(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復揺動運動する運動体に接続されて、前記運動体の運動によってエネルギーを弾性体に蓄積するエネルギー蓄積モードと、前記弾性体に蓄積した前記エネルギーを放出して前記運動体の運動を支援するエネルギー放出モードと、を交互に繰り返す揺動関節装置であって、
揺動運動の中心となる揺動中心回りに揺動する第１出力部と、
前記第１出力部の揺動角度である第１揺動角度に応じて前記エネルギーを蓄積するまたは前記エネルギーを放出する前記弾性体と、
前記第１出力部から見た前記弾性体の見かけ上の剛性を可変とする見かけ上剛性可変手段と、
前記第１揺動角度を検出する第１角度検出手段と、
前記第１角度検出手段にて検出した前記第１揺動角度に応じて前記見かけ上剛性可変手段を制御して、前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、
前記第１揺動角度に応じて前記運動体に働く重力、
または前記第１揺動角度と前記運動体の運動状態、に応じて前記運動体に働く慣性力、
または前記第１出力部の往復揺動運動軌跡の中央位置、
の少なくとも１つと、
前記第１揺動角度と、に基づいて、前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整し、
前記運動体は、人体における股関節から膝までの大腿部と、膝から下となる下腿部と、であり、
前記下腿部は、前記大腿部に対して、膝関節である膝中心回りに揺動し、
前記第１出力部は、前記大腿部に接続されており、
前記第１出力部における前記膝中心に対応する位置には、前記第１出力部に対して前記膝中心回りに揺動可能な第２出力部が接続されており、
前記第２出力部は、前記下腿部に接続されており、
前記第１出力部に対する前記第２出力部の揺動角度である第２揺動角度を検出可能な第２角度検出手段を有し、
前記制御手段は、前記重力及び前記慣性力と、前記第１揺動角度と、に基づいて前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する場合、
前記第１出力部を含めた前記大腿部の質量である大腿部質量と、
前記揺動中心から、前記膝中心まで、の距離である大腿部長さと、
前記揺動中心から、前記第１出力部を含めた前記大腿部の重心まで、の距離である大腿部重心距離と、
前記第２出力部を含めた前記下腿部の質量である下腿部質量と、
前記下腿部の一方端となる前記膝中心から、前記下腿部の他方端まで、の距離である下腿部長さと、
前記膝中心から、前記第２出力部を含めた前記下腿部の重心まで、の距離である下腿部重心距離と、
前記第１出力部の揺動の角周波数と、
重力加速度と、
前記第１揺動角度と、
前記第２揺動角度と、
に基づいて、前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する、
揺動関節装置。
【請求項２】
請求項１に記載の揺動関節装置であって、
前記弾性体は、ゼンマイバネであり、
前記ゼンマイバネの一方端は、前記第１出力部の前記第１揺動角度に応じた角度で前記ゼンマイバネの中心であるバネ中心回りに旋回される第１出力部側入出力軸部に接続されており、
前記ゼンマイバネの他方端は、剛性調整用電動モータにて前記バネ中心回りに旋回される剛性調整部材に接続されており、
前記弾性体の見かけ上の剛性は、前記ゼンマイバネの見かけ上のバネ定数であり、
前記見かけ上剛性可変手段は、前記剛性調整用電動モータと前記剛性調整部材にて構成されており、前記剛性調整用電動モータにて前記剛性調整部材の旋回角度を調整することで、前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する、
揺動関節装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の揺動関節装置であって、
前記制御手段は、前記重力と、前記第１揺動角度と、に基づいて前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する場合、
前記第１出力部を含めた前記運動体の質量である運動体質量と、
前記揺動中心から、前記第１出力部を含めた前記運動体の重心まで、の距離である運動体重心距離と、
揺動の角周波数と、
重力加速度と、
前記第１揺動角度と、
に基づいて、前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する、
揺動関節装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の揺動関節装置であって、
前記制御手段は、前記重力及び前記中央位置と、前記第１揺動角度と、に基づいて前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する場合、
前記第１出力部を含めた前記運動体の質量である運動体質量と、
前記揺動中心から、前記第１出力部を含めた前記運動体の重心まで、の距離である運動体重心距離と、
揺動の角周波数と、
重力加速度と、
前記揺動中心と前記中央位置とを結ぶ仮想直線と、重力加速度方向と、がなす角度である中央角度と、
前記第１揺動角度と、
に基づいて、前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する、
揺動関節装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周期的な揺動運動をする揺動関節装置であって、関節の剛性が可変である揺動関節装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周期的な運動をする関節を制御する装置の例として、例えば特許文献１には、ユーザ（利用者）の下肢（股関節から足先まで）に補助力を与える歩行補助装置が開示されている。当該歩行補助装置は、ユーザの腰部を巻回するように装着される腰部装具と、股関節の側方からひざ関節の側方へと延びる連結バーと、ひざ関節の側方からふくらはぎへと延びる下腿部装具と、連結バーにおける股関節の側方の位置に取り付けられた股関節アクチュエータと、連結バーにおけるひざ関節の側方の位置に取り付けられたひざ関節アクチュエータと、を有している。そして股関節アクチュエータは、腰部装具の連結部に取り付けられ、股関節の側方にて、腰部装具に対して股関節回りに連結バーを前後に移動させる。また、ひざ関節アクチュエータは、ひざ関節の側方にて、連結バーに対してひざ関節回りに下腿部装具を前後に移動させる。また股関節アクチュエータとひざ関節アクチュエータは電動モータであり、当該電動モータへの電力は、腰部装具に取り付けられたバッテリから供給されている。
【０００３】
また特許文献２には、ユーザの下腿（ひざから足首まで）の運動を支援する歩行リハビリ装置が開示されている。当該歩行リハビリ装置は、ユーザの腰周りに配置されるコントローラと、股関節の側方からひざ関節の側方へと延びる大腿リンクと、ひざ関節の両側方のそれぞれから足首関節へと延びる下腿リンクと、ひざ関節の側方に配置されたモータと、足首関節から足裏へと延びる足リンクと、を有している。そしてモータは、大腿リンクと下腿リンクとの連結部であってひざ関節の側方に取り付けられ、ひざ関節の側方にて、大腿リンクに対してひざ関節回りに下腿リンクを前後に移動させる。またモータへの電力は、コントローラに内蔵されたバッテリから供給されている。
【０００４】
また特許文献３には、一方の脚が健脚で他方の脚が患脚であるユーザの患脚に装着されて、患脚の運動を支援する片脚式歩行支援機が開示されている。当該片脚式歩行支援機は、ユーザの腰の側方に配置される腰装着部と、股関節の側方からひざ関節の側方へと延びる大腿リンク部と、ひざ関節の側方から下方へと延びる下腿リンク部と、股関節の側方に配置されたトルク発生装置と、ひざ関節の側方に配置されたダンパーと、を有している。そしてトルク発生装置は、カムと圧縮バネによって構成され、健脚の振り出しによって患脚が後方に移動した際にトルクを発生させ、発生したトルクを用いて患脚の振り出しを支援しており、電動モータ等のアクチュエータを必要としていない。また、圧縮バネの初期圧縮量を調整可能に構成されており、発生トルクの大きさを可変としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４４３０４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１２５３８８号公報
【特許文献３】特開２０１３−２３６７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された歩行補助装置、及び特許文献２に記載された歩行リハビリ装置は、どちらも電動モータを用いて下肢または下肢の一部、の歩行動作を支援しているが、バッテリからの電力の供給が続かなければ支援することができない。また、歩行の支援が必要なユーザに、大きくて重いバッテリを持たせるわけにはいかないので、比較的小さく軽量のバッテリが用いられると推定される。また、特許文献１及び特許文献２には、電動モータの消費電力を軽減させるような特別な構成は示されていない。従って、特許文献１及び特許文献２に記載の支援装置は、連続動作時間が比較的短いと推定される。
【０００７】
