(57)【要約】【課題】ユーザの運動のリズム及びスケールをその目標とするリズム及びスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を誘導し得る装置等を提供する。【解決手段】本発明の運動誘導装置によれば、運動振動子と、固有角速度ωＭが反映された形で相互に引き込み合う第１振動子ｘが生成される。また、運動振動子と第１振動子ｘとの位相差（第１位相差）θＨＭに基づき、新たな固有角速度ωＭが設定される。さらに、新たな固有角速度ωＭに基づいて第２振動子ｙｉが生成される。そして、第２振動子ｙｉと、固有角速度ωＭに応じてユーザの運動スケールに応じた運動振動子の値をその目標値に近付ける第１ポテンシャルとが含まれている第１誘導振動子ｚ１を含む誘導振動子ｚが生成される。【選択図】  図１
2007061217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導振動子に応じてユーザの運動を誘導するための装置であって、
ユーザの運動振動子を測定する運動振動子測定手段と、
運動振動子測定手段により測定された運動振動子と、固有角速度が反映された形で相互に引き込み合う第１振動子を生成する第１振動子生成手段と、
運動振動子測定手段により測定された運動振動子と第１振動子生成手段により生成された第１振動子との位相差に基づき、固有角速度を新たに設定する固有角速度設定手段と、
固有角速度設定手段により設定された固有角速度が反映されたリズムで振動する第２振動子を生成する第２振動子生成手段と、
第２振動子生成手段により生成された第２振動子と、固有角速度設定手段により設定された固有角速度に応じて、運動振動子測定手段により測定されたユーザの運動スケールに応じた運動振動子をユーザの目標運動スケールに応じた目標値に近付ける第１ポテンシャルとが含まれている第１誘導振動子を含む誘導振動子を生成する誘導振動子生成手段とを備えていることを特徴とする運動誘導装置。
【請求項２】
誘導振動子生成手段が、第２振動子生成手段により生成された第２振動子と、固有角速度設定手段により設定された固有角速度と、運動振動子測定手段により測定されたユーザの運動スケールに応じた運動振動子の時間微分値とに応じて、該運動振動子の絶対値の増大を抑制する第２ポテンシャルが含まれている第２誘導振動子を含む誘導振動子を生成することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
【請求項３】
誘導振動子生成手段が、固有角速度設定手段により設定された固有角速度の関数として第１ポテンシャルに応じた第１係数と、ユーザの運動スケールに応じた運動振動子の値と目標値との偏差の関数と、第２振動子との積が含まれている第１誘導振動子を生成することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
【請求項４】
誘導振動子生成手段が、固有角速度設定手段により設定された固有角速度の関数として第２ポテンシャルに応じた第２係数と、ユーザの運動スケールに応じた運動振動子の時間微分値の関数と、第２振動子との積が含まれている第２誘導振動子を生成することを特徴とする請求項２記載の運動誘導装置。
【請求項５】
ユーザの運動及び生理状態のうち一方又は両方を測定する状態測定手段と、
状態測定手段により判定されたユーザの運動及び生理状態のうち一方又は両方に応じて、ユーザの目標運動リズム及び目標スケールのうち一方又は両方を設定する目標運動設定手段とをさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
【請求項６】
ユーザの運動及び生理状態のうち一方又は両方を測定する状態測定手段と、
状態測定手段により判定されたユーザの運動及び生理状態のうち一方又は両方に応じて、目標位相差を設定する目標位相差設定手段とをさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
【請求項７】
第１振動子生成手段が、運動振動子に応じて出力が変動する仮想的な複数の第１要素の関係を表現する第１モデルに従って、第１要素の出力として第１振動子を生成することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
【請求項８】
ユーザの運動及び生理状態のうち一方又は両方を測定する状態測定手段と、
状態測定手段により判定されたユーザの運動及び生理状態のうち一方又は両方に応じて、第１モデルにおける仮想的な複数の第１要素の相関関係を調節する第１相関調節手段とをさらに備えていることを特徴とする請求項７記載の運動誘導装置。
【請求項９】
第２振動子生成手段が、運動振動子に応じて出力が変動する仮想的な複数の第２要素の関係を表現する第２モデルに従って、第２要素の出力として第２振動子を生成することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
【請求項１０】
ユーザの運動及び生理状態のうち一方又は両方を測定する状態測定手段と、
状態測定手段により判定されたユーザの運動及び生理状態のうち一方又は両方に応じて、第２モデルにおける仮想的な複数の第２要素の相関関係を調節する第２相関調節手段とをさらに備えていることを特徴とする請求項９記載の運動誘導装置。
【請求項１１】
固有角速度設定手段が、運動振動子測定手段により測定された運動振動子と第１振動子生成手段により生成された第１振動子との位相差である第１位相差に基づき、仮想モデルにおける仮想的な２つの振動子の関係を設定した上で、当該２つの振動子の位相差である第２位相差を目標位相差に近付けさせるように当該２つの振動子のうち一方の角速度を新たな固有角速度として設定することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
【請求項１２】
固有角速度設定手段が、第１位相差に基づき、仮想モデルにおける仮想的な２つの振動子の関係を表現する相関係数を設定する相関係数設定手段と、
相関係数設定手段により設定された相関係数に基づき、第１位相差と第２位相差との差が最小になるように仮想運動振動子の角速度を設定する第１角速度設定手段と、
第１角速度設定手段により設定された角速度に基づき、第２位相差と目標位相差との差が最小になるように仮想誘導振動子の角速度を新たな固有角速度として設定する第２角速度設定手段とを備えていることを特徴とする請求項１１記載の運動誘導装置。
【請求項１３】
誘導振動子に応じてユーザの運動を誘導するための装置を制御するシステムであって、
ユーザの運動振動子を測定する運動振動子測定手段と、
運動振動子測定手段により測定された運動振動子と、固有角速度が反映された形で相互に引き込み合う第１振動子を生成する第１振動子生成手段と、
運動振動子測定手段により測定された運動振動子と第１振動子生成手段により生成された第１振動子との位相差に基づき、固有角速度を新たに設定する固有角速度設定手段と、
固有角速度設定手段により設定された固有角速度が反映されたリズムで振動する第２振動子を生成する第２振動子生成手段と、
第２振動子生成手段により生成された第２振動子と、固有角速度設定手段により設定された固有角速度に応じて、運動振動子測定手段により測定されたユーザの運動スケールに応じた運動振動子をユーザの目標運動スケールに応じた目標値に近付ける第１ポテンシャルとが含まれている第１誘導振動子を含む誘導振動子を生成する誘導振動子生成手段とを備えていることを特徴とする制御システム。
【請求項１４】
誘導振動子生成手段が、第２振動子生成手段により生成された第２振動子と、固有角速度設定手段により設定された固有角速度と、運動振動子測定手段により測定されたユーザの運動スケールに応じた運動振動子の時間微分値とに応じて、該運動振動子の絶対値の増大を抑制する第２ポテンシャルが含まれている第２誘導振動子を含む誘導振動子を生成することを特徴とする請求項１３記載の制御システム。
【請求項１５】
誘導振動子に応じてユーザの運動を誘導するための装置に付属するコンピュータに対して該装置を制御する機能を付与するプログラムであって、
ユーザの運動振動子を測定する運動振動子測定機能と、
運動振動子測定機能により測定された運動振動子と、固有角速度が反映された形で相互に引き込み合う第１振動子を生成する第１振動子生成機能と、
運動振動子測定機能により測定された運動振動子と第１振動子生成機能により生成された第１振動子との位相差に基づき、固有角速度を新たに設定する固有角速度設定機能と、
固有角速度設定機能により設定された固有角速度が反映されたリズムで振動する第２振動子を生成する第２振動子生成機能と、
第２振動子生成機能により生成された第２振動子と、固有角速度設定機能により設定された固有角速度に応じて、運動振動子測定機能により測定されたユーザの運動スケールに応じた運動振動子をユーザの目標運動スケールに応じた目標値に近付ける第１ポテンシャルとが含まれている第１誘導振動子を含む誘導振動子を生成する誘導振動子生成機能とを、運動誘導装置に付属するコンピュータに対して付与することを特徴とする制御プログラム。
【請求項１６】
誘導振動子生成機能として、第２振動子生成機能により生成された第２振動子と、固有角速度設定機能により設定された固有角速度と、運動振動子測定機能により測定されたユーザの運動スケールに応じた運動振動子の時間微分値とに応じて、該運動振動子の絶対値の増大を抑制する第２ポテンシャルが含まれている第２誘導振動子を含む誘導振動子を生成する機能を、運動誘導装置に付属するコンピュータに対して付与することを特徴とする請求項１５記載の制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザの運動を誘導するための装置、当該装置を制御するシステム、及び当該装置に付属するコンピュータに対して当該装置の制御機能を付与するプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザの身体に対して脚体関節（股関節、膝関節、足関節）回りのトルクを付与することにより、このユーザの歩行運動を補助する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、ユーザの歩行運動リズムに変化に追従しながらも、歩行補助装置による歩行補助リズムに自律性を持たせるように、この歩行補助装置を制御するシステムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−１３５５４３号公報
【特許文献２】特開２００４−０７３６４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、歩行補助装置による歩行補助リズムが適当なものであっても、補助力やその作用距離に過不足が生じ、歩幅や脚体関節角度が過大又は過小となってユーザに違和感や不安感等を覚えさせてしまう可能性があった。例えば、ユーザが小さい歩幅でゆっくりと歩きたい場合、一歩ごとの時間間隔が長くても歩幅が大きくなってしまうとユーザに違和感等を覚えさせることになる。また、ユーザが大きい歩幅で速く歩きたい場合、一歩ごとの時間間隔が短くても歩幅が小さくなってしまうとユーザに違和感等を覚えさせることになる。このように、ユーザの運動を誘導するリズムが、その運動のリズムを目標リズムに一致させるものである一方、ユーザの運動を誘導するための力やその作用距離が、その運動のスケールを目標スケールから乖離させるものとなり、ユーザに違和感等を覚えさせる可能性があった。
【０００５】
そこで、本発明は、ユーザの運動のリズム及びスケールをその目標とするリズム及びスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を誘導し得る装置、この装置を制御し得るシステム及び運動誘導装置に付属するコンピュータに対してこの装置の制御機能を付与するプログラムを提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための本発明の運動誘導装置は、誘導振動子に応じてユーザの運動を誘導するための装置であって、ユーザの運動振動子を測定する運動振動子測定手段と、運動振動子測定手段により測定された運動振動子と、固有角速度が反映された形で相互に引き込み合う第１振動子を生成する第１振動子生成手段と、運動振動子測定手段により測定された運動振動子と第１振動子生成手段により生成された第１振動子との位相差に基づき、固有角速度を新たに設定する固有角速度設定手段と、固有角速度設定手段により設定された固有角速度が反映されたリズムで振動する第２振動子を生成する第２振動子生成手段と、第２振動子生成手段により生成された第２振動子と、固有角速度設定手段により設定された固有角速度に応じて、運動振動子測定手段により測定されたユーザの運動スケールに応じた運動振動子を、ユーザの目標運動スケールに応じた目標値に近付ける第１ポテンシャルとが含まれている第１誘導振動子を含む誘導振動子を生成する誘導振動子生成手段とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
本発明の運動誘導装置によれば、主に次の理由により、ユーザの運動リズムをその目標とするリズムに一致させるようにユーザの運動が誘導され得る。
【０００８】
すなわち「相互引き込み」の効果によって「第１振動子」は、ユーザの運動振動子のリズムと調和しながら、固有角速度が反映された自律的なリズムをもって振動する。ここで「振動」とは、現実的又は仮想的なものが、ほぼ一定の周期を持って揺れ動くことのほか、広く時間変化することを含む概念である。また「振動子」とは、値が時間変化する電気信号や、ソフトウェアにおいて値が時間変化するものとして定義された関数等を含む概念である。しかるに、第１振動子は、ユーザの運動リズムと運動誘導装置による誘導リズムとの調和を図りながら、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させる観点から、ユーザの運動振動子と不適当な位相差を有している可能性がある。従って、第１振動子から直接的に誘導振動子が生成された場合、この誘導振動子によって誘導されたユーザの運動リズムが、目標リズムから乖離してしまうおそれがある。
【０００９】
そこで「新たな固有角速度」が、ユーザの運動振動子と第１振動子との位相差に応じて設定される。これにより、新たな固有角速度は、運動振動子により特定されるユーザの運動リズムとの、目標位相差に応じた調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当するものになり得る。また、その後、新たな固有角速度が反映された形で新たな第１振動子が生成されることが繰り返されることにより、第１振動子のリズムと運動振動子のリズムとの調和を図りながら、運動振動子と第１振動子との位相差の目標位相差からの偏差を徐々に減少させることができる。これにより、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化への誘導振動子の追従性を、ユーザに違和感等を与えない観点から適当なものとし、ユーザの運動リズムを目標リズムに適度なペースで徐々に一致させることができる。
【００１０】
続いて、当該新たな固有角速度が反映された形で「第２振動子」が生成され、さらに第２振動子を含む「誘導振動子」が生成される。これにより、この誘導振動子によって誘導されたユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとを調和させながら、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させることができる。ユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとの調和により、運動誘導装置による誘導リズムがユーザの運動リズムに調和し、且つ、ユーザの運動リズムも運動誘導装置による誘導リズムに調和するといったようにユーザ（人間）と装置（機械）との調和（相互の歩み寄り）が図られる。
【００１１】
本発明の運動誘導装置によれば、主に次の理由により、ユーザの運動スケールをその目標とするスケールに一致させるようにユーザの運動が誘導され得る。
【００１２】
「第１誘導振動子」には、ユーザの運動スケールに応じた運動振動子をその目標値に近付けるための第１ポテンシャルが含まれている。第１ポテンシャルは、ユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当する新たな固有角速度に応じている。従って、第１誘導振動子を含む誘導振動子が生成されることで、ユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとの調和、及びユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図り、且つ、ユーザの運動スケールに応じた運動振動子の値が目標値に近づくように、すなわち、ユーザの運動スケールが目標スケールに近付くようにユーザの運動が誘導され得る。
【００１３】
以上のように、本発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動のリズム及びスケールをその目標とするリズム及びスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を誘導し得る。
【００１４】
なお、ユーザの運動には、歩行、走行、ものづくりに伴う手作業等、種々の運動が含まれ得る。例えば、自動車等の製品の製造に関する手作業が誘導される場合、ユーザは誘導振動子に従うことで、目標とする動きのリズム及び動きの大きさ（又は力加減）をもって作業することができる。目標となる運動のリズム及びスケールが、熟練作業者等の手作業に基づいて設定されている場合、このユーザに熟練作業者の微妙な手の動きや力加減等を実感させ、その技術を早期に修得させることができる。
【００１５】
また、本発明の運動誘導装置は、誘導振動子生成手段が、第２振動子生成手段により生成された第２振動子と、固有角速度設定手段により設定された固有角速度と、運動振動子測定手段により測定されたユーザの運動スケールに応じた運動振動子の時間微分値とに応じて、該運動振動子の絶対値の増大を抑制する第２ポテンシャルが含まれている第２誘導振動子を含む誘導振動子を生成することを特徴とする。
【００１６】
本発明の運動誘導装置によれば、「第２誘導振動子」には、ユーザの運動スケールに応じた運動振動子の絶対値の増大を抑制するための第２ポテンシャルが含まれている。第２ポテンシャルは、ユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当する新たな固有角速度に応じている。従って、第２誘導振動子を含む誘導振動子が生成されることにより、ユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとの調和、及びユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図り、且つ、ユーザの運動スケールに応じた運動振動子の時間微分値に応じて党外運動振動子の絶対値の増大を抑制しながら、ユーザの運動スケールが目標スケールに近付くようにユーザの運動が誘導され得る。
【００１７】
さらに、本発明の運動誘導装置は、誘導振動子生成手段が、固有角速度設定手段により設定された固有角速度の関数として第１ポテンシャルに応じた第１係数と、ユーザの運動スケールに応じた運動振動子の値と目標値との偏差の関数と、第２振動子との積が含まれている第１誘導振動子を生成することを特徴とする。
【００１８】
本発明の運動誘導装置によれば、第１誘導振動子が、第１ポテンシャルに応じた第１係数を弾性係数（バネ係数）とし、且つ、ユーザの運動スケールに応じた運動振動子の値を目標値に復元させる仮想的なバネ等の弾性要素による弾性力として表現される。これにより、筋肉の収縮状態から伸展状態への移行時の弾性力等、ユーザの身体の弾性要素が反映されたリズム及びスケールをもってユーザの運動が誘導され得る。
【００１９】
また、誘導振動子生成手段が、固有角速度設定手段により設定された固有角速度の関数として第２ポテンシャルに応じた第２係数と、ユーザの運動スケールに応じた運動振動子の時間微分値の関数と、第２振動子との積が含まれている第２誘導振動子を生成することを特徴とする。
【００２０】
本発明の運動誘導装置によれば、第２誘導振動子が、第２ポテンシャルに応じた第２係数を減数係数（ダンパ係数）とし、且つ、ユーザの運動スケールに応じた運動振動子の時間微分値に応じて、当該運動振動子の絶対値の増大を抑制する仮想的なダンパ等の減衰要素による減衰力として表現される。これにより、筋肉の伸展状態から屈曲状態への移行時の粘性力等、ユーザの身体の減衰要素が反映されたリズム及びスケールをもってユーザの運動が誘導され得る。
