(57)【要約】【課題】歩行周期中の歩行状態に応じた適切な歩行補助力を、時間遅れを可及的に防止乃至は低減した状態で付与できる歩行動作補助装置を提供する。【解決手段】本発明の歩行動作補助装置は、ユーザーの大腿及び下腿を含む脚部の股関節回りの動きを棒状剛体の振り子動作で近似し、振り子動作の運動方程式に基づいて算出される大腿の股関節角度及び股関節角速度を、大腿姿勢検出手段から入力される角度関連信号を観測値として用いた状態推定器によって推定し、推定股関節角度及び推定股関節角速度を用いて大腿位相角を算出し、大腿位相角に基づき算出された補助トルク値を出力するように構成されている。【選択図】図９
2019076294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザーの歩行動作に対して補助力を付与するアクチュエータと、
サンプリングタイミング毎にユーザーの大腿の前後揺動角度である股関節角度に関連する股関節角度関連信号を検出する大腿姿勢検出手段と、
一のサンプリングタイミングｋでの大腿位相角を算出する大腿位相角算出手段と、
大腿位相角と前記アクチュエータが出力すべきトルク値との関係が直接又は間接的に規定された出力パターンデータを有し、前記大腿位相角算出手段によって算出された大腿位相角を前記出力パターンデータに適用して前記一のサンプリングタイミングｋにおいて出力すべきトルク値を算出する補助トルク算出手段と、
前記補助トルク算出手段によって算出されたトルク値の補助力を出力するように、前記アクチュエータの作動制御を司る作動制御手段とを備え、
前記大腿位相角算出手段は、歩行時におけるユーザーの大腿及び下腿を含む脚部の股関節回りの動きを、先端部に所定質量ｍの質点が取り付けられた所定長さ?の棒状剛体が基端部を揺動中心として振り子動作する動きで近似し、前記質点の揺動軌跡に沿った円の接線方向における運動方程式に基づいて近似算出される前記大腿の股関節角度及び股関節角速度を、サンプリングタイミングｋにおいて前記大腿姿勢検出手段から入力される角度関連信号を観測値として用いた状態推定器によって推定し、この推定股関節角度及び推定股関節角速度を用いてサンプリングタイミングｋでの大腿位相角を算出することを特徴とする歩行動作補助装置。
【請求項２】
前記状態推定器はカルマンフィルタとされており、
前記大腿位相角算出手段は、前記運動方程式に基づく式（１）及び前記大腿姿勢検出手段から入力される角度関連信号を観測値とする式（１ｂ）と前記カルマンフィルタによる式（２ａ）〜（２ｅ）とを用いて、前記推定揺動角度及び前記推定揺動角速度を算出することを特徴とする請求項１に記載の歩行動作補助装置。
【数１】
2019076294.tif 000020
【数２】
2019076294.tif 000021
但し、式（１ａ）、式（１ｂ）及び式（２ａ）〜式（２ｅ）における記号は下記の通りであり、式中の右肩記号Ｔは行列の転置操作を表している。
【数３】
2019076294.tif 000022
【数４】
2019076294.tif 000023
【数５】
2019076294.tif 000024
【数６】
2019076294.tif 000025
【数７】
2019076294.tif 000026
θ：股関節角度
θドット：股関節角速度
ｇ：重力加速度
μ：歩行時に股関節回りに働く股関節トルク
γ：未知外乱
ｖ：観測雑音
ｘハット[k｜k]：サンプリングタイミングｋでの事後推定値
ｘハット[k｜k-1]: サンプリングタイミングｋでの事前推定値
Ｋ[k]：サンプリングタイミングｋでのカルマンゲイン
Ｐ[k|k]：サンプリングタイミングｋでの事後誤差共分散行列
Ｐ[k|k-1]：サンプリングタイミングｋでの事前誤差共分散行列
ｙ[k]：サンプリングタイミングｋでの大腿姿勢検出手段の観測値（計測値）
Ｃ：観測行列
Ｑ：未知外乱γの共分散行列
Ｒ：観測雑音ｖの共分散行列
【請求項３】
前記大腿位相角算出手段は、完了している過去の歩行周期における推定股関節角度の揺動中心点と股関節角度ゼロ点との偏差を算出し、現時点の歩行周期中において前記大腿姿勢検出手段から入力される角度関連信号に対して前記偏差に応じた補正を行い、補正後の角度関連信号を前記状態推定器の観測値として用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の歩行動作補助装置。
【請求項４】
ユーザーの大腿に装着される大腿側装具と、ユーザーの下腿に装着され且つ前記大腿側装具に対してユーザーの膝関節回り回動可能に連結された下腿側装具とを備え、
前記アクチュエータは前記大腿側装具に装着され、前記下腿側装具に対して膝関節回りの補助力を付与可能とされていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の歩行動作補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行動作補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
脚の不自由な人や脳卒中等の為に麻痺を有する人の歩行補助用又はリハビリテーション用の器具として、脚の動きを補助する電動モータ等のアクチュエータが備えられた歩行動作補助装置が提案されている（下記特許文献１〜３参照）。
【０００３】
詳しくは、前記特許文献１〜３に記載の従来の歩行動作補助装置は、ユーザーの大腿に装着される大腿側装具と、ユーザーの下腿に装着され且つ前記大腿側装具に対してユーザーの膝関節回り回動可能に連結された下腿側装具と、前記大腿側装具に装着され、前記下腿側装具に対して膝関節回りの補助力を付与可能なアクチュエータと、大腿に対する下腿の膝関節回りの回動角度を検出する下腿角度センサと、前記アクチュエータの作動制御を司る制御装置とを備え、前記制御装置が、前記下腿角度センサからの検出信号に基づいて前記アクチュエータの作動制御を実行するように構成されている。
【０００４】
即ち、前記従来の歩行動作補助装置は、前記下腿角度センサによって検出される下腿の膝関節回りの回動角度に基づいて歩行動作状態を認識し、この歩行動作状態に応じた大きさ及び方向の補助力を出力するように前記アクチュエータの作動制御を行うように構成されている。
【０００５】
しかしながら、歩行動作の際には、下腿は膝関節回りに回動動作しつつ、大腿は股関節回りに回動動作する。
即ち、前記従来構成においては、股関節回りに回動する大腿に対する下腿の膝関節回りの回動角度を検出しており、従って、歩行動作状態を正確に認識することが困難であった。
【０００６】
さらに、ユーザーが脳卒中等の為に麻痺を有する場合、大腿の歩行動作（股関節回りの大腿の前後揺動動作）は比較的正常に行えるものの、下腿の歩行動作（膝関節回りの下腿の前後揺動動作）は正常に行えないことが多い。
【０００７】
このような場合、前記従来の構成では、正常な歩行動作を行えない下腿の動きに基づいて前記アクチュエータの作動制御を行うことになり、この点においても、的確な歩行補助力を提供することができないおそれがあった。
【０００８】
また、下記特許文献４には、股関節の周期的な動作によって規定される大腿位相角に基づいて歩行動作状態を認識し、認識された歩行動作状態に応じた歩行補助力を大腿に対して出力するようにアクチュエータの作動制御を行う歩行補助装置が開示されている。
【０００９】
詳しくは、前記特許文献４に記載の歩行補助装置は、大腿に対して歩行補助力を付与する付与部と、前記付与部の作動制御を行う制御部と、股関節角度及び股関節角速度の少なくとも一方を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて大腿の位相角を算出する算出部とを備え、前記制御部が、前記位相角に基づいて前記付与部の作動制御を行うように構成されている。
【００１０】
ここで、前記特許文献４においては、大腿の位相角は、前記検出部によって検出された股関節角度及び当該股関節角度を微分して得られる股関節角速度に基づいて算出されている。
斯かる構成では、微分処理によって雑音成分が強調されることになり、正確な大腿位相角を得ることは困難となる。
【００１１】
この点に関し、前記検出部によって検出された信号に対しローパス処理を行うことによって雑音成分を除去することも可能であるが、この場合には、時間遅れが生じ、前記付与部の作動制御を適切なタイミングで行うことが困難となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第５７２４３１２号公報
【特許文献２】特許第５７９９６０８号公報
【特許文献３】特許第５３８６２５３号公報
【特許文献４】特開２０１６−００２４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、斯かる従来技術に鑑みなされたものであり、歩行周期中の歩行状態に即した適切な歩行補助力を、時間遅れを可及的に防止乃至は低減した状態で付与可能な歩行動作補助装置の提供を、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、前記目的を達成するために、ユーザーの歩行動作に対して補助力を付与するアクチュエータと、サンプリングタイミング毎にユーザーの大腿の前後揺動角度である股関節角度に関連する股関節角度関連信号を検出する大腿姿勢検出手段と、一のサンプリングタイミングｋでの大腿位相角を算出する大腿位相角算出手段と、大腿位相角と前記アクチュエータが出力すべきトルク値との関係が直接又は間接的に規定された出力パターンデータを有し、前記大腿位相角算出手段によって算出された大腿位相角を前記出力パターンデータに適用して前記一のサンプリングタイミングｋにおいて出力すべきトルク値を算出する補助トルク算出手段と、前記補助トルク算出手段によって算出されたトルク値の補助力を出力するように、前記アクチュエータの作動制御を司る作動制御手段とを備え、前記大腿位相角算出手段は、歩行時におけるユーザーの大腿及び下腿を含む脚部の股関節回りの動きを、先端部に所定質量ｍの質点が取り付けられた所定長さ?の棒状剛体が基端部を揺動中心として振り子動作する動きで近似し、前記質点の揺動軌跡に沿った円の接線方向における運動方程式に基づいて近似算出される前記大腿の股関節角度及び股関節角速度を、サンプリングタイミングｋにおいて前記大腿姿勢検出手段から入力される角度関連信号を観測値として用いた状態推定器によって推定し、この推定股関節角度及び推定股関節角速度を用いてサンプリングタイミングｋでの大腿位相角を算出する歩行動作補助装置を提供する。
