(57)【要約】【課題】利用者の動作を阻害しないように振る舞う運動補助装置の制御性能を向上させた運動補助装置を提供する。【解決手段】運動補助装置１は、本体１０が有する本体座標系の世界座標系に対する傾きを取得する本体座標傾斜取得部１００と、利用者の所定部位に装着されるとともに、剛体から成り一つ以上の関節と接続するリンクを介して、前記本体に接続される装着パーツ１１ａと、リンク１２ａの関節を、所定のトルクを出力しながら駆動するように指示するアクチュエータ１３ａ１と、アクチュエータ１３ａ１を制御する駆動制御部１０１と、を備える。【選択図】図１
2014155666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
利用者に装着されて当該利用者の運動をアシストする運動補助装置であって、
前記運動補助装置の本体が有する本体座標系の世界座標系に対する傾きを取得する本体座標傾斜取得部と、
前記利用者の所定部位に装着されるとともに、剛体から成り一つ以上の関節と接続するリンクを介して、前記本体に接続される装着パーツと、
前記リンクに接続される関節を、所定のトルクを出力しながら駆動させるアクチュエータと、
前記アクチュエータを制御する駆動制御部と、
を備え、
前記駆動制御部は、
前記取得された本体座標系の世界座標系に対する傾きに基づいて、当該本体座標系を基準とした重力ベクトルを演算する重力ベクトル演算部と、
当該重力ベクトル及び前記装着パーツの質量に基づいて、前記アクチュエータが出力すべき所定の補償トルクを演算する補償トルク演算部と、
前記アクチュエータに対し、当該演算により算出された補償トルクを出力するように指示する出力指示部と、
を備えることを特徴とする運動補助装置。
【請求項２】
前記運動補助装置は、前記装着パーツを少なくとも二つ備える運動補助装置であって、
当該二つの装着パーツの各々が、地表に接して固定されるとともに前記利用者及び自装置を支持する立脚状態にあるか、地表から離れ前記本体から吊られる遊脚状態にあるか、を判定する判定部と、
前記立脚状態において、前記装着パーツが有するパーツ座標系の世界座標系に対する傾きを特定するパーツ座標傾斜特定部と、
を備え、
前記本体座標傾斜取得部は、
前記特定されたパーツ座標系の世界座標系に対する傾き及び前記立脚状態にある装着パーツに接続される立脚側の前記リンクの関節の角度に基づいて、前記本体座標系の世界座標系に対する傾きを演算して取得し、
前記補償トルク演算部は、
前記重力ベクトル及び前記遊脚状態にある装着パーツの質量に基づいて、当該遊脚状態にある装着パーツに接続される遊脚側の前記リンクを駆動させるアクチュエータが出力すべき所定の補償トルクを演算し、
前記出力指示部は、
前記遊脚側のリンクを駆動させるアクチュエータに対し、当該演算により算出された補償トルクを出力するように指示する
ことを特徴とする請求項１に記載の運動補助装置。
【請求項３】
前記パーツ座標傾斜特定部は、
自身に加えられる力ベクトルを、前記パーツ座標系を基準にしたベクトル量として検知する力ベクトルセンサであって、
当該力ベクトルの方向に基づいて、前記パーツ座標系の世界座標系に対する傾きを特定する
ことを特徴とする請求項２に記載の運動補助装置。
【請求項４】
前記判定部は、
前記二つの装着パーツそれぞれが備える前記力ベクトルセンサにより検知される力ベクトルの大きさを比較して、当該二つの装着パーツのうち検知される力ベクトルが大きい方を前記立脚状態にある装着パーツと判定する
ことを特徴とする請求項３に記載の運動補助装置。
【請求項５】
前記運動補助装置は、前記装着パーツを少なくとも二つ備える運動補助装置であって、
当該二つの装着パーツの各々が、地表に接して固定されるとともに前記利用者及び自装置を支持する立脚状態にあるか、地表から離れ前記本体から吊られる遊脚状態にあるか、を判定する判定部と、
を備え、
前記本体座標傾斜取得部は、
所定の傾斜センサであって、当該傾斜センサが検知する前記本体の傾斜角度に基づいて、前記本体座標系の世界座標系に対する傾きを取得し、
前記補償トルク演算部は、
前記重力ベクトル及び前記遊脚状態にある装着パーツの質量に基づいて、当該遊脚状態にある装着パーツに接続される遊脚側の前記リンクを駆動させるアクチュエータが出力すべき所定の補償トルクを演算し、
前記出力指示部は、
前記遊脚側のリンクを駆動させるアクチュエータに対し、当該演算により算出された補償トルクを出力するように指示する
ことを特徴とする請求項１に記載の運動補助装置。
【請求項６】
前記補償トルク演算部は、
前記二つの装着パーツのうちいずれか一方が、地表には接しているものの前記利用者及び自装置を、他方の装着パーツと比較して主として支持していない中間状態にある場合において、
前記重力ベクトル及び前記装着パーツの質量に基づいて算出した補償トルクに対し、さらに、当該中間状態にある装着パーツにかかる荷重に基づく所定の調整係数を乗算して得られる調整補償トルクを算出し、
前記出力指示部は、
前記中間状態にある装着パーツに接続されるリンクの関節を駆動させるアクチュエータに対し、前記調整補償トルクを出力するように指示する
ことを特徴とする請求項２から請求項５の何れか一項に記載の運動補助装置。
【請求項７】
前記二つの装着パーツの各々は、
自身が地表に接しているか否かを検知する接触検知センサを備え、
前記判定部は、
地表に接していない一方の装着パーツを前記遊脚状態にあると判定するとともに、地表に接している他方の装着パーツを前記立脚状態にあると判定する
ことを特徴とする請求項２から請求項６の何れか一項に記載の運動補助装置。
【請求項８】
利用者の所定部位に装着されるとともに、剛体から成り一つ以上の関節と接続するリンクを介して、本体に接続される装着パーツと、前記リンクの関節を、所定のトルクを出力しながら駆動させるアクチュエータと、を備え、当該利用者の運動をアシストする運動補助装置を制御する制御方法であって、
前記運動補助装置の本体が有する本体座標系の世界座標系に対する傾きを取得し、
前記取得された本体座標系の世界座標系に対する傾きに基づいて、当該本体座標系においての重力ベクトルを演算し、
当該重力ベクトル及び前記装着パーツの質量に基づいて、前記アクチュエータが出力すべき所定の補償トルクを演算し、
前記アクチュエータに対し、当該演算により算出された補償トルクを出力するように指示する
ことを特徴とする制御方法。
【請求項９】
利用者に装着されて当該利用者の運動をアシストする運動補助装置であって、
前記利用者の所定部位に装着されるとともに、剛体から成り一つ以上の関節と接続するリンクを介して、本体に接続される装着パーツと、
前記リンクに接続される関節を、所定のトルクを出力しながら駆動させるアクチュエータと、を備える運動補助装置のコンピュータを、
前記運動補助装置の本体が有する本体座標系の世界座標系に対する傾きを取得する本体座標傾斜取得手段、
前記取得された本体座標系の世界座標系に対する傾きに基づいて、当該本体座標系を基準とした重力ベクトルを演算する重力ベクトル演算手段、
当該重力ベクトル及び前記装着パーツの質量に基づいて、前記アクチュエータが出力すべき所定の補償トルクを演算する補償トルク演算手段、
前記アクチュエータに対し、当該演算により算出された補償トルクを出力するように指示する出力指示手段、
