(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
片麻痺者の左右の股関節部および左右の膝関節部のうちの一方の左右の関節部における健足側関節部に歩行アシスト力を伝えるための健足側関節アームおよび前記歩行アシスト力を発生する健足側関節アクチュエータと、前記左右の関節部における患足側関節部に歩行アシスト力を伝えるための患足側関節アームおよび前記歩行アシスト力を発生する患足側関節アクチュエータと、前記健足側関節アクチュエータおよび前記患足側関節アクチュエータの駆動を制御する制御装置とが備わっているロボティックウエアを用いて、片麻痺者の歩行運動をアシストするために、
前記健足側関節部の歩行運動に合わせて、前記健足側関節アクチュエータの出力回転軸に取り付けた前記健足側関節アームを、当該出力回転軸を中心として所定の振幅、周期で回転させる健足側歩行アシスト運動を制御し、前記患足側関節部の歩行運動に合わせて、前記患足側関節アクチュエータの出力回転軸に取り付けた前記患足側関節アームを、当該出力回転軸を中心として所定の振幅、周期で回転させる患足側歩行アシスト運動を制御するロボティックウエアを用いた歩行アシスト方法であって、
前記制御装置は、前記健足側関節部と前記健足側関節アクチュエータとの間に生じる健足側相互作用力、および、前記患足側関節部と前記患足側関節アクチュエータとの間に生じる患足側相互作用力を所定のサンプリング周期で検出し、
前記歩行アシスト力が加わらない状態で事前に測定された前記片麻痺者の歩行運動の健足側歩行周期、前記健足側関節部の振幅、患足側歩行周期および前記患足側関節部の振幅を、それぞれ、初期健足側歩行周期、初期健足側関節振幅、初期患足側歩行周期および初期患足側関節振幅とすると、
前記制御装置は、前記初期健足側関節振幅に基づき設定した基本関節振幅と、前記初期健足側歩行周期に基づき設定した基本歩行周期と、前記健足側相互作用力とに基づき、神経振動子を用いて、前記健足側関節部の歩行運動に対して、前記健足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記健足側関節アクチュエータを制御し、
前記制御装置は、前記基本関節振幅と、前記基本歩行周期と、前記患足側相互作用力とに基づき、神経振動子を用いて、前記患足側関節部の歩行運動に対して、前記患足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記患足側関節アクチュエータを制御し、
前記制御装置は、前記健足側歩行アシスト運動と前記患足側歩行アシスト運動とを相互に逆位相の状態に維持することを特徴とするロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト方法。
【請求項２】
請求項１において、
片麻痺者の健足側歩行運動に対する前記健足側歩行アシスト運動の同調の度合いを健足側同調性と呼び、片麻痺者の患足側歩行運動に対する前記患足側歩行アシスト運動の同調の度合いを患足側同調性と呼ぶものとすると、
前記患足側同調性は前記健足側同調性よりも低いロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト方法。
【請求項３】
請求項１において、
前記初期健足側関節振幅が前記初期患足側関節振幅よりも小さい場合には、
前記制御装置は、前記初期健足側関節振幅の代わりに前記初期患足側関節振幅に基づき前記基本関節振幅を設定し、前記初期健足側歩行周期の代わりに前記初期患足側歩行周期に基づき前記基本歩行周期を設定するロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト方法。
【請求項４】
請求項１において、
前記ロボティックウエアは、
前記健足側関節アームおよび前記健足側関節アクチュエータとして、片麻痺者の左右の股関節部における前記健足側関節部である健足側股関節部の歩行アシスト運動を行う健足側股関節アームおよび健足側股関節アクチュエータと、片麻痺者の左右の膝関節部における前記健足側関節部である健足側膝関節部の歩行アシスト運動を行う健足側膝関節アームおよび健足側膝関節アクチュエータとを備えており、
前記患足側関節アームおよび前記患足側関節アクチュエータとして、片麻痺者の左右の股関節部における前記患足側関節部である患足側股関節部の歩行アシスト運動を行う患足側股関節アームおよび患足側股関節アクチュエータと、片麻痺者の左右の膝関節部における前記患足側関節部である患足側膝関節部の歩行アシスト運動を行う患足側膝関節アームおよび患足側膝関節アクチュエータとを備えているロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト方法。
【請求項５】
請求項４において、
片麻痺者の健足側歩行運動に対する前記健足側股関節アクチュエータによる健足側股関節歩行アシスト運動の同調の度合いを健足側股関節同調性と呼び、健足側歩行運動に対する前記健足側膝関節アクチュエータによる健足側膝関節歩行アシスト動作の同調の度合いを健足側膝関節同調性と呼び、
片麻痺者の患足側歩行運動に対する前記患足側股関節アクチュエータによる患足側股関節歩行アシスト運動の同調の度合いを患足側股関節同調性と呼び、患足側歩行運動に対する前記患足側膝関節アクチュエータによる患足側膝関節歩行アシスト動作の同調の度合いを患足側膝関節同調性と呼ぶものとすると、
前記健足側膝関節同調性は、前記健足側股関節同調性よりも高く、
前記患足側膝関節同調性は、前記患足側股関節同調性よりも高いロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記健足側股関節同調性、前記健足側膝関節同調性、前記患足側股関節同調性および前記患足側膝関節同調性のそれぞれの高低を同調ゲインＣ（０≦Ｃ≦１）で表し、同調ゲインＣの値が高いほど同調の度合いが高いものとすると、
前記健足側股関節同調性および前記患足側股関節同調性は共に、同調ゲインＣ＝０．３であり、
前記健足側膝関節同調性および前記患足側膝関節同調性は共に、同調ゲインＣ＝０．４であるロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のうちのいずれかの項に記載の方法により前記ロボティックウエアの前記健足側関節アクチュエータおよび前記患足側関節アクチュエータを制御するロボティックウエアを用いた片麻者の歩行アシスト用コンピュータプログラムであって、
前記健足側関節部と前記健足側関節アクチュエータとの間に生じる健足側相互作用力、および、前記患足側関節部と前記患足側関節アクチュエータとの間に生じる患足側相互作用力を所定のサンプリング周期で取り込む機能と、
前記基本関節振幅と、前記基本歩行周期と、前記健足側相互作用力とに基づき、神経振動子を用いて、前記健足側関節部の歩行運動に対して、前記健足側関節アクチュエータによる前記健足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記健足側関節アクチュエータを制御する健足側同調制御機能と、
