(57)【要約】【課題】人間等の動物およびこの動物の運動を異なる形で誘導する２つの装置のそれぞれの動きの調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するようにこの動物を訓練しうるように当該動物の運動を管理するシステム等を提供する。【解決手段】本発明の運動管理システム１によれば、トレッドミル（第１運動誘導装置）１０の動作によりユーザの歩行運動の速さが調節される。また、歩行運動誘導装置（第２運動誘導装置）２０の動作により動物の運動リズムと調和したリズムで運動スケールが調節されながら当該ユーザの歩行運動が誘導される。このとき、歩行速度ｖ（必要に応じて歩行率ｐ）に基づいて歩行運動誘導装置２０の動作が制御される。これにより、ユーザの歩行運動、トレッドミル１０の動作および歩行運動誘導装置２０のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで歩行運動するようにこのユーザを訓練することができる。【選択図】  図１
2007275282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動物の運動を管理するシステムであって、
第１運動誘導装置の動作により誘導されている動物の運動スケールおよび運動リズムのうち一方または両方を表す運動変数を第１運動誘導装置の動作の速さに基づいて測定する運動変数測定部と、
動物の運動リズムと調和したリズムで該動物の運動スケールを調節しながら該動物の運動を誘導する第２運動誘導装置の動作を、運動変数測定部により測定された運動変数に基づいて制御する制御部とを備えていることを特徴とする運動管理システム。
【請求項２】
運動変数測定部が、第１運動誘導装置が有する回動体の回動方向に逆らう方向に誘導されている動物の運動の速さを表す第１運動変数を、当該回動体の回動速度に基づいて測定することを特徴とする請求項１記載の運動管理システム。
【請求項３】
運動変数測定部が第１運動誘導装置としてのトレッドミルが有する複数のローラに掛け渡された回動体としての無端ベルトの動きに逆らう方向に誘導されている動物の歩行または走行速度を、当該無端ベルトの駆動速度に基づいて第１運動変数として測定することを特徴とする請求項２記載の運動管理システム。
【請求項４】
運動変数測定部が動物と第１運動誘導装置との相互作用力の時間変化パターンに基づいて該動物の運動リズムを表す第２運動変数をさらに測定し、
制御部が運動変数測定部により測定された第２運動変数に基づいて第２運動誘導装置の動作を制御することを特徴とする請求項１記載の運動管理システム。
【請求項５】
運動変数測定部が、第１運動誘導装置としてのトレッドミルが有する複数のローラに掛け渡された無端ベルトを支持する踏板が動物から受ける圧力の時間変化パターンに基づき、該動物の歩行率（単位時間当たりの歩数を意味する。）を第２運動変数として測定することを特徴とする請求項４記載の運動管理システム。
【請求項６】
運動変数測定部が動物の歩行または走行速度を第１運動変数として測定し、動物の歩幅または歩行率を第２運動変数として測定し、
制御部が、第１運動変数としての歩行速度に対する第２運動変数としての歩幅の二乗の比率、または第２運動変数としての歩行率の二乗に対する第１運動変数としての歩行速度の比率である歩行比を目標歩行比に一致させるように第２運動誘導装置の動作を制御することを特徴とする請求項１記載の運動管理システム。
【請求項７】
制御部が、動物の運動振動子を測定する運動振動子測定部と、
運動振動子測定部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１次振動子を生成する１次振動子生成部と、
運動振動子測定部により測定された運動振動子と１次振動子生成部により生成された１次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部と、
固有角速度設定部により設定された新たな固有角速度が反映されたリズムで振動する２次振動子を生成する２次振動子生成部と、
２次振動子生成部により生成された２次振動子に加え、運動変数測定部により測定された運動変数に基づいて第２運動誘導装置の動作のスケールおよびリズムを特定する誘導振動子を生成する誘導振動子生成部とを備えていることを特徴とする請求項１記載の運動管理システム。
【請求項８】
誘導振動子生成部が、２次振動子生成部により生成された２次振動子と、固有角速度設定部により設定された新たな固有角速度とに加え、運動変数測定部により測定された運動変数に基づき、運動振動子測定部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ポテンシャルにより表現される第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７記載の運動管理システム。
【請求項９】
誘導振動子生成部が、２次振動子生成部により生成された２次振動子と、固有角速度設定部により設定された固有角速度と、運動振動子測定部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加え、運動変数測定部により測定された運動変数に基づき、該運動振動子の絶対値の増大を抑制する第２ポテンシャルにより表現される第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８記載の運動管理システム。
【請求項１０】
２次振動子生成部が、運動振動子測定部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、固有角速度設定部により設定された新たな固有角速度に代えて、運動振動子測定部により測定された運動振動子の角速度と、１次振動子生成部により生成された１次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２次振動子を生成することを特徴とする請求項７記載の運動管理システム。
【請求項１１】
制御部が、動物の２つの異なる身体部分の動きに応じた運動振動子を第１および第２運動振動子として測定する運動振動子測定部と、
運動振動子測定部により測定された第１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１次振動子を生成する１次振動子生成部と、
運動振動子測定部により測定された第１運動振動子と１次振動子生成部により生成された１次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部と、
運動振動子測定部により測定された第２運動振動子に基づき、固有角速度設定部により設定された新たな固有角速度が反映されたリズムで振動する２次振動子を生成する２次振動子生成部と、
２次振動子生成部により生成された２次振動子に加え、運動変数測定部により測定された運動変数に基づき、第２運動誘導装置の動作のスケールおよびリズムを特定する誘導振動子を生成する誘導振動子生成部とを備えていることを特徴とする請求項１記載の運動管理システム。
【請求項１２】
動物の運動を管理する方法であって、
第１運動誘導装置の動作により誘導されている動物の運動スケールおよび運動リズムのうち一方または両方を表す運動変数を第１運動誘導装置の動作の速さに基づいて測定し、
動物の運動リズムと調和したリズムで該動物の運動スケールを調節しながら該動物の運動を誘導する第２運動誘導装置の動作を、測定した運動変数に基づいて制御することを特徴とする運動管理方法。
【請求項１３】
動物の運動を管理する機能をコンピュータに付与するプログラムであって、
第１運動誘導装置の動作により誘導されている動物の運動スケールおよび運動リズムのうち一方または両方を表す運動変数を第１運動誘導装置の動作の速さに基づいて測定する運動変数測定機能と、
動物の運動リズムと調和したリズムで該動物の運動スケールを調節しながら該動物の運動を誘導する第２運動誘導装置の動作を、運動変数測定機能により測定された運動変数に基づいて制御する制御機能とをコンピュータに付与することを特徴とする運動管理プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動物の運動を管理するシステム、方法および当該管理機能をコンピュータに付与するプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザの体力や体調に鑑みて歩行速度や歩幅が適当なものとなるようにトレッドミルの速度が設定されることで、当該ユーザの歩行訓練を実施する手法が提案されている（たとえば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開２００１−２３８９８２号公報
【特許文献２】特開２００１−３４６９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、脚の動きを誘導（または補助）するように身体に力を作用させる装置がユーザに装着されている場合、ユーザ、トレッドミルおよび当該装置の三者の動きを調和させながら、適当な歩幅等で歩行するようにユーザの歩行を訓練することは考慮されていなかった。
【０００４】
そこで、本発明は、人間等の動物およびこの動物の運動を異なる形で誘導する２つの装置のそれぞれの動きの調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するようにこの動物を訓練しうるように当該動物の運動を管理するシステム、方法、および当該管理機能をコンピュータに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】
【０００５】
前記課題を解決するための本発明の運動管理システムは、第１運動誘導装置の動作により誘導されている動物の運動スケールおよび運動リズムのうち一方または両方を表す運動変数を第１運動誘導装置の動作の速さに基づいて測定する運動変数測定部と、動物の運動リズムと調和したリズムで該動物の運動スケールを調節しながら該動物の運動を誘導する第２運動誘導装置の動作を、運動変数測定部により測定された運動変数に基づいて制御する制御部とを備えていることを特徴とする。
【０００６】
本発明の運動管理システムによれば、第１運動誘導装置の動作により運動の速さが調節され、かつ、第２運動誘導装置の動作により動物の運動リズムと調和したリズムで運動スケールが調節されながら当該動物の運動が誘導される。このとき、第１運動誘導装置の動作により誘導されている動物の運動リズムおよび運動スケールのうち一方または両方を表す運動変数に基づいて第２運動誘導装置の動作が制御される。運動変数は第１運動誘導装置の動作の速さに基づいて測定されることによりその測定精度の向上が図られうる。これにより、動物の運動スケールおよび運動リズムの関係を目標とする関係に維持する等、適当に調節しながらその運動を動物に継続させることができる。したがって、動物の運動ならびに第１および第２運動誘導装置のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズム（または目標とするスケールおよびリズム）で運動するようにこの動物を訓練することができる。
【０００７】
また、本発明の運動管理システムは、運動変数測定部が、第１運動誘導装置が有する回動体の回動方向に逆らう方向に誘導されている動物の運動の速さを表す第１運動変数を、当該回動体の回動速度に基づいて測定することを特徴とする。
【０００８】
本発明の運動管理システムによれば、第１運動誘導装置の動作により誘導されている動物の運動の速さ（運動スケールおよび運動リズムに基づいて特定される。）を表す「第１運動変数」に基づいて第２運動誘導装置の動作が制御される。第１運動変数は第１運動誘導装置の回動体の回動速度に基づいて測定されることによりその測定精度の向上が図られうる。これにより、動物の運動スケールおよび運動リズムの関係を目標とする関係に維持する等、適当に調節しながらその運動を動物に継続させることができる。
【０００９】
また、第１運動誘導装置が有する回動体を回動させることにより、回動体と身体部分が接触する動物の、回動体の回動方向とは逆向きの運動が誘導される。「回動体」には、複数のローラに掛け渡された無端ベルト、中心または中心から外れた点を通る軸回りに回転される球体、楕円球体、中心軸または中心軸から離れた中心軸に平行な軸回りに回転する円筒、四角筒等の筒体、その他任意の軸回りに回転される一塊の物体が含まれる。これにより、当該運動に伴う動物またはその身体部分の移動が無端回動体の回動によって相殺されるので、第１運動誘導装置の設置スペースさえあれば比較的狭い場所でも動物の運動訓練が可能となる。
【００１０】
さらに、本発明の運動管理システムは、運動変数測定部が第１運動誘導装置としてのトレッドミルが有する複数のローラに掛け渡された回動体としての無端ベルトの動きに逆らう方向に誘導されている動物の歩行または走行速度を、当該無端ベルトの駆動速度に基づいて第１運動変数として測定することを特徴とする。
【００１１】
本発明の運動管理システムによれば、トレッドミル（第１運動誘導装置）の動作により誘導されている動物の歩行または走行速度（第１運動変数）に基づいて第２運動誘導装置の動作が制御される。歩行速度はトレッドミルの無端ベルト（回動体）の駆動速度に基づいて測定されることによりその測定精度の向上が図られうる。これにより、動物の歩幅（運動スケール）および歩行率（運動リズム）の関係を目標とする関係に維持する等、適当に調節しながらその歩行運動を動物に継続させることができる。
【００１２】
また、トレッドミル（第１運動誘導装置）の無端ベルト（回動体）を回動させることにより、この無端ベルトの回動方向とは逆向きの歩行または走行が誘導される。これにより、当該歩行または走行に伴う動物の移動が無端ベルトの回転によって相殺されるので、第１運動誘導装置の設置スペースさえあれば比較的狭い場所でも動物の歩行／走行訓練が可能となる。
【００１３】
また、本発明の運動管理システムは、運動変数測定部が動物と第１運動誘導装置との相互作用力の時間変化パターンに基づいて該動物の運動リズムを表す第２運動変数をさらに測定し、制御部が運動変数測定部により測定された第２運動変数に基づいて第２運動誘導装置の動作を制御することを特徴とする。
【００１４】
本発明の運動管理システムによれば、第１運動誘導装置の動作により誘導されている動物の運動リズムを表す「第２運動変数」に基づいて第２運動誘導装置の動作が制御される。第２運動変数は動物と第１運動誘導装置との相互作用力の時間変化パターンに基づいて測定されることによりその測定精度の向上が図られうる。これにより、動物の運動スケールおよび運動リズムの関係を目標とする関係に維持する等、適当に調節しながらその運動を動物に継続させることができる。
【００１５】
さらに、本発明の運動管理システムは、運動変数測定部が、第１運動誘導装置としてのトレッドミルが有する複数のローラに掛け渡された無端ベルトを支持する踏板が動物から受ける圧力の時間変化パターンに基づき、該動物の歩行率（単位時間当たりの歩数を意味する。）を第２運動変数として測定することを特徴とする。
【００１６】
本発明の運動管理システムによれば、トレッドミル（第１運動誘導装置）の動作により誘導されている動物の歩行率（第２運動変数）に基づいて第２運動誘導装置の動作が制御される。動物が歩行運動時にトレッドミルの無端ベルトに着床するたび、このベルトを支持する踏板に圧力が作用する。このため、当該圧力の時間変化パターンに基づいて歩行率が測定されることによりその測定精度の向上が図られうる。これにより、動物の歩幅（運動スケール）および歩行率（運動リズム）の関係を目標とする関係に維持する等、適当に調節しながらその歩行運動を動物に継続させることができる。
【００１７】
また、トレッドミル（第１運動誘導装置）の無端ベルト（回動体）を回動させることにより、この無端ベルトの回動方向とは逆向きの歩行または走行が誘導される。これにより、当該歩行または走行に伴う動物の移動が無端ベルトの回転によって相殺されるので、第１運動誘導装置の設置スペースさえあれば比較的狭い場所でも動物の歩行／走行訓練が可能となる。
【００１８】
また、本発明の運動管理システムは、運動変数測定部が動物の歩行または走行速度を第１運動変数として測定し、動物の歩幅または歩行率を第２運動変数として測定し、制御部が、第１運動変数としての歩行速度に対する第２運動変数としての歩幅の二乗の比率、または第２運動変数としての歩行率の二乗に対する第１運動変数としての歩行速度の比率である歩行比を目標歩行比に一致させるように第２運動誘導装置の動作を制御することを特徴とする。
【００１９】
本発明の運動管理システムによれば、動物の歩行または走行運動ならびに第１および第２運動誘導装置のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当な歩行比で歩行または走行するようにこの動物を訓練することができる。
【００２０】
さらに、本発明の運動管理システムは、制御部が、動物の運動振動子を測定する運動振動子測定部と、運動振動子測定部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１次振動子を生成する１次振動子生成部と、運動振動子測定部により測定された運動振動子と１次振動子生成部により生成された１次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部と、固有角速度設定部により設定された新たな固有角速度が反映されたリズムで振動する２次振動子を生成する２次振動子生成部と、２次振動子生成部により生成された２次振動子に加え、運動変数測定部により測定された運動変数に基づいて第２運動誘導装置の動作のスケールおよびリズムを特定する誘導振動子を生成する誘導振動子生成部とを備えていることを特徴とする。
【００２１】
本発明の運動管理システムによれば、第１および第２運動誘導装置のそれぞれの動作によって誘導される動物の運動リズムと、第２運動誘導装置の動作リズム（誘導リズム）との相互の歩み寄り（調和）が図られる。これにより、動物の運動ならびに第１および第２運動誘導装置のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するように動物を訓練することができる。なお、ここで「振動」は、現実的または仮想的なもの（物体）がほぼ一定の周期をもって揺れ動くことのほか、広く時間変化することを意味する。また「振動子」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る関数等を意味する。
【００２２】
また、本発明の運動管理システムは、誘導振動子生成部が、２次振動子生成部により生成された２次振動子と、固有角速度設定部により設定された新たな固有角速度とに加え、運動変数測定部により測定された運動変数に基づき、運動振動子測定部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ポテンシャルにより表現される第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。
【００２３】