【００２１】
さらに、本発明の運動誘導装置は、ユーザの運動及び生理状態のうち一方又は両方を測定する状態測定手段と、状態測定手段により判定されたユーザの運動及び生理状態のうち一方又は両方に応じて、ユーザの目標運動リズム及び目標スケールのうち一方又は両方を設定する目標運動設定手段とをさらに備えていることを特徴とする。
【００２２】
本発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動リズムを、このユーザの「運動状態」及び「生理状態」のうち一方又は両方に応じた目標リズムに一致させる観点から適当なリズム及びスケールをもってユーザの運動が誘導され得る。また、ユーザの運動スケールを、このユーザの「運動状態」及び「生理状態」のうち一方又は両方に応じた目標スケールに一致させる観点から適当なリズム及びスケールをもってユーザの運動が誘導され得る。なお、ユーザの運動状態には、ユーザが歩行する場合には、ほぼ平坦な平地を歩行する状態、階段や坂を昇りながら歩行する状態、階段や坂を下りながら歩行する状態、ゆっくりと歩行する状態、急いで歩行する状態等が含まれる。また、ユーザの生理状態には、疲労度が高い状態や、疲労度が低い状態、心拍数や発汗量が多い状態や、心拍数等が少ない状態等が含まれる。
【００２３】
また、本発明の運動誘導装置は、ユーザの運動及び生理状態のうち一方又は両方を測定する状態測定手段と、状態測定手段により判定されたユーザの運動及び生理状態のうち一方又は両方に応じて、目標位相差を設定する目標位相差設定手段とをさらに備えていることを特徴とする。
【００２４】
本発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動振動子と運動誘導措置による誘導振動子との位相差が、ユーザの「運動状態」及び「生理状態」のうち一方又は両方に応じた目標位相差に近づくように、このユーザの運動が誘導され得る。これにより、ユーザの運動状態や生理状態の変動に応じて、ユーザの運動リズムを目標リズムに近づける観点から適当なリズムでユーザの運動が誘導され得る。
【００２５】
さらに、本発明の運動誘導装置は、第１振動子生成手段が、運動振動子に応じて出力が変動する仮想的な複数の第１要素の関係を表現する第１モデルに従って、第１要素の出力として第１振動子を生成することを特徴とする。
【００２６】
本発明の運動誘導装置によれば、ユーザの実際の運動に関係する現実の複数の要素の関係を第１モデルにおける仮想的な複数の第１要素間の関係に反映させることで、当該現実の複数の要素間の関係に鑑みて適当な第１振動子が生成され得る。例えば、現実の複数の要素として左右の脚体や同一脚体の複数の関節が想定された場合、交互に前後に動く等の左右の脚体の定性的関係や股関節回りの脚体運動と膝関節回りの脚体運動との周期や位相差等の同一脚体の関節間の定性的関係等が反映された形で第１振動子が生成される。従って、ユーザの運動を誘導する誘導振動子のリズム及びスケールを当該関係に鑑みて適当なものとすることができる。
【００２７】
また、本発明の運動誘導装置は、ユーザの運動及び生理状態のうち一方又は両方を測定する状態測定手段と、状態測定手段により判定されたユーザの運動及び生理状態のうち一方又は両方に応じて、第１モデルにおける仮想的な複数の第１要素間の相関関係を調節する第１相関調節手段とをさらに備えていることを特徴とする。
【００２８】
本発明の運動誘導装置によれば、左右の脚体等、現実の複数の要素の関係がユーザの「運動状態」や「生理状態」に応じて変動するという事情が反映された形で、ユーザの状態に応じてユーザの運動が適当なリズム及びスケールをもってリアルタイムで誘導され得る。
【００２９】
さらに、本発明の運動誘導装置は、第２振動子生成手段が、運動振動子に応じて出力が変動する仮想的な複数の第２要素の関係を表現する第２モデルに従って、第２要素の出力として第２振動子を生成することを特徴とする。
【００３０】
本発明の運動誘導装置によれば、ユーザの実際の運動に関係する現実の複数の要素の関係を第２モデルにおける仮想的な複数の第２要素間の関係に反映させることで、当該現実の複数の要素間の関係に鑑みて適当な第２振動子が生成され得る。例えば、現実の複数の要素としてユーザの複数の神経（ニューロン）が想定された場合、左右の脚体による歩行を支配するニューロン間の定性的関係等が反映された形で第２振動子が生成される。従って、ユーザの運動を誘導する誘導振動子のリズム及びスケールを当該関係に鑑みて適当なものとすることができる。
【００３１】
また、本発明の運動誘導装置は、ユーザの運動及び生理状態のうち一方又は両方を測定する状態測定手段と、状態測定手段により判定されたユーザの運動及び生理状態のうち一方又は両方に応じて、第２モデルにおける仮想的な複数の第２要素間の相関関係を調節する第２相関調節手段とをさらに備えていることを特徴とする。
【００３２】
本発明の運動誘導装置によれば、複数の神経要素（ニューロン）等、現実の複数の要素の関係がユーザの「運動状態」や「生理状態」に応じて変動するという事情が反映された形で、ユーザの状態に応じてユーザの運動が適当なリズム及びスケールをもってリアルタイムで誘導され得る。
【００３３】
さらに、本発明の運動誘導装置は、固有角速度設定手段が、運動振動子測定手段により測定された運動振動子と第１振動子生成手段により生成された第１振動子との位相差である第１位相差に基づき、仮想モデルにおける仮想的な２つの振動子の関係を設定した上で、当該２つの振動子の位相差である第２位相差を目標位相差に近付けさせるように当該２つの振動子のうち一方の角速度を新たな固有角速度として設定することを特徴とする。
【００３４】
本発明の運動誘導装置によれば、仮想モデルにおける仮想的な２つの振動子の関係がユーザの運動振動子と第１振動子との位相差（第１位相差）に応じたものに設定される。また、当該２つの振動子の位相差（第２位相差）を目標位相差に近づけるように２つの振動子の角速度のうち一方が新たな固有角速度として設定される。これにより、新たな固有角速度は、運動振動子により特定されるユーザの運動リズムとの、目標位相差に応じた調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当するものとなる。
【００３５】
また、本発明の運動誘導装置は、固有角速度設定手段が、固有角速度設定手段が、第１位相差に基づき、仮想モデルにおける仮想的な２つの振動子の関係を表現する相関係数を設定する相関係数設定手段と、相関係数設定手段により設定された相関係数に基づき、第１位相差と第２位相差との差が最小になるように仮想運動振動子の角速度を設定する第１角速度設定手段と、第１角速度設定手段により設定された角速度に基づき、第２位相差と目標位相差との差が最小になるように仮想誘導振動子の角速度を新たな固有角速度として設定する第２角速度設定手段とを備えていることを特徴とする。
【００３６】
本発明の運動誘導装置によれば、仮想モデルにおける仮想的な２つの振動子の相関係数の設定等を経て、前記のように運動振動子により特定されるユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標位相差に応じた目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度が新たな固有角度として設定され得る。これにより、運動振動子により特定されるユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標位相差に応じた目標リズムに一致させる観点から適当なリズム及びスケールを有する誘導振動子が設定され得る。
【００３７】
前記課題を解決するための本発明の制御システムは、誘導振動子に応じてユーザの運動を誘導するための装置を制御するシステムであって、ユーザの運動振動子を測定する運動振動子測定手段と、運動振動子測定手段により測定された運動振動子と、固有角速度が反映された形で相互に引き込み合う第１振動子を生成する第１振動子生成手段と、運動振動子測定手段により測定された運動振動子と第１振動子生成手段により生成された第１振動子との位相差に基づき、固有角速度を新たに設定する固有角速度設定手段と、固有角速度設定手段により設定された固有角速度が反映されたリズムで振動する第２振動子を生成する第２振動子生成手段と、第２振動子生成手段により生成された第２振動子と、固有角速度設定手段により設定された固有角速度に応じて、運動振動子測定手段により測定されたユーザの運動スケールに応じた運動振動子を、ユーザの目標運動スケールに応じた目標値に近付ける第１ポテンシャルとが含まれている第１誘導振動子を含む誘導振動子を生成する誘導振動子生成手段とを備えていることを特徴とする。
【００３８】
本発明の制御システムによれば、ユーザの運動のリズム及びスケールをその目標とするリズム及びスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を誘導し得るように、運動誘導装置が制御され得る。
【００３９】
また、本発明の制御システムは、誘導振動子生成手段が、第２振動子生成手段により生成された第２振動子と、固有角速度設定手段により設定された固有角速度と、運動振動子測定手段により測定されたユーザの運動スケールに応じた運動振動子の時間微分値とに応じて、該運動振動子の絶対値の増大を抑制する第２ポテンシャルが含まれている第２誘導振動子を含む誘導振動子を生成することを特徴とする。
【００４０】
前記課題を解決するための本発明の制御プログラムは、誘導振動子に応じてユーザの運動を誘導するための装置に付属するコンピュータに対して該装置を制御する機能を付与するプログラムであって、ユーザの運動振動子を測定する運動振動子測定機能と、運動振動子測定機能により測定された運動振動子と、固有角速度が反映された形で相互に引き込み合う第１振動子を生成する第１振動子生成機能と、運動振動子測定機能により測定された運動振動子と第１振動子生成機能により生成された第１振動子との位相差に基づき、固有角速度を新たに設定する固有角速度設定機能と、固有角速度設定機能により設定された固有角速度が反映されたリズムで振動する第２振動子を生成する第２振動子生成機能と、第２振動子生成機能により生成された第２振動子と、固有角速度設定機能により設定された固有角速度に応じて、運動振動子測定機能により測定されたユーザの運動スケールに応じた運動振動子を、ユーザの目標運動スケールに応じた目標値に近付ける第１ポテンシャルとが含まれている第１誘導振動子を含む誘導振動子を生成する誘導振動子生成機能とを、運動誘導装置に付属するコンピュータに対して付与することを特徴とする。
【００４１】
本発明の制御プログラムによれば、ユーザの運動のリズム及びスケールをその目標とするリズム及びスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を誘導し得るように、運動誘導装置を制御する機能が、この運動誘導装置に付属するコンピュータに対して付与される。
【００４２】
また、本発明の制御プログラムは、誘導振動子生成機能として、第２振動子生成機能により生成された第２振動子と、固有角速度設定機能により設定された固有角速度と、運動振動子測定機能により測定されたユーザの運動スケールに応じた運動振動子の時間微分値とに応じて、該運動振動子の絶対値の増大を抑制する第２ポテンシャルが含まれている第２誘導振動子を含む誘導振動子を生成する機能を運動誘導装置に付属するコンピュータに対して付与することを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
本発明の運動誘導装置、並びにその制御システム及び制御プログラムの実施形態について図面を用いて説明する。
【００４４】
図１は本発明の運動誘導装置及びその制御システムの構成例示図であり、図２は本発明の運動誘導装置の機能例示図であり、図３は運動振動子と第１振動子との関係例示図であり、図４は誘導振動子生成に関する仮想的なバネ及びダンパの説明図であり、図５及び図６は本発明の運動誘導装置の作用効果に関する概念説明図であり、図７〜図９は本発明の運動誘導装置による運動誘導に関する実験結果の説明図である。
【００４５】
以下、歩行者の脚体等について左右を区別するために基本的にパラメータに添字Ｌ、Ｒを付するが、表記の簡単のため添字Ｌ、Ｒを省略する場合もある。
【００４６】
図１に示されている歩行誘導装置（運動誘導装置）２００は、腰部装具２０２と、大腿部装具２０４と、力伝達部材２０６と、バッテリ２０８と、アクチュエータ（電動モータ）２１０と、股関節角度センサ２１２とを備えている。
【００４７】
腰部装具２０２は剛性のある素材と柔軟性のある素材とが組み合わせられて作られており、ユーザの腰部に装着される。大腿部装具２０４も剛性のある素材と柔軟性のある素材とが組み合わせられて作られており、ユーザの大腿部の前後それぞれに装着される。力伝達部材は、軽量の硬質プラスチック等の定形性のある素材より作られており、ユーザの大腿部に沿って、ユーザの腰部の横から下方に延びた後で大腿部の前後に向けて二股に分かれた形状であり、アクチュエータ２１０及び前後の大腿部装具２０４のそれぞれに連結されている。バッテリ２０８は腰部装具２０２に収納されており（例えば、腰部装具２０２を構成する複数枚の素材の間に固定されており）、アクチュエータ２１０等に対して電力を供給する。アクチュエータ２１０は腰部装具２０２に収納されており、力伝達部材２０６及び大腿部装具２０４を介してユーザの大腿部に力を作用させる。股関節角度センサ２１２はユーザの腰部の横に設けられたロータリエンコーダ等により構成され、股関節角度に応じた信号を出力する。
【００４８】
図１に示されている制御システム１００は、腰部装具２０２に収納されたハードウェアとしてのコンピュータ１００と、このコンピュータ１００に対して歩行誘導装置２００の制御機能を付与するソフトウェアとしての本発明の「制御プログラム」とにより構成されている。
【００４９】
制御システム１００は、運動振動子測定ユニット１０２と、状態測定ユニット１１０と、目標運動設定ユニット１１１と、目標位相差設定ユニット１１２と、第１振動子生成ユニット１２０と、固有角速度設定ユニット１３０と、第２振動子生成ユニット１４０と、誘導振動子生成ユニット１５０とを備えている。各ユニットは、ハードウェアとしてのＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、信号入力回路、信号出力回路等と、ＣＰＵ等に対して諸機能を付与するソフトウェアとしての本発明の「制御プログラム」とにより構成されている（以下同様）。なお、各ユニットは、それぞれ別個のＣＰＵ等により構成されていてもよく、共通のＣＰＵ等により構成されていてもよい。
【００５０】
運動振動子測定ユニット１０２は、股関節角度センサ２１２の出力に基づき、ユーザの運動スケールに応じた運動振動子として股関節角度φＨを測定する。また、運動振動子測定ユニット１０２は、股関節角度センサ２１２の出力に基づき、ユーザの運動スケールに応じた運動振動子の時間微分値として股関節角速度ｄφＨ／ｄｔを測定する。
【００５１】
状態測定ユニット１１０は、ユーザの歩行状態と、ｎ個の運動振動子によってｎ次元空間に描かれる軌道パターンとの対応関係をメモリから読み取る。この上で、状態測定ユニット１１０は、この対応関係と、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度ｄφＨ／ｄｔを含むｎ個の運動振動子によってｎ次元空間に描かれる軌道パターンとに基づき、ユーザの「歩行状態」を判定する。
【００５２】
目標運動設定ユニット１１１は状態測定ユニット１１０によって判定された「歩行状態」に応じ、ユーザの目標運動とするリズム及びスケール、具体的には当該目標リズム及びスケールに関する係数等を設定する。
【００５３】
目標位相差設定ユニット１１２は状態測定ユニット１１０によって判定された「歩行状態」に応じ、ユーザの運動振動子と、歩行補助装置２００による誘導振動子（トルク）Ｔとの目標位相差θｄを設定する。
【００５４】
第１振動子生成ユニット１１０は運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度ｄφＨ／ｄｔと、固有角速度ωＭとに基づき、「第１モデル」に従って第１振動子ｘを生成する。
【００５５】
固有角速度設定ユニット１３０は、第１位相差設定ユニット１３１と、第２位相差設定ユニット１３２と、相関係数設定ユニット１３３と、第１角速度設定ユニット１３４と、第２角速度設定ユニット１３５とを備えている。
【００５６】
第１位相差設定ユニット１３１は股関節角速度ｄφＨ／ｄｔの角速度ωＨと、ファン・デル・ポル方程式に含まれる固有角速度ωＭが反映された振動子ｘとの位相差を第１位相差θＨＭとして設定する。
【００５７】
第２位相差設定ユニット１３２は仮想運動振動子θｈと仮想誘導振動子（仮想誘導振動子）θｍとの関係を表す「仮想モデル」に従って、仮想運動振動子θｈと仮想誘導振動子θｍとの位相差を第２位相差θｈｍ（＝θｈ−θｍ）として設定する。
【００５８】
相関係数設定ユニット１３３は、第２位相差設定ユニット１３２により設定された第２位相差θｈｍが、第１位相差設定ユニット１３１により設定された第１位相差θＨＭに近づくように仮想運動振動子θｈと仮想誘導振動子θｍとの相関係数εを設定する。
【００５９】
第１角速度設定ユニット１３４は、相関係数設定ユニット１３３により設定された相関係数εに基づき、仮想運動振動子θｈの角速度ωｈを設定する。
【００６０】
第２角速度設定ユニット１３５は、第１角速度設定ユニット１３４により設定された仮想運動振動子θｈの角速度ωｈに基づき、第２位相差設定ユニット１３２により設定された第２位相差θｈｍが、目標位相差設定ユニット１１２により設定された目標位相差θｄに近づくように仮想誘導振動子θｍの角速度ωｍを新たな固有角速度ωＭとして設定する。
【００６１】
第２振動子生成ユニット１４０は、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角度φＨと、固有角速度設定ユニット１３０により設定された新たな固有角速度ωＭとに基づき「第２モデル」に従って第２振動子ｙを生成する。
【００６２】
誘導振動子生成ユニット１５０は、固有角速度設定ユニット１３０により設定された固有角速度ωＭと、第２振動子生成ユニット１４０により生成された第２振動子ｙとに基づき、歩行補助装置２００による誘導振動子ｚを生成する。
【００６３】
前記構成の歩行補助装置及びその制御システム１００の機能について図２〜図４を用いて説明する。
【００６４】
運動振動子測定ユニット１０２が、股関節角度センサ２１２の出力に基づき、ユーザの左右の股関節角度（ユーザの運動スケールに応じた運動振動子）φＨ＝（φＨＬ，φＨＲ）を測定する（図２／ｓ１０１）。また、運動振動子測定ユニット１０２が、股関節角度センサ２１２の出力に基づき、ユーザの左右の股関節角速度（ユーザの運動スケールに応じた運動振動子の時間微分値）ｄφ／ｄｔ＝（ｄφＨＬ／ｄｔ，ｄφＨＲ／ｄｔ）を測定する（図２／ｓ１０２）。
【００６５】
さらに、状態測定ユニット１１０が、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度（ｄφＨ／ｄｔ）を含むｎ（ｎ＝１、２、‥）個の運動振動子に基づいてユーザの歩行状態を判定する（図２／ｓ１１０）。具体的には、状態測定ユニット１１０は、メモリ（図示略）から歩行状態と、ｎ個の運動振動子によってｎ次元空間に描かれる軌道パターンとの対応関係を読み取る。そして、状態測定ユニット１１０は、この対応関係と、ｎ個の運動振動子によってｎ次元空間に描かれるパターンとに基づき「歩行状態」を判定する。ユーザの歩行状態には、ユーザがほぼ平坦な床面を歩行する「平地歩行状態」、ユーザが坂又は階段を昇る「上昇歩行状態」及びユーザがある坂又は階段を下る「下降歩行状態」並びにユーザがゆっくりと歩行する「スロー歩行状態」及びユーザが速く歩行する「クイック歩行状態」等が含まれ得る。
【００６６】
なお、歩行状態測定用の運動振動子として、ユーザの股関節角度φＨや、膝関節、足関節、肩関節、肘関節の角度や角速度、角加速度、脚体の一部の位置、さらには歩行者の着地音、呼吸音、意図的な発声音等、歩行運動リズムと連関したリズムで変動する種々のパラメータが測定されてもよい。
【００６７】
また、目標運動設定ユニット１１１が、状態測定ユニット１１０によって判定された「歩行状態」に応じ、ユーザの目標運動とするリズム及びスケール、具体的には当該目標リズム及びスケールに関する後述の係数等を設定する（図２／ｓ１１１）。
【００６８】
