(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の両脚に作用する負荷の一部を分担しながら前記使用者の歩行を許容するように構成された１組の脚ユニットと、
前記脚の各々の動作を検知可能な少なくとも１つのセンサと
を備え、
前記脚ユニットの各々は、
前記使用者の大腿に対応させられる第１リンクと、
前記使用者の下腿に対応させられる第２リンクと、
前記使用者の足に対応させられる足部と、
前記使用者の股関節に対応させられる第１回転軸と、
前記使用者の膝関節に対応させられる第２回転軸と、
前記使用者の足関節に対応させられる第３回転軸と、
前記第１回転軸の周りでトルクを発生させるように構成された第１アクチュエータと、
前記第２回転軸の周りでトルクを発生させるように構成された第２アクチュエータと、
を含み、
前記少なくとも１つのセンサは前記足部の加速度を検知可能である、
パワーアシストスーツの制御方法において、
前記少なくとも１つのセンサによって得られた遊脚期における前記足部の加速度データに基づいて、遊脚期における前記足部のための加速度軌道を生成し、
前記加速度軌道及び前記脚ユニットの質量に基づいて、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータの各々のための目標トルクを設定し、
前記目標トルクに基づいて、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータの各々によって発生させられる前記トルクを制御するとともに、
前記加速度軌道の生成に用いられる前記加速度データは、現在の遊脚期における前記足部の現加速度データと、少なくとも１つの過去の遊脚期における前記足部の過去加速度データとを含む
ことを特徴とするパワーアシストスーツの制御方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの過去加速度データに対し、時間軸にて順方向及び逆方向にローパスフィルタ処理を行う零位相フィルタ処理を施す
ことを特徴とする請求項１に記載のパワーアシストスーツの制御方法。
【請求項３】
前記現加速度データ及び前記ローパスフィルタ処理が施された前記少なくとも１つの過去加速度データに対し加重移動平均処理を施す
ことを特徴とする請求項２に記載のパワーアシストスーツの制御方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの過去加速度データは、複数の前記過去加速度データを含み、
前記加重移動平均処理の前に、前記複数の過去加速度データのうち直近の第１過去加速度データの遊脚期間の長さに、第１過去加速度データよりも前の第２過去加速度データの遊脚期間の長さを合わせるように、前記第２過去加速度データに補正処理を施す
ことを特徴とする請求項３に記載のパワーアシストスーツの制御方法。
【請求項５】
前記補正処理は、前記第１過去加速度データの遊脚期間の長さよりも、前記第２過去加速度データの遊脚期間の長さが不足期間だけ短い場合に、前記第２過去加速度データに対して前記不足期間に対応するデータを追加するものである
ことを特徴とする請求項４に記載のパワーアシストスーツの制御方法。
【請求項６】
前記補正処理は、前記複数の過去加速度データのうち直近の第１過去加速度データの遊脚期間の長さに、第１過去加速度データよりも前の第２過去加速度データの遊脚期間の長さを合わせるように、前記第２過去加速度データの時間軸のスケールを調整するものである
ことを特徴とする請求項４に記載のパワーアシストスーツの制御方法。
【請求項７】
前記補正処理は、前記第２過去加速度データの時間軸のスケールを調整するとともに、前記第２過去加速度データの加速度軸のスケールを調整するものである
ことを特徴とする請求項６に記載のパワーアシストスーツの制御方法。
【請求項８】
前記加重移動平均処理の重みは可変であることを特徴とする請求項３乃至７の何れか１項に記載のパワーアシストスーツの制御方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの過去加速度データは、複数の前記過去加速度データを含み、
前記加重移動平均処理の重みは、前記複数の過去加速度データのうち直近の第１過去加速度データの遊脚期間の長さと、第１過去加速度データよりも前の第２過去加速度データの遊脚期間の長さとの差に応じて変更される
ことを特徴とする請求項８に記載のパワーアシストスーツの制御方法。
【請求項１０】
前記加重移動平均処理の重みは、前記第１過去加速度データの遊脚期間の長さと、前記第２過去加速度データの遊脚期間の長さとの差が大きいほど、前記第２過去加速度データの重みが小さくなるように設定される
ことを特徴とする請求項９に記載のパワーアシストスーツの制御方法。
【請求項１１】
前記使用者の脚の動作に関し立脚期から前記遊脚期への移行の判定を、前記足部の加速度データに基づいて行う
ことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載のパワーアシストスーツの制御方法。
【請求項１２】
前記移行の判定を、前記足部の加速度データの足裏垂直成分に基づいて行う
ことを特徴とする請求項１１に記載のパワーアシストスーツの制御方法。
【請求項１３】
前記使用者の脚の動作に関し前記遊脚期から立脚期への移行の判定を、前記足部の加速度データに基づいて行う
ことを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載のパワーアシストスーツの制御方法。
【請求項１４】
使用者の両脚に作用する負荷の一部を分担しながら前記使用者の歩行を許容するように構成された１組の脚ユニットと、
前記脚の各々の動作を検知可能な少なくとも１つのセンサと
を備え、
前記脚ユニットの各々は、
前記使用者の大腿に対応させられる第１リンクと、
前記使用者の下腿に対応させられる第２リンクと、
前記使用者の足に対応させられる足部と、
前記使用者の股関節に対応させられる第１回転軸と、
前記使用者の膝関節に対応させられる第２回転軸と、
前記使用者の足関節に対応させられる第３回転軸と、
前記第１回転軸の周りでトルクを発生させるように構成された第１アクチュエータと、
前記第２回転軸の周りでトルクを発生させるように構成された第２アクチュエータと、
を含み、
前記少なくとも１つのセンサは前記足部の加速度を検知可能である、
パワーアシストスーツの制御方法において、
前記少なくとも１つのセンサによって得られた遊脚期における前記足部の加速度データに基づいて、遊脚期における前記足部のための加速度軌道を生成し、
前記加速度軌道及び前記脚ユニットの質量に基づいて、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータの各々のための目標トルクを設定し、
前記目標トルクに基づいて、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータの各々によって発生させられる前記トルクを制御し、
前記使用者の脚の動作に関し前記遊脚期から立脚期への移行の判定を、前記足部の加速度データに基づいて行うとともに、
前記使用者の脚の動作に関し前記遊脚期から立脚期への移行の判定を、一方の前記足部の足先方向速度と他方の前記足部の足先方向速度との差に基づいて行う
ことを特徴とするパワーアシストスーツの制御方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのセンサは、前記使用者の足裏圧力を測定可能であり、
前記使用者の脚の動作に関し前記遊脚期から立脚期への移行の判定を、前記足部の足裏圧力に基づいて行う
ことを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載のパワーアシストスーツの制御方法。
【請求項１６】
使用者の両脚に作用する負荷の一部を分担しながら前記使用者の歩行を許容するように構成された１組の脚ユニットと、
前記脚ユニットの動作を検知するための少なくとも１つのセンサと、
前記脚ユニットの動作を制御するための制御装置とを備え、
前記脚ユニットの各々は、
前記使用者の大腿に対応させられる第１リンクと、
前記使用者の下腿に対応させられる第２リンクと、
前記使用者の足に対応させられる足部と、
前記使用者の股関節に対応させられる第１回転軸と、
前記使用者の膝関節に対応させられる第２回転軸と、
前記使用者の足関節に対応させられる第３回転軸と、
前記第１回転軸の周りでトルクを発生させるように構成された第１アクチュエータと、
前記第２回転軸の周りでトルクを発生させるように構成された第２アクチュエータと、
を含み、
前記少なくとも１つのセンサは、前記足部の加速度を検出可能であり、
前記制御装置は、請求項１乃至１５の何れか１項に記載のパワーアシストスーツの制御方法を実行するように構成されている
ことを特徴と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】
