JP6646297B2

JP6646297B2 - ロボティックウエアの神経振動子を用いた同調制御方法、同調制御用コンピュータプログラム、およびロボティックウエア

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Publication number: JP6646297B2
Application number: JP2015173334A
Authority: JP
Inventors: 橋本　稔; 稔橋本; 浩仁田中
Original assignee: Shinshu University NUC
Current assignee: Shinshu University NUC
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2035-09-02
Also published as: JP2017046977A

Description

本発明は、ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を股関節および膝関節に与える人体装着型のロボティックウエアに関し、特に、下肢４関節の歩行動作支援を、神経振動子を用いた同調制御により適切に行うことのできる同調制御方法、同調制御用コンピュータプログラムおよびロボティックウエアに関する。

高齢化社会にある日本において、リハビリや介護、歩行補助を目的とした人体装着型のロボットが盛んに研究開発されている。リハビリ支援と自立動作支援を目的としたロボットスーツＨＡＬ、高齢者の歩行機能改善を目的としたリズム歩行アシスト、対麻痺患者の歩行補助を目的とした藤田保険衛生大学のＷＰＡＬ、人工膝関節置換術後のリハビリを目的とした歩行リハビリ支援システムＫＡＩ−Ｒなどが例として挙げられる。本発明者等も、軽量で装着性に優れた非外骨格型のロボティックウエアを開発してきた（特許文献１）。

一方、制御面においては、脊椎動物の中枢神経系をモデル化した神経振動子（松岡モデル）によって周期運動をおこなう２足あるいは４足歩行ロボットなどの研究が進められ、神経振動子モデル（非特許文献１）は、それらの多くの研究に用いられている。また、本発明者等は、先行研究で開発された人体装着型ロボティックスーツ、ロボティックウエアの制御においても、松岡モデルを採用し、ヒトとロボットの同調制御を実現している（非特許文献２、３、特許文献２、３）。

松岡清利、「神経振動子によるロボットの運動制御」、ＩＥＩＣＥ Technical Report、ＮＣ２０１２−４０、２０１２ Xia Zhang and Minoru Hashimoto, "SBC for Motion Assist Using Neural Oscillator" IEEE International Conference on Robotic and Automation 2009 田中浩仁、大矢卓摩、橋本稔、「同調制御を用いた高性能軽量ウェアラブル・ロボティックウェアの研究開発」、第１４回建設ロボットシンボジウム論文集、ｐｐ．２５１−２６０、２０１４

特開２０１５−２９７０号公報特開２０１２−６６３７５号公報特開２０１５−４４２４０号公報

しかしながら、ヒトの歩行時における膝関節は接地時の衝撃を吸収するための特徴的な運動軌道を描いて動作しており、股関節の運動軌道とは全く異なる。つまり、股関節と同様な歩行用の制御軌道ではロボット装着者の膝関節に違和感を与える。したがって、神経振動子を用いて、この膝関節の制御軌道を生成することが必要である。

本発明の課題は、この点に鑑みて、歩行時における膝関節の特徴的な運動軌跡を神経振動子による制御軌道として生成することのできるロボティックウエアの神経振動子を用い
た同調制御方法および同調制御用コンピュータプログラムを提案することにある。

また、本発明の課題は、運動周期が異なる神経振動子が混在する下肢４関節に装着される関節アクチュエータの駆動制御を適切に行うことのできるロボティックウエアの神経振動子を用いた同調制御方法および同調制御用コンピュータプログラムを提案することにある。

さらに、本発明の課題は、新たな同調性制御方法あるいは同調制御用コンピュータプログラムによって駆動制御されるロボティックウエアを提供することにある。

本発明においては、ヒトの膝関節は衝撃を吸収するために特徴的な運動軌道を描くことに着目し、それを１歩行周期の間に、１歩行運動を構成する立脚相および遊脚相からなる異なる振幅の２周期運動と捉えて膝関節の軌道制御を行うようにしている。すなわち、本発明では、膝関節神経振動子出力の極小値間の信号に対して適切な振幅倍率とオフセット値を与えることによって、振幅の異なる立脚相１周期波形と遊脚相１周期波形とが滑らかに接続された２周期波形によって規定される膝関節制御軌道を生成するようにしている。

また、本発明では、膝関節神経振動子出力の極小値間の信号波形が立脚相、遊脚相のいずれに該当するのかの判定を、極小値が得られる時点の股関節神経振動子出力の正負によって行うようにしている。

さらに、神経振動子は同調という性質を持つので、一定の振幅倍率およびオフセット値を用いて生成された立脚相および遊脚相の波形を接続することによって得られる２周期波形の継ぎ目には誤差が生じる。これを解消するために、本発明においては、継ぎ目誤差を解消して滑らかな継ぎ目となるように波形修正を施す（誤差補正を行う）ようにしている。

具体的に説明すると、本発明は、ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を股関節および膝関節に伝える股関節アクチュエータおよび膝関節アクチュエータを備えた人体装着型のロボティックウエアの制御を、神経振動子を用いた同調制御により行う同調制御方法および同調制御用コンピュータプログラムであって、
ヒトの歩行時に股関節と股関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、股関節神経振動子を用いた同調制御により、股関節アクチュエータを所定の股関節制御軌道を描くように駆動制御し、
前記歩行時に膝関節と膝関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、膝関節神経振動子を用いた同調制御により、膝関節アクチュエータを所定の膝関節制御軌道を描くように駆動制御し、
前記股関節制御軌道の１周期をヒトの１歩行周期に対応するように設定し、
前記膝関節制御軌道を、前記股関節制御軌道の１周期を２周期とする２周期制御軌道に設定し、
前記股関節制御軌道の各１周期分の軌道波形に対応する前記膝関節制御軌道の２周期分の軌道波形が、ヒトの１歩行運動の立脚相および遊脚相の動きに対応するように、一方の立脚相軌道波形の振幅を、他方の遊脚相軌道波形の振幅に比べて小さくなるように設定することを特徴としている。

