(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
身体に装着される身体装着具と、
弾性体を備え、剛性を変えられるように構成された可変剛性機構と、
人の股関節に対応する前記身体装着具の所定位置に前記可変剛性機構を介して回動中心部が連結されており、回動自由端側が大腿部に装着される出力リンクと、
前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させる剛性可変アクチュエータと、
前記出力リンクの回動角度を検出する角度検出手段と、
入力値を入力可能な入力手段と、
前記角度検出手段による検出角度と、前記入力手段により入力された前記入力値とに基づいて前記剛性可変アクチュエータを制御する制御装置と、
を有しており、
前記制御装置は、前記股関節を中心とした前記大腿部の往復回動動作において、前記大腿部に対して所定負荷を加えられるように、前記剛性可変アクチュエータを制御して前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させるアシスト装置。
【請求項２】
請求項１に記載されたアシスト装置であって、
前記股関節を中心とした前記大腿部の往復回動動作は歩行動作であり、
前記入力手段は、理想とされる歩行動作における前記大腿部の振れ中心角度を前記制御装置に対して入力できるように構成されており、
前記制御装置は、実際の歩行動作時における前記出力リンクの振れ中心角度が、前記理想の歩行動作における前記大腿部の振れ中心角度からずれている場合に、前記出力リンクの前記振れ中心角度のずれ角の程度に応じて前記大腿部に加わる負荷を大きくできるように構成されているアシスト装置。
【請求項３】
請求項２に記載されたアシスト装置であって、
前記入力手段は、理想とされる歩行動作における前記大腿部の最大振れ角度を前記制御装置に対して入力できるように構成されており、
前記制御装置は、実際の歩行動作時における前記出力リンクの最大振れ角度が、前記理想の歩行動作における前記大腿部の最大振れ角度と差がある場合に、前記出力リンクの最大振れ角度が、前記理想の歩行動作における前記大腿部の最大振れ角度に近づくように、前記剛性可変アクチュエータを制御して前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させるアシスト装置。
【請求項４】
請求項３に記載されたアシスト装置であって、
前記入力手段は、前記理想の歩行動作における前記大腿部の最大振れ角度に対する前記出力リンクの最大振れ角度の角度差が前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性の制御に与える影響の程度を決める歩容改善率を前記制御装置に入力できるように構成されているアシスト装置。
【請求項５】
請求項１に記載されたアシスト装置であって、
前記入力手段は、前記大腿部に対して加える負荷の程度を決定する負荷率を前記制御装置に対して入力できるようにように構成されており、
前記制御装置は、前記負荷率に基づいて前記大腿部に負荷が加わるように、前記剛性可変アクチュエータを制御して前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させるアシスト装置。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれかに記載されたアシスト装置であって、
前記可変剛性機構の前記弾性体は、前記出力リンクの回動中心と同軸に設けられた渦巻きバネであり、
前記渦巻きバネの一端側は、前記剛性可変アクチュエータ側に連結され、前記渦巻きバネの他端側は、前記出力リンク側に連結されており、
前記剛性可変アクチュエータは、前記渦巻きバネの一端側の回転角度を変えることで前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変えるアシスト装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人の歩行改善等のアシストを行なうアシスト装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、人の歩行等をアシストするアシスト装置が特許文献１、２等に記載されている。特許文献１に記載の片脚式歩行支援機は、人の腰に装着される腰装着部と、大腿リンク部と、下腿リンク部とを備えており、前記下腿リンク部が人の下腿部に装着される構成である。前記大腿リンク部の上部は、前記腰装着部に対して上下回動可能に連結されており、前記腰装着部と前記大腿リンク部との間に、前記大腿リンク部に対して回転トルクを付与するためのトルク発生装置が設けられている。即ち、前記トルク発生装置の回転トルクが前記大腿リンク部に加わることで、歩行支援が行なわれる。前記トルク発生装置は、圧縮バネと、カム及びカムフォロアとの働きにより、前記大腿リンク部に対して回転トルクを付与できるように構成されている。また、前記トルク発生装置は、工具を使用して圧縮バネの圧縮量（バネ力）を調整できるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２３６７４１号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７３１９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した片脚式歩行支援機では、工具を使用してトルク発生装置の圧縮バネの圧縮量を調整する構成のため、歩行途中に前記大腿リンク部の回動角度に応じて圧縮バネのバネ力を調整することはできない。このため、高効率で歩行アシストを行なうのは難しい。また、人の歩行動作を理想とされる歩行動作に近づけるような歩行改善を行なうことも不可能である。
