(57)【要約】  本発明による、筋肉への負荷を低減するための人間支援システムにおいて、人間の関節に加えられる支援トルクを得るための方法は、人間の各セグメントの関節に作用する重力によるモーメントを、各セグメントでの力とモーメントとのバランスの方程式に基づいて得るステップを含む。その方法は、さらに、関節に作用する重力によるモーメントを補償するために関節に加えられる支援トルクを得るステップを含む。本発明の１つの実施形態で、力学的エネルギー、代謝エネルギー及び／または安定性／平衡因子のような種々の基準が用いられる。加えて、本発明は、任意の関節のセグメント間で実質的に相対運動がない場合、即ち、重力補償の力学的エネルギー成分がほぼゼロである場合の状態を説明することができる。【選択図】図３
2007533375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間の関節に支援トルクを加えるための人間支援システムにおいて、人間の関節に加えられる支援トルクを得るための方法であって、
第１の関節に対する重力補償制御トルク値を決定するステップと、
前記第１の関節の第１及び第２のセグメントの間の相対角速度が実質的にゼロである場合に、前記重力補償制御トルクが実現可能であると判定するステップと、
前記第１の関節の前記第１及び第２のセグメントの間の前記相対角速度が実質的にゼロでない場合に、重力補償制御トルク実現可能値を決定するステップと、を含み、
前記重力補償制御トルク実現可能値を決定するステップが、
前記重力補償制御トルクの力学的エネルギー実現可能値を決定するステップと、
前記重力補償制御トルクの代謝エネルギー実現可能値を決定するステップと、
前記重力補償制御トルク実現可能値を、前記力学的エネルギー実現可能値及び前記代謝エネルギー実現可能値に基づいて計算するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記力学的エネルギー実現可能値が、被支援筋肉のトルク値と非支援筋肉のトルク値との間の関係を表すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記力学的エネルギー実現可能値が、被支援制御の代謝コストの値と非支援制御の代謝コストの値との間の関係を表すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記重力補償制御トルクに対する安定性実現可能因子を決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記重力補償制御トルク実現可能値を計算するステップが、前記力学的エネルギー実現可能値、前記代謝エネルギー実現可能値、及び前記安定性実現可能因子に基づくことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記重力補償制御トルク実現可能値が第１の閾値を上回る場合に、前記重力補償制御トルク実現可能値を適用するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１または請求項５に記載の方法。
【請求項７】
人間の関節に支援トルクを加えるための人間支援システムにおける、人間の関節に加えられる支援トルクを得るための方法であって、
第１の関節に対する重力補償制御トルク値を決定するステップと、
前記第１の関節の第１及び第２のセグメントの間の相対角速度が実質的にゼロである場合に、前記重力補償制御トルクが実現可能であると判定するステップと、
前記第１の関節の前記第１及び第２のセグメントの間の前記相対角速度が実質的にゼロでない場合に、重力補償制御トルク実現可能値を決定するステップと、を含み、
前記重力補償制御トルク実現可能値を決定するステップが、
前記重力補償制御トルクの力学的エネルギー実現可能値を決定するステップと、
前記重力補償制御トルクの安定性実現可能因子を決定するステップと、
前記重力補償制御トルク実現可能値を、前記力学的エネルギー実現可能値及び前記安定性実現可能因子に基づいて計算するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記力学的エネルギー実現可能値が、被支援筋肉のトルク値と非支援筋肉のトルク値との間の関係を表すことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項９】
人間の関節に支援トルクを加えるための人間支援システムにおける、人間の関節に加えられる支援トルクを得るための方法であって、
第１の関節に対する重力補償制御トルク値を決定するステップと、
前記第１の関節の第１及び第２のセグメントの間の相対角速度が実質的にゼロである場合に、前記重力補償制御トルクが実現可能であると判定するステップと、
前記第１の関節の前記第１及び第２のセグメントの間の前記相対角速度が実質的にゼロでない場合に、重力補償制御トルク実現可能値を決定するステップと、を含み、
前記重力補償制御トルク実現可能値を決定するステップが、
前記重力補償制御トルクの代謝エネルギー実現可能値を決定するステップと、
前記重力補償制御トルクの安定性実現可能因子を決定するステップと、
前記重力補償制御トルク実現可能値を、前記代謝エネルギー実現可能値及び前記安定性実現可能因子に基づいて計算するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
人間の関節に支援トルクを加えるための人間支援システムにおける、人間の関節に加えられる支援トルクを得るためのシステムであって、
第１の関節に対する重力補償制御トルク値を決定するための手段と、
前記第１の関節の第１及び第２のセグメントの間の相対角速度が実質的にゼロである場合に、前記重力補償制御トルクが実現可能であると判定するための第１の判定手段と、
前記第１の関節の前記第１及び第２のセグメントの間の前記相対角速度が実質的にゼロでない場合に、重力補償制御トルク実現可能値を決定するための第２の決定手段と、を備え、
前記第２の決定手段が、
前記重力補償制御トルクの力学的エネルギー実現可能値を決定するための力学的実現可能性手段と、
前記重力補償制御トルクの代謝エネルギー実現可能値を決定するための代謝実現可能性手段と、
前記重力補償制御トルク実現可能値を、前記力学的エネルギー実現可能値及び前記代謝エネルギー実現可能値に基づいて計算するための第１の計算手段と、を備えることを特徴とするシステム。
【請求項１１】
前記力学的エネルギー実現可能値が、被支援筋肉のトルク値と非支援筋肉のトルク値との間の関係を表すことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記代謝エネルギー実現可能値が、被支援制御の代謝コストの値と非支援制御の代謝コストの値との間の関係を表すことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記重力補償制御トルクに対する安定性実現可能因子を決定する安定性実現可能性手段をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１の計算手段が、前記重力補償制御トルク実現可能値を、前記力学的エネルギー実現可能値、前記代謝エネルギー実現可能値、及び前記安定性実現可能因子に基づいて計算することを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１５】
