JP6550877B2 - 脚力支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、周期的な揺動運動をしてユーザの歩行または走行を支援する脚力支援装置に関する。

周期的な揺動運動をする関節を制御する装置の例として、例えば特許文献１には、ユーザ（利用者）の下肢（股関節から足先まで）に補助力を与える歩行補助装置が開示されている。当該歩行補助装置は、ユーザの腰部を巻回するように装着される腰部装具と、股関節の側方からひざ関節の側方へと延びる連結バーと、ひざ関節の側方からふくらはぎへと延びる下腿部装具と、連結バーにおける股関節の側方の位置に取り付けられた股関節アクチュエータと、連結バーにおけるひざ関節の側方の位置に取り付けられたひざ関節アクチュエータと、を有している。そして股関節アクチュエータは、腰部装具の連結部に取り付けられ、股関節の側方にて、腰部装具に対して股関節回りに連結バーを前後に揺動する。また、ひざ関節アクチュエータは、ひざ関節の側方にて、連結バーに対してひざ関節回りに下腿部装具を前後に揺動する。また股関節アクチュエータとひざ関節アクチュエータは電動モータであり、当該電動モータへの電力は、腰部装具に取り付けられたバッテリから供給されている。

また特許文献２には、ユーザの下腿（ひざから足首まで）の揺動運動を支援する歩行リハビリ装置が開示されている。当該歩行リハビリ装置は、ユーザの腰周りに配置されるコントローラと、股関節の側方からひざ関節の側方へと延びる大腿リンクと、ひざ関節の両側方のそれぞれから足首関節へと延びる下腿リンクと、ひざ関節の側方に配置されたモータと、足首関節から足裏へと延びる足リンクと、を有している。そしてモータは、大腿リンクと下腿リンクとの連結部であってひざ関節の側方に取り付けられ、ひざ関節の側方にて、大腿リンクに対してひざ関節回りに下腿リンクを前後に揺動する。またモータへの電力は、コントローラに内蔵されたバッテリから供給されている。

また特許文献３には、一方の脚が健脚で他方の脚が患脚であるユーザの患脚に装着されて、患脚の揺動運動を支援する片脚式歩行支援機が開示されている。当該片脚式歩行支援機は、ユーザの腰の側方に配置される腰装着部と、股関節の側方からひざ関節の側方へと延びる大腿リンク部と、ひざ関節の側方から下方へと延びる下腿リンク部と、股関節の側方に配置されたトルク発生装置と、ひざ関節の側方に配置されたダンパーと、を有している。そしてトルク発生装置は、カムと圧縮バネによって構成され、健脚の振り出しによって患脚が後方に揺動した際にトルクを発生させ、発生したトルクを用いて患脚の振り出しを支援しており、電動モータ等のアクチュエータを必要としていない。また、圧縮バネの初期圧縮量を調整可能に構成されており、発生トルクの大きさを可変としている。

特開２００４−３４４３０４号公報 特開２０１２−１２５３８８号公報 特開２０１３−２３６７４１号公報

特許文献１に記載された歩行補助装置、及び特許文献２に記載された歩行リハビリ装置は、どちらも電動モータを用いて下肢または下肢の一部、の歩行動作を支援しているが、バッテリからの電力の供給が続かなければ支援することができない。また、歩行の支援が必要なユーザに、大きくて重いバッテリを持たせるわけにはいかないので、比較的小さく軽量のバッテリが用いられると推定される。また、特許文献１及び特許文献２には、電動モータの消費電力を軽減させるような特別な構成は示されていない。従って、特許文献１及び特許文献２に記載の支援装置は、連続動作時間が比較的短いと推定される。

また、特許文献３に記載の片脚式歩行支援機は、電動モータを用いることなく、カムと圧縮バネにて脚を振り出すためのトルクを発生させており、連続動作時間は特許文献１及び特許文献２よりも長い。しかし、ユーザ毎の体格の違い（下肢の慣性モーメントの違い）や、ユーザ毎の下肢の揺動角度の違いや、ユーザの体調や、歩行場所の傾斜の違い等に対して、トルク発生装置の圧縮バネの上部に設けられた決定部の位置をマイナスドライバ等の工具で調整し、圧縮バネの初期圧縮量をユーザが手動で調整しなければならないので手間がかかる。

本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、揺動運動する関節の剛性を自動的に調整することで揺動運動によって発生するトルクを自動的に調整し、消費電力あるいはユーザの負荷をより低減することができる、脚力支援装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る脚力支援装置は、次の手段をとる。まず、本発明の第１の発明は、利用者の下肢の運動に補助力を与える脚力支援装置であって、前記利用者の腰側部に装着される腰側装着部と、前記利用者の大腿の側方に配置された第１揺動アームであって、上部に当該第１揺動アームの揺動の軸となる凹形状あるいは凸形状が形成された長手状の前記第１揺動アームと、前記第１揺動アームに取り付けられて前記利用者の大腿にあてがわれる大腿装着部と、前記第１揺動アームの前記揺動の軸となる凹形状あるいは凸形状を支持する駆動軸部材であって、前記腰側装着部に対して前記第１揺動アームを前記利用者の前後方向に揺動自在に支持する前記駆動軸部材と、前記駆動軸部材の軸である駆動軸回りに揺動する前記第１揺動アームを揺動させるために必要とする力である剛性を可変とする剛性可変手段と、前記剛性可変手段を制御することで、前記駆動軸回りに揺動する前記第１揺動アームにおける前記剛性を制御する制御手段と、を備える。そして、前記剛性可変手段は、ゼンマイバネと、バネ固定部材と、剛性調整旋回手段と、にて構成され、前記ゼンマイバネと前記バネ固定部材と前記剛性調整旋回手段は、前記駆動軸と同軸となるように配置されており、前記ゼンマイバネに隣接する位置には、前記ゼンマイバネの固定端を支持するバネ固定部材が配置されている。また、前記ゼンマイバネの一方端である自由端は、前記第１揺動アームの揺動角度である第１揺動角度に応じた角度で揺動するバネ入力軸部材に接続されており、前記ゼンマイバネの他方端である前記固定端は、前記バネ固定部材における前記駆動軸から離れた位置に設けられたバネ支持体に接続されており、前記剛性調整旋回手段は、前記制御手段からの制御信号に基づいて、前記バネ固定部材を前記駆動軸回りに旋回させて、前記ゼンマイバネの前記固定端の位置を移動させることで、前記剛性を調整する。

次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係る脚力支援装置であって、前記第１揺動アームと前記ゼンマイバネとの間には変速機が設けられており、前記変速機は、前記第１揺動アームが前記第１揺動角度で揺動すると所定の変速比で変速した変速後揺動角度で揺動する前記バネ入力軸部材を有している。

次に、本発明の第３の発明は、上記第１の発明または第２の発明に係る脚力支援装置であって、前記第１揺動アームの前記第１揺動角度を検出する第１角度検出手段を備え、前記制御手段は、前記第１角度検出手段にて検出した前記第１揺動角度に応じて、前記剛性調整旋回手段を制御して前記バネ固定部材の旋回角度を調整して、前記第１揺動アームから見た前記ゼンマイバネの見かけ上のバネ定数を調整することで前記剛性を調整する。

次に、本発明の第４の発明は、上記第３の発明に係る脚力支援装置であって、前記制御手段は、前記駆動軸回りの前記第１揺動アームの揺動周波数及び前記第１揺動角度と、前記第１揺動アームを含む揺動対象物における前記駆動軸回りの慣性モーメントと、前記ゼンマイバネのバネ定数と、に基づいて、前記ゼンマイバネの共振周波数が、前記揺動対象物の前記揺動周波数と一致するように前記バネ固定部材の旋回角度を調整する。

次に、本発明の第５の発明は、上記第１の発明〜第４の発明のいずれか１つに係る脚力支援装置であって、前記制御手段からの制御信号に基づいて前記第１揺動アームを前記駆動軸回りに揺動させる第１駆動手段を有している。

次に、本発明の第６の発明は、上記第１の発明〜第５の発明のいずれか１つに係る脚力支援装置であって、前記駆動軸回りに揺動自在に支持された第２揺動アームと、前記第２揺動アームの揺動角度である第２揺動角度を検出する第２角度検出手段と、前記制御手段からの制御信号に基づいて前記第２揺動アームを前記駆動軸回りに揺動させる第２駆動手段と、前記第１揺動アームと前記第２揺動アームとに接続されて前記第１揺動アームの前記第１揺動角度と前記第２揺動アームの前記第２揺動角度とに基づいて動作する揺動リンク部材と、前記第２揺動アームに取り付けられて前記利用者の下腿にあてがわれる下腿装着部と、を有している。