【０００５】
特許文献２に記載のアシスト装置は、モータ等のトルク発生装置による回転トルクが大腿リンク部等に加わることで、人の動作をアシストできるように構成されている。このように、トルク発生装置としてモータ等を使用する構成では、負荷が大きい場合に大きな出力のモータ等が必要になり、消費電力を抑えるのが難しい。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、歩行改善等のアシスト作業を良好に行なえるようにするとともに、消費電力を抑えることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した課題は、各請求項の発明によって解決される。請求項１の発明は、身体に装着される身体装着具と、弾性体を備え、剛性を変えられるように構成された可変剛性機構と、人の股関節に対応する前記身体装着具の所定位置に前記可変剛性機構を介して回動中心部が連結されており、回動自由端側が大腿部に装着される出力リンクと、前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させる剛性可変アクチュエータと、前記出力リンクの回動角度を検出する角度検出手段と、入力値を入力可能な入力手段と、前記角度検出手段による検出角度と、前記入力手段により入力された前記入力値とに基づいて前記剛性可変アクチュエータを制御する制御装置とを有しており、前記制御装置は、前記股関節を中心とした前記大腿部の往復回動動作において、前記大腿部に対して所定負荷を加えられるように、前記剛性可変アクチュエータを制御して前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させる。
【０００８】
本発明によると、制御装置は、角度検出手段による検出角度と、入力手段により入力された入力値とに基づいて剛性可変アクチュエータを制御する。そして、制御装置は、大腿部に対して所定負荷を加えられるように、剛性可変アクチュエータを制御して出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させる。このため、例えば、歩行動作等において理想の歩行動作（入力値）から離れるにつれて大腿部に対して加わる負荷が大きくなるようにすることで、歩行改善等を行なうことができる。また、例えば、スクワット等において大腿部に対して所定負荷を加えることも可能になる。さらに、可変剛性機構の見かけの剛性を変化させて出力リンクに加わるアシストトルクを制御する構成のため、モータによる回転トルクを出力リンクの回動方向に加える従来のアシスト装置と比較して消費電力を抑えることができる。
【０００９】
請求項２の発明によると、股関節を中心とした大腿部の往復回動動作は歩行動作であり、入力手段は、理想とされる歩行動作における前記大腿部の振れ中心角度を制御装置に対して入力できるように構成されており、前記制御装置は、実際の歩行動作時における出力リンクの振れ中心角度が、前記理想の歩行動作における前記大腿部の振れ中心角度からずれている場合に、前記出力リンクの前記振れ中心角度のずれ角の程度に応じて前記大腿部に加わる負荷を大きくできるように構成されている。一般的に、人は、歩行する際、無意識に大腿部に加わる負荷が小さくなるような歩き方をする。このため、人は、歩行動作時に出力リンクの振れ中心角度が、大腿部の理想とされる振れ中心角度に近づくような歩き方をする。即ち、ずれ角を零に収束させるような歩き方をする。このため、人の歩行が理想の歩行に近づくようになり、歩行改善が行なわれる。
【００１０】
請求項３の発明によると、入力手段は、理想とされる歩行動作における大腿部の最大振れ角度を制御装置に対して入力できるように構成されており、前記制御装置は、実際の歩行動作時における前記出力リンクの最大振れ角度が、前記理想の歩行動作における前記大腿部の最大振れ角度と差がある場合に、前記出力リンクの最大振れ角度が、前記理想の歩行動作における前記大腿部の最大振れ角度に近づくように、前記剛性可変アクチュエータを制御して前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させる。このため、人の歩行が理想の歩行に近づくようになり、歩行改善が行なわれる。
【００１１】
請求項４の発明によると、入力手段は、理想の歩行動作における大腿部の最大振れ角度に対する出力リンクの最大振れ角度の角度差が前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性の制御に与える影響の程度を決める歩容改善率を前記制御装置に入力できるように構成されている。このため、歩行改善を速やかに行なうか、あるいは緩やかに行なうか、個人の体の状態に合わせて調整できるようになる。
【００１２】
請求項５の発明によると、入力手段は、大腿部に対して加える負荷の程度を決定する負荷率を制御装置に対して入力できるようにように構成されており、前記制御装置は、前記負荷率に基づいて前記大腿部に負荷が加わるように、前記剛性可変アクチュエータを制御して前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させる。このため、例えば、スクワット等を行なう際に、大腿部に対して加える負荷を調整できるようになる。
【００１３】
