(57)【要約】【課題】アーム部材に対してスライド可能に構成された装着部材を支持する付勢部材の付勢力によってアーム部材に作用する回転トルクによる制御量のずれを低減可能な動作補助装置の制御装置及び動作補助装置並びに動作補助装置の制御方法を提供する。【解決手段】ユーザの所定の関節の側方に配置される関節部と、関節部を中心に回動するアーム部材と、アーム部材の回転トルクを生成するアクチュエータと、アーム部材をユーザの人体の所定の部位に取り付けるための装着部材と、アーム部材及び装着部材を所定の方向に沿ってスライド可能に連結するスライド機構と、装着部材を関節部側に付勢する付勢部材と、を備えた動作補助装置の制御装置は、アクチュエータの駆動力を制御するアクチュエータ制御部を備え、アクチュエータ制御部は、付勢部材の付勢力に基づいてアクチュエータの駆動力を制御する。【選択図】図７
2018122364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの所定の関節の側方に配置される関節部と、前記関節部を中心に回動可能に支持されたアーム部材と、前記アーム部材の回転トルクを生成するアクチュエータと、前記アーム部材を前記ユーザの人体の所定の部位に取り付けるための装着部材と、前記アーム部材及び前記装着部材を前記所定の方向に沿ってスライド可能に連結するスライド機構と、前記装着部材を前記関節部側に付勢する付勢部材と、を備えた動作補助装置の制御装置において、
前記制御装置は、前記アクチュエータの駆動力を制御するアクチュエータ制御部を備え、
前記アクチュエータ制御部は、前記付勢部材の付勢力に基づいて前記アクチュエータの駆動力を制御する、動作補助装置の制御装置。
【請求項２】
前記アクチュエータ制御部は、前記付勢部材の付勢力に基づいて生成される前記アーム部材の回転トルクに基づいて前記アクチュエータの駆動力を制御する、請求項１に記載の動作補助装置の制御装置。
【請求項３】
前記アクチュエータ制御部は、前記アーム部材を回動させる要求トルクから前記付勢部材の付勢力に基づいて生成される前記アーム部材の回転トルクを減算した値に基づいて前記アクチュエータの駆動力を制御する、請求項２に記載の動作補助装置の制御装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記スライド機構のスライド方向への前記付勢部材の変位量に基づいて前記付勢部材の付勢力により生成される前記アーム部材の回転トルクを推定する回転トルク推定部をさらに備え、
前記アクチュエータ制御部は、推定される前記付勢部材の付勢力により生成される前記アーム部材の回転トルクを前記要求トルクから減算した値に基づいて前記アクチュエータの駆動力を制御する、請求項３に記載の動作補助装置の制御装置。
【請求項５】
前記関節部は前記ユーザの腰関節の側方に配置される関節部であり、前記装着部材は前記ユーザの大腿部に取り付けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の動作補助装置の制御装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の動作補助装置の制御装置を備えた動作補助装置。
【請求項７】
ユーザの所定の関節の側方に配置される関節部と、前記関節部を中心に回動可能に支持されたアーム部材と、前記アーム部材の回転トルクを生成するアクチュエータと、前記アーム部材を前記ユーザの人体の所定の部位に取り付けるための装着部材と、前記アーム部材及び前記装着部材を前記所定の方向に沿ってスライド可能に連結するスライド機構と、前記装着部材を前記関節部側に付勢する付勢部材と、を備えた動作補助装置の制御方法において、
前記アクチュエータの駆動力を制御する制御装置は、前記付勢部材の付勢力に基づいて前記アクチュエータの駆動力を制御する、動作補助装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体に装着して用いられる動作補助装置の制御装置及び動作補助装置並びに動作補助装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、歩行動作等の人の動作を補助する動作補助装置が知られている。動作補助装置は、人体装着型ロボットとも呼ばれ、人体に装着して用いられ、ユーザの動作に合わせて作動することによって、ユーザの動作を補助する。例えば動作補助装置は、人体の関節に対応して配置される関節部（能動関節）を中心に回動可能なアーム部材を備え、アクチュエータによってアーム部材を回転させることによって、アーム部材が固定された人体の部分の動作を補助する。かかる動作補助装置は、例えば障害者又は高齢者だけでなく、健常者の動作を補助する装置等としても、様々な場面で使用され得る。
【０００３】
ここで、回動するアーム部材は、固定対象の人体の部位の外形に対応する形状のアタッチメント（装着部材）を用いて人体に固定される。かかるアタッチメントの主たる目的は、アクチュエータによってアーム部材に付与された回転トルクを人体に効率よく伝達すること、及び、動作補助装置の重量の一部を支持することにある。このため、アタッチメントは、人体からずれないように設計されることが必要とされる。しかしながら、ユーザの動作に伴って人体の関節間の距離が変化するため、人体の関節の位置と動作補助装置の関節部の位置とを常に一致させておくことは容易ではない。
【０００４】
これに対して、特許文献１には、ユーザの身体にしっかりと装着することができ、ある程度の自由度を確保することのできる歩行補助装置が開示されている。特許文献１に記載の歩行補助装置は、テレスコピック式に相対摺動可能に結合したアウタチューブとインナロッドとから構成された連結バーにより、股関節アクチュエータと膝関節アクチュエータとの間の寸法を伸縮可能にしている。また、かかる歩行補助装置において、アウタチューブ内には、例えばインナロッドに連結された引張コイルばねが組み込まれており、膝関節アクチュエータの重量が加わるインナロッドに対し、その重量を支持する向きの張力を常時作用させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４４３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の歩行補助装置は、引張コイルばねの張力によって膝関節アクチュエータの重量が加わるインナロッドを支持する構成であるが、引張コイルばねの軸線が股関節アクチュエータの回転軸の軸線上に重ならずにずれている状態では、引張コイルばねの引張荷重によって股関節アクチュエータの回転方向へのトルクが生じるおそれがある。このような制御上意図しない回転トルクが股関節アクチュエータに作用すると、補助動作が適切に行われず、ユーザが違和感を覚えるおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、アーム部材に対してスライド可能に構成された装着部材を支持する付勢部材の付勢力によってアーム部材に作用する回転トルクによる制御量のずれを低減可能な、新規かつ改良された動作補助装置の制御装置及び動作補助装置並びに動作補助装置の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、ユーザの所定の関節の側方に配置される関節部と、関節部を中心に回動可能に支持されたアーム部材と、アーム部材の回転トルクを生成するアクチュエータと、アーム部材をユーザの人体の所定の部位に取り付けるための装着部材と、アーム部材及び装着部材を所定の方向に沿ってスライド可能に連結するスライド機構と、装着部材を関節部側に付勢する付勢部材と、を備えた動作補助装置の制御装置において、制御装置は、アクチュエータの駆動力を制御するアクチュエータ制御部を備え、アクチュエータ制御部は、付勢部材の付勢力に基づいてアクチュエータの駆動力を制御する、動作補助装置の制御装置が提供される。
