JP6569519B2 - アシスト装置 - Google Patents

Description

本発明は、人の歩行改善等のアシストを行なうアシスト装置に関する。

例えば、人の歩行等をアシストするアシスト装置が特許文献１、２等に記載されている。特許文献１に記載の片脚式歩行支援機は、人の腰に装着される腰装着部と、大腿リンク部と、下腿リンク部とを備えており、前記下腿リンク部が人の下腿部に装着される構成である。前記大腿リンク部の上部は、前記腰装着部に対して上下回動可能に連結されており、前記腰装着部と前記大腿リンク部との間に、前記大腿リンク部に対して回転トルクを付与するためのトルク発生装置が設けられている。即ち、前記トルク発生装置の回転トルクが前記大腿リンク部に加わることで、歩行支援が行なわれる。前記トルク発生装置は、圧縮バネと、カム及びカムフォロアとの働きにより、前記大腿リンク部に対して回転トルクを付与できるように構成されている。また、前記トルク発生装置は、工具を使用して圧縮バネの圧縮量（バネ力）を調整できるように構成されている。

特開２０１３−２３６７４１号公報 特開２０１３−１７３１９０号公報

上記した片脚式歩行支援機では、工具を使用してトルク発生装置の圧縮バネの圧縮量を調整する構成のため、歩行途中に前記大腿リンク部の回動角度に応じて圧縮バネのバネ力を調整することはできない。このため、高効率で歩行アシストを行なうのは難しい。また、人の歩行動作を理想とされる歩行動作に近づけるような歩行改善を行なうことも不可能である。

特許文献２に記載のアシスト装置は、モータ等のトルク発生装置による回転トルクが大腿リンク部等に加わることで、人の動作をアシストできるように構成されている。このように、トルク発生装置としてモータ等を使用する構成では、負荷が大きい場合に大きな出力のモータ等が必要になり、消費電力を抑えるのが難しい。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、歩行改善等のアシスト作業を良好に行なえるようにするとともに、消費電力を抑えることである。

上記した課題は、各請求項の発明によって解決される。請求項１の発明は、身体に装着される身体装着具と、弾性体を備え、剛性を変えられるように構成された可変剛性機構と、人の股関節に対応する前記身体装着具の所定位置に前記可変剛性機構を介して回動中心部が連結されており、回動自由端側が大腿部に装着される出力リンクと、前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させる剛性可変アクチュエータと、前記出力リンクの回動角度を検出する角度検出手段と、入力値を入力可能な入力手段と、前記角度検出手段による検出角度と、前記入力手段により入力された前記入力値とに基づいて前記剛性可変アクチュエータを制御する制御装置とを有しており、前記制御装置は、前記股関節を中心とした前記大腿部の往復回動動作において、前記大腿部に対して所定負荷を加えられるように、前記剛性可変アクチュエータを制御して前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させる。

本発明によると、制御装置は、角度検出手段による検出角度と、入力手段により入力された入力値とに基づいて剛性可変アクチュエータを制御する。そして、制御装置は、大腿部に対して所定負荷を加えられるように、剛性可変アクチュエータを制御して出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させる。このため、例えば、歩行動作等において理想の歩行動作（入力値）から離れるにつれて大腿部に対して加わる負荷が大きくなるようにすることで、歩行改善等を行なうことができる。また、例えば、スクワット等において大腿部に対して所定負荷を加えることも可能になる。さらに、可変剛性機構の見かけの剛性を変化させて出力リンクに加わるアシストトルクを制御する構成のため、モータによる回転トルクを出力リンクの回動方向に加える従来のアシスト装置と比較して消費電力を抑えることができる。

請求項２の発明によると、股関節を中心とした大腿部の往復回動動作は歩行動作であり、入力手段は、理想とされる歩行動作における前記大腿部の振れ中心角度を制御装置に対して入力できるように構成されており、前記制御装置は、実際の歩行動作時における出力リンクの振れ中心角度が、前記理想の歩行動作における前記大腿部の振れ中心角度からずれている場合に、前記出力リンクの前記振れ中心角度のずれ角の程度に応じて前記大腿部に加わる負荷を大きくできるように構成されている。一般的に、人は、歩行する際、無意識に大腿部に加わる負荷が小さくなるような歩き方をする。このため、人は、歩行動作時に出力リンクの振れ中心角度が、大腿部の理想とされる振れ中心角度に近づくような歩き方をする。即ち、ずれ角を零に収束させるような歩き方をする。このため、人の歩行が理想の歩行に近づくようになり、歩行改善が行なわれる。

請求項３の発明によると、入力手段は、理想とされる歩行動作における大腿部の最大振れ角度を制御装置に対して入力できるように構成されており、前記制御装置は、実際の歩行動作時における前記出力リンクの最大振れ角度が、前記理想の歩行動作における前記大腿部の最大振れ角度と差がある場合に、前記出力リンクの最大振れ角度が、前記理想の歩行動作における前記大腿部の最大振れ角度に近づくように、前記剛性可変アクチュエータを制御して前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させる。このため、人の歩行が理想の歩行に近づくようになり、歩行改善が行なわれる。

請求項４の発明によると、入力手段は、理想の歩行動作における大腿部の最大振れ角度に対する出力リンクの最大振れ角度の角度差が前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性の制御に与える影響の程度を決める歩容改善率を前記制御装置に入力できるように構成されている。このため、歩行改善を速やかに行なうか、あるいは緩やかに行なうか、個人の体の状態に合わせて調整できるようになる。

