(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの股関節に対する運動補助のためのウェアラブルロボットシステムの作動方法であって、
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記ユーザの現在の歩行周期の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成すべき所望のピーク力または積算仕事率を決定することを備え、ピーク力は１つの歩行周期の間の最大力と規定され、積算仕事率は１つの歩行周期の間に積算される仕事率と規定され、前記方法はさらに、
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記ユーザの腿と胴とに関連付けられた前記股関節の回転速度のリアルタイム測定値をモニタして前記股関節の測定された前記回転速度の方向の、第１の回転方向から第２の回転方向への変化を検出することを備え、第１および第２の回転方向の各々は、屈曲運動および伸展運動の群から選択される１つまたは複数に関連付けられており、
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記ユーザの体に前記決定された前記所望のピーク力または積算仕事率を送出することにより前記股関節に回転モーメントを生成するように作動プロファイルを生成することを備え、前記ウェアラブルロボットシステムは前記作動プロファイルに従って作動され、前記作動プロファイルにおける可撓性作動要素の前記現在の歩行周期中のピーク位置は、前記現在の歩行周期の間に生成すべき前記所望のピーク力または積算仕事率、および、前記ユーザの少なくとも１つ前の歩行周期の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成し測定したピーク力または積算仕事率と、前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成されるべきであった所望のピーク力または所望の積算仕事率との差を低減するように構成される調整に基づいて前記ウェアラブルロボットシステムによって選択され、
前記股関節の前記測定された前記回転速度の方向の前記変化を検出したことに応答して、前記ウェアラブルロボットシステムによって、前記作動プロファイルに従ってアクチュエータが前記可撓性作動要素を動かすように前記ウェアラブルロボットシステムを作動させる信号を送出することを備え、
前記可撓性作動要素は、前記股関節にわたって延伸し、前記股関節に前記回転モーメントを生成するように変位し、
前記アクチュエータは、前記可撓性作動要素によって生成される前記モーメントを制御するために、前記可撓性作動要素によって生成される引張力のレベルを制御するように構成され、
前記作動プロファイルは、歩行周期の間の所与の時点において前記可撓性作動要素が変位される位置を規定する、方法。
【請求項２】
前記所望のピーク力は予め定められたベースライン力である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記所望のピーク力を決定することは、
前記ユーザが動いているスピードを推定することと、
前記ユーザが動いている推定された前記スピードに関連付けられる予め定められた補正率だけ前記予め定められたベースライン力を調整することとをさらに備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ユーザが動いている前記スピードを推定することは、
前記股関節の角度または前記回転速度のうち少なくとも１つの測定値から前記ユーザの股関節の運動の範囲を決定することと、
運動の前記範囲および前記ユーザの脚の長さに基づいて前記ユーザの歩幅を推定することと、
前記股関節の前記角度の測定値をモニタして前記ユーザの１歩にかかる時間を決定することと、
前記歩幅を前記１歩にかかる時間で除算することによって、前記ユーザが動いている推定された前記スピードを算出することとをさらに備える、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記予め定められた補正率は、さまざまなスピードで前記股関節に作用する異なる生理学的モーメントに基づく、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記作動プロファイルは、前記ユーザの前記現在の歩行周期における所与の時点で前記ウェアラブルロボットシステムの前記可撓性作動要素の位置を規定する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記方法は、
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記ユーザの少なくとも１つ前の歩行周期の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成した前記ピーク力または積算仕事率を測定することと、
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成され測定された前記ピーク力または積算仕事率を前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成されるべきであった前記所望のピーク力または積算仕事率と比較することと、
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に測定された前記ピーク力と生成されるべきであった前記所望のピーク力との差を低減するように前記作動プロファイルにおける前記可撓性作動要素の前記ピーク位置を調整することとを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記作動プロファイルにおける前記可撓性作動要素の前記位置は、前記股関節の方向が変化した時の前記検出以降に変化する、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記股関節の測定された角度が予め定められた角度に達すると前記ウェアラブルロボットシステムの作動を終了させることをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記予め定められた角度は、前記ユーザの脚が前記現在の歩行周期の間に地面に対して実質的に垂直の向きにされたときに対応する前記股関節の角度である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ウェアラブルロボットシステムが、前の歩行周期の重複歩時間に基づいて作動の開始と前記歩行周期の予め定められた割合との間に経過する期間を推定することと、前記ウェアラブルロボットシステムが、前記期間の終了時に前記作動を終了させることとをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記方向の変化は、前記股関節の最大屈曲角度に相当する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ウェアラブルロボットシステムが、複数の以前の歩行周期を通じた前記股関節の平均最大屈曲角度を決定することと、
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記現在の歩行周期の間の前記股関節の前記角度が前記複数の以前の歩行周期を通じた前記平均最大屈曲角度を予め定められたしきい値だけ超えたことを検出することと、
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記現在の歩行周期の間の前記股関節の前記角度が前記以前の歩行周期を通じた前記平均最大屈曲角度を下回るように戻った後になるまで前記ウェアラブルロボットシステムの作動を遅延させることとをさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ユーザの股関節に対する運動補助のためのウェアラブルロボットシステムであって、
前記ユーザの腿と胴とに関連付けられた前記股関節の回転速度のリアルタイム測定値をモニタして前記股関節の測定された前記回転速度の方向の、第１の回転方向から第２の回転方向への変化を検出するように適合される少なくとも１つのセンサを備え、第１および第２の回転方向の各々は、屈曲運動および伸展運動の群から選択される１つまたは複数に関連付けられており、
非一時的媒体に記憶されたコンピュータ実行可能命令を得るように適合される少なくとも１つのプロセッサを備え、
前記命令は、前記少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、前記ウェアラブルロボットシステムに、
前記ユーザの現在の歩行周期の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成すべき所望のピーク力または積算仕事率を決定させ、ピーク力は１つの歩行周期の間の最大力と規定され、積算仕事率は１つの歩行周期の間に積算される仕事率と規定され、
前記股関節の測定された前記回転速度の方向の、前記第１の回転方向から前記第２の回転方向への前記変化を検出させ、
前記ユーザの体に前記決定された前記所望のピーク力または積算仕事率を送出することにより前記股関節に回転モーメントを生成するように作動プロファイルを生成させ、前記ウェアラブルロボットシステムは前記作動プロファイルに従って作動され、前記作動プロファイルにおける可撓性作動要素の前記現在の歩行周期中のピーク位置は、前記現在の歩行周期の間に生成すべき前記所望のピーク力または積算仕事率、および、前記ユーザの少なくとも１つ前の歩行周期の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成し測定したピーク力または積算仕事率と、前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成されるべきであった所望のピーク力または所望の積算仕事率との差を低減するように構成される調整に基づいて選択され、
前記股関節の前記測定された前記回転速度の方向の前記変化を検出したことに応答して、前記作動プロファイルに従ってアクチュエータが前記可撓性作動要素を動かすように前記ウェアラブルロボットシステムを作動させて前記ユーザの前記股関節の運動を補助させ、
前記可撓性作動要素は、前記股関節にわたって延伸し、前記股関節に前記回転モーメントを生成するように変位し、
前記アクチュエータは、前記可撓性作動要素によって生成される前記モーメントを制御するために、前記可撓性作動要素によって生成される引張力のレベルを制御するように構成され、
前記作動プロファイルは、歩行周期の間の所与の時点において前記可撓性作動要素が変位される位置を規定する、システム。
【請求項１５】
前記コンピュータ実行可能命令は、前記少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、前記ウェアラブルロボットシステムに、少なくとも、
少なくとも１つの第２のセンサを用いて、前記ユーザの少なくとも１つ前の歩行周期の間に前記ウェアラブルロボットシステムによって生成された前記ピーク力または積算仕事率を測定させ、
前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成された、前記測定された前記ピーク力または積算仕事率を前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成すべき前記所望のピーク力または積算仕事率と比較させ、
前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に測定された前記ピーク力と生成されるべき前記所望のピーク力との差を低減するように前記作動プロファイルにおける前記可撓性作動要素の前記ピーク位置を調整させる、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記方向の変化は、前記股関節の最大屈曲角度に相当し、
作動は前記股関節の伸展運動を補助する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記コンピュータ実行可能命令は、前記少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、前記ウェアラブルロボットシステムに、
複数の以前の歩行周期を通じた前記股関節の平均最大屈曲角度を決定させ、
前記現在の歩行周期の間の前記股関節の前記角度が前記複数の以前の歩行周期を通じた前記平均最大屈曲角度を予め定められたしきい値だけ超えたことを検出させ、かつ
前記現在の歩行周期の間の前記股関節の前記角度が前記以前の歩行周期を通じた前記平均最大屈曲角度を下回るように戻った後になるまで前記ウェアラブルロボットシステムの作動を遅延させる、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
ユーザの足首関節に対する運動補助のためのウェアラブルロボットシステムの作動方法であって、
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記ユーザの現在の歩行周期の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成すべき所望のピーク力または積算仕事率を決定することを備え、ピーク力は１つの歩行周期の間の最大力と規定され、積算仕事率は１つの歩行周期の間に積算される仕事率と規定され、前記方法はさらに、
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記ユーザの脛と足とに関連付けられた前記足首関節の回転速度のリアルタイム測定値をモニタして前記足首関節の測定された前記回転速度が背屈運動に関連付けられた第１の回転方向から底屈運動に関連付けられた第２の回転方向へと変化する第１の変化を検出することと、
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記ユーザの体に前記決定された前記所望のピーク力または積算仕事率を送出することにより前記足首関節に回転モーメントを生成するように作動プロファイルを生成することとを備え、前記ウェアラブルロボットシステムは前記作動プロファイルに従って作動され、前記作動プロファイルにおける可撓性作動要素の前記現在の歩行周期中のピーク位置は、前記現在の歩行周期の間に生成すべき前記所望のピーク力または積算仕事率、および、前記ユーザの少なくとも１つ前の歩行周期の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成し測定したピーク力または積算仕事率と、前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成されるべきであった所望のピーク力または所望の積算仕事率との差を低減するように構成される調整に基づいて前記ウェアラブルロボットシステムによって選択され、前記方法はさらに、
前記足首関節の前記測定された前記回転速度の方向の前記第１の変化を検出したことに応答して、前記ウェアラブルロボットシステムによって、前記作動プロファイルに従ってアクチュエータが前記可撓性作動要素を動かすように前記ウェアラブルロボットシステムを作動させる信号を送出することを備え、
前記可撓性作動要素は、前記足首関節にわたって延伸し、前記足首関節に前記回転モーメントを生成するように変位し、
前記アクチュエータは、前記可撓性作動要素によって生成される前記モーメントを制御するために、前記可撓性作動要素によって生成される引張力のレベルを制御するように構成され、
前記作動プロファイルは、歩行周期の間の所与の時点において前記可撓性作動要素が変位される位置を規定する、方法。
【請求項１９】
前記所望のピーク力は予め定められたベースライン力である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記所望のピーク力を決定することは、
前記ユーザが動いているスピードを推定することと、
前記ユーザが動いている推定された前記スピードに関連付けられる予め定められた補正率だけ前記予め定められたベースライン力を調整することとをさらに備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ユーザが動いている前記スピードを推定することは、
前記ユーザの股関節の角度または回転速度のうち少なくとも１つの測定値から前記ユーザの股関節の運動の範囲を決定することと、
運動の前記範囲および前記ユーザの脚の長さに基づいて前記ユーザの歩幅を推定することと、
前記股関節の前記角度の測定値をモニタして前記ユーザの１歩にかかる時間を決定することと、
前記歩幅を前記１歩にかかる時間で除算することによって、前記ユーザが動いている推定された前記スピードを算出することとをさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記予め定められた補正率は、さまざまなスピードで前記足首関節に作用する異なる生理学的モーメントに基づく、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記作動プロファイルは、前記ユーザの前記現在の歩行周期における所与の時点で前記ウェアラブルロボットシステムの前記可撓性作動要素の位置を規定する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記作動プロファイルを生成することは、
前記ユーザの少なくとも１つ前の歩行周期の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成した前記ピーク力または積算仕事率を測定することと、
前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成された、前記測定された前記ピーク力または積算仕事率を前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成すべき前記所望のピーク力または積算仕事率と比較することと、
前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に測定された前記ピーク力と生成されるべきであった前記所望のピーク力との差を低減するように前記作動プロファイルにおける前記可撓性作動要素の前記ピーク位置を調整することとをさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記ユーザの踵接地を検出することをさらに備え、前記ウェアラブルロボットシステムが、前記ユーザの足首関節の回転速度のリアルタイム測定値をモニタして、前記踵接地の前記検出の後の前記足首関節の前記測定された前記回転速度の方向の前記第１の変化を検出する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記作動プロファイルにおける前記可撓性作動要素の前記位置は、前記足首関節の前記測定された前記回転速度の方向の前記第１の変化の前記検出以降に前記ピーク位置へと変化する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記ピーク位置は、前記現在の歩行周期の間に補助すべき前記関節の運動の推定持続時間に対応する持続時間の間、前記作動プロファイルにおいて維持される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記現在の歩行周期の間に補助すべき前記関節の運動の前記推定持続時間は、前記少なくとも１つ前の歩行周期の間の前記関節の前記回転速度の測定値に少なくとも部分的に基づく、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記足首関節の測定された前記回転速度が予め定められた速度に後に到達すると、前記ウェアラブルロボットシステムが、前記ウェアラブルロボットシステムの前記作動を終了させることをさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項３０】
前記予め定められた速度はほぼゼロである、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記ウェアラブルロボットシステムが、前の歩行周期の重複歩時間に基づいて前記作動の開始と前記歩行周期の予め定められた割合との間に経過する期間を推定することと、前記ウェアラブルロボットシステムが、前記期間の終了時に前記作動を終了させることとをさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項３２】
前記ウェアラブルロボットシステムの前記作動によって前記足首関節に回転生成された前記モーメントは、前記足首関節の前記運動と協調して作用して前記足首関節に前記第２の回転方向に関連付けられた仕事率を加えることにより、前記足首関節の底屈運動を補助する、請求項２５に記載の方法。
【請求項３３】
前記作動プロファイルは、前記踵接地と前記足首関節の前記測定された前記回転速度の方向の前記第１の変化との間に生じる前記足首関節の運動の少なくとも一部の間に前記ウェアラブルロボットシステムが増大するプレテンション力を前記足首関節に加えるように構成される、請求項２５に記載の方法。
【請求項３４】
前記モーメントは、前記足首関節の前記運動に対抗して対応の前記運動の間に前記足首関節に前記第１の回転方向に関連付けられた仕事率を加える、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記方法は、
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記ユーザの前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成した力を測定することと、
前記ユーザの前記足首関節の前記回転速度のリアルタイム測定値をモニタして、前記足首関節の前記測定された前記回転速度の方向の前記第１の変化の後に前記足首関節の前記測定された前記回転速度が前記第２の回転方向から前記第１の回転方向へと変化する第２の変化を検出することと、
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記第１の変化の検出時刻から前記第２の変化の検出時刻までの第１の期間の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成した第１の部分積算仕事率を計算することとをさらに備え、前記第１の部分積算仕事率は、測定された前記力に対応するトルクに前記足首関節の対応の前記測定された前記回転速度を乗算することによって決定され、前記方法は、
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記少なくとも１つ前の歩行周期の間の測定された前記第１の部分積算仕事率を前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成されるべきであった所望の第１の部分積算仕事率と比較することによって低減されるべき差を決定することをさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項３６】
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記ユーザの現在の歩行周期の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成すべき第１の回転方向に関連付けられた所望の第２の部分積算仕事率を決定することと、
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記踵接地の前記検出時刻から前記ユーザの前記少なくとも１つ前の歩行周期の前記足首関節の前記測定された前記回転速度の方向の前記第１の変化の検出時刻までの第２の期間の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成した力を測定することと、
前記ウェアラブルロボットシステムが、測定された前記力に対応するトルクに前記足首関節の対応の前記測定された前記回転速度を乗算することによって、前記第２の期間の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成した第２の部分積算仕事率を計算することと、
前記ウェアラブルロボットシステムが、前記現在の歩行周期の間に生成すべき前記所望の第２の部分積算仕事率、および、前記計算された第２の部分積算仕事率と前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成されるべきであった所望の第２の部分積算仕事率との間の差を低減するように構成される調整に基づいて、前記作動プロファイルにおける前記可撓性作動要素のピーク位置を選択することとをさらに備える、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
ユーザの足首関節に対する運動補助のためのウェアラブルロボットシステムであって、
前記ユーザの脛と足とに関連付けられた前記足首関節の回転速度のリアルタイム測定値をモニタして、前記足首関節の測定された前記回転速度が背屈運動に関連付けられた第１の回転方向から底屈運動に関連付けられた第２の回転方向へと変化する第１の変化を検出するように適合される少なくとも１つのセンサと、
非一時的媒体に記憶されたコンピュータ実行可能命令を得るように適合される少なくとも１つのプロセッサとを備え、前記コンピュータ実行可能命令は、前記少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、前記ウェアラブルロボットシステムに、
