JP6371160B2 - 歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法 - Google Patents

Description

歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法に関する。

歩行補助器具は、歩行が不自由な使用者を補助して、使用者が容易に歩行を行うことができるようにする器具である。人間は、遺伝的欠陥のような先天的な理由、または年齢、疾病や事故などのような後天的な理由で歩行が不自由になることがあるが、このような歩行の不自由さを解消するための器具が歩行補助器具である。

歩行補助器具としては、少なくとも一つの車輪及び支持台が設置された歩行補助車や、歩行時に必要な力を人体の筋肉に印加して使用者の歩行を補助する歩行補助ロボットなどがある。

ここで、歩行補助ロボットは、人体の臀部、大腿部や脛部などに固定され、アクチュエータ（ａｃｔｕａｔｏｒ）及び様々な各種機械的手段によって筋肉及び関節に所定の力、例えば、回転力を印加して、筋肉及び関節の運動を補助することによって、着用者が容易に歩行するように補助することができる。

適切且つ効率よく使用者の歩行を補助することができる歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法を提供することが解決しようとする課題である。

上記のような課題を解決するために、歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法が提供される。

歩行補助ロボットは、少なくとも一つの関節と、前記少なくとも一つの関節の動作を感知したり、または前記少なくとも一つの関節の動作を測定する動作情報収集部と、前記感知または測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記少なくとも一つの関節の動作状態を判断し、前記少なくとも一つの関節の動作状態に対する判断結果に基づいて歩行補助ロボットを制御する処理部と、を含むことができる。

歩行補助ロボットを制御する方法は、少なくとも一つの関節の動作を感知したり、または前記少なくとも一つの関節の動作を測定する動作情報収集段階と、前記感知または測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記少なくとも一つの関節の動作状態を判断する動作判断段階と、前記少なくとも一つの関節の動作状態に対する判断結果に基づいて歩行補助ロボットを制御する制御段階と、を含むことができる。

上述した歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法によれば、着用者の筋肉や関節に適切な力を印加することによって、歩行補助ロボットの着用者が、歩行補助ロボットによる不便さを感じないで、自然に歩行できるようになるという効果を得ることができる。

上述した歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法によれば、歩行時に、適切な時期に適切な力を着用者に印加することによって、歩行補助利得を極大化させることができる。

上述した歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法によれば、歩行時に、着用者の筋肉や関節に対して適切に力を印加できるようになることで、移動距離対比着用者のエネルギー消費を減少させる効果も得ることができる。

また、関節別に、歩行速度や環境変化によって変動幅が大きいポジティブワーク（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｗｏｒｋ）区間及びネガティブワーク（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｗｏｒｋ）区間を正確に感知及び推定できるようになる効果も得ることができる。

また、エネルギーの観点で、より効率よく歩行を補助することによって、歩行補助ロボットのエネルギー消費量を減少させて、歩行補助ロボットが長時間にわたって歩行補助を行うことができるようになる。

さらに、歩行補助ロボットのエネルギー消費量の減少によって、歩行補助ロボットのバッテリーの大きさ及び質量を減少させることができるので、歩行補助ロボットの質量もまた減少させることができる。これによって、歩行補助ロボットの質量による着用者の抵抗感を低減させることができるようになる効果も得ることができる。

歩行補助ロボットの一実施例に係る正面図である。 歩行補助ロボットの一実施例に係る側面図である。 歩行補助ロボットの一実施例に係る構成図である。 歩行モデルの一実施例を説明するための図である。 歩行モデルの一実施例を説明するための図である。 回転力変化パターンの一実施例を説明するための図である。 演算された運動情報の一実施例を説明するための図である。 歩行補助ロボットの制御方法の一実施例に係るフローチャートである。 歩行補助ロボットの関節の動作を推定する方法の一実施例に係るフローチャートである。

以下、図１乃至図６を参照して、歩行補助ロボットの一実施例について説明する。図１及び図２は、歩行補助ロボットの一実施例に係る正面図及び側面図であり、図３は、歩行補助ロボットの一実施例に係る構成図である。

図１乃至図３に示すように、歩行補助ロボット１は、着用者の脚または足の全部または一部に固定されて、着用者の歩行を補助する歩行補助部２と、歩行補助部２を制御したり、または各種情報を収集することができる本体部１０とを含むことができる。

歩行補助部２は、一実施例によれば、図１及び図２に示すように、第１構造部２０、第２構造部３０及び第３構造部４０のうち少なくとも一つを含むことができる。以下、歩行補助ロボット１を説明するにあたって、説明の明確化のため、第１構造部２０乃至第３構造部４０を全て含む歩行補助ロボット１の一実施例について記述する。しかし、歩行補助ロボット１は、上述した第１構造部乃至第３構造部２０〜４０を全て含む場合にのみ適用できるものではなく、これら第１構造部乃至第３構造部２０〜４０のいずれか一つ、例えば、第１構造部２０のみを含む場合にも同一に適用可能である。

一実施例によれば、歩行補助部２は、第１構造部２０、第２構造部３０及び第３構造部４０を各々一つずつ含むことができる。この場合、着用者の左脚及び右脚のいずれか一つに、第１構造部２０、第２構造部３０及び第３構造部４０のうち少なくとも一つを着用することができる。他の実施例によれば、図１に示すように、着用者の左脚及び右脚の両方に歩行補助部２を設置できるように、歩行補助部２は、一対の第１構造部２０，２０ａ、一対の第２構造部３０，３０ａ及び一対の第３構造部４０，４０ａを含むこともできる。歩行補助部２が一対の第１構造部２０，２０ａ、一対の第２構造部３０，３０ａ及び一対の第３構造部４０，４０ａを含む場合、互いに異なる方向に駆動できること以外は、前記それぞれの構造部の機能や動作は大同小異である。更に他の実施例によれば、歩行補助部２は、複数の構造部２０〜４０のうち一部の構造部は一つのみを備え、他の構造部は対をなして備えることも可能である。例えば、歩行補助部２は、一対の第１構造部２０，２０ａ、一つの第２構造部３０及び第３構造部４０を含むことも可能である。

以下、単一の第１構造部乃至第３構造部２０〜４０について説明するが、それぞれの構造部が対をなして存在する場合にも実質的に同一に適用できる。

第１構造部２０は、歩行動作において、着用者の大腿部及び股関節の動きを補助することができる。第１構造部２０は、少なくとも一つの第１駆動部２１、及び少なくとも一つの第１支持部２２を含むことができる。

第１駆動部２１は、本体部１０の処理部１７から伝達される制御命令またはアクチュエータ１８の駆動によって、様々な大きさの回転力（トルク、ｔｏｒｑｕｅ）を発生させて、第１支持部２２に印加することができる。第１支持部２２に印加される回転力は固定的であってもよく、可変的であってもよい。第１支持部２２に様々な大きさの回転力を印加しながら、第１駆動部２１は少なくとも一つの方向に回転することもできる。第１駆動部２１の回転範囲は、着用者の股関節の動作範囲以内とすることができる。

一実施例によれば、第１駆動部２１は、本体部１０の電源１６などから供給される電気エネルギーによって所定の大きさの回転力を発生させる少なくとも一つのモータを含むこともできる。少なくとも一つのモータは、エンコーダ（ｅｎｃｏｄｅｒ）を備えたモータであってもよい。他の実施例によれば、第１駆動部２１は、本体部１０などから供給される電気エネルギー、または流体の圧力、例えば、油圧や空気圧などの圧力によって動作して回転力を発生させる少なくとも一つのピストンやシリンダー装置を含むこともできる。実施例によって、第１駆動部２１は、少なくとも一つのモータ、及び少なくとも一つのピストンやシリンダー装置を全て含むこともできる。

少なくとも一つの第１支持部２２は、第１駆動部２１と連結されて、第１駆動部２１で発生した所定の大きさの回転力によって少なくとも一つの方向に回転することができる。第１支持部２２は、歩行補助ロボット１の設計者ごとに、様々な形態で具現することができる。例えば、第１支持部２２は、少なくとも一つの支持パネルとして具現してもよい。また、第１支持部２２は、複数の節部、及び複数の節部を連結するリンク（ｌｉｎｋ）によって具現してもよい。ここで、複数の節部は、支持台や支持パネルなどで具現することができる。第１支持部２２には少なくとも一つの第１固定部２３が設置されていてもよい。第１支持部２２は、第１固定部２３を用いて着用者の大腿部の内側または外側に固定することができる。