前記重力補償制御トルク実現可能値が第１の閾値を上回る場合に、前記重力補償制御トルク実現可能値を適用する適用手段をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１６】
前記重力補償制御トルク実現可能値が第１の閾値を上回る場合に、前記重力補償制御トルク実現可能値を適用する適用手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
人間の関節に支援トルクを加えるための人間支援システムにおける、人間の関節に加えられる支援トルクを得るためのシステムであって、
第１の関節に対する重力補償制御トルク値を決定するための手段と、
前記第１の関節の第１及び第２のセグメントの間の相対角速度が実質的にゼロである場合に、前記重力補償制御トルクが実現可能であると判定するための第１の判定手段と、
前記第１の関節の前記第１及び第２のセグメントの間の前記相対角速度が実質的にゼロでない場合に、重力補償制御トルク実現可能値を決定するための第２の決定手段と、を備え、
前記第２の決定手段が、
前記重力補償制御トルクの力学的エネルギー実現可能値を決定するための力学的実現可能手段と、
前記重力補償制御トルクの安定性実現可能因子を決定するための安定性実現可能手段と、
前記重力補償制御トルク実現可能値を、前記力学的エネルギー実現可能値及び前記安定性実現可能因子に基づいて計算するための第１の計算手段と、を備えることを特徴とするシステム。
【請求項１８】
前記力学的エネルギー実現可能値が、被支援筋肉のトルク値と非支援筋肉のトルク値との間の関係を表すことを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【請求項１９】
人間の関節に支援トルクを加えるための人間支援システムにおける、人間の関節に加えられる支援トルクを得るためのシステムであって、
第１の関節に対する重力補償制御トルク値を決定するための手段と、
前記第１の関節の第１及び第２のセグメントの間の相対角速度が実質的にゼロであるならば、前記重力補償制御トルクが実現可能であると判定するための第１の判定手段と、
前記第１の関節の前記第１及び第２のセグメントの間の前記相対角速度が実質的にゼロでないならば、重力補償制御トルク実現可能値を決定するための第２の決定手段と、を備え、
前記第２の決定手段が、
前記重力補償制御トルクの代謝エネルギー実現可能値を決定するための代謝実現可能手段と、
前記重力補償制御トルクの安定性実現可能因子を決定するための安定性実現可能手段と、
前記重力補償制御トルク実現可能値を、前記代謝エネルギー実現可能値及び前記安定性実現可能因子に基づいて計算するための第１の計算手段と、を備えることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、参照によりその全体が本明細書にすべて援用される、２００２年９月２３日出願の米国仮出願第６０／４１３，０２４号及び２００２年１０月２８日出願の米国仮出願第６０／４２１，９６４号及び２００３年７月３日出願の米国仮出願第６０／４８４，７０８号の優先権を主張する、２００３年９月５日出願の米国特許出願第１０／６６５，４６０号の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、人間支援システムにおいて重力補償制御を通じて脚部の関節に加えられる支援トルクを得るための方法に関するものである。本発明は、さらに、重力補償制御を有する人間支援システムに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
本田の和光基礎技術研究センターで、力学的動力付き歩行支援プロトタイプ・システムが最近公表された（非特許文献参照）。対象とする用途は、高齢者及び身体障害者に、彼らが以前は行なえなかった日常作業を行なうこと、または彼らがこれらの作業のために現在使っているよりも少ない身体労作を使うことのいずれかを支援することである。検討される作業は、歩行、持ち上げ、座る／立つ、及び階段を登ることを含む。中枢神経系（ＣＮＳ）制御の複雑性、及び随意制御と外部人工制御との間のインターフェースは、未解決の今後の課題である。
【非特許文献１】Katoh and Hirata, The Concept of a Walking Assistance Suit, Welfare Engineering Symposium, The Japan Society of Mechanical Engineers, August 2001.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、随意制御と外部人工制御との間のインターフェースを改善する人間支援システム及びその方法が大いに必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による、筋肉への負荷を低減するための人間支援システムにおいて、人間の関節に加えられる支援トルクを得るための方法は、人間の各セグメントの関節に作用する重力によるモーメントを、各セグメントでの力とモーメントとのバランスの方程式に基づいて得るステップを含む。この方法は、さらに、関節に作用する重力によるモーメントを補償するために関節に加えられる支援トルクを得るステップを含む。本発明の１つの実施形態では、力学的エネルギー、代謝エネルギー及び／または安定性／平衡バランスのような種々の尺度が用いられる。さらに、本発明は、実質的に関節での相対運動がない場合、即ち、重力補償の力学的エネルギー成分がほぼゼロである場合の状態を明らかにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
人間用の外部補助骨格は、身体上に装着される剛性リンクからなる構造体であり、健常者は、より少ない労力で日常活動を行なうことができる。外部補助骨格を日常活動で実際に用いる上で制限となるのは、主として制御の問題である。中枢神経系（ＣＮＳ）制御の複雑性、及び随意制御と外部人工制御との間のインターフェースは、未解決の今後の課題である。本明細書において、われわれは、制御の分解の概念による、随意制御と外部人工制御の間のメカニズムを区分化するための新規な方法を提示する。特に、増強装置（人間支援システム）を装着した人間の制御は、２つのサブシステム、即ち運動生成と重力補償とに分解される。運動生成サブシステムは、中枢神経系で生成された命令からの随意運動の実行を意味する。運動生成サブシステムは、随意運動の運動エネルギーを記述する。重力補償サブシステムは、身体に装着されたアクチュエータの人工制御を担う。重力補償制御は、重力補償サブシステムの位置エネルギーを明らかにし、重力加速度によるトルクの補償を担う。対応する運動エネルギー及び位置エネルギーに対する制御のこの区分化は、随意制御と人工制御の間のインターフェースの量を低減すると仮定される。
