JP5675021B2 - 歩行補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、人間の歩行運動を補助する装置に関する。

複数の状態変数の連立微分方程式により定義されるモデルにより、アクチュエータの動作を制御するための出力波形信号が生成される歩行補助装置において、利用者である人間の歩幅等を目標値に近づけるため、当該連立微分方程式に含まれる係数の値を調節する手法が提案されている（特許文献１及び２参照）。

特許第４２３４７６５号公報 特許第４２７１７１２号公報

しかし、人間の左右片側の身体機能の低下等のために、当該人間の左右の運動形態が不均等になる状況において、歩幅等をその目標値に一律に一致させようとすると、その不均等が是正されないだけではなく、かえって当該不均等を助長する可能性がある。

そこで、本発明は、人間の左右の運動形態の均等を図りながら、当該人間の歩行運動を補助することができる装置を提供することを解決課題とする。

本発明は、人間の上体に取り付けられる第１装具と、前記人間の左右の大腿のそれぞれに対して取り付けられる一対の第２装具と、前記第１装具に取り付けられた一対のアクチュエータと、前記第２装具と前記アクチュエータとを連結する連結部材と、前記人間の左右の股関節角度のそれぞれに応じた信号を出力するように構成されている左股関節角度センサ及び右股関節角度センサと、少なくとも前記左股関節角度センサ及び前記右股関節角度センサの出力信号に基づいて前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作を制御するように構成されている制御装置とを備え、前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作によって前記第１装具に対して前記一対の第２装具のそれぞれを動かすことにより、前記上体に対する前記左右の大腿の相対的な周期的運動を伴う前記人間の歩行運動を補助する装置に関する。

当該歩行補助装置において、前記制御装置は、前記人間の左大腿の屈曲運転状態を表わす左屈曲状態変数の振幅の大小を定める左屈曲係数、前記人間の左大腿の伸展運転状態を表わす左伸展状態変数の振幅の大小を定める左伸展係数、前記人間の右大腿の屈曲運転状態を表わす右屈曲状態変数の振幅の大小を定める右屈曲係数、及び前記人間の右大腿の伸展運転状態を表わす右伸展状態変数の振幅の大小を定める右伸展係数のそれぞれの値の大小に応じて、前記人間の左大腿の屈曲運動及び伸展運動並びに右大腿の屈曲運動及び伸展運動のそれぞれを補助するための前記アクチュエータの動作振幅の大小を制御するように構成されている。

前記課題を解決するための本発明の本発明の歩行補助装置は、前記左股関節角度センサの出力の時間変化態様を表わす波形信号である左運動振動子の振幅幅と、前記右股関節角度センサの出力の時間変化態様を表わす波形信号である右運動振動子の振幅幅との偏差を非対称度として評価するように構成されている非対称度評価要素と、前記非対称度評価要素により評価された前記非対称度を低下させ、かつ、前記左屈曲係数及び前記右伸展係数が同値になり、かつ、前記右屈曲係数及び前記左伸展係数が同値になるように、前記左屈曲係数、前記左伸展係数、前記右屈曲係数及び前記右伸展係数の値を調節するように構成されている調節要素とを備えていることを特徴とする。

本発明の歩行補助装置によれば、人間の左右の運動形態の不均等の度合が、左右の運動振動子の非対称度に現われることに鑑みて、当該非対称度の低減が図られる。その結果、人間の左右の運動形態の均等を図りながら、当該人間の歩行運動が補助されうる。

前記調節要素は、前記非対称度が正値であってその絶対値が大きくなるにつれて、前記左屈曲係数及び前記右伸展係数の値を減少させるように調節する一方、前記左伸展係数及び前記右屈曲係数の値を増加させるように調節し、前記非対称度が負値であってその絶対値が大きくなるにつれて、前記左屈曲係数及び前記右伸展係数の値を増加させるように調節する一方、前記左伸展係数及び前記右屈曲係数の値を減少させるように調節するように構成されていることが好ましい。

前記制御装置は、前記左屈曲状態変数及び前記左伸展状態変数の周波数の高低を定める左時定数及び前記右屈曲状態変数及び前記右伸展状態変数の周波数の高低を定める右時定数のそれぞれの値の大小に応じて、前記人間の左大腿及び右大腿のそれぞれの運動を補助するための前記アクチュエータの動作周波数の高低を制御するように構成され、前記調節要素は、前記左股関節角度センサ及び前記右股関節角度センサのそれぞれの出力から得られる、前記人間の左右の股関節角度の時間変化態様を表わす波形信号に基づき、前記左時定数及び前記右時定数のそれぞれの値を調節するように構成されていることが好ましい。

前記左股関節角度センサ及び前記右股関節角度センサのそれぞれの出力信号に基づき、前記人間の左右の股関節角度の差分の指定期間にわたるサンプリングにより得られる波形信号である差分振動子に窓を掛ける窓処理を実行するように構成されている窓処理要素と、前記窓が掛けられた前記差分振動子を周波数解析することによりパワースペクトルを取得するように構成されている周波数解析処理要素と、前記パワースペクトルにおいて閾値以上の高さを有するとともに、最低の周波数帯域に位置するピークを示す基本周波数を決定するように構成されているスペクトル解析処理要素とを備え、前記調節要素は、前記基本周波数の逆数に比例するように、前記左時定数及び前記右時定数のそれぞれの値を調節するように構成されていることが好ましい。