さらに、目標位相差設定ユニット１１２が、状態測定ユニット１１０により判定された「歩行状態」に基づき、目標位相差θｄ＝（θｄＬ，θｄＲ）を設定する（図２／ｓ１１２）。例えば、ユーザが「平地歩行状態」にあるとの判定結果に応じて目標位相差θｄが「０」に設定される。また、ユーザが「上昇歩行状態」にあるとの判定結果に応じて目標位相差θｄが負の値（例えば−０．５［ｒａｄ］以下）に設定される。さらに、ユーザが「下降歩行状態」にあるとの判定結果に応じて目標位相差θｄが正の値（例えば＋０．３［ｒａｄ］以上）に設定される。また、ユーザが「クイック歩行状態」にあるとの判定結果に応じて目標位相差θｄが負の値（例えば−０．２［ｒａｄ］以下）に設定される。さらに、ユーザが「スロー歩行状態」にあるとの判定結果に応じて目標位相差θｄが正の値（例えば＋０．５［ｒａｄ］以上）に設定される。なお、目標位相差θｄの左右各成分θｄＬ及びθｄＲは同一であっても異なっていてもよい。
【００６９】
さらに、第１振動子生成ユニット１２０が、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度ｄφＨ／ｄｔ及び固有角速度ωＭ＝（ωＭＬ，ωＭＲ）に基づき「第１モデル」に従って第１振動子ｘ＝（ｘＬ，ｘＲ）を設定する（図２／ｓ１２０）。第１モデルは、股関節角速度ｄφＨ／ｄｔ等の運動振動子に応じて出力が変動する仮想的な左右の脚体等、仮想的な複数の第１要素の関係を、次式（１）で表されるファン・デル・ポル（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐｏｌ）方程式によって表現するものである。
【００７０】
（ｄ２ｘＬ／ｄｔ２）
＝ξ（１−ｘＬ２）（ｄｘＬ／ｄｔ）−ωＭＬ２ｘＬ
＋ｇ（ｘＬ−ｘＲ）＋Ｋ（ｄφＨＬ／ｄｔ），
（ｄ２ｘＲ／ｄｔ２）
＝ξ（１−ｘＲ２）（ｄｘＲ／ｄｔ）−ωＭＲ２ｘＲ
＋ｇ（ｘＲ−ｘＬ）＋Ｋ（ｄφＨＲ／ｄｔ）  ‥（１）
ここで「ξ」は第１振動子ｘ及びその１回時間微分（ｄｘ／ｄｔ）がｘ−（ｄｘ／ｄｔ）平面で安定なリミットサイクルを描くように設定される係数（＞０）である。ｇは第１モデルにおける仮想的な左右の脚体（第１要素）の相関関係を表す第１相関係数である。Ｋはフィードバック係数である。なお、固有角速度ωＭは、歩行補助装置２００による実際の歩行補助リズム（歩行誘導リズム）から大きく外れない範囲で任意に設定されてよい。
【００７１】
第１振動子ｘ＝（ｘＬ，ｘＲ）はルンゲ・クッタ法により設定される。第１振動子ｘの成分ｘＬ及びｘＲはそれぞれ左右の脚体に関する仮想的な歩行補助リズムを表す。また、振動子ｘはファン・デル・ポル方程式の１つの性質である「相互引き込み」により、実際の歩行運動リズムとほぼ同じのリズム（角速度）で時間変化する股関節角速度ｄφＨ／ｄｔのリズムと調和しながらも「固有角速度」ωＭが反映された自律的なリズムをもって時間変化に応じて振動するという性質がある。
【００７２】
なお、股関節角速度ｄφＨ／ｄｔに代えて又は加えて、股関節角度φＨや、膝関節、足関節、肩関節、肘関節の角度や角速度、さらには歩行者の着地音、呼吸音、断続的な発声音等、ユーザの歩行運動リズム（運動リズム）が反映されたリズムで変動する種々の振動子に基づき、第１振動子ｘが生成されてもよい。
【００７３】
また、式（１）で表現されるファン・デル・ポル方程式とは異なる形のファン・デル・ポル方程式によって第１モデルが表現されてもよく、股関節角速度ｄφＨ／ｄｔ等の運動振動子と相互引き込み効果をもって振動子が生成され得るあらゆる方程式によって第１モデルが表現されてもよい。
【００７４】
続いて、固有角速度設定ユニット１１０が、目標位相差設定ユニット１１２により設定された目標位相差θｄと、第１振動子設定ユニット１１０により生成された第１振動子ｘとに基づき、仮想的な２つの振動子が含まれている仮想モデルに従って固有角速度ωＭを新たに設定する（図２／ｓ１３０）。
【００７５】
具体的には、まず、第１位相差測定ユニット１３１が、左右各成分について、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度ｄφＨ／ｄｔの位相θＨと、第１振動子設定ユニット１１０により生成された第１振動子ｘの位相θＭとの位相差θＨ−θＭを、第１位相差θＨＭとして設定する（図２／ｓ１３１）。例えば、図３に示されているように、（ｄφＨ／ｄｔ）＝０且つ（ｄ２φＨ／ｄｔ２）＞０となる時点（・・，ｔｉｄ，ｔｉｄ＋１，‥）と、ｘ＝０且つ（ｄｘ／ｄｔ）＞０となる時点との時間差に応じ、股関節角速度（ｄφＨ／ｄｔ）の位相θＨと、第１振動子ｘの位相θＭとの位相差（第１位相差）θＨＭ（＝θＨ−θＭ）が設定される。
【００７６】
次に、第２位相差設定ユニット１３２が、過去３歩行周期にわたって第１位相差設定ユニット１３１により設定された第１位相差θＨＭが一定であったことを要件として、左右各成分について、次式（２．１）及び（２．２）によって表される「仮想モデル」に従って、次式（２．３）によって表される仮想運動振動子θｈと仮想誘導振動子θｍとの位相差θｈ−θｍを第２位相差θｈｍとして設定する（図２／ｓ１３２）。
【００７７】
ｄθｈ／ｄｔ＝ωｈ＋ε・ｓｉｎ（θｍＬ−θｈＬ）  ‥（２．１）
ｄθｍ／ｄｔ＝ωｍ＋ε・ｓｉｎ（θｈＬ−θｍＬ）  ‥（２．２）
θｈｍ＝ａｒｃｓｉｎ［（ωｈ−ωｍ）／２ε］  ‥（２．３）
ここで、ε＝（εＬ，εＲ）は仮想モデルにおける仮想運動振動子θｈ＝（θｈＬ，θｈＲ）及び仮想誘導振動子θｍ＝（θｍＬ，θｍＲ）の左右成分ごとの相関係数である。また、ωｈは仮想運動振動子θｈの角速度であり、ωｍは仮想誘導振動子θｍの角速度である。
【００７８】
続いて、相関係数設定ユニット１３３が、第１位相差設定ユニット１３１により設定された第１位相差θＨＭと、第２位相差設定ユニット１３２により設定された第２位相差θｈｍとの差θＨＭ−θｈｍが最小になるように相関係数εを設定する（図２／ｓ１３３）。
【００７９】
具体的には次式（２．４）に従って、左右各成分について、股関節角速度（運動振動子）ｄφＨ／ｄｔが０となる離散的な時間（・・，ｔｉｄ−１，ｔｉｄ，ｔｉｄ＋１，・・）（図３参照）における相関係数εが逐次設定される。
【００８０】
ε（ｔｉｄ＋１）
＝ε（ｔｉｄ）−η｛Ｖ１（ｔｉｄ＋１）−Ｖ１（ｔｉｄ）｝
／｛ε（ｔｉｄ）−ε（ｔｉｄ−１）｝，
Ｖ（ｔｉｄ＋１）
≡（１／２）｛θＨＭ（ｔｉｄ＋１）−θｈｍ（ｔｉｄ）｝２  ‥（２．４）
ここで、η＝（ηＬ，ηＲ）の各成分は、第１位相差θＨＭの左右各成分と、第２位相差θｈｍの左右各成分とを近づけるポテンシャルＶ＝（ＶＬ，ＶＲ）の安定性を表す係数である。
【００８１】
次に、第１角速度設定ユニット１３４が、相関係数設定ユニット１３３により設定された相関係数εに基づき、仮想誘導振動子θｍの固有角速度ωｍが一定であるという条件下で、左右各成分について、第１及び第２位相差の差θＨＭ−θｈｍの各成分が最小となるように仮想運動振動子θｈの角速度ωｈを次式（２．５）に従って設定する（図２／ｓ１３４）。
【００８２】
ωｈ（ｔｉｄ）
＝−α∫ｄｔ・
（［４ε（ｔｉｄ）２−｛ωｈ（ｔ）−ωｍ（ｔｉｄ）｝２］１／２
×ｓｉｎ［ａｒｃｓｉｎ｛（ωｈ（ｔ）−ωｍ（ｔｉｄ−１））
／２ε（ｔｉｄ）｝−θＨＭ（ｔｉｄ）］）  ‥（２．５）
ここで、α＝（αＬ，αＲ）の各成分は系の安定性を表す係数である。
【００８３】
続いて、第２角速度設定ユニット１３５が、左右各成分について、第１角速度設定ユニット１３４により設定された仮想運動振動子θｈの角速度ωｈに基づき、仮想誘導振動子θｍの角速度ωｍを新たな固有角速度ωＭとして設定する（図２／ｓ１３５）。具体的には、第２角速度設定ユニット１３５が、左右各成分について、第２位相差θＨＭが目標位相差θｄに近づくように、次式（２．６）に従って仮想誘導振動子θｍの角速度ωｍ＝（ωｍＬ，ωｍＲ）を設定する。
【００８４】
ωｍ（ｔｉｄ）
＝β∫ｄｔ・
（［４ε（ｔｉｄ）２−｛ωｈ（ｔｉｄ）−ωｍ（ｔ）｝２）
×ｓｉｎ［ａｒｃｓｉｎ｛（ωｈ（ｔｉｄ）−ωｍ（ｔ））／２ε（ｔｉｄ）｝−θｄ］）  ‥（２．６）
ここで、β＝（βＬ，βＲ）の各成分は系の安定性を表す係数である。
【００８５】
続いて、第２振動子生成ユニット１４０が、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角度φＨと、固有角速度設定ユニット１３０により設定された新たな固有角速度ωＭとに基づき、「第２モデル」に従って、第２振動子ｙ＝（ｙＬ＋，ｙＬ−，ｙＲ＋，ｙＲ−）を生成する（図２／ｓ１４０）。第２モデルは、股関節角度φＨ等の運動振動子に応じて出力が変動する仮想的な複数の神経要素等、仮想的な複数の第２要素の関係を表現するものである。より具体的には、第２モデルは、左大腿部の屈曲方向（前方）及び伸展方向（後方）のそれぞれへの運動を支配する神経要素Ｌ＋及びＬ−、並びに右大腿部の屈曲方向及び伸展方向のそれぞれへの運動を支配する神経要素Ｒ＋及びＲ−の膜電位の変動に対応する状態変数ｕｉ（ｉ＝Ｌ＋，Ｌ−，Ｒ＋，Ｒ−）と、神経要素ｉの順応効果が反映される自己抑制因子ｖｉとを含む、次の連立微分方程式（３）によって表現される。
【００８６】
τ１Ｌ＋・ｄｕＬ＋／ｄｔ
＝−ｕＬ＋＋ｗＬ＋／Ｌ−ｙＬ−＋ｗＬ＋／Ｒ＋ｙＲ＋
−λＬｖＬ＋＋ｆ１（ωＭＬ）＋ｆ２（ωＭＬ）Ｋ（φＬ），
τ１Ｌ−・ｄｕＬ−／ｄｔ
＝−ｕＬ−＋ｗＬ−／Ｌ＋ｙＬ＋＋ｗＬ−／Ｒ−ｙＲ−
−λＬｖＬ−＋ｆ１（ωＭＬ）＋ｆ２（ωＭＬ）Ｋ（φＬ），
τ１Ｒ＋・ｄｕＲ＋／ｄｔ
＝−ｕＲ＋＋ｗＲ＋／Ｌ＋ｙＬ＋＋ｗＲ＋／Ｒ−ｙＲ−
−λＲｖＲ＋＋ｆ１（ωＭＲ）＋ｆ２（ωＭＲ）Ｋ（φＲ），
τ１Ｒ−・ｄｕＲ−／ｄｔ
＝−ｕＲ−＋ｗＲ−／Ｌ−ｙＬ−＋ｗＲ−／Ｒ＋ｙＲ＋
−λＲｖＲ−＋ｆ１（ωＭＲ）＋ｆ２（ωＭＲ）Ｋ（φＲ），
τｉ・ｄｖｉ／ｄｔ＝−ｖｉ＋ｙｉ，
ｙｉ＝Ｈ（ｕｉ−ｕｔｈ），Ｈ≡０（ｕｉ＜ｕｔｈ），１（ｕｉ≧ｕｔｈ）又は
＝ｆｓ（ｕｉ）≡１／｛１＋ｅｘｐ（−ｕｉ／ξ）｝  ‥（３）
ここで、τ１ｉは状態変数ｕｉの変化特性を規定する時定数であり、左右各成分について、次式（３．１）によって表されているように、新たな固有角速度ωＭへの依存性を有する。
【００８７】
τ１ｉ≡ｔ（ωＭＬ）／ωＭＬ−γＬ  （ｉ＝Ｌ＋，Ｌ−），
≡ｔ（ωＭＲ）／ωＭＲ−γＲ  （ｉ＝Ｒ＋，Ｒ−）‥（３．１）
ｔ（ω）はω依存性を有する係数である。γ＝（γＬ，γＲ）は定数である。
【００８８】
また、τ２ｉは自己抑制因子ｖｉの変化特性を規定する時定数である。さらに、ｗｉ／ｊ（＜０）は仮想的な複数の第２要素（神経要素）ｉ及びｊの関係を表す第２相関係数（定数）である。「λＬ」及び「λＲ」は慣れ係数である。Ｋは股関節角度φＨに応じたフィードバック係数である。
【００８９】
「ｆ１」及び「ｆ２」はそれぞれ次式（３．２）及び（３．３）により定義される関数である。
【００９０】
ｆ１（ω）≡ｃ・ω（ｃ＞０）  ‥（３．２）
ｆ２（ω）≡ｃ０＋ｃ１ω＋ｃ２ω２  ‥（３．３）
新たな固有角速度ωＭの関数であるｆ１（ωＭ）及びｆ２（ωＭ）の係数ｃ，ｃ０，ｃ１，ｃ２は、目標運動設定ユニット１１１によって設定された目標となる運動リズムに応じた係数として設定され得る。
【００９１】
なお、股関節角度φＨに代えて又は加えて、股関節角速度ｄφＨ／ｄｔや、膝関節、足関節、肩関節、肘関節の角度や角速度、さらには歩行者の着地音、呼吸音、意図的な発声音等、歩行運動リズムと連関したリズムで変動する種々の振動子に基づき、第２振動子ｙｉが生成されてもよい。
【００９２】
第２振動子ｙｉは、状態変数ｕｉの値が閾値ｕｔｈ未満である場合は０、状態変数ｕｉの値が閾値ｕｔｈ以上である場合はこのｕｉの値をとる。或いは、第２振動子ｙｉは、シグモイド関数ｆｓによって定義されている（式（３）参照）。これにより、大腿部の屈曲方向（前方）への動きについてはこの動きを支配する第２要素（神経要素）Ｌ＋、Ｒ＋の出力である第２振動子ｙＬ＋及びｙＲ＋が、他の第２要素の出力よりも大きくなる。また、大腿部の伸展方向（後方）への動きについてはこの動きを支配する第２素子Ｌ−、Ｒ−の出力である第２振動子ｙＬ−及びｙＲ−が、他の第２要素の出力よりも大きくなる。脚体（大腿部）の前方又は後方への動きは、例えば、股関節角速度ｄφＨ／ｄｔの極性によって識別される。
【００９３】
次に、誘導振動子生成ユニット１５０が、運動振動子測定ユニット１０２によって測定された股関節角度φＨと、運動振動子測定ユニット１０２によって測定された股関節角速度ｄφＨ／ｄｔと、第２振動子生成ユニット１４０により生成された第２振動子ｙｉと、固有角速度設定ユニット１３０によって設定された新たな固有角速度ωＭとに基づき、誘導振動子ｚを設定する（図２／ｓ１５０）。
【００９４】
具体的には、次式（４）に従って第１誘導振動子ｚ１が生成される（図２／ｓ１５１）。
【００９５】
ｚ１Ｌ＝ｇ１＋（ωｍＬ）ｇ＋（φＨＬ）ｙＬ＋
−ｇ１−（ωｍＬ）ｇ−（φＨＬ）ｙＬ−，
ｚ１Ｒ＝ｇ１＋（ωｍＲ）ｇ＋（φＨＲ）ｙＲ＋
−ｇ１−（ωｍＲ）ｇ−（φＨＲ）ｙＲ−  ‥（４）
ここで「ｇ１＋」「ｇ１−」「ｇ＋」及び「ｇ−」は次式（４．１）〜（４．４）のそれぞれによって定義される関数である。
【００９６】
ｇ１＋（ω）≡Σｋａｋ＋ωｋ  （ａｋ＋：係数，ｋ＝０〜３）‥（４．１）
ｇ１−（ω）≡Σｋａｋ−ωｋ  （ａｋ−：係数，ｋ＝０〜３）‥（４．２）
ｇ＋（φ）≡ｃ１＋（φ−φ０＋）＋ｃ２＋（φ−φ０＋）３  
（ｃ１＋，ｃ２＋：係数，
φ０＋：屈曲方向の股関節角度φＨの目標値）‥（４．３）
ｇ−（φ）≡ｃ１−（φ−φ０−）＋ｃ２−（φ−φ０−）３  
（ｃ１−，ｃ２−：係数，
φ０−：伸展方向の股関節角度φＨの目標値）‥（４．４）
第１誘導振動子ｚ１は、第１係数ｇ１＋及びｇ１−をそれぞれバネ係数（弾性係数）とする、図４に示されている２つの仮想的なバネＧ１＋及びＧ１−の弾性力として把握される。第１係数ｇ１＋及びｇ１−は、固有角速度ωＭに応じて、股関節角度（ユーザの運動スケールに応じた運動振動子）φＨを目標運動スケールに応じた目標値φ０＋（＞０）及びφ０−（＜０）に近付ける第１ポテンシャル（仮想的なバネ（弾性要素）のポテンシャル）のグラディエントを特定するものである（式（４．１）（４．２）参照）。すなわち、第１誘導振動子ｚ１は、第１ポテンシャルに応じた第１係数ｇ１＋，ｇ１−を弾性係数（バネ係数）とし、且つ、股関節角度φＨの値を目標値φ０＋及びφ０−に復元させる仮想的なバネ等の弾性要素による弾性力として表現される。これにより、筋肉の収縮状態から伸展状態への移行時の弾性力等、ユーザの身体の弾性要素が反映されたリズム及びスケールをもってユーザの運動が誘導され得る。
【００９７】
一方の仮想的なバネＧ１＋による弾性力は、そのバネ係数ｇ１＋に応じて股関節角度φＨをその目標値φ０＋に近付けるようにユーザの大腿部に作用する（式（４）参照）。すなわち、股関節角度φＨが目標値φ０＋未満である場合、バネＧ１＋による弾性力が、股関節角度φＨを増加させる方向（前方）に大腿部を動かすようにこの大腿部に作用する。また、股関節角度φＨが目標値φ０＋を超えた場合、バネＧ１＋による弾性力が、股関節角度φＨを減少させる方向（後方）に大腿部を動かすようにこの大腿部に作用する。
【００９８】
また、他方の仮想的なバネＧ１−による弾性力は、そのバネ係数ｇ１−に応じて、股関節角度φＨをこの目標値φ０−に近付けるようにユーザの大腿部に作用する（式（４）参照）。すなわち、股関節角度φＨが目標値φ０−を超えている場合、バネＧ１−による弾性力が、股関節角度φＨを減少させる方向（後方）に大腿部を動かすようにこの大腿部に作用する。また、股関節角度φＨが目標値φ０−を下回った場合、バネＧ１−による弾性力が、股関節角度φＨを増加させる方向（前方）に大腿部を動かすようにこの大腿部に作用する。
【００９９】
また、前記のように大腿部の前方への動き及び後方への動きの別に応じて、複数の第２要素ｉ（＝Ｌ＋，Ｌ−，Ｒ＋，Ｒ−）のうち一部から偏重的に出力があるので、２つの仮想的なバネＧ１＋及びＧ１−のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避される。
【０１００】
すなわち、左の大腿部が前方に動いているとき、この動きを支配する第２要素Ｌ＋に応じた第２振動子ｙＬ＋の値が他の第２要素Ｌ−に応じた第２振動子ｙＬ−の値より大きくなって、式（４）により表されている第１誘導振動ｚ１Ｌが次式（４ａ）のように表される（又は近似される）。
【０１０１】
ｚ１Ｌ＝ｇ１＋（ωｍＬ）ｇ＋（φＨＬ）ｙＬ＋  ‥（４ａ）
このため、左の大腿部が前方に動いているとき、２つの仮想的なバネＧ１＋及びＧ１−のそれぞれの弾性力のうち、股関節角度φＨを前側の目標値φ０＋に近付けるようにユーザの大腿部に作用するバネＧ１＋の弾性力が偏重的に反映されることとなる。これにより、２つの仮想的なバネＧ１＋及びＧ１−のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避される。
【０１０２】
また、左の大腿部が後方に動いているとき、この動きを支配する第２要素Ｌ−の出力が他の第２要素Ｌ＋の出力より大きくなり、これによって第２要素Ｌ−に応じた第２振動子ｙＬ−の値が第２要素Ｌ＋に応じた第２振動子ｙＬ＋の値より大きくなって、式（４）によって表されている第１誘導振動子ｚ１Ｌは次式（４ｂ）のように表される（又は近似される）。
【０１０３】
ｚ１Ｌ＝−ｇ１−（ωｍＬ）ｇ−（φＨＬ）ｙＬ−  ‥（４ｂ）
このため、左の大腿部が後方に動いているとき、２つの仮想のバネＧ１＋及びＧ１−のそれぞれの弾性力のうち、股関節角度φＨを後側の目標値φ０−に近付けるようにユーザの大腿部に作用する仮想のバネＧ１−の弾性力が偏重的に反映されることとなる。これにより、２つの仮想的なバネＧ１＋及びＧ１−のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避される。
【０１０４】
これは、右の脚体（大腿部）の動きについても同様である。
【０１０５】
なお、股関節角速度ｄφＨ／ｄｔを変数とするシグモイド関数ｆｓ（式（３）参照）が第１係数ｇ１＋，ｇ１−に組み込まれ、これにより股関節角速度ｄφＨ／ｄｔの極性により特定される大腿部の前後への動きの別に応じて、複数の第２要素ｉの出力としての第２振動子ｙｉのうち一部が偏重的に反映された形で第１トルクＴ１が生成されてもよい。これによっても、２つの仮想的なバネＧ１＋及びＧ１−のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避され得る。
【０１０６】
股関節角度φＨの目標値φ０＋及びφ０−は、目標運動設定ユニット１１１により設定される目標となる運動スケール（歩幅）に応じてユーザの股関節角度φＨを含む脚体の姿勢の幾何学的条件に従って設定される。また、固有角速度ωＭの関数である第１係数ｇ１＋（ωＭ）及びｇ１−（ωＭ）のそれぞれに含まれる係数ａｋ＋及びａｋ−は、目標運動設定ユニット１１１により設定される目標となる運動リズム（歩行率（＝単位時間（例えば１分間）当たりの歩数））に応じた係数として設定され得る。
【０１０７】
なお、股関節角度φＨの目標値φ０＋及びφ０−は、歩行補助装置２００に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、ユーザによって設定された目標とする「歩幅」に基づき、ユーザの股関節角度φＨを含む脚体の姿勢の幾何学的条件に従って設定されてもよい。また、第１係数ｇ１＋（ωＭ）及びｇ１−（ωＭ）のそれぞれに含まれる係数ａｋ＋及びａｋ−は、歩行補助装置２００に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、ユーザによって設定された目標とする「歩行率」に応じて設定されてもよい。
【０１０８】
さらに、次式（５）に従って第２誘導振動子ｚ２が設定される（図２／ｓ１５２）。
【０１０９】
ｚ２Ｌ＝−ｇ２＋（ωｍＬ）（ｄφＨＬ／ｄｔ）Ｈ＋（φＨＬ）ｙＬ＋
＋ｇ２−（ωｍＬ）（ｄφＨＬ／ｄｔ）Ｈ−（φＨＬ）ｙＬ−，
ｚ２Ｒ＝−ｇ２＋（ωｍＲ）（ｄφＨＲ／ｄｔ）Ｈ＋（φＨＲ）ｙＲ＋
＋ｇ２−（ωｍＲ）（ｄφＨＲ／ｄｔ）Ｈ−（φＨＲ）ｙＲ−‥（５）
ここで「ｇ２＋」「ｇ２−」「Ｈ＋」及び「Ｈ−」は次式（５．１）〜（５．４）のそれぞれによって定義される関数である。
【０１１０】
ｇ２＋（ω）≡Σｋｂｋ＋ωｋ  （ｂｋ＋：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．１）
ｇ２−（ω）≡Σｋｂｋ−ωｋ  （ｂｋ−：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．２）
Ｈ＋（φ）≡０（φ≦０），１（φ＞０）  ‥（５．３）
Ｈ−（φ）≡０（φ＞０），１（φ≦０）  ‥（５．４）
