(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的な往復直線運動または周期的な往復揺動運動を含む往復運動をする往復運動体の運動軌跡に基づいた運動波形の周波数を検出する往復運動体の周波数検出装置であって、
前記往復運動体における時間の経過に応じて変化する位置に関する運動体位置関連情報が入力されて、入力された前記運動体位置関連情報に基づいて、前記往復運動体の往復運動に同期して振動し、当該振動に基づいた振動波形に関する情報である振動関連情報を出力する振動関連情報出力部と、
前記振動関連情報に基づいて推定した前記振動波形の周波数である推定周波数を前記運動波形の周波数として出力する周波数推定部と、
前記運動波形の周波数と前記推定周波数とを一致させるべく前記振動関連情報出力部への補正量を求める調整部と、を有し、
前記振動関連情報出力部は、
前記振動関連情報の１つであって前記調整部からの前記補正量に基づいて調整したパラメータである周波数調整パラメータと、
前記振動関連情報の１つであって前記運動体位置関連情報に基づいて前記往復運動体の位置として推定した推定運動体位置関連情報と、を出力し、
前記周波数推定部は、
前記振動関連情報出力部から出力される前記周波数調整パラメータに基づいて求めた前記推定周波数を出力し、
前記調整部は、
前記運動体位置関連情報と、前記推定運動体位置関連情報と、前記推定周波数と、に基づいて前記振動関連情報出力部の動作を補正する前記補正量である補正パラメータを求め、
求めた前記補正パラメータを前記振動関連情報出力部に出力して前記振動関連情報出力部から出力される前記周波数調整パラメータと前記推定運動体位置関連情報とを調整することで、前記周波数推定部から出力される前記推定周波数を調整する、
往復運動体の周波数検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の往復運動体の周波数検出装置であって、
前記運動体位置関連情報は、第１フィルタを通過させた後に前記振動関連情報出力部と前記調整部に入力されており、
前記補正パラメータは、第２フィルタを通過させた後に前記振動関連情報出力部に入力されている、
往復運動体の周波数検出装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の往復運動体の周波数検出装置であって、
前記往復運動は、周期的な往復揺動運動であり、かつ、前記運動体位置関連情報は、前記往復運動体における時間の経過に応じて変化する位置に関する揺動角度である、
あるいは、
前記往復運動体は、周期的な往復直線運動をするように、周期的な往復揺動運動をするアームに連結されており、
前記往復運動は、前記アームによる周期的な前記往復直線運動であり、かつ、前記運動体位置関連情報は、前記往復運動体における時間の経過に応じて変化する位置に基づいた前記アームの揺動角度である、
往復運動体の周波数検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の往復運動体の周波数検出装置であって、
前記振動関連情報出力部は、
ｘ１を、ニューロンの膜電位であり、ｆ（ｘ１）用の状態変数、
ｘ２を、ニューロンの膜電位であり、ｆ（ｘ２）用の状態変数、
ｆ（ｘ１）、ｆ（ｘ２）を、ニューロンの出力、ただし、ｆ（ｘｊ）＝ｍａｘ（０、ｘｊ）、
ｖ１を、順応化の程度を示す変数であり、ｆ（ｖ１）用の状態変数、
ｖ２を、順応化の程度を示す変数であり、ｆ（ｖ２）用の状態変数、
ｆ（ｖ１）、ｆ（ｖ２）を、順応化の程度を示す変数、ただし、ｆ（ｖｊ）＝ｍａｘ（０、ｖｊ）、
βを、順応化の時間変化を決定する定数であり、順応の強度、
γを、順応化の時間変化を決定する定数であり、２つの順応素子の結合係数、
ｕ０を、一定の定数である外部入力、
Ｔ１を、前記周波数調整パラメータ、
Ｔ２を、調整するべきパラメータであり、時定数、
ｂを、調整するべきパラメータであり、入力係数、
ｃを、調整するべきパラメータであり、出力係数、
θfltrを、前記運動体位置関連情報、
θneuroを、前記推定運動体位置関連情報、
とした場合、
【数１】
0006686501.tif 000017
の関係を有する神経振動子からなる数学モデルを用いて、入力された前記運動体位置関連情報に基づいて振動し、前記調整部からの前記補正パラメータに基づいて調整した前記周波数調整パラメータと、前記推定運動体位置関連情報と、を出力し、
前記周波数推定部は、
ｃ１、ｃ２を、周波数推定校正式の定数、
ｆcalcを、前記推定周波数、
Ｔ１／Ｔ２の比を、一定、
とした場合、
ｆcalc＝（ｃ１／Ｔ１）＋ｃ２
の関係と、前記振動関連情報出力部から出力された前記周波数調整パラメータと、に基づいて求めた前記推定周波数を出力し、
前記調整部は、
Ｋｐ１、Ｋｐ２を、定数であるパラメータ調整ゲイン、
sgn（ｘ）を、ｘ＞０のとき１、ｘ＝０のとき０、ｘ＜０のとき−１、となる符号関数、
ΔＴ１を、前記補正パラメータ、
とした場合、
【数２】
0006686501.tif 000018
の関係と、前記運動体位置関連情報と、前記推定運動体位置関連情報と、前記推定周波数と、に基づいて前記補正パラメータを求め、求めた前記補正パラメータを前記振動関連情報出力部に出力して前記振動関連情報出力部から出力される前記周波数調整パラメータと前記推定運動体位置関連情報とを調整することで、前記周波数推定部から出力される前記推定周波数を調整する、
往復運動体の周波数検出装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の往復運動体の周波数検出装置を備え、往復運動する前記往復運動体に接続されて、前記往復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往復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、
前記周波数検出装置と、
前記往復運動体に接続されて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って前記運動体位置関連情報である第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、
前記周波数検出装置にて求めた前記推定周波数と、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６】
請求項５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軸線であるバネ中心軸線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軸線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ゼンマイバネの前記見かけ上のバネ定数を調整する、
揺動関節装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周期的な往復運動をする往復運動体の運動軌跡に基づいた運動波形の周波数を検出する往復運動体の周波数検出装置、及び当該往復運動体の周波数検出装置を備えた揺動関節装置であって関節の剛性を可変とした揺動関節装置、に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）を、周期的な往復揺動運動をする運動体とみなし、ユーザの歩行のアシストを好適に行うロボティックスーツが開示されている。当該ロボティックスーツでは、ロボティックスーツとユーザとの間のトルクのズレを入力として、ＰＩＤ制御（フィードバック制御）を用いてトルクのズレを低減させている。
【０００３】
また特許文献２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】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−６６３７５号公報
