(57)【要約】【課題】ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化後の運動リズムに応じた適当なリズムでユーザの運動を誘導し得る装置等を提供する。【解決手段】本発明の歩行補助装置２００によれば、ユーザの股関節角速度（運動振動子）ｄφH／ｄｔ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、股関節角速度ｄφH／ｄｔと第１振動子ｘとの位相差θHMに基づき、新たな固有角速度ωMが設定される。さらに、固有角速度ωMが反映されたリズムで振動する第２振動子ｙが生成される。そして、第２振動子ｙに基づいて誘導振動子ｚが生成され、誘導振動子ｚに応じたトルクがユーザの身体に作用する。また、股関節角速度ｄφH／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δを超えた場合、固有角速度ωMに代えて第１振動子ｘの角速度ωM1が反映されたリズムで振動する第２振動子ｙが生成される。【選択図】  図２
2007061527.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、新たな固有角速度を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振動子に基づき、誘導振動子を生成する誘導振動子生成手段とを備え、
第２振動子生成手段が、運動振動子測定手段により測定された運動振動子の周期変化の大きさが閾値を超えた場合、固有角速度設定手段により設定された固有角速度に代えて、運動振動子測定手段により測定された運動振動子の角速度と、第１振動子生成手段により生成された第１振動子の角速度とのうち一方または両方が反映されたリズムで振動する第２振動子を生成することを特徴とする運動誘導装置。
【請求項２】
ユーザの運動および生理状態のうち一方また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および生理状態のうち一方または両方に応じて、前記閾値を設定する閾値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３】
ユーザの運動および生理状態のうち一方または両方を測定する状態測定手段と、状態測定手段により測定されたユーザの運動および生理状態のうち一方または両方に応じて運動振動子の角速度と第１振動子の角速度との重みを設定する重み設定手段とをさらに備え、
第２振動子生成手段が、運動振動子の角速度と第１振動子の角速度との、重み設定手段により設定された重み付き平均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、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のスケールに応じた運動振動子を、ユーザの運動の目標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ことを特徴とする請求項１、２または３記載の運動誘導装置。
【請求項５】
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、第１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４記載の運動誘導装置。
【請求項６】
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ポテンシャルとが含まれている第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、２、３、４または５記載の運動誘導装置。
【請求項７】
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６記載の運動誘導装置。
【請求項８】
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、新たな固有角速度を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振動子に基づき、誘導振動子を生成する誘導振動子生成手段とを備え、
第２振動子生成手段が、運動振動子測定手段により測定された運動振動子の周期変化の大きさが閾値以上になった場合、固有角速度設定手段により設定された固有角速度に代えて、運動振動子測定手段により測定された運動振動子の角速度と、第１振動子生成手段により生成された第１振動子の角速度とのうち一方または両方が反映されたリズムで振動する第２振動子を生成することを特徴とする制御システム。
【請求項９】
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、新たな固有角速度を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振動子に基づき、誘導振動子を生成する誘導振動子生成機能と、
第２振動子生成機能の一部として、運動振動子測定機能により測定された運動振動子の周期変化の大きさが閾値以上になった場合、固有角速度設定機能により設定された固有角速度に代えて、運動振動子測定機能により測定された運動振動子の角速度と、第１振動子生成機能により生成された第１振動子の角速度とのうち一方または両方が反映されたリズムで振動する第２振動子を生成する機能とを、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。
【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、およ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、ユーザがその歩行運動リズムを急に変化させた場合、歩行補助装置による歩行補助リズムがこの急な変化に追従せず、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。すなわち、ユーザの運動を誘導するリズムが、このユーザの運動リズムの急な変化に追従せず、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、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化後の運動リズムに応じた適当なリズムで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、およ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、新たな固有角速度を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振動子に基づき、誘導振動子を生成する誘導振動子生成手段とを備え、第２振動子生成手段が、運動振動子測定手段により測定された運動振動子の周期変化の大きさが閾値を超えた場合、固有角速度設定手段により設定された固有角速度に代えて、運動振動子測定手段により測定された運動振動子の角速度と、第１振動子生成手段により生成された第１振動子の角速度とのうち一方または両方が反映されたリズムで振動する第２振動子を生成することを特徴とする。
【０００７】
本発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動リズムの変化が小さい場合、すなわち、運動振動子の周期変化の大きさが閾値以下である場合、次のようにユーザの運動が誘導される。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。
【０００８】
まず「相互引き込み」の効果により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「第１振動子」が生成される。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、この第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となる。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】
したがって、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振動子に基づいて「誘導振動子」が生成されることにより、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】
一方、ユーザの運動リズムの変化が大きい場合、すなわち、運動振動子の周期変化の大きさが閾値を超えた場合、「固有角速度」に代わって「運動振動子の角速度」および「第１振動子の角速度」のうち一方または両方に基づいて第２振動子が生成される。
【００１２】
運動振動子の角速度に基づいて第２振動子が生成されるとき、第１振動子の生成および固有角速度の設定処理が省略され得る。第１運動振動子の角速度、または運動振動子の角速度および第１振動子の角速度に基づいて第２振動子が生成されるとき、固有角速度の設定処理が省略され得る。このようにユーザの運動リズムの変化が小さい場合に実行される処理の一部が省略される分、運動振動子が測定されてから誘導振動子が生成され、この誘導振動子がユーザに対して供給されるまでの時間が短縮され得る。
【００１３】
但し、運動振動子または第１振動子から直接的に誘導振動子が生成された場合、ユーザの運動リズムの急な変化に応じて運動誘導装置による誘導リズムが過剰に運動リズムから乖離してしまい、ユーザに著しい違和感を与えるおそれがある。これは、ユーザの運動リズムの変化が大きく、ユーザの運動リズムが目標リズムから大きく乖離している可能性が高い状況ではより顕著なものとなる。
【００１４】
したがって、前記のように運動振動子の角速度および第１振動子の角速度のうち一方または両方に応じて「第２振動子」が生成され、この第２振動子に基づいて「誘導振動子」が生成されることで、運動リズムと誘導リズムとの著しい乖離が抑制され得る。
【００１５】
また、運動振動子の角速度には、ユーザの運動リズムが直接的に反映されている。さらに、前記のように運動振動子との「相互引き込み」の効果により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第１振動子の角速度にもユーザの運動リズムが強く反映されている。このため、運動振動子の角速度および第１振動子の角速度のうち一方または両方が反映された第２振動子のリズムは、急に変化したユーザの運動リズムが反映されたものとなる。したがって、この第２振動子に基づいて「誘導振動子」が生成されることで、この誘導振動子のリズムが、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観点から適当なものになり得る。
【００１６】
以上のように、本発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化後の運動リズムに応じた適当なリズムをもってユーザの運動が誘導され得る。
【００１７】
また、本発明の運動誘導装置は、ユーザの運動および生理状態のうち一方また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および生理状態のうち一方または両方に応じて、前記閾値を設定する閾値設定手段とをさらに備えていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の運動誘導装置によれば、ユーザの「運動状態」や「生理状態」によっては、ユーザの運動リズムの変化への運動誘導装置による誘導リズムの応答性を高くした方がよい場合がある一方、この応答性を低くしたほうがよい場合があることに鑑み、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閾値が設定される。
【００１９】
その上で、ユーザの運動リズムの変化が大きく変化した場合、すなわち、運動振動の周期変化の大きさがこの閾値を超えた場合、前記のように固有角速度の設定処理等が省略された上で、誘導振動子が生成され得る。また、固有角速度ではなく運動振動子の角速度および第１振動子の角速度のうち一方または両方が反映されたリズムで振動する「第２振動子」が生成され、この第２振動子に基づいて「誘導振動子」が生成される。これにより、ユーザの運動リズムの変化に対する運動誘導装置による誘導リズムの応答性が、このユーザの運動状態や生理状態に鑑みて適当なものに調節され得る。
【００２０】
なお、ユーザの「運動状態」には、坂や階段を昇る上昇歩行状態、ほぼ平坦地を歩行する平地歩行状態、坂や階段を下る下降歩行状態、速く歩行するクイック歩行状態、遅く歩行するスロー歩行状態等が含まれ得る。また、ユーザの「生理状態」には、疲労度が高い状態、疲労度が低い状態、心拍数や発汗量が多い状態や、心拍数が少ない状態等が含まれ得る。
