(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装着者の下半身の複数のリンクが関節を介して連結され、前記関節を介して連結された隣接する前記リンクの間でアシスト力を発生するアクチュエータを駆動して、装着した装着者の筋力を補助するパワーアシストスーツの制御装置であって、
前記装着者の足底荷重値の変化量を取得する荷重変化量取得部と、
前記足底荷重値の変化量から、前記リンクの目標とする移動加速度である目標加速度を算出する加速度算出部と、
前記目標加速度に基づき、前記アクチュエータを駆動するための駆動トルク値を、前記リンク毎に算出するトルク算出部と、
前記アクチュエータを駆動するトルク値として前記駆動トルク値を用いて前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部と、
を有し、
前記荷重変化量取得部は、前記目標加速度及び前記駆動トルク値を算出する１つのサイクルにおける前記目標加速度を算出するための前記足底荷重値の変化量として、前記サイクルより前の時刻からの足底荷重値の変化量を取得する、パワーアシストスーツの制御装置。
【請求項２】
前記加速度算出部は、前記足底荷重値が増加した場合に、ヨー軸に沿った足底方向側への値として前記目標加速度を算出し、前記足底荷重値が減少した場合に、ヨー軸に沿った前記足底方向と反対方向側への値として前記目標加速度を算出する、請求項１に記載のパワーアシストスーツの制御装置。
【請求項３】
前記加速度算出部は、前記足底荷重値の変化量が大きいほど、前記目標加速度を大きくする、請求項２に記載のパワーアシストスーツの制御装置。
【請求項４】
所定の係数である補正係数を設定する補正係数設定部を更に有し、
前記加速度算出部は、前記足底荷重値の変化量に前記補正係数を乗じた値を前記目標加速度とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパワーアシストスーツの制御装置。
【請求項５】
前記補正係数設定部は、前記足底荷重値が増加した場合と前記足底荷重値が減少した場合とで、前記補正係数を異なる値として設定する、請求項４に記載のパワーアシストスーツの制御装置。
【請求項６】
前記足底荷重値が増加する際の前記足底荷重値の変化量を正とし、前記足底荷重値が減少する際の前記足底荷重値の変化量を負とした場合、
前記補正係数設定部は、
前記足底荷重値の変化量が正の値の第１閾値以上である場合、前記補正係数の値を第１補正値とし、
前記足底荷重値の変化量が負の値の第２閾値以下である場合、前記補正係数の値を第１補正値と異なる第２補正値とし、
前記足底荷重値の変化量が第１閾値から第２閾値に向かうに従って、前記補正係数の値を前記第１補正値から前記第２補正値まで連続的に変化させる、請求項５に記載のパワーアシストスーツの制御装置。
【請求項７】
前記パワーアシストスーツの装着者の足が、地面から離れている遊脚状態から接地している立脚状態へ推移している立脚推移状態であるか、又は前記立脚状態から前記遊脚状態へ推移している遊脚推移状態であるかを、前記足底荷重値に基づき判断する足状態判定部を更に有し、
前記補正係数設定部は、前記足底荷重値が増加し、かつ、前記立脚推移状態である場合に、前記補正係数を大きくし、前記足底荷重値が減少し、かつ、前記遊脚推移状態である場合に、前記補正係数を大きくする、請求項４に記載のパワーアシストスーツの制御装置。
【請求項８】
前記加速度算出部は、前記足底荷重値が減少した場合に、ヨー軸に沿った足底方向と反対側への値として算出した前記目標加速度を、前記装着者の体幹に向かう方向への値に変換する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のパワーアシストスーツの制御装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の制御装置を有する、パワーアシストスーツ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーアシストスーツの制御装置及びパワーアシストスーツに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワーアシストスーツと呼ばれる装着型の作業補助装置が実用化されている。パワーアシストスーツは、装着者の動作に応じて筋力を補助するものである。パワーアシストスーツは、要介護者の補助、リハビリテーション、さらに重機が入り込めない狭い場所での重作業をするための力増幅装置としての適用可能性がある。
【０００３】
パワーアシストスーツは、装着者の動作に付随して作動するため、装着者の動きをできるだけ阻害しないように作動する必要がある。そのためには、パワーアシストスーツの作動制御には、装着者の体の移動を検出し、その検出値に基づき作動するフィードバック的な制御だけでなく、装着者の体の移動を先読みして作動するフィードフォワード的な制御が必要となってくる。例えば特許文献１には、足底荷重を検出し、足底荷重値が閾値を超えた場合に１ステップ分の歩行動作を開始する制御技術が記載されている。足底荷重値は、装着者の体の移動前に変化するため、これを用いた動作制御は、フィードフォワード的な制御であるということができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１２５３８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の技術では、定められた歩行動作しか行うことができず、例えば屈伸や階段の昇降など、自由な動作を補助することが可能な制御となっていない。
【０００６】
従って、本発明は、装着者の動きの阻害を抑制しつつ、装着者の自由な動作を補助することが可能なパワーアシストスーツの制御装置、及びパワーアシストスーツを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るパワーアシストスーツの制御装置は、複数のリンクが関節を介して連結され、前記関節を介して連結された隣接する前記リンクの間でアシスト力を発生するアクチュエータを駆動して、装着した装着者の筋力を補助するパワーアシストスーツの制御装置であって、前記装着者の足底荷重値の変化量を取得する荷重変化量取得部と、前記足底荷重値の変化量に応じて、前記リンクの目標とする移動加速度である目標加速度を算出する加速度算出部と、前記目標加速度に基づき、前記アクチュエータを駆動するための駆動トルク値を算出するトルク算出部と、前記アクチュエータを駆動するトルク値として前記駆動トルク値を用いて前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部と、を有する。
【０００８】
このパワーアシストスーツの制御装置は、目標加速度に基づき駆動トルク値を算出し、その駆動トルク値をアクチュエータ駆動のためのトルク値として用い、アクチュエータを駆動する。制御装置は、アクチュエータ駆動のためのトルク値を足底荷重値の変化量に応じて決定するため、装着者の体の移動を先読みしてパワースーツをフィードフォワード的に制御して、装着者の動きの阻害を抑制することができる。また、制御装置は、アクチュエータ駆動のためのトルク値を足底荷重値の変化量に応じて決定するため、定められた歩行パターンだけでなく、足底荷重値の変化量に応じて自由な動作を補助することができる。
【０００９】
前記制御装置において、前記加速度算出部は、前記足底荷重値が増加した場合に、ヨー軸に沿った足底方向側への値として前記目標加速度を算出し、前記足底荷重値が減少した場合に、ヨー軸に沿った前記足底方向と反対方向側への値として前記目標加速度を算出することが好ましい。この制御装置は、装着者が踏ん張ったり、脚を上げたりするというような、装着者の自由な動作を適切に補助することができる。
【００１０】
前記制御装置において、前記加速度算出部は、前記足底荷重値の変化量が大きいほど、前記目標加速度を大きくすることが好ましい。この制御装置は、装着者が迅速に動作したい場合は目標加速度を大きくしてその動作を適切に補助するなど、装着者の自由な動作をより適切に補助することができる。
【００１１】
前記制御装置は、所定の係数である補正係数を設定する補正係数設定部を更に有し、前記加速度算出部は、前記足底荷重値の変化量に前記補正係数を乗じた値を前記目標加速度とすることが好ましい。この制御装置は、目標加速度の値を補正係数に応じて増減することができるため、装着者に応じた適切な動作補助が可能となる。
