JP6447109B2 - 脚力支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、周期的な揺動運動をしてユーザの歩行または走行を支援する脚力支援装置に関する。

周期的な揺動運動をする関節を制御する装置の例として、例えば特許文献１には、ユーザの下肢（股関節から足先まで）に補助力を与える歩行補助装置が開示されている。当該歩行補助装置は、ユーザの腰部を巻回するように装着される腰部装具と、股関節の側方からひざ関節の側方へと延びる連結バーと、ひざ関節の側方からふくらはぎへと延びる下腿部装具と、連結バーにおける股関節の側方の位置に取り付けられた股関節アクチュエータと、連結バーにおけるひざ関節の側方の位置に取り付けられたひざ関節アクチュエータと、を有している。そして股関節アクチュエータは、腰部装具の連結部に取り付けられ、股関節の側方にて、腰部装具に対して股関節回りに連結バーを前後に揺動する。また、ひざ関節アクチュエータは、ひざ関節の側方にて、連結バーに対してひざ関節回りに下腿部装具を前後に揺動する。また股関節アクチュエータとひざ関節アクチュエータは電動モータであり、当該電動モータへの電力は、腰部装具に取り付けられたバッテリから供給されている。

また特許文献２には、ユーザの下腿（ひざから足首まで）の揺動運動を支援する歩行リハビリ装置が開示されている。当該歩行リハビリ装置は、ユーザの腰周りに配置されるコントローラと、股関節の側方からひざ関節の側方へと延びる大腿リンクと、ひざ関節の両側方のそれぞれから足首関節へと延びる下腿リンクと、ひざ関節の側方に配置されたモータと、足首関節から足裏へと延びる足リンクと、を有している。そしてモータは、大腿リンクと下腿リンクとの連結部であってひざ関節の側方に取り付けられ、ひざ関節の側方にて、大腿リンクに対してひざ関節回りに下腿リンクを前後に揺動する。またモータへの電力は、コントローラに内蔵されたバッテリから供給されている。

また特許文献３には、一方の脚が健脚で他方の脚が患脚であるユーザの患脚に装着されて、患脚の揺動運動を支援する片脚式歩行支援機が開示されている。当該片脚式歩行支援機は、ユーザの腰の側方に配置される腰装着部と、股関節の側方からひざ関節の側方へと延びる大腿リンク部と、ひざ関節の側方から下方へと延びる下腿リンク部と、股関節の側方に配置されたトルク発生装置と、ひざ関節の側方に配置されたダンパーと、を有している。そしてトルク発生装置は、カムと圧縮バネによって構成され、健脚の振り出しによって患脚が後方に揺動した際にトルクを発生させ、発生したトルクを用いて患脚の振り出しを支援しており、電動モータ等のアクチュエータを必要としていない。また、圧縮バネの初期圧縮量を調整可能に構成されており、発生トルクの大きさを可変としている。

特開２００４−３４４３０４号公報 特開２０１２−１２５３８８号公報 特開２０１３−２３６７４１号公報

特許文献１に記載された歩行補助装置、及び特許文献２に記載された歩行リハビリ装置は、どちらも電動モータを用いて下肢または下肢の一部、の歩行動作を支援しているが、バッテリからの電力の供給が続かなければ支援することができない。また、歩行の支援が必要なユーザに、大きくて重いバッテリを持たせるわけにはいかないので、比較的小さく軽量のバッテリが用いられると推定される。また、特許文献１及び特許文献２には、電動モータの消費電力を軽減させるような特別な構成は示されていない。従って、特許文献１及び特許文献２に記載の支援装置は、連続動作時間が比較的短いと推定される。

また、特許文献３に記載の片脚式歩行支援機は、電動モータを用いることなく、カムと圧縮バネにて脚を振り出すためのトルクを発生させており、連続動作時間は特許文献１及び特許文献２よりも長い。しかし、ユーザ毎の体格の違い（下肢の慣性モーメントの違い）や、ユーザ毎の下肢の揺動角度の違いや、ユーザの体調や、歩行場所の傾斜の違い等に対して、トルク発生装置の圧縮バネの上部に設けられた決定部の位置をマイナスドライバ等の工具で調整し、圧縮バネの初期圧縮量をユーザが手動で調整しなければならないので手間がかかる。

本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、揺動運動する関節の剛性を自動的に調整することで揺動運動によって発生するトルクを自動的に調整し、消費電力あるいはユーザの負荷をより低減することができる、脚力支援装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る脚力支援装置は、次の手段をとる。まず、本発明の第１の発明は、利用者の下肢の運動に補助力を与える脚力支援装置であって、前記利用者の腰側部に装着される腰側装着部と、前記利用者の大腿の側方に配置されて上端部の近傍に軸孔が設けられた長手状の第１揺動アームと、前記第１揺動アームに取り付けられて前記利用者の大腿にあてがわれる大腿装着部と、前記第１揺動アームの前記軸孔に挿通される駆動軸部材であって、前記腰側装着部に対して前記第１揺動アームを前記利用者の前後方向に揺動自在に支持する前記駆動軸部材と、前記駆動軸部材回りの剛性を可変とする剛性可変手段と、前記剛性可変手段による前記駆動軸部材回りの剛性を制御する制御手段と、を備えている。

次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係る脚力支援装置であって、前記剛性可変手段は、伸縮バネを有しており、前記第１揺動アームの揺動角度がゼロの場合では前記伸縮バネは自由長であり、前記第１揺動アームの揺動角度に対して前記伸縮バネの伸縮量を可変とすることで、前記駆動軸部材回りの剛性を可変とする。

次に、本発明の第３の発明は、上記第２の発明に係る脚力支援装置であって、前記剛性可変手段は、前記駆動軸部材に対して平行に配置された従動軸部材と、前記従動軸部材回りに揺動自在に支持された連動揺動部材であって、動力伝達手段を介して前記第１揺動アームに接続されて前記第１揺動アームの揺動に連動して連動揺動するとともに前記第１揺動アームの揺動角度よりも小さな連動揺動角度で連動揺動する前記連動揺動部材と、前記連動揺動部材の外周部の近傍の位置に配置されて前記従動軸部材に対して平行に配置された剛性調整軸部材と、前記剛性調整軸部材を旋回させる剛性調整軸旋回手段と、前記剛性調整軸部材に接続されて前記剛性調整軸部材とともに旋回する旋回部材と、前記伸縮バネと、にて構成されている。また、前記伸縮バネの一方端に相当する個所は、前記旋回部材における前記剛性調整軸部材から離れた位置であるバネ固定端に接続され、前記伸縮バネの他方端に相当する個所は、前記連動揺動部材における外周部の近傍の位置であって前記連動揺動角度がゼロの場合において前記剛性調整軸部材と同軸となる位置であるバネ揺動端に接続され、前記連動揺動角度がゼロの場合において、前記バネ固定端と前記バネ揺動端に接続された前記伸縮バネは自由長である。そして、前記制御手段は、前記剛性調整軸旋回手段を制御することで、前記従動軸部材を中心として前記従動軸部材から前記剛性調整軸部材までの距離を半径とする円である仮想連動揺動円における円周上の接線であって前記剛性調整軸部材の位置における接線である仮想接線と、前記連動揺動角度がゼロの場合における前記バネ揺動端と前記バネ固定端とを結ぶ仮想直線と、のなす角度である剛性調整角度を、前記連動揺動角度に応じて調整して、前記連動揺動部材から見た前記伸縮バネの見かけ上のバネ定数を調整する。

次に、本発明の第４の発明は、上記第３の発明に係る脚力支援装置であって、前記制御手段は、前記駆動軸部材回りの前記第１揺動アームの揺動周波数と、前記第１揺動アームを含む揺動対象物における前記駆動軸部材回りの慣性モーメントと、前記伸縮バネのバネ定数と、前記伸縮バネの前記自由長と、前記従動軸部材から前記剛性調整軸部材までの距離と、前記連動揺動角度と、に基づいて、前記伸縮バネの共振点が、前記揺動対象物の揺動の周波数と一致するように前記剛性調整角度を調整する。

次に、本発明の第５の発明は、上記第１の発明〜第４の発明のいずれか１つに係る脚力支援装置であって、前記制御手段からの制御信号に基づいて前記第１揺動アームを前記駆動軸部材回りに揺動させる第１駆動手段を有している。

次に、本発明の第６の発明は、上記第１の発明〜第５の発明のいずれか１つに係る脚力支援装置であって、前記駆動軸部材回りに揺動自在に支持された第２揺動アームと、前記第２揺動アームの揺動角度である第２揺動角度を検出する第２角度検出手段と、前記制御手段からの制御信号に基づいて前記第２揺動アームを前記駆動軸部材回りに揺動させる第２駆動手段と、前記第１揺動アームと前記第２揺動アームとに接続されて前記第１揺動アームの前記第１揺動角度と前記第２揺動アームの前記第２揺動角度とに基づいて動作する揺動リンク部材と、を有している。