【００２１】
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のスケールに応じた運動振動子を、ユーザの運動の目標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ことを特徴とする。
【００２２】
本発明の運動誘導装置によれば、「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。したがって、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、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、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。
【００２３】
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、第１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。
【００２４】
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、ユーザの身体部分の弾性要素の特性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補助され得る。
【００２５】
また、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ポテンシャルとが含まれている第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。
【００２６】
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。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、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、第２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、ユーザの身体部分の減衰要素の特性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補助され得る。
【００２９】
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、新たな固有角速度を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振動子に基づき、誘導振動子を生成する誘導振動子生成手段とを備え、第２振動子生成手段が、運動振動子測定手段により測定された運動振動子の周期変化の大きさが閾値以上になった場合、固有角速度設定手段により設定された固有角速度に代えて、運動振動子測定手段により測定された運動振動子の角速度と、第１振動子生成手段により生成された第１振動子の角速度とのうち一方または両方が反映されたリズムで振動する第２振動子を生成することを特徴とする。
【００３０】
本発明の制御システムによれば、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化後の運動リズムに応じた適当なリズムをもってユーザの運動が誘導され得るように運動誘導装置が制御される。
【００３１】
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、新たな固有角速度を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振動子に基づき、誘導振動子を生成する誘導振動子生成機能と、第２振動子生成機能の一部として、運動振動子測定機能により測定された運動振動子の周期変化の大きさが閾値以上になった場合、固有角速度設定機能により設定された固有角速度に代えて、運動振動子測定機能により測定された運動振動子の角速度と、第１振動子生成機能により生成された第１振動子の角速度とのうち一方または両方が反映されたリズムで振動する第２振動子を生成する機能とを、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。
【００３２】
本発明の制御プログラムによれば、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化後の運動リズムに応じた適当なリズムをもってユーザの運動が誘導され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。
【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、並びにその制御システムおよ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。
【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、図２は本発明の運動誘導装置の機能例示図、図３は本発明の運動誘導装置の他の機能例示図、図４は運動振動子と第１基本振動子との関係例示図、図５は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６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補助装置（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（例えば、腰部装具２０２を構成する複数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に対して歩行補助装置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】
制御システムは、運動振動子測定ユニット１０２と、判定ユニット１０４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、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ、信号入力回路および信号出力回路等の組み合わせと、ＣＰＵ等より構成されるコンピュータ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「運動振動子」としてユーザの運動スケールに応じた股関節角度φHと、その時間微分である股関節角速度ｄφH／ｄｔとを測定する。
【００４１】
判定ユニット１０４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の周期変化の大きさが閾値δを超えているか否かを判定する。
【００４２】
第１振動子生成ユニット１２０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」にしたがって第１振動子ｘを生成する。
【００４３】
固有角速度設定ユニット１３０は、股関節角速度ｄφH／ｄｔと、第１振動子ｘとの位相差に基づき、固有角速度ωMを新たに設定する。
【００４４】
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。
【００４５】
誘導振動子生成ユニット１５０は、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に基づき、誘導振動子ｚを生成し、誘導振動子ｚに応じたトルクＦを歩行補助装置２００にユーザに対して作用させる。
【００４６】
前記構成の歩行補助装置およびその制御システムの機能について図２〜図３を用いて説明する。
【００４７】
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ｄφH／ｄｔ＝（ｄφHL／ｄｔ，ｄφHR／ｄｔ）を測定する（図２／ｓ１０２）。
【００４８】
さらに、判定ユニット１０４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の周期変化の大きさが閾値δを超えているか否かを判定する。例えば、図４に示されているように、（ｄφH／ｄｔ）＝０且つ（ｄ2φH／ｄｔ2）＞０となる隣り合う２つの時点ｔidおよびｔid+1の間隔が股関節角速度（ｄφＨ／ｄｔ）の周期とされ、周期変化の大きさ｛（ｔid+2−ｔid+1）−（ｔid+1−ｔid）｝が閾値δを超えているか否かが判定される。
【００４９】
判定ユニット１０４により股関節角速度ｄφH／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δ以下であると判定された場合、次の手順にしたがって誘導振動子ｚが生成される。
【００５０】
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。
【００５１】
（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（歩行補助リズム）から大きく外れない範囲で任意に設定されてよい。
【００５２】
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、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、実際の歩行リズムと略同等のリズム（角速度）で時間変化する股関節角速度（運動振動子）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。
【００５３】
なお、股関節角速度（第２運動振動子）ｄφH／ｄｔに代えてまたは加えて、股関節角度（第１運動振動子）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。
【００５４】
また、「第１モデル」は、式（１）により表現されるファン・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表現されてもよい。
【００５５】
続いて、固有角速度設定ユニット１３０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）と、第１振動子生成ユニット１２０により生成された第１振動子ｘとに基づき新たな固有角速度ωMを設定する（図２／ｓ１３０）。
【００５６】
具体的には、左右各成分について、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θH−θMが、第１位相差θHMとして設定される（図２／ｓ１３１）。例えば、図４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。
【００５７】
次に、過去３歩行周期にわたって第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が、第２位相差θhmとして設定される（図２／ｓ１３２）。
【００５８】
（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）
ここで、εは仮想モデルにおける仮想運動振動子θhおよび仮想誘導振動子θm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。
【００５９】
続いて、第１位相差θHMと、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が設定される（図２／ｓ１３３）。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（運動振動子）ｄφH／ｄｔが０となる離散的な時間（・・，ｔid-1，ｔid，ｔid+1，・・）（図４参照）における相関係数εが逐次設定される。
【００６０】
ε（ｔid+1）
＝ε（ｔid）−η｛Ｖ（ｔid+1）−Ｖ（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。
【００６１】
次に、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が次式（２．５）にしたがって設定される（図２／ｓ１３４）。
【００６２】
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。
【００６３】
続いて、左右各成分について、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が、新たな固有角速度ωMとして設定される（図２／ｓ１３５）。具体的には、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）が設定される。
