(57)【要約】      （修正有）【課題】ユーザの歩行動作を適切に誘導することができる歩行支援システム、歩行支援方法、および歩行支援プログラムを提供する。【解決手段】歩行支援システム１０において、情報出力部と、ユーザの運動を検出する運動情報検出部１００と、ユーザの着地位置を検出する着地位置検出部２３０と、運動検出部により検出されるユーザの歩行運動と、着地位置検出部により検出される着地位置２７２と動力学２７１とに基づいて、ユーザの歩行運動を安定にするために適した足の着地位置である推奨着地位置を決定する決定部２４０と、決定部により決定された推奨着地位置を示す情報を、情報出力部に出力する出力制御部２５０と、を備える。【選択図】図２
2018166640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報出力部と、
ユーザの運動を検出する運動検出部と、
前記ユーザの着地位置を検出する着地位置検出部と、
前記運動検出部により検出される前記ユーザの歩行運動と、前記着地位置検出部により検出される着地位置と動力学とに基づいて、前記ユーザの歩行運動を安定にするために適した足の着地位置である推奨着地位置を決定する決定部と、
前記決定部により決定された推奨着地位置を示す情報を、前記情報出力部に出力する出力制御部と、
を備える歩行支援システム。
【請求項２】
前記決定部は、上体あるいは重心の水平方向の運動を表す倒立振子を含む動力学モデルを用いて、ユーザの運動が所定の運動に収束するように推奨着地位置を決定する、
請求項１に記載の歩行支援システム。
【請求項３】
前記所定の運動は定常歩容である、
請求項２に記載の歩行支援システム。
【請求項４】
前記決定部は、現在時刻に着地した場合の推奨着地位置を連続して決定する、
請求項１から３のうち、何れか１項に記載の歩行支援システム。
【請求項５】
前記決定部は、マップまたはディープラーニングによって得られたニューラルネットワークを用いて推奨着地位置を決定する、
請求項１から４のうち、何れか１項に記載の歩行支援システム。
【請求項６】
前記ユーザの足部の動きを支援する支援部と、
前記支援部により前記ユーザの足を前記推奨着地位置に誘導する支援制御部と、を更に備える、
請求項１から５のうち、何れか１項に記載の歩行支援システム。
【請求項７】
前記ユーザの足が着地したときの基準方向に対する足部の向きを検出する向き検出部を、更に備え、
前記決定部は、前記向き検出部により検出された向きに基づいて、前記ユーザの身体の重心の軌跡が前記足部の向きに応じて旋回するように、前記推奨着地位置を決定する、
請求項１から６のうち、何れか１項に記載の歩行支援システム。
【請求項８】
前記決定部は、前記ユーザの現在の移動速度を加速させる場合に、前記移動速度と前記着地位置と前記動力学とに基づいて決定された推奨着地位置を、前記ユーザに近付けた位置に補正し、前記ユーザの現在の移動速度を減速させる場合に、前記移動速度と前記着地位置と前記動力学とに基づいて決定された推奨着地位置を、前記ユーザから遠ざけた位置に補正する、
請求項１から７のうち、何れか１項に記載の歩行支援システム。
【請求項９】
前記ユーザからの操作を受け付ける操作受付部を、更に備え、
前記決定部は、前記操作受付部により受け付けられた操作内容に基づいて、表示モードを切り替えて前記推奨着地位置を決定する、
請求項１から８のうち、何れか１項に記載の歩行支援システム。
【請求項１０】
コンピュータが、
ユーザの運動を検出し、
前記ユーザの着地位置を検出し、
検出される前記ユーザの歩行運動と、検出される前記着地位置と動力学とに基づいて、前記ユーザの歩行運動を安定にするために適した足の着地位置である推奨着地位置を決定し、
決定された前記推奨着地位置を示す情報を情報出力部に出力する、
歩行支援方法。
【請求項１１】
コンピュータに、
ユーザの運動を検出させ、
前記ユーザの着地位置を検出させ、
検出される前記ユーザの歩行運動と、検出される前記着地位置と動力学とに基づいて、前記ユーザの歩行運動を安定にするために適した足の着地位置である推奨着地位置を決定させ、
決定された前記推奨着地位置を示す情報を情報出力部に出力させる、
歩行支援プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行支援システム、歩行支援方法、および歩行支援プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、トレッドミル等の可動面を歩行または走行するユーザの身体動作情報を取得し、取得した身体動作情報に基づいて、足の位置の目標指標を可動面上に表示したり、動作姿勢についての得点を出力したりする技術が開示されている（例えば、特許文献１および２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２４０７７５号公報
【特許文献２】国際公開第２０１３／１２９６０６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術の手法では、ユーザに適した歩幅やタイミングで、足の着地位置を提示できない場合があった。そのため、ユーザの歩行動作を適切に誘導できない場合があった。
【０００５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、ユーザの歩行動作を適切に誘導することができる歩行支援システム、歩行支援方法、および歩行支援プログラムを提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、情報出力部（２６０）と、ユーザ（Ｐ）の運動を検出する運動検出部（２２０）と、前記ユーザの着地位置を検出する着地位置検出部（２３０）と、前記運動検出部により検出される前記ユーザの歩行運動と、前記着地位置検出部により検出される着地位置と動力学とに基づいて、前記ユーザの歩行運動を安定にするために適した足の着地位置である推奨着地位置を決定する決定部（２４０）と、前記決定部により決定された推奨着地位置を示す情報を、前記情報出力部に出力する出力制御部（２５０）と、を備える歩行支援システムである。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の歩行支援システムであって、前記決定部は、上体あるいは重心の水平方向の運動を表す倒立振子を含む動力学モデルを用いて、ユーザの運動が所定の運動に収束するように推奨着地位置を決定するものである。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の歩行支援システムであって、前記所定の運動は定常歩容である。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のうち、何れか１項に記載の歩行支援システムであって、前記決定部は、現在時刻に着地した場合の推奨着地位置を連続して決定するものである。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のうち、何れか１項に記載の歩行支援システムであって、前記決定部は、マップまたはディープラーニングによって得られたニューラルネットワークを用いて推奨着地位置を決定するものである。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項１から５のうち、何れか１項に記載の歩行支援システムであって、前記ユーザの足部の動きを支援する支援部（４００）と、前記支援部により前記ユーザの足を前記推奨着地位置に誘導する支援制御部（２８０）と、を更に備えるものである。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、請求項１から６のうち、何れか１項に記載の歩行支援システムであって、前記ユーザの足が着地したときの基準方向に対する足部の向きを検出する向き検出部（２３０）を、更に備え、前記決定部は、前記向き検出部により検出された向きに基づいて、前記ユーザの身体の重心の軌跡が前記足部の向きに応じて旋回するように、前記推奨着地位置を決定するものである。
