歩行補助装置
【課題】
調節又は設定対象となる制御用のパラメータの数の低減を図りながら、補助対象である人間の運動周期に鑑みて適当な周期で動作することができる装置を提供する。
【解決手段】
各アクチュエータ１６のそれぞれの周期動作の位相の制御基礎となる第２位相振動子φ2の算定に際して、人間の上体に対する各大腿の周期運動の位相である第１位相振動子φ1とこの第２位相振動子φ2との偏差と、固有角速度ωとが基礎とされる。第１位相振動子φ1と第２位相振動子φ2との前回偏差δφ(k-1)が目標偏差δφ0に近づくように、前回の固有角速度ω(k-1)を当該前回偏差δφ(k-1)に応じた量だけ補正することによって今回の固有角速度ω(k)が設定される。
調節又は設定対象となる制御用のパラメータの数の低減を図りながら、補助対象である人間の運動周期に鑑みて適当な周期で動作することができる装置を提供する。
【解決手段】
各アクチュエータ１６のそれぞれの周期動作の位相の制御基礎となる第２位相振動子φ2の算定に際して、人間の上体に対する各大腿の周期運動の位相である第１位相振動子φ1とこの第２位相振動子φ2との偏差と、固有角速度ωとが基礎とされる。第１位相振動子φ1と第２位相振動子φ2との前回偏差δφ(k-1)が目標偏差δφ0に近づくように、前回の固有角速度ω(k-1)を当該前回偏差δφ(k-1)に応じた量だけ補正することによって今回の固有角速度ω(k)が設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人間の周期運動を補助する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間の運動周期と、当該人間に力を伝達するように構成されている装置の動作周期との調和を図りながら、当該人間の周期運動を補助する技術的手法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、調節又は設定対象となるパラメータの数の低減のため、位相をＣＰＧ（Central Pattern Generator）モデルとして用いることが考えられる（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９３０３９９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】飯田、近藤、伊藤「位相振動子と軌道生成モデルによる環境適応機構の提案」SICE Symposium on Decentralized Autonomous Systems 18, 271-276, 2006.01.26
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、モデルを過度に簡素化しすぎると、装置の動作周期が、人間の運動周期との調和という観点から不適当なものとなる可能性が高くなる。
【０００７】
そこで、本発明は、調節又は設定対象となる制御用のパラメータの数の低減を図りながら、補助対象である人間の運動周期に鑑みて適当な周期で動作することができる装置を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、人間の上体に取り付けられる第１装具と、前記人間の左右の脚体のそれぞれに対して取り付けられる一対の第２装具と、一対のアクチュエータと、前記人間の左右の股関節角度のそれぞれに応じた信号を出力するように構成されている一対の関節角度センサと、少なくとも前記一対の関節角度センサの出力信号に基づいて前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作を制御するように構成されている制御装置とを備え、前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作によって前記第１装具に対して前記一対の第２装具のそれぞれを動かすことにより、前記上体に対する前記左右の脚体の相対的な周期運動を補助する歩行補助装置に関する。
【０００９】
前記課題を解決するための本発明の歩行補助装置は、前記制御装置が、前記一対の関節角度センサのそれぞれの出力に基づき、前記人間の上体に対する各大腿の周期運動の位相を第１位相振動子の左右各成分として測定するように構成されている第１位相振動子出力要素と、前記第１位相振動子の左右各成分に対する偏差と、固有角速度の左右各成分とに応じた速度で変化する左右各成分を有する位相を第２位相振動子として算定するように構成されている第２位相振動子出力要素と、前記第１位相振動子の左右各成分と前記第２位相振動子の左右各成分との前回偏差が目標偏差に近づくように、前回の前記固有角速度の左右各成分を当該前回偏差に応じた量だけ補正することによって今回の前記固有角速度の左右各成分を設定するように構成されている固有角速度設定要素と、前記第２位相振動子の左右各成分に変化にしたがって、前記一対のアクチュエータのそれぞれの周期動作の位相を変化させる制御信号を生成するように構成されている制御信号生成要素とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の歩行補助装置によれば、制御用のパラメータの数の低減による制御態様の簡素化を図りながらも、人間の周期運動の位相に鑑みて、歩行補助装置の周期動作の位相が適当に制御されうるように固有角速度の値が設定される。
【００１１】
具体的には、各アクチュエータのそれぞれの周期動作の位相の制御基礎となる「第２位相振動子」の算定に際して、人間の上体に対する各大腿の周期運動の位相である「第１位相振動子」とこの第２位相振動子との偏差と、「固有角速度」とが基礎とされる。少なくとも当該偏差の各成分及び固有角速度の各成分が調節又は設定対象となる制御用のパラメータに含まれていれば、その他のパラメータは省略されてもよいという比較的緩やかな条件下で、当該パラメータの数の低減を図ることができる。
【００１２】
一方、第１位相振動子と第２位相振動子との前回偏差が目標偏差に近づくように、前回の固有角速度を当該前回偏差に応じた量だけ補正することによって今回の固有角速度が設定される。これにより、補助対象である人間の運動周期に鑑みて適当な周期で各アクチュエータを動作させ、かつ、第１装具に対して各第２装具を周期的に動かすことができる。
【００１３】
前記制御信号生成要素が、前記人間の脚体の長さに対する目標歩幅の比率に基づき、当該比率を変数とする増加関数にしたがって、前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作の振幅を定めるような制御信号を生成するように構成されていてもよい。
【００１４】
前記制御信号生成要素が、前記人間の脚体の長さと、前記一対の関節角度センサから得られる各股関節角度の時間変化を表わす波形信号とに基づき、前記人間の過去複数周期にわたる平均歩幅を算出した上で、前記平均歩幅と前記人間の目標歩幅との偏差が小さくなるように、前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作の振幅を定めるような制御信号を生成するように構成されていてもよい。
【００１５】
当該構成の歩行補助装置によれば、人間の目標歩幅の大小に応じてアクチュエータの周期動作の振幅、すなわち、第１装具に対する各第２装具の前後方向の変位量の多少が制御されうる。このため、人間の歩幅を目標歩幅に近づけるように、当該人間の歩行運動が補助されうる。
【００１６】
前記第２位相振動子出力要素が、前記固有角速度設定要素による前記固有角速度の設定に際して用いられる前記第２位相振動子の左右各成分、及び、前記制御信号生成要素による前記制御信号の生成に際して用いられる前記第２位相振動子の左右各成分として、各脚体の屈曲及び伸展の別に応じて区別されていない第１成分を算定するように構成されていてもよい。
【００１７】
前記第２位相振動子出力要素が、前記第１成分としての前記第２位相振動子の左右各成分と、前記第１位相振動子の左右各成分との相関項と、前記第１成分としての前記第２位相振動子の左右各成分の相関項とが含まれている連立微分方程式を解くことにより、前記第１成分を算定するように構成されていてもよい。
【００１８】
当該構成の歩行補助装置によれば、第１位相振動子と第２位相振動子との相関係数、第２位相振動子の成分間の相関係数及び固有角速度以外のパラメータが、設定又は調節対象から除外されうるので、当該パラメータの数の低減を図ることができる。その一方、前記のように固有角速度が設定されることにより、補助対象である人間の運動周期に鑑みて適当な周期で歩行補助装置を動作させることができる。
【００１９】
前記第２位相振動子出力要素が、前記固有角速度設定要素による前記固有角速度の設定に際して用いられる前記第２位相振動子の左右各成分として、各脚体の屈曲及び伸展の別に応じて区別されていない第１成分を算定し、かつ、前記制御信号生成要素による前記制御信号の生成に際して用いられる前記第２位相振動子の左右各成分として、各脚体の屈曲及び伸展の別に応じて区別されている第２成分を算定するように構成されていてもよい。
【００２０】
前記第２位相振動子出力要素が、前記第１成分としての前記第２位相振動子の左右各成分と、前記第１位相振動子の左右各成分との相関項と、前記第１成分としての前記第２位相振動子の左右各成分の相関項とが含まれている連立微分方程式を解くことにより、前記第１成分を算定し、前記第２成分としての前記第２位相振動子の左屈曲及び左伸展各成分と、前記第１位相振動子の左成分との相関項、又は、前記第２成分としての前記第２位相振動子の右屈曲及び右伸展各成分と、前記第１位相振動子の右成分との相関項が含まれている、前記第２成分に該当する各成分の微分方程式を解くことにより、前記第２成分を算定するように構成されていてもよい。
【００２１】
当該構成の歩行補助装置によれば、第１位相振動子と第２位相振動子の第１成分との相関係数、第２位相振動子の第１成分間の相関係数、第１位相振動子と第２位相振動子の第２成分との相関係数及び固有角速度以外のパラメータが、設定又は調節対象から除外されうるので、当該パラメータの数の低減を図ることができる。その一方、前記のように固有角速度が設定されることにより、補助対象である人間の運動周期に鑑みて適当な周期で歩行補助装置を動作させることができる。
【００２２】
前記第１位相振動子出力要素が、前記一対の関節角度センサのそれぞれの出力に基づき、各股関節角度に対する各股関節角速度の比率の逆正接関数を前記第１位相振動子の左右各成分として測定するように構成されていることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の歩行補助装置の構成説明図。
【図２】歩行補助装置の制御装置の構成説明図。
【図３】歩行補助装置の制御方法に関する説明図。
【図４】関節角度及び関節角速度に関する説明図。
【図５】第１位相振動子に関する説明図。
【図６】第１位相振動子及び第２位相振動子の相関関係並びに第２位相振動子の左成分及び第２位相振動子の右成分の相関関係に関する説明図。
【図７】歩行補助装置の第１の性能実験結果に関する説明図。
【図８】歩行補助装置の第２の性能実験結果に関する説明図。
【図９】歩行補助装置の第３の性能実験結果に関する説明図。
【図１０】歩行補助装置の第４の性能実験結果に関する説明図。
【図１１】歩行補助装置の第５の性能実験結果に関する説明図。
【図１２】歩行補助装置の第６の性能実験結果に関する説明図。
【図１３】歩行補助装置の第７の性能実験結果に関する説明図。
【図１４】歩行補助装置の第８の性能実験結果に関する説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（歩行補助装置の構成）
本発明の歩行補助装置の一実施形態としての歩行補助装置について説明する。以下、脚体等の左右を区別するために符号「Ｌ」及び「Ｒ」を用いるが、左右をまとめて表現する場合又は左右成分を有するベクトルを表現する場合には当該符号を省略する。また、上体に対する各大腿の屈曲運動（前方運動）及び伸展運動（後方運動）を区別するために符号「＋」及び「−」を用いる。
【００２５】
図１に示されている歩行補助装置１０は、第１装具１１と、左右一対の第２装具１２と、左右一対のアクチュエータ１６と、バッテリ１８と、制御装置２０と、股関節角度センサ１４とを備えている。
【００２６】
第１装具１１は、人間又は利用者の上体又は腰部（第１身体部分）に巻き付けられるように装着される。第１装具１１のうち少なくとも人間の背中に当接する背後部は、軽量合金、硬質樹脂又はカーボンファイバ等の剛性素材により構成され、その他の部分は繊維等の柔軟性素材により構成されている。
【００２７】
第２装具１２は、繊維等の柔軟性素材により構成され、人間の大腿（第２身体部分）に巻き付けられるように装着される。第２装具１２は、大腿に加えて又は代えて下腿に巻き付けられるように装着されてもよい。
【００２８】
アクチュエータ１６は電動モータにより構成され、必要に応じてモータに加え減速機及びコンプライアンス機構のうち一方又は両方により構成される。アクチュエータ１６は第１装具１１が上体に取り付けられたとき、上体の左右両側に配置されるように第１装具１１に連結されている。アクチュエータ１６は、軽量の軽量合金、硬質樹脂又はカーボンファイバ等の剛性素材により形成されている連結部材１５を介して大腿に装着される第２装具１２に連結される。
【００２９】
