(57)【要約】  支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの運動のための望ましい外骨格動作軌道を規定する方法、このユーザーの歩行補助デバイスおよびこのデバイスの制御方法によって、上肢および上半身部分の正常な機能における、下肢の可動域が限定されているかまたは完全な運動不能であるユーザーの、前進動作モードで所定の歩行能力が提供される。本発明は、支持−運動機構の機能障害を有さない人の歩行パターンに近い歩行パターンを有するそのようなユーザーの移動の可能性を提供し、ここでは、ユーザーに動作モードを独立して変化させる能力、制御パネル３２を用いる歩幅、脚上げ高および歩行リズムなどの歩行パラメーターを提供する。本発明は、外骨格１のオンボード制御装置８５に実装された制御装置３５を備えた、下肢の電動の外骨格１を備えるユーザー着用可能部分と、補助−専門家の外部コンピューター８６を備える装着不能部分と、外骨格１所望のデカルト軌道パラメーター決定システム４３とを備える。ここで、外骨格１の駆動装置への制御シグナルは、ユーザーの身体部分および外骨格１構成要素の質量慣性特性、ならびに制御品質に対する要件を考慮して生成される。【選択図】図３
2018533986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨盤セクションを含む外骨格を用いる支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの前進動作モードで事前に決められた矢状面における移動のためのデカルト座標系における外骨格の所望の軌道を規定する方法であって、左右のフットレストは、各々が、大腿セクションおよび脛セクションおよびフットステップを備え、ここで隣接セクションは、矢状面内での回転可能性を提供する対応する旋回性関節を使用して接続され、現在の角度および角速度測定ユニットに組み込まれた相対角度回転の対応するセンサーを装備され、ここで股関節および膝関節は電動で構成され、対応する駆動装置、例えば電気駆動装置、ならびに隣接セクションの相対角度回転のセンサーと接続されたオンボード制御装置および電動関節駆動装置の制御入力を装備されており、ここで、本発明によれば、モーションキャプチャシステムを使用する方法は、キャプチャされたモーションパラメーターデータ、キャプチャされたモーションパラメーターデータ処理ユニット、およびキャプチャされたモーションパラメーター記憶ユニットを収集して転送するため、連続して接続された測定デバイスユニットを備え、その出力は、モーションキャプチャシステムの出力に接続され、その動作のプロセスにおいて事前に選択されたヒトの身体のポイントのデカルト軌道の測定が確実になり、前記モーションキャプチャシステムが所望のデカルト軌道パラメーター決定システムの一部として使用され、支持−運動機構の機能障害のない人が、事前に選択された身体ポイントのデカルト座標、ならびに正面平面にある股関節軸と足関節軸との間の交点を測定するために使用されることを特徴とし、矢状面が、選択された身体ポイントとして使用され、そのデカルト座標が、前進動作モードで各々が所定の前記人の動作の間に前記の矢状表面のデカルト座標系の軸に沿った軌道の形態で時間に応じて測定され、各々の測定された軌道についてデータ配列の形態で前記キャプチャされたモーションパラメーター記憶ユニットに保存され、ここで前記矢状平面の前記座標系の座標の縦座標の軸は、垂直に方向付けられ、ただし横座標の軸は、外骨格の動作の経過に沿っており、さらに、所望のデカルト軌道パラメーター決定システムキャプチャのモーションパラメーター処理ユニットに組み込まれ、その入力はモーションキャプチャシステムの出力に接続され、デカルト座標の時間関数の前記テーブルセット配列、少なくとも２回微分された、前進の滑らかな補間性の前記軌道、分析関数、例えば、スプライン、例としては、三次スプラインで選択される各々についての、パラメーターおよび／または補間係数に基づいて、パラメーターの処理を行うか、および／またはキャプチャされた動作の補間係数を算出し、ここで前記算出されたパラメーターおよび／または補間係数が、キャプチャされたモーションパラメーター処理ユニットの出力に接続され、かつ、所望のデカルト軌道パラメーター決定システムに組み込まれた、所望の外骨格デカルト軌道パラメーターおよび／または補間係数記憶ユニットに記憶され、ここで、前記測定、これらの測定の結果として得られたデータの処理およびこれらのデータ処理結果の記憶が、脛の長さ対大腿骨長の様々な比率を有する人の群に対して行われ、ここで、この群の各人についての前記の比率および脛の長さに関するデータを保存する、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、キャプチャされたモーションパラメーター処理ユニットおよび所望の外骨格デカルト軌道パラメーターおよび／または補間係数記憶ユニットが、所望のデカルト軌道決定制御装置においてソフトウェアで実現されることを特徴とする、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、支持−運動機構の機能障害を有さない人の所定の前進動作モードが、以下のモード：「水平面を歩く」、「階段を上がる」、「階段を下りる」、「傾斜面を歩いて上がる」、「傾斜面を歩いて下りる」、「障害物を横切る」、「座って休む」、「真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」、「「座った休息」姿勢から真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」、「真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」から座って休む」を用いるという点で特徴付けられる、方法。
【請求項４】
所定の前進動作モードにおける支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスは、骨盤セクションおよび左右のフットレストを備える下肢の外骨格を備え、左右のフットレストは、大腿骨セクションおよび脛セクションおよびフットステップから各々が構成され、ここで隣接セクションは、矢状面での回転可能性を提供する対応する旋回性関節を使用して接続され、現在の角度および角速度測定ユニットに組み込まれた相対角度回転の対応するセンサーを装備され、ここで股関節および膝関節は、電動で構成され、かつ対応する駆動装置、例えば電気駆動装置、ならびに隣接セクションの相対角度回転のセンサーと接続されたオンボード制御装置および電動関節駆動装置の制御入力とを装備されており、ここで、前記フットステップは、フットレスト反応測定ユニットに取り付けられ、前記フットステップの踵部およびつま先キャップに装着されたフットレスト反応センサーを装備され、さらに歩行補助デバイスは、所望の外骨格の角および角速度算出のユニットを備える左右のハンドレストおよび制御装置、外部モーメント評価ユニットおよび算出のユニット、ならびに対応する駆動装置の制御入力に接続された外骨格駆動装置に対する制御シグナルの生成を備え、ここで、所望の外骨格の角および角速度測定ユニットの入力が、制御デバイスの第一の入力に接続され、その第三の入力が、現在の角度および角速度測定ユニットの出力に接続され、脛長対大腿骨長の比、脛の長さおよび外骨格セクションが取り付けられたユーザーの身体部分の体重慣性特性、歩幅、脚上げ高および歩行リズムなどのモーションパラメーターの動作モードの選択および調整を外骨格オンボード制御装置に入力する能力を補助−専門家に提供するように構成されている、補助−専門家の外部コンピューターで補助されるという点で特徴付けられ、制御パネルは、歩幅、脚上げ高および歩行リズムなどのモーションパラメーターの動作モード選択および調整の可能性をユーザーに提供するように構成され、電気駆動装置中の電流測定ユニットは、それぞれ第一、第二、第三、第四の電気駆動装置の第一、第二、第三、第四の電流センサーと、それをデカルト座標系に入力してその中に、所定の前進動作モードのデカルト座標における所望の動作軌道の時間依存パラメーターおよび／または補間係数を記憶するように構成されたデカルト座標の所望の軌道生成のユニットを備え、その第一の入力は、制御装置の第一の出力に接続されているが、第二の入力は、フットレスト反応測定ユニットの出力に対して接続され、前記第一の出力は、制御装置の第一の入力に接続され、第二の出力は、所望のデカルト軌道パラメーター決定システムに接続されるように構成され、その出力は、所望のデカルト軌道生成のユニットの第三の入力に接続されるように構成され、その第四の入力は、補助−専門家の外部コンピューターの出力に接続されるように構成され、ここでこの制御装置は、所望の加速発生ユニットを補充され、その第一の入力は、制御デバイス、所望の角加速算出ユニットの第一の入力に接続され、その第一の入力は、所望の加速発生ユニットの出力に接続され、そしてその第二の入力は、所望の角度および角速度発生のユニット、外骨格駆動装置角加速度算出ユニットの出力に接続され、ここで、外骨格は、角加速度算出のユニットを駆動し、ここで外骨格駆動装置角加速算出ユニットの第一の入力が、所望の前記角速度算出のユニットの出力に接続され、前記第二の出力は、所望の角度および角速度算出のユニット、現在の外骨格デカルト座標算出ベクトル算出のユニットの出力に接続され、その入力は、前記制御装置の前記第三の入力に接続され、前記出力は、所望のデカルト軌道加速度発生ユニット、ユーザーの胴体の角運動評価ユニットの第二の入力に接続され、前記入力は、現在の外骨格のデカルト座標算出のユニットに接続され、前記出力は、外部モーメント評価ユニットの第四の入力へ接続され、第五の入力が、制御装置の第二の入力を通じてフットレスト反作算出のユニットの出力に接続され、ここで制御シグナル発生ユニットの第一の入力が、外部モーメント評価ユニットの出力に接続され、その第一の入力は外骨格駆動装置角加速度算出のユニットの出力に接続され、前記第二の入力は、制御デバイスの第三の入力に接続され、これはまた、外骨格駆動装置角加速度算出のユニットの第三の入力と、および制御シグナル発生ユニットの第二の入力にも接続され、前記第三の入力は、外骨格駆動装置角加速度算出のユニットの出力に接続され、第四の入力は、外部モーメント評価ユニットの第三の入力にも接続された制御装置の第四の入力へ接続され、および制御デバイスの出力に対する前記出力は、運動電流測定ユニットの電気駆動装置の電流センサーを装備された駆動装置の制御入力に接続され、ここで前記制御デバイスの第四の入力は、電気モーター電流測定ユニットの出力に接続されている、デバイス。
【請求項５】
所望のデカルト軌道生成のユニットおよび制御デバイスが、外骨格のオンボード制御装置内のソフトウェアで実現されることを特徴とする、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
請求項４に記載のデバイスであって、支持−運動機構の機能障害を有する人の所定の前進動作モードが、以下のモード：「水平面を歩く」、「階段を上がる」、「階段を下りる」、「傾斜面を歩いて上がる」、「傾斜面を歩いて下りる」、「障害物を横切る」、「座って休む」、「真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」、「「座った休息」姿勢から真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」、「真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」から座って休む」を用いるという点で特徴付けられる、デバイス。
【請求項７】