具体的な膝関節制御軌道の生成手順は次の通りである。まず、前記股関節神経振動子の自励振動を規定する股関節基本波形を設定する。次に、前記膝関節神経振動子の自励振動を規定する膝関節基本波形を、前記股関節基本波形の周期の１／２の周期を有するように設定する。次に、前記膝関節神経振動子の出力信号における前記立脚相に対応する立脚相
波形部分および遊脚相波形部分に対して、予め設定されている振幅倍率とオフセット値をそれぞれ与えて、前記立脚相軌道波形および前記遊脚相軌道波形を備えた膝関節制御軌道を規定する制御信号波形を生成する。

立脚相波形部分と遊脚相波形部分を判別するために、まず、前記膝関節神経振動子の出力信号の極小点を判別する。次に、前記極小点のそれぞれについて、対応する時点における前記股関節神経振動子の出力信号の振幅値を判別する。そして、前記振幅値に基づき、前記膝関節神経振動子の出力信号の各極小点間が前記立脚相波形部分および前記遊脚相波形部分のいずれであるかを判別する。

ここで、前記制御信号波形における前記立脚相波形部分と前記遊脚相波形部分との間の継ぎ目部分が一致していない場合に、当該継ぎ目部分が滑らかに連続する継ぎ目部分となるように、波形修正を施すようにする。

下肢４関節用のロボティックウエアの場合には、前記ロボティックウエアは、前記股関節アクチュエータとしてヒトの左右の股関節にアシスト力を与える左股関節アクチュエータおよび右股関節アクチュエータと、前記膝関節アクチュエータとしてヒトの左右の膝関節にアシスト力を与える左膝関節アクチュエータおよび右膝関節アクチュエータとを備えている。この場合には、前記左股関節アクチュエータおよび前記右股関節アクチュエータを、相互に逆位相の前記股関節制御軌道を描くように駆動制御する。また、前記左膝関節アクチュエータおよび前記右膝関節アクチュエータを、相互に１周期分位相がずれた状態で前記膝関節制御軌道を描くように駆動制御する。

次に、本発明のロボティックウエアは、
ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を股関節に与える股関節アクチュエータと、
ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を膝関節に伝える膝関節アクチュエータと、
前記股関節アクチュエータおよび前記膝関節アクチュエータを制御する同調制御装置と、
を有しており、
前記同調制御装置は、
ヒトの歩行時に股関節と股関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、股関節神経振動子を用いた同調制御により、股関節アクチュエータを所定の股関節制御軌道を描くように駆動制御する股関節制御部と、
前記歩行時に膝関節と膝関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、膝関節神経振動子を用いた同調制御により、膝関節アクチュエータを所定の膝関節制御軌道を描くように駆動制御する膝関節制御部と、
を備えており、
前記股関節制御軌道の１周期をヒトの１歩行周期に対応するように設定されており、
前記膝関節制御軌道を、前記股関節制御軌道の１周期を２周期とする２周期制御軌道に設定されており、
前記股関節制御軌道の各１周期分の軌道波形に対応する前記膝関節制御軌道の２周期分の軌道波形が、ヒトの１歩行運動の立脚相および遊脚相の動きに対応するように、一方の立脚相軌道波形の振幅を、他方の遊脚相軌道波形の振幅に比べて小さくなるように設定されていることを特徴としている。

ここで、前記股関節神経振動子の自励振動を規定する基本波形を股関節基本波形とすると、前記膝関節神経振動子の自励振動を規定する膝関節基本波形は、前記股関節基本波形の周期の１／２の周期を有するように設定されている。また、前記膝関節制御部は、前記膝関節神経振動子の出力信号における前記立脚相に対応する立脚相波形部分および遊脚相波形部分に対して、予め設定されている振幅倍率とオフセット値をそれぞれ与えて、前記
立脚相軌道波形および前記遊脚相軌道波形を備えた膝関節制御軌道を規定する制御信号波形を生成する信号処理部を備えた構成とすることができる。

また、前記信号処理部は、前記膝関節神経振動子の出力信号の極小点を判別する極小点判別部と、前記極小点のそれぞれについて、対応する時点における前記股関節神経振動子の出力信号の振幅値を判別する値判別部と、前記振幅値に基づき、前記膝関節神経振動子の出力信号の各極小点間が前記立脚相波形部分および前記遊脚相波形部分のいずれであるかを判別する相判別部とを備えた構成とすることができる。

さらに、前記信号処理部は、前記制御信号波形における前記立脚相波形部分と前記遊脚相波形部分との間の継ぎ目部分が一致していない場合に、当該継ぎ目部分が滑らかに連続する継ぎ目部分となるように、波形修正を施す波形修正部を備えている。

下肢４関節の制御軌道を生成するためには、前記股関節アクチュエータとして、ヒトの左右の股関節にアシスト力を与える左股関節アクチュエータおよび右股関節アクチュエータとを備え、前記膝関節アクチュエータとして、ヒトの左右の膝関節にアシスト力を与える左膝関節アクチュエータおよび右膝関節アクチュエータとを備え、前記股関節制御部は、前記左股関節アクチュエータおよび前記右股関節アクチュエータを、相互に逆位相の前記股関節制御軌道を描くように駆動制御し、前記膝関節制御部は、前記左膝関節アクチュエータおよび前記右膝関節アクチュエータを、相互に１周期分位相がずれた状態で前記膝関節制御軌道を描くように駆動制御すればよい。

ロボティックウエアとしては、前記股関節アクチュエータによって規定されるロボット股関節と前記膝関節アクチュエータによって規定されるロボット膝関節との間を連結するリンク機構が備わっていない非外骨格型ロボティックウエアを用いることができる。

本発明では、ヒトの歩行時に膝関節は衝撃を吸収するための特徴的な運動軌道を、異なる振幅の２周期運動と捉え、歩行時の膝関節の運動軌道とほぼ同様な股関節制御軌道を生成している。本発明によれば、装着者に違和感を与えない膝関節の歩行支援を実現できる。また、下肢４関節すべてにおいてヒトの運動軌跡とほぼ同一で装着者に違和感を与えない制御軌道を生成できるので、神経振動子を用いた同調制御により、下肢４関節の歩行支援を適切に行うことのできるロボティックウエアを実現できる。

