(57)【要約】【課題】装着者の動作に適した力を付加する。【解決手段】第１電動機と第２電動機とによって歯車機構を動作させてフレームを回動するアシスト装置であって、第１制御器と、第２制御器と、フィードフォワード制御器と、サーボアンプと、を備える。第１制御器は、第１電動機の回転子の角速度を、フレームの角速度に追従させるようにフィードバック制御を行う。第２制御器は、第２電動機の回転子の角速度を、ゼロに近づけるようにフィードバック制御を行う。フィードフォワード制御器は、フレームの角速度をフィードフォワード制御する。サーボアンプは、第１フィードバック制御器の出力信号に基づいて第１電動機を動作させ、第２フィードバック制御器の出力信号とフィードフォワード制御器の出力信号とに基づいて第２電動機を動作させる。【選択図】図５
2019051280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電動機と第２電動機とによって歯車機構を動作させてフレームを回動するアシスト装置であって、
前記第１電動機の回転子の角速度を、前記フレームの角速度に追従させるようにフィードバック制御を行う第１フィードバック制御器と、
前記第２電動機の回転子の角速度を、ゼロに近づけるようにフィードバック制御を行う第２フィードバック制御器と、
前記フレームの角速度をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御器と、
前記第１フィードバック制御器の出力信号に基づいて前記第１電動機を動作させ、前記第２フィードバック制御器の出力信号と、前記フィードフォワード制御器の出力信号とに基づいて前記第２電動機を動作させるサーボアンプと、
を備えるアシスト装置。
【請求項２】
前記サーボアンプは、前記第２フィードバック制御器の出力信号と、前記フィードフォワード制御器の出力信号とを加算した信号に基づいて前記第２電動機を動作させる、
請求項１に記載のアシスト装置。
【請求項３】
前記第１フィードバック制御器は、前記歯車機構の歯車数で決定される増幅率で増幅された入力信号が示す角速度に追従させるようにフィードバック制御し、
前記第１フィードバック制御器の周波数帯域は、前記フレームの動作周波数帯域よりも大きくなるように設定される、
請求項１または２に記載のアシスト装置。
【請求項４】
前記第１電動機のフィードバック制御の開ループ特性と、前記第２電動機のフィードバック制御の開ループ特性とを一致させるように前記第２フィードバック制御器の伝達特性を設定し、
前記第１電動機の回転子の慣性モーメントと回転子に対する粘性係数とで決定される第１伝達特性と、前記第２電動機の回転子の慣性モーメントと回転子に対する粘性係数とで決定される第２伝達特性と、の比が定数になるように前記第１電動機及び前記第２電動機を設定する、請求項３に記載のアシスト装置。
【請求項５】
前記歯車機構は、リングギア、サンギア、及びキャリアを備える遊星歯車機構であり、
前記第１電動機は前記リングギアに連結され、前記第２電動機は前記サンギアに連結され、前記フレームは前記キャリアに接続され、
前記第１電動機及び前記第２電動機は、前記フレームに固定され、
前記リングギア、サンギア、及びキャリアは、前記フレームに対して回転自由となるように支持され、
さらに、
前記キャリアの角速度を検出して前記フレームの角速度を取得する角速度取得部と、
前記第１電動機の回転子の角速度を検出する第１角速度検出部と、
前記第２電動機の回転子の角速度を検出する第２角速度検出部と、
を備え、
前記第１フィードバック制御器は、遊星歯車機構の歯車数で決定される増幅率で増幅された入力信号が示す角速度に追従させるようにフィードバック制御する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアシスト装置。
【請求項６】
前記フィードフォワード制御器は、前記フレームの角速度に応じて、前記フレームを回動させる力の発生を遅らせるように位相の遅れ量を制御する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアシスト装置。
【請求項７】
前記フィードフォワード制御器は、前記フレームの角速度を入力とする適応ノッチフィルタを備え、
前記適応ノッチフィルタのノッチ周波数で決定されるゲインに応じて、前記位相の遅れ量を制御する、請求項６に記載のアシスト装置。
【請求項８】
電動機によってフレームを回動するアシスト装置であって、
前記フレームを回動させるトルクと、前記フレームの角速度とを独立に制御する制御信号を生成する制御器と、
前記制御信号に基づいて前記電動機を動作させるサーボアンプと、
を備えるアシスト装置。
【請求項９】
第１電動機と第２電動機とによって歯車機構を動作させてフレームを回動するアシスト装置で使用される制御方法であって、
前記第１電動機の回転子の角速度を、前記フレームの角速度に追従させるように第１のフィードバック制御を行い、
前記第２電動機の回転子の角速度を、ゼロに近づけるように第２のフィードバック制御を行い、
前記フレームの角速度にフィードフォワード制御を行い、
前記第１のフィードバック制御による出力信号に基づいて前記第１電動機を動作させ、前記第２のフィードバック制御による出力信号と、前記フィードフォワード制御の出力信号とに基づいて前記第２電動機を動作させること、
を備える制御方法。
【請求項１０】
電動機によってフレームを回動するアシスト装置で使用される制御方法であって、
前記フレームを回動させる力と、前記フレームの角速度とを独立に制御する制御信号を生成し、
前記制御信号に基づいて前記電動機を動作させること、
を備える制御方法。
【請求項１１】