として機能させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、利用者の歩行運動などの補助を目的とする運動補助装置、運動補助装置の制御方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワースーツと呼ばれる装着型の運動補助装置は、要介護者の補助、リハビリ、または重機が入り込めないような狭い場所での重作業を可能とするための適用可能性がある。このパワースーツ（以下、運動補助装置と呼ぶ。）は、空気圧、油圧、モータ等のアクチュエータと、当該アクチュエータの動作状態を検知するエンコーダ、及び、装着者の動作に基づく力センサ、筋電位センサ、加速度センサ等の各種センサにより構成される。
【０００３】
ここで、このような運動補助装置は利用者の動作を補助する目的で使用される以上、当該利用者の動作を阻害するものであってはならない。特に、剛体及び関節の組み合わせで構成され、脚や腕に付随して動作するリンク機構は、利用者にとってあたかも存在しないかのように振る舞うことが要求される。
【０００４】
しかしながら、上記センサを駆使したフィードバック制御系だけでは常に利用者の意図に対してリンク機構の制御の遅れが発生するため、利用者の動作を阻害しないように制御するという要求を満たすには不十分である。したがって、利用者の動作に付随しない制御を行うフィードフォワード制御系が必要不可欠である。
【０００５】
例えば、運動補助装置重心の絶対加速度を検出し、これに自重を乗算して装置自重補償力を算出する。そして、この装置自重補償力を加味したアクチュエータ制御を行うことで、フィードフォワードを実現する技術が開示されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４６６６６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の運動補助装置は、上述の通り自装置の運動中の加速度から求めた装置自重補償力に基づく制御であり、運動補助装置についてのいわゆる動的な補償制御である。一方、自装置が定常的に受け続ける一定の重力に対して行う静的なフィードフォワード制御を行うことで、より制御性能が向上する余地がある。しかしながら、特許文献１に記載の運動補助装置では、このような静的な補償制御は考慮されていない。
【０００８】
そこでこの発明は、上述の問題を解決することのできる運動補助装置、運動補助装置の制御方法及びプログラムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題を解決すべくなされたもので、利用者に装着されて当該利用者の運動をアシストする運動補助装置であって、前記運動補助装置の本体が有する本体座標系の世界座標系に対する傾きを取得する本体座標傾斜取得部と、前記利用者の所定部位に装着されるとともに、剛体から成り一つ以上の関節と接続するリンクを介して、前記本体に接続される装着パーツと、前記リンクに接続される関節を、所定のトルクを出力しながら駆動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する駆動制御部と、を備え、前記駆動制御部は、前記取得された本体座標系の世界座標系に対する傾きに基づいて、当該本体座標系を基準とした重力ベクトルを演算する重力ベクトル演算部と、当該重力ベクトル及び前記装着パーツの質量に基づいて、前記アクチュエータが出力すべき所定の補償トルクを演算する補償トルク演算部と、前記アクチュエータに対し、当該演算により算出された補償トルクを出力するように指示する出力指示部と、を備えることを特徴とする運動補助装置である。
【００１０】
また本発明は、前記運動補助装置が、前記装着パーツを少なくとも二つ備える運動補助装置であって、当該二つの装着パーツの各々が、地表に接して固定されるとともに前記利用者及び自装置を支持する立脚状態にあるか、地表から離れ前記本体から吊られる遊脚状態にあるか、を判定する判定部と、前記立脚状態において、前記装着パーツが有するパーツ座標系の世界座標系に対する傾きを特定するパーツ座標傾斜特定部と、を備え、前記本体座標傾斜取得部は、前記特定されたパーツ座標系の世界座標系に対する傾き及び前記立脚状態にある装着パーツに接続される立脚側の前記リンクの関節の角度に基づいて、前記本体座標系の世界座標系に対する傾きを演算して取得し、前記補償トルク演算部は、前記重力ベクトル及び前記遊脚状態にある装着パーツの質量に基づいて、当該遊脚状態にある装着パーツに接続される遊脚側の前記リンクを駆動させるアクチュエータが出力すべき所定の補償トルクを演算し、前記出力指示部は、前記遊脚側のリンクを駆動させるアクチュエータに対し、当該演算により算出された補償トルクを出力するように指示することを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、前記パーツ座標傾斜特定部が、自身に加えられる力ベクトルを、前記パーツ座標系を基準にしたベクトル量として検知する力ベクトルセンサであって、当該力ベクトルの方向に基づいて、前記パーツ座標系の世界座標系に対する傾きを特定することを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記判定部が、前記二つの装着パーツそれぞれが備える前記力ベクトルセンサにより検知される力ベクトルの大きさを比較して、当該二つの装着パーツのうち検知される力ベクトルが大きい方を前記立脚状態にある装着パーツと判定することを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、前記運動補助装置が、前記装着パーツを少なくとも二つ備える運動補助装置であって、当該二つの装着パーツの各々が、地表に接して固定されるとともに前記利用者及び自装置を支持する立脚状態にあるか、地表から離れ前記本体から吊られる遊脚状態にあるか、を判定する判定部と、を備え、前記本体座標傾斜取得部は、所定の傾斜センサであって、当該傾斜センサが検知する前記本体の傾斜角度に基づいて、前記本体座標系の世界座標系に対する傾きを取得し、前記補償トルク演算部は、前記重力ベクトル及び前記遊脚状態にある装着パーツの質量に基づいて、当該遊脚状態にある装着パーツに接続される遊脚側の前記リンクを駆動させるアクチュエータが出力すべき所定の補償トルクを演算し、前記出力指示部は、前記遊脚側のリンクを駆動させるアクチュエータに対し、当該演算により算出された補償トルクを出力するように指示することを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、前記補償トルク演算部が、前記二つの装着パーツのうちいずれか一方が、地表には接しているものの前記利用者及び自装置を、他方の装着パーツと比較して主として支持していない中間状態にある場合において、前記重力ベクトル及び前記装着パーツの質量に基づいて算出した補償トルクに対し、さらに、当該中間状態にある装着パーツにかかる荷重に基づく所定の調整係数を乗算して得られる調整補償トルクを算出し、前記出力指示部は、前記中間状態にある装着パーツに接続されるリンクの関節を駆動させるアクチュエータに対し、前記調整補償トルクを出力するように指示することを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、前記二つの装着パーツの各々が、自身が地表に接しているか否かを検知する接触検知センサを備え、前記判定部は、地表に接していない一方の装着パーツを前記遊脚状態にあると判定するとともに、地表に接している他方の装着パーツを前記立脚状態にあると判定することを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、利用者の所定部位に装着されるとともに、剛体から成り一つ以上の関節と接続するリンクを介して、本体に接続される装着パーツと、前記リンクの関節を、所定のトルクを出力しながら駆動させるアクチュエータと、を備え、当該利用者の運動をアシストする運動補助装置を制御する制御方法であって、前記運動補助装置の本体が有する本体座標系の世界座標系に対する傾きを取得し、前記取得された本体座標系の世界座標系に対する傾きに基づいて、当該本体座標系においての重力ベクトルを演算し、当該重力ベクトル及び前記装着パーツの質量に基づいて、前記アクチュエータが出力すべき所定の補償トルクを演算し、前記アクチュエータに対し、当該演算により算出された補償トルクを出力するように指示することを特徴とするである。