非外骨格型ロボティックウエアの一例を示す正面図および側面図である。神経振動子を用いた同調制御システムを示す概略ブロック図である。神経振動子のモデルを示す説明図である。ヒトの歩行フェーズと下肢関節の運動軌跡を示す説明図である。下肢４関節の神経振動子間の抑制結合形態の一例、および、各神経振動子からの出力波形を示す説明図である。図５の抑制結合形態によって生成される股関節および膝関節の制御軌道を示す説明図である。本発明による２周期軌道生成手順を示すフローチャートである。股関節神経振動子および膝関節神経振動子の出力波形、極小点の条件、極小点におけるフェーズ判定を示す説明図である。膝関節神経振動子の出力波形の振幅調整、オフセット調整を示す説明図である。生成された２周期波形（膝関節制御軌道）を示す説明図である。膝関節神経振動子の同調性による出力振幅の変化を示す説明図である。膝関節神経振動子の同調性による出力変動に起因する２周期波形の継ぎ目誤差の発生を示す説明図である。２周期波形の継ぎ目誤差に起因するドリフトの誘発を示す説明図である。２周期波形の継ぎ目誤差の補正方法を示す説明図である。本発明を適用した下肢４関節制御システムを示す機能ブロック図である。本発明を適応した下肢４関節の神経振動子の抑制結合形態、各神経振動子からの出力波形を示す説明図、および各関節の制御軌道を示す説明図である。図１６の抑制結合形態によって生成される股関節制御軌道および膝関節制御軌道を示す説明図である。検証実験１の設定条件を示す説明図である。検証実験１において得られた下肢４関節の制御軌道を示す説明図である。検証実験２の実験状況を示す説明図である。検証実験２の実験条件を示す説明図である。検証実験２の実験結果を示す説明図である。検証実験３における本発明による２周期軌道制御を用いた場合（図１６に示す場合）の結果を示す説明図である。検証実験３における２周期軌道制御を用いない場合（図５に示す場合）の結果を示す説明図である。

以下に、図面を参照して、本発明のロボティックウエアの神経振動子を用いた同調制御について詳細に説明する。

まず、本発明の前提となるロボティックウエアの例、同調制御、神経振動子、ヒトの歩行運動について説明する。

［人体装着型のロボティックウエア］
図１に、先行研究（非特許文献３）において開発され、本発明において用いることのできる非外骨格型ロボティックウエア（以下、単に「ロボット」と呼ぶ場合もある。）を示す。ロボットの関節間にリンク機構が無く、人体の骨格系を利用して、股関節アクチュエータおよび膝関節アクチュエータであるモータユニットで、直接的に人体の関節の動きを補助する機構である。モータユニットは、モータと、この出力回転を減速して出力する減速機とから構成される。減速機出力軸（関節軸）には、ここを中心として開閉する上下の旋回腕が取付けられ、これらの旋回腕の開閉運動が、それぞれ、サポートベルトを介して、股関節、膝関節に繋がる骨格系に伝達される。

［同調制御方法］
先行研究（非特許文献２）ならびに本発明では、神経振動子を用いた同調制御を用いている。図２に、その制御システムの概要を示す。ロボットとヒトの動きによって生じる相互作用力を減速機内蔵型トルクセンサによって計測し、同調ゲインを乗じたものを神経振動子への入力として用いており、入力を受けた神経振動子からは同調した信号が出力される。この出力信号を目標角度としてＰＩＤ制御を通じてロボットの動きを生成する。このフィードバック制御によってヒトの運動との同調を図ろうとする仕組みである。同調ゲイン（Ｃ）は同調性を決める係数であり、値が大きいほどロボットはヒトの動きに同調する。つまり同調性が高くなる。

なお、図２に示すシステムでは、（株）ハーモニック・ドライブ・システムズ製の「ハーモニックドライブ（登録商標）」と呼ばれる減速機を使用している。また、その構成部品であるフレクスプライン（可撓性外歯車）におけるダイヤフラムの部分において、中心軸線回りに等角度間隔に貼り付けた３組の歪ゲージによってトルクセンサが構成されている。

［神経振動子：松岡モデル］
ヒトは歩行運動などの基本的なリズム運動を行う際には、ＣＰＧ（Central Pattern Generator）と呼ばれる神経回路を用いて制御しながら動作を生成している。ＣＰＧは互いに位相関係を有しながら振動している神経組織の集合で、この神経回路内で発現する神経素子間の興奮・抑制メカニズムをモデル化したものが神経振動子である。

松岡らは、神経振動子を構成する神経素子のモデル化ならびに神経振動子の組み合わせによって、ＣＰＧが構成されることを提唱し（非特許文献１）、神経振動子間の抑制結合形態とそれによって生成される出力振動の関連についても研究を行っている。この神経振動子には外部入力信号に自励振動を同調させる同調現象や外部に対する引き込みという性質があり、先行研究（非特許文献２）では、この性質を利用したロボットとヒトの同調制御を実現している。

本発明においても、同様に、この松岡モデルを用いてロボットを制御する。松岡モデルは、図３に示すように、最小の構成である二つの神経素子により構成され、その出力の差が一つの出力となって周期的な運動を生成できるモデルであり、式（１）〜（３）の非線形１階連立微分方程式で表せる。

ここで、
ｘｉ：ｉ番目の神経素子の内部状態を示す係数
ｇ（ｘｉ）：ｉ番目の神経素子の出力
ｆｉ：ｉ番目の神経素子の疲労状態を表す係数
Ｓｉ：ｉ番目の神経素子への定常入力
ｂｉ：ｉ番目の神経素子の疲労係数
ａｉｊ：ｉ番目の神経素子からｊ番目の神経素子への結合係数
Ｔａ，Ｔｒ：時定数
Ｉｎｐｕｔ：外部入力
である。

