(57)【要約】  ヒト−外骨格システムのシステムパラメータを受信し、足の向き等といったヒト−外骨格システムの一般化座標を受信し、短下肢装具を制御するための関節トルクを決定することにより足に作用する力の一以上の成分を補償することによって、短下肢装具を備えるヒト−外骨格システムを制御する技術が提供される。補償のために選択された力は、床反力等といった外力に加えて、重力を含む。回転軸まわりで足に作用する力の部分的又は完全な補償のための足首関節トルクを決定する技術が提供される。本発明の一実施形態は、随意制御とアシスト制御との間の干渉の量を軽減し、それによって、ヒトが外骨格システムに素早く順応できるようになる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
足首関節に短下肢装具を備えるヒト−外骨格システムを制御する、コンピュータに基づく方法であって、
前記ヒト−外骨格システムのシステムパラメータを受信するステップと、
前記足首関節に連結された足の向きを受信するステップと、
能動的な短下肢装具である前記短下肢装具を制御するための関節トルクを決定することによって、前記足に作用する床反力の成分を補償するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記床反力の成分は、前記床反力の水平成分と、前記床反力の鉛直成分と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記床反力の成分は、前記床反力の鉛直成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記床反力の成分は、前記床反力の水平成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記床反力の成分は、鉛直床反力の動的成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記鉛直床反力の動的成分は、力センサ及び圧力センサのいずれか一つを用いて測定されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記足に関する線速度及び前記足に関する直線加速度のいずれか一つが、前記関節トルクを決定する際にゼロに設定されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記足に関する角速度及び前記足に関する角加速度のいずれか一つが、前記関節トルクを決定する際にゼロに設定されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記短下肢装具を制御するための関節トルクを決定することによって、前記短下肢装具の回転軸まわりの床反力の成分を補償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１０】
前記短下肢装具を制御するための関節トルクを決定することによって、前記足に作用する床反力の成分の部分的補償を提供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１１】
オンラインの測定情報を用いずに、前記短下肢装具を制御するための関節トルクを決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
足首関節に短下肢装具を備えるヒト−外骨格システムを制御する、コンピュータに基づく方法であって、
前記ヒト−外骨格システムのシステムパラメータを受信するステップと、
前記足首関節に連結された足の向きを受信するステップと、
前記短下肢装具を制御するための関節トルクを決定することによって、前記足に作用する力の鉛直成分を補償するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記足に作用する力の鉛直成分は、前記足に作用する重力による力と、前記足に作用する床反力の鉛直成分と、のいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記床反力の鉛直成分は、力センサと、圧力センサと、のいずれか一つを用いて測定されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
足首関節で短下肢装具を自動的に制御するシステムであって、
システムパラメータを受信する第一の受信手段と、
前記足首関節に連結された足の向きを受信する第二の受信手段と、
能動的な短下肢装具である前記短下肢装具を制御するための関節トルクを決定することによって、前記足に作用する床反力の成分を補償する第一の決定手段と、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項１６】
前記床反力の成分は、前記床反力の鉛直成分を含むことを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記床反力の成分は、鉛直床反力の動的成分を含むことを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記関節トルクを決定する場合に、前記足に関する線速度、前記足に関する直線加速度、前記足に関する角速度及び前記足に関する角加速度のいずれか一つがゼロに設定されることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記短下肢装具を制御するための関節トルクを決定することによって、前記短下肢装具の回転軸まわりの床反力の成分を補償する第二の決定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２０】
前記短下肢装具を制御するための関節トルクを決定することによって、前記足に作用する床反力の成分の部分的な補償を提供する第二の決定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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、合衆国法典（ＵＳＣ）第３５編１１９条（ｅ）の下、２００５年４月１２日に出願された米国仮特許出願第６０／６７０，７３２号、及び、２００６年４月１１日に出願された米国特許出願（番号未知）「短下肢装具の能動的制御」に基づいて優先権を主張するものであり、これらの文献は、参照によって本明細書に一体的に組み込まれるものとする。
【０００２】
本出願は、合衆国法典（ＵＳＣ）第３５編１１９条（ｅ）の下、２００５年４月１日に出願された米国仮特許出願第６０／６６７，５１８号及び２００５年４月１２日に出願された米国仮特許出願第６０／６７０，７３２号に基づいて優先権を主張するとともに、２００５年１月１９日に出願された米国特許出願第１１／０３８，６９１号、２００５年１月１９日に出願された米国特許出願第１１／０３８，６９２号及び２００５年１月１９日に出願された米国特許出願第１１／０３８，９７８号の米国特許一部継続出願第１１／０３８，６９１号である、２００６年３月３０日に出願された米国特許一部継続出願（番号未知）「ヒト−外骨格システムのための外骨格制御装置」であり、これらの文献は、全てが参照によって本明細書に一体的に組み込まれるものとする。２００５年１月１９日に出願された米国特許出願第１１／０３８，６９１号、２００５年１月１９日に出願された米国特許出願第１１／０３８，６９２号及び２００５年１月１９日に出願された米国特許出願第１１／０３８，９７８号は、それぞれ、合衆国法典（ＵＳＣ）第３５編１１９条（ｅ）の下、２００１年６月２９日に出願された米国特許仮出願第６０／３０１，８９１号及び２００１年１月３１日に出願された米国特許仮出願第６０／３５３，３７８号に基づいて優先権を主張する、２００２年５月１６日に出願された米国特許一部継続出願第１０／１５１，６４７号であり、これらの文献は、全てが参照によって本明細書に一体的に組み込まれるものとする。
