(57)【要約】【課題】動物に作用させる外力と動物の運動に伴って変動する運動変数との関係が目標とする関係となるように、この外力を制御し得る方法等を提供する。【解決手段】人間の脚体に生じる筋電位ｘの測定値に基づき、外力関数ｆ（ｘ）-に従ってその脚体に与えられる外力ｆの値が設定され、この設定値に応じてモータ２２０の電流Ｉが制御され、装具２２２を介して外力ｆが脚体に与えられる。また、合力（膝関節回りの内的トルク及び外的トルクの和）Ｆが「運動変数」として測定される。さらに外力ｆの設定値及び合力Ｆの測定値に基づき、因子関数γ（ｆ，Ｆ）に従って因子γの値が設定され、因子γの設定値とその目標値γｔとの偏差δの大きさが基準値ε以上である場合、因子γの設定値がその目標値γｔに近づくように外力関数ｆ（ｘ）があらたに設定される。【選択図】  図１
2006167223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筋繊維の活動に伴って運動する動物に取り付けられた装具を介して、該動物に作用させる外力を制御する方法であって、
動物の身体に生じる筋電位ｘを測定する筋電位測定ステップと、
筋電位ｘの測定値に基づき、筋電位ｘを変数とする外力関数ｆ（ｘ）に従って装具を介して動物に作用させる外力ｆの値を設定する外力設定ステップと、
装具を介して外力ｆが作用している状態で動物の運動に伴って変動する運動変数ｙを測定する運動変数測定ステップと、
外力ｆの設定値及び運動変数ｙの測定値に基づき、外力ｆ及び運動変数ｙを変数とする因子関数γ（ｆ，ｙ）に従って因子γの値を設定する因子設定ステップと、
因子γの設定値と、その目標値γｔとの偏差δの大きさが基準値ε未満であるか否かを判定する判定ステップと、
判定ステップにおいて該偏差δの大きさが該基準値ε以上であると判定された場合、因子γの設定値がその目標値γｔに近づくように外力関数ｆ（ｘ）をあらたに設定する外力関数設定ステップとを備えていることを特徴とする外力制御方法。
【請求項２】
外力関数設定ステップが、筋電位ｘと外力ｆとの関係を表す係数αの値を設定するとともに、係数αの設定値に基づき、筋電位ｘ及び係数αを変数とする基礎関数Ｆ（ｘ，α）に従って外力関数ｆ（ｘ）を設定するステップであることを特徴とする請求項１記載の外力制御方法。
【請求項３】
外力関数設定ステップが、運動変数ｙの測定値及び因子γの目標値γｔに基づき、因子関数γ（ｆ，ｙ）に従って外力目標値ｆｔを求めるとともに、外力ｆが外力目標値ｆｔに近づくように外力関数ｆ（ｘ）を設定するステップであることを特徴とする請求項１記載の外力制御方法。
【請求項４】
外力関数設定ステップが、外力ｆの最高測定値が、外力目標値ｆｔの最高値に近づくように外力関数ｆ（ｘ）を設定するステップであることを特徴とする請求項３記載の外力制御方法。
【請求項５】
最初の外力設定ステップの後、判定ステップが省略されて外力関数設定ステップが実行されることを特徴とする請求項１記載の外力制御方法。
【請求項６】
運動変数測定ステップが、動物の内力及び外力の合力を運動変数ｙとして測定するステップであり、
因子設定ステップが、動物の内力及び外力の合力に対する外力ｆの比を因子γ（０≦γ＜１）として設定するステップであることを特徴とする請求項１記載の外力制御方法。
【請求項７】
運動変数測定ステップが、動物の運動に伴って変動する基礎運動変数を測定するとともに、基礎運動変数の測定値に基づき、該動物の挙動を表す逆動力学モデルに従って前記運動変数を測定するステップであることを特徴とする請求項１記載の外力制御方法。
【請求項８】
動物の運動に伴って変動する基礎運動変数を測定した上で基礎運動変数の測定値に基づき、基礎運動変数と動物の運動状態との所定の対応関係に従って動物の運動状態を判定する運動状態判定ステップを備え、
運動変数測定ステップが、運動状態判定ステップにおいて判定された運動状態に基づき、動物の運動状態と運動変数との所定の対応関係に従って運動変数ｙを測定するステップであることを特徴とする請求項１記載の外力制御方法。
【請求項９】
外力ｆを測定するステップを備え、
因子設定ステップが、外力ｆの設定値に代えて外力ｆの測定値と、運動変数ｙの測定値とに基づき、外力ｆ及び運動変数ｙを変数とする因子関数γ（ｆ，ｙ）に従って因子γの値を設定するステップであることを特徴とする請求項１記載の外力制御方法。
【請求項１０】
動物の運動に伴って変動する基礎運動変数を測定した上で基礎運動変数の測定値に基づき、基礎運動変数と動物の運動状態との所定の対応関係に従って動物の運動状態を判定する運動状態判定ステップを備え、
外力関数設定ステップが、運動状態判定ステップにおいて判定された運動状態のそれぞれに応じた外力関数ｆ（ｘ）をあらたに設定するステップであることを特徴とする請求項１記載の外力制御方法。
【請求項１１】
判定ステップが、運動状態判定ステップにおいて判定された運動状態に従って、運動状態ごとに設定されている因子目標値γｔに基づき、前記偏差δの大きさが前記基準値ε未満であるか否かを判定するステップであり、
外力関数設定ステップが、運動状態判定ステップにおいて判定された運動状態に従って、運動状態ごとに設定されている因子目標値γｔに基づき、外力関数ｆ（ｘ）を新たに設定するステップであることを特徴とする請求項１０記載の外力制御方法。
【請求項１２】
判定ステップが、前記偏差δの正負の別に応じて異なる閾値εによって、該偏差δの大きさが閾値ε未満であるか否かを判定するステップであることを特徴とする請求項１記載の外力制御方法。