【０００７】
重力補償の概念
筋肉トルクをつくりだす骨格筋は、身体の意図的な運動を担うので、「随意筋」とも呼ばれる。これらの筋肉は、人がその意思によってそれらの動きを制御できるので、随意的に動く。外部補助骨格制御の設計において困難な問題は、支援制御と、神経筋系によって実行される随意運動との間のインターフェースを最小化するコントローラを開発することである。効果的なコントローラを設計するために、筋肉からの随意制御及び増強装置からの人工制御によって作動される筋骨格系の力学の数学的説明を考察する。その力学は、以下の微分方程式によってモデル化される。
【０００８】
【数１】
2007533375.tif 000003
【０００９】
ここで、τｍ及びτaは、それぞれ筋肉アクチュエータの随意制御及び支援アクチュエータの人工制御から生み出されるトルクである。ベクトルｑは、一般化座標を表し、Ｍは慣性マトリクスであり、Ｈはコリオリの効果及び遠心トルクを記述し、そして、Ｇは重力のベクトルである。方程式（１）は、非制約的システムの動的平衡を表す。ある人間の動作が外部接触または閉ループ（両足が地面に着いているなど）を含んでいるならば、その動的平衡は修正されなければならない：
【００１０】
【数２】
2007533375.tif 000004
【００１１】
ここで、ＪTはヤコビアン転置行列であり、Γは接触力を表す。
随意筋トルクτｍと外部補助骨格支援トルクτaとの和は、関節で作用する正味関節トルクτｎである。
【００１２】
【数３】
2007533375.tif 000005
【００１３】
方程式（１）のシステムからのアクチュエータ制御の計算は、本来的に適切に提示されていない。即ち、筋肉トルクと支援トルクの異なる組み合わせであっても、同じ運動（即ち、同じ正味関節トルク）を生み出すことが可能になっている。そうした冗長性を解決するための１つの方法は、制御の分解と呼ばれる概念によるものである。分解制御法を用いて、筋肉によって動かされる随意運動に動的平衡の運動生成成分を割り当て（即ち、分解し）、そして、外部補助骨格アクチュエータに静的平衡成分を割り当てることができる。
【００１４】
この細分化は、前記運動方程式をそれぞれ静的エネルギー成分と位置エネルギー成分とに区分化することに等しい。システムの位置エネルギーの変化率は、単に重力によるトルクであるので、外部補助骨格アクチュエータは、トルクτｇを発生させ、重力加速度による力を補償しなければならない。非制約的なシステムのこの区分化は数学的に次のように表される。
【００１５】
【数４】
2007533375.tif 000006
【００１６】
【数５】
2007533375.tif 000007
【００１７】
従って、支援トルクτaの制御法則は、単に重力による影響を無効にするコントローラである。そのため、われわれは、方程式（４）の制御法則を重力補償コントローラとして言及する。
【００１８】
重力補償制御は、以下に指摘されるようないくつかの必要不可欠な特徴を有する。
１）運動の前方への進行を担う随意的アクチュエータと静的平衡の維持を担う支援アクチュエータとの間には自然な細分化がある。この細分化により、随意制御と人工制御の間のインターフェースを低減することができる。
２）重力トルクは、関節の位置と向きとの関数であって、速度及び加速度の項は含まない。そのため、重力補償法は、運動学的変数の数値微分からの雑音増幅に対して感受的でない。
３）重力補償は、モデル・ベースの制御法と看なすことができるが、それは、極めて正確な動的平衡モデルを必要とする逆動的平衡法と比較すると、パラメータ不確実性に対する感受性が限られている。
【００１９】
純粋な重力補償制御アルゴリズムの１つの制限は、それが、いくつかの作業の効率を低下させることであり、その結果、重力の効果が運動の前方への進行を実際に支援することである。例えば、人の歩行は、重力からの位置エネルギーが運動エネルギーへ受動的に変換されるので、高度に効率的な運動であると考えられている。どの時点で重力補償が運動を支援し、そして、どの時点で重力補償がシステムの自然な動的平衡と相互作用するかを決定するための方法が必要とされている。その次に、いくつかの作業のための特定の時点での重力補償の欠陥を明らかにするための、よりインテリジェントな制御を開発することができる。
【００２０】
次項で、われわれは、重力補償が力学的に効率的である場合、即ち、システム全体の自然な動的平衡を保存する場合の事例の原理を示す。
【００２１】
インテリジェントな支援制御の原理
支援トルクの協調的でインテリジェントな作用によって、疲労と怪我の危険性を低減する機会が提供されるだけでなく、関節インピーダンスの制御が運動を安定化させる。支援トルクによる運動の安定化の程度を定量化することは困難であるが、運動のエネルギー論に対する付加的な作動の効果を、より容易に支援制御の設計に組み入れることができる。運動の力学的エネルギーは、支援制御アルゴリズムに関連する効率性を定量化し、記述するための優れた手段である。関節のレベルで、筋肉によって生み出される仕事率を記述するために用いられる生体力学的な量は、正味随意筋モーメントτｍと関節の角速度Ωの積である。
【００２２】
【数６】
2007533375.tif 000008
【００２３】
同様に、正味関節仕事率は、次式によって与えられる。
【００２４】
【数７】
2007533375.tif 000009
【００２５】
関節のレベルで出力される仕事率を見積もる場合、共活性化の存在が見逃されている。共活性化の存在は、関節インピーダンスを高めることによって、筋骨格系が安定することが経験的に確かめられてきた。換言すると、方程式（６）及び（７）に記述される仕事率の方程式では、１つの筋肉群による仕事率の同時発生と拮抗筋群による吸収、またはその逆を明らかにすることができない。
【００２６】
しかしながら、個々の筋肉の仕事率の寄与を考慮すれば、本システムにおけるエネルギーの流れのより正確な考察を得ることができ、支援制御のためのより適切なアルゴリズムを示すことができる。筋力及び筋長の変化率が既知であれば、個々の筋肉の仕事率の寄与（Pm）は、次式から決定される。
【００２７】
【数８】
2007533375.tif 000010
【００２８】
ここで、Ｆｍ及び
2007533375.tif 000011
は、それぞれ筋力及び筋速度を表す。尚、方程式（６）を用いた関節レベルでの筋力は、関節の範囲に及ぶ筋肉の仕事率の寄与の総和には等しくない。仕事率とは仕事を行なうことの変化率である。行なわれた仕事を計算するために、われわれは、仕事率をある時間にわたって積分しなければならない。随意筋の活動によって時間ｔ１からｔ２までの間に行なわれる仕事は、以下である。