第１の発明によれば、制御手段を用いて剛性可変手段を制御して、駆動軸部材回りの剛性（第１揺動アームを揺動させるために必要とする力）を制御することで、第１揺動アームを含む揺動対象物による揺動運動に対して、揺動運動を支援するために必要なトルクの大きさを自動的に調整するので、手間なくトルクを調整することができる。また、揺動運動を支援するために必要なトルクを発生させているので、消費電力あるいはユーザの負荷をより低減することができる。また剛性可変手段を具体的に実現することができる。

第２の発明によれば、変速機を用いることで、第１揺動アームの第１揺動角度を増幅した変速後揺動角度をゼンマイバネに入力することができるので、バネ定数がより小さなゼンマイバネを用いることが可能となる。従って、脚力支援装置の小型化を促進することができる。

第３の発明によれば、制御手段から剛性調整旋回手段を制御してバネ固定部材を旋回させるだけで、第１揺動アームから見たゼンマイバネの見かけ上バネ定数を調整できるので、容易に見かけ上バネ定数を調整することができる。

第４の発明によれば、バネ固定部材の旋回角度を、第１揺動アームを含む揺動対象物に応じた適切な角度へと、制御手段を用いて自動的に調整することができる。従って、揺動運動する関節の剛性を自動的に調整することで発生トルクを自動的に調整することができる。また、仮に第１揺動アームを電動モータで揺動運動させたとしても、適切なトルクで揺動運動を支援することができるので、揺動用の電動モータの消費電力をより低減することができる。また、仮に揺動アームを電動モータで揺動させずにユーザ自身に揺動させる場合であっても、適切なトルクで揺動運動を支援することができるので、ユーザの負荷をより低減することができる。

第５の発明によれば、第１揺動アームを第１駆動手段にて揺動させるので、ユーザの歩行または走行の際の負荷をより低減することができる。

第６の発明によれば、第１揺動アームでユーザの大腿部の運動を支援し、第２揺動アームでユーザの下腿部を支援することができるので、ユーザの歩行または走行の際の負荷を、さらに低減することができる。

第１の実施の形態の揺動関節装置を構成する各構成要素の概略形状、及び組み付け位置を説明する分解斜視図である。 図１に示した各構成要素を組み付けて構成した揺動関節装置の斜視図である。 図２に示した揺動関節装置をユーザ（ユーザの腕の記載は省略）に装着した状態を説明する図である。 大腿揺動アーム（第１揺動アーム）の揺動状態、及び下腿アーム（第２揺動アーム）の揺動の例を説明する図である。 図１におけるＶ部の拡大図であり、ゼンマイバネ及び見かけ上バネ定数可変手段の構成を説明する分解斜視図である。 図２をＶＩ方向から見た図であり、駆動軸部材の駆動軸に同軸状に設けられた各部材の配置を説明する図である。 図６をＶＩＩ方向から見た図であり、大腿揺動アームの第１揺動角度に対して、変速機の変速出力軸部材の変速後揺動角度が所定の変速比で増幅された状態を説明する図である。 大腿揺動アームの揺動角度がゼロの場合においてゼンマイバネに付勢トルクが発生していない状態を示しており、バネ支持体（すなわち、バネ固定端）における駆動軸に対する基準位置を示す斜視図である。 図８の状態から、バネ固定部材を所定旋回角度だけ旋回させて、駆動軸に対するバネ支持体の位置を基準位置から移動させた状態を示す図である。 図９の状態から大腿揺動アームが前方に揺動した場合におけるゼンマイバネの自由端と固定端の周囲を示す図である。 図９の状態から大腿揺動アームが後方に揺動した場合におけるゼンマイバネの自由端と固定端の周囲を示す図である。 制御手段の入出力を説明する図である。 制御手段の処理手順の例を説明するフローチャートである。

以下に本発明を実施するための形態である第１の実施の形態を、図面を用いて順に説明する。なお、各図においてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が記載されている場合、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸は互いに直交しており、Ｚ軸方向は鉛直上向き方向を示し、Ｘ軸方向はユーザ（揺動関節装置を装着したユーザ）に対する前方向を示し、Ｙ軸方向はユーザに対する左方向を示している。なお本明細書では、図１に示す「大腿揺動アーム１３」が「第１揺動アーム」に相当し、「下腿揺動アーム３３」が「第２揺動アーム」に相当している。また「回転角度検出手段１１Ｓ」が「第１角度検出手段」に相当しており、「回転角度検出手段３１Ｓ」が「第２角度検出手段」に相当している。また「電動モータ１１」が「第１駆動手段」に相当しており、「電動モータ３１」が「第２駆動手段」に相当し、「電動モータ２１」が「剛性調整旋回手段」に相当している。また、以下の説明において、駆動軸部材６が凸状の部材である例を示しているが、駆動軸部材６は、凸形状の軸であってもよいし、軸を支持する凹形状（孔形状）であってもよい。従って、「駆動軸部材６回り」という記載は、「駆動軸部材６の中心軸である駆動軸６Ｊ回り」と同じことを示す。また、変速機２５の「シャフト２５Ａ」は「バネ入力軸部材」に相当している。また、「バネ固定部材２３」と「電動モータ２１」は「見かけ上バネ定数可変手段」に相当している。また、「ゼンマイバネ２４」と「バネ固定部材２３」と「電動モータ２１」は「剛性可変手段」に相当しており、「剛性」とは、大腿揺動アーム１３を揺動させるために必要とする単位角度変位あたりのトルクを指す。また、「下腿中継アーム３４」と「下腿アーム３５」は「揺動リンク部材」に相当している。また、「ベース部２」は「腰側装着部」に相当し、「揺動関節装置１」は「脚力支援装置」に相当している。

●●［第１の実施の形態の揺動関節装置１の全体構成（図１〜図４）］
第１の実施の形態の揺動関節装置１は、ユーザの片脚（第１の実施の形態では左脚）に取り付けられて、ユーザの歩行または走行等の動作を支援する。図１に示すように、揺動関節装置１は、符号２、３、４、５、６等にて示したユーザ装着部と、符号１１、１２、１４、１４Ｂ、１５、１３、１９等にて示した大腿揺動部と、符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した剛性調整部と、符号３１、３２、３２Ｐ、３２Ｂ、３３、３４、３５、３６、３９等にて示した下腿揺動部と、にて構成されている。なお、図１は揺動関節装置１の各構成要素の形状と組み付け位置等を示す分解斜視図であり、各構成要素を組み付けた状態の揺動関節装置１を図２に示す。また図３は揺動関節装置１をユーザに装着した状態を説明しており、図４は大腿揺動アーム１３及び下腿揺動アーム３３の揺動の例を示している。

●［ベース部２、腰装着部３、肩ベルト４、制御ユニット５、駆動軸部材６等にて構成されたユーザ装着部（図１〜図４）］
ベース部２は、腰装着部３に固定され、前記大腿揺動部、前記剛性調整部、前記下腿揺動部を保持するためのベース（基板）となる部材である。またベース部２には、揺動関節装置１を装着したユーザの股関節の側方に相当する位置に、Ｙ軸にほぼ平行に延びる駆動軸部材６が取り付けられている。なお、駆動軸部材６は、後述する下腿揺動アーム３３の貫通孔３３Ｈに挿通された後、大腿揺動アーム１３の貫通孔１３Ｈに挿通される。なお駆動軸６Ｊは、駆動軸部材６の中心軸を示している。

腰装着部３は、ユーザの腰に巻回されてユーザの腰に固定される部材であり、ユーザの腰周りの寸法に応じて調整可能に構成されている。また腰装着部３には、ベース部２が固定され、肩ベルト４の一方端と他方端が接続されている。

肩ベルト４は、一方端が腰装着部３の前面側に接続され、他方端が腰装着部３の背面側に接続され、長さを調節可能に構成されており、制御ユニット５が取り付けられている。ユーザは、肩ベルト４の長さを調節して自身の肩に肩ベルト４を装着することで、背中に制御ユニット５をバックパックやランドセルのように背負うことができる。