請求項５の発明によると、入力手段は、大腿部に対して加える負荷の程度を決定する負荷率を制御装置に対して入力できるようにように構成されており、前記制御装置は、前記負荷率に基づいて前記大腿部に負荷が加わるように、前記剛性可変アクチュエータを制御して前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させる。このため、例えば、スクワット等を行なう際に、大腿部に対して加える負荷を調整できるようになる。

請求項６の発明によると、可変剛性機構の弾性体は、出力リンクの回動中心と同軸に設けられた渦巻きバネであり、前記渦巻きバネの一端側は、前記剛性可変アクチュエータ側に連結され、前記渦巻きバネの他端側は、前記出力リンク側に連結されており、前記剛性可変アクチュエータは、前記渦巻きバネの一端側の回転角度を変えることで前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変える。このため、出力リンクから見た可変剛性機構の見かけの剛性を変えるための制御が比較的容易になる。

本発明によると、歩行改善等のアシスト作業を良好に行なえるようになる。また、消費電力を抑えることができる。

本発明の実施形態１に係るアシスト装置の使用状態を表わす模式側面図である。 前記アシスト装置の出力リンクと可変剛性機構等を表す模式正面図である。 前記アシスト装置の出力リンクと可変剛性機構等を表わす模式分解斜視図である。 前記アシスト装置の配線ブロック図である。 前記アシスト装置の角度検出器の出力波形を表わす図面である。 前記角度検出器の出力波形から歩行周波数を検出する方法を表わす図面である。 実際の歩行動作時における出力リンク（大腿部）の最大振れ角度、触れ中心角度と、理想的な歩行動作時の大腿部の最大振れ角度、触れ中心角度とを表わす模式図である。 前記アシスト装置の出力リンクと、回動中心から脚部の重心までの距離とを表わす模式拡大図である。 前記可変剛性機構等の模式分解斜視図である。 前記アシスト装置の動作を表すフローチャートである。 本発明の実施形態２に係るアシスト装置の動作を表すフローチャートである。

［実施形態１］
以下、図１から図１０に基づいて本発明の実施形態１に係るアシスト装置１０について説明する。本実施形態に係るアシスト装置１０は、人の歩行改善をアシストする装置である。ここで、図中に示すｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向は、アシスト装置１０を装着した人の前方向、上方向、及び左右方向に対応している。

＜アシスト装置１０の概要について＞
アシスト装置１０は、図１に示すように、人の上体、及び腰周りに装着される上体装着具１２と、前記上体装着具１２の腰周り部分に設けられた支持架台部１４とを備えている。支持架台部１４は、図２に示すように、上体装着具１２の背面で左右に延びるように設けられた背面板部１４ｚと、その背面板部１４ｚの左右両側で前記背面板部１４ｚに対してほぼ直角に設けられた側板部１４ｘとを備えている。そして、支持架台部１４の左右の側板部１４ｘには、図２に示すように、人の股関節に対応する位置、即ち、人の股関節とｘｙ方向においてほぼ同位置に軸受孔１４ｊが形成されている。

前記支持架台部１４の背面板部１４ｚと側板部１４ｘとの左右の角部内側には、図２に示すように、左右一対の可変剛性機構２０（後記する）が設けられている。前記可変剛性機構２０は、ｚ方向に沿って設けられており、その可変剛性機構２０の入力軸２２ｅが支持架台部１４の側板部１４ｘの軸受孔１４ｊに挿通されている。可変剛性機構２０の入力軸２２ｅには、支持架台部１４の側板部１４ｘの外側に固定されたモータ４０の回転軸４１が同軸に連結されている。即ち、可変剛性機構２０は、入力軸２２ｅの軸心を中心に回動可能な状態で支持架台部１４に支持されている。

また、可変剛性機構２０の出力回転軸２６ｐには、図２、図３に示すように、棒状の出力リンク３０の基端部（回動中心部）が相対回転不能な状態で連結されている。即ち、出力リンク３０の回動中心部は、人の股関節に対応する支持架台部１４の軸受孔１４ｊの位置に可変剛性機構２０を介して上下回動可能な状態で連結されている。出力リンク３０は、人の大腿部の外側面に沿って配置されるリンクであり、その出力リンク３０の先端側（回動自由端側）が大腿装着具３５によって人の大腿部に装着されるように構成されている。このため、出力リンク３０は大腿部と共に上下に回動できるようになる。即ち、上記した上体装着具１２と支持架台部１４とが本発明における身体装着具に相当する。

出力リンク３０の回動中心部には、図２、図３等に示すように、出力リンク３０の回動角度を検出する角度検出器４３が取付けられている。また、アシスト装置１０は、図１等に示すように、上体装着具１２の背面に取付けられる制御ボックス５０を備えている。

＜可変剛性機構２０について＞
可変剛性機構２０は、出力リンク３０から見た見かけの剛性を変えられるように構成された機構であり、図３に示すように、入力部２２と、渦巻きバネ２４と、減速機２６とを備えている。入力部２２は、前記モータ４０の回転を渦巻きバネ２４に伝達するための部分である。入力部２２は、モータ４０の回転軸４１が相対回転不能な状態で連結される入力軸２２ｅと、その入力軸２２ｅと同軸に設けられた円板部２２ｒと、入力軸２２ｅの反対側で円板部２２ｒの周縁に設けられたトルク伝達軸２２ｐとを備えている。そして、入力部２２のトルク伝達軸２２ｐが渦巻きバネ２４の外周側バネ端部２４ｅに連結されている。

