JPWO2019093000A1 - 移動運動支援装置 - Google Patents

Abstract

使用者が違和感を覚えることなく使用者の移動運動を支援できる簡単な構成の、且つ汎用性が高い移動運動支援装置を提供する。移動運動支援装置（１、１０１）は、使用者Ｕの移動運動に必要な所定の関節の周りに装着され、移動運動に伴う所定の関節動作を支援するように駆動可能に構成された支援駆動部（２・３・４、１０４・１１４・１１５）と、使用者Ｕの胴体に設けられ、使用者Ｕの上体の運動を示す重心Ｃの変位（Ｇｙ、Ｇｘ）を検出する上体運動検出部（６、１０７）と、支援駆動部の動作を制御する制御装置５、１０５とを備え、制御装置５、１０５は、上体運動検出部の検出結果に基づいて、使用者Ｕの移動運動における位相（Φ）を推定し、所定の位相で支援駆動部を駆動する。【選択図】図３

Description

本開示は、使用者の移動運動を支援するべく使用者に装着される移動運動支援装置に関する。

近年、福祉や医療に用いるための装着型の動作補助装置の研究が盛んに行われている。このような動作補助装置の制御として、人間と装置との協調運動を実現する同調制御という制御方式が公知である（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１記載の同調制御では、装着者の関節の動作と、関節に装着された動作補助装置の関節部の動作との相互作用力を検出する相互作用力検出センサと、動作補助装置の関節部の関節角度を検出する関節角度センサと、検出した相互作用力及び関節角度に基づいて、装着者の関節の動作の位相を推定する位相推定部とによって位相取得部が構成され、装着者の屈曲可動部位の動作の位相を入力振動とする位相振動子モデルに基づいて、動作補助装置の関節部を同調制御している。特許文献２記載の同調制御では、装着者の股関節と股関節アクチュエータと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て同調制御を行っている。

また、装着式動作補助装置において、体重移動によって変化する静電容量を検出する反力センサを足の裏面に密着するように足の裏面の少なくとも２点以上に設けて荷重測定部とし、荷重測定部によって測定された各部分の荷重の変化により、重心位置を推定し、重心位置データに基づいて、装着者が足を前に出すタイミングと一致するように駆動モータの駆動タイミングを制御するものが公知である（特許文献３参照）。

国際公開２０１３／０９４７４７号 特開２０１７−４６９７７号公報 国際公開２００９／０８４３８７号

しかしながら、特許文献１、２に記載の動作補助装置では、動作を補助される装着者の関節と、補助装置の関節部（アクチュエータ）との相互作用力に基づいて関節部が制御されているため、関節部が補助力を発生させることで相互作用力が変化する。即ち、動作補助装置のセンサが検出する物理量は、動作補助装置と使用者との相互作用の結果であり、使用者単独の動きによるものではない。従って、アシスト力が強くなればなるほど、また、動作補助装置側の質量や摩擦、慣性モーメントが使用者のものに対して相対的に大きくなればなるほど、使用者の動作は相対的に小さくなり、使用者の動作が相互作用に及ぼす影響が小さくなる。このように、関節部の動作によって変化する相互作用力に基づいて制御が行われると、装着者は動作補助装置によって動作を強制されているような感覚になり、違和感を覚える。

また、特許文献３に記載の動作補助装置では、左右の足のそれぞれに２つ以上、合計４つ以上の反力センサを設けなければならない。また、各足のつま先及び踵に反力センサが設けられることによって装着者の体重の作用点の位置は検出できるが、反力センサの検出データから重心位置を正確に推定することはできない。例えば、装着者が健常者のように足関節を動かすことができない場合等は、推定した重心位置と実際の重心位置とのずれが大きくなる。そして、ずれた重心位置に基づいて補助力が付与されると、使用者が歩容やバランスに違和感を覚える虞がある。このように、特許文献３に記載の動作補助装置では、足の接地や離地のタイミングを検出してそのタイミングで正確に駆動モータを駆動することはできても、それ以外の正確なタイミングで駆動モータを駆動することはできない。従って、制御を適用可能な補助動作が限られ、汎用性に欠ける。

本発明は、このような背景に鑑み、使用者が違和感を覚えることなく使用者の移動運動を支援できる簡単な構成の、且つ汎用性が高い移動運動支援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、使用者（Ｕ）の移動運動を支援するべく前記使用者に装着される移動運動支援装置（１、１０１）であって、前記使用者の移動運動に必要な所定の関節の周りに装着され、移動運動に伴う所定の関節動作を支援するように駆動可能に構成された支援駆動部（２・３・４、１０４・１１４・１１５）と、前記使用者の胴体に設けられ、前記使用者の上体の運動（重心Ｃの変位）を検出する上体運動検出部（６、１０７）と、前記支援駆動部の動作を制御する制御部（５、１０５）とを備え、前記制御部は、前記上体運動検出部の検出結果に基づいて、前記使用者の移動運動における位相（Φ）を推定し、所定の位相で前記支援駆動部を駆動することを特徴とする。

ここで、移動運動とは、歩行運動の他、走行運動を含む。また、関節動作を支援するとは、補助力や補助トルクを人体に作用させるものの他、筋肉に刺激を与えて関節動作を促すものを含む。上体の運動は、使用者の重心や上体の重心の変位を含み、重心の変位とは、重心の位置の変化量の他、重心の速度や加速度を含む。

人間の移動運動は、重心を移動させる人体各部の動作を複合したものであり、関節動作を支援する支援駆動部を制御するためには、重心の変位に基づく制御を行うことが好ましい。この構成では、制御部が、使用者の重心の変位に基づいて使用者の移動運動における位相を推定し、所定の重心位置を意味する所定の位相で支援駆動部を駆動する。そのため、所望の重心位置で関節動作を支援でき、移動運動支援装置の汎用性が高い。その上、支援の作用が現れた重心に基づいて（フィードバックして）動作が支援されるため、動作の違和感を使用者に与えることなく関節動作の支援により移動運動を支援できる。また、使用者の胴体に設けられた上体運動検出部によって使用者の重心の変位を検出できるため、構成が簡単である。

また、上記構成において、前記制御部（５、１０５）は、前記上体運動検出部（６、１０７）の検出結果に基づいて、前記使用者（Ｕ）の脚の接地タイミングを推定し、推定した接地タイミング（０［ｒａｄ］）に対して所定の位相差（β）をもって前記支援駆動部（２・３・４、１０４・１１４・１１５）を駆動するとよい。

この構成によれば、接地タイミングにおける重心位置を基準にして支援駆動部を駆動できるため、様々な態様の動作補助を行うことができ、汎用性が高い。

また、上記構成において、前記上体運動検出部は、前記使用者の胴体の加速度（Ｇｙ、Ｇｘ）を検出する加速度センサ（６、１０７）であるとよい。

この構成によれば、安価な加速度センサを用いて使用者の重心の変位を検出することができる。

また、上記構成において、前記加速度センサは、前記使用者（Ｕ）の胴体の左右方向の横加速度（Ｇｙ）を検出する左右加速度センサ（６）を含むとよい。

人間の移動運動においては、接地している脚が左右に交互に切り替わることによって重心が左右に変化する。この構成によれば、同じ事象であっても事象を起こしている脚の左右に対応して現れる左右方向の横加速度を検出することにより、使用者の移動運動における位相を、左右を判別した上で推定することができる。

また、上記構成において、前記加速度センサは、前記使用者（Ｕ）の胴体の上下方向の加速度（Ｇｘ）を検出する上下加速度センサ（１０７）を含むとよい。

人間の移動運動においては、移動運動における主要且つ瞬間的な事象である脚の接地や離地が、胴体の上下加速度に比較的強い関連性をもって現れやすい。この構成によれば、移動運動における事象との関連性が高い胴体の上下加速度を検出することにより、使用者の移動運動における位相を適確に推定することができる。

また、上記構成において、前記支援駆動部（２・３・４）は、前記使用者（Ｕ）の大腿部に補助力（τ）を付与し、股関節の屈曲、伸展動作を補助するとよい。

この構成によれば、移動運動における主要且つ大きな力を必要とする股関節の屈曲、伸展動作を補助することができる。

また、上記構成において、前記支援駆動部（１０４・１１４・１１５）は、前記使用者（Ｕ）の足に補助力（τ）を付与し、足関節の底屈、背屈動作を補助するとよい。

この構成によれば、移動運動における主要な動作の１つであり、重心の変位に大きな影響を及ぼす足関節の底屈、背屈動作を補助することができる。

また、上記構成において、前記制御部（５、１０５）は、更に前記支援駆動部（２・３・４、１０４・１１４・１１５）を前記使用者（Ｕ）の上体の運動に協調させながら駆動するとよい。