【００２９】
【数９】
2007533375.tif 000012
【００３０】
同様に、筋肉及び支援アクチュエータからの正味の力学的仕事は、次式によって与えられる。
【００３１】
【数１０】
2007533375.tif 000013
【００３２】
仕事率Ｐｍ及び仕事Ｗｍは正または負のいずれでも可能である。正の仕事とは、筋モーメントが関節の角速度と同じ方向に作用するときに、求心性収縮の間に行なわれる仕事である。求心性収縮は、筋収縮が筋肉を縮めることを可能にするときに生じる。負の仕事とは、筋モーメントが関節の運動と反対方向に作用するときに、伸張性収縮の間に行なわれる仕事である。伸張性作用は、筋肉は活性化されているものの、高外部負荷によって伸びざるを得ないときに生じる。同じ活性化レベルであっても、求心性収縮の間よりも、伸張性収縮の間に、筋長及び筋速度において筋肉のより大きな緊張を生み出すことができる。また、伸張性収縮は、代謝的により効率的であることが示されている。その全体が本明細書に参照によって援用される、以下の文献を参照されたい。（１）R Wells, M Morrisey, and R Hughson. Internal and physiological responses during concentric and eccentric cycle ergometry. Eur. J. Appl. Physiol, 55:291-301, 1986、及び（２）M. Gagnon and G. Smith. Muscular mechanical energy expenditure as a process for detecting potential risks in manual materials handling. J. Biomech., 24(3/4): 191-203, November 1991。
【００３３】
作業を行なう代謝コスト（ＭＣ）は、正及び負の仕事に関連する効率を考慮すべきである。
【００３４】
【数１１】
2007533375.tif 000014
【００３５】
ここで、Ｗ＋は求心性の仕事（筋肉が縮むときに行なわれる仕事）を表し、Ｗ−は伸張性の仕事（筋肉が伸びるときに行なわれる仕事）を表す。定数ｎ＋及びｎ−は、それぞれ求心性及び伸張性の活動に関係する効率である。筋肉のレベルで、筋肉ｍの相乗作用の総代謝コストは、瞬間的な仕事率の全体を積分して、伸張性の活動のより高い代謝効率を考慮することによって得られる。
【００３６】
【数１２】
2007533375.tif 000015
【００３７】
力学的な仕事または代謝的な仕事の計算によって、等尺性筋活動の代謝コストを決定することはできない。重力に逆らった等尺性の仕事を含む、外部支援を受けていない人間の動作において、力学的に運動は存在せず、そのため、力学的な仕事は何ら行なわれない。しかしながら、代謝的にはコストが存在する。従って、重力に逆らって身体セグメントを保持するための仕事の要件を、筋仕事率または関節仕事率の計算によって決定することはできない。そのような仕事は、多くの病理状態において無視できない。さらに、仕事に関係のある持ち上げまたは持ち運び作業においても、負荷が、重力に逆らって一時的に保持されたり、身体が長時間前に傾いた状態で持ち運ばれたりするので、無視できない。この事実は、重力補償制御の興味深く実用的な利点につながる。即ち、重力補償は、重力に逆らった等尺性収縮に関連する代謝コストを本質的に除去する。別の実施形態で、以下に述べられるが、本発明は、例えば、力学的エネルギー、代謝エネルギー及び安定性を用いて計算されたトルクを適用するか否か、及びどのように適用するかを決定する種々の尺度を明らかにする。
【００３８】
支援トルクの実現可能性
支援制御アルゴリズムの実現可能性を決定するための１つの尺度は、代謝コストに対する支援制御の効果を考慮に入れるか否かである。われわれは、支援制御の代謝コストが非支援制御の代謝コストよりも少ないという条件で、代謝的に実現可能な瞬間的支援トルクを考慮する。
【００３９】
【数１３】
2007533375.tif 000016
ここで、ｎｍ及びｎｎは、瞬間的な仕事率が正か負かによる、瞬間的な代謝効率を表す。
【００４０】
運動の力学的コストのみを考慮することによってわれわれの分析を簡略化するために、ｎｍ＝ｎｎ＝１と仮定する。すると、方程式（１３）は以下のように簡単になる。
【００４１】
【数１４】
2007533375.tif 000017
【００４２】
力学的エネルギーに関して、前記の仮定は、被支援筋肉のトルクの大きさが非支援トルクの大きさを上回らないように支援制御を設計すべきであることを意味している。支援トルクτaに関する不等式制約は以下のように表すことができる。方程式（３）から、以下の関係が有効である。
【００４３】
【数１５】
2007533375.tif 000018
【００４４】
方程式（１５）を方程式（１４）に代入すると、次式となる。
【００４５】
【数１６】
2007533375.tif 000019
【００４６】
従って、方程式（１６）を満足させる必要十分条件は、以下の不等式制約を満足させる支援トルクを加えることである。
【００４７】
【数１７】
2007533375.tif 000020
【００４８】
方程式（１７）の尺度による実現可能領域は図１に示される。インテリジェントな重力補償コントローラを開発するために、力学的エネルギー及び関連する実現可能領域を考慮しなければならない。全体的な制御法を作成するために、本明細書に提示された重力補償コントローラを補完する複合型コントローラを開発することが不可欠である。その結果、重力が動作を支援するときには本システムの自然な動的平衡を利用し、重力が動作を妨げているときには重力を補償するという制御法が得られる。
【００４９】
本発明による、筋肉への負荷を低減するための人間支援システムにおいて、人間の関節に加えられる支援トルクを得るための方法は、人間の各セグメントの関節に作用する重力によるモーメントを、各セグメントでの力とモーメントとのバランスの方程式に基づいて得るステップを含む。その方法は、さらに、関節に作用する重力によるモーメントを補償するために関節に加えられる支援トルクを得るステップを含む。本発明の１つの実施形態で、以下により詳細に述べられるように、力学的エネルギー、代謝エネルギー及び／または安定性／平衡バランスのような種々の尺度が用いられる。さらに、本発明は、関節において実質的に相対運動がなく、従って、重力補償の力学的エネルギー成分がほぼゼロであるときの状態を明らかにすることができる。
【００５０】
本発明の１つの実施形態による、筋肉の負荷を低減するために支援トルクを人間の関節に加えるための人間支援システムは、支援トルクを関節に加えるためのモータと、そのモータを駆動制御するためのモータ駆動装置とを備えている。そのシステムは、さらに、プロセッサとメモリとを備えた、支援トルクの所望の値を決定するためのコントローラとを備えている。コントローラは、人間の各セグメントの関節に作用する重力によるモーメントを、各セグメントでの力とモーメントのバランスの方程式に基づいて取得し、その後、関節に作用する重力によるモーメントを補償するために関節に加えられる支援トルクを得るように構成される。