【特許文献２】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】
【０００５】
特許文献１において、ユーザの歩行による往復揺動運動と、ロボティックスーツのアシストによる往復揺動運動と、の同調性を高めるためには、ユーザの歩行による往復揺動運動の周波数を推定し、推定した周波数と一致する周波数にてロボティックスーツのアシストによる往復揺動運動を行うと、より同調性を高めることができると推定される。しかし、特許文献１に記載されたロボティックスーツでは、ユーザの歩行による往復揺動運動の周波数を直接的に推定していない。
【０００６】
また近年では、ユーザの歩行や走行をアシストするために必要となる下肢の往復揺動運動の周波数や、往復直線運動や往復揺動運動を含む往復運動をする工作機械の可動部の運動をアシストするために必要となる往復運動の周波数等、往復運動する運動体の周波数の検出（推定）が所望されている。
【０００７】
なお、歩行のアシスト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、特許文献１に記載されたロボティックスーツでは、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。しかし、特許文献１には、電動アクチュエ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に記載のロボティックスーツは、連続動作時間が比較的短いと推定される。
【０００８】
また、特許文献２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よりも長いと推定される。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。
【０００９】
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、往復運動する運動体（往復運動体）の周波数を適切に検出（推定）することが可能な往復運動体の周波数検出装置、及び当該往復運動体の周波数検出装置を備えるとともに往復運動する関節の剛性を自動的に調整することで往復運動によって発生するトルクを自動的に調整し、往復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（往復運動体である下肢を往復運動させるエネルギー）、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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明に係る往復運動体の周波数検出装置及び揺動関節装置は、次の手段をとる。まず、本発明の第１の発明は、周期的な往復直線運動または周期的な往復揺動運動を含む往復運動をする往復運動体の運動軌跡に基づいた運動波形の周波数を検出する往復運動体の周波数検出装置であって、前記往復運動体における時間の経過に応じて変化する位置に関する運動体位置関連情報が入力されて、入力された前記運動体位置関連情報に基づいて、前記往復運動体の往復運動に同期して振動し、当該振動に基づいた振動波形に関する情報である振動関連情報を出力する振動関連情報出力部と、前記振動関連情報に基づいて推定した前記振動波形の周波数である推定周波数を前記運動波形の周波数として出力する周波数推定部と、前記運動波形の周波数と前記推定周波数とを一致させるべく前記振動関連情報出力部への補正量を求める調整部と、を有する。前記振動関連情報出力部は、前記振動関連情報の１つであって前記調整部からの前記補正量に基づいて調整したパラメータである周波数調整パラメータと、前記振動関連情報の１つであって前記運動体位置関連情報に基づいて前記往復運動体の位置として推定した推定運動体位置関連情報と、を出力する。また、前記周波数推定部は、前記振動関連情報出力部から出力される前記周波数調整パラメータに基づいて求めた前記推定周波数を出力する。そして、前記調整部は、前記運動体位置関連情報と、前記推定運動体位置関連情報と、前記推定周波数と、に基づいて前記振動関連情報出力部の動作を補正する前記補正量である補正パラメータを求め、求めた前記補正パラメータを前記振動関連情報出力部に出力して前記振動関連情報出力部から出力される前記周波数調整パラメータと前記推定運動体位置関連情報とを調整することで、前記周波数推定部から出力される前記推定周波数を調整する、往復運動体の周波数検出装置である。
【００１１】
次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係る往復運動体の周波数検出装置であって、前記運動体位置関連情報は、第１フィルタを通過させた後に前記振動関連情報出力部と前記調整部に入力されており、前記補正パラメータは、第２フィルタを通過させた後に前記振動関連情報出力部に入力されている、往復運動体の周波数検出装置である。
【００１２】
次に、本発明の第３の発明は、上記第１の発明または第２の発明に係る往復運動体の周波数検出装置であって、前記往復運動は、周期的な往復揺動運動であり、かつ、前記運動体位置関連情報は、前記往復運動体における時間の経過に応じて変化する位置に関する揺動角度である、あるいは、前記往復運動は、周期的な往復直線運動であり、かつ、前記運動体位置関連情報は、前記往復運動体における時間の経過に応じて変化する位置に基づいた角度である、往復運動体の周波数検出装置である。
【００１３】
次に、本発明の第４の発明は、上記第１の発明〜第３の発明のいずれか１つに係る往復運動体の周波数検出装置であって、前記振動関連情報出力部は、
ｘ１を、ニューロンの膜電位であり、ｆ（ｘ１）用の状態変数、
ｘ２を、ニューロンの膜電位であり、ｆ（ｘ２）用の状態変数、
ｆ（ｘ１）、ｆ（ｘ２）を、ニューロンの出力、ただし、ｆ（ｘｊ）＝ｍａｘ（０、ｘｊ）、
ｖ１を、順応化の程度を示す変数であり、ｆ（ｖ１）用の状態変数、
ｖ２を、順応化の程度を示す変数であり、ｆ（ｖ２）用の状態変数、
ｆ（ｖ１）、ｆ（ｖ２）を、順応化の程度を示す変数、ただし、ｆ（ｖｊ）＝ｍａｘ（０、ｖｊ）、
βを、順応化の時間変化を決定する定数であり、順応の強度、
γを、順応化の時間変化を決定する定数であり、２つの順応素子の結合係数、
ｕ０を、一定の定数である外部入力、
Ｔ１を、前記周波数調整パラメータ、
Ｔ２を、調整するべきパラメータであり、時定数、
ｂを、調整するべきパラメータであり、入力係数、
ｃを、調整するべきパラメータであり、出力係数
θfltrを、前記運動体位置関連情報、
θneuroを、前記推定運動体位置関連情報、
とした場合、
【数１】
0006686501.tif 000002
の関係を有する神経振動子からなる数学モデルを用いて、入力された前記運動体位置関連情報に基づいて振動し、前記調整部からの前記補正パラメータに基づいて調整した前記周波数調整パラメータと、前記推定運動体位置関連情報と、を出力し、
前記周波数推定部は、
ｃ１、ｃ２を、周波数推定校正式の定数、
ｆcalcを、前記推定周波数、
Ｔ１／Ｔ２の比を、一定、
とした場合、
ｆcalc＝（ｃ１／Ｔ１）＋ｃ２
の関係と、前記振動関連情報出力部から出力された前記周波数調整パラメータと、に基づいて求めた前記推定周波数を出力し、
前記調整部は、
Ｋｐ１、Ｋｐ２を、定数であるパラメータ調整ゲイン、
sgn（ｘ）を、ｘ＞０のとき１、ｘ＝０のとき０、ｘ＜０のとき−１、となる符号関数、
ΔＴ１を、前記補正パラメータ、
とした場合、
【数２】
0006686501.tif 000003
の関係と、前記運動体位置関連情報と、前記推定運動体位置関連情報と、前記推定周波数と、に基づいて前記補正パラメータを求め、求めた前記補正パラメータを前記振動関連情報出力部に出力して前記振動関連情報出力部から出力される前記周波数調整パラメータと前記推定運動体位置関連情報とを調整することで、前記周波数推定部から出力される前記推定周波数を調整する、往復運動体の周波数検出装置である。