また、特許文献３に記載の片脚式歩行支援機は、電動モータを用いることなく、カムと圧縮バネにて脚を振り出すためのトルクを発生させており、連続動作時間は特許文献１及び特許文献２よりも長い。しかし、ユーザ毎の体格の違い（下肢の慣性モーメントの違い）や、ユーザ毎の下肢の移動角度の違いや、ユーザの体調や、歩行場所の傾斜の違い等に対して、トルク発生装置の圧縮バネの上部に設けられた決定部の位置をマイナスドライバ等の工具で調整し、圧縮バネの初期圧縮量をユーザが手動で調整しなければならないので手間がかかる。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、運動する関節の剛性を自動的に調整することで運動によって発生するトルクを自動的に調整し、運動体を運動させる電動モータの消費電力、あるいは歩行時や走行時のユーザの負荷、をより低減することができる、揺動関節装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明に係る揺動関節装置は、次の手段をとる。まず、本発明の第１の発明は、往復揺動運動する運動体に接続されて、前記運動体の運動によってエネルギーを弾性体に蓄積するエネルギー蓄積モードと、前記弾性体に蓄積した前記エネルギーを放出して前記運動体の運動を支援するエネルギー放出モードと、を交互に繰り返す揺動関節装置であって、揺動運動の中心となる揺動中心回りに揺動する第１出力部と、前記第１出力部の揺動角度である第１揺動角度に応じて前記エネルギーを蓄積するまたは前記エネルギーを放出する前記弾性体と、前記第１出力部から見た前記弾性体の見かけ上の剛性を可変とする見かけ上剛性可変手段と、前記第１揺動角度を検出する第１角度検出手段と、前記第１角度検出手段にて検出した前記第１揺動角度に応じて前記見かけ上剛性可変手段を制御して、前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する制御手段と、を有する。そして、前記制御手段は、前記第１揺動角度に応じて前記運動体に働く重力、または前記第１揺動角度と前記運動体の運動状態、に応じて前記運動体に働く慣性力、または前記第１出力部の往復揺動運動軌跡の中央位置、の少なくとも１つと、前記第１揺動角度と、に基づいて、前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する、揺動関節装置である。
【００１０】
次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係る揺動関節装置であって、前記弾性体は、ゼンマイバネであり、前記ゼンマイバネの一方端は、前記第１出力部の前記第１揺動角度に応じた角度で前記ゼンマイバネの中心であるバネ中心回りに旋回される第１出力部側入出力軸部に接続されており、前記ゼンマイバネの他方端は、剛性調整用電動モータにて前記バネ中心回りに旋回される剛性調整部材に接続されており、前記弾性体の見かけ上の剛性は、前記ゼンマイバネの見かけ上のバネ定数であり、前記見かけ上剛性可変手段は、前記剛性調整用電動モータと前記剛性調整部材にて構成されており、前記剛性調整用電動モータにて前記剛性調整部材の旋回角度を調整することで、前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する、揺動関節装置である。
【００１１】
次に、本発明の第３の発明は、上記第１の発明または第２の発明に係る揺動関節装置であって、前記制御手段は、前記重力と、前記第１揺動角度と、に基づいて前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する場合、前記第１出力部を含めた前記運動体の質量である運動体質量と、前記揺動中心から、前記第１出力部を含めた前記運動体の重心まで、の距離である運動体重心距離と、揺動の角周波数と、重力加速度と、前記第１揺動角度と、に基づいて、前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する、揺動関節装置である。
【００１２】
次に、本発明の第４の発明は、上記第１の発明または第２の発明に係る揺動関節装置であって、前記運動体は、人体における股関節から膝までの大腿部と、膝から下となる下腿部と、であり、前記下腿部は、前記大腿部に対して、膝関節である膝中心回りに揺動し、前記第１出力部は、前記大腿部に接続されており、前記第１出力部における前記膝中心に対応する位置には、前記第１出力部に対して前記膝中心回りに揺動可能な第２出力部が接続されており、前記第２出力部は、前記下腿部に接続されており、前記第１出力部に対する前記第２出力部の揺動角度である第２揺動角度を検出可能な第２角度検出手段を有する。そして、前記制御手段は、前記重力及び前記慣性力と、前記第１揺動角度と、に基づいて前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する場合、前記第１出力部を含めた前記大腿部の質量である大腿部質量と、前記揺動中心から、前記膝中心まで、の距離である大腿部長さと、前記揺動中心から、前記第１出力部を含めた前記大腿部の重心まで、の距離である大腿部重心距離と、前記第２出力部を含めた前記下腿部の質量である下腿部質量と、前記下腿部の一方端となる前記膝中心から、前記下腿部の他方端まで、の距離である下腿部長さと、前記膝中心から、前記第２出力部を含めた前記下腿部の重心まで、の距離である下腿部重心距離と、前記第１出力部の揺動の角周波数と、重力加速度と、前記第１揺動角度と、前記第２揺動角度と、に基づいて、前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する、揺動関節装置である。
【００１３】
次に、本発明の第５の発明は、上記第１の発明または第２の発明に係る揺動関節装置であって、前記制御手段は、前記重力及び前記中央位置と、前記第１揺動角度と、に基づいて前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する場合、前記第１出力部を含めた前記運動体の質量である運動体質量と、前記揺動中心から、前記第１出力部を含めた前記運動体の重心まで、の距離である運動体重心距離と、揺動の角周波数と、重力加速度と、前記揺動中心と前記中央位置とを結ぶ仮想直線と、重力加速度方向と、がなす角度である中央角度と、前記第１揺動角度と、に基づいて、前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する、揺動関節装置である。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、制御手段を用いて、第１揺動角度に応じて見かけ上剛性可変手段を制御することで、第１出力部を含む運動体の揺動運動に対して、揺動運動を支援するために必要なトルクの大きさを自動的に調整するので、手間なくトルクを調整することができる。また、弾性体を用いて、エネルギーの蓄積とエネルギーの放出とを交互に行うことで、揺動運動を支援するために必要なトルクを発生させている。さらに、運動体に働く重力または運動体に働く慣性力または往復揺動運動軌跡の中央位置、の少なくとも１つと、第１揺動角度と、に基づいて、弾性体の見かけ上の剛性を調整することで、見かけ上の剛性を、より適切に制御することができる。これにより、例えば運動体が、電動モータ等によって揺動運動される場合では、電動モータの消費電力をより低減することができる。また例えば運動体が、ユーザの脚である場合、歩行時や走行時のユーザの負荷（脚を動かすエネルギー）をより低減することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、弾性体にゼンマイバネを用い、例えばユーザの脚を運動体とした場合ではユーザの歩行や走行等の動作に応じて、第１出力部から見た見かけ上のバネ定数（剛性）を適切に調整する。そして運動体の動作に応じて、第１出力部から見た見かけ上のバネ定数（剛性）を調整することで、ゼンマイバネへのエネルギーの蓄積と、ゼンマイバネからのエネルギーの放出と、をスムーズかつ適切に行うことができる。
【００１６】
第３の発明によれば、運動体質量と、運動体重心距離と、揺動角周波数と、重力加速度と、第１揺動角度と、を用いて、運動体に働く重力と第１揺動角度とに基づいて、弾性体の見かけ上の剛性を調整する。これにより、運動体に働く重力の影響を考慮して、見かけ上の剛性を、より正確に制御することができる。
【００１７】
第４の発明によれば、大腿部質量と、大腿部長さと、大腿部重心距離と、下腿部質量と、下腿部長さと、下腿部重心距離と、第１出力部の揺動角周波数と、重力加速度と、第１揺動角度と、第２揺動角度と、を用いて、大腿部及び下腿部に働く重力及び慣性力と、第１揺動角度と、に基づいて、弾性体の見かけ上の剛性を調整する。これにより、大腿部及び下腿部に働く重力及び慣性力の影響を考慮して、見かけ上の剛性を、より正確に制御することができる。
【００１８】
第５の発明によれば、運動体質量と、運動体重心距離と、揺動角周波数と、重力加速度と、中央角度と、第１揺動角度と、を用いて、運動体に働く重力及び中央位置と、第１揺動角度と、に基づいて、弾性体の見かけ上の剛性を調整する。これにより、運動体に働く重力及び中央位置の影響を考慮して、見かけ上の剛性を、より正確に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】揺動関節装置を構成する各構成要素の概略形状、及び組み付け位置を説明する分解斜視図である。
【図２】図１に示した各構成要素を組み付けて構成した揺動関節装置の斜視図である。
【図３】図２に示した揺動関節装置をユーザ（ユーザの腕の記載は省略）に装着した状態を説明する図である。
【図４】大腿揺動アーム（第１出力部）の揺動状態、及び下腿アーム（第２出力部）の揺動の例を説明する図である。
【図５】図１におけるＶ部の拡大図であり、ゼンマイバネ及び見かけ上バネ定数可変手段の構成を説明する分解斜視図である。
【図６】図２をＶＩ方向から見た図であり、駆動軸部材の駆動軸に同軸状に設けられた各部材の配置を説明する図である。
