JP6837225B2 - 身体装着具及び制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、身体装着具及び制御プログラムに関する。

特許文献１に開示されるように、ユーザの大腿部に装着され、ユーザの膝関節に、膝の動きをアシストする向きのモーメントを付与する身体装着具が知られている。この身体装着具は、フライホイールの自転によって上記モーメントを生成する。

また、この身体装着具は、ユーザの姿勢に応じて上記モーメントを調整するために、計測器と制御器とを備える。計測器は、地面に対する大腿部の傾斜角を計測する。制御器は、計測器で計測された傾斜角に応じて、フライホイールの自転の回転数を制御する。

特開２００９−２５４７４１号公報

フライホイールは、自転の角運動量を保持しようとする性質をもつ。従って、フライホイールの自転の回転数の調整、特に、自転方向の逆転を伴う回転数の調整は、迅速に行うことが難しい。このため、上記身体装着具は、ユーザの膝の動きが機敏な場合には、上記モーメントの調整が間に合わず、膝の動きを適切にアシストできないおそれがある。

本発明の目的は、身体に付与するモーメントの、身体の動きに応じた調整に遅れが生じにくい身体装着具及び制御プログラムを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の身体装着具は、
身体に対して固定された仮想回転軸の周りに往復回転運動が可能な、前記身体の往復回転運動部に装着される身体装着具であって、
前記往復回転運動部に対して固定された仮想揺動軸の周りに揺動可能なフライホイールと、前記フライホイールを前記仮想揺動軸の周りに回転させる揺動用モータと、前記フライホイールを自転させる自転用モータとを有し、前記仮想揺動軸が前記仮想回転軸に対してねじれの位置にあり、自転中の前記フライホイールが前記仮想揺動軸の周りに回転されたときに、前記フライホイールの前記仮想揺動軸の周りの角速度に応じたモーメントを、前記仮想回転軸の周りに生成するモーメント生成器と、
前記往復回転運動部の、前記仮想回転軸の周りの角速度若しくは回転角、又はそれら角速度及び回転角に依存する物理量を計測する計測器と、
前記計測器の計測結果に基づいて、前記揺動用モータと前記自転用モータのうち、少なくとも前記揺動用モータを制御する制御器と、
を備え、
前記制御器が、
前記計測器の計測結果を用いて、前記往復回転運動部が前記仮想回転軸に対して時計回りに回転しているか、反時計回りに回転しているかを判別する回転方向判別動作と、
前記往復回転運動部が前記仮想回転軸に対して時計回りに回転している期間に、前記フライホイールが前記仮想揺動軸の周りに、時計回りと反時計回りのうちいずれか一方を表す第１方向に回転するように、前記揺動用モータを制御する第１制御動作と、
前記往復回転運動部が前記仮想回転軸に対して反時計回りに回転している期間に、前記フライホイールが前記仮想揺動軸の周りに、時計回りと反時計回りのうち前記第１方向とは逆方向の第２方向に回転するように、前記揺動用モータを制御する第２制御動作と、
を行う。

前記制御器が、
前記回転方向判別動作では、前記計測器の計測結果を用いて、前記往復回転運動部の前記仮想回転軸の周りの回転方向が、時計回りから反時計回りに切り替わったこと、及び反時計回りから時計回りに切り替わったことを検出し、
前記第１制御動作では、前記往復回転運動部の前記仮想回転軸の周りの回転方向が、反時計回りから時計回りに切り替わったときに、前記フライホイールが予め定められた第１回転角だけ前記第１方向に回転するように、前記揺動用モータを制御し、
前記第２制御動作では、前記往復回転運動部の前記仮想回転軸の周りの回転方向が、時計回りから反時計回りに切り替わったときに、前記フライホイールが予め定められた第２回転角だけ前記第２方向に回転するように、前記揺動用モータを制御する、
ように構成されていてもよい。

上記目的を達成するために、本発明の制御プログラムは、
身体に対して固定された仮想回転軸の周りに往復回転運動が可能な、前記身体の往復回転運動部に装着されるモーメント生成器であって、
前記往復回転運動部に対して固定された仮想揺動軸の周りに揺動可能なフライホイールと、前記フライホイールを前記仮想揺動軸の周りに回転させる揺動用モータと、前記フライホイールを自転させる自転用モータとを有し、前記仮想揺動軸が前記仮想回転軸に対してねじれの位置にあり、自転中の前記フライホイールが前記仮想揺動軸の周りに回転されたときに、前記フライホイールの前記仮想揺動軸の周りの角速度に応じたモーメントを、前記仮想回転軸の周りに生成するモーメント生成器、
を制御するコンピュータに、
前記往復回転運動部の、前記仮想回転軸の周りの角速度若しくは回転角、又はそれら角速度及び回転角に依存する物理量の計測結果を外部から取得する取得機能と、
取得した前記計測結果に基づいて、前記揺動用モータと前記自転用モータのうち、少なくとも前記揺動用モータを制御する制御機能と、
を実現させ、
前記制御機能には、
前記計測結果を用いて、前記往復回転運動部が前記仮想回転軸に対して時計回りに回転しているか、反時計回りに回転しているかを判別する回転方向判別機能と、
前記往復回転運動部が前記仮想回転軸に対して時計回りに回転している期間に、前記フライホイールが前記仮想揺動軸の周りに、時計回りと反時計回りのうちいずれか一方を表す第１方向に回転するように、前記揺動用モータを制御する第１制御機能と、
前記往復回転運動部が前記仮想回転軸に対して反時計回りに回転している期間に、前記フライホイールが前記仮想揺動軸の周りに、時計回りと反時計回りのうち前記第１方向とは逆方向の第２方向に回転するように、前記揺動用モータを制御する第２制御機能と、
が含まれる。