【００１２】
前記制御装置において、前記補正係数設定部は、前記足底荷重値が増加した場合と前記足底荷重値が減少した場合とで、前記補正係数を異なる値として設定することが好ましい。この制御装置は、必要に応じて各方向へのアシスト力を強くすることができ、装着者の自由な動作をより適切に補助することができる。
【００１３】
前記制御装置において、前記足底荷重値が増加する際の前記足底荷重値の変化量を正とし、前記足底荷重値が減少する際の前記足底荷重値の変化量を負とした場合、前記補正係数設定部は、前記足底荷重値の変化量が正の値の第１閾値以上である場合、前記補正係数の値を第１補正値とし、前記足底荷重値の変化量が負の値の第２閾値以下である場合、前記補正係数の値を第１補正値と異なる第２補正値とし、前記足底荷重値の変化量が第１閾値から第２閾値に向かうに従って、前記補正係数の値を前記第１補正値から前記第２補正値まで連続的に変化させることが好ましい。この制御装置は、補正係数の値をバンプレスに変化させることにより、アシスト力の急激な変動を抑制することができる。
【００１４】
前記制御装置は、前記パワーアシストスーツの装着者の足が、地面から離れている遊脚状態から接地している立脚状態へ推移している立脚推移状態であるか、又は前記立脚状態から前記遊脚状態へ推移している遊脚推移状態であるかを、前記足底荷重値に基づき判断する足状態判定部を更に有し、前記補正係数設定部は、前記足底荷重値が増加し、かつ、前記立脚推移状態である場合に、前記補正係数を大きくし、前記足底荷重値が減少し、かつ、前記遊脚推移状態である場合に、前記補正係数を大きくすることが好ましい。この制御装置は、遊脚推移状態である場合、又は立脚推移状態である場合に、適切なタイミングで確実にアシスト力を増加させることができる。
【００１５】
前記制御装置において、前記加速度算出部は、ヨー軸に沿った方向の値として算出した前記目標加速度を、前記ヨー軸とは異なる方向に沿った値に変換することが好ましい。この制御装置は、アシスト力を適切な方向に加えることができるため、装着者の自由な動作をより適切に補助することができる。
【００１６】
前記制御装置において、前記加速度算出部は、前記足底荷重値が減少した場合に、ヨー軸に沿った足底方向と反対側への値として算出した前記目標加速度を、前記装着者の体幹に向かう方向への値に変換することが好ましい。この制御装置は、脚を上げる際に、より体に引き付ける方向にアシスト力を生じさせることができるため、装着者の脚上げ動作をより適切に補助することができる。
【００１７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るパワーアシストスーツは、前記制御装置を備える。このパワーアシストスーツは、装着者の動きの阻害を抑制しつつ、足底荷重値の変化量に応じて自由な動作を補助することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、装着者の動きの阻害を抑制しつつ、装着者の自由な動作を補助することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、第１実施形態に係るパワーアシストスーツを表す概略図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係るパワーアシストスーツの装着状態を表す正面図である。
【図３】図３は、第１実施形態に係るパワーアシストスーツの装着状態を表す側面図である。
【図４】図４は、第１実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、座標系について説明する説明図である。
【図６】図６は、足底荷重について説明する説明図である。
【図７】図７は、フィルタ部が有するフィルタ特性を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本実施形態に係る足底荷重値と目標加速度との関係の一例を示すグラフである。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本実施形態に係る足底荷重値と目標加速度との関係の一例を示すグラフである。
【図９】図９は、制御装置によるアクチュエータの駆動制御フローを説明するフローチャートである。
【図１０】図１０は、第２実施形態に係る補正係数の設定方法を説明するためのグラフである。
【図１１】図１１は、第３実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】図１２は、第３実施形態に係る制御装置による補正係数の決定方法を説明するフローチャートである。
【図１３】図１３は、座標系について説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
【００２１】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るパワーアシストスーツを表す概略図である。図２は、第１実施形態に係るパワーアシストスーツの装着状態を表す正面図である。図３は、第１実施形態に係るパワーアシストスーツの装着状態を表す側面図である。
【００２２】
（パワーアシストスーツの概要）
パワーアシストスーツ１０は、複数のリンクが関節を介して連結され、関節を介して連結された隣接するリンクの間でアシスト力を発生するアクチュエータを駆動して、装着した装着者の筋力を補助する装置である。図１から図３に示すように、パワーアシストスーツ１０は、装着者の腰に装着される腰パーツ１１と、肩に装着される肩パーツ１２と、脚に装着される脚パーツ１３Ａ、１３Ｂとを有している。
【００２３】
腰パーツ１１は、腰装着部２１と、給電装置２２と、大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂとを有する。腰装着部２１は、パワーアシストスーツ１０の装着者、すなわちパワーアシストスーツを装着する者（装着者）の腰の周囲に位置するように形成された、Ｃ形リング形状の部材である。給電装置２２は、腰装着部２１に取り付けられており、装着者の背中側に配置される。
【００２４】
給電装置２２は、パワーアシストスーツ１０が備える制御装置１及びアクチュエータ等の機器類に電力を供給する装置である。本実施形態において、給電装置２２は、パワーアシストスーツ１０の外部の電源２２Ｂから、電線２２Ｃを介して電力の供給を受ける。給電装置２２は、外部の電源２２Ｂからの電力を、パワーアシストスーツ１０が備える機器類に適した電圧等に変換してこれらに供給する。外部の電源２２Ｂは、例えば、ＡＣ（Alternating  Current）電源である。給電装置２２は外部の電源２２Ｂから電力の供給を受ける装置に限定されるものではなく、例えば、パワーアシストスーツ１０に搭載される蓄電器から電力の供給を受ける装置であってもよい。
【００２５】
大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂは、腰装着部２１の下方に連結されており、それぞれ装着者の左右の側部に配置されている。大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂは、パワーアシストスーツ１０の関節に相当する。大腿駆動機構２３Ａは、脚パーツ１３Ａ、１３Ｂの大腿装着部４１Ａを腰装着部２１に対して所定の軸線Ｙｗｌの周りを回動させることで、左脚の大腿の動作に応じて筋力を補助するものである。大腿駆動機構２３Ｂは、脚パーツ１３Ａの大腿装着部４１Ｂを腰装着部２１に対して所定の軸線Ｙｗｒの周りを回動させることで、右脚の大腿の動作に応じて筋力を補助するものである。
【００２６】
肩パーツ１２は、背装着部３１と、装着者の左右の肩に掛止するように配置される左肩装着部３２Ａ及び右肩装着部３２Ｂとを有する。左肩装着部３２Ａ及び右肩装着部３２Ｂは、装着者の背中側に配置される背装着部３１によって腰パーツ１１の腰装着部２１に連結されている。
【００２７】
脚パーツ１３Ａ、１３Ｂは、左脚及び右脚に対応して配置されている。左脚に対応する脚パーツ１３Ａは、大腿装着部４１Ａと、下腿装着部４２Ａと、足装着部４３Ａと、下腿駆動機構４５Ａと、脚駆動制御装置４６Ａとを有する。
【００２８】