前記左運動振動子及び前記右運動振動子のそれぞれにおける、前記人間の上体に対する大腿の屈曲運動振幅を表わす屈曲振幅と、前記人間の大腿の伸展運動振幅を表わす伸展振幅と、前記屈曲振幅及び前記伸展振幅の和である総合振幅とのうちいずれか１つの偏差又は当該偏差の複数周期にわたる平均値を前記非対称度として評価するように構成されていることが好ましい。

前記制御装置は、前記右運動振動子及び前記左運動振動子と前記左屈曲状態変数、前記左伸展状態変数、前記右屈曲状態変数及び前記右伸展状態変数との関係を示す連立微分方程式により定義される状態振動子モデルに対して、前記左運動振動子及び前記右運動振動子を入力波形信号として入力することにより、前記左屈曲係数、前記左伸展係数、前記右屈曲係数及び前記右伸展係数のそれぞれの値に応じた振幅にしたがって変化する左屈曲振動子、左伸展振動子、右屈曲振動子及び右伸展振動子を出力波形信号として生成するように構成されている状態振動子生成要素と、前記左屈曲振動子及び前記左伸展振動子の出力波形信号を組み合わせることにより左側の前記アクチュエータに対する制御指令信号としての左制御振動子を生成するとともに、前記右屈曲振動子及び前記右伸展振動子の出力波形信号を組み合わせることにより右側の前記アクチュエータに対する制御指令信号としての右制御振動子を生成するように構成されている制御振動子生成要素とを備えていることが好ましい。

本発明の歩行補助装置及の構成説明図。 歩行補助装置の制御装置の構成説明図。 歩行補助装置の制御方法に関する説明図。 非対称度に関する説明図。 非対称度の評価結果に基づくモデル調節方法に関する説明図。 時定数の設定方法に関する説明図。 基本周波数推定方法に関する説明図。 波形信号、窓処理及び周波数解析に関する説明図。

（歩行補助装置の構成）
以下、脚体等の左右を区別するために符号「Ｌ」及び「Ｒ」を用いるが、左右を区別する必要がない場合や左右成分を有するベクトルを表現する場合には当該符号を省略する。また、上体に対する各大腿の屈曲運動（前方運動）及び伸展運動（後方運動）を区別するために符号「＋」及び「−」を用いる。

図１に示されている歩行補助装置１０は、第１装具１１と、左右一対の第２装具１２と、左右一対のアクチュエータ１４と、バッテリ１６と、制御装置２０と、股関節角度センサ２０２とを備えている。

第１装具１１は、人間又は利用者の上体又は腰部（第１身体部分）に巻き付けられるように装着される。第１装具１１のうち少なくとも人間の背中に当接する背後部は、軽量合金、硬質樹脂又はカーボンファイバ等の剛性素材により構成され、その他の部分は繊維等の柔軟性素材により構成されている。

第２装具１２は、繊維等の柔軟性素材により構成され、人間の大腿（第２身体部分）に巻き付けられるように装着される。第２装具１２は左右両側ではなく左右片側のみに設けられてもよい。

アクチュエータ１４は電動モータにより構成され、必要に応じてモータに加え減速機及びコンプライアンス機構のうち一方又は両方により構成される。アクチュエータ１４は第１装具１１が上体に取り付けられたとき、上体の左右両側に配置されるように第１装具１１に連結されている。アクチュエータ１４は、軽量の軽量合金、硬質樹脂又はカーボンファイバ等の剛性素材により形成されている連結部材１５を介して大腿に装着される第２装具１２に連結される。

これにより、アクチュエータ１４が動作することで、上体及び各大腿の相対運動が補助されるように上体及び各大腿に力が作用する。上体及び各大腿の相対運動には、離床している脚体の大腿の上体に対する前後運動が含まれ、着床している脚体に対する上体の前後運動が含まれる。

バッテリ１６は制御装置２０とともに第１装具１１の背後部に取り付けられるケース１３に収納されており、アクチュエータ１４及び制御装置２０等に対して電力を供給する。なお、バッテリ１６及び制御装置２０のそれぞれ又はこれらを収納するケース１３の配置箇所は適宜変更されてもよい。

股関節角度センサ２０２は人間の腰部左右両側に配置されるロータリーエンコーダにより構成され、股関節角度に応じた信号を出力する。股関節角度は、大腿が基本前額面の前方にある場合には正値になり、大腿が基本前額面の後方にある場合には負値になるように定義される。

制御装置２０はコンピュータ（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、信号入力回路、信号出力回路等により構成される。）と、このコンピュータのメモリ又は記憶装置に格納されているソフトウェアとにより構成されている。制御装置２０は、バッテリ１６からアクチュエータ１４に対する供給電力を調節するほか、アクチュエータ１４の動作を制御する。

図２に示されているように、制御装置２０は、後述の演算処理を実行する又は機能を発揮する運動振動子出力要素２１と、非対称度評価要素２２と、基本周波数推定要素２３と、状態振動子生成要素２４と、モデル調節要素２４２（本発明の「調節要素」に該当する。）と、制御振動子生成要素２５とを備えている。基本周波数推定要素２３は、差分振動子出力要素２３１と、窓処理要素２３２と、周波数解析処理要素２３３と、スペクトル解析処理要素２３４とを備えている。

制御装置２０の各構成要素の各構成要素は、記憶装置に格納されているプログラムを読み取り、当該プログラムにしたがって担当する演算処理を実行する演算処理装置により構成されている。各構成要素は、共通の演算処理装置により構成されていてもよく、物理的に別個の演算処理装置により構成されていてもよい。たとえば、基本周波数推定要素２３が、その他の構成要素とは別個の演算処理装置により構成されていてもよい。