第２誘導振動子ｚ２は、第２係数ｇ２＋及びｇ２−をそれぞれダンパ係数（減衰係数）とする、図４に示されている２つの仮想的なダンパＧ２＋及びＧ２−の減衰力として把握される。第２係数ｇ２＋及びｇ２−は、固有角速度ωＭに応じて股関節角度φＨの絶対値の増大を抑制する第２ポテンシャル（仮想的なダンパ（減衰要素）のポテンシャル）のグラディエントを特定するものである（式（５．１）（５．２）参照）。すなわち、第２誘導振動子ｚ２は、第２ポテンシャルに応じた第２係数ｇ２＋，ｇ２−を減数係数（ダンパ係数）とし、且つ、股関節角速度ｄφＨ／ｄｔに応じて股関節角度φＨの絶対値の増大を抑制する仮想的なダンパ等の減衰要素による減衰力として表現される。これにより、筋肉の伸展状態から屈曲状態への移行時の粘性力等、ユーザの身体の減衰要素が反映されたリズム及びスケールをもってユーザの運動が誘導され得る。
【０１１１】
一方の仮想的なダンパＧ２＋による減衰力は、そのダンパ係数ｇ２＋及び股関節角速度ｄφＨ／ｄｔに応じて、前側（屈曲側）への股関節角度φＨの絶対値の増大を抑制するようにユーザの大腿部に作用する（式（５）参照）。すなわち、仮想的なダンパＧ２＋による減衰力は、大腿部の前方への過剰な動きを抑制するようにこの大腿部に作用する。
【０１１２】
また、他方の仮想的なダンパＧ２−による弾性力は、そのダンパ係数ｇ２−及び股関節角速度ｄφＨ／ｄｔに応じて、後側（伸展側）への股関節角度φＨの絶対値の増大を抑制するようにユーザの大腿部に作用する（式（５）参照）。すなわち、仮想的なダンパＧ２−による減衰力は、大腿部の後方への過剰な動きを抑制するようにこの大腿部に作用する。
【０１１３】
また、第２誘導振動子ｚ２には、股関節角度φＨの関数としての階段関数Ｈ＋，Ｈ−が含まれている。従って、２つの仮想的なダンパＧ２＋及びＧ２−のそれぞれの減衰力が相殺される事態が回避される。
【０１１４】
固有角速度ωＭの関数である第２係数ｇ２＋（ωＭ）及びｇ２−（ωＭ）のそれぞれに含まれる係数ｂｋ＋及びｂｋ−は、目標運動設定ユニット１１１により設定される目標となる運動リズムに応じた係数として設定され得る。なお、当該係数ｂｋ＋及びｂｋ−は、歩行補助装置２００に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、ユーザによって設定された目標とする「歩行率」に応じて設定されてもよい。
【０１１５】
そして、誘導振動子生成ユニット１５０により生成された第１誘導振動子ｚ１＝（ｚ１Ｌ，ｚ１Ｒ）と、第２誘導振動子ｚ２＝（ｚ２Ｌ，ｚ２Ｒ） とを含む誘導振動子ｚ（＝ｚ１＋ｚ２）に応じた電流Ｉ＝（ＩＬ，ＩＲ）が電池２０６から左右のアクチュエータ２１０にそれぞれ供給され、ユーザの大腿部に力（股関節回りのトルク）Ｆが作用する。
【０１１６】
以後、前記処理（図２／ｓ１０１，ｓ１０２，・・，ｓ１５０）が繰り返されることで、歩行者は歩行補助装置２００によって股関節回りのトルクＦが作用している状態で歩行する。
【０１１７】
前記機能を発揮する本発明の歩行補助装置２００及びその制御システム１００によれば、主に次の理由により、ユーザの運動リズムをその目標とするリズムに一致させるようにユーザの運動が誘導され得る。
【０１１８】
すなわち、ファン・デル・ポル方程式（式（１）参照）の性質である「相互引き込み」の効果によって第１振動子ｘは、ユーザの股関節角速度（運動振動子）ｄφＨ／ｄｔのリズムと調和しながら固有角速度ωＭが反映された自律的なリズムをもって振動（時間変化）するものとして生成される。
【０１１９】
第１振動子ｘは、ユーザの歩行運動リズムと装置によるその運動の誘導リズムとの調和を図りながら、ユーザの歩行運動リズムを目標リズムに一致させる観点から、ユーザの股関節角速度ｄφＨ／ｄｔと不適当な位相差を有している可能性がある。従って、第１振動子ｘから直接的に誘導振動子ｚが生成された場合、この誘導振動子ｚに応じた股関節回りのトルクＦによって誘導されたユーザの歩行運動リズムが、目標リズムから乖離してしまうおそれがある。
【０１２０】
そこで、仮想的な２つの振動子θｈ及びθｍの関係がユーザの股関節角速度ｄφＨ／ｄｔと第１振動子ｘとの位相差（第１位相差）θＨＭに応じたものに設定される。詳細には、第１位相差θＨＭに基づき、仮想モデルにおける相関係数εが設定される（図２／ｓ１３３）。また、当該２つの振動子θｈ及びθｍの位相差（第２位相差）θｈｍを目標位相差θｄに近づけるように２つの振動子θｈ及びθｍの角速度ωｈ及びωｍが設定され、後者が新たな固有角速度ωＭとして設定される（図２／ｓ１３４，ｓ１３５）。これにより、新たな固有角速度ωＭは、股関節角速度ｄφＨ／ｄｔにより特定されるユーザの運動リズムとの調和の、目標位相差θｄに応じた調和を図りながら、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当するものとなる。その後、新たな固有角速度ωＭが反映された形での第１振動子ｘの生成（図２／ｓ１１０）が繰り返されることにより、第１振動子ｘのリズムと股関節角速度φＨ等の運動振動子のリズムとの調和を図りながら、第１位相差θＨＭの目標位相差θｄからの偏差を徐々に減少させることができる。これにより、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化への誘導振動子Ｔの追従性を、ユーザに違和感等を与えない観点から適当なものとし、ユーザの運動リズムを目標リズムに適度なペースで徐々に一致させることができる。
【０１２１】
続いて、新たに設定された固有角速度ωＭが反映された形で第２振動子ｙｉが生成され（図２／ｓ１４０）、さらに第２振動子ｙｉを含む誘導振動子ｚが生成される（図２／ｓ１５０）。これにより、この誘導振動子ｚに応じて大腿部に作用するトルクＦによって誘導されたユーザの運動リズムと誘導リズムとを調和させながら、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させることができる。これは、歩行補助装置２００による誘導リズムがユーザの運動リズムに調和し、且つ、ユーザの運動リズムも歩行補助装置２００による誘導リズムに調和するという形のユーザ（人間）と装置（機械）との調和（相互の歩み寄り）を意味する。
【０１２２】
また、ユーザの運動振動子と歩行補助装置２００による誘導振動子ｚとの位相差が、負の目標位相差に一致するようにユーザの運動が誘導されることにより、ユーザは歩行補助装置２００を先導する形で歩行（運動）することができる。さらに、ユーザの運動振動子と歩行補助装置２００による誘導振動子ｚとの位相差が、負の目標位相差に一致するようにユーザの運動が誘導されることにより、ユーザは歩行補助装置２００によって先導される形で歩行（運動）することができる。
【０１２３】
前記機能を発揮する本発明の歩行補助装置２００及びその制御システム１００によれば、主に次の理由により、ユーザの運動スケールをその目標とするスケールに一致させるようにユーザの運動が誘導され得る。
【０１２４】
すなわち、第１誘導振動子ｚ１に含まれている第１係数ｇ１＋，ｇ１−は、ユーザの股関節角度φＨをその目標値φ０＋，φ０−に近付けるための第１ポテンシャル（仮想的な弾性要素のポテンシャル）に応じたものである。また、第１係数ｇ１＋，ｇ１−は固有角速度ωＭ（＝仮想誘導振動子θｍの角速度ωｍ）に応じたものである（式（４．１）（４．２）参照）。固有角速度ωＭは前記のようにユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当する。
【０１２５】
さらに、第２誘導振動子ｚ２に含まれている第２係数ｇ２＋，ｇ２−は、股関節角度φＨの絶対値の増大を抑制する第２ポテンシャル（仮想的な減衰要素のポテンシャル）に応じたものである。また、第２係数ｇ２＋，ｇ２−は固有角速度ωＭに応じたものである（式（５．１）（５．２）参照）。固有角速度ωＭは前記のようにユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当する。
【０１２６】
従って、新たな固有角速度ωＭに応じた第１係数ｇ１＋（ωＭ），ｇ１−（ωＭ）が反映された形で第１誘導振動子ｚ１が生成され、且つ、固有角速度ωＭに応じた第２係数ｇ２＋（ωＭ），ｇ２−（ωＭ）が反映された形で第２誘導振動子ｚ２が生成されることで、ユーザの運動リズムと誘導振動子ｚのリズムとの調和、及びユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図りながら、ユーザの運動スケールが目標スケールに近付くようにユーザの運動が誘導され得る。
【０１２７】
以上のように、本発明の歩行補助装置（運動誘導装置）２００によれば、ユーザの運動のリズム及びスケールをその目標とするリズム及びスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を誘導し得る。
【０１２８】
また、ユーザの歩行状態に応じて、このユーザの目標運動リズム及びスケールに応じた係数（φ０＋，φ０−，ａｋ＋，ａｋ−，ｂｋ＋，ｂｋ−，・・）等が設定される（図２／ｓ１１１）。従って、ユーザの運動リズム及びスケールを、このユーザの「歩行状態」に応じた目標リズム及びスケールのそれぞれに一致させる観点から適当なリズム及びスケールをもってユーザの運動が誘導され得る。
【０１２９】
さらに、ユーザの歩行状態に応じて、目標位相差θｄが設定される（図２／ｓ１１２）。従って、ユーザの股関節角速度ｄφＨ／ｄｔと歩行補助装置２００による誘導振動子ｚ（ひいては股関節回りのトルクＦ）との位相差が、ユーザの「歩行状態」に応じた目標位相差θｄに近づくように、このユーザの運動が誘導され得る。これにより、ユーザの歩行状態の変動に応じて、ユーザの運動リズムを目標リズムに近づける観点から適当なリズムでユーザの運動が誘導（補助）される。
【０１３０】
また、股関節角速度ｄφＨ／ｄｔ等の運動振動子に応じて出力が変動する仮想的な複数の第１要素（左右の脚体）の関係を表現する第１モデルに従って、第１要素の出力として第１振動子ｘが生成される（式（１），図２／ｓ１２０）。これにより、ユーザの実際の運動に関係する現実の複数の要素の関係を第１モデルにおける仮想的な複数の第１要素の係数ｇ等により表される相関関係に反映させることで、当該現実の複数の要素間の関係に鑑みて適当な第１振動子ｘが生成され得る。例えば、現実の複数の要素として左右の脚体や同一脚体の複数の関節が想定された場合、交互に前後に動く等の左右の脚体の定性的関係や股関節回りの脚体運動と膝関節回りの脚体運動との周期や位相差等の同一脚体の関節間の定性的関係等が反映された形で第１振動子ｘが生成される。従って、ユーザの運動を誘導する誘導振動子のリズム及びスケールを当該関係に鑑みて適当なものとすることができる。
【０１３１】
さらに、股関節角速度ｄφＨ／ｄｔ等の運動振動子に応じて出力が変動する仮想的な複数の第２要素の関係を表現する第２モデルに従って、第２要素の出力として第２振動子ｙｉが生成される（式（３），図２／ｓ１４０）。これにより、ユーザの実際の運動に関係する現実の複数の要素の関係を第２モデルにおける仮想的な複数の第２要素の係数ｗｉ／ｊにより表される相関関係に反映させることで、当該現実の複数の要素間の関係に鑑みて適当な第２振動子が生成され得る。例えば、現実の複数の要素としてユーザの複数の神経（ニューロン）が想定された場合、左右の脚体による歩行を支配するニューロン間の定性的関係等が反映された形で第２振動子ｙｉが生成される。従って、ユーザの運動を誘導する誘導振動子のリズム及びスケールを当該関係に鑑みて適当なものとすることができる。
【０１３２】
ここで、ユーザの運動のリズム及びスケールをその目標とするリズム及びスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を誘導し得るという本発明の歩行補助装置２００の作用効果について、図５及び図６を用いて説明する。
【０１３３】
この作用効果は、図５及び図６にそれぞれ示されている「歩行率」−「歩幅」平面において原点を通る直線（例えば、直線Ｌ１，Ｌ２）の傾きとして表現される「歩行比（＝歩幅／歩行率）」が、目標とする歩行比に一致することを意味する。これは、歩行率及び歩幅がそれぞれユーザの歩行（運動）のリズム及びスケールを表しているため、ユーザの歩行運動リズム及びスケールが目標リズム及びスケールにそれぞれ一致した場合、ユーザの歩行運動リズム及びスケールの相関関係が目標リズム及びスケールの相関関係に一致することになるからである。
【０１３４】
例えば、ユーザが図５に示されている双曲線ｖにより表される「速度（＝歩行率×歩幅）」、並びに双曲線ｖ上の点ｓにより表される「歩行率」及び「歩幅」で歩行している状態を考える。双曲線ｖにより表される速度が目標として設定され、且つ、直線Ｌ１により表される歩行比が目標として設定されている場合、当該双曲線ｖ及び直線Ｌ１の交点ｓ１により表される歩行率及び歩幅をもってユーザが歩行するように、歩行補助装置２００によってユーザの動きが誘導（補助）される（図５／矢印Ａ１参照）。すなわち、ユーザの歩行状態は、歩行速度が維持されたまま、大股でゆっくりと歩行する状態へと徐々に誘導される。また、この状態で双曲線ｖにより表される速度が目標として設定され、且つ、直線Ｌ２により表される歩行比が目標として設定されている場合、反比例曲線ｖ及び直線Ｌ２の交点ｓ２により表される歩行率及び歩幅をもってユーザが歩行するように、歩行補助装置２００によってユーザの動きが誘導（補助）される（図５／矢印Ａ２）。これにより、ユーザの歩行状態は、歩行速度が維持されたまま、ユーザが小股でせわしなく歩行する状態へと徐々に誘導される。
【０１３５】
また、例えば、ユーザが図６に示されている点ｓにより表される「歩行率」及び「歩幅」で歩行している状態を考える。点ｓを通る縦直線により表される歩行率が目標として設定され、且つ、直線Ｌ１により表される歩行比が目標として設定されている場合、当該縦直線及び直線Ｌ１の交点ｓ１により表される歩行率及び歩幅をもってユーザが歩行するように、歩行補助装置２００によってユーザの動きが誘導（補助）される（図６／矢印Ａ１参照）。すなわち、ユーザの歩行状態は、ユーザが歩行リズムを維持したまま大股で歩行する状態へと徐々に誘導される。また、この状態で点ｓを通る縦直線により表される歩行率が目標として設定され、且つ、直線Ｌ２により表される歩行比が目標として設定されている場合、当該縦直線及び直線Ｌ２の交点ｓ２により表される歩行率及び歩幅をもってユーザが歩行するように、歩行補助装置２００によってユーザの動きが誘導（補助）される（図６／矢印Ａ２）。これにより、ユーザの歩行状態は、ユーザが歩行リズムを維持したまま小股で歩行する状態へと徐々に誘導される。
【０１３６】
続いて、本発明の歩行補助装置２００の前記作用効果に関する実験結果について、図７〜図９を用いて説明する。
【０１３７】
この実験に際して目標歩行比は「０．００７２」に設定された。そして、図１に示されている歩行補助装置２００が装着されたユーザが、図７に示されているようにその速度を変化させながら歩行した。すなわち、このユーザは、最初ほぼ一定速度で歩行し、その後で加速歩行し、若干減速歩行した後で再び加速歩行し、その後で減速歩行して最後はほぼ一定速度で歩行した。
【０１３８】
この結果、ユーザの歩行比は図８に示されているように、ユーザの歩行速度の加減速に応じてその目標値である０．００７２から若干ずれるものの、この目標値にほぼ収束するような形で変化した。すなわち、歩行率−歩幅平面におけるユーザの歩行状態を表す点の軌跡は、図９に示されているように、目標歩行比０．００７２を表す直線に収束するように描かれる。この実験結果から明らかなように、本発明の歩行補助装置（運動誘導装置）２００によれば、ユーザの歩行運動リズム及びスケールが、その目標とするリズム及びスケールに一致するように、ユーザの歩行が誘導され得る。
【０１３９】
なお、前記実施形態ではユーザの歩行が誘導されたが、他の実施形態としてユーザの他の動作が補助されてもよい。例えば、自動車等の製品の製造に関する手作業が誘導される場合、ユーザは誘導振動子に従うことで、目標とする動きのリズム及び動きのスケール（又は力加減）をもって作業することができる。目標となる運動のリズム及びスケールが、熟練作業者等の手作業に基づいて設定されている場合、このユーザに熟練作業者の微妙な手の動きや力加減等を実感させ、その技術を早期に修得させることができる。
【０１４０】
前記実施形態では誘導振動子ｚに応じた左右の股関節回りのトルクＦ＝（ＦＬ，ＦＲ）がユーザの身体に作用させられたが、他の実施形態として膝関節、足関節、肩関節、肘関節、手根関節等、種々の関節回りのトルクがユーザの身体に作用させされてもよい。トルク作用対象となる関節の組合せは、ユーザに応じてさまざまに変更されてもよい。また、他の実施形態として、ヘッドホン等の聴覚装置（図示略）を介して歩行者が聴覚的に知覚可能な誘導振動子ｚに応じた周期的な音や、ゴーグル等の視覚装置（図示略）を介して知覚可能な誘導振動子ｚに応じた周期的な光又は標識や、マッサージ機器等により歩行者が背中や肩等の身体の一部の触覚を介して知覚可能な誘導振動子ｚに応じた周期的な叩き（ノック）等がユーザに対して付与されてもよい。
【０１４１】
測定対象となる運動振動子の種類が多くなるほど、ファン・デル・ポル方程式等の第１振動子ｘの生成に応じた非線形微分方程式（式（１））や、第２振動子ｙｉの生成に応じた非線形微分方程式（式（３））における相関項は多くなるが、当該相関係数の調節によってユーザの身体の様々な部分の動きに鑑みた一層緻密な運動の誘導が実現される。
【０１４２】
前記実施形態ではユーザの「歩行状態（運動状態）」が測定され、この測定結果に応じて目標運動リズム及びスケールに係る係数（φ０＋，φ０−，ａｋ＋，ａｋ−，ｂｋ＋，ｂｋ−，・・）及び目標位相差θｄが設定されたが（図２／ｓ１１０，ｓ１１１，ｓ１１２）、他の実施形態としてユーザの「生理状態」が測定され、この測定結果に応じて目標運動リズム及びスケールに係る係数及び目標位相差θｄが設定されてもよい。ユーザの生理状態には、疲労度が高い状態や、疲労度が低い状態、心拍数や発汗量が多い状態や、心拍数等が少ない状態等が含まれる。
【０１４３】
また、歩行補助装置２００の制御システム１００が、状態測定ユニット１１０により判定されたユーザの運動状態及び生理状態のうち一方又は両方に応じて、第１モデルにおける係数ｇ（仮想的な複数の第１要素の相関関係）を調節する第１相関調節ユニットをさらに備えていてもよい。さらに、歩行補助装置２００の制御システム１００が、状態測定ユニット１１０により判定されたユーザの運動状態及び生理状態のうち一方又は両方に応じて、第２モデルにおける係数ｗｉ／ｊ（仮想的な複数の第２要素（仮想的な神経要素）の相関関係）を調節する第２相関調節ユニットをさらに備えていてもよい。
【０１４４】
本発明の運動誘導装置によれば、左右の脚体等、現実の複数の要素の関係がユーザの「運動状態」や「生理状態」に応じて変動するという事情が反映された形で、ユーザの状態に応じてユーザの運動が適当なリズム及びスケールをもってリアルタイムで誘導され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】本発明の運動誘導装置及びその制御システムの構成例示図
【図２】本発明の運動誘導装置及びその制御システムの機能例示図
【図３】運動振動子と第１振動子との関係例示図
【図４】誘導振動子生成に関する仮想的なバネ及びダンパの説明図
【図５】本発明の運動誘導装置の作用効果に関する概念説明図
【図６】本発明の運動誘導装置の作用効果に関する概念説明図
【図７】本発明の運動誘導装置の作用効果に関する実験結果の説明図
【図８】本発明の運動誘導装置の作用効果に関する実験結果の説明図
【図９】本発明の運動誘導装置の作用効果に関する実験結果の説明図
【符号の説明】
【０１４６】
１００‥コンピュータ（制御システム）、１０２‥運動振動子測定ユニット、１１０‥状態測定ユニット、１１１‥目標運動設定ユニット、１１２‥目標位相差設定ユニット、１２０‥第１振動子生成ユニット、１３０‥固有角速度設定ユニット、１３１‥第１位相差設定ユニット、１３２‥第２位相差設定ユニット、１３３‥相関係数設定ユニット、１３４‥第１角速度設定ユニット、１３５‥第２角速度設定ユニット、１４０‥第２振動子生成ユニット、１５０‥誘導振動子生成ユニット、２００‥歩行補助装置（運動誘導装置）、２１０‥アクチュエータ、２１２‥股関節角度センサ
【図１】
2007061217.tif 000003
【図２】
2007061217.tif 000004
【図３】
2007061217.tif 000005
【図４】
2007061217.tif 000006
【図５】
2007061217.tif 000007
【図６】
2007061217.tif 000008
【図７】
2007061217.tif 000009
【図８】
2007061217.tif 000010
【図９】