本発明の運動管理システムによれば、動物の運動スケールが第１ポテンシャルのグラディエントに応じた力（仮想的なバネの弾性力）によって目標スケールに近付けられるようにこの運動が誘導される。第１ポテンシャルは新たな固有角速度と、運動変数との関数である。「固有角速度」は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適当に設定されたものである。また「運動変数」は動物の運動スケールおよび運動リズムのうち一方または両方を表すものである。したがって、第１ポテンシャルに応じた運動の誘導により、動物の運動ならびに第１および第２運動誘導装置のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するように動物を訓練することができる。
【００２４】
さらに、本発明の運動管理システムは、誘導振動子生成部が、２次振動子生成部により生成された２次振動子と、固有角速度設定部により設定された固有角速度と、運動振動子測定部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加え、運動変数測定部により測定された運動変数に基づき、該運動振動子の絶対値の増大を抑制する第２ポテンシャルにより表現される第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。
【００２５】
本発明の運動管理システムによれば、動物の運動スケールが第２ポテンシャルのグラディエントに応じた力（仮想的なダンパの減衰力）によって目標スケールから乖離することが抑制されるようにこの運動が誘導される。第２ポテンシャルも固有角速度と、運動変数との関数である。「固有角速度」は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適当に設定されたものである。また「運動変数」は動物の運動スケールおよび運動リズムのうちい法または両方を表すものである。したがって、第２ポテンシャルに応じた運動の誘導によって、動物の運動、第１運動誘導装置の動作および第２運動誘導装置の動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するように動物を訓練することができる。
【００２６】
また、本発明の運動管理システムは、２次振動子生成部が、運動振動子測定部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、固有角速度設定部により設定された新たな固有角速度に代えて、運動振動子測定部により測定された運動振動子の角速度と、１次振動子生成部により生成された１次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２次振動子を生成することを特徴とする。
【００２７】
本発明の運動管理システムによれば、動物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動物の運動が誘導されうる。これにより、動物の運動ならびに第１および第２運動誘導装置のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するように動物を訓練することができる。
【００２８】
さらに、本発明の運動管理システムは、制御部が、動物の２つの異なる身体部分の動きに応じた運動振動子を第１および第２運動振動子として測定する運動振動子測定部と、運動振動子測定部により測定された第１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１次振動子を生成する１次振動子生成部と、運動振動子測定部により測定された第１運動振動子と１次振動子生成部により生成された１次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部と、運動振動子測定部により測定された第２運動振動子に基づき、固有角速度設定部により設定された新たな固有角速度が反映されたリズムで振動する２次振動子を生成する２次振動子生成部と、２次振動子生成部により生成された２次振動子に加え、運動変数測定部により測定された運動変数に基づき、第２運動誘導装置の動作のスケールおよびリズムを特定する誘導振動子を生成する誘導振動子生成部とを備えていることを特徴とする。
【００２９】
本発明の運動管理システムによれば、動物の異なる身体部分のそれぞれの運動リズムと、この運動を誘導するリズムとの調和を図りながら、動物の運動リズムが目標運動リズムに近づくようにこの運動が誘導されうる。これにより、動物の運動ならびに第１および第２運動誘導装置のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するように動物を訓練することができる。
【００３０】
前記課題を解決するための本発明の運動管理方法は、第１運動誘導装置の動作により誘導されている動物の運動スケールおよび運動リズムのうち一方または両方を表す運動変数を第１運動誘導装置の動作の速さに基づいて測定し、動物の運動リズムと調和したリズムで該動物の運動スケールを調節しながら該動物の運動を誘導する第２運動誘導装置の動作を、測定した運動変数に基づいて制御することを特徴とする。
【００３１】
本発明の運動管理方法によれば、前記運動管理システムと同様に、動物ならびに第１および第２運動誘導装置の動きの調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するようにこの動物を訓練することができる。
【００３２】
前記課題を解決するための本発明の運動管理プログラムは、第１運動誘導装置の動作により誘導されている動物の運動スケールおよび運動リズムのうち一方または両方を表す運動変数を第１運動誘導装置の動作の速さに基づいて測定する運動変数測定機能と、動物の運動リズムと調和したリズムで該動物の運動スケールを調節しながら該動物の運動を誘導する第２運動誘導装置の動作を、運動変数測定機能により測定された運動変数に基づいて制御する制御機能とをコンピュータに付与することを特徴とする。
【００３３】
本発明の運動管理プログラムによれば、動物ならびに第１および第２運動誘導装置の動きの調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するようにこの動物を訓練することができるように当該動物の運動を管理する機能がコンピュータに付与される。なお、当該複数の機能のうち全てが一のコンピュータに付与されてもよく、当該複数の機能が複数のコンピュータに分散して付与されてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の運動管理システム、運動管理方法および運動管理プログラムの実施形態について図面を用いて説明する。
【００３５】
図１は本発明の運動管理システムの構成例示図であり、図２および図３は本発明の運動管理方法の説明図であり、図４は歩行運動を誘導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は本発明の運動管理システムの作用効果に関する概念説明図であり、図７〜図１０は本発明の運動管理システムによる作用効果を示す実験結果の説明図である。
【００３６】
以下、歩行者の脚体等について左右を区別するためにパラメータに添字Ｌ、Ｒを添付するが、表記の簡単のため左右を区別する必要が特にない場合には添字Ｌ、Ｒを省略する。
【００３７】
本発明の運動管理システムの構成について図１を用いて説明する。
【００３８】
図１に示されている運動管理システム１は、ユーザ（人間（動物））の動きと、トレッドミル（第１運動誘導装置）１０の動作と、歩行運動誘導装置（第２運動誘導装置）２０の動作との調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで歩行（または走行）するようにこのユーザを訓練するためのものである。
【００３９】
トレッドミル１０は、人間の標準的な横幅よりも若干広い程度の幅の駆動ローラ１１と、駆動ローラ１１とほぼ同じ幅の従動ローラ１２と、駆動ローラ１１および従動ローラ１２に掛け渡されている無端ベルト（無端回動体）１３と、無端ベルト１３のうちユーザが乗る部分を下から支える踏板１４とを備えている。駆動ローラ１１は、モータ、変速機等より構成される駆動機構１０１によって駆動される。駆動ローラ１１が図中時計回りに駆動されることにより、従動ローラ１２の同方向への従動を伴ってベルト１３も時計回りに回る。これによりベルト１３に乗っているユーザの図中左への歩行（または走行）が誘導される。また、ベルト１３の移動速度に応じた信号を出力する速度センサ１０２と、踏板１４が受ける圧力に応じた信号を出力する圧力センサ１０４とが設けられている。なお、トレッドミル１０としては、一般に市販されているもの等、公知のあらゆる構成のトレッドミルが採用されてもよい。
【００４０】
歩行運動誘導装置２０は、腰部装具２１と、大腿部装具２２と、力伝達部材２３と、バッテリ２４と、アクチュエータ（電動モータ）２５と、股関節角度センサ２６とを備えている。
【００４１】
腰部装具２１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２２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２３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２５および前後の大腿部装具２２のそれぞれに連結されている。バッテリ２４は腰部装具２１に収納されており（たとえば、腰部装具２１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２５等に対して電力を供給する。アクチュエータ２５は腰部装具２１に取り付けられており、力伝達部材２３および大腿部装具２２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２６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。
【００４２】
運動管理システム１は、第１制御部１００と、第２制御部２００とを備えている。
【００４３】
第１制御部１００は、トレッドミル１０に付属するマイクロコンピュータ等のコンピュータにより構成されており、駆動機構１０２による駆動ローラ１１の駆動速度等を制御する。第１制御部１００は運動変数測定部１１０を備えている。運動変数測定部１１０はハードウェアとしてのコンピュータ（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ（入出力装置）等により構成されている。）と、このコンピュータに機能を付与するソフトウェアとしての本発明の「運動管理プログラム」の一部とにより構成されている。運動変数測定部１１０は第１運動変数測定部１１１と、第２運動変数測定部１１２とを備えている。
【００４４】
第１運動変数測定部１１１は速度センサ１０２の出力に基づいてユーザの歩行速度ｖを当該ユーザの運動の速さを表す第１運動変数として測定する。第２運動変数測定部１１２は圧力センサ１０４の出力に基づいてユーザの歩行率（単位時間当たりの歩数）ｐを当該ユーザの運動のリズムを表す第２運動変数として測定する。
【００４５】
第２制御部（本発明の「制御部」に該当する。）２００は、歩行運動誘導装置２０の腰部装具２１に収納されたコンピュータと、このコンピュータに対して歩行運動誘導装置２０の制御機能等を付与するソフトウェアとしての本発明の「運動管理プログラム」とにより構成されている。
【００４６】
第２制御部２００は、運動振動子測定部２１０と、１次振動子生成部２２０と、固有角速度設定部２３０と、２次振動子生成部２４０と、誘導振動子生成部２５０とを備えている。
【００４７】
運動振動子測定部２１０は、股関節角度センサ２６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、運動振動子測定部２１０は、股関節角度センサ２６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。
【００４８】
１次振動子生成部２２０は運動振動子測定部２１０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１次振動子ｘを生成する。
【００４９】
固有角速度設定部２３０は、第１位相差設定部２３１と、第２位相差設定部２３２と、相関係数設定部２３３と、第１角速度設定部２３４と、第２角速度設定部２３５とを備えている。
【００５０】
第１位相差設定部２３１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δθ1として設定する。
【００５１】
第２位相差設定部２３２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δθ2（＝θh−θm）として設定する。
【００５２】
相関係数設定部２３３は、第２位相差設定部２３２により設定された第２位相差δθ2が、第１位相差設定部２３１により設定された第１位相差δθ1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。
【００５３】
第１角速度設定部２３４は、相関係数設定部２３３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。
【００５４】
第２角速度設定部２３５は、第１角速度設定部２３４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位相差設定部２３２により設定された第２位相差δθ2が、目標位相差設定部２１２により設定された目標位相差δθｄ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。
【００５５】
２次振動子生成部２４０は、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角度φHと、固有角速度設定部２３０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２次振動子ｙを生成する。
【００５６】
誘導振動子生成部２５０は、第１誘導振動子生成部２５１と、第２誘導振動子生成部２５２とを備えている。
【００５７】
第１誘導振動子生成部２５１は２次振動子生成部２４０により生成された２次振動子ｙと、固有角速度設定部２３０により設定された固有角速度ωMとに基づき、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角度φHをその目標値φ0に近付ける第１ポテンシャルにより表現される第１誘導振動子ｚ1を生成する。第２誘導振動子生成部２５２は２次振動子生成部２４０により生成された２次振動子ｙと、固有角速度設定部２３０により設定された固有角速度ωMとに基づき、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角速度ｄφH／ｄｔに応じて股関節角度φHの絶対値の増大を抑制する第２ポテンシャルにより表現される第２誘導振動子ｚ2を生成する。そして、誘導振動子生成部２５０は、第１誘導振動子ｚ1および第２誘導振動子ｚ2に基づき、歩行運動誘導装置２０によりユーザに作用させられる股関節回りのトルクＴを特定する誘導振動子ｚを生成する。
【００５８】
第１制御部１００および第２制御部２００は無線通信が可能とされている。なお、第１制御部１００に代えて第２制御部２００が目標歩行比設定部１３０を備えている等、運動管理システムを構成する複数の処理部１１１，１１２，２１０，２２０，‥が、第１制御部１００および第２制御部２００に任意のパターンで配設されていてもよい。また、第１制御部１００および第２制御部２００は同一のコンピュータにより構成されていてもよい。第１制御部１００および第２制御部２００の通信は有線通信であってもよい。
【００５９】
前記構成の運動管理システム１の機能について図２〜図４を用いて説明する。
【００６０】
第１運動変数測定部１１１はトレッドミル１０のベルト１３の速度に応じた速度センサ１０２の出力に基づき、ユーザの歩行速度ｖを測定する（図２／Ｓ１１１）。また、第２運動変数測定部１１２はトレッドミル１０の踏板１４が受ける圧力に応じた圧力センサ１０４の出力がピークを示す単位時間当たりの回数に基づき、ユーザの歩行率（単位時間当たりの歩数）ｐを測定する（図２／Ｓ１１２）。なお、歩行運動誘導装置２０によりユーザに作用させられる股関節回りのトルクＴの時間変化に基づいて歩行率ｐが測定されてもよい。また、ユーザの身体に加速度センサが取り付けられ、ユーザの鉛直方向の加速度に応じた加速度センサの出力に基づいて歩行率ｐが測定されてもよい。
【００６１】
第１運動変数測定部１１１により測定された歩行速度ｖおよび第２運動変数測定部１１２により測定された歩行率ｐは、第１制御部１００から第２制御部２００に無線送信され、第２制御部２００を構成するＲＡＭ等に保存（または記憶）される。
【００６２】
さらに、運動振動子測定部２１０は股関節角度センサ２６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）を測定し（図２／ｓ２１１）。また、運動振動子測定部２１０は股関節角度センサ２６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）ｄφH／ｄｔ＝（ｄφHL／ｄｔ，ｄφHR／ｄｔ）を測定する（図２／ｓ２１２）。
【００６３】
さらに、１次振動子生成部２２０が、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角速度ｄφH／ｄｔおよびメモリに記憶されている最新の固有角速度ωM＝（ωML，ωMR）に基づき「第１モデル」にしたがって１次振動子ｘ＝（ｘL，ｘR）を設定する（図２／ｓ２２０）。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。
【００６４】
（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１次振動子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、歩行運動誘導装置２０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。
【００６５】
１次振動子ｘ＝（ｘL，ｘR）はルンゲ・クッタ法により算定（設定）される。１次振動子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、実際の歩行運動リズムとほぼ同じリズム（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。
【００６６】
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振動子に基づき、１次振動子ｘが生成されてもよい。
【００６７】
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。
【００６８】