所定の前進動作モードにおける、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスの制御方法であって、骨盤セクション、左右のフットレストを備える下肢の外骨格を備え、フットレストは、それぞれが大腿骨セクションおよび脛セクションおよびフットステップからなり、ここで、隣接セクションは、矢状面での回転可能性を提供する対応する旋回性関節を使用して接続され、現在の角度および角速度測定ユニットに組み込まれた相対的な角度回転のセンサーを装備され、ここで股関節および膝の旋回性関節は、電動に構成され、かつ対応する駆動装置、例えば、電気駆動装置、ならびに隣接セクションの相対的な角度回転のセンサーと接続されたオンボード制御装置、および電動関節駆動装置の制御入力とを装備されており、ここでフットステップは、フットレスト反応測定ユニットに組み込まれたフットレスト反応センサーを装備され、かつフットステップの踵部およびつま先キャップに装着され、さらに、歩行補助デバイスは、左右のハンドレストおよび制御装置を備え、これは所望の外骨格の角および角速度算出のユニットと、外部モーメント評価ユニットと、算出のユニットと、対応する制御装置の制御入力に接続された外骨格駆動装置への制御シグナルの生成とを備え、ここで、所望の外骨格の角および角速度算出のユニットの入力が制御装置の第一の入力に接続され、第三の入力が、現在の角度および角速度測定ユニットの出力に接続され、ここで、この方法によれば、股関節および膝関節における現在の角度および角速度ならびにフットレスト反力が測定され、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスは、脛長対大腿骨長の比、脛の長さおよび外骨格セクションが取り付けられたユーザーの身体部分の体重慣性特性、歩幅、脚上げ高および歩行リズムなどのモーションパラメーターなどの動作モードの選択および調整をオンボード制御装置に入力する能力を補助−専門家に提供する、補助−専門家の外部コンピューターで補助されるという点で特徴付けられ、制御パネルは、歩幅、脚上げ高および歩行リズムなどのモーションパラメーターなどの動作モード選択および調整の可能性をユーザーに提供するように構成され、電気駆動装置中の電流測定ユニットは、それぞれ第一、第二、第三、第四の電気駆動装置の第一、第二、第三、第四の電流センサーを備え、デカルト座標系における所望の軌道生成のユニットは、それをデカルト座標系に入力してその中に、所定の前進動作モードのデカルト座標における所望の動作軌道の時間依存パラメーターおよび／または補間係数を記憶するように構成され、その第一の入力は、制御装置の第一の出力に接続されているが、第二の入力は、フットレスト反応測定ユニットの出力に対して接続され、前記第一の出力は、制御デバイスの第一の入力に接続され、前記第二の出力は、デカルト座標系における所望の動作軌道パラメーター決定システムの入力に接続されるように構成され、その出力は、所望のデカルト軌道生成のユニットの第三の入力に接続されるように構成され、その第四の入力は、補助−専門家の外部コンピューターの出力に接続されるように構成され、ここで前記制御デバイスが、デカルト座標系における軌道に沿った動作のための加速度のユニットを補充され、その第一の入力は、制御デバイス、所望の角加速度算出のユニットの第一の入力に接続され、前記第一の入力が、所望の軌道加速度発生ユニットの出力に接続され、第二の入力は、所望の角度および角速度発生ユニットの出力に接続され、外骨格は、角加速度算出のユニットを駆動し、ここで外骨格角度加速度算出のユニットの第一の入力が、所望の前記角速度算出のユニットの出力に接続され、前記第二の出力は、所望の角度および角速度算出のユニット、現在の外骨格デカルト座標算出ベクトル算出のユニットの出力に接続され、その入力は、前記制御デバイスの第三の入力に接続され、前記出力は、角の動作評価ユニットを収容する、所望のデカルト軌道加速度発生ユニット第二の入力に接続され、前記入力は、現在の外骨格のデカルト座標算出のユニットの出力に接続され、前記出力は、外部モーメント評価ユニットの第四の入力へ接続され、第五の入力が、制御デバイスの第二の入力を通じてフットレスト反応算出のユニットの出力に接続され、ここで制御シグナル発生ユニットの第一の入力が、外部モーメント評価ユニットの出力に接続され、前記第一の入力は外骨格駆動加速度算出のユニットの出力に接続され、前記第二の入力は、制御デバイスの第三の入力に接続され、これはまた、外骨格駆動装置角加速度算出のユニットの第三の入力と、および制御シグナル発生ユニットの第二の入力にも接続されており、前記第三の入力は、外骨格駆動装置加速度算出のユニットの出力に接続され、第四の入力は、外部モーメント評価ユニットの第三の入力にも接続された制御装置の第四の入力へ接続され、および制御デバイスの出力に対する前記出力は、運動電流測定ユニットの電気駆動装置の電流センサーを装備された駆動装置の制御入力に接続され、ここで前記制御デバイスの第四の入力は、電気モーター電流測定ユニットの出力に接続されており、ここで、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスの提唱された制御方法によれば、脛の長さ対大腿骨長の比、脛の長さが測定され、ユーザーの身体部分測定の質量慣性特性が、それに装着された外骨格セクションを用いて、および補助−専門家の外部コンピューターを使用して、直接または間接的に行われ、オンボード制御装置のデカルト座標系における所望の軌道生成のユニットの第四の入力を、オンボード制御装置のデカルト座標系内での所望の軌道生成のユニットに入力して、それを通じて、デカルト座標系における所望の動作軌道パラメーターの決定システムに、脛の長さ、脛の長さ対大腿骨長の比、および外骨格を着用したユーザーの身体部分の質量慣性特性などの測定されたユーザーのパラメーターを入力し、所望の動作軌道決定のシステムから得られるユーザーデータの大腿骨長に対する脛の長さの規定の比によって、デカルト座標系の決定を行い、これを、各々所定の前進モードでのユーザーの移動の間の支持−運動機構の機能障害のない人で得られる補間関数の補間のパラメーター（係数）の配列形態で、デカルト座標系における所望の軌道生成のユニットに入力し、モードは、補助−専門家の外部コンピューターまたは前進モードで所定のシリーズから制御パネルを使用して設定し、補間関数の数値を、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの脛の長さと、支持−運動機構の機能障害を有さない人の脛の長さとの間の比に等しい係数で乗算して算出して、見積もり、所望のステップパラメーターは、対応する係数によって、デカルト座標系に示されるユーザーに対応する補間軌道のスケーリングによって、同様に脚運びの時間（歩行リズム）を変化させるため、これらの関数時間軸のスケーリングによって、補助−専門家の制御パネルまたは外部コンピューターから設定し、ここで、各々の特定の座標およびそれらの組合せの両方についてスケーリングを、現在の外骨格デカルト座標ベクトル算出のユニットにおいて行い、現在の外骨格デカルト座標のベクトルが、股関節および膝関節の角度および角速度の得られた測定値に基づいて、時間に応じて、外骨格の股関節および膝関節の旋回のデカルト座標系での所望の軌道の生成のユニットで、デカルト座標系で記録された補間関数の数値の記憶された時間依存パラメーター（係数）の値の配列に基づく算出によって、算出され；所望の角度および角速度のベクトルは、所望の軌道のベクトルおよびそれらの一次導関数の以前に計算された値に基づいて、デカルト座標系における軌道に沿った所望の運動加速発生のユニットで算出され、デカルト座標系における軌道に沿った動作の所望の加速のベクトルは、デカルト座標系における位置および速度ベクトルの以前に算出された値、ならびに所望の軌道のベクトル、ならびにその一次および二次導関数に基づいて、所望の角度および角速度発生ユニットで算出され、所望の角加速度のベクトルは、デカルト座標系における軌道に沿った動作の所望の加速度のベクトル、ならびに所望の角度および角速度のベクトルに基づいて、所望の外骨格駆動装置角度加速発生で算出され、外骨格駆動装置に対する所望の角加速度のベクトルは、所望の角加速度の以前に算出されたベクトル、所望の角および角速度のベクトル、旋回性関節内の現在の角度および角速度値のベクトルに基づいて、外部モーメント評価において算出され、外部モーメントのベクトルは、駆動装置に対する所望の角加速度の以前に算出されたベクトル、旋回性関節の現在の角および角加速度値のベクトル、フットレスト反応のベクトル、外骨格駆動装置電流の測定ベクトルに基づき、かつ外骨格を装着したユーザーの身体部分の質量慣性特性を考慮して算出され、外骨格の駆動装置への制御シグナルのユニット中で、現在の角度値の以前に算出されたベクトル、外部のモーメントベクトルならびに旋回性関節における現在の角度および角速度の測定されたベクトル、外骨格の駆動装置電流のベクトルに基づいて生成され算出される、方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、支持−運動機構の機能障害を有する人の所定の前進動作モードとして、以下のモード：「水平面を歩く」、「階段を上がる」、「階段を下りる」、「傾斜面を歩いて上がる」、「傾斜面を歩いて下りる」、「障害物を横切る」、「座って休む」、「真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」、「「座った休息」姿勢から真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」、「真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」から座って休む」を用いるという点で特徴付けられる、方法。
【請求項９】
デカルト座標系および制御デバイスにおける所望の動作軌道生成のユニットは、外骨格のオンボード制御装置内のソフトウェアで実施されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療機器に関し、具体的には、所望の外骨格動作軌道を規定する方法、ユーザー歩行補助デバイス、ならびに上肢および上半身部分は正常な機能で、下肢の可動域が限定されるか、または完全な運動不能がある、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの所定の前進動作モードでの歩行補助を制御する方法に関する。本発明は、水平面および傾斜面上の支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの歩行の可能性、ならびに健常者の歩行パターンに類似した歩行パターンによる階段上がりおよび障害物を横切る可能性を提供し、同様に、リハビリテーションおよびレクリエーション行為の実施に適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
下肢の限定された可動域に起因する独立動作の可能性を持たない、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの運動のための外骨格の所望の動作軌道を規定する既知の方法があり、ここでは外骨格駆動装置に対する制御シグナルが、ユーザーの脚に対する電動外骨格の締め付け構成要素に取り付けられた力センサーの読み取り値に応じて生成される（特許文献１）。
【０００３】
この方法は、下肢が完全に運動性がないユーザーにとっては使用不可能であり、例えば、足に筋力を生じさせることができないせいで対麻痺のユーザーにとって、および下肢の運動が制限されているユーザーにとっては、支持−運動機構の機能障害のない人の歩行パターンに類似した所望の歩行パターンの設定を確実にすることは不可能である。
【０００４】
支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの矢状面における運動のための外骨格の所望の動作軌道を規定する方法に関して、提案された発明に最も近いのは、外骨格を用いて、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの所定の前進動作モードでの矢状面の運動のためにデカルト座標系における外骨格の所望の動作軌道を規定する方法であり、この外骨格は、ユーザーの胴体に取り付けるためのクランプを備えたハウジングと、左右のフットレストとを備え、これらのフットレストの各々は、旋回性可能に接続されている、対応する大腿骨および脛のセクション、ならびに、ユーザーの脚に接続するための対応するクランプを備え、かつ矢状面で回転するように構成されたフットステップを備え、ここで対応する大腿骨セクションの上端部が、外骨格ハウジングの左端部および右端部にそれぞれ旋回性可能に接続されており、ここで、股関節および膝の旋回性関節は、隣接セクションの相対的な角度回転のセンサーを装備され、かつ電動で構成され、同様に、隣接セクションの相対的な角度回転のセンサーに接続されたオンボード制御装置を備え、かつ電動の関節駆動装置の入力を制御し、ここで、モーションキャプチャシステムを使用するこの方法によれば、キャプチャされたモーションパラメーターデータを収集および伝達するための連続的に接続された測定デバイス、キャプチャされたモーションパラメーターデータ処置ユニットおよびキャプチャされたモーションパラメーター記憶ユニットを備え、その出力は、モーションキャプチャシステムの出力に接続されて、動作の過程における事前に選択された人体ポイントのデカルト座標の測定を確実にする（非特許文献１）。