第１支持部２２は、第１固定部２３を通じて着用者の大腿部に、第１駆動部２１で発生した所定の大きさの回転力を印加することができる。具体的に、第１駆動部２１の駆動によって第１支持部２２が回転すると、第１支持部２２が第１固定部２３によって固定された着用者の大腿部もまた同一の方向に回転することができる。結果的に、第１構造部２０は、大腿部を持ち上げたり、または下ろす着用者の動作を補助するように、所定の回転力を着用者の大腿部や股関節などに印加できるようになる。これによって、着用者は、脚を持ち上げたり、または歩行時に、歩行補助ロボット１による補助を受けることができるようになる。

第１固定部２３は、金属素材で形成されたものであってもよく、または、ゴムなどのような各種弾性力のある素材で形成されたものであってもよい。第１固定部２３は、図１に示すように、所定のチェーン（ｃｈａｉｎ）であってもよく、弾性力を有するバンドであってもよく、各種ストラップ（ｓｔｒａｐ）であってもよい。その他に、第１支持部２２を大腿部などに固定させるために当業者によって考慮される様々な固定手段もまた、第１固定部２３の例えば適用することができる。

第１構造部２０は、図３に示すように、少なくとも一つの第１感知部２５を含むことができる。少なくとも一つの第１感知部２５は、第１駆動部２１、第１支持部２２及び着用者の股関節の動作のうち少なくとも一つの動作を感知することができる。第１感知部２５は、感知された動作によって所定の電気的信号を生成することによって、所定の情報を獲得することができる。ここで、所定の情報は、関節角度、第１支持部２２の傾き、関節の角速度及び関節の加速度のうち少なくとも一つを含むことができる。第１感知部２５で獲得した所定の情報は、図３に示すように、動作状態判断部１７ｂに伝達することができる。

第１感知部２５は、例えば、少なくとも一つの関節角度センサ、少なくとも一つの傾きセンサ、少なくとも一つの加速度センサ及び少なくとも一つの慣性測定装置（ＩＭＵ、ｉｎｅｒｔｉａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｎｉｔ）のうち少なくとも一つを含むことができる。第１感知部２５は、第１駆動部２１及び第１支持部２２のうち少なくとも一つに設置することができる。実施例によって、第１駆動部２１及び第１支持部２２の両方に第１感知部２５が設置されていてもよい。また、第１感知部２５のうち一部は第１駆動部２１に設置され、他の一部は第１支持部２２に設置されることも可能である。例えば、関節角度センサは第１駆動部２１に設置され、傾きセンサや慣性測定装置は第１支持部２２に設置されることも可能である。

一実施例によれば、第１構造部２０は、図３に示すように、少なくとも一つの第１測定部２６を含むことができる。少なくとも一つの第１測定部２６は、第１駆動部２１と連結されて、第１駆動部２１の動作と関連する情報を測定することができる。第１駆動部２１の動作と関連する情報は、第１駆動部２１の回転角度、角速度及び角加速度のうち少なくとも一つを含むことができる。仮に、第１駆動部２１が、エンコーダを備えたモータである場合、第１測定部２６は、エンコーダのエンコーダ値を用いて関節角度、速度及び加速度を測定することができる。第１測定部２６で測定された各種パラメーターは、図３に示すように、関節動作推定部１７ａに伝達することができる。

第２構造部３０は、歩行動作において、着用者の下腿部及び膝関節の動きを補助することができる。第２構造部３０は、図１乃至図３に示すように、第２駆動部３１、第２支持部３２及び第２固定部３３を含むことができる。

第２駆動部３１は、第１駆動部２１と同様に、少なくとも一つの方向に様々な大きさの回転力を発生させることができる。第２駆動部３１もまた、少なくとも一つのモータ及び少なくとも一つのピストンやシリンダー装置のうち少なくとも一つを含むことができる。第２駆動部３１の少なくとも一つのモータはエンコーダを含むことができる。

少なくとも一つの第２支持部３２は、第２駆動部３１で発生した回転力によって少なくとも一つの方向に回転することができる。第２支持部３２の構成、構造及び素材などは、上述した第１支持部２２と同一であってもよく、または異なっていてもよい。

第２構造部３０は、第２支持部３２を着用者の下腿部に固定させるための少なくとも一つの第２固定部３３，３４を含むこともできる。第２支持部３２は、第２固定部３３，３４によって着用者の下腿部の内側または外側に固定することができる。第２固定部３３，３４の構成、構造及び素材などは、上述した第１固定部２３と同一であってもよく、または異なっていてもよい。第２支持部３２は、第２固定部３３によって下腿部に固定できるので、第２構造部３０は、所定の回転力を着用者の下腿部や膝関節などに印加できるようになる。これによって、第２構造部３０は、下腿部を持ち上げたり、または下ろす着用者の動作を補助できるようになる。

第２構造部３０は、図３に示すように、少なくとも一つの第２感知部３５を含むことができる。少なくとも一つの第２感知部３５は、第２駆動部３１、第２支持部３３及び着用者の膝関節の動作のうち少なくとも一つの動作を感知して電気的信号に変換し、電気的信号を、図３に示すように、動作状態判断部１７ｂに伝達することができる。第２感知部３５は、少なくとも一つの関節角度センサ、少なくとも一つの傾きセンサ、少なくとも一つの加速度センサ及び少なくとも一つの慣性測定装置のうち少なくとも一つを含むことができる。第２感知部３５は、第２駆動部３１及び第２支持部３２のうち少なくとも一つに設置することができる。第１感知部２５の場合と同様に、実施例によって、第２感知部３５のうち一部は第２駆動部３１に設置し、他の一部は第２支持部３２に設置してもよい。

一実施例によれば、第２構造部３０は、図３に示すように、少なくとも一つの第２測定部３６を含むことができる。少なくとも一つの第２測定部３６は、第２駆動部３１の動作と関連する情報、例えば、第２駆動部３１の回転角度、角速度及び角加速度などを測定することができる。仮に、第２駆動部３１が、エンコーダを備えたモータである場合、第２測定部３６は、エンコーダのエンコーダ値を用いて関節角度、速度及び加速度を測定することもできる。第２測定部３６で測定された各種パラメーターは、図３に示すように、関節動作推定部１７ａに伝達することができる。

第３構造部４０は、歩行動作において、着用者の足首の動作を補助することができる。第３構造部４０は、図１に示すように、第３駆動部４１、足受け部４２及び第３固定部４３などを含むことができる。

第３駆動部４１は、第１駆動部２１と同様に、少なくとも一つの方向に様々な大きさの回転力を発生させて、足首関節及び足首の周辺の筋肉と関連する着用者の動作を補助することができる。第３駆動部４１もまた第１駆動部２１及び第２駆動部３１と同様に、少なくとも一つのモータ及び少なくとも一つのピストンやシリンダー装置のうち少なくとも一つを含むことができる。この場合、少なくとも一つのモータはエンコーダを含むことができる。

足受け部４２は、着用者の足裏を乗せることができる。

第３固定部４３は、足受け部４２に乗せられた着用者の足と足受け部４２とを互いに固定させることができる。第３固定部４３の構成、構造及び素材などは、上述した第１固定部２３または第２固定部３３と同一であってもよく、または異なっていてもよい。

第３構造部４０は、図３に示すように、第３感知部４５を含むことができる。少なくとも一つの第３感知部４５は、第３駆動部４１、第３支持部４３及び着用者の足首関節の動作のうち少なくとも一つの動作を感知することができる。第３感知部４５は、少なくとも一つの関節角度センサ、少なくとも一つの傾きセンサ、少なくとも一つの加速度センサ及び少なくとも一つの慣性測定装置のうち少なくとも一つを含むことができる。一方、第３感知部４５は所定の圧力センサを含むこともできる。所定の圧力センサは足受け部４２に設置されていてもよい。所定の圧力センサは、着用者の重さを感知して、着用者が歩行補助ロボット１を着用したか、または着用者が立ち上がったかなどを感知することができる。また、所定の圧力センサは、着用者が歩行する場合、着用者の足に伝達される地面反力（ＧＲＦ、ｇｒｏｕｎｄ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ）を感知できる地面反力センサであってもよい。第３感知部４５の感知によって生成された信号は、図３に示すように、動作状態判断部１７ｂに伝達することができる。