この構成によれば、移動運動に伴う所定の関節動作を、使用者の上体の運動に協調させながら支援できるため、使用者が覚える違和感が軽減される。

また、上記構成において、前記制御部（５、１０５）は、前記支援駆動部（２・３・４、１０４・１１４・１１５）を、少なくとも前記使用者（Ｕ）の上体の回転速度又は傾斜角度に基づいた上体の運動に協調させながら駆動するとよい。

この構成によれば、使用者が、例えばナンバ歩行（２軸歩行）を行う際等にも、移動運動に伴う所定の関節動作を、使用者の上体の捩り（ヨー）運動等に協調させながら支援することができる。

このように本発明によれば、使用者が違和感を覚えることなく使用者の移動運動を支援できる簡単な構成の、且つ汎用性が高い移動運動支援装置を提供することができる。

第１実施形態に係る歩行補助装置の斜視図 重心位置を示す歩行中の人間の側面図 一定速度で歩行中の人間の重心の位置を示すタイムチャート 図１に示される制御装置の構成を示すブロック図 図４に示される左右変位位相演算部の構成を示すブロック図 図５に示される第１ローパスフィルタのボード線図 重心の左右変位位相に関する説明図 図４に示される左右変位位相補正部の構成を示すブロック図 重心の左右変位位相及び脚体の位相を示すタイムチャート 図４示される振動子位相演算部の構成を示すブロック図 図４示される補助力決定部の構成を示すブロック図 図４に示される制御装置による制御手順を示すフローチャート 図１２に示される重心の左右変位位相の算出処理の手順を示すフローチャート 第２実施形態に係る歩行補助装置の側面図 図１４に示される制御装置の構成を示すブロック図 人間の歩行運動における足関節の動作を示すタイムチャート

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、脚体等の左右を区別するために符号に続けて「Ｌ」及び「Ｒ」を用いるが、左右を区別する必要がない場合や左右成分を有するベクトルを表現する場合には当該符号を省略する。また、脚体（具体的には大腿部）の屈曲運動（前方運動）及び伸展運動（後方運動）を区別するために符号「＋」及び「−」を用いる。

まず、図１〜図１３を参照して本発明の第１実施形態を説明する。図１は、第１実施形態に係る歩行補助装置１の斜視図である。図１に示されるように、歩行補助装置１は、人間Ｐの使用者Ｕの胴体に装着されるメインフレーム２と、使用者Ｕの股関節部を中心にして変位し得るようにメインフレーム２に連結され、使用者Ｕの各脚体に装着される左右のサブフレーム３Ｌ、３Ｒと、左右のサブフレーム３Ｌ、３Ｒをメインフレーム２に対して変位させる左右の駆動源４Ｌ、４Ｒと、左右の駆動源４Ｌ、４Ｒの動作を制御するように構成されている制御装置５（図４参照）と、メインフレーム２に設けられ、使用者Ｕの胴体の左右方向の横加速度である左右加速度Ｇｙを検出する左右加速度センサ６と、左右の駆動源４Ｌ、４Ｒ及び制御装置５に電力を供給するバッテリ（図示せず）とを備えている。

メインフレーム２は硬質樹脂や金属等の剛性素材と繊維等の柔軟素材とが組み合わせられて構成され、使用者Ｕの腰部を後方から包むように湾曲形状に形成されており、メインフレーム２に連結されたベルト１１によって腰部に装着される。メインフレーム２の前面（腰部の背面に対向する位置）には、柔軟素材により形成された腰部サポータ１２が取り付けられている。

サブフレーム３Ｌ、３Ｒは、脚部サポータ１３Ｌ、１３Ｒとアーム部１４Ｌ、１４Ｒとを備えている。脚部サポータ１３は剛性素材と柔軟素材とが組み合わせられて構成され、左右の大腿部に装着される。アーム部１４は硬質樹脂又は金属により形成され、大腿部に沿って下方に伸びており、駆動源４の出力軸と脚部サポータ１３とを連結する。つまり、サブフレーム３Ｌ、３Ｒは、駆動源４を介してメインフレーム２に連結されている。

駆動源４はモータにより構成され、減速機構及びコンプライアンス機構のうち一方又は両方を適宜備えている。駆動源４は、制御装置５により所定の補助力τ（アシストトルク）を発揮するように制御された電力をバッテリから供給されることによりアーム部１４に動力を加える。アーム部１４に加えられた動力は、脚部サポータ１３を介して使用者Ｕの大腿に伝達される。

左右加速度センサ６は、使用者Ｕの重心Ｃに可能な限り近づくように、メインフレーム２の左右方向の中央近傍における駆動源４よりも若干高い位置、即ち重心Ｃの後方に設けられている。左右加速度センサ６は、メインフレーム２の使用者Ｕの重心Ｃに近い部分の左右加速度Ｇｙを検出し、左右加速度Ｇｙに応じた信号を出力する。左右加速度センサ６から出力された左右加速度Ｇｙを表す信号は、制御装置５に入力される。

図２は、重心Ｃの位置を示す歩行中の人間Ｐの側面図である。人間Ｐの歩行は、左右の脚体（下肢）の屈曲、伸展運動により行われる。一方、人間Ｐの歩行運動は、人間Ｐの重心Ｃを中心とする、左右の脚体や左右の腕体、胴体の運動の組み合わせである。人間Ｐの重心Ｃは、基本前額面上の股関節よりも若干高い位置にある。即ち、左右加速度センサ６（図１）は、メインフレーム２の人間Ｐの重心Ｃに近い部分の左右加速度Ｇｙを検出することで、模擬的に使用者Ｕの重心Ｃの左右加速度Ｇｙを検出する。

人間Ｐの重心Ｃは、人間Ｐが歩行している時に、上下方向、左右方向及び前後方向に変位する。なお、人間Ｐが一定の歩幅で歩行している場合、各歩行周期における人間Ｐの重心Ｃの上下方向の平均値は一定になるが、歩行周期内では人間Ｐの重心Ｃの上下方向の位置は変位する。以下、初期値（直立状態における電源オン時の値等）に対する上下方向の変位を重心Ｃの上下位置Ｐｘという。同様に、人間Ｐが直進歩行している場合、各歩行周期における人間Ｐの重心Ｃの左右方向の平均値は一定になるが、歩行周期内では人間Ｐの重心Ｃの左右方向の位置は変位する。以下、初期値に対する左右方向の変位を重心Ｃの左右位置Ｐｙという。一方、人間Ｐが一定速度で歩行している場合、各歩行周期における人間Ｐの重心Ｃの前後方向の平均速度は一定であるが、歩行周期内では人間Ｐの重心Ｃの前後方向速度は変化する。言い換えれば、人間Ｐの重心Ｃの前後方向の位置は、各周期における平均速度をもって移動する仮想重心に対して前後方向に変位する。以下、この仮想重心に対する前後方向の変位を重心Ｃの前後位置Ｐｚという。

左右の脚体の屈曲、伸展運動は、左右の股関節角度θ_Ｌ、θ_Ｒを変化させるものである。ここで、股関節角度θ_Ｌ、θ_Ｒは、人間Ｐを矢状面の法線方向から見た場合に、基本前額面を表す直線線分と、大腿部を表す直線線分とがなす角度として定義される。股関節角度θ_Ｌ、θ_Ｒは、大腿部が基本前額面より屈曲側（前方）にある場合は正（＋）である一方、大腿部が基本前額面より伸展側（後方）にある場合は負（−）であると定義される。腕体の屈曲、伸展運動は、肩関節角度を変化させるものであり、脚体の屈曲、伸展運動の反力を発生させることで胴体の捩れ運動を小さくする。

図１に示されるように、バッテリは、例えば、メインフレーム２の内部に収容されるようにメインフレーム２に固定されており、制御装置５及び駆動源４Ｌ、４Ｒに対して電力を供給する。なお、制御装置５及びバッテリのそれぞれはサブフレーム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。

制御装置５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、駆動源４Ｌ、４Ｒの動作、ひいては使用者Ｕに作用させる補助力τの制御処理を実行するように構成されている。制御装置５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５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。

