装着式動作補助装置及びその制御方法及びプログラム
【課題】本発明は装着者に装着される動作補助装着具をスムーズに動作させることを課題とする。
【解決手段】装着者２０が右足を動作させようとすると、ソケット部６０に設けられた生体電位センサ１１０は右足大腿部２２の皮膚表面から生体電位を検出する。随意的制御手段２１２は、制御信号ｄ１を生成し、駆動電流生成手段２２０は、制御信号ｄ１に基づいてモータ駆動電流ｅを生成して動作補助装着具３０のモータユニット９０に出力する。義足８０の歩行動作に伴って各物理量センサで検出されたセンサ信号ｆが感覚フィードバック信号生成手段２３０に入力されると、感覚フィードバック信号ｇが感覚フィードバック信号変換手段１４０に出力される。そして、装着者２０は、感覚フィードバック信号変換手段１４０からの信号（振動、スピーカ音、視覚）を感覚的（皮膚接触感覚、聴覚、視覚など）に認知して義足８０の動作状態を判別することが可能になる。
【解決手段】装着者２０が右足を動作させようとすると、ソケット部６０に設けられた生体電位センサ１１０は右足大腿部２２の皮膚表面から生体電位を検出する。随意的制御手段２１２は、制御信号ｄ１を生成し、駆動電流生成手段２２０は、制御信号ｄ１に基づいてモータ駆動電流ｅを生成して動作補助装着具３０のモータユニット９０に出力する。義足８０の歩行動作に伴って各物理量センサで検出されたセンサ信号ｆが感覚フィードバック信号生成手段２３０に入力されると、感覚フィードバック信号ｇが感覚フィードバック信号変換手段１４０に出力される。そして、装着者２０は、感覚フィードバック信号変換手段１４０からの信号（振動、スピーカ音、視覚）を感覚的（皮膚接触感覚、聴覚、視覚など）に認知して義足８０の動作状態を判別することが可能になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は装着式動作補助装置及びその制御方法及びプログラムに係り、特に義肢を装着した装着者の動作を補助または代行するように駆動力を発生させる装着式動作補助装置及びその制御方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から腕や足などの４肢を失った障害者の場合、失った部分に義手または義足を装着して見かけ上４肢を有するようにしている。さらに、近年は、義手または義足に駆動手段を設けることにより、少しでも障害を受ける前と同じように通常の動作が行えるように動作補助装置の開発が進められている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載された動作補助装置は、膝から上の部分で切断された障害者に装着されるもので、大腿部の切断部分が挿入保持されるソケットと、ソケットの下部に関節部を介して前後方向に回動可能に連結された足部とを有し、足部にはソケットと足部との間で駆動力を発生する液圧シリンダが設けられている。そして、この装置においては、ソケットの内部に取り付けられた圧力センサにより前後方向の体重移動を検出し、この圧力センサからの検出信号に基づいて液圧シリンダに供給される液圧を制御するバルブの絞り具合を調整することで、足部を前後方向に回動させる駆動力を発生させている。
【０００４】
また、上記のものとは別の構成として特許文献２に記載されたものもある。この特許文献２に記載された動作補助装置は、義肢装着者の身体に表面電極を取付け、表面電極で残存する筋肉の筋電信号を検出し、筋電信号増幅器で増幅した後フィルタに通すことにより、残存する筋肉の擬似張力を３層パーセプトロンに与える。そして、３層パーセプトロンによって残存する筋肉の擬似張力を制御に必要な筋肉の擬似張力に拡張し、さらに拡張された擬似張力に対応する運動軌道を予め設定された身体ダイナミカルシステムモデルにより推定し、電動義肢が推定された運動軌道に沿って動作するように制御信号を出力する。
【特許文献１】特開２００１−２１８７７８号公報
【特許文献２】特開平７−３１６３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１においては、装着者が歩行する場合の体重移動に伴う圧力センサの検出信号に基づいて液圧シリンダを駆動するため、装着者が足を前に出そうと重心を前方にかけることにより足部が駆動されることになり、液圧シリンダを駆動タイミングが僅かに遅れる。そのため、装着者は、正常な他方の足を義足の動作に合わせて歩行することになってしまい、両足の動きがスムーズでなく、自分の足と義足とが同じテンポで動作しないので、疲れるという問題があった。
【０００６】
また、上記特許文献２においては、装着者の身体から筋電信号を検出し、筋肉の擬似張力に対応した身体ダイナミカルシステムモデルの電動義肢を動作させる構成であるので、装着者は予め設定された身体ダイナミカルシステムモデルに対応する動作パターンしか義肢を動作させることができず、義肢を設定されていない動作パターンで動かすことができないという問題があった。
そこで、本発明は上記事情に鑑み、装着者の意思に従った動力を発生させることで上記課題を解決した装着式動作補助装置及びその制御方法及びプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。
（１）本発明は、義肢が装着された装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
義肢が装着された装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
前記義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具と、
前記義肢の動作に関する物理量を検出する物理量センサと、
前記義肢の装着箇所の生体信号を検出する生体信号センサと、
前記義肢を動作させるための指令信号を、前記生体信号センサにより検出された生体信号から取得する生体信号処理手段と、
前記生体信号処理手段により取得された指令信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成する随意的制御手段と、
前記随意的制御手段により生成された随意的制御信号に基づいて、前記生体信号の信号に応じた駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する駆動信号生成手段と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する感覚フィードバック信号生成手段と、
該感覚フィードバック信号生成手段で生成された感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する感覚伝達手段と、
を備えることにより、上記課題を解決するものである。
（２）本発明は、請求項１に記載の装着式動作補助装置であって、
前記感覚伝達手段は、前記装着者の聴覚または皮膚の触覚または視覚に前記感覚フィードバック信号を伝達することにより、上記課題を解決するものである。
（３）本発明は、請求項１に記載の装着式動作補助装置であって、
さらにタスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータを格納したデータベースを備え、
前記随意的制御手段は、前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成することにより、上記課題を解決するものである。
（４）本発明は、義肢が装着された装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
義肢が装着された装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
前記義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具と、
前記義肢の装着箇所の生体信号を検出する生体信号センサと、
前記義肢の動作に関する物理量を検出する物理量センサと、
前記生体信号センサにより検出された生体信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成する随意的制御手段と、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータを格納したデータベースと、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための制御信号を生成する自律的制御手段と、
前記随意的制御手段からの随意的制御信号および前記自律的制御手段からの自律的制御信号を合成する制御信号合成手段と、
前記制御信号合成手段により合成された総制御信号に応じた総駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する駆動信号生成手段と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する感覚フィードバック信号生成手段と、
該感覚フィードバック信号生成手段で生成された感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する感覚伝達手段と、
を備えることにより、上記課題を解決するものである。
（５）本発明は、請求項４に記載の装着式動作補助装置であって、
前記感覚伝達手段は、前記装着者の聴覚または皮膚の触覚または視覚に前記感覚フィードバック信号を伝達することにより、上記課題を解決するものである。
（６）本発明は、請求項４に記載の装着式動作補助装置において、
前記データベースは、前記随意的制御信号と前記自律的制御信号との比（ハイブリッド比）を、前記フェーズの基準パラメータと所要の対応関係となるように格納し、
前記制御信号合成手段は、前記自律的制御手段により推定されたタスクのフェーズに応じ、前記対応関係に基づいて規定されるハイブリッド比となるように、前記随意的制御信号および前記自律的制御信号を合成することにより、上記課題を解決するものである。
（７）本発明は、請求項４乃至６の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記義肢の装着箇所の指令信号を、前記生体信号センサにより検出された生体信号から取得する生体信号処理手段を備え、
前記駆動信号生成手段は、前記生体信号処理手段により取得された指令信号に応じて生成したパルス電流の供給により、前記駆動手段の動作を開始させることにより、上記課題を解決するものである。
（８）本発明は、請求項４に記載の装着式動作補助装置であって、
前記随意的制御手段は、前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための制御信号を生成することにより、上記課題を解決するものである。
（９）本発明は、義肢が装着された装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
前記義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具と、
前記義肢の装着箇所の動作に関する物理量を検出する物理量センサと、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータを格納したデータベースと、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための自律的制御信号を生成する自律的制御手段と、
前記自律的制御信号に応じた駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する駆動信号生成手段と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する感覚フィードバック信号生成手段と、
該感覚フィードバック信号生成手段で生成された感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する感覚伝達手段と、
を備えることにより、上記課題を解決するものである。
（１０） 本発明は、請求項９に記載の装着式動作補助装置であって、
前記感覚伝達手段は、前記装着者の聴覚または皮膚の触覚または視覚に前記感覚フィードバック信号を伝達することにより、上記課題を解決するものである。
（１１）本発明は、請求項１乃至８の何れかに記載された装着式動作補助装置であって、
前記駆動手段から付与された負荷としての駆動力に対する生体信号を前記生体信号センサによって検出し、この検出信号に基づいて補正値を設定するキャリブレーション手段を備えることにより、上記課題を解決するものである。
（１２）本発明は、請求項１１に記載された装着式動作補助装置であって、
前記キャリブレーション手段は、
前記動作補助装着具が前記装着者に装着された状態で前記駆動源からの所定の駆動力を外的負荷として付与する負荷発生手段と、
該負荷発生手段により付与された駆動力に抗して発生した生体信号を前記生体信号センサによって検出し、この検出信号に基づいて前記駆動信号生成手段が行う演算処理のパラメータを生成し、このパラメータを当該装着者固有の補正値として設定する補正値設定手段と、
を備えることにより、上記課題を解決するものである。
（１３）本発明は、請求項１２に記載された装着式動作補助装置であって、
前記生体信号センサにより検出された前記生体信号と前記駆動手段を制御する制御信号との対応関係のデータが格納されたデータベースを有し、
前記補正値設定手段は、前記データベースに格納された制御信号を前記補正値に補正することにより、上記課題を解決するものである。