【００５１】
従って、本発明では、運動の前方への進行を担う随意的アクチュエータと静的均衡の維持を担う支援アクチュエータとの間には自然な細分化がある。この細分化によって、随意制御と人工制御との間のインターフェースを低減することができる。
【００５２】
本発明の１つの実施形態によれば、関節に作用する重力によるモーメントは、関節に作用する重力によるモーメントを得るステップにおいて、足に作用する床反力、足の圧力中心、及び各セグメントの傾斜角度に基づいて得られる。
【００５３】
従って、関節に作用する重力によるモーメントを、複雑な方法を使わずに容易に得ることができる。
【００５４】
本発明の別の実施形態によれば、重力加速度以外の加速度の項、角加速度の項、及び水平力の項は、関節に作用する重力によるモーメントを得るために、各セグメントでの力とモーメントとのバランスの方程式においてゼロに設定する。
【００５５】
従って、関節に作用する重力によるモーメントを、確実に、そして、質量中心の加速度の項、角加速度の項、及び水平力の項を測定または計算せずに得ることができる。
【００５６】
本発明の別の実施形態によれば、任意の関節に加えられるトルクは、重力加速度による正味トルクを計算することによって見積もられる。
【００５７】
従って、任意の関節に加えられるトルクを容易に見積もることができる。
【００５８】
本発明の別の実施形態によれば、床反力を、センサからの測定に基づいて得る。従って、床反力を確実に得ることができる。
【００５９】
本発明の別の実施形態によれば、床反力を、所定の定数に基づいて得る。従って、床反力を容易に確実に得ることができる。
【００６０】
本発明の別の実施形態によれば、足裏の圧力中心を、センサからの測定に基づいて得る。従って、足裏の圧力中心を確実に得ることができる。  
【００６１】
本発明の別の実施形態によれば、支援トルクを、リアルタイム処理を通じてリアルタイムで得る。従って、本方法及びシステムは、リアルタイムの人間支援制御に適している。
【００６２】
本発明の別の実施形態によれば、セグメントは足、脛及び大腿部を含む。従って、足首関節、膝関節及び股関節のいずれにも適用される支援トルクを得ることができる。
【００６３】
本発明の別の実施形態によれば、各セグメントの傾斜角度は、センサからの測定に基づいて得られる。従って、各セグメントの傾斜角度を確実に得ることができる。
【００６４】
本発明の別の実施形態によれば、前記センサは、関節曲げ角度を示す関節角度センサである。
【００６５】
本発明の別の実施形態によれば、前記関節角度センサはポテンショメータである。
【００６６】
従って、各セグメントの傾斜角度を、確実に、高機能センサを使う必要なく得ることができる。
【００６７】
本発明の別の実施形態によれば、本方法は、負荷を持ち上げ、下ろす人間の動作の間に用いられる。従って、人間支援制御を、人間が負荷を持ち上げて下ろす動作の間に確実に行なうことができる。
【００６８】
本発明の別の実施形態によれば、本システムは外部補助骨格型のシステムである。従って、外部補助骨格型の前記人間支援システムの制御を確実に行なうことができる。
【００６９】
反復「グラウンド・アップ」重力補償
ここで、われわれは、再帰的定式化の重力補償アルゴリズムを提示する。この定式化は、パラメータ不確実性及びモデル化されていない動的均衡に対してより強固である、外部補助骨格制御方式の実現のためにより好適である。前記アルゴリズムは、鉛直床反力を制約として用い、関節での重力によるモーメントを反復的に計算する。多体平面動的均衡システムを考察する。図２に示されるような、分離された身体セグメントｉ（ｉ＝１．．．ｎ）について、
2007533375.tif 000021
をそれぞれ質量中心の加速度、鉛直線に対する関節角度、及び角加速度とする。物理的パラメータｍｉ、Ｉｉ、１ｉ、及びｋｉは、質量、慣性モーメント、セグメント長、及びリンクｉの質量中心までの長さを表す。
【００７０】
Ｆｉ、Ｇｉ及びτｉを、それぞれセグメントｉ-１によってセグメントｉに加えられる水平力、鉛直力及び関節モーメントとする。同様に、−Ｆｉ＋１、−Ｇｉ＋１及び−τｉ＋１を、それぞれセグメントｉ＋１によってセグメントｉに加えられる水平力、鉛直力及びモーメントとする。以下のニュートン-オイラー方程式は、各セグメントへの力とモーメントとのバランスの分析から導かれる。
【００７１】
【数１８】
2007533375.tif 000022
【００７２】
【数１９】
2007533375.tif 000023
【００７３】
【数２０】
2007533375.tif 000024
【００７４】
リンク１を足とし、Ｆ１、Ｇ１を、圧力中心に作用する床反力とする。圧力中心での反作用モーメントはゼロ、即ち、τ１＝０とする。長さｌ１は圧力中心から始まり、足首関節で終わり、そして、長さｋ１は圧力中心から始まり、足の質量中心で終わる。各セグメントの質量中心の座標は、運動方程式を用いて計算する。前記ニュートン-オイラー方程式を使って、「グラウンド・アップ」逆動的平衡の手順は、運動学及び床反力を利用し、一連の関節での正味関節力と正味関節モーメントとを再帰的に見積もる。方程式（２０）は、関節ｉでの正味関節トルクτｎｉを表す。理論上、関節トルクのベクトルτｎｉ∀ｉ∈［１．．．ｎ］は、方程式（３）を用いて得られる正味関節トルクと同一である。違いは、この手順が反復的であり、制約として床反力を必要とすることである。反復的手順における床反力と運動学的データとの統合は、その式が全身のモデル化を必要としないので、好都合である。従って、前記統合は、足首、膝部及び股関節における関節モーメントと関節力とを見積もるための好ましい方法である。
【００７５】
適切な制約と共に「グラウンド・アップ」逆動的平衡方程式を用いることによって、「グラウンド・アップ」重力補償アルゴリズムを作成することが可能である。すべての加速度及びすべての水平関節反作用力をゼロに設定することによって、方程式（１８）−（２０）から、関節モーメントに対する重力及び静的鉛直負荷の寄与を計算することができる。即ち、次式の通りである。
【００７６】
【数２１】
2007533375.tif 000025
【００７７】
方程式（１８）−（２０）における前記制約を用いると、重力（下付き文字ｇによって示される）の効果による各関節での力とモーメントとを計算するための反復的定式化が得られる。
【００７８】
【数２２】
2007533375.tif 000026
【００７９】
【数２３】
2007533375.tif 000027
【００８０】
前記方程式は、静的鉛直負荷の効果を正味モーメントに関連付けるので、床反作用に対する制約は、以下のように適切に選択されなければならない。
【００８１】
【数２４】
2007533375.tif 000028
【００８２】
【数２５】
2007533375.tif 000029