第１の発明によれば、制御手段を用いて剛性可変手段を制御して、駆動軸部材回りの剛性を制御することで、第１揺動アームを含む揺動対象物による揺動運動に対して、揺動運動を支援するために必要なトルクの大きさを自動的に調整するので、手間なくトルクを調整することができる。また、揺動運動を支援するために必要なトルクを発生させているので、消費電力あるいはユーザの負荷をより低減することができる。

第２の発明によれば、第１揺動アームの揺動角度に対して、伸縮バネの伸縮量を可変とすることで、駆動軸部材回りの剛性を可変とする構造を実現することができる。

第３の発明によれば、伸縮バネを含む剛性可変手段を、具体的に実現することができる。また、制御手段から剛性調整軸旋回手段を制御して旋回部材を旋回させるだけで見かけ上バネ定数を調整できるので、容易に見かけ上バネ定数を調整することができる。

第４の発明によれば、剛性調整角度（旋回部材の旋回角度）を、第１揺動アームを含む揺動対象物に応じた適切な角度へと、制御手段を用いて自動的に調整することができる。従って、揺動運動する関節の剛性を自動的に調整することで発生トルクを自動的に調整することができる。また、仮に第１揺動アームを電動モータで揺動運動させたとしても、適切なトルクで揺動運動を支援することができるので、揺動用の電動モータの消費電力をより低減することができる。また、仮に揺動アームを電動モータで揺動させずにユーザ自身に揺動させる場合であっても、適切なトルクで揺動運動を支援することができるので、ユーザの負荷をより低減することができる。

第５の発明によれば、第１揺動アームを第１駆動手段にて揺動させるので、ユーザの歩行または走行の際の負荷をより低減することができる。

第６の発明によれば、第１揺動アームでユーザの大腿部の運動を支援し、第２揺動アームでユーザの下腿部を支援することができるので、ユーザの歩行または走行の際の負荷を、さらに低減することができる。

第１の実施の形態の揺動関節装置を構成する各構成要素の概略形状、及び組み付け位置を説明する分解斜視図である。 図１に示した各構成要素を組み付けて構成した揺動関節装置の斜視図である。 図２に示した揺動関節装置をユーザ（ユーザの腕の記載は省略）に装着した状態を説明する図である。 大腿揺動アームの揺動状態、及び下腿アームの揺動の例を説明する図である。 図４におけるＶ−Ｖ断面図であり、バネユニットの構成を説明する断面図である。 バネユニットに圧縮方向の力が働いた場合におけるバネユニットの動作を説明する図である。 バネユニットに伸長方向の力が働いた場合におけるバネユニットの動作を説明する図である。 大腿揺動アームの揺動角度がゼロの場合におけるバネユニットの周囲を示す斜視図である。 図８の状態から大腿揺動アームが前方に揺動した場合におけるバネユニットの周囲を示す斜視図である。 従動軸部材（７）と剛性調整軸部材（２１Ｄ）とバネ固定端（２３Ｃ）とが直線状に並んだ場合において、連動揺動部材（１６）の揺動に応じて、模式的に記載した伸縮バネが伸縮する様子を説明する図である。 図１０に対して、バネユニット（２３）の旋回角度を変更した場合において、連動揺動部材（１６）の揺動に応じて、模式的に記載した伸縮バネが伸縮する様子を説明する図である。 制御手段の入出力を説明する図である。 制御手段の処理手順の例を説明するフローチャートである。 見かけ上バネ定数を調整するための剛性調整角度を算出する手順を説明する図である。 連動揺動部材にバネユニットを２つ設けた例を説明する図である。

以下に本発明を実施するための形態である第１の実施の形態を、図面を用いて順に説明する。なお、各図においてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が記載されている場合、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸は互いに直交しており、Ｚ軸方向は鉛直上向き方向を示し、Ｘ軸方向はユーザ（揺動関節装置を装着したユーザ）に対する前方向を示し、Ｙ軸方向はユーザに対する右方向を示している。なお本明細書では、図１に示す「大腿揺動アーム１３」が「第１揺動アーム」に相当し、「下腿揺動アーム３３」が「第２揺動アームに相当」している。また「回転角度検出手段１１Ｓ」が「第１角度検出手段」に相当しており、「回転角度検出手段３１Ｓ」が「第２角度検出手段」に相当している。また「電動モータ１１」が「第１駆動手段」に相当しており、「電動モータ３１」が「第２駆動手段」に相当している。また「ベース部２」が「腰側装着部」に相当している。また「揺動関節装置１」が「脚力支援装置」に相当している。

●●［第１の実施の形態の揺動関節装置１の全体構成（図１〜図４）］
第１の実施の形態の揺動関節装置１は、ユーザの片脚（第１の実施の形態では左脚）に取り付けられて、ユーザの歩行または走行等の動作を支援する。図１に示すように、揺動関節装置１は、符号２、３、４、５、６、７にて示したユーザ装着部と、符号１１、１２、１３、１９にて示した大腿揺動部と、符号１６、２１、２２、２３にて示した剛性調整部と、符号３１、３２、３２Ｐ、３２Ｂ、３３、３４、３５、３６、３９にて示した下腿揺動部と、にて構成されている。なお、図１は揺動関節装置１の各構成要素の形状と組み付け位置等を示す分解斜視図であり、各構成要素を組み付けた状態の揺動関節装置１を図２に示す。また図３は揺動関節装置１をユーザに装着した状態を説明しており、図４は大腿揺動アーム１３及び下腿揺動アーム３３の揺動の例を示している。

●［ベース部２、腰装着部３、肩ベルト４、制御ユニット５、ベース部２等にて構成されたユーザ装着部（図１〜図４）］
ベース部２は、腰装着部３に固定され、前記大腿揺動部、前記剛性調整部、前記下腿揺動部を保持するためのベース（基板）となる部材である。またベース部２には、揺動関節装置１を装着したユーザの股関節の側方に相当する位置に、Ｙ軸にほぼ平行に延びる駆動軸部材６が取り付けられ、駆動軸部材６に対して上方となる位置に、駆動軸部材６と平行に配置された従動軸部材７が取り付けられている。なお、駆動軸部材６は、後述する下腿揺動アーム３３の貫通孔３３Ｈに挿通された後、大腿揺動アーム１３の貫通孔１３Ｈに挿通される。また、従動軸部材７は、連動揺動部材１６の貫通孔１６Ｈに挿通される。なお駆動軸６Ｊは、駆動軸部材６の中心軸を示しており、従動軸７Ｊは、従動軸部材７の中心軸を示している。

腰装着部３は、ユーザの腰に巻回されてユーザの腰に固定される部材であり、ユーザの腰周りの寸法に応じて調整可能に構成されている。また腰装着部３には、ベース部２が固定され、肩ベルト４の一方端と他方端が接続されている。

肩ベルト４は、一方端が腰装着部３の前面側に接続され、他方端が腰装着部３の背面側に接続され、長さを調節可能に構成されており、制御ユニット５が取り付けられている。ユーザは、肩ベルト４の長さを調節して自身の肩に肩ベルト４を装着することで、背中に制御ユニット５をランドセルのように背負うことができる。

制御ユニット５は、電動モータ１１、２１、３１を制御する制御手段と、当該制御手段及び電動モータ１１、２１、３１への電力を供給するバッテリ等を収容している。

●［電動モータ１１、ブラケット１２、大腿揺動アーム１３、大腿装着部１９等にて構成された大腿揺動部（図１〜図４）］
大腿揺動アーム１３（揺動アームに相当）は、外周面にギア歯が形成された円板部１３Ｇと、円板部１３Ｇから下方に延びるアーム部にて構成されている。そして円板部１３Ｇの中心には貫通孔１３Ｈが形成されており、貫通孔１３Ｈには駆動軸部材６が挿通される。従って、大腿揺動アーム１３は、駆動軸部材６回りに揺動自在に支持される。また大腿揺動アーム１３の貫通孔１３Ｈは、ユーザの股関節の側方に相当する位置に配置され、大腿揺動アーム１３の下端に設けられたリンク孔１３Ｌは、ユーザのひざ関節の側方に相当する位置に配置される。なお、大腿揺動アーム１３の下方に延びる長さは調整可能に構成されており、ユーザは、自身のひざ関節の位置に応じて、リンク孔１３Ｌの上下方向の位置を調整可能である。また大腿揺動アーム１３には、大腿装着部１９が取り付けられ、大腿装着部１９は、ユーザの大腿部（ふとももの周囲）にあてがわれ、ユーザの大腿部へ大腿揺動アーム１３を装着することを容易にする。

