(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの運動を補助するために当該ユーザに与えられる時間変化する補助力を決定するための、時間変化するパラメータである補助振動子に応じて当該ユーザの運動を補助するための装置であって、
前記ユーザの身体運動に応じて時間変化するパラメータとしての第１および第２運動振動子と、前記ユーザの身体運動に応じて時間変化する、該ユーザの運動スケールを表すパラメータとしての第３運動振動子とを測定する運動振動子測定手段と、
入力振動信号と相互に引き込み合うことで第１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手段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第１振動子を生成する第１振動子生成手段と、
前記運動振動子測定手段により測定された前記第１運動振動子と前記第１振動子生成手段により生成された前記第１振動子との位相差である第１位相差に基づき、相互作用しながら第２位相差をもって周期的に変化する第１仮想振動子と第２仮想振動子とが表現されている仮想モデルに従って、該第２位相差が目標位相差に近づくように該第２仮想振動子の角速度を第２固有角速度として設定する固有角速度設定手段と、
入力振動信号に基づき、前記固有角速度設定手段により設定された前記第２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、前記運動振動子測定手段により測定された前記第２運動振動子を該入力振動信号として入力することにより、該出力振動信号として第２振動子を生成する第２振動子生成手段と、
前記第２振動子生成手段により生成された前記第２振動子と、前記固有角速度設定手段により設定された前記第２固有角速度とに応じて、前記運動振動子測定手段により測定された前記第３運動振動子の値を前記ユーザの目標運動スケールに応じた目標値に近付けるように該ユーザの運動を補助するための仮想的な弾性要素による弾性力を表す第１補助振動子を生成し、該第１補助振動子を含む前記補助振動子を生成する補助振動子生成手段と、
前記ユーザの運動のリズムとスケールとのバランスに関する運動指標値を取得する運動指標値取得手段と、
前記運動指標値取得手段により取得された前記運動指標値を基準値に近付けさせるように、前記補助振動子生成手段により生成される前記第１補助振動子を逐次調整する補助振動子調整手段とを備えることを特徴とする運動補助装置。
【請求項２】
請求項１記載の運動補助装置において、
前記補助振動子生成手段は、前記仮想的な弾性要素の弾性係数としての、前記固有角速度設定手段により設定された前記第２固有角速度と第１パラメータとの関数である第１係数、前記第３運動振動子の値と前記目標値との偏差と第３パラメータとの関数である第３係数、及び前記第２振動子との積として算出される振動子が含まれている前記第１補助振動子を生成するものであり、
前記補助振動子調整手段は、前記運動指標値と、該運動指標値の前記基準値との偏差に基づき、該運動指標値を該基準値に近付けさせるように、前記第１係数を算出するための前記第１パラメータ、および前記第３係数を算出するための前記第３パラメータのうち少なくともいずれか一つを逐次調整することを特徴とする運動補助装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の運動補助装置において、
前記ユーザからの操作又は該ユーザの運動状態に応じて前記運動指標値の前記基準値を設定する手段を備えることを特徴とする運動補助装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか記載の運動補助装置において、
前記ユーザの目標運動スケールに応じた前記目標値を、前記運動指標値の前記基準値に基づいて設定する手段を備えることを特徴とする運動補助装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか記載の運動補助装置において、
前記ユーザの運動は該ユーザの左部と右部とでそれぞれ行われるものであり、
前記補助振動子調整手段は、前記ユーザの左部と右部との運動のそれぞれについて、前記ユーザの運動指標値を基準値に近付けさせるように、前記第１補助振動子を逐次調整することを特徴とする運動補助装置。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか記載の運動補助装置において、
前記ユーザの運動は屈曲方向の運動と伸展方向の運動とからなり、
前記補助振動子調整手段は、前記ユーザの屈曲方向の運動と伸展方向の運動とのそれぞれについて、前記ユーザの運動指標値を基準値に近付けさせるように、前記第１補助振動子を逐次調整することを特徴とする運動補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザの運動を補助するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ユーザの身体に対して脚体関節（股関節、膝関節、足関節）回りのトルクを付与することにより、このユーザの歩行運動を補助する装置が提案されている。そして、このような装置において、ユーザの歩行運動リズムに変化に追従しながらも、歩行補助装置による歩行誘導リズムに自律性を持たせるように、この歩行補助装置を制御するシステムが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
この特許文献１の装置では、歩行補助装置による歩行補助リズムが適当なものであっても、補助力やその作用距離に過不足が生じ、歩幅や脚体関節角度が過大または過小となってしまう可能性があった。すなわち、ユーザの運動を誘導するリズムが、その運動のリズムを目標リズムに一致させるものである一方、ユーザの運動を誘導するための補助力やその作用距離が、その運動のスケールを目標スケールから乖離させるものとなり、ユーザに違和感等を覚えさせる可能性があった。そこで、ユーザの運動のリズムおよびスケールをその目標とするリズムおよびスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を補助しうる装置が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００４】
特許文献２の装置では、ユーザの運動を測定して生成された第１振動子に基づいて、ユーザの運動のリズムが目標リズムに合致するように第２振動子を生成し、この生成された第２振動子に基づいて、仮想的なバネ等の弾性要素モデルを用いて運動スケールが目標スケールから乖離しないように補助振動子を生成して、この補助振動子に応じたトルクをユーザに付与するよう制御を行う。
【特許文献１】特開２００４−７３６４９号公報
【特許文献２】特開２００７−６１２１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、歩行補助装置において、ユーザの運動のリズムとスケールとのバランスが取れるように、ユーザの歩行が補助されることがより望ましい。特に、例えばユーザの歩行運動のトレーニングを目的とする場合、歩行比等のユーザの運動のスケールとリズムとのバランスを示す指標値が所定の基準値となるように歩行することが望ましい。
【０００６】
しかしながら、特許文献２の装置では、運動のリズムを目標リズムに一致させることに加えて、運動のスケールを目標スケールに一致させるように制御が行われるものの、運動のリズムとスケールとのバランスについては考慮されていない。このため、弾性要素モデルの影響の度合によっては、運動のリズムとスケールとのバランスが適切なバランスとならない可能性がある。
【０００７】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、ユーザの運動のリズムおよびスケールをその目標とするリズムおよびスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を補助しうると共に、ユーザの運動のリズムとスケールとのバランスが取れるように運動を補助しうる運動補助装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的を達成するために、ユーザの運動を補助するために当該ユーザに与えられる時間変化する補助力を決定するための、時間変化するパラメータである補助振動子に応じて当該ユーザの運動を補助するための装置であって、前記ユーザの身体運動に応じて時間変化するパラメータとしての第１および第２運動振動子と、前記ユーザの身体運動に応じて時間変化する、該ユーザの運動スケールを表すパラメータとしての第３運動振動子とを測定する運動振動子測定手段と、入力振動信号と相互に引き込み合うことで第１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手段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第１振動子を生成する第１振動子生成手段と、前記運動振動子測定手段により測定された前記第１運動振動子と前記第１振動子生成手段により生成された前記第１振動子との位相差である第１位相差に基づき、相互作用しながら第２位相差をもって周期的に変化する第１仮想振動子と第２仮想振動子とが表現されている仮想モデルに従って、該第２位相差が目標位相差に近づくように該第２仮想振動子の角速度を第２固有角速度として設定する固有角速度設定手段と、入力振動信号に基づき、前記固有角速度設定手段により設定された前記第２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、前記運動振動子測定手段により測定された前記第２運動振動子を該入力振動信号として入力することにより、該出力振動信号として第２振動子を生成する第２振動子生成手段と、前記第２振動子生成手段により生成された前記第２振動子と、前記固有角速度設定手段により設定された前記第２固有角速度とに応じて、前記運動振動子測定手段により測定された前記第３運動振動子の値を前記ユーザの目標運動スケールに応じた目標値に近付けるように該ユーザの運動を補助するための仮想的な弾性要素による弾性力を表す第１補助振動子を生成し、該第１補助振動子を含む前記補助振動子を生成する補助振動子生成手段と、前記ユーザの運動のリズムとスケールとのバランスに関する運動指標値を取得する運動指標値取得手段と、前記運動指標値取得手段により取得された前記運動指標値を基準値に近付けさせるように、前記補助振動子生成手段により生成される前記第１補助振動子を逐次調整する補助振動子調整手段とを備える（第１発明）。