【０００３】
また、２００６年３月３０日に出願された米国特許出願（番号未知）「ヒト−外骨格システムのための外骨格制御装置」は、合衆国法典（ＵＳＣ）第３５編１１９条（ｅ）の下、２００３年７月３日に出願された米国特許仮出願第６０／４８４，７０８号、２００２年１０月２８日に出願された米国特許仮出願第６０／４２１，９６４号及び２００２年９月２３日に出願された米国特許仮出願第６０／４１３，０２４号に基づいて優先権を主張する、２００３年９月５日に出願された米国特許一部継続出願第１０／６５５，４６０号である、２００４年４月１３日に出願された米国特許一部継続出願第１０／８２４，０５９号であり、これらの文献は、全てが参照によって本明細書に一体的に組み込まれるものとする。また、２００６年３月３０日に出願された米国特許出願（番号未知）「ヒト−外骨格システムのための外骨格制御装置」は、合衆国法典（ＵＳＣ）第３５編１１９条（ｅ）の下、２００１年１０月２９日に出願された米国特許仮出願６０／３３０，６８９号及び２００１年１１月２９日に出願された米国特許仮出願第６０／３３３，７５３号に基づいて優先権を主張する、２００２年１０月２５日に出願された米国特許一部継続出願第１０／２８０，７７１号であり、これらの文献は、全てが参照によって本明細書に一体的に組み込まれるものとする。
【０００４】
本発明は、装具学の分野に関し、より詳細には、短下肢装具の制御に関する。
【背景技術】
【０００５】
足首又は足の衰弱は、異常な歩行パターン等といった運動障害における重要な要因である。この現象の一例が、下垂足として知られる条件において観察される。下垂足に関する、よく生じる厄介な問題としては、踵の接地後に足を下ろす制御ができないことによって、ステップごとに床をたたくことが挙げられ、このことは、フットスラップ（foot-slap）と呼ばれている。下垂足に関する他の厄介な問題としては、歩行の遊脚期間に爪先を床から離すことができないことであり、このことは、下垂足に特有であって、遊脚期間中、爪先を床に引き摺ることの原因となる。下垂足の原因としては、神経切断、脳梗塞、脳性麻痺、多発性硬化症等が挙げられる。
【０００６】
また、足首又は足の筋肉の衰弱は、高齢者の歩行パターンを変えてしまう。歩行パターン等といったありふれた動作における加齢変化は、早くて６０歳から報告されている。歩行における加齢変化としては、歩幅が短くなる、立脚期が延びて支持時間が二倍になる、足首の蹴る力が減少する、等が挙げられる。高齢者の低下した運動機能を理解するための取り組みは、身体支持及び前方推進に関する問題に集中している。
【０００７】
神経系疾患又は加齢に伴う疾患の結果としての運動パターンの変化は、危険でエネルギーを消費する動作を生じてしまう。下垂足の場合には、例えば、歩行中にヒトが爪先を地面に下ろす際に、突発的な転倒が生じることがある。また、平衡制御の欠如は、負傷の大きなリスクを伴う転倒の主な潜在的原因である。他の例を提供するため、患者は、しばしば、臀部又は膝を過度に上げて足と床との間の隙間を確保することによって、下垂足を補償し、このことは、鶏歩と呼ばれ、高くステップする馬の歩行に似ている。鶏歩パターンは、通常よりも多くのエネルギーを消費し、疲労の原因となり、歩行をさらに困難かつ危険なものとする。
【０００８】
短下肢装具（ＡＦＯ：Ankle-Foot Orthosis）は、足首の失われた機能に対する支援、安定性又は代替機能を提供する矯正装置である。北アメリカにおいて、約十万の短下肢装具が、二分脊椎、脳性麻痺等といった神経系疾患を有する子供及び大人に処方されている。短下肢装具は、急性の足首負傷後に足首の再負傷を防止するリハビリのため、高齢者の転倒防止のため、又は慢性的に不安定な足首のために有用である。
【０００９】
最近開発された短下肢装具において、装具関節のインピーダンスは、歩行サイクルを通じて修正されることによって下垂足歩行を改善することができるようになった。Joaquin A. Blaya, Force-controllable ankle foot orthosis (AFO) to assist drop foot gait, Master's thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2003 を参照されたい。当該文献は、参照によって本明細書に一体的に組み込まれるものとする。関節インピーダンスの能動的な調節が、スラップフット（slap foot）の発生を減らし、より力強い底屈を可能とし、遊脚期の足首力学において生物学的なリアリズムを提供することが見出された。
【００１０】
短下肢装具等といったヒト−外骨格システムの制御は、中枢神経系（ＣＮＳ：Central Nervous System）制御、及び、随意制御と外部の人工的制御との間のインターフェースの複雑さに起因する重大な試みを示す。ヒトが外骨格等といった外力場と相互作用する場合には、中枢神経系は、力場の内部モデルと力場との相互作用とを学習する必要がある。R. Shadmehr, T. Branshers-Krug, and F. Mussa-Ivaldi, Interference in learning internal models of inverse dynamics in humans, in G. Tesauro, D. S. Touretsky, and T. K. Leen, Eds., Advances in Neural Information Processing Systems, chapter 7, pages 1117-1224, MIT press, 1995 を参照されたい。当該文献は、参照によって本明細書に一体的に組み込まれるものとする。それゆえ、日常動作のための短下肢装具の設計及び利用における重大な試みは、ヒト−外骨格システムの連結制御に関連する。
【００１１】
短下肢装具を制御するための他の試みとしては、意図するヒトの動作が外骨格制御装置によって予め予測不可能であるので、所望の軌道が制御装置にとって入手不可能であることが挙げられる。一般的に、ヒトの動作は、動的な環境で生じ、身体に作用する力は予測不可能である。不確定な動的環境との相互作用が加えられた際の意図する動作の予測不可能性は、短下肢装具のオンライン又はリアルタイム制御の必要性を生む。
【００１２】
短下肢装具に関する従来の技術は、ノイズを含む一般化座標の時間による一次及び二次導関数の信頼できない計算に依存する傾向がある。また、従来の外骨格制御装置は、身体セグメントの質量、質量中心、長さ等といった身体パラメータの測定の不確実性の影響を受けやすい。例えば、従来の逆ダイナミクス制御は、パラメータ不確実性に対する感受性が高いので、正確な力学モデルを必要とする。さらに、ヒト−外骨格システムの連結制御は、アシスト制御装置が好適に設計されていない場合には、機械的及び代謝的に非効率となってしまうおそれがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
短下肢装具に関して、ノイズを含む運動学的データの高次導関数の計算による誤差無しに、異常な歩行パターン等といった運動障害を解決できる実用的かつ効率的な制御方式が必要とされている。また、中枢神経系によって実行される複雑な随意制御と両立可能であり、エネルギー効率が良いリアルタイム制御が可能な短下肢装具が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一実施形態は、足首関節に短下肢装具を備えるヒト−外骨格システムを制御する、コンピュータに基づく方法を提供する。本方法は、ヒト−外骨格システムのシステムパラメータを受信するステップと、足首関節に連結された足の向き等といった一般化座標を受信するステップと、短下肢装具を制御するための関節トルクを決定することによって、足に作用する力の一以上の成分を補償するステップと、を含む。本発明の一実施形態によると、短下肢装具は、能動的な短下肢装具である。
【００１５】
