JP6887059B2 - 歩行位相推定装置及びこれを備えた歩行補助装置 - Google Patents

Description

本開示は、利用者の歩行位相を推定する歩行位相推定装置及びこれを備えた歩行補助装置に関する。

走者の足（足関節から先の部分、足部、フットとも呼ばれる）の接地開始点の走路や歩行路上の位置を検出する接地検出装置として、基準位置からの距離が予め定められた複数の位置のそれぞれにマーカーが配置された走路を走行する走者を撮像した動画像データに基づいて、足が接地を開始した点及び、足が接地を開始した時刻を検出し、前後のマーカーとの位置関係に基づいて足の走路や歩行路上の位置を算出するものが公知である（特許文献１）。

特開２０１６−１１６７６３号公報

しかしながら、特許文献１記載の接地検出装置は、モーションキャプチャシステムを用いるものであり、走路や歩行路上に予め定められたマーカーが必要である上、マーカーが配置された走路や歩行路上でしか足の接地位置を検出することができない。

本発明は、このような背景に鑑み、如何なる走路や歩行路上においても利用者の走行を含む歩行運動の位相を推定できる歩行位相推定装置及びこれを備えた歩行補助装置を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明のある実施形態は、歩行位相推定装置（１０、１１）であって、利用者（Ｕ）の足に取り付けられた加速度（Ｇ）及び角速度（ω）を検出する慣性センサ（１１）と、前記慣性センサの出力に基づいてストラップダウン演算を行って足の運動（足の位置（Ｐ_ｆｏｏｔ）、姿勢（ｑ_{ｅｓｔ，ｔ}）及びこれらの変化速度（Ｖ_ｆｏｏｔ）、θ'）を推定する足運動推定部（１２）と、推定された前記足の運動に基づいて前記足の瞬間回転中心（α、β）を推定する瞬間回転中心推定部（１６）と、推定された前記瞬間回転中心に基づいて歩行位相（Φ）を推定する歩行位相推定部（１７）とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、慣性センサの出力に基づいて、運動する足の瞬間回転中心が算出され、足の瞬間回転中心に基づいて歩行位相を推定することができる。そのため、歩行位相の推定のために走路や歩行路上にマーカーを予め配置する必要がなく、如何なる走路や歩行路上においても利用者の歩行運動の位相を推定できる。

また、上記構成において、前記歩行位相推定部（１７）は、推定された前記瞬間回転中心（α、β）が足裏を含む所定の領域内に存在する場合に、前記歩行位相（Φ）が立脚期であると判定するとよい。

この構成によれば、走路や歩行路が水平面でなくとも、走路や歩行路と足裏との間に滑らない接地領域があれば、おおよそその領域内に瞬間回転中心が存在するので、立脚期（Stance Phase）であるか否かを正確に判定することができる。

また、上記構成において、前記歩行位相推定部（１７）は、立脚期（Stance Phase）には足裏における前記瞬間回転中心（α、β）の軌跡に基づいて前記歩行位相（Φ）を推定するとよい。

この構成によれば、立脚期、特に足裏の全面が接地している期間にも、利用者の重心移動に伴って瞬間回転中心が足裏を移動することから、この期間においても足裏における瞬間回転中心の軌跡に基づいて歩行位相を正確に推定することができる。

また、上記構成において、前記足運動推定部（１２）は、前記慣性センサ（１１）の出力のドリフトに起因する前記足の運動の推定誤差を低減する処理を行う補正部（４５）を備え、前記補正部は、推定された前記歩行位相（Φ）に応じて補正の強さを変化させるとよい。

この構成によれば、慣性センサのドリフトの影響が低減されるため、足の運動を一層正確に推定でき、ひいては、歩行位相を一層正確に推定することができる。

また、上記課題を解決するために、本発明のある実施形態は、歩行補助装置（１）であって、上記構成の歩行位相推定装置（１０、１１）と、前記利用者（Ｕ）の歩行運動に関わる部位に装着された装具（３、５、７）と、前記装具に補助力を付与するアクチュエータ（４、６、８）と、前記歩行位相推定装置が推定した前記歩行位相（Φ）における所定のタイミングで補助力を発生するように前記アクチュエータを制御する制御装置（１８）とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、歩行位相推定装置が推定した歩行位相における所定のタイミングで補助力が発生するため、歩行補助に適したタイミングでの補助力の発生が可能である。これにより、歩行補助装置は、利用者が違和感を覚えることのない歩行補助が可能である。また、歩行位相の推定のために走路や歩行路上にマーカーを予め配置する必要がないため、歩行補助装置は如何なる走路や歩行路上においても利用者の歩行運動を補助できる。

このように本発明によれば、如何なる走路や歩行路上においても利用者の走行を含む歩行運動の位相を推定できる歩行位相推定装置及びこれを備えた歩行補助装置を提供することができる。

実施形態に係る歩行補助装置の側面図 歩幅座標系の説明図 慣性センサの取り付け位置の説明図 グローバル座標系の着地ごと更新の説明図 図１に示す制御装置のブロック図 図５に示す制御装置の足姿勢推定部のブロック図 図５に示す制御装置の足位置演算部のブロック図 ドリフト補正部によるゲイン決定処理のフロー図 ドリフト補正部によるゲイン決定処理の変形例のフロー図 図９の（Ａ）ステップＳＴ１４で用いるＫｉマップ、（Ｂ）ステップＳＴ１５で用いるＫｐマップ 図５に示す瞬間回転中心推定部が行う瞬間回転中心推定の説明図 歩行位相と脚の運動との関係を説明するためのタイムチャート 図５に示す位相推定部が行う瞬間回転中心に基づく位相推定の説明図 図５に示す位相推定部が行う位相推定の変形例のブロック図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、歩行補助装置１の説明にあたっては、歩行補助装置１を装着し、直立姿勢をとっている利用者Ｕを基準にして方向を定める。また、脚体等に対応して左右に１対に設けられる部材には同一の符号を付す。図面にはこれら左右の部材の一方のみが示されることがある。

