JP5779478B2 - 力付与装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電動機の出力により、利用者の動作に対して力を付与する力付与装置及びその制御方法に関する。

従来、電動機の出力トルクの作用によるアシスト力により利用者の体重の一部を支えることで、利用者の歩行を補助する歩行補助装置が知られている（特許文献１）。通常、電動機の制御において、目標値への収斂性を高めるために（安定性を高めるために）、電動機の回転速度の目標値と実際の値との差分による速度フィードバック制御を行うことが一般的である。

このため、特許文献１に記載されている歩行補助装置の制御としては、一般的に、次のようなものが考えられる。まず、歩行補助装置が利用者に対して必要なアシスト力を発生するために目標とする電動機の出力トルクの値（トルク目標値）と、実際に電動機から出力されたトルクの値（トルク実測値）との差分に、所定のゲインＫｐを掛けて目標とする電動機の回転速度の値（速度目標値）を算出する。そして、この算出された速度目標値と、実際に電動機の出力軸が回転している速度の値（速度実測値）との差分に、所定のゲインＫｖを掛けて電動機の制御量として決定する。

特開２００９−１９５号公報

しかしながら、歩行補助装置の場合には、歩行補助装置ではなく利用者が脚を動かすので、利用者の脚の速度がそのまま速度実測値となる。従って、利用者が違和感を感じないように、速度目標値を速度実測値に合うように制御することになる。

例えば、歩行時に遊脚となっている脚体は、利用者の体重を支えるためのアシスト力を発生する必要がないので、利用者の脚体の動きに追随するように回転しつつ、電動機から出力されるトルクを０にする必要がある。この場合、上記のような制御において、速度目標値を速度実測値と同じ値にするには、トルク目標値とトルク実測値との差分を、「速度目標値／Ｋｐ」とする必要がある。このとき、トルク目標値を０にするためには、トルク実測値が「−速度目標値／Ｋｐ」になる必要がある。

このように、トルク目標値を０にしたい場合であってもトルク実測値が０にはならず、利用者が、自身の動きに対して歩行補助装置が遅れて追従してくるような粘性感（追従性の悪さ）を感じてしまう。利用者は、このような粘性感を、利用者の脚の動きとは常に反対方向に力が作用しているような場合、すなわち、動作の周期と同程度の周期で当該反対方向の力が作用するときに感じやすい。

また、ここでは電動機から出力されるトルクが０になる遊脚の場合を例にとって説明したが、トルクを出力するときであっても、速度目標値を速度実測値に近づける場合には、同様の粘性感を感じる原因となる。

このように利用者が粘性感を感じる装置は、歩行補助装置に限らず、電動機の出力トルクが作用することで利用者の動作に対して力を付与し、当該電動機の制御量を速度フィードバックによって決定する力付与装置全般に関わるものである。また、回転力のみならずリニアモータ等の直線運動の動作に対して力を付与する装置全般にも関わるものである。

本発明は、利用者の動作に対して電動機の出力を付与する力付与装置において、利用者の動作の変化に対する追従性及び安定性を両立可能な力付与装置を提供することを目的とする。

本発明は、利用者の動作に対して電動機の出力に応じた力を付与する力付与装置であって、前記電動機の出力を検知する出力検知手段と、前記電動機の出力速度を検知する速度検知手段と、前記電動機を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記速度検知手段により検知された出力速度の周波数帯域において、所定の周波数以上の周波数帯域では、前記電動機の出力の目標値と前記出力検知手段により検知された出力との偏差から得られる前記電動機の出力速度の目標値と前記検知された出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御し、前記所定の周波数未満の周波数帯域では、前記検知された出力速度を０又は０の近くまで低下させたときの前記出力速度の目標値と当該検知された出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御することを特徴とする。

本発明によれば、所定の周波数（例えば、利用者の動作が変化する周波数（変動周波数））以上の周波数帯域（高域）においては、電動機の出力速度の目標値と前記検知された出力速度との偏差に基づいて、すなわち、速度フィードバックすることで電動機を制御する。これにより、高周波数での発振を防止でき（収斂性が高まり）、電動機の制御の安定性を確保できる。

また、所定の周波数（例えば、利用者の動作の変動周波数）未満の周波数帯域（低域）においては、前記検知された出力速度を０又は０の近くまで低下させたときの電動機の出力速度の目標値と当該検知された出力速度との偏差に基づいて電動機を制御する。検知された出力速度が０又は０の近くまで低下した値となるので、実質的に電動機の出力速度の目標値と同じ値か又はこれより僅かに小さい値に基づいて電動機を制御することになる。これは、速度フィードバックをせずに、出力（例えば、直線運動の力［Ｎ］又は回転運動の力［Ｎ・ｍ］）の偏差（力フィードバック）により電動機を制御することと同等である。これにより、利用者が感じる粘性感を低減できると共に、電動機の制御の追従性を確保できる。このように、利用者の動作に対して電動機の出力を付与する力付与装置において、利用者の動作の変化に対する制御の追従性及び安定性を両立できる。

本発明において「電動機の出力」とは「電動機の力」を意味し、電動機から直線運動の力が出力される場合には、力の単位（例えば、［Ｎ］）で表され、電動機から回転運動の力が出力される場合には、トルクの単位（例えば、［Ｎ・ｍ］）で表される。また、本発明において「電動機の出力速度」とは、電動機から直線運動の力が出力される場合には、これに応じた直線方向の速度（例えば、［ｍ／ｓ］）であり、電動機から回転運動の力が出力される場合には、これに応じた回転速度（例えば、［ｒａｄ／ｓ］）である。

本発明において、「前記電動機の出力速度の目標値と当該検知された出力速度との偏差」は、「電動機の出力速度の目標値」と「検知された出力速度」との２つの値の差をとることにより得られるが、これに限るものではない。すなわち、これらの２つの値の差を直接的に求めずに別の手法によって得られた値が、２つの値の差を直接的に求めた偏差に対して実質的に同等とみなせるものも含むものとする。

同様に、本発明において、「前記検知された出力速度を０又は０の近くまで低下させたときの前記出力速度の目標値と当該検知された出力速度との偏差」は、「電動機の出力速度の目標値」と「検知された出力速度を０又は０の近くまで低下させたときの当該検知された出力速度」との２つの値の差をとることにより得られるが、これに限るものではない。すなわち、これらの２つの値の差を直接的に求めずに別の手法によって得られた値が、２つの値の差を直接的に求めた偏差に対して実質的に同等とみなせるものも含むものとする。

本発明において、前記制御手段は、前記周波数帯域に応じた前記電動機の制御を行うために周波数フィルタを備えることが好ましい。周波数フィルタにより、所定の周波数帯域の信号を取り出せるため、電動機の制御を周波数帯域毎に変えることができる。

本発明において、前記周波数フィルタは、ハイパスフィルタであり、前記制御手段は、前記電動機の出力速度の目標値と、前記検知された出力速度が前記ハイパスフィルタを介した出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御することが好ましい。これにより、高域では、検知された出力速度が低下せずにハイパスフィルタを通過するので、速度フィードバックにより制御の安定性を確保できる。

また、低域では、検知された出力速度が０になるか又は０の近くまで低下する。これは、前記検知された出力速度を０又は０の近くまで低下させたときの電動機の出力速度の目標値と当該検知された出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御することである。これにより、実質的に電動機の出力速度の目標値と同じ値か又はこれより多少小さい値に基づいて電動機を制御することになる。すなわち、速度フィードバックをせずに出力の偏差（力フィードバック）により電動機を制御することと同等となる。これにより、低域においては、粘性感を低減でき、制御の追従性を確保できる。

なお、上述のように、周波数フィルタとしてハイパスフィルタを用いた場合には、高域では「前記電動機の出力速度の目標値と当該検知された出力速度との偏差」を「電動機の出力速度の目標値」と「検知された出力速度」との２つの値の差をとることにより得ている。また、低域では「前記検知された出力速度を０又は０の近くまで低下させたときの前記出力速度の目標値と当該検知された出力速度との偏差」を「電動機の出力速度の目標値」と「検知された出力速度がハイパスフィルタにより０又は０の近くまで低下したときの当該検知された出力速度」との２つの値の差により得ている。

本発明において、前記周波数フィルタは、ローパスフィルタであり、前記制御手段は、前記検知された出力速度が前記ローパスフィルタを介した出力速度に基づいて前記電動機の出力を決定し、前記２つの出力の偏差に対して該決定された出力を加味した値に基づいて前記電動機の出力速度の目標値を決定するか、又は前記検知された出力速度に基づいて前記電動機の出力を決定し、前記２つの出力の偏差に対して該決定された出力に前記ローパスフィルタを介した出力速度を加味した値に基づいて前記電動機の出力速度の目標値を決定し、当該決定された出力速度の目標値と、前記検知された出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御することが好ましい。

これにより、低域では、「検知された出力速度」、又は「検知された出力速度に基づいて決定された電動機の出力」が低下せずにローパスフィルタを通過する。従って、低域では、電動機の出力速度の目標値に検知された出力速度が実質的に含まれる（電動機の出力速度の目標値を決定する際に、検知された出力速度が考慮される）。また、高域では、ローパスフィルタにより、「検知された出力速度」又は「検知された出力速度に基づいて決定された電動機の出力」が０になるか又は０の近くまで低下する。従って、高域では、電動機の出力速度の目標値に検知された出力速度が実質的に含まれない（電動機の出力速度の目標値を決定する際に、検知された出力速度が考慮されない）。