【００１５】
一形態においては、前記状態推定器はカルマンフィルタとされる。
この場合、前記大腿位相角算出手段は、前記運動方程式に基づく式（１ａ）及び前記大腿姿勢角検出手段から入力される角度関連信号を観測値とする式（１ｂ）と前記カルマンフィルタによる式（２ａ）〜式（２ｅ）とを用いて、前記推定揺動角度及び前記推定揺動角速度を算出する。
【００１６】
【数１】
2019076294.tif 000003
【００１７】
【数２】
2019076294.tif 000004
【００１８】
但し、式（１ａ）、式（１ｂ）及び式（２ａ）〜式（２ｅ）における記号は下記の通りであり、式中の右肩記号Ｔは行列の転置操作を表している。
【００１９】
【数３】
2019076294.tif 000005
【００２０】
【数４】
2019076294.tif 000006
【００２１】
【数５】
2019076294.tif 000007
【００２２】
【数６】
2019076294.tif 000008
【００２３】
【数７】
2019076294.tif 000009
【００２４】
θ：股関節角度
θドット：股関節角速度
ｇ：重力加速度
μ：歩行時に股関節回りに働く股関節トルク
γ：未知外乱
ｖ：観測雑音
ｘハット[k｜k]：サンプリングタイミングｋでの事後推定値
ｘハット[k｜k-1]: サンプリングタイミングｋでの事前推定値
Ｋ[k]：サンプリングタイミングｋでのカルマンゲイン
Ｐ[k|k]：サンプリングタイミングｋでの事後誤差共分散行列
Ｐ[k|k-1]：サンプリングタイミングｋでの事前誤差共分散行列
ｙ[k]：サンプリングタイミングｋでの大腿姿勢検出手段の観測値（計測値）
Ｃ：観測行列
Ｑ：未知外乱γの共分散行列
Ｒ：観測雑音ｖの共分散行列
【００２５】
好ましくは、前記大腿位相角算出手段は、完了している過去の歩行周期における推定股関節角度の揺動中心点と股関節角度ゼロ点との偏差を算出し、現時点の歩行周期中において前記大腿姿勢検出手段から入力される角度関連信号に対して前記偏差に応じた補正を行い、補正後の角度関連信号を前記状態推定器の観測値として用いるように構成される。
【００２６】
本発明に係る歩行動作補助装置は、ユーザーの大腿に装着される大腿側装具と、ユーザーの下腿に装着され且つ前記大腿側装具に対してユーザーの膝関節回り回動可能に連結された下腿側装具とを備え、前記アクチュエータは前記大腿側装具に装着され、前記下腿側装具に対して膝関節回りの補助力を付与可能とされ得る。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る歩行動作補助装置によれば、ユーザーの大腿及び下腿を含む脚部の股関節回りの動きを棒状剛体の振り子動作で近似し、振り子動作の運動方程式に基づいて算出される大腿の股関節角度及び股関節角速度を、大腿姿勢検出手段から入力される角度関連信号を観測値として用いた状態推定器によって推定し、推定股関節角度及び推定股関節角速度を用いて大腿位相角を算出し、大腿位相角に基づき算出された補助トルク値が出力されるようにアクチュエータの作動制御を行うので、歩行周期中の歩行状態に応じた適切な歩行補助力を、時間遅れを可及的に防止乃至は低減した状態で付与できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係る歩行動作補助装置の斜視図である。
【図２】図２は、前記歩行動作補助装置の部分正面図である。
【図３】図３は、前記歩行動作補助装置の部分分解斜視図であって、ユーザー幅方向外方から見た状態を示している。
【図４】図４は、前記歩行動作補助装置の部分分解斜視図であって、ユーザー幅方向内方から見た状態を示している。
【図５】図５は、前記歩行動作補助装置における大腿フレーム及び下腿フレームの分解斜視図である。
【図６】図６は、前記歩行動作補助装置におけるアクチュエータユニットの部分縦断面図である。
【図７】図７は、図２におけるVII-VII線に沿った端面図である。
【図８】図８は、前記歩行動作補助装置における制御ブロック図である。
【図９】図９(a)は、歩行時におけるユーザーの大腿及び下腿を含む脚部の股関節回りの動きを模式的に表す模式側面図であり、図９(b)は、ユーザーの脚部の股関節回りの動きを近似した棒状剛体の振り子動作を表す模式側面図である。
【図１０】図１０は、前記歩行動作補助装置における制御装置によって算出される推定股関節角度θハット及び推定股関節角速度θドットハットを一歩行周期に亘ってプロットすることによって得られるトラジェクトリ線図である。
【図１１】図１１は、前記制御装置によって算出された大腿位相角φを歩行周期毎にプロットしたグラフである。
【図１２】図１２は、一歩行周期中における歩行状態の推移を示す模式図である。
【図１３】図１３(a)及び(b)は、それぞれ、前記制御装置に予め記憶される、一歩行周期中における歩行状態とアクチュエータユニットが出力すべき補助力との関係を示す補助力制御データの一例及び他例を示すグラフである。
【図１４】図１４は、前記制御装置によって実行されるアクチュエータ作動制御モードのフローチャートである。
【図１５】図１５は、図１４のフローチャートにおける位相パターン関数作成処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明に係る歩行動作補助装置の一実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１及び図２に、それぞれ、本実施の形態に係る歩行動作補助装置１の斜視図及び部分正面図を示す。
また、図３及び図４に、それぞれ、前記歩行動作補助装置１の幅方向外方側及び内方側から視た部分分解斜視図を示す。
【００３０】
前記歩行動作補助装置１は、脚の不自由な人や脳卒中等の為に片麻痺を有するユーザーが歩行補助の為、又は、リハビリテーションの為に装着する器具であり、付設されるアクチュエータユニット１００によって歩行補助力を付与し得るように構成されている。
【００３１】
本実施の形態に係る歩行動作補助装置１は、前記アクチュエータユニット１００による歩行補助力を下腿に付与し得るように構成されている。
詳しくは、図１〜図４に示すように、前記歩行動作補助装置１は、ユーザーの大腿に装着される大腿側装具１０と、ユーザーの下腿に装着された下腿側装具３０と、前記大腿側装具１０に装着され、前記下腿側装具３０に対して膝関節回りの補助力を付与可能なアクチュエータユニット１００とを備えている。
【００３２】
本実施の形態においては、前記大腿側装具１０は、ユーザーの大腿に装着される大腿装着体１５と、前記大腿装着体１５に連結された大腿フレーム２０とを有している。
【００３３】
前記大腿装着体１５は、ユーザーの大腿に装着可能とされる限り種々の形態を取り得る。
本実施の形態においては、図１に示すように、前記大腿装着体１５は、ユーザーの大腿が挿入可能で且つ大腿にフィットするような大きさの装着孔を有する筒状とされている。
【００３４】
図１〜図４に示すように、前記大腿フレーム２０は、ユーザーの幅方向外方側においてユーザーの大腿に沿って上下に延びる第１大腿フレーム２０（１）を有している。
【００３５】
本実施の形態においては、図１〜図４に示すように、前記大腿フレーム２０は、さらに、前記大腿装着体１０に挿入されたユーザーの大腿を挟んで前記第１大腿フレーム２０（１）と対向するようにユーザーの幅方向内方側においてユーザーの大腿に沿って上下に延びる第２大腿フレーム２０（２）を有している。
【００３６】
本実施の形態においては、前記下腿側装具３０は、ユーザーの下腿に装着される下腿装着体３５と、前記下腿装着体３５に連結された下腿フレーム４０とを有している。
【００３７】
前記下腿装着体３５は、ユーザーの下腿に装着可能とされる限り種々の形態を取り得る。
本実施の形態においては、図１に示すように、前記下腿装着体３５は、ユーザーの下腿が挿入可能で且つ下腿にフィットするような大きさの装着孔を有する筒状とされている。
【００３８】
図１〜図４に示すように、前記下腿フレーム４０は、ユーザーの幅方向外方側においてユーザーの下腿に沿って上下に延びる第１下腿フレーム４０（１）を有している。
【００３９】
本実施の形態においては、図１〜図４に示すように、前記下腿フレーム４０は、さらに、前記下腿装着体３０に挿入されたユーザーの下腿を挟んで前記第１下腿フレーム４０（１）と対向するようにユーザーの幅方向内方側においてユーザーの下腿に沿って上下に延びる第２下腿フレーム４０（２）を有している。
【００４０】
本実施の形態においては、前記下腿側装具３０は、さらに、ユーザーが足を載置する足装着体６５と、前記足装着体６５を支持し且つ前記下腿フレーム４０に連結される足フレーム６０とを有している。
【００４１】
前記下腿側装具３０は、前記大腿側装具１０に対してユーザーの膝関節回り回動可能に連結されている。
即ち、前記下腿フレーム４０が前記大腿フレーム２０に対してユーザーの膝関節の揺動軸線Ｘ回り回動可能に連結されている。
【００４２】
前述の通り、本実施の形態においては、前記大腿フレーム２０は前記第１及び第２大腿フレーム２０（１）、２０（２）を有し、前記下腿フレーム４０は第１及び第２下腿フレーム４０（１）、４０（２）を有している。
【００４３】
従って、前記第１下腿フレーム４０（１）が前記第１大腿フレーム２０（１）に揺動軸線Ｘ回り回動可能に連結され、前記第２下腿フレーム４０（２）が前記第２大腿フレーム２０（２）に揺動軸線Ｘ回り回動可能に連結されている。
【００４４】
図５に、前記大腿フレーム２０及び前記下腿フレーム４０の分解斜視図を示す。
図５に示すように、前記大腿フレーム２０は、上下方向に延びる大腿フレーム本体２１と、前記大腿フレーム本体２１の下端部を挟むように当該大腿フレーム本体２１にピン連結又は溶接等によって固着された一対の連結片２２ａ、２２ｂとを有している。
【００４５】
前記一対の連結片２２ａ、２２ｂは、前記大腿フレーム本体２１よりユーザーの脚から離間する側に位置する外側連結片２２ａと、前記大腿フレーム本体２１よりユーザーの脚に近接する側に位置する内側連結片２２ｂとを有している。
【００４６】
前記下腿フレーム４０は、前記一対の連結片２２ａ、２２ｂの間に介挿された状態で前記揺動軸線Ｘ回り回動可能に前記一対の連結片２２ａ、２２ｂに連結されている。
【００４７】
