JP5968757B2 - 歩行運動補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、装着者の歩行運動を補助する装置に関する。

動物（装着者）に作用させる補助力により当該動物（装着者）の円滑な歩行運動を促すため、歩行運動周期における当該補助力の強弱を制御する技術的手法が提案されている（特許文献１参照）。

具体的には、脚体の着床状態かつ伸展運動状態において当該脚体の伸展運動が比較的強い力で補助され、その結果としてこの脚体が比較的強い床反力を受ける。この床反力が着床状態の脚体を介して胴体に伝わることにより、胴体の前方への並進が促される。さらに、脚体が補助力によって着床状態において伸張されたことによる反射（伸張反射）により、この着床状態に続く離床状態において当該脚体の屈曲運動（前方運動）が促される。したがって、動物（装着者）の着床状態の脚体の伸展運動（後方運動）のみならず、離床状態の脚体の円滑な屈曲運動（前方運動）を促すようにこの動物（装着者）の周期的な歩行運動が補助される。

特許第４２７１７１３号公報

しかし、装着者の左右対をなす脚体のそれぞれの運動の連関性の観点からは歩行運動補助の態様になおも改良の余地が残されている。

そこで、本発明は、装着者の左右対をなす脚体のそれぞれの運動状態の連関性に鑑みて、この装着者の姿勢の安定化を図りながらそ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、装着者の左右対をなす脚体のそれぞれに装着されるように構成されている装具と、前記装具に動力を伝達するように構成されている一対のアクチュエータと、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、前記装具を介して前記一対のアクチュエータの動力を前記装着者に作用させることにより前記装着者の歩行運動を補助する装置に関する。

本発明の歩行運動補助装置は、前記制御装置が、前記左右対をなす脚体のうち立脚状態にある一方の脚体の伸展方向に補助力を作用させ、かつ、遊脚状態にある他方の脚体の屈曲方向に補助力を作用させる場合、前記一方の脚体に作用させる補助力が前記他方の脚体に作用させる補助力よりも強い第１指定期間と、当該第１指定期間に続く、前記他方の脚体に作用させる補助力が前記一方の脚体に作用させる補助力よりも強い第２指定期間とのそれぞれの長短を調節するように前記アクチュエータの動力の時間変化態様を制御するように構成され、さらに前記脚体の遊脚期間における補助力または仕事が、当該脚体が屈曲運動状態から伸展運動状態に遷移してから立脚状態になるまでの期間である第３指定期間において最大値または極大値を示すように前記アクチュエータの動力の時間変化態様を制御するように構成されていることを特徴とする。

本発明の歩行運動補助装置によれば、第１指定期間において、装着者の重心をその本来の位置よりも立脚状態にあって伸展運動している一方の脚体の側に変位させ、その結果、他方の脚体の屈曲運動を促進させることができる。重心の本来の位置は、装着者が左右対をなす脚体を前後方向にそろえて起立かつ静止している状態における重心の位置を意味する。

その一方、第１指定期間に続く第２指定期間において、装着者の重心を遊脚状態にあって屈曲運動している他方の脚体の側、すなわち本来の位置に向かって変位させ、その結果、装着者の重心変位量が制限され、その姿勢が不安定になる事態を回避することができる。

このため、第１指定期間および第２指定期間のそれぞれの長短が調節されるように一対のアクチュエータのそれぞれの動作が制御されることにより、装着者の重心の左右方向への揺動範囲が姿勢の安定化の観点から適当に制限されながら、その歩行運動の円滑化が図られる。さらに、一方の脚体の第３指定期間において、当該一方の脚体に作用する床反力に由来する胴体の並進が遊脚期間の他の期間と比較して大きく促される。これにより、一方の脚体の第３指定期間に連続する第１指定期間の開始直後において当該一方の脚体に作用する床反力の増大が図られ、当該第１指定期間における前記のような胴体の並進がさらに大きく促進され、他方の脚体の円滑な屈曲運動がさらに促進される。制御方法としては、フィードバック制御が採用され、たとえば装着者の重心の左右方向への揺動範囲の、許容範囲からの逸脱量に適当なゲイン係数が乗じられた結果が、アクチュエータの動力の振幅および位相のうち一方または両方に対して加算または減算されてもよい。また、フィードバック制御ではなく、許容範囲からの逸脱量を評価関数として、その評価関数を小さくするようにアクチュエータの動力の振幅および位相のうち一方または両方を勾配法を利用して最適化してもよい。