【０００９】
第１発明の運動補助装置によれば、主に次の理由により、ユーザの運動リズムをその目標とするリズムに一致させるようにユーザの運動が補助されうる。
【００１０】
すなわち第１運動振動子が入力振動信号として第１モデルに入力されることにより、第１モデルの出力振動信号としての第１振動子が生成される。「第１モデル」は入力振動信号と相互に引き込み合うことで固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成するモデルである。これにより、「第１振動子」は「第１運動振動子」との「相互引き込み」の効果によってユーザの第１運動振動子のリズムと調和しながら、固有角速度に基づいて定まる自律的なリズムまたは角速度をもって振動する。なお、第１運動振動子として、後述の第２運動振動子の時間微分が測定されてもよい。ここで「振動」とは、現実的または仮想的なものがほぼ一定の周期を持って揺れ動くことのほか、広く時間変化することを含む概念である。また「振動子」とは、値が時間変化する電気信号や、ソフトウェアにおいて値が時間変化するものとして定義された関数等を含む概念である。しかるに、第１振動子は、ユーザの運動リズムと運動補助装置による誘導リズムとの調和を図りながら、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させる観点から、ユーザの運動振動子と不適当な位相差を有している可能性がある。したがって、第１振動子から直接的に補助振動子が生成された場合、この補助振動子によって補助されたユーザの運動リズムが、目標リズムから乖離してしまうおそれがある。
【００１１】
そこで、第１運動振動子と第１振動子との位相差である第１位相差に基づき、相互作用しながら第２位相差をもって周期的に変化する第１仮想振動子と第２仮想振動子とが表現されている仮想モデルに従って、該第２位相差が目標位相差に近づくように該第２仮想振動子の角速度が第２固有角速度として設定される。これにより、第２固有角速度は第１運動振動子により特定されるユーザの運動リズムとの目標位相差に応じた調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標運動リズムに一致させるようにユーザの運動を補助するという観点から適当な振動子の角速度に相当するものになりうる。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、この変化への補助振動子の追従性を、ユーザに違和感等を与えない観点から適当なものとし、ユーザの運動リズムを目標リズムに適度なペースで徐々に一致させることができる。
【００１２】
続いて、第２運動振動子が入力振動信号として第２モデルに入力され、第２モデルからの出力振動信号として第２振動子が生成される。「第２モデル」は入力振動信号に基づき、第２固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成するモデルである。これにより、当該第２固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する「第２振動子」が生成される。さらに第２振動子に基づいて「補助振動子」が生成される。これにより、補助振動子によって補助されたユーザの運動リズムと補助振動子のリズムとを調和させながら、ユーザの運動リズムを目標運動リズムに一致させることができる。ユーザの運動リズムと補助振動子のリズムとの調和により、運動補助装置による誘導リズムがユーザの運動リズムに調和し、かつ、ユーザの運動リズムも運動補助装置による誘導リズムに調和するといったようにユーザ（人間）と装置（機械）との調和（相互の歩み寄り）が図られる。
【００１３】
また、第１発明の運動補助装置によれば、主に次の理由により、ユーザの運動スケールをその目標とするスケールに一致させるようにユーザの運動が補助されうる。
【００１４】
ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子をその目標値に近付けるように当該ユーザの運動を補助するための仮想的なバネ等の弾性要素の弾性力を表している「第１補助振動子」が生成され、この第１補助振動子を含む補助振動子が生成される。なお、第３運動振動子として第２運動振動子が測定されてもよい。仮想的な弾性要素の弾性力は、ユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を補助するという観点から適当な振動子の角速度に相当する新たな固有角速度に応じている。したがって、第１補助振動子を含む補助振動子に応じてユーザの運動が補助されることで、ユーザの運動リズムと補助振動子のリズムとの調和、およびユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図り、かつ、ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子の値が目標値に近づくように、すなわち、ユーザの運動スケールが目標スケールに近付くようにユーザの運動が補助されうる。
【００１５】
さらに、第１発明の運動補助装置によれば、運動指標値取得手段により、ユーザの運動のリズムとスケールとのバランスに関する運動指標値（例えば、歩行比、歩幅など）が取得される。そして、補助振動子調整手段により、ユーザの運動指標値を基準値に近付けさせるように第１補助振動子が逐次調整される。すなわち、ユーザの運動のリズムを目標リズムに一致させるように生成された第２振動子に対して、ユーザの運動のスケールを目標スケールに一致させるようにユーザの運動を補助するための仮想的な弾性要素による弾性力が、ユーザの運動のリズムとスケールとのバランスに関する運動指標値を基準値に近付けさせるように逐次調整されることとなる。このように、ユーザの運動指標値を基準値に近付けさせるように第１補助振動子を調整することで、生成される補助振動子におけるリズムとスケールとのバランスが調整されるので、補助振動子によるユーザの運動の補助が適切なバランスで行われうる。
【００１６】
以上のように、本発明の運動補助装置によれば、ユーザの運動のリズムおよびスケールをその目標とするリズムおよびスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を補助しうると共に、ユーザの運動のリズムとスケールとのバランスが取れるように運動を補助しうる。
【００１７】
なお、ユーザの運動のリズムとスケールとのバランスに関する運動指標値として、ユーザの運動のリズムとスケールとのバランスを直接的に示す値（例えば、歩行比など）を用い、例えば、ユーザの運動から測定された歩行比を、基準歩行比に近付けさせるように第１補助振動子が調整されるものとしてもよい。また、ユーザの運動のリズムとスケールとのバランスに関する運動指標値として、ユーザの運動のリズムとスケールとのバランスを直接的に示す値（例えば、歩行比など）に関連した値（例えば、歩幅など）を用い、例えば、ユーザの運動から測定された歩幅を、基準歩行比から得られる基準歩幅に近付けさせるように第１補助振動子が調整されるものとしてもよい。
【００１８】
ユーザの運動には、歩行、走行、ものづくりに伴う手作業等、種々の運動が含まれ得る。たとえば、自動車等の製品の製造に関する手作業が補助される場合、ユーザは補助振動子にしたがうことで、目標とする動きのリズムおよび動きの大きさ（または力加減）をもって作業することができる。目標となる運動のリズムおよびスケールが、熟練作業者等の手作業に基づいて設定されている場合、このユーザに熟練作業者の微妙な手の動きや力加減等を実感させ、その技術を早期に修得させることができる。
【００１９】
また、第１発明の運動補助装置において、前記補助振動子生成手段は、前記仮想的な弾性要素の弾性係数としての、前記固有角速度設定手段により設定された前記第２固有角速度と第１パラメータとの関数である第１係数、前記第３運動振動子の値と前記目標値との偏差と第３パラメータとの関数である第３係数、及び前記第２振動子との積として算出される振動子が含まれている前記第１補助振動子を生成するものであり、前記補助振動子調整手段は、前記運動指標値と、該運動指標値の前記基準値との偏差に基づき、該運動指標値を該基準値に近付けさせるように、前記第１係数を算出するための前記第１パラメータ、および前記第３係数を算出するための前記第３パラメータのうち少なくともいずれか一つを逐次調整することを特徴とする（第２発明）。
【００２０】
第２発明の運動補助装置によれば、第１補助振動子が、第１係数を弾性係数（バネ係数）とし、かつ、ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子（例えば、股関節角度）の値を目標値（例えば、目標股関節角度）に復元させる仮想的なバネ等の弾性要素（第３係数）による弾性力として表現される。これにより、筋肉の収縮状態から伸展状態への移行時の弾性力等、ユーザの身体の弾性要素が反映されたリズムおよびスケールをもってユーザの運動が補助されうる。このとき、補助振動子調整手段により、運動指標値を基準値に近付けさせるように、第１係数を算出するための第１パラメータ、および第３係数を算出するための第３パラメータのうち少なくともいずれか一つが逐次調整される。これにより、ユーザの運動を補助するための仮想的な弾性要素による弾性力に、運動指標値を基準値に近付けさせるような調整が逐次加えられる。
【００２１】
なお、前記第１パラメータ及び第３パラメータが、複数のパラメータからなるパラメータの組である場合、パラメータの組に含まれる各パラメータをそれぞれ逐次調整しうる。
【００２２】
また、第１又は第２発明の運動補助装置において、ユーザからの操作又はユーザの運動状態に応じて前記運動指標値の前記基準値を設定する手段を備えることを特徴とする（第３発明）。
【００２３】