詳しくは、前記一対の連結片２２ａ、２２ｂ及び前記下腿フレーム４０の上部には前記揺動軸線Ｘと同軸上においてユーザー幅方向に沿った取付孔２３、４３が形成されている。
【００４８】
前記アクチュエータユニット１００が装着される側（ユーザーの対応する脚よりユーザー幅方向外方側）に位置する、前記第１大腿フレーム２０（１）及び前記第１下腿フレーム４０（１）は、第１回動連結具５０（１）を介して前記揺動軸線Ｘ回り回動可能に連結されている。
【００４９】
前記第１回動連結具５０（１）は、前記取付孔２３、４３内において互いに対して分離可能に連結される第１雌ネジ部材５１（１）及び第１雄ネジ部材５５（１）を有している。
【００５０】
前記第１雌ネジ部材５１（１）は、前記内側連結片２２ｂの側から前記取付孔２３に挿入される筒部５２と、前記取付孔２３よりユーザーの脚に近接する位置において前記筒部５２から径方向外方へ延在されるフランジ部５３とを有しており、前記筒部５２には自由端側に開くネジ穴が形成されている。
【００５１】
前記第１雄ネジ部材５５（１）は、前記外側連結片２２ａの側から前記取付孔２３内に挿入される筒部５６と、前記取付孔２３よりユーザーの脚から離間する位置において前記筒部５６から延在された係合凸部５７とを有している。
【００５２】
前記第１雄ネジ部材５５（１）の筒部５６には、前記取付孔２３、４３内において前記第１雌ネジ部材５１（１）の前記ネジ穴に螺入される雄ネジが形成されている。
【００５３】
前記第１雄ネジ部材５５（１）に形成された雄ネジ及び前記第１雌ネジ部材５１（１）の雌ネジを、前記取付孔２３、４３内で螺入させることによって、前記第１下腿フレーム４０（１）が前記第１大腿フレーム２０（１）に対して揺動可能に連結される。
【００５４】
ユーザーの対応する脚よりユーザー幅方向内方側に位置する、前記第２大腿フレーム２０（２）及び前記第２下腿フレーム４０（２）は、第２回動連結具５０（２）を介して前記揺動軸線Ｘ回り回動可能に連結されている。
【００５５】
前記第２回動連結具５０（２）は、前記取付孔内２３、４３において互いに対して分離可能に連結される第２雌ネジ部材５１（２）及び第２雄ネジ部材５５（２）を有している。
【００５６】
前記第２雌ネジ部材５１（２）は、前記第１雌ネジ部材５１（１）と同一構成を有している。
【００５７】
前記第２雄ネジ部材５５（２）は、前記外側連結片２２ａの側から前記取付孔２３内に挿入される筒部５６と、前記取付孔２３よりユーザー幅方向内方側において前記筒部５６から径方向外方へ延在されたフランジ部５８とを有している。
【００５８】
前記第２雄ネジ部材５５（２）の筒部５６には、前記取付孔２３、４３内において前記第２雌ネジ部材５１（２）の前記ネジ穴に螺入される雄ネジが形成されている。
【００５９】
前記第２雄ネジ部材５５（２）に形成された雄ネジ及び前記第２雌ネジ部材５１（２）の雌ネジを、前記取付孔２３、４３内で螺入させることによって、前記第２下腿フレーム４０（２）が前記第２大腿フレーム２０（２）に対して揺動可能に連結される。
【００６０】
なお、図５の符号５３ａは、前記フランジ部５３に設けられた径方向外方突起であり、前記内側連結片２２ｂに形成された凹部に係合することで、前記雌ねじ部材５１が前記内側連結片２２ｂ（即ち、前記大腿フレーム２０）に対して軸線回り相対回転不能に保持されるようになっている。
【００６１】
本実施の形態においては、前記歩行動作補助装置１は、図１〜図４に示すように、さらに、前記下腿フレーム４０の前記大腿フレーム２０に対する揺動軸線Ｘ回りの回動を禁止する為のロック部材７０を有している。
【００６２】
前記ロック部材７０は、前記大腿フレーム２０及び前記下腿フレーム４０を囲繞して両フレーム２０、４０を連結し、前記下腿フレーム４０が前記大腿フレーム２０に対して前記揺動軸線Ｘ回りに相対回転することを防止するロック状態示す状態（図１〜図４に示す状態）と、前記大腿フレーム２０及び前記下腿フレーム４０の連結を解除し、前記下腿フレーム４０が前記大腿フレーム２０に対して前記揺動軸線Ｘ回りに相対回転することを許容する解除状態とを取り得るように構成されている。
【００６３】
なお、本実施の形態においては、前記ロック部材７０は、前記第１大腿フレーム２０（１）及び前記第１下腿フレーム４０（１）に作用するユーザー幅方向外側に位置する第１ロック部材７０（１）と、前記第２大腿フレーム２０（２）及び前記第２下腿フレーム４０（２）に作用するユーザー幅方向内側に位置する第２ロック部材７０（２）とを有している。
【００６４】
また、本実施の形態においては、図５に示すように、前記下腿フレーム４０の上端面４５（前記大腿フレーム２０に対向する端面）は前記揺動軸線Ｘ回り一方側から他方側へ行くに従って前記揺動軸線Ｘからの径方向距離が増大するような傾斜面とされており、前記大腿フレーム２０の下端面２５（前記下腿フレーム４０に対向する端面）は前記下腿フレーム４０の上端面４５に対応した傾斜面とされている。
【００６５】
斯かる構成により、前記下腿フレーム４０は、前記大腿フレーム２０に対して前記揺動軸線Ｘ回り一方側（ユーザーの下腿が大腿に対して屈曲する方向）へのみ回動が許容され、他方側へは、下腿が大腿に対して伸展することを許容しつつそれ以上は回動しないようになっている。
【００６６】
図６に、前記アクチュエータユニット１００の部分縦断面図を示す。
図１〜図４及び図６に示すように、前記アクチュエータユニット１００は、上部フレーム１２０と、前記上部フレーム１２０に枢支軸線Ｙ回り回動可能に連結された下部フレーム３４０と、前記下部フレーム３４０を枢支軸線Ｙ回りに回動させる為の駆動力を発生する電動モータ等の駆動体１１０と、前記上部フレーム３４０を前記大腿フレーム２０に連結させる上部連結体３６０と、前記枢支軸線Ｙを前記揺動軸線Ｘと同軸上に位置させる回動中心連結体１８０と、下部連結体３７０とを備えている。
【００６７】
前記上部フレーム１２０及び前記下部フレーム３４０には、それぞれ、前記枢支軸線Ｙと同軸上に配置された上部フレーム取付孔１２０ａ及び下部フレーム取付孔１４０ａが設けられている。
【００６８】
前記下部フレーム取付孔１４０ａには回動連結軸１５１が固着されており、前記回動連結軸１５１が軸受部材１５５を介して前記上部フレーム取付孔１２０ａに軸線回り回動可能に支持されており、これにより、前記下部フレーム３４０が前記上部フレーム１２０に前記枢支軸線Ｙ回り回動可能に連結されている。
【００６９】
前記駆動体１１０は、電動モータ等の駆動源１１１と、前記駆動源１１１によって発生された駆動力を前記下部フレーム３４０に伝達する伝動機構１１５とを有している。
【００７０】
前記駆動源１１１は前記上部フレーム１２０の外側面に固着されている。
本実施の形態においては、図６に示すように、前記駆動源１１１は、出力軸１１１ａが下方へ延在された状態で前記上部フレーム１２０の外側面に固着されている。
【００７１】
本実施の形態においては、図６に示すように、前記伝動機構１１５は、前記出力軸１１１ａに相対回転不能に支持された駆動側ベベルギヤ１１６と、前記枢支軸線Ｙ回りに前記下部フレーム３４０と一体的に回転するように前記下部フレーム３４０に連結された状態で前記駆動側ベベルギヤ１１６に噛合された従動側ベベルギヤ１１７とを備えている。
【００７２】
なお、前記アクチュエータユニット１００は、前記回動連結軸１５１の軸線回りの回転角度を検出するセンサ（図示せず）を有することができ、前記センサによって前記回動連結軸１５１の軸線回りの回転角度を検出して、前記下部フレーム３４０の前記枢支軸線Ｙ回りの揺動角度を認識することができる。
【００７３】
図３及び図４に示すように、前記上部連結体３６０は、枢支軸線Ｙに平行で且つユーザー幅方向外方（前記上部フレーム１２０の方向）に開くように前記第１大腿フレーム２０（１）に設けられた係合孔３６１と、前記係合孔３６１に係合可能なように前記上部フレーム１２０に設けられた係合ピン３６２とを有している。
【００７４】
本実施の形態においては、前記上部連結体３６０には、ロック機構が備えられている。
前記ロック機構は、図４に示すように、前記係合ピン３６２の外表面から径方向に沿って進退自在とされ、前記係合ピンの外表面から径方向外方へ突出された係合位置及び前記係合ピン内に退避された解除位置を取り得る凸部３６６と、前記凸部３６６を係合位置へ向けて付勢する付勢部材（図示せず）と、前記係合ピン３６２が前記係合孔３６１に係入された状態において前記凸部３６６と係合するように前記係合孔に設けられた凹部（図示せず）と、外部からの人為操作に応じて前記付勢部材の付勢力に抗して前記凸部３６６を解除位置へ押動する解除操作部３６７とを有している。
【００７５】
図４及び図６に示すように、前記回動中心連結体１８０は、前記揺動軸線Ｘと同軸上に位置するように前記第１大腿フレーム２０（１）又は前記第１下腿フレーム４０（１）に設けられた装具側回動中心連結部材と、前記枢支軸線Ｙと同軸上に位置するように前記上部フレーム１２０又は前記下部フレーム３４０に設けられたアクチュエータ側回動中心連結部材１８５とを有している。
【００７６】
本実施の形態においては、前記第１回動連結具５０（１）における前記係合凸部２７が前記装具側回動中心連結部材として作用する。
【００７７】
前記アクチュエータ側回動中心連結部材１８５は、前記装具側回動中心連結部材（本実施の形態においては前記係合凸部５７）に着脱可能に凹凸係合するアクチュエータ側凹凸係合部１８５ａを有している。
【００７８】
本実施の形態においては、図６に示すように、前記上部フレーム１２０に、前記装具側回動中心連結部材（本実施の形態においては前記係合凸部５７）が着脱可能且つ軸線回り回動可能に係入される係合凹部が形成されており、前記係合凹部が前記アクチュエータ側凹凸係合部１８５ａとして作用する。
【００７９】
図３、図４及び図６に示すように、前記下部連結体３７０は、前記下部フレーム３４０が前記上部フレーム１２０に対して枢支軸線Ｙ回りに回動する動きに応じて前記第１下腿フレーム４０（１）が前記第１大腿フレーム２０（１）に対して揺動軸線Ｘ回りに回動するように、前記下部フレーム３４０を前記第１下腿フレーム４０（１）に連結させる。
【００８０】
詳しくは、図６に示すように、前記下部フレーム３４０は、前記回動連結軸１５１を介して前記上部フレーム１２０に枢支軸線Ｙ回り回動可能に連結される基端部３４１と、前記基端部３４１から前記第１下腿フレーム４０（１）に近接する側へ延びる先端部３４５とを有している。
【００８１】