【図７】図６をＶＩＩ方向から見た図であり、大腿揺動アームの第１揺動角度に対して、変速機の変速出力軸部材の変速後揺動角度が所定の変速比で増幅された状態を説明する図である。
【図８】大腿揺動アームの揺動角度がゼロの場合においてゼンマイバネに付勢トルクが発生していない状態を示しており、バネ支持体（すなわち、バネ固定端）における駆動軸に対する基準位置を示す斜視図である。
【図９】図８の状態から、剛性調整部材を所定旋回角度だけ旋回させて、駆動軸に対するバネ支持体の位置を基準位置から移動させた状態を示す図である。
【図１０】図９の状態から大腿揺動アームが前方に揺動した場合におけるゼンマイバネの自由端と固定端の周囲を示す図である。
【図１１】図９の状態から大腿揺動アームが後方に揺動した場合におけるゼンマイバネの自由端と固定端の周囲を示す図である。
【図１２】制御手段の入出力を説明する図である。
【図１３】第１の実施の形態（重力の影響を考慮）の処理手順の例を説明するフローチャートである。
【図１４】第１の実施の形態（重力の影響を考慮）を説明するための模式図である。
【図１５】第１の実施の形態によるエネルギー低減効果の例を説明する図である。
【図１６】第２の実施の形態（重力の影響と、慣性モーメントの変化の影響と、を考慮）の処理手順の例を説明するフローチャートである。
【図１７】第２の実施の形態（重力の影響と、慣性モーメントの変化の影響と、を考慮）を説明するための模式図である。
【図１８】第２の実施の形態における慣性モーメントの変化の例を説明する図である。
【図１９】第２の実施の形態によるエネルギー低減効果の例を説明する図である。
【図２０】第３の実施の形態（重力の影響と、往復揺動運動軌跡の中央位置の影響と、を考慮）の処理手順の例を説明するフローチャートである。
【図２１】第３の実施の形態（重力の影響と、往復揺動運動軌跡の中央位置の影響と、を考慮）を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
まず、以下に本発明を実施するための揺動関節装置１の全体構造について、図面を用いて順に説明する。なお、各図においてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が記載されている場合、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸は互いに直交しており、特に記載がない場合、Ｚ軸方向は鉛直下向き方向を示し、Ｘ軸方向はユーザ（揺動関節装置を装着したユーザ）に対する後ろ方向を示し、Ｙ軸方向はユーザに対する左方向を示している。なお本明細書では、図１に示す「大腿揺動アーム１３」が「第１出力部」に相当し、「下腿アーム３５」が「第２出力部」に相当している。また「電動モータ２１」が「剛性調整用電動モータ」に相当している。また、以下の説明において、駆動軸部材６が凸状の部材である例を示しているが、駆動軸部材６は、凸形状の軸であってもよいし、軸を支持する凹形状（孔形状）であってもよい。従って、「駆動軸部材６回り」という記載は、「駆動軸部材６の中心軸である駆動軸線６Ｊ回り」あるいは「揺動中心回り」と同じことを示す。なお「駆動軸線６Ｊ」は「駆動軸」に相当している。また、変速機２５の「シャフト２５Ａ」は「第１出力部側入出力軸部」に相当している。また、「電動モータ２１」は「剛性調整用電動モータ」に相当している。そして「剛性調整部材２３」と「電動モータ２１」は「見かけ上バネ定数可変手段」に相当している。また、「ゼンマイバネ２４」は「弾性体」に相当している。また、「剛性」とは、大腿揺動アーム１３を揺動させるために必要とする単位角度変位あたりのトルクを指す。
【００２１】
●●［揺動関節装置１の全体構成（図１〜図４）］
揺動関節装置１は、ユーザの片脚、あるいはユーザの両脚、に取り付けられて、例えば、ユーザの歩行または走行等の動作を支援する。以下、ユーザの左脚に揺動関節装置１を取り付けた例で説明する。図１に示すように、揺動関節装置１は、符号２、３、４、５、６等にて示したユーザ装着部と、符号１３、１９等にて示した大腿揺動部と、符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した剛性調整部と、符号３５、３９等にて示した下腿揺動部と、にて構成されている。なお、図１は揺動関節装置１の各構成要素の形状と組み付け位置等を示す分解斜視図であり、各構成要素を組み付けた状態の揺動関節装置１を図２に示す。また図３は揺動関節装置１をユーザに装着した状態を説明しており、図４は大腿揺動アーム１３及び下腿アーム３５の揺動の例を示している。
【００２２】
●［ベース部２、腰装着部３、肩ベルト４、制御ユニット５、駆動軸部材６等にて構成されたユーザ装着部（図１〜図４）］
ベース部２は、腰装着部３に固定され、前記大腿揺動部、前記剛性調整部、前記下腿揺動部を保持するためのベース（基板）となる部材である。またベース部２には、揺動関節装置１を装着したユーザの股関節の側方に相当する位置に、Ｙ軸にほぼ平行に延びる駆動軸部材６が取り付けられている。なお、駆動軸部材６は、大腿揺動アーム１３の貫通孔１３Ｈに挿通される。なお駆動軸線６Ｊは、駆動軸部材６の中心軸線（揺動中心軸線）を示している。
【００２３】
腰装着部３は、ユーザの腰に巻回されてユーザの腰に固定される部材であり、ユーザの腰周りの寸法に応じて調整可能に構成されている。また腰装着部３には、ベース部２が固定され、肩ベルト４の一方端と他方端が接続されている。
【００２４】
肩ベルト４は、一方端が腰装着部３の前面側に接続され、他方端が腰装着部３の背面側に接続され、長さを調節可能に構成されており、制御ユニット５が取り付けられている。ユーザは、肩ベルト４の長さを調節して自身の肩に肩ベルト４を装着することで、背中に制御ユニット５をバックパックのように背負うことができる。
【００２５】
制御ユニット５は、図１２に示すように、電動モータ２１を制御する制御手段５０と、当該制御手段５０及び電動モータ２１への電力を供給するバッテリ６０等を収容している。なお制御手段５０については、図１２を用いて後述する。
【００２６】
●［大腿揺動アーム１３、大腿装着部１９等にて構成された大腿揺動部（図１〜図４）］
大腿揺動アーム１３は、円板部１３Ｇと、円板部１３Ｇから下方に延びるアーム部にて構成されている。そして円板部１３Ｇの中心には貫通孔１３Ｈが形成されており、貫通孔１３Ｈには駆動軸部材６が挿通される。従って、大腿揺動アーム１３は、駆動軸部材６回りに揺動自在に支持される。また大腿揺動アーム１３の貫通孔１３Ｈは、ユーザの股関節の側方に相当する位置に配置され、大腿揺動アーム１３の下端に設けられたリンク孔１３Ｌは、ユーザのひざ関節の側方に相当する位置に配置される。なお、大腿揺動アーム１３の下方に延びる長さは調整可能に構成されており、ユーザは、自身のひざ関節の位置に応じて、リンク孔１３Ｌの上下方向の位置を調整可能である。
【００２７】
また大腿揺動アーム１３には、大腿装着部１９が取り付けられ、大腿装着部１９は、ユーザの大腿部（ふとももの周囲）にあてがわれ、ユーザの大腿部へ大腿揺動アーム１３を装着することを容易にする。また円板部１３Ｇは、変速機２５の入出力部２５Ｃ（図５参照）に固定され、変速機２５の入出力部２５Ｃは大腿揺動アーム１３と一体となって揺動する。従って、変速機２５の入出力部２５Ｃは、大腿揺動アーム１３の揺動角度と同じ角度で、駆動軸線６Ｊ回りに揺動する。また大腿揺動アーム１３には、ベース部２（あるいは駆動軸部材６）に対する大腿揺動アーム１３の揺動角度である第１揺動角度を検出することが可能な第１角度検出手段１３Ｓ（例えばエンコーダ）が設けられている。
【００２８】
●［下腿アーム３５、下腿装着部３９等にて構成された下腿揺動部（図１〜図４）］
下腿アーム３５には、大腿揺動アーム１３の下端のリンク孔１３Ｌと接続するためのリンク孔３５Ｌが形成されている。なお、下腿アーム３５の下方に延びる長さはユーザの下腿に合うように調整可能に構成されている。また下腿アーム３５には、下腿装着部３９が取り付けられ、下腿装着部３９は、ユーザの下腿（ふくらはぎの周囲）にあてがわれ、ユーザの下腿部へ下腿アーム３５を装着することを容易にする。また下腿アーム３５には、大腿揺動アーム１３に対する下腿アーム３５の揺動角度である第２揺動角度を検出することが可能な第２角度検出手段３５Ｓ（例えばエンコーダ）が設けられている。
【００２９】
●［ユーザに装着された揺動関節装置１の動作（図４）］
次に図４を用いて、ユーザの大腿部ＵＬ１に装着された大腿揺動アーム１３の動作と、ユーザの下腿部ＵＬ２に装着された下腿アーム３５の動作を説明する。なお、図４において実線にて示す大腿揺動アーム１３、下腿アーム３５、の位置を、各アームの初期位置（ユーザが直立状態で静止した位置）とする。
【００３０】
ユーザが、大腿部ＵＬ１を前方に振り出すと、大腿揺動アーム１３は初期位置から角度θａにて前方に振り出される。また、大腿揺動アーム１３に対する下腿アーム３５の揺動角度は角度θｂとされる。このとき、後述するように電動モータ２１を用いてゼンマイバネ２４の固定端の旋回角度を調整することで、大きなトルクが必要である大腿部の振り出しを、適切に低減してユーザの負荷を軽減する。また、電動モータ２１を用いてゼンマイバネ２４の固定端の旋回角度を調整しながら大腿部ＵＬ１の前方への振り出しのエネルギーをゼンマイバネ２４に蓄積する。さらに、電動モータ２１を用いてゼンマイバネ２４の固定端の旋回角度を調整しながら、ゼンマイバネ２４に蓄積したエネルギーを放出させて、大腿部ＵＬ１の後方への振り出しに利用する。同様に、大腿部ＵＬ１を後方に振り出した際のエネルギーをゼンマイバネ２４に蓄えて大腿部ＵＬ１を前方に振り出す際に利用する。
【００３１】