このように構成された歩行補助装置１は、メインフレーム２及びサブフレーム３Ｌ、３Ｒを介して、バッテリを電源とする駆動源４の動力（補助力τ）を歩行補助力として使用者Ｕに作用させることにより、これを装着した使用者Ｕの歩行運動を補助する。

次に、図３を参照して、歩行運動における人間Ｐの重心Ｃの位置の変化について説明する。図３は、一定速度で歩行中の人間Ｐの重心Ｃの位置を示すタイムチャートである。グラフの横軸は時間を示し、グラフの縦軸は重心Ｃの位置を示している。重心Ｃの位置は、上記の上下位置Ｐｘ、左右位置Ｐｙ及び前後位置Ｐｚの３軸に分解して示されている。縦軸のプラスは、上、左及び前を意味し、縦軸のマイナスは、下、右及び後を意味する。また、図３には、左右のフットセンサの出力が併せて示されている。フットセンサは、右足の踵及びつま先の足裏に設けられており、踵が接地している時に１が出力され、つま先が接地している時に２が出力される。足裏の面全体が接地している時及び脚が接地していない時には０が出力される。フットセンサのメモリはグラフ右側に示されている。左脚は、右脚が離地する前に接地され、右脚が接地した後に離地する。

重心Ｃの上下位置Ｐｘは、歩行周期の１／２の周期を持っており、概ね左右の脚の接地及び離地の時に下側のピークが現れ、それらの間の時に上側のピークが現れるように変位する。重心Ｃの左右位置Ｐｙは、歩行周期と同じ周期を持っており、右足が接地している時（約４．４ｓ〜約５ｓの間）に概ね右に変位し、右足が接地していない時（概ね左脚が接地している時）に概ね左に変位する。左右位置Ｐｙのピークは、対応する側の脚の接地の後に現れている。重心Ｃの前後位置Ｐｚは、歩行周期の１／２の周期を持っており、概ね左右の脚の接地の後に後ろ側のピークが現れ、左右の脚の離地の前に前側のピークが現れるように変位する。

このように、重心Ｃの上下位置Ｐｘ、左右位置Ｐｙ及び前後位置Ｐｚは、歩行周期とそれぞれ関連をもっている。そのため、これらの少なくとも１つを検出することで、歩行周期の位相を推定することができる。本実施形態では、左右加速度センサ６によって重心Ｃの左右加速度Ｇｙが検出され、制御装置５が左右加速度Ｇｙから重心Ｃの左右位置Ｐｙを算出して歩行運動の位相を推定し、所定の位相で補助力τを発生するように駆動源４を制御する。

次に、制御装置５について説明する。図４は、図１に示される制御装置５の構成を示すブロック図である。図４に示されるように、制御装置５は、左右加速度センサ６により検出された重心Ｃの左右加速度Ｇｙに基づいて、後述の演算処理を実行することで、使用者Ｕの歩行運動における重心Ｃの位相である左右変位位相Φ及び歩行周波数ｆｒｅｑ等の各種値を算出する左右変位位相算出部２１を備えている。また、制御装置５は、左右変位位相算出部２１により算出された左右変位位相Φを補正する左右変位位相補正部２２、及び、左右変位位相補正部２２により補正された左右変位位相Φに基づいて、後述の演算処理を実行することで左右の脚体に対する補助力τ（τ_Ｌ、τ_Ｒ）を算出する補助力算出部２３を備えている。

補助力算出部２３は、左右変位位相補正部２２により補正された左右変位位相Φ及び歩行周波数ｆｒｅｑに基づいて、歩行補助装置１を装着した使用者Ｕの歩行周波数ｆｒｅｑに応じた位相振動子を用いた演算処理を実行することで、左右変位位相Φに同期振動する位相振動子の振動子位相Φ_ｃを演算する振動子位相演算部２４と、振動子位相演算部２４により演算された振動子位相Φ_ｃに基づいて、後述の演算処理を実行することで左右の脚体に対する補助力τを決定する補助力決定部２５とを備えている。

また、制御装置５は、補助力算出部２３が補助力τを算出する際に参照する目標位相差βを記憶する目標値記憶部２６を備えている。目標位相差βは、タブレット端末等の入力インターフェース２７の操作によって入力される。入力インターフェース２７は制御装置５に組み込まれていても、組み込まれていなくてもよい。

制御装置５は、電源がオンにされて通電されると、左右加速度センサ６の出力に基づいて決定した補助力τ_Ｌ、τ_Ｒを発揮するよう駆動源４Ｌ、４Ｒを駆動する。

次に、本実施形態の図４に示される左右変位位相算出部２１について説明する。図５のブロック線図に示されるように、左右変位位相算出部２１は、後述する演算又は処理を行う各種機能部（３１〜３８）を備える。そして、左右変位位相算出部２１は、これらの各機能部の処理を、制御装置５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。

左右変位位相算出部２１は、制御装置５の各演算処理周期において、まず、第１ローパスフィルタ３１の処理を実行する。第１ローパスフィルタ３１は、左右加速度センサ６が出力する重心Ｃの左右加速度Ｇｙに応じた信号から高周波成分を遮断し、低周波成分を通過させるローパス（ハイカット）処理を行う。図６は、第１ローパスフィルタ３１のボード線図を示している。第１ローパスフィルタ３１のカットオフ周波数は、（Ａ）のゲイン線図に示されるように、使用者Ｕの通常想定される歩行周波数以上に設定すること（２Ｈｚ〜３Ｈｚ）が好ましい。また、（Ｂ）の位相線図に示されるように、第１ローパスフィルタ３１を通過した重心Ｃの左右加速度Ｇｙ_ｆは、周波数の関数として表される位相特性φ１_ｆ（ｆｒｅｑ）を有する。

左右変位位相算出部２１は、第１ローパスフィルタ３１の処理を実行した後、図５に示される左右速度算出部３２の処理を実行する。左右速度算出部３２は、下式（１）に示されるように、第１ローパスフィルタ３１を通過した重心Ｃの左右加速度Ｇｙ_ｆを積分することで重心Ｃの左右速度Ｖｙを算出する。
Ｐｙ＝ΣＧｙ_ｆ ・・・・（１）

左右変位位相算出部２１は、左右速度算出部３２の処理を実行した後、図５に示される左右位置算出部３３の処理を実行する。左右位置算出部３３は、下式（２）に示されるように、左右速度算出部３２により算出された重心Ｃの左右速度Ｖｙを積分することで重心Ｃの左右位置Ｐｙを算出する。
Ｐｙ＝ΣＶｙ ・・・・（２）

左右変位位相算出部２１は、左右位置算出部３３の処理を実行した後、次に、図５に示される左右位置正規化部３４の処理を実行する。左右位置正規化部３４は、左右位置算出部３３により算出された左右位置Ｐｙを、１周期前の左右位置Ｐｙの最大値と最小値を用いた所定の規則に従って正規化し、正規化された左右位置Ｐｙ_ｎを出力する。具体的には、左右位置正規化部３４は下式（３）の演算を実行することにより（演算則に従って）左右位置Ｐｙを正規化する。
Ｐｙ_ｎ＝（Ｐｙ−（Ｐｙ_ＭＡＸ＋Ｐｙ_ＭＩＮ）／２）／{（Ｐｙ_ＭＡＸ−Ｐｙ_ＭＩＮ）／２} ・・・・（３）
但し、Ｐｙ_ＭＡＸ：歩行１周期前の最大左右位置、Ｐｙ_ＭＩＮ：歩行１周期前の最小左右位置である。

上記の式（３）で示される左右位置Ｐｙ_ｎの分子は、１歩前の歩行運動における左右位置Ｐｙの正のピークと負のピークの絶対値が等しくなるようにオフセットの除去を表しており、分母は、１歩前の歩行運動における左右位置Ｐｙの振幅を表している。従って、左右位置正規化部３４が式（３）の演算を実行することにより、左右位置Ｐｙは、使用者Ｕの歩行運動に応じて正規化される。