2007061217.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成18年12月27日(2006.12.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導振動子に応じてユーザの運動を誘導するための装置であって、
前記ユーザの身体運動に応じて時間変化するパラメータとしての第１および第２運動振動子と、前記ユーザの身体運動に応じて時間変化する、該ユーザの運動スケールを表すパラメータとしての第３運動振動子とを測定する運動振動子測定手段と、
入力振動信号と相互に引き込み合うことで固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成する第１モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子を該入力振動信号として入力することにより、該出力振動信号として第１振動子を生成する第１振動子生成手段と、
該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子と該第１振動子生成手段により生成された該第１振動子との位相差である第１位相差を目標位相差に近づけるように該固有角速度を新たに設定する固有角速度設定手段と、
入力振動信号に基づき、該固有角速度設定手段により設定された該固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成する第２モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該第２運動振動子を該入力振動信号として入力することにより、該出力振動信号として第２振動子を生成する第２振動子生成手段と、
該第２振動子生成手段により生成された該第２振動子と、該固有角速度設定手段により設定された該固有角速度とに応じて、該運動振動子測定手段により測定された該第３運動振動子の値を該ユーザの目標運動スケールに応じた目標値に近付けるように該ユーザの運動を誘導するための仮想的な弾性要素による弾性力を表す第１誘導振動子を生成し、該第１誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成する誘導振動子生成手段とを備えていることを特徴とする運動誘導装置。
【請求項２】
前記運動振動子測定手段が、前記第３運動振動子の時間微分を第４運動振動子として測定し、
前記誘導振動子生成手段が、前記第２振動子生成手段により生成された前記第２振動子と、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度と、前記運動振動子測定手段により測定された該第４運動振動子とに応じて、該第３運動振動子の絶対値の増大を抑制するように前記ユーザの運動を誘導するための仮想的な減衰要素による減衰力を表す第２誘導振動子を生成し、該第２誘導振動子をさらに含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
【請求項３】
前記誘導振動子生成手段が、前記仮想的な弾性要素の弾性係数としての、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度の関数である第１係数と、前記第３運動振動子の値と前記目標値との偏差の関数と、前記第２振動子との積として算出される振動子が含まれている前記第１誘導振動子を生成することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
【請求項４】
前記誘導振動子生成手段が、前記仮想的な減衰要素の減衰係数としての、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度の関数である第２係数と、前記第４運動振動子の関数と、第２振動子との積として算出される振動子を含む前記第２誘導振動子を生成することを特徴とする請求項２記載の運動誘導装置。
【請求項５】
前記第１モデルが、複数の前記入力振動信号とそれぞれ相互に引き込み合うことにより前記固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する複数の前記出力振動信号のそれぞれに第１相関係数がかけられた項が含まれる第１連立方程式により表現され、
前記運動振動子測定手段が複数の前記第１運動振動子を測定し、
前記第１振動子生成手段が、該第１モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該複数の第１運動振動子を該複数の入力振動信号として入力することによって、該複数の出力振動信号として複数の前記第１振動子を生成することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
【請求項６】
前記第２モデルが、複数の前記入力振動信号に基づき、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度に基づいて定まる角速度で振動する複数の前記出力振動信号に第２相関係数がかけられている項が含まれる第２連立方程式により表現され、
前記運動振動子測定手段が複数の前記第２運動振動子を測定し、
前記第２振動子生成手段が、該第２モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該複数の第２運動振動子を該複数の入力振動信号として入力することによって、該複数の出力振動信号として複数の前記第２振動子を生成することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
【請求項７】
前記固有角速度設定手段が、前記第１位相差に基づき、仮想モデルにおける２つの振動信号としての２つの振動子の位相差である第２位相差を目標位相差に近付けさせるように当該２つの振動子のうち一方の角速度を新たな前記固有角速度として設定することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
【請求項８】
前記仮想モデルが前記２つの振動子に相関係数がかけられた項が含まれている連立方程式により表現され、
前記固有角速度設定手段が、前記第１位相差に基づき該相関係数を設定する相関係数設定手段と、
該相関係数設定手段により設定された該相関係数に基づき、前記第１位相差と前記第２位相差との差が最小になるように前記２つの振動子のうち一方の角速度を設定する第１角速度設定手段と、
該第１角速度設定手段により設定された該角速度に基づき、前記第２位相差と前記目標位相差との差が最小になるように前記２つの振動子のうち他方の角速度を新たな前記固有角速度として設定する第２角速度設定手段とを備えていることを特徴とする請求項７記載の運動誘導装置。
【請求項９】
前記誘導振動子生成手段が、前記運動振動子測定手段により測定された前記第３運動振動子の値を、さらに前記ユーザの目標運動リズムに応じて前記目標値に近付けるように該ユーザの運動を誘導するための前記第１誘導振動子を生成し、該第１誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
【請求項１０】
前記誘導振動子生成手段が、前記運動振動子測定手段により測定された前記第３運動振動子の絶対値の増大を、さらに前記ユーザの目標運動リズムに応じて抑制するように該ユーザの運動を誘導するための前記第２誘導振動子を生成し、該第２誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする請求項２記載の運動誘導装置。
【請求項１１】
前記運動振動子測定手段が、前記第１運動振動子として前記第２運動振動子の時間微分を測定することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
【請求項１２】
前記運動振動子測定手段が、前記第３運動振動子として前記第２運動振動子を測定することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
【請求項１３】
前記運動振動子測定手段が前記第４運動振動子として前記第１運動振動子を測定することを特徴とする請求項２記載の運動誘導装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザの運動を誘導するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザの身体に対して脚体関節（股関節、膝関節、足関節）回りのトルクを付与することにより、このユーザの歩行運動を補助する装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、ユーザの歩行運動リズムに変化に追従しながらも、歩行補助装置による歩行補助リズムに自律性を持たせるように、この歩行補助装置を制御するシステムが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−１３５５４３号公報
【特許文献２】特開２００４−０７３６４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、歩行補助装置による歩行補助リズムが適当なものであっても、補助力やその作用距離に過不足が生じ、歩幅や脚体関節角度が過大または過小となってユーザに違和感や不安感等を覚えさせてしまう可能性があった。たとえば、ユーザが小さい歩幅でゆっくりと歩きたい場合、一歩ごとの時間間隔が長くても歩幅が大きくなってしまうとユーザに違和感等を覚えさせることになる。また、ユーザが大きい歩幅で速く歩きたい場合、一歩ごとの時間間隔が短くても歩幅が小さくなってしまうとユーザに違和感等を覚えさせることになる。このように、ユーザの運動を誘導するリズムが、その運動のリズムを目標リズムに一致させるものである一方、ユーザの運動を誘導するための力やその作用距離が、その運動のスケールを目標スケールから乖離させるものとなり、ユーザに違和感等を覚えさせる可能性があった。
【０００５】
そこで、本発明は、ユーザの運動のリズムおよびスケールをその目標とするリズムおよびスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を誘導しうる装置を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための第１発明の運動誘導装置は、誘導振動子に応じてユーザの運動を誘導するための装置であって、前記ユーザの身体運動に応じて時間変化するパラメータとしての第１および第２運動振動子と、前記ユーザの身体運動に応じて時間変化する、該ユーザの運動スケールを表すパラメータとしての第３運動振動子とを測定する運動振動子測定手段と、入力振動信号と相互に引き込み合うことで固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成する第１モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子を該入力振動信号として入力することにより、該出力振動信号として第１振動子を生成する第１振動子生成手段と、該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子と該第１振動子生成手段により生成された該第１振動子との位相差である第１位相差を目標位相差に近づけるように該固有角速度を新たに設定する固有角速度設定手段と、入力振動信号に基づき、該固有角速度設定手段により設定された該固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成する第２モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該第２運動振動子を該入力振動信号として入力することにより、該出力振動信号として第２振動子を生成する第２振動子生成手段と、該第２振動子生成手段により生成された該第２振動子と、該固有角速度設定手段により設定された該固有角速度とに応じて、該運動振動子測定手段により測定された該第３運動振動子の値を該ユーザの目標運動スケールに応じた目標値に近付けるように該ユーザの運動を誘導するための仮想的な弾性要素による弾性力を表す第１誘導振動子を生成し、該第１誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成する誘導振動子生成手段とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
第１発明の運動誘導装置によれば、主に次の理由により、ユーザの運動リズムをその目標とするリズムに一致させるようにユーザの運動が誘導されうる。
【０００８】
すなわち第１運動振動子が入力振動信号として第１モデルに入力されることにより、第１モデルの出力振動信号としての第１振動子が生成される。「第１モデル」は入力振動信号と相互に引き込み合うことで固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成するモデルである。これにより、「第１振動子」は「第１運動振動子」との「相互引き込み」の効果によってユーザの第１運動振動子のリズムと調和しながら、固有角速度に基づいて定まる自律的なリズムまたは角速度をもって振動する。なお、第１運動振動子として、後述の第２運動振動子の時間微分が測定されてもよい。ここで「振動」とは、現実的または仮想的なものがほぼ一定の周期を持って揺れ動くことのほか、広く時間変化することを含む概念である。また「振動子」とは、値が時間変化する電気信号や、ソフトウェアにおいて値が時間変化するものとして定義された関数等を含む概念である。しかるに、第１振動子は、ユーザの運動リズムと運動誘導装置による誘導リズムとの調和を図りながら、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させる観点から、ユーザの運動振動子と不適当な位相差を有している可能性がある。したがって、第１振動子から直接的に誘導振動子が生成された場合、この誘導振動子によって誘導されたユーザの運動リズムが、目標リズムから乖離してしまうおそれがある。
【０００９】
そこで「新たな固有角速度」が、ユーザの第１運動振動子と第１振動子との位相差である第１位相差を目標位相差に近づけるように設定される。これにより、新たな固有角速度は第１運動振動子により特定されるユーザの運動リズムとの目標位相差に応じた調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標運動リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当するものになりうる。また、その後、新たな固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する新たな第１振動子が第１モデルにしたがって生成されることが繰り返されることにより、第１振動子のリズムと第１運動振動子のリズムとの調和を図りながら、第１運動振動子と第１振動子との位相差である第１位相差の目標位相差からの偏差を徐々に減少させることができる。これにより、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化への誘導振動子の追従性を、ユーザに違和感等を与えない観点から適当なものとし、ユーザの運動リズムを目標リズムに適度なペースで徐々に一致させることができる。
【００１０】
続いて、第２運動振動子が入力振動信号として第２モデルに入力され、第２モデルからの出力振動信号として第２振動子が生成される。「第２モデル」は入力振動信号に基づき、新たな固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成するモデルである。これにより、当該新たな固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する「第２振動子」が生成される。さらに第２振動子を含むに基づいて「誘導振動子」が生成される。これにより、誘導振動子によって誘導されたユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとを調和させながら、ユーザの運動リズムを目標運動リズムに一致させることができる。ユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとの調和により、運動誘導装置による誘導リズムがユーザの運動リズムに調和し、かつ、ユーザの運動リズムも運動誘導装置による誘導リズムに調和するといったようにユーザ（人間）と装置（機械）との調和（相互の歩み寄り）が図られる。
【００１１】
第１発明の運動誘導装置によれば、主に次の理由により、ユーザの運動スケールをその目標とするスケールに一致させるようにユーザの運動が誘導されうる。
【００１２】
ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子をその目標値に近付けるように当該ユーザの運動を誘導するための仮想的なバネ等の弾性要素の弾性力を表している「第１誘導振動子」が生成され、この第１誘導振動子を含む誘導振動子が生成される。なお、第３運動振動子として第２運動振動子が測定されてもよい。仮想的な弾性要素の弾性力は、ユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当する新たな固有角速度に応じている。したがって、第１誘導振動子を含む誘導振動子に応じてユーザの運動が誘導されることで、ユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとの調和、およびユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図り、かつ、ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子の値が目標値に近づくように、すなわち、ユーザの運動スケールが目標スケールに近付くようにユーザの運動が誘導されうる。
【００１３】
以上のように、本発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動のリズムおよびスケールをその目標とするリズムおよびスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を誘導しうる。
【００１４】
なお、ユーザの運動には、歩行、走行、ものづくりに伴う手作業等、種々の運動が含まれ得る。たとえば、自動車等の製品の製造に関する手作業が誘導される場合、ユーザは誘導振動子にしたがうことで、目標とする動きのリズムおよび動きの大きさ（または力加減）をもって作業することができる。目標となる運動のリズムおよびスケールが、熟練作業者等の手作業に基づいて設定されている場合、このユーザに熟練作業者の微妙な手の動きや力加減等を実感させ、その技術を早期に修得させることができる。
【００１５】
また、第２発明の運動誘導装置は、第１発明の運動誘導装置において、前記運動振動子測定手段が、前記第３運動振動子の時間微分を第４運動振動子として測定し、前記誘導振動子生成手段が、前記第２振動子生成手段により生成された前記第２振動子と、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度と、前記運動振動子測定手段により測定された該第４運動振動子とに応じて、該第３運動振動子の絶対値の増大を抑制するように前記ユーザの運動を誘導するための仮想的な減衰要素による減衰力を表す第２誘導振動子を生成し、該第２誘導振動子をさらに含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする。
【００１６】
第２発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子の絶対値の増大を抑制するように当該ユーザの運動を誘導するための仮想的なダンパによる減衰力として表される「第２誘導振動子」が生成され、この第２誘導振動子を含む誘導振動子が生成される。仮想的なダンパ等の弾性要素による減衰力は、ユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当する新たな固有角速度と、第４運動振動子とに応じている。なお、第４運動振動子として第１運動振動子が測定されてもよい。したがって、第２誘導振動子を含む誘導振動子が生成されることにより、ユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとの調和、およびユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図り、かつ、第４運動振動子の値に応じて第３運動振動子の絶対値の増大を抑制しながら、ユーザの運動スケールが目標スケールに近付くようにユーザの運動が誘導されうる。