コンピュータを、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のアシスト装置が備える各制御器として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、アシスト装置、制御方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
歩行補助装置では、補助装置を装着している装着者の歩行周期や歩幅に合わせて、いかに補助力を装着者に付加するかが課題となる。
例えば、特許文献１では、歩行時における膝関節の特徴的な運動軌跡を神経振動子による制御軌道として生成することのできるロボティックウエアの神経振動子を用いた同調制御方法によって、運動周期が異なる神経振動子が混在する下肢４関節に装着される関節アクチュエータの駆動制御を適切に行う、としている。
【０００３】
しかし、特許文献１に記載のように、神経振動子を用いた方法では、神経振動子を用いて、装着者の四肢の動作と補助装置の動作を同期させるが、同期までにある程度の時間がかかる。例えば、歩行動作を突然停止する場合に、神経振動子が収束するまで補助力を付加し続けてしまうため、装着者の意志に沿わない動作（ここでは、歩行を止められない）となってしまう問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−４６９７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、装着者の動作に適した補助力を付加するアシスト装置、制御方法及びプログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態のアシスト装置は、第１電動機と第２電動機とによって歯車機構を動作させてフレームを回動するアシスト装置であって、第１フィードバック制御器と、第２フィードバック制御器と、フィードフォワード制御器と、サーボアンプと、を備える。第１フィードバック制御器は、前記第１電動機の回転子の角速度を、前記フレームの角速度に追従させるようにフィードバック制御を行う。第２フィードバック制御器は、前記第２電動機の回転子の角速度を、ゼロに近づけるようにフィードバック制御を行う。フィードフォワード制御器は、前記フレームの角速度をフィードフォワード制御する。サーボアンプは、前記第１フィードバック制御器の出力信号に基づいて前記第１電動機を動作させ、前記第２フィードバック制御器の出力信号と、前記フィードフォワード制御器の出力信号とに基づいて前記第２電動機を動作させる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施の形態に係るアシスト装置のハードウェア構成の一例を模式的に例示する図。
【図２】実施の形態に係るアシスト装置を適用する歩行補助装置の外観を例示する図。
【図３】図２に示す歩行補助装置に分解斜視図の一例を模式的に例示する図。
【図４】図１及び図３に示す遊星歯車機構の一例を模式的に例示する図。
【図５】図１のアシスト装置の機能構成の一例を模式的に例示する図。
【図６】図３のキャリアとフレーム（ベースとも称す）との角度を説明するための図。
【図７】歩行時の股関節角速度の時刻履歴の典型的な一例を示す図。
【図８】図５に示すフィードフォワード制御器の周波数特性の一例を示す図。
【図９】図５に示すフィードフォワード制御器に含まれる適応ノッチフィルタの信号処理ブロックの一例を示す図。
【図１０】図９の適応ノッチフィルタのゲインと、歩行時の股関節角速度との時刻履歴の一例を示す図。
【図１１】図５に示すフィードフォワード制御器の一例を示す図。
【図１２】図１のアシスト装置を適用するリハビリテーション機器の一例の外観を例示する図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。
【０００９】
［構成例］  
（ハードウェア構成）  
図１を用いて、本実施形態に係るアシスト装置のハードウェア構成の一例について説明する。  
図１に示される通り、本実施形態に係るアシスト装置１００は、エンコーダ３３，３４，３６、エンコーダカウンタ３３−１，３４−１，３６−１、制御ユニット１１０、サーボアンプ１１１、電源ユニット１１２、主電動機３１、副電動機３２、減速機３１−１、３２−１、及び遊星歯車機構３５を備えている。
【００１０】
エンコーダ３３，３４，３６及びエンコーダカウンタ３３−１，３４−１，３６−１は、回転運動を検出して角速度値をデータとして出力する装置である。エンコーダ３３，３４，３６は、回転運動を検出し、Ａ相及びＢ相と称する２系統の方形波を出力する。エンコーダカウンタ３３−１，３４−１，３６−１は、この２系統の方形波を入力し、この２系統の方形波に対応する角速度を計算し、角速度データを出力する。
【００１１】
エンコーダ３３は、主電動機３１が生成する回転運動（回転子の回転運動）を検出しＡ相及びＢ相の方形波を生成し、エンコーダカウンタ３３−１は、Ａ相及びＢ相の方形波に基づいて、この回転運動の角速度ωｍの角速度データを制御ユニット１１０へ送る。エンコーダ３４は、副電動機３２が生成する回転運動を検出し、上記と同様にして、エンコーダカウンタ３４−１は、この回転運動の角速度ωｄの角速度データを制御ユニット１１０へ送る。エンコーダ３６は、アシスト装置１００を適用する装置が生成する回転運動を検出し、上記と同様にして、エンコーダカウンタ３６−１は、この回転運動の角速度ωｃ（キャリア１５とベース１２Ｌとの相対角速度）の角速度データを制御ユニット１１０へ送る。角速度を検出できる装置であれば、どんな装置でも構わず、例えばレゾルバやロータリーエンコーダを用いる。
【００１２】