本開示は、パワーアシストスーツ、及び、該パワーアシストスーツの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人体に装着可能な補助機構として、医療介護分野向けに、要介護者やリハビリ中の患者等の歩行を補助することが可能な歩行補助装置の開発が進められている。例えば、特許文献１に記載された歩行補助装置は、体装着部と、一対の足平装着部と、中間に第２関節を有する一対の脚リンクと、第２関節にトルクを付与するアクチュエータと、床反力検出手段と、アクチュエータ制御手段とを備える。
該歩行補助装置は、利用者の各脚の運動結果として各足平部に作用する実際の床反力ベクトルを直接的に検出し、その検出した床反力ベクトルに応じた大きさの支持力を各脚リンクで負担させる。このため、利用者の各脚の運動状態によらずに利用者の負担を適切に軽減することができるとされている。
更に、該歩行補助装置は、支持力を検出する支持力検出手段を備え、アクチュエータ制御手段は、検出された支持力が支持力の目標値に近付くようにフィードバック制御を行う。
【０００３】
また、歩行補助装置の一例として、特許文献２に記載された歩行介助システムがある。該歩行介助システムは、歩行者の運動リズムを含む動きを検出する加速度センサからなるセンサ部と、運動リズムを含む動きの測定値を記録する記録部と、測定値と目標値とに基づいてタイミング信号を生成するタイミング生成部と、タイミング信号に基づいて歩行者が認識可能なリズム刺激を発生する刺激発生部とを備えている。
該歩行介助システムによれば、リズム刺激を歩行者に提示して歩行者の歩行をコントロールし、加速度センサで検出された歩行者の動きから歩行者の歩行軌跡を求め、歩行軌跡に関する評価指標の時間的変化から歩行介助の改善効果が評価される。このため、該歩行介助システムによれば、歩行運動の改善効果を客観的に評価することができるとされている。
【０００４】
更に、歩行補助装置の一例として、特許文献３に記載されたものがある。該歩行補助装置は、大腿リンクと、下腿リンクと、コントローラとを備えている。大腿リンクと下腿リンクは相互に揺動可能に連結されており、それぞれユーザの大腿と下腿に装着される。コントローラは、ユーザの歩幅から下腿リンクの最大揺動角と遊脚時間を定め、それらに基づいて遊脚軌道を決定する。そして、コントローラは、下腿リンクの揺動角が遊脚軌道に追従するように下腿リンクを制御する。遊脚軌道は、下腿リンクの目標揺動角が予め定められた初期角度から単調増加し、最大揺動角へ達した後に単調減少して終端角度まで、遊脚時間をかけて変化する曲線を描く。
【０００５】
一般に、歩幅とは、前方の足が着地したときの両足間の前後方向の距離をいうが、特許文献３の歩行補助装置のコントローラが行う処理では、立脚の動きだけから歩幅を定める。これより、装着脚の立脚期のデータから、直後の装着脚の遊脚期の軌道を定めることができるという利点が得られるとされている。即ち、装着脚が遊脚となる直前のデータで遊脚軌道を決めることができるので、立脚の動きとスムースに連続する遊脚軌道を生成できるとされている。そして、この歩行補助装置は、自然な歩行動作となるようにユーザの脚の動きをガイドするとされている。
【０００６】
一方、産業分野向けに、歩行の補助のみならず、重量物の運搬等の作業の補助を行うことが可能な装着型の補助機構として、パワーアシストスーツの開発が進められている。例えば、非特許文献１に記載されたパワーアシストスーツは、筋力を補助する第１駆動機構を有する脚部パーツと、上肢部パーツと、上肢部パーツに作用する荷重を検出する荷重検出器と、荷重検出器の検出結果に基づいて第１駆動機構によるアシスト力を調整する制御装置とを備える。
【０００７】
非特許文献１のパワーアシストスーツによれば、上肢部パーツに荷重が作用すると、荷重検出器は上肢部パーツに作用する荷重を検出し、制御装置は荷重検出器の検出結果に基づいて第１駆動機構による脚部パーツによるアシスト力を調整する。そのため、使用者は、上肢部パーツに作用した荷重を受け止める必要は無く、脚部パーツのアシスト力が増加して上肢部パーツに作用した荷重を受け止めることとなる。その結果、使用者に対する負担を軽減して適正にアシスト力を調整することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４４１７３００４号
【特許文献２】特許第４６８６６８１号
【特許文献３】特開２０１２−２１３５５４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】発明推進協会公開技報２０１３−５０２７５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１〜３の歩行補助装置の場合、歩行補助装置が支持すべき負荷が比較的小さいため、大腿リンク、下腿リング及びアクチュエータ等として軽量のものを用いることができる。
これに対し、非特許文献１のパワーアシストスーツの場合、パワーアシストスーツが支持すべき負荷が大きいため、大腿リンク、下腿リンク及びアクチュエータ等の質量が大きくなる。例えば、５０ｋｇの重量物を持つためには相当の強度を有する上肢構造が必要になり、上肢構造と重量物を支えるために、高強度の脚構造も必要になる。この場合、少なく見積もっても、上肢構造と脚構造の重量だけで６０ｋｇを超えてしまう。これだけの荷重を静的に支持するためのアクチュエータは、１ｋＷ程度の出力を有し、単なる歩行補助装置のものと比べ顕著に大きくなる。このため、パワーアシストスーツでは、腰関節や膝関節に対応する回転軸の周りでの慣性モーメントや摩擦が大きくなる。すると、パワーアシストスーツを装着した人の脚の力だけでは、もはや自在に歩行することは容易でなく、特に、遊脚期に脚を前に運ぶのが困難になる。このため、パワーアシストスーツが歩行の妨げとなってしまう。
【００１１】
この点、特許文献３のように、ユーザの歩幅から下腿リンクの最大揺動角と遊脚時間を定め、それらに基づいて遊脚軌道を決定し、下腿リンクの揺動角が遊脚軌道に追従するように下腿リンクを制御することが考えられる。
しかしながら、特許文献３の歩行補助装置では、大腿リンク、下腿リンク及びアクチュエータの質量が考慮されておらず、歩行補助装置のダイナミクスが考慮されていない。このため、これらの質量が大きい場合、コントローラが下腿リンクを制御したとしても、下腿リンクの揺動角を遊脚軌道に的確に追従させることは困難である。つまり、特許文献３の歩行補助装置では、質量が大きくなると、使用者の遊脚の動作を的確にアシストすることが困難である。
また、遊脚期における足の速度は一定速度ではなく加減速するものであり、加減速のパターンは人によって異なる。このため、下腿リンクの揺動角が、最大揺動角と遊脚時間に基づいて設定された遊脚軌道に一致したとしても、使用者に応じた円滑な足の動きを実現することは困難である。
【００１２】
上記事情に鑑み、本発明の少なくとも一実施形態は、パワーアシストスーツの脚ユニットの質量にかかわらずに、円滑な歩行を実現可能なパワーアシストスーツ、及び、該パワーアシストスーツの制御方法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】
【００１３】
（１）本発明の少なくとも一実施形態によれば、
使用者の両脚に作用する負荷の一部を分担しながら前記使用者の歩行を許容するように構成された１組の脚ユニットと、
前記脚の各々の動作を検知可能な少なくとも１つのセンサと
を備え、
前記脚ユニットの各々は、
前記使用者の大腿に対応させられる第１リンクと、
前記使用者の下腿に対応させられる第２リンクと、
前記使用者の足に対応させられる足部と、
前記使用者の股関節に対応させられる第１回転軸と、
前記使用者の膝関節に対応させられる第２回転軸と、
前記使用者の足関節に対応させられる第３回転軸と、
前記第１回転軸の周りでトルクを発生させるように構成された第１アクチュエータと、
前記第２回転軸の周りでトルクを発生させるように構成された第２アクチュエータと、
を含み、
前記少なくとも１つのセンサは前記足部の加速度を検知可能である、
パワーアシストスーツの制御方法において、
前記少なくとも１つの加速度センサによって得られた遊脚期における前記足部の加速度データに基づいて、遊脚期における前記足部のための加速度軌道を生成し、
前記加速度軌道及び前記脚ユニットの質量に基づいて、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータの各々のための目標トルクを設定し、
前記目標トルクに基づいて、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータの各々によって発生させられる前記トルクを制御する
ことを特徴とするパワーアシストスーツの制御方法が提供される。
【００１４】
上記構成（１）によれば、脚ユニットの質量を考慮して目標トルクが設定されている。このため、脚ユニットの質量が大きくても、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータの発生トルクを目標トルクに近づけることにより、使用者の遊脚の足の加速度を加速度軌道に近づけることができる。このため、パワーアシストスーツは、脚ユニットの質量にかかわらずに、使用者の遊脚の動作を的確にアシストすることができる。
