(57)【要約】【課題】エージェントの身体負荷軽減等の観点から、エージェントが自転車をこぐ動作を適当に補助することができる装置を提供する。【解決手段】運動補助装置１によれば、エージェントがこいでいる自転車２の走行面の傾斜具合またはエージェント等が受ける空気抵抗値等の走行状態変数の測定値に応じて、エージェントの身体負荷または身体機能の活性化状況が変化することに鑑みて動作状態変数ｘの目標値ｘ0が適当に設定される。さらに、エージェントの股関節角度φHまたはペダルの回転速度等、自転車２をこぐという動作を特徴付ける観点から適当に定義されている動作状態変数ｘの測定値と、当該目標値ｘ0とがアクチュエータ１２の動作制御の基礎とされている。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エージェントの腰部に装着される第１装具と、前記エージェントの大腿部に装着される第２装具と、前記第１装具および前記第２装具に連結されているアクチュエータと、前記アクチュエータの動作を制御することにより前記第１装具および前記第２装具を介して前記エージェントに作用する力を制御する制御装置とを備えている運動補助装置であって、
自転車をこいでいる状況における前記エージェントの腰部に対する大腿部の動作状態を表わす動作状態変数の値を測定する状態検知手段を備え、
前記動作状態変数の測定値またはその時間変化パターンが、前記エージェントの身体負荷を軽減する観点または前記エージェントの身体機能を活性化させる観点から定められる前記動作状態変数の目標値またはその時間変化パターンに一致するように前記アクチュエータの動作を制御することを特徴とする運動補助装置。
【請求項２】
請求項１記載の運動補助装置において、
前記状態検知手段が前記動作状態変数の値として前記エージェントの股関節角度もしくは角速度、前記自転車のクランクもしくはチェンリングの回転速度または前記エージェントによる前記自転車のペダルの踏力を測定することを特徴とする運動補助装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の運動補助装置において、
前記状態検知手段が前記自転車をこぐ際の前記エージェントの身体負荷の軽重に影響する走行状態を表わす走行状態変数の値をさらに測定し、
前記制御装置が前記走行状態変数の測定値に基づき、前記動作状態変数の目標値またはその時間変化パターンを設定することを特徴とする運動補助装置。
【請求項４】
請求項３記載の運動補助装置において、
前記状態検知手段が前記走行状態変数の値として前記自転車の走行面の水平面に対する傾斜角度、前記走行面の凹凸度または前記エージェントおよび前記自転車が受ける空気抵抗値を測定することを特徴とする運動補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エージェントの運動を補助する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エージェントとしての人間によるペダルの踏力に応じて、モータの出力によりエージェントが自転車をこぐ動作をアシストするための自転車が提案されている（特許文献１参照）。すべての自転車にモータが搭載されているわけではないので、自転車にモータが搭載されていない場合でもエージェントが自転車をこぐ動作が補助されれば便利である。そこで、エージェントの腰部に対する大腿部の動きを補助する装置等、自転車とは別個に運搬されうる装置を利用することが考えられる（特許文献２参照）。この運動補助装置によれば、運動消費エネルギー節約の観点から設定された目標歩行比でエージェントが歩行するようにエージェントの腰部に対する大腿部の動きが補助されうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３２７６８７１号公報
【特許文献２】特開２００７−２７５２８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、エージェントが自転車をこぐ動作が補助される場合、エージェントの歩行運動が補助される場合とは異なる観点から身体負荷の軽減等が図られる必要がある。
【０００５】