前記ユーザの現在の歩行周期の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成すべき所望のピーク力または積算仕事率を決定させ、ピーク力は１つの歩行周期の間の最大力と規定され、積算仕事率は１つの歩行周期の間に積算される仕事率と規定され、
前記足首関節の測定された前記回転速度の方向の前記第１の変化を検出させ、
前記ユーザの体に前記決定された前記所望のピーク力または積算仕事率を送出するように作動プロファイルを生成させ、前記ウェアラブルロボットシステムは前記作動プロファイルに従って作動され、前記作動プロファイルにおける可撓性作動要素の前記現在の歩行周期中のピーク位置振幅は、前記現在の歩行周期の間に生成すべき前記所望のピーク力または積算仕事率、および、前記ユーザの少なくとも１つ前の歩行周期の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成し測定したピーク力または積算仕事率と、前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成されるべきであった所望のピーク力または所望の積算仕事率との差を低減するように構成される調整に基づいて選択され、かつ、
前記足首関節の前記測定された回転速度の方向の前記第１の変化を検出したことに応答して、前記作動プロファイルに従ってアクチュエータが前記可撓性作動要素を動かすように前記ウェアラブルロボットシステムを作動させて前記ユーザの前記足首関節の運動を補助させ、
前記可撓性作動要素は、足首関節にわたって延伸し、足首関節関節に前記回転モーメントを生成するように変位し、
前記アクチュエータは、前記可撓性作動要素によって生成される前記モーメントを制御するために、前記可撓性作動要素によって生成される引張力のレベルを制御するように構成され、
前記作動プロファイルは、歩行周期の間の所与の時点において前記可撓性作動要素が変位される位置を規定する、システム。
【請求項３８】
前記コンピュータ実行可能命令は、前記少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、前記ウェアラブルロボットシステムに、前記足首関節の前記測定された回転速度の方向の前記第１の変化を検出する前に前記ユーザの踵接地を検出させ、
前記作動プロファイルに従って前記ウェアラブルロボットシステムを作動させて前記ユーザの前記足首関節の底屈運動を補助させる、請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記コンピュータ実行可能命令は、前記少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、前記ウェアラブルロボットシステムに、少なくとも
前記ユーザの前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成した力を測定させ、
測定された前記力に前記足首関節の対応の前記測定された前記回転速度を乗算することによって、前記足首関節の前記測定された前記回転速度の方向の検出された前記第１の変化から前記足首関節の前記測定された前記回転速度の方向の検出された前記第２の回転方向から前記第１の回転方向へと変化する第２の変化までの期間の間に前記ウェアラブルロボットシステムが生成した第１の部分積算仕事率を計算させ、
前記少なくとも１つ前の歩行周期の間の計算された前記第１の部分積算仕事率を前記少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成されるべきであった所望の第１の部分積算仕事率と比較することによって低減されるべき差を決定させることにより、前記調整を決定させる、請求項３７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、２０１４年９月１９日に出願された米国仮特許出願番号第６２／０５２，５６２号、２０１５年１月２６日に出願された米国仮特許出願番号第６２／１０７，７２９号、２０１５年６月１０日に出願された米国仮特許出願番号第６２／１７３，８８７号、２０１５年６月２２日に出願された米国仮特許出願番号第６２／１８３，１４９号、および２０１５年７月１７日に出願された米国仮特許出願番号第６２／１９３，７９３号の優先権を主張し、これらすべての出願の全体がここに引用により援用される。
【０００２】
連邦に後援された研究または開発に関する記載
本開示の実施形態の局面のうち少なくとも一部は、許諾Ｗ９１１ＮＦ−１４−Ｃ００５１に基づき国防高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）からの政府支援によりなされた。政府はこの発明のそのような局面に対する権利を共有する。
【０００３】
分野
本開示の実施形態は運動補助機器に関し、より特定的には腰の運動および足首の運動を含む人の運動の補助を提供するためのソフトエクソスーツシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
背景
過去１０年にわたって、さまざまな状態の人の歩行を補助する多数の下肢外骨格が開発されてきた。ある機器は障害者または健常者を補助するように設計される一方で、あるものは荷物の運搬をより容易にするために設計されている。従来、これらの機器は、着用者に対して高い補助トルクを可能にする剛性の外骨格構造からなっていた。しかしながら、剛性フレームは着用者の自然な動きを制限するおそれがあり、それらが着用者の生物学的関節にうまく整列しない場合は不所望の力（force）を加えてしまうことがある。さらに
、剛性の機器は特に遠位区域に対する慣性が大きくなることがあり、これは着用者の運動を阻げ、制御の観点からの問題を生じる可能性がある。
【０００５】
外骨格に特徴的なこれらの問題のいくつかに対処するように、主に軟らかい、柔軟性がある、または半柔軟性がある構成要素（たとえば布）を利用するエクソスーツが開発されている。多数のそのようなエクソスーツの、形状適合性があり、邪魔にならず、かつ適応的な性質は、剛性のエクソスーツに関連の以上同定した問題の多数を軽減したが、今度は新たな問題が生じている。ソフトエクソスーツは典型的に剛性の外骨格のようには負荷を支持せず、したがってエクソスーツ中で生成される力は究極的にユーザの体に伝わってユーザの体によって支えられる。そのため、快適さおよび安全性を考慮すると、運動を補助するために生成可能な力の量が限られてしまうことがある。加えて、ソフトエクソスーツはユーザの肌の上に直接にまたは衣服の上から着用されることがあるため、快適さが重要な設計上の考慮点であり得る。しかしながら、しばしば、快適さのための設計上の配慮はしばしば、それを通して負荷を伝達するための効率的なシステムの硬さを維持するための配慮と相反してしまう。特に、多くの快適な布は、張力下に置かれると伸びやすい。そのような伸びは、エクソスーツから実効的にエネルギを抜いてしまう可能性があり、より高率の材料を用いた場合よりも大きなモータを設け、かつ人体に対して同じ補助力を発生するのにより多くのパワー（power）を消費する必要が生じてしまう。加えて、伸びによっ
て、エクソスーツの要素が整列不良になり、および／または体の上のそれらの意図される位置からずれてしまい、潜在的に、不快感、関節に対する不自然なトルク付与、およびパワー要件の増大につながる可能性がある。内在的に適応的でかつ非線形のソフトエクソスーツの機械的構造は、ユーザの体のさまざまな部分に対する運動補助の所望の力の量を正確かつ確実に送出するのを困難にする可能性もある。したがって、体の上で所望の位置および整列を維持しかつ効率的な負荷経路およびそれを通した伝達特性を与えるように構成される軽量で快適な運動補助用エクソスーツに対する必要性が存在する。
【０００６】
ソフトエクソスーツを作動させるという機械的課題とは別に、関節の運動学（kinematics）および筋肉活性化のパターンのかなりの可変性を考慮して有効な補助を送出する点に別の課題がある。運動補助の制御に対する既存の方策は、履歴データまたは予め定められた定数を用いて補助の開始を推定するため、着用者の現在の重複歩（stride）の正常なまたは予測不能の変動に対処することができない。特に、多くの制御システムは、以前の重複歩からの履歴的データまたは予め定められたデータを利用して現在の重複歩の間に補助すべき運動の開始を推定している。他のシステムは、平均的な人の歩行周期のある部分に対応するように設定された予め定められた一定の時間オフセットでパワーを加えるように構成されることがある。これは、現実生活での活動ではしばしばそうなのであるが、ユーザの歩行が変動する状況では問題になることがある。したがって、ユーザの運動にリアルタイムで適合し、かつしたがって適切なタイミングおよび大きさで補助パワーを提供するように構成される制御システムの必要性が存在する。
【０００７】
別の課題は、性別、年齢、身長、体重、および運動性（locomotive）スピードなどの空間−時間的要因による着用者の動力学（kinetics）におけるかなりの変動性を考慮して有効な補助を送出することである。既存の制御システムはこれらの変動に対処しておらず、代わりに提供しているのはエクソスーツの特定の着用者に合わない汎用的な大きさの補助である。したがって、補助の大きさをエクソスーツの特定の着用者および／または行なわれている活動の特性に適合させるように構成される制御システムの必要性が存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
要約
エクソスーツシステムを用いて人の運動の補助を提供するためのシステムおよび方法が開示される。さまざまな実施形態では、エクソスーツは、補助力を人の体に加えて、下にある筋肉組織が生成する力を補強するように作動され得る。さまざまなセンサを用いてエクソスーツ中で生成される力およびユーザの体の運動をモニタして、エクソスーツを作動させるための好適なプロファイルを判定して適切なタイミングに所望のレベルの補助を送出し得る。
【０００９】
ユーザおよび現在の活動に合わせた補助を提供するために、さまざまな実施形態では、ユーザ動力学および運動学の変動ならびにウェアラブルロボットシステムの構築、材料、およびフィット性が考慮される。さまざまな実施形態では、エクソスーツは、エクソスーツ中で発生される実際の力または積算パワー（integral power）を所望の力と比較して、これによりエクソスーツシステムのユーザ間でのフィット性の変動および体の特性に係わらず適切な作動の大きさを確実にする反復方策を用いて作動され得る。与えられる補助の大きさは、さまざまな実施形態では、体重および運動性スピードのような空間−時間的要因などの、体に対する生物学的負荷に影響する要因によって影響されることがある。さらに、さまざまな実施形態では、体の運動および歩行イベントのリアルタイム検出を利用して、補助のタイミングを任意の所与の時間のユーザの実際の運動に合わせ、これによりユーザの運動または歩行の正常なまたは予測不可能な変動に対処し得る。
【００１０】
さまざまな実施形態では、運動性（locomotion）を補助するようにユーザの股関節に運動補助を与えてもよい。これは、さまざまな実施形態では、ユーザの現在の歩行周期の間にエクソスーツシステムが生成すべき所望のピーク力または積算パワーを判定することと、それに従ってエクソスーツが作動されて所望のピーク力または積算パワーを生成し得る作動プロファイルを生成することと、股関節の角度のリアルタイム測定値をモニタして股関節がいつ最大屈曲角度に達するかを検出することと、股関節の角度が最大屈曲角度に達したのを検出することに応答して、作動プロファイルに従ってウェアラブルロボットシステムを作動させてユーザの股関節の伸張運動を補助することとを含み得る。
【００１１】
さまざまな実施形態では、運動性を補助するようにユーザの足首関節に運動補助を与えてもよい。実施形態では、足首関節の立脚背屈運動および立脚底屈運動の１つまたはその組合せの際に補助を提供してもよい。リアルタイムでセンサ測定値をモニタして踵接地と立脚背屈運動から立脚底屈運動への遷移を示す足首回転方向の後の変化とを検出することによって適切なタイミングを判定し得る。足首関節の測定回転速度の方向の第１の変化を検出することに応答して、エクソスーツは、ユーザの足首関節の底屈運動を補助するように作動され得る。エクソスーツシステムは、実施形態では、それぞれ背屈運動および底屈運動の際に足首関節に送出される負および正のパワーを独立して制御するように構成され得る。
【００１２】
本開示の実施形態を添付の図面を参照してさらに説明する。示される図面は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに本開示の実施形態の原則を図示する際には一般的に強調が付与されている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ソフトエクソスーツの代表的な実施形態を示す図である。
【図２】ソフトエクソスーツの代表的な実施形態を示す図である。
【図３Ａ】ソフトエクソスーツの代表的な実施形態の正面図である。
【図３Ｂ】ソフトエクソスーツの代表的な実施形態の背面図である。
【図３Ｃ】ソフトエクソスーツの代表的な実施形態の側面図である。
【図４Ａ】ウエストアンカー部材の代表的な実施形態の正面図である。
【図４Ｂ】ウエストアンカー部材の代表的な実施形態の背面図である。
【図４Ｃ】ウエストアンカー部材の代替的な実施形態の正面図である。
【図４Ｄ】接続要素がウエストアンカー部材の前面を接合するウエストアンカーの実施形態を示す図である。
【図４Ｅ】接続要素がウエストアンカー部材の側面を接合するウエストアンカーの実施形態を示す図である。
【図５】腿アンカーの代表的な実施形態を示す図である。
【図６Ａ】脹脛アンカーの代表的な実施形態の正面図である。
【図６Ｂ】脹脛アンカーの代表的な実施形態の背面図である。
【図６Ｃ】脹脛アンカーの実施形態を示す図である。
【図６Ｄ】特定的な方向に繊維粒子が配向され得る布を備える脹脛アンカーを示す図である。
【図６Ｅ】接続要素を用いて脹脛アンカーを接続するための代表的な結合要素の正面図である。
【図６Ｆ】接続要素を用いて脹脛アンカーを接続するための代表的な結合要素の背面図である。
【図６Ｇ】Ｙストラップおよびループを通して挿入される２本のピンを有する代表的な結合要素の図である。
【図６Ｈ】脹脛アンカーとの結合および作動および接続要素のための代表的な機構を示す図である。
【図７Ａ】アンカー部材がブーツを備える足アンカー部材の実施形態の図である。
【図７Ｂ】代表的な補剛構成要素を示す図である。
【図７Ｃ】ブーツ上に設置される代表的な補剛構成要素を示す図である。
【図７Ｄ】履物補剛材の実施形態を示す図である。
【図８Ａ】接続要素の代表的な実施形態の斜視図である。
【図８Ｂ】接続要素の代表的な実施形態の斜視図である。
【図８Ｃ】接続要素の代表的な実施形態の斜視図である。
【図９Ａ】ベース層の実施形態の正面図である。
【図９Ｂ】ベース層の実施形態の背面図である。
【図９Ｃ】ベース層の実施形態の側面図である。
【図１０】ソフトエクソスーツ中に引張り力を生成するための代表的な作動システムを示す図である。
【図１１】ソフトエクソスーツの部分から遠位に位置するモータを示し、当該モータにはケーブルが装着されてその間に延在する、図である。
【図１２Ａ】ウエストアンカーと腿の後面に沿った腿アンカーとを備えるソフトエクソスーツの実施形態の図である。
【図１２Ｂ】ウエストアンカーと腿の前面に沿った腿アンカーとを備えるソフトエクソスーツの実施形態の図である。
【図１２Ｃ】脹脛アンカーおよび足アンカーを備えるソフトエクソスーツの実施形態の図である。
【図１２Ｄ】ウエストアンカー、足アンカー、およびその間に延在する接続要素を備えるソフトエクソスーツの実施形態の図である。
【図１２Ｅ】第１のモジュールと第２のモジュールとの２つのモジュールを含むソフトエクソスーツの実施形態の図である。
【図１３】作動システムによって生成される力の一部をユーザの体のさまざまな部位に分散させるように構成されるソフトエクソスーツの図である。
【図１４Ａ】ケーブルとウエストアンカーとの間の界面に位置決めされる力センサの図である。
【図１４Ｂ】接続要素とケーブルとの間の界面に位置決めされる力センサの図である。
【図１５】制御システムの例示的な実施形態を示す図である。
【図１６Ａ】ソフトエクソスーツを介してユーザの体に送出すべき代表的な力プロファイルを示す図である。
【図１６Ｂ】力プロファイルを生成するための代表的な作動プロファイルを示す図である。
【図１７Ａ】運動性スピード対腰に加えられる生理学的パワーのピーク大きさの比較のグラフである。
【図１７Ｂ】腰の補助に関連付けられる乗数が歩行スピードとともに実質的に線形に増大し得ることを示す図である。
【図１７Ｃ】図１７Ｂの乗数によって調整されるような、股関節に加え得るいくつかの例示的な調整ピーク力を示す図である。
【図１８Ａ】足首関節に加えられる生理学的パワーのピーク大きさに対して運動性スピードを比較するグラフである。
【図１８Ｂ】足首の補助に関連付けられる乗数が歩行スピードとともに実質的に線形に増大し得ることを示す図である。
【図１８Ｃ】図１８Ｂの乗数によって調整されるような、足首関節に加え得るいくつかの例示的な調整ピーク力を示す図である。
【図１９Ａ】腰の運動範囲を矢状面で示す図である。
【図１９Ｂ】歩行スピードの推定の検証を示す図である。
【図２０】腰制御アーキテクチャの実施形態の概略図である。
【図２１Ａ】典型的な歩行周期を示す図である。
【図２１Ｂ】ハムストリングの歩行周期を示す図である。
【図２１Ｃ】大臀筋の歩行周期を示す図である。
【図２２Ａ】腰の運動を補助する力の例示的な印加を示す図である。
【図２２Ｂ】腿の運動を補助する力の例示的な印加を示す図である。
【図２３Ａ】対応の代表的な腰角度測定値を示す図である。
【図２３Ｂ】股関節伸張運動を補助するための代表的な力プロファイルを示す図である。
【図２３Ｃ】股関節伸張運動を補助するための代表的な作動プロファイルを示す図である。
【図２４】障害物回避検出ユニットを含む腰制御アーキテクチャの実施形態の概略図である。
【図２５Ａ】障害物回避操作に関連付けられる腰の運動についてリアルタイムでモニタされた腰角度データの概略図である。
【図２５Ｂ】腰周りで力を加えるケーブルの概略図である。
【図２５Ｃ】ソフトエクソスーツ中での対応の腰補助ケーブルのシステム指令作動の概略図である。
【図２６】足首制御システムの実施形態の概略図である。
【図２７】歩行周期の３０〜６０％の間の、下にある筋肉と同時に足首でモーメントを発生させるエクソスーツを示す図である。
【図２８Ａ】プレテンションおよび足首関節のアクティブな力の領域を示す図である。
【図２８Ｂ】プレテンションおよび足首関節のアクティブな力の領域を示す図である。
【図２８Ｃ】プレテンションおよび足首関節のアクティブな力の領域を示す図である。
【図２９Ａ】足首関節運動と派生（resulting）パワーとの間の関係を示す図である。
【図２９Ｂ】足首関節モーメントと派生パワーとの間の関係を示す図である。
【図２９Ｃ】足首関節速度と派生パワーとの間の関係を示す図である。
【図２９Ｄ】指令されたケーブル位置と派生力との間の関係を示す図である。
【図２９Ｅ】派生した足首補助力とアクティブな力との間の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
詳細な説明
以上同定した図面は本明細書中に開示される実施形態を示すが、論考で注記されるように他の実施形態も企図される。この開示は、限定ではなく、代表例により例示的な実施形態を提示する。当業者は、本明細書中に開示する実施形態の原則の範囲および意味の範囲内に入る数多くの他の変更例および実施形態を工夫することができる。
【００１５】
エクソスーツシステムを用いて人の運動の補助を提供するためのシステムおよび方法が開示される。本開示の実施形態は一般的に、自然な運動を行なう際に必要な労力を低減するのに好適な態様で、筋肉によって駆動される自然な運動をソフトエクソスーツを介して補助して、持久力を高めるまたはさもなければ不可能であろう運動を可能にするためのエクソスーツを提供する。
【００１６】
エクソスーツシステム１００
エクソスーツシステム１００の実施形態は、快適さを維持するとともにユーザの自然な動きの妨げを最小限にしながら、潜在的に高い補助力をエクソスーツのユーザの体のさまざまな部分に向けかつ分散させるための効率的な負荷経路を用いて構成される新規のソフトエクソスーツ設計を提供し得る。エクソスーツシステム１００は、ユーザの自然な運動をモニタして、補助すべき運動の開始をリアルタイムで検出するとともに、どのくらい長く運動が続き得るかを検出または推定して、ユーザの活動の運動学的変動に適合する補助を提供し得る。エクソスーツシステム１００はさらに、エクソスーツの性質の変動、ユーザに対するそのフィットのし方、および所望の大きさの補助を確実に送出するための他の要因に適合し得る。さらに、エクソスーツシステム１００は、とりわけ、ユーザの体の特徴（たとえば体格、重量）、空間的−時間的要因（たとえば運動性スピード）、およびユーザの快適さに対する嗜好に基づいて、ユーザに提供すべき補助のレベルを適合させ得る。
【００１７】
図１はエクソスーツシステム１００の代表的な実施形態を示し、これは一般的に、ソフトエクソスーツ２００、作動システム３００、センサ４００、および制御システム５００を含み得る。ソフトエクソスーツ２００はユーザによって着用されてもよく、作動システム３００は、ソフトエクソスーツ２００の構成要素を動かして、その中に引張り力を生成し得る。制御システム５００はセンサ４００からの測定値を利用して、ユーザの運動およびソフトエクソスーツ２００中に生成されている力をモニタして、ユーザに提供される補助のタイミングおよび大きさを制御し得る。
【００１８】
ソフトエクソスーツ２００
図２は、ソフトエクソスーツ２００の代表的な実施形態を示す。エクソスーツシステム１００のソフトエクソスーツ２００は一般的に、１つ以上のアンカー部材２１０を備え得る。アンカー部材２１０は、さまざまな実施形態では、ソフトエクソスーツ２００中に生成される負荷をユーザの体に伝達することができる任意のウェアラブル構成要素を備え得る。アンカー部材２１０の例示的な実施形態は、限定されることなく、ウエストアンカー２１２、腿アンカー２１４、脹脛アンカー２１６、およびまたは足アンカー２１８を含み得る。ウエストアンカー部材２１２は、実施形態では、ウエストベルトなどの、ユーザの腰の上にしっかりとストラップ留めすることによって負荷支持を与えるように構成される任意の構成要素であり得る。腿アンカー部材２１４および脹脛アンカー部材２１６は、さまざまな実施形態では、腿ラップまたは脹脛ラップなどの、それぞれエクソスーツユーザの腿および脹脛の周りでしっかりとストラップ留めすることによって負荷支持を与えるように構成される任意の構成要素であり得る。足アンカー部材２１８は、実施形態では、エクソスーツのユーザの足に負荷支持を与えるように構成される、ブーツなどの任意の履物またはユーザの足に着用されるかもしくはそれ以外の方法で結合されるのに好適な他の構成要素であり得る。当然ながら、ソフトエクソスーツ２００は、任意の数の好適な種類のアンカー部材２１０およびその組合せを含んでもよく、本開示は本明細書中に記載される例示的な実施形態のみに限定されることを意図されない。
【００１９】
さらに図２を参照して、ソフトエクソスーツ２００は１つ以上の接続要素２２０をさらに備え得る。接続要素２２０は、さまざまな実施形態では、ソフトエクソスーツ２００の構成要素を互いに接続しかつ引張り力がそれに沿って伝達され得る負荷経路をその間に規定するように配置される１つのまたは実質的に連続的な一連の柔軟性のある細長い構成要素を備え得る。接続要素２２０の１つ以上は、実施形態では、ソフトエクソスーツ２００を通して引張り力をより効率的に伝達するように実質的に非伸張性であり得る。実施形態では、ソフトエクソスーツ２００は、示されるように、ウエストアンカー２１２と腿アンカー２１４との間に延在しかつそれらに結合される接続要素２２２を含み得る。加えてまたはこれに代えて、別の実施形態では、ソフトエクソスーツ２００は、ウエストアンカー２１２とユーザの脚の下方部分との間に延在する接続要素２２４を含んでもよい。実施形態では、そのような接続要素２２４は、脹脛アンカー２１６および／または足アンカー２２８に直接にまたは間接に結合されてもよい。当然ながら、ソフトエクソスーツ２００は、任意の数の好適な種類の接続要素２２０およびその組合せを含んでもよく、本開示は、本明細書中に記載の例示的な実施形態のみに限定されることを意図されない。
【００２０】
図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃは、ソフトエクソスーツ２００のさらなる特徴を図示する目的でソフトエクソスーツ２００の付加的な見かた（すなわち、それぞれ正面図、背面図、および側面図）を示す。図３Ａを参照して、ソフトエクソスーツ２００は２つの接続要素２２４ａ，２２４ｂを含み得る。接続要素２２４ａ，２２４ｂの第１の端はウエストベルト２１２の前面部に結合され得、各々の接続要素２２４ａ，２２４ｂの中間部分はユーザの腿の前面部に沿って下向きに延在し得る。中間部分は次に、膝の横側付近で分かれて、図３Ｃに最もよく示されるように、ユーザの膝関節の回転の中心に沿って延び得る。図３Ｂおよび図３Ｃを参照して、接続要素２２４ａ，２２４ｂはさらに下向きに続いて、示されるように、ユーザの脚下方の裏を包み込み得る。図３Ｂを参照して、より詳細に後に記載するように、アンカー部材２１０には、１つ以上の作動要素３２０を装着し得る装着点２４０が設けられることがある。
【００２１】
材料および構築
ソフトエクソスーツシステムの１つ以上の構成要素は、少なくとも部分的に高弾性率の材料から作製され得る。高弾性率の材料を利用することにより、材料の伸びによるスーツの負荷経路に沿った伝送損失を最小化し得る。ソフトエクソスーツシステムの伝送損失を最小化しかつその異なる構成要素を固着することにより、電力消費、モータのサイズ、および電池のサイズが低減され得る。これに加えて、最小限の伸びは、ソフトエクソスーツシステムの構成要素（たとえばアンカー部材２１０）を定位置に固着するのをさらに補助し、それにより着用者の体の上でのソフトエクソスーツ２００の適正な整列を維持するのを助け得る。