可変剛性機構２０の渦巻きバネ２４は、図３に示すように、帯状の板バネを渦巻状に成形したバネであり、中心側と外周側にバネ端部２４ｙ，２４ｅを備えている。渦巻きバネ２４は、中心側バネ端部２４ｙに対する外周側バネ端部２４ｅの回動角度を変えることでバネ力を調整できるように構成されている。ここで、前記渦巻きバネ２４のバネ定数は、例えば、ｋ₁に設定されている。上記したように、渦巻きバネ２４の外周側バネ端部２４ｅは、入力部２２のトルク伝達軸２２ｐに相対回転不能な状態で連結されている。また、渦巻きバネ２４の中心側バネ端部２４ｙは、減速機２６の入力回転軸２６ｅに相対回転不能な状態で連結されている。ここで、入力部２２と減速機２６の入力回転軸２６ｅとは同軸に保持されている。即ち、前記渦巻きバネ２４が本発明の弾性体に相当する。

減速機２６は、渦巻きバネ２４のバネ力に起因する回転トルクを増幅して出力リンク３０に伝達する部材である。減速機２６は、入力回転軸２６ｅと、出力回転軸２６ｐと、入力回転軸２６ｅと出力回転軸２６ｐ間に設けられたギヤ機構（図示省略）等とを備えている。減速機２６の入力回転軸２６ｅと出力回転軸２６ｐとは同軸に保持されており、入力回転軸２６ｅがｎ回転することで、出力回転軸２６ｐが１回転するように構成されている。また、減速機２６のトルク伝達効率はηに設定されている。

減速機２６の出力回転軸２６ｐの中心には、図３に示すように、出力リンク３０の回転中心ピン（図示省略）が嵌合される位置決め孔２６ｕが形成されている。さらに、出力回転軸２６ｐの位置決め孔２６ｕの周囲には、出力リンク３０の回り止めピン３１が挿入される回り止め孔２６ｋが形成されている。これにより、出力リンク３０は、減速機２６の出力回転軸２６ｐと一体で回転できるようになる。

＜制御ボックス５０について＞
制御ボックス５０は、図１に示すように、上体装着具１２の背面に取付けられるボックスである。制御ボックス５０には、図４に示すように、コントローラユニット５２とドライバユニット５４と電源ユニット５６とが収納されている。コントローラユニット５２は、モータ４０の回転角度θ₁を制御するユニットである。ドライバユニット５４は、モータ４０を駆動させるユニットであり、コントローラユニット５２からの信号に基づいて動作する。電源ユニット５６は、コントローラユニット５２とドライバユニット５４に対して電力を供給するユニットである。

コントローラユニット５２には、図４に示すように、出力リンク３０の回動角度θを検出する角度検出器４３の信号が入力される。角度検出器４３の角度信号、即ち、出力リンク３０の回動角度θの信号は、コントローラユニット５２において、図５に示すような時間ｔの関数で表わされる。コントローラユニット５２では、図６に示すように、所定のしきい値を設定し、出力リンク３０の回動角度θの信号が所定のしきい値に対して大きくなる時間と、小さくなる時間との差から人の歩行周期Ｔを求めている。そして、歩行周期Ｔの逆数（１／Ｔ）から人の歩行周波数ｆを演算し、前記歩行周波数ｆから角周波数ω（ω＝2πｆ）を求めるようにしている。

また、コントローラユニット５２には、図４に示すように、例えば、キーボード、あるいはダイヤル等の入力装置４４から人の歩行改善に使用される数値が入力される。即ち、入力装置４４により、図７に示すように、歩行動作において理想とされる大腿部の最大振れ角Ａ_Iと、大腿部の振れ中心の角度θ₀（振れ中心角度θ₀（中立点））とがコントローラユニット５２に入力される。ここで、振れ中心角度θ₀は、一般的に、鉛直線に対して前方に約5°であるが、出力リンク３０に加わるアシストトルクτ（後記する）の演算では、便宜上振れ中心角度θ₀を零（θ₀＝0）として考えるものとする。

また、入力装置４４は、コントローラユニット５２に対して歩容改善率εを入力できるように構成されている。歩容改善率εとは、理想とされる大腿部の最大振れ角Ａ_I（図７参照）に対する実際の大腿部の最大振れ角度Ａ_h（出力リンク３０の最大振れ角度Ａ_h）の差（Ａ_h−Ａ_I）に対して乗ぜられる係数である。ここで、出力リンク３０の最大振れ角度Ａ_hは、角度検出器４３により検出された出力リンク３０の回動角度θから求めることができる（図５参照）。歩容改善率εは、0≦ε≦1の間で設定される値で、振幅修正ゲインαを決めるために使用される。

振幅修正ゲインαは、α＝｛1−ε（Ａ_h−Ａ_I）÷Ａ_h｝で表わされ、出力リンク３０に加わるアシストトルクτ（後記する）の演算において使用される。例えば、歩容改善率ε＝0のときは、最大振れ角の差（Ａ_h−Ａ_I）に対する歩行改善は行なわれず、振幅修正ゲインα＝1となる。また、歩容改善率ε＝1のときは、最大振れ角の角度差（Ａ_h−Ａ_I）に対する歩行改善が最大に行なわれるようになり、振幅修正ゲインα＝Ａ_I÷Ａ_h となる。