大腿装着部４１Ａは、装着者の左脚の大腿に沿って配置され、下腿装着部４２Ａは、装着者の左脚の下腿に沿って配置される。大腿装着部４１Ａ及び下腿装着部４２Ａは、パワーアシストスーツ１０のリンクに相当する。大腿装着部４１Ａの一端部は、腰パーツ１１の腰装着部２１に回動可能に連結されている。下腿装着部４２Ａの一端部は、大腿装着部４１Ａの他端部に回動可能に連結されており、下腿装着部４２Ａの他端部は、回動軸４７Ａにより足装着部４３Ａに回動可能に連結されている。足装着部４３Ａは、装着者の左足部（左足首から下の部分）に装着される靴部である。回動軸４７Ａはパワーアシストスーツ１０の関節に相当し、足装着部４３Ａはパワーアシストスーツ１０のリンクに相当する。
【００２９】
下腿駆動機構４５Ａは、大腿装着部４１Ａの他端部に取り付けられている。下腿駆動機構４５Ａは、下腿駆動機構４５Ａを大腿装着部４１Ａに対して所定の軸線Ｙｎｌの周りを回動させることで、筋力を補助する。下腿駆動機構４５Ａは、パワーアシストスーツ１０の関節に相当する。脚駆動制御装置４６Ａは、大腿装着部４１Ａに取り付けられており、大腿駆動機構２３Ａ及び下腿駆動機構４５Ａの動作を制御する。脚駆動制御装置４６Ａ、大腿駆動機構２３Ａ及び下腿駆動機構４５Ａは、給電装置２２から電力が供給される。
【００３０】
右脚に対応する脚パーツ１３Ｂは、脚パーツＡと同様に、大腿装着部４１Ｂと、下腿装着部４２Ｂと、足装着部４３Ｂと、下腿駆動機構４５Ｂと、脚駆動制御装置４６Ｂとを有する。
【００３１】
大腿装着部４１Ｂは、装着者の右脚の大腿に沿って配置され、下腿装着部４２Ｂは、装着者の右脚の下腿に沿って配置される。大腿装着部４１Ｂ及び下腿装着部４２Ｂは、パワーアシストスーツ１０のリンクに相当する。大腿装着部４１Ｂの一端部は、腰パーツ１１の腰装着部２１に回動可能に連結されている。下腿装着部４２Ｂの一端部は、大腿装着部４１Ｂの他端部に回動可能に連結されており、下腿装着部４２Ｂの他端部は、回動軸４７Ｂにより足装着部４３Ｂに回動可能に連結されている。足装着部４３Ｂは、装着者の右足部（右足首から下の部分）に装着される靴部として形成されている。回動軸４７Ｂはパワーアシストスーツ１０の関節に相当し、足装着部４３Ｂはパワーアシストスーツ１０のリンクに相当する。
【００３２】
下腿駆動機構４５Ｂは、大腿装着部４１Ｂの他端部に取り付けられている。下腿駆動機構４５Ｂは、下腿駆動機構４５Ｂを大腿装着部４１Ｂに対して所定の軸線Ｙｎｒの周りを回動させることで、筋力を補助するものである。下腿駆動機構４５Ｂは、パワーアシストスーツ１０の関節に相当する。脚駆動制御装置４６Ｂは、大腿装着部４１Ｂに取り付けられており、大腿駆動機構２３Ｂ及び下腿駆動機構４５Ｂの動作を制御する。脚駆動制御装置４６Ｂ、大腿駆動機構２３Ｂ及び下腿駆動機構４５Ｂは、給電装置２２から電力が供給される。
【００３３】
大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂ及び下腿駆動機構４５Ａ、４５Ｂは、それぞれアクチュエータを備えている。本実施形態において、これらが備えるアクチュエータは電動機であるが、これに限定されない。本実施形態において、それぞれの脚パーツ１３Ａ、１３Ｂは、大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂ及び下腿駆動機構４５Ａ、４５Ｂを備えているので、制御軸は２軸である。本実施形態において、パワーアシストスーツ１０が備える制御軸は、１つの脚パーツ１３Ａ又は脚パーツ１３Ｂあたりにおいて２軸に限定されるものではない。
【００３４】
図２に示すように、足装着部４３Ａの底部、すなわち靴底には、荷重検出装置４４Ａが設けられている。また、足装着部４３Ｂの底部、すなわち靴底には、荷重検出装置４４Ｂが設けられている。荷重検出装置４４Ａ、４４Ｂは、足装着部４３Ａ、４３Ｂに作用する荷重、すなわち装着者の足底荷重を検出する。本実施形態において、荷重検出装置４４Ａ、４４Ｂは、例えば、６軸のロードセルであるが、これに限定されるものではない。以下において、荷重検出装置４４Ａ、４４Ｂを区別しない場合、適宜荷重検出装置４４という。
【００３５】
本実施形態において、背装着部３１の背面には、制御装置１が設けられている。制御装置１は、例えば、マイクロコンピュータである。制御装置１は、荷重検出装置４４Ａ、４４Ｂの検出値に基づいて、リンク、すなわち、大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂ、下腿駆動機構４５Ａ、４５Ｂ、及び足装着部４３Ａ、４３Ｂの動作を制御する。脚駆動制御装置４５Ａ、４５Ｂは、制御装置１からの指令に基づいて、大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂのアクチュエータ、下腿駆動機構４５Ａ、４５Ｂのアクチュエータ、及び足装着部４３Ａ、４３Ｂのアクチュエータを駆動する。本実施形態において、脚駆動制御装置４５Ａ、４５Ｂは、電動機を制御するモータードライバである。次に、制御装置１について説明する。
【００３６】
（制御装置について）
図４は、第１実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。図４に示すように、制御装置１は、第１制御部１Ａと第２制御部１Ｂとアクチュエータ制御部１Ｃとを有する。第１制御部１Ａは、パワーアシストスーツ１０の自重を受け持つ制御、及びパワーアシストスーツ１０の装着者の脚に作用する負荷を補助する制御等を実行する。後者の制御は、例えば、パワーアシストスーツ１０の装着者が物体を持つ際に、物体の質量による負荷をパワーアシストスーツ１０のリンク機構で受ける制御である。
【００３７】
第２制御部１Ｂは、装着者が力を出すきっかけ、すなわち装着者の足底荷重の変化に反応して、パワーアシストスーツ１０に装着者の移動に対するアシスト力を発生させる制御を実現する。言い換えれば、第２制御部１Ｂは、装着者が任意の位置姿勢で発した力の方向に対し、先んじてリンクを動かすことにより、装着者の動的動作を補助する。
【００３８】
第２制御部１Ｂは、荷重変化量取得部１０２と、補正係数設定部１０４と、加速度算出部１０６と、トルク算出部１０８とを有する。第２制御部１Ｂは、荷重変化量取得部１０２によってパワーアシストスーツ１０の足底荷重の変化量を取得し、加速度算出部１０６によって、足底荷重の変化量に基づきパワーアシストスーツ１０のリンクの目標加速度を算出し、トルク算出部１０８により、その目標加速度を実現するような駆動トルク値を算出する。また、アクチュエータ制御部１Ｃは、その駆動トルク値を用いてアクチュエータを駆動させる。目標加速度とは、パワーアシストスーツ１０のリンクの目標とする移動加速度である。パワーアシストスーツ１０のリンクとは、本実施形態では、大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂ、下腿駆動機構４５Ａ、４５Ｂ、足装着部４３Ａ、４３Ｂであり、下半身のリンクである。
【００３９】
第２制御部１Ｂの詳細を説明する前に、第２制御部１Ｂの制御に関する座標系について説明する。図５は、座標系について説明する説明図である。第２制御部１Ｂの制御においては、図５に示すように、足底Ｘ軸Ｘ１、足底Ｙ軸Ｙ１、足底Ｚ軸Ｚ１との座標系を用いる。足底Ｘ軸Ｘ１は、足装着部４３の前後方向、すなわち踵と爪先とを結ぶ方向である。足底Ｙ軸Ｙ１は、足底Ｘ軸Ｘ１と直交する方向であり、足装着部４３の足幅方向である。足底Ｚ軸Ｚ１は、足底Ｘ軸Ｘ１及び足底Ｙ軸Ｙ１と直交する方向であり、足装着部４３の足底と垂直な方向である。すなわち、足底Ｘ軸Ｘ１はロール軸であり、足底Ｙ軸Ｙ１はピッチ軸であり、足底Ｚ軸Ｚ１はヨー軸である。以下の説明では、足底Ｚ軸Ｚ１に沿った方向であって、足底から上方に向かう方向を足底上方向Ｚ１Ａとし、足底上方向Ｚ１Ａと反対側の方向、すなわち足底に向かう方向を足底下方向Ｚ１Ｂとする。
【００４０】
荷重変化量取得部１０２は、装着者の足底荷重の変化量を取得する。図４に示すように、荷重変化量取得部１０２は、荷重値取得部１２０とフィルタ部１２２とを有する。荷重値取得部１２０は、荷重検出装置４４が検出した装着者の足底荷重値を取得する。本実施形態では、荷重値取得部１２０は、足底下方向Ｚ１Ｂへの足底荷重値を取得する。以下、特に説明がない場合、足底荷重は、足底下方向Ｚ１Ｂへの足底荷重のことを指す。
【００４１】
図６は、足底荷重について説明する説明図である。より具体的には、図６は、装着者が歩行などで脚を動かす際の、右足の状態とその際の右足の足底荷重について説明したものである。右足の状態とは、右足が遊脚状態であるか立脚状態であるかを示すものである。遊脚状態とは、足底が地面から離れている状態を指し、立脚状態とは、足底の少なくとも一部が接地している状態を指す。
