JP4611580B2 - トルク付与システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、関節を介して相対的に回動可能に連結された連結体に対して関節回りの外的トルクを付与するシステム、より具体的には歩行者の脚部に対して足関節、膝関節又は股関節回りの外的トルクを付与するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
脚力の低下のため自力での歩行が困難となった者の歩行を補助するシステムが特開平７−１６３６０７号公報や特開２０００−１６６９９７号公報等において提案されている。かかるシステムによれば、患者の膝関節部分等にトルク付与装置が取り付けられ、当該装置によって膝等にトルクが付与されることで、歩行者の歩行が補助される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のシステムによれば、階段、平地等の歩行条件は大まかに識別されていたに過ぎず、段差が不規則な階段や傾斜の相違する坂道等、多様な歩行条件が識別された上でトルクが付与されていなかった。このため、付与されるトルクが過剰になってしまうおそれがある。
【０００４】
そこで、本発明は、多様な歩行条件に応じて適切に歩行を補助し得るシステムの構築を通じ、歩行に伴う膝関節の折り曲げ等を含む種々の回動に状況に応じた適切なトルクを付与し得るシステムを提供することを解決課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明のトルク付与システムは、歩行者の脚部に対して足関節、膝関節又は股関節回りの外的トルクを付与するシステムであって、前記歩行者が自発的に脚部を動かす際に当該脚部から生じる関節回りのトルクである内的トルクと、当該関節回りの脚部の回転角速度である内的角速度との積の絶対値の時間積分値である内的仕事量を測定する第１測定手段と、アクチュエータと、前記アクチュエータにより前記歩行者の脚部に付与される関節回りのトルクである外的トルクと、当該アクチュエータの回転角速度である外的角速度との積の絶対値の時間積分値である外的仕事量を測定する第２測定手段と、前記第１測定手段により測定される前記内的仕事量と、前記第２測定手段により測定される前記外的仕事量の和である合計仕事量を決定し、前記第１測定手段により測定される、前記歩行者が無負荷状態において平地を歩行する際の脚部の前記内的仕事量に対する、前記合計仕事量の変動量を決定し、当該変動量と、当該変動量のうち前記外的トルクによる補償比率を表わす第２係数との積を決定し、前記合計仕事量と当該積との差を基準仕事量として決定する基準仕事量決定手段と、前記第２測定手段により測定される前記外的仕事量に基づき、前記第１測定手段により測定される脚部の内的仕事量と、前記基準仕事量決定手段により決定される前記基準仕事量との偏差を減少するように前記外的トルクを決定する外的トルク決定手段とを備えていることを特徴とする。
【０００６】
本発明のトルク付与システムによれば、歩行者の脚部の関節回りの内的仕事量が基準仕事量に一致するように、歩行者の脚部に対して関節回りの外的トルクが付与される。従って、歩行者が平地歩行から階段歩行へ移行する等、歩行者の脚部の歩行又は動作（以下「歩行等」という。）の条件が変動し、歩行等に要する歩行者の脚部の仕事量が基準仕事量を超過した場合、当該超過分が補助される形で歩行者の脚部に外的トルクが付与される。そして、歩行等の条件変動に関わらず、歩行者の脚部における基準仕事量に対応する内的トルクの発揮によって歩行等を可能とすることができる。
【０００７】
また、歩行者の脚部に付与される外的トルクは、当該歩行者の脚部に付与される外的仕
事量に基づいて決定され、当該決定の基準となる基準仕事量は歩行者の脚部の内的仕事量に基づいて決定される。従って、歩行者の脚部の内的仕事量と外的仕事量とのバランスに応じた適切な外的トルクを歩行者の脚部に付与することができる。なお、本システムにより付与される外的トルクには、歩行等の方向をｘ軸、鉛直方向をｚ軸として、ｘｙ平面、ｙｚ平面、ｚｘ平面の全ての平面内の外的トルク、即ち、３次元空間内のあらゆる方向への外的トルクが包含されている。
【０００８】
さらに、歩行に際して必要な合計仕事量の基準仕事量に対する変動分のうち、どれだけを外的トルクにより補償するかが第２係数の大小によって決定される。即ち、第２係数が大きく設定されることで、当該変動分のうち外的トルクにより補償される分の割合を大きくすることができる。一方、第２係数が小さく設定されることで、当該変動分のうち外的トルクにより補償される分の割合を小さくすることができる。
【０００９】
なお「歩行者の無負荷状態における平地歩行時の内的仕事量」には、外部から負荷が加わっていない状態で歩行者が平地を歩行する際の内的仕事量のほか、外部から負荷が加わっている状態で歩行者が平地を歩行する際の内的仕事量であって、当該負荷が加わっていない状態での内的仕事量と擬制され得るように当該負荷を考慮に入れて補正される内的仕事量も含まれる。
【００１０】
上記システムにおいて、前記基準仕事量決定手段により決定される基準仕事量との偏差が０となる場合の脚部の内的仕事量に対する脚部に付与される外的仕事量の比を目標値とし、時間を追って当該目標値に収束するよう前記内的トルクに対する前記外的トルクの比率を表わす第１係数を逐次決定する第１係数決定手段を備え、前記第１測定手段は前記内的トルクを測定し、前記外的トルク決定手段は、前記第１測定手段により測定される前記内的トルクと、前記第１係数決定手段により決定される前記第１係数との積を演算し、当該演算結果を前記外的トルクとして決定することが好ましい。
【００１１】
当該構成のトルク付与システムによれば、歩行者の歩行条件の変動により脚部の内的仕事量が基準仕事量を超過した場合、この超過分を解消すべく、第１係数、ひいては脚部に付与される外的トルクが逐次決定される。また、第１係数がその目標値に収束したとき、第１係数に基づき決定される外的トルクが脚部に付与されることで、脚部の基準仕事量に対応する内的トルクの発揮による歩行を可能とすることができる。
【００１２】
さらに、第１係数のその目標値への収束速度を大きくすることで、歩行条件の変動により歩行に要する仕事量が基準仕事量を超過した場合、当該超過分を迅速に解消するように外的トルクを脚部に付与することができる。一方、第１係数のその目標値への収束速度を小さくすることで、歩行条件の変動により歩行に要する仕事量が基準仕事量を超過した場合、当該超過分を時間的にゆるやかに解消するように外的トルクを脚部に付与することができる。
【００１３】
上記システムにおいて、前記第１係数決定手段は、前記第１測定手段により測定される前記内的仕事量または前記第２測定手段により測定される前記外的仕事量に基づいて前記第１係数の上限または下限を決定することが好ましい。
【００１４】
当該構成のトルク付与システムによれば、第１係数に上限又は下限が設定され、これにより脚部に付与される外的トルクが過大又は過少となり、歩行者が肉体的苦痛を覚えたり、歩行者の心理に悪影響が及ぶおそれを解消することができる。また、第１係数の上限又は下限は、歩行者の歩行状況に応じて変動する内的仕事量又は外的仕事量に基づいて決定されるので、当該歩行状況に応じて適切に外的トルクを制限することができる。
【００１５】
上記システムにおいて、前記第１係数決定手段は、前記第１測定手段により測定される前記内的仕事量と、前記第２測定手段により測定される前記外的仕事量との和である合計仕事量が、前記基準仕事量決定手段により決定される前記基準仕事量以下のとき、前記第１係数の下限を０と決定することが好ましい。
【００１６】
上述のように脚部の内的仕事量と基準仕事量とが一致するように第１係数の目標値が決定される。従って、脚部の合計仕事量が減少して基準仕事量を下回った場合、脚部の内的トルクひいては内的仕事量を増大させて基準トルクに一致させるべく、第１係数が負に決定され、脚部には歩行の抵抗となる負の外的トルクが付与される。
【００１７】
当該構成のトルク付与システムによれば、このような場合、第１係数の下限が０と決定されるので、第１係数と内的トルクとの積として決定される外的トルクが０となるので、脚部に負の外的トルクが付与される事態を防止することができる。
【００１８】
上記システムにおいて、前記第１係数決定手段は、前記第１測定手段により測定される前記内的仕事量と、前記第２測定手段により測定される前記外的仕事量との和である合計仕事量が、前記基準仕事量決定手段により決定される前記基準仕事量以上の所定量以上のとき、前記第１係数の上限を決定することが好ましい。
【００１９】
脚部の合計仕事量が増大して基準仕事量を大きく上回った場合、脚部の内的トルクひいては内的仕事量を減少させて基準仕事量に一致させるべく、第１係数が過大に決定され、脚部に過大な外的トルクが付与される。
【００２０】
当該構成のトルク付与システムによれば、このような場合、第１係数の上限が決定されるので、第１係数と内的トルクとの積として決定される外的トルクに上限が設けられ、脚部に過大な外的トルクが付与される事態を防止することができる。
【００２１】
上記システムにおいて、前記第１測定手段は前記歩行者の脚部の関節回りの前記内的トルク及び前記内的角速度の積を測定し、前記第１係数決定手段は複数の数値区分のうち、前記第１測定手段により測定された当該積が含まれる数値区分に応じて前記第１係数を区分して決定し、前記外的トルク決定手段は、前記第１測定手段により測定された当該積が含まれる数値区分が先に前記第１測定手段により測定された過去の当該積が含まれる数値区分に一致するとき、前記第１係数決定手段によって当該過去の積が含まれる数値区分に応じた前記内的仕事量に基づいて先に決定された前記第１係数を用いて前記外的トルクを決定することが好ましい。
【００２２】
さらに、前記第１係数決定手段は、前記第１測定手段により測定された前記歩行者の脚部の関節回りの内的トルク及び前記内的角速度の積が、前記複数の数値区分としての正の数値区分および負の数値区分のうちいずれに含まれるかに応じて前記第１係数を区分して決定することが好ましい。
【００２３】
上記システムにおいて、前記第１測定手段及び前記第２測定手段のそれぞれは、前記歩行者の歩行周期を積分時間とすることでそれぞれ前記内的仕事量及び外的仕事量のそれぞれを測定することが好ましい。
【００２４】
当該構成のトルク付与システムによれば、右又は左の足平が離床してから接地し、且つ、左又は右の足平が離床してから接地するまでの内的仕事量、外的仕事量に基づいて次回の左右の脚部に付与される外的トルクを決定することができる。
【００２５】
上記システムにおいて、前記第１測定手段は、前記歩行者の脚部の足平への床反力を測
定し、測定した床反力に基づき、前記歩行者の脚部が関節を介して回動可能に順次連結された複数の剛体棒と仮定され、一の剛体棒の一の関節回りのトルク及び関節の反力に基づいて当該一の剛体の他の関節回りのトルク及び関節の反力が決定されるような逆動力学モデルに従って脚部の足関節、膝関節又は股関節回りの前記内的トルクと前記外的トルクとの合計トルクを測定し、測定した合計トルクから前記第２測定手段により測定される前記外的トルクとの差を演算することで脚部の足関節、膝関節又は股関節回りの前記内的トルクを測定することが好ましい。
【００２６】