図６等に示すように、本実施の形態においては、前記基端部３４１は、前記従動側ベベルギヤ１１７を枢支軸線Ｙ回りに一体回転するように支持しており、これにより、前記駆動体１１０からの回転動力によって前記従動側ベベルギヤ１１７及び前記基端部３４１が枢支軸線Ｙ回りに一体回動する。
本実施の形態においては、前記基端部３４１は略垂直に沿った平板状とされている。
【００８２】
図４及び図６に示すように、前記先端部３４５は、先端面３４６が前記第１下腿フレーム４０（１）におけるユーザー幅方向外方を向く外側面と対向する対向面を形成している。
前記先端面３４６は、前記第１下腿フレーム４０（１）の幅方向（即ち、ユーザー前後方向）に対応した幅方向Ｄに関し所定長さを有している。
本実施の形態においては、前記先端部３４５は略水平に沿った平板状とされており、先端面３４６は略矩形とされている。
【００８３】
図４及び図６に示すように、前記下部連結体３７０は、前記先端部３４５に形成された支持孔３７１と、前記支持孔３７１に進退自在に収容された係合ピン３７２と、前記係合ピン３７２を付勢する付勢ばね３７３と、前記先端部３４５に設けられた係合アーム３７５とを有している。
【００８４】
前記支持孔３７１は、前記対向面の幅方向中間領域において前記対向面に開き且つ前記第１下腿フレーム４０（１）の外側面に対して略直交する方向に延びている。
【００８５】
前記係合ピン３７２は、先端が前記対向面から突出された突出位置及び前記突出位置より前記第１下腿フレーム４０（１）から離間するように前記支持孔３７１に入り込んだ退避位置を取り得るように、前記支持孔３７１に軸線方向移動可能に収容されている。
【００８６】
前記付勢ばね３７３は、前記係合ピン３７１を突出位置へ向けて付勢する。
本実施の形態においては、前記付勢ばね３７３は、前記係合ピン３７１の基端部と前記支持孔３７１の底面との間に介挿されている。
【００８７】
詳しくは、本実施の形態においては、前記支持孔３７１は、一端側が前記対向面に開き且つ他端側が前記対向面とは反対側の裏面に開くように前記先端部３４５に形成されており、前記支持孔３７１の他端側は前記先端部３４５の裏面に固着される閉塞プレート３４８によって閉じられている。この場合、前記閉塞プレート３４８が前記支持孔３７１の底面を形成する。
【００８８】
前記係合アーム３７５は、前記対向面から前記第１下腿フレーム４０（１）に近接する側へ枢支軸線Ｙに沿って延びる軸方向延在部３７６を有している。
前記軸方向延在部３７６は、前記第１下腿フレーム４０（１）が前記下部フレーム３４０の幅方向に関し前記軸方向延在部３７６及び前記係合ピン３７２の間に配置可能なように、前記係合ピン３７２との間の幅方向離間距離が設定されている。
【００８９】
即ち、前記第１下腿フレーム４０（１）がユーザー前後方向に関し前記係合ピン３７２及び前記軸方向延在部３７６の間に位置し得るように、前記係合ピン３７２及び前記軸方向延在部３７６の間の幅方向離間距離が前記第１下腿フレーム４０（１）の幅よりも大とされている。
【００９０】
ここで、前記下部連結体３７０による前記下部フレーム３４０の前記第１下腿フレーム４０（１）への装着動作について説明する。
図７に、図２におけるVII-VII線に沿った端面図を示す。
【００９１】
前記下部フレーム３４０を前記第１下腿フレーム４０（１）に前記下部連結体３７０によって連結させる際には、まず、前記係合ピン３７２を前記付勢ばね３７３の付勢力に抗して退避位置に位置させつつ、前記第１下腿フレーム４０（１）が枢支軸線Ｙに沿った方向に関し前記軸方向延在部３７６と重合する位置まで前記アクチュエータユニット１００を枢支軸線Ｙ方向に相対移動させる。
【００９２】
この際、好ましくは、前記係合ピン３７２の退避位置への移動を前記第１下腿フレーム４０（１）の外側面を介して行うことができる。
即ち、前記第１下腿フレーム４０（１）の外側面を前記係合ピン３７２に当接させた状態で前記係合ピン３７２が突出位置から退避位置へ移動するように、前記アクチュエータユニット１００を前記第１下腿フレーム４０（１）に対して近接方向へ相対移動させることができる。
この状態を図７に破線で示す。
【００９３】
図７において破線で示された状態から、前記下部フレーム３４０を枢支軸線Ｙ回り連結方向（図７においては時計回り方向）に回動させると、前記係合ピン３７２と前記第１下腿フレーム４０（１）との当接が解除されて、前記係合ピン３７２が前記付勢ばね３７３の付勢力によって退避位置から突出位置に位置される。
【００９４】
これにより、前記第１下腿フレーム４０（１）は、前記下部フレーム３４０の幅方向（ユーザー前後方向）に関し前記係合ピン３７２及び前記軸方向延在部３７６によって挟まれることになり（図７の実線参照）、前記下部フレーム３４０が前記第１下腿フレーム４０（１）に対してフレーム長手方向へは相対移動可能な状態で、前記下部フレーム３４０の前記上部フレーム１２０に対する前記枢支軸線Ｙ回りの回動動作に連動して前記第１下腿フレーム４０（１）を前記大腿フレーム２０に対して前記揺動軸線Ｘ回りに回動させる連動状態が現出される。
【００９５】
なお、装着時とは逆の操作を行うことによって、前記下部連結体３７０によって前記第１下腿フレーム４０（１）に連結されている前記下部フレーム３４０を取り外すことができる。
即ち、前記下部連結体３７０によって前記下部フレーム３４０が前記第１下腿フレーム４０（１）に連結されている際には、前記係合ピン３７２は前記付勢ばね３７３の付勢力によって突出位置に位置されている。
【００９６】
この突出位置の前記係合ピン３７２を人為操作力によって前記付勢ばね３７３の付勢力に抗して退避位置まで押動しつつ、前記下部フレーム３４０を枢支軸線Ｙ回り解除方向（図７においては反時計回り方向）に回動させて、前記係合ピン３７２の先端部が前記第１下腿フレーム４０（１）の外側面に当接する状態（図７の破線の状態）を現出させる。
【００９７】
その後に、前記第１下腿フレーム４０（１）及び前記下部フレーム３４０を互いに対して離間する方向へ相対移動させることによって、前記下部フレーム３４０を前記第１下腿フレーム４０（１）から取り外すことができる。
【００９８】
好ましくは、前記係合アーム３７５は、前記軸方向延在部３７６から前記対向面の幅方向Ｗに関し前記係合ピン３７２に近接する方向へ延び、前記下部フレーム３４０が前記第１下腿フレーム４０（１）に連結された状態において前記第１下腿フレーム４０（１）の内側面（ユーザー幅方向に関し内側を向く側面）と対向する幅方向延在部３７７を含むものとされる。
【００９９】
前記幅方向延在部３７７は、前記第１下腿フレーム４０（１）が前記係合ピン３７２、前記対向面を形成する前記先端面３４６、前記軸方向延在部３７６及び前記幅方向延在部３７７によって囲まれる保持空間３７０Ｓ（図４参照）内に配置可能なように、前記先端面３４６との間の軸方向離間距離が前記第１下腿フレーム４０（１）の厚みよりも大となるように構成される。
【０１００】
前記係合アーム３７５に前記幅方向延在部３７７を備えることによって、前記下部フレーム３４０が前記下部連結体３７０によって前記第１下腿フレーム４０（１）に連結されている状態において、前記下部フレーム３４０及び前記第１下腿フレーム４０（１）が枢支軸線Ｙ方向に沿って離間する方向へ相対移動することを有効に防止することができ、これにより、前記下部フレーム３４０が意に反して前記第１下腿フレーム４０（１）から脱離することを有効に防止することができる。
【０１０１】
本実施の形態においては、前記係合アーム３７５は、前記対向面の幅方向一方側及び他方側にそれぞれ設けられた第１及び第２係合アーム３７５（１）、３７５（２）を有しており、図７の破線で示す状態から前記下部フレーム３４０を枢支軸線Ｙ回りに何れの方向に回動させても、前記下部フレーム３４０を前記第１下腿フレーム４０（１）に連結させ得るようになっている。
【０１０２】
また、本実施の形態においては、図７に示すように、揺動軸線Ｘが前記第１下腿フレーム４０（１）の幅方向（ユーザー前後方向）の中心に対して、前記第１下腿フレーム４０（１）の幅方向（ユーザー前後方向）一方側に偏位されている。図７においては、揺動軸線Ｘは前記第１下腿フレーム４０（１）の幅方向中心に対して、ユーザー前後方向に関し後方へ偏位されている。
【０１０３】
このような場合には、前記係合ピン３７２を前記下部フレーム４０の幅方向（ユーザー前後方向）の中央に配置させると共に、前記係合アーム３７５が、前記係合ピン３７２を挟んで前記下部フレーム４０の幅方向一方側及び他方側（ユーザー前後方向に関し前方側及び後方側）に位置する前記第１及び第２係合アーム３７５（１）、３７５（２）を有するように構成することで、前記アクチュエータユニット１００を歩行動作補助装置１の左足側及び右足側の何れにも装着させることができる。
【０１０４】
即ち、前記歩行動作補助装置１の左足側に前記アクチュエータユニット１００を装着させる場合には、前記係合ピン３７２と前記第１係合アーム３７５（１）とによって前記第１下腿フレーム４０（１）を挟む一方、前記歩行動作補助装置１の右足側に前記アクチュエータユニット１００を装着させる場合には、前記係合ピン３７２と前記第２係合アーム３７５（２）とによって前記第１下腿フレーム４０（１）を挟むことができる。
【０１０５】
なお、本実施の形態においては、図７に示すように、前記アクチュエータユニット１００は、前記係合ピン３７２とユーザー前後方向に関し前方に位置する前記第１係合アーム３７５（１）とによって前記第１下腿フレーム４０（１）を挟むように装着されているが、前記第１下腿フレーム４０（１）を前記第１大腿フレーム２０（１）に対して回動させる回動角度を広げたい場合には、前記アクチュエータユニット１００を、前記係合ピン３７２とユーザー前後方向に関し後方に位置する前記第２係合アーム３７５（２）とによって前記第１下腿フレーム４０（１）を挟むように装着させることができる。
【０１０６】
即ち、前記係合ピン３７２とユーザー前後方向に関し前方に位置する前記第１係合アーム３７５（１）とによって前記第１下腿フレーム４０（１）を挟むと、前記下部フレーム３４０の初期姿勢（前記アクチュエータユニット１００を装着した状態でユーザーが略直立姿勢と取る際の前記下部フレーム３４０の姿勢であり、図７の実線で示す姿勢）が、ユーザー幅方向内方から視た際に、水平姿勢（図７の破線で示す姿勢）から枢支軸線Ｙ回りに時計回り方向へ所定角度αだけ回転された姿勢をとることになる。
【０１０７】