【００１４】
次に、本発明の第５の発明は、上記第１の発明〜第４の発明のいずれか１つに係る往復運動体の周波数検出装置を備え、往復運動する前記往復運動体に接続されて、前記往復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往復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、前記周波数検出装置と、前記往復運動体に接続されて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って前記運動体位置関連情報である第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、前記周波数検出装置にて求めた前記推定周波数と、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。
【００１５】
次に、本発明の第６の発明は、上記第５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軸線であるバネ中心軸線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軸線回りに旋回される剛性調整部材に接続されている。また、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ゼンマイバネの前記見かけ上のバネ定数を調整する、揺動関節装置である。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明によれば、振動関連情報出力部と、周波数推定部と、調整部と、を有する往復運動体の周波数検出装置を適切に構成し、周波数推定部から出力される推定周波数を自動的に調整することができる周波数検出装置を実現することができる。
【００１７】
第２の発明によれば、第１フィルタを通過させることで運動体位置関連情報に含まれているノイズ成分を低減し、第２フィルタを通過させることで補正パラメータに含まれているノイズ成分を低減する。従って、より精度よく推定周波数を調整することが可能となる。
【００１８】
第３の発明では、往復運動が往復揺動運動である場合、時間の経過に応じて変化する揺動角度を運動体位置関連情報として用いる。また、往復運動が往復直線運動である場合、時間の経過に応じて変化する往復運動体の位置に基づいた角度を運動体位置関連情報として用いる。これにより、運動体位置関連情報を、往復運動の種類に応じて適切に設定することができる。
【００１９】
第４の発明によれば、振動関連情報出力部と周波数推定部と調整部を、より具体的かつ適切に実現することができる。
【００２０】
第５の発明によれば、制御手段を用いて、推定周波数と第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出力部を含む往復運動体の往復運動に対して、往復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、往復運動を支援するために必要なトルクを発生させることができる。これにより、例えば往復運動体が、電動モータ等によって往復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。また例えば往復運動体が、ユーザの下肢である場合、歩行時や走行時のユーザの負荷（下肢を動かすエネルギー）をより低減することができる。
【００２１】
第６の発明によれば、弾性体にゼンマイバネを用い、例えばユーザの下肢を往復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。そして往復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。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図であり、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】制御手段の構成を説明する図である。
【図１４】制御手段の処理手順の例を説明するフローチャートである。
【図１５】図１３における周波数検出部の構成を説明する図である。
【図１６】図１５における振動関連情報出力部の概念を説明する図である。
【図１７】振動関連情報出力部から出力される推定運動体位置関連情報（θneuro）の例を説明する図である。
【図１８】振動関連情報出力部から出力される周波数調整パラメータ（Ｔ１）と、周波数推定部から出力される推定周波数（ｆcalc）との関係を説明する図である。
【図１９】図１３における剛性・指令角度計算部の動作を説明するための模式図である。
【図２０】揺動関節装置の見かけ上の剛性の調整によるエネルギー低減効果の例を説明する図である。
【図２１】往復直線運動の例を説明するための工作機械の斜視図である。
【図２２】往復直線運動する砥石テーブルに揺動関節装置を取り付けた例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
●［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、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の揺動の例を示している。
【００２５】
●［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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
●［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ている。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ている。
【００３０】
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。
【００３１】
●［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。
【００３２】
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。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。
【００３３】
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）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。
【００３４】
●［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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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（図１２参照）により制御されており、固定端２４Ａの位置は、後述するように、大腿揺動アーム１３の揺動状態に応じてリアルタイムに変更される。
【００３９】
●［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。
【００４０】
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。
【００４１】