詳細は後述するが逆動力学モデルによれば、脚部が関節を介して回動可能に順次連結された複数の剛体棒と仮定され、一の剛体棒の一の関節回りのトルク及び関節の反力に基づいて当該一の剛体の他の関節回りのトルク及び関節の反力が決定される。従って、本発明によれば、床反力に基づき足関節回りのトルク及び関節の反力が測定されることで、膝関節、股関節のトルクを順次測定することができる。また、逆動力学モデルに従って測定されたトルクは内的トルク及び外的トルクの和なので、これから外的トルクを差し引くことで内的トルクを測定することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明のトルク付与システムの実施形態について図面を用いて説明する。
【００２８】
図１に示すトルク付与システムは、歩行者の腰部に取り付けられて股関節回りの外的トルクを付与する第１アクチュエータ（外的トルク付与手段）１と、歩行者の膝部に取り付けられて膝関節回りの外的トルクを付与する第２アクチュエータ２（同）と、各アクチュエータ１、２の作動等を制御する制御ユニット３と、各アクチュエータ１、２に電力を供給するＮｉ−Ｚｎバッテリ等のバッテリ４とを備えている。制御ユニット３及びバッテリ４は歩行者の背中に担がれるバックパック５の中に格納されている。
【００２９】
第１アクチュエータ１は歩行者に取り付けられた腹帯ｂと、大腿部当てｃとを介して股関節回りの外的トルクを付与する。第２アクチュエータ２は歩行者に取り付けられた大腿部当てｃと脛部当てｄとを介して膝関節回りの外的トルクを付与する。なお、歩行者の腰部、大腿部、脛部は本発明の「連結体」に相当する。
【００３０】
また、本歩行補助装置は、歩行者の背後に取り付けられ、上半身の鉛直方向に対する角速度を測定するジャイロセンサｇと、水平方向の加速度を測定するＧセンサｇ’とを備えている。さらに、歩行者の腰部に取り付けられ、腰部の鉛直方向に対する角速度を測定するジャイロセンサｇと、水平方向、鉛直方向の加速度を測定するＧセンサｇ’とを備えている。また、歩行者の腰部に取り付けられて腰部に対する左右の大腿部の股関節回りの回転角を測定し、膝部に取り付けられて大腿部に対する脛部の回転角を測定する角度センサａを備えている。
【００３１】
制御ユニット３は、第１測定手段６と、第２測定手段７と、基準仕事量決定手段８と、第１係数決定手段９と、外的トルク決定手段１０と、記憶手段１１とを備えている。制御ユニット３は、後述の諸機能を発揮可能となりようにＣＰＵ、信号入出力回路、メモリ等が組み合わせられることで構成されている。
【００３２】
第１測定手段６は各センサｇ、ｇ’、ａの測定値に基づいて膝関節、股関節回りの脚部の内的トルクＴ1と、内的トルクＴ1と内的角速度ω1との積の絶対値の時間積分である内的仕事量ｗ1とを測定する。
【００３３】
第２測定手段７は各アクチュエータ１、２の電流値や角度センサａの測定値に基づいて膝関節、股関節回りの外的トルクＴ2と外的角速度ω2との積の絶対値の時間積分である外的仕事量ｗ2を測定する。
【００３４】
基準仕事量決定手段８は第１測定手段６により測定される脚部の内的仕事量ｗ1に基づいて基準仕事量ｗ0 を決定する。
【００３５】
第１係数決定手段９は基準仕事量決定手段８により決定される基準仕事量ｗ0 との偏差が０となる場合の内的仕事量ｗ1に対する外的仕事量ｗ2の比を目標値ｃTGとし、内的仕事量ｗ1に対する外的仕事量ｗ2の比を第１系数ｃ1とし、時間を追ってこの目標値に収束するよう第１係数ｃ1を逐次決定する。
【００３６】
外的トルク決定手段１０は第１測定手段６により測定される内的トルクＴ1と、第１係数決定手段９により決定される第１係数ｃ1との積を演算し、アクチュエータ１、２を通じて股関節、膝関節回りに付与される外的トルクＴ2を決定する。
【００３７】
記憶手段１１はＲＯＭ等の不揮発性メモリや、ＲＡＭ等の揮発性メモリ等により構成され、後述のように基準仕事量ｗ0の決定に用いられる第２係数ｃ2や、歩行者の左右の足平への床反力等の測定に用いられるデータテーブル等を記憶する。
【００３８】
上記構成の歩行補助装置の機能について図２〜図８を用いて説明する。
【００３９】
まず、第２アクチュエータ２から歩行者の脚部に対して付与される膝関節回りの外的トルクの概要について図２を用いて説明する。歩行者が無負荷状態で平地を歩行するときの膝関節回りの内的仕事量ｗ1が黒塗部分で表されている。
【００４０】
なお「無負荷状態での内的仕事量ｗ1」には、歩行者が歩行補助装置を装着していない状態で三次元動作解析装置等により測定される内的仕事量のほか、歩行者が歩行補助装置を装着した状態で上記角度センサａ等により測定される内的仕事量が、当該装置の重量やフリクションを考慮して減少補正されることで決定される内的仕事量も含まれる。
【００４１】
歩行者が階段を上り始めたとき、膝関節回りの内的仕事量ｗ1が、平地歩行時よりもΔｗ（１の斜線部分）だけ超過したとする。この超過は歩行者が階段を上るとき、平地歩行時よりも脚部を大きく動かす必要があることに起因している。従って、筋力低下等のために平地歩行はできても階段歩行がままならない歩行者は階段を上ることが困難となる。
【００４２】
そこで、歩行者の階段歩行を補助すべく脚部に外的トルクＴ2が付与される。外的トルクＴ2は、後述のように基準仕事量ｗ0が決定された上で、内的仕事量ｗ1がこの基準仕事量ｗ0 に収束するように内的トルクＴ1に基づいて逐次決定される。これにより歩行者が階段を上るにつれ、１から２、２から３、３から４に移行するごとに外的仕事量ｗ2 （２〜４の白塗部分）が徐々に増大し、その分だけ内的仕事量ｗ1が徐々に減少して基準仕事量ｗ0 に収束する。このため、膝関節回りに内的トルクを生じるために必要な歩行者の筋力負担が、階段を上るにつれて軽減されていく。これ以後、歩行者は基準仕事量ｗ0に対応する内的トルクＴ1の発揮により登り階段歩行を継続することができる。
【００４３】
次に、第１、第２アクチュエータ１、２から脚部に対して付与される股関節、膝関節回りの外的トルクＴ2を決定する手順の詳細について図３〜図６を用いて説明する。なお、歩行者のｉ番目（ｉ＝１、２、‥）の歩行周期（以下「第ｉ周期」という。）における物理量に適宜添字ｉを付する。
【００４４】
まず、膝関節及び股関節回りの内的トルクＴ1(i)及び角速度ω1(i)が測定される（図３／ｓ１）。内的トルクＴ1(i)の測定方法について図４及び図５を用いて説明する。
【００４５】
歩行者の左右の脚部への床反力が図４に示すモデルを用いて測定される。図４に示す質量ｍの歩行者の左右の脚部にはそれぞれ床反力（ＦLx、ＦLy）、（ＦRx、ＦRy）が作用している。また、歩行者の身体重心座標、左足関節座標及び右足関節座標はそれぞれ（ｘG 、ｙG ）、（ｘL 、ｙL ）、（ｘR 、ｙR ）である。このモデルにおける力のバランスや方向を考慮すると次の関係式（１ａ）〜（１ｄ）が得られる。
【００４６】
FRy＋ＦLy＝m（g＋yG”）（g：重力加速度） ..(1a)
FRx＋FLx＝mxG” ..(1b)
（yG−yR）／（xG−xR）＝FRy／F Rx ..(1c)
（yG−yL）／（xG−xL）＝FLy／FLx ..(1d)
【００４７】
歩行者の質量ｍは事前に測定され、また、身体重心座標（ｘG 、ｙG ）、左右の足関節座標（ｘL 、ｙL ）、（ｘR 、ｙR ）、身体重心座標の加速度（ｘG ”、ｙG ”）は歩行者の事前の身体測定、及び歩行者の腰部等に取り付けられたジャイロセンサｇやＧセンサｇ’、股関節及び膝関節に取り付けられた角度センサａの測定値に基づいて測定される。詳細には、左右の足関節座標（ｘL 、ｙL ）、（ｘR 、ｙR ）等は、記憶手段１１に記憶されている股関節や膝関節の角度、大腿部や脛部の長さ等との対応関係を特定するデータテーブルに基づいて測定される。そして、これらの測定値が上の関係式に代入されることで第１測定手段６により床反力（ＦLx、ＦLy）、（ＦRx、ＦRy）が測定される。
【００４８】
次に、測定された床反力に基づき、図５に示すモデルを用い、逆動力学モデルに従って膝関節、股関節回りの合計トルクが測定される。図５に示すように足関節に床反力（Ｆax、Ｆay）が作用し、膝関節に反力（Ｆbx、Ｆby）が作用し、質量ｍの脛部の重心には加速度に伴う力（ｍｘ”、ｍ（ｙ”＋ｇ））が作用しているとする。また、足関節、膝関節回りのトルクがそれぞれＴa 、Ｔb であり、脛部と床とのなす角をθ、脛部の慣性モーメントをＩ、足関節、膝関節から脛部の重心までの距離がそれぞれａ、ｂとする。このモデルにおいて力やトルクのバランスを考慮すると、次の関係式（２ａ）〜（２ｃ）が得られる。
【００４９】
Fax−Fbx−mx”＝０ ..(2a)
Fay−Fby−my”−mg＝0 ..(2b)
Iθ”＝Ta−Tb＋Faxasinθ−Fayacosθ ＋Fbxbsinθ−Fbybcosθ ..(2c)
【００５０】
床反力（Ｆax、Ｆay）は上述の方法により測定される。また、脛部の重心位置の加速度（ｘ”、ｙ”）、脛部の床に対する角度θ、及び角加速度θ”は歩行者の事前の身体測定や歩行者に取り付けられたジャイロセンサｇ、Ｇセンサｇ’、角度センサａの測定値に基づいて測定される。さらに、脛部の慣性モーメントＩ、足関節、膝関節から脛部の重心までの距離ａ、ｂは歩行者の事前の身体測定に基づいて測定される。また、足関節回りのトルクＴa は、床反力（Ｆax、Ｆay）に基づき記憶手段１１に記憶されているデータテーブル従って第１測定手段６により測定される。
【００５１】
そして、これらの測定値を上の関係式（２ａ）〜（２ｃ）に代入することで膝関節回りのトルクＴb が測定される。同様に、上の関係式（２ａ）〜（２ｃ）を用いることで股関節回りのトルクも測定される。
【００５２】
以上のように測定された膝関節、股関節回りのトルクから、第１、第２アクチュエータ１、２により付与されている外的トルクＴ2(i)が差し引かれることで膝関節、股関節回りの内的トルクＴ1(i)が測定される（図３／ｓ１）。また、内的角速度ω1(i)及び外的角速度ω2(i)（両者は略一致すると考えられるので角速度ω(i) と共通して表す）も角度センサａにより測定される（図３／ｓ１）。なお、各関節回りの外的トルクＴ2(i)は第１、第２アクチュエータ１、２の電流値に基づいて第２測定手段により測定される。
【００５３】
次に、外的トルクＴ2(i)が外的トルク付与手段１０により決定され、第１、第２アクチュエータ１、２を通じて歩行者の脚部に付与される（図３／ｓ２）。外的トルクＴ2(i)は第１測定手段６により逐次測定される内的トルクＴ1(i)と、第１係数決定手段９により歩行周期ごとに決定される第１係数ｃ1(i)との積をもって決定される。即ち、第１係数ｃ1(i)は外的トルクＴ2(i)を内的トルクＴ1(i)の何％にするかを決定するものである。第１係数ｃ1(i)の決定方法については後述する。
【００５４】
続いて、制御ユニット３によって第ｉ周期が経過したか否かが判断される（図３／ｓ３）。具体的には、第１制御手段６により測定される右足平の床反力が有限値から０になり、再び有限値になった後で０になったことが測定される周期が歩行周期の経過と判断される。
【００５５】
第ｉ周期経過前（図３／ｓ３でＮＯ）、歩行補助装置の作動が終了されない限り（図３／ｓ１０でＮＯ）、上記ｓ１〜ｓ３の処理が繰り返される。
【００５６】
第ｉ周期が経過したと判断されたとき（図３／ｓ３でＹＥＳ）、第１測定手段６により、各関節回りの内的仕事量ｗ1(i)が次式（３）に従って測定される（図３／ｓ４）。即ち、内的仕事量ｗ1(i)が、各関節回りの内的トルクＴ1(i)と、角速度ω(i)との積の絶対値が第ｉ周期にわたり積分されることで測定される。
