に関する説明図。 回生電流に関する説明図。
本発明のトレーニング装置の実施形態について図面を用いて説明する。
（トレーニング装置の構成）
本発明の一実施形態としてのトレーニング装置の構成について説明する。
図１に示されているトレーニング装置１は、第１装着要素１１と、第２装着要素１２と、アクチュエータ２２とを備えている。図２に示されているようにトレーニング装置１は、状態センサ２０２と、操作用のインターフェース２０４と、制御装置２０と、バッテリ２１とを備えている。
第１装着要素１１はエージェント（人間）の腰部の後側に押し当てられる腰当１１１と、腰当を腰部に固定するために腹部に巻き付けられるバンド１１２とを備えている。腰当１１１はたとえば可撓性のある適度に硬質の樹脂により形成されている。腰当１１１の左右両側のそれぞれの下端部には、アクチュエータ２２がロール軸回りの回動自由度を持って取り付けられている。
第２装着要素１２はエージェントの脚体のうち大腿部に巻き付けられるバンドを備えている。第２装着要素２２のうち、大腿部前側にはアクチュエータ２２の出力を第２装着要素１２に伝達するためのリンク部材１３がロール軸回りの回動自由度を持って取り付けられている。リンク部材１３は硬質樹脂により、エージェントの腰部左右両側のそれぞれから、左右それぞれの大腿部の前側に向かって湾曲した形状に形成されている。
制御装置２０は第１装着要素１１の腰当１１１に内蔵されているコンピュータ（ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏ回路，Ａ／Ｄ変換回路等により構成されている。）により構成されている。制御装置２０は状態センサ２０２からの出力信号およびインターフェース２０４からの出力信号を対象として、適宜メモリから読み出したプログラムにしたがって演算処理を実行する。これにより、制御装置２０は、バッテリ２１の充電および放電、ならびに、アクチュエータ２２の動作を制御する。
バッテリ２１も第１装着要素１１の腰当１１１に内蔵されている。バッテリ２１は電源として制御装置２０およびアクチュエータ２２のそれぞれに対して電力を供給する。バッテリ２１はインバータ（図示略）とともに蓄電システムを構成し、アクチュエータ２２を構成するモータ２２１により生成された電気エネルギーをインバータ経由で受け取った上で蓄える。
アクチュエータ２２はモータ２２１および減速機構２２２を備えている。モータ２２１の動作および減速機構２２２の減速比のそれぞれは制御装置２０により制御される。減速機構２２２を経た後のモータ２２１の出力がアクチュエータ２２の出力に該当する。アクチュエータ２２の出力は、第１装着要素１１を介してエージェントの腰部に伝達されるとともに、リンク部材１３および第２装着要素１２を介してエージェントの脚体（直接的には大腿部）に伝達される。
状態センサ２０２はエージェントのさまざまな状態に応じた信号を出力するように構成されている。たとえば、エージェントの腰部および大腿部（脚体）の相対角度（以下「脚体角度」という。）に応じた信号を出力する、エージェントの腰部の左右両側のそれぞれに配置されたロータリーエンコーダが状態センサ２０２に該当する。そのほか、アクチュエータ２２を構成するモータのロータ角度が脚体角度の算出基礎となるような場合、当該ロータ角度に応じた信号を出力する、当該モータに設けられたホール素子が状態センサ２２として採用されうる。
インターフェース２０４はエージェントにより指定されたモードに応じた信号を出力するように構成されている。第１装着要素１１に取り付けられた手動式のモード指定ボタン、タッチパネル式のモード指定ボタン、または、音声認識装置などがインターフェース２０４に該当する。
（トレーニング装置の機能）
前記構成のトレーニング装置の機能について説明する。
ＯＮ／ＯＦＦスイッチ（図示略）がＯＦＦからＯＮに切り替えられることにより、バッテリ２１から制御装置２０への電力供給が開始される。制御装置２０は、サンプリング周期または演算周期ごとに状態センサ２０２としてのロータリーエンコーダまたはホール素子からの出力信号を受け取り、エージェントの脚体角度φおよびその１階時間微分である脚体角速度φ’を算出する。
脚体角度φは、基本前額面に対する大腿部の傾斜角度を表わしている（図５および図８参照）。脚体角度φは、大腿部が基準前額面よりも前方にある状況では「正」であると定義される。その一方、脚体角度φは、大腿部が基準前額面よりも後方にある状況では「負」であると定義される。基本前額面は、エージェントの腰部を含み、エージェントの上体の傾斜に応じて前後に傾斜した姿勢で定義される。
脚体角速度φ’は、大腿部が基準前額面に対して後方から近づいている、または、大腿部が基準前額面に対して前方に遠ざかっている状況では「正」であると定義される。その一方、脚体角速度φ’は、大腿部が基準前額面に対して前方から近づいている、または、大腿部が基準前額面に対して後方に遠ざかっている状況では「負」であると定義される。
制御装置２０は、当該算出結果に基づき、インターフェース２０４を通じてエージェントにより指定されているモードにしたがってアクチュエータ２２の動作を制御することにより、エージェントに作用させる力を調節する。この際、モータ２２１の出力および減速機構２２２の減速比（ギヤ比）のうち一方または両方が制御されることにより力の強弱が調節されうる。
この力は、エージェントの大腿部を股関節回りに上体を基準として前後に揺動させるためのトルクＦと考えられる。トルクＦは、脚体角度φを上昇させるようにエージェントに作用する場合には「正」として定義される一方、脚体角度φを低下させるようにエージェントに作用する場合には「負」として定義される。
（アシストモードの場合）
エージェントによりアシストモードが指定されている場合、脚体角度φおよび脚体角速度φ’の測定値に基づき、アシスト関数Ｆ1（φ，φ’）にしたがってエージェントに作用させるトルクＦが調節される。
アシスト関数Ｆ1は、図３（ａ）に示されている第１アシスト定義域［α1＜φ］×［φ’＜０］、第２アシスト定義域［φ＜α1］×［φ’＜０］、第３アシスト定義域［φ＜α2］×［０＜φ’］および第４アシスト定義域［α２＜φ］×［０＜φ’］のそれぞれにおいて次に説明するように異なる特性を示すように定義されている。
なお、第１アシスト定義域および第２アシスト定義域の境界位置を定める第１アシスト基準角度α1、ならびに、第３アシスト定義域および第４アシスト定義域の境界位置を定める第２アシスト基準角度α2は任意の値（たとえば「０」）に設定されうる。
第１アシスト定義域において、アシスト関数Ｆ1は脚体角速度φ’が０に近づくほど（脚体角度φが極大値φmaxに近づくほど）「０」に近づく一方、脚体角度φが第１アシスト基準角度α1に近づくほど「極小値Ｆmin」に近づく変化特性を有している。第１アシスト定義域において、アシスト関数Ｆ1の脚体角度φによる偏微分関数∂Ｆ1／∂φは「正」であり、脚体角度φが第１アシスト基準角度α1に近づくほど「０」に近づく変化特性を有している。
