JPH07112035A - 足と地面との相互接続部材及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 ユーザの歩行、走行、跳躍、荷重の支承及び
荷重の付与機能を増進させることが出来、又、適度なバ
ランス及び安定性を備えるインピーダンス制御による、
相対的に可撓性で展開が容易な外骨格システムを提供す
る。 【構成】 足と地面との相互接続部材４８は、弾性要素
７２，７４を備え、弾性要素と地面との間の零モーメン
ト箇所がユーザの動作に応じて変化する。又、荷重を支
承するのを支援する外骨格装置は、ユーザの右及び左足
にそれぞれ取り付けられた右脚部材１０及び、左脚部材
１２と、右及び左脚部材に接続された右足部材１８、及
び左足部材２０と、右及び左足部材にそれぞれ接続され
たエネルギ貯蔵及び回復装置と、荷重４０に接続され右
及び左脚部材に更に接続されたエネルギ貯蔵及び回復装
置と、を備え、ユーザによって該荷重／ユーザリンクに
付与された荷重が装置の移動を案内する作用を果たすよ
うに位置決めされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、歩行、跳躍、荷重の付
与及び荷重の支承等の人間の機能を増進させる装置、特
に、少数の箇所にてオペレータの足への接続を含む、オ
ペレータへの接続が為された外骨格システムであって、
そのオペレータが支承することを望む、装置自体を含
む、オペレータ自身の体重及びその他の荷重を支承する
オペレータの機能を増進させる働きをする外骨格装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】人間をある箇所から別の箇所に迅速に且
つ効率良く移動させるための各種の技術が長年に亙って
開発されてきた。同様に、重い荷重を持上げ且つ搬送す
るといった各種の困難な作業を実施するための多数の技
術が存在する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ある適用例に
おいて、従来の技術は、人間を搬送したり且つ／又は所
望の作業を実施することの出来る機械にアクセスするの
を防げる状況のときは不十分である。例えば、一例とし
て、救助隊員、スポーツ選手、登山家等は、装備が十分
であれば、自己の能力を活用して、通行不可能な土地を
縦断し、又、機械の性能を上廻る作業を達成して必須の
役割を果たすことが出来る。

【０００４】このため、歩行する間に、各種の荷重を持
ち上げ且つ支承するといった各種の作業を実施する人間
の能力を増進させる技術を開発することが長い間、望ま
れていた。

【０００５】過去、数十年、幾つかの試みが為されてき
た。ハーディマン（Hardiman）と称されるかかるシステ
ムの一つがゼネラル・エレクトリック（General Electr
ic）によって数十年前に開発されており、このシステム
は、オペレータがその全身に装着して、一連のアクチュ
エータ及びサーボ制御装置を介して制御を行うロボット
状スーツを備えている。このスーツは、操作が面倒であ
り、しかも技術的に複雑で且つ非可撓性である。左右対
称の機能を有するのはスーツのアームのみであり、機械
の脚がマスター／スレーブ装置に基づく簡単な支持構造
体として使用される。

【０００６】極く最近、ピットマン（Pitman）と称され
るシステムがロス・アラモス・ナショナル・ラボラトリ（L
os Alamos National Laboratory）における米国最新兵
器技術グループ（U.S. Advanced Weapons Technology G
roup）によって提案されている。このピットマン・シス
テムは、それより先のハーディマンと同様に、ユーザが
装用するスーツを使用する。このピットマンは、ハーデ
ィマンのスーツと異なり、より可撓性があり、鎧を貫通
する銃弾、化学的及び生物学的武器、レーザ及び原子力
の作用に対する保護機能を提供する各種の補助的システ
ムを特徴とする。このピットマンの提案には、スーツの
動作を制御する方法に関する説明は、為されていない。

【０００７】人間の機能を増進させるが、面倒で且つ非
可撓性のスーツを使用しない擬人的構造体を形成するた
めの更なる試みが為されているが、これは、オペレータ
から多少離れた位置にある部材を備え、システムによっ
て相対的に妨害されることなく、オペレータが快適に体
を曲げたり、走り且つ各種のその他の身体動作を行うこ
とを可能にするものである。

【０００８】かかる外骨格システムを開発するための努
力は、主として、機械式アームの開発に限定されてい
た。こうした努力の一例として、ユタ大学におけるステ
フェン・ヤコブセン（Stephen Jacobsen）の研究があ
り、これは、自由度10°の液圧作動式の擬人化アームを
備えている。このアームは、入り子式スレーブであり、
そのマスターに対して１対１にて運動学的に対応する。
荷重−応答型マスターは、オペレータの腕に相当する。
スレーブがある目的物を把持すると、外骨格マスター
は、その目的物に付与される荷重に直接、比例する荷重
をオペレータの腕及び指に付与する。全てのマスター／
スレーブシステムに共通することであるが、このシステ
ムの欠点は、非常に複雑であり、機能するためには、二
組みのアクチュエータ、センサ及び電気機器を必要とす
る点である。

【０００９】極く最近、最初は、マサチューセッツ工科
大学に所属し、現在は、バークレィのカリフォルニア大
学に籍のあるＨ・カゼローニ（Kazerooni）は、スレーブ
を直接、作動させることに基づくシステムを使用して、
機械式アームを開発した。この動力作動の「エクステン
ダー」は、ユーザの自然の腕の強さを補強するものであ
る。このエクステンダーとオペレータとがその相互接続
部分で物理的に接触すれば、機械的力及び情報信号を伝
達することが可能となる。このため、ジョイスティッ
ク、キーボード、又はマスター／スレーブシステムを必
要とせずに、エクステンダーの制御が可能となる。

【００１０】このカゼローニのシステムにおいて、ユー
ザは、自己の腕をエクステンダー内部に配置されたゴム
製シリンダ内に挿入する。このシリンダとエクステンダ
ーの外殻との間に配置された圧電ロードセルがユーザの
腕と機械との間の相互作用荷重を検出する。第二の組み
の荷重センサは、操作される荷重の重量及び加速度を測
定する。並列のプロセッサがオペレータの動作に対する
機械のインピーダンスに適合しつつ、オペレータの動作
の運動力学を測定する。荷重への反応は、自然に行われ
るため、人間の腕は、エクステンダーに付与される実際
の荷重よりも縮小した比率の荷重を感じる。

【００１１】カゼローニの荷重制御システムは、それ以
前のシステムよりも著しく簡単であるが、かかるシステ
ムは、ユーザの脚の機能を増進させるのに使用すること
は出来ず、かかるシステムに伴う安定上の問題点を検出
し且つ適正に補正するためには、より複雑なシステムが
必要とされる。

【００１２】多くの適用例において、最も重要なこと
は、迅速に歩行し、又長時間に亙って歩行し得るよう
に、ユーザの脚の機能を増進させることである。かかる
システムは、ユーザが人間−機械の重心を検出し、ユー
ザと機械とを運動学的に結合することを可能にする。

【００１３】ユーザの脚の機能を増進させるための少な
くとも一つのシステムが開発されている。スプリングウ
ォーカ（Spring Walker）と称されるこのシステムは、
米国特許第5,016,869号に開示されている。このスプリ
ングウォーカは、エネルギの貯蔵及び放出を交互に行
い、より効率的な動作を可能にする、一組みのばね及び
プーリーに接続された脚伸長部を特徴としている。一対
の後向き膝継手を特徴とするスプリングウォーカは、エ
ネルギを貯蔵するばねを使用することで、ユーザがトラ
ンポリンのように機械に支持された状態で跳び上がった
り、大きく踏み出すことを可能にする。装置の制御は、
ユーザと機械との間の直接的な機械的接続により行われ
る。この装置は、特定の適用例には、有用であるが、こ
のスプリングウォーカは、立ったときに安定上の問題が
ある。この装置は、動作していないとき、性質上、不安
定である。更に、ユーザと機械との結合状態は、ユーザ
の運動の自由度が著しく制限される状態にある。

【００１４】このため、ユーザの歩行、走行、跳躍等の
機能を増進させると共に、例えば、装置自体の重量及び
ユーザの体重の少なくとも一部を含む荷重を支承する機
能を含む、機械的な荷重増幅機能を備えるインピーダン
ス制御による外骨格システムであって、バランス及び安
定性に優れ、又、ユーザが迅速且つ容易に着用し且つ取
り外すことが出来るシステムを提供することが極めて望
ましい。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ユーザ
が地面を歩く間に荷重を支承するのを支援する外骨格装
置にして、（ａ）右脚部材の荷重を地面に直接、伝達し
得るようにユーザの右足に取り付けられた右脚部材と、
（ｂ）左脚部材の荷重を地面に直接、伝達し得るように
ユーザの左足に取り付けられた左脚部材と、（ｃ）荷重
に接続され、右脚部材及び左脚部材に更に接続された荷
重／ユーザリンクであって、ユーザにより荷重／ユーザ
リンクに付与された荷重が装置の移動を案内し得るよう
に配置された荷重／ユーザリンクと、を備える外骨格装
置が提供される。

【００１６】本発明の好適な実施例において、脚部材
は、ユーザの足に取り付けられた足部材に接続される。

【００１７】更に、本発明によれば、ユーザが地面の上
を歩く間に荷重を支承するのを支援する外骨格装置は、
（１）足部材の各々とユーザのそれぞれの足との間の荷
重を検出する一対のセンサと、（２）足部材の各々と地
面との間の荷重を検出する一対のセンサと、（３）ユー
ザと荷重／ユーザリンクとの間の荷重を検出するセンサ
と、（４）右脚部材のアクチュエータと、（５）左脚部
材のアクチュエータと、（６）センサに及びアクチュエ
ータに接続され、装置の移動を制御する制御システム
と、を更に備えている。