制御ユニット１１０は、エンコーダカウンタ３３−１，３４−１，３６−１のそれぞれから角速度データを受け取り、主電動機３１を制御するための主電流指令信号、及び副電動機３２を制御するための副電流指令信号をそれぞれ、サーボアンプ１１１に出力する。なお、制御ユニット１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を含み、情報処理に応じて各構成要素の制御を行う。アシスト装置１００は記憶部（図示しない）を含み、記憶部は、例えば、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ等の補助記憶装置であり、アシスト装置１００で実行されるアシスト制御プログラム等を記憶する。記憶部は、コンピュータその他の装置、機械等が記録されたプログラム等の情報を読み取り可能なように、当該プログラム等の情報を、電気的、磁気的、光学的、機械的、または化学的作用によって蓄積する媒体である。アシスト装置１００は、この記憶部から、アシスト制御プログラムを取得してもよい。
【００１３】
アシスト制御プログラムは、主電動機３１を使用してアシスト装置１００を適用する装置が生成する回転運動の角速度に追従するような第１フィードバック制御し、副電動機３２を使用して副電動機３２の回転子の角速度をゼロに近づけるように第２フィードバック制御し、回転運動の角速度をフィードフォワード制御し、第１フィードバック制御による出力信号に基づいて主電動機３１を動作させ、第２フィードバック制御による出力信号と、フィードフォワード制御による出力信号とを加算した信号に基づいて副電動機３２を動作させるためのものである。
【００１４】
サーボアンプ１１１は、電源ユニット１１２から電源を確保し、主電流指令信号と副電流指令信号とを制御ユニット１１０から受け取り、それぞれに対応する電流を生成し、主電動機３１及び副電動機３２に出力してそれぞれのモーターを駆動する。
【００１５】
主電動機３１及び副電動機３２はそれぞれ、サーボアンプ１１１から電流を受け取り、回転運動を発生するモーターである。主電動機３１及び副電動機３２はそれぞれ減速機３１−１，３２−１に接続している。すなわち、主電動機３１の回転運動は減速機３１−１を介して遊星歯車機構３５に伝わり、副電動機３２の回転運動は減速機３２−１を介して遊星歯車機構３５に伝わる。なお、主電動機３１と副電動機３２には減速機付き電動機を用いるのは、動作補助装置（例えば、歩行補助装置２００）の全体の質量を小さくし、かつ発生する補助力を大きくするためである。
【００１６】
遊星歯車機構３５は遊星歯車を有する機構であり、減速機３１−１，３２−１からそれぞれ伝えられた角速度ωｒ及び角速度ωｓの回転運動を受け、適用する装置（例えば、図２の歩行補助装置）に補助力τｇを作用させる。
【００１７】
電源ユニット１１２は、例えば、充電可能な２次電池である。電源ユニット１１２は、アシスト装置１００本体に搭載されている各要素へ電力を供給する。
【００１８】
さらに、アシスト装置１００はドライブ（図示せず）を含み、ドライブは、例えば、ＣＤ（Compact Disk）ドライブ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）ドライブ等であり、記憶媒体に記憶されたプログラムを読み込むための装置である。ドライブの種類は、記憶媒体の種類に応じて適宜選択されてよい。上記のアシスト制御プログラムは、この記憶媒体に記憶されていてもよい。ここでは、記憶媒体の一例として、ＣＤ、ＤＶＤ等のディスク型の記憶媒体を例示している。しかしながら、記憶媒体の種類は、ディスク型に限定される訳ではなく、ディスク型以外であってもよい。ディスク型以外の記憶媒体として、例えば、フラッシュメモリ等の半導体メモリを挙げることができる。
【００１９】
なお、アシスト装置１００の具体的なハードウェア構成に関して、実施形態に応じて、適宜、構成要素の省略、置換及び追加が可能である。例えば、制御ユニット１１０は、複数のプロセッサを含んでもよい。アシスト装置１００は、複数台の情報処理装置で構成されてもよい。
【００２０】
＜歩行補助装置の概要＞  
図２は、歩行補助装置２００を装着する装着者Ｐに適用した状態を示す。図２の中央には、歩行補助装置２００を装着する装着者Ｐの下腹部から膝上付近までが描かれている。  
歩行補助装置２００は、装着者Ｐの右脚に装着する右ユニット１０Ｒ、装着者Ｐの左脚に装着する左ユニット１０Ｌ、及び右ユニット１０Ｒと左ユニット１０Ｌを連結した連結フレーム２０（連結部材）を有する。右ユニット１０Ｒは、右カバー１１Ｒを有し、左ユニット１０Ｌは、左カバー１１Ｌを有する。
【００２１】
図３は、歩行補助装置２００を分解した分解斜視図の一例である。図３では、左右２つのカバー１１Ｒ、１１Ｌの図示を省略してある。また、図３では、右カバー１１Ｒ内に収容配置される制御ユニット１１０（図１）及び電源ユニット１１２（図１）の図示も省略してある。制御ユニット１１０及び電源ユニット１１２は、例えば、後述する右フレーム１２Ｒの外側面に固設され、右カバー１１Ｒで覆われる。装着者Ｐは、左大腿部１３、右大腿部１４に対して、歩行補助装置２００における一方のベース１２Ｌ（左フレーム１２Ｌとも称す）と、他方のベース１２Ｒ（右フレーム１２Ｒとも称す）とをそれぞれ装着する。装着の方法は、例えば、伸縮性のバンド等で各ベースと大腿部を巻きつける等の方式がある。
【００２２】
右ユニット１０Ｒは、装着者Ｐの右脚の大腿部の外側に沿って配置される略矩形板状の右フレーム１２Ｒ（第２フレーム）を含む。右フレーム１２Ｒは、例えば、装着者Ｐの腰部の右側に配置される上部分１２Ｒｕと右の大腿部の外側に配置される下部分１２Ｒｄとを一体に有する１枚の金属板により形成されている。
【００２３】
右フレーム１２Ｒは、右脚の形に合わせて、上部分１２Ｒｕと下部分１２Ｒｄの間の境界部位で僅かに内側に屈曲されている。この右フレーム１２Ｒは、下部分１２Ｒｄを上下２組のクランプアーム１３Ｒｕ、１３Ｒｄ（図２）で装着者Ｐの右脚に取り付けることで右脚に装着される。