このように、揺動関節装置１は、運動体（この場合、大腿揺動アーム１３及びユーザの大腿部ＵＬ１と、下腿アーム３５及びユーザの下腿部ＵＬ２）の揺動運動によってエネルギーを蓄積するエネルギー蓄積モードと、蓄積したエネルギーを放出して運動体の揺動運動を支援するエネルギー放出モードと、を交互に繰り返す。次に、ゼンマイバネ２４を含む剛性調整部について説明する。
【００３２】
●［電動モータ２１、ブラケット２２、剛性調整部材２３、ゼンマイバネ２４、変速機２５等にて構成された剛性調整部（図１〜図３、図５〜図７）］
ブラケット２２は、ベース部２に対して、電動モータ２１を固定する部材であり、電動モータ２１の回転軸を挿通するための貫通孔２２Ｈが設けられて、ベース部２に固定される。また、図１、図６に示すように、大腿揺動アーム１３の円板部１３Ｇの貫通孔１３Ｈ、変速機２５のシャフト２５Ａ、ゼンマイバネ２４の中心軸、剛性調整部材２３の貫通孔２３Ｈ、ブラケット２２の貫通孔２２Ｈ、電動モータ２１の出力軸２１Ｄ、は駆動軸線６Ｊと同軸に配置されている。
【００３３】
変速機２５（減速機）は、図５に示すように、入出力部２５Ｃが、大腿揺動アーム１３の円板部１３Ｇに固定されている。そして変速機２５は、予め設定された変速比［ｎ］に基づいて、入出力部２５Ｃへの入力旋回角度θをｎ倍した出力旋回角度ｎθをシャフト２５Ａの旋回角度として出力する。従って、変速機２５は、図７に示すように、大腿揺動アーム１３が第１揺動角度（θｆ）で揺動すると、所定の変速比（ｎ）で変速した変速後揺動角度（ｎθｆ）で揺動するシャフト２５Ａを有している。またシャフト２５Ａには、図５に示すように、ゼンマイバネ２４の自由端２４Ｂの側を固定するための駆動軸線６Ｊ方向に延びる溝であるバネ自由端挿通溝２５Ｂが形成されている。なお変速機２５は、ゼンマイバネ２４からの付勢トルクによってシャフト２５Ａが角度θだけ旋回されると、大腿揺動アーム１３を旋回角度θ・（１／ｎ）だけ旋回させる。
【００３４】
ゼンマイバネ２４は、所定の軸回りに螺旋状にバネ材等の弾性体が巻回されており、図５に示すように、巻回の中心部近傍に位置している端部である一方端を自由端２４Ｂ、巻回の中心部から離れた位置に位置している端部である他方端を固定端２４Ａとしている。なお、図５において、自由端２４Ｂはシャフト２５Ａのバネ自由端挿通溝２５Ｂに固定され、固定端２４Ａは剛性調整部材２３のバネ支持体２３Ｊに固定される。
【００３５】
剛性調整部材２３には、電動モータ２１の先端部の出力軸２１Ｄが挿通される貫通孔２３Ｈが形成されて出力軸２１Ｄにて支持され、ブラケット２２及び電動モータ２１にてベース部２に対して固定されている。また剛性調整部材２３のゼンマイバネ２４に対向する面には、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａを支持するバネ支持体２３Ｊが、駆動軸線６Ｊから離れた位置に設けられている。例えばバネ支持体２３Ｊは駆動軸線６Ｊ方向に沿って延びる軸状部材であり、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置に形成された筒状部に挿通される。そして剛性調整部材２３は、電動モータ２１にて駆動軸線６Ｊ回りに旋回され、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置を周方向に可変とする。このように剛性調整部材２３は、駆動軸線６Ｊ回りに旋回自在に支持されて、駆動軸線６Ｊ回りに所定旋回角度で旋回されることで、駆動軸線６Ｊに対するバネ支持体２３Ｊの位置を、駆動軸線６Ｊ回りに所定旋回角度分だけ周方向に移動させる。
【００３６】
電動モータ２１は、先端に出力軸２１Ｄが設けられている。また、出力軸２１Ｄに減速機を設けてもよい。そして、出力軸２１Ｄはブラケット２２の貫通孔２２Ｈに挿通され、電動モータ２１はブラケット２２に固定され、ブラケット２２はベース部２に固定されている。また電動モータ２１には、制御ユニット５に収容されているバッテリ及び制御手段から駆動信号とともに電力が供給されている。そして電動モータ２１は、ブラケット２２（すなわちベース部２）に対して駆動軸線６Ｊ回りに剛性調整部材２３を旋回させ、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置を周方向に移動させることができる。また電動モータ２１には、エンコーダ等の回転角度検出手段２１Ｓが設けられている。回転角度検出手段２１Ｓは電動モータ２１のシャフトの回転角度に応じた信号を制御手段に出力する。そして制御手段５０は、回転角度検出手段２１Ｓからの検出信号に基づいて、剛性調整部材２３の旋回角度を検出することが可能である。なお、ブラケット２２やベース部２に、ブラケット２２に対する剛性調整部材２３の旋回角度を検出する角度検出手段（角度センサ）を設けるようにしてもよい。また、電動モータ２１は、制御手段５０により制御されており、固定端２４Ａの位置は、所定の位置に維持されている。また、電動モータ２１に通電しないで固定端２４Ａの位置を維持するために機械式ブレーキなどを設けるようにしてもよい。また、出力軸２１Ｄに設けられた減速機で、固定端２４Ａの位置を所定の位置に維持してもよい。
【００３７】
●［ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置と、剛性調整角度θｓ（図８〜図１１）］
図８は、図３に示すユーザＴ（利用者）が直立状態であり、大腿揺動アーム１３の揺動角度がゼロの場合の例であって、ゼンマイバネ２４の付勢トルクがゼロの場合の例を示している。そして図８の例におけるゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置では、自由端２４Ｂには、駆動軸線６Ｊ回りの時計回り方向の付勢トルクも、駆動軸線６Ｊ回りの『反』時計回り方向の付勢トルクも、発生していない状態の例を示している。そして図８に示す基準線Ｊｓは、大腿揺動アーム１３の揺動角度がゼロの際に、自由端２４Ｂに付勢トルクが発生しないように固定端２４Ａの位置を調整した場合（剛性調整部材２３の旋回角度を調整した場合）において、駆動軸線６Ｊとバネ自由端挿通溝２５Ｂとを通る仮想直線であり、シャフト２５Ａの基準旋回角度位置を示している。また、この図８の例に示す固定端２４Ａ（バネ支持体２３Ｊ）の位置を、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａ（バネ支持体２３Ｊ）の基準位置とする。なお図８の例は、説明を容易にするために、大腿揺動アーム１３の揺動角度がゼロの場合に、基準線Ｊｓが鉛直方向であり、且つ基準線Ｊｓ上に固定端２４Ａがある場合の例を示している。
【００３８】
また図９は、図８に示した状態から、電動モータ２１を駆動させ、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置を、上記の基準位置から時計回り方向に回転角度（θｓ）だけ周方向に移動した位置へと変更した状態を示している。この状態を、「ゼンマイバネ２４に、時計回り方向に剛性調整角度θｓを付与した状態」とする。この状態では、ユーザＴが直立状態で大腿揺動アーム１３の揺動角度がゼロであっても、時計回り方向の剛性調整角度θｓによってシャフト２５Ａにゼンマイバネ２４の付勢トルクが働き、シャフト２５Ａから変速機２５を介して大腿揺動アーム１３に付勢トルクが働いている。
【００３９】
また図１０は、図９に示した「時計回り方向の剛性調整角度θｓ」を付与している状態において、大腿揺動アーム１３を時計回り方向に揺動角度θｆで揺動させた場合の例を示している。変速機２５の変速比を［ｎ］とした場合、大腿揺動アーム１３が時計回り方向に揺動角度θｆで揺動すると、変速機２５のシャフト２５Ａは時計回り方向に揺動角度ｎθｆで揺動する。すなわち、図１０に示す例では、ゼンマイバネ２４には、揺動角度ｎθｆから剛性調整角度θｓだけ減算した角度（ｎθｆ−θｓ）に応じた、『反』時計回り方向の付勢トルクが発生していることになる。
【００４０】
また図１１は、図９に示した「時計回り方向の剛性調整角度θｓ」を付与している状態において、大腿揺動アーム１３を『反』時計回り方向に揺動角度θｒで揺動させた場合の例を示している。変速機２５の変速比を［ｎ］とした場合、大腿揺動アーム１３が『反』時計回り方向に揺動角度θｒで揺動すると、変速機２５のシャフト２５Ａは『反』時計回り方向に揺動角度ｎθｒで揺動する。すなわち、図１１に示す例では、ゼンマイバネ２４には、揺動角度ｎθｒと剛性調整角度θｓを加算した角度（ｎθｒ＋θｓ）に応じた、時計回り方向の付勢トルクが発生していることになる。以上に説明した変速機２５（変速機２５は省略してもよい）、ゼンマイバネ２４、剛性調整部材２３、電動モータ２１（剛性調整用電動モータ）にて、大腿揺動アーム１３から見た見かけ上バネ定数可変手段が構成されている。そして、この見かけ上バネ定数可変手段は、駆動軸線６Ｊ回りの剛性を可変としている。このように、「剛性」とは、大腿揺動アーム１３を揺動させるために必要とする単位角度変位あたりのトルクを指し、大腿揺動アーム１３から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数は当該トルクに関連している。従って、「大腿揺動アーム１３から見た弾性体（ゼンマイバネ）の見かけ上の剛性」は、「大腿揺動アーム１３から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数」であり、バネ定数は、剛性の一種とされている。そして、弾性体の剛性を可変させて、エネルギーを最適に保存し、保存したエネルギーを最適に放出することが可能である。また、「大腿揺動アーム１３から見た弾性体の見かけ上の剛性を可変とする見かけ上剛性可変手段」は、「大腿揺動アーム１３から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数を可変とする見かけ上バネ定数可変手段」である。