【００１７】
さらに、第３発明の運動誘導装置は、第１発明の運動誘導装置において、前記誘導振動子生成手段が、前記仮想的な弾性要素の弾性係数としての、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度の関数である第１係数と、前記第３運動振動子の値と前記目標値との偏差の関数と、前記第２振動子との積として算出される振動子が含まれている前記第１誘導振動子を生成することを特徴とする。
【００１８】
第３発明の運動誘導装置によれば、第１誘導振動子が第１係数を弾性係数（バネ係数）とし、かつ、ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子の値を目標値に復元させる仮想的なバネ等の弾性要素による弾性力として表現される。これにより、筋肉の収縮状態から伸展状態への移行時の弾性力等、ユーザの身体の弾性要素が反映されたリズムおよびスケールをもってユーザの運動が誘導されうる。
【００１９】
また、第４発明の運動誘導装置は、第２発明の運動誘導装置において、前記誘導振動子生成手段が、前記仮想的な減衰要素の減衰係数としての、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度の関数である第２係数と、前記第４運動振動子の関数と、第２振動子との積として算出される振動子を含む前記第２誘導振動子を生成することを特徴とする。
【００２０】
第４発明の運動誘導装置によれば、第２誘導振動子が、第２係数を減数係数（ダンパ係数）とし、かつ、第４運動振動子に応じて、第３運動振動子の絶対値の増大を抑制する仮想的なダンパ等の減衰要素による減衰力として表現される。これにより、筋肉の伸展状態から屈曲状態への移行時の粘性力等、ユーザの身体の減衰要素が反映されたリズムおよびスケールをもってユーザの運動が誘導されうる。
【００２１】
さらに、第５発明の運動誘導装置は、第１発明の運動誘導装置において、前記第１モデルが、複数の前記入力振動信号とそれぞれ相互に引き込み合うことにより前記固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する複数の前記出力振動信号のそれぞれに第１相関係数がかけられた項が含まれる第１連立方程式により表現され、前記運動振動子測定手段が複数の前記第１運動振動子を測定し、前記第１振動子生成手段が、該第１モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該複数の第１運動振動子を該複数の入力振動信号として入力することによって、該複数の出力振動信号として複数の前記第１振動子を生成することを特徴とする。
【００２２】
第５発明の運動誘導装置によれば、ユーザの実際の運動に関係する現実の複数の第１要素の関係を、第１モデルにしたがって生成される複数の（第１要素の）出力振動信号の相関関係を表す第１相関係数に反映させることで、当該複数の第１要素の相関関係に鑑みて適当な第１振動子が生成されうる。たとえば、複数の第１要素として左右の脚体や同一脚体の複数の関節が想定された場合、交互に前後に動く等の左右の脚体の定性的関係や股関節回りの脚体運動と膝関節回りの脚体運動との周期や位相差等の同一脚体の関節間の定性的関係等が反映された形で第１振動子が生成される。したがって、ユーザの運動を誘導する誘導振動子のリズムおよびスケールを当該関係に鑑みて適当なものとすることができる。
【００２３】
また、第６発明の運動誘導装置は、第１発明に運動誘導装置において、前記第２モデルが、複数の前記入力振動信号に基づき、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度に基づいて定まる角速度で振動する複数の前記出力振動信号に第２相関係数がかけられている項が含まれる第２連立方程式により表現され、前記運動振動子測定手段が複数の前記第２運動振動子を測定し、前記第２振動子生成手段が、該第２モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該複数の第２運動振動子を該複数の入力振動信号として入力することによって、該複数の出力振動信号として複数の前記第２振動子を生成することを特徴とする。
【００２４】
第６発明の運動誘導装置によれば、ユーザの実際の運動に関係する現実の複数の第２要素の相関関係を第２モデルにしたがって生成される複数の（第２要素の）出力振動信号の相関関係を表す第２相関係数に反映させることで、当該現実の複数の第２要素の相関関係に鑑みて適当な第２振動子が生成されうる。たとえば、現実の複数の第２要素としてユーザの複数の神経（ニューロン）が想定された場合、左右の脚体による歩行を支配するニューロン間の定性的関係等が反映された形で第２振動子が生成される。したがって、ユーザの運動を誘導する誘導振動子のリズムおよびスケールを当該関係に鑑みて適当なものとすることができる。
【００２５】
さらに、第７発明の運動誘導装置は、第１発明の運動誘導装置において、前記固有角速度設定手段が、前記第１位相差に基づき、仮想モデルにおける２つの振動子の位相差である第２位相差を目標位相差に近付けさせるように当該２つの振動子のうち一方の角速度を新たな前記固有角速度として設定することを特徴とする。
【００２６】
第７発明の運動誘導装置によれば、仮想モデルにおける仮想的な２つの振動子の関係がユーザの第１運動振動子と第１振動子との位相差（第１位相差）に応じたものに設定される。また、当該２つの振動子の位相差（第２位相差）を目標位相差に近づけるように２つの振動子の角速度のうち一方が新たな固有角速度として設定される。これにより、新たな固有角速度は、第１運動振動子により特定されるユーザの運動リズムとの、目標位相差に応じた調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当するものとなる。
【００２７】
また、第８発明の運動誘導装置は、第７発明の運動誘導装置において、前記仮想モデルが前記２つの振動信号としての２つの振動子に相関係数がかけられた項が含まれている連立方程式により表現され、前記固有角速度設定手段が、前記第１位相差に基づき、該相関係数を設定する相関係数設定手段と、該相関係数設定手段により設定された該相関係数に基づき、前記第１位相差と前記第２位相差との差が最小になるように前記２つの振動子のうち一方の角速度を設定する第１角速度設定手段と、該第１角速度設定手段により設定された該角速度に基づき、前記第２位相差と前記目標位相差との差が最小になるように前記２つの振動子のうち他方の角速度を新たな前記固有角速度として設定する第２角速度設定手段とを備えていることを特徴とする。
【００２８】
第８発明の運動誘導装置によれば、仮想モデルにおける２つの振動子の相関係数の設定等を経て、前記のように第１運動振動子により特定されるユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標位相差に応じた目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度が新たな固有角度として設定されうる。これにより、第１運動振動子により特定されるユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標位相差に応じた目標リズムに一致させる観点から適当なリズムおよびスケールを有する誘導振動子が設定されうる。
【００２９】
さらに、第９発明の運動誘導装置は、第１発明の運動誘導装置において、前記誘導振動子生成手段が、前記運動振動子測定手段により測定された前記第３運動振動子の値を、さらに前記ユーザの目標運動リズムに応じて前記目標値に近付けるように該ユーザの運動を誘導するための前記第１誘導振動子を生成し、該第１誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする。
【００３０】
第９発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動スケールを表す第３運動振動子の値を、このユーザの目標運動リズムに応じて目標値に近付けるための第１誘導振動子を含む誘導振動子が生成され、当該誘導振動子に応じてユーザの運動が誘導される。これにより、ユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとの調和、およびユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図りながら、第３運動振動子の値が目標値に近付けられるようにユーザの運動が誘導されうる。
【００３１】
また、第１０発明の運動誘導装置は、第２発明の運動誘導装置において、前記誘導振動子生成手段が、前記運動振動子測定手段により測定された前記第３運動振動子の絶対値の増大を、さらに前記ユーザの目標運動リズムに応じて抑制するように該ユーザの運動を誘導するための前記第２誘導振動子を生成し、該第２誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする。
【００３２】
第１０発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動スケールを表す第３運動振動子の絶対値の増大を、このユーザの目標運動リズムに応じて抑制するための第２誘導振動子を含む誘導振動子が生成され、当該誘導振動子に応じてユーザの運動が誘導される。これにより、ユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとの調和、およびユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図りながら、ユーザの第３運動振動子の値の絶対値の増大が抑制されるようにユーザの運動が誘導されうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の運動誘導装置の実施形態について図面を用いて説明する。
【００３４】
図１は本発明の運動誘導装置およびその制御システムの構成例示図であり、図２は本発明の運動誘導装置の機能例示図であり、図３は運動振動子と第１振動子との関係例示図であり、図４は誘導振動子生成に関する仮想的なバネおよびダンパの説明図であり、図５および図６は本発明の運動誘導装置の作用効果に関する概念説明図であり、図７〜図９は本発明の運動誘導装置による運動誘導に関する実験結果の説明図である。
【００３５】
以下、歩行者の脚体等について左右を区別するために基本的にパラメータに添字Ｌ、Ｒを付するが、表記の簡単のため添字Ｌ、Ｒを省略する場合もある。
【００３６】
図１に示されている歩行誘導装置（運動誘導装置）２００は、腰部装具２０２と、大腿部装具２０４と、力伝達部材２０６と、バッテリ２０８と、アクチュエータ（電動モータ）２１０と、股関節角度センサ２１２とを備えている。
【００３７】
腰部装具２０２は剛性のある素材と柔軟性のある素材とが組み合わせられて作られており、ユーザの腰部に装着される。大腿部装具２０４も剛性のある素材と柔軟性のある素材とが組み合わせられて作られており、ユーザの大腿部の前後それぞれに装着される。力伝達部材は、軽量の硬質プラスチック等の定形性のある素材より作られており、ユーザの大腿部に沿って、ユーザの腰部の横から下方に延びた後で大腿部の前後に向けて二股に分かれた形状であり、アクチュエータ２１０および前後の大腿部装具２０４のそれぞれに連結されている。バッテリ２０８は腰部装具２０２に収納されており（たとえば、腰部装具２０２を構成する複数枚の素材の間に固定されており）、アクチュエータ２１０等に対して電力を供給する。アクチュエータ２１０は腰部装具２０２に収納されており、力伝達部材２０６および大腿部装具２０４を介してユーザの大腿部に力を作用させる。股関節角度センサ２１２はユーザの腰部の横に設けられたロータリエンコーダ等により構成され、股関節角度に応じた信号を出力する。
【００３８】
図１に示されている制御システム１００は、腰部装具２０２に収納されたハードウェアとしてのコンピュータ１００と、このコンピュータ１００に対して歩行誘導装置２００の制御機能を付与するソフトウェアとしての本発明の「制御プログラム」とにより構成されている。
【００３９】
制御システム１００は、運動振動子測定ユニット１０２と、状態測定ユニット１１０と、目標運動設定ユニット１１１と、目標位相差設定ユニット１１２と、第１振動子生成ユニット１２０と、固有角速度設定ユニット１３０と、第２振動子生成ユニット１４０と、誘導振動子生成ユニット１５０とを備えている。各ユニットは、ハードウェアとしてのＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、信号入力回路、信号出力回路等と、ＣＰＵ等に対して諸機能を付与するソフトウェアとしての本発明の「制御プログラム」とにより構成されている（以下同様）。なお、各ユニットは、それぞれ別個のＣＰＵ等により構成されていてもよく、共通のＣＰＵ等により構成されていてもよい。
【００４０】
運動振動子測定ユニット１０２は、股関節角度センサ２１２の出力に基づき、ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子として股関節角度（「第２運動振動子」にも該当する。）φHを測定する。また、運動振動子測定ユニット１０２は、股関節角度センサ２１２の出力に基づき、ユーザの運動スケールに応じた運動振動子の時間微分値である第４運動振動子として股関節角速度（「第１運動振動子」にも該当する。）ｄφH／ｄｔを測定する。
【００４１】
状態測定ユニット１１０は、ユーザの歩行状態と、ｎ個の運動振動子によってｎ次元空間に描かれる軌道パターンとの対応関係をメモリから読み取る。この上で、状態測定ユニット１１０は、この対応関係と、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度ｄφH／ｄｔを含むｎ個の運動振動子によってｎ次元空間に描かれる軌道パターンとに基づき、ユーザの「歩行状態」を判定する。
【００４２】
目標運動設定ユニット１１１は状態測定ユニット１１０によって判定された「歩行状態」に応じ、ユーザの目標運動とするリズムおよびスケール、具体的には当該目標リズムおよびスケールに関する係数等を設定する。
【００４３】
目標位相差設定ユニット１１２は状態測定ユニット１１０によって判定された「歩行状態」に応じ、ユーザの運動振動子と、歩行補助装置２００による誘導振動子（トルク）Ｔとの目標位相差θdを設定する。
【００４４】
第１振動子生成ユニット１１０は運動振動子測定ユニット１０２により測定された「第１運動振動子」としての股関節角速度ｄφH／ｄｔと固有角速度ωMとに基づき、「第１モデル」にしたがって第１振動子ｘを生成する。
【００４５】
固有角速度設定ユニット１３０は、第１位相差設定ユニット１３１と、第２位相差設定ユニット１３２と、相関係数設定ユニット１３３と、第１角速度設定ユニット１３４と、第２角速度設定ユニット１３５とを備えている。
【００４６】
第１位相差設定ユニット１３１は股関節角速度ｄφH／ｄｔの角速度ωHと、ファン・デル・ポル方程式に含まれる固有角速度ωMに基づいて定まる角速度で振動する第１振動子ｘとの位相差を第１位相差θHMとして設定する。
【００４７】
第２位相差設定ユニット１３２は２つの振動子、すなわち、仮想運動振動子θhと仮想誘導振動子θmとの関係を表す「仮想モデル」にしたがって仮想運動振動子θhと仮想誘導振動子θmとの位相差を第２位相差θhm（＝θh−θm）として設定する。
【００４８】
相関係数設定ユニット１３３は、第２位相差設定ユニット１３２により設定された第２位相差θhmが、第１位相差設定ユニット１３１により設定された第１位相差θHMに近づくように仮想運動振動子θhと仮想誘導振動子θmとの相関係数εを設定する。
【００４９】
第１角速度設定ユニット１３４は、相関係数設定ユニット１３３により設定された相関係数εに基づき、仮想運動振動子θhの角速度ωhを設定する。
【００５０】
第２角速度設定ユニット１３５は、第１角速度設定ユニット１３４により設定された仮想運動振動子θhの角速度ωhに基づき、第２位相差設定ユニット１３２により設定された第２位相差θhmが、目標位相差設定ユニット１１２により設定された目標位相差θdに近づくように仮想誘導振動子θmの角速度ωmを新たな固有角速度ωMとして設定する。
【００５１】
第２振動子生成ユニット１４０は、運動振動子測定ユニット１０２により測定された「第２運動振動子」としての股関節角度φHと、固有角速度設定ユニット１３０により設定された新たな固有角速度ωMとに基づき「第２モデル」にしたがって第２振動子ｙを生成する。
【００５２】
誘導振動子生成ユニット１５０は、固有角速度設定ユニット１３０により設定された固有角速度ωMと、第２振動子生成ユニット１４０により生成された第２振動子ｙとに基づき、歩行補助装置２００による誘導振動子ｚを生成する。
【００５３】
前記構成の歩行補助装置およびその制御システム１００の機能について図２〜図４を用いて説明する。
【００５４】
運動振動子測定ユニット１０２が、股関節角度センサ２１２の出力に基づき、ユーザの左右の股関節角度（「第２運動振動子」および「第３運動振動子」の両方に該当する。）φH＝（φHL，φHR）を測定する（図２／ｓ１０１）。また、運動振動子測定ユニット１０２が、股関節角度センサ２１２の出力に基づき、ユーザの左右の股関節角速度（「第１運動振動子」および「第４運動振動子」の両方に該当する。）ｄφH／ｄｔ＝（ｄφHL／ｄｔ，ｄφHR／ｄｔ）を測定する（図２／ｓ１０２）。
【００５５】
さらに、状態測定ユニット１１０が、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度（ｄφH／ｄｔ）を含むｎ（ｎ＝１、２、‥）個の運動振動子に基づいてユーザの歩行状態を判定する（図２／ｓ１１０）。具体的には、状態測定ユニット１１０は、メモリ（図示略）から歩行状態と、ｎ個の運動振動子によってｎ次元空間に描かれる軌道パターンとの対応関係を読み取る。そして、状態測定ユニット１１０は、この対応関係と、ｎ個の運動振動子によってｎ次元空間に描かれるパターンとに基づき「歩行状態」を判定する。ユーザの歩行状態には、ユーザがほぼ平坦な床面を歩行する「平地歩行状態」、ユーザが坂または階段を昇る「上昇歩行状態」およびユーザがある坂または階段を下る「下降歩行状態」並びにユーザがゆっくりと歩行する「スロー歩行状態」およびユーザが速く歩行する「クイック歩行状態」等が含まれ得る。
【００５６】
なお、歩行状態測定用の運動振動子として、ユーザの股関節角度φHや、膝関節、足関節、肩関節、肘関節の角度や角速度、角加速度、脚体の一部の位置、さらには歩行者の着地音、呼吸音、意図的な発声音等、歩行運動リズムと連関したリズムで変動する種々のパラメータが測定されてもよい。
【００５７】
また、目標運動設定ユニット１１１が、状態測定ユニット１１０によって判定された「歩行状態」に応じ、ユーザの目標運動とするリズムおよびスケール、具体的には当該目標リズムおよびスケールに関する後述の係数等を設定する（図２／ｓ１１１）。
【００５８】
さらに、目標位相差設定ユニット１１２が、状態測定ユニット１１０により判定された「歩行状態」に基づき、目標位相差θd＝（θdL，θdR）を設定する（図２／ｓ１１２）。たとえば、ユーザが「平地歩行状態」にあるとの判定結果に応じて目標位相差θdが「０」に設定される。また、ユーザが「上昇歩行状態」にあるとの判定結果に応じて目標位相差θdが負の値（たとえば０．５［ｒａｄ］以下）に設定される。さらに、ユーザが「下降歩行状態」にあるとの判定結果に応じて目標位相差θdが正の値（たとえば＋０．３［ｒａｄ］以上）に設定される。また、ユーザが「クイック歩行状態」にあるとの判定結果に応じて目標位相差θdが負の値（たとえば０．２［ｒａｄ］以下）に設定される。さらに、ユーザが「スロー歩行状態」にあるとの判定結果に応じて目標位相差θdが正の値（たとえば＋０．５［ｒａｄ］以上）に設定される。なお、目標位相差θdの左右各成分θdLおよびθdRは同一であっても異なっていてもよい。
【００５９】