（１４）本発明は、義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具の動作を制御する装着式動作補助装置の制御方法であって、
前記義肢を動作させるための指令信号を生体信号センサにより検出された生体信号から取得する手順と、
前記生体信号から取得された指令信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記義肢の駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成する手順と、
前記随意的制御信号に基づいて、前記生体信号の信号に応じた駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する手順と、
前記義肢の装着箇所に設けられた物理量センサにより前記義肢の動作に関する物理量を検出する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する手順と、
前記感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する手順と、
を実行することにより、上記課題を解決するものである。
（１５）本発明は、請求項１４に記載の装着式動作補助装置の制御方法であって、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータをデータベースに格納する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための制御信号を生成する手順と、
をさらに有することにより、上記課題を解決するものである。
（１６）本発明は、義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具の動作を制御する装着式動作補助装置の制御方法であって、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータをデータベースに格納する手順と、
前記義肢を動作させるための指令信号を生体信号センサにより検出された生体信号から取得する手順と、
前記生体信号から取得された指令信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成する手順と、
前記義肢の装着箇所の動作に関する物理量を検出する物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための自律的制御信号を生成する手順と、
前記随意的制御信号と前記自律的制御信号とを合成する手順と、
合成された総制御信号に応じた駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する手順と、
前記義肢の装着箇所に設けられた物理量センサにより前記義肢の動作に関する物理量を検出する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する手順と、
前記感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する手順と、
を実行することにより、上記課題を解決するものである。
（１７）本発明は、請求項１６に記載の装着式動作補助装置の制御方法であって、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための制御信号を生成することにより、上記課題を解決するものである。
（１８）本発明は、義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具の動作を制御する装着式動作補助装置の制御方法であって、
前記義肢の装着箇所の動作に関する物理量を物理量センサにより検出する手順と、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータをデータベースに格納する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための自律的制御信号を生成する手順と、
前記自律的制御信号に応じた駆動信号を生成し、該駆動信号を前記駆動手段に供給する手順と、
前記義肢の装着箇所に設けられた物理量センサにより前記義肢の動作に関する物理量を検出する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する手順と、
前記感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する手順と、
を実行することにより、上記課題を解決するものである。
（１９）本発明は、請求項１４乃至１８に記載された装着式動作補助装置の制御方法であって、
前記駆動手段から付与された負荷としての駆動力に対する生体信号を前記生体信号センサによって検出し、この検出信号に基づいて補正値を設定するキャリブレーション処理を実行することにより、上記課題を解決するものである。
（２０）本発明は、請求項１４乃至１９の何れかに記載された制御方法を、装着式動作補助装置を制御するためのコンピュータに実行させることにより、上記課題を解決するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、感覚フィードバック信号を装着者に伝達することで装着者が義肢の状態を把握することができ、これにより、義肢を駆動する駆動手段を随意的に制御することができるため、装着者は、自分の意思で義肢を自由に動作させることが可能になり、義肢を身体の一部として操ることができ、義肢の動作遅れがなくなって自然な動作となるように義肢を駆動することができる。
【０００９】
また、本発明によれば、義肢を駆動する駆動手段を随意的及び自律的に制御することにより駆動手段により発生する駆動力を装着者の意思に対応させると共に義肢と身体とに動作バランスを安定化してスムーズな動作を行なうことができる。
【００１０】
また、本発明によれば、装着者から生体信号を検出することができない場合は、物理量センサにより検出された物理量とデータベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を駆動手段に発生させるため、義肢の動作をスムーズに行なうことが可能になる。
【００１１】
さらに、本発明によれば、駆動力に対する生体信号センサの検出信号に基づいて補正値を設定するキャリブレーション処理により装着者の意思に沿ったアシスト力が駆動源から付与され、アシスト力が過大になったり、過小になったりせず、装着者の動作を安定的にアシストして装着式動作補助装置の信頼性をより高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明による装着式動作補助装置の装着状態の一実施例を示す斜視図である。尚、図１においては、例えば４肢のうち右足の大腿部より下の部分を失った装着者２０に動作補助装着具を装着する場合を例に挙げて説明する。
【００１４】
図１に示されるように、装着式動作補助装置１０は、片足を失った身体障害者の歩行動作（以下では、説明の便宜上、歩行動作を動作の一例として例示して説明する）を補助する装置であって、装着者２０の切断された右足の大腿部２２に装着される動作補助装着具３０と、動作補助装着具３０を制御する制御回路を有する制御ユニット４０と、電源ユニット５０とから構成されている。動作補助装着具３０は、装着者２０の切断された大腿部２２に嵌合するソケット部６０と、ソケット部６０の下部に連結された膝関節部７０と、膝関節部７０の下方に連結された義足８０と、義足８０を駆動するモータユニット９０（駆動手段）とを有する。尚、動作補助装着具３０を装着した場合の歩行動作以外の動作としては、例えば、椅子に腰掛けた状態で足を組んだり、あるいは歩行とは関係なく本人の足と同じように義足８０をふらふらと揺動したり、あるいは階段の昇り降り動作等も行える。
【００１５】
制御ユニット４０と電源ユニット５０は、ウエストベルト１００により装着者２０の背面側、左右側面に保持されている。電源ユニット５０は、複数の充電式バッテリ５２を有し、他の予備バッテリと容易に交換することができるように保持されている。
モータユニット９０は、ＤＣサーボモータ（以下「モータ」という）を有しており、膝関節部７０に設けられている。制御ユニット４０は、後述するように操作者２０の意思に基づいて生成される随意的制御信号、または随意的制御信号及び自律的制御信号を合成した制御信号を生成し、このように演算処理された制御信号に応じた電流（駆動信号）をモータユニット９０に印加して義足８０を歩行動作させる。義足８０は、靴を履く足首より下の足部８２と、膝関節部７０と足部８２との間を連結する下リム部８４と有する。
【００１６】
図２は動作補助装着具３０と制御装置２１０Ａとの関係を模式的に示す制御システムの概念図である。図２に示されるように、動作補助装着具３０は、ソケット部６０の内壁に装着者２０の右足太腿部２２から生体電位を検出する生体電位センサ（生体信号センサ）１１０と、義足８０の足部８２の裏に貼付されて装着者２０の重心の変化に応じた床反力を検出する床反力センサ（物理量センサ）１２０と、義足８０の下リム部８４に作用する応力を検出する応力センサ（物理量センサ）１３０と、義足８０の回動動作（回動角度）に応じた感覚フィードバック信号を装着者２０に出力するための感覚フィードバック信号変換手段（感覚伝達手段）１４０とを有する。
【００１７】
装着者２０は、右足大腿部２２より下が切断されているが、脳からの神経系統では右足があるものとして神経伝達信号を発生する。そのため、生体電位センサ１１０は、装着者２０が右足大腿部２２の皮膚表面に接触することにより、右足の筋肉を動作させようとする生化学反応で発生するイオン電流を検出する。従って、生体電位センサ１１０を取り付ける際は、右足大腿部２２の皮膚表面のうち、より強い生体電位信号を検出しやすい位置に生体電位センサ１１０を設けるようにする。
【００１８】
また、上記生体電位センサ１１０により検出される生体電位以外の生体信号としては、例えば、心臓の心拍数や心電図を得るため検出される心電位や脳波などがある。
【００１９】
制御ユニット４０の制御装置２１０Ａは、演算処理を行なうコンピュータであり、予め複数の制御プログラムが格納されたメモリを有しており、メモリから制御プログラムを読み込むことにより後述する各制御処理を実行する。本実施例において、制御装置２１０Ａは、生体電位センサ１１０により検出された生体電位から指令信号を取得する生体電位処理手段（生体信号処理手段）２００と、神経伝達信号および筋電位信号に基づいて動作補助装着具３０のモータユニット９０の駆動を制御する随意的制御手段２１２と、随意的制御手段２１２から出力された制御信号に応じた駆動電流（駆動信号）をモータユニット９０に印加する駆動電流生成手段（駆動信号生成手段）２２０と、床反力センサ１２０及び応力センサ１３０の検出信号に基づいて義足８０の動作に応じた感覚フィードバック信号を生成して感覚フィードバック信号変換手段１４０に出力する感覚フィードバック信号生成手段２３０とを有する。尚、本実施例においては、モータ制御方式として駆動信号としてモータに供給される電流を制御する方式を例に挙げて説明する。
【００２０】
随意的制御手段２１２は、後述するように、装着者２０の意思により右足を動作させる際に生じる生体電位から神経伝達信号および筋電位信号を生成する生体電位処理手段２００からの指令信号に基づいて制御信号を駆動電流生成手段２２０に出力する。駆動電流生成手段２２０は、随意的制御手段２１２からの制御信号に応じた駆動電流を生成してモータユニット９０に出力する。
【００２１】
また、義足８０がモータユニット９０の駆動力により歩行動作すると、床反力センサ１２０及び応力センサ１３０が義足８０の動作に応じた検出信号を出力し、この検出信号は、Ａ／Ｄ変換器２４０によりデジタル信号に変換されて感覚フィードバック信号生成手段２３０に入力される。
【００２２】
図３は動作補助装着具３０の構成を示す概略構成図である。図３に示されるように、動作補助装着具３０のソケット部６０は、切断された大腿部が挿入されるように縦断面がＵ字状に形成されており、有底円筒形状に形成されている。さらに、ソケット部６０の内周面には、大腿部２２の切断部分を包むように密着すると共に、大腿部２２に対する衝撃を緩和するように弾性を有するクッション材により形成された弾性層６２が設けられている。そして、弾性層６２の内周面の前後方向の夫々には、大腿部２２の皮膚表面に接触して筋電位信号を検出する生体電位センサ１１０が取り付けられている。
【００２３】
生体電位センサ１１０は、装着者２０が大腿部２２を前後方向に動作させようとしたときに発生する生体電位を検出する電極である。尚、生体電位センサ１１０は、上記のようにソケット部６０の内部に設けても良いが、装着者２０の大腿部２２に直接貼り付けるようにしても良い。
【００２４】
さらに、弾性層６２の内周面の前後方向の夫々には、大腿部２２の皮膚表面に接触して感覚フィードバック信号を装着者２０に伝達する感覚フィードバック信号変換手段１４０が設けられている。この感覚フィードバック信号変換手段１４０としては、義足８０の動作に応じた周期の振動を発生する振動素子、または弱い電気的刺激を与える低周波電流素子などが用いられ、振動子の振動を間欠的に発生させてその周期によって装着者に感覚フィードバック信号を伝達するものである。また、感覚フィードバック信号変換手段１４０は、ソケット部６０の内部に設けても良いし、あるいは、装着者２０の皮膚表面に貼り付けて、装着者２０が直接振動を皮膚で感知するようにしても良い。