【００５７】
w1(i)＝∫dt・｜T1(i)×ω(i) ｜ ..(3)
【００５８】
また、第２測定手段７により、各関節回りの外的仕事量ｗ2(i)が次式（４）に従って測定される（図３／ｓ５）。即ち、外的仕事量ｗ2(i)が、各関節回りの外的トルクＴ2(i)と角速度ω(i)との積の絶対値が第ｉ周期にわたり積分されることで測定される。
【００５９】
w2(i)＝∫dt・｜T2(i)×ω(i) ｜ ..(4)
【００６０】
なお、各関節回りの内的トルクＴ1(i)、外的トルクＴ2(i)及び角速度ω(i)は第ｉ周期内においても時々刻々変動する時間関数としての物理量である。
【００６１】
さらに、基準仕事量決定手段８により第ｉ＋１周期の基準仕事量ｗ0(i+1)が次式（５）に従って決定される（図３／ｓ６）。詳細にはまず、内的仕事量ｗ1(i)と外的仕事量ｗ2(i)との和である合計仕事量ｗ1(i)＋ｗ2(i)が、予め測定された平地歩行時の内的仕事量ｗ1(0)に対してどれだけ変動したかが測定される。即ち、基準仕事量ｗ0(i+1)は、合計仕事量ｗ1(i)＋ｗ2(i)から記憶手段１１に記憶されている第２係数ｃ2（０≦ｃ2 ≦１）と当該変動量Δｗiとの積を差し引くことで決定される。
【００６２】
第２係数ｃ2は、この変動量Δｗiのうち外的トルクＴ2(i+1)の付与により補償される割合を決定するものである。例えば、第２係数ｃ2が１．０に設定されていれば、変動量Δｗi の全てを補償するように、即ち、歩行状態の変動に関わらず平地歩行状態における内的仕事量ｗ1(0)によって歩行継続が可能となるように外的トルクＴ2(i+1)が決定される。また、第２係数ｃ2が０．５に設定されていれば、変動量Δｗi の半分を補償するように外的トルクＴ2(i+1)が決定される。なお、第２係数ｃ2は、操作パネル（図示略）等において設定・更新可能とされていてもよい。
【００６３】
w0(i+1)＝w1(i)＋w2(i)−c2Δwi ..(5)
【００６４】
また、第１係数決定手段９により第１係数の目標値ｃTG(i+1)が次式（６）に従って決定される（図３／ｓ７）。
【００６５】
cTG(i+1) ＝c2Δwi／｛w1(0)＋（1−c2）Δwi ｝ ..(6)
【００６６】
また、第１係数決定手段によって第１係数ｃ1(i+1)が記憶手段１１に記憶されているゲイン係数Ｇ（０＜Ｇ≦１）を用いて次式（７）に従って決定される。ゲイン係数Ｇはその大小により内的仕事量ｗ1(i+1)が基準仕事量ｗ0(i+1)に収束する速度を決定するものである。即ち、ゲイン係数Ｇを大きくするほど内的仕事量ｗ1(i)が迅速に基準仕事量ｗ0(i)に収束するように外的トルクＴ2(i)が大きく決定される。なお、ゲイン係数Ｇは、操作パネル（図示略）において設定・更新可能とされてもよい。
【００６７】
c1(i+1)＝w2(i)／w1(i)＋G（cTG(i+1) −w2(i)／ｗ1(i)） ..(7)
【００６８】
歩行補助装置の作動が終了されなければ（図３／ｓ９でＮＯ）、第ｉ周期の第１係数ｃ1(i)がｃ1(i+1)に更新される（図３／ｓ１１）。この上で、第ｉ＋１周期について、第１測定手段６により内的トルクＴ1(i+1)が測定される（図３／ｓ１）。また、外的トルク決定手段１０により上述のように外的トルクＴ2(i+1)が上述のように第１係数ｃ1(i+1)と、内的トルクＴ1(i+1)との積として次式（８）のように決定される（図３／ｓ２）。
【００６９】
T2(i+1)＝c1(i+1)T1(i+1) ..(8)
【００７０】
そして、外的トルク決定手段１０により決定された外的トルクＴ2(i+1)が第１、第２アクチュエータを通じて歩行者の脚部に付与される（図３／ｓ２）。
【００７１】
次に、歩行者の膝関節に付与される外的トルクＴ2が歩行条件の変動に伴いどのように変動するかについて実験した結果を、図６を用いて説明する。図６には歩行者が平地で歩行を開始し、階段を上り、そして階段を下りた場合に第１係数ｃ1がどのように変動するかが示されている。上述のように第１係数ｃ1は内的トルクＴ1のうち何％を外的トルクＴ2として決定・付与するかを左右するので、その変動を通じて間接的に外的トルクＴ2の変動を把握することができる。なお、実験に際して第１係数ｃ1の上限が０．２５に設定され、第２係数ｃ2が０．２５に設定されている。
【００７２】
平地での歩行時、第１係数ｃ1は０からその上限０．２５に達した後、徐々に減少して０に至っている（図中下向き矢印参照）。これは、平地での歩行開始直後は膝関節に大きな外的トルクが付与されて歩行者の歩行が補助され、その後、徐々に外的トルクが減少して歩行者が自力で歩行していることを示している。
【００７３】
また、階段を上るとき、第１係数ｃ1は０からその上限０．２５に達した後、以後もほぼ全時間にわたってその上限に維持されている。これは、階段を上る間は膝関節に定常的に大きな外的トルクが付与されて歩行者の歩行が補助されていることを示している。
【００７４】
さらに、階段を下りるとき、第１係数ｃ1は０から０．１程度に上昇し、やや減少した上で０．１５程度まで徐々に増大している（図中上向き矢印参照）。これは、階段を下りる間は階段を上るときよりは小さいながらも、適切な大きさの外的トルクが膝関節に付与されて歩行者の歩行が補助されていることを示している。
【００７５】
続いて、歩行者に付与される外的仕事量ｗ2 が歩行条件の変動に伴いどのように変動するかについてシミュレーションを行った結果について図７及び図８を用いて説明する。図７及び図８では縦軸に歩行に要する合計仕事量、横軸に歩行者の歩行周期が表されている。また、仕事量は平地歩行時における合計仕事量（点線）で規格化されている。さらに図７では平地歩行時を基準とした合計仕事量の変動量が斜線で表され、図８では外的仕事量の変動量が斜線で表されている。
【００７６】
図７に示すように合計仕事量が第１〜第４周期で１．０、第５周期に１．０から１．５に増大し、第６〜第１１周期で１．５、第１２周期に１．５から２．０に増大したとする。また、第１３〜第１７周期で２．０、第１８周期に２．０から１．５に減少し、第１９〜第２１周期で１．５、第２２周期に１．５から１．０に減少し、第２３周期以降は１．０と変動したとする。合計仕事量の増大は例えば平地歩行から坂道や階段を登る歩行への移行に対応し、合計仕事量の減少は例えば坂道や階段を降る歩行から平地歩行への移行に対応している。
【００７７】
第２係数ｃ2 、ゲイン係数Ｇの組み合わせを（１．０、０．６）、（０．５、０．６）、（１．０、１．０）、（０．５、１．０）とした場合の内的仕事量及び外的仕事量の変動のシミュレーション結果をそれぞれ図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）、図８（ｄ）に示す。
【００７８】
図８（ａ）及び図８（ｃ）を見ると、第２係数ｃ2が１．０の場合、平地歩行状態を基準とした合計仕事量の変動量（図７斜線部）の全部が補償されるように外的トルク、ひいては外的仕事量（図８（ａ）、図８（ｃ）斜線部）が付与されていることがわかる。また、図８（ｂ）及び図８（ｄ）を見ると、第２係数ｃ2が０．５の場合、変動量（図７斜線部）の半分が補償されるように外的トルク、ひいては外的仕事量（図８（ｂ）、図８（ｄ）斜線部）が付与されていることがわかる。
【００７９】
また、図８（ａ）及び図８（ｃ）又は図８（ｂ）及び図８（ｄ）を比較すると、ゲイン係数Ｇが大きい方が関節回りに付与される外的トルク、ひいては外的仕事量（図８（ａ）〜８（ｄ）斜線部）が変動量（図７斜線部）に対応して迅速に変動するのがわかる。また、ゲイン係数Ｇが小さい方が関節回りに付与される外的仕事量（図８（ａ）〜図８（ｄ）斜線部）が変動量（図７斜線部）に対応して緩やかに変動するのがわかる。即ち、図２を用いて既に説明した通り、外的仕事量（白塗部分）ｗ2が階段上り時に徐々に増加していくが、ゲイン係数Ｇが大きいほど１から２、２から３、３から４へと移行する速度が大きくなり、ゲイン係数Ｇが小さいほど当該速度は小さくなる。
【００８０】
本歩行補助装置によれば、歩行者の脚部の関節回りの内的仕事量ｗ1が基準仕事量ｗ0に一致するように、脚部に対して関節回りの外的トルクＴ2が付与される。従って、歩行者が平地歩行から階段歩行へ移行する等、歩行条件が変動し、歩行に要する脚部の仕事量が基準仕事量ｗ0を超過した場合、当該超過分が補助される形で脚部等に外的トルクＴ2が付与される。そして、歩行条件の変動に関わらず、脚部における基準仕事量ｗ0に対応する内的トルクＴ1の発揮による歩行を可能とすることができる。
【００８１】
また、脚部に付与される外的トルクＴ2は、第１係数ｃ1、さらには脚部に付与される外的仕事量ｗ2に基づいて決定され（上式（６）〜（８）参照）、当該決定の基準となる基準仕事量ｗ0 は脚部の内的仕事量ｗ1に基づいて決定される（上式（５）参照）。従って、脚部の内的仕事量ｗ1と外的仕事量ｗ2とのバランスに応じた適切な外的トルクＴ2を脚部に付与することができる。
【００８２】
さらに、ゲイン係数Ｇを大きくすることで第１係数ｃ1 のその目標値ｃTGへの収束速度を大きくすることができる。そして、歩行条件の変動により歩行に要する仕事量が基準仕事量ｗ0 を超過した場合、当該超過分を迅速に解消するように外的トルクＴ2 を脚部に付与することができる（図（ｃ）、図８（ｄ）参照）。一方、ゲイン係数Ｇを小さくすることで第１係数ｃ1 のその目標値ｃTGへの収束速度を小さくすることができる。そして、歩行条件の変動により歩行に要する仕事量が基準仕事量ｗ0 を超過した場合、当該超過分を時間的にゆるやかに解消するように外的トルクＴ2 を脚部に付与することができる（図８（ａ）、図８（ｂ）参照）。
【００８３】
また、基準仕事量ｗ0 に対する歩行に際して必要な合計仕事量の変動分のうち、どれだけを外的トルクＴ2 により補償するかが第２係数ｃ2の大小によって決定される。即ち、第２係数ｃ2が大きく設定されることで、当該変動分のうち外的トルクＴ2により補償される分の割合を大きくすることができる（図８（ａ）、８（ｃ）参照）。一方、第２係数ｃ2が小さく設定されることで、当該変動分のうち外的トルクＴ2 により補償される分の割合を小さくすることができる（図８（ｂ）、８（ｄ）参照）。
【００８４】
なお、本実施形態では歩行者の脚部に対して股関節及び膝関節回りの外的トルクが付与されたが、他の実施形態として脚部に対して足関節回りの外的トルクが付与されてもよく、腕部の手根関節、肘関節又は肩関節回りの外的トルクが付与されてもよい。即ち、本実施形態では外的トルクが付与される対象としての「連結体」が股関節を介して連結された歩行者の腰部と大腿部、及び膝関節を介して連結された大腿部と脛部であったが、他の実施形態として「連結体」が足関節を介して連結された脛部と足平等であってもよい。
【００８５】
また、本実施形態では人間の動作を補助すべくその脚部に関節回りの外的トルクが付与されたが、他の実施形態として猫や犬等の動物の動作を補助すべくその脚部に関節回りの外的トルクが付与されてもよい。これは、本発明のトルク付与システムが人間の医療分野等のみならず、獣医学の分野にも適用可能であることを意味する。
【００８６】
さらに、本実施形態では左右両脚部に外的トルクが付与されたが、他の実施形態として左右いずれか一方の脚部にのみ外的トルクが付与されてもよい。
【００８７】