前記基本関節振幅と、前記基本歩行周期と、前記患足側相互作用力とに基づき、神経振動子を用いて、前記患足側関節部の歩行運動に対して、前記患足側関節アクチュエータによる前記患足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記患足側関節アクチュエータを制御する患足側同調制御機能と、
前記健足側歩行アシスト運動に対して前記患足側歩行アシスト運動を逆位相の状態に維持するように、前記健足側同調制御機能および前記患足側同調制御機能を協調動作させる機能と
をコンピュータに実行させることを特徴とするロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト用コンピュータプログラム。
【請求項８】
請求項７において、
前記健足側同調制御機能は、
前記健足側相互作用力に基づき、片麻痺者の健足側歩行運動に対する健足側関節アクチュエータの健足側歩行アシスト運動の同調の度合いを調整する健足側調整機能、
前記基本関節振幅および前記基本歩行周期に基づき自励振動を行う神経振動子を用いて、前記健足側調整機能によって調整された入力に同調する出力を算出する健足側解析機能、および、
当該健足側解析機能によって得られる出力に基づき前記健足側関節アクチュエータの健足側歩行アシスト運動をフィードバック制御する健足側制御機能を含み、
前記患足側同調制御機能は、
前記患足側相互作用力に基づき、片麻痺者の患足側歩行運動に対する患足側関節アクチュエータの患足側歩行アシスト運動の同調の度合いを調整する患足側調整機能、
前記基本関節振幅および前記基本歩行周期に基づき自励振動を行う神経振動子を用いて、前記患足側調整機能によって調整された入力に同調する出力を算出する患足側解析機能、および、
当該患足側解析機能によって得られる出力に基づき前記患足側関節アクチュエータの患足側歩行アシスト運動をフィードバック制御する患足側制御機能を含む
ロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト用コンピュータプログラム。
【請求項９】
請求項８において、
前記神経振動子は、以下の三式で示す非線形１階連立微分方程式で表され、
0006781452.tif 000004
ここで、
ｘｉ：ｉ番目の神経素子の内部状態を示す係数
ｇ（ｘｉ）：ｉ番目の神経素子の出力
ｆｉ：ｉ番目の神経素子の疲労状態を表す係数
Ｓｉ：ｉ番目の神経素子への定常入力
ｂｉ：ｉ番目の神経素子の疲労係数
ａｉｊ：ｉ番目の神経素子からｊ番目の神経素子への結合係数
Ｔａ，Ｔｒ：時定数
Ｉｎｐｕｔ：外部入力
であり、
前記健足側相互作用力あるいは前記患足側相互作用力を相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌとし、健足側同調性あるいは患足側同調性を調整するゲインを同調ゲインＣとすると、前記神経振動子の前記外部入力Ｉｎｐｕｔは、前記相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌと前記同調ゲインＣを用いて、
Ｉｎｐｕｔ＝Ｃ＊τ＿ｍｕｔｕａｌ
ただし、０≦  Ｃ  ≦  １  
で表されるロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト用コンピュータプログラム。
【請求項１０】
片麻痺者の左右の股関節部および左右の膝関節部のうちの一方の左右の関節部における健足側関節部に歩行アシスト力を伝えるための健足側関節アームおよび前記歩行アシスト力を発生する健足側関節アクチュエータと、
前記左右の関節部における患足側関節部に歩行アシスト力を伝えるための患足側関節アームおよび前記歩行アシスト力を発生する患足側関節アクチュエータと、
前記健足側関節アクチュエータの出力回転軸に取り付けた前記健足側関節アームを、当該出力回転軸を中心として所定の振幅、周期で回転させる健足側歩行アシスト運動を制御する健足側制御ユニットと、
前記患足側関節アクチュエータの出力回転軸に取り付けた前記患足側関節アームを、当該出力回転軸を中心として所定の振幅、周期で回転させる患足側歩行アシスト運動を制御する患足側制御ユニットと、
前記健足側関節部と前記健足側関節アクチュエータとの間の相互作用力を検出する健足側検出部と、
前記患足側関節部と前記患足側関節アクチュエータとの間の相互作用力を検出する患足側検出部と、
を有しており、
前記健足側制御ユニットは、基本関節振幅と、基本歩行周期と、健足側相互作用力とに基づき、神経振動子を用いて、前記健足側関節部の歩行運動に対して、前記健足側関節アクチュエータによる前記健足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記健足側関節アクチュエータを制御し、
前記患足側制御ユニットは、前記基本関節振幅と、前記基本歩行周期と、患足側相互作用力とに基づき、前記神経振動子を用いて、前記患足側関節部の歩行運動に対して、前記患足側関節アクチュエータによる前記患足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記患足側関節アクチュエータを制御し、
前記健足側歩行アシスト運動に対して前記患足側歩行アシスト運動が逆位相の状態を維持するように、前記健足側制御ユニットおよび前記患足側制御ユニットの神経振動子の間に入れた抑制結合部を備えており、
前記歩行アシスト力が加わらない状態で事前に測定された前記片麻痺者の歩行運動の健足側歩行周期、前記健足側関節部の振幅、患足側歩行周期および前記患足側関節部の振幅を、それぞれ、初期健足側歩行周期、初期健足側関節振幅、初期患足側歩行周期および初期患足側関節振幅と呼ぶものとすると、
前記基本関節振幅は、前記初期健足側関節振幅に基づき設定されており、
前記基本歩行周期は、前記初期健足側歩行周期に基づき設定されていることを特徴とする片麻痺者の歩行をアシストするロボティックウエア。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記健足側制御ユニットによる片麻痺者の健足側歩行運動に対する前記健足側歩行アシスト運動の同調の度合いを健足側同調性と呼び、前記患足側制御ユニットによる片麻痺者の患足側歩行運動に対する前記患足側歩行アシスト運動の同調の度合いを患足側同調性と呼ぶものとすると、
前記患足側同調性は前記健足側同調性よりも低いロボティックウエア。
【請求項１２】
請求項１０において、
前記初期健足側関節振幅が前記初期患足側関節振幅よりも小さい場合には、
前記初期健足側関節振幅の代わりに前記初期患足側関節振幅に基づき前記基本関節振幅が設定されており、前記初期健足側歩行周期の代わりに前記初期患足側歩行周期に基づき前記基本歩行周期が設定されているロボティックウエア。
【請求項１３】
請求項１０において、
前記健足側関節アームおよび前記健足側関節アクチュエータとして、片麻痺者の左右の股関節部における前記健足側関節部である健足側股関節部の歩行アシスト運動を行う健足側股関節アームおよび健足側股関節アクチュエータと、片麻痺者の左右の膝関節部における前記健足側関節部である健足側膝関節部の歩行アシスト運動を行う健足側膝関節アームおよび健足側膝関節アクチュエータとを備えており、