第２アシスト定義域において、アシスト関数Ｆ1は脚体角速度φ’が０に近づくほど（脚体角度φが極小値φminに近づくほど）「０」に近づく一方、脚体角度φが第１アシスト基準角度α1に近づくほど「極小値Ｆmin」に近づく変化特性を有している。第２アシスト定義域において、アシスト関数Ｆ1の脚体角度φによる偏微分関数∂Ｆ1／∂φは「負」であり、脚体角度φが第１アシスト基準角度α1に近づくほど「０」に近づく変化特性を有している。
第３アシスト定義域において、アシスト関数Ｆ1は脚体角速度φ’が０に近づくほど（脚体角度φが極小値φminに近づくほど）「０」に近づく一方、脚体角度φが第２アシスト基準角度α2に近づくほど「極大値Ｆmax」に近づく変化特性を有している。第３アシスト定義域において、アシスト関数Ｆ1の脚体角度φによる偏微分関数∂Ｆ1／∂φは「正」であり、脚体角度φが第２アシスト基準角度α2に近づくほど「０」に近づく変化特性を有している。
第４アシスト定義域において、アシスト関数Ｆ1は脚体角速度φ’が０に近づくほど（脚体角度φが極大値φmaxに近づくほど）「０」に近づく一方、脚体角度φが第２アシスト基準角度α2に近づくほど「極大値Ｆmax」に近づく変化特性を有している。第４アシスト定義域において、アシスト関数Ｆ1の脚体角度φによる偏微分関数∂Ｆ1／∂φは「負」であり、脚体角度φが第２アシスト基準角度α2に近づくほど「０」に近づく変化特性を有している。
図３（ｂ）には、アシスト関数Ｆ1および脚体角度φにより定義されるＦ1−φ平面におけるアシストトルクの変化態様を示す軌跡が示されている。この軌跡は、第１〜第４アシスト定義域のそれぞれに対応する矢印ａｓ１〜ａｓ４が環状に連なって構成されている。Ｆ1−φ平面における矢印ａｓ１〜ａｓ４のそれぞれの形状は、たとえば、Ｆ1i＝Ａ1iφ2＋Ｂ1iφ＋Ｃ1i（ｉ＝１，２，３，４）のように近似曲線式により表現されうる。
ここで、エージェントが図４に破線で示されているように左右それぞれの脚体角度φを周期的に変化させながら歩行している状況を考える。この状況で前記のような特性を有するアシスト関数Ｆ1にしたがうことにより、図４に一点鎖線で示されているようにアシストトルク（補助力）がエージェントに作用するようにアクチュエータ２２の動作が制御される。
すなわち、この状況においては第１アシスト期間→第２アシスト期間→第３アシスト期間→第４アシスト期間の順序で当該４つの期間が周期的に変遷する。第ｉアシスト期間（ｉ＝１〜４）とは、測定値（φ，φ’）が第ｉアシスト定義域に属する期間を意味する。
「第１アシスト期間」においては、アシストトルクが０からその極小値Ｆminまで連続的に低下するように制御される（図４参照）。すなわち、エージェントが立脚状態の脚体を支えとして上体を前方に並進させるような上体および当該脚体の相対運動（図５（ａ）→（ｂ）参照）に対する補助力が、最初は０で、その後徐々に強くなるような変化形態でエージェントに与えられる。
「第２アシスト期間」においては、アシストトルクがその極小値Ｆminから０まで連続的に上昇するように制御される（図４参照）。すなわち、エージェントが立脚状態の脚体を支えとして上体を前方に並進させるような上体および当該脚体の相対運動（図５（ｂ）→（ｃ）参照）に対する補助力が、最初は強く、その後徐々に弱くなって最後は０になるような変化形態でエージェントに与えられる。
「第３アシスト期間」においては、アシストトルクが０からその極大値Ｆmaxまで連続的に上昇するように制御される（図４参照）。すなわち、エージェントが主に遊脚状態の脚体を前方に並進させるような上体および当該脚体の相対運動（図５（ｃ）→（ｄ）参照）に対する補助力が、最初は０で、その後徐々に強くなるような変化形態でエージェントに与えられる。
「第４アシスト期間」においては、アシストトルクがその極大値Ｆmaxから０まで連続的に低下するように制御される（図４参照）。すなわち、エージェントが主に遊脚状態の脚体を前方に並進させるような上体および当該脚体の相対運動（図５（ｄ）→（ａ）参照）に対する補助力が、最初は強く、その後徐々に弱くなって最後は０になるような変化形態でエージェントに与えられる。
（トレーニングモードの場合）
エージェントによりトレーニングモードが指定されている場合、脚体角度φおよび脚体角速度φ’の測定値に基づき、トレーニング関数Ｆ2（φ，φ’）にしたがってエージェントに作用させるトルクＦが調節される。
トレーニング関数Ｆ2は、図６（ａ）に示されている、第１トレーニング定義域［β1＜φ］×［φ’＜０］、第２トレーニング定義域［φ＜β1］×［φ’＜０］、第３トレーニング定義域［φ＜β2］×［０＜φ’］および第４トレーニング定義域［β2＜φ］×［０＜φ’］のそれぞれにおいて次に説明するように異なる特性を示すように定義されている。
なお、第１トレーニング定義域および第２トレーニング定義域の境界位置を定める第１トレーニング基準角度β1、ならびに、第３トレーニング定義域および第４トレーニング定義域の境界位置を定める第２トレーニング基準角度β2は任意の値（たとえば「０」）に設定されうる。
第１トレーニング定義域において、トレーニング関数Ｆ2は脚体角速度φ’が０に近づくほど（脚体角度φが極大値φmaxに近づくほど）「０」に近づく一方、脚体角度φが第１トレーニング基準角度β1に近づくほど「極大値Ｆmax」に近づく変化特性を有している。また、第１トレーニング定義域において、トレーニング関数Ｆ2の脚体角度φによる偏微分関数∂Ｆ2／∂φは「負」であり、脚体角度φが第１トレーニング基準角度β1に近づくほど「０」に近づく変化特性を有している。
第２トレーニング定義域において、トレーニング関数Ｆ2は脚体角速度φ’が０に近づくほど（脚体角度φが極小値φminに近づくほど）「０」に近づく一方、脚体角度φが第１トレーニング基準角度β1に近づくほど「極大値Ｆmax」に近づく変化特性を有している。第２トレーニング定義域において、トレーニング関数Ｆ2の脚体角度φによる偏微分関数∂Ｆ2／∂φは「正」であり、脚体角度φが第１トレーニング基準角度β1に近づくほど「０」に近づく変化特性を有している。
第３トレーニング定義域において、トレーニング関数Ｆ2は脚体角速度φ’が０に近づくほど（脚体角度φが極小値φminに近づくほど）「０」に近づく一方、脚体角度φが第２トレーニング基準角度β2に近づくほど「極小値Ｆmin」に近づく変化特性を有している。第３トレーニング定義域において、トレーニング関数Ｆ2の脚体角度φによる偏微分関数∂Ｆ2／∂φは「負」であり、脚体角度φが第２トレーニング基準角度β2に近づくほど「０」に近づく変化特性を有している。