ここで、前記アクチュエータユニット１００付きの歩行動作補助装置１をユーザーが左脚に装着して歩行する際の左脚の動きを考えると、下腿が大腿に対して屈曲される動きを行う際には前記第１下腿フレーム４０（１）はユーザー幅方向内方から視た状態において前記第１大腿フレーム２０（１）に対して時計回り方向へ回動することになる。
【０１０８】
従って、前記アクチュエータユニット１００を前記歩行動作補助装置１に装着させた状態の初期姿勢において、ユーザー幅方向内方から視た際に、前記下部フレーム３４０が水平姿勢（図７の破線で示す姿勢）から枢支軸線Ｙ回りに時計回り方向へ所定角度αだけ回転されているとすると、ユーザーが膝を曲げる動作をアシストすべく下腿を大腿に対して屈曲方向へ押動できる範囲、つまり、前記下部フレーム３４０を、ユーザー幅方向内方から視た際に枢支軸線Ｙ回り時計回り方向へ回動できる回動範囲が、水平姿勢を基準にして前記所定角度α分だけ狭まることになる。
【０１０９】
これに対し、前記係合ピン３７２とユーザー前後方向に関し後方に位置する前記第２係合アーム３７５（２）とによって前記第１下腿フレーム４０（１）を挟むように、前記アクチュエータユニット１００を装着させれば、前記下部フレーム３４０は、初期姿勢（ユーザーが略直立状態となる姿勢）において、ユーザー幅方向内方から視た際に、水平姿勢（図７の破線で示す姿勢）から枢支軸線Ｙ回りに反時計回り方向へ所定角度αだけ回転された姿勢をとることになる。
【０１１０】
従って、ユーザーの歩行動作をアシストすべく膝を曲げる方向へ押動力を付加できる範囲、つまり、前記下部フレーム３４０をユーザー幅方向内方から視た際に枢支軸線Ｙ回り時計回り方向へ回動できる回動範囲を、水平姿勢を基準にして前記所定角度α分だけ広げることができる。
【０１１１】
ここで、本実施の形態に係る歩行動作補助装置１の制御構造について説明する。
本実施の形態に係る歩行動作補助装置１は、大腿位相角に基づいて歩行周期中の歩行状態を認識し、当該歩行状態に適した歩行補助力が付与されるように前記アクチュエータユニット１００の作動制御を行う。
【０１１２】
前述の通り、本実施の形態においては、前記アクチュエータユニット１００は下腿に対して歩行補助力を付与する。
即ち、本実施の形態に係る歩行動作補助装置１は、制御対象部位である下腿とは異なる大腿の動きを検出し、この大腿の動きに基づいて制御対象部位である下腿に対して歩行補助力を付与する前記アクチュエータユニット１００の作動制御を行うように構成されている。
【０１１３】
図８に、前記歩行動作補助装置１の制御ブロック図を示す。
図８に示すように、前記歩行動作補助装置１は、ユーザーの大腿の前後揺動角度である股関節角度に関連する角度関連信号を検出可能な大腿姿勢検出手段５１０と、前記角度関連信号に基づいて大腿位相角φを算出する大腿位相角算出手段５５０と、前記大腿位相角φを歩行周期中の歩行状態（歩行動作タイミング）に変換する歩行動作タイミング算出手段５６０と、前記歩行動作タイミングにおいて出力すべきトルク値を算出する補助トルク算出手段５７０と、前記アクチュエータユニット１００（前記駆動体１１０）の作動制御を司る作動制御手段５８０とを備えている。
【０１１４】
図１に示すように、本実施の形態に係る前記歩行動作補助装置１は制御装置５００を備えている。
本実施の形態においては、図８に示すように、前記制御装置５００が、前記大腿位相角算出手段５５０、前記歩行動作タイミング算出手段５６０、前記補助トルク算出手段５７０及び前記作動制御手段５８０として作用する。
【０１１５】
前記制御装置５００は、前記大腿姿勢検出手段５１０や人為操作部材等から入力される信号に基づいて演算処理を実行する制御演算手段を含む演算部と、制御プログラムや制御データ等を記憶するＲＯＭ，設定値等を電源を切っても失われない状態で保存し且つ前記設定値等が書き換え可能とされた不揮発性記憶手段及び前記演算部による演算中に生成されるデータを一時的に保持するＲＡＭ等を含む記憶部とを有するものとされる。
【０１１６】
前記大腿姿勢検出手段５１０は、一歩行周期中において、予め定められた所定サンプリングタイミング毎に前記角度関連信号を検出する。
【０１１７】
前記大腿姿勢検出手段５１０は、大腿の前後揺動角度（股関節角度）を直接又は間接的に検出し得る限り、ジャイロセンサ、加速度センサ、ロータリーエンコーダ等の種々の形態を有し得る。
【０１１８】
本実施の形態に係る前記歩行動作補助装置１においては、前記大腿姿勢検出手段５１０は、大腿の前後揺動角速度を検出可能な３軸角速度センサ（ジャイロセンサ）５１１を有するものとされている。
【０１１９】
なお、本実施の形態に係る歩行動作補助装置１は、３軸加速度センサ５１５を有しており、前記大腿位相角算出手段５５０は、静止時に前記３軸加速度センサ５１５によって検出される鉛直軸Ｚを股関節角度（大腿の前後揺動角度）の基準軸として用いるように構成されている。
【０１２０】
図９(a)に、歩行時におけるユーザーの大腿及び下腿を含む脚部の股関節回りの動きを模式的に表す模式側面図を示す。
【０１２１】
本実施の形態においては、前記大腿位相角算出手段５５０は、歩行時におけるユーザーの大腿及び下腿を含む脚部の股関節回りの動きを、図９(b)に示すような、先端部に所定質量ｍの質点Ｍが取り付けられた所定長さ?の棒状剛体６００が基端部を揺動中心６１０として振り子動作する動きで近似しており、この振り子動作の運動方程式に対して設計された状態推定器を用いて一のサンプリングタイミングｋでの推定股関節角度θハット及び推定股関節角速度θドットハットを得るように構成されている。
なお、ｍ及び?は、実験等によってユーザー毎に設定され、棒状剛体６００の質量は０とする。
【０１２２】
詳しくは、前記質点Ｍの揺動軌跡に沿った円Ｑの接線方向に関する前記質点Ｍを伴った棒状剛体６００の運動方程式は、式（８）となる。
【０１２３】
【数８】
2019076294.tif 000010
【０１２４】
式（８）において、θ(t)は揺動中心を通る鉛直軸に対する棒状剛体６００の揺動角によって表される、ユーザーの大腿の前後揺動角度である股関節角度である。
また、ｇは重力加速度で、μは粘性摩擦に起因する棒状剛体の揺動中心回りの摩擦力に起因する粘性摩擦係数であり、γはユーザーの股関節トルクも含む未知外乱である。
【０１２５】
ここで、θ(t)は比較的小さな揺動範囲に収まるものとすると、sinθ(t)θ(t)の近似が成立し、この近似を適用し、かつ、前記質点Ｍの揺動角及び揺動角速度で近似されるユーザーの股関節角θ及び股関節角速度θドットを下記式（９ａ）のベクトルとしてまとめ、これを用いて式（８）を書き直すと下記式（９ｂ）となる。
【０１２６】
【数９】
2019076294.tif 000011
【０１２７】
式（９ｂ）をベクトルｘ(t)（式（９ａ）参照）を用いて書き換えると、式（１０ａ）及び式（１０ｂ）となる。
【０１２８】
【数１０】
2019076294.tif 000012
【０１２９】
但し、式（１０ａ）中の係数Ａ及びＧは以下の通りである。
【０１３０】
【数６】
2019076294.tif 000013
【０１３１】
【数７】
2019076294.tif 000014
【０１３２】
式（１０ａ）及び式（１０ｂ）を離散時間表現（サンプリングタイミングｋ）で表記すると、式（１ａ）及び式（１ｂ）となる。
【０１３３】
【数１】
2019076294.tif 000015
【０１３４】
式（１ａ）及び式（１ｂ）における[ ]内は、サンプリングタイミングを示している。
即ち、ｘ[k+1]は、サンプリングタイミングｋ＋１でのｘの値を意味し、ｘ[k]は、サンプリングタイミングｋでのｘの値を意味し、γ[k]は、サンプリングタイミングｋでの未知外乱の値を意味し、ｖ[k]は、サンプリングタイミングｋでの観測雑音の値を意味している。
【０１３５】
また、式（１ａ）中のＦ及びＧｄは、それぞれ、以下の通りである。
なお、式（１ａ）において、股関節に作用するユーザーの筋力トルクは未知量として、未知外乱γに含めている。
【０１３６】
【数４】
2019076294.tif 000016
但し、上式右辺は行列指数関数を表す。
【０１３７】
【数５】
2019076294.tif 000017
【０１３８】
本実施の形態においては、前記大腿位相角算出手段５５０は、状態推定器としてカルマンフィルタを用いている。
カルマンフィルタによる推定式は、式（２ａ）から式（２ｅ）によって表される。
【０１３９】
【数２】
2019076294.tif 000018
【０１４０】
なお、式（２ａ）〜式（２ｅ）の記号は以下の通りである。また、式中の右肩記号Ｔは行列の転置操作を表している。
ｘハット[k｜k]：サンプリングタイミングｋでの事後推定値
ｘハット[k｜k-1]: サンプリングタイミングｋでの事前推定値
Ｋ[k]：サンプリングタイミングｋでのカルマンゲイン
Ｐ[k|k]：サンプリングタイミングｋでの事後誤差共分散行列
Ｐ[k|k-1]：サンプリングタイミングｋでの事前誤差共分散行列
ｙ[k]：サンプリングタイミングｋでの大腿姿勢検出手段の観測値（計測値）
Ｃ：観測行列
Ｑ：未知外乱γの共分散行列
Ｒ：観測雑音ｖの共分散行列
【０１４１】
ここで、前記大腿位相角算出手段５５０は、サンプリングタイミング毎に、推定誤差及び観測誤差の大きさに応じてカルマンゲインを算出する。
即ち、前記大腿位相角算出手段５５０は、サンプリングタイミング毎に、推定誤差及び観測誤差の共分散を最小とする値を式（2c）、式（2d）および式（2e）により算出し、この値をそのサンプリングタイミングでのカルマンゲインＫ[k]として用いる。
【０１４２】
なお、前記カルマンフィルタは、式（２a）〜式（２e）によって推定股関節角度と推定股関節角速度を算出し、その際、サンプリングタイミングkにおけるカルマンゲインＫ[k]は、毎サンプリングタイミングにおいて式（２c）〜式（２e）によって計算されるが、サンプリングタイミング毎にカルマンゲインＫ[k]を算出する代わりに、下記式（１１ａ）及び式（１１ｂ）によって簡易的に事前に計算された値Ｋによって代用することもできる。すなわち、Ｋ[k]＝Ｋとして使用する。
【０１４３】
【数１１】
2019076294.tif 000019
Ｋ：定常カルマンゲイン
Ｐ：定常誤差共分散行列
【０１４４】
前記大腿位相角算出手段５５０は、式（１ａ）を用いて、一のサンプリングタイミングｋでのベクトル値ｘ[k]を元にした一つ先のサンプリングタイミングｋ＋１でのベクトル値ｘ[k+1]を予測する（以下、予測値という）。
【０１４５】