そして、電動機の出力速度の目標値と検知された出力速度との偏差を得て、当該偏差に基づいて電動機を制御する。この偏差に基づいて電動機を制御することは、低域では、「検知された出力速度が含まれる電動機の出力速度の目標値」と「検知された出力速度」との偏差となるので、実質的に電動機の出力速度の目標値と前記検知された出力速度を０まで低下した値との偏差に基づいて電動機を制御することと同等となる。すなわち、低域では、実質的に速度フィードバックされていないことと同等である。従って、所定の周波数（例えば、利用者の動作の変動周波数）未満の低域では、速度フィードバックが行われず粘性感を低減でき、制御の追従性を確保できる。

このように、周波数フィルタとしてローパスフィルタを用いた場合には「前記検知された出力速度を０又は０の近くまで低下させたときの前記出力速度の目標値と当該検知された出力速度との偏差」を「前記出力速度の目標値」と「前記検知された出力速度を０又は０の近くまで低下させたときの当該検知された出力速度」との２つの値の差を直接的に求めずに、「検知された出力速度が含まれる電動機の出力速度の目標値」と「検知された出力速度」との差を求めることで（前述した別の手法により）得ている。このようにして得られた偏差は、実質的に速度フィードバックされていないことと同等、すなわち、２つの値の差を直接的に求めた偏差に対して実質的に同等とみなすことができる。

また、電動機の出力速度の目標値と検知された出力速度との偏差により電動機を制御することは、高域では、「検知された出力速度が含まれない電動機の出力速度の目標値」と「検知された出力速度」との偏差となるので、実質的に電動機の出力速度の目標値と前記検知された出力速度との偏差に基づいて電動機を制御することと同等となる。すなわち、高域では、実質的に速度フィードバックされていることと同等となる。従って、所定の周波数（例えば、利用者の動作の変動周波数）以上の高域では、速度フィードバックしても粘性感を感じづらく、更に速度フィードバックの効果により制御の安定性を確保できる。

このように、周波数フィルタとしてローパスフィルタを用いた場合には「前記電動機の出力速度の目標値と前記検知された出力速度との偏差」を「電動機の出力速度の目標値」と「検知された出力速度」との差を直接的に求めずに、「検知された出力速度がローパスフィルタにより０又は０の近くまで低下させた値による電動機の出力速度の目標値」すなわち「検知された出力速度が含まれない電動機の出力速度の目標値」と「検知された出力速度」との差となるので、実質的に速度フィードバックされていることと同等、すなわち、２つの値の差を直接的に求めた偏差に対して実質的に同等とみなすことができる。

本発明において、前記利用者が装着可能に構成され、前記利用者が装着したか否かを判定する装着検知手段を備え、前記制御手段は、前記装着検知手段が装着したと判定しているときに、前記周波数帯域に応じた前記電動機の制御を行うことが好ましい。利用者が装着する前は、利用者が粘性感を感じることがない。粘性感を低減する制御が不要なとき（利用者が装置を装着していないとき）には電動機の制御のより良い安定性を確保することができ、粘性感を低減する制御が必要なとき（利用者が装置を装着しているとき）には電動機の制御の追従性を確保することができる。

本発明において、前記制御手段は、前記装着検知手段が装着していないと判定しているときは、前記電動機の出力速度の目標値を所定の値以下に制限することが好ましい。これにより、装着前の状態において、装置が急激に動きだすことを防止でき、より安全な装置となる。

本発明において、前記利用者が装着可能に構成され、前記利用者が装着したか否かを判定する装着検知手段を備え、前記制御手段は、前記装着検知手段が装着していないと判定しているときは、前記電動機の出力速度の目標値を所定の値以下に制限することが好ましい。これにより、装着前の状態において、装置が急激に動きだすことを防止でき、より安全な装置となる。

本発明は、前記利用者の歩行を補助する歩行補助装置として、前記利用者が跨ぐようにして着座する着座部材と、前記利用者の脚の足平に装着される複数の足平装着部と、一端が前記着座部材に連結され、他端が前記足平装着部に連結される複数の脚リンクとを備え、前記複数の脚リンクは、それぞれが、前記着座部材と前記足平装着部との距離を可変にする関節部を備え、前記電動機の出力は前記関節部に作用し、前記着座部材と前記足平装着部との距離の時間変化に応じて、前記速度検知手段により検知された出力速度が変化することが好ましい。これにより、力付与装置と同様に、追従性及び安定性を確保した歩行補助装置を提供できる。

本発明は、電動機の出力を検知する出力検知手段と、前記電動機の出力速度を検知する速度検知手段とを有する検知装置を備え、利用者の動作に対して電動機の出力に応じた力を付与する力付与装置を制御する方法であって、前記速度検知手段により検知された出力速度の周波数帯域において、所定の周波数以上の周波数帯域では、前記電動機の出力の目標値と前記出力検知手段により検知された出力との偏差から得られる前記電動機の出力速度の目標値と前記検知された出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御する高域制御処理と、前記所定の周波数未満の周波数帯域では、前記検知された出力速度を０又は０の近くまで低下させたときの前記出力速度の目標値と当該検知された出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御する低域制御処理とを有することを特徴とする。

本発明によれば、所定の周波数（例えば、利用者の動作の変動周波数）以上の周波数帯域（高域）においては、高域制御処理が、電動機の出力速度の目標値と、出力速度検知手段によって検知された出力速度との偏差に基づいて、すなわち、速度フィードバックすることで電動機を制御する。これにより、高周波数での発振を防止でき（収斂性が高まり）、電動機の制御の安定性を確保できる。

また、所定の周波数（例えば、利用者の動作の変動周波数）未満の周波数帯域（低域）においては、低域制御処理が、前記検知された出力速度を０又は０の近くまで低下させたときの電動機の出力速度の目標値と当該検知された出力速度との偏差に基づいて電動機を制御する。検知された出力速度が０又は０の近くまで低下するので、実質的に電動機の出力速度の目標値と同じ値か又はこれより多少小さい値に基づいて電動機を制御することになる。すなわち、速度フィードバックをせずに、出力の偏差（力フィードバック）により電動機を制御することと同等である。これにより、利用者が感じる粘性感を低減できると共に、電動機の制御の追従性を確保できる。このように、利用者の動作に対して電動機の出力を付与する力付与制御方法において、利用者の動作の変化に対する制御の追従性及び安定性を両立できる。

本発明の実施形態の歩行補助装置の斜視図。 実施形態の歩行補助装置の側面図。 実施形態の歩行補助装置の正面図。 実施形態の歩行補助装置の大腿フレームの切断側面図。 実施形態の電流指令値決定部のブロック図。 周波数領域での、着座部材と足平装着部との間の距離の変化量を示す図。 実施形態の制御装置の処理手順を示すフローチャート。 速度実測値のフィードバック信号にハイパスフィルタを入れるか否かの違いを示す図。 図５とは別の形態の電流指令値決定部のブロック図。

本発明の一実施形態を以下に説明する。まず、本実施形態の歩行補助装置の機構的な構成を図１〜図４を参照して説明する。

図１〜図３はそれぞれ、本実施形態の歩行補助装置の外観を示す斜視図、側面図、正面図であり、図４は該歩行補助装置の大腿フレームの切断側面図である。

図示のように、本実施形態の歩行補助装置Ａは、利用者Ｐが着座する着座部材１と、利用者Ｐの各脚の足平に装着される左右一対の足平装着部２Ｌ，２Ｒと、各足平装着部２Ｌ，２Ｒを着座部材１にそれぞれ連結する左右一対の脚リンク３Ｌ，３Ｒとを備えている。左右の足平装着部２Ｌ，２Ｒは互いに左右対称の同一構造である。左右の脚リンク３Ｌ，３Ｒも互いに左右対称の同一構造である。

以下、左右の脚リンク３Ｌ，３Ｒのうちの利用者Ｐの前方に向かって左側の脚リンクを左脚リンク３Ｌといい、左右の脚リンク３Ｌ，３Ｒのうちの利用者Ｐの前方に向かって右側の脚リンクを右脚リンク３Ｒという。また、左右の足平装着部２Ｌ，２Ｒのうちの利用者Ｐの前方に向かって左側の足平装着部を左足平装着部２Ｌといい、左右の足平装着部２Ｌ，２Ｒのうちの利用者Ｐの前方に向かって右側の足平装着部を右足平装着部２Ｒという。以降の説明では、歩行補助装置Ａの左脚リンク３Ｌ及び左足平装着部２Ｌについて主に説明する。

また、以降の説明では、左右を区別するために、参照符号の末尾に符号「Ｌ」、「Ｒ」を付加することがある。各参照符号の末尾の符号「Ｌ」、「Ｒ」は、それぞれ、左脚リンク３Ｌ、右脚リンク３Ｒに関連するものという意味で使用する。