【００１８】本明細書に記載した好適な実施例における
更に別の特徴によれば、右脚部材及び左脚部材の各々
は、ユーザの足と地面との略間に配置された足乗せ台
と、継手を介して相互に接続された少なくとも二つの部
分と、を備えており、又、荷重支承部材は、ユーザの体
重の少なくとも一部を支承する装置を備えている。

【００１９】本発明は、ユーザの歩行、走行、跳躍、荷
重の支承及び荷重の付与機能を増進させることが出来、
又、適度なバランス及び安定性を備えるインピーダンス
制御による、相対的に可撓性で展開が容易な外骨格シス
テムを提供することにより、現在の公知の形態の欠点を
解決するものである。

【００２０】

【実施例】本発明は、ユーザの歩行及び荷重の支承機能
を増進させるのに使用することの出来る外骨格型のイン
ピーダンス制御によるロボット式装置に関する。

【００２１】本発明のインピーダンス制御による歩行を
増進させる外骨格型装置の原理及び作用は、図面及び以
下の説明を参照するで、一層良く理解されよう。

【００２２】添付図面を参照すると、図１には、ユーザ
が立った位置にあるときの本発明による装置の一つの可
能な実施例が示してある。該装置は、その下端が適当な
方法で右足部材１８に取り付けられることが望ましい右
脚部材１０を備えている。一方、該右足部材１８は、適
当な方法で、ユーザの右足に取り付けられる。右脚部材
１０及び右足部材１８の配置は、次のようにする。即
ち、右足部材１８が地面と接触するとき、ユーザの身体
の何れの部分をも通らずに、右脚部材１０の荷重が地面
に直接、伝達されるような配置とする。

【００２３】本明細書及び特許請求の範囲の記載の全体
を通じて、「地面」とは、装置の足部材と相互作用する
ユーザの周囲の部分を意味するものとする。殆んどの場
合、これは、地面である。しかし、その他の場合、「地
面」は、例えば、自転車のペダル、梯子の段等を意味す
ることもある。この地面という語は、便宜のためにのみ
使用するものであり、本発明の範囲を限定することを意
図するものではない。

【００２４】また、該装置は、右脚部材１０及び左脚部
材１２を備えており、この右脚部材１０は、右足部材１
８に類似し、更に、望ましくは、あらゆる点でこの右足
部材１８に同一である左足部材２０に取り付けることが
出来る。

【００２５】図６から最も良く理解されるように、脚部
材１０、１２の各々は、能動的又は受動的とすることの
出来る適当なコネクタ２５を通じてその上端付近にて、
直接、又は間接的に接続される。また、このコネクタ２
５は、荷重フレーム１４に対する更なる構成要素を備
え、該荷重フレーム１４は、フレーム／ユーザの相互接
続部分４２を通じてユーザに接続され、又、フレーム／
荷重の相互接続部分１６を通じて荷重４０にも接続され
る。その接続は、次の通りとする。即ち、脚部材の一
方、又はその双方と地面とが直接、又は間接的に接触し
たとき、荷重によって付与された荷重の少なくとも一部
が右脚部材１０及び／又は左脚部材１２に伝達されるよ
うにする。このようにして、ユーザの身体の一部が荷重
を支承することなく、全体の荷重の少なくとも一部が地
面に直接、伝達される。

【００２６】フレーム／ユーザの相互接続部分４２は、
例えば、ユーザの背中に取り付けてユーザに接続するこ
とが望ましい。このため、ユーザがフレーム／ユーザの
相互接続部分４２に付与した力及びモーメントを含む荷
重は、装置の動きを案内する働きをする。図１乃至図６
において、フレーム／ユーザの相互接続部分４２は、ユ
ーザの背中に取り付けた状態にて示してある。また、以
下に説明するように、その他の位置に取り付けてもよ
い。

【００２７】脚部材１０、１２の各々は、少なくとも二
つの部分２２を備えることが望ましい。単一の脚部材１
０又は１２の隣接する各対の部分２２は、継手２４を通
じて相互に接続され、この継手２４は、能動的、又は受
動的とし、更に、剛性、又は可撓性とし、以下により詳
細に説明するように、一又は二以上の単なる構成要素を
備えることが出来る。当該部分２２は、入り子式とし、
その一方がその他方の内部を、又はその他方に対して摺
動するようにすることが出来る。かかる場合、継手２４
は、入り子式部分２２の相互作用箇所を示す。上述の構
造は、ユーザが一方又は両方の膝が地面に着いた状態で
容易に膝を曲げることを可能にする。

【００２８】脚部材１０、１２の各々は、その下端付近
にて足部材１８、２０に取り付けることが望ましく、ま
た、その足部材１８、２０は、ユーザの足と地面との略
間に位置決めすることが望ましく、又は、ユーザの足と
地面との接触面積を少なくとも共有し、地面への荷重の
伝達を可能にすることが望ましい。

【００２９】図１乃至図４には、ユーザが本発明による
装置を各種の位置にて使用するときの状態が示してあ
る。図１に示したユーザは、立った位置にある。この場
合、装置は、ユーザ及び装置の安定性を確実し、又、人
間／機械の組立体の重心に関する情報をユーザに伝達し
て、ユーザがその組立体を安定化させることが出来るよ
うにすることが望ましい。この安定化は、ジャイロスコ
ープを含むが、これにのみに限定されない任意の適当な
慣性安定化システムを介して行うことが出来る。

【００３０】図２には、典型的な歩行位置が示してあ
り、この位置にあるとき、装置は、組立体を安定化させ
ることに加えて、ユーザと地面との相互作用を促進しな
ければならない。

【００３１】図３、図４及び図５には、典型的な歩行、
又は走行位置が示してある。この場合、装置は、ユーザ
の体重、装置及び荷重によって付与される荷重を適正に
受け取ることが出来なければならない。更に、該装置
は、荷重をユーザに対して安定させる作用を発揮しなけ
ればならない。

【００３２】図４において、該装置は、ユーザの体重の
少なくとも一部を支持する、典型的にサドルの形態によ
る支持装置３０を特徴としており、該サドルは、ユーザ
が速い速度で且つより長時間、歩行する機能を更に増進
させるものである。

【００３３】図５にて、図３の装置は、更なる継手を有
する状態で示してあり、この継手は、足乗せ台の頂部分
３２に乗ったユーザの足をその頂部分３２から離れた足
乗せ台の底部分３４に接触した地面から分離させる。か
かる形態は、ユーザの足の長さを効果的に長くして、よ
り速い速度で歩行することを可能にする。

【００３４】図６に示し且つ上記に一部記載した本発明
による装置の好適な実施例において、フレーム／荷重の
相互接続部分１６は、ユーザの背中付近に配置されて、
荷重４０を支承する。一方、フレーム／荷重の相互接続
部分１６は、荷重フレーム１４によって支承され、該荷
重フレーム１４は、フレーム／ユーザの相互接続部分４
２を通じてユーザの背中に取り付けられる。

【００３５】足部材１８、２０の各々は、対応する脚部
材１０又は１２に接続された構造体部材４４と、ユーザ
／構造体部材の相互接続部分４６及び構造体部材／地面
の相互接続部分４８という一対の相互接続部分と、を備
えている。これらの相互接続部分の各々は、各種の能動
的及び／又は受動的構成要素を備えており、一又は複数
の力及び／又は一又は複数のモーメントを測定する一又
は複数のロードセルを備えることが望ましい。これらの
ロードセルは、三つの力及び三つのモーメントを測定す
ることが望ましい。

【００３６】この図６に示した形態は、荷重４０により
及び装置並びにユーザによって付与された荷重をシステ
ムにより検出することを可能にし、また、荷重４０によ
って発生された荷重がユーザに悪影響を与えないよう
に、測定値を適当に補正することを可能にする。

【００３７】この補正は、適当な任意の位置に配置され
た一連のアクチュエータ（図示せず）を通じて行われ、
このアクチュエータは、隣接する部分２２の間の継手２
４を含むが、これにのみ限定されない。各種の荷重セン
サからの信号は、以下により詳細に説明する制御システ
ムによって受け取られ且つ分析され、このシステムは、
各種のアクチュエータに対して命令を発して、装置が適
正に作動することを可能にする。

【００３８】このシステムの全体は、図７に概略図で示
してある。このシステムの全体は、ユーザと、機械と、
荷重と、機械とユーザとの相互接続部分、機械と荷重と
の相互接続部分及び機械と地面との相互接続部分とい
う、一連の相互接続部分と、を備えている。荷重は、各
相互接続部分にて両方向に伝達される。又、該システム
は、ユーザの筋力を増強する力発生源を備えている。

【００３９】図８には、機械の構成要素の一部が示して
ある。センサのデータは、ＣＰＵ装置に送られ、該ＣＰ
Ｕ装置は、剛性又は可撓性とすることの出来る各種のリ
ンクの所望の軌跡を計算する。この情報を使用して、サ
ーボ制御装置を駆動し、該サーボ制御装置は、各種の液
圧及び／又は空圧ピストンを備える各種のアクチュエー
タに適当な命令を送る。フィードバックセンサは、フィ
ードバックループを閉じ、アクチュエータの作用を監視
し且つサーボ制御装置に情報を送る。これらアクチュエ
ータは、各種の機構を駆動する力を発生させる一方、該
機構は、各種のリンクを所望の方法で作動させる。