第４トレーニング定義域において、トレーニング関数Ｆ2は脚体角速度φ’が０に近づくほど（脚体角度φが極大値φmaxに近づくほど）「０」に近づく一方、脚体角度φが第２トレーニング基準角度β2に近づくほど「極小値Ｆmin」に近づく変化特性を有している。第４トレーニング定義域において、トレーニング関数Ｆ2の脚体角度φによる偏微分関数∂Ｆ2／∂φは「正」であり、脚体角度φが第２トレーニング基準角度β2に近づくほど「０」に近づく変化特性を有している。
図６（ｂ）には、トレーニング関数Ｆ2および脚体角度φにより定義されるＦ2−φ平面におけるトレーニングトルクの変化態様を示す軌跡が示されている。この軌跡は、第１〜第４トレーニング定義域のそれぞれに対応する矢印ｔｒ１〜ｔｒ４が環状に連なって構成されている。Ｆ2−φ平面における矢印ｔｒ１〜ｔｒ４のそれぞれの形状は、たとえば、Ｆ2i＝Ａ2iφ2＋Ｂ2iφ＋Ｃ2i（ｉ＝１，２，３，４）のように近似曲線式により表現されうる。
ここで、エージェントが図７に破線で示されているように左右それぞれの脚体角度φを周期的に変化させながら歩行している状況を考える。この状況で前記のような特性を有するトレーニング関数Ｆ2にしたがうことにより、図７に二点鎖線で示されているようにトレーニングトルク（抵抗力）がエージェントに作用するようにアクチュエータ２２の動作が制御される。
すなわち、この状況においては第１トレーニング期間→第２トレーニング期間→第３トレーニング期間→第４トレーニング期間の順序で当該４つの期間が周期的に変遷する。第ｉトレーニング期間（ｉ＝１〜４）とは、測定値（φ，φ’）が第ｉトレーニング定義域に属する期間を意味する。
「第１トレーニング期間」においては、トレーニングトルクが０からその極大値Ｆmaxまで連続的に上昇するように制御される（図７参照）。すなわち、エージェントが立脚状態の脚体を支えとして上体を前方に並進させるような上体および当該脚体の相対運動（図８（ａ）→（ｂ）参照）に対する抵抗力が、最初は０で、その後徐々に強くなるような変化形態でエージェントに与えられる。
「第２トレーニング期間」においては、トレーニングトルクがその極大値Ｆmaxから０まで連続的に低下するように制御される（図７参照）。すなわち、エージェントが立脚状態の脚体を支えとして上体を前方に並進させるような上体および当該脚体の相対運動（図８（ｂ）→（ｃ）参照）に対する抵抗力が、最初は強く、その後徐々に弱くなって最後は０になるような変化形態でエージェントに与えられる。
歩行しているエージェントの脚体が立脚状態にある間、抵抗力は、最初は無力で、徐々に強くなった後、徐々に弱くなって最後に再び無力になるように変化する（図８（ａ）→（ｂ）→（ｃ）参照）。
「第３トレーニング期間」においては、トレーニングトルクが０からその極小値Ｆminまで連続的に低下するように制御される（図７参照）。すなわち、エージェントが主に遊脚状態の脚体を前方に並進させるような上体および当該脚体の相対運動（図８（ｃ）→（ｄ）参照）に対する抵抗力が、最初は０で、その後徐々に強くなるような変化形態でエージェントに与えられる。
「第４トレーニング期間」においては、トレーニングトルクがその極小値Ｆminから０まで連続的に上昇するように制御される（図７参照）。すなわち、エージェントが主に遊脚状態の脚体を前方に並進させるような上体および当該脚体の相対運動（図８（ｄ）→（ａ）参照）に対する抵抗力が、最初は強く、その後徐々に弱くなって最後は０になるような変化形態でエージェントに与えられる。
歩行しているエージェントの脚体が遊脚状態にある間、抵抗力は、最初は無力で、徐々に強くなった後、徐々に弱くなって最後に再び無力になるように変化する（図８（ｃ）→（ｄ）→（ａ）参照）。
トレーニングモードにおいて、モータ２２１の回生制動によりエージェントに抵抗力が作用している場合、モータ２２１が発電機として機能して電気エネルギーを生成し、この電気エネルギーがバッテリ２１に蓄えられる。図１２に示されているように右脚体角度（一点鎖線）および左脚体角度（二点鎖線）が変化するようにエージェントが歩行している過程で、左右のモータ２２１の回生制動により生じた回生電流（実線）がインバータに供給されて、電気エネルギーとしてバッテリ２１に蓄えられる。
トレーニング装置１に携帯電話機等の外部電子機器用の接続端子が設けられることにより、バッテリ２１から当該接続端子を介して電気エネルギーを外部電子機器に供給して利用させることができる。
（ハイブリッドモードの場合）
エージェントによりハイブリッドモードが指定されている場合、脚体角度φおよび脚体角速度φ’の測定値に基づき、ハイブリッド関数Ｆ3（φ，φ’）にしたがってエージェントに作用させるトルクＦが調節される。ハイブリッドモードは、エージェントの各歩行周期において、アシストモードおよびトレーニングモードを使い分けるモードであるといえる。
ハイブリッド関数Ｆ3は、図９（ａ）に示されている第１ハイブリッド定義域［γ1＜φ＜γ2］×［０＜φ’］、第２ハイブリッド定義域［γ2＜φ］×［０＜φ’］＋［γ3＜φ］×［φ’＜０］、第３ハイブリッド定義域［γ4＜φ＜γ3］×［φ’＜０］および第４ハイブリッド定義域［φ＜γ4］×［φ’＜０］＋［φ＜γ1］×［０＜φ’］のそれぞれにおいて次に説明するように異なる特性を示すように定義されている。
なお、各ハイブリッド定義域の境界位置を定める第１ハイブリッド基準角度γ1、第２ハイブリッド基準角度γ2、第３ハイブリッド基準角度γ3および第４ハイブリッド基準角度γ4は任意の値に設定されうる。
第１ハイブリッド定義域において、ハイブリッド関数Ｆ3は脚体角度φが第１ハイブリッド基準角度γ1に近づくほど「０」に近づく一方、脚体角度φが第２ハイブリッド基準角度γ2に近づくほど「極大値Ｆmax」に近づく変化特性を有している。第１ハイブリッド定義域において、ハイブリッド関数Ｆ3の脚体角度φによる偏微分関数∂Ｆ3／∂φは「正」である。
第２ハイブリッド定義域において、ハイブリッド関数Ｆ3は脚体角速度φ’が負の状態で脚体角度φが第３ハイブリッド基準角度γ3に近づくほど「０」に近づく一方、脚体角速度φ’が正の状態で脚体角度φが第２ハイブリッド基準角度γ2に近づくほど「極大値Ｆmax」に近づく変化特性を有している。第２ハイブリッド定義域において、ハイブリッド関数Ｆ3の脚体角度φによる偏微分関数∂Ｆ3／∂φはφ’が正である場合は「負」であり、φ’が負である場合は「正」である。
第３ハイブリッド定義域において、ハイブリッド関数Ｆ3は脚体角度φが第３ハイブリッド基準角度γ3に近づくほど「０」に近づく一方、脚体角度φが第４ハイブリッド基準角度γ4に近づくほど「極小値Ｆmin」に近づく変化特性を有している。第３ハイブリッド定義域において、ハイブリッド関数Ｆ3の脚体角度φによる偏微分関数∂Ｆ3／∂φは「正」である。