【０００９】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記の制御装置を備えた動作補助装置が提供される。
【００１０】
また、上記課題を解決するために、本発明のさらに別の観点によれば、ユーザの所定の関節の側方に配置される関節部と、関節部を中心に回動可能に支持されたアーム部材と、アーム部材の回転トルクを生成するアクチュエータと、アーム部材をユーザの人体の所定の部位に取り付けるための装着部材と、アーム部材及び装着部材を所定の方向に沿ってスライド可能に連結するスライド機構と、装着部材を関節部側に付勢する付勢部材と、を備えた動作補助装置の制御方法において、アクチュエータの駆動力を制御する制御装置は、付勢部材の付勢力に基づいてアクチュエータの駆動力を制御する、動作補助装置の制御方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように本発明によれば、アーム部材に対してスライド可能に構成された装着部材を支持する付勢部材の付勢力によってアーム部材に作用する回転トルクによる制御量のずれを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る動作補助装置の構成例を示す模式図である。
【図２】同実施形態に係る動作補助装置の構成例を示す側面図である。
【図３】同実施形態に係る動作補助装置の構成例を示す正面図である。
【図４】スライド機構（大腿部アーム部材側）の構成例を示す説明図である。
【図５】スライド機構（大腿部装着部側）の構成例を示す説明図である。
【図６】スライド機構の構成例を示す説明図である。
【図７】付勢部材の付勢力の作用方向を示す説明図である。
【図８】付勢力を考慮しないでアクチュエータの駆動力をフィードフォワード制御する場合の回転トルクの説明図である。
【図９】付勢力を考慮してアクチュエータの駆動力をフィードフォワード制御する場合の回転トルクの説明図である。
【図１０】同実施形態に係る動作補助装置の制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図１１】アクチュエータの駆動力をフィードフォワード制御する方法のフローチャートの例である。
【図１２】付勢力を考慮してアクチュエータの駆動力をフィードバック制御する場合の回転トルクの説明図である。
【図１３】同実施形態に係る動作補助装置の制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図１４】アクチュエータの駆動力をフィードバック制御する方法のフローチャートの例である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１４】
＜１．動作補助装置の構成例＞
図１〜図３を参照して、本実施形態に係る動作補助装置１の構成例について説明する。図１は、動作補助装置１の構成例を示す模式図である。図２及び図３は、動作補助装置１の構成の具体例を示す側面図及び正面図である。
【００１５】
本実施形態に係る動作補助装置１は、ユーザの下半身の動きを補助することで、歩行動作又は階段昇降動作等の左右の脚の運動を補助するための装置として構成され、いわゆる外骨格ロボットとも呼ばれる。動作補助装置１は、ユーザの人体に装着される装着具１０と、能動関節を回転駆動させるアクチュエータ２０と、アクチュエータ２０の駆動制御を行う制御装置１５０とを備える。
【００１６】
本実施形態に係る動作補助装置１の概略を説明すると、装着具１０は、腰部フレーム３１と、大腿部アーム部材３３と、下腿部アーム部材３５とを備える。図示した例において、大腿部アーム部材３３及び下腿部アーム部材３５は、左右の脚のそれぞれに対応して設けられている。腰部フレーム３１の下端と大腿部アーム部材３３の上端とは、第１の腰部関節部３０及び第２の腰部関節部９０を介して連結されている。
【００１７】
第１の腰部関節部３０は、人体の腰関節の曲げ伸ばし動作に対応して腰部フレーム３１と大腿部アーム部材３３とを相対回転可能に連結する。つまり、第１の腰部関節部３０は、腰部フレーム３１及び大腿部アーム部材３３を人体の前後方向に沿って相対的に回動可能にする。また、第２の腰部関節部９０は、人体の腰関節の内転動作及び外転動作に対応して腰部フレーム３１及び大腿部アーム部材３３を相対回転可能に連結する。つまり、第２の腰部関節部９０は、腰部フレーム３１及び大腿部アーム部材３３を人体の側方へと相対的に回動可能にする。
【００１８】
また、大腿部アーム部材３３の下端部にはスライド機構１５０を介して大腿部装着部３７が連結されている。スライド機構１５０は、大腿部アーム部材３３と大腿部装着部３７とを人体の大腿部の長さ方向へ相対的にスライド可能に連結する。大腿部装着部３７には、人体の大腿部に沿って下方に延びる支持部材４４が連結されている。
【００１９】
支持部材４４には、膝部関節部４０を介して下腿部アーム部材３５が相対回転可能に連結されている。膝部関節部４０は、人体の膝関節の曲げ伸ばし動作に対応して支持部材４４と下腿部アーム部材３５とを相対回転可能に連結する。つまり、膝部関節部４０は、支持部材４４及び下腿部アーム部材３５を人体の前後方向に沿って相対的に回転可能にする。下腿部アーム部材３５は、上方側下腿部装着部４１及び下方側下腿部装着部４２により人体の下腿部に対して固定される。
【００２０】
本実施形態に係る動作補助装置１をより詳細に説明すると、装着具１０のうち、腰部フレーム３１、大腿部アーム部材３３、支持部材４４、及び下腿部アーム部材３５は、例えば樹脂材料により成形された成形体であり、所定程度の剛性を有し、かつ、軽量化が実現されている。したがって、腰部フレーム３１、大腿部アーム部材３３、支持部材４４、及び下腿部アーム部材３５は、曲げや割れに対する耐性を有する。
【００２１】
腰部フレーム３１には、人体の腰部に装着される腰部装着部１５が連結されている。腰部フレーム３１と腰部装着部１５とは一体的に形成されていてもよく、あるいは、連結治具等を用いて連結されていてもよい。腰部装着部１５は、例えば人体の背中側に配置されて、下方側腰部固定ベルト１３及び上方側腰部固定ベルト１４を用いて腰部に固定される。なお、腰部装着部１５が肩ベルト等により人体に固定されてもよい。
【００２２】
腰部装着部１５に連結された腰部フレーム３１の下方側は、腰部の側方に位置する部位へと延びている。腰部フレーム３１には、第１の腰部関節部３０及び第２の腰部関節部９０を介して大腿部アーム部材３３が連結されている。第１の腰部関節部３０は、人体の腰関節の側方に位置するように設けられる。第２の腰部関節部９０は、例えば第１の腰部関節部３０から下方に延びて設けられた中間部材３２に連設されている（図１を参照）。
【００２３】
第１の腰部関節部３０では、腰部フレーム３１の下端と中間部材３２の上端とが相対回転可能に連結されている。例えば第１の腰部関節部３０に設けられた図示しない回転軸部材に対して、中間部材３２が回動可能に支持されていてもよい。図２に示したように、第１の腰部関節部３０の回転方向は、人体の腰部の曲げ伸ばし動作に対応する腰部フレーム３１と大腿部アーム部材３３との相対回転の方向である。大腿部アーム部材３３は第１の腰部関節部３０を中心に人体の前後方向に沿って回動する。
【００２４】