【００４２】
図６の（ａ）は、装着者が右足を地面から離そうとしている状態、すなわち遊脚推移状態を示している。（ａ）の場合、装着者は、右足を地表から離すために、足底上方向Ｚ１Ａに向けて力を入れている。従って、（ａ）においては、右足は立脚状態から遊脚状態へ移行し（遊脚推移状態）、右足の足底荷重は、接地状態における足底荷重Ｆ１から、０まで減少する。足底荷重Ｆ１は、左足及び右足が立脚している場合の右足の足底荷重値である。また、右足を地面から離す瞬間には、地面をけり上げる動きをするため、足底荷重は、Ｆ１より大きくなり、その後０まで減少する場合がある。
【００４３】
図６の（ｂ）は、（ａ）の後の状態であり、装着者が右足を地表から離したまま、さらに右足を上方に上げるように、足底上方向Ｚ１Ａに向けて力を入れている状態を示している。従って、（ｂ）において、右足の状態は遊脚状態であり、右足の足底荷重は０のままとなる。
【００４４】
図６の（ｃ）は、（ｂ）の後の状態であり、装着者が右足を地表に向けて降ろしている状態を示している。（ｃ）の場合、装着者は、右足を地表に向けて降ろそうとしているため、足底下方向Ｚ１Ｂに向けて右足の荷重がかかっている。従って、（ｂ）において、右足の状態は遊脚状態となり、右足の足底荷重はＦ２となる。足底荷重Ｆ２は、右足が遊脚し、かつ右足を地表に向けて降ろしている場合の右足の足底荷重値であり、足底荷重Ｆ１より小さい。荷重検出装置４４は、足装着部４３の底、すなわち靴底に設けられているため、（ｃ）のように遊脚状態であっても、足底荷重を検出することができる。
【００４５】
図６の（ｄ）は、（ｃ）の後の状態であり、装着者が右足を接地しようとする状態、すなわち立脚推移状態を示している。（ｄ）の場合、装着者は、右足を接地するために降ろしており、かつ左足は接地している。従って、足底荷重は、右足の接地に従い、Ｆ２からＦ１に変化する。すなわち（ｄ）において、右足の状態は遊脚状態から立脚状態に移行し（立脚推移状態）、右足の足底荷重は、Ｆ２からＦ１に変化する。また、右足が接地した瞬間は、慣性力が右足にかかることにより、右足の足底荷重は、Ｆ１より大きくなる場合もある。
【００４６】
図６の（ｅ）は、（ｄ）の後の状態であり、装着者が右足を接地しつつ、左足を地面から離そうとしている状態を示している。（ｅ）の場合、装着者は、右足を接地しつつ、左足を地表から離そうとしているため、右足に全ての荷重がかかることになる。すなわち、（ｅ）の場合、右足の状態は立脚状態であり、右足の足底荷重は、左足の脚上げに伴い、Ｆ１からＦ３に変化する。足底荷重Ｆ３は、左足が遊脚し、かつ右足が立脚している場合の右足の足底荷重値であり、足底荷重Ｆ１より大きい。
【００４７】
図６の（ｆ）は、（ｅ）の後の状態であり、装着者が右足を接地しつつ、左足を接地しようとしている状態を示している。（ｆ）の場合、装着者は、右足を接地しつつ、左足も接地しようとしているため、右足の荷重が左足にも分散される。すなわち、（ｆ）の場合、右足の状態は立脚状態であり、右足の足底荷重はＦ３からＦ１に変化する。続けて歩行する場合、（ｆ）の後は、（ａ）の状態に戻る。
【００４８】
以上のように、足底荷重値は、足の状態に応じて変化する。上記説明では、足底荷重値は、０と、両足が接地しているＦ１と、遊脚しつつ足を下ろしているＦ２と、片足のみ接地しているＦ３との４種類の状態がある。ただし、足底荷重値は、これら４種類に限られず、例えば接地の瞬間に大きくなったり、立脚する瞬間に大きくなったりするなど、装着者の動作によって、任意の値をとる。
【００４９】
荷重検出装置４４は、例えば所定の時間の経過毎に逐次足底荷重を検出するものであり、上述のように、立脚状態であっても遊脚状態であっても、足底荷重の検出が可能となっている。荷重値取得部１２０は、荷重検出装置４４が検出した装着者の足底荷重値を逐次取得する。
【００５０】
フィルタ部１２２は、荷重値取得部１２０が取得した装着者の足底荷重値に基づき、足底荷重値の変化量を取得する。荷重値取得部１２０が取得した装着者の足底荷重値を足底荷重値Ｆとすると、フィルタ部１２２は、足底荷重値Ｆの時間ｔでの一階微分値に対応する荷重値変化量ｆ（Ｆ）を算出する。荷重値変化量ｆ（Ｆ）は、足底荷重値Ｆの変化量である。
【００５１】
具体的には、フィルタ部１２２は、ローパスフィルタ特性及び微分特性を有するフィルタを用いて、荷重値変化量ｆ（Ｆ）を算出する。図７は、フィルタ部が有するフィルタ特性を示す図である。図７の縦軸はフィルタ部１２２のゲインＧＮ、横軸は周波数ｆｒである。フィルタ部１２２は、２次／２字型のフィルタを用いる。この２次／２字型のフィルタは、例えば、図７に示すように、周波数ｆｒ１以下までは微分特性ＤＦを有し、周波数ｆｒ２以上はローパスフィルタ特性ＬＰＦを有している。図７に示すような特性を有する２次／２字型のフィルタの連続系伝達関数Ｇ（Ｓ）は、式（１）で表される。
【００５２】
【数１】
0006697817.tif 000002
【００５３】
パワーアシストスーツ１０の動作を制御する帯域の目標をｆｒｔとする。この間は、概ね微分特性を持たせたいので、仮にｆ１をｆｒｔよりも小さい所定の値とし、ｆ２をｆｒｔよりも大きい所定の値とする。このようにパラメータが設定されたフィルタ部１２２は、概ねｆｒｔＨｚまでは微分特性を有しつつ、高い周波数における信号に過剰反応しないようローパスフィルタ特性を有する特性になる。このフィルタ部１２２は、例えば、ステップ入力に対して、所定の第１期間は入力を倍増する出力を発生させ、第１期間経過後における第２期間においては出力をほぼ０にする。仮に出力を持続させるには、ｆ１を小さくすればよい。ステップ入力に対するフィルタ部１２２の出力の最大値が小さくなる場合において、これを大きくするにはｆ２を大きくすればよい。フィルタ部１２２のゲインＧＮは、例えば、ステップ入力に対するフィルタ部１２２の応答特性に基づいて決定することができる。
【００５４】
フィルタ部１２２を用いる場合、周波数ｆｒ１、ｆｒ２及びゲインＧＮ等といったフィルタ部１２２のパラメータを調整して、微分特性及びローパスフィルタ特性を調整することにより、パワーアシストスーツ１０の特性及び装着者の体感を制御に反映させることができる。また、乗り心地のような体感フィルタも存在しており、人の感じやすさを周波数特性で表現することも可能である。このような周波数特性を考慮して、フィルタ部１２２のパラメータを決定することにより、パワーアシストスーツ１０のアクチュエータの無駄な動作を抑制できる。その結果、フィルタ部１２２が用いられることにより、制御装置１は、最小の制御出力で最大の補助効果を生み出すこともできる。
【００５５】
このように、フィルタ部１２２は、微分特性ＤＦ及びローパスフィルタ特性ＬＰＦを有するフィルタを用いて、荷重値変化量ｆ（Ｆ）を算出する。ただし、フィルタ部１２２は、足底荷重値Ｆの時間ｔでの荷重値変化量ｆ（Ｆ）を算出するものであれば、このようなフィルタを用いて荷重値変化量ｆ（Ｆ）を算出しなくてもよい。例えば、フィルタ部１２２は、今回取得された足底荷重値Ｆと前回取得された足底荷重値Ｆとの差分を、荷重値変化量ｆ（Ｆ）としてもよい。
【００５６】
足底荷重値Ｆは、足底下方向Ｚ１Ｂへの荷重であるため、荷重値変化量ｆ（Ｆ）は、足底Ｚ軸Ｚ１に沿って、足底下方向Ｚ１Ｂへの値が正の値となるベクトル値ということができる。足底荷重値Ｆが増加した場合、荷重値変化量ｆ（Ｆ）は正の値となり、足底荷重値Ｆが減少した場合、荷重値変化量ｆ（Ｆ）は負の値となる。
【００５７】
図４に示す補正係数設定部１０４は、所定の係数である補正係数Ｋを設定する。補正係数Ｋは、後述する目標加速度を算出するための係数である。本実施形態において、補正係数設定部１０４は、補正係数Ｋを予め定められた値、すなわち一定の値として記憶している。ただし、補正係数設定部１０４は、例えば装着者による設定により、補正係数Ｋの値を変化させてもよい。ただし、第１実施形態における補正係数Ｋの値は、装着者に設定された場合であっても、次に装着者による設定変更がない場合は、その設定された値のまま一定である。
【００５８】
図４に示す加速度算出部１０６は、足底荷重値の変化量、すなわち荷重値変化量ｆ（Ｆ）に応じて、パワーアシストスーツ１０のリンクの目標とする移動加速度である目標加速度を算出する。目標加速度をａとした場合、加速度算出部１０６は、補正係数Ｋと荷重値変化量ｆ（Ｆ）とに基づき、目標加速度ａを算出する。加速度算出部１０６は、逆バネのような特性になるように、足底荷重値Ｆの変化量のベクトルと反対側に向けてリンクの目標加速度ａを設定する。具体的には、加速度算出部１０６は、次の式（２）に示すように、補正係数Ｋと荷重値変化量ｆ（Ｆ）とを乗じて、その乗じた値にマイナスを乗じることにより、目標加速度ａを算出する。