【００１７】
また本発明は、利用者に装着されて当該利用者の運動をアシストする運動補助装置であって、前記利用者の所定部位に装着されるとともに、剛体から成り一つ以上の関節と接続するリンクを介して、本体に接続される装着パーツと、前記リンクに接続される関節を、所定のトルクを出力しながら駆動させるアクチュエータと、を備える運動補助装置のコンピュータを、前記運動補助装置の本体が有する本体座標系の世界座標系に対する傾きを取得する本体座標傾斜取得手段、前記取得された本体座標系の世界座標系に対する傾きに基づいて、当該本体座標系を基準とした重力ベクトルを演算する重力ベクトル演算手段、当該重力ベクトル及び前記装着パーツの質量に基づいて、前記アクチュエータが出力すべき所定の補償トルクを演算する補償トルク演算手段、前記アクチュエータに対し、当該演算により算出された補償トルクを出力するように指示する出力指示手段、として機能させることを特徴とするプログラムである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、利用者の動作を阻害しないように振る舞う運動補助装置の制御性能を向上させることができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第一の実施形態による運動補助装置の機能構成を示す図である。
【図２】本発明の第一の実施形態による補償トルク演算部の機能を説明する図面である。
【図３】二関節シリアルリンク機構における自重補償トルクの算出を説明する図である。
【図４】本発明の第一の実施形態による本体座標傾斜取得部の機能を説明する図である。
【図５】本発明の第一の実施形態による装着パーツの姿勢と世界座標系との対応付けを説明する第一の図である。
【図６】本発明の第一の実施形態による装着パーツの姿勢と世界座標系との対応付けを説明する第二の図である。
【図７】本発明の第一の実施形態による重力ベクトル演算部が、本体座標系を基準とした重力ベクトルを算出する具体的手段を説明する図である。
【図８】本発明の第一の実施形態による調整係数と支持荷重の対応関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第一の実施形態による接触検知センサの機能を説明する図である。
【図１０】本発明の第一の実施形態による運動補助装置の処理フローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜第一の実施形態＞
以下、本発明の第一の実施形態による運動補助装置を、図面を参照して説明する。
図１は本発明の第一の実施形態による運動補助装置の機能構成を示す図である。この図において、符号１は運動補助装置である。
【００２１】
運動補助装置１は、利用者に装着されて当該利用者の運動をアシストする装置である。運動補助装置１は、まず本体１０及び装着パーツ１１ａ、１１ｂを備えている。なお以下の説明において、装着パーツ１１ａ、１１ｂを総称して単に装着パーツ１１と記載することとする。本実施形態による運動補助装置１は、図１に示す通り装着パーツ１１を二つ備えている。そして、これら二つの装着パーツ１１は利用者の所定部位である“両足”の各々に装着されて利用される。すなわち、本実施形態による二つの装着パーツ１１は、利用者の歩行運動をアシストするために、当該利用者の両足に装着される「歩行補助パーツ」として機能する。そして、本実施形態による運動補助装置１は利用者の歩行運動をアシストする「歩行補助装置」として機能する装置である。
【００２２】
リンク１２ａ、１２ｂは運動補助装置１の一部であって、剛体から成り一つ以上の関節と接続する構成部位である。ここで「関節」とは、当該関節を基点としてリンク１２ａ、１２ｂと、当該関節によって結ばれる他の構成部位との位置関係を回転方向に変化させる動機構である。図１に示すように、リンク１２ａ、１２ｂはそれぞれ関節（以下に説明するアクチュエータ１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２）を介して本体１０と装着パーツ１１ａ、１１ｂとを接続している。
【００２３】
以下、図１に示す運動補助装置１の構造及びその動作について説明する。
リンク１２ａは、これと接続する一方の関節を介して本体１０と接続している。当該関節は、図１においては、以下に説明するアクチュエータ１３ａ１として表記している。同様に装着パーツ１１ａは、リンク１２ａと他方の関節を介して接続している。この関節は、図１においては、アクチュエータ１３ａ２として表記している。
【００２４】
リンク１２ｂは、これと接続する一方の関節を介して本体１０と接続している。この関節は、図１においては、以下に説明するアクチュエータ１３ｂ１として表記している。同様に装着パーツ１１ｂは、リンク１２ｂと他方の関節を介して接続している。この関節は、図１においては、アクチュエータ１３ａ２として表記している。
【００２５】
アクチュエータ１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２は例えばモータであって、リンク１２ａ、１２ｂに接続される関節を所定のトルクを出力しながら回転駆動させる動機関である。装着パーツ１１ａ、１１ｂ、リンク１２ａ、１２ｂ及びアクチュエータ１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２は、いずれも剛体であり一般的に知られる二関節シリアルリンク機構を構成している。
【００２６】
アクチュエータ１３ａ１が所定のトルクを出力し、その箇所における関節を駆動させることで、当該関節（アクチュエータ１３ａ１）を基点として、本体１０に対するリンク１２ａの位置が回転するように変化する。一方、アクチュエータ１３ａ２が所定のトルクを出力し、その箇所における関節を駆動させることで、当該関節（アクチュエータ１３ａ２）を基点として、リンク１２ａに対する装着パーツ１１ａの位置が回転するように変化する。このように、アクチュエータ１３ａ１、１３ａ２が適宜トルクを出力することで本体１０に対する装着パーツ１１ａの相対的位置が、利用者の歩行運動に合わせて変化する仕組みとなっている。
【００２７】