さらに、第１振動子生成ユニット１２０が、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度ｄφH／ｄｔおよび固有角速度ωM＝（ωML，ωMR）に基づき第１モデルにしたがって第１振動子ｘ＝（ｘL，ｘR）を生成する（図２／ｓ１２０）。「第１モデル」は左右の脚体等、複数の第１要素の相関関係を表現するモデルである。具体的には「第１モデル」は入力振動信号と相互に引き込み合うことで固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号（当該第１要素の出力振動信号）を生成するモデルである。第１モデルは、だとえば式（１）のファン・デル・ポル（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐｏｌ）方程式（「第１連立方程式」に該当する。）によって表現される。第１振動子生成ユニット１２０によって股関節角速度（第１運動振動子）ｄφH／ｄｔ＝（ｄφHL／ｄｔ，ｄφHR／ｄｔ）が当該入力振動信号として第１モデルに入力されることにより、当該出力振動信号として第１振動子ｘ＝（ｘL、ｘR）が生成される。
【００６０】
（ｄ2ｘL／ｄｔ2）＝ξ（１−ｘL2）（ｄｘL／ｄｔ）
−ωML2ｘL＋ｇ（ｘL−ｘR）＋Ｋ（ｄφHL／ｄｔ），
（ｄ2ｘR／ｄｔ2）＝ξ（１−ｘR2）（ｄｘR／ｄｔ）
−ωMR2ｘR＋ｇ（ｘR−ｘL）＋Ｋ（ｄφHR／ｄｔ）  ‥（１）
【００６１】
ここで「ξ」は第１振動子ｘおよびその１回時間微分（ｄｘ／ｄｔ）がｘ−（ｄｘ／ｄｔ）平面で安定なリミットサイクルを描くように設定される係数（＞０）である。ｇは左右の脚体（複数の第１要素）の相関関係を第１モデルにしたがって生成される複数の（第１要素の）出力振動信号の関係に反映させるための第１相関係数である。Ｋはフィードバック係数である。なお、固有角速度ωMは、歩行補助装置２００による実際の歩行補助リズム（歩行誘導リズム）から大きく外れない範囲で任意に設定されてよい。
【００６２】
第１振動子ｘ＝（ｘL，ｘR）はルンゲ・クッタ法により設定生成される。第１振動子ｘの成分ｘLおよびｘRはそれぞれ左右の脚体に関する仮想的な歩行補助リズムを表す。また、第１振動子ｘはファン・デル・ポル方程式の１つの性質である「相互引き込み」により、実際の歩行運動リズムとほぼ同じのリズム（角速度）で時間変化する股関節角速度ｄφH／ｄｔのリズムと調和しながらも「固有角速度」ωMに基づいて定まる自律的なリズムをもって時間変化または振動するという性質がある。
【００６３】
なお、股関節角速度ｄφH／ｄｔに代えてまたは加えて、股関節角度φHや、膝関節、足関節、肩関節、肘関節の角度や角速度、さらには歩行者の着地音、呼吸音、断続的な発声音等、ユーザの歩行運動リズム（運動リズム）が反映されたリズムで変動する種々の第１運動振動子に基づき、第１振動子ｘが生成されてもよい。
【００６４】
また、式（１）で表現されるファン・デル・ポル方程式とは異なる形のファン・デル・ポル方程式によって第１モデルが表現されてもよく、股関節角速度ｄφH／ｄｔ等の入力振動信号と相互引き込み効果をもって出力振動信号が生成されうるあらゆる方程式によって第１モデルが表現されてもよい。
【００６５】
続いて、固有角速度設定ユニット１１０が、目標位相差設定ユニット１１２により設定された目標位相差θdと、第１振動子設定ユニット１１０により生成された第１振動子ｘとに基づき、仮想的な２つの振動子が含まれている仮想モデルにしたがって固有角速度ωMを新たに設定する（図２／ｓ１３０）。
【００６６】
具体的には、まず、第１位相差測定ユニット１３１が、左右各成分について、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度ｄφH／ｄｔの位相θHと、第１振動子設定ユニット１１０により生成された第１振動子ｘの位相θMとの位相差θH−θMを、第１位相差θHMとして設定する（図２／ｓ１３１）。たとえば、図３に示されているように、（ｄφH／ｄｔ）＝０かつ（ｄ2φH／ｄｔ2）＞０となる時点（・・，ｔid，ｔid+1，‥）と、ｘ＝０かつ（ｄｘ／ｄｔ）＞０となる時点との時間差に応じ、股関節角速度（ｄφH／ｄｔ）の位相θHと第１振動子ｘの位相θMとの位相差（第１位相差）θHM（＝θH−θM）が設定される。
【００６７】
次に、第２位相差設定ユニット１３２が、過去３歩行周期にわたって第１位相差設定ユニット１３１により設定された第１位相差θHMが一定であったことを要件として、左右各成分について、次式（２．１）および（２．２）によって表される「仮想モデル」にしたがって、次式（２．３）によって表される仮想運動振動子θhと仮想誘導振動子θmとの位相差θh−θmを第２位相差θhmとして設定する（図２／ｓ１３２）。
【００６８】
ｄθh／ｄｔ＝ωh＋ε・ｓｉｎ（θm−θh）  ‥（２．１）
ｄθm／ｄｔ＝ωm＋ε・ｓｉｎ（θh−θm）  ‥（２．２）
θhm＝ａｒｃｓｉｎ［（ωh−ωm）／２ε］  ‥（２．３）
【００６９】
ここで、ε＝（εL，εR）は仮想モデルにおける仮想運動振動子θh＝（θhL，θhR）および仮想誘導振動子θm＝（θmL，θmR）の左右成分ごとの相関係数である。また、ωhは仮想運動振動子θhの角速度であり、ωmは仮想誘導振動子θmの角速度である。
【００７０】
続いて、相関係数設定ユニット１３３が、第１位相差設定ユニット１３１により設定された第１位相差θHMと、第２位相差設定ユニット１３２により設定された第２位相差θhmとの差θHM−θhmが最小になるように相関係数εを設定する（図２／ｓ１３３）。
【００７１】
具体的には次式（２．４）にしたがって、左右各成分について、股関節角速度（第１運動振動子）ｄφH／ｄｔが０となる離散的な時間（・・，ｔid-1，ｔid，ｔid+1，・・）（図３参照）における相関係数εが逐次設定される。
【００７２】
ε（ｔid+1）＝ε（ｔid）−η｛Ｖ1（ｔid+1）−Ｖ1（ｔid）｝／｛ε（ｔid）−ε（ｔid-1）｝，
Ｖ（ｔid+1）≡（１／２）｛θHM（ｔid+1）−θhm（ｔid）｝2  ‥（２．４）
【００７３】
ここで、η＝（ηL，ηR）の各成分は、第１位相差θHMの左右各成分と、第２位相差θhmの左右各成分とを近づけるポテンシャルＶ＝（ＶＬ，ＶＲ）の安定性を表す係数である。
【００７４】
次に、第１角速度設定ユニット１３４が、相関係数設定ユニット１３３により設定された相関係数εに基づき、仮想誘導振動子θｍの固有角速度ωｍが一定であるという条件下で、左右各成分について、第１および第２位相差の差θHM−θhmの各成分が最小となるように仮想運動振動子θｈの角速度ωｈを次式（２．５）にしたがって設定する（図２／ｓ１３４）。
【００７５】
ωh（ｔid）＝−α∫ｄｔ・（［４ε（ｔid）2−｛ωh（ｔ）−ωm（ｔid）｝2］1/2
×ｓｉｎ［ａｒｃ-1｛（ωh（ｔ）−ωm（ｔid-1））／２ε（ｔid）｝−θHM（ｔid）］）
‥（２．５）
【００７６】
ここで、α＝（αL，αR）の各成分は系の安定性を表す係数である。
【００７７】
続いて、第２角速度設定ユニット１３５が、左右各成分について、第１角速度設定ユニット１３４により設定された仮想運動振動子θhの角速度ωhに基づき、仮想誘導振動子θmの角速度ωmを新たな固有角速度ωMとして設定する（図２／ｓ１３５）。具体的には、第２角速度設定ユニット１３５が、左右各成分について、第２位相差θhmが目標位相差θdに近づくように、次式（２．６）にしたがって仮想誘導振動子θmの角速度ωm＝（ωmL，ωmR）を設定する。
【００７８】
ωm（ｔid）＝β∫ｄｔ・（［４ε（ｔid）2−｛ωh（ｔid）−ωm（ｔ）｝2）
×ｓｉｎ［ｓｉｎ-1｛（ωh（ｔid）−ωm（ｔ））／２ε（ｔid）｝−θd］）‥（２．６）
【００７９】
ここで、β＝（βL，βR）の各成分は系の安定性を表す係数である。
【００８０】
続いて、第２振動子生成ユニット１４０が、運動振動子測定ユニット１０２により測定された「第２運動振動子」としての股関節角度φHと、固有角速度設定ユニット１３０により設定された新たな固有角速度ωMとに基づき、第２モデルにしたがって第２振動子ｙ＝（ｙL+，ｙL-，ｙR+，ｙR-）を生成する（図２／ｓ１４０）。「第２モデル」は複数の神経要素等、複数の第２要素の相関関係を表現するモデルである。具体的には「第２モデル」は入力振動信号に応じて当該新たな固有角速度ωMに基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号（当該第２要素の出力振動信号）を生成するモデルである。第２モデルはたとえば次式（３）の連立微分方程式（「第２連立方程式」に該当する。）により表現される。当該連立微分方程式には左大腿部の屈曲方向（前方）および伸展方向（後方）のそれぞれへの運動を支配する神経要素Ｌ＋およびＬ−、並びに右大腿部の屈曲方向および伸展方向のそれぞれへの運動を支配する神経要素Ｒ＋およびＲ−の膜電位の変動に対応する状態変数ｕi（ｉ＝Ｌ＋，Ｌ−，Ｒ＋，Ｒ−）と、神経要素ｉの順応効果が反映される自己抑制因子ｖiとが含まれている。第２振動子生成ユニット１４０により、股関節角度（第２運動振動子）φHが当該入力振動信号として第２モデルに入力されることにより、当該出力振動信号として第２振動子ｙが生成される。
【００８１】
τ1L+・ｄｕL+／ｄｔ
＝−ｕL+＋ｗL+/L-ｙL-＋ｗL+/R+ｙR+−λLｖL+＋ｆ1（ωML）＋ｆ2（ωML）Ｋ（φL），
τ1L-・ｄｕL-／ｄｔ
＝−ｕL-＋ｗL-/L+ｙL+＋ｗL-/R-ｙR-−λLｖL-＋ｆ1（ωML）＋ｆ2（ωML）Ｋ（φL），
τ1R+・ｄｕR+／ｄｔ
＝−ｕR+＋ｗR+/L+ｙL+＋ｗR+/R-ｙR-−λRｖR+＋ｆ1（ωMR）＋ｆ2（ωMR）Ｋ（φR），
τ1R-・ｄｕR-／ｄｔ
＝−ｕR-＋ｗR-/L-ｙL-＋ｗR-/R+ｙR+−λRｖR-＋ｆ1（ωMR）＋ｆ2（ωMR）Ｋ（φR），
τ2i・ｄｖi／ｄｔ＝−ｖi＋ｙi，
ｙi＝Ｈ（ｕi−ｕth），Ｈ≡０（ｕi＜ｕth），１（ｕi≧ｕth）または
＝ｆｓ（ｕi）≡１／｛１＋ｅｘｐ（−ｕi／ξ）｝  ‥（３）
【００８２】
ここで、τ1iは状態変数ｕiの変化特性を規定する時定数であり、左右各成分について、次式（３．１）によって表されているように、新たな固有角速度ωMへの依存性を有する。
【００８３】
τ1i≡ｔ（ωML）／ωML−γL  （ｉ＝Ｌ＋，Ｌ−），
≡ｔ（ωMR）／ωMR−γR  （ｉ＝Ｒ＋，Ｒ−）‥（３．１）
【００８４】
ｔ（ω）はω依存性を有する係数である。γ＝（γL，γR）は定数である。
【００８５】
また、τ2iは自己抑制因子ｖiの変化特性を規定する時定数である。さらに、ｗi/j（＜０）は複数の第２要素（神経要素）ｉおよびｊの相関関係を第２モデルにしたがって生成される複数の（第２要素の）出力振動信号の相関関係に反映させるための第２相関係数（定数）である。「λL」および「λR」は慣れ係数である。Ｋは股関節角度φHに応じたフィードバック係数である。
【００８６】
「ｆ1」および「ｆ2」はそれぞれ次式（３．２）および（３．３）により定義される関数である。
【００８７】
ｆ1（ω）≡ｃ・ω（ｃ＞０）  ‥（３．２）
ｆ2（ω）≡ｃ0＋ｃ1ω＋ｃ2ω2  ‥（３．３）
【００８８】
新たな固有角速度ωMの関数であるｆ1（ωM）およびｆ2（ωM）の係数ｃ，ｃ0，ｃ1，ｃ2は、目標運動設定ユニット１１１によって設定された目標となる運動リズムに応じた係数として設定されうる。
【００８９】
なお、股関節角度φHに代えてまたは加えて、股関節角速度ｄφH／ｄｔや、膝関節、足関節、肩関節、肘関節の角度や角速度、さらには歩行者の着地音、呼吸音、意図的な発声音等、歩行運動リズムと連関したリズムで変動する種々の第２運動振動子に基づき、第２振動子ｙiが生成されてもよい。
【００９０】
第２振動子ｙiは、状態変数ｕiの値が閾値ｕth未満である場合は０、状態変数ｕiの値が閾値ｕth以上である場合はこのｕiの値をとる。或いは、第２振動子ｙiは、シグモイド関数ｆｓによって定義されている（式（３）参照）。これにより、大腿部の屈曲方向（前方）への動きについてはこの動きを支配する第２要素（神経要素）Ｌ＋、Ｒ＋の出力である第２振動子ｙL+およびｙR+が、他の第２要素の出力よりも大きくなる。また、大腿部の伸展方向（後方）への動きについてはこの動きを支配する第２素子Ｌ−、Ｒ−の出力である第２振動子ｙL-およびｙR-が、他の第２要素の出力よりも大きくなる。脚体（大腿部）の前方または後方への動きは、たとえば、股関節角速度ｄφH／ｄｔの極性によって識別される。
【００９１】
次に、誘導振動子生成ユニット１５０が、運動振動子測定ユニット１０２によって測定された股関節角度φHと、運動振動子測定ユニット１０２によって測定された股関節角速度ｄφH／ｄｔと、第２振動子生成ユニット１４０により生成された第２振動子ｙiと、固有角速度設定ユニット１３０によって設定された新たな固有角速度ωMとに基づき、誘導振動子ｚを設定する（図２／ｓ１５０）。
【００９２】
具体的には、次式（４）にしたがって第１誘導振動子ｚ1が生成される（図２／ｓ１５１）。
【００９３】
ｚ1L＝ｇ1+（ωML）ｇ+（φHL）ｙL+−ｇ1-（ωML）ｇ-（φHL）ｙL-，
ｚ1R＝ｇ1+（ωMR）ｇ+（φHR）ｙR+−ｇ1-（ωMR）ｇ-（φHR）ｙR-  ‥（４）
【００９４】
ここで「ｇ1+」「ｇ1-」「ｇ+」および「ｇ-」は次式（４．１）〜（４．４）のそれぞれによって定義される関数である。
【００９５】
ｇ1+（ω）≡Σkａk+ωk  （ａk+：係数，ｋ＝０〜３）‥（４．１）
ｇ1-（ω）≡Σkａk-ωk  （ａk-：係数，ｋ＝０〜３）‥（４．２）
ｇ+（φ）≡ｃ1+（φ−φ0+）＋ｃ2+（φ−φ0+）3  
（ｃ1+，ｃ2+：係数，φ0+：屈曲方向の股関節角度φHの目標値）‥（４．３）
ｇ-（φ）≡ｃ1-（φ−φ0-）＋ｃ2-（φ−φ0-）3  
（ｃ1-，ｃ2-：係数，φ0-：伸展方向の股関節角度φHの目標値）‥（４．４）
【００９６】
第１誘導振動子ｚ1は、第１係数ｇ1+およびｇ1-をそれぞれバネ係数（弾性係数）とする、図４に示されている２つの仮想的なバネＧ1+およびＧ1-の弾性力として把握される。すなわち、第１誘導振動子ｚ1は、第１係数ｇ1+，ｇ1-を弾性係数（バネ係数）とし、かつ、股関節角度（第３運動振動子）φHの値を目標値φ0+およびφ0-に復元させる仮想的なバネ等の弾性要素による弾性力として表現される。これにより、筋肉の収縮状態から伸展状態への移行時の弾性力等、ユーザの身体の弾性要素が反映されたリズムおよびスケールをもってユーザの運動が誘導されうる。
【００９７】
一方の仮想的なバネＧ1+による弾性力は、そのバネ係数ｇ1+に応じて股関節角度φHをその目標値φ0+に近付けるようにユーザの大腿部に作用する（式（４）参照）。すなわち、股関節角度φHが目標値φ0+未満である場合、バネＧ1+による弾性力が股関節角度φHを増加させる方向（前方）に大腿部を動かすようにこの大腿部に作用する。また、股関節角度φHが目標値φ0+を超えた場合、バネＧ1+による弾性力が、股関節角度φHを減少させる方向（後方）に大腿部を動かすようにこの大腿部に作用する。
【００９８】
また、他方の仮想的なバネＧ1-による弾性力は、そのバネ係数ｇ1-に応じて、股関節角度φHをこの目標値φ0-に近付けるようにユーザの大腿部に作用する（式（４）参照）。すなわち、股関節角度φHが目標値φ0-を超えている場合、バネＧ1-による弾性力が、股関節角度φHを減少させる方向（後方）に大腿部を動かすようにこの大腿部に作用する。また、股関節角度φHが目標値φ0-を下回った場合、バネＧ1-による弾性力が股関節角度φHを増加させる方向（前方）に大腿部を動かすようにこの大腿部に作用する。
【００９９】
また、前記のように大腿部の前方への動きおよび後方への動きの別に応じて複数の第２要素ｉ（＝Ｌ＋，Ｌ−，Ｒ＋，Ｒ−）のうち一部から偏重的に出力があるので、２つの仮想的なバネＧ1+およびＧ1-のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避される。
【０１００】
すなわち、左の大腿部が前方に動いているとき、この動きを支配する第２要素Ｌ＋に応じた第２振動子ｙL+の値が他の第２要素Ｌ−に応じた第２振動子ｙL-の値より大きくなって、式（４）により表されている第１誘導振動ｚ1Lが次式（４ａ）のように表される（または近似される）。
【０１０１】
ｚ1L＝ｇ1+（ωmL）ｇ+（φHL）ｙL+  ‥（４ａ）
【０１０２】
このため、左の大腿部が前方に動いているとき、２つの仮想的なバネＧ1+およびＧ1-のそれぞれの弾性力のうち、股関節角度φHを前側の目標値φ0+に近付けるようにユーザの大腿部に作用するバネＧ1+の弾性力が偏重的に反映されることとなる。これにより、２つの仮想的なバネＧ1+およびＧ1-のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避される。
【０１０３】
また、左の大腿部が後方に動いているとき、この動きを支配する第２要素Ｌ−の出力が他の第２要素Ｌ＋の出力より大きくなり、これによって第２要素Ｌ−に応じた第２振動子ｙL-の値が第２要素Ｌ＋に応じた第２振動子ｙL+の値より大きくなって、式（４）によって表されている第１誘導振動子ｚ1Lは次式（４ｂ）のように表される（または近似される）。
【０１０４】
ｚ1L＝−ｇ1-（ωmL）ｇ-（φHL）ｙL-  ‥（４ｂ）
【０１０５】
このため、左の大腿部が後方に動いているとき、２つの仮想のバネＧ1+およびＧ1-のそれぞれの弾性力のうち、股関節角度φHを後側の目標値φ0-に近付けるようにユーザの大腿部に作用する仮想のバネＧ1-の弾性力が偏重的に反映されることとなる。これにより、２つの仮想的なバネＧ1+およびＧ1-のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避される。これは、右の脚体（大腿部）の動きについても同様である。
【０１０６】
なお、股関節角速度ｄφH／ｄｔを変数とするシグモイド関数ｆｓ（式（３）参照）が第１係数ｇ1+，ｇ1-に組み込まれ、これにより股関節角速度ｄφH／ｄｔの極性により特定される大腿部の前後への動きの別に応じて、複数の第２要素ｉの出力としての第２振動子ｙiのうち一部が偏重的に反映された形で第１トルクＴ1が生成されてもよい。これによっても、２つの仮想的なバネＧ1+およびＧ1-のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避されうる。
【０１０７】
股関節角度φHの目標値φ0+およびφ0-は、目標運動設定ユニット１１１により設定される目標となる運動スケール（歩幅）に応じてユーザの股関節角度φHを含む脚体の姿勢の幾何学的条件にしたがって設定される。また、固有角速度ωMの関数である第１係数ｇ1+（ωM）およびｇ1-（ωM）のそれぞれに含まれる係数ａk+およびａk-は、目標運動設定ユニット１１１により設定される目標となる運動リズム（歩行率（＝単位時間（たとえば１分間）当たりの歩数））に応じた係数として設定されうる。
【０１０８】
なお、股関節角度φHの目標値φ0+およびφ0-は、歩行補助装置２００に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、ユーザによって設定された目標とする「歩幅」に基づき、ユーザの股関節角度φHを含む脚体の姿勢の幾何学的条件にしたがって設定されてもよい。また、第１係数ｇ1+（ωM）およびｇ1-（ωM）のそれぞれに含まれる係数ａk+およびａk-は、歩行補助装置２００に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、ユーザによって設定された目標とする「歩行率」に応じて設定されてもよい。
【０１０９】
さらに、次式（５）にしたがって第２誘導振動子ｚ2が設定される（図２／ｓ１５２）。
【０１１０】
ｚ2L＝−ｇ2+（ωmL）（ｄφHL／ｄｔ）Ｈ+（φHL）ｙL+
＋ｇ2-（ωmL）（ｄφHL／ｄｔ）Ｈ-（φHL）ｙL-，
ｚ2R＝−ｇ2+（ωmR）（ｄφHR／ｄｔ）Ｈ+（φHR）ｙR+
＋ｇ2-（ωmR）（ｄφHR／ｄｔ）Ｈ-（φHR）ｙR-‥（５）
【０１１１】
ここで「ｇ2+」「ｇ2-」「Ｈ+」および「Ｈ-」は次式（５．１）〜（５．４）のそれぞれによって定義される関数である。
【０１１２】
ｇ2+（ω）≡Σkｂk+ωk  （ｂk+：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．１）
ｇ2-（ω）≡Σkｂk-ωk  （ｂk-：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．２）
Ｈ+（φ）≡０（φ≦０），１（φ＞０）  ‥（５．３）
Ｈ-（φ）≡０（φ＞０），１（φ≦０）  ‥（５．４）
【０１１３】
第２誘導振動子ｚ2は、第２係数ｇ2+およびｇ2-をそれぞれダンパ係数（減衰係数）とする、図４に示されている２つの仮想的なダンパＧ2+およびＧ2-の減衰力として把握される。すなわち、第２誘導振動子ｚ2は第２係数ｇ2+，ｇ2-を減数係数（ダンパ係数）とし、かつ、股関節角速度（第４運動振動子）ｄφH／ｄｔに応じて股関節角度（第３運動振動子）φHの絶対値の増大を抑制する仮想的なダンパ等の減衰要素による減衰力として表現される。これにより、筋肉の伸展状態から屈曲状態への移行時の粘性力等、ユーザの身体の減衰要素が反映されたリズムおよびスケールをもってユーザの運動が誘導されうる。