これにより、アクチュエータ１６が動作することで、上体及び各大腿の相対運動が補助されるように上体及び各大腿に力が作用する。上体及び各大腿の相対運動には、離床している脚体の大腿の上体に対する前後運動が含まれ、着床している脚体に対する上体の前後運動が含まれる。
【００３０】
バッテリ１８は制御装置２０とともに第１装具１１の背後部に取り付けられるケース１３に収納されており、アクチュエータ１６及び制御装置２０等に対して電力を供給する。なお、バッテリ１８及び制御装置２０のそれぞれ又はこれらを収納するケース１３の配置箇所は適宜変更されてもよい。
【００３１】
股関節角度センサ１４は人間の腰部左右両側に配置されるロータリーエンコーダにより構成され、股関節角度に応じた信号を出力する。股関節角度は、大腿が基本前額面の前方にある場合には正値になり、大腿が基本前額面の後方にある場合には負値になるように定義される。
【００３２】
制御装置２０はコンピュータ（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、信号入力回路、信号出力回路等により構成される。）と、このコンピュータのメモリ又は記憶装置に格納されているソフトウェアとにより構成されている。制御装置２０は、バッテリ１８からアクチュエータ１６に対する供給電力を調節するほか、アクチュエータ１６の動作を制御する。
【００３３】
図２に示されているように、制御装置２０は、後述の演算処理を実行する又は機能を発揮する第１位相振動子出力要素２１と、第２位相振動子出力要素２２と、固有角速度設定要素２３と、制御信号生成要素２４とを備えている。
【００３４】
制御装置２０の各構成要素が担当演算処理を実行するように「構成されている」とは、記憶装置に格納されている必要なプログラム及びデータを読み取り、当該プログラムにしたがって当該データに対して演算処理を施すことにより、当該担当演算処理を実行するように「プログラムされている」ことを意味する。各構成要素は、単一の演算処理装置により構成されていてもよく、物理的に分離している複数の演算処理装置により構成されていてもよい。
【００３５】
運転スイッチ（図示略）が操作され、バッテリ１８から制御装置２０に対して電力が供給されることにより、制御装置２０は次に説明するような諸機能を発揮しうる。
【００３６】
（歩行補助装置の機能（第１実施形態））
制御装置２０による歩行補助装置１０の動作制御方法の第１実施形態について説明する。
【００３７】
まず、第１位相振動子出力要素２１が、股関節角度センサ１４の出力に基づき、人間の周期運動の位相を第１位相振動子φ1＝（φ1L，φ1R）として測定かつ出力する（図３／ＳＴＥＰ０１）。
【００３８】
股関節角度θは、図４に示されているように、大腿が股関節箇所を一端とする線分とみなされた場合、横から見た当該線分と基本前額面とのなす角度として定義される。基本前額面は、上体が前後方向に傾くことに応じて、左右の股関節箇所を通る軸線回りに回動する。股関節角度θは、大腿を表わす線分が基本前額面の前方にある状態では正値である一方、当該線分が基本前額面より後方にある状態では負値であるように定義されている。このため、股関節角速度（ｄθ／ｄｔ）は、大腿が前方に動いている屈曲運動状態では正値になる一方、大腿が後方に動いている伸展運動状態では負値となる。
【００３９】
第１位相振動子φ1の左成分φ1Lは、例えば関係式（１１１）により表され、かつ、図５に模式的に示されているように、左股関節角度θLに対する左股関節角速度（ｄθL／ｄｔ）の比率の逆正接関数として定義される。第１位相振動子φ1の右成分φ1Rは、例えば関係式（１１２）により表され、かつ、図５に模式的に示されているように、右股関節角度θRに対する右股関節角速度（ｄθR／ｄｔ）の比率の逆正接関数として定義される。
【００４０】
φ1L＝arctan{(dθL/dt)/θL} ..(111)。
【００４１】
φ1R＝arctan{(dθR/dt)/θR} ..(112)。
【００４２】
第１位相振動子φ1q（ｑ＝Ｌ，Ｒ）は、屈曲運動中に大腿を表わす線分が基本前額面に一致した状態、すなわち、股関節角速度（ｄθq／ｄｔ）が正であり、かつ、股関節角度θqが０である状態で「π／２」になる。第１位相振動子φ1qは、上体に対して脚体又は大腿が最も屈曲した状態、すなわち、股関節角速度（ｄθq／ｄｔ）が０であり、かつ、股関節角度θqが正である状態で「０」になる。
【００４３】
第１位相振動子φ1qは、伸展運動中に大腿を表わす線分が基本前額面に一致した状態、すなわち、股関節角速度（ｄθq／ｄｔ）が負であり、かつ、股関節角度θqが０である状態で「−π／２」になる。第１位相振動子φ1qは、上体に対して脚体又は大腿が最も伸展した状態、すなわち、股関節角速度（ｄθq／ｄｔ）が０であり、かつ、股関節角度θqが負である状態で「π」又は「−π」になる。
【００４４】
第１位相振動子φ1は、上体に対する各大腿の姿勢及びその変化態様を表わす位相であるともいえる（図５参照）。この意味で、第１位相振動子φ1は、関係式（１１１）及び（１１２）に代えて、関係式（１１３）及び（１１４）、関係式（１１５）及び（１１６）又は関係式（１１７）及び（１１８）により定義されてもよい。
【００４５】
φ1L＝arctan{{H((dθL/dt))−H(-(dθL/dt))}/θL} ..(113)。
【００４６】
φ1R＝arctan{{H((dθR/dt))−H(-(dθR/dt))}/θR} ..(114)。
【００４７】
φ1L＝arctan{(dθL/dt)/{H(θL)−H(-θL)}} ..(115)。
【００４８】
φ1R＝arctan{(dθR/dt)/{H(θR)−H(-θR)}} ..(116)。
【００４９】
φ1L＝arctan{(dθL/dt)/(dθL/dt)max・θL/θLmax} ..(117)。
【００５０】
φ1R＝arctan{(dθR/dt)/(dθR/dt)max・θR/θRmax} ..(118)。
【００５１】
ここでＨ（ｘ）はヘヴィサイドの階段関数であり、ｘが正である場合は１となり、ｘが０である場合は０又は１／２等の１未満の正数となり、ｘが負である場合は０となる。(dθL/dt)maxは過去所定周期における左股関節角速度(dθL/dt)の最大値であり、θLmaxは過去所定周期における左股関節角度θLの最大値である。同様に、(dθR/dt)maxは過去所定周期における右股関節角速度(dθR/dt)の最大値であり、θRmaxは過去所定周期における右股関節角度θRの最大値である。
【００５２】
また、第２位相振動子出力要素２２が、歩行補助装置１０の動作周期の位相を第２位相振動子φ2＝（φ2L，φ2R）として算定かつ出力する（図３／ＳＴＥＰ０２）。
【００５３】
図６（ａ）に矢印で示されているように、第２位相振動子φ2は、第１位相振動子φ1に対して位相進み（又は位相遅れ）をもって、第１位相振動子φ1とともに時間変化する。
【００５４】
また、図６（ｂ）に矢印で示されているように、第２位相振動子の左成分φ2L及び第２位相振動子の右成分φ2Rは、位相差を有しながら時間変化する。第２位相振動子の左成分φ2Lは、左アクチュエータ１６Ｌの動作の位相を定める因子である。第２位相振動子の右成分φ2Rは、右アクチュエータ１６Ｒの動作の位相を定める因子である。
【００５５】
例えば、連立微分方程式（１２０）を解くことにより、第２位相振動子φ2の左右各成分φ2L及びφ2Rが算定される。第１実施形態では、固有角速度ωの設定基礎となる「第１成分」と、制御信号ηの生成基礎となる「第２成分」とは同一である。
【００５６】
(dφ2L/dt)＝ωL＋KLsin(φ1L−φ2L)＋KLRsin(φ2R−φ2L)，
(dφ2R/dt)＝ωR＋KRsin(φ1R−φ2R)＋KLRsin(φ2L−φ2R) ..(120)。
【００５７】
今回第２位相振動子φ2(k)（ｋは制御サイクルの回数を表わす。）の算出に際して、第１位相振動子出力要素２１により測定された今回第１位相振動子φ1(k)と、後述するように固有角速度設定要素２３により設定された前回固有角速度ω(k-1)とが連立微分方程式（１２０）に代入される。ｋ＝１の場合、初期の固有角速度ω(0)としては記憶装置に保存されている値が用いられる。
【００５８】
「ＫL」は、第１位相振動子の左成分φ1L及び第２位相振動子の左成分φ2Lの相関関係を表わす左相関係数である。右相関係数ＫLが「正」である場合、第１位相振動子の右成分φ1Rと第２位相振動子の右成分φ2Rとの偏差を減少させるように第２位相振動子の右成分φ2Rが決定される。左相関係数ＫLが「負」である場合、第１位相振動子の右成分φ1Rと第２位相振動子の右成分φ2Rとの偏差を増加させるように第２位相振動子の左成分φ2Lが決定される。
【００５９】
「ＫR」は、第１位相振動子の右成分φ1R及び第２位相振動子の右成分φ2Rの相関関係を表わす右相関係数である。右相関係数ＫLが「正」である場合、第１位相振動子の右成分φ1Rと第２位相振動子の右成分φ2Rとの偏差を減少させるように第２位相振動子の右成分φ2Rが決定される。左相関係数ＫLが「負」である場合、第１位相振動子の右成分φ1Rと第２位相振動子の右成分φ2Rとの偏差を増加させるように第２位相振動子の左成分φ2Lが決定される。
【００６０】
「ＫLR」は、第２位相振動子の左成分φ2L及び第２位相振動子の右成分φ2Rの相関関係を表わす左右相関係数である。左右相関係数ＫLRは、第２位相振動子の左成分φ2L及び第２位相振動子の右成分φ2Rの偏差を「π」に維持する観点から予め適当な値に設定され、又は、第２位相振動子出力要素２２によって設定若しくは適宜補正される。
【００６１】
さらに、固有角速度設定要素２３が、今回第１位相振動子φ1(k)及び今回第２位相振動子φ2(k)の偏差に応じて定まる今回位相差δφ(k)を目標位相差δφ0に一致させるように、次回固有角速度ω(k+1)を設定する（図３／ＳＴＥＰ０３）。
【００６２】
第１位相振動子φ1及び第２位相振動子φ2に基づき、関係式（１３１）及び（１３２）にしたがって位相差δφが算定される。
【００６３】
δφL＝sin(φ1L−φ2L) ..(131)。
【００６４】
δφR＝sin(φ1R−φ2R) ..(132)。
【００６５】
そして、位相差δφが目標位相差δφ0に近づくように、固有角速度ωが仮想的な２つの振動子が含まれている内部モデルにしたがって算定される。
【００６６】
具体的には、まず、左右各成分について、位相差δφが第１位相差δφ1として設定され、指定期間（例えば３歩行周期）にわたり第１位相差δφ1が一定であったことを要件として、左右各成分について、関係式（１３３）及び（１３４）によって表される「内部モデル」にしたがって、関係式（１３５）によって表される内部運動振動子θhと内部誘導振動子θmとの位相差θh−θmが第２位相差δφ2として求められる。
【００６７】
dθh/dt=ωh+εsin(θm-θh) ..(133)。
【００６８】
dθm/dt=ωm+εsin(θh-θm) ..(134)。
【００６９】
δφ2=arcsin[(ωh-ωm)/2ε] ..(135)。
【００７０】
ここで、ε＝（εL，εR）は仮想モデルにおける仮想運動振動子θh＝（θhL，θhR）及び仮想誘導振動子θm＝（θmL，θmR）の左右成分ごとの相関係数である。また、ωhは仮想運動振動子θhの角速度であり、ωmは仮想誘導振動子θmの角速度である。
【００７１】
続いて、第１位相差δφ1と第２位相差δφ2との差δφ1−δφ2が最小になるように相関係数εの値が設定される。具体的には関係式（１３６）にしたがって、左右各成分について、第１位相振動子φ1が０となる離散的な時間ｔid（id：整数）における相関係数εが逐次設定される。
【００７２】
ε(tid+1)=ε(tid)-η{v(tid+1)-V(tid)}/{ε(tid)-ε(tid-1)}，
V(tid+1)≡(1/2){δφ1(tid+1)-δφ2(tid)}2 ..(136)。
【００７３】
ここで、η＝（ηL，ηR）の各成分は、第１位相差δφ1の左右各成分と、第２位相差δφ2の左右各成分とを近づけるポテンシャルＶ＝（ＶL，ＶR）の安定性を表す係数である。
【００７４】
次に、相関係数εの当該設定値に基づき、仮想誘導振動子θmの固有角速度ωmが一定であるという条件下で、左右各成分について、第１及び第２位相差の差δφ1−δφ2の各成分が最小となるように仮想運動振動子θhの角速度ωhが関係式（１３７）にしたがって設定される。
【００７５】
ωh(tid)
=−α∫dt([4ε(tid)2-{ωh(t)-ωm(tid)}2]1/2sin[arcsin{(ωh(t)-ωm(tid-1))/2ε(tid)}-δφ1(tid)]) ..(137)。
【００７６】
ここで、α＝（αL，αR）の各成分は系の安定性を表す係数である。
【００７７】
続いて、左右各成分について、仮想運動振動子θhの角速度ωhに基づき、仮想誘導振動子θmの角速度ωmが新たな固有角速度ωとして設定される。具体的には、左右各成分について、第２位相差δφ2が目標位相差δφ0に近づくように、関係式（１３８）にしたがって仮想誘導振動子θmの角速度ω＝（ωL, ωR）の値が設定される。
【００７８】
ω(tid)=β∫dt(4ε(tid)2-{ωh(tid)-ωm(t)}2)sin[arcsin{(ωh(tid)-ωm(t))/2ε(tid)}-δφ0]) ..(138)。
【００７９】