脚リンク３Ｌ，３Ｒのそれぞれは、第１関節４と、大腿フレーム５と、第２関節６と、下腿フレーム７と、第３関節８とから構成されている。大腿フレーム５は、着座部材１から第１関節４を介して下側に延設されている。下腿フレーム７は、足平装着部２Ｌ，２Ｒのそれぞれから第２関節６を介して上側に延設されている。第３関節８は、大腿フレーム５と下腿フレーム７とを、第１関節４と第２関節６との中間で屈伸自在に連結している。

更に、歩行補助装置Ａは、脚リンク３Ｌ，３Ｒ毎に、駆動手段としての回転アクチュエータ９と、動力伝達機構１０とを備えている。回転アクチュエータ９は、第３関節８を駆動するための駆動力を発生する。動力伝達機構１０は、回転アクチュエータ９の駆動力を第３関節８に伝達して、当該第３関節８にその関節軸周りの駆動トルクを付与する。

着座部材１は、利用者Ｐが跨ぐようにして（利用者Ｐの両脚の付け根の間に配置するようにして）着座するサドル状のシート部１ａと、シート部１ａの下面に装着された支持フレーム１ｂと、支持フレーム１ｂの後端部（シート部１ａの後側で上方に立ち上がる立ち上がり部分）に取り付けた腰当て部１ｃとから構成されている。また、腰当て部１ｃには、利用者Ｐ又は補助者が把持可能なアーチ状の把持部１ｄが取り付けられている。

脚リンク３Ｌ，３Ｒのそれぞれの第１関節４は、前後方向及び左右方向の２つの関節軸周りの回転自由度（２自由度）を有する関節である。更に詳細には、各第１関節４は、着座部材１に連結された円弧状のガイドレール１１を備えている。そして、このガイドレール１１に、脚リンク３Ｌ，３Ｒのそれぞれの大腿フレーム５の上端部に固定されたスライダ１２が、該スライダ１２に軸着した複数のローラ１３を介して移動自在に係合されている。このため、脚リンク３Ｌ，３Ｒのそれぞれは、ガイドレール１１の曲率中心４ａ（図２参照）を通り、且つガイドレール１１の円弧を含む平面に垂直となる左右方向の軸を第１関節４の第１の関節軸として、該第１の関節軸のまわりに前後方向の揺動運動（前後の振り出し運動）を行うことが可能となっている。

また、ガイドレール１１は、着座部材１の支持フレーム１ｂの後端部（立ち上がり部分）に、軸心を前後方向に向けた支軸４ｂを介して軸支され、該支軸４ｂの軸心まわりに揺動可能とされている。これにより、各脚リンク３Ｌ，３Ｒは、支軸４ｂの軸心を第１関節４の第２の関節軸として、該第２の関節軸のまわりに左右方向の揺動運動、すなわち、内転・外転運動を行うことが可能となっている。なお、本実施形態では、第１関節４の第２の関節軸は、左脚リンク３Ｌの第１関節４と右脚リンク３Ｒの第１関節４とで共通の関節軸となっている。

上記のように第１関節４は、各脚リンク３Ｌ，３Ｒが、前後方向及び左右方向の２つの関節軸周りの揺動運動を行うことが可能となるように構成されている。

なお、第１関節の回転自由度は２つに限られるものではない。例えば３つの関節軸周りの回転自由度（３自由度）を有するように第１関節を構成してもよい。あるいは、例えば左右方向の１つの関節軸周りの回転自由度（１自由度）だけを有するように第１関節を構成してもよい。

左足平装着部２Ｌは、利用者Ｐの各足平に履かせる靴２ａと、靴２ａ内から上方に突出する連結部材２ｂとを備え、利用者Ｐの各脚が立脚（支持脚）となる状態で、靴２ａを介して接地する。そして、連結部材２ｂには、各脚リンク３Ｌ，３Ｒの下腿フレーム７の下端部が第２関節６を介して連結されている。この場合、連結部材２ｂは、図２に示されるように、靴２ａ内の中敷２ｃの下側（靴２ａの底部と中敷２ｃとの間）に配置される平板状部分２ｂｘを一体に備えている。

そして、連結部材２ｂは、左足平装着部２Ｌを接地させた時に、該左足平装着部２Ｌに床から作用する床反力の一部（少なくとも歩行補助装置Ａと利用者Ｐの体重の一部とを合わせた重量を支えるのに充分な程度の大きさの並進力）を連結部材２ｂ及び第２関節６を介して脚リンク３Ｌ，３Ｒに作用させることができるように、平板状部分２ｂｘを含めて比較的高剛性の部材により形成されている。

なお、左足平装着部２Ｌは、靴２ａの代わりに、例えばスリッパ状のものを備えるようにしてもよい。

第２関節６は、本実施形態では、ボールジョイント等のフリージョイントにより構成され、３軸周りの回転自由度を有する関節となっている。但し、第２関節は、例えば前後及び左右方向の２軸まわり、あるいは、上下及び左右方向の２軸周りの回転自由度を有する関節であってもよい。

第３関節８は、左右方向の１軸周りの回転自由度を有する関節であり、大腿フレーム５の下端部に下腿フレーム７の上端部を軸支する支軸８ａを有する。該支軸８ａの軸心は、第１関節４の第１の関節軸とほぼ平行である。そして、この支軸８ａの軸心が第３関節８の関節軸となっており、その関節軸のまわりに、下腿フレーム７が大腿フレーム５に対して相対回転可能とされている。これにより、該第３関節８での脚リンク３Ｌ，３Ｒの屈伸運動が可能となっている。

脚リンク３Ｌ，３Ｒ毎の回転アクチュエータ９は、減速機１４付の電動モータ１５により構成された回転アクチュエータである。この回転アクチュエータ９は、その出力軸９ａの軸心が第３関節８の関節軸（支軸８ａの軸心）と平行になるように、大腿フレーム５の上端部（第１関節４寄りの部分）の外面に搭載され、該回転アクチュエータ９のハウジング（電動モータ１５のステータに固定されている部分）が大腿フレーム５に固設されている。

各動力伝達機構１０は、本実施形態では、駆動クランクアーム１６と、従動クランクアーム１７と、連結ロッド１８とから構成されている。

駆動クランクアーム１６は、回転アクチュエータ９の出力軸９ａに同心に固定されている。従動クランクアーム１７は、第３関節８の関節軸と同心に下腿フレーム７に固定されている。連結ロッド１８は、一端を駆動クランクアーム１６に、他端を従動クランクアーム１７に枢着されている。連結ロッド１８は、駆動クランクアーム１６に対する枢着部１８ａと、従動クランクアーム１７に対する枢着部１８ｂとの間で直線状に延在している。

このように構成された動力伝達機構１０では、電動モータ１５の運転によって回転アクチュエータ９の出力軸９ａから出力される駆動力（出力トルク）は、該出力軸９ａから駆動クランクアーム１６を介して連結ロッド１８の長手方向の並進力に変換され、その並進力（ロッド伝達力）が連結ロッド１８をその長手方向に伝達する。更に、該並進力が連結ロッド１８から従動クランクアーム１７を介して駆動トルクに変換され、その駆動トルクが、第３関節８の関節軸まわりに各脚リンク３Ｌ，３Ｒを屈伸させる駆動力として該第３関節８に付与される。

ここで、本実施形態では、各脚リンク３Ｌ，３Ｒの大腿フレーム５及び下腿フレーム７のそれぞれの長さの総和は、利用者Ｐの脚を直線状に伸展させた状態での該脚の長さよりも長いものとなっている。このため、各脚リンク３Ｌ，３Ｒは、第３関節８で常時、屈曲する。その屈曲角度θ１（図２参照）は、利用者Ｐの平地での通常歩行時には、例えば約４０°〜７０°の範囲の角度となる。なお、ここでの屈曲角度θ１は、図２に示されるように、各脚リンク３Ｌ，３Ｒを第３関節８の関節軸方向で見たときに、第３関節８の関節軸とガイドレール１１の曲率中心４ａとを結ぶ直線と、第３関節８の関節軸と第２関節６とを結ぶ直線との成す角度（鋭角側の角度）を意味する。

そして、本実施形態では、各脚リンク３Ｌ，３Ｒの屈曲角度θ１が、利用者Ｐの平地での通常歩行時の角度範囲を含む、ある角度範囲（例えば約２０°〜７０°の範囲）に存する状態で、第３関節８に付与される駆動トルクが、回転アクチュエータ９の出力トルクよりも大きくなるように、連結ロッド１８の枢着部１８ａ，１８ｂと、第３関節８の関節軸と、回転アクチュエータ９の出力軸９ａとの相対的な位置関係が設定されている。この場合、本実施形態では、各脚リンク３Ｌ，３Ｒを第３関節８の関節軸方向で見たときに、図４に示されるように、回転アクチュエータ９の出力軸９ａと第３関節８の関節軸とを結ぶ直線と、連結ロッド１８の枢着部１８ａと枢着部１８ｂとを結ぶ直線とが斜交している。