【００４０】本発明のシステムは、マスター／スレーブ
装置と異なり、機械を直接、作動させるためユーザの動
作を必要とする。典型的なマスター／スレーブ装置は、
図９に概略図で示してある。かかる装置において、ユー
ザからの命令がマスターを制御する一方、該マスター
は、周囲と相互作用するスレーブに命令を発する。

【００４１】これに反し、図１０に概略図で示した本発
明による装置において、ユーザとスレーブとは、直接、
運動学的に相互作用する。該装置は、能動的に、即ち動
力により、インピーダンス制御を利用して制御される。
かかる装置の利点は、第二の組みのセンサ、アクチュエ
ータ及び関連装置を必要とする結果、装置を通常、非常
に複雑化するマスターが存在しないため、構造が簡略化
される点である。

【００４２】一つの可能なインピーダンス制御スキーム
が図１１に概略図で示してある。ユーザは、特定の力を
発生させ、この力は、荷重センサにより取り上げられ
る。次に、これらの荷重センサからの信号が分析され
て、インピーダンス制御副システムがサーボループに速
度命令を発し、該ループは、周囲と相互作用する。サー
ボループにより発生された速度は、ユーザにフィードバ
ックされ、ユーザが人間／機械組立体の現状をリアルタ
イムにて検出することを可能にする。最適なセンサを備
える最適なシステムは、サーボループに瞬間的に作用
し、図１２に示したような完全に正確なインピーダンス
モデルである。

【００４３】本発明のシステムの一実施例において、該
装置は、アクチュエータ、又は動力源を備えない点で受
動的である。かかる実施例の一例は、図１３乃至図１６
に示してある。図１３及び図１４は、荷重の支承に有用
な装置のそれぞれ簡略化した正面図及び側面図である。
該装置は、一対の脚部材１１０、１１２を備えており、
その脚部材の各々は、その下端が足部材１１８、１２０
に接続される一方、その足部材１１８、１２０は、ある
適当な方法でユーザの足に取り付けられ、その脚部材に
取り付けられたユーザの足が地面に接触する毎に、脚部
材１１０又は１１２の一方、又はその双方の荷重がその
地面に直接、伝達されるようにしてある。

【００４４】脚部材１１０、１１２の上端は、ある適当
な方法にてハーネス１５０、又はフレームに接続される
一方、そのハーネス１５０、又はフレームは、好適な実
施例において、ユーザの中央付近でユーザを囲繞し、
又、何らかの適当な方法でユーザに接続されることが望
ましい。該ハーネス１５０は、例えば、ストラップでハ
ーネス１５０に荷重を伝達し、又はハーネス１５０に直
接、荷重を付与することによって、荷重（図示せず）を
受け取ることが出来る。

【００４５】かかる荷重支承装置の作動原理は、ユーザ
が歩行するとき、常に、その足の少なくとも片方が地面
に接触しているようにするすることである。足部材は、
ユーザの足に適当に取り付けられるため、ユーザの足の
一方が地面に接触する毎に、対応する足部材も、又地面
に接触し、このため、対応する脚部材によって支承され
る全ての荷重を伝達することが出来る。これらの脚部材
は、共通のハーネスによって相互に接続される一方、そ
のハーネスは、伝達すべき荷重を支承する。以下により
詳細に説明するように、システムの適正な設計は、ユー
ザの足が地面に接触することと、地面から持ち上がるこ
ととを交互に行うとき、荷重を含むシステムの重量を移
動させる作用を果たす。この荷動の移動は、以下により
詳細に説明するように、人間の臀部関節の機能と類似し
た方法で行われる。

【００４６】全体として上述した受動的荷重支承装置の
より詳細な型式が図１５及び図１６の正面図及び側面図
にそれぞれ示してあり、その装置の一部の拡大図が図１
６Ａ乃至図１６Ｄに示してある。

【００４７】該装置は、荷重支承フレーム４００を備え
ており、このフレーム４００の上に各種の荷重（図示せ
ず）を適当な方法で取り付けたり、又は乗せることが出
来る。図１６Ａ図１６Ｂに関して以下により詳細に説明
する臀部安定化組立体４０２が荷重支承フレーム４００
に剛性に取り付けられる。臀部安定化組立体４０２は、
臀部継手４０４を通じて股ロッド４０６に接続される一
方、該股ロッド４０６は、膝継手４０８に接続される。
膝継手４０８は、股ロッド４０６を軸ロッド４１０に接
続し、該軸ロッド４１０は、踝継手４１２に接続され
る。この踝継手４１２は、ユーザの靴４４４、望ましく
は、足４１２の踵に剛性に接続される。

【００４８】荷重支承フレーム４００（図面を明確にす
るため、図１６には、図示せず）は、剛性であることが
望ましい。ユーザと荷重支承フレームとの相互接続部分
は、背中領域を含んでユーザの体の中央部分に位置する
ことが望ましい。この相互接続部分の形成は、適正に位
置決めした一連の胴体接触板４１４によって行うことが
望ましい。接触板４１４は、装置を案内するのに必要と
される水平方向の力を荷重支承フレーム４００に伝達す
ることをユーザが可能であるように位置決めされる。

【００４９】接触板４１４は、ユーザと該接触板４１４
との間に相対的に自由な相対的に垂直方向の動作を許容
し得るように配置され、このため、支承される荷重に関
係する垂直荷重の略何れの荷重もユーザに伝達されるこ
とはない。

【００５０】理解され得るように、ユーザのその一方の
足を地面から持ち上げる毎に、持ち上げられる足の側に
おける装置の部分は、荷重と装置自体の重量との組み合
わさった重さにより、下方に潰れる傾向が強くなる。こ
の傾向を解消するため、図１６Ａ及び図１６Ｂにより詳
細に示した臀部安定化組立体４０２が利用される。該臀
部安定化組立体４０２は、上方部材４２０を備えてお
り、該部材の一部は、荷重支承フレーム４００の一部を
上方部材４２０の一部に形成されたスロット４２４内に
把持する、一対のボルト４２２を通じて荷重支承フレー
ム４００に剛性に接続される。

【００５１】上方部材４２０の下方部分は、臀部継手４
０４から伸長する上方アーム４２８に横方向枢着ピン４
２６を中心として枢動可能に接続される。横方向枢着ピ
ン４２６の軸線は、臀部継手４０４の軸線に対して垂直
であることに注目する必要がある。この二つの枢着ピン
を組み合わせることで、荷重支承フレーム４００と股ロ
ッド４０６との間に２°の自由度の円形動作が実現可能
となる。

【００５２】ユーザがその足を持ち上げたときに、装置
が片側に傾く傾向を解消するため、次の機構が設けられ
る。上方アーム４２８にボルト止めされているのは、イ
ンサート４３０であり、該インサート４３０は、上方部
材４２０を伸長部に対して略平行で且つ該伸長部より下
方となるように横方向に伸長する。上方部材４２０の伸
長部は、コネクタ４３２を介してディスク４３４に接続
され、該コネクタは、調節可能なねじとし、又、インサ
ート４３０を通るようにすることが出来る。例えば、各
種のゴム、ばね等のような適当な荷重減衰材料が、ディ
スク４３４とインサート４３０との間及びインサート４
３０と上方部材４２０の伸長部との間に配置されてい
る。

【００５３】臀部安定化組立体４０２は、次のように機
能する。即ち、ユーザが一方の足を地面から持ち上げる
と、持ち上げられる足の側の装置の部分がその他方の足
を中心としてユーザの身体に向けて落下し、又は枢動す
る。この下降動作により枢着ピン４２６を中心とする枢
動動作が行われる。しかし、その枢動動作は、インサー
ト４３０が上方部材４２０の伸長部に接近するに伴なっ
て作用する減衰材料の抵抗によって減衰され且つ殆んど
解消される。このようにして、足が地面に接触していな
い間に、臀部は、安定化され、顕著に落下するのを阻止
される。

【００５４】また、ユーザが足を持ち上げて、膝を曲げ
て前方に移動すると、膝継手４０８も曲げられる。膝継
手４０８は、足を地面に戻す前に真っ直ぐにすることが
重要である。このため、装置には、一対の股ガイド４３
６が設けられており（図１５及び図１６参照）、これら
の股ガイド４３６は、ユーザの股が前方に移動すること
により、股ガイド４３６を押し、故に、股ロッド４０６
が前方に押されるような方法で、股ロッド４０６に接続
される。

【００５５】膝継手４０８が曲がると、股ロッド４０６
及び軸ロッド４１０に連結された弾性部材４３８が延伸
する。該弾性部材４３８は、バンジーのような弾性バン
ドとすることが出来る。また、この弾性部材４３８は、
例えば、股ロッド４０６に取り付けられた案内ホイール
４４０により案内されることが望ましい。この弾性部材
４３８が延伸すると、該部材は、エネルギを貯蔵し、次
に、足を地面に接触させる前に、このエネルギを使用し
て、股ロッド４０６及び軸ロッド４１０を完全に伸長し
た形態で整合させる。

【００５６】踝継手４１２は、図１６Ｃ及び図１６Ｄに
より詳細に示してあり、軸ロッド４１０と、ユーザの
足、望ましくは踵に取り付けられた踵コネクタ４４４と
を接続させるコイルばね４４２を備えている。踝継手４
１２は、軸方向衝撃を減衰させると共に、ユーザの踝の
自由度を妨害することなく、一定の撓みを実現し得るよ
うに設計されている。