また、使用者によって足の加減速のパターンが異なっても、足部の加速度データに基づいて加速度軌道を生成し、生成された加速度軌道に基づいて目標トルクを設定することで、使用者に応じて目標トルクが設定される。このため、パワーアシストスーツは、使用者に応じて遊脚期の足部の速度を調整することができ、使用者は円滑に歩行することができる。
【００１５】
（２）幾つかの実施形態では、上記構成（１）において、
前記加速度軌道の生成に用いられる前記加速度データは、現在の遊脚期における前記足部の現加速度データと、少なくとも１つの過去の遊脚期における前記足部の過去加速度データとを含む。
【００１６】
上記構成（２）によれば、現加速度データに基づいて目標トルクが設定されるので、脚ユニットの動きを、現在の使用者の脚の動きに対し、より的確に合わせることができる。例えば、使用者が歩行を停止するために遊脚期の足を下ろそうとした場合、このときの足の加速度データに基づいて加速度軌道が生成される。このため、足を下げようとする動作に逆らって足部が更に進もうとすることが防止され、使用者が自らの意志に基づいて自在に歩行することができる。
【００１７】
（３）幾つかの実施形態では、上記構成（２）において、
前記少なくとも１つの過去加速度データに対し、時間軸にて順方向及び逆方向にローパスフィルタ処理を行う零位相フィルタ処理を施す。
【００１８】
上記構成（３）によれば、ローパスフィルタ処理によって、加速度データに含まれる高周波のノイズを排除し、使用者の足の加減速に即した加速度軌道を確実に生成することができる。この結果として、パワーアシストスーツは、使用者の遊脚の動作をより的確にアシストすることができる。
一方、加速度データに対しローパスフィルタ処理を行った場合、処理前の加速度データに対し、処理後の加速度データの位相が遅れてしまう。この点、上記構成（４）によれば、零位相フィルタ処理を行うことで、位相の遅れをキャンセルすることができる。このため、パワーアシストスーツは、使用者の遊脚の動作をタイムラグ無く適切なタイミングでアシストすることができる。
【００１９】
（４）幾つかの実施形態では、上記構成（３）において、
前記現加速度データ及び前記ローパスフィルタ処理が施された前記少なくとも１つの過去加速度データに対し加重移動平均処理を施す。
【００２０】
上記構成（４）によれば、現加速度データ及び過去加速度データを加重移動平均処理することにより加速度軌道を生成することができる。そして、加重移動平均処理を用いる場合、重みを付けることで、所望の加速度軌道を生成することができる。例えば、現加速度データの重みを大きくすることで、使用者の歩行速度が変化しているような過渡期であっても、使用者が現在意図している足の動きを的確に実現可能な加速度軌道を生成することができる。これによりパワーアシストスーツは、過去の状況に引きずられずに、現在の状況に応じて使用者の遊脚の動作を的確にアシストすることができる。このため、使用者は、急加速や急停止を自在に行うことができる。
【００２１】
（５）幾つかの実施形態では、上記構成（４）において、
前記少なくとも１つの過去加速度データは、複数の前記過去加速度データを含み、
前記加重移動平均処理の前に、前記複数の過去加速度データのうち直近の第１過去加速度データの遊脚期間の長さに、第１過去加速度データよりも前の第２過去加速度データの遊脚期間の長さを合わせるように、前記第２過去加速度データに補正処理を施す。
【００２２】
使用者の歩行速度が変化しているような過渡期では、遊脚期間の長さが一歩ずつ変化する。上記構成（５）によれば、直近の第１過去加速度データの遊脚期間の長さに第２過去加速度データの遊脚期間の長さを合わせるように補正処理を行うことで、過渡期であっても、相対的に古い第２過去加速度データを用いながら、使用者が現在意図している足の動きを的確に実現可能な加速度軌道を生成することができる。これによりパワーアシストスーツは、過去の状況に引きずられずに、現在の状況に応じて使用者の遊脚の動作を的確にアシストすることができる。このため、使用者は、急加速や急停止を自在に行うことができる。
【００２３】
（６）幾つかの実施形態では、上記構成（５）において、
前記補正処理は、前記第１過去加速度データの遊脚期間の長さよりも、前記第２過去加速度データの遊脚期間の長さが不足期間だけ短い場合に、前記第２過去加速度データに対して前記不足期間に対応するデータを追加するものである。
【００２４】
上記構成（６）によれば、遊脚期間の短い第２過去加速度データにデータを追加することにより、簡単な構成にて、直近の第１過去加速度データの遊脚期間の長さに第２過去加速度データの遊脚期間の長さを合わせることができる。
【００２５】
（７）幾つかの実施形態では、上記構成（５）において、
前記補正処理は、前記第１過去加速度データの遊脚期間の長さに、前記第２過去加速度データの遊脚期間の長さを合わせるように、前記第２過去加速度データの時間軸のスケールを調整するものである。
【００２６】
上記構成（７）によれば、第２過去加速度データの遊脚期間の時間軸のスケールを調整することにより、簡単な構成にて、前記第１過去加速度データの遊脚期間の長さに、前記第２過去加速度データの遊脚期間の長さを合わせることができる。また、各遊脚期には、加速区間と減速区間とがあるが、時間軸のスケールを調整することで、加速区間同士又は減速区間同士の平均をとることができる。この結果、使用者が現在意図している足の動きをより的確に実現可能な加速度軌道を生成することができる。
【００２７】
（８）幾つかの実施形態では、上記構成（７）において、
前記補正処理は、前記第２過去加速度データの時間軸のスケールを調整するとともに、前記第２加速度データの加速度軸のスケールを調整するものである。
【００２８】
使用者の歩行速度が変化しているような過渡期では、遊脚期間の長さのみならず、加速度も一歩ずつ変化する。上記構成（８）によれば、第２過去加速度データの加速度軸のスケールも調整することで、過渡期であっても、相対的に古い第２過去加速度データを用いながら、使用者が現在意図している足の動きを的確に実現可能な加速度軌道を生成することができる。
【００２９】
（９）幾つかの実施形態では、上記構成（４）乃至（８）の何れか１つにおいて、
前記加重移動平均処理の重みは可変である。
【００３０】
使用者の歩行速度は、過渡期のみならず、例えば、使用者が障害物につまずくことによっても変化する。このような不所望の変化を含む加速度データに基づいて加速度軌道を生成した場合、使用者の意図する足の動きを的確に実現することが困難になるおそれがある。この点、上記構成（９）によれば、各加速度データの重みを変化させることで、上述したような不所望の変化を含む加速度データが加速度軌道に与える影響を小さくすることができる。この結果として、使用者が意図している足の動きを的確に実現可能な加速度軌道を生成することができる。
【００３１】
（１０）幾つかの実施形態では、上記構成（９）において、
前記少なくとも１つの過去加速度データは、複数の前記過去加速度データを含み、
前記加重移動平均処理の重みは、前記複数の過去加速度データのうち直近の第１過去加速度データの遊脚期間の長さと、第１過去加速度データよりも前の第２過去加速度データの遊脚期間の長さとの差の大きさに応じて変更される。
【００３２】
遊脚期間の長さの差が大きい場合、不所望の変化を含む加速度データが存在する可能性がある。そこで、上記構成（１０）によれば、遊脚期間の長さの差の大きさに応じて重みを変更することで、不所望の変化を含む加速度データが加速度軌道に与える影響を的確に小さくすることができる。
【００３３】
（１１）幾つかの実施形態では、上記構成（１０）において、前記加重移動平均処理の重みは、前記第１過去加速度データの遊脚期間の長さと、前記第２過去加速度データの遊脚期間の長さとの差が大きいほど、前記第２過去加速度データの重みが小さくなるように設定される。
上記構成（１１）によれば、第１過去加速度データの遊脚期間の長さと第２過去加速度データの遊脚期間の差が大きいほど、第２過去加速度データの重みを小さくすることで、直近の第１過去加速度データが加速度軌道に与える影響を大きくすることができる。この結果として、使用者が現在意図している足の動きを的確に実現可能な加速度軌道を生成することができる。また、直近の第１過去加速度データが加速度軌道に与える影響を大きくすることで、歩行速度を現在の歩行速度付近で安定させることも可能である。
【００３４】
（１２）幾つかの実施形態では、上記構成（１）乃至（１１）の何れか１つにおいて、
前記使用者の脚の動作に関し立脚期から前記遊脚期への移行の判定を、前記足部の加速度データに基づいて行う。
【００３５】
加速度センサの応答速度は、一般的に圧力センサよりも早い。このため、上記構成（１２）によれば、立脚期から前記遊脚期への移行の判定を加速度データに基づいて行うことで、判定をより早く行うことができる。この結果として、パワーアシストスーツは、使用者が足を上げるのと略同時に足の動きをアシストすることができ、使用者はより円滑に歩行することができる。
【００３６】
（１３）幾つかの実施形態では、上記構成（１２）において、
前記移行の判定を、前記足部の加速度データの足裏垂直成分に基づいて行う。