【００１３】
請求項８に記載の発明は、請求項１から７のうち、何れか１項に記載の歩行支援システムであって、前記決定部は、前記ユーザの現在の移動速度を加速させる場合に、前記移動速度と前記着地位置と前記動力学とに基づいて決定された推奨着地位置を、前記ユーザに近付けた位置に補正し、前記ユーザの現在の移動速度を減速させる場合に、前記移動速度と前記着地位置と前記動力学とに基づいて決定された推奨着地位置を、前記ユーザから遠ざけた位置に補正するものである。
【００１４】
請求項９に記載の発明は、請求項１から８のうち、何れか１項に記載の歩行支援システムであって、前記ユーザからの操作を受け付ける操作受付部（２８２）を、更に備え、前記決定部は、前記操作受付部により受け付けられた操作内容に基づいて、表示モードを切り替えて前記推奨着地位置を決定するものである。
【００１５】
請求項１０に記載の発明は、コンピュータが、ユーザの運動を検出し、前記ユーザの着地位置を検出し、検出される前記ユーザの歩行運動と、検出される前記着地位置と動力学とに基づいて、前記ユーザの歩行運動を安定にするために適した足の着地位置である推奨着地位置を決定し、決定された前記推奨着地位置を示す情報を情報出力部に出力する、歩行支援方法である。
【００１６】
請求項１１に記載の発明は、コンピュータに、ユーザの運動を検出させ、前記ユーザの着地位置を検出させ、検出される前記ユーザの歩行運動と、検出される前記着地位置と動力学とに基づいて、前記ユーザの歩行運動を安定にするために適した足の着地位置である推奨着地位置を決定させ、決定された前記推奨着地位置を示す情報を情報出力部に出力させる、歩行支援プログラムである。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１〜５、１０、または１１に記載の発明によれば、歩行支援システムは、ユーザの歩行動作を適切に誘導することができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、歩行支援システムは、支援部によりユーザの足を推奨着地位置に誘導することができる。そのため、ユーザは、容易に推奨着地位置の近くに足を着地させることができる。
【００１９】
請求項７に記載の発明によれば、ユーザは、意図する方向にスムーズに旋回歩行を行うことができる。
【００２０】
請求項８または９に記載の発明によれば、歩行支援システムは、ユーザに対応付けられたモードで推奨着地位置を表示させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態の歩行支援システム１０の概略を示す図である。
【図２】第１実施形態の歩行支援システム１０の機能構成の一例を示す図である。
【図３】動力学２７１について説明するための図である。
【図４】定常歩容の目標着地位置（目標ＺＭＰ）と、歩行周期について説明するための図である。
【図５】推奨着地位置の決定方法の第１の形態例を説明するための図である。
【図６】第１の形態例に基づく推奨着地位置を説明するための図である。
【図７】推奨着地位置決定のために仮に設定する次々回以降の歩容について説明するための図である。
【図８】定常歩容の初期発散成分について説明するための図である。
【図９】重心移動速度Ｖ（ｔ＿ｃｕｒｒ）、重心位置Ｘ（ｔ＿ｃｕｒｒ）および現在発散成分ｑ（ｔ＿ｃｕｒｒ）の関係の一例を示す図である。
【図１０】着地位置を平行移動させることについて説明するための図である。
【図１１】推奨着地位置の決定方法の第２の形態例を説明するための図である。
【図１２】推奨着地位置の決定方法の第３の形態例を説明するための図である。
【図１３】ある瞬間に表示部２６０に表示される画面の一例を示す図である。
【図１４】第１実施形態の推奨着地位置の表示処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図１５】推奨着地位置の表示を継続させる一例を示す図である。
【図１６】歩行支援システムの第２実施形態について説明するための図である。
【図１７】推奨着地位置Ｐ＿ａｉｍの一例を示す図である。
【図１８】第３実施形態の歩行支援システム１０Ａの機能構成の一例を示す図である。
【図１９】ニューラルネットワークを用いた推奨着地位置を求める例を示す図である。
【図２０】表示装置２００Ｂに操作受付部２８２およびモード切替部２８４を備えた歩行支援システム１０Ｂの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照し、本発明の歩行支援システム、歩行支援方法、および歩行支援プログラムの実施形態について説明する。
【００２３】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の歩行支援システム１０の概略を示す図である。歩行支援システム１０は、例えば、運動情報検出部１００と、表示装置２００とを備える。運動情報検出部１００は、例えば、上体情報検出部１１０と、足部情報検出部１２０とを備える。上体情報検出部１１０および足部情報検出部１２０と、表示装置２００とは、例えば、有線または無線で通信可能に接続されている。
【００２４】
上体情報検出部１１０は、歩行支援システム１０を使用するユーザＰの上半身に少なくとも一つが装着される。上体情報検出部１１０は、例えば、加速度センサと角加速度センサを備え、３Ｄストラップダウン演算等によりユーザＰの上体の位置、速度および向きを検出する。足部情報検出部１２０は、ユーザＰの左右の足部に、少なくとも一つが装着される。足部情報検出部１２０は、例えば、加速度センサと角加速度センサを備え、３Ｄストラップダウン演算等によりユーザＰの左右の足部の位置、速度および向きを検出する。
【００２５】
表示装置２００は、例えば、ユーザＰが視認する現実空間に付加情報を重畳させて表示するＡＲ（Augmented Reality）装置である。また、表示装置２００は、仮想現実を表示するＶＲ（Virtual Reality）装置であってもよい。また、表示装置２００は、例えば、ユーザＰの頭部に装着される眼鏡型ディスプレイまたはヘッドマウントディスプレイである。表示装置２００は、上体情報検出部１１０および足部情報検出部１２０のそれぞれにより検出された加速度および向きに基づいて、ユーザＰの足の推奨着地位置を決定し、決定した推奨着地位置に対応する情報を出力する。