コントローラユニット５２は、人の歩行動作時に、角度検出器４３の検出値、及び入力装置４４から入力値に基づいて、モータ４０の回転角度θ₁を制御する（後記する）。モータ４０の回転軸４１が角度θ₁だけ回転すると、図９に示すように、可変剛性機構２０の渦巻きバネ２４の外周側バネ端部２４ｅが同じく角度θ₁だけ回転する。これにより、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rが変化して、可変剛性機構２０の出力回転軸２６ｐから出力リンク３０に加わる回転トルクτ（以下、アシストトルクτという）が制御される。即ち、コントローラユニット５２が本発明の制御装置に相当し、モータ４０が剛性可変アクチュエータに相当する。また、角度検出器４３が本発明の角度検出手段に相当し、入力装置４４が本発明の入力手段に相当する。

＜アシスト装置１０の動作について＞
次に、図１０のフローチャートに基づいて、アシスト装置１０の動作を説明する。ここで、図１０のフローチャートに示す処理は、コントローラユニット５２のメモリ（図示省略）に格納されているプログラムに基づいて実行される。また、モータ４０の回転角度θ₁の演算等に使用される定数、即ち、歩行動作の理想とされる大腿部の最大振れ角Ａ_Iと振れ中心角度θ₀とは入力装置４４によってコントローラユニット５２に予め入力されている。同様に、人の脚部の質量ｍ、脚部の重心位置、股関節の周りの脚部の慣性モーメントＪ、及び回動動作における脚部の粘性ｄ等が入力装置４４によってコントローラユニット５２に予め入力されている。

歩行前に、先ず歩容改善率εが設定され（ステップＳ１０１）、前記歩容改善率εが入力装置４４によりコントローラユニット５２に入力される（ステップＳ１０２）。次に、人が歩行を開始すると（ステップＳ１０３）、出力リンク３０の回動角度を検出する角度検出器４３の信号がコントローラユニット５２に入力される（ステップＳ１０４）。これにより、コントローラユニット５２では、図６に示すように、所定のしきい値を用いて歩行周期Ｔを求め、さらに歩行周波数ｆと角周波数ωとを求める。次に、コントローラユニット５２では、出力リンク３０の回動角度θ、歩行周波数ｆ、前記歩容改善率ε等に対応した可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_R（モータ４０の回転軸４１の角度θ₁）を演算する（ステップＳ１０５）。なお、モータ４０の回転軸４１の角度θ₁の具体的な演算方法は後記する。そして、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rを制御して出力リンク３０に加えるアシストトルクτ（τ＝ｋ_Rθ）を調整する（ステップＳ１０６）。歩行中はステップＳ１０４からステップＳ１０６までの処理が繰り返し実行される。そして、歩行が終了すると（ステップＳ１０７）、アシスト装置１０は動作完了状態（エンド）となる。

＜モータ４０の回転軸４１の角度θ₁の具体的な演算手順について＞
次に、図８、図９等に基づいて、モータ４０の回転軸４１の角度θ₁の具体的な演算手順について説明する。ここで、図８は、実際の歩行動作において、大腿部と出力リンク３０とが角度θだけ上回動した様子を模式的に表した図である。なお、符号ｃは、人の股関節と出力リンク３０の回動中心を表わしており、Ｌは回動中心ｃから脚部の重心位置までの距離を表している。このため、回動中心ｃ周りの脚部の質量ｍに起因するトルクは、ｍｇ×Ｌ×sinθで表わされる。出力リンク３０の回動により可変剛性機構２０の出力回転軸２６ｐが、図９に示すように、角度θだけ回動する。このため、出力リンク３０の回動中心ｃには、可変剛性機構２０の見かけの剛性をｋ_Rに起因するアシストトルクτが加わるようになる。アシストトルクτは、τ＝ｋ_R×θで表わされる。

また、股関節周りの慣性モーメントＪに起因するトルクは、［数１］に示す値で表わされる。

股関節周りの粘性ｄに起因するトルクは、［数２］に示す値で表わされる。

このため、大腿部と出力リンク３０とを上方に角度θだけ回動させる際に必要な運動トルクτ_Hは、［数３］に示す式で表される。

ここで、角度θが小さい場合、［数３］の式におけるsinθは、［数４］に示すように表される。

このため、［数３］の式に［数４］の値を代入して整理すると、トルクτ_Hは［数５］に示す式で表される。

ここで、人が歩行動作をしたときの大腿部と出力リンク３０との角度θ（以下、出力リンク３０の角度θという）は、図５に示すように、サインカーブに近似させることができる。即ち、θ＝Ａ_h×sinωｔ＋θ_eで表わせる。ここで、Ａ_hは、図７に示すように、実際の歩行動作時における出力リンク３０の最大振れ角度であり、θ_eは出力リンク３０の振れ中心角度を表わしている。また、上記したように同じ歩行周波数ｆにおける理想的な歩行動作の大腿部の最大振れ角Ａ_Iと振れ中心角度θ₀とはコントローラユニット５２に予め入力されている。このため、同じ歩行周波数ｆの理想的な歩行動作における大腿部の角度θ_Iは、振れ中心角度θ₀を零（θ₀＝0）とすると次のようになる。即ち、θ_I＝Ａ_I×sinωｔで表わされる。