【００２２】
ソフトエクソスーツシステムの実施形態はさらに、より硬い高弾性率材料の体との相互作用による摩耗の虞を軽減することによって快適さを提供する材料を含んでもよい。より詳細に以下にさらに記載するように、エクソスーツは、ソフトエクソスーツシステムの着脱の時間を長くし得る、ハーネスおよびストラップなどの複雑な一連の構成要素よりもむしろ、一着の衣料品により近くなるようにも構築され得る。
【００２３】
さまざまなアンカー部材２１０は、さまざまな実施形態では、織布強化材料から作られてもよい。織布強化材料は異なる方向への異なる引張り性を有し得、これにより、潜在的に不快なウェブ編強化の代わりに、負荷経路を規定しかつ強化するのを助けるようにそのような布を用いることができる。織布強化材料は、負荷が加えられたときにそれらが定位置に留まることができる能力を高めるように、形状および輪郭を調整可能におよびそれらに形状適合性があるように構築され得る。
【００２４】
図４Ａ、図４Ｂ、および図４８Ｃは、ウエストアンカー部材２１２の代表的な実施形態を示す。ウエストアンカー２１２はユーザのウエストの周りを囲み、支持のために腸骨稜を係合するように構成され得る。実施形態では、ウエストアンカー２１２は、接続要素２２２を介して腿アンカー２１４などのソフトエクソスーツ２００の他の構成要素に接続または装着して、体が運動する際の移動（migration）およびドリフトを確実に最小限にし
得る。パターン化されたスーツの輪郭は、ソフトエクソスーツ２００の対応の構成要素上の装着点に適正に整列する形状適合したフィット性を与える。
【００２５】
ウエストアンカー２１２は、さまざまな実施形態では、さまざまな布材料を用いて作製され得る。ウエストアンカー２１２は、さまざまな実施形態では、層状材料および込み入ったパターン化がなされたパネルピースを含み得る。ウエストアンカー２１２の裏は、図４Ｂに示されるように、タイフーン（Typhoon）などの層状の平織材料の２つ以上のパネ
ルから構成されることができ、帆布などの強靭な材料でさらに補強されてもよい。ウエストアンカー２１２の前面パネルは角度付けられたサイドシームにおいて装着され得、ウエストベルトの左右の前面パネルは重なり合ってウエストを囲み、ベルクロ（登録商標）を用いて接続し得る。プラッシュのパッド付き材料を裁断しかつ一体化することで織布および層状布の面積を小さくすることによって快適さを維持し得る。たとえば、着用者の腸骨稜に整列する切抜きの下に発泡パッドを縫いつけることができる。このパッドは圧力を軽減することができ、歩行周期においてシステムが非対称の負荷を与える際の快適さを向上させる。
【００２６】
図４Ｄおよび図４Ｅを参照して、ウエストアンカー２１２を通して負荷経路を設けかつ負荷がソフトエクソスーツ２００の他の構成要素からウエストアンカー２１２に導入され得る区域を強化するように、ウエストアンカー２１２の材料を配置し得る。実施形態では、強化材料および／または他の材料は、接続要素２２４が装着点２５０でウエストアンカー部材２１２の前面を接合する場所と、接続要素２２２がウエストアンカー部材２１２の側面を接合する場所とに位置決めされ得る。これらの図に描かれる矢印で示されるように、材料は、予め定められた負荷経路に沿ってウエストアンカー２１２に出入りする負荷を方向付けるのに好適な態様で配置され得る。示されるように、実施形態では、材料はウエストアンカー２１２の上部の近くでこれらの負荷をより鉛直方向に向け、腰の上で自然な上下の負荷を与えるように配置され得る。張力がかかったときに、最も安定する方向が、スーツを通って力が送出される負荷の経路に沿うようにも、材料を配向することができる。各々のパネルは、タイフーンの複数の層および対向する方向に配向される強化帆布材料を用いて構築されて、ウエストアンカー２１２に導入される負荷を支持しかつ両方の臀部に非対称の負荷を分散させ得る。
【００２７】
図５は、腿アンカー２１４の代表的な実施形態を示す。腿アンカー２１４は、ユーザの腿を包み込むように構成されるマルチパネルピースパネルを含み得る。この帯状の材料は自身に重なり合うことができ、個別のベルクロタブ、紐締結、リール−コードシステム、または調整機構を用いて固着することができる。腿アンカー２１４はさらに、輪郭付けられた設計および複数の調整可能なベルクロタブを有し得、これは滑る虞を最小限にしつつ快適なフィット性を提供する。縫い目およびまたはタブおよび閉止具に沿って別個の弾性セグメントを含んで、張力が加えられかつ作動された際の快適さを向上させ、着用者の体とのより形状適合性のあるインターフェイスを可能にし得る。いくつかの個別のタブにより、腿アンカー２１４が腿を囲んで各々のタブの間の張力の量を異ならせて締結して、腿および四頭筋の活動の輪郭を均等に収容できるようになる。弾性材を追加することにより、作動の際の、また筋肉が動くときに屈曲するおよび緩む際の圧力を軽減する。腿アンカー部材２１４は、さまざまな実施形態では、ウエストアンカー２１２の文脈で前述したように、タイフーン発泡材および強化帆布を含むさまざまな付加的な布材料を用いて作製されてもよい。腿アンカー２１４の代表的な配置は、膝蓋骨の約１２センチメートル上方の少なくとも１５センチメートルの距離にわたるものであり得る。尤も、当業者は所与の適用例について腿アンカー２１４の多数の好適な位置を認識するであろう。
【００２８】
図４Ｅに戻って、腿アンカー部材２１４は、腿に力を均等に分散するように構築され得る。接続要素２２２を介して腿アンカー２１４とウエストベルト２１２との間に延在する負荷経路に沿ってインターフェイスするようにパターン化可能な柔軟性ある強化材料によって快適さを維持しつつ、腿ピース設計の形状適合性のある輪郭が腿の上にしっかりと留まる。矢印で示されるように、腿アンカー部材２１４が裏面でウエストアンカー部材２１２の後側接続要素２２２に接続する負荷経路を強化するように、織布強化材料がさらに配置され得る。腿アンカー部材２１４の中央部分の近くでこれらの負荷をより鉛直方向に向けてこの図に描かれる矢印で示すように腿に自然な上下負荷を与えるように、強化帆布などの材料をさらに配置してもよい。
【００２９】
図６Ａ−図６Ｆは脹脛アンカー２１６の代表的な実施形態を示す。まず図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃを参照して、脹脛アンカー２１６は、脹脛区域などのユーザの脚の下方部分にしっかりと結合するように構成されるスリーブ状構造を含み得る。脹脛アンカー２１６の代表的な配置は、膝蓋骨の約７センチメートル下方の少なくとも１８センチメートルの距離にわたって延在するものであり得る。尤も、当業者は所与の適用例について脹脛アンカー２１６の多数の好適な位置を認識するであろう。
【００３０】
脹脛アンカー２１６は、作動システム３００から加えられる外部の力がなくても適度に脹脛の筋肉を圧縮するように構成され得る。ウエストアンカー２１２および腿アンカー２１４の文脈で前述したように、負荷経路に沿って材料を用いて脹脛アンカー２１６を強化することができ、脹脛アンカー２１６自身に重なり合うことができる。このスリーブは、個別のベルクロタブ、紐締結、リール−コードシステム、または調整可能な機構を用いて固着され得る。これらの固着方向またはこれらの固着方法の組合せを用いることにより、作動の際には着用者の上で安定したままでありながら個人の脹脛の独自のかつ異なる輪郭を収容することができる。
【００３１】
脹脛アンカー２１６は、付加的に、脹脛の大部分を内包する紐締結の下に配置すべき発泡パッドを用いることができる。この紐締結は、非伸張の紐、伸張可能な弾性紐、リール−コードシステム、または調整可能な機構からなることができる。一体化されたまたは取外し可能なパッドは、システムが作動すると脹脛の裏から生じる圧力を軽減することができる。脹脛アンカー２１６は、そのマルチピースパターン化輪郭付け設計、二重固着閉止具、および弾性紐締結内包により、快適にかつ形状適合するようにフィットし得る。
【００３２】
図６Ｄを参照して、脹脛アンカー部材２１６は、ユーザの脹脛領域に力を均等に分散させるように構築され得る。たとえば、布粒子が特定的な方向に向くように布を配向して体の上での対応の所望の力の分散を提供し得る。ラップは、裏面で力が下向きに加えられたときの向こう脛および脹脛の筋肉の側面に対するファブリックの「押込み（jamming）」
によって機能する。強化材料の配向は、向こう脛の頂部が主として内向きの力を受けるときの脹脛の筋肉および腱の大部分の上にわたる内向きの力の均等な分散に極めて重要であり得る。脹脛アンカー２１６は、最も安定する方向がスーツを通じて力が送出される負荷経路に沿うように配向された織布から主になり得る。力を上にならびに脹脛の筋肉および腱の側方に向けるように「Ｖ」形状に脹脛ラップの裏面上にパターン化される帆布材料でこれをさらに補強することができる。強化された「Ｖ」形状の上に重なりを作りだすことにより、後述するように、対応の作動要素２２０の装着の一体化された点が可能になり得る。装着部のベースが動作の際にブーツなどの足アンカー１８に対して擦れ合う可能性があるため、この重なり合う装着部を耐摩材料でさらに強化することができる。
【００３３】
図６Ｅ、図６Ｆ、図６Ｇ、および図６Ｈは、接続要素２２４を用いて脹脛アンカー２１６を接続するための代表的な結合要素２１７を示す。結合要素２１７は本明細書中では「Ｙストラップ」と称されることがあるが、本開示は、この目的に好適な任意の機構を含むことが意図されることを認識すべきである。Ｙストラップは、部分的に脹脛アンカー２１６を介してユーザの脹脛にかつ部分的に接続要素２２４に伝達されるべき、足アンカー２１８に加えられる引張り負荷から生じる反力の一部を与える。この結合により、接続要素２２４を通した脹脛アンカー２１６およびウエストアンカー２１２などの２つの異なるアンカー部材２１０の中への高い補助力の分散が可能になり得る。この結合は、作動要素３２０の変位を低減し、これによりエクソスーツシステム１００内の伝送損失を最小限にするのを助けるようにも働き得る。変位および伝送損失を最小限にすることにより、作動システム３００を介して所望の力を生成するのに必要な電池の電力量が最小限になり得る。
【００３４】
Ｙストラップ２１７は、脹脛アンカー２１６および接続要素２２４とインターフェイスしてその間に負荷経路を形成する特別仕立の構成要素である。Ｙストラップ２１７は、層状布および強化帆布から構築され得る。ストラップは５つの個別の接続点から構成される。これらの接続点のうち２つはＹストラップ２１７を脹脛アンカー２１６に接続する。特に、ストラップの２つの重なり合う「Ｖ」字の脚は、ベルクロを用いて接続して、脹脛ラップの力の経路に付けられる２つの個別の２−バースライド（bar slide）を通ることが
できる。これにより、エクソスーツケーブルが生成する合力を２つの異なる構成要素が支えられるようになるので、Ｙストラップ２１７は、脹脛ラップおよびウエストベルト下の組織に対する応力を減じるか、または着用者の快適さを損なうことなくエクソスーツが送出することができる補助力の最大量を増大させることができる。第３の接続点を用いてＹストラップ２１７を接続要素２２４ａ，ｂの端に結合する。特に、ストラップの２つの「Ｖ」字の脚の交差部にループリングがあり、これに２つのループを有するコードが通される。コードの各々のループ状の端は接続要素２２４ａ，ｂの下方端に結合されてもよく、これは、実施形態では、ユーザの膝関節の対向する横方向の側上に位置し得る。第４および第５の接続点は、Ｙストラップ２１７の「Ｖ」字の脚の収束点近くに位置するループであり得、ソフトエクソスーツ２００を作動させるための作動要素３２０を装着するための機構にＹストラップ２１７を結合するのに用いられる。機構は、実施形態では、図６Ｇに示されるように、ループを通して挿入される２本のピンを介してＹストラップ２１７に結合し得る。
【００３５】
図６Ｈを参照して、引張り負荷は、ソフトエクソスーツのユーザの脚および歩行力学における非対称性のために、外側接続要素２２４ａと内側接続要素ｂとの間で均等に分散されないことがあることに留意すべきである。特に、接続要素２２４の下方部分が固定位置でＹストラップ２１９に結合されれば、ソフトエクソスーツのユーザの膝の内側に沿って向けられる接続要素２２４ｂよりも、ソフトエクソスーツのユーザの膝の外側に沿って向けられる接続要素２２４ａで負荷がより大きくなり得る。これは、膝関節に対する不快な横方向のトルク付与を生じさせる可能性がある。そのため、コードがループリング内で横方向に摺動することが許容されて、これにより、図６Ｈ中の矢印で示されるように、接続要素２２４ａ、２２４ｂが上下動できるようにされ得る。このように、接続要素２２４ａ，２２４ｂに対して加えられる非対称の横方向の負荷のバランスが自動的に取られ、この結果、自動的にバランスを取るシステムが得られ得る。当然ながら、当業者は、接続要素２２４ａ，２２４ｂが加える不均等な力のバランスを取るのに任意の数の機構が好適であり得、かつ本開示が本明細書中に記載される例示的な実施形態にのみ限定されることが意図されないことを認識するであろう。
【００３６】
図７Ａ、図７Ｂ、および図７Ｃは、足アンカー部材２１８の実施形態を示す。図７Ａに示されるように、実施形態では、足アンカー部材はブーツなどの履物を備え得る。そのような実施形態では、足アンカー部材２１８は、ブーツの踵の後ろの上にアンカー点として働く外部踵結合具２１９を含み得る。作動システム３００の作動要素３２０は、より詳細に後述するように、引張り力をソフトエクソスーツ２００に送出するために、さまざまな実施形態では踵結合具２１９に装着し得る。別の実施形態（図示せず）では、足アンカー２１８は、標準的な履物の中敷きの代わりにまたはそれに加えて履物のインサートを含んでもよく、同じように履物の踵の後ろのアンカー点として働き得る。
【００３７】
一般的に、履物の多数の形態は、負荷がかかるとかなりの変形が可能である。そのため、履物の踵で上向きに引く力がアンカー点に対して作用すると、靴底が上向きに曲がることがあり、履物の一部がユーザの足の上でずれて、潜在的に靴擦れおよび他の不快感に繋がることがある。変形はまた、ソフトエクソスーツ２００の中にまたはそれを通して伝達される力からエネルギを抜くこともあり、これにより、ソフトエクソスーツ２００中で所望の派生負荷を達成するには、作動システム３００はより多量の力を生成しなければならなくなってしまう。
【００３８】
履物アンカー２１８に導入される負荷に応答して変形を低減し、これにより快適さを増大させかつ性能を向上させるために、足アンカー２１８は、構造的補剛構成要素を含んでもよい。図７Ｂは例示的な補剛構成要素を示し、図７Ｃは例示の目的のためにブーツ上に設置される図７Ｂの例示的な補剛構成要素を示す。
【００３９】
（本明細書中では履物補剛材またはブーツ補剛材とも称される）補剛構成要素は、ねじ式インサートを介して足アンカー２１８の踵セクションとインターフェイスし得る。断面を低減しかつ付加的な快適さを提供するために、拇指球の近くで並目ねじを用いてもよい。可撓性のあるエポキシに取付けられた、ねじ山を付けられたねじも用いて付加的な硬さを与えてもよい。実施形態では、履物補剛材は、炭素繊維（ＣＦ）を含むがそれに限定されない軽量の強靭な材料から構築されてもよい。ＣＦはその相対的に高い重量対硬さ比のために言及されるが、他の材料も、それらが金属、ポリマー、または複合体であっても、履物補剛材に好適であり得る。当業者は、所与の適用例について好適な材料および構築を認識するであろう。
【００４０】
履物補剛材は、実施形態では、快適さを向上させるために、足のアーチなどの選択区域にいくらかの付加的な空間を残しながら、ブーツの底の側面の周りにフィットするように輪郭決めされ得る。多数のねじ、ナット、ボルト、および／もしくは他の締結具を用いてまたは接着材料を用いて、または任意の他の好適な方法を介して補剛材層をブーツに固着し得る。
【００４１】
履物補剛材は、靴底の有効な硬さを増大させることによって足アンカー２１８の硬さを向上させる。ＣＦは履物の底よりもはるかに硬いので、ＣＦは負荷の大部分を引受け、ほとんど変形しない。このことは、剛性の登山ブーツと同様に、少なくとも拇指球と踵との間では足アンカー２１８の変形がほとんどないか全くないことを意味する。このように、履物の補剛材は、足アンカー２１８の硬さを増大させることによってシステムの効率を向上させ、この結果、同じ力を達成するのに必要な作動の大きさがより小さくなり得る（たとえば、後述するようにより小さいケーブル行程）。たとえば、試験は、履物の補剛材を用いると、ソフトエクソスーツ２００中で４５０Ｎの力を生成するのに必要な行程の量が約５６０％低減され得ることを示している。低減された行程はより低いスピードを意味し、これはより低い電力消費をもたらす。というのも、アクチュエータ２１０（たとえばモータ）が所望の力を達成するのに必要な動きがより小さくなるからである。電力消費は、式（１）を用いて規定される。
【００４２】
【数１】
0006878271.tif 000002
【００４３】
式中、電力消費はＰ（Ｗ）で表わされ、力はＦ（Ｎ）で表わされ、速度はｖで表わされる。式（１）に基づくと、力が一定のままの状態で速度が小さくなると、駆動モータが生成するパワーはより小さくなり得る。
【００４４】
図７Ｄは、さまざまな材料からの構成要素を備える履物補剛材の別の実施形態を示す。示されるように、図７Ｃの履物補剛材は、踵から足の足根骨−中足骨関節へ延在するアルミニウムスパーと、踵の周りに延在する炭素繊維カップとを含む。実施形態では、炭素繊維カップ構成要素の厚みは約２ｍｍ〜４．５ｍｍであり得る。アルミニウムと炭素繊維材料との組合せを用いるとブーツ補剛材の耐久性が向上し得、向上した硬さおよび快適さを与える。
【００４５】
図８Ａ、図８Ｂ、および図８Ｃは、接続要素２２０の代表的な実施形態のさまざまな斜視図を示す。接続要素２２０は、さまざまな実施形態では、強化帆布材料の層を含むさまざまな布材料を用いて作製され得、当該さまざまな布材料は、それらの重なりが接続点またはシステム装着のための一体化ループを作り出すことができるように配向されかつ組立てられることができる。その最も安定した方向に配向され、スーツを通して力が送出される負荷経路に沿うことは、布から別の構成要素に遷移する硬さの中断の可能性を排除する。ケーブル装着構成要素を着用者の体に食い込ませる作動の際の動きを感じることができなくなるように、一体化された装着ループと着用者の体との間にパッドを追加することができる。
【００４６】
ウエストベルト上の２−バースライド装着点を通る層状強化帆布を用いて接続要素２２０を寸法的に安定化させることができる一方で、接続要素２２０の他方端は、Ｙストラップのコード、すなわち「ケーブルガイド」、がウエストベルトと脹脛ラップとの間の負荷経路を通過してこれを完成させることができるようにするＤリングを含む。
【００４７】
図９Ａ、図９Ｂ、および図９Ｃは、ソフトエクソスーツ２００のベース層２３０（たとえば脛当て）の実施形態を示す。さまざまな実施形態では、ベース層２３０およびソフトエクソスーツ２００の他の構成要素は、軽量で、通気性があり、かつ抗菌の材料を含み得る。以下の表１は、さまざまな実施形態でベース層２３０を作製し得るさまざまな材料の一般的な記述と、それらの材料に関連付けられる潜在的な利点とを与える。
【００４８】
【表１】
0006878271.tif 000003
【００４９】
表１に示されるように、タイフーンは織布材料の例であり、積層帆布はソフトエクソスーツ２００の１つ以上の構成要素に適用される強化材料の例である。タイフーンは、柔軟性があり、比較的通気性があり、軽量であり得、所望の方向に沿って帆布でさらに補強可能である。織布強化材料は、カスタムフィット性を提供する調整可能なベルクロ閉止タブ、紐、または他の要素を含み得る。織布強化材料には、さまざまな接続要素を用いて接続するための一体化された装着点をさらに設けてもよく、寸法安定性を増大させるために帆布の積層で強化されてもよい。
【００５０】
着用者の体の骨の突起の上にわたってまたは装着された機械的構成要素と着用者の体との間に擦れおよび圧力が生じ得る、エクソスーツの個別の構成要素の構成上重要な区域に発泡パッド材料を追加してもよい。
【００５１】
ソフトエクソスーツシステムのある区域では、ファブリックの通気性が懸念される場合、脛当てファブリックはメッシュの裏地を含んでもよい。脛当てファブリックはさらに、エクソスーツシステムの他の構成要素が（たとえばアンカー構成要素２１０のうち１つ以上の場所に、ならびに／または接続および作動要素２２０および３２０がそれぞれそれに沿って延び得る体の区域のすべてもしくは一部に沿って体に接し得る１つ以上の区域に、パッド材料を含んでもよい。
【００５２】
作動システム３００
図１０は、ソフトエクソスーツ２００においてユーザに送出するための引張り力を生成するための代表的な作動システム３００を示す。作動システム３００は、さまざまな実施形態では、１つ以上のアクチュエータ３１０と作動要素３２０とを備え得る。
【００５３】
アクチュエータ３１０は、実施形態では、モータなどの、変位によってソフトエクソスーツ２００において力を生成する態様で作動要素３２０を変位させるための当該技術分野で公知の任意の好適な機構を含んでもよい。説明の容易のみのために、アクチュエータ３１０を本明細書中ではモータと称することがあるが、本開示はアクチュエータ３１０のこの特定の実施形態に限定されることが意図されるものではないことを認識すべきである。
【００５４】
作動要素３２０は、実施形態では、ケーブル、ファブリックストラップ、ウェブ編ストラップ、配線などの要素を含んでもよい。さまざまな実施形態では、作動要素３２０の近端は、示されるように、おそらくは滑車３３０およびギアボックス３４０を介してモータ３１０に結合され得、作動要素３２０の遠端は、ソフトエクソスーツ２００の１つ以上の構成要素に結合され得る。説明の容易のみのために、作動要素３２０を本明細書中でケーブルまたはボーデンケーブルと称することがあるが、本開示は作動要素３２０のこの特定の実施形態に限定されることを意図されるものではないことを認識すべきである。
【００５５】
図１１を参照して、さまざまな実施形態では、モータ３１０は、ケーブル３２０が装着されるソフトエクソスーツ２００の部分から遠位に位置してもよく、ケーブル３２０がその間に延在してもよい。あるそのような実施形態では、モータ３１０は、バックパックまたはウエストポーチの中などのユーザの胴もしくはウエストの上、またはウエストアンカー２１２上のどこかに位置してもよい。他の実施形態では、代わりに、ケーブル３２０が装着されるソフトエクソスーツ２００の部分に近接してモータ３１０を位置決めすることができる。局所的に駆動パワーを与えることにより、ケーブル３２０に沿った伝送損失を低減し得、所望の力を生成するのに必要なドライバモータ３１０がより小さくなり得る。しかしながら、局所的に駆動モータ３１０を位置決めすると、補助される付加物の慣性を大きくしてしまう可能性があり、動きを補助するために対応してより大きな力を与えるためには、モータ３１０のサイズを比較的より大きくしなければならないことがある。作動システム３００のさまざまな実施形態は、ソフトエクソスーツシステム１００のさまざまな適用例に依存して、さまざまな好適な駆動モータ３１０の配置およびサイズ決めを有し得る。
【００５６】
図１２Ａ−図１２Ｅを参照して、作動システム３００のケーブル３２０は、その中で引張り力を生成するのに好適な態様でソフトエクソスーツ２００の１つ以上の構成要素に結合するように構成され得る。さまざまな実施形態では、ケーブル３２０は、ユーザの脚の上方部分上に位置決めされるソフトエクソスーツ２００の部分に接続するように構成され得る。ある実施形態では、ケーブル３２０の遠端を腿アンカー２１４に結合してもよく、ケーブル３２０の中間部分をウエストベルト２１２に結合してもよい。たとえば、ケーブル３２０はこれらの構成要素の後面部分に結合し、図１２Ａおよび図１２Ｅに示されるように、ユーザの腿の後面部分に沿って延在してもよい。加えてまたはこれに代えて、ケーブル３２０はこれらの構成要素の前面部分に結合し、図１２Ｂに示されるように、ユーザの腿の前面部分に沿って延在してもよい）。
【００５７】
さまざまな他の実施形態では、ケーブル３２０は、ユーザの脚の下方部位上に位置決めされるソフトエクソスーツ２００の部分に接続するように構成されてもよい。実施形態では、図１２Ｃ、図１２Ｄ、および図１２Ｅに示されるように、ケーブル３２０の遠端が足アンカー２１８に結合してもよく、ケーブル３２０の中間部分が接続要素２２４および／または脹脛ラップ２１６に結合してもよい。たとえば、ケーブル３２０は足アンカー２１８の後ろ部分に結合し、ユーザの脚下方の後面部分に沿ってＹストラップ２１９に延在し、これにより脹脛ラップ２１６および接続要素２２４に間接的に結合されてもよい。
【００５８】
図１２Ａ−図１２Ｅは、ソフトエクソスーツ２００のさまざまな実施形態で作動システム３００がどのように引張り力を生成するかも示す。構成されると、駆動モータ３１０によるケーブル３２０の変位（たとえば短縮）は、以下にさらに記載されるように、ソフトエクソスーツ２００の構成要素を互いに向けて引く引張り力を導入し得る。
【００５９】
図１２Ａは、ウエストアンカー２１２および腿アンカー２１４を備えるソフトエクソスーツ２００の実施形態を示す。作動システム３００のケーブル３２０の遠端は、腿アンカー２１４に結合され、中間部分はウエストアンカー２１２に結合され、ケーブル３２０はユーザの腿の後面に沿って延在する。ケーブル３２０の変位は、矢印で示されるように、ウエストアンカー２１２および腿アンカー２１４を互いに向けて引く引張り力を生成する。この力は股関節の回転の中心からオフセットされて、ハムストリングおよび大臀筋の活性化が腰関節周りで大腿骨を後方に引くように働き得るのとほとんど同じように、（対応の矢印が示すように）ユーザの股関節周りで伸張方向にトルクを与え得る。
【００６０】