前記のように股関節角速度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１次振動子ｘが生成される（式（１），図２／ｓ２２０）。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１次振動子ｘが生成され得る。たとえば、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１次振動子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。
【００６９】
続いて、固有角速度設定部２３０がメモリに記憶されている目標位相差δθdと、１次振動子設定部２１０により生成された１次振動子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／ｓ２３０）。
【００７０】
具体的には、まず、第１位相差測定部２３１が、左右各成分について、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角速度ｄφH／ｄｔの位相θHと、１次振動子設定部２１０により生成された１次振動子ｘの位相θMとの位相差θH−θMを、第１位相差δθ1として設定する（図２／ｓ２３１）。
【００７１】
次に、第２位相差設定部２３２が、過去３歩行周期にわたって第１位相差設定部２３１により設定された第１位相差δθ1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δθ2として設定する（図２／ｓ２３２）。
【００７２】
ｄθh／ｄｔ＝ωh＋ε・ｓｉｎ（θmL−θhL）  ‥（２．１）
ｄθm／ｄｔ＝ωm＋ε・ｓｉｎ（θhL−θmL）  ‥（２．２）
δθ2＝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）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。
【００７３】
続いて、相関係数設定部２３３が、第１位相差設定部２３１により設定された第１位相差δθ1と、第２位相差設定部２３２により設定された第２位相差δθ2との差δθ1−δθ2が最小になるように、相関係数εを設定する（図２／ｓ２３３）。
【００７４】
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（ｄ＝１，２，・・）における相関係数εが逐次設定される。
【００７５】
ε（ｔid+1）
＝ε（ｔid）−η｛Ｖ1（ｔid+1）−Ｖ1（ｔid）｝
／｛ε（ｔid）−ε（ｔid-1）｝，
Ｖ（ｔid+1）≡（１／２）｛δθ1（ｔid+1）−δθ2（ｔid）｝2  ‥（２．４）
ここで、η＝（ηL，ηR）の各成分は、第１位相差δθ1の左右各成分と、第２位相差δθ2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。
【００７６】
次に、第１角速度設定部２３４が、相関係数設定部２３３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δθ1−δθ2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／ｓ２３４）。
【００７７】
ωh（ｔid）
＝−α∫ｄｔ・（［４ε（ｔid）2−｛ωh（ｔ）−ωm（ｔid）｝2］1/2
×ｓｉｎ［ｓｉｎ-1｛（ωh（ｔ）−ωm（ｔid-1））／２ε（ｔid）｝
−δθ1（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。
【００７８】
続いて、第２角速度設定部２３５が、左右各成分について、第１角速度設定部２３４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／ｓ２３５）。具体的には、第２角速度設定部２３５が、左右各成分について、第２位相差δθ2が目標位相差δθd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。
【００７９】
ωm（ｔid）
＝β∫ｄｔ・（［４ε（ｔid）2−｛ωh（ｔid）−ωm（ｔ）｝2）
×ｓｉｎ［ｓｉｎ-1｛（ωh（ｔid）−ωm（ｔ））／２ε（ｔid）｝−δθd］）
‥（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。
【００８０】
続いて、２次振動子生成部２４０が、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角度φHと、固有角速度設定部２３０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、２次振動子ｙ＝（ｙL+，ｙL-，ｙR+，ｙR-）を生成する（図２／ｓ２４０）。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。
【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），
τi・ｄｖi／ｄｔ＝−ｖi＋ｙi，
ｙi＝Ｈ（ｕi−ｕth），Ｈ≡０（ｕi＜ｕth），１（ｕi≧ｕth）または
ｙi＝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。
【００８２】
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。
【００８３】
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およびｊの関係を表す第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。
【００８４】
「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。
【００８５】
ｆ1（ω）≡ｃ・ω（ｃ＞０）  ‥（３．２）
ｆ2（ω）≡ｃ0＋ｃ1ω＋ｃ2ω2  ‥（３．３）
【００８６】
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、目標運動設定部２１１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。
【００８７】
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振動子に基づき、２次振動子ｙiが生成されてもよい。
【００８８】
２次振動子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、２次振動子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２次振動子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２次振動子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。
【００８９】
前記のように股関節角速度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２次振動子ｙiが生成される（式（３），図２／ｓ２４０）。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２次振動子ｙiが生成され得る。たとえば、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２次振動子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。
【００９０】
次に、誘導振動子生成部２５０が、第１運動変数測定部１１１により測定された歩行速度ｖと、第２運動変数測定部１１２により測定された歩行率ｐと、運動振動子測定部２１０によって測定された股関節角度φHと、運動振動子測定部２１０によって測定された股関節角速度ｄφH／ｄｔと、２次振動子生成部２４０により生成された２次振動子ｙiと、固有角速度設定部２３０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３／ｓ２５０）。
【００９１】
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３／ｓ２５１）。
【００９２】
ｚ1L＝ｇ1+（ｐ0，ωmL）ｇ+（ｑ0，φHL）ｙL+
−ｇ1-（ｐ0，ωmL）ｇ-（ｑ0，φHL）ｙL-，
ｚ1R＝ｇ1+（ｐ0，ωmR）ｇ+（ｑ0，φHR）ｙR+
−ｇ1-（ｐ0，ωmR）ｇ-（ｑ0，φHR）ｙＲR-，
ｐ0≡（ｖ／ｋ0）1/2，ｑ0≡（ｖｋ0）1/2‥（４）
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。
【００９３】
ｇ1+（ｐ0，ω）≡Σkａk+（ｐ0）ωk
（ａk+（ｐ0）：係数，ｋ＝０〜３）‥（４．１）
ｇ1-（ｐ0，ω）≡Σkａk-（ｐ0）ωk
（ａk-（ｐ0）：係数，ｋ＝０〜３）‥（４．２）
ｇ+（ｑ0，φ）≡ｃ1+（φ−φ0+（ｑ0））＋ｃ2+（φ−φ0+（ｑ0））3
（ｃ1+，ｃ2;：係数，φ0+：屈曲方向の股関節角度φHの目標値）‥（４．３）
ｇ-（ｑ0，φ）≡ｃ1-（φ−φ0-（ｑ0））＋ｃ2-（φ−φ0-（ｑ0））3
（ｃ1-，ｃ2-：係数，φ0-：伸展方向の股関節角度φHの目標値）‥（４．４）
【００９４】
股関節角度φHの目標角度φ0+（ｑ0），φ0-（ｑ0）は目標歩行比ｋ0および歩行速度ｖに応じた推奨歩幅ｑ0（＝（ｖｋ0）1/2）関数であり、ユーザの歩幅ｑ（＝ｖ／ｐ）と推奨歩幅ｑ0との偏差δｑに基づいて補正されうる。また、第１係数ｇ1+（ｐ0，ωM），ｇ1-（ｐ0，ωM）に含まれる係数ａk+（ｐ0），ａk-（ｐ0）は目標歩行比ｋ0および歩行速度ｖに応じた推奨歩行率ｐ0（＝（ｖ／ｋ0）1/2）の関数であり、ユーザの歩行率ｐ（＝ｖ／ｑ）と推奨補効率ｐ0との偏差δｐに基づいて補正されうる。
【００９５】
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-の弾性力として表現されている。第１係数ｇ1+およびｇ1-は、歩行速度（第１運動変数）ｖおよび固有角速度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角度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表現している（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、かつ、股関節角度φHの値を目標角度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、第１誘導振動子ｚ1により、股関節角度φHが目標歩行比ｋ0および歩行速度ｖに応じた目標角度φ0+，φ0-に一致するように、かつ、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。
【００９６】
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をその目標角度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が目標角度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が目標角度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。
【００９７】
また、他の仮想的なバネ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をこの目標角度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が目標角度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が目標角度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。
【００９８】
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。
【００９９】
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２次振動子ｙL+の値が他の第２要素L-に応じた２次振動子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）。
【０１００】
ｚ1L＝ｇ1+（ωmL）ｇ+（φHL）ｙL+  ‥（４ａ）
【０１０１】
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を前側の目標角度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。
【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２次振動子ｙL-の値が第２要素L+に応じた２次振動子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）。
【０１０３】
ｚ1L＝−ｇ1-（ωmL）ｇ-（φHL）ｙL-  ‥（４ｂ）
【０１０４】
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を後側の目標角度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。
【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２次振動子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得る。
【０１０６】
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３／ｓ２５２）。
【０１０７】
ｚ2L＝−ｇ2+（ｐ0，ωmL）（ｄφHL／ｄｔ）Ｈ+（φHL）ｙL+
＋ｇ2-（ｐ0，ωmL）（ｄφHL／ｄｔ）Ｈ-（φHL）ｙL-，
ｚ2R＝−ｇ2+（ｐ0，ωmR）（ｄφHR／ｄｔ）Ｈ+（φHR）ｙR+
＋ｇ2-（ｐ0，ωmR）（ｄφHR／ｄｔ）Ｈ-（φHR）ｙR-‥（５）
ここで「ｇ2+」「ｇ2-」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。
【０１０８】
ｇ2+（ｐ0，ω）≡Σkｂk+（ｐ0）ωk
（ｂK+（ｐ0）：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．１）
ｇ2-（ｐ0，ω）≡Σkｂk-（ｐ0）ωk
（ｂk-（ｐ0）：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）
【０１０９】
第２係数ｇ2+（ｐ0，ωM），ｇ2-（ｐ0，ωM）に含まれる係数ｂk+（ｐ0），ｂk-（ｐ0）は目標歩行比ｋ0および歩行速度ｖに応じた推奨歩行率ｐ0（＝（ｖ／ｋ0）1/2）の関数であり、ユーザの歩行率ｐ（＝ｖ／ｑ）と推奨補効率ｐ0との偏差δｐに基づいて補正されうる。
【０１１０】
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。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（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、かつ、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。第２誘導振動子ｚ2により、股関節角速度ｄφH／ｄｔに応じて股関節角度φHの絶対値の増大が抑制されるように、かつ、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。
【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+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。
【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-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。
【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。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。
【０１１４】
そして、誘導振動子生成部２５０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が作用する。
【０１１５】
以後、前記処理（図２／ｓ１１１，ｓ１１２，ｓ２１０，・・，ｓ２４０，図３／ｓ２５０）が繰り返されることで、ユーザは歩行運動誘導装置２０の動作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。
【０１１６】
前記機能を発揮する運動管理システム１によれば、トレッドミル（第１運動誘導装置）１０の動作によりユーザの歩行速度（歩行運動の速さ）が調節され、かつ、歩行運動誘導装置（第２運動誘導装置）２０の動作によりユーザの歩行率（運動リズム）と調和したリズムで運動スケールが調節されながら当該ユーザの歩行（または走行）運動が誘導される。このとき、トレッドミル１０の動作により誘導されているユーザの歩行速度（第１運動変数）ｖと歩行率（第２運動変数）ｐとに基づいて歩行運動誘導装置２０の動作が制御される。歩行速度ｖはトレッドミル１０のベルト１３の速度に基づいて測定され、歩行率ｐは歩行運動しているユーザの脚体からトレッドミル１０の踏板１４に作用する圧力に基づいて測定されることで、歩行速度ｖおよび歩行率ｐの測定精度の向上が図られうる。
【０１１７】
これにより、ユーザの歩行速度ｖおよび歩行率（運動リズム）ｐ（または歩幅（運動スケール）ｑ＝ｖ／ｐ）の関係を表す歩行比ｖ／ｐ2を目標歩行比に維持しながら歩行運動をユーザに継続させることができる。これは、図５に示されているｐ（歩行率）−ｑ（歩幅）平面において原点を通る直線ｑ＝ｋ+ｐ，ｑ＝ｋ-ｑ等の傾きとして表現される歩行比ｋ＝ｑ／ｐが、目標とする歩行比に一致することを意味する。
【０１１８】
たとえば図５に示されている点ｓ0により表される歩行率ｐ0および歩幅ｑ0でユーザが歩行運動している状態から、トレッドミル１０の動作によって双曲線ｑ＝ｖ／ｐで表される一定速度ｖ（＝ｐ0ｑ0）での歩行運動が誘導されながら歩行率が調節される場合を考える。
【０１１９】