制御ユニット５は、電動モータ１１、２１、３１を制御する制御手段と、当該制御手段及び電動モータ１１、２１、３１への電力を供給するバッテリ等を収容している。なお制御手段については、図１２を用いて後述する。

●［電動モータ１１、ブラケット１２、プーリ１４、ベルト１４Ｂ、プーリ１５、大腿揺動アーム１３、大腿装着部１９等にて構成された大腿揺動部（図１〜図４）］
大腿揺動アーム１３は、円板部１３Ｇと、円板部１３Ｇから下方に延びるアーム部にて構成されている。そして円板部１３Ｇの中心には貫通孔１３Ｈが形成されており、貫通孔１３Ｈには駆動軸部材６が挿通される。従って、大腿揺動アーム１３は、駆動軸部材６回りに揺動自在に支持される。また大腿揺動アーム１３の貫通孔１３Ｈは、ユーザの股関節の側方に相当する位置に配置され、大腿揺動アーム１３の下端に設けられたリンク孔１３Ｌは、ユーザのひざ関節の側方に相当する位置に配置される。なお、大腿揺動アーム１３の下方に延びる長さは調整可能に構成されており、ユーザは、自身のひざ関節の位置に応じて、リンク孔１３Ｌの上下方向の位置を調整可能である。また大腿揺動アーム１３には、大腿装着部１９が取り付けられ、大腿装着部１９は、ユーザの大腿部（ふとももの周囲）にあてがわれ、ユーザの大腿部へ大腿揺動アーム１３を装着することを容易にする。また円板部１３Ｇには、プーリ１５が固定され、プーリ１５は大腿揺動アーム１３と一体となって揺動する。従って、プーリ１５のプーリ軸部材１５Ｊは、大腿揺動アーム１３の揺動角度と同じ角度で、駆動軸６Ｊ回りに揺動する。そしてプーリ１５と、後述するプーリ１４と、の間にはベルト１４Ｂがかけられており、電動モータ１１による揺動動力が、プーリ１４及びベルト１４Ｂを介してプーリ１５に伝達され、大腿揺動アーム１３を揺動させる。

ブラケット１２は、ベース部２に対して、電動モータ１１を固定するための部材であり、電動モータ１１の回転軸を挿通するための貫通孔１２Ｈが設けられて、ベース部２に固定される。なお、ブラケット１２の貫通孔１２Ｈに電動モータ１１の回転軸が挿通され、挿通された回転軸にプーリ１４が取り付けられた後、ブラケット１２がベース部２に固定される。

電動モータ１１は、先端に減速機１１Ｄが取り付けられ、減速機１１Ｄはブラケット１２の貫通孔１２Ｈに挿通されてプーリ１４に取り付けられている。また電動モータ１１は、ブラケット１２に固定されている。また電動モータ１１には、制御ユニット５に収容されているバッテリ及び制御手段から駆動信号とともに電力が供給されている。そして電動モータ１１は、ブラケット１２（すなわちベース部２）に対して、駆動軸部材６回りに大腿揺動アーム１３を前後方向に揺動させることができる（図４参照）。また電動モータ１１には、エンコーダ等の回転角度検出手段１１Ｓが設けられている。回転角度検出手段１１Ｓは電動モータ１１のシャフトの回転角度に応じた信号を制御手段に出力する。そして制御手段は、回転角度検出手段１１Ｓからの検出信号と、減速機１１Ｄの減速比と、プーリ１４とプーリ１５とのプーリ比と、に基づいて、減速機１１Ｄの回転角度を検出可能であり、大腿揺動アーム１３の揺動角度を検出することが可能である。なお、ブラケット２２（図１参照）やベース部２に、ベース部２に対する大腿揺動アーム１３の揺動角度を検出する角度検出手段（角度センサ）を設けるようにしてもよいし、ブラケット２２やベース部２に、ベース部２に対する下腿揺動アーム３３の揺動角度を検出する角度検出手段（角度センサ）を設けるようにしてもよい。なお、電動モータ１１は空回り可能なモータであり、通電していない場合に大腿揺動アーム１３から揺動の力が入力されると、減速機１１Ｄが旋回され、減速機１１Ｄの旋回角度に応じた信号が回転角度検出手段１１Ｓから出力される。

●［電動モータ３１、ブラケット３２、動力伝達部（３２Ｐ、３２Ｂ）、下腿揺動アーム３３、下腿中継アーム３４、下腿アーム３５、足先保持部３６、下腿装着部３９等にて構成された下腿揺動部（図１〜図４）］
下腿揺動アーム３３は、駆動軸部材６が挿通される貫通孔３３Ｈが形成されている。駆動軸部材６が貫通孔３３Ｈに挿通されると、下腿揺動アーム３３は、駆動軸部材６回りに揺動自在に支持される。そして下腿揺動アーム３３にはベルト３２Ｂがかけられ、電動モータ３１と、プーリ３２Ｐ及びベルト３２Ｂにて構成された動力伝達部から動力が伝達されて駆動軸部材６回りに揺動する。

下腿中継アーム３４は、上方端が下腿揺動アーム３３の先端に揺動自在に接続され、下方端が下腿アーム３５の上方端の側の平行リンク形成部３５Ｍの端部に揺動自在に接続されている。なお、下腿中継アーム３４の下方に延びる長さは調整可能に構成されており、大腿揺動アーム１３の調整された長さに応じて、下腿中継アーム３４の長さは調節される。

下腿アーム３５は、略逆Ｌ字状であり、Ｌ字の屈曲部に相当する位置に、大腿揺動アーム１３の下端のリンク孔１３Ｌと接続するためのリンク孔３５Ｌが形成されている。従って下腿アーム３５は、上方端の側の平行リンク形成部３５Ｍの一方端が下腿中継アーム３４の下方端に揺動自在に接続され、平行リンク形成部３５Ｍの他方端が大腿揺動アーム１３の下方端に揺動自在に接続されている。また下腿アーム３５の下方端には、足先保持部３６の上方端が揺動自在に接続されている。なお、下腿アーム３５の下方に延びる長さはユーザの下腿に合うように調整可能に構成されている。また、足先保持部３６は、略Ｌ字状であり、下端部がユーザの足の裏に配置される。また下腿アーム３５には、下腿装着部３９が取り付けられ、下腿装着部３９は、ユーザの下腿（ふくらはぎの周囲）にあてがわれ、ユーザの下腿部へ下腿アーム３５を装着することを容易にする。

ブラケット３２は、ベース部２に対して、電動モータ３１を固定するための部材であり、ベース部２に固定される。またブラケット３２には、貫通孔３２Ｈが形成されている。

電動モータ３１は、先端に減速機３１Ｄが取り付けられ、減速機３１Ｄはブラケット３２の貫通孔３２Ｈに挿通される。また減速機３１Ｄにはプーリ３２Ｐが取り付けられ、プーリ３２Ｐと下腿揺動アーム３３にはベルト３２Ｂがかけられる。また電動モータ３１には、制御ユニット５に収容されているバッテリ及び制御手段から駆動信号とともに電力が供給されている。そして電動モータ３１は、プーリ３２Ｐとベルト３２Ｂを介して下腿揺動アーム３３を、駆動軸部材６回りに前後方向に揺動させることができる（図４参照）。また電動モータ３１には、エンコーダ等の回転角度検出手段３１Ｓが設けられている。回転角度検出手段３１Ｓは電動モータ３１のシャフトの回転角度に応じた信号を制御手段に出力する。そして制御手段は、回転角度検出手段３１Ｓからの検出信号と減速機３１Ｄの減速比とプーリ比とに基づいて、下腿揺動アーム３３の回転角度を検出可能であり、下腿揺動アーム３３の揺動角度を検出することが可能である。なお、電動モータ３１は空回り可能なモータであり、通電していない場合に下腿揺動アーム３３から揺動の力が入力されると、減速機３１Ｄが旋回され、減速機３１Ｄの旋回角度に応じた信号が回転角度検出手段３１Ｓから出力される。