図１は、実施形態に係る歩行補助装置１の側面図である。図１に示されるように、歩行補助装置１は、利用者Ｕの胴体に装着されるメインフレーム２を備えている。メインフレーム２には、利用者Ｕの各大腿部に沿ってその外方に配置された左右の大腿フレーム３が、利用者Ｕの股関節部を中心にして変位し得るように、左右の股関節駆動源４を介して連結されている。左右の大腿フレーム３の下端には、利用者Ｕの各下腿部に沿ってその外方に配置された左右の下腿フレーム５が、利用者Ｕの膝関節部を中心にして変位し得るように、左右の膝関節駆動源６を介して連結されている。左右の下腿フレーム５の下端には、利用者Ｕの足に装着される左右の足支持具７が、利用者Ｕの足関節を中心にして変位し得るように、左右の足関節駆動源８を介して連結されている。

メインフレーム２は、大腿フレーム３との連結部の上方に前後方向に向く軸線を有する左右のヒンジ２ａを備えている。メインフレーム２には、バッテリ９や制御装置１０が設けられている。なお、バッテリ９及び制御装置１０のそれぞれは大腿フレーム３に取り付けられ、又は収納されていてもよく、歩行補助装置１とは別個に設けられてもよい。

大腿フレーム３は、上部及び下部にそれぞれ前後方向を向く軸線を有する上ヒンジ３ａ及び下ヒンジ３ｂを備えており、大腿部サポータ３ｃによって大腿部に装着される。下腿フレーム５も、上部及び下部にそれぞれ前後方向を向く軸線を有する上ヒンジ５ａ及び下ヒンジ５ｂを備えており、下腿部サポータ５ｃによって下腿部に装着される。足支持具７は、靴形状とされており、利用者Ｕの足に直接装着される。

足支持具７は、例えば、歩行時の足の変形を許容する柔軟性を有する靴７ａと、足関節駆動源８の出力端をなし、遊端が靴７ａの底部に連結された駆動アーム７ｂとを含んでいる。言い換えれば、足支持具７の靴７ａは、駆動アーム７ｂを介して足関節駆動源８に連結されている。

股関節駆動源４は、モータにより構成されており、電力をバッテリ９から供給されることにより大腿フレーム３に動力を加える。大腿フレーム３に加えられた動力は、大腿部サポータ３ｃを介して利用者Ｕの大腿に伝達される。これにより、大腿フレーム３は股関節を中心として屈伸、伸展方向に駆動される。

膝関節駆動源６は、モータにより構成されており、電力をバッテリ９から供給されることにより下腿フレーム５に動力を加える。下腿フレーム５に加えられた動力は、下腿部サポータ５ｃを介して利用者Ｕの下腿に伝達される。これにより、下腿フレーム５は膝関節を中心として屈曲、伸展方向に駆動される。

足関節駆動源８は、モータにより構成されており、電力をバッテリ９から供給されることにより足支持具７の駆動アーム７ｂに動力を加える。足支持具７の駆動アーム７ｂに加えられた動力は、足支持具７の靴７ａを介して利用者Ｕの足に伝達される。これにより、足支持具７は足関節を中心として底屈、背屈方向に駆動される。

左右の足支持具７には、加速度Ｇ及び角速度ωを検出する左右の慣性センサ１１（Inertial Measurement Unit：ＩＭＵ）が設けられている。慣性センサ１１は、足支持具７における駆動アーム７ｂに取り付けられており、足の加速度Ｇ及び角速度ωを検出する。補足すると、歩行時には、足のアーチを形成している、踵、甲及び拇指球の部分は、１つの剛体とみなすことができ、一体となって動く。本明細書では、この部分を足と呼ぶこととする。言い換えると、足のうち、指を除く部分を改めて足と呼ぶ。

ここで、足と一体となって動く直交座標系として、足裏座標系を定義する。足裏座標系は、図２に示されるように、踵位置を原点とし、足裏の平面内にＸ軸とＹ軸とが含まれ、足の前後方向（踵とつま先を結ぶ方向）をＸ軸、足の横方向をＹ軸とし、Ｘ軸とＹ軸に直交する方向をＺ軸とする。それぞれの軸は、前、左、上を正の向きとする。

慣性センサ１１が検出する加速度Ｇは、足の代表点の加速度Ｇである。慣性センサ１１の構成要素である物理的な加速度検出器は、慣性センサ１１の内部に位置し、その位置の加速度Ｇを検出する。この加速度Ｇは公知の変換演算によって足の任意の点の加速度Ｇに変換できるので、ここでは議論を容易にするために、足裏座標系の原点を足の代表点とする。慣性センサ１１が検出する加速度ＧのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸成分を、それぞれＧｘ、Ｇｙ、Ｇｚとし、慣性センサ１１が検出する角速度ωのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸成分（各軸まわりの成分）を、それぞれωｘ、ωｙ、ωｚとする。左右の慣性センサ１１から出力された３軸の加速度Ｇ及び角速度ωは、制御装置１０に入力される。

慣性センサ１１の取り付け位置は、足と一体となって動く位置であればよい。具体的には、慣性センサ１１は、図３に示されるように、踵、甲又は拇指球の辺りの位置に取り付けられればよい。また、慣性センサ１１は、靴７ａに取り付けてられてもよく、利用者Ｕの足に貼り付けるなどの手法により足に直接に取り付けられてもよい。

また、走路や歩行路上に、グローバル座標系を定義する。グローバル座標系は、水平面上で互いに直交するＸ軸及びＹ軸と、Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸（鉛直方向）とで表されるものとする。図１に示されるように、一般的には、足裏座標系のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、グローバル座標系のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に対してずれている。グローバル座標系の向き及び原点位置は、制御装置１０の電源投入時に設定される。グローバル座標系は、左右それぞれの足に対応して設定される。左右の足の相対位置及び姿勢の関係が分かるセンサが慣性センサ１１に用いられるならば、グローバル座標系は、左右の足に共通な１つの座標系として設定されてもよい。