また、第３構造部４０は、図３に示すように、少なくとも一つの第３測定部４６を含むことができる。少なくとも一つの第３測定部４６は、第３駆動部４１の動作と関連する情報を測定し、測定した情報を関節動作推定部１７ａに伝達することができる。仮に、第３駆動部４１がエンコーダを備えたモータである場合、第３測定部４６は、エンコーダのエンコーダ値を用いて関節角度、速度及び加速度を測定することもできる。

実施例によって、歩行補助ロボット１の第１乃至第３固定部２３，３３，３４，４３の個数は、歩行補助ロボット１の設計者の設計意図によって、上述したものより多くてもよく、または少なくてもよい。

上述した第１構造部乃至第３構造部２０〜４０は、本体部１０に設置されたアクチュエータ１８によって動作が開始されたり、または制御されたりする。第１構造部乃至第３構造部２０〜４０は、それぞれ別途に制御信号が伝達されたり、またはアクチュエータ１８によって動力が伝達されて動作することもできる。

本体部１０は、歩行補助部２の動作を制御したり、または各種情報を収集することができる。なお、本体部１０は、着用者の上体を支持して、着用者が安定的に歩行補助ロボット１を着用するように補助することもできる。

本体部１０は、図１及び図２に示すように、歩行補助ロボット１を制御するための各種部品を内蔵可能なハウジング１０ａを含むことができる。ハウジング１０ａは、本体感知部１５、電源１６、処理部１７の機能を行うプロセッサ（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、または各種半導体チップを配設することができる印刷回路基板などを内蔵することができる。本体部１０のハウジング１０ａは、内蔵される各種部品を安全に保護しながら、また各種部品を安定的に固定させることができる。ハウジング１０ａは、内部に処理部１７などの機能を提供するプロセッサ（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）や各種半導体チップを配設することができる印刷回路基板など、歩行補助ロボット１を制御するための各種部品が内蔵されていてもよい。

本体部１０は、少なくとも一つの第１腰固定部及び第２腰固定部１１，１２をさらに含むことができる。少なくとも一つの第１腰固定部及び第２腰固定部１１，１２は、着用者の身体の一部、例えば、着用者の腰にハウジング１０ａを固定することができる。第１腰固定部１１は、例えば、ハウジング１０ａに連結し、第２腰固定部１２は第１腰支持部１３に連結することができる。少なくとも一つの第１腰固定部及び第２腰固定部１１，１２は、金属素材で形成されたものであってもよく、またはゴムなどのような各種弾性力のある素材で形成されたものであってもよい。少なくとも一つの第１腰固定部及び第２腰固定部１１，１２は、チェーン、弾性力を有するバンド、または各種様々な種類のストラップであってもよく、その他にも、ハウジング１０ａなどを腰や臀部などに固定させることができるように当業者によって考慮される様々な固定手段を、少なくとも一つの第１腰固定部及び第２腰固定部１１，１２として用いることができる。本体部１０は、着用者の腰を支持するための第１腰支持部１３をさらに含むこともできる。第１腰支持部１３は、着用者の腰を支持するために、着用者の腰の形態に対応する形状にデザインされていてもよい。第１腰支持部１３は、図１に示すように、少なくとも一つの第２腰支持部１４によってハウジング１０ａと連結することができる。

本体部１０は、図３に示すように、本体感知部１５、電源１６、処理部１７及びアクチュエータ１８などを含むことができる。

本体感知部１５は、着用者の各種動作などを感知して、動作と関連する各種情報を収集することができる。例えば、本体感知部１５は、着用者の歩行速度などを感知することができる。本体感知部１５は、少なくとも一つの速度センサ、少なくとも一つの傾きセンサ、少なくとも一つの加速度センサ、少なくとも一つの慣性測定装置及び位置測定装置、例えば、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）装置のうち少なくとも一つを含むことができる。

電源１６は、ハウジング１０ａの内部の各種部品や、または歩行補助部２の各駆動部２１，３１，４１などの部品に動力を供給することができる。電源１６は、ハウジング１６ａに内蔵されていてもよい。電源１６は、一次電池であってもよく、または二次電池であってもよい。一次電池は、水銀電池、マンガン電池、アルカリ電池及びリチウム電池のうち少なくとも一つを含むことができる。二次電池は、ニッケル−カドミウム（Ｎｉ−ｃｄ）電池、ニッケル−水素（Ｎｉ−ｃｄ）電池、鉛蓄電池（Ｌｅａｄ Ａｃｉｄ）、リチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池、リチウムポリマー電池などを含むことができる。

処理部１７は、第１感知部ないし第３感知部２５，３５，４５、第１測定部ないし第３測定部２６，３６，４６などから伝達される情報に基づいて、少なくとも一つの関節、例えば、股関節、膝関節及び足首関節や、各関節に対応する駆動部２１，３１，４１の動作状態を判断することができる。さらに、処理部１７は、少なくとも一つの関節や、関節に対応する駆動部２１，３１，４１の動作状態に対する判断結果に基づいて、歩行補助ロボットを制御するための制御信号を生成することもできる。

処理部１７は、ハウジング１０ａに内蔵された所定のプロセッサによって具現することができる。所定のプロセッサは、少なくとも一つのシリコンチップに算術論理演算器、レジスタ、プログラムカウンタ、命令デコーダや制御回路などが設置されている処理装置であってもよい。所定のプロセッサは、ハウジング１０ａに内蔵された所定の印刷回路基板に配置された少なくとも一つの半導体チップによって具現することができる。

処理部１７は、図３に示すように、関節動作推定部１７ａ、動作状態判断部１７ｂ及び制御命令生成部１７ｃを含むことができる。

関節動作推定部１７ａは、それぞれの測定部２６，３６，４６から伝達された動作と関連する少なくとも一つの情報に基づいて、着用者及びアシストロボットの逆運動力学モデルを計算することによって、関節の動作を推定することができる。

関節動作推定部１７ａは、一実施例によれば、所定の歩行モデルをベースとして関節の動作を推定することができる。図４及び図５は、歩行モデルの一実施例であって、有限状態機械モデル（ｆｉｎｉｔｅ ｓｔａｔｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｍｏｄｅｌ）を説明するための図である。図４によれば、歩行は、８個の段階（ｓ１乃至ｓ８）に区分することができる。

歩行第１段階ｓ１において、右脚は負荷反応状態（ＬＲ、ｌｏａｄｉｎｇ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｔａｔｅ）であり、左脚はプレスイング状態（ＰＳｗ、ｐｒｅ−ｓｗｉｎｇ ｓｔａｔｅ）に該当する。歩行第８段階ｓ８から歩行第１段階ｓ１に状態変更（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）が起こる途中には、図４及び図５に示すように、右足のかかとを地面に着くことができる。反面、左足は、足指が地面に着いており、左足のかかとは地面から離れ得る（ｓ８−ｓ１）。

歩行第２段階ｓ２では、右脚はミッドスタンス状態（ＭＳｔ、ｍｉｄ ｓｔａｎｃｅ ｓｔａｔｅ）であり、左脚はイニシャルスイング状態（ＩＳＷ、ｉｎｉｔｉａｌ ｓｗｉｎｇ ｓｔａｔｅ）である。歩行第１段階ｓ１から第２段階ｓ２に状態変更が起こる過程には、右足は足指及びかかとが同時に地面に着いており、左脚はスイング（ｓｗｉｎｇ）動作を開始する。左脚のかかとが地面から先に離れ、足指はかかとが地面から離れた後に地面から離れ得る（ｓ１−ｓ２）。

歩行第３段階ｓ３では、右脚は相変らずミッドスタンス状態であり、左脚はミッドスイング状態（ＭＳｗ、ｍｉｄ ｓｗｉｎｇ ｓｔａｔｅ）
である。歩行第２段階ｓ２から歩行第３段階ｓ３に状態変更が起こる途中には、右足の足指及びかかとは全て地面に着いており、左脚はスイング動作を続けて行う。右足と左足とは互いに隣接した距離に位置することができる（ｓ２−ｓ３）。