前記制御装置が、前記一方の脚体が右脚体であり、かつ、前記他方の脚体が左脚体である場合と、前記一方の脚体が左脚体であり、かつ、前記他方の脚体が右脚体である場合とにおいて、前記第１指定期間および前記第２指定期間のそれぞれが異なる長さになるように前記アクチュエータの動力の時間変化態様を制御するように構成されていることが好ましい。

当該構成の歩行運動補助装置によれば、装着者の重心の左右方向への揺動態様の対称性または非対称性が制御されうる。たとえば、左右対をなす脚体の運動能力が異なる場合でも、装着者の重心の左右方向への揺動態様が対称に制御されうるので、この装着者の姿勢の安定化を図りながら、その歩行運動の円滑化が図られる。

前記制御装置が、前記脚体の立脚期間における補助力または仕事が、前記第１指定期間において最大値または極大値を示すように前記アクチュエータの動力の時間変化態様を制御するように構成されていることが好ましい。

本発明の歩行運動補助装置によれば、装着者の左右対をなす脚体のうち一方の脚体の第１指定期間（立脚期間前期）において、当該一方の脚体に作用する床反力に由来する胴体の並進が立脚期間の他の期間と比較して大きく促される。一方の脚体の第１指定期間は、他方の脚体が立脚状態から遊脚状態に遷移した直後の期間に重複しているので、この胴体の並進に追従するように当該他方の脚体の円滑な屈曲運動が促進される。

前記制御装置が、前記脚体の立脚期間における補助力または仕事が、前記第２指定期間において所定値に収束または漸近するように前記アクチュエータの動力の時間変化態様を制御するように構成されていることが好ましい。

当該構成の歩行運動補助装置によれば、一方の脚体の立脚期間の中期または後期において当該一方の脚体はアクチュエータの動作に束縛されずに運動可能な状態となる。このため、他方の脚体の第１指定期間において、前記のように胴体の並進が比較的大きく促進されたことに追従して、当該一方の脚体の円滑な屈曲運動が促進される。

前記制御装置が、前記装着者の左右対をなす脚体のそれぞれの立脚期間の重複期間がゼロに近づくように、前記第１指定期間における補助力または仕事の最大値または極大値を調節するように構成されていることが好ましい。

当該構成の歩行運動補助装置によれば、胴体の並進に伴う脚体の離床動作の追従性が左右非対称または装着者の個体差等に由来して異なっていても、両方の脚体が立脚状態である両脚支持期間の一律的な短縮が図られる。このため、一方の脚体の立脚期間において、他方の脚体の離床が遅れたために、当該他方の脚体がひきずられるような事態が回避される。

本発明の一施形態としての歩行運動補助装置の構成説明図。 制御装置の構成説明図。 歩行運動状態の遷移に関する説明図。 重心位置の時間変化態様に関する説明図。 補助力の時間変化態様に関する説明図。 実施例１〜４における股関節角度の時間変化態様に関する説明図。 実施例１〜４における重心位置軌跡に関する説明図。 実施例５〜７における股関節角度の時間変化態様に関する説明図。 実施例５〜７における重心位置軌跡に関する説明図。 実施例５〜７における補助力の時間変化態様に関する説明図。 実施例５〜７における重心位置の時間変化態様に関する説明図。

（構成）
本発明の一実施形態としての図１に示されている歩行運動補助装置１０は、装着者としての人間Ｐの胴体に装着される第１装具１１１と、人間Ｐの各脚体に装着される第２装具１１２と、アクチュエータ１２と、アクチュエータ１２の動作を制御するように構成されている制御装置１４と、股関節角度センサ１４２と、バッテリ１６と、を備えている。

歩行運動補助装置１０は、制御装置１４の構成を除き、前記特許文献１に記載されている装置とほぼ同様の構成を有するので、当該同様の構成に関する説明を省略する。歩行運動補助装置１０は、第１装具１１１および第２装具１１２を介して、バッテリ１６を電源とするアクチュエータ１２の動力を人間Ｐに作用させることにより、当該人間Ｐの歩行運動を補助するように構成されている。