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を時計回り方向に第１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が時計回り方向に第１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。
【００４２】
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』時計回り方向に第１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』時計回り方向に第１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。
【００４３】
以上に説明した変速機２５（なお、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。
【００４４】
●［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。
【００４５】
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を介して駆動電流（図１２中のＩout）を電動モータ２１に出力する。電動モータ２１は制御手段５０からの駆動電流に基づいて出力軸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のシャフトの回転角度は、回転角度検出手段２１Ｓにて検出され、検出信号（図１２中のφref）は、ＣＰＵ５０Ａに入力される。またモータドライバ５２からの実際の駆動電流は、モータドライバ５２内に設けられた検出回路（図示省略）にて検出され、当該検出回路からの検出信号（図１２中のＩref）は、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（φref）、及びモータドライバ５２からの検出信号（Ｉref）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。
【００４６】
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（図１２中のθref）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。
【００４７】
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。
【００４８】
●［制御手段５０の構成（図１３）］
次に図１３を用いて、制御手段５０の構成について説明する。制御手段５０は、図１３に示すように、周波数検出部Ｂ１０、剛性・指令角度計算部Ｂ２０、第１加算器Ｂ３０、位置制御部Ｂ４０、第２加算器Ｂ５０、速度制御部Ｂ６０、第３加算器Ｂ７０、トルク制御部Ｂ８０、モータドライバ５２（図１２参照）、微分器Ｂ５１等を有している。なお、周波数検出部Ｂ１０を備えた制御手段５０は、周波数検出装置に相当している。
【００４９】
周波数検出部Ｂ１０は、第１角度検出手段１３Ｓからの検出信号である往復揺動運動体（この場合、ユーザの下肢）の第１揺動角度θrefが入力され、時間の経過に対する第１揺動角度θrefの変化である運動軌跡に基づいた運動波形の周波数（揺動の周波数）を推定する。そして周波数検出部Ｂ１０は、推定した周波数である推定周波数ｆcalcを、剛性・指令角度演算部Ｂ２０に出力する。
【００５０】
剛性・指令角度計算部Ｂ２０は、第１角度検出手段１３Ｓからの揺動角度θrefと、周波数検出部Ｂ１０からの推定周波数ｆcalcと、が入力され、往復揺動運動体の推定周波数ｆcalcと、その時点の第１揺動角度θrefに対して適切となる見かけ上のバネ定数を算出する。そして剛性・指令角度計算部Ｂ２０は、算出した見かけ上のバネ定数とするために必要となる電動モータ２１の回転角度である指令角度φcmdを算出し、算出したφcmdを、第１加算器Ｂ３０に出力する。
【００５１】
第１加算器Ｂ３０は、剛性・指令角度計算部Ｂ２０からの指令角度φcmdと、回転角度検出手段２１Ｓからの検出信号に基づいた、電動モータ２１の実際の回転角度である実角度φrefと、が入力され、指令角度φcmdと実角度φrefとの偏差である「位置偏差（＝指令角度φcmd−実角度φref）」を、位置制御部Ｂ４０に出力する。
【００５２】
位置制御部Ｂ４０は、位置フィードバック制御部であり、いわゆるＰＩＤ制御を行なって、第１加算器Ｂ３０から入力された位置偏差に基づいて、指令速度ωcmdを算出し、算出した指令速度ωcmdを、第２加算器Ｂ５０に出力する。なお、位置制御部Ｂ４０のＰＩＤ制御については、一般的なフィードバック制御であるので、詳細な説明は省略する。
【００５３】
第２加算器Ｂ５０は、位置制御部Ｂ４０からの指令速度ωcmdと、回転角度検出手段２１Ｓからの実角度φrefの時間に対する変化である実角速度（d／dt）φrefと、が入力され、指令速度ωcmdと実角速度（d／dt）φrefとの偏差である「速度偏差（＝指令速度ωcmd−実角速度（d／dt）φref）」を、速度制御部Ｂ６０に出力する。なお、実角速度（d／dt）φrefは、以下の（式１−１）に示すとおりであるので、（d／dt）φrefを、（式１−１）の右辺の項に置き換えてもよい。
【数３】
0006686501.tif 000004
【００５４】
微分器Ｂ５１は、実角度φrefが入力され、実角度φrefの時間に対する変化である実角速度（d／dt）φrefを、第２加算器Ｂ５０に出力する。
【００５５】
速度制御部Ｂ６０は、速度フィードバック制御部であり、いわゆるＰＩＤ制御を行なって、第２加算器Ｂ５０から入力された速度偏差に基づいて、指令トルクＴcmdを算出し、算出した指令トルクＴcmdを、第３加算器Ｂ７０に出力する。なお、速度制御部Ｂ６０のＰＩＤ制御については、位置制御部Ｂ４０と同様、一般的なフィードバック制御であるので、詳細な説明は省略する。
【００５６】
第３加算器Ｂ７０は、速度制御部Ｂ６０からの指令トルクＴcmdと、モータドライバ５２からの電流情報Ｉrefと、が入力され、指令トルクＴcmdと電流情報Ｉrefとの差分（指令トルクＴcmd−電流情報Ｉref）を、トルク制御部Ｂ８０に出力する。
【００５７】
トルク制御部Ｂ８０は、トルクフィードバック制御部であり、いわゆるＰＩＤ制御を行なって、第３加算器Ｂ７０から入力された前記差分に基づいて、指令電流Ｉcmdを算出し、算出したＩcmdを、モータドライバ５２に出力する。なお、トルク制御部Ｂ８０のＰＩＤ制御については、位置制御部Ｂ４０や速度制御部Ｂ６０と同様、一般的なフィードバック制御であるので、詳細な説明は省略する。
【００５８】
そして、第１加算器Ｂ３０、位置制御部Ｂ４０、第２加算器Ｂ５０、微分器Ｂ５１、速度制御部Ｂ６０、第３加算器Ｂ７０、トルク制御部Ｂ８０にて、フィードバック制御部Ｂ９０が構成されている。
【００５９】
モータドライバ５２は、トルク制御部Ｂ８０からの指令電流Ｉcmdが入力され、入力された指令電流Ｉcmdに応じた駆動電流Ｉoutを、電動モータ２１に出力する。また、モータドライバ５２は、実際に出力した駆動電流Ｉoutに応じた情報である電流情報Ｉrefを、第３加算器Ｂ７０に出力する。
【００６０】
電動モータ２１は、モータドライバ５２からの駆動電流Ｉoutによって回転駆動される。また、回転角度検出手段２１Ｓは、電動モータ２１の回転角度に応じた実角度φrefを、第１加算器Ｂ３０に出力する。
【００６１】
●［制御手段５０の処理手順（図１４）］
図１３に示した制御手段の構成に基づいた、制御手段５０の処理手順の例を、図１４のフローチャートにて示す。以下、図１４に示すフローチャートによる、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。
【００６２】