【００２４】
同様に、左ユニット１０Ｌは、装着者Ｐの左脚の大腿部の外側に沿って配置される略矩形板状の左フレーム１２Ｌを含む。左フレーム１２Ｌは、例えば、装着者Ｐの腰部の左側に配置される上部分１２Ｌｕと左の大腿部の外側に配置される下部分１２Ｌｄとを一体に有する１枚の金属板により形成されている。
【００２５】
左フレーム１２Ｌは、左脚の形に合わせて、上部分１２Ｌｕと下部分１２Ｌｄの間の境界部位で僅かに内側に屈曲されている。この左フレーム１２Ｌは、下部分１２Ｌｄを上下２組のクランプアーム１３Ｌｕ、１３Ｌｄ（図２）で装着者Ｐの左脚に取り付けることで左脚に装着される。
【００２６】
右フレーム１２Ｒ及び左フレーム１２Ｌの形状、大きさ、材質などはいかなるものであってもよく、十分な機械強度を有するものであればよい。また、右フレーム１２Ｒ及び左フレーム１２Ｌをそれぞれの脚に装着するための装着具は、伸縮性を有するベルトなどを用いてもよく、装着者Ｐが動いたときに各フレーム１２Ｒ、１２Ｌが簡単に外れないものであればよい。
【００２７】
連結フレーム２０は、断面円筒形のパイプを湾曲させたものであり、内部にケーブル類を挿通可能な中空構造を有する。ケーブル類は、図１に示した装置同士を電気的に接続するためのものである。連結フレーム２０は、動いている途中で装着者Ｐに接触しないように装着者Ｐから離れる方向に湾曲している。
【００２８】
キャリア１５には装着者Ｐの前方に向けてフレーム接続部（コネクターとも称す）１５ｃが設けられており、ベース１２Ｒにも同様のフレーム接続部１２ｃが設けられている。この接続部１５ｃ、１２ｃに対して装着者Ｐの前方に円弧上に張り出したフレーム２０の両端部を接続する。本実施形態では、装着者Ｐの前方に連結フレーム２０を配置したが、装着者Ｐの後方に連結フレーム２０を配置することもできる。
【００２９】
連結フレーム２０の右端２０Ｒは、右フレーム１２Ｒの上部分１２Ｒｕに設けたコネクター１２ｃに接続される。右フレーム１２Ｒのコネクター１２ｃは、連結フレーム２０の右端２０Ｒを機械的に固定するとともに、連結フレーム２０内を通るケーブルを電気的に接続する。
【００３０】
連結フレーム２０の左端２０Ｌは、略円板状のキャリア１５に接続される。キャリア１５は、その外周面から径方向外側に突出したコネクター１５ｃを有する。キャリア１５のコネクター１５ｃも、連結フレーム２０の左端２０Ｌを機械的に固定するとともに、連結フレーム２０内を通るケーブルを電気的に接続する。つまり、右フレーム１２Ｒ、連結フレーム２０、及びキャリア１５は、一体に接続されて剛体として機能する。
【００３１】
図４は、遊星歯車機構３５の概略図である。キャリア１５は、遊星歯車機構３５に含まれる。遊星歯車機構３５は、この他に、３つのプラネタリギア２１（第２ギア）、リングギア２２（第１ギア）、及びサンギア２４（第３ギア）を有する。
【００３２】
図３に示すように、キャリア１５は、左フレーム１２Ｌの上部分１２Ｌｕの外側に配置される。キャリア１５は、その中心軸に沿って、左フレーム１２Ｌに対向する内側面から突出した回動軸１５ａを有する。左フレーム１２Ｌの上部分１２Ｌｕには、キャリア１５の回動軸１５ａを回動可能に受け入れる軸孔１２ａが設けられている。キャリア１５は、その回動軸１５ａを左フレーム１２Ｌの軸孔１２ａに挿通配置することで、左フレーム１２Ｌの上部分１２Ｌｕに対して回動可能に取り付けられている。
【００３３】
このため、連結フレーム２０を介してキャリア１５と一体に連結した右フレーム１２Ｒ（第１フレーム）は、キャリア１５の回動軸１５ａを中心にして、左フレーム１２Ｌに対して相対的に回動可能となる。つまり、右フレーム１２Ｒとキャリア１５を連結した連結フレーム２０は、装着者Ｐの右脚の動きに合わせて上下動することになる。
【００３４】
キャリア１５の外側面、すなわち回動軸１５ａを設けた内側面と反対の面には、３つの受け軸１５ｂが一体に突設されている。３つの受け軸１５ｂは、キャリア１５の中心、すなわち回動軸１５ａを中心にした円周に沿って等間隔で配置されている。そして、各受け軸１５ｂは、それぞれ、プラネタリギア２１を回動自在に保持する。本実施形態では、キャリア１５に３つの受け軸１５ｂを設けて３つのプラネタリギア２１を取り付けたが、受け軸１５ｂ及びプラネタリギア２１は、少なくとも１組あればよい。
【００３５】
３つのプラネタリギア２１を囲む外側には、主電動機３１によって回動されるリングギア２２が設けられている。リングギア２２は、３つのプラネタリギア２１に対向する内面に、３つのプラネタリギア２１に歯合する内歯２２ａを有する。リングギア２２は、なんらかの伝達機構を用いて主電動機３１の回転子と接続される。一例として図３では、リングギア２２は、無端状の歯付きベルト（タイミングベルトとも称す）２３を介して主電動機３１に接続する減速機３１−１の回転軸に設けたモーターギア３１ａに接続されている。リングギア２２は歯付きベルト２３に歯合する外歯２２ｂを有する。主電動機３１を回転すると、減速機３１−１を介してリングギア２２が回転して３つのプラネタリギア２１が回転する。
【００３６】
３つのプラネタリギア２１の内側には、副電動機３２によって減速機３２−１を介してトルクが付与されるサンギア２４が設けられている。すなわち、副電動機３２の回転子には遊星歯車機構のサンギア２４が接続されている。サンギア２４は、３つのプラネタリギア２１にそれぞれ歯合する。プラネタリギア２１はキャリア１５によって回転支持され、キャリア１５はベース１２Ｌに設けられた回転支持部１２ａによりベース１２Ｌに対して回転支持される。サンギア２４、リングギア２２、及びプラネタリギア２１は相互にその歯が噛み合い、遊星歯車機構を構成する。
【００３７】