左右変位位相算出部２１は、左右速度算出部３２の処理を実行した後、併せて図５に示される左右速度正規化部３５の処理を実行する。左右速度正規化部３５は、左右速度算出部３２により算出された重心Ｃの左右速度Ｖｙを、１周期前の重心Ｃの左右速度Ｖｙの最大値と最小値を用いた所定の規則に従って正規化し、正規化された重心Ｃの左右速度Ｖｙ_ｎを出力する。具体的には、左右速度正規化部３５は下式（４）の演算を実行することにより（演算則に従って）重心Ｃの左右速度Ｖｙを正規化する。
Ｖｙ_ｎ＝（Ｖｙ−（Ｖｙ_ＭＡＸ＋Ｖｙ_ＭＩＮ）／２）／{（Ｖｙ_ＭＡＸ−Ｖｙ_ＭＩＮ）／２} ・・・・（４）
但し、Ｖｙ_ＭＡＸ：歩行１周期前の最大左右速度、Ｖｙ_ＭＩＮ：歩行１周期前の最小左右速度である。

上記の式（４）で示される重心Ｃの左右速度Ｖｙ_ｎの分子は、１歩前の歩行運動における重心Ｃの左右速度Ｖｙの正のピークと負のピークの絶対値が等しくなるようにオフセットの除去を表しており、分母は、１歩前の歩行運動における重心Ｃの左右速度Ｖｙの振幅を表している。従って、左右速度正規化部３５が式（４）の演算を実行することにより、重心Ｃの左右速度Ｖｙ_ｆは、使用者Ｕの歩行運動に応じて正規化される。

左右速度正規化部３５の処理及び左右位置正規化部３４の処理を実行した後、左右変位位相算出部２１は、位相抽出部３６の処理を実行する。位相抽出部３６は、左右速度正規化部３５により正規化された重心Ｃの左右速度Ｖｙ_ｎ及び左右位置正規化部３４により正規化された左右位置Ｐｙ_ｎに基づいて、例えば、逆正接演算を実行することにより左右変位位相Φ_ｒを算出する。具体的には、位相抽出部３６は、下式（５）を実行することにより、図７に示されるように重心Ｃの左右位置Ｐｙ_ｎ及び左右速度Ｖｙ_ｎの相平面における左右変位位相Φ_ｒを算出する。
Φ_ｒ＝arctan〈（−Ｖｙ／Ｖｙ_ＭＡＸ）／〔Ｐｙ−［｛（Ｐｙ_ＭＡＸ−Ｐｙ_ＭＩＮ）／２｝／（Ｐｙ_ＭＡＸ−Ｐｙ_ＭＩＮ）］〕〉 ・・・・（５）

式（５）から算出される左右変位位相Φ_ｒは、図７の相平面に模式的に示されているように、左右の脚体それぞれ１歩ずつの合計２歩を１周期とする歩行運動における運動進行状態を表している。

また、左右変位位相算出部２１は、位相抽出部３６の処理を実行した後、第２ローパスフィルタ３７の処理を実行する。第２ローパスフィルタ３７は、位相抽出部３６により算出された左右変位位相Φ_ｒに応じた信号から高周波成分を遮断し、低周波成分を通過させるローパス（ハイカット）処理を行う。第２ローパスフィルタ３７のカットオフ周波数は、第１ローパスフィルタ３１と異なり、使用者Ｕの通常想定される歩行周波数ｆｒｅｑの変化の周波数以上に設定すること（０．５Ｈｚ〜１Ｈｚ）が好ましい。第２ローパスフィルタ３７を通過した左右変位位相Φ_ｆは、周波数の関数として表される位相特性φ２_ｆ（ｆｒｅｑ）を有する。

また、左右変位位相算出部２１は、制御装置５の各演算処理周期において、上記処理と並行して歩行周波数推定部３８の処理を実行する。歩行周波数推定部３８は、重心Ｃの左右加速度Ｇｙに基づいて歩行周波数ｆｒｅｑを推定する。例えば、歩行周波数推定部３８は、高速フーリエ変換又はウェーブレット変換を使用して歩行周波数ｆｒｅｑを算出する。歩行周波数推定部３８が歩行周波数ｆｒｅｑを算出する際には、窓関数が掛け合わされるようにする。窓関数の区間は、複数歩分の重心Ｃの左右加速度Ｇｙが含まれるようにとるとよい。

制御装置５は、左右変位位相算出部２１の処理を実行した後、図８に示される左右変位位相補正部２２の処理を実行する。図８のブロック線図に示されるように、左右変位位相補正部２２は、後述する演算又は処理を行う各種機能部（３９〜４２）を備える。そして、左右変位位相補正部２２は、これらの各機能部の処理を、制御装置５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。

左右変位位相補正部２２は、歩行周波数推定部３８の処理及び第２ローパスフィルタ３７の処理を実行した後、位相遅れ量推定部３９の処理を実行する。位相遅れ量推定部３９は、第２ローパスフィルタ３７を通過した左右変位位相Φ_ｆが有する位相特性φ２_ｆ（ｆｒｅｑ）、第１ローパスフィルタ３１を通過した重心Ｃの左右加速度Ｇｙが有する位相特性φ１_ｆ（ｆｒｅｑ）、及び歩行周波数推定部３８により算出された歩行周波数ｆｒｅｑに基づいて、位相遅れ量ｄ_ｐを推定する。位相遅れ量ｄ_ｐは、下式（６）を演算することにより算出される。
ｄ_ｐ＝φ１_ｆ（ｆｒｅｑ）＋φ２_ｆ（ｆｒｅｑ） ・・・・（６）
この位相遅れ量ｄ_ｐは、信号がフィルターを通ることによるものである。他の実施形態では、フィルターを通る前の信号に対する遅れ量ではなく、フットセンサの信号出力タイミングに対する重心変位の遅れを位相遅れ量ｄ_ｐとしてもよい。

その後、左右変位位相補正部２２は、位相遅れ補正部４０の処理を実行する。位相遅れ補正部４０は、第２ローパスフィルタ３７を通過した左右変位位相Φ_ｆを、位相遅れ量推定部３９により算出された位相遅れ量ｄ_ｐに基づいて補正し、補正後の左右変位位相Φを出力する。具体的には、左右変位位相補正部２２は、下式（７）に表されるように左右変位位相Φ_ｆから位相遅れ量ｄ_ｐを減じる演算を行うことにより左右変位位相Φを算出する。
Φ＝Φ_ｆ−ｄ_ｐ ・・・・（７）

左右変位位相補正部２２は、位相遅れ補正部４０の処理を実行した後、位相制限部４１の処理を実行する。位相制限部４１は、位相遅れ補正部４０により算出された左右変位位相Φが２π［ｒａｄ］を超える場合に、左右変位位相Φの値を２πに制限する補正を行う。

左右変位位相補正部２２は、位相制限部４１の処理を実行した後、位相ホールド部４２の処理を実行する。位相ホールド部４２は、位相制限部４１により補正された左右変位位相Φが小さな値に逆戻りする場合に、逆戻りしないようにホールドする補正を行う。このようにして左右変位位相補正部２２により補正された左右変位位相Φ及び、図５に示される歩行周波数推定部３８により算出された歩行周波数ｆｒｅｑは、図４に示される補助力算出部２３に提供される。

左右変位位相補正部２２により補正された左右変位位相Φは、プラス側（左側）の左右位置Ｐｙのピークの時（左右速度Ｖｙがプラスから０になった時）に０［ｒａｄ］となるように算出される。図９は、左右変位位相Φと共に脚体の位相を示すタイムチャートである。脚体の位相としては、図２に示される左右の股関節角度θ_Ｌ、θ_Ｒを計測し、左右の股関節角度θ_Ｌ、θ_Ｒを用いて同様の手法でそれぞれ算出した左右の股関節角位相と、左右の股関節角度θ_Ｌ、θ_Ｒから左右の脚体がなす股関節の角度、即ち差分角θを算出し、差分角θを用いて同様の手法で算出した差分角位相とが示されている。

なお、差分角θは、図２に示されるように左脚の右脚に対する屈曲角度であり、右脚が左脚よりも屈曲側（前方）にある場合に正値になり、左脚が右脚よりも伸展側（後方）にある場合に負値になるものとして算出されている。使用者Ｕが両足を揃えて直立した状態等では、左右の股関節角度θ_Ｌ、θ_Ｒが同一になるため、差分角θは０になる。