【０００５】
この方法では、ユーザーの動作方式は、モーションパラメーター（歩幅、脚上げ高および歩行リズム）の変更を許容しない外骨格交差角度の時間関数のセットとして形成される。
【０００６】
提案された方法を達成するための技術的結果は、所望の動作軌道の時間依存パラメーターの算出であり、これによって支持−運動機構の機能障害のない人の運動方式に近い運動方式で、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの運動のための矢状面のデカルト座標系における外骨格の所望の動作軌道、ならびにステップパラメーター（歩幅、脚上げ高および歩行リズム）の変化を正確に定義することが可能になる。
【０００７】
所定の前進動作モードにおける支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための公知の歩行補助デバイスがあり、これは、ユーザーの対応する身体部分に接続された外骨格の様々な部分に接続された１つまたはいくつかの実行機構を備えた外骨格を備え、ここでこのデバイスによって以下が提供される：所望の連続動作を示す入力データの受信と；上記命令の実行のための実行メカニズムの相対的な動き、および各命令のための駆動装置の相対的な動きに応じた外骨格の１つ以上のセクションの動きの実行に必要な１つ以上の連続命令の実行を提供するプログラムされたデータ移動の獲得（特許文献２）。
【０００８】
このデバイスでは、駆動装置に送信され、外骨格の動作を規定する入力シグナルが段階的に高次にされるため、外骨格内の歩行の滑らかさに影響し、かつ自然な歩行パターンに近くさせる外骨格駆動装置への制御入力を形成できず、これによって、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスの人間工学的特性に悪影響を及ぼしている。
【０００９】
デバイスに関して本発明に最も近いのは、下肢の外骨格を備える、所定の前進動作モードで支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスであり、ここでは、外骨格は、骨盤セクション、左右のフットレストを備え、その各々は、大腿骨セクションと脛セクションとフットステップとからなり、ここで隣接セクションは、矢状面内で回転する可能性を提供する対応する旋回性関節を用いて接続され、現在の角度および角速度測定ユニットに組み込まれた相対角度回転のセンサーを備え、ここで股関節および膝の旋回性関節は、電動で構成され、対応する駆動装置、例えば電気駆動装置、ならびに隣接セクションの相対角度回転のセンサーおよび電動関節駆動装置の制御入力に接続されたオンボード制御装置を備えており、ここでフットステップは、フットレスト反応測定ユニットに組み込まれ、スットステップの踵部およびつま先キャップに装着されたフットレスト反応センサーを装備され、さらに、歩行支持デバイスは、左右のハンドレストおよび制御デバイスを備え、これは、所望の外骨格角および角速度算出のユニット、外部モーメント評価ユニット、および対応する駆動装置の制御入力に接続された外骨格駆動装置への制御シグナルの算出と発生のユニットを備え、ここで所望の外骨格角度の入力および角速度算出のユニットは、制御デバイスの第一の入力に接続され、その第三の入力は、現在の角度および角速度測定ユニットの出力に接続される（特許文献３）。
【００１０】
この装置は以下のような欠点を有する：
−外骨格駆動装置への駆動シグナルは、罹患していない四肢から取り出された筋電図センサーのシグナルであるため、このデバイスおよびその制御方法は、対麻痺を含む筋肉活動がない（完全麻痺）ユーザーには使用不能である。
−これらのセンサーからのシグナルは、旋回性の角度に関して比例関係はもたらさない。
−駆動装置に送信され、外骨格の動きを規定する入力シグナルは、段階的であり、そのため、外骨格内の歩行の滑らかさに影響する。
−外骨格駆動装置へ制御シグナルを発生するとき、筋電シグナルの値に対するユーザーの筋肉疲労の影響は考慮されないので、外骨格運動の精度に影響する。
−外骨格駆動装置へのシグナルを発生するとき、制御シグナル発生ユニットで使用される、装着されたユーザー外骨格の数学的モデルは、ユーザーの胴体（その重量は体重の約半分である）の振動に起因して生じるモーメントの影響を考慮していない。
【００１１】
上記の要因は、装置の機能的能力を制限し、自然に近い歩行パターンを提供する外骨格駆動装置に制御の影響を及ぼさず、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスの人間工学的特性に悪影響を与える。
【００１２】
この歩行補助デバイスの制御方法に関して本発明に最も近いのは、下肢の外骨格を備える、所定の前進動作モードにおいて、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスの制御方法であり、この下肢の外骨格は、骨盤セクション、左右のフットレストを備え、それぞれが大腿骨セクションと脛セクションとフットステップで構成されており、ここで隣接セクションは、矢状面での回転可能性を提供する対応する旋回性関節を使用して接続され、現在の角度および角速度測定ユニットに組み込まれた相対角度回転のセンサーを装備され、ここで股関節および膝の旋回性関節は、電動で構成され、対応する駆動装置、例えば電気駆動装置、ならびに隣接セクションの相対角度回転のセンサーおよび電動式の関節駆動装置制御入力に接続されたオンボード制御装置を備えており、ここで、フットステップには、フットレスト反応測定ユニットに組み込まれ、フットステップの踵部およびつま先キャップに装着されたフットレスト反応センサーが装備されており、さらに歩行補助デバイスは、左右のハンドレストおよび制御デバイスを備え、これが所望の外骨格の角度および角速度算出のユニット、外部モーメント評価ユニットならびに対応する駆動装置の制御入力に接続された外骨格駆動装置に対する制御シグナルの算出および精製のユニットを備え、ここで所望の外骨格の角および角速度算出のユニットとの出力は、制御デバイスの第一の入力に接続され、その第三の入力は、現在の角度および角速度測定ユニットの出力に接続され、ここで、この方法によれば、股関節および膝関節の現在の角度および角速度、ならびにフットレストの反応力が測定される（特許文献４）。
【００１３】
支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのために上記の歩行補助デバイスを制御するために用いられるこの方法は、機能能力の制限を決定し、デバイスの高い人間工学的特性を提供することができないので、支持−運動機構の機能を完全に失ったユーザーの歩行を補助するのに適用することは不可能であり、上記機能を部分的に失ったユーザーが使用する場合、自然に近い歩行パターンをユーザーに提供することは不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第７７３１６７０号明細書
【特許文献２】国際公開第２０１１００２３０６号
【特許文献３】露国特許第２３６４３８５号明細書
【特許文献４】露国特許第２３６４３８５号明細書
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】エーピー・アリセイチク（Ａ．Ｐ．Ａｌｉｓｅｙｃｈｉｋ）、アイエー・オルロフ（Ｉ．Ａ．Ｏｒｌｏｖ）、ブイイー・パブロフスキー（Ｖ．Ｅ．Ｐａｖｌｏｖｓｋｉｙ）、ブイブイ・パブロフスキー（Ｖ．Ｖ．Ｐａｖｌｏｖｓｋｉｙ）、エイケイ・プラトノフ（Ａ．Ｋ．Ｐｌａｔｏｎｏｖ）、メカニクス・アンド・コントロール・オブ・エクソスケルトンズ・フォー・ローワー・エクストリミティズ・フォー・ニューロリハビリテーション・オブ・スパイナル・ペイシェンツ（Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓ  ｆｏｒ  ｌｏｗｅｒ  ｅｘｔｒｅｍｉｔｉｅｓ  ｆｏｒ  ｎｅｕｒｏｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｐｉｎａｌ  ｐａｔｉｅｎｔｓ）．−「エックスアイ・オール・ロシアン・コンベンション・オン・ファンダメンタル・プロブレムズ・オブ・セオリティカル・アンド・アプライド・メカニクス（ＸＩ  Ａｌｌ−Ｒｕｓｓｉａｎ  ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ  ｏｎ  ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  ｐｒｏｂｌｅｍｓ  ｏｆ  ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  ａｎｄ  ａｐｐｌｉｅｄ  ｍｅｃｈａｎｉｃｓ）」シーディー・ロム（ＣＤ−ＲＯＭ）、カザン（Ｋａｚａｎ）、２０１５年８月２０〜２４日、１３３〜１３５頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスおよびこのデバイスの制御のための方法の観点で本発明を達成するための技術的課題は、歩幅、脚上げ高および歩行のリズムのようなパラメーター、ならびにこの軌道に対する外骨格動作の正確性の増大という所望の軌道にそった動きの間の遠隔制御を用いた、筋肉および設定の動作活動の完全または部分的な喪失、設定の可能性および変化を伴うユーザーの正確な（支持−運動機構の機能障害のない人の歩行パターンに近い）歩行パターンを制御する可能性を与えることを通じた、機能的能力の向上およびデバイスの人間工学的特徴の改善である。
【００１７】
本発明がこのデバイス実行に関して達成を意図する他の技術的課題は、以下である：
−完全および部分的な対麻痺の両方で歩行補助のためのデバイス使用の可能性の提供；
−デバイスの様々な動作モードの可能性を提供するための様々な歩行パラメーター（長さ、足上げ高およびステップのリズム）の選択の可能性を有するユーザーの正しい歩行パターンの復元の可能性の提供−平坦面、傾斜面、段差のある面での動きだけでなく、障害物を横後る、その場で歩く。
−デカルト座標で規定された股関節および足首旋回の所望の軌道に沿って円滑で滑らかな動作の可能性の提供。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの矢状面における移動のための外骨格動作の所望の軌道を規定する方法に関して上記の技術的結果を達成するために、これによれば、キャプチャされたモーションパラメーターデータを収集および転送するための連続的に接続された測定デバイスユニット、キャプチャされたモーションパラメーターデータ処理ユニット、およびキャプチャされたモーションパラメーター記憶ユニットを備えるモーションキャプチャシステムを用い、その出力は、モーションキャプチャシステムの出力に接続され、その動作の過程において、所定のヒト身体ポイントのデカルト座標を測定することを確実にし、支持−運動機構の機能障害のない人を用いて、予め選択された身体ポイントのデカルト座標を測定し、股関節軸と足首関節軸との間の交点が、正面平面内にあり、矢状面が事前に選択された身体ポイントとして使用され、そのデカルト座標が測定される。ここで、上記デカルト座標は、所定の前進動作モードごとに上記の人の動作中の上記矢状面のデカルト座標系の軸に沿った軌道の形で時間に応じて計測され、測定された各軌道のデータ配列の形でキャプチャされたモーションパラメーター記憶ユニットを記憶し、ここで矢状面の上記座標系の縦軸は垂直に向けられ、一方、横軸は外骨格の動作の経過に沿っており、さらに、キャプチャされたモーションパラメーター処理のユニットでは、その入力は、モーションキャプチャシステムの出力に接続され、キャプチャされたモーションパラメーター処理が、上記に基づいて実行され、算出され、これはテーブルセット関数、デカルト座標のデータ配列、事前に微分可能な選択の各々についてのパラメーターおよび／または補間係数であり、上記の軌道、少なくとも２回微分された分析関数、例えば、スプライン、例としては３次スプラインを補間し、ここで算出されたパラメーターおよび／または補間係数は、パラメーターおよび／または補間の記憶ユニットを処理するキャプチャされたモーションパラメーターのユニットの出力に接続されて記憶される。
【００１９】