例えば、サンギア２４に大きなトルクを与えて停止させた状態で、主電動機３１を回転させると、サンギア２４を力の支点として、主電動機３１が発生した駆動力がキャリア１５に伝達される。逆に、サンギア２４を自由回転可能にして主電動機３１を回転すると、サンギア２４が空回りし、主電動機３１が発生した駆動力がキャリア１５にほとんど伝達されなくなる。
【００３８】
主たる補助力を発生させる主電動機３１と、補助力の反作用力を発生させる副電動機３２とは、左大腿部１３に装着する左フレーム１２Ｌにその固定子（ステーター）が固定されるものとする。主電動機３１、及び副電動機３２の固定子は、左フレーム１２Ｌに固設されている。各モーター３１、３２の固定構造の説明は省略する。このため、２つのモーター３１、３２の固定子は、左フレーム１２Ｌと一体に動く。
【００３９】
キャリア１５、３つのプラネタリギア２１、リングギア２２、タイミングベルト２３、サンギア２４、主電動機３１、及び副電動機３２は、左カバー１１Ｌ内に収容配置される。言い換えると、左ユニット１０Ｌの各構成部品は、図３や図４に示すようなサイズ及びレイアウトではなく、左カバー１１Ｌ内に収容可能な大きさやレイアウトに設計されている。
【００４０】
次に、図５を用いて、アシスト装置１００における主電動機３１と副電動機３２に発生させるトルク、すなわち各電動機に与える電流指令値の決定する制御ユニット１１０について説明する。なお、以降の数式に現れるｓは添え字を除き、ラプラス演算子を表すものとする。
【００４１】
制御ユニット１１０は、ゲイン（増幅器）５０１、エンコーダユニット３３−２，３４−２，３６−２、加減算器５０２，５０４、加算器５０６、フィードバック制御器５０３，５０５、フィードフォワード制御器５０７を備えている。
【００４２】
ゲイン５０１は、キャリア１５とベース１２Ｌの相対角速度（すなわち、ωｃ）を示す信号を入力し、この信号を定数ρ倍した目標角速度を示す信号を出力する。
【００４３】
エンコーダユニット３３−２は、エンコーダ３３とエンコーダカウンタ３３−１とを備え、主電動機３１の回転子の角速度ωｍを検出し、この角速度を示す信号を出力する。
【００４４】
加減算器５０２は、ゲイン５０１の出力信号と、エンコーダユニット３３−２の出力信号との差分をとり目標角速度に対する誤差を示す誤差信号を出力する。
【００４５】
フィードバック制御器５０３は、主電動機３１を制御するためのものであり、誤差信号を入力し、目標角速度に回転子角速度ωｍを追従させるフィードバック制御を行うようにサーボアンプ１１１へ電流指令信号を出力する。フィードバック制御器５０３は、例えば、ＰＩ制御（すなわち、比例−積分制御）を使用する。
【００４６】
副電動機３２の制御も主電動機３１に類似している。  
エンコーダユニット３４−２は、エンコーダ３４とエンコーダカウンタ３４−１とを備え、副電動機３２の回転子の角速度ωｄを検出し、この角速度を示す信号を出力する。
【００４７】
加減算器５０４は、副電動機３２の回転子の目標角速度は０（ゼロ）と見なしてよいので、エンコーダユニット３４−２の出力信号である角速度信号を、正負を反転して出力する。
【００４８】
フィードバック制御器５０５は、加減算器５０４の出力信号を入力し、目標角速度０に回転子角速度ωｄを追従させるフィードバック制御を行うように制御信号を出力する。
【００４９】
フィードフォワード制御器５０７は、キャリア１５とベース１２Ｌの相対角速度ωｃを入力し、フィードフォワード制御を行うように制御信号を出力する。
【００５０】
加算器５０６は、フィードバック制御器５０５が出力した制御信号と、フィードフォワード制御器５０７が出力した制御信号とを加算し、この加算した信号を電流指令信号としてサーボアンプ１１１へ出力する。加算器５０６が出力する電流指令信号にしたがって、サーボアンプ１１１は副電動機３２に電流を印加する。
【００５１】
なお、図示していないが、主電動機３１及び副電動機３２には、電流フィードバック制御が施されており、各電動機に流れる電流は与えられた電流指令信号に対して十分な応答速度で追従するものとする。
【００５２】
（補助力τｇの計算式の導出）  
ここで、制御のために基本となる数式を導出する。  
まず、キャリア１５とベース１２Ｌの相対角速度ωｃは、歩行補助装置のベース１２Ｌ、８は何らかの手段によって装着者Ｐの大腿部に固定されるため、装着者Ｐが歩行した際に生じる股関節角速度に等しくなる。また、主電動機３１と副電動機３２は、それぞれの減速機３１−１及び３２−１と遊星歯車機構３５とを介して、装着者Ｐに接続される。したがって、サンギア２４の角速度ωｓ、リングギア２２の角速度ωｒ及びキャリア１５の角速度ωｃには次の数式（１）の速度拘束式が成り立つ。
λωｓ＋μωｃ−ωｒ＝０・・・（１）
なお、数式（１）におけるλ、μはサンギア２４、リングギア２２、プラネタリギア２１の歯車数によって決定される定数である。
【００５３】
ここで、図５の装着者Ｐ以外の図５の部分を歩行補助装置２００の動特性（伝達特性）とみなすと、図５に示した装着者Ｐとは、股関節角速度ωｃと歩行補助装置２００が装着者Ｐに付加する補助力τｇを経由してループを構成していることが分かる。したがって、装着者Ｐの歩行動作によってどのような補助力τｇが発生するかは、図５の装着者Ｐ以外の図５の部分の伝達特性によって決定される。この伝達特性は、遊星歯車機構３５が理想的な歯車（バックラッシや弾性変形等がない）によって構成されていると仮定すると、次の数式（２）で表される。
【００５４】
【数１】
2019051280.tif 000003
【００５５】