図１２Ｂは、同じ構成要素を備えるソフトエクソスーツ２００の別の実施形態を示すが、代わりに、ケーブル３２０がユーザの腿の前面に沿って延在する。ケーブル３２０の変位は、矢印で示されるように、ウエストアンカー２１２および腿アンカー２１４を互いに向けて引く引張り力を生成する。この力は股関節の回転の中心からオフセットされて、四頭筋の活性化が大腿骨を腰関節周りで前方に引くように働き得るのとほとんど同じように、（対応する矢印が示すように）ユーザの股関節周りで屈曲方向にトルクを与え得る。
【００６１】
図１２Ｃは、脹脛アンカー２１６および足アンカー２１８を備えるソフトエクソスーツ２００の実施形態を示す。ケーブル３２０の遠端が足アンカー２１８に結合され、中間部分が脹脛アンカー２１６に結合され、ケーブル３２０はユーザの脚下方の後面に沿って延在する。ケーブル３２０の変位は、矢印で示されるように、足アンカー２１８および脹脛アンカー２１６を互いに向けて引く引張り力を生成する。この力は足首関節の回転の中心からオフセットされて、脹脛の筋肉およびアキレス腱の活性化が足首を下向きに回転させるように働き得るのとほとんど同じように、（対応の矢印が示すように）ユーザの足首関節付近で底屈方向にトルクを与え得る。
【００６２】
図１２Ｄは、図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃに示される態様で（または同様の態様で）ウエストアンカー２１２、足アンカー２１８、およびその間に延在する接続要素２２４を備えるソフトエクソスーツ２００の実施形態を示す。ケーブル３２０の遠端は足アンカー２１８に結合され、中間部分は接続要素２２４に結合され、ケーブル３２０はユーザの脚下方の後面に沿って延在する。ケーブル３２０の変位は、矢印で示されるように、足アンカー２１８および接続要素２２４を互いに向けて引く引張り力を生成する。この力は足首関節の回転の中心からオフセットされて、脹脛の筋肉およびアキレス腱の活性化が足首を下向きに回転させるように働き得るのとほとんど同じように、（対応の矢印で示されるように）ユーザの足首関節の付近で底屈方向にトルクを与え得る。さらに、引張り力の一部は、ユーザの腿の前面に沿って接続要素２２４へと上にウエストアンカー２１２の方に向けられる。力のこの部分は、股関節の回転の中心からオフセットされて、対応の矢印で示されるように、ユーザの腰周りで屈曲方向にトルクを与え得る。
【００６３】
図１２Ｅは、２つのモジュール−図１２Ａに示される構成を含む第１のモジュールと図１２Ｃに示される構成を含む第２のモジュールと−を含むソフトエクソスーツ２００の実施形態を示す。第１のモジュールのケーブル３２０ａの変位は、対応の直線の矢印で示されるように、ウエストアンカー２１２および腿アンカー２１４を互いに向けて引き、これにより対応の曲線の矢印で示されるように、ユーザの股関節付近で伸張方向に派生トルクを送出する引張り力を生成する。第２のモジュールのケーブル３２０ｂの変位は、対応の直線の矢印で示されるように、足アンカー２１８および接続要素２２４を互いに向けて引き、これにより対応の曲線の矢印で示されるように、ユーザの足首関節付近で底屈方向に派生トルクを送出する引張り力を生成する。引張り力の一部は、ユーザの腿の前面に沿って接続要素２２４へと上にウエストアンカー２１２の方に向けられ、これにより対応の曲線の矢印で示されるようにユーザの腰付近で屈曲方向に派生トルクを送出する。作動システム３００のモータ３１０ａ，ｂは、さまざまな実施形態では、異なる時間に作動されて、対応の関節の運動のための補助を送出してもよい。
【００６４】
図１３を参照して、ソフトエクソスーツ２００は、作動システム３００が生成する力の一部をユーザの体のさまざまな部位に分散するように構成され得る。ユーザの体の異なる部位への力の一部の分散は、エクソスーツのユーザの快適さレベルを向上させ、これにより、特に足首での向上した運動補助のために増大すべき力の量を生成できるように働き得る。たとえば、快適さのために、ユーザのウエストが支えることができる力の量が約２５０Ｎに限られるとする。ウエストアンカー２１２に加えてアンカー部材２１０を１つだけ備えるソフトエクソスーツ２００の実施形態は、２つのアンカーの間で負荷が均等に分散されれば、全体的な補助力である約５００Ｎに限定され得る。当然ながら、ソフトエクソスーツ２００の材料、構築、およびフィット性の変動が不均等な分散に繋がることがあるが、現在の例のために、５０％／５０％の分散を仮定する。ソフトエクソスーツ２００の実施形態は脹脛アンカー２１６をさらに含む。これらの３つのアンカー要素の間で力が均等に分散されれば、結果的に、全体的な力はほぼ３３％／３３％／３３％に分割されて体の対応の部分に送出されることになる。現在の例では、これは、ユーザのウエスト、脹脛、および踵の各々に対する約１６７Ｎとなるであろう。１６７Ｎは、ウエストでの２５０Ｎの仮定の快適さしきい値を下回るので、スーツ中で生成可能な全体的な力は、同等の量だけ（すなわち合計約７５０Ｎまで）増大し得る。しかしながら、ソフトスーツ２００の特定的な構築およびそれがどのように体にインターフェイスするかが分散に影響し得ることを認識すべきである。たとえば、図１３に示されるように、均等の分散よりもむしろ、作動システム３００が生成する力の約３０％−５０％がユーザの脹脛に分散されて、ユーザのウエストが支えるアクチュエータの力は約５０％−７０％のみという結果になり得る。それでも、これにより、以前のようにユーザのウエストに対する同じ負荷付与（たとえば２５０−３５０Ｎ）を維持しながら、付加的な力（たとえば約１５０Ｎ−２５０Ｎ）を足首近くでソフトエクソスーツ２００に送出できるようになり得る（たとえば、合計５００Ｎ）。この余剰の力は、改良された足首運動補助を提供する際に有用であり得る。加えて、ユーザの体の複数の部位の間で力を分散させると、各々の要素に対する力が低減され、これにより肌および下にある組織に対する圧力が低減されかつユーザの快適さが向上する。ソフトエクソスーツシステム８００の他の実施形態では、約３００Ｎ〜約４５０Ｎの力がソフトエクソスーツのユーザの脹脛に加えられてもよい。これらは純粋に仮定の例であり、本明細書中に述べる具体的な力の大きさおよび分散の割合は例示の目的のみのためであることを理解すべきである。
【００６５】
さまざまな実施形態では、部分的にはソフトエクソスーツシステム２００のさまざまな構成要素を調整することによって力の分散を制御し得る。たとえば、より硬いインターフェイスを設けるために、ケーブル２２０および接続要素２２４を脹脛アンカー２１６に結合するＹストラップ２１９を締めて、全体的なスーツの力のより大きな部分をユーザの脹脛に加えてもよい。同様に、別の実施形態では、Ｙストラップ２１９を緩めてより緩いインターフェイスを設けて、これにより全体的なスーツの力のより小さな部分をユーザの脹脛に加えてもよい。接続要素２２４ａ，ｂの間で負荷を分けることは、ユーザの快適さを増すようにも働き得る。
【００６６】
センサ４００
図１４Ａおよび図１４Ｂを参照して、エクソスーツシステム１００は１つ以上のセンサ４００をさらに備え得る。
【００６７】
１つ以上のセンサ４００は、さまざまな実施形態では、（本明細書中では「力センサ４１０」と称される）ソフトエクソスーツ２００中で作動システム３００が生成する引張り力を測定するのに好適な任意のセンサまたはセンサの組合せを含み得る。たとえば、実施形態では、力センサ４１０はロードセルを含み得る。説明の容易のみのため、力センサ４１０を本明細書中でロードセルと称することがあるが、本開示が力センサ４１０のこの特定の実施形態に限定されることは意図されず、同様の目的を果たすことができる任意の他の好適なセンサ／センサ配置を代わりに用いてもよいことを認識すべきである。力センサ４１０は、ソフトエクソスーツ２００の対応の部分に作用する引張り力を測定するのに好適なソフトエクソスーツ２００の上またはその中の任意の場所に位置決めされ得る。実施形態では、力センサ４１０は、ある構成要素に対して別の構成要素が加える引張り力を測定するために、ソフトエクソスーツ２００の構成要素同士の間の接合部の間にまたはそれに近接して位置決めされ得る。たとえば、図１４Ａを参照して、力センサ４１０は、ソフトエクソスーツ２００のこれらの構成要素に対してケーブル３２０が加える引張り力を測定するように、ケーブル３２０とウエストアンカー２１２との間の界面に位置決めされ得る。別の例として、図１４Ｂを参照して、力センサ４１０は、ソフトエクソスーツ２００のこれらの構成要素にケーブル３２０が加える引張り力を測定するように、接続要素２２４とケーブル３２０との間の界面に位置決めされ得る。当然ながら、エクソスーツシステムは、任意の所与の適用例のために、ソフトエクソスーツ２００において引張り力を測定するために力センサ４１０の任意の好適な数、種類、および配置を備えてもよい。
【００６８】
さらに図１４Ａおよび図１４Ｂを参照して、センサ４００のうち１つ以上は、さまざまな実施形態では、関節の向き（すなわち角度）および関節が回転しているか否か、どの方向に、どのくらい速く（すなわち角度の導関数または角速度）、ならびに／またはそれが加速しているか否かなど、体の関節の運動を測定するのに好適な任意のセンサまたはセンサの組合せを含み得る。そのようなセンサを本明細書中で「運動センサ４２０」と称する。例示的なセンサは、とりわけ、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、ジャイロスコープ、および加速度計を含み得る。運動センサ４２０は、そのような測定値を取るための任意な好適な配置において、体の上またはソフトエクソスーツ２００の上／中に位置し得る。当業者は、関節の運動を正確に測定できる限り、センサの任意の好適な数、種類、および配置を利用し得ることを認識するであろう。
【００６９】
図１４Ａは、ユーザの腿の運動を測定するための運動センサ４２０の例示的な配置を示す概略図である。この実施形態では、示されるように、ＩＭＵ４２０をユーザの腿の上に載置し得る。ＩＭＵ４２０は、腿の角度および腿の速度の１つまたは組合せを測定する（またはＩＭＵが取る他の測定値から算出する）ように構成されてもよい。腿の角度および腿の速度は、胴の動きが腿の動きに比べて無視できる程度である状況では、それぞれ腰の角度および腰の速度の近似として用いられることがある。当然ながら、別の実施形態では、ＩＭＵまたは均等のセンサをユーザの胴の上に位置決めして、これにより前述の腿の運動の測定値を関連付ける胴の運動の測定値を与えてもよい。測定された胴および腿の角度と速度との間の相対的な差を用いて、そのような状況下での股関節の角度および速度をそれぞれ判定し得る。
【００７０】
図１４Ｂは、ユーザの足首の運動を測定するための運動センサ４２０の例示的な配置を示す概略図である。この実施形態では、２つ以上のジャイロスコープを用いて足首関節の角度および速度を判定し得る。特に、実施形態では、第１のジャイロスコープ４２０ａをユーザの向こう脛下方（たとえばユーザが着用しているブーツの脛）上に位置決めしてもよく、第２のジャイロ４２０ｂを、（たとえばユーザが着用するブーツの下方の紐の上の）ユーザの足の上に位置決めしてもよい。ジャイロスコープ４２０ａ，ｂはそれぞれ足および脛の角速度を測定するので、胴と腿との運動を関連付けて股関節の運動を判定し得る態様と同様に、２つのジャイロスコープ４２０ａ，ｂからの信号に含有される測定角速度を減算することによって足首関節の回転速度を算出することができる。当然ながら、当業者は、関節の運動を正確に測定するおよび／または判定することができる限り、運動センサ４２０の任意の好適な数、種類、および配置を利用し得ることを認識するであろう。
【００７１】
センサ４００の１つ以上は、さまざまな実施形態では、限定されることなく、ユーザの踵接地またはユーザのつま先離地などの歩行関連のイベントを検出するのに好適な任意のセンサまたはセンサの組合せをさらに含み得る。そのようなセンサを本明細書中で「歩行イベントセンサ４３０」と称する。ある実施形態では、この役割のために、運動センサ４２０の１つ以上をさらに構成してもよい。他の実施形態では、歩行イベントセンサ４３０は、とりわけ、フットスイッチ、足圧力センサ、電位差計、および磁気計などの別個のセンサを含んでもよい。１つ以上のジャイロスコープおよび／またはＩＭＵからの測定値を用いて踵接地を検出するためのシステムおよび方法は、２０１４年５月３０日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０４０３４０にさらに詳細に説明され、これはここに引用により援用される。歩行イベントセンサ４３０は、そのような測定値を取るための任意の好適な配置の中で、体の上またはソフトエクソスーツ２００の上／中に位置してもよい。当業者は、特定の歩行イベントを正確に検出できる限り、センサの任意の好適な数、種類、および配置を利用し得ることを認識するであろう。
【００７２】
制御システム５００
本開示は、エクソスーツシステム１００の他の構成要素を管理しかつ制御してユーザに運動の補助を与えるように構成される制御システム５００の１つ以上の実施形態にさらに向けられる。特に、制御システムは、筋肉によって駆動される自然な体の動きをリアルタイムでモニタし、次に作動システム３００がソフトエクソスーツ２００中で引張り力を生成して補助を送出して筋肉が生成する力を強化して関節を動かしこれにより運動を行なうための代謝コストを低減するようにする態様を指令し得る。その目的のため、制御システム５００の実施形態は、補助が与えられるタイミングおよび持続時間ならびにソフトエクソスーツ２００が生成する補助の大きさを制御するように構成され得る。
【００７３】
図１５を参照して、制御システム５００の例示的な実施形態は、センサ４００から情報を受信するための１つ以上のデータ取得板と、作動システム３００を制御するための１つ以上のモータコントローラと、ソフトエクソスーツ２００を介した補助の生成を管理するためにデータ取得板およびモータコントローラから受信した情報を処理するように構成される１つ以上のプロセッサとを備え得る。
【００７４】
制御システム５００は、エクソスーツシステム１００のユーザの１つ以上の体の関節にパワーを送出してそれらの関節の自然な運動を補助するように構成される態様でソフトエクソスーツ２００の作動を指令するように構成され得る。特に、制御システム５００は、モータ３１０に指令して、ソフトエクソスーツ２００の対応の構成要素中で力を生成するのに好適な位置へとケーブル３２０を作動させ得る。エクソスーツのユーザの体の関節が回転するにつれてソフトエクソスーツ２００が派生トルクを加えて、これにより、体の関節の中に付加的なパワーを生成して自然な関節の運動を補助し得る。換言すると、ソフトエクソスーツ２００は、式Ｐassist＝τexosuit＊ωjointに従って補助パワーを送出し得る。式中、Ｐassistは、ソフトエクソスーツ２００が体の関節に送出するパワーを表わし、τexosuitは、ソフトエクソスーツ２００の作動によって体の関節の周りに生成される
トルクを表わし、ωjointは、補助されている運動における関節の角速度を表わす。
【００７５】
制御システム５００は、ある実施形態では、ユーザの１歩または重複歩の間に所望の量のパワーを関節に送出するようにエクソスーツ２００を作動させるように構成され得る。これは、実施形態では、関節運動の角速度に依存して、スーツエクソスーツ２００中で生成される力の大きさを変化させることによって達成され得る。本明細書中では、そのような方策を、関節の回転角度に依存して１歩または重複歩の間に所望の量のパワーを生成するためにシステムが関節に加える力をモータコントローラが直接に制御する場合の「パワーベース力制御」、または関節の角速度に依存して１歩または重複歩の間に所望のパワーを関節に送出するのに好適な力を生成するためのアクチュエータの位置の制御の文脈で用いる場合の「パワーベース位置制御」と称することがある。他の実施形態では、制御システム５００は、ソフトエクソスーツ２００を作動させて所望のパワープロファイルよりもむしろ関節付近で所望のトルクを送出するように構成され得る。この結果、運動の間の関節の角速度に依存して異なる量の補助パワーが送出され得る。本明細書中では、そのような方策を、ソフトエクソスーツ２００中で生成される力を直接に制御する場合の「力制御」、または所望の力もしくは派生トルクを生成するためにアクチュエータの位置を制御する文脈で用いる場合の「力ベース位置制御」と称することがある。本開示は、パワーベース力／位置制御または力／力ベース位置制御の一方のみの文脈でソフトエクソスーツ２００のさまざまな作動を記載することがあるが、そのように限定されることは意図されない。当業者は、好適な際は常に、制御システム５００がこれらの方策のうち任意のものを利用し得ることを認識するであろう。
【００７６】
トルクが関節運動と同じまたは同様の方向に加えられると、正のパワーが生成され得る。反対に、派生トルクが関節の運動に対抗すると、負のパワーが発生する。人の体は、正および負の両方のパワーを生成するようにエネルギを用いることができるので、エクソスーツが生成する正および負のパワーを両方とも、特定の適用例に依存して、補助パワーと考えてもよい。たとえば、正のパワーの補助は、特定の関節および体全体すらの特定の運動の強さを高める、ならびに／またはそれに関連付けられる疲労を低減することが望まれ得る。開示中でより詳細に後述するように、足首関節の立脚底屈運動の際の正のパワー補助は、歩行、早歩き、走行などの運動性の際にユーザの体を前に推進するのを助け得る。同様に、腰の伸張運動の際の正のパワー補助が同様の目的を果たし得る。本明細書中で用いるように、正のパワーは、さまざまな実施形態で、当該推進において補助となるようにエクソスーツシステムが加えるアクティブな力に対応し得る。付加的な例として、足首関節の立脚背屈運動の際にエクソスーツが生成する負のパワーを、推進運動の前の踵接地の後の体および体の関節の減速を補助するように用い得る。たとえば、開示中でより詳細に後述するように、この結果、システムは、下にある筋肉および腱と同時に関節でモーメントを発生し、これは、所与の脚についてのある踵接地から次の踵接地にわたる。たとえば、足首の底屈補助の場合、歩行周期の正のパワーの領域で力を加えることにより、システムは、体を上および前方に押すように脹脛の筋肉および腱を補助する。負のパワー相の際に補助を与えることにより、スーツは、伸びることによって脹脛がパワーを吸収するのを補助する一方で、体の質量中心は、接地した足の上で下方および前方に落ちる。腰の伸張などの別の実施形態では、制御システムは、リアルタイムで歩行イベントを検出して、正のパワー生成の開始時である腰が屈曲から伸張に方向を変えるときと、質量中心が接地した足の上で下方および前方に落ちると下にある筋肉が関節でワークを発生し始めて股関節を加速させかつ体を前方に押すときとから、腰の伸筋を補助する。本明細書中に記載される制御方法は、リアルタイムで複数の歩行イベントを検出して、下にある筋肉および腱が体を前方に推進するのに付加的な補助をいつ必要とするかを検出し、これにより異なる個人の歩き方および異なる運動性活動に適合できるようになる。ここで提示される方法は、運動性の間、および本開示で明示的に記載しない他の活動の間の、異なる方向の関節または付加的な関節を補助するように適用されてもよい。
【００７７】
制御システム５００は、作動システム３００への指令を介して補助の生成を支配するように構成され得る。特に、制御システム５００は、さまざまな実施形態では、エクソスーツ２００を介して所望の力またはパワーを体に送出するのに好適な位置にケーブル３２０を動かすようにモータ３１０に指令し得る。実施形態では、制御システム５００は、ソフトエクソスーツ２００の中で力をほとんどまたは全く生成しないように、受動的なまたはアクティブな補助の期間の前にケーブル３２０を緩んだままにするケーブル位置を指令することがある。別の実施形態では、制御システム５００は、特定の運動に応答して、ソフトエクソスーツ２００の構成要素に受動的な力を生成させるケーブル位置を指令するように構成され得る。この受動的な力は、アクティブな補助の期間の前にケーブル３２０および関節にプレテンションを与えてアクティブな補助の効果を高めるように働き得る。また別の実施形態では、制御システム５００は、ソフトエクソスーツ２００の構成要素を互いに向けてアクティブに引くことによってアクティブな力を生成するのに好適な態様でケーブル３２０を動かすようにモータ３１０に指令し得る。そのような指令は典型的に、対応の筋肉が生成する自然な力を強化するために、補助すべき運動の開始時におよび／またはその間にケーブル３２０を動かすようにタイミングを計る。一般的に、制御システムがケーブル３２０の張力を短くするまたは増大させればするほど、エクソスーツ２００内で生成される力の大きさがより大きくなり、目標とされた体の関節周りでの派生トルクがより大きくなる。したがって、制御システム５００は、受動的にであってもアクティブにであっても体の関節に所望のトルクまたはパワーを送出するのに十分な位置にケーブル３２０を動かすように駆動モータ３１０に指令することによってエクソスーツシステム１００が生成するトルクの大きさを制御するように構成され得る。
【００７８】
力および作動プロファイル、一般的に
図１６Ａは、関節の運動を補助するためにソフトエクソスーツ２００を介してユーザの体に送出すべき代表的な力プロファイルを示す。本明細書中で用いるように、力プロファイルは、運動補助期間を通じてさまざまな時間にどの程度の力がソフトエクソスーツ２００で生成されるかを伝えるやり方である。その目的のため、力プロファイルは、生成された力の大きさと、それが開始されるタイミングと、力が加えられる持続時間とを伝え得る。力ベース制御を利用する実施形態は、所与の力プロファイルを直接に目標設定し得る一方で、パワーベース制御を利用するものはまず、運動センサ４２０からの角速度測定値を利用して所望のパワープロファイルから対応の力プロファイルを導出してもよい。
【００７９】
図１６Ａの代表的な力プロファイル中の力の大きさは補助の開始時に増大し、ピーク大きさに向けて急激に大きくなってもよい。力は次にピークに達し、その後補助の終了近くで同様の率で下降してもよい。実施形態では、力プロファイルは、運動の生成に関与する標的とされた筋肉群が最大活性レベルに達し、これにより最大パワーが向上して代謝エネルギ消費を低減する臨界ブーストを与えるときに力がピークとなるように生成され得る。この開示中でさらに詳細に後述するように、図１６Ａに示す力プロファイルを用いて、足首関節の立脚背屈および底屈運動を補助する際に脚下方の筋肉を補助して運動性の間にユーザを前方に推進するのを助けてもよい。
【００８０】
当然ながら、任意の好適な態様でソフトエクソスーツ２００の作動を指令して任意の数の好適な力プロファイルを発生させるように制御システム５００を構成してもよく、本開示は上述の例示的な実施形態のみに限定されることを意図されないことを認識すべきである。
【００８１】
図１６Ｂは、図１６Ａの力プロファイルを生成するための代表的な作動プロファイルを示す。本明細書中で用いるように、作動プロファイルは、関節の運動が発生する際にそれを補助するために適切なタイミングおよび持続時間で所望の力またはパワーのプロファイルを生成するためにどのように作動システム３００を作動させ得るかの表現のし方である。
【００８２】
図１６Ｂに示されるように、作動プロファイルは、補助の期間を通じてさまざまなケーブル位置のシーケンスを表現し得る。この例では、ケーブル３２０は、１つの歩行周期の約８０％と引続く歩行周期の約４０％との間にわたるユーザの歩行周期の一部のための第１の位置（すなわち１００ｍｍ）に維持される。この期間の大部分において、指令されたケーブル位置は、図１６Ａの力プロファイルで証明されるように、力をほとんどまたは全く生成せず、ケーブル３２０は緩んでいてもよい。しかしながら、歩行周期の約２０％と４０％との間にわたる期間の間、力は、ケーブル位置が第１の位置に留まったままで増大する。これは、ソフトエクソスーツ２００がこの時間の間に関節の特定の運動を制限するように作用すると受動的な力が生成されることを反映する。歩行周期の約４０％と７５％との間で、ケーブル３２０は第２の位置（すなわち１５０ｍｍ）に向けて駆動されて第１の位置に戻り、図１６Ａのスパイクで示されるアクティブな力を作り出す。前の例は、例示の目的のみのために記載されたものであり、制御システム５００は、本開示の教示に従う任意の数の好適な作動プロファイルを生成するように構成され得ることを認識すべきである。
【００８３】
制御システム５００は、さまざまな実施形態では、センサ４００からのフィードバックを利用して適切なケーブル位置ならびにそれらが維持されるべきタイミングおよび持続時間を判定して、より詳細に以下に記載するように、ソフトエクソスーツ２００において所望の力またはパワーのプロファイルを生成するように構成され得る。
【００８４】
作動の大きさ
制御システムは、さまざまな実施形態では、ソフトエクソスーツシステムで所望のピーク力Ｆpeakを生成するための好適なケーブル位置Ｐｏｓpeakを判定するように構成され得る。
【００８５】
１つの実施形態では、制御システムは、ソフトエクソスーツシステムの事前の試験からの経験的データを用いて対応のケーブル位置Ｐｏｓpeakを推定し得る。たとえば、制御システム５００は、さまざまなケーブル位置をソフトエクソスーツシステム中で発生すべき関連付けられた力に関連付けるルックアップテーブル、ライブラリ、式、または他の予め定められた参照を含み得る。そのような方策は、さまざまなユーザがスーツを着用するたびに同じように当該ユーザにフィットするように構成されるウェアラブルロボットシステムと好相性であり得るが、ソフトエクソスーツシステムの構成要素は、シフトする、伸びる、またはそれ以外にシステムの硬さを低減するように振る舞うことがあり、その結果、所与のモータ位置軌道（trajectory）についてソフトエクソスーツシステムがユーザの体に実際に送出するピーク力の大きさが小さくなる。
【００８６】