ブラケット１２は、電動モータ１１の回転軸が駆動軸部材６と同軸となるように電動モータ１１を固定するための部材であり、貫通孔１２Ｈが駆動軸部材６と同軸となるようにベース部２に固定される。なお、駆動軸部材６に、下腿揺動アーム３３の貫通孔３３Ｈが嵌め込まれて、さらに大腿揺動アーム１３の貫通孔１３Ｈが嵌め込まれた後、ブラケット１２がベース部２に固定される。

電動モータ１１は、先端に減速機１１Ｄが取り付けられ、減速機１１Ｄはブラケット１２の貫通孔１２Ｈに挿通されて大腿揺動アーム１３の円板部１３Ｇの中心に取り付けられている。また電動モータ１１は、ブラケット１２に固定されている。また電動モータ１１には、制御ユニット５に収容されているバッテリ及び制御手段から駆動信号とともに電力が供給されている。そして電動モータ１１は、ブラケット１２（すなわちベース部２）に対して、駆動軸部材６回りに大腿揺動アーム１３を前後方向に揺動させることができる（図４参照）。また電動モータ１１には、エンコーダ等の回転角度検出手段１１Ｓが設けられている。回転角度検出手段１１Ｓは電動モータ１１のシャフトの回転角度に応じた信号を制御手段に出力する。そして制御手段は、回転角度検出手段１１Ｓからの検出信号と減速機１１Ｄの減速比に基づいて、減速機１１Ｄの回転角度を検出可能であり、大腿揺動アーム１３の揺動角度を検出することが可能である。なお、ブラケット１２に、ブラケット１２に対する大腿揺動アーム１３の揺動角度を検出する角度検出手段（角度センサ）を設けるようにしてもよいし、ブラケット１２に、ブラケット１２に対する下腿揺動アーム３３の揺動角度を検出する角度検出手段（角度センサ）を設けるようにしてもよい。また、大腿揺動アーム１３の揺動角度を検出する角度検出手段を設ける代わりに、連動揺動部材１６の揺動角度を検出する角度検出手段を設けるようにしてもよい。

●［電動モータ３１、ブラケット３２、動力伝達部（３２Ｐ、３２Ｂ）、下腿揺動アーム３３、下腿中継アーム３４、下腿アーム３５、足先保持部３６、下腿装着部３９等にて構成された下腿揺動部（図１〜図４）］
下腿揺動アーム３３は、駆動軸部材６が挿通される貫通孔３３Ｈが形成されている。駆動軸部材６が貫通孔３３Ｈに挿通されると、下腿揺動アーム３３は、駆動軸部材６回りに揺動自在に支持される。そして下腿揺動アーム３３にはベルト３２Ｂがかけられ、電動モータ３１と、プーリ３２Ｐ及びベルト３２Ｂにて構成された動力伝達部から動力が伝達されて駆動軸部材６回りに揺動する。

下腿中継アーム３４は、上方端が下腿揺動アーム３３の先端に揺動自在に接続され、下方端が下腿アーム３５の上方端の側の平行リンク形成部３５Ｍの端部に揺動自在に接続されている。なお、下腿中継アーム３４の下方に延びる長さは調整可能に構成されており、大腿揺動アーム１３の調整された長さに応じて、下腿中継アーム３４の長さは調節される。

下腿アーム３５は、略逆Ｌ字状であり、Ｌ字の屈曲部に相当する位置に、大腿揺動アーム１３の下端のリンク孔１３Ｌと接続するためのリンク孔３５Ｌが形成されている。従って下腿アーム３５は、上方端の側の平行リンク形成部３５Ｍの一方端が下腿中継アーム３４の下方端に揺動自在に接続され、平行リンク形成部３５Ｍの他方端が大腿揺動アーム１３の下方端に揺動自在に接続されている。また下腿アーム３５の下方端には、足先保持部３６の上方端が揺動自在に接続されている。なお、下腿アーム３５の下方に延びる長さはユーザの下腿に合うように調整可能に構成されている。また、足先保持部３６は、略Ｌ字状であり、下端部がユーザの足の裏に配置される。また下腿アーム３５には、下腿装着部３９が取り付けられ、下腿装着部３９は、ユーザの下腿（ふくらはぎの周囲）にあてがわれ、ユーザの下腿部へ下腿アーム３５を装着することを容易にする。

ブラケット３２は、電動モータ３１を固定するための部材であり、ベース部２に固定される。またブラケット３２には、貫通孔３２Ｈが形成されている。

電動モータ３１は、先端に減速機３１Ｄが取り付けられ、減速機３１Ｄはブラケット３２の貫通孔３２Ｈに挿通される。また減速機３１Ｄにはプーリ３２Ｐが取り付けられ、プーリ３２Ｐと下腿揺動アーム３３にはベルト３２Ｂがかけられる。また電動モータ１１には、制御ユニット５に収容されているバッテリ及び制御手段から駆動信号とともに電力が供給されている。そして電動モータ３１は、プーリ３２Ｐとベルト３２Ｂを介して下腿揺動アーム３３を、駆動軸部材６回りに前後方向に揺動させることができる（図４参照）。また電動モータ３１には、エンコーダ等の回転角度検出手段３１Ｓが設けられている。回転角度検出手段３１Ｓは電動モータ３１のシャフトの回転角度に応じた信号を制御手段に出力する。そして制御手段は、回転角度検出手段３１Ｓからの検出信号と減速機３１Ｄの減速比とプーリ比とに基づいて、下腿揺動アーム３３の回転角度を検出可能であり、下腿揺動アーム３３の揺動角度を検出することが可能である。

次に図４を用いて、大腿揺動アーム１３を装着したユーザの大腿部ＵＬ１の揺動支援と、下腿アーム３５を装着したユーザの下腿部ＵＬ２の揺動支援の動作を説明する。大腿揺動アーム１３は、電動モータ１１の動力によって駆動軸部材６回りに揺動運動する。同様に下腿揺動アーム３３は、電動モータ３１の動力によって駆動軸部材６回りに揺動運動する。また、大腿揺動アーム１３と下腿揺動アーム３３と下腿中継アーム３４と（下腿アーム３５の）平行リンク形成部３５Ｍは、平行四辺形からなる平行リンクを構成している。従って、下腿中継アーム３４と下腿アーム３５は、大腿揺動アーム１３と下腿揺動アーム３３とに接続されて、大腿揺動アーム１３の揺動角度（図４中の角度θ１）と下腿揺動アーム３３の揺動角度（図４中の角度θ１−θ２）とに基づいて動作する揺動リンク部材に相当している。なお、図４において実線にて示す大腿揺動アーム１３、下腿揺動アーム３３、下腿中継アーム３４、下腿アーム３５、の位置を、各アームの初期位置（ユーザが直立状態で静止した位置）とする。

大腿揺動アーム１３を、大腿揺動アーム１３の初期位置から角度θ１にて前方に揺動させると、図４に示すように、ユーザの大腿部ＵＬ１を角度θ１にて前方に振り出すことができる。同時に、下腿揺動アーム３３を、下腿揺動アーム３３の初期位置から角度（θ１―θ２）にて前方に揺動させると、図４に示すように、大腿揺動アーム１３に対して角度θ２の傾斜を有するように、ユーザの下腿部ＵＬ２を前方に振り出すことができる。電動モータ１１による大腿揺動アーム１３の揺動運動と、電動モータ３１による下腿揺動アーム３３の揺動運動を、それぞれ独立して制御することができるので、角度θ１、角度θ２を、ユーザの所望する角度に合わせて自由に調整することができる。また、この構成によれば、大きなトルクが必要である大腿部の振り出しを、電動モータ１１と電動モータ３１の双方のトルクで行うことができるので、大型のモータを必要としない。

また、大腿揺動アーム１３を揺動運動させると、連動揺動部材１６が連動して揺動運動（往復旋回運動）する。そして揺動運動のエネルギーを、連動揺動部材１６を介してバネユニット２３に蓄え、反対方向への揺動運動に利用する。つまり、大腿揺動アーム１３を前方に振り出した際のエネルギーをバネユニット２３に蓄えて大腿揺動アーム１３を後方に振り出す際に利用し、大腿揺動アーム１３を後方に振り出した際のエネルギーをバネユニットに蓄えて大腿揺動アーム１３を前方に振り出す際に利用する。次に、バネユニット２３を含む剛性調整部について説明する。