ここで、実際の歩行動作時における出力リンク３０の振れ中心角度θ_eは、図７に示すように、出力リンク３０の振れ中心角度θ_eと理想の振れ中心角度θ₀（θ₀＝0）とのずれ角を表わしている。また、出力リンク３０の最大振れ角度Ａ_hは、理想的な歩行動作の最大振れ角Ａ_Iと角度差Ａ_eとの和で表わすことができる。即ち、Ａ_h＝（Ａ_I＋Ａ_e）となる。

理想的な歩行動作における大腿部の角度θ_I＝Ａ_I×sinωｔを［数５］の式に代入すると、理想歩行状態での脚部の運動トルクτ_Sが求められる。
即ち、τ_S＝−Ａ_IＪω²×sinωｔ＋Ａ_Iｄ×cosωｔ＋Ａ_I×（ｋ_R＋ｍｇＬ）×sinωｔとなる。この式を整理すると、
τ_S＝Ａ_I×（ｋ_R＋ｍｇＬ−Ｊω²）×sinωｔ＋Ａ_Iｄ×cosωｔ
このため、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rを、Ｊω²−ｍｇＬになるように調整すれは、理想歩行状態での脚部の運動トルクτ_Sが、τ_S＝Ａ_Iｄ×cosωｔとなって大腿部に加わる負荷が最小になる。

次に、人が実際に歩行動作をしたときの出力リンク３０の角度θ-＝Ａ_h×sinωｔ＋θ_e＝（Ａ_I＋Ａ_e）×sinωｔ＋θ_eを［数５］の式に代入すると、実際の歩行状態での脚部の運動トルクτ_Hが求められる。
即ち、τ_H＝−（Ａ_I＋Ａ_e）Ｊω²×sinωｔ＋（Ａ_I＋Ａ_e）ｄ×cosωｔ＋（ｋ_R＋ｍｇＬ）×｛（Ａ_I＋Ａ_e）×sinωｔ＋θ_e｝となる。この式を整理すると、
τ_H＝（Ａ_I＋Ａ_e）×（ｋ_R＋ｍｇＬ−Ｊω²）×sinωｔ＋（Ａ_I＋Ａ_e）ｄ×cosωｔ＋（ｋ_R＋ｍｇＬ）×θ_eとなる。
ここで、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rを、Ｊω²−ｍｇＬになるように調整すれは、実際の歩行状態での脚部の運動トルクτ_H＝（Ａ_I＋Ａ_e）ｄ×cosωｔ＋（ｋ_R＋ｍｇＬ）×θ_eとなり、同じく大腿部に加わる負荷が最小になる。

さらに、上記したように、理想歩行状態での脚部の運動トルクτ_S＝Ａ_Iｄ×cosωｔであるため、実際の歩行状態での脚部の運動トルクτ_Hを、理想歩行状態での脚部の運動トルクτ_Sを用いて表わすと次のようになる。
即ち、τ_H＝τ_S＋Ａ_eｄ×cosωｔ＋（ｋ_R＋ｍｇＬ）×θ_eで表わされる。ここで、Ａ_eｄ×cosωｔは、非常に小さい値であるためほぼ零と考えると、実際の歩行状態での脚部の運動トルクτ_Hは、τ_H＝τ_S＋（ｋ_R＋ｍｇＬ）×θ_eで表わされる。このように、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_RをＪω²−ｍｇＬに調整しても、実際の歩行状態での脚部の運動トルクτ_Hは、理想歩行状態での脚部の運動トルクτ_Sよりも（ｋ_R＋ｍｇＬ）×θ_eだけ大きな値になる。

即ち、実際の歩行動作状態における出力リンク３０の振れ中心角度θ_eが、図７に示すように、理想歩行状態の振れ中心角度θ₀（θ₀＝0）から角度θ_eだけずれると、ズレ角θ_eに応じて大腿部に加わる負荷が大きくなる。ここで、人は、歩行する際、無意識に大腿部に加わる負荷が小さくなるような歩き方をする。このため、人は、出力リンクの振れ中心角度が、理想とされる大腿部の振れ中心角度に近づくように、即ち、ズレ角θ_eを零に収束させるように歩行する。このため、人の歩行が理想の歩行に近づくようになり歩行改善が行なわれる。

次に、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_R（以下、見かけの剛性ｋ_Rという）を渦巻きバネ２４のバネ定数ｋ₁と、モータ４０の回転角度θ₁とで表わす手順を説明する。図９に示すように、減速機２６の減速比がｎ：１であるため、出力リンク３０、及び減速機２６の出力回転軸２６ｐが角度θだけ回転すると減速機２６の入力回転軸２６ｅはｎθだけ回転する。このため、出力リンク３０等が角度θだけ回転している状態で、減速機２６の入力回転軸２６ｅに加わるトルクτ₁は、渦巻きバネ２４のバネ定数ｋ₁×ｎθで表わされる。即ち、τ₁＝ｋ₁×ｎθとなる。また、減速機２６の減速比がｎ：１、効率がηであるため、減速機２６の出力回転軸２６ｐに加わる回転トルクτは、τ＝ηｎτ₁＝ηｎ（ｋ₁×ｎθ）となる。減速機２６の出力回転軸２６ｐに加わる回転トルクτは、出力リンク３０に加わるアシストトルクτであり、上記したようにτ＝ｋ_Rθで表わされる。このため、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rは、ｋ_R＝ηｎ²ｋ₁で表わされる。