第３発明の運動補助装置によれば、例えば歩行運動のトレーニング等のための、運動指標値の基準値（例えば、歩行比などの基準値）を、ユーザが操作して指定したり、ユーザの運動状態に応じて選択的に設定したりすることを容易に行いうる。
【００２４】
また、第１〜第３発明の運動補助装置において、前記ユーザの目標運動スケールに応じた前記目標値を、前記運動指標値の前記基準値に基づいて設定する手段を備えることを特徴とする（第４発明）。
【００２５】
第４発明の運動補助装置によれば、ユーザの運動を補助するための仮想的な弾性要素による弾性力を表す第１補助振動子が、第３運動振動子の値をユーザの運動指標値の基準値に基づいた目標値に近付けるように生成される。これにより、ユーザの運動指標値を基準値に近付かせ、ユーザの運動のリズムとスケールとのバランスが取れるように運動を補助しうる。
【００２６】
また、第１〜第４発明の運動補助装置において、前記ユーザの運動は該ユーザの左部と右部とでそれぞれ行われるものであり、前記補助振動子調整手段は、前記ユーザの左部と右部との運動のそれぞれについて、前記ユーザの運動指標値を基準値に近付けさせるように、前記第１補助振動子を逐次調整することを特徴とする（第５発明）。
【００２７】
第６発明の運動補助装置によれば、ユーザの運動が、例えば歩行運動のように、ユーザの左部と右部とでそれぞれ行われるものである場合に、ユーザの左部と右部との運動のそれぞれについて、第１補助振動子を独立に調整可能である。よって、ユーザの運動を補助するための仮想的な弾性要素による弾性力が、ユーザの運動指標値を基準値に近付けさせるように、より緻密に逐次調整されうる。
【００２８】
また、第１〜第５発明の運動補助装置において、前記ユーザの運動は屈曲方向の運動と伸展方向の運動とからなり、前記補助振動子調整手段は、前記ユーザの屈曲方向の運動と伸展方向の運動とのそれぞれについて、前記ユーザの運動指標値を基準値に近付けさせるように、前記第１補助振動子を逐次調整することを特徴とする（第６発明）。
【００２９】
第６発明の運動補助装置によれば、ユーザの運動が、例えば歩行運動のように、屈曲方向の運動と伸展方向の運動とからなる場合に、ユーザの屈曲方向の運動と伸展方向の運動とのそれぞれについて、第１補助振動子を独立に調整可能である。よって、ユーザの運動を補助するための仮想的な弾性要素による弾性力が、ユーザの運動指標値を基準値に近付けさせるように、より緻密に逐次調整されうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の運動補助装置の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の運動補助装置の外観図であり、図２は図１の運動補助装置の制御システムの機能ブロック図であり、図３は図１の運動補助装置の全体的な作動（歩行補助処理）を示すフローチャートであり、図４は補助振動子生成に関する仮想的なバネおよびダンパの説明図であり、図５は図１の歩行補助処理における第１補助振動子を生成する処理を示すフローチャートである。
【００３１】
以下、脚体等の左右を区別するためにパラメータに添字「Ｌ」および「Ｒ」を付記するが、左右を区別する必要がない場合や左右成分を有するベクトルを表現する場合には当該添字を省略する。
【００３２】
図１に示されている歩行補助装置（運動補助装置）１０は、第１装具１１と、左右一対の第２装具１２と、左右一対のアクチュエータ１４と、バッテリ１６と、第１制御装置１００と、股関節角度センサ１０２とを備えている。
【００３３】
第１装具１１および第２装具１２は、ともに剛性のある素材と柔軟性のある繊維等の素材とが組み合わせられて形成されている。第１装具１１は、人間（ユーザ）Ｐの腰部または胴体下部（第１身体部分）の後側に装着される。第２装具１２は、人間Ｐの大腿部または脚体上部（第２身体部分）の前側および後側に装着される。第２装具１２は左右両側ではなく左右片側のみに設けられてもよい。
【００３４】
アクチュエータ１４はモータにより構成され、必要に応じてモータに加え減速機およびコンプライアンス機構のうち一方または両方により構成される。アクチュエータ１４は第１装具１１が腰部に取り付けられたとき、腰部の左右両側に配置されるように第１装具１１に連結されている。アクチュエータ１４は、連結部材１５を介して大腿部の前後それぞれに装着される第２装具１２に連結されている。連結部材１５は軽量の硬質プラスチック等の定形性のある素材により形成され、第１装具１１が腰部に取り付けられ、かつ、第２装具１２が大腿部に取り付けられたとき、腰部の横から大腿部の横外側に沿って下方に延びた後で大腿部の前後両側に沿うように枝状に分かれた形状に形成されている。これにより、アクチュエータ１４が動作することで、腰部および大腿部の相対運動が補助されるように腰部および大腿部の両方に力が作用する。腰部および大腿部の相対運動には、離床している脚体の大腿部の腰部に対する前後運動が含まれ、着床している脚体に対する腰部の前後運動が含まれる。
【００３５】
バッテリ１６は第１装具１１に収納されており（たとえば、第１装具１１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１４および第１制御装置１００等に対して電力を供給する。
【００３６】
股関節角度センサ１０２は人間Ｐの腰部の横に配置されるロータリエンコーダにより構成され、股関節角度に応じた信号を出力する。
【００３７】
なお、バッテリ１６および後述の第１制御装置１００はそれぞれ、第１装具１１ではなく第２装具１２に収納されていてもよいし、第１装具１１および第２装具１２と別体で設けられていてもよい。
【００３８】
第１制御装置１００は、第１装具１１に収納されたコンピュータ（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、信号入力回路、信号出力回路等により構成される。）と、このコンピュータのメモリまたは記憶装置に格納されているソフトウェアとにより構成されている。当該ソフトウェアを当該コンピュータで実行することにより第１制御装置１００の諸機能が実現される。
【００３９】
第１制御装置１００は、バッテリ１６からアクチュエータ１４への供給電力を調節することにより、アクチュエータ１４の動作または出力（トルク）を制御する。
【００４０】
図２に示されているように、第１制御装置１００は、運動振動子測定手段１１０と、第１振動子生成手段１２０と、固有角速度設定手段１３０と、第２振動子生成手段１４０と、補助振動子生成手段１５０と、目標運動設定手段１１１と、補助振動子調整手段１６０と、運動指標値取得手段１６１とを備えている。各手段はそれぞれ別個のＣＰＵ等により構成されていてもよく、共通のＣＰＵ等により構成されていてもよい。
【００４１】
運動振動子測定手段１１０は股関節角度センサ１０２の出力に基づき、左右の股関節のそれぞれの角速度および角度のそれぞれを第１運動振動子φ1および第２運動振動子φ2のそれぞれとして測定する。第１運動振動子φ1および第２運動振動子φ2は人間Ｐの周期的な運動に応じて周期的に変化するパラメータに該当する。運動振動子を測定するとはパラメータの周期的な変化パターンを測定することを意味する。「周期的」とは振幅および位相、さらには位相の１回時間微分値である角速度を定義することができることを意味しており、必ずしも振幅や位相が一定であることを意味するものではない。
【００４２】
なお、第１運動振動子φ1および第２運動振動子φ2の組み合わせとして、人間Ｐの周期的な運動に応じて周期的に変化する任意の異なるパラメータの組み合わせが適当なセンサを用いて測定されてもよい。たとえば、一方の運動振動子として股関節、膝関節、足関節、肩関節、肘関節等の任意の関節の角度、大腿部、足平部、上腕部、手部、腰部の位置（人間Ｐの重心を基準とした前後方向の位置または上下方向の位置など）が測定され、他方の運動振動子として同じ関節の角速度、角加速度または同じ部位の前後方向への変位速度、加速度等の時間微分値が測定される等、同一部位の周期的な動きのリズム（周期またはその逆数に比例する角速度により特定される。）を表わすリズムでそれぞれ周期的に変化するパラメータが第１運動振動子φ1および第２運動振動子φ2（＝ｄnφ1／ｄｔn（ｎ＝１，２，‥））として測定されてもよい。
【００４３】
また、一方の運動振動子として第１関節の角度または第１部位の位置が測定され、他方の運動振動子として第１関節とは異なる第２関節の角速度、角加速度または第１部位とは異なる第２部位の速度、加速度等の時間微分値が測定される等、異なる部位の周期的な動きのリズムを表わすリズムでそれぞれ周期的に変化するパラメータが第１運動振動子φ1および第２運動振動子φ2として測定されてもよい。
【００４４】
さらに、左右の脚体の着床するときに生じる音、呼吸音、意図的な発声音等、歩行運動リズムと連関したリズムで変動する種々のパラメータが第１運動振動子φ1および第２運動振動子φ2のうち一方または両方として測定されてもよい。
【００４５】
後述するように第１運動振動子φ1および第２運動振動子φ2のそれぞれは、補助振動子ηの生成基礎となる、人間Ｐの運動の速さ（運動リズム）を表わす第４運動振動子φ4および人間Ｐの運動の大きさ（運動スケール）を表わす第３運動振動子φ3のそれぞれにも該当する。第３運動振動子φ3としては、運動補助装置１０により人間Ｐが実際に補助される部分（補助力が付加される部分）の運動の大きさが測定される。なお、第４運動振動子φ4として第１運動振動子φ1とは異なる周期的に変化するパラメータが測定されてもよく、第３運動振動子φ3として第２運動振動子φ2とは異なる周期的に変化するパラメータが測定されてもよい。
【００４６】
また、後述するように第４運動振動子φ4および第３運動振動子φ3のそれぞれは、第１補助振動子η1の調整基礎となる、人間Ｐの運動のリズムとスケールとのバランスを示す運動指標値（歩行比）Ｒの算出に用いられる第５運動振動子φ5にも該当する。なお、第５運動振動子φ5として第４運動振動子φ4および第３運動振動子φ3とは異なる周期的に変化するパラメータが測定されてもよい。
【００４７】
目標運動設定手段１１１は、人間Ｐの目標運動とするリズムおよびスケールに関する値を設定する。具体的には、目標運動設定手段１１１は、当該目標リズムおよびスケールに関する係数、目標位相差δθ0、人間Ｐの目標運動スケールに応じた目標値（本実施形態では目標股関節角度φ0）、および人間Ｐの運動指標値の基準値（本実施形態では基準歩行比Ｒ0）を設定する。設定された目標位相差δθ0は固有角速度設定手段１３０で用いられる。また、設定された係数、目標値φ0、人間Ｐの運動指標値の基準値Ｒ0は、補助振動子生成手段１５０および補助振動子調整手段１６０で用いられる。