前記患足側関節アームおよび前記患足側関節アクチュエータとして、片麻痺者の左右の股関節部における前記患足側関節部である患足側股関節部の歩行アシスト運動を行う患足側股関節アームおよび患足側股関節アクチュエータと、片麻痺者の左右の膝関節部における前記患足側関節部である患足側膝関節部の歩行アシスト運動を行う患足側膝関節アームおよび患足側膝関節アクチュエータとを備えているロボティックウエア。
【請求項１４】
請求項１３において、
片麻痺者の健足側歩行運動に対する前記健足側股関節アクチュエータによる健足側股関節歩行アシスト運動の同調の度合いを健足側股関節同調性と呼び、健足側歩行運動に対する前記健足側膝関節アクチュエータによる健足側膝関節歩行アシスト動作の同調の度合いを健足側膝関節同調性と呼び、
片麻痺者の患足側歩行運動に対する前記患足側股関節アクチュエータによる患足側股関節歩行アシスト運動の同調の度合いを患足側股関節同調性と呼び、患足側歩行運動に対する前記患足側膝関節アクチュエータによる患足側膝関節歩行アシスト動作の同調の度合いを患足側膝関節同調性と呼ぶものとすると、
前記健足側膝関節同調性は、前記健足側股関節同調性よりも高く、
前記患足側膝関節同調性は、前記患足側股関節同調性よりも高いロボティックウエア。
【請求項１５】
請求項１１において、
前記健足側制御ユニットは、
前記健足側相互作用力に基づき、片麻痺者の健足側歩行運動に対する健足側関節アクチュエータの健足側歩行アシスト運動の同調の度合いを調整する健足側調整部、
前記基本関節振幅および前記基本歩行周期に基づき自励振動を行う神経振動子を用いて、前記健足側調整部によって調整された入力に同調する出力を算出する健足側解析部、および、
当該健足側解析部によって得られる出力に基づき前記健足側関節アクチュエータの健足側歩行アシスト運動をフィードバック制御する健足側制御部を含み、
前記患足側制御ユニットは、
前記患足側相互作用力に基づき、片麻痺者の患足側歩行運動に対する患足側関節アクチュエータの患足側歩行アシスト運動の同調の度合いを調整する患足側調整部、
前記基本関節振幅および前記基本歩行周期に基づき自励振動を行う神経振動子を用いて、前記患足側調整部によって調整された入力に同調する出力を算出する患足側解析部、および、
当該患足側解析部によって得られる出力に基づき前記患足側関節アクチュエータの患足側歩行アシスト運動をフィードバック制御する患足側制御部を含むロボティックウエア。
【請求項１６】
請求項１５において、
前記健足側制御ユニットおよび前記患足側制御ユニットにおける前記神経振動子は、以下の三式で示す非線形１階連立微分方程式で表され、
0006781452.tif 000005
ここで、
ｘｉ：ｉ番目の神経素子の内部状態を示す係数
ｇ（ｘｉ）：ｉ番目の神経素子の出力
ｆｉ：ｉ番目の神経素子の疲労状態を表す係数
Ｓｉ：ｉ番目の神経素子への定常入力
ｂｉ：ｉ番目の神経素子の疲労係数
ａｉｊ：ｉ番目の神経素子からｊ番目の神経素子への結合係数
Ｔａ，Ｔｒ：時定数
Ｉｎｐｕｔ：外部入力
であり、
前記健足側相互作用力あるいは前記患足側相互作用力を相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌとし、前記健足側同調性あるいは前記患足側同調性の度合いを同調ゲインＣとして表すものとすると、前記神経振動子の前記外部入力Ｉｎｐｕｔは、前記相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌは、
Ｉｎｐｕｔ＝Ｃ＊τ＿ｍｕｔｕａｌ
ただし、  ０  ≦  Ｃ  ≦  １
で表されるロボティックウエア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同調制御を用いて歩行アシストを行うロボティックウエアに関し、特に、片麻痺者の歩行アシストに適したロボティックウエアを用いた歩行アシスト方法、歩行アシスト用コンピュータプログラム、およびロボティックウエアに関する。
【背景技術】
【０００２】
高齢者支援、介護支援などの様々な動作を補助するロボットの開発が進められている（非特許文献１）。本発明者等は、これまで神経振動子を用いて装着者の歩行動作に同調した補助動作を行うことのできるロボティックウエアを開発してきた（非特許文献２、３、特許文献１、２）。また、軽量で装着性に優れた非外骨格型のロボティックウエアを開発してきた（特許文献３）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】山海嘉之、「人体密着型ロボットスーツ「ＨＡＬ」」、日本機械学会Ｎｏ．０９−１７、第１４回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集（２００９）
【非特許文献２】Xia Zhang and Minoru Hashimoto, “SBC for Motion Assist Using Neural Oscillator” IEEE International Conference on Robotic and Automation 2009
【非特許文献３】竹内志津江、パタキ  トッド、橋本稔、「同調制御を用いた下肢ロボティックウエアの歩行動作への影響」、第１５回システムインテグレーション部門講演会（２０１４）
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−６６３７５号公報
【特許文献２】特開２０１５−４４２４０号公報
【特許文献３】特開２０１５−２９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、片麻痺者の歩行を適切にアシストすることのできるロボティックウエアを用いた同調制御による片麻痺者の歩行アシスト方法、歩行アシスト用コンピュータプログラム、および当該歩行支援方法により片麻痺者の歩行アシストを行うロボティックウエアを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者等は、下肢用のロボティックウエアを用いて片麻痺者の歩行をアシストすることを目的として、同調制御を用いてロボティックウエアを駆動制御する実験を行い、ロボティックウエアを装着した片麻痺者の歩幅、歩行周期、相互作用トルクなどの計測を行った。これにより得られた知見に基づき本発明を想到するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明は、
片麻痺者の左右の股関節部および左右の膝関節部のうちの一方の左右の関節部における健足側関節部に歩行アシスト力を伝えるための健足側関節アームおよび前記歩行アシスト力を発生する健足側関節アクチュエータと、前記左右の関節部における患足側関節部に歩行アシスト力を伝えるための患足側関節アームおよび前記歩行アシスト力を発生する患足側関節アクチュエータと、前記健足側関節アクチュエータおよび前記患足側関節アクチュエータの駆動を制御する制御装置とが備わっているロボティックウエアを用いて、片麻痺者の歩行運動をアシストするために、