第２の腰部関節部９０では、中間部材３２の下方側の部分と大腿部アーム部材３３の上端とが相対回転可能に連結されている。例えば中間部材３２に設けられた図示しない回転軸部材に対して、大腿部アーム部材３５が回動可能に支持されていてもよい。図３に示したように、第２の腰部関節部９０の回転方向は、腰関節の内転動作又は外転動作に対応する腰部フレーム３１と大腿部アーム部材３３との相対回転の方向である。大腿部アーム部材３３は、第２の腰部関節部９０を中心に人体の側方へと回動する。なお、第２の腰部関節部９０は省略されていてもよいが、動作補助装置１が第１の腰部関節部３０と併せて第２の腰部関節部９０を有することにより、人体の腰関節の動きに対応して動作する動作補助装置１の自由度が高められる。
【００２５】
大腿部アーム部材３３は、第１の腰部関節部３０及び第２の腰部関節部９０から下方に延びて、大腿部に沿って設けられている。大腿部アーム部材３３の下端部には、大腿部装着部３７が連結されている。大腿部装着部３７は、人体の脚のうちの大腿部に巻き付けられ、例えば図示しない大腿部固定ベルトを用いて大腿部に固定される。大腿部装着部３７は、スライド機構１５０を介して大腿部アーム部材３３に連結されている。大腿部装着部３７と大腿部アーム部材３３とは、大腿部の長さ方向に沿って相対的にスライド可能となっている。
【００２６】
大腿部装着部３７には、人体の大腿部の長さ方向に沿って下方に延びる支持部材４４が連結されている。かかる支持部材４４は、上端側が大腿部装着部３７に固定され、下端側が膝部関節部４０を介して下腿部アーム部材３５に連結されている。膝部関節部４０は、人体の膝関節の側方に位置するように設けられている。膝部関節部４０では、人体の膝関節の曲げ伸ばしに対応して支持部材４４の下端と下腿部アーム部材３５の上端とが相対回転可能に連結されている。例えば膝部関節部４０に設けられた図示しない回転軸部材に対して、下腿部アーム部材３５が回動可能に支持されていてもよい。
【００２７】
下腿部アーム部材３５は、膝部関節部４０から下方に延びて、下腿部に沿って設けられている。下腿部アーム部材３５の上部には上方側下腿部装着部４１が連結され、下腿部アーム部材３５の下部には下方側下腿部装着部４２が連結されている。上方側下腿部装着部４１は、例えば人体の腓腹部（ふくらはぎ）の最も太い部分よりも上方に装着される。かかる上方側下腿部装着部４１の装着位置では、下腿部の太さが下方に向かって拡大している。一方、下方側下腿部装着部４２は、例えば人体の腓腹部（ふくらはぎ）の最も太い部分よりも下方に装着される。かかる下方側下腿部装着部４２の装着位置では、下腿部の太さが上方に向かって拡大している。これにより、下腿部アーム部材３５の上下方向の位置ずれが抑制される。上方側下腿部装着部４１及び下方側下腿部装着部４２は、人体の脚のうちの下腿部に巻き付けられ、図示しない下腿部固定ベルトを用いて下腿部に固定される。
【００２８】
腰部装着部１５には、アクチュエータ２０、制御装置１００、及び図示しないバッテリユニットが収容されたケース５が設けられている。制御装置１００はＣＰＵ（Central  Processing  Unit）又はＭＰＵ（Micro  Processing  unit）等のプロセッサを備え、バッテリユニットからアクチュエータ２０への供給電流を制御することによってアクチュエータ２０の駆動を制御する。アクチュエータ２０は、例えば回転式のロータリモータであってもよく、リニアモータと、直線運動を回転運動に変換するギヤ機構とが組み合わせられて構成されてもよい。また、アクチュエータ２０は、減速機を備えてもよい。
【００２９】
アクチュエータ２０からは、図示しないワイヤ等の可撓性の動力伝達部材が導出されている。動力伝達部材の他端側は、離れた位置にある第１の腰部関節部３０及び膝部関節部４０に接続されて、アクチュエータ２０の駆動によって第１の腰部関節部３０及び膝部関節部４０が回転駆動される。本実施形態において、膝部関節部４０がアクチュエータ２０によって駆動されない関節（受動関節）であってもよい。図１及び図２には１つのアクチュエータ２０が図示されているが、駆動される関節部（能動関節）の数と同数のアクチュエータ２０が備えられる。アクチュエータ２０は、例えば可撓性の動力伝達部材としての図示しないワイヤ等を巻取り、あるいは、送出することで、腰部フレーム３１と大腿部アーム部材３３、あるいは、大腿部アーム部材３３と下腿部アーム部材３５とを相対的に回転駆動させる。
【００３０】
また、動作補助装置１は、ユーザの筋活動等の生体信号を検出するための図示しない生体センサを有してもよい。このような生体センサとしては、例えば筋電位センサが挙げられる。筋電位センサは、例えば人体の大腿部の表面に配置された表面筋電位検出電極（表面電極）を含む。筋電位センサは、動作補助装置１により補助される動作を行わせる筋力に対応する運動単位（筋肉）に応じてあらかじめ位置が決定されて配置される。なお、表面電極の数は１個であってもよいし、複数個であってもよい。
【００３１】
＜２．スライド機構の構成例＞
次に、図４〜図６を参照して、スライド機構１５０の構成の一例を説明する。図４は、大腿部アーム部材３３の裏側（大腿部に面する側）の平面図、Ｉ−Ｉ断面矢視図及びＩＩ−ＩＩ断面矢視図を示す。図５は、大腿部装着部３７の表側（大腿部に面する側の反対側）の平面図、ＩＩＩ−ＩＩＩ断面矢視図及びＩＶ−ＩＶ断面矢視図を示す。図６は、大腿部装着部３７を大腿部アーム部材３３に接続した状態を表側から見た平面図、及び、側方から見た側面図を示す。
【００３２】
図４に示すように、大腿部アーム部材３３は、ガイドレール１４１と、可動部１４３と、付勢部材１５１ａ，１５１ｂとを備える。ガイドレール１４１は、両側面にレール溝１４２を有し、例えば固定ネジ等により大腿部アーム部材３３に固定されている。ガイドレール１４１は、動作補助装置１をユーザが装着した状態で、大腿部の長さ方向に沿って配置される。可動部１４３は、大腿部側に突出する固定軸部１５４を有する。かかる固定軸部１５４には、大腿部装着部３７に設けられた接続部材１６１が取り付けられる。
【００３３】
可動部１４３は、ガイドレール１４１のレール溝１４２に係合する係止突部１４４を有し、ガイドレール１４１から脱離しないようにして、ガイドレール１４１上を移動可能になっている。したがって、可動部１４３は、大腿部の長さ方向に沿ってスライド可能になっている。かかるガイドレール１４１及び可動部１４３が、スライド機構１５０を構成する。ガイドレール１４１及び可動部１４３は、例えばアルミニウム等の比較的軽量の金属材料により構成されてもよい。
【００３４】
大腿部アーム部材３３は、ガイドレール１４１の上端に対応する位置にリブ１４７を有する。また、大腿部アーム部材３３は、ガイドレール１４１の下端に対応する位置にリブ１４９を有する。これらのリブ１４７，１４９は、ガイドレール１４１上を移動する可動部１４３のスライド範囲を規制する。このうち、上側のリブ１４７には、付勢部材１５１ａ，１５１ｂの上端部が固定される。付勢部材１５１ａ，１５１ｂの下端部は、大腿部装着部３７に設けられた接続部材１６１に固定される。付勢部材１５１ａ，１５１ｂとしては、例えば引張コイルばねが用いられる。
【００３５】
図５に示すように、接続部材１６１は、大腿部装着部３７における大腿部側とは反対側の面に、例えば固定ネジ１６５ａ，１６５ｂにより固定されている。接続部材１６１は、可動部１４３の固定軸部１５４を受容する孔部１６３を有し、固定軸部１５４が孔部１６３に嵌入されることにより、大腿部装着部３７と大腿部アーム部材３３とが接続される。固定軸部１５４の先端部には、弾性ゴム等の弾性体からなる円環部１５５が設けられ、円環部１５５を弾性変形させて収縮させつつ固定軸部１５４を孔部１６３内に嵌入させることができる。また、固定軸部１５４の嵌入後には、円環部１５５が孔部１６３内で係止され、固定軸部１５４が接続部材１６１から抜け落ちにくくなっている。
【００３６】