本発明によれば、フライホイールを揺動させる揺動用モータによってモーメントを調整できる。揺動用モータは、自転用モータよりも、フライホイールが自転の角運動量を保持しようとすることに起因する抵抗を受けにくいため、自転用モータのみでモーメントを調整する場合に比べて、身体の動きに応じたモーメントの調整に遅れが生じにくい。

実施形態１に係る身体装着具の大腿部への装着態様を示す概略図。 実施形態１に係る身体装着具の本体部の構成を示す概念図。 実施形態１に係るモーメント生成部の揺動軸に平行な部分破断正面図。 実施形態１に係るフライホイールの揺動軸に垂直な側面図。 実施形態１に係るフライホイールがモーメントを生成する態様を示す概念図。 実施形態１に係る制御器が行う負荷制御の手順を示すフローチャート。 （Ａ）は右脚を後方に振り始める瞬間のユーザの体勢を示す概念図。（Ｂ）は右脚を前方に振り始める瞬間のユーザの体勢を示す概念図。 実施形態２に係る身体装着具の胸部背面への装着態様を示す概略図。 実施形態２に係る制御器の構成を示す概念図。

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態に係る身体装着具について説明する。図中、同一又は対応する部分に同一の符号を付す。

［実施形態１］
図１に示すように、本実施形態に係る一対の身体装着具６００及び７００は、ユーザの下肢に装着される。これら身体装着具６００及び７００は、ユーザの身体に、歩行又は疾走を妨げるモーメントを付与することで、ユーザのトレーニングを支援するものである。

一方の身体装着具６００は、ユーザの身体に対して固定された仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りのモーメントを生成する本体部６１０と、本体部６１０をユーザの身体に装着するベルト６２０と、から構成される。

本実施形態では、仮想回転軸ｋ−ＡＸは、ユーザの股関節をユーザの身体の幅方向に貫いており、この仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りに往復回転運動が可能な往復回転運動部としての右大腿部ＣＲに、本体部６１０が装着されている。本体部６１０は、ユーザの右側の股関節に、右大腿部ＣＲの動きを妨げる向きのモーメントを付与する。

他方の身体装着具７００も同様に、仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りのモーメントを生成する本体部７１０と、本体部７１０を、往復回転運動部としての左大腿部ＣＬに装着するベルト７２０と、から構成される。本体部７１０は、ユーザの左側の股関節の周りに、左大腿部ＣＬの動きを妨げる向きのモーメントを付与する。

左右一対の身体装着具６００及び７００において、本体部６１０及び７１０の構成及び作用は同様である。そこで、以下では、代表して一方の身体装着具６００の本体部６１０の構成及び作用について、詳細に説明する。

図２に示すように、本体部６１０は、仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りのモーメントを生成するモーメント生成器１００と、右大腿部ＣＲの仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りの角速度を計測する計測器２００と、ユーザによって操作される操作器３００と、操作器３００でなされた操作及び計測器２００の計測結果に応じて、モーメント生成器１００を制御する制御器４００と、上記モーメント生成器１００、計測器２００、操作器３００、及び制御器４００に電力を供給するバッテリ５００と、を備える。以下、まず、モーメント生成器１００について具体的に説明する。

図３に示すように、モーメント生成器１００は、フライホイール１１０と、フライホイール１１０を自転させる自転用モータ１２０と、フライホイール１１０及び自転用モータ１２０を保持する保持部材１３０と、自己に対して固定された仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りに保持部材１３０を回転可能に保持する基枠１４０と、基枠１４０に固定され、保持部材１３０を仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りに回転させる揺動用モータ１５０と、を有する。

基枠１４０は、図１に示したベルト６２０によって、ユーザの右大腿部ＣＲに固定される。即ち、仮想揺動軸ｉ−ＡＸは、ユーザの右大腿部ＣＲに対して固定される。

フライホイール１１０は、仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りに保持部材１３０を回転させたときに、仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りに傾くような向きで、保持部材１３０に取り付けられている。つまり、フライホイール１１０の自転の中心軸を表す仮想自転軸ｊ−ＡＸは、仮想揺動軸ｉ−ＡＸと平行でない。

具体的には、仮想自転軸ｊ−ＡＸは、仮想揺動軸ｉ−ＡＸと交差している。より具体的には、仮想自転軸ｊ−ＡＸは、フライホイール１１０の重心Ｇの位置において、仮想揺動軸ｉ−ＡＸと直交している。