歩行第４段階ｓ４は、右脚はターミナルスタンス状態（ＴＳｔ、ｔｅｒｍｉｎａｌ ｓｔａｎｃｅ ｓｔａｔｅ）であり、左脚はターミナルスイング状態（ＴＳｗ、ｔｅｒｍｉｎａｌ ｓｗｉｎｇ ｓｔａｔｅ）である。歩行第３段階ｓ３から歩行第４段階ｓ４に状態変更が発生するとき、右足のかかとが地面から離れ始める。反面、右足の足指はまだ地面に着いていることができる。一方、左足はまだ地面に着いていない状態を維持する（ｓ３−ｓ４）。

歩行第５段階ｓ５では、歩行第１段階ｓ１と反対に、左脚は負荷反応状態であり、右脚はイニシャルスイング状態に該当する。歩行第４段階ｓ４から歩行第５段階ｓ５に状態変更が起こるときは、左足のかかとが地面に接触する。一方、右足の足指は地面に着いており、かかとが地面から離れることができる（ｓ４−ｓ５）。

歩行第６段階ｓ６では、左脚はミッドスタンス状態であり、右脚はイニシャルスイング状態に該当する。歩行第５段階ｓ５から歩行第６段階ｓ６に状態変更が発生するとき、左足は足指及びかかとが同時に地面に接触することができる。右脚は右足の足指が地面から離れながら、スイング動作を開始することができる（ｓ５−ｓ６）。

歩行第７段階ｓ７では、左脚は相変らずミッドスタンス状態であり、右脚はミッドスイング状態である。歩行第６段階ｓ６から歩行第７段階ｓ７に状態変更が起こる場合には、左足の足指及びかかとは全て地面に着いており、右脚はスイング動作を続けて行う（ｓ６−ｓ７）。

歩行第８段階ｓ８では、左脚はターミナルスタンス状態であり、右脚はターミナルスイング状態に該当する。歩行第７段階ｓ７から歩行第８段階ｓ８への状態変更では、右足はまだ地面に着いていない状態を維持し、左足のかかとが地面から離れ始める（ｓ７−ｓ８）。

上述した第１段階〜第８段階（ｓ１〜ｓ８）は、歩行を行う間、続けて繰り返すことができる。

少なくとも一つの測定部２６，３６，４６は、歩行中に、歩行段階の状態変更（ｓ８−ｓ１乃至ｓ７−ｓ８）が発生するとき、少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を測定及び収集することができる。少なくとも一つの測定部２６，３６，４６は、状態変更過程（ｓ８−ｓ１乃至ｓ７−ｓ８）でのいずれか一つの特定時点での関節の動作と関連する情報を測定することができる。実施例によって、少なくとも一つの測定部２６，３６，４６は、一つの状態変更過程で複数の特定時点の関節の動作と関連する情報を測定し、測定された複数の情報の平均値や中間値を獲得することもできる。

具体的に、少なくとも一つの測定部２６，３６，４６は、着用者の複数の関節のうち、少なくとも一つの測定部２６，３６，４６に対応する少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を収集することができる。また、少なくとも一つの測定部２６，３６，４６は、第１駆動部乃至第３駆動部２１，３１，４１のうち、少なくとも一つの測定部２６，３６，４６が対応する少なくとも一つの駆動部の動作と関連する情報を収集して、少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を収集することもできる。この場合、測定部２６，３６，４６で測定される情報は、少なくとも一つの関節の角度、少なくとも一つの関節の角速度、少なくとも一つの関節の角加速度、歩行補助ロボット１の歩行速度及び地面反力のうち少なくとも一つを含むことができる。少なくとも一つの測定部２６，３６，４６で測定された情報は、関節動作推定部１７ａに伝達したり、または一時的又は非一時的に所定の格納装置に格納した後、関節動作推定部１７ａに伝達することができる。

一実施例によれば、少なくとも一つの測定部２６，３６，４６は、発生する全ての状態変更過程で少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を測定及び収集することもできる。他の実施例によれば、少なくとも一つの測定部２６，３６，４６は、一部の状態変更過程でのみ少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を収集することもできる。例えば、少なくとも一つの測定部２６，３６，４６は、図５の第１状態変更過程（ｓ８−ｓ１）乃至第４状態変更過程（ｓ３−ｓ４）でのみ少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を測定及び収集することもできる。

一実施例において、少なくとも一つの測定部２６，３６，４６が、少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を測定及び収集する場合、測定時点に関する時間情報も他の情報と共に関節動作推定部１７ａに伝達することができる。

関節動作推定部１７ａは、測定部２６，３６，４６で測定を行った時点に関する時間情報及び測定部２６，３６，４６で測定した情報を用いて、関節の動作を演算して推定することができる。この場合、推定される関節の動作は、次の歩行過程において少なくとも一つの関節の動作状態を判断するのに用いることができる。例えば、第１状態変更過程ないし第４状態変更過程（ｓ８−ｓ１乃至ｓ３−ｓ４）で推定された関節の動作は、歩行第５段階ないし歩行第８段階（ｓ５乃至ｓ８）での少なくとも一つの関節の動作状態の判断のために用いることができる。

関節動作推定部１７ａは、所定の補間法（ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）を用いて、関節の動作と関連する情報が測定された複数の時点の間での関節の動作と関連する情報を推定することができる。この場合、推定される関節の動作と関連する情報は、関節の角度、関節の角速度及び関節の角加速度を含むことができる。

関節動作推定部１７ａは、第１測定部乃至第３測定部２６，３６，４６のうち少なくとも一つの測定部で測定された少なくとも一つの測定値に基づいて、少なくとも一つの関節の回転力を演算することができる。この場合、第１測定部乃至第３測定部２６，３６，４６が測定した少なくとも一つの関節の動作に関する各種パラメーター、例えば、関節角度、関節の角速度及び関節の加速度などを、少なくとも一つの関節の回転力の演算のために用いることができる。

一実施例によれば、関節動作推定部１７ａは、次の数式（１）を用いて関節の回転力を演算することができる。

ここで、τは関節の回転力を意味する。ｑは関節の角度を意味し、ｔは時間を意味する。したがって、ｄｑ/ｄｔは関節の角速度を意味し、ｄ^２ｑ/ｄｔ^２は関節の角加速度を意味する。Ｍ（）は、着用者の姿勢によって変化し得る質量を反映するための関数であり、Ｃ（）は、脚の回転によるコリオリ力（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ ｆｏｒｃｅ）を反映するための関数であり、Ｇ（）は、地球の重力を反映するための関数である。それぞれの関数は、システムの設計者が任意に定義することができる。実施例によって、それぞれの関数は、使用者が定義してもよく、または予め定義された複数の関数のうち使用者が選択してもよい。

関節動作推定部１７ａで演算された少なくとも一つの推定または演算の結果、例えば、関節の回転力、関節の角度、関節の角速度または関節の角加速度に対する推定または演算の結果は動作状態判断部１７ｂに伝達することができる。

動作状態判断部１７ｂは、感知または測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、関節の動作がポジティブワーク状態（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｗｏｒｋ ｓｔａｔｅ）であるか、またはネガティブワーク状態（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｗｏｒｋ ｓｔａｔｅ）であるかを判断することができる。

動作状態判断部１７ｂは、一実施例によれば、第１感知部乃至第３感知部２５，３５，４５のうち少なくとも一つから伝達される信号を用いて、動作状態を判断することができる。他の一実施例によれば、動作状態判断部１７ｂは、関節動作推定部１７ａで推定された関節の動作に関する情報、例えば、関節の回転力や関節の角度に対する推定値に関するデータが伝達され、伝達されたデータに基づいて関節の動作状態を判断することができる。

一実施例によれば、動作状態判断部１７ｂは、感知または測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記関節の運動と関連する運動情報を演算することができる。動作状態判断部１７ｂは、第１感知部乃至第３感知部２５，３５，４５で感知された回転力、または関節動作推定部１７ａで推定された関節の回転力に基づいて、関節の運動と関連する運動情報を演算することができる。一実施例によれば、動作状態判断部１７ｂは、次の数式（２）を用いて、運動情報の一例である仕事率を演算することができる。

ここで、Ｐは仕事率（ｐｏｗｅｒ）を示す。τ（ｔ）は時間による回転力の関数であり、ｑ（ｔ）は時間による関節の角度を意味し、ｄｑ／ｄｔは時間による関節の角速度を意味することができる。数式（２）を通じて、運動情報は、演算された仕事率ｐを含むことができる。数式（２）で表現される仕事率ｐを積分すれば、次の数式（３）に記載されたように仕事（ｗｏｒｋ）を演算することができる。