●［連動揺動部材１６、電動モータ２１、ブラケット２２、バネユニット２３等にて構成された剛性調整部（図１〜図３）］
ブラケット２２は、電動モータ２１の剛性調整軸部材２１Ｄ（この場合、減速機）が、連動揺動角度がゼロの場合において連動揺動部材１６の外周部に設けられたバネ係止部材１６Ｋと同軸となる位置（図８、図９参照）に電動モータ２１を固定する部材であり、ベース部２に固定される。そしてブラケット２２において、連動揺動角度がゼロの場合の連動揺動部材１６のバネ係止部材１６と同軸となる位置には、貫通孔２２Ｈが形成されている。なお、剛性調整軸部材２１Ｄの回転軸である剛性調整軸２１ＤＪ（図５〜図７参照）は、駆動軸６Ｊ及び従動軸７Ｊと平行である。

連動揺動部材１６は、外周面にギア歯１６Ｇが形成された円板状の部材である。そして連動揺動部材１６の中心には貫通孔１６Ｈが形成されており、貫通孔１６Ｈには従動軸部材７が挿通される。従って、連動揺動部材１６は、従動軸部材７回りに揺動自在に支持されている。また、大腿揺動アーム１３の円板部１３Ｇの外周面のギア歯と、連動揺動部材１６の外周面のギア歯は噛み合わされており、大腿揺動アーム１３の揺動運動に連動して連動揺動部材１６が揺動する。また、円板部１３Ｇの径よりも連動揺動部材１６の径のほうが充分大きく設定されており、例えば円板部１３Ｇのギア歯数に対する連動揺動部材１６のギア歯数は、１：１０に設定されている。この場合、例えば大腿揺動アーム１３が６０［°］の揺動角度で揺動した場合、連動揺動部材１６は６［°］の揺動角度で連動して揺動する。また、連動揺動部材１６の外周部の近傍の位置であって、連動揺動角度がゼロの場合において剛性調整軸部材２１Ｄ（電動モータ２１のシャフトに設けられた減速機）と同軸となる位置（図８、図９参照）には、バネ係止部材１６Ｋ（バネ揺動端に相当し、図１参照）が設けられている。このバネ係止部材１６Ｋには、後述するように、バネユニット２３の伸縮バネの一方端が接続される。

電動モータ２１は、先端に剛性調整軸部材２１Ｄが取り付けられ、剛性調整軸部材２１Ｄはブラケット２２の貫通孔２２Ｈに挿通されてバネユニット２３の取付部２３Ｈに取り付けられている。また電動モータ２１は、ブラケット２２に固定されている。また電動モータ２１には、制御ユニット５に収容されているバッテリ及び制御手段から駆動信号とともに電力が供給されている。そして電動モータ２１は、ブラケット２２（すなわちベース部２）に対して剛性調整軸部材２１Ｄ回りにバネユニット２３を旋回させることができる（図４参照）。また電動モータ２１には、エンコーダ等の回転角度検出手段２１Ｓが設けられている。回転角度検出手段２１Ｓは電動モータ２１のシャフトの回転角度に応じた信号を制御手段に出力する。そして制御手段は、回転角度検出手段２１Ｓからの検出信号と剛性調整軸部材２１Ｄの減速比に基づいて、剛性調整軸部材２１Ｄの回転角度を検出可能であり、バネユニット２３（旋回部材２３Ａ）の旋回角度を検出することが可能である。なお、ブラケット２２に、ブラケット２２に対するバネユニット２３（旋回部材２３Ａ）の旋回角度を検出する角度検出手段（角度センサ）を設けるようにしてもよい。なおバネユニット２３については、以下にて詳細を説明する。

●［バネユニット２３の構成と動作（図５〜図９）］
図５（図４におけるＶ−Ｖ断面図）に示すように、バネユニット２３は、取付部２３Ｈを有する旋回部材２３Ａ、軸受２３Ｂ、揺動追従軸部材２３Ｃを有する揺動追従部材２３Ｍ、シャフト２３Ｄ、伸縮伝達部材２３Ｅ、ワッシャ２３Ｆ、２３Ｇ、伸縮バネ２３Ｋにて構成されている。

旋回部材２３Ａは、一方端の近傍に設けられた取付部２３Ｈに、電動モータ２１の剛性調整軸部材２１Ｄが嵌め込まれ、剛性調整軸２１ＤＪ回りに旋回する。また旋回部材２３Ａの他方端（剛性調整軸部材から離れた位置）には軸受２３Ｂと揺動追従軸部材２３Ｃを取り付けるための貫通孔２３Ａ１が設けられている。

揺動追従軸部材２３Ｃ（バネ固定端に相当）は、旋回部材２３Ａにおける剛性調整軸部材２１Ｄから離れた位置に、軸受２３Ｂを介して取り付けられている。従って、揺動追従軸部材２３Ｃを有する揺動追従部材２３Ｍは、剛性調整軸２１ＤＪに平行なバネ支持軸２３ＣＪ回りに旋回可能となるように支持されている。また揺動追従部材２３Ｍには、シャフト２３Ｄを挿通するための貫通孔２３Ｍ１、２３Ｍ２が、剛性調整軸２１ＤＪに直交する方向に形成されている。

シャフト２３Ｄには、伸縮伝達部材２３Ｅ、ワッシャ２３Ｆ、伸縮バネ２３Ｋ、ワッシャ２３Ｇが嵌められ、シャフト２３Ｄは揺動追従部材２３Ｍの貫通孔２３Ｍ１、２３Ｍ２に挿通されている。そして伸縮伝達部材２３Ｅの取付部２３Ｅ１には、連動揺動部材１６の外周部に設けられているバネ係止部材１６Ｋ（図１参照）が、軸受２３Ｎを介して取り付けられている。なお、剛性調整軸２１ＤＪとバネ係止部材１６Ｋの中心軸であるバネ揺動軸１６ＫＪが同軸にある場合、伸縮バネ２３Ｋは自由長であり、圧縮も伸長もされていない状態である。

バネユニット２３は、上記の構成により、図５に示す状態から連動揺動部材１６が下方に移動した場合、図６に示すように、バネ係止部材１６Ｋが、伸縮伝達部材２３Ｅ及びワッシャ２３Ｆを下方に押し込む。すると、伸縮バネ２３Ｋが圧縮され、伸縮バネ２３Ｋの付勢力は、剛性調整軸２１ＤＪとバネ揺動軸１６ＫＪとの距離ΔＬｄをゼロとする方向に働く。

また、図５に示す状態から連動揺動部材１６が上方に移動した場合、図７に示すように、バネ係止部材１６Ｋが、伸縮伝達部材２３Ｅとシャフト２３Ｄとワッシャ２３Ｇを上方に引き上げる。すると、伸縮バネ２３Ｋが圧縮され、伸縮バネ２３Ｋの付勢力は、剛性調整軸２１ＤＪとバネ揺動軸１６ＫＪとの距離ΔＬｕをゼロとする方向に働く。

図８は、大腿揺動アーム１３の揺動角度がゼロの場合におけるバネユニット２３の周囲の斜視図である。大腿揺動アーム１３の揺動角度がゼロの場合では、剛性調整軸２１ＤＪとバネ揺動軸１６ＫＪが同軸であり、伸縮バネ２３Ｋは自由長である。バネユニット２３の旋回部材２３Ａは、電動モータ２１の剛性調整軸部材２１Ｄの剛性調整軸２１ＤＪ回りに旋回可能であり、電動モータ２１によって旋回角度が調整されている。またバネユニット２３の揺動追従部材２３Ｍは、バネ支持軸２３ＣＪ回りに旋回可能である。

図９は、図８の状態から大腿揺動アーム１３が符号Ｒ８方向に揺動した場合を示しており、連動揺動部材１６が符号Ｌ８方向に連動揺動した場合を示している。大腿揺動アーム１３がＲ８方向に揺動すると、大腿揺動アーム１３の円板部１３Ｇの外周のギア歯に噛み合っている連動揺動部材１６がＬ８方向に連動揺動する。すると、連動揺動部材１６の外周部のバネ係止部材１６Ｋが、剛性調整軸２１ＤＪから離れる方向に移動して、伸縮伝達部材２３Ｅを、バネ支持軸２３ＣＪから離れる方向に引張る。すると伸縮バネ２３Ｋが圧縮されて（図７参照）、伸縮バネ２３Ｋに発生した付勢力は、バネ揺動軸１６ＫＪが剛性調整軸２１ＤＪと同軸となる方向へと連動揺動部材１６を旋回させる力（Ｌ８方向の反対方向へと連動揺動部材１６を旋回させる力）となって働く。