また、相互作用力を相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌとし、同調制御における同調性を調整するゲインを同調ゲインＣとすると、外部入力Ｉｎｐｕｔは、相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌと同調ゲインＣを用いて、
Ｉｎｐｕｔ＝Ｃ＊τ＿ｍｕｔｕａｌ
で表される。

この神経振動子の出力Ｏｕｔｐｕｔをｇ（ｘｉ）−ｇ（ｘｊ）とすることで、正弦波のような周期的な信号が得られる。なお、本例においては、先行研究（非特許文献２）に基
いて、
ａｉｊ＝０．１２
ｂｉ＝２．５
ｆｉ＝１．０
Ｓｉ＝２．０
Ｔｒ／Ｔａ＝０．２
としている。

［ヒトの歩行フェーズと下肢関節の運動軌跡］
図４に示すように、ヒトの１歩行動作においては、股関節は歩行動作の周期に対応した周期の運動軌道を描く。これに対して、膝関節は衝撃を吸収するための特徴的な運動軌道を描く。

［相互抑制結合と位相］
次に、本発明に到る過程において検討した下肢４関節用の神経振動子の抑制結合形態について説明する。

先行研究（非特許文献２）および松岡らによって提唱された神経振動子間の抑制結合の考え方に基いて、股関節と膝関節の運動角度が同位相となるように、下肢４関節の神経振動子間の抑制結合形態を設定することが考えられる。図５には、この抑制結合形態と神経振動子からの出力波形を示す。ここで、各関節の神経振動子を結ぶ線は抑制結合を表している。

図６には、上記の抑制結合形態によって生成される股関節および膝関節の制御軌道と、ヒトの股関節および膝関節の運動軌跡を示す。ここで、股関節における角度の＋値は屈曲を、−値は伸展を表し、膝関節における角度０は完全な伸展状態を、＋値は屈曲を表している。この図から分かるように、股関節制御軌道に関しては歩行期全域にわたって装着者の関節角軌跡に沿うものとなっているが、膝関節に関しては前遊脚期から遊脚期初期にかけて追従しているものの、遊脚中期から次の荷重応答期においては大きなかい離が見られる。ヒトの歩行に関する文献によれば、初期接地から荷重応答期の膝関節における特徴的な運動軌跡は、膝関節が歩行時の衝撃吸収機構として働いていることを示しており、ヒトの正常な歩行において重要な要素とされている。したがって、本来はこのような制御軌道でなければならないが、現状の制御方法では股関節と膝関節の位相や周期をどのように調整しても、初期接地時の衝撃吸収機能を維持するような運動軌跡にはならないことが分かる。

［２周期軌道制御システム］
次に、本発明が採用している股関節アクチュエータ制御用の２周期軌道について説明する。

（軌道生成法）
ヒト歩行時の特徴的な膝関節運動軌跡は、その１歩行周期中に二つのフェーズ（遊脚相と立脚相）が存在する（図４参照）。本発明者等は、一つのフェーズ中に、丁度、１周期分の波形が含まれていることに着目した。振幅の大きな遊脚相軌跡と振幅の小さな立脚相軌跡の周期は主に股関節の周期の１／２であることから、膝関節は１歩行周期中に２周期分の動作をする２周期軌道と捉えた。これに基づく本発明の２周期軌道の生成手順を図７に示す。

（フェーズ波形の生成）
まず、図８には、２周期軌道の生成における膝関節の二つのフェーズ波形を生成する流
れを示す。フェーズ波形生成の第１段階では、股関節の動作周期の１／２の周期となる膝関節の基本波形（膝関節基本波形）を生成する。具体的には、膝関節の神経振動子の時定数ＴｒおよびＴａをそれぞれ股関節の時定数の半分にすることで、基本波形が生成される。次に、基本波形の極小点を判別する。時刻ｔにおける膝関節の神経振動子の出力値が極小点である場合には、当該時刻ｔの前後の時刻における出力値に比べて、当該時刻ｔの出力値が小さいので、これに基づき、膝関節の基本波形の極小点を判別できる。図８（ｂ）においては、基本波形の時刻ｔにおける点Ｋが極小点であるための条件を示してある。

ここで、極小点間の波形部分が遊脚相、立脚相のいずれに相当するのかを判定するフェーズ判定は次のように行うことができる。図８（ａ）に示すように、時刻ｔにおける膝関節の神経振動子の出力信号Ｋが極小となるときの股関節の神経振動子の出力信号の符号に違いがある。これに着目し、図８（ｃ）に示す判定式に従ってフェーズ判定を行うことができる。膝関節の神経振動子の出力信号Ｋが極小値のときの股関節の神経振動子の出力信号θ_Ｈが＋値の場合には当該極小値は立脚フェーズの開始点を表す極小値Ｋ_Ｓであり、出力信号θ_Ｈが−値の場合には当該極小値は立脚フェーズの終了点を表す極小値Ｋ_Ｅであることが分かる。

フェーズ波形生成の第２段階では、図９に示すように、膝関節の基本波形における隣接する極小点間の１周期分に相当する波形部分のそれぞれに対して、フェーズ（遊脚相と立脚相）に応じた振幅倍率を乗じて、ロボットの膝関節アクチュエータの動作振幅に対応する振幅を備えたフェーズ波形を生成する。股関節の神経振動子の基本波形（股関節基本波形）にも所定の振幅倍率を乗じ、所定のオフセット値を加えて、股関節アクチュエータの動作振幅に対応する振幅を備えた波形に整形する。

第３段階においては、図１０に示すように、各フェーズ波形の最小値が０となるようなオフセット値を加えることにより、振幅の異なる立脚フェーズ波形と遊脚フェーズ波形を段差状の継ぎ目が生じないように繋げて、２周期波形（立脚相軌道波形、遊脚相軌道波形）を生成する。