数式（２）において、τｆはフィードフォワード制御器５０７が発生するフィードフォワード入力信号が示す値、Ｐｓ’（ｓ）及びＰｒ’（ｓ）はそれぞれ、サンギア２４とリングギア２２にトルクが加わった場合のサンギア角速度ωｓ及びリングギア角速度ωｒの伝達特性を表している。サンギア２４とリングギア２２にはそれぞれ角速度フィードバック制御が施された主電動機３１及び副電動機３２がそれぞれ減速機３１−１，３２−１を介して接続されているので、等価的にこの伝達特性は、主電動機３１及び副電動機３２のフィードバック制御系の外乱抑圧特性と見なすことができる。また、Ｔｒ（ｓ）は同様に、リングギア２２に接続された主電動機３１の相補感度特性（目標角速度に対する回転子角速度の追従特性）を表す。
【００５６】
以下、いくつかの条件を設定して数式（２）を、本実施形態のアシスト装置がより利用しやすい数式に変形する。  
まず、歩行補助装置２００における主電動機３１の角速度のフィードバック制御で使用する帯域を、装着者の四肢（または二肢、脚）の動作周波数帯域より十分に高い周波数帯域（例えば、５０から２００Ｈｚ程度）になるようにフィードバック制御器５０３の伝達特性を調整する。換言すれば、目標角速度に対して十分高い周波数帯域まで回転子角速度を追従させることができる伝達特性をフィードバック制御器５０３が有するように調整する。この条件によれば、主電動機３１の相補間特性Ｔｒ（ｓ）は１に近似できる。
【００５７】
【数２】
2019051280.tif 000004
【００５８】
さらに、ゲイン５０１の増幅率ρを、プラネタリギア２１（第２ギア）、リングギア２２（第１ギア）、及びサンギア２４（第３ギア）の歯車数によって決定される定数μに等しいとすると、
ρ＝μ・・・（４）
数式（２）は次の数式（５）に変形される。
【００５９】
【数３】
2019051280.tif 000005
【００６０】
数式（５）の右辺、分母の２項目は主電動機３１と副電動機３２の外乱抑圧特性の比となっている。そこで、さらなる条件として、副電動機３２の角速度のフィードバック制御の開ループ特性を、主電動機３１の開ループ特性と一致させるように副電動機３２のフィードバック制御器５０５を調整する。この条件では、主電動機３１及び副電動機３２の感度関数は近似的に一致するため、分母２項目の外乱抑圧特性の比は主電動機３１及び副電動機３２そのものの伝達特性Ｐｒ（ｓ）及びＰｓ（ｓ）を用いて次の数式（６）のように近似できる。
【００６１】
【数４】
2019051280.tif 000006
【００６２】
伝達特性Ｐｒ（ｓ）及びＰｓ（ｓ）はそれぞれの回転子の慣性モーメントＪｒ，Ｊｓと、回転子に対する粘性係数Ｄｒ，Ｄｓとにより、
【００６３】
【数５】
2019051280.tif 000007
【００６４】
と表すことができる。さらに次の条件として、次の数式（８）のように伝達特性比を定数νで近似できるように主電動機３１及び副電動機３２を選定する。
【００６５】
【数６】
2019051280.tif 000008
【００６６】
以上により、数式（２）は最終的に、次の数式（９）と近似的に変形される。
【００６７】
【数７】
2019051280.tif 000009
【００６８】
τｆは、制御ユニット１１０で容易に制御可能であり、その係数であるμλ／（λ２＋ν）は定数であるので、τｇは容易に制御可能になる。
【００６９】
数式（９）によれば、フレーム（ベース）を介して装着者Ｐに付加される補助力τｇは、股関節角速度ωｃ（フレーム（ベース）の角速度に等しいと見なせる）によらず、副電動機３２のフィードバック制御器５０５の出力である電流指令信号に加算されるフィードフォワード入力信号が示すτｆの定数μλ／（（λ２＋ν））倍となることが分かる。これは、装着者Ｐの歩行条件（例えば、歩行速度や歩行周期）に依らず、歩行補助装置２００が装着者Ｐに付加する補助力をフィードフォワード入力τｆによって任意に決定できることを示している。したがって、フレームを回動させる力と、フレームの角速度とを独立に制御することが可能になる。本実施形態で説明したような装着型の動作補助装置においては、装着者Ｐに付加する補助力を動作支援の目的に合わせて任意に決定できることが望ましく、本実施形態のアシスト装置及び制御方法はその機能を提供することが可能になる。
【００７０】
（フィードフォワード入力τｆの決定）  
次に、フィードフォワード入力τｆの決定方法の一例について説明する。  
いま、歩行補助装置２００の動作支援目的を遊脚の振上げ補助とする。なお、遊脚とは、歩行時に一方の脚が地面より浮いた場合での脚のことである。また、この歩行時に遊脚でない他方の脚は地面に接地していて支持しているので支持脚と呼ばれる。
【００７１】
図６に示すように、歩行補助装置２００が付加する補助力を脚に作用することで、歩行動作中の遊脚の振上げ動作を補助することができ、歩幅伸長やつま先の摺り足による躓きを防止する効果が期待できる。実際の歩行動作では、歩行時の股関節角速度ωｃは、周期的な信号となり、歩行動作における遊脚の動きとは図７に示すように対応付けられる。
図７のＡ点は股関節角速度ωｃが０（ゼロ）となっていて、遊脚（図中左足）を踏み出す瞬間に対応する。Ｂ点は股関節角速度ωｃが最高速度に達する瞬間であり、遊脚が鉛直下向きに達した瞬間である。また、Ｃ点は遊脚が接地する瞬間である。したがって、遊脚の振上げ動作を補助するためには、股関節角速度ωｃが０であるＡ点から少し時間が経過した時点から補助力を付加し始めればよい。そこで、歩行動作中の股関節角速度ωｃを位相遅れ補償器で信号処理し、これを図５のフィードフォワード入力τｆとして与えてやれば上記の動作補助が実現できる。実際には、図５の図中、フィードフォワード制御器５０７を位相遅れ補償器（伝達特性はＦ（ｓ））として、フィードフォワード入力τｆを次の数式（１０）のように決定すればよい。
【００７２】
【数８】
2019051280.tif 000010
【００７３】