本実施形態では歩行者の歩行を補助すべく外的トルクＴ2 が付与されたが、他の実施形態として歩行者が動かそうとする方向とは逆方向に外的トルクＴ2が付与されてもよい。当該他の実施形態によれば、第１係数決定手段９により第１係数ｃ1が負に決定されることで外的トルクＴ2と内的トルクＴ1との符号が異なる（上式（８）参照）。そして、歩行者がかかる外的トルクＴ2に反して体を動かそうとすることで歩行者の筋力強化を図ることができる。即ち、本発明のトルク付与システムがスポーツ選手等の筋力増強を図るトレーニング装置として利用される。
【００８８】
本実施形態では制御ユニット３が歩行補助装置のバックパック５に格納されたが、他の実施形態として制御ユニット３と、歩行補助装置とが分離され、両者間の信号送受信することで制御ユニット３における内的トルクＴ1の測定や外的トルクＴ2の決定、第１、第２アクチュエータ１、２の作動指示等が実行されてもよい。
【００８９】
また、第１係数決定手段９は、第１測定手段６により測定される内的仕事量ｗ1と、第２測定手段７により測定される外的仕事量ｗ2との和である合計仕事量が、基準仕事量決定手段８により決定される基準仕事量ｗ0以下のとき、第１係数ｃ1の下限を０と決定してもよい。これにより、脚部の合計仕事量ｗ1＋ｗ2が減少して基準仕事量ｗ0を下回った場合、第１係数ｃ1が負に決定され、脚部に負の外的トルクＴ2が付与される事態を防止することができる。
【００９０】
さらに、第１係数決定手段９は、脚部の合計仕事量ｗ1＋ｗ2が、基準仕事量決定手段８により決定される基準仕事量ｗ0以上の所定量（０、１．５ｗ0、２．５ｗ0、‥等）以上のとき、第１係数ｃ1の上限を決定してもよい。これにより、脚部の合計仕事量ｗ1＋ｗ2が増大して基準仕事量ｗ0を大きく上回った場合、第１係数ｃ1が過大に決定され、脚部に過大な外的トルクＴ2が付与される事態を防止することができる。
【００９１】
本実施形態では内的トルクＴ1及び角速度ω1の積、外的トルクＴ2及び角速度ω2の積が歩行者の歩行周期にわたり時間積分されることで内的仕事量ｗ 、外的仕事量ｗ2が測定されたが（上式（３）、（４）、図３／ｓ３〜ｓ５参照）、他の実施形態として当該積分時間は単位時間であってもよく、歩行者が単位距離だけ移動するのに要した時間等、異なる時間であってもよい。
【００９２】
本実施形態では脚部への床反力に基づき逆動力学モデルに従って膝関節、股関節の内的トルクＴ1及び内的仕事量ｗ1が測定されたが（図５、式（２ａ）〜（２ｃ）参照）、他の実施形態として三次元動作解析装置によって各関節の内的トルクＴ1及び内的仕事量ｗ1が測定されてもよい。即ち、脚部の動作がｘｙｚ方向から撮影され、各関節がどれだけの角速度ω1でどれだけの角度折れ曲がっているかが画像解析され、この解析結果に基づいて各関節の内的トルクＴ1や内的仕事量ｗ1が測定されてもよい。
【００９３】
本実施形態では角度センサａ等の測定値に基づいて歩行者の脚部への床反力が測定されたが（図４、式（１ａ）〜（１ｄ）参照）、他の実施形態として歩行者が履くシューズに床反力センサが設けられ、これにより直接床反力が測定されてもよい。
【００９４】
本実施形態では関節回りの内的トルクＴ1及び（内的）角速度ωが測定され、両者の積の絶対値が時間積分されることで当該関節回りの内的仕事量ｗ1が測定されたが（式（３）参照）、他の実施形態として歩行者の関節に関連する筋肉収縮力及び筋肉収縮速度が測定され、両者の積に基づいて当該関節回りの内的仕事量ｗ1が測定されてもよく、歩行者の上体や鉛直方向に対する左右の大腿部や脛部等の角度、又は足平の移動距離が測定され、記憶手段１１により当該測定値と内的仕事量ｗ1との対応データテーブルが記憶保持され、当該測定値及びデータテーブルとが用いられることで内的仕事量ｗ1が測定されてもよい。
【００９５】
本実施形態では関節回りの外的トルクＴ2及び（外的）角速度ωが測定され、両者の積の絶対値が時間積分されることで当該関節回りの外的仕事量ｗ2が測定されたが（式（４）参照）、他の実施形態として各アクチュエータ１、２の消費電力が測定され、当該消費電力に基づいて外的仕事量ｗ2が測定されてもよく、アクチュエータ１、２が油圧式の場合、油圧の変動量が測定され、当該油圧変動量の時間積分に基づいて外的仕事量ｗ2が測定されてもよい。
【００９６】
ここで、さらに本発明の他の実施形態について説明する。歩行者が階段を上る場合、歩行者の膝関節回りの外的トルクＴ2及び角速度ωの積について考える。また、膝が屈曲する方向を「負」、伸張する方向を「正」とする。
【００９７】
歩行者が踏み出した右足平が上段に接地したとき右膝は屈曲している。次に、歩行者がさらに階段を上るべく下段から左足平を離反させると、歩行者の体を持ち上げるべく右膝を屈曲状態から伸張させるように「正」の内的トルクＴ1が生じる。また、右膝部に取り付けられたアクチュエータ２（図１参照）により右膝の伸張を補助すべく「正」の外的トルクＴ2が付与される。しかるに、歩行者が下段から左足平を離反させた直後は、右膝は歩行者の体重によりやや屈曲し、角速度ωは「負」となる。従って、内的トルクＴ1と角速度ωとの積、及び外的トルクＴ2と角速度ωとの積はともに「負」となる。
【００９８】
続いて、歩行者が左足平を離反してからある程度の時間が経過すると、歩行者の右膝は「正」の内的トルクＴ1及び外的トルクＴ2により屈曲状態から徐々に伸張し、角速度ωは「正」となる。従って、内的トルクＴ1と角速度ωとの積、及び外的トルクＴ2と角速度ωとの積はともに「正」となる。
【００９９】
このように歩行条件によっては１の歩行周期の中にもトルクと角速度との積が「正」になったり「負」になったりする場合が考えられる。
【０１００】
かかる事情に対応し、当該他の実施形態では、第１測定手段６、第２測定手段７により、内的、外的仕事量ｗ1(i)、ｗ2(i)が次式（９）〜（１２）に従い当該積が正の場合の積分部分ｗ1(i)+、ｗ2(i)+と、負の場合の積分部分ｗ1(i)-、ｗ2(i)-とに分割して測定される。
【０１０１】
w1(i)＝w1(i)+＋w1(i)-＝∫dt・f+（T1(i)×ω(i) ）＋∫dt・f-（T1(i)×ω(i) ） ..(9)。
【０１０２】
w2(i)＝w2(i)+＋w2(i)-＝∫dt・f+（T2(i)×ω(i) ）＋∫dt・f-（T2(i)×ω(i) ） ..(10)。
【０１０３】
f+（x）≡x（if x≧0）, 0（if x＜0） ..(11)。
【０１０４】
f-（x）≡0（if x≧0）, -x（if x＜０） ..(12)。
【０１０５】
この上で、第１係数決定手段９によりｗ1(i)+及びｗ2(i)+に基づき、さらにｗ1(i)-及びｗ2(i)-に基づき、相違する第１係数ｃ1(i+1) 、ｃ1(i+1)-が決定される（式（７）参照）。
【０１０６】
そして、ｉ＋１周期で内的トルクＴ1(i+1)及び角速度ω(i+1)の積が「正」のとき、ｉ周期で当該積が「正」の状況に応じて決定された第１係数ｃ1(i+1)+に基づいて外的トルク決定手段１０によって外的トルクＴ2(i+1)が決定される（式（８）参照）。一方、当該積が「負」のとき、ｉ周期で当該積が「負」の状況に応じて決定された第１係数ｃ1(i+1)-に基づいて外的トルクＴ2(i+1)が決定される（同）。
【０１０７】
従って、過去の歩行条件と一致する歩行条件に接したとき、当該過去の歩行条件に応じて予め決定された第１係数ｃ1に基づき、現在の外的トルクＴ2を決定・付与することができる。
【０１０８】
また、前記他の実施形態では内的トルクＴ1 及び角速度ωの積の正負に応じてそれぞれ第１係数ｃ1、さらには外的トルクＴ2 が決定されたが、さらに他の実施形態として当該積が３つ以上の複数区分のそれぞれに応じて第１係数ｃ1 が決定されてもよい。例えば、当該積が任意単位をもって−２未満、−２以上＋１未満、＋１以上のそれぞれの場合に応じた第１係数ｃ1が決定されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】歩行補助装置の構成説明図
【図２】歩行補助装置による歩行補助の概要説明図
【図３】歩行補助装置の機能を説明するフローチャート
【図４】歩行者の足平の床反力測定の概念説明図
【図５】歩行者の関節周りのトルク測定の概念説明図
【図６】歩行補助装置による歩行補助の実験結果の説明図
【図７】歩行補助装置による歩行補助のシミュレーション結果の説明図（その１）
【図８】歩行補助装置による歩行補助のシミュレーション結果の説明図（その２）
【符号の説明】
【０１０９】
１‥第１アクチュエータ、２‥第２アクチュエータ、３‥制御ユニット、４‥バッテリ、６‥第１測定手段、７‥第２測定手段、８‥基準仕事量決定手段、９‥第１係数決定手段、１０‥外的トルク決定手段、１１‥記憶手段、ａ‥角度センサ、ｇ‥ジャイロセンサ、ｇ’‥Ｇセンサ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、関節を介して相対的に回動可能に連結された連結体に対して関節回りの外的トルクを付与するシステム、より具体的には歩行者の脚部に対して足関節、膝関節又は股関節回りの外的トルクを付与するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
脚力の低下のため自力での歩行が困難となった者の歩行を補助するシステムが特開平７−１６３６０７号公報や特開２０００−１６６９９７号公報等において提案されている。かかるシステムによれば、患者の膝関節部分等にトルク付与装置が取り付けられ、当該装置によって膝等にトルクが付与されることで、歩行者の歩行が補助される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のシステムによれば、階段、平地等の歩行条件は大まかに識別されていたに過ぎず、段差が不規則な階段や傾斜の相違する坂道等、多様な歩行条件が識別された上でトルクが付与されていなかった。このため、付与されるトルクが過剰になってしまうおそれがある。
【０００４】
そこで、本発明は、多様な歩行条件に応じて適切に歩行を補助し得るシステムの構築を通じ、歩行に伴う膝関節の折り曲げ等を含む種々の回動に状況に応じた適切なトルクを付与し得るシステムを提供することを解決課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明のトルク付与システムは、歩行者の脚部に対して足関節、膝関節又は股関節回りの外的トルクを付与するシステムであって、前記歩行者が自発的に脚部を動かす際に当該脚部から生じる関節回りのトルクである内的トルクと、当該関節回りの脚部の回転角速度である内的角速度との積の絶対値の時間積分値である内的仕事量を測定する第１測定手段と、アクチュエータと、前記アクチュエータにより前記歩行者の脚部に付与される関節回りのトルクである外的トルクと、当該アクチュエータの回転角速度である外的角速度との積の絶対値の時間積分値である外的仕事量を測定する第２測定手段と、前記第１測定手段により測定される前記内的仕事量と、前記第２測定手段により測定される前記外的仕事量の和である合計仕事量を決定し、前記第１測定手段により測定される、前記歩行者が無負荷状態において平地を歩行する際の脚部の前記内的仕事量に対する、前記合計仕事量の変動量を決定し、当該変動量と、当該変動量のうち前記外的トルクによる補償比率を表わす第２係数との積を決定し、前記合計仕事量と当該積との差を基準仕事量として決定する基準仕事量決定手段と、前記第２測定手段により測定される前記外的仕事量に基づき、前記第１測定手段により測定される脚部の内的仕事量と、前記基準仕事量決定手段により決定される前記基準仕事量との偏差を減少するように前記外的トルクを決定する外的トルク決定手段とを備えていることを特徴とする。