【００６４】
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。
【００６５】
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、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）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とを含む、次の連立微分方程式（３）によって表現される。
【００６６】
τ1L+・ｄｕL+／ｄｔ
＝−ｕL+＋ｗL+/L-ｙL-＋ｗL+/R+ｙR+
−λLｖL+＋ｆ1（ωML）＋ｆ2（ωML）Ｋ（φHL），
τ1L-・ｄｕL-／ｄｔ
＝−ｕL-＋ｗL-/L+ｙＬ＋＋ｗL-/R-ｙR-
−λLｖL-＋ｆ1（ωML）＋ｆ2（ωML）Ｋ（φHL），
τ1R+・ｄｕR+／ｄｔ
＝−ｕR+＋ｗR+/L+ｙL+＋ｗR+/R-ｙR-
−λRｖR+＋ｆ1（ωMR）＋ｆ2（ωMR）Ｋ（φHR），
τ1R-・ｄｕR-／ｄｔ
＝−ｕR-＋ｗR-/L-ｙL-＋ｗR-/R+ｙR+
−λRｖR-＋ｆ1（ωMR）＋ｆ2（ωMR）Ｋ（φHR），
τ2i・ｄｖi／ｄｔ＝−ｖi＋ｙi，
ｙi＝ｍａｘ（０，ｕi）  ‥（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）によって表されるように固有角速度ωMへの依存性を有する。
【００６７】
τ1i≡ｔ（ωML）／ωML−γL（ｉ＝Ｌ＋，Ｌ−），または
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。
【００６８】
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。また、ｗi/j（＜０）は仮想的な複数の第２要素（神経要素）ｉおよびｊの関係を表す第２相関係数（定数）であり、「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。
【００６９】
「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。
【００７０】
ｆ1（ω）≡ｃ・ω（ｃ＞０）  ‥（３．２）
ｆ2（ω）≡ｃ0＋ｃ1ω＋ｃ2ω2  ‥（３．３）
【００７１】
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。
【００７２】
次に、誘導振動子生成ユニット１５０が、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に基づき、誘導振動子ｚを生成する（図２／ｓ１５０）。具体的には、次式（４）にしたがって誘導振動子ｚが生成される。
【００７３】
ｚL＝  ｐ+ｙL+−ｐ-ｙL-，
ｚR＝−ｐ+ｙR+＋ｐ-ｙR-  ‥（４）
ここで、ｐ+およびｐ-は活性化係数を表している。
【００７４】
そして、誘導振動子生成ユニット１５０により生成された誘導振動子ｚ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、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（股関節回りのトルク）Ｆが作用する。
【００７５】
以後、前記処理（図２／ｓ１０１，ｓ１０２，・・，ｓ１５０）が繰り返されることで、ユーザは歩行補助装置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。
【００７６】
一方、判定ユニット１０４により股関節角速度ｄφH／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δを超えていると判定された場合、次の手順にしたがって誘導振動子ｚが生成される。この場合、固有角速度ωMの設定（図２／ｓ１３０）が省略され、第２振動子ｙが前記方法とは異なる方法で生成される。
【００７７】
すなわち、この場合、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ωMに代えて第１振動子生成ユニット１２０により生成された第１振動子ｘの角速度ωM1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３／ｓ１４０）。この上で、前記のようにこの第２振動子ｙに基づいて誘導振動子ｚが生成される（図３／ｓ１５０）。そして、誘導振動子ｚに応じた電流Ｉがアクチュエータ２１０に供給され、ユーザに対して股関節回りのトルクＦが付与される。
【００７８】
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によれば、ユーザの運動リズムの変化が小さい場合、すなわち、股関節角速度（運動振動子）ｄφH／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δ以下である場合、次のようにユーザの歩行運動が誘導（補助）される。
【００７９】
すなわち、まず、第１振動子ｘが生成される（図２／ｓ１２０）。第１振動子ｘは、ファン・デル・ポル方程式（式（１））の性質である「相互引き込み」の効果により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する。一方、第１振動子ｘは、ユーザの歩行リズムと歩行補助装置２００による誘導リズムとの調和を図りながら、ユーザの歩行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）に対して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によって誘導されたユーザの歩行リズムが目標リズムから乖離してしまうおそれがある。
【００８０】
そこで、ユーザの股関節角速度（ｄφH／ｄｔ）と第１振動子ｘとの位相差にθHMに応じて新たな固有角速度ωMが設定される（図２／ｓ１３０）。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、目標位相差θd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（仮想歩行補助振動子が該当する。）の角速度θmに相当するものとなる。
【００８１】
したがって、当該新たな固有角速度ωMが反映されたリズムで振動する第２振動子ｙが生成され（図２／ｓ１４０）、さらに第２振動子ｙに基づいて誘導振動子ｚが生成されることにより（図２／ｓ１５０）、この誘導振動子ｚ、ひいてはトルクＦによって誘導されたユーザの運動リズムと歩行補助装置２００による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。ユーザの運動リズムと歩行補助装置２００による誘導リズムとの調和により、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。
【００８２】
また、新たな固有角速度ωMが反映された形で新たな第１振動子ｘが生成されることが繰り返されることにより（図２／ｓ１２０）、第１振動子ｘのリズムと股関節角速度（運動振動子）ｄφH／ｄｔのリズムとの調和を図りながら、股関節角速度ｄφH／ｄｔと第１振動子ｘとの位相差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ひいてはユーザの身体に作用するトルクＦ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。
【００８３】
一方、ユーザの運動リズムの変化が大きい場合、すなわち、股関節角速度（運動振動子）ｄφH／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δを超えた場合、固有角速度ωMに代えて第１振動子ｘの角速度ωM1に基づき、第２モデルにしたがって第２振動子ｙが生成される（図３／ｓ１４０）。
【００８４】
第１運動振動子ｘの角速度ωM1に基づいて第２振動子ｙが生成されるとき、固有角速度ωMの設定処理（図２／ｓ１３０）が省略され得る。このようにユーザの運動リズムの変化が小さい場合に実行される処理の一部が省略される分、股関節角速度（運動振動子）（ｄφH／ｄｔ）が測定されてから、誘導振動子ｚが生成され、誘導振動子ｚに応じた力Ｆがユーザの大腿部に作用するまでの時間が短縮され得る。
【００８５】
但し、股関節角速度ｄφH／ｄｔ等の運動振動子または第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、ユーザの運動リズムの急な変化に応じて歩行補助装置２００による誘導リズムが過剰に運動リズムから乖離してしまい、ユーザに著しい違和感を与えるおそれがある。これは、ユーザの運動リズムの変化が大きく、ユーザの運動リズムが目標リズムから大きく乖離している可能性が高い状況ではより顕著なものとなる。
【００８６】
したがって、前記のように第１振動子ｘの角速度ωM1に応じて第２振動子ｙが生成され（図３／ｓ１４０）、この第２振動子ｙに基づいて誘導振動子ｚが生成されることで（図３／ｓ１５０）、ユーザの運動リズムと歩行補助装置２００による運動の誘導（補助）リズムとの著しい乖離が抑制され得る。
【００８７】
また、股関節角速度（運動振動子）（ｄφH／ｄｔ）の角速度には、ユーザの運動リズムが直接的に反映されている。さらに、前記のように「相互引き込み」の効果により股関節角速度（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する第１振動子ｘの角速度ωM1にもユーザの運動リズムが強く反映されている。このため、第１振動子ｘの角速度ωM1が反映された第２振動子ｙのリズムは、急に変化したユーザの運動リズムが反映されたものとなる。したがって、この第２振動子ｙに基づいて誘導振動子ｚが生成されることで（図３／ｓ１５０）、この誘導リズムが、ユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、こ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観点から適当なものになり得る。
【００８８】
以上のように、本発明の歩行補助装置２００およびその制御システムによれば、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化後の運動リズムに応じた適当なリズムをもってユーザの運動が誘導され得る。
【００８９】
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モデルにしたがって、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。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。
【００９０】
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モデルにしたがって、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。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。
【００９１】
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５を用いて説明する。
【００９２】
ユーザがほぼ一定のリズムで歩行した場合の歩行補助装置２００による誘導リズムの測定結果が図５（ａ）に示されている。この場合、ユーザの歩行周期（＝２π／（股関節角速度ｄφH／ｄｔの角速度θH））が図５（ａ）に実線で示されているようにほぼ一定に維持されている。また、歩行補助装置２００による誘導周期（歩行補助周期）は図５（ａ）に破線で示されているように、ユーザの歩行周期に追従している。
【００９３】
ユーザが歩行リズムを大きめに変化させながら歩行した場合の歩行補助装置２００による誘導リズムの測定結果が図５（ｂ）に示されている。この場合、ユーザの歩行周期が図５（ｂ）に実線で示されているように大きく変化している（図５（ｂ）矢印１〜３）。また、歩行補助装置２００による誘導周期は図５（ｂ）に破線で示されているように、大きく変化したユーザの歩行周期に追従して大きく変化している。
【００９４】
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、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化後の運動リズムに応じた適当なリズムをもってユーザの運動が誘導され得る。