グローバル座標系は、図４に示されるように、足が着地するごとに、足裏座標系に応じて更新されてもよい。例えば、グローバル座標系のＸ軸を足裏座標系のＸ軸に一致させ、グローバル座標系の原点を足裏座標系の原点に一致させてもよい。このようにグローバル座標系が更新されれば、グローバル座標系上での足裏座標系原点位置は、直前の着地位置からの足の移動量を表すことになる。

制御装置１０は、メインフレーム２に収納されたＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を含む電子回路ユニットにより構成され、股関節駆動源４、膝関節駆動源６及び足関節駆動源８の動作、ひいては利用者Ｕに作用させる補助力の制御処理を実行するように構成されている。制御装置１０が所定の演算処理を実行するように構成されているとは、制御装置１０を構成する演算処理装置（ＣＰＵ）が、記憶装置（メモリ）から必要なデータ及びアプリケーションソフトウェアを読み取り、当該ソフトウェアに従って当該所定の演算処理を実行するようにプログラムされていることを意味する。

図５に示されるように、制御装置１０は、慣性センサ１１の出力に基づいて、足の運動を推定する足運動推定部１２と、推定された足の運動に基づいて、歩行位相Φを算出する歩行位相演算部１５と、推定された歩行位相Φに基づいて、股関節駆動源４、膝関節駆動源６及び足関節駆動源８を、所定のタイミングで所定の補助力を発揮するように制御するモータ制御部１８とを備えている。足運動推定部１２は、より詳細には、慣性センサ１１の出力に基づいて、足の運動として、足の姿勢とその変化速度（角速度）を推定する足姿勢推定部１３と、慣性センサ１１の出力及び推定された足の姿勢に基づいて、足の速度（代表点位置（踵位置）の変化速度）及び位置（代表点位置（踵位置））を演算する足位置演算部１４とを備えている。また、歩行位相演算部１５は、詳細を後述する瞬間回転中心推定部１６と歩行位相推定部１７とを備えている。なお、制御装置１０は、これらの機能部（１２〜１８）を、左右の慣性センサ１１のそれぞれについて有するが、ここでは左右の区別をせずに説明する。制御装置１０及び慣性センサ１１により、本発明に係る歩行位相推定装置が構成される。

このように構成された歩行補助装置１は、大腿フレーム３、下腿フレーム５及び足支持具７を介して、股関節駆動源４、膝関節駆動源６及び足関節駆動源８の動力を左右の大腿、左右の下腿及び、左右の足の動作を補助する歩行補助力として利用者Ｕに作用させることにより、歩行補助装置１を装着した利用者Ｕの歩行運動を補助する。

図６は、図５に示される制御装置１０の足姿勢推定部１３の構成を示すブロック図である。図６に示されるように、制御装置１０は、慣性センサ１１により検出された足の３軸の加速度Ｇ及び３軸の角速度ωに基づいて、後述の演算処理を実行する各種機能部（２１〜３１）を備えることで、足の姿勢を算出する。そして、足姿勢推定部１３は、これらの各機能部の処理を、制御装置１０の所定の演算処理周期で実行する。以下、各機能部について順に説明する。

足姿勢推定部１３は、制御装置１０の各演算処理周期において、まず、誤差計算部２１の処理を実行する。誤差計算部２１は、慣性センサ１１により検出された足の３軸の加速度Ｇに基づいて、外積により加速度Ｇから求めたグローバル座標系での重力方向と、後述する姿勢演算器３１が算出した推定姿勢ｑ_{ｅｓｔ，ｔ}の前回値ｑ_{ｅｓｔ，ｔ−１}から求めたグローバル座標系での重力方向との誤差ｅを算出する。なお、ｑ_{ｅｓｔ，ｔ}は、今回時刻ｔにおける足の姿勢を表現するクォータニオンであり、ここでは姿勢の表現にクォータニオンを用いているが、他の表現（オイラー角など）を用いてもよい。

誤差計算部２１にて計算された誤差ｅは、足裏座標系座標変換部２２にて、足裏座標系における誤差ｅ_ｓｅｎｓに変換される。足裏座標系座標変換部２２にて変換された誤差ｅ_ｓｅｎｓは、積分器ゲイン要素２３にて積分ゲインＫｉを乗じられ、更に積分器２４にて積分される。積分器２４の出力ω_{ｏｆｆｓｅｔ}は、慣性センサ１１の角速度出力のドリフト（オフセット）の推定値を意味する。積分器２４の出力ω_{ｏｆｆｓｅｔ}は、減算器２５に減算値として入力される。一方、誤差計算部２１にて計算された誤差ｅは、比例伝達要素２６にて比例ゲインＫｐを乗じられ、減算器２７に減算値として入力される。後述する積分器３０によって、角速度ωに相当する値を積分して姿勢の角度に相当する値である推定姿勢ｑが算出されるが、この際に累積誤差が発散する虞がある。これらの処理は、累積誤差の発生を抑制し、更には累積誤差を０に収束させるために行われる。

上記減算器２５には、慣性センサ１１により検出された足の３軸の角速度ωが加算値として入力される。累積誤差収束のために減算器２５にて積分器２４の出力ω_{ｏｆｆｓｅｔ}（慣性センサ１１の角速度出力のドリフトの推定値）を減じられた角速度ω_{ｌｏｃａｌ}は、減算器２８に入力されて、角速度ωのＺ軸成分のオフセットである後述するヨーレートオフセットω_{ｏｆｆｓｅｔｔｚ}を減じられた上で、演算器２９に入力される。演算器２９は下式を演算して角速度に相当する値を算出する。