【００２５】
そのため、装着者２０は、右足大腿部２２の皮膚表面に感覚フィードバック信号変換手段１４０からの振動（感覚フィードバック信号）が方向動作の速度に応じた周期で発せられることにより、義足８０の動作状態を感覚的に知ることが可能になる。
【００２６】
感覚フィードバック信号変換手段１４０から装着者２０に伝達される感覚フィードバック信号は、例えば、歩行速度がゆっくりであるときは、振動の周期が長く、歩行速度が速くなるに連れて振動の周期が短くなるようにしてある。そのため、装着者２０は、動作補助装着具３０による歩行速度を感覚フィードバック信号によって感覚的に感知することができ、正常な左足の歩行速度と切断された右足の動作補助装着具３０による歩行速度とが同一速度となるように自らの意思で調整することが可能になる。
【００２７】
また、装着者２０が大腿部２２の皮膚表面で振動を判別することが難しい場合は、スピーカを感覚フィードバック信号変換手段１４０として用いることもできる。この場合、装着者２０は、イヤホンが装着された耳でスピーカの発信音（例えば、ピッ、ピッというビープ音）を聞くことにより、発信音の長さや周期（間隔）を聴覚的に認識することが可能になり、動作補助装着具３０による歩行速度を耳から得られた感覚フィードバック信号によって感覚的に感知することができる。尚、イヤホンを使用することにより、装着者２０のみが感覚フィードバック信号として発信音を聞くことができ、他の人に聞かれずに済む。
【００２８】
また、装着者２０が聴覚の機能が低下している場合は、発光ダイオード等の光源を感覚フィードバック信号変換手段１４０として用いることもできる。この場合、装着者２０は、光源の点滅を見ることにより、点滅の点灯時間や点滅周期を視覚的に認識することが可能になり、動作補助装着具３０による歩行速度を光りの点滅から得られた感覚フィードバック信号によって視覚的に判別することができる。
【００２９】
ソケット部６０の底部には、上リム部６４が固定されており、上リム部６４の下端が膝関節部７０に連結されている。膝関節部７０のモータユニット９０は、図３中において破線で示すようにモータ９２の駆動力を減速ギヤを介して義足８０に伝達する構成であり、上リム部６４に対して下リム８４を前後方向に回動させるように取り付けられている。
【００３０】
また、モータユニット９０は、モータ９２により発生したトルクＴを検出するトルクセンサ（物理量センサ）９４と、モータ９２に駆動される膝関節部７０の回転角θを検出する角度センサ（物理量センサ）９６とを内蔵している。トルクセンサ９４としては、回転駆動力を伝達する軸の歪みを検出する磁歪式トルクセンサ、あるいはモータ９２の駆動側ギヤと負荷側ギヤの位相差を電磁的に検出する電磁式トルクセンサなどが用いられる。また、角度センサ９６としては、ロータリエンコーダ、あるいはポテンショメータなどが用いられる。
【００３１】
これらのトルクセンサ９４及び角度センサ９６により検出されたトルクＴ及び回転角θの検出信号は、前述した床反力センサ１２０及び応力センサ１３０の検出信号と共に、Ａ／Ｄ変換器２４０によりデジタル信号に変換されて随意的制御手段２１２に入力される。
【００３２】
義足８０の下リム部８４の前側及び後側に設けられた応力センサ１３０は、歪みゲージからなり、歩行動作に伴う体重移動によって下リム部８４に生じる応力を検出する。また、義足８０の足部８２の裏面(下側)に設けられた床反力センサ１２０は、荷重に応じた電気信号を出力する圧電素子などからなり、歩行動作に伴う床面(または地面)から受ける反力に応じた検出信号を出力する。
【００３３】
図４は実施例１の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。尚、図４においては、図２示すＡ／Ｄ変換器２４０が省略されている。図４に示されるように、制御装置２１０Ａは、生体電位処理手段２００、随意的制御手段２１２、駆動電流生成手段２２０、感覚フィードバック信号生成手段２３０を有する。
生体電位センサ１１０は、大腿の内部で発生する生体電位信号ａを検出して生体電位処理手段２００に入力する。生体電位処理手段２００は、生体電位信号ａから神経伝達信号ｂおよび筋電位信号ｃを抽出して随意的制御手段２１２に入力する。随意的制御手段２１２は、装着者２０の意思で動作補助ユニット３０が装着された右足を動作させる際に生じる生体電位信号ａから得られた神経伝達信号ｂおよび筋電位信号ｃに基づいて随意的制御信号ｄ１を生成する。
【００３４】
すなわち、随意的制御手段２１２は、生体電位信号ａに含まれる神経伝達信号ｂおよび筋電位信号ｃ（切断された右足大腿部２２の状態によって検出レベルが低下して検出できない場合もある）を用い、装着者２０の意思に従った動力をモータユニット９０に発生させるための随意的制御信号ｄ１を生成する。随意的制御手段２１２での制御則としては、比例制御を適用することができる。この比例制御により随意的制御信号ｄ１と駆動電流ｅとが比例関係になる。さらに、モータユニット９０の特性により駆動電流値とモータユニット９０の発生トルク値とが比例関係になる。尚、随意的制御手段２１２での制御則としては、比例制御と微分制御および／または積分制御とを組み合わせたものを適用しても良い。
【００３５】
例えば、装着者２０が右足を動作させようとすると、ソケット部６０の内周面に設けられた生体電位センサ１１０は右足大腿部２２の皮膚表面から生体電位を検出し、検出された生体電位に応じた生体電位ａを生体電位処理手段２００に出力する。生体電位処理手段２００では、生体電位信号ａから神経伝達信号ｂと筋電位信号ｃとからなる指令信号を生成して随意的制御手段２１２に出力する。随意的制御手段２１２は、神経伝達信号ｂと筋電位信号ｃから制御信号ｄ１を生成して駆動電流生成手段２２０に出力する。
【００３６】
駆動電流生成手段２２０は、随意的制御手段２１２からの制御信号ｄに基づいてモータ駆動電流ｅを生成して動作補助装着具３０のモータユニット９０に出力する。モータユニット９０の駆動力により義足８０が膝関節部７０を中心に前後方向に回動動作（歩行動作）する。義足８０の歩行動作に伴って各物理量センサ（トルクセンサ９４、角度センサ９６、床反力センサ１２０、応力センサ１３０）で検出されたセンサ信号ｆが感覚フィードバック信号生成手段２３０に入力されると、感覚フィードバック信号ｇが感覚フィードバック信号変換手段１４０に出力される。
【００３７】
そして、装着者２０は、感覚フィードバック信号変換手段１４０からの信号（振動、スピーカ音、光りの点滅）を感覚的（皮膚接触感覚、聴覚、視覚など）に認知して義足８０の動作状態を判別することが可能になる。
【００３８】
これにより、装着者２０は、義足８０を自分の足と同じように動作させて歩行することが可能になり、動作補助装着具３０が装着された右足と自分の左足とが同じ速度で交互にバランス良く前後方向に動作することになり、スムーズな歩行が可能になる。
【００３９】
図５は生体電位信号から各制御信号を生成する過程を示す図である。図５に示されるように、生体電位センサ１１０により検出された生体電位信号ａは、神経伝達信号ｂおよび筋電位信号ｃを有する。神経伝達信号ｂは意思伝達信号とも言えるもので、筋電位信号の先頭領域と重なっている。神経伝達信号ｂの周波数は，一般に筋電位信号ｃの周波数より高いので、異なるバンドパスフィルタを用いることにより分離することができる。
【００４０】
神経伝達信号ｂは、生体電位信号ａを増幅器２０２により増幅した後、例えば３３Ｈｚ〜数ＫＨｚの高帯域バンドパスフィルタ２０４により取り出すことができる。また、筋電位信号ｃは、生体電位信号ａを増幅器２０２により増幅した後、例えば３３Ｈｚ〜５００Ｈｚの中帯域バンドパスフィルタ２０６により取り出すことができる。尚、図５において、各フィルタ２０４，２０６は並列に接続されているがこれに限定されず、両フィルタ２０４，２０６が直列に接続されていても良い。
【００４１】
また、神経伝達信号ｂは、筋電位信号ｃの先頭領域のみならず、先頭領域以降についても重なる場合が有り得る。この場合には、神経伝達信号ｂの先頭領域のみを後述するパルス電流の生成に利用するようにすれば良い。
【００４２】
神経伝達信号ｂおよび筋電位信号ｃには、スムージング処理を行う。各電流は、生体信号処理手段２００からの信号をスムージングして得た制御信号を入力とし、駆動電流生成手段２２０によって生成される。
【００４３】
神経伝達信号ｂは、時間軸上の幅が狭いので、スムージング処理だけでもパルス状となり、この神経伝達信号ｂに基づいて駆動電流生成手段２２０によって生成される電流もパルス状となる。尚、神経伝達信号ｂに基づいて得られる電流（パルス電流）ｅ１は、矩形波状となる。一方、筋電位信号ｃは、時間軸上の幅が広いので、スムージング処理することにより実質的に筋電位に比例する山状となり、この筋電位信号ｃに基づいて駆動電流生成手段２２０によって生成される電流ｅ２も山状となる。
【００４４】
神経伝達信号ｂに基づいて生成されるパルス電流ｅ１と、筋電位信号ｃに基づいて比例的に生成される電流ｅ２との総電流（随意的制御信号）ｅがモータユニット９０に供給されると、この総電流ｅに比例する大きさのトルクをモータ９２が発生する。モータユニット９０のモータ９２に入力される各電流ｅ，ｅ１，ｅ２の大きさは、装着者２０の動作時の感覚により適宜設定される。
【００４５】
ここで、総電流ｅは十分に大きな電流で立ち上がるように設定してあるので、装着者２０の動作意思に遅れなくモータユニット９０が駆動され、装着者２０は自分の意思に従った動作を違和感なく行うことができる。尚、パルス電流ｅ１を特に大きく示しているが、これはその役割を強調するためで、実際のパルス電流と筋電位信号から得られた駆動電流ｅ２との関係を示すものではない。
【００４６】
ここで、図４に示す上記制御システムにおける制御装置２１０Ａが実行する制御処理の手順について図６のフローチャートを参照して説明する。制御装置２１０Ａは、メモリに格納された制御プログラムを読み込んで図６の制御処理を実行する。
【００４７】
まず、装着者２０は、切断された右足大腿部２２に動作補助装着具３０のソケット部６０を嵌合させて装着作業が完了すると、制御ユニット４０の電源スイッチをオンに操作する。
【００４８】
図６のＳＡ１１において、制御ユニット４０の電源スイッチがオンに操作されると、ＳＡ１２に進み、生体電位センサ１１０により生体電位信号ａが検出されたか否かをチェックする。ここで、装着者２０が自らの意思で動作補助装着具３０が装着された右足を動作させようとすると、生体電位センサ１１０により生体電位信号ａが検出されるため、ＳＡ１３の処理に進む。
【００４９】
ＳＡ１３では、生体電位センサ１１０により検出した生体電位信号ａから神経伝達信号ｂおよび筋電位信号ｃを取得する（請求項１の生体電位処理手段）。続いて、ＳＡ１４に進み、神経伝達信号ｂに基づいてパルス電流ｅ１を生成し、且つ筋電位信号ｃに基づいて電流ｅ２を生成する（請求項１の駆動電流生成手段）。
【００５０】
次のＳＡ１５では、神経伝達信号ｂに応じたパルス電流ｅ１がモータの駆動開始可能電流の下限値It以上か否かをチェックする。このＳＡ１５において、パルス電流ｅ１がモータ９２の駆動開始可能電流の下限値It以上でない場合（ＮＯの場合）、ＳＡ１６に進み、パルス電流ｅ１が駆動開始可能電流の下限値It以上になるように、パルス電流ｅ１を増幅する。
【００５１】
また、ＳＡ１５において、パルス電流ｅ１がモータ９２の駆動開始可能電流の下限値It以上の場合（ＹＥＳの場合）、ＳＡ１７に進み、パルス電流ｅ１をモータ９２に供給して義足８０を駆動開始する。そして、ＳＡ１８では、筋電位信号ｃに基づく電流ｅ２によりモータ９２を駆動する。これで、義足８０は、モータ９２の駆動力によって前後方向に歩行動作を行なう。
【００５２】
次のＳＡ１９では、義足８０の歩行動作に伴って各物理量センサ（トルクセンサ９４、角度センサ９６、床反力センサ１２０、応力センサ１３０）で検出されたセンサ信号ｆを読み取る。続いて、ＳＡ２０に進み、センサ信号ｆが読み込まれると、センサ信号ｆに応じた感覚フィードバック信号ｇが生成され、感覚フィードバック信号ｇを感覚フィードバック信号変換手段１４０に出力する（請求項１の感覚フィードバック信号生成手段）。これにより、装着者２０は、感覚フィードバック信号変換手段１４０からの信号（振動、スピーカ音、視覚）を感覚的（皮膚接触感覚、聴覚、視覚など）に認知して義足８０の動作状態を判別することが可能になる。
【００５３】
このＳＡ１１〜ＳＡ２０の処理は、動作補助装着具３０の電源スイッチがオフになるまで繰り返し実行される。これにより、動作補助装着具３０のモータ９２は、装着者２０の意思に応じた動作を行なうように駆動制御される。
【実施例２】
【００５４】
図７は実施例２の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。尚、図７において、前述した実施例１の図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００５５】
図７に示す実施例２の制御装置２１０Ｂは、生体電位処理手段２００、随意的制御手段２１２、データベース３００、駆動電流生成手段２２０、感覚フィードバック信号生成手段２３０を有する。
制御装置２１０Ｂのデータベース３００は、装着者２０の各関節の回転角及び角速度等を、全タスクの全フェーズについて経験的に求め、それらの基準パラメータ（基準の回転角及び角速度等）を格納している。そして、随意的制御手段２１２は、動作補助装着具３０（図１乃至図３を参照）のモータ９２の随意的制御を行う際、装着者２０の動作に関する物理量からデータベース３００からタスクのフェーズを推定し、推定したフェーズに対応するパワーアシスト率となるように駆動力をモータ９２に発生させる。