次に、モータ４０側から見た可変剛性機構２０（渦巻きバネ２４）の中立点をモータ４０により角度θ₁だけ回動させた場合を考える。この場合、出力リンク３０等が角度θだけ回転している状態で、減速機２６の入力回転軸２６ｅに加わるトルクτ₁は、τ₁＝ｋ₁×（ｎθ−θ₁）で表わすことができる。このため、減速機２６の出力回転軸２６ｐに加わるアシストトルクτは、τ＝ηｎτ₁＝ηｎｋ₁（ｎθ−θ₁）＝ηｎ²ｋ₁（１−θ₁／ｎθ）×θで表わすことができる。したがって、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rは、ｋ_R＝ηｎ²ｋ₁（１−θ₁／ｎθ）となる。即ち、モータ４０の回転角度θ₁を制御することで可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rを変化させ、アシストトルクτを制御することができる。

次に、歩容改善率εと振幅修正ゲインαとを使用することで歩行改善を行なう方法について説明する。ここで、振幅修正ゲインαは、上記したように、α＝｛1−ε（Ａ_h−Ａ_I）÷Ａ_h｝で表わされる。振幅修正ゲインαは、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rを求める式に使用される。即ち、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rは、振幅修正ゲインαを用いると、ｋ_R＝ηｎ²ｋ₁（１−θ₁／αｎθ）で表わされる。このため、例えば、歩容改善率ε＝１の場合、前記剛性ｋ_Rは、ｋ_R＝ηｎ²ｋ₁（１−θ₁／（Ａ_I÷Ａ_h）ｎθ）・・（１）で表わされる。したがって、図７に示すように、理想歩行時の最大振れ角Ａ_Iが実際の歩行時の最大振れ角度Ａ_hよりも大きい場合には、上記した（１）式の括弧内の値が大きくなり、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rは大きくなる。このため、アシストトルクτ＝ｋ_Rθが大きくなるように調整され、実際の歩行時の最大振れ角度Ａ_hを大きくする方向にアシストトルクτが加わるようになる。また、歩行の振幅が最大になる時間から振幅が零になる時間の区間に前記剛性ｋ_Rの値を適切に変更することで、歩行の振幅が零から最大になる区間に必要なアシストトルクτを効率的に加えることが可能になる。

また、仮に、理想歩行時の最大振れ角Ａ_Iが実際の歩行時の最大振れ角度Ａ_hよりも小さい場合には、上記した（１）式の括弧内が小さくなり、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rは小さくなる。このため、アシストトルクτ＝ｋ_Rθが小さくなるように調整され、実際の歩行時の最大振れ角度Ａ_hが自然と小さくなる。また、例えば、歩容改善率ε＝0にすると、振幅修正ゲインα＝１になり、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rは、ηｎ²ｋ₁（１−θ₁／ｎθ）で表わされる。このため、理想歩行時の最大振れ角Ａ_Iと実際の歩行時の最大振れ角度Ａ_hとの角度差に起因する歩行改善は行なわれない。また、歩容改善率εを0〜1の間で変化させることで、理想歩行時の最大振れ角Ａ_Iと実際の歩行時の最大振れ角度Ａ_hとの角度差に起因する歩行改善の程度を調整することができる。

ここで、本実施形態では、歩行動作時の片脚分の動きについて説明したが、左右の脚部の動きは位相が180°ずれているだけであり、各々の脚部の動きは同一なものと考えられる。

＜本実施形態に係るアシスト装置１０の長所について＞
前記アシスト装置１０によると、コントローラユニット５２（制御装置）は、角度検出器４３（角度検出手段）による検出角度と、入力装置４４（入力手段）により入力された入力値とに基づいてモータ４０（剛性可変アクチュエータ）を制御する。そして、コントローラユニット５２は、大腿部に対して所定負荷を加えられるように、モータ４０を制御して可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rを変化させる。これにより、出力リンク３０に加わるアシストトルクτが制御される。このため、モータによる回転トルクを出力リンクの回動方向に加える従来のアシスト装置と比較して消費電力を抑えることができる。

また、コントローラユニット５２は、実際の歩行動作時における出力リンク３０の振れ中心角度θ_eが、歩行動作時における大腿部の理想の振れ中心角度θ₀（θ₀=0）からずれている場合に、前記ずれ角θ_eの程度に応じて前記大腿部に加わる負荷を大きくできる。一般的に、人は、歩行する際、無意識に大腿部に加わる負荷が小さくなるような歩き方をする。このため、人は、出力リンクの振れ中心角度θ_eが大腿部の理想とされる振れ中心角度θ₀（θ₀=0）に近づくように歩行する。即ち、人の歩行が理想の歩行に近づくようになり、歩行改善が行なわれる。

また、入力装置４４は、理想とされる歩行動作における大腿部の最大振れ角度Ａ_Iをコントローラユニット５２に対して入力できるように構成されている。そして、コントローラユニット５２は、実際の歩行動作時の出力リンク３０の最大振れ角度Ａ_hが理想の最大振れ角度Ａ_Iに近づくようにモータ４０を制御して可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rを変化させる。このため、人の歩行が理想の歩行に近づくようになり、歩行改善が行なわれる。また、歩容改善率εをコントローラユニット５２に入力できるように構成されているため、歩行改善を速やかに行なうか、あるいは緩やかに行なうか、個人の体の状態に合わせて調整できるようになる。