請求項６の発明によると、可変剛性機構の弾性体は、出力リンクの回動中心と同軸に設けられた渦巻きバネであり、前記渦巻きバネの一端側は、前記剛性可変アクチュエータ側に連結され、前記渦巻きバネの他端側は、前記出力リンク側に連結されており、前記剛性可変アクチュエータは、前記渦巻きバネの一端側の回転角度を変えることで前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変える。このため、出力リンクから見た可変剛性機構の見かけの剛性を変えるための制御が比較的容易になる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、歩行改善等のアシスト作業を良好に行なえるようになる。また、消費電力を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態１に係るアシスト装置の使用状態を表わす模式側面図である。
【図２】前記アシスト装置の出力リンクと可変剛性機構等を表す模式正面図である。
【図３】前記アシスト装置の出力リンクと可変剛性機構等を表わす模式分解斜視図である。
【図４】前記アシスト装置の配線ブロック図である。
【図５】前記アシスト装置の角度検出器の出力波形を表わす図面である。
【図６】前記角度検出器の出力波形から歩行周波数を検出する方法を表わす図面である。
【図７】実際の歩行動作時における出力リンク（大腿部）の最大振れ角度、触れ中心角度と、理想的な歩行動作時の大腿部の最大振れ角度、触れ中心角度とを表わす模式図である。
【図８】前記アシスト装置の出力リンクと、回動中心から脚部の重心までの距離とを表わす模式拡大図である。
【図９】前記可変剛性機構等の模式分解斜視図である。
【図１０】前記アシスト装置の動作を表すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施形態２に係るアシスト装置の動作を表すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［実施形態１］
以下、図１から図１０に基づいて本発明の実施形態１に係るアシスト装置１０について説明する。本実施形態に係るアシスト装置１０は、人の歩行改善をアシストする装置である。ここで、図中に示すｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向は、アシスト装置１０を装着した人の前方向、上方向、及び左右方向に対応している。
【００１７】
＜アシスト装置１０の概要について＞  
アシスト装置１０は、図１に示すように、人の上体、及び腰周りに装着される上体装着具１２と、前記上体装着具１２の腰周り部分に設けられた支持架台部１４とを備えている。支持架台部１４は、図２に示すように、上体装着具１２の背面で左右に延びるように設けられた背面板部１４ｚと、その背面板部１４ｚの左右両側で前記背面板部１４ｚに対してほぼ直角に設けられた側板部１４ｘとを備えている。そして、支持架台部１４の左右の側板部１４ｘには、図２に示すように、人の股関節に対応する位置、即ち、人の股関節とｘｙ方向においてほぼ同位置に軸受孔１４ｊが形成されている。
【００１８】
前記支持架台部１４の背面板部１４ｚと側板部１４ｘとの左右の角部内側には、図２に示すように、左右一対の可変剛性機構２０（後記する）が設けられている。前記可変剛性機構２０は、ｚ方向に沿って設けられており、その可変剛性機構２０の入力軸２２ｅが支持架台部１４の側板部１４ｘの軸受孔１４ｊに挿通されている。可変剛性機構２０の入力軸２２ｅには、支持架台部１４の側板部１４ｘの外側に固定されたモータ４０の回転軸４１が同軸に連結されている。即ち、可変剛性機構２０は、入力軸２２ｅの軸心を中心に回動可能な状態で支持架台部１４に支持されている。
【００１９】
また、可変剛性機構２０の出力回転軸２６ｐには、図２、図３に示すように、棒状の出力リンク３０の基端部（回動中心部）が相対回転不能な状態で連結されている。即ち、出力リンク３０の回動中心部は、人の股関節に対応する支持架台部１４の軸受孔１４ｊの位置に可変剛性機構２０を介して上下回動可能な状態で連結されている。出力リンク３０は、人の大腿部の外側面に沿って配置されるリンクであり、その出力リンク３０の先端側（回動自由端側）が大腿装着具３５によって人の大腿部に装着されるように構成されている。このため、出力リンク３０は大腿部と共に上下に回動できるようになる。即ち、上記した上体装着具１２と支持架台部１４とが本発明における身体装着具に相当する。
【００２０】
出力リンク３０の回動中心部には、図２、図３等に示すように、出力リンク３０の回動角度を検出する角度検出器４３が取付けられている。また、アシスト装置１０は、図１等に示すように、上体装着具１２の背面に取付けられる制御ボックス５０を備えている。
【００２１】
＜可変剛性機構２０について＞
可変剛性機構２０は、出力リンク３０から見た見かけの剛性を変えられるように構成された機構であり、図３に示すように、入力部２２と、渦巻きバネ２４と、減速機２６とを備えている。入力部２２は、前記モータ４０の回転を渦巻きバネ２４に伝達するための部分である。入力部２２は、モータ４０の回転軸４１が相対回転不能な状態で連結される入力軸２２ｅと、その入力軸２２ｅと同軸に設けられた円板部２２ｒと、入力軸２２ｅの反対側で円板部２２ｒの周縁に設けられたトルク伝達軸２２ｐとを備えている。そして、入力部２２のトルク伝達軸２２ｐが渦巻きバネ２４の外周側バネ端部２４ｅに連結されている。
【００２２】
可変剛性機構２０の渦巻きバネ２４は、図３に示すように、帯状の板バネを渦巻状に成形したバネであり、中心側と外周側にバネ端部２４ｙ，２４ｅを備えている。渦巻きバネ２４は、中心側バネ端部２４ｙに対する外周側バネ端部２４ｅの回動角度を変えることでバネ力を調整できるように構成されている。ここで、前記渦巻きバネ２４のバネ定数は、例えば、ｋ1に設定されている。上記したように、渦巻きバネ２４の外周側バネ端部２４ｅは、入力部２２のトルク伝達軸２２ｐに相対回転不能な状態で連結されている。また、渦巻きバネ２４の中心側バネ端部２４ｙは、減速機２６の入力回転軸２６ｅに相対回転不能な状態で連結されている。ここで、入力部２２と減速機２６の入力回転軸２６ｅとは同軸に保持されている。即ち、前記渦巻きバネ２４が本発明の弾性体に相当する。