揺動用モータ１５０によって、仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りに保持部材１３０を回転させると、仮想自転軸ｊ−ＡＸと仮想揺動軸ｉ−ＡＸとが直交関係を保ったまま、フライホイール１１０が、保持部材１３０と共に仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りに傾く。保持部材１３０は仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りのいずれの回転方向にも回転可能であるため、フライホイール１１０は、仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りに揺動可能である。

図４に示すように、フライホイール１１０は、仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りに、２・φ_ａｍｐ［ｒａｄ］の角度の範囲内で揺動可能である。ここで、φ_ａｍｐは、予め定められた角度であり（但し、φ_ａｍｐ＜πとする。）、本実施形態では、φ_ａｍｐ＝π／６である。なお、図４では、理解を容易にするために、身体装着具６００の構成要素のうちのフライホイール１１０のみを代表して示した。

次に、仮想揺動軸ｉ−ＡＸ及び仮想自転軸ｊ−ＡＸと、図１にも示した仮想回転軸ｋ−ＡＸとの位置関係、及びフライホイール１１０によって生成されるモーメントの向きについて、図５を参照して説明する。なお、図５では、理解を容易にするために、身体装着具６００については、フライホイール１１０のみを代表して示す。

図５に示すように、フライホイール１１０は、ユーザの右大腿部ＣＲの、股関節から遠く、膝に近い方の端部に固定される。股関節を貫く仮想回転軸ｋ−ＡＸと、フライホイール１１０の重心Ｇとの距離を表す仮想直線（以下、仮想中立線という。）ＮＬは、右大腿部ＣＲと略平行に延在する。

自転中のフライホイール１１０を、仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りに回転させたときに、仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りにモーメントが発生するような向きで、図３に示した基枠１４０が、図１に示したベルト６２０によって右大腿部ＣＲに固定される。

具体的には、仮想揺動軸ｉ−ＡＸは、仮想回転軸ｋ−ＡＸに対してねじれの位置をなす向きで、右大腿部ＣＲに対して固定される。図５には、仮想揺動軸ｉ−ＡＸが、仮想回転軸ｋ−ＡＸと直交する仮想平面内において、仮想中立線ＮＬと直角をなす向きで、右大腿部ＣＲに対して固定されている様子を示す。また、図５には、仮想自転軸ｊ−ＡＸが、仮想中立線ＮＬの延長線上に位置している状態を示す。

以下、フライホイール１１０によって仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りに生成されるモーメントの向きを説明するために、まず、各軸のプラス方向／マイナス方向と、各軸に対する時計回り／反時計回りの方向とを定義する。

仮想回転軸ｋ−ＡＸのプラス方向とは、ユーザにとって左から右に向かう方向を指す。その逆の方向を仮想回転軸ｋ−ＡＸのマイナス方向とする。図１及び図４では、プラス方向を向いた矢印によって仮想回転軸ｋ−ＡＸを表した。

また、仮想回転軸ｋ−ＡＸに対して時計回りとは、右ねじを仮想回転軸ｋ−ＡＸのプラス方向に螺進させるために、右ねじを回す方向を指す。その逆の方向を仮想回転軸ｋ−ＡＸに対して反時計回りとする。

仮想揺動軸ｉ−ＡＸのプラス方向とは、右大腿部ＣＲの背面ＣＲｂから前面ＣＲｆに向かう方向、換言すると、仮想回転軸ｋ−ＡＸに対して時計回りの方向を指す。その逆の方向を仮想揺動軸ｉ−ＡＸのマイナス方向とする。図３及び図５では、プラス方向を向いた矢印によって仮想揺動軸ｉ−ＡＸを表した。

また、仮想揺動軸ｉ−ＡＸに対して時計回りとは、右ねじを仮想揺動軸ｉ−ＡＸのプラス方向に螺進させるために、右ねじを回す方向を指す。その逆の方向を仮想揺動軸ｉ−ＡＸに対して反時計回りとする。

図４に戻り、ここで、フライホイール１１０の仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りの揺動動作について補足説明する。フライホイール１１０は、仮想自転軸ｊ−ＡＸが、仮想中立線ＮＬの延長線上に位置した状態（以下、非傾斜状態という。）を基準として、仮想揺動軸ｉ−ＡＸに対して、時計回り及び反時計回りのいずれの回転方向にも、最大で角度振幅φ_ａｍｐだけ回転可能である。既述のように、本実施形態では、φ_ａｍｐ＝π／６である。

なお、仮想揺動軸ｉ−ＡＸが仮想中立線ＮＬと直角をなさないために、仮想自転軸ｊ−ＡＸが、仮想中立線ＮＬの延長線上に位置しえない場合もありうる。その場合は、仮想自転軸ｊ−ＡＸと仮想中立線ＮＬとのなす最大角が最も小さくなる状態を、上記非傾斜状態とみなすものとする。