これに対処するため、制御システム５００は、さまざまな実施形態では、目標として設定したピーク力Ｆpeakを達成するまで力センサ４１０からのフィードバックを利用してケーブル位置Ｐｏｓpeakを繰返し変更する力ベース位置制御方策を利用し得る。制御システム５００は、実施形態では、前の重複歩の間に送出すべきであった所望のピーク力を前の重複歩の間に送出された実際のピーク力のロードセル測定値と比較することで開始し得る。次に制御システム５００はこの情報を利用して作動プロファイルの大きさを調整し（すなわち、指令されたケーブル位置Ｐｏｓpeakを調整し）、引続く重複歩で、所望の力と前の重複歩の間に送出された実際の力との間の任意の差を補償し得る。作動の大きさは、前の重複歩の実際のピーク力がその重複歩についての所望のピーク力に達しなかった場合は大きくなり、前の重複歩の実際のピーク力がその重複歩についての所望のピーク力を超えれば小さくなる。制御システムは、式（２）に従って、対応のケーブル位置を判定し得る。
【００８７】
【数２】
0006878271.tif 000004
【００８８】
別の実施形態では、制御システム５００は代わりに、ロードセル４１０からのリアルタイムの力のフィードバックをモニタし、リアルタイムで対応の態様におけるケーブル位置を調整することによってリアルタイムで力を調整し得る。
【００８９】
同様の力ベース位置制御アルゴリズムは、所与のユーザに対してシステムを自動的に較正する。特に、制御システム５００は、動作の初めに、所望のレベルまで力を増大させていき、これにより、体型、体格、スーツのフィットのし方、個人の快適さの嗜好など、ユーザによって異なり得る要因とは独立して適正な補助を確実にし得る。さまざまな実施形態では、他の関節に加えられている力をモニタし、かつ訂正する必要があり得る何らかの非対称に対処するように、コントローラが負荷のフィードバックを用いてもよい。
【００９０】
加えてまたはこれに代えて、さまざまな実施形態では、制御システム５００は、パワーベース位置制御方策を利用して、歩行周期全体の間に所望の量のパワーを送出するための適切なケーブル位置を判定し得る。特に、制御システム５００はまず、前の周期の間にスーツが送出した実際の積算パワーを判定し得る。これは、実施形態では、関節の角速度および前の周期を通じてエクソスーツシステム２００で生成した力を測定し、式（３）に従って積を積分することによって達成され得る。
【００９１】
【数３】
0006878271.tif 000005
【００９２】
エクソスーツ２００の作動によって発生されるトルクの符号は、その中で生成されるのが引張り力のみであるということからわかっていることに留意すべきである。制御システム５００は次に、この測定された積算パワーを前の周期の間に送出すべき所望の積算パワーと比較し得る。次にこの情報を用いて、前の重複歩の際に送出された積算パワーが前の重複歩の間に加えられた所望の量のパワーに足りなかったかまたは超えた場合は、現在の重複歩についてケーブル位置を調整し得る。そのような調整は、実施形態では、式（４）に従って行なわれる。
【００９３】
【数４】
0006878271.tif 000006
【００９４】
当然ながら、ケーブル位置の調整は、式（４）に示される比例関係に従う必要がないことを認識すべきであり、当業者は、所望の積算パワーを送出するために繰返しケーブル位置を調整するための他の好適な関係を認識するであろう。
【００９５】
以上説明したパワーベース位置制御方策を、正または負のパワー補助の一方のみを制御するように構成されるエクソスーツシステムの実施形態に関連して用い得る。正および負の両方のパワー補助を独立して制御するために、制御システム５００の実施形態は、ケーブル位置が運動の正および負のパワー部分の別個の積分に基づいて判定される別のパワーベース位置制御方策を利用することがある。
【００９６】
特に、エクソスーツシステム１００が送出する実際のパワーは、測定された足首のスピードおよびロードセルが測定した力から算出され、それぞれ正および負のパワーの間隔内で積分され、重複歩時間によって正規化され得る。これを式（５ａ）および式（５ｂ）に要約することができる。
【００９７】
【数５】
0006878271.tif 000007
【００９８】
式（５ａ）および式（５ｂ）において、Integrated Negative Powerを算出するために
、初期時間ｔstep_startが踵接地の検出に対応する一方で、終了時間ｔstep_startが、ωjoint≧０である最初の時間に対応することに留意すべきである。式（５ｂ）で、Integrated Positive Powerを算出するためには、初期時間ｔint_startが負のパワーの算出のた
めの終了時間ｔint_stopに対応する一方で、終了時間ｔint_stopが、ωjoint＜０である
ときに対応することに留意すべきである。
【００９９】
次に制御システム５００は、２つのパワー積分値を用いて、１歩毎に指令されたケーブルの位置振幅レベルを調整し得る。負および正のパワーをそれぞれ制御するために、制御システム５００は、運動の負のパワー間隔の開始時にケーブル３２０を引き始めるように構成され得る。そうすることにより、プレテンションのレベルを調整することによって次の重複歩についての負のパワーを制御可能である一方で、アクティブな力のレベルを制御することによって正のパワーを変更することができる。たとえば、以前の重複歩の間の負のパワー積分が所望よりも小さければ、コントローラはケーブルの保持位置を増大させて次の重複歩についてのプレテンションを増大させる。一方で、以前の重複歩についての実際の正のパワーが所望の値よりも大きければ、コントローラは、ケーブル位置の振幅を小さくして次の重複歩についてのアクティブな力を小さくする。そのような調整は、実施形態では、式（６ａ）および式（６ｂ）に従ってなされ得る。
【０１００】
【数６】
0006878271.tif 000008
【０１０１】
力ベース位置制御方策およびパワーベース位置制御方策の両方とも、（たとえばユーザの体格の変動による）エクソスーツ中での異なるフィット性、動作の際のスーツの変化（たとえば、スーツの構成要素が体の上で流動する、歩行の修正）、およびどのように経路設定されるかに依存して変化する作動要素（たとえばケーブル）の摩擦および減衰性質（たとえば、曲げおよび伸ばしによる損失）を補償する有用なやり方をさらに提供し得る。
【０１０２】
また別の実施形態では、制御システム５００は「パワーベース力制御」を行ない得る。制御方法は、以前の段落で説明したのと同様に作用するであろうが、ケーブル位置の代わりに、プレテンション付与および歩行の能動相において力のレベルを制御するであろう。
【０１０３】
制御方法は、所与の関節についての運動性の間にリアルタイムで所望のパワープロファイルを追跡する。制御システムは、目標パワー値を低レベル力制御に対する入力目標である関節のスピードで除算することによって、歩行周期中の現時点で必要な力をリアルタイムで算出し得る。次に低レベル制御は、ロードセルまたは任意の他の力検知システムもしくは力推定方法からのリアルタイムのフィードバックを用いることによってシステムが関節に送出する力を追跡する。
【０１０４】
所望のピーク力または所望の積算パワー
さまざまな実施形態では、着用者、適用例、または両要因の組合せに補助のレベルを合わせるように、ユーザまたは制御システム５００は補助のレベルを調整し得る。ユーザまたはコントローラ５００が補助のレベルを調節するであろう状況または状況の組合せの例は、体重および身長に基づく異なるユーザに対する誂え補助を含む。一般的に、体重および身長がより大きい被験者は、同じ利点を得るのにより高い補助レベルを必要とする。ユーザが行なう主な活動またはタスクは、エクソスーツシステム１００が送出すべき適切な力の大きさを判定する際の要因であり得る。たとえば、ユーザまたは制御システム５００は、電池を節約するためにまたは着用者が最も必要とするときにより多くの電池を用いるために、補助のレベルを調節することを決定し得る。別の例では、ユーザまたは制御システムは、電池を節約する、または着用者が最も必要とするときにより多くの電池を用いるために、補助のレベルを調節することを決定し得る。速いスピードで歩くおよび上り坂を歩くまたはより重い負荷を運搬するなどの異なる活動は、他のより激しくない活動よりも、より高い補助からより多くを得ることがある。さらに、補助のレベルは、初めて機器を用いる際にはより低い値に設定され、ユーザが訓練されると大きさを段々に増していくものであり得る。
【０１０５】
所望のピーク力Ｆpeakは、さまざまな実施形態では、制御システムにおいてベースラインとして設定される予め定められた値であり得る。実施形態では、ベースラインピーク力を予め設定してもよい。実施形態では、ユーザは、ベースラインピーク力を予め選択するか、または使用の際に選択することが可能であってもよい。ユーザによる選択プロセスは、所与の活動について好ましいもしくはユーザにとって快適と感じられるベースラインピーク力をユーザが制御システムに直接に入力するように、または動作モード（たとえば、低、中、高補助）の選択、１つ以上のパラメータの入力（たとえば、エクソスーツのユーザの体重、予め規定された個別の設定）、および／または他の間接的な選択を介してユーザがベースラインピーク力を間接的に選択するように、実現されてもよい。
【０１０６】
所望のピーク力Ｆpeakは、さまざまな実施形態では、補助すべき関節に作用する生物学的モーメントによって影響され得る。たとえば、体重が増加すると、体の関節に作用する生物学的モーメントは典型的に、所与の活動について増大する。そのため、生物学的モーメントのこれらの変動に対処するために、さまざまな関節に加えられている補助ピーク力の量を適合させることが有利であり得る。同様に、ソフトエクソスーツ自体の荷重を含む、ユーザが担持する荷重も生物学的モーメントに影響することがあり、それに対処することができる。
【０１０７】
図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１７Ｃ、ならびに図１８Ａ、図１８Ｂ、および図１８Ｃを参照して、制御システム５００は、所望のピーク力に適合して、運動性（たとえば）歩行スピードなどの、関節に対して作用する生物学的モーメントにも影響する空間的−時間的要因に対処するように構成され得る。図１７Ａおよび図１８Ａに示されるように、運動性スピードが増大するにつれ、一般的に、腰に加わる（特に腰の伸張に関連付けられる）生理学的パワーのピーク大きさと、足首（具体的には足首底屈）周りでの生理学的パワーのピーク大きさとが増大する。同じことは、走行、自転車漕ぎなどの他の運動性活動に関連付けられる空間的−時間的歩行変数にもしばしば当てはまる。簡略化のため、本開示は、歩行スピードを例示的な空間的−時間的歩行変数と称するが、補助を適合させるための本明細書中に開示されるシステムおよび方法が、他のそのような空間的−時間的変数に基づいて同様に適用され得ることを理解すべきである。たとえば、本明細書中に開示されるシステムおよび方法は、歩幅、重複歩距離、（歩行頻度としても公知である）歩行率、および他の空間的−時間的変数についての適合的補助を提供し得る。
【０１０８】
図１７Ｂおよび図１８Ｂを参照して、さまざまな実施形態では、調整は乗数の形態で適用可能である。さまざまな実施形態では、この因数は、ソフトエクソスーツが送出するピーク補助力またはパワーを調整するように、その歩行スピードでユーザの関節に作用する生理学的モーメントおよびパワーに比例するレベルに合わせられ得る。構成されるように、エクソスーツシステム１００は、これらの自然な力の影響を実質的に低減し、これを打消し、かつこれを克服すらするように働き、それにより、所望の適用例に依存してユーザの疲労を低減し得る。図１７Ｂおよび図１８Ｂに示されるように、腰および足首の補助に関連付けられる乗数は、これらの関節に対する生理学的モーメントが図１７Ａおよび図１８Ａに示される歩行スピードとともに増大する態様と同様に、歩行スピードとともに実質的に線形に増大し得る。
【０１０９】
調整因数は、実施形態では、エクソスーツシステム１００が対応の関節に送出すべきベースラインピーク力に適用され得る。図１７Ｃおよび図１８Ｃは、例示的な目的のみのために、図１７Ｂおよび図１８Ｂの乗数で調整されるような股関節および足首関節のそれぞれに適用され得るいくつかの例示的な調整されたピーク力を示す。これらのグラフは、制御システムが、腰に対して約２００Ｎ、および足首に対して約３５０Ｎのベースラインピーク力を与えるように構成されるという仮定に基づいているが、当業者は、これらが単なる例示的なベースライン力であり、本開示に従って任意の好適な空間的−時間的要因によって任意の好適なベースライン力を調整し得ることを認識するであろう。図１７Ｂに見られるように、たとえば、約０．５ｍ／ｓのよりゆっくりとした歩行スピードが約０．４という腰の乗数という結果を生じ、これは、ベースラインピーク力２００Ｎを、図１７Ｃに示されるようなその歩行スピードでの約８０Ｎの調整ピーク力に低減する。同様に、図１８Ｂに見られるように、約０．５ｍ／ｓのよりゆっくりとした歩行スピードが約０．４という足首の乗数という結果を生じ、これは、図１８Ｃに示されるような足首力プロファイルに従って、約３５０Ｎのベースライン足首ピーク力を、その歩行スピードでの約１４０Ｎの足首ピーク力に低減する。一方で、約１．７５ｍ／ｓのより速い歩行スピードでは、たとえば、腰および足首のピーク力変更子は、図１７Ｂおよび図１８Ｂに示されるように約１．４であり得、これは、図１７Ｃおよび図１８Ｃに示されるように、約２００Ｎおよび約３５０Ｎからそれぞれ約２８０Ｎおよび約４９０Ｎの調整ピーク力へそれぞれのベースラインピーク力を増大させる。図１７Ｂおよび図１８Ｂに与えられる例示的な乗数は、運動性スピードとともに実質的に線形に増大するものとして示されるが、乗数は線形の関係に従う必要はなく、任意の好適な態様で規定されてもよいことを認識すべきである。
【０１１０】
図１９Ａおよび図１９Ｂを参照して、制御システム５００は、上述のように、力またはパワープロファイルの大きさを対応して調整する際に用いるためのユーザの運動性スピード（たとえば、歩行スピード、走行スピードなど）を推定するように構成され得る。図１９Ａを参照して、歩行スピードは、実施形態では、部分的に、ＩＭＵから判定される腰の角度の測定値を用いることによって推定され得る。特に、図１９Ａに示されるように、矢状面でユーザの腰の運動範囲Θを規定するのにこれらの測定値を用いることができる。次に脚の長さｌlegおよび矢状面での腰の運動範囲Θの関数として、ユーザの歩幅ｌstepを
以下の式（７）に従って推定することができる。
【０１１１】
【数７】
0006878271.tif 000009
【０１１２】
脚の長さｌlegは、実施形態では、測定されるかまたは推定される一定の変数であり得
る。たとえば、制御システム５００は、典型的なユーザの平均的な脚の長さに基づいて代表的な値を仮定してもよく、またはシステムを起動する前にユーザが自身の脚の推定長さもしくは測定長さを入力し得るように構成されてもよい。
【０１１３】
依然として図１９Ａを参照して、次に、以下の式（８）に従って、歩幅ｌstepおよび１歩にかかる時間（step time）ｔstep（すなわち、ある足の着地から次の足の着地までに
経過する時間）の関数として、歩行スピードＶwallkingを推定し得る。
【０１１４】
【数８】
0006878271.tif 000010
【０１１５】
実施形態では、１歩にかかる時間ｔstepを踵接地の間のまたは任意の他の歩行イベントの間の期間として測定し得る。図１９Ａを参照して、１歩にかかる時間を、２つの後の歩行周期の間に腰が最大屈曲角度に達する間の期間として測定し得る。上述のような踵接地または他の歩行イベントを検出するように、ＩＭＵ、ジャイロスコープ、または任意の他の好適なセンサ配置を構成し得る。次に、以前に検出した踵接地または他の歩行イベントの時間を最近検出したものの時間から減算することによって、１歩にかかる時間ｔstepを算出することができる。当然ながら、当該技術分野で公知の任意の好適な他の態様に従って１歩にかかる時間を測定または推定してもよい。
【０１１６】
図１９Ｂを参照して、ユーザの歩行スピードを推定するこの方策を検証するために試験を行った。実線はスピード推定方法の出力を示し、破線は、ユーザが歩行した機材付トレッドミルが測定するような歩行スピードを示す。図１９Ｂに示されるように、制御アルゴリズムは、体幹の動きおよび歩幅の変化などの多数の混乱を招く要因を処理できてもよい。
【０１１７】
当然ながら、ユーザの関節に対して運動補助を提供するためにソフトエクソスーツ２００で生成すべき適切な力の大きさを所与の適用例に適した任意の数の要因に従って判定してもよく、本開示は、以上掲記されるそれらの例のうち任意のものまたはその組合せに限定されるべきではないことを認識すべきである。
【０１１８】
補助のタイミング
関節の現在の運動に対する補助を誂えるため、かつ異なる運動性活動および異なるユーザが歩行する態様に適合する自然な補助を提供するために、制御システム５００は、前述したような体の上にまたはその近くに位置決めされるさまざまな運動センサ４２０および／または歩行イベントセンサ４３０からの入力を利用してどのようにユーザが動いているかを判定し、次に補助の適切なタイミングを判定するように構成され得る。その目的のため、制御システム５００は、関節の運動の測定値をリアルタイムでモニタし、下にある筋肉および腱がワークを行なってちょうどよいときに補助を開始する時間を推定し得る。そのような測定値またはその組合せは、作動の開始のトリガ（「開始トリガ」）となり得る。
【０１１９】
開始トリガは、所与の適用例または運動性活動に依存して異なり得る。１つの実施形態では、特定の関節動きイベントの検出が開始トリガとなり得る。特に、補助すべき運動は、典型的に、関節の角度が最大値に達したときまたは関節が動きの方向を変えたときなどの特定のイベント時に開始し、そのため制御システム５００はそのような検出を開始トリガとして解釈するように構成され得るということであってもよい。別の実施形態では、関節が特定の角速度に達したことの検出が開始トリガとなり得る。たとえば、ある適用例では、測定された角速度の大きさが示すように）、関節がしきい値スピードの上または下で動いている際に関節の運動を補助することのみが望ましいことがある。他の適用例では、測定された角速度の符号が示すように、関節が特定の方向に回転している間に補助を与えることが望ましいことがある。（たとえば、速度のようなおよび／または加速度のような測定値を生じるように角度導関数などを算出することによって）、関節の角度の測定値を同様の態様で用いてもよいことを認識すべきである。また別の実施形態では、関節の角度と角速度との組合せの検出が開始トリガとなってもよい。たとえば、ある適用例では、伸張運動の途中まで補助を提供することが望ましいことがある−ここでは開始トリガは、補助すべき伸張運動の一部の開始を表わす特定の角度と（たとえば、反対の屈曲運動を示し得る反対の符号に対する）伸張運動に関連付けられる符号（すなわち＋または−）を有する角速度との組合せの検出であり得る。
【０１２０】
ある適用例では、関節の運動が体の他の部位の特定の運動もしくは運動の組合せ、および／または体の運動に関連付けられる別のイベントに一致するときのみに関節に補助を与えることが望ましいことがある。たとえば、さまざまな実施形態では、制御システム５００は、足が地面に接したときに脚の関節の補助を大きくするように構成されてもよい。このように、補助を、ユーザを前方に推進してこれにより効率を増大させるのに役立つそれらの運動に合わせてもよい。そのような場合、開始トリガは、関節の運動の関連のしるしの検出に加えて、足が地面に接したことの何らかのしるしの検出を備えてもよい。実施形態では、１つのそのような検出は踵接地の検出であり得る。制御システム５００は、足首の補助に向けられる制御システムの実施形態の文脈でより詳細に後述するように、センサ４３０の１つ以上から集められる測定値からそのようなイベントを検出するように構成されてもよい。当然ながら、他の関節の運動に基づいて補助を与えるべき場合は、制御システムはそれらの他の関節の運動をモニタし、次に問題の関節の補助を開始するのに必要な１つ以上のトリガを検出するように構成されてもよい。
【０１２１】
補助の持続時間
制御システム５００は、関節運動の測定値をさらに利用して、関節にアクティブな補助を与えるのをいつ止めるべきかを判定し得る。
【０１２２】
さまざまな実施形態では、制御システムは、関節が予め定められた角度または回転速度に達すると補助を終了するように構成され得る。その目的のため、実施形態では、制御システムは、リアルタイムの角度測定値をモニタして、所望の角度に達すると作動を終了し得る。関節の運動が停止するまたは方向を変える時に補助を終了することが望ましいことがあり得る場合などは、同様のプロセスを利用して、補助を終了するための異なるトリガを特徴とするいくつかの実施形態で補助の持続時間を推定してもよい。実施形態では、制御システムは、リアルタイム回転速度測定値をモニタし、測定された角速度がゼロに達したときに作動を終了することによって、同様の態様で間接的に補助の持続時間を判定してもよい。
【０１２３】
制御システムは、さまざまな実施形態では、関節の角度、速度、および／または他の運動関連の測定値のリアルタイム測定値をモニタして歩行関連のイベントを検出し、補助プロファイルおよび運動補助をいつ開始、維持、および終了すべきかを決めてもよい。制御システムは、この情報を用いて、下にある筋肉および腱がいつ関節においてトルクを創出するかを推定してちょうどよいときに補助を開始してもよい。
【０１２４】
次にコントローラは、対応の力の大きさを生成するのに好適な第１の作動位置にモータを駆動してもよい。制御システムは、関節運動のリアルタイム測定値をモニタし続けて、生物学的筋肉および腱が力をシステムケーブルが作動を与えることができる方向に関節に与えるのをいつ止めるかを測定回転速度または角度導関数に基づいて推定してもよく、これによりシステムは透明になり（作動を終了する）、筋肉が反対方向に働くのを妨げない。
【０１２５】
これに代えて、制御システム５００は、補助力を生成したエクソスーツ２００をモニタして、予め規定された値または予め規定された割合の力の変化を検出することによっていつ補助を終了するかを判定してもよい。さまざまな実施形態では、そのような変更は、補助すべき運動を通して関節が前進したことを示し得る。たとえば、アクティブな力の生成の間にケーブルが一定の位置に維持される実施形態では、力は、関節が動き続けるにつれて大きくなるおよび／または小さくなる。一旦力が予め定められたしきい値に達してその後の運動に干渉しなくなると、制御システム５００は力の変化を検出しかつ作動を停止するように構成されてもよい。そのようなことは、より詳細に後述するように、足首の運動の立脚背屈相（すなわち、立脚背屈の際に加えられるプレテンション力の上昇を検出しかつ適切な態様でケーブルを動かして後の立脚底屈運動を補助する）の間にそうであり得る。全く同じ効果が腰伸張補助にも適用可能であり（すなわち、脚が鉛直に近づくにつれての力の減少を検出する）、他の関節に適用可能であり得る。
【０１２６】
そのため、制御システムは、所望の力プロファイルから関節運動において各々の点で発生すべき対応の力の大きさを同定して、ケーブルを対応の位置に動かし得るまたは所望の力を指令し得る。そのような制御システムは、いつ作動が開始および終了するかをリアルタイムで制御し、したがって着用者にとって有利であるときに補助が与えられるように異なる個人の歩き方または異なる活動に適合し、いずれの他の状況でもシステムが一切の力を生成しないように補助が停止される。
【０１２７】
より詳細に以下にさらに説明するように、制御システム５００は、代わりに、関節運動の持続時間を推定するようにまたは他のやり方で予測するように構成されてもよい。次に、今度は関節を補助するようにエクソスーツシステム５００が作動され得る適切な持続時間（「補助持続時間」）を判定するのに、補助すべき関節運動の推定持続時間（「関節運動持続時間」）を用いてもよい。そのような方策により、制御システム５００は、作動を開始する前に好適な作動プロファイルを生成できるようになり得、これに従ってソフトエクソスーツは、関節運動のリアルタイムの測定値をさらにモニタして、運動の終了を示す終了トリガを検出する必要なく、作動され得る。
【０１２８】
制御システム５００は、他のそのような実施形態では、前の運動周期からの関節運動測定値を利用して、現在の運動周期において来るべき対応の運動の持続時間を推定するように構成され得る。そのような方策は、ユーザが歩いたり走ったりなどする際の脚の関節の運動性運動などの反復運動を補助するのに特に有用であり得る。さまざまな実施形態では、そのような近似は、活動の循環的な性質を考慮して現在の運動の持続時間を厳密に予測し、所望の補助にぴったり一致させるのに好適な作動プロファイル（後述）という結果をもたらし得る。
【０１２９】
例示的な例として、平均的な歩行周期の典型的に約３０％にわたる運動である前方遊脚相の後に屈曲位置から脚を引き戻すのを助けるようにエクソスーツ２００を作動させるように制御システム５００が構成される歩行補助適用例を検討する。制御システム５００は、実施形態では、まず、関節運動またはその前の周期から取られた他の測定値から（本明細書中では重複歩時間とも称される）前の歩行周期の持続時間を算出し、次に、現周期の間の来るべき関節運動の持続時間を、前の重複歩時間の重複歩時間の３０％として推定し得る。別の実施形態では、制御システム５００は、同じような態様で来るべき関節運動の持続時間を推定し得るが、運動が平均的な歩行周期の約３０％にわたると仮定するよりもむしろ、制御システム５００は、代わりに、複数の前の歩行周期の間の、運動がその間にわたる実際の割合を判定して第１の近似を与え得る。なお、これについては、集積されたセンサからのリアルタイム測定値を用いることによって後にコントローラが訂正することができる。特に、制御システム５００は、前の歩行周期の間に取られた関節運動測定値を利用して関節運動がいつ開始し終了したかを同定し、次にそれらをそれらの周期のそれぞれの重複歩時間に関連させて前の各周期毎の関節運動持続時間割合を判定するように構成され得る。実施形態では、これらの割合を平均して、現在の歩行周期の間に補助すべき関節運動の持続時間を推定するためのよりカスタマイズされた根拠を提供し得る。
【０１３０】