ここで、β＝（βL, βR）の各成分は系の安定性を表す係数である。
【００８０】
当該目標位相差δφ0＝（δφ0L，δφ0R）は制御装置２０に有線通信又は無線通信が可能な操作装置の操作ボタン（図示略）が操作されることにより、任意に設定されうる。
【００８１】
なお、位相差δφ（第１位相差δφ1）が目標位相差δφ0から閾値を超えて乖離した場合、又は固有角速度ωの今回値が閾値を超える程度に前回値から大きく変化した場合、固有角速度ωは、適当なゲイン係数λ＝（λL，λR）を用いて、関係式（１３９）にしたがって算定されてもよい。
【００８２】
ωL(k+1)＝ωL(k)＋λL(δφL(k)−δφ0L), ωR(k+1)＝ωR(k)＋λR(δφR(k)−δφ0R) ..(139)。
【００８３】
また、制御信号生成要素２４が、第２位相振動子φ2に基づき、制御信号ηを生成する（図３／ＳＴＥＰ０４）。
【００８４】
例えば、第１制御係数Ｃ1及び第２制御係数Ｃ2に基づき、関係式（１４１）及び（１４２）のそれぞれにしたがって制御信号ηが生成される。
【００８５】
ηL＝C1Lsinφ2L＋C2L ..(141)。
【００８６】
ηR＝C1Rsinφ2R＋C2R ..(142)。
【００８７】
なお、第１制御係数Ｃ1は、位相差δφ（関係式（１３１）及び（１３２）参照）に基づき、所定の学習係数γ1＝（γ1L，γ1R）が用いられている関係式（１４１０）にしたがって逐次設定されてもよい。「ｋ」は制御周期を表わす指数である。
【００８８】
C1L(k+1)=C1L(k)+γ1L(δφL(k)-δφL(k-1))/(C1L(k)-C1L(k-1)),
C1R(k+1)=C1R(k)+γ1R(δφR(k)-δφR(k-1))/(C1R(k)-C1R(k-1)) ..(1410)。
【００８９】
また、第２制御係数Ｃ2は、同じく位相差δφに基づき、所定の学習係数γ2＝（γ2L，γ2R）が用いられている関係式（１４２０）にしたがって逐次設定されてもよい。
【００９０】
C2L(k+1)=C2L(k)-γ2L(E(k)-E(k-1))/(C2L(k)-C2L(k-1)),
C2R(k+1)=C2R(k)+γ2R(E(k)-E(k-1))/(C2R(k)-C2R(k-1)) ..(1420)。
【００９１】
「Ｅ（ｋ）」は、目標歩行比Ｆｌref及び測定歩行比（過去所定周期にわたる平均値）Ｆｌmeasに基づき、関係式（１４２２）により定義されるエネルギー関数である。
【００９２】
E(k)=(1/2)(Flref-Flmeas)2 ..(1422)。
【００９３】
第１制御係数Ｃ1及び第２制御係数Ｃ2のうち少なくとも一方が、位相差δφに代えて第１位相振動子φ1の左右成分の偏差φ1L−φ1Rに基づき、前記関係式にしたがって設定されてもよい。
【００９４】
そして、制御装置２０により制御信号ηに基づいてバッテリ１８から左右のアクチュエータ１６Ｌ，１６Ｒにそれぞれ供給される電流Ｉ＝（ＩL，ＩR）が調節される。これにより、第１装具１１及び第２装具１２を介して上体に対する左右の大腿の屈曲運動及び伸展運動を補助する力又は股関節回りの回転力Ｆ＝（ＦL，ＦR）が調節される。補助力Ｆは電流Ｉに基づき、たとえばＦ（ｔ)＝Ｇ・Ｉ(ｔ)（Ｇ：比例係数）と表現される。
【００９５】
その後、運転スイッチがＯＮからＯＦＦに切り替えられたこと、又は、動作異常が検知されたこと等の動作終了条件が満たされたか否かが判定される。そして、当該判定結果が否定的である場合、前記一連の処理が繰り返される一方、当該判定結果が肯定的である場合、前記一連の処理が終了する。
【００９６】
（歩行補助装置の機能（第２実施形態））
制御装置２０による歩行補助装置１０の動作制御方法の第２実施形態について説明する。第１位相振動子出力要素２１による第１位相振動子φ1の測定方法（図３／ＳＴＥＰ０１）及び固有角速度設定要素２３による固有角速度ωの設定方法（図３／ＳＴＥＰ０３）については第１実施形態と同様なので説明を省略する。
【００９７】
第２位相振動子出力要素２２は、固有角速度ωの設定基礎となる「第１成分」と、制御信号ηの生成基礎となる「第２成分」とが異なるような第２位相振動子φ2を生成する（図３／ＳＴＥＰ０２）。
【００９８】
具体的には、連立微分方程式（１２０）の解として、第２位相振動子φ2の第１成分φ21＝（φ2L，φ2R）が求められる。さらに、微分方程式（２２１）〜（２２４）のそれぞれの解として、第２位相振動子φ2の第２成分φ22＝（φ2L+，φ2L-，φ2R+，φ2R-）が求められる。
【００９９】
(dφ2L+/dt)＝ωL＋KLsin(φ1L−φ2L+−ξL+) ..(221)。
【０１００】
(dφ2R+/dt)＝ωR＋KRsin(φ1R−φ2R+−ξR+) ..(222)。
【０１０１】
(dφ2L-/dt)＝ωL＋KLsin(φ1L−φ2L-−ξL-) ..(223)。
【０１０２】
(dφ2R-/dt)＝ωR＋KRsin(φ1R−φ2R-−ξR-) ..(224)。
【０１０３】
「ξL+」は、連立微分方程式（１２０）の解として求められる第２位相振動子の左成分φ2Lに対する第２位相振動子φ2の左屈曲成分φ2L+の目標位相差である。ξL+の値が負値である場合、ξL+が０である場合と比較して、左脚の屈曲開始時点（すなわち伸展終了時点）が早くなる。この場合、ξL+の絶対値が大きくなるほど左脚の屈曲開始時点が早くなる。一方、ξL+の値が正値である場合、ξL+が０である場合と比較して、左脚の屈曲開始時点が遅くなる。この場合、ξL+の絶対値が大きくなるほど左脚の屈曲開始時点が遅くなる。
【０１０４】
「ξL-」は、第２位相振動子φ2の左成分φ2Lに対する第２位相振動子の左伸展成分φ2L-の目標位相差である。ξL-の値が負値である場合、ξL-が０である場合と比較して、左脚の伸展開始時点（すなわち屈曲終了時点）が早くなる。この場合、ξL-の絶対値が大きくなるほど左脚の伸展開始時点が早くなる。一方、ξL-の値が正値である場合、ξL-が０である場合と比較して、左脚の伸展開始時点が遅くなる。この場合、ξL-の絶対値が大きくなるほど左脚の伸展開始時点が遅くなる。
【０１０５】
「ξR+」は、連立微分方程式（１２０）の解として求められる第２位相振動子の右成分φ2Rに対する第２位相振動子φ2の右屈曲成分φ2R+の目標位相差である。ξR+の値が負値である場合、ξR+が０である場合と比較して、右脚の屈曲開始時点（すなわち伸展終了時点）が早くなる。この場合、ξR+の絶対値が大きくなるほど右脚の屈曲開始時点が早くなる。一方、ξR+の値が正値である場合、ξR+が０である場合と比較して、右脚の屈曲開始時点が遅くなる。この場合、ξR+の絶対値が大きくなるほど右脚の屈曲開始時点が遅くなる。
【０１０６】
「ξR-」は、第２位相振動子φ2の右成分φ2Rに対する第２位相振動子の右伸展成分φ2R-の目標位相差である。ξR-の値が負値である場合、ξR-が０である場合と比較して、右脚の伸展開始時点（すなわち屈曲終了時点）が早くなる。この場合、ξR-の絶対値が大きくなるほど右脚の伸展開始時点が早くなる。一方、ξR-の値が正値である場合、ξR-が０である場合と比較して、右脚の伸展開始時点が遅くなる。この場合、ξR-の絶対値が大きくなるほど右脚の伸展開始時点が遅くなる。
【０１０７】
当該目標位相差ξ＝（ξL+，ξL-，ξR+，ξR-）は制御装置２０に有線通信又は無線通信が可能な操作装置の操作ボタン（図示略）が操作されることにより、任意に設定されうる。これにより、例えば、各脚の屈曲開始時点（伸展終了時点）及び伸展開始時点（屈曲終了時点）が左右非対称に制御されることにより、片脚麻痺などのために左右の脚体の運動機能が異なるようなユーザの歩行運動が、その運動機能の非対称性に鑑みて適当な形態で補助されうる。
【０１０８】
目標位相差ξは、位相差δφに基づき、所定の学習係数γ＝（γL+，γL-，γR+，γR-）が用いられている関係式（２２００）にしたがって逐次設定されてもよい。
【０１０９】
ξL+(k+1)=ξL+(k)+γL+(δφL(k)-δφL(k-1))/(ξL+(k)-ξL+(k-1)),
ξL-(k+1)=ξL-(k)+γL-(δφL(k)-δφL(k-1))/(ξL-(k)-ξL-(k-1)),
ξR+(k+1)=ξR+(k)+γR+(δφR(k)-δφR(k-1))/(ξR+(k)-ξR+(k-1)),
ξR-(k+1)=ξR-(k)+γR-(δφR(k)-δφR(k-1))/(ξR-(k)-ξR-(k-1)), ..(2200)。
【０１１０】
目標位相差ξは、位相差δφに代えて第１位相振動子φ1の左右成分の偏差φ1L−φ1Rに基づき、前記関係式にしたがって設定されてもよい。
【０１１１】
そして、制御信号生成要素２４は、第２位相振動子φ2の第２成分φ22、第１制御係数Ｃ1＝（Ｃ1L+，Ｃ1L-，Ｃ1R+，Ｃ1R-）及び第２制御係数Ｃ2＝（Ｃ2L，Ｃ2R）に基づき、関係式（２４１）及び（２４２）のそれぞれにしたがって、制御信号ηを生成する（図３／ＳＴＥＰ０４）。
【０１１２】
ηL＝C1L+sinφ2L+−C1L-sinφ2L-＋C2L ..(241)。
【０１１３】
ηR＝C1R+sinφ2R+−C1R-sinφ2R-＋C2R ..(242)。
【０１１４】
（歩行補助装置の機能（第３実施形態））
制御装置２０による歩行補助装置１０の動作制御方法の第３実施形態について説明する。第３実施形態は、制御信号ηの生成方法を除いて第１実施形態と同様であるため、同様の演算処理については説明を省略する。
【０１１５】
制御信号生成要素２４は、関係式（１４１）及び（１４２）のそれぞれにおける第１制御係数Ｃ1＝（Ｃ1L，Ｃ1R）及び第２制御係数Ｃ2＝（Ｃ2L，Ｃ2R）のそれぞれの値を関係式（１４３）及び（１４４）のそれぞれにしたがって調節した上で、制御信号ηを生成する（図３／ＳＴＥＰ０４）。
【０１１６】
C1L＝C1R＝(1/2)Carcsin(W0/LLEG) ..(143)。
【０１１７】
ここで「Ｗ0」は目標歩幅である。「ＬLEG」は脚の長さ（人間の股関節から足裏までの距離）である。「Ｃ」はゲイン係数（固定値）である。
【０１１８】
C2L＝(1/2)C(|θLmax|+|θRmin|), C2R＝(1/2)C(|θRmax|+|θLmin|) ..(144)。
【０１１９】
ここで「θLmax」は左股関節角度θLの過去１周期における最大値（上体に対して左脚体が最も屈曲した状態での左股関節角度θL）又は過去複数周期にわたる最大値の平均値である。「θLmin」は左股関節角度θLの過去１周期における最小値（上体に対して左脚体が最も伸展した状態での左股関節角度θL）又は過去複数周期にわたる最小値の平均値である。
【０１２０】
同様に「θRmax」は右股関節角度θRの現時点から過去１周期における最大値（上体に対して右脚体が最も屈曲した状態での右股関節角度θR）又は過去複数周期にわたる最大値の平均値である。「θRmin」は右股関節角度θRの現時点から過去１周期における最小値（上体に対して右脚体が最も伸展した状態での右股関節角度θR）又は過去複数周期にわたる最小値の平均値である。
【０１２１】
（歩行補助装置の機能（第４実施形態））
制御装置２０による歩行補助装置１０の動作制御方法の第４実施形態について説明する。第４実施形態は、制御信号ηの生成方法を除いて第２実施形態と同様であるため、同様の演算処理については説明を省略する。
【０１２２】
制御信号生成要素２４は、関係式（２４１）及び（２４２）のそれぞれにおける第１制御係数Ｃ1＝（Ｃ1L+，Ｃ1L-，Ｃ1R+，Ｃ1R-）及び第２制御係数Ｃ2＝（Ｃ2L，Ｃ2R）のそれぞれの値を関係式（２４３）及び（２４４）のそれぞれにしたがって調節した上で、制御信号ηを生成する（図３／ＳＴＥＰ０４）。
【０１２３】
C1L+＝C1L-＝C1R+＝C1R-＝(1/2)Carcsin(W0/LLEG) ..(243)。
【０１２４】
C2L＝C|θLmin|＋(1/2)C(|θLmax|+|θRmin|),
C2R＝C|θRmin|＋(1/2)C(|θRmax|+|θLmin|) ..(244)。
【０１２５】
（歩行補助装置の機能（第５実施形態））
第５実施形態では、第３実施形態及び第４実施形態のそれぞれにおけるゲイン係数Ｃの値が、制御信号生成要素２４によって次のように設定される。
【０１２６】
まず、評価関数Ｅが関係式（５４１）にしたがって算定される。
【０１２７】
E＝(1/2)(W0−ΣjW(j)/N)2 ..(541)。
【０１２８】
「Ｗ（ｊ）」は現時点から過去第ｊの歩行周期における歩幅である。歩幅Ｗ（ｊ）は、例えば左脚体を屈曲運動する歩行周期においては関係式（５４３）にしたがって算定される一方、右脚体を屈曲運動する歩行周期においては関係式（５４４）にしたがって算定される。この際、該当歩行周期における股関節角度センサ１４の出力に基づく、股関節角度の変化態様を表わす波形信号が用いられる。「ΣjW(j)/N」は連続する過去Ｎ周期（Ｎはたとえば３）にわたる平均歩幅である。
【０１２９】
W(j)＝LLEGsin（|θLmax|+|θRmin|） ..(543)。
【０１３０】
W(j)＝LLEGsin（|θRmax|+|θLmin|） ..(544)。
【０１３１】
ゲイン係数の今回値Ｃ(k)が、前回値Ｃ(k-1)及び評価関数Ｅの今回値Ｅ(k)及び前回値Ｅ(k-1)に基づき、関係式（５４５）にしたがって算定される。
【０１３２】
C(k)−C(k-1)＝−τ(E(k)−E(k-1))/Δt ..(545).