次に、仮想自転軸ｊ−ＡＸのプラス方向／マイナス方向と、仮想自転軸ｊ−ＡＸに対する時計回り／反時計回りの方向を定義する。仮想自転軸ｊ−ＡＸのプラス方向とは、フライホイール１１０の非傾斜状態において、仮想回転軸ｋ−ＡＸから遠ざかる方向を指す。その逆の方向を仮想自転軸ｊ−ＡＸのマイナス方向とする。図３〜図５では、プラス方向を向いた矢印によって仮想自転軸ｊ−ＡＸを表した。

また、仮想自転軸ｊ−ＡＸに対して時計回りとは、右ねじを仮想自転軸ｊ−ＡＸのプラス方向に螺進させるために、右ねじを回す方向を指す。その逆の周方向を仮想自転軸ｊ−ＡＸに対して反時計回りとする。

図５に戻り、次に、フライホイール１１０によって仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りに生成されるモーメントの大きさ及び向きについて説明する。

仮想自転軸ｊ−ＡＸの周りに自転中のフライホイール１１０を、仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りに回転させたとき、仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りに、Ｉ_ｊ・ω_ｊ・ω_ｉに比例するモーメントが発生する。

ここで、Ｉ_ｊは、フライホイール１１０の仮想自転軸ｊ−ＡＸの周りの慣性モーメントである。ω_ｊは、フライホイール１１０の仮想自転軸ｊ−ＡＸの周りの角速度であり、仮想自転軸ｊ−ＡＸに対して時計回りを正、反時計回りを負とする。ω_ｉは、フライホイール１１０の仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りの角速度であり、仮想揺動軸ｉ−ＡＸに対して時計回りを正、反時計回りを負とする。

モーメントは、正の値のとき、仮想回転軸ｋ−ＡＸに対して時計回りであり、負の値のとき、反時計回りであることを意味する。即ち、フライホイール１１０の自転の回転方向のみならず、フライホイール１１０の仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りの回転方向によっても、モーメントの向きを調整できる。

例えば、仮想自転軸ｊ−ＡＸに対して時計回りに自転中のフライホイール１１０を、仮想揺動軸ｉ−ＡＸに対して時計回りに回転させると、仮想回転軸ｋ−ＡＸに対して時計回りのモーメントＭ_ＣＷが発生する。この状態から、フライホイール１１０を仮想揺動軸ｉ−ＡＸに対して反時計回りに回転させると、仮想回転軸ｋ−ＡＸに対して反時計回りのモーメントＭ_ＣＣＷが発生する。このように、フライホイール１１０の仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りの回転方向によって、ユーザに付与するモーメントの向きを調整できる。

そこで、右大腿部ＣＲの動きに応じて、フライホイール１１０の仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りの回転方向を制御することで、ユーザの動きに追随させた負荷の付与が可能となる。なお、ユーザの動きは、右大腿部ＣＲの仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りの角速度ω_ｋの値よって観測できる。

具体的には、次のような負荷制御が可能となる。角速度ω_ｋが正の値の期間、即ち右大腿部ＣＲが仮想回転軸ｋ−ＡＸに対して時計回りに回転している期間に、フライホイール１１０を仮想揺動軸ｉ−ＡＸに対して反時計回りに回転させることで、ユーザにモーメントＭ_ＣＣＷを付与する。一方、角速度ω_ｋが負の値の期間、即ち右大腿部ＣＲが仮想回転軸ｋ−ＡＸに対して反時計回りに回転している期間には、フライホイール１１０を仮想揺動軸ｉ−ＡＸに対して時計回りに回転させることで、ユーザにモーメントＭ_ＣＷを付与する。

このようにして、ユーザの身体に歩行又は疾走を妨げるモーメントを付与することで、ユーザのトレーニングを支援できる。図２に示した計測器２００及び制御器４００によって、このような負荷制御が実現される。

図２に戻り、具体的に説明する。計測器２００が、上述した、右大腿部ＣＲの仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りの角速度ω_ｋを計測する。制御器４００は、計測器２００で計測された角速度ω_ｋの値に基づいて、揺動用モータ１５０を制御することにより、上記負荷制御を実現する。

なお、本実施形態では、制御器４００は、自転用モータ１２０の制御は行うが、計測器２００の計測結果に基づいた自転用モータ１２０の制御は行わない。制御器４００は、上記負荷制御を行う間は、自転用モータ１２０を定速で回転させる。

制御器４００は、制御プログラム４１０を記憶している。制御プログラム４１０には、上記負荷制御の手順が記述されている。制御器４００は、制御プログラム４１０を実行することにより、上記負荷制御を実現するマイクロプロセッサを内蔵している。以下、制御プログラム４１０によって実現される負荷制御について、図６及び図７を参照し、具体的に説明する。

前提として、フライホイール１１０は、上記非傾斜状態を基準として、仮想揺動軸ｉ−ＡＸに対して反時計回りにφ_ａｍｐだけ回転した状態にあるものとする。また、ユーザは、操作器３００に対して、負荷制御を開始する旨の操作を行い、直立状態から、右大腿部ＣＲを前方に振り出すことで、疾走を開始するものとする。