直線ｑ＝ｋ+ｐの傾きｋ+（＞ｑ0／ｐ0）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、当該直線ｑ＝ｋ+ｐおよび双曲線ｑ＝ｖ／ｐの交点ｓ+により表される歩行率ｐ+（＜ｐ0）および歩幅ｑ+（＞ｑ0）をもってユーザが歩行するように、歩行運動誘導装置２０によってユーザの動きが誘導される（図５／矢印Ａ+参照）。すなわち、ユーザの歩行運動は歩行速度ｖが一定に維持されたまま、大股でゆっくりと歩行する状態へと徐々に誘導される。
【０１２０】
また、直線ｑ＝ｋ-ｐの傾きｋ-（＜ｑ0／ｐ0）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、当該直線ｑ＝ｋ-ｐおよび双曲線ｑ＝ｖ／ｐの交点ｓ-により表される歩行率ｐ-（＞ｐ0）および歩幅ｑ-（＜ｑ0）をもってユーザが歩行するように、歩行運動誘導装置２０によってユーザの動きが誘導される（図５／矢印Ａ-参照）。これにより、ユーザの歩行状態は歩行速度ｖが一定に維持されたまま、小股でせわしなく歩行する状態へと徐々に誘導される。
【０１２１】
図６に示されているように歩行比ｋの変化δｋは、歩行率ｐの変化δｐと、歩幅ｑの変化δｑとに分解されるが、歩行率ｐおよび歩幅ｑはそれぞれ次の理由により、ユーザの歩行運動リズムと、誘導振動子ｚに応じた歩行運動誘導装置２０の誘導リズムとを調和させながら変化させられる。
【０１２２】
ユーザの歩行率ｐは次の理由により、ユーザの歩行運動リズムと、誘導振動子ｚに応じた歩行運動誘導装置２０の誘導リズムとを調和させながら目標歩行率に一致するように変化させられうる。
【０１２３】
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１次振動子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。
【０１２４】
１次振動子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。したがって、１次振動子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。
【０１２５】
そこで、仮想的な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１次振動子ｘとの位相差（第１位相差）δθ1に応じたものに設定される。詳細には、第１位相差δθ1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／ｓ２３３）。また、当該２つの振動子θhおよびθmの位相差（第２位相差）δθ2を目標位相差δθd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／ｓ２３４，ｓ２３５）。これにより、新たな固有角速度ωMは、ユーザの歩行運動リズムと目標位相差δθdに応じた調和を図りながら、ユーザの歩行率を目標歩行率に一致させるようにユーザの歩行運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度となる。その後、新たな固有角速度ωMが反映されて１次振動子ｘの生成（図２／ｓ２１０）が繰り返されることにより、１次振動子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δθ1と目標位相差δθdと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およびトルク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。
【０１２６】
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２次振動子ｙiが生成され（図３／ｓ２４０）、さらに２次振動子ｙiを含む誘導振動子ｚが生成される（図３／ｓ２５０）。これにより、ユーザの歩行運動リズムと、誘導振動子ｚに応じた歩行運動誘導装置２０の誘導リズムとを調和させながら、ユーザの歩行率ｐを目標歩行率に一致させるように微小変化させることができる。これは、歩行運動誘導装置２０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運動誘導装置２０による誘導リズムに調和するという形のユーザ（ユーザ）と装置（機械）との調和（相互の歩み寄り）を意味する。
【０１２７】
なお、目標位相差δθdが負に設定されている場合、ユーザは歩行運動誘導装置２０を先導する形で歩行運動することができる。一方、目標位相差δθdが正に設定されている場合、ユーザは歩行運動誘導装置２０によって先導される形で歩行運動することができる。
【０１２８】
また、ユーザの歩幅ｑは次の理由により、ユーザの歩行運動リズムと、誘導振動子ｚに応じた歩行運動誘導装置２０の誘導リズムとを調和させながら目標歩幅に一致するように変化させられうる。
【０１２９】
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をその目標角度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-は歩行率ｐおよび固有角速度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歩行運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの歩行率を目標歩行率に一致させるようにユーザの歩行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。さらに、目標角度φ0+，φ0-は歩行速度ｖおよび歩行率ｐの関数である（式（４．３）（４．４）参照）。
【０１３０】
また、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。さらに、第２係数ｇ2+，ｇ2-は歩行率ｐおよび固有角速度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。
【０１３１】
したがって、歩行率ｐおよび新たな固有角速度ωMに応じた第１係数ｇ1+（ｐ，ωM），ｇ1-（ｐ，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+（ｐ，ωM），ｇ2-（ｐ，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、ユーザの歩行運動リズムと誘導振動子ｚのリズムとの調和、およびユーザの歩行率と目標歩行率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。
【０１３２】
また、目標角度φ0+，φ0-はユーザの測定歩幅（＝歩行速度ｖ／歩行率ｐ）と目標歩幅との偏差に基づいて補正されうる。さらに、第１係数ｇ1+，ｇ1-の係数ａk+，ａk-、および第２係数ｇ2+，ｇ2-の係数ｂk+，ｂk-はユーザの測定歩行率ｐと目標歩行率との偏差に基づいて補正されうる。また、前記のように歩行速度ｖおよび歩行率ｐの測定精度の向上が図られている。したがって、ユーザの歩行速度ｖおよび歩行率ｐの関係を表す歩行比が目標歩行比に一致するように、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。
【０１３３】
以上により、ユーザの歩行運動、トレッドミル１０の動作、および歩行運動誘導装置２０の動作の調和を図りながら、目標とするスケールおよびリズムで運動するようにこのユーザを訓練することができる。なお、ユーザの歩行比が目標歩行比に一致するように歩行運動誘導装置２０の動作が制御されたが、歩行速度（第１運動変数）ｖおよび歩行率（第２運動変数）ｐの任意の関係が目標とする関係となるように歩行運動誘導装置２０の動作が制御されてもよい。
【０１３４】
続いて、本発明の歩行運動管理システム１の前記作用効果に関する実験結果について図７〜図１０を用いて説明する。
【０１３５】
この実験に先立ち、図７に示されているように歩行比ｋとユーザの歩行運動に伴う消費エネルギーとの関係が測定された。そして、ユーザの消費エネルギーが最小となった状態での歩行比ｋ（＝０．００７５）が、身体負荷の軽減の観点から目標歩行比ｋ0として設定された。なお、目標歩行比は、歩行運動誘導装置２０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てもよい。また、トレッドミル１０のベルト１３の速度は５［ｋｍ／ｓ］に固定された。すなわち、ユーザは一定速度（５［ｋｍ／ｈ］）を維持しながら歩行するようにトレッドミル１０の動作によりその歩行運動が誘導された。
【０１３６】
図８に示されているように、歩行運動誘導装置２０による歩行運動の誘導の有無に応じて同一のユーザが同一の速度ｖで歩行した場合の歩行比ｋが異なる。すなわち、ユーザが歩行補助装置２０を装着せずに歩行した場合の歩行比ｋは約０．００６５に制御されている。これに対して、ユーザが歩行運動誘導装置２０を装着して歩行運動が誘導された状態で歩行した場合の歩行比ｋは、前記のように設定された目標歩行比ｋ（＝０．００７５）に制御されている。このユーザは、歩行運動誘導装置２０の動作によって歩行比ｋ、ひいては歩幅ｑが大きくなるように歩行運動が誘導されている。これにより、目標歩行比ｋ0で走行する感覚が身につくようにユーザを訓練することができる。そして、ユーザが歩行運動誘導装置２０を装着した状態で通常の歩道等を速度５［ｋｍ／ｈ］前後で歩行した場合、その歩行比は目標歩行比０．００７５に維持されることが確認された。このように、目標とする歩幅（スケール）および歩行率（リズム）で歩行運動するようにこのユーザを訓練することができる。
【０１３７】
また、図９に示されているように、歩行運動誘導装置２０による歩行運動の誘導の有無に応じて同一のユーザが同一の速度ｖで歩行した場合の心拍数（生理変数）が異なる。すなわち、ユーザが歩行補助装置２０を装着せずに歩行した場合の心拍数は、ユーザが歩行運動誘導装置２０を装着して歩行運動が誘導された状態で歩行した場合の心拍数よりも高い。これは、図８に示されているように、ユーザの歩幅が大きくなるように歩行運動が誘導されている状態で、その心拍数が低く抑えられており、身体への負荷が軽減されていることを意味する。
【０１３８】
また、図１０に示されているように、歩行運動誘導装置２０による歩行運動の誘導の有無に応じて同一のユーザが同一の速度ｖで歩行した場合の筋群活性度（生理変数）が異なる。図１０（ｂ）に示されているユーザが歩行運動誘導装置２０を装着して歩行運動が誘導された状態で歩行した場合のその股関節周囲の筋群活性度は、図１０（ａ）に示されているユーザが歩行補助装置２０を装着せずに歩行した場合の同じ箇所の筋群活性度よりも高い。これは、図８に示されているように、ユーザは歩幅が大きくなるように歩行運動が誘導されることで、ユーザの身体機能が活性化されていることを意味する。
【０１３９】
図７〜図１０に示されている実験結果から、たとえば、運動管理システム１が高齢者等、歩行運動機能が低下しているユーザの運動管理に利用された場合の意義が大きいことがわかる。すなわち、本発明の運動管理システム１が利用されることで、高齢者等の身体負荷を軽減しながら、その身体機能の低下抑制、さらには活性化を促すことができる。
【０１４０】
また、トレッドミル１０の設置スペースさえあれば比較的狭い場所でもユーザの歩行または走行訓練が可能である。
【０１４１】
なお、運動管理システム１は、ユーザの歩行運動以外のあらゆる運動の訓練に利用されてもよい。たとえば、車椅子の左右の車輪に手で力を加える運動の訓練等、他の運動の訓練に利用されてもよい。運動管理システム１は馬の走行等、人間以外の動物の運動の訓練に利用されてもよい。
【０１４２】
また、トレッドミル１０のほか、複数のローラに掛け渡された無端ベルト、中心または中心から外れた点を通る軸回りに回転される球体、楕円球体、中心軸または中心軸から離れた中心軸に平行な軸回りに回転する円筒、四角筒等の筒体、その他任意の軸回りに回転される一塊の物体等の無端回動体を回転させることでこの回動体に接触するユーザの腕や脚などの身体部分の運動を誘導する装置が第１運動誘導装置として採用されてもよい。
【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。
【０１４４】
また、第２制御部２００の２次振動子生成部２４０が、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角度φHまたは股関節角速度ｄφH／ｄｔ（運動振動子）の周期変化の大きさが閾値を超えた場合、固有角速度設定部２３０により設定された新たな固有角速度ωMに代えて、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角度φH等の角速度（位相の時間変化）と、１次振動子生成部２２０により生成された１次振動子ｘ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２次振動子ｙを生成してもよい。
【０１４５】
当該構成によれば、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。これにより、ユーザの歩行運動、トレッドミル（第１運動誘導装置）１０の動作および歩行運動誘導装置（第２運動誘導装置）２０のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで歩行運動するようにユーザを訓練することができる。
【０１４６】
また、特開２００４−７３６４９号公報に開示されている方法にしたがって誘導振動子ｚが生成されてもよい。
【０１４７】
さらに、次のような形で誘導振動子ｚが生成されてもよい。
【０１４８】
すなわち、運動振動子測定部２１０がユーザの２つの異なる身体部分の動きに応じた運動振動子（たとえば肩関節角速度および股関節角度）のそれぞれを「第１運動振動子」および「第２運動振動子」として測定する。また、１次振動子生成部２２０が第１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１次振動子ｘを生成する。さらに、固有角速度設定部２３０が第１運動振動子と１次振動子ｘとの位相差に基づき、新たな固有角速度ωMを設定する。また、２次振動子生成部２４０が第２運動振動子に基づき、新たな固有角速度ωMが反映されたリズムで振動する２次振動子ｙを生成する。そして、誘導振動子生成部２５０が２次振動子ｙに加え、第１運動変数測定部１１１により測定された歩行速度ｖ（第１運動変数）と、第２運動変数測定部１１２により測定された歩行率ｐ（第２運動変数）とのうち一方または両方に基づいて誘導振動子ｚを生成する。
【０１４９】
当該構成によれば、ユーザの異なる身体部分のそれぞれの運動リズムと、この運動を誘導するリズムとの調和を図りながら、ユーザの運動リズムが目標運動リズムに近づくようにこの運動が誘導されうる。これにより、ユーザの運動ならびに第１および第２運動誘導装置のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するようにユーザを訓練することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５０】
【図１】本発明の運動管理システムの構成例示図
【図２】本発明の運動管理方法の説明図
【図３】本発明の運動管理方法の説明図
【図４】歩行運動を誘導する仮想的なバネおよびダンパの説明図
【図５】本発明の運動管理システムの作用効果に関する概念説明図
【図６】本発明の運動管理システムの作用効果に関する概念説明図
【図７】本発明の運動管理システムによる作用効果を示す実験結果の説明図
【図８】本発明の運動管理システムによる作用効果を示す実験結果の説明図
【図９】本発明の運動管理システムによる作用効果を示す実験結果の説明図
【図１０】本発明の運動管理システムによる作用効果を示す実験結果の説明図
【符号の説明】
【０１５１】
１‥運動管理システム、１０‥トレッドミル（第１運動誘導装置）、１３‥無端回動体、２０‥歩行運動誘導装置（第２運動誘導装置）、２５‥アクチュエータ、２６‥股関節角度センサ、１００‥第１制御部、１１１‥第１運動変数測定部、１１２‥第２運動変数測定部、２００‥第２制御部（制御部）、２１０‥運動振動子測定部、２２０‥１次振動子生成部、２３０‥固有角速度設定部、２３１‥第１位相差設定部、２３２‥第２位相差設定部、２３３‥相関係数設定部、２３４‥第１角速度設定部、２３５‥第２角速度設定部、２４０‥２次振動子生成部、２５０‥誘導振動子生成部
【図１】
2007275282.tif 000003
【図２】
2007275282.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年6月22日(2007.6.22)
【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】
動物の運動を管理するシステムであって、
第１運動誘導装置の動作により誘導されている前記動物の運動スケールおよび運動リズムのうち一方または両方を表す運動変数を該第１運動誘導装置の動作の速さに基づいて測定する運動変数測定部と、
前記動物の運動リズムと調和したリズムで該動物に力を作用させることによって該動物の運動スケールを調節しながら該動物の運動を誘導する第２運動誘導装置の動作を、該運動変数測定部により測定された該運動変数に基づいて制御する制御部とを備えていることを特徴とする運動管理システム。
【請求項２】
請求項１記載の運動管理システムにおいて、
前記第１運動誘導装置が有する回動体の回動方向に逆らう方向に前記動物の運動が誘導されている状態において、前記運動変数測定部が前記動物の運動の速さを表す前記運動変数としての第１運動変数を、当該回動体の回動速度に基づいて測定することを特徴とする運動管理システム。
【請求項３】
請求項２記載の運動管理システムにおいて、
前記第１運動誘導装置としてのトレッドミルが有する、複数のローラに掛け渡された前記回動体としての無端ベルトの動きに逆らう方向に前記動物の歩行運動が誘導されている状態において、前記運動変数測定部が前記動物の歩行または走行速度を、当該無端ベルトの駆動速度に基づいて前記第１運動変数として測定することを特徴とする運動管理システム。
【請求項４】
請求項１記載の運動管理システムにおいて、
前記運動変数測定部が前記動物と前記第１運動誘導装置との相互作用力の時間変化パターンに基づいて該動物の運動リズムを表す前記運動変数としての第２運動変数をさらに測定し、
前記制御部が該運動変数測定部により測定された該第２運動変数に基づいて前記第２運動誘導装置の動作を制御することを特徴とする運動管理システム。
【請求項５】
請求項４記載の運動管理システムにおいて、
前記運動変数測定部が、前記第１運動誘導装置としてのトレッドミルが有する複数のローラに掛け渡された無端ベルトを支持する踏板が前記動物から受ける圧力の時間変化パターンに基づき、該動物の歩行率（単位時間当たりの歩数を意味する。）を前記第２運動変数として測定することを特徴とする運動管理システム。
【請求項６】
請求項１記載の運動管理システムにおいて、
前記運動変数測定部が前記運動変数として第１運動変数と第２運動変数として測定し、前記動物の歩行または走行速度を該第１運動変数として測定し、かつ、前記動物の歩幅または歩行率を該第２運動変数として測定し、