【００５７】本発明によるシステムの効率は、ばね、弾
性部材、又は任意の適当な液圧又は空圧システム等のよ
うな多数の適当なエネルギ貯蔵機構を提供することによ
り一層向上させることが可能であり、これらエネルギ貯
蔵機構は、ユーザの足を地面に降させたときに利用可能
なエネルギの少なくとも一部を貯蔵し得ると共に、次
に、その貯蔵エネルギの少なくとも一部をシステム内に
再放出させ、ユーザ及び／又はシステムが必要とするエ
ネルギを節減することが可能である。ユーザの足に関連
して使用することの出来るかかる装置の例は、図１７乃
至図１９に示してある。

【００５８】図１７及び図１８には、ユーザの靴の靴底
部分に接続されたばね機構が示してある。図１８には、
三つのばね機構２００が示してある。明確にするため、
これらばね機構２００の一つだけが側面図（図１７）に
示してある。図１８から最も良く理解されるように、ば
ね組立体２００は、靴の靴底に接続された適当な形状の
スプール２０６に適正に取り付けた直径の異なる第一の
ばね２０２及び第二のばね２０４を備えることが望まし
い。これらのばねの弾性及びその長さは、靴が最初に地
面に接近するとき、一方のばねのみが圧縮されるように
する。靴が地面に更に接近すると、両方のばねが圧縮さ
れ、全体的な弾性がより大きくなる。このようにして、
組立体は、靴が地面から持ち上がったときに放出される
エネルギを貯蔵する働きをする一方、この組立体の衝撃
吸収特性が増大する。

【００５９】図１９には、靴に利用可能な別のエネルギ
貯蔵システムが示してある。この靴の踵は、その頂部及
び底部コイルだけを断面図で示した適当なばね３００を
備えており、そのループは、それぞれ靴及び変位可能な
踵に３０２に接続される。又、この変位可能な踵３０２
は、その前端付近にて靴に剛性に接続された枢着ピン３
０６を中心として枢動可能である枢動ロッド３０４にも
接続される。

【００６０】ユーザは、通常の歩行中、最初にその踵を
地面に着け、次に、ユーザの体重が前方に移動するのに
伴って足を前方に伸ばし、足が地面に平らに位置するよ
うにし、次に、足が地面から離れる直前に、足の後先端
だけが地面に接触するようにする。

【００６１】図１９の機構は、この歩行順序の利点を利
用して、歩行を容易にする。具体的には、ばね３００
は、通常、変位可能な踵３０２を下方に付勢させる。踵
３０２が最初に地面に接触すると、その靴と地面との間
の力は、ばねを圧縮して、踵３０２を靴（破線で図示）
に向けて変位させる。靴が前方に伸びると、ばね３００
は、踵３０２を下方に変位させ、その結果、地面に接触
している枢動ロッド３０４の一部は枢動して、ある程
度、靴を地面から上に持ち上げ、これにより、貯蔵され
たエネルギの一部をユーザに戻し、その歩行を容易にす
る。

【００６２】次に、再度、図６の装置の好適な制御モー
ドのブロック図である図８を参照する。図８の装置は、
複数の力及びトルクセンサに関係する、ここで「荷重セ
ンサ」と称するインテル80486のようなＣＰＵ50と、複
数のサーボシステムと、を備えている。図示した実施例
において、複数の荷重センサは、次のものを備えてい
る。

【００６３】ａ．荷重４０とフレーム１４との相互接続
部分に設けられ、そのフレーム１４と荷重４０との相互
作用力及びトルクを監視する作用可能な荷重センサ５
２。

【００６４】ｂ．フレーム１４と、ベルト５６（図６）
のような、本体に関係する、フレーム支持部材との相互
接続部分４２に関係する荷重センサ５４。この荷重セン
サ５４は、人間の上半身と荷重フレーム１４との相互作
用力及びトルクを検出する作用可能である。

【００６５】ｃ．構造体部材４４とユーザとの相互接続
部分に設けられ、人間の足と構造体部材４４との相互作
用力及びトルクを測定する作用可能な荷重センサ５８。

【００６６】ｄ．構造体部材４４と地面との間の相互接
続部分４８に関係する荷重センサ６０。この荷重センサ
６０は、地面と構造体部材４４との間の相互作用力及び
トルクを測定する作用可能である。

【００６７】ｅ．荷重４０に関係する慣性検出システム
６２。

【００６８】荷重センサ５２、５４、５８、６０の各々
は、米国、カリフォルニア州95695のウッドランド、ハ
ーター街22、ＪＲ３インコーポレーテッドから市販され
ているＪＲ３多軸力−トルクセンサのようなロードセル
を備えることが出来る。

【００６９】慣性検出システム６２は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の
各々に沿って加速度を測定し得るように配置された三つ
の加速度計を備えることが出来る。これら加速度計の各
々は、英国、ロンドンEC1N 8TSのカービィストリート20
−24のユーロセンサ（EuroSensor）、ＩＣセンサーズ
（ICSensors）から市販されている3110型加速度計を備
えることが出来る。

【００７０】複数のサーボシステムは、次のものを備え
ている。

【００７１】ａ．継手２４、２７、２９の各々用のサー
ボシステム６４を有する複数のサーボシステム６４。

【００７２】ｂ．図２３に詳細に図示するように、荷重
安定化要素６８に関係するサーボシステム６６。

【００７３】サーボシステム６４の各々は、位置及び速
度センサ８２（図６）を介してサーボアクチュエータか
らフィードバック信号を受け取るサーボ増幅器により制
御されるサーボアクチュエータ８０（図６）を備えるこ
とが出来る。該サーボアクチュエータは、例えば、イス
ラエル12905のキブツメロムゴランのベンタル・モーター
ズ、ベンタル・ディベロップメント・リミテッド（Bental
Motors Bental Development Ltd.）から市販されてい
るＢＭＢ−045型サーボモータを備えることが出来る。
該サーボ増幅器は、イスラエル49103のペタティクバ、
私書箱463−エルモ・モーション・コントロール・リミテッ
ド（Elmo Motion Control Ltd.）から市販されているモ
スフェットＰＷＭサーボ増幅器を備えることが出来る。
適当な位置センサは、フランス、コロンベス97200、コ
オリス１、クレーベル街48のＭＣＢから市販されている
Ｈ27−ＨＲ−27（セリエＨ−タイレ11）電位差計であ
る。適当な速度センサは、米国、バージニア州、ラッジ
フォードのコールモージェントコーポレーション（Koll
morgent Corporation）の国内自動車部門から市販され
ている回転計である。

【００７４】次に、センサにより提供された入力データ
を使用してサーボアクチュエータを制御するＣＰＵ50が
利用可能な二つの方法について説明する。

【００７５】その方法１は、次の段階を備える。

【００７６】ａ．次の入力を測定するセンサから入力を
受け取る。

【００７７】１．FGS＝地面−構造体要素の荷重ベクト
ル（センサ６０） ２．FCL＝フレーム−ベルトの荷重ベクトル（センサ５
４） ３．FUS＝ユーザ−構造体要素の荷重ベクトル（センサ
５８） 荷重ベクトルの各々は、三つの線形力値及び三つのトル
ク値、又はモーメントを含む。

【００７８】ｂ．上記入力及びトルク値の関数として、
各足に対するベクトルＶを計算するため、従来のインピ
ーダンス制御方法を使用する。ここで、Ｖ＝個々の足の
構造体要素４４のフレーム１４に対する所望の速度ベク
トル。このＶベクトルは、それぞれＸ、Ｙ、Ｚ軸に対応
する三つの線形速度の値及び三つの角速度の値を含む。

【００７９】例えば、歩行中、又は走行中に足の枢動を
制御するため、可能な限り零に近いＦＵＳにする値をＶ
に割り当てる。相対的に遅い動作中、支承する脚部を制
御するため、可能な限り零に近いＦＵＬにする値をＶに
割り当てる。

【００８０】従来のインピーダンス制御方法は、遠隔操
作型ロボットに使用されており、特に、次の文献に記載
されている。

【００８１】１．米国、マサチューセッツ州、ケンブリ
ッジの1992年、ＭＩＴプレスにおけるシェリダン（Sher
idan）・Ｔ.Ｂ.による「遠隔操作式ロボット、自動化及
び人間の監督制御（Telerobotics, automation, and hu
man supervisory control）」。

【００８２】２．1985年3月の運動力学的システム、測
定及び制御ジャーナルの107、pp.1−7におけるホーガン
（Hogan）・Ｎによる「インピーダンス制御：マンピュレ
ーションへのアプローチ、第一部−理論編（Impedance
control: an approach to manipulation: part I−theo
ry）」。

【００８３】３．1985年3月の運動力学的システム、測
定及び制御ジャーナル107、pp.8−16におけるホーガン・
Ｎによる「インピーダンス制御：マンピュレーションへ
のアプローチ、第二部−理論編（Impedance control: a
n approach to manipulation: part II−theory）」。

【００８４】４．1985年3月の運動力学的システム、測
定及び制御ジャーナル107、pp.17−24におけるホーガン
・Ｎによる「インピーダンス制御：マンピュレーション
へのアプローチ、第三部−理論編（Impedance control:
an approach to manipulation: part III−theor
y）」。

【００８５】５．米国、カリフォルニア州、サンディエ
ゴの1990年の米国制御会議の議事録Vol.3、pp.2821−28
26におけるカゼローニ・Ｈ及びマホニィ（Mahoney）・Ｓ.
Ｌ.、による「人間−ロボットの相互作用における力の増
強（Force augmentation inhuman-robot interactio
n）」。