そこで、本発明は、エージェントの身体負荷軽減等の観点から、エージェントが自転車をこぐ動作を適当に補助することができる装置を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１発明の運動補助装置は、エージェントの腰部に装着される第１装具と、前記エージェントの大腿部に装着される第２装具と、前記第１装具および前記第２装具に連結されているアクチュエータと、前記アクチュエータの動作を制御することにより前記第１装具および前記第２装具を介して前記エージェントに作用する力を制御する制御装置とを備えている運動補助装置であって、自転車をこいでいる状況における前記エージェントの腰部に対する大腿部の動作状態を表わす動作状態変数の値を測定する状態検知手段を備え、前記動作状態変数の測定値またはその時間変化パターンが、前記エージェントの身体負荷を軽減する観点または前記エージェントの身体機能を活性化させる観点から定められる前記動作状態変数の目標値またはその時間変化パターンに一致するように前記アクチュエータの動作を制御することを特徴とする。
【０００７】
第１発明の運動補助装置によれば、自転車をこいでいる状況におけるエージェントの動作状態を表わす動作状態変数の測定値またはその時間変化パターンがアクチュエータの動作制御の基礎とされている。したがって、エージェントの身体負荷軽減または身体機能活性化の観点から、このエージェントが自転車をこぐ動作が適当に補助されうる。
【０００８】
第２発明の運動補助装置は、第１発明の運動補助装置において、前記状態検知手段が前記動作状態変数の値として前記エージェントの股関節角度もしくは角速度、前記自転車のクランクもしくはチェンリングの回転速度または前記エージェントによる前記自転車のペダルの踏力を測定することを特徴とする。
【０００９】
第２発明の運動補助装置によれば、エージェントの股関節角度またはクランクもしくはチェンリングの回転速度等、自転車をこぐという動作を特徴付ける観点から適当な動作状態変数の測定値またはその時間変化パターンがアクチュエータの動作制御の基礎とされている。したがって、エージェントの身体負荷軽減または身体機能活性化の観点から、このエージェントが自転車をこぐ動作が適当に補助されうる。
【００１０】
第３発明の運動補助装置は、第１または第２発明の運動補助装置において、前記状態検知手段が前記自転車をこぐ際の前記エージェントの身体負荷の軽重に影響する走行状態を表わす走行状態変数の値をさらに測定し、前記制御装置が前記走行状態変数の測定値に基づき、前記動作状態変数の目標値またはその時間変化パターンを設定することを特徴とする。
【００１１】
第３発明の運動補助装置によれば、エージェントがこいでいる自転車の走行状態の変化に応じて、エージェントの身体負荷または身体機能の活性化状況が変化することに鑑みて動作状態変数の目標値またはその時間変化パターンが適当に設定される。そして、当該目標値またはその時間変化パターンがアクチュエータの動作制御の基礎とされることにより、エージェントの身体負荷の軽減等の観点から、このエージェントが自転車をこぐ動作が適当に補助されうる。
【００１２】
第４発明の運動補助装置は、第３発明の運動補助装置において、前記状態検知手段が前記走行状態変数の値として前記自転車の走行面の水平面に対する傾斜角度、前記走行面の凹凸度または前記エージェントおよび前記自転車が受ける空気抵抗値を測定することを特徴とする。
【００１３】
第４発明の運動補助装置によれば、エージェントがこいでいる自転車の走行面の傾斜具合またはエージェントが受ける空気抵抗値等に応じて、エージェントの身体負荷または身体機能の活性化状況が変化することに鑑みて動作状態変数の目標値またはその時間変化パターンが適当に設定される。そして、当該目標値またはその時間変化パターンがアクチュエータの動作制御の基礎とされることにより、エージェントの身体負荷の軽減等の観点から、このエージェントが自転車をこぐ動作が適当に補助されうる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の運動補助装置の構成説明図である。
【図２】本発明の運動補助装置の構成説明図である。
【図３】本発明の運動補助装置の機能を示すフローチャートである。
【図４】エージェントが自転車をこいでいる様子を示す図である。
【図５】自転車の走行状態に関する説明図である。
【図６】本発明の運動補助装置の作用効果に関する説明図である。
【図７】本発明の運動補助装置の作用効果に関する説明図である。
【図８】本発明の運動補助装置の作用効果を示すＰＥＴ図である。