図２に示されている制御装置１４はコンピュータにより構成され、アクチュエータの動作、ひいては人間Ｐに作用させる補助力の制御処理を実行するように構成されている。制御装置１４が所定の演算処理を実行するように構成されているとは、制御装置１４を構成する演算処理装置（ＣＰＵ）が、記憶装置（メモリ）から必要なデータおよびアプリケーションソフトウェアを読み取り、当該ソフトウェアにしたがって当該所定の演算処理を実行するようにプログラムされていることを意味する。

脚体等の左右を区別するために符号「Ｌ」および「Ｒ」を用いるが、左右を区別する必要がない場合や左右成分を有するベクトルを表現する場合には当該符号を省略する。また、脚体（具体的には大腿部）の屈曲運動（前方運動）および伸展運動（後方運動）を区別するために符号「＋」および「−」を用いる。

装着者が四足動物である場合、左右の前脚および左右の後脚のうち一方または両方についても、人間Ｐの左右の脚体の運動補助方法が適用されうる。

（機能）
歩行運動補助装置１０を装着した状態で人間Ｐが歩行運動することにより、図３に示されているように各歩行運動周期における当該人間Ｐの歩行運動状態が遷移する。

具体的には、ｔ＝ｔ０において、右脚体（黒）が遊脚状態から立脚状態に遷移する。ｔ＝ｔ１において、立脚状態において伸展運動している右脚体の姿勢が基準前額面より後側に変化する。ｔ＝ｔ２において、左脚体（白）が遊脚状態において屈曲運動を終える。ｔ＝ｔ３において、左脚体が遊脚状態において伸展運動しながら立脚状態に遷移する。ｔ＝ｔ４において、立脚状態において伸展運動している左脚体の姿勢が基準前額面より後側に変化する。そして、ｔ＝ｔ５において、右脚体が遊脚状態において屈曲運動を終える。その後、ｔ＝ｔ６においてｔ＝ｔ０と同様の状態が再現される。

図４に示されているように、前方（＋Ｘ方向）に並進するように歩行運動している人間Ｐの重心Ｐ_Gは、左右方向（±Ｙ方向）に揺動する。

期間ｔ＝ｔ０〜ｔ３が右脚体の「立脚期間」および左脚体の「遊脚期間」に相当し、その他の期間ｔ３〜ｔ６が右脚体の「遊脚期間」および左脚体の「立脚期間」に相当する。右脚体について立脚期間の前期ｔ＝ｔ０〜ｔ１が「第１指定期間」に相当し、立脚期間の中期ｔ＝ｔ１〜ｔ２が「第２指定期間」に相当し、かつ、遊脚期間の後期ｔ＝ｔ５〜ｔ６が「第３指定期間」に相当する。左脚体について立脚期間の前期ｔ＝ｔ３〜ｔ４が「第１指定期間」に相当し、立脚期間の中期ｔ＝ｔ４〜ｔ５が「第２指定期間」に相当し、かつ、遊脚期間の後期ｔ＝ｔ２〜ｔ３が「第３指定期間」に相当する。

股関節角度センサ１４２から、対応する股関節角度φを表わす信号が出力され、制御装置１４に入力される。股関節角度φは、人間Ｐを矢状面の法線方向から見た場合に、基本前額面を表わす直線線分と、大腿部を表す直線線分とがなす角度として定義される。股関節角度φは、大腿部が基本前額面より前側にある場合は正（＋）である一方、大腿部が基本前額面より後側にある場合は負（−）であると定義される。右股関節角度φ_R（ｔ）は、たとえば図５に実線で示されているように時間変化する。

図５に示されている横軸における複数の時点ｔ０〜ｔ６のそれぞれは、図３および図４に示されている歩行運動状態のそれぞれに対応している。各時点ｔ＝ｔ０〜ｔ６の相互の時間間隔は、図示した縮尺と相違していてもよい。