【０００６】
本発明のトルク付与システムによれば、歩行者の脚部の関節回りの内的仕事量が基準仕事量に一致するように、歩行者の脚部に対して関節回りの外的トルクが付与される。従って、歩行者が平地歩行から階段歩行へ移行する等、歩行者の脚部の歩行又は動作（以下「歩行等」という。）の条件が変動し、歩行等に要する歩行者の脚部の仕事量が基準仕事量を超過した場合、当該超過分が補助される形で歩行者の脚部に外的トルクが付与される。そして、歩行等の条件変動に関わらず、歩行者の脚部における基準仕事量に対応する内的トルクの発揮によって歩行等を可能とすることができる。
【０００７】
また、歩行者の脚部に付与される外的トルクは、当該歩行者の脚部に付与される外的仕
事量に基づいて決定され、当該決定の基準となる基準仕事量は歩行者の脚部の内的仕事量に基づいて決定される。従って、歩行者の脚部の内的仕事量と外的仕事量とのバランスに応じた適切な外的トルクを歩行者の脚部に付与することができる。なお、本システムにより付与される外的トルクには、歩行等の方向をｘ軸、鉛直方向をｚ軸として、ｘｙ平面、ｙｚ平面、ｚｘ平面の全ての平面内の外的トルク、即ち、３次元空間内のあらゆる方向への外的トルクが包含されている。
【０００８】
さらに、歩行に際して必要な合計仕事量の基準仕事量に対する変動分のうち、どれだけを外的トルクにより補償するかが第２係数の大小によって決定される。即ち、第２係数が大きく設定されることで、当該変動分のうち外的トルクにより補償される分の割合を大きくすることができる。一方、第２係数が小さく設定されることで、当該変動分のうち外的トルクにより補償される分の割合を小さくすることができる。
【０００９】
なお「歩行者の無負荷状態における平地歩行時の内的仕事量」には、外部から負荷が加わっていない状態で歩行者が平地を歩行する際の内的仕事量のほか、外部から負荷が加わっている状態で歩行者が平地を歩行する際の内的仕事量であって、当該負荷が加わっていない状態での内的仕事量と擬制され得るように当該負荷を考慮に入れて補正される内的仕事量も含まれる。
【００１０】
上記システムにおいて、前記基準仕事量決定手段により決定される基準仕事量との偏差が０となる場合の脚部の内的仕事量に対する脚部に付与される外的仕事量の比を目標値とし、時間を追って当該目標値に収束するよう前記内的トルクに対する前記外的トルクの比率を表わす第１係数を逐次決定する第１係数決定手段を備え、前記第１測定手段は前記内的トルクを測定し、前記外的トルク決定手段は、前記第１測定手段により測定される前記内的トルクと、前記第１係数決定手段により決定される前記第１係数との積を演算し、当該演算結果を前記外的トルクとして決定することが好ましい。
【００１１】
当該構成のトルク付与システムによれば、歩行者の歩行条件の変動により脚部の内的仕事量が基準仕事量を超過した場合、この超過分を解消すべく、第１係数、ひいては脚部に付与される外的トルクが逐次決定される。また、第１係数がその目標値に収束したとき、第１係数に基づき決定される外的トルクが脚部に付与されることで、脚部の基準仕事量に対応する内的トルクの発揮による歩行を可能とすることができる。
【００１２】
さらに、第１係数のその目標値への収束速度を大きくすることで、歩行条件の変動により歩行に要する仕事量が基準仕事量を超過した場合、当該超過分を迅速に解消するように外的トルクを脚部に付与することができる。一方、第１係数のその目標値への収束速度を小さくすることで、歩行条件の変動により歩行に要する仕事量が基準仕事量を超過した場合、当該超過分を時間的にゆるやかに解消するように外的トルクを脚部に付与することができる。
【００１３】
上記システムにおいて、前記第１係数決定手段は、前記第１測定手段により測定される前記内的仕事量または前記第２測定手段により測定される前記外的仕事量に基づいて前記第１係数の上限または下限を決定することが好ましい。
【００１４】
当該構成のトルク付与システムによれば、第１係数に上限又は下限が設定され、これにより脚部に付与される外的トルクが過大又は過少となり、歩行者が肉体的苦痛を覚えたり、歩行者の心理に悪影響が及ぶおそれを解消することができる。また、第１係数の上限又は下限は、歩行者の歩行状況に応じて変動する内的仕事量又は外的仕事量に基づいて決定されるので、当該歩行状況に応じて適切に外的トルクを制限することができる。
【００１５】
上記システムにおいて、前記第１係数決定手段は、前記第１測定手段により測定される前記内的仕事量と、前記第２測定手段により測定される前記外的仕事量との和である合計仕事量が、前記基準仕事量決定手段により決定される前記基準仕事量以下のとき、前記第１係数の下限を０と決定することが好ましい。
【００１６】
上述のように脚部の内的仕事量と基準仕事量とが一致するように第１係数の目標値が決定される。従って、脚部の合計仕事量が減少して基準仕事量を下回った場合、脚部の内的トルクひいては内的仕事量を増大させて基準トルクに一致させるべく、第１係数が負に決定され、脚部には歩行の抵抗となる負の外的トルクが付与される。
【００１７】
当該構成のトルク付与システムによれば、このような場合、第１係数の下限が０と決定されるので、第１係数と内的トルクとの積として決定される外的トルクが０となるので、脚部に負の外的トルクが付与される事態を防止することができる。
【００１８】
上記システムにおいて、前記第１係数決定手段は、前記第１測定手段により測定される前記内的仕事量と、前記第２測定手段により測定される前記外的仕事量との和である合計仕事量が、前記基準仕事量決定手段により決定される前記基準仕事量以上の所定量以上のとき、前記第１係数の上限を決定することが好ましい。
【００１９】
脚部の合計仕事量が増大して基準仕事量を大きく上回った場合、脚部の内的トルクひいては内的仕事量を減少させて基準仕事量に一致させるべく、第１係数が過大に決定され、脚部に過大な外的トルクが付与される。
【００２０】
当該構成のトルク付与システムによれば、このような場合、第１係数の上限が決定されるので、第１係数と内的トルクとの積として決定される外的トルクに上限が設けられ、脚部に過大な外的トルクが付与される事態を防止することができる。
【００２１】
上記システムにおいて、前記第１測定手段は前記歩行者の脚部の関節回りの前記内的トルク及び前記内的角速度の積を測定し、前記第１係数決定手段は複数の数値区分のうち、前記第１測定手段により測定された当該積が含まれる数値区分に応じて前記第１係数を区分して決定し、前記外的トルク決定手段は、前記第１測定手段により測定された当該積が含まれる数値区分が先に前記第１測定手段により測定された過去の当該積が含まれる数値区分に一致するとき、前記第１係数決定手段によって当該過去の積が含まれる数値区分に応じた前記内的仕事量に基づいて先に決定された前記第１係数を用いて前記外的トルクを決定することが好ましい。
【００２２】
さらに、前記第１係数決定手段は、前記第１測定手段により測定された前記歩行者の脚部の関節回りの内的トルク及び前記内的角速度の積が、前記複数の数値区分としての正の数値区分および負の数値区分のうちいずれに含まれるかに応じて前記第１係数を区分して決定することが好ましい。
【００２３】
上記システムにおいて、前記第１測定手段及び前記第２測定手段のそれぞれは、前記歩行者の歩行周期を積分時間とすることでそれぞれ前記内的仕事量及び外的仕事量のそれぞれを測定することが好ましい。
【００２４】
当該構成のトルク付与システムによれば、右又は左の足平が離床してから接地し、且つ、左又は右の足平が離床してから接地するまでの内的仕事量、外的仕事量に基づいて次回の左右の脚部に付与される外的トルクを決定することができる。
【００２５】
上記システムにおいて、前記第１測定手段は、前記歩行者の脚部の足平への床反力を測
定し、測定した床反力に基づき、前記歩行者の脚部が関節を介して回動可能に順次連結された複数の剛体棒と仮定され、一の剛体棒の一の関節回りのトルク及び関節の反力に基づいて当該一の剛体の他の関節回りのトルク及び関節の反力が決定されるような逆動力学モデルに従って脚部の足関節、膝関節又は股関節回りの前記内的トルクと前記外的トルクとの合計トルクを測定し、測定した合計トルクから前記第２測定手段により測定される前記外的トルクとの差を演算することで脚部の足関節、膝関節又は股関節回りの前記内的トルクを測定することが好ましい。
【００２６】
詳細は後述するが逆動力学モデルによれば、脚部が関節を介して回動可能に順次連結された複数の剛体棒と仮定され、一の剛体棒の一の関節回りのトルク及び関節の反力に基づいて当該一の剛体の他の関節回りのトルク及び関節の反力が決定される。従って、本発明によれば、床反力に基づき足関節回りのトルク及び関節の反力が測定されることで、膝関節、股関節のトルクを順次測定することができる。また、逆動力学モデルに従って測定されたトルクは内的トルク及び外的トルクの和なので、これから外的トルクを差し引くことで内的トルクを測定することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明のトルク付与システムの実施形態について図面を用いて説明する。
【００２８】
図１に示すトルク付与システムは、歩行者の腰部に取り付けられて股関節回りの外的トルクを付与する第１アクチュエータ（外的トルク付与手段）１と、歩行者の膝部に取り付けられて膝関節回りの外的トルクを付与する第２アクチュエータ２（同）と、各アクチュエータ１、２の作動等を制御する制御ユニット３と、各アクチュエータ１、２に電力を供給するＮｉ−Ｚｎバッテリ等のバッテリ４とを備えている。制御ユニット３及びバッテリ４は歩行者の背中に担がれるバックパック５の中に格納されている。
【００２９】
第１アクチュエータ１は歩行者に取り付けられた腹帯ｂと、大腿部当てｃとを介して股関節回りの外的トルクを付与する。第２アクチュエータ２は歩行者に取り付けられた大腿部当てｃと脛部当てｄとを介して膝関節回りの外的トルクを付与する。なお、歩行者の腰部、大腿部、脛部は本発明の「連結体」に相当する。
【００３０】
また、本歩行補助装置は、歩行者の背後に取り付けられ、上半身の鉛直方向に対する角速度を測定するジャイロセンサｇと、水平方向の加速度を測定するＧセンサｇ’とを備えている。さらに、歩行者の腰部に取り付けられ、腰部の鉛直方向に対する角速度を測定するジャイロセンサｇと、水平方向、鉛直方向の加速度を測定するＧセンサｇ’とを備えている。また、歩行者の腰部に取り付けられて腰部に対する左右の大腿部の股関節回りの回転角を測定し、膝部に取り付けられて大腿部に対する脛部の回転角を測定する角度センサａを備えている。
【００３１】
制御ユニット３は、第１測定手段６と、第２測定手段７と、基準仕事量決定手段８と、第１係数決定手段９と、外的トルク決定手段１０と、記憶手段１１とを備えている。制御ユニット３は、後述の諸機能を発揮可能となりようにＣＰＵ、信号入出力回路、メモリ等が組み合わせられることで構成されている。
【００３２】
第１測定手段６は各センサｇ、ｇ’、ａの測定値に基づいて膝関節、股関節回りの脚部の内的トルクＴ1と、内的トルクＴ1と内的角速度ω1との積の絶対値の時間積分である内的仕事量ｗ1とを測定する。