【００４８】
第１振動子生成手段１２０は、運動振動子測定手段１１０により測定された第１運動振動子φ1を入力振動信号として第１モデルに入力することにより、出力振動信号として第１振動子ξ1を生成する。振動子を生成するとはパラメータの周期的な変化パターンを定めることを意味する。「第１モデル」は、入力振動信号と相互に引き込み合うことで第１固有角速度ω1に基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を生成するモデルである。なお、第１振動子設定手段１２０は、固有角速度設定手段１３０により設定された最新の第２固有角速度ω2を最新の第１固有角速度ω1として採用することにより第１モデルを逐次再定義し、以後の第１運動振動子φ1を入力振動信号として当該定義後の第１モデルに入力することにより、出力振動信号として以後の第１振動子ξ1を生成してもよい。
【００４９】
固有角速度設定手段１３０は、第１位相差δθ1に基づき、仮想モデルにしたがって、第２位相差δθ2が目標位相差δθ0に近づくように第２固有角速度ω2を設定する。第１位相差δθ1は、運動振動子測定手段１１０により測定された第１運動振動子φ1と、第１振動子生成手段１２０により生成された第１振動子ξ1との位相差である。「仮想モデル」は、第１運動振動子φ1（広義には人間Ｐの運動に伴って周期的に時間変化するパラメータ）が第１仮想振動子ψ1として表現され、運動補助装置１０の動作に伴って周期的に変化する補助振動子η（または第１振動子ξ1）が第２仮想振動子ψ2として表現され、かつ、第１運動振動子φ1と補助振動子ηとの位相差が、第１仮想振動子ψ1と第２仮想振動子ψ2との位相差である第２位相差δθ2として表現されているモデルである。
【００５０】
固有角速度設定手段１３０は、第１位相差設定手段１３１と、第２位相差設定手段１３２と、相関係数設定手段１３３と、第１角速度設定手段１３４と、第２角速度設定手段１３５とを備えている。第１位相差設定手段１３１は第１運動振動子φ1と第１振動子ξ1との位相差を第１位相差δθ1として設定する。第２位相差設定手段１３２は「仮想モデル」において定義されている第１仮想振動子ψ1と第２仮想振動子ψ2との位相差を第２位相差δθ2として設定する。相関係数設定手段１３３は、第２位相差設定手段１３２により設定された第２位相差δθ2が、第１位相差設定手段１３１により設定された第１位相差δθ1に近づくように第１仮想振動子ψ1と第２仮想振動子ψ2との相関係数εを設定する。第１角速度設定手段１３４は、相関係数設定手段１３３により設定された相関係数εに基づき、第１仮想振動子ψ1の角速度ω1/を設定する。
【００５１】
第２角速度設定手段１３５は、第１角速度設定手段１３４により設定された第１仮想振動子ψ1の角速度ω1/に基づき、第２位相差設定手段１３２により設定された第２位相差δθ2が目標位相差δθ0に近づくように第２仮想振動子ψ2の角速度ω2/を設定する。固有角速度設定部１３０は第２仮想振動子ψ2の角速度ω2/を第２固有角速度ω2として設定する。
【００５２】
第２振動子生成手段１４０は、運動振動子測定手段１１０により測定された第２運動振動子φ2を入力振動信号として第２モデルに入力することにより、出力振動信号として第２振動子ξ2を生成する。「第２モデル」は入力振動信号に基づき、固有角速度設定手段１３０により設定された第２固有角速度ω2に基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を生成するモデルである。
【００５３】
補助振動子生成手段１５０は、第２振動子生成手段１４０により生成された第２振動子ξ2に基づき、運動補助装置１０のアクチュエータ１４により大腿部ｐに与えられるトルクを定める補助振動子ηを生成する。
【００５４】
補助振動子生成手段１５０は、第１補助振動子生成手段１５１と、第２補助振動子生成手段１５２と、補助振動子調整手段とを備えている。
【００５５】
運動指標値取得手段１６１は、運動振動子測定手段１１０により測定された第５運動振動子φ5に基づいて、人間Ｐの運動のリズムとスケールとのバランスを示すユーザの運動指標値を取得する。本実施形態では、股関節角速度および股関節角度に基づき、人間Ｐの運動のリズムとスケールとのバランスに関する運動指標値として、歩行比Ｒ（＝歩幅Ｗ／歩行率Ｕ）を取得する。なお、運動指標値としては、人間Ｐの運動のリズムとスケールとのバランスを示す歩行比Ｒに関連する値として、歩幅Ｗを用いてもよい。さらに、運動指標値として、歩幅Ｗに代えて、屈曲方向と伸展方向とで独立に設定された歩幅や股関節角度等を用いてもよい。
【００５６】
補助振動子調整手段１６０は、補助振動子生成手段１５０が後述の第１補助振動子η１を生成するために用いる、目標運動設定手段１１１により設定された係数を調整する。このとき、補助振動子調整手段１６０は、運動指標値取得手段１６１により取得された運動指標値（歩行比）Ｒと、目標運動設定手段１１１により設定された運動指標値の基準値（基準歩行比）Ｒ0との偏差に基づいて、係数を調整する。
【００５７】
補助振動子生成手段１５０は、第２振動子生成手段１４０により生成された第２振動子ξ2に基づき、運動補助装置１０のアクチュエータ１４により大腿部ｐに与えられるトルクを定める補助振動子ηを生成する。詳細には、補助振動子生成手段１５０は、第２振動子ξ2に基づき、固有角速度設定手段１３０により設定された第２固有角速度ω2と、運動振動子測定手段１１０により測定された第３運動振動子φ3と、補助振動子調整手段１６０により調整された係数とを用いて、第１補助振動子η1を生成する。また、補助振動子生成手段１５０は、第２振動子ξ2に基づき、固有角速度設定手段１３０により設定された第２固有角速度ω2と、運動振動子測定手段１１０により測定された第３運動振動子φ3と第４運動振動子φ4と、目標運動設定手段１１１により設定された係数とを用いて、第２補助振動子η2を生成する。そして、補助振動子生成手段１５０は、第１補助振動子η1と第２補助振動子η2を含む補助振動子ηを生成する。
【００５８】
前記構成の歩行補助装置１０により人間Ｐの歩行運動が補助されるが、その補助方法について図２〜図４を用いて説明する。
【００５９】
第１制御装置１００により歩行補助装置１０の動作が次に説明するように制御される。まず、人間Ｐが歩行運動を開始すると運動振動子測定手段１１０が、股関節角度センサ１０２の出力に基づき、人間Ｐの左右の股関節角速度を第１運動振動子φ1＝（φ1L，φ1R）および第４運動振動子φ4＝（φ4L，φ4R）のそれぞれとして測定する（図３／Ｓ０１１）。また、運動振動子測定手段１１０が、股関節角度センサ１０２の出力に基づき、人間Ｐの左右の股関節角度を第２運動振動子φ2＝（φ2L，φ2R）および第３運動振動子φ1＝（φ3L，φ3R）として測定する（図３／Ｓ０１２）。
【００６０】
さらに、第１振動子生成手段１２０が、運動振動子測定手段１１０により測定された第１運動振動子φ1を入力振動信号として第１モデルに入力することにより、出力振動信号として第１振動子ξ1を生成する（図３／Ｓ０２０）。第１モデルは左右の脚体等、複数の第１要素の相関関係を表現するモデルであり、前記のように入力振動信号と相互に引き込み合うことで第１固有角速度ω1＝（ω1L，ω1R）に基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を生成するモデルである。第１モデルはたとえば式（１０）で表わされるファン・デル・ポル（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐｏｌ）方程式によって定義される。
【００６１】
【数１】
0004271711.tif 000002
【００６２】
“Ａ”は第１振動子ξ1およびその１回時間微分値（ｄξ1／ｄｔ）がξ1−（ｄξ1／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正の係数である。“ｇ”は人間Ｐの左右の脚体等、異なる身体部分の相関関係を、第１振動子ξ1の左右各成分の相関関係（複数の第１要素の出力振動信号の相関関係）に反映させるための第１相関係数である。“Ｋ1”は第１運動振動子φ1に応じたフィードバック係数である。
【００６３】
第１振動子ξ1＝（ξ1L，ξ1R）はルンゲ・クッタ法にしたがって算定または生成される。第１振動子ξ1の成分ξ1Lおよびξ1Rのそれぞれの角速度は、左右の脚体のそれぞれの運動を補助する仮定的なリズムを表わしている。また、第１振動子ξ1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角速度またはリズムで変化する第１運動振動子φ1のリズムと調和しながらも第１固有角速度ω1に基づいて定まる自律的な角速度またはリズムをもって周期的に変化または振動するという性質がある。
【００６４】
なお、式（１０）で表現されたファン・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、入力振動信号との相互引き込みを伴い、第１固有角速度ω1に基づいて定まる角速度で周期的に変化する出力振動信号が生成され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。また、測定対象となる第１運動振動子φ1の数が増やされてもよい。第１モデルに入力される第１運動振動子φ1が多くなるほど、この第１モデルを定義するファン・デル・ポル方程式等の第１振動子ξ1の生成に応じた非線形微分方程式における相関項は多くなるが、当該相関係数の調節によって人間Ｐの身体の様々な部分の動きに鑑みた一層緻密な運動の補助が実現される。
【００６５】