制御装置１４は、股関節角度φ（ｔ）に基づき、所定のアルゴリズムｆにしたがって補助力Ｔ（ｔ）＝ｆ（φ（ｔ））を設定し、かつ、当該補助力Ｔ（ｔ）に応じて、バッテリ１６からアクチュエータ１２に対する供給電力Ｅ（ｔ）＝ｇ（Ｔ（ｔ））を制御する。右脚体の補助力Ｔ_Rおよび左脚体の補助力Ｔ_Lは、たとえば図５に一点鎖線および二点鎖線のそれぞれにより示されているように流動的に設定される。所定のアルゴリズムは、股関節角度φ_k、若しくは当該加速度センサから出力される人間Ｐの前後左右上下の重心軌道、又はその両方に基づいて補助力Ｔ_k＝ｆ（φ_k）が一義的に定められるような計算式またはテーブルなどにより定義され、制御装置１４を構成する記憶装置に保存されている。アルゴリズムｆは、たとえば前記特許文献１に記載されているように、振動子を補助力Ｔの生成基礎とするアルゴリズムが採用されてもよい。

制御装置１４は、股関節角度φ（ｔ）の時間変化態様に基づき、各脚体の屈曲運動状態および伸展運動状態の別、ならびに、立脚状態および遊脚状態の別が判定される。各足底に接触センサが設けられ、当該接触センサから出力される、当該足底と床との接触の有無に応じた信号に基づいて各脚体の立脚状態および遊脚状態の別が判定されてもよい。第１装具１１１に加速度センサが設けられ、当該加速度センサから出力される、人間Ｐの鉛直方向の加速度に応じた信号の時間変化態様に基づいて各脚体の立脚状態および遊脚状態の別が判定されてもよい。

具体的には、立脚状態の右脚体の伸展方向に補助力Ｔ_Rを作用させ、かつ、遊脚状態の左脚体の屈曲方向に補助力Ｔ_Lを作用させる（ｔ＝ｔ０〜ｔ２参照）。この際、第１指定期間ｔ＝ｔ０〜ｔ１と、これに続く第２指定期間ｔ＝ｔ１〜ｔ２とのそれぞれの長短が調節される。たとえば、｜ｔ１−ｔ０｜＝α｜ｔ２−ｔ０｜、かつ、｜ｔ２−ｔ１｜＝（１−α）｜ｔ２−ｔ０｜（０＜α＜０．５）に設定される。

右脚体が立脚状態であり、かつ、左脚体が遊脚状態である場合の第１指定期間ｔ＝ｔ０〜ｔ１は、右脚体に作用させる伸展補助力Ｔ_Rが左脚体に作用させる屈曲補助力Ｔ_Lよりも強い状態が継続している期間である。この場合の第２指定期間ｔ＝ｔ１〜ｔ２は、左脚体に作用させる屈曲補助力Ｔ_Lが右脚体に作用させる伸展補助力Ｔ_Rよりも強い状態が継続する期間である。

同様に、遊脚状態の右脚体の屈曲方向に補助力Ｔ_Rを作用させ、かつ、立脚状態にある左脚体の伸展方向に補助力Ｔ_Lを作用させる（ｔ＝ｔ３〜ｔ５参照）。この際、第１指定期間ｔ＝ｔ３〜ｔ４と、これに続く第２指定期間ｔ＝ｔ４〜ｔ５とのそれぞれの長短が調節される。たとえば、｜ｔ４−ｔ３｜＝β｜ｔ５−ｔ３｜、かつ、｜ｔ５−ｔ４｜＝（１−β）｜ｔ５−ｔ３｜（０＜β＜０．５）に設定される。

左脚体が立脚状態であり、かつ、右脚体が遊脚状態である場合の第１指定期間ｔ＝ｔ３〜ｔ４は、左脚体に作用させる伸展補助力Ｔ_Lが右脚体に作用させる屈曲補助力Ｔ_Rよりも強い状態が継続している期間である。この場合の第２指定期間ｔ＝ｔ４〜ｔ５は、右脚体に作用させる屈曲補助力Ｔ_Rが左脚体に作用させる伸展補助力Ｔ_Lよりも強い状態が継続する期間である。

αおよびβの値は等しくても異なっていてもよい。αおよびβの値が差別化されることにより、右脚体が立脚状態である場合と、左脚体が立脚状態である場合とにおいて、第１指定期間および第２指定期間のそれぞれが異なる長さになるようにアクチュエータ１２の動力の時間変化態様が制御される。

右脚体の立脚期間ｔ＝ｔ０〜ｔ３における補助力Ｔ_Rが、第１指定期間ｔ＝ｔ０〜ｔ１において最大値または極大値を示すようにアクチュエータ１２Ｒの動力の時間変化態様が制御される。左脚体の立脚期間ｔ＝ｔ３〜ｔ６における補助力Ｔ_Lが、第１指定期間ｔ＝ｔ３〜ｔ４において最大値または極大値を示すようにアクチュエータ１２Ｌの動力の時間変化態様が制御される。