本発明の一実施形態によると、動作を生成するのに必要な制御トルクは、中枢神経系からの随意命令により駆動される筋肉アクチュエータに任せられるので、随意制御とアシスト制御との間の干渉の量を軽減し、ヒトが短下肢装具に素早く順応できるようになる。本発明の一実施形態は、ノイズを含む運動学的データの高次導関数の計算に起因する誤差無しに、効率的な短下肢装具のリアルタイム制御を提供することができるといった利点を有する。
【００１６】
本発明の一実施形態は、足首関節トルクを決定することによって、足に作用する床反力の水平及び／又は鉛直成分を補償する。本発明の他の実施形態は、足首関節トルクを決定することによって、足に作用する鉛直床反力の動的成分を補償する。本発明のさらに他の実施形態は、足首関節トルクを決定することによって、足に作用する力の鉛直成分を補償する。本発明の一実施形態によると、逆ダイナミクス手順に基づいて足首関節トルクを決定する場合に、足に関する線速度、角速度、直線加速度又は角加速度がゼロに設定される。
【００１７】
本発明の一実施形態は、足首関節トルクを決定することによって、短下肢装具の回転軸まわりで足に作用する力の補償を提供する。本発明の他の実施形態は、一以上の自由度に関して、足に作用する力の部分的補償のための足首関節トルクを決定する。
【００１８】
本明細書に記載された特徴及び利点は、全てを包括するものではなく、詳細には、図面、明細書及び特許請求の範囲を見た当業者にとっては、多くの追加的な特徴及び利点が自明である。さらに、本明細書で用いられた言語は、原則として読みやすさ及び説明を目的として選択されており、本発明の構成要件を線引きし制限するために選択されたものではないことに留意すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。図面において、同一の符号は、同一又は機能的に同等な要素を示す。また、図面において、各参照符号の最も左側の文字は、参照符号が最初に用いられた図面に対応する。
【００２０】
本明細書を参照するにあたって、「一実施形態」又は「実施形態」は、本発明の実施形態の少なくとも一つに含まれる実施形態の組み合わせに開示される特定の特徴、構造又は性質を意味する。本明細書の様々な場所における「一実施形態において」という語句の表現は、全てが同一の実施形態に言及しているとは限らない。
【００２１】
以下の詳細な説明のいくつかの部分は、コンピュータメモリ内におけるデータビットの演算のアルゴリズム及び記号表現の用語で表現されている。これらのアルゴリズム記述及び表現は、データ処理の分野の当業者によって用いられる手段であり、作品の内容を当業者へ最も効率的に伝達可能である。一般的には、アルゴリズムは、所望の結果を導出するステップ（命令）の自己無撞着なシーケンスであると考えられている。ステップは、物理量の物理的操作を必要とする。大抵の場合、これらの量は、記録、伝送、結合、比較及びその他の操作が可能な電気、磁気又は光学信号の形態をとるが、これらに限定されない。主に共通利用のため、時として、これらの信号を、ビット、値、要素、記号、文字、用語、数字等として扱うと便利である。さらに、時として、物理量の物理的操作を必要とするステップの任意の配列を、一般性を損失することなく、モジュール又は符号化装置として扱うと便利である。
【００２２】
しかし、これらの全て及び同一の用語は、好適な物理量に関連しており、これらの量に適用される単に便利なラベルであると思うべきである。特に他に述べられない限り、以下の議論から明らかなように、記述を通して、「処理」、「算出」、「計算」、「決定」、「表示」等のような用語を用いた議論は、コンピュータシステムのレジスタ及び記憶装置内の物理（電気）量として表されるデータを、コンピュータシステムの記憶装置、レジスタ、他の情報記憶装置、または伝送もしくは表示装置内の物理量として同様に表される他のデータを操作及び伝送するコンピュータシステムまたは同様の電子計算装置の動作及び処理に関して言及する。
【００２３】
本発明の一態様は、アルゴリズムの形態で本明細書に記述された処理ステップ及び指令を含む。本発明の処理ステップ及び指令は、ソフトウェア、ファームウェア又はハードウェアにおいて具現化可能であり、ソフトウェアにおいて具現化された場合には、様々なオペレーティングシステムによって用いられる異なるプラットフォームからダウンロードされて常駐及び動作可能であることに留意されたい。
【００２４】
本発明は、本明細書の動作を実行するための装置にも関する。この装置は、特に所望の目的のために構成されており、すなわち、コンピュータ内に記憶されたコンピュータプログラムにより選択的に動作または再構成される汎用コンピュータを備えている。かかるコンピュータプログラムは、限定されないが、フロッピー（登録商標）ディスク、光学ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ及び光磁気ディスクを含む各種ディスク、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気または光カード、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）、電気的指令を記憶するのに適し、コンピュータシステムバスにより互いに結合される各種メディア等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶されている。
【００２５】
本明細書で提示されるアルゴリズム及び表示は、特定のコンピュータまたは他の装置に本質的に関連するものではない。様々な汎用システムが本発明の説明に関するプログラムとともに用いられ、より特化した装置が所望の方法ステップを実行するために構成される。これらの多様なシステムに要求される構造は、以下の記述から明らかになるであろう。さらに、本発明は、特定のプログラム言語に関して記述されているわけではない。多様なプログラム言語が本明細書で記述された本発明の教示を実行するために使用可能であり、以下の特定の言語の参照は、本発明の実施可能性及びベストモードの開示のために提供されることは明らかである。
【００２６】
さらに、本明細書で用いられる言語は、主として読みやすさ及び説明目的で選択されたものであり、本発明の構成要件を線引きし限定するために選択されたわけではない。したがって、本発明の開示は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の要旨を説明することを意図したものであり、限定することを意図したものではない。
【００２７】
本発明の一実施形態に係る短下肢装具の制御は、足又は足首における筋肉衰弱に対抗し、歩行の立脚期及び遊脚期の両方における背屈及び底屈の制御等といった歩行における複数の機能を支援する。短下肢装具の制御を介して関節インピーダンスを能動的に調節することによって、本発明の一実施形態は、スラップフットの発生を減らし、動力源を備えて改善された底屈が可能となり、遊脚期の足首の力学において、より大きい生物学的なリアリズムを提供する。本発明の一実施形態は、能動的すなわち動力源を備えた短下肢装具を提供する。
【００２８】
短下肢装具の制御は、外骨格制御及び中枢神経系（ＣＮＳ）制御といった二つの制御サブシステムに区分される。２００４年４月１３日に出願された米国特許出願第１０／８２４，０５９号明細書を参照されたい。当該文献は、参照によって本明細書に一体的に組み込まれるものとする。２００６年５月３０日に出願された米国特許出願明細書（番号未知）、「ヒト−外骨格システムのための外骨格制御装置」を参照されたい。当該文献は、参照によって本明細書に一体的に組み込まれるものとする。本発明の一実施形態によると、外骨格制御サブシステムは、重力、外力等といった、足に作用する一以上の力の鉛直成分を部分的又は完全に補償するのに必要な足首関節トルクを決定することに関与する。本発明の一実施形態によると、外骨格制御サブシステムは、足に作用する床反力を部分的又は完全に補償するのに必要な足首関節トルクを決定することに関与する。本発明の一実施形態は、動力源を備えた短下肢装具の制御のための部分的又は完全な重力補償に基づいて、体重支持制御方式を提供し、重力補償制御は、システムの位置エネルギーの原因となり、重力によるトルクの補償に関与する。一実施形態によると、外骨格制御システムによって算出された足首関節トルクは、制御命令を生成することによってＣＮＳに任せられた所望の動作を生み出すことの原因とはならない。