【００３７】
上記構成（１３）によれば、立脚期から前記遊脚期への移行の判定を足部の加速度データの足裏垂直成分に基づいて行うことで、判定をより的確に行うことができる。
【００３８】
（１４）幾つかの実施形態では、上記構成（１）乃至（１３）の何れか１つにおいて、
前記使用者の脚の動作に関し前記遊脚期から立脚期への移行の判定を、前記足部の加速度データに基づいて行う。
【００３９】
上記構成（１４）によれば、遊脚期から立脚期への移行の判定を加速度データに基づいて行うことで、圧力センサを用いる必要がない。このため、簡単且つ安価な構成で、パワーアシストスーツの制御を行うことができる。
【００４０】
（１５）幾つかの実施形態では、上記構成（１４）において、
前記使用者の脚の動作に関し前記遊脚期から立脚期への移行の判定を、一方の前記足部の足先方向速度と他方の前記足部の足先方向速度との差に基づいて行う。
【００４１】
上記構成（１５）によれば、一方の足部の足先方向速度と他方の足部の足先方向速度との差に基づいて、遊脚期から立脚期への移行の判定を行うことで、判定を的確に行うことができる。
【００４２】
（１６）幾つかの実施形態では、上記構成（１）乃至（１５）の何れか１つにおいて、
前記少なくとも１つのセンサは、前記使用者の足裏圧力を測定可能であり、
前記使用者の脚の動作に関し前記遊脚期から立脚期への移行の判定を、前記足裏圧力に基づいて行う。
【００４３】
上記構成（１６）によれば、足裏圧力に基づいて遊脚期から立脚期への移行の判定を行うことで、判定を的確に行うことができる。
【００４４】
（１７）本発明の少なくとも一実施形態によれば、
使用者の両脚に作用する負荷の一部を分担しながら前記使用者の歩行を許容するように構成された１組の脚ユニットと、
前記脚ユニットの動作を検知するための少なくとも１つのセンサと、
前記脚ユニットの動作を制御するための制御装置とを備え、
前記脚ユニットの各々は、
前記使用者の大腿に対応させられる第１リンクと、
前記使用者の下腿に対応させられる第２リンクと、
前記使用者の足に対応させられる足部と、
前記使用者の股関節に対応させられる第１回転軸と、
前記使用者の膝関節に対応させられる第２回転軸と、
前記使用者の足関節に対応させられる第３回転軸と、
前記第１回転軸の周りでトルクを発生させるように構成された第１アクチュエータと、
前記第２回転軸の周りでトルクを発生させるように構成された第２アクチュエータと、
を含み、
前記少なくとも１つのセンサは、前記足部の加速度を検出可能であり、
前記制御装置は、上記構成（１）乃至（１６）の何れか１つに記載のパワーアシストスーツの制御方法を実行するように構成されている
ことを特徴とするパワーアシストスーツが提供される。
【００４５】
上記構成（１７）によれば、パワーアシストスーツの制御方法を実行することで、パワーアシストスーツは、脚ユニットの質量にかかわらずに、使用者の遊脚の動作を的確にアシストすることができる。また、パワーアシストスーツは、使用者に応じて遊脚期の足部の速度を調整することができ、使用者は円滑に歩行することができる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、パワーアシストスーツの脚ユニットの質量にかかわらずに、円滑な歩行を実現可能なパワーアシストスーツ、及び、該パワーアシストスーツの制御方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の少なくとも一実施形態に係るパワーアシストスーツの概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１のパワーアシストスーツの装着状態を示す正面図である。
【図３】図１のパワーアシストスーツの装着状態を示す側面図である。
【図４】図１のパワーアシストスーツの一部を構成する下半身ユニット及び上半身ユニットの概略構成を示す斜視図である。
【図５】図１のパワーアシストスーツの一部を構成する作業ユニットの概略構成を示す斜視図である。
【図６】使用者の遊脚をアシストするために用いられるパワーアシストスーツの制御方法の手順を概略的に示すフローチャートである。
【図７】足裏垂直方向加速度ａｃｃｚｅ及び足先方向加速度ａｃｃｘｅの演算方法を説明するための図である。
【図８】図６の制御方法の遊脚判定工程を説明するためのチャートである。
【図９】遊脚判定工程に適用可能な足裏圧力センサの構成を概略的に示す図である。
【図１０】図６の制御方法において実行される過去参照データの演算方法の手順を概略的に示すフローチャートである。
【図１１】５歩分の加速度データを表すチャートである。
【図１２】二歩前データの波形の補正方法の一例を説明するための図である。
【図１３】二歩前データの波形の補正方法の他の一例を説明するための図である。
【図１４】二歩前データの波形の補正方法の更に他の一例を説明するための図である。
【図１５】二歩前データの波形の補正方法の更に他の一例を説明するための図である。
【図１６】図６の制御方法の零位相フィルタ処理工程を説明するためのチャートである。
【図１７】図１のパワーアシストスーツの制御装置の機能的な構成を概略的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００４９】
図１は本発明の少なくとも一実施形態に係るパワーアシストスーツ１の概略構成を示す斜視図であり、図２及び図３は、図１のパワーアシストスーツ１の装着状態を示す正面図及び側面図であり、図４は、パワーアシストスーツ１の一部を構成する下半身ユニット２及び上半身ユニット３の概略構成を示す斜視図であり、図５はパワーアシストスーツ１の一部を構成する作業ユニット４の概略構成を示す斜視図である。
【００５０】
図１〜図５に示すように、パワーアシストスーツ１は、下半身ユニット２、上半身ユニット３、及び、作業ユニット４を備えている。
下半身ユニット２は、１組の脚ユニット６（６Ａ，６Ｂ）、及び、腰ユニット７を有する。１組の脚ユニット６は、使用者の両脚に装着可能であり、腰ユニット７は、脚ユニット６の上部に接続され、使用者の腰に装着可能である。
上半身ユニット３は、フレームユニット８、及び、肩ユニット９を含む。フレームユニット８は、腰ユニット７に固定され、使用者の背中に沿って上下方向に延びる。肩ユニット９は、フレームユニット８の上部に固定され、使用者の肩に引っ掛けることができる。
【００５１】
作業ユニット４は、ガイドレール１０、スライダ１１、駆動装置１２、及び、フォーク１３を含む。ガイドレール１０は、フレームユニット８に固定され、上下方向に沿って延びる。スライダ１１は、ガイドレール１０に対しスライド自在に取り付けられ、駆動装置１２は、ガイドレール１０に沿ってスライダ１１を上下に移動させることができる。フォーク１３は、スライダ１１に固定され、スライダ１１の移動に伴って上下動可能である。従って、重量物の下にフォーク１３を差し込んでから、フォーク１３を上昇させることで、重量物を持ち上げることができる。駆動装置１２は、例えばボールネジ等のリニアモータによって構成される。
【００５２】
パワーアシストスーツ１は、重量物を持ち上げた状態でも、使用者が歩行可能に構成されている。そのため、１組の脚ユニット６は、使用者の両脚に作用する負荷の一部を分担しながら、使用者の歩行を許容するように構成されている。そして、パワーアシストスーツ１は、脚ユニット６の各々の動作を検知可能な少なくとも１つのセンサと、センサの出力に基づいて脚ユニット６の動作を制御するように構成された制御装置１４とを備えている。
【００５３】
具体的には、左右の脚ユニット６（６Ａ，６Ｂ）の各々は、第１リンク２０（２０Ａ，２０Ｂ）と、第２リンク２２（２２Ａ，２２Ｂ）と、足部２４（２４Ａ，２４Ｂ）と、第１回転軸２６（２６Ａ，２６Ｂ）と、第２回転軸２８（２８Ａ，２８Ｂ）と、第３回転軸３０（３０Ａ，３０Ｂ）と、第１アクチュエータ３２（３２Ａ，３２Ｂ）と、第２アクチュエータ３４（３４Ａ，３４Ｂ）とを含む。
【００５４】
第１リンク２０は使用者の大腿に対応し、第２リンク２２は使用者の下腿に対応し、足部２４は使用者の足に対応する。第１回転軸２６は使用者の股関節に対応し、第２回転軸２８は使用者の膝関節に対応し、第３回転軸３０は使用者の足関節に対応する。
従って、第１リンク２０の上端側は、第１回転軸２６を介して腰ユニット７に揺動可能に連結され、第２リンク２２の上端側は、第２回転軸２８を介して第１リンク２０の下端側に揺動可能に連結され、足部２４は、第３回転軸３０を介して第２リンク２２の下端側に揺動可能に連結される。
なお、第１回転軸２６、第２回転軸２８及び第３回転軸３０は、使用者の幅方向に延びており、第１リンク２０、第２リンク２２及び足部２４は、使用者の前後方向に揺動可能である。
【００５５】
第１アクチュエータ３２は、第１回転軸２６の周りでトルクを発生させるように構成されており、第１アクチュエータ３２を作動させることで、第１リンク２０及びそれよりも下の部分が揺動する。第２アクチュエータ３４は、第２回転軸２８の周りでトルクを発生させるように構成されており、第２アクチュエータ３４を作動させることで、第２リンク２２及びそれよりも下の部分が揺動する。