【００９５】
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による自動車等の製品の製造に関する手作業等、他の動作が補助されてもよい。
【００９６】
前記実施形態では誘導振動子ｚに応じて左右の股関節回りのトルクＦ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、誘導振動子ｚに応じてユーザの身体に作用させられてもよい。トルクが作用する関節の組合せは、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周期的な叩き（ノック）等が、誘導振動子ｚに応じてユーザに対して与えられてもよい。
【００９７】
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。
【００９８】
前記実施形態では股関節角速度（ｄφH／ｄｔ）の周期変化の大きさが閾値δを超えている場合、固有角速度ωMに代えて第１振動子ｘの角速度ωM1に基づき、第２モデルにしたがって第２振動子ｙが生成されたが（図３／ｓ１４０）、他の実施形態として、この場合、固有角速度ωMに代えて股関節角速度ｄφH／ｄｔ等の運動振動子の角速度、または股関節角速度ｄφH／ｄｔ等の運動振動子の角速度および第１振動子ｘの角速度ωM1の平均値若しくは重み付き平均値に基づいて第２振動子ｙが生成されてもよい。
【００９９】
前記実施形態では式（４）にしたがって誘導振動子ｚが生成されたが、他の実施形態として次のような手順にしたがって誘導振動子ｚが生成されてもよい。
【０１００】
まず、次式（５）にしたがって第１誘導振動子ｚ1が生成される。
【０１０１】
ｚ1L＝ｇ1+（ωML）ｇ+（φHL）ｙL+
−ｇ1-（ωML）ｇ-（φHL）ｙL-，
ｚ1R＝ｇ1+（ωMR）ｇ+（φHR）ｙR+
−ｇ1-（ωMR）ｇ-（φHR）ｙR-  ‥（５）
ここで「ｇ1+」「ｇ1-」「ｇ+」および「ｇ-」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。
【０１０２】
ｇ1+（ω）≡Σkａk+ωk  （ａk+：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．１）
ｇ1-（ω）≡Σkａk-ωk  （ａk-：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．２）
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）‥（５．３）
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）‥（５．４）
【０１０３】
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６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。第１係数ｇ1+および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、ユーザの目標運動スケールに応じた目標値φ0+（＞０）および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（５．１）（５．２）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（ユーザの運動スケールに応じた運動振動子）φHの値を目標値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得る。
【０１０４】
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（５）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。
【０１０５】
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（５）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。
【０１０６】
股関節角度φHの目標値φ0+およびφ0-は、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、新たな固有角速度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+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、運動誘導装置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（６）にしたがって第２誘導振動子ｚ2が生成される。
【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-  ‥（６）
ここで「ｇ2+」「ｇ2-」「Ｈ+」および「Ｈ-」は次式（６．１）〜（６．４）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）‥（６．１）
ｇ2-（ω）≡Σkｂk-ωk  （ｂk-：係数，ｋ＝０〜３）‥（６．２）
Ｈ+（φ）≡０（φ≦０），１（φ＞０）  ‥（６．３）
Ｈ-（φ）≡０（φ＞０），１（φ≦０）  ‥（６．４）
【０１１１】
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-による減衰力として把握される。第２係数ｇ２＋および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（６．１）（６．２）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（ユーザの運動スケールに応じた運動振動子時間微分値）ｄφH／ｄｔ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得る。
【０１１２】
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+と、股関節角速度ｄφH／ｄｔとに応じて、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（６）参照）。すなわち、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。
【０１１３】
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-と、股関節角速度ｄφH／ｄｔとに応じて、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（６）参照）。すなわち、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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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+およびｂk-は、運動誘導装置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。
【０１１６】
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と、第２誘導振動子ｚ2とが合成されることで誘導振動子ｚ（＝ｚ1＋ｚ2）が生成される。
【０１１７】
当該他の実施形態の歩行補助装置２００によれば、次の理由により、ユーザの運動スケールが目標スケールに近づくように、ユーザの歩行運動等の運動が誘導（補助）され得る。
【０１１８】
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（ユーザの運動スケールに応じた運動振動子）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。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（５．１）（５．２）参照）。この固有角速度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。
【０１１９】
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、ユーザの股関節角度（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。第２係数ｇ2+，ｇ2-は固有角速度ωMに応じたものである（式（６．１）（６．２）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。
【０１２０】
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、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、ひいてはユーザの大腿部に作用する力Ｆ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得る。
【０１２１】
本発明の他の実施形態としての歩行補助装置２００の制御システムが、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を測定する状態測定ユニットと、状態測定ユニット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、前記閾値δを設定する閾値設定ユニットとをさらに備えていてもよい。ユーザの「運動状態」には、坂や階段を昇る上昇歩行状態、ほぼ平坦地を歩行する平地歩行状態、坂や階段を下る下降歩行状態、速く歩行するクイック歩行状態、遅く歩行するスロー歩行状態等が含まれ得る。また、ユーザの「生理状態」には、疲労度が高い状態、疲労度が低い状態、心拍数や発汗量が多い状態や、心拍数が少ない状態等が含まれ得る。
【０１２２】
当該構成の運動誘導装置によれば、ユーザの「運動状態」や「生理状態」によっては、ユーザの運動リズムの変化への運動誘導装置による誘導リズムの応答性を高くした方がよい場合がある一方、この応答性を低くしたほうがよい場合があることに鑑み、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閾値δが設定される。例えば、ユーザの運動状態によっては（例えば、下降歩行状態やクイック歩行状態）、ユーザの運動リズムの変化が大きくても、歩行補助装置２００による誘導リズムの応答性を低くした方がよい場合がある。その一方、ユーザの運動状態によっては（例えば、上昇歩行状態やスロー歩行状態）、ユーザの運動リズムの変化が小さくても、歩行補助装置２００による誘導リズムの応答性を高くしたほうがよい場合がある。
【０１２３】
その上で、ユーザの運動リズムの変化が大きく変化した場合、すなわち、股関節角速度ｄφH／ｄｔ等の運動振動子の周期変化の大きさがこの閾値δを超えた場合、前記のように固有角速度ωMの設定処理（図２／ｓ１３０）等が省略された上で、誘導振動子Ｔが生成され得る。また、固有角速度ωMではなく第１振動子ｘの角速度ωM1が反映されたリズムで振動する第２振動子ｙが生成され（図３／ｓ１４０）、この第２振動子ｙに基づいて誘導振動子ｚが生成される（図３／ｓ１５０）。これにより、ユーザの運動リズムの変化に対する歩行補助装置２００による歩行補助リズム（誘導リズム）の応答性が、このユーザの運動状態や生理状態に鑑みて適当なものに調節され得る。
【０１２４】
ユーザの歩行状態（運動状態）は、例えば、次のような手順で測定される。
【０１２５】
すなわち、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がメモリから読み取られる。この上で、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」が測定される。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。
【０１２６】
また、歩行補助装置２００の制御システムが、状態測定ユニット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の制御システムが、状態測定ユニット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。
【０１２７】
本発明の運動誘導装置２００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およびスケールをもってリアルタイムで誘導され得る。