ここで、ｑ_{ｅｓｔ，ｔ−１}は、上記のように前回の演算にて推定されたセンサの姿勢である。演算器２９にて算出された上記角速度相当値は、上記減算器２７に加算値として入力され、減算器２７にて累積誤差収束のための比例項（比例伝達要素２６の出力）を減じられて積分器３０に入力される。積分器３０では、入力された角速度相当値が積分され、推定姿勢ｑに変換される。積分器３０にて変換された推定姿勢ｑは姿勢演算器３１に入力される。姿勢演算器３１は、入力された推定姿勢ｑをその絶対値で除し、グローバル座標系における足の推定姿勢ｑ_{ｅｓｔ，ｔ}を算出する。姿勢演算器３１にて算出された推定姿勢ｑ_{ｅｓｔ，ｔ}は、前回値ｑ_{ｅｓｔ，ｔ−１}として上記のように誤差計算部２１及び演算器２９に入力される。

足姿勢推定部１３は、上記の処理によって測定誤差を収束させるが、足姿勢推定部１３が重力方向を基準にして誤差ｅを求めていることから、ロール角（姿勢のＸ軸まわり角度）及びピッチ角（姿勢のＹ軸まわり角度）については、推定誤差は大きくならない。一方、ヨーについては、上記の処理だけでは、推定誤差が時間の経過と共に発散する傾向がある。

図７は、図５に示される制御装置１０の足位置演算部１４の構成を示すブロック図である。図７に示されるように、足位置演算部１４は、後述する演算又は処理を行う各種機能部（４１〜４６）を備えることで、足の速度や位置を演算する。そして、足位置演算部１４は、これらの各機能部の処理を、制御装置１０の所定の演算処理周期で実行する。以下、各機能部について順に説明する。

足位置演算部１４は、制御装置１０の各演算処理周期において、まず、座標変換部４１の処理を実行する。座標変換部４１は、慣性センサ１１により検出された足の３軸の加速度Ｇを、足姿勢推定部１３により算出された推定姿勢ｑ_{ｅｓｔ，ｔ}に基づいて、足裏座標系からグローバル座標系の値に変換する。グローバル座標系の値に変換された３軸の加速度Ｇは、減算器４２に入力され、同様に減算器４２に入力される重力加速度ｇの値を減算される。重力加速度ｇを減算された加速度Ｇは、１次遅れフィルタ４３に入力される。１次遅れフィルタ４３は、伝達関数が１／（Ｔｓ＋１）のフィルタであり、入力した加速度Ｇのノイズを低減するためのものである。ノイズが少ない場合には、１次遅れフィルタ４３を省略してもよい。ここで、Ｔは時定数であり、ｓはラプラス演算子である。１次遅れフィルタ４３を通過した加速度Ｇは、積分器４４に入力して積分され、グローバル座標系における足の推定速度Ｖ_ｆｏｏｔに変換される。

図６の減算器２５において慣性センサ１１により検出された足の３軸の角速度ωから積分器２４の出力ω_{ｏｆｆｓｅｔ}（慣性センサ１１の角速度出力のドリフトの推定値）を減じられた角速度ω_{ｌｏｃａｌ}及び、図７の積分器４４から出力される足の推定速度Ｖ_ｆｏｏｔは、ドリフト補正部４５に入力される。ドリフト補正部４５は、図８に示されるゲイン決定処理を所定の演算処理周期で実行する。

図８に示されるように、ドリフト補正部４５は、ステップＳＴ１において、足の推定速度Ｖ_ｆｏｏｔの大きさ（絶対値）が所定の値Ｖ_ｓｔｏｐ以下かつ足の角速度ω_{ｌｏｃａｌ}の大きさ（絶対値）が所定の値ω_ｓｔｏｐ以下であるか否かを判定し、肯定（Ｙｅｓ）である場合には、足が停止している、即ち歩行動作における立脚中期（ＭＳｔ；Mid Stance、図１２参照）にあるものと判定し、否定（Ｎｏ）である場合には、足が動いている、即ち歩行動作における立脚中期以外にあるものと判定する。ステップＳＴ１において足が停止状態（立脚中期）であると判定された場合（Ｙｅｓ）、ドリフト補正部４５はステップＳＴ２の処理に進み、リセット信号を出力する。図７に示されるように、リセット信号は、積分器４４に作用し、相補フィルタを用いて足の推定速度Ｖ_ｆｏｏｔを０に収束させる（リセットする）。次いで、ドリフト補正部４５はステップＳＴ３の処理に進み、設定されるべき積分ゲインＫｉの最大値である最大積分ゲインＫｉｍａｘを積分ゲインＫｉに設定し、設定されるべき比例ゲインＫｐの最大値である最大比例ゲインＫｐｍａｘを比例ゲインＫｐに設定する。設定された積分ゲインＫｉは図６の積分器ゲイン要素２３に送られ、設定された比例ゲインＫｐは図６の比例伝達要素２６に送られる。その後、ドリフト補正部４５はステップＳＴ４の処理に進み、角速度ω_{ｌｏｃａｌ}が０に収束するように、Ｚ軸成分のオフセットであるヨーレートオフセットω_{ｏｆｆｓｅｔｔｚ}を修正する。修正されたヨーレートオフセットω_{ｏｆｆｓｅｔｔｚ}は、図６の減算器２８に送られる。一方、ステップＳＴ１において足が動いている（立脚中期以外である）と判定された場合（Ｎｏ）、ドリフト補正部４５はステップＳＴ５の処理に進み、積分ゲインＫｉを０に設定し、設定されるべき比例ゲインＫｐの最小値である最小比例ゲインＫｐｍｉｎを比例ゲインＫｐに設定する。ステップＳＴ３の処理と同様、設定された積分ゲインＫｉは図６の積分器ゲイン要素２３に送られ、設定された比例ゲインＫｐは図６の比例伝達要素２６に送られる。ドリフト補正部４５は以上の処理を繰り返す。

図７の説明に戻り、積分器４４から出力される足の推定速度Ｖ_ｆｏｏｔは、その後、積分器４６に入力される。積分器４６は、足の推定速度Ｖ_ｆｏｏｔを積分することで、グローバル座標系における足の推定位置Ｐ_ｆｏｏｔを算出する。