次に図４を用いて、大腿揺動アーム１３を装着したユーザの大腿部ＵＬ１の揺動支援と、下腿アーム３５を装着したユーザの下腿部ＵＬ２の揺動支援の動作を説明する。大腿揺動アーム１３は、電動モータ１１の動力によって駆動軸部材６回りに揺動運動する。同様に下腿揺動アーム３３は、電動モータ３１の動力によって駆動軸部材６回りに揺動運動する。また、大腿揺動アーム１３と下腿揺動アーム３３と下腿中継アーム３４と（下腿アーム３５の）平行リンク形成部３５Ｍは、平行四辺形からなる平行リンクを構成している。従って、下腿中継アーム３４と下腿アーム３５は、大腿揺動アーム１３と下腿揺動アーム３３とに接続されて、大腿揺動アーム１３の揺動角度（図４中の角度θ１）と下腿揺動アーム３３の揺動角度（図４中の角度θ１−θ２）とに基づいて動作する揺動リンク部材に相当している。なお、図４において実線にて示す大腿揺動アーム１３、下腿揺動アーム３３、下腿中継アーム３４、下腿アーム３５、の位置を、各アームの初期位置（ユーザが直立状態で静止した位置）とする。

大腿揺動アーム１３を、大腿揺動アーム１３の初期位置から角度θ１にて前方に揺動させると、図４に示すように、ユーザの大腿部ＵＬ１を角度θ１にて前方に振り出すことができる。同時に、下腿揺動アーム３３を、下腿揺動アーム３３の初期位置から角度（θ１―θ２）にて前方に揺動させると、図４に示すように、大腿揺動アーム１３に対して角度θ２の傾斜を有するように、ユーザの下腿部ＵＬ２を前方に振り出すことができる。電動モータ１１による大腿揺動アーム１３の揺動運動と、電動モータ３１による下腿揺動アーム３３の揺動運動を、それぞれ独立して制御することができるので、角度θ１、角度θ２を、ユーザの所望する角度に合わせて自由に調整することができる。また、この構成によれば、大きなトルクが必要である大腿部の振り出しを、電動モータ１１と電動モータ３１の双方のトルクで行うことができるので、大型のモータを必要としない。

また、大腿揺動アーム１３を揺動運動させると、揺動運動のエネルギーを、ゼンマイバネ２４に蓄え、反対方向への揺動運動に利用する。つまり、大腿揺動アーム１３を前方に振り出した際のエネルギーをゼンマイバネ２４に蓄えて大腿揺動アーム１３を後方に振り出す際に利用し、大腿揺動アーム１３を後方に振り出した際のエネルギーをゼンマイバネ２４に蓄えて大腿揺動アーム１３を前方に振り出す際に利用する。次に、ゼンマイバネ２４を含む剛性調整部について説明する。

●［電動モータ２１、ブラケット２２、バネ固定部材２３、ゼンマイバネ２４、変速機２５等にて構成された剛性調整部（図１〜図３、図５〜図７）］
ブラケット２２は、ベース部２に対して、電動モータ２１を固定する部材であり、電動モータ２１の回転軸を挿通するための貫通孔２２Ｈが設けられて、ベース部２に固定される。また、図１、図６に示すように、大腿揺動アーム１３の円板部１３Ｇの貫通孔１３Ｈ、プーリ１５のプーリ軸部材１５Ｊ、変速機２５のシャフト２５Ａ、ゼンマイバネ２４の中心軸、バネ固定部材２３の貫通孔２３Ｈ、ブラケット２２の貫通孔２２Ｈ、電動モータ２１の減速機２１Ｄ、は駆動軸６Ｊと同軸に配置されている。

変速機２５は、図５に示すように、大腿揺動アーム１３の円板部１３Ｇに固定されたプーリ１５のプーリ軸部材１５Ｊが入力部２５Ｃに接続されており、予め設定された変速比［ｎ］に基づいて、入力部２５Ｃへの入力旋回角度θをｎ倍した出力旋回角度ｎθをシャフト２５Ａの旋回角度として出力する。従って、変速機２５は、図７に示すように、大腿揺動アーム１３が第１揺動角度（θｆ）で揺動すると、所定の変速比（ｎ）で変速した変速後揺動角度（ｎθｆ）で揺動するシャフト２５Ａを有している。またシャフト２５Ａには、図５に示すように、ゼンマイバネ２４の自由端２４Ｂの側を固定するための駆動軸６Ｊ方向に延びる溝であるバネ自由端挿通溝２５Ｂが形成されている。なお変速機２５は、ゼンマイバネ２４からの付勢トルクによってシャフト２５Ａが旋回角度θｂだけ旋回されると、プーリ軸部材１５Ｊを旋回角度θｂ・（１／ｎ）だけ旋回させる。

ゼンマイバネ２４は、所定の軸回りに螺旋状にバネ材等の弾性体が巻回されており、図５に示すように、巻回の中心部近傍に位置している端部である一方端を自由端２４Ｂ、巻回の中心部から離れた位置に位置している端部である他方端を固定端２４Ａとしている。なお、図５において、自由端２４Ｂはシャフト２５Ａのバネ自由端挿通溝２５Ｂに固定され、固定端２４Ａはバネ固定部材２３のバネ支持体２３Ｊに固定される。

バネ固定部材２３には、電動モータ２１の先端部の減速機２１Ｄが挿通される貫通孔２３Ｈが形成されて減速機２１Ｄにて支持され、ブラケット２２及び電動モータ２１にてベース部２に対して固定されている。またバネ固定部材２３のゼンマイバネ２４に対向する面には、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａを支持するバネ支持体２３Ｊが、駆動軸６Ｊから離れた位置に設けられている。例えばバネ支持体２３Ｊは駆動軸６Ｊ方向に沿って延びる軸状部材であり、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置に形成された筒状部に挿通される。そしてバネ固定部材２３は、電動モータ２１にて駆動軸６Ｊ回りに旋回され、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置を周方向に可変とする。このようにバネ固定部材２３は、駆動軸６Ｊ回りに旋回自在に支持されて、駆動軸６Ｊ回りに所定旋回角度で旋回されることで、駆動軸６Ｊに対するバネ支持体２３Ｊの位置を、駆動軸６Ｊ回りに所定旋回角度分だけ周方向に移動させる。

電動モータ２１は、先端に減速機２１Ｄが取り付けられている。そして、減速機２１Ｄはブラケット２２の貫通孔２２Ｈに挿通され、電動モータ２１はブラケット２２に固定され、ブラケット２２はベース部２に固定されている。また電動モータ２１には、制御ユニット５に収容されているバッテリ及び制御手段から駆動信号とともに電力が供給されている。そして電動モータ２１は、ブラケット２２（すなわちベース部２）に対して駆動軸６Ｊ回りにバネ固定部材２３を旋回させ、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置を周方向に移動させることができる。また電動モータ２１には、エンコーダ等の回転角度検出手段２１Ｓが設けられている。回転角度検出手段２１Ｓは電動モータ２１のシャフトの回転角度に応じた信号を制御手段に出力する。そして制御手段は、回転角度検出手段２１Ｓからの検出信号と減速機２１Ｄの減速比に基づいて、減速機２１Ｄの回転角度を検出可能であり、バネ固定部材２３の旋回角度を検出することが可能である。なお、ブラケット２２に、ブラケット２２に対するバネ固定部材２３の旋回角度を検出する角度検出手段（角度センサ）を設けるようにしてもよい。また、電動モータ２１は空回りしないモータであり、減速機２１Ｄの旋回角度位置は、通電していない場合であっても維持され、ゼンマイバネ２４に付勢トルクが発生した場合であっても固定端２４Ａの位置は維持される。

●［ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置と、オフセット角度θｓ（図８〜図１１）］
図８は、図３に示すユーザＴ（利用者）が直立状態であり、大腿揺動アーム１３の揺動角度がゼロの場合の例であって、ゼンマイバネ２４の付勢トルクがゼロの場合の例を示している。そして図８の例におけるゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置では、自由端２４Ｂには、駆動軸６Ｊ回りの時計回り方向の付勢トルクも、駆動軸６Ｊ回りの『反』時計回り方向の付勢トルクも、発生していない状態の例を示している。そして図８に示す基準線Ｊ１は、大腿揺動アーム１３の揺動角度がゼロの際に、自由端２４Ｂに付勢トルクが発生しないように固定端２４Ａの位置を調整した場合（バネ固定部材２３の旋回角度を調整した場合）において、駆動軸６Ｊとバネ自由端挿通溝２５Ｂとを通る仮想直線であり、シャフト２５Ａの基準旋回角度位置を示している。また、この図８の例に示す固定端２４Ａ（バネ支持体２３Ｊ）の位置を、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａ（バネ支持体２３Ｊ）の基準位置とする。