第４ハイブリッド定義域において、ハイブリッド関数Ｆ3は脚体角速度φ’が正の状態で脚体角度φが第１ハイブリッド基準角度γ1に近づくほど「０」に近づく一方、脚体角速度φ’が負の状態で脚体角度φが第４ハイブリッド基準角度γ4に近づくほど「極小値Ｆmin」に近づく変化特性を有している。また、第４ハイブリッド定義域において、ハイブリッド関数Ｆ3の脚体角度φによる偏微分関数∂Ｆ3／∂φは脚体角速度φ’が負の場合は「負」であり、脚体角速度φ’が正の場合は「正」である。
図９（ｂ）には、ハイブリッド関数Ｆ3および脚体角度φにより定義されるＦ3−φ平面におけるトルクの変化態様を示す軌跡が示されている。この軌跡は、第１ハイブリッド定義域に対応する矢印ｈａｓ１と、第２ハイブリッド定義域におけるアシストモードおよびトレーニングモードのそれぞれに対応する矢印ｈａｓ２およびｈｔｒ２と、第３ハイブリッド定義域に対応する矢印ｈａｓ３と、第４ハイブリッド定義域におけるアシストモードおよびトレーニングモードのそれぞれに対応する矢印ｈａｓ４およびｈｔｒ４とが、環状に連なって構成されている。Ｆ3−φ平面における矢印ｈａｓ１〜ｈａｓ４、ｈｔｒ２およびｈｔｒ４のそれぞれの形状は、たとえば、Ｆ3k＝Ａ3kφ2＋Ｂ3kφ＋Ｃ3k（ｋ＝ａｓ１〜ａｓ４，ｔｒ２，ｔｒ４）のように近似曲線式により表現されうる。
ここで、エージェントが図１０に破線で示されているように左右それぞれの脚体角度φを周期的に変化させながら歩行している状況を考える。この状況で前記のような特性を有するハイブリッド関数Ｆ3にしたがうことにより、図１０に実線で示されているようにトルクがエージェントに作用するようにアクチュエータ２２の動作が制御される。
すなわち、この状況においては第１ハイブリッド期間→第２ハイブリッド期間→第３ハイブリッド期間→第４ハイブリッド期間の順序で当該４つの期間が周期的に変遷する。第ｉハイブリッド期間（ｉ＝１〜４）とは、測定値（φ，φ’）が第ｉハイブリッド定義域に属する期間を意味する。
「第１ハイブリッド期間」においては、トルクが０からその極大値Ｆmaxまで連続的に上昇するように制御される（図１０参照）。すなわち、エージェントが主に遊脚状態の脚体を前方に並進させるような上体および当該脚体の相対運動（図１１（ａ）→（ｂ）参照）に対する「補助力」が最初は０で徐々に強くなるような変化形態でエージェントに与えられる。
「第２ハイブリッド期間」においては、トルクがその極大値Ｆmaxから０まで連続的に低下するように制御される（図１０参照）。すなわち、まず、エージェントが主に遊脚状態の脚体を前方に並進させるような上体および当該脚体の相対運動（図１１（ｂ）→（ｃ）参照）に対する「補助力」が、最初は強く、その後徐々に弱くなるような変化形態でエージェントに与えられる。そして、エージェントが立脚状態の脚体を支えとして上体を前方に並進させるような上体および当該脚体の相対運動（図１１（ｃ）→（ｄ）参照）に対する「抵抗力」が、最初は強く、その後徐々に弱くなって最後に０になるような変化形態（初動負荷形態）でエージェントに与えられる。
「第３ハイブリッド期間」においては、トルクが０からその極小値Ｆminまで連続的に低下するように制御される（図１０参照）。すなわち、エージェントが立脚状態の脚体を支えとして上体を前方に並進させるような上体および当該脚体の相対運動（図１１（ｄ）→（ｅ）参照）に対する「補助力」が、最初は０で、その後徐々に強くなるような変化形態でエージェントに与えられる。
「第４ハイブリッド期間」においては、トルクがその極小値Ｆminから０まで連続的に上昇するように制御される（図１０参照）。すなわち、まず、エージェントが立脚状態の脚体を支えとして上体をさらに前方に並進させるような上体および当該脚体の相対運動（図１１（ｅ）→（ｆ）参照）に対する「補助力」が、最初は強く、その後徐々に弱くなるような変化形態でエージェントに与えられる。そして、エージェントが主に遊脚状態の脚体を前方に並進させるような上体および当該脚体の相対運動（図１１（ｆ）→（ａ）参照）に対する「抵抗力」が最初は強く、その後徐々に弱くなって最後に０になるような変化形態（初動負荷形態）でエージェントに与えられる。
前記のようにハイブリッドモードにおいて、エージェントの各歩行周期の間にアシスト期間およびトレーニング期間が混在している（図１０参照）。
なお、ハイブリッド基準角度γi（ｉ＝１〜４）を変更することにより、アシスト期間からトレーニング期間への切替タイミングを変更することができる。また、ハイブリッド基準角度γiを変更することにより、トレーニング期間においてエージェントに与えられる抵抗力の変化形態を初動負荷形態のほか、終動負荷形態等、さまざまな形態に変化させることができる。
ハイブリッドモードにおいても、モータ２２１の回生制動によりエージェントに抵抗力が作用している間、モータ２２１が発電機として機能して電気エネルギーを生成し、この電気エネルギーがバッテリ２１に蓄えられる（図１２参照）。
（トレーニング装置の作用効果）
前記機能を発揮するトレーニング装置１によれば、モードの使い分けにより、エージェントにその上体および脚体の相対運動の方向に対して順方向の力（補助力）が作用する状況と、エージェントにその上体および脚体の相対運動の方向に対して逆方向の力（抵抗力）が作用する状況とが実現される。これにより、エージェントがその上体および脚体の相対運動を伴う歩行運動等をしている際、さまざまな形態でエージェントに力を作用させることができる。
また、インターフェース２０４を通じたモード指定により、エージェントの意思に応じてアシストモードおよびトレーニングモードが切り替えられる。これにより、エージェントがその上体および脚体の相対運動を伴う歩行運動等をしている際、当該エージェントの意思が反映されたさまざまな形態でエージェントに力を作用させることができる。
たとえば、エージェントがトレーニングモードでトレーニング装置１を使用している途中で、インターフェース２０４を通じてアシストモードまたはハイブリッドモードを指定することにより、トレーニングモードに代えて当該指定モードでトレーニング装置１を使用することができる。
アシストモードの開始時点から終了時点にかけて補助力が０から連続的に変化した上で０に戻るようにアクチュエータ２２の動作が制御され、トレーニングモードの開始時点から終了時点にかけて抵抗力が０から連続的に変化した上で０に戻るようにアクチュエータ２２の動作が制御される。
たとえば、トレーニング装置１がトレーニングモードにしたがって動作している状況でエージェントによりアシストモードが指定された場合、トレーニングトルクが０になってからトルクが０に維持され、アシストトルクの初期値が０となるようなタイミングでアシストモードによる動作が開始される。トレーニング装置１がアシストモードにしたがって動作している状況でエージェントによりトレーニングモードが指定された場合等においても同様である。