更に、本実施形態では、各脚リンク３Ｌ，３Ｒの屈曲角度θ１が、利用者Ｐの平地での通常歩行時の角度範囲を含む、ある角度範囲（例えば約２０°〜７０°の範囲）に存する状態で、回転アクチュエータ９から連結ロッド１８に、その長手方向の引張り力を作用させた場合に、第３関節８に付与される駆動トルクが、脚リンク３Ｌ，３Ｒを伸展方向に付勢するトルクとなるように連結ロッド１８の枢着部１８ｂの位置が設定されている。この場合、本実施形態では、各脚リンク３Ｌ，３Ｒを第３関節８の関節軸方向で見たときに、連結ロッド１８の枢着部１８ｂが、回転アクチュエータ９の出力軸９ａと第３関節８の関節軸とを結ぶ直線よりもガイドレール１１側に設けられている。

また、図４に示されるように、大腿フレーム５には、バッテリ１９と、カバー２０とが取り付けられている。バッテリ１９は、連結ロッド１８とガイドレール１１との間に配置されている。カバー２０は、バッテリ１９を覆うように形成され、大腿フレーム５に取り付けられている。このように、本実施形態では、脚リンク３Ｌ，３Ｒ毎にバッテリ１９を備えている。

バッテリ１９は、充放電が可能な二次電池であり、各電動モータ１５等の電装品の電源として機能する。これらのバッテリ１９は、図示しない電気配線によって回転アクチュエータ９に電気的に接続されている。

詳細には、左脚リンク３Ｌの大腿フレーム５に配置されたバッテリ１９は、左脚リンク３Ｌの第３関節８を駆動するための駆動力を発生する回転アクチュエータ９に電気エネルギーを供給する電源として構成されている。同様に、右脚リンク３Ｒの大腿フレーム５に配置されたバッテリ１９は、右脚リンク３Ｒの第３関節８を駆動するための駆動力を発生する回転アクチュエータ９に電気エネルギーを供給する電源として構成されている。

このように、脚リンク３Ｌ，３Ｒのそれぞれに配置されたバッテリ１９は、当該バッテリ１９が配置された脚リンク（３Ｌ又は３Ｒ）に応じた回転アクチュエータ９に電気エネルギーを供給する。

なお、二次電池としては、歩行補助装置Ａの作動時間として、充分な長さを確保できる程度に電気エネルギー量を蓄え得るものであれば、電気二重層コンデンサ等のコンデンサ（複数のコンデンサ素子を組み合わせたものを含む）であってもよい。また、二次電池が、バッテリとコンデンサとを組み合わせて構成されていてもよい。

以上が、本実施形態の歩行補助装置Ａの機構的な主要構成である。このように構成された歩行補助装置Ａでは、足平装着部２Ｌ，２Ｒを接地させた状態で、脚リンク３Ｌ，３Ｒの第３関節８に回転アクチュエータ９から動力伝達機構１０を介して伸展方向の駆動力（駆動トルク）を付与することによって、着座部材１が上向きに付勢される。これにより、着座部材１から利用者Ｐに上向きの持上げ力が作用することとなる。本実施形態の歩行補助装置Ａは、この持上げ力によって、利用者Ｐの体重の一部（利用者Ｐに作用する重力の一部）を支持し、利用者Ｐの歩行時等における脚の負担を軽減する。

この場合、歩行補助装置Ａと利用者Ｐとの全体を床に支える支持力（歩行補助装置Ａの接地面に床から作用するトータルの並進力。以下、「全支持力」という）のうち、歩行補助装置Ａ自身と利用者Ｐの体重の一部とを床に支える支持力を歩行補助装置Ａが負担し、残りの支持力を利用者Ｐが負担することとなる。以降、上記全支持力のうち、歩行補助装置Ａが負担する支持力を補助装置負担支持力、利用者Ｐが負担する支持力を利用者負担支持力という。

補助装置負担支持力は、利用者Ｐの両脚が立脚となる状態では、左右の脚リンク３Ｌ，３Ｒの両方に分配的に作用し、片脚だけが立脚となる状態では、両脚リンク３Ｌ，３Ｒのうちの片脚側の脚リンクだけに作用する。これは、利用者負担支持力についても同様である。

なお、本実施形態では、各脚リンク３Ｌ，３Ｒの第３関節８、あるいは、大腿フレーム５と下腿フレーム７との間には、回転アクチュエータ９の負荷を軽減する（必要な最大出力トルクを低減する）ために、該脚リンク３Ｌ，３Ｒを伸展方向に付勢するバネ（図示省略）が装着されている。但し、このバネは省略してもよい。

次に、本実施形態の歩行補助装置Ａの作動を制御するための構成を説明する。本実施形態の歩行補助装置Ａでは、各回転アクチュエータ９の動作制御を行う制御手段としての制御装置２１が図２に示されるように着座部材１の支持フレーム１ｂに収納されている。

制御装置２１は、演算処理を実行する中央演算処理装置（図示省略）と、情報を記憶する記憶装置であるメモリ（図示省略）とからなるマイクロコンピュータにより構成される。メモリは、中央演算処理装置による演算処理を実行するプログラム、当該プログラムが参照するデータ（例えば、閾値やテーブル等）、及び演算結果等を記憶保持する。制御装置２１は、更に、演算に必要な情報を外部から入力する入力インターフェイス（図示省略）と、演算結果に基づき指令信号を外部に出力する出力インターフェイス（図示省略）とを備える。

また、歩行補助装置Ａには、以下に示すような装着検知センサ１ａｘ、トルクセンサ１５ａ、及び回転速度センサ１５ｂ、一対の踏力計測用力センサ２２ａ，２２ｂ、ひずみゲージ式力センサ２３、及び角度センサ２４が備えられている。

装着検知センサ１ａｘは、利用者Ｐの股部が着座部材１に当接した（利用者Ｐが着座した）ことを検出する圧力センサが、着座部材１のシート部１ａに設けられている。装着検知センサ１ａｘは、利用者Ｐが着座部材１に着座したときと、着座していないときとで出力信号が変化する。制御装置２１は、この出力信号の変化によって、利用者Ｐが着座したか否かを判定する。

また、電動モータ１５の出力軸９ａには、電動モータ１５の出力トルクを検知するトルクセンサ１５ａと、電動モータ１５の出力軸９ａの回転速度（すなわち、電動モータ１５の回転速度）を検知する回転速度センサ１５ｂとが設けられている。制御装置２１は、トルクセンサ１５ａの出力信号によって、電動モータ１５が実際に出力したトルク（以下、「トルク実測値」という）Tactを得る。また、制御装置２１は、回転速度センサ１５ｂの出力信号によって、電動モータ１５が実際に出力した回転速度（以下、「回転速度実測値」という）Vactを得る。

ここで、装着検知センサ１ａｘが本発明における装着検知手段に相当する。トルクセンサ１５ａが本発明における出力検知手段に相当する。回転速度センサ１５ｂが本発明における出力速度検知手段に相当する。

また、一対の踏力計測用力センサ２２ａ，２２ｂは、図２に示されるように、利用者Ｐの各脚の踏力（各脚の足平を床面側に押し付ける上下方向の並進力）を計測するために、足平装着部２Ｌ，２Ｒの各靴２ａ内に設けられている。各脚の踏力は、別の言い方をすれば、前記利用者負担支持力のうちの各脚に作用する力（各脚の負担分）に釣り合う並進力であり、両脚のそれぞれの踏力の総和の大きさは、利用者負担支持力の大きさに等しい。

本実施形態では、踏力計測用力センサ２２ａ，２２ｂは、利用者Ｐの足平の中趾節関節（ＭＰ関節）の直下箇所と踵の直下箇所との前後２箇所で利用者Ｐの足平の底面に対向するように靴２ａ内の中敷２ｃの下面に取付けられている。これらの踏力計測用力センサ２２ａ，２２ｂは、それぞれ１軸力センサにより構成され、靴２ａの底面に垂直な方向の並進力に応じた出力信号を発生する。

また、図４に示されるように、各動力伝達機構１０の連結ロッド１８の第３関節８寄りの箇所に、ロッド伝達力計測用力センサとしてのひずみゲージ式力センサ２３が取り付けられている。このひずみゲージ式力センサ２３は、連結ロッド１８の外周面に固着された複数のひずみゲージ（図示省略）によって構成される公知のセンサであり、連結ロッド１８にその長手方向で作用する並進力に応じた出力を発生する。なお、ひずみゲージ式力センサ２３は、連結ロッド１８の長手方向の並進力に対しては、高い感度を有するが、連結ロッド１８のせん断方向（横断方向）の力に対する感度は十分に微小なものとなる。

また、各脚リンク３Ｌ，３Ｒの第３関節８の変位角度（下腿フレーム７の大腿フレーム５に対する基準位置からの相対回転角度）を表すものとしての各脚リンク３Ｌ，３Ｒの屈曲角度を計測するために、各回転アクチュエータ９の出力軸９ａの回転角度（基準位置からの回転角度）に応じた出力を発生するロータリエンコーダ等の角度センサ２４（図３参照）が、回転アクチュエータ９と一体に大腿フレーム５に搭載されている。本実施形態では、各脚リンク３Ｌ，３Ｒの第３関節８での屈曲角度は、各回転アクチュエータ９の出力軸９ａの回転角度に応じて一義的に定まる。従って、角度センサ２４の出力は、各脚リンク３Ｌ，３Ｒの屈曲角度に応じた出力を発生する。なお、各脚リンク３Ｌ，３Ｒの第３関節８は、膝関節に相当するものであるので、以降の説明では、第３関節８での各脚リンク３Ｌ，３Ｒの屈曲角度を膝角度という。