続いて、目標運動設定手段１１１が、人間Ｐの目標運動とするリズムおよびスケールに関する値として、目標位相差δθ0＝（θ0L，θ0R）、を設定する（図３／Ｓ０３０）。目標位相差δθ0としては、予め定められた値が用いられる。このとき、目標運動設定手段１１１は、歩行補助装置１０に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、人間Ｐによって設定された値を、目標位相差δθ0として設定してもよい。また、目標運動設定手段１１１は、運動振動子測定手段１１０により測定された１つ以上の運動振動子に基づいて人間Ｐの歩行状態を判定し、この判定した歩行状態に応じて、予め定められた複数の値のうちから目標位相差δθ0を選択して設定してもよい。具体的には、目標運動設定手段１１１は、歩行状態と、股関節角速度φ4を含むｎ（ｎ＝１、２、‥）個の運動振動子によってｎ次元空間に描かれる軌道パターンとの、予め定められた対応関係をメモリから読み込む。そして、目標運動設定手段１１１は、読み込んだ対応関係と、測定されたｎ個の運動振動子によってｎ次元空間に描かれるパターンとに基づき「歩行状態」を判定する。
【００６６】
人間Ｐの歩行状態には、人間Ｐがほぼ平坦な床面を歩行する「平地歩行状態」、人間Ｐが坂または階段を昇る「上昇歩行状態」および人間Ｐがある坂または階段を下る「下降歩行状態」並びに人間Ｐがゆっくりと歩行する「スロー歩行状態」および人間Ｐが速く歩行する「クイック歩行状態」等が含まれ得る。
【００６７】
なお、歩行状態判定用の運動振動子として、人間Ｐの股関節角度や、膝関節、足関節、肩関節、肘関節の角度や角速度、角加速度、脚体の一部の位置、さらには歩行者の着地音、呼吸音、意図的な発声音等、歩行運動リズムと連関したリズムで変動する種々のパラメータが測定されてもよい。
【００６８】
続いて、固有角速度設定手段１３０が、運動振動子測定手段１１０により測定された第１運動振動子φ1と第１振動子生成手段１２０により生成された第１振動子ξ1とに基づき、第１運動振動子φ1と第１振動子ξ1との位相差である第１位相差δθ1に基づき、第２位相差δθ2が目標位相差δθ0に近づくように第２固有角速度ω2を設定する。
【００６９】
具体的には、第１位相差設定手段１３１が、運動振動子測定手段１１０により測定された第１運動振動子φ1と、第１振動子設定手段１２０により生成された第１振動子ξ1との位相差を第１位相差δθ1として設定する（図３／ｓ０３１）。たとえば、φ1＝０かつ（ｄφ1／ｄｔ）＞０となる時刻と、ξ1＝０かつ（ｄξ1／ｄｔ）＞０となる時刻との時間差に基づいて第１位相差δθ1が算定または設定される。
【００７０】
また、第２位相差設定手段１３２が、最近の３歩行周期にわたって第１位相差δθ1が一定であることまたは第１位相差δθ1の変動が許容範囲内に収まっていることを要件として、第２位相差δθ2を設定する（図３／Ｓ０３２）。具体的には、式（２１）および（２２）により定義され仮想モデルにおいて定義される第１仮想振動子ψ1＝（ψ1L，ψ1R）と第２仮想振動子ψ2＝（ψ2L，ψ2R）との位相差を式（２３）にしたがって第２位相差δθ2として設定する。第１仮想振動子ψ1は、仮想モデルにおいて第１運動振動子φ1を擬似的に表現する。第２仮想振動子ψ2は仮想モデルにおいて補助振動子ηを擬似的に表現する。
【００７１】
【数２】
0004271711.tif 000003
【００７２】
“ε＝（εL，εR）”の各成分は第１仮想振動子ψ1の各成分および第２仮想振動子ψ2の各成分の相関関係を表わす相関係数である。“ω1/＝（ω1/L，ω1/R）”は第１仮想振動子ψ1の各成分の角速度である。“ω2/＝（ω2/L，ω2/R）”は第２仮想振動子ψ2の各成分の角速度である。
【００７３】
続いて、相関係数設定手段１３３が、第１位相差設定手段１３１により設定された第１位相差δθ1と第２位相差設定手段１３２により設定された第２位相差δθ2との偏差が最小になるように相関係数εを設定する（図３／Ｓ０３３）。
【００７４】
具体的には式（２４）にしたがって、左右各成分について第１運動振動子φ1が０となる各時刻ｔiにおける相関係数ε（ｔi）が逐次設定される。
【００７５】
【数３】
0004271711.tif 000004
【００７６】
“Ｂ＝（ＢL，ＢR）”の各成分は、第１位相差δθ1の各成分と、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。
【００７７】
次に、第１角速度設定手段１３４が、相関係数設定手段１３３により設定された相関係数εに基づき、第２仮想振動子ψ2の角速度ω2/が一定であるという条件下で、各成分について第１位相差δθ1および第２位相差δθ2の偏差が最小となるように第１仮想振動子ψ1の角速度ω1/を式（２５）にしたがって設定する（図３／Ｓ０３４）。
【００７８】
【数４】
0004271711.tif 000005
【００７９】
“α＝（αL，αR）”の各成分は系の安定性を表す係数である。
【００８０】
続いて第２角速度設定手段１３５が各成分について、第１角速度設定手段１３４により設定された第１仮想振動子ψ1の角速度ω1/に基づき、第２仮想振動子ψ2の角速度ω2/を設定する（図３／Ｓ０３５）。具体的には、第２角速度設定手段１３５が、各成分について第２位相差δθ2が目標位相差δθ0に近づくように、式（２６）にしたがって第２仮想振動子ψ2の角速度ω2/＝（ω2/L，ω2/R）を設定する。そして、第２仮想振動子ψ2の角速度ω2/が第２固有角速度ω2として設定される（図３／Ｓ０３６）。
【００８１】
【数５】
0004271711.tif 000006
【００８２】
“β＝（βL，βR）”の各成分は系の安定性を表す係数である。
【００８３】
また、第２振動子生成手段１４０が、運動振動子測定手段１１０により測定された第２運動振動子φ2を入力振動信号として第２モデルに入力することにより、出力振動信号として第２振動子ξ2＝（ξ2L+，ξ2L-，ξ2R+，ξ2R-）を生成する（図３／Ｓ０４０）。第２モデルは各脚体の屈曲方向（前方）への動きおよび伸展方向（後方）への動きを司る神経要素等、複数の第２要素の相関関係を表現するモデルであり、前記のように入力振動信号に基づき、固有角速度設定手段１３０により設定された第２固有角速度ω2に基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を生成するモデルである。第２モデルはたとえば式（３０）により表現される連立微分方程式により定義される。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の順応効果を表現するための自己抑制因子ｖiとが含まれている。
【００８４】
【数６】
0004271711.tif 000007
【００８５】
“τ1i”は状態変数ｕiの変化特性を規定する時定数であり、ω依存性を有する係数ｔ（ω）と、定数γ＝（γL，γR）とを用いて式（３１）により表現されるが、第２固有角速度ω2に依存して変化する。
【００８６】
【数７】
0004271711.tif 000008
【００８７】
“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。“ｗi/j”は人間Ｐの左右各脚体の屈曲方向および伸展方向への動きを司る神経要素の相関関係を第２振動子ξ2の各成分の相関関係（複数の第２要素の出力振動信号の相関関係）に反映させるための負の第２相関係数である。“λL”および“λR”は慣れ係数である。“Ｋ2”は第２運動振動子φ2に応じたフィードバック係数である。
【００８８】
“ｆ1”は正の係数ｃを用いて式（３２）により定義される第２固有角速度ω2の１次関数である。“ｆ2”は係数ｃ0，ｃ1およびｃ2を用いて式（３３）により定義される第２固有角速度ω2の２次関数である。
【００８９】
【数８】
0004271711.tif 000009
【００９０】
第２振動子ξ2i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１とする。このｕiの値をとる。あるいは、第２振動子ξ2iは、シグモイド関数ｆｓによって定義されている（式（３０）参照）。これにより、大腿部の屈曲方向（前方）への動きについてはこの動きを支配する第２要素（神経要素）Ｌ＋、Ｒ＋の出力である第２振動子ξ2L+およびξ2R+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要素Ｌ−、Ｒ−の出力である第２振動子ξ2L-およびξ2R-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、股関節角速度の極性によって識別される。
【００９１】
なお、測定対象となる第２運動振動子φ2の数が増やされてもよい。第２モデルに入力される第２運動振動子φ2が多くなるほど、この第２モデルを定義する連立微分方程式における相関項は多くなるが、当該相関係数の調節によって人間Ｐの身体の様々な部分の動きに鑑みた一層緻密な運動の補助が実現される。
【００９２】
次に、補助振動子生成手段１５０が、運動振動子測定手段１１０によって測定された第３運動振動子φ3および第４運動振動子φ4と、第２振動子生成手段１４０により生成された第２振動子ξ2と、固有角速度設定手段１３０によって設定された第２固有角速度ω2とに基づき、補助振動子η＝（ηL，ηR）を設定する。前記のように第２運動振動子φ2と同じく第３運動振動子φ3として測定される股関節角度と、第１運動振動子φ1と同じく第４運動振動子φ4として測定される股関節角速度とに基づいて補助振動子ηが設定される。
【００９３】
具体的には、第３運動振動子φ3と、第２振動子ξ2と、第２固有角速度ω2とに基づき、式（４０）にしたがって第１補助振動子η1＝（η1L，η1R）が生成される（図３／Ｓ０５１）。
【００９４】
【数９】
0004271711.tif 000010
【００９５】
“ｇ1+”は係数ａk+（ｋ＝０〜３）を用いて式（４１）により定義される第２固有角速度ω2の３次関数である。“ｇ1-” は係数ａk-（ｋ＝０〜３）を用いて式（４２）により定義される第２固有角速度ω2の３次関数である。“ｇ+”は係数ｃi+（ｉ＝１，２）および第３運動振動子φ3の値の正方向の目標値（股関節角度の屈曲方向の目標値）φ0+を用いて式（４３）により定義される第３運動振動子φ3の３次関数である。“ｇ-” は係数ｃi-（ｉ＝１，２）および第３運動振動子φ3の値の負方向の目標値（股関節角度の伸展方向の目標値）φ0-を用いて式（４４）で定義される第３運動振動子φ3の３次関数である。
【００９６】
【数１０】
0004271711.tif 000011
【００９７】