前記制御部が、該第１運動変数としての歩行速度に対する該第２運動変数としての歩幅の二乗の比率、または該第２運動変数としての歩行率の二乗に対する該第１運動変数としての歩行速度の比率である歩行比を目標歩行比に一致させるように前記第２運動誘導装置の動作を制御することを特徴とする運動管理システム。
【請求項７】
請求項１記載の運動管理システムにおいて、
前記制御部が、前記動物の身体運動に応じて時間変化するパラメータとして、該動物の第１運動振動子および第２運動振動子を測定する運動振動子測定部と、
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、前記運動振動子測定部により測定された前記第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１次振動子を生成する１次振動子生成部と、
該運動振動子測定部により測定された該第１運動振動子と該１次振動子生成部により生成された該１次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部と、
入力振動信号に基づき、該固有角速度設定部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、該運動振動子測定部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２次振動子を生成する２次振動子生成部と、
該２次振動子生成部により生成された該２次振動子に加え、前記運動変数測定部により測定された前記運動変数に基づいて前記第２運動誘導装置の動作のスケールおよびリズムを特定する誘導振動子を生成する誘導振動子生成部とを備えていることを特徴とする運動管理システム。
【請求項８】
請求項７記載の運動管理システムにおいて、
前記運動振動子測定部が前記動物の運動スケールに応じた前記運動振動子を第３運動振動子として測定し、
前記誘導振動子生成部が、前記２次振動子生成部により生成された前記２次振動子と、前記固有角速度設定部により設定された前記固有角速度とに加え、前記運動変数測定部により測定された前記運動変数に基づき、前記運動振動子測定部により測定された前記第３運動振動子を前記動物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動物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誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする運動管理システム。
【請求項９】
請求項８記載の運動管理システムにおいて、
前記運動振動子測定部が前記第３運動振動子の時間微分値である前記運動振動子を第４運動振動子として測定し、
前記誘導振動子生成部が、前記２次振動子生成部により生成された前記２次振動子と、前記固有角速度設定部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部により測定された前記第４運動振動子の時間微分値とに加え、前記運動変数測定部により測定された前記運動変数に基づき、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動物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誘導振動子を含む誘導振動子を生成することを特徴とする運動管理システム。
【請求項１０】
請求項７記載の運動管理システムにおいて、
前記２次振動子生成部が、前記運動振動子測定部により測定された前記第１運動振動子または前記第２運動振動子の周期変化の大きさが閾値を超えた場合、前記固有角速度設定部により設定された前記固有角速度に代えて、前記運動振動子測定部により測定された前記第１運動振動子または前記第２運動振動子の角速度と、前記１次振動子生成部により生成された前記１次振動子の角速度とのうち一方または両方に基づいて定まる角速度で時間変化する前記２次振動子を生成することを特徴とする運動管理システム。
【請求項１１】
請求項１記載の運動管理システムにおいて、
前記制御部が、前記動物の２つの異なる身体部分のそれぞれの動きに応じて時間変化するパラメータとして、第１運動振動子および第２運動振動子を測定する運動振動子測定部と、
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、前記運動振動子測定部により測定された前記第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１次振動子を生成する１次振動子生成部と、
該運動振動子測定部により測定された該第１運動振動子と該１次振動子生成部により生成された該１次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部と、
入力振動信号に基づき、該固有角速度設定部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、該運動振動子測定部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２次振動子を生成する２次振動子生成部と、
該２次振動子生成部により生成された該２次振動子に加え、前記運動変数測定部により測定された前記運動変数に基づいて前記第２運動誘導装置の動作のスケールおよびリズムを特定する誘導振動子を生成する誘導振動子生成部とを備えていることを特徴とする運動管理システム。
【請求項１２】
動物の運動を管理する方法であって、
第１運動誘導装置の動作により誘導されている前記動物の運動スケールおよび運動リズムのうち一方または両方を表す運動変数を該第１運動誘導装置の動作の速さに基づいて測定し、
前記動物の運動リズムと調和したリズムで該動物に力を作用させることによって該動物の運動スケールを調節しながら該動物の運動を誘導する第２運動誘導装置の動作を、測定した前記運動変数に基づいて制御することを特徴とする運動管理方法。
【請求項１３】
動物の運動を管理するシステムとしてコンピュータを機能させるプログラムであって、
第１運動誘導装置の動作により誘導されている前記動物の運動スケールおよび運動リズムのうち一方または両方を表す運動変数を該第１運動誘導装置の動作の速さに基づいて測定する運動変数測定部と、
前記動物の運動リズムと調和したリズムで該動物に力を作用させることによって該動物の運動スケールを調節しながら該動物の運動を誘導する第２運動誘導装置の動作を、該運動変数測定部により測定された前記運動変数に基づいて制御する制御部とを備えている前記システムとして前記コンピュータを機能させることを特徴とする運動管理プログラム。
【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、動物の運動を管理するシステム、方法および当該管理機能をコンピュータに付与するプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザの体力や体調に鑑みて歩行速度や歩幅が適当なものとなるようにトレッドミルの速度が設定されることで、当該ユーザの歩行訓練を実施する手法が提案されている（たとえば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開２００１−２３８９８２号公報
【特許文献２】特開２００１−３４６９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、脚の動きを誘導（または補助）するように身体に力を作用させる装置がユーザに装着されている場合、ユーザ、トレッドミルおよび当該装置の三者の動きを調和させながら、適当な歩幅等で歩行するようにユーザの歩行を訓練することは考慮されていなかった。
【０００４】
そこで、本発明は、人間等の動物およびこの動物の運動を異なる形で誘導する２つの装置のそれぞれの動きの調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するようにこの動物を訓練しうるように当該動物の運動を管理するシステム、方法、および当該管理機能をコンピュータに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】
【０００５】
第１発明の運動管理システムは、第１運動誘導装置の動作により誘導されている前記動物の運動スケールおよび運動リズムのうち一方または両方を表す運動変数を該第１運動誘導装置の動作の速さに基づいて測定する運動変数測定部と、前記動物の運動リズムと調和したリズムで該動物に力を作用させることによって該動物の運動スケールを調節しながら該動物の運動を誘導する第２運動誘導装置の動作を、該運動変数測定部により測定された該運動変数に基づいて制御する制御部とを備えていることを特徴とする。
【０００６】
第１発明の運動管理システムによれば、第１運動誘導装置の動作により運動の速さが調節され、かつ、第２運動誘導装置の動作により動物の運動リズムと調和したリズムで運動スケールが調節されながら当該動物の運動が誘導される。このとき、第１運動誘導装置の動作により誘導されている動物の運動リズムおよび運動スケールのうち一方または両方を表す運動変数に基づいて第２運動誘導装置の動作が制御される。運動変数は第１運動誘導装置の動作の速さに基づいて測定されることによりその測定精度の向上が図られうる。これにより、動物の運動スケールおよび運動リズムの関係を目標とする関係に維持する等、適当に調節しながらその運動を動物に継続させることができる。したがって、動物の運動ならびに第１および第２運動誘導装置のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズム（または目標とするスケールおよびリズム）で運動するようにこの動物を訓練することができる。
【０００７】
第２発明の運動管理システムは、第１発明の運動管理システムにおいて、前記第１運動誘導装置が有する回動体の回動方向に逆らう方向に前記動物の運動が誘導されている状態において、前記運動変数測定部が前記動物の運動の速さを表す前記運動変数としての第１運動変数を、当該回動体の回動速度に基づいて測定することを特徴とする。
【０００８】
第２発明の運動管理システムによれば、第１運動誘導装置の動作により誘導されている動物の運動の速さ（運動スケールおよび運動リズムに基づいて特定される。）を表す「第１運動変数」に基づいて第２運動誘導装置の動作が制御される。第１運動変数は第１運動誘導装置の回動体の回動速度に基づいて測定されることによりその測定精度の向上が図られうる。これにより、動物の運動スケールおよび運動リズムの関係を目標とする関係に維持する等、適当に調節しながらその運動を動物に継続させることができる。
【０００９】
また、第１運動誘導装置が有する回動体を回動させることにより、回動体と身体部分が接触する動物の、回動体の回動方向とは逆向きの運動が誘導される。「回動体」には、複数のローラに掛け渡された無端ベルト、中心または中心から外れた点を通る軸回りに回転される球体、楕円球体、中心軸または中心軸から離れた中心軸に平行な軸回りに回転する円筒、四角筒等の筒体、その他任意の軸回りに回転される一塊の物体が含まれる。これにより、当該運動に伴う動物またはその身体部分の移動が無端回動体の回動によって相殺されるので、第１運動誘導装置の設置スペースさえあれば比較的狭い場所でも動物の運動訓練が可能となる。
【００１０】
第３発明の運動管理システムは、第２発明の運動管理システムにおいて、前記第１運動誘導装置としてのトレッドミルが有する、複数のローラに掛け渡された前記回動体としての無端ベルトの動きに逆らう方向に前記動物の歩行運動が誘導されている状態において、前記運動変数測定部が前記動物の歩行または走行速度を、当該無端ベルトの駆動速度に基づいて前記第１運動変数として測定することを特徴とする。
【００１１】
第３発明の運動管理システムによれば、トレッドミル（第１運動誘導装置）の動作により誘導されている動物の歩行または走行速度（第１運動変数）に基づいて第２運動誘導装置の動作が制御される。歩行速度はトレッドミルの無端ベルト（回動体）の駆動速度に基づいて測定されることによりその測定精度の向上が図られうる。これにより、動物の歩幅（運動スケール）および歩行率（運動リズム）の関係を目標とする関係に維持する等、適当に調節しながらその歩行運動を動物に継続させることができる。
【００１２】
また、トレッドミル（第１運動誘導装置）の無端ベルト（回動体）を回動させることにより、この無端ベルトの回動方向とは逆向きの歩行または走行が誘導される。これにより、当該歩行または走行に伴う動物の移動が無端ベルトの回転によって相殺されるので、第１運動誘導装置の設置スペースさえあれば比較的狭い場所でも動物の歩行／走行訓練が可能となる。
【００１３】
第４発明の運動管理システムは、第１発明の運動管理システムにおいて、前記運動変数測定部が前記動物と前記第１運動誘導装置との相互作用力の時間変化パターンに基づいて該動物の運動リズムを表す前記運動変数としての第２運動変数をさらに測定し、前記制御部が該運動変数測定部により測定された該第２運動変数に基づいて前記第２運動誘導装置の動作を制御することを特徴とする。
【００１４】
第４発明の運動管理システムによれば、第１運動誘導装置の動作により誘導されている動物の運動リズムを表す「第２運動変数」に基づいて第２運動誘導装置の動作が制御される。第２運動変数は動物と第１運動誘導装置との相互作用力の時間変化パターンに基づいて測定されることによりその測定精度の向上が図られうる。これにより、動物の運動スケールおよび運動リズムの関係を目標とする関係に維持する等、適当に調節しながらその運動を動物に継続させることができる。
【００１５】
第５発明の運動管理システムは、第４発明の運動管理システムにおいて、前記運動変数測定部が、前記第１運動誘導装置としてのトレッドミルが有する複数のローラに掛け渡された無端ベルトを支持する踏板が前記動物から受ける圧力の時間変化パターンに基づき、該動物の歩行率（単位時間当たりの歩数を意味する。）を前記第２運動変数として測定することを特徴とする。
【００１６】
第５発明の運動管理システムによれば、トレッドミル（第１運動誘導装置）の動作により誘導されている動物の歩行率（第２運動変数）に基づいて第２運動誘導装置の動作が制御される。動物が歩行運動時にトレッドミルの無端ベルトに着床するたび、このベルトを支持する踏板に圧力が作用する。このため、当該圧力の時間変化パターンに基づいて歩行率が測定されることによりその測定精度の向上が図られうる。これにより、動物の歩幅（運動スケール）および歩行率（運動リズム）の関係を目標とする関係に維持する等、適当に調節しながらその歩行運動を動物に継続させることができる。
【００１７】
また、トレッドミル（第１運動誘導装置）の無端ベルト（回動体）を回動させることにより、この無端ベルトの回動方向とは逆向きの歩行または走行が誘導される。これにより、当該歩行または走行に伴う動物の移動が無端ベルトの回転によって相殺されるので、第１運動誘導装置の設置スペースさえあれば比較的狭い場所でも動物の歩行／走行訓練が可能となる。
【００１８】
第６発明の運動管理システムは、請求項１記載の運動管理システムにおいて、前記運動変数測定部が前記運動変数として第１運動変数と第２運動変数として測定し、前記動物の歩行または走行速度を該第１運動変数として測定し、かつ、前記動物の歩幅または歩行率を該第２運動変数として測定し、前記制御部が、該第１運動変数としての歩行速度に対する該第２運動変数としての歩幅の二乗の比率、または該第２運動変数としての歩行率の二乗に対する該第１運動変数としての歩行速度の比率である歩行比を目標歩行比に一致させるように前記第２運動誘導装置の動作を制御することを特徴とする。
【００１９】
第６発明の運動管理システムによれば、動物の歩行または走行運動ならびに第１および第２運動誘導装置のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当な歩行比で歩行または走行するようにこの動物を訓練することができる。
【００２０】
第７発明の運動管理システムは、第１発明の運動管理システムにおいて、前記制御部が、前記動物の身体運動に応じて時間変化するパラメータとして、該動物の第１運動振動子および第２運動振動子を測定する運動振動子測定部と、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、前記運動振動子測定部により測定された前記第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１次振動子を生成する１次振動子生成部と、該運動振動子測定部により測定された該第１運動振動子と該１次振動子生成部により生成された該１次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部と、入力振動信号に基づき、該固有角速度設定部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、該運動振動子測定部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２次振動子を生成する２次振動子生成部と、該２次振動子生成部により生成された該２次振動子に加え、前記運動変数測定部により測定された前記運動変数に基づいて前記第２運動誘導装置の動作のスケールおよびリズムを特定する誘導振動子を生成する誘導振動子生成部とを備えていることを特徴とする。
【００２１】
第７発明の運動管理システムによれば、第１および第２運動誘導装置のそれぞれの動作によって誘導される動物の運動リズムと、第２運動誘導装置の動作リズム（誘導リズム）との相互の歩み寄り（調和）が図られる。これにより、動物の運動ならびに第１および第２運動誘導装置のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するように動物を訓練することができる。なお、ここで「振動」は、現実的または仮想的なもの（物体）がほぼ一定の周期をもって揺れ動くことのほか、広く時間変化することを意味する。また「振動子」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る関数等を意味する。
【００２２】
第８発明の運動管理システムは、第７発明の運動管理システムにおいて、前記運動振動子測定部が前記動物の運動スケールに応じた前記運動振動子を第３運動振動子として測定し、前記誘導振動子生成部が、前記２次振動子生成部により生成された前記２次振動子と、前記固有角速度設定部により設定された前記固有角速度とに加え、前記運動変数測定部により測定された前記運動変数に基づき、前記運動振動子測定部により測定された前記第３運動振動子を前記動物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動物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誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする。