第１アクチュエータ３２及び第２アクチュエータ３４は、例えば電動モータによって構成される。
【００５６】
少なくとも１つのセンサは足部２４の加速度を検知可能である。そのために本実施形態では、パワーアシストスーツ１は、センサとして、ジャイロセンサ３６と、加速度センサ３８（３８Ａ，３８Ｂ）と、第１回転角センサ４０（４０Ａ，４０Ｂ）と、第２回転角センサ４２（４２Ａ，４２Ｂ）と、第３回転角センサ４４（４４Ａ，４４Ｂ）とを有する。
【００５７】
ジャイロセンサ３６は、腰ユニット７に取り付けられ、鉛直方向に対する腰ユニット７又は上半身ユニット３の傾斜角（ピッチ角φｇｒ）を測定可能である。
加速度センサ３８は、足部２４の加速度を検出可能なように、第２リンク２２又は足部２４に取り付けられる。本実施形態では、加速度センサ３８は、第２リンク２２の下端側に取り付けられる。加速度センサ３８は、例えばジャイロセンサによって構成される。
第１回転角センサ４０は、腰ユニット７又は上半身ユニット３に対する第１リンク２０の回転角θ１を測定可能であり、例えば、第１アクチュエータ３２に内蔵されたレゾルバによって構成される。
第２回転角センサ４２は、第１リンク２０に対する第２リンク２２の回転角θ２を測定可能であり、例えば、第２アクチュエータ３４に内蔵されたレゾルバによって構成される。
第３回転角センサ４４は、第２リンク２２に対する足部２４の回転角θ３を測定可能であり、例えば、第３回転軸３０の周りに配置されたレゾルバによって構成される。
【００５８】
図６は、使用者の遊脚をアシストするために用いられるパワーアシストスーツ１の制御方法（以下、遊脚アシスト制御方法とも称する）の手順を概略的に示している。遊脚アシスト制御方法は、使用者の歩行時に、立脚をアシストするためのパワーアシストスーツ１の制御方法（立脚アシスト制御方法）と並行して実行される。また、遊脚アシスト制御方法は、左右の脚ユニット６について別々に行われ、例えば、制御装置１４の起動と同時に開始され、制御装置１４の停止と同時に終了する。
【００５９】
図６のパワーアシストスーツ１の制御方法では、まず、初期設定工程が行われる（Ｓ１０）。初期設定工程Ｓ１０では、例えば、後述する過去参照データ、一歩前データ及び二歩前データの初期値が読み込まれるとともに、フラグＦが０に設定される。過去参照データ、一歩前データ及び二歩前データの初期値は、例えば、予め設定された理想的なデータであってもよいし、或いは、前回の最後の過去参照データ、一歩前データ及び二歩前データ等であってもよい。
【００６０】
初期設定工程Ｓ１０の後、加速度センサ３８による加速度の測定工程Ｓ１１が行われる。それから、加速度センサ３８によって測定された加速度から、足部２４の加速度として、足裏垂直方向加速度ａｃｃｚｅ及び足先方向加速度ａｃｃｘｅの演算工程Ｓ１２が実行される。足先方向とは、足部２４の踵から爪先に向かう方向であり、足裏垂直方向と足先方向は相互に直交する。
【００６１】
ここで、図７は、足裏垂直方向加速度ａｃｃｚｅ及び足先方向加速度ａｃｃｘｅの演算方法を説明するための図である。足裏垂直方向加速度ａｃｃｚｅ及び足先方向加速度ａｃｃｘｅは、以下の式（１）〜（６）により求められる。
式（１）〜（４）中、ｇｎは、図７に示したように重力加速度を逆向きにしたものであり、ｇｎｘはｇｎのうち第２リンク２２に垂直な方向の成分を表し、ｇｎｚは、ｇｎのうち第２リンク２２に平行な方向の成分を表している。ａｃｃｘは、加速度センサ３８によって測定された第２リンク２２に垂直な方向の第２リンクの加速度であり、ａｃｃｚは、加速度センサ３８によって測定された第２リンク２２に平行な方向の第２リンク２２の加速度である。式（３）及び（４）は、ａｃｃｘ及びａｃｃｚから重力加速度の逆方向の成分であるｇｎｘ及びｇｎｚをそれぞれ差し引いて、重力加速度の影響を考慮した第２リンク２２の垂直方向の加速度ａｃｃｘ’及び平行方向の加速度ａｃｃｚ’を求めることを示している。
そして、式（５）及び（６）に示したように、加速度ａｃｃｘ’及びａｃｃｚ’から、足部２４の加速度として、足裏垂直方向加速度ａｃｃｚｅ及び足先方向加速度ａｃｃｘｅが求められる。
【００６２】
【数１】
0006280488.tif 000002
【００６３】
演算工程Ｓ１２の後、制御対象の脚ユニット６に対応する使用者の脚が立脚状態から遊脚状態になったか否か、及び、遊脚状態から立脚状態になったか否かを判定する判定工程Ｓ１４が実行される。
図８は、判定工程Ｓ１４を説明するためのチャートである。本実施形態では、立脚状態から遊脚状態への移行の判定、及び、遊脚状態から立脚状態への移行の判定が、足裏垂直方向加速度ａｃｃｚｅに基づいて行われる。
具体的には、図８に示したように、足裏垂直方向加速度ａｃｃｚｅが零から上昇して所定の閾値を超えたときに、立脚状態から遊脚状態へ移行したと判定される。一方、立脚状態から遊脚状態への移行から所定時間経過後に、足裏垂直方向加速度ａｃｃｚｅが正の値から徐々に小さくなって零になったときに、遊脚状態から立脚状態へ移行したと判定される。
【００６４】
なお、図８には、足裏圧力による遊脚状態判定結果を併せて示している。使用者は自身の脚を足部２４に載せることができ、本実施形態では足部２４は靴の形状を有している。足裏圧力は、例えば、図９に示したように、足部２４の中敷４６に設けられた複数の足裏圧力センサ４８によって測定される。
【００６５】
図８からわかるように、加速度センサ３８により得られた足裏垂直方向加速度ａｃｃｚｅによれば、足裏圧力センサ４８よりも１０ｍｓ程度早く、立脚状態から遊脚状態への判定を行うことができる。これは、ＭＥＭＳ等によって構成される加速度センサの方が、圧電素子等によって構成される圧力センサよりも応答速度が速いためと考えられる。
【００６６】
ここで、足裏に対する荷重のかかり方は使用者によって大きく異なるため、足裏圧力で遊脚状態への移行を検知する場合、誤検知が発生する虞がある。この点、足裏垂直方向加速度ａｃｃｚｅによる遊脚状態への移行の判定は簡単且つ容易なので、誤検知の虞が少ない。
一方、遊脚状態から立脚状態への移行の判定は、足先方向加速度ａｃｃｘｅから両脚の足先方向速度を求め、両脚の足先方向速度の大小関係に基づいて行ってもよい。たとえば、両脚の足先方向速度の大きさが逆転したときに、遊脚状態から立脚状態へ移行したと判定することができる。
【００６７】
遊脚判定工程Ｓ１４で、立脚状態から遊脚状態へ移行したと判定された場合、フラグＦが１に設定される（Ｓ１６）。フラグＦが１であればそのままである。それから、現在の足部２４の加速度データである現加速度データと過去参照データの加重平均処理を演算する加重平均処理工程Ｓ１８が実行される。加重平均処理工程Ｓ１８では、遊脚に対応する足部２４の加速度軌道が求められる。
なお、現加速データは、現在の足先方向加速度ａｃｃｘｅであり、過去参照データは、過去の足先方向加速度ａｃｃｘｅのデータから求められるものである。
【００６８】
加重平均処理工程Ｓ１８の後、目標トルク演算工程Ｓ２０が実行される。目標トルク演算工程Ｓ２０では、得られた加速度軌道に基づいて、遊脚に対応する第１アクチュエータ３２及び第２アクチュエータ３４のための目標トルクが演算される。
目標トルク演算工程Ｓ２０の後、アクチュエータ駆動制御工程Ｓ２２が実行される。アクチュエータ駆動制御工程Ｓ２２では、遊脚に対応する第１アクチュエータ３２及び第２アクチュエータ３４のトルクが目標トルクに一致するように調整される。これにより、制御対象の脚ユニット６において、足部２４の現在の足先方向加速度を、加速度軌道に近づけることができる。
それから、現加速度データを格納する格納工程Ｓ２４が実行され、加速度測定工程Ｓ１１が再び実行される。なお、加速度測定工程Ｓ１１は、例えば数ｍｓのサンプリング間隔で繰り返し実行される。
【００６９】
遊脚判定工程Ｓ１４で、制御対象の脚ユニット６に対応する使用者の脚について、遊脚状態から立脚状態への移行が検知されると、フラグＦが１であるか否か判定する判定工程Ｓ２６が実行される。脚の状態が遊脚状態から立脚状態に移行した後、最初の判定工程Ｓ２６では、フラグＦが１になっている。
判定工程Ｓ２６でフラグＦが１である場合、過去参照データの演算を開始させる演算開始指示工程Ｓ２７が実行される。過去参照データの演算は、１回の加速度データのサンプリングのうちに終了する必要は無く、次の遊脚までに終了していればよい。このため、過去参照データの演算を開始した後、フラグＦを０に設定し、再び加速度測定工程Ｓ１１が実行される。
【００７０】
図１０は、演算開始指示工程Ｓ２７によって開始された過去参照データの演算方法の手順を概略的に示すフローチャートである。
過去参照データの演算方法では、まず、格納工程Ｓ２９が実行され、一歩前データが二歩前データとして格納され、現加速度データが一歩前データとして格納される。一歩前データ及び二歩前データは、同じ脚の一歩前及び二歩前の足先方向加速度データａｃｃｘｅであり、例えば左脚についての一歩前データ及び二歩前データ、或いは、右脚についての一歩前データ及び二歩前データである。
なお、本実施形態では、過去の加速度データとして、一歩前データ及び二歩前データを使用するが、一歩前データのみを用いてもよいし、三歩前データ又はそれ以前のデータを追加的に用いてもよい。
【００７１】