●［バネユニットの模式図と剛性調整角度（図１０、図１１）］
次に図１０、図１１を用いて、剛性調整角度について説明する。なお図１０、図１１、図１４では、図５に示すバネユニット２３の構造を簡略化した模式図のバネユニット２３Ｚを用いて説明する。模式図で示すバネユニット２３Ｚは、図５に示すバネユニット２３の構成から旋回部材２３Ａと揺動追従軸部材２３Ｃと伸縮バネ２３Ｋのみを残し、伸縮バネ２３Ｋの一方端は揺動追従軸部材２３Ｃに係止され、伸縮バネ２３Ｋの他方端はバネ係止部材１６Ｋに係止されている。また、図１０に示す連動揺動角度がゼロの場合であって、剛性調整軸２１ＤＪとバネ揺動軸１６ＫＪが同軸の場合、伸縮バネ２３Ｋは、伸長も圧縮もされていない自由長である。

また図１０、図１１において、従動軸部材７を中心として従動軸部材７から剛性調整軸部材２１Ｄまでの距離を半径とする円である仮想連動揺動円（本実施の形態では、連動揺動部材の外周円）における円周上の接線であって、剛性調整軸部材２１Ｄの位置における接線を仮想接線ＶＳとする。また、連動揺動角度がゼロの場合におけるバネ固定端（揺動追従軸部材２３Ｃに相当）とバネ揺動端（バネ係止部材１６Ｋに相当）とを結ぶ直線を仮想直線Ｖ２３とする。また、従動軸部材７の従動軸７Ｊと、剛性調整軸部材２１Ｄの剛性調整軸２１ＤＪとを結ぶ直線を仮想基準線ＶＸとする。バネ揺動軸１６ＫＪが、仮想基準線ＶＸと重なる位置にある場合では、大腿揺動アーム１３の揺動角度はゼロであり、連動揺動部材１６の連動揺動角度はゼロである。また、仮想接線ＶＳと仮想基準線ＶＸは直交している。そして、仮想接線ＶＳと仮想直線Ｖ２３との成す角である、図１０における角度φａ、図１１における角度φｂを、剛性調整角度とする。

図１０は、剛性調整角度φａが、ほぼ直角となるように、電動モータ２１を制御した場合の例を示している。そして大腿揺動アーム１３が、揺動角度がゼロの状態から符号Ｌ１０方向に揺動し、連動揺動部材１６が、連動揺動角度がゼロの状態から符号Ｒ１０方向に連動揺動角度θＲ１０まで揺動したとする。この場合、バネ係止部材１６Ｋは、剛性調整軸部材２１Ｄと同軸の位置から、連動揺動角度θＲ１０だけ右に回転したバネ係止部材１６Ｋ´の位置に移動する。これにより伸縮バネ２３Ｋは、伸縮バネ２３Ｋ´の状態となり、ΔＬＲ１０だけ伸長される。この伸縮バネ２３Ｋ´の伸長による付勢力は、連動揺動部材１６を、連動揺動角度がゼロとなる方向へ、揺動させる力となる。

図１１は、図１０に対して、剛性調整角度φｂを約４５［°］となるように、電動モータ２１を制御した場合の例を示している。この場合、図１０と同様に大腿揺動アームが、揺動角度がゼロの状態から符号Ｌ１０方向に揺動し、連動揺動部材１６が、連動揺動角度がゼロの状態から符号Ｒ１０方向に連動揺動角度θＲ１０まで揺動したとする。この場合の伸縮バネ２３Ｋは、伸縮バネ２３Ｋ´の状態となり、ΔＬＲ１１だけ伸長されるが、図１０の場合と同じ連動揺動角度θＲ１０であるにもかかわらず、伸長されるΔＬＲ１１は、図１０に示すΔＬＲ１０よりも長い。すなわち、図１０における伸縮バネ２３Ｋ´の付勢力よりも、図１１における伸縮バネ２３Ｋ´の付勢力のほうが大きい。

このように、連動揺動角度が同じであっても、剛性調整角度を変えることで、伸縮バネ２３Ｋの伸縮量を変えることができる。つまり、剛性調整角度を変化させると、連動揺動部材１６から見た伸縮バネ２３Ｋの見かけ上のバネ定数を変化させることができる。すなわち、剛性調整角度を調整することで、駆動軸部材６回りの剛性を調整することができる。なお、連動揺動部材１６から見た伸縮バネ２３Ｋの見かけ上のバネ定数は、剛性調整角度が直角の場合が最も小さく、剛性調整角度がゼロの場合が最も大きい（０［°］≦剛性調整角度≦９０［°］とした場合）。

以上に説明したバネユニット２３、剛性調整軸部材２１Ｄ、電動モータ２１（剛性調整軸旋回手段）にて、見かけ上バネ定数可変手段が構成されている。そして見かけ上バネ定数可変手段は、連動揺動部材１６から見た伸縮バネ２３Ｋの見かけ上のバネ定数を可変としており、駆動軸部材６回りの剛性を可変としている。また、見かけ上バネ定数可変手段と、従動軸部材７と、連動揺動部材１６にて、剛性可変手段が構成されている。

●［制御手段の入出力（図１２）］
次に図１２を用いて、制御手段５０の入出力について説明する。制御ユニット５には、制御手段５０及びバッテリ６０が収容されている。また制御ユニット５は、起動スイッチ５４、入出力手段であるタッチパネル５５、バッテリ６０への充電用コネクタ６１等が設けられている。また制御手段５０（制御装置）は、ＣＰＵ５０Ａ、モータドライバ５１、５２、５３等を有している。なお、制御手段５０の処理を実行させるためのプログラムや各種の計測結果等を記憶する記憶装置も備えているが、図示省略する。

制御手段５０は、後述するように、大腿揺動アーム１３を揺動運動させるための目標揺動周期や目標揺動角度を求め、モータドライバ５１を介して駆動信号を電動モータ１１に出力する。電動モータ１１は制御手段５０からの駆動信号に基づいて減速機１１Ｄを介して大腿揺動アーム１３を所定周期で所定角度にて揺動運動させる。また電動モータ１１のシャフトの回転速度や回転量は、回転角度検出手段１１Ｓにて検出され、検出信号はモータドライバ５１に入力されるとともにモータドライバ５１を介してＣＰＵ５０Ａに入力される。ＣＰＵ５０Ａは、回転角度検出手段１１Ｓからの検出信号に基づいた実際の揺動周期と実際の揺動角度が、目標揺動周期及び目標揺動角度に近づくようにフィードバック制御する。

また制御手段５０は、後述するように、バネユニット２３の剛性調整角度を、連動揺動部材１６から見た見かけ上バネ定数が最適な値となるように、目標剛性調整角度を求め、モータドライバ５２を介して駆動信号を電動モータ２１に出力する。電動モータ２１は制御手段５０からの駆動信号に基づいて剛性調整軸部材２１Ｄを介してバネユニット２３を旋回させる。また電動モータ２１のシャフトの回転速度や回転量は、回転角度検出手段２１Ｓにて検出され、検出信号はモータドライバ５２に入力されるとともにモータドライバ５２を介してＣＰＵ５０Ａに入力される。ＣＰＵ５０Ａは、回転角度検出手段２１Ｓからの検出信号に基づいた実際の旋回角度が、目標剛性調整角度に近づくようにフィードバック制御する。

制御手段５０は、後述するように、下腿揺動アーム３３を揺動運動させるための目標揺動周期や目標揺動角度を求め、モータドライバ５３を介して駆動信号を電動モータ３１に出力する。電動モータ３１は制御手段５０からの駆動信号に基づいて減速機３１Ｄ及びプーリ３２Ｐとベルト３２Ｂを介して下腿揺動アーム３３を所定周期で所定角度にて揺動運動させる。また電動モータ３１のシャフトの回転速度や回転量は、回転角度検出手段３１Ｓにて検出され、検出信号はモータドライバ５３に入力されるとともにモータドライバ５３を介してＣＰＵ５０Ａに入力される。ＣＰＵ５０Ａは、回転角度検出手段３１Ｓからの検出信号に基づいた実際の揺動周期と実際の揺動角度が、目標揺動周期及び目標揺動角度に近づくようにフィードバック制御する。

起動スイッチ５４は、制御手段５０を起動するためのスイッチである。またタッチパネル５５は、ユーザの身長や体重等の入力や、設定状態の表示等を行うための装置である。また充電用コネクタ６１は、バッテリ６０を充電する際に、充電用ケーブルが接続されるコネクタである。