【００２３】
第８発明の運動管理システムによれば、動物の運動スケールが仮想的な弾性要素の弾性力を表す第１誘導振動子によって目標スケールに近付けられるようにこの運動が誘導される。第１誘導振動子は固有角速度と、運動変数とに基づいて生成されるが、「固有角速度」は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適当に設定され、「運動変数」は動物の運動スケールおよび運動リズムのうち一方または両方を表している。したがって、第１誘導振動子を包含する誘導振動子によって動物の運動が誘導されることにより、動物の運動ならびに第１および第２運動誘導装置のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するように動物を訓練することができる。
【００２４】
第９発明の運動管理システムは、第８発明の運動管理システムにおいて、前記運動振動子測定部が前記第３運動振動子の時間微分値である前記運動振動子を第４運動振動子として測定し、前記誘導振動子生成部が、前記２次振動子生成部により生成された前記２次振動子と、前記固有角速度設定部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部により測定された前記第４運動振動子の時間微分値とに加え、前記運動変数測定部により測定された前記運動変数に基づき、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動物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誘導振動子を含む誘導振動子を生成することを特徴とする。
【００２５】
第９発明の運動管理システムによれば、動物の運動スケールが目標スケールから乖離することが、仮想的な減衰要素の減衰力を表す第２誘導振動子によって抑制されるようにこの運動が誘導される。第２誘導振動子も固有角速度と、運動変数とに基づいて生成されるが、「固有角速度」は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適当に設定され、「運動変数」は動物の運動スケールおよび運動リズムのうち一方または両方を表している。したがって、第２誘導振動子を包含する誘導振動子によって動物の運動が誘導されることによって、動物の運動、第１運動誘導装置の動作および第２運動誘導装置の動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するように動物を訓練することができる。
【００２６】
第１０発明の運動管理システムは、第７発明の運動管理システムにおいて、前記２次振動子生成部が、前記運動振動子測定部により測定された前記第１運動振動子または前記第２運動振動子の周期変化の大きさが閾値を超えた場合、前記固有角速度設定部により設定された前記固有角速度に代えて、前記運動振動子測定部により測定された前記第１運動振動子または前記第２運動振動子の角速度と、前記１次振動子生成部により生成された前記１次振動子の角速度とのうち一方または両方に基づいて定まる角速度で時間変化する前記２次振動子を生成することを特徴とする。
【００２７】
第１０発明の運動管理システムによれば、動物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動物の運動が誘導されうる。これにより、動物の運動ならびに第１および第２運動誘導装置のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するように動物を訓練することができる。
【００２８】
第１１発明の運動管理システムは、第１発明の運動管理システムにおいて、前記制御部が、前記動物の２つの異なる身体部分のそれぞれの動きに応じて時間変化するパラメータとして、第１運動振動子および第２運動振動子を測定する運動振動子測定部と、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、前記運動振動子測定部により測定された前記第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１次振動子を生成する１次振動子生成部と、該運動振動子測定部により測定された該第１運動振動子と該１次振動子生成部により生成された該１次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部と、入力振動信号に基づき、該固有角速度設定部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、該運動振動子測定部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２次振動子を生成する２次振動子生成部と、該２次振動子生成部により生成された該２次振動子に加え、前記運動変数測定部により測定された前記運動変数に基づいて前記第２運動誘導装置の動作のスケールおよびリズムを特定する誘導振動子を生成する誘導振動子生成部とを備えていることを特徴とする。
【００２９】
第１１発明の運動管理システムによれば、動物の異なる身体部分のそれぞれの運動リズムと、この運動を誘導するリズムとの調和を図りながら、動物の運動リズムが目標運動リズムに近づくようにこの運動が誘導されうる。これにより、動物の運動ならびに第１および第２運動誘導装置のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するように動物を訓練することができる。
【００３０】
第１２発明の運動管理方法は、第１運動誘導装置の動作により誘導されている前記動物の運動スケールおよび運動リズムのうち一方または両方を表す運動変数を該第１運動誘導装置の動作の速さに基づいて測定し、前記動物の運動リズムと調和したリズムで該動物に力を作用させることによって該動物の運動スケールを調節しながら該動物の運動を誘導する第２運動誘導装置の動作を、測定した前記運動変数に基づいて制御することを特徴とする。
【００３１】
第１２発明の運動管理方法によれば、前記運動管理システムと同様に、動物ならびに第１および第２運動誘導装置の動きの調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するようにこの動物を訓練することができる。
【００３２】
第１３発明の運動管理プログラムは、動物の運動を管理するシステムとしてコンピュータを機能させるプログラムであって、第１運動誘導装置の動作により誘導されている前記動物の運動スケールおよび運動リズムのうち一方または両方を表す運動変数を該第１運動誘導装置の動作の速さに基づいて測定する運動変数測定部と、前記動物の運動リズムと調和したリズムで該動物に力を作用させることによって該動物の運動スケールを調節しながら該動物の運動を誘導する第２運動誘導装置の動作を、該運動変数測定部により測定された前記運動変数に基づいて制御する制御部とを備えている前記システムとして前記コンピュータを機能させることを特徴とする。
【００３３】
第１３発明の運動管理プログラムによれば、動物ならびに第１および第２運動誘導装置の動きの調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するようにこの動物を訓練することができるように当該動物の運動を管理する機能がコンピュータに付与される。なお、当該複数の機能のうち全てが一のコンピュータに付与されてもよく、当該複数の機能が複数のコンピュータに分散して付与されてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の運動管理システム、運動管理方法および運動管理プログラムの実施形態について図面を用いて説明する。
【００３５】
図１は本発明の運動管理システムの構成例示図であり、図２および図３は本発明の運動管理方法の説明図であり、図４は歩行運動を誘導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は本発明の運動管理システムの作用効果に関する概念説明図であり、図７〜図１０は本発明の運動管理システムによる作用効果を示す実験結果の説明図である。
【００３６】
以下、歩行者の脚体等について左右を区別するためにパラメータに添字Ｌ、Ｒを添付するが、表記の簡単のため左右を区別する必要が特にない場合には添字Ｌ、Ｒを省略する。
【００３７】
本発明の運動管理システムの構成について図１を用いて説明する。
【００３８】
図１に示されている運動管理システム１は、ユーザ（人間（動物））の動きと、トレッドミル（第１運動誘導装置）１０の動作と、歩行運動誘導装置（第２運動誘導装置）２０の動作との調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで歩行（または走行）するようにこのユーザを訓練するためのものである。
【００３９】
トレッドミル１０は、人間の標準的な横幅よりも若干広い程度の幅の駆動ローラ１１と、駆動ローラ１１とほぼ同じ幅の従動ローラ１２と、駆動ローラ１１および従動ローラ１２に掛け渡されている無端ベルト（無端回動体）１３と、無端ベルト１３のうちユーザが乗る部分を下から支える踏板１４とを備えている。駆動ローラ１１は、モータ、変速機等より構成される駆動機構１０１によって駆動される。駆動ローラ１１が図中時計回りに駆動されることにより、従動ローラ１２の同方向への従動を伴ってベルト１３も時計回りに回る。これによりベルト１３に乗っているユーザの図中左への歩行（または走行）が誘導される。また、ベルト１３の移動速度に応じた信号を出力する速度センサ１０２と、踏板１４が受ける圧力に応じた信号を出力する圧力センサ１０４とが設けられている。なお、トレッドミル１０としては、一般に市販されているもの等、公知のあらゆる構成のトレッドミルが採用されてもよい。
【００４０】
歩行運動誘導装置２０は、腰部装具２１と、大腿部装具２２と、力伝達部材２３と、バッテリ２４と、アクチュエータ（電動モータ）２５と、股関節角度センサ２６とを備えている。
【００４１】
腰部装具２１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２２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２３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２５および前後の大腿部装具２２のそれぞれに連結されている。バッテリ２４は腰部装具２１に収納されており（たとえば、腰部装具２１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２５等に対して電力を供給する。アクチュエータ２５は腰部装具２１に取り付けられており、力伝達部材２３および大腿部装具２２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２６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。
【００４２】
運動管理システム１は、第１制御部１００と、第２制御部２００とを備えている。
【００４３】
第１制御部１００は、トレッドミル１０に付属するマイクロコンピュータ等のコンピュータにより構成されており、駆動機構１０２による駆動ローラ１１の駆動速度等を制御する。第１制御部１００は運動変数測定部１１０を備えている。運動変数測定部１１０はハードウェアとしてのコンピュータ（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ（入出力装置）等により構成されている。）と、このコンピュータに機能を付与するソフトウェアとしての本発明の「運動管理プログラム」の一部とにより構成されている。運動変数測定部１１０は第１運動変数測定部１１１と、第２運動変数測定部１１２とを備えている。
【００４４】
第１運動変数測定部１１１は速度センサ１０２の出力に基づいてユーザの歩行速度ｖを当該ユーザの運動の速さを表す第１運動変数として測定する。第２運動変数測定部１１２は圧力センサ１０４の出力に基づいてユーザの歩行率（単位時間当たりの歩数）ｐを当該ユーザの運動のリズムを表す第２運動変数として測定する。
【００４５】
第２制御部（本発明の「制御部」に該当する。）２００は、歩行運動誘導装置２０の腰部装具２１に収納されたコンピュータと、このコンピュータに対して歩行運動誘導装置２０の制御機能等を付与するソフトウェアとしての本発明の「運動管理プログラム」とにより構成されている。
【００４６】
第２制御部２００は、運動振動子測定部２１０と、１次振動子生成部２２０と、固有角速度設定部２３０と、２次振動子生成部２４０と、誘導振動子生成部２５０とを備えている。
【００４７】
運動振動子測定部２１０は、股関節角度センサ２６の出力に基づき、ユーザの第２運動振動子として股関節角度φH（ユーザの運動スケールに応じた運動振動子である「第３運動振動子」にも該当する。）を測定する。また、運動振動子測定部２１０は、股関節角度センサ２６の出力に基づき、ユーザの第１運動振動子として股関節角速度ｄφH／ｄｔ（第３運動振動子の時間微分値である「第４運動振動子」にも該当する。）を測定する。
【００４８】
１次振動子生成部２２０は運動振動子測定部２１０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１次振動子ｘを生成する。
【００４９】
固有角速度設定部２３０は、第１位相差設定部２３１と、第２位相差設定部２３２と、相関係数設定部２３３と、第１角速度設定部２３４と、第２角速度設定部２３５とを備えている。
【００５０】
第１位相差設定部２３１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時間変化する１次振動子ｘとの位相差を第１位相差δθ1として設定する。第２位相差設定部２３２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δθ2（＝θh−θm）として設定する。相関係数設定部２３３は、第２位相差設定部２３２により設定された第２位相差δθ2が、第１位相差設定部２３１により設定された第１位相差δθ1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。第１角速度設定部２３４は、相関係数設定部２３３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。第２角速度設定部２３５は、第１角速度設定部２３４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位相差設定部２３２により設定された第２位相差δθ2が、目標位相差設定部２１２により設定された目標位相差δθｄ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】
２次振動子生成部２４０は、運動振動子測定部２１０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、固有角速度設定部２３０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２次振動子ｙを生成する。
【００５２】
誘導振動子生成部２５０は、第１誘導振動子生成部２５１と、第２誘導振動子生成部２５２とを備えている。
【００５３】
第１誘導振動子生成部２５１は２次振動子生成部２４０により生成された２次振動子ｙと、固有角速度設定部２３０により設定された固有角速度ωMとに基づき、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角度φH（第３運動振動子）をその目標値φ0に近付け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ｚ1を生成する。第２誘導振動子生成部２５２は２次振動子生成部２４０により生成された２次振動子ｙと、固有角速度設定部２３０により設定された固有角速度ωMとに基づき、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角速度ｄφH／ｄｔ（第４運動振動子）に応じて股関節角度φH（第３運動振動子）の絶対値の増大を抑制するための仮想的な減衰要素の減衰力を表す第２誘導振動子ｚ2を生成する。そして、誘導振動子生成部２５０は、第１誘導振動子ｚ1および第２誘導振動子ｚ2に基づき、歩行運動誘導装置２０によりユーザに作用させられる股関節回りのトルクＴを特定する誘導振動子ｚを生成する。
【００５４】
第１制御部１００および第２制御部２００は無線通信が可能とされている。なお、第１制御部１００に代えて第２制御部２００が目標歩行比設定部１３０を備えている等、運動管理システムを構成する複数の処理部１１１，１１２，２１０，２２０，‥が、第１制御部１００および第２制御部２００に任意のパターンで配設されていてもよい。また、第１制御部１００および第２制御部２００は同一のコンピュータにより構成されていてもよい。第１制御部１００および第２制御部２００の通信は有線通信であってもよい。
【００５５】
前記構成の運動管理システム１の機能について図２〜図４を用いて説明する。
【００５６】
第１運動変数測定部１１１はトレッドミル１０のベルト１３の速度に応じた速度センサ１０２の出力に基づき、ユーザの歩行速度ｖを測定する（図２／Ｓ１１１）。また、第２運動変数測定部１１２はトレッドミル１０の踏板１４が受ける圧力に応じた圧力センサ１０４の出力がピークを示す単位時間当たりの回数に基づき、ユーザの歩行率（単位時間当たりの歩数）ｐを測定する（図２／Ｓ１１２）。なお、歩行運動誘導装置２０によりユーザに作用させられる股関節回りのトルクＴの時間変化に基づいて歩行率ｐが測定されてもよい。また、ユーザの身体に加速度センサが取り付けられ、ユーザの鉛直方向の加速度に応じた加速度センサの出力に基づいて歩行率ｐが測定されてもよい。
【００５７】
第１運動変数測定部１１１により測定された歩行速度ｖおよび第２運動変数測定部１１２により測定された歩行率ｐは、第１制御部１００から第２制御部２００に無線送信され、第２制御部２００を構成するＲＡＭ等に保存（または記憶）される。
【００５８】
さらに、運動振動子測定部２１０は股関節角度センサ２６の出力に基づき、ユーザの左右の股関節角度φH＝（φHL，φHR）（第３運動振動子および第２運動振動子に相当する。）を測定し（図２／ｓ２１１）。また、運動振動子測定部２１０は股関節角度センサ２６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）（第４運動振動子および第１運動振動子に相当する。）を測定する（図２／ｓ２１２）。
【００５９】