ここでは、事前に支持−運動機構の機能障害のない人の動作モードで事前に定められたとおり、以下のモード：「水平面を歩く」、「階段を上がる」、「階段を下りる」、「傾斜面を歩いて上がる」、「傾斜面を歩いて下りる」、「障害物を横切る」、「座って休む」、「真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」、「「座った休息」姿勢から真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」、「真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」から座って休む」を用いる。
【００２０】
支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための公知の歩行補助デバイスに関して上記の技術的成果を達成するために、骨盤セクション、および各々が大腿骨セクションと脛セクションとフットステップとからなる左右のフットレストを備える下肢の外骨格を備える。ここでは、隣接セクションは、矢状面内での回転可能性を確実にする、対応する旋回性関節を用いて接続され、現在の角度および角速度測定ユニットに組み込まれた相対角度回転の対応するセンサーを備え、ここで股関節および膝旋回性関節は、電動に構成され、対応する駆動装置、例えば、電気駆動装置、同様に、隣接セクションの相対的な角度回転のセンサーに接続されたオンボード制御装置および電動の関節駆動装置の制御入力を備えている。
【００２１】
このフットステップは、フットレスト反応ユニットに組み込まれ、フットステップの踵部および爪先キャップに装着されたフットレスト反応センサーを備え、さらに、歩行補助デバイスは、左右のハンドレストおよび制御装置を備え、これは、所望の外骨格角度および角速度算出のユニット、外部モーメント評価ユニット、ならびに外骨格駆動装置への制御シグナルの算出および生成のユニットを備え、ここで、所望の外骨格角および角速度算出のユニットの入力が、制御デバイスの第一の入力に接続され、第三の入力は、現在の角度および角速度測定ユニットの出力に接続されており、これは、外骨格のオンボード制御装置中に、大腿骨の長さに対する脛の長さの比、脛の長さおよび外骨格セクションを装着されたユーザーの身体部分の質量慣性特性、歩幅、脚上げ高および歩行リズムなどのモーションパラメーターの動作モード選択および調節を、補助−専門家が入力する能力を与えるように構成された補助−専門家の外部コンピューターを補填され、制御パネルは、歩幅、脚上げ高および歩行リズムなどのモーションパラメーターの動作モード選択および調節の可能性を、ユーザーに与えるように構成され、電気駆動装置中の電流測定のユニットは、それぞれ、第一、第二、第三、第四の電気駆動装置の第一、第二、第三、第四の電流センサーと、それを入力して、それを、所定の前進動作モードのためのデカルト座標系における所望の動作軌道の時間依存パラメーターおよび／または補間係数で記憶するように構成された、デカルト座標系での所望の軌道生成のユニットとを備え、その第一の入力が、制御デバイスの第一の出力に接続されるが、第二の入力は、フットレスト反応測定ユニットの出力に対して接続され、第一の出力は、制御デバイスの第一の入力に接続され、そして第二の出力は、デカルト座標系の所望の動作軌道パラメーター決定システムの入力に接続されるように構成され、その出力は、デカルト座標系における所望の軌道生成のユニットの第三の入力に接続されるように構成され、その第四の入力は、補助−専門家の外部コンピューターの出力に接続されるように構成され、ここで上記制御デバイスが、デカルト座標系の軌道に沿った所望の運動加速発生のユニットを補充され、その第一の入力は、制御デバイス、所望の角加速度計算機の第一の入力に接続され、その第一の入力は、軌道にそった動作の所望の加速発生ユニットの出力に接続され、そして第二の入力は、所望の角度および角速度発生ユニット、外骨格駆動装置に対する角加速度の算出のユニットの出力に接続され、ここで、外骨格駆動装置に対する角加速度の算出のユニットの第一の出力は、所望の角加速度算出のユニットの出力に接続され、そして第二の出力は、所望の角度および角速度算出のユニット、外骨格の現在のデカルト座標算出ベクトルの算出のユニットの出力に接続され、その入力は、制御デバイスの第三の入力に接続され、そしてこの出力は、角運動評価ユニットを収容する、デカルト座標系における軌道に沿った動きの所望の加速度発生のユニットの第二の入力に接続され、その出力は、外骨格の現在のデカルト座標の算出のユニットの出力に接続され、その出力は、外部動作評価ユニットの第四の出力に接続され、第五の入力が、制御装置の第二の入力を通じて、フットレスト反応算出のユニットの出力に接続され、ここで制御シグナル発生ユニットの第一の入力が、外部モーメント評価ユニットの出力に接続され、その第一の入力は、外骨格駆動装置に対する角加速度の算出のユニットの出力に接続され、第二の入力は、外骨格駆動角加速度算出のユニットの第三の入力と、および制御シグナル発生ユニットの第二の入力にも接続された制御デバイスの第三の入力に接続され、その第三の入力は、外骨格駆動装置角加速度算出ユニットの出力に接続され、第四の入力は、外部モーメント評価ユニットの第三の入力にも接続された制御デバイスの第四の入力へ接続され、および制御デバイスの出力に対する出力は、運動電流測定ユニットの電気駆動装置の電流センサーを装備された駆動装置の制御入力に接続され、ここで前記制御デバイスの第四の入力は、電気モーター電流測定ユニットの出力に接続されている。
【００２２】
骨盤セクション、大腿および脛のセクションおよびフットステップから各々がなる、左右のフットレストを備える、下肢の外骨格を備える、ユーザーのための歩行補助デバイスの公知の制御方法での外骨格の基礎における所定の前進動作モードでの、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスの制御方法に関して、上記の技術的成果を達成するために、ここで、この隣接セクションは、矢状面での回転可能性を提供する対応する旋回性関節を使用して接続され、現在の角度および角速度測定ユニットに組み込まれた相対角度回転の対応するセンサーを装備され、ここで股関節および膝関節の旋回性関節は、電動で構成され、対応する駆動装置、例えば電気駆動装置と、隣接セクションの相対角度回転のセンサーと接続されたオンボード制御装置と電動関節駆動装置の制御入力とを装備されており、ここで、フットステップは、フットレスト反応測定ユニットに組み込まれ、フットステップの踵部およびつま先キャップに装着されたフットレスト反応センサーを装備され、さらに歩行補助デバイスは、所望の外骨格角および角速度算出のユニットを備える左右のハンドレストおよび制御デバイス、外部モーメント評価ユニット、ならびに対応する制御装置の制御ユニットに接続された外骨格駆動装置に対する制御シグナルの算出および生成のユニットを備え、ここで、所望の外骨格角および角速度測定ユニットの入力が、制御デバイスの第一の入力に接続され、その第三の入力が、現在の角度および角速度測定ユニットの出力に接続される。
【００２３】
ここで、本発明の方法によれば、股関節および膝関節における現在の角度および角速度ならびにフットレスト反力が測定され、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスは、脛長対大腿骨長の比、脛の長さおよび外骨格セクションが取り付けられたユーザーの身体部分の体重慣性特性、歩幅、脚上げ高および歩行リズムなどのモーションパラメーターなどの動作モードの選択および調整をオンボード制御装置に入力する能力を補助−専門家に提供するように構成された、補助−専門家の外部コンピューターで補助され、制御パネルは、歩幅、脚上げ高および歩行リズムの選択の可能性をユーザーに提供するように構成され、電動機の電流測定ユニットは、それぞれ第一、第二、第三、および第四の電気駆動装置の第一、第二、第三、第四の電流センサーを備え、デカルト座標系における所望の軌道生成のユニットは、それをその中に入力して、所定の前進動作モードのデカルト座標系における所望の動作軌道の時間依存パラメーターおよび／または補間係数を記憶するように構成され、その第一の入力は、制御パネルの出力に接続され、そして第二の入力は、フットレスト反応測定ユニットの出力に対して接続され、第一の出力は、制御デバイスの第一の入力に接続され、そして第二の出力は、デカルト座標系における所望の動作軌道パラメーター決定システムの入力に接続されるように構成され、デカルト座標系における所望の軌道生成の第三の入力に接続されるように構成され、その第四の出力は、補助−専門家の外部コンピューターの出力に接続されるように構成される。
【００２４】
ここで、制御デバイスは、デカルト座標系の軌道に沿った所望の運動加速発生のユニットを補充され、その第一の入力は、制御デバイス、所望の角速度計算機の第一の入力に接続され、その第一の入力は、軌道に沿った所望の動作加速の算出のユニットの出力に接続され、そして第二の出力は、所望の角度のユニットおよび角速度発生ユニット、外骨格駆動装置に対する角加速度算出のユニットの出力に接続される。
【００２５】
ここで外骨格駆動装置に対する角加速度算出のユニットの第一の出力は、所望の角速度算出のユニットの出力に接続され、そして第二の出力は、所望の角度および角速度発生のユニット、現在の外骨格デカルト座標算出ベクトル算出のユニットに接続され、その入力は、制御デバイスの第三の入力に接続され、そしてその出力は、角モーション評価ユニットを収容する、デカルト座標系の軌道に沿った所望のモーション加速度発生のユニット第二の入力に接続され、この入力は、外骨格の現在のデカルト座標算出のユニットの出力に接続され、そしてこの出力は、外部モーメント評価ユニットの第四の入力へ接続され、その第五の入力は、制御デバイスの第二の入力を通じて、フットレスト反作測定ユニットの出力に接続され、ここで制御シグナル発生ユニットの第一の入力は、外部モーメント評価ユニットの出力に接続され、その第一の入力は、外骨格駆動装置への加速度算出のユニットに接続され、そして第二の入力は、制御デバイスの第三の入力に接続され、これはまた、外骨格駆動装置への角加速度の算出のユニットの第三の入力へ、および制御シグナル発生ユニットの第二の入力へも接続され、その第三の入力は、外骨格駆動装置への加速度算出のユニットの出力に接続され、第四の入力は、制御デバイスの第四の入力へ接続され、これはまた外部モーメント評価ユニットの第三の入力にも接続され、および制御デバイスの出力に対する出力は、運動電流測定ユニットの電気モーターの電流センサーを装備された駆動装置の制御入力に接続され、ここで制御デバイスの第四の入力は、電気モーター電流測定ユニットの出力に接続されている。
【００２６】
ここで、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスの提唱された制御方法によれば、脛長対大腿骨長の比、脛の長さが測定され、ユーザーの身体部分測定の質量慣性特性が、それに装着された外骨格セクションを用いて、および補助−専門家の外部コンピューターを介して、直接または間接的に行われ、オンボード制御装置のデカルト座標系における所望の軌道生成のユニットの第四の入力を、オンボード制御装置のデカルト座標系内での所望の軌道生成のユニットに入力して、それを通じて、デカルト座標系における所望の動作軌道パラメーターの決定システムに、脛の長さ、脛の長さ対大腿骨長の比、および外骨格を着用したユーザーの身体部分の質量慣性特性などの測定されたユーザーのパラメーターを入力し、所望の動作軌道決定のシステムから得られるユーザーデータの大腿骨長に対する脛の長さの規定の比によって、デカルト座標系の決定を行い、これを、各々所定の前進モードでのユーザーの動きの間の支持−運動機構の機能障害のない人で得られる補間関数の補間のパラメーター（係数）の配列形態で、デカルト座標系における所望の軌道生成のユニットに入力し、モードは、補助−専門家の外部コンピューターまたは所定の前進モードのシリーズから制御パネルを使用して設定し、補間関数の数値を、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの脛の長さと、支持−運動機構の機能障害を有さない脛の長さとの間の比に等しい係数で乗算して算出して、見積もり、所望のステップパラメーターは、対応する係数により、デカルト座標系に示されるユーザーに対応する補間軌道のスケーリングによって、これらの関数時間軸のスケーリングによって、同様に脚運びの時間（歩行リズム）を変化させるため、補助−専門家の制御パネルまたは外部コンピューターから設定する。