固定軸部１５４が孔部１６３に嵌入された状態で、大腿部装着部３７は、固定軸部１５４を中心に軸回転可能になっている。つまり、大腿部装着部３７は、スライド機構１５０によるスライド方向に対して直交する方向に延在する固定軸部１５４の軸回りに自転可能になっている。別の形態として、回転機構は、ボールジョイントを用いて構成されてもよい。接続部材１６１における、大腿部装着部３７の長手方向の両端側には、付勢部材１５１ａ，１５１ｂの端部が固定されている。図示した例では、固定ネジ１６５ａ，１６５ｂにより、付勢部材１５１ａ，１５１ｂの端部が接続部材１６１に固定されている。大腿部装着部３７の長手方向は、大腿部の周方向に略一致し、ガイドレール１４１の配設方向に交差する。
【００３７】
図６に示すように、大腿部装着部３７は、スライド機構１５０及び回転機構を介して大腿部アーム部材３３に接続されていることで、固定軸部１５４を中心に自転可能であるとともに、ガイドレール１４１に沿ってスライド可能となっている。このとき、両端がそれぞれ大腿部装着部３７に設けられた接続部材１６１と大腿部アーム部材３３に設けられたリブ１４７とに固定された付勢部材１５１ａ，１５１ｂは、ガイドレール１４１に沿って大腿部装着部３７をリブ１４７側に引っ張る付勢力を発生し得る。つまり、付勢部材１５１ａ，１５１ｂは、大腿部装着部３７を第１の腰部関節部３０及び第２の腰部関節部９０側に付勢する。付勢部材１５１ａ，１５１ｂの張力によって、大腿部装着部３７、膝部関節部４０及び下腿部アーム部材３５等の下方側へのずれが抑制される。
【００３８】
付勢部材１５１ａ，１５１ｂの付勢力は、大腿部装着部３７等を支持して下方側へのずれを抑制し得る張力であれば足り、大腿部装着部３７をスライドさせるためにユーザに大きな負荷がかからないような荷重に設定される。
【００３９】
なお、上記のスライド機構１５０は一例であって、スライド機構の構成はかかる例に限定されない。スライド機構は、第１の腰部関節部３０又は第２の腰部関節部９０と、大腿部装着部３７、ひいては、膝部関節部４０との距離を可変にし得るものであれば、他の構成であってもよい。例えば上記のスライド機構１５０は、大腿部アーム部材３３側にガイドレール１４１を有していたが、大腿部装着部３７側にガイドレールを有する構成であってもよい。
【００４０】
大腿部アーム部材３３と大腿部装着部３７とがスライド機構１５０を介して連結されることにより、ユーザの動作に伴って人体の腰関節と膝関節の距離が変化する場合に、大腿部アーム部材３３に対する大腿部装着部３７の位置が調節される。これにより、第１の腰部関節部３０及び第２の腰部関節部９０又は膝部関節部４０の位置がそれぞれ腰関節又は膝関節の位置からずれることが抑制され、第１の腰部関節部３０、第２の腰部関節部９０及び膝部関節部４０の位置が適切に保持されやすくなる。
【００４１】
ここで、大腿部アーム部材３３及びスライド機構１５０が人体の大腿部の外表面に配置されることもあって、付勢部材１５１ａ，１５１ｂの張力（付勢力）が作用する方向となる軸線が、アクチュエータ２０によって回転駆動される第１の腰部関節部３０の回転軸線からずれる場合がある。付勢部材１５１ａ，１５１ｂによる張力が作用する方向が第１の腰部関節部２０の回転軸線からずれていると、当該張力によって大腿部アーム部材３３に対して回転トルクが発生する場合がある。そのため、制御装置１００によるアクチュエータ２０の駆動によって制御される大腿部アーム部材３３の回転トルクが変化して、ユーザの意思と大腿部アーム部材３３の動きとにずれが生じるおそれがある。
【００４２】
図７は、大腿部アーム部材３３と大腿部装着部３７とを連結するスライド機構１５０を簡略化して示した模式図である。図７は、人体の側方から第１の腰部関節部３０の回転軸線Ｐ１に沿ってスライド機構１５０を見た模式図である。上述のとおり、スライド機構１５０に設けられた付勢部材１５１は、大腿部装着部３７を第１の腰部関節部３０側に付勢する。つまり、大腿部装着部３７に対して相対移動する大腿部アーム部材３３は、膝部関節部４０側に付勢される。図７には、付勢部材１５１の付勢力が作用する方向となる軸線Ａｓが、アクチュエータ２０によって回転駆動される第１の腰部関節部３０の回転軸Ｐ１からずれている様子が示されている。
【００４３】
具体的に、第１の腰部関節部３０は人体の腰関節の側方に位置し、膝部関節部４０は人体の膝関節の側方に位置する。図示した例では、大腿部アーム部材３３の下端部は、大腿部の前方においてスライド機構１５０を介して大腿部装着部３７に連結されている。大腿部アーム部材３３と大腿部装着部３７とを大腿部の長さ方向に沿って相対的にスライドさせるスライド機構１５０に設けられた付勢部材１５１の張力の作用方向である軸線Ａｓは、大腿部の長さ方向にほぼ平行になっている。このため、付勢部材１５１の張力の作用方向である軸線Ａｓと第１の腰部関節部３０の回転軸線Ｐ１との間に距離Ｌのずれが生じている。
【００４４】
この状態で、付勢部材１５１に張力Ｆｓｐｒｉｎｇが発生すると、大腿部アーム部材３３に対して図中の矢印方向の張力Ｆｓｐｒｉｎｇが作用する。そして、付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇの作用方向の軸線Ａｓと第１の腰部関節部３０の回転軸線Ｐ１とがずれていることによって、張力Ｆｓｐｒｉｎｇの一部は大腿部アーム部材３３に対して時計回り方向に作用する回転トルクＴｓｐｒｉｎｇとなる。このとき、付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇによる回転トルクＴｓｐｒｉｎｇは、以下の式（１）で表すことができる。
【００４５】
Ｔｓｐｒｉｎｇ（Ｎ／ｍ）＝Ｆｓｐｒｉｎｇ（Ｎ）×Ｌ（ｍ）
＝ｋ（Ｎ／ｍｍ）・Δｘ（ｍｍ）×Ｌ（ｍ）    …（１）
ｋ：ばね定数
Δｘ：ばねのたわみ量（平衡状態からの変位量）
【００４６】
ばね定数ｋ及び距離Ｌは、動作補助装置１の構成に応じて定まる値である。ばねのたわみ量Δｘは、例えばばねの平衡状態における大腿部アーム部材３３と大腿部装着部３７との相対位置を基準位置として、大腿部アーム部材３３と大腿部装着部３７との相対変位量をセンサによって検出することにより求められ得る値である。あるいは、ばねのたわみ量Δｘは、動作補助装置１の各部の寸法及び第１の腰部関節部３０の回転角度等に基づいて幾何学的に算出され得る値である。なお、ばねのたわみ量Δｘの求め方は特に限定されない。
【００４７】
このため、動作補助装置１のアクチュエータ２０の駆動を制御する制御装置１００は、付勢部材１５１の張力（付勢力）Ｆｓｐｒｉｎｇに基づいてアクチュエータ２０の駆動力を制御し、動作補助装置１による補助動作がユーザの動作意思に沿わないものとなるおそれを低減する。具体的に、制御装置１００は、付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇによって大腿部アーム部材３３に対して生じる回転トルクＴｓｐｒｉｎｇを加減算して、アクチュエータ２０の駆動力を制御する。
【００４８】
＜４．制御装置の構成＞
次に、制御装置１００の構成例について説明する。動作補助装置１のアクチュエータ２０の駆動力の制御は、主としてフィードフォワード制御又はフィードバック制御によって実行される。以下、第１の腰部関節部３０がアクチュエータ２０によって回転駆動される例について、制御装置１００がアクチュエータ２０の駆動力をフィードフォワード制御する場合と、フィードバック制御する場合とに分けて説明する。
【００４９】
（４−１．フィードフォワード制御）