一方で、股関節角速度ωｃは歩行速度や歩行開始及び／または終了時等で変動するため、位相遅れ補償器の伝達特性Ｆ（ｓ）を固定してしまうと、補助力を付加し始めるタイミングが変動してしまうことになる。そこで、股関節角速度ωｃの周期（歩行周期）に基づいて、位相遅れ補償器Ｆ（ｓ）の伝達特性を図８に示すように連続的に変化させる。
【００７４】
図８では装着者Ｐの歩行周期を約０．５［Ｈｚ］から１．４［Ｈｚ］の間で変動すると想定した場合の位相遅れ補償器Ｆ（ｓ）の伝達特性の連続的な変化を示している。例えば、歩行周期によらず、補助力の付加開始を図７のＡ点から見て位相が３０度遅れた時点から開始したい場合、装着者Ｐの股関節角速度ωｃの周期をリアルタイムで検出し、歩行周期が０．５［Ｈｚ］であった場合は図８の図中Ａ点に対応する位相遅れ量となるようＦ（ｓ）のパラメータを調整する。同様に、歩行周期が１．４［Ｈｚ］であった場合には、図８の図中Ｂ点に対応する位相遅れ量となるようＦ（ｓ）のパラメータを調整する。Ｆ（ｓ）のパラメータを連続的に変化させれば、Ａ点からＢ点の区間（０．５［Ｈｚ］から１．４［Ｈｚ］）での歩行周期に合わせて、位相遅れ量を連続的に変化させることができる。
次に、実施形態において股関節角速度ωｃの周期をリアルタイムで検出する手段と、検出した周期に基づくフィードフォワード制御器の位相遅れ量の調整について説明する。なお、主電動機３１及び副電動機３２の角速度のフィードバック制御器５０３、５０５、フィードフォワード制御器５０７は、マイクロプロセッサ等を用いたディジタル信号処理系で実装されるため、以下の説明では、各制御器の伝達特性は離散時間系で表記する。
【００７５】
まず、股関節角速度ωｃの周期変化の検出には、時間変化する信号の特定周波数を局所的に減衰させる適応ノッチフィルタを用いる。図９に適応ノッチフィルタのブロック線図を示す。
【００７６】
このフィルタは、入力信号ｘの特定周波数のみを局所的に低減した信号ｅを出力する。図中、ゲインｒ（０＜ｒ＜１）がノッチ幅、ゲインβがノッチ周波数を決定する。また、ｚ−１はディジタル信号処理における遅れ演算子である。図中のβのブロックには斜め矢印が描かれているが、これはβの値が適応的に調整されることを示している。βは出力信号ｅが０（ゼロ）となるように何らかの更新則に基づき時々刻々調整される。したがって、入力信号ｘが単一周波数成分を持つ場合、適応ノッチフィルタのノッチ周波数が入力信号の周波数と一致するようにβは調整され、出力信号ｅは０に収束する。この適応ノッチフィルタに、歩行動作中の股関節角速度ωｃを入力すると、ノッチ周波数が歩行周期（周波数）に一致するようβは調整される。そこで、βの値にしたがってフィードフォワード制御器５０７のパラメータを調整すれば、図８のような連続的に変化する位相遅れ量の調整が可能となる。βの更新則にはＲＬＳ（Recursive Least-Squares）アルゴリズムを用いることができる。実際の更新則は以下の数式（１１）、（１２）、及び（１３）に示す通りである。
【００７７】
【数９】
2019051280.tif 000011
【００７８】
数式（１１）、（１２）、（１３）のｉはディジタル信号処理における処理毎の時刻を表すインデックスであり、λはＲＬＳの忘却係数である。図１０に、歩行速度を変えながら実際に歩行したときの、股関節角速度ωｃと前記適応ノッチフィルタのゲインβの時刻履歴を示す。歩行動作の開始時（時刻０秒）において、ゲインβは初期値として０を与えているが、数式（１１）〜（１３）の更新則によって時刻２秒付近で更新がほぼ収束し、その後は歩行周期（股関節角速度ωｃ）の変化に伴い、歩行周期が短いとき（時刻２０〜２５秒付近）にはゲインβは約−１．１、歩行周期が長い（時刻３〜５秒付近と２７〜３２秒付近）ときでゲインβは約−１．３に適応的に変化していることが分かる。
図１０により、股関節角速度ωｃの変化は、適応ノッチフィルタのゲインβの値から検出することができる。そこで、フィードフォワード制御器５０７を、零点を持つ離散時間系の１次フィルタとし、その状態空間実現の出力係数ｃ及びｄを、図１１に示すようにゲインβに基づいて変化させる。
【００７９】
図１１中、ゲイン１１０２，１１０３，１１０４，１１０５がフィードフォワード制御器５０７の状態空間実現の係数である。フィードフォワード制御器５０７の位相遅れ量を変化させるには、極もしくは零点を移動させればよいが、極の移動は制御器の安定性を損なう可能性がある。そこで、係数ｃとｄを適応ノッチフィルタ９００のゲインβに基づいて調整し、零点を移動することで図８に示す位相遅れ量の変化を実現する。
【００８０】
さらに、歩行速度平均値計算部１１０１に股関節角速度ωｃを入力し、その結果に基づいてフィードフォワード制御器５０７の出力に接続されたゲイン１１０６も変化させる。例えば、歩行動作開始時のように歩行速度が遅いときはゲイン１１０６を大きくし、歩行速度の上昇に伴って徐々にゲイン１１０６を小さくしていくことが考えられる。
以上、本実施形態のアシスト装置について説明したが、本実施形態のアシスト装置の適用範囲は、上述した歩行補助装置に限らない。例えば、図１２に示すような膝の屈伸運動を補助するリハビリテーション機器に適用されてもよい。  
図１２の機器においては、図５における主電動機３１、副電動機３２及び遊星歯車機構３５で構成されたアシスト装置１２０２とし、フレーム１２０１とフレーム１２０３はそれぞれ上肢と下肢に固定され、図３におけるフレーム１２Ｌとフレーム１２Ｒにそれぞれ対応する。この機器では、周期的な膝の屈伸運動が想定されるため、歩行補助装置と同様に本実施形態で説明した制御方法を適用することができる。
【００８１】
＜作用と効果＞  