また図９は、図８に示した状態から、電動モータ２１を駆動させ、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置を、上記の基準位置から時計回り方向に旋回角度（θｓ）だけ周方向に移動した位置へと変更した状態を示している。この状態を、「ゼンマイバネ２４に、時計回り方向のオフセット角度θｓを付与した状態」とする。この状態では、ユーザＴが直立状態で大腿揺動アーム１３の揺動角度がゼロであっても、時計回り方向のオフセット角度θｓによってシャフト２５Ａにゼンマイバネ２４の付勢トルクが働き、シャフト２５Ａから変速機２５とプーリ１５を介して大腿揺動アーム１３に付勢トルクが働いている。

また図１０は、図９に示した「時計回り方向のオフセット角度θｓ」を付与している状態において、大腿揺動アーム１３を時計回り方向に揺動角度θｆで揺動させた場合の例を示している。変速機２５の変速比を［ｎ］とした場合、大腿揺動アーム１３が時計回り方向に揺動角度θｆで揺動すると、変速機２５のシャフト２５Ａは時計回り方向に揺動角度ｎθｆで揺動する。すなわち、図１０に示す例では、ゼンマイバネ２４には、揺動角度ｎθｆからオフセット角度θｓだけ減算した角度（ｎθｆ−θｓ）に応じた、『反』時計回り方向の付勢トルクが発生していることになる。

また図１１は、図９に示した「時計回り方向のオフセット角度θｓ」を付与している状態において、大腿揺動アーム１３を『反』時計回り方向に揺動角度θｒで揺動させた場合の例を示している。変速機２５の変速比を［ｎ］とした場合、大腿揺動アーム１３が『反』時計回り方向に揺動角度θｒで揺動すると、変速機２５のシャフト２５Ａは『反』時計回り方向に揺動角度ｎθｒで揺動する。すなわち、図１１に示す例では、ゼンマイバネ２４には、揺動角度ｎθｒとオフセット角度θｓを加算した角度（ｎθｒ＋θｓ）に応じた、時計回り方向の付勢トルクが発生していることになる。

●［制御手段の入出力（図１２）］
次に図１２を用いて、制御手段５０の入出力について説明する。制御ユニット５には、制御手段５０及びバッテリ６０が収容されている。また制御ユニット５は、起動スイッチ５４、入出力手段であるタッチパネル５５、バッテリ６０への充電用コネクタ６１等が設けられている。また制御手段５０（制御装置）は、ＣＰＵ５０Ａ、モータドライバ５１、５２、５３等を有している。なお、制御手段５０の処理を実行させるためのプログラムや各種の計測結果等を記憶する記憶装置も備えているが、図示省略する。

制御手段５０は、後述するように、大腿揺動アーム１３を揺動運動させるための目標揺動周期や目標揺動角度を求め、モータドライバ５１を介して駆動信号を電動モータ１１に出力する。電動モータ１１は制御手段５０からの駆動信号に基づいて減速機１１Ｄを揺動させ、プーリ１４とベルト１４Ｂとプーリ１５を介して、大腿揺動アーム１３を所定周期で所定角度にて揺動運動させる。また電動モータ１１のシャフトの回転速度や回転量は、回転角度検出手段１１Ｓにて検出され、検出信号はモータドライバ５１に入力されるとともにモータドライバ５１を介してＣＰＵ５０Ａに入力される。ＣＰＵ５０Ａは、回転角度検出手段１１Ｓからの検出信号に基づいた大腿揺動アーム１３の実際の揺動周期と実際の揺動角度が、目標揺動周期及び目標揺動角度に近づくようにフィードバック制御する。

また制御手段５０は、後述するように、大腿揺動アーム１３から見たゼンマイバネ２４の見かけ上バネ定数が最適な値となるバネ固定部材２３の旋回角度である目標剛性調整角度を求め、モータドライバ５２を介して駆動信号を電動モータ２１に出力する。電動モータ２１は制御手段５０からの駆動信号に基づいて減速機２１Ｄを介してバネ固定部材２３を旋回させる。また電動モータ２１のシャフトの回転速度や回転量は、回転角度検出手段２１Ｓにて検出され、検出信号はモータドライバ５２に入力されるとともにモータドライバ５２を介してＣＰＵ５０Ａに入力される。ＣＰＵ５０Ａは、回転角度検出手段２１Ｓからの検出信号に基づいた実際のバネ固定部材２３の旋回角度が、目標剛性調整角度に近づくようにフィードバック制御する。

制御手段５０は、後述するように、下腿揺動アーム３３を揺動運動させるための目標揺動周期や目標揺動角度を求め、モータドライバ５３を介して駆動信号を電動モータ３１に出力する。電動モータ３１は制御手段５０からの駆動信号に基づいて減速機３１Ｄ及びプーリ３２Ｐとベルト３２Ｂを介して下腿揺動アーム３３を所定周期で所定角度にて揺動運動させる。また電動モータ３１のシャフトの回転速度や回転量は、回転角度検出手段３１Ｓにて検出され、検出信号はモータドライバ５３に入力されるとともにモータドライバ５３を介してＣＰＵ５０Ａに入力される。ＣＰＵ５０Ａは、回転角度検出手段３１Ｓからの検出信号に基づいた下腿揺動アーム３３の実際の揺動周期と実際の揺動角度が、目標揺動周期及び目標揺動角度に近づくようにフィードバック制御する。

起動スイッチ５４は、制御手段５０を起動するためのスイッチである。またタッチパネル５５は、ユーザの身長や体重等の入力や、設定状態の表示等を行うための装置である。また充電用コネクタ６１は、バッテリ６０を充電する際に、充電用ケーブルが接続されるコネクタである。

●［制御手段の処理手順（図１３）］
次に図１３に示すフローチャートを用いて、制御手段５０の処理手順について説明する。ユーザが制御ユニットの起動ボタンを操作すると（ステップＳ１０）、制御手段はステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５にて制御手段は、タッチパネルからのユーザの初期設定入力を待つ。ユーザからの身長と体重の入力を確認すると、制御手段はステップＳ２０に進む。なお制御手段は、所定時間が経過してもユーザからの入力が確認されない場合、例えば、予め設定された標準身長と標準体重を設定してステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０にて制御手段は、所定期間の間、電動モータ１１、２１、３１に通電せず、ユーザの歩行状態（または走行状態）を計測し、計測時間に対応させて回転角度検出手段１１Ｓ、３１Ｓからの検出信号を計測データとして記憶装置に記憶する。電動モータ１１、３１のシャフトは、非通電時には空回りする構成とされている。なお電動モータ２１のシャフトは、非通電時には空回りせずロックされる構成とされており、電動モータ２１によるバネ固定部材２３の旋回角度は、大腿揺動アーム１３の揺動角度がゼロの際、ゼンマイバネ２４に付勢トルクが発生しない旋回角度となるように調整されている。そして制御手段は、例えば所定歩数あるいは所定時間の間、計測データを収集すると、ステップＳ２５に進む。

ステップＳ２５にて制御手段は、回転角度検出手段１１Ｓからの検出信号に基づいた計測データから、大腿揺動アームの揺動角度（揺動振幅）や、大腿揺動アームの角速度及び角加速度から歩行周期（揺動周期）を算出する。また同様に制御手段は、回転角度検出手段３１Ｓからの検出信号に基づいた計測データから、下腿揺動アームの揺動角度（揺動振幅）や、下腿揺動アームの角速度及び角加速度から歩行周期（揺動周期）を算出する。そして制御手段はステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０にて制御手段は、ステップＳ２５にて算出した、大腿揺動アームの揺動角度、大腿揺動アームの揺動周期、ステップＳ１５にて入力されたユーザの身長及び体重等に基づいて、最適関節剛性である目標剛性調整角度を算出し、ステップＳ３５に進む。なお、目標剛性調整角度の具体的な算出方法については後述する。

ステップＳ３５にて制御手段は、電動モータ２１を制御してバネ固定部材２３のオフセット角度を、ステップＳ３０にて求めた目標剛性調整角度に設定し、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０にて制御手段は、ステップＳ２５にて算出した、大腿揺動アームの揺動角度、大腿揺動アームの揺動周期、下腿揺動アームの揺動角度、下腿揺動アームの揺動周期、バッテリの出力電圧等に基づいて、ユーザの大腿部のアシストパターン（電動モータ１１への駆動信号の出力パターン等）と、ユーザの下腿部のアシストパターン（電動モータ３１への駆動信号の出力パターン）とを算出し、ステップＳ４５に進む。