格納工程Ｓ２９の後、過去の加速度データの波形を補正する補正処理工程Ｓ３０が実行される。本実施形態では、一歩前データの波形を基準として、二歩前データの波形が補正される。
ここで、図１１は、５歩分の加速度データを表すチャートであり、図１２は、二歩前データの波形の補正方法の一例を説明するための図である。図１２では、一歩前データ及び二歩前データが概略的に示されており、一歩前データと二歩前データの開始時点がそろえられている。そして、図１２では、二歩前データの遊脚期間は、超過期間の分だけ一歩前データの遊脚期間よりも長い。この場合、二歩前データの超過期間に対応する部分を削除することにより、二歩前データの波形が、時間軸方向にて短くなるように補正され、二歩前データの遊脚期間が一歩前データの遊脚期間に一致する。
【００７２】
図１３は、二歩前データの波形の補正方法の他の一例を説明するための図である。図１３では、二歩前データの遊脚期間は、不足期間の分だけ一歩前データの遊脚期間よりも短い。この場合、二歩前データ対し、不足期間に対応する部分に、例えば零からなるデータが追加される。これにより、二歩前データの波形が、時間軸方向にて長くなるように補正され、二歩前データの遊脚期間が一歩前データの遊脚期間に一致する。
【００７３】
図１４は、二歩前データの波形の補正方法の更に他の一例を説明するための図である。図１４では、二歩前データの遊脚期間は、超過期間の分だけ一歩前データの遊脚期間よりも長い。この場合、二歩前データの遊脚期間が一歩前データの遊脚期間に一致するように、二歩前データの時間軸（横軸）の縮尺を変更するように補正が行われる。これにより、二歩前データの波形が、時間軸方向にて短くなるように補正される。なお、二歩前データの遊脚期間が短い場合にも、一歩前データの遊脚期間に一致するように、二歩前データの時間軸の縮尺を変更してもよい。
【００７４】
図１５は、二歩前データの波形の補正方法の更に他の一例を説明するための図である。図１５の補正方法では、図１３の時間軸の縮尺の補正に加えて、加速度軸（縦軸）の縮尺が補正される。この場合、二歩前データを遊脚期間にわたって積分した積分値をＳ２とし、一歩前データを遊脚期間にわたって積分した値をＳ１とし、時間軸の縮尺が補正された二歩前データの積分値をＳ２’とし、時間軸及び加速度軸の縮尺が補正された二歩前データを積分した値をＳ２’’としたときに、次式：Ｓ２’’＝（Ｓ１／Ｓ２）・Ｓ２’が成立するように、加速度軸の縮尺が補正される。
例えば図１５の補正方法によれば、一歩前データの積分値Ｓ１が二歩前データの積分値Ｓ２に比べて大きければ、時間軸及び加速度軸の縮尺が補正された二歩前データの積分値Ｓ２’’が、時間軸の縮尺が補正された二歩前データの積分値Ｓ２’よりも大きくなるように、時間軸の縮尺が補正された二歩前データに一定の係数が乗じられる。
【００７５】
補正処理工程Ｓ３０後、以下の式（７）を用いて、一歩前データと二歩前データの加重平均である過去加重平均値ａｘｒ＿１（ｉ）を演算する加重平均処理工程Ｓ３２が実行される。
【００７６】
【数２】
0006280488.tif 000003
【００７７】
式（７）中において、ｎは、現在を０として何歩前のデータであるかを表し、ｉは各一歩の遊脚期間におけるデータのサンプリング番号を表し、ｃ（ｎ）は、各一歩の重みを表す重み係数である。例えば、ａｘ（１，ｉ−１）は一歩前データの（ｉ−１）番目のデータであり、ａｘ（２，ｉ−１）は二歩前データの（ｉ−１）番目のデータである。
ここで、波形補正処理工程Ｓ３０は、加重平均処理工程Ｓ３２のための前処理工程であることがわかる。一歩前データ及び二歩前データに含まれるデータの数、即ち一歩前データ及び二歩前データの遊脚期間は相互に同じであるとは限らないため、前述の補正処理工程Ｓ３０により、遊脚期間の長さを相互に一致させているのである。
なお、式（７）では、右辺を重みの係数ｃ（ｎ）の和で除算していないが、除算は後に行われる。
【００７８】
次いで、得られた過去加重平均値ａｘｒ＿１（ｉ）に対し、ローパスフィルタ処理を時間軸にて順方向及び逆方向に施し、過去参照データを求める零位相フィルタ処理工程Ｓ３４が実行される。なお、以下では、過去参照データもａｘｒ＿１（ｉ）と表す。
図１６は、零位相フィルタ処理工程Ｓ３４を説明するためのチャートである。過去加重平均値のスペクトルに、まず、時間軸にて順方向にローパスフィルタ処理を施すと、得られる順方向フィルタ処理値は、過去加重平均値に対して時間軸方向にて右方向に変位し、位相差をもつ。この順方向フィルタ処理値に対し、時間軸にて逆方向にローパスフィルタ処理を施すと、得られる零位相フィルタ処理値、すなわち過去参照データは、順方向フィルタ処理値に対し、時間軸方向にて逆方向に変位し、位相差をもつ。この２回のローパスフィルタ処理により、位相差が打ち消され、過去参照データの位相は、過去加重平均値の位相に一致する。
最後に、得られた過去参照データを格納する格納工程Ｓ３６が実行され、過去参照データの演算が終了する。
【００７９】
一方の脚ユニット６のための過去参照データの演算及び格納は、立脚期間中に行うことができ、換言すれば、他方の脚ユニット６の遊脚期間中に行うことができる。このため、過去参照データの演算には多少の時間がかかってもよく、零位相フィルタ処理を実行するための時間を充分に確保することができる。
また、過去参照データの演算において、過去の加速度データはすでに遊脚期間の全体にわたって取得されているため、時間軸方向にて順方向のみならず、逆方向にもローパスフィルタ処理を実行可能である。この結果として、過去参照データの演算において、零位相フィルタ処理を採用可能である。
【００８０】
ここで再び、上述の過去参照データの説明を踏まえて、現加速度データと過去参照データの加重平均処理工程Ｓ１８について説明する。
加重平均処理工程Ｓ１８では、式（８）を用いて、加速度軌道ａｘｒ（ｉ）が演算される。式中、ａｘ（０，ｉ−１）は、ｉ−１番目の現加速度データ、即ち現在進行中の一歩におけるｉ−１番目の加速度データであり、ｃ（０）は、その重み係数である。
【００８１】
【数３】
0006280488.tif 000004
【００８２】
式（８）によれば、現加速度データ及び過去参照データのｉ−１番目のデータに基づいて、加速度軌道ａｘｒ（ｉ）のｉ番目の値が決定される。加速度軌道ａｘｒ（ｉ）は、現加速度データ及び過去参照データのｉ−１番目のデータに基づいて決定された先行指令値であるということができる。
重み係数ｃ（ｎ）は、例えば、ｃ（０）＞ｃ（１）＞ｃ（２）で表される関係を満たすように設定される。この関係によれば、加速度軌道に占める直近の一歩の影響が大きくなる。あるいは、重み係数ｃ（ｎ）は、ｃ（１）＞ｃ（０）≧ｃ（２）や、ｃ（２）＞ｃ（１）≧ｃ（０）で表される関係を満たすように設定される。これらの関係によれば、現在の加速度データの影響を小さくすることで、得られる加速度軌道を滑らかにすることができる。
【００８３】
幾つかの実施形態では、過去の加速度データに対しローパスフィルタ処理を施さなくてもよい。この場合には、式（９）を使用して、一歩前データ、二歩前データ及び現加速度データから、加速度軌道を演算することができる。
【００８４】
【数４】
0006280488.tif 000005
【００８５】
幾つかの実施形態では、重み係数ｃ（ｎ）を補正してもよい。重み係数の補正は、例えば式（１０）及び（１１）に示すように、重み係数ｃ（ｎ）に関数α（ｎ）を乗じることによって行うことができる。
【００８６】
【数５】
0006280488.tif 000006
【００８７】
式（１０）中、ΔＴ１は、１歩前データの遊脚期間の長さであり、ΔＴｎは、注目している一歩の遊脚期間の長さである。この場合、１歩前データの遊脚期間の長さを基準として、重みが変化させられる。
【００８８】
加速度軌道ａｘｒ（ｉ）が求められると、以下の式（１２）〜（１６）を用いて、目標トルク演算工程Ｓ２０において、目標トルクτを演算することができる。
【００８９】
【数６】
0006280488.tif 000007
【００９０】
式（１２）〜（１６）において、θ’は回転角θ１、θ２及びθ３の微分で構成されたベクトル（∈Ｒ３）であり、ｘ’は足先方向速度（∈Ｒ１）である。ＪＥは、両者の関係を規定するヤコビ行列（∈Ｒ１×３）であり、ＪＥ＃は疑似逆行列である。
式（１５）は各脚ユニット６の運動方程式であり、Ｍは慣性行列である。慣性行列Ｍは、脚ユニット６の幾何学的な形状及び質量に基づいて決定することができる。本実施形態では、目標トルクの演算が必要なアクチュエータは、各脚ユニット６につき、第１アクチュエータ３２及び第２アクチュエータ３４の２つであり、回転角情報は、第１回転角センサ４０、第２回転角センサ４２及び第３回転角センサ４４の３つから得られる。このため、慣性行列Ｍは２×３のマトリクスに縮退できる。
【００９１】
式（１５）に、ｘ’’としてａｘｒ（ｉ）を代入することにより、式（１６）が得られ、これを解くことで、目標トルクτを求めることができる。
なお、演算能力に応じて、式（１７）に示したように非線形項ｈ（θ,θ’）を考慮してもよい。また、本実施形態のように脚ユニット６の重力を考慮した自重補償制御を行わない場合には、重力項ｇ（θ）を考慮してもよい。
【００９２】