【図９】本発明の運動補助装置の作用効果を示す心拍数の時間変化図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の運動補助装置の実施形態について図面を用いて説明する。まず、本発明の運動補助装置の構成について図１を用いて説明する。図１に示されている運動補助装置１は、制御装置１０と、バッテリ１１と、アクチュエータ１２と、股関節角度センサ１０１と、踏力センサ１０２と、第１装具２１と、第２装具２２と、リンク部材２３とを備えている。制御装置１０は、第１装具２１に収納されたコンピュータ（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ（入出力装置）等により構成されている。）により構成されている。制御装置１０は、メモリからプログラムを読み取り、当該プログラムにしたがって後述する演算処理を実行する。第１装具２１は剛性のある素材と柔軟性のある素材とが組み合わせられて作られており、エージェントの腰部に装着される。第２装具２２も剛性のある素材と柔軟性のある素材とが組み合わせられて作られており、エージェントの大腿部の前後それぞれに装着される。リンク部材２３は、軽量の硬質プラスチック等の定形性のある素材より作られており、エージェントの大腿部に沿って、エージェントの腰部の横から下方に延びた後で大腿部の前後に分岐した形状であり、アクチュエータ１２および第２装具２２に連結されている。バッテリ１１は第１装具２１に収納されており（たとえば、第１装具２１を構成する複数枚の素材の間に固定されており）、アクチュエータ１２等に対して電力を供給する。アクチュエータ１２は第１装具２１に取り付けられており、力伝達部材２３および第２装具２２を介してエージェントの大腿部に力を作用させる。股関節角度センサ１０１は、ロータリーエンコーダにより構成されており、エージェントの左右それぞれの股関節角度（アクチュエータ１２の回転軸を中心としたリンク部材２３の回転角度）に応じた信号を出力する。踏力センサ１０２はエージェントの左右それぞれの足が自転車２のペダルから受ける反力に応じた信号を出力する。
【００１６】
前記構成の運動補助装置１の機能について説明する。運動補助装置１によるアクチュエータ１２の動作の制御方法としては、前記特許文献２のほか、特許第３９３０３９９号公報、特許第３９５０１４９号公報、特許第４００８４６４号公報または特許第４００８４６５号公報に記載されている制御方法が採用される。ただし、エージェントが歩行運動する場合と比較して股関節角度φHの定義が異なる。具体的には、図４（ａ）〜（ｄ）に示されているようにエージェントが自転車２をこいでいるときの大腿部の動く範囲に鑑みて、股関節を現す点を含み、かつ、水平面に対して前下がりに傾斜した基準面ｐｓを基準として股関節角度φHが定義されている。「押下げ行程（クランク角度約３０〜１５０°）」「後方引き行程（クランク角度約１５０〜２１０°）」「引上げ行程（クランク角度約２１０〜３３０°）」および「前方押し行程（クランク角度約３３０〜３０°）」により構成されるペダル行程のうち、押下げ行程の開始時または押下げ行程中の任意時点における大腿部を含む傾斜平面が基準面ｐｓとして定義されうる。股関節角度φHは、図４（ａ）大腿部（正確には大腿部を擬似的に表わす線分）が基準面ｐｓの上側にあるときは正値となり、大腿部が基準面ｐｓの下側にあるときは負値となるように定義されている。これにより、エージェントの股関節角度φHが正の目標値φ0+との偏差の大小に応じて強弱が定まる弾性力により正の目標値φ0+に近づけられるように、かつ、股関節角速度ｄφH／ｄｔがその高低に応じて強弱が定まる減衰力により減速されるように調節される。同様に、エージェントの股関節角度φHが負の目標値φ0-との偏差の大小に応じて強弱が定まる弾性力により負の目標値φ0-に近づけられるように、かつ、股関節角速度ｄφH／ｄｔがその高低に応じて強弱が定まる減衰力により減速されるように調節される。なお、基準面ｐｓの水平面に対する傾斜角度は、股関節角度φHの変動幅の水平面に対する傾斜角度範囲に含まれるように適宜調節される。たとえば、股関節角度φHの水平面に対する傾斜角度範囲は、第１装具２１のピッチ軸まわりの角速度に応じた信号を出力するジャイロセンサ（図示略）を用いて算定されうる。これにより、エージェントがサドルから腰を浮かして自転車２をこぐような場合であっても、運動補助装置１によりエージェントの腰部に対する大腿部の動きが補助されうる。