【００５９】
【数２】
0006697817.tif 000003
【００６０】
目標加速度ａは、足底Ｚ軸Ｚ１に沿って、足底上方向Ｚ１Ａへの値が正の値となるベクトル値ということができる。加速度算出部１０６は、荷重値変化量ｆ（Ｆ）が正の値となった場合、足底下方向Ｚ１Ｂに向けてリンクが作動するように、目標加速度ａを負の値に設定する。言い換えれば、加速度算出部１０６は、足底荷重値Ｆが増加した場合（荷重値変化量ｆ（Ｆ）が正の値となった場合）に、足底下方向Ｚ１Ｂ側への値となるように、すなわち足底下方向Ｚ１Ｂ側へ加速度を発生させるように、目標加速度ａを算出する。
【００６１】
また、加速度算出部１０６は、荷重値変化量ｆ（Ｆ）が負の値となった場合、足底上方向Ｚ１Ａに向けてリンクが作動するように、目標加速度ａを正の値に設定する。言い換えれば、加速度算出部１０６は、足底荷重値Ｆが減少した場合（荷重値変化量ｆ（Ｆ）が負の値となった場合）に、足底上方向Ｚ１Ａ側への値となるように、すなわち足底上方向Ｚ１Ａ側へ加速度を発生させるように、目標加速度ａを算出する。
【００６２】
また、加速度算出部１０６は、足底荷重値Ｆの変化量が大きいほど、目標加速度ａの絶対値を大きくする。具体的には、加速度算出部１０６は、荷重値変化量ｆ（Ｆ）が正の値である場合、その絶対値が大きいほど、目標加速度ａの絶対値、言い換えれば足底上方向Ｚ１Ａへの値を大きくする。加速度算出部１０６は、荷重値変化量ｆ（Ｆ）が負の値である場合、その絶対値が大きいほど、目標加速度ａの絶対値、言い換えれば足底下方向Ｚ１Ｂへの値を大きくする。ただし、目標加速度ａは、リンクが目標とする加速度であり、実際のリンクの制御は後述するようにトルク値で行う。従って、リンクは、実際の移動加速度が目標加速度ａで動作しない場合もある。また、加速度算出部１０６は、補正係数Ｋを用いずに、荷重値変化量ｆ（Ｆ）のマイナスの値を目標加速度ａとしてもよい。
【００６３】
また、図８Ａを用いて、足底荷重値がステップ的に変化する場合における目標加速度ａについて説明する。図８Ａは、本実施形態に係る足底荷重値と目標加速度との関係の一例を示すグラフである。図８Ａの横軸は時間であり、縦軸の一方は足底荷重値Ｆであり、縦軸の他方は目標加速度ａである。図８Ａの例では、足底荷重値Ｆが０とＦａとでステップ的に変化する場合における目標加速度ａの値を示している。図８Ａの線分Ｌ１は、時間ごとの足底荷重値Ｆの値を示しており、線分Ｌ２は、時間ごとの目標加速度ａの値を示している。線分Ｌ１に示すように、足底荷重値Ｆは、時刻ｔ０において０であり、時刻ｔ１においてＦａとなる。この場合、時刻ｔ０から時刻ｔ１の荷重値変化量ｆ（Ｆ）は正の値となる。従って、目標加速度ａは、時刻ｔ１における０から負の値に変化し、時刻ｔ１から所定時間遅れた時刻ｔ２において、負の値であるａａとなる。
【００６４】
線分Ｌ１に示すように、足底荷重値Ｆは、時刻ｔ２より後の時刻ｔ４まで、値がＦａのままである。この場合、時刻ｔ１から時刻ｔ３の荷重値変化量ｆ（Ｆ）は０となる。従って、目標加速度ａは、時刻ｔ２から値が徐々に増加し、時刻ｔ３において０となる。時刻ｔ０から時刻ｔ２までの長さは、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの長さより短い。言い換えれば、足底荷重値Ｆが０とＦａとでステップ的に変化する場合における目標加速度ａの変化は、足底荷重値Ｆが一定である場合における目標加速度ａが０へ戻る変化よりも、遅れが小さくなっている。
【００６５】
線分Ｌ１に示すように、足底荷重値Ｆは、時刻ｔ５において、０となり、そのまま０のままとなる。この場合、時刻ｔ４から時刻ｔ５の荷重値変化量ｆ（Ｆ）は負の値となる。従って、目標加速度ａは、時刻ｔ３における０から正の値に変化し、時刻ｔ５から所定時間遅れた時刻ｔ６において、正の値であるａｂとなる。また、時刻ｔ５以降の荷重値変化量ｆ（Ｆ）は０となる。従って、目標加速度ａは、時刻ｔ６から値が徐々に減少し、時刻ｔ７において０となる。
【００６６】
また、時間毎の足底荷重値と目標加速度との関係について、図８Ｂを用いて説明する。図８Ｂは、本実施形態に係る足底荷重値と目標加速度との関係の一例を示すグラフである。図８Ｂの横軸は時間である。図８Ｂの一方の縦軸は足底荷重値Ｆであり、下方に向かって足底荷重値Ｆの下向き荷重（足底下方向Ｚ１Ｂへの荷重）が大きくなっている。図８Ｂの他方の縦軸は目標加速度ａであり、上方に向かって上向き（足底上方向Ｚ１Ａ）の加速度が大きくなっている。図８Ｂの線分Ｌ１ａは、装着者が歩行している際の右足の足底荷重値Ｆの一例であり、線分Ｌ２ａは、線分Ｌ１ａのように足底荷重値Ｆが変化した場合の右脚の目標加速度ａである。
【００６７】
線分Ｌ１ａに示すように、図８Ｂの例では、足底荷重値は、時刻ｔａ０において０から増加し始める。すなわち時刻ｔａ０では、遊脚状態において、図６の（ｃ）のように右足を地表に向けて降ろし始めている。そして、足底荷重値は、右足を接地した瞬間の時刻ｔａ１においてＦａ１となる。右足を接地した瞬間は足底に慣性力がかかるため、足底荷重値Ｆａ１は、図６で説明した足底荷重値Ｆ１（両足が接地している状態の荷重）より大きい。その後、慣性力から解放されるため、立脚状態のまま足底荷重値は減少し、時刻ｔａ２において、足底荷重値は、Ｆａ２となる。この足底荷重値Ｆａ２は、図６で説明した足底荷重値Ｆ１に相当する。
【００６８】
時刻ｔａ２の後、左足が遊脚するため右足の足底荷重は増加する。さらに、装着者は、遊脚に移行するために右足で地面をけり上げる動きをする。従って、右足の足底荷重値は増加し、時刻ｔａ３において、足底荷重値は、Ｆａ３となる。足底荷重値Ｆａ３は、図６で説明した足底荷重値Ｆ１より大きい。その後、左足が立脚し、右足が時刻ｔａ４において遊脚状態となり、右足の足底荷重値は０となる。
【００６９】
一方、線分Ｌ２ａに示すように、目標加速度ａは、足底荷重値の推移、すなわち荷重値変化量ｆ（Ｆ）に対し、時間遅れを伴いながら追従している。このように、目標加速度ａは、荷重値変化量ｆ（Ｆ）に応じて値が変化する。ただし、図８Ｂはあくまで一例であり、足底荷重値の推移は、歩行スピードが変化したり、異なる装着者が動作したりするなど、状況によって異なるものとなる。
【００７０】
加速度算出部１０６は、以上のように目標加速度ａを算出する。
【００７１】
図４に示すトルク算出部１０８は、目標加速度ａに基づき、リンクのアクチュエータを駆動するための駆動トルク値τを算出する。駆動トルク値τは、リンクのアクチュエータを実際に駆動するための総駆動トルク値τ’のうち、装着者の足底荷重の変化に基づいて算出される、装着者の移動を補助するために先んじてリンクを動かすためのトルク値である。総駆動トルク値τ’は、一般的に、次の式（３）のように算出される。
【００７２】
【数３】
0006697817.tif 000004
【００７３】
式（３）のＭはリンクの慣性モーメントであり、θ”は関節の角加速度である。Ｍ・θ”は、駆動トルク値τである。また、ｈ（θ，θ’）は、コリオリ力に対応する項であり、ｇ(θ)は、重力に関連する項である。すなわち、トルク算出部１０８は、総駆動トルク値τ’のうち、関節に所定の角加速度θ”を実現させるため、言い換えれば、装着者の足底荷重の変化に応じてリンクを移動させるためのトルク値として、駆動トルク値τを算出している。なお、ｈ（θ，θ’）は、総駆動トルク値τ’に対する寄与率が低いため無視され、ｇ(θ)は、第１制御部１Ａにより算出される。ただし、ｈ（θ，θ’）についても算出してよい。
【００７４】
リンクの速度ｘ’と関節の角速度θ’とは、ヤコビ行列Ｊを用いて、次の式（４）のような関係で表される。式（４）の両辺を微分すると式（５）のようになり、それを角加速度θ”でまとめると式（６）のようになる。
【００７５】
【数４】
0006697817.tif 000005
【数５】
0006697817.tif 000006
【数６】
0006697817.tif 000007
【００７６】
なお、式（５）におけるｘ”は直交三次元空間座標における加速度ベクトルであり、Ｊ’はヤコビ行列Ｊの一次微分値である。また、式（６）におけるＪ＃は、ヤコビ行列Ｊが正方行列でない場合におけるヤコビ行列Ｊの逆行列である。駆動トルク値τはＭ・θ”であるため、式（６）の角加速度θ”の右辺を用いて駆動トルク値τを表すと、次の式（７）のようになる。
【００７７】
【数７】