これにより、エージェントに作用させる補助力および抵抗力のそれぞれを円滑に変化させることができる。また、アシストモードおよびトレーニングモードの切替時点において、エージェントに作用させる力の極性または方向を円滑に反転させることができる。
また、トレーニング装置１によれば、エージェントの上体および脚体の相対姿勢（脚体角度φ）および相対姿勢の時系列的な変化態様（脚体角速度φ’）のうち少なくとも１つに応じて、モータ２２１の回生制動により、当該エージェントに作用させる抵抗力の強さおよび方向を変化させることができる（図７および図１０参照）。これにより、上体および脚体の相対姿勢等により表わされるエージェントの歩行運動形態に鑑みて、当該エージェントに適当な抵抗力を作用させながら、モータ２２１の回生制動により当該運動エネルギーが電気エネルギーに変換されうる（図１２参照）。
（他の実施形態）
制御装置２０が、エージェントの脚体のそれぞれの立脚状態および遊脚状態の別を判定し、当該判定結果の別に応じて補助力および抵抗力のそれぞれの変化形態が相違するように、アクチュエータ２２の動作を制御してもよい。特に、エージェントの脚体が立脚状態であると判定された場合、エージェントの脚体が遊脚状態であると判定された場合と比較して、補助力および抵抗力のそれぞれが強くなるように調節されてもよい。ここでの力の強弱とは、立脚状態および遊脚状態の別以外の因子が同一である状況における力の強弱またはトルクの振幅を意味する（図４、図７および図１０参照）。
当該構成のトレーニング装置によれば、脚体の立脚状態（脚体が着床している状態）および遊脚状態（脚体が離床している状態）の別に応じて、エージェントの上体および当該脚体の相対運動に対して作用する補助力および抵抗力のそれぞれの変化形態を相違させることができる。
また、脚体の立脚状態および遊脚状態の別に応じて、上体および当該脚体の相対姿勢を変化させる運動エネルギーの高低に差があることに鑑みて、抵抗力の強弱、すなわち、回生制動による電気エネルギーの多少が調節されうる。具体的には、脚体が立脚状態にある場合、脚体が遊脚状態にある場合と比較して、上体の並進力または並進慣性力により上体および当該脚体の相対姿勢を変化させる運動エネルギーは高い。この点に鑑みて、立脚状態ではエージェントに作用させる抵抗力を強くして多くの電気エネルギーが得られる。その一方、遊脚状態ではエージェントに作用させる力を弱くして得られる電気エネルギーが少なめに抑制される。これにより、遊脚および立脚の別により表わされるエージェントの歩行運動形態に鑑みて、当該エージェントに適当な抵抗力を作用させながら、モータ２２１の回生制動により当該運動エネルギーが電気エネルギーに変換されうる。
脚体角度φおよび脚体角速度φ’の測定値のほか、エージェントの上体の鉛直方向の加速度を測定するための加速度センサの出力信号、または、エージェントの足裏（好ましくはかかとおよびつまさきの両方）に取り付けられた圧力センサの出力信号などに基づき、立脚状態および遊脚状態の別が判定されうる。
制御装置２０が、エージェントの歩行面の姿勢を認識し、当該認識結果の相違に応じて補助力および抵抗力のそれぞれの変化形態が相違するように、アクチュエータ２２の動作を制御してもよい。
たとえば、歩行面の姿勢が上昇傾斜姿勢であると認識された場合、歩行面の姿勢が平坦姿勢または下降傾斜姿勢であると認識された場合と比較して、補助力が強くなるように調節されてもよい。また、歩行面の姿勢が平坦姿勢であると認識された場合、歩行面の姿勢が下降傾斜姿勢であると認識された場合と比較して、補助力が強くなるように調節されてもよい。
さらに、歩行面の姿勢が下降傾斜姿勢であると認識された場合、歩行面の姿勢が平坦姿勢または上昇傾斜姿勢であると認識された場合と比較して、抵抗力が強くなるように調節されてもよい。また、歩行面の姿勢が平坦姿勢であると認識された場合、歩行面の姿勢が上昇傾斜姿勢であると認識された場合と比較して、抵抗力が強くなるように調節されてもよい
当該構成のトレーニング装置によれば、エージェントが歩行する地面または床面（歩行面）の姿勢の別に応じた、歩行に要する上体および脚体の相対運動の力の強弱の相違に鑑みて、強弱が適当に調節された補助力および抵抗力のそれぞれをエージェントに作用させることができる。
また、エージェントが歩行している地面または床面（歩行面）の姿勢の相違に応じて、エージェントの上体および脚体の相対運動に対する抵抗力の変化形態、すなわち、回生制動により得られる電気エネルギーの変化形態が調節されうる。
具体的には、エージェントが歩行する地面または床面（歩行面）の姿勢の別に応じた、歩行に要する上体および脚体の相対運動の力の強弱の相違に鑑みて、強弱が適当に調節された抵抗力をエージェントに作用させることができる。これにより、エージェントが歩行している面の姿勢に鑑みて、当該エージェントに適当な抵抗力を作用させながら、モータ２２１の回生制動により当該運動エネルギーが電気エネルギーに変換されうる。
歩行面の姿勢は、たとえば、特許第３８３３９２１号公報または特許第３９０８７３５号公報に記載されている手法にしたがって、エージェントの脚体の動きのパターンに基づいて判定されうる。エージェントが坂または階段を上っている状態は、歩行面が上昇傾斜姿勢である状態に相当する。エージェントが平坦な地面を歩行している状態は、歩行面が平坦姿勢である状態に相当する。エージェントが坂または階段を下っている状態は、歩行面が下降傾斜姿勢である状態に相当する。なお、歩行面の姿勢の種類ではなく、実際の傾斜角度が歩行面の姿勢として認識されてもよい。
制御装置２０が、エージェントの疲労度を測定し、当該測定結果に基づいてアシストモードおよびトレーニングモードを切り替えるように構成されていてもよい。
当該構成のトレーニング装置によれば、エージェントの疲労度の高低に応じて、当該エージェントにその上体および脚体の相対運動の方向に対して補助力が作用する状況と、当該エージェントにその上体および脚体の相対運動の方向に対して抵抗力が作用する状況とが実現される。
エージェントの疲労度は、たとえば、当該エージェントによるトレーニング装置１の使用継続時間（ＯＮ／ＯＦＦスイッチがＯＮに維持されている時間）が長いほど高く評価されうる。エージェントの歩行速度（歩行速度は脚体角速度により求められる。）が遅いほど、疲労度が高く評価されてもよい。また、トレーニングモードにおけるトレーニング装置１の累積使用時間が長いほど疲労度が高く評価されてもよい。トレーニングトルク（抵抗力）による累積仕事量（仕事量＝トレーニングトルク×角度変位）が大きいほど疲労度が高く評価されてもよい。エージェントの心拍数または血圧が高いほど疲労度が高く評価されてもよい。