補足すると、各脚リンク３Ｌ，３Ｒの第３関節８にロータリエンコーダ等の角度センサを搭載し、その角度センサにより直接的に各脚リンク３Ｌ，３Ｒの膝角度を計測し得るようにしてもよい。

図５は、制御装置２１が実行する「電流指令値を決定」する処理部（以下、「電流指令値決定部」という）のブロック図を示す。なお、電流指令値決定部は左右の脚リンク３Ｌ，３Ｒのそれぞれに対して図５のような処理を実行する。以降の説明では、左右の脚リンク３Ｌ，３Ｒの区別をせずに説明する。電流指令値決定部は、電動モータ１５の出力トルクの目標値（以下、「トルク目標値」という）Tcmdが入力され、電動モータ１５に対する電流指令値Icmdを出力する。また、電流指令値決定部には、トルク実測値Tactと回転速度実測値Vactとがフィードバック信号として入力される。

以下、電流指令値決定部の詳細について説明する。電流指令値決定部は、トルク偏差算出手段Ｆ１と、回転速度目標値決定手段Ｆ２と、回転速度偏差算出手段Ｆ３と、電流指令値算出手段Ｆ４と、第１切替手段ＳＷ１と、第２切替手段ＳＷ２とを備える。

第１切替手段ＳＷ１及び第２切替手段ＳＷ２は、利用者Ｐが歩行補助装置Ａを装着完了したか否かで処理を切り替え、内部の動作が切り替わるように設計されている。第１切替手段ＳＷ１及び第２切替手段ＳＷ２は、利用者Ｐが歩行補助装置Ａを装着完了したか否かを、前述の装着検知センサ１ａｘの出力信号によって検知している。

なお、装着したか否かの判定はこれに限らず、例えば、足平装着部２Ｌ，２Ｒにも圧力センサを設け、装着検知センサ１ａｘとこれらの圧力センサとの全てのセンサが圧力を検知したときに、装着したと判定してもよい。また、装着したか否かの判定は、歩行補助装置Ａが自動的に行う必要はなく、ボタン操作等により、利用者Ｐから明示的に指定されるものであってもよい。

以下、利用者Ｐが歩行補助装置Ａを装着完了前のことを単に「装着完了前」といい、利用者Ｐが歩行補助装置Ａを装着完了後のことを単に「装着完了後」という。

なお、本実施形態の歩行補助装置Ａは、利用者Ｐが当該歩行補助装置Ａを装着するとき（すなわち装着完了前のとき）、膝角度θ１が大きい状態において、利用者Ｐの左右の足平に足平装着部２Ｌ，２Ｒが装着され、その後、回転アクチュエータ９の駆動力により徐々に膝角度θ１が小さくなっていく。すなわち、着座部材１が利用者Ｐの股部に向かって徐々に近づいていく。

まず、トルク偏差算出手段Ｆ１は、トルク目標値Tcmdとトルク実測値Tactとの偏差（以下、「トルク偏差」という）Terr1を算出する。回転速度目標値決定手段Ｆ２は、トルク偏差算出手段Ｆ１によって得られたトルク偏差Terr1に、所定のゲインＫｐを掛けて仮の回転速度目標値Vcmd1を算出（決定）する。所定のゲインＫｐは、予め実験等によって決定され、図示しないメモリに記憶保持される。ここで、回転速度目標値決定手段Ｆ２によって算出される回転速度目標値Vcmd1が、本発明における「前記電動機の出力の目標値と前記出力検知手段により検知された出力との偏差から得られる前記電動機の出力速度の目標値」に相当する。

第１切替手段ＳＷ１は、回転速度目標値決定手段Ｆ２によって算出された仮の回転速度目標値Vcmd1に基づいて、回転速度目標値Vcmd1を出力する。

第１切替手段ＳＷ１は、装着完了前の場合には、リミット処理を行う。リミット処理は、第１切替手段ＳＷ１に入力された仮の回転速度目標値Vcmd1が、上限値を超えている場合には上限値を回転速度目標値Vcmd1として出力し、上限値以下の場合には入力された仮の回転速度目標値Vcmd1をそのまま回転速度目標値Vcmd1として出力する処理である。

このリミット処理によって、歩行補助装置Ａの着座部材１が、当該歩行補助装置Ａを装着しようとしている利用者Ｐの股部に近付くときに、当該着座部材１の移動速度が、安全を確保可能な速度を超えないようにでき、利用者Ｐは当該歩行補助装置Ａをより安全に利用できる。上限値は、この安全を確保可能な速度以下の値に設定され、予め図示しないメモリに記憶保持される。

また、第１切替手段ＳＷ１は、装着完了後には、入力された仮の回転速度目標値Vcmd1をそのまま回転速度目標値Vcmd1として出力する。

この第１切替手段ＳＷ１による処理が、本発明において「制御手段は、装着検知手段が装着していないと判定しているときは、電動機の出力速度の目標値を所定の値以下に制限する」ことに相当する。

また、第２切替手段ＳＷ２は、フィードバック信号として入力された回転速度実測値Vactを以下のように処理する。第２切替手段ＳＷ２は、高域を通過して、低域を低下させる（又は０にする）ハイパスフィルタ（高域通過フィルタ）ＨＰＦを備える。

本発明者は、本実施形態のハイパスフィルタＨＰＦのカットオフ周波数（遮断周波数）ｆｃを実験によって決定した。本発明者は、本実験で、利用者Ｐの歩行時の、足平と股部との間の距離（以下、「足平股部間距離」という）の時間変化を計測した。足平股部間距離は、角度センサ２４の出力に基づいて膝角度θ１を計測し、この膝角度θ１から着座部材１と足平装着部２Ｌ，２Ｒの間の距離を求めている。図６は、この計測結果をフーリエ変換により時間領域から周波数領域に変換した結果を示す（横軸は周波数、縦軸はスペクトルパワー）。

図６の縦軸の値が大きくなっている周波数は、利用者Ｐが歩行時の足平股部間距離の時間変化において、その周波数成分がより強く含まれていることを示す。利用者Ｐの歩行時に行われる膝の曲げ伸ばしは、基本的には足を前後方向に動かすことで行われる。但し、利用者Ｐが歩行のために前後方向に脚を動作させる以外にも、様々な外的要因等により膝が動くこともある。

このような外的要因による膝の動きは、定常的なものではなくノイズのように突発的な動きであるので、当該前後方向の動作に比べ、顕著な周期性は認められないのが通常である。すなわち、前後方向に動かすときの周波数成分は、スペクトルパワーが大きくなり、上記のような外的要因による動き（すなわち、利用者Ｐが歩行のための動き以外の動き）の周波数成分は、スペクトルパワーが小さくなる。すなわち、値が大きくなっている周波数は、利用者Ｐが脚を動かすときの変動周波数（以下、「脚周波数」という）に近いと考えられる。

このため、脚周波数未満の周波数帯域、すなわち、利用者Ｐが粘性感を感じやすい低域では、速度フィードバックの値（回転速度実測値Vact）を０（又は０に近い値）にし、トルク目標値Tcmdが０のときに、トルク実測値Tactが０（又は０に近い値）になるようにする。

また、速度フィードバック制御により目標値への収斂性を高めているので、脚周波数以上の周波数帯域、すなわち、利用者Ｐが粘性感を感じにくい高域では、速度フィードバックの値（回転速度実測値Vact）を０にせず、実際に電動モータ１５が回転した速度にする。

このため、本実施形態では、ハイパスフィルタＨＰＦのカットオフ周波数ｆｃを、脚周波数に所定の値だけ高い周波数に設定している。なお、本実施形態においてカットオフ周波数ｆｃを余裕を持って脚周波数に所定の値を加えた周波数にしているが、カットオフ周波数ｆｃは脚周波数以上の値であればよい（例えば、所定の値が０であってもよい）。このとき、カットオフ周波数ｆｃとして脚周波数より高すぎる値を設定すると、速度フィードバック制御により安定性を向上する効果が薄れるため、予め実験等により適切な周波数を求め、図示しないメモリに記憶保持しておくとよい。本実施形態のカットオフ周波数ｆｃが、本発明における「所定の周波数」に相当する。なお、所定の周波数は、利用者Ｐが感じる粘性感を無くすことが（又は低減）できる周波数であればよい。例えば、所定の周波数を脚周波数（利用者Ｐの動作の変動周波数）としてもよい。

なお、脚周波数は利用者や使用用途によっても異なる。このため、ハイパスフィルタを、ハイパスフィルタＨＰＦのカットオフ周波数ｆｃを変更可能に構成している場合（例えば、ソフトウェア等による処理）においては、カットオフ周波数ｆｃを利用者毎に学習するようにしてもよい。例えば、粘性感を感じるときにボタンを押圧することで通知してもらうことで学習したり、トルク目標値Tcmdが０のとき（遊脚と判定できるとき）の膝角度θ１を所定間隔でサンプリングしたデータを周波数解析して図６に示されるようなデータにし、カットオフ周波数ｆｃを自動的に決定してもよい。