●［制御手段の処理手順（図１３）］
次に図１３に示すフローチャートを用いて、制御手段５０の処理手順について説明する。ユーザが制御ユニットの起動ボタンを操作すると（ステップＳ１０）、制御手段はステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５にて制御手段は、タッチパネルからのユーザの初期設定入力を待つ。ユーザからの身長と体重の入力を確認すると、制御手段はステップＳ２０に進む。なお制御手段は、所定時間が経過してもユーザからの入力が確認されない場合、例えば、予め設定された標準身長と標準体重を設定してステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０にて制御手段は、所定期間の間、電動モータ１１、２１、３１に通電せず、ユーザの歩行状態（または走行状態）を計測し、計測時間に対応させて回転角度検出手段１１Ｓ、３１Ｓからの検出信号を計測データとして記憶装置に記憶する。電動モータ１１、３１のシャフトは、非通電時には空回りする構成とされている。なお電動モータ２１のシャフトは、非通電時には空回りせずロックされる構成とされている。そして制御手段は、例えば所定歩数あるいは所定時間の間、計測データを収集すると、ステップＳ２５に進む。

ステップＳ２５にて制御手段は、回転角度検出手段１１Ｓからの検出信号に基づいた計測データから、大腿揺動アームの揺動角度（揺動振幅）や、大腿揺動アームの角速度及び角加速度から歩行周期（揺動周期）を算出する。また同様に制御手段は、回転角度検出手段３１Ｓからの検出信号に基づいた計測データから、下腿揺動アームの揺動角度（揺動振幅）や、下腿揺動アームの角速度及び角加速度から歩行周期（揺動周期）を算出する。そして制御手段はステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０にて制御手段は、ステップＳ２５にて算出した、大腿揺動アームの揺動角度、大腿揺動アームの揺動周期、ステップＳ１５にて入力されたユーザの身長及び体重等に基づいて、最適関節剛性である目標剛性調整角度を算出し、ステップＳ３５に進む。なお、目標剛性調整角度の具体的な算出方法については後述する。

ステップＳ３５にて制御手段は、電動モータ２１を制御してバネユニット２３（旋回部材２３Ａ）の剛性調整角度を、ステップＳ３０にて求めた目標剛性調整角度に設定し、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０にて制御手段は、ステップＳ２５にて算出した、大腿揺動アームの揺動角度、大腿揺動アームの揺動周期、下腿揺動アームの揺動角度、下腿揺動アームの揺動周期、バッテリの出力電圧等に基づいて、ユーザの大腿部のアシストパターン（電動モータ１１への駆動信号の出力パターン等）と、ユーザの下腿部のアシストパターン（電動モータ３１への駆動信号の出力パターン）とを算出し、ステップＳ４５に進む。

ステップＳ４５にて制御手段は、ステップＳ４０にて算出したアシストパターンに基づいて、電動モータ１１及び電動モータ３１に駆動信号の出力を開始して、大腿揺動アーム１３及び下腿揺動アーム３３を揺動運動させ、ユーザの歩行動作（または走行動作）を継続するように、ユーザの歩行動作（または走行動作）を支援し、ステップＳ５０に進む。なお、電動モータ１１及び電動モータ３１への駆動信号の出力は、他のステップに移行した場合も継続される。

ステップＳ５０にて制御手段は、電動モータ１１及び電動モータ３１を動作させてユーザの歩行（または走行）の動作を支援しながら、ステップＳ２０にて計測したように、計測時間に対応させて回転角度検出手段１１Ｓ、３１Ｓからの検出信号を計測データとして記憶装置に記憶し、ステップＳ５５に進む。なお、計測データの収集は、他のステップに移行した場合も継続される。

ステップＳ５５にて制御手段は、ステップＳ５０にて収集した計測データに基づいて、ユーザが歩行動作（または走行動作）の支援の停止を所望しているか否かを判定し、支援の停止を所望していると判定した場合（Ｙｅｓ）は、電動モータ１１及び電動モータ３１への駆動信号の出力を停止して処理を終了し、支援の停止を所望していないと判定した場合（Ｎｏ）はステップＳ２５に戻る。

●［目標剛性調整角度の算出方法（図１４）］
次に図１４を用いて、図１３に示すフローチャートのステップＳ３０にて行う目標剛性調整角度の算出手順について説明する。図１４は、大腿揺動アーム１３、連動揺動部材１６、バネ係止部材１６、揺動追従軸部材２３Ｃ、伸縮バネ２３Ｋ、を模式的に記載した図である。なお、図１４に示す例では、大腿揺動アーム１３の揺動運動は、ベルトＶＢを介して連動揺動部材１６に伝達される構成とされている。

図１４において、連動揺動部材１６の外周に設定された剛性調整軸２１ＤＪに接する接線を仮想接線ＶＳとする。また、剛性調整軸２１ＤＪと従動軸７Ｊを通る直線を仮想直線ＶＴとする。また連動揺動部材１６は、従動軸７Ｊを中心とする半径ｒの真円であるとする。また伸縮バネ２３Ｋの一方端（一方端に相当する個所）はバネユニットの揺動追従軸部材２３Ｃ（バネ固定端に相当）に係止され、伸縮バネ２３Ｋの他方端（他方端に相当する個所）はバネ係止部材１６Ｋ（バネ揺動端に相当）に係止されている。また伸縮バネ２３Ｋは、バネ係止部材１６Ｋが剛性調整軸２１ＤＪと同軸である場合に自由長であり、この自由長をＬとする。また、連動揺動部材１６の連動揺動角度がゼロの場合、バネ係止部材１６Ｋは剛性調整軸２１ＤＪと同軸の位置にあるものとする。

連動揺動部材１６の連動揺動角度がゼロの状態（バネ係止部材１６Ｋと剛性調整軸２１ＤＪが同軸の状態）から、連動揺動部材１６が時計回り方向に角度θだけ連動揺動すると、バネ係止部材１６Ｋは、剛性調整軸２１ＤＪと同軸の位置から、符号１６Ｋ´にて示す位置に移動し、伸縮バネ２３Ｋの位置及び伸縮状態は、符号２３Ｋ´に示すとおりとなる。なお、符号２３Ｋ´の伸縮バネの長さをＬ´とする。この符号１６Ｋ´を通り仮想接線ＶＳに平行な直線を仮想直線ＶＳ´とする。また、揺動追従軸部材２３Ｃの位置を位置（Ａ）に設定し、位置（Ａ）から仮想直線ＶＳ´に下ろした垂線と仮想直線ＶＳ´との交点の位置を位置（Ｃ）に設定し、符号１６Ｋ´の位置を位置（Ｂ）に設定する。また、揺動追従軸部材２３Ｃと剛性調整軸２１ＤＪとを結ぶ仮想直線Ｖ２３と仮想接線ＶＳとのなす角度である剛性調整角度を角度φとする。

以上の各設定により、従動軸７Ｊから符号１６Ｋ´までの距離は、ｒである。また、従動軸７Ｊから仮想接線ＶＳまでの距離は、ｒである。また、位置（Ｂ）から仮想直線ＶＴまでの距離は、ｒ・ｓｉｎθである。また、位置（Ｃ）から仮想直線ＶＴまでの距離は、Ｌ・ｃｏｓφである。また、仮想接線ＶＳと仮想直線ＶＳ´との距離は、ｒ−ｒ・ｃｏｓθ＝ｒ・（１−ｃｏｓθ）である。また、位置（Ａ）から仮想接線ＶＳまでの距離は、Ｌ・ｓｉｎφである。また、連動揺動部材１６の連動揺動角度である角度θが充分小さな微小角度である場合、ベルトＶＢの移動長さである連動揺動部材１６の周方向の変位量は、ｒ・θである。

ここで、ユーザの歩行周波数をｆ、その場合の角速度をωとすると。以下の式（１）が成立する。歩行周波数ｆは、計測したユーザの歩行（または走行）の周期から求めることができる。従って、下記の式（１）のωの値を求めることができる。
ω＝２・π・ｆ 式（１）

また、伸縮バネ２３Ｋが自由長の方向に伸縮した場合のバネ定数を、ｋとして、剛性調整角度が角度φの場合における連動揺動部材１６から見た伸縮バネの見かけ上のバネ定数を、ｋ´とする。また、ユーザの下肢と大腿揺動アーム１３と連動揺動部材１６とを含む従動軸７Ｊ回りの慣性モーメントをＩとする。例えば、慣性モーメントＩは、従動軸７Ｊ回りに揺動する各部材の合計質量（既知）と、当該合計質量の重心の位置（既知）と、ユーザの体重及び身長から推定した下肢の質量と重心の位置とから、求めることが可能であり、以下の式（２）が成立する。上記よりωの値がわかっており、慣性モーメントＩもわかっているので、下記の式（２）から見かけ上バネ定数ｋ´を求めることができる。
ω＝√（ｋ´／Ｉ）
ｋ´＝Ｉ・ω² 式（２）