同様に、アクチュエータ１３ｂ１が所定のトルクを出力し、その箇所における関節を駆動させることで、当該関節（アクチュエータ１３ｂ１）を基点として、本体１０に対するリンク１２ｂの位置が回転するように駆動する。一方、アクチュエータ１３ｂ２が所定のトルクを出力し、その箇所における関節を駆動させることで、当該関節（アクチュエータ１３ａ２）を基点として、リンク１２ｂに対する装着パーツ１１ｂの位置が回転するように変化する。このように、アクチュエータ１３ｂ１、１３ｂ２が適宜トルクを出力することで本体１０に対する装着パーツ１１ｂの相対的位置が、利用者の歩行運動に合わせて変化する仕組みとなっている。
【００２８】
装着パーツ１１ａまたは装着パーツ１１ｂの少なくとも何れか一方（図１に示す例では、装着パーツ１１ａ）は地表と接触して、自装置及びこれを装着する利用者を支持することとなる。また自装置及び利用者を支持する側となる装着パーツ１１は、利用者の歩行運動に合わせて適宜入れ替わる。本実施形態による運動補助装置１は、自装置及び利用者を支持しない他方（図１に示す例では、装着パーツ１１ｂ）について、所定のフィードフォワードトルクを与える制御を行う。
【００２９】
なお以下の説明においては、装着パーツ１１ａ、１１ｂを総称して単に「装着パーツ１１」と、リンク１２ａ、１２ｂを総称して「リンク１２」と、また、アクチュエータ１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２を総称して「アクチュエータ１３」と表記することとする。
【００３０】
本実施形態による運動補助装置１の本体１０は、本体座標傾斜取得部１００と駆動制御部１０１を備えている。本体座標傾斜取得部１００は、運動補助装置１の本体１０が有する「本体座標系“Σ０”」の「世界座標系“ΣＷ”」に対する傾き（以下、これを「傾斜“ＷΔ０”」と表記する）を取得する機能部である。本体座標系Σ０、世界座標系ΣＷ、及び、本体座標傾斜取得部１００の機能の詳細については後述する。
【００３１】
駆動制御部１０１は、アクチュエータ１３に指示を出して所定のトルクを出力させ、運動補助装置１全体の動作を制御する機能部である。本実施形態による駆動制御部１０１は、特に、所定の演算により求めたフィードフォワードトルクを各アクチュエータ１３に与える。
【００３２】
なお、本実施形態による運動補助装置１は、上述の通り、装着パーツ１１、リンク１２及びアクチュエータ１３によって二関節リンク機構を構成する態様として説明したが、他の実施形態においてはこの態様に限定されることはない。例えば、運動補助装置１は、二つ以上のリンクと三つ以上のアクチュエータを有する三関節以上のシリアルリンク機構を構成する装着パーツを備える装置であっても構わない。また、各アクチュエータ１３は上記モータのみならず、空圧または油圧ポンプ等で構成されるものであってもよい。
【００３３】
以下、本体１０が備える駆動制御部１０１の機能について具体的に説明する。
駆動制御部１０１は、例えば汎用のＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｃｅｓｓ  Ｕｎｉｔ：中央演算装置）等であって、所定のプログラムを当該ＣＰＵ内部に有するレジスタに読み込ませて実行することで各種機能を発揮する機能部である。
【００３４】
駆動制御部１０１は、内部に重力ベクトル演算部１０１０、補償トルク演算部１０１１、出力指示部１０１２及び判定部１０１３を有している。ここで重力ベクトル演算部１０１０は、上記本体座標傾斜取得部１００が取得した傾斜ＷΔ０に基づいて、当該本体座標系Σ０を基準とした「重力ベクトル“０ｇ”」を演算する機能部である。この重力ベクトル演算部１０１０の機能の詳細については、後述する本体座標傾斜取得部１００とともに説明する。
【００３５】
補償トルク演算部１０１１は、アクチュエータ１３が出力すべき所定の補償トルクを演算する機能部である。補償トルク演算部１０１１の具体的な機能については後述する。
【００３６】
出力指示部１０１２は、アクチュエータ１３に対し、補償トルク演算部１０１１の演算によって算出された所定の補償トルクを出力するように指示する機能部である。この出力指示部１０１２の具体的な機能についても上記補償トルク演算部１０１１と合わせて後述する。
【００３７】
また判定部１０１３は、二つの装着パーツ１１の各々を、「立脚状態」または「遊脚状態」にあると判定する機能部である。この「立脚状態」、「遊脚状態」及び当該判定部１０１３の機能については後述する。
【００３８】
次に、補償トルク演算部１０１１及び出力指示部１０１２の機能について詳細に説明する。補償トルク演算部１０１１は、上記重力ベクトル０ｇ及び装着パーツ１１の質量に基づいて、アクチュエータ１３が出力すべき所定の「補償トルク“τｆ”」を演算する。ここで、「重力ベクトル」とは、所定の座標系に対し重力が働く大きさ及び方向を示すベクトル量である。
【００３９】
なお本稿においては、運動補助装置１の本体が有する本体座標系Σ０を基準とした重力ベクトルを“０ｇ”と表記する。他方、後述する世界座標系ΣＷにおける重力ベクトルを“Ｗｇ”、さらに、装着パーツ１１ａ、１１ｂが有する「パーツ座標系“ΣＥ”」を基準とした場合の重力ベクトルを“Ｅｇ”と表記する（なお、図面または数式においてベクトル量“ｇ”を表す場合は、これを太字表記している）。
【００４０】
図２は、本発明の第一の実施形態による補償トルク演算部の機能を説明する図面である。
次に、本体１０が備える補償トルク演算部１０１１の機能及び補償トルクτｆについて、図２を参照しながら説明する。補償トルクτｆは、各アクチュエータ１３が「自重補償力」を装着パーツ１１及びリンク１２に与えるために出力すべきトルクである。ここで「自重補償力」とは、装着パーツ１１及びリンク１２自身にかかる重力（自重）を打ち消すために、自重と同じ大きさでその逆方向にかかる力ベクトルである（図２）。
【００４１】
図２に示す通り、まず装着パーツ１１ｂが遊脚状態（地表から離れ本体１０から吊られている状態）にあるとする。ここで、アクチュエータ１３ｂ１、１３ｂ２が何らのトルクを出力しなかったとすると、遊脚状態になっている装着パーツ１１ｂ及びリンク１２ｂの重力（自重）は全てこれを装着する利用者への負担としてかかることになる。
【００４２】
しかし、遊脚状態にある装着パーツ１１ｂが当該遊脚状態あるとき、この自重をキャンセルするような自重補償力がかかるようにアクチュエータ１３ｂ１、１３ｂ２がそれぞれ所定の補償トルクτｆ１、τｆ２を出力すれば、利用者は、遊脚状態にある装着パーツ１１ｂ及び遊脚側のリンク１２ｂについては、その重力があたかも存在しないかのように振る舞うことができる。
【００４３】
ところで、リンク機構の負荷トルクτについての運動方程式は、関節角度状態（角度（θ）、角速度（θの一階時間微分）、角加速度（θの二階時間微分））によって式（１）のように一般化されている。
【００４４】
【数１】
2014155666.tif 000003
【００４５】
ここで、発生する負荷トルクτ分だけフィードフォワードトルクとして補償トルクτｆをアクチュエータ１３に与えることができれば、当該シリアルリンク機構に加わる力（ダイナミクス）をキャンセルすることができる。しかし、式（１）右辺一項目の慣性項、二項目の干渉項は角速度、角加速度の項を含み演算が煩雑であるため、本実施形態においては三項目の重力項のみに着目し、補償トルクτｆは、重力項“ｇ（θ）”をキャンセルするフィードフォワードトルクであるものとする（以下、「補償トルクτｆ」を「自重補償トルクτｆ」と言い換える）。したがって、本実施形態において自重補償トルクτｆは式（２）のように表される。