（継ぎ目誤差補正）
神経振動子は、入力信号に合わせて出力信号の振幅や周期を変化させる。つまり、同調するという性質を持っているので、図１１に示すように、出力振幅と周期が変動する。

神経振動子の同調性によって出力振幅が変化するが、各フェーズのオフセット値は固定であるので、出力振幅の変動によって、図１２に示すように、フェーズの継ぎ目、すなわち極小点において誤差が生じる。この誤差分を単純にオフセットすれば誤差は解消できるが、各フェーズのオフセット値および誤差補正値は定数であるので、神経振動子の出力変動によって、生成される２フェーズ波形には、図１３に示すようなドリフトが誘発されてしまう。

この問題を解決するために、本発明では、図１４に示すように、オフセット波形の補正を行っている。補正方法は、極小点での継ぎ目誤差Ｄだけオフセットした補正波形から、微小な補正量ｄを加算または減算し、その累積補正値がオフセット値Ｄに達するまで（Ｎ×ｄ＝Ｄとなるまで）補正を繰り返すものである。

［下肢４関節制御システム］
図１５は本発明を適用した下肢４関節制御システムの一例を示す機能ブロック図である。ここで、Ｔは相互作用トルク、Ｃは同調ゲイン値、Ｉｎｐｕｔは神経振動子への入力、Ｎは神経振動子からの出力、ＡＭＰは制御軌道の振幅、ＯＦＦＳＥＴは制御軌道のオフセット値、ＡＧＬは生成される出力角度、Ｄはサイクル変換点における継ぎ目誤差、Ｈは誤
差Ｄオフセットした波形、ｄはドリフト誤差補正値、ＭはＰＩＤ制御に用いられる目標角度である。添え字のｋとｈは、それぞれ膝関節と股関節を示す。

この図に示すように、下肢４関節制御システム１（ロボティックウエア）は、ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を股関節に与える股関節アクチュエータ２と、ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を膝関節に伝える膝関節アクチュエータ３と、股関節アクチュエータ２および膝関節アクチュエータ３を制御する同調制御装置４とを有している。

同調制御装置４はコンピュータを中心に構成され、インストールされている同調制御用コンピュータプログラムを実行することにより、ヒトの歩行時に股関節と股関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、股関節神経振動子を用いた同調制御により、股関節アクチュエータを所定の股関節制御軌道を描くように駆動制御する股関節制御部５、および、歩行時に膝関節と膝関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、膝関節神経振動子を用いた同調制御により、膝関節アクチュエータを所定の膝関節制御軌道を描くように駆動制御する膝関節制御部６として機能する。

股関節制御軌道の１周期はヒトの１歩行周期に対応するように設定され、膝関節制御軌道は、股関節制御軌道の１周期を２周期とする２周期制御軌道に設定される。股関節制御軌道の各１周期分の軌道波形に対応する膝関節制御軌道の２周期分の軌道波形は、ヒトの１歩行運動の立脚相および遊脚相の動きに対応するように、一方の立脚相軌道波形の振幅を、他方の遊脚相軌道波形の振幅に比べて小さくなるように設定される。

すなわち、股関節制御部５の股関節神経振動子７の自励振動を規定する基本波形を股関節基本波形とすると、膝関節制御部６の膝関節神経振動子８の自励振動を規定する膝関節基本波形は、先に述べたように、股関節基本波形の周期の１／２の周期を有するように設定されている。

また、膝関節制御部６は、図１５に示すように、膝関節神経振動子８の出力信号における立脚相に対応する立脚相波形部分および遊脚相波形部分に対して、予め設定されている振幅倍率とオフセット値をそれぞれ与えて、立脚相軌道波形および遊脚相軌道波形を備えた膝関節制御軌道を規定する制御信号波形（２周期波形）を生成する信号処理機能を備えている。

信号処理機能には、膝関節神経振動子８の出力信号の極小点を判別する極小点判定機能９と、極小点のそれぞれについて、対応する時点における股関節神経振動子７の出力信号の振幅値に基づき、膝関節神経振動子８の出力信号の各極小点間が立脚相波形部分および遊脚相波形部分のいずれであるかを判別する相判定機能１０（周期判定機能）が備わっている。また、制御信号波形（２相波形）における立脚相波形部分と遊脚相波形部分との間の継ぎ目部分が一致していない場合に、当該継ぎ目部分が滑らかに連続する継ぎ目部分となるように、波形修正を施す波形修正機能（継目誤差検知、誤差補正、ドリフト誤差補正）が備わっている。

このようして修正された制御信号波形によって規定される膝関節の目標角度がＰＩＤ制御部１１に供給され、ＰＩＤ制御部１１は、現在角度が目標角度になるように、膝関節アクチュエータ３をＰＩＤ制御する。

股関節制御部５の側においても、生成された制御信号波形（１周期波形）によって規定される股関節の目標角度がＰＩＤ制御部１２に供給され、ＰＩＤ制御部１２は、股関節の現在角度が目標角度になるように、股関節アクチュエータ２をＰＩＤ制御する。

下肢４関節制御システム１では、下肢４関節の制御軌道を生成するために、股関節アクチュエータ２として、ヒトの左右の股関節にアシスト力を与える左股関節アクチュエータおよび右股関節アクチュエータを備え、膝関節アクチュエータ３として、ヒトの左右の膝関節にアシスト力を与える左膝関節アクチュエータおよび右膝関節アクチュエータとを備えている。股関節制御部５は、左股関節アクチュエータおよび右股関節アクチュエータを、相互に逆位相の股関節制御軌道を描くように駆動制御する。膝関節制御部６は、左膝関節アクチュエータおよび右膝関節アクチュエータを、相互に１周期分位相がずれた状態で膝関節制御軌道を描くように駆動制御する。

（神経振動子間の相互抑制結合）
先に述べたように、図５に示す下肢４関節制御システムにおける神経振動子間の抑制結合形態では、股関節と膝関節に位相ズレが生じる。

これに対して、本発明におる下肢４関節制御システムにおいては、膝関節を２周期軌道制御としたことによって、神経振動子間の抑制結合形態は図１６に示すようになる。この形態では、図１７に示すように、制御軌跡とヒトの下肢関節制御軌道がほぼ一致していることが分かる。