制御装置１４は、例えば、中央演算処理装置、内部メモリ及び外部記憶装置からなり、外部記憶装置に格納されたプログラムを実行することができる。プログラムは、上述したアシスト制御方法を実行するように構成された制御プログラムである。なお、制御プログラムを格納する記録媒体は、ハードディスクのような外部記憶装置に限定されず、コンピュータが読み取り可能なものであればよく、ＣＤ、ＤＶＤ及びＵＳＢメモリ等であってもよい。
【００９３】
図１７は、制御装置１４の機能的な構成を概略的に示すブロック図である。制御装置１４は、遊脚判定工程Ｓ１４を実行する遊脚判定部５０、足裏垂直方向・足先方向加速度の演算工程Ｓ１２を実行する足裏垂直方向・足先方向加速度演算部５２、及び、波形補正処理工程Ｓ３０を実行する波形補正処理部５４を有する。
そして、制御装置１４は、加重平均処理工程Ｓ１８及びＳ３２を実行する加重平均処理部５６、必要に応じて重み係数を補正する重み係数補正部５８、零位相フィルタ処理工程Ｓ３４を実行するフィルタ処理部６０、目標トルク演算工程Ｓ２０を実行するトルク演算部６２、並びに、アクチュエータ駆動制御工程Ｓ２２を実行するアクチュエータ駆動部６４を有する。
更に制御装置１４は、現加速度データを格納する現加速度データ格納部６５、過去加速度データの格納部としての一歩前データ格納部６６及び二歩前データ格納部６８、過去参照データを格納する過去参照データ格納部７０、並びに、初期値を格納する初期値格納部７２を有する。
【００９４】
一方、当然のことながら、パワーアシストスーツ１の１組の脚ユニット６は、歩行時及び静止時に使用者の立脚に作用する負担を分担可能に構成されている。このため、例えば、パワーアシストスーツ１は、例えば図１〜図４に示したように、接地面から足部２４に作用する反力を測定可能な接地圧力センサ７４を有し、制御装置１４は、接地圧力センサ７４の出力に基づいて、立脚に必要なトルクを第１アクチュエータ３２及び第２アクチュエータ３４によって発生させるように構成されている。
更に、パワーアシストスーツ１は、制御装置１４、センサ及びアクチュエータのための電源として、図１〜図４に示したように、バッテリ７６を有している。バッテリ７６は、例えば、腰ユニット７に取り付けられる。
【００９５】
かくして、上述した本発明の少なくとも一実施形態に係るパワーアシストスーツ１の遊脚アシスト制御方法によれば、少なくとも１つの加速度センサによって得られた遊脚期における足部２４の加速度データに基づいて、遊脚期における足部２４のための加速度軌道ａｘｒ（ｉ）を生成し、加速度軌道ａｘｒ（ｉ）及び脚ユニット６の質量（慣性行列Ｍ）に基づいて、第１アクチュエータ３２及び第２アクチュエータ３４の各々のための目標トルクτを設定し、目標トルクτに基づいて、第１アクチュエータ３２及び第２アクチュエータ３４の各々によって発生させられるトルクを制御する。
【００９６】
この構成によれば、脚ユニット６の質量即ち慣性を考慮して目標トルクτが設定されている。このため、脚ユニットτの質量が大きくても、第１アクチュエータ３２及び第２アクチュエータ３４の発生トルクを目標トルクτに近づけることにより、使用者の遊脚の足の加速度を加速度軌道ａｘｒ（ｉ）に近づけることができる。このため、パワーアシストスーツ１は、脚ユニット６の質量にかかわらずに、使用者の遊脚の動作を的確にアシストすることができる。
また、使用者によって足の加減速のパターンが異なっても、足部２４の加速度データに基づいて加速度軌道ａｘｒ（ｉ）を生成し、生成された加速度軌道ａｘｒ（ｉ）に基づいて目標トルクτを設定することで、使用者に応じて目標トルクτが設定される。このため、パワーアシストスーツ１は、使用者に応じて遊脚期の足部の速度を調整することができ、使用者は円滑に歩行することができる。
【００９７】
更に、上述した幾つかの実施形態では、加速度軌道ａｘｒ（ｉ）の生成に用いられる加速度データは、現在の遊脚期における足部２４の現加速度データと、少なくとも１つの過去の遊脚期における足部２４の過去加速度データとを含んでいる。
【００９８】
この構成によれば、現加速度データに基づいて目標トルクτが設定されるので、脚ユニット６の動きを、現在の使用者の脚の動きにより的確に合わせることができる。例えば、使用者が歩行を停止するために遊脚期の足を下ろそうとした場合、このときの足の加速度データに基づいて加速度軌道ａｘｒ（ｉ）が生成される。このため、足を下げようとする動作に逆らって足部２４が更に進もうとすることが防止され、使用者が自らの意志に基づいて自在に歩行することができる。
【００９９】
更に、上述した幾つかの実施形態では、少なくとも１つの過去加速度データに対しローパスフィルタ処理が施されている。
この構成によれば、ローパスフィルタ処理によって、加速度データに含まれる高周波のノイズを排除し、使用者の足の加減速に即した加速度軌道ａｘｒ（ｉ）を確実に生成することができる。この結果として、パワーアシストスーツ１は、使用者の遊脚の動作をより的確にアシストすることができる。
【０１００】
また、上述した幾つかの実施形態では、少なくとも１つの過去加速度データに対し、ローパスフィルタ処理として、時間軸にて順方向及び逆方向にローパスフィルタ処理を行う零位相フィルタ処理が施されている。
加速度データに対しローパスフィルタ処理を行った場合、処理前の加速度データに対し、処理後の加速度データの位相が遅れてしまう。この点、零位相フィルタ処理を行うことで、位相の遅れをキャンセルすることができる。このため、パワーアシストスーツ１は、使用者の遊脚の動作をタイムラグ無く適切なタイミングでアシストすることができる。
【０１０１】
更に、上述した幾つかの実施形態では、現加速度データ及びローパスフィルタ処理が施された少なくとも１つの過去加速度データに対し加重移動平均処理が施されている。
この構成によれば、現加速度データ及び過去加速度データを加重移動平均処理することにより加速度軌道ａｘｒ（ｉ）を生成することができる。そして、加重移動平均処理を用いる場合、重みを付けることで、所望の加速度軌道ａｘｒ（ｉ）を生成することができる。例えば、現加速度データの重みを大きくすることで、使用者の歩行速度が変化しているような過渡期であっても、使用者が現在意図している足の動きを的確に実現可能な加速度軌道ａｘｒ（ｉ）を生成することができる。これによりパワーアシストスーツ１は、過去の状況に引きずられずに、現在の状況に応じて使用者の遊脚の動作を的確にアシストすることができる。このため、使用者は、急加速や急停止を自在に行うことができる。
【０１０２】
また更に、上述した幾つかの実施形態では、少なくとも１つの過去加速度データは、複数の過去加速度データを含み、加重移動平均処理の前に、複数の過去加速度データのうち直近の第１過去加速度データ（一歩前データ）の遊脚期間の長さに、第１過去加速度データよりも前の第２過去加速度データ（二歩前データ）の遊脚期間の長さを合わせるように、第２過去加速度データに補正処理が施されている。
【０１０３】
使用者の歩行速度が変化しているような過渡期では、遊脚期間の長さが一歩ずつ変化する。この構成によれば、直近の第１過去加速度データの遊脚期間の長さに第２過去加速度データの遊脚期間の長さを合わせるように補正処理を行うことで、過渡期であっても、相対的に古い第２過去加速度データを用いながら、使用者が現在意図している足の動きを的確に実現可能な加速度軌道ａｘｒ（ｉ）を生成することができる。これによりパワーアシストスーツ１は、過去の状況に引きずられずに、現在の状況に応じて使用者の遊脚の動作を的確にアシストすることができる。このため、使用者は、急加速や急停止を自在に行うことができる。
【０１０４】
また、上述した幾つかの実施形態では、補正処理は、第１過去加速度データの遊脚期間の長さよりも、第２過去加速度データの遊脚期間の長さが不足期間だけ短い場合に、第２過去加速度データに対して不足期間に対応するデータを追加するものである。
この構成によれば、遊脚期間の短い第２過去加速度データにデータを追加することにより、簡単な構成にて、直近の第１過去加速度データの遊脚期間の長さに第２過去加速度データの遊脚期間の長さを合わせることができる。
【０１０５】
更に、上述した幾つかの実施形態では、補正処理は、第１過去加速度データの遊脚期間の長さに、第２過去加速度データの遊脚期間の長さを合わせるように、第２過去加速度データの時間軸のスケールを調整するものである。
この構成によれば、第２過去加速度データの遊脚期間の時間軸のスケールを調整することにより、簡単な構成にて、第１過去加速度データの遊脚期間の長さに、第２過去加速度データの遊脚期間の長さを合わせることができる。また、各遊脚期には、加速区間と減速区間とがあるが、時間軸のスケールを調整することで、加速区間同士又は減速区間同士の平均をとることができる。この結果、使用者が現在意図している足の動きをより的確に実現可能な加速度軌道ａｘｒ（ｉ）を生成することができる。
【０１０６】
また、上述した幾つかの実施形態では、補正処理は、第２過去加速度データの時間軸のスケールを調整するとともに、第２加速度データの加速度軸のスケールを調整するものである。