【００５６】
ここで、上記タスク（Ｔａｓｋ）およびそのフェーズ（Ｐｈａｓｅ）について説明する。タスクとは装着者２０の各動作パターンを分類したもので、フェーズは各タスクを構成する一連の最小動作単位である。
【００５７】
図８は、人間１の基本動作として、立ち上がり（タスクＡ）、歩行（タスクＢ）、座り（タスクＣ）、および階段の昇りまたは降り（タスクＤ）を例示する図である。尚、タスクは、図８に限定されるものではない。図８において、各タスクは上記フェーズからなり、例えば歩行タスクＢは、両足が揃ったフェーズＢ１と、右足が前に出たフェーズＢ２と、左足が前にでて両足が揃った状態になったフェーズＢ３と、左足が前に出たフェーズＢ４からなる。
【００５８】
このような一連のフェーズをフェーズ・シークエンス（Ｐｈａｓｅ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ）という。装着者２０の動作を補助するのに適切な動力はフェーズ毎に異なる。そのため、各フェーズによって異なるパワーアシスト率ＰＡＲ１，ＰＡＲ２，ＰＡＲ３，ＰＡＲ４を付与することにより、フェーズ毎に最適な動作補助を行うことができる。
【００５９】
装着者２０の動きを分析すると、各フェーズにおける各関節の回転角及び角速度、歩行速度及び加速度、姿勢、重心の移動等が決まっていることが分かる。例えば、装着者２０の典型的な歩行パターンは決まっており、そのパターンで歩行するときに最も自然に感じる。従って、装着者２０の各関節の回転角及び角速度等を、全タスクの全フェーズについて経験的に求め、それらを基準パラメータ（基準の回転角及び角速度等）としてデータべース３００に格納しておけば良い。
【００６０】
尚、片足が切断された障害者の場合、両足を交互に動作させて各関節の回転角及び角速度等を、全タスクの全フェーズについて求めることができないので、予め動作補助装着具３０を装着する当該装着者２０と身長及び体重が似ている別人から得た各フェーズにおける基準パラメータ（基準の回転角及び角速度等）を作成してデータべース３００に格納するようにする。
【００６１】
図９Ａはデータベース３００に格納されている各タスク及び各フェーズを模式的に示す図である。図９Ｂは、物理量を基準パラメータと比較することにより装着者が行おうとしているタスク、およびその中のフェーズを推定するプロセスを示す図である。図９Ａ、図９Ｂに示すタスクおよびフェーズは、図８に示すものである。例示したタスクＡ（立上り）、タスクＢ（歩行）、タスクＣ（座り）・・・は、それぞれ、一連のフェーズ（フェーズＡ１、フェーズＡ２、フェーズＡ３・・・、フェーズＢ１、フェーズＢ２、フェーズＢ３・・・等）により構成されている。
【００６２】
装着者が動作を開始すると、物理量センサとしてのトルクセンサ９４、角度センサ９６、応力センサ１３０で検出されたセンサ信号により得られた各種の物理量の実測値をデータベース３００に格納された基準パラメータと比較する。この比較は、図９Ｂ中のグラフで概略的に示す。このグラフでは、膝の回転角θおよび角速度θ'、および重心位置ＣＯＧおよび重心位置の移動速度ＣＯＧ'を示しているが、勿論比較する物理量はこれらに限定されない。
【００６３】
一定の短い時間間隔で実測の物理量と基準パラメータとを比較する。この比較処理は、全てのタスク（Ａ，Ｂ，Ｃ・・・）における一連のフェーズについて行う。つまり、図９Ａの上部表に示す全てのフェーズ（Ａ１，Ａ２，Ａ３・・・，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３・・・，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３・・・）をマトリックス状に取り出し、実測の物理量と比較することになる。
【００６４】
図９Ｂのグラフに示すように、例えば時間t１，ｔ２，ｔ３・・・ごとに比較していくと、実測の物理量が全て一致する基準パラメータを有するフェーズを同定することができる。一致の誤差を排除するために、複数の時間で一致することを確認した後で、フェーズの同定を行えば良い。例えば図示の例で、実測値が複数の時間でフェーズＡ１の基準パラメータと一致したとすると、現在の動作はフェーズＡ１の動作であることが分かる。勿論、実測値と一致する基準パラメータを有するフェーズは、タスクの最初のフェーズ（Ａ１，Ｂ１，Ｃ１等）とは限らない。
【００６５】
更に、装着者２０の腰に角度センサを設け、この角度センサによって腰関節の角度を検出して動作補助装着具３０の制御に活用するようにしても良い。また、例えば、装着者２０の健脚側の情報など、装着者本人から検出可能な他の身体情報（例えば、装着者２０の左脚の情報）を活用することも可能である。
【００６６】
これらの情報は、装着式動作補助装置１０に角度センサ（腰用や健脚用など）が設けられている構成であっても良いし、あらかじめいくつかの動作のパターンや各種のフェーズに対応する各センサの検出値をサンプリングしておいて、データベース３００として制御装置２１０Ｂ内に設けられたメモリに格納しておく方法でも良い。
【００６７】
図１０は実施例２の制御装置２１０Ｂでモータ駆動力を制御する場合の制御方法を示すフローチャートである。制御装置２１０Ｂは、メモリに格納された制御プログラムを読み込んで図１０の制御処理を実行する。
【００６８】
尚、図１０のＳＢ１１，ＳＢ１２およびＳＢ１４〜ＳＢ１７、ＳＢ２４，ＳＢ２５は、実質的に図６のＳＡ１１〜ＳＡ１６、ＳＡ１９，ＳＡ２０と同じ処理であるので、それらの説明は省略し、ここではＳＢ１３、ＳＢ１８〜ＳＢ２３の処理について主に説明する。
【００６９】
図１０に示すＳＢ１３では、義足８０の歩行動作に伴って発生する各物理量（トルク、回転角、床反力、応力）を検出したセンサ信号をトルクセンサ９４、角度センサ９６、床反力センサ１２０、応力センサ１３０から読み取る。
【００７０】
ＳＢ１８では、各センサにより検出された物理量（実測値）とデータベース３００に格納された各フェーズの基準パラメータと順次比較する。図９を参照して説明したように、全てのタスクおよび各タスク毎のフェーズは、マトリックス状に存在するので、物理量の実測値と各フェーズの基準パラメータとを、例えばＡ１，Ａ２，Ａ３・・・，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３・・・，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３・・・との順番で順次比較する。データベース３００に格納された基準パラメータは、全てのタスクのフェーズ（以下では、単に「タスク／フェーズ」という）の間で重複しないように設定されているので、全てのタスクのフェーズの基準パラメータとの比較を行うと、物理量の実測値と一致する基準パラメータを有するタスクのフェーズを抽出することができる。
【００７１】
次のＳＢ１９では、各センサにより検出された物理量（実測値）とデータベース３００に格納された各フェーズの基準パラメータとが一致したか否かをチェックしており、不一致の場合は上記ＳＢ１８の処理に戻り、ＳＢ１８，ＳＢ１９の処理を繰り返す。また、ＳＢ１９において、各センサにより検出された物理量（実測値）とデータベース３００に格納された各フェーズの基準パラメータとが一致した場合は、ＳＢ２０に進み、センサにより検出された物理量（実測値）とデータベース３００に格納された各フェーズの基準パラメータとが一致した回数が予め設定された所定回数に達したか否かをチェックする。
【００７２】
上記ＳＢ２０において、一致した回数が予め設定された所定回数に達しない場合は、上記ＳＢ１８の処理に戻り、ＳＢ１８〜ＳＢ２０の処理を繰り返す。また、上記ＳＢ２０において、一致した回数が予め設定された所定回数に達した場合は、ＳＢ２１に進み、物理量の実測値に一致した基準パラメータに対応するタスクのフェーズを選択し、装着者２０の動作を選択したタスクのフェーズと推定する。
【００７３】
次のＳＢ２２は、データベース３００を参照することにより、補助すべき動作に対応するフェーズに割り付けたパワーアシスト率を選択し、このパワーアシスト率となる動力をモータユニット９０に発生させるように上記随意的制御信号を調整する（請求項３の随意的制御手段）。
【００７４】
続いて、ＳＢ２３に進み、調整後の随意的制御信号に応じた電流（総電流ｅ）を生成し、この総電流の供給によりモータユニット９０を駆動する（請求項１の駆動電流生成手段）。この後は、前述したＳＡ１９，ＳＡ２０と同様なＳＢ２４，ＳＢ２５で感覚フィードバック信号ｇを生成し、感覚フィードバック信号ｇを感覚フィードバック信号変換手段１４０に出力する。
【００７５】
このように、実施例２の制御処理によれば、各センサから得られた物理量に基づいて装着者２０の動作を推定し、この推定されたフェーズ毎に最適化されたパワーアシスト率となるように随意的制御信号を生成するため、モータユニット９０がこの随意的制御信号に応じた動力付与を行うことにより、正常な足の歩行動作と同じように義足８０の歩行動作がスムーズな動作となり、装着者２０が片足に動作補助装着具３０を装着した状態で歩行する際に違和感のない歩行動作補助を行うことができる。
【実施例３】
【００７６】
図１１は実施例３の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。尚、図１１において、前述した図４及び図７と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００７７】
図１１に示す実施例３の制御装置２１０Ｃは、生体電位処理手段２００、随意的制御手段２１２、データベース３００、自律的制御手段３１０、制御信号合成手段３２０、駆動電流生成手段２２０、感覚フィードバック信号生成手段２３０を有する。
制御装置２１０Ｃの自律的制御手段３１０は、各センサにより検出されたセンサ信号ｆ（物理情報信号）とデータベース３００に格納された基準パラメータとを比較することにより、装着者２０のタスクのフェーズを推定し、推定したフェーズに応じた駆動力をモータ９２に発生させるための自律的制御信号ｄ２を生成する。また、制御信号合成手段３２０は、随意的制御手段２１２からの随意的制御信号ｄ１および自律的制御手段７からの自律的制御信号ｄ２とを合成して制御信号ｄを生成する。
【００７８】
自律的制御手段３１０は、図８および図９に示すように、動作補助装着具３０（図１乃至図３を参照）を装着した装着者２０が歩行動作する際、トルクセンサ９４、角度センサ９６、床反力センサ１２０、応力センサ１３０により検出されたトルク、回転角、反力、応力の物理量とデータベース３００に格納された各タスクの各フェーズの基準パラメータとを比較することにより、装着者２０のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力をモータ９２に発生させるための自律的制御信号ｄ２を生成する。
【００７９】
制御信号合成手段３２０は、随意的制御手段２１２からの随意的制御信号ｄ１と自律的制御手段３１０からの自律的制御信号ｄ２とを合成する。自律的制御では、例えばフェーズ毎に一定の動力を付与する。従って、制御信号合成手段３２０で合成された制御信号ｄは、動作の開始から終了まで変化する随意的制御による動力と、フェーズ毎に一定の自律的制御による動力とを加算した動力とをモータ９２に発生させるように形成されている。
【００８０】
図１２は実施例３の制御装置２１０Ｃでモータ駆動力を制御する場合の制御方法を示すフローチャートである。制御装置２１０Ｃは、メモリに格納された制御プログラムを読み込んで図１２の制御処理を実行する。
【００８１】
尚、図１２のＳＣ１１〜ＳＣ１３，ＳＣ１５〜ＳＣ１７，ＳＣ２２，ＳＣ２３は、実質的に図１０のＳＢ１１〜ＳＢ１３,ＳＢ１８〜ＳＢ２０，ＳＢ２４，ＳＢ２５と同じ処理であるので、それらの説明は省略し、ここではＳＣ１４、ＳＣ１８〜ＳＣ２１の処理について主に説明する。
【００８２】
図１２に示すＳＣ１４では、生体電位センサ１１０により検出された生体電位信号ａを用い、装着者２０の意思に従った駆動力をモータ９２に発生させるための随意的制御信号ｄ１を生成する（随意的制御手段）。尚、随意的制御信号ｄ１は、前述した第１、２実施例と同様に、神経伝達信号に応じたパルス電流および筋電位信号に応じた駆動電流を生成するためのものとする。
【００８３】
ＳＣ１８では、物理量の実測値に一致した基準パラメータに対応するタスクのフェーズを選択し、装着者２０の動作を選択したタスクのフェーズと推定すると共に、このタスクのフェーズに対応するハイブリッド比（随意的制御信号／自律的制御信号）を規定する。また、ハイブリッド比は、各タスクのフェーズ毎に、装着者１の動作を違和感なくアシストできるように予め設定され、データベース３００に格納される。このハイブリッド比は、各センサによる実測の物理量とデータベース３００に格納された基準パラメータとの比較によりフェーズが推定されると、上述したように制御装置２１０Ｃによって自動的に規定される。
【００８４】
続いて、ＳＣ１９に進み、推定したフェーズに応じた駆動力をモータ９２に発生させるための自律的制御信号を生成する（自律的制御手段）。
【００８５】
次のＳＣ２０では、規定したハイブリッド比となるように随意的制御信号ｄ１および自律的制御信号ｄ２を合成して総制御信号ｄを生成する（制御信号合成手段）。
【００８６】