なお、ドリフト補正部４５の処理は、これに限定されるものではなく、例えば図９に示されるものであってもよい。即ち、図９に示されるように、ドリフト補正部４５は、ステップＳＴ１１において、図８のステップＳＴ１と同様に足の推定速度Ｖ_ｆｏｏｔの大きさ（絶対値）が所定の値Ｖ_ｓｔｏｐ以下かつ足の角速度ω_{ｌｏｃａｌ}の大きさ（絶対値）が所定の値ω_ｓｔｏｐ以下であるか否かに基づき、歩行位相ΦがＭＳｔ（立脚中期、図１２参照）にあるか否かを判定する。歩行位相ΦがＭＳｔにある場合、即ち、ステップＳＴ１１の判定が肯定（Ｙｅｓ）である場合には、ドリフト補正部４５はステップＳＴ１２の処理に進み、リセット信号を出力する。次いで、ドリフト補正部４５はステップＳＴ１３の処理に進み、角速度ω_{ｌｏｃａｌ}が０に収束するように、Ｚ軸成分のオフセットであるヨーレートオフセットω_{ｏｆｆｓｅｔｔｚ}を修正する。その後、ドリフト補正部４５はステップＳＴ１４の処理に進む。一方、ステップＳＴ１１にて、歩行位相ΦがＭＳｔにない場合、即ち、ステップＳＴ１１の判定が否定（Ｎｏ）である場合には、ドリフト補正部４５はステップＳＴ１４の処理に直接進む。

ドリフト補正部４５は、ステップＳＴ１４において、歩行位相Φに基づいて、Ｋｉマップを用いて積分ゲインＫｉを決定し、続いてステップＳＴ１５において、歩行位相Φに基づいて、Ｋｐマップを用いて比例ゲインＫｐを決定する。具体的には、ドリフト補正部４５は、図１０（Ａ）に示されるＫｉマップ及び図１０（Ｂ）に示されるＫｐマップを参照し、歩行位相Φに対応する積分ゲインＫｉ及び比例ゲインＫｐを決定する。図１０（Ａ）に示されるように、Ｋｉマップは、歩行位相Φを横軸に、積分ゲインＫｉを縦軸にとったマップ（歩行位相Φを入力とし積分ゲインＫｉを出力とする関数）であり、歩行位相Φが足裏の全体を接地させた足底接地（Flat Foot）の期間に、積分ゲインＫｉが０よりも大きな値に設定され、それ以外の期間（踵接地（Heel Strike）、踵離地（Heel Off）、遊脚（Swing））に、積分ゲインＫｉが０に設定されている。図１０（Ｂ）に示されるように、Ｋｐマップは、歩行位相Φを横軸に、比例ゲインＫｐを縦軸にとったマップ（歩行位相Φを入力とし比例ゲインＫｐを出力とする関数）であり、歩行位相Φが足底接地（Flat Foot）の期間に、比例ゲインＫｐが０よりも大きな値に設定され、それ以外の期間（踵接地（Heel Strike）、踵離地（Heel Off）、遊脚（Swing））に、比例ゲインＫｐが０に設定されている。ドリフト補正部４５は、これらのマップを用いて積分ゲインＫｉ及び比例ゲインＫｐを決定する。ドリフト補正部４５は以上の処理を繰り返す。

ここまで説明した足姿勢推定部１３及び足位置演算部１４による演算は、ドリフト補正部４５の処理を除き公知のストラップダウン演算であり、足運動推定部１２は、このような慣性センサ１１の出力に基づくストラップダウン演算を行い、足の運動を推定する。

このように、足位置演算部１４では、慣性センサ１１により検出された足の３軸の加速度Ｇに関連する値である足の推定速度Ｖ_ｆｏｏｔ及びヨーレートオフセットω_{ｏｆｆｓｅｔｚ}に基づいて、ドリフト補正部４５が足の停止判定を行い、足の停止を判定した場合に（ステップＳＴ１：Ｙｅｓ、又は、ステップＳＴ１１：Ｙｅｓ）リセット信号を出力し（ステップＳＴ２、ステップＳＴ１２）、リセット信号を受けた積分器４４（図７）が足の推定速度Ｖ_ｆｏｏｔを補正（リセット）する。これにより、慣性センサ１１のノイズや座標変換時に用いる推定姿勢ｑ_{ｅｓｔ，ｔ}による座標変換誤差の影響により推定速度Ｖ_ｆｏｏｔ及び推定位置Ｐ_ｆｏｏｔがドリフトすることが防止される。

図５に戻って説明を続ける。歩行位相演算部１５は、慣性センサ１１の出力、足姿勢推定部１３により算出された足の推定姿勢ｑ_{ｅｓｔ，ｔ}、並びに、足位置演算部１４により算出された足の推定速度Ｖ_ｆｏｏｔに基づいて、歩行位相Φを算出する。以下、具体的に説明する。

本実施形態の足支持具７は、柔軟性を有しているため、足が接地している立脚中期においても、僅かながら変形しながら姿勢を変化させる。仮に足支持具７が柔軟性を有していなくても、靴底面が前後方向について湾曲していれば、重心の移動に伴って姿勢を変化させる。図５に示されるように、歩行位相演算部１５は、慣性センサ１１の出力（より詳しくは、慣性センサ１１により検出された足の３軸の角速度ωから積分器２４の出力ω_{ｏｆｆｓｅｔ}（慣性センサ１１の角速度出力のドリフトの推定値）を減じられた角速度ω_{ｌｏｃａｌ}）、足姿勢推定部１３により算出された足の推定姿勢ｑ_{ｅｓｔ，ｔ}、並びに、足位置演算部１４により算出された足の推定速度Ｖ_ｆｏｏｔに基づいて、足の瞬間回転中心を推定する瞬間回転中心推定部１６と、瞬間回転中心に基づいて歩行位相Φを推定する歩行位相推定部１７とを備える。