【００２９】
多くのタスクを実行するのに必要な筋肉トルクの大きい成分が身体セグメントによる重力負荷の補償によるので、重力の補償は重要である。例えば、足首関節の筋肉は、平衡を維持するために、ほぼ全体重に適合する必要がある。身体セグメントによる重力に加えて、ヒト−外骨格システムは、ヒト−外骨格相互作用、環境との接触力、床反力、付与された力、人体に外付けされた荷重（例えば、バックパック）による重力等といった外力を受ける。外力又はその成分は、既知であることが多く、容易に測定されることもある。例えば、床反力の鉛直成分は、靴内の圧力／力センサを用いて容易に測定可能な外部拘束力の一種である。
【００３０】
本発明の一実施形態によると、一以上の力の部分的な補償を実行する短下肢装具制御装置は、ＣＮＳ制御に、動作の他の静的成分及び動的成分の補償に必要な筋力を生み出す命令を実行させる。例えば、短下肢装具は、重力及び／又は床反力を補償することができる。本発明の一実施形態に係る制御の分担は、動作生成又は動作制御とも呼ばれる動作実行の責任をＣＮＳ／筋骨格系に任せるものであり、短下肢装具制御装置及びアクチュエータは、静的平衡の維持の少なくとも一部に貢献する。運動エネルギー成分及び位置エネルギー成分へのこのような区分は、運動学習において重要な意味を有する。ヒトが外骨格等といった外力場と相互作用する場合には、中枢神経系は、力場の内部モデル及び力場との相互作用を学習する必要がある。R. Shadmehr, T. Brashers-Krug, and F. Mussa-Ivaldi, Interference in learning internal model of inverse dynamics in humans, in G. Tesauro, D.S. Touretsky, and T. K. Leen, editors, Advances in Neural Information Processing Systems, chapter 7, pp. 1117-1224, MIT Press, 1995 を参照されたい。当該文献は、参照によって本明細書に一体的に組み込まれるものとする。ヒト及び外骨格の制御を対応する運動エネルギー及び位置エネルギーに区分することによって、本発明の一実施形態は、随意制御とアシスト制御との間の干渉の量を減らし、かかる干渉の最小化は、ヒトが短下肢装具との相互作用にいかに早く順応することができるかといった点で重要な役割を果たす。したがって、本発明の一実施形態は、ＣＮＳによる自然な随意制御と短下肢装具制御装置による人工的なアシストとの間の明確な区分を提供する。
【００３１】
本発明の一実施形態は、モデル化されていない力学、モデル化の不確実性及び測定誤差に関する問題を効率的に取り扱うことができる。短下肢装具の制御のための足首関節トルクを決定するためには、例えば、足の質量といった容易に取得される情報で十分であるので、本発明の一実施形態は、高度なセンサ入力を必要としない。さらに、関節トルクは、関節位置及び向きの関数として決定可能であり、速度又は加速度項を含まないので、本発明の一実施形態は、ノイズを含む運動学的変数の数値微分によるノイズ増幅に対する感受性が低い。さらに、本発明の一実施形態は、再帰的計算において床反力を制約として用いることによって、関節トルクを足−足首系に制限して決定することができる。足−足首系に対する関節トルクの決定を制限することによって、本発明の一実施形態は、全身のモデル化を避けることができ、それゆえ、モデル化されない力学、パラメータ不確実性及びノイズ伝播の影響を減らすことができる。さらに、本発明の一実施形態は、足の質量を唯一のモデル化されたパラメータとして用いるので、逆ダイナミクス制御と比較して、パラメータ不確実性に対する感受性が制限されている。
【００３２】
ヒトの歩行は、重力による位置エネルギーから運動エネルギーへの受動的変換により効率的となっている。かかる効率は、遊脚期間における下肢の振り子状動作が臀部の筋肉からの小さいエネルギーを必要とする股関節で観察される。運動エネルギーから位置エネルギーへの変換が果たす役割は、足首関節ではあまり重要ではない。実際には、足首の筋肉の重要な役割は、重力の不安定化させる影響を克服し、爪先が浮いている間においてヒトの歩行をアシストすることである。したがって、本発明の一実施形態は、足に作用する重力を部分的又は完全に補償することによって、短下肢装具の効率的な制御方式を提供する。
【００３３】
＜足−下腿系＞
図１は、本発明の一実施形態に係る足−下腿系に作用する力及びモーメントの自由体図である。図１は、本発明の一実施形態に係る下腿１１０と足１２０とを接続する足首関節１００を備える足−下腿系に作用する力及びモーメントと、関連するフレームと、位置ベクトルと、の記述を示す。足１２０の動作は、空間固定すなわち慣性座標系（ＩＣＳ：Inertial Coordinate System）と足１２０に堅く固定されてその移動に動作する可動の身体固定座標系（Ｂ１ＣＳ：Body-fixed Coordinate System）といった二つの座標系によって記述可能である。ＩＣＳ及びＢ１ＣＳのフレーム記述は、それぞれ｛Ｏ｝，｛Ｂ１｝によって示される。
【００３４】
フレーム｛Ｂ１｝の原点は、足１２０の質量中心１３０の位置を表す。フレーム｛Ｏ｝に対する足１２０の質量中心１３０の位置は、ベクトルＸ１によって示される。足首関節中心１００は、フレーム｛Ｏ｝に関してベクトルＣ１によって記述される。フレーム｛Ｏ｝における足の質量中心１３０から足の圧力中心１４０への位置ベクトルは、ＬＤ１によって記述される。フレーム｛Ｏ｝における足の質量中心１３０から足首関節１００への位置ベクトルは、ＬＰ１によって記述される。フレーム｛Ｏ｝における下腿の質量中心Ｘ２から足首関節１００への位置ベクトルは、ＬＤ２によって記述され、ＬＰ２は、フレーム｛Ｏ｝における下腿の質量中心から膝関節への位置ベクトルを記述する。
【００３５】
関節に作用する全てのトルクの合計は、筋肉アクチュエータの随意収縮から生成されたトルクと外骨格システムにおける人工的アクチュエータから生成されたトルクとを含み、正味関節トルクと呼ばれる。足の質量中心１３０に作用する重力による力は、ｍ１ｇによって示され、ここで、ｍ１は、足１２０の質量であり、ｇは、重力加速度を表す３×１ベクトルである。足首１００において下腿１１０によって足１２０に付与される関節反力は、フレーム｛Ｏ｝に関してΓａによって示され、足１２０に作用する床反力は、フレーム｛Ｏ｝に関してΓｇｒによって示される。足首１００において下腿１１０によって足１２０に付与される三次元モーメントは、フレーム｛Ｂ１｝に関して１Ｎａによって示される。足１２０に作用する床反モーメントは、フレーム｛Ｂ１｝に関して１Ｎｇｒによって示される。本発明の一実施形態によると、床反力Γｇｒ及び床反モーメント１Ｎｇｒは、足の圧力中心１４０に作用するとみなされ得る。ベクトルは、左側の上付き文字とともに記載され、左側の上付き文字は、ベクトルの基準となる座標系を示し、左側の上付き文字が無いのは、既定のフレーム｛Ｏ｝に対するベクトルを示す。例えば、１Ｎａは、その成分がフレーム｛Ｂ１｝の軸まわりの数値であるベクトルを表す。
【００３６】
＜回転変換の記述＞
フレーム｛Ｏ｝に対するフレーム｛Ｂ１｝の向きは、直交行列０Ｒ１を介して実現される。回転行列は、オイラー角Θ＝［φ，θ，ψ］Ｔを用いて三つの連続した回転を表す。我々は、３−１−３（すなわちｚ−ｘ−ｚ）オイラー角数列を有する行列０Ｒ１における変換順位を想起することができる。各回転は、可動の基準フレームの軸まわりに実行される。回転行列の陽的表現は、式（１）によって与えられ、ここで、表記ｃ，ｓは、それぞれコサイン及びサインを表す。