【００２３】
減速機２６は、渦巻きバネ２４のバネ力に起因する回転トルクを増幅して出力リンク３０に伝達する部材である。減速機２６は、入力回転軸２６ｅと、出力回転軸２６ｐと、入力回転軸２６ｅと出力回転軸２６ｐ間に設けられたギヤ機構（図示省略）等とを備えている。減速機２６の入力回転軸２６ｅと出力回転軸２６ｐとは同軸に保持されており、入力回転軸２６ｅがｎ回転することで、出力回転軸２６ｐが１回転するように構成されている。また、減速機２６のトルク伝達効率はηに設定されている。
【００２４】
減速機２６の出力回転軸２６ｐの中心には、図３に示すように、出力リンク３０の回転中心ピン（図示省略）が嵌合される位置決め孔２６ｕが形成されている。さらに、出力回転軸２６ｐの位置決め孔２６ｕの周囲には、出力リンク３０の回り止めピン３１が挿入される回り止め孔２６ｋが形成されている。これにより、出力リンク３０は、減速機２６の出力回転軸２６ｐと一体で回転できるようになる。
【００２５】
＜制御ボックス５０について＞
制御ボックス５０は、図１に示すように、上体装着具１２の背面に取付けられるボックスである。制御ボックス５０には、図４に示すように、コントローラユニット５２とドライバユニット５４と電源ユニット５６とが収納されている。コントローラユニット５２は、モータ４０の回転角度θ1を制御するユニットである。ドライバユニット５４は、モータ４０を駆動させるユニットであり、コントローラユニット５２からの信号に基づいて動作する。電源ユニット５６は、コントローラユニット５２とドライバユニット５４に対して電力を供給するユニットである。
【００２６】
コントローラユニット５２には、図４に示すように、出力リンク３０の回動角度θを検出する角度検出器４３の信号が入力される。角度検出器４３の角度信号、即ち、出力リンク３０の回動角度θの信号は、コントローラユニット５２において、図５に示すような時間ｔの関数で表わされる。コントローラユニット５２では、図６に示すように、所定のしきい値を設定し、出力リンク３０の回動角度θの信号が所定のしきい値に対して大きくなる時間と、小さくなる時間との差から人の歩行周期Ｔを求めている。そして、歩行周期Ｔの逆数（１／Ｔ）から人の歩行周波数ｆを演算し、前記歩行周波数ｆから角周波数ω（ω＝2πｆ）を求めるようにしている。
【００２７】
また、コントローラユニット５２には、図４に示すように、例えば、キーボード、あるいはダイヤル等の入力装置４４から人の歩行改善に使用される数値が入力される。即ち、入力装置４４により、図７に示すように、歩行動作において理想とされる大腿部の最大振れ角ＡIと、大腿部の振れ中心の角度θ0（振れ中心角度θ0（中立点））とがコントローラユニット５２に入力される。ここで、振れ中心角度θ0は、一般的に、鉛直線に対して前方に約5°であるが、出力リンク３０に加わるアシストトルクτ（後記する）の演算では、便宜上振れ中心角度θ0を零（θ0＝0）として考えるものとする。
【００２８】
また、入力装置４４は、コントローラユニット５２に対して歩容改善率εを入力できるように構成されている。歩容改善率εとは、理想とされる大腿部の最大振れ角ＡI（図７参照）に対する実際の大腿部の最大振れ角度Ａh（出力リンク３０の最大振れ角度Ａh）の差（Ａh−ＡI）に対して乗ぜられる係数である。ここで、出力リンク３０の最大振れ角度Ａhは、角度検出器４３により検出された出力リンク３０の回動角度θから求めることができる（図５参照）。歩容改善率εは、0≦ε≦1の間で設定される値で、振幅修正ゲインαを決めるために使用される。
【００２９】
振幅修正ゲインαは、α＝｛1−ε（Ａh−ＡI）÷Ａh｝で表わされ、出力リンク３０に加わるアシストトルクτ（後記する）の演算において使用される。例えば、歩容改善率ε＝0のときは、最大振れ角の差（Ａh−ＡI）に対する歩行改善は行なわれず、振幅修正ゲインα＝1となる。また、歩容改善率ε＝1のときは、最大振れ角の角度差（Ａh−ＡI）に対する歩行改善が最大に行なわれるようになり、振幅修正ゲインα＝ＡI÷Ａh となる。
【００３０】
コントローラユニット５２は、人の歩行動作時に、角度検出器４３の検出値、及び入力装置４４から入力値に基づいて、モータ４０の回転角度θ1を制御する（後記する）。モータ４０の回転軸４１が角度θ1だけ回転すると、図９に示すように、可変剛性機構２０の渦巻きバネ２４の外周側バネ端部２４ｅが同じく角度θ1だけ回転する。これにより、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRが変化して、可変剛性機構２０の出力回転軸２６ｐから出力リンク３０に加わる回転トルクτ（以下、アシストトルクτという）が制御される。即ち、コントローラユニット５２が本発明の制御装置に相当し、モータ４０が剛性可変アクチュエータに相当する。また、角度検出器４３が本発明の角度検出手段に相当し、入力装置４４が本発明の入力手段に相当する。
【００３１】
＜アシスト装置１０の動作について＞
次に、図１０のフローチャートに基づいて、アシスト装置１０の動作を説明する。ここで、図１０のフローチャートに示す処理は、コントローラユニット５２のメモリ（図示省略）に格納されているプログラムに基づいて実行される。また、モータ４０の回転角度θ1の演算等に使用される定数、即ち、歩行動作の理想とされる大腿部の最大振れ角ＡIと振れ中心角度θ0とは入力装置４４によってコントローラユニット５２に予め入力されている。同様に、人の脚部の質量ｍ、脚部の重心位置、股関節の周りの脚部の慣性モーメントＪ、及び回動動作における脚部の粘性ｄ等が入力装置４４によってコントローラユニット５２に予め入力されている。