図９に示されるように、左右の股関節角位相は、歩行周期の１／２だけ互いに異なるタイミングをもって概ね同様の形状で現れており、対応する脚の接地タイミングの若干前に０［ｒａｄ］になる。差分角位相は、脚の屈曲と伸展とで股関節角度θ_Ｌ、θ_Ｒの変化が異なることから、左右の股関節角位相と若干異なる形状で現れるものの、右の股関節角位相と同期して現れており、右の股関節角位相と概ね同じタイミングで０［ｒａｄ］になる。これらと比較してわかるように、左右変位位相Φは、差分角位相に近い形状で現れており、差分角位相に対して所定の位相差をもって現れている。この位相差は健常者では概ね一定であり、左右変位位相Φが０［ｒａｄ］になった時点が左脚の接地タイミングから所定の位相差だけ進んだ状態である。従って、左右変位位相Φから左右の脚の接地タイミングを推定することができる。なお、差分角位相の詳細については、本出願人による特許第５９３８１２４号を参照されたい。

次に、本実施形態の図４に示される振動子位相演算部２４について、図１０のブロック線図を参照して説明する。振動子位相演算部２４は、後述する演算又は処理を行う各種機能部として、振動子固有角振動数算出部４３及び位相振動子積分演算部４４を備える。そして、振動子位相演算部２４は、これらの機能部（４３、４４）の処理を、制御装置５の所定の演算処理周期で実行する。

振動子固有角振動数算出部４３は、図５に示される歩行周波数推定部３８により推定された歩行周波数ｆｒｅｑに基づいて振動子の固有角振動数である振動子固有角振動数ω_ｏを算出する。具体的には、振動子固有角振動数算出部４３は、下式（８）に示される演算を実行することにより振動子固有角振動数ω_ｏを算出する。
ω_ｏ＝２π×ｆｒｅｑ ・・・・（８）

なお、式（８）に従って算出される振動子固有角振動数ω_ｏは、歩行補助装置１を装着した使用者Ｕの歩行周波数ｆｒｅｑに基づく変数であるが、振動子固有角振動数算出部４３が目標歩行周波数として予め設定される定数を保持してもよいし、歩行周波数ｆｒｅｑにローパスフィルタを適用したものを用いてもよい。

振動子位相演算部２４は、振動子固有角振動数算出部４３の処理を実行した後、位相振動子積分演算部４４の処理を実行する。位相振動子積分演算部４４は、図８に示される左右変位位相補正部２２により補正された左右変位位相Φを入力として、上記振動子の固有角振動数ω_ｏに基づいて左右変位位相Φに同期して振動する位相振動子の振動子位相Φ_ｃを出力する。具体的には、位相振動子積分演算部４４は、下式（９）に示される微分方程式を解くことにより、即ち左右変位位相Φと位相振動子との位相差を加味して、固有角振動数ω_ｏに応じた位相振動子の位相変化の積分演算を実行することにより、同期振動した振動子位相Φ_ｃを算出する。
ｄΦ_ｃ／ｄｔ＝ω_ｏ＋ｆ（Φ−Φ_ｃ＋α） ・・・・（９）
但し、ｆ（ｘ）は関数を表しており、αは振動子位相Φ_ｃを調整する補助目標位相差である。補助目標位相差αには、フィルターによる遅れやフットセンサ値からの遅れや進みを示す位相遅れ量ｄ_ｐの値が用いられる（即ち、α＝ｄ_ｐ）。ｆ（ｘ）には、ｘが０の近傍（例えば−π／４からπ／４までの範囲）で単調増加するような関数を使用することが好ましい。ｆ（ｘ）として、例えば、下式（１０）を用いることができる。
ｆ（ｘ）＝Ｋsin（ｘ） ・・・・（１０）
但し、Ｋ：定数である。

次に、本実施形態の図４に示される補助力決定部２５について説明する。図１１のブロック線図に示されるように、補助力決定部２５は、後述する演算又は処理を行う各種機能部（４５、４６）を備える。そして、補助力決定部２５は、これらの各機能部の処理を、制御装置５の所定の演算処理周期で実行する。

補助位相演算部４５は、振動子位相演算部２４により演算された振動子位相Φ_ｃを、補助すべきタイミングで補助力τが発揮されるように調整する。具体的には、補助位相演算部４５は、下式（１１）の演算を実行することにより補助力位相Φ_ａｓを算出する。
Φ_ａｓ＝Φ_ｃ−β ・・・・（１１）
但し、β：目標位相差である。つまり、補助位相演算部４５は、演算された振動子位相Φ_ｃから補助すべき位相で補助力τを発揮させるための目標位相差βを減じることにより、設定されたタイミングで補助するように調整された補助力位相Φ_ａｓを算出する。目標位相差βは、屈曲運動の補助力に対する値と、伸展運動の補助力に対する値との両方を、図４に示される入力インターフェース２７において別々に設定可能であり、目標値記憶部２６に記憶されている。

目標位相差βには、使用者Ｕを倒立振子として制御しつつ歩行運動を支援し得る値が設定されている。即ち、目標位相差βは、立脚終期（ＴＳｔ）の脚の接地点に対して重心Ｃの位置を前方或いは左右の遊脚側に位置させることで使用者Ｕの重心Ｃの移動（重心Ｃの前方或いは左右への移動）を促すと共に、所望の歩幅或いは所望の歩行ピッチで重心Ｃの移動に脚体のピッチを同期させた遊脚の接地によって転倒を防止することで歩行運動を支援する倒立振子制御における歩行ピッチや歩幅のパラメータである。目標位相差βには、そのような位相差のベース値が設定される。

また、補助力決定部２５は、補助位相演算部４５の処理を実行した後、左右補助力演算部４６の処理を実行する。左右補助力演算部４６は、重心Ｃの左右位置Ｐｙの補助力位相Φ_ａｓに基づいて左右の補助力τ_Ｌ、τ_Ｒを演算する。具体的には、左右補助力演算部４６は、下式（１２）及び（１３）の演算を実行する。
τ_Ｌ＝Ｇ×sinΦ_ａｓ ・・・・（１２）
τ_Ｒ＝−τ_Ｌ ・・・・（１３）
但し、Ｇ：ゲインである。ゲインＧは補助力τの強弱を設定するための係数であり、歩行補助装置１を装着する使用者Ｕの使用目的や使用時の体調等に応じて異なる値に設定される。

或いは、左右補助力演算部４６が下式（１４）の演算、即ち補助力位相Φ_ａｓに応じて補助力τが予め定められたマップ（或いはテーブル）を参照することにより左補助力τ_Ｌを求めてもよい。
τ_Ｌ＝ＬＵＴ（Φ_ａｓ） ・・・・（１４）

制御装置５が以上の処理を所定の演算処理周期で実行し、算出された左右の補助力τ_Ｌ、τ_Ｒを発揮するように左右の駆動源４Ｌ、４Ｒに電力を供給することにより、歩行補助装置１を装着した使用者Ｕの歩行運動が補助される。

制御装置５は以上のように構成されている。図１２は、図４に示される制御装置５による制御手順を示すフローチャートである。制御装置５は、電源がオンにされると、図１２に示される処理を、所定の演算処理周期で実行する。

制御装置５は、最初に、目標値記憶部２６にアクセスし、設定されている目標位相差βを読み込む（ステップＳＴ１）。続けて、制御装置５は、左右変位位相算出部２１（図４）において、左右加速度センサ６により検出された重心Ｃの左右加速度Ｇｙに基づいて、重心Ｃの左右変位位相Φの算出処理を実行する。

図１３は、図１２に示される重心Ｃの左右変位位相Φの算出処理の手順を示すフローチャートである。制御装置５は、まず重心Ｃの左右加速度Ｇｙを取得し（ステップＳＴ１１）、左右速度算出部３２（図５）において、取得した重心Ｃの左右加速度Ｇｙを積分して重心Ｃの左右速度Ｖｙを算出し（ステップＳＴ１２）、左右位置算出部３３（図５）において、算出された重心Ｃの左右速度Ｖｙを積分して重心Ｃの左右位置Ｐｙを算出する（ステップＳＴ１３）。

続いて、制御装置５は、位相抽出部３６（図５）において、重心Ｃの左右位置Ｐｙに基づいて、上式（５）を実行することで左右変位位相Φ（Φ_ｒ）を算出する（ステップＳＴ１４）。その後、制御装置５は、位相遅れ量推定部３９（図８）及び位相遅れ補正部４０（図８）において、上式（６）及び（７）を実行することで左右変位位相Φに対して、位相遅れ量ｄ_ｐを補償する補正を行う（ステップＳＴ１５）。続けて、制御装置５は、位相制限部４１（図８）において、左右変位位相Φが２π［ｒａｄ］を超える場合に、左右変位位相Φの値を２πに制限する補正を行い（ステップＳＴ１６）、位相ホールド部４２（図８）において、左右変位位相Φが小さな値に逆戻りする場合に、逆戻りしないように位相逆戻り防止ホールド計算を実行することで、左右変位位相Φをホールドする補正を行う（ステップＳＴ１７）。