【００４６】
【数２】
2014155666.tif 000004
【００４７】
さらに、本実施形態において考慮すべきは二関節シリアルリンク機構であるため、各関節におけるアクチュエータ１３ｂ１、１３ｂ２が出力すべきフィードフォワードトルク（自重補償トルク）をそれぞれ、τｆ１、τｆ２（図２参照）として、式（３）のように表すことができる。
【００４８】
【数３】
2014155666.tif 000005
【００４９】
なお、式（３）におけるｇ１（θ）、ｇ２（θ）はそれぞれ、二関節シリアルリンク機構の第一関節（アクチュエータ１３ｂ１）、第二関節（アクチュエータ１３ｂ２）各々についての重力項である。
【００５０】
図３は、二関節シリアルリンク機構における自重補償トルクの算出を説明する図である。
遊脚状態にある装着パーツ１１ｂ及び遊脚側のリンク１２ｂは、図３に示すように、本体１０に固定された“天吊りのロボットマニピュレータ”として取り扱うことができる。
【００５１】
このような取扱いの結果、自重補償トルクτｆ１、τｆ２は式（４）、式（５）のように表される。
【００５２】
【数４】
2014155666.tif 000006
【００５３】
【数５】
2014155666.tif 000007
【００５４】
ここで、ｍ１は第一軸（リンク１２ｂ）の質量、ｍ２は第二軸（装着パーツ１１ｂ）の質量であり、これらはいずれも固定パラメータである。また“１ｓ１”は、関節座標系Σ１の原点から第一軸（リンク１２ｂ）の重心までの方向と距離を示す位置ベクトルで、さらに、“２ｓ２”は、関節座標系Σ２の原点から第二軸（装着パーツ１１ｂ）の重心までの方向と距離を示す位置ベクトルである。なお、位置ベクトル１ｓ１、２ｓ２はそれぞれ、各関節を原点とする関節座標系Σ１、Σ２（図３参照）を基準として表されるベクトル量である。ここで座標系Σ１、Σ２自体が関節角度θ１、θ２に伴って変化することから、その座標系に張られた位置ベクトル１ｓ１、２ｓ２は、角度θ１、θ２に対し相対的には変化しない固定パラメータである。
【００５５】
また行列“０Ｔ１”、“０Ｔ２”は座標変換行列である。“０Ｔ１”は本体座標系Σ０から関節座標系Σ１への変換行列であり、“０Ｔ２”は本体座標系Σ０から関節座標系Σ２への変換行列である。座標系Σ１、Σ２は関節角度θ１、θ２に伴って変化（回転）するものであるから０Ｔ１はθ１の関数であり、また、０Ｔ２はθ１及びθ２の関数である。
【００５６】
０ｇは、上述した通り、本体座標系Σ０を基準にして表した重力ベクトルである。仮に、本体１０が世界座標系ΣＷに対して水平に固定されたものであったとすると、図３に示す通り、重力ベクトル０ｇは０ｇ＝（０、０、−ｇ）Ｔの固定パラメータとなる。ここで“−ｇ”は重力加速度に応じた固定パラメータである。
【００５７】
以上のように、質量ｍ、重心までの位置ベクトルｓ、座標変換行列Ｔを予め求めておき、さらに重力ベクトル０ｇが与えられれば、補償トルク演算部１０１１は、各関節の角度θに応じた、各アクチュエータ１３が出力すべき自重補償トルクτｆを演算して求めることができる。
【００５８】
なお、駆動制御部１０１の出力指示部１０１２は、アクチュエータ１３に対し、補償トルク演算部１０１１の演算によって算出された自重補償トルクτｆを出力するように指示する機能部である。出力指示部１０１２が、遊脚状態にある側のアクチュエータ１３ｂ１、１３ｂ２に所定の自重補償トルクτｆ１、τｆ２を出力させた場合、当該遊脚状態にある装着パーツ１１ｂ及び遊脚側のリンク１２ｂは、自重に負けて垂れ下がることなく所定の姿勢を維持することができる。
【００５９】
なお、上記の説明において式（４）、（５）の詳細な導出方法については“川崎晴久著、「ロボット工学の基礎」，森北出版，１９９１年，Ｐ８３−Ｐ８５”を参考にすることができる。
【００６０】
図４は、本発明の第一の実施形態による本体座標傾斜取得部の機能を説明する図である。
上記、自重補償トルクτｆ導出の説明において、重力ベクトル０ｇは、例えば０ｇ＝（０、０、−ｇ）Ｔであるとした。ここで、遊脚状態にある装着パーツ１１ｂ及び遊脚側のリンク１２ｂによる二関節シリアルリンク機構が、傾きが変化しない天井に取り付けられたものであった場合、自重補償トルクτｆの演算において、当該重力ベクトル０ｇは、０ｇ＝（０、０、−ｇ）Ｔの固定パラメータとして演算を行うことができる。しかし運動補助装置１の運用においては、本体１０は利用者の歩行動作に応じて常にその姿勢が変動するものである。
【００６１】
「本体座標系Σ０」とは、上述した通り本体１０が有する座標系であり、主に駆動制御部１０１が、運動補助装置１の駆動制御に必要な演算を行う際に参照する座標系である。特に、補償トルク演算部１０１１が行う上記自重補償トルクτｆの演算に用いる重力ベクトル０ｇは、本体座標系Σ０を基準とした値である。
【００６２】
一方、「世界座標系ΣＷ」は、空間に対して常に固定された絶対座標系である。したがって、図４に示すように、世界座標系ΣＷのＸ‐Ｙ平面を水平な地表に対して平行に定義した場合、当該世界座標系ΣＷにおいて張られた重力ベクトルＷｇは常にＷｇ＝（０、０、−ｇ）Ｔの値をとる固定値となる。
【００６３】
ここで、図４に示すように、本体１０の姿勢が世界座標系ΣＷに対して傾斜している場合など、本体１０が有する本体座標系Σ０は必ずしも世界座標系ΣＷと一致しない。したがって、本体座標系Σ０を基準とした重力ベクトル０ｇは、世界座標系ΣＷに対する本体１０の姿勢の変化に基づいて変化する値となる。
【００６４】
ここで、本実施形態による本体座標傾斜取得部１００は、上述した通り、傾斜ＷΔ０を取得する機能部である。そして、重力ベクトル演算部１０１０は、取得された傾斜ＷΔ０（例えば、二軸の角度成分で表される）に基づいて重力ベクトル０ｇを演算する機能部である。この本体座標傾斜取得部１００及び補償トルク演算部１０１１の働きにより、運動補助装置１は重力ベクトル０ｇを求めることができる。以下、本体座標系Σ０、世界座標系ΣＷ、本体座標傾斜取得部１００及び重力ベクトル演算部１０１０の具体的な機能について詳細に説明する。
【００６５】
本実施形態による本体座標傾斜取得部１００は、装着パーツ１１が有する座標系である「パーツ座標系“ΣＥ”」を参照して傾斜ＷΔ０を演算して取得することを特徴とする。ここで、地表に接して固定されるとともに利用者及び自装置を支持する状態（立脚状態）にある装着パーツは、当該立脚状態において、世界座標系ΣＷに対してその姿勢が固定される。したがって、世界座標系ΣＷと、立脚状態となって固定された立脚状態にある装着パーツ１１ａの姿勢との対応付けができれば、立脚側のリンク１２ａの第一関節（アクチュエータ１３ａ１）及び第二関節（アクチュエータ１３ａ２）の角度θ１、θ２に基づいて傾斜ＷΔ０を一義的に取得することができる（図４）。
【００６６】
図５、図６は、本発明の第一の実施形態による装着パーツの姿勢と世界座標系との対応付けを説明する第一及び第二の図である。
ここで、図５に示すように、各装着パーツ１１は、立脚状態において、自身が有するパーツ座標系ΣＥの世界座標系ΣＷに対する傾きを特定するパーツ座標傾斜特定部１１０を備えている。パーツ座標傾斜特定部１１０は、立脚状態にある装着パーツ１１ａの姿勢と世界座標系ΣＷとの対応付けを行う機能部である。
【００６７】