図６において、制御器４００は、負荷制御を開始する旨の操作が操作器３００においてなされたことを検出すると（ステップＳ１；ＹＥＳ）、自転用モータ１２０をＯＮし、フライホイール１１０の仮想自転軸ｊ−ＡＸに対する時計回りの定速回転運動を開始させると共に、フラグＦに１を代入する（ステップＳ２）。

次に、制御器４００は、計測器２００で計測された、右大腿部ＣＲの仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りの角速度ω_ｋが正であるか、負であるかを判別する（ステップＳ３）。このステップＳ３は、角速度ω_ｋの値によって、右大腿部ＣＲが仮想回転軸ｋ−ＡＸに対して時計回りに回転しているか、反時計回りに回転しているかを判別する回転方向判別動作を表す。

上述のように、ユーザは、右大腿部ＣＲを前方に振り出す動作から疾走を開始するため、疾走の開始直後は、角速度ω_ｋが正の値を示す。制御器４００は、角速度ω_ｋが正の場合（ステップＳ３；ω_ｋ≧０）、フラグＦがゼロであるか否かを判定する（ステップＳ４）。

制御器４００は、ステップＳ２でフラグＦに１を代入したため、ステップＳ４で、ＮＯと判別する。次に、制御器４００は、負荷制御を終了する旨の操作が操作器３００でなされたか否かを判別し（ステップＳ７）、負荷制御を終了しない場合（ステップＳ７；ＮＯ）、ステップＳ３に戻る。このようにして、疾走の開始直後は、ステップＳ３→Ｓ４→Ｓ７→Ｓ３のフローが繰り返される。

図７（Ａ）に示すように、ユーザが右脚を振る向きを前方から後方に切り替えた瞬間、即ち、ユーザが右脚を後方に振り始めた瞬間に、角速度ω_ｋが、正の値から負の値に切り替わる。つまり、制御器４００は、角速度ω_ｋが正から負に切り替わったことをもって、右大腿部ＣＲの仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りの回転方向が、時計回りから反時計回りに切り替わったことを検出する。

図６に戻り、制御器４００は、角速度ω_ｋが正から負に切り替わったことを検出すると（ステップＳ３；ω_ｋ＜０）、フラグＦが１であるか否かを判定する（ステップＳ８）。制御器４００は、ステップＳ２でフラグＦに１を代入したため、ステップＳ８で、ＹＥＳと判別する。

次に、制御器４００は、フライホイール１１０が、仮想揺動軸ｉ−ＡＸに対して時計回りに角度２・φ_ａｍｐだけ回転するように、揺動用モータ１５０を制御する第１制御動作を行う（ステップＳ９）。これにより、図７（Ａ）に示した体勢にあるユーザの、股関節の周りに、右大腿部ＣＲの後方への振り出しを妨げる向きのモーメントＭ_ＣＷが付与される。

次に、制御器４００は、フラグＦにゼロを代入し（ステップＳ１０）、まだ負荷制御を終了しない場合（ステップＳ７；ＮＯ）、ステップＳ３に戻る。次に、制御器４００は、ステップＳ３でωｋが負であることを判別し、先のステップＳ１０でフラグＦにゼロを代入したため、ステップＳ８ではＮＯと判別する。このようにして、ユーザにモーメントＭ_ＣＷを付与した直後は、ステップＳ７→Ｓ３→Ｓ８のフローが繰り返される。

図７（Ｂ）に示すように、ユーザが右脚を振る向きを後方から前方に切り替えた瞬間、即ち、ユーザが右脚を前方に振り始めた瞬間に、角速度ω_ｋが負から正に切り替わる。つまり、制御器４００は、角速度ω_ｋが負から正に切り替わったことをもって、右大腿部ＣＲの仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りの回転方向が、反時計回りから時計回りに切り替わったことを検出できる。

図６に戻り、制御器４００は、角速度ω_ｋの値が、負の値から正の値に切り替わったことを検出すると（ステップＳ３；ω_ｋ≧０）、フラグＦがゼロであるか否かを判定する（ステップＳ８）。制御器４００は、先のステップＳ１０でフラグＦにゼロを代入したため、ステップＳ４で、ＹＥＳと判別する。

次に、制御器４００は、フライホイール１１０が、仮想揺動軸ｉ−ＡＸに対して反時計回りに角度２・φ_ａｍｐだけ回転するように、揺動用モータ１５０を制御する第２制御動作を行う（ステップＳ５）。これにより、図７（Ｂ）に示した体勢にあるユーザの股関節の周りに、右大腿部ＣＲの前方への振り出しを妨げる向きのモーメントＭ_ＣＣＷが付与される。

次に、制御器４００は、フラグＦに１を代入し（ステップＳ６）、負荷制御を終了するか否かの判定に移行する（ステップＳ７）。以上のようにして、制御器４００は、ユーザが疾走する過程で、図７（Ａ）と（Ｂ）の各体勢のユーザに、疾走を妨げる向きのモーメントを付与する。