【００２７】
ここで、各々の特定の座標およびそれらの組合せの両方についてスケーリングが、現在の外骨格デカルト座標ベクトル算出のユニットにおいて行われ、現在の外骨格デカルト座標のベクトルが、股関節および膝関節の角度および角速度の得られた測定値に基づいて、時間に応じて、外骨格の股関節および膝関節の旋回のデカルト座標系での所望の軌道の所望の軌道生成のユニットで、デカルト座標系で記録された補間関数の数値の記憶された時間依存パラメーター（係数）の値の配列に基づく算出によって、算出され；所望の角度および角速度のベクトルは、所望の軌道のベクトルおよびそれらの一次導関数の以前に計算された値に基づいて、デカルト座標系における軌道に沿った所望の運動加速発生のユニットで算出され、デカルト座標系における軌道に沿った動きの所望の加速のベクトルは、デカルト座標系における位置および速度ベクトルの以前に算出された値、ならびに所望の軌道のベクトル、およびその一次および二次導関数のベクトルに基づいて、所望の角度および角速度発生ユニットで算出され、所望の角加速度のベクトルは、デカルト座標系における軌道に沿った動作の所望の加速度のベクトル、ならびに所望の角度および角速度のベクトルに基づいて、所望の外骨格駆動装置角度加速発生ユニットで算出され、外骨格駆動装置に対する所望の角加速度のベクトルは、所望の角加速度の以前に算出されたベクトル、所望の角および角速度のベクトル、旋回性関節における現在の角度および角速度のベクトルに基づいて、外部モーメント評価ユニットにおいて、算出され、外部モーメントのベクトルは、駆動装置に対する所望の角加速度の以前に算出されたベクトル、旋回性関節の現在の角および角加速度値のベクトル、フットレスト反応のベクトル、外骨格駆動装置電流の測定ベクトルに基づき、かつ外骨格を装着したユーザーの身体部分の質量慣性特性を考慮して算出され、外骨格の駆動装置への制御シグナルのベクトルは、現在の角度値の以前に算出されたベクトル、外部のモーメントベクトルならびに旋回性関節における現在の角度および角速度値の測定されたベクトル、外骨格の駆動装置電流のベクトルに基づいて外骨格の駆動装置に対する制御シグナルの生成ユニットに算出され、生成される。
【００２８】
ここで、支持−運動機構の機能障害を有する人の所定の前進動作モードとしては、以下のモード：「水平面を歩く」、「階段を上がる」、「階段を下りる」、「傾斜面を歩いて上がる」、「傾斜面を歩いて下りる」、「障害物を横切る」、「座って休む」、「真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」、「「座った休息」姿勢から真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」、「真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」から座って休む」が用いられる。
【００２９】
ここで、デカルト座標系および制御デバイスにおける所望の動作軌道生成のユニットは、外骨格のオンボード制御装置内のソフトウェアで実施される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスの外観を示す。
【図２】図２はこのデバイスの機構図を示す。
【図３】図３は、デカルト座標系で、外骨格の所望の動作軌道パラメーター決定システムの機能図を示す。
【図４】図４はユーザーの歩行補助デバイスの機能図である。
【図５】Ｖｉｃｏｎモーションビデオキャプチャシステムを使用して実験的に得られたデカルト座標系における支持−運動機構の機能障害のない人の下肢のいくつかの点の矢状面における動作軌道を示し、図５は、股関節、膝関節、足関節のデカルト座標系における動作軌道、および移動した脚のつま先を示す。
【図６】Ｖｉｃｏｎモーションビデオキャプチャシステムを使用して実験的に得られたデカルト座標系における支持−運動機構の機能障害のない人の下肢のいくつかの点の矢状面における動作軌道を示し、図６は、支持脚の股関節、膝関節および足首の関節とつま先を示す。
【図７】Ｖｉｃｏｎモーションビデオキャプチャシステムを使用して実験的に得られたデカルト座標系における支持−運動機構の機能障害のない人の下肢のいくつかの点の矢状面における動作軌道を示し、図７は、初期歩幅の軌道（点線で示す）と歩幅を３０％短縮した軌道（実線で示す）の携帯型の脚の股関節および足首関節のデカルト座標系における動作軌道を示す。
【図８】Ｖｉｃｏｎモーションビデオキャプチャシステムを使用して実験的に得られたデカルト座標系における支持−運動機構の機能障害のない人の下肢のいくつかの点の矢状面における動作軌道を示し、図８は、脚上げの軸に沿った脚移動の支持軌道（実線）と３０％脚移動による加速（点線）の軌道とを示す。
【図９】Ｖｉｃｏｎモーションビデオキャプチャシステムを使用して実験的に得られたデカルト座標系における支持−運動機構の機能障害のない人の下肢のいくつかの点の矢状面における動作軌道を示し、図９は、長軸方向の脚移動の軸に沿った移動の支持性の軌道、および３０％まで加速された脚移動の軌道を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの所定の前進動作モードでの矢状面内の運動のためのデカルト座標系における所望の外骨格動作軌道を規定する方法は、骨盤セクション２および、左フットレスト３、右フットレスト４（その各々が、大腿セクション５（６）および脛セクション７（８）および足ステップ９（１０）からなる）を備える外骨格１で行われる。
【００３２】
ここで、隣接セクション２−５、５−７、７−９、２−６、６−８および８−１０は、矢状面においてそれらの回転可能性を確実にする、対応する旋回性関節１１、１２、１３、１４、１５および１６を使用して接続され、現在の角度および角速度測定ユニット７０に組み込まれた相対角度回転の対応するセンサー１７、１８、２０、２１を備えており、ここで股関節１１および１４ならびに膝関節１２および１５の旋回性関節は、電動で構成されて、対応する駆動装置２３、２４および２５、２６、例えば電気駆動装置、ならびに隣接セクションの相対的な角度回転のセンサー１７、１８、２０、２１ならびに電動の関節駆動装置２３、２４および２５、２６の制御入力に接続されたオンボード制御装置８５を備える。
【００３３】
ここで、この方法によれば、モーションキャプチャシステム７７は、キャプチャされたモーションパラメーターデータを収集して転送するために連続的に接続された測定装置ユニット７８、キャプチャされたモーションパラメーターデータ処理ユニット７９、キャプチャされたモーションパラメーター記憶ユニット８０を備え、その出力は、モーションキャプチャシステム７７の出力に接続されており、モーションの処理において所定の人体ポイントのデカルト座標の測定を確実にし、ここでモーションキャプチャシステム７７は、デカルト座標系４３中の所望の軌道パラメーター決定システムの範囲内で使用され、支持−運動機構の機能障害のない人を用いて、事前に選択された身体ポイントのデカルト座標、および正面にある、股関節軸と足首関節軸との間の交点を測定し、矢状面は、事前選択された身体ポイントとして使用し、そのデカルト座標を測定する。
【００３４】
ここで、上記デカルト座標は、所定の前進動作モード毎に、上記の人の動作中の上記矢状面のデカルト座標系の軸に沿った軌道の形で時間に応じて計測され、測定された各軌道のデータ配列の形態で、キャプチャされたモーションパラメーター記憶ユニット８０に記憶し、ここで矢状面の上記座標の縦座標の軸は垂直に向けられ、一方で横座標の軸は、外骨格の動作の過程に沿っている。
【００３５】
更に、デカルト座標系における所望の動作軌道パラメーター決定システム４３に組み込まれたキャプチャされたモーションパラメーター処理ユニット８１において、その入力はモーションキャプチャシステム７７の出力に接続され、キャプチャされたモーションのパラメーターおよび／または補間係数の処理は、デカルト座標のテーブルセット時間関数の上記の配列に基づいて行われ、算出され、選択されたそれぞれのパラメーターおよび／または補間係数は、事前に微分可能であり、少なくとも２回微分された、上記の軌道、解析関数、例えば、立方体スプラインを含むスプラインを補間する。
【００３６】
ここで、算出されたパラメーターおよび／または補間係数は、外骨格の記憶ユニット７６に記憶され、デカルト座標系における所望の動作軌道パラメーターおよび／または補間係数は、キャプチャされたモーションパラメーター処理ユニット８１の出力に接続され、デカルト座標系の所望の動作軌道パラメーター決定システム４３に組み込まれる。
【００３７】
ここで、上記の測定では、これらの測定の結果として得られたデータの処理およびこれらのデータ処理の結果の記録を、大腿骨長に対する脛の長さの様々な比率を有する人の群に対して行い、ここで、この群における各人の上記比および脛の長さに対するデータを記憶する。
【００３８】
キャプチャされたモーションパラメーター処理ユニット８１および外骨格の記憶ユニット７６、デカルト座標系における所望の動作軌道パラメーターおよび／または補間係数は、好ましくは、デカルト座標における所望の動作軌道システム決定の制御装置８７のソフトウェアで実現すべきである。
【００３９】
ここでは、支持−運動機構の機能障害のない人の所定の前進動作モードとしては以下のモード：「水平面を歩く」、「階段を上がる」、「階段を下りる」、「傾斜面を歩いて上がる」、「傾斜面を歩いて下りる」、「障害物を横切る」、「座って休む」、「真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」、「「座った休息」姿勢から真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」、「真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」から座って休む」が用いられる。
【００４０】
下肢の外骨格１を含む、所定の前進動作モードで、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスは、骨盤セクション２と、左のフットレスト３および右フットレスト４とを備え、それぞれが大腿５（６）および脛７（８）のセクションおよびフットステップ９（１０）からなる。ここで、隣接セクション２−５、５−７、７−９、２−６、６−８および８−１０は、対応する旋回性関節１１、１２、１３、１４、１５および１６を使用して接続され、矢状面でのそれらの回転可能性を確実にし、現在の角度および角速度測定ユニット７０に統合された相対角度回転の対応するセンサー１７、１８、２０、２１を備えている。
【００４１】
股関節１１、１４ならびに膝１２および１５の旋回性関節は、電動化されて構成され、対応する駆動装置２３、２４および２５、２６、例えば電気駆動装置、ならびに隣接セクションの相対角度回転のセンサー１７、１８、２０、２１ならびに電動関節駆動装置２３、２４および２５、２６の制御入力と接続されたオンボード制御装置８５を装備され、ここでフットステップ９および１０は、フットレスト反応測定ユニット３１に一体化され、フットステップ９（１０）の踵部２７（２９）およびつま先キャップ２８（３０）に取り付けられた第一２７、第二２８、第三２９、および第四３０のフットレスト反応センサーを装備される。
【００４２】
さらに、歩行補助デバイスは、左３３および右３４のハンドレスト、ならびに制御デバイス３５を備え、これは、外骨格１の所望の角度および角速度算出のユニット３６、外部モーメント評価ユニット４０、および対応する駆動装置の制御入力に接続された、外骨格１駆動装置発生ユニット５２への制御シグナルを備え、ここで外骨格１の所望の角度および角速度算出のユニット３６の入力３７が、制御デバイス３５の第一の入力３８に接続され、第三の入力３９は、現在の角度および角速度測定ユニット７０の出力に接続されている。
【００４３】
さらに、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスは、外骨格１のオンボード制御装置８５に、脛長対大腿骨長の比率、脛の長さ、およびそれらに取り付けられた外骨格セクションを有するユーザーの身体部分の質量−慣性特性、歩幅、脚立ち上がりの高さおよび歩行リズムなどの動作モードの選択および調節の入力の可能性を補助−専門家に提供するように構成された補助−専門家の外部コンピューター８６と、