運転スイッチ（図示略）が操作され、バッテリ１６から制御装置２０に対して電力が供給されることにより、制御装置２０は諸機能を発揮しうる。

（歩行補助装置及び歩行状態推定装置の機能）
運動振動子出力要素２１が、股関節角度センサ２０２の出力に基づき、人間の左右の股関節角度の時間変化を表わす波形信号を運動振動子φ＝（φ_L，φ_R）として生成する（図３／ＳＴＥＰ１）。「φ_L」は左運動振動子を表わし、「φ_R」は右運動振動子を表わしている。

続いて、非対称度評価要素２２が、左運動振動子φ_L及び右運動振動子φ_Rの非対称度ｓを評価する（図３／ＳＴＥＰ２）。たとえば、図４に一点鎖線及び二点鎖線のそれぞれにより示されているように、左運動振動子φ_L及び右運動振動子φ_Rのそれぞれが変化している場合について考察する。

左運動振動子φ_Lの極性が「正」であることは、上体に対して左大腿が屈曲していることを表わし、左運動振動子φ_Lの極性が「負」であることは、上体に対して左大腿が伸展していることを表わしている。各周期における左運動振動子φ_Lの最大値（正値）である屈曲振幅｜φ_L+｜は、上体に対して左大腿が最も屈曲している時点での左股関節角度に相当する。左運動振動子φ_Lの各周期における最小値（負値）の絶対値である伸展振幅｜φ_L-｜は、上体に対して左大腿が最も伸展している状態での左股関節角度に相当する。

同様に、右運動振動子φ_Rの極性が「正」であることは、上体に対して右大腿が屈曲していることを表わし、右運動振動子φ_Rの極性が「負」であることは、上体に対して右大腿が伸展していることを表わしている。右運動振動子φ_Rの各周期における最大値（正値）である屈曲振幅｜φ_R+｜は、上体に対して右大腿が最も屈曲している時点での右股関節角度に相当する。右運動振動子φ_Rの各周期における最小値（負値）の絶対値である伸展振幅｜φ_L-｜は、上体に対して右大腿が最も伸展している状態での右股関節角度に相当する。

たとえば、左屈曲振幅｜φ_L+｜と左伸展振幅｜φ_L-｜との和である左総合振幅｜φ_L｜と、右屈曲振幅｜φ_R+｜と右伸展振幅｜φ_R-｜との和である右総合振幅｜φ_R｜との偏差｜φ_L｜−｜φ_R｜又は当該偏差の複数周期にわたる平均値が非対称度ｓとして評価される。図４に示されている状況では、右総合振幅｜φ_R｜が左総合振幅｜φ_L｜より大きいので、非対称度ｓは負値になる。

また、基本周波数推定要素２３が後述する演算処理を実行することにより、人間の歩行周期の逆数に相当する基本周波数ｆ₀を推定する（図３／ＳＴＥＰ３）。

さらに、モデル調節要素２４２が、非対称度ｓ及び基本周波数ｆ₀（正確には後述する補正後基本周波数ｆ_{0_d}）に基づき、状態振動子モデルを定義する係数の値を調節する（図３／ＳＴＥＰ４）。

「状態振動子モデル」は、各大腿の屈曲運動状態及び伸展運動状態のそれぞれを表わす複数の状態変数ｕ_i（ｉ＝Ｌ＋，Ｌ−，Ｒ＋，Ｒ−）及び各大腿の屈曲運動状態及び伸展運動状態のそれぞれの順応性を表現するための自己抑制因子ｖ_iの連立微分方程式（０１０）により定義されている。

τ_1L(du_L+/dt)＝c_L+−u_L+＋w_L+/L-ξ_L-＋w_L+/R+ξ_R+−λ_Lv_L+＋f₁(ω_L)＋f₂(ω_L)Kφ_L,
τ_1L(du_L-/dt)＝c_L-−u_L-＋w_L-/L+ξ_L+＋w_L-/R-ξ_R-−λ_Lv_L-＋f₁(ω_L)＋f₂(ω_L)Kφ_L,
- τ_1R(du_R+/dt)＝c_R+−u_R+＋w_R+/L+ξ_L+＋w_R+/R-ξ_R+−λ_Rv_R+＋f₁(ω_R)＋f₂(ω_R)Kφ_R,
τ_1R(du_R-/dt)＝c_R-−u_R-＋w_R-/L-ξ_L-＋w_R-/R+ξ_R+−λ_Rv_R-＋f₁(ω_R)＋f₂(ω_R)Kφ_R,
τ_2i(dv_i/dt)＝−v_i＋ξ_i (i=L+,L-,R+,R-),
ξ_i＝H(u_i−u_th)＝0(u_i＜u_th) ..(010)。

「ｃ_L+」は、左大腿の屈曲運転状態を表わす状態変数ｕ_L+の振幅の大小を定める「左屈曲係数」である。「ｃ_L-」は、左大腿の伸展運転状態を表わす状態変数ｕ_L-の振幅の大小を定める「左伸展係数」である。「ｃ_R+」は、右大腿の屈曲運転状態を表わす状態変数ｕ_R+の振幅の大小を定める「右屈曲係数」である。「ｃ_R-」は、右大腿の伸展運転状態を表わす状態変数ｕ_R-の振幅の大小を定める「右伸展係数」である。