［検証実験］
（検証実験１：制御軌道の確認）
（ａ）実験の目的と方法
図１６に示す本発明の制御システムによって継ぎ目誤差やドリフトも無い制御軌道で動作できているかの確認を実験目的とし、人体に装着しない、つまり外部入力が全く無い条件でロボットを６０秒間動作させて、その制御軌道を計測した。具体的には、ロボティックウエアの左右の股関節アクチュエータおよび左右の膝関節アクチュエータが動作時に接触しないように机上に配置し、それらの同調性を決める同調ゲイン値Ｃを０として、外部入力の影響を受けない状態とした。なお、制御軌道の設定は、神経振動子の時定数をＴａ＝０．８、Ｔｒ＝０．１６とし、２周期軌道である膝関節に関しては股関節の１／２に設定した。これは歩行周期１．６５秒（約１．２ｍ／ｓｅｃ）に相当する。振幅に関しては図１８に示す値を設定した。ここで、第１振幅と第２振幅はそれぞれ遊脚相と立脚相の振幅（動作設定角度）を表している。

（ｂ）実験結果
図１９に、下肢４関節の角度軌道（股関節制御軌道、膝関節制御軌道）を示す。この結果から、左右の股関節間ならびに左右の膝関節間に１８０°の位相差があり、下肢４関節すべてにおいてシミュレーション結果と同じ制御軌道でロボットが動作していることがわかる。換言すると、膝関節の特徴的な軌道をロボットの制御軌道として実現できていること、継ぎ目誤差や誤差ドリフトの無い制御軌道でロボットが動作できること、周期が異なる神経振動子が混在したシステムが実現できていること（下肢４関節の動作角度の位相が正しく制御されていること）が確認された。

（検証実験２：ヒトの動きに対するロボットの同調性と制御軌道の確認）
（ａ）実験の目的と方法
本実験では、変動する神経振動子の出力に応じた制御軌道生成が出来ているか否かの検証を行った。

図２０に示すように、装着者の両下肢にウエイトを固定した状態で同調性を変えた場合の歩行実験を行った。すなわち、装着者に通常歩行が困難な状態をつくり、歩行時の同調性を変えた場合の制御軌道を計測し、ロボットの同調性と制御軌道を検証した。図２１に実験条件を示す。

図２２に、同調性が高い場合（Ｃ＝０．５）および同調性が低い場合（Ｃ＝０．１）の実験結果を示す。

これらの結果から、同調性が高い場合、ロボットはウエイトによって歩行が困難になった装着者に同調した制御軌道となり、同調性が低い場合、ロボットは自励振動の制御軌道で運動しようとするため、歩行困難な装着者がロボットによって歩行補助されていることが分かる。換言すると、ロボットの同調性を設定することによって、装着者の歩行に同調あるいはロボットの運動に引き込んだ歩行補助も可能であることが確認された。

（検証実験３：従来制御との比較）
（ａ）実験の目的と方法
従来の膝関節制御と本発明による２周期軌道制御を、ロボットと装着者の間に生じる相互作用トルクで比較し、装着者にとって違和感のない制御軌道に改善できているかの検証を実験の目的とした。

実験方法としては、健康な被験者にロボティックウエアを装着し、それぞれの制御で６０秒間の床面自然歩行を行った。自然歩行は装着者にとって違和感なく歩きやすい歩行を指示した。設定条件は上記の検証実験１の場合と同一とし、ロボットの同調ゲインをＣ＝０．１とした。

（ｂ）実験結果
図２３には、本発明の２周期軌道制御の場合に得られた膝関節の角度軌道および各関節における相互作用トルクを示し、図２４には、従来の膝関節制御の場合に得られた膝関節の角度軌道および各関節における相互作用トルクを示す。これらの結果から、本発明による２周期軌道制御では相互作用トルクが減少していることがわかる。

１下肢４関節制御システム
２股関節アクチュエータ
３膝関節アクチュエータ
４同調制御装置
５股関節制御部
６膝関節制御部
７股関節神経振動子
８膝関節神経振動子
９極小点判定機能
１０相判定機能
１１ＰＩＤ制御部
１２ＰＩＤ制御部