図１２に戻って説明を続ける。制御装置５は、ステップＳＴ２での重心Ｃの左右変位位相Φの算出処理後、振動子位相演算部２４の振動子固有角振動数算出部４３（図１０）において、歩行周波数ｆｒｅｑに基づいて上式（８）を実行することで、振動子固有角振動数ω_ｏを算出する（ステップＳＴ３）。その後、制御装置５は、位相振動子積分演算部４４（図１０）において、上式（９）を実行することで、上記振動子の固有角振動数ω_ｏに基づいて左右変位位相Φに同期して振動する位相振動子の振動子位相Φ_ｃを算出する（ステップＳＴ４）。

次に、制御装置５は、補助力決定部２５の補助位相演算部４５（図１１）において、目標位相差βに基づいて、上式（１１）を実行することで、補助力位相Φ_ａｓを算出する（ステップＳＴ５）。その後、制御装置５は、補助力決定部２５の左右補助力演算部４６（図１１）において、上式（１２）〜（１４）のいずれかを実行することで、左右の補助力τ_Ｌ、τ_Ｒを算出し（ステップＳＴ６）、算出された左右の補助力τ_Ｌ、τ_Ｒを出力する（ステップＳＴ７）。制御装置５は、以上の手順を繰り返すことで、歩行補助装置１を装着した使用者Ｕの歩行運動を補助する。即ち、制御装置５は、股関節動作を支援するように駆動可能に構成された支援駆動部をなすメインフレーム２、サブフレーム３及び駆動源４を、使用者Ｕの重心Ｃの変位（運動）に協調させながら駆動する。

以下、このように構成された歩行補助装置１の作用効果を説明する。歩行補助装置１は、使用者Ｕの胴体に設けられ、使用者Ｕの重心Ｃの左右変位を検出する左右加速度センサ６を備え、制御装置５が、左右加速度センサ６の検出結果に基づいて使用者Ｕの歩行運動における左右変位位相Φを推定し、所定の重心Ｃの左右位置Ｐｙを意味する所定の補助力位相Φａｓで左右の駆動源４Ｌ、４Ｒを駆動する。このように、歩行補助装置１は重心Ｃの所望の左右位置Ｐｙで股関節動作を補助できるため、汎用性が高い。その上、補助の作用が現れた重心Ｃに基づいて（重心Ｃの左右変位をフィードバックして）歩行運動が支援されるため、歩行運動の違和感を使用者Ｕに与えることなく、股関節動作の補助により歩行運動を支援できる。また、使用者Ｕの胴体に設けられた左右加速度センサ６によって使用者Ｕの重心Ｃの変位を検出できるため、構成が簡単である。

制御装置５は、左右加速度センサ６の検出結果に基づいて、左右変位位相算出部２１及び左右変位位相補正部２２（図４、図６、図８）において上式（６）及び（７）等の演算を実行して使用者Ｕの脚の接地タイミングを推定し、補助力算出部２３（図４、図１０、図１１）において上式（９）及び（１１）等の演算を実行して、推定した接地タイミングに対して所定の目標位相差βをもって左右の駆動源４Ｌ、４Ｒを駆動する。このように、制御装置５が接地タイミングにおける重心Ｃの左右位置Ｐｙを基準にして左右の駆動源４Ｌ、４Ｒを駆動できるため、歩行補助装置１は様々な態様の動作補助を行うことができ、汎用性が高い。

左右加速度センサ６によって使用者Ｕの胴体の左右加速度Ｇｙを検出するため、安価な加速度センサを用いて使用者Ｕの重心Ｃの左右変位を検出することができる。

また、左右加速度センサ６によって使用者Ｕの胴体の左右方向の横加速度である左右加速度Ｇｙを検出するため、使用者Ｕの歩行運動における位相を、左右を判別した上で推定することができる。

左右の駆動源４Ｌ、４Ｒは、使用者Ｕの大腿部に補助力τを付与し、股関節の屈曲、伸展動作を補助するため、主要且つ大きな力を必要とする股関節の屈曲、伸展動作により歩行運動を補助することができる。

制御装置５は、更にメインフレーム２、サブフレーム３及び駆動源４からなる支援駆動部を、使用者Ｕの重心Ｃの変位（運動）に協調させながら駆動するため、歩行運動に伴う股関節の動作を使用者Ｕの重心Ｃの変位（重心運動）に協調させながら支援でき、使用者Ｕが覚える違和感が軽減される。

≪第２実施形態≫
次に、図１４〜図１６を参照して第２実施形態を説明する。なお、第１実施形態と形態又は機能が同一又は同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１４は、第２実施形態に係る歩行補助装置１０１の側面図である。図１４に示されるように、歩行補助装置１０１は、使用者Ｕの胴体に装着されるメインフレーム１０２を備えている。メインフレーム１０２には、使用者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１１３が、使用者Ｕの股関節部を中心にして変位し得るように連結されている。大腿フレーム１１３の下端には、使用者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１１４が、使用者Ｕの膝関節部を中心にして変位し得るように連結されている。下腿フレーム１１４の下端には、使用者Ｕの各足に装着される左右の足支持部１１５が、使用者Ｕの足関節を中心にして変位し得るように、左右の駆動源１０４を介して連結されている。

メインフレーム１０２は、大腿フレーム１１３との連結部の上方に左右のヒンジ１０２ａを備えている。メインフレーム１０２には、制御装置１０５やバッテリが設けられている。また、メインフレーム１０２には、使用者Ｕの胴体の左右方向の横加速度である左右加速度Ｇｙを検出する左右加速度センサ１０６と、使用者Ｕの胴体の上下方向の加速度である上下加速度Ｇｘを検出する上下加速度センサ１０７とが設けられている。左右加速度センサ１０６及び上下加速度センサ１０７は、使用者Ｕの重心Ｃに可能な限り近づくように、メインフレーム２左右方向の中央近傍における駆動源１０４よりも若干高い位置、即ち重心Ｃの後方に設けられている。左右加速度センサ１０６から出力された左右加速度Ｇｙを表す信号、及び上下加速度センサ１０７から出力された上下加速度Ｇｘを表す信号は、制御装置１０５に入力される。

大腿フレーム１１３は、上部及び下部に上ヒンジ１１３ａ及び下ヒンジ１１３ｂを備えており、大腿部サポータ１１３ｃによって大腿部に装着される。下腿フレーム１１４も、上部及び下部に上ヒンジ１１４ａ及び下ヒンジ１１４ｂを備えており、下腿部サポータ１１４ｃによって下腿部に装着される。足支持部１１５は、靴形状とされており、使用者Ｕの足に直接装着される。

駆動源１０４は、モータにより構成され、制御装置１０５により足関節回りの補助トルクである足関節補助トルクを発揮するように制御された電力をバッテリ（図示せず）から供給されることにより、下腿フレーム１１４に反力をとって足関節補助トルクを足支持部１１５に加える。これにより、足支持部１１５は足関節を中心として底屈、背屈方向に駆動される。

このように構成された歩行補助装置１０１は、下腿フレーム１１４及び足支持部１１５を介して、バッテリを電源とする駆動源１０４の動力を足の底屈、背屈動作を補助する歩行補助力として使用者Ｕに作用させることにより、歩行補助装置１０１を装着した使用者Ｕの歩行運動を補助する。

図１５は、図１４に示される制御装置１０５の構成を示すブロック図である。図１５に示されるように、制御装置１０５は、第１実施形態の図４と概ね同様の構成を含んでいる。本実施形態の制御装置１０５は、図４の左右変位位相算出部２１を備える代わりに、上下加速度センサ１０７により検出された上下加速度Ｇｘに基づいて、使用者Ｕの歩行運動における重心Ｃの位相である上下変位位相Φ及び歩行周波数ｆｒｅｑ等の各種値を算出する上下変位位相算出部１２１と、左右加速度センサ６により検出された重心Ｃの左右加速度Ｇｙに基づいて、使用者Ｕの歩行運動における左右を判別する左右動作判別部１２３とを備えている。また、本実施形態の制御装置１０５は、図４の左右変位位相補正部２２を備える代わりに、上下変位位相算出部１２１により算出された上下変位位相Φを補正する上下変位位相補正部１２２を備えている。更に、本実施形態では、上下変位位相補正部１２２が、脚体の踵の接地位相を検出する踵接地位相検出部１２４を備えており、制御装置１０５は、上下変位位相算出部１２１が算出した上下変位位相Φ及び踵接地位相検出部１２４が検出した踵接地位相に基づいて、脚体のつま先が離地する位相である離地位相を検出する離地位相検出部１２５と、離地位相検出部１２５が検出した脚体の離地位相に基づいて後述する位相オフセットを算出するオフセット算出部１２６とを更に備えている。他の点は、第１実施形態と同様である。