ここで、Ｗは仕事を意味する。仕事Ｗもまた運動量のように運動情報として用いることができる。

動作状態判断部１７ｂは、演算された仕事率ｐまたは仕事Ｗなどの運動情報が正（＋）の値を有したり、または正（＋）の値に変化する場合、動作状態判断部１７ｂは、関節の動作状態がポジティブワーク状態であると判断することができる。仮に、演算された運動情報が負（−）の値を有したり、または負（−）の値に変化する場合、動作状態判断部１７ｂは、関節の動作状態をネガティブワーク状態であると判断することができる。

また、動作状態判断部１７ｂは、感知または測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、関節の動作状態が変更されたか否かも判断することができる。例えば、動作状態判断部１７ｂは、関節の動作が静止状態からポジティブワーク状態またはネガティブワーク状態に変更されたか否かも判断することができる。また、動作状態判断部１７ｂは、ポジティブワーク状態またはネガティブワーク状態からネガティブワーク状態またはポジティブワーク状態に変更されたか否かも判断することができる。

動作状態判断部１７ｂは、それぞれの関節または駆動部２１，３１，３６毎に別途に動作状態を判断することができる。

制御命令生成部１７ｃは、動作状態判断部１７ｂの判断結果に応じて、所定の制御命令を生成した後、アクチュエータ１８または各種駆動部２１，３１，４１などに伝達して、歩行補助ロボット１の動作を制御することができる。
できる。

制御命令生成部１７ｃは、動作状態判断部１７ｂから関節の動作状態が変更されたという判断結果を受信すると、現在実行されている制御モードを中断し、新しい制御モードを開始することができる。仮に、動作状態判断部１７ｂから関節の動作状態が変更されなかったという判断結果を受信すると、制御命令生成部１７ｃは現在実行されている制御モードを中断せずに維持することができる。

仮に、動作状態判断部１７ｂからポジティブワーク状態であるという判断結果を受信すると、制御命令生成部１７ｃは、少なくとも一つの関節の動作を加速させるための加速補助制御モードにより歩行補助ロボット１を制御することができる。仮に、動作状態判断部１７ｂからネガティブワーク状態であるという判断結果を受信すると、制御命令生成部１７ｃは、少なくとも一つの関節の動作を減速させるための減速補助制御モードにより歩行補助ロボット１を制御することができる。

制御命令生成部１７ｃは、所定の制御パターンデータベース１９を閲覧して、それぞれの状態に応じて所定の制御パターンを獲得した後、獲得した制御パターンによって所定の制御信号を生成することができる。生成した制御信号は、アクチュエータ１８または歩行補助部２に伝達することができる。

制御命令生成部１７ｃは、重力や地面反力などの外部の力を補償するための動的補償回転力（ｄｙｎａｍｉｃｓ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｔｏｒｑｕｅ）を前記少なくとも一つの関節にさらに印加するように制御命令を生成した後、それぞれの駆動部２１，３１，４１に伝達することもできる。

一実施例によれば、制御命令生成部１７ｃは、下記の数式（４）によって少なくとも一つの関節に印加される回転力を演算した後、演算された回転力に応じて、アクチュエータ１８または歩行補助部２に対する制御信号を生成した後、生成した制御信号をアクチュエータ１８または歩行補助部２に伝達することができる。

ここで、τ_ｄｅｓは、関節に印加される補助回転力を意味する。τ_ｐｗは、アクティブ回転力（ａｃｔｉｖｅ ｔｏｒｑｕｅ）を意味し、τ_ｎｗは、ダンピング回転力（ｄａｍｐｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ）を意味する。Ｗ_ｓｙｎｃは、着用者と歩行補助ロボット１とのシンクロナイズ水準を表示するためのシンクロナイゼーションインデックス（Ｈｕｍａｎ＆ｒｏｂｏｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ）を意味する。τ_ｃｏｍｐは、動的補償回転力を意味する。

以下、数式（４）のアクティブ回転力τ_ｐｗについて説明する。

アクティブ回転力τ_ｐｗは、着用者の脚の加速を補助するために、着用者の脚に印加される回転力を意味する。一実施例によれば、アクティブ回転力τ_ｐｗは、下記の数式（５）及び数式（６）のように決定され得る。

数式（５）は、アクティブ回転力τ_ｐｗを活性化させる場合にアクティブ回転力τ_ｐｗを演算するための数式であり、数式（６）は、アクティブ回転力τ_ｐｗを活性化させない場合にアクティブ回転力τ_ｐｗを演算するための数式である。

ここで、Ａ（ｔ）は、時間ｔを基準に回転力の変化に対する回転力変化パターンを示す関数を意味する。ｓｉｇｎ（）は、回転力変化パターンの符号を決定するための関数であって、入力される値が正数である場合には、ｓｉｇｎ（）関数は１を出力し、入力される値が負数である場合には、ｓｉｇｎ（）関数は−１を出力することができる。Ｄ_ｎは、ネガティブダンピング（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｄａｍｐｉｎｇ）を反映するためのネガティブダンピング係数（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｄａｍｐｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）である。ネガティブダンピング係数は、０より小さくてもよい。

図６は、数式（５）において回転力変化パターンを示す関数であるＡ（ｔ）の一実施例を説明するための図である。回転力変化パターンは、一実施例によれば、以前の歩行状態の変化時の時間情報ｔと回転力の変化地点に関する情報ｖｐ及び現在の歩行状態時の最大の関節回転力情報に基づいて決定され得る。

以前の歩行状態の変化時の時間情報ｔは、有限状態機械モデルから状態変更時に獲得した測定時点に関する時間情報を用いることができる。回転力の変化地点に関する情報ｖｐは、有限状態機械モデルから獲得した測定時点に関する時間情報、及び状態変更時の関節角度情報を用いて獲得することができる。例えば、関節角度が最大値である場合、回転力の方向が変更され得るので、関節角度が最大である時点の時間情報を用いると、回転力が変化する地点に関する情報ｖｐを獲得できるようになる。以前の歩行状態の変化時の時間情報ｔ及び回転力の変化地点に関する情報ｖｐを用いると、回転力の方向が一定の場合の期間ｉｔを獲得することができる。一方、適用される回転力の大きさは、現在の歩行状態時の最大の関節回転力に比例して決定することができる。この場合、適用される回転力の大きさは、最大の関節回転力の大きさよりも小さく定義することができる。このように、以前の歩行状態の変化時の時間情報ｔと回転力の変化地点に関する情報ｖｐ、回転力の方向が一定の場合の期間、及び現在の歩行状態時の最大の関節回転力情報などが決定されると、決定された情報に基づいて、図６に示すように、時間ｔに応じて決定される回転力変化パターン関数Ａ（ｔ）を定義することができる。

数式（５）のネガティブダンピング係数Ｄ_ｎは、関節に振動を加えて関節動作の加速を補助するための値である。ネガティブダンピング係数Ｄ_ｎは、システム設計者などによって任意に決定されてもよい。

仮に、アクティブ回転力τ_ｐｗを用いる場合であれば、アクティブ回転力τ_ｐｗは、数式（５）などによって所定の値を備えることができる。この場合、関節には、アクティブ回転力τ_ｐｗも反映された補助回転力τ_ｄｅｓを印加することができる（数式４参照）。仮に、ダンピング回転力τ_ｎｗが０である場合であれば、数式（４）の補助回転力τ_ｄｅｓは、アクティブ回転力τ_ｐｗ及び動的補償回転力τ_ｃｏｍｐのみを反映して決定される。仮に、アクティブ回転力τ_ｐｗを用いない場合であれば、アクティブ回転力τ_ｐｗは、数式（６）に記載したように、０となる。アクティブ回転力τ_ｐｗが０であるので、数式（４）には、ダンピング回転力τ_ｎｗ及び動的補償回転力τ_ｃｏｍｐのみが残るようになる。したがって、ダンピング回転力τ_ｎｗ及び動的補償回転力τ_ｃｏｍｐのみが反映された補助回転力τ_ｄｅｓを関節に印加することができる。