「τ」は学習速度係数である。「Δｔ」は制御装置２０の制御周期である。
【０１３３】
（歩行補助装置の作用効果）
前記機能を発揮する歩行補助装置１０によれば、各アクチュエータ１６のそれぞれの周期動作の位相の制御基礎となる第２位相振動子φ2の算定（図３／ＳＴＥＰ０２参照）に際して、人間の上体に対する各大腿の周期運動の位相である第１位相振動子φ1とこの第２位相振動子φ2との偏差と、固有角速度ωとが基礎とされる。第１位相振動子と第２位相振動子との相関係数（左相関係数ＫL及び右相関係数ＫR）、第２位相振動子の成分間の相関係数（左右相関係数ＫLR）及び固有角速度ω以外のパラメータが、設定又は調節対象から除外されうるので、当該パラメータの数の低減を図ることができる（関係式（１２０）（２２１）〜（２２４）参照）。
【０１３４】
一方、第１位相振動子φ1と第２位相振動子φ2との前回偏差δφ(k-1)が目標偏差δφ0に近づくように、前回の固有角速度ω(k-1)を当該前回偏差δφ(k-1)に応じた量だけ補正することによって今回の固有角速度ω(k)が設定される（図３／ＳＴＥＰ０３、関係式（１３１）〜（１３４））。これにより、補助対象である人間の運動周期に鑑みて適当な周期で各アクチュエータ１６を動作させ、かつ、第１装具１１に対して各第２装具１２を周期的に動かすことができる。
【０１３５】
例えば、目標偏差δφ0が進角側、すなわち負値に設定されることにより、人間の上体に対する大腿の相対的姿勢の変化に先行して、第１装具１１及び第２装具１２の相対的姿勢が変化するように歩行補助装置１０の動作が制御される。これにより、歩行補助装置１０の動作が人間の歩行運動を助長又は促進するようなものとなるので、その歩行速度の上昇が図られる。
【０１３６】
これとは逆に、目標偏差δφ0が遅角側、すなわち正値に設定されることにより、人間の上体に対する大腿の相対的姿勢の変化に追従して、第１装具１１及び第２装具１２の相対的姿勢が変化するように歩行補助装置１０の動作が制御される。これにより、歩行補助装置１０の動作が人間の歩行運動にとって抵抗を与えるようなものとなるので、その歩行速度の低下が図られる。
【０１３７】
第３及び第４実施形態によれば、人間の脚体の長さＬLEGに対する目標歩幅Ｗ0の比率に基づき、当該比率Ｗ0／ＬLEGを変数とする増加関数にしたがって、各アクチュエータ１６の動作の振幅を定めるような制御信号ηが生成される（関係式（１４１）〜（１４３）及び関係式（２４１）〜（２４３）参照）。
【０１３８】
第５実施形態によれば、人間の脚体の長さＬLEGと、各股関節角度センサ１４から得られる各股関節角度θの時間変化を表わす波形信号とに基づき、人間の過去複数周期にわたる平均歩幅ΣjW(j)/Nと人間の目標歩幅Ｗ0との偏差が小さくなるように、各アクチュエータ１６のそれぞれの動作の振幅を定めるような制御信号ηが生成される（関係式（５４３）〜（５４５）参照）。
【０１３９】
当該構成の歩行補助装置によれば、人間の目標歩幅Ｗ0の大小に応じてアクチュエータ１６の周期動作の振幅、すなわち、第１装具１１に対する各第２装具１２の前後方向の変位量の多少が制御されうる。このため、人間の歩幅Ｗを目標歩幅Ｗ0に近づけるように、当該人間の歩行運動が補助されうる。
【０１４０】
本発明の第２実施形態としての歩行補助装置が被験者に装着された場合における、第１位相振動子φ1及び第２位相振動子φ2の出力形態が観測された。左右脚の運動機能を意図的に非対称なものとするため、健常者である被験者の右足首に３ｋｇの錘が付けられた。
【０１４１】
図７〜図１４のそれぞれには、目標位相差δφ0＝（δφ0L，δφ0R）（関係式（１３８）参照）及びもう１つの目標位相差ξ＝（ξL+，ξL-，ξR+，ξR-）（関係式（２２１）〜（２２４）参照）の設定値の相違に応じた、第２位相振動子φ2等の時間変化態様が示されている。
【０１４２】
各図の（ａ）には位相差の左成分δφL（一点鎖線）、位相差の右成分δφR（二点鎖線）及びこれらの偏差δφL−δφR（破線）の出力結果が示されている。各図の（ｂ）には第２位相振動子φ2の左屈曲成分φ2L+（一点鎖線）、左伸展成分φ2L-（破線）、右屈曲成分φ2R+（実線）及び右伸展成分φ2R-（二点鎖線）の出力結果が示されている。
【０１４３】
図７（ａ）及び図７（ｂ）には、δφ0L＝δφ0R＝ξL+＝ξL-＝ξR+＝ξR-＝０［ｒａｄ］である場合の出力結果が示されている。この場合、δφ0L＝δφ0R＝０なので、第１装具１１に対する左右の第２装具１２の動きが、被験者の胴体に対する左右の大腿の動きに同期して追従するようにアクチュエータ１６の動作が制御される。
【０１４４】
図８（ａ）及び図８（ｂ）には、δφ0L＝δφ0R＝−０．２［ｒａｄ］、ξL+＝ξL-＝０［ｒａｄ］、ξR+＝−０．６［ｒａｄ］かつξR-＝０．６［ｒａｄ］である場合の出力結果が示されている。この場合、δφ0L＜０かつδφ0R＜０なので、第１装具１１に対する左右の第２装具１２の動きが、被験者の胴体に対する左右の大腿の動きを先導するようにアクチュエータ１６の動作が制御される。また、ξR+＜０かつξR-＞０なので、図７の場合と比較して、被験者の右脚の屈曲開始時点が早くなる一方、右脚の伸展開始時点が遅くなるように右側アクチュエータ１６Ｒの動作が制御される。
【０１４５】
図９（ａ）及び図９（ｂ）には、δφ0L＝δφ0R＝−０．２［ｒａｄ］、ξL+＝ξL-＝０［ｒａｄ］かつξR+＝ξR-＝−０．６［ｒａｄ］である場合の出力結果が示されている。この場合、ξR+＜０かつξR-＜０なので、図７の場合と比較して、被験者の右脚の屈曲開始時点及び伸展開始時点が早くなるように右側アクチュエータ１６Ｒの動作が制御される。
【０１４６】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）には、δφ0L＝δφ0R＝−０．２［ｒａｄ］、ξL+＝ξL-＝０［ｒａｄ］、ξR+＝ξR-＝−０．８［ｒａｄ］である場合の出力結果が示されている。図９の場合と比較して、ξR+及びξR-の絶対値が大きい分だけ、被験者の右脚の屈曲開始時点及び伸展開始時点がさらに早くなるように右側アクチュエータ１６Ｒの動作が制御される。
【０１４７】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）には、δφ0L＝δφ0R＝−０．２［ｒａｄ］、ξL+＝ξL-＝０［ｒａｄ］かつξR+＝ξR-＝０．６［ｒａｄ］である場合の出力結果が示されている。この場合、ξR+＞０かつξR-＞０なので、図７の場合と比較して、被験者の右脚の屈曲開始時点及び伸展開始時点が遅くなるように右側アクチュエータ１６Ｒの動作が制御される。
【０１４８】
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）には、δφ0L＝δφ0R＝−０．２［ｒａｄ］、ξL+＝ξL-＝０．８［ｒａｄ］、ξR+＝ξR-＝０［ｒａｄ］である場合の出力結果が示されている。この場合、ξL+＞０かつξL-＞０なので、図７の場合と比較して、被験者の左脚の屈曲開始時点及び伸展開始時点が遅くなるように右側アクチュエータ１６Ｒの動作が制御される。
【０１４９】
図１３（ａ）及び図１３（ｂ）には、δφ0L＝δφ0R＝０．２［ｒａｄ］、ξL+＝ξL-＝−０．６［ｒａｄ］かつξR+＝ξR-＝０［ｒａｄ］である場合の出力結果が示されている。この場合、δφ0L＞０かつδφ0R＞０なので、第１装具１１に対する左右の第２装具１２の動きが、被験者の胴体に対する左右の大腿の動きに遅れて追従するようにアクチュエータ１６の動作が制御される。また、ξL+＜０かつξL-＜０なので、図７の場合と比較して、被験者の左脚の屈曲開始時点及び伸展開始時点が早くなるように右側アクチュエータ１６Ｒの動作が制御される。
【０１５０】
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）には、δφ0L＝δφ0R＝０［ｒａｄ］、ξL+＝ξL-＝−０．６［ｒａｄ］、ξR+＝ξR-＝０［ｒａｄ］である場合の出力結果が示されている。
【０１５１】
これらの実験結果から、図８及び図１０のそれぞれの場合、他の場合と比較して位相差の左成分δφL（一点鎖線）及び位相差の右成分δφR（二点鎖線）が目標位相差δφ0に一致するように安定に制御されていることがわかる。すなわち、足首に錘（３ｋｇ）が付けられた右脚の屈曲開始時点及び伸展開始時点が図７の場合と異なるように右側アクチュエータ１６Ｒの動作が制御されることにより、第１装具１１に対する左右の第２装具１２の動きが、被験者の胴体に対する左右の大腿の動きに対して所望の形態で調和するようにアクチュエータ１６の動作が制御されていることがわかる。
【０１５２】
（本発明の他の実施形態）
ファン・デル・ポル方程式等の方程式により定義され、入力波形信号と引き込み合う、当該方程式の解としての出力波形信号を出力するモデルに対して、第１位相振動子φ1の時間変化態様を表わす波形信号が入力されることにより得られる出力波形信号の各時刻における値が、第２位相振動子φ2の算定（図３／ＳＴＥＰ０２）及び固有角速度ωの設定（図３／ＳＴＥＰ０３）のうち少なくとも一方において第１位相振動子φ1の代わりの位相として用いられてもよい。
【符号の説明】
【０１５３】
１０‥歩行補助装置、１１‥第１装具、１２‥第２装具、１６‥アクチュエータ、２０‥制御装置、２１‥第１位相振動子出力要素、２２‥第２位相振動子出力要素、２３‥固有角速度設定要素、２４‥制御信号生成要素。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人間の周期運動を補助する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間の運動周期と、当該人間に力を伝達するように構成されている装置の動作周期との調和を図りながら、当該人間の周期運動を補助する技術的手法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、調節又は設定対象となるパラメータの数の低減のため、位相をＣＰＧ（Central Pattern Generator）モデルとして用いることが考えられる（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９３０３９９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】飯田、近藤、伊藤「位相振動子と軌道生成モデルによる環境適応機構の提案」SICE Symposium on Decentralized Autonomous Systems 18, 271-276, 2006.01.26
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、モデルを過度に簡素化しすぎると、装置の動作周期が、人間の運動周期との調和という観点から不適当なものとなる可能性が高くなる。
【０００７】
そこで、本発明は、調節又は設定対象となる制御用のパラメータの数の低減を図りながら、補助対象である人間の運動周期に鑑みて適当な周期で動作することができる装置を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、人間の上体に取り付けられる第１装具と、前記人間の左右の脚体のそれぞれに対して取り付けられる一対の第２装具と、一対のアクチュエータと、前記人間の左右の股関節角度のそれぞれに応じた信号を出力するように構成されている一対の関節角度センサと、少なくとも前記一対の関節角度センサの出力信号に基づいて前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作を制御するように構成されている制御装置とを備え、前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作によって前記第１装具に対して前記一対の第２装具のそれぞれを動かすことにより、前記上体に対する前記左右の脚体の相対的な周期運動を補助する歩行補助装置に関する。
【０００９】
前記課題を解決するための本発明の歩行補助装置は、前記制御装置が、前記一対の関節角度センサのそれぞれの出力に基づき、前記人間の上体に対する各大腿の周期運動の位相を第１位相振動子の左右各成分として測定するように構成されている第１位相振動子出力要素と、前記第１位相振動子の左右各成分に対する偏差と、固有角速度の左右各成分とに応じた速度で変化する左右各成分を有する位相を第２位相振動子として算定するように構成されている第２位相振動子出力要素と、前記第１位相振動子の左右各成分と前記第２位相振動子の左右各成分との前回偏差が目標偏差に近づくように、前回の前記固有角速度の左右各成分を当該前回偏差に応じた量だけ補正することによって今回の前記固有角速度の左右各成分を設定するように構成されている固有角速度設定要素と、前記第２位相振動子の左右各成分に変化にしたがって、前記一対のアクチュエータのそれぞれの周期動作の位相を変化させる制御信号を生成するように構成されている制御信号生成要素とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の歩行補助装置によれば、制御用のパラメータの数の低減による制御態様の簡素化を図りながらも、人間の周期運動の位相に鑑みて、歩行補助装置の周期動作の位相が適当に制御されうるように固有角速度の値が設定される。
【００１１】
具体的には、各アクチュエータのそれぞれの周期動作の位相の制御基礎となる「第２位相振動子」の算定に際して、人間の上体に対する各大腿の周期運動の位相である「第１位相振動子」とこの第２位相振動子との偏差と、「固有角速度」とが基礎とされる。少なくとも当該偏差の各成分及び固有角速度の各成分が調節又は設定対象となる制御用のパラメータに含まれていれば、その他のパラメータは省略されてもよいという比較的緩やかな条件下で、当該パラメータの数の低減を図ることができる。
【００１２】