さらに、ＳＣ２１に進み、この総制御信号ｄに応じて生成した駆動電流ｅの供給によりモータ８２を駆動する。総制御信号ｄは、随意的制御信号／自律的制御信号の割合から得られる所要のハイブリッド比となるように生成される。そのため、動作補助装着具３０のモータユニット９０は、総制御信号に応じた駆動電流ｅを供給されることにより、随意的制御信号及び自律的制御信号に応じた駆動力を発生することができ、義足８０の歩行動作が正常な足の歩行動作と同じようにスムーズな動作となる。よって、装着者２０は、片足に動作補助装着具３０を装着した状態で歩行する際にスムーズな歩行動作を行うことができる。
【実施例４】
【００８７】
図１３は実施例４の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。尚、図１３において、前述した図４及び図７及び図１１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００８８】
図１３に示す実施例４の制御装置２１０Ｄは、生体電位処理手段２００、随意的制御手段２１２、データベース３００、自律的制御手段３１０、制御信号合成手段３２０、駆動電流生成手段２２０、感覚フィードバック信号生成手段２３０を有する。
制御装置２１０Ｄの随意的制御手段２１２および自律的制御手段３１０は、各センサにより検出された物理量とデータベース３００に格納された基準パラメータとを比較することにより、装着者２０が行おうとしているタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じたハイブリッド比およびパワーアシスト率となるように、随意的制御信号ｄ１および自律的制御信号ｄ２を生成する機能を有する。
【００８９】
従って、随意的制御手段２１２は、神経伝達信号および筋電位信号に基づいてモータユニット９０（図１乃至図３を参照）の駆動を制御する制御信号と、各センサにより検出された装着者２０の動作に関する物理量からデータベース３００からタスクのフェーズを推定し、推定したフェーズに対応するパワーアシスト率となるように駆動力をモータ９２に発生させる制御信号とを生成する。
【００９０】
図１４は実施例４の制御装置２１０Ｄでモータ駆動力を制御する場合の制御方法を示すフローチャートである。制御装置２１０Ｄは、メモリに格納された制御プログラムを読み込んで図１４の制御処理を実行する。
【００９１】
尚、図１４のＳＤ１１〜ＳＤ１７，ＳＤ２１〜ＳＤ２３は、実質的に図１２のＳＣ１１〜ＳＣ１７,ＳＣ２１〜ＳＣ２３と同じ処理であるので、それらの説明は省略し、ここではＳＤ１８〜ＳＤ２０の処理について主に説明する。
【００９２】
図１４に示すＳＤ１８では、物理量の実測値に一致した基準パラメータに対応するタスクのフェーズを選択し、装着者２０の動作を選択したタスクのフェーズと推定すると共に、このタスクのフェーズに対応するハイブリッド比（随意的制御信号／自律的制御信号）を規定する。さらに、データベース３００を参照することにより、補助すべき動作に対応するフェーズに割り付けたパワーアシスト率を規定する。
【００９３】
次のＳＤ１９では、このフェーズに応じた動力でモータ９２を駆動するための自律的制御信号を生成する。
【００９４】
続いて、ＳＤ２０に進み、上記のように規定されたハイブリッド比およびパワーアシスト率となるように随意的制御信号ｄ１および自律的制御信号ｄ２を合成して総制御信号ｄを生成する。これにより、規定されたハイブリッド比及びパワーアシスト率となる動力をモータユニット９０に発生させることが可能になる。
【００９５】
そのため、動作補助装着具３０（図１乃至図３を参照）のモータユニット９０は、上記のように規定されたハイブリッド比およびパワーアシスト率となるように総制御信号に応じた駆動電流ｅを供給されることにより、随意的制御信号及び自律的制御信号に応じた駆動力を発生することができ、義足８０の歩行動作が正常な足の歩行動作と同じようにスムーズな動作となる。よって、装着者２０は、片足に動作補助装着具３０を装着した状態で歩行する際にスムーズな歩行動作を行うことができる。
【実施例５】
【００９６】
図１５は実施例５の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。尚、図１５において、前述した図４、図７、図１１、図１３と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００９７】
図１５に示す実施例５では、装着者２０から生体電位信号ａが得られない場合の制御システムであり、生体電位センサ１１０を用いない制御方法でモータユニット９０（図１乃至、図３を参照）の駆動力を制御する。
【００９８】
実施例５の制御装置２１０Ｅは、データベース３００、自律的制御手段３１０、駆動電流生成手段２２０、感覚フィードバック信号生成手段２３０を有する。制御装置２１０Ｅは、装着者２０から生体電位信号ａが得られないため、随意的制御手段２１２が設けられていなく、自律的制御手段３１０によって生成される自律制御信号ｄ２が駆動電流生成手段２２０に供給される。
【００９９】
自律的制御手段３１０は、各センサにより検出された物理量とデータベース３００に格納された基準パラメータとを比較することにより、装着者２０が行おうとしているタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じたハイブリッド比およびパワーアシスト率となるように、自律的制御信号ｄ２を生成する。そのため、駆動電流生成手段２２０は、自律的制御信号ｄ２に応じた電流を生成し、モータユニット９０に供給する。
【０１００】
図１６は実施例５の制御装置２１０Ｅがモータ駆動力を制御する場合の制御方法を示すフローチャートである。制御装置２１０Ｅは、メモリに格納された制御プログラムを読み込んで図１６の制御処理を実行する。
【０１０１】
尚、図１６のＳＥ１１〜ＳＥ２１は、実質的に図１４のＳＤ１２，ＳＤ１４を除いた処理手順であり、ＳＤ１１,ＳＤ１２，ＳＤ１３〜ＳＤ１７，ＡＤ１９〜ＳＤ２３と同じ処理であるので、それらの説明は省略する。ここでは、ＳＥ１８の処理について説明する。
【０１０２】
ＳＥ１８では、規定されたハイブリッド比およびパワーアシスト率となるように自律的制御信号ｄ２を生成する。これにより、規定されたハイブリッド比及びパワーアシスト率となる動力をモータユニット９０に発生させることが可能になる。
【０１０３】
このように、実施例５の制御装置２１０Ｅは、装着者２０から生体電位信号ａが得られない場合には、自律的制御手段３１０によって生成される自律制御信号ｄ２に応じてモータユニット９０のモータ９２から駆動力が得られるので、義足８０の歩行動作がスムーズな動作となる。よって、装着者２０は、片足に動作補助装着具３０（図１乃至、図３を参照）を装着した状態で歩行する際にスムーズな歩行動作を行うことができる。
【実施例６】
【０１０４】
図１７は実施例６の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。尚、図１７において、前述した図４、図７、図１１、図１３、図１５と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【０１０５】
制御装置２１０Ｆは、前述した駆動電流生成手段２２０、感覚フィードバック信号生成手段２３０の他に、キャリブレーションデータベース４００、フェーズ特定手段４１０、差分導出手段４２０、パラメータ補正手段４３０、キャリブレーション制御手段４４０を有する。
キャリブレーションデータベース４００は、装着者２０が発生する筋力に対する筋電位（生体電位）の検出感度に応じて制御信号のパラメータを補正するためのデータ記憶手段である。
【０１０６】
すなわち、キャリブレーションデータベース４００は、動作補助装着具３０（図１乃至図３を参照）を装着した装着者２０が発する筋力および筋電位信号（生体電位信号）の第１の対応関係を予め格納した第１記憶領域と、装着者２０が所定の基本動作を行う過程で発する筋力および筋電位信号（生体電位信号）の第２の対応関係を予め格納した第２記憶領域とを有する。
【０１０７】
各物理量センサによって検出された関節角度及び生体電位センサ１１０によって検出された筋電位信号は、キャリブレーションデータベース４００に入力される。
【０１０８】
そして、キャリブレーション制御手段４４０は、動作補助装着具３０が装着者２０に装着される都度、装着者２０による基本動作において発生する生体信号と第２の対応関係とに基づいて、第１の対応関係を満たすように生体電位信号に応じたモータ９２（図１乃至図３を参照）による駆動力（トルク）の補正を行う。
【０１０９】
すなわち、キャリブレーション制御手段４４０は、装着者２０が動作補助装着具３０を装着して電源スイッチがオンに操作されたときに、所定の負荷を動作補助装着具３０に印加させてキャリブレーション制御処理を実行し、モータ９２からの駆動力を印加された負荷と拮抗させる。この駆動力が拮抗する負荷としては、例えば、装着者２０に装着された動作補助装着具３０の何処かに、規定重量を有する標準のおもりを取り付ける。
【０１１０】
そして、装着者は、所定の重量を有するおもりの荷重と釣り合うような筋力を発生させようとする。キャリブレーション制御手段４４０は、その時に生じた生体電位信号を測定すると共に、このおもりの荷重に釣り合うような駆動力をモータ９２から発生させて対応させることで、あたかも装着者２０がおもりの荷重に釣り合う筋力を発生させたのと同じ状況をつくる。
【０１１１】
また、おもりを動作補助装着具３０に取付けることが難しい場合は、床や壁など固定された場所に動作補助装着具３０の一部を押し付けるなどして、装着者２０の生体電位信号と、動作補助装着具３０に取り付けられた応力センサ１３０で検出される力とを対応させるという方法も考えられる。また、床などに押し付ける代わりに、例えば、自分自身の手や足で動作補助装着具３０に負荷をかける方法を用いても良い。
【０１１２】
このように、装着者２０は、印加された負荷に拮抗するようにモータ９２からの駆動力を発生させた後、予め決められた所定のキャリブレーション動作（例えば、タスクＡ：着席状態から立ち上がる動作）を行う。これにより、上記キャリブレーション動作に伴って角度センサ９６（図３参照）が関節角度を検出すると共に、生体電位センサ１１０が切断された右足大腿部２２の筋電位信号を検出する。
【０１１３】
そして、フェーズ特定手段４１０では、角度センサ９６により検出した関節角度をキャリブレーションデータベース４００に格納された関節角度と比較することにより、装着者２０のキャリブレーション動作パターンのフェーズを特定する。
【０１１４】
また、差分導出手段４２０では、キャリブレーション制御処理の開始により、モータ９２の負荷（入力トルク）と、生体電位センサ１１０により検出された右足大腿部２２の筋電位信号（実測値）に対応する筋力（推定トルク）とを比較し、両者の差分を求め上記第２の対応関係を求める。
【０１１５】
また、パラメータ補正手段４３０では、フェーズ特定手段４１０によって特定されたフェーズにおける差分導出手段４２０によって算出された負荷（入力トルク）と筋力（推定トルク）との差に基づいて、上記第１の対応関係を満足するようにパラメータＫを補正する。また、前述したように動作補助装着具３０に取付けたおもりや動作補助装着具３０を床や壁に当接させたり、あるいは動作補助装着具３０に自分自身の手や足などで負荷を入力した状態で、この負荷に対するモータ９２からの入力トルクと、生体電位センサ１１０により検出された筋電位信号（実測値）に対応する筋力との差がないときは、基準パラメータを補正しない。
【０１１６】
しかし、おもり等の負荷を入力した状態でモータ９２からの入力トルクと、生体電位センサ１１０により検出された筋電位信号（実測値）に対応する筋力との差があるときは、両者が一致するようにパラメータＫを補正する。その際、補正パラメータＫ’は、入力トルクと推定トルクとが等しくなるように設定される。
【０１１７】
そして、キャリブレーション制御手段４４０は、パラメータ補正手段４３０によって補正されたパラメータを当該装着者２０のパラメータとして設定し、次のフェーズに対するキャリブレーションを行う。
【０１１８】
このように、キャリブレーションによって設定されたパラメータを用いて生体電位センサ１１０によって検出された生体電位信号に応じたアシスト力を発生するようにモータ９２を制御するため、装着者２０のその日の状態（皮膚の抵抗値）や生体電位センサ１１０の取付位置のずれなどに拘り無くパワーアシスト率が所定値を保つように制御することが可能になる。
【０１１９】
また、制御装置２１０Ｆには、角度センサ９６によって検出された関節角度及び生体電位センサ１１０によって検出された筋電位信号が供給されており、関節角度及び筋電位信号に応じた各フェーズ毎のモータ９２からの駆動力をキャリブレーション制御手段４４０によって設定された補正パラメータＫ’を用いて演算し、その演算結果から得られた制御信号を駆動電流生成手段２２０に供給する。
【０１２０】
また、キャリブレーション制御手段４４０は、制御ユニット４０の電源スイッチがオンに操作される度にキャリブレーション制御処理を実行するようにしても良いし、あるいは、専用のキャリブレーションスイッチ４６０を設けることで、操作者が自らの操作でキャリブレーション制御処理を実行するようにしても良い。また、タイマスイッチ４７０を設けることで、予め設定された任意の時間（例えば、毎朝８時、あるいは月曜の８時といった具合）になるとキャリブレーション制御処理を自動的に実行することも可能である。
【０１２１】
このキャリブレーション制御処理は、装着者２０が動作補助装着具３０を装着して歩行動作を練習する過程で動力補正を行なうために頻繁に実行されることが望ましいが、練習開始から１週間以上経過した場合には、任意の時間毎に実行するように切替えることができる。そのため、電源スイッチやキャリブレーションスイッチ４６０やタイマスイッチ４７０を使用回数（練習回数）に応じて使い分けるようにしても良いし、あるいはキャリブレーションスイッチ４６０またはタイマスイッチ４７０を適宜操作するようにしても良い。