【００４１】
●［制御手段の入出力（図１２）］
次に図１２を用いて、制御手段５０の入出力について説明する。制御ユニット５には、制御手段５０及びバッテリ６０が収容されている。また制御ユニット５は、起動スイッチ５４、入出力手段であるタッチパネル５５、バッテリ６０への充電用コネクタ６１等が設けられている。また制御手段５０（制御装置）は、ＣＰＵ５０Ａ、モータドライバ５２等を有している。なお、制御手段５０の処理を実行させるためのプログラムや各種の計測結果等を記憶する記憶装置も備えているが、図示省略する。
【００４２】
制御手段５０は、後述するように、大腿揺動アーム１３から見たゼンマイバネ２４の見かけ上バネ定数が最適な値となる剛性調整部材２３の回転角度である目標剛性調整角度を求め、モータドライバ５２を介して駆動信号を電動モータ２１に出力する。電動モータ２１は制御手段５０からの駆動信号に基づいて出力軸２１Ｄを介して剛性調整部材２３を回転させる。また電動モータ２１のシャフトの回転速度や回転量は、回転角度検出手段２１Ｓにて検出され、検出信号はモータドライバ５２に入力されるとともにモータドライバ５２を介してＣＰＵ５０Ａに入力される。ＣＰＵ５０Ａは、回転角度検出手段２１Ｓからの検出信号に基づいた実際の剛性調整部材２３の回転角度が、目標剛性調整角度に近づくようにフィードバック制御する。
【００４３】
また、制御手段５０には、第１角度検出手段１３Ｓからの検出信号と、第２角度検出手段３５Ｓからの検出信号と、が入力されている。制御手段５０は、第１角度検出手段１３Ｓからの検出信号に基づいて、ベース２に対する大腿揺動アーム１３の第１揺動角度を検出することができる。また制御手段５０は、第２角度検出手段３５Ｓからの検出信号に基づいて、大腿揺動アーム１３に対する下腿アーム３５の第２揺動角度を検出することができる。
【００４４】
起動スイッチ５４は、制御手段５０を起動するためのスイッチである。またタッチパネル５５は、ユーザの身長や体重等の入力や、設定状態の表示等を行うための装置である。また充電用コネクタ６１は、バッテリ６０を充電する際に、充電用ケーブルが接続されるコネクタである。
【００４５】
●●［第１の実施の形態（重力の影響を考慮）における制御手段の処理手順（図１３〜図１５）］
次に、図１３〜図１５を用いて、大腿揺動アーム１３を含めたユーザの下肢である運動体（大腿揺動アーム１３＋大腿部ＵＬ１＋下腿部ＵＬ２（図４参照））にかかる重力の影響を考慮した、第１の実施の形態における制御手段の処理手順の例について説明する。なお、第１の実施の形態における揺動関節装置は、図１〜図４に示す構成において下腿アーム３５を、特に必要としない。下腿アーム３５を省略した場合は、下記の運動体の質量ｍ１を、「大腿揺動アーム１３＋大腿部ＵＬ１＋下腿部ＵＬ２の質量」とすればよい。下腿アーム３５を省略しない場合は、下記の運動体の質量ｍ１を、「大腿揺動アーム１３＋大腿部ＵＬ１＋下腿アーム３５＋下腿部ＵＬ２の質量」とすればよい。
【００４６】
●［制御手段の処理手順（図１３）］
次に図１３に示すフローチャートを用いて、制御手段５０の処理手順について説明する。ユーザが制御ユニットの起動スイッチを操作すると、制御手段はステップＳ１１０に進む。
【００４７】
ステップＳ１１０にて制御手段は、タッチパネルからのユーザの初期設定入力を待つ。ユーザからの身長と体重の入力を確認すると、制御手段はステップＳ１２０に進む。なお制御手段は、所定時間が経過してもユーザからの入力が確認されない場合、例えば、予め設定された標準身長と標準体重を設定してステップＳ１２０に進む。
【００４８】
ステップＳ１２０にて制御手段は、所定期間の間、ユーザの歩行状態（または走行状態）を計測し、計測時間に対応させて第１角度検出手段１３Ｓからの検出信号を計測データとして記憶装置に記憶する。そして制御手段は、例えば所定歩数あるいは所定時間の間、計測データを収集すると、ステップＳ１３０に進む。
【００４９】
ステップＳ１３０にて制御手段は、第１角度検出手段１３Ｓからの検出信号に基づいた計測データから、大腿揺動アームの第１揺動角度θ等を算出する。そして制御手段は、第１揺動角度θの時間推移から角周波数ω等を推定し、ステップＳ１４０に進む。
【００５０】
ステップＳ１４０にて制御手段は、ステップＳ１１０にて入力されたユーザの身長及び体重、ステップＳ１３０にて算出した、大腿揺動アームの第１揺動角度θ、大腿揺動アームの角周波数ω等に基づいて、エネルギー低減効果が最大となる、ゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋを計算し、ステップＳ１５０に進む。なお、ゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋの詳細な算出手順については後述する。
【００５１】
ステップＳ１５０にて制御手段は、ゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋを満たすように、電動モータ２１の回転角度θ１（剛性調整部材２３の回転角度）を計算し、ステップＳ１６０に進む。なお、電動モータ２１の回転角度θ１（剛性調整部材２３の回転角度）の詳細な算出手順については後述する。
【００５２】
ステップＳ１６０にて制御手段は、剛性調整部材２３の回転角度がθ１となるように、電動モータ２１を制御して、ステップＳ１７０に進む。
【００５３】
ステップＳ１７０にて制御手段は、歩行状態（または走行状態）をモニタし、ユーザが歩行動作（または走行動作）の支援の停止を所望しているか否かを判定し、支援の停止を所望していると判定した場合（Ｙｅｓ）は、制御を終了し、支援の停止を所望していないと判定した場合（Ｎｏ）はステップＳ１２０に戻る。
【００５４】
●［運動体から見たゼンマイバネの見かけ上の剛性ｋと、電動モータ２１の回転角度θ１の算出方法］
以下、下記のように定義して説明する。なお、例えば下記のｌｇ、Ｊ１、ｍ１は、入力されたユーザの身長、体重等に基づいて制御手段５０が推定する。また、ｃ１、ｋ１、ｎ、ηは予め制御手段５０に設定されている。
τ：図１４に示す駆動軸線６Ｊ回りの駆動トルク［Ｎｍ］
τ１：電動モータ２１のモータトルク［Ｎｍ］
Ｊ１：運動体の慣性モーメント［ｋｇｍ２］
ｃ１：運動体の粘性係数［Ｎｍｓ／ｒａｄ］
ｋ：運動体から見たゼンマイバネ２４の見かけ上の剛性（バネ定数）［Ｎｍ／ｒａｄ］
ｋ１：ゼンマイバネ２４のもともとのバネ定数［Ｎｍ／ｒａｄ］
ｍ１：運動体の質量［ｋｇ］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
ｌｇ：揺動中心である駆動軸線６Ｊから運動体の重心ＵＬｇまでの距離［ｍ］
θ：運動体の揺動角度（大腿揺動アーム１３の変位角）［ｒａｄ］
｜θ｜：運動体の変位角の振幅［ｒａｄ］
θ´：ゼンマイバネ２４のねじり量［ｒａｄ］
θ１：電動モータ２１の回転角度（剛性調整部材２３の回転角度）［ｒａｄ］
ω：運動体の角周波数［ｒａｄ／ｓ］
ｔ：時間［ｓ］
ｎ：変速機２５の減速比［−］
η：変速機２５の効率［−］
【００５５】
運動体の運動方程式は、下記の（式１）にて表すことができる。そして（式１）に対して５次のTaylor展開を用いると、下記の（式１−１）を得ることができる。
【数１】
0006690229.tif 000002
【数２】
0006690229.tif 000003
【００５６】
ここで、（式１−２）のようにおくと、下記の（式１−３）を得ることができる。
【数３】
0006690229.tif 000004
【数４】
0006690229.tif 000005
【００５７】
また、大腿揺動アーム１３の変位角θ、運動体の変位角の振幅｜θ｜は、下記の（式２−１）、（式２−２）にて表すことができる。また、（式１−２）、（式２−２）から（式２−３）を得ることができる。
【数５】
0006690229.tif 000006
｜θ｜＝ａ／（ｄω）    （式２−２）
ａ＝｜θ｜ｃ１ω    （式２−３）
【００５８】
また、（式１−３）に（式２−３）を代入して、下記の（式２−４）を得ることができる。
【数６】
0006690229.tif 000007
【００５９】
この場合、トルク振幅は、下記の（式２−５）にて表すことができる。この（式２−５）において、｜τ｜を最小にするには、（式２−５）において、Ａ＝０となればよく、そのときの見かけ上の剛性をｋとすると、下記の（式２−６）が成立する。この（式２−６）から（式３）を得ることができる。
【数７】
0006690229.tif 000008
【数８】
0006690229.tif 000009
【数９】
0006690229.tif 000010
【００６０】
ここで、力が釣り合っていると仮定したとき、運動体の側からゼンマイバネを見た場合のτは（式４）にて表すことができる。またゼンマイバネの側から運動体を見た場合のτは（式５）にて表すことができる。
τ＝ｋθ    （式４）
τ＝ηｎτ１    （式５）
【００６１】
減速機の入力軸に生じるトルクτ１は、下記の（式６）で表すことができる。ここで、電動モータ２１を回転させてゼンマイバネの固定端をθ１だけ回転させることを考えると、以下の（式７）を得ることができる。また（式７）を（式６）に代入して（式８）を得ることができる。
τ１＝ｋ１θ´    （式６）
θ´＝ｎθ−θ１    （式７）
τ１＝ｋ１（ｎθ−θ１）    （式８）
【００６２】
上記の（式８）を（式５）に代入して、以下の（式５−１）を得ることができる。そして（式５−１）と（式４）より、以下の（式９−１）、（式９−２）を得ることができる。
τ＝ηｎｋ１（ｎθ−θ１）＝ηｎ２ｋ１［１−θ１／（ｎθ）］θ    （式５−１）
ｋ＝ηｎ２ｋ１［１−θ１／（ｎθ）］    （式９−１）