なお、ｇ1+，ｇ1-は本発明の第１係数に相当し、ａk+，ａk-（ｋ＝０〜３）は本発明の第１パラメータに相当する。また、ｇ+，ｇ-は本発明の第３係数に相当し、ｃ1+，ｃ2+，ｃ1-，ｃ2-は本発明の第３パラメータに相当する。
【００９８】
第１補助振動子η1は第１係数ｇ1+およびｇ1-をそれぞれ弾性係数とする、第３運動振動子φ3の値を正方向の目標値φ0+および負方向の目標値φ0-のそれぞれに復元させる、図４に示されている２つの仮想的な弾性要素（たとえばバネ）Ｇ1+およびＧ1-による弾性力として表現されている。この第１補助振動子η1に基づいて人間Ｐの歩行運動が補助されることにより、筋肉の収縮状態から伸展状態への移行時の弾性力等、人間Ｐの筋肉等の弾性要素の挙動特性に鑑みて適切な運動スケールが実現されるようにこの人間Ｐの歩行運動が補助されうる。
【００９９】
第１補助振動子η1のうち“ｇ1+（ω2L）ｇ+（φ3L）ξ2L+”および“ｇ1+（ω2R）ｇ+（φ3R）ξ2R+”は、弾性係数ｇ1+に応じて第３運動振動子φ3の値を正方向の目標値φ0+に近付けるように人間Ｐの大腿部に作用する、一方の仮想的な弾性要素Ｇ1+の弾性力を表現している（式（４０）（４１）（４３）、図４参照）。すなわち、当該項は第３運動振動子（股関節角度）φ3の値が正方向の目標値φ0+未満である場合、大腿部を前方に動かす一方、第３運動振動子φ3の値が正方向の目標値φ0+を超えた場合、大腿部を後方に動かすような弾性要素Ｇ1+の弾性力を表現している。一方、第１補助振動子η1のうち“−ｇ1-（ω2L）ｇ-（φ3L）ξ2L-”および“−ｇ1-（ω2R）ｇ-（φ3R）ξ2R-”は、弾性係数ｇ1-に応じて第３運動振動子φ3の値を負方向の目標値φ0-に近付けるように人間Ｐの大腿部に作用する、一方の仮想的な弾性要素Ｇ1-の弾性力を表現している（式（４０）（４２）（４４）、図４参照）。すなわち、当該項は第３運動振動子（股関節角度）φ3の値が負方向の目標値φ0-より大きい場合、大腿部を後方に動かす一方、第３運動振動子φ3の値が負方向の目標値φ0-を下回った場合、大腿部を前方に動かすような弾性要素Ｇ1-の弾性力を表現している。
【０１００】
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つの仮想的な弾性要素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。たとえば、左の大腿部が前方に動いているとき、この動きを支配する第２要素Ｌ＋に応じた第２振動子ξ2L+の値が他の第２要素Ｌ−に応じた第２振動子ξ2L-の値より大きくなるので、式（４０）により表現される第１補助振動子η1Lが式（４５）により近似的に表現される。すなわち、左の大腿部が前方に動いているとき、第１補助振動子η1は両方の弾性要素Ｇ1+およびＧ1-の弾性力の和ではなく、第３運動振動子φ3の値を正方向の目標値φ0+に近付けるように人間Ｐの左の大腿部に作用する一方の弾性要素Ｇ1+の弾性力として近似的に表現される。これは右の大腿部についても同様である。これにより、２つの仮想的な弾性要素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。
【０１０１】
【数１１】
0004271711.tif 000012
【０１０２】
また、たとえば、左の大腿部が後方に動いているとき、この動きを支配する第２要素Ｌ−の出力が他の第２要素Ｌ＋の出力より大きくなり、これによって第２要素Ｌ−に応じた第２振動子ξ2L-の値が第２要素Ｌ＋に応じた第２振動子ξ2L+の値より大きくなって、式（４０）により表現される第１補助振動子η1Lは式（４６）により近似的に表現される。すなわち、左の大腿部が後方に動いているとき、第１補助振動子η1は両方の弾性要素Ｇ1+およびＧ1-の弾性力の和ではなく、第３運動振動子φ3の値を負方向の目標値φ0-に近付けるように人間Ｐの左の大腿部に作用する一方の弾性要素Ｇ1-の弾性力として近似的に表現される。これは右の大腿部についても同様である。これにより、２つの仮想的な弾性要素Ｇ1+およびＧ1-のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避される。
【０１０３】
【数１２】
0004271711.tif 000013
【０１０４】
第３運動振動子φ3の値の目標値φ0+およびφ0-は歩幅等の目標運動スケールに応じて人間Ｐの股関節角速度を含む脚体の姿勢を特定するための幾何学的特徴にしたがって設定される。また、第２固有角速度ω2の関数である第１係数ｇ1+（ω2）およびｇ1−（ω2）のそれぞれに含まれる係数ａk+およびａk-は歩行率（＝単位時間当たりの歩数）等の目標運動リズムに応じた係数として設定されうる。なお、第３運動振動子φ3の値の目標値φ0+およびφ0-は運動補助装置１０に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、人間Ｐの歩行運動を観察する者等によって設定された目標運動スケールに基づき、人間Ｐの股関節角度を含む脚体の姿勢の幾何学的条件にしたがって設定されてもよい。また、第１係数ｇ1+（ω2）およびｇ1-（ω2）のそれぞれに含まれる係数ａk+およびａk-は、運動補助装置１０に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、人間Ｐによって設定された目標とする「歩行率」に応じて設定されてもよい。
【０１０５】
ここで、上述の第１補助振動子η1を生成する処理（図３／ｓ０５１）について、図５のフローチャートを参照して説明する。
【０１０６】
まず、運動指標値取得手段１６１が、運動振動子測定手段１１０により測定された第５運動振動子（股関節角度および股関節角速度）φ5に基づいて、人間Ｐの歩行比Ｒ（人間Ｐの運動指標値）を取得する（図５／ｓ２０１）。具体的には、測定された股関節角度に基づいて、人間Ｐの脚体の姿勢の幾何学的条件にしたがって歩幅Ｗを測定する。また、測定された股関節角速度の時系列データから歩行率Ｕ（＝歩数／分）を測定する。なお、例えば、加速度センサ等を備えて歩数を測定することで、歩行率Ｕが直接的に測定されるようにしてもよい。そして、運動指標値取得手段１６１は、測定された歩幅Ｗと歩行率Ｕとを用いて、歩行比Ｒ（＝歩幅Ｗ／歩行率Ｕ）を取得する。なお、歩幅Ｗおよび歩行率Ｕとしては、制御周期毎に測定された歩幅Ｗ及び歩行率Ｕの所定回数分の制御周期における平均値を用いてもよい。
【０１０７】
次いで、目標運動設定手段１１１が、基準歩行比（人間Ｐの運動指標値の基準値）Ｒ0を設定する（図５／ｓ２０２）。基準歩行比Ｒ0としては、予め定められた値が用いる。このとき、目標運動設定手段１１１は、人間Ｐの歩行状態を判定し、この判定した歩行状態に応じて、予め定められた複数の値のうちから基準歩行比Ｒ0を選択して設定してもよい。また、目標運動設定手段１１１は、歩行補助装置１０に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、人間Ｐによって設定された値を、基準歩行比Ｒ0として設定してもよい。
【０１０８】
次いで、目標運動設定手段１１１が、上記式（４１）（４２）で示される第２固有角速度ω2の関数である第１係数ｇ1+（ω2）およびｇ1-（ω2）のそれぞれに含まれる、目標となる運動リズム（歩行率）に応じた係数（第１パラメータ）ａk+およびａk-を設定する。これと共に、目標運動設定手段１１１が、上記式（４３）（４４）で示される股関節角度（第３運動振動子）φ3の関数である第３係数ｇ+（φ3）およびｇ-（φ3）のそれぞれに含まれる、目標となる運動スケール（歩幅）に応じた係数（第３パラメータ）ｃ1+，ｃ2+，ｃ1-，ｃ2-を設定する（図５／ｓ２０３）。
【０１０９】
このとき、目標運動設定手段１１１は、人間Ｐの歩行状態を判定し、この判定した歩行状態に応じて、予め定められた複数の値のうちから第１パラメータａk+，ａk-、第３パラメータｃ1+，ｃ2+，ｃ1-，ｃ2-を選択して設定してもよい。また、目標運動設定手段１１１は、歩行補助装置１０に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、人間Ｐによって設定された目標とする「歩行比」に応じて、第１パラメータａk+，ａk-、第３パラメータｃ1+，ｃ2+，ｃ1-，ｃ2-を設定してもよい。
【０１１０】
次いで、目標運動設定手段１１１が、Ｓ２０２で設定された基準歩行比Ｒ0に基づいて、人間Ｐの股関節角度を含む脚体の姿勢の幾何学的条件にしたがって、第３運動振動子（股関節角度）φ3の目標値φ0+およびφ0-を設定する（図５／Ｓ２０４）。具体的には、まず、目標運動設定手段１１１は、Ｓ２０１で測定された歩行率Ｕと、Ｓ２０２で設定された基準歩行比Ｒ0に基づいて、歩幅Ｗの目標値Ｗ0（＝基準歩行比Ｒ0＊歩行率Ｕ）を算出する。このとき、歩行率Ｕとしては、制御周期毎に測定された歩行率Ｕを、所定回数分の制御周期で平均した平均値を用いてもよい。
【０１１１】
次いで、目標運動設定手段１１１は、測定された第３運動振動子（股関節角度）φ3から得られる、伸展方向の最大股関節角度φm+に基づいて、伸展方向の歩幅W+を算出する。このとき、伸展方向の最大股関節角度φm+としては、制御周期毎に測定された伸展方向の最大股関節角度φm+を、所定回数分の制御周期で平均した平均値を用いてもよい。
【０１１２】
次いで、目標運動設定手段１１１は、算出された目標歩幅Ｗ0から、算出された伸展方向の歩幅W+を減じて、屈曲方向の歩幅W-の目標値Ｗ0-を算出する。
【０１１３】
次いで、目標運動設定手段１１１は、算出された屈曲方向の目標歩幅Ｗ0-から、人間Ｐの股関節角度を含む脚体の姿勢の幾何学的条件にしたがって、屈曲方向の股関節角度の目標値φ0+を算出する。
【０１１４】
なお、目標運動設定手段１１１は、伸展方向の股関節角度の目標値φ0-としては、人間Ｐの股関節角度を含む脚体の姿勢の幾何学的条件にしたがった、予め定められた上限値を用いる。なお、上限値は、人間Ｐの歩行状態に応じて設定されてもよい。また、上限値は、歩行補助装置１０に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、人間Ｐによって設定された目標とする「歩幅」に基づいて設定されてもよい。
【０１１５】