重複歩時間は、さまざまな実施形態では、センサ４００の１つ以上を利用して任意の好適な態様で判定され得る。実施形態では、重複歩時間は、各周期に発生する特徴的なイベントの連続検出の間に経過する時間として算出され得る。たとえば、制御システム５００は、所与の脚についての連続踵接地の間に経過する時間を測定し、これを重複歩時間として規定し得る。別の例として、制御システム５００は、最大腰屈曲または伸張の連続検出の間に経過する時間を測定し、これを重複歩時間として規定し得る。この開示では、踵接地および最大屈曲／伸張角度を検出するための方法ならびにそのような連続検出の間に経過する時間間隔を判定するための方法をより詳細に後に与える。
【０１３１】
補助の持続時間は、所与の適用例についての任意の数の好適なやり方でそのようなセンサ測定値から判定されてもよく、本開示は、以上述べたそれら例示的な実施形態のみに限定されることが意図されるものではないことを認識すべきである。
【０１３２】
作動プロファイルの生成
前述したように、制御システム５００は、エクソスーツシステム１００が生成すべき所望のピーク力を判定し、かつ補助すべき関節運動がいつ始まるかを同定し、かつ関節運動の持続時間を推定するように構成され得る。さまざまな実施形態では、制御システム５００は、この情報を利用して作動プロファイルを生成し得、これに従ってエクソスーツシステム１００は、所望の運動補助を関節に送出するように作動され得る。
【０１３３】
制御システム５００は、さまざまな実施形態では、運動の開始の作動プロファイルを予め生成するように構成され得る。１つのそのような実施形態では、制御システム５００は、以前の周期のみの間の同様の運動の持続時間に基づいて関節運動の持続時間（およびしたがって補助の持続時間）を推定し得る。一方で、そのような方策は、関節運動がそれらのそれぞれの周期内でいつ開始したか／いつ開始するかの一切のばらつきを考慮しないことがある−すなわち、以前の周期の関節運動が以前の周期で開始したときよりも、現周期の関節運動が現周期でより遅く開始すれば、推定持続時間は現周期の関節運動の実際の持続時間よりもいくぶん長くなり得、その逆も然りである。しかしながら、一方で、そのような方策は、他のものよりもより複雑さが少なく、潜在的に、来るべき作動のための準備を行なうある程度の時間を制御システム５００に許容し得る。別の実施形態では、開始トリガが検出されたときまたはその僅かに後に作動プロファイルに反映される持続時間を修正することによって前述の潜在的なばらつきに対処するように制御システム５００をさらに適合することができることを認識すべきである。
【０１３４】
さまざまな他の実施形態では、制御システム５００は、運動の実際の開始時間を考慮した関節運動持続時間の推定に基づいて、開始トリガの検出時にまたはその僅かに後に作動プロファイルを生成するように構成されてもよい。１つのそのような実施形態では、制御システム５００は、前述の方法の１つまたは任意の他の好適な方法を利用して、このときに関節運動の持続時間（およびしたがって補助持続時間）を推定してもよい。
【０１３５】
周期的な股関節運動を補助するための例示的な制御システム
図２０は、強固な力の発揮を維持しながら腰に対する補助トルクを開始する腰制御アーキテクチャの実施形態の概略図である。腰制御システム６００は、股関節に補助を与えて、歩行、走行、および跳躍などの運動性活動の際の周期的伸張運動を補助するように構成され得る。その目的のため、図１２Ａのエクソスーツまたは図１２Ｅのエクソスーツ２００の第１のモジュールに関連して、ユーザの腰の伸張運動を補助するトルクを送出するのに好適な任意の他の構成とともに腰制御システム６００のさまざまな実施形態を用い得る。腰制御アーキテクチャは、ソフトエクソスーツ２００の少なくとも一部と、１つ以上の慣性測定ユニット（ＩＭＵ）または腰屈曲および回転速度を測定するための他の好適なセンサ４２０配置と、１つ以上のロードセル４３０と、制御システム６００とを備え得る。ソフトエクソスーツ２００のウエストアンカー２１２と腿アンカー２１４との間でケーブル３２０を引くと、股関節周りでトルクを創出する補助力を生成し得る。
【０１３６】
１つ以上の実施形態では、ＩＭＵは、ユーザの腿（または所定の測定値を取るための任意の他の好適な場所）に装着され、人の体の運動、特に腿の角度を測定しかつ腰屈曲角度を推定するように構成され得る。図２０はＩＭＵのみの使用を示すが、腰制御システム６００の実施形態は、電位差計および加速度計などの他の種類の動力学的および／もしくは運動学的センサを用いてもよく、ならびに／または付加的なセンサを含んでもよい。ロードセルは、エクソスーツ２００中で生成される引張り力を測定するように構成される、トランスデューサなどの力センサ４１０であり得る。腰制御システム６００の実施形態は、ロードセルの代替としてまたはそれに加えて、他の種類の力センサ４１０を用いてもよい。
【０１３７】
腰制御システム６００の１つの利点は、手近の生体力学タスクとは独立して有利な運動補助を適用できることである。歩行、走行、跳躍、および階段上りなどの多数の活動は、関節運動の同様のシーケンスを共有し、これらの運動に関連付けられる筋肉群は、同様の期間の間活性であり得る。そのため、多数のそのような運動は、行なわれている運動性活動に係わらず、同様の開始トリガを共有する。
【０１３８】
生物学的腰伸張トルクの開始点は、異なる被験者の間でおよび異なる活動の間で大きく異なる可能性がある。この大きな変動性は、適用される補助の開始を、踵接地のタイミングに基づいて推定するよりもむしろ、腰の正のパワーの開始のタイミングと同時になるように定める必要性を導入した。生体力学的観点から、運動性の間は、腰の伸筋は、腰がその最大屈曲角度に達する僅かに前に活性化し始める。人の被験者のデータの動力学的および運動学的データを綿密に調べて、我々は、股関節のモーメントが正の腰のパワーの開始点とほぼ同期してその最大屈曲に達することを見出した。この理由付けに従い、我々は、最大腰屈曲を好適な歩行イベントとして用いて腰伸張補助の開始タイミングを判定することにした。
【０１３９】
補助は、さまざまな実施形態では、運動に関連付けられる筋肉が最も活性であるときに与えられ得る。たとえば、ハムストリングおよび大臀筋などの腰の伸筋は典型的に、最も運動性の高い活動において活性化されて伸張運動を補助する。特に、これらの筋肉は前の屈曲運動の後に最も活性であり、ユーザの腰をその前方に伸ばした脚の上で引くことによって歩行を補助し得る。図２１Ａに示されるように、典型的な歩行周期では、最大腰屈曲は、歩行周期の約８５％（たとえば、歩行周期の終期遊脚）で起こる。図２１Ｂおよび図２１Ｃの筋電（ＥＭＧ）ハムストリングおよびＥＭＧ大臀筋グラフは、ハムストリングおよび大臀筋が最大腰屈曲に達した後（たとえば、荷重をかけた歩行については歩行周期の約９１％）に活性となり、歩行周期の約３０％で不活性になることを示す。
【０１４０】
そのため、股関節が最大屈曲角度に達したことが検出されると腰伸筋に補助を与え、ユーザの歩行において股関節が実質的に鉛直角（すなわち、地面に対して垂直の脚）に回復した時間あたりまで補助を継続することが有利であり得る。図２２Ａは、この運動を補助するためのユーザの歩行の際の力の例示的な付与を示し、図２２Ｂは、脚の生体力学的観点でタイミングを実証するための、ユーザの（前述したように腰の角度に関連付け可能な）対応の腿の角度を示す。
【０１４１】
その目的のため、さまざまな実施形態では、腰制御システム６００は、リアルタイム関節運動測定値をモニタして、前述の腰伸張運動の開始−すなわち、腰関節が最大屈曲角度にいつ達するか−を検出するように構成され得る。腰制御システム６００は、前述の例示的な方法のいずれかまたは任意の他の好適な方法を利用してこれを達成するように構成され得る。たとえば、腰制御システム６００は、実施形態では、腰の角速度のリアルタイム測定値をモニタして、腰屈曲運動の終了およびその後の腰伸張運動の開始に関連付けられる符号の変化を検出し得る。別の実施形態では、腰制御システム６００は、類似の態様で、腰の角度のリアルタイム測定値をモニタし、屈曲運動に関連付けられる大きさの増大を腰の角度がいつ停止し、その後の伸張運動の開始時に大きさをいつ減少し始めるかを検出し得る。先に注記したように、これは歩行周期の約８５％であり得る。
【０１４２】
腰制御システム６００は、関節運動の持続時間、およびしたがって補助を提供すべき持続時間を推定するようにさらに構成され得る。腰制御システム６００は、前述した例示的な方法のうち任意のものまたは任意の他の好適な方法を利用してこれを達成するように構成され得る。その目的のため、腰制御システム６００は、実施形態では、前述したように、ユーザの現在の重複歩時間を推定して股関節が補助すべき運動の終了に達するのにどのくらいの時間がかかるかを推定するように構成され得る。以前に注記したように、補助すべき腰伸張運動の終了−すなわち、腰の角度が地面に対して実質的に鉛直であるとき−は、荷重をかけた地上の歩行については歩行周期の約３０％であり得る。重複歩時間は、さまざまな実施形態では、前の周期からの重複歩時間を利用して推定され得る。１つのそのような実施形態では、腰制御システム６００は、推定最大腰屈曲角度の連続検出の間に経過する時間として重複歩時間を判定するように構成され得る。
【０１４３】
腰制御システム６００は、さまざまな実施形態では、前述の例示的な方法のうち任意のものまたは任意の他の好適な方法を利用して、所望のピーク力およびそれを生成するための関連のケーブル位置を判定するように構成され得る。たとえば、腰制御システム６００は、腰の運動を補助するためにエクソスーツにおいて約３００Ｎのベースラインピーク力を送出するようにプログラミングされ得る。当然ながら、このベースライン力を、とりわけ、図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１７Ｃの文脈で前述したように、空間的−時間的要因（たとえば運動性スピード）またはユーザの体重／荷重などの任意の数の要因に対処するように調整可能である。腰制御システム６００は次に、前述の力ベース位置制御アルゴリズムまたは任意の他の好適な方法を利用して、所望のピーク力を送出するための適切なケーブル位置を判定し得る。たとえば、腰制御システム６００は、実施形態では、まず、前の周期の間にスーツにおいて生成される実際のピークパワーを判定し、次に、式（２）に従って、前の周期のケーブル位置に現在所望されるピーク力と前の周期からの測定ピーク力との比を乗算することによって現在の周期についてのケーブル位置を判定し得る。
【０１４４】
加えてまたはこれに代えて、さまざまな実施形態では、腰制御システム６００は次に、前述のように、パワーベース位置制御アルゴリズムを利用して、股関節に所望の積算パワーを送出するための適切なケーブル位置を判定し得る。たとえば、腰制御システム６００は、実施形態では、まず、前の周期の間に与えられた補助を通じて生成された力および股関節の角速度の関数として、前の周期の間にエクソスーツシステム１００によって股関節に送出された実際の積算パワーを判定し得る。次に、腰制御システム６００は、式（４）に従って、以前の周期のケーブル位置に現在所望される積算パワーと前の周期の間に測定された積算パワーとの比を乗算することによって、現在の周期についてのケーブル位置を判定し得る。
【０１４５】
図２３Ｂは、股関節伸張運動を補助するための代表的な力を示す。図２３Ｃは、股関節伸張運動を補助するための作動プロファイルを示す。図２３Ａは、ＩＭＵが測定する対応の代表的な腰角度測定値を示す。
【０１４６】
これらのプロファイルは、図２０に関して説明したように、腰制御アーキテクチャのためのソフトエクソスーツによって生成され得る。腰制御アーキテクチャユニット中での軌道の生成は、補助の期間を通じてケーブル３２０を引くことによって所望の力を発生するアクチュエータ軌道を生成するように適合され得る。作動の開始時間（たとえば、台形プロファイルの立上がりエッジ）は、前述のように、ＩＭＵからの推定最大腰屈曲角度に設定される。実施形態では、台形プロファイルの大きさは、力ベース位置制御を参照して前述したように、以前の重複歩の際に経験された指令された大きさと実際の大きさとの間の任意の差に対処するように修正され得る。特に、腰制御システム６００は、最後の重複歩の最大補助ピーク力（または積算ピークパワー）をモニタし、これに応じて現在の重複歩についての台形プロファイルの大きさを調整し得る。大きさは、最後の重複歩の補助ピーク力（または積算ピークパワー）が所望のピーク力範囲（または積算ピークパワー範囲）に達していなければ大きくなり、それがピーク力範囲（または積算ピークパワー範囲）を超えていれば小さくなる。作動の解放時間（たとえば、台形プロファイルの立下がりエッジ）は、歩行周期の約４０％であり、これは、ＩＭＵから検出される最後の重複歩時間を用いて重複歩時間ユニットによって算出される。台形プロファイルは、環境の変化に適合するようにかつ所望の力の発揮を維持するように、１つ以上の重複歩について自動的に調整され得る。
【０１４７】
制御システム６００は、重複歩時間、測定された力、および所望の力に対処することによって、"generateProfile"モジュールを用いて作動プロファイルも生成し得る。アクチ
ュエータ／コントローラユニットは、予め定められた周波数（たとえば１００Ｈｚ）で、測定された力を受信し、かつメモリ（たとえばバッファ）の中にこれを記憶し得る。１つ以上の以前の歩行周期からの測定された力を用いて、アクチュエータ／コントローラユニットは、以前の重複歩時間の持続時間、所望の力、および以前に測定された力に基づいて、位置プロファイルを生成し得る。測定された力は、最後の重複歩の最大補助ピーク力の算出に基づき得る。
【０１４８】
アクチュエータ／コントローラユニットは、"generateProfile"モジュールを実現して
、測定された力（たとえば、positionHipAmplitude = positionHipAmplitude * desired_force/measured force）を用いて、補助力の位置振幅を訂正し得る。実施形態では、"generateProfile"モジュールは、特定された振幅および重複歩時間の持続時間を有する台形
の位置プロファイルとして位置プロファイルを生成し得る。台形位置プロファイルの立下がりエッジまたは作動の解放は、歩行周期の約４０％で起こり得る。単純なプロファイルの例として、"generateTrapezoid"モジュールは、約８５％の歩行周期で「ｓ１」の傾斜
を有する立上がりエッジと、約４０％の歩行周期で傾斜「ｓ２」を有する立下がりエッジとを有する位置プロファイルとして台形を発生し得る。台形位置プロファイルの立下がりエッジは、"percentageOff"変数を設定することによって調整され得る。
【０１４９】
【表２】
0006878271.tif 000011
【０１５０】
図２３Ｃ中の作動プロットは、アクチュエータが歩行周期の約９１％のときまたは最大腰屈曲に達した後に活性化し、所望の補助力を加えるのを示す。なお、以前に述べたように、作動の開始は最大腰屈曲角度のリアルタイム検出に基づいているため、この割合は固定されているのではなく、むしろ各個人または各活動に合わせられており、これは、歩行周期の関数としての固定作動プロファイルに依拠する現行技術の方法と比較すると大幅な改良である。アクチュエータは、図２３Ｃでは歩行周期の約３０％である作動の解放時間まで所望の補助力を加え続ける。腰制御システム６００は、ＩＭＵなどのセンサからリアルタイムで腿の角度および腿の回転速度を受信し、腿の角度および腿の回転速度に基づいて１つ以上の作動プロファイルを正確に適用し得ることを想起されたい。
【０１５１】
そのような態様で作動タイミングおよび持続時間を判定することにより、制御システム６００は、股関節の自然な動きに悪影響を及ぼし得るやり方でソフトエクソスーツシステムを作動させるのを回避するように働き得ることを認めるべきである。換言すると、腰制御システム６００の実施形態は、補助が望まれる運動を関節が実際に経ているときにのみ確実に補助が与えられるように働き得る。これは既存のシステムに対する大きな改良である。たとえば、補助すべき運動に達する前にユーザが突然停止した場合、開始トリガが検出されることはなく、作動は発生しない。このように、ユーザは、たとえば、突然の停止後にじっと立ったままの状態でスーツの不要な作動に困ることはない。ソフトエクソスーツについては、システムが不活性であるまたは緩んだモードにある、すなわち制御システムがケーブルを押出してケーブルに張力がかかっていないことを確実にしている場合には、システムの慣性と関節との干渉は無視できる程度であるので、ユーザは、システムが作動を開始しなければ、感知できる程度の力を全く感じない。剛性システムなどの他の現行技術の外骨格であれば、生物学的脚に対して大きな慣性が加えられるために、正常な運動を制限しないように関節に対する力が望まれていない場合には不活性のまま留まるよりもむしろ、力制御などの方策を用いることによって、力を生成せずに関節の動きを制御システムが追跡することを要件とするであろう。別の例として、ユーザが突然に減速した場合には、任意の好ましくない作動は、与えられる補助の持続時間のみに限定され得る−すなわち、推定補助持続時間は実際の関節運動持続時間よりも僅かに長くなり得、その結果、その周期については実際に必要であるよりも長い補助が与えられる。当然ながら、腰制御システム６００は、重複歩時間の大幅な変更が発生したことを理解し、次の周期については持続時間を調整し、これにより任意の悪影響を現周期のみに限定し得る。
【０１５２】
さらに、腰制御システム６００は、さまざまな実施形態では、補助を提供すべきタイミングを変え得るイベントをリアルタイムで検出するように構成され得る。１つのそのような状況は、ユーザが岩または丸太を跨ぐことによってなど、その経路の障害物を回避している場合に起こり得る。これが生じると、ユーザは、障害物をクリアしかつそれを跨ぐために通常の運動性の際に屈曲するよりも大幅に大きくその腰を屈曲することがある。
【０１５３】
図２４は、障害物回避検出ユニットを含む腰制御アーキテクチャの実施形態の概略図である。前述したように、補助トルクは、屈曲した（すなわち持上げた）状態から伸張（すなわち鉛直）状態に向けて腿を引くように働く回復力として腰に与えられ得る。実施形態では、腰に対する補助トルクは、腰コントローラおよび／またはＩＭＵが検出するように、最大腰屈曲の瞬間から開始して加えられ得る。しかしながら、実世界の使用では、ユーザは、岩または丸太などの自身の経路中の障害物を回避するために通常の歩行パターンから外れる必要があり得ることに留意すべきである。障害物を跨ぐまたはそのような障害物を回避するためにそれ以外のやり方で動く際に、ユーザの腰は過剰に屈曲する−すなわち、歩行の際にユーザの正常な運動範囲（ＲＯＭ）に典型的に関連付けられる最大屈曲角度を超えて屈曲し得る。そのような場合、腰コントローラが通常の時間に腰の補助を開始すれば（すなわち、典型的な最大屈曲角度が検出された場合）、ソフトエクソスーツは、具合の悪い時間に−すなわちユーザが障害物を跨ぐために過剰に屈曲している間に−この回復力を与えることがある。これは、ユーザの所望の運動を補助するよりもむしろ、ユーザの運動を妨げることがある。
【０１５４】
そのため、腰制御アーキテクチャは、ＩＭＵからの測定値を介してそのような障害物回避運動を検出し、応答してそのような妨げを回避するように腰補助を与える時を遅延させるように構成され得る。特に、図２５Ａ、図２５Ｂ、および図２５Ｃを参照して、さまざまな実施形態では、障害物回避検出は、ＩＭＵが集める腰角度データ対多数の過去の歩数にわたって測定された履歴腰角度データのリアルタイムモニタリングを介して達成され得る。特に、通常の歩行の際、腰は、図２５Ａ中で腰角度曲線を囲む水平方向の境界線で示されるような、約６５度の典型的な最大屈曲角度と約１４０度の最大伸張角度との間にわたる、矢状面中の正常なＲＯＭを有する。システムは、着用者の腰の動きの正常な参照として、一連の以前の歩数にわたる（たとえば以前の５歩にわたる）このＲＯＭの移動平均を算出するように構成され得る。
【０１５５】
次に、障害物回避操作に関連付けられる運動についてリアルタイムで腰角度データをモニタすることができる。特に、着用者がその膝を上向きに引いて（すなわち、その腰を過屈曲させて）、その前に出ている足を障害物を超えて振ると、測定された腰の角度はユーザの正常なＲＯＭに関連付けられる最大屈曲角度を大きく超え得る。この過屈曲の期間は、図２５Ａでは約１．５秒と約１．７５秒との間に示される。ここで、腰の角度は、ほぼ３５度正常なＲＯＭの屈曲境界を超えており、これは、ユーザがそのときの回復力の印加によって妨げられるであろう運動に従事していることを明確に示す。当然ながら、障害物回避運動を検出して補助力の印加を遅延させるための任意の好適なしきい値を規定してもよい。実施形態では、そのようなしきい値を、その分だけリアルタイムの腰角度測定値が正常なＲＯＭの最大屈曲境界を超えなければならない予め定められた割合として設定し得る。たとえば、障害物回避調整は、腰の角度が正常な屈曲境界を２５％超えたときにのみトリガされ得る。実施形態では、そのようなしきい値は、過去のいくつかの歩行周期にわたる最大腰角度測定値の標準偏差に基づき得る。たとえば、障害物回避アルゴリズムは、リアルタイム腰角度測定値が、２倍以上などの予め定められた因数分この標準偏差を超えたときにトリガされ得る。実施形態では、しきい値は、典型的なユーザの歩行でわかっている自然な変動性の因数であり得る。たとえば、生体力学の技術分野では、ユーザのＲＯＭが通常の歩行条件下で約３％〜約４％だけ変動し得ることが公知である。
【０１５６】
このように、リアルタイム腰角度測定値が２倍以上など予め定められた因数だけこの変動性を超えるときに障害物回避アルゴリズムをトリガすることができる。当業者は、任意のそのようなしきい値を、偽のトリガを回避するように十分高く、しかし性能および着用者の快適さに大幅に悪影響を与え得るときには確実に回復力が加えられないように十分低く、規定することが有利であり得ることを認識するであろう。前述のように、剛性システムなどの他の現行技術の外骨格であれば、関節に対して力が所望されないときに不活性のまま留まるよりもむしろ、力制御などの方策を用いることによって、障害物が検出されれば力を生成せずに制御システムが関節の動きを追跡することを要件とするであろう。
【０１５７】
腰の補助は、障害物回避運動の検出後、任意の好適な持続時間の間遅延され得る。実施形態では、システム６００は、図２５Ｂおよび図２５Ｃに示されるように、腰が正常なＲＯＭの境界の範囲内に戻るまで補助を遅延するように構成され得る。特に、図２５Ａを参照して、このグラフでは、約１．５秒において腰の角度が正常なＲＯＭ屈曲境界を超えることに留意されたい。腰の角度は次に、約１．６秒においてピーク（すなわち最大過屈曲）に達し、約１．７５秒において正常なＲＯＭの範囲内に戻る。図２５Ｃに示されるように、システムがソフトエクソスーツにおいて対応の腰補助ケーブル（たとえば、ウエストベルトと腿ラップとを接続するもの）の作動を指令するのは、腰の角度が正常なＲＯＭの範囲内に戻るこのときである。次に、この結果、ケーブルは、図２５Ｂに示されるように腰付近で力を加える。実施形態では、システムは、横断される障害物の遠い側に対応の脚が着地するまで補助を遅延するように構成され得る。これは、過屈曲の後の対応の脚による踵接地の検出を介して判定することができる。そのような方策により、一方では、不適切なときにはさらに確実に回復力が加わらないようにし得るが、他方では、それが所望され得るときに−すなわち、着用者が自身の脚を使って自身の体を障害物の上に引上げると−臨界時間を超えて補助を遅延させることがある。当然ながら、本開示は、障害物回避運動の検出の際に腰補助が遅延され得る任意の特定の持続時間に限定されることを意図されない。
【０１５８】
以下の表３は、最大腿屈曲で作動をトリガし、これを腿の鉛直方向位置で停止する腰制御アルゴリズムである。低レベル制御は、位置制御台形プロファイルである。ピーク位置にあり得る補助の大きさは、以前の１歩で測定されたピーク力に基づいて１歩毎に調整される。腿過屈曲の場合には、作動が開始するタイミングが遅延される。補助力の大きさは、歩行スピード、被験者の体重にも基づいて適合される。
【０１５９】
【表３−１】
0006878271.tif 000012
【０１６０】
【表３−２】
0006878271.tif 000013
【０１６１】
前の記載は、大臀筋およびハムストリングの活性化に関連付けられる力を介した補助腰トルクの提供の文脈で論じられるが、同様の制御システムは、同様の態様で、四頭筋などの他の脚の筋肉の活性化に関連付けられる力を介して補助腰トルクを与えるために提供され得ることを認識すべきである。
【０１６２】
さまざまな実施形態では、制御システムは、腰角度および回転速度測定値を利用して、四頭筋が活性である期間の間、（図１２Ｂの文脈で説明されたように、おそらく後面よりもむしろ腿の前面に沿って向けられるボーデンケーブルを作動させることによって、反対の方向であるにも係わらず）補助トルクを提供するように構成され得る。
【０１６３】
周期的な足首関節運動を補助するための例示的な制御システム
図２６は、強固な性能を維持しながら運動性の間足首関節を補助する足首制御システム７００の実施形態の概略図である。足首制御システム７００は、ユーザの足首に補助トルクを与えて、歩行、走行、および跳躍などの運動性活動の際の周期的な足首底屈運動を補助するように構成され得る。その目的のため、足首制御システム７００のさまざまな実施形態を、図１２Ｃ、図１２Ｄ、および図１２Ｅのエクソスーツシステムに関連してならびにユーザの足首の底屈運動を補助するのに好適な任意の他の構成とともに用い得る。
【０１６４】
図２７を参照して、エクソスーツは、所与の脚について、ある踵接地から次の踵接地にわたる歩行周期の３０−６０％の間に、下にある筋肉と同時に足首においてモーメントを発生させる。歩行のこの段階の間、脹脛の筋肉および腱は、体を上方および前方に押す。まず、脹脛は、体の質量中心が地面に置かれた足の上に下方および前方に落ちるにつれて、伸びによってパワーを吸収した。歩行周期の約５０％の後に、この吸収されたパワーは、腱および靭帯が弾性的に跳ね返ると体に戻される。脹脛および腰の筋肉はアクティブに収縮して、この戻されるパワーを付加的なエネルギで補完する。
【０１６５】