【請求項１３】
筋繊維の活動に伴って運動する動物に取り付けられた装具を介して、該動物に作用させる外力を制御するシステムであって、
動物の身体に生じる筋電位ｘを測定する筋電位測定手段と、
筋電位測定手段による筋電位ｘの測定値に基づき、筋電位ｘを変数とする外力関数ｆ（ｘ）に従って装具を介して動物に作用させる外力ｆの値を設定する外力設定手段と、
装具を介して外力が作用している状態で動物の運動に伴って変動する運動変数ｙを測定する運動変数測定手段と、
外力設定手段による外力ｆの設定値及び運動変数測定手段による運動変数ｙの測定値に基づき、外力ｆ及び運動変数ｙを変数とする因子関数γ（ｆ，ｙ）に従って因子γの値を設定する因子設定手段と、
因子設定手段による因子γの設定値と、その目標値γｔとの偏差δの大きさが基準値ε未満であるか否かを判定する判定手段と、
判定手段により該偏差δの大きさが該基準値ε以上であると判定された場合、因子γの設定値がその目標値γｔに近づくように、外力関数ｆ（ｘ）をあらたに設定する外力関数設定手段とを備えていることを特徴とする外力制御システム。
【請求項１４】
筋繊維の活動に伴って運動する動物に取り付けられた装具を介して、該動物に作用させる外力を制御する機能をコンピュータに付与するプログラムであって、
動物の身体に生じる筋電位ｘを測定する筋電位測定機能と、
筋電位ｘの測定値に基づき、筋電位ｘを変数とする外力関数ｆ（ｘ）に従って装具を介した動物に作用させる外力ｆの値を設定する外力設定機能と、
装具を介して外力が作用している状態で動物の運動に伴って変動する運動変数ｙを測定する運動変数測定機能と、
外力ｆの設定値及び運動変数ｙの測定値に基づき、外力ｆ及び運動変数ｙを変数とする因子関数γ（ｆ，ｙ）に従って因子γの値を設定する因子設定機能と、
因子γの設定値と、その目標値γｔとの偏差δの大きさが基準値ε未満であるか否かを判定する判定機能と、
判定機能により該偏差δの大きさが該基準値ε以上であると判定された場合、因子γの設定値がその目標値γｔに近づくように外力関数ｆ（ｘ）をあらたに設定する外力関数設定機能とをコンピュータに付与することを特徴とする外力制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筋繊維の活動に伴って運動する動物に取り付けられた装具を介して、該動物に作用させる外力を制御する方法、システム、及び当該制御機能をコンピュータに付与するプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
歩行補助等の目的で人間に与えられる外力は、リハビリの進行状況等に応じて、その人間の随意により生じる内力との関係で適切なものに制御されることが好ましい。そこで、人間の身体に生じる筋電信号に基づいて関節トルクを測定し、この関節トルクに応じた適切な大きさのトルク（外力）をその人間に作用させることが考えられる。
【０００３】
従来、足裏のつま先やかかと等に配置された圧力センサ等の出力から脚部の筋力を推測し、この筋力がある基準値よりも大きい場合、脚部の筋肉の負担軽減のため、脚部に取り付けられた機器を介して脚部に補助力を与える技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、人間の身体に生じる筋電信号を測定し、この筋電信号に基づいて当該動物の関節のトルク等を測定する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−１０５２６１号公報  ０００６〜００１２段落、図１〜図４
【特許文献２】特開２００１−２８６４５１号公報  ００３８〜００６２段落
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記先行技術が単に採用されただけでは、筋肉の疲労度の変化や、発汗等による電極と身体との接触状態の変化等があった場合、同一の人間であっても筋電信号と関節トルクとの関係が変化し、筋電信号に基づいてこの人間に与えられる力が所望のものとはならないことが予測される。
【０００５】
そこで、本発明は、動物に作用させる外力と動物の運動に伴って変動する運動変数との関係が目標とする関係となるように、この外力を制御し得る方法、システム及びその制御機能をコンピュータに付与するプログラム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】
前記課題を解決するための本発明の外力制御方法は、筋繊維の活動に伴って運動する動物に取り付けられた装具を介して、該動物に作用させる外力を制御する方法であって、動物の身体に生じる筋電位ｘを測定する筋電位測定ステップと、筋電位ｘの測定値に基づき、筋電位ｘを変数とする外力関数ｆ（ｘ）に従って装具を介した動物への外力ｆの値を設定する外力設定ステップと、装具を介して外力が作用している状態で動物の運動に伴って変動する運動変数ｙを測定する運動変数測定ステップと、外力ｆの設定値及び運動変数ｙの測定値に基づき、外力ｆ及び運動変数ｙを変数とする因子関数γ（ｆ，ｙ）に従って因子γの値を設定する因子設定ステップと、因子γの設定値と、その目標値γｔとの偏差δの大きさが基準値ε未満であるか否かを判定する判定ステップと、判定ステップにおいて該偏差δの大きさが該基準値ε以上であると判定された場合、因子γの設定値がその目標値γｔに近づくように外力関数ｆ（ｘ）をあらたに設定する外力関数設定ステップとを備えていることを特徴とする。