また、基準歩行比Ｒ0に基づいて屈曲方向の股関節角度の目標値φ0+を設定し、伸展方向の股関節角度の目標値φ0-は、予め定められた上限値を用いるものとしたが、基準歩行比Ｒ0に基づいて伸展方向の股関節角度の目標値φ0+を設定し、屈曲方向の股関節角度の目標値φ0-は、予め定められた上限値を用いるものとしてもよい。また、運動指標値が、例えば、屈曲方向と伸展方向とで独立に設定された歩幅や股関節角度等である場合には、屈曲・伸展方向にそれぞれ対応するバネモデルで、屈曲方向と伸展方向とで独立に股関節角度の目標値φ0+およびφ0-を設定しうる。
【０１１６】
次いで、補助振動子調整手段１６０が、Ｓ２０３で設定された第１パラメータａk+，ａk-（ｋ＝０〜３）、第３パラメータｃ1+，ｃ2+，ｃ1-，ｃ2-を調整する（図５／Ｓ２０５）。このとき、補助振動子調整手段１６０は、Ｓ２０１で取得された歩行比Ｒと、Ｓ２０２で設定された基準歩行比Ｒ0との偏差に基づいて、パラメータａk+，ａk-，ｃ1+，ｃ2+，ｃ1-，ｃ2-を調整する。具体的には、上記式（２４）にしたがって第１位相差δθ1と第２位相差δθ2との偏差が最小になるように相関係数εを逐次設定した手法と同様に、歩行比Ｒと基準歩行比Ｒ0との偏差が最小になるようにパラメータａk+，ａk-，ｃ1+，ｃ2+，ｃ1-，ｃ2-とが逐次設定される。すなわち、補助振動子調整手段１６０は、歩行比Ｒを基準歩行比Ｒ0に近付けさせるように、パラメータａk+，ａk-，ｃ1+，ｃ2+，ｃ1-，ｃ2-を設定値から変分させる。なお、パラメータａk+，ａk-，ｃ1+，ｃ2+，ｃ1-，ｃ2-の調整は、制御周期毎（１歩毎）でなく、所定回数分の制御周期毎（例えば、３歩毎）に行うものとする。
【０１１７】
また、補助振動子調整手段１６０は、複数のパラメータからなるパラメータの組である第１パラメータ及び第３パラメータについて、第１パラメータａk+，ａk-のそれぞれ、、第３パラメータｃ1+，ｃ2+，ｃ1-，ｃ2-のそれぞれのうち、少なくともいずれか一つを逐次調整しうる。
【０１１８】
また、運動指標値として、人間Ｐの運動のリズムとスケールとのバランスを示す歩行比Ｒに関連する歩幅Ｗを用いた場合、補助振動子調整手段１６０は、歩幅Ｗを、基準歩行比Ｒ0から得られた基準歩幅Ｗ0に近付けさせるように、パラメータａk+，ａk-，ｃ1+，ｃ2+，ｃ1-，ｃ2-を調整する。また、運動指標値として、屈曲方向と伸展方向とで独立に設定された歩幅や股関節角度等を用いた場合、屈曲方向と伸展方向とで独立にパラメータａk+，ａk-，ｃ1+，ｃ2+，ｃ1-，ｃ2-が調整される。
【０１１９】
次いで、補助振動子生成手段１５０が、第３運動振動子（股関節角度）φ3と、第２固有角速度ω2と、Ｓ２０４で設定された股関節角度の目標値φ0+およびφ0-と、Ｓ２０５で調整されたパラメータａk+，ａk-，ｃ1+，ｃ2+，ｃ1-，ｃ2-とを、上記式（４１）〜（４４）に代入して、第１係数ｇ1+，ｇ1-、第３係数ｇ+，ｇ-を算出する。そして、この算出した第１係数ｇ1+，ｇ1-、第３係数ｇ+，ｇ-と、ξ2iと、第２固有角速度ω2を、上記式（４０）に代入して、第１補助振動子η1を生成する（図５／Ｓ２０６）。
【０１２０】
以上が第１補助振動子η1を生成する処理である。
【０１２１】
なお、第３運動振動子φ3の値を変数とするシグモイド関数ｆｓ（式（３０）参照）が第１係数ｇ1+，ｇ1-に組み込まれ、これにより第３運動振動子φ3の１回時間微分値ｄφ3／ｄｔの極性により特定される大腿部の前後への動きの別に応じて、複数の第２要素ｉの出力としての第２振動子ξ2iのうち一部が偏重的に反映された形で第１補助振動子η1が生成されてもよい。これによっても２つの仮想的なバネＧ1+およびＧ1-のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避されうる。
【０１２２】
さらに、運動振動子測定手段１１０により測定された第４運動振動子φ4と、第２振動子生成手段１４０により生成された第２振動子ξ2と、固有角速度設定手段１３０により設定された第２固有角速度ω2とに基づき、式（５０）にしたがって第２補助振動子η2が設定される（図３／Ｓ０５２）。
【０１２３】
【数１３】
0004271711.tif 000014
【０１２４】
“ｇ2+”は係数ｂk+（ｋ＝０〜３）を用いて式（５１）により定義される第２固有角速度ω2の３次関数である。“ｇ2-”は係数ｂk-（ｋ＝０〜３）を用いて式（５２）により定義される第２固有角速度ω2の３次関数である。“Ｈ+”は式（５３）により定義される第４運動振動子φ4の１回時間積分値の関数である。“Ｈ-”は式（５４）により定義される第４運動振動子φ4の１回時間積分値の関数である。
【０１２５】
【数１４】
0004271711.tif 000015
【０１２６】
第２補助振動子η2は、第２係数ｇ2+およびｇ2-をそれぞれ減衰係数とし、第４運動振動子φ4に応じてその時間積分値の絶対値の増大を抑制する、図５に示されている２つの仮想的な減衰要素（たとえばダンパ）Ｇ2+およびＧ2-の減衰力として表現されている。この第１補助振動子η1に基づいて人間Ｐの歩行運動が補助されることにより、筋肉の収縮状態から伸展状態への移行時の減衰力等、人間Ｐの筋肉等の減衰要素の挙動特性に鑑みて適切な運動スケールが実現されるようにこの人間Ｐの歩行運動が補助されうる。
【０１２７】
第２補助振動子η2のうち“−ｇ2+（ω2L）φ4LＨ+（∫ｄｔφ4L）ξ2L+”および“−ｇ2+（ω2R）φ4RＨ+（∫ｄｔφ4R）ξ2R+”は、減衰係数ｇ2+および第４運動振動子φ4の値に応じて、正方向の第４運動振動子φ4の時間積分値の絶対値の増大を抑制するように人間Ｐの大腿部に作用する、一方の仮想的な弾性要素Ｇ2+の弾性力を表現している（式（５０）（５１）（５３）、図４参照）。すなわち、当該項は第４運動振動子（股関節角速度）φ4の値が正方向に大きいほど、大腿部の前方への動きを強く抑制するような減衰要素Ｇ2+の減衰力を表現している。一方、第２補助振動子η1のうち“ｇ2-（ω2L）φ4LＨ-（∫ｄｔφ4L）ξ2L-”および“ｇ2-（ω2R）φ4RＨ-（∫ｄｔφ4R）ξ2R-”は、減衰係数ｇ2-に応じて、負方向の第４運動振動子φ4の時間積分値の絶対値の増大を抑制するように人間Ｐの大腿部に作用する、他方の仮想的な弾性要素Ｇ2-の弾性力を表現している（式（５０）（５２）（５４）、図４参照）。すなわち、当該項は第４運動振動子（股関節角速度）φ4の値が負方向に大きいほど、大腿部の後方への動きを強く抑制するような減衰要素Ｇ2+の減衰力を表現している。
【０１２８】
また、第２補助振動子η2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。
【０１２９】
第２固有角速度ω2の関数である第２係数ｇ2+（ω2）およびｇ2-（ω2）のそれぞれに含まれる係数ｂk+およびｂk-は歩行率等の目標運動リズムに応じた係数として設定されうる。なお、当該係数ｂk+およびｂk-は、運動補助装置１０に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、人間Ｐにより設定されてもよい。
【０１３０】
さらに、補助振動子生成手段１５０が、第１補助振動子生成手段１５１により生成された第１補助振動子η1＝（η1L，η1R）と、第２補助振動子生成手段１５２により生成された第２補助振動子η2＝（η2L，η2R） との合計を補助振動子η（＝η1＋η2）として生成する（図３／Ｓ０５３）。そして、第１制御装置１００により補助振動子ηに基づいてバッテリ１６から左右のアクチュエータ１４（またはこれを構成するモータ）にそれぞれ供給される電流Ｉ＝（ＩL，ＩR）が調節される。電流Ｉは補助振動子ηに基づき、たとえばＩ（ｔ）＝Ｇ1・η（ｔ）（Ｇ1は定数）と表現される。これにより、第１装具１１および第２装具１２を介して運動補助装置１０から人間Ｐに与えられる、腰部（第１身体部分）に対して左右の大腿部（第２身体部分）を相対的に前後方向に動かすような力または股関節回りのトルクＴ＝（ＴL，ＴR）が調節される（図３／Ｓ０６０）。トルクＴは電流Ｉに基づき、たとえばＴ（ｔ）＝Ｇ2・Ｉ（ｔ）（Ｇ2は定数）と表現される。また、バッテリ１６の残電量が閾値以下になったこと、動作スイッチがＯＮからＯＦＦに切り替えられたこと等の制御終了条件が満たされているか否かが判定される（図３／Ｓ０６２）。制御終了条件が満たされていないと判定された場合（図３／Ｓ０６２‥ＮＯ）、前記一連の処理が繰り返される（図３／Ｓ０１１，Ｓ０１２，Ｓ０２０，‥等参照）。これにより、腰部（第１身体部分）および左右の大腿部（第２身体部分）の相対的な運動を伴う人間Ｐの歩行運動が運動補助装置１０によって継続的に補助される。一方、制御終了条件が満たされていると判定された場合（図３／Ｓ０６２‥ＹＥＳ）、前記一連の処理が終了する。
【０１３１】
前記機能を発揮する本発明の歩行補助システム１によれば、運動補助装置１０により人間Ｐの腰部（第１身体部分）および大腿部（第２身体部分）のそれぞれにアクチュエータ１４の出力が与えられる。これにより、当該２つの部分の相対運動を伴う人間Ｐの歩行運動が、運動リズムの目標運動リズムに一致させ、かつ、運動スケールを目標運動スケールに一致させるように補助される。
【０１３２】
具体的には、次の理由により、人間Ｐの運動リズムをその目標とする運動リズムに一致させるように人間Ｐの運動が運動補助装置１０によって補助されうる。すなわち、第１運動振動子φ1に基づき、第１モデルにしたがって生成された第１振動子ξ1は、この第１モデルの性質である「相互引き込み」の効果によってこの第１運動振動子φ1の角速度と調和しながら、第１固有角速度ω1に基づいて定まる角速度で周期的に変化する（式（１０）、図３／Ｓ０２０参照）。したがって、第１振動子ξ1に基づいて補助振動子ηが直接的に生成されることにより、第１運動振動子φ1により表現される人間Ｐの周期的な運動と調和するような補助振動子ηがただちに生成されうる。
【０１３３】
しかるに、第１運動振動子φ1により表現される人間Ｐの周期的な運動と、補助振動子ηにより表わされる運動補助装置１０による周期的な動作との位相差は、運動補助装置１０の動作に対する人間Ｐの運動態様を定めるものである。たとえば、この位相差が正である場合、人間Ｐは運動補助装置１０を先導するような形態で運動することができる。一方、この位相差が負である場合、人間Ｐは運動補助装置１０によって先導されるような形態で運動することができる。このため、第１振動子ξ1の第１運動振動子φ1に対する位相差（第１位相差）δθ1が目標位相差δθ0から乖離していると、人間Ｐの運動態様が判定になりやすい。その結果、補助振動子ηに応じた角速度で周期的に変化するトルクＴによって腰部および大腿部の相対的運動が補助される人間Ｐの運動リズムが、目標運動リズムから乖離してしまう可能性が高い。