制御方法は、同様のやり方で振舞ってもよく、いつパワー吸収から生成に遷移すべきかを推定するようにリアルタイムで歩行イベントを検出することによって、この態様でもパワーを吸収しかつ伝送する異なる手法を可能にし得る。当初は固定長に保持されるアクチュエータ（プレテンション力）を用いて、体が前方に倒れるにつれて、エクソスーツの材料自体が伸び、スーツの下の組織が縮む。これはスーツの中に張力を誘発し、体からパワーを吸収する。生物学的パワー吸収の期間の後、スーツは弾性的に後退し、エネルギを体に戻す。これは、生物学的な足首関節がパワー吸収相からパワー生成に変化して、体を上方および前方に推進する、歩行周期中の点で開始するアクティブな力を提供するアクチュエータによって補われる。
【０１６６】
足首制御システム７００は、同じ１歩内の踵接地およびスピード関連イベントの検出に少なくとも部分的に基づいて補助を生成する。そのため、足首制御システム７００は、図１４Ｂの文脈で以前に説明したように、足首の角速度を測定するように構成される１つ以上のセンサ（「回転センサ」）を備え得る。さまざまな実施形態では、センサは、リアルタイムでの踵接地の検出および足首のスピードの測定の両方を行なうようにエクソスーツ上に位置決めされかつ構成される２つ以上のジャイロを備え得る。
【０１６７】
その目的のため、さまざまな実施形態では、足首制御システム７００は、リアルタイム足首関節運動測定値をモニタして、立脚底屈運動の開始−すなわち、足首が踵接地後に最初に立脚背屈運動から立脚底屈運動へ方向を変化させるとき−を検出するように構成され得る。足首制御システム７００は、前述の例示的な方法のうち任意のものまたは任意の他の好適な方法を利用してこれを達成するように構成され得る。たとえば、足首制御システム７００は、実施形態では、まずジャイロ（またはＩＭＵまたは他の好適なセンサ）からのリアルタイム測定値をモニタして踵接地を検出し、これにより足が地面の上にあり、かつ「立脚」運動を経ていることを確実にするようにし得る。足首制御システム７００は、足首角速度のリアルタイム測定値をモニタして、足首関節が立脚背屈運動を停止して立脚底屈運動を開始したことを示す、足首の測定角速度におけるゼロ交差を検出し続けてもよい。
【０１６８】
足首制御システム７００は、足首立脚底屈運動の持続時間およびしたがって補助を与えるべき持続時間を推定するようにさらに構成され得る。足首制御システム７００は、前述した例示的な方法のうち任意のものまたは任意の他の好適な方法を利用してこれを達成するように構成され得る。その目的のため、足首制御システム７００は、実施形態では、ユーザの現在の重複歩時間を推定して、足首関節が運動立脚底屈運動の終了に達するのにどのくらい時間がかかるかを推定するように構成され得る。腰制御システム７００が腰角度バッファを用いて重複歩時間を判定し得る態様と同様に、足首制御システム７００は、立脚足首角速度バッファを用いて重複歩時間を判定し得る。特に、足首角速度測定値は、公知の周波数（たとえば１００Ｈｚ）でサンプリングされるので、踵接地連続検出の間に取られる立脚足首角速度測定値の数は、当該期間の間に経過する時間に直接に関する。すなわち、取られる立脚足首角速度測定値の数をサンプリング周波数で除算することによって、重複歩時間を算出することができる。踵接地の各検出の際に重複歩時間を算出し得、その後の周期の間プロセスを繰返し得るように、記憶された立脚足首角速度データがメモリから一気に流れた。次に重複歩時間（以前の周期の重複歩時間または複数の以前の周期の重複歩時間の平均）を用いて、前述のように関節運動持続時間を推定し得る。
【０１６９】
足首制御システム７００は、さまざまな実施形態では、前述の例示的な方法のうちいずれかまたは任意の他の好適な方法を利用して所望のピーク力およびそれを生成するための関連付けられたケーブル位置を判定するように構成され得る。たとえば、足首制御システム７００は、エクソスーツの中で約３００Ｎのベースラインピーク力を送出して立脚足首底屈運動を補助するようにプログラミングされ得る。当然ながら、このベースライン力は、図１８Ａ、図１８Ｂ、および図１８Ｃの文脈で前述したように空間的−時間的要因（たとえば運動性スピード）または前述のようにとりわけユーザの体重／荷重などの任意の数の要因に対処するように調整可能である。足首制御システム７００は次に、前述の力ベース位置アルゴリズムまたは任意の他の好適な方法を利用して所望のピーク力を送出するための適切なケーブル位置を判定し得る。
【０１７０】
加えてまたはこれに代えて、さまざまな実施形態では、足首制御システム７００は、パワーベース位置制御アルゴリズムを利用して、前述のように股関節に所望の積算パワーを送出するための適切なケーブル位置を判定し得る。所望のパワーは、図１８Ａ、図１８Ｂ、および図１８Ｃの文脈で前述したように空間的−時間的要因（たとえば運動性スピード）または前述のようにとりわけユーザの体重／荷重などの任意の数の要因に対処するように調整され得る。
【０１７１】
足首制御システム７００は、実施形態では、次に、前の周期の間に与えられる補助を通じて生成される力および足首関節の角速度の関数として、前の周期の間にエクソスーツシステム７００によって足首関節に送出された実際の積算パワーを判定し得る。生物学的な足首のパワーが、立脚相の間に負（歩行周期の３０％〜５０％）および正（歩行周期の５０％〜７０％）である２つの別個の間隔が存在する。積算正のパワーおよび積算負のパワーは、式（５ａ）および式（５ｂ）に従って算出され得、対応のアクティブなかつプレテンションケーブル位置は、式（６ａ）および式（６ｂ）に従ってそれぞれ算出され得る。
【０１７２】
そのような態様で作動タイミングおよび持続時間を判定することにより、制御システム７００は、足首関節の自然な運動に悪影響を及ぼし得る態様でソフトエクソスーツシステム１００を作動させることを回避するように働き得ることを認識すべきである。換言すると、足首制御システム７００の実施形態は、補助が所望される運動を関節が実際に経ているときにのみ確実に補助が与えられるように働き得る。これは、既存のシステムに対する大幅な改良である。たとえば、ユーザが立脚背屈運動の間に突然停止すれば、踵接地およびおそらくその後のゼロ足首速度が検出されるが、しかし、足首が立脚底屈運動に続かなければ、ゼロ交差は生じないかもしれない。そのような場合には、完全な開始トリガが生じず、作動が開始しない。同様に、ユーザが底屈運動の間に突然に停止すれば、開始トリガが検出され、作動が開始し得るが、それは、停止の際に立脚底屈運動が停止すると即座に停止する。このように、ユーザは、たとえば突然の停止の後にじっと立ったままの状態でスーツの不要な作動に困ることがない。別の例として、ユーザが突然減速した場合、任意の好ましくない作動は、与えられる補助の持続時間のみに限定され得る−すなわち、推定補助持続時間は、実際の関節運動持続時間よりも僅かに長くなり得、その結果、その周期に実際に必要であるよりも長い補助が与えられる。当然ながら、足首制御システム７００は、重複歩時間の大幅な変更が発生したことを理解し、引続く周期について持続時間を調整し、これにより何らかの悪影響を現周期のみに限定し得る。
【０１７３】
足首制御システム７００は、さまざまな実施形態では、前述の正のパワー補助に加えて、足首に負のパワー補助を与えるようにさらに構成され得る。生体力学的に、歩行周期の間には、足首関節について別個の負パワー間隔および正パワー間隔が存在する。図２８Ａ、図２８Ｂ、および図２８Ｃはプレテンションおよびアクティブな力の領域を示す。
【０１７４】
図２９Ａ、図２９Ｂ、および図２９Ｃは、関節運動と、指令されたケーブル位置と、派生する力／パワーとの間の関係を示す。足首制御システム７００は、さまざまな実施形態では、足首関節の立脚背屈運動がソフトエクソスーツに反対方向のトルクを加えさせて、これにより立脚背屈運動の際に足首関節において負のパワーを生成するようにプレテンション付与位置にケーブルを維持するように構成され得る。この負のパワーは、足首関節およびケーブルにプレテンションを与えて、その後の推進的な立脚底屈相の間に与えられる補助の有効性を高めるように働き得る。図２９Ａに示されるように、ゼロ交差点の前に送出される力は、足首関節に対する負のパワーに寄与し、ゼロ交差点の後に加えられる力は正の足首のパワーに寄与する。図２９Ｄおよび図２９Ｅに示されるように、足首制御システム７００は、足首制御システム７００がゼロ交差の前にモータ位置を保持している間に歩行運動学によって受動的に生成される力のことであるプレテンションを加え、ゼロ交差の後にモータを引くことによってアクティブに生成される力のことであるアクティブな力を生成する。プレテンションおよびアクティブな力のピークを独立して制御することにより、足首制御システムは、足首に加えられる正および負のパワーを独立して制御し得る。
【０１７５】
歩行周期は、踵が地面に接地すると開始する。踵接地は、フットスイッチによってならびに／または足首制御システムの足および／もしくは脛ジャイロを用いて検出され得る。離地相の間に足が回動しかつ踵が地面から持ち上がると、足および脛の上の２つのジャイロを用いてリアルタイムで足首関節の速度を測定する。図２９Ａおよび図２９Ｅに示されるように、足首スーツ力チャート中の相１において、比較的ゆっくりとした受動的な力が増大して負のパワー抵抗を与える。ゼロ交差の後におよび相２において、図２９Ａおよび図２９Ｅに示されるように、比較的速い力の上昇が正のパワー補助を与える。その後、遊脚相の間は力が与えられない。実施形態では、足首制御システムは、正のパワー補助をいつ停止するかの指標として、踵接地後の２回目のその後のゼロ交差について足首速度をモニタし得る。この２回目のゼロ交差は、離地の後の遊脚相の間の正常な位置への足首の復帰に対応する。
【０１７６】
足首制御システム７００の使用の利点の１つは、送出補助が、以前の歩数についての情報を用いるまたは歩行％に基づいて補助プロファイルを規定するよりもむしろ、リアルタイム測定値に基づいていることである。足首制御システムは、過去の情報に依拠する必要なく、リアルタイムでスピードおよび異なる生体力学的活動の変化に適合する。加えて、制御はまた、遅れて力を加えるよりもむしろ、適切な時間に力を加える。
【０１７７】
足首補助のタイミングおよび大きさは、障害物回避運動の検出に応答して調整可能であることが確かに企図されるが、さまざまな実施形態では、回復力の適時でない印加を回避するためにそのような調整が不要であることを認識すべきである。前述のように、本開示の実施形態に従うと、足首の補助は、踵接地の検出によってトリガされ得、その後の足底の屈曲回転運動として継続する。これは典型的に、対応の脚が障害物の上を振られて遠い側の地面に着地するまでの障害物回避運動の際には生じない。そのため、構成されるような足首制御システムは、対応の脚によって障害物がクリアされた後になってユーザを前方に推進するように補助力が再び所望されるまで、補助力を加えないであろう。
【０１７８】
以下の表４は、コントローラユニットがどのように、予め定められた周波数（たとえば１００Ｈｚ、または誂えられた補助を提供するのに十分な忠実さで関節運動をモニタするのに好適な任意の周波数）で足首角速度データを受信しかつメモリ（たとえばバッファ）に記憶し得るかを示す。コントローラユニットは、示される"isHeelStrike"モジュールを用いてこのデータから踵接地を検出し得、示される"detectZeroCrossing"モジュールを用いて１回目のゼロ交差を検出し得る。現在の足首角速度がゼロよりも大きく（すなわち、底屈運動に関連付けられる符号を有し）、かつ以前の角速度がそのしきい値よりも小さければ（すなわち、背屈運動に関連付けられる符号を有していれば）、"detectZeroCrossing"モジュールは、真の論理値を返す。そうでない場合、モジュールは偽の論理値を返す。対応の真の論理値は、実施形態では、立脚底屈補助が始まるべきであることを示す開始トリガとして解釈され得る。
【０１７９】
依然として表４を参照して、足首制御システム７００＿は、ケーブルが立脚背屈運動の際に足首に対して所望のプレテンション付与力（または、所望の積算負のパワーまたは「ＩＮＰ」）を生成するように位置決めされ得る、表４でANKLE_OFFSETと称される好適なケーブル位置を判定し得る。示されるように、パワーベース位置アルゴリズムを用いて、背屈運動の際に所望の積算負のパワーを足首に送出しようとして、現在のＩＮＰに対する所望のＩＮＰの比だけこのプレテンションケーブル位置を調整し得る。同様に、足首制御システム７００は、ケーブルが立脚底屈運動の際に足首に対して所望の力（または所望の積算正のパワーまたは「ＩＰＰ」）を生成するように位置決めされ得る、表４でpositionAnkleAmplitudeと称される好適なケーブル位置を判定し得る。示されるように、パワーベース位置アルゴリズムを用いて、立脚底屈運動の際に所望の積算正のパワーを足首に送出しようとして、測定されたＩＰＰに対する所望のＩＰＰの比だけ立脚底屈を補助するためにケーブル位置を調整し得る。
【０１８０】
【表４−１】
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【０１８１】
【表４−２】
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【０１８２】
【表４−３】
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【０１８３】
前述したように、四頭筋などの腰の屈筋は、足首の立脚底屈離地運動の際に最も活性でもあり得ることを想起されたい。そのため、足首制御システム７００は、ユーザを前方に推進するのを助けるように腰屈曲補助を与えるにあたってエクソスーツのさまざまな実施形態を制御するのに用いるように修正され得る。足首制御システム７００は、図１２Ｄおよび図１２Ｅに示されるものなどの、足首と腰との間で作動負荷を伝達するように構成されるエクソスーツの実施形態に関連して、対応の股関節への屈曲補助の提供を同時に制御するようにも用いられ得る。
【０１８４】
さまざまな実施形態では、ユーザの各脚毎に別個のコントローラを用いてもよい。すなわち、コントローラＬが左脚の１つ以上の関節に対する補助運動をモニタしかつこれを与える役割を主に担ってもよく、別個のコントローラＲが右脚のそれを主に担ってもよい。これらのコントローラは互いから完全に独立して働き得、または任意の好適な程度に互いと通信し得る。実施形態では、コントローラＬおよびＲは、それらのそれぞれのロードセルから負荷情報を渡してもよく、たとえば、これにより、システムは２つを比較して、所望により、各々の脚に加えられる補助力を調整して互いのバランスを取ってもよい。実施形態では、特に反対の脚に与えるべき補助に影響し得る脚（またはその関節）の機能性に非対称性がある場合は、実質的により多くの情報を交換し得る。当然ながら、単一のコントローラがすべての制御を処理してもよい。
【０１８５】
腰および足首制御システムおよび方法の例示的な実施形態
本開示のある実施形態では、股関節の運動を補助する方法が提供され、当該方法は、ユーザの現在の歩行周期の間にウェアラブルロボットシステムが生成すべき所望のピーク力を判定することと、ウェアラブルロボットシステムがそれに従って作動されて所望のピーク力を生成する作動プロファイルを生成することと、股関節の角度のリアルタイムの測定値をモニタして股関節がいつ最大屈曲角度に達するかを検出することと、股関節の角度が最大屈曲角度に達したのを検出することに応答して、作動プロファイルに従ってウェアラブルロボットシステムを作動させてユーザの股関節の伸張運動を補助することとを備える。ある実施形態では、所望のピーク力は予め定められたベースライン力である。ある実施形態では、作動プロファイルは、ユーザの現在の歩行周期中の所与の点でウェアラブルロボットシステムにおいて対応の力を生成するように構成されるウェアラブルロボットシステムのアクチュエータの位置を規定する。ある実施形態では、作動プロファイルは、所望のピーク力によって規定されるピークを有する実質的に三角形の力プロファイルを与えるように、形状が実質的に台形である。ある実施形態では、作動は、体の関節の伸張運動を補助する。ある実施形態では、作動プロファイルは、所望のピーク力によって規定されるピークを有する実質的に三角形の力プロファイルを与えるように、形状が実質的に台形である。
【０１８６】
ある実施形態では、所望のピーク力を判定することは、股関節の運動の範囲およびユーザの対応の脚の長さの測定値に少なくとも部分的に基づいて、ユーザが動いているスピードを推定することと、ユーザが動いている、推定されたスピードに関連付けられる予め定められた補正率だけ予め定められた力を調整することとをさらに備える。ある実施形態では、ユーザが動いているスピードを推定することは、股関節の角度または回転速度のうち少なくとも１つの測定値からユーザの股関節の運動の範囲を判定することと、運動の範囲およびユーザの脚の長さに基づいてユーザの歩幅を推定することと、股関節の角度の測定値をモニタしてユーザの１歩にかかる時間を判定することと、歩幅を１歩にかかる時間で除算することによって、ユーザが動いている推定されたスピードを算出することとをさらに備える。ある実施形態では、予め定められた補正率は、さまざまなスピードで股関節に作用する異なる生理学的モーメントに関連付けられる。
【０１８７】
ある実施形態では、作動プロファイルを生成することは、ユーザの少なくとも１つ前の歩行周期の間にウェアラブルロボットシステムが生成したピーク力を測定することと、少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成された測定ピーク力を少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成すべき所望のピーク力と比較することと、測定されたピーク力と少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成される所望のピーク力との間の差に対処するように作動プロファイルの振幅を調整することとをさらに備える。ある実施形態では、アクチュエータの位置は第１の位置から第２の位置に増大し、第２の位置は、ウェアラブルロボットシステムにおいて所望のピーク力を生成するように構成される。ある実施形態では、アクチュエータ位置の増大は、関節運動のリアルタイム測定値に少なくとも部分的に基づいてトリガイベントが検出されると生じる。ある実施形態では、第２の位置は作動プロファイルの大部分の間維持される。ある実施形態では、アクチュエータの位置は後に第２の位置から減少する。
【０１８８】
ある実施形態では、当該方法は、体の関節の測定角度が予め定められた角度に達するとウェアラブルロボットシステムの作動を終了させることをさらに備え、予め定められた角度は、ユーザの脚が現在の歩行周期の間に地面に対して実質的に垂直の向きにされたときに対応する関節の角度である。ある実施形態では、当該方法は、前の歩行周期の重複歩時間に基づいて、作動の開始と歩行周期の予め定められた割合との間に経過する期間を推定することと、期間の終了時に作動を終了させることとをさらに備え、予め定められた割合は重複歩時間の約４０％である。
【０１８９】
ある実施形態では、当該方法は、複数の以前の歩行周期を通じた股関節の平均最大屈曲角度を判定することと、現在の歩行周期の間の股関節の角度が複数の以前の歩行周期を通じた平均最大屈曲角度を予め定められたしきい値だけ超えたことを検出することと、現在の歩行周期の間の股関節の角度が以前の歩行周期を通じた平均最大屈曲角度を下回るように戻った後になるまで作動の開始を遅延させることとをさらに備える。
【０１９０】
本開示のある実施形態では、ユーザの股関節に対する運動補助のためのウェアラブルロボットシステムが提供され、当該システムは、股関節の角度のリアルタイム測定値をモニタして股関節がいつ最大屈曲角度に達するかを検出するように適合される少なくとも１つのセンサと、非一時的媒体上に記憶されるコンピュータ実行可能命令を得るように適合される少なくとも１つのプロセッサとを備え、コンピュータ実行可能命令は、少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、ウェアラブルロボットシステムに、ユーザの現在の歩行周期の間にウェアラブルロボットシステムが生成すべき所望のピーク力を判定させ、ウェアラブルロボットシステムがそれに従って作動されて所望のピーク力を生成する作動プロファイルを作成させ、股関節の角度がいつ最大屈曲角度に達したかを検出させ、かつ股関節が最大屈曲角度に達したのを検出することに応答して、作動プロファイルに従ってウェアラブルロボットシステムを作動させてユーザの股関節の伸張運動を補助させる。ある実施形態では、所望のピーク力は予め定められたベースライン力である。ある実施形態では、作動は体の関節の伸張運動を補助する。ある実施形態では、コンピュータ実行可能命令は、少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、ウェアラブルロボットシステムに、複数の以前の歩行周期を通じた股関節の平均最大屈曲角度を判定させ、現在の歩行周期の間の股関節の角度が複数の以前の歩行周期を通じた平均最大屈曲角度を予め定められたしきい値だけ超えたことを検出させ、かつ現在の歩行周期の間の股関節の角度が以前の歩行周期を通じた平均最大屈曲角度を下回るように戻った後になるまで作動の開始を遅延させる。
【０１９１】
ある実施形態では、コンピュータ実行可能命令は、少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、ウェアラブルロボットシステムに、少なくとも、股関節の運動の範囲およびユーザの対応の脚の長さの測定値に少なくとも部分的に基づいてユーザが動いている速度を推定することと、ユーザが動いている、推定されたスピードに関連付けられる予め定められた補正率だけ予め定められた力を調整することとを行なうことによって、所望のピーク力を判定させる。ある実施形態では、コンピュータ実行可能命令は、少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、ウェアラブルロボットシステムに、少なくとも、股関節の角度または回転速度の少なくとも１つの測定値からユーザの股関節の運動の範囲を判定することと、運動の範囲およびユーザの脚の長さに基づいてユーザの歩幅を推定することと、股関節の角度の測定値をモニタしてユーザの１歩にかかる時間を判定することと、歩幅を１歩にかかる時間で除算することによって、ユーザが動いている推定されたスピードを算出することとを行なうことによって、スピードを推定させる。ある実施形態では、予め定められた補正率は、さまざまなスピードで股関節に作用する異なる生理学的モーメントに関連付けられる。
【０１９２】
ある実施形態では、コンピュータ実行可能命令は、少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、ウェアラブルロボットシステムに、少なくとも、少なくとも１つの第２のセンサを用いて、ユーザの少なくとも１つ前の歩行周期の間にウェアラブルロボットシステムが生成したピーク力を測定することと、少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成された測定ピーク力を少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成すべき所望のピーク力と比較することと、測定されたピーク力と少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成される所望のピーク力との間の差に対処するように作動プロファイルの振幅を調整することとを行なうことによって、作動プロファイルを生成させる。ある実施形態では、アクチュエータの位置は第１の位置から第２の位置に増大し、アクチュエータの第２の位置は、ウェアラブルロボットシステムにおいて所望のピーク力を生成する。ある実施形態では、アクチュエータ位置の増大は、関節運動のリアルタイム測定値に少なくとも部分的に基づいてトリガイベントが検出されると生じる。ある実施形態では、第２の位置は、作動プロファイルの大部分の間維持される。ある実施形態では、アクチュエータの位置は、後に第２の位置から減少する。
【０１９３】
ある実施形態では、コンピュータ実行可能命令は、少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、ウェアラブルロボットシステムに、体の関節の測定された角度が予め定められた角度に達するとウェアラブルロボットシステムの作動を終了させる。ある実施形態では、予め定められた角度は、ユーザの脚が現在の歩行周期の間に地面に対して実質的に垂直の向きにされたときに対応する関節の角度である。
【０１９４】
ある実施形態では、コンピュータ実行可能命令は、少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、ウェアラブルロボットシステムに、前の歩行周期の重複歩時間に基づいて、作動の開始と歩行周期の予め定められた割合との間に経過する期間を推定させ、かつ期間の終了時に作動を終了させる。ある実施形態では、予め定められた割合は重複歩時間の約４０％である。
【０１９５】
ある実施形態では、当該システムは、ユーザの現在の歩行周期における所与の点でウェアラブルロボットシステムにおいて対応の力を生成するように構成されるアクチュエータをさらに備え、作動プロファイルはアクチュエータの位置を規定する。ある実施形態では、作動プロファイルは、所望のピーク力によって規定されるピークを有する実質的に三角形の力プロファイルを与えるように、形状が実質的に台形である。
【０１９６】