【００３３】
第２測定手段７は各アクチュエータ１、２の電流値や角度センサａの測定値に基づいて膝関節、股関節回りの外的トルクＴ2と外的角速度ω2との積の絶対値の時間積分である外的仕事量ｗ2を測定する。
【００３４】
基準仕事量決定手段８は第１測定手段６により測定される脚部の内的仕事量ｗ1に基づいて基準仕事量ｗ0 を決定する。
【００３５】
第１係数決定手段９は基準仕事量決定手段８により決定される基準仕事量ｗ0 との偏差が０となる場合の内的仕事量ｗ1に対する外的仕事量ｗ2の比を目標値ｃTGとし、内的仕事量ｗ1に対する外的仕事量ｗ2の比を第１系数ｃ1とし、時間を追ってこの目標値に収束するよう第１係数ｃ1を逐次決定する。
【００３６】
外的トルク決定手段１０は第１測定手段６により測定される内的トルクＴ1と、第１係数決定手段９により決定される第１係数ｃ1との積を演算し、アクチュエータ１、２を通じて股関節、膝関節回りに付与される外的トルクＴ2を決定する。
【００３７】
記憶手段１１はＲＯＭ等の不揮発性メモリや、ＲＡＭ等の揮発性メモリ等により構成され、後述のように基準仕事量ｗ0の決定に用いられる第２係数ｃ2や、歩行者の左右の足平への床反力等の測定に用いられるデータテーブル等を記憶する。
【００３８】
上記構成の歩行補助装置の機能について図２〜図８を用いて説明する。
【００３９】
まず、第２アクチュエータ２から歩行者の脚部に対して付与される膝関節回りの外的トルクの概要について図２を用いて説明する。歩行者が無負荷状態で平地を歩行するときの膝関節回りの内的仕事量ｗ1が黒塗部分で表されている。
【００４０】
なお「無負荷状態での内的仕事量ｗ1」には、歩行者が歩行補助装置を装着していない状態で三次元動作解析装置等により測定される内的仕事量のほか、歩行者が歩行補助装置を装着した状態で上記角度センサａ等により測定される内的仕事量が、当該装置の重量やフリクションを考慮して減少補正されることで決定される内的仕事量も含まれる。
【００４１】
歩行者が階段を上り始めたとき、膝関節回りの内的仕事量ｗ1が、平地歩行時よりもΔｗ（１の斜線部分）だけ超過したとする。この超過は歩行者が階段を上るとき、平地歩行時よりも脚部を大きく動かす必要があることに起因している。従って、筋力低下等のために平地歩行はできても階段歩行がままならない歩行者は階段を上ることが困難となる。
【００４２】
そこで、歩行者の階段歩行を補助すべく脚部に外的トルクＴ2が付与される。外的トルクＴ2は、後述のように基準仕事量ｗ0が決定された上で、内的仕事量ｗ1がこの基準仕事量ｗ0 に収束するように内的トルクＴ1に基づいて逐次決定される。これにより歩行者が階段を上るにつれ、１から２、２から３、３から４に移行するごとに外的仕事量ｗ2 （２〜４の白塗部分）が徐々に増大し、その分だけ内的仕事量ｗ1が徐々に減少して基準仕事量ｗ0 に収束する。このため、膝関節回りに内的トルクを生じるために必要な歩行者の筋力負担が、階段を上るにつれて軽減されていく。これ以後、歩行者は基準仕事量ｗ0に対応する内的トルクＴ1の発揮により登り階段歩行を継続することができる。
【００４３】
次に、第１、第２アクチュエータ１、２から脚部に対して付与される股関節、膝関節回りの外的トルクＴ2を決定する手順の詳細について図３〜図６を用いて説明する。なお、歩行者のｉ番目（ｉ＝１、２、‥）の歩行周期（以下「第ｉ周期」という。）における物理量に適宜添字ｉを付する。
【００４４】
まず、膝関節及び股関節回りの内的トルクＴ1(i)及び角速度ω1(i)が測定される（図３／ｓ１）。内的トルクＴ1(i)の測定方法について図４及び図５を用いて説明する。
【００４５】
歩行者の左右の脚部への床反力が図４に示すモデルを用いて測定される。図４に示す質量ｍの歩行者の左右の脚部にはそれぞれ床反力（ＦLx、ＦLy）、（ＦRx、ＦRy）が作用している。また、歩行者の身体重心座標、左足関節座標及び右足関節座標はそれぞれ（ｘG 、ｙG ）、（ｘL 、ｙL ）、（ｘR 、ｙR ）である。このモデルにおける力のバランスや方向を考慮すると次の関係式（１ａ）〜（１ｄ）が得られる。
【００４６】
FRy＋ＦLy＝m（g＋yG”）（g：重力加速度） ..(1a)
FRx＋FLx＝mxG” ..(1b)
（yG−yR）／（xG−xR）＝FRy／F Rx ..(1c)
（yG−yL）／（xG−xL）＝FLy／FLx ..(1d)
【００４７】
歩行者の質量ｍは事前に測定され、また、身体重心座標（ｘG 、ｙG ）、左右の足関節座標（ｘL 、ｙL ）、（ｘR 、ｙR ）、身体重心座標の加速度（ｘG ”、ｙG ”）は歩行者の事前の身体測定、及び歩行者の腰部等に取り付けられたジャイロセンサｇやＧセンサｇ’、股関節及び膝関節に取り付けられた角度センサａの測定値に基づいて測定される。詳細には、左右の足関節座標（ｘL 、ｙL ）、（ｘR 、ｙR ）等は、記憶手段１１に記憶されている股関節や膝関節の角度、大腿部や脛部の長さ等との対応関係を特定するデータテーブルに基づいて測定される。そして、これらの測定値が上の関係式に代入されることで第１測定手段６により床反力（ＦLx、ＦLy）、（ＦRx、ＦRy）が測定される。
【００４８】
次に、測定された床反力に基づき、図５に示すモデルを用い、逆動力学モデルに従って膝関節、股関節回りの合計トルクが測定される。図５に示すように足関節に床反力（Ｆax、Ｆay）が作用し、膝関節に反力（Ｆbx、Ｆby）が作用し、質量ｍの脛部の重心には加速度に伴う力（ｍｘ”、ｍ（ｙ”＋ｇ））が作用しているとする。また、足関節、膝関節回りのトルクがそれぞれＴa 、Ｔb であり、脛部と床とのなす角をθ、脛部の慣性モーメントをＩ、足関節、膝関節から脛部の重心までの距離がそれぞれａ、ｂとする。このモデルにおいて力やトルクのバランスを考慮すると、次の関係式（２ａ）〜（２ｃ）が得られる。
【００４９】
Fax−Fbx−mx”＝０ ..(2a)
Fay−Fby−my”−mg＝0 ..(2b)
Iθ”＝Ta−Tb＋Faxasinθ−Fayacosθ ＋Fbxbsinθ−Fbybcosθ ..(2c)
【００５０】
床反力（Ｆax、Ｆay）は上述の方法により測定される。また、脛部の重心位置の加速度（ｘ”、ｙ”）、脛部の床に対する角度θ、及び角加速度θ”は歩行者の事前の身体測定や歩行者に取り付けられたジャイロセンサｇ、Ｇセンサｇ’、角度センサａの測定値に基づいて測定される。さらに、脛部の慣性モーメントＩ、足関節、膝関節から脛部の重心までの距離ａ、ｂは歩行者の事前の身体測定に基づいて測定される。また、足関節回りのトルクＴa は、床反力（Ｆax、Ｆay）に基づき記憶手段１１に記憶されているデータテーブル従って第１測定手段６により測定される。
【００５１】
そして、これらの測定値を上の関係式（２ａ）〜（２ｃ）に代入することで膝関節回りのトルクＴb が測定される。同様に、上の関係式（２ａ）〜（２ｃ）を用いることで股関節回りのトルクも測定される。
【００５２】
以上のように測定された膝関節、股関節回りのトルクから、第１、第２アクチュエータ１、２により付与されている外的トルクＴ2(i)が差し引かれることで膝関節、股関節回りの内的トルクＴ1(i)が測定される（図３／ｓ１）。また、内的角速度ω1(i)及び外的角速度ω2(i)（両者は略一致すると考えられるので角速度ω(i) と共通して表す）も角度センサａにより測定される（図３／ｓ１）。なお、各関節回りの外的トルクＴ2(i)は第１、第２アクチュエータ１、２の電流値に基づいて第２測定手段により測定される。
【００５３】
次に、外的トルクＴ2(i)が外的トルク付与手段１０により決定され、第１、第２アクチュエータ１、２を通じて歩行者の脚部に付与される（図３／ｓ２）。外的トルクＴ2(i)は第１測定手段６により逐次測定される内的トルクＴ1(i)と、第１係数決定手段９により歩行周期ごとに決定される第１係数ｃ1(i)との積をもって決定される。即ち、第１係数ｃ1(i)は外的トルクＴ2(i)を内的トルクＴ1(i)の何％にするかを決定するものである。第１係数ｃ1(i)の決定方法については後述する。
【００５４】
続いて、制御ユニット３によって第ｉ周期が経過したか否かが判断される（図３／ｓ３）。具体的には、第１制御手段６により測定される右足平の床反力が有限値から０になり、再び有限値になった後で０になったことが測定される周期が歩行周期の経過と判断される。
【００５５】
第ｉ周期経過前（図３／ｓ３でＮＯ）、歩行補助装置の作動が終了されない限り（図３／ｓ１０でＮＯ）、上記ｓ１〜ｓ３の処理が繰り返される。
【００５６】
第ｉ周期が経過したと判断されたとき（図３／ｓ３でＹＥＳ）、第１測定手段６により、各関節回りの内的仕事量ｗ1(i)が次式（３）に従って測定される（図３／ｓ４）。即ち、内的仕事量ｗ1(i)が、各関節回りの内的トルクＴ1(i)と、角速度ω(i)との積の絶対値が第ｉ周期にわたり積分されることで測定される。
【００５７】
w1(i)＝∫dt・｜T1(i)×ω(i) ｜ ..(3)
【００５８】
また、第２測定手段７により、各関節回りの外的仕事量ｗ2(i)が次式（４）に従って測定される（図３／ｓ５）。即ち、外的仕事量ｗ2(i)が、各関節回りの外的トルクＴ2(i)と角速度ω(i)との積の絶対値が第ｉ周期にわたり積分されることで測定される。
【００５９】
w2(i)＝∫dt・｜T2(i)×ω(i) ｜ ..(4)
【００６０】
なお、各関節回りの内的トルクＴ1(i)、外的トルクＴ2(i)及び角速度ω(i)は第ｉ周期内においても時々刻々変動する時間関数としての物理量である。
【００６１】
さらに、基準仕事量決定手段８により第ｉ＋１周期の基準仕事量ｗ0(i+1)が次式（５）に従って決定される（図３／ｓ６）。詳細にはまず、内的仕事量ｗ1(i)と外的仕事量ｗ2(i)との和である合計仕事量ｗ1(i)＋ｗ2(i)が、予め測定された平地歩行時の内的仕事量ｗ1(0)に対してどれだけ変動したかが測定される。即ち、基準仕事量ｗ0(i+1)は、合計仕事量ｗ1(i)＋ｗ2(i)から記憶手段１１に記憶されている第２係数ｃ2（０≦ｃ2 ≦１）と当該変動量Δｗiとの積を差し引くことで決定される。
【００６２】
第２係数ｃ2は、この変動量Δｗiのうち外的トルクＴ2(i+1)の付与により補償される割合を決定するものである。例えば、第２係数ｃ2が１．０に設定されていれば、変動量Δｗi の全てを補償するように、即ち、歩行状態の変動に関わらず平地歩行状態における内的仕事量ｗ1(0)によって歩行継続が可能となるように外的トルクＴ2(i+1)が決定される。また、第２係数ｃ2が０．５に設定されていれば、変動量Δｗi の半分を補償するように外的トルクＴ2(i+1)が決定される。なお、第２係数ｃ2は、操作パネル（図示略）等において設定・更新可能とされていてもよい。
【００６３】
w0(i+1)＝w1(i)＋w2(i)−c2Δwi ..(5)
【００６４】
また、第１係数決定手段９により第１係数の目標値ｃTG(i+1)が次式（６）に従って決定される（図３／ｓ７）。
【００６５】
cTG(i+1) ＝c2Δwi／｛w1(0)＋（1−c2）Δwi ｝ ..(6)
【００６６】
また、第１係数決定手段によって第１係数ｃ1(i+1)が記憶手段１１に記憶されているゲイン係数Ｇ（０＜Ｇ≦１）を用いて次式（７）に従って決定される。ゲイン係数Ｇはその大小により内的仕事量ｗ1(i+1)が基準仕事量ｗ0(i+1)に収束する速度を決定するものである。即ち、ゲイン係数Ｇを大きくするほど内的仕事量ｗ1(i)が迅速に基準仕事量ｗ0(i)に収束するように外的トルクＴ2(i)が大きく決定される。なお、ゲイン係数Ｇは、操作パネル（図示略）において設定・更新可能とされてもよい。