トレーニング装置１が、同一条件下における補助力の変化形態が異なる複数のアシストモードのうち１つのエージェントによる指定を可能とする第２インターフェースを備えていてもよい。また、制御装置２０が、第２インターフェースから出力された当該指定に応じた信号に基づき、アシストモードのうち１つにしたがってアクチュエータ２２の動作を制御してもよい。
当該構成のトレーニング装置によれば、エージェントの意思に応じて複数のアシストモードのうち一のアシストモード方のアシストモードに切り替えられる。これにより、エージェントがその上体および脚体の相対運動を伴う歩行運動等をしている際、当該エージェントの意思が反映されたさまざまな形態でエージェントに補助力を作用させることができる。
トレーニング装置１が、同一条件下における抵抗力の変化形態が異なる複数のトレーニングモードのうち１つのトレーニングモードのエージェントによる指定を可能とする第３インターフェースを備えていてもよい。また、制御装置２０が、第３インターフェースから出力された当該指定に応じた信号に基づき、複数のトレーニングモードのうち１つにしたがってアクチュエータ２２の動作を制御してもよい。
当該構成のトレーニング装置によれば、エージェントの意思に応じて複数のトレーニングモードのうち１つのトレーニングモードに切り替えられる。これにより、エージェントがその上体および脚体の相対運動を伴う歩行運動等をしている際、当該エージェントの意思が反映されたさまざまな形態でエージェントに抵抗力を作用させることができる。
制御装置２０が、エージェントの歩行周期、歩幅、歩行率および歩行比のうち少なくとも１つを歩行状態変数として測定し、歩行状態変数の測定値が目標値に一致するようにアクチュエータ２２の動作を制御するように構成されていてもよい。
当該構成のトレーニング装置によれば、エージェントがその上体および脚体の相対運動を伴う歩行運動をしている際、さまざまな形態でエージェントに力を作用させることができるとともに、その歩行形態を目標形態に近づけることができる。
「歩幅」はエージェントの脚の長さ（メモリに格納されている。）と、脚体角度φの正および負の最大値とに基づいて算定されうる。「歩行率（単位時間当たりの歩数）」は、脚体角度φの時間変化パターンにより認識されうる歩行周期またはエージェントの鉛直方向の加速度を測定する加速度センサの出力信号の時間変化パターンにより把握される左右の脚の着床タイミングに基づいて算定されうる。「歩行比」は「歩行率」に対する「歩幅」の比率として算定される。
トルクＦの位相が、脚体角度φに対する位相差が目標位相差に一致するように制御されてもよい。このような制御を実現するためのトレーニング装置１として、たとえば、特許第３９３０３９９号、特許第３９５０１４９号、特許第４００８４６４号、特許第４００８４６５号、特許第４２２０５６７号、特許第４２３４７６５号、特許第４２７１７１１号および特許第４２７１７１３号のそれぞれに記載されている歩行補助装置（運動補助装置または運動誘導装置）が採用されてもよい。
当該歩行補助装置において、エージェントによりインターフェース２０４を通じて指定されたモードに応じて、目標位相差が自動的に調節される。
（アシストモードにおける位相差制御方法）
目標位相差が、少なくとも脚体角度φが極大値φmaxおよび極小値φminのそれぞれを示す時刻において（π／２）になるように調節されることにより、アシストモードが実現される（図４参照）。
脚体角度φが極小値φminを示す時刻（第２アシスト期間から第３アシスト期間への遷移時点）において、脚体角度φに対するトルクＦ（Ｆ’＞０）の位相差は目標位相差と同じく（π／２）になっている。脚体角度φが極大値φmaxを示す時刻（第４アシスト期間から第１アシスト期間への遷移時点）において、脚体角度φに対するトルクＦ（Ｆ’＜０）の位相差は目標位相差と同じく（π／２）になっている。
目標位相差は（π／２）の近傍で流動的に調節されるため、トルクＦの位相が、脚体角度φに対する位相差が変動するように制御される。トルクＦが極小値Ｆminを示す時刻（第１アシスト期間から第２アシスト期間への遷移時点）において、脚体角度φ（φ＜０、φ’＜０）に対するトルクＦの位相差は約（π／２）（１−α1／φmin）になっている。トルクＦが極大値Ｆmaxを示す時刻（第３アシスト期間から第４アシスト期間への遷移時点）において、脚体角度φ（φ＞０、φ’＞０）に対するトルクＦの位相差は約（π／２）（１−α2／φmax）になっている。
（トレーニングモードにおける位相差制御方法）
目標位相差が、少なくとも脚体角度φが極大値φmaxおよび極小値φminのそれぞれを示す時刻において−（π／２）になるように調節されることにより、トレーニングモードが実現される（図７参照）。
脚体角度φが極小値φminを示す時刻（第２トレーニング期間から第３トレーニング期間への遷移時点）において、脚体角度φに対するトルクＦ（Ｆ’＜０）の位相差は目標位相差と同じく−（π／２）になっている。脚体角度φが極大値φmaxを示す時刻（第４トレーニング期間から第１トレーニング期間への遷移時点）において、脚体角度φに対するトルクＦ（Ｆ’＞０）の位相差は目標位相差と同じく−（π／２）になっている。
目標位相差は−（π／２）の近傍で流動的に調節されるため、トルクＦの位相が、脚体角度φに対する位相差が変動するように制御される。トルクＦが極大値Ｆmaxを示す時刻（第１トレーニング期間から第２トレーニング期間への遷移時点）において、脚体角度φ（φ＞０、φ’＜０）に対するトルクＦの位相差は約−（π／２）（１−β1／φmax）になっている。トルクＦが極小値Ｆminを示す時刻（第３トレーニング期間から第４トレーニング期間への遷移時点）において、脚体角度φ（φ＜０、φ’＞０）に対するトルクＦの位相差は約−（π／２）（１−β2／φmin）になっている。
（ハイブリッドモードにおける位相差制御方法）
目標位相差が、脚体角度φが極大値φmaxおよび極小値φminのそれぞれを示す時刻において−（π／２）より大きく、かつ、（π／２）より小さくなるように調節されることにより、ハイブリッドモードが実現される（図１０参照）。
脚体角度φが極大値φmaxを示す時刻（第２ハイブリッド期間の中間時点）において、脚体角度φに対するトルクＦ（Ｆ＞０，Ｆ’＜０）の位相差は目標位相差と同じく（π／２）より低い正値になっている。脚体角度φが極小値φminを示す時刻（第４ハイブリッド期間の中間時点）において、脚体角度φに対するトルクＦの位相差は目標位相差と同じく（π／２）より低い正値になっている。