【０１１４】
一方の仮想的なダンパＧ2+による減衰力は、そのダンパ係数ｇ2+および股関節角速度ｄφH／ｄｔに応じて、前側（屈曲側）への股関節角度φHの絶対値の増大を抑制するようにユーザの大腿部に作用する（式（５）参照）。すなわち、仮想的なダンパＧ2+による減衰力は、大腿部の前方への過剰な動きを抑制するようにこの大腿部に作用する。
【０１１５】
また、他方の仮想的なダンパＧ2-による弾性力は、そのダンパ係数ｇ2-および股関節角速度ｄφH／ｄｔに応じて後側（伸展側）への股関節角度φHの絶対値の増大を抑制するようにユーザの大腿部に作用する（式（５）参照）。すなわち、仮想的なダンパＧ2-による減衰力は、大腿部の後方への過剰な動きを抑制するようにこの大腿部に作用する。
【０１１６】
また、第２誘導振動子ｚ2には、股関節角度φHの関数としての階段関数Ｈ+，Ｈ-が含まれている。したがって、２つの仮想的なダンパＧ2+およびＧ2-のそれぞれの減衰力が相殺される事態が回避される。
【０１１７】
固有角速度ωMの関数である第２係数ｇ2+（ωM）およびｇ2-（ωM）のそれぞれに含まれる係数ｂk+およびｂk-は、目標運動設定ユニット１１１により設定される目標となる運動リズムに応じた係数として設定されうる。なお、当該係数ｂk+およびｂk-は、歩行補助装置２００に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、ユーザによって設定された目標とする「歩行率」に応じて設定されてもよい。
【０１１８】
そして、誘導振動子生成ユニット１５０により生成された第１誘導振動子ｚ1＝（ｚ1L，ｚ1R）と、第２誘導振動子ｚ2＝（ｚ2L，ｚ2R） とを含む誘導振動子ｚ（＝ｚ1＋ｚ2）に応じた電流Ｉ＝（ＩL，ＩR）が電池２０６から左右のアクチュエータ２１０にそれぞれ供給され、ユーザの大腿部に力（股関節回りのトルク）Ｔ＝（ＴL，ＴR）が作用する。
【０１１９】
以後、前記処理（図２／ｓ１０１，ｓ１０２，・・，ｓ１５０）が繰り返されることで、歩行者は歩行補助装置２００によって股関節回りのトルクＴが作用している状態で歩行する。
【０１２０】
前記機能を発揮する本発明の歩行補助装置２００およびその制御システム１００によれば、主に次の理由により、ユーザの運動リズムをその目標とする運動リズムに一致させるようにユーザの運動が誘導されうる。
【０１２１】
すなわち、股関節角速度（第１運動振動子）ｄφH／ｄｔが入力振動信号として第１モデルに入力されることにより、第１モデルの出力振動信号としての第１振動子ｘが生成される。「第１モデル」は入力振動信号と相互に引き込み合うことで固有角速度ωMに基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成するモデルである。これにより、「第１振動子」はファン・デル・ポル方程式（式（１）参照）の性質である「相互引き込み」の効果によってユーザの股関節角速度（第１運動振動子）ｄφH／ｄｔのリズムと調和しながら、固有角速度ωMに基づいて定まる自律的なリズムまたは角速度をもって振動または時間変化する。
【０１２２】
しかるに、第１振動子ｘは、ユーザの歩行運動リズムと装置によるその運動の誘導リズムとの調和を図りながらユーザの歩行運動リズムを目標運動リズムに一致させる観点から、ユーザの股関節角速度ｄφH／ｄｔと不適当な位相差を有している可能性がある。したがって、第１振動子ｘから直接的に誘導振動子ｚが生成された場合、この誘導振動子ｚに応じた角速度で時間変化する股関節回りのトルクＴによって誘導されたユーザの歩行運動リズムが、目標リズムから乖離してしまうおそれがある。
【０１２３】
そこで、仮想的な仮想モデルにおける２つの振動子θhおよびθmの関係がユーザの股関節角速度ｄφH／ｄｔと第１振動子ｘとの位相差（第１位相差）θHMを目標位相差θdに近づけるように設定される。詳細には、第１位相差θHMと当該２つの振動子θhおよびθmの位相差（第２位相差）θhmとの差が最小になるように仮想モデルにおける相関係数εが設定される（図２／ｓ１３３）。また、当該２つの振動子θhおよびθmの位相差（第２位相差）θhmを目標位相差θdに近づけるように２つの振動子θhおよびθmの角速度ωhおよびωmが設定され、後者が新たな固有角速度ωMとして設定される（図２／ｓ１３４，ｓ１３５）。これにより、新たな固有角速度ωMは、股関節角速度ｄφH／ｄｔにより特定されるユーザの運動リズムとの調和の、目標位相差θdに応じた調和を図りながら、ユーザの運動リズムを目標運動リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当するものとなる。その後、新たな固有角速度ωMが反映された形での第１振動子ｘの生成（図２／ｓ１１０）が繰り返されることにより、第１振動子ｘのリズムと股関節角速度ｄφH／ｄｔ等の第１運動振動子のリズムとの調和を図りながら、第１位相差θHMの目標位相差θdからの偏差を徐々に減少させることができる。これにより、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化への誘導振動子ｚひいてはトルクＴの追従性を、ユーザに違和感等を与えない観点から適当なものとし、ユーザの運動リズムを目標運動リズムに適度なペースで徐々に一致させることができる。
【０１２４】
続いて、股関節角度（第２運動振動子）φHが入力振動信号として第２モデルに入力され、第２モデルからの出力振動信号として第２振動子ｙが生成される。「第２モデル」は入力振動信号に基づき、新たな固有角速度ωMに基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成するモデルである。これにより、当該新たに設定された固有角速度ωMひいては出力振動信号の時定数τ1i（ωML）が反映された形でに基づいて定まる角速度で時間変化する第２振動子ｙiが生成される（図２／ｓ１４０）。さらに、第２振動子ｙiを含むに基づいて誘導振動子ｚが生成される（図２／ｓ１５０）。これにより、この誘導振動子ｚに応じて大腿部に作用するトルクＴによって誘導されたユーザの運動リズムと誘導リズムとを調和させながら、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させることができる。これは、歩行補助装置２００による誘導リズムがユーザの運動リズムに調和し、かつ、ユーザの運動リズムも歩行補助装置２００による誘導リズムに調和するという形のユーザ（人間）と装置（機械）との調和（相互の歩み寄り）を意味する。
【０１２５】
また、ユーザの運動振動子と歩行補助装置２００による誘導振動子ｚとの位相差が、正の目標位相差に一致するようにユーザの運動が誘導されることにより、ユーザは歩行補助装置２００を先導する形で歩行（運動）することができる。さらに、ユーザの運動振動子と歩行補助装置２００による誘導振動子ｚとの位相差が、負の目標位相差に一致するようにユーザの運動が誘導されることにより、ユーザは歩行補助装置２００によって先導される形で歩行（運動）することができる。
【０１２６】
前記機能を発揮する本発明の歩行補助装置２００およびその制御システム１００によれば、主に次の理由により、ユーザの運動スケールをその目標とするスケールに一致させるようにユーザの運動が誘導されうる。
【０１２７】
すなわち、第１誘導振動子ｚ1に含まれている第１係数ｇ1+，ｇ1-は、ユーザの股関節角度（第３運動振動子）φHをその目標値φ0+，φ0-に近付けるための仮想的なバネの弾性係数を表す。また、第１係数ｇ1+，ｇ1-は固有角速度ωM（＝仮想誘導振動子θmの角速度ωm）に応じたものである（式（４．１）（４．２）参照）。固有角速度ωMは前記のようにユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当する。
【０１２８】
さらに、第２誘導振動子ｚ2に含まれている第２係数ｇ2+，ｇ2-は、股関節角度φHの絶対値の増大を抑制する仮想的なダンパの減衰係数を表す。また、第２係数ｇ2+，ｇ2-は固有角速度ωMに応じたものである（式（５．１）（５．２）参照）。固有角速度ωMは前記のようにユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当する。
【０１２９】
したがって、新たな固有角速度ωMに応じた第１係数ｇ1+（ωM），ｇ1-（ωM）が反映された形で第１誘導振動子ｚ1が生成され、かつ、固有角速度ωMに応じた第２係数ｇ2+（ωM），ｇ2-（ωM）が反映された形で第２誘導振動子ｚ2が生成されることで、ユーザの運動リズムと誘導振動子ｚのリズムとの調和、およびユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図りながら、ユーザの運動スケールが目標スケールに近付くようにユーザの運動が誘導されうる。
【０１３０】
以上のように、本発明の歩行補助装置（運動誘導装置）２００によれば、ユーザの運動のリズムおよびスケールをその目標とするリズムおよびスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を誘導しうる。
【０１３１】
また、ユーザの歩行状態に応じて、このユーザの目標運動リズムおよびスケールに応じた係数（φ0+，φ0-，ａk+，ａk-，ｂk+，ｂk-，・・）等が設定される（図２／ｓ１１１）。したがって、ユーザの運動リズムおよびスケールを、このユーザの「歩行状態」に応じた目標リズムおよびスケールのそれぞれに一致させる観点から適当なリズムおよびスケールをもってユーザの運動が誘導されうる。
【０１３２】
さらに、ユーザの歩行状態に応じて、目標位相差θdが設定される（図２／ｓ１１２）。したがって、ユーザの股関節角速度ｄφH／ｄｔと歩行補助装置２００による誘導振動子ｚ（ひいては股関節回りのトルクＴ）との位相差が、ユーザの「歩行状態」に応じた目標位相差θdに近づくように、このユーザの運動が誘導されうる。これにより、ユーザの歩行状態の変動に応じて、ユーザの運動リズムを目標リズムに近づける観点から適当なリズムでユーザの運動が誘導（補助）される。
【０１３３】
また、複数の第１要素の相関関係を表現する第１モデルにしたがって、第１要素の出力振動信号として第１振動子ｘが生成される（式（１），図２／ｓ１２０）。これにより、ユーザの実際の運動に関係する複数の第１要素の相関関係を第１モデルにおける複数の出力振動信号の関係を表す第１相関係数ｇに反映させることで、当該複数の第１要素の相関関係に鑑みて適当な第１振動子ｘが生成されうる。たとえば複数の第１要素として左右の脚体や同一脚体の複数の関節が想定された場合、交互に前後に動く等の左右の脚体の定性的関係や股関節回りの脚体運動と膝関節回りの脚体運動との周期や位相差等の同一脚体の関節間の定性的関係等が反映された形で第１振動子ｘが生成される。したがって、ユーザの運動を誘導する誘導振動子のリズムおよびスケールを当該関係に鑑みて適当なものとすることができる。
【０１３４】
さらに、複数の第２要素の相関関係を表現する第２モデルにしたがって、第２要素の出力振動信号として第２振動子ｙiが生成される（式（３），図２／ｓ１４０）。これにより、ユーザの実際の運動に関係する現実の複数の第２要素の相関関係を第２モデルにしたがって生成される複数の（第２要素の）出力振動信号の相関関係を表す第２相関係数ｗi/jに反映させることで、当該複数の第２要素の相関関係に鑑みて適当な第２振動子が生成されうる。たとえば複数の第２要素としてユーザの複数の神経（ニューロン）が想定された場合、左右の脚体による歩行を支配するニューロン間の定性的関係等が反映された形で第２振動子ｙiが生成される。したがって、ユーザの運動を誘導する誘導振動子のリズムおよびスケールを当該関係に鑑みて適当なものとすることができる。
【０１３５】
ここで、ユーザの運動のリズムおよびスケールをその目標とするリズムおよびスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を誘導しうるという本発明の歩行補助装置２００の作用効果について、図５および図６を用いて説明する。
【０１３６】
この作用効果は、図５および図６にそれぞれ示されている「歩行率」−「歩幅」平面において原点を通る直線（たとえば、直線Ｌ1，Ｌ2）の傾きとして表現される「歩行比（＝歩幅／歩行率）」が、目標とする歩行比に一致することを意味する。これは、歩行率および歩幅がそれぞれユーザの歩行（運動）のリズムおよびスケールを表しているため、ユーザの歩行運動リズムおよびスケールが目標リズムおよびスケールにそれぞれ一致した場合、ユーザの歩行運動リズムおよびスケールの相関関係が目標リズムおよびスケールの相関関係に一致することになるからである。
【０１３７】
たとえばユーザが図５に示されている双曲線ｖにより表される「速度（＝歩行率×歩幅）」、並びに双曲線ｖ上の点ｓにより表される「歩行率」および「歩幅」で歩行している状態を考える。双曲線ｖにより表される速度が目標として設定され、かつ、直線Ｌ1により表される歩行比が目標として設定されている場合、当該双曲線ｖおよび直線Ｌ1の交点ｓ1により表される歩行率および歩幅をもってユーザが歩行するように、歩行補助装置２００によってユーザの動きが誘導（補助）される（図５／矢印Ａ１参照）。すなわち、ユーザの歩行状態は、歩行速度が維持されたまま、大股でゆっくりと歩行する状態へと徐々に誘導される。また、この状態で双曲線ｖにより表される速度が目標として設定され、かつ、直線Ｌ2により表される歩行比が目標として設定されている場合、反比例曲線ｖおよび直線Ｌ2の交点ｓ2により表される歩行率および歩幅をもってユーザが歩行するように、歩行補助装置２００によってユーザの動きが誘導（補助）される（図５／矢印Ａ２）。これにより、ユーザの歩行状態は、歩行速度が維持されたまま、ユーザが小股でせわしなく歩行する状態へと徐々に誘導される。
【０１３８】
また、たとえば、ユーザが図６に示されている点ｓにより表される「歩行率」および「歩幅」で歩行している状態を考える。点ｓを通る縦直線により表される歩行率が目標として設定され、かつ、直線Ｌ1により表される歩行比が目標として設定されている場合、当該縦直線および直線Ｌ1の交点ｓ1により表される歩行率および歩幅をもってユーザが歩行するように、歩行補助装置２００によってユーザの動きが誘導（補助）される（図６／矢印Ａ１参照）。すなわち、ユーザの歩行状態は、ユーザが歩行リズムを維持したまま大股で歩行する状態へと徐々に誘導される。また、この状態で点ｓを通る縦直線により表される歩行率が目標として設定され、かつ、直線Ｌ2により表される歩行比が目標として設定されている場合、当該縦直線および直線Ｌ2の交点ｓ2により表される歩行率および歩幅をもってユーザが歩行するように、歩行補助装置２００によってユーザの動きが誘導（補助）される（図６／矢印Ａ２）。これにより、ユーザの歩行状態は、ユーザが歩行リズムを維持したまま小股で歩行する状態へと徐々に誘導される。
【０１３９】
続いて、本発明の歩行補助装置２００の前記作用効果に関する実験結果について、図７〜図９を用いて説明する。
【０１４０】
この実験に際して目標歩行比は「０．００７２」に設定された。そして、図１に示されている歩行補助装置２００が装着されたユーザが、図７に示されているようにその速度を変化させながら歩行した。すなわち、このユーザは、最初ほぼ一定速度で歩行し、その後で加速歩行し、若干減速歩行した後で再び加速歩行し、その後で減速歩行して最後はほぼ一定速度で歩行した。
【０１４１】
この結果、ユーザの歩行比は図８に示されているように、ユーザの歩行速度の加減速に応じてその目標値である０．００７２から若干ずれるものの、この目標値にほぼ収束するような形で変化した。すなわち、歩行率−歩幅平面におけるユーザの歩行状態を表す点の軌跡は、図９に示されているように、目標歩行比０．００７２を表す直線に収束するように描かれる。この実験結果から明らかなように、本発明の歩行補助装置（運動誘導装置）２００によれば、ユーザの歩行運動リズムおよびスケールが、その目標とするリズムおよびスケールに一致するように、ユーザの歩行が誘導されうる。
【０１４２】
なお、前記実施形態ではユーザの歩行が誘導されたが、他の実施形態としてユーザの他の動作が補助されてもよい。たとえば、自動車等の製品の製造に関する手作業が誘導される場合、ユーザは誘導振動子にしたがうことで、目標とする動きのリズムおよび動きのスケール（または力加減）をもって作業することができる。目標となる運動のリズムおよびスケールが、熟練作業者等の手作業に基づいて設定されている場合、このユーザに熟練作業者の微妙な手の動きや力加減等を実感させ、その技術を早期に修得させることができる。
【０１４３】
前記実施形態では誘導振動子ｚに応じた左右の股関節回りのトルクＴ＝（ＴL，ＴR）がユーザの身体に作用させられたが、他の実施形態として膝関節、足関節、肩関節、肘関節、手根関節等、種々の関節回りのトルクがユーザの身体に作用させされてもよい。トルク作用対象となる関節の組合せは、ユーザに応じてさまざまに変更されてもよい。また、他の実施形態として、ヘッドホン等の聴覚装置（図示略）を介して歩行者が聴覚的に知覚可能な誘導振動子ｚに応じた周期的な音や、ゴーグル等の視覚装置（図示略）を介して知覚可能な誘導振動子ｚに応じた周期的な光または標識や、マッサージ機器等により歩行者が背中や肩等の身体の一部の触覚を介して知覚可能な誘導振動子ｚに応じた周期的な叩き（ノック）等がユーザに対して付与されてもよい。
【０１４４】
測定対象となる運動振動子の種類が多くなるほどファン・デル・ポル方程式等の第１振動子ｘの生成に応じた非線形微分方程式（式（１））や、第２振動子ｙiの生成に応じた非線形微分方程式（式（３））における相関項は多くなるが、当該相関係数の調節によってユーザの身体の様々な部分の動きに鑑みた一層緻密な運動の誘導が実現される。
【０１４５】
前記実施形態ではユーザの「歩行状態（運動状態）」が測定され、この測定結果に応じて目標運動リズムおよびスケールに係る係数（φ0+，φ0-，ａk+，ａk-，ｂk+，ｂk-，・・）および目標位相差θdが設定されたが（図２／ｓ１１０，ｓ１１１，ｓ１１２）、他の実施形態としてユーザの「生理状態」が測定され、この測定結果に応じて目標運動リズムおよびスケールに係る係数および目標位相差θdが設定されてもよい。ユーザの生理状態には、疲労度が高い状態や、疲労度が低い状態、心拍数や発汗量が多い状態や、心拍数等が少ない状態等が含まれる。
【０１４６】
また、歩行補助装置２００の制御システム１００が、状態測定ユニット１１０により判定されたユーザの運動状態および生理状態のうち一方または両方に応じて、第１モデルにおける第１相関係数ｇを調節する第１相関調節ユニットをさらに備えていてもよい。さらに、歩行補助装置２００の制御システム１００が、状態測定ユニット１１０により判定されたユーザの運動状態および生理状態のうち一方または両方に応じて、第２モデルにおける第２相関係数ｗi/jを調節する第２相関調節ユニットをさらに備えていてもよい。
【０１４７】
本発明の運動誘導装置によれば、左右の脚体等、現実の複数の第１要素の関係または複数の第２要素の関係がユーザの「運動状態」や「生理状態」に応じて変動するという事情が反映された形で、ユーザの状態に応じてユーザの運動が適当なリズムおよびスケールをもってリアルタイムで誘導されうる。
【図面の簡単な説明】
【０１４８】
【図１】本発明の運動誘導装置およびその制御システムの構成例示図
【図２】本発明の運動誘導装置およびその制御システムの機能例示図
【図３】運動振動子と第１振動子との関係例示図
【図４】誘導振動子生成に関する仮想的なバネおよびダンパの説明図
【図５】本発明の運動誘導装置の作用効果に関する概念説明図
【図６】本発明の運動誘導装置の作用効果に関する概念説明図
【図７】本発明の運動誘導装置の作用効果に関する実験結果の説明図
【図８】本発明の運動誘導装置の作用効果に関する実験結果の説明図
【図９】本発明の運動誘導装置の作用効果に関する実験結果の説明図
【符号の説明】
【０１４９】
１００‥コンピュータ（制御システム）、１０２‥運動振動子測定ユニット、１１０‥状態測定ユニット、１１１‥目標運動設定ユニット、１１２‥目標位相差設定ユニット、１２０‥第１振動子生成ユニット、１３０‥固有角速度設定ユニット、１３１‥第１位相差設定ユニット、１３２‥第２位相差設定ユニット、１３３‥相関係数設定ユニット、１３４‥第１角速度設定ユニット、１３５‥第２角速度設定ユニット、１４０‥第２振動子生成ユニット、１５０‥誘導振動子生成ユニット、２００‥歩行補助装置（運動誘導装置）、２１０‥アクチュエータ、２１２‥股関節角度センサ