【００２６】
図２は、第１実施形態の歩行支援システム１０の機能構成の一例を示す図である。上体情報検出部１１０は、例えば、通信部１１１と、加速度センサ１１２と、角速度センサ１１３を備える。上体情報検出部１１０は、検出された情報を基に、ユーザＰの上体の位置、速度および向きを算出する。通信部１１１は、有線または無線ネットワークを介して機器間の通信を行うための通信用インターフェースを備え、表示装置２００の通信部１２１と通信する。通信部１１１は、上体情報検出部１１０で算出されたユーザＰの上体の位置、速度および上体の向きを通信部１２１に出力する。
【００２７】
足部情報検出部１２０は、ユーザＰの左右の脚に装着される足部情報検出部１２０−１および１２０−２を備える。足部情報検出部１２０−１および１２０−２は、それぞれ通信部１２１と、加速度センサ１２２と、角速度センサ１２３とを備える。足部情報検出部１２０は、検出された情報に基づいて、ユーザＰの足部の位置、速度および向きを算出する。通信部１２１は、有線または無線ネットワークを介して機器間の通信を行うための通信用インターフェースを備え、表示装置２００の通信部１２１と通信する。通信部１２１は、足部情報検出部１２０で算出されたユーザＰの足部の位置、速度および角速度センサ向きを通信部１２１に出力する。
【００２８】
なお、運動情報検出部１００の他のバリエーションとして、例えば、ユーザＰをモーションキャプチャするカメラ装置を外部環境に設置してもよく、関節角センサをユーザＰの各関節(少なくとも股関節と膝)に装着してもよい。また、運動情報検出部１００の他のバリエーションとして、ユーザＰのすね、もも、上体等の身体の各部位に加速度センサと角速度センサ（と地磁気センサ）とを備える姿勢センサを装着してもよく、磁気式の相対位置センサ（例えば、磁界発生装置を上体に付け、磁気センサを足部に付け、相対位置関係を検出する等）を装着してもよく、上述した各バリエーションの一部または全部を組み合わせてもよい。
【００２９】
表示装置２００は、例えば、通信部２１０と、重心位置／速度検出部２２０と、着地位置／向き検出部２３０と、推奨着地位置決定部２４０と、表示制御部２５０と、表示部２６０と、記憶部２７０とを備える。重心位置／速度検出部２２０、着地位置／向き検出部２３０、推奨着地位置決定部２４０、および表示制御部２５０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサがプログラムを実行することにより実現される。また、これらのうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。また、運動情報検出部１００および重心位置／速度検出部２２０を組み合わせたものが「運動検出部」の一例である。また、着地位置／向き検出部２３０は、「着地位置検出部」、「向き検出部」の一例である。また、推奨着地位置決定部２４０は、「決定部」の一例である。また、表示制御部２５０は、「出力制御部」の一例である。また、表示部２６０は、「情報出力部」の一例である。
【００３０】
通信部２１０は、有線または無線ネットワークを介して機器間の通信を行うための通信用インターフェースを備え、上体情報検出部１１０の通信部１１１および足部情報検出部１２０の通信部１２１と通信する。
【００３１】
重心位置／速度検出部２２０は、運動情報検出部１００内の上体情報検出部１１０により検出された上体の位置、速度と、運動情報検出部１００内の足部情報検出部１２０−１および１２０−２により検出された左右の足部の位置、速度とに基づいて、ユーザＰの重心位置と速度を検出する。重心位置／速度検出部２２０は、例えば、それぞれの検出部により得られる各部位の位置、速度の加重平均値を重心の位置、速度とする。また、重心位置／速度検出部２２０は、上体情報検出部１１０をユーザＰの重心近くに設置した場合には、上体情報検出部１１０により検出された加速度の積分演算処理により算出された移動速度を、重心移動速度としてもよい。また、重心位置／速度検出部２２０は、重心移動速度の積分演算処理により、重心位置を算出してもよい。
【００３２】
着地位置／向き検出部２３０は、ユーザＰの歩容（歩行している際の身体の運動）における足の着地位置および向きを検出する。具体的には、着地位置／向き検出部２３０は、例えば、取得した加速度センサ１２２により取得した加速度がピークを示すタイミングを、ユーザが着地したタイミングとして検出する。また、着地位置／向き検出部２３０は、着地タイミングにおけるユーザＰの足部の位置から着地位置を算出する。また、着地位置／向き検出部２３０は、着地タイミングにおける基準方向に対する足部の向きを着地向きとして検出する。着地位置／向き検出部２３０は、検出された両足のそれぞれの着地位置および足部の向きを着地位置／向き情報２７２として、記憶部２７０に格納する。
【００３３】
推奨着地位置決定部２４０は、重心位置／速度検出部２２０により検出されたユーザＰの重心の移動速度と、着地位置／向き検出部２３０により検出されたユーザＰの足の着地位置および向きと、記憶部２７０に記憶された動力学２７１とに基づいて、ユーザＰに推奨する着地位置を決定する。動力学２７１とは、例えば、線形の倒立振子を用いて人物の歩行時の動作を動力学的にモデル化したものである。推奨着地位置決定部２４０の機能の詳細については、後述する。
【００３４】
表示制御部２５０は、表示装置２００の画像表示に関する機能を制御する。具体的には、表示制御部２５０は、表示部２６０を制御して、推奨着地位置決定部２４０により決定された推奨着地位置を示す情報を所定のタイミングで表示させる。推奨着地位置を示す情報とは、例えば、足型や矩形、円形、楕円形等の所定の形状等を含むオブジェクト画像である。オブジェクト画像には、例えば、所定の色や模様が付加されていてもよい。また、所定のタイミングとは、例えば、ユーザＰの過去の歩容の周期に基づくタイミングである。また、所定のタイミングとは、足が地面から離れたと推定されるタイミングでもよく、上体情報検出部１１０の角速度センサ１１３により得られる上体の傾きが、所定値以上の傾きとなったタイミングでもよい。また、足が地面から離れたと推定されるタイミングとは、例えば、足部情報検出部１２０の加速度センサ１２２から得られる加速度が上方向に所定値以上となったタイミングである。また、所定のタイミングとは、所定の期間でもよい。所定の期間とは、例えば、全期間でもよく、遊脚期の後半でもよい。
【００３５】
表示部２６０は、例えば、表示制御部２５０の制御に基づいて、ディスプレイに推奨着地位置を示すオブジェクト画像を表示する。表示部２６０は、例えば、透過型のディスプレイ上に２次元的にオブジェクト画像を表示してもよいし、偏光眼鏡方式や液晶シャッター眼鏡方式等の３Ｄディスプレイを用いて、３次元的にオブジェクト画像を表示してもよい。表示部２６０の画面に表示されるオブジェクト画像の具体例については後述する。
【００３６】