制御命令生成部１７ｃは、関節の動作状態がポジティブワーク状態である場合、数式（５）によってアクティブ回転力τ_ｐｗを演算して、アクティブ回転力τ_ｐｗを反映した補助回転力τ_ｄｅｓを獲得し、補助回転力τ_ｄｅｓに基づいて、それぞれの駆動部２１，３１，４１に対する所定の制御信号を生成し、それぞれの駆動部２１，３１，４１に伝達することができる。仮に、関節の動作状態がポジティブワーク状態ではない場合、制御命令生成部１７ｃは、数式（６）によってアクティブ回転力τ_ｐｗを０と決定して、アクティブ回転力τ_ｐｗを反映していない補助回転力τ_ｄｅｓを獲得することができる。関節の動作状態がポジティブワーク状態ではない場合は、例えば、関節の動作状態がネガティブワーク状態である場合であり得る。

以下、数式（４）のダンピング回転力τ_ｎｗについて説明する。

一実施例によれば、ダンピング回転力τ_ｎｗは、下記の数式（７）及び数式（８）によって決定することができる。

数式（７）は、ダンピング回転力τ_ｎｗを活性化させる場合にダンピング回転力τ_ｎｗを演算するための数式であり、数式（８）は、ダンピング回転力τ_ｎｗを活性化させない場合にダンピング回転力τ_ｎｗを演算するための数式である。

数式（７）においてＤ_ｐは、ポジティブダンピング係数であって、任意に選択できる値である。数式（７）の記載を参照すれば、ダンピング回転力τ_ｎｗの大きさは、関節の角加速度ｄｑ／ｄｔに比例して決定することができ、ダンピング回転力τ_ｎｗの方向は、関節の角加速度ｄｑ／ｄｔの反対方向に決定することができることがわかる。このように、ダンピング回転力τ_ｎｗを関節の角加速度ｄｑ／ｄｔに基づいて決定する場合、歩行の速度が予想以上に減少することを防止できるので、次の歩行過程で高い補助回転力を印加する必要がなくなる。したがって、より効果的な歩行を行うことができる。

仮に、ダンピング回転力τ_ｎｗを用いる状態であれば、ダンピング回転力τ_ｎｗは、数式（７）によって演算されて、０でない値を備えることができる。この場合、関節には、数式（４）に記載されたように、ダンピング回転力τ_ｎｗを反映した補助回転力τ_ｄｅｓを印加することができる。仮に、アクティブ回転力τ_ｐｗが０である場合であれば、補助回転力τ_ｄｅｓは、ダンピング回転力τ_ｎｗ及び動的補償回転力τ_ｃｏｍｐのみを反映したものであり得る。仮に、ダンピング回転力τ_ｎｗを用いない状態であれば、ダンピング回転力τ_ｎｗは、数式（８）のように、０と定義できるので、数式（４）には、アクティブ回転力τ_ｐｗ及び動的補償回転力τ_ｃｏｍｐのみが残る。結果的に、アクティブ回転力τ_ｐｗ及び動的補償回転力τ_ｃｏｍｐのみを反映した補助回転力τ_ｄｅｓを関節に印加することができる。

制御命令生成部１７ｃは、関節の動作状態がネガティブワーク状態である場合、数式（７）によってダンピング回転力τ_ｎｗを演算して、ダンピング回転力τ_ｎｗを反映した補助回転力τ_ｄｅｓを獲得し、補助回転力τ_ｄｅｓに基づいて、それぞれの駆動部２１，３１，４１に対する所定の制御信号を生成することができる。生成された制御信号は、それぞれの駆動部２１，３１，４１に伝達することができる。仮に、関節の動作状態がネガティブワーク状態ではない場合、例えば、ポジティブワーク状態である場合、制御命令生成部１７ｃは、数式（６）によってダンピング回転力τ_ｎｗを０と決定して、ダンピング回転力τ_ｎｗを反映していない補助回転力τ_ｄｅｓを獲得することができる。

以下、数式（４）のシンクロナイゼーションインデックスＷ_ｓｙｎｃについて説明する。

シンクロナイゼーションインデックスＷ_ｓｙｎｃは、着用者と歩行補助ロボット１との間の類似度を表すことができる。このように、類似度は、歩行過程の反復性や周期性を比較して獲得することができる。シンクロナイゼーションインデックスＷ_ｓｙｎｃを、関節に印加される回転力に反映する場合、より積極的に補助回転力を印加することができ、誤った補助回転力が各関節に印加されることを防止できるようになる。

シンクロナイゼーションインデックスＷ_ｓｙｎｃは、一実施例によれば、次の数式（９）によって演算することができる。

ｗ_１及びｗ_２は、システム設計者などによって決定され得る任意の加重値である。Ｐは、状態変移時の動作に関する情報であり、ｔは、状態変移時の時間に関する情報を意味する。ｋは、現在の状態を示すインデックスであり、ｋ−１は、現状態以前の状態を示すためのインデックスである。したがって、Ｐ_ｋは、現在の状態変移時の動作に関する情報を意味し、Ｐ_ｋ−１は、以前の状態変移時の動作に関する情報を示す。

以下、数式（４）の動的補償回転力τ_ｃｏｍｐについて説明する。

動的補償回転力τ_ｃｏｍｐは、歩行補助ロボット１の各種部品の摩擦やエネルギー損失、重力や地面反力などから起因する着用者のロボットに対する抵抗感を減少させるために適用することができる。動的補償回転力τ_ｃｏｍｐは、アクティブ回転力τ_ｐｗやダンピング回転力τ_ｎｗと共に関節に印加することができる。また、動的補償回転力τ_ｃｏｍｐは、アクティブ回転力τ_ｐｗやダンピング回転力τ_ｎｗが関節に印加されない場合にも関節に印加することができる。

動的補償回転力τ_ｃｏｍｐは、実施例によって、スタンス状態の脚及びスイング状態の脚に互いに同一に印加されてもよく、互いに異なるように印加されてもよい。

一実施例によれば、スタンス状態の脚の関節に印加される動的補償回転力τ_ｃｏｍｐは、下記の数式（１０）によって演算されてもよい。

ここで、Ｋ_ｓ（）は、強度の補償のために定義された関数であり、Ｄ_ｖ（）は、粘性摩擦を補償するために定義された関数であり、Ｇ（）は、重力の補償のために定義された関数である。ｑ_ｄは、理想的な状態での関節の角度を意味し、ｑは、測定された関節の角度を意味する。ｄｑ／ｄｔは、関節の角速度を意味する。

言い換えれば、脚がスタンス状態である場合、強度、粘性摩擦及び重力の補償が可能なように、脚の関節に動的補償回転力τ_ｃｏｍｐをさらに印加することができる。

一実施例によれば、スイング状態の脚の関節に印加される動的補償回転力τ_ｃｏｍｐは、上述した数式（１０）、下記の数式（１１）ないし数式（１２）を用いて演算されてもよい。

仮に、脚が低速でスイングする場合には、脚がスタンス状態の時と同様に、上述した数式（１０）を通じて動的補償回転力τ_ｃｏｍｐを演算することができる。

仮に、脚が高速でスイングする場合には、下記の数式（１１）及び数式（１２）を用いて動的補償回転力τ_ｃｏｍｐを演算することができる。

ここで、Ｍ（）は、加速度の補正のために定義された関数である。Ｃ（）は、コリオリ力を反映するために定義された関数である。その他には、数式（１０）で説明したものと同一である。言い換えれば、高速のスイングが行われている場合には、関節に、加速度の補償、コリオリ力の補償及び重力の補償のうち少なくとも一つをさらに反映して動的補償回転力τ_ｃｏｍｐを決定することによって、高速歩行時の歩行補助ロボット１による着用者の抵抗感を減少させることができる。

図７は、演算された運動情報の一実施例を説明するための図である。

上述したように、動作状態判断部１７ｂ及び制御命令生成部１７ｃは、持続的にまたは所定の周期毎に現在の動作を判断し、判断結果に応じて所定の制御信号を生成して、歩行補助ロボット１を制御することができる。また、動作状態判断部１７ｂ及び制御命令生成部１７ｃは、それぞれの関節、例えば、左股関節、右股関節、左膝関節及び右膝関節毎にそれぞれの関節の動作を別途に判断し、判断の結果に応じて別途の制御信号を生成して、それぞれの関節を制御することもできる。このように、持続的に全ての歩行段階で判断された左股関節及び右股関節と、左膝関節及び右膝関節の動作に基づいて運動情報を演算し、演算した運動情報に基づく判断結果が、図７に示されている。図７において、黒ラインＢ１は、ポジティブワーク状態である区間を意味し、白ラインＢ２は、ネガティブワーク状態である区間を意味する。