カットオフ周波数ｆｃを学習しない場合には、予め複数の被験者で実験してカットオフ周波数ｆｃを決定するとよい。また、利用者が複数のカットオフ周波数ｆｃを選択できるような操作ボタン等を設けてもよい。この場合のユーザーインターフェイスとしては、カットオフ周波数ｆｃの値をユーザーに提示するものよりは、例えば、「歩行」，「走行」や「弱」，「強」等のようなものであると利用者Ｐは簡単に選択できる。

図５の説明に戻る。第２切替手段ＳＷ２は、装着完了後の場合、入力された回転速度実測値Vactを、ハイパスフィルタＨＰＦに通過させて新たな回転速度実測値Vactとして出力する。このため、回転速度実測値Vactの変動周波数の低域成分（利用者Ｐの脚周波数未満の成分）は、ハイパスフィルタＨＰＦにより低下（減衰）するので、０に近くなる（又は０になる）。

また、回転速度実測値Vactの変動周波数の高域成分（利用者Ｐの脚周波数以上の成分）は、低下（減衰）せずにハイパスフィルタＨＰＦを通過する。また、第２切替手段ＳＷ２は、装着完了前の場合、ハイパスフィルタＨＰＦは通さずに、入力された回転速度実測値Vactをそのまま出力する。

回転速度偏差算出手段Ｆ３は、第１切替手段ＳＷ１から出力された回転速度目標値Vcmd1と、第２切替手段ＳＷ２から出力される回転速度実測値Vactとの偏差（以下、「回転速度偏差」という）Verrを算出する。

電流指令値算出手段Ｆ４は、回転速度偏差算出手段Ｆ３によって算出された回転速度偏差Verrに、所定のゲインＫｖを掛けて電流指令値Icmdを算出する。所定のゲインＫｖは、予め実験等によって決定され、図示しないメモリに記憶保持される。

このように、電流指令値決定部は、装着完了後において、ハイパスフィルタＨＰＦを介した回転速度実測値Vactによって、回転速度偏差Verrを算出している。これにより、回転速度実測値Vactの変動周波数の高域成分（利用者Ｐの脚周波数以上の成分）は回転速度実測値Vactがそのままフィードバックされ、電流指令値Icmdが高周波数で発振することを防止でき、歩行補助装置Ａの作動の安定性が高まる。

また、回転速度実測値Vactの変動周波数の低域成分（利用者Ｐの脚周波数未満の成分）は０の近くまで低下（減衰）され（又は０にされ）、実質的に回転速度実測値Vactがフィードバックされず、利用者Ｐが感じる粘性感を低減する（又は無くす）ことができる。

このようにして、回転速度実測値Vactをフィードバック（速度フィードバック）する際に、所定のカットオフ周波数ｆｃ（利用者Ｐの脚周波数に基づいた周波数）のハイパスフィルタＨＰＦを介することにより、本実施形態の歩行補助装置Ａは、利用者の脚の動作の変化に対する追従性及び安定性を両立可能となっている。

また、電流指令値決定部は、装着完了前において、利用者Ｐに粘性感を感じないようにする必要がないので、ハイパスフィルタＨＰＦを介さずに、回転速度実測値Vactをフィードバックしている。これにより、電流指令値決定部は、装置を装着しようとしているとき等、利用者Ｐの股部に向かって着座部材１が徐々に近づくときに、より良い制御の安定性を得ることができる。

このように、「制御装置２１が、第２切替手段ＳＷ２により、回転速度実測値Vactの変動周波数の高域成分が通過し、トルク偏差算出手段Ｆ１、回転速度目標値決定手段Ｆ２、回転速度偏差算出手段Ｆ３及び電流指令値算出手段Ｆ４により電流指令値Icmdが決定されて電動機を制御する」ことが、本発明において「所定の周波数以上の周波数帯域では、前記電動機の出力の目標値と前記出力検知手段により検知された出力との偏差から得られる前記電動機の出力速度の目標値と前記検知された出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御する」ことに相当すると共に、「高域制御処理」に相当する。

また、「制御装置２１が、第２切替手段ＳＷ２により、回転速度実測値Vactの変動周波数の低域成分が０の近くまで低下（減衰）し（又は０になり）、実質的に速度フィードバックせずに、トルク偏差算出手段Ｆ１、回転速度目標値決定手段Ｆ２、回転速度偏差算出手段Ｆ３及び電流指令値算出手段Ｆ４によって電流指令値Icmdが決定されて電動機を制御する」ことが、本発明において「前記所定の周波数未満の周波数帯域では、前記検知された出力速度を０又は０の近くまで低下させたときの前記出力速度の目標値と当該検知された出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御する」ことに相当すると共に、「低域制御処理」に相当する。

また、「制御装置２１が、第２切替手段ＳＷ２、回転速度偏差算出手段Ｆ３及び電流指令値算出手段Ｆ４によって電流指令値Icmdが決定されて電動機を制御する」ことが、本発明において「前記電動機の出力速度の目標値と前記検知された出力速度が前記ハイパスフィルタを介した出力速度との偏差に基づいて電動機を制御すること」に相当する。

次に、図７を参照して、制御装置２１の図示しないメモリに記憶保持されたプログラムに従って、制御装置２１の図示しないＣＰＵ（中央演算処理装置）が実行する処理手順について説明する。

最初のステップＳＴ１で、利用者Ｐが歩行補助装置Ａを装着したか否かの判定を上述のように行う。ステップＳＴ１で装着したと判定されたとき（ステップＳＴ１の判定結果がＹＥＳのとき）は、ステップＳＴ２に進み、第１切替手段ＳＷ１をリミット処理をしないように設定し、第２切替手段ＳＷ２をハイパスフィルタＨＰＦを使うように設定する。

ステップＳＴ１で装着していないと判定されたとき（ステップＳＴ１の判定結果がＮＯのとき）は、ステップＳＴ３に進み、第１切替手段ＳＷ１をリミット処理をするように設定し、第２切替手段ＳＷ２をハイパスフィルタＨＰＦを使わないように設定する。

ステップＳＴ１〜ＳＴ３の処理が、本発明において「制御手段は、装着検知手段が装着したと判定しているときに、周波数帯域に応じて電動機の制御を変える」ことに相当すると共に、「制御手段は、装着検知手段が装着していないと判定しているときは、電動機の出力速度の目標値を所定の値以下に制限する」ことに相当する。

ステップＳＴ２又はＳＴ３の処理が終了するとステップＳＴ４に進み、制御装置２１は、トルク目標値Tcmdを、一対の踏力計測用力センサ２２ａ，２２ｂが計測した左右の踏力の値に基づいて、各脚リンク３Ｌ，３Ｒの回転アクチュエータ９が出力する駆動力を決定している。このような制御装置２１によるトルク目標値Tcmdの決定の詳細については、例えば、既に公知である特開２００７−５４６１６号公報等に記載された方法を用いてもよいし、他の方法を使用してもよい。

次に、ステップＳＴ５で、トルク目標値Tcmdとトルク実測値Tactの偏差（トルク偏差Terr1）を算出する（図５のトルク偏差算出手段Ｆ１に相当）。次に、ステップＳＴ６で、ステップＳＴ５で得られたトルク偏差Terr1に所定のゲインＫｐを掛けて回転速度目標値Vcmd1を決定する。このとき、ステップＳＴ３の処理が実行されていた場合には、リミット処理される。ステップＳＴ６の処理が図５の回転速度目標値決定手段Ｆ２及び第１切替手段ＳＷ１に相当する。

ステップＳＴ６の処理が終了すると、ステップＳＴ７に進み、回転速度目標値Vcmd1と回転速度実測値Vactの偏差（回転速度偏差Verr）を算出する。このとき、ステップＳＴ２の処理が実行されていた場合（装着完了後）には、回転速度目標値Vcmd1とハイパスフィルタＨＰＦを介した回転速度実測値Vactとの偏差を算出する。また、ステップＳＴ３の処理が実行されていた場合（装着完了前）には、回転速度目標値Vcmd1と回転速度実測値Vactとの差を算出する。ステップＳＴ７の処理が図５の回転速度偏差算出手段Ｆ３及び第２切替手段ＳＷ２に相当する。

次に、ステップＳＴ８に進み、ステップＳＴ７で得られた回転速度偏差Verrに所定のゲインＫｖを掛けて電流指令値Icmdを算出する（図５の電流指令値算出手段Ｆ４に相当）。

ステップＳＴ８の処理が終了すると、制御装置２１は、電動モータ１５を駆動するドライバ回路（図示省略）に、ステップＳＴ８で算出された電流指令値Icmdを出力する。このとき、ドライバ回路は、与えられた電流指令値Icmdに従って各電動モータ１５に通電する。これにより、脚リンク３Ｌ，３Ｒの各回転アクチュエータ９が駆動し、歩行補助装置Ａが利用者Ｐの体幹部に上向きの並進力を補助力として付与する。