【００８３】
【数２６】
2007533375.tif 000030
【００８４】
ここで、Ｇｅは外部負荷による正味静的鉛直力であり、
2007533375.tif 000031
は、総体重による重力である。
【００８５】
関節ｉ（ｉ＝１．．．）はすべて作動していると仮定する。各関節で所望の支援制御を生成するために用いられる重力補償制御の法則は、以下のとおりである。
【００８６】
【数２７】
2007533375.tif 000032
【００８７】
【数２８】
2007533375.tif 000033
【００８８】
すべての関節での所望の支援トルクは、単に、以下によって生成されるベクトルである。
【００８９】
【数２９】
2007533375.tif 000034
【００９０】
ある１つの関節が作動されないならば、その関節での支援トルクは単にゼロである。
【００９１】
全体システム
重力補償コントローラ、外部補助骨格アクチュエータ・システム並びに人間及び外部補助骨格を含むシステム全体のブロック図を図３に示す。外部補助骨格アクチュエータ／制御システムによって、前記コントローラを用いて計算される所望の支援トルクが採用され、その出力で所望のトルクを生成することが試みられる。人間の関節を駆動するために用いられる実際の支援トルクは、アクチュエータ・システムの出力である。重力補償コントローラ及び外部補助骨格アクチュエータ・システムは、人間支援システムを構成するものである。
【００９２】
人間支援システム
人間支援システムのブロック図は図５に示される。前記のように、人間支援システムは、重力補償コントローラ１００と外部補助骨格アクチュエータ・システム２００を備えている。重力補償コントローラ１００は、ＣＰＵ１０１、メモリ１０２、Ｄ／Ａ１０３、Ａ／Ｄ１０４、及びＤＩＯ１０５を有する。外部補助骨格アクチュエータ・システム２００は、所望の支援トルクを各関節に加えるためのアクチュエータ装置である。関節には、両足首関節、両膝関節及び両股関節などがある。これらの関節は複数のアクチュエータ装置を備える。各アクチュエータ装置は、モータ駆動装置２０１、ＤＣサーボモータ２０２、ギヤ２０３、及びポテンショメータ２０４を含んで成る。
【００９３】
始動／停止スイッチ２がＯＮの状態に設定されると（即ち、始動スイッチが入れられると）、重力補償コントローラ１００はその作動を始める。始動／停止スイッチ２がＯＦＦの状態に設定されると（即ち、停止スイッチが入れられると）、重力補償コントローラ１００はその作動を停止する。始動／停止スイッチ２がＯＮの状態に設定されている間、重力補償コントローラ１００は、方程式（２２）から（２９）に基づいて、各関節の所望の支援トルクを一定の間隔で反復的に計算する。方程式（２６）で、Ｇｇ（１）は、床反力センサ１を用いた測定を通じて得ることができる。床反力センサ１は、足の裏または床に配置されるロードセル・タイプのものでよい。または、Ｇｇ（１）は、メモリ１０２に保存されたデータを用いて得ることができる。それぞれの足の下の圧力中心は、計算または靴内圧力センサを用いて測定することができる。各セグメントの質量、各セグメントの質量中心の位置、及び各セグメントの長さのような身体セグメント・パラメータは、Winter D. A (1990), Biomechanic and Motor Control of Human Movement, 2ndEdition, Jhon Wiley & Sons, Inc.に報告されたような回帰方程式を用いて得ることができる。前記文献は、参照によってその全体が本明細書に援用される。
【００９４】
人間が持ち上げられる、または持ち運ぶ外部負荷の質量は、事前の測定から知ることができる。その質量は、右側のセグメントと左側のセグメントで等しく分け合われると仮定することができる。方程式（２３）で、鉛直線に対する関節角度と（関節傾斜角度）θｉは、各関節でのポテンショメータ２０４の出力に基づいて得ることができる。ポテンショメータ２０４の出力は、関節での曲げ角度（関節曲げ角度）を表す。鉛直線に対する関節角度θｉは、各関節での曲げ角度から計算可能である。
【００９５】
次に、重力補償コントローラ１００は、各関節の所望の値の支援トルクを、Ｄ／Ａ１０３を通じて各アクチュエータ装置の各モータ駆動装置２０１に与える。各アクチュエータ装置において、モータ駆動装置２０１は、ＤＣサーボモータ２０２を駆動し、所望の支援トルクを各関節に与える。
【００９６】
操作処理
図６は、人間支援システムの操作処理を示すフローチャートである。
【００９７】
ステップ６０５で、始動スイッチ２が入ると、時間はゼロに設定される。ステップ６１０で、床反力の静的鉛直成分を、測定または見積もりを通じて得る。
【００９８】
ステップ６１５で、鉛直線に対する関節角度θｉ（セグメントｉの向き）を、センサを通じて得る。そのセンサは各関節におけるポテンショメータでもよい。ステップ６２０で、重力に打ち勝つための関節ｉでの所望の支援トルクを、方程式（２２）から（２９）に基づいて計算する。
【００９９】
ステップ６２５で、計算がすべてのセグメントについて実行されたか否かを判定する。いずれかのセグメントについて計算を実行していない場合、ｉのカウンタは、ステップ６３０で値が１増やされ、その後、処理はステップ６１５へ戻る。それ以外の場合、処理はステップ６３５へ進む。
【０１００】
ステップ６３５で、所望の支援トルクを、Ｄ／Ａコンバータを通じて各アクチュエータ装置へ所望の支援トルクを発生させるために与える。ステップ６４０で、処理は一定時間待機する。
【０１０１】
ステップ６４５で、停止スイッチ２が入れられたか否かを判定する。判定の結果が「はい」であれば、処理は終了する。判定の結果が「いいえ」であれば、処理はステップ６１０に戻る。
【０１０２】
シミュレーション
重力補償の手順を、手で物を取り扱う作業を代表する、物の上げ／下ろし動作についてシミュレートする。図４に示すように、足、下腿、大腿、胴体、上腕及び前腕をモデル化した６リンク平面システムを、分析を行なうために用いる。持ち上げの種々の動的及び運動パラメータに対する力学的因子及び外部質量の効果は、生体力学によって広範に研究されてきた。その全体が引用によって援用される以下の文献を参照されたい。D. Gagnon and M. Gagnon, “The influence of dynamic factors on triaxial net muscular moments at the 15/s1 joint during asymmetrical lifting and lowering” Journal of Biomechanics, 25:891-901, 1992、及びS. H. Hsiang and R. W. McGorry, “Three different lifting strategies for controlling the motion patterns of the external load” Ergonomics, 40:928-939, 1997.