【０００７】
本発明の外力制御方法によれば、筋電位ｘの測定値に基づき、外力関数ｆ（ｘ）に従って外力ｆの値が設定され、外力ｆの設定値に応じて装具を介して動物に作用させる外力が制御される。また、装具を介して外力が作用している状態で動物の運動に伴い変動する運動変数ｙが測定され、外力ｆの設定値及び運動変数ｙの測定値に基づき、因子関数γ（ｆ，ｙ）に従って因子γの値が設定される。さらに因子γの設定値と、その目標値γｔとの偏差δの大きさが基準値ε未満であるか否かが判定され、偏差δの大きさが基準値ε以上であると判定された場合、因子γの設定値がその目標値γｔに近づくように外力関数ｆ（ｘ）があらたに設定される。偏差δには、ある時刻における偏差、複数時点又は連続時間にわたる平均偏差又は累積偏差等が含まれる。これにより、因子γの値がその目標値γｔに近づくように、外力ｆが制御される。
【０００８】
外力ｆ及び運動変数ｙを変数とする因子関数γ（ｆ，ｙ）に従って設定される因子γは外力ｆ及び運動変数ｙの関係がどのようなものであるかを表している。また、因子γの目標値γｔは外力ｆ及び運動変数ｙの目標となる関係がどのようなものであるかを表している。
【０００９】
従って、本発明の外力制御方法によれば、動物の筋電位測定状態の変化等が生じても、外力ｆと運動変数ｙとの関係が、因子目標値γｔにより定まる目標関係（γｔ＝γ（ｆ，ｙ））に近づくように、外力ｆが筋電位ｘに基づいて制御され得る。
【００１０】
なお、筋電位ｘは一の筋電位及び複数の筋電位の組｛ｘｉ｜ｉ＝１，２，・・｝のいずれであってもよい。また、外力ｆは一の外力及び複数の外力の組｛ｆｉ｜ｉ＝１，２，・・｝のいずれであってもよい。さらに運動変数ｙは一の運動変数及び複数の運動変数の組｛ｙｉ｜ｉ＝１，２，・・｝のいずれであってもよい。また、因子γは一の因子及び複数の因子の組｛γｉ｜ｉ＝１，２，・・｝のいずれであってもよい。
【００１１】
また、本発明の外力制御方法は、外力関数設定ステップが、筋電位ｘと外力ｆとの関係を表す係数αの値を設定するとともに、係数αの設定値に基づき、筋電位ｘ及び係数αを変数とする基礎関数Ｆ（ｘ，α）に従って外力関数ｆ（ｘ）を設定するステップであることを特徴とする。
【００１２】
本発明の外力制御方法によれば、因子γの設定値と、その目標値γｔとの偏差δの大きさが基準値ε以上となった場合、筋電位ｘ及び外力ｆの関係を表す係数αの値が新たに設定される。また、係数αの新たな設定値に基づき、基礎関数Ｆ（ｘ，α）に従って外力関数ｆ（ｘ）が新たに設定される。そして、筋電位ｘの測定値に基づき、新たな外力関数ｆ（ｘ）に従って動物に作用させる外力ｆが設定される。これにより、動物の筋電位測定状態の変化等が生じても、筋電位ｘと外力ｆとの最新の関係に基づき、外力ｆと運動変数ｙとの関係が目標関係に近づくように、外力ｆが筋電位ｘの測定値に基づいて制御され得る。なお、係数αは一の係数及び複数の係数の組｛αｉ｜ｉ＝１，２，・・｝のいずれであってもよい。
【００１３】
さらに本発明の外力制御方法は、外力関数設定ステップが、運動変数ｙの測定値及び因子γの目標値γｔに基づき、因子関数γ（ｆ，ｙ）に従って外力目標値ｆｔを求めるとともに、外力ｆが外力目標値ｆｔに近づくように外力関数ｆ（ｘ）を設定するステップであることを特徴とする。
【００１４】
本発明の外力制御方法によれば、動物の筋電位測定状態の変化等が生じても、筋電位ｘに基づいて設定され動物に作用させる外力ｆが、因子γの目標値γｔにより定まる目標関係（γｔ＝γ（ｆ，ｙ））に応じた目標値ｆｔに近づくように制御され得る。
【００１５】
また、本発明の外力制御方法は、外力関数設定ステップが、外力ｆの最高測定値が、外力目標値ｆｔの最高値に近づくように外力関数ｆ（ｘ）を設定するステップであることを特徴とする。
【００１６】
本発明の外力制御方法によれば、外力ｆの最高測定値が、その目標値ｆｔの最高値に近づくように、動物に作用する外力ｆが制御され得る。なお、外力ｆの測定値及び目標値ｆｔの「最高値」には、それぞれ一定の時間帯における最高値のほか、外力ｆの測定値及び目標値ｆｔが周期変化する場合、各周期における外力ｆの測定値及び目標値ｆｔの最高値が含まれる。
【００１７】
さらに本発明の外力制御方法は、最初の外力設定ステップの後、判定ステップが省略されて外力関数設定ステップが実行されることを特徴とする。
【００１８】
本発明の外力制御方法によれば、最初の外力関数ｆ（ｘ）には、外力ｆ及び運動変数ｙの現実の関係がまだ反映されていないため、外力ｆの最初の設定値が、外力ｆ及び運動変数ｙの目標関係から離れたものとなる蓋然性が高いことに鑑み、前記判定を経ずに外力関数ｆ（ｘ）が新たに設定される。これにより、外力ｆ及び運動変数ｙの関係が当該目標関係に迅速に近づくように、外力ｆが制御され得る。
【００１９】
また、本発明の外力制御方法は、運動変数測定ステップが、動物の内力及び外力の合力を運動変数ｙとして測定するステップであり、因子設定ステップが、動物の内力及び外力の合力に対する外力ｆの比を因子γ（０≦γ＜１）として設定することを特徴とする。
【００２０】