記憶部２７０は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、またはＲＡＭ（Random Access Memory）等を備え、ファームウェアやアプリケーションプログラム等、表示装置２００が備えるＣＰＵ等のプロセッサが実行するための各種プログラムやプロセッサが実行した処理の結果等を記憶する。記憶部２７０は、例えば、動力学２７１および着地位置／向き情報２７２を保持する。着地位置／向き情報２７２とは、着地位置／向き検出部２３０により検出された過去数歩分の足の着地位置および向きである。
【００３７】
＜動力学２７１について＞
ここで、本実施形態で適用される動力学２７１について説明する。図３は、動力学２７１について説明するための図である。動力学２７１は、例えば、ヒトの動力学モデルとして、質点の高さが一定の線形倒立振子を用いる。また、倒立振子質点の水平位置は、上体に固定された代表点の水平位置あるいは全体重心の水平位置を表すものとする。また、サジタル面上の運動とラテラル面上の運動は、独立しているものとする。また、ＺＭＰ位置は、着地位置（より具体的には着地した脚の足首の床投影点）に設定されるものとする。
【００３８】
ここで、倒立振子水平位置をＸｐｅｎｄ、倒立振子の高さ（一定値）をｈ、ＺＭＰ（Zero Moment Point）位置をｘＺＭＰ、重力加速度定数をｇとすると、線形倒立振子の質点の運動とＺＭＰ位置との間には（１）式の関係が成立する。
【数１】
2018166640.tif 000003
【００３９】
また、倒立振子の正の固有値をλ０とすると、λ０は（２）式によって得られる。
【数２】
2018166640.tif 000004
【００４０】
ここで、仮の値ｐとｑを決めて（３）式のように表現する。
【数３】
2018166640.tif 000005
ｐとｑとを用いることによって、（３）式は（４）式に変換される。
【数４】
2018166640.tif 000006
ｘＺＭＰが一定値ｘＺＭＰ＿Ｃである場合、一般解は（５）式となる。
【数５】
2018166640.tif 000007
【００４１】
ここで、Ｃ１、Ｃ２は任意の定数である。すなわち，時定数１／λ０で、ｐは倒立振子支点位置ｘＺＭＰ＿Ｃに収束し、ｑは発散する。この性質からｐを収束成分、ｑを発散成分と呼ぶ。また、収束成分ｐは、自然に支点位置に収束するため、終端条件としては、収束成分ｐは無視し、発散成分ｑのみを考慮することとする。
【００４２】
次に、（４）式により（６）式を得る。
【数６】
2018166640.tif 000008
すなわち、発散成分ｑは、発散成分初期値の項と、目標ＺＭＰの項とを含む。また、任意の時刻の発散成分ｑは、その後、目標ＺＭＰが０である場合、Ｔａ（Ｔａ≧０）秒後にｅλ０Ｔａ倍となることがわかる。これを「性質１」と呼ぶ。
【００４３】
次に、上述した性質１の条件に基づく定常歩容について考える。定常歩容とは、１完歩（連続する２歩）であり、歩行を繰り返した時に各足部と倒立振子との相対位置関係および相対速度が連続になる歩容である。また、定常歩容は、例えば、ユーザＰの各足部と倒立振子の相対位置関係と、その変化率（すなわち相対速度）とが、初期と終端とで一致する歩容である。各着地位置および向きと、目標ＺＭＰ軌道とが定まれば、定常歩容の単純倒立振子モデルの軌道は、一義的に決定される。
【００４４】
定常歩容は、２歩の歩容（以下、１歩目を「第1定常歩容」、２歩目を「第２定常歩容」と呼ぶ）を交互に繰り返し生成することで、グローバル座標系上での移動量を除き、連続で周期的な運動が生成される歩容である。すなわち、定常歩容の初期状態と終端状態とは、グローバル座標系上での位置と向きを除き、一致しなければならない。以下、この条件を「定常歩容の連続性の条件」と呼ぶ。
【００４５】
図４は、定常歩容の目標着地位置（目標ＺＭＰ）と、歩行周期について説明するための図である。図４の横軸は時間を示し、縦軸はＺＭＰ位置を示す。時刻０から時間Ｔの期間において，目標ＺＭＰが１である場合、この期間の目標ＺＭＰが時刻Ｔでの発散成分に及ぼす影響をＲ（Ｔ）とする。ここで、ＸＺＭＰ（ｔ）＝１とすると、（６）式よりＲ（ｔ）は、（７）式となる。
【数７】
2018166640.tif 000009
【００４６】
ここで、図４に示す目標ＺＭＰ軌道のように，初期時刻を０、第１定常歩容の期間をＴｃｙｃ１、第２定常歩容の期間をＴｃｙｃ２、第１定常歩容の目標ＺＭＰをＸＺＭＰ１、第１定常歩容の目標ＺＭＰをＸＺＭＰ２とすると、上述した「性質１」により、第１定常歩容の目標ＺＭＰが、第２定常歩容の終端の発散成分に及ぼす影響は、第１定常歩容の目標ＺＭＰが第１定常歩容の終端の発散成分に及ぼす影響にｅλ０Ｔ2倍した値になる。したがって、全期間の目標ＺＭＰ軌道が定常歩容の終端での発散成分に及ぼす影響ｑｃｙｃｚｍｐは、（８）式のようになる。
【数８】
2018166640.tif 000010
（６）式および（８）式により、定常歩容の終端時刻での発散成分ｑ（ｔＥ）は、（９）式のようになる。
【数９】
2018166640.tif 000011
すなわち、定常歩容の終端発散成分は、初期発散成分とＺＭＰ軌道とに基づいて、解析的に求めることができる。これらの式と定常歩容の連続性の条件とから、定常歩容の初期発散成分を解析的に求めることができる。
【００４７】
＜推奨着地位置の決定方法の第１の形態例＞
次に、推奨着地位置決定部２４０における推奨着地位置の決定方法の第１の形態例について、具体的に説明する。まず、以下の説明で用いる用語と記号の定義を行う。「歩容の期間」は、一方の脚の着地から反対側の脚の着地までの期間とする。最新の着地から始まる歩容を「現在歩容」と呼び、「Ｃｕｒｒ」と記す。現在歩容の前の歩容を「前回歩容」と呼び、「Ｂ１」と記す。さらに、その前の歩容を「前々回歩容」と呼び、「Ｂ２」と記す。現在歩容の次の歩容を「次回歩容」と呼び、「Ｎ１」と記す。さらにその次の歩容を「次々回歩容」と呼び、「Ｎ２」と記す。さらにその次の歩容を「次々々回歩容」と呼び、「Ｎ３」と記す。さらにその次の歩容を「次々々々回歩容」と呼び、「Ｎ４」と記す。歩容の初期における着地位置を「歩容の着地位置」と呼ぶ。歩容の初期における着地の向き（着地した足部の向き）を「歩容の着地の向き」と呼ぶ。前々回歩容、前回歩容、現在歩容、次回歩容、次々回歩容、次々々回歩容、次々々々回歩容のそれぞれの着地位置を、「Ｐ（Ｂ２）、Ｐ（Ｂ１）、Ｐ（Ｃｕｒｒ）、Ｐ（Ｎ１）、Ｐ（Ｎ２）、Ｐ（Ｎ３）、Ｐ（Ｎ４）」と記す。前々回歩容、前回歩容、現在歩容、次回歩容、次々回歩容、次々々回歩容、次々々々回歩容それぞれの着地の向きを、「Ｓ（Ｂ２）、Ｓ（Ｂ１）、Ｓ（Ｃｕｒｒ）、Ｓ（Ｎ１）、Ｓ（Ｎ２）、Ｓ（Ｎ３）、Ｓ（Ｎ４）」と記す。前々回歩容、前回歩容、現在歩容、次回歩容、次々回歩容、次々々回歩容それぞれの周期（歩容の時間）を、「Ｔ（Ｂ２）、Ｔ（Ｂ１）、Ｔ（Ｃｕｒｒ）、Ｔ（Ｎ１）、Ｔ（Ｎ２）、Ｔ（Ｎ３）」と記す。
【００４８】
図５は、推奨着地位置の決定方法の第１の形態例を説明するための図である。図５の横軸は時間を示し、縦軸はＺＭＰ（＝着地位置）を示す。図５では、過去のＺＭＰ軌道と設定する現在時刻以降の目標ＺＭＰ軌道の一例を表している。図５では、目標ＺＭＰ軌道を１次元の軌道で表しているが、実際には２次元あるいは３次元の軌道で表される。
【００４９】
図６は、第１の形態例に基づく推奨着地位置を説明するための図である。図６の例では、前々回歩容Ｂ２、前回歩容Ｂ１、現在歩容Ｃｕｒｒ、次回歩容Ｎ１それぞれの着地位置と向きを長方形で表している。