以上に説明した少なくとも一つの実施形態によれば、２つの電動機３１，３２により歯車機構３５を動作させて発生した力をユーザに伝達する装置で、２つの電動機３１，３２のそれぞれを制御するフィードバック制御器５０３，５０５に加えて、フレームの角速度をフィードフォワード制御する。主電動機３１の回転子の角速度を、フレームの角速度に追従させるようにフィードバック制御し、副電動機３２の回転子の角速度を、ゼロに近づけるようにフィードバック制御する。そして、フィードバック制御器５０３の出力信号に基づいて主電動機３１を動作させ、フィードバック制御器５０５の出力信号と、フィードフォワード制御器５０７の出力信号とを加算した信号に基づいて副電動機３２を動作させることによって、フィードフォワード制御器５０７からの出力信号に応じて歯車機構によって発生された力を制御することができる。
【００８２】
さらに、フィードバック制御器５０３は、歯車機構の歯車数で決定される増幅率で増幅された入力信号が示す角速度に追従させるようにフィードバック制御し、フィードバック制御器５０３の周波数帯域は、フレームの動作周波数帯域よりも大きくなるように設定されることによって、ユーザ（アシスト装置の装着者）の動作に依存せず、フィードフォワードの出力信号を調整することによって、所望の力をユーザに伝達することができる。
【００８３】
さらに、主電動機３１のフィードバック制御の開ループ特性と、副電動機３２のフィードバック制御の開ループ特性とを一致させるようにフィードバック制御器５０５の伝達特性を設定し、主電動機３１の回転子の慣性モーメントと回転子に対する粘性係数とで決定される第１伝達特性と、副電動機３２の回転子の慣性モーメントと回転子に対する粘性係数とで決定される第２伝達特性と、の比が定数になるように主電動機３１及び副電動機３２を設定することによって、フィードフォワードの出力信号のみを変数として、ユーザに伝達する力の大きさを設定することができるようになる。
【００８４】
さらに、フィードフォワード制御器５０７では、フレームの角速度に応じて、力の発生を遅らせるように位相の遅れ量が制御される。このため、フィードフォワード入力（フィードフォワード制御器５０７の出力）はユーザの股関節角度の変化を検出したのち、少し遅れたタイミングで補助力を付加することができる。
【００８５】
さらに、フィードフォワード制御器５０７は、フレームの角速度を入力とする適応ノッチフィルタを備え、適応ノッチフィルタのノッチ周波数で決定されるゲインに応じて、位相の遅れ量を制御することによって、ユーザの歩行周期を検出し、フィードフォワード制御器５０７の位相遅れ量を時々刻々調整することができるようになる。したがって、ユーザの歩行動作に合わせた適切な補助力が付加することができる。このため、例えば、突然の歩行停止時でも不必要な補助力の継続が生じにくくなる。
【００８６】
なお、「及び／または」とは、「及び／または」でつながれて列記される事項のうちの任意の１つ以上の事項という意味である。具体例を挙げると、「ｘ及び／またはｙ」とは、３要素からなる集合｛（ｘ）,（ｙ）,（ｘ,ｙ）｝のうちのいずれかの要素という意味である。もう１つの具体例を挙げると、「ｘ、ｙ、及び／またはｚ」とは、７要素からなる集合｛（ｘ）,（ｙ）,（ｚ）,（ｘ,ｙ）,（ｘ,ｚ）,（ｙ,ｚ）,（ｘ,ｙ,ｚ）｝のうちのいずれかの要素という意味である。
【００８７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８８】
１０Ｌ…左ユニット、１０Ｒ…右ユニット、１１Ｌ…左カバー、１１Ｒ…右カバー、１２Ｌ…左フレーム（ベース）、１２Ｌｄ…下部分、１２Ｌｕ…上部分、１２Ｒ…右フレーム（ベース）、１２Ｒｄ…下部分、１２Ｒｕ…上部分、１２ａ…軸孔（回転支持部）、１２ｃ…フレーム接続部（コネクター）、１３…左大腿部、１３Ｌｄ…クランプアーム、１３Ｌｕ…クランプアーム、１３Ｒｄ…クランプアーム、１３Ｒｕ…クランプアーム、１４…右大腿部、１５…キャリア、１５ａ…回動軸、１５ｂ…受け軸、１５ｃ…コネクター、１５ｃ…フレーム接続部、１５ｃ…接続部、２０〜２５…時刻、２０…フレーム、２０…連結フレーム、２０Ｌ…左端、２０Ｒ…右端、２１…プラネタリギア、２２…リングギア、２２ａ…内歯、２２ｂ…外歯、２３…タイミングベルト、２３…歯付きベルト、２４…サンギア、３１…モーター、３１…主電動機、３１−１…減速機、３１ａ…モーターギア、３２…モーター、３２…副電動機、３２−１…減速機、３３…エンコーダ、３３−１…エンコーダカウンタ、３３−２…エンコーダユニット、３４…エンコーダ、３４−１…エンコーダカウンタ、３４−２…エンコーダユニット、３５…遊星歯車機構、３６…エンコーダ、３６−１…エンコーダカウンタ、３６−２…エンコーダユニット、１００…アシスト装置、１１０…制御ユニット、１１１…サーボアンプ、１１２…電源ユニット、２００…歩行補助装置、５０１…ゲイン、５０２…加減算器、５０３…フィードバック制御器、５０４…加減算器、５０５…フィードバック制御器、５０６…加算器、５０７…フィードフォワード制御器、９００…適応ノッチフィルタ、１１０１…歩行速度平均値計算部、１１０２…ゲイン、１１０３…ゲイン、１１０４…ゲイン、１１０５…ゲイン、１１０６…ゲイン、１２０１…フレーム、１２０２…アシスト装置、１２０３…フレーム。
【図１】
2019051280.tif 000012
【図２】
2019051280.tif 000013
【図３】
2019051280.tif 000014
【図４】
2019051280.tif 000015
【図５】
2019051280.tif 000016
【図６】
2019051280.tif 000017
【図７】
2019051280.tif 000018
【図８】
2019051280.tif 000019
【図９】
2019051280.tif 000020
【図１０】
2019051280.tif 000021
【図１１】
2019051280.tif 000022
【図１２】
2019051280.tif 000023