【００８６】６．1992年、 カナダ、トロント大学の機械
技術科のストラケバーグ（Strassberg）・Ｙによる「対
称型遠隔操作システムの制御方法（A control method f
or bilataral teleoperating systems）」。

【００８７】ｃ．各継手２４の位置及び速度に関する入
力を受け取ること。上述の速度ベクトルＶの関数とし
て、最終的な出力を計算するため、従来の逆運動力学及
び逆運動力学技術を利用する。上記最終的な出力は、所
望の速度ベクトルＶを得ることを可能にする。これら最
終的な出力は、隣接する各部分２２に対する各部分又は
リンク２２の所望の角速度を含み、該リンクは、各継手
２４に関係するサーボアクチュエータ８０の速度によっ
て作動される。従来の逆運動力学及び逆運動力学技術
は、各種のロボット適用例で使用されており、特に、次
の文献に記載されている。

【００８８】１．1988の米国、マサチューセッツ州、ケ
ンブリッジのＭＩＴプレスにおけるチァエ（Chae）・Ｈ.
Ａ.等による「ロボットマニプレータのモデルに基づく
制御（Model based control of a robot manipulato
r）」。

【００８９】２．1975年のアカデミックプレスにおける
デゾエア（Desoer）・Ｃ.Ａ.及びビディアサガー（Vidya
sagar）・Ｍ.による「フィードバックシステム：入力−
出力特性（Feedback systems：input-output propertie
s）」。

【００９０】３．1980年のアカデミックプレスにおける
レーフ（Leigh）・J.R.による「機能分析及び線形制御理
論（Functional analysis and linear control theor
y）」。

【００９１】４．1989年のジョン・ウィリー（John Wile
y）及びサンズ（Sons）におけるスポング（Spong）・Ｍ.
Ｗ.及びビディアサガー（Vidyasagar）・Ｍ.による「ロ
ボットの運動力学及び制御（Robot dynamics and contr
ol）」。

【００９２】５．1987年のロボット工学及び自動化のIE
EE・ジャーナル（Journal）−Vol.RA-3、No.4、pp.345−
351におけるスポング・Ｍ.Ｗ.及びビディアサガー・Ｍ.に
よる「非線形ロボット制御のための線形補償設計（Robo
t linear compensator design for nonlinear robotic
control）」。

【００９３】６．1978年のプレゼンティク・ホール（Pre
sentic-Hall）におけるビディアサガー・Ｍによる「非線
形システムの分析（Nonlinear systems analysis）」。

【００９４】その方法２は、次の段階を備えることが出
来る。

【００９５】ａ．次の入力を測定するセンサから入力を
受け取る。

【００９６】１．センサ５２−フレーム／荷重の相互作
用力及びトルク。

【００９７】２．センサ６２−慣性加速度及び速度。

【００９８】ｂ．段階ａの出力を利用して、フレーム１
４に対する荷重４０の相対速度を計算する。

【００９９】１．人間のユーザの動作方向に対する荷重
４０の質量中心は、人間のユーザに対して可能な限り一
定であるようにする。

【０１００】２．人間のユーザの動作方向に対する垂直
な水平方向への荷重４０の質量中心は、可能な限り一定
であるようにする。

【０１０１】ｃ．段階ｂの出力を利用して、荷重安定装
置６８を制御するサーボシステム６６に対する命令を出
す。

【０１０２】次に、図６を再度、参照する。図６の足−
地面の相互接続部材４８の特別な特徴は、足によって形
成された縦軸線に沿って地面との接触面積を設定する弾
性要素を備える点である。このため、弾性要素と地面と
の間の零モーメント箇所は、人間のユーザの動作に従っ
て変位する。具体的には、相互接続部分４８は、典型的
に、人間のユーザの踵が地面に接触したとき、エネルギ
を貯蔵し、又、人間のユーザが地面からつま先が離れる
と、その貯蔵エネルギを放出する作用を果たす。

【０１０３】この弾性要素は、剛性が変位し、踵が接触
するときは剛性は比較的小さいが、踵が地面から離れる
とき、剛性は比較的大きいような形態とすることが望ま
しい。

【０１０４】この足−地面の相互接続部材は、例えば、
足接触部材と、この足接触部材と蝶番止めの関係にある
地面接触部材と、一端が足接触部材に取り付けられ、そ
の他端が地面接触部材に取り付けられたばねのような弾
性部材と、を備えることが出来る。

【０１０５】図６の装置は、次の弾性要素を備えること
が出来る複数の弾性要素を備えることが望ましい。

【０１０６】ａ．相互接続部分４２に関係し、人間の上
半身に作用する力を吸収する作用可能な弾性要素７０
（図２１）。該弾性要素７０は、人間の背中の相対的に
小さい部分に対応する形態とし、人間の背中の相対的に
大きい部分、特に、その肩部分が妨害されずに、自由に
動作可能である形態とすることが望ましい。弾性は、ば
ね及び／又は弾性発泡材のような弾性材料により提供す
ることが出来る。

【０１０７】弾性要素７０は、ベルト５６と一定状態に
関係付けることが望ましい。ベルト５６及び弾性要素７
０は、人間の体に着脱可能に取り付けることが望まし
い。

【０１０８】ｂ．相互接続部分４６に関係する弾性要素
７２。該弾性要素７２は、全体として弾性要素７０に類
似する。弾性は、ばね及び／又は弾性発泡材のような弾
性材料により提供することが出来る。

【０１０９】ｃ．相互接続部分４８に関係する弾性要素
７４。該弾性要素７４は、図１９に示してある。

【０１１０】ｄ．フレーム１４と荷重４０との相互接続
部分１６に関係し、フレームと荷重との間の相互作用力
を吸収する作用可能な弾性要素９０。該弾性要素９０
は、図２０に示してある。

【０１１１】図示した実施例において、弾性要素７４
は、受動的であるが、弾性要素７４は能動的とし、即
ち、図８のＣＰＵ50により最終的に制御されるようにす
ることも可能であることを理解すべきである。

【０１１２】部分２２は、軽量で且つ構造的に堅牢な形
態とすることが望ましく、例えば、中空の金属ロッドを
備えることが出来る。

【０１１３】図２０に詳細に図示した荷重安定化要素６
８は、荷重４０を人間のユーザに対して安定させ、ユー
ザが横方向への動作又は曲げ動作及び伸長動作を行うと
きでさえ、荷重４０及びその中身が人間のユーザに対し
有害な荷重を付与しないようにする。

【０１１４】典型的に、電子ボックス８４が荷重４０と
関係する状態に設けられ、該ボックス８４は、ＣＰＵ50
のような装置の電子構成要素、慣性検出システム６２、
サーボシステム６４、６６のサーボ増幅器及び電源８６
（図８）を備えている。

【０１１５】図２０は、荷重４０、荷重安定化装置６
８、弾性要素９０及びフレーム１４の図解図である。図
示するように、荷重４０は、人間のユーザが移動するこ
とを希望する物品、又は荷重がその内部に配置された容
器を備えている。この荷重４０は、矢印９２、９４で示
すように、２°の自由度にて荷重安定化装置６８に取り
付けられる。

【０１１６】荷重安定化装置６８は、フレーム１４の水
平部分に固定状態で取り付けられる。該荷重安定化装置
６８は、二つの直立部分９５を備えている。フレーム９
７が望ましくはモータ９６により駆動されて、該安定化
装置６８に枢動可能に関係する。荷重４０は、二つの枢
動継手９８を介してフレーム９７と枢動可能に関係し、
モータ９９によりその枢動動作を駆動することが望まし
い。モータ９６、９９の各々は、例えば、バージニア
州、24141、ラッドフォードのコールモージェント・コー
ポレーション（Kollmorgent Corporation）、国内自動
車部門から市販されている直接駆動直流トルクモータと
することが出来る。

【０１１７】センサ５２は、フレーム１４に取り付けら
れる。センサ５２と荷重４０との中間には、ばねとする
ことが出来る弾性要素９０が設けられる。

【０１１８】図２１は、荷重フレーム１４と図６のベル
ト５６との関係を示す詳細な側面図である。

【０１１９】図２２は、本発明の別の実施例に従って形
成され且つ作用する外骨格装置の図解図である。図２２
の装置は、人間のユーザによるベダル踏み動作を容易に
するのに適する。図２２の装置は、全体として、図６の
装置と同様である。例えば、図２２の要素５１０、５２
２、５２４、５２５は、図６の要素１０、２２、２４、
２５とそれぞれ同様にすることが出来る。しかし、図６
のコネクタ２５と異なり、図２２のコネクタ５２５は、
僅かに１°の自由度しかない、即ち、ペダル５３０の回
転面内に位置している。

【０１２０】図２２では、荷重４０及び該荷重に関係す
る要素は省略されているが、荷重４０及び該荷重に関係
する要素は、図２２のペダル踏み動作を容易にする装置
と共に設けることも可能であることが理解される。

【０１２１】図２３は、コネクタ２５の図解図である。
図示するように、コネクタ２５は、第一の臀部継手２７
と、第二の臀部継手２９とを備えている。図示した実施
例において、臀部継手の各々は、矢印３１で示すよう
に、受動的な１°の枢動動作と及び矢印３３、３５で示
すように、能動的な２°の枢動動作とが可能である。矢
印３３で示す方向への動作は、モータ３７により作動さ
れる一方、矢印３５で示した方向への動作は、モータ３
９により作動される。矢印３１、３３、３５で示した三
つの全ての方向への位置及び速度情報は、上述の方法１
の段階ｃにて利用することが望ましい。