以下では、説明を容易にするために、２次元運動（ＸＺ平面での運動）での瞬間回転中心算出法を示す。瞬間回転中心推定部１６は、以下の原理に基づいて演算を行うことにより、運動中の足の瞬間回転中心を推定する。図１１は、図５に示す制御装置１０の瞬間回転中心推定部１６が行う瞬間回転中心推定の説明図である。瞬間回転中心推定部１６は、慣性センサ１１の出力（より詳しくは、慣性センサ１１により検出された足の３軸の角速度ωから積分器２４の出力ω_{ｏｆｆｓｅｔ}（慣性センサ１１の角速度出力のドリフトの推定値）を減じられた角速度ω_{ｌｏｃａｌ}）、足姿勢推定部１３により算出された足の推定姿勢ｑ_{ｅｓｔ，ｔ}、並びに、足位置演算部１４により算出された足の推定速度Ｖ_ｆｏｏｔに基づいて足の瞬間回転中心を推定する。

ここで、図１１に示されるように、慣性センサ１１の出力に基づいて足姿勢推定部１３が算出した足の推定姿勢ｑ_{ｅｓｔ，ｔ}、即ち、グローバル座標系から見た足裏座標系の角度をθとする。足の推定姿勢ｑ_{ｅｓｔ，ｔ}の変化速度、即ち、グローバル座標系から見た足裏座標系の姿勢の変化速度（角速度）をθ'とする。グローバル座標系から見た足の推定速度Ｖ_ｆｏｏｔを（Ｖ_{ｆｏｏｔｘ}、Ｖ_{ｆｏｏｔｚ}）とする。グローバル座標系から見た足の推定位置Ｐ_ｆｏｏｔを（Ｐ_{ｆｏｏｔｘ}、Ｐ_{ｆｏｏｔｚ}）とする。足の推定位置Ｐ_ｆｏｏｔは、足裏座標系原点の位置を表す。足の推定速度Ｖ_ｆｏｏｔは、足の推定位置Ｐ_ｆｏｏｔの変化速度（時間微分値）である。足の瞬間回転中心を足裏座標系から見た位置を（α、β）とする。

グローバル座標系から見た足の瞬間回転中心の速度のＸ成分は、式（１）の左辺で表され、この値は０であるから、式（１）が成り立つ。同様に、グローバル座標系から見た足の瞬間回転中心の速度のＺ成分は、式（２）の左辺で表され、この値は０であるから、式（２）が成り立つ。
Ｖ_{ｆｏｏｔｘ}＋βθ'ｃｏｓθ−αθ'ｓｉｎθ＝０ ・・・（１）
Ｖ_{ｆｏｏｔｚ}−βθ'ｓｉｎθ−αθ'ｃｏｓθ＝０ ・・・（２）
これらより、足の瞬間回転中心を足裏座標系から見た位置（α、β）は、下式（３）、（４）によって求められる。
α＝（Ｖ_{ｆｏｏｔｘ}ｓｉｎθ＋Ｖ_{ｆｏｏｔｚ}ｃｏｓθ）／θ' ・・・（３）
β＝（−Ｖ_{ｆｏｏｔｘ}ｃｏｓθ＋Ｖ_{ｆｏｏｔｚ}ｓｉｎθ）／θ' ・・・（４）

実際には、上記の瞬間回転中心の算出法を３次元に拡張して、３次元運動での瞬間回転中心を求める。即ち、瞬間回転中心推定部１６は、慣性センサ１１の出力（より詳しくは、慣性センサ１１により検出された足の３軸の角速度ωから積分器２４の出力ω_{ｏｆｆｓｅｔ}（慣性センサ１１の角速度出力のドリフトの推定値）を減じられた角速度ω_{ｌｏｃａｌ}）、足姿勢推定部１３により算出された足の推定姿勢ｑ_{ｅｓｔ，ｔ}、並びに、足位置演算部１４により算出された足の推定速度Ｖ_ｆｏｏｔに基づいて、上式（３）、（４）を３次元空間に拡張した演算をすることにより、足の瞬間回転中心の位置を推定する。足の瞬間回転中心の位置は、足が接地している時には足裏（より詳しくは、足裏とその近傍を含む３次元領域内）にあり、歩行運動の進行に合わせて踵側からつま先側へ足裏（同じく、足裏とその近傍を含む３次元領域内）を移動する。

図１２は、歩行位相Φと脚の運動との関係を説明するためのタイムチャートである。図１２に示されるように、歩行運動における右脚の動作は、ＩＣ（Initial Contact：接地初期）から順に、ＬＲ（loading Response：荷重応答期）、ＭＳｔ（Mid Stance：立脚中期）、ＴＳｔ（Terminal Stance：立脚終期）、ＰＳｗ（Per-Swing：前遊脚期）、ＩＳｗ（Initial Swing：遊脚初期）、ＭＳｗ（Mid Swing：遊脚中期）、ＴＳｗ（Terminal Stance：遊脚終期）を順に辿る。右脚は、ＩＣにて足関節角度を概ね０°にした状態で踵を接地させ、ＬＲにて足関節角度を変化させながら荷重を受け止め、ＬＲの終期に足裏の全体を接地させる。足裏の全体を接地させた足底接地（Flat Foot）の期間は、ＭＳｔからＴＳｔの中期にかけて続き、ＴＳｔの中期にて踵の離地を開始させる。その後、右脚は、ＰＳｗにて足関節角度を変化させながら荷重を開放してつま先を離地させ、ＩＳｗからＴＳｗにかけて遊脚状態を保って脚の前方へ繰り出す。

このようにＭＳｔからＴＳｔの中期にかけて足裏の全体が接地しているが、この間にも歩行運動を行う人間の重心は前へ移動しており、図１２に示されるように、重心の前方への移動に対応して足の瞬間回転中心の位置（α、β）も前方へ移動する。即ち、図１２の下段に示されるようにβの値が概ね０に保たれ、図１２の中段に示されるようにαの値が大きくなる。従って、遊脚期（Swing Phase）だけでなく立脚期（Stance Phase）、特に足裏の全体が接地した足底接地（Flat Foot）の期間についても、足の瞬間回転中心の位置（α、β）の軌跡に基づいて、歩行位相Φを推定することができる。このような原理のもと、歩行位相推定部１７は、足の瞬間回転中心（α、β）に基づいて歩行位相Φを推定する。