フィードフォワード制御によるアクチュエータ２０の駆動制御の概略を説明する。アクチュエータ２０がフィードフォワード制御により駆動される場合、例えば制御装置１００は、人体の筋活動を検出し得る筋電位センサ等の生体センサのセンサ信号を取得し、第１の腰部関節部３０を中心に回動する大腿部アーム部材３３の要求トルクＴｒを当該センサ信号に基づいて算出する。また、制御装置１００は、算出した大腿部アーム部材３３の要求トルクＴｒが大腿部アーム部材３３に作用するようにアクチュエータ２０の制御量を設定してアクチュエータ２０の駆動を制御する。これにより、動作補助装置１は、ユーザの動作意思に応じて作動してユーザの動作を補助する。
【００５０】
図８は、付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成される回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ａｃｔを考慮しないでアクチュエータ２０の駆動力をフィードフォワード制御する場合に大腿部アーム部材３３に作用する回転トルクＴ＿ａｃｔを示す説明図である。制御装置１００が、大腿部アーム部材３３に要求トルクＴｒ相当の回転トルクが作用するようにアクチュエータ２０の制御量を求めてアクチュエータ２０を駆動したとする。この場合、大腿部アーム部材３３には、アクチュエータ２０の駆動力により生成される要求トルクＴｒ相当の回転トルクＴ、及び付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成される回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ａｃｔが作用する。このため、大腿部アーム部材３３には、回転トルクＴと回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ａｃｔとの和に相当する回転トルクＴ＿ａｃｔ（Ｔｒ＋Ｔｓｐｒｉｎｇ＿ａｃｔ）が作用することになり、要求トルクＴｒとの間にずれが生じる。
【００５１】
図９は、付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成される回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ａｃｔを考慮してアクチュエータ２０の駆動力をフィードフォワード制御する場合に大腿部アーム部材３３に作用する回転トルクＴ＿ａｃｔを示す説明図である。図９に示した例では、アクチュエータ２０の駆動力は、大腿部アーム部材３３の要求トルクＴｒから付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成されると想定される回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔをあらかじめ減算した後の回転トルクが大腿部アーム部材３３に作用するように制御される。この場合、大腿部アーム部材３３対して、アクチュエータ２０の駆動力により生成される回転トルクＴ（Ｔｒ−Ｔｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔ）、及び付勢部材１５１の張力により生成される回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ａｃｔが作用する。したがって、大腿部アーム部材３３には、回転トルクＴと回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ａｃｔとの和に相当する回転トルクＴ＿ａｃｔ（Ｔｒ）が作用することになり、要求トルクＴｒ相当の回転トルクＴ＿ａｃｔを発生させることができる。
【００５２】
図１０は、アクチュエータ２０の駆動力のフィードフォワード制御を実行する制御装置１００の構成例を示すブロック図である。制御装置１００は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）又はＭＰＵ（Micro  Processing  Unit）等のプロセッサを備えて構成される。制御装置１００は、生体信号処理部１０２と、回転トルク推定部１０４と、アクチュエータ制御部１０６と、アクチュエータ駆動部１０８と、記憶部１１０とを備えている。生体信号処理部１０２、回転トルク推定部１０４及びアクチュエータ制御部１０６は、プロセッサによるプログラムの実行により実現される機能であってもよい。
【００５３】
アクチュエータ駆動部１０８は、例えばアクチュエータ２０に供給する電流を制御する駆動回路である。記憶部１１０は、プロセッサによって実行されるプログラムや制御パラメータを記憶するＲＯＭ（Read  Only  Memory）、及び取得されたセンサ信号の情報又は演算結果の情報を記憶するＲＡＭ（Random  Access  Memory）等の記憶素子を含む。
【００５４】
生体信号処理部１０２は、ユーザの人体の表面に配置された筋電位センサ等の生体センサ１２１からセンサ信号を取得する。図１０では２個の生体センサ１２１が示されているが、生体センサ１２１の数は２個に限られない。また、生体信号処理部１０２は、取得したセンサ信号を用いて適宜の信号処理を行う。
【００５５】
回転トルク推定部１０４は、付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成される回転トルク（推定回転トルク）Ｔｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔを算出する。例えば回転トルク推定部１０４は、スライド機構１５０のスライド方向に沿った付勢部材１５１の変位量Δｘの情報を取得し、上記式（１）に基づいて推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔを算出する。
【００５６】
アクチュエータ制御部１０６は、生体信号処理部１０２により信号処理が行われたセンサ信号の情報に基づいてアクチュエータ２０の駆動の要否を判定する。また、アクチュエータ制御部１０６は、アクチュエータ２０の駆動時においてアクチュエータ２０の制御量を設定して、アクチュエータ駆動部１０８に対して操作指示の信号を出力する。アクチュエータ制御部１０６は、付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成される推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔをあらかじめ考慮に入れてアクチュエータ２０の制御量を設定する。アクチュエータ２０の制御量は、例えばアクチュエータ２０に供給する電流値である。
【００５７】
さらにアクチュエータ制御部１０６は、設定したアクチュエータ２０の制御量にしたがってアクチュエータ駆動部１０８に対して操作指示の信号を出力する。アクチュエータ駆動部１０８は、入力された操作指示の信号に基づいてアクチュエータ２０に供給する電流を制御する。
【００５８】
図１１は、制御装置１００によるアクチュエータ２０の駆動力のフィードフォワード制御方法のフローチャートを示している。例えば制御装置１００は、動作補助装置１の起動状態において、当該フローチャートに沿った駆動制御処理を繰り返し実行してもよい。あるいは、制御装置１００は、動作補助装置１の起動状態において、生体センサ１２１からセンサ信号が入力されている間、当該フローチャートに沿った駆動制御処理を繰り返し実行してもよい。
【００５９】
まず、生体信号処理部１０２は、生体センサ１２１から出力されるセンサ信号を取得して信号処理を行う（ステップＳ１１）。例えば生体センサ１２１のセンサ信号は電圧信号であり、生体信号処理部１０２は、取得した電圧信号に対してノイズ除去処理、平均化処理、又はフィルタリング処理等を行う。
【００６０】