【０１２２】次に、図２４乃至図２８を参照しつつ、ペ
ダル踏み動作を容易にするのに適した外骨格装置の制御
装置について説明する。

【０１２３】本発明の外骨格装置は、人間のオペレータ
の動作により作動され、オペレータが支承する外部荷重
を支持する働きをする。これとは別に、該装置は、オペ
レータ自身の体重の一部を支持するようにしてもよい。

【０１２４】作用時に、人間のオペレータは、装置を安
定させる機能を果たし、所望の方向への動作を開始す
る。該装置は、該装置の管理制御に必要な任意の空間的
自由度をオペレータに許容し、装置が該装置の安定性を
損なう虞れのある臨界的な状態に接近したときにしか介
入しない。

【０１２５】装置が作動するときの状態は、三つの種類
に分けることが出来、その最初の二つには、「臨界的」
という語が当てはまる。即ち、１）全体として不安定な
領域、２）装置がその全体的な安定性を維持する機能を
果たす領域、３）オペレータが装置の全体的な安定性を
維持する機能を果たす領域である。

【０１２６】本発明の制御システムは、次の機能を果た
すことが望ましい。

【０１２７】ａ）オペレータと装置との相互作用、及び
装置と周囲状況との相互作用を制御すること。

【０１２８】ｂ）オペレータが装置の駆動、制御及び安
定化を行うことを許容すること。

【０１２９】ｃ）オペレータが支配し得ない必須の状況
変動因子を含む全体的な安定性を確保すること。

【０１３０】ｄ）不確実な状況における性能標準を点検
すること。

【０１３１】次に、図２４の縦概略図を参照すると、本
発明の制御システムは、インピーダンス制御の原理を利
用するものがあることが分かる。これらの原理は、1985
年3月の運動力学的システム、測定及び制御ジャーナ
ル、Vol.107、pp.17−24において、ホーガン・Ｎ.により
「インピーダンス制御：マニプレーョンへのアプロー
チ、第三部−応用編（Impedance Control: An Approach
to Manipulation: Part III−Applications）」に最初
に発表されたものである。

【０１３２】オペレータは、装置に力Ｆｈを付与する。
この力Ｆｈは、力センサ５００によって測定し、この力
センサ５００は、力信号Ｆｈ′を発する。次に、その力
信号Ｆｈ′は、所望のインピーダンスモデル５０２によ
って所望の速度信号Ｖｃに変換される。このＶｃは、力
が付与された時点における速度である。理想的な近似算
術法であるシステムのヤコブ行列式（Ｊ）がその所望の
力信号を一般的な力信号ｑ_cに変換し、この力信号は、
継手の座標系における力を表現する。この一般的な力信
号ｑ_cは、サーボ力ループ５０４に伝達され、このルー
プ５０４が実際の継手速度ｑを出力する。このｑに逆ヤ
コブ数を掛けることによって、オペレータと装置との相
互作用箇所における実際の力が計算される。システムの
作用を簡略化するため、概略図の全ての要素が理想の値
をとるようにする。ここで、Ｆｈ＝Ｆｈ′、ｑ＝ｑ_c、
Ｊ＝Ｊ′である。

【０１３３】図２５には、この理想的な状況が示してあ
る。理論的に、この図２５のシステムは、オペレータと
装置との間のインピーダンス又は相互作用を計算し、所
望の性能の値が得られるようにすることが出来る。この
所望のインピーダンス値が大きければ大きい程、より小
さい力Ｆｈを使用して、装置に可能な速度の値が益々増
大する。このため、制御システムは、所望のインピーダ
ンスモデルを使用して、力Ｆｈを付与することにより、
装置の速度Ｖを制御することが可能となる。

【０１３４】理想的な状況にあるとき、所望のインピー
ダンス値が大きければ大きい程、オペレータと装置との
相互作用は小さくなり、オペレータと装置との間に、
力、又はモーメントが生じるのに伴い、速度Ｖは、増
し、相互作用力Ｆｈを最小にする。このため、このオペ
レータによって「作動される」装置が形成される。実際
上の意味にて、理想的なシステムを形成することは不可
能であり、装置と地面の形状との運動学的相互作用に起
因して、相互作用力が発生する。この制御システムは、
こうした力を最小にすることを目的とする。

【０１３５】次に、図２６を参照しつつ、制御システム
及びその構成要素の作用について説明する。図２６に
は、人間にではなく、フィトネス用自転車に取り付けた
ときの装置の作用が示してある。装置が固定構造体によ
って支持されており、このため、構成要素の検査が容易
であるから、全体的な安定性への影響は、最小となる。
人間オペレータは、命令する立場にあり、又、自転車の
荷重付与機構を使用して、装置に荷重が加えられる。フ
ィトネス用自転車に取り付けたときの装置の作用につい
て、以下に詳細に説明する。

【０１３６】この機械的装置は、制御された閉ループサ
ーボアクチュエータにより作動される２°の能動的自由
度、及び１°の受動的自由度を含む３°の自由度を有す
ることが望ましい。図２６に示したこれら度の形態は、
次の事項を考慮したものである。

【０１３７】１．人間の脚の生体−機械的構造体に類似
した運動力学。運動力学のみを考慮すれば、自転車のペ
ダルを推進させるためには、１°の自由度があれば十分
である。しかし、３°の自由度、即ち、股、膝及び踝を
有するとして示してある人間の脚に対する自転車構造体
の類似性を増すため、実験では、３°の自由度を有する
形態を使用した。

【０１３８】２．歩行実験への適合性：歩行の横方向へ
の安定性を表現する４°の自由度が不要である、人間の
脚に運動力学的に適合する３°の形態とすることも、
又、歩行実験に適している。

【０１３９】この自転車の機械的構造体は、参照符号５
９８で示してある。二つの力ゲージ６００、６０２がア
ーム６０４の両側に配置されており、これは、受動的自
由度を意味する。ゲージ６００は、オペレータ装置の相
互作用によって発生された力を測定する一方、ゲージ６
０２は、装置及び自転車のペダル６０６によって発生さ
れた力を測定する。

【０１４０】これら２つのゲージからの出力の結果、オ
ペレータによる装置の作動が可能となり、この信号は、
装置に作用する外力を示す。自転車のペダル６０６は、
機械式アーム６０８によってペダルの軸線６１０に取り
付けられる。この時点で回転ベクトルの方向（矢印６１
２で図示）と常に反対方向となる荷重モーメントが測定
される。

【０１４１】制御システムは、二つの主ループを備えて
いる。即ち、計算トルク法に基づく内部速度ループ、及
びインピーダンス制御方法に基づく外力ループである。
この形態は、臨界的な状態のときでさえ、装置を作動さ
せることを可能にする。

【０１４２】自転車の実験に使用した要素は、図２７に
概略図で示してある。ブロック７００で示した人間オペ
レータは、自転車に乗っている間に、装置の足支持部分
に力を加える。Ｆｈ_Rは、オペレータが右足支持部分７
０２に付与した力のベクトルである一方、Ｆｈ_Lは、オ
ペレータが左足支持部分７０４に付与した力のベクトル
である。Ｆｈ_R及びＦｈ_Lは、二つの力ゲージによって測
定され、その力ケージの出力は、それぞれＦｈ_R′及び
Ｆｈ_L′である。人間のオペレータによって付与された
力は、同様に装置のサーボ駆動機構に付与される。従っ
て、力Ｆｈ_R及びＦｈ_Lは、ヤコブＪ^TＲ及びＪ^TＬによっ
て、装置の継手に作用する荷重モーメントＴｈＲ及びＴ
ｈｌに転換される。同時に、右側及び左側それぞれのペ
ダルと足支持体との間の相互作用力Ｆｐ_R及びＦｐ_Lが測
定される。ゲージ７０６、７０８の出力信号は、それぞ
れ倍力係数７１０、７１２によって増幅され、その増幅
の結果を利用して、右足及び左足支持体のそれぞれに付
与される全体の力ΣＦ_R及びΣＦ_Lを計算する。

【０１４３】ΣＦ_R及びΣＦ_Lは、所望のインピーダンス
モデル７１４を使用して、所望の足支持体の速度Ｖ_RC及
びＶ_LCに変換される。この変換は、実際の速度に寄与し
ない方向への成分のような無効な速度成分を含まないよ
うに、自転車のペダルの状況の測定値を考慮に入れる。

【０１４４】これら所望の速度Ｖ_RC及びＶ_LCは、ヤコブ
モデルＪ′_R及びＪ′_Lによって継手の軸線内で所望の速
度値ｑ_RC及びｑ_LCに変換される。これらの値は、それぞ
れサーボループ７１６、７１８に出力され、これらのル
ープは、それぞれ実際の継手速度ｑ_R及びｑ_Lを発生させ
る。図２７に図示した制御装置の最外側ループは、最終
的に、人間のオペレータによって閉じられる。

【０１４５】次に、図２８を参照して速度ループについ
て、説明する。この速度ループは、三つの主な機能を果
たす。 １．速度の制御（インピーダンス制御装置により、所望
の速度出力を点検すること）。 ２．システムのパラメータに不確実さが生じたときの信
頼性を確保すること。 ３．結合の解除を制御すること。

【０１４６】速度ループの制御は、モデル制御アルゴリ
ズムに基づくもので、988年のＭＩＴプレスにおいてチ
ャエ（Chae）等が発表した「ロボットマニプレータのモ
デルによる制御（Moel Based Control of a Robot Mani
pulator）」に記載されたものが最も著名である。自転
車による実験において、ＣＴＴ（コンピュータトルク技
術（Computed Torque Technique））制御方法が最適で
ある。制御されるシステムの実際のモデルに関する知識
に基づいて、第一の段階として、モデルの全ての線形及
び非線形結合要素を除去する。次に、システム内に結合
要素が存在しないと仮定して、速度ループを閉じる。実
際上、実際のモデルは未知であるため、モデルから全て
の結合要素を除去することは不可能である。