一方、第１位相振動子と第２位相振動子との前回偏差が目標偏差に近づくように、前回の固有角速度を当該前回偏差に応じた量だけ補正することによって今回の固有角速度が設定される。これにより、補助対象である人間の運動周期に鑑みて適当な周期で各アクチュエータを動作させ、かつ、第１装具に対して各第２装具を周期的に動かすことができる。
【００１３】
前記制御信号生成要素が、前記人間の脚体の長さに対する目標歩幅の比率に基づき、当該比率を変数とする増加関数にしたがって、前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作の振幅を定めるような制御信号を生成するように構成されていてもよい。
【００１４】
前記制御信号生成要素が、前記人間の脚体の長さと、前記一対の関節角度センサから得られる各股関節角度の時間変化を表わす波形信号とに基づき、前記人間の過去複数周期にわたる平均歩幅を算出した上で、前記平均歩幅と前記人間の目標歩幅との偏差が小さくなるように、前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作の振幅を定めるような制御信号を生成するように構成されていてもよい。
【００１５】
当該構成の歩行補助装置によれば、人間の目標歩幅の大小に応じてアクチュエータの周期動作の振幅、すなわち、第１装具に対する各第２装具の前後方向の変位量の多少が制御されうる。このため、人間の歩幅を目標歩幅に近づけるように、当該人間の歩行運動が補助されうる。
【００１６】
前記第２位相振動子出力要素が、前記固有角速度設定要素による前記固有角速度の設定に際して用いられる前記第２位相振動子の左右各成分、及び、前記制御信号生成要素による前記制御信号の生成に際して用いられる前記第２位相振動子の左右各成分として、各脚体の屈曲及び伸展の別に応じて区別されていない第１成分を算定するように構成されていてもよい。
【００１７】
前記第２位相振動子出力要素が、前記第１成分としての前記第２位相振動子の左右各成分と、前記第１位相振動子の左右各成分との相関項と、前記第１成分としての前記第２位相振動子の左右各成分の相関項とが含まれている連立微分方程式を解くことにより、前記第１成分を算定するように構成されていてもよい。
【００１８】
当該構成の歩行補助装置によれば、第１位相振動子と第２位相振動子との相関係数、第２位相振動子の成分間の相関係数及び固有角速度以外のパラメータが、設定又は調節対象から除外されうるので、当該パラメータの数の低減を図ることができる。その一方、前記のように固有角速度が設定されることにより、補助対象である人間の運動周期に鑑みて適当な周期で歩行補助装置を動作させることができる。
【００１９】
前記第２位相振動子出力要素が、前記固有角速度設定要素による前記固有角速度の設定に際して用いられる前記第２位相振動子の左右各成分として、各脚体の屈曲及び伸展の別に応じて区別されていない第１成分を算定し、かつ、前記制御信号生成要素による前記制御信号の生成に際して用いられる前記第２位相振動子の左右各成分として、各脚体の屈曲及び伸展の別に応じて区別されている第２成分を算定するように構成されていてもよい。
【００２０】
前記第２位相振動子出力要素が、前記第１成分としての前記第２位相振動子の左右各成分と、前記第１位相振動子の左右各成分との相関項と、前記第１成分としての前記第２位相振動子の左右各成分の相関項とが含まれている連立微分方程式を解くことにより、前記第１成分を算定し、前記第２成分としての前記第２位相振動子の左屈曲及び左伸展各成分と、前記第１位相振動子の左成分との相関項、又は、前記第２成分としての前記第２位相振動子の右屈曲及び右伸展各成分と、前記第１位相振動子の右成分との相関項が含まれている、前記第２成分に該当する各成分の微分方程式を解くことにより、前記第２成分を算定するように構成されていてもよい。
【００２１】
当該構成の歩行補助装置によれば、第１位相振動子と第２位相振動子の第１成分との相関係数、第２位相振動子の第１成分間の相関係数、第１位相振動子と第２位相振動子の第２成分との相関係数及び固有角速度以外のパラメータが、設定又は調節対象から除外されうるので、当該パラメータの数の低減を図ることができる。その一方、前記のように固有角速度が設定されることにより、補助対象である人間の運動周期に鑑みて適当な周期で歩行補助装置を動作させることができる。
【００２２】
前記第１位相振動子出力要素が、前記一対の関節角度センサのそれぞれの出力に基づき、各股関節角度に対する各股関節角速度の比率の逆正接関数を前記第１位相振動子の左右各成分として測定するように構成されていることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の歩行補助装置の構成説明図。
【図２】歩行補助装置の制御装置の構成説明図。
【図３】歩行補助装置の制御方法に関する説明図。
【図４】関節角度及び関節角速度に関する説明図。
【図５】第１位相振動子に関する説明図。
【図６】第１位相振動子及び第２位相振動子の相関関係並びに第２位相振動子の左成分及び第２位相振動子の右成分の相関関係に関する説明図。
【図７】歩行補助装置の第１の性能実験結果に関する説明図。
【図８】歩行補助装置の第２の性能実験結果に関する説明図。
【図９】歩行補助装置の第３の性能実験結果に関する説明図。
【図１０】歩行補助装置の第４の性能実験結果に関する説明図。
【図１１】歩行補助装置の第５の性能実験結果に関する説明図。
【図１２】歩行補助装置の第６の性能実験結果に関する説明図。
【図１３】歩行補助装置の第７の性能実験結果に関する説明図。
【図１４】歩行補助装置の第８の性能実験結果に関する説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（歩行補助装置の構成）
本発明の歩行補助装置の一実施形態としての歩行補助装置について説明する。以下、脚体等の左右を区別するために符号「Ｌ」及び「Ｒ」を用いるが、左右をまとめて表現する場合又は左右成分を有するベクトルを表現する場合には当該符号を省略する。また、上体に対する各大腿の屈曲運動（前方運動）及び伸展運動（後方運動）を区別するために符号「＋」及び「−」を用いる。
【００２５】
図１に示されている歩行補助装置１０は、第１装具１１と、左右一対の第２装具１２と、左右一対のアクチュエータ１６と、バッテリ１８と、制御装置２０と、股関節角度センサ１４とを備えている。
【００２６】
第１装具１１は、人間又は利用者の上体又は腰部（第１身体部分）に巻き付けられるように装着される。第１装具１１のうち少なくとも人間の背中に当接する背後部は、軽量合金、硬質樹脂又はカーボンファイバ等の剛性素材により構成され、その他の部分は繊維等の柔軟性素材により構成されている。
【００２７】
第２装具１２は、繊維等の柔軟性素材により構成され、人間の大腿（第２身体部分）に巻き付けられるように装着される。第２装具１２は、大腿に加えて又は代えて下腿に巻き付けられるように装着されてもよい。
【００２８】
アクチュエータ１６は電動モータにより構成され、必要に応じてモータに加え減速機及びコンプライアンス機構のうち一方又は両方により構成される。アクチュエータ１６は第１装具１１が上体に取り付けられたとき、上体の左右両側に配置されるように第１装具１１に連結されている。アクチュエータ１６は、軽量の軽量合金、硬質樹脂又はカーボンファイバ等の剛性素材により形成されている連結部材１５を介して大腿に装着される第２装具１２に連結される。
【００２９】
これにより、アクチュエータ１６が動作することで、上体及び各大腿の相対運動が補助されるように上体及び各大腿に力が作用する。上体及び各大腿の相対運動には、離床している脚体の大腿の上体に対する前後運動が含まれ、着床している脚体に対する上体の前後運動が含まれる。
【００３０】
バッテリ１８は制御装置２０とともに第１装具１１の背後部に取り付けられるケース１３に収納されており、アクチュエータ１６及び制御装置２０等に対して電力を供給する。なお、バッテリ１８及び制御装置２０のそれぞれ又はこれらを収納するケース１３の配置箇所は適宜変更されてもよい。
【００３１】
股関節角度センサ１４は人間の腰部左右両側に配置されるロータリーエンコーダにより構成され、股関節角度に応じた信号を出力する。股関節角度は、大腿が基本前額面の前方にある場合には正値になり、大腿が基本前額面の後方にある場合には負値になるように定義される。
【００３２】
制御装置２０はコンピュータ（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、信号入力回路、信号出力回路等により構成される。）と、このコンピュータのメモリ又は記憶装置に格納されているソフトウェアとにより構成されている。制御装置２０は、バッテリ１８からアクチュエータ１６に対する供給電力を調節するほか、アクチュエータ１６の動作を制御する。
【００３３】
図２に示されているように、制御装置２０は、後述の演算処理を実行する又は機能を発揮する第１位相振動子出力要素２１と、第２位相振動子出力要素２２と、固有角速度設定要素２３と、制御信号生成要素２４とを備えている。
【００３４】
制御装置２０の各構成要素が担当演算処理を実行するように「構成されている」とは、記憶装置に格納されている必要なプログラム及びデータを読み取り、当該プログラムにしたがって当該データに対して演算処理を施すことにより、当該担当演算処理を実行するように「プログラムされている」ことを意味する。各構成要素は、単一の演算処理装置により構成されていてもよく、物理的に分離している複数の演算処理装置により構成されていてもよい。
【００３５】
運転スイッチ（図示略）が操作され、バッテリ１８から制御装置２０に対して電力が供給されることにより、制御装置２０は次に説明するような諸機能を発揮しうる。
【００３６】
（歩行補助装置の機能（第１実施形態））
制御装置２０による歩行補助装置１０の動作制御方法の第１実施形態について説明する。
【００３７】
まず、第１位相振動子出力要素２１が、股関節角度センサ１４の出力に基づき、人間の周期運動の位相を第１位相振動子φ1＝（φ1L，φ1R）として測定かつ出力する（図３／ＳＴＥＰ０１）。
【００３８】
股関節角度θは、図４に示されているように、大腿が股関節箇所を一端とする線分とみなされた場合、横から見た当該線分と基本前額面とのなす角度として定義される。基本前額面は、上体が前後方向に傾くことに応じて、左右の股関節箇所を通る軸線回りに回動する。股関節角度θは、大腿を表わす線分が基本前額面の前方にある状態では正値である一方、当該線分が基本前額面より後方にある状態では負値であるように定義されている。このため、股関節角速度（ｄθ／ｄｔ）は、大腿が前方に動いている屈曲運動状態では正値になる一方、大腿が後方に動いている伸展運動状態では負値となる。
【００３９】
第１位相振動子φ1の左成分φ1Lは、例えば関係式（１１１）により表され、かつ、図５に模式的に示されているように、左股関節角度θLに対する左股関節角速度（ｄθL／ｄｔ）の比率の逆正接関数として定義される。第１位相振動子φ1の右成分φ1Rは、例えば関係式（１１２）により表され、かつ、図５に模式的に示されているように、右股関節角度θRに対する右股関節角速度（ｄθR／ｄｔ）の比率の逆正接関数として定義される。
【００４０】
φ1L＝arctan{(dθL/dt)/θL} ..(111)。
【００４１】
φ1R＝arctan{(dθR/dt)/θR} ..(112)。
【００４２】
第１位相振動子φ1q（ｑ＝Ｌ，Ｒ）は、屈曲運動中に大腿を表わす線分が基本前額面に一致した状態、すなわち、股関節角速度（ｄθq／ｄｔ）が正であり、かつ、股関節角度θqが０である状態で「π／２」になる。第１位相振動子φ1qは、上体に対して脚体又は大腿が最も屈曲した状態、すなわち、股関節角速度（ｄθq／ｄｔ）が０であり、かつ、股関節角度θqが正である状態で「０」になる。
【００４３】
第１位相振動子φ1qは、伸展運動中に大腿を表わす線分が基本前額面に一致した状態、すなわち、股関節角速度（ｄθq／ｄｔ）が負であり、かつ、股関節角度θqが０である状態で「−π／２」になる。第１位相振動子φ1qは、上体に対して脚体又は大腿が最も伸展した状態、すなわち、股関節角速度（ｄθq／ｄｔ）が０であり、かつ、股関節角度θqが負である状態で「π」又は「−π」になる。
【００４４】
第１位相振動子φ1は、上体に対する各大腿の姿勢及びその変化態様を表わす位相であるともいえる（図５参照）。この意味で、第１位相振動子φ1は、関係式（１１１）及び（１１２）に代えて、関係式（１１３）及び（１１４）、関係式（１１５）及び（１１６）又は関係式（１１７）及び（１１８）により定義されてもよい。
【００４５】
φ1L＝arctan{{H((dθL/dt))−H(-(dθL/dt))}/θL} ..(113)。
【００４６】
φ1R＝arctan{{H((dθR/dt))−H(-(dθR/dt))}/θR} ..(114)。
【００４７】
φ1L＝arctan{(dθL/dt)/{H(θL)−H(-θL)}} ..(115)。
【００４８】
φ1R＝arctan{(dθR/dt)/{H(θR)−H(-θR)}} ..(116)。
【００４９】
φ1L＝arctan{(dθL/dt)/(dθL/dt)max・θL/θLmax} ..(117)。
【００５０】
φ1R＝arctan{(dθR/dt)/(dθR/dt)max・θR/θRmax} ..(118)。
【００５１】
ここでＨ（ｘ）はヘヴィサイドの階段関数であり、ｘが正である場合は１となり、ｘが０である場合は０又は１／２等の１未満の正数となり、ｘが負である場合は０となる。(dθL/dt)maxは過去所定周期における左股関節角速度(dθL/dt)の最大値であり、θLmaxは過去所定周期における左股関節角度θLの最大値である。同様に、(dθR/dt)maxは過去所定周期における右股関節角速度(dθR/dt)の最大値であり、θRmaxは過去所定周期における右股関節角度θRの最大値である。
【００５２】
また、第２位相振動子出力要素２２が、歩行補助装置１０の動作周期の位相を第２位相振動子φ2＝（φ2L，φ2R）として算定かつ出力する（図３／ＳＴＥＰ０２）。