上記のような制御装置２１の速度フィードバックによる電動機の制御に、ハイパスフィルタＨＰＦを入れた際の効果について実験を行った。本実験では、歩行補助装置Ａの着座部材１を所定の位置に固定し、脚リンク３Ｌ，３Ｒのうち片方、例えば、左脚リンク３Ｌを遊脚として、左足平装着部２Ｌの先を所定の周波数（例えば、１［Ｈｚ］）で振動させるようにして行った。このとき、遊脚であるため、トルク目標値Tcmdは常に０［Ｎｍ］となるように設定している。これにより、利用者Ｐが遊脚を、地面に着けずに前後方向に動かしている状態をシミュレーションしている。なお、本実施形態では、ハイパスフィルタＨＰＦのカットオフ周波数ｆｃを６［Ｈｚ］としている。

図８に、この実験の結果を示す。図８は、横軸が時間、縦軸が左脚リンク３Ｌの電動モータ１５のトルク実測値Tactである。図８において、実線は本実施形態のように速度フィードバックにハイパスフィルタＨＰＦを入れたときの結果であり、破線はハイパスフィルタＨＰＦを入れていないときの結果である。

本実験では、上述のとおり、遊脚の状態をシミュレーションしているので、トルク目標値Tcmdは常に０である。このため、利用者Ｐはトルク実測値Tactが０に近いほど粘性感を感じない。図８に示されるように、速度フィードバックだけでハイパスフィルタＨＰＦを入れていないとき（破線）には、左足平装着部２Ｌの先の振動に追従して、トルク実測値Tactが０より大きな値で振動しているのに対し、速度フィードバックにハイパスフィルタＨＰＦを入れたとき（実線）には、トルク実測値Tactが、僅少の振動はあるがほぼ０の値となっている。

以上のように、本実施形態の歩行補助装置Ａは、速度フィードバックにハイパスフィルタＨＰＦを入れることで、脚周波数未満の周波数帯域、すなわち、利用者Ｐが粘性感を感じやすい低域では、速度フィードバックが０（又は０に近い値）となるので、利用者Ｐが感じる粘性感がなくなる（若しくは低減される）と共に、追従性が向上している。脚周波数以上の周波数帯域、すなわち、利用者Ｐが粘性感を感じにくい高域では、速度フィードバックの効果により高周波数での発振を防止するような収斂性を持っている（安定性の確保）。従って、本実施形態の歩行補助装置Ａでは、利用者Ｐの動作の変化に対する追従性及び安定性を両立できる。

また、本実施形態の歩行補助装置Ａは、電流指令値決定部を図５に示されるように構成している。これにより、電動モータ１５の回転速度の変動周波数の周波数帯域に拘らず（低域及び高域のいずれであっても）、すなわち、速度フィードバックの有無に拘らず、所定のゲインＫｐ及び所定のゲインＫｖが掛けられた値によって制御される。すなわち、電流指令値決定部内の最終的なゲインが低下しない。従って、歩行補助装置Ａを素早く動作させることが可能になり、利用者Ｐの利便性を向上できる。

なお、本実施形態の歩行補助装置Ａは、電流指令値決定部を図５に示されるように構成したが、これに限らない。例えば、電流指令値決定部を図９に示されるように構成してもよい。図９に示される制御装置２１の電流指令値決定部は、トルク偏差算出手段Ｆ１１、上乗せトルク算出手段Ｆ１２と、トルク算出手段Ｆ１３と、回転速度目標値決定手段Ｆ１４、回転速度偏差算出手段Ｆ１５と、電流指令値算出手段Ｆ１６と、第１切替手段ＳＷ１１と、第２切替手段ＳＷ１２とを備える。

トルク偏差算出手段Ｆ１１は、図５のトルク偏差算出手段Ｆ１と同様に、トルク目標値Tcmdとトルク実測値Tactとの偏差から仮のトルク偏差Terr2を算出する。

また、第２切替手段ＳＷ１２は、回転速度実測値Vactが入力され、装着完了前は値を出力せず（０が出力されているのと同等）、装着完了後は入力された値をローパスフィルタＬＰＦを介して出力する。このときのローパスフィルタＬＰＦのカットオフ周波数ｆｃは、利用者Ｐの脚周波数以下の値に設定する。

上乗せトルク算出手段Ｆ１２は、第２切替手段ＳＷ１２から出力された値が入力され、所定のゲイン「１／Ｋｐ」を掛けて、回転速度実測値Vactに応じたトルク「Vact/Kp」を算出して出力している。トルク算出手段Ｆ１３は、トルク偏差算出手段Ｆ１１の出力に上乗せトルク算出手段Ｆ１２の出力を上乗せすることで、新たなトルク偏差Terr2を算出する。回転速度目標値決定手段Ｆ１４は、入力されたトルク算出手段Ｆ１３の出力に所定のゲインＫｐを掛けて仮の回転速度目標値Vcmd2を決定して出力する。所定のゲインＫｐは、予め実験等によって決定され図示しないメモリに記憶保持される。

第１切替手段ＳＷ１１は、図５の第１切替手段ＳＷ１と同様に、装着完了前のとき、リミット処理により、入力された回転速度目標値決定手段Ｆ１４の出力の値が、所定の上限値を超えている場合には上限値を回転速度目標値Vcmd2として出力し、所定の上限値を超えていない場合には入力された値をそのまま出力する。所定の上限値は、予め実験等によって決定され図示しないメモリに記憶保持される。このリミット処理による効果は電流指令値決定部を図５のように構成した場合と同様である。また、第１切替手段ＳＷ１１は、装着完了後のとき、入力された値をそのまま回転速度目標値Vcmd2として出力する。

回転速度偏差算出手段Ｆ１５は、第１切替手段ＳＷ１１の出力と回転速度実測値Vactとが入力され、これらの偏差を回転速度偏差Verrとして出力する。電流指令値算出手段Ｆ１６は、図５の電流指令値算出手段Ｆ４と同様に、回転速度偏差算出手段Ｆ１５から入力された回転速度偏差Verrに所定のゲインＫｖを掛けて電流指令値Icmdを算出する。所定のゲインＫｖは、予め実験等によって決定され図示しないメモリに記憶保持される。

以上のように、電流指令値決定部を図９の示されるように構成した場合、装着完了後において、回転速度目標値Vcmd2は、実際のトルク偏差（Tcmd-Tact）に、回転速度実測値Vactに応じたトルク「Vact/Kp」を上乗せしたトルク（Terr2）に基づいて決定されている。このように、予め回転速度実測値Vactが上乗せされた回転速度目標値Vcmd2と回転速度実測値Vactとの偏差により回転速度偏差Verrを算出している。

このとき、回転速度実測値Vactの変動周波数の低域成分（利用者Ｐの脚周波数未満の成分）は、低下（減衰）せずにローパスフィルタＬＰＦを通過するので、回転速度目標値Vcmd2は、回転速度実測値Vactが上乗せされている。従って、回転速度偏差算出手段Ｆ１５で、回転速度実測値Vactが上乗せされた回転速度目標値Vcmd2と回転速度実測値Vactとの偏差（回転速度偏差Verr）は、回転速度実測値Vactが打ち消し合い、実際のトルク偏差（Tcmd-Tact）に所定のゲインＫｐを乗じて得られる回転速度目標値と実質的に同等となる。すなわち、速度フィードバックがされていないことと実質的に同等となる。

これは、電流指令値決定部を図５に示されるように構成した場合において、回転速度実測値Vactの変動周波数の低域成分（利用者Ｐの脚周波数未満の成分）が、ハイパスフィルタＨＰＦにより低下（減衰）され、回転速度偏差Verrが回転速度目標値Vcmd1になるのと実質的に同等である（すなわち、粘性感を低減でき、追従性が向上する）。

このように、「ローパスフィルタＬＰＦにより回転速度実測値Vactの変動周波数の低域成分が通過し、トルク偏差算出手段Ｆ１１、上乗せトルク算出手段Ｆ１２、トルク算出手段Ｆ１３、回転速度目標値決定手段Ｆ１４、回転速度偏差算出手段Ｆ１５及び電流指令値算出手段Ｆ１６により電流指令値Icmdが決定されて電動機を制御する」ことが、本発明において「所定の周波数以上の周波数帯域では、前記電動機の出力の目標値と前記出力検知手段により検知された出力との偏差から得られる前記電動機の出力速度の目標値と前記検知された出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御する」ことに相当すると共に、「高域制御処理」に相当する。

また、図９に示される電流指令値決定部において、回転速度実測値Vactの変動周波数の高域成分（利用者Ｐの脚周波数以上の成分）は、ローパスフィルタＬＰＦにより低下（減衰）するので０に近くなる（又は０になる）。これにより、トルク偏差Terr2は、トルク目標値Tcmdとトルク実測値Tactとの偏差と同等になる。このトルク偏差Terr2から得られる回転速度目標値Vcmd2と回転速度実測値Vactとの偏差を得ることは、電流指令値決定部を図５のように構成した場合において、回転速度実測値Vactの変動周波数の高域成分（利用者Ｐの脚周波数以上の成分）が、低下（減衰）せずにハイパスフィルタＨＰＦを通過して、回転速度実測値Vactをフィードバックしていること（速度フィードバックしていること）と実質的に同等である（すなわち、安定性を確保できる）。