さらに本発明の外力制御方法は、運動変数測定ステップが、動物の運動に伴って変動する基礎運動変数を測定するとともに、基礎運動変数の測定値に基づき、該動物の挙動を表す逆動力学モデルに従って前記運動変数を測定するステップであることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の外力制御方法は、動物の運動に伴って変動する基礎運動変数を測定した上で基礎運動変数の測定値に基づき、基礎運動変数と動物の運動状態との所定の対応関係に従って動物の運動状態を判定する運動状態判定ステップを備え、運動変数測定ステップが、運動状態判定ステップにおいて判定された運動状態に基づき、動物の運動状態と運動変数との所定の対応関係に従って運動変数ｙを測定するステップであることを特徴とする。
【００２２】
さらに本発明の外力制御方法は、外力ｆを測定するステップを備え、因子設定ステップが、外力ｆの設定値に代えて外力ｆの測定値と、運動変数ｙの測定値とに基づき、外力ｆ及び運動変数ｙを変数とする因子関数γ（ｆ，ｙ）に従って因子γの値を設定するステップであることを特徴とする。
【００２３】
本発明の外力制御方法によれば、外力ｆの測定値に基づいて因子γが設定されるので、外力ｆの測定値に生じうる外力ｆの設定値との偏差の影響を解消して動物に作用する外力ｆが制御され得る。
【００２４】
また、本発明の外力制御方法は、動物の運動に伴って変動する基礎運動変数を測定した上で基礎運動変数の測定値に基づき、基礎運動変数と動物の運動状態との所定の対応関係に従って動物の運動状態を判定する運動状態判定ステップを備え、外力関数設定ステップが、運動状態判定ステップにおいて判定された運動状態のそれぞれに応じた外力関数ｆ（ｘ）をあらたに設定するステップであることを特徴とする。
【００２５】
さらに本発明の外力制御方法は、判定ステップが、運動状態判定ステップにおいて判定された運動状態に従って、運動状態ごとに設定されている因子目標値γｔに基づき、前記偏差δの大きさが前記基準値ε未満であるか否かを判定するステップであり、外力関数設定ステップが、運動状態判定ステップにおいて判定された運動状態に従って、運動状態ごとに設定されている因子目標値γｔに基づき外力関数ｆ（ｘ）を新たに設定するステップであることを特徴とする。
【００２６】
本発明の外力制御方法によれば、動物の運動状態に鑑みて、外力設定ステップにおいて設定され、動物の身体に作用する外力ｆを適切なものとすることができる。
【００２７】
また、本発明の外力制御方法は、判定ステップが、前記偏差δの正負の別に応じて異なる閾値εによって、該偏差δの大きさが閾値ε未満であるか否かを判定するステップであることを特徴とする。
【００２８】
本発明の外力制御方法によれば、因子γの設定値とその目標値γｔとの偏差δの正負に応じて、外力ｆを受けている動物の運動の不安定の程度が異なるような場合、この相違に鑑みて動物の運動が安定になるように外力ｆが制御され得る。
【００２９】
前記課題を解決するための本発明の外力制御システムは、筋繊維の活動に伴って運動する動物に取り付けられた装具を介して、該動物に作用させる外力を制御するシステムであって、動物の身体に生じる筋電位ｘを測定する筋電位測定手段と、筋電位測定手段による筋電位ｘの測定値に基づき、筋電位ｘを変数とする外力関数ｆ（ｘ）に従って装具を介した動物への外力ｆの値を設定する外力設定手段と、装具を介して外力が作用している状態で動物の運動に伴って変動する運動変数ｙを測定する運動変数測定手段と、外力設定手段による外力ｆの設定値及び運動変数測定手段による運動変数ｙの測定値に基づき、外力ｆ及び運動変数ｙを変数とする因子関数γ（ｆ，ｙ）に従って因子γの値を設定する因子設定手段と、因子設定手段による因子γの設定値と、その目標値γｔとの偏差δの大きさが基準値ε未満であるか否かを判定する判定手段と、判定手段により該偏差δの大きさが該基準値ε以上であると判定された場合、因子γの設定値がその目標値γｔに近づくように外力関数ｆ（ｘ）をあらたに設定する外力関数設定手段とを備えていることを特徴とする。
【００３０】
本発明の外力制御システムによれば、動物の筋電位測定状態の変化等が生じても、外力ｆと運動変数ｙとの関係が、因子目標値γｔにより定まる目標関係（γｔ＝γ（ｆ，ｙ））に近づくように、外力ｆが筋電位ｘに基づいて制御され得る。
【００３１】
前記課題を解決するための本発明の外力制御プログラムは、筋繊維の活動に伴って運動する動物に取り付けられた装具を介して、該動物に作用させる外力を制御する機能をコンピュータに付与するプログラムであって、動物の身体に生じる筋電位ｘを測定する筋電位測定機能と、筋電位ｘの測定値に基づき、筋電位ｘを変数とする外力関数ｆ（ｘ）に従って装具を介した動物への外力ｆの値を設定する外力設定機能と、装具を介して外力が作用している状態で動物の運動に伴って変動する運動変数ｙを測定する運動変数測定機能と、外力ｆの設定値及び運動変数ｙの測定値に基づき、外力ｆ及び運動変数ｙを変数とする因子関数γ（ｆ，ｙ）に従って因子γの値を設定する因子設定機能と、因子γの設定値と、その目標値γｔとの偏差δの大きさが基準値ε未満であるか否かを判定する判定機能と、判定機能により該偏差δの大きさが該基準値ε以上であると判定された場合、因子γの設定値がその目標値γｔに近づくように外力関数ｆ（ｘ）をあらたに設定する外力関数設定機能とをコンピュータに付与することを特徴とする。
【００３２】
本発明の外力制御プログラムによれば、動物の筋電位測定状態の変化等が生じても、外力ｆと運動変数ｙとの関係が因子目標値γｔにより定まる目標関係（γｔ＝γ（ｆ，ｙ））に近づくように、筋電位ｘに基づいて外力ｆを制御する機能をコンピュータに付与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の外力制御方法、外力制御システム及び外力制御プログラムの実施形態について図面を用いて説明する。