前記健足側関節部の歩行運動に合わせて、前記健足側関節アクチュエータの出力回転軸に取り付けた前記健足側関節アームを、当該出力回転軸を中心として所定の振幅、周期で回転させる健足側歩行アシスト運動を制御し、前記患足側関節部の歩行運動に合わせて、前記患足側関節アクチュエータの出力回転軸に取り付けた前記患足側関節アームを、当該出力回転軸を中心として所定の振幅、周期で回転させる患足側歩行アシスト運動を制御するロボティックウエアを用いた歩行アシスト方法であって、
前記制御装置は、前記健足側関節部と前記健足側関節アクチュエータとの間に生じる健足側相互作用力、および、前記患足側関節部と前記患足側関節アクチュエータとの間に生じる患足側相互作用力を所定のサンプリング周期で検出し、
前記歩行アシスト力が加わらない状態で事前に測定された前記片麻痺者の歩行運動の健足側歩行周期、前記健足側関節部の振幅、患足側歩行周期および前記患足側関節部の振幅を、それぞれ、初期健足側歩行周期、初期健足側関節振幅、初期患足側歩行周期および初期患足側関節振幅とすると、
前記制御装置は、前記初期健足側関節振幅に基づき設定した基本関節振幅と、前記初期健足側歩行周期に基づき設定した基本歩行周期と、前記健足側相互作用力とに基づき、神経振動子を用いて、前記健足側関節部の歩行運動に対して、前記健足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記健足側関節アクチュエータを制御し、
前記制御装置は、前記基本関節振幅と、前記基本歩行周期と、前記患足側相互作用力とに基づき、神経振動子を用いて、前記患足側関節部の歩行運動に対して、前記患足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記患足側関節アクチュエータを制御し、
前記制御装置は、前記健足側歩行アシスト運動と前記患足側歩行アシスト運動とを相互に逆位相の状態に維持することを特徴としている。
【０００８】
例えば、基本関節振幅を初期健足側関節振幅と同一とし、患足側関節振幅を、基本関節振幅の０％〜２００％の範囲内の値、例えば、６０％〜１００％の範囲内の値に設定することができる。
【０００９】
片麻痺者の健足側歩行運動に対する前記健足側歩行アシスト運動の同調の度合いを健足側同調性と呼び、片麻痺者の患足側歩行運動に対する患足側歩行アシスト運動の同調の度合いを患足側同調性と呼ぶものとすると、患足側同調性を健足側同調性よりも低くなるように設定することができる。例えば、健足側同調性を高程度とした場合には、患足側同調性をそれよりも低い中程度とする。
【００１０】
ここで、ロボティックウエア非装着状態における片麻痺者の健足側関節振幅の方が患足側関節振幅よりも小さい場合がある。この場合には、患足側関節振幅に基づき基本関節振幅を設定し、患足側歩行周期に基づき基本歩行周期を設定することができる。
【００１１】
本発明において、ロボティックウエアとして、片麻痺者の健足側股関節部に歩行アシスト力を伝える健足側股関節アクチュエータおよび健足側膝関節部に歩行アシスト力を伝える健足側膝関節アクチュエータと、片麻痺者の患足側股関節部に歩行アシスト力を伝える患足側股関節アクチュエータおよび患足側膝関節部に歩行アシスト力を伝える患足側膝関節アクチュエータとを備えたものを使用することができる。
【００１２】
この場合には、健足側および患足側のいずれにおいても、同調制御における同調の度合いを、股関節に比べて膝関節の方を大きくすることが望ましい。例えば、患足側股関節同調性および患足側膝関節同調性の高低を同調ゲインＣ（０≦Ｃ≦１）で表し、同調ゲインＣの値が高いほど同調の度合いが高いものとすると、患足側股関節同調性を、中程度の同調ゲイン、例えばＣ＝０．３に設定し、患足側膝関節同調性も中程度の同調ゲインであって、股関節側よりも大きな値、例えば、Ｃ＝０．４に設定する。このように同調ゲインを設定することにより、片麻痺者の歩行時間を短縮することが可能である。
【００１３】
次に、本発明は上記の方法によりロボティックウエアの健足側関節アクチュエータおよび患足側関節アクチュエータを制御するロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト用コンピュータプログラムであって、
前記健足側関節部と前記健足側関節アクチュエータとの間に生じる健足側相互作用力、および、前記患足側関節部と前記患足側関節アクチュエータとの間に生じる患足側相互作用力を所定のサンプリング周期で取り込む機能と、
前記基本関節振幅と、前記基本歩行周期と、前記健足側相互作用力とに基づき、神経振動子を用いて、前記健足側関節部の歩行運動に対して、前記健足側関節アクチュエータによる前記健足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記健足側関節アクチュエータを制御する健足側同調制御機能と、
前記基本関節振幅と、前記基本歩行周期と、前記患足側相互作用力とに基づき、神経振動子を用いて、前記患足側関節部の歩行運動に対して、前記患足側関節アクチュエータによる前記患足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記患足側関節アクチュエータを制御する患足側同調制御機能と、
前記健足側歩行アシスト運動に対して前記患足側歩行アシスト運動を逆位相の状態に維持するように、前記健足側同調制御機能および前記患足側同調制御機能を協調動作させる機能と
をコンピュータに実行させることを特徴としている。
【００１４】
ここで、健足側同調制御機能には、健足側相互作用力に基づき、片麻痺者の健足側歩行運動に対する健足側関節アクチュエータの健足側歩行アシスト運動の同調の度合いを調整する健足側調整機能、設定健足側関節振幅および設定健足側歩行周期に基づき自励振動を行う神経振動子を用いて、健足側調整機能によって調整された入力に同調する出力を算出する健足側解析機能、および、当該健足側解析機能によって得られる出力に基づき健足側関節アクチュエータの健足側歩行アシスト運動をフィードバック制御する健足側制御機能が含まれる。
【００１５】
同様に、患足側同調制御機能には、患足側相互作用力に基づき、片麻痺者の患足側歩行運動に対する患足側関節アクチュエータの患足側歩行アシスト運動の同調の度合いを調整する患足側調整機能、設定患足側関節振幅および設定健足側歩行周期に基づき自励振動を行う神経振動子を用いて、患足側調整機能によって調整された入力に同調する出力を算出する患足側解析機能、および、当該患足側解析機能によって得られる出力に基づき前記患足側関節アクチュエータの患足側歩行アシスト運動をフィードバック制御する患足側制御機能が含まれる。
【００１６】
一方、本発明は、上記のアシスト方法により片麻痺者の歩行アシストを行うロボティックウエアであって、
片麻痺者の左右の股関節部および左右の膝関節部のうちの一方の左右の関節部における健足側関節部に歩行アシスト力を伝えるための健足側関節アームおよび前記歩行アシスト力を発生する健足側関節アクチュエータと、
前記左右の関節部における患足側関節部に歩行アシスト力を伝えるための患足側関節アームおよび前記歩行アシスト力を発生する患足側関節アクチュエータと、