目標位相差は流動的に調節されるため、トルクＦの位相が、脚体角度φに対する位相差が変動するように制御される。トルクＦが０（Ｆ’＞０）を示す時刻（第４ハイブリッド期間から第１ハイブリッド期間への遷移時点）において、脚体角度φ（φ＜０、φ’＞０）に対するトルクＦの位相差は約（π／２）（１−γ1／φmin）になっている。トルクＦが極大値Ｆmaxを示す時刻（第１ハイブリッド期間から第２ハイブリッド期間への遷移時点）において、脚体角度φ（φ＞０、φ’＞０）に対するトルクＦの位相差は約（π／２）（１−γ2／φmax）になっている。トルクＦが０（Ｆ’＜０）を示す時刻（第２ハイブリッド期間から第３ハイブリッド期間への遷移時点）において、脚体角度φ（φ＞０、φ’＜０）に対するトルクＦの位相差は約（π／２）（１−γ3／φmax）になっている。トルクＦが極小値Ｆminを示す時刻（第３ハイブリッド期間から第４ハイブリッド期間への遷移時点）において、脚体角度φ（φ＜０、φ’＜０）に対するトルクＦの位相差は約（π／２）（１−γ4／φmin）になっている。
１‥トレーニング装置、１１‥第１装着要素、１２‥第２装着要素、２０‥制御装置、２１‥バッテリ、２２‥アクチュエータ、２２１‥モータ、２２２‥減速機構

Claims (19)

  1. エージェントの上体および脚体のそれぞれに装着される第１装着要素および第２装着要素と、アクチュエータと、前記アクチュエータの動作を制御する制御装置とを備え、前記第１装着要素および前記第２装着要素を介して前記アクチュエータの動作により生じる力を前記エージェントに伝達させるように構成されているトレーニング装置であって、
    前記エージェントにその上体および脚体の相対運動に対する補助力を作用させるアシストモードと、前記エージェントにその上体および脚体の相対運動に対する抵抗力を作用させるトレーニングモードとを使い分けて動作し、
    前記制御装置が、
    前記エージェントの上体に対する脚体の相対姿勢を表わす姿勢変数が第１アシスト基準値以上であり、かつ、前記姿勢変数の１階時間微分である姿勢変化速度が負であって前記姿勢変数が極大値に近づくほど前記姿勢変化速度が０に近づく第１アシスト定義域において、前記姿勢変数が極大値に近づくほど０に近づく一方、前記姿勢変数が前記第１アシスト基準値に近づくほど極小値に近づく変化特性を有する関数にしたがって前記補助力を制御し、
    前記姿勢変数が前記第１アシスト基準値未満であり、かつ、前記姿勢変化速度が負であって前記姿勢変数が極小値に近づくほど前記姿勢変化速度が０に近づく第２アシスト定義域において、前記姿勢変数が極小値に近づくほど０に近づく一方、前記姿勢変数が前記第１アシスト基準値に近づくほど極小値に近づく変化特性を有する関数にしたがって前記補助力を制御し、
    前記姿勢変数が第２アシスト基準値未満であり、かつ、前記姿勢変化速度が正であって前記姿勢変数が極小値に近づくほど前記姿勢変化速度が０に近づく第３アシスト定義域において、前記姿勢変数が極小値に近づくほど０に近づく一方、前記姿勢変数が前記第２アシスト基準値に近づくほど極大値に近づく変化特性を有する関数にしたがって前記補助力を制御し、
    前記姿勢変数が前記第２アシスト基準値以上であり、かつ、前記姿勢変化速度が正であって前記姿勢変数が極大値に近づくほど前記姿勢変化速度が０に近づく第４アシスト定義域において、前記姿勢変数が極大値に近づくほど０に近づく一方、前記姿勢変数が前記第２アシスト基準値に近づくほど極大値に近づく変化特性を有する関数にしたがって前記補助力を制御するように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
  2. 請求項１記載のトレーニング装置において、
    前記制御装置が、前記補助力および前記姿勢変数により定義される平面において、前記補助力の変化態様を表わす曲線の近似式と、前記姿勢変数および前記姿勢変化速度の測定値とを用いて前記補助力を制御するように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
  3. 請求項１または２記載のトレーニング装置において、
    前記制御装置が、
    前記姿勢変数が第１トレーニング基準値以上であり、かつ、前記姿勢変数の１階時間微分である姿勢変化速度が負であって前記姿勢変数が極大値に近づくほど前記姿勢変化速度が０に近づく第１トレーニング定義域において、前記姿勢変数が極大値に近づくほど０に近づく一方、前記姿勢変数が前記第１トレーニング基準値に近づくほど極大値に近づく変化特性を有する関数にしたがって前記抵抗力を制御し、
    前記姿勢変数が前記第１トレーニング基準値未満であり、かつ、前記姿勢変化速度が負であって前記姿勢変数が極小値に近づくほど前記姿勢変化速度が０に近づく第２トレーニング定義域において、前記姿勢変数が極小値に近づくほど０に近づく一方、前記姿勢変数が前記第１トレーニング基準値に近づくほど極大値に近づく変化特性を有する関数にしたがって前記抵抗力を制御し、
    前記姿勢変数が第２トレーニング基準値未満であり、かつ、前記姿勢変化速度が正であって前記姿勢変数が極小値に近づくほど前記姿勢変化速度が０に近づく第３トレーニング定義域において、前記姿勢変数が極小値に近づくほど０に近づく一方、前記姿勢変数が前記第２トレーニング基準値に近づくほど極小値に近づく変化特性を有する関数にしたがって前記抵抗力を制御し、
    前記姿勢変数が前記第２トレーニング基準値以上であり、かつ、前記姿勢変化速度が正であって前記姿勢変数が極大値に近づくほど前記姿勢変化速度が０に近づく第４トレーニング定義域において、前記姿勢変数が極大値に近づくほど０に近づく一方、前記姿勢変数が前記第２トレーニング基準値に近づくほど極小値に近づく変化特性を有する関数にしたがって前記抵抗力を制御するように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
  4. 請求項３記載のトレーニング装置において、
    前記制御装置が、前記抵抗力および前記姿勢変数により定義される平面において、前記抵抗力の変化態様を表わす曲線の近似式と、前記姿勢変数および前記姿勢変化速度の測定値とを用いて前記抵抗力を制御するように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
  5. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載のトレーニング装置において、
    前記制御装置が、前記エージェントの上体に対する脚体の相対姿勢を表わす姿勢変数に対する、前記アクチュエータの動作により前記エージェントに作用する力の位相差を制御することにより、前記力を前記補助力および前記抵抗力のうち一方として前記エージェントに作用させるように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