θ１＝ｎθ［１−ｋ／（ηｎ２ｋ１）］    （式９−２）
【００６３】
従って、図１３に示すフローチャートにおけるステップＳ１４０にて、上記の（式９−１）に基づいて見かけ上の剛性ｋを計算し、ステップＳ１５０にて、当該ｋの計算結果と上記の（式９−２）に基づいて剛性調整部材２３の回転角度θ１を計算する。以上、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置の回転角度θ１を、刻々と変化する大腿揺動アーム１３の第１揺動角度θに対して、見かけ上の剛性ｋを満足するように、リアルタイムに回転角度θ１を調整することで、ユーザの負荷（歩行あるいは走行のエネルギー）を低減することができる。
【００６４】
なお、図１５は、横軸を、運動体の揺動周波数、縦軸を、運動体を１周期駆動した際の消費エネルギーとした場合において、剛性調整を行わなかった場合、第１の実施の形態にて説明した剛性調整を行った場合、の各特性の例を示している。第１の実施の形態の剛性調整（重力の影響を考慮した調整）を行うことで、運動体の揺動周波数に応じたエネルギー低減効果を得ることができる。
【００６５】
●●［第２の実施の形態（重力の影響と慣性モーメントの変化の影響を考慮）における制御手段の処理手順（図１６〜図１９）］
次に、図１６〜図１９を用いて、大腿揺動アーム１３を含めたユーザの下肢である運動体（大腿揺動アーム１３＋大腿部ＵＬ１＋下腿アーム３５＋下腿部ＵＬ２（図４参照））にかかる重力の影響と慣性モーメントの変化の影響を考慮した、第２の実施の形態における制御手段の処理手順の例について説明する。なお、第２の実施の形態における揺動関節装置は、図１に示す構成において大腿揺動アーム１３と下腿アーム３５が必須であり、下記の運動体は、「大腿揺動アーム１３＋大腿部ＵＬ１＋下腿アーム３５＋下腿部ＵＬ２」である。また、下記の大腿部質量ｍｕｐは、「大腿揺動アーム１３＋大腿部ＵＬ１の質量」であり、下腿部質量ｍｕｎは、「下腿アーム３５＋下腿部ＵＬ２の質量」である。
【００６６】
揺動関節装置を装着したユーザの歩行時においては、膝の曲げ角である第２揺動角度（図１７における揺動角度θｕｎ）は、ほぼ１８０［°］の近傍で変化が小さく、上記の運動体の（揺動中心回りの）慣性モーメントの変動も小さいので、慣性モーメントの変化の影響を、特に考慮しなくてもよい。しかし、揺動関節装置を装着したユーザの走行時においては、図１８に示すように、膝の曲げ角である第２揺動角度は、数［°］程度〜約１８０［°］の間で大きく変化するので、運動体の慣性モーメントの変動が大きい（膝をより大きく曲げている場合に、慣性モーメント）。従って、この慣性モーメントの変動を考慮に入れると、図１９に示すように、より大きなエネルギー低減効果を得ることができる。
【００６７】
●［制御手段の処理手順（図１６）］
次に図１６に示すフローチャートを用いて、制御手段５０の処理手順について説明する。ユーザが制御ユニットの起動スイッチを操作すると、制御手段はステップＳ２１０に進む。
【００６８】
ステップＳ２１０にて制御手段は、タッチパネルからのユーザの初期設定入力を待つ。なお、ステップＳ２１０は、図１３に示すステップＳ１１０と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００６９】
ステップＳ２２０にて制御手段は、所定期間の間、ユーザの歩行状態（または走行状態）を計測し、計測時間に対応させて、第１角度検出手段１３Ｓからの検出信号及び第２角度検出手段３５Ｓからの検出信号、を計測データとして記憶装置に記憶する。そして制御手段は、例えば所定歩数あるいは所定時間の間、計測データを収集すると、ステップＳ２３０に進む。
【００７０】
ステップＳ２３０にて制御手段は、第１角度検出手段１３Ｓからの検出信号に基づいた計測データから、大腿揺動アームの第１揺動角度θｕｐ（図１７参照）を算出し、第２角度検出手段３５Ｓからの検出信号に基づいた計測データから、大腿揺動アームに対する下腿アームの第２揺動角度θｕｎ（図１７参照）を算出する。そして制御手段は、第１揺動角度θｕｐの時間推移から角周波数ω等を推定し、ステップＳ２３５に進む。
【００７１】
ステップＳ２３５にて制御手段は、第１揺動角度θｕｐ、第２揺動角度θｕｎに基づいて慣性モーメントＪ１を計算し、ステップＳ２４０に進む。なお、慣性モーメントＪ１の詳細な計算手順については後述する。
【００７２】
ステップＳ２４０にて制御手段は、ステップＳ２１０にて入力されたユーザの身長及び体重、ステップＳ２３０にて算出した、大腿揺動アームの第１揺動角度θｕｐ、大腿揺動アームの角周波数ω、下腿アームの第２揺動角度θｕｎ、ステップＳ２３５にて算出した慣性モーメントＪ１等に基づいて、エネルギー低減効果が最大となる、ゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋを計算し、ステップＳ２５０に進む。なお、ゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋの詳細な算出手順については後述する。
【００７３】
ステップＳ２５０にて制御手段は、ゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋを満たすように、電動モータ２１の回転角度θ１（剛性調整部材２３の回転角度）を計算し、ステップＳ２６０に進む。なお、電動モータ２１の回転角度θ１（剛性調整部材２３の回転角度）の詳細な算出手順については後述する。
【００７４】
ステップＳ２６０にて制御手段は、剛性調整部材２３の回転角度がθ１となるように、電動モータ２１を制御して、ステップＳ２７０に進む。
【００７５】
ステップＳ２７０にて制御手段は、歩行状態（または走行状態）をモニタし、ユーザが歩行動作（または走行動作）の支援の停止を所望しているか否かを判定し、支援の停止を所望していると判定した場合（Ｙｅｓ）は、制御を終了し、支援の停止を所望していないと判定した場合（Ｎｏ）はステップＳ２２０に戻る。
【００７６】
●［慣性モーメントＪ１の算出方法］
以下、下記のように定義して説明する。なお、例えば下記のｌｇ、ｌｕｐ、ｌｕｎ、ｌｇｕｐ、ｌｇｕｎ、ｍ１、ｍｕｐ、ｍｕｎは、入力されたユーザの身長、体重等に基づいて制御手段５０が推定する。また、ｃ１、ｋ１、ｎ、ηは予め制御手段５０に設定されている。
τ：図１７に示す揺動中心回りの駆動トルク［Ｎｍ］
τ１：電動モータ２１のモータトルク［Ｎｍ］
Ｊ１：運動体の慣性モーメント［ｋｇｍ２］
ｃ１：運動体の粘性係数［Ｎｍｓ／ｒａｄ］
ｋ：運動体から見たゼンマイバネ２４の見かけ上の剛性（バネ定数）［Ｎｍ／ｒａｄ］
ｋ１：ゼンマイバネ２４のもともとのバネ定数［Ｎｍ／ｒａｄ］
ｍ１：運動体（ユーザの大腿部＋大腿揺動アーム＋ユーザの下腿部＋下腿アーム）の質量（＝ｍｕｐ＋ｍｕｎ）［ｋｇ］
ｍｕｐ：「ユーザの大腿部＋大腿揺動アーム」の質量［ｋｇ］
ｍｕｎ：「ユーザの下腿部＋下腿アーム」の質量［ｋｇ］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
ｌｇ：揺動中心から運動体全体の重心までの距離［ｍ］
ｌｕｐ：揺動中心から膝関節（大腿揺動アームと下腿アームとの接続部）までの距離［ｍ］
ｌｕｎ：膝関節から下腿部の下端までの距離［ｍ］
ｌｇｕｐ：揺動中心から「ユーザの大腿部＋大腿揺動アーム」の重心までの距離［ｍ］
ｌｇｕｎ：膝関節から「ユーザの下腿部＋下腿アーム」の重心までの距離［ｍ］
θｕｐ：第１揺動角度（大腿揺動アーム１３の変位角であって、もも上げ角度）［ｒａｄ］
θｕｎ：第２揺動角度（大腿揺動アームに対する下腿アームの角度であって、膝曲げ角度）［ｒａｄ］
｜θ｜：第１揺動角度の振幅［ｒａｄ］
θ´：ゼンマイバネ２４のねじり量［ｒａｄ］
θ１：電動モータ２１の回転角度（剛性調整部材２３の回転角度）［ｒａｄ］
ω：運動体の角周波数［ｒａｄ／ｓ］
ｔ：時間［ｓ］
ｎ：変速機２５の減速比［−］
η：変速機２５の効率［−］
【００７７】
図１７に示すように、鉛直下方に向かう方向をＺ方向、ユーザの後方に向かう方向をＸ軸方向に設定する。そして、図１７における揺動中心を原点（０、０）とした場合、揺動中心に対する「大腿部＋大腿揺動アーム」の重心のＸ軸方向の座標ｌｇｕｐｘと、当該重心のＺ軸方向の座標ｌｇｕｐｚは、以下の（式１０）、（式１１）にて表すことができる。
ｌｇｕｐｘ＝−ｌｇｕｐsinθｕｐ    （式１０）
ｌｇｕｐｚ＝ｌｇｕｐcosθｕｐ    （式１１）
【００７８】
また、揺動中心に対する「下腿部＋下腿アーム」の重心のＸ軸方向の座標ｌｇｕｎｘと、当該重心のＺ軸方向の座標ｌｇｕｎｚは、以下の（式１２）、（式１３）にて表すことができる。
ｌｇｕｎｘ＝−ｌｕｐsinθｕｐ＋ｌｇｕｎsin（θｕｐ＋θｕｎ）    （式１２）
ｌｇｕｎｚ＝ｌｕｐcosθｕｐ−ｌｇｕｎcos（θｕｐ＋θｕｎ）    （式１３）
【００７９】
以上より、揺動中心に対する運動体全体「大腿部＋大腿揺動アーム＋下腿部＋下腿アーム」の重心のＸ座標ｌｇｘ、当該重心のＺ座標ｌｇｚは、以下の（式１４）、（式１５）にて表すことができる。
ｌｇｘ＝（ｌｇｕｐｘｍｕｐ＋ｌｇｕｎｘｍｕｎ）／（ｍｕｐ＋ｍｕｎ）    （式１４）
ｌｇｚ＝（ｌｇｕｐｚｍｕｐ＋ｌｇｕｎｚｍｕｎ）／（ｍｕｐ＋ｍｕｎ）    （式１５）
【００８０】
また揺動中心回りの運動体全体の慣性モーメントＪは、長さｌｇ、質量（ｍｕｐ＋ｍｕｎ）の細長い一様な棒を端から回転させると仮定して解く。このとき、平行軸の定理より、以下の（式１６）にて慣性モーメントＪを導出することができる。なお、（式１６−１）も成立している。
Ｊ＝(１／１２)(ｍｕｐ＋ｍｕｎ)(２ｌｇ)２＋(ｍｕｐ＋ｍｕｎ)(ｌｇ)２    （式１６）
ｌｇ＝√［（ｌｇｘ）２＋（ｌｇｚ）２］    （式１６−１）
【００８１】