図７に示すように、右股関節及び右膝関節の動作状態は、歩行第二段階ｓ２に示すように互いに異なって判断され得る。また、同一の関節、例えば、股関節の動作状態であるとしても、それぞれの歩行段階、例えば、歩行第１段階乃至歩行第８段階（ｓ１乃至ｓ８）に応じて動作状態が異なって判断され得る。

これによって、それぞれの関節に対応する駆動部２１，３１，４１毎に互いに異なる制御信号が生成され、それぞれの関節に互いに異なる補助回転力が印加されて歩行を補助することができる。その結果、それぞれの関節毎に適切な補助回転力を印加できるようになり、歩行補助利得を極大化させることができる。

図３に示されるアクチュエータ１８は、例えば、電気エネルギーを他の種類のエネルギー、例えば、動力エネルギーに転換する装置である。アクチュエータ１８は、処理部１７から送信された制御信号に基づいて、歩行補助部２の各部品、例えば、第１駆動部乃至第３駆動部２１，３１，４１などの動作を駆動させたり、または制御することができる。

実施例によって、本体部１０は、図３に示すように、制御パターンデータベース１９をさらに含むことができる。制御パターンデータベース１９は、歩行補助ロボット１を補助するための各種制御パターンを格納することができる。制御パターンデータベース１９は、ハウジング１０ａに内蔵された所定の格納装置に格納することができる。所定の格納装置は、磁気ディスクの表面を磁化させてデータを格納する磁気ディスク格納装置であってもよく、様々な種類のメモリ半導体を用いてデータを格納する半導体メモリ装置であってもよい。

以下、図８及び図９を参照して、歩行補助ロボットの制御方法について説明する。

図８は、歩行補助ロボットの制御方法の一実施例に係るフローチャートである。図８を参照すれば、まず、歩行補助ロボット１の感知部２５，３５，４５が少なくとも一つの関節の動作を感知することができる。この場合、感知部２５，３５，４５は、着用者の関節の動きを直接測定することもでき、またはそれぞれの構造部２０，３０，４０の動作を感知することで、少なくとも一つの関節の動作を感知することもできる（Ｓ１００）。感知部２５，３５，４５は、それぞれの関節毎に別途に関節の動作を感知することができる。一実施例によれば、少なくとも一つの関節は、股関節、膝関節及び足首関節のうち少なくとも一つの関節を含むことができる。

次に、歩行補助ロボット１の処理部１７は、感知された関節の動作に基づいて、少なくとも一つの関節の運動と関連する運動情報を演算することができる（Ｓ１１０）。一実施例によれば、少なくとも一つの関節の運動と関連する運動情報は、数式（２）によって演算することができる。

処理部１７は、演算された運動情報に基づいて、少なくとも一つの関節の動作状態を判断することができる（Ｓ１２０）。この場合、動作状態が変化したか否かも判断することができる。動作状態は、ポジティブワーク状態及びネガティブワーク状態のうち少なくとも一つを含むことができる。一実施例によれば、演算された運動情報が正（＋）の値を有するか、または正（＋）の値に変化する場合に、関節の動作状態はポジティブワーク状態であると判断することができる。仮に、演算された運動情報が負（−）の値を有するか、または負（−）の値に変化する場合に、関節の動作状態はネガティブワーク状態であると判断することができる。

少なくとも一つの関節の動作状態が変化した場合（Ｓ１３０）、歩行補助ロボット１の処理部１７は、現在の歩行補助ロボット１を制御している制御モードを中断し（Ｓ１４０）、新しい制御モードを活性化させることができる。新しい制御モードは、少なくとも一つの関節の動作状態によって決定することができる。

仮に、少なくとも一つの関節の動作状態がポジティブワーク状態であれば（Ｓ１５０）、処理部１７は、制御モードをポジティブワーク状態に相応する制御モードに変更することができる（Ｓ１５１）。ポジティブワーク状態による制御モードは、少なくとも一つの関節の動作を加速させる加速補助モードであってもよい。加速補助モードでは、数式（５）によってアクティブ回転力τ_ｐｗを演算することができる。実施例によって、アクティブ回転力τ_ｐｗに所定の加重値、例えば、シンクロナイゼーションインデックスＷ_ｓｙｎｃがさらに付加されてもよい。シンクロナイゼーションインデックスＷ_ｓｙｎｃは、数式（９）によって演算されてもよい。

仮に、少なくとも一つの関節の動作状態がポジティブワーク状態ではなく（Ｓ１５０）、ネガティブワーク状態である場合であれば（Ｓ１６０）、処理部１７は、制御モードをネガティブワーク状態に相応する制御モードに変更することができる（Ｓ１６１）。ネガティブワーク状態による制御モードは、少なくとも一つの関節の動作を減速させる減速補助モードであってもよい。減速補助モードでは、数式（７）によってダンピング回転力τ_ｎｗを演算することができる。実施例によって、ダンピング回転力τ_ｎｗには所定の加重値、例えば、シンクロナイゼーションインデックスＷ_ｓｙｎｃがさらに付加されてもよい。

仮に、少なくとも一つの関節の動作状態がポジティブワーク状態でもなく、ネガティブワーク状態でもない場合であれば（Ｓ１６０）、歩行補助ロボット１は、既存の制御モードによって動作することもでき、所定のエラーメッセージを出力することもできる。また、ポジティブワーク状態及びネガティブワーク状態に基づいた制御を終了することもできる。

少なくとも一つの関節の動作状態が変化していない場合（Ｓ１３０）には、歩行補助ロボット１は、既存の制御モードによって動作することができる。

一実施例によれば、関節の動作状態による制御モードが決定（Ｓ１５１，Ｓ１６１）された後に、動的補償を行うか否かを決定することもできる（Ｓ１７０）。動作補償を行うか否かは、制御モードが決定（Ｓ１５１，Ｓ１６１）された後に決定されてもよく、制御モードの決定（Ｓ１５１，Ｓ１６１）と同時に決定されてもよい。仮に、動的補償を行う場合であれば、動的補償回転力τ_ｃｏｍｐを反映して、最終的な補助回転力τ_ｄｅｓを生成することができる（Ｓ１７１）。動的補償回転力τ_ｃｏｍｐは、数式（１０）によって決定することができる。動的補償を行わない場合であれば、アクティブ回転力τ_ｐｗまたはダンピング回転力τ_ｎｗが補助回転力τ_ｄｅｓとして決定され得る。ここで、アクティブ回転力τ_ｐｗまたはダンピング回転力τ_ｎｗは、シンクロナイゼーションインデックスＷ_ｓｙｎｃが加重値として付加されたものであってもよい。

歩行が続く場合、上述した段階Ｓ１００乃至Ｓ１７１を繰り返すことができる（Ｓ１８０）。

図９は、歩行補助ロボットの関節の動作を推定する方法の一実施例に係るフローチャートである。図９を参照すれば、少なくとも一つの測定部２６，３６，４６は、それぞれの測定部２６，３６，４６に対応する少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を測定して収集することができる（Ｓ２００）。少なくとも一つの関節の動作と関連する情報は、関節の回転力、角度、角速度、角加速度などを含むことができる。さらに、測定時間もまた別途に収集することができる。

歩行補助ロボット１の処理部１７は、測定された情報に基づいて関節の回転力を演算することができる（Ｓ２０１）。この場合、関節の回転力を演算するために、数式（１）が用いられてもよい。

次に、歩行補助ロボット１の処理部１７は、演算された関節の回転力を用いて、少なくとも一つの関節の運動と関連する運動情報を演算し（Ｓ２１０）、演算された運動情報を用いて、少なくとも一つの関節の動作状態を判断することができる（Ｓ２２０）。

少なくとも一つの関節の動作状態が変化した場合（Ｓ２３０）、歩行補助ロボット１を制御する現在の制御モードは中断することができる（Ｓ２４０）。仮に、判断された動作状態がポジティブワーク状態（Ｓ２５０）であれば、歩行補助ロボット１の制御モードをポジティブワーク状態に対応する制御モードに変換することができる（Ｓ２５１）。仮に、制御モードがネガティブワーク状態（Ｓ２６０）であれば、歩行補助ロボット１の制御モードをネガティブワーク状態に対応する制御モードに変換することができる（Ｓ２６１）。ポジティブワーク状態に対応する制御モードは、上述した加速補助モードであってもよい。ネガティブワーク状態に対応する制御モードは、上述した減速補助モードであってもよい。