【００６７】
c1(i+1)＝w2(i)／w1(i)＋G（cTG(i+1) −w2(i)／ｗ1(i)） ..(7)
【００６８】
歩行補助装置の作動が終了されなければ（図３／ｓ９でＮＯ）、第ｉ周期の第１係数ｃ1(i)がｃ1(i+1)に更新される（図３／ｓ１１）。この上で、第ｉ＋１周期について、第１測定手段６により内的トルクＴ1(i+1)が測定される（図３／ｓ１）。また、外的トルク決定手段１０により上述のように外的トルクＴ2(i+1)が上述のように第１係数ｃ1(i+1)と、内的トルクＴ1(i+1)との積として次式（８）のように決定される（図３／ｓ２）。
【００６９】
T2(i+1)＝c1(i+1)T1(i+1) ..(8)
【００７０】
そして、外的トルク決定手段１０により決定された外的トルクＴ2(i+1)が第１、第２アクチュエータを通じて歩行者の脚部に付与される（図３／ｓ２）。
【００７１】
次に、歩行者の膝関節に付与される外的トルクＴ2が歩行条件の変動に伴いどのように変動するかについて実験した結果を、図６を用いて説明する。図６には歩行者が平地で歩行を開始し、階段を上り、そして階段を下りた場合に第１係数ｃ1がどのように変動するかが示されている。上述のように第１係数ｃ1は内的トルクＴ1のうち何％を外的トルクＴ2として決定・付与するかを左右するので、その変動を通じて間接的に外的トルクＴ2の変動を把握することができる。なお、実験に際して第１係数ｃ1の上限が０．２５に設定され、第２係数ｃ2が０．２５に設定されている。
【００７２】
平地での歩行時、第１係数ｃ1は０からその上限０．２５に達した後、徐々に減少して０に至っている（図中下向き矢印参照）。これは、平地での歩行開始直後は膝関節に大きな外的トルクが付与されて歩行者の歩行が補助され、その後、徐々に外的トルクが減少して歩行者が自力で歩行していることを示している。
【００７３】
また、階段を上るとき、第１係数ｃ1は０からその上限０．２５に達した後、以後もほぼ全時間にわたってその上限に維持されている。これは、階段を上る間は膝関節に定常的に大きな外的トルクが付与されて歩行者の歩行が補助されていることを示している。
【００７４】
さらに、階段を下りるとき、第１係数ｃ1は０から０．１程度に上昇し、やや減少した上で０．１５程度まで徐々に増大している（図中上向き矢印参照）。これは、階段を下りる間は階段を上るときよりは小さいながらも、適切な大きさの外的トルクが膝関節に付与されて歩行者の歩行が補助されていることを示している。
【００７５】
続いて、歩行者に付与される外的仕事量ｗ2 が歩行条件の変動に伴いどのように変動するかについてシミュレーションを行った結果について図７及び図８を用いて説明する。図７及び図８では縦軸に歩行に要する合計仕事量、横軸に歩行者の歩行周期が表されている。また、仕事量は平地歩行時における合計仕事量（点線）で規格化されている。さらに図７では平地歩行時を基準とした合計仕事量の変動量が斜線で表され、図８では外的仕事量の変動量が斜線で表されている。
【００７６】
図７に示すように合計仕事量が第１〜第４周期で１．０、第５周期に１．０から１．５に増大し、第６〜第１１周期で１．５、第１２周期に１．５から２．０に増大したとする。また、第１３〜第１７周期で２．０、第１８周期に２．０から１．５に減少し、第１９〜第２１周期で１．５、第２２周期に１．５から１．０に減少し、第２３周期以降は１．０と変動したとする。合計仕事量の増大は例えば平地歩行から坂道や階段を登る歩行への移行に対応し、合計仕事量の減少は例えば坂道や階段を降る歩行から平地歩行への移行に対応している。
【００７７】
第２係数ｃ2 、ゲイン係数Ｇの組み合わせを（１．０、０．６）、（０．５、０．６）、（１．０、１．０）、（０．５、１．０）とした場合の内的仕事量及び外的仕事量の変動のシミュレーション結果をそれぞれ図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）、図８（ｄ）に示す。
【００７８】
図８（ａ）及び図８（ｃ）を見ると、第２係数ｃ2が１．０の場合、平地歩行状態を基準とした合計仕事量の変動量（図７斜線部）の全部が補償されるように外的トルク、ひいては外的仕事量（図８（ａ）、図８（ｃ）斜線部）が付与されていることがわかる。また、図８（ｂ）及び図８（ｄ）を見ると、第２係数ｃ2が０．５の場合、変動量（図７斜線部）の半分が補償されるように外的トルク、ひいては外的仕事量（図８（ｂ）、図８（ｄ）斜線部）が付与されていることがわかる。
【００７９】
また、図８（ａ）及び図８（ｃ）又は図８（ｂ）及び図８（ｄ）を比較すると、ゲイン係数Ｇが大きい方が関節回りに付与される外的トルク、ひいては外的仕事量（図８（ａ）〜８（ｄ）斜線部）が変動量（図７斜線部）に対応して迅速に変動するのがわかる。また、ゲイン係数Ｇが小さい方が関節回りに付与される外的仕事量（図８（ａ）〜図８（ｄ）斜線部）が変動量（図７斜線部）に対応して緩やかに変動するのがわかる。即ち、図２を用いて既に説明した通り、外的仕事量（白塗部分）ｗ2が階段上り時に徐々に増加していくが、ゲイン係数Ｇが大きいほど１から２、２から３、３から４へと移行する速度が大きくなり、ゲイン係数Ｇが小さいほど当該速度は小さくなる。
【００８０】
本歩行補助装置によれば、歩行者の脚部の関節回りの内的仕事量ｗ1が基準仕事量ｗ0に一致するように、脚部に対して関節回りの外的トルクＴ2が付与される。従って、歩行者が平地歩行から階段歩行へ移行する等、歩行条件が変動し、歩行に要する脚部の仕事量が基準仕事量ｗ0を超過した場合、当該超過分が補助される形で脚部等に外的トルクＴ2が付与される。そして、歩行条件の変動に関わらず、脚部における基準仕事量ｗ0に対応する内的トルクＴ1の発揮による歩行を可能とすることができる。
【００８１】
また、脚部に付与される外的トルクＴ2は、第１係数ｃ1、さらには脚部に付与される外的仕事量ｗ2に基づいて決定され（上式（６）〜（８）参照）、当該決定の基準となる基準仕事量ｗ0 は脚部の内的仕事量ｗ1に基づいて決定される（上式（５）参照）。従って、脚部の内的仕事量ｗ1と外的仕事量ｗ2とのバランスに応じた適切な外的トルクＴ2を脚部に付与することができる。
【００８２】
さらに、ゲイン係数Ｇを大きくすることで第１係数ｃ1 のその目標値ｃTGへの収束速度を大きくすることができる。そして、歩行条件の変動により歩行に要する仕事量が基準仕事量ｗ0 を超過した場合、当該超過分を迅速に解消するように外的トルクＴ2 を脚部に付与することができる（図（ｃ）、図８（ｄ）参照）。一方、ゲイン係数Ｇを小さくすることで第１係数ｃ1 のその目標値ｃTGへの収束速度を小さくすることができる。そして、歩行条件の変動により歩行に要する仕事量が基準仕事量ｗ0 を超過した場合、当該超過分を時間的にゆるやかに解消するように外的トルクＴ2 を脚部に付与することができる（図８（ａ）、図８（ｂ）参照）。
【００８３】
また、基準仕事量ｗ0 に対する歩行に際して必要な合計仕事量の変動分のうち、どれだけを外的トルクＴ2 により補償するかが第２係数ｃ2の大小によって決定される。即ち、第２係数ｃ2が大きく設定されることで、当該変動分のうち外的トルクＴ2により補償される分の割合を大きくすることができる（図８（ａ）、８（ｃ）参照）。一方、第２係数ｃ2が小さく設定されることで、当該変動分のうち外的トルクＴ2 により補償される分の割合を小さくすることができる（図８（ｂ）、８（ｄ）参照）。
【００８４】
なお、本実施形態では歩行者の脚部に対して股関節及び膝関節回りの外的トルクが付与されたが、他の実施形態として脚部に対して足関節回りの外的トルクが付与されてもよく、腕部の手根関節、肘関節又は肩関節回りの外的トルクが付与されてもよい。即ち、本実施形態では外的トルクが付与される対象としての「連結体」が股関節を介して連結された歩行者の腰部と大腿部、及び膝関節を介して連結された大腿部と脛部であったが、他の実施形態として「連結体」が足関節を介して連結された脛部と足平等であってもよい。
【００８５】
また、本実施形態では人間の動作を補助すべくその脚部に関節回りの外的トルクが付与されたが、他の実施形態として猫や犬等の動物の動作を補助すべくその脚部に関節回りの外的トルクが付与されてもよい。これは、本発明のトルク付与システムが人間の医療分野等のみならず、獣医学の分野にも適用可能であることを意味する。
【００８６】
さらに、本実施形態では左右両脚部に外的トルクが付与されたが、他の実施形態として左右いずれか一方の脚部にのみ外的トルクが付与されてもよい。
【００８７】
本実施形態では歩行者の歩行を補助すべく外的トルクＴ2 が付与されたが、他の実施形態として歩行者が動かそうとする方向とは逆方向に外的トルクＴ2が付与されてもよい。当該他の実施形態によれば、第１係数決定手段９により第１係数ｃ1が負に決定されることで外的トルクＴ2と内的トルクＴ1との符号が異なる（上式（８）参照）。そして、歩行者がかかる外的トルクＴ2に反して体を動かそうとすることで歩行者の筋力強化を図ることができる。即ち、本発明のトルク付与システムがスポーツ選手等の筋力増強を図るトレーニング装置として利用される。
【００８８】
本実施形態では制御ユニット３が歩行補助装置のバックパック５に格納されたが、他の実施形態として制御ユニット３と、歩行補助装置とが分離され、両者間の信号送受信することで制御ユニット３における内的トルクＴ1の測定や外的トルクＴ2の決定、第１、第２アクチュエータ１、２の作動指示等が実行されてもよい。
【００８９】
また、第１係数決定手段９は、第１測定手段６により測定される内的仕事量ｗ1と、第２測定手段７により測定される外的仕事量ｗ2との和である合計仕事量が、基準仕事量決定手段８により決定される基準仕事量ｗ0以下のとき、第１係数ｃ1の下限を０と決定してもよい。これにより、脚部の合計仕事量ｗ1＋ｗ2が減少して基準仕事量ｗ0を下回った場合、第１係数ｃ1が負に決定され、脚部に負の外的トルクＴ2が付与される事態を防止することができる。
【００９０】
さらに、第１係数決定手段９は、脚部の合計仕事量ｗ1＋ｗ2が、基準仕事量決定手段８により決定される基準仕事量ｗ0以上の所定量（０、１．５ｗ0、２．５ｗ0、‥等）以上のとき、第１係数ｃ1の上限を決定してもよい。これにより、脚部の合計仕事量ｗ1＋ｗ2が増大して基準仕事量ｗ0を大きく上回った場合、第１係数ｃ1が過大に決定され、脚部に過大な外的トルクＴ2が付与される事態を防止することができる。
【００９１】
本実施形態では内的トルクＴ1及び角速度ω1の積、外的トルクＴ2及び角速度ω2の積が歩行者の歩行周期にわたり時間積分されることで内的仕事量ｗ 、外的仕事量ｗ2が測定されたが（上式（３）、（４）、図３／ｓ３〜ｓ５参照）、他の実施形態として当該積分時間は単位時間であってもよく、歩行者が単位距離だけ移動するのに要した時間等、異なる時間であってもよい。
【００９２】
本実施形態では脚部への床反力に基づき逆動力学モデルに従って膝関節、股関節の内的トルクＴ1及び内的仕事量ｗ1が測定されたが（図５、式（２ａ）〜（２ｃ）参照）、他の実施形態として三次元動作解析装置によって各関節の内的トルクＴ1及び内的仕事量ｗ1が測定されてもよい。即ち、脚部の動作がｘｙｚ方向から撮影され、各関節がどれだけの角速度ω1でどれだけの角度折れ曲がっているかが画像解析され、この解析結果に基づいて各関節の内的トルクＴ1や内的仕事量ｗ1が測定されてもよい。