前記健足側関節アクチュエータの出力回転軸に取り付けた前記健足側関節アームを、当該出力回転軸を中心として所定の振幅、周期で回転させる健足側歩行アシスト運動を制御する健足側制御ユニットと、
前記患足側関節アクチュエータの出力回転軸に取り付けた前記患足側関節アームを、当該出力回転軸を中心として所定の振幅、周期で回転させる患足側歩行アシスト運動を制御する患足側制御ユニットと、
前記健足側関節部と前記健足側関節アクチュエータとの間の相互作用力を検出する健足側検出部と、
前記患足側関節部と前記患足側関節アクチュエータとの間の相互作用力を検出する患足側検出部と、
を有しており、
前記健足側制御ユニットは、基本関節振幅と、基本歩行周期と、健足側相互作用力とに基づき、神経振動子を用いて、前記健足側関節部の歩行運動に対して、前記健足側関節アクチュエータによる前記健足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記健足側関節アクチュエータを制御し、
前記患足側制御ユニットは、前記基本関節振幅と、前記基本歩行周期と、患足側相互作用力とに基づき、前記神経振動子を用いて、前記患足側関節部の歩行運動に対して、前記患足側関節アクチュエータによる前記患足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記患足側関節アクチュエータを制御し、
前記健足側歩行アシスト運動に対して前記患足側歩行アシスト運動が逆位相の状態を維持するように、前記健足側制御ユニットおよび前記患足側制御ユニットの神経振動子の間に入れた抑制結合部を備えており、
前記歩行アシスト力が加わらない状態で事前に測定された前記片麻痺者の歩行運動の健足側歩行周期、前記健足側関節部の振幅、患足側歩行周期および前記患足側関節部の振幅を、それぞれ、初期健足側歩行周期、初期健足側関節振幅、初期患足側歩行周期および初期患足側関節振幅と呼ぶものとすると、
前記基本関節振幅は、前記初期健足側関節振幅に基づき設定されており、
前記基本歩行周期は、前記初期健足側歩行周期に基づき設定されていることを特徴としている。
【００１７】
ここで、ロボティックウエア非装着状態における片麻痺者の健足側関節振幅の方が患足側関節振幅よりも小さい場合がある。この場合には、患足側関節振幅に基づき基本関節振幅を設定し、患足側歩行周期に基づき基本歩行周期を設定することができる。
【００１８】
健足側制御ユニットは、健足側相互作用力に基づき、片麻痺者の健足側歩行運動に対する健足側関節アクチュエータの健足側歩行アシスト運動の同調の度合いを調整する健足側調整部、前記基本関節振幅および前記基本歩行周期に基づき自励振動を行う神経振動子を用いて、健足側調整部によって調整された入力に同調する出力を算出する健足側解析部、および、当該健足側解析部によって得られる出力に基づき健足側関節アクチュエータの健足側歩行アシスト運動をフィードバック制御する健足側制御部を備えた構成とすることができる。
【００１９】
同様に、患足側同調制御部は、患足側相互作用力に基づき、片麻痺者の患足側歩行運動に対する患足側関節アクチュエータの患足側歩行アシスト運動の同調の度合いを調整する患足側調整部、前記基本関節振幅および前記基本歩行周期に基づき自励振動を行う神経振動子を用いて、患足側調整部によって調整された入力に同調する出力を算出する患足側解析部、および、患足側解析部によって得られる出力に基づき患足側関節アクチュエータの患足側歩行アシスト運動をフィードバック制御する患足側制御部を備えた構成とすることができる。
【００２０】
本発明において、健足側制御ユニットおよび患足側制御ユニットにおける神経振動子は、以下の三式で示す非線形１階連立微分方程式で表される松岡モデルを用いることができる。
【００２１】
【数１】
0006781452.tif 000002
【００２２】
ここで、
ｘｉ：ｉ番目の神経素子の内部状態を示す係数
ｇ（ｘｉ）：ｉ番目の神経素子の出力
ｆｉ：ｉ番目の神経素子の疲労状態を表す係数
Ｓｉ：ｉ番目の神経素子への定常入力
ｂｉ：ｉ番目の神経素子の疲労係数
ａｉｊ：ｉ番目の神経素子からｊ番目の神経素子への結合係数
Ｔａ，Ｔｒ：時定数
Ｉｎｐｕｔ：外部入力
であり、
健足側相互作用力あるいは患足側相互作用力を相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌとし、健足側同調性あるいは患足側同調性の高低を調整するゲインを同調ゲインＣとすると、神経振動子の外部入力Ｉｎｐｕｔは、相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌと同調ゲインＣを用いて、
Ｉｎｐｕｔ＝Ｃ＊τ＿ｍｕｔｕａｌ
ただし、０  ≦  Ｃ  ≦  １
で表される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明者等は、片麻痺者に本発明による健足側関節アクチュエータおよび患足側関節アクチュエータを備えたロボティックウエアを装着させて歩行実験を行った。実験では、健足側の股関節ユニットと患足側の股関節ユニットの同調性を変えて、片麻痺者の歩行動作への影響を検証した。また、患足側関節アクチュエータにおける１周期分の歩行アシスト運動の振幅を、健足側の股関節の振幅を基準にして変化させて効果を検証した。さらに、歩行安定性の指標となる足圧を計測した。これらの実験から、片麻痺者の歩行安定性を維持しつつ、歩行時間短縮効果（歩行振幅の増加、歩行周期の短縮化）が得られることを確認した。
【００２４】
また、本発明者等は、ロボティックウエアとして、片麻痺者の健足側股関節部に歩行アシスト力を伝える健足側股関節アクチュエータおよび健足側膝関節部に歩行アシスト力を伝える健足側膝関節アクチュエータと、片麻痺者の患足側股関節部に歩行アシスト力を伝える患足側股関節アクチュエータおよび患足側膝関節部に歩行アシスト力を伝える患足側膝関節アクチュエータとを備えたロボティックウエアを片麻痺者に装着させて歩行実験を行た。実験では、制御条件（股関節の振幅、歩行周期、同調ゲイン）を変えて、歩行時間の短縮効果を検証した。これらの実験から、股関節アクチュエータおよび膝関節アクチュエータの制御条件を適切に設定することにより、特に、それらの同調ゲインを適切に設定することにより、歩行運動の時間短縮効果が得られることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明を適用可能な非外骨格型の下肢用のロボティックウエアの一例を示す正面図および側面図である。
【図２】左側の股関節ユニットを示す分解斜視図およびアクチュエータを示す説明図である。
【図３】ロボティックウエアの制御装置を示すブロック図である。
【図４】同調制御の処理の流れを示す説明図である。
【図５】神経振動子モデルを示す説明図である。
【図６】ロボティックウエア装着歩行実験（その１）における装着者の歩行状態を示す図面代用写真である。
【図７】試験条件の一覧表である。
【図８】試験条件Ａ１において計測された被験者の股関節の振幅の変化を示すグラフである。
【図９】試験条件Ｂ１において計測された被験者の股関節の振幅の変化を示すグラフである。