前記大腿位相角算出手段５５０は、サンプリングタイミングｋにおいて算出した最適なカルマンゲインＫ[k]、又は、定常カルマンゲインＫ を知得した上で、一つ前のサンプリングタイミングｋ−１の時点において式（２ａ）によって算出しておいた一つ先のサンプリングタイミングの予測値を、サンプリングタイミングｋでの事前推定値ｘハット[k|k-1]として用い、式（２ｂ）によって当該サンプリングタイミングｋでの事後推定値ｘハット[k|k]を算出する。
【０１４６】
前記大腿位相角算出手段５５０は、事後推定値ｘハット[k|k]に含まれる推定股関節角度θハット及び推定股関節角速度θドットハットを用いて、サンプリングタイミングｋでの大腿位相角φ(k)（＝−Ａｒｃｔａｎ(θドットハット(k)／θハット(k)）を算出する。
【０１４７】
斯かる構成によれば、下記効果を得ることができる。
即ち、ジャイロセンサ等によって検出された股関節角度に対して微分処理及びローパス処理を実行することによって、一のサンプリングタイミングでの股関節角度及び股関節角速度を得て、この股関節角度及び股関節角速度に基づき大腿位相角を算出することも可能である（以下、比較構成という）。
【０１４８】
しかしながら、前記比較構成においては、微分処理によって雑音成分が強調されると共に、ローパス処理を行うことによる時間遅れも生じることになる。
【０１４９】
これに対し、本実施の形態においては、前述の通り、歩行時におけるユーザーの脚部の動きを棒状剛体６００の振り子動作で近似し、この振り子動作の運動方程式に対して設計された状態推定器を用いてサンプリングタイミングｋでの推定股関節角度θハット及び推定股関節角速度θドットハットを得ているので、微分処理に起因する雑音成分の強調、及び、ローパス処理に起因する時間遅れを有効に防止乃至は低減しつつ、推定股関節角度θハット及び推定股関節角速度θドットハットを得ることができる。
【０１５０】
なお、本実施の形態においては、状態推定器としてカルマンフィルタを用いているが、これに代えて、オブザーバ等の他の状態推定器を用いることも可能である。
【０１５１】
図８に示すように、本実施の形態においては、前記大腿位相角算出手段５５０は、前記大腿姿勢検出手段５１０からの股関節角度関連信号に対して回転中心補正を行い、補正後の股関節角度関連信号を用いて、推定股関節角度θハット及び推定股関節角速度θドットハットを算出するように構成されている。
【０１５２】
具体的には、前記大腿位相角算出手段５５０は、完了している過去の歩行周期における推定股関節角度θハットの揺動中心点を算出し、股関節角度ゼロ点に対する前記揺動中心点の偏差を算出する。
【０１５３】
その上で、前記大腿位相角算出手段５５０は、現時点の歩行周期中において前記大腿姿勢検出手段５１０から入力される角度関連信号に対して、前記偏差に応じた補正ｅを行い、補正後の角度関連信号を前記状態推定器の観測値として用いる。
【０１５４】
斯かる構成によれば、前記大腿位相角算出手段５５０によって算出される位相角φの精度を向上させることができる。
【０１５５】
なお、前記揺動中心点の算出の際に対象とする歩行周期は、その時点において完了している全歩行周期であっても良いし、若しくは、その時点において完了している歩行周期のうち、直近の所定回数（例えば、５回又は１０回等）の歩行周期であっても良い。
また、前記揺動中心点の算出の際に対象とする位相角は、算出対象とされる一の歩行周期における全サンプリングポイントであっても良いし、若しくは、算出対象とされる一の歩行周期における「正」の最大位相角及び「負」の最大位相角であっても良い。
【０１５６】
本実施の形態においては、前記大腿位相角算出手段５５０は、推定股関節角度θハット及び推定股関節角速度θドットハットによって画される大腿動作状態を位相角平面上にプロットしてトラジェクトリ線図を作成するように構成されている。
【０１５７】
図１０に、推定股関節角度θハット及び推定股関節角速度θドットハットによって画される大腿動作状態（歩行状態）を一歩行周期に亘ってプロットすることによって得られるトラジェクトリ線図を示す。
図１０に示すように、推定股関節角度θハット及び推定股関節角速度θドットハットによって定まる大腿位相角φは、一歩行周期において０〜２πの間で変化するように定義される。
【０１５８】
詳しくは、大腿が鉛直軸より前方及び後方に位置されている状態の股関節角度をそれぞれ「正」及び「負」とし、大腿が前方及び後方へ向けて揺動されている状態の股関節角速度をそれぞれ「正」及び「負」とする。
【０１５９】
この条件で、推定股関節角度θハットが「正」の方向に最大で且つ推定股関節角速度θドットハットが「ゼロ」の状態（図１０の点Ｐ）の位相角を０とすると、図１０の歩行領域Ａ１（推定股関節角度θハットが「正」の方向に最大で且つ推定股関節角速度θドットハットが「ゼロ」の状態から推定股関節角度θハットが「ゼロ」で且つ推定股関節角速度θドットハットが「負」の方向に最大となる状態までの歩行領域）は位相角０〜π／２に相当する。
【０１６０】
また、図１０中の歩行領域Ａ２（推定股関節角度θハットが「ゼロ」で且つ推定股関節角速度θドットハットが「負」の方向に最大の状態から推定股関節角度θハットが「負」の方向に最大で且つ推定股関節角速度θドットハットが「ゼロ」となる状態までの歩行領域）は位相角π／２〜πに相当する。
【０１６１】
さらに、図１０中の歩行領域Ａ３（推定股関節角度θハットが「負」の方向に最大で且つ推定股関節角速度θドットハットが「ゼロ」の状態から推定股関節角度θハットが「ゼロ」で且つ推定股関節角速度θドットハットが「正」の方向に最大となる状態までの歩行領域）は位相角π〜３π／２に相当する。
【０１６２】
また、図１０中の歩行領域Ａ４（推定股関節角度θハットが「ゼロ」で且つ推定股関節角速度θドットハットが「正」の方向に最大の状態から推定股関節角度θハットが「正」の方向に最大で且つ推定股関節角速度θドットハットが「ゼロ」となる状態までの歩行領域）は位相角３π／２〜２πに相当する。
【０１６３】
一歩行周期当たりに複数のサンプリングポイントが含まれるように前記大腿姿勢検出手段５１０のサンプリングタイミングが定められており、前記大腿位相角算出手段５５０は、サンプリングタイミング毎に大腿位相角φを算出する。
【０１６４】
本実施の形態においては、前記大腿位相角算出手段５５０は、推定股関節角度θハットｋ及び推定股関節角速度θドットハットｋによって画されるトラジェクトリ線図上のプロット点Ｓｋのベクトル長（トラジェクトリ線図の原点（即ち、推定股関節角度θハットｋ及び推定股関節角速度θドットハットｋがゼロの点）とプロット点Ｓｋとの間の距離）が所定の閾値を越えているか否かを判断し、前記ベクトル長が所定の閾値を越えていると、推定股関節角度θハットｋ及び推定股関節角速度θドットハットｋに基づく大腿位相角φｋを算出して、大腿位相角φｋを前記歩行動作タイミング算出手段５６０に送信する。
【０１６５】
これに対し、前記ベクトル長が所定の閾値以下の場合には、前記大腿位相角算出手段５５０は、アクチュエータ作動禁止信号を出力する。
斯かる構成を備えることにより、歩行動作が開始されていないにも拘わらず、前記歩行動作補助装置１が前記アクチュエータユニット１００を作動させることを有効に防止することができる。
【０１６６】
即ち、前記歩行動作補助装置１を装着したユーザーが歩行動作を開始する前に、意に反して微少な範囲で姿勢変動を起こす場合がある。特に、ユーザーが片麻痺等を有する場合には、そのような事態が生じ易い。
【０１６７】
前記大腿位相角算出手段５５０が前記構成を備えていれば、このような微少な姿勢変動はベクトル長の短いベクトルとして検出される。
従って、推定股関節角度θハットｋ及び推定股関節角速度θドットハットｋによって画されるベクトルＶｋ（図１０参照）のベクトル長が所定の閾値を越えている場合にのみ、歩行動作が行われていると判断することにより、歩行動作が開始されていないにも拘わらず、意に反して前記アクチュエータユニット１００が作動することを有効に防止することができる。
【０１６８】
前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、大腿位相角φと歩行周期における歩行動作タイミングとの関係を規定した位相パターン関数を有しており、前記大腿位相角算出手段５５０から送られてくる一のサンプリングタイミングでの大腿位相角φを前記位相パターン関数に適用して前記一のサンプリングタイミングが歩行周期中のどの歩行動作タイミングにあたるかを算出する。
【０１６９】
さらに、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、歩行周期が完了する毎に、当該完了した歩行周期における大腿位相角φと前記大腿位相角に対応した歩行動作タイミングとが関連付けられた最新位相角データと、その時点で記憶している過去位相角データとを含む有効位相角データに対して最小二乗法によって最新の位相パターン関数を算出し、算出した最新の位相パターン関数を上書き保存する。
【０１７０】
詳しくは、図１１に示すように、前記歩行動作タイミング算出手段５６０には、初期状態において、前記位相パターン関数として、初期位相パターン関数φ(α)(C0)が保存されている。
この初期位相パターン関数φ(α)(C0)はユーザー毎に作成され、予め前記歩行動作タイミング算出手段５６０に記憶されている。
【０１７１】
例えば、第１回目の歩行周期Ｃ１中において、前記大腿位相角算出手段５５０が一のサンプリングタイミングＳｋでの大腿位相角としてφｋを算出し、前記歩行動作タイミング算出手段５６０に送信したとする。
【０１７２】
この時点では第１回目の歩行周期Ｃ１が完了していないから、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、前記位相パターン関数として、前記初期位相パターン関数φ(α)(C0)を有している。
【０１７３】
従って、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、図１１に示すように、前記大腿位相角算出手段５５０から送られてきた大腿位相角φｋを前記初期位相パターン関数φ(α)(C0)に適用して、前記一のサンプリングタイミングｋに対応した保存周期歩行動作タイミングｔｋを算出し、前記補助トルク算出手段５７０に送信する。
【０１７４】
前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、斯かる処理を第１回目の歩行周期Ｃ１が完了するまで繰り返す。