0006697817.tif 000008
【００７８】
式（７）のｘ”に目標加速度ａを適用すると、次の式（８）のようになる。
【００７９】
【数８】
0006697817.tif 000009
【００８０】
トルク算出部１０８は、この式（８）を用いて、駆動トルク値τを算出する。トルク算出部１０８は、Ｍを内部演算で算出し、Ｊ’・θ’については、前回算出した値を用いる。
【００８１】
トルク算出部１０８は、大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂのアクチュエータ、下腿駆動機構４５Ａ、４５Ｂのアクチュエータ、及び足装着部４３Ａ、４３Ｂのアクチュエータのそれぞれについて駆動トルク値τを算出する。
【００８２】
図４に示すアクチュエータ制御部１Ｃは、トルク算出部１０８から駆動トルク値τを取得し、第１制御部１Ａが算出したｇ(θ)の値を取得して、それらの値の基づいた総駆動トルク値τ’を算出する。アクチュエータ制御部１Ｃは、総駆動トルク値τ’で各アクチュエータを駆動する。すなわち、アクチュエータ制御部１Ｃは、アクチュエータを駆動するためのトルク値のうち、装着者の足底荷重の変化に応じてリンクを移動させるためのトルク値として、駆動トルク値τを用いている。
【００８３】
なお、パワーアシストスーツ１０の制御において、厳密な定位性は不要である。装着者の体格等に応じて到達させたい位置目標は異なるためである。一方、バネとして制御を定義すると位置拘束となり、パワーアシストスーツ１０を装着した装着者の意図と異なる動作に対して剛性を持った動きになる可能性がある。そこで、力の入力に対してパワーアシストスーツ１０の足先の絶対的な位置が決まらないように、非定位性にする。すなわち、第２制御部１Ｂは、位置制御ループを有していない。
【００８４】
次に、制御装置１によるアクチュエータの駆動制御フローを、フローチャートに基づき説明する。図９は、制御装置によるアクチュエータの駆動制御フローを説明するフローチャートである。図９に示すように、制御装置１は、荷重値取得部１２０により、荷重検出装置４４が検出した装着者の足底荷重値Ｆを取得し（ステップＳ１０）、フィルタ部１２２により、足底荷重値Ｆの変化量、すなわち荷重値変化量ｆ（Ｆ）を算出する(ステップＳ１２)。
【００８５】
足底荷重値Ｆの変化量を算出した後、制御装置１は、加速度算出部１０６により、荷重値変化量ｆ（Ｆ）に基づき、リンクの目標加速度ａを算出する（ステップＳ１４）。加速度算出部１０６は、上述の式（２）を用いて、補正係数Ｋと荷重値変化量ｆ（Ｆ）とを乗じて、その乗じた値にマイナスを乗じることにより、目標加速度ａを算出する。
【００８６】
目標加速度ａを算出した後、制御装置１は、トルク算出部１０８により、目標加速度ａに基づき、駆動トルク値τを算出する（ステップＳ１６）。トルク算出部１０８は、上述の式（８）を用いて、各アクチュエータに対する駆動トルク値τを算出する。
【００８７】
駆動トルク値τを算出した後、制御装置１は、アクチュエータ制御部１Ｃにより、アクチュエータを駆動するためのトルク値として、駆動トルク値τを用いる(ステップＳ１８)。具体的には、アクチュエータ制御部１Ｃは、アクチュエータを駆動するためのトルク値のうち、装着者の足底荷重の変化に応じてリンクを移動させるためのトルク値として、駆動トルク値τを用いる。より詳しくは、アクチュエータ制御部１Ｃは、トルク算出部１０８から駆動トルク値τを取得し、それに基づき総駆動トルク値τ’を算出する。アクチュエータ制御部１Ｃは、総駆動トルク値τ’で各アクチュエータを駆動する。
【００８８】
ステップＳ１８の後、ステップＳ２０に移動し、処理を終了しない場合（ステップＳ２０；Ｎｏ）、制御装置１は、ステップＳ１０に戻って、次のタイミングでの足底荷重値Ｆを取得し、同様の処理を繰り返す。処理を終了する場合（ステップＳ２０；Ｙｅｓ）、制御装置１は、この処理を終了する。
【００８９】
以上説明したように、第１実施形態に係る制御装置１は、複数のリンクが関節を介して連結され、関節を介して連結された隣接するリンクの間でアシスト力を発生するアクチュエータを駆動して、装着した装着者の筋力を補助するパワーアシストスーツ１０の制御装置である。制御装置１は、荷重変化量取得部１０２と、加速度算出部１０６と、トルク算出部１０８と、アクチュエータ制御部１Ｃとを有する。荷重変化量取得部１０２は、装着者の足底荷重値Ｆの変化量、すなわち荷重値変化量ｆ（Ｆ）を取得する。加速度算出部１０６は、足底荷重値Ｆの変化量に応じて、パワーアシストスーツ１０のリンクの目標とする移動加速度である目標加速度ａを算出する。トルク算出部１０８は、目標加速度ａに基づき、アクチュエータを駆動するための駆動トルク値τを算出する。アクチュエータ制御部１Ｃは、アクチュエータを駆動するトルク値として駆動トルク値τを用いて、アクチュエータを制御する。
【００９０】
制御装置１は、足底荷重値Ｆの変化量に応じた値を、目標加速度ａに設定する。そして、制御装置１は、その目標加速度ａに基づき駆動トルク値τを算出し、その駆動トルク値τをアクチュエータ駆動のためのトルク値として用い、アクチュエータを駆動する。制御装置１は、アクチュエータ駆動のためのトルク値を足底荷重値Ｆの変化量に応じて決定するため、装着者の体の移動を先読みしてパワーアシストスーツ１０をフィードフォワード的に制御して、装着者の動きの阻害を抑制することができる。また、制御装置１は、アクチュエータ駆動のためのトルク値を足底荷重値Ｆの変化量に応じて決定するため、定められた歩行パターンだけでなく、足底荷重値Ｆの変化量に応じた各動作を補助することができる。例えば、制御装置１は、装着者が踏ん張れば、それに対応する足底荷重値の変化を検出して、それに対応したトルク値で、踏ん張る動作を補助するようアクチュエータを制御することができる。また、制御装置１は、装着者が足を上げると、それに対応する足底荷重値の変化を検出して、それに対応したトルク値で、足上げ動作を補助するようアクチュエータを制御することができる。従って、制御装置１は、装着者の動きの阻害を抑制しつつ、装着者の自由な動作を補助するようパワーアシストスーツ１０を制御することができる。
【００９１】
また、加速度算出部１０６は、足底荷重値Ｆが増加した場合に、ヨー軸に沿った足底方向側への値、すなわち足底下方向Ｚ１Ｂへの値として目標加速度ａを算出し、足底荷重値Ｆが減少した場合に、ヨー軸に沿った足底方向と反対方向側への値、すなわち足底上方向Ｚ１Ａへの値として目標加速度ａを算出する。制御装置１は、足底荷重値Ｆが増加した場合に、足底下方向Ｚ１Ｂへの値として目標加速度ａを算出することで、脚を伸ばすようにパワーアシストスーツ１０を制御する。また、制御装置１は、足底荷重値Ｆが減少した場合に、足底上方向Ｚ１Ａへの値として目標加速度ａを算出することで、脚が縮むようにパワーアシストスーツ１０を制御する。従って、制御装置１は、装着者が踏ん張ったり、脚を上げたりするというような、装着者の自由な動作を適切に補助することができる。
【００９２】
また、加速度算出部１０６は、足底荷重値Ｆの変化量が大きいほど、目標加速度ａを大きくする。従って、制御装置１は、例えば装着者が迅速に動作したい場合は目標加速度ａを大きくしてその動作を適切に補助するなど、装着者の自由な動作をより適切に補助することができる。
【００９３】
また、制御装置１は、所定の係数である補正係数Ｋを設定する補正係数設定部１０４を更に有する。そして、加速度算出部１０６は、足底荷重値Ｆの変化量に補正係数Ｋを乗じた値を目標加速度ａとする。制御装置１は、補正係数Ｋを足底荷重値Ｆの変化量に乗じることで、目標加速度ａの値を補正係数Ｋに応じて増減することができるため、装着者に応じた適切な動作補助が可能となる。
【００９４】
以上、第１実施形態に係る制御装置１について説明したが、第１実施形態においては、制御装置１は、足底Ｚ軸Ｚ１に沿った目標加速度ａを算出したが、足底Ｘ軸Ｘ１に沿った目標加速度、及び足底Ｙ軸Ｙ１に沿った目標加速度の少なくともいずれか一つについても算出してもよい。この場合、制御装置１は、足底Ｘ軸Ｘ１に沿った目標加速度を、足底Ｘ軸Ｘ１に沿った足底荷重値の変化量に基づき、上述の式（２）から算出し、足底Ｙ軸Ｙ１に沿った目標加速度を、足底Ｙ軸Ｙ１に沿った足底荷重値の変化量に基づき、上述の式（２）から算出する。この場合、制御装置１は、算出した全ての方向に沿った目標加速度を行列にして目標加速度ａとして、上述の式（８）に基づき、駆動トルク値τを算出する。また、制御装置１は、足底Ｘ軸Ｘ１、足底Ｙ軸Ｙ１及び足底Ｚ軸Ｚ１以外の座標系を設定して、その設定した座標系の軸方向に沿った目標加速度ａを算出してもよい。すなわち、制御装置１は、足底荷重値の変化量に基づき、三次元空間内の任意の方向に沿った目標加速度ａを設定することができる。