制御器４００は、負荷制御を終了する旨の操作が操作器３００でなされたことを検出すると（ステップＳ７；ＹＥＳ）、自転用モータ１２０をＯＦＦし、負荷制御を終了する。

以上、右大腿部ＣＲに装着される身体装着具６００について説明した。以上の説明を参酌すれば、同様にして、左大腿部ＣＬの往復回転運動に負荷を与えるように、図１に示す身体装着具７００を構成できることは、当業者に理解できるであろう。

以上説明したように、本実施形態によれば、ユーザの身体に付与するモーメントの向きを、フライホイール１１０を揺動させる揺動用モータ１５０によって調整できる。揺動用モータ１５０は、自転用モータ１２０よりも、フライホイール１１０が自転の角運動量を保持しようとすることに起因する抵抗を受けにくい。このため、自転用モータ１２０のみでモーメントの向きを調整する場合に比べて、ユーザ身体の動きに応じたモーメントの調整に遅れが生じにくい。従って、ユーザが疾走する場合等、ユーザの動きが機敏な場合であっても、ユーザのトレーニングを適切に支援できる。

［実施形態２］
上記実施形態１では、フライホイール１１０の仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りの回転角の大きさを予め定められた値に固定したが、この回転角度の大きさを、計測器２００の計測結果に応じて可変に制御することで、モーメント生成器１００が身体に付与するモーメントの大きさを調整できるようにしてもよい。以下、その具体例を説明する。

図８に示すように、本実施形態では、仮想回転軸ｋ−ＡＸは、着座したユーザの腰椎を身体の幅方向に貫くように想定される。身体装着具９００は、仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りにモーメントを生成する本体部９１０と、本体部９１０を、仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りに往復回転運動が可能な往復回転運動部としての胸部ＢＵに装着するベルト９２０と、から構成される。

本体部９１０を構成するモーメント生成器１００は、ユーザに対して前後方向に延びる仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りに揺動可能なフライホイール１１０と、フライホイール１１０を仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りに回転させる揺動用モータ１５０と、フライホイール１１０を自転させる自転用モータ１２０とを有する。

自転中のフライホイール１１０が、揺動用モータ１５０によって仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りに回転されたときに、フライホイール１１０の仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りの角速度に応じたモーメントが、仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りに生成される。

本体部９１０はまた、着座したユーザの胸部ＢＵの、仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りの回転角θを計測する計測器２００’と、計測器２００’で計測された回転角θに基づいて、揺動用モータ１５０を制御する制御器８００と、を有する。

計測器２００’は、鉛直に延びる仮想鉛直軸ＶＬに対する胸部ＢＵの回転角θを計測する。回転角θの値は、仮想鉛直軸ＶＬを基準として、仮想回転軸ｋ−ＡＸに対し時計回りと反時計回りのいずれか一方の方向をプラス、他方の方向をマイナスとする。

図９に示すように、制御器８００は、胸部ＢＵの回転角θの目標値θ_ｄｖを記憶した目標値記憶部８１０と、その目標値θ_ｄｖと計測器２００’で計測された回転角θとの偏差θ_ｄｖ−θを算出する比較部８２０と、比較部８２０で算出される偏差θ_ｄｖ−θがゼロに近づくように、アクチュエータとしてのモーメント生成器１００を制御する制御部８３０と、を有する。

具体的には、制御部８３０は、モーメント生成器１００における揺動用モータ１５０を制御する。本実施形態では、揺動用モータ１５０は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御が可能である。そして、制御部８３０は、揺動用モータ１５０を駆動するパルス電圧のデューティ比ｄｕｔｙによって、フライホイール１１０の仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りの角速度ω_ｉを制御する。

フライホイール１１０の仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りの角速度ω_ｉを制御することで、身体ＳＹの仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りに生成されるモーメントＭが調整される。すると、モーメントＭが調整されたことで、胸部ＢＵの回転角θが変化し、変化した回転角θの値が比較部８２０にフィードバックされる。

そして、再び制御部８３０が、揺動用モータ１５０を駆動するパルス電圧のデューティ比ｄｕｔｙを、偏差θ_ｄｖ−θがゼロに近づくように制御する。このようにして、偏差θ_ｄｖ−θをゼロに近づけるフィードバック制御が行われる。

具体的には、制御部８３０は、偏差θ_ｄｖ−θに比例してフライホイール１１０の角速度ω_ｉを決定する比例制御、偏差θ_ｄｖ−θの過去の値の総和に比例してフライホイール１１０の角速度ω_ｉを決定する積分制御、及び偏差θ_ｄｖ−θの前回の値との差分に比例してフライホイール１１０の角速度ω_ｉを決定する微分制御、から選択される１つ以上の制御を行う。

ここで、前回の値とは、計測器２００’の１サンプリング周期だけ過去の値という意味である。また、比例制御、積分制御、及び微分制御から選ばれる複数の制御を行う場合は、各制御による決定値にゲインを掛けて加算した加重和によって角速度ω_ｉが決定される。

本実施形態では、目標値θ_ｄｖは、０［ｒａｄ］である。図８において、制御器８００が行うフィードバック制御により、回転角θが０［ｒａｄ］に収束し、ユーザの胸部ＢＵが仮想鉛直軸ＶＬ上に位置するように、ユーザの姿勢が矯正される。