【０１２８】
また、第１誘導振動子ｚ1および第２誘導振動子ｚ2が合成されることで誘導振動子ｚが生成される場合（式（５）（６）参照）、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、このユーザの運動の目標リズムおよびスケールに応じた係数（φ0+，φ0-，ａk+，ａk-，ｂk+，ｂk-，・・）等が設定されてもよい。これにより、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得る。
【０１２９】
さらに、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、目標位相差θdが設定されてもよい。これにより、ユーザの股関節角速度（運動振動子）ｄφH／ｄｔと歩行補助装置２００による誘導振動子ｚ（ひいてはトルク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。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【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】本発明の運動誘導装置およびその制御システムの他の機能例示図
【図４】運動振動子と第１基本振動子との関係例示図
【図５】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６】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
【符号の説明】
【０１３１】
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、１０４‥判定ユニット、１２０‥第１振動子生成ユニット、１３０‥固有角速度設定ユニット、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】
2007061527.tif 000003
【図２】
2007061527.tif 000004
【図３】
2007061527.tif 000005
【図４】
2007061527.tif 000006
【図５】
2007061527.tif 000007
【図６】
2007061527.tif 000008
【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、
該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子の周期変化の大きさが閾値以下である場合、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振動子を生成する一方、該第１運動振動子の周期変化の大きさが閾値を超えた場合、該第２モデルにおける該固有角速度を、該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子の角速度および該第１振動子生成手段により生成された該第１振動子の角速度のうち一方または両方に応じた角速度に置換した上で、当該置換後の該第２モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該第２運動振動子を入力することによって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第２振動子に基づき、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ユーザの身体運動に応じて時間変化する、前記ユーザの運動スケールを表すパラメータとしての第３運動振動子を測定し、
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前記ユーザの運動を誘導するための仮想的な弾性要素の弾性力を表す第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２記載の運動誘導装置。
【請求項４】
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３記載の運動誘導装置。
【請求項５】
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が含まれている前記第２誘導振動子を生成することを特徴とする請求項６記載の運動誘導装置。
【請求項６】
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７】
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２記載の運動誘導装置。
【請求項８】
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４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、ユーザがその歩行運動リズムを急に変化させた場合、歩行補助装置による歩行補助リズムがこの急な変化に追従せず、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。すなわち、ユーザの運動を誘導するリズムが、このユーザの運動リズムの急な変化に追従せず、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、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化後の運動リズムに応じた適当なリズムで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、該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子の周期変化の大きさが閾値以下である場合、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振動子を生成する一方、該第１運動振動子の周期変化の大きさが閾値を超えた場合、該第２モデルにおける該固有角速度を、該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子の角速度および該第１振動子生成手段により生成された該第１振動子の角速度のうち一方または両方に応じた角速度に置換した上で、当該置換後の該第２モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該第２運動振動子を入力することによって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第２振動子に基づき、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、ユーザの運動リズムの変化が小さい場合、すなわち、当該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運動振動子の周期変化の大きさが閾値以下である場合、次のようにユーザの運動が誘導される。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うる。
【０００８】
まず、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」との固有角速度が反映された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、この第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、ユーザの第１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位相差に応じて設定される。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。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】
一方、ユーザの運動リズムの変化が大きい場合、すなわち、第１運動振動子の周期変化の大きさが閾値を超えた場合、「固有角速度」に代わって「第１運動振動子の角速度」および「第１振動子の角速度」のうち一方または両方に基づいて第２振動子が生成される。具体的には、この場合、第２モデルにおける固有角速度が第１運動振動子の角速度および第１振動子の角速度のうち一方または両方に応じた角速度に置換される。その上で、固有角速度が当該角速度に置換された後の第２モデルに、第２運動振動子が入力されることによって該出力振動信号として第２振動子が生成される。
【００１２】
第１運動振動子の角速度に基づいて第２振動子が生成されるとき、第１振動子の生成および固有角速度の設定処理が省略されうる。第１運動振動子の角速度、または第１運動振動子の角速度および第１振動子の角速度に基づいて第２振動子が生成されるとき、固有角速度の設定処理が省略されうる。このようにユーザの運動リズムの変化が小さい場合に実行される処理の一部が省略される分、第１および第２運動振動子が測定されてから誘導振動子が生成され、この誘導振動子がユーザに対して供給されるまでの時間が短縮されうる。
【００１３】
ただし、第１運動振動子または第１振動子から直接的に誘導振動子が生成された場合、ユーザの運動リズムの急な変化に応じて運動誘導装置による誘導リズムが過剰に運動リズムから乖離してしまい、ユーザに著しい違和感を与えるおそれがある。これは、ユーザの運動リズムの変化が大きく、ユーザの運動リズムが目標リズムから大きく乖離している可能性が高い状況ではより顕著なものとなる。
【００１４】
したがって、前記のように第１運動振動子の角速度および第１振動子の角速度のうち一方または両方に応じて「第２振動子」が生成され、この第２振動子に基づいて「誘導振動子」が生成されることで、運動リズムと誘導リズムとの著しい乖離が抑制されうる。
【００１５】
また、第１運動振動子の角速度には、ユーザの運動リズムが直接的に反映されている。さらに、前記のように第１運動振動子との「相互引き込み」の効果により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第１振動子の角速度にもユーザの運動リズムが強く反映されている。このため、第１運動振動子の角速度および第１振動子の角速度のうち一方または両方が反映された第２振動子のリズムは、急に変化したユーザの運動リズムが反映されたものとなる。したがって、この第２振動子に基づいて「誘導振動子」が生成されることで、この誘導振動子のリズムが、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観点から適当なものになりうる。
【００１６】
以上のように、第１発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化後の運動リズムに応じた適当なリズムをもってユーザの運動が誘導されうる。
【００１７】
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ユーザの身体運動に応じて時間変化する、前記ユーザの運動スケールを表すパラメータとしての第３運動振動子を測定し、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前記ユーザの運動を誘導するための仮想的な弾性要素の弾性力を表す第１誘導振動子を生成し、該第１誘導振動子を含む誘導振動子を生成することを特徴とする。
【００１８】
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。
【００１９】
さらに、第３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。
【００２０】
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、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、ユーザの身体部分の弾性要素の特性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補助されうる。
【００２１】
また、第４発明の運動誘導装置は、第３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誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする。
【００２２】