●［運動体から見たゼンマイバネの見かけ上の剛性ｋと、電動モータ２１の回転角度θ１の算出方法］
上記の（式１６）のＪをＪ１として、第１の実施の形態の（式１）のＪ１に代入する。つまり、第１の実施の形態の（式３）のＪ１に、（式１６）のＪを代入することで、ゼンマイバネの見かけ上の剛性ｋを得ることができる。また、得られた見かけ上の剛性ｋの値を、第１の実施の形態の（式９−２）に代入することで、電動モータ２１の回転角度θ１を得ることができる。
【００８２】
従って、図１６に示すフローチャートにおけるステップＳ２４０にて、上記のように、見かけ上の剛性ｋを計算し、ステップＳ２５０にて、当該ｋの計算結果と上記の（式９−２）に基づいて剛性調整部材２３の回転角度θ１を計算する。以上、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置の回転角度θ１を、刻々と変化する大腿揺動アーム１３の第１揺動角度θｕｐと下腿アーム３５の第２揺動角度θｕｎに対して、見かけ上の剛性ｋを満足するように、リアルタイムに回転角度θ１を調整することで、ユーザの負荷（歩行あるいは走行のエネルギー）を低減することができる。
【００８３】
なお、図１９は、横軸を、運動体の揺動周波数、縦軸を、運動体を１周期駆動した際の消費エネルギーとした場合において、剛性調整を行わなかった場合、第１の実施の形態にて説明した剛性調整を行った場合、第２の実施の形態にて説明した剛性調整を行った場合、の各特性の例を示している。第２の実施の形態の剛性調整（重力の影響と慣性モーメントの変化の影響を考慮した調整）を行うことで、第１の実施の形態の剛性調整（重力の影響を考慮した調整）よりも、さらに大きなエネルギー低減効果を得ることができる。
【００８４】
●●［第３の実施の形態（重力の影響と往復揺動運動軌跡の中央位置の影響を考慮）における制御手段の処理手順（図２０、図２１）］
次に、図２０、図２１を用いて、大腿揺動アーム１３を含めたユーザの下肢である運動体（大腿揺動アーム１３＋大腿部ＵＬ１＋下腿部ＵＬ２（図４参照））にかかる重力の影響と、往復揺動運動軌跡の中央位置（ゼンマイバネの中立点）の影響を考慮した、第３の実施の形態における制御手段の処理手順の例について説明する。なお、第３の実施の形態における揺動関節装置は、図１〜図４に示す構成において下腿アーム３５を、特に必要としない。下腿アーム３５を省略した場合は、下記の運動体の質量ｍ１を、「大腿揺動アーム１３＋大腿部ＵＬ１＋下腿部ＵＬ２の質量」とすればよい。下腿アーム３５を省略しない場合は、下記の運動体の質量ｍ１を、「大腿揺動アーム１３＋大腿部ＵＬ１＋下腿アーム３５＋下腿部ＵＬ２の質量」とすればよい。
【００８５】
揺動関節装置を装着したユーザの歩行時においては、一般的に、大腿揺動アーム１３の往復揺動運動軌跡の中央位置Ｐｃ（図２１参照）は、鉛直下方である基準線Ｊｓの位置とは異なり、ユーザの前方に向かって中央角度φ（一般的には約２〜３［°］程度）だけ傾斜した位置となる。従って、この中央角度φの影響を考慮に入れると、より大きなエネルギー低減効果を得ることができる。なお、中央角度φは、図２１に示すように、揺動中心（駆動軸線６Ｊ）と中央位置Ｐｃとを結ぶ仮想直線Ｊｃと、重力加速度方向と、がなす角度であり、図２１の例では仮想直線Ｊｃと基準線Ｊｓとがなす角度である。
【００８６】
●［制御手段の処理手順（図２０）］
次に図２０に示すフローチャートを用いて、制御手段５０の処理手順について説明する。ユーザが制御ユニットの起動スイッチを操作すると、制御手段はステップＳ３１０に進む。
【００８７】
ステップＳ３１０にて制御手段は、タッチパネルからのユーザの初期設定入力を待つ。なお、ステップＳ３１０は、図１３に示すステップＳ１１０と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００８８】
ステップＳ３２０にて制御手段は、所定期間の間、ユーザの歩行状態（または走行状態）を計測し、計測時間に対応させて、第１角度検出手段１３Ｓからの検出信号を計測データとして記憶装置に記憶する。そして制御手段は、例えば所定歩数あるいは所定時間の間、計測データを収集すると、ステップＳ３３０に進む。
【００８９】
ステップＳ３３０にて制御手段は、第１角度検出手段１３Ｓからの検出信号に基づいた計測データから、大腿揺動アームの第１揺動角度θ（図２１参照）を算出する。そして制御手段は、第１揺動角度θの時間推移から角周波数ω等を推定し、ステップＳ３４０に進む。
【００９０】
ステップＳ３４０にて制御手段は、ステップＳ３１０にて入力されたユーザの身長及び体重、ステップＳ３３０にて算出した、大腿揺動アームの第１揺動角度θ、大腿揺動アームの角周波数ω等に基づいて、エネルギー低減効果が最大となる、ゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数Ｋ、ゼンマイバネ２４の中立点（ゼンマイバネがトルクを発生させていない位置）の角度θｃを計算し、ステップＳ３５０に進む。なお、ゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数Ｋ、中立点の角度θｃの詳細な算出手順については後述する。
【００９１】
ステップＳ３５０にて制御手段は、ゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数Ｋを満たすように、電動モータ２１の回転角度θ１（剛性調整部材２３の回転角度）を計算し、ステップＳ２６０に進む。なお、電動モータ２１の回転角度θ１（剛性調整部材２３の回転角度）の詳細な算出手順については後述する。
【００９２】
ステップＳ３６０にて制御手段は、剛性調整部材２３の回転角度がθ１となるように、電動モータ２１を制御して、ステップＳ３７０に進む。
【００９３】
ステップＳ３７０にて制御手段は、歩行状態（または走行状態）をモニタし、ユーザが歩行動作（または走行動作）の支援の停止を所望しているか否かを判定し、支援の停止を所望していると判定した場合（Ｙｅｓ）は、制御を終了し、支援の停止を所望していないと判定した場合（Ｎｏ）はステップＳ３２０に戻る。
【００９４】
●［運動体から見たゼンマイバネの見かけ上の剛性Ｋと、中立点の角度θｃの算出方法］
以下、図２１に示すように、下記の定義をして説明する。なお、例えば下記のｌ、Ｊ、ｍは、入力されたユーザの身長、体重等に基づいて制御手段５０が推定する。また、ｃ、ｋ１、ｎ、ηは予め制御手段５０に設定されている。
τ：駆動軸線６Ｊ回りの駆動トルク［Ｎｍ］
τ１：電動モータ２１のモータトルク［Ｎｍ］
Ｊ：運動体の慣性モーメント［ｋｇｍ２］
ｃ：運動体の粘性係数［Ｎｍｓ／ｒａｄ］
Ｋ：運動体から見たゼンマイバネ２４の見かけ上の剛性（バネ定数）［Ｎｍ／ｒａｄ］
ｋ１：ゼンマイバネ２４のもともとのバネ定数［Ｎｍ／ｒａｄ］
ｍ：運動体の質量［ｋｇ］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
ｌ：揺動中心である駆動軸線６Ｊから運動体の重心ＵＬｇまでの距離［ｍ］
θ：運動体の揺動角度（大腿揺動アーム１３の変位角）［ｒａｄ］
｜θ｜：運動体の変位角の振幅［ｒａｄ］
θ´：ゼンマイバネ２４のねじり量［ｒａｄ］
θ１：電動モータ２１の回転角度（剛性調整部材２３の回転角度）［ｒａｄ］
θｃ：θ１を算出するために仮想的に設定した角度であり、ゼンマイバネの中立点（ゼンマイバネがトルクを出力していないときの仮想的な位置）の角度［ｒａｄ］
φ：運動体の往復揺動運動軌跡の中央位置の角度である中央角度［ｒａｄ］
Ｐｃ：運動体の往復揺動運動軌跡の中央位置［−］
ω：運動体の角周波数［ｒａｄ／ｓ］
ｔ：時間［ｓ］
ｎ：変速機２５の減速比［−］
η：変速機２５の効率［−］
【００９５】
駆動トルクをＴとしたとき、ゼンマイバネの中立点の角度θｃを考慮したときの出力リンク（大腿揺動アーム）のダイナミクスは、下記の（式１７）にて与えられる。ここで簡単化のため、sinθ≒θと近似すると、（式１７）は、以下の（式１８）に書き換えられる。
【数１０】
0006690229.tif 000011
【数１１】
0006690229.tif 000012
【００９６】
（式１８）において、系のエネルギーを最小化するには、下記の（式１９）を成立させればよい。
【数１２】
0006690229.tif 000013
【００９７】
ここで、α＝（Ｋ＋ｍｇｌ）／Ｊ、β＝Ｋθｃ／Ｊとおくと、（式１９）は、以下の（式２０）に書き換えられる。また（式２０）において右辺を０とした斉次方程式を立てると、以下の（式２１）となる。
【数１３】
0006690229.tif 000014
【数１４】
0006690229.tif 000015
【００９８】
（式２１）に、θ＝ｅλｔを代入し、特性方程式の解を求めると、以下の（式２２）に示す解を求めることができる。従って、斉次方程式の基本解は、以下の（式２３）となる。
λ＝±√（αｉ）    （式２２）
【数１５】
0006690229.tif 000016
【００９９】
次に、右辺が０でない場合を求めると、ロンスキーの行列式から、以下の（式２４）が得られる。これを解いて、特殊解を求めると、以下の（式２５）が導出される。
【数１６】
0006690229.tif 000017
【数１７】
0006690229.tif 000018
【０１００】
以上より、非斉次方程式の一般解は、以下の（式２６）にて与えられる。
【数１８】
0006690229.tif 000019
【０１０１】
ここで、Ａ１＝Ａ２＝Ａ／２とおくと、（式２６）を（式２７）のように書き換えることができる。
【数１９】
0006690229.tif 000020
【０１０２】