【図１０】試験条件Ｂ２において計測された被験者の股関節の振幅の変化を示すグラフである。
【図１１】足圧測定器で計測した患足側の一歩行周期の足底圧の変化を示すグラフである。
【図１２】各試験条件での歩行速度を示すグラフである。
【図１３】ロボティックウエア装着歩行実験（その２）におけるアクチュエータの制御条件を示す一覧表である。
【図１４】実験により計測された２名の被験者の歩行時間を示すグラフである。
【図１５】実験により計測された２名の被験者の股関節角度の振幅・周期の変化率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、図面を参照して本発明の同調制御を用いたロボティックウエアの駆動制御方法および駆動制御装置について説明する。
【００２７】
［非外骨格型の下肢用のロボティックウエア］
図１（ａ）、（ｂ）は本発明を適用可能な非外骨格型の下肢用のロボティックウエアの一例を示す正面図および側面図である。ロボティックウエア１は、装着者（片麻痺者）Ｐの左右の股関節に対応する左右の側部に装着される左右一対の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒと左右一対の膝関節ユニット３Ｌ、３Ｒを備えている。また、各ユニット２Ｌ、２Ｒ、３Ｌ、３Ｒによる歩行アシスト運動を制御する制御装置（図３参照）が備わっている。
【００２８】
左右の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒは左右対称に配置された同一構造のものであり、アクチュエータ４Ｌ、４Ｒと、この回転出力軸であるウエア関節軸１１Ｌ、１１Ｒ（図２参照）を中心として旋回する上アーム５Ｌ、５Ｒおよび下アーム６Ｌ、６Ｒとを備えている。上アーム５Ｌ、５Ｒの上端部は装着者Ｐの腰に固定したウエストバンド７に連結され、下アーム６Ｌ、６Ｒの下端部は装着者Ｐの大腿部に固定した大腿部バンド８Ｌ、８Ｒに連結されている。
【００２９】
各股関節ユニット２Ｌ、２Ｒのウエア股関節軸が装着者Ｐの左右の股関節に対応する位置となるように、ロボティックウエア１が装着者Ｐに装着される。左右の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒの上アーム５Ｌ、５Ｒ、下アーム６Ｌ、６Ｒは、歩行運動に合わせてウエア関節軸を中心として所定の振幅、周期で相対回転して（歩行アシスト運動を行って）、左右の股関節を中心とする歩行アシスト力（トルク）を装着者Ｐに伝える。
【００３０】
左右の膝関節ユニット３Ｌ、３Ｒも基本的に左右の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒと同様に構成されている。
【００３１】
図２（ａ）は左側の股関節ユニット２Ｌを示す分解斜視図であり、図２（ｂ）はアクチュエータ４Ｌを示す説明図である。
【００３２】
これらの図に示すように、股関節ユニット２Ｌのアクチュエータ４Ｌの回転出力は、股関節を中心とするアシスト力として装着者Ｐの大腿部に直接伝達される。アクチュエータ４Ｌの減速機１０Ｌの回転出力軸（ウエア関節軸１１Ｌ）には、その出力側に加わる負荷トルクを検出するためのトルクセンサ１２Ｌが配置されている。関節軸１１Ｌの回転位置は、例えばモータ９Ｌに内蔵のエンコーダ（図示せず）によって検出される。
【００３３】
トルクセンサ１２Ｌにより、股関節ユニット２Ｌと装着者Ｐとの間に生じる相互作用力がトルクとして検出される。検出されたトルクに基づいて、以下に述べる制御装置により、各股関節ユニット２Ｌ、２Ｒの歩行アシスト運動（上アーム５、下アーム６の開閉運動）が制御され、装着者２の歩行運動がアシストされる。
【００３４】
膝関節ユニット３Ｌ、３Ｒも同様に構成されており、それぞれ、装着者Ｐの左右の膝関節を中心とするアシスト力を装着者Ｐに伝える。
【００３５】
ロボティックウエア１の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒおよび膝関節ユニット３Ｌ、３Ｒの制御系は、以下に述べるように、コンピュータを中心に構成される。
【００３６】
［制御装置］
図３はロボティックウエア１の制御装置を示すブロック図である。この制御装置２０は、制御用ＰＣ２１によってロボティックウエア１の左右の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒ、膝関節ユニット３Ｌ、３Ｒ（図示せず）の駆動を制御するものである。図においては左右の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒを制御する左制御ユニット２０Ｌおよび右制御ユニット２０Ｒのみを示してある。
【００３７】
制御用ＰＣ２１は、同調制御用のコンピュータプログラムを実行することにより、同調制御のためのゲイン調整部２２Ｌ、２２Ｒ、解析部２３Ｌ、２３ＲおよびＰＩＤ制御部２４Ｌ、２４Ｒとして機能する。装着者とロボティックウエア１の各関節ユニットの間の相互作用力がトルクセンサ１２Ｌ、１２Ｒにより検出される。検出された相互作用トルクは、装着者とロボティックウエア１との同調の度合いを調整するゲイン調整部２２Ｌ、２２Ｒを介して、解析部２３Ｌ、２３Ｒに入力される。解析部２３Ｌ、２３Ｒでは、神経振動子モデルにより解析して左右の股関節の目標角度を求め、各股関節における現在角度と目標角度との差をＰＩＤ制御部２４Ｌ、２４Ｒに出力する。
【００３８】
ＰＩＤ制御部２４Ｌ、２４Ｒは、左右の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒのモータ９Ｌ、９ＲをＰＩＤ制御するものであり、モータ９Ｌ、９Ｒを駆動した結果得られる相互作用力をトルクセンサ１２Ｌ、１２Ｒによって再度検知し、解析部２３Ｌ、２３Ｒによって新たに目標角度を設定して、再度モータ９Ｌ、９Ｒを駆動制御する。モータ９Ｌ、９Ｒの駆動を補正制御する操作を繰り返し行うことによって同調制御が行われる。
【００３９】
なお、左右の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒのトルクセンサ１２Ｌ、１２Ｒによって検出される相互作用トルクは、アンプ２５Ｌ、２５Ｒを介して増幅され、ＡＤ変換器２６Ｌ、２６Ｒによってデジタル信号に変換された後に、Ｉ／Ｏインターフェース２７を介して制御用ＰＣ２１に取り込まれる。また、制御用ＰＣ２１は、ＰＩＤ制御部２４Ｌ、２４Ｒから出力される指令電圧をＤ／Ａ変換器２８Ｌ、２８Ｒを介してモータドライバ２９Ｌ、２９Ｒに供給し、指令電圧に基づきモータドライバ２９Ｌ、２９Ｒによりモータ９Ｌ、９Ｒを駆動する。
【００４０】
（同調制御方法）
図４は、制御装置２０において行われる一方の股関節ユニットに対する同調制御の処理の流れを示す説明図である。神経振動子を用いた同調制御方法は生物が脊髄にもつ神経振動子というリズム生成器を数学的にモデル化したものを用いており、人とロボットが同調して動くことを実現している。このような同調制御については前述の特許文献１、２において提案されている。
【００４１】