【０１３４】
そこで、第２振動子ξ2が生成された上で、第１振動子ξ1ではなく第２振動子ξ2に基づいて補助振動子ηが生成されるが（図３／Ｓ０４０，Ｓ０５１〜Ｓ０５３参照）、第１運動振動子φ1と第１振動子ξ1との相互調和性を維持しつつも、人間Ｐの運動リズムを目標運動リズムに一致させる観点から、第２振動子ξ2の角速度を定める適当な第２固有角速度ω2が設定される。すなわち、歩行補助装置１０による補助リズムを人間Ｐの運動リズムに調和させながら、この人間Ｐの運動リズムを目標運動リズムに一致させるため、歩行補助装置１０の補助リズムと人間Ｐの運動リズムとの適切な位相差を実現する観点から、適当な第２固有角速度ω2が設定される。
【０１３５】
具体的には、第１運動振動子φ1と第１振動子ξ1との位相差（第１位相差）δθ1と、第１仮想振動子ψ1と第２仮想振動子ψ2との位相差（第２位相差）δθ2との偏差が最小になるように仮想モデルの特性を定める相関係数εおよび第１仮想振動子ψ1の角速度ω1/が設定される（図３／Ｓ０３３，Ｓ０３４参照）。これにより、第１運動振動子φ1および第１振動子ξ1の相互調和性（第１モデルの性質）に鑑みて、第１仮想振動子ψ1および第２仮想振動子ψ2のそれぞれの挙動状態が適当に表現されるように仮想モデルが構築される。すなわち、第１仮想振動子ψ1により表現される第１運動振動子φ1と、第２仮想振動子ψ2により表現される補助振動子ηまたはその生成基礎である第２振動子ξ2とが第２位相差δθ2をもって相互に調和しながら周期的に変化するように仮想モデルが構築される。また、第２位相差δθ2が目標位相差δθ0に近づくように第２仮想振動子ψ2の角速度ω2/が設定される（図３／Ｓ０３５参照）。これにより、第１仮想振動子ψ1により表現されている第１運動振動子φ1と、第２仮想振動子ψ2により表現されている補助振動子ηまたはその生成基礎である第２振動子ξ2とが前記のように相互調和性を維持しつつも、第１運動振動子φ1と、補助振動子ηまたはその生成基礎である第２振動子ξ2との位相差を目標位相差δθ0に近づける観点から、第２仮想振動子ψ2の適当な角速度ω2/が設定される。そして、第２仮想振動子ψ2の角速度ω2/が、この第２仮想振動子ψ2により擬似的に表現されている補助振動子ηの生成基礎となる第２振動子ξ2の角速度を定める第２固有角速度ω2として設定される（図３／Ｓ０３５，Ｓ０５１，Ｓ０５２参照）。
【０１３６】
また、第２固有角速度ω2に基づいて定まる角速度で周期的に変化する第２振動子ξ2に基づいて生成される補助振動子ηも、第２固有角速度ω2に基づいて定まる角速度で周期的に変化する（式（３０９（４０）（５０）、図３／Ｓ０４０，Ｓ０５０参照）。したがって、補助振動子ηに基づくトルクＴが人間Ｐに与えられることにより（図３／Ｓ０６０参照）、人間Ｐの運動リズムと運動補助装置１０の動作リズムとを調和させ、かつ、運動リズムを目標運動リズムに一致させるようにこの人間Ｐの歩行運動が補助される。
【０１３７】
また、次の理由により、人間Ｐの運動スケールを目標運動スケールに一致させるように人間Ｐの運動が運動補助装置１０によって補助されうる。すなわち、前記のように第１補助振動子η1は、第３運動振動子（股関節角度）φ3を正目標値φ0+および負目標値φ0-のそれぞれに近付けるように左右大腿部に作用する仮想的な弾性要素の弾性力を表す（式（４０）〜（４６）参照）。また、前記のように第２補助振動子η2に含まれている第２係数ｇ2+，ｇ2-は、第４振動子（股関節角速度）φ4の１回時間積分値（股関節角度）の絶対値の増大を、第４振動子φ1の値に応じて抑制するように左右大腿部に作用する仮想的な減衰要素の減衰力を表す。したがって、第１補助振動子η1および第２補助振動子η2の和である補助振動子ηに基づくトルクＴが人間Ｐに与えられることにより、第３運動振動子φ3により表現される人間Ｐの運動スケールが、正目標値φ0+および負目標値φ0-により表現される目標運動スケールに近付くように、かつ、第４運動振動子φ4により表現される仮想的な抑制力により人間Ｐの運動リズムが目標運動リズムから乖離しないように人間Ｐの運動が補助されうる。
【０１３８】
このとき、人間Ｐの運動のリズムとスケールとのバランスに関する運動指標値の基準値に基づいて、人間Ｐの目標運動スケールに応じた目標値φ0+およびφ0-が設定される（図５／Ｓ２０４）。これと共に、人間Ｐの運動指標値を基準値に近付けさせるように、第１補助振動子η1を算出する際に用いられる第１係数、第３係数のパラメータ（ａk+，ａk-，ｃ1+，ｃ2+，ｃ1-，ｃ2-）が逐次調整される（図５／Ｓ２０５）。すなわち、人間Ｐの運動を補助するための仮想的な弾性要素による弾性力が、人間Ｐの運動のリズムとスケールとのバランスに関する運動指標値を基準値に近付けさせるように逐次調整されることとなる。
【０１３９】
以上のように、本発明の歩行補助装置（運動補助装置）１０によれば、ユーザの運動のリズムおよびスケールをその目標とするリズムおよびスケールにそれぞれ一致させるようにユーザの運動を補助しうる。これと共に、本発明の運動補助装置１０によれば、ユーザの運動のスケールを目標スケールに一致させるようにユーザの運動を補助するための仮想的な弾性要素による弾性力を表す第１補助振動子を、ユーザの運動のリズムとスケールとのバランスに関する運動指標値を基準値に近付けさせるように逐次調整することで、ユーザの運動のリズムとスケールとのバランスが取れるようにユーザの運動を補助しうる。
【０１４０】
なお、本実施形態では、補助振動子η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。
【０１４１】
また、他の実施形態として、ヘッドホン等の聴覚装置（図示略）を介して歩行者が聴覚的に知覚可能な補助振動子ηに応じた周期的な音や、ゴーグル等の視覚装置（図示略）を介して知覚可能な補助振動子ηに応じた周期的な光または標識や、マッサージ機器等により歩行者が背中や肩等の身体の一部の触覚を介して知覚可能な補助振動子ηに応じた周期的な叩き（ノック）等がユーザに対して付与されてもよい。
【０１４２】
また、本実施形態では、人間Ｐの歩行運動が補助されるように運動補助装置１０が構成されているが（図１参照）、他の実施形態として人間Ｐのさまざまな身体部分に装着されうるように第１装具１１および第２装具１２の形状や素材等が変更されることにより、歩行運動以外のさまざま運動が補助されるように運動補助装置１０が構成されてもよい。たとえば、人間Ｐの大腿部（第１身体部分）および上下腿部（第２身体部分）のそれぞれに第１装具１１および第２装具１２のそれぞれが装着され、大腿部に対する下腿部の周期的な相対運動を運動が補助されてもよい。また、人間Ｐの上腕部（第１身体部分）および大腿部（第２身体部分）のそれぞれに第１装具１１および第２装具１２のそれぞれが装着され、上腕部に対する大腿部の周期的な相対運動を運動が補助されてもよい。さらに、人間Ｐの肩部（第１身体部分）および上腕部（第２身体部分）のそれぞれに第１装具１１および第２装具１２のそれぞれが装着され、肩部に対する上腕部の周期的な相対運動を運動が補助されてもよい。また、自動車等の製品の製造に関する手作業が補助されるように運動補助装置１０が構成されていてもよい。これにより、人間Ｐは補助振動子にしたがうことで、目標とする動きのリズムおよび動きのスケール（または力加減）をもって作業することができる。さらに、目標となる運動のリズムおよびスケールが、熟練作業者等の手作業に基づいて設定されている場合、人間Ｐに熟練作業者の微妙な手の動きや力加減等を運動補助装置１０の動作を通じて実感させ、その技術を早期に修得させることができる。
【０１４３】
また、他の実施形態として、運動補助装置が、人間Ｐに上向きの力を作用させ、この力を調節する体重免荷装置を備えていてもよい。この体重免荷装置としては、たとえば人間Ｐに取り付けられたワイヤの張力が調節されることにより、人間Ｐに上向きに作用する力の強弱が調節される構成の装置が採用されうる。当該構成の運動補助システム１によれば、体重免荷装置により人間Ｐに調節可能な上向きの力が与えられることにより、この人間Ｐの体重を支えるための脚体の負担を軽減することができる。
【０１４４】
また、他の実施形態として、運動補助装置がトレッドミルを備え、このトレッドミルの上で人間Ｐが歩行運動してもよい。トレッドミルは２つのローラと、２つのローラにかけまわされた環状のベルトと、ベルトの裏側から人間Ｐの体重を支えるための支持部材と、２つのローラのうち一方を駆動する駆動機構と、駆動機構の動作を制御する制御装置とを備えている。トレッドミルの使用により比較的狭いスペースであっても人間Ｐの歩行運動または歩行訓練が実施されうる。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】本発明の運動補助装置の外観図。
【図２】図１の運動補助装置の制御システムの機能ブロック図。
【図３】図１の運動補助装置の全体的な作動を示すフローチャート。
【図４】補助振動子生成に関する仮想的な弾性要素の説明図。
【図５】第１補助振動子を生成する処理を示すフローチャート。
【符号の説明】
【０１４６】
１０‥歩行補助装置（運動補助装置）、１４‥アクチュエータ、１００‥コンピュータ（制御システム）、１０２‥股関節角度センサ、１１０‥運動振動子測定手段、１１１‥目標運動設定手段、１２０‥第１振動子生成手段、１３０‥固有角速度設定手段、１３１‥第１位相差設定手段、１３２‥第２位相差設定手段、１３３‥相関係数設定手段、１３４‥第１角速度設定手段、１３５‥第２角速度設定手段、１４０‥第２振動子生成手段、１５０‥補助振動子生成手段、１６０‥補助振動子調整手段、１６１‥運動指標値取得手段。
【図１】
0004271711.tif 000016
【図２】
0004271711.tif 000017
【図３】
0004271711.tif 000018
【図４】
0004271711.tif 000019
【図５】
0004271711.tif 000020