このように、「ローパスフィルタＬＰＦにより回転速度実測値Vactの変動周波数の高域成分が０に近くまで低下（減衰）し（又は０になり）、トルク偏差算出手段Ｆ１１、上乗せトルク算出手段Ｆ１２、トルク算出手段Ｆ１３、回転速度目標値決定手段Ｆ１４、回転速度偏差算出手段Ｆ１５及び電流指令値算出手段Ｆ１６により電流指令値Icmdが決定されて電動機を制御する」ことが、本発明において「前記所定の周波数未満の周波数帯域では、前記検知された出力速度を０又は０の近くまで低下させたときの前記出力速度の目標値と当該検知された出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御する」ことに相当する。

また、装着完了前において、第２切替手段ＳＷ１２は、値を出力していない（０が出力されているのと同等である）。これにより、Vact/Kpが０となるので、回転速度目標値Vcmd2には回転速度実測値Vactが含まれていない（考慮されていない）。このような回転速度目標値Vcmd2と回転速度実測値Vactとの偏差により回転速度偏差Verrを得るので、装着完了前においては、常に回転速度実測値Vactをフィードバックしていることと同等になる。このため、装着完了前において、歩行補助装置Ａは、より良い制御の安定性を得ることができる。

以上のように、電流指令値決定部を図９のように構成した場合であっても、利用者Ｐの脚周波数が粘性感を感じやすい周波数帯域（低域）においては、実質的に速度フィードバックがされない状態にすることで、粘性感を低減して追従性を向上し、それ以外の周波数帯域（高域）においては、ローパスフィルタＬＰＦの効果により速度フィードバックの効果により安定性を確保できる。従って、図９に示されるような電流指令値決定部においても追従性と安定性を両立できる歩行補助装置Ａを提供できる。

また、回転速度偏差算出手段Ｆ１５と電流指令値算出手段Ｆ１６とが埋め込まれた速度フィードバック器、例えば、入力を回転速度目標値のみとし、回転速度実測値Vactのフィードバックを内部で自動的に行うように構成された速度フィードバック器を使用する場合においては、図５に示されるようにハイパスフィルタＨＰＦを入れるような構成にするには、モジュール化された速度フィードバック器の中の構成を変更する必要がある。このような場合には、電流指令値決定部を図９に示されるように構成すれば、既にある速度フィードバック器を有効に活用でき、歩行補助装置Ａを安価に構成することが可能となる。

図９の電流指令値決定部により電動機を制御することが、本発明における「制御手段は、検知された出力速度がローパスフィルタを介した出力速度に基づいて電動機の出力を決定し、２つの出力の偏差に対して該決定された出力を加味した値に基づいて電動機の出力速度の目標値を決定し、当該決定された出力速度の目標値と、検知された出力速度との偏差に基づいて電動機を制御すること」に相当する。

なお、図９において、第２切替手段ＳＷ１２と上乗せトルク算出手段Ｆ１２とが入れ替わっていてもよい。この場合には、上乗せトルク算出手段Ｆ１２に回転速度実測値Vactが入力されて回転速度実測値Vactに応じたトルク「Vact/Kp」を算出し、第２切替手段ＳＷ１２を介して、この算出されたトルク「Vact/Kp」をトルク算出手段Ｆ１３に入力してもよい。これによっても本発明の追従性と安定性を両立できる効果を得ることができる。

この入れ替えたときの電流指令値決定部により電動機を制御することが、本発明における「検知された出力速度に基づいて電動機の出力を決定し、２つの出力の偏差に対して該決定された出力にローパスフィルタを介した出力速度を加味した値に基づいて電動機の出力速度の目標値を決定し、当該決定された出力速度の目標値と、検知された出力速度との偏差に基づいて電動機を制御すること」に相当する。

また、図５又は図９において、所定のゲインＫｐ，Ｋｖの代わりに伝達関数を用いてもよい。

また、本実施形態では、利用者Ｐの体幹部に上向きの並進力を補助力として付与するようにした歩行補助装置Ａを例にとって説明したが、本発明の力付与装置は、これに限定されるものではなく、電動機の出力トルクの作用により、利用者の動作を補助するように当該利用者に力を付与する力付与制御方法であればよい。

例えば、利用者Ｐの腕にその運動を補助する補助力を当該利用者Ｐに付与するような装置についても本発明を適用できる。

また、本実施形態では、電動機を回転軸を中心に回転する電動モータとして構成しているが、直線運動を行うリニアモータで電動機を構成してもよい。この場合には、電動機の出力は、トルク（［Ｎ・ｍ］）ではなく、直線的な力（例えば、［Ｎ］）となり、電動機の出力速度は、回転速度（［ｒａｄ／ｓ］）ではなく、直線的な速度（例えば、［ｍ／ｓ］）となる。

Ａ…歩行補助装置、Ｐ…利用者、１…着座部材、１ａｘ…装着検知センサ（装着検知手段）、３Ｌ，３Ｒ…脚リンク、８…第３関節（関節部）、１５…電動モータ（電動機）、２１…制御装置（制御手段）、１５ａ…トルクセンサ（トルク検知手段）、１５ｂ…回転速度センサ（回転速度検知手段）、ＨＰＦ…ハイパスフィルタ（周波数フィルタ）、ＬＰＦ…ローパスフィルタ（周波数フィルタ）。

Claims (9)

1. 利用者の動作に対して電動機の出力に応じた力を付与する力付与装置であって、
   前記電動機の出力を検知する出力検知手段と、
   前記電動機の出力速度を検知する速度検知手段と、
   前記電動機を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記速度検知手段により検知された出力速度の周波数帯域において、所定の周波数以上の周波数帯域では、前記電動機の出力の目標値と前記出力検知手段により検知された出力との偏差から得られる前記電動機の出力速度の目標値と前記検知された出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御し、
   前記所定の周波数未満の周波数帯域では、前記検知された出力速度を０又は０の近くまで低下させたときの前記出力速度の目標値と当該検知された出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御することを特徴とする力付与装置。
2. 請求項１に記載の力付与装置において、前記制御手段は、前記周波数帯域に応じた前記電動機の制御を行うために周波数フィルタを備えることを特徴とする力付与装置。
3. 請求項２に記載の力付与装置において、
   前記周波数フィルタは、ハイパスフィルタであり、
   前記制御手段は、前記電動機の出力速度の目標値と、前記検知された出力速度が前記ハイパスフィルタを介した出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御することを特徴とする力付与装置。
4. 請求項２に記載の力付与装置において、
   前記周波数フィルタは、ローパスフィルタであり、
   前記制御手段は、前記検知された出力速度が前記ローパスフィルタを介した出力速度に基づいて前記電動機の出力を決定し、前記２つの出力の偏差に対して該決定された出力を加味した値に基づいて前記電動機の出力速度の目標値を決定するか、又は前記検知された出力速度に基づいて前記電動機の出力を決定し、前記２つの出力の偏差に対して該決定された出力に前記ローパスフィルタを介した出力速度を加味した値に基づいて前記電動機の出力速度の目標値を決定し、
   当該決定された出力速度の目標値と、前記検知された出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御することを特徴とする力付与装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の力付与装置において、
   前記利用者が装着可能に構成され、
   前記利用者が装着したか否かを判定する装着検知手段を備え、
   前記制御手段は、前記装着検知手段が装着したと判定しているときに、前記周波数帯域に応じた前記電動機の制御を行うことを特徴とする力付与装置。
6. 請求項５に記載の力付与装置において、前記制御手段は、前記装着検知手段が装着していないと判定しているときは、前記電動機の出力速度の目標値を所定の値以下に制限することを特徴とする力付与装置。
7. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の力付与装置において、
   前記利用者が装着可能に構成され、
   前記利用者が装着したか否かを判定する装着検知手段を備え、
   前記制御手段は、前記装着検知手段が装着していないと判定しているときは、前記電動機の出力速度の目標値を所定の値以下に制限することを特徴とする力付与装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の力付与装置において、
   前記利用者の歩行を補助する歩行補助装置であり、
   前記利用者が跨ぐようにして着座する着座部材と、
   前記利用者の脚の足平に装着される複数の足平装着部と、
   一端が前記着座部材に連結され、他端が前記足平装着部に連結される複数の脚リンクとを備え、
   前記複数の脚リンクは、それぞれが、前記着座部材と前記足平装着部との距離を可変にする関節部を備え、
   前記電動機の出力は前記関節部に作用し、
   前記着座部材と前記足平装着部との距離の時間変化に応じて、前記速度検知手段により検知された出力速度が変化することを特徴とする力付与装置。
9. 電動機の出力を検知する出力検知手段と、前記電動機の出力速度を検知する速度検知手段とを有する検知装置を備え、利用者の動作に対して電動機の出力に応じた力を付与する力付与装置を制御する方法であって、
   前記速度検知手段により検知された出力速度の周波数帯域において、所定の周波数以上の周波数帯域では、前記電動機の出力の目標値と前記出力検知手段により検知された出力との偏差から得られる前記電動機の出力速度の目標値と前記検知された出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御する高域制御処理と、
   前記所定の周波数未満の周波数帯域では、前記検知された出力速度を０又は０の近くまで低下させたときの前記出力速度の目標値と当該検知された出力速度との偏差に基づいて前記電動機を制御する低域制御処理とを有することを特徴とする制御方法。

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