【００５０】
まず、推奨着地位置決定部２４０は、足部情報検出部１２０により、前々回歩容Ｂ２、前回歩容Ｂ１、および現在歩容Ｃｕｒｒのそれぞれの着地位置（Ｐ（Ｂ２）、Ｐ（Ｂ１）、Ｐ（Ｃｕｒｒ））、歩容の着地向き（Ｓ（Ｂ２）、Ｓ（Ｂ１）、Ｓ（Ｃｕｒｒ））および歩容の周期（Ｔ（Ｂ２）、Ｔ（Ｂ１）、Ｔ（Ｃｕｒｒ））を取得する。なお、本実施形態においては、現在歩容の周期Ｔ（Ｃｕｒｒ）は、図５に示すように最新の着地時刻から現在時刻までの時間とする。次に、推奨着地位置決定部２４０は、歩容の着地位置（Ｐ（Ｂ２）、Ｐ（Ｂ１）、Ｐ（Ｃｕｒｒ））および歩容の着地向き（Ｓ（Ｂ２）、Ｓ（Ｂ１）、Ｓ（Ｃｕｒｒ））に基づいて、次回歩容Ｎ１の着地位置Ｐ（Ｎ１）および向きＳ（Ｎ１）を決定する。
【００５１】
具体的には、推奨着地位置決定部２４０は、前々回歩容Ｂ２、前回歩容Ｂ１、現在歩容Ｃｕｒｒ、次回歩容Ｎ１が定常歩容となるように、次回歩容Ｎ１の着地位置Ｐ（Ｎ１）および向きＳ（Ｎ１）を決定する。例えば、推奨着地位置決定部２４０は、現在歩容Ｃｕｒｒの着地位置および向きを基準とした次回歩容Ｎ１の着地位置および向きが、前々回歩容Ｂ２の着地位置および向きを基準とした前回歩容Ｂ１の着地位置および向きに一致するように次回歩容Ｎ１の着地位置および向きを決定する。また、推奨着地位置決定部２４０は、着地位置／向き検出部２３０により検出された向きに基づいて、ユーザＰの身体の重心の軌跡が足部の向きに応じて旋回するように、推奨着地位置を決定してもよい。これにより、ユーザＰの意図する方向にスムーズに旋回歩行を行うことができる。
【００５２】
図７は、推奨着地位置決定のために仮に設定する次々回以降の歩容について説明するための図である。図７例において、次々回歩容Ｎ２、次々々回歩容Ｎ３のそれぞれの着地位置および向きを長方形で表している。推奨着地位置決定部２４０は、現在歩容Ｃｕｒｒ、次回歩容Ｎ１、次々回歩容Ｎ２、次々々回歩容Ｎ３が、前々回歩容Ｂ２、前回歩容Ｂ１、現在歩容Ｃｕｒｒ、次回歩容Ｎ１と同一の定常歩容となるように、着地位置Ｐ（Ｎ２）、Ｐ（Ｎ３）、および向きＳ（Ｎ２）、Ｓ（Ｎ３）を決定する。すなわち、歩容Ｂ２、Ｂ１、Ｃｕｒｒ、およびＮ１の着地位置および向きの相対関係が、歩容Ｃｕｒｒ、Ｎ１、Ｎ２、およびＮ３の着地位置および向きの相対関係に一致するように、歩容Ｎ２およびＮ３の着地位置および向きを決定する。
【００５３】
更に、推奨着地位置決定部２４０は、次回歩容Ｎ１の周期Ｔ（Ｎ１）を前回歩容Ｂ１の周期Ｔ（Ｂ１）に一致させ、次々回歩容Ｎ２の周期Ｔ（Ｎ２）を現在歩容Ｃｕｒｒの周期Ｔ（Ｃｕｒｒ）に一致させる。これにより、ユーザＰの左右の着地タイミングの非対称性に応じた適切な推奨着地位置を表示することができる。したがって、ユーザＰの片足がケガや麻痺等の状態であっても、足の状態に合わせて適切なタイミングで推奨着地位置を表示することができる。なお、次々回歩容Ｎ２の周期Ｔ（Ｎ２）を前々回歩容Ｂ２の周期Ｔ（Ｂ２）に一致させてもよい。あるいは、次々回歩容Ｎ２の周期Ｔ（Ｎ２）をＣｕｒｒの周期Ｔ（Ｃｕｒｒ）と前々回歩容Ｂ２の周期Ｔ（Ｂ２）との間の周期にしてもよい。
【００５４】
また、推奨着地位置決定部２４０は、現在歩容Ｃｕｒｒ、次回歩容Ｎ１、次々回歩容Ｎ２、次々々回歩容Ｎ３による定常歩容の初期発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔを求める。図８は、定常歩容の初期発散成分について説明するための図である。推奨着地位置決定部２４０は、次回歩容Ｎ１の着地位置および向き（図８の座標系Ｏ−Ｘ−Ｙ）を基準としたときの定常歩容の初期発散成分を定常歩容の初期発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔとして決定する。具体的には、推奨着地位置決定部２４０は、次回歩容Ｎ１の着地位置および向きを基準としたときの初期発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔと、次々々回Ｎ３の着地位置向き（図７の座標系座標系Ｏ’−Ｘ’−Ｙ’）を基準としたときの初期発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔ’とが一致するように、動力学２７１を用いて初期発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔを求める。また、推奨着地位置決定部２４０は、定常歩容の連続性の条件を満足するように、定常歩容の初期倒立振子質点位置および速度を求め、求めた結果から定常歩容の初期発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔを求めてもよい。
【００５５】
推奨着地位置決定部２４０は、例えば、重心位置／速度検出部２２０により、現在の重心移動速度Ｖ（ｔ＿ｃｕｒｒ）および重心位置Ｘ（ｔ＿ｃｕｒｒ）を取得する。次に、推奨着地位置決定部２４０は、重心移動速度Ｖ（ｔ＿ｃｕｒｒ）および重心位置Ｘ（ｔ＿ｃｕｒｒ）に基づいて、現在発散成分ｑ（ｔ＿ｃｕｒｒ）を、「ｑ（ｔ＿ｃｕｒｒ）＝ｘ（ｔ＿ｃｕｒｒ）＋ｖ（ｔ＿ｃｕｒｒ）／λ０」により求める。図９に、重心移動速度Ｖ（ｔ＿ｃｕｒｒ）、重心位置Ｘ（ｔ＿ｃｕｒｒ）および現在発散成分ｑ（ｔ＿ｃｕｒｒ）の関係の一例を示す。
【００５６】
推奨着地位置決定部２４０は、初期発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔが現在発散成分ｑ（ｔ＿ｃｕｒｒ）に一致するように、初期発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔと、次回歩容Ｎ１の着地位置Ｐ（Ｎ１）、次々回歩容Ｎ２の着地位置Ｐ（Ｎ２）、および次々々回Ｎ３の着地位置Ｐ（Ｎ３）を平行移動させる。
【００５７】
図１０は、着地位置を平行移動させることについて説明するための図である。推奨着地位置決定部２４０は、平行移動後の初期発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔ、着地位置Ｐ（Ｎ１）、Ｐ（Ｎ２）、Ｐ（Ｎ３）を、それぞれｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔ’、Ｐ（Ｎ１）’、Ｐ（Ｎ２）’、Ｐ（Ｎ３）’とすると、
「Ｐ’（Ｎ１）＝Ｐ（Ｎ１）＋ｑ（ｔ＿ｃｕｒｒ）−ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔ」、
「Ｐ’（Ｎ２）＝Ｐ（Ｎ２）＋ｑ（ｔ＿ｃｕｒｒ）−ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔ」、
「Ｐ’（Ｎ３）＝Ｐ（Ｎ３）＋ｑ（ｔ＿ｃｕｒｒ）−ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔ」、
「ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔ’＝ｑ（ｔ＿ｃｕｒｒ）」