【００３４】
図１は本発明の一実施形態における外力制御システムの構成説明図であり、図２は筋電位の測定方法説明図であり、図３は本発明の一実施形態における外力制御方法の説明図であり、図４は本発明の一実施形態における外力制御方法の実験結果の説明図である。
【００３５】
本発明の一実施形態における外力制御システムの構成について図１及び図２を用いて説明する。
【００３６】
図１に示されている外力制御システム１００は、人間（動物）の左右の膝部に配置されたモータ（原動機）２２０から、左右の大腿部及び下腿部にそれぞれ装着された装具２２２を介して左右脚体に与えられる膝関節回りの外的トルク（外力）を制御するものである。モータ２２０は、腰部に取り付けられるケース２０２に収納されたバッテリ２００を電源として作動する。
【００３７】
また、外力制御システム１００は、筋電位測定ユニット１１０と、合力測定ユニット（運動変数測定手段）１２０と、因子設定ユニット１３０と、判定ユニット１４０と、外力関数設定ユニット１５０と、外力設定ユニット１６０と、モータ電流制御ユニット１７０とを備えている。各ユニットは、ハードウェアとしてのＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータ１０と、ソフトウェアとしてメモリに格納されている本発明の「外力制御プログラム」とにより構成されている。マイクロコンピュータ１０は、バッテリ２００を電源として作動し、ケース２０２の内部に収納されている。
【００３８】
筋電位測定ユニット１１０は、図２（ａ）に示されているように人体表面のうち内側広筋、外側広筋及び大腿直筋（伸筋）の部位にそれぞれ取り付けられた伸筋側表面電極１１１と、図２（ｂ）に示されているように人体表面のうち半腱様筋及び大腿二頭筋（屈筋）の部位にそれぞれ取り付けられた屈筋側表面電極１１２とを通じて筋電位ｘを測定する。
【００３９】
合力測定ユニット１２０は、人間の胸部の傾斜角速度に応じた信号を出力する胸部ジャイロセンサ１２１と、胸部の前後方向の加速度に応じた信号を出力する胸部前後加速度センサ１２２と、腰部の傾斜角速度に応じた信号を出力する腰部ジャイロセンサ１２３と、腰部の前後方向の加速度に応じた信号を出力する腰部前後加速度センサ１２４と、腰部の上下方向の加速度に応じた信号を出力する腰部上下加速度センサ１２５と、股関節の屈曲角度に応じた信号を出力する股関節角度センサ１２６と、膝関節の屈曲角度に応じた信号を出力する膝関節角度センサ１２７とを備えている。合力測定ユニット１２０は、各センサ１２１〜１２７の出力、ひいては人間の胸部の傾斜角速度等の「基礎運動変数」の測定値に基づき、人間の挙動を表す逆動力学モデルを用いて、人間の随意により脚体に生じる膝関節回りの内的トルク（内力）と、膝部分に設けられたモータ２２０により脚体に与えられる膝関節回りの外的トルク（外力）との和である合力Ｆを「運動変数」として測定する。モータ２２０の動力は、モータ２２０に連結されて膝部から上方及び下方にそれぞれ延設された剛性部材２２４と、この剛性部材２２４に連結され大腿部及び下腿部にそれぞれ装着されたサポータ（装具）２２２と、膝部から下方に延設された剛性部材２２４に連結された靴２２６とを介して脚体に与えられる。逆動力学モデルはマイクロコンピュータ１０のメモリにより記憶保持されている。
【００４０】
なお、図５に示されているように、センサ１２１〜１２５が省略され、靴２２６の底部に、足底に作用する床反力に応じた信号を出力する床反力センサ１２８が設けられ、股関節角度センサ１２６、膝関節角度センサ１２７及び床反力センサ１２８の出力に基づき、逆動力学モデルに従って合力Ｆが測定されてもよい。
【００４１】
因子設定ユニット１３０は、外力設定ユニット１６０による外力ｆの設定値及び合力測定ユニット１２０による合力Ｆの測定値に基づき、外力ｆ及び合力（運動変数）Ｆを変数とする因子関数γ（ｆ，Ｆ）に従って因子γを設定する。
【００４２】
判定ユニット１４０は、因子γの測定値と、その目標値γｔとの偏差δの大きさが、閾値ε（＞０）未満であるか否かを判定する。因子γの目標値γｔはマイクロコンピュータ１０のメモリにより記憶保持されている。また、因子γの目標値γｔはケース２０２に設けられているボタン（図示略）を通じて、人間（ユーザ）の意思に応じて調節され得る。
【００４３】
外力関数設定ユニット１５０は、合力Ｆの測定値及び因子目標値γｔの積として外力目標値ｆｔを設定するとともに、外力ｆの設定値と外力目標値ｆｔとが一致するように筋電位ｘ及び外力ｆの関係を表す係数αを設定する。また、外力関数設定ユニット１５０は、因子設定ユニット１３０による因子γの設定値及び係数αの設定値に基づき、基礎関数Ｆ（ｘ，α，γ）に従って筋電位ｘの関数である外力関数ｆ（ｘ）を設定する。
【００４４】
外力設定ユニット１６０は、筋電位測定ユニット１１０による筋電位ｘの測定値に基づき、外力関数設定ユニット１５０により設定された最新の外力関数ｆ（ｘ）に従って外力ｆを設定する。
【００４５】
モータ電流制御ユニット１７０は、外力設定ユニット１６０による外力ｆの設定値に応じて、バッテリ２００からモータ２２０への供給電流を制御することで、モータ２２０から装具２２２を介して脚体に与えられる外力ｆを制御する。
【００４６】