動的補償を行うか否かによって（Ｓ２７０）、動的補償回転力τ_ｃｏｍｐを反映した補助回転力τ_ｄｅｓを生成してもよく、動的補償回転力τ_ｃｏｍｐを反映していない補助回転力τ_ｄｅｓを生成してもよい（Ｓ２７１）。動的補償を行わない場合であれば、上述したアクティブ回転力τ_ｐｗまたは上述したダンピング回転力τ_ｎｗを補助回転力τ_ｄｅｓとして決定することができる。ここで、アクティブ回転力τ_ｐｗまたはダンピング回転力τ_ｎｗは、シンクロナイゼーションインデックスＷ_ｓｙｎｃが加重値として付加されたものであってもよい。

歩行が続く間、上述した段階Ｓ２００乃至Ｓ２７１を繰り返すことができる（Ｓ２８０）。

１０ 本体部
１１ 腰支持部
１２ 固定手段
２０ 歩行動作部
２１ 第１駆動部
２２ 第１支持部
２３ 第１固定手段
３０ 第２構造部
３１ 第２駆動部
３２ 第２支持部
３３ 第２固定手段
４０ 第３構造部
４１ 第３固定手段
４２ 足保持部
４３ 第４固定手段

Claims (20)

1. 歩行補助ロボットの作動を制御する制御部を備えた歩行補助ロボットの作動方法であって、
   前記制御部による作動方法は、
   少なくとも一つの関節の動作を感知し、または、前記少なくとも一つの関節の動作を測定する動作情報収集段階と、
   前記感知または前記測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記少なくとも一つの関節の動作状態を判断する動作判断段階と、
   前記少なくとも一つの関節の動作状態に対する判断結果に基づいて、歩行補助ロボットを制御する制御段階と、を含み、
   前記制御段階は、
   前記少なくとも一つの関節の動作がポジティブワーク状態である場合、前記少なくとも一つの関節の動作を加速させる加速補助段階、及び、前記少なくとも一つの関節の動作がネガティブワーク状態である場合、前記少なくとも一つの関節の動作を減速させる減速補助段階、のうち少なくとも一つを含み、
   前記加速補助段階および前記減速補助段階においては、着用者と前記歩行補助ロボットとの歩行周期の類似度に基づいた加重値を付加した制御が行われる、
   ことを特徴とする歩行補助ロボットの作動方法。
2. 前記動作判断段階は、
   前記感知または測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記関節の動作状態が変更されたか否かを判断する段階を含む、
   請求項１に記載の歩行補助ロボットの作動方法。
3. 前記動作判断段階は、
   前記感知または測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記関節の動作がポジティブワーク状態（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｗｏｒｋ ｓｔａｔｅ）であるか、または、ネガティブワーク状態（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｗｏｒｋ ｓｔａｔｅ）であるかを判断する状態判断段階と、を含む、
   請求項１または２に記載の歩行補助ロボットの作動方法。
4. 前記状態判断段階は、
   前記感知または前記測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記関節の運動と関連する運動情報を演算する段階と、を含む、
   請求項３に記載の歩行補助ロボットの作動方法。
5. 前記状態判断段階は、さらに、
   前記演算された運動情報が正数である場合、前記少なくとも一つの関節の動作をポジティブワークと判断し、前記演算された運動情報が負数である場合、前記少なくとも一つの関節の動作をネガティブワークと判断する段階と、を含む、
   請求項４に記載の歩行補助ロボットの作動方法。
6. 前記動作情報収集段階は、
   少なくとも一つの時点で前記少なくとも一つの関節の動作と関連する少なくとも一つの情報を収集し、前記少なくとも一つの情報は、前記少なくとも一つの関節の角度、前記少なくとも一つの関節の角速度、前記少なくとも一つの関節の角加速度、前記歩行補助ロボットの歩行速度、及び、地面反力のうち少なくとも一つを含む段階と、を含む、
   請求項１乃至５いずれか一項に記載の歩行補助ロボットの作動方法。
7. 前記動作判断段階は、
   前記少なくとも一つの時点で収集された情報に基づいて、前記少なくとも一つの関節の回転力を演算する段階と、
   前記演算された少なくとも一つの関節の回転力に基づいて、前記少なくとも一つの関節の運動と関連する運動情報を演算する段階と、を含む、
   請求項６に記載の歩行補助ロボットの作動方法。
8. 前記加速補助段階は、
   前記少なくとも一つの関節の以前の動作に基づいて演算される回転力変化パターンを用いて決定されるアクティブ回転力（ａｃｔｉｖｅ ｔｏｒｑｕｅ）を、前記少なくとも一つの関節に印加する段階と、を含む、
   請求項１に記載の歩行補助ロボットの作動方法。
9. 前記回転力変化パターンは、
   以前の歩行状態の変化時の時間情報、回転力の変化地点に関する情報、及び、現在の歩行状態時の最大の関節回転力情報に基づいて決定される、
   請求項８に記載の歩行補助ロボットの作動方法。
10. 前記加速補助段階は、
    着用者と前記歩行補助ロボットとの歩行周期の類似度に基づいた加重値が付加されたアクティブ回転力を、前記少なくとも一つの関節に印加する、
    請求項１に記載の歩行補助ロボットの作動方法。
11. 前記減速補助段階は、
    前記関節の角速度に基づいて決定されるダンピング回転力（ｄａｍｐｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ）を、前記少なくとも一つの関節に印加する段階と、を含む、
    請求項１に記載の歩行補助ロボットの作動方法。
12. 前記減速補助段階は、
    着用者と前記歩行補助ロボットとの歩行周期の類似度に基づいた加重値が付加されたダンピング回転力を、前記少なくとも一つの関節に印加する段階と、を含む、
    請求項１に記載の歩行補助ロボットの作動方法。
13. 前記加速補助段階及び減速補助段階のうち少なくとも一つは、さらに、
    動的補償回転力を前記少なくとも一つの関節に印加する段階と、を含む、
    請求項１０または１２に記載の歩行補助ロボットの作動方法。
14. 前記少なくとも一つの関節は、
    股関節、膝関節及び足首関節のうち少なくとも一つの関節を含む、
    請求項１乃至１３いずれか一項に記載の歩行補助ロボットの作動方法。
15. 少なくとも一つの関節と、
    前記少なくとも一つの関節の動作を感知し、または、前記少なくとも一つの関節の動作を測定する動作情報収集部と、
    前記感知または前記測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記少なくとも一つの関節の動作状態を判断し、前記少なくとも一つの関節の動作状態に対する判断結果に基づいて、歩行補助ロボットを制御する処理部と、を含み、
    前記処理部による制御は、
    前記少なくとも一つの関節の動作がポジティブワーク状態である場合、前記少なくとも一つの関節の動作を加速させる加速補助段階、及び、前記少なくとも一つの関節の動作がネガティブワーク状態である場合、前記少なくとも一つの関節の動作を減速させる減速補助段階、のうち少なくとも一つを含み、
    前記加速補助段階および前記減速補助段階においては、着用者と前記歩行補助ロボットとの歩行周期の類似度に基づいた加重値を付加した制御が行われる、
    ことを特徴とする歩行補助ロボット。
16. 前記動作情報収集部は、
    少なくとも一つの関節の動作を感知する少なくとも一つの感知部、及び、少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を測定する少なくとも一つの動作測定部、のうち少なくとも一つを含む、
    請求項１５に記載の歩行補助ロボット。
17. 前記感知部は、関節角度センサ、傾きセンサ、加速度センサ、地面反力センサ、及び、慣性測定装置、のうち少なくとも一つを含む、
    請求項１６に記載の歩行補助ロボット。
18. 前記処理部は、
    前記感知または前記測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記関節の動作状態が変更されたか否かを判断する、
    請求項１５乃至１７いずれか一項に記載の歩行補助ロボット。
19. 前記処理部は、
    前記感知または前記測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記関節の動作がポジティブワーク状態であるか、または、ネガティブワーク状態であるかを判断する、
    請求項１５乃至１８いずれか一項に記載の歩行補助ロボット。
20. 前記処理部は、
    前記感知または前記測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記少なくとも一つの関節の運動と関連する運動情報を演算する、
    請求項１５乃至１９いずれか一項に記載の歩行補助ロボット。

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