  6. 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載のトレーニング装置において、
    前記制御装置が、前記エージェントの脚体のそれぞれの立脚状態および遊脚状態の別を判定し、当該判定結果の別に応じて前記補助力および前記抵抗力のそれぞれの変化形態が相違するように、前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
  7. 請求項６記載のトレーニング装置において、
    前記制御装置が、前記エージェントの脚体が立脚状態であると判定された場合、前記エージェントの脚体が遊脚状態であると判定された場合と比較して、前記補助力および前記抵抗力のそれぞれが強くなるように、前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
  8. 請求項１〜７のうちいずれか１つに記載のトレーニング装置において、
    前記制御装置が、前記エージェントの歩行面の姿勢を認識し、当該認識結果の相違に応じて前記補助力および前記抵抗力のそれぞれの変化形態が相違するように、前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
  9. 請求項８記載のトレーニング装置において、
    前記制御装置が、前記歩行面の姿勢が上昇傾斜姿勢であると認識した場合、前記歩行面の姿勢が平坦姿勢または下降傾斜姿勢であると認識した場合と比較して、前記補助力が強くなるように前記アクチュエータの動作を制御するとともに、前記歩行面の姿勢が平坦姿勢であると認識した場合、前記歩行面の姿勢が下降傾斜姿勢であると認識した場合と比較して、前記補助力が強くなるように前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
  10. 請求項８記載のトレーニング装置において、
    前記制御装置が、前記歩行面の姿勢が下降傾斜姿勢であると認識した場合、前記歩行面の姿勢が平坦姿勢または上昇傾斜姿勢であると認識した場合と比較して、前記抵抗力が強くなるように前記アクチュエータの動作を制御するとともに、前記歩行面の姿勢が平坦姿勢であると認識した場合、前記歩行面の姿勢が上昇傾斜姿勢であると認識した場合と比較して、前記抵抗力が強くなるように前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
  11. 請求項１〜１０のうちいずれか１つに記載のトレーニング装置において、
    前記制御装置が、前記アシストモードの開始時点から終了時点にかけて前記補助力が０から連続的に変化した上で０に戻るように前記アクチュエータの動作を制御するとともに、前記トレーニングモードの開始時点から終了時点にかけて前記抵抗力が０から連続的に変化した上で０に戻るように前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
  12. 請求項１〜１１のうちいずれか１つに記載のトレーニング装置において、
    前記アシストモードおよび前記トレーニングモードのうち１つの前記エージェントによる指定を可能とする第１インターフェースを備え、前記制御装置が、前記第１インターフェースから出力される当該指定に応じた信号に基づき、前記アシストモードおよび前記トレーニングモードのうち１つにしたがって前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
  13. 請求項１〜１２のうちいずれか１つに記載のトレーニング装置において、
    同一条件下における前記補助力の変化形態が異なる複数の前記アシストモードを、動作モードの選択肢として有し、
    前記複数のアシストモードのうち１つの前記エージェントによる指定を可能とする第２インターフェースを備え、前記制御装置が、前記第２インターフェースから出力された当該指定に応じた信号に基づき、前記複数のアシストモードのうち１つにしたがって前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
  14. 請求項１〜１３のうちいずれか１つに記載のトレーニング装置において、
    同一条件下における前記抵抗力の変化形態が異なる複数の前記トレーニングモードを、動作モードの選択肢として有し、
    前記複数のトレーニングモードのうち１つの前記エージェントによる指定を可能とする第３インターフェースを備え、前記制御装置が、前記第３インターフェースから出力された当該指定に応じた信号に基づき、前記トレーニングモードのうち１つにしたがって前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
  15. 請求項１〜１４のうちいずれか１つに記載のトレーニング装置において、
    前記制御装置が、前記エージェントの疲労度を測定し、当該測定結果に基づいて前記アシストモードおよび前記トレーニングモードを切り替えるように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
  16. 請求項１〜１５のうちいずれか１つに記載のトレーニング装置において、
    前記アクチュエータの構成要素としてのモータの出力軸から減速機構を介して前記補助力および前記抵抗力のそれぞれを前記エージェントに伝達させるように構成され、
    前記制御装置が、前記減速機構の減速比を切り替えることにより前記補助力および前記抵抗力のそれぞれを調節するように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
  17. 請求項１〜１６のうちいずれか１つに記載のトレーニング装置において、
    前記アクチュエータの構成要素としてのモータの回生制動またはフリクションにより前記抵抗力を前記エージェントに伝達させるように構成され、前記モータの回生制動により生成された電気エネルギーを蓄える蓄電システムを備えていることを特徴とするトレーニング装置。
  18. 請求項１７記載のトレーニング装置において、
    前記蓄電システムから電気エネルギーを外部電子機器に供給するための接続端子を備えていることを特徴とするトレーニング装置。
  19. 請求項１〜１８のうちいずれか１つに記載のトレーニング装置において、
    前記制御装置が、前記エージェントの歩行周期、歩幅、歩行率および歩行比のうち少なくとも１つを歩行状態変数として測定し、前記歩行状態変数の測定値が目標値に一致するように前記アクチュエータの動作を制御するように構成されていることを特徴とするトレーニング装置。
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