により、それぞれの平行位置を取得する。そして、推奨着地位置決定部２４０は、平行移動した次回歩容Ｎ１’の着地位置Ｐ（Ｎ１’）を推奨着地位置Ｐ＿ａｉｍとして決定する。
【００５８】
＜推奨着地位置の決定方法の第２の形態例＞
次に、推奨着地位置の決定方法の第２の形態例について説明する。推奨着地位置を表示する場合に、ユーザＰの足が着地してから次の着地位置にＺＭＰが移動するまでに遅れが生じる場合がある。そこで、推奨着地位置決定部２４０は、定常歩容の初期発散成分ｑ（ｔ＿ｃｕｒｒ）と、現在発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔとが一致するように、現在発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔ、次回歩容Ｎ１の着地位置Ｐ（Ｎ１）、次々回歩容Ｎ２の着地位置Ｐ（Ｎ２）、次々々回歩容Ｎ３の着地位置Ｐ（Ｎ３）を平行移動する代わりに、現在より所定時刻Ｔａ後の発散成分の予想値ｑ（ｔ＿ｃｕｒｒ＋Ｔａ）と、定常歩容の初期発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔとが一致するように、定常歩容の初期発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔ、次回歩容Ｎ１の着地位置Ｐ（Ｎ１）、次々回歩容Ｎ２の着地位置Ｐ（Ｎ２）、次々々回歩容Ｎ３のＰ（Ｎ３）のそれぞれを平行移動させる。
【００５９】
図１１は、推奨着地位置の決定方法の第２の形態例を説明するための図である。図１１の横軸は時間を示し、縦軸はＺＭＰ（＝着地位置）を示す。推奨着地位置決定部２４０は、図１１に示すように、現在の着地位置Ｐ（Ｃｕｒｒ）にＺＭＰが保持されているものとして、発散成分の予想値ｑ（ｔ＿ｃｕｒｒ＋Ｔａ）を、動力学２７１を用いて推定する。そして、推奨着地位置決定部２４０は、平行移動した次回歩容Ｎ１’の着地位置Ｐ（Ｎ１’）を推奨着地位置Ｐ＿ａｉｍとして決定する。
【００６０】
＜推奨着地位置の決定方法の第３の形態例＞
次に、推奨着地位置の決定方法の第３の形態例について説明する。推奨着地位置の決定方法の第１および第２の形態例では、着地タイミングは、ユーザＰの自由意思で決めることができるものであるのに対し、第３の形態では、推奨着地位置決定部２４０が次の推奨着地タイミングも決定し、ユーザＰに推奨着地タイミングで着地するように誘導する。推奨着地位置決定部２４０は、例えば、次の推奨着地タイミングを、現在歩容の開始時刻から前々回歩容の周期Ｔ（Ｂ２）だけ後とする。図１２は、推奨着地位置の決定方法の第３の形態例を説明するための図である。図１２の横軸は時間を示し、縦軸はＺＭＰ（＝着地位置）を示す。図１２に示すように、今回歩容の周期Ｔ（Ｃｕｒｒ）を前々回歩容の周期Ｔ（Ｂ２）に一致させる。推奨着地位置決定部２４０は、次の推奨の着地タイミングにおける推奨着地位置を決定する。より具体的には、推奨着地位置決定部２４０は、次の推奨着地タイミングにおける発散成分の予想値ｑ＿ｎｅｘｔ＿ｌａｎｄと、定常歩容の初期発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔとが一致するように、定常歩容の初期発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔ、次回歩容Ｎ１の着地位置Ｐ（Ｎ１）、次々回歩容Ｎ２の着地位置Ｐ（Ｎ２）、次々々回歩容Ｎ３のＰ（Ｎ３）のそれぞれを平行移動させる。この場合、推奨着地位置決定部２４０は、図１２に示すように、現在の着地位置Ｐ（Ｃｕｒｒ）にＺＭＰが保持されているものとして、発散成分の予想値ｑ＿ｎｅｘｔ＿ｌａｎｄを、動力学２７１を用いて推定する。そして、推奨着地位置決定部２４０は、平行移動した次回歩容Ｎ１’の着地位置Ｐ（Ｎ１’）を推奨着地位置Ｐ＿ａｉｍとして決定する。表示制御部２５０は、推奨の着地タイミングの少し前の時刻から、推奨の着地タイミングまでの残り時間が分かる表示をしつつ、推奨着地位置も示す。推奨着地位置は、推奨着地タイミングよりも所定時間前に決定し、その後の着地まで一定の位置でもよいが、その瞬間毎の運動の発散成分の変動に応じて、再計算して表示してもよい。
【００６１】
＜表示画面例＞
次に、表示部２６０に表示される画面例について説明する。図１３は、ある瞬間に表示部２６０に表示される画面の一例を示す図である。表示部２６０の画面２６２には、実空間上に存在する床面２６４等が示されている。表示制御部２５０は、推奨着地位置決定部２４０により決定された推奨着地位置Ｐ＿ａｉｍに予め設定されたユーザＰの着地位置を示すオブジェクト画像２６６を表示する。
【００６２】
オブジェクト画像２６６は、ユーザＰが視認する現実空間上に付加的に表示されるものである。また、オブジェクト画像２６６は、表示装置２００が表示する仮想空間内に付加的に表示されるものであってもよい。また、オブジェクト画像２６６は、１フレームからなる静止画であってもよいし、複数フレームを含む動画（映像）であってもよい。これにより、ユーザＰは、着地位置を容易に把握することができる。
【００６３】
＜処理フロー＞
図１４は、第１実施形態の推奨着地位置の表示処理の流れの一例を示すフローチャートである。まず、運動情報検出部１００は、ユーザＰの上体の位置、速度と左右の足部の位置、速度を検出する（ステップＳ１００）。次に、重心位置／速度検出部２２０は、ユーザＰの上体の位置、速度と左右の足部の位置、速度から重心位置、速度を算出する（ステップＳ１０２）。次に、着地位置／向き検出部２３０は、足の着地位置および向きを取得する（ステップＳ１０４）。
【００６４】
次に、推奨着地位置決定部２４０は、ユーザＰの重心位置、速度と、足の着地位置や向きと、予め記憶部２７０に記憶された動力学２７１とに基づいて、推奨着地位置を決定する（ステップＳ１０６）。次に、表示制御部２５０は、推奨着地位置に相当する位置に、着地位置を示すオブジェクト画像を表示する（ステップＳ１０８）。
【００６５】
次に、推奨着地位置決定部２４０は、推奨着地位置の表示を継続するか否かを判定する（ステップＳ１１０）。例えば、推奨着地位置決定部２４０は、歩容の後半の期間である場合にだけ継続する。推奨着地位置の表示を継続する場合、ステップＳ１００の処理に戻る。また、推奨着地位置の表示を継続しない場合、本フローチャートの処理を終了する。
【００６６】
図１５は、推奨着地位置の表示を継続させる一例を示す図である。例えば、図１４に示すフローチャートを、次の歩容の後半になったら再開することで、各時刻において推奨着地位置を再決定するようにする。これにより、推奨着地位置のオブジェクト画像２６６Ａは、図１５のように連続的に移動して表示されることなる。
【００６７】
以上説明した第１実施形態によれば、動力学により取得したユーザＰの推奨着地位置を表示部２６０に表示することで、ユーザの歩行動作を適切に誘導することができる。
【００６８】
［第２実施形態］