【数１】
2008535638.tif 000003
【００３７】
フレーム｛Ｏ｝からフレーム｛Ｂ１｝への逆変換は、式（２）によって与えられる。
【数２】
2008535638.tif 000004
【００３８】
オイラー角、及び身体固定軸に沿った角速度Ｗ＝［ｗｘ，ｗｙ，ｗｚ］Ｔの項における導関数は、式（３）によって与えられる。H. Baruh, Analytical Dynamics, WCB/McGraw-Hill, 1999; J. Wittenburg, Dynamics of Systems of Rigid Bodies, B. G. Teubner Stuttgart, 1977 を参照されたい。当該文献は、参照によって本明細書に一体的に組み込まれるものとする。
【数３】
2008535638.tif 000005
【００３９】
Ｈ−１は、以下の式（４）によってさらに詳細に定義される。
【数４】
2008535638.tif 000006
【００４０】
逆変換は、式（５）によって与えられる。
【数５】
2008535638.tif 000007
【００４１】
Ｈは、式（６）によってさらに詳細に定義される。
【数６】
2008535638.tif 000008
【００４２】
＜足に作用する力及びモーメントの解析による足首関節トルクの決定＞
図２は、本発明の一実施形態に係る、足１２０に作用する力及びモーメントを解析することによって足首関節トルクを決定する方法を説明するフローチャートである。本方法は、システムパラメータとも呼ばれる、足１２０の質量、足の質量中心１３０の位置、足の質量中心１３０の位置、足の質量中心１３０に対する足首関節１００の位置等といった身体計測及び外骨格パラメータを取得する（ステップＳ２００）。現在のシステム構成は、ヒト−外骨格システムの一般化座標を測定又は推定することによって取得される（ステップＳ２０２）。例えば、足の圧力中心１４０は、足１２０に取り付けられた力センサを用いて各時刻で取得され（ステップＳ２０２）、短下肢装具のオンライン又はリアルタイム制御を実行するために利用可能である。また、システム構成情報は、足１２０の向き、例えば現在の足首角度を含む。床反力の一以上の成分等といった足１２０に作用する力は、各時刻で力を測定又は推定することによって取得される（ステップＳ２０４）。例えば、足１２０に作用する床反力は、靴内の力センサ等といったフォースプレート又はセンサを用いて測定される。足の圧力中心１４０、足１２０に作用する床反力等といった前記した入力のいくつかは、足１２０が床に接触していない場合には、足首関節トルクを決定するために必要ではないことに留意されたい。
【００４３】
本発明の一実施形態は、ニュートン−オイラー方程式を決定する（ステップＳ２０６）ことによって、足１２０に作用する力及びモーメントを解析する。図１を参照して前記説明したように、左側の上付き文字の表記は、関節モーメントの基準となる座標系を示すために用いられる。質量中心１３０まわりの足１２０の動作を記述するニュートン−オイラー状態空間方程式は、式（７）〜式（９）に示される。H. Hemami, A state space model for interconnected rigid bodies, IEEE Trans. on Automatic Control, 27(2): 376-382, 1982 を参照されたい。当該文献は、参照によって本明細書に一体的に組み込まれるものとする。
【数７】
2008535638.tif 000009
【数８】
2008535638.tif 000010
【数９】
2008535638.tif 000011
【００４４】
式（７）〜式（９）において、Ｉ１は、フレーム｛Ｂ１｝における足１２０の慣性テンソルであり、ｆ（Ｗ）＝Ｗ×ＩＷは、「ジャイロトルク」として知られている。本発明の一実施形態によると、回転方程式（９）は、身体固定軸を主軸として選択することによって簡略化される。簡略化することによって、慣性の積が消え、慣性テンソルが対角行列Ｉ＝ｄｉａｇ（［Ｉｘ，Ｉｙ，Ｉｚ］）となる。ジャイロトルクは、簡略化されて式（１０）となる。
【数１０】
2008535638.tif 000012
【００４５】
本発明の一実施形態によると、式（９）において外積の使用を避けるため、任意のベクトルａ，ｂの外積を表す式（１１）における恒等式を考慮する。
【数１１】
2008535638.tif 000013
【００４６】
式（１１）において、チルダ記号（〜）は、ベクトルの交代行列表現を示す。例えば、ベクトルＬ＝［ｌｘ，ｌｙ，ｌｚ］Ｔを用いると、式（１２）に定義される３×３交代行列
2008535638.tif 000014
を想起することができる。
【数１２】
2008535638.tif 000015
【００４７】
前記した表記を用いて、式（７）〜式（９）は、式（１３）〜式（１５）として書き直される。
【数１３】
2008535638.tif 000016
【数１４】
2008535638.tif 000017
【数１５】
2008535638.tif 000018
【００４８】
本発明の一実施形態によると、床反力Γｇｒ及び床反モーメント１Ｎｇｒが利用可能である場合には、式（１３）〜式（１５）は、足首での関節反モーメント１Ｎａを算出するために利用可能であり、関節反モーメント１Ｎａは、短下肢装具によって補償される。
【００４９】
本発明の一実施形態は、一以上の特定の回転軸まわりの足首関節トルクを決定する。足首トルク結合０Ｎａは、グローバル基準フレームにおいて表現される三次元ベクトルである。ＡＦＯの制御に関して、本発明の一実施形態は、物理的かつ解剖学的に意味のある回転軸まわりの足首関節モーメントを記述する。屈曲／伸長（flexion/extension）、内転／外転（internal/external）及び回外／回内（eversion/inversion）は、足首動作の臨床的記述において用いられる三つの軸である。屈曲／伸長軸まわりのトルクは、歩行等といったヒトの動作における仕事率の吸収及び生成において優れている。本発明の一実施形態によると、特定の軸まわり０Ｎａの成分は、０Ｎａと回転軸方向の単位ベクトルとのドット積を求めることによって決定される。
2008535638.tif 000019
をフレーム｛Ｏ｝に関する屈曲／伸長軸方向における単位ベクトルとする。本発明の一実施形態によると、屈曲／伸長軸まわりの正味関節トルクは、式（１６）によって与えられるスカラー量である。
【数１６】
2008535638.tif 000020
【００５０】
逆ダイナミクス制御は、足首関節を制御する手法の一つである。本発明の一実施形態は、逆ダイナミクス制御のために、特定の回転軸、例えば屈曲／伸長軸まわりの正味関節トルクを決定する（ステップＳ２０８）。式（１７）に示されるように、式（１６）は、
2008535638.tif 000021
軸まわりの正味関節トルク、すなわち、本発明の一実施形態に係る短下肢装具の能動的制御に利用可能な逆ダイナミクス制御の制御法則を表す。ノイズが無く、正確な測定と正確な生体力学的モデルが用いられる場合には、式（１７）における制御法則は、屈曲／伸長中に筋肉が必要とする全体の仕事率を、短下肢装具によって提供可能とする。
【数１７】
2008535638.tif 000022
【００５１】
＜足首関節トルクの決定による、足に作用する力の鉛直成分の補償＞