【００５３】
図６（ａ）に矢印で示されているように、第２位相振動子φ2は、第１位相振動子φ1に対して位相進み（又は位相遅れ）をもって、第１位相振動子φ1とともに時間変化する。
【００５４】
また、図６（ｂ）に矢印で示されているように、第２位相振動子の左成分φ2L及び第２位相振動子の右成分φ2Rは、位相差を有しながら時間変化する。第２位相振動子の左成分φ2Lは、左アクチュエータ１６Ｌの動作の位相を定める因子である。第２位相振動子の右成分φ2Rは、右アクチュエータ１６Ｒの動作の位相を定める因子である。
【００５５】
例えば、連立微分方程式（１２０）を解くことにより、第２位相振動子φ2の左右各成分φ2L及びφ2Rが算定される。第１実施形態では、固有角速度ωの設定基礎となる「第１成分」と、制御信号ηの生成基礎となる「第２成分」とは同一である。
【００５６】
(dφ2L/dt)＝ωL＋KLsin(φ1L−φ2L)＋KLRsin(φ2R−φ2L)，
(dφ2R/dt)＝ωR＋KRsin(φ1R−φ2R)＋KLRsin(φ2L−φ2R) ..(120)。
【００５７】
今回第２位相振動子φ2(k)（ｋは制御サイクルの回数を表わす。）の算出に際して、第１位相振動子出力要素２１により測定された今回第１位相振動子φ1(k)と、後述するように固有角速度設定要素２３により設定された前回固有角速度ω(k-1)とが連立微分方程式（１２０）に代入される。ｋ＝１の場合、初期の固有角速度ω(0)としては記憶装置に保存されている値が用いられる。
【００５８】
「ＫL」は、第１位相振動子の左成分φ1L及び第２位相振動子の左成分φ2Lの相関関係を表わす左相関係数である。右相関係数ＫLが「正」である場合、第１位相振動子の右成分φ1Rと第２位相振動子の右成分φ2Rとの偏差を減少させるように第２位相振動子の右成分φ2Rが決定される。左相関係数ＫLが「負」である場合、第１位相振動子の右成分φ1Rと第２位相振動子の右成分φ2Rとの偏差を増加させるように第２位相振動子の左成分φ2Lが決定される。
【００５９】
「ＫR」は、第１位相振動子の右成分φ1R及び第２位相振動子の右成分φ2Rの相関関係を表わす右相関係数である。右相関係数ＫLが「正」である場合、第１位相振動子の右成分φ1Rと第２位相振動子の右成分φ2Rとの偏差を減少させるように第２位相振動子の右成分φ2Rが決定される。左相関係数ＫLが「負」である場合、第１位相振動子の右成分φ1Rと第２位相振動子の右成分φ2Rとの偏差を増加させるように第２位相振動子の左成分φ2Lが決定される。
【００６０】
「ＫLR」は、第２位相振動子の左成分φ2L及び第２位相振動子の右成分φ2Rの相関関係を表わす左右相関係数である。左右相関係数ＫLRは、第２位相振動子の左成分φ2L及び第２位相振動子の右成分φ2Rの偏差を「π」に維持する観点から予め適当な値に設定され、又は、第２位相振動子出力要素２２によって設定若しくは適宜補正される。
【００６１】
さらに、固有角速度設定要素２３が、今回第１位相振動子φ1(k)及び今回第２位相振動子φ2(k)の偏差に応じて定まる今回位相差δφ(k)を目標位相差δφ0に一致させるように、次回固有角速度ω(k+1)を設定する（図３／ＳＴＥＰ０３）。
【００６２】
第１位相振動子φ1及び第２位相振動子φ2に基づき、関係式（１３１）及び（１３２）にしたがって位相差δφが算定される。
【００６３】
δφL＝sin(φ1L−φ2L) ..(131)。
【００６４】
δφR＝sin(φ1R−φ2R) ..(132)。
【００６５】
そして、位相差δφが目標位相差δφ0に近づくように、固有角速度ωが仮想的な２つの振動子が含まれている内部モデルにしたがって算定される。
【００６６】
具体的には、まず、左右各成分について、位相差δφが第１位相差δφ1として設定され、指定期間（例えば３歩行周期）にわたり第１位相差δφ1が一定であったことを要件として、左右各成分について、関係式（１３３）及び（１３４）によって表される「内部モデル」にしたがって、関係式（１３５）によって表される内部運動振動子θhと内部誘導振動子θmとの位相差θh−θmが第２位相差δφ2として求められる。
【００６７】
dθh/dt=ωh+εsin(θm-θh) ..(133)。
【００６８】
dθm/dt=ωm+εsin(θh-θm) ..(134)。
【００６９】
δφ2=arcsin[(ωh-ωm)/2ε] ..(135)。
【００７０】
ここで、ε＝（εL，εR）は仮想モデルにおける仮想運動振動子θh＝（θhL，θhR）及び仮想誘導振動子θm＝（θmL，θmR）の左右成分ごとの相関係数である。また、ωhは仮想運動振動子θhの角速度であり、ωmは仮想誘導振動子θmの角速度である。
【００７１】
続いて、第１位相差δφ1と第２位相差δφ2との差δφ1−δφ2が最小になるように相関係数εの値が設定される。具体的には関係式（１３６）にしたがって、左右各成分について、第１位相振動子φ1が０となる離散的な時間ｔid（id：整数）における相関係数εが逐次設定される。
【００７２】
ε(tid+1)=ε(tid)-η{v(tid+1)-V(tid)}/{ε(tid)-ε(tid-1)}，
V(tid+1)≡(1/2){δφ1(tid+1)-δφ2(tid)}2 ..(136)。
【００７３】
ここで、η＝（ηL，ηR）の各成分は、第１位相差δφ1の左右各成分と、第２位相差δφ2の左右各成分とを近づけるポテンシャルＶ＝（ＶL，ＶR）の安定性を表す係数である。
【００７４】
次に、相関係数εの当該設定値に基づき、仮想誘導振動子θmの固有角速度ωmが一定であるという条件下で、左右各成分について、第１及び第２位相差の差δφ1−δφ2の各成分が最小となるように仮想運動振動子θhの角速度ωhが関係式（１３７）にしたがって設定される。
【００７５】
ωh(tid)
=−α∫dt([4ε(tid)2-{ωh(t)-ωm(tid)}2]1/2sin[arcsin{(ωh(t)-ωm(tid-1))/2ε(tid)}-δφ1(tid)]) ..(137)。
【００７６】
ここで、α＝（αL，αR）の各成分は系の安定性を表す係数である。
【００７７】
続いて、左右各成分について、仮想運動振動子θhの角速度ωhに基づき、仮想誘導振動子θmの角速度ωmが新たな固有角速度ωとして設定される。具体的には、左右各成分について、第２位相差δφ2が目標位相差δφ0に近づくように、関係式（１３８）にしたがって仮想誘導振動子θmの角速度ω＝（ωL, ωR）の値が設定される。
【００７８】
ω(tid)=β∫dt(4ε(tid)2-{ωh(tid)-ωm(t)}2)sin[arcsin{(ωh(tid)-ωm(t))/2ε(tid)}-δφ0]) ..(138)。
【００７９】
ここで、β＝（βL, βR）の各成分は系の安定性を表す係数である。
【００８０】
当該目標位相差δφ0＝（δφ0L，δφ0R）は制御装置２０に有線通信又は無線通信が可能な操作装置の操作ボタン（図示略）が操作されることにより、任意に設定されうる。
【００８１】
なお、位相差δφ（第１位相差δφ1）が目標位相差δφ0から閾値を超えて乖離した場合、又は固有角速度ωの今回値が閾値を超える程度に前回値から大きく変化した場合、固有角速度ωは、適当なゲイン係数λ＝（λL，λR）を用いて、関係式（１３９）にしたがって算定されてもよい。
【００８２】
ωL(k+1)＝ωL(k)＋λL(δφL(k)−δφ0L), ωR(k+1)＝ωR(k)＋λR(δφR(k)−δφ0R) ..(139)。
【００８３】
また、制御信号生成要素２４が、第２位相振動子φ2に基づき、制御信号ηを生成する（図３／ＳＴＥＰ０４）。
【００８４】
例えば、第１制御係数Ｃ1及び第２制御係数Ｃ2に基づき、関係式（１４１）及び（１４２）のそれぞれにしたがって制御信号ηが生成される。
【００８５】
ηL＝C1Lsinφ2L＋C2L ..(141)。
【００８６】
ηR＝C1Rsinφ2R＋C2R ..(142)。
【００８７】
なお、第１制御係数Ｃ1は、位相差δφ（関係式（１３１）及び（１３２）参照）に基づき、所定の学習係数γ1＝（γ1L，γ1R）が用いられている関係式（１４１０）にしたがって逐次設定されてもよい。「ｋ」は制御周期を表わす指数である。
【００８８】
C1L(k+1)=C1L(k)+γ1L(δφL(k)-δφL(k-1))/(C1L(k)-C1L(k-1)),
C1R(k+1)=C1R(k)+γ1R(δφR(k)-δφR(k-1))/(C1R(k)-C1R(k-1)) ..(1410)。
【００８９】
また、第２制御係数Ｃ2は、同じく位相差δφに基づき、所定の学習係数γ2＝（γ2L，γ2R）が用いられている関係式（１４２０）にしたがって逐次設定されてもよい。
【００９０】
C2L(k+1)=C2L(k)-γ2L(E(k)-E(k-1))/(C2L(k)-C2L(k-1)),
C2R(k+1)=C2R(k)+γ2R(E(k)-E(k-1))/(C2R(k)-C2R(k-1)) ..(1420)。
【００９１】
「Ｅ（ｋ）」は、目標歩行比Ｆｌref及び測定歩行比（過去所定周期にわたる平均値）Ｆｌmeasに基づき、関係式（１４２２）により定義されるエネルギー関数である。
【００９２】
E(k)=(1/2)(Flref-Flmeas)2 ..(1422)。
【００９３】
第１制御係数Ｃ1及び第２制御係数Ｃ2のうち少なくとも一方が、位相差δφに代えて第１位相振動子φ1の左右成分の偏差φ1L−φ1Rに基づき、前記関係式にしたがって設定されてもよい。
【００９４】
そして、制御装置２０により制御信号ηに基づいてバッテリ１８から左右のアクチュエータ１６Ｌ，１６Ｒにそれぞれ供給される電流Ｉ＝（ＩL，ＩR）が調節される。これにより、第１装具１１及び第２装具１２を介して上体に対する左右の大腿の屈曲運動及び伸展運動を補助する力又は股関節回りの回転力Ｆ＝（ＦL，ＦR）が調節される。補助力Ｆは電流Ｉに基づき、たとえばＦ（ｔ)＝Ｇ・Ｉ(ｔ)（Ｇ：比例係数）と表現される。
【００９５】
その後、運転スイッチがＯＮからＯＦＦに切り替えられたこと、又は、動作異常が検知されたこと等の動作終了条件が満たされたか否かが判定される。そして、当該判定結果が否定的である場合、前記一連の処理が繰り返される一方、当該判定結果が肯定的である場合、前記一連の処理が終了する。
【００９６】
（歩行補助装置の機能（第２実施形態））
制御装置２０による歩行補助装置１０の動作制御方法の第２実施形態について説明する。第１位相振動子出力要素２１による第１位相振動子φ1の測定方法（図３／ＳＴＥＰ０１）及び固有角速度設定要素２３による固有角速度ωの設定方法（図３／ＳＴＥＰ０３）については第１実施形態と同様なので説明を省略する。
【００９７】
第２位相振動子出力要素２２は、固有角速度ωの設定基礎となる「第１成分」と、制御信号ηの生成基礎となる「第２成分」とが異なるような第２位相振動子φ2を生成する（図３／ＳＴＥＰ０２）。
【００９８】
具体的には、連立微分方程式（１２０）の解として、第２位相振動子φ2の第１成分φ21＝（φ2L，φ2R）が求められる。さらに、微分方程式（２２１）〜（２２４）のそれぞれの解として、第２位相振動子φ2の第２成分φ22＝（φ2L+，φ2L-，φ2R+，φ2R-）が求められる。
【００９９】
(dφ2L+/dt)＝ωL＋KLsin(φ1L−φ2L+−ξL+) ..(221)。
【０１００】
(dφ2R+/dt)＝ωR＋KRsin(φ1R−φ2R+−ξR+) ..(222)。
【０１０１】
(dφ2L-/dt)＝ωL＋KLsin(φ1L−φ2L-−ξL-) ..(223)。
【０１０２】
(dφ2R-/dt)＝ωR＋KRsin(φ1R−φ2R-−ξR-) ..(224)。
【０１０３】
「ξL+」は、連立微分方程式（１２０）の解として求められる第２位相振動子の左成分φ2Lに対する第２位相振動子φ2の左屈曲成分φ2L+の目標位相差である。ξL+の値が負値である場合、ξL+が０である場合と比較して、左脚の屈曲開始時点（すなわち伸展終了時点）が早くなる。この場合、ξL+の絶対値が大きくなるほど左脚の屈曲開始時点が早くなる。一方、ξL+の値が正値である場合、ξL+が０である場合と比較して、左脚の屈曲開始時点が遅くなる。この場合、ξL+の絶対値が大きくなるほど左脚の屈曲開始時点が遅くなる。
【０１０４】
「ξL-」は、第２位相振動子φ2の左成分φ2Lに対する第２位相振動子の左伸展成分φ2L-の目標位相差である。ξL-の値が負値である場合、ξL-が０である場合と比較して、左脚の伸展開始時点（すなわち屈曲終了時点）が早くなる。この場合、ξL-の絶対値が大きくなるほど左脚の伸展開始時点が早くなる。一方、ξL-の値が正値である場合、ξL-が０である場合と比較して、左脚の伸展開始時点が遅くなる。この場合、ξL-の絶対値が大きくなるほど左脚の伸展開始時点が遅くなる。
【０１０５】
「ξR+」は、連立微分方程式（１２０）の解として求められる第２位相振動子の右成分φ2Rに対する第２位相振動子φ2の右屈曲成分φ2R+の目標位相差である。ξR+の値が負値である場合、ξR+が０である場合と比較して、右脚の屈曲開始時点（すなわち伸展終了時点）が早くなる。この場合、ξR+の絶対値が大きくなるほど右脚の屈曲開始時点が早くなる。一方、ξR+の値が正値である場合、ξR+が０である場合と比較して、右脚の屈曲開始時点が遅くなる。この場合、ξR+の絶対値が大きくなるほど右脚の屈曲開始時点が遅くなる。
【０１０６】
「ξR-」は、第２位相振動子φ2の右成分φ2Rに対する第２位相振動子の右伸展成分φ2R-の目標位相差である。ξR-の値が負値である場合、ξR-が０である場合と比較して、右脚の伸展開始時点（すなわち屈曲終了時点）が早くなる。この場合、ξR-の絶対値が大きくなるほど右脚の伸展開始時点が早くなる。一方、ξR-の値が正値である場合、ξR-が０である場合と比較して、右脚の伸展開始時点が遅くなる。この場合、ξR-の絶対値が大きくなるほど右脚の伸展開始時点が遅くなる。
【０１０７】