「τ_1L」は状態変数ｕ_L+及びｕ_L-の周波数の高低を定める第１左時定数である。「τ_1R」は状態変数ｕ_R+及びｕ_R-の周波数の高低を定める第１右時定数である。第１左時定数τ_1L及び第１右時定数τ_1Rは同値であってもことなる値であってもよい。「τ_2i」は抑制因子ｖ_iの周波数の高低を定める第２時定数である。第２時定数τ_2iは同値であってもよく、異なる値であってもよい。たとえば、第２左屈曲時定数τ_2L+と第２左伸展時定数τ_2L-とが同値であり、第２右屈曲時定数τ_2R+と第２右伸展時定数τ_2R-とが同値である一方、第２左屈曲時定数τ_2L+と第２右屈曲時定数τ_2R+とが異なる値であってもよい。

「ｗ_i/j」は状態変数ｕ_i及びｕ_jの相関関係を表わす負値の相関係数である。「λ_L」および「λ_R」は慣れ係数である。「Ｋ」は運動振動子φに応じたフィードバック係数である。

「ω」は人間の歩行周期の長短に応じて定まる固有角速度である。固有角速度ωは、たとえば基本周波数ｆ₀（又は補正後基本周波数ｆ_{0_d}）に２πを乗じた値に設定される。固有角速度ωには左成分ω_L及び右成分ω_Rが含まれるが、基本周波数ｆ₀には左右の別がないので、ω_L及びω_Rは同値である。

「ｆ₁」は正係数ｃを用いて式（０１１）により定義される固有角速度ωの１次関数である。

f₁(ω)＝cω ..(011)。

「ｆ₂」は係数ｃ₀，ｃ₁およびｃ₂を用いて式（０１２）により定義される固有角速度ωの２次関数である。

f₂(ω)＝c₀+c₁ω+c₂ω² ..(012)。

具体的には、モデル調節要素２４２は、非対称度ｓを変数とし、少なくとも非対称度ｓの標準的な定義域において増加関数ｆ（ｓ）により定義される補正量に基づき、関係式（０２１）にしたがって各状態係数ｃ_iの値を設定する。

c_L+＝c_R-＝χ₁+χ₂f(-s), c_L-＝c_R+＝χ₁+χ₂f(s) ..(021)。

係数χ₁（＞０）は、歩行補助装置１０の動作による人間の歩幅又は歩行率を定めるための係数である。係数χ₁の値が大きく設定されることにより人間の歩幅が大きくなるように歩行運動が補助される一方、係数χ₁の値が小さく設定されることにより人間の歩幅が小さくなるように歩行運動が補助される。

係数χ₂（＞０）は、非対称度ｓを低下させるために左右の歩幅のそれぞれを別個に補正の刻み量又は補正速度を表わすゲイン係数である。係数χ₂の値が大きく設定されることにより人間の歩幅が早く変化するように歩行運動が補助される一方、係数χ₂の値が小さく設定されることにより人間の歩幅が遅く変化するように歩行運動が補助される。

増加関数ｆ（ｓ）はたとえば関係式（０２２）により定義される。

f(s)＝s/{1+exp(-s/D)} ..(022)。

関係式（０２２）により定義される関数ｆ（ｓ）は、図５（ａ）に示されているような変化特性を示す。このため、非対称度ｓが正値であってその絶対値が大きくなるにつれて、左屈曲係数ｃ_L+及び右伸展係数ｃ_R-の値が減少するように調節される一方、左伸展係数ｃ_L-及び右屈曲係数ｃ_R+の値が増加するように調節される（関係式（０２１）参照）。また、非対称度ｓが負値であってその絶対値が大きくなるにつれて、左屈曲係数ｃ_L+及び右伸展係数ｃ_R-の値が増加するように調節される一方、左伸展係数ｃ_L-及び右屈曲係数ｃ_R+の値が減少するように調節される。

図４に示されている状況では前記のように非対称度ｓは負値なので、図５（ｂ）に示されているように、左屈曲係数ｃ_L+及び右伸展係数ｃ_R-の値が、左伸展係数ｃ_L-及び右屈曲係数ｃ_R+の値よりも相対的に大きくなるように各係数の値が調節される。

モデル調節要素２４２は、補正後基本周波数ｆ_{0_d}と、係数α₀（＞０）及びβ₀（＞０）とに基づき、関係式（０２３）にしたがって第１時定数τ₁の値を調節又は設定する。

τ₁＝α₀/f_{0_d}＋β₀ ..(023)。

モデル調節要素２４２は、第１時定数τ₁と、正係数γ₀（たとえば「２」）とに基づき、関係式（０２４）にしたがって第２時定数τ₂の値を調節又は設定する。

τ₂＝γ₀τ₁ ..(024)。

関係式（０２３）により定義される関数は、図６に示されているような変化特性を示す。このため、補正後基本周波数ｆ_{0_d}が高くなる（歩行周期が短くなる）につれて、第１時定数τ₁及び第２時定数τ₂の値が減少するように調節される。また、補正後基本周波数ｆ_{0_d}が低くなる（歩行周期が長くなる）につれて、第１時定数τ₁及び第２時定数τ₂の値が増加するように調節される。

続いて、状態振動子生成要素２４が、連立微分方程式（０１０）により定義される状態振動子モデルに対して、入力波形信号として運動振動子出力要素２１から出力される運動振動子を入力することにより、出力波形信号として状態振動子ξを生成する（図３／ＳＴＥＰ５）。状態振動子ξには、左屈曲振動子ξ_L+、左伸展振動子ξ_L-、右屈曲振動子ξ_R+及び右伸展振動子ξ_R-が含まれる。