、歩幅、脚立ち上がりの高さおよび歩行リズムなどのモーションパラメーターの動作モード選択および調節の可能性をユーザーに提供するように構成された制御パネル３２と、電気軌道装置電流測定ユニット６５とを備え、これは、第一２３、第二２４、第三２５および第四２６の電気駆動装置のそれぞれ第一６６、第二６７、第三６８、第四６９の電流センサーを備える、
【００４４】
さらに、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスは、それに、所定の前進動作モードの所望のデカルト軌道の時間依存パラメーターおよび／または補間係数を、入力して、それに記憶するように構成された所望のデカルト軌道生成のユニット４１を備え、その第一の入力４２は、制御パネル３２の出力に接続され、第二の入力５３は、フットレスト反応測定ユニット３１の出力に接続され、第一の出力８３は、制御デバイス３５の第一の入力３８に接続され、そして第二の出力１９は、所望の動作デカルト軌道パラメーター決定システム４３の入力に接続する能力を有するように構成され、その出力は、所望のデカルト軌道生成のユニット４１の第三の入力２２に接続する能力を有するように構成され、その第四の入力８４は、補助−専門家の外部コンピューター８６の第一の出力８８に接続する能力を有するように構成され、その第二の出力８９は、外部運動評価ユニット４０の第６の入力９０に接続する可能性を有するように構成されている。
【００４５】
ここで、制御装置３５は、デカルト座標系における軌道に沿って所望の運動加速度発生ユニット４４を含み、その第一の入力４５は、制御装置３５の第一の入力３８、所望の角加速度算出のユニット４６に接続され、その第一の入力４７は、所望の軌道加速度発生ユニット４４の出力に接続され、そして第二の入力５４は、所望の外骨格の角および角加速度の算出ユニット３６、外骨格１駆動装置に対する所望の角加速度の算出のユニット４８の出力に接続され、その第一の入力４９は、所望の角加速度算出ユニット４６の出力に接続され、そして第二の入力５０は、所望の外骨格角および角速度算出のユニット３６の出力、外骨格１の現在のデカルト座標入力算出ユニット５１のベクトルに接続され、その入力は、制御デバイス３５の入力３９に接続され、そしてその出力は、デカルト座標系の軌道に沿って所望の運動加速度発生ユニット４４の第二の入力５５へ接続される。
【００４６】
さらに、歩行補助デバイスは、ユーザーの胴体の角運動評価ユニット７１を備え、その入力７２は、現在の外骨格デカルト座標ベクトル算出ユニット５１の出力に接続され、その出力は、外部モーメント評価ユニット４０の第四の７３入力に接続され、その第五の入力７４は、制御デバイス３５の第二の入力７５を通じて、フットレスト反応測定ユニット３１の出力に接続されている。
【００４７】
ここで、外骨格駆動制御シグナル発生ユニット５２の第一の入力５６は、外部モーメント評価ユニット４０の出力に接続され、第一の入力５７は、外骨格の出力に接続され、所望の角加速度算出のユニット４８を駆動し、そして第二の入力５８は、制御デバイス３５の第三の入力３９へ接続され、これはまた外骨格の第三の入力５９にこれも接続され、所望の角加速度算出のユニット４８を駆動し、外骨格の第二の入力６０は、制御シグナル発生ユニット５２を駆動し、その第三の入力６１は、外骨格の出力に接続されて、所望の角加速度算出のユニット４８を駆動し、その第四の入力６２は、制御デバイス３５の第四の入力６３に接続され、これも外部モーメント評価ユニット４０の第三の入力６４に接続され、そしてその出力は、電気モーター電流測定ユニット６５の電気モーターの電流のセンサー６６、６７、６８、６９を装備された駆動装置２３、２４、２５、２６の制御入力に接続された、制御デバイス３５の出力に接続され、ここで制御デバイス３５の第四の入力６３は、電気モーター電流測定ユニット６５の出力に接続されている。
【００４８】
ここで、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための上記の歩行補助デバイスの現行の制御方法によれば、脛長対大腿骨長の比、脛の長さおよび外骨格セクションが取り付けられたユーザーの身体部分の体重慣性特性が測定されて、補助−専門家の外部コンピューター８６を通じて、オンボード制御装置８５のデカルト座標系における所望の軌道生成ユニット４１の第四の入力８４が、オンボード制御装置８５のデカルト座標系における所望の軌道生成のユニット４１へ入力され、それを通じてデカルト座標系における所望の動作軌道パラメーター決定システム４３に、脛の長さ、脛の長さ対大腿骨長の比、および外骨格を着用したユーザーの身体部分の質量慣性特性などの測定されたユーザーのパラメーターを入力し、大腿骨長に対する脛の長さの入力ユーザー比に従って、データ抽出を、デカルト座標系の所望の動作軌道パラメーター決定システム４３から行い、これを、各々所定の前進モードでのユーザーの移動の間の支持−運動機構の機能障害のない人で得られる補間関数の補間のパラメーター（係数）の配列の形態で、デカルト座標系における所望の軌道生成ユニット４１に入力し、制御パネル３２の補助−専門家の外部コンピューター８６から、ユーザー動作モードを設定し、補間関数の数値を、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの脛の長さと、支持−運動機構の機能障害を有さない人の脛の長さとの間の比に等しい係数で乗算して算出して、見積もり、所望のステップパラメーターは、対応する係数によって、同様に脚運びの時間（歩行リズム）を変化させるため、デカルト座標系に示されるユーザーに対応する補間軌道のスケーリングによって、これらの関数時間軸のスケーリングによって、補助−専門家の制御パネルまたは外部コンピューターから設定し、ここで、各々の特定の座標およびそれらの組合せの両方についてスケーリングが行われ、現在の外骨格デカルト座標のベクトルが、股関節および膝関節の角度および角速度の得られた測定値に基づいて算出され、外骨格の股関節および膝関節の旋回の所望の動作軌道が、時間に応じて、デカルト座標系で記録された補間関数の数値の記憶されたおよび時間依存のパラメーター（係数）値の配列に基づく算出によって、生成され；所望の角度および角速度のベクトルは、所望の軌道のベクトルおよびそれらの一次導関数の以前に計算された値に基づいて算出され；デカルト座標系における軌道に沿った動作の所望の加速のベクトルは、デカルト座標系における位置および速度ベクトルの以前に算出された値、ならびに所望の軌道のベクトル、およびその一次および二次導関数のベクトルに基づいて算出され；所望の角加速度のベクトルは、デカルト座標系における軌道に沿った動作の所望の加速度のベクトル、ならびに所望の角度および角速度のベクトルに基づいて、算出され；所望の外骨格駆動装置角加速度のベクトルは、所望の角加速度の以前に算出されたベクトル、所望の角および角速度のベクトル、現在の旋回性関節の角度および角速度値のベクトルに基づいて算出され；外部モーメントのベクトルは、駆動装置に対する所望の角加速度の以前に算出されたベクトル、旋回性関節の現在の角および角加速度値のベクトル、測定された外骨格駆動装置電流のベクトルに基づいて、外骨格を装着したユーザーの身体部分の質量慣性特性を考慮して算出され、そして外骨格駆動制御シグナルのベクトルは、現在の旋回性関節の角度および角速度値の以前に算出されたベクトル、外骨格の駆動装置電流のベクトルおよびフットレスト反応のベクトルに基づいて算出され生成される。
【００４９】
ここで、支持−運動機構の機能障害を有する人の所定の前進動作モードとしては、以下のモード：「水平面を歩く」、「階段を上がる」、「階段を下りる」、「傾斜面を歩いて上がる」、「傾斜面を歩いて下りる」、「障害物を横切る」、「座って休む」、「真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」、「「座った休息」姿勢から真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」、「真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」から座って休む」が用いられる。
【００５０】
ここで、デカルト座標系における所望の動作軌道生成のユニット４１および制御デバイス３５は、外骨格１のオンボード制御装置８５内のソフトウェアで実現される。
【００５１】
支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスの使用原理の説明
支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイスの動作は、従来、以下の３つの段階によって特徴付けられ得る：
−同じ所定の前進動作モードのための、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの同じデカルト座標系における運動の所望の軌道である、所定の前進動作モードのための、支持−運動機構の機能障害のない人のデカルト座標における歩行（歩行パターン）を明確に特徴付けるデータ配列が形成される準備；
−支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの必要とされる幾何学的および質量−慣性特性の測定が行われ、測定データの入力が、外骨格オンボード制御装置へ行われ、ならびに外骨格動作モードおよび歩行パラメーター（歩幅、脚上げ高、歩行リズム）が設定される、測定および調整の段階；
−制御シグナルの算出および外骨格駆動装置への制御シグナルの生成が行われる、外骨格駆動装置への制御効果生成の段階。
【００５２】
（準備段階）
支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの所定の前進における矢状面内の動きのための外骨格の所望の動作軌道を規定するための提案された方法によって、モーションキャプチャを支持−運動機構の機能障害を伴わない人で行い（図５、図６）、デカルト座標へのキャプチャされたモーションの記憶を行い、支持−運動機構の機能障害のない人の同じ所定の前進動作モードにおける矢状面内のデカルト座標系の所望の動作軌道のパラメーターおよび／または補間係数を算出して、使用する。さらに、支持−運動機構の機能障害を有さないこの人は、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーと同じ、脛の長さ対大腿骨長の比を有するべきである。さらに、その人の脛の長さを記録すべきである。
【００５３】
所望の外骨格動作軌道を規定する方法の実施のために、デカルト座標の所望の外骨格動作軌道パラメーター決定システム４３を使用し、これには以下の技術的手段を含む：
モーションキャプチャシステム７７であって、キャプチャされたモーションパラメーターデータを収集して転送するために連続して接続された測定デバイスユニット７８と、キャプチャされたモーションパラメーターデータ処理ユニット７９と、キャプチャされたモーションパラメーター記憶ユニット８０とを備え、その出力はモーションキャプチャシステム７７の出力に接続され、かつキャプチャされたモーションパラメーター処理ユニット８１に連続的に接続され、その入力は、所望の外骨格動作軌道パラメーターおよび／または補間関数係数のためのモーションキャプチャシステム７７および記憶ユニット７６の出力に接続され、ここで支持−運動機構の機能障害のない人の脛の長さ対大腿骨長の比も記録される。
【００５４】
したがって、ユニット７６において、脛の長さ対大腿骨長の様々な比を有する人の群について（この群の各人の上記の比および脛の長さに対するデータを記憶する）、ならびに種々の所定の前進動作モード（平坦面、傾斜面および段差のある面の上を歩くこと、ならびに低くなって休息から立ち上がるというモード）に対応する軌道について、所望の軌道の算出されたパラメーターおよび／または補間係数の蓄積および記憶が実行される。
【００５５】
デカルト座標系における外骨格の所望の動作軌道パラメーターおよび／または補間係数のキャプチャモーションパラメーター処理ユニット８１および記憶ユニット７６は、デカルト座標決定制御装置８７内の所望の動作軌道において実施されることが好ましい。
【００５６】
ここで、支持−運動機構の機能障害がない人の所定の前進動作モードは、以下のモード：「水平面を歩く」、「階段を上がる」、「階段を下りる」、「傾斜面を歩いて上がる」、「傾斜面を歩いて下りる」、「障害物を横切る」、「座って休む」、「真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」、「「座った休息」姿勢から真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」、「真っ直ぐ伸ばした脚で垂直に立つ」から座って休む」で用いられる。