そして、本実施形態によるパーツ座標傾斜特定部１１０は、具体的には、一般的な歩行補助装置に用いられる力ベクトルセンサである。この力ベクトルセンサは、歩行補助装置を装着する利用者の状態、例えば直立、しゃがみ等の推定を行うために標準的に装着パーツに搭載されるセンサである。したがって本実施形態によれば、一般的な歩行補助装置がもともと装着パーツに備える力ベクトルセンサを、パーツ座標傾斜特定部１１０として機能させることができ、別途のセンサ等の追加を要しない。
【００６８】
ここで、パーツ座標傾斜特定部１１０（力ベクトルセンサ）は、自身に加えられる力ベクトルを、パーツ座標系ΣＥを基準にしたベクトル量として検知する。そして当該力ベクトルの方向に基づいて、パーツ座標系ΣＥの世界座標系ΣＷに対する傾き（以下、「傾斜“ＷΔＥ”」と表記する）を特定する。
【００６９】
立脚状態にある装着パーツ１１ａは地表に対して固定された状態にあるから、歩行動作に伴う慣性力などはかからない状態にある。したがって、立脚状態にある装着パーツ１１ａのパーツ座標傾斜特定部１１０が検知する力ベクトルからローパスフィルタ等の信号処理により直流成分のみを抽出することで、このベクトルは、図５に示す通り、重力方向（Ｗｇ＝（０、０、−ｇ）Ｔ）にのみ印加されるものとみなすことができる。したがってパーツ座標傾斜特定部１１０は、自身に検知される力ベクトルの方向が重力方向であると仮定して、傾斜ＷΔＥを特定することができる。
【００７０】
例えば図５に示すように、パーツ座標傾斜特定部１１０において、パーツ座標系ΣＥを基準とした力ベクトルＥｇが、Ｅｇ＝（０、０、−ｇ）Ｔと検知された場合、立脚状態においてＺ軸方向にのみ力がかかっているのであるから、このＺ軸方向が、重力が働く方向と見なすことができる。したがってこの場合、パーツ座標傾斜特定部１１０は、パーツ座標系ΣＥは世界座標系ΣＷと同一の座標系である（装着パーツ１１ａは水平な地表に固定されている）と特定することができる。
【００７１】
また、例えば図６に示すように、パーツ座標傾斜特定部１１０において、パーツ座標系ΣＥを基準とした力ベクトルＥｇが、Ｅｇ＝（−Ｅｇｘ、−Ｅｇｙ、−Ｅｇｚ）Ｔと検知された場合を考える。この場合、立脚状態においてＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のそれぞれに力がかかっているのであるから、このＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向成分の合成ベクトルの指す方向が重力方向と見なすことができる。したがってこの場合、パーツ座標傾斜特定部１１０は、パーツ座標系ΣＥが世界座標系ΣＷに対し、所定の傾き（傾斜ＷΔＥ）をもって傾斜している（立脚状態にある装着パーツ１１ａは傾斜した地表に固定されている）と特定することができる。なお、傾斜ＷΔＥがどの方向にどの程度傾斜しているかは、パーツ座標傾斜特定部１１０が検知する力ベクトルＥｇの座標軸ごとの各成分Ｅｇｘ、Ｅｇｙ、Ｅｇｚに基づいて算出することができる。
【００７２】
図７は、本発明の第一の実施形態による重力ベクトル演算部が、本体座標系を基準とした重力ベクトルを算出する具体的手段を説明する図である。
ここでは説明を簡略化するため、図７に示すリンク機構は一関節のみであるとし、その関節の角度がθであったとする。また立脚状態にある装着パーツ１１ａは水平な地表に固定された立脚状態にあるものとして説明する。この場合、パーツ座標系ΣＥと世界座標系ΣＷは同一の座標系となる（図５参照）。
【００７３】
この状態において、本体座標傾斜取得部１００は、パーツ座標傾斜特定部１１０が検知したパーツ座標ΣＥについての重力ベクトルＥｇを取得する。ここで、判定部１０１３が立脚状態にあると判定した装着パーツ１１ａは地表に固定されているという前提の元、当該装着パーツ１１ａにかかる重力ベクトルＥｇは、パーツ座標傾斜特定部１１０においてＥｇ＝Ｗｇ＝（０，０、−ｇ）Ｔと検知される。さらに、本体座標傾斜取得部１００は、一関節リンク機構（立脚側のリンク１２ａ）の関節角度θを取得する。なお本実施形態による本体座標傾斜取得部１００にとって「本体座標系Σ０の世界座標系ΣＷに対する傾き（傾斜ＷΔ０）を取得する」処理とは、上記の通り、重力ベクトルＥｇ及びリンク１２の関節角度θを取得することである。
【００７４】
一方、重力ベクトル演算部１０１０は、パーツ座標系ΣＥの本体座標系Σ０への座標変換行列“ＥＴ０”を予め取得している。この場合における変換行列ＥＴ０は、式（６）のような関節角度θの関数として定義される。
【００７５】
【数６】
2014155666.tif 000008
【００７６】
そして、重力ベクトル演算部１０１０は、本体座標傾斜取得部１００が取得した重力ベクトルＥｇ及び関節角度θに基づいて式（７）を演算し、本体座標系Σ０を基準とした重力ベクトル０ｇを算出する。
【００７７】
【数７】
2014155666.tif 000009
【００７８】
このようにして、重力ベクトル演算部１０１０は、パーツ座標系ΣＥを基準とした重力ベクトルＥｇ＝（０、０、−ｇ）Ｔから、本体座標系Σ０を基準とした重力ベクトル０ｇ＝（−ｇ・ｓｉｎθ、０、−ｇ・ｃｏｓθ）Ｔを導出することができる。
なお、関節が二つ以上のシリアルリンク機構についても、そのリンクに応じた座標変換行列Ｔを乗算することで、同様に本体座標系Σ０を基準とした重力ベクトル０ｇを導出することができる。
【００７９】
本実施形態による補償トルク演算部１０１１は、重力ベクトル演算部１０１０が重力ベクトル０ｇを算出して求めると、直ちにその重力ベクトル０ｇを式（４）及び式（５）に代入し、自重補償トルクτｆを算出する。このようにして求められた自重補償トルクτｆは、補償トルク演算部１０１１により本体１０の傾斜を加味した上で演算された補償トルクである。したがって出力指示部１０１２が当該自重補償トルクτｆをアクチュエータ１３ｂ１、１３ｂ２に逐次出力することで、遊脚状態となっている装着パーツ１１ｂ及びリンク１２ｂは、当該本体１０の姿勢によらず一定の姿勢を保つことができる。
【００８０】
以上、本実施形態による運動補助装置１によれば、駆動制御部１０１が遊脚側のアクチュエータ１３に対し、本体１０の姿勢を加味した上での自重補償トルクτｆをフィードフォワードトルクとして出力させることで、利用者の歩行運動に伴う本体１０の姿勢の変化に関わらず、遊脚は自重をキャンセルする自重補償力を与え続けることができる。
したがって、本実施形態による運動補助装置１によれば、利用者の動作を阻害しないように振る舞う運動補助装置の制御性能を向上させることができる
【００８１】
また、本実施形態による運動補助装置１は、立脚状態にある装着パーツ１１ａのパーツ座標傾斜特定部１１０が検知した力ベクトル及び立脚側のリンク１２ａの関節角度に基づいて本体１０の姿勢を取得することとしている。これにより、運動補助装置１は、本体１０の姿勢を検知するための特別なセンサを要することなくその姿勢を取得することができる。
【００８２】
また、本実施形態による運動補助装置１は、さらに以下のような機能を有していてもよい。上述した通り、運動補助装置１は利用者の歩行運動を補助するものである。そして、装着パーツ１１はそれぞれ利用者の両足に装着されるものである。このため、上記立脚状態にある装着パーツ１１ａは、当該利用者の歩行運動に伴って遊脚状態へと推移するとともに、遊脚状態にある装着パーツ１１ｂは、当該歩行運動に伴って立脚状態へと推移する。したがって、運動補助装置１の各機能部は二つの装着パーツ１１のいずれが立脚側または遊脚側であるかを判定する必要がある。