前記構成の外力制御システム１００により実施される外力制御方法について図３及び図４を用いて説明する。
【００４７】
まず、ケース２０２に設けられているＯＮ／ＯＦＦスイッチ（図示略）がＯＦＦからＯＮに切り替えられると制御が開始され、外力関数ｆ（ｘ）の設定回数ｎが「０」にリセットされるとともに（Ｓ１）、タイマ（図示略）の計測時間ｔが「０」にリセットされる（Ｓ２）。
【００４８】
また、筋電位測定ユニット１１０が伸筋側表面電極１１１及び屈筋側表面電極１１２のそれぞれを通じて、筋繊維の活動により生じ人間の歩行運動等に伴い変動する筋電位ｘの値を測定する（Ｓ３）。筋電位ｘには、伸筋側表面電極１１１を通じて測定される伸筋電位ｘｉ＋（ｉ＝１（内側広筋），２（外側広筋），３（大腿直筋））と、屈筋側表面電極１１２を通じて測定される屈筋電位ｘｊ−（ｊ＝１（半腱様筋），２（大腿二頭筋））とが含まれる。筋電位測定ユニット１１０による伸筋電位ｘｉ＋及び屈筋電位ｘｊ−の測定値は、伸筋側表面電極１１１及び屈筋側表面電極１１２により検出された筋電信号が、フィルタ、増幅器を経た上でＡ／Ｄ変換され、絶対値化された後、ローパスフィルタに通されたものである。
【００４９】
また、外力設定ユニット１６０が、筋電位ｘ＝（ｘ１＋，ｘ２＋，ｘ３＋，ｘ１−，ｘ２−）の測定値に基づき、筋電位ｘを変数とする外力関数ｆ（ｘ）に従って外力ｆを設定する（Ｓ４）。最初の外力関数ｆ（ｘ）は、経験則等に基づいて予め次式（１）のように設定され、マイクロコンピュータ１０のメモリにより記憶保持されているものである。
【００５０】
ｆ（ｘ）＝ｈ（ｘ，α）γｔ
≡（Σｉαｉ＋ｘｉ＋ＭＡｉ＋＋Σｊαｊ−ｘｊ−ＭＡｊ−）γｔ  ・・（１）
式（１）において係数α＝（α１＋，α２＋，α３＋，α１−，α２−）は筋電位ｘ及び外力ｆの関係を表すものである。また、係数αｉ＋，αｊ−は正負が逆の係数であり、その比は例えばαｉ＋：αｊ−＝１：−１／３と設定されている。ＭＡｉ＋は伸筋のモーメントアーム、すなわち、関節の回転中心と伸筋の骨への付着位置との距離であり当該関節の屈曲角度に応じて変動する。同様に、ＭＡｊ−は屈筋のモーメントアーム、すなわち、関節の回転中心と屈筋の骨への付着位置との距離であり、当該関節の屈曲角度に応じて変動する。伸筋のモーメントアームＭＡｉ＋及び屈筋のモーメントアームＭＡｊ−は同等であると仮定されてもよい。
【００５１】
さらにモータ電流制御ユニット１７０が、外力設定ユニット１６０による外力ｆの設定値に応じて、モータ２２０の電流Ｉを制御する（Ｓ５）。これにより、モータ２２０の動力が装具２２２を介して伝達され、人間の脚体に当該設定値に一致する外力（膝関節回りの外的トルク）ｆが与えられる。
【００５２】
また、合力測定ユニット１２０が、センサ１２１〜１２７による基礎運動変数、すなわち胸部の傾斜角度及び前後方向の加速度と、腰部の傾斜角度、前後方向の加速度及び上下方向の加速度と、股関節角度と、膝関節角度との測定値に基づき、人間の挙動を表す逆動力学モデルを用いて合力Ｆ、すなわち膝関節回りの内的トルク及び外的トルクの和を測定する（Ｓ６）。逆動力学モデルを用いた合力Ｆの測定方法は、特開２００３−８９０８３号公報等に開示されているものが採用されれば足りるので、本願明細書ではその詳細については説明を省略する。合力Ｆは、膝関節の伸展方向、すなわち、下腿部を前方に向かわせる方向を正として定義される。
【００５３】
また、因子設定ユニット１３０がタイマの計測時間ｔが所定時間ｔｎ以上になったか否かを判定する。所定時間ｔｎは、ｔ０がｔｉ（ｉ≠０）より長いとか、ｔ０がｔｉ（ｉ≠０）より短いとかいうように外力関数ｆ（ｘ）の設定回数ｎに応じて相違してもよく、当該回数ｎとは無関係に同一であってもよい。この時間ｔが所定時間ｔｎ未満であると判定された場合（Ｓ７・・ＮＯ）、筋電位ｘの測定（Ｓ３）、外力ｆの設定（Ｓ４）、モータ電流の制御（Ｓ５）及び合力Ｆの測定（Ｓ６）が繰り返し実行される。一方、この時間ｔが所定時間ｔｎに至ったと判定された場合（Ｓ７・・ＹＥＳ）、因子設定ユニット１３０が外力ｆの設定値（Ｓ４参照）及び合力Ｆの測定値（Ｓ６参照）に基づき、次式（２）で表される因子関数γ（ｆ，Ｆ）に従って因子γを設定する（Ｓ８）。
【００５４】
γ（ｆ，Ｆ）＝ｆ／Ｆ  ・・（２）
式（２）に従って設定される因子γは、合力Ｆを生じさせる際に人間の脚体に与えられる外力ｆを定めるものであり、外力ｆにより動作が補助（アシスト）されることから「アシスト比」と呼ばれ得るものである。
【００５５】
さらに判定ユニット１４０が外力関数ｆ（ｘ）の累積設定回数ｎが０であるか否かを判定する（Ｓ９）。この回数ｎが０であると判定された場合（Ｓ９・・ＹＥＳ）、外力関数設定ユニット１５０が、外力目標値ｆｔを設定し（Ｓ１１）、筋電位ｘ及び外力ｆの関係を表す係数αを設定し（Ｓ１２）、外力関数ｆ（ｘ）を設定する（Ｓ１３）。
【００５６】
一方、この回数ｎが０ではないと判定された場合（Ｓ９・・ＮＯ）、判定ユニット１４０が因子γの設定値とその目標値γｔとの偏差δの大きさが閾値ε（＞０）以上であるか否かを判定し（Ｓ１０（判定ステップ））、偏差δの大きさが閾値ε以上であると判定された場合（Ｓ１０・・ＹＥＳ）、外力関数設定ユニット１５０が、外力目標値ｆｔを設定し（Ｓ１１）、筋電位ｘ及び外力ｆの関係を表す係数αを設定し（Ｓ１２）、外力関数ｆ（ｘ）を設定する（Ｓ１３）。偏差δには、一の時点における偏差、複数時点又は連続時間にわたる平均偏差又は累積偏差等が含まれ得る。
【００５７】