ステップＳ４５にて制御手段は、ステップＳ４０にて算出したアシストパターンに基づいて、電動モータ１１及び電動モータ３１に駆動信号の出力を開始して、大腿揺動アーム１３及び下腿揺動アーム３３を揺動運動させ、ユーザの歩行動作（または走行動作）を継続するように、ユーザの歩行動作（または走行動作）を支援し、ステップＳ５０に進む。なお、電動モータ１１及び電動モータ３１への駆動信号の出力は、他のステップに移行した場合も継続される。

ステップＳ５０にて制御手段は、電動モータ１１及び電動モータ３１を動作させてユーザの歩行（または走行）の動作を支援しながら、ステップＳ２０にて計測したように、計測時間に対応させて回転角度検出手段１１Ｓ、３１Ｓからの検出信号を計測データとして記憶装置に記憶し、ステップＳ５５に進む。なお、計測データの収集は、他のステップに移行した場合も継続される。

ステップＳ５５にて制御手段は、ステップＳ５０にて収集した計測データに基づいて、ユーザが歩行動作（または走行動作）の支援の停止を所望しているか否かを判定し、支援の停止を所望していると判定した場合（Ｙｅｓ）は、電動モータ１１及び電動モータ３１への駆動信号の出力を停止して処理を終了し、支援の停止を所望していないと判定した場合（Ｎｏ）はステップＳ２５に戻る。

●［目標剛性調整角度の算出方法（図１０）：大腿揺動アーム１３の時計回り方向の揺動角度θｆに対する目標剛性調整角度］
まず、図１０を用いて、図１３に示すフローチャートのステップＳ３０にて行う目標剛性調整角度の算出手順について説明する。図１０では、時計回り方向のオフセット角度がθｓ（『反』時計回り方向のオフセット角度は−θｓ）、大腿揺動アーム１３が時計回り方向に揺動角度θｆで揺動した場合の例を示しており、変速機２５のシャフト２５Ａの時計回り方向の揺動角度がｎθｆである場合の例を示している（すなわち、変速機２５の変速比を［ｎ］としている）。また、変速機２５の効率をηとし、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数をｋ１とし、バネ固定部材２３の側から見たゼンマイバネ２４のバネ定数をｋ（ゼンマイバネ２４の、本来のバネ定数）とし、大腿揺動アーム１３の揺動によって発生したトルクをτとすると、以下の式（１）が成立する。
τ＝ｋ１・θｆ＝η・ｎ・ｋ（ｎθｆ−θｓ） 式（１）

上記の式（１）を整理すると、以下の式（２）にて、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ１を求めることができる。また式（２）を整理して式（３）を得ることができる。
ｋ１＝η・ｎ^２・ｋ［１−θｓ／（ｎ・θｆ）］ 式（２）
θｓ＝ｎ・θｆ［１−ｋ１／（η・ｎ^２・ｋ）］ 式（３）

以上の式（２）より、例えば、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ１をゼロにしたい場合は、オフセット角度θｓ＝ｎ・θｆとすればよいことがわかる。また例えば、オフセット角度θｓをゼロとした場合は、式（２）より、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ１は、ｋ１＝η・ｎ^２・ｋとなることがわかる。また例えば大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ１＝２・η・ｎ^２・ｋとしたい場合は、θｓ＝−ｎ・θｆとすればよいことがわかる（図１０の例に対して、バネ固定部材２３を、基準線Ｊ１に対して『反』時計回り方向にｎ・θｆだけ旋回させた状態とすればよい）。

ここで、ユーザの歩行周波数（大腿揺動アームの揺動周波数）をｆ、その場合の角周波数（角速度）をωとすると、以下の式（４）が成立する。歩行周波数ｆは、計測したユーザの歩行（または走行）の周期から求めることができる。従って、下記の式（４）のωの値を求めることができる。
ω＝２・π・ｆ 式（４）

また、上記のように、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数をｋ１とする。また、ユーザの下肢と大腿揺動アーム１３等とを含む駆動軸６Ｊ回りの慣性モーメントをＩとする。例えば、慣性モーメントＩは、駆動軸６Ｊ回りに揺動する各部材の合計質量（既知）と、当該合計質量の重心の位置（駆動軸６Ｊからの距離であって、既知）と、ユーザの体重及び身長から推定した下肢の質量と重心の位置（駆動軸６Ｊからの距離であって、既知）とから、求めることが可能であり、以下の式（５）、式（６）が成立する。上記よりωの値がわかっており、慣性モーメントＩもわかっているので、下記の式（６）から、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上バネ定数ｋ１を求めることができる。
ω＝√（ｋ１／Ｉ） 式（５）
ｋ１＝Ｉ・ω^２ 式（６）

また、大腿揺動アーム１３の運動方程式は、一般的に、関節軸（駆動軸６Ｊ）まわりの粘性係数をρとすると、以下の式（７）のように表される。なお、式（７）では、上記のτ、Ｉ、ｋ１を用い、揺動角度をθとしている。

大腿部の揺動は、ほぼ正弦波とみなせるので、θ＝Ａ・ｓｉｎωｔとして上記の式（７）に代入すると、以下の式（７Ａ）を得ることができる。
τ＝−Ａ・Ｉ・ω^２・ｓｉｎωｔ＋Ａ・ρ・ω・ｃｏｓωｔ＋Ａ・ｋ１・ｓｉｎωｔ
＝Ａ（ｋ１−Ｉ・ω^２）・ｓｉｎωｔ＋Ａ・ρ・ω・ｃｏｓωｔ 式（７Ａ）

上記の式（７Ａ）において、ｋ１＝Ｉ・ω^２、すなわち共振状態が成り立つとき、τを最小にできる。従って、トルクと角度変位の積となるエネルギーも最小化できる。

図１０の例において、大腿揺動アーム１３を時計回り方向に揺動角度θｆで揺動させる際、電動モータ１１の消費電力を最小にするオフセット角度θｓが、目標剛性調整角度であり、上記の式（７）と式（２）から求められたオフセット角度θｓが目標剛性調整角度である。また、上記の式（６）と式（２）から、角周波数ωと慣性モーメントＩに応じたオフセット角度θｓ（ゼンマイバネの共振周波数と、揺動対象物の揺動周波数と、を一致させるオフセット角度θｓ）を求めることができる。

●［目標剛性調整角度の算出方法（図１１）：大腿揺動アーム１３の『反』時計回り方向の揺動角度θｒに対する目標剛性調整角度］
次に、図１１を用いて、図１３に示すフローチャートのステップＳ３０にて行う目標剛性調整角度の算出手順について説明する。図１１では、時計回り方向のオフセット角度がθｓ（『反』時計回り方向のオフセット角度は−θｓ）、大腿揺動アーム１３が『反』時計回り方向に揺動角度θｒで揺動した場合の例を示しており、変速機２５のシャフト２５Ａの『反』時計回り方向の揺動角度がｎθｒである場合の例を示している（すなわち、変速機２５の変速比を［ｎ］としている）。また、変速機２５の効率をηとし、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数をｋ２とし、バネ固定部材２３の側から見たゼンマイバネ２４のバネ定数をｋとし、大腿揺動アーム１３の揺動によって発生したトルクをτとすると、以下の式（８）が成立する。
τ＝ｋ２・θｒ＝η・ｎ・ｋ（ｎθｆ＋θｓ） 式（８）

上記の式（８）を整理すると、以下の式（９）にて、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ２を求めることができる。また式（９）を整理して式（１０）を得ることができる。
ｋ２＝η・ｎ^２・ｋ［１＋θｓ／（ｎ・θｒ）］ 式（９）
θｓ＝−ｎ・θｒ［１−ｋ２／（η・ｎ^２・ｋ）］ 式（１０）

以上の式（９）より、例えば、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ２をゼロにしたい場合は、オフセット角度θｓ＝−ｎ・θｒとすればよいことがわかる。また例えば、オフセット角度θｓをゼロとした場合は、式（９）より、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ２は、ｋ２＝η・ｎ^２・ｋとなることがわかる。また例えば大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ２＝２・η・ｎ^２・ｋとしたい場合は、θｓ＝ｎ・θｒとすればよいことがわかる（図１１の例に対して、バネ固定部材２３を、基準線Ｊ１に対して時計回り方向にｎ・θｒだけ旋回させた状態とすればよい）。