右脚体の立脚期間ｔ＝ｔ０〜ｔ３における補助力が、第２指定期間ｔ＝ｔ１〜ｔ２において所定値（本実施形態においてはゼロ）に収束または漸近するようにアクチュエータ１２Ｌの動力の時間変化態様が制御される。左脚体の立脚期間ｔ＝ｔ３〜ｔ６における補助力が、第２指定期間ｔ＝ｔ４〜ｔ５において所定値（本実施形態においてはゼロ）に収束または漸近するようにアクチュエータ１２Ｒの動力の時間変化態様が制御される。

各脚体のそれぞれの立脚期間の重複期間がゼロになるように、第１指定期間ｔ＝ｔ０〜ｔ１およびｔ３〜ｔ４のそれぞれにおける補助力Ｔの最大値または極大値が調節されている。

右脚体の遊脚期間ｔ＝ｔ３〜ｔ６における補助力Ｔ_Rが、第３指定期間ｔ＝ｔ５〜ｔ６において最大値または極大値を示すようにアクチュエータ１２Ｒの動力の時間変化態様が制御されてもよい（破線参照）。第３指定期間ｔ＝ｔ５〜ｔ６は、右脚体が屈曲運動状態から伸展運動状態に遷移してから立脚状態になるまでの期間である。

左脚体の遊脚期間ｔ＝ｔ０〜ｔ３における補助力Ｔ_Lが、第３指定期間ｔ＝ｔ２〜ｔ３において最大値または極大値を示すようにアクチュエータ１２Ｒの動力の時間変化態様が制御されてもよい（破線参照）。第３指定期間ｔ＝ｔ２〜ｔ３は、左脚体が屈曲運動状態から伸展運動状態に遷移してから立脚状態になるまでの期間である。

補助力Ｔに代えて、仕事（補助力（トルク）と股関節角度の変化量との積）が、前記の態様にしたがって時間変化するように制御されてもよい。

（効果）
本発明の歩行運動補助装置１０によれば、第１指定期間ｔ＝ｔ０〜ｔ１（またはｔ３〜ｔ４）と、第２指定期間ｔ＝ｔ１〜ｔ２（またはｔ＝ｔ４〜ｔ５）とのそれぞれの長短が調節される（図５／一点鎖線および二点鎖線参照）。これにより、第１指定期間ｔ＝ｔ０〜ｔ１において、人間Ｐの重心Ｐ_Gをその本来の位置（人間座標系のＸＹ平面（水平面）における原点位置）よりも右側に変位させ（図４／ｔ＝ｔ１参照）、その結果、左脚体の屈曲運動を促進させることができる（図３／ｔ＝ｔ１参照）。同様に、第１指定期間ｔ＝ｔ３〜ｔ４において、人間Ｐの重心Ｐ_Gをその本来の位置よりも左側に変位させ（図４／ｔ＝ｔ４参照）、その結果、右脚体の屈曲運動を促進させることができる（図３／ｔ＝ｔ４参照）。

その一方、第２指定期間ｔ＝ｔ１〜ｔ２において、人間Ｐの重心Ｐ_Gを左側、すなわち本来の位置に向かって変位させることができる（図４／ｔ＝ｔ２参照）。同様に、第２指定期間ｔ＝ｔ４〜ｔ５において、人間Ｐの重心Ｐ_Gを右側、すなわち本来の位置に向かって変位させることができる（図４／ｔ＝ｔ２参照）。これらの結果、装着者の重心変位量が制限され、その姿勢が不安定になる事態が回避されうる。

このため、第１指定期間ｔ＝ｔ０〜ｔ１（またはｔ３〜ｔ４）および第２指定期間ｔ＝ｔ１〜ｔ２（またはｔ＝ｔ４〜ｔ５）のそれぞれの長短が調節されるように一対のアクチュエータ１２のそれぞれの動作が制御されることにより、人間Ｐの重心Ｐ_Gの左右方向への揺動範囲が姿勢の安定化の観点から適当に制限されながら、その歩行運動の円滑化が図られる。