図示は省略するが、上下変位位相算出部１２１は、上記第１ローパスフィルタ３１の処理を実行した後、第１ローパスフィルタ３１を通過した重心Ｃの上下加速度Ｇｘ_ｆを積分することで重心Ｃの上下速度Ｖｘを算出する。上下速度Ｖｘの算出後、上下変位位相算出部１２１は、算出された重心Ｃの上下速度Ｖｘを積分することで重心Ｃの上下位置Ｐｘを算出する。上下位置Ｐｘの算出後、上下変位位相算出部１２１は、重心Ｃの上下位置Ｐｘを所定の規則に従って正規化し、併せて重心Ｃの上下速度Ｖｘを所定の規則に従って正規化し、正規化された重心Ｃの上下速度Ｖｘ_ｎ及び正規化された上下位置Ｐｘ_ｎに基づいて、逆正接演算を実行することにより上下変位位相Φ_ｒを算出する。この際、上下速度Ｖｘ_ｎ及び上下位置Ｐｘ_ｎの正負の符号を逆にして逆正接演算を実行することにより、重心Ｃの上下加速度Ｇｘが最小側のピークを示した時に０［ｒａｄ］となる上下変位位相Φ_ｒが算出される。図３に示されるように、重心Ｃの上下加速度Ｇｘの最小側のピークは、脚の接地タイミングに対して若干遅れて現れ、脚の離地タイミングと略同期して現れる。

一方、算出された上下変位位相Φ_ｒは、左の脚体又は右の脚体の１歩を１周期とする歩行運動における運動進行状態を表しており、連続する２周期の上下変位位相Φ_ｒが、上下の脚体それぞれ１歩ずつの合計２歩の歩行運動における運動進行状態を表す。即ち、図３を参照して説明したように、重心Ｃの上下位置Ｐｘは、歩行周期の１／２の周期を持っており、最小の側の上下加速度Ｇｘのピークが左右のいずれの脚の踵の接地によるものかを判別することできない。そこで、上下変位位相算出部１２１は、左右動作判別部１２３の判別結果に基づいて、２周期の上下変位位相Φ_ｒのいずれか一方を左の脚体の１歩と判定し、いずれか他方を右の脚体の１歩と判定する。

このようにして算出される上下変位位相Φ_ｒは、歩行周期の１／２の周期を有するため、上下変位位相補正部１２２において、第１実施形態の左右変位位相Φに比べてより正確な上下変位位相Φとして算出される。また、図３を参照して説明したように、左右の脚の踵の接地タイミングに若干遅れて位相が０［ｒａｄ］となり、上下変位位相補正部１２２の位相遅れ補正に用いられる位相遅れ量ｄ_ｐ（上式（７）参照）の値が小さくなることにより、左脚又は右脚の踵の接地タイミング（振動子位相Φ_ｃが０［ｒａｄ］の時点）がより正確に推定される。踵接地位相検出部１２４は、上下変位位相補正部１２２において算出された位相遅れ量ｄ_ｐ（上式（７）参照）によって、その遅れを補償し、踵接地位相とする。

離地位相検出部１２５は、遅れを補償された踵接地位相に基づいて、上下変位位相Φの中からつま先が離地する位相である離地位相を検出する。オフセット算出部１２６は、離地位相検出部１２５が検出した離地位相に基づいて位相オフセットを算出し、補助力決定部２５に位相オフセットを提供する。補助力決定部２５は、振動子位相Φ_ｃを調整するための値である補助目標位相差αに位相オフセットの値を設定することで、振動子位相Φ_ｃを位相オフセットの分だけ遅らせる（波形全体をずらす）。以下、位相オフセットについて説明する。

図１６は、人間Ｐの歩行運動における足関節の動作を示すタイムチャートである。図１６に示されるように、歩行運動における右足の動作は、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。右足は、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にて足関節角度を底屈側にし、その後概ね０°にしながら荷重を受け止め、ＭＳｔからＴＳｔにかけて足関節角度を背屈側に大きくする。その後、右足は、ＰＳｗにて足関節角度を背屈側から底屈側に変化させながら荷重を開放してつま先を離地させ、ＩＳｗにて足関節角度を概ね０°に戻す。その後、右脚は、ＭＳｗ及びＴＳｗにて足関節角度を概ね０°に維持して再びＩＣに戻る。

人間Ｐは、ＭＳｔからＰＳｗにかけて足関節に大きな底屈の力（モーメント）を加え、ＩＳｗからＬＲにかけて足関節に小さな背屈の力（モーメント）を加える。ＩＳｗからＴＳｗにかけては、背屈の力は非常に小さく、概ね０である。足関節に加わる力は、１周期の時間或いは位相を１００％とすると、底屈及び背屈ともに概ね５０％ずつになる。一方、人間Ｐは、ＩＣからＰＳｗまでの間、右足を接地させ、ＩＳｗからＴＳｗまでの間、右足を離地させる。右足の接地時間（位相）は約６２％であるのに対し、右足の離地時間（位相）は約３８％である。即ち、人間Ｐは、右足のＬＲの間、右足を接地させると共に、ＰＳｗにある左足を接地させた両足接地状態となっている。

人間Ｐは、ＩＣにおける踵の接地後、時間が少し（１周期の時間の約１２％）経ってから右足に底屈の力を加え始める。このＩＣから底屈が始まるまでの位相を位相オフセットという。右足のＰＳｗの間は、左足の位相オフセットになる。この位相オフセットは、ＰＳｗ終了時のつま先の離地の時点から５０％を差し引くことで算出される。

このような力を加えて動作が行われる足関節に対して補助力τを加えて歩行運動を補助するために、補助力算出部２３（図１５）は、補助すべきタイミング（ＩＣに対して位相オフセット分だけ遅いタイミング）で補助力τが発揮されるように振動子位相Φ_ｃを調整するための値である補助目標位相差αを、上記の位相オフセットに相当する値に設定する。これにより、振動子位相Φ_ｃが０［ｒａｄ］になるタイミング（底屈の補助力τ印加が開始されるタイミング）は、底屈動作が始まるタイミングに設定される。

また、上記のように目標位相差βも、歩行運動を支援する倒立振子制御における歩行ピッチや歩幅のパラメータであり、目標位相差βには、使用者Ｕを倒立振子として制御しつつ歩行運動を支援し得る値が加味されて設定される。例えば、補助力決定部２５は、目標位相差βの絶対値を上記の位相オフセットの値よりも大きくするように設定して底屈の補助力を遅らせることができる。

このように、本実施形態の歩行補助装置１０１では、上下加速度センサ１０７によって歩行運動における接地や離地との関連性が高い使用者Ｕの胴体の上下加速度Ｇｘを検出し、上下加速度Ｇｘに基づいて、使用者Ｕの歩行運動における上下変位位相Φを推定しているため、使用者Ｕの歩行運動における位相を適確に推定することができる。

また、左右の駆動源１０４は、使用者Ｕの足に補助力τ（τ_Ｌ、τ_Ｒ）を付与し、足関節の底屈、背屈動作を補助するため、主要且つ重心Ｃの変位に大きな影響を及ぼす足関節の底屈、背屈動作により歩行運動を補助することができる。

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、一例として歩行補助装置１、１０１として移動運動支援装置の説明を行ったが、使用者Ｕの筋肉に刺激を付与する刺激付与手段により、移動運動に伴う所定の関節動作を支援する支援駆動部が構成され、刺激付与手段によって使用者Ｕの歩行運動や走行運動を支援する構成であってもよい。このような構成によれば、支援駆動部を簡単且つ軽量に構成でき、移動運動支援装置をコンパクト化することができる。