次に、歩行支援システムの第２実施形態について説明する。第２の実施形態における歩行支援システムは、上述した第１実施形態の歩行支援システム１０と同様の構成を適用できるため、ここでの具体的な説明は省略する。トレッドミル上の歩行および他の人の後を追従する歩行においては、着地位置は所定の範囲に制限される。そこで、第２実施形態では、各時刻での着地位置が所定の範囲に制限されている場合における推奨着地位置を決定する。この場合、推奨着地位置決定部２４０は、上記制限とユーザＰの過去の着地位置とに基づいて、目標の定常歩容（以降、目標の定常歩容を単に定常歩容と略す場合がある）の着地位置を決定する。また、推奨着地位置決定部２４０は、定常歩容の初期発散成分を求め、さらに現在発散成分と理想の定常歩容の初期発散成分との差を求める。また、現在着地位置と理想着地位置との差を求める。
【００６９】
また、推奨着地位置決定部２４０は、これらの差の線形結合により、目標歩幅の修正量を決定し、定常歩容の着地位置に目標歩幅の修正量を加えることで推奨着地位置を決定する。以下に、推奨着地位置決定部２４０について、より詳細に説明する。推奨着地位置決定部２４０以外の構成は、第１実施形態と同一でよい。
【００７０】
図１６は、歩行支援システムの第２実施形態について説明するための図である。図１６の例では、それぞれの歩容の着地位置を長方形で表している。第２実施形態において、推奨着地位置決定部２４０は、前々回歩容の着地位置Ｐ（Ｂ２）、前回歩容の着地位置Ｐ（Ｂ１）および現在歩容の着地位置Ｐ（Ｃｕｒｒ）を計測する。なお、第２実施形態では、ユーザＰは、トレッドミル等の可動面を歩行するものとする。したがって、向きは進行方向に一致していると仮定できる。そのため、第２実施形態では、歩行支援システム１０において、着地の向きを検出する機能を備えていなくてもよい。
【００７１】
推奨着地位置決定部２４０は、着地位置に関する所定の範囲および過去の着地位置列（例えば、Ｂ２，Ｂ１，Ｃｕｒｒの着地位置）に基づいて、定常歩容（Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３）の着地位置Ｐ（Ｎ０）、Ｐ（Ｎ１）、Ｐ（Ｎ２）、Ｐ（Ｎ３）を決定する。なお、着地位置に関する所定の範囲とは、例えば、着地時の足部とトレッドミルの可動面の前端が所定の距離以上であり、離床時の足部とトレッドミルの可動面の後端が所定の距離以上であることである。また、定常歩容の各歩幅（Ｐ（Ｎ０）とＰ（Ｎ１）との間の歩幅、Ｐ（Ｎ１）とＰ（Ｎ２）との間の歩幅、Ｐ（Ｎ２）とＰ（Ｎ３）との間の歩幅）は同一の歩幅Ｌとする。歩幅Ｌは、例えば、前々回歩容Ｂ２と前回歩容Ｂ１との間の歩幅と、前回歩容Ｂ１と現在歩容Ｃｕｒｒの間の歩幅との和Ｌｂの０．５倍となるように決定する（Ｌ＝Ｌｂ／２）。
【００７２】
また、推奨着地位置決定部２４０は、定常歩容における左脚の各着地位置（Ｐ（Ｎ０）、Ｐ（Ｎ２））の横位置は同一、右脚の各着地位置（Ｐ（Ｎ１）、Ｐ（Ｎ３））の横位置は同一とし、左脚の各着地位置と右脚の各着地位置は、ある基準となる線（例えば、トレッドミルの中央線等）から左右に所定の位置になるように決定される。
【００７３】
また、現在歩容Ｃｕｒｒは、現在時刻に着地するものと仮定する。したがって、現在歩容の周期Ｔ（Ｃｕｒｒ）は、現在歩容の着地時刻から現在時刻までの時間となる。また、定常歩容の移動速度は、トレッドミルの可動面の速度に一致させる。すなわち、定常歩容の一歩毎の周期（一完歩の周期の半分）は、Ｌ／Ｖに決定される。
【００７４】
また、推奨着地位置決定部２４０は、第１実施形態と同様に、現在発散成分ｑ（ｔ＿ｃｕｒｒ）と定常歩容の初期発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔを求める。現在発散成分ｑ（ｔ＿ｃｕｒｒ）が定常歩容の初期発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔに一致し、かつ現在歩容の着地位置Ｐ（Ｃｕｒｒ）が定常歩容の着地位置Ｐ（Ｎ０）に一致していれば、現在時刻に着地位置Ｐ（Ｎ１）に着地することで、現在以降のユーザＰの歩行は、定常歩容に近づくと考えられる。また、現在発散成分ｑ（ｔ＿ｃｕｒｒ）と定常歩容の初期発散成分ｑ＿ｃｙｃ＿ｉｎｉｔとの差（以降、ｑ＿ｄｉｆｆと記す）が大きくなるほど、現在以降のユーザＰの歩行は、定常歩容から大きく離れていくと考えられる。また、現在歩容の着地位置Ｐ（Ｃｕｒｒ）と定常歩容の着地位置Ｐ（Ｎ０）との差（以降、Ｐ＿ｄｉｆｆと記す）が大きくなるほど、現在以降のユーザＰの歩行は、定常歩容から大きく離れていくと考えられる。
【００７５】
そこで、推奨着地位置決定部２４０は、推奨着地位置Ｐ＿ａｉｍを、例えば、「Ｐ＿ａｉｍ＝ｋ１＊Ｐ＿ｄｉｆｆ＋ｋ２＊ｑ＿ｄｉｆｆ」として算出する。ただし、ｋ１，ｋ２は、例えば、所定のゲインである。図１７は、推奨着地位置Ｐ＿ａｉｍの一例を示す図である。図１７の例では、図１６に示すそれぞれの歩容の着地位置と向きに対して推奨着地位置Ｐ＿ａｉｍを長方形で表している。このように、第２実施形態では、ユーザＰの現在の状態（現在着地している位置と重心（または上体）の発散成分をフィードバックして着地位置を決定しているため、ユーザＰの重心位置を安定にするとともに、トレッドミルに対して適切な位置に着地位置を誘導することができる。
【００７６】
［第３実施形態］
次に、歩行支援システムの第３実施形態について説明する。図１８は、第３実施形態の歩行支援システム１０Ａの機能構成の一例を示す図である。なお、第３実施形態における歩行支援システム１０Ａの各構成のうち、第１実施形態の歩行支援システム１０の各構成と同様の構成については、同一の符号を付するものとし、ここでの具体的な説明は省略する。
【００７７】
第３実施形態の歩行支援システム１０Ａは、第１実施形態と比して、歩行アシスト装置４００を備えるとともに、表示装置２００Ａに歩行アシスト制御部２８０を備えている。歩行アシスト装置４００は、「支援部」の一例である。歩行アシスト制御部２８０は、「支援制御部」の一例である。したがって、以下の説明では、歩行アシスト装置４００および歩行アシスト制御部２８０を中心として説明する。
【００７８】
歩行アシスト制御部２８０は、推奨着地位置決定部２４０により決定された推奨着地位置に基づいて、ユーザＰの足部を所定のタイミングで誘導するための制御情報を生成し、生成した制御情報を歩行アシスト装置４００に出力する。
【００７９】
歩行アシスト装置４００は、ユーザＰの腰部または足部に装着され、関節部のモータ等を駆動することで、脚の伸展および屈曲を制御する。また、歩行アシスト装置４００は、歩行アシスト制御部２８０による制御情報に基づいて、モータを駆動し、ユーザＰの足が推奨着地位置に着地できるように誘導を行う。
【００８０】
以上説明した第３実施形態によれば、歩行支援システム１０Ａは、第１実施形態と同様の効果を奏する他、歩行アシスト装置４００によりユーザＰの足を推奨着地位置に誘導することができる。したがって、ユーザＰは、容易に推奨着地位置の近くに足を着地させることができる。
【００８１】
＜変形例＞
ここで、上述した実施形態の変形例について説明する。上述した歩行支援システム１０では、推奨着地位置を決定するための機能を表示装置２００内に設けたが、表示装置２００以外の装置で行ってもよい。例えば、推奨着地位置を示すオブジェクトを、実際の路面等に投影する場合には、表示装置２００の代わりに、投影装置をユーザＰの腰部等に取り付け、腰部に取り付けた投影装置から推奨着地位置を示すオブジェクト画像を路面に投影してもよい。これにより、ユーザＰは、頭部に表示装置２００を取り付ける必要がないため、頭部の負荷を軽減することができる。また、ユーザＰの歩行を支援する支援者がユーザＰに付き添っている場合には、その支援者にも推奨着地位置を把握させることができる。そのため、支援者は、ユーザＰの歩行を適切に支援することができる。