本実施形態によれば、ユーザに付与するモーメントを、自転用モータ１２０ではなく、揺動用モータ１５０によって調整するため、ユーザの動きに応じたモーメントの調整に遅れが生じにくい。この結果、回転角θにハンティングが生じにくく、ユーザの姿勢をすみやかに矯正できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限られない。例えば、以下の変形も可能である。

（１）上記実施形態１では、計測器２００の計測結果に基づいて、揺動用モータ１５０のみを制御したが、計測器２００の計測結果に基づいて、揺動用モータ１５０及び自転用モータ１２０を制御してもよい。その場合でも、自転用モータ１２０のみでモーメントの向きを調整する場合に比べて、身体の動きに応じたモーメントの調整に遅れが生じにくい。

（２）上記実施形態１では、理解を容易にするために、図４で、フライホイール１１０が仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りに２π［ｒａｄ］以上回転しないこととしたが、フライホイール１１０が仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りに２π［ｒａｄ］以上回転する構成としてもよい。その場合、仮想自転軸ｊ−ＡＸにプラス方向／マイナス方向を定義できないが、フライホイール１１０の自転の向きは、角運動量ベクトルの向きで特定される。フライホイール１１０の仮想自転軸ｊ−ＡＸの周りの角運動量ベクトルをＬ_ｊ、フライホイール１１０の仮想揺動軸ｉ−ＡＸの周りの角運動量ベクトルをＬ_ｉとすると、Ｌ_ｊ×Ｌ_ｉの方向を向くベクトルで表されるモーメントが、仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りに生じる。ここで“×”は外積を表す。従って、Ｌ_ｉによって、モーメントの向き及び大きさを制御できる。

また、生成されるモーメントがＬ_ｊ×Ｌ_ｉの方向を向くベクトルで表されることから、身体の所望の位置に想定した仮想回転軸ｋ−ＡＸの周りにモーメントを生成するにあたり、仮想揺動軸ｉ−ＡＸと仮想自転軸ｊ−ＡＸをどのような向きに設定すればよいかは、当業者に理解できるであろう。

（３）上記実施形態１では、身体装着具６００及び７００が、ユーザの動きを妨げる向きのモーメントをユーザの身体に付与したが、ユーザの動きをアシストする向きのモーメントをユーザの身体に付与するようにしてもよい。

（４）上記実施形態１では、計測器２００が右大腿部ＣＲの角速度を計測したが、要は、計測器２００の計測結果によって角速度が特定できればよい。計測器２００が第１次的にいかなる物理量を計測するかは、特に限定されない。例えば、計測器２００は、右大腿部ＣＲの加速度を計測してもよい。加速度を角速度に換算できる。

実施形態２に係る計測器２００’についても同様、要は、計測器２００’の計測結果によって回転角が特定できればよい。従って、例えば、計測器２００’は角速度や角加速度を計測してもよく、それらの積分によって回転角を特定できる。

要するに、計測器２００及び２００’は、角速度若しくは回転角、又はそれら角速度及び回転角に依存する物理量を計測するものであればよい。

（５）上記実施形態１及び２では、それぞれユーザにとって前後方向に往復回転運動する右大腿部ＣＲ及び胸部ＢＵに身体装着具６００及び９００を装着したが、往復回転運動の概念には、仮想回転軸の周りのねじり運動も含まれるものとする。即ち、身体装着具は、例えば、ユーザの身体を鉛直に貫く仮想回転軸の周りにねじり運動が可能な、体幹部に装着され、そのねじり運動に負荷を与えたり、そのねじり運動をアシストしたり、そのねじり角度が目標値に収束するよう姿勢の矯正を行うものであってもよい。

（６）上記実施形態１及び２では、人の身体に装着される身体装着具６００、７００、及び９００について説明したが、身体装着具は、人以外の動物のトレーニングやアシストのために、その動物の身体に装着されるものであってもよい。

本発明は、その広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされる。上記実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の範囲は、実施形態ではなく、請求の範囲によって示される。請求の範囲内及びそれと同等の範囲内で施される変形が、本発明の範囲内とみなされる。

１００…モーメント生成器、１１０…フライホイール、１２０…自転用モータ、１３０…保持部材、１４０…基枠、１５０…揺動用モータ、２００，２００’…計測器、３００…操作器、４００…制御器、４１０…制御プログラム、５００…バッテリ、６００，７００，９００…身体装着具、６１０，７１０，９１０…本体部、６２０，７２０，９２０…ベルト、８００…制御器、８１０…目標値記憶部、８２０…比較部、８３０…制御部、ｋ−ＡＸ…仮想回転軸、ｉ−ＡＸ…仮想揺動軸、ｊ−ＡＸ…仮想自転軸、ＮＬ…仮想中立線、ＶＬ…仮想鉛直軸、ＳＹ…身体、ＣＲ…右大腿部（往復回転運動部）、ＣＲｂ…背面、ＣＲｆ…前面、ＣＬ…左大腿部（往復回転運動部）、ＢＵ…胸部（往復回転運動部）、Ｇ…重心、φ_ａｍｐ…角度振幅（第１角度、第２角度）、Ｍ，Ｍ_ＣＷ，Ｍ_ＣＣＷ…モーメント、ω_ｋ…右大腿部の角速度、θ…胸部の回転角、θ_ｄｖ…目標値、ｄｕｔｙ…デューティ比。