図３は、本発明の一実施形態に係る、足首関節トルクを決定することによって、足１２０に作用する力の鉛直成分を補償する方法を説明するフローチャートである。本方法は、システムパラメータとも呼ばれる、足１２０の質量、足の質量中心１３０の位置、足の質量中心１３０に対する足首関節１００の位置等といった、一以上の身体計測及び外骨格パラメータを取得する（ステップＳ３００）。足１２０の質量は、靴等といった足１２０に対する装着物の質量も含む。現在のシステム構成は、ヒト−外骨格システムの一般化座標を測定又は推定することによって取得される（ステップＳ３０２）。例えば、足１２０の向きを表す回転行列１ＲＯが、各時刻で取得されており（ステップＳ３０４）、短下肢装具のオンライン又はリアルタイム制御を実行するために利用可能である。システム構成情報は、足の圧力中心１４０も含んでおり、足の圧力中心１４０は、足１２０に取り付けられた力センサを用いて各時刻において取得され、短下肢装具のオンライン制御のために利用可能である。床反力の一以上の成分等といった足１２０に作用する力が、力を測定又は推定することによって取得される（ステップＳ３０４）。例えば、足１２０に作用する床反力は、各時刻においてセンサ又はフォースプレートを用いて測定される。足の圧力中心１４０の位置、足１２０に作用する床反力等といった前記した入力のいくつかが、足１２０が地面と接触していない場合には、足首関節トルクを決定するのに必要ではないことに留意されたい。
【００５２】
本発明の一実施形態によると、動作実行は、ＣＮＳからの随意制御に任せられ、ＣＮＳは、所望の動作を生成するために命令を出す役割を割り当てられる。この命令は、筋肉を活性化させることによって所望の動作を生み出すのに必要な筋肉トルクを生成する神経信号の形態をとる。
【００５３】
本発明の一実施形態は、足首関節トルクを決定することによって、足１２０に作用する力の鉛直成分を補償する（ステップＳ３０６）。例えば、足首１００で重力補償制御を実行するために、我々は、式（１８）〜式（１９）に示されるように、重力方向（ｚ方向）の力のみを考慮するようにしてもよい。さらなる実施形態によると、式（１３）〜式（１５）における床反モーメント項、速度項及び加速度項も、式（２０）〜式（２４）に示されるようにゼロに設定される。例えば、足首関節トルクを決定する場合に、足１２０に関する線速度又は直線加速度がゼロに設定される。他の例を提供するために、足首関節トルクを決定する場合に、足１２０に関する角速度又は角加速度がゼロに設定される。本発明の一実施形態によると、ステップＳ３０６において決定される足首関節トルクは、短下肢装具を制御するために利用される。
【数１８】
2008535638.tif 000023
【数１９】
2008535638.tif 000024
【数２０】
2008535638.tif 000025
【数２１】
2008535638.tif 000026
【数２２】
2008535638.tif 000027
【数２３】
2008535638.tif 000028
【数２４】
2008535638.tif 000029
【００５４】
本発明の一実施形態によると、式（１３）〜式（１５）及び式（１８）〜式（２４）における制約に基づいて、足１２０に作用する力の鉛直成分を補償するための足首関節トルクが、式（２５）を用いて決定される（ステップＳ３０６）。床反力の鉛直成分は、例えば測定又は推定によって取得される。
【数２５】
2008535638.tif 000030
【００５５】
本発明の一実施形態によると、式（２５）は、式（２６）における簡略化を用いることによって、式（２７）として記述される。
【数２６】
2008535638.tif 000031
【数２７】
2008535638.tif 000032
【００５６】
セグメントの長さが身体固定座標系において表現される場合には、例えば短下肢装具のオンライン制御において、式（２７）は、式（２８）として記述される。式（２８）は、本発明の一実施形態に係る、足首関節トルクを決定することによって足１２０に作用する床反力及び重力の鉛直成分を補償するステップＳ３０６のために利用可能である。
【数２８】
2008535638.tif 000033
【００５７】
一実施形態によると、足首関節１００の全ての自由度で電動アクチュエータを有する必要があるわけではないので、全ての自由度が駆動されるわけではない。
2008535638.tif 000034
を足基準フレームに投射される回転軸、例えば、屈曲／伸長軸の方向における単位ベクトルとする。
式（２８）に基づいて、回転軸まわりのアクチュエータ制御が式（２９）によって与えられる。本発明の一実施形態によると、短下肢装具のオンライン制御が、前記式（１）〜式（２）に示されるように、リアルタイムのオイラー角を用いて回転行列を取得することによって実現される。
【数２９】
2008535638.tif 000035
【００５８】
駆動される自由度に関して、重力又は床反力を全て補償するアシストトルクを生成するのは望ましくない。本発明の一実施形態は、足首関節１００で全体トルクの一部を駆動するアシスト率を用いて部分的な補償のための足首関節トルクを決定する。本発明の一実施形態によると、自由度の部分的な補償のための足首関節トルクは、式（３０）に示されるアシスト率ａと式（２９）とを予め乗算することによって決定される。アシスト率ａは、部分的な補償のため、０と１との間の値を有し、１は、駆動される自由度の完全なアシストのための値である。
【数３０】
2008535638.tif 000036
【００５９】
本発明の一実施形態によると、例えば足の重力が床反力の鉛直成分と比較して小さい場合には、式（２８）における足１２０による重力の補償が無視される。したがって、本発明の一実施形態は、式（３１）に示されるように、床反力の鉛直成分を補償する足首関節トルクを決定する（ステップＳ３０６）。
【数３１】
2008535638.tif 000037
【００６０】
式（３１）に基づいて、回転軸まわりのアクチュエータ制御は、式（３２）によって与えられる。本発明の一実施形態によると、短下肢装具のオンライン制御は、前記式（１）〜式（２）に示されるように、リアルタイムのオイラー角を用いて回転行列を取得することによって実現される。
【数３２】
2008535638.tif 000038
【００６１】
本発明の一実施形態によると、自由度の部分的な補償のための足首関節トルクは、式（３３）に示されるアシスト率ａと式（３２）とを予め乗算することによって決定される。
アシスト率ａは、部分的なアシストのため、０と１との間の値を有し、１は、駆動される自由度の完全なアシストのための値である。
【数３３】
2008535638.tif 000039
【００６２】
式（２５）〜式（３３）を参照すると、本発明の一実施形態によると、鉛直床反力の動的成分に加えて、鉛直床反力の静的成分が足首関節トルクを決定するために利用可能である。いくつかの例において、例えば動作の両脚支持期において、静的成分は容易に取得可能ではないことがある。本発明の一実施形態は、式（２５）〜式（３３）における鉛直床反力Γｇｒ（ｚ）に代えて鉛直床反力の動的成分を用いることによって、足１２０に作用する力の鉛直成分を補償する足首関節トルクを決定する（ステップＳ３０６）。例えば、足１２０に作用する鉛直床反力及び重力の動的成分を補償する足首関節トルクは、式（２８）〜式（３０）を用いて決定される。他の例を提供するため、鉛直床反力の動的成分を補償する足首関節トルクは、式（３１）〜式（３３）を用いて決定される。鉛直床反力の動的成分は、例えば力センサ及び圧力センサを用いることによって入手可能である。力センサの一例としては、靴内の力センサが挙げられる。
【００６３】
式（２５）〜式（３３）を参照すると、本発明の一実施形態によると、例えば足１２０の向きが予め知られていて実行時間において足座標系の向きに一致する場合、及び／又は、床反力が予め知られた定数であり、実行時間において定数である床反力に等しい場合には、短下肢装具を制御するための足首関節トルクは、オンラインの測定情報を必要とせずに決定される。
【００６４】
＜足首関節トルクの決定による、足に作用する床反力の補償＞