Claims

ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を股関節および膝関節に伝える股関節アクチュエータ、膝関節アクチュエータおよび制御部を備えた人体装着型のロボティックウエアの制御を、前記制御部が神経振動子を用いて行う同調制御方法であって、
ヒトの歩行時に股関節と股関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、股関節神経振動子を用いた同調制御により、股関節アクチュエータを所定の股関節制御軌道を描くように駆動制御し、
前記歩行時に膝関節と膝関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、膝関節神経振動子を用いた同調制御により、膝関節アクチュエータを所定の膝関節制御軌道を描くように駆動制御し、
前記股関節制御軌道の１周期をヒトの１歩行周期に対応するように設定し、
前記膝関節制御軌道を、前記股関節制御軌道の１周期を２周期とする２周期制御軌道に設定し、
前記股関節制御軌道の各１周期分の軌道波形に対応する前記膝関節制御軌道の２周期分の軌道波形が、ヒトの１歩行運動の立脚相および遊脚相の動きに対応するように、一方の立脚相軌道波形の振幅を、他方の遊脚相軌道波形の振幅に比べて小さくなるように設定することを特徴とするロボティックウエアの神経振動子を用いた同調制御方法。
請求項１において、
前記股関節神経振動子の自励振動を規定する股関節基本波形を設定し、
前記膝関節神経振動子の自励振動を規定する膝関節基本波形を、前記股関節基本波形の周期の１／２の周期を有するように設定し、
前記膝関節神経振動子の出力信号における前記立脚相に対応する立脚相波形部分および遊脚相波形部分に対して、予め設定されている振幅倍率とオフセット値をそれぞれ与えて、前記立脚相軌道波形および前記遊脚相軌道波形を備えた膝関節制御軌道を規定する制御信号波形を生成するロボティックウエアの神経振動子を用いた同調制御方法。
請求項２において、
前記膝関節神経振動子の出力信号の極小点を判別し、
前記極小点のそれぞれについて、対応する時点における前記股関節神経振動子の出力信号の振幅値を判別し、
前記振幅値に基づき、前記膝関節神経振動子の出力信号の各極小点間が前記立脚相波形部分および前記遊脚相波形部分のいずれであるかを判別するロボティックウエアの神経振動子を用いた同調制御方法。
請求項２において、
前記制御信号波形における前記立脚相波形部分と前記遊脚相波形部分との間の継ぎ目部分が一致していない場合に、当該継ぎ目部分が滑らかに連続する継ぎ目部分となるように、波形修正を施すロボティックウエアの神経振動子を用いた同調制御方法。
請求項１において、
前記ロボティックウエアは、前記股関節アクチュエータとしてヒトの左右の股関節にアシスト力を与える左股関節アクチュエータおよび右股関節アクチュエータと、前記膝関節アクチュエータとしてヒトの左右の膝関節にアシスト力を与える左膝関節アクチュエータおよび右膝関節アクチュエータとを備えており、
前記左股関節アクチュエータおよび前記右股関節アクチュエータを、相互に逆位相の前記股関節制御軌道を描くように駆動制御し、
前記左膝関節アクチュエータおよび前記右膝関節アクチュエータを、相互に１周期分位相がずれた状態で前記膝関節制御軌道を描くように駆動制御するロボティックウエアの神
経振動子を用いた同調制御方法。
請求項１において、
前記股関節神経振動子および前記膝関節神経振動子は、以下の三式で示す非線形１階連立微分方程式で表され、
ここで、
ｘｉ：ｉ番目の神経素子の内部状態を示す係数
ｇ（ｘｉ）：ｉ番目の神経素子の出力
ｆｉ：ｉ番目の神経素子の疲労状態を表す係数
Ｓｉ：ｉ番目の神経素子への定常入力
ｂｉ：ｉ番目の神経素子の疲労係数
ａｉｊ：ｉ番目の神経素子からｊ番目の神経素子への結合係数
Ｔａ，Ｔｒ：時定数
Ｉｎｐｕｔ：外部入力
であり、
前記相互作用力を相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌとし、前記同調制御における同調性を調整するゲインを同調ゲインＣとすると、前記外部入力Ｉｎｐｕｔは、前記相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌと前記同調ゲインＣを用いて、
Ｉｎｐｕｔ＝Ｃ＊τ＿ｍｕｔｕａｌ
で表されるロボティックウエアの神経振動子を用いた同調制御方法。
請求項１に記載の方法を用いて、ロボティックウエアの股関節アクチュエータおよび膝関節アクチュエータの駆動を制御するロボティックウエアの同調制御用コンピュータプログラムであって、
ヒトの歩行時に股関節と股関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、股関節神経振動子を用いた同調制御により、股関節アクチュエータを所定の股関節制御軌道を描くように駆動制御する機能、
前記歩行時に膝関節と膝関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、膝関節神経振動子を用いた同調制御により、膝関節アクチュエータを所定の膝関節制御軌道を描くように駆動制御する機能、
前記股関節制御軌道の１周期をヒトの１歩行周期に対応するように設定する機能、
前記膝関節制御軌道を、前記股関節制御軌道の１周期を２周期とする２周期制御軌道に設定する機能、および、
前記股関節制御軌道の各１周期分の軌道波形に対応する前記膝関節制御軌道の２周期分の軌道波形が、ヒトの１歩行運動の立脚相および遊脚相の動きに対応するように、一方の立脚相軌道波形の振幅を、他方の遊脚相軌道波形の振幅に比べて小さくなるように設定する機能
をコンピュータに実行させることを特徴とするロボティックウエアの同調制御用コンピュータプログラム。
請求項７において、
前記股関節神経振動子の自励振動を規定する股関節基本波形を設定する機能、
前記膝関節神経振動子の自励振動を規定する膝関節基本波形を、前記股関節基本波形の周期の１／２の周期を有するように設定する機能、
前記膝関節神経振動子の出力信号における前記立脚相に対応する立脚相波形部分および遊脚相波形部分に対して、予め設定されている振幅倍率とオフセット値をそれぞれ与えて、前記立脚相軌道波形および前記遊脚相軌道波形を備えた膝関節制御軌道を規定する制御信号波形を生成する機能
をコンピュータに実行させるロボティックウエアの同調制御用コンピュータプログラム。
請求項８において、
前記膝関節神経振動子の出力信号の極小点を判別する機能、
前記極小点のそれぞれについて、対応する時点における前記股関節神経振動子の出力信号の振幅値を判別する機能、
前記振幅値に基づき、前記膝関節神経振動子の出力信号の各極小点間が前記立脚相波形部分および前記遊脚相波形部分のいずれであるかを判別する機能
をコンピュータに実行させるロボティックウエアの同調制御用コンピュータプログラム。
請求項８において、