【００９５】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態に係る制御装置１は、補正係数設定部１０４の補正係数Ｋａの算出方法が、第１実施形態と異なる。第２実施形態において第１実施形態と構成が共通する箇所は、説明を省略する。
【００９６】
第２実施形態に係る補正係数設定部１０４は、足底荷重値Ｆが増加した場合と足底荷重値Ｆが減少した場合とで、補正係数Ｋａを異なる値として設定する。ここで、足底荷重値Ｆが増加する際の荷重値変化量ｆ（Ｆ）を正の値とし、足底荷重値Ｆが減少する際の荷重値変化量ｆ（Ｆ）を負の値とする。また、荷重値変化量ｆ（Ｆ）が正の値であって、予め定められた所定の値を、第１閾値ｆ１とする。そして、荷重値変化量ｆ（Ｆ）が負の値であって、予め定められた所定の値を、第２閾値ｆ２とする。
【００９７】
図１０は、第２実施形態に係る補正係数の設定方法を説明するためのグラフである。図１０の横軸は、荷重値変化量ｆ（Ｆ）であり、縦軸は補正係数Ｋａとする。図１０の線分Ｌ３は、荷重値変化量ｆ（Ｆ）毎の補正係数Ｋａの値を示している。第２実施形態に係る補正係数設定部１０４は、図１０の線分Ｌ３が示すように、荷重値変化量ｆ（Ｆ）が第１閾値ｆ１以上である場合、補正係数Ｋａの値を第１補正値Ｋａ１とし、荷重値変化量ｆ（Ｆ）が第２閾値ｆ２以下である場合、補正係数Ｋａの値を第２補正値Ｋａ２とする。そして、第２実施形態に係る補正係数設定部１０４は、荷重値変化量ｆ（Ｆ）が第１閾値ｆ１から第２閾値ｆ２に向かうに従って、補正係数Ｋａの値を、第１補正値Ｋａ１から第２補正値Ｋａ２に連続的に変化させる。
【００９８】
図１０の例では、第１補正値Ｋａ１は、第２補正値Ｋａ２より小さいが、これに限られず、第２補正値Ｋａ２と異なるものであればよく、例えば第２補正値Ｋａ２より大きくてもよい。第１補正値Ｋａ１と第２補正値Ｋａ２とは、予め設定される任意の係数であり、例えば装着者により設定されてもよい。例えば、重量物の持ち上げが必要である場合は、第１補正値Ｋａ１を第２補正値Ｋａ２よりも大きくして、重量物によって荷重が大きくなった場合のアシスト力を強くする。また、例えば軽快な歩行動作が必要である場合は、第２補正値Ｋａ２を第１補正値Ｋａ１よりも大きくして、リンクの収縮方向のアシスト力を強くする。
【００９９】
また、荷重値変化量ｆ（Ｆ）が第１閾値ｆ１から第２閾値ｆ２に向かうに従って、補正係数Ｋａの値を、直線的に変化させているが、連続的に変化させるものであれば直線に限られず、曲線的に変化させてもよい。また、第１閾値ｆ１は、正の値であれば任意の値でよく、第２閾値ｆ２は、負の値であれば任意の値であってよい。
【０１００】
このように、第２実施形態に係る制御装置１は、補正係数設定部１０４が、足底荷重値Ｆが増加した場合と足底荷重値Ｆが減少した場合とで、補正係数Ｋａを異なる値として設定する。これにより、制御装置１は、必要に応じて足底上方向Ｚ１Ａ又は足底下方向Ｚ１Ｂへのアシスト力を強くすることができ、装着者の自由な動作をより適切に補助することができる。
【０１０１】
また、第２実施形態に係る制御装置１は、補正係数設定部１０４が、足底荷重値Ｆの変化量が第１閾値ｆ１以上である場合、補正係数Ｋａの値を第１補正値Ｋａ１とし、足底荷重値Ｆの変化量が第２閾値ｆ２以下である場合、補正係数Ｋａの値を第２補正値Ｋａ２とする。そして、補正係数設定部１０４は、足底荷重値Ｆの変化量が第１閾値ｆ１から第２閾値ｆ２に向かうに従って、補正係数Ｋａの値を第１補正値Ｋａ１から第２補正値Ｋａ２まで連続的に変化させる。第２実施形態に係る制御装置１は、このように補正係数Ｋａの値をバンプレスに変化させることにより、アシスト力の急激な変動を抑制することができる。
【０１０２】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態に係る制御装置１ｂは、補正係数設定部１０４ｂの補正係数Ｋｂの算出方法が、第１実施形態と異なる。第３実施形態において第１実施形態と構成が共通する箇所は、説明を省略する。
【０１０３】
図１１は、第３実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。図１１に示すように、第３実施形態に係る制御装置１ｂは、第２制御部１Ｂｂが、足状態判定部１０３ｂと補正係数設定部１０４ｂとを有する。
【０１０４】
足状態判定部１０３ｂは、荷重検出装置４４が検出した装着者の足底荷重値Ｆを逐次取得する。足状態判定部１０３ｂは、装着者の足が遊脚推移状態であるか立脚推移状態であるかを判定する。遊脚推移状態とは、図６の（ａ）のように、立脚状態から遊脚状態に推移している状態を指し、言い換えれば、足を地面から離そうとしている状態を指す。立脚推移状態とは、図６の（ｄ）のように、遊脚状態から立脚状態に推移している状態を指し、言い換えれば、足を接地しようとしている状態を指す。足状態判定部１０３ｂは、足底荷重値Ｆに基づき、遊脚推移状態であるか立脚推移状態であるかを判定する。例えば、足状態判定部１０３ｂは、左右の足底荷重値Ｆの差が所定値を超えた場合に遊脚推移状態、又は立脚推移状態であるかを判定してもよいし、装着者の体重とパワーアシストスーツ１０の重量及び負荷荷重の和を算出し、足底荷重値Ｆがその和の値の所定割合を上回った場合に立脚推移状態となり、所定割合を下回った場合に遊脚推移状態となっていると判断してもよい。足状態判定部１０３ｂによる判定は、これらの例に限られず、足底荷重値Ｆに基づき、任意の方法で遊脚推移状態であるか立脚推移状態であるかを判定すればよい。
【０１０５】
補正係数設定部１０４ｂは、足状態判定部１０３ｂから、足の状態が遊脚推移状態、又は立脚推移状態であるかの情報を取得する。また、補正係数設定部１０４ｂは、荷重変化量取得部１０２から、足底荷重値Ｆの変化量、すなわち荷重値変化量ｆ（Ｆ）の値を取得する。補正係数設定部１０４ｂは、足の状態が遊脚推移状態であり、かつ、足底荷重値Ｆが減少した場合（荷重値変化量ｆ（Ｆ）が負の値）に、補正係数Ｋｂを、修正補正係数Ｋｂ１とする。また、補正係数設定部１０４ｂは、足の状態が立脚推移状態であり、かつ、足底荷重値Ｆが増加した場合（荷重値変化量ｆ（Ｆ）が正の値）に、補正係数Ｋｂを、修正補正係数Ｋｂ２とする。補正係数設定部１０４ｂは、これらに該当しない場合は、補正係数Ｋｂを、基準補正係数Ｋｂ３とする。加速度算出部１０６は、このように算出された補正係数Ｋｂを用い、第１実施形態と同様の方法で目標加速度ａを算出する。
【０１０６】
修正補正係数Ｋｂ１は、基準補正係数Ｋｂ３より大きい値であり、修正補正係数Ｋｂ２も、基準補正係数Ｋｂ３より大きい値である。修正補正係数Ｋｂ１と修正補正係数Ｋｂ２とは、本実施形態では同じ値であるが、基準補正係数Ｋｂ３より大きい値であれば、互いに異なる値であってもよい。すなわち、補正係数設定部１０４ｂは、足状態判定部１０３ｂが遊脚推移状態であると判定し、かつ足底荷重値Ｆの変化量が減少した場合に、補正係数Ｋｂを大きくする。同様に、補正係数設定部１０４ｂは、足状態判定部１０３ｂが立脚推移状態であると判定し、かつ足底荷重値Ｆの変化量が増加した場合に、補正係数Ｋｂを大きくする。
【０１０７】
パワーアシストスーツ１０において強いアシスト力が求められるのは、立脚状態から足が地面を離れる際、すなわち遊脚推移状態である。ここで、遊脚推移状態であると判定され、かつ、足底荷重値Ｆの変化量が減少した場合、足状態判定部１０３ｂと荷重変化量取得部１０２との両方が、足を地面から離す状態であると判断しているということができる。補正係数設定部１０４ｂは、このような場合に補正係数Ｋｂを修正補正係数Ｋｂ１まで大きくすることにより、適切なタイミングで確実にアシスト力を増加させることができる。
【０１０８】
また、同様に、足が着地する立脚推移状態においても、強いアシスト力が求められる。ここで、立脚推移状態であると判定され、かつ、足底荷重値Ｆの変化量が増加した場合、足状態判定部１０３ｂと荷重変化量取得部１０２との両方が、足を接地する状態であると判断しているということができる。補正係数設定部１０４ｂは、このような場合に補正係数Ｋｂを修正補正係数Ｋｂ２まで大きくすることにより、適切なタイミングで確実にアシスト力を増加させることができる。
【０１０９】