【００８３】
そこで、本実施形態による駆動制御部１０１は別途、判定部１０１３を備えるものとする。当該判定部１０１３は、二つの装着パーツ１１それぞれが備えるパーツ座標傾斜特定部１１０により検知される力ベクトルの大きさを比較して、当該二つの装着パーツ１１のうち検知される力ベクトルが大きい方を立脚状態にある装着パーツ１１と判定する。例えば、装着パーツ１１ａ、１１ｂの各々が備えるパーツ座標傾斜特定部１１０が検知した力ベクトルの大きさが、それぞれＦａ［Ｎ］、Ｆｂ［Ｎ］であったとする。ここでＦａ、Ｆｂは、主に自装置及びこれを装着する利用者の重量に基づいて印加される力ベクトルである。このとき判定部１０１３は、両者を比較した結果“Ｆａ＞Ｆｂ”であった場合には装着パーツ１１ａが立脚状態にあると判定し、逆に、“Ｆａ＜Ｆｂ”であった場合には装着パーツ１１ｂが立脚状態にあると判定する。
【００８４】
これは、二つの装着パーツ１１のうち、より大きい力が印加されている方が利用者及び運動補助装置１を支持している方の装着パーツ１１であり、ゆえに地表に対し固定された状態にあると推測できることに基づくものである。本体座標傾斜取得部１００は、判定部１０１３による判定結果を参照することで、立脚状態にある装着パーツ１１ａの力ベクトル及び立脚側のリンク１２ａの関節角度θを取得することができる。
【００８５】
なお、判定部１０１３はＦａ、Ｆｂの大小関係を評価するにあたり、所定のマージンを有するヒステリシス特性を考慮して判定しても構わない。例えば、判定部１０１３が一端、装着パーツ１１ａが立脚状態であると判定した場合、次に装着パーツ１１ｂを立脚状態と判定する条件として“Ｆａ＋Ｆｍ＜Ｆｂ”（Ｆｍ＝所定のマージン）なる条件を設定してもよい。このようにすることで、立脚状態と判定される装着パーツ１１が微小な変動により頻繁に切り替わらないようにすることができる。
【００８６】
また、本実施形態による運動補助装置１の補償トルク演算部１０１１及び出力指示部１０１２は、さらに以下の機能を有していてもよい。
【００８７】
補償トルク演算部１０１１は、二つの装着パーツ１１の何れか一方が「中間状態」にある場合において、重力ベクトル０ｇ及び装着パーツ１１の質量に基づいて算出した補償トルクτｆに対し、さらに、当該「中間状態」にある装着パーツ１１にかかる荷重に基づく所定の「調整係数α」を乗算して得られる調整補償トルクτｆ’を算出する。
【００８８】
そして、出力指示部１０１２は、当該「中間状態」にある装着パーツ１１に接続されるリンク１２の関節を駆動させるアクチュエータ１３に対し、上記調整補償トルクτｆ’を出力するように指示する。
【００８９】
ここで、実際の歩行運動においては、立脚状態から遊脚状態になろうとする間の「中間状態」が存在する。この「中間状態」にある装着パーツ１１とは、地表には接しているものの、他方の装着パーツ１１と比較して主として利用者及び自装置を支持していない状態にある装着パーツ１１のことをいう。ここで、当該運動補助装置１を装着した利用者の全荷重をＦｍａｘ［Ｎ］とすると、当該中間状態にある装着パーツ１１も全荷重Ｆｍａｘ［Ｎ］の一部を支えていることとなる。なお、この時の装着パーツ１１ａ、１１ｂが支える支持荷重をそれぞれＦａ［Ｎ］、Ｆｂ［Ｎ］とすると、質量保存の法則からＦａ＋Ｆｂ＝Ｆｍａｘが成り立つ。そして判定部１０１３は、上述した通りＦａ、Ｆｂのいずれか大きい方を支える装着パーツ１１を「立脚状態」と判定するので、その他方であってかつ遊脚状態にない装着パーツ１１を中間状態と見なすことができる。
【００９０】
図８は、本発明の第一の実施形態による調整係数と支持荷重の対応関係を示すグラフである。
次に、図８を参照しながら上記「調整係数α」について説明する。本実施形態による調整係数αは“０”から“１”の値を取る所定の補正係数である。図８に示すグラフにおいて、縦軸は調整係数α、横軸は装着パーツ１１が支持する支持荷重Ｆａ（Ｆｂ）の値である。
【００９１】
図８に示すグラフの横軸について、ある装着パーツ１１ａの支持荷重ＦａがＦｍａｘ／２より大きい値となっている場合、“Ｆａ＞Ｆｂ”が成立し、当該装着パーツ１１ａは立脚状態にある。一方、その支持荷重Ｆａが“０”となっているとき、当該装着パーツ１１ａは遊脚状態にある。そして支持荷重ＦａがＦｍａｘ／２以下で、かつ、“０”でない場合、装着パーツ１１ａは立脚状態から遊脚状態に遷移する中間状態にある。
【００９２】
そして本実施形態による補償トルク演算部１０１１は、図８に示すような対応関係に基づいて、調整係数αを導出する。
補償トルク演算部１０１１は、装着パーツ１１ａが立脚状態にあるとき、その装着パーツ１１ａについての調整係数αを０に設定する。一方、補償トルク演算部１０１１は、装着パーツ１１ａが遊脚状態にあるとき、その装着パーツ１１ａについての調整係数αを１に設定する。さらに、補償トルク演算部１０１１は、装着パーツ１１ａが中間状態にあるとき、調整係数αを、その支持荷重Ｆａに基づく０から１の間の値に設定する。なお、支持荷重Ｆａ（Ｆｂ）の値は、それぞれの装着パーツ１１が備えるパーツ座標傾斜特定部１１０を介して取得することができる。
【００９３】
次に補償トルク演算部１０１１は、演算により求めた補償トルクτｆと上記調整係数αを乗算して、調整補償トルクτｆ’を算出する。そして、出力指示部１０１２が中間状態にある装着パーツ１１に接続されるリンク１２の関節を駆動させるアクチュエータ１３ａ１、１３ａ２（１３ｂ１、１３ｂ２）に対し、上記調整補償トルクτｆ’を出力するように指示する。
【００９４】
このようにすることで、補償トルク演算部１０１１は、立脚状態にある装着パーツ１１（及びリンク１２）に対し、常に調整係数α＝０を自重補償トルクτｆに乗算し、当該立脚状態にある装着パーツ１１（及びリンク１２）に対して自重補償トルクτｆが一切かからないように制御することができる。ここで、立脚状態にある装着パーツ１１は、自重を地表で受けているため自重補償の必要がない。むしろ地表に固定された側の装着パーツ１１に対して自重補償トルクτｆが印加されると利用者の本意でない力が働いて転倒を誘発するなど、逆に利用者の歩行運動を阻害する要因となる。したがって、本実施形態による補償トルク演算部１０１１を用いることで、このような利用者の歩行運動の阻害要因を排除することができる。
【００９５】
また、補償トルク演算部１０１１は、立脚状態から遊脚状態に移り変わる段階（中間状態）において、その装着パーツ１１が支持する荷重Ｆａ（Ｆｂ）が減少するにつれて、徐々に調整自重補償トルクτｆ’が増加するように制御している。このようにすることで、突発的な自重補償力の付与を避け、利用者に違和感を与えないように制御することができる。
【００９６】
なお、補償トルク演算部１０１１における調整自重補償トルクτｆ’の導出に用いた図８に示す相関関係は、この態様に限定されない。例えば、他の実施形態による補償トルク演算部１０１１は、二次関数、三次関数や指数・対数関数等に基づく相関関係を有するものであってもよい。
【００９７】
図９は、本発明の第一の実施形態による接触検知センサの機能を説明する図である。