【０１２２】
ここで、実施例６の制御装置２１０Ｆが実行するキャリブレーション制御処理の手順について図１８に示すフローチャートを参照して説明する。このキャリブレーション制御処理を実行する際は、装着者２０は、動作補助装着具３０の何処かに、規定重量を有する標準のおもりを取り付けたり、あるいは床や壁など固定された場所に動作補助装着具３０の一部を押し付けたり、あるいは自分自身の手や足で動作補助装着具３０に負荷をかけるといった動作（姿勢）を行なう。
【０１２３】
図１８に示されるように、制御装置２１０Ｆは、Ｓ１１１で動作補助装着具３０（図１乃至図３を参照）が装着者２０の右足大腿部２２に装着されて電源スイッチ（図示せず）がオンに操作されると、Ｓ１１２に進み、電源オン操作が初回かどうかをチェックする。Ｓ１１２において、初回である場合には、初期設定モードに移行する。すなわち、Ｓ１１３に進み、モータ９２に所定電流（初期設定用に設定された低電流）を供給してモータトルクを発生させて初期設定キャリブレーション処理（請求項１０のキャリブレーション手段）を実行する。
【０１２４】
続いて、Ｓ１１４に進み、モータ９２の駆動力（トルク）に対する応力センサ１３０の検出値を読み込む。次のＳ１１５では、応力センサ１３０の検出値から推定されたトルクがモータ９２の駆動力（トルク）と釣り合うか否かをチェックする。
【０１２５】
Ｓ１１５において、応力センサ１３０の検出値から推定されたトルクがモータ９２の駆動力（トルク）と釣り合わない場合（ＮＯの場合）、Ｓ１１６に移行してモータ９２の駆動力（トルク）を１ランク上げる。そして、Ｓ１１４に戻り、再度、１ランク上げたモータ９２の駆動力（トルク）に対する応力センサ１３０の検出値を読み込む。応力センサ１３０の検出値は、負荷とモータトルクとの力関係によって決まる歪みを検出した値である。応力センサ１３０の検出値から推定されたトルクがモータ９２の駆動力（トルク）と釣り合うまで上記Ｓ１１４〜Ｓ１１６の処理を繰り返す。
【０１２６】
上記Ｓ１１５において、応力センサ１３０の検出値から推定されたトルクがモータ９２の駆動力（トルク）と釣り合った場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ１１７に進み、生体電位を各生体電位センサ１１０から出力された表面筋電位の検出信号によって検出し、この検出信号に基づいて補正値を求め、上記キャリブレーションで得られたパラメータＫ’を設定する。
【０１２７】
さらに、Ｓ１１７では、動作補助装着具３０を装着した装着者２０が静止状態でのキャリブレーションによって得られた装着者２０の筋力に応じた補正値（パラメータＫ’）を生成し、このパラメータを当該装着者固有の補正値としてデータベース４００に格納する。
【０１２８】
これにより、動作補助装着具３０が装着者２０に装着される都度、装着者２０が所定の基本動作（キャリブレーション動作）を行う過程で発する動力および生体電位信号の対応関係（第２の対応関係）とに基づいて、装着者２０が発する動力および生体電位信号の対応関係（第１の対応関係）を満たすように生体信号に応じたモータ９２の駆動力の補正を行うことが可能になる。
【０１２９】
その後は、Ｓ１１８に進み、通常の制御処理を実行する制御モードに移行する。そして、Ｓ１１９において、電源スイッチがオフに操作されるまで、通常の制御モードが継続される。
【０１３０】
また、上記Ｓ１１２において、電源オン操作が２回目以降である場合には、Ｓ１２０に進み、前述した再設定モードに移行する。そして、Ｓ１２１では、装着者２０がワンモーション（１回の動作）での補正値設定キャリブレーション（請求項１０のキャリブレーション手段）を実行し、所定のキャリブレーション動作（例えば、椅子に座った状態から立ち上がる動作に移行する動作パターン）を行うのに伴って得られた装着者２０の筋力に応じた補正値（パラメータＫ’）を設定する。その後は、上記Ｓ１１７〜Ｓ１１９の処理を実行する。
【０１３１】
尚、本実施例では、２回目以降ワンモーションによるキャリブレーションを行うものとしたが、これに限らず、２回目以降も初回と同様に静止状態のまま補正値設定キャリブレーションを行うようにしても良い。
【０１３２】
次に、各補正値設定モード毎の制御処理について図１９乃至図２１を参照して説明する。
図１９は初期設定を行う初回キャリブレーションの制御手順を示すフローチャートである。尚、初回キャリブレーションの場合、前述したように、装着者２０は、動作補助装着具３０の何処かに、規定重量を有する標準のおもりを取り付けたり、あるいは床や壁など固定された場所に動作補助装着具３０の一部を押し付けたり、あるいは自分自身の手や足で動作補助装着具３０に負荷をかけるといった動作（姿勢）を行なうことにより補正値の設定を行なう。
【０１３３】
図１９に示されるように、制御装置２１０Ｆは、Ｓ１３１において、装着者２０が上記キャリブレーションの動作を行なうのに応じてモータ９２に所定駆動電流を供給して駆動力（入力トルク）を発生させる。
【０１３４】
次のＳ１３２では、装着者２０の右足大腿部の筋電位信号（生体電位信号）を生体電位センサ１１０から取得する。次のＳ１３３では、応力センサ１３０により実測された応力検出値から発生トルクを演算して推定する。
【０１３５】
その後、Ｓ１３４に進み、トルクセンサ９４によって検出されたモータ９２の入力トルクと上記応力センサ１３０の検出値から演算された仮想トルクとを比較する。そして、Ｓ１３５において、入力トルクと仮想トルクとの比率を求める。次のＳ１３６では、キャリブレーションデータベース４００に格納された各フェーズ毎の負荷に対するパラメータを読み出し、このパラメータに上記比率をかけて駆動電流生成手段２２０に供給される制御信号の補正値（補正パラメータ）を求める。続いて、Ｓ１３７に進み、補正パラメータを自律的制御のパラメータとして設定する。
【０１３６】
このように、右足大腿部２２に動作補助装着具３０が装着された装着者２０は、その日の状態に応じた生体信号のキャリブレーションを自動的に行うことができる。そのため、キャリブレーションに要する労力と時間を大幅に削減することが可能になる。
【０１３７】
さらに、装着者２０に対してキャリブレーションを行うために余計な負担を強いることがなく、当該装着者２０の状態に応じた補正値を設定し、装着者２０の筋電位信号に基づく駆動力を装着者２０の動作に連動して正確に付与することが可能になる。
【０１３８】
よって、キャリブレーションを行う際に装着者２０の意思に沿ったアシスト力がモータ９２から付与され、アシスト力が過大になったり、過小になったりせず、装着者２０の動作を安定的にアシストして装着式動作補助装置の信頼性をより高めることができる。
【０１３９】
特に装着者２０が初心者の場合のように、装着された動作補助装着具３０を思うように使うことが難しいと思われる状況においても、装着者２０は安心してキャリブレーションを行うことができる。
【０１４０】
次に前述した再設定モード１（図１８のＳ１２０参照）のキャリブレーション制御処理について図２０を参照して説明する。
【０１４１】
図２０はワンモーション（１回の動作）による再設定キャリブレーションの制御手順を示すフローチャートである。尚、ワンモーションによるキャリブレーションを行う場合、装着者２０は、着席したまま動作補助装着具３０におもりを取り付けられて膝関節部７０を上げ下げする動作を１回だけ行なうことになる。また、メモリ１３０には、キャリブレーションの動作に対応する基準筋電位が予め格納されている。
【０１４２】
図２０に示されるように、制御装置２１０Ｆは、Ｓ１４１において、膝関節部７０の角度センサ９６からの検出信号の有無を確認する。そして、装着者２０が着席状態で動作補助装着具３０の膝関節部７０を動作させるのに伴って膝関節部７０の関節角度の動きを角度センサ９６によって検出されると、Ｓ１４２に進み、角度センサ９６からの検出信号に基づいて膝関節部７０の動作角度を設定する。
【０１４３】
続いて、Ｓ１４３に進み、膝関節部７０の動作角度に応じた基準筋電位をメモリから読み込む。次の、Ｓ１４４では、装着者２０の右足大腿部２２の筋電位の実測値を生体電位センサ１１０から読み込む。そして、Ｓ１４５では、基準筋電位と筋電位の実測値とを比較する。
【０１４４】
次の、Ｓ１４６では、基準筋電位と筋電位の実測値との比率を求める。そして、Ｓ１４７では、前述したキャリブレーションデータベース４００に格納された膝関節部７０の動作角度に応じたパラメータを読み出し、このパラメータに上記比率をかけて駆動電流生成手段２２０に供給される制御信号の補正値（補正パラメータ）を求める。続いて、Ｓ１４８に進み、補正パラメータを随意的制御のパラメータとして設定する。
【０１４５】
このように、２回目以降のキャリブレーションは、着席した状態で膝関節部７０を回動させる動作（ワンモーション）によってパラメータＫ’を補正することができるので、装着者２０の体力的な負担を大幅に軽減できると共に、動作補助装着具３０を装着してからキャリブレーションに要する準備時間を短縮することが可能になる。そのため、２回目以降のキャリブレーションでは、歩行開始が速やかに行えることになる。
【０１４６】
次に前述した再設定モード２のキャリブレーション制御処理について図２１を参照して説明する。この再設定モード２では、装着者２０が着席状態から立ち上がり動作（フェーズＡ１〜Ａ４）を基準動作として行い、そして、再び着席動作（フェーズＡ４〜Ａ１）を行うものとする（図８を参照）。
【０１４７】
図２１に示されるように、制御装置２１０Ｆは、Ｓ１５１において、動作補助装着具３０に設けられた角度センサ９６からの検出信号の有無を確認する。そして、装着者２０が図８に示すような着席状態から立上がり状態に移行する動作を行うのに伴って膝関節部７０の角度の動きを角度センサ９６からの検出信号によって検出すると、Ｓ１５２に進み、角度センサ９６からの検出信号に基づいてキャリブレーションデータベース４００に格納されたタスクを選択し、装着者２０の基準動作を設定する。
【０１４８】
次のＳ１５３では、着席状態から立上がり状態に移行する動作に応じた基準筋電位をメモリから読み込む。続いて、Ｓ１５４に進み、装着者２０の筋電位の実測値を生体電位センサ１１０から読み込む。そして、Ｓ１５５では、基準筋電位と筋電位の実測値とを比較する。
【０１４９】
次の、Ｓ１５６では、基準筋電位と筋電位の実測値との比率を求める。そして、Ｓ１５７では、前述したキャリブレーションデータベース４００に格納された膝関節の動作角度に応じたパラメータを読み出し、このパラメータに上記比率をかけて駆動電流生成手段２２０に供給される制御信号の補正値（補正パラメータ）を求める。続いて、Ｓ１５８に進み、補正パラメータを随意的制御のパラメータとして設定する。
【０１５０】
次のＳ１５９では、キャリブレーション動作のタスクが終了したかどうかを確認する。Ｓ１５９において、まだキャリブレーション動作のフェーズが残っている場合は、Ｓ１６０に進み、次のフェーズに更新して上記Ｓ１５３以降の処理を再度実行する。
【０１５１】
また、上記Ｓ１５９において、キャリブレーション動作のタスクが終了した場合は、今回のキャリブレーション処理を終了する。
【０１５２】
このように、２回目以降のキャリブレーションは、着席した状態でパラメータＫ’を補正することができるので、装着者２０の体力的な負担を大幅に軽減できると共に、動作補助装着具３０を装着してからキャリブレーションに要する準備時間を短縮することが可能になる。
【０１５３】
従って、キャリブレーションの動作は、装着者２０が屈伸動作を行うことで表面筋電位のキャリブレーションを行っても良いし、あるいは、装着者２０が椅子に座った状態で膝関節の曲げ伸ばし動作を基準動作としても良いし、その個人に合ったキャリブレーションを行うことができるので、装着者２０が身体障害者の場合には動作可能な任意の動作でキャリブレーションを行うことも可能であり、他の動作（タスク）を基準動作とすることも可能である。
【０１５４】
尚、実施例６においては、前述した実施例１の制御装置にキャリブレーション制御処理を付加した構成について説明したが、このキャリブレーション制御処理は、他の実施例２〜５においても同様に実行することができるように組み合わせることも可能であるが、その制御処理は上記図１８〜図２１に示す制御処理と同様であるので、他の実施例２〜５に係るキャリブレーション制御処理の説明は省略する。
【産業上の利用可能性】
【０１５５】
尚、上記実施例では、装着者２０の右足大腿部２２に動作補助装着具３０を装着した場合を一例として挙げたが、これに限らず、左足大腿部または右腕、左腕の何れかに装着される場合、あるいは両腕、両足に動作補助装着具が装着される場合にも本発明が適用できるのは勿論である。すなわち、本発明は、装着者２０の両足、両腕の４肢の何れかあるいは全てに装着される動作補助装着具の駆動手段を制御するのに好適である。
【０１５６】
また、上記実施例では、電動モータの駆動トルクで義足を駆動して歩行する構成について説明したが、電動モータ以外の駆動手段（例えば、超音波モータやエアシリンダ等）を用いて動作補助装着具を動作させる場合にも適用することができるのは勿論である。
【０１５７】
また、上記実施例では、膝関節部７０をモータ９２で駆動する構成を一例として挙げたが、これに限らず、例えば、膝関節部及び足首の関節部の夫々を各モータで駆動する構成の多関節構造のものにも本発明が適用できるのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】本発明による装着式動作補助装置の装着状態の一実施例を示す斜視図である。