ここで、ユーザの歩行周波数（大腿揺動アームの揺動周波数）をｆ、その場合の角周波数（角速度）をωとすると、上記の式（４）が成立する。また、上記のように、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数をｋ２として、ユーザの下肢と大腿揺動アーム１３等とを含む駆動軸６Ｊ回りの慣性モーメントを、上記と同様にＩとした場合、以下の式（１１）、式（１２）が成立する。上記よりωの値がわかっており、慣性モーメントＩもわかっているので、下記の式（１２）から、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上バネ定数ｋ２を求めることができる。
ω＝√（ｋ２／Ｉ） 式（１１）
ｋ２＝Ｉ・ω^２ 式（１２）

また、大腿揺動アーム１３の運動方程式は、一般的に、関節軸（駆動軸６Ｊ）まわりの粘性係数をρとすると、以下の式（１３）のように表される。なお、式（１３）では、上記のτ、Ｉ、ｋ２を用い、揺動角度をθとしている。

大腿部の揺動は、ほぼ正弦波とみなせるので、θ＝Ａ・ｓｉｎωｔとして上記の式（１３）に代入すると、以下の式（１３Ａ）を得ることができる。
τ＝−Ａ・Ｉ・ω^２・ｓｉｎωｔ＋Ａ・ρ・ω・ｃｏｓωｔ＋Ａ・ｋ２・ｓｉｎωｔ
＝Ａ（ｋ２−Ｉ・ω^２）・ｓｉｎωｔ＋Ａ・ρ・ω・ｃｏｓωｔ 式（１３Ａ）

上記の式（１３Ａ）において、ｋ２＝Ｉ・ω^２、すなわち共振状態が成り立つとき、τを最小にできる。従って、トルクと角度変位の積となるエネルギーも最小化できる。

図１１の例において、大腿揺動アーム１３を『反』時計回り方向に揺動角度θｒで揺動させる際、電動モータ１１の消費電力を最小にするオフセット角度θｓが、目標剛性調整角度であり、上記の式（１３）と式（９）から求められたオフセット角度θｓが目標剛性調整角度である。また、上記の式（１２）と式（９）から、角周波数ωと慣性モーメントＩに応じたオフセット角度θｓ（ゼンマイバネの共振周波数と、揺動対象物の揺動周波数と、を一致させるオフセット角度θｓ）を求めることができる。

以上、図１０及び図１１を用いて説明したように、制御手段５０を用いて、駆動軸部材６回りの大腿揺動アーム１３の揺動周波数（ｆ）と、大腿揺動アーム１３を含む揺動対象物（ユーザの下肢と大腿揺動アーム１３とを含み、駆動軸６Ｊ回りに揺動する全ての物体）における駆動軸部材６回りの慣性モーメント（Ｉ）と、ゼンマイバネ２４のバネ定数（ｋ）と、ゼンマイバネ２４のオフセット角度（θｓ）と、大腿揺動アーム１３の時計回り方向の揺動角度（θｆ）または大腿揺動アーム１３の『反』時計回り方向の揺動角度（θｒ）と、に基づいて、ゼンマイバネ２４の共振角周波数（ω）が、揺動対象物の揺動の周波数と一致するように剛性調整角度（時計回り方向のオフセット角度θｓ）を調整する。

このように、ゼンマイバネ２４と慣性モーメントＩの共振角周波数（ω）が、大腿揺動アーム１３を含む揺動対象物（駆動軸部材６回りに揺動する物体全体）の揺動の周波数と一致するように、剛性調整角度（時計回り方向のオフセット角度θｓ）を設定することで、電動モータ１１にて消費する電力を最小とすることができる。なお、剛性調整角度を上記の式から求めることなく、微小角度だけ剛性調整角度を変更して当該剛性調整角度における所定周期分の電動モータ１１の消費電力を計測した後、再度微小角度だけ剛性調整角度を変更して所定周期分の電動モータ１１の消費電力を計測することを繰り返し、最も消費電力が少ない剛性調整角度を求めるようにしてもよい。また、変速機２５を設けて大腿揺動アーム１３の揺動角度を増幅してゼンマイバネ２４に増幅した揺動角度を入力することで、バネ定数が比較的小さな小型のゼンマイバネを用いることが可能である。また、電動モータ２１も、より小さなトルクの小型の電動モータを用いることが可能である。

以上に説明した第１の実施の形態の揺動関節装置１は、ユーザの左脚用であるが、右脚用のベース部（ベース部２の左右対称版）、右脚用の大腿揺動部（符号１１、１２、１４、１４Ｂ、１５、１３、１９等にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の剛性調整部（符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の下腿揺動部（符号３１、３２、３２Ｐ、３２Ｂ、３３、３４、３５、３６、３９等にて示した各部材の左右対称版）を追加して、制御ユニット５からユーザの両脚の歩行動作（または走行動作）を支援するようにしてもよい。

●●［第２の実施の形態の揺動関節装置］
第２の実施の形態の揺動関節装置は、図１〜図４に示す第１の実施の形態の揺動関節装置１から電動モータ１１（及び回転角度検出手段１１Ｓ）、ブラケット１２、プーリ１４、ベルト１４Ｂを省略し、大腿揺動アーム１３の揺動角度を検出可能な回転角度検出手段を追加したものである。この第２の実施の形態では、ユーザの歩行（または走行）における大腿部の運動を電動モータで支援することはできないが、下腿部の運動を電動モータ３１にて支援することができる。また、符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した剛性調整部を有しているので、常に共振状態になるように剛性調整角度（時計回り方向のオフセット角度θｓ）を適切な角度とすることで、ユーザの大腿部の運動量を適切に軽減させることができる。

また、第１の実施の形態と同様に、右脚用のベース部（ベース部２の左右対称版）、右脚用の大腿揺動部（符号１３、１９等にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の剛性調整部（符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の下腿揺動部（符号３１、３２、３２Ｐ、３２Ｂ、３３、３４、３５、３６、３９等にて示した各部材の左右対称版）を追加して、制御ユニット５からユーザの両脚の歩行動作（または走行動作）を支援するようにしてもよい。

●●［第３の実施の形態の揺動関節装置］
第３の実施の形態の揺動関節装置は、図１〜図４に示す第１の実施の形態の揺動関節装置１から、電動モータ３１、ブラケット３２、プーリ３２Ｐ、ベルト３２Ｂ、下腿揺動アーム３３、下腿中継アーム３４、下腿アーム３５、足先保持部３６、下腿装着部３９を省略したものである。この第３の実施の形態では、ユーザの歩行（または走行）における大腿部の運動を電動モータ１１にて支援し、下腿部の運動は支援しない。なお、符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した剛性調整部を有しているので、常に共振状態になるように剛性調整角度（時計回り方向のオフセット角度θｓ）を適切な角度とすることで、電動モータ１１の消費電力を、より低減することができる。

また、第１の実施の形態と同様に、右脚用のベース部（ベース部２の左右対称版）、右脚用の大腿揺動部（符号１１、１２、１４、１４Ｂ、１５、１３、１９等にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の剛性調整部（符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した各部材の左右対称版）を追加して、制御ユニット５からユーザの両脚の歩行動作（または走行動作）を支援するようにしてもよい。

●●［第４の実施の形態の揺動関節装置］
第４の実施の形態の揺動関節装置は、第３の実施の形態の揺動関節装置から電動モータ１１（及び回転角度検出手段１１Ｓ）、ブラケット１２、プーリ１４、ベルト１４Ｂを省略し、大腿揺動アーム１３の揺動角度を検出可能な回転角度検出手段を追加したものである。この第４の実施の形態では、ユーザの歩行（または走行）における下腿部の運動の支援をすることはできない。またユーザの大腿部の運動を電動モータで支援することもできない。しかし、符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した剛性調整部を有しているので、常に共振状態になるように剛性調整角度（時計回り方向のオフセット角度θｓ）を適切な角度とすることで、ユーザの大腿部の運動量を適切に軽減させることができる。

また、第１の実施の形態と同様に、右脚用のベース部（ベース部２の左右対称版）、右脚用の大腿揺動部（符号１３、１９等にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の剛性調整部（符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した各部材の左右対称版）を追加して、制御ユニット５からユーザの両脚の歩行動作（または走行動作）を支援するようにしてもよい。

本発明の脚力支援装置の構造、構成、形状、外観等は、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。

本実施の形態にて説明した脚力支援装置の用途は、ユーザの下肢の揺動運動（歩行や走行）を支援する用途に限定されず、周期的な揺動運動をする種々の対象物に適用可能である。