第４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運動スケールに近付くようにユーザの運動が誘導されうる。
【００２３】
さらに、第５発明の運動誘導装置は、第４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が含まれている前記第２誘導振動子を生成することを特徴とする。
【００２４】
第５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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。
【００２６】
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、図２は本発明の運動誘導装置の機能例示図、図３は本発明の運動誘導装置の他の機能例示図、図４は運動振動子と第１基本振動子との関係例示図、図５は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６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る。
【００２７】
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。
【００２８】
図１に示されている歩行補助装置（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。
【００２９】
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。
【００３０】
図１に示されている制御システムは、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に対して歩行補助装置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。
【００３１】
制御システムは、運動振動子測定ユニット１０２と、判定ユニット１０４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、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ、信号入力回路および信号出力回路等の組み合わせと、ＣＰＵ等より構成されるコンピュータ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。
【００３２】
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「第２運動振動子」としてユーザの股関節角度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、「第１運動振動子」として股関節角速度ｄφH／ｄｔを測定する。
【００３３】
判定ユニット１０４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（第１運動振動子）ｄφH／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δを超えているか否かを判定する。
【００３４】
第１振動子生成ユニット１２０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。
【００３５】
固有角速度設定ユニット１３０は、股関節角速度（第１運動振動子）ｄφH／ｄｔと、第１振動子ｘとの位相差である第１位相差に基づき、固有角速度ωMを新たに設定する。
【００３６】
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。
【００３７】
誘導振動子生成ユニット１５０は、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に基づき、誘導振動子ｚを生成し、誘導振動子ｚに応じたトルクＴを歩行補助装置２００にユーザに対して作用させる。
【００３８】
前記構成の歩行補助装置およびその制御システムの機能について図２〜図３を用いて説明する。
【００３９】
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、「第２運動振動子」としてユーザの左右の股関節角度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、「第１運動振動子」としてユーザの左右の股関節角速度ｄφH／ｄｔ＝（ｄφHL／ｄｔ，ｄφHR／ｄｔ）を測定する（図２／ｓ１０２）。
【００４０】
さらに、判定ユニット１０４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（第１運動振動子）ｄφH／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δを超えているか否かを判定する。たとえば、図４に示されているように、（ｄφH／ｄｔ）＝０かつ（ｄ2φH／ｄｔ2）＞０となる隣り合う２つの時点ｔidおよびｔid+1の間隔が股関節角速度（ｄφＨ／ｄｔ）の周期とされ、周期変化の大きさ｛（ｔid+2−ｔid+1）−（ｔid+1−ｔid）｝が閾値δを超えているか否かが判定される。
【００４１】
判定ユニット１０４により股関節角速度ｄφH／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δ以下であると判定された場合、次の手順にしたがって誘導振動子ｚが生成される。
【００４２】
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、仮想的な複数の第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、たとえば次式（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。
【００４３】
（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）
【００４４】
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は第１モデルにおいて左右の脚体（複数の第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（歩行補助リズム）から大きく外れない範囲で任意に設定されてよい。
【００４５】
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、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、実際の歩行リズムと略同等のリズム（角速度）で時間変化する股関節角速度（運動振動子）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または角速度をもって時間変化または振動するという性質がある。
【００４６】
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。
【００４７】
また、「第１モデル」は、式（１）により表現されるファン・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表現されてもよい。
【００４８】
続いて、固有角速度設定ユニット１３０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と、第１振動子生成ユニット１２０により生成された第１振動子ｘとに基づき新たな固有角速度ωMを設定する（図２／ｓ１３０）。
【００４９】
具体的には、左右各成分について、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θH−θMが第１位相差θHMとして設定される（図２／ｓ１３１）。たとえば、図４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。
【００５０】
次に、過去３歩行周期にわたって第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が、第２位相差θhmとして設定される（図２／ｓ１３２）。
【００５１】
（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）
【００５２】
ここで、εは仮想モデルにおける仮想運動振動子θhおよび仮想誘導振動子θm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。
【００５３】
続いて、第１位相差θHMと第２位相差θhmとの差θHM−θhmが最小になるように相関係数εが設定される（図２／ｓ１３３）。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４参照）における相関係数εが逐次設定される。
【００５４】
ε（ｔid+1）＝ε（ｔid）−η｛Ｖ（ｔid+1）−Ｖ（ｔid）｝／｛ε（ｔid）−ε（ｔid-1）｝，
Ｖ（ｔid+1）≡（１／２）｛θHM（ｔid+1）−θhm（ｔid）｝2  ‥（２．４）
【００５５】
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。
【００５６】
次に、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が次式（２．５）にしたがって設定される（図２／ｓ１３４）。
【００５７】
ωh（ｔid）＝−α∫ｄｔ・（［４ε（ｔid）２−｛ωh（ｔ）−ωm（ｔid）｝2］1/2
×ｓｉｎ［ｓｉｎ-1｛（ωh（ｔ）−ωm（ｔid-1））／２ε（ｔid）｝−θHM（ｔid）］）
‥（２．５）
【００５８】
ここで、α＝（αL，αR）の各成分は系の安定性を表す係数である。
【００５９】
続いて、左右各成分について、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が、新たな固有角速度ωMとして設定される（図２／ｓ１３５）。具体的には、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）が設定される。
【００６０】
ωm（ｔid）＝β∫ｄｔ・（［４ε（ｔid）2−｛ωh（ｔid）−ωm（ｔ）｝2）
×ｓｉｎ［ｓｉｎ-1｛（ωh（ｔid）−ωm（ｔ））／２ε（ｔid）｝−θd］）‥（２．６）
【００６１】
ここで、β＝（βL，βR）の各成分は系の安定性を表す係数である。
【００６２】
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、仮想的な複数の第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。
【００６３】
τ1L+・ｄｕL+／ｄｔ＝−ｕL+＋ｗL+/L-ｙL-＋ｗL+/R+ｙR+
−λLｖL+＋ｆ1（ωML）＋ｆ2（ωML）Ｋ（φHL），
τ1L-・ｄｕL-／ｄｔ＝−ｕL-＋ｗL-/L+ｙＬ＋＋ｗL-/R-ｙR-
−λLｖL-＋ｆ1（ωML）＋ｆ2（ωML）Ｋ（φHL），
τ1R+・ｄｕR+／ｄｔ＝−ｕR+＋ｗR+/L+ｙL+＋ｗR+/R-ｙR-
−λRｖR+＋ｆ1（ωMR）＋ｆ2（ωMR）Ｋ（φHR），
τ1R-・ｄｕR-／ｄｔ＝−ｕR-＋ｗR-/L-ｙL-＋ｗR-/R+ｙR+
−λRｖR-＋ｆ1（ωMR）＋ｆ2（ωMR）Ｋ（φHR），
τ2i・ｄｖi／ｄｔ＝−ｖi＋ｙi，
ｙi＝ｍａｘ（０，ｕi）  ‥（３）
【００６４】
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）によって表されるように固有角速度ωMへの依存性を有する。
【００６５】
τ1i≡ｔ（ωML）／ωML−γL（ｉ＝Ｌ＋，Ｌ−），または
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。
【００６６】
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。また、ｗi/j（＜０）は仮想的な複数の第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。
【００６７】
「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。
ｆ1（ω）≡ｃ・ω（ｃ＞０）  ‥（３．２）
ｆ2（ω）≡ｃ0＋ｃ1ω＋ｃ2ω2  ‥（３．３）
【００６８】
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。
【００６９】