【００８２】
また、表示装置２００は、スマートフォンやタブレット端末等の携帯型の通信端末であってもよい。この場合、ユーザＰは、携帯型の通信端末を把持し、通信端末の画面に表示される推奨着地位置に合わせて足を移動させる。また、表示装置２００は、ユーザＰと併走する移動ロボットに備えられていてもよい。また、運動情報検出部１００は、ユーザＰと併走する移動ロボットに備えられていてもよい。
【００８３】
また、歩行支援システム１０において、ユーザＰに出力する情報としては、オブジェクト画像の代わりに、または加えて、音声を出力してもよい。この場合、表示装置２００には、スピーカ等の音声出力部を備える。出力される音声の内容としては、例えば、「もう少し前」、「ゆっくり」等の着地する足を誘導するための情報である。これにより、ユーザＰは、オブジェクト画像を見なくても音声情報に合わせて適切な歩行を行うことができる。なお、上述した各実施形態は、他の実施形態や変形例の一部または全部と組み合わせてもよい。
【００８４】
また、他の変形例として、上述した第１〜第３実施形態に適用される動力学２７１として、上体の姿勢を変化させることによる影響も考慮した動力学モデルを用いてもよい。上体の姿勢を変化させることによる影響も考慮した動力学モデルとは、例えば、上体の水平方向の移動に対応する倒立振子モデルと上体の回転運動に対応するフライホイールとを含む動力学モデルである。これにより、より適切に着地位置を決定することができる。
【００８５】
また、他の変形例として、着地位置の履歴と運動情報検出部１００が検出したユーザの現在の運動情報を入力として、第１実施形態に示すアルゴリズムによって決定される推奨着地位置を出力とするマップをオフラインで作成してもよい。この場合、実際にユーザが歩行する際には、該マップを用いることで推奨着地位置を決定する。
【００８６】
また、他の変形例として、推奨着地位置決定部２４０は、ニューラルネットワークを用いて推奨着地位置を検出してもよい。図１９は、ニューラルネットワークを用いた推奨着地位置を求める例を示す図である。推奨着地位置決定部２４０は、例えば、ディープラーニングによって、図１９に示すように、着地位置の履歴と運動情報検出部１００が検出したユーザＰの現在の運動情報を入力とし、推奨着地位置を出力とするニューラルネットワークを構築し、構築したニューラルネットワークを用いて推奨着地位置を求めてもよい。
【００８７】
また、他の変形例として、表示装置２００に一つの推奨着地位置の決定方法によって決定された推奨着地位置を表示するのではなく、第１〜第３実施形態により決定された複数の推奨着地位置や複数の表示方法を選択して表示できるように、表示装置２００に操作受付部やモード切替部を備えてもよい。図２０は、表示装置２００Ｂに操作受付部２８２およびモード切替部２８４を備えた歩行支援システム１０Ｂの一例を示す図である。なお、図２０の例において、第１実施形態の歩行支援システム１０と同様の構成については、同様の名称および符号を付している。以下の説明では、主に推奨着地位置決定部２４０Ａ、操作受付部２８２、およびモード切替部２８４を中心として説明する。
【００８８】
操作受付部２８２は、ユーザＰからの操作内容を受け付ける。例えば、操作受付部２８２に表示装置２００Ｂに設けられたボタンやスイッチ等の機械的なスイッチでもよい。また、操作受付部２８２は、表示部２６０に表示されるＧＵＩ（Graphical User Interface）でもよい。操作受付部２８２は、例えば、ユーザＰから表示モードに関する情報の入力を受け付ける。表示モードは、例えば、画面２６２に推奨着地位置のオブジェクト画像２６６を表示する場合に、オブジェクト画像２６６を固定位置で表示させる第１のモードと、オブジェクト画像２６６Ａのように推奨着地位置を移動させながら表示させる第２のモードとがある。
【００８９】
モード切替部２８４は、操作受付部２８２が受け付けた表示モードに基づいて、モードの切り替えを行い、切り替えたモード情報を推奨着地位置決定部２４０に出力する。推奨着地位置決定部２４０Ａは、第１のモードに切り替わった場合に、推奨着地位置の決定方法の第１の形態例から第３の形態例までの何れかを選択する。また、推奨着地位置決定部２４０Ａは、瞬間ごとに推奨着地を再決定するか、所定の瞬間（推奨着地時刻）にだけ決定するかを選択してもよい。また、推奨着地位置決定部２４０Ａは、所定の瞬間（推奨着地時刻）にだけ決定する場合は、床に対して推奨着地位置が移動しないように（床に対して固定された位置に表示）してもよい。
【００９０】
また、モード切替部２８４は、第１のモードおよび第２のモードに代えて、もしくは加えて、ユーザＰの年齢や、ケガまたはリハビリの度合いに応じて推奨着地位置を表示するタイミングや歩幅等の切り替えてもよい。
【００９１】
また、推奨着地位置決定部２４０は、操作受付部２８２によりユーザＰの移動速度を現在の移動速度よりも加速させる旨の操作が受け付けられた場合に、表示する推奨着地位置を、ユーザＰに近付けた位置に補正する。これにより、ユーザＰが補正した推奨着地位置に足を着地させることで、重心が前方に傾くため、加速して歩行することができる。また、推奨着地位置決定部２４０は、操作受付部２８２によりユーザＰの移動速度を現在の移動速度よりも減速させる旨の操作が受け付けられた場合に、推奨着地位置をユーザＰから遠ざけた位置に補正する。これにより、ユーザＰが補正した推奨着地位置に足を着地させることで、重心が後方に残るため、減速して歩行することができる。
【００９２】
以上説明した変形形態によれば、歩行支援システム１０Ｂは、ユーザの操作を受け付けて推奨着地位置の表示モードを切り替えることができるため、ユーザの好みや年齢等の条件にあった表示方法で推奨着地位置を表示することができる。
【００９３】
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等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内において種々の変形及び置換を加えることができる。
【符号の説明】
【００９４】
１０…歩行支援システム、１００…運動情報検出部、１１０…上体情報検出部、１１１、１２１、２１０…通信部、１１２、１２２…加速度センサ、１１３、１２３…角速度センサ、１２０…足部情報検出部、２００…表示装置、２２０…重心位置／速度検出部、２３０…着地位置／向き検出部、２４０…推奨着地位置決定部、２５０…表示制御部、２６０…表示部、２７０…記憶部、２７１…動力学、２７２…着地位置／向き情報、２８０…歩行アシスト制御部、２８２…操作受付部、２８４…モード切替部、４００…歩行アシスト装置
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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