【００１７】
前記のように運動補助装置１によりエージェントの自転車２をこぐ動作が補助されているとき、状態検知手段１１０により自転車２の走行状態を表わす走行状態変数の値が測定される（図３／Ｓ００２）。具体的には、図５に示されているような自転車２の走行面の水平面に対する傾斜角度θが走行状態変数値として測定される。走行面の傾斜角度θは、走行面が上り坂である場合には正値になる一方、走行面が下り坂である場合には負値になるように定義される。走行面の傾斜角度θはエージェントの現在位置等に基づくマップ情報の参照によって求められる。まず、ＧＰＳ受信機により人工衛星からＧＰＳ信号が受信され、当該ＧＰＳ信号により表わされるエージェントの現在位置（緯度および経度、または、緯度、経度および高度により表現される。）が測定される。エージェントの現在位置は運動補助装置１または自転車２に搭載されている加速度センサまたはジャイロセンサの出力に基づいて測定されてもよい。また、エージェントの位置の時間変化態様に基づいて自転車２の進行方向が測定される。そして、当該測定位置および測定進行方向に基づき、マップデータベースまたは記憶手段に格納されている、位置、進行方向および道路傾斜角度が対応付けられているマップ情報への参照によって走行面の傾斜角度θが検索されるまたは読み出される。なお、運動補助装置１または自転車２に設けられているジャイロセンサの出力信号により表わされる自転車２のピッチ軸まわりの角速度に基づき、走行面の傾斜角度θが測定されてもよい。走行状態変数値として、走行面の傾斜角度θに代えてまたは加えて、走行面の凹凸度またはエージェントおよび自転車２が受ける空気抵抗値が測定されてもよい。走行面の凹凸度は、エージェントの現在位置に基づくマップ情報の参照、または、運動補助装置１または自転車２に設けられた加速度センサの出力に基づいて定まる、自転車２の振動数に基づいて求められる。エージェントおよび自転車２が受ける空気抵抗値は、自転車２の走行速度および所定の演算テーブルまたは関数にしたがって求められる。なお、走行面の傾斜角度θおよびエージェント等が受ける空気抵抗値の積等、一または複数の走行状態変数を主変数とする従変数の値が走行状態変数の値として測定されてもよい。
【００１８】
また、制御装置１０により、状態検知手段１１０による走行状態変数に基づき、エージェントの身体負荷軽減または身体機能の活性化の観点から動作状態変数ｘの目標値ｘ0が設定される（図３／Ｓ００４）。動作状態変数ｘの目標値ｘ0はスカラー（ある時刻ｋにおける目標値ｘ0(ｋ)）またはベクトル（クランクまたはチェンリングの回転周期Ｔまたは複数周期ｎＴにわたる目標値ｘ0の時間変化パターンｘ0(ｋ)，ｘ0(ｋ＋１)，ｘ0(ｋ＋２)，‥）を表わす。たとえば、運動補助装置１から補助力を受けながら、傾斜角度θの走行面において自転車２をこいでいるときのエージェントの身体負荷（エージェントの心拍数、呼吸回数、体温、発汗量、脳波信号などに基づいて評価される。）が最小値ｙ0をとるような状態変数ｘの値が目標値ｘ0として設定される。これにより、走行面の傾斜角度θの相違に応じて、たとえば図６に概念的に示されているように当該走行面において自転車２をこぐ際にエージェントの身体負荷ｙが最小値（または水平面走行時における身体負荷ｙに最も近い値）ｙ0i（ｉ＝１，２，‥）を示すような状態変数ｘの目標値ｘ0iが設定される。
【００１９】
さらに、動作状態変数ｘHの値が測定される（図３／Ｓ００６）。具体的には、エージェントの股関節角度φHもしくは角速度ｄφH／ｄｔ、自転車２のクランクまたはチェンリングの回転速度またはエージェントによる自転車２のペダルの踏力（ペダルから受ける反力）が動作状態変数ｘの値として測定される。なお、クランクまたはチェンリングの回転速度に対するペダルの踏力の比率等、一または複数の動作状態変数を主変数とする従変数の値が動作状態変数ｘの値として測定されてもよい。
【００２０】
続いて、制御装置１０により、動作状態変数ｘの測定値が目標値ｘ0に一致するように、バッテリ１１からアクチュエータ１２への供給電力が調節されることによりアクチュエータ１２の出力ｚが制御される（図３／Ｓ００８）。アクチュエータ１２の出力ｚは、動作状態変数ｘと同様にスカラー（ある時刻ｋにおける出力ｚ(ｋ)）またはベクトル（チェンリングまたはクランク回転周期Ｔまたは複数周期ｎＴにわたる出力ｚの時間変化パターンｚ(ｋ)，ｚ(ｋ＋１)，ｚ(ｋ＋２)，‥）を表わす。これにより、たとえば図６に白矢印で示されているように動作状態変数ｘの値が目標値ｘ0iに近づくようにアクチュエータ１２の出力ｚが調節される。