本実施の形態では、電動モータ１１、電動モータ３１の揺動回転運動を、プーリとベルトで大腿揺動アーム１３、下腿揺動アーム３３に伝達したが、プーリとベルトに限定されず、ギアやリンク機構等を用いて伝達してもよい。

また本実施の形態の説明では、大腿揺動アーム１３（プーリ１５）とゼンマイバネ２４との間に変速機２５を設けて、大腿揺動アーム１３（プーリ１５）にゼンマイバネ２４を間接的に接続した例を説明したが、変速機２５を省略して、大腿揺動アーム１３（プーリ１５）とゼンマイバネ２４とを直接的に接続してもよい。

１ 揺動関節装置（脚力支援装置）
２ ベース部（腰側装着部）
３ 腰装着部
４ 肩ベルト
５ 制御ユニット
６ 駆動軸部材
６Ｊ 駆動軸
１１ 電動モータ（第１駆動手段）
１１Ｄ、２１Ｄ、３１Ｄ 減速機
１１Ｓ 回転角度検出手段（第１角度検出手段）
１２ ブラケット
１３ 大腿揺動アーム（第１揺動アーム）
１３Ｇ 円板部
１４、１５ プーリ
１４Ｂ ベルト
１５Ｊ プーリ軸部材
１９ 大腿装着部
２１ 電動モータ（剛性調整旋回手段）
２１Ｓ 回転角度検出手段
２２ ブラケット
２３ バネ固定部材
２３Ｊ バネ支持体
２４ ゼンマイバネ
２４Ａ 固定端
２４Ｂ 自由端
２５ 変速機
２５Ａ シャフト（バネ入力軸部材）
２５Ｂ バネ自由端挿通溝
３１ 電動モータ（第２駆動手段）
３１Ｓ 回転角度検出手段（第２角度検出手段）
３２ ブラケット
３２Ｂ ベルト
３２Ｐ プーリ
３３ 下腿揺動アーム（第２揺動アーム）
３４ 下腿中継アーム
３５ 下腿アーム
３５Ｍ 平行リンク形成部
３９ 下腿装着部
５０ 制御手段
Ｊ１ 基準線
θｆ 揺動角度（大腿揺動アームの時計回り方向の揺動角度）
θｒ 揺動角度（大腿揺動アームの『反』時計回り方向の揺動角度）
θｓ オフセット角度（剛性調整角度）

Claims (6)

1. 利用者の下肢の運動に補助力を与える脚力支援装置であって、
   前記利用者の腰側部に装着される腰側装着部と、
   前記利用者の大腿の側方に配置された第１揺動アームであって、上部に当該第１揺動アームの揺動の軸となる凹形状あるいは凸形状が形成された長手状の前記第１揺動アームと、
   前記第１揺動アームの揺動角度である第１揺動角度を検出する第１角度検出手段と、
   前記第１揺動アームに取り付けられて前記利用者の大腿にあてがわれる大腿装着部と、
   前記第１揺動アームの前記揺動の軸となる凹形状あるいは凸形状を支持する駆動軸部材であって、前記腰側装着部に対して前記第１揺動アームを前記利用者の前後方向に揺動自在に支持する前記駆動軸部材と、
   前記駆動軸部材の軸である駆動軸回りに揺動する前記第１揺動アームを揺動させるために必要とする力である剛性を可変とする剛性可変手段と、
   前記剛性可変手段を制御することで、前記駆動軸回りに揺動する前記第１揺動アームにおける前記剛性を制御する制御手段と、を備え、
   前記剛性可変手段は、ゼンマイバネと、バネ固定部材と、剛性調整旋回手段と、にて構成され、
   前記ゼンマイバネと前記バネ固定部材と前記剛性調整旋回手段は、前記駆動軸と同軸となるように配置されており、
   前記ゼンマイバネに隣接する位置には、前記ゼンマイバネの固定端を支持する前記バネ固定部材が配置されており、
   前記ゼンマイバネの一方端である自由端は、前記第１揺動アームの揺動角度である前記第１揺動角度に応じた角度で揺動するバネ入力軸部材に接続されており、
   前記ゼンマイバネの他方端である前記固定端は、前記バネ固定部材における前記駆動軸から離れた位置に設けられたバネ支持体に接続されており、
   前記制御手段は、前記第１角度検出手段にて検出した前記第１揺動角度に基づいて、前記第１揺動アームから見た前記ゼンマイバネの見かけ上バネ定数が最適な値となる前記バネ固定部材の旋回角度である目標剛性調整角度を求め、実際の前記バネ固定部材の旋回角度が前記目標剛性調整角度に近づくように、前記剛性調整旋回手段に剛性調整用制御信号を出力し、
   前記剛性調整旋回手段は、前記制御手段からの前記剛性調整用制御信号に基づいて、前記バネ固定部材を前記駆動軸回りに旋回させて、前記ゼンマイバネの前記固定端の位置を移動させることで、前記剛性を調整する、
   脚力支援装置。
2. 請求項１に記載の脚力支援装置であって、
   前記第１揺動アームと前記ゼンマイバネとの間には変速機が設けられており、
   前記変速機は、
   入力部と、前記バネ入力軸部材と、を有し、
   前記入力部が入力旋回角度にて旋回されると、予め設定された変速比に基づいた出力旋回角度にて前記バネ入力軸部材を旋回させ、
   前記入力部が前記第１揺動角度にて旋回されると、前記変速比に基づいた前記出力旋回角度にて前記バネ入力軸部材を旋回させて、前記ゼンマイバネの前記自由端を旋回させる、
   脚力支援装置。
3. 請求項１または２に記載の脚力支援装置であって、
   前記制御手段は、前記第１角度検出手段にて検出した前記第１揺動角度に応じて、前記剛性調整旋回手段を制御して前記バネ固定部材の旋回角度を調整して、前記第１揺動アームから見た前記ゼンマイバネの見かけ上のバネ定数を調整することで前記剛性を調整する、
   脚力支援装置。
4. 請求項３に記載の脚力支援装置であって、
   前記制御手段は、
   前記駆動軸回りの前記第１揺動アームの揺動周波数及び前記第１揺動角度と、
   前記第１揺動アームを含む揺動対象物における前記駆動軸回りの慣性モーメントと、
   前記ゼンマイバネのバネ定数と、に基づいて、前記ゼンマイバネの共振周波数が、前記揺動対象物の前記揺動周波数と一致するように前記バネ固定部材の旋回角度を調整する、
   脚力支援装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の脚力支援装置であって、
   前記第１揺動アームを前記駆動軸回りに揺動させる第１駆動手段を有し、
   前記制御手段は、前記利用者の歩行状態を計測して前記第１角度検出手段からの検出信号を第１計測データとして収集し、前記第１計測データに基づいて前記第１揺動アームの第１揺動振幅と第１揺動周期を算出し、算出した前記第１揺動振幅と前記第１揺動周期に近づくように、前記第１駆動手段に第１駆動手段用制御信号を出力し、
   前記第１駆動手段は、前記制御手段からの前記第１駆動手段用制御信号に基づいて前記第１揺動アームを前記駆動軸回りに揺動させる、
   脚力支援装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の脚力支援装置であって、
   前記駆動軸回りに揺動自在に支持された第２揺動アームと、
   前記第２揺動アームの揺動角度である第２揺動角度を検出する第２角度検出手段と、
   前記第２揺動アームを前記駆動軸回りに揺動させる第２駆動手段と、
   前記第１揺動アームと前記第２揺動アームとに接続されて前記第１揺動アームの前記第１揺動角度と前記第２揺動アームの前記第２揺動角度とに基づいて動作する揺動リンク部材と、
   前記第２揺動アームに取り付けられて前記利用者の下腿にあてがわれる下腿装着部と、を有し、
   前記制御手段は、前記利用者の歩行状態を計測して前記第２角度検出手段からの検出信号を第２計測データとして収集し、前記第２計測データに基づいて前記第２揺動アームの第２揺動振幅と第２揺動周期を算出し、算出した前記第２揺動振幅と前記第２揺動周期に近づくように、前記第２駆動手段に第２駆動手段用制御信号を出力し、
   前記第２駆動手段は、前記制御手段からの前記第２駆動手段用制御信号に基づいて前記第２揺動アームを前記駆動軸回りに揺動させる、
   脚力支援装置。
   
   

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