【００５７】
（測定および調整段階）
測定および調整測定、ならびに支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの人体計測および質量−慣性パラメーターを外骨格オンボード制御装置の入力の段階。これらの測定は、外部コンピューター８６を使用して外骨格１のオンボード制御装置８５に入力する補助−専門家によって行われる。
【００５８】
したがって、補助−専門家によって測定された脛の長さおよび脛の長さ／大腿骨長の比によれば、デカルト座標での所望の動作軌道生成のユニット４１の第四の入力８４を通じて、上記ユニット４１の第二の出力１９、およびデカルト座標系における所望の動作軌道パラメーター決定システム４３の入力が入力され、上記システム４３の出力を通じて、全ての所定の前進の人の動作のモードで入力比に対応する所望の軌道のパラメーターおよび／または補間係数のアレイの抽出を行う。
【００５９】
その後、デカルト座標系で提示される軌道スケーリングを、支持−運動機構の機能障害を伴わない人および支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの脛の長さの係数によって実施し、そのユーザーの所望の軌道の補間係数を算出する。得られた係数は、支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの所定の前進動作モードにおける移動のための矢状面における外骨格移動の所望の軌道を明確に決定し、さらにそれは外骨格の動作の過程における基準として使用される。
【００６０】
歩行パラメーター（歩幅、足上げの高さ、歩行リズム）の設定後、デカルト座標系で提示された、ユーザーに対応する補間された軌道のスケーリングを、対応する係数によって、全て脚移動時間（歩行リズム）の変更について、これらの機能の時間軸をスケーリングすることによって、行い、ここではスケーリングは、各々の特定の座標およびそれらの組み合わせの両方に対して行う。参照およびスケーリングされた軌道を図７〜９に示す。
【００６１】
（外骨格駆動装置への制御効果生成の段階）
文献資料［Ｖ．Ｖ．Ｂｅｌｅｔｓｋｉｙ．二足歩行（Ｂｉｐｅｄ  ｗａｌｋｉｎｇ）．ダイナミクスおよび制御のモデルタスク（Ｍｏｄｅｌ  ｔａｓｋｓ  ｏｆ  ｄｙｎａｍｉｃｓ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ．）モスクワ（Ｍｏｓｃｏｗ）：ナウカ（Ｎａｕｋａ）、１９８４年．２６８頁．２１９〜２２０頁］から、矢状面における動作中にユーザーの下半身部分に一体化して取り付けられた外骨格の動的モデルは、ユーザーの胴体の動作を考慮した方程式（数１）によって記述し得ることが公知である。
【００６２】
【数１】
2018533986.tif 000003
式中、Ｄ−［７×７］マトリクスは、その中に人が組み込まれている外骨格の慣性を記述し、Ｈ−［７×１］とは、コリオリのベクトルと遠心力、Ｇ−［７×１］とは重力のベクトル、−［７×１］とは、支持脚のフットレスト反応のベクトル、Ｗ−［７×４］とは、特定のマトリクス、τｅ−［４×１］とは、駆動装置によって生成された制御モーメントのベクトル、τｈ−［６×１］とは、外部衝撃モーメントのベクトル。
【００６３】
【数２】
2018533986.tif 000004
【００６４】
数２は、一般化座標、速度および加速度のベクトルを記述する。ベクトルθ［７×１］は、股関節のデカルト座標ｘｐｅｌ、ｙｐｅｌ、ユーザーの胴体傾斜角Ψ、ならびに支持脚および移動脚の股関節１１および１４ならびに膝関節１２および１５の旋回性関節における交角（数３）のベクトルからなる。
【００６５】
【数３】
2018533986.tif 000005
【００６６】
制御パネル３２を使用して、必要な動作モードが一連の所定の前進動作モードから選択される。現在の角度および角速度測定ユニット７０に統合されたものを用いて、股関節１１および１４ならびに膝関節１２および１５の旋回性関節の相対角度回転角度および角速度のセンサー１７、２０および１８、２１が測定され、電気モーターに組み込まれた、電流測定ユニット６５を用いて、電気モーター電流測定のセンサー６６、６７、６８、および６９−それぞれ、電気駆動装置電気モーター２３、２４、２５、２６が測定される。
【００６７】
同時に、フットレスト反応測定ユニット３１に組み込まれた、力センサー２７、２８、２９、および３０を用いて、フットステップ９および１０におけるフットレスト反応に対するデータを収集する。
【００６８】
さらに、パラメーターおよび／または補間係数の記憶ユニット７６からの制御パネル３２からのシグナルに対して、デカルト座標系パラメーターおよび／または補間係数での所望の軌道生成のユニット４１の記憶に対する所望の動作軌道パラメーター決定システム４３に、支持−運動機構の機能障害のあるユーザーと脛の長さ対大腿骨長の同じ比を有する、上記の機能障害のない人の所定の前進動作モードの動作軌道、ならびに上記の機能の障害のない人の脛の長さを入力する。
【００６９】
補助デバイスは、特定のユーザーの身体計測（脛の長さ／大腿骨長および脛の長さの比、ならびにユーザーの質量次元パラメーター）への調整を必要とする。補助者は、これらのユーザーパラメーターを、補助−専門家の外部コンピューター８６を使用してユニット４１に入力する。次に、ユニット４１は、入力ユーザーの人体計測パラメーターに対応する様々な動作モードのための所望の動作軌道のセットを、ユニット４３から受け取る。
【００７０】
外骨格の運動開始およびステップパラメーターは、外部８６コンピューターを使用する補助者によって、および／または制御パネル３２を使用するユーザーによって設定される。
【００７１】
現在の外骨格デカルト座標のベクトル算出のユニット５１では、現在の外骨格デカルト座標のベクトルが、股関節１１および１４ならびに膝１２および１５の旋回性関節における角度および角速度の得られた測定値に基づいて、算出される。
【００７２】
単一支持歩行の場合の２つの足首旋回性と骨盤旋回性との間の関係は、［Ｖ．Ｖ．Ｂｅｌｅｔｓｋｉｙ．二足歩行（Ｂｉｐｅｄ  ｗａｌｋｉｎｇ）．ダイナミクスおよび制御のモデルタスク（Ｍｏｄｅｌ  ｔａｓｋｓ  ｏｆ  ｄｙｎａｍｉｃｓ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ．）モスクワ（Ｍｏｓｃｏｗ）：ナウカ（Ｎａｕｋａ）、１９８４年．２６８頁．１６頁］の式（数４）の形態である。
【００７３】
【数４】
2018533986.tif 000006
式中、ベクトルＹ＝［ｘｐｅｌ、ｙｐｅｌ、ｘ１ａ、ｙ１ａ、ｘ２ａ、ｙ２ｅ］’であり、これは、時間関数とみなされる。
【００７４】
ユニット４１では、外骨格股関節および足首旋回性運動の所望の軌道が、デカルト座標系で記録された補間関数（数５）、およびそれらの一次導関数（数６）、およびそれらの二次導関数（数７）の数値の記憶された、および時間依存のパラメーター（係数）値の配列に基づいて、算出によって、時間に依存して生成される。
【００７５】
【数５】
2018533986.tif 000007
【００７６】
【数６】
2018533986.tif 000008
【００７７】
【数７】
2018533986.tif 000009
【００７８】
所望の角度および角速度発生ユニット３６は、所望の軌道のベクターおよびそれらの一次導関数の以前に算出された値に基づいて、所望の角度および角速度のベクトルを算出し、関係によって、反比例の利用可能性が推定される（数８）［Ｖ．Ｖ．Ｂｅｌｅｔｓｋｉｙ．二足歩行（Ｂｉｐｅｄ  ｗａｌｋｉｎｇ）．−モスクワ（Ｍｏｓｃｏｗ）：ナウカ（Ｎａｕｋａ）、１９８４年．２６８頁．１６頁］
【００７９】
【数８】
2018533986.tif 000010
【００８０】
ベクトル（数９）の使用によって、比とともに、所望の角度（数１０）およびそれらの一次導関数（数１１）の算出が、以下の式（数１２）によって可能になる。
【００８１】
【数９】
2018533986.tif 000011
【００８２】
【数１０】
2018533986.tif 000012
【００８３】
【数１１】
2018533986.tif 000013
【００８４】
【数１２】
2018533986.tif 000014
【００８５】
軌道に沿った動作のための所望の加速度を生成するためのユニット４４において、デカルト座標系における軌道に沿った動作のための所望の加速度のベクトルは、デカルト座標系における位置および速度のベクトルの以前に算出された値、所望の軌道のベクトルならびにそれらの一次導関数および二次導関数に基づいて算出される。
【００８６】
軌道に沿った外骨格運動の安定性は、所望の軌道からの外骨格座標の偏差εが漸近的に０になる減少時間関数（例えば、以下の式（数１３））であるような方式で制御を形成することを通じて達成される。
【００８７】
【数１３】
2018533986.tif 000015
【００８８】
二重微分の後にそのＹからベクトルを決定すると、本発明者らは、二次導関数（数１４）を得て、これによって、股関節および足首旋回性の軌道に沿った滑らかな動きを保証する。ベクトル値λ１、λ２は、負の実数の形で設定され、ユーザー−外骨格人間機械系の動的特性によって決定されるセットアップ係数および調整パラメーターである。
【００８９】
【数１４】
2018533986.tif 000016
【００９０】
所望の角加速度算出のユニット４６において、所望の角加速度のベクトルは、デカルト座標系における軌道に沿った運動のための所望の加速度のベクトル、ならびに所望の角度および角速度のベクトルに基づいて算出される。
【００９１】
ベクトル（数１５）を所望の角加速度（数１６）のベクトルの算出のために使用する。そのために、式を微分すること、および、ベクトル（数１７）およびベクトル（数１８）をそこに挿入することによって、本発明者らは、ベクトルの成分（数１９）を算出する。
【００９２】
【数１５】
2018533986.tif 000017
【００９３】
【数１６】
2018533986.tif 000018
【００９４】
【数１７】
2018533986.tif 000019
【００９５】
【数１８】
2018533986.tif 000020
【００９６】
【数１９】
2018533986.tif 000021
【００９７】
角度あたりの所望の二次導関数について得られた表現（数２０）は、デカルト座標内の所望の軌道からの外骨格の可能な偏差を考慮して形成される。
【００９８】
【数２０】
2018533986.tif 000022
【００９９】
ユニット４８において、駆動装置への所望の角加速度のベクトルは、所望の角加速度の事前に算出されたベクトル、所望の角度および角速度のベクトル、旋回性関節における角度および角速度の現在値のベクトルに基づいて算出され、駆動システムの制御品質の向上を保証する次のレベルのアルゴリズム形成は、駆動システムによって、それらを取り除くための角加速度のベクトル成分（数２１）の算出からなり、この駆動システムは、外骨格駆動システム動作中に起こる可能性のある誤差を考慮して形成され、数２２：式中、μ１、μ２＜０であって、これは制御パラメーターのベクターであり、その値は、駆動力学によって決定される。これは、所望の軌道に沿って滑らかな外骨格動作を提供することを可能にし、動作の実施の精度を増大する。
【０１００】
【数２１】
2018533986.tif 000023
【０１０１】
【数２２】
2018533986.tif 000024
【０１０２】
ユニット７１では、体の角運動の評価が行われる。操作者の身体は、その動きを特に考慮する必要がある最も重い対象物である。制御方法のこの実施形態では、操作者のΨ身体角の動作は、この式（数２３）に基づいて評価する［Ｖ．Ｖ．Ｂｅｌｅｔｓｋｉｙ．二足歩行（Ｂｉｐｅｄ  ｗａｌｋｉｎｇ）．ダイナミクスおよび制御のモデルタスク（Ｍｏｄｅｌ  ｔａｓｋｓ  ｏｆ  ｄｙｎａｍｉｃｓ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ．）モスクワ（Ｍｏｓｃｏｗ）：ナウカ（Ｎａｕｋａ）、１９８４年．２６８頁．６５頁、Ｖ．Ｖ．Ｂｅｌｅｔｓｋｉｙ．Ｅ．Ｋ．Ｌａｖｒｏｖｓｋｉｙ  二足歩行のモデルタスク（Ｍｏｄｅｌ  ｔａｓｋ  ｏｆ  ｂｉｐｅｄ  ｗａｌｋｉｎｇ．）／固体力学（Ｓｏｌｉｄ  ｂｏｄｙ  ｍｅｃｈａｎｉｃｓ）、Ｎｏ．２、１９８１  ２５ページ）式中、ｍｔ−体重；