歩行補助装置１０の動作開始から、非対称度ｓの評価に必要な運動振動子が得られるまでの期間において、各係数ｃ_iは予め定められている初期値に設定される。同様に、歩行補助装置１０の動作開始から、基本周波数ｆ₀の推定に必要な差分振動子（後述）が得られるまでの期間において、固有角速度ωは予め定められている初期値に設定される。

状態振動子モデルに入力される運動振動子φは、非対称度ｓの評価に用いられた運動振動子φと同一であっても異なっていてもよい。たとえば、状態振動子モデルに入力される運動振動子φとして、人間の左右の股関節角度の時間変化態様を表わす波形信号に代えて、左右の股関節角速度、左右の肩関節角度又は左右の肩関節角速度等、人間の歩行周期と緊密に関連した周期で変化する左右一対の変数の時間変化態様を表わす波形信号が採用されてもよい。肩関節角度は、股関節角度と同様に、ロータリーエンコーダにより構成されている一対の肩関節角度センサが人間の左右の肩の外側に配置され、当該肩関節角度センサの出力に基づいて測定されうる。

状態振動子ξ_iは、状態変数ｕ_iの値が閾値ｕ_th未満である場合は０、状態変数ｕ_iの値が閾値ｕ_th以上である場合はこのｕ_iの値をとる（連立微分方程式（０１０）参照）。これにより、左大腿の屈曲運動状態を表わす状態変数ｕ_L+が大きくなると左屈曲振動子ξ_L+の振幅が左伸展振動子ξ_L-よりも大きくなる。また、右大腿の屈曲運動状態を表わす状態変数ｕ_R+が大きくなると右屈曲振動子ξ_R+の振幅が右伸展振動子ξ_R-の振幅よりも大きくなる。

さらに、左大腿の伸展運動状態を表わす状態変数ｕ_L-が大きくなると左伸展振動子ξ_L-の振幅が左屈曲振動子ξ_L+よりも大きくなる。また、右大腿の伸展運動状態を表わす状態変数ｕ_R-が大きくなると右伸展振動子ξ_R-の振幅が右屈曲振動子ξ_R+の振幅よりも大きくなる。

結果として、連立微分方程式（０１０）に含まれる左屈曲係数ｃ_L+及び左伸展係数ｃ_L-のそれぞれの値に応じた振幅と、第１左時定数τ_1Lの値に応じた周波数とにしたがって変化する左屈曲振動子ξ_L+及び左伸展振動子ξ_L-が生成される。また、連立微分方程式（０１０）に含まれる右屈曲係数ｃ_R+及び右伸展係数ｃ_R-のそれぞれの値に応じた振幅と、第１右時定数τ_1Rの値に応じた周波数とにしたがって変化する右屈曲振動子ξ_R+及び右伸展振動子ξ_R-が生成される。

そして、制御振動子生成要素２５が状態振動子ξに基づき、関係式（０４０）にしたがって制御振動子η＝（η_L，η_R）を設定する（図３／ＳＴＥＰ６）。

η_L＝χ_L+ξ_L+−χ_L-ξ_L-，η_R＝χ_R+ξ_R+−χ_R-ξ_R- ..(040)。

左制御振動子η_Lは、左屈曲振動子ξ_L+及び係数χ_L+の積と、左伸展振動子ξ_L-及び係数χ_L-の積との差として算定される。右制御振動子η_Rは、右屈曲振動子ξ_R+及び係数χ_R+の積と、右伸展振動子ξ_R-及び係数χ_R-の積との差として算定される。当該４つの係数χ_iは同じ値に設定されてもよい。

図４に示されているように左脚の歩幅が右脚の歩幅よりも小さくなっている状況では、図５（ｂ）に示されているように左屈曲係数ｃ_L+の値が右屈曲係数ｃ_R+の値よりも大きく、かつ、右伸展係数ｃ_R-の値が左伸展係数ｃ_L-の値よりも大きく設定される。これにより、図５（ｃ）に示されているように左制御振動子η_Lの屈曲振幅｜χ_L+ξ_L+｜が右制御振動子η_Rの屈曲振幅｜χ_R+ξ_R+｜よりも大きくなる。また、左制御振動子η_Lの伸展振幅｜χ_L-ξ_L-｜が右制御振動子η_Rの伸展振幅｜χ_R-ξ_R-｜よりも小さくなる。

そして、制御装置２０により制御振動子ηに基づいてバッテリ１６から左右のアクチュエータ１４Ｌ，１４Ｒにそれぞれ供給される電流Ｉ＝（Ｉ_L，Ｉ_R）が調節される。これにより、第１装具１１及び第２装具１２を介して上体に対する左右の大腿の屈曲運動及び伸展運動を補助する力又は股関節回りの回転力Ｆ＝（Ｆ_L，Ｆ_R）が調節される。補助力Ｆは電流Ｉに基づき、たとえばＦ（ｔ)＝Ｇ・Ｉ(ｔ)（Ｇ：比例係数）と表現される。エージェントの歩行運動はトレッドミルの上で実施されてもよい。

その後、運転スイッチがＯＮからＯＦＦに切り替えられたこと、又は、動作異常が検知されたこと等の動作終了条件が満たされたか否かが判定される（図３／ＳＴＥＰ７）。そして、当該判定結果が否定的である場合（図３／ＳＴＥＰ７‥ＮＯ）、前記一連の処理が繰り返される一方、当該判定結果が肯定的である場合（図３／ＳＴＥＰ７‥ＹＥＳ）、前記一連の処理が終了する。