【０１０３】
そのような研究は、人間工学的介入の検証を通じて危険因子を低減するために行なわれてきた。
【０１０４】
図７は、１０ｋｇの質量を上げ下ろしする運動のための、５つの関節での動作軌道を示す。図８は、膝部における支援トルク、筋肉トルク及び正味関節トルクの大きさのシミュレーション比較を示す。膝部での筋肉トルクが、膝部での正味関節トルクを上回る領域では、重力補償制御によって、作業を行なうための筋肉が必要とする力学的な仕事率が増加する。われわれの分析は、代謝の仕事率が各時刻において増加または減少したか否かを予測することはできない。代謝コストに対する重力補償の効果を完全に理解するため、より高度な手段が必要である。さらに、重力補償によって、力学的仕事は増加した分、実際に安定性が向上する。
【０１０５】
図９は、股関節での支援トルク、筋肉トルク、及び正味関節トルクの大きさのシミュレート比較を示す。重力補償制御によって、股関節での筋肉トルクが股関節での正味関節トルクを上回る領域で作業を行なうために筋肉が必要とする力学的仕事率が増加する。図１０は、膝部での支援トルク、筋肉トルク、及び正味関節トルクのシミュレート比較を示す。重力補償によって、支援トルク及び正味関節トルクが反対の符号を有する領域で、運動の効率が減少する。図１１は、股関節における支援トルク、筋肉トルク及び正味関節トルクのシミュレート比較を示す。重力補償によって、支援トルク及び正味関節トルクが反対の符号を有する領域で、運動の効率が減少する。図１２は、関節トルク（上図）及び関節角速度（中図）を含む、膝部における関節仕事率を見積もるための量を示す。関節仕事率は下のグラフに示される。調整された関節仕事率は、プラス及びマイナスの仕事の代謝コスト指数を考慮している。文献から入手可能なデータに基づいて、ｎ−＝１．５及びｎ＋＝１．０の指数をこのシミュレーションで用いた。図１３は、関節トルク（上図）及び関節角速度（中図）を含む、股関節における関節仕事率を見積もるための量を示す。関節仕事率を下のグラフに示す。調整された関節仕事率は、プラス及びマイナスの仕事の代謝コスト指数を考慮している。文献から入手可能なデータに基づいて、ｎ−＝１．５及びｎ＋＝１．０の指数をこのシミュレーションで用いた。図１４は、膝関節における支援トルク対正味関節トルクの実現可能領域を示す。重力支援の実現可能領域を、「×」印のプロットによって示す。「○」印のプロットを有する領域は、実現可能でない随意筋トルクを生み出す。図１５は、股関節における支援トルク対正味関節トルクの実現可能領域を示す。重力支援の実現可能領域を、「×」印のプロットによって示す。「○」印のプロットを有する領域は、実現可能でない随意筋トルクを生み出す。
【０１０６】
図８から図１１は、膝関節及び股関節での筋肉トルクは、正味関節トルクと比較して、相当に低減することを示す。これは、反復「グラウンド・アップ」重力補償によって、この作業を行なうために筋肉が必要とする仕事を著しく低減したことを意味する。
【０１０７】
図１６は、本発明の１つの実施形態による、多数の因子に基づいてトルクを決定して加えるための技術を示すフローチャートである。特定の関節動作を制御し、そして、加えられるべき適切な力と、特定の関節に何らかの力が加えられるべきか否かとを決定するためのアルゴリズムを、図１６に示し、本明細書で説明する。そのアルゴリズムが、本発明の１つの実施形態を説明することは明らかであろう。この実施形態において、処理は、時間“ｔ”をゼロに設定し（１６０２）、差分（ｄｔ）により増加させ（１６４２）、そして、ｔが閾値（ｔｃ）を超えるまで繰り返す（１６４４）ことによって、ある時間（ｔ）の間反復する。この処理は、関節に関連する分岐部の終端効果器が環境と接触しているか否か、即ち、制約されているか否かを判定する（１６０４）ことによって始まる。接触がない、即ち、制約されていなければ、終端効果器に作用する力及びモーメントはゼロであることが知られており、処理はステップ１６０８へ続く。環境との接触がある、即ち、終端効果器が制約されていれば、反力及びモーメントを決定する（１６０６）。反作用力及びモーメントを、分析的な見積もりまたはセンサを用いて取得することができる。反力及びモーメントを分析的に見積もるための技術の１例は、R. Featherstone and D. Orin, “Robot Dynamics: Equation and Algorithms” International Conference on Robotics and Automation, San   Francisco, CA2000に述べられている。前記文献は、参照によってその全体が本明細書に援用される。
【０１０８】
処理は、当該の特定の関節の自由度を説明する運動学及び速度を決定する（１６０８）ことによって続く。これらの値は、直接見積もるか、またはセンサの測定から導き出す。重力補償制御トルクを前記した手順を用いて計算する（１６１０）。
【０１０９】
次に、本発明の１つの実施形態は、関節を取り巻くセグメント間に実質的な運動があるか否かを判定する。２つの接続された身体セグメント間の相対角速度の絶対値が、小さい閾値（ε）よりも小さければ（１６１２）、実質的に関節運動はない。１つの関節の範囲に及ぶ相対運動がゼロならば、力学的仕事は生じない。しかし、筋肉は、重力を補償するために等尺的に収縮するので、本発明が明らかにする代謝コストは存在する。前記小さい閾値は、測定及びモデル誤差を明らかにするために用いる。隣接するセグメント間に実質的に相対運動がなければ、ステップ１６１０で計算された重力補償トルクを制御方式として用いて（１６４０）、システムを駆動するためにその重力補償トルクを加える。処理は、時間を増加させるか（１６４２）、または代替的な実施形態で、別の関節を分析することによって続く。
【０１１０】
２つの接続された身体セグメント間の相対角速度の絶対値が、前記閾値を上回ると、本発明は、多数の尺度を用いて（１６１４）、制御アルゴリズムの実現可能性を評価する（１６２２）。そうした尺度のいくつかの例は、力学的エネルギー／仕事率の実現可能性、代謝エネルギー／仕事率の実現可能性、安定性／平衡の実現可能性を含む。前記のように、被支援筋肉のトルクの大きさが、正味関節トルクに対する力学的に実現可能な支援トルクの領域を示す図１に表されているように、非支援筋肉のトルクの大きさを上回らなければ、支援トルクの力学的エネルギー／仕事率は、実現可能である（１６１６）。
【０１１１】
同様に、本発明は、代謝エネルギー／仕事率の実現可能性を用いて、制御アルゴリズムの実現可能性を判定する（１６１８）。代謝エネルギー／仕事率の実現可能性を判定することは、力学的エネルギー／仕事率の実現可能性を判定することよりも複雑である。例えば、各筋肉は、殆どの場合は定数に近似する異なる効率指数を持ち得る。実際には、効率指数は、筋肉パラメータ及びシステム状態変数の非線形関数である。さらに、これらの指数は、人によって異なってもよい。１つの実施形態で、１つの制御トルクは、被支援関節の動作の代謝コストが非支援関節の動作の代謝コストを上回らない場合、実現可能であると判定される。代謝コストを判定する１つの方法は、前記方程式（１２）に記述されている。この方程式から、実現可能領域を構築してもよい。