図４は、本発明の一実施形態に係る、足首関節トルクを決定することによって、足１２０に作用する床反力を補償する方法を説明するフローチャートである。本方法は、システムパラメータとも呼ばれる、足の質量中心１３０の位置、足の質量中心１３０に対する足首関節１００の位置等といった一以上の身体計測及び外骨格パラメータを取得する（ステップＳ４００）。現在のシステム構成が、ヒト−外骨格システムの一般化座標を測定又は推定することによって取得される（ステップＳ４０２）。例えば、足１２０の向きを表す回転行列１Ｒ０が、各時刻において取得され（ステップ４０２）、回転行列１Ｒ０は、短下肢装具のオンライン又はリアルタイム制御を実行するために利用される。システム構成情報は、足の圧力中心１４０の位置も含み、足の圧力中心１４０の位置も、足１２０に取り付けられた力センサを用いて各時刻において取得され、短下肢装具のオンライン制御のために利用される。床反力の一以上の成分等といった足１２０に作用する力は、力を測定又は推定することによって取得される。例えば、足１２０に作用する床反力は、各時刻においてセンサ又はフォースプレートを用いて測定される。足の圧力中心１４０の位置、足１２０に作用する床反力等といった前記した入力のいくつかは、足１２０が床と接触していない場合には、足首関節を決定するのに必要ではないことに留意されたい。
【００６５】
本発明の一実施形態によると、動作実行は、ＣＮＳからの随意制御に任され、ＣＮＳは、所望の動作を生成するために命令を出す役割を割り当てられる。この命令は、筋肉を活性化させることによって所望の動作を生み出すのに必要な筋肉トルクを生成する神経信号の形態をとる。
【００６６】
本発明の一実施形態は、式（３４）〜式（３８）に示されるように、式（１３）〜式（１５）における床反モーメント項、速度項及び加速度項をゼロに設定することによって、足首関節トルクを決定し、足１２０に作用する床反力を補償する（ステップＳ４０６）。例えば、足首関節トルクを決定する場合に、足に関する線速度又は直線加速度がゼロに設定される。他の例を提供するため、足首関節トルクを決定する場合に、足に関する角速度又は角加速度がゼロに設定される。式（３９）に示されるように、一実施形態によると、足１２０による重力の影響も無視される。本発明の一実施形態によると、ステップＳ４０６において決定された足首関節トルクが短下肢装具を制御するために利用される。
【数３４】
2008535638.tif 000040
【数３５】
2008535638.tif 000041
【数３６】
2008535638.tif 000042
【数３７】
2008535638.tif 000043
【数３８】
2008535638.tif 000044
【数３９】
2008535638.tif 000045
【００６７】
本発明の一実施形態によると、式（１３）〜式（１５）及び式（３４）〜式（３９）における制約に基づいて、足１２０に作用する床反力を補償するための足首関節トルクが、式（４０）を用いて決定される（ステップＳ４０６）。床反力は、例えば測定又は推定によって取得される。
【数４０】
2008535638.tif 000046
【００６８】
本発明の一実施形態によると、式（４０）は、式（４１）における簡略化を用いることによって式（４２）として記述される。
【数４１】
2008535638.tif 000047
【数４２】
2008535638.tif 000048
【００６９】
セグメントの長さが身体固定座標系において表現される場合には、例えば短下肢装具のオンライン制御において、式（４２）は、式（４３）として記述される。式（４３）は、本発明の一実施形態に係る、足首関節トルクを決定することによって足１２０に作用する床反力及び重力の鉛直成分を補償するステップＳ４０６のために利用可能である。
【数４３】
2008535638.tif 000049
【００７０】
一実施形態によると、足首関節１００の全ての自由度で電動アクチュエータを有する必要があるわけではないので、全ての自由度が駆動されるわけではない。
2008535638.tif 000050
を足基準フレームに投射される回転軸、例えば、屈曲／伸長軸の方向における単位ベクトルとする。式（４３）に基づいて、回転軸まわりの床反力の成分を補償するためのアクチュエータ制御が式（４４）によって与えられる。本発明の一実施形態によると、短下肢装具のオンライン制御が、前記式（１）〜式（２）に示されるように、リアルタイムのオイラー角を用いて回転行列を取得することによって実現される。
【数４４】
2008535638.tif 000051
【００７１】
駆動される自由度に関して、床反力を全て補償するアシストトルクを生成するのは望ましくない。本発明の一実施形態は、足首関節１００で全体トルクの一部を駆動するアシスト率を用いて部分的な補償のための足首関節トルクを決定する。本発明の一実施形態によると、自由度の部分的な補償のための足首関節トルクは、式（４５）に示されるアシスト率ａと式（４４）とを予め乗算することによって決定される。アシスト率ａは、部分的な補償のため、０と１との間の値を有し、１は、駆動される自由度の完全なアシストのための値である。
【数４５】
2008535638.tif 000052
【００７２】
前記式（４０）〜式（４５）に示されるように、本発明の一実施形態は、足首関節トルクを決定することによって、床反力の鉛直成分Γｇｒ（ｚ）に加えて、Γｇｒ（ｘ），Γｇｒ（ｙ）等といった水平成分を補償する（ステップＳ４０６）。本発明の他の実施形態は、足首関節トルクを決定することによって、床反力の鉛直成分を補償せずに、式（４０）〜式（４５）における床反力の一以上の水平成分を補償する（ステップＳ４０６）。
【００７３】
本発明の一実施形態は、足首関節トルクを決定することによって、床反力の水平成分を補償せずに、式（４０）〜式（４５）において床反力の一以上の鉛直成分を補償する（ステップＳ４０６）。例えば、容易に入手可能ではない床反力の水平成分は、式（４０）〜式（４５）においてゼロに設定することによって無視される。
【００７４】
本発明の一実施形態によると、鉛直床反力の動的成分に加えて、鉛直床反力の静的成分が足首関節トルクを決定するために利用可能である。いくつかの例において、例えば動作の両脚支持期において、静的成分は容易に取得可能ではないことがある。本発明の一実施形態は、式（４０）〜式（４５）における床反力Γｇｒに代えて鉛直床反力の動的成分を用いることによって、足に作用する力の鉛直成分を補償する足首関節トルクを決定する（ステップＳ４０６）。例えば、足１２０に作用する鉛直床反力の動的成分を補償する足首関節トルクは、式（４２）〜式（４５）を用いて決定される。鉛直床反力の動的成分は、例えば靴内の力センサ及び圧力センサ等といった力センサ及び圧力センサを用いることによって入手可能である。
【００７５】
式（４０）〜式（４５）を参照すると、本発明の一実施形態によると、例えば足１２０の向きが予め知られていて実行時間において足座標系の向きに一致する場合、及び／又は、床反力が予め知られた定数であり、実行時間において不変である場合には、短下肢装具を制御するための足首関節トルクは、オンラインの測定情報を必要とせずに決定される。
【００７６】
式（２５）〜式（３３）及び式（４０）〜式（４５）に示される本発明の実施形態は、短下肢装具の制御のための足首関節トルクを決定するのには容易に取得される情報、例えば足１２０の質量で十分であるので、高度なセンサ入力を必要としない。いくつかの実施形態において、足１２０の向き及び床反力が必要とされる。さらに、式（２５）〜式（３３）及び式（４０）〜式（４５）における関節トルクは関節の位置及び向きの関数として決定され、速度項又は加速度項を含まないので、本発明の一実施形態は、ノイズを含む変数の数値微分によるノイズ増幅の影響を受けない。
【００７７】
＜短下肢装具のシミュレーション結果＞