一方、往復揺動運動は以下の（式２８）で表現できる。また、（式２７）、（式２８）は、同一の運動を示しているため、これらの式より、運動体から見たゼンマイバネの見かけ上の剛性Ｋ、及びゼンマイバネの中立点となる位置の角度θｃは、以下の（式２９）、（式３０）となる。なお、（式２９）は、（式２７）より、√［（Ｋ＋ｍｇｌ）／Ｊ］＝ωから求めることができる。また（式３０）は、（式２７）より、［Ｋ／（Ｋ＋ｍｇｌ）］θｃ＝φから求めることができる。
θ＝｜θ｜cosωｔ＋φ    （式２８）
Ｋ＝Ｊω２−ｍｇｌ    （式２９）
θｃ＝［１＋ｍｇｌ／Ｋ］φ    （式３０）
【０１０３】
●［電動モータ２１の回転角度θ１の算出方法］
変速機の減速比をｎ、変速機の効率をη、ゼンマイバネのもともとのバネ定数をｋ１とし、力が釣り合っていると仮定したとき、出力リンク（大腿揺動アーム）の駆動トルクτは、以下の（式３１）、（式３２）で表現できる。なお、第１の実施の形態の（式４）は、θｃ＝０であることを示している。
τ＝Ｋ（θ−θｃ）    （式３１）
τ＝ηｎτ１    （式３２）
【０１０４】
ここで、τ１は変速機の入力側（電動モータ２１の側）に生じるトルクであり、出力リンク（大腿揺動アーム）の回転角θと、剛性調整部材２３の回転角度θ１（電動モータ２１の回転角度）から、以下の（式３３）で表現できる。
τ１＝ｋ１（ｎθ−θ１）    （式３３）
【０１０５】
（式３３）を（式３２）に代入すると、以下の（式３４）を得ることができる。
τ＝ηｎｋ１（ｎθ−θ１）    （式３４）
【０１０６】
（式３４）、（式３１）より、θ１は以下の（式３５）に示すとおりとなる。
θ１＝ｎ（θ−θｃ）［１−Ｋ／（ηｎ２ｋ１）］＋ｎθｃ
＝ｎθ［１−Ｋ／（ηｎ２ｋ１）］＋（Ｋθｃ）／（ηｎ２ｋ１）    （式３５）
【０１０７】
（式３０）、（式３５）より、以下の（式３６）を得ることができる。
θ１＝ｎθ[１−Ｋ／(ηｎ２ｋ１)]＋[φ／(ηｎｋ１)](Ｋ＋ｍｇｌ)    （式３６）
【０１０８】
従って、図２０に示すフローチャートにおけるステップＳ３４０にて、上記の（式２９）に基づいて見かけ上の剛性Ｋを計算し、当該Ｋの計算結果と上記の（式３０）に基づいて中立点の角度θｃを計算する。そしてステップＳ３５０にて、見かけ上の剛性Ｋと、中立点の角度θｃと、（式３６）、（式３０）に基づいて、剛性調整部材２３の回転角度θ１を計算する。以上、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置の回転角度θ１を、刻々と変化する大腿揺動アーム１３の第１揺動角度θに対して、見かけ上の剛性Ｋを満足するように、リアルタイムに回転角度θ１を調整することで、ユーザの負荷（歩行あるいは走行のエネルギー）を低減することができる。
【０１０９】
以上、第１の実施の形態では、重力の影響を考慮する方法を説明した。また、第３の実施の形態では、重力の影響と、往復揺動運動軌跡の中央位置（ゼンマイバネの中立点）の影響と、を考慮したが、往復揺動運動軌跡の中央位置のみを考慮する場合は、上記の（式１７）における右辺のｍｇｌsinθをゼロと仮定して、重力の影響に関する項を排除して回転角度θ１を計算すればよい。また、第２の実施の形態では、重力の影響と、慣性モーメントの変化の影響と、を考慮したが、慣性モーメントの変化の影響のみを考慮する場合は、上記の（式３）における右辺の第２項をゼロと仮定して、重力の影響に関する項を排除して回転角度θ１を計算すればよい。また、中央位置のみを考慮する方法を、第２の実施の形態に適用することで、重力の影響と、慣性モーメントの変化の影響と、中央位置の影響と、を考慮することが可能となり、さらに大きなエネルギー低減効果を得ることができる。また、重力の影響と、慣性モーメントの変化の影響と、中央位置の影響と、を考慮する方法から重力の影響の項を排除することで、慣性モーメントの変化の影響と、中央位置の影響と、を考慮した方法とすることができる。このように、第１揺動角度に応じて運動体に働く重力（重力の影響）、第１揺動角度と運動体の運動状態に応じて運動体に働く慣性力（慣性モーメントの変化の影響）、大腿揺動アームの往復揺動運動軌跡の中央位置（中央位置の影響）、の少なくとも１つと、第１揺動角度と、に基づいて、大腿揺動アームから見たゼンマイバネの見かけ上の剛性（バネ定数）を調整することで、従来よりも、より大きなエネルギー低減効果を得ることができる。
【０１１０】
本発明の揺動関節装置の構造、構成、形状、外観、処理手順、演算式等は、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
【０１１１】
本実施の形態にて説明した揺動関節装置の用途は、ユーザの下肢の揺動運動（歩行や走行）を支援する用途に限定されず、電動モータ等を用いて周期的な揺動運動をする各種の機器や装置等、種々の対象物に適用可能である。
【０１１２】
また本実施の形態の説明では、大腿揺動アーム１３とゼンマイバネ２４との間に変速機２５を設けて、大腿揺動アーム１３にゼンマイバネ２４を間接的に接続した例を説明したが、変速機２５を省略して、大腿揺動アーム１３とゼンマイバネ２４とを直接的に接続してもよい。
【０１１３】
また、本実施の形態では、弾性体としてゼンマイバネ２４を用いた例にて説明したが、ゼンマイバネ２４の代わりに種々の弾性体を用いることができる。例えば、螺旋状に巻いた伸縮バネ、板状バネ、ウェーブスプリングなど別の弾性体でもよい。また、ゴム、樹脂などのエラストマや、オイルのような液体、気体を利用した弾性体でもよい。エネルギーを保存する対象物（動作）の運動量や保存するエネルギー量に合わせて弾性体を変更可能である。保存するエネルギー量が比較的少ない場合では、エラストマを使用することが効果的である。また、ユーザの歩行や走行等の動作に対しては、比較的大きなエネルギーの保存量、バネ定数（剛性）等の大きさ、調整の容易性等から、ゼンマイバネを使用することが効果的である。また、ゼンマイバネは、コストの面からも優位である。
【０１１４】
以上に説明した揺動関節装置は、ユーザの左脚用として説明したが、右脚用のベース部（ベース部２の左右対称版）、右脚用の大腿揺動部（符号１３、１９等にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の剛性調整部（符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の下腿揺動部（符号３５、３９等にて示した各部材の左右対称版）を追加して、制御ユニット５からユーザの両脚の歩行動作（または走行動作）を支援するようにしてもよい。
【０１１５】
また、上記実施の形態によって、ユーザの歩行及び走行において、歩行及び走行を始めた低速時の周期的な揺動運動の周波数が低いときから、歩行及び走行の速度を上げた高速時の周期的な揺動運動の周波数が高いときまで、重力、ユーザの傾斜姿勢、慣性力による影響を考慮して、剛性可変手段を制御することで、揺動運動の周波数（運動体の周波数）に対して、最適な制御が可能となる。揺動運動の周波数が低いときには、重力の影響が大きくなるが、この重力の影響を考慮した制御ができ、揺動運動の周波数が高くなるほど重力の影響が少なくなり、慣性力の影響が大きくなるが、この慣性力の影響を考慮した制御などできる。また、ユーザの傾斜姿勢の度合いに応じても、制御でき、効率的なエネルギー低減効果を得ることができる。
【符号の説明】
【０１１６】
１        揺動関節装置
２        ベース部
３        腰装着部
４        肩ベルト
５        制御ユニット
６        駆動軸部材
６Ｊ      駆動軸線
１３      大腿揺動アーム（第１出力部）
１３Ｇ    円板部
１３Ｓ    第１角度検出手段
１９      大腿装着部
２１      電動モータ（剛性調整旋回手段）
２１Ｄ    出力軸
２１Ｓ    回転角度検出手段
２２      ブラケット
２３      剛性調整部材
２３Ｊ    バネ支持体
２４      ゼンマイバネ（弾性体）
２４Ａ    固定端
２４Ｂ    自由端
２５      変速機
２５Ａ    シャフト（バネ入力軸部材）
２５Ｂ    バネ自由端挿通溝
３５      下腿アーム（第２出力部）
３５Ｓ    第２角度検出手段
３９      下腿装着部
５０      制御手段
Ｊｓ      基準線
θ１      回転角度（剛性調整角度、剛性調整部材の回転角度）
θｆ、θｒ、θ、θｕｐ    第１揺動角度
θｕｎ    第２揺動角度
θｓ      剛性調整角度（剛性調整部材の回転角度）
【図１】
0006690229.tif 000021
【図２】
0006690229.tif 000022
【図３】
0006690229.tif 000023
【図４】
0006690229.tif 000024
【図５】
0006690229.tif 000025
【図６】
0006690229.tif 000026
【図７】
0006690229.tif 000027
【図８】
0006690229.tif 000028
【図９】
0006690229.tif 000029
【図１０】
0006690229.tif 000030
【図１１】
0006690229.tif 000031
【図１２】
0006690229.tif 000032
【図１３】
0006690229.tif 000033
【図１４】
0006690229.tif 000034
【図１５】
0006690229.tif 000035
【図１６】
0006690229.tif 000036
【図１７】
0006690229.tif 000037
【図１８】
0006690229.tif 000038
【図１９】
0006690229.tif 000039
【図２０】
0006690229.tif 000040
【図２１】
0006690229.tif 000041