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の入力を待つ。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。
【００６３】
ステップＳ１２０にて制御手段は、第１角度検出手段１３Ｓからの検出信号を取り込み、ユーザの歩行状態（または走行状態）を計測し、ステップＳ１３０に進む。なお、ユーザの歩行状態（または走行状態）の計測としての第１角度検出手段１３Ｓからの検出信号の取り込みは、制御中に常に実行されている。
【００６４】
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て、その時点における大腿揺動アームの第１揺動角度θrefを算出する。そして制御手段は、第１揺動角度θrefの時間推移と、図１３に示す周波数検出部Ｂ１０を用いて、往復揺動運動体（この場合、ユーザの下肢）の往復揺動運動の周波数である推定周波数ｆcalcを算出し、ステップＳ１４０に進む。ステップＳ１３０は、図１３に示す周波数検出部Ｂ１０に対応しており、周波数検出部Ｂ１０にて推定周波数ｆcalcを求める詳細な手順については後述する。
【００６５】
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θref、大腿揺動アームの揺動の推定周波数ｆcalcと、図１３に示す剛性・指令角度計算部Ｂ２０を用いて、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（見かけ上の剛性）を計算し、ステップＳ１５０に進む。ステップＳ１４０は、図１３に示す剛性・指令角度計算部Ｂ２０に対応しており、剛性・指令角度計算部Ｂ２０にてゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ（剛性ｋ）を求める詳細な手順については後述する。
【００６６】
ステップＳ１５０にて制御手段は、ステップＳ１４０にて求めた、ゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋと、図１３に示す剛性・指令角度計算部Ｂ２０を用いて、電動モータ２１への指令角度φcmd（剛性調整部材２３の回転角度）を計算し、ステップＳ１６０に進む。ステップＳ１５０は、図１３に示す剛性・指令角度計算部Ｂ２０に対応しており、剛性・指令角度計算部Ｂ２０にて電動モータ２１への指令角度φcmdを求める詳細な手順については後述する。
【００６７】
ステップＳ１６０にて制御手段は、電動モータ２１の回転角度が指令角度φcmdとなるように、図１３に示すフィードバック制御部Ｂ９０を用いて、電動モータ２１を制御して、ステップＳ１７０に進む。ステップＳ１６０は、図１３に示すフィードバック制御部Ｂ９０に対応しており、フィードバック制御部Ｂ９０の動作は、一般的なフィードバック制御の動作と同じであるので、説明を省略する。
【００６８】
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。
【００６９】
●［ステップＳ１３０の処理の詳細（周波数検出部Ｂ１０の構成と、周波数検出部Ｂ１０による推定周波数ｆcalcの算出手順＜図１５〜図１８＞）］
次に、図１５〜図１８を用いて、ステップＳ１３０の処理について詳細を説明する。ステップＳ１３０は、図１３に示す周波数検出部Ｂ１０が相当しており、以下、周波数検出部Ｂ１０の構成と、周波数検出部Ｂ１０による推定周波数ｆcalcの算出手順の詳細を説明する。図１５は、周波数検出部Ｂ１０の構成を示しており、周波数検出部Ｂ１０は、第１フィルタＢ１１、振動関連情報出力部Ｂ１２、調整部Ｂ１３、第２フィルタＢ１４、周波数推定部Ｂ１５等を有している。
【００７０】
なお、以下、下記のように定義して説明する。
運動体位置関連情報：往復運動体（この場合、ユーザの下肢）の時間の経過に応じて変化する位置に関する情報
推定運動体位置関連情報：運動体位置関連情報に同期させた振動波形に基づいて推定した、往復運動体の時間の経過に応じて変化する位置に関する情報
θref：第１角度検出手段からの検出信号に基づいた第１揺動角度（運動体位置関連情報に相当）［rad］
θfltr：第１揺動角度θrefを、第１フィルタＢ１１に通過させて得られた、フィルタ通過後角度（運動体位置関連情報に相当）［rad］
θneuro：振動関連情報出力部Ｂ１２によって、フィルタ通過後角度θfltrに基づいて求めた、神経振動子出力角度（推定運動体位置関連情報に相当）［rad］
Ｔ１：振動関連情報出力部Ｂ１２によって、フィルタ通過後角度θfltrに基づいて求めた、周波数調整パラメータ［−］
ΔＴ１：調整部Ｂ１３によって、フィルタ通過後角度θfltr、神経振動子出力角度θneuro、推定周波数ｆcalcに基づいて求めた、神経振動子補正パラメータ（補正パラメータに相当）［−］
ΔＴ１fltr：神経振動子補正パラメータΔＴ１を、第２フィルタＢ１４に通過させて得られた、フィルタ通過後補正パラメータ［−］
ｆcalc：周波数推定部Ｂ１５によって、周波数調整パラメータＴ１に基づいて求めた推定周波数［Ｈｚ］
【００７１】
第１フィルタＢ１１は、いわゆるローパスフィルタであり、運動体位置関連情報である第１揺動角度θrefが入力され、運動体位置関連情報であるフィルタ通過後角度θfltrを、振動関連情報出力部Ｂ１２及び調整部Ｂ１３に出力する。例えば図１５の例において、往復運動体の［運動波形］に基づいて、時刻ｔａの時点では、角度θａが第１揺動角度θrefとして入力される。第１フィルタＢ１１は、第１揺動角度θrefに重畳されているノイズ成分を除去し、推定周波数ｆcalcの精度の向上に寄与する。なお、第１フィルタＢ１１を省略してもよい。
【００７２】
振動関連情報出力部Ｂ１２には、往復運動体（この場合、ユーザの下肢）の時間の経過に応じて変化する位置に関する運動体位置関連情報（この場合、フィルタ通過後角度θfltr）が入力されている。振動関連情報出力部Ｂ１２は、入力されたフィルタ通過後角度θfltrに基づいて、往復運動体の往復運動（この場合、往復揺動運動）に同期して振動する神経振動子からなる数学モデルを有している。そして振動関連情報出力部Ｂ１２は、往復運動体の往復運動に同期した神経振動子の振動に基づいた振動波形に関する情報である振動関連情報として、神経振動子出力角度θneuroと、周波数調整パラメータＴ１と、を求める。そして振動関連情報出力部Ｂ１２は、求めた神経振動子出力角度θneuroを調整部Ｂ１３に出力し、求めた周波数調整パラメータＴ１を周波数調整部Ｂ１５に出力する。なお、振動関連情報出力部Ｂ１２が神経振動子出力角度θneuroと周波数調整パラメータＴ１とを求める手順、の詳細については後述する。
【００７３】
調整部Ｂ１３は、フィルタ通過後角度θfltrと、神経振動子出力角度θneuroと、推定周波数ｆcalcとが入力され、神経振動子補正パラメータΔＴ１（補正パラメータに相当）を求め、求めた神経振動子補正パラメータΔＴ１を第２フィルタＢ１４に出力する。神経振動子補正パラメータΔＴ１は、往復運動体（この場合、ユーザの下肢）の運動波形の周波数と、推定周波数ｆcalcと、を一致させるべく、振動関連情報出力部Ｂ１２を調整するための補正量である。なお、調整部Ｂ１３が神経振動子補正パラメータΔＴ１を求める手順、の詳細については後述する。
【００７４】
第２フィルタＢ１４は、いわゆるローパスフィルタであり、神経振動子補正パラメータΔＴ１が入力され、フィルタ通過後補正パラメータΔＴ１fltrを、振動関連情報出力部Ｂ１２に出力する。第２フィルタＢ１４は、神経振動子補正パラメータΔＴ１に重畳されているノイズ成分を除去し、推定周波数ｆcalcの精度の向上に寄与する。なお、第２フィルタＢ１４を省略してもよい。
【００７５】
周波数推定部Ｂ１５は、周波数調整パラメータＴ１が入力され、入力された周波数調整パラメータＴ１に基づいて推定周波数ｆcalcを求め、求めた推定周波数ｆcalcを、調整部Ｂ１３及び剛性・指令角度計算部Ｂ２０（図１３参照）に出力する。なお、周波数推定部Ｂ１５が推定周波数ｆcalcを求める手順、の詳細については後述する。