次に、誘導振動子生成ユニット１５０が、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に基づき、誘導振動子ｚを生成する（図２／ｓ１５０）。具体的には、次式（４）にしたがって誘導振動子ｚが生成される。
【００７０】
ｚL＝  ｐ+ｙL+−ｐ-ｙL-，
ｚR＝−ｐ+ｙR+＋ｐ-ｙR-  ‥（４）
【００７１】
ここで、ｐ+およびｐ-は活性化係数を表している。
【００７２】
そして、誘導振動子生成ユニット１５０により生成された誘導振動子ｚ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、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（股関節回りのトルク）Ｔが作用する。
【００７３】
以後、前記処理（図２／ｓ１０１，ｓ１０２，・・，ｓ１５０）が繰り返されることで、ユーザは歩行補助装置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。
【００７４】
一方、判定ユニット１０４により股関節角速度ｄφH／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δを超えていると判定された場合、次の手順にしたがって誘導振動子ｚが生成される。この場合、固有角速度ωMの設定（図２／ｓ１３０）が省略され、第２振動子ｙが前記方法とは異なる方法で生成される。
【００７５】
すなわち、この場合、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ωMに代えて第１振動子生成ユニット１２０により生成された第１振動子ｘの角速度ωM1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３／ｓ１４０）。この上で、前記のようにこの第２振動子ｙに基づいて誘導振動子ｚが生成される（図３／ｓ１５０）。そして、誘導振動子ｚに応じた電流Ｉがアクチュエータ２１０に供給され、ユーザに対して股関節回りのトルクＴが付与される。
【００７６】
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によれば、ユーザの運動リズムの変化が小さい場合、すなわち、股関節角速度（第１運動振動子）ｄφH／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δ以下である場合、次のようにユーザの歩行運動が誘導（補助）される。
【００７７】
すなわち、まず、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（図２／ｓ１２０）。「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、ファン・デル・ポル方程式（第１連立方程式）により表現されるモデルである。これにより、第１振動子ｘはファン・デル・ポル方程式（式（１））の性質である「相互引き込み」の効果により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が反映された自律的なリズムをもって振動する。一方、第１振動子ｘは、ユーザの歩行リズムと歩行補助装置２００による誘導リズムとの調和を図りながら、ユーザの歩行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）に対して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によって誘導されたユーザの歩行リズムが目標リズムから乖離してしまうおそれがある。
【００７８】
そこで、ユーザの股関節角速度ｄφH／ｄｔと第１振動子ｘとの位相差である第１位相差θHMに応じて新たな固有角速度ωMが設定される（図２／ｓ１３０）。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、目標位相差θd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（仮想歩行補助振動子が該当する。）の角速度θmに相当するものとなる。
【００７９】
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（図２／ｓ１４０）。「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ωMひいては出力振動信号の時定数τ1i（ωML）に基づいて定まる角速度で時間変化する第２振動子ｙが生成される。さらに第２振動子ｙに基づいて「誘導振動子」が生成される（図２／ｓ１５０）。これにより、誘導振動子ｚ、ひいてはトルクＴによって誘導されたユーザの運動リズムと歩行補助装置２００による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。ユーザの運動リズムと歩行補助装置２００による誘導リズムとの調和により、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。
【００８０】
また、新たな固有角速度ωMが反映された形で新たな第１振動子ｘが生成されることが繰り返されることにより（図２／ｓ１２０）、第１振動子ｘのリズムと股関節角速度（第１運動振動子）ｄφH／ｄｔのリズムとの調和を図りながら、股関節角速度ｄφH／ｄｔと第１振動子ｘとの位相差である第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ひいてはユーザの身体に作用するトルク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。
【００８１】
一方、ユーザの運動リズムの変化が大きい場合、すなわち、股関節角速度（第１運動振動子）ｄφH／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δを超えた場合、固有角速度ωMに代えて第１振動子ｘの角速度ωM1に基づき、第２モデルにしたがって第２振動子ｙが生成される（図３／ｓ１４０）。具体的には、この場合、第２モデルにおける固有角速度ωMが第１運動振動子ｘの角速度ωM1に置換される。その上で、固有角速度ωMが当該角速度ωM1に置換された後の第２モデルに、股関節角度（第２運動振動子）φHが入力されることによって出力振動信号として第２振動子ｙが生成される。
【００８２】
第１運動振動子ｘの角速度ωM1に基づいて第２振動子ｙが生成されるとき、固有角速度ωMの設定処理（図２／ｓ１３０）が省略されうる。このようにユーザの運動リズムの変化が小さい場合に実行される処理の一部が省略される分、股関節角速度（運動振動子）ｄφH／ｄｔが測定されてから、誘導振動子ｚが生成され、誘導振動子ｚに応じた力Ｔがユーザの大腿部に作用するまでの時間が短縮されうる。
【００８３】
ただし、股関節角速度ｄφH／ｄｔ等の第１運動振動子または第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、ユーザの運動リズムの急な変化に応じて歩行補助装置２００による誘導リズムが過剰に運動リズムから乖離してしまい、ユーザに著しい違和感を与えるおそれがある。これは、ユーザの運動リズムの変化が大きく、ユーザの運動リズムが目標リズムから大きく乖離している可能性が高い状況ではより顕著なものとなる。
【００８４】
したがって、前記のように第１振動子ｘの角速度ωM1に応じて第２振動子ｙが生成され（図３／ｓ１４０）、この第２振動子ｙに基づいて誘導振動子ｚが生成されることで（図３／ｓ１５０）、ユーザの運動リズムと歩行補助装置２００による運動の誘導（補助）リズムとの著しい乖離が抑制されうる。
【００８５】
また、股関節角速度（第１運動振動子）ｄφH／ｄｔの角速度には、ユーザの運動リズムが直接的に反映されている。さらに、前記のように「相互引き込み」の効果により股関節角速度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する第１振動子ｘの角速度ωM1にもユーザの運動リズムが強く反映されている。このため、第１振動子ｘの角速度ωM1に基づいて定まる第２振動子ｙの角速度またはリズムは、急に変化したユーザの運動リズムが反映されたものとなる。したがって、この第２振動子ｙに基づいて誘導振動子ｚが生成されることで（図３／ｓ１５０）、この誘導リズムが、ユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、こ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観点から適当なものになりうる。
【００８６】
以上のように、本発明の歩行補助装置２００およびその制御システムによれば、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化後の運動リズムに応じた適当なリズムをもってユーザの運動が誘導されうる。
【００８７】
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現実の複数の第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）出力振動信号の相関関係を表す第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。
【００８８】
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ｙ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運動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。
【００８９】
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５を用いて説明する。
【００９０】
ユーザがほぼ一定のリズムで歩行した場合の歩行補助装置２００による誘導リズムの測定結果が図５（ａ）に示されている。この場合、ユーザの歩行周期（＝２π／（股関節角速度ｄφH／ｄｔの角速度ωH））が図５（ａ）に実線で示されているようにほぼ一定に維持されている。また、歩行補助装置２００による誘導周期（歩行補助周期）は図５（ａ）に破線で示されているように、ユーザの歩行周期に追従している。
【００９１】
ユーザが歩行リズムを大きめに変化させながら歩行した場合の歩行補助装置２００による誘導リズムの測定結果が図５（ｂ）に示されている。この場合、ユーザの歩行周期が図５（ｂ）に実線で示されているように大きく変化している（図５（ｂ）矢印１〜３）。また、歩行補助装置２００による誘導周期は図５（ｂ）に破線で示されているように、大きく変化したユーザの歩行周期に追従して大きく変化している。
【００９２】
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、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化後の運動リズムに応じた適当なリズムをもってユーザの運動が誘導されうる。
【００９３】
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による自動車等の製品の製造に関する手作業等、他の動作が補助されてもよい。
【００９４】
前記実施形態では誘導振動子ｚに応じて左右の股関節回りのトルクＴ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、誘導振動子ｚに応じてユーザの身体に作用させられてもよい。トルクが作用する関節の組合せは、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周期的な叩き（ノック）等が、誘導振動子ｚに応じてユーザに対して与えられてもよい。
【００９５】
測定対象となる第１または第２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、当該第１および第２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。
【００９６】
前記実施形態では股関節角速度ｄφH／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δを超えている場合、固有角速度ωMに代えて第１振動子ｘの角速度ωM1に基づき、第２モデルにしたがって第２振動子ｙが生成されたが（図３／ｓ１４０）、他の実施形態として、この場合、固有角速度ωMに代えて股関節角速度ｄφH／ｄｔ等の運動振動子の角速度、または股関節角速度ｄφH／ｄｔ等の運動振動子の角速度および第１振動子ｘの角速度ωM1の平均値若しくは重み付き平均値に基づいて第２振動子ｙが生成されてもよい。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が測定され、重み設定手段によって当該測定結果に基づいてこの重みが設定されてもよい。