【００９３】
本実施形態では角度センサａ等の測定値に基づいて歩行者の脚部への床反力が測定されたが（図４、式（１ａ）〜（１ｄ）参照）、他の実施形態として歩行者が履くシューズに床反力センサが設けられ、これにより直接床反力が測定されてもよい。
【００９４】
本実施形態では関節回りの内的トルクＴ1及び（内的）角速度ωが測定され、両者の積の絶対値が時間積分されることで当該関節回りの内的仕事量ｗ1が測定されたが（式（３）参照）、他の実施形態として歩行者の関節に関連する筋肉収縮力及び筋肉収縮速度が測定され、両者の積に基づいて当該関節回りの内的仕事量ｗ1が測定されてもよく、歩行者の上体や鉛直方向に対する左右の大腿部や脛部等の角度、又は足平の移動距離が測定され、記憶手段１１により当該測定値と内的仕事量ｗ1との対応データテーブルが記憶保持され、当該測定値及びデータテーブルとが用いられることで内的仕事量ｗ1が測定されてもよい。
【００９５】
本実施形態では関節回りの外的トルクＴ2及び（外的）角速度ωが測定され、両者の積の絶対値が時間積分されることで当該関節回りの外的仕事量ｗ2が測定されたが（式（４）参照）、他の実施形態として各アクチュエータ１、２の消費電力が測定され、当該消費電力に基づいて外的仕事量ｗ2が測定されてもよく、アクチュエータ１、２が油圧式の場合、油圧の変動量が測定され、当該油圧変動量の時間積分に基づいて外的仕事量ｗ2が測定されてもよい。
【００９６】
ここで、さらに本発明の他の実施形態について説明する。歩行者が階段を上る場合、歩行者の膝関節回りの外的トルクＴ2及び角速度ωの積について考える。また、膝が屈曲する方向を「負」、伸張する方向を「正」とする。
【００９７】
歩行者が踏み出した右足平が上段に接地したとき右膝は屈曲している。次に、歩行者がさらに階段を上るべく下段から左足平を離反させると、歩行者の体を持ち上げるべく右膝を屈曲状態から伸張させるように「正」の内的トルクＴ1が生じる。また、右膝部に取り付けられたアクチュエータ２（図１参照）により右膝の伸張を補助すべく「正」の外的トルクＴ2が付与される。しかるに、歩行者が下段から左足平を離反させた直後は、右膝は歩行者の体重によりやや屈曲し、角速度ωは「負」となる。従って、内的トルクＴ1と角速度ωとの積、及び外的トルクＴ2と角速度ωとの積はともに「負」となる。
【００９８】
続いて、歩行者が左足平を離反してからある程度の時間が経過すると、歩行者の右膝は「正」の内的トルクＴ1及び外的トルクＴ2により屈曲状態から徐々に伸張し、角速度ωは「正」となる。従って、内的トルクＴ1と角速度ωとの積、及び外的トルクＴ2と角速度ωとの積はともに「正」となる。
【００９９】
このように歩行条件によっては１の歩行周期の中にもトルクと角速度との積が「正」になったり「負」になったりする場合が考えられる。
【０１００】
かかる事情に対応し、当該他の実施形態では、第１測定手段６、第２測定手段７により、内的、外的仕事量ｗ1(i)、ｗ2(i)が次式（９）〜（１２）に従い当該積が正の場合の積分部分ｗ1(i)+、ｗ2(i)+と、負の場合の積分部分ｗ1(i)-、ｗ2(i)-とに分割して測定される。
【０１０１】
w1(i)＝w1(i)+＋w1(i)-＝∫dt・f+（T1(i)×ω(i) ）＋∫dt・f-（T1(i)×ω(i) ） ..(9)。
【０１０２】
w2(i)＝w2(i)+＋w2(i)-＝∫dt・f+（T2(i)×ω(i) ）＋∫dt・f-（T2(i)×ω(i) ） ..(10)。
【０１０３】
f+（x）≡x（if x≧0）, 0（if x＜0） ..(11)。
【０１０４】
f-（x）≡0（if x≧0）, -x（if x＜０） ..(12)。
【０１０５】
この上で、第１係数決定手段９によりｗ1(i)+及びｗ2(i)+に基づき、さらにｗ1(i)-及びｗ2(i)-に基づき、相違する第１係数ｃ1(i+1) 、ｃ1(i+1)-が決定される（式（７）参照）。
【０１０６】
そして、ｉ＋１周期で内的トルクＴ1(i+1)及び角速度ω(i+1)の積が「正」のとき、ｉ周期で当該積が「正」の状況に応じて決定された第１係数ｃ1(i+1)+に基づいて外的トルク決定手段１０によって外的トルクＴ2(i+1)が決定される（式（８）参照）。一方、当該積が「負」のとき、ｉ周期で当該積が「負」の状況に応じて決定された第１係数ｃ1(i+1)-に基づいて外的トルクＴ2(i+1)が決定される（同）。
【０１０７】
従って、過去の歩行条件と一致する歩行条件に接したとき、当該過去の歩行条件に応じて予め決定された第１係数ｃ1に基づき、現在の外的トルクＴ2を決定・付与することができる。
【０１０８】
また、前記他の実施形態では内的トルクＴ1 及び角速度ωの積の正負に応じてそれぞれ第１係数ｃ1、さらには外的トルクＴ2 が決定されたが、さらに他の実施形態として当該積が３つ以上の複数区分のそれぞれに応じて第１係数ｃ1 が決定されてもよい。例えば、当該積が任意単位をもって−２未満、−２以上＋１未満、＋１以上のそれぞれの場合に応じた第１係数ｃ1が決定されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】歩行補助装置の構成説明図
【図２】歩行補助装置による歩行補助の概要説明図
【図３】歩行補助装置の機能を説明するフローチャート
【図４】歩行者の足平の床反力測定の概念説明図
【図５】歩行者の関節周りのトルク測定の概念説明図
【図６】歩行補助装置による歩行補助の実験結果の説明図
【図７】歩行補助装置による歩行補助のシミュレーション結果の説明図（その１）
【図８】歩行補助装置による歩行補助のシミュレーション結果の説明図（その２）
【符号の説明】
【０１０９】
１‥第１アクチュエータ、２‥第２アクチュエータ、３‥制御ユニット、４‥バッテリ、６‥第１測定手段、７‥第２測定手段、８‥基準仕事量決定手段、９‥第１係数決定手段、１０‥外的トルク決定手段、１１‥記憶手段、ａ‥角度センサ、ｇ‥ジャイロセンサ、ｇ’‥Ｇセンサ。
Claims (9)
- 歩行者の脚部に対して足関節、膝関節又は股関節回りの外的トルクを付与するシステムであって、
前記歩行者が自発的に脚部を動かす際に当該脚部から生じる関節回りのトルクである内的トルクと、当該関節回りの脚部の回転角速度である内的角速度との積の絶対値の時間積分値である内的仕事量を測定する第１測定手段と、
アクチュエータと、
前記アクチュエータにより前記歩行者の脚部に付与される関節回りのトルクである外的トルクと、当該アクチュエータの回転角速度である外的角速度との積の絶対値の時間積分値である外的仕事量を測定する第２測定手段と、
前記第１測定手段により測定される前記内的仕事量と、前記第２測定手段により測定される前記外的仕事量の和である合計仕事量を決定し、前記第１測定手段により測定される、前記歩行者が無負荷状態において平地を歩行する際の脚部の前記内的仕事量に対する、前記合計仕事量の変動量を決定し、当該変動量と、当該変動量のうち前記外的トルクによる補償比率を表わす第２係数との積を決定し、前記合計仕事量と当該積との差を基準仕事量として決定する基準仕事量決定手段と、
前記第２測定手段により測定される前記外的仕事量に基づき、前記第１測定手段により測定される脚部の内的仕事量と、前記基準仕事量決定手段により決定される前記基準仕事量との偏差を減少するように前記外的トルクを決定する外的トルク決定手段とを備えていることを特徴とするトルク付与システム。 - 請求項１記載のトルク付与システムにおいて、
前記基準仕事量決定手段により決定される基準仕事量との偏差が０となる場合の脚部の内的仕事量に対する脚部に付与される外的仕事量の比を目標値とし、時間を追って当該目標値に収束するよう前記内的トルクに対する前記外的トルクの比率を表わす第１係数を逐次決定する第１係数決定手段を備え、
前記第１測定手段は前記内的トルクを測定し、
前記外的トルク決定手段は、前記第１測定手段により測定される前記内的トルクと、前
記第１係数決定手段により決定される前記第１係数との積を演算し、当該演算結果を前記外的トルクとして決定することを特徴とするトルク付与システム。 - 請求項２記載のトルク付与システムにおいて、
前記第１係数決定手段は、前記第１測定手段により測定される前記内的仕事量または前記第２測定手段により測定される前記外的仕事量に基づいて前記第１係数の上限または下限を決定することを特徴とするトルク付与システム。 - 請求項２記載のトルク付与システムにおいて、
前記第１係数決定手段は、前記第１測定手段により測定される前記内的仕事量と、前記第２測定手段により測定される前記外的仕事量との和である合計仕事量が、前記基準仕事量決定手段により決定される前記基準仕事量以下のとき、前記第１係数の下限を０と決定することを特徴とするトルク付与システム。 - 請求項２記載のトルク付与システムにおいて、
前記第１係数決定手段は、前記第１測定手段により測定される前記内的仕事量と、前記第２測定手段により測定される前記外的仕事量との和である合計仕事量が、前記基準仕事量決定手段により決定される前記基準仕事量以上の所定量以上のとき、前記第１係数の上限を決定することを特徴とするトルク付与システム。 - 請求項２記載のトルク付与システムにおいて、
前記第１測定手段は前記歩行者の脚部の関節回りの前記内的トルク及び前記内的角速度の積を測定し、前記第１係数決定手段は複数の数値区分のうち、前記第１測定手段により測定された当該積が含まれる数値区分に応じて前記第１係数を区分して決定し、
前記外的トルク決定手段は、前記第１測定手段により測定された当該積が含まれる数値区分が先に前記第１測定手段により測定された過去の当該積が含まれる数値区分に一致するとき、前記第１係数決定手段によって当該過去の積が含まれる数値区分に応じた前記内的仕事量に基づいて先に決定された前記第１係数を用いて前記外的トルクを決定することを特徴とするトルク付与システム。 - 請求項６記載のトルク付与システムにおいて、
前記第１係数決定手段は、前記第１測定手段により測定された前記歩行者の脚部の関節回りの内的トルク及び前記内的角速度の積が、前記複数の数値区分としての正の数値区分および負の数値区分のうちいずれに含まれるかに応じて前記第１係数を区分して決定することを特徴とするトルク付与システム。 - 請求項１〜７のうちいずれか１つに記載のトルク付与システムにおいて、
前記第１測定手段及び前記第２測定手段のそれぞれは、前記歩行者の歩行周期を積分時間とすることでそれぞれ前記内的仕事量及び外的仕事量のそれぞれを測定することを特徴とするトルク付与システム。 - 請求項１〜８のうちいずれか１つに記載のトルク付与システムにおいて、
前記第１測定手段は、前記歩行者の脚部の足平への床反力を測定し、測定した床反力に基づき、前記歩行者の脚部が関節を介して回動可能に順次連結された複数の剛体棒と仮定され、一の剛体棒の一の関節回りのトルク及び関節の反力に基づいて当該一の剛体の他の関節回りのトルク及び関節の反力が決定されるような逆動力学モデルに従って脚部の足関節、膝関節又は股関節回りの前記内的トルクと前記外的トルクとの合計トルクを測定し、測定した合計トルクから前記第２測定手段により測定される前記外的トルクとの差を演算することで脚部の足関節、膝関節又は股関節回りの前記内的トルクを測定することを特徴とするトルク付与システム。
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