【０１４７】図２８の概略図を参照すると、次のパラメ
ータが規定されている。 ｎ＝自由度の数 Ｆ_ex＝外力 ｑεＲⁿ＝一般的座標 Ｍ(ｑ)εＲ^nxn＝慣性マトリックス ｈεＲⁿ＝コリオリの力、求心力及び重力 ＵεＲⁿ＝一般的力の大きさに対する制御 Ｆ_exεＲⁿ＝外力ベクトル ｊεＲ^nxn＝装置のヤコブマトリックス ＵｄεＲⁿ＝干渉 Ｎ＜＝デカルトの空間寸法表現 Ｎ＜＝６ ここで、 Ｍ（ｑ）ｑ′′＋ｈ（ｑ、ｑ′）＝Ｕ＋Ｊ^TＦ_ex＋Ｕｄ 上記の等式は、自由度ｎ及び外力Ｆ_exと相互作用する体
の動作を表現する、本発明の装置のモデルとして機能す
る等式である。

【０１４８】付属書Ａは、図２２の装置の一部のソフト
ウェアを実行するフォルトランリストである。付属書Ａ
は、静止状態のペダル踏み動作を容易にするのに有用な
外骨格のソフトウェアシュミレーションである。

【０１４９】次に、歩行、走行及び荷重の支承動作を容
易にする外骨格装置の設計に有用な生体機械的条件につ
いて説明する。

【０１５０】一般に、人間−機械装置の歩行状態は、次
の三つの段階に分けることが出来る。即ち、両方の足が
地面に接触している二重支持状態、片脚が支持し、その
他方の脚支持しない単一支持状態、床に全く接触してい
ない飛翔状態である。

【０１５１】その段階の検出は、機械−地面の相互接続
部分（２２）内に取り付けられた力センサ出力に基づい
て行うことが出来る。

【０１５２】二重支持段階中、機械と人間、地面及び荷
重との相互接続部分における基準値（所望値）と測定運
動力との差を少なくする制御が行われる。故に、機械の
相互接続部分における基準値と測定運動力との差を少な
くする方法にて機械のアクチュエータに速度命令を発す
ることにより、機械の人間オペレータに対する運動学的
状態を維持することが出来る。

【０１５３】単一の支持及び飛翔状態中、制御装置は、
二重支持状態と同一の方法で作用するが、所望の相互接
続部分の運動力の値に対する基準レベルの設定値の点が
異なる。即ち、これらの段階（即ち、単一の支持状態及
び飛翔）は、片脚、又は両脚が地面に接触していないよ
うにする点で二重支持状態と異なる。旋回する脚（旋回
＝地面に接触していないこと）の相互接続部分（２２）
にて付与され、従って測定される力は、零又は零に極め
て近似する値である。機械とオペレータの旋回する脚の
運動力学とが所望の対応状態を維持し得るように、旋回
する脚の相互接続部分（１８２）における力の基準（所
望の）値は、零に設定する。

【０１５４】故に、単一支持状態の場合、旋回する脚の
相互接続部分（２２）、（１８２）における基準レベル
の設定値は、零に設定し、支持する脚の相互接続部分
（２２）、（１８２）における基準値及び相互接続部分
（１８１）、（２０）における基準値も上述の方法で計
算された所望の運動力の値に設定する。

【０１５５】歩行の飛翔段階中、装置の各構成要素は、
空中を自由物体として移動するため、全ての基準値が零
の値に設定される。人間オペレータがその身体部分を互
いに関して移動させると、機械は、全ての相互接続部分
の力をその零の基準値に設定し得るようにアクチュエー
タを作動させて、オペレータの動作に従う。

【０１５６】上述の制御論理は、典型的に、一つの段階
にの依存する、即ち、各脚が地面に接触しているか、又
は接触していないか、或は所定の順序、即ち、外観的な
段階の順序でないかどうかにのみ依存するため、歩行段
階の順序に依存しない。これは、制御装置が「通常の歩
行」として分類し得ない状況にて十分に制御機能を発揮
するのを可能にするため、一つの利点であると考えられ
る。例えば、同一の制御スキームにて、直立から屈曲
に、及びその逆に屈曲から直立に移行することに良好に
対応することが出来る。オペレータがその膝及び踝を曲
げて、その胴体部分を垂直方向に低くし始めるとき、胴
体−骨盤領域（相互接続部分１８１）における人間−機
械の相互接続部分の力は、その基準値を越えて増大し、
又、相互接続部分２２及び相互接続部分１８２にて測定
された力の差は、その基準値を上廻る。制御論理は、直
ちに機械のアクチュエータに速度命令を指令し、これら
の誤差を小さくし、その結果、機械の屈曲動作は、人間
のオペレータの屈曲動作に完全に追従する。

【０１５７】本発明の異なる実施例に記載した特徴は、
任意の適当な組み合わせにて提供することが出来、又、
多数の特徴を有する本明細書の各実施例は、これら多数
の特徴の一、又はその一部のみを実現可能にすることも
可能である。

【０１５８】当業者には、本発明は特に図示し且つ上述
した形態にのみ限定されないことが理解される。本発明
の範囲は特許請求の範囲の記載によってのみ限定される
べきである。

【０１５９】なお以下に、本発明における、静止した状
態のベダル踏み動作を容易にするのに有用な外骨格装置
のソフトウェアのシュミレーションをその注意事項と共
に表１〜表２３に示す。

【０１６０】「データファイルの入力及び出力に関する
注意事項」ユーザは、このプログラムに入力データファ
イルを供給することを要する。このファイルは、ファイ
ルネーム・イン（FILENAME.IN）と称し、このファイルネ
ームはこのプログラムの最初のラインから得られる。こ
のデータは、この注の後に続く読み取りの説明に従って
配置することを要する。

【０１６１】プログラムからの出力は、データファイル
に送られ、そのデータフアイルの名称は、各作動の完了
時にスクリーンに現れるる。各出力データファイルの第
１の欄は、ＰＳＴＥＰの増分毎に零からＴＭＡＸまで経
過する時間Ｔを含む。ＴＭＡＸ、ＰＳＴＥＰ作動時間
は、ユーザによってターミナルから入力され、ＳＴＥＰ
は、最初の一体化段階であり、その数は、ＰＳＴＥＰ以
下であるように選択する必要がある。又、ターミナル
は、作動を識別するメッセージに対してユーザの注意を
喚起する。このメッセージは、出力ファイルの各々に印
刷される。．ＯＵｎで終わる出力ファイルは、全体的な
速度及び全体的な座標の時間経歴を含み、．ＮＲＧで終
わるファイルは、運動エネルギ、潜在エネルギ及び総エ
ネルギの時間経歴を含む。．Ｈで終わるファイルは、角
度モーメントの時間経歴を含み、．ＣＯｎで終わるファ
イルは、制御命令の引数として現れる数の時間経歴を含
む。．ＳＰｎで終わるファイルは、特定の変数の時間経
歴を含む。．ＡＵｎで終わるファイルは、補助的な全体
的な速度に対応する力及び／又はトルクの測定値の時間
経歴を含む。

【０１６２】

【表１】

【表２】

【表３】

【表４】

【表５】

【表６】

【表７】

【表８】

【表９】

【表１０】

【表１１】

【表１２】

【表１３】

【表１４】

【表１５】

【表１６】

【表１７】

【表１８】

【表１９】

【表２０】

【表２１】

【表２２】

【表２３】

【図面の簡単な説明】

【図１】ユーザが立った位置にあるときの状態を示す、
本発明による装置の側面図である。

【図２】ユーザが歩行する状態のときの図１の装置の図
である。

【図３】ユーザが歩行、又は走行する状態のときの図１
の装置の図である。

【図４】ユーザの体重の一部を支承する装置が追加され
た、図３と同様の図である。

【図５】ユーザの足の下に第二の機械パッドが追加され
た図３と同様の図である。

【図６】ユーザと装置との相互接続部分及び装置と地面
との相互接続部分を示す、本発明による装置の概略図で
ある。

【図７】本発明による装置を構成する要素の概略図であ
る。

【図８】本発明による装置の幾つかの主要な構成要素の
概略図である。

【図９】マスター／スレーブ装置全体の概念を示す図で
ある。

【図１０】人間がスリーブを直接、制御する、本発明に
よる装置全体の概念を示す図である。

【図１１】インピーダンス制御過程の概略図である。

【図１２】理想的な状態にある図１１の装置を示す図で
ある。

【図１３】本発明による受動的な荷重支承装置の正面断
面図である。

【図１４】図１６の装置の側面図である。

【図１５】構造のより詳細を示す、図１３及び図１４の
装置の正面図である。

【図１６】図１６は、図１５の装置の側面図である。図
１６Ａは、図１５及び図１６の装置の臀部組立体の図で
ある。図１６Ｂは、図１６Ａの臀部組立体の別の図であ
る。図１６Ｃは、図１５及び図１６の装置の靴部分の図
である。図１６Ｄは、図１６Ｃの靴部分の別の図であ
る。