さらに、１次振動子生成部２２０が、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角速度ｄφH／ｄｔおよびメモリに記憶されている最新の固有角速度ωM＝（ωML，ωMR）に基づき「第１モデル」にしたがって１次振動子ｘ＝（ｘL，ｘR）を設定する（図２／ｓ２２０）。第１モデルは、股関節角速度ｄφH／ｄｔ等の第１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、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あうことで、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（すなわち、当該第１要素のそれぞれの出力振動信号）を生成するモデルである。第１モデルは、たとえば次式（１）で表されるファン・デル・ポル（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐｏｌ）方程式によって表現される。１次振動子生成部２２０によって股関節角速度ｄφH／ｄｔ（第１運動振動子）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１次振動子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１次振動子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（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、歩行運動誘導装置２０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】
１次振動子ｘ＝（ｘL，ｘR）はルンゲ・クッタ法により算定（設定）される。１次振動子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、実際の歩行運動リズムとほぼ同じリズム（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。
【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、１次振動子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。
【００６５】
前記のように股関節角速度ｄφH／ｄｔ等の第１運動振動子に応じて出力が変動する複数の第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１次振動子ｘが生成される（式（１），図２／ｓ２２０）。これにより、ユーザの実際の運動に関係する複数の第１要素の関係を第１相関係数ｇ等により表される、第１モデルにおける複数の第１要素の相関関係に反映させることで、当該複数の第１要素間の関係に鑑みて適当な１次振動子ｘが生成され得る。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１次振動子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。
【００６６】
続いて、固有角速度設定部２３０がメモリに記憶されている目標位相差δθdと、１次振動子設定部２１０により生成された１次振動子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／ｓ２３０）。
【００６７】
具体的には、まず、第１位相差測定部２３１が、左右各成分について、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角速度ｄφH／ｄｔ（第１運動振動子）の位相θHと、１次振動子設定部２１０により生成された１次振動子ｘの位相θMとの位相差θH−θMを、第１位相差δθ1として設定する（図２／ｓ２３１）。
【００６８】
次に、第２位相差設定部２３２が、過去３歩行周期にわたって第１位相差設定部２３１により設定された第１位相差δθ1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δθ2として設定する（図２／ｓ２３２）。
【００６９】
ｄθh／ｄｔ＝ωh＋ε・ｓｉｎ（θmL−θhL）  ‥（２．１）
ｄθm／ｄｔ＝ωm＋ε・ｓｉｎ（θhL−θmL）  ‥（２．２）
δθ2＝ａｒｃｓｉｎ［（ωh−ωm）／２ε］  ‥（２．３）
【００７０】
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。
【００７１】
続いて、相関係数設定部２３３が、第１位相差設定部２３１により設定された第１位相差δθ1と、第２位相差設定部２３２により設定された第２位相差δθ2との差δθ1−δθ2が最小になるように、相関係数εを設定する（図２／ｓ２３３）。
【００７２】
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（第１運動振動子）が０となる離散的な時間ｔid（ｄ＝１，２，・・）における相関係数εが逐次設定される。
【００７３】
ε（ｔid+1）＝
ε（ｔid）−η｛Ｖ1（ｔid+1）−Ｖ1（ｔid）｝／｛ε（ｔid）−ε（ｔid-1）｝，
Ｖ（ｔid+1）≡（１／２）｛δθ1（ｔid+1）−δθ2（ｔid）｝2  ‥（２．４）
【００７４】
ここで、η＝（ηL，ηR）の各成分は、第１位相差δθ1の左右各成分と、第２位相差δθ2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。
【００７５】
次に、第１角速度設定部２３４が、相関係数設定部２３３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δθ1−δθ2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／ｓ２３４）。
【００７６】
ωh（ｔid）＝−α∫ｄｔ・（［４ε（ｔid）2−｛ωh（ｔ）−ωm（ｔid）｝2］1/2
×ｓｉｎ［ｓｉｎ-1｛（ωh（ｔ）−ωm（ｔid-1））／２ε（ｔid）｝−δθ1（ｔid）］）
‥（２．５）
【００７７】
ここで、α＝（αL，αR）の各成分は系の安定性を表す係数である。
【００７８】
続いて、第２角速度設定部２３５が、左右各成分について、第１角速度設定部２３４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／ｓ２３５）。具体的には、第２角速度設定部２３５が、左右各成分について、第２位相差δθ2が目標位相差δθd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。
【００７９】
ωm（ｔid）＝β∫ｄｔ・（［４ε（ｔid）2−｛ωh（ｔid）−ωm（ｔ）｝2）
×ｓｉｎ［ｓｉｎ-1｛（ωh（ｔid）−ωm（ｔ））／２ε（ｔid）｝−δθd］）
‥（２．６）
【００８０】
ここで、β＝（βL，βR）の各成分は系の安定性を表す係数である。
【００８１】
続いて、２次振動子生成部２４０が、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角度φH（第２運動振動子）と、固有角速度設定部２３０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、２次振動子ｙ＝（ｙL+，ｙL-，ｙR+，ｙR-）を生成する（図２／ｓ２４０）。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に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号（すなわち、当該第２要素のそれぞれの出力振動信号）を生成するモデルである。第２モデルは次式（３）の連立微分方程式により表現される。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。
【００８２】
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（ωＭMR）Ｋ（φR），
τ2i・ｄｖi／ｄｔ＝−ｖi＋ｙi，
ｙi＝Ｈ（ｕi−ｕth），Ｈ≡０（ｕi＜ｕth），１（ｕi≧ｕth）または
ｙi＝ｆs（ｕi）≡１／｛１＋ｅｘｐ（−ｕi／ξ）｝  ‥（３）
【００８３】
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。
【００８４】
τ1i≡ｔ（ωML）／ωML−γL（i=L+,L-），
ｔ（ωMR）／ωMR−γR（i=R+,R-）‥（３．１）
【００８５】
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。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、目標運動設定部２１１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。
【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振動子に基づき、２次振動子ｙiが生成されてもよい。
【００９０】
２次振動子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、２次振動子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２次振動子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２次振動子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】
前記のように股関節角度φH等の第２運動振動子に応じて出力が変動する複数の第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要素の出力として２次振動子ｙiが生成される（式（３），図２／ｓ２４０参照）。これにより、ユーザの実際の運動に関係する複数の第２要素の関係を第２相関係数ｗi/jにより表される、第２モデルにおける複数の第２要素の相関関係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２次振動子ｙiが生成され得る。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２次振動子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。
【００９２】
次に、誘導振動子生成部２５０が、第１運動変数測定部１１１により測定された歩行速度ｖと、第２運動変数測定部１１２により測定された歩行率ｐと、運動振動子測定部２１０によって測定された股関節角度φH（第３運動振動子）と、運動振動子測定部２１０によって測定された股関節角速度ｄφH／ｄｔ（第４運動振動子）と、２次振動子生成部２４０により生成された２次振動子ｙiと、固有角速度設定部２３０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３／ｓ２５０）。
【００９３】
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３／ｓ２５１）。
【００９４】
ｚ1L＝ｇ1+（ｐ0，ωmL）ｇ+（ｑ0，φHL）ｙL+−ｇ1-（ｐ0，ωmL）ｇ-（ｑ0，φHL）ｙL-，
ｚ1R＝ｇ1+（ｐ0，ωmR）ｇ+（ｑ0，φHR）ｙR+−ｇ1-（ｐ0，ωmR）ｇ-（ｑ0，φHR）ｙＲR-，
ｐ0≡（ｖ／ｋ0）1/2，ｑ0≡（ｖｋ0）1/2‥（４）
【００９５】
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。
【００９６】
ｇ1+（ｐ0，ω）≡Σkａk+（ｐ0）ωk（ａk+（ｐ0）：係数，ｋ＝０〜３）‥（４．１）
ｇ1-（ｐ0，ω）≡Σkａk-（ｐ0）ωk（ａk-（ｐ0）：係数，ｋ＝０〜３）‥（４．２）
ｇ+（ｑ0，φ）≡ｃ1+（φ−φ0+（ｑ0））＋ｃ2+（φ−φ0+（ｑ0））3
（ｃ1+，ｃ2;：係数，φ0+：屈曲方向の股関節角度φHの目標値）‥（４．３）
ｇ-（ｑ0，φ）≡ｃ1-（φ−φ0-（ｑ0））＋ｃ2-（φ−φ0-（ｑ0））3
（ｃ1-，ｃ2-：係数，φ0-：伸展方向の股関節角度φHの目標値）‥（４．４）
【００９７】
股関節角度φHの目標角度φ0+（ｑ0），φ0-（ｑ0）は目標歩行比ｋ0および歩行速度ｖに応じた推奨歩幅ｑ0（＝（ｖｋ0）1/2）関数であり、ユーザの歩幅ｑ（＝ｖ／ｐ）と推奨歩幅ｑ0との偏差δｑに基づいて補正されうる。また、第１係数ｇ1+（ｐ0，ωM），ｇ1-（ｐ0，ωM）に含まれる係数ａk+（ｐ0），ａk-（ｐ0）は目標歩行比ｋ0および歩行速度ｖに応じた推奨歩行率ｐ0（＝（ｖ／ｋ0）1/2）の関数であり、ユーザの歩行率ｐ（＝ｖ／ｑ）と推奨補効率ｐ0との偏差δｐに基づいて補正されうる。
【００９８】
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-の弾性力として表現されている。第１係数ｇ1+およびｇ1-は、歩行速度（第１運動変数）ｖおよび固有角速度ωMに応じて、股関節角度φH（ユーザの運動スケールに応じた運動振動子である第３運動振動子）を目標運動スケールに応じた目標角度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表現している（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、かつ、股関節角度φHの値を目標角度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、第１誘導振動子ｚ1により、股関節角度φH（第３運動振動子）が目標歩行比ｋ0および歩行速度ｖに応じた目標角度φ0+，φ0-に一致するように、かつ、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。
【００９９】
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（第３運動振動子）をその目標角度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が目標角度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が目標角度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。
【０１００】
また、他の仮想的なバネ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（第３運動振動子）をこの目標角度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が目標角度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が目標角度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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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２次振動子ｙL+の値が他の第２要素L-に応じた２次振動子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）。
【０１０３】
ｚ1L＝ｇ1+（ωmL）ｇ+（φHL）ｙL+  ‥（４ａ）
【０１０４】
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を前側の目標角度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。
【０１０５】
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２次振動子ｙL-の値が第２要素L+に応じた２次振動子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）。
【０１０６】
ｚ1L＝−ｇ1-（ωmL）ｇ-（φHL）ｙL-  ‥（４ｂ）
【０１０７】
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を後側の目標角度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。
【０１０８】
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２次振動子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得る。
【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３／ｓ２５２）。
【０１１０】
ｚ2L＝−ｇ2+（ｐ0，ωmL）（ｄφHL／ｄｔ）Ｈ+（φHL）ｙL+
＋ｇ2-（ｐ0，ωmL）（ｄφHL／ｄｔ）Ｈ-（φHL）ｙL-，
ｚ2R＝−ｇ2+（ｐ0，ωmR）（ｄφHR／ｄｔ）Ｈ+（φHR）ｙR+
＋ｇ2-（ｐ0，ωmR）（ｄφHR／ｄｔ）Ｈ-（φHR）ｙR-‥（５）
【０１１１】
ここで「ｇ2+」「ｇ2-」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+（ｐ0，ω）≡Σkｂk+（ｐ0）ωk
（ｂK+（ｐ0）：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．１）
ｇ2-（ｐ0，ω）≡Σkｂk-（ｐ0）ωk
（ｂk-（ｐ0）：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係数ｇ2+（ｐ0，ωM），ｇ2-（ｐ0，ωM）に含まれる係数ｂk+（ｐ0），ｂk-（ｐ0）は目標歩行比ｋ0および歩行速度ｖに応じた推奨歩行率ｐ0（＝（ｖ／ｋ0）1/2）の関数であり、ユーザの歩行率ｐ（＝ｖ／ｑ）と推奨補効率ｐ0との偏差δｐに基づいて補正されうる。
【０１１４】
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。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（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、かつ、股関節角速度ｄφH／ｄｔ（第４運動振動子）に応じて股関節角度φH（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。第２誘導振動子ｚ2により、股関節角速度ｄφH／ｄｔに応じて股関節角度φHの絶対値の増大が抑制されるように、かつ、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。
【０１１５】
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（第４運動振動子）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。
【０１１６】