右脚体が立脚状態であり、かつ、左脚体が遊脚状態である場合と、左脚体が立脚状態であり、かつ、右脚体が遊脚状態である場合とにおいて、第１指定期間および第２指定期間のそれぞれが異なる長さに調節されうる。これにより、人間Ｐの重心Ｐ_Gの左右方向への揺動態様の対称性または非対称性が制御されうる（図４参照）。たとえば、左右対をなす脚体の運動能力が異なる場合でも、人間Ｐの重心Ｐ_Gの左右方向への揺動態様が対称に制御されうるので、この人間Ｐの姿勢の安定化を図りながら、その歩行運動の円滑化が図られる。

人間Ｐの右脚体の第１指定期間において、右脚体に作用する床反力に由来する胴体の並進が立脚期間の他の期間と比較して大きく促される（図３および図５／ｔ＝ｔ０〜ｔ＝ｔ１参照）。人間Ｐの左脚体の第１指定期間において、左脚体に作用する床反力に由来する胴体の並進が立脚期間の他の期間と比較して大きく促される（図３および図５／ｔ＝ｔ３〜ｔ＝ｔ４参照）。一方の脚体の第１指定期間は、他方の脚体が立脚状態から遊脚状態に遷移した直後の期間に重複しているので、この胴体の並進に追従するように当該他方の脚体の円滑な屈曲運動が促進される。

右脚体の立脚期間の中期または後期ｔ＝ｔ１〜ｔ２において右脚体はアクチュエータ１２Ｒの動作に束縛されずに運動可能な状態となる（図５／一点鎖線参照）。同様に、左脚体の立脚期間の中期または後期ｔ＝ｔ４〜ｔ５において左脚体はアクチュエータ１２Ｌの動作に束縛されずに運動可能な状態となる（図５／二点鎖線参照）。このため、各脚体の第１指定期間ｔ＝ｔ０〜ｔ１またはｔ＝ｔ３〜ｔ４において、前記のように胴体の並進が比較的大きく促進されたことに追従して、当該各脚体の円滑な屈曲運動が促進される（図３／ｔ＝ｔ０〜ｔ１およびｔ＝ｔ３〜ｔ４参照）。

脚体のそれぞれの立脚期間の重複期間がゼロに近づくように、第１指定期間ｔ＝ｔ０〜ｔ１またはｔ＝ｔ３〜ｔ４における補助力Ｔの最大値または極大値が調節される。これにより、胴体の並進に伴う脚体の離床動作の追従性が左右非対称または装着者の個体差等に由来して異なっていても、両方の脚体が立脚状態である両脚支持期間の一律的な短縮が図られる。このため、一方の脚体の立脚期間において、他方の脚体の離床が遅れたために、当該他方の脚体がひきずられるような事態が回避される。

右脚体の遊脚期間における補助力Ｔ_Rが第３指定期間ｔ＝ｔ５〜ｔ６において最大値または極大値を示すように調節される（図５／破線参照）。左脚体の遊脚期間における補助力Ｔ_Lが第３指定期間ｔ＝ｔ２〜ｔ３において最大値または極大値を示すように調節される（同）。これにより、一方の脚体の第３指定期間において、当該一方の脚体に作用する床反力に由来する胴体の並進が遊脚期間の他の期間と比較して大きく促される。その結果、一方の脚体の第３指定期間に連続する第１指定期間の開始直後において当該一方の脚体に作用する床反力の増大が図られ、当該第１指定期間における前記のような胴体の並進がさらに大きく促進され、他方の脚体の円滑な屈曲運動がさらに促進される。

（実施例）
（実施例１〜４）
図６（ａ）〜（ｄ）のそれぞれには、実施例１〜４のそれぞれにおける、歩行運動補助装置１０の補助力Ｔを受けて歩行運動している被験者（人間Ｐ）の股関節角度φの時間変化態様の測定結果が示されている。図７（ａ）〜（ｄ）のそれぞれには、細線でその際の被験者の重心位置の前額面への投影位置の軌跡の測定結果が示され、太線で重心位置の主要な存在範囲が示されている。

実施例１〜４のそれぞれにおいて、表１に示されているように左脚体の補助力Ｔ_Lと左股関節角度φ_Lとの目標位相差δ_Lおよび右脚体の補助力Ｔ_Rと右股関節角度φ_Rとの目標位相差δ_Rのそれぞれが制御された。実施例２〜４のそれぞれでは被験者の右足首に３［ｋｇ］の錘が装着されたのに対して、実施例１では被験者に当該錘は装着されなかった。