図１３に示されるように、例えば、歩行位相推定部１７（図５）は、図１２の中段に示されるαと歩行位相Φとの関係に基づき、歩行位相Φを入力としαを出力とする関数の逆関数をマップとして備えている。歩行位相推定部１７は、推定された足の瞬間回転中心（α、β）のうちのαの値を入力として演算を行い（マップを検索し）、αに対応する歩行位相Φを算出して出力する。ここで、αは歩行位相Φに対して単調性を有しておらず、立脚期（Stance Phase）において単調増加し、遊脚期（Swing Phase）において単調減少している。そこで、歩行位相推定部１７は、推定された足の瞬間回転中心（α、β）のうちのβの値が概ね０である時、（あるいは、推定された瞬間回転中心（α、β）が足裏を含む所定の領域内に存在する場合に、）歩行位相（Φ）が立脚期（Stance Phase）であると判定し、それ以外の時に歩行位相Φが遊脚期（Swing Phase）であると判定する。

他の例として、図１４に示されるように、歩行位相推定部１７は、左右の脚の歩行位相Φに基づき、利用者Ｕの総合的な歩行位相Φ_{ｔｏｔａｌ}を推定してもよい。即ち、上記例の制御装置１０は、上記の機能部（１２〜１８）を左右の慣性センサ１１のそれぞれについて有しており、左右の歩行位相推定部１７のそれぞれが対応する慣性センサ１１の出力に基づいて、対応する側の脚の歩行位相Φ_Ｌ、Φ_Ｒを算出している。これに対し、図１４に示される歩行位相推定部１７は、左右の慣性センサ１１に基づいて、同様の手法によって左脚の歩行位相Φ_Ｌ及び右脚の歩行位相Φ_Ｒを算出した後、これらの歩行位相Φ_Ｌ、Φ_Ｒに基づいて利用者Ｕの総合的な歩行位相Φ_{ｔｏｔａｌ}を算出する。

例えば、歩行位相推定部１７は、次のようにして利用者Ｕの歩行位相Φ_{ｔｏｔａｌ}を算出する。歩行運動における左脚の動作と右脚の動作とは互いに１／２周期相違する。即ち、一方の脚の運動を基準とした場合、左の慣性センサ１１の出力に基づいて求められる左脚の歩行位相Φ_Ｌと、右の慣性センサ１１の出力に基づいて求められる右脚の歩行位相Φ_Ｒとは、互いに同じ値になる一方、位相に対応する歩行動作が１／２周期相違した関係となる。上記の手法に従って（即ち、対応する側の慣性センサ１１の出力に基づいて推定した足の瞬間回転中心の位置のうち、αの値を入力として）算出される左右の脚の歩行位相Φ_Ｌ、Φ_Ｒには、αに対する関係が比較的リニアな領域（即ち、立脚期（Stance Phase）に対応する、歩行位相Φを高精度に算出できる領域、以下、高精度領域という）と、そうでない領域（以下、低精度領域という）とが存在し、歩行運動においてこれらが交互に現れる。そこで、歩行位相推定部１７は、左右の脚の歩行位相Φ_Ｌ、Φ_Ｒを、立脚期の始点となる踵接地（Heel Strike）を基準にして１／２周期に亘る高精度領域と残りの１／２周期に亘る低精度領域とに分け、位相が高精度領域にある一方の脚の歩行位相Φ_Ｌ、Φ_Ｒを利用者Ｕの歩行位相Φとし、他方の脚の歩行位相Φ_Ｌ、Φ_Ｒが高精度領域に変わった時に、他方の脚の歩行位相Φ_Ｌ、Φ_Ｒを利用者Ｕの歩行位相Φとするように、両方の脚の歩行位相Φ_Ｌ、Φ_Ｒに基づいて総合的な歩行位相Φ_{ｔｏｔａｌ}を算出する。

図５に示されるように、モータ制御部１８は、歩行位相推定部１７が推定した歩行位相Φに基づいて、股関節駆動源４、膝関節駆動源６及び足関節駆動源８を、所定のタイミングで所定の補助力を発揮するように制御する。所定のタイミングは、歩行運動において股関節、膝関節、足関節に必要な力が大きくなるタイミングであってよい。所定の補助力は、歩行運動において股関節、膝関節、足関節に必要な力よりも小さな力であればよく、利用者Ｕや医師等の指導者が設定した値であってよい。

このようにモータ制御部１８が、歩行位相推定部１７が推定した歩行位相Φに基づいて、股関節駆動源４、膝関節駆動源６及び足関節駆動源８を、所定のタイミングで所定の補助力を発揮するように制御することにより、大腿フレーム３、下腿フレーム５及び足支持具７を介して、股関節駆動源４、膝関節駆動源６及び足関節駆動源８の動力が左右の大腿、左右の下腿及び、左右の脚の動作を補助する歩行補助力として利用者Ｕに作用し、歩行補助装置１を装着した利用者Ｕの歩行運動が補助される。

以上のように構成された制御装置１０及びその歩行位相推定装置によれば、次のような作用効果が奏される。

即ち、図５に示される歩行位相推定装置が、利用者Ｕの足に取り付けられた加速度Ｇ及び角速度ωを検出する慣性センサ１１と、慣性センサ１１の出力に基づいてストラップダウン演算を行って足の運動（足の推定位置Ｐ_ｆｏｏｔ、足の推定姿勢ｑ_{ｅｓｔ，ｔ}及びこれらの変化速度（Ｖ_ｆｏｏｔ）、θ'）を推定する足姿勢推定部１３と、推定された足の運動に基づいて足の瞬間回転中心（α、β）を推定する瞬間回転中心推定部１６と、瞬間回転中心（α、β）に基づいて歩行位相Φを推定する歩行位相推定部１７とを備える。これにより、慣性センサ１１の出力に基づいて運動中の足の瞬間回転中心（α、β）が算出され、足の瞬間回転中心（α、β）に基づいて歩行位相Φが推定される。そのため、歩行位相Φの推定のために走路や歩行路上にマーカーを予め配置する必要がなく、如何なる走路や歩行路上においても利用者Ｕの歩行運動の位相が推定可能である。