【００９７】
前記実施形態では式（４）にしたがって誘導振動子ｚが生成されたが、他の実施形態として次のような手順にしたがって誘導振動子ｚが生成されてもよい。
【００９８】
まず、次式（５）にしたがって第１誘導振動子ｚ1が生成される。
【００９９】
ｚ1L＝ｇ1+（ωML）ｇ+（φHL）ｙL+−ｇ1-（ωML）ｇ-（φHL）ｙL-，
ｚ1R＝ｇ1+（ωMR）ｇ+（φHR）ｙR+−ｇ1-（ωMR）ｇ-（φHR）ｙR-  ‥（５）
【０１００】
ここで「ｇ1+」「ｇ1-」「ｇ+」および「ｇ-」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。
ｇ1+（ω）≡Σkａk+ωk  （ａk+：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．１）
ｇ1-（ω）≡Σkａk-ωk  （ａk-：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．２）
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）‥（５．３）
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）‥（５．４）
【０１０１】
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６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、且つ、股関節角度（ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子）φHの値を目標値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。
【０１０２】
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（５）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。
【０１０３】
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（５）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。
【０１０４】
股関節角度φHの目標値φ0+およびφ0-は、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、新たな固有角速度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。
【０１０５】
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、運動誘導装置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。
【０１０６】
さらに、次式（６）にしたがって第２誘導振動子ｚ2が生成される。
【０１０７】
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-  ‥（６）
【０１０８】
ここで「ｇ2+」「ｇ2-」「Ｈ+」および「Ｈ-」は次式（６．１）〜（６．４）のそれぞれによって定義される関数である。
ｇ2+（ω）≡Σkｂk+ωk  （ｂk+：係数，ｋ＝０〜３）‥（６．１）
ｇ2-（ω）≡Σkｂk-ωk  （ｂk-：係数，ｋ＝０〜３）‥（６．２）
Ｈ+（φ）≡０（φ≦０），１（φ＞０）  ‥（６．３）
Ｈ-（φ）≡０（φ＞０），１（φ≦０）  ‥（６．４）
【０１０９】
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-による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（第３運動振動子の時間微分である第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。
【０１１０】
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+と、股関節角速度ｄφH／ｄｔとに応じて、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（６）参照）。すなわち、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。
【０１１１】
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-と、股関節角速度ｄφH／ｄｔとに応じて、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（６）参照）。すなわち、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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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、運動誘導装置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。
【０１１４】
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と第２誘導振動子ｚ2とが合成されることで誘導振動子ｚ（＝ｚ1＋ｚ2）が生成される。
【０１１５】
当該他の実施形態の歩行補助装置２００によれば、次の理由により、ユーザの運動スケールが目標運動スケールに近づくようにユーザの歩行運動等の運動が誘導（補助）されうる。
【０１１６】
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。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（５．１）（５．２）参照）。この固有角速度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。
【０１１７】
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、ユーザの股関節角度（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の減衰係数を表す。第２係数ｇ2+，ｇ2-は固有角速度ωMに応じたものである（式（６．１）（６．２）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。
【０１１８】
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、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、ひいてはユーザの大腿部に作用する力Ｔ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。
【０１１９】
本発明の他の実施形態としての歩行補助装置２００の制御システムが、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を測定する状態測定ユニットと、状態測定ユニット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、前記閾値δを設定する閾値設定ユニットとをさらに備えていてもよい。ユーザの「運動状態」には、坂や階段を昇る上昇歩行状態、ほぼ平坦地を歩行する平地歩行状態、坂や階段を下る下降歩行状態、速く歩行するクイック歩行状態、遅く歩行するスロー歩行状態等が含まれうる。また、ユーザの「生理状態」には、疲労度が高い状態、疲労度が低い状態、心拍数や発汗量が多い状態や、心拍数が少ない状態等が含まれうる。
【０１２０】
当該構成の運動誘導装置によれば、ユーザの「運動状態」や「生理状態」によっては、ユーザの運動リズムの変化への運動誘導装置による誘導リズムの応答性を高くした方がよい場合がある一方、この応答性を低くしたほうがよい場合があることに鑑み、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閾値δが設定される。たとえば、ユーザの運動状態によっては（たとえば、下降歩行状態やクイック歩行状態）、ユーザの運動リズムの変化が大きくても、歩行補助装置２００による誘導リズムの応答性を低くした方がよい場合がある。その一方、ユーザの運動状態によっては（たとえば、上昇歩行状態やスロー歩行状態）、ユーザの運動リズムの変化が小さくても、歩行補助装置２００による誘導リズムの応答性を高くしたほうがよい場合がある。
【０１２１】
その上で、ユーザの運動リズムの変化が大きく変化した場合、すなわち、股関節角速度ｄφH／ｄｔ等の運動振動子の周期変化の大きさがこの閾値δを超えた場合、前記のように固有角速度ωMの設定処理（図２／ｓ１３０）等が省略された上で、誘導振動子Ｔが生成されうる。また、固有角速度ωMではなく第１振動子ｘの角速度ωM1が反映されたリズムで振動する第２振動子ｙが生成され（図３／ｓ１４０）、この第２振動子ｙに基づいて誘導振動子ｚが生成される（図３／ｓ１５０）。これにより、ユーザの運動リズムの変化に対する歩行補助装置２００による歩行補助リズム（誘導リズム）の応答性が、このユーザの運動状態や生理状態に鑑みて適当なものに調節されうる。
【０１２２】
ユーザの歩行状態（運動状態）は、たとえば、次のような手順で測定される。すなわち、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がメモリから読み取られる。この上で、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」が測定される。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。
【０１２３】
また、歩行補助装置２００の制御システムが、状態測定ユニット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の制御システムが、状態測定ユニット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。
【０１２４】
本発明の運動誘導装置２００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。
【０１２５】
また、第１誘導振動子ｚ1および第２誘導振動子ｚ2が合成されることで誘導振動子ｚが生成される場合（式（５）（６）参照）、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、このユーザの運動の目標リズムおよびスケールに応じた係数（φ0+，φ0-，ａk+，ａk-，ｂk+，ｂk-，・・）等が設定されてもよい。これにより、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。
【０１２６】
さらに、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、目標位相差θdが設定されてもよい。これにより、ユーザの股関節角速度（運動振動子）ｄφH／ｄｔと歩行補助装置２００による誘導振動子ｚ（ひいてはトルク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。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【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】本発明の運動誘導装置およびその制御システムの他の機能例示図
【図４】運動振動子と第１基本振動子との関係例示図
【図５】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６】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
【符号の説明】
【０１２８】
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、１０４‥判定ユニット、１２０‥第１振動子生成ユニット、１３０‥固有角速度設定ユニット、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