具体的には、外力関数設定ユニット１５０は合力（運動変数）Ｆの測定値Ｆ及び因子目標値γｔの積として外力目標値ｆｔを設定する（Ｓ１１）。また、外力関数設定ユニット１５０は外力ｆの最高設定値（Ｓ４参照）が外力目標値ｆｔ（Ｓ１１参照）の最高値ｆｔｍａｘに一致するように、すなわち外力ｆの設定値が最高となるときの筋電位ｘの測定値、及び因子γの測定値を用い、次式（３）で表される等式が成立するように係数α＝（α１＋，α２＋，α３＋，α１−，α２−）を設定する（Ｓ１２）。
【００５８】
ｆｔｍａｘ
＝（Σｉαｉ＋ｘｉ＋ＭＡｉ＋＋Σｊαｊ−ｘｊ−ＭＡｊ−）γｔ／（１−γ）  ・・（３）
そして、外力関数設定ユニット１５０は係数αの設定値と、因子γの測定値とに基づき、次式（４）で表される基礎関数Ｆ（ｘ，α，γ）に従って、外力関数ｆ（ｘ）を設定する（Ｓ１３）。
【００５９】
Ｆ（ｘ，α，γ）
＝ｈ（ｘ，α）γｔ／（１−γ）
≡（Σｉαｉ＋ｘｉ＋ＭＡｉ＋＋Σｊαｊ−ｘｊ−ＭＡｊ−）γｔ／（１−γ）・・（４）
外力関数ｆ（ｘ）の設定後、その設定回数ｎが１つ増加され（Ｓ１４）、前記ＯＮ／ＯＦＦスイッチ（図示略）がＯＮからＯＦＦに切り替えられていない場合（Ｓ１５・・ＮＯ）、タイマの計測時間ｔが０にリセットされ（Ｓ２）、筋電位ｘの測定（Ｓ３）以降の処理が繰り返し実行される。
【００６０】
図４に示されている前記外力制御方法の実験結果によれば、制御開始直後における外力ｆの設定値（破線）が、外力関数ｆ（ｘ）の設定（Ｓ１２）によって、外力目標値ｆｔ（実線）に徐々に近づいていくことが確認された。
【００６１】
前記外力制御方法を実施する外力制御システム１００によれば、前記偏差δの大きさが基準値ε以上であると判定された場合（Ｓ１０・・ＹＥＳ）、外力ｆの設定値（Ｓ４参照）が外力目標値ｆｔ（Ｓ１１参照）に一致するように外力関数ｆ（ｘ）が設定される（Ｓ１３）。また、外力関数ｆ（ｘ）は、外力ｆ及び合力Ｆの関係を表す因子γの設定値（Ｓ８参照）と、筋電位ｘ及び外力ｆの関係を表す係数αの設定値（Ｓ１２参照）とに基づき、基礎関数Ｆ（ｘ，α，γ）（式（４）参照）に従って設定される。これにより、表面電極１１１及び１１２と脚体との接触状態等に変化が生じた場合でも、筋電位ｘ、外力ｆ及び合力Ｆの最新の関係に基づき、外力ｆと合力Ｆとの関係が因子目標値γｔにより定まる目標関係（γｔ＝γ（ｆ，Ｆ）＝ｆ／Ｆ）に一致するように、外力ｆが筋電位ｘに基づいて制御され得る。
【００６２】
また、最初の外力関数ｆ（ｘ）には、外力ｆ及び合力Ｆの現実の関係がまだ反映されていないため、外力ｆの最初の設定値が、外力ｆ及び合力Ｆの目標関係から離れたものとなる蓋然性が高いことに鑑み、外力関数ｆ（ｘ）の設定回数ｎが「０」のとき、判定ステップ（Ｓ１０）が省略されて外力関数ｆ（ｘ）が設定される。これにより、外力ｆ及び合力Ｆの関係が当該目標関係に迅速に近づくように、外力ｆが制御され得る。
【００６３】
なお、前記実施形態では外力制御の対象となる動物が人間であったが、他の実施形態として当該動物がサル、キリン等の哺乳類や魚類等、筋繊維の活動に伴って運動するあらゆる動物であってもよい。
【００６４】
また、前記実施形態では複数（３つ）の伸筋電位ｘｉ＋及び複数（２つ）の屈筋電位ｘｊ−が測定されたが、他の実施形態として一の伸筋電位ｘ＋及び一の屈筋電位ｘ−が測定されてもよく、複数の伸筋電位ｘｉ＋及び一の屈筋電位ｘ−が測定されてもよく、一の伸筋電位ｘ＋及び複数の屈筋電位ｘｊ−が測定されてもよい。また、これら３つの他の実施形態のそれぞれにおいて式（１）及び（４）に含まれる関数ｈ（ｘ，α）が次式（５）〜（７）により定義されてもよい。
【００６５】
ｈ（ｘ，α）≡α＋ｘ＋ＭＡ＋＋α−ｘ−ＭＡ−  ・・（５）
ｈ（ｘ，α）≡Σｉαｉ＋ｘｉ＋ＭＡｉ＋＋α−ｘ−ＭＡ−  ・・（６）
ｈ（ｘ，α）≡α＋ｘ＋ＭＡ＋＋Σｊαｊ−ｘｊ−ＭＡｊ−  ・・（７）
さらに前記実施形態では合力測定ユニット１２０が膝関節角度センサ１２７等の出力、ひいては膝関節角度、角速度等の「基礎運動変数」に基づいて運動変数としての合力Ｆ、すなわち、内力（人間の随意的な膝関節トルク）及び外力（人間の脚体に与えられる膝関節トルク）の和が測定されたが（Ｓ６参照）、他の実施形態として合力測定ユニット１２０が人間の動作を撮影するカメラ（図示略）の映像に基づき外力Ｆが測定される等、さまざまな方法で外力Ｆ（運動変数）が測定されてもよい。
【００６６】
前記実施形態では人間の随意により脚体に生じる膝関節回りの内的トルク（内力）と、モータ２２０により装具２２２を介して脚体に与えられる膝関節回りの外的トルク（外力）との和である合力Ｆが「運動変数」として測定されたが、他の実施形態として股関節、足関節、肘関節、肩関節等、膝関節以外の関節回りの内的トルク及び外的トルクの合トルクや、膝関節等の関節角度、関節角速度、関節角加速度、関節トルクの変化率、又はこれらの組合せ等が「運動変数」として測定されてもよい。
【００６７】
前記実施形態では式（２）で表される形の因子関数γ（ｆ，Ｆ）＝ｆ／Ｆに従って因子γが設定（算出）されたが（Ｓ８）、他の実施形態としてこれとは異なる形の外力ｆ及び合力Ｆの因子関数γ（ｆ，Ｆ）に従って因子γが設定されてもよい。
【００６８】
前記実施形態では因子γの設定（Ｓ８）に際して外力ｆの設定値（Ｓ４参照）が用いられたが、他の実施形態として装具２２２に取り付けられたひずみゲージ（図示略）の出力や、モータ２２０の電流を測定する電流センサ（図示略）等の出力に基づき外力ｆが測定され、因子γの設定に際して外力ｆの測定値が用いられてもよい。当該他の実施形態によれば、外力ｆの測定値に基づいて因子γが設定されるので、外力ｆの測定値に生じうる外力ｆの設定値との偏差の影響を解消して人間の脚体に与える外力ｆが制御され得る。