【００３２】
歩行前に、先ず歩容改善率εが設定され（ステップＳ１０１）、前記歩容改善率εが入力装置４４によりコントローラユニット５２に入力される（ステップＳ１０２）。次に、人が歩行を開始すると（ステップＳ１０３）、出力リンク３０の回動角度を検出する角度検出器４３の信号がコントローラユニット５２に入力される（ステップＳ１０４）。これにより、コントローラユニット５２では、図６に示すように、所定のしきい値を用いて歩行周期Ｔを求め、さらに歩行周波数ｆと角周波数ωとを求める。次に、コントローラユニット５２では、出力リンク３０の回動角度θ、歩行周波数ｆ、前記歩容改善率ε等に対応した可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋR（モータ４０の回転軸４１の角度θ1）を演算する（ステップＳ１０５）。なお、モータ４０の回転軸４１の角度θ1の具体的な演算方法は後記する。そして、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRを制御して出力リンク３０に加えるアシストトルクτ（τ＝ｋRθ）を調整する（ステップＳ１０６）。歩行中はステップＳ１０４からステップＳ１０６までの処理が繰り返し実行される。そして、歩行が終了すると（ステップＳ１０７）、アシスト装置１０は動作完了状態（エンド）となる。
【００３３】
＜モータ４０の回転軸４１の角度θ1の具体的な演算手順について＞
次に、図８、図９等に基づいて、モータ４０の回転軸４１の角度θ1の具体的な演算手順について説明する。ここで、図８は、実際の歩行動作において、大腿部と出力リンク３０とが角度θだけ上回動した様子を模式的に表した図である。なお、符号ｃは、人の股関節と出力リンク３０の回動中心を表わしており、Ｌは回動中心ｃから脚部の重心位置までの距離を表している。このため、回動中心ｃ周りの脚部の質量ｍに起因するトルクは、ｍｇ×Ｌ×sinθで表わされる。出力リンク３０の回動により可変剛性機構２０の出力回転軸２６ｐが、図９に示すように、角度θだけ回動する。このため、出力リンク３０の回動中心ｃには、可変剛性機構２０の見かけの剛性をｋRに起因するアシストトルクτが加わるようになる。アシストトルクτは、τ＝ｋR×θで表わされる。
【００３４】
また、股関節周りの慣性モーメントＪに起因するトルクは、［数１］に示す値で表わされる。
【数１】
0006569519.tif 000002
股関節周りの粘性ｄに起因するトルクは、［数２］に示す値で表わされる。  
【数２】
0006569519.tif 000003
このため、大腿部と出力リンク３０とを上方に角度θだけ回動させる際に必要な運動トルクτHは、［数３］に示す式で表される。
【数３】
0006569519.tif 000004
【００３５】
ここで、角度θが小さい場合、［数３］の式におけるsinθは、［数４］に示すように表される。
【数４】
0006569519.tif 000005
このため、［数３］の式に［数４］の値を代入して整理すると、トルクτHは［数５］に示す式で表される。
【数５】
0006569519.tif 000006
【００３６】
ここで、人が歩行動作をしたときの大腿部と出力リンク３０との角度θ（以下、出力リンク３０の角度θという）は、図５に示すように、サインカーブに近似させることができる。即ち、θ＝Ａh×sinωｔ＋θeで表わせる。ここで、Ａhは、図７に示すように、実際の歩行動作時における出力リンク３０の最大振れ角度であり、θeは出力リンク３０の振れ中心角度を表わしている。また、上記したように同じ歩行周波数ｆにおける理想的な歩行動作の大腿部の最大振れ角ＡIと振れ中心角度θ0とはコントローラユニット５２に予め入力されている。このため、同じ歩行周波数ｆの理想的な歩行動作における大腿部の角度θIは、振れ中心角度θ0を零（θ0＝0）とすると次のようになる。即ち、θI＝ＡI×sinωｔで表わされる。
【００３７】
ここで、実際の歩行動作時における出力リンク３０の振れ中心角度θeは、図７に示すように、出力リンク３０の振れ中心角度θeと理想の振れ中心角度θ0（θ0＝0）とのずれ角を表わしている。また、出力リンク３０の最大振れ角度Ａhは、理想的な歩行動作の最大振れ角ＡIと角度差Ａeとの和で表わすことができる。即ち、Ａh＝（ＡI＋Ａe）となる。
【００３８】
理想的な歩行動作における大腿部の角度θI＝ＡI×sinωｔを［数５］の式に代入すると、理想歩行状態での脚部の運動トルクτSが求められる。
即ち、τS＝−ＡIＪω2×sinωｔ＋ＡIｄ×cosωｔ＋ＡI×（ｋR＋ｍｇＬ）×sinωｔとなる。この式を整理すると、
τS＝ＡI×（ｋR＋ｍｇＬ−Ｊω2）×sinωｔ＋ＡIｄ×cosωｔ
このため、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRを、Ｊω2−ｍｇＬになるように調整すれは、理想歩行状態での脚部の運動トルクτSが、τS＝ＡIｄ×cosωｔとなって大腿部に加わる負荷が最小になる。
【００３９】
次に、人が実際に歩行動作をしたときの出力リンク３０の角度θ-＝Ａh×sinωｔ＋θe＝（ＡI＋Ａe）×sinωｔ＋θeを［数５］の式に代入すると、実際の歩行状態での脚部の運動トルクτHが求められる。
即ち、τH＝−（ＡI＋Ａe）Ｊω2×sinωｔ＋（ＡI＋Ａe）ｄ×cosωｔ＋（ｋR＋ｍｇＬ）×｛（ＡI＋Ａe）×sinωｔ＋θe｝となる。この式を整理すると、