当該目標位相差ξ＝（ξL+，ξL-，ξR+，ξR-）は制御装置２０に有線通信又は無線通信が可能な操作装置の操作ボタン（図示略）が操作されることにより、任意に設定されうる。これにより、例えば、各脚の屈曲開始時点（伸展終了時点）及び伸展開始時点（屈曲終了時点）が左右非対称に制御されることにより、片脚麻痺などのために左右の脚体の運動機能が異なるようなユーザの歩行運動が、その運動機能の非対称性に鑑みて適当な形態で補助されうる。
【０１０８】
目標位相差ξは、位相差δφに基づき、所定の学習係数γ＝（γL+，γL-，γR+，γR-）が用いられている関係式（２２００）にしたがって逐次設定されてもよい。
【０１０９】
ξL+(k+1)=ξL+(k)+γL+(δφL(k)-δφL(k-1))/(ξL+(k)-ξL+(k-1)),
ξL-(k+1)=ξL-(k)+γL-(δφL(k)-δφL(k-1))/(ξL-(k)-ξL-(k-1)),
ξR+(k+1)=ξR+(k)+γR+(δφR(k)-δφR(k-1))/(ξR+(k)-ξR+(k-1)),
ξR-(k+1)=ξR-(k)+γR-(δφR(k)-δφR(k-1))/(ξR-(k)-ξR-(k-1)), ..(2200)。
【０１１０】
目標位相差ξは、位相差δφに代えて第１位相振動子φ1の左右成分の偏差φ1L−φ1Rに基づき、前記関係式にしたがって設定されてもよい。
【０１１１】
そして、制御信号生成要素２４は、第２位相振動子φ2の第２成分φ22、第１制御係数Ｃ1＝（Ｃ1L+，Ｃ1L-，Ｃ1R+，Ｃ1R-）及び第２制御係数Ｃ2＝（Ｃ2L，Ｃ2R）に基づき、関係式（２４１）及び（２４２）のそれぞれにしたがって、制御信号ηを生成する（図３／ＳＴＥＰ０４）。
【０１１２】
ηL＝C1L+sinφ2L+−C1L-sinφ2L-＋C2L ..(241)。
【０１１３】
ηR＝C1R+sinφ2R+−C1R-sinφ2R-＋C2R ..(242)。
【０１１４】
（歩行補助装置の機能（第３実施形態））
制御装置２０による歩行補助装置１０の動作制御方法の第３実施形態について説明する。第３実施形態は、制御信号ηの生成方法を除いて第１実施形態と同様であるため、同様の演算処理については説明を省略する。
【０１１５】
制御信号生成要素２４は、関係式（１４１）及び（１４２）のそれぞれにおける第１制御係数Ｃ1＝（Ｃ1L，Ｃ1R）及び第２制御係数Ｃ2＝（Ｃ2L，Ｃ2R）のそれぞれの値を関係式（１４３）及び（１４４）のそれぞれにしたがって調節した上で、制御信号ηを生成する（図３／ＳＴＥＰ０４）。
【０１１６】
C1L＝C1R＝(1/2)Carcsin(W0/LLEG) ..(143)。
【０１１７】
ここで「Ｗ0」は目標歩幅である。「ＬLEG」は脚の長さ（人間の股関節から足裏までの距離）である。「Ｃ」はゲイン係数（固定値）である。
【０１１８】
C2L＝(1/2)C(|θLmax|+|θRmin|), C2R＝(1/2)C(|θRmax|+|θLmin|) ..(144)。
【０１１９】
ここで「θLmax」は左股関節角度θLの過去１周期における最大値（上体に対して左脚体が最も屈曲した状態での左股関節角度θL）又は過去複数周期にわたる最大値の平均値である。「θLmin」は左股関節角度θLの過去１周期における最小値（上体に対して左脚体が最も伸展した状態での左股関節角度θL）又は過去複数周期にわたる最小値の平均値である。
【０１２０】
同様に「θRmax」は右股関節角度θRの現時点から過去１周期における最大値（上体に対して右脚体が最も屈曲した状態での右股関節角度θR）又は過去複数周期にわたる最大値の平均値である。「θRmin」は右股関節角度θRの現時点から過去１周期における最小値（上体に対して右脚体が最も伸展した状態での右股関節角度θR）又は過去複数周期にわたる最小値の平均値である。
【０１２１】
（歩行補助装置の機能（第４実施形態））
制御装置２０による歩行補助装置１０の動作制御方法の第４実施形態について説明する。第４実施形態は、制御信号ηの生成方法を除いて第２実施形態と同様であるため、同様の演算処理については説明を省略する。
【０１２２】
制御信号生成要素２４は、関係式（２４１）及び（２４２）のそれぞれにおける第１制御係数Ｃ1＝（Ｃ1L+，Ｃ1L-，Ｃ1R+，Ｃ1R-）及び第２制御係数Ｃ2＝（Ｃ2L，Ｃ2R）のそれぞれの値を関係式（２４３）及び（２４４）のそれぞれにしたがって調節した上で、制御信号ηを生成する（図３／ＳＴＥＰ０４）。
【０１２３】
C1L+＝C1L-＝C1R+＝C1R-＝(1/2)Carcsin(W0/LLEG) ..(243)。
【０１２４】
C2L＝C|θLmin|＋(1/2)C(|θLmax|+|θRmin|),
C2R＝C|θRmin|＋(1/2)C(|θRmax|+|θLmin|) ..(244)。
【０１２５】
（歩行補助装置の機能（第５実施形態））
第５実施形態では、第３実施形態及び第４実施形態のそれぞれにおけるゲイン係数Ｃの値が、制御信号生成要素２４によって次のように設定される。
【０１２６】
まず、評価関数Ｅが関係式（５４１）にしたがって算定される。
【０１２７】
E＝(1/2)(W0−ΣjW(j)/N)2 ..(541)。
【０１２８】
「Ｗ（ｊ）」は現時点から過去第ｊの歩行周期における歩幅である。歩幅Ｗ（ｊ）は、例えば左脚体を屈曲運動する歩行周期においては関係式（５４３）にしたがって算定される一方、右脚体を屈曲運動する歩行周期においては関係式（５４４）にしたがって算定される。この際、該当歩行周期における股関節角度センサ１４の出力に基づく、股関節角度の変化態様を表わす波形信号が用いられる。「ΣjW(j)/N」は連続する過去Ｎ周期（Ｎはたとえば３）にわたる平均歩幅である。
【０１２９】
W(j)＝LLEGsin（|θLmax|+|θRmin|） ..(543)。
【０１３０】
W(j)＝LLEGsin（|θRmax|+|θLmin|） ..(544)。
【０１３１】
ゲイン係数の今回値Ｃ(k)が、前回値Ｃ(k-1)及び評価関数Ｅの今回値Ｅ(k)及び前回値Ｅ(k-1)に基づき、関係式（５４５）にしたがって算定される。
【０１３２】
C(k)−C(k-1)＝−τ(E(k)−E(k-1))/Δt ..(545).
「τ」は学習速度係数である。「Δｔ」は制御装置２０の制御周期である。
【０１３３】
（歩行補助装置の作用効果）
前記機能を発揮する歩行補助装置１０によれば、各アクチュエータ１６のそれぞれの周期動作の位相の制御基礎となる第２位相振動子φ2の算定（図３／ＳＴＥＰ０２参照）に際して、人間の上体に対する各大腿の周期運動の位相である第１位相振動子φ1とこの第２位相振動子φ2との偏差と、固有角速度ωとが基礎とされる。第１位相振動子と第２位相振動子との相関係数（左相関係数ＫL及び右相関係数ＫR）、第２位相振動子の成分間の相関係数（左右相関係数ＫLR）及び固有角速度ω以外のパラメータが、設定又は調節対象から除外されうるので、当該パラメータの数の低減を図ることができる（関係式（１２０）（２２１）〜（２２４）参照）。
【０１３４】
一方、第１位相振動子φ1と第２位相振動子φ2との前回偏差δφ(k-1)が目標偏差δφ0に近づくように、前回の固有角速度ω(k-1)を当該前回偏差δφ(k-1)に応じた量だけ補正することによって今回の固有角速度ω(k)が設定される（図３／ＳＴＥＰ０３、関係式（１３１）〜（１３４））。これにより、補助対象である人間の運動周期に鑑みて適当な周期で各アクチュエータ１６を動作させ、かつ、第１装具１１に対して各第２装具１２を周期的に動かすことができる。
【０１３５】
例えば、目標偏差δφ0が進角側、すなわち負値に設定されることにより、人間の上体に対する大腿の相対的姿勢の変化に先行して、第１装具１１及び第２装具１２の相対的姿勢が変化するように歩行補助装置１０の動作が制御される。これにより、歩行補助装置１０の動作が人間の歩行運動を助長又は促進するようなものとなるので、その歩行速度の上昇が図られる。
【０１３６】
これとは逆に、目標偏差δφ0が遅角側、すなわち正値に設定されることにより、人間の上体に対する大腿の相対的姿勢の変化に追従して、第１装具１１及び第２装具１２の相対的姿勢が変化するように歩行補助装置１０の動作が制御される。これにより、歩行補助装置１０の動作が人間の歩行運動にとって抵抗を与えるようなものとなるので、その歩行速度の低下が図られる。
【０１３７】
第３及び第４実施形態によれば、人間の脚体の長さＬLEGに対する目標歩幅Ｗ0の比率に基づき、当該比率Ｗ0／ＬLEGを変数とする増加関数にしたがって、各アクチュエータ１６の動作の振幅を定めるような制御信号ηが生成される（関係式（１４１）〜（１４３）及び関係式（２４１）〜（２４３）参照）。
【０１３８】
第５実施形態によれば、人間の脚体の長さＬLEGと、各股関節角度センサ１４から得られる各股関節角度θの時間変化を表わす波形信号とに基づき、人間の過去複数周期にわたる平均歩幅ΣjW(j)/Nと人間の目標歩幅Ｗ0との偏差が小さくなるように、各アクチュエータ１６のそれぞれの動作の振幅を定めるような制御信号ηが生成される（関係式（５４３）〜（５４５）参照）。
【０１３９】
当該構成の歩行補助装置によれば、人間の目標歩幅Ｗ0の大小に応じてアクチュエータ１６の周期動作の振幅、すなわち、第１装具１１に対する各第２装具１２の前後方向の変位量の多少が制御されうる。このため、人間の歩幅Ｗを目標歩幅Ｗ0に近づけるように、当該人間の歩行運動が補助されうる。
【０１４０】
本発明の第２実施形態としての歩行補助装置が被験者に装着された場合における、第１位相振動子φ1及び第２位相振動子φ2の出力形態が観測された。左右脚の運動機能を意図的に非対称なものとするため、健常者である被験者の右足首に３ｋｇの錘が付けられた。
【０１４１】
図７〜図１４のそれぞれには、目標位相差δφ0＝（δφ0L，δφ0R）（関係式（１３８）参照）及びもう１つの目標位相差ξ＝（ξL+，ξL-，ξR+，ξR-）（関係式（２２１）〜（２２４）参照）の設定値の相違に応じた、第２位相振動子φ2等の時間変化態様が示されている。
【０１４２】
各図の（ａ）には位相差の左成分δφL（一点鎖線）、位相差の右成分δφR（二点鎖線）及びこれらの偏差δφL−δφR（破線）の出力結果が示されている。各図の（ｂ）には第２位相振動子φ2の左屈曲成分φ2L+（一点鎖線）、左伸展成分φ2L-（破線）、右屈曲成分φ2R+（実線）及び右伸展成分φ2R-（二点鎖線）の出力結果が示されている。
【０１４３】
図７（ａ）及び図７（ｂ）には、δφ0L＝δφ0R＝ξL+＝ξL-＝ξR+＝ξR-＝０［ｒａｄ］である場合の出力結果が示されている。この場合、δφ0L＝δφ0R＝０なので、第１装具１１に対する左右の第２装具１２の動きが、被験者の胴体に対する左右の大腿の動きに同期して追従するようにアクチュエータ１６の動作が制御される。
【０１４４】
図８（ａ）及び図８（ｂ）には、δφ0L＝δφ0R＝−０．２［ｒａｄ］、ξL+＝ξL-＝０［ｒａｄ］、ξR+＝−０．６［ｒａｄ］かつξR-＝０．６［ｒａｄ］である場合の出力結果が示されている。この場合、δφ0L＜０かつδφ0R＜０なので、第１装具１１に対する左右の第２装具１２の動きが、被験者の胴体に対する左右の大腿の動きを先導するようにアクチュエータ１６の動作が制御される。また、ξR+＜０かつξR-＞０なので、図７の場合と比較して、被験者の右脚の屈曲開始時点が早くなる一方、右脚の伸展開始時点が遅くなるように右側アクチュエータ１６Ｒの動作が制御される。
【０１４５】
図９（ａ）及び図９（ｂ）には、δφ0L＝δφ0R＝−０．２［ｒａｄ］、ξL+＝ξL-＝０［ｒａｄ］かつξR+＝ξR-＝−０．６［ｒａｄ］である場合の出力結果が示されている。この場合、ξR+＜０かつξR-＜０なので、図７の場合と比較して、被験者の右脚の屈曲開始時点及び伸展開始時点が早くなるように右側アクチュエータ１６Ｒの動作が制御される。
【０１４６】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）には、δφ0L＝δφ0R＝−０．２［ｒａｄ］、ξL+＝ξL-＝０［ｒａｄ］、ξR+＝ξR-＝−０．８［ｒａｄ］である場合の出力結果が示されている。図９の場合と比較して、ξR+及びξR-の絶対値が大きい分だけ、被験者の右脚の屈曲開始時点及び伸展開始時点がさらに早くなるように右側アクチュエータ１６Ｒの動作が制御される。
【０１４７】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）には、δφ0L＝δφ0R＝−０．２［ｒａｄ］、ξL+＝ξL-＝０［ｒａｄ］かつξR+＝ξR-＝０．６［ｒａｄ］である場合の出力結果が示されている。この場合、ξR+＞０かつξR-＞０なので、図７の場合と比較して、被験者の右脚の屈曲開始時点及び伸展開始時点が遅くなるように右側アクチュエータ１６Ｒの動作が制御される。
【０１４８】
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）には、δφ0L＝δφ0R＝−０．２［ｒａｄ］、ξL+＝ξL-＝０．８［ｒａｄ］、ξR+＝ξR-＝０［ｒａｄ］である場合の出力結果が示されている。この場合、ξL+＞０かつξL-＞０なので、図７の場合と比較して、被験者の左脚の屈曲開始時点及び伸展開始時点が遅くなるように右側アクチュエータ１６Ｒの動作が制御される。
【０１４９】
図１３（ａ）及び図１３（ｂ）には、δφ0L＝δφ0R＝０．２［ｒａｄ］、ξL+＝ξL-＝−０．６［ｒａｄ］かつξR+＝ξR-＝０［ｒａｄ］である場合の出力結果が示されている。この場合、δφ0L＞０かつδφ0R＞０なので、第１装具１１に対する左右の第２装具１２の動きが、被験者の胴体に対する左右の大腿の動きに遅れて追従するようにアクチュエータ１６の動作が制御される。また、ξL+＜０かつξL-＜０なので、図７の場合と比較して、被験者の左脚の屈曲開始時点及び伸展開始時点が早くなるように右側アクチュエータ１６Ｒの動作が制御される。
【０１５０】
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）には、δφ0L＝δφ0R＝０［ｒａｄ］、ξL+＝ξL-＝−０．６［ｒａｄ］、ξR+＝ξR-＝０［ｒａｄ］である場合の出力結果が示されている。