次いで、アクチュエータ制御部１０６は、信号処理が行われたセンサ信号の情報に基づいてアクチュエータ２０の駆動の要否を判定する（ステップＳ１３）。例えばアクチュエータ制御部１０６は、センサ値（例えば電圧値）があらかじめ設定された閾値を超える場合にアクチュエータ２０を駆動すると判定してもよい。アクチュエータ２０の駆動が不要であると判定された場合（Ｓ１３：Ｎｏ）、制御装置１００はステップＳ１１に戻って制御処理を繰り返す。
【００６１】
一方、アクチュエータ２０の駆動が必要であると判定された場合（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、アクチュエータ制御部１０６は、信号処理が行われたセンサ信号の情報に基づいて大腿部アーム部材３３の要求トルクＴｒを算出する（ステップＳ１５）。例えばアクチュエータ制御部１０６は、あらかじめ設定された計算式を用いて、あるいはあらかじめ記憶部１１０に記憶されたセンサ値（電圧値）と要求トルクＴｒとの関係を示すマップを参照して、センサ値に応じた要求トルクＴｒを求めてもよい。
【００６２】
次いで、回転トルク推定部１０４は、付勢部材１５１の張力（付勢力）により生成されて大腿部アーム部材３３に作用する回転トルク（推定回転トルク）Ｔｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔを算出する（ステップＳ１７）。例えば回転トルク推定部１０４は、スライド機構１５０のスライド方向に沿った付勢部材１５１の変位量Δｘの情報を取得する。付勢部材１５１の変位量Δｘは、例えばスライド機構１５０に備えられた変位量センサ１２３のセンサ信号に基づいて取得することができる。
【００６３】
具体的に、変位量センサ１２３は、付勢部材１５１が平衡状態であるときのガイドレール１４１上の可動部１４３の位置を基準位置として、付勢部材１５１が伸長したときの可動部４３の位置と基準位置との距離（変位量）Δｘを検出する。変位量センサ１２３としては、例えば回転トルク推定部１０４は、取得した付勢部材１５１の変位量Δｘの情報を用いて、上記式（１）に基づいて推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔを算出する。
【００６４】
次いで、アクチュエータ制御部１０６は、アクチュエータ２０の制御量を設定する（ステップＳ１９）。アクチュエータ制御部１０６は、付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成される推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔをあらかじめ考慮に入れてアクチュエータ２０の制御量を設定する。例えばアクチュエータ制御部１０６は、生体センサ１２１のセンサ信号に基づいて算出した大腿部アーム部材３３の要求トルクＴｒから推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔを減算して、大腿部アーム部材３３に作用すべき目標トルクＴ＿ｔｇｔを算出する。
【００６５】
さらにアクチュエータ制御部１０６は、算出した目標トルクＴ＿ｔｇｔに応じてアクチュエータ２０の制御量を設定する。例えばアクチュエータ制御部１０６は、あらかじめ設定された計算式を用いて、あるいはあらかじめ記憶部１１０に記憶された目標トルクＴ＿ｔｇｔとアクチュエータ２０の制御量との関係を示すマップを参照して、目標トルクＴ＿ｔｇｔに応じたアクチュエータ２０の制御量を求めてもよい。アクチュエータ２０の制御量は、例えばアクチュエータ２０に供給する電流値である。
【００６６】
次いで、アクチュエータ制御部１０６は、設定したアクチュエータ２０の制御量にしたがってアクチュエータ駆動部１０８に対して操作指示の信号を出力する（ステップＳ２１）。例えばアクチュエータ駆動部１０８は、入力された操作指示の信号に基づいて電流制御回路を駆動して、アクチュエータ２０に対して電流を供給する。これにより、大腿部アーム部材３３には、アクチュエータ２０の駆動力により生成された回転トルクＴ（Ｔｒ−Ｔｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔ）が作用する。大腿部アーム部材３３には、アクチュエータ２０の駆動力による回転トルクＴと併せて付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇによる回転トルクＴｓｐｒｉｎｇが作用することから、結果的に大腿部アーム部材３３に作用する回転トルクＴ＿ａｃｔは、要求トルクＴｒ相当になる。
【００６７】
（４−２．フィードバック制御）
フィードバック制御によるアクチュエータ２０の駆動制御の概略を説明する。アクチュエータ２０がフィードバック制御により駆動される場合、例えば制御装置１００は、人体の筋活動を検出し得る筋電位センサ等の生体センサのセンサ信号を取得し、第１の腰部関節部３０を中心に回動する大腿部アーム部材３３の要求トルクＴｒを当該センサ信号に基づいて算出する。また、制御装置１００は、第１の腰部関節部３０に設けられたトルクセンサのセンサ信号を取得し、大腿部アーム部材３３に作用している力（検出トルク）Ｔ＿ｄｅｔを検出する。制御装置１００は、要求トルクＴｒから検出トルクＴ＿ｄｅｔを減算した差分ΔＴに基づいて、検出トルクＴ＿ｄｅｔを要求トルクＴｒに一致させるようにアクチュエータ２０の制御量を設定してアクチュエータ２０の駆動を制御する。これにより、動作補助装置１は、ユーザの動作意思に応じて作動してユーザの動作を補助する。
【００６８】
ここで、トルクセンサを用いて検出される検出トルクＴ＿ｄｅｔが付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成される回転トルクＴｓｐｒｉｎｇを含む場合、検出トルクＴ＿ｄｅｔは大腿部アーム部材３３に作用している回転トルクＴ＿ａｃｔに一致する。このため、アクチュエータ２０の駆動力をフィードバック制御することによって大腿部アーム部材３３には要求トルクＴｒ相当の回転トルクが適切に作用する。一方、トルクセンサを用いて検出される検出トルクＴ＿ｄｅｔが付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成される回転トルクＴｓｐｒｉｎｇを含まない場合、検出トルクＴ＿ｄｅｔと実際の回転トルクＴ＿ａｃｔとにずれが生じる。
【００６９】
以下、検出トルクＴ＿ｄｅｔが付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成される回転トルクＴｓｐｒｉｎｇを含まない場合に、当該回転トルクＴｓｐｒｉｎｇを補償し得るアクチュエータ２０の駆動力のフィードバック制御について説明する。
【００７０】
図１２は、付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成される回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ａｃｔを考慮してアクチュエータ２０の駆動力をフィードバック制御する場合に大腿部アーム部材３３に作用する回転トルクＴ＿ａｃｔを示す説明図である。図１２に示した例では、アクチュエータ２０の駆動力は、大腿部アーム部材３３の要求トルクＴｒから、トルクセンサにより検出される検出トルクＴ＿ｄｅｔ、及び付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成されると想定される回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔをあらかじめ減算した差分ΔＴに基づいてフィードバック制御される。
【００７１】