【図２】動作補助装着具３０と制御装置２１０Ａとの関係を模式的に示す制御システムの概念図である。
【図３】動作補助装着具３０の構成を示す概略構成図である。
【図４】実施例１の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。
【図５】生体電位信号から各制御信号を生成する過程を示す図である。
【図６】制御装置２１０Ａが実行する制御処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【図７】実施例２の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。
【図８】人間１の基本動作として、歩行（タスクＡ）、立ち上がり（タスクＢ）、座り（タスクＣ）、および階段の昇りまたは降り（タスクＤ）を例示する図である。
【図９Ａ】データベース３００に格納されている各タスク及び各フェーズを模式的に示す図である。
【図９Ｂ】物理量を基準パラメータと比較することにより装着者が行おうとしているタスク、およびその中のフェーズを推定するプロセスを示す図である。
【図１０】実施例２の制御装置２１０Ｂでモータ駆動力を制御する場合の制御方法を示すフローチャートである。
【図１１】実施例３の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。
【図１２】実施例３の制御装置２１０Ｃでモータ駆動力を制御する場合の制御方法を示すフローチャートである。
【図１３】実施例４の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。
【図１４】実施例４の制御装置２１０Ｄでモータ駆動力を制御する場合の制御方法を示すフローチャートである。
【図１５】実施例５の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。
【図１６】実施例５の制御装置２１０Ｅがモータ駆動力を制御する場合の制御方法を示すフローチャートである。
【図１７】実施例６の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。
【図１８】実施例６の制御装置２１０Ｆが実行する制御処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【図１９】初期設定を行う初回キャリブレーションの制御手順を示すフローチャートである。
【図２０】ワンモーション（１回の動作）による再設定キャリブレーションの制御手順を示すフローチャートである。
【図２１】設定モード２のキャリブレーション制御処理を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【０１５９】
１０ 装着式動作補助装置
２０ 装着者
２２ 右足大腿部
３０ 動作補助装着具
４０ 制御ユニット
５０ 電源ユニット
６０ ソケット部
７０ 膝関節部
８０ 義足
９０ モータユニット
９２ モータ
９４ トルクセンサ
９６ 角度センサ
１１０ 生体電位センサ
１２０ 床反力センサ
１３０ 応力センサ
１４０ 感覚フィードバック信号変換手段
２００ 生体電位処理手段
２１０Ａ〜２１０Ｆ 制御装置
２１２ 随意的制御手段
２２０ 駆動電流生成手段
２３０ 感覚フィードバック信号生成手段
３００ データベース
３１０ 自律的制御手段
３２０ 制御信号合成手段
４００ キャリブレーションデータベース
４１０ フェーズ特定手段
４２０ 差分導出手段
４３０ パラメータ補正手段
４４０ キャリブレーション制御手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は装着式動作補助装置及びその制御方法及びプログラムに係り、特に義肢を装着した装着者の動作を補助または代行するように駆動力を発生させる装着式動作補助装置及びその制御方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から腕や足などの４肢を失った障害者の場合、失った部分に義手または義足を装着して見かけ上４肢を有するようにしている。さらに、近年は、義手または義足に駆動手段を設けることにより、少しでも障害を受ける前と同じように通常の動作が行えるように動作補助装置の開発が進められている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載された動作補助装置は、膝から上の部分で切断された障害者に装着されるもので、大腿部の切断部分が挿入保持されるソケットと、ソケットの下部に関節部を介して前後方向に回動可能に連結された足部とを有し、足部にはソケットと足部との間で駆動力を発生する液圧シリンダが設けられている。そして、この装置においては、ソケットの内部に取り付けられた圧力センサにより前後方向の体重移動を検出し、この圧力センサからの検出信号に基づいて液圧シリンダに供給される液圧を制御するバルブの絞り具合を調整することで、足部を前後方向に回動させる駆動力を発生させている。
【０００４】
また、上記のものとは別の構成として特許文献２に記載されたものもある。この特許文献２に記載された動作補助装置は、義肢装着者の身体に表面電極を取付け、表面電極で残存する筋肉の筋電信号を検出し、筋電信号増幅器で増幅した後フィルタに通すことにより、残存する筋肉の擬似張力を３層パーセプトロンに与える。そして、３層パーセプトロンによって残存する筋肉の擬似張力を制御に必要な筋肉の擬似張力に拡張し、さらに拡張された擬似張力に対応する運動軌道を予め設定された身体ダイナミカルシステムモデルにより推定し、電動義肢が推定された運動軌道に沿って動作するように制御信号を出力する。
【特許文献１】特開２００１−２１８７７８号公報
【特許文献２】特開平７−３１６３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１においては、装着者が歩行する場合の体重移動に伴う圧力センサの検出信号に基づいて液圧シリンダを駆動するため、装着者が足を前に出そうと重心を前方にかけることにより足部が駆動されることになり、液圧シリンダを駆動タイミングが僅かに遅れる。そのため、装着者は、正常な他方の足を義足の動作に合わせて歩行することになってしまい、両足の動きがスムーズでなく、自分の足と義足とが同じテンポで動作しないので、疲れるという問題があった。
【０００６】
また、上記特許文献２においては、装着者の身体から筋電信号を検出し、筋肉の擬似張力に対応した身体ダイナミカルシステムモデルの電動義肢を動作させる構成であるので、装着者は予め設定された身体ダイナミカルシステムモデルに対応する動作パターンしか義肢を動作させることができず、義肢を設定されていない動作パターンで動かすことができないという問題があった。
そこで、本発明は上記事情に鑑み、装着者の意思に従った動力を発生させることで上記課題を解決した装着式動作補助装置及びその制御方法及びプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。
（１）本発明は、義肢が装着された装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
義肢が装着された装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
前記義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具と、
前記義肢の動作に関する物理量を検出する物理量センサと、
前記義肢の装着箇所の生体信号を検出する生体信号センサと、
前記義肢を動作させるための指令信号を、前記生体信号センサにより検出された生体信号から取得する生体信号処理手段と、
前記生体信号処理手段により取得された指令信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成する随意的制御手段と、
前記随意的制御手段により生成された随意的制御信号に基づいて、前記生体信号の信号に応じた駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する駆動信号生成手段と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する感覚フィードバック信号生成手段と、
該感覚フィードバック信号生成手段で生成された感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する感覚伝達手段と、
を備えることにより、上記課題を解決するものである。
（２）本発明は、請求項１に記載の装着式動作補助装置であって、
前記感覚伝達手段は、前記装着者の聴覚または皮膚の触覚または視覚に前記感覚フィードバック信号を伝達することにより、上記課題を解決するものである。
（３）本発明は、請求項１に記載の装着式動作補助装置であって、
さらにタスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータを格納したデータベースを備え、
前記随意的制御手段は、前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成することにより、上記課題を解決するものである。
（４）本発明は、義肢が装着された装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
義肢が装着された装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
前記義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具と、
前記義肢の装着箇所の生体信号を検出する生体信号センサと、
前記義肢の動作に関する物理量を検出する物理量センサと、
前記生体信号センサにより検出された生体信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成する随意的制御手段と、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータを格納したデータベースと、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための制御信号を生成する自律的制御手段と、
前記随意的制御手段からの随意的制御信号および前記自律的制御手段からの自律的制御信号を合成する制御信号合成手段と、
前記制御信号合成手段により合成された総制御信号に応じた総駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する駆動信号生成手段と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する感覚フィードバック信号生成手段と、
該感覚フィードバック信号生成手段で生成された感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する感覚伝達手段と、
を備えることにより、上記課題を解決するものである。
（５）本発明は、請求項４に記載の装着式動作補助装置であって、
前記感覚伝達手段は、前記装着者の聴覚または皮膚の触覚または視覚に前記感覚フィードバック信号を伝達することにより、上記課題を解決するものである。
（６）本発明は、請求項４に記載の装着式動作補助装置において、
前記データベースは、前記随意的制御信号と前記自律的制御信号との比（ハイブリッド比）を、前記フェーズの基準パラメータと所要の対応関係となるように格納し、
前記制御信号合成手段は、前記自律的制御手段により推定されたタスクのフェーズに応じ、前記対応関係に基づいて規定されるハイブリッド比となるように、前記随意的制御信号および前記自律的制御信号を合成することにより、上記課題を解決するものである。
（７）本発明は、請求項４乃至６の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記義肢の装着箇所の指令信号を、前記生体信号センサにより検出された生体信号から取得する生体信号処理手段を備え、
前記駆動信号生成手段は、前記生体信号処理手段により取得された指令信号に応じて生成したパルス電流の供給により、前記駆動手段の動作を開始させることにより、上記課題を解決するものである。
（８）本発明は、請求項４に記載の装着式動作補助装置であって、
前記随意的制御手段は、前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための制御信号を生成することにより、上記課題を解決するものである。
（９）本発明は、義肢が装着された装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
前記義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具と、
前記義肢の装着箇所の動作に関する物理量を検出する物理量センサと、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータを格納したデータベースと、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための自律的制御信号を生成する自律的制御手段と、