図１２を参照して説明したように、歩行運動の立脚期（Stance Phase）、特に足裏の全面が接地している期間（Flat Foot）においても、利用者Ｕの重心移動に伴って瞬間回転中心が足裏を移動する。そして図５の歩行位相推定部１７は、推定された瞬間回転中心（α、β）が足裏を含む所定の領域内に存在する場合に、歩行位相Φが立脚期（Stance Phase）であると判定する。これにより、走路や歩行路が水平面でなくとも、走路や歩行路と足裏との間に滑らない接地領域があれば、おおよそその領域内に瞬間回転中心（α、β）が存在するため、立脚期であるか否かを正確に判定することができる。

また、図５の歩行位相推定部１７は、立脚期（Stance Phase）には足裏における瞬間回転中心（α、β）の軌跡に基づいて歩行位相Φを推定する。そのため、歩行位相推定部１７は、立脚期（Stance Phase）においても足裏における瞬間回転中心（α、β）の軌跡に基づいて歩行位相Φを正確に推定することが可能である。

足運動推定部１２（図５）は、図７に示されるように、慣性センサ１１の出力のドリフトに起因する足の運動の推定誤差を低減する処理を行うドリフト補正部４５を備え、図９及び図１０を参照して説明したように、ドリフト補正部４５は、ステップＳＴ１４及びステップＳＴ１５にて、推定された歩行位相Φに基づいて積分ゲインＫｉ及び比例ゲインＫｐを設定し、これにより歩行位相Φに応じて補正の強さを変化させる。そのため、慣性センサ１１のドリフトの影響が低減され、これにより、足の運動が一層正確に推定され、ひいては、歩行位相Φが一層正確に推定される。

図１に示される歩行補助装置１は、上記構成の歩行位相推定装置をなす制御装置１０及び慣性センサ１１と、利用者Ｕの歩行運動に関わる部位に装着された装具である大腿フレーム３、下腿フレーム５及び足支持具７と、これらの装具に補助力を付与するアクチュエータである股関節駆動源４、膝関節駆動源６及び足関節駆動源８とを備える。また、図５に示す制御装置１０は、歩行位相推定部１７が推定した歩行位相Φにおける所定のタイミングで補助力を発生するようにアクチュエータを制御するモータ制御部１８を備える。そのため、歩行位相推定部１７が推定した歩行位相Φにおける所定のタイミングで補助力が発生するため、歩行補助に適したタイミングでの補助力の発生が可能である。これにより、歩行補助装置１は、利用者Ｕが違和感を覚えることのない歩行補助が可能である。また、歩行位相Φの推定のために走路や歩行路上にマーカーを予め配置する必要がないため、歩行補助装置１は如何なる走路や歩行路上においても利用者Ｕの歩行運動を補助できる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、歩行補助装置１が股関節駆動源４、膝関節駆動源６及び足関節駆動源８を備えているが、これらの全てを備える必要はなく、これらのうちの少なくとも１つを有していればよい。この他、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、角度など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。

１ 歩行補助装置
２ メインフレーム
３ 大腿フレーム（装具）
４ 股関節駆動源（アクチュエータ）
５ 下腿フレーム（装具）
６ 膝関節駆動源（アクチュエータ）
７ 足支持具（装具）
８ 足関節駆動源（アクチュエータ）
１０ 制御装置
１１ 慣性センサ
１２ 足運動推定部
１３ 足姿勢推定部
１４ 足位置演算部
１５ 歩行位相演算部
１６ 瞬間回転中心推定部
１７ 歩行位相推定部
１８ モータ制御部（制御装置）
４５ ドリフト補正部
Ｇ 加速度
Ｐ 位置
ω 角速度
Ｕ 利用者
Ｖ_ｆｏｏｔ 推定速度
ｑ_{ｅｓｔ，ｔ} 推定姿勢
θ 角度
Φ 歩行位相
（α、β） 瞬間回転中心

Claims (5)

1. 利用者の足に取り付けられた加速度及び角速度を検出する慣性センサと、
   前記慣性センサの出力に基づいてストラップダウン演算を行って足の運動を推定する足運動推定部と、
   推定された前記足の運動に基づいて前記足の瞬間回転中心を推定する瞬間回転中心推定部と、
   推定された前記瞬間回転中心に基づいて歩行位相を推定する歩行位相推定部と
   を備えることを特徴とする歩行位相推定装置。
2. 前記歩行位相推定部は、推定された前記瞬間回転中心が足裏を含む所定の領域内に存在する場合に、前記歩行位相が立脚期であると判定することを特徴とする請求項１に記載の歩行位相推定装置。
3. 前記歩行位相推定部は、立脚期には足裏における前記瞬間回転中心の軌跡に基づいて前記歩行位相を推定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の歩行位相推定装置。
4. 前記足運動推定部は、前記慣性センサの出力のドリフトに起因する前記足の運動の推定誤差を低減する処理を行う補正部を備え、
   前記補正部は、推定された前記歩行位相に応じて補正の強さを変化させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の歩行位相推定装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の前記歩行位相推定装置と、
   前記利用者の歩行運動に関わる部位に装着された装具と、
   前記装具に補助力を付与するアクチュエータと、
   前記歩行位相推定装置が推定した前記歩行位相における所定のタイミングで補助力を発生するように前記アクチュエータを制御する制御装置と
   を備えることを特徴とする歩行補助装置。

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