【００７６】
●［振動関連情報出力部Ｂ１２による、神経振動子出力角度θneuroと周波数調整パラメータＴ１とを求める手順（図１６〜図１８）］
振動関連情報出力部Ｂ１２は、神経振動子からなる数学モデルとして、２個のニューロンが相互に刺激を抑制しあう、図１６の例に示すモデルを用いて、入力されたフィルタ通過後角度θfltrに基づいて、往復運動体（この場合、ユーザの下肢）の往復運動に同期して振動する。
【００７７】
なお、以下、下記のように定義して説明する。
ｘ１：ニューロンの膜電位であり、ｆ（ｘ１）用の状態変数
ｘ２：ニューロンの膜電位であり、ｆ（ｘ２）用の状態変数
ｆ（ｘ１）、ｆ（ｘ２）：ニューロンの出力、ただし、ｆ（ｘｊ）＝ｍａｘ（０、ｘｊ）
ｖ１：順応化の程度を示す変数であり、ｆ（ｖ１）用の状態変数
ｖ２：順応化の程度を示す変数であり、ｆ（ｖ２）用の状態変数
ｆ（ｖ１）、ｆ（ｖ２）：順応化の程度を示す変数、ただし、ｆ（ｖｊ）＝ｍａｘ（０、ｖｊ）
β：順応化の時間変化を決定する定数であり、順応の強度
γ：順応化の時間変化を決定する定数であり、２つの順応素子の結合係数
ｕ０：一定の定数である外部入力
Ｔ１：周波数調整パラメータ［−］
Ｔ２：調整するべきパラメータであり、時定数［−］
ｂ：調整するべきパラメータであり、入力係数［−］
ｃ：調整するべきパラメータであり、出力係数［−］
θfltr：フィルタ通過後角度（運動体位置関連情報）［rad］
θneuro：神経振動子出力角度（推定運動体位置関連情報）［rad］
【００７８】
上記のように定義した場合、図１６に示す数学モデルは、下記の（式１）〜（式５）の関係を有する神経振動子からなる数学モデルとなる。なお、当該数学モデルは、種々の文献に記載されている数学モデルであり、本発明では当該数学モデルを利用している。
【数４】
0006686501.tif 000005
【００７９】
そして、上記の（式１）、（式３）に、フィルタ通過後角度θfltrに値を入れると、図１７に示すような振動波形が出力される。この振動波形は、往復運動体（この場合、ユーザの下肢）の往復運動（この場合、往復揺動運動）に同期した振動による振動波形となる。当該図１７の振動波形が出力されることにより、その時点の時刻ｔにおける神経振動子出力角度θneuroが決まり、周波数調整パラメータＴ１が決まる。なお、周波数調整パラメータＴ１と、パラメータＴ２と、の比率（Ｔ１／Ｔ２）を変更することなく、周波数調整パラメータＴ１の値とパラメータＴ２の値を変更した場合、周波数調整パラメータＴ１と推定周波数ｆcalcとの関係は、図１８の例に示す反比例の関係になることが、わかっている。
【００８０】
●［調整部Ｂ１３による、神経振動子補正パラメータΔＴ１を求める手順］
図１８の特性を活かすため、周波数調整パラメータＴ１を調整して、出力波形を変化させる手法として、従来では、以下のように定義して、以下の（式６）により、神経振動子補正パラメータΔＴ１を調整していた。
Ｋｐ：定数であるパラメータ調整ゲイン
sgn（ｘ）：ｘ＞０のとき１、ｘ＝０のとき０、ｘ＜０のとき−１、となる符号関数
θfltr：フィルタ通過後角度（運動体位置関連情報）［rad］
θneuro：神経振動子出力角度（推定運動体位置関連情報）［rad］
ΔＴ１：神経振動子補正パラメータ（補正パラメータ）［−］
【数５】
0006686501.tif 000006
【００８１】
しかし上記の（式６）には、以下の（ａ）〜（ｃ）に示す課題があることに、本願の発明者は気づいた。
（ａ）位相差のみに着目した調整方法であり、周波数を直接考慮した式ではない。周波数を直接修正することなく位相を合わせることで間接的に周波数を合わせている。
（ｂ）全ての項が符号関数（１、０、−１、のいずれかの値となる）であるため、パラメータ変化量が離散的であり、収束性が悪い。
（ｃ）図１８より、推定周波数ｆcalcが比較的低い場合では周波数調整パラメータＴ１の変化量が大きいので収束時間が増加する。また、推定周波数ｆcalcが比較的高い場合では周波数調整パラメータＴ１の変化が推定周波数ｆcalcに及ぼす影響が大きいので出力安定性が悪化する。
【００８２】
そこで本願の発明者は、上記の（ａ）〜（ｃ）の課題を解決するため、以下のように定義して、上記の（式６）を改良した下記の（式７）を創作した。本願では、この（式７）にて神経振動子補正パラメータΔＴ１を求めることで、推定周波数ｆcalcの収束性の向上と、出力安定性の向上と、が得られている。
Ｋｐ１、Ｋｐ２：定数であるパラメータ調整ゲイン
sgn（ｘ）：ｘ＞０のとき１、ｘ＝０のとき０、ｘ＜０のとき−１、となる符号関数
θfltr：フィルタ通過後角度（運動体位置関連情報）［rad］
θneuro：神経振動子出力角度（推定運動体位置関連情報）［rad］
ｆcalc：推定周波数［Ｈｚ］
ΔＴ１：神経振動子補正パラメータ（補正パラメータ）［−］
【数６】
0006686501.tif 000007
【００８３】
ここで、上記の式を（式７）とする。この（式７）において、上記の課題（ａ）を解決する部分は、（式７）における２段目（第２項）の（｜θfltr｜−｜θneuro｜）が相当している。また、上記の課題（ｂ）を解決する部分は、（式７）における１段目（第１項）の［（θfltr）−（θneuro）］が相当している。また、上記の課題（ｃ）を解決する部分は、１段目の１／ｆcalcと、２段目の１／ｆcalcが相当している。
【００８４】
また、出力波形（図１７に示す振動波形）の振幅の調整は、（式１）〜（式５）におけるパラメータｃ、パラメータｂを、以下の（式８）、（式９）を利用して調整する。なお、（式９）における定数の「０．６」は経験値であり、この数値に限定されるものではない。
Δｃ＝｜θfltr｜−｜θneuro｜    （式８）
Δｂ＝０．６−（｜θneuro｜／ｃ）    （式９）
【００８５】
●［周波数推定部Ｂ１５による、推定周波数ｆcalcを求める手順］
そして本願の発明者は、以下のように定義して、下記の（式１０）を創作して、推定周波数ｆcalcを求めることとした。
ｃ１、ｃ２：周波数推定校正式の定数
Ｔ１：周波数調整パラメータ［−］
ｆcalc：推定周波数［Ｈｚ］
Ｔ１／Ｔ２の比を一定とした場合、
ｆcalc＝（ｃ１／Ｔ１）＋ｃ２    （式１０）
【００８６】
以上に説明したように、図１３及び図１５に示す周波数推定部Ｂ１０には、第１揺動角度θrefが入力されて、推定周波数ｆcalcを出力する。本願では、推定周波数ｆcalcを求めることで、往復運動体の運動波形の周波数を求め、求めた周波数を、後述する見かけ上のバネ定数及び剛性調整部材の回転角度の計算に用いる（ω＝２πｆcalcとしてωを用いる）ことで、制御精度をより向上させ、より大きなエネルギー低減効果を得ることができる。この周波数の算出は、特開２０１２−６６３７５号公報や、特開２０１３−２３６７４１号公報では、実施されていない。また、以上に説明した周波数推定部Ｂ１０の動作は、例えばユーザが歩行中に少しつまずいて瞬間的に周波数がズレた場合等のノイズの影響を受けにくく、安定した推定周波数ｆcalcを得ることができる。そして、以下では、この推定周波数ｆcalcと、第１揺動角度θrefが入力されて、指令角度φcmdを出力する、図１３に示す剛性・指令角度計算部Ｂ２０の処理の詳細について説明する。
【００８７】
●［ステップＳ１４０、Ｓ１５０の処理の詳細（剛性・指令角度計算部Ｂ２０による、見かけ上の剛性（バネ定数）ｋと、指令角度φcmdの算出手順＜図１９、図２０＞）］
次に、図１９、図２０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往復運動体（大腿揺動アーム１３＋大腿装着部１９＋大腿部ＵＬ１＋下腿部ＵＬ２（図４参照））の往復運動のエネルギーを、揺動関節装置１を用いて低減するための、往復運動体から見たゼンマイバネの見かけ上の剛性（バネ定数）ｋの算出手順と、指令角度φcmd（剛性調整部材２３（電動モータ２１）の回転角度）の算出手順について、詳細を説明する。なお、以下の説明では、ユーザの下肢にかかる重力の影響も考慮している。