τH＝（ＡI＋Ａe）×（ｋR＋ｍｇＬ−Ｊω2）×sinωｔ＋（ＡI＋Ａe）ｄ×cosωｔ＋（ｋR＋ｍｇＬ）×θeとなる。
ここで、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRを、Ｊω2−ｍｇＬになるように調整すれは、実際の歩行状態での脚部の運動トルクτH＝（ＡI＋Ａe）ｄ×cosωｔ＋（ｋR＋ｍｇＬ）×θeとなり、同じく大腿部に加わる負荷が最小になる。
【００４０】
さらに、上記したように、理想歩行状態での脚部の運動トルクτS＝ＡIｄ×cosωｔであるため、実際の歩行状態での脚部の運動トルクτHを、理想歩行状態での脚部の運動トルクτSを用いて表わすと次のようになる。
即ち、τH＝τS＋Ａeｄ×cosωｔ＋（ｋR＋ｍｇＬ）×θeで表わされる。ここで、Ａeｄ×cosωｔは、非常に小さい値であるためほぼ零と考えると、実際の歩行状態での脚部の運動トルクτHは、τH＝τS＋（ｋR＋ｍｇＬ）×θeで表わされる。このように、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRをＪω2−ｍｇＬに調整しても、実際の歩行状態での脚部の運動トルクτHは、理想歩行状態での脚部の運動トルクτSよりも（ｋR＋ｍｇＬ）×θeだけ大きな値になる。
【００４１】
即ち、実際の歩行動作状態における出力リンク３０の振れ中心角度θeが、図７に示すように、理想歩行状態の振れ中心角度θ0（θ0＝0）から角度θeだけずれると、ズレ角θeに応じて大腿部に加わる負荷が大きくなる。ここで、人は、歩行する際、無意識に大腿部に加わる負荷が小さくなるような歩き方をする。このため、人は、出力リンクの振れ中心角度が、理想とされる大腿部の振れ中心角度に近づくように、即ち、ズレ角θeを零に収束させるように歩行する。このため、人の歩行が理想の歩行に近づくようになり歩行改善が行なわれる。
【００４２】
次に、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋR（以下、見かけの剛性ｋRという）を渦巻きバネ２４のバネ定数ｋ1と、モータ４０の回転角度θ1とで表わす手順を説明する。図９に示すように、減速機２６の減速比がｎ：１であるため、出力リンク３０、及び減速機２６の出力回転軸２６ｐが角度θだけ回転すると減速機２６の入力回転軸２６ｅはｎθだけ回転する。このため、出力リンク３０等が角度θだけ回転している状態で、減速機２６の入力回転軸２６ｅに加わるトルクτ1は、渦巻きバネ２４のバネ定数ｋ1×ｎθで表わされる。即ち、τ1＝ｋ1×ｎθとなる。また、減速機２６の減速比がｎ：１、効率がηであるため、減速機２６の出力回転軸２６ｐに加わる回転トルクτは、τ＝ηｎτ1＝ηｎ（ｋ1×ｎθ）となる。減速機２６の出力回転軸２６ｐに加わる回転トルクτは、出力リンク３０に加わるアシストトルクτであり、上記したようにτ＝ｋRθで表わされる。このため、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRは、ｋR＝ηｎ2ｋ1で表わされる。
【００４３】
次に、モータ４０側から見た可変剛性機構２０（渦巻きバネ２４）の中立点をモータ４０により角度θ1だけ回動させた場合を考える。この場合、出力リンク３０等が角度θだけ回転している状態で、減速機２６の入力回転軸２６ｅに加わるトルクτ1は、τ1＝ｋ1×（ｎθ−θ1）で表わすことができる。このため、減速機２６の出力回転軸２６ｐに加わるアシストトルクτは、τ＝ηｎτ1＝ηｎｋ1（ｎθ−θ1）＝ηｎ2ｋ1（１−θ1／ｎθ）×θで表わすことができる。したがって、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRは、ｋR＝ηｎ2ｋ1（１−θ1／ｎθ）となる。即ち、モータ４０の回転角度θ1を制御することで可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRを変化させ、アシストトルクτを制御することができる。
【００４４】
次に、歩容改善率εと振幅修正ゲインαとを使用することで歩行改善を行なう方法について説明する。ここで、振幅修正ゲインαは、上記したように、α＝｛1−ε（Ａh−ＡI）÷Ａh｝で表わされる。振幅修正ゲインαは、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRを求める式に使用される。即ち、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRは、振幅修正ゲインαを用いると、ｋR＝ηｎ2ｋ1（１−θ1／αｎθ）で表わされる。このため、例えば、歩容改善率ε＝１の場合、前記剛性ｋRは、ｋR＝ηｎ2ｋ1（１−θ1／（ＡI÷Ａh）ｎθ）・・（１）で表わされる。したがって、図７に示すように、理想歩行時の最大振れ角ＡIが実際の歩行時の最大振れ角度Ａhよりも大きい場合には、上記した（１）式の括弧内の値が大きくなり、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRは大きくなる。このため、アシストトルクτ＝ｋRθが大きくなるように調整され、実際の歩行時の最大振れ角度Ａhを大きくする方向にアシストトルクτが加わるようになる。また、歩行の振幅が最大になる時間から振幅が零になる時間の区間に前記剛性ｋRの値を適切に変更することで、歩行の振幅が零から最大になる区間に必要なアシストトルクτを効率的に加えることが可能になる。
【００４５】