同調制御においては、装着者Ｐと、ロボティックウエア１の例えば左側の股関節ユニット２Ｌとの間の動きの違いによって生じる相互作用力を神経振動子モデルの入力信号として与える。この神経振動子モデルの計算を解くことによって、入力信号の波形に同調した波形が神経振動子モデルから出力される。その出力波形を目標角度とし、ＰＩＤ制御を用いて股関節ユニット２Ｌの新たな軌道を生み出す。所定のサンプリング周期で、相互作用力を計測して、装着者Ｐの左足の歩行運動と股関節ユニット２Ｌの歩行アシスト運動との同調した動きを実現する。
【００４２】
（神経振動子モデル）
神経振動子の数学モデルには様々なものがあるが、本例では松岡モデルを用いた。松岡モデルは以下の３式に示すように、非線形１階連立微分方程式で表すことができる。
【００４３】
【数１】
0006781452.tif 000003
【００４４】
ここで、
ｘｉ：ｉ番目の神経素子の内部状態を示す係数
ｇ（ｘｉ）：ｉ番目の神経素子の出力
ｆｉ：ｉ番目の神経素子の疲労状態を表す係数
Ｓｉ：ｉ番目の神経素子への定常入力
ｂｉ：ｉ番目の神経素子の疲労係数
ａｉｊ：ｉ番目の神経素子からｊ番目の神経素子への結合係数（神経素子間の重み係数）Ｔａ，Ｔｒ：時定数
Ｉｎｐｕｔ：外部入力
【００４５】
図５（ａ）に神経振動子の入出力を示す。神経振動子モデルは、図５（ｂ）に示すような２つのニューロンにより構成される。この神経振動子モデルの出力を、ｇ（ｘ１）−ｇ（ｘ２）とすることで、正弦波のような周期的な信号波形が得られる。ｘ１、ｘ２、ａ１２、ａ２１、ｂ１、ｂ２、Ｓ１、Ｓ２、Ｔａ、Ｔｒ、Ｉｎｐｕｔなどを任意に定めることにより、神経振動子モデルの出力波形を変化させることができる。
【００４６】
ここで、外部入力Ｉｎｐｕｔは周波数の同調のためのものである。相互作用力により発生する関節トルク（相互作用トルク）をτ＿ｍｕｔｕａｌとし、入力信号を増幅することで神経振動子モデルの自励振動が入力信号に同調する度合いである同調性を調節するゲインを同調ゲインＣとすると、神経振動子モデルの外部入力Ｉｎｐｕｔと相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌには次の関係にある。
Ｉｎｐｕｔ＝Ｃ＊τ＿ｍｕｔｕａｌ
ただし、０  ≦  Ｃ  ≦  １
【００４７】
Ｃの値が０の場合には、外部情報をフィードバックせず、自分自身の特性（振幅や周波数など）に基づく神経振動子モデルの出力が得られる。いいかえれば、同調しない制御となる。Ｃが正の値の場合には、外部情報をフィードバックし、入力信号に引き込まれた（相互作用を取り入れた）神経振動子モデルの出力が得られ同調制御が実現される。同調ゲインＣを調整することによって、望みの同調性を実現することができる。
【００４８】
（左右の股関節ユニットの協調動作）
本例の同調制御においては、左右の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒを有するロボティックウエア１が発生するアシスト力によって装着者Ｐの歩行の安定性を確保するために、左右の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒ間の協調動作を考慮する。左右の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒ間の協調動作を考慮するために、左右の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒの神経振動子間に抑制結合を加えて制御する。
【００４９】
具体的には、左右の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒの周期運動（歩行アシスト運動）に半周期の位相差を付ける。また、健足側の股関節の動きに合わせて患足側のモータを容易に制御できるように、左右の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒの神経振動子間に抑制結合を入れた神経振動子モデルを用いている。
【００５０】
制御装置２０の制御用ＰＣ２１によって実現される解析部２３Ｌ、２３Ｒにおいては、図５（ｃ）に示すように、左右の神経振動子間に抑制結合を加えた神経振動子モデルを採用し、その出力として、神経振動子間の抑制結合を加えた解析に基づいた出力が得られるように設定されている。神経振動子の出力をｇ（ｘｉ）−ｇ（ｘｉ＋１）（ｉ＝１，３）とすると、神経振動子の初期状態を定めることにより、左右の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒの神経振動子モデルの間で逆位相となる周期的な信号が得られる。
【００５１】
ここで、人との相互作用に加えて神経振動子間の相互作用を考慮すると、神経振動子からの出力が不安定になるが、神経振動子間の抑制結合係数を、ロボティックウエアと人との同調性が優先されるような小さな値に設定すると、左右の神経振動子の出力には、位相が反転した信号が現れ、人との相互作用を取り入れながら、左右の股関節ユニット間の協調動作によって歩行安定性を確保することが可能である。
【００５２】
［ロボティックウエア装着歩行実験その１］
（予備実験方法）
各被験者の基本歩行データを基に本実験での設定値を算出するために、予備実験を行って基本歩行データを採取した。歩数、所要時間を計測し、歩行周期（一回の歩行サイクル所要時間）、歩行１ステップの股関節の歩行振幅等を算出した。算出された値を、設定値として、ロボティックウエア１の制御装置２０に設定した。なお、被験者は右片麻痺患者１名を対象とした。
【００５３】
予備実験においては、左右の股関節ユニット２Ｌ、２Ｒを備えたロボティックウエア１を右片麻痺患者に装着してもらい、各モータの発生トルクをゼロに制御して歩行実験を行った。したがって、左側の股関節ユニット２Ｌが健足側股関節ユニットであり、そのアクチュエータ４Ｌが健足側股関節アクチュエータとなり、左側の股関節ユニット２Ｒが患足側股関節ユニットであり、そのアクチュエータ４Ｒが患足側股関節アクチュエータとなる。被験者の股関節の角度はモータ９Ｌ、９Ｒに内蔵のエンコーダで計測した。また、足圧測定器（Ｐｅｄａｒ）を被験者に装着し、歩行時の足圧の計測も行った。直線１０ｍの距離を往復歩行して計測を行った。図６は実験時における装着者の歩行状態を示す図面代用写真である。
【００５４】
（本実験方法）
予備実験により得た被験者の歩行周期、股関節の振幅を用いて、図７に示す条件で本実験を行った。被験者は予備実験に参加した右片麻痺患者１名を対象とした。
【００５５】
図７において、条件Ａ１は予備実験の条件と同一である。条件Ｂ１およびＢ２では、ロボティックウエア１の右股関節（患足側）のモータ９Ｒの振幅（歩行アシスト運動の振幅）を、左股関節（健足側）のモータ９Ｌの振幅の６０％および１００％の値にそれぞれ設定し、歩行周期同調性を中程度に設定した（例えば、同調ゲインＣ＝０．３）。左股関節（健足側）の同調性は、条件Ａ１、Ｂ１、Ｂ２のいずれの場合においても高程度（例えば、同調ゲインＣ＝０．５）とした。このように条件を設定して、右股関節（患足側）の振幅および足圧が、基本歩行時に比べて、健足側に近い状態になるのかを調べた。