次に、第３実施形態に係る補正係数の決定方法をフローチャートで説明する。図１２は、第３実施形態に係る制御装置による補正係数の決定方法を説明するフローチャートである。図１２に示すように、制御装置１ｂは、最初に、荷重変化量取得部１０２により、足底荷重値Ｆの変化量を算出し（ステップＳ２０）、足状態判定部１０３ｂにより、足底荷重値Ｆに基づき足の状態を判定する（ステップＳ２２）。すなわち、ステップＳ２２において、足状態判定部１０３ｂは、足底荷重値Ｆに基づき、足の状態が遊脚推移状態であるか立脚推移状態であるかを判定する。
【０１１０】
足底荷重値Ｆの変化量を算出し、足の状態を判定した後、制御装置１ｂは、補正係数設定部１０４ｂにより、足の状態が遊脚推移状態であって、かつ、足底荷重値Ｆが減少しているかを判断する(ステップＳ２４)。足の状態が遊脚推移状態であって、かつ、足底荷重値Ｆが減少している場合（ステップＳ２４；Ｙｅｓ）、補正係数設定部１０４ｂは、値を増加させた補正係数Ｋｂ、すなわち修正補正係数Ｋｂ１を補正係数Ｋｂとして適用する(ステップＳ２６)。
【０１１１】
また、足の状態が遊脚推移状態であって、かつ、足底荷重値Ｆが減少している場合に該当しないと（ステップＳ２４；Ｎｏ）、制御装置１ｂは、補正係数設定部１０４ｂにより、足の状態が立脚推移状態であって、かつ、足底荷重値Ｆが増加しているかを判断する(ステップＳ２８)。足の状態が立脚推移状態であって、かつ、足底荷重値Ｆが増加している場合（ステップＳ２８；Ｙｅｓ）、補正係数設定部１０４ｂは、値を増加させた補正係数Ｋｂ、すなわち修正補正係数Ｋｂ２を補正係数Ｋｂとして適用する(ステップＳ２６)。
【０１１２】
また、足の状態が立脚推移状態であって、かつ、足底荷重値Ｆが増加している場合に該当しないと（ステップＳ２８；Ｎｏ）、補正係数設定部１０４ｂは、通常の補正係数Ｋｂ、すなわち基準補正係数Ｋｂ３を補正係数Ｋｂとして適用する(ステップＳ３０)。ステップＳ２８又はステップＳ３０により補正係数Ｋｂを決定したら、本処理を終了する。
【０１１３】
このように、第３実施形態に係る制御装置１ｂは、足状態判定部１０３ｂが、足底荷重値Ｆに基づき、装着者の足が立脚推移状態であるか遊脚推移状態であるかを判定する。そして、補正係数設定部１０４ｂは、足底荷重値Ｆが増加し、かつ、立脚推移状態である場合に、補正係数Ｋｂを大きくし、足底荷重値Ｆが減少し、かつ、遊脚推移状態である場合に、補正係数Ｋｂを大きくする。これにより、制御装置１ｂは、適切なタイミングで確実にアシスト力を増加させることができる。
【０１１４】
なお、補正係数設定部１０４ｂは、足状態判定部１０３ｂにより遊脚推移状態であると判定されてから所定の時間が経過するまで、新たな判定結果を取得することなく、足の状態を遊脚推移状態であると認識し続けてもよい。同様に、補正係数設定部１０４ｂは、足状態判定部１０３ｂにより立脚推移状態であると判定されてから所定の時間が経過するまで、新たな判定結果を取得することなく、足の状態を立脚推移状態であると認識し続けてもよい。これにより、立脚又は遊脚への推移が発生してから適切な時間の間だけ補正係数Ｋｂを増加させることができ、アシスト力を適切なタイミングで増加させることができる。
【０１１５】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態に係る制御装置１は、目標加速度ａの算出方法が、第１実施形態と異なる。第４実施形態において第１実施形態と構成が共通する箇所は、説明を省略する。
【０１１６】
第４実施形態に係る加速度算出部１０６は、足底Ｚ軸Ｚ１（ヨー軸）に沿った方向の値として算出した目標加速度ａを、足底Ｚ軸Ｚ１とは異なる方向に沿ったベクトル値である変換目標加速度ａ１に変換する。図１３は、座標系について説明する説明図である。具体的には、第４実施形態に係る加速度算出部１０６は、足底荷重値Ｆが減少する場合、足底Ｚ軸Ｚ１に沿った方向の値として算出した目標加速度ａを、変換足底Ｚ軸荷重Ｚ２に沿った変換目標加速度ａ１に変換する。足底Ｚ軸Ｚ２は、足底Ｚ軸Ｚ１から足底Ｙ軸Ｙ１を中心にθａだけ回転した軸である。なお、足底Ｘ軸Ｘ２は、足底Ｚ軸Ｚ２をＺ軸とした場合のＸ軸である。
【０１１７】
本実施形態において、足底Ｚ軸Ｚ２は、足底から体幹方向、ここでは大腿駆動機構２３に向かう方向である。第４実施形態に係る制御装置１は、このように体幹方向に向かう変換目標加速度ａ１に基づき第１実施形態と同様の方法で駆動トルク値τを算出することで、体幹方向に引き付ける方向に脚を上げる動作補助を行うことができるため、より脚上げを適切に行うことができる。なお、θａは、大腿駆動機構２３と下腿駆動機構４５との間の長さ、下腿駆動機構４５と回動軸４７との間の長さ、大腿装着部４１と下腿装着部４２との間の角度、及び回動軸４７の回転角度に基づき算出することができる。
【０１１８】
加速度算出部１０６は、足底荷重Ｆが増加する場合には、変換目標加速度ａ１に変換せず、足底Ｚ軸Ｚ１に沿った方向の値として算出した目標加速度ａをそのまま用いる。
【０１１９】
上記説明では、足底Ｚ軸荷重Ｚ２を体幹方向としたが、足底Ｚ軸荷重Ｚ２の方向は任意である。すなわち、加速度算出部１０６は、体幹方向以外の任意の方向に沿ったベクトル値として変換目標加速度ａ１を算出してもよい。この場合、方向によっては、足底荷重値Ｆが増加する場合にも、目標加速度ａを変換目標加速度ａ１に変換してもよい。
【０１２０】
以上説明したように、第４実施形態に係る加速度算出部１０６は、ヨー軸、すなわち足底Ｚ軸Ｚ１に沿った方向の値として算出した目標加速度ａを、ヨー軸、すなわち足底Ｚ軸Ｚ１とは異なる方向に沿った値の変換目標加速度ａ１に変換する。これにより、第４実施形態に係る制御装置１は、アシスト力を適切な方向に加えることができるため、装着者の自由な動作をより適切に補助することができる。
【０１２１】
また、第４実施形態に係る加速度算出部１０６は、足底荷重値Ｆが増加した場合に、ヨー軸、すなわち足底上方向Ｚ１Ａへの値として算出した目標加速度ａを、装着者の体幹に向かう方向への値である変換目標加速度ａ１に変換する。これにより、第４実施形態に係る制御装置１は、脚を上げる際に、より体に引き付ける方向にアシスト力を生じさせることができるため、装着者の脚上げ動作をより適切に補助することができる。
【０１２２】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態の内容により実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
【符号の説明】
【０１２３】
１、１ｂ  制御装置
１０  パワーアシストスーツ
１１  腰パーツ
１２  肩パーツ
１３Ａ、１３Ｂ  脚パーツ
２１  腰装着部
２２  給電装置
２２Ｂ  電源
２２Ｃ  電線
２３、２３Ａ、２３Ｂ  大腿駆動機構
３１  背装着部
３２Ａ  左肩装着部
３２Ｂ  右肩装着部
４１、４１Ａ、４１Ｂ  大腿装着部
４２、４２Ａ、４２Ｂ  下腿装着部
４３、４３Ａ、４３Ｂ  足装着部
４４、４４Ａ、４４Ｂ  荷重検出装置
４５、４５Ａ、４５Ｂ  下腿駆動機構
４６Ａ、４６Ｂ  脚駆動制御装置
４７、４７Ａ、４７Ｂ  回動軸
１０２  荷重変化量取得部
１０３ｂ  足状態判定部
１０４、１０４ｂ  補正係数設定部
１０６  加速度算出部
１０８  トルク算出部
１２０  荷重値取得部
１２２  フィルタ部
ａ  目標加速度
ａ１  変換目標加速度
ｆ  荷重値変化量
ｆ１  第１閾値
ｆ２  第２閾値
Ｆ  足底荷重値
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３  足底荷重
Ｋ、Ｋａ，Ｋｂ  補正係数
Ｋａ１  第１補正値
Ｋａ２  第２補正値
Ｋｂ１、Ｋｂ２  修正補正係数
Ｋｂ３  基準補正係数
Ｘ１、Ｘ２  足底Ｘ軸
Ｙ１  足底Ｙ軸
Ｚ１、Ｚ２  足底Ｚ軸
Ｚ１Ａ  足底上方向
Ｚ１Ｂ  足底下方向
τ  駆動トルク値
τ’  総駆動トルク値
【図１】
0006697817.tif 000010
【図２】
0006697817.tif 000011
【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８Ａ】
0006697817.tif 000017
【図８Ｂ】
0006697817.tif 000018
【図９】
0006697817.tif 000019
【図１０】
0006697817.tif 000020
【図１１】
0006697817.tif 000021
【図１２】
0006697817.tif 000022
【図１３】
0006697817.tif 000023