補助力Ｔと股関節角度φとの位相差δは、たとえば、補助力Ｔが伸展側（または屈曲側）に最大値を示す時点と、股関節角度φが伸展側（または屈曲側）に最大値を示す時点との差または当該差の平均値が、人間Ｐの歩行運動周期Ｓにわたる位相変化量２π［ｒａｄ］を基準として換算された結果として定義される。当該位相差δは、補助力Ｔが股関節角度φより位相が進んでいる場合には負値（−）に定義される一方、補助力Ｔが股関節角度φより位相が遅れている場合には正値（＋）に定義される。

図６から、被験者の右股関節角度φ_R（一点鎖線参照）と左股関節角度φ_L（二点鎖線参照）との振幅の差は、被験者の右足首に錘が装着されていない実施例１（図６（ａ）参照）よりも、被験者の右足首に錘が装着されている実施例２〜４（図６（ｂ）〜（ｄ）参照）のほうが大きいことがわかる。図７から、被験者の右足首に錘が装着されている実施例２（図７（ｂ）参照）は、被験者に錘が装着されていない実施例１（図７（ａ）参照）と比較して、重心位置が左側に集中しており（細線で示す軌跡が左側に集中し、かつ太線がいびつな形になっている）、右脚体の持ち上げが劣っている。このことは、錘が装着されている側の伸展タイミングを早めた実施例３（図７（ｃ）参照）においても変わらない。その一方で、錘が装着されている側の伸展タイミングを遅らせた実施例４（図７（ｄ）参照）は、実施例２及び３と比較して重心位置の偏りが少なくなっており（細線で示す軌跡の偏りが少なくなり、かつ太線が左右対称形に近くなっている）、右脚体の持ち上げが若干改善されている。また、いずれも横方向の重心位置pos_ydが、一定の範囲(-0.015〜＋0.015［ｍ］）に収まるように制御されている。

（実施例５〜７）
図８（ａ）〜（ｃ）のそれぞれには、実施例５〜７のそれぞれにおける、歩行運動補助装置１０の補助力Ｔを受けて歩行運動している被験者の股関節角度φの時間変化態様の測定結果が示されている。図９（ａ）〜（ｃ）のそれぞれには、細線でその際の被験者の重心位置の前額面への投影位置の軌跡の測定結果が示され、太線で重心位置の主要な存在範囲が示されている。図１０（ａ）〜（ｃ）のそれぞれには、被験者の横方向の重心位置pos_ydの測定結果が示されている。

実施例５〜７のそれぞれにおいて、左脚体の伸展補助力Ｔ_Lおよび右脚体の屈曲補助力Ｔ_Ｒと左股関節角度φ_Lとの目標位相差δ_Lが−０．４［ｒａｄ］に制御され、右脚体の伸展補助力Ｔ_Rおよび左脚体の屈曲補助力Ｔ_Ｌと右股関節角度φ_Rとの目標位相差δ_Rが＋０．４［ｒａｄ］に制御された。被験者の右足首に錘が装着された。被験者に対して付与される補助力Ｔが、図１１に示されている時間変化態様で制御された。

実施例５は、タイミングの制御に加えて、アシストトルク振幅に左右差をつけた例である。図１１（ａ）に示されているように錘が装着されている右脚体の屈曲運動補助力Ｔ_R（＞０）の振幅が、錘が装着されていない左脚体の屈曲運動補助力Ｔ_L（＞０）の振幅よりも大きい一方、右脚体の伸展運動補助力Ｔ_R（＜０）の振幅が、左脚体の伸展運動補助力Ｔ_L（＜０）の振幅よりも小さくなるように補助力Ｔが制御されている。これにより、タイミング制御だけでは回復できなかった錘の右脚体の運動に対する影響（図６（ｄ）参照）が軽減され、図８（ａ）に示されているように被験者の右股関節角度φ_R（一点鎖線参照）と左股関節角度φ_L（二点鎖線参照）との振幅の差は無視できる程度に小さい。