なお、一歩行周期の完了は、例えば、推定股関節角度θハット及び推定股関節角速度θドットハットによって画される大腿位相角φが予め設定されている歩行周期基準角に戻ったか否かによって判断することができる。
【０１７５】
前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、第１回目の歩行周期Ｃ１が完了すると、当該完了した第１回目の歩行周期Ｃ１中において前記大腿位相角算出手段５５０から受信した大腿位相角と前記大腿位相角に対応した歩行動作タイミングとが関連付けられた状態の最新位相角データを、その時点で記憶している過去位相角データ（この例においては、初期位相パターン関数φ(α)(C0)によって生成される位相角データ）に加えて、その時点で有効な有効位相角データを生成し、前記有効位相角データに対して最小二乗法を用いて、最新位相角パターン関数（この例においては、第１歩行周期完了時位相パターン関数φ(α)(C1)）を算出し、前記最新位相角パターン関数を上書き保存する。
【０１７６】
具体的には、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、第１歩行周期Ｃ１が完了すると、その時点で有効な前記有効位相角データに対し最小二乗法によって、
φ(α)(C1)＝ａ０(1)＋ａ１(1)α＋ａ２(1)α２＋・・・＋ａｍ(1)αｍ
の係数パラメータを算出し、前記φ(α)(C1)を大腿位相角の位相パターン関数として保存する。上式において、ｍは正の整数である。
【０１７７】
そして、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、第２歩行周期Ｃ２中においては、その時点で記憶している第１歩行周期完了時位相パターン関数φ(α)(C1)を用いて、保存周期歩行動作タイミングｔｋを算出する。
【０１７８】
第２歩行周期Ｃ２が完了すると、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、その時点で有効な前記有効位相角データに対し最小二乗法によって、
φ(α)(C2)＝ａ０(2)＋ａ１(2)α＋ａ２(2)α２＋・・・＋ａｍ(2)αｍ
の係数パラメータを算出し、前記φ(α)(C2)を大腿位相角の位相パターン関数として上書き保存する。
【０１７９】
そして、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、第３歩行周期Ｃ３中においては、その時点で記憶している第２歩行周期完了時位相パターン関数φ(α)(C2)を用いて、保存周期歩行動作タイミングを算出する。
【０１８０】
前記歩行動作タイミング算出手段５６０は斯かる処理を繰り返す。
なお、前記有効位相角データは、その時点で完了している全ての歩行周期における位相角データを含むものとすることも可能であるし、これに代えて、前記歩行動作タイミング算出手段５６０における記憶容量に応じて、直近の所定回数（例えば、１００回）の歩行周期における位相角データだけに制限することも可能である。
【０１８１】
本実施の形態においては、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は下記構成を備えることによって、異常な位相角データが位相角パターン関数の算出時の有効位相角データに含まれることを防止している。
【０１８２】
即ち、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、前記大腿位相角算出手段５５０から受け取った一のサンプリングタイミングｋでの大腿位相角φｋに基づき算出される現在周期歩行動作タイミングＴｋと、前記大腿位相角φｎをその時点で記憶している前記位相パターン関数φ(α)に適用して算出される保存周期歩行動作タイミングｔｋとの差異ΔＴを算出する。
【０１８３】
ここで、前記現在周期歩行動作タイミングＴｋは、
Ｔｋ＝（φｋ／２π）×１００（％）
によって算出される。
【０１８４】
前記差異ΔＴの絶対値が所定閾値以下の場合には、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、歩行周期完了時において新たな位相パターン関数φ(α)を算出する際に用いる有効位相角データとして、前記現在周期歩行動作タイミングＴｋを記憶する。
【０１８５】
即ち、前記差異ΔＴの絶対値が所定閾値以下の場合には、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、一の歩行周期完了時に最新位相パターン関数を算出する際に、当該一の歩行周期において前記大腿位相角算出手段５５０から受信した大腿位相角φに関連付ける歩行動作タイミングとして、前記現在周期歩行動作タイミングＴｋを記憶する。
【０１８６】
これに対し、前記差異ΔＴの絶対値が所定閾値を越える場合には、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、歩行周期完了時において最新位相パターン関数を算出する際に用いる有効位相角データとして、前記保存周期歩行動作タイミングｔｋを記憶する。
【０１８７】
即ち、前記差異ΔＴの絶対値が所定閾値を越える場合には、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、一の歩行周期完了時に最新位相パターン関数を算出する際に、当該一の歩行周期において前記大腿位相角算出手段５５０から受信した大腿位相角φに関連付ける歩行動作タイミングとして、前記保存周期歩行動作タイミングｔｋを記憶する。
【０１８８】
斯かる構成を備えることにより、何らかの理由によって異常値となった現在周期歩行動作タイミングＴｋが位相パターン関数算出時の対象データ（有効位相角データ）に含まれることを有効に防止することができる。
【０１８９】
前記補助トルク算出手段５７０は、歩行動作タイミングと出力すべきトルク値との関係を規定した出力トルクパターンを有しており、前記歩行動作タイミング算出手段５６０から送られてくる歩行動作タイミングを前記出力トルクパターンに適用して当該サンプリングタイミングＳｎにおいて出力すべきトルク値を算出する。
前記出力トルクパターンはユーザー毎に作成され、予め、前記補助トルク算出手段５７０に記憶される。
【０１９０】
前記作動制御手段５８０は、前記補助トルク算出手段５７０によって算出されたトルク値の補助力を出力するように、前記アクチュエータユニット１００の作動制御を実行する。
【０１９１】
このように、本実施の形態に係る歩行動作補助装置１は、大腿位相角φに基づいて歩行周期中の歩行状態（歩行動作タイミング）を把握し、前記歩行状態に応じた補助力を出力するように構成されている。
従って、歩行状態（歩行動作タイミング）を正確に認識し、歩行状態に適した補助力を出力することができる。
【０１９２】
また、本実施の形態に係る歩行動作補助装置１は、大腿位相角φをその時点で記憶されている位相パターン関数に適用して、歩行状態（歩行動作タイミング）を算出するように構成されている。
従って、歩行周期中にイレギュラーな歩行動作が生じたとしても、修正された状態の補助力を出力することができる。
【０１９３】
また、本実施の形態に係る歩行動作補助装置１においては、前記大腿位相角算出手段５５０は、推定股関節角度θハット及び推定股関節角速度θドットハットによって画されるトラジェクトリ線図上のプロット点のベクトル長が所定の閾値を越えている場合にのみ、推定股関節角度θハット及び推定股関節角速度θドットハットに基づく大腿位相角φを算出して、大腿位相角φを前記歩行動作タイミング算出手段に送信する一方で、前記ベクトル長が所定の閾値以下の場合には、アクチュエータ作動禁止信号を出力する。
【０１９４】
従って、前記歩行動作補助装置１を装着したユーザーが意に反して姿勢変動を起こした場合に、歩行動作を開始していないにも拘わらず、前記アクチュエータユニット１００が歩行補助力を出力することを有効に防止することができる。
【０１９５】
さらに、本実施の形態に係る歩行動作補助装置１は、前述の通り、大腿位相角φに基づき一の歩行周期中における歩行状態を認識した上で、前記アクチュエータユニット１００によって下腿に対して歩行補助力を付与するように構成されている。
従って、脳卒中等によって片麻痺を有するユーザーに対しても的確な歩行補助力を供給することができる。
【０１９６】
即ち、アクチュエータユニットによって歩行補助力を付与するように構成された従来の歩行補助装置は、前記アクチュエータユニットによって補助力が付与される制御対象部位の動きを検出し、その検出結果に基づき前記アクチュエータユニットの作動制御を行うように構成されている。
【０１９７】
例えば、大腿に対して歩行補助力を供給する従来の歩行補助装置においては、大腿の動きの検出結果に基づき、大腿に対して歩行補助力を付与するアクチュエータの作動制御を行うものとされている。
また、下腿に対して歩行補助力を供給する従来の歩行補助装置においては、下腿の動きの検出結果に基づき、下腿に対して歩行補助力を付与するアクチュエータの作動制御を行うものとされている。
【０１９８】
しかしながら、脳卒中等の為に片麻痺を有する患者の場合、大腿の歩行動作（股関節回りの前後揺動動作）は比較的正常に行えるものの、下腿の歩行動作（膝関節回りの前後揺動動作）は正常に行えないことが多い。
【０１９９】
このような患者に対して下腿への歩行補助力を付与しようとすると、前記従来の歩行補助装置においては、正常な歩行動作を行えない下腿の動きに基づいて、下腿に対して歩行補助力を提供するアクチュエータの作動制御を行うことになり、的確な歩行補助力を提供することができないおそれがある。
【０２００】
これに対し、本実施の形態に係る前記歩行動作補助装置１は、前述の通り、大腿位相角φに基づいて、下腿に対して歩行補助力を付与する前記アクチュエータユニット１００の作動制御を行うように構成されている。
従って、ユーザーが脳卒中等によって片麻痺を有する場合であっても、下腿に対して的確な歩行補助力を供給することができる。
【０２０１】
ここで、歩行動作に必要な歩行補助力について説明する。
図１２に、一歩行周期中に変化する歩行状態の模式図を示す。
図１２に示すように、一歩行周期は、鉛直軸より前方側で踵を接地させるヒールコンタクト時点を含むヒールコンタクト期（踏み出した足が接床する前後の期間）Ｘ１と、ヒールコンタクト後に当該ヒールコンタクトした脚を接地させた状態で後方側へ相対移動させる立脚期（接床した下肢が身体に対して相対的に後方に移動する期間）Ｘ２と、立脚期Ｘ２の終了時点から立脚していた脚を引き上げて前方側へ相対移動させる遊脚期Ｘ３とを含んでいる。