【０１５１】
これらの実験結果から、図８及び図１０のそれぞれの場合、他の場合と比較して位相差の左成分δφL（一点鎖線）及び位相差の右成分δφR（二点鎖線）が目標位相差δφ0に一致するように安定に制御されていることがわかる。すなわち、足首に錘（３ｋｇ）が付けられた右脚の屈曲開始時点及び伸展開始時点が図７の場合と異なるように右側アクチュエータ１６Ｒの動作が制御されることにより、第１装具１１に対する左右の第２装具１２の動きが、被験者の胴体に対する左右の大腿の動きに対して所望の形態で調和するようにアクチュエータ１６の動作が制御されていることがわかる。
【０１５２】
（本発明の他の実施形態）
ファン・デル・ポル方程式等の方程式により定義され、入力波形信号と引き込み合う、当該方程式の解としての出力波形信号を出力するモデルに対して、第１位相振動子φ1の時間変化態様を表わす波形信号が入力されることにより得られる出力波形信号の各時刻における値が、第２位相振動子φ2の算定（図３／ＳＴＥＰ０２）及び固有角速度ωの設定（図３／ＳＴＥＰ０３）のうち少なくとも一方において第１位相振動子φ1の代わりの位相として用いられてもよい。
【符号の説明】
【０１５３】
１０‥歩行補助装置、１１‥第１装具、１２‥第２装具、１６‥アクチュエータ、２０‥制御装置、２１‥第１位相振動子出力要素、２２‥第２位相振動子出力要素、２３‥固有角速度設定要素、２４‥制御信号生成要素。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間の上体に取り付けられる第１装具と、前記人間の左右の脚体のそれぞれに対して取り付けられる一対の第２装具と、一対のアクチュエータと、前記人間の左右の股関節角度のそれぞれに応じた信号を出力するように構成されている一対の関節角度センサと、少なくとも前記一対の関節角度センサの出力信号に基づいて前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作を制御するように構成されている制御装置とを備え、前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作によって前記第１装具に対して前記一対の第２装具のそれぞれを動かすことにより、前記上体に対する前記左右の脚体の相対的な周期運動を補助する歩行補助装置であって、
前記制御装置が、前記一対の関節角度センサのそれぞれの出力に基づき、前記人間の上体に対する各大腿の周期運動の位相を第１位相振動子の左右各成分として測定するように構成されている第１位相振動子出力要素と、
前記第１位相振動子の左右各成分に対する偏差と、固有角速度の左右各成分とに応じた速度で変化する左右各成分を有する位相を第２位相振動子として算定するように構成されている第２位相振動子出力要素と、
前記第１位相振動子の左右各成分と前記第２位相振動子の左右各成分との前回偏差が目標偏差に近づくように、前回の前記固有角速度の左右各成分を当該前回偏差に応じた量だけ補正することによって今回の前記固有角速度の左右各成分を設定するように構成されている固有角速度設定要素と
前記第２位相振動子の左右各成分に変化にしたがって、前記一対のアクチュエータのそれぞれの周期動作の位相を変化させる制御信号を生成するように構成されている制御信号生成要素とを備えていることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項２】
請求項１記載の歩行補助装置において、
前記制御信号生成要素が、前記人間の脚体の長さに対する目標歩幅の比率に基づき、当該比率を変数とする増加関数にしたがって、前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作の振幅を定めるような制御信号を生成するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の歩行補助装置において、
前記制御信号生成要素が、前記人間の脚体の長さと、前記一対の関節角度センサから得られる各股関節角度の時間変化を表わす波形信号とに基づき、前記人間の過去複数周期にわたる平均歩幅を算出した上で、前記平均歩幅と前記人間の目標歩幅との偏差が小さくなるように、前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作の振幅を定めるような制御信号を生成するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の歩行補助装置において、
前記第２位相振動子出力要素が、前記固有角速度設定要素による前記固有角速度の設定に際して用いられる前記第２位相振動子の左右各成分、及び、前記制御信号生成要素による前記制御信号の生成に際して用いられる前記第２位相振動子の左右各成分として、各脚体の屈曲及び伸展の別に応じて区別されていない第１成分を算定するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項５】
請求項４記載の歩行補助装置において、
前記第２位相振動子出力要素が、前記第１成分としての前記第２位相振動子の左右各成分と、前記第１位相振動子の左右各成分との相関項と、前記第１成分としての前記第２位相振動子の左右各成分の相関項とが含まれている連立微分方程式を解くことにより、前記第１成分を算定するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項６】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の歩行補助装置において、
前記第２位相振動子出力要素が、前記固有角速度設定要素による前記固有角速度の設定に際して用いられる前記第２位相振動子の左右各成分として、各脚体の屈曲及び伸展の別に応じて区別されていない第１成分を算定し、かつ、前記制御信号生成要素による前記制御信号の生成に際して用いられる前記第２位相振動子の左右各成分として、各脚体の屈曲及び伸展の別に応じて区別されている第２成分を算定するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項７】
請求項６記載の歩行補助装置において、
前記第２位相振動子出力要素が、前記第１成分としての前記第２位相振動子の左右各成分と、前記第１位相振動子の左右各成分との相関項と、前記第１成分としての前記第２位相振動子の左右各成分の相関項とが含まれている連立微分方程式を解くことにより、前記第１成分を算定し、
前記第２成分としての前記第２位相振動子の左屈曲及び左伸展各成分と、前記第１位相振動子の左成分との相関項、又は、前記第２成分としての前記第２位相振動子の右屈曲及び右伸展各成分と、前記第１位相振動子の右成分との相関項が含まれている、前記第２成分に該当する各成分の微分方程式を解くことにより、前記第２成分を算定するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項８】
請求項１〜７のうちいずれか１つに記載の歩行補助装置において、
前記第１位相振動子出力要素が、前記一対の関節角度センサのそれぞれの出力に基づき、各股関節角度に対する各股関節角速度の比率の逆正接関数を前記第１位相振動子の左右各成分として測定するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項１】
人間の上体に取り付けられる第１装具と、前記人間の左右の脚体のそれぞれに対して取り付けられる一対の第２装具と、一対のアクチュエータと、前記人間の左右の股関節角度のそれぞれに応じた信号を出力するように構成されている一対の関節角度センサと、少なくとも前記一対の関節角度センサの出力信号に基づいて前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作を制御するように構成されている制御装置とを備え、前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作によって前記第１装具に対して前記一対の第２装具のそれぞれを動かすことにより、前記上体に対する前記左右の脚体の相対的な周期運動を補助する歩行補助装置であって、
前記制御装置が、前記一対の関節角度センサのそれぞれの出力に基づき、前記人間の上体に対する各大腿の周期運動の位相を第１位相振動子の左右各成分として測定するように構成されている第１位相振動子出力要素と、
前記第１位相振動子の左右各成分に対する偏差と、固有角速度の左右各成分とに応じた速度で変化する左右各成分を有する位相を第２位相振動子として算定するように構成されている第２位相振動子出力要素と、
前記第１位相振動子の左右各成分と前記第２位相振動子の左右各成分との前回偏差が目標偏差に近づくように、前回の前記固有角速度の左右各成分を当該前回偏差に応じた量だけ補正することによって今回の前記固有角速度の左右各成分を設定するように構成されている固有角速度設定要素と
前記第２位相振動子の左右各成分に変化にしたがって、前記一対のアクチュエータのそれぞれの周期動作の位相を変化させる制御信号を生成するように構成されている制御信号生成要素とを備えていることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項２】
請求項１記載の歩行補助装置において、
前記制御信号生成要素が、前記人間の脚体の長さに対する目標歩幅の比率に基づき、当該比率を変数とする増加関数にしたがって、前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作の振幅を定めるような制御信号を生成するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の歩行補助装置において、
前記制御信号生成要素が、前記人間の脚体の長さと、前記一対の関節角度センサから得られる各股関節角度の時間変化を表わす波形信号とに基づき、前記人間の過去複数周期にわたる平均歩幅を算出した上で、前記平均歩幅と前記人間の目標歩幅との偏差が小さくなるように、前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作の振幅を定めるような制御信号を生成するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の歩行補助装置において、
前記第２位相振動子出力要素が、前記固有角速度設定要素による前記固有角速度の設定に際して用いられる前記第２位相振動子の左右各成分、及び、前記制御信号生成要素による前記制御信号の生成に際して用いられる前記第２位相振動子の左右各成分として、各脚体の屈曲及び伸展の別に応じて区別されていない第１成分を算定するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項５】
請求項４記載の歩行補助装置において、
前記第２位相振動子出力要素が、前記第１成分としての前記第２位相振動子の左右各成分と、前記第１位相振動子の左右各成分との相関項と、前記第１成分としての前記第２位相振動子の左右各成分の相関項とが含まれている連立微分方程式を解くことにより、前記第１成分を算定するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項６】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の歩行補助装置において、
前記第２位相振動子出力要素が、前記固有角速度設定要素による前記固有角速度の設定に際して用いられる前記第２位相振動子の左右各成分として、各脚体の屈曲及び伸展の別に応じて区別されていない第１成分を算定し、かつ、前記制御信号生成要素による前記制御信号の生成に際して用いられる前記第２位相振動子の左右各成分として、各脚体の屈曲及び伸展の別に応じて区別されている第２成分を算定するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項７】
請求項６記載の歩行補助装置において、
前記第２位相振動子出力要素が、前記第１成分としての前記第２位相振動子の左右各成分と、前記第１位相振動子の左右各成分との相関項と、前記第１成分としての前記第２位相振動子の左右各成分の相関項とが含まれている連立微分方程式を解くことにより、前記第１成分を算定し、
前記第２成分としての前記第２位相振動子の左屈曲及び左伸展各成分と、前記第１位相振動子の左成分との相関項、又は、前記第２成分としての前記第２位相振動子の右屈曲及び右伸展各成分と、前記第１位相振動子の右成分との相関項が含まれている、前記第２成分に該当する各成分の微分方程式を解くことにより、前記第２成分を算定するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項８】
請求項１〜７のうちいずれか１つに記載の歩行補助装置において、
前記第１位相振動子出力要素が、前記一対の関節角度センサのそれぞれの出力に基づき、各股関節角度に対する各股関節角速度の比率の逆正接関数を前記第１位相振動子の左右各成分として測定するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
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【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−１１１４０８（Ｐ２０１３−１１１４０８Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６３０４５（Ｐ２０１１−２６３０４５）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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