【図１７】靴底に取り付けられたエネルギ貯蔵装置を備
えることを特徴とする靴の側面図である。

【図１８】図１７の靴の底面図である。

【図１９】図６の相互接続部分４６と地面の間に挟持さ
れた図６の弾性構成要素７４の側面図である。

【図２０】図６の荷重４０、荷重安定化装置６８、弾性
構成要素９０及びフレーム１４の図解図である。

【図２１】図６の荷重フレーム１４とベルト５６との結
合状態を示す図である。

【図２２】人間ユーザによるベダル踏み動作を容易にす
るのに適した、本発明の別の実施例により構成し且つ作
用可能とされた外骨格装置の図解図である。

【図２３】図６のコネクタ２５の図解図である。

【図２４】本発明が作用するときに使用される制御シス
テムの基本的構造体を示す概略図的なベクトル図ある。

【図２５】図２４に示したシステムの理想的な概略図で
ある。

【図２６】フィトネス用自転車に取り付けられた本発明
の装置の作用を示す概略図である。

【図２７】フィトネス用自転車に取り付けられた装置が
作用するときに有用な制御システの概略図である。

【図２８】ＣＴＴ方法に基づくサーボ速度ループを示す
概略図である。

【符号の説明】

１０ 右脚部材 １２ 左脚部材 １４ 荷重フレーム １６ フレーム
／荷重の相互接続部分 １８ 右足部材 ２０ 左足部材 ２２ 脚部材の部分 ２４、２７、２
９ 継手 ２５ コネクタ ３２ 足乗せ台
の頂部分 ３４ 足乗せ台の底部分 ４０ 荷重 ４２ フレーム／ユーザの相互接続部分 ４４ 構造体部材 ４６ ユーザ／構造体部材 ４８ 構造体部
材／地面 ５２、５４ 荷重センサ ５６ ベルト ５８、６０ 荷重センサ ６２ 慣性検出
装置 ６４、６６ サーボシステム ６８ 荷重安定
化装置 ７０、７２、７４ 弾性要素 ８０ サーボア
クチュエータ ８２ 速度センサ ８４ 電子ボッ
クス ８６ 電源 ９０ 弾性要素 ９６、９９ モータ ９７ フレーム ９８ 継手

フロントページの続き (72)発明者 ギデオン・イシャイ イスラエル国ハイファ，ウォーレンバー グ・ストリート 33 (72)発明者 アーカディ・ゴットシュテイン イスラエル国ハイファ 34635，ウッジウ ッド・ストリート 12

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 足と地面との相互接続部材にして、 足により形成される長手方向軸線に沿って地面との接触
   面積を形成する弾性要素であって、 該弾性要素と前記地面との間の零モーメント点が人間の
   ユーザの動作に従って移動し得るようにした弾性要素を
   備えることを特徴とする足と地面との相互接続部材。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の足と地面との相互接続
   部材にして、 人間のユーザの踵が地面に接触するとき、エネルギを貯
   蔵し且つ人間のユーザのつま先が地面から離れるとき、
   その貯蔵されたエネルギを放出する作用可能であること
   を特徴とする足と地面との相互接続部材。
3. 【請求項３】 外骨格の制御方法にして、 少なくとも一つの荷重入力を受け取る段階と、 インピーダンス制御技術を利用して、該外骨格の少なく
   とも一部に対する所望の速度を計算する段階と、 外骨格内の複数の部分の各々に対し、隣接する別の部分
   に対する各部分の角速度を計算する段階と、を備えるこ
   とを特徴とする制御方法。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の制御方法にして、 前記計算段階が、 逆運動学技術を利用して複数の角速度を計算する段階を
   備えることを特徴とする制御方法。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の制御方法にして、 前記計算段階が、 逆力学技術を利用して複数の角速度を計算する段階を備
   えることを特徴とする制御方法。
6. 【請求項６】 足と地面との相互接続部材にして、 踵が接触している間は比較的小さく、踵が離れている間
   は比較的大きいように異なる剛性を有する形態である弾
   性要素を備えることを特徴とする足と地面との相互接続
   部材。
7. 【請求項７】 足と地面との相互接続部材にして、 足接触部材と、 該足接触部材に蝶番止めされた関係にある地面接触部材
   と、 一端にて該足接触部材に取り付けられ、その他端にて地
   面接触部材に取り付けられた弾性部材と、を備えること
   を特徴とする足と地面との相互接続部材。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の部材にして、 前記弾性部材がばねを備えることを特徴とする部材。
9. 【請求項９】 荷重の安定化制御方法にして、 少なくとも一つの荷重入力及び慣性入力を受け取る段階
   と、 荷重の質量の中心を該荷重の支承者に対して略静止状態
   に維持する荷重に対する相対的速度を計算する段階と、 該計算段階の結果に従って荷重安定化命令を発生させる
   段階と、を備えることを特徴とする荷重の安定化制御方
   法。
10. 【請求項１０】 ユーザが地面を横断する間に荷重を支
    承するのを支援する外骨格装置にして、 ユーザの右足に取り付けられ、右脚部材の荷重を直接、
    地面に伝達する右脚部材と、 ユーザの左足に取り付けられ、左脚部材の荷重を直接、
    地面に伝達する左脚部材と、 前記右脚部材に接続された右足部材と、 前記左脚部材に接続された左足部材と、 前記右足部材に接続され、エネルギを貯蔵し且つ回復す
    る装置と、 前記左足部材に接続され、エネルギを貯蔵し且つ回復す
    る装置と、 荷重に接続され、前記右脚部材及び前記左脚部材に更に
    接続された荷重／ユーザリンクであって、ユーザによっ
    て前記荷重／ユーザリンクに付与された荷重が装置の移
    動を案内する作用を果たすように位置決めされた荷重／
    ユーザリンクと、を備えることを特徴とする外骨格装
    置。
11. 【請求項１１】 ユーザが地面を横断する間に荷重を支
    承するのを支援する外骨格装置にして、 ユーザの右足に取り付けられ、右脚部材の荷重を直接、
    地面に伝達する右脚部材であって、臀部組立体を有する
    右脚部材と、 ユーザの左足に取り付けられ、左脚部材の荷重を直接、
    地面に伝達する左脚部材であって、臀部組立体を有する
    左脚部材と、 前記右脚部材に接続された右足部材と、 前記左脚部材に接続された左足部材と、 荷重に接続され、前記右脚部材及び前記左脚部材に更に
    接続された荷重／ユーザリンクであって、ユーザによっ
    て前記荷重／ユーザリンクに付与された荷重が装置の移
    動を案内する作用を果たすように位置決めされた荷重／
    ユーザリンクと、を備えることを特徴とする外骨格装
    置。
12. 【請求項１２】 請求項１０又は１１に記載の装置にし
    て、 前記荷重／ユーザリンクがユーザの背中付近に配置され
    ることを特徴とする装置。
13. 【請求項１３】 請求項１０乃至１２に記載の装置にし
    て、 前記荷重／ユーザリンクが略リング状の形状であり、ユ
    ーザをその略中央部分で囲繞することを特徴とする装
    置。
14. 【請求項１４】 請求項１０乃至１３の何れかに記載の
    装置にして、 前記右脚部材及び前記左脚部材の各々が、 少なくとも二つの部材を備え、該部材が継手を介して互
    いに接続されることを特徴とする装置。
15. 【請求項１５】 請求項１０乃至１４の何れかに記載の
    装置にして、 前記荷重／ユーザリンクがユーザの体重の少なくとも一
    部を支持する装置を備えることを特徴とする装置。
16. 【請求項１６】 請求項１０乃至１５の何れかに記載の
    装置にして、 前記足部材の各々とユーザのそれぞれの足との間の荷重
    を検出するセンサと、 前記足部材の各々と地面との間の荷重を検出するセンサ
    と、 ユーザと前記荷重／ユーザリンクとの間の荷重を検出す
    るセンサと、 前記右脚部材のアクチュエータと、 前記左脚部材のアクチュエータと、 前記センサ及び前記アクチュエータに接続され、装置の
    動作を制御する制御システムと、を更に備えることを特
    徴とする装置。
17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の装置にして、 前記制御システムがインピーダンス制御システムである
    ことを特徴とする装置。
18. 【請求項１８】 請求項１０乃至１７の何れかに記載の
    装置にして、 前記ユーザ及び／又は装置及び／又は荷重からエネルギ
    を貯蔵し、該エネルギの少なくとも一部をユーザ及び／
    又は装置及び／又は荷重に戻すことを交互に行うエネル
    ギ貯蔵装置を更に備えることを特徴とする装置。
19. 【請求項１９】 請求項１８に記載の装置にして、 前記エネルギ貯蔵装置が前記足部材に接続されることを
    特徴とする装置。
20. 【請求項２０】 請求項１８に記載の装置にして、前記
    エネルギ貯蔵装置がばね機構を備えることを特徴とする
    装置。
21. 【請求項２１】 請求項１８に記載の装置にして、 前記エネルギ貯蔵装置が液圧機構を備えることを特徴と
    する装置。
22. 【請求項２２】 請求項１８に記載の装置にして、 前記エネルギ貯蔵装置が空気圧機構を備えることを特徴
    とする装置。
23. 【請求項２３】 請求項１１乃至２２の何れかに記載の
    装置にして、 前記臀部組立体が、ユーザの片足のみが地面に接触する
    とき、装置を安定化させる装置を備えることを特徴とす
    る装置。
24. 【請求項２４】 請求項２３に記載の装置にして、 前記装置の安定化装置が慣性安定化システムを備えるこ
    とを特徴とする装置。
25. 【請求項２５】 請求項１０乃至２４の何れかに記載の
    装置にして、踝継手を更に備えることを特徴とする装
    置。