（基本周波数の推定）
基本周波数推定要素２３による基本周波数ｆ₀の推定処理（図３／ＳＴＥＰ３参照）について説明する。

まず、差分振動子出力要素２３１が、左右の股関節角度センサ２０２Ｒ，２０２Ｌの出力に基づき、股関節角度の差分の時間変化を表わす波形信号を差分振動子として出力する（図７／ＳＴＥＰ３１）。これにより、図８（ａ）に示されているような波形信号が差分振動子として得られる。なお、股関節角度の差分に代えて肩関節角度の差分の時間変化を表わす波形信号が差分振動子として出力されてもよい。

続いて、窓処理要素２３２が、指定期間にわたる差分振動子に窓を掛ける（図７／ＳＴＥＰ３２）。窓関数としてはハン窓が用いられ、これにより図８（ｂ）に破線で示されている指定期間にわたる差分振動子が、実線で示されているように変形される。窓関数としては、ハン窓のほか、矩形窓、ガウス窓、ハミング窓、ブラックマン窓、カイザー窓、バートレット窓又は指数窓などのさまざまな窓関数が用いられうる。

窓処理要素２３２は、スペクトル解析処理要素２３４により決定された前回基本周波数ｆ₀(k-1)に基づき、当該基本周波数ｆ₀を変数とする減少関数にしたがって、今回の窓の幅ｗ(k)を設定する。この減少関数はたとえば関係式（０５０）により定義される。係数ｗ₀₁及びｗ₀₂は歩行周期が少なくとも２周期だけ含まれるように設定されている。なお、窓処理要素２３２は、初回の窓幅ｗ(0)として、歩行周期が少なくとも２周期含まれるような定数を採用する。

w(k)＝w₀₁/f₀(k-1)＋w₀₂ ..(050)。

窓処理要素２３２は、差分振動子（波形信号）をダウンサンプリングすることによって、差分振動子から第１指定周波数を超える高周波数成分を除去した上で、窓処理を実行してもよい。窓処理要素２３２は、差分振動子（波形信号）をハイパスフィルタに通すことにより、差分振動子から第２指定周波数以下の低周波成分を除去した上で、窓処理を実行してもよい。

周波数解析処理要素２３３は、窓処理された今回指定期間における差分振動子をＦＦＴ等、周波数解析処理することにより、パワースペクトルを作成する（図７／ＳＴＥＰ３３）。これにより、図８（ｃ）に示されているように周波数ｆが横軸で表わされ、周波数解析結果としてのパワーが縦軸で表わされているパワースペクトルが生成される。

スペクトル解析処理要素２３４は、閾値以上の高さを有するとともに、最低の周波数帯域にあるピークの位置を表わす周波数を基本周波数ｆ₀として決定又は推定する（図７／ＳＴＥＰ３４）。閾値は、ノイズを除去する観点から、パワースペクトルにおけるピーク最高値の０．０５〜０．２０倍の範囲の値に設定される。これにより、図８（ｃ）に示されているように、閾値ｐ_th以上の高さを有するピークＰ₁及びＰ₂のうち、最低の周波数帯域にあるピークＰ₁の位置を表わす周波数が基本周波数ｆ₀として決定される。

さらに、図８（ｄ）に示されている曲線を表わす関係式（０６０）にしたがって基本周波数ｆ₀が補正されることにより、補正後基本周波数ｆ_{0_d}が決定される。

f_{0_d}＝f₀ (if f₀≦f_th), f_th (if f₀＞f_th) ..(060)。

（歩行補助装置の作用効果）
前記機能を発揮する歩行補助装置１０によれば、人間の左右の運動形態の不均等の度合が、左運動振動子φ_L及びφ_Rの非対称度ｓに現われることに鑑みて、当該非対称度ｓの低減が図られる。その結果、人間の左右の運動形態の均等を図りながら、当該人間の歩行運動が補助されうる。

たとえば、図４に示されているように左脚の歩幅が右脚の歩幅よりも小さくなっている状況では、図５（ｃ）に示されているように変化する左制御振動子η_L及び右制御振動子η_Rが生成される。歩幅は、利用者である人間の各大腿の長さ及び必要に応じて各下腿の長さ（メモリに格納される。）と、股関節角度センサ２０２の出力により表わされる左右の股関節角度の最大値及び最小値とに基づき、幾何学的関係にしたがって算出されうる。

これにより、右脚が立脚状態（足が着床している状態）にあるとき、遊脚状態（足が離床している状態）にある左脚の前方への踏み出し量の増加、ひいては左脚の歩幅の増加が図られる。一方、左脚が立脚状態にあるとき、遊脚状態にある右脚の前方への踏み出し量の維持又は低減、ひいては右脚の歩幅の維持又は低下が図られる。その結果、左脚については現状よりも大股での歩行が誘導される一方、右脚については現状と同じ又は現状よりも小股での歩行が誘導されるように、歩行補助装置１０がその歩行運動を補助するので、人間の左右の脚の歩幅及び歩行率の均等化が図られる。

また、左屈曲係数ｃ_L+及び右伸展係数ｃ_R-が同値になり、かつ、右屈曲係数ｃ_R+及び左伸展係数ｃ_L-が同値になるように、各係数ｃ_iの値が調節される（関係式（０２１）参照）。これにより、左制御振動子η_Lの屈曲振幅｜χ_L+ξ_L+｜及び右制御振動子η_Rの伸展振幅｜χ_R-ξ_R-｜を一致させ又は近似させ、かつ、右制御振動子η_Rの屈曲振幅｜χ_R+ξ_R+｜及び左制御振動子η_Lの伸展振幅｜χ_L-ξ_L-｜を一致させ又は近似させることができる（図５（ｃ）参照）。このため、立脚状態にある一方の脚の伸展量に鑑みて、遊脚状態にある他方の脚の屈曲量が著しく乖離したものになり、歩行補助装置１０の利用者である人間に違和感を覚えさせる事態が回避されうる。