前記制御信号波形における前記立脚相波形部分と前記遊脚相波形部分との間の継ぎ目部分が一致していない場合に、当該継ぎ目部分が滑らかに連続する継ぎ目部分となるように、波形修正を施す機能をコンピュータに実行させるロボティックウエアの同調制御用コンピュータプログラム。
請求項７において、
前記ロボティックウエアは、前記股関節アクチュエータとしてヒトの左右の股関節にアシスト力を与える左股関節アクチュエータおよび右股関節アクチュエータと、前記膝関節アクチュエータとしてヒトの左右の膝関節にアシスト力を与える左膝関節アクチュエータおよび右膝関節アクチュエータとを備えており、
前記左股関節アクチュエータおよび前記右股関節アクチュエータを、相互に逆位相の前記股関節制御軌道を描くように駆動制御する機能、および、
前記左膝関節アクチュエータおよび前記右膝関節アクチュエータを、相互に１周期分位相がずれた状態で前記膝関節制御軌道を描くように駆動制御する機能を
コンピュータに実行させるロボティックウエアの同調制御用コンピュータプログラム。
請求項７において、
前記股関節神経振動子および前記膝関節神経振動子を、以下の三式で示す非線形１階連立微分方程式で規定し、
ここで、
ｘｉ：ｉ番目の神経素子の内部状態を示す係数
ｇ（ｘｉ）：ｉ番目の神経素子の出力
ｆｉ：ｉ番目の神経素子の疲労状態を表す係数
Ｓｉ：ｉ番目の神経素子への定常入力
ｂｉ：ｉ番目の神経素子の疲労係数
ａｉｊ：ｉ番目の神経素子からｊ番目の神経素子への結合係数
Ｔａ，Ｔｒ：時定数
Ｉｎｐｕｔ：外部入力
であり、
前記相互作用力を相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌとし、前記同調制御における同調性を調整するゲインを同調ゲインＣとすると、前記外部入力Ｉｎｐｕｔを、前記相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌと前記同調ゲインＣを用いて、
Ｉｎｐｕｔ＝Ｃ＊τ＿ｍｕｔｕａｌ
で規定する機能を
コンピュータに実行させるロボティックウエアの同調制御用コンピュータプログラム。
ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を股関節に与える股関節アクチュエータと、
ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を膝関節に伝える膝関節アクチュエータと、
前記股関節アクチュエータおよび前記膝関節アクチュエータを制御する同調制御装置と、
を有しており、
前記同調制御装置は、
ヒトの歩行時に股関節と股関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、股関節神経振動子を用いた同調制御により、股関節アクチュエータを所定の股関節制御軌道を描くように駆動制御する股関節制御部と、
前記歩行時に膝関節と膝関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、膝関節神経振動子を用いた同調制御により、膝関節アクチュエータを所定の膝関節制御軌道を描くように駆動制御する膝関節制御部と、
を備えており、
前記股関節制御軌道の１周期をヒトの１歩行周期に対応するように設定されており、
前記膝関節制御軌道を、前記股関節制御軌道の１周期を２周期とする２周期制御軌道に設定されており、
前記股関節制御軌道の各１周期分の軌道波形に対応する前記膝関節制御軌道の２周期分の軌道波形が、ヒトの１歩行運動の立脚相および遊脚相の動きに対応するように、一方の立脚相軌道波形の振幅を、他方の遊脚相軌道波形の振幅に比べて小さくなるように設定されていることを特徴とするロボティックウエア。
請求項１３において、
前記股関節神経振動子の自励振動を規定する基本波形を股関節基本波形とすると、前記膝関節神経振動子の自励振動を規定する膝関節基本波形は、前記股関節基本波形の周期の１／２の周期を有するように設定されており、
前記股関節制御部は、
前記膝関節神経振動子の出力信号における前記立脚相に対応する立脚相波形部分および遊脚相波形部分に対して、予め設定されている振幅倍率とオフセット値をそれぞれ与えて、前記立脚相軌道波形および前記遊脚相軌道波形を備えた膝関節制御軌道を規定する制御信号波形を生成する信号処理部を備えているロボティックウエア。
請求項１４において、
前記信号処理部は、
前記膝関節神経振動子の出力信号の極小点を判別する極小点判別部と、
前記極小点のそれぞれについて、対応する時点における前記股関節神経振動子の出力信号の振幅値を判別する値判別部と、
前記振幅値に基づき、前記膝関節神経振動子の出力信号の各極小点間が前記立脚相波形
部分および前記遊脚相波形部分のいずれであるかを判別する相判別部と、
を備えているロボティックウエア。
請求項１４において、
前記信号処理部は、
前記制御信号波形における前記立脚相波形部分と前記遊脚相波形部分との間の継ぎ目部分が一致していない場合に、当該継ぎ目部分が滑らかに連続する継ぎ目部分となるように、波形修正を施す波形修正部を備えているロボティックウエア。
請求項１３において、
前記股関節アクチュエータとして、ヒトの左右の股関節にアシスト力を与える左股関節アクチュエータおよび右股関節アクチュエータとを備え、
前記膝関節アクチュエータとして、ヒトの左右の膝関節にアシスト力を与える左膝関節アクチュエータおよび右膝関節アクチュエータとを備え、
前記股関節制御部は、前記左股関節アクチュエータおよび前記右股関節アクチュエータを、相互に逆位相の前記股関節制御軌道を描くように駆動制御し、
前記膝関節制御部は、前記左膝関節アクチュエータおよび前記右膝関節アクチュエータを、相互に１周期分位相がずれた状態で前記膝関節制御軌道を描くように駆動制御するロボティックウエア。
請求項１３において、
前記股関節アクチュエータによって規定されるロボット股関節と前記膝関節アクチュエータによって規定されるロボット膝関節との間を連結するリンク機構が備わっていない非外骨格型であるロボティックウエア。
請求項１３において、
前記股関節神経振動子および前記膝関節神経振動子は、以下の三式で示す非線形１階連立微分方程式で表され、
ここで、
ｘｉ：ｉ番目の神経素子の内部状態を示す係数
ｇ（ｘｉ）：ｉ番目の神経素子の出力
ｆｉ：ｉ番目の神経素子の疲労状態を表す係数
Ｓｉ：ｉ番目の神経素子への定常入力
ｂｉ：ｉ番目の神経素子の疲労係数
ａｉｊ：ｉ番目の神経素子からｊ番目の神経素子への結合係数
Ｔａ，Ｔｒ：時定数
Ｉｎｐｕｔ：外部入力
であり、
前記相互作用力を相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌとし、前記同調制御における同調性を調整するゲインを同調ゲインＣとすると、前記外部入力Ｉｎｐｕｔは、前記相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌと前記同調ゲインＣを用いて、
Ｉｎｐｕｔ＝Ｃ＊τ＿ｍｕｔｕａｌ
で表されるロボティックウエア。