【００２１】
前記機能を発揮する運動補助装置１によれば、エージェントがこいでいる自転車２の走行面の傾斜具合またはエージェント等が受ける空気抵抗値等の走行状態変数の測定値に応じて、エージェントの身体負荷または身体機能の活性化状況が変化することに鑑みて動作状態変数ｘの目標値ｘ0が適当に設定される（図６参照）。さらに、エージェントの股関節角度φHまたはクランクもしくはチェンリングの回転速度等、自転車２をこぐという動作を特徴付ける観点から適当に定義されている動作状態変数ｘの測定値と、当該目標値ｘ0とがアクチュエータ１２の動作制御の基礎とされている（図３、図６参照）。したがって、エージェントの身体負荷軽減または身体機能活性化の観点から、このエージェントが任意の走行状態で自転車２をこぐ動作が適当に補助されうる。
【００２２】
本発明の運動補助装置１の作用効果についてより具体的に説明する。図７（ａ）にはエージェントの動きが運動補助装置１により補助されていない状態における左右のペダル踏力（動作状態変数ｘ）の時間変化態様が破線で示されている。図７（ｂ）にはエージェントの動きが運動補助装置１により補助されている状態における左右のペダル踏力（動作状態変数ｘ）の時間変化態様が破線で示されている。また、図７（ａ）（ｂ）のそれぞれには左右各踏力の目標時間変化態様が実線で示されている。踏力の目標時間変化態様はペダル行程におけるエージェントの負荷軽減または身体活性化、さらには、左右の脚体をバランスよく働かせる等の観点から定められている。図７（ａ）から明らかなように、エージェントの動きが運動補助装置１により補助されていない状態における左右各踏力の時間変化態様は、各踏力の目標時間変化態様と一致しておらず、かつ、左右の踏力は非対称である。これは、右踏力が左踏力よりも全般的に強くなる等、各エージェントにはさまざまな「こぎ癖」があることに由来している。一方、図７（ｂ）から明らかなように、エージェントの動きが運動補助装置１により補助されている状態における左右各踏力の時間変化態様は、各踏力の目標時間変化態様とほぼ一致し、かつ、左右の踏力はほぼ対称となる。したがって、エージェントの身体負荷軽減または身体機能活性化（左右の脚力の使い方のバランスなど）の観点から、このエージェントが任意の走行状態で自転車２をこぐ動作が適当に補助されうる。
【００２３】
運動補助装置１の作用効果についてさらに説明する。図８（ａ）は運動補助装置１を装着して自転車２をこいだ後におけるエージェントの腰部および大腿部のＰＥＴ（Positron Emission Tomography）図である。図８（ｂ）は運動補助装置１を装着せずに自転車２をこいだ後におけるエージェントの腰部および大腿部のＰＥＴ図である。図８において明度が低い（暗い）箇所ほど身体機能が活性化していることを表わしている。図８（ａ）および（ｂ）から明らかなように、エージェントが運動補助装置１を装着した場合のほうが、エージェントが運動補助装置１を装着しなかった場合よりも腰部または骨盤周囲における（ブドウ糖等の）代謝量または血液流量は多い一方、大腿部における代謝量または血液流量は少ない。これは、運動補助装置１の利用により、自転車２をこぐ際のエージェントの大腿部の負荷が低下される一方、腰部の生理機能がより活性化されることを意味している。
【００２４】
図９は自転車２をこぐための身体負荷（たとえばペダルにかかる踏力）と、エージェントが運動補助装置１を装着している場合における心拍数と、エージェントが運動補助装置１を装着していない場合における心拍数とのそれぞれの時間変化を示している。図９から明らかなように、運動補助装置１の利用により、運動補助装置１が利用されない場合と比較してエージェントの心拍数が全般的に低くなり、その身体負荷が軽減されている。
【符号の説明】
【００２５】
１‥運動補助装置、２‥自転車、１０‥制御装置、１１‥バッテリ、１２‥アクチュエータ、２１‥第１装具、２２‥第２装具、１１０‥状態検知手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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