【０２０２】
図１３(a)に、前記出力トルクパターンによって画される補助力の変化パターンの一例を示す。
図１３(a)に示す一例においては、前記出力トルクパターンは、前記ヒールコンタクト期Ｘ１において、前記下腿側装具３０を膝関節回り膝伸展方向へ回動させて膝折れを防止する為の第１トルクパターンＹ１と、前記立脚期Ｘ２において、前記下腿側装具３０を膝関節回り膝伸展方向へ回動させて膝折れを防止する為の第２トルクパターンＹ２と、立脚期Ｘ２の終了時点から立脚していた脚を引き上げて前方側へ相対移動させる遊脚期Ｘ２の初期段階Ｘ３ａにおいて、前記下腿側装具３０を膝関節回り膝屈曲方向へ回動させて脚の引き上げを補助する為の第３トルクパターンＹ３と、前記遊脚期Ｘ３の後期段階Ｘ３ｂにおいて、前記下腿側装具３０を膝関節回り膝伸展方向へ回動させる第４トルクパターンＹ４とを含んでいる。
【０２０３】
図１３(b)に、前記出力トルクパターンによって画される補助力の変化パターンの他例を示す。
図１３(b)に示す例においては、前記出力トルクパターンは、前記第３トルクパターンＹ３及び前記第４トルクパターンＹ４のみを含んでいる。
【０２０４】
このように、歩行周期中の歩行状態（歩行動作タイミング）と歩行補助力との関係を表す前記出力トルクパターンを用いて前記アクチュエータユニット１００の作動制御を行うことにより、ユーザーに合わせた適切な歩行補助を行うことができる。
【０２０５】
図１３(a)及び(b)に示す例においては、ヒールコンタクトが歩行周期基準タイミングとして設定されている。
このように、ヒールコンタクトを歩行周期基準タイミングとすることによって、歩行周期中における歩行補助力が必要なタイミングを正確に把握することができる。
【０２０６】
ヒールコンタクトのタイミングは、種々の方法によって認識することができる。
例えば、鉛直軸を基準として大腿が前方側及び後方側へ向けて揺動している際の股関節角速度をそれぞれ正及び負とした場合に、前記制御装置５００が、算出される股関節角速度が正値からゼロへ移行したタイミング（図１０中のＰ）から所定位相角Δαだけ進行した時点をヒールコンタクト時点として認識するように構成することができる。
【０２０７】
これに代えて、前記歩行動作補助装置１にヒールコンタクトを検出するヒールコンタクト検出手段を備え、前記大腿位相角検出手段は、前記ヒールコンタクト検出手段によって検出されたタイミングをヒールコンタクト時点として認識し、そのタイミングでの大腿位相角φをヒールコンタクト位相角として認識するように構成することも可能である。
【０２０８】
本実施の形態に係る歩行動作補助装置１におけるように、前記加速度センサ５１５が備えられている場合には、前記加速度センサ５１５を前記ヒールコンタクト検出手段として兼用することができる。
これに代えて、踵の接地を検出可能な圧力センサを別途に備え、前記圧力センサを前記ヒールコンタクト検出手段として作用させることも可能である。
【０２０９】
図１４に、前記歩行動作補助装置１におけるアクチュエータ作動制御モードのフローを示す。
【０２１０】
起動信号入力に応じて前記制御装置５００が前記アクチュエータ作動制御モードを起動する。
起動信号は、例えば、スタートボタン等の人為操作部材へのユーザーによる人為操作に応じて入力される。
【０２１１】
前記アクチュエータ作動制御モードが起動されると、前記大腿位相角検出手段５５０は、前記大腿姿勢検出手段５１０からの一のサンプリングタイミングｋでの角度関連信号に基づき、当該一のサンプリングタイミングｋでの測定股関節角度θｋを認識する（ステップＳ１１）。
【０２１２】
前記大腿位相角検出手段５５０は、股関節角度θｋに対して回転中心補正処理を行い、補正股関節角度θｋを算出する（ステップＳ１２）。
なお、過去揺動中心が認識されていない段階においては、ステップ１２においては、ゼロ補正（補正無し）とされる。
【０２１３】
前記大腿位相角検出手段５５０は、ユーザーの脚部の動きを近似する棒状剛体６００の振り子動作の運動方程式に対して設計された状態推定器（本実施の形態においてはカルマンフィルタ）を用いてサンプリングタイミングｋでの推定股関節角度θドットｋ及び推定股関節角速度θドットハットｋを算出する（ステップＳ１３）。
【０２１４】
前記大腿位相角検出手段５５０は、推定股関節角度θハットｋ及び推定股関節角速度θドットハットｋに基づきトラジェクトリ線図を作成し（ステップＳ１４）、トラジェクトリ線図上のプロット点のベクトル長（プロット点と原点との距離）が閾値を越えているか否かを判断する（ステップＳ１５）。
【０２１５】
前記ステップＳ１５がＮＯの場合、前記大腿位相角検出手段５５０は、歩行動作が開始されていないと判断して、アクチュエータ作動禁止信号を出力する（ステップ３０）。
この場合、前記アクチュエータ作動制御モードは、ステップＳ１１に戻る
【０２１６】
前記ステップＳ１５がＹＥＳの場合には、前記大腿位相角検出手段５５０は、歩行動作が行われていると判断して、推定股関節角度θハットｋ及び推定股関節角速度θドットハットｋに基づき大腿位相角φｋを算出し、前記歩行動作タイミング算出手段５６０に送信する（ステップＳ１６）。
【０２１７】
前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、前記大腿位相角検出手段５５０からの大腿位相角φｋを、その時点において有効な位相パターン関数φ(α)に適用して、保存周期歩行動作タイミングｔｋを算出し、前記補助トルク算出手段５７０に送信する（ステップＳ１７）。
同時に、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、位相パターン関数作成処理を実行する。位相パターン関数作成処理については後述する。
【０２１８】
前記補助トルク算出手段５７０は、前記歩行動作タイミング算出手段５６０からの保存周期歩行動作タイミングｔｋを、記憶する出力トルクパターンに適用して、このタイミング（サンプリングタイミングｋ）において前記アクチュエータユニット１００が出力すべき歩行補助力の大きさ及び方向を取得し、前記作動制御手段５８０に送信する（ステップＳ１８）。
【０２１９】
前記作動制御手段５８０は、前記補助トルク算出手段５７０によって算出された大きさ及び方向の歩行補助力が出力されるように前記アクチュエータユニット１００の作動制御を行う（ステップＳ１９）。
【０２２０】
ここで、前記位相パターン関数作成処理について図１５を参照しつつ説明する。
前記位相パターン関数作成処理は、サンプリングタイミングｋでの歩行動作が正常か否かを判断して、以降の歩行周期において使用する位相パターン関数の算出に際し用いるべき有効位相角データの選別を行い、歩行周期完了時に前記有効位相角データを用いて新たな位相パターン関数を作成するように構成されている。
【０２２１】
具体的には、ステップＳ４０において、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、（φｋ／２π）×１００（％）によって算出される現在周期歩行動作タイミングＴｋと、前記ステップＳ１７において算出した保存周期歩行動作タイミングｔｋとの差異ΔＴが所定閾値以下か否かを判断する。
【０２２２】
前記ステップＳ４０がＹＥＳの場合、即ち、前記差異ΔＴが所定閾値以下の場合には、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、サンプリングタイミングｋでの歩行動作が正常であると判断して、大腿位相角φｋ及び現在周期歩行動作タイミングＴｋを位相角データとして記憶する（ステップＳ４１）。
【０２２３】
一方、前記ステップＳ４０がＮＯの場合、即ち、前記差異ΔＴが所定閾値を越える場合には、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、サンプリングタイミングｋでの歩行動作が異常であると判断して、大腿位相角φｋ及び保存周期歩行動作タイミングｔｋを位相角データとして記憶する（ステップＳ４２）。
【０２２４】
その後、前記歩行動作タイミング算出手段５６０は、一歩行周期が終了したか否かを判断し（ステップＳ４３）、一歩行周期が終了した時点で、当該歩行周期における位相角データとその時点で記憶されている過去の保存歩行周期における位相角データとを含む有効位相角データに基づき、最小二乗法を用いて新たな位相パターン関数を算出し、上書き保存する（ステップＳ４４）。
一歩行周期が終了してない場合には、ステップＳ４４はバイパスされる。
【０２２５】
前記位相パターン関数処理を備えることにより、異常歩行動作のデータが位相パターン関数に含まれることを有効に防止することができる。
【０２２６】
ステップＳ２０において、前記制御装置５００は、前記アクチュエータ作動制御モードの終了信号が入力されているか否かを判断し、終了信号の入力が無い場合にはステップＳ１１へ戻り、終了信号が入力された場合には当該制御モードを終了する。
なお、終了信号は例えば、終了ボタン等の人為操作部材へのユーザーによる人為操作に応じて入力される。
【０２２７】
なお、本実施の形態に係る歩行動作補助装置１は、大腿位相角φに基づいて歩行動作状態（歩行動作タイミング）を把握し、その歩行動作状態に適した歩行補助力を下腿に付与するように構成されているが、本発明は斯かる形態に限定されるものでは無く、大腿位相角φに基づいて把握された歩行動作状態に適した歩行補助力を大腿に付与するように構成することも可能である。
【符号の説明】
【０２２８】
１                    歩行動作補助装置
１０                  大腿側装具
３０                  下腿側装具
１００                アクチュエータユニット
５００                制御装置
５１０                大腿姿勢検出手段
５５０                大腿位相角算出手段
５６０                歩行動作タイミング算出手段
５７０                補助トルク算出手段
５８０                作動制御手段
【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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