（本発明の他の実施形態）
左総合振幅｜φ_L｜と右総合振幅｜φ_R｜との偏差に代えて、左屈曲振幅｜φ_L+｜と右屈曲振幅｜φ_R+｜との偏差、左伸展振幅｜φ_L-｜と右伸展振幅｜φ_R-｜との偏差、若しくは、左屈曲振幅｜φ_L+｜及び右伸展振幅｜φ_R-｜の和と、右屈曲振幅｜φ_R+｜及び左伸展振幅｜φ_L-｜の和との偏差又は当該偏差の複数周期にわたる平均値が非対称度ｓとして評価されてもよい。

左屈曲係数ｃ_L+、左伸展係数ｃ_L-、右屈曲係数ｃ_R+及び右伸展係数ｃ_R-のうち一部のみが補正量ｆ（−ｓ）又はｆ（ｓ）に応じて補正されてもよい（関係式（０２１）（０２２）参照）。たとえば、左屈曲係数ｃ_L+及び右伸展係数ｃ_R-の組と、左伸展係数ｃ_L-及び右屈曲係数ｃ_R+の組とのうち、一方の組に属する係数のみが補正量ｆ（ｓ）に応じて増減調節されることにより、他方の組に属する係数との相対的な偏差が調節されてもよい。

身体機能の回復という観点から、一方の脚の歩幅の増加のみにより、両脚の歩幅の均等化が図られてもよい。その一方、非対称度ｓが顕著に高い場合、前記のように一方の脚の歩幅の増加に加えて、他方の脚の歩幅の低減によって、両脚の歩幅の均等化又は歩み寄りが図られることが好ましい。この観点から、非対称度ｓが閾値を超えているか否かが判定され、非対称度ｓが閾値未満である場合には一方の脚の歩幅の増加のみにより、両脚の歩幅の均等化が図られ、非対称度ｓが閾値以上である場合には両脚の歩幅の歩み寄りが図られてもよい。

係数Ｄ（関係式（０２２）参照）の値が変更されることにより、非対称度ｓに応じた左屈曲係数ｃ_L+及び右伸展係数ｃ_R-の補正量ｆ（−ｓ）と、左伸展係数ｃ_L-及び右屈曲係数ｃ_R+の補正量ｆ（ｓ）との比率が変更されてもよい。係数Ｄがｓを変数とする関数であってもよい。

制御装置２０は、左屈曲係数ｃ_L+、左伸展係数ｃ_L-、右屈曲係数ｃ_R+及び右伸展係数ｃ_R-のそれぞれの値の大小に応じて、人間の左大腿の屈曲運動及び伸展運動並びに右大腿の屈曲運動及び伸展運動のそれぞれを補助するためのアクチュエータ１４の動作振幅の大小を制御するように構成されていれば、その構成は前記実施形態の構成に限定されない。アクチュエータ１４Ｌ，１４Ｒの動作周期は、固有角速度ω_L、ω_Rに応じて２π／ω_L、２π／ω_Rに一致するように制御されてもよい。

たとえば、制御装置２０は、左屈曲係数ｃ_L+、左伸展係数ｃ_L-、右屈曲係数ｃ_R+及び右伸展係数ｃ_R-のそれぞれの値を、左股関節角度の屈曲側目標値、左股関節角度の伸展側目標値、右股関節角度の屈曲側目標値及び右股関節角度の伸展側目標値のそれぞれとして、ＰＩＤ制御等のフィードバック制御則にしたがって、左右の股関節角度を制御するように構成されていてもよい。この場合、運動振動子出力要素２１、状態振動子生成要素２４及び制御振動子生成要素２５は省略されてもよい。基本周波数推定要素２３が省略されてもよい。

特許第３９３０３９９号、特許第３９５０１４９号、特許第４００８４６４号又は特許第４２７１７１１号等の公報に記載されているように、ファン・デル・ポル方程式等により定義される第１モデルにしたがって第１振動子が生成され、かつ、当該第１振動子に基づいて固有角速度ω（連立微分方程式（０１０）参照）が設定された上で、当該固有角速度ωの逆数に比例するように時定数τ₁が設定されてもよい。当該公報における「第２振動子」が本願発明における「状態振動子」に相当する。

制御振動子ηは特許第４２７１７１１号等の公報に記載されているように、仮想的な弾性要素による弾性力及び仮想的な減衰要素による減衰力のうち一方又は両方を表わすように生成されてもよい。

基本周波数推定要素２３は、左運動振動子φ_Lの周波数、右運動振動子φ_Rの周波数、左運動振動子φ_Lの周波数と右運動振動子φ_Rの周波数との平均周波数、又は、当該周波数の複数周期にわたる平均値を基本周波数ｆ₀として推定するように構成されていてもよい。

１０‥歩行補助装置、１１‥第１装具、１２‥第２装具、１４‥アクチュエータ、２０‥制御装置、２０２‥股関節角度センサ。

Claims (6)