また、エネルギー保存則より、以下の式（３）が成立する。すでに、Ｌ、ｒ、θ、ｋ、ｋ´は上記よりわかっているので、式（３）よりＬ´を求めることができる。
（１／２）・ｋ´・（ｒ・θ）²＝（１／２）・ｋ・（Ｌ´―Ｌ）²
Ｌ´＝Ｌ＋ｒ・θ・√（ｋ´／ｋ） 式（３）

また図１４において、位置（Ａ）と位置（Ｂ）と位置（Ｃ）を頂点とする三角形は直角三角形であるので、三平方の定理より、以下の式（４）が成立する。
（ｒ・ｓｉｎθ＋Ｌ・ｃｏｓφ）²＋［ｒ・（１−ｃｏｓθ）＋Ｌ・ｓｉｎφ］²
＝Ｌ´² 式（４）

上記の式（４）を整理すると、以下の式（５）を得ることができる。
ｃｏｓ［（θ／２）−φ］
＝［Ｌ´²−Ｌ²−２・ｒ²・（１−ｃｏｓθ）］／４・Ｌ・ｒ・ｓｉｎ（θ／２）
式（５）

ここで、［Ｌ´²−Ｌ²−２・ｒ²・（１−ｃｏｓθ）］／４・Ｌ・ｒ・ｓｉｎ（θ／２）＝χと置き換えると、θ＝０のとき、χ＝√（ｋ´／ｋ）であるので、以下の式（６）を得ることができる。上記より、すでにＬ´、Ｌ、ｒ、θ、ｋ、ｋ´はわかっているので、χを求めることが可能であり、φを求めることができる。求めた角度φが、目標剛性調整角度である。
φ＞θ／２の場合、φ＝（θ／２）＋ｃｏｓ^-1χ
φ≦θ／２の場合、φ＝（θ／２）−ｃｏｓ^-1χ 式（６）

以上に説明したように、制御手段５０を用いて、駆動軸部材６回りの大腿揺動アーム１３の揺動周波数（ｆ）と、大腿揺動アーム１３を含む揺動対象物における駆動軸部材６回りの慣性モーメント（Ｉ）と、伸縮バネ２３Ｋのバネ定数（ｋ）と、伸縮バネ２３Ｋの自由長（Ｌ）と、従動軸部材７から剛性調整軸部材までの距離（ｒ）と、連動揺動角度（角度θ）と、に基づいて、伸縮バネの共振点が、揺動対象物の揺動の周波数と一致するように剛性調整角度（角度φ）を調整する。

このように、伸縮バネ２３Ｋの共振点が、揺動アーム１３を含む揺動対象物（駆動軸部材６回りに揺動する物体全体）の揺動の周波数と一致してエネルギー保存則が成立するように、剛性調整角度φを設定することで、電動モータ１１にて消費する電力を最小とすることができる。なお、剛性調整角度を上記の式から求めることなく、微小角度だけ剛性調整角度を変更して当該剛性調整角度における所定周期分の電動モータ１１の消費電力を計測した後、再度微小角度だけ剛性調整角度を変更して所定周期分の電動モータ１１の消費電力を計測することを繰り返し、最も消費電力が少ない剛性調整角度を求めるようにしてもよい。

●［連動揺動部材１６にバネユニットを２つ取り付ける例（図１５）］
バネユニットにおける伸縮バネが伸長方向のみ有効で圧縮方向では有効でない場合（例えば図１０の模式図に示した状態の伸縮バネの場合）や、図５に示すバネユニットであって伸長方向にも圧縮方向にも伸縮バネは有効であるが、連動揺動角度に対して付勢力が不足する場合等において、図１５の例に示すように、連動揺動部材１６に対してバネユニット２３とバネユニット２３´との２つを取り付けるようにしてもよい。なお、バネユニット２３内の伸縮バネの他方端に相当する個所は、剛性調整軸２１ＤＪの近傍に配置されたバネ係止部材（図示省略）に接続（係止）されており、バネユニット２３´内の伸縮バネの他方端に相当する個所は、剛性調整軸２１ＤＪ´の近傍に配置されたバネ係止部材（図示省略）に接続（係止）されている。

この場合、バネユニット２３の旋回部材２３Ａ（剛性調整軸２１ＤＪ回りに旋回）は、電動モータ２１にて旋回駆動される。また、バネユニット２３´の旋回部材２３Ａ´（剛性調整軸２１ＤＪ´回りに旋回）は、旋回部材２３Ａに取り付けられたギアＧ１、ブラケット２２（図１参照）に支持されたギアＧ２、Ｇ３、旋回部材２３Ａ´に取り付けられたギアＧ４にて旋回駆動力が伝達される。そして隣り合うギアのギア比を適切に設定することで、バネユニット２３の剛性調整角度と、バネユニット２３´の剛性調整角度とを一致させることができる。

例えば伸縮バネが伸長方向にのみ付勢力を発生するバネ（図１０、図１１参照）であったとしても、一方の方向に対する揺動運動に対して、一方の見かけ上バネ定数可変手段の伸縮バネを伸長方向に伸長し、他方の方向に対する揺動運動に対して、他方の見かけ上バネ定数可変手段の伸縮バネを伸長方向に伸長するように構成すればよく、図５に示す複雑な構成のバネユニットを必要としない。従って、バネユニットの構造をよりシンプルにすることができる。

以上に説明した第１の実施の形態の揺動関節装置１は、ユーザの左脚用であるが、右脚用のベース部（ベース部２の左右対称版）、右脚用の大腿揺動部（符号１１、１２、１３、１９にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の剛性調整部（符号１６、２１、２２、２３にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の下腿揺動部（符号３１、３２、３２Ｐ、３２Ｂ、３３、３４、３５、３６、３９にて示した各部材の左右対称版）を追加して、制御ユニット５からユーザの両脚の歩行動作（または走行動作）を支援するようにしてもよい。

●●［第２の実施の形態の揺動関節装置］
第２の実施の形態の揺動関節装置は、図１〜図４に示す第１の実施の形態の揺動関節装置１から電動モータ１１（及び回転角度検出手段１１Ｓ）を省略し、大腿揺動アーム１３の揺動角度を検出可能な回転角度検出手段を追加したものである。この第２の実施の形態では、ユーザの歩行（または走行）における大腿部の運動を電動モータで支援することはできないが、下腿部の運動を電動モータ３１にて支援することができる。また、剛性調整ユニット２３を有しているので、エネルギー保存則に基づいて剛性調整角度を適切な角度とすることで、ユーザの大腿部の運動量を適切に軽減させることができる。

また、第１の実施の形態と同様に、右脚用のベース部（ベース部２の左右対称版）、右脚用の大腿揺動部（符号１２、１３、１９にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の剛性調整部（符号１６、２１、２２、２３にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の下腿揺動部（符号３１、３２、３２Ｐ、３２Ｂ、３３、３４、３５、３６、３９にて示した各部材の左右対称版）を追加して、制御ユニット５からユーザの両脚の歩行動作（または走行動作）を支援するようにしてもよい。

●●［第３の実施の形態の揺動関節装置］
第３の実施の形態の揺動関節装置は、図１〜図４に示す第１の実施の形態の揺動関節装置１から、電動モータ３１、ブラケット３２、プーリ３２Ｐ、ベルト３２Ｂ、下腿揺動アーム３３、下腿中継アーム３４、下腿アーム３５、足先保持部３６、下腿装着部３９を省略したものである。この第３の実施の形態では、ユーザの歩行（または走行）における大腿部の運動を電動モータ１１にて支援し、下腿部の運動は支援しない。なお、剛性調整ユニットを有しているので、エネルギー保存則に基づいて剛性調整角度を適切な角度とすることで、電動モータ１１の消費電力を、より低減することができる。

また、第１の実施の形態と同様に、右脚用のベース部（ベース部２の左右対称版）、右脚用の大腿揺動部（符号１１、１２、１３、１９にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の剛性調整部（符号１６、２１、２２、２３にて示した各部材の左右対称版）を追加して、制御ユニット５からユーザの両脚の歩行動作（または走行動作）を支援するようにしてもよい。

●●［第４の実施の形態の揺動関節装置］
第４の実施の形態の揺動関節装置は、第３の実施の形態の揺動関節装置から電動モータ１１（及び回転角度検出手段１１Ｓ）を省略し、大腿揺動アーム１３の揺動角度を検出可能な回転角度検出手段を追加したものである。この第４の実施の形態では、ユーザの歩行（または走行）における下腿部の運動の支援をすることはできない。またユーザの大腿部の運動を電動モータで支援することもできない。しかし、剛性調整ユニット２３を有しているので、エネルギー保存則に基づいて剛性調整角度を適切な角度とすることで、ユーザの大腿部の運動量を適切に軽減させることができる。