この場合、大腿部アーム部材３３対して、アクチュエータ２０の駆動力により生成される回転トルクＴと併せて、付勢部材１５１の張力により生成される回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ａｃｔが作用する。したがって、大腿部アーム部材３３には、回転トルクＴと回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ａｃｔとの和に相当する回転トルクＴ＿ａｃｔが作用することになり、要求トルクＴｒ相当の回転トルクＴ＿ａｃｔを発生させることができる。
【００７２】
図１３は、アクチュエータ２０の駆動力のフィードバック制御を実行する制御装置１００の構成例を示すブロック図である。制御装置１００は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）又はＭＰＵ（Micro  Processing  Unit）等のプロセッサを備えて構成される。制御装置１００は、生体信号処理部１０２と、回転トルク推定部１０４と、トルク検出部１１２と、アクチュエータ制御部１１６と、アクチュエータ駆動部１０８と、記憶部１１０とを備えている。生体信号処理部１０２、回転トルク推定部１０４、トルク検出部１１２及びアクチュエータ制御部１１６は、プロセッサによるプログラムの実行により実現される機能であってもよい。
【００７３】
生体信号処理部１０２、回転トルク推定部１０４、アクチュエータ駆動部１０８及び記憶部１１０は、フィードバック制御を行う制御装置１００の対応する各部と同様に構成される。
【００７４】
トルク検出部１１２は、第１の腰部関節部３０に設けられたトルクセンサ１２５のセンサ信号を取得し、検出トルクＴ＿ｄｅｔを求める。第１の腰部関節部３０に設けられるトルクセンサ１２５としては、例えばひずみゲージ又は圧電式トルクセンサが用いられる。ただし、検出トルクＴ＿ｄｅｔを検出するためのセンサは、これらのセンサに限られない。例えば、当該センサは、付勢部材１５１の変位量を直接的又は間接的に求めるために利用可能な、他の運動量を検出するセンサであってもよい。この場合の運動量は、例えば第１の腰部関節部３０の回転角度であってもよい。
【００７５】
アクチュエータ制御部１１６は、生体信号処理部１０２により信号処理が行われたセンサ信号の情報に基づいてアクチュエータ２０の駆動の要否を判定する。また、アクチュエータ制御部１１６は、アクチュエータ２０の駆動時においてアクチュエータ２０の制御量を設定して、アクチュエータ駆動部１０８に対して操作指示の信号を出力する。アクチュエータ２０の制御量は、例えばアクチュエータ２０に供給する電流値である。アクチュエータ制御部１１６は、付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成される推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔをあらかじめ考慮に入れてアクチュエータ２０の駆動力をフィードバック制御する。
【００７６】
さらにアクチュエータ制御部１１６は、設定したアクチュエータ２０の制御量にしたがってアクチュエータ駆動部１０８に対して操作指示の信号を出力する。アクチュエータ駆動部１０８は、入力された操作指示の信号に基づいてアクチュエータ２０に供給する電流を制御する。
【００７７】
図１４は、制御装置１００によるアクチュエータ２０の駆動力のフィードバック制御方法のフローチャートを示している。例えば制御装置１００は、動作補助装置１の起動状態において、当該フローチャートに沿った駆動制御処理を繰り返し実行してもよい。あるいは、制御装置１００は、動作補助装置１の起動状態において、生体センサ１２１からセンサ信号が入力されている間、当該フローチャートに沿った駆動制御処理を繰り返し実行してもよい。
【００７８】
まず、生体信号処理部１０２は、生体センサ１２１から出力されるセンサ信号を取得して信号処理を行う（ステップＳ１１）。次いで、アクチュエータ制御部１１６は、信号処理が行われたセンサ信号の情報に基づいてアクチュエータ２０の駆動の要否を判定する（ステップＳ１３）。アクチュエータ２０の駆動が不要であると判定された場合（Ｓ１３：Ｎｏ）、制御装置１００はステップＳ１１に戻って制御処理を繰り返す。一方、アクチュエータ２０の駆動が必要であると判定された場合（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、アクチュエータ制御部１１６は、信号処理が行われたセンサ信号の情報に基づいて大腿部アーム部材３３の要求トルクＴｒを算出する（ステップＳ１５）。次いで、回転トルク推定部１０４は、付勢部材１５１の張力（付勢力）により生成されて大腿部アーム部材３３に作用する回転トルク（推定回転トルク）Ｔｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔを算出する（ステップＳ１７）。
【００７９】
ここまでの各ステップＳ１１〜ステップＳ１７は、図１１に示したフローチャートの各ステップＳ１１〜ステップＳ１７と同様に行われる。
【００８０】
次いで、トルク検出部１１２は、トルクセンサ１２５のセンサ信号を取得し、トルクセンサ１２５により検出されるトルク（検出トルク）Ｔ＿ｄｅｔを求める（ステップＳ１８）。ここで求められる検出トルクＴ＿ｄｅｔは、付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成される回転トルクＴｓｐｒｉｎｇを含まない値である。
【００８１】
次いで、アクチュエータ制御部１１６は、アクチュエータ２０の制御量を設定する（ステップＳ２０）。アクチュエータ制御部１１６は、付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成される推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔをあらかじめ考慮に入れてアクチュエータ２０の制御量を設定する。例えばアクチュエータ制御部１１６は、生体センサ１２１のセンサ信号に基づいて算出した大腿部アーム部材３３の要求トルクＴｒから検出トルクＴ＿ｄｅｔ及び推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔを減算して差分ΔＴを求める。
【００８２】
アクチュエータ制御部１１６は、当該差分ΔＴがゼロになるように、つまり付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成される回転トルクＴｓｐｒｉｎｇと検出トルクＴ＿ｄｅｔとの和が要求トルクＴｒに一致するようにアクチュエータ２０の制御量を設定する。例えばアクチュエータ制御部１１６は、比例積分微分（ＰＩＤ）制御法等を用いて、差分ΔＴに基づきアクチュエータ２０の制御量を設定する。アクチュエータ２０の制御量は、例えばアクチュエータ２０に供給する電流値である。
【００８３】
次いで、アクチュエータ制御部１１６は、設定したアクチュエータ２０の制御量にしたがってアクチュエータ駆動部１０８に対して操作指示の信号を出力する（ステップＳ２１）。これにより、大腿部アーム部材３３には、アクチュエータ２０の駆動力により生成された回転トルクＴが作用する。大腿部アーム部材３３には、アクチュエータ２０の駆動力による回転トルクＴと併せて付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇによる回転トルクＴｓｐｒｉｎｇが作用することから、結果的に大腿部アーム部材３３に作用する回転トルクＴ＿ａｃｔは、要求トルクＴｒ相当になる。
【００８４】
＜５．効果＞