【００５６】
本実験においても、予備実験同様に、被験者は同一のロボティックウエア１を装着して、試験条件Ａ１、Ｂ１、Ｂ２ごとに直路１０ｍの距離を往復歩行して計測を行った。なお、被験者に対しては歩行速度や歩幅の要求はせずに、本人の通常歩行で歩くように伝えた。
【００５７】
（実験結果）
図８、図９、図１０は、基本歩行の試験条件Ａ１、Ｂ１、Ｂ２において計測された被験
者の股関節の振幅の変化を示すグラフである。
【００５８】
股関節の振幅は、基本歩行の条件Ａ１では、患足側の右股関節の振幅（測定患足側関節振幅）が健足側の左股関節の振幅（測定健足側関節振幅）に比べて小さく、周期軌道が乱れている。条件Ｂ１およびＢ２の場合、すなわち、ロボティックウエアの患足側の右股関節ユニットの振幅（設定患足側関節振幅）を、健足側の左股関節ユニットの６０％、１００％にそれぞれ設定し、患足側歩行周期を健足側方向周期と同一に設定した場合では、それぞれ、患足側の右股関節の振幅が設定値に近い値になっていることがわかる。また、歩行周期は短くなり安定した軌道が得られていることがわかる。
【００５９】
図１１は、足圧測定器で計測した患足側の一歩行周期の足底圧の変化を示すグラフである。足圧については、健常者の一般的な足圧の変化形状は緩やかなＭ字形になっている。基本歩行の試験条件Ａ１に比べ、振幅を健足側の左股関節の１００％に設定した条件Ｂ２では足圧の変化形状がＭ字形に近づいていることがわかる。
【００６０】
図１２は各条件での歩行速度を示すグラフである。足圧については、基本歩行の条件Ａ１と比べ、振幅６０％（条件Ｂ１）、１００％（条件Ｂ２）で徐々に歩行速度が速くなっていることがわかる。これは、歩幅が広がり、同時間内の歩行周期が短くなっていることでも確認できる。
【００６１】
（実験結果について考察）
片麻痺者の歩行アシストを目的として、ロボティックウエアを用いた制御方法を提案して、その有用性を検証した。その結果、歩行運動における振幅の大きい健足側の股関節の動きに合わせて、振幅の小さな患足側の股関節のモータを制御することにより、患足の歩行運動の歩幅が拡がり、歩行速度を増すことができることがわかった。
【００６２】
［ロボティックウエア装着歩行実験その２］
上記の実験その１は、ロボティックウエアの股関節ユニットのみを用いて同調制御を行っている。股関節ユニットおよび膝関節ユニットの双方を用い、双方について同調制御を行って、片麻痺者の歩行支援を行う場合もある。
【００６３】
上記の実験その１と同様に、股関節ユニットおよび膝関節ユニットの双方を備えたロボティックウエアを被験者に装着させ、歩行実験（本実験）を行い、制御効果の有無（歩行時間短縮効果）を検証した。また、いずれの制御条件（関節振幅、歩行周期、同調ゲイン）において時間短縮効果がみられるのかを検証した。被験者は左片麻痺患者９名を対象とし、実験その１と同様に、予備実験を行い、各被験者の基本歩行データを採取した。
【００６４】
予備実験により得た被験者の歩行周期、股関節の振幅を用いて、各被験者について、同調制御の制御条件（基本設定、同調ゲイン）を変えて本実験を行った。制御条件として、健足の股関節の振幅および周期を基本設定（基本関節振幅、基本歩行周期）とした場合、健足側股関節および患足側股関節のうち関節振幅の大きい方の脚の振幅・周期を基本設定とした場合、健常者の振幅・周期を基本設定とした場合のそれぞれについて、股関節側の同調ゲインと膝関節側の同調ゲインを変更したものを用いた。また、これらの条件に加えて、ロボティックウエアの非装着状態（nocrr1）、および、同調制御無しの場合（ccr_TFB：同調ゲインＣ＝０）について、各被験者のそれぞれについて実験を行った。
【００６５】
図１３には、各種の制御条件のうち、以下に述べるように好適な結果が得られた制御条件群（条件Ｎｏ１〜Ｎｏ５）の一例を示す。図示の制御条件群において、設定された歩行周期および関節振幅の値（％）は、ロボティックウエアを未装着状態で計測された被験者の健足側および患足側の股関節の振幅のうち大きい方の脚の周期および振幅をそれぞれ基
準（１００％）とした場合の値である。股関節および膝関節の同調ゲインについては、それぞれ、健足側および患足側の双方について同一の値とした。
【００６６】
（実験結果）
図１４、図１５には、図１３に示す制御条件による実験結果を示す。図１４（ａ）、（ｂ）は、被験者のうちの２名の被験者（Ｌ０１２、Ｌ０１４）についての各制御条件下での歩行時間の計測結果を示すグラフである。図１５（ａ）、（ｂ）は、２名の被験者（Ｌ０１２、Ｌ０１４）について、制御条件Ｎｏ１〜Ｎｏ５の下で得られた患足側股関節振幅の変化率（L_Hip rate）、健足側股関節振幅の変化率（R_Hip rate）、患足側膝関節振幅の変化率（L_Knee rate）、健足側膝関節振幅の変化率（R_Knee rate）、患足側歩行周期の変化率（L_cyc rate）、および、健足側歩行周期の変化率（R_cyc rate）を、制御条件Ｎｏ１〜Ｎｏ５のそれぞれについて、この順番で示したグラフである。
【００６７】
（実験結果についての考察）
これらの結果から分かるように、歩行時間短縮効果に有意差があること（ｐ値で５％未満）が確認された。また、同調ゲインを、股関節アクチュエータについてはＣ＝０．３、膝関節アクチュエータについてはＣ＝０．４に設定することにより、歩行時間短縮効果（股関節振幅増加・周期減少の効果）が得られることが確認された。さらに、実験結果から、同調ゲインについては、股関節側および膝関節側の双方共に中程度に設定し、股関節側に比べて膝関節側を大きな値にする（アクチュエータの同調の度合いを高く設定する）ことが望ましいと考えられる。
【００６８】
［その他の実施の形態］
上記の例は本発明を非外骨格型のロボティックウエアに適用した場合であるが、本発明は外骨格型のロボティックウエアに対しても同様に適用可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１    ロボティックウエア
２Ｌ  左側の股関節ユニット
２Ｒ  右側の股関節ユニット
３Ｌ、３Ｒ  膝関節ユニット
４Ｌ  左側のアクチュエータ
４Ｒ  右側のアクチュエータ
５Ｌ、５Ｒ  上アーム
６Ｌ、６Ｒ  下アーム
７  ウエストバンド
８Ｌ、８Ｒ  大腿部バンド
９Ｌ、９Ｒ  モータ
１０Ｌ、１０Ｒ  減速機
１１Ｌ、１１Ｒ  関節軸
１２Ｌ、１２Ｒ  トルクセンサ
２０  制御装置
２０Ｌ、２０Ｒ  制御ユニット
２１  制御用ＰＣ
２２Ｌ、２２Ｒ  ゲイン調整部
２３Ｌ、２３Ｒ  解析部
２４Ｌ、２４Ｒ  ＰＩＤ制御部
２５Ｌ、２５Ｒ  アンプ
２６Ｌ、２６Ｒ  ＡＤ変換器
２７  Ｉ／Ｏインターフェース
２８Ｌ、２８Ｒ  Ｄ／Ａ変換器
２９Ｌ、２９Ｒ  モータドライバ
【図１】
0006781452.tif 000006
【図２】
0006781452.tif 000007
【図３】
0006781452.tif 000008
【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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