【００８８】
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、ｃ３、ｋ１、ｎ、ηは予め制御手段５０に設定されている。
τ：図１９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：往復運動体の慣性モーメント［ｋｇｍ２］
ｃ３：往復運動体の粘性係数［Ｎｍｓ／ｒａｄ］
ｋ：往復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：往復運動体の質量（ユーザの下肢＋大腿揺動アーム１３＋大体装着部１９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から往復運動体の重心ＵＬｇまでの距離［ｍ］
θ：往復運動体の揺動角度（大腿揺動アーム１３の変位角）［ｒａｄ］
｜θ｜：往復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：往復運動体の角周波数［ｒａｄ／ｓ］
ｔ：時間［ｓ］
ｎ：変速機２５の減速比［−］
η：変速機２５の効率［−］
【００８９】
なお、上記の定義において、
往復運動体の揺動角度θ＝第１揺動角度θref    （式１１）
電動モータ２１の回転角度θ１＝指令角度φcmd    （式１２）
往復運動体の角周波数ω＝２πｆcalc    （式１３）
である。
【００９０】
往復運動体の運動方程式は、下記の（式１４）にて表すことができる。そして（式１４）に対して５次のTaylor展開を用いると、下記の（式１５）を得ることができる。
【数７】
0006686501.tif 000008
【数８】
0006686501.tif 000009
【００９１】
ここで、（式１６）のようにおくと、下記の（式１７）を得ることができる。
【数９】
0006686501.tif 000010
【数１０】
0006686501.tif 000011
【００９２】
また、大腿揺動アーム１３の変位角θ、往復運動体の変位角の振幅｜θ｜は、下記の（式１８）、（式１９）にて表すことができる。また、（式１６）、（式１９）から（式２０）を得ることができる。
【数１１】
0006686501.tif 000012
｜θ｜＝ａ／（ｄω）    （式１９）
ａ＝｜θ｜ｃ３ω    （式２０）
【００９３】
また、（式１７）に（式２０）を代入して、下記の（式２１）を得ることができる。
【数１２】
0006686501.tif 000013
【００９４】
この場合、トルク振幅は、下記の（式２２）にて表すことができる。この（式２２）において、｜τ｜を最小にするには、（式２２）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２３）が成立する。この（式２３）から（式２４）を得ることができる。
【数１３】
0006686501.tif 000014
【数１４】
0006686501.tif 000015
【数１５】
0006686501.tif 000016
【００９５】
ここで、力が釣り合っていると仮定したとき、往復運動体の側からゼンマイバネを見た場合のτは（式２５）にて表すことができる。またゼンマイバネの側から往復運動体を見た場合のτは（式２６）にて表すことができる。
τ＝ｋθ    （式２５）
τ＝ηｎτ１    （式２６）
【００９６】
減速機の入力軸に生じるトルクτ１は、下記の（式２７）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２８）を得ることができる。また（式２８）を（式２７）に代入して（式２９）を得ることができる。
τ１＝ｋ１θ´    （式２７）
θ´＝ｎθ−θ１    （式２８）
τ１＝ｋ１（ｎθ−θ１）    （式２９）
【００９７】
上記の（式２９）を（式２６）に代入して、以下の（式３０）を得ることができる。そして（式３０）と（式２５）より、以下の（式３１）を得られ、（式３１）を整理して（式３２）を得ることができる。
τ＝ηｎｋ１（ｎθ−θ１）＝ηｎ２ｋ１［１−θ１／（ｎθ）］θ    （式３０）
ｋ＝ηｎ２ｋ１［１−θ１／（ｎθ）］    （式３１）
θ１＝ｎθ［１−ｋ／（ηｎ２ｋ１）］    （式３２）
【００９８】
従って、図１４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２４）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３２）に基づいて電動モータ２１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。なお、上記の（式１１）〜（式１３）に示したように、往復運動体の揺動角度θ＝第１揺動角度θrefであり、電動モータ２１の回転角度θ１＝指令角度φcmdであり、往復運動体の角周波数ω＝２πｆcalcである。
【００９９】
なお、図２０は、横軸を、往復運動体の揺動周波数、縦軸を、往復運動体を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、本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。本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、往復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。
【０１００】
●［往復運動体が往復直線運動する場合の例（図２１、図２２）］
以上の説明では、往復運動体が、往復揺動運動するユーザの下肢である例、について説明したが、往復運動体が往復直線運動する場合にも、本発明を適用することができる。例えば図２１に示す工作機械は、ベッド７１、主軸テーブル７２、砥石台８２等を有する工作機械であり、当該工作機械に揺動関節装置を適用することもできる。なお、図２１中においてＸ軸とＹ軸とＺ軸は互いに直交しており、ワークＷの回転軸線ＪＸはＸ軸と平行であり、主軸テーブル７２は、ベッド７１に対してＸ軸方向に往復移動可能であり、砥石台８２は、ベッド７１に対してワークＷの回転軸線ＪＸに直交するＺ軸方向に往復移動可能である。
【０１０１】
ベッド７１には、エンコーダ７２Ｅ（角度検出手段であり、位置検出手段としても使用できる）を有する電動モータ７２Ｍが設けられている。電動モータ７２Ｍは、図示省略したモータ制御装置からの駆動電流に基づいて、ベッド７１に対して主軸テーブル７２をＸ軸方向に沿って往復移動させる。当該モータ制御装置は、エンコーダ７２Ｅからの検出信号に基づいて、主軸テーブル７２のＸ軸方向における位置を検出する。主軸テーブル７２がＸ軸方向に移動すると、Ｘ軸方向においてワークＷに対する砥石８４の相対的な位置が変わる。
【０１０２】
主軸テーブル７２には、主軸７３とチャック７３Ｃと電動モータ７３Ｍを有する主軸台７３Ｄと、センタ７４を有する心押台７４Ｄと、が設けられている。クランク状のワークＷは、チャック７３Ｃとセンタ７４とで挟持され、主軸７３によって、Ｘ軸に平行なワーク回転軸線ＪＸ回りに回転される。電動モータ７３Ｍは、図示省略したモータ制御装置からの駆動電流に基づいて、主軸７３を、ワーク回転軸線ＪＸ回りに回転させる。当該モータ制御装置は、エンコーダ７３Ｅからの検出信号に基づいて、主軸７３の回転角度を検出する。またセンタ７４は、主軸７３の方向に付勢されている。
【０１０３】