モーションキャプチャ及びフォースプレートのデータを含む標準的な歩行測定値が、Christopher L. Vaughan, Brian Davis, and Jeremy C. O'Connor, Dynamics of Human Gait, Kiboho Publishers, Cape town South Africa, 2d ed., 1999 の厚意によって取得された。当該文献は、参照によって本明細書に一体的に組み込まれるものとする。ヘレンヘイズのマーカセットから記録された動作と一連の身体計測測定値とが統計的回帰方程式に対する入力として用いられ、足のセグメントパラメータ及び足首関節の中心を決定した。Vaughan et al., Dynamics of Human Gait を参照されたい。足のオイラー角及び重力の中心が算出された。Grood & Suntay によって提案されてVaughan et al. によって採用されたヒトの歩行解析のための手法が、底屈／背屈の回転軸を決定するために用いられた。E. S. Grood and W. J. Suntay, A joint coordinate system for the clinical description of three dimensional motions: Application to the knee, Journal of Biomechanical Engineering, 105: 136-144, 1983 を参照されたい。当該文献は、参照によって本明細書に一体的に組み込まれることとなる。
【００７８】
図５は、本発明の様々な実施形態に係る、シミュレートされた歩行サイクル中の足首の底屈／背屈のための足首アシストトルクを比較するグラフである。図５を参照すると、ＮＪＴは、前記式（１７）を用いて決定された逆ダイナミクス制御のための正味関節トルクを表し、完全なセンサ情報と完全なモデル情報とに基づいて算出され、それゆえに筋肉によってこのタスクを実行するのに必要な全体トルクを表す。ＡＪＴＩは、本発明の一実施形態に係る、前記式（２９）を用いて決定された、足１２０による床反力及び重力の鉛直成分を補償するための足首関節トルクを表す。同様に、ＡＪＴＩＩは、本発明の一実施形態に係る、前記式（３２）を用いて決定された、床反力の鉛直成分を補償するための足首関節トルクを表す。ＡＪＴＩ，ＡＪＴＩＩは、部分的なセンサ情報及び部分的なモデル情報であることに留意されたい。図５は、式（２９）及び式（３２）を用いて決定された足首関節トルクがこのタスク中に必要な全体トルクの大部分を占めることを示す図であり、全体トルクは前記式（１７）によって与えられる。
【００７９】
図６は、本発明の様々な実施形態に係る、シミュレートされた歩行サイクル中の足首アシスト仕事率を比較するグラフである。式（４６）〜式（４８）に示されるように、図６及び図７（ａ）における正味関節仕事率（ＮＪＰ）及びＡＪＰＩ，ＡＪＰＩＩのグラフが、足の関節反モーメントと角速度ｗ１との内積によって取得される。式（４６）を参照すると、ＮＪＰは、逆ダイナミクス制御のための正味関節仕事率を表し、完全なセンサ情報及び完全なモデル情報に基づいて算出され、それゆえに筋肉によってこのタスクを実行するのに必要な全体仕事率を表す。式（４６）において、０ＮＴａ項は、前記式（１３）〜式（１５）を用いて導出される。式（４７）を参照すると、ＡＪＰＩは、本発明の一実施形態に係る、足１２０による床反力及び重力の鉛直成分を補償するための足首関節仕事率を表す。式（４７）において、１ＮＴＡＪＴＩ項は、前記式（２８）に示されるように決定される。式（４８）を参照すると、ＡＪＰＩＩは、本発明の一実施形態に係る、床反力の鉛直成分を補償するための足首関節仕事率を表す。式（４８）において、１ＮＴＡＪＴＩＩ項は、前記式（３１）に示されるように決定される。ＡＪＰＩ，ＡＪＰＩＩは、部分的なセンサ情報及び部分的なモデル情報を用いることに留意されたい。図６は、床反力及び重力の補償が、爪先が浮いている間の足首において必要な前進するための仕事率の大部分に加えて、踵が接地している間に身体を減速するのに必要な足首関節仕事率の大部分を提供する証拠をさらに提供する。
【数４６】
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【数４７】
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【数４８】
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【００８０】
図７（ａ）は、本発明の様々な実施形態に係る足首アシスト仕事率を示し、足首アシスト仕事率は、図７（ｂ）に示されるシミュレートされた歩行サイクル中の床反力の鉛直成分と比較される。踵の接地がおよそｔ＝０．２秒の時点で起こり、この時点で鉛直床反力がゼロから正の値に移行する。図５〜図７に示されるシミュレーション結果は、床反力及び／又は重力の補償が歩行に必要な足首仕事率に貢献する重要な役割を果たすという我々の予想と一致する。
【００８１】
本発明の一実施形態は、システムパラメータを受信する第一の受信手段と、足首関節に連結された足の向きを受信する第二の受信手段と、能動的な短下肢装具である短下肢装具を制御するための関節トルクを決定することによって足に作用する床反力の成分を補償する第一の決定手段と、を備える、足首関節で短下肢装具を自動的に制御するシステムを提供する。本システムは、関節トルクを決定することによって短下肢装具の回転軸まわりの床反力の成分を補償する第二の決定手段をさらに備える。さらなる実施形態によると、本システムは、関節トルクを決定することによって足に作用する床反力の成分の部分的な補償を提供する第二の決定手段をさらに備える。
【００８２】
本発明は、様々な形態で具現化可能であり、本明細書に開示された実施形態に限定して構成されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、開示を十分かつ完全なものとし、当業者に十分に伝わるように提供される。さらに、記述された装置及び方法は、剛体に制限されない。
【００８３】
本明細書においては、本発明の特定の実施形態及び用途が記述されて説明されたが、本発明は、本明細書に開示された正確な構成及び成分に制限されるべきではなく、本発明の方法及び装置の配列、動作及び詳細において、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲を逸脱しない範囲で様々な修正、変形及び改変が可能であると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の一実施形態に係る足−下腿系に作用する力及びモーメントの自由体図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る、足に作用する力及びモーメントを解析することによって足首関節トルクを決定する方法を説明するフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態に係る、足首関節トルクを決定することによって、足に作用する力の鉛直成分を補償する方法を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係る、足首関節トルクを決定することによって、足に作用する床反力を補償する方法を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の様々な実施形態に係るシミュレートされた歩行サイクル中の足首の底屈／背屈のための足首アシストトルクを比較するグラフである。
【図６】本発明の様々な実施形態に係るシミュレートされた歩行サイクル中の足首アシスト仕事率を比較するグラフである。
【図７】（ａ）は、本発明の様々な実施形態に係るシミュレートされた歩行サイクル中の足首アシスト仕事率を比較するグラフであり、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るシミュレートされた歩行サイクル中の床反力の鉛直成分を示すグラフである。
【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】
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【国際調査報告】
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