実施例６では、図１１（ｂ）に示されているように錘が装着されている右脚体の屈曲運動補助力Ｔ_Rの振幅が、錘が装着されていない左脚体の屈曲運動補助力Ｔ_Lの振幅よりも小さい一方、右脚体の伸展運動補助力Ｔ_Rの振幅が、左脚体の伸展運動補助力Ｔ_Lの振幅よりも大きくなるように補助力Ｔが制御されている。これにより、錘の右脚体の運動に対する影響が増幅され、図８（ｂ）に示されているように被験者の右股関節角度φ_Rの振幅が、左股関節角度φ_Lの振幅より小さくなっている。

実施例７では、図１１（ｃ）に示されているように各脚体の屈曲運動および伸展運動の補助力Ｔの振幅が同程度になるように補助力Ｔが制御されている。これにより、錘の右脚体の運動に対する影響が直接的に反映、図８（ｃ）に示されているように被験者の右股関節角度φ_Rの振幅が、左股関節角度φ_Lの振幅より若干小さくなっている。当該偏差は、実施例６よりも小さい。

図９から、錘の影響が軽減されるように補助力Ｔが制御されている実施例５（図９（ａ）参照）は、実施例４と同様に、重心位置の偏りが少なく、右脚体の持ち上げが若干改善されている。一方、錘の影響が増幅またはそのまま反映されるように補助力Ｔが制御されている実施例６および７（図９（ｂ）（ｃ）参照）は、実施例５と比較すると、重心位置が左側に集中しており、右脚体の持ち上げが劣っている。また、図１０（ａ）〜（ｃ）に示されているように実施例５〜７のいずれにおいても横方向の重心位置pos_ydが、一定の範囲（-0.015〜+0.015［ｍ］）に収まるように制御されている。

１０‥歩行運動補助装置、１１１‥第１装具、１１２‥第２装具、１２‥アクチュエータ、１４‥制御装置。

Claims (5)

1. 装着者の左右対をなす脚体のそれぞれに装着されるように構成されている装具と、前記装具に動力を伝達するように構成されている一対のアクチュエータと、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、前記装具を介して前記一対のアクチュエータの動力を前記装着者に作用させることにより前記装着者の歩行運動を補助する装置であって、
   前記制御装置が、前記左右対をなす脚体のうち立脚状態にある一方の脚体の伸展方向に補助力を作用させ、かつ、遊脚状態にある他方の脚体の屈曲方向に補助力を作用させる場合、前記一方の脚体に作用させる補助力が前記他方の脚体に作用させる補助力よりも強い第１指定期間と、当該第１指定期間に続く、前記他方の脚体に作用させる補助力が前記一方の脚体に作用させる補助力よりも強い第２指定期間とのそれぞれの長短を調節するように前記アクチュエータの動力の時間変化態様を制御するように構成され、さらに前記脚体の遊脚期間における補助力または仕事が、当該脚体が屈曲運動状態から伸展運動状態に遷移してから立脚状態になるまでの期間である第３指定期間において最大値または極大値を示すように前記アクチュエータの動力の時間変化態様を制御するように構成されていることを特徴とする歩行運動補助装置。
2. 請求項１記載の歩行運動補助装置において、
   前記制御装置が、前記一方の脚体が右脚体であり、かつ、前記他方の脚体が左脚体である場合と、前記一方の脚体が左脚体であり、かつ、前記他方の脚体が右脚体である場合とにおいて、前記第１指定期間および前記第２指定期間のそれぞれが異なる長さになるように前記アクチュエータの動力の時間変化態様を制御するように構成されていることを特徴とする歩行運動補助装置。
3. 請求項１または２記載の歩行運動補助装置において、
   前記制御装置が、前記脚体の立脚期間における補助力または仕事が、前記第１指定期間において最大値または極大値を示すように前記アクチュエータの動力の時間変化態様を制御するように構成されていることを特徴とする歩行運動補助装置。
4. 請求項３記載の歩行運動補助装置において、
   前記制御装置が、前記脚体の立脚期間における補助力または仕事が、前記第２指定期間において所定値に収束または漸近するように前記アクチュエータの動力の時間変化態様を制御するように構成されていることを特徴とする歩行運動補助装置。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の歩行運動補助装置において、
   前記制御装置が、前記左右対をなす脚体のそれぞれの立脚期間の重複期間がゼロに近づくように、前記第１指定期間における補助力または仕事の最大値または極大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運動補助装置。