図８を用いて説明した通り、支持荷重が“０”の装着パーツ１１は遊脚状態とみなすことができるが、上述した説明においては、その支持荷重はパーツ座標傾斜特定部１１０を介して取得される力ベクトルの大きさに基づいて判定することとした。しかしながら、パーツ座標傾斜特定部１１０は、その装着パーツ１１に働く重力以外の力（歩行運動に伴う慣性力等）を含めて検知するため、パーツ座標傾斜特定部１１０を参照するのみで厳密に遊脚状態にあるか否か（支持荷重Ｆａ（Ｆｂ）が“０”か否か）を判断することが難しい場合がある。そこで、本実施形態による二つの装着パーツ１１の各々は、足裏に接触検知センサ１１１を備えていてもよい。
【００９８】
接触検知センサ１１１は、自身が地表に接しているか否かを検知するセンサであって、触れているか否かを簡易なＯＮ／ＯＦＦ信号で返す機能部である。そして、判定部１０１３は、パーツ座標傾斜特定部１１０が検知する力ベクトルに関わらず、地表に接していない一方の装着パーツ１１を遊脚状態にあると判定するとともに、地表に接している他方の装着パーツ１１を立脚状態にあると判定する。
【００９９】
このような接触検知センサ１１１を、例えば図９に示すように装着パーツ１１の足裏の複数箇所に設置しておく。全ての接触検知センサ１１１がＯＦＦ（何処にも接触していない状態）である場合、パーツ座標傾斜特定部１１０が検知する力ベクトルに関わらず、当該装着パーツ１１が遊脚状態にあるとみなすことができる。そして、さらにその他方を立脚状態と見なすことができる。すなわち、判定部１０１３は、一方の装着パーツ１１における全ての接触検知センサ１１１がＯＦＦであった場合に、当該装着パーツ１１を遊脚状態と判定し、同時に他方の装着パーツ１１を立脚状態と判定する。このようにすれば、安価なセンサのみで確実に立脚、遊脚を見分けることができる。
【０１００】
図１０は、本発明の第一の実施形態による運動補助装置の処理フローを示す図である。
次に、本実施形態による運動補助装置１の各種処理フローについて順を追って説明する。なおここで説明する処理フローは、利用者が当該運動補助装置１を装着して歩行運動を行っている状態の継続中は、逐次繰り返し実行されるものである。
【０１０１】
利用者の歩行運動中において、まず判定部１０１３は、いずれの装着パーツ１１が立脚状態にあるかを判定する（ステップＳ１）。判定部１０１３における立脚状態の判定手段としては、上述したように二つの装着パーツ１１それぞれが備えるパーツ座標傾斜特定部１１０により検知される力ベクトルの大きさを比較する手法を用いる。
【０１０２】
一方、装着パーツ１１が有するパーツ座標傾斜特定部１１０は、自身にかかる力ベクトルを検出している（ステップＳ２）。ここで立脚状態にある装着パーツ１１は地表に固定されているという前提のもと、ここでパーツ座標傾斜特定部１１０が検出する力ベクトルは重力ベクトルＥｇとみなすことができる。
【０１０３】
そして本体座標傾斜取得部１００は、ステップＳ２において立脚状態にある装着パーツ１１が有するパーツ座標傾斜特定部１１０が検出した重力ベクトルＥｇを取得する。さらに本体座標傾斜取得部１００は、立脚側にある各アクチュエータ１３における関節角度θを取得する（ステップＳ３）。
【０１０４】
上述した通り、立脚状態にある装着パーツ１１における重力ベクトルＥｇと、立脚側にある各アクチュエータ１３における関節角度θを取得することができれば、本体座標系Σ０の世界座標系ΣＷに対する傾斜ＷΔ０を一義的に特定することができる。ここで、重力ベクトル演算部１０１０は、ステップＳ３において本体座標傾斜取得部１００が取得した
重力ベクトルＥｇ及び関節角度θに基づいて、本体座標系Σ０における重力ベクトル０ｇを算出する（ステップＳ４）。なお、重力ベクトル演算部１０１０は、具体的には式（６）、式（７）で示したような座標変換処理に基づいて重力ベクトル０ｇを算出することができる。
【０１０５】
次に、補償トルク演算部１０１１は、ステップＳ４において重力ベクトル演算部１０１０が算出した重力ベクトル０ｇに基づいて、自重補償トルクτｆを算出する（ステップＳ５）。補償トルク演算部１０１１は、具体的には、自重補償トルクτｆを図３に基づいて導出される式（４）及び式（５）に算出された重力ベクトル０ｇを代入して演算することで自重補償トルクτｆを算出することができる。
【０１０６】
最後に、出力指示部１０１２は遊脚状態（または中間状態）にある側の各アクチュエータ１３に対し、ステップＳ５において補償トルク演算部１０１１が算出した自重補償トルクτｆを出力するように指示する（ステップＳ６）。出力指示を受けた各アクチュエータ１３は出力指示部１０１２によりそれぞれに指示された自重補償トルクτｆを出力する。
【０１０７】
運動補助装置１は以上のような処理を繰り返し行うことで、利用者の歩行運動に即した自重補償トルクτｆを各アクチュエータに逐次働かせ、結果として、利用者にとって運動補助装置１自身の重力があたかも存在しないかのように振る舞うことができる。
【０１０８】
＜第二の実施形態＞
第二の実施形態による運動補助装置１の各種機能構成は、本体座標傾斜取得部１００を除き、第一の実施形態によるものと同等である。
本実施形態による本体座標傾斜取得部１００は、所定の傾斜センサであって、当該傾斜センサが検知する本体１０の傾斜角度θに基づいて、本体座標系Σ０の世界座標系ΣＷに対する傾きを取得することを特徴とする。以下、「本体座標傾斜取得部１００」を「傾斜センサ１００」として説明を続ける。
【０１０９】
傾斜センサ１００は例えば市販のサーボ型傾斜センサまたはＡＧＳセンサ（アングセンス傾斜センサ）である。この傾斜センサ１００は本体１０の本体座標系Σ０近くに設置される。この傾斜センサ１００が、本体座標系Σ０のＸ軸及びＹ軸回りの二軸の傾きを検知することで、直接的に本体座標系Σ０の世界座標系ΣＷに対する傾き（傾斜０ΔＷ）を取得することができる。
【０１１０】
本実施形態による運動補助装置１によれば、直接的に本体座標系Σ０の世界座標系ΣＷに対する傾きを取得することができるため、より高速かつ正確なフィードフォワードトルクをかけることができるようになる。
【０１１１】
なお、上述の運動補助装置１は、内部にコンピュータシステムを有している。そして、上述した運動補助装置１の各処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここで、コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｋ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）または半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
【符号の説明】
【０１１２】
１・・・運動補助装置
１０・・・本体
１００・・・本体座標傾斜取得部
１０１・・・駆動制御部
１０１０・・・重力ベクトル演算部
１０１１・・・補償トルク演算部
１０１２・・・出力指示部
１０１３・・・判定部
１１ａ、１１ｂ・・・装着パーツ
１１０・・・パーツ座標傾斜特定部
１１１・・・接触検知センサ
１２ａ、１２ｂ・・・リンク
１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２・・・アクチュエータ
【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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【図１０】
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