ある実施形態では、足首関節の運動を補助する方法が開示され、当該方法は、ユーザの現在の歩行周期の間にウェアラブルロボットシステムが生成すべき所望のピーク力を判定することと、ウェアラブルロボットシステムがそれに従って作動されてユーザの体に所望のピーク力を送出し得る作動プロファイルを生成することと、ユーザの踵接地を検出することと、踵接地の検出の後のユーザの足首の回転速度のリアルタイム測定値をモニタして、足首関節の測定回転速度の方向の第１の変化を検出することと、足首関節の測定回転速度の方向の第１の変化を検出することに応答して、作動プロファイルに従ってウェアラブルロボットシステムを作動させてユーザの足首関節の底屈運動を補助することとを備える。ある実施形態では、所望のピーク力は予め定められたベースライン力である。ある実施形態では、作動プロファイルは、ユーザの現在の歩行周期における所与の点でウェアラブルロボットシステムにおいて対応の力を生成するように構成されるウェアラブルロボットシステムのアクチュエータの位置を規定する。ある実施形態では、ウェアラブルロボットシステムの作動によって足首関節の付近で生成される派生トルクは、足首関節の運動と協調して作用して足首関節に正のパワーを加えて足首関節の底屈運動を補助する。ある実施形態では、派生トルクはユーザを前方に推進するのを助ける。
【０１９７】
ある実施形態では、所望のピーク力を判定することは、股関節の運動の範囲およびユーザの対応の脚の長さの測定値に少なくとも部分的に基づいてユーザが動いているスピードを推定することと、ユーザが動いている、推定されたスピードに関連付けられる予め定められた補正率だけ予め定められた力を調整することとをさらに備える。ある実施形態では、予め定められた補正率は、さまざまなスピードで足首関節に作用する異なる生理学的モーメントに関連付けられる。ある実施形態では、ユーザが動いているスピードを推定することは、股関節の角度または回転速度のうち少なくとも１つの測定値からユーザの股関節の運動の範囲を判定することと、運動の範囲およびユーザの脚の長さに基づいてユーザの歩幅を推定することと、股関節の角度の測定値をモニタしてユーザの１歩にかかる時間を判定することと、歩幅を１歩にかかる時間で除算することによって、ユーザが動いている推定されたスピードを算出することとをさらに備える。
【０１９８】
ある実施形態では、作動プロファイルを生成することは、ユーザの少なくとも１つ前の歩行周期の間にウェアラブルロボットシステムが生成したピーク力を測定することと、少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成された測定されたピーク力を少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成すべき所望のピーク力と比較することと、測定されたピーク力と少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成される所望のピーク力との間の差に対処するように作動プロファイルの振幅を調整することとをさらに備える。ある実施形態では、アクチュエータの第１の位置は、ウェアラブルロボットシステムが、踵接地と足首関節の測定回転速度の方向の第１の変化との間に生じる足首関節の運動の少なくとも一部の間に足首関節に対して比例して増大する力を加えるように構成される。ある実施形態では、加えられた力は、足首関節の運動に対抗して対応の運動の際に足首関節に負のパワーを加えるトルクを派生する。ある実施形態では、派生トルクは、対応の立脚背屈運動の際に足首関節にプレテンションを付与するように働く。
【０１９９】
ある実施形態では、アクチュエータの位置は第１の位置から第２の位置に増大し、第２の位置は、ウェアラブルロボットシステムにおいて所望のピーク力を生成するように構成される。ある実施形態では、アクチュエータ位置の増大は、関節運動のリアルタイム測定値に少なくとも部分的に基づいてトリガイベントが検出されると生じる。ある実施形態では、第２の位置は作動プロファイルの大部分の間維持される。ある実施形態では、第２の位置は、現在の歩行周期の間に補助すべき関節運動の推定持続時間に対応する持続時間の間、作動プロファイルにおいて維持される。ある実施形態では、アクチュエータの位置は、後に第２の位置から減少する。ある実施形態では、現在の歩行周期の間に補助すべき関節運動の推定持続時間は、前の歩行周期の間の関節の回転速度の測定値に少なくとも部分的に基づく。
【０２００】
ある実施形態では、当該方法は、足首関節の測定回転速度が予め定められた速度に後に到達するとウェアラブルロボットシステムの作動を終了させることをさらに備える。ある実施形態では、予め定められた速度はほぼゼロである。
【０２０１】
ある実施形態では、当該方法は、前の歩行周期の重複歩時間に基づいて、作動の開始と歩行周期の予め定められた割合との間に経過する期間を推定することと、期間の終了時に作動を終了させることとをさらに備える。
【０２０２】
ある実施形態では、所望のピーク力を判定することは、ユーザの少なくとも１つ前の歩行周期の間にウェアラブルロボットシステムが生成した力を測定することと、ユーザの足首の回転速度のリアルタイム測定値をモニタして、足首関節の測定回転速度の方向の第１の変化の後の足首関節の測定回転速度の方向の第２の変化を検出することと、足首関節の測定回転速度の方向の検出された第１の変化から足首関節の測定回転速度の方向の検出された第２の変化までの期間の間にウェアラブルロボットシステムが生成する積算正のパワーを計算することとをさらに備え、積算正のパワーは、測定された力に足首関節の対応の測定回転速度を乗算することによって判定され、所望のピーク力を判定することは、少なくとも１つ前の歩行周期の間に測定された積算正のパワーを少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成すべき所望の積算正のパワーと比較することと、作動プロファイルの予め定められた振幅を調整して、測定された積算正のパワーと少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成される所望の積算正のパワーとの間の差に対処することとをさらに備える。
【０２０３】
ある実施形態では、所望のピーク力を判定することは、ユーザの少なくとも１つ前の歩行周期の間にウェアラブルロボットシステムが生成したプレテンション力を測定することと、測定されたプレテンション力に足首関節の測定回転速度を乗算することによって、踵接地の検出から足首関節の測定回転速度の方向の検出された第１の変化までの期間の間にウェアラブルロボットシステムが生成する積算負のパワーを計算することと、少なくとも１つ前の歩行周期の間に測定された積算負のパワーを少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成すべき所望の積算負のパワーと比較することと、作動プロファイルの予め定められた振幅を調整して、測定された積算負のパワーと少なくとも１つ前の歩行周期の間に生成される所望の積算負のパワーとの間の差に対処することとをさらに備える。
【０２０４】
ある実施形態では、ユーザの足首関節に対する運動補助のためのウェアラブルロボットシステムが提供され、当該システムは、ユーザの足首の回転速度のリアルタイム測定値をモニタして、踵接地の検出の後の足首関節の測定回転速度の方向の第１の変化を検出するように適合される少なくとも１つのセンサと、非一時的媒体に記憶されたコンピュータ実行可能命令を得るように適合される少なくとも１つのプロセッサとを備え、コンピュータ実行可能命令は、少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、ウェアラブルロボットシステムに、ユーザの現在の歩行周期の間にウェアラブルロボットシステムが生成すべき所望のピーク力を判定させ、ウェアラブルロボットシステムがそれに従って作動されてユーザの体に所望のピーク力を送出し得る作動プロファイルを生成させ、ユーザの踵接地を検出させ、足首関節の測定回転速度の方向の第１の変化を検出させ、かつ足首関節の測定回転速度の方向の第１の変化を検出することに応答して、作動プロファイルに従ってウェアラブルロボットシステムを作動させてユーザの足首関節の底屈運動を補助させる。
【０２０５】
ある実施形態では、所望のピーク力は予め定められたベースライン力である。
ある実施形態では、コンピュータ実行可能命令は、少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、ウェアラブルロボットシステムに、少なくとも、股関節の運動の範囲およびユーザの対応の脚の長さの測定値に少なくとも部分的に基づいてユーザが動いているスピードを推定することと、ユーザが動いている推定されたスピードに関連付けられる予め定められた補正率だけ予め定められた力を調整することとを行なうことによって、所望のピーク力を判定させる。
【０２０６】
ある実施形態では、コンピュータ実行可能命令は、少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、ウェアラブルロボットシステムに、少なくとも、股関節の角度または回転速度の少なくとも１つの測定値からユーザの股関節の運動の範囲を判定することと、運動の範囲およびユーザの脚の長さに基づいてユーザの歩幅を推定することと、股関節の角度の測定値をモニタしてユーザの１歩にかかる時間を判定することと、歩幅を１歩にかかる時間で除算することによって、ユーザが動いている推定されたスピードを算出することとを行なうことによって、スピードを推定させる。
【０２０７】
ある実施形態では、予め定められた補正率は、さまざまなスピードで足首関節に作用する異なる生理学的モーメントに関連付けられる。
【０２０８】
ある実施形態では、当該システムは、ユーザの現在の歩行周期における所与の点でウェアラブルロボットシステムにおいて対応の力を生成するように構成されるアクチュエータをさらに備え、作動プロファイルはアクチュエータの位置を規定する。
【０２０９】
ある実施形態では、コンピュータ実行可能命令は、少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、ウェアラブルロボットシステムに、少なくとも、ユーザの少なくとも１つの前の歩行周期の間にウェアラブルロボットシステムが生成したピーク力を測定することと、少なくとも１つの前の歩行周期の間に生成された測定されたピーク力を少なくとも１つの前の歩行周期の間に生成すべき所望のピーク力と比較することと、測定されたピーク力と少なくとも１つの前の歩行周期の間に生成される所望のピーク力との間の差に対処するように作動プロファイルの振幅を調整することとを行なうことによって、作動プロファイルを生成させる。
【０２１０】
ある実施形態では、アクチュエータの位置は第１の位置から第２の位置に増大し、第２の位置は、ウェアラブルロボットシステムにおいて所望のピーク力を生成するように構成される。
【０２１１】
ある実施形態では、アクチュエータ位置の増大は、関節運動のリアルタイム測定値に少なくとも部分的に基づいてトリガイベントが検出されると生じる。
【０２１２】
ある実施形態では、第２の位置は、作動プロファイルの大部分の間維持される。ある実施形態では、第２の位置は、現在の歩行周期の間に補助すべき関節運動の推定持続時間に対応する持続時間の間、作動プロファイルにおいて維持される。
【０２１３】
ある実施形態では、現在の歩行周期の間に補助すべき関節運動の推定持続時間は、前の歩行周期の間の関節の回転速度の測定値に少なくとも部分的に基づく。
【０２１４】
ある実施形態では、アクチュエータの位置は後に第２の位置から減少する。
ある実施形態では、作動プロファイルは、所望のピーク力によって規定されるピークを有する実質的に三角形の力プロファイルを与えるように、形状が実質的に台形である。
【０２１５】
ある実施形態では、コンピュータ実行可能命令は、少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、ウェアラブルロボットシステムに、足首関節の測定回転速度が予め定められた速度に後に到達するとウェアラブルロボットシステムの作動を終了させる。ある実施形態では、予め定められた速度はほぼゼロである。
【０２１６】
ある実施形態では、コンピュータ実行可能命令は、少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、ウェアラブルロボットシステムに、前の歩行周期の重複歩時間に基づいて、作動の開始と歩行周期の予め定められた割合との間に経過する期間を推定させ、かつ期間の終了時に作動を終了させる。
【０２１７】
ある実施形態では、ウェアラブルロボットシステムの作動によって足首関節の付近で生成される派生トルクは、足首関節の運動と協調して作用して足首関節に正のパワーを加えて足首関節の底屈運動を補助する。ある実施形態では、派生トルクはユーザを前方に推進するのを助ける。
【０２１８】
ある実施形態では、アクチュエータの第１の位置は、ウェアラブルロボットシステムが、踵接地と足首関節の測定回転速度の方向の第１の変化との間に生じる足首関節の運動の少なくとも一部の間に足首関節に対して比例して増大する力を加えるように構成される。ある実施形態では、加えられた力は、足首関節の運動に対抗して対応の運動の間に足首関節に負のパワーを加えるトルクを派生する。ある実施形態では、派生トルクは、対応の立脚背屈運動の間に足首関節にプレテンションを付与するように働く。
【０２１９】
ある実施形態では、コンピュータ実行可能命令は、少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、ウェアラブルロボットシステムに、少なくとも、ユーザの少なくとも１つの前の歩行周期の際にウェアラブルロボットシステムが生成した力を測定することと、測定された力に足首関節の測定回転速度を乗算することによって足首関節の測定回転速度の方向の検出された第１の変化から足首関節の測定回転速度の方向の検出された第２の変化までの期間の間にウェアラブルロボットシステムが生成する積算正のパワーを計算することと、少なくとも１つの前の歩行周期の間の測定された積算正のパワーを少なくとも１つの前の歩行周期の間に生成すべき所望の積算正のパワーと比較することと、作動プロファイルの予め定められた振幅を調整して、測定された積算正のパワーと少なくとも１つの前の歩行周期の間に生成される所望の積算正のパワーとの間の差に対処することとを行なうことによって、作動プロファイルを生成させる。
【０２２０】
システムハードウェアおよびアーキテクチャ
エクソスーツシステム１００ならびに制御システム５００、６００、および７００の実施形態は、好適なハードウェアおよびアーキテクチャを用いて実現され得る。図１５を参照して、エクソスーツシステム１００は、駆動モジュールに対応し得るまたはその一部であり得るコントローラユニット、アクチュエータ／制御ユニット、制御システム５００、６００、７００の実施形態のうち１つもしくは組合せ、および／またはエクソスーツのために用いられる他の制御機器を含み得る。コントローラユニットは、ダイヤモンドシステムズ（Diamond Systems）オーロラ（Aurora）単一基板コンピュータなどの中央処理装置
（ＣＰＵ）とも参照され得るプロセッサを含む。プロセッサは、（たとえばシステムバスを介して）通信し得る、ならびに／または入力インターフェイス、出力インターフェイス、および／もしくはメモリなどのコントローラユニット内の他の構成要素に指示を与え得る。実施形態では、プロセッサは、１つ以上のマルチコアプロセッサならびに／またはデータのバッファおよび／もしくは記憶装置として機能するメモリ（たとえばキャッシュメモリ）を含み得る。換言すると、プロセッサは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、および／またはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）などの１つ以上の他の処理構成要素の一部であってもよい。図２６は、プロセッサが単一のプロセッサであり得ることを示すが、プロセッサはそのように限定されるのではなく、代わりに複数のプロセッサを表わしてもよい。プロセッサは、本明細書中に記載の方法のうち任意のものを実現するように構成されてもよい。
【０２２１】
メモリは、動作するようにプロセッサに結合され得る。メモリは、さまざまな種類の感覚データおよび／または力ベース位置制御アルゴリズムを記憶するように構成される非一時的コンピュータ読出可能媒体であり得る。たとえば、メモリは、二次記憶装置、読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、および／または他の種類のメモリ記憶装置を備える１つ以上のメモリデバイスを含み得る。二次記憶装置は典型的に、１つ以上のディスクドライブ、光学ドライブ、固体状態ドライブ（ＳＳＤ）、および／またはテープドライブを備え、データの不揮発性記憶のために用いられる。ある事例では、二次記憶装置は、割当てられたＲＡＭがすべてのワーキングデータを保持するには十分大きくない場合に、オーバーフローデータを記憶するように用いられてもよい。二次記憶装置は、そのようなプログラムが実行のために選択されるとＲＡＭにロードされるプログラムを記憶するようにも用いられ得る。ＲＯＭは、命令およびおそらくはプログラム実行の際に読出されるデータを記憶するように用いられる。ＲＯＭは、二次記憶装置のより大きなメモリ容量に対して典型的にはメモリ容量が小さな不揮発性メモリデバイスである。ＲＡＭは、揮発性データを記憶する、およびおそらくは力ベース位置制御アルゴリズムなどのコンピュータ実行可能命令を記憶するように用いられる。
【０２２２】
メモリは、本明細書中に記載のさまざまな実施形態を実行するための命令を格納するように用いられ得る。実施形態では、メモリは、プロセッサによってアクセスされかつ実現され得るアクチュエータ制御モジュールを備えてもよい。これに代えて、アクチュエータ制御モジュールは、プロセッサ内に埋込まれるメモリ（たとえばキャッシュメモリ）内に記憶されかつその中でアクセスされ得る。具体的に、アクチュエータ制御モジュールは、ケーブルの長さを制御することによってソフトエクソスーツ中で生成される力を調節および制御し、ならびに／または足首および／もしくは他の種類の関節に送出されるパワーを調節しかつ制御し得る。実施形態では、メモリは、コンピュータバスとインターフェイスして、プログラムコードを備えるソフトウェアモジュールおよび／またはたとえばアクチュエータ制御モジュールなどの本明細書中に記載の機能性を組入れるコンピュータ実行可能プロセスステップなどのソフトウェアプログラムの実行の際に、メモリ中に記憶された情報をプロセッサに通信および／または送信する。プロセッサはまず、たとえばメモリ、記憶媒体／複数の記憶媒体、取外し可能媒体ドライブ、および／または他の記憶デバイスなどの記憶装置からコンピュータ実行可能プロセスステップをロードする。次にプロセッサは、ロードされたコンピュータ実行可能プロセスステップを実行するために、記憶されたプロセスステップを実行することができる。たとえば記憶デバイスが記憶するデータなどの記憶データは、コンピュータ実行可能プロセスステップの実行の際にプロセッサによってアクセスされて、エクソスーツに関連付けられるモータおよび機械的構成要素などの、コントローラユニット内および／またはコントローラユニット外部の１つ以上の構成要素に命令することができる。
【０２２３】
エクソスーツ中の１つ以上のモータを制御しかつ駆動する非一般的特定的機械または装置にエクソスーツシステムを変形するためにメモリおよびプロセッサに実行可能な命令をプログラミングするおよび／またはロードすることは、当該技術分野で周知である。コンピュータおよび／またはプロセッサに実行可能なソフトウェアをロードすることによって命令、リアルタイムモニタリング、および他の機能を実現することは、周知の設計規則によってハードウェア実現例に変換される、ならびに／または汎用プロセッサを特定的なアプリケーションのためにプログラミングされたプロセッサに変容させることができる。たとえば、ソフトウェア対ハードウェアのどちらで概念を実現するかの決定は、設計の安定性を含む多数の設計上の選択肢と、作製すべきユニットの数およびソフトウェアドメインからハードウェアドメインへの変換に関与する問題とに依存し得る。しばしば設計は、周知の設計規則によってソフトウェアの形態で開発されかつ試験され、その後ソフトウェアの命令を配線接続するＡＳＩＣまたは特定用途向けハードウェアにおける均等のハードウェア実現例に変容され得る。実行可能な命令でプログラミングおよび／またはロードされたコンピュータと同様に、特定の機械または装置を、新たなＡＳＩＣによって制御される機械と同じ態様で非一般的特定的機械または装置として見てもよい。
【０２２４】
プロセッサは、感覚データを受信するように構成される入力インターフェイスに動作するように結合され得る。入力インターフェイスは、腿の角度、腿の回転速度、足首の回転速度、および踵接地などの生体力学的データを電気的接続、光学的接続、および／または無線接続を介して得るように構成され得る。出力インターフェイスは、エクソスーツ用のモータなどのさまざまな電気機械的および／または機械的機器を駆動するように用いられる命令を通信し得るインターフェイスであり得る。
【０２２５】
少なくとも１つの実施形態が開示され、当業者によってなされる当該実施形態の変形例、組合せ、ならびに／または修正例および／もしくは実施形態の特徴が開示の範囲内に入る。実施形態の特徴を組合せる、一体化する、および／または省略することから生じる代替的な実施形態も開示の範囲内に入る。数値範囲または限定が明示的に述べられる場合、そのような明示的な範囲または限定は、明示的に述べられる範囲または限定内に入る類似の大きさの反復範囲または限定を含むように理解され得る（たとえば、約１〜約１０は２、３、４などを含む；０．１０よりも大きいは、０．１１、０．１２、０．１３などを含む）。「約」および「実質的に」という用語の使用は、他に述べていなければ、その後に続く数の±１０％を意味する。
【０２２６】
請求項の任意の要素に対する「オプションで」という用語の使用は、当該要素が要件とされるまたは代替的に要素が要件とされないという、両方の選択肢が請求項の範囲内に入ることを意味する。備える、含む、および有するなどのより広い用語の使用は、からなる、本質的にからなる、および実質的に備えるなどのより狭い用語のサポートを与えるように理解され得る。したがって、保護の範囲は、以上述べた記載によって限定されるのではなく、後続の請求項によって規定される。その範囲は、請求項の主題のすべての均等物を含む。あらゆる請求項は、明細書中にさらなる開示として組入れられ、請求項は、本開示の実施形態である。
【０２２７】
いくつかの実施形態が本開示において与えられたが、開示されたシステムおよび方法は、本開示の意味および範囲から逸脱することなく、多数の他の具体的な形態で具現化され得ることを理解すべきである。本例は、制限的ではなく例示として考えられるべきであり、その意図は、本明細書中に与えられる詳細に限定されるものではない。たとえば、さまざまな要素または構成要素は、別のシステムにおいて組合せもしくは一体化されてもよく、またはある特徴は省略されてもよくもしくは実現されなくてもよい。
【０２２８】
さらに、さまざまな実施形態において別々のまたは別個のものとして記載されかつ示された技術、システム、サブシステム、および方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、他のシステム、モジュール、技術、または方法と組合せまたは一体化されてもよい。互いに結合されるまたは直接に互いに結合されるまたは互いに通信するとして示されかつ論じられた他の項目は、電気的にであっても機械的にであってもまたはそれ以外であっても、何らかのインターフェイス、機器、または中間構成要素を通じて間接的に結合されてもまたは通信してもよい。当業者は、変更、置換、および変化の他の例を見定めることができ、それは、本明細書中に開示される意味および範囲から逸脱することなくなされ得る。
【０２２９】
当然ながら、以上参照した制御システムは、上述のソフトエクソスーツの任意の好適な実施形態を用いてユーザの腰および／または足首に補助トルクの組合せを送出するように、独立してまたは互いと協調して用いられてもよい。
【０２３０】
さまざまな実施形態では、ユーザの各脚毎に別個のコントローラを用いてもよい。すなわち、コントローラＬが左脚の１つ以上の関節に対する補助運動をモニタしかつこれを与える役割を主に担ってもよく、別個のコントローラＲが右脚のそれを主に担ってもよい。これらのコントローラは互いから完全に独立して働き得、または任意の好適な程度に互いと通信し得る。実施形態では、コントローラＬおよびＲは、それらのそれぞれのロードセルから負荷情報を渡してもよく、たとえば、これにより、システムは２つを比較して、所望により、各々の脚に加えられる補助力を調整して互いのバランスを取ってもよい。実施形態では、特に反対の脚に与えるべき補助に影響し得る脚（またはその関節）の機能性に非対称性がある場合は、実質的により多くの情報を交換し得る。当然ながら、単一のコントローラがすべての制御を処理してもよい。
【０２３１】
本明細書中に引用されるすべての特許、特許出願、および公開された文献は、その全体がここに引用により援用される。本開示の上述の実施形態は実現例の単なる可能な例であり、開示の原則の明確な理解のために述べられるにすぎないことを強調すべきである。開示の意味および原則から実質的に逸脱することなく、多数の変形例および修正例が上述の実施形態に対してなされ得る。以上開示されたおよび他の特徴および機能またはその代替物のうちいくつかは望ましくは多数の他の異なるシステムまたは適用例に組合され得ることが認められるであろう。そのようなすべての修正例および変形例は、添付の請求項の範囲内に入るものとして、この開示の範囲内で本明細書中に含まれることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図６Ｈ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図２９Ｃ】
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【図２９Ｄ】
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【図２９Ｅ】
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