使用者の歩行速度が変化しているような過渡期では、遊脚期間の長さのみならず、加速度も一歩ずつ変化する。この構成によれば、第２過去加速度データの加速度軸のスケールも調整することで、過渡期であっても、相対的に古い第２過去加速度データを用いながら、使用者が現在意図している足の動きを的確に実現可能な加速度軌道ａｘｒ（ｉ）を生成することができる。
【０１０７】
更に、上述した幾つかの実施形態では、加重移動平均処理の重みは可変である。
使用者の歩行速度は、過渡期のみならず、例えば、使用者が障害物につまずくことによっても変化する。このような不所望の変化を含む加速度データに基づいて加速度軌道ａｘｒ（ｉ）を生成した場合、使用者の意図する足の動きを的確に実現することが困難になるおそれがある。この点、上記構成によれば、各加速度データの重みを変化させることで、上述したような不所望の変化を含む加速度データが加速度軌道ａｘｒ（ｉ）に与える影響を小さくすることができる。この結果として、使用者が意図している足の動きを的確に実現可能な加速度軌道ａｘｒ（ｉ）を生成することができる。
【０１０８】
また、上述した幾つかの実施形態では、少なくとも１つの過去加速度データは、複数の過去加速度データを含み、加重移動平均処理の重みは、複数の過去加速度データのうち直近の第１過去加速度データの遊脚期間の長さと、第１過去加速度データよりも前の第２過去加速度データの遊脚期間の長さとの差の大きさに応じて変更される。
遊脚期間の長さの差が大きい場合、不所望の変化を含む加速度データが存在する可能性がある。そこで、上記構成によれば、遊脚期間の長さの差の大きさに応じて重みを変更することで、不所望の変化を含む加速度データが加速度軌道ａｘｒ（ｉ）に与える影響を的確に小さくすることができる。
【０１０９】
更に、上述した幾つかの実施形態では、加重移動平均処理の重みは、第１過去加速度データの遊脚期間の長さと、第２過去加速度データの遊脚期間の長さとの差が大きいほど、第２過去加速度データの重みが小さくなるように設定される。
上記構成によれば、第１過去加速度データの遊脚期間の長さと第２過去加速度データの遊脚期間の差が大きいほど、第２過去加速度データの重みを小さくすることで、直近の第１過去加速度データが加速度軌道ａｘｒ（ｉ）に与える影響を大きくすることができる。この結果として、使用者が現在意図している足の動きを的確に実現可能な加速度軌道ａｘｒ（ｉ）を生成することができる。また、直近の第１過去加速度データが加速度軌道ａｘｒ（ｉ）に与える影響を大きくすることで、歩行速度を現在の歩行速度付近で安定させることも可能である。
【０１１０】
また、上述した幾つかの実施形態では、使用者の脚の動作に関し立脚期から遊脚期への移行の判定を、足部２４の加速度データに基づいて行う。
加速度センサの応答速度は、一般的に圧力センサよりも早い。このため、上記構成によれば、立脚期から遊脚期への移行の判定を加速度データに基づいて行うことで、判定をより早く行うことができる。この結果として、パワーアシストスーツ１は、使用者が足を上げるのと略同時に足の動きをアシストすることができ、使用者はより円滑に歩行することができる。
【０１１１】
更に、上述した幾つかの実施形態では、移行の判定を、足部２４の加速度データの足裏垂直成分に基づいて行う。
上記構成によれば、立脚期から遊脚期への移行の判定を足部２４の加速度データの足裏垂直成分に基づいて行うことで、判定をより的確に行うことができる。
【０１１２】
また更に、上述した幾つかの実施形態では、使用者の脚の動作に関し遊脚期から立脚期への移行の判定を、足部２４の加速度データに基づいて行う。
上記構成によれば、遊脚期から立脚期への移行の判定を加速度データに基づいて行うことで、圧力センサを用いる必要がない。このため、簡単且つ安価な構成で、パワーアシストスーツ１の制御を行うことができる。
【０１１３】
また、上述した幾つかの実施形態では、使用者の脚の動作に関し遊脚期から立脚期への移行の判定を、一方の足部２４の足先方向速度と他方の足部２４の足先方向速度との差に基づいて行う。
上記構成によれば、一方の足部２４の足先方向速度と他方の足部２４の足先方向速度との差に基づいて、遊脚期から立脚期への移行の判定を行うことで、判定を的確に行うことができる。
【０１１４】
更に、上述した幾つかの実施形態では、少なくとも１つのセンサは、使用者の足裏圧力を測定可能であり、使用者の脚の動作に関し遊脚期から立脚期への移行の判定を、足裏圧力に基づいて行う。
上記構成によれば、足裏圧力に基づいて遊脚期から立脚期への移行の判定を行うことで、判定を的確に行うことができる。
【０１１５】
そして、上述した本発明の少なくとも一実施形態により提供されるパワーアシストスーツ１によれば、遊脚アシスト制御方法を実行することで、パワーアシストスーツ１は、脚ユニット６の質量にかかわらずに、使用者の遊脚の動作を的確にアシストすることができる。また、パワーアシストスーツ１は、使用者に応じて遊脚期の足部２４の速度を調整することができ、使用者は円滑に歩行することができる。
【０１１６】
更に、上述した本発明の少なくとも一実施形態により提供されるパワーアシストスーツ１の制御プログラムによれば、該制御プログラムを実行することで、パワーアシストスーツ１は、脚ユニット６の質量にかかわらずに、使用者の遊脚の動作を的確にアシストすることができる。また、パワーアシストスーツ１は、使用者に応じて遊脚期の足部２４の速度を調整することができ、使用者は円滑に歩行することができる。
【０１１７】
また更に、本発明の少なくとも一実施形態により提供されるパワーアシストスーツ１の制御プログラムを格納した記録媒体によれば、記録媒体に格納されたパワーアシストスーツ１の制御プログラムを実行することで、パワーアシストスーツ１は、脚ユニット６の質量にかかわらずに、使用者の遊脚の動作を的確にアシストすることができる。また、パワーアシストスーツ１は、使用者に応じて遊脚期の足部２４の速度を調整することができ、使用者は円滑に歩行することができる。
最後に、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明の少なくとも一実施形態により提供されるパワーアシストスーツ、及び、該パワーアシストスーツの制御方法によれば、脚ユニットの質量にかかわらずに、パワーアシストスーツの使用者が円滑に歩行可能である。
【符号の説明】
【０１１９】
１            パワーアシストスーツ
２            下半身ユニット
３            上半身ユニット
４            作業ユニット
６            脚ユニット
７            腰ユニット
８            フレームユニット
９            肩ユニット
１０          ガイドレール
１１          スライダ
１２          駆動装置
１３          フォーク
１４          制御装置
２０          第１リンク
２２          第２リンク
２４          足部
２６          第１回転軸
２８          第２回転軸
３０          第３回転軸
３２          第１アクチュエータ
３４          第２アクチュエータ
３６          ジャイロセンサ
３８          加速度センサ
４０          第１回転角センサ
４２          第２回転角センサ
４４          第３回転角センサ
４６          中敷き
４８          足裏圧力センサ
５０          遊脚判定部
５２          足裏垂直方向・足先方向加速度演算部
５４          波形補正処理部
５６          加重平均処理部
５８          重み係数補正部
６０          フィルタ処理部
６２          トルク演算部
６４          アクチュエータ駆動部
６５          現加速度データ格納部
６６          一歩前データ格納部
６８          二歩前データ格納部
７０          過去参照データ格納部
７２          初期値格納部
７４          接地圧力センサ
７６          バッテリ
【図１】
0006280488.tif 000008
【図２】
0006280488.tif 000009
【図３】
0006280488.tif 000010
【図４】
0006280488.tif 000011
【図５】
0006280488.tif 000012
【図６】
0006280488.tif 000013
【図７】
0006280488.tif 000014
【図８】
0006280488.tif 000015
【図９】
0006280488.tif 000016
【図１０】
0006280488.tif 000017
【図１１】
0006280488.tif 000018
【図１２】
0006280488.tif 000019
【図１３】
0006280488.tif 000020
【図１４】
0006280488.tif 000021
【図１５】
0006280488.tif 000022
【図１６】
0006280488.tif 000023
【図１７】
0006280488.tif 000024