また、移動運動に伴う所定の関節動作を支援する支援駆動部は、使用者Ｕの下腿部に補助力τを付与し、膝関節の屈曲、伸展動作を補助する構成や、使用者Ｕの腕に補助力τを付与し、肩関節の屈曲、伸展動作を補助する構成であってもよい。膝関節の屈曲、伸展動作を補助することにより、移動運動における主要な動作の１つであり且つ円滑な歩容に必要な膝関節の屈曲、伸展動作を補助することができる。一方、肩関節の屈曲、伸展動作を補助することにより、移動運動において左右の脚と共に、或いは左右の脚に先行して行われる肩関節の屈曲、伸展動作を補助することができる。

また、移動運動支援装置が使用者Ｕの胴体の回転速度や傾斜角度を検出するジャイロセンサを更に備え、制御装置５は、ジャイロセンサにより検出された回転速度や傾斜角度に基づいて、使用者Ｕの移動運動における位相を推定してもよい。使用者Ｕの重心Ｃは骨盤のやや前方の胴体の内部にあり、重心Ｃの加速度を直接計測することはできない。一方、使用者Ｕの移動運動においては、重心Ｃの変位と共に、或いは重心Ｃの変位に先行して胴体の傾斜運動が現れることがある。この構成によれば、胴体の傾斜運動を行う使用者Ｕの移動運動における位相をより適確に推定することができる。

上記実施形態では、左右加速度センサ６や上下加速度センサ１０７が検出した使用者Ｕの重心Ｃの変位に基づいて、制御装置５、１０５が支援駆動部の動作を制御しているが、使用者Ｕの上体の運動、即ち、上体の上下変位、左右変位、前後変位、回転角度、傾斜角度等の運動を検出する上体運動検出センサの検出結果に基づいて、制御装置５、１０５が支援駆動部の動作を制御してもよい。

このように制御装置５、１０５が、支援駆動部を、少なくとも使用者Ｕの上体の回転速度又は傾斜角度に基づいた上体の運動に協調させながら駆動することにより、使用者Ｕが例えばナンバ歩行（２軸歩行）を行う際等にも、移動運動に伴う所定の関節動作を、使用者Ｕの上体の捩り（ヨー）運動等に協調させながら支援することができる。

上記第１実施形態では、左右変位位相算出部２１が、重心Ｃの左右位置Ｐｙの逆正接演算により左右変位位相Φ_ｒを算出しているが、重心Ｃの左右速度Ｖｙの正負から重心Ｃの左右位置Ｐｙの最左タイミング及び最右タイミングを特定し、離散的に左右変位位相Φ_ｒを推定してもよい。同様に、第２実施形態においても、上下変位位相算出部１２１が、重心Ｃの上下位置Ｐｘの逆正接演算により上下変位位相Φを算出する代わりに、重心Ｃの上下速度Ｖｘの正負から重心Ｃの上下位置Ｐｘの最上タイミング及び最下タイミングを特定し、離散的に上下変位位相Φを推定してもよい。この場合、検出した重心Ｃの最下タイミングを踵の接地と見做して上下変位位相Φを０ｒａｄにリセットするとよい。

上記実施形態では、左右変位位相算出部２１（又は上下変位位相算出部１２１）が、歩行周波数ｆｒｅｑを推定するために、高速フーリエ変換又はウェーブレット変換を使用しているが、単純に重心Ｃの左右位置Ｐｙ（又は上下位置Ｐｘ）のピークからピークまでの時間を計測し、その逆数を歩行周波数ｆｒｅｑとして算出してもよい。また、上記第２実施形態では、歩行補助装置１０１が上下加速度センサ１０７に加えて左右加速度センサ１０６を備えているが、左右加速度センサ１０６の代わりに足裏の接地、離地を検出するフットセンサを足支持部１１５に設け、フットセンサの検出結果に基づいて左右の脚のどちらが接地しているかを判別したり、少なくとも１つ大腿フレーム１１３にジャイロセンサを設けて脚体の運動状態（屈曲又は伸展）から左右の脚のどちらが接地しているかを判別したりしてもよい。更に、フットセンサを設ける場合には、上下変位位相補正部１２２（又は左右変位位相補正部２２）が、モーションキャプチャーを用いてフットセンサの出力を校正し、校正した出力から算出した位相を基準にして、重心位置の位相（上下変位位相Φ又は左右変位位相Φ）の遅れ或いは進みを補償してもよい。

上記実施形態では、振動子位相演算部２４が、歩行周波数ｆｒｅｑに基づいて振動子固有角振動数ω_ｏを算出するが、下式（１５）に示されるように、算出された使用者Ｕの変位位相（左右変位位相Φ又は上下変位位相Φ）と補助の基準となる振動子位相Φ_ｃとの位相差を補助目標位相差αに収束させるために振動子固有角振動数ω_ｏを逐次修正してもよい。
ω_ｏ（ｔ＋１）＝ω_ｏ（ｔ）＋Ｇ（（Φ−Φ_ｃ）−α） ・・・・（１５）
但し、Ｇ：ゲインである。

上記実施形態では、補助力算出部２３が、マップを参照して補助力位相Φａｓに応じた補助力を算出しているが、屈曲動作用の振動子及び伸展動作用の振動子（又は、背屈動作用の振動子及び底屈動作用の振動子）を設定し、両振動子の振動子位相Φ_ｃに対して目標位相差βをもって補助力を求めてもよい。

この他、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、角度、手順など、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。また、上記実施形態は組み合わせてもよい。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（支援駆動部）
３ ：サブフレーム（支援駆動部）
４ ：駆動源（支援駆動部）
５ ：制御装置
６ ：左右加速度センサ（上体運動検出部）
２１ ：左右変位位相演算部
２２ ：左右変位位相補正部
２３ ：補助力算出部
２４ ：振動子位相演算部
２５ ：補助力決定部
２６ ：目標値記憶部
２７ ：入力インターフェース
３６ ：位相抽出部
４４ ：位相振動子積分演算部
４５ ：補助位相演算部
１０１ ：歩行補助装置
１０４ ：駆動源（支援駆動部）
１０５ ：制御装置
１０６ ：左右加速度センサ（上体運動検出部）
１０７ ：上下加速度センサ（上体運動検出部）
１１４ ：下腿フレーム（支援駆動部）
１１５ ：足支持部（支援駆動部）
１２１ ：上下変位位相算出部
１２２ ：上下変位位相補正部
１２３ ：左右動作判別部
Ｃ ：重心
Ｇｘ ：上下加速度
Ｇｙ ：左右加速度
Ｐ ：人間
Ｕ ：使用者
α ：補助目標位相差
β ：目標位相差
τ ：補助力

Claims (9)

1. 使用者の移動運動を支援するべく前記使用者に装着される移動運動支援装置であって、
   前記使用者の移動運動に必要な所定の関節の周りに装着され、移動運動に伴う所定の関節動作を支援するように駆動可能に構成された支援駆動部と、
   前記使用者の胴体に設けられ、前記使用者の上体の運動を検出する上体運動検出部と、
   前記支援駆動部の動作を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記上体運動検出部の検出結果に基づいて、前記使用者の移動運動における位相を推定し、所定の位相で前記支援駆動部を駆動することを特徴とする移動運動支援装置。
2. 前記制御部は、前記上体運動検出部の検出結果に基づいて、前記使用者の脚の接地タイミングを推定し、推定した接地タイミングに対して所定の位相差をもって前記支援駆動部を駆動することを特徴とする請求項１に記載の移動運動支援装置。
3. 前記上体運動検出部は、前記使用者の胴体の加速度を検出する加速度センサであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の移動運動支援装置。
4. 前記加速度センサは、前記使用者の胴体の左右方向の横加速度を検出する左右加速度センサを含むことを特徴とする請求項３に記載の移動運動支援装置。
5. 前記加速度センサは、前記使用者の胴体の上下方向の加速度を検出する上下加速度センサを含むことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の移動運動支援装置。
6. 前記支援駆動部は、前記使用者の大腿部に補助力を付与し、股関節の屈曲、伸展動作を補助することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の移動運動支援装置。
7. 前記支援駆動部は、前記使用者の足に補助力を付与し、足関節の底屈、背屈動作を補助することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の移動運動支援装置。
8. 前記制御部は、更に前記支援駆動部を前記使用者の上体の運動に協調させながら駆動することを特徴とする請求項１に記載の移動運動支援装置。
9. 前記制御部は、前記支援駆動部を、少なくとも前記使用者の上体の回転速度又は傾斜角度に基づいた上体の運動に協調させながら駆動することを特徴とする請求項８に記載の移動運動支援装置。

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