また、仮に、理想歩行時の最大振れ角ＡIが実際の歩行時の最大振れ角度Ａhよりも小さい場合には、上記した（１）式の括弧内が小さくなり、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRは小さくなる。このため、アシストトルクτ＝ｋRθが小さくなるように調整され、実際の歩行時の最大振れ角度Ａhが自然と小さくなる。また、例えば、歩容改善率ε＝0にすると、振幅修正ゲインα＝１になり、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRは、ηｎ2ｋ1（１−θ1／ｎθ）で表わされる。このため、理想歩行時の最大振れ角ＡIと実際の歩行時の最大振れ角度Ａhとの角度差に起因する歩行改善は行なわれない。また、歩容改善率εを0〜1の間で変化させることで、理想歩行時の最大振れ角ＡIと実際の歩行時の最大振れ角度Ａhとの角度差に起因する歩行改善の程度を調整することができる。
【００４６】
ここで、本実施形態では、歩行動作時の片脚分の動きについて説明したが、左右の脚部の動きは位相が180°ずれているだけであり、各々の脚部の動きは同一なものと考えられる。
【００４７】
＜本実施形態に係るアシスト装置１０の長所について＞  
前記アシスト装置１０によると、コントローラユニット５２（制御装置）は、角度検出器４３（角度検出手段）による検出角度と、入力装置４４（入力手段）により入力された入力値とに基づいてモータ４０（剛性可変アクチュエータ）を制御する。そして、コントローラユニット５２は、大腿部に対して所定負荷を加えられるように、モータ４０を制御して可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRを変化させる。これにより、出力リンク３０に加わるアシストトルクτが制御される。このため、モータによる回転トルクを出力リンクの回動方向に加える従来のアシスト装置と比較して消費電力を抑えることができる。
【００４８】
また、コントローラユニット５２は、実際の歩行動作時における出力リンク３０の振れ中心角度θeが、歩行動作時における大腿部の理想の振れ中心角度θ0（θ0=0）からずれている場合に、前記ずれ角θeの程度に応じて前記大腿部に加わる負荷を大きくできる。一般的に、人は、歩行する際、無意識に大腿部に加わる負荷が小さくなるような歩き方をする。このため、人は、出力リンクの振れ中心角度θeが大腿部の理想とされる振れ中心角度θ0（θ0=0）に近づくように歩行する。即ち、人の歩行が理想の歩行に近づくようになり、歩行改善が行なわれる。
【００４９】
また、入力装置４４は、理想とされる歩行動作における大腿部の最大振れ角度ＡIをコントローラユニット５２に対して入力できるように構成されている。そして、コントローラユニット５２は、実際の歩行動作時の出力リンク３０の最大振れ角度Ａhが理想の最大振れ角度ＡIに近づくようにモータ４０を制御して可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRを変化させる。このため、人の歩行が理想の歩行に近づくようになり、歩行改善が行なわれる。また、歩容改善率εをコントローラユニット５２に入力できるように構成されているため、歩行改善を速やかに行なうか、あるいは緩やかに行なうか、個人の体の状態に合わせて調整できるようになる。
【００５０】
［実施形態２］
次に、図１１等に基づいて本発明の実施形態２に係るアシスト装置１０について説明する。本実施形態に係るアシスト装置１０は、人の歩行トレーニング等をアシストする装置である。ここで、本実施形態に係るアシスト装置１０における装置構成は、実施形態１において説明したアシスト装置１０における装置構成と同一であるため説明を省略する。本実施形態に係るアシスト装置１０では、歩行トレーニング等において大腿部に加える負荷の程度を決定する係数である負荷率γを使用する。ここで、負荷率γは、0以上の値である（0≦γ）。なお、本実施形態に係るアシスト装置１０では、実施形態１で説明したような歩行改善は行なわれないため、歩容改善率ε＝0に設定されており、これにより振幅修正ゲインα＝1となる。
【００５１】
先ず、歩行前に負荷率γが設定され（図１１  ステップＳ１２１）、前記負荷率γが入力装置４４によりコントローラユニット５２に入力される（ステップＳ１２２）。次に、人が歩行を開始すると（ステップＳ１２３）、出力リンク３０の回動角度を検出する角度検出器４３の信号がコントローラユニット５２に入力される（ステップＳ１２４）。これにより、コントローラユニット５２では、図６に示すように、所定のしきい値を用いて歩行周期Ｔを求め、さらに歩行周波数ｆと角周波数ωとを求める。次に、コントローラユニット５２では、出力リンク３０の回動角度θ、歩行周波数ｆ、前記負荷率γ等に対応した可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋR（モータ４０の回転軸４１の角度θ1）を演算する（ステップＳ１２５）。なお、モータ４０の回転軸４１の角度θ1の具体的な演算方法は後記する。そして、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRを制御することで出力リンク３０に加えるアシストトルクτ（τ＝ｋRθ）を調整する（ステップＳ１２６）。歩行中はステップＳ１２４からステップＳ１２６までの処理が繰り返し実行される。そして、歩行が終了すると（ステップＳ１２７）、アシスト装置１０は動作完了状態（エンド）となる。
【００５２】
＜可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRの具体的な演算手順について＞
次に、負荷率γを使用して可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRを求める手順を説明する。実際の歩行動作において、図８に示すように、脚部を上方に角度θだけ回動させる際に必要な運動トルクτHは、実施形態１で説明したように、［数６］の式で表される。