1. 人間の上体に取り付けられる第１装具と、前記人間の左右の大腿のそれぞれに対して取り付けられる一対の第２装具と、前記第１装具に取り付けられた一対のアクチュエータと、前記第２装具と前記アクチュエータとを連結する連結部材と、前記人間の左右の股関節角度のそれぞれに応じた信号を出力するように構成されている左股関節角度センサ及び右股関節角度センサと、少なくとも前記左股関節角度センサ及び前記右股関節角度センサの出力信号に基づいて前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作を制御するように構成されている制御装置とを備え、
   前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作によって前記第１装具に対して前記一対の第２装具のそれぞれを動かすことにより、前記上体に対する前記左右の大腿の相対的な周期的運動を伴う前記人間の歩行運動を補助する装置であって、
   前記制御装置は、前記人間の左大腿の屈曲運転状態を表わす左屈曲状態変数の振幅の大小を定める左屈曲係数、前記人間の左大腿の伸展運転状態を表わす左伸展状態変数の振幅の大小を定める左伸展係数、前記人間の右大腿の屈曲運転状態を表わす右屈曲状態変数の振幅の大小を定める右屈曲係数、及び前記人間の右大腿の伸展運転状態を表わす右伸展状態変数の振幅の大小を定める右伸展係数のそれぞれの値の大小に応じて、前記人間の左大腿の屈曲運動及び伸展運動並びに右大腿の屈曲運動及び伸展運動のそれぞれを補助するための前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作振幅の大小を制御するように構成され、
   前記左股関節角度センサの出力の時間変化態様を表わす波形信号である左運動振動子の振幅幅と、前記右股関節角度センサの出力の時間変化態様を表わす波形信号である右運動振動子の振幅幅との偏差を非対称度として評価するように構成されている非対称度評価要素と、
   前記非対称度評価要素により評価された前記非対称度を低下させ、かつ、前記左屈曲係数及び前記右伸展係数が同値になり、かつ、前記右屈曲係数及び前記左伸展係数が同値になるように、前記左屈曲係数、前記左伸展係数、前記右屈曲係数及び前記右伸展係数の値を調節するように構成されている調節要素とを備えていることを特徴とする歩行補助装置。
2. 請求項１記載の歩行補助装置において、
   前記調節要素は、前記非対称度が正値であってその絶対値が大きくなるにつれて、前記左屈曲係数及び前記右伸展係数の値を減少させるように調節する一方、前記左伸展係数及び前記右屈曲係数の値を増加させるように調節し、前記非対称度が負値であってその絶対値が大きくなるにつれて、前記左屈曲係数及び前記右伸展係数の値を増加させるように調節する一方、前記左伸展係数及び前記右屈曲係数の値を減少させるように調節するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
3. 請求項１又は２記載の歩行補助装置において、
   前記制御装置は、前記左屈曲状態変数及び前記左伸展状態変数の周波数の高低を定める左時定数及び前記右屈曲状態変数及び前記右伸展状態変数の周波数の高低を定める右時定数のそれぞれの値の大小に応じて、前記人間の左大腿及び右大腿のそれぞれの運動を補助するための前記アクチュエータの動作周波数の高低を制御するように構成され、
   前記調節要素は、前記左股関節角度センサ及び前記右股関節角度センサのそれぞれの出力から得られる、前記人間の左右の股関節角度の時間変化態様を表わす波形信号に基づき、前記左時定数及び前記右時定数のそれぞれの値を調節するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
4. 請求項３記載の歩行補助装置において、
   前記左股関節角度センサ及び前記右股関節角度センサのそれぞれの出力信号に基づき、前記人間の左右の股関節角度の差分の指定期間にわたるサンプリングにより得られる波形信号である差分振動子に窓を掛ける窓処理を実行するように構成されている窓処理要素と、
   前記窓が掛けられた前記差分振動子を周波数解析することによりパワースペクトルを取得するように構成されている周波数解析処理要素と、
   前記パワースペクトルにおいて閾値以上の高さを有するとともに、最低の周波数帯域に位置するピークを示す基本周波数を決定するように構成されているスペクトル解析処理要素とを備え、
   前記調節要素は、前記基本周波数の逆数に比例するように、前記左時定数及び前記右時定数のそれぞれの値を調節するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の歩行補助装置において、
   前記左運動振動子及び前記右運動振動子のそれぞれにおける、前記人間の上体に対する大腿の屈曲運動振幅を表わす屈曲振幅と、前記人間の大腿の伸展運動振幅を表わす伸展振幅と、前記屈曲振幅及び前記伸展振幅の和である総合振幅とのうちいずれか１つの偏差又は当該偏差の複数周期にわたる平均値を前記非対称度として評価するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の歩行補助装置において、前記制御装置は、
   前記右運動振動子及び前記左運動振動子と前記左屈曲状態変数、前記左伸展状態変数、前記右屈曲状態変数及び前記右伸展状態変数との関係を示す連立微分方程式により定義される状態振動子モデルに対して、前記左運動振動子及び前記右運動振動子を入力波形信号として入力することにより、前記左屈曲係数、前記左伸展係数、前記右屈曲係数及び前記右伸展係数のそれぞれの値に応じた振幅にしたがって変化する左屈曲振動子、左伸展振動子、右屈曲振動子及び右伸展振動子を出力波形信号として生成するように構成されている状態振動子生成要素と、
   前記左屈曲振動子及び前記左伸展振動子の出力波形信号を組み合わせることにより左側の前記アクチュエータに対する制御指令信号としての左制御振動子を生成するとともに、前記右屈曲振動子及び前記右伸展振動子の出力波形信号を組み合わせることにより右側の前記アクチュエータに対する制御指令信号としての右制御振動子を生成するように構成されている制御振動子生成要素とを備えていることを特徴とする歩行補助装置。

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