【００６９】
前記実施形態ではタイマの計測時間ｔが所定時間ｔｎに達するごとに因子γが設定（算出）されたが（Ｓ７，Ｓ８参照）、他の実施形態として外力制御システム１００が、脚体下部の上下方向の加速度に応じた信号を出力する脚部上下加速度センサと、脚部上下加速度センサの出力に基づいて脚体の接地回数を計測するカウンタとを備え、因子設定ユニット１３０がカウンタによる計測回数が所定回数に達するごとに因子γが設定（算出）されてもよい。
【００７０】
前記実施形態では外力関数ｆ（ｘ）の設定回数ｎが０である場合は判定ステップ（Ｓ１０）が省略されたが、他の実施形態として当該回数ｎとは無関係に（回数ｎが０であっても）判定ステップが実行されてもよい。
【００７１】
前記実施形態では外力ｆの最高設定値が外力目標値ｆｔの最高値ｆｔｍａｘに一致するように係数αが設定されたが（Ｓ１１，Ｓ１２参照）、他の実施形態として外力ｆの設定値の一定期間又は複数時点における外力ｆの設定値の平均値や累積値が一定期間又は複数時点における外力目標値ｆｔの平均値や累積値に一致するように係数αが設定されてもよい。
【００７２】
本発明の他の実施形態として、胸部ジャイロセンサ１２１、胸部前後加速度センサ１２２、腰部ジャイロセンサ１０３、腰部前後加速度センサ１２４及び腰部上下加速度センサ１２５が省略されるとともに、外力制御システム１００が、股関節角度センサ１２６の出力及び膝関節角度センサ１２７の出力に基づき、人間の運動状態を判定する運動状態判定ユニットを備え、また、合力測定ユニット１２０が、運動状態判定ユニットにより判定された運動状態に基づき、メモリにその運動状態と対応付けられて記憶保持されている合力Ｆを読み取ってもよい（測定してもよい）。
【００７３】
当該他の実施形態において、運動状態の具体的な判定方法としては、特開２００３−１１６８９３号公報等により開示されているものが採用されれば足りるので、本願明細書ではその詳細については説明を省略する。運動状態判定ユニットは、当該方法に従って人間の運動状態が、人間が平地又は傾斜がほとんど無視できるようななだらかな地面を歩行している「平地歩行状態」、階段や坂道を下がる「下降歩行状態」。階段や坂道を上がる「上昇歩行状態」、椅子から立ち上がる「椅子立ち上がり状態」及び起立状態から椅子に座る「椅子座り状態」等、複数の運動状態のうちいずれであるかを判定する。
【００７４】
本発明の他の実施形態として、外力制御システム１００が運動状態判定ユニットを備え、運動状態判定ユニットにより判定された運動状態に基づき、運動状態ごとに設定され、メモリにより記憶保持されている基礎関数Ｆ（ｘ，α，γ）に従って外力関数ｆ（ｘ）を設定してもよい（Ｓ１２）。また、さらに他の実施形態として、外力制御システム１００が運動状態判定ユニットを備え、判定ユニット１４０が運動状態判定ユニットにより判定された運動状態に従って、運動状態ごとに設定され、メモリにより記憶保持されている因子目標値γｔに基づき判定を行い（Ｓ１０）、外力関数設定ユニット１５０が運動状態判定ユニットにより判定された運動状態に従って、運動状態ごとに設定された因子目標値γｔに基づき係数αを設定した上で外力関数ｆ（ｘ）を設定してもよい（Ｓ１１，Ｓ１２）。
【００７５】
当該実施形態によれば、ユーザ（人間）の運動状態に鑑みて、ユーザの脚体に与えられる外力ｆを適切なものとすることができる。
【００７６】
本発明の他の実施形態として判定ユニット１４０が、偏差δの正負の別に応じて異なる閾値εによって、偏差δの大きさが閾値ε未満であるか否かを判定してもよい。当該実施形態によれば、因子γの設定値とその目標値γｔとの偏差δの正負に応じて、外力ｆを受けている動物の運動の不安定の程度が異なるような場合、この相違に鑑みて動物の運動が安定になるように外力ｆが制御され得る。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の一実施形態における外力制御システムの構成説明図
【図２】筋電位測定方法の説明図
【図３】本発明の一実施形態における外力制御方法の説明図
【図４】本発明の一実施形態における外力制御方法の実験結果の説明図
【図５】本発明の他の実施形態における外力制御システムの構成説明図
【符号の説明】
【００７８】
１０・・マイクロコンピュータ、１００‥外力制御システム、１１０‥筋電位測定ユニット、１１１‥伸筋側表面電極、１１２‥屈筋側表面電極、１２０‥合力測定ユニット（運動変数測定手段）、１２１‥胸部ジャイロセンサ、１２２‥胸部前後加速度センサ、１２３‥腰部ジャイロセンサ、１２４‥腰部前後加速度センサ、１２５‥腰部上下加速度センサ、１２６‥股関節角度センサ、１２７‥膝関節角度センサ、１２８・・床反力センサ、１３０‥因子設定ユニット、１４０‥判定ユニット、１５０‥外力関数設定ユニット、１６０・・外力設定ユニット、１７０・・モータ電流制御ユニット、２００・・バッテリ、２０２・・ケース、２２０・・モータ（原動機）、２２２・・サポータ（装具）
【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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