【数６】
0006569519.tif 000007
また、実際の歩行動作時における出力リンク３０の回動角度θを、図５に基づいて、θ＝Ａh×sinωｔと仮定する。なお、Ａhは、上記したように、出力リンク３０の最大触れ角度である。また、歩行改善を考慮していないため、振れ中心角度θeは零としている（θe＝0）。
【００５３】
出力リンク３０の回動角度θを［数６］の式に代入すると、実際の歩行状態での脚部の運動トルクτHは、次のようになる。即ち、τH＝−ＡhＪω2×sinωｔ＋Ａhｄ×cosωｔ＋Ａh×（ｋR＋ｍｇＬ）×sinωｔとなる。
この式を整理すると、τH＝Ａh×（ｋR＋ｍｇＬ−Ｊω2）×sinωｔ＋Ａhｄ×cosωｔとなる。
次に、実際の歩行状態での脚部の目標運動トルクをτH０とし、目標運動トルクτH０を負荷率γを使用して次のように表わす。即ち、目標運動トルクτH０＝γＡh×（ｍｇＬ−Ｊω2）×sinωｔ＋Ａhｄ×cosωｔと表わす。
実際の歩行状態での脚部の運動トルクτHを目標運動トルクτH０に等しくすると、Ａh×（ｋR＋ｍｇＬ−Ｊω2）＝γＡh×（ｍｇＬ−Ｊω2）となる。この式を整理すると、ｋR＝（γ−１）×（ｍｇＬ−Ｊω2）・・（２）となる。
【００５４】
ここで、例えば、負荷率γ＝0の場合を考える。この場合、γ＝0を上記した（２）式に代入することでｋR＝−（ｍｇＬ−Ｊω2）となる。この式を、実際の歩行状態での脚部の運動トルクτHの式、即ち、τH＝Ａh×（ｋR＋ｍｇＬ−Ｊω2）×sinωｔ＋Ａhｄ×cosωｔに代入すると、τH＝Ａhｄ×cosωｔとなり、実際の歩行状態での脚部の運動トルクτHは最小になる。即ち、可変剛性機構２０の働きで大腿部に加わる負荷が軽減される。次に、負荷率γ＝1の場合は、γ＝1を上記した（２）式に代入することでｋR＝0となる。即ち、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRが零になり、可変剛性機構２０が働かない状態となる。この場合、脚部の運動トルクτH＝Ａh×（ｍｇＬ−Ｊω2）×sinωｔ＋Ａhｄ×cosωｔになる。即ち、脚部の運動トルクτHは、最小のときの運動トルクτHよりもＡh×（ｍｇＬ−Ｊω2）×sinωｔだけ大きくなり、大腿部に加わる負荷が増加する。
【００５５】
次に、負荷率γ＝2の場合は、γ＝2を上記した（２）式に代入することでｋR＝（ｍｇＬ−Ｊω2）となる。この場合、脚部の運動トルクτH＝Ａh×2（ｍｇＬ−Ｊω2）×sinωｔ＋Ａhｄ×cosωｔになる。即ち、脚部の運動トルクτHは、最小のときの運動トルクτHよりもＡh×2（ｍｇＬ−Ｊω2）×sinωｔだけ大きくなり、可変剛性機構２０が働きで大腿部に加わる負荷がさらに増加する。即ち、負荷率γを適宜設定することで、歩行トレーニング等において大腿部に加える負荷の程度を調整することができる。
【００５６】
ここで、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋRは、実施形態１で説明したように、可変剛性機構２０の渦巻きバネ２４のバネ定数ｋ1と、モータ４０の回転角度θ1で表わすことができる。即ち、見かけの剛性ｋR＝ηｎ2ｋ1（１−θ1／ｎθ）で表わすことができる。このため、モータ４０の回転角度θ1＝（ｎ−ｋR／ηｎｋ1）×θにように制御することで、見かけの剛性ｋRを調整して、出力リンク３０に加わるアシストトルクτ（τ＝ｋRθ）を制御することができる。
【００５７】
＜変更例＞
ここで、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、本実施形態では、アシスト装置１０を歩行改善、あるいは歩行トレーニングに使用する例を示したが、スクワット等のトレーニングに使用することも可能である。また、本実施形態では、可変剛性機構２０の弾性体として渦巻きバネ２４を使用する例を示したが、渦巻きバネ２４の代わりにコイルバネを使用したり、ゴム状の弾性体を使用することも可能である。また、本実施形態では、可変剛性機構２０に減速機２６を使用する例を示したが、バネの強さによっては減速機２６を省略することも可能である。また、本実施形態では、左右両側に可変剛性機構２０、及び出力リンク３０を設ける例を示したが、トレーニングの種類によっては、片側にのみ設けることも可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１０・・・アシスト装置
１２・・・上体装着具（身体装着具）
１４・・・支持架台部（身体装着具）
２０・・・可変剛性機構
２４・・・渦巻きバネ（弾性体）
３０・・・出力リンク
４０・・・モータ（剛性可変アクチュエータ）
４３・・・角度検出器（角度検出手段）
４４・・・入力装置（入力手段）
５２・・・コントローラユニット（制御装置）
Ａh・・・・最大振れ角度
ＡI・・・・最大振れ角度
ｋR・・・・見かけの剛性
γ・・・・負荷率
ε・・・・歩容改善率
θe・・・ずれ角
τ・・・・アシストトルク
【図１】
0006569519.tif 000008
【図２】
0006569519.tif 000009
【図３】
0006569519.tif 000010
【図４】
0006569519.tif 000011
【図５】
0006569519.tif 000012
【図６】
0006569519.tif 000013
【図７】
0006569519.tif 000014
【図８】
0006569519.tif 000015
【図９】
0006569519.tif 000016
【図１０】
0006569519.tif 000017
【図１１】
0006569519.tif 000018