Ｊ−胴体の慣性モーメント；
ｒ−胴体の質量中心から骨盤までの距離；
Ｍ−ユーザーの体重；
Ｌ−歩幅；
ｈ−骨盤ポイントの動きの高さ；
Ｔｓｔｅｐ−ステップ期間であり、
そこから、この角度の一次導関数および二次導関数を得てもよい。角度の評価Ψおよびその導関数を、主に操作者の体の振動に起因して生じる外部モーメントの評価に使用する。
【０１０３】
【数２３】
2018533986.tif 000025
【０１０４】
外部モーメント評価ユニット４０では、外部モーメントのベクトルが、事前に算出された、駆動装置に対する所望の角加速度のベクトル、旋回性関節における角度および角速度の現在の値のベクトル、ならびに外骨格駆動装置電流の測定ベクトルに基づいて、算出され、滑らかな外骨格の動作を提供するためには、振動する身体の運動の評価と共に動態の方程式を考慮する必要がある。外骨格駆動装置システムは、水力駆動であっても、空気駆動であっても、または電気駆動であってもよい。
【０１０５】
電気駆動力学は以下の方程式（数２４）によって記述されることが公知である［Ｖ．Ｖ．Ｔｉｔｏｖ、Ｉ．Ｖ．Ｓｈａｒｄｙｋｏ、Ｉ．Ｙｕ．Ｄａｌｙａｅｖ．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｆｏｒｃｅ−ｔｏｒｑｕｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｏｒ  ｔｗｏ−ｓｔａｇｅ  ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．（２段マニピュレータの力−トルク制御の実現）／Ｖｉｓｎｉｋ  ＮＴＵＵ  「ＫＰＩ」  Ｓｅｒｉｅｓ  ｏｆ  ｍａｃｈｉｎｅ  ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  Ｎｏ．２（機械装置のシリーズ第二号）（６８）．２０１３．１５０頁］。
【０１０６】
【数２４】
2018533986.tif 000026
式中、τｍは、モーターモーメントであり、Ｃｍ、Ｃｅは、それぞれ、モーターのモーメントおよび電気定数であり、ｅは、モーター逆起電力であり、Ｒｍ、Ｌｍ＝モーター抵抗および電機子インダクタンスであり、Ｊｍは、モーターロータの慣性モーメントであり、τｍｅｘｔは、モーターシャフトの外部モーメントであり、以下の数２５は、モーターシャフトの加速度および角回転速度αであり、τｆｒｉｃは、モーターシャフトに対する摩擦力であり、ｕは、モーター巻線に対するフィード電圧である。
【０１０７】
【数２５】
2018533986.tif 000027
【０１０８】
反対側では、電気駆動の場合、駆動装置に対して外部のベクトル、ダイナミクス方程式から得られたモーメントは、以下の形態（数２６）を有し、式中、数２７は、機械的システム（外骨格の中の人）の質量慣性の特性を考慮した評価を用いて［Ａ．Ｖ．Ｖｏｒｏｎｏｖ．Ａｎａｔｏｍｉｃａｌ  ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ｍｕｓｃｌｅｓ  ａｎｄ  ｊｏｉｎｔｓ  ｏｆ  ａ  ｌｏｗｅｒ  ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ．（筋肉および下肢の関節の解剖学的組織および生体力学的特徴）／Ｍｏｓｃｏｗ，  Ｆｉｚｋｕｌｔｕｒａ，  ｏｂｒａｚｏｖａｎｉｅ  ｉ  ｎａｕｋａ（モスクワ、フィズカルツラ、オブラバヴァニエイ・ナウカ）、２００３年、第１１〜１２頁、第１９〜２０頁；Ｄ．Ａ．Ｗｉｎｔｅｒ，Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ  ａｎｄ  ｍｏｔｏｒ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｈｕｍａｎ  ｍｏｖｅｍｅｎｔ（生体力学および人体の移動の運動制御），２００５．ＪＯＨＮ  ＷＩＬＥＹ  ＆  ＳＯＮＳ，ＩＮＣ．，Ｐ．８６，表４．１］、ならびに駆動力学の考察および電気機械式駆動装置で作動する現在のベクトル測定に基づいて見出され得る。結果として以下の式（数２８）となる。
【０１０９】
【数２６】
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【０１１０】
【数２７】
2018533986.tif 000029
【０１１１】
【数２８】
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式中、Ｍｄｖは、減速ギヤの出力シャフトでモーターによって発生されたモーメントであり、Ｃｍ、Ｊｅは、電動モーターのパラメーターマトリクスであり、ｊは、減算係数マトリクスであり、ｉは、電流ベクトルであり、Ｔ［７×４］は、外骨格交差角のベクトルに対するベクトル変換マトリクスθであり、τｆｒｉｃは、モーター出力シャフトに対して駆動される摩擦力モーメントである。
【０１１２】
制御シグナル発生ユニット５２では、外骨格駆動装置への制御シグナルのベクトルは、以前に算出された現在の角のベクトル、評価された外部モーメントベクトル、および旋回性関節の現在の角度および角速度値の測定ベクトル、ならびに外骨格駆動装置電流ベクトルに基づいて算出および生成される。
【０１１３】
制御電圧は、電気デバイスの場合、以下（数２９）のように算出され、同様に、制御は、他の種類の駆動装置用に組織化される。
【０１１４】
【数２９】
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【０１１５】
上記の式は、デカルト座標系における動作の所望の軌道の生成および外骨格駆動装置への制御シグナルの生成のためのアルゴリズムを開発するために使用され、外骨格オンボード制御装置内のソフトウェアで実施される。
【０１１６】
したがって、従来技術からの本発明の重要な相違点は以下である：
−支持−運動機構の機能が部分的に失われたユーザーおよび完全に失われたユーザーの両方の歩行の補助が提供される能力が提供され、ここでは、ユーザーの運動が、支持−運動機構の機能障害がない人の外骨格歩行パターンによる設定によって、ユーザーの運動学的特徴に近い運動学的特性（脛の長さ対大腿骨長の比）を用いて行われる；
−歩幅、足上げの高さ、および歩行のリズムなどの歩行パラメーターを制御パネルに用いて、変化する可能性のあるユーザーの正しい歩行パターンの回復の可能性が提供される；
−選択された表面上の動作に対応する所望の軌道に沿った運動のための外骨格を設定することを通じて、水平面、傾斜面および段差のある面上の様々なユーザー動作モード、ならびに障害物を横切る、およびその場で歩く可能性が提供される。
−負の実際の制御パラメーターを有する、指数関数的な二次元モデルによる所望の角加速度の設定を通じて、デカルト座標で設定された股関節および足関節の旋回性の所望の軌道に沿った円滑で滑らかな動きの可能性が提供される。
【０１１７】
上記の結果によって、機能的能力の向上およびデバイスの人間工学的特性の改善との関係における技術的結果の本発明における達成が確認される。
【０１１８】
本出願人によって行われた特許検索によって、本発明に対して類似が無く重要な相違点が示された。
【符号の説明】
【０１１９】
１−下肢の外骨格；
２−骨盤セクション；
３および４−それぞれ左右のフットレスト；
５および６−それぞれ左右の大腿セクション；
７および８−それぞれ左右の脛セクション；
９および１０−それぞれ左足と右足のステップ；
１１−左股関節旋回性関節；
１２−左膝旋回性関節；
１３−左足首旋回性関節；
１４−右股関節旋回性関節；
１５−右膝旋回性関節；
１６−右足首旋回性関節；
１７−左大腿セクションの相対角度回転のセンサー；
１８−左脛セクションの相対角度回転のセンサー；
１９−デカルト座標系における所望の軌道生成のユニット４１の第二の出力；
２０−右大腿セクションの相対角度回転のセンサー；
２１−右脛セクションの相対角度回転のセンサー；
２２−デカルト座標系における所望の軌道生成のユニット４１の第三の出力；
２３−左股関節の旋回性関節の駆動装置；
２４−右股関節の旋回性関節の駆動装置；
２５−左膝の旋回性関節の駆動装置；
２６−右膝の旋回性関節の駆動装置；
２７、２８、２９および３０−第一、第二、第三および第四のそれぞれのフットレスト反力センサー；
３１−フットレスト反応測定ユニット；
３２−コントロールパネル；
３３および３４−それぞれ左右のハンドレスト；
３５−制御デバイス；
３６−所望の外骨格の角および角速度算出ユニット。
３７−所望の外骨格の角および角速度算出ユニット３６の入力；
３８−制御装置３５の第一の入力；
３９−制御装置３５の第三の入力；
４０−外部モーメント評価ユニット；
４１−デカルト座標系における所望の軌道生成のユニット；
４２−デカルト座標系における所望の軌道生成のユニット４１の第一の入力；
４３−デカルト座標系における所望の動作軌道パラメーター決定システム；
４４−デカルト座標の軌道における軌道に沿った所望の動作加速度発生ユニット；
４５−デカルト座標系の軌道に沿った所望の運動加速度発生ユニット４４の第一の入力；
４６−所望の角加速度算出ユニット；
４７−所望の角加速度算出のユニット４６の第一の入力；
４８−外骨格が所望の角加速度算出のユニットを駆動する；
４９および５０−外骨格のそれぞれ第一の入力および第二の入力が、所望の角加速度算出のユニット４８を駆動する；
５１−外骨格の現在のデカルト座標算出のユニットのベクトル；
５２−外骨格は制御シグナル発生ユニットを駆動する；
５３−デカルト座標系における所望の軌道生成のユニット４１の第二の入力；
５４−所望の角加速度算出のユニット４６の第二の入力；
５５−デカルト座標系の軌道に沿った所望の運動加速度発生ユニット４４の第二の入力；
５６−外骨格の第一入力は制御シグナル発生ユニット５２を駆動する；
５７および５８−外部モーメント評価ユニット４０のそれぞれ、第一入力および第二入力；
５９−外骨格の第三の入力は、所望の角加速度算出のユニット４８を駆動する；
６０、６１、６２−外骨格のそれぞれ第二、第三および第四の入力は、制御シグナル発生ユニット５２を駆動する；
６３−制御装置３５の第四の入力；
６４−外部モーメント評価ユニット４０の第三入力；
６５−電気駆動装置電流測定ユニット；
６６、６７、６８および６９−それぞれ、第一（２３）、第二（２４）、第三（２５）、および第四（２６）の電気駆動装置のそれぞれ第一、第二、第三および第四の電流のセンサー６９；
７０−現在の角度および角速度測定ユニット；
７１−ユーザーの胴体の角モーション評価ユニット；
７２−ユーザーの胴体の角モーション評価ユニット入力；
７３−外部モーメント評価ユニット４０の第四入力；
７４−外部モーメント評価ユニット４０の第五入力；
７５−制御装置３５の第五入力；
７６−デカルト座標系における外骨格の所望の動作軌道パラメーターおよび／またはの補間係数の記憶ユニット；
７７−モーションキャプチャシステム；
７８−キャプチャされたモーションパラメーターデータを収集して転送する測定デバイスユニット；
７９−キャプチャされたモーションパラメーターデータ処理ユニット；
８０−キャプチャされたモーションパラメーター記憶ユニット；
８１−キャプチャされたモーションパラメーター処理ユニット；
８２−クラッチハンドル；
８３−デカルト座標系における所望の軌道生成のユニット４１の第一出力；
８４−デカルト座標系における所望の軌道生成のユニット４１の第四出力；
８５−オンボード制御装置；
８６−補助−専門家の外部コンピューター；
８７−デカルト座標系決定制御装置における所望の動作軌道；
８８および８９−補助者の外部コンピューター８６のそれぞれ、第一および第二の出力；
９０−外部モーメント評価ユニット４０の第６入力。
【図１】
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【図２】
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【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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【国際調査報告】
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