［実施形態２］
次に、図１１等に基づいて本発明の実施形態２に係るアシスト装置１０について説明する。本実施形態に係るアシスト装置１０は、人の歩行トレーニング等をアシストする装置である。ここで、本実施形態に係るアシスト装置１０における装置構成は、実施形態１において説明したアシスト装置１０における装置構成と同一であるため説明を省略する。本実施形態に係るアシスト装置１０では、歩行トレーニング等において大腿部に加える負荷の程度を決定する係数である負荷率γを使用する。ここで、負荷率γは、0以上の値である（0≦γ）。なお、本実施形態に係るアシスト装置１０では、実施形態１で説明したような歩行改善は行なわれないため、歩容改善率ε＝0に設定されており、これにより振幅修正ゲインα＝1となる。

先ず、歩行前に負荷率γが設定され（図１１ ステップＳ１２１）、前記負荷率γが入力装置４４によりコントローラユニット５２に入力される（ステップＳ１２２）。次に、人が歩行を開始すると（ステップＳ１２３）、出力リンク３０の回動角度を検出する角度検出器４３の信号がコントローラユニット５２に入力される（ステップＳ１２４）。これにより、コントローラユニット５２では、図６に示すように、所定のしきい値を用いて歩行周期Ｔを求め、さらに歩行周波数ｆと角周波数ωとを求める。次に、コントローラユニット５２では、出力リンク３０の回動角度θ、歩行周波数ｆ、前記負荷率γ等に対応した可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_R（モータ４０の回転軸４１の角度θ₁）を演算する（ステップＳ１２５）。なお、モータ４０の回転軸４１の角度θ₁の具体的な演算方法は後記する。そして、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rを制御することで出力リンク３０に加えるアシストトルクτ（τ＝ｋ_Rθ）を調整する（ステップＳ１２６）。歩行中はステップＳ１２４からステップＳ１２６までの処理が繰り返し実行される。そして、歩行が終了すると（ステップＳ１２７）、アシスト装置１０は動作完了状態（エンド）となる。

＜可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rの具体的な演算手順について＞
次に、負荷率γを使用して可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rを求める手順を説明する。実際の歩行動作において、図８に示すように、脚部を上方に角度θだけ回動させる際に必要な運動トルクτ_Hは、実施形態１で説明したように、［数６］の式で表される。

また、実際の歩行動作時における出力リンク３０の回動角度θを、図５に基づいて、θ＝Ａ_h×sinωｔと仮定する。なお、Ａ_hは、上記したように、出力リンク３０の最大触れ角度である。また、歩行改善を考慮していないため、振れ中心角度θ_eは零としている（θ_e＝0）。

出力リンク３０の回動角度θを［数６］の式に代入すると、実際の歩行状態での脚部の運動トルクτ_Hは、次のようになる。即ち、τ_H＝−Ａ_hＪω²×sinωｔ＋Ａ_hｄ×cosωｔ＋Ａ_h×（ｋ_R＋ｍｇＬ）×sinωｔとなる。
この式を整理すると、τ_H＝Ａ_h×（ｋ_R＋ｍｇＬ−Ｊω²）×sinωｔ＋Ａ_hｄ×cosωｔとなる。
次に、実際の歩行状態での脚部の目標運動トルクをτ_H０とし、目標運動トルクτ_H０を負荷率γを使用して次のように表わす。即ち、目標運動トルクτ_H０＝γＡ_h×（ｍｇＬ−Ｊω²）×sinωｔ＋Ａ_hｄ×cosωｔと表わす。
実際の歩行状態での脚部の運動トルクτ_Hを目標運動トルクτ_H０に等しくすると、Ａ_h×（ｋ_R＋ｍｇＬ−Ｊω²）＝γＡ_h×（ｍｇＬ−Ｊω²）となる。この式を整理すると、ｋ_R＝（γ−１）×（ｍｇＬ−Ｊω²）・・（２）となる。

ここで、例えば、負荷率γ＝0の場合を考える。この場合、γ＝0を上記した（２）式に代入することでｋ_R＝−（ｍｇＬ−Ｊω²）となる。この式を、実際の歩行状態での脚部の運動トルクτ_Hの式、即ち、τ_H＝Ａ_h×（ｋ_R＋ｍｇＬ−Ｊω²）×sinωｔ＋Ａ_hｄ×cosωｔに代入すると、τ_H＝Ａ_hｄ×cosωｔとなり、実際の歩行状態での脚部の運動トルクτ_Hは最小になる。即ち、可変剛性機構２０の働きで大腿部に加わる負荷が軽減される。次に、負荷率γ＝1の場合は、γ＝1を上記した（２）式に代入することでｋ_R＝0となる。即ち、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rが零になり、可変剛性機構２０が働かない状態となる。この場合、脚部の運動トルクτ_H＝Ａ_h×（ｍｇＬ−Ｊω²）×sinωｔ＋Ａhｄ×cosωｔになる。即ち、脚部の運動トルクτ_Hは、最小のときの運動トルクτ_HよりもＡ_h×（ｍｇＬ−Ｊω²）×sinωｔだけ大きくなり、大腿部に加わる負荷が増加する。

次に、負荷率γ＝2の場合は、γ＝2を上記した（２）式に代入することでｋ_R＝（ｍｇＬ−Ｊω²）となる。この場合、脚部の運動トルクτ_H＝Ａ_h×2（ｍｇＬ−Ｊω²）×sinωｔ＋Ａ_hｄ×cosωｔになる。即ち、脚部の運動トルクτ_Hは、最小のときの運動トルクτ_HよりもＡ_h×2（ｍｇＬ−Ｊω²）×sinωｔだけ大きくなり、可変剛性機構２０が働きで大腿部に加わる負荷がさらに増加する。即ち、負荷率γを適宜設定することで、歩行トレーニング等において大腿部に加える負荷の程度を調整することができる。