また、第１の実施の形態と同様に、右脚用のベース部（ベース部２の左右対称版）、右脚用の大腿揺動部（符号１２、１３、１９にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の剛性調整部（符号１６、２１、２２、２３にて示した各部材の左右対称版）を追加して、制御ユニット５からユーザの両脚の歩行動作（または走行動作）を支援するようにしてもよい。

本発明の脚力支援装置の構造、構成、形状、外観等は、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。

本実施の形態にて説明した脚力支援装置の用途は、ユーザの下肢の揺動運動（歩行や走行）を支援する用途に限定されず、周期的な揺動運動をする種々の対象物に適用可能である。

本実施の形態では、大腿揺動アーム１３の揺動運動を、ギアで連動揺動部材１６に伝達したが、動力伝達手段はギアに限定されず、ベルトやプーリ、あるいはリンク機構等を用いて動力伝達手段を構成してもよい。同様に、電動モータ３１の揺動回転運動を、プーリとベルトで下腿揺動アーム３３に伝達したが、プーリとベルトに限定されず、ギアやリンク機構等を用いて伝達してもよい。また、図１５の例ではギアを用いた旋回部材駆動力伝達手段を用いて旋回駆動力を伝達したが、ギアに限定されず、プーリとベルト、あるいはリンク機構等を介して旋回駆動力を伝達するようにしてもよい。

１ 揺動関節装置（脚力支援装置）
２ ベース部
３ 腰装着部
４ 肩ベルト
５ 制御ユニット
６ 駆動軸部材
６Ｊ 駆動軸
７ 従動軸部材
７Ｊ 従動軸
１１、２１、３１ 電動モータ
１１Ｄ、３１Ｄ 減速機
１１Ｓ、２１Ｓ、３１Ｓ 回転角度検出手段
１２ ブラケット
１３ 大腿揺動アーム
１３Ｇ 円板部
１６ 連動揺動部材
１６Ｋ バネ係止部材（バネ揺動端）
１６ＫＪ バネ揺動軸
１９ 大腿装着部
２１Ｄ 剛性調整軸部材（減速機）
２１ＤＪ 剛性調整軸
２２ ブラケット
２３ バネユニット
２３Ａ 旋回部材
２３Ｃ 揺動追従軸部材（バネ固定端）
２３ＣＪ バネ固定軸
２３Ｄ シャフト
２３Ｅ 伸縮伝達部材
２３Ｋ 伸縮バネ
２３Ｍ 揺動追従部材
３２Ｂ ベルト
３２Ｐ プーリ
３３ 下腿揺動アーム
３４ 下腿中継アーム
３５ 下腿アーム
３５Ｍ 平行リンク形成部
３９ 下腿装着部
５０ 制御手段

Claims (5)

1. 利用者の下肢の運動に補助力を与える脚力支援装置であって、
   前記利用者の腰側部に装着される腰側装着部と、
   前記利用者の大腿の側方に配置されて上端部の近傍に軸孔が設けられた長手状の第１揺動アームと、
   前記第１揺動アームに取り付けられて前記利用者の大腿にあてがわれる大腿装着部と、
   前記第１揺動アームの前記軸孔に挿通される駆動軸部材であって、前記腰側装着部に対して前記第１揺動アームを前記利用者の前後方向に揺動自在に支持する前記駆動軸部材と、
   前記第１揺動アームの揺動角度である第１揺動角度を検出する第１角度検出手段と、
   前記駆動軸部材回りの剛性を可変とする剛性可変手段と、
   前記剛性可変手段による前記駆動軸部材回りの剛性を制御する制御手段と、を備え、
   前記剛性可変手段は、バネと、前記剛性を調整可能な電動モータと、を有しており、
   前記制御手段は、
   前記利用者の大腿の動作に応じてリアルタイムに変化する前記第１揺動角度に応じて、前記電動モータを制御して、前記第１揺動角度に対する前記バネの伸縮量をリアルタイムに変更することで前記剛性を制御する、
   脚力支援装置。
2. 利用者の下肢の運動に補助力を与える脚力支援装置であって、
   前記利用者の腰側部に装着される腰側装着部と、
   前記利用者の大腿の側方に配置されて上端部の近傍に軸孔が設けられた長手状の第１揺動アームと、
   前記第１揺動アームに取り付けられて前記利用者の大腿にあてがわれる大腿装着部と、
   前記第１揺動アームの前記軸孔に挿通される駆動軸部材であって、前記腰側装着部に対して前記第１揺動アームを前記利用者の前後方向に揺動自在に支持する前記駆動軸部材と、
   前記駆動軸部材回りの剛性を可変とする剛性可変手段と、
   前記剛性可変手段による前記駆動軸部材回りの剛性を制御する制御手段と、を備え、
   前記剛性可変手段は、
   伸縮バネを有しており、
   前記第１揺動アームの揺動角度がゼロの場合では前記伸縮バネは自由長であり、前記第１揺動アームの揺動角度に対して前記伸縮バネの伸縮量を可変とすることで、前記駆動軸部材回りの剛性を可変としており、
   前記剛性可変手段は、
   前記駆動軸部材に対して平行に配置された従動軸部材と、
   前記従動軸部材回りに揺動自在に支持された連動揺動部材であって、動力伝達手段を介して前記第１揺動アームに接続されて前記第１揺動アームの揺動に連動して連動揺動するとともに前記第１揺動アームの揺動角度よりも小さな連動揺動角度で連動揺動する前記連動揺動部材と、
   前記連動揺動部材の外周部の近傍の位置に配置されて前記従動軸部材に対して平行に配置された剛性調整軸部材と、
   前記剛性調整軸部材を旋回させる剛性調整軸旋回手段と、
   前記剛性調整軸部材に接続されて前記剛性調整軸部材とともに旋回する旋回部材と、
   前記伸縮バネと、にて構成されており、
   前記伸縮バネの一方端に相当する個所は、前記旋回部材における前記剛性調整軸部材から離れた位置であるバネ固定端に接続され、
   前記伸縮バネの他方端に相当する個所は、前記連動揺動部材における外周部の近傍の位置であって前記連動揺動角度がゼロの場合において前記剛性調整軸部材と同軸となる位置であるバネ揺動端に接続され、
   前記連動揺動角度がゼロの場合において、前記バネ固定端と前記バネ揺動端に接続された前記伸縮バネは自由長であり、
   前記制御手段は、前記剛性調整軸旋回手段を制御することで、
   前記従動軸部材を中心として前記従動軸部材から前記剛性調整軸部材までの距離を半径とする円である仮想連動揺動円における円周上の接線であって前記剛性調整軸部材の位置における接線である仮想接線と、前記連動揺動角度がゼロの場合における前記バネ揺動端と前記バネ固定端とを結ぶ仮想直線と、のなす角度である剛性調整角度を、前記連動揺動角度に応じて調整して、前記連動揺動部材から見た前記伸縮バネの見かけ上のバネ定数を調整する、
   脚力支援装置。
3. 請求項２に記載の脚力支援装置であって、
   前記制御手段は、
   前記駆動軸部材回りの前記第１揺動アームの揺動周波数と、
   前記第１揺動アームを含む揺動対象物における前記駆動軸部材回りの慣性モーメントと、
   前記伸縮バネのバネ定数と、
   前記伸縮バネの前記自由長と、
   前記従動軸部材から前記剛性調整軸部材までの距離と、
   前記連動揺動角度と、に基づいて、前記伸縮バネの共振点が、前記揺動対象物の揺動の周波数と一致するように前記剛性調整角度を調整する、
   脚力支援装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の脚力支援装置であって、
   前記制御手段からの制御信号に基づいて前記第１揺動アームを前記駆動軸部材回りに揺動させる第１駆動手段を有している、
   脚力支援装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の脚力支援装置であって、
   前記駆動軸部材回りに揺動自在に支持された第２揺動アームと、
   前記第２揺動アームの揺動角度である第２揺動角度を検出する第２角度検出手段と、
   前記制御手段からの制御信号に基づいて前記第２揺動アームを前記駆動軸部材回りに揺動させる第２駆動手段と、
   前記第１揺動アームと前記第２揺動アームとに接続されて前記第１揺動アームの揺動角度である第１揺動角度と前記第２揺動アームの前記第２揺動角度とに基づいて動作する揺動リンク部材と、
   前記揺動リンク部材に取り付けられて前記利用者の下腿にあてがわれる下腿装着部と、
   を有している、
   脚力支援装置。