Claims (3)

1. 身体に対して固定された仮想回転軸の周りに往復回転運動が可能な、前記身体の往復回転運動部に装着される身体装着具であって、
   前記往復回転運動部に対して固定された仮想揺動軸の周りに揺動可能なフライホイールと、前記フライホイールを前記仮想揺動軸の周りに回転させる揺動用モータと、前記フライホイールを自転させる自転用モータとを有し、前記仮想揺動軸が前記仮想回転軸に対してねじれの位置にあり、自転中の前記フライホイールが前記仮想揺動軸の周りに回転されたときに、前記フライホイールの前記仮想揺動軸の周りの角速度に応じたモーメントを、前記仮想回転軸の周りに生成するモーメント生成器と、
   前記往復回転運動部の、前記仮想回転軸の周りの角速度若しくは回転角、又はそれら角速度及び回転角に依存する物理量を計測する計測器と、
   前記計測器の計測結果に基づいて、前記揺動用モータと前記自転用モータのうち、少なくとも前記揺動用モータを制御する制御器と、
   を備え、
   前記制御器が、
   前記計測器の計測結果を用いて、前記往復回転運動部が前記仮想回転軸に対して時計回りに回転しているか、反時計回りに回転しているかを判別する回転方向判別動作と、
   前記往復回転運動部が前記仮想回転軸に対して時計回りに回転している期間に、前記フライホイールが前記仮想揺動軸の周りに、時計回りと反時計回りのうちいずれか一方を表す第１方向に回転するように、前記揺動用モータを制御する第１制御動作と、
   前記往復回転運動部が前記仮想回転軸に対して反時計回りに回転している期間に、前記フライホイールが前記仮想揺動軸の周りに、時計回りと反時計回りのうち前記第１方向とは逆方向の第２方向に回転するように、前記揺動用モータを制御する第２制御動作と、
   を行う、身体装着具。
2. 前記制御器が、
   前記回転方向判別動作では、前記計測器の計測結果を用いて、前記往復回転運動部の前記仮想回転軸の周りの回転方向が、時計回りから反時計回りに切り替わったこと、及び反時計回りから時計回りに切り替わったことを検出し、
   前記第１制御動作では、前記往復回転運動部の前記仮想回転軸の周りの回転方向が、反時計回りから時計回りに切り替わったときに、前記フライホイールが予め定められた第１回転角だけ前記第１方向に回転するように、前記揺動用モータを制御し、
   前記第２制御動作では、前記往復回転運動部の前記仮想回転軸の周りの回転方向が、時計回りから反時計回りに切り替わったときに、前記フライホイールが予め定められた第２回転角だけ前記第２方向に回転するように、前記揺動用モータを制御する、
   請求項１に記載の身体装着具。
3. 身体に対して固定された仮想回転軸の周りに往復回転運動が可能な、前記身体の往復回転運動部に装着されるモーメント生成器であって、
   前記往復回転運動部に対して固定された仮想揺動軸の周りに揺動可能なフライホイールと、前記フライホイールを前記仮想揺動軸の周りに回転させる揺動用モータと、前記フライホイールを自転させる自転用モータとを有し、前記仮想揺動軸が前記仮想回転軸に対してねじれの位置にあり、自転中の前記フライホイールが前記仮想揺動軸の周りに回転されたときに、前記フライホイールの前記仮想揺動軸の周りの角速度に応じたモーメントを、前記仮想回転軸の周りに生成するモーメント生成器、
   を制御するコンピュータに、
   前記往復回転運動部の、前記仮想回転軸の周りの角速度若しくは回転角、又はそれら角速度及び回転角に依存する物理量の計測結果を外部から取得する取得機能と、
   取得した前記計測結果に基づいて、前記揺動用モータと前記自転用モータのうち、少なくとも前記揺動用モータを制御する制御機能と、
   を実現させ、
   前記制御機能には、
   前記計測結果を用いて、前記往復回転運動部が前記仮想回転軸に対して時計回りに回転しているか、反時計回りに回転しているかを判別する回転方向判別機能と、
   前記往復回転運動部が前記仮想回転軸に対して時計回りに回転している期間に、前記フライホイールが前記仮想揺動軸の周りに、時計回りと反時計回りのうちいずれか一方を表す第１方向に回転するように、前記揺動用モータを制御する第１制御機能と、
   前記往復回転運動部が前記仮想回転軸に対して反時計回りに回転している期間に、前記フライホイールが前記仮想揺動軸の周りに、時計回りと反時計回りのうち前記第１方向とは逆方向の第２方向に回転するように、前記揺動用モータを制御する第２制御機能と、
   が含まれる、制御プログラム。