ここで、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rは、実施形態１で説明したように、可変剛性機構２０の渦巻きバネ２４のバネ定数ｋ₁と、モータ４０の回転角度θ₁で表わすことができる。即ち、見かけの剛性ｋ_R＝ηｎ²ｋ₁（１−θ₁／ｎθ）で表わすことができる。このため、モータ４０の回転角度θ₁＝（ｎ−ｋ_R／ηｎｋ₁）×θにように制御することで、見かけの剛性ｋ_Rを調整して、出力リンク３０に加わるアシストトルクτ（τ＝ｋ_Rθ）を制御することができる。

＜変更例＞
ここで、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、本実施形態では、アシスト装置１０を歩行改善、あるいは歩行トレーニングに使用する例を示したが、スクワット等のトレーニングに使用することも可能である。また、本実施形態では、可変剛性機構２０の弾性体として渦巻きバネ２４を使用する例を示したが、渦巻きバネ２４の代わりにコイルバネを使用したり、ゴム状の弾性体を使用することも可能である。また、本実施形態では、可変剛性機構２０に減速機２６を使用する例を示したが、バネの強さによっては減速機２６を省略することも可能である。また、本実施形態では、左右両側に可変剛性機構２０、及び出力リンク３０を設ける例を示したが、トレーニングの種類によっては、片側にのみ設けることも可能である。

１０・・・アシスト装置
１２・・・上体装着具（身体装着具）
１４・・・支持架台部（身体装着具）
２０・・・可変剛性機構
２４・・・渦巻きバネ（弾性体）
３０・・・出力リンク
４０・・・モータ（剛性可変アクチュエータ）
４３・・・角度検出器（角度検出手段）
４４・・・入力装置（入力手段）
５２・・・コントローラユニット（制御装置）
Ａ_h・・・・最大振れ角度
Ａ_I・・・・最大振れ角度
ｋ_R・・・・見かけの剛性
γ・・・・負荷率
ε・・・・歩容改善率
θ_e・・・ずれ角
τ・・・・アシストトルク

Claims (6)

1. 身体に装着される身体装着具と、
   弾性体を備え、剛性を変えられるように構成された可変剛性機構と、
   人の股関節に対応する前記身体装着具の所定位置に前記可変剛性機構を介して回動中心部が連結されており、回動自由端側が大腿部に装着される出力リンクと、
   前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させる剛性可変アクチュエータと、
   前記出力リンクの回動角度を検出する角度検出手段と、
   入力値を入力可能な入力手段と、
   前記角度検出手段による検出角度と、前記入力手段により入力された前記入力値とに基づいて前記剛性可変アクチュエータを制御する制御装置と、
   を有しており、
   前記制御装置は、前記股関節を中心とした前記大腿部の往復回動動作において、前記大腿部に対して所定負荷を加えられるように、前記剛性可変アクチュエータを制御して前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させるアシスト装置。
2. 請求項１に記載されたアシスト装置であって、
   前記股関節を中心とした前記大腿部の往復回動動作は歩行動作であり、
   前記入力手段は、理想とされる歩行動作における前記大腿部の振れ中心角度を前記制御装置に対して入力できるように構成されており、
   前記制御装置は、実際の歩行動作時における前記出力リンクの振れ中心角度が、前記理想の歩行動作における前記大腿部の振れ中心角度からずれている場合に、前記出力リンクの前記振れ中心角度のずれ角の程度に応じて前記大腿部に加わる負荷を大きくできるように構成されているアシスト装置。
3. 請求項２に記載されたアシスト装置であって、
   前記入力手段は、理想とされる歩行動作における前記大腿部の最大振れ角度を前記制御装置に対して入力できるように構成されており、
   前記制御装置は、実際の歩行動作時における前記出力リンクの最大振れ角度が、前記理想の歩行動作における前記大腿部の最大振れ角度と差がある場合に、前記出力リンクの最大振れ角度が、前記理想の歩行動作における前記大腿部の最大振れ角度に近づくように、前記剛性可変アクチュエータを制御して前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させるアシスト装置。
4. 請求項３に記載されたアシスト装置であって、
   前記入力手段は、前記理想の歩行動作における前記大腿部の最大振れ角度に対する前記出力リンクの最大振れ角度の角度差が前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性の制御に与える影響の程度を決める歩容改善率を前記制御装置に入力できるように構成されているアシスト装置。
5. 請求項１に記載されたアシスト装置であって、
   前記入力手段は、前記大腿部に対して加える負荷の程度を決定する負荷率を前記制御装置に対して入力できるようにように構成されており、
   前記制御装置は、前記負荷率に基づいて前記大腿部に負荷が加わるように、前記剛性可変アクチュエータを制御して前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させるアシスト装置。
6. 請求項１から請求項４のいずれかに記載されたアシスト装置であって、
   前記可変剛性機構の前記弾性体は、前記出力リンクの回動中心と同軸に設けられた渦巻きバネであり、
   前記渦巻きバネの一端側は、前記剛性可変アクチュエータ側に連結され、前記渦巻きバネの他端側は、前記出力リンク側に連結されており、
   前記剛性可変アクチュエータは、前記渦巻きバネの一端側の回転角度を変えることで前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変えるアシスト装置。
   

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