ベッド７１には、エンコーダ８２Ｅ（角度検出手段であり、位置検出手段としても使用できる）を有する電動モータ８２Ｍが設けられている。電動モータ８２Ｍは、図示省略したモータ制御装置からの駆動電流に基づいて、ベッド７１に対して砥石台８２をＺ軸方向に沿って往復移動させる。当該モータ制御装置は、エンコーダ８２Ｅからの検出信号に基づいて、砥石台８２のＺ軸方向における位置を検出する。砥石台８２がＺ軸方向に移動すると、Ｚ軸方向においてワークＷに対する砥石８４の相対的な位置が変わる。
【０１０４】
砥石台８２には、駆動プーリ８３Ａが取り付けられた電動モータ８４Ｍと、従動プーリ８３Ｃが取り付けられた砥石８４とが設けられている。そして駆動プーリ８３Ａの回転動力は、伝達ベルト８３Ｂにて従動プーリ８３Ｃに伝達され、砥石８４を回転駆動する。電動モータ８４Ｍは、図示省略したモータ制御装置からの駆動電流に基づいて、砥石８４を回転させる。
【０１０５】
クランク状のワークＷを回転させながらクランクピンを研削する場合、ワークＷの回転角度に応じて、電動モータ８２Ｍを用いて、砥石台８２をＺ軸方向に往復直線運動させる必要がある。そこで、図２２に示すように、砥石台８２に揺動関節装置１０１を取り付ける。図２２は、砥石台８２に揺動関節装置１０１を取り付けた状態をＹ軸方向から見た概略図であり、ベッド７１や主軸テーブル７２等を省略している。揺動関節装置１０１は、上述した揺動関節装置１に対して、大腿揺動アーム１３が、長穴１１３Ａを有するアーム１１３（第１出力部に相当）に変更されている。また砥石台８２には、突出部８２Ａが接続され、突出部８２には接続部８２Ｂが設けられている。この接続部８２Ｂが、アーム１１３の長穴１１３Ａに挿通されている。また揺動関節装置１０１のベース部２は、ベッド等に固定されている。
【０１０６】
図２２において、電動モータ８２Ｍは、主軸７３の回転角度（すなわちワークＷの回転角度）に応じて砥石台８２をＺ軸方向に往復直線運動させる。そして当該往復直線運動では、砥石台８２は、位置Ｚ０を中心として位置Ｚ１と位置Ｚ２との間を往復するものとする。このとき、図２２に示すように、アーム１１３は、時間の経過に応じて第１揺動角度θrefが変化する。図２２に示すように、第１揺動角度θrefは、砥石台８２（往復運動体）における時間の経過に応じて変化する砥石台８２の位置に基づいた角度である。
【０１０７】
この第１揺動角度θrefを用いて、図１４に示すステップＳ１３０にて、上述した手順にて推定周波数ｆcalc（往復直線運動の周波数）を推定する。そして図１４に示すステップＳ１４０、Ｓ１５０にて、上述した手順にて、見かけ上の剛性ｋ、及び指令角度φcmd（電動モータ２１の回転角度θ１）を算出する。なお、砥石台８２は水平方向に往復直線運動をしており重力の影響を受けないので、見かけ上の剛性ｋの式である（式２４）において、ｍ１ｇｌｇ＝０とすればよい（すなわち、ｋ＝Ｊ１ω２とすればよい）。そして、指令角度φcmdを用いて、図１４に示すステップＳ１６０にて、電動モータ２１の回転角度が指令角度φcmdとなるように電動モータ２１を制御する。上記に説明したように揺動関節装置１０１の見かけ上の剛性を調整することで、電動モータ８２Ｍの消費エネルギー（消費電力）を低減することができる。
【０１０８】
以上に説明したように、本実施の形態にて説明した揺動関節装置において、周波数検出部Ｂ１０を備えた制御手段５０（図１３参照）にて構成した（往復運動体の）周波数検出装置は、周期的な往復直線運動または周期的な往復揺動運動を含む往復運動をする往復運動体の運動軌跡に基づいた運動波形の周波数を、適切に検出することができる。
【０１０９】
また、当該周波数検出装置を備えた揺動関節装置１、１０１は、周期的な往復揺動運動をする往復運動体、あるいは周期的な往復直線運動をする往復運動体に接続されて、往復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、弾性体に蓄積したエネルギーを放出して往復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。そして揺動関節装置１、１０１は、往復運動体から見た見かけ上の剛性を可変とすることで、蓄積及び放出するエネルギーをより大きくしており、往復運動体を往復運動させるエネルギーをより低減することができる。
【０１１０】
本実施の形態の説明では、揺動関節装置を説明したが、周波数検出部Ｂ１０を備えた制御手段５０（制御ユニット５）にて、第１揺動角度θref（運動体位置関連情報）が入力されて推定周波数ｆcalcを出力する（往復運動体の）周波数検出装置を構成するようにしてもよい。
【０１１１】
本発明の（往復運動体の）周波数検出装置、及び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。
【０１１２】
本実施の形態にて説明した（往復運動体の）周波数検出装置は、ユーザの下肢の往復運動の周波数の検出や、工作機械の往復運動体の往復運動の周波数の検出に限定されるものではなく、周期的な往復直線運動または周期的な往復揺動運動をする種々の往復運動体の往復運動の周波数の検出に適用することができる。
【０１１３】
本実施の形態にて説明した揺動関節装置の用途は、ユーザの下肢の往復運動（歩行や走行）の支援や、工作機械の往復運動体の支援の用途に限定されず、電動モータ等を用いて周期的な往復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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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）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。
【０１１７】
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、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】
【０１１８】
１、１０１    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（剛性調整用電動モータ）
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
５０      制御手段
５２      モータドライバ
８２Ａ    突出部
８２Ｂ    接続部
１１３    アーム（第１出力部）
１１３Ａ  長穴
Ｂ１０    周波数検出部
Ｂ１１    第１フィルタ
Ｂ１２    振動関連情報出力部
Ｂ１３    調整部
Ｂ１４    第２フィルタ
Ｂ１５    周波数推定部
Ｂ２０    剛性・指令角度計算部
Ｂ３０    第１加算器
Ｂ４０    位置制御部
Ｂ５０    第２加算器
Ｂ６０    速度制御部
Ｂ７０    第３加算器
Ｂ８０    トルク制御部
Ｂ９０    フィードバック制御部
ｆcalc    推定周波数
Ｊｓ      基準線
ｋ      往復運動体から見たゼンマイバネの見かけ上の剛性（バネ定数）
Ｔ１      周波数調整パラメータ
ΔＴ１    神経振動子補正パラメータ（補正パラメータ）
ΔＴ１fitr    フィルタ通過後補正パラメータ
θ１      電動モータの回転角度（剛性調整角度、剛性調整部材の回転角度）
θref    第１揺動角度（運動体位置関連情報）
θfltr    フィルタ通過後角度（運動体位置関連情報）
θneuro    神経振動子出力角度（推定運動体位置関連情報）
θｆ、θｒ、θ、    第１揺動角度
θｓ      剛性調整角度（剛性調整部材の回転角度）
φcmd    指令角度（剛性調整角度、剛性調整部材の回転角度）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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