【０１１２】
別の可能な尺度は、安定性及び平衡の維持である。安定性が喪失すると、バランス（平衡反応）を回復するために身体のエネルギー消費が引き起こされる。多くの場合、平衡反応は、力学的及び代謝エネルギーを最小限にすることを含む、その他のモータ技術の負担を生じる。安定性の喪失に対する防止策は、均衡の維持を担うメカニズムが筋肉組織を使い、身体制御を通じてバランスを回復することである。安定性がエネルギー消費に優先する証拠は、対になった拮抗筋の共収縮によって関節の安定性が増加することに見られる。安定性の定量化は、J. Dingwell et. al “Slower speeds in patients with diabetic neuropathy lead to improved local dynamic stability of continuous overground walking” Journal of Biomechanics, Vol 33, pp. 1269-1277 (2000)に記載されているようなリャプノフ指数法など種々の方法で行なわれる。リャプノフ指数によって、システムが時間とともに進化するにつれて、アトラクタ上の軌道が収束または分岐する割合が定量化され、それらの軌道の安定性が直接測定される。最大のリャプノフ指数の正の値は、全体的な不安定性、及びカオスの存在を定義する初期条件に対する感受性を示すものである。動的平衡の安定性を定量化する別の方法は、A. Goswami and V. Kallem “Rate of change of angular momentum and balance maintenance of biped robots” Proceedings of the International Conference on Robotics and Automation (2004)に述べられており、角運動量の変化率を計算するものである。システムの相対的な不安定性は、角運動量の変化率の大きさと直接的に相関している。安定性／平衡の実現可能性（１６２０）の重要性は、特定の対象者及び作業によって決まり、安定性の実現可能性（１６２０）の判定は、そのような変数を明らかにすることができる。例えば、安定性制御は、その作業が歩行と比較して重い負荷を持ち運ぶ場合、または対象者が若年者と比較して年齢が高い場合に、より重要である。
【０１１３】
本発明では、２つ以上の多様な尺度からの実現可能性の結果を組み合わせる（１６２２）。この実施例において、本発明は、力学的エネルギー／仕事率の実現可能性の判定（１６１６）、代謝エネルギー／仕事率の実現可能性の判定１６１８、及び安定性の実現可能性の判定（１６２０）からの結果を組み合わせて（１６２２）、ステップ１６１０で判定された制御トルクの実現可能性を判定する。その判定処理１６２２は、前記３つの判定のそれぞれの結果の加重平均という単純なものでもよく、または、ファジー理論に基づく判定推論のような、より複雑な推論処理でもよい。判定処理１６２２は、適用、対象者及び分析されている関節によって異なる。判定処理１６２２の結果が実現可能であれば（１６２４）、前記制御方式は、計算された力を用いて適用可能である（１６４０）。それ以外の場合、再計算が選択されるならば（１６２６）、本システムでは、別の方法を用いて、制御力（トルク）を再計算し（１６２８）、その再計算された力をステップ１６１４へ入力し、そして、処理は前記のとおりに続く。別の再計算の技術の例は、予測制御法を用いることであり、それによって、現在の状態及び制御を用いて、未来の状態を見積もる。一旦次の状態を見積もると、制御を、エラー訂正フィードバックを用いたフィードバックに基づいて計算することができる。再計算を選択しない場合（１６２６）、処理は時間を増やす（１６４２）ことによって続く。
【０１１４】
本発明の特定の実施形態及び適用が本明細書で説明され、述べられてきたが、当然のことながら、本発明は、本明細書で開示されたとおりの構成及び構成要素に限定されず、そして、添付された請求項に定義されたような本発明の趣旨と範囲を逸脱しない限りで、種々の修正、変更及び変形を、本発明の方法及び装置の配置、動作及び細部において行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】図１は、実現可能な支援が与えられる領域を示す。
【図２】図２は、分離された剛体を示す。
【図３】図３は、外部補助骨格が装着された人体を制御するための、人間の感覚運動制御システムと、外部補助骨格作動、センシング及び制御システムとの相互関係を示すブロック図である。
【図４】図４は、運動の持ち上げサイクルの最初と最後の位置を示す６セグメント平面二足歩行体である。
【図５】図５は、人間支援システムを示すブロック図である。
【図６】図６は、人間支援システムの動作を示すフローチャートである。
【図７】図７は、１０ｋｇの質量を上げ下ろしする動作の、５つの関節での動作軌道を示す。
【図８】図８は、膝部における支援トルク、筋肉トルク及び正味関節トルクの大きさのシミュレート比較を示す。
【図９】図９は、股関節における支援トルク、筋肉トルク及び正味関節トルクの大きさのシミュレート比較を示す。
【図１０】図１０は、膝部における支援トルク、筋肉トルク及び正味関節トルクのシミュレート比較を示す。
【図１１】図１１は、股関節における支援トルク、筋肉トルク及び正味関節トルクのシミュレート比較を示す。
【図１２】図１２は、関節トルク（上図）及び関節角速度（中図）を含む、膝部における関節仕事率を見積もるための量を示す。
【図１３】図１３は、関節トルク（上図）及び関節角速度（中図）を含む、股関節における関節仕事率を見積もるための量を示す。
【図１４】図１４は、膝関節における支援トルク対正味関節トルクの実現可能領域を示す。
【図１５】図１５は、股関節における支援トルク対正味関節トルクの実現可能領域を示す。
【図１６】図１６は、本発明の１つの実施形態による、多数の因子に基づいてトルクを決定して加えるための技術を示すフローチャートである。
【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】
2007533375.tif 000041
【図８】
2007533375.tif 000042
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2007533375.tif 000045
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2007533375.tif 000049
【図１６】
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【国際調査報告】
2007533375.tif 000051