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（第４運動振動子）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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
そして、誘導振動子生成部２５０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が作用する。
【０１１９】
以後、前記処理（図２／ｓ１１１，ｓ１１２，ｓ２１０，・・，ｓ２４０，図３／ｓ２５０）が繰り返されることで、ユーザは歩行運動誘導装置２０の動作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運動管理システム１によれば、トレッドミル（第１運動誘導装置）１０の動作によりユーザの歩行速度（歩行運動の速さ）が調節され、かつ、歩行運動誘導装置（第２運動誘導装置）２０の動作によりユーザの歩行率（運動リズム）と調和したリズムで運動スケールが調節されながら当該ユーザの歩行（または走行）運動が誘導される。このとき、トレッドミル１０の動作により誘導されているユーザの歩行速度（第１運動変数）ｖと歩行率（第２運動変数）ｐとに基づいて歩行運動誘導装置２０の動作が制御される。歩行速度ｖはトレッドミル１０のベルト１３の速度に基づいて測定され、歩行率ｐは歩行運動しているユーザの脚体からトレッドミル１０の踏板１４に作用する圧力に基づいて測定されることで、歩行速度ｖおよび歩行率ｐの測定精度の向上が図られうる。
【０１２１】
これにより、ユーザの歩行速度ｖおよび歩行率（運動リズム）ｐ（または歩幅（運動スケール）ｑ＝ｖ／ｐ）の関係を表す歩行比ｖ／ｐ2を目標歩行比に維持しながら歩行運動をユーザに継続させることができる。これは、図５に示されているｐ（歩行率）−ｑ（歩幅）平面において原点を通る直線ｑ＝ｋ+ｐ，ｑ＝ｋ-ｑ等の傾きとして表現される歩行比ｋ＝ｑ／ｐが、目標とする歩行比に一致することを意味する。
【０１２２】
たとえば図５に示されている点ｓ0により表される歩行率ｐ0および歩幅ｑ0でユーザが歩行運動している状態から、トレッドミル１０の動作によって双曲線ｑ＝ｖ／ｐで表される一定速度ｖ（＝ｐ0ｑ0）での歩行運動が誘導されながら歩行率が調節される場合を考える。
【０１２３】
直線ｑ＝ｋ+ｐの傾きｋ+（＞ｑ0／ｐ0）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、当該直線ｑ＝ｋ+ｐおよび双曲線ｑ＝ｖ／ｐの交点ｓ+により表される歩行率ｐ+（＜ｐ0）および歩幅ｑ+（＞ｑ0）をもってユーザが歩行するように、歩行運動誘導装置２０によってユーザの動きが誘導される（図５／矢印Ａ+参照）。すなわち、ユーザの歩行運動は歩行速度ｖが一定に維持されたまま、大股でゆっくりと歩行する状態へと徐々に誘導される。
【０１２４】
また、直線ｑ＝ｋ-ｐの傾きｋ-（＜ｑ0／ｐ0）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、当該直線ｑ＝ｋ-ｐおよび双曲線ｑ＝ｖ／ｐの交点ｓ-により表される歩行率ｐ-（＞ｐ0）および歩幅ｑ-（＜ｑ0）をもってユーザが歩行するように、歩行運動誘導装置２０によってユーザの動きが誘導される（図５／矢印Ａ-参照）。これにより、ユーザの歩行状態は歩行速度ｖが一定に維持されたまま、小股でせわしなく歩行する状態へと徐々に誘導される。
【０１２５】
図６に示されているように歩行比ｋの変化δｋは、歩行率ｐの変化δｐと、歩幅ｑの変化δｑとに分解されるが、歩行率ｐおよび歩幅ｑはそれぞれ次の理由により、ユーザの歩行運動リズムと、誘導振動子ｚに応じた歩行運動誘導装置２０の誘導リズムとを調和させながら変化させられる。
【０１２６】
ユーザの歩行率ｐは次の理由により、ユーザの歩行運動リズムと、誘導振動子ｚに応じた歩行運動誘導装置２０の誘導リズムとを調和させながら目標歩行率に一致するように変化させられうる。
【０１２７】
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１次振動子ｘは、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ものとして生成される。
【０１２８】
１次振動子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。したがって、１次振動子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。
【０１２９】
そこで、仮想的な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（第１運動振動子）と１次振動子ｘとの位相差（第１位相差）δθ1に応じたものに設定される。詳細には、第１位相差δθ1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／ｓ２３３）。また、当該２つの振動子θhおよびθmの位相差（第２位相差）δθ2を目標位相差δθd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／ｓ２３４，ｓ２３５）。これにより、新たな固有角速度ωMは、ユーザの歩行運動リズムと目標位相差δθdに応じた調和を図りながら、ユーザの歩行率を目標歩行率に一致させるようにユーザの歩行運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度となる。その後、新たな固有角速度ωMが反映されて１次振動子ｘの生成（図２／ｓ２１０）が繰り返されることにより、１次振動子ｘのリズムと股関節角速度φH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δθ1と目標位相差δθdと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およびトルク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。
【０１３０】
続いて、新たに設定された固有角速度ωMに基づいて定まる角速度で時間変化する２次振動子ｙiが生成され（図３／ｓ２４０）、さらに２次振動子ｙiを含む誘導振動子ｚが生成される（図３／ｓ２５０）。これにより、ユーザの歩行運動リズムと、誘導振動子ｚに応じた歩行運動誘導装置２０の誘導リズムとを調和させながら、ユーザの歩行率ｐを目標歩行率に一致させるように微小変化させることができる。これは、歩行運動誘導装置２０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運動誘導装置２０による誘導リズムに調和するという形のユーザ（ユーザ）と装置（機械）との調和（相互の歩み寄り）を意味する。
【０１３１】
なお、目標位相差δθdが負に設定されている場合、ユーザは歩行運動誘導装置２０を先導する形で歩行運動することができる。一方、目標位相差δθdが正に設定されている場合、ユーザは歩行運動誘導装置２０によって先導される形で歩行運動することができる。
【０１３２】
また、ユーザの歩幅ｑは次の理由により、ユーザの歩行運動リズムと、誘導振動子ｚに応じた歩行運動誘導装置２０の誘導リズムとを調和させながら目標歩幅に一致するように変化させられうる。
【０１３３】
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をその目標角度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-は歩行率ｐおよび固有角速度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歩行運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの歩行率を目標歩行率に一致させるようにユーザの歩行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。さらに、目標角度φ0+，φ0-は歩行速度ｖおよび歩行率ｐの関数である（式（４．３）（４．４）参照）。
【０１３４】
また、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。さらに、第２係数ｇ2+，ｇ2-は歩行率ｐおよび固有角速度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。
【０１３５】
したがって、歩行率ｐおよび新たな固有角速度ωMに応じた第１係数ｇ1+（ｐ，ωM），ｇ1-（ｐ，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+（ｐ，ωM），ｇ2-（ｐ，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、ユーザの歩行運動リズムと誘導振動子ｚのリズムとの調和、およびユーザの歩行率と目標歩行率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。
【０１３６】
また、目標角度φ0+，φ0-はユーザの測定歩幅（＝歩行速度ｖ／歩行率ｐ）と目標歩幅との偏差に基づいて補正されうる。さらに、第１係数ｇ1+，ｇ1-の係数ａk+，ａk-、および第２係数ｇ2+，ｇ2-の係数ｂk+，ｂk-はユーザの測定歩行率ｐと目標歩行率との偏差に基づいて補正されうる。また、前記のように歩行速度ｖおよび歩行率ｐの測定精度の向上が図られている。したがって、ユーザの歩行速度ｖおよび歩行率ｐの関係を表す歩行比が目標歩行比に一致するように、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。
【０１３７】
以上により、ユーザの歩行運動、トレッドミル１０の動作、および歩行運動誘導装置２０の動作の調和を図りながら、目標とするスケールおよびリズムで運動するようにこのユーザを訓練することができる。なお、ユーザの歩行比が目標歩行比に一致するように歩行運動誘導装置２０の動作が制御されたが、歩行速度（第１運動変数）ｖおよび歩行率（第２運動変数）ｐの任意の関係が目標とする関係となるように歩行運動誘導装置２０の動作が制御されてもよい。
【０１３８】
続いて、本発明の歩行運動管理システム１の前記作用効果に関する実験結果について図７〜図１０を用いて説明する。
【０１３９】
この実験に先立ち、図７に示されているように歩行比ｋとユーザの歩行運動に伴う消費エネルギーとの関係が測定された。そして、ユーザの消費エネルギーが最小となった状態での歩行比ｋ（＝０．００７５）が、身体負荷の軽減の観点から目標歩行比ｋ0として設定された。なお、目標歩行比は、歩行運動誘導装置２０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てもよい。また、トレッドミル１０のベルト１３の速度は５［ｋｍ／ｓ］に固定された。すなわち、ユーザは一定速度（５［ｋｍ／ｈ］）を維持しながら歩行するようにトレッドミル１０の動作によりその歩行運動が誘導された。
【０１４０】
図８に示されているように、歩行運動誘導装置２０による歩行運動の誘導の有無に応じて同一のユーザが同一の速度ｖで歩行した場合の歩行比ｋが異なる。すなわち、ユーザが歩行補助装置２０を装着せずに歩行した場合の歩行比ｋは約０．００６５に制御されている。これに対して、ユーザが歩行運動誘導装置２０を装着して歩行運動が誘導された状態で歩行した場合の歩行比ｋは、前記のように設定された目標歩行比ｋ（＝０．００７５）に制御されている。このユーザは、歩行運動誘導装置２０の動作によって歩行比ｋ、ひいては歩幅ｑが大きくなるように歩行運動が誘導されている。これにより、目標歩行比ｋ0で走行する感覚が身につくようにユーザを訓練することができる。そして、ユーザが歩行運動誘導装置２０を装着した状態で通常の歩道等を速度５［ｋｍ／ｈ］前後で歩行した場合、その歩行比は目標歩行比０．００７５に維持されることが確認された。このように、目標とする歩幅（スケール）および歩行率（リズム）で歩行運動するようにこのユーザを訓練することができる。
【０１４１】
また、図９に示されているように、歩行運動誘導装置２０による歩行運動の誘導の有無に応じて同一のユーザが同一の速度ｖで歩行した場合の心拍数（生理変数）が異なる。すなわち、ユーザが歩行補助装置２０を装着せずに歩行した場合の心拍数は、ユーザが歩行運動誘導装置２０を装着して歩行運動が誘導された状態で歩行した場合の心拍数よりも高い。これは、図８に示されているように、ユーザの歩幅が大きくなるように歩行運動が誘導されている状態で、その心拍数が低く抑えられており、身体への負荷が軽減されていることを意味する。
【０１４２】
また、図１０に示されているように、歩行運動誘導装置２０による歩行運動の誘導の有無に応じて同一のユーザが同一の速度ｖで歩行した場合の筋群活性度（生理変数）が異なる。図１０（ｂ）に示されているユーザが歩行運動誘導装置２０を装着して歩行運動が誘導された状態で歩行した場合のその股関節周囲の筋群活性度は、図１０（ａ）に示されているユーザが歩行補助装置２０を装着せずに歩行した場合の同じ箇所の筋群活性度よりも高い。これは、図８に示されているように、ユーザは歩幅が大きくなるように歩行運動が誘導されることで、ユーザの身体機能が活性化されていることを意味する。
【０１４３】
図７〜図１０に示されている実験結果から、たとえば、運動管理システム１が高齢者等、歩行運動機能が低下しているユーザの運動管理に利用された場合の意義が大きいことがわかる。すなわち、本発明の運動管理システム１が利用されることで、高齢者等の身体負荷を軽減しながら、その身体機能の低下抑制、さらには活性化を促すことができる。
【０１４４】
また、トレッドミル１０の設置スペースさえあれば比較的狭い場所でもユーザの歩行または走行訓練が可能である。
【０１４５】
なお、運動管理システム１は、ユーザの歩行運動以外のあらゆる運動の訓練に利用されてもよい。たとえば、車椅子の左右の車輪に手で力を加える運動の訓練等、他の運動の訓練に利用されてもよい。運動管理システム１は馬の走行等、人間以外の動物の運動の訓練に利用されてもよい。
【０１４６】
また、トレッドミル１０のほか、複数のローラに掛け渡された無端ベルト、中心または中心から外れた点を通る軸回りに回転される球体、楕円球体、中心軸または中心軸から離れた中心軸に平行な軸回りに回転する円筒、四角筒等の筒体、その他任意の軸回りに回転される一塊の物体等の無端回動体を回転させることでこの回動体に接触するユーザの腕や脚などの身体部分の運動を誘導する装置が第１運動誘導装置として採用されてもよい。
【０１４７】
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。
【０１４８】
また、第２制御部２００の２次振動子生成部２４０が、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角度φH（第２運動振動子）または股関節角速度ｄφH／ｄｔ（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、固有角速度設定部２３０により設定された新たな固有角速度ωMに代えて、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角度φH等の角速度（位相の時間変化）と、１次振動子生成部２２０により生成された１次振動子ｘ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２次振動子ｙを生成してもよい。
【０１４９】
当該構成によれば、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。これにより、ユーザの歩行運動、トレッドミル（第１運動誘導装置）１０の動作および歩行運動誘導装置（第２運動誘導装置）２０のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで歩行運動するようにユーザを訓練することができる。
【０１５０】
また、特開２００４−７３６４９号公報に開示されている方法にしたがって誘導振動子ｚが生成されてもよい。
【０１５１】
さらに、次のような形で誘導振動子ｚが生成されてもよい。すなわち、運動振動子測定部２１０がユーザの２つの異なる身体部分の動きに応じて時間変化するパラメータとしての運動振動子（たとえば肩関節角速度および股関節角度）のそれぞれを「第１運動振動子」および「第２運動振動子」として測定する。また、１次振動子生成部２２０が第１運動振動子と相互に引き込み合い、固有角速度ωMに基づいて定まる角速度で時間変化する１次振動子ｘを生成する。さらに、固有角速度設定部２３０が第１運動振動子と１次振動子ｘとの位相差に基づき、新たな固有角速度ωMを設定する。また、２次振動子生成部２４０が第２運動振動子に基づき、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２次振動子ｙを生成する。そして、誘導振動子生成部２５０が２次振動子ｙに加え、第１運動変数測定部１１１により測定された歩行速度ｖ（第１運動変数）と、第２運動変数測定部１１２により測定された歩行率ｐ（第２運動変数）とのうち一方または両方に基づいて誘導振動子ｚを生成する。
【０１５２】
当該構成によれば、ユーザの異なる身体部分のそれぞれの運動リズムと、この運動を誘導するリズムとの調和を図りながら、ユーザの運動リズムが目標運動リズムに近づくようにこの運動が誘導されうる。これにより、ユーザの運動ならびに第１および第２運動誘導装置のそれぞれの動作の調和を図りながら、適当なスケールおよびリズムで運動するようにユーザを訓練することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５３】
【図１】本発明の運動管理システムの構成例示図
【図２】本発明の運動管理方法の説明図
【図３】本発明の運動管理方法の説明図
【図４】歩行運動を誘導する仮想的なバネおよびダンパの説明図
【図５】本発明の運動管理システムの作用効果に関する概念説明図
【図６】本発明の運動管理システムの作用効果に関する概念説明図
【図７】本発明の運動管理システムによる作用効果を示す実験結果の説明図
【図８】本発明の運動管理システムによる作用効果を示す実験結果の説明図
【図９】本発明の運動管理システムによる作用効果を示す実験結果の説明図
【図１０】本発明の運動管理システムによる作用効果を示す実験結果の説明図
【符号の説明】
【０１５４】
１‥運動管理システム、１０‥トレッドミル（第１運動誘導装置）、１３‥無端回動体、２０‥歩行運動誘導装置（第２運動誘導装置）、２５‥アクチュエータ、２６‥股関節角度センサ、１００‥第１制御部、１１１‥第１運動変数測定部、１１２‥第２運動変数測定部、２００‥第２制御部（制御部）、２１０‥運動振動子測定部、２２０‥１次振動子生成部、２３０‥固有角速度設定部、２３１‥第１位相差設定部、２３２‥第２位相差設定部、２３３‥相関係数設定部、２３４‥第１角速度設定部、２３５‥第２角速度設定部、２４０‥２次振動子生成部、２５０‥誘導振動子生成部