以上、本実施形態に係る動作補助装置１の制御装置１００によれば、能動関節である第１の腰部関節部３０を回転駆動させるアクチュエータ２０の駆動力を、付勢部材１５１の張力Ｆｓｐｒｉｎｇにより生成される大腿部アーム部材３３の推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔをあらかじめ要求トルクＴｒから減算して制御する。したがって、大腿部アーム部材３３に対してスライド可能に構成された大腿部装着部３７を支持する付勢部材１５１の張力（付勢力）により大腿部アーム部材３３に作用する回転トルクＴｓｐｒｉｎｇによる制御量のずれを低減することができる。
【００８５】
また、制御装置１００は、アクチュエータ２０の駆動力をフィードフォワード制御する場合又はフィードバック制御する場合のいずれの場合においても、要求トルクＴｒから推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔを減算した値に基づいてアクチュエータ２０の駆動力を制御することで、大腿部アーム部材３３に作用する回転トルクＴ＿ａｃｔと要求トルクＴｒとのずれを低減することができる。
【００８６】
また、制御装置１００は、スライド機構１５０のスライド方向への付勢部材１５１の変位量Δｘに基づいて推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔを求める回転トルク推定部１０４を備えている。このため、制御装置１００は、当該推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔを用いてアクチュエータ２０の駆動力を制御することで、大腿部アーム部材３３に作用する回転トルクＴ＿ａｃｔと要求トルクＴｒとのずれをより低減することができる。
【００８７】
なお、本実施形態に係る動作補助装置１おいて、人体の下腿部に装着された状態において、上方側下腿部装着部４１は、例えば上方側の直径（仮想径）が下方側の直径（仮想径）よりも小さい略円錐形状に構成され、下方側への位置ずれが生じにくくなっている。また、下方側下腿部装着部４２は、例えば下方側の直径（仮想径）が上方側の直径（仮想径）よりも小さい略円錐形状に構成され、上方側への位置ずれが生じにくくなっている。
【００８８】
また、本実施形態に係る動作補助装置１において、大腿部アーム部材３３と大腿部装着部３７とはスライド機構１５０を介して連結されていることから、大腿部装着部３７よりも下方の膝部関節部４０及び下腿部アーム部材３５等の構成部分の重量のうち、上方側腰部固定ベルト１４及び下方側腰部固定ベルト１３によって支持される重量が低減される。つまり、上方側腰部固定ベルト１４及び下方側腰部固定ベルト１３は、主としてスライド機構１５０よりも上側の構成部分の重量を担うことになり、上方側腰部固定ベルト１４及び下方側腰部固定ベルト１３が担う重量が低減される。したがって、腰部フレーム３１、第１の腰部関節部３０、第２の腰部関節部９０、及び大腿部アーム部材３３が安定的に支持される。これにより、第１の腰部関節部３０及び第２の腰部関節部９０の位置が、人体の腰関節の側方から大きくずれることが抑制される。
【００８９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００９０】
例えば、上記実施形態において、回転トルク推定部１０４は、付勢部材１５１の張力（付勢力）により生成される回転トルクを上記式（１）に基づき推定していたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、第１の腰部関節部３０の回転角度と付勢部材（例えば引張コイルばね）１５１の変位量との関係は、第１の腰部関節部３０から大腿部装着部３７までの距離に応じて変わり得ることから、第１の腰部関節部３０の回転角度、第１の腰部関節部３０と大腿部装着部３７との距離及び付勢部材（例えば引張コイルばね）１５１の変位量に応じた推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔのデータをあらかじめ記憶部１１０に記憶しておき、当該データを参照することで推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔが求められてもよい。
【００９１】
また、上記実施形態では、アクチュエータ２０が第１の腰部関節部３０から離れた位置に配置されていたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、アクチュエータ２０が第１の腰部関節部３０に内蔵されていてもよい。この場合、上記実施形態におけるアクチュエータ２０の駆動力により生成される回転トルクと、アクチュエータ２０の出力トルクとに相当する。
【００９２】
また、上記実施形態では、制御装置１００は、推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔに基づき第１の腰部関節部３０を回転駆動するアクチュエータ２０の駆動制御を行っていたが、本発明は係る例に限定されない。アクチュエータ２０により回転駆動される関節部は、他の関節であってもよい。
【００９３】
また、上記実施形態では、ユーザが歩行動作を行う場合に実行されるアクチュエータ２０の駆動力のフィードフォワード制御又はフィードバック制御の例について説明したが、本発明は係る例に限定されない。例えば、ユーザが歩行動作、すなわち、右脚又は左脚を前後方向に動作させることなく、内転又は外転動作を行う場合においても上記実施形態に係る制御方法を実行することができる。この場合、生体信号に基づくアクチュエータの駆動の要否の判別結果は「不要」となるが、付勢部材１５１の張力（付勢力）による回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ａｃｔが大腿部アーム部材３３に対して作用するため、付勢部材１５１の張力（付勢力）による推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔを打ち消すようにアクチュエータ２０の駆動力が制御されてもよい。具体的には、第１の腰部関節部３０の回転角度及び第２の腰部関節部９０の回転角度、第１の腰部関節部３０と大腿部装着部３７との距離及び付勢部材（例えば引張コイルばね）１５１の変位量に応じた推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔのデータをあらかじめ記憶部１１０に記憶しておき、当該データを参照することで推定回転トルクＴｓｐｒｉｎｇ＿ｅｓｔが求められてもよい。
【００９４】
また、上記実施形態では、動作補助装置が、ユーザの両脚の前後運動を補助する装置として構成されていたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば動作補助装置は、ユーザの片脚の前後運動を補助する装置であってもよい。この場合、第１の腰部関節部、第２の腰部関節部、膝部関節部、腰部フレーム、大腿部アーム部材、下腿部アーム部材、大腿部装着部及び下腿部装着部は、左右のいずれか一方にのみ設けられる。
【符号の説明】
【００９５】
１        動作補助装置
１５      腰部フレーム
２０      アクチュエータ
３０      第１の腰部関節部
３３      大腿部アーム部材
３５      下腿部アーム部材
３７      大腿部装着部
４０      膝部関節部
１００    制御装置
１０４    回転トルク推定部
１０６・１１６    アクチュエータ制御部
１２１    生体センサ
１５０    スライド機構
１５１・１５１ａ，１５１ｂ    付勢部材
【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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