前記自律的制御信号に応じた駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する駆動信号生成手段と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する感覚フィードバック信号生成手段と、
該感覚フィードバック信号生成手段で生成された感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する感覚伝達手段と、
を備えることにより、上記課題を解決するものである。
（１０） 本発明は、請求項９に記載の装着式動作補助装置であって、
前記感覚伝達手段は、前記装着者の聴覚または皮膚の触覚または視覚に前記感覚フィードバック信号を伝達することにより、上記課題を解決するものである。
（１１）本発明は、請求項１乃至８の何れかに記載された装着式動作補助装置であって、
前記駆動手段から付与された負荷としての駆動力に対する生体信号を前記生体信号センサによって検出し、この検出信号に基づいて補正値を設定するキャリブレーション手段を備えることにより、上記課題を解決するものである。
（１２）本発明は、請求項１１に記載された装着式動作補助装置であって、
前記キャリブレーション手段は、
前記動作補助装着具が前記装着者に装着された状態で前記駆動源からの所定の駆動力を外的負荷として付与する負荷発生手段と、
該負荷発生手段により付与された駆動力に抗して発生した生体信号を前記生体信号センサによって検出し、この検出信号に基づいて前記駆動信号生成手段が行う演算処理のパラメータを生成し、このパラメータを当該装着者固有の補正値として設定する補正値設定手段と、
を備えることにより、上記課題を解決するものである。
（１３）本発明は、請求項１２に記載された装着式動作補助装置であって、
前記生体信号センサにより検出された前記生体信号と前記駆動手段を制御する制御信号との対応関係のデータが格納されたデータベースを有し、
前記補正値設定手段は、前記データベースに格納された制御信号を前記補正値に補正することにより、上記課題を解決するものである。
（１４）本発明は、義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具の動作を制御する装着式動作補助装置の制御方法であって、
前記義肢を動作させるための指令信号を生体信号センサにより検出された生体信号から取得する手順と、
前記生体信号から取得された指令信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記義肢の駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成する手順と、
前記随意的制御信号に基づいて、前記生体信号の信号に応じた駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する手順と、
前記義肢の装着箇所に設けられた物理量センサにより前記義肢の動作に関する物理量を検出する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する手順と、
前記感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する手順と、
を実行することにより、上記課題を解決するものである。
（１５）本発明は、請求項１４に記載の装着式動作補助装置の制御方法であって、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータをデータベースに格納する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための制御信号を生成する手順と、
をさらに有することにより、上記課題を解決するものである。
（１６）本発明は、義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具の動作を制御する装着式動作補助装置の制御方法であって、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータをデータベースに格納する手順と、
前記義肢を動作させるための指令信号を生体信号センサにより検出された生体信号から取得する手順と、
前記生体信号から取得された指令信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成する手順と、
前記義肢の装着箇所の動作に関する物理量を検出する物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための自律的制御信号を生成する手順と、
前記随意的制御信号と前記自律的制御信号とを合成する手順と、
合成された総制御信号に応じた駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する手順と、
前記義肢の装着箇所に設けられた物理量センサにより前記義肢の動作に関する物理量を検出する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する手順と、
前記感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する手順と、
を実行することにより、上記課題を解決するものである。
（１７）本発明は、請求項１６に記載の装着式動作補助装置の制御方法であって、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための制御信号を生成することにより、上記課題を解決するものである。
（１８）本発明は、義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具の動作を制御する装着式動作補助装置の制御方法であって、
前記義肢の装着箇所の動作に関する物理量を物理量センサにより検出する手順と、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータをデータベースに格納する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための自律的制御信号を生成する手順と、
前記自律的制御信号に応じた駆動信号を生成し、該駆動信号を前記駆動手段に供給する手順と、
前記義肢の装着箇所に設けられた物理量センサにより前記義肢の動作に関する物理量を検出する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する手順と、
前記感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する手順と、
を実行することにより、上記課題を解決するものである。
（１９）本発明は、請求項１４乃至１８に記載された装着式動作補助装置の制御方法であって、
前記駆動手段から付与された負荷としての駆動力に対する生体信号を前記生体信号センサによって検出し、この検出信号に基づいて補正値を設定するキャリブレーション処理を実行することにより、上記課題を解決するものである。
（２０）本発明は、請求項１４乃至１９の何れかに記載された制御方法を、装着式動作補助装置を制御するためのコンピュータに実行させることにより、上記課題を解決するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、感覚フィードバック信号を装着者に伝達することで装着者が義肢の状態を把握することができ、これにより、義肢を駆動する駆動手段を随意的に制御することができるため、装着者は、自分の意思で義肢を自由に動作させることが可能になり、義肢を身体の一部として操ることができ、義肢の動作遅れがなくなって自然な動作となるように義肢を駆動することができる。
【０００９】
また、本発明によれば、義肢を駆動する駆動手段を随意的及び自律的に制御することにより駆動手段により発生する駆動力を装着者の意思に対応させると共に義肢と身体とに動作バランスを安定化してスムーズな動作を行なうことができる。
【００１０】
また、本発明によれば、装着者から生体信号を検出することができない場合は、物理量センサにより検出された物理量とデータベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を駆動手段に発生させるため、義肢の動作をスムーズに行なうことが可能になる。
【００１１】
さらに、本発明によれば、駆動力に対する生体信号センサの検出信号に基づいて補正値を設定するキャリブレーション処理により装着者の意思に沿ったアシスト力が駆動源から付与され、アシスト力が過大になったり、過小になったりせず、装着者の動作を安定的にアシストして装着式動作補助装置の信頼性をより高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明による装着式動作補助装置の装着状態の一実施例を示す斜視図である。尚、図１においては、例えば４肢のうち右足の大腿部より下の部分を失った装着者２０に動作補助装着具を装着する場合を例に挙げて説明する。
【００１４】
図１に示されるように、装着式動作補助装置１０は、片足を失った身体障害者の歩行動作（以下では、説明の便宜上、歩行動作を動作の一例として例示して説明する）を補助する装置であって、装着者２０の切断された右足の大腿部２２に装着される動作補助装着具３０と、動作補助装着具３０を制御する制御回路を有する制御ユニット４０と、電源ユニット５０とから構成されている。動作補助装着具３０は、装着者２０の切断された大腿部２２に嵌合するソケット部６０と、ソケット部６０の下部に連結された膝関節部７０と、膝関節部７０の下方に連結された義足８０と、義足８０を駆動するモータユニット９０（駆動手段）とを有する。尚、動作補助装着具３０を装着した場合の歩行動作以外の動作としては、例えば、椅子に腰掛けた状態で足を組んだり、あるいは歩行とは関係なく本人の足と同じように義足８０をふらふらと揺動したり、あるいは階段の昇り降り動作等も行える。
【００１５】
制御ユニット４０と電源ユニット５０は、ウエストベルト１００により装着者２０の背面側、左右側面に保持されている。電源ユニット５０は、複数の充電式バッテリ５２を有し、他の予備バッテリと容易に交換することができるように保持されている。
モータユニット９０は、ＤＣサーボモータ（以下「モータ」という）を有しており、膝関節部７０に設けられている。制御ユニット４０は、後述するように操作者２０の意思に基づいて生成される随意的制御信号、または随意的制御信号及び自律的制御信号を合成した制御信号を生成し、このように演算処理された制御信号に応じた電流（駆動信号）をモータユニット９０に印加して義足８０を歩行動作させる。義足８０は、靴を履く足首より下の足部８２と、膝関節部７０と足部８２との間を連結する下リム部８４と有する。
【００１６】
図２は動作補助装着具３０と制御装置２１０Ａとの関係を模式的に示す制御システムの概念図である。図２に示されるように、動作補助装着具３０は、ソケット部６０の内壁に装着者２０の右足太腿部２２から生体電位を検出する生体電位センサ（生体信号センサ）１１０と、義足８０の足部８２の裏に貼付されて装着者２０の重心の変化に応じた床反力を検出する床反力センサ（物理量センサ）１２０と、義足８０の下リム部８４に作用する応力を検出する応力センサ（物理量センサ）１３０と、義足８０の回動動作（回動角度）に応じた感覚フィードバック信号を装着者２０に出力するための感覚フィードバック信号変換手段（感覚伝達手段）１４０とを有する。
【００１７】
装着者２０は、右足大腿部２２より下が切断されているが、脳からの神経系統では右足があるものとして神経伝達信号を発生する。そのため、生体電位センサ１１０は、装着者２０が右足大腿部２２の皮膚表面に接触することにより、右足の筋肉を動作させようとする生化学反応で発生するイオン電流を検出する。従って、生体電位センサ１１０を取り付ける際は、右足大腿部２２の皮膚表面のうち、より強い生体電位信号を検出しやすい位置に生体電位センサ１１０を設けるようにする。
【００１８】
また、上記生体電位センサ１１０により検出される生体電位以外の生体信号としては、例えば、心臓の心拍数や心電図を得るため検出される心電位や脳波などがある。
【００１９】
制御ユニット４０の制御装置２１０Ａは、演算処理を行なうコンピュータであり、予め複数の制御プログラムが格納されたメモリを有しており、メモリから制御プログラムを読み込むことにより後述する各制御処理を実行する。本実施例において、制御装置２１０Ａは、生体電位センサ１１０により検出された生体電位から指令信号を取得する生体電位処理手段（生体信号処理手段）２００と、神経伝達信号および筋電位信号に基づいて動作補助装着具３０のモータユニット９０の駆動を制御する随意的制御手段２１２と、随意的制御手段２１２から出力された制御信号に応じた駆動電流（駆動信号）をモータユニット９０に印加する駆動電流生成手段（駆動信号生成手段）２２０と、床反力センサ１２０及び応力センサ１３０の検出信号に基づいて義足８０の動作に応じた感覚フィードバック信号を生成して感覚フィードバック信号変換手段１４０に出力する感覚フィードバック信号生成手段２３０とを有する。尚、本実施例においては、モータ制御方式として駆動信号としてモータに供給される電流を制御する方式を例に挙げて説明する。
【００２０】
随意的制御手段２１２は、後述するように、装着者２０の意思により右足を動作させる際に生じる生体電位から神経伝達信号および筋電位信号を生成する生体電位処理手段２００からの指令信号に基づいて制御信号を駆動電流生成手段２２０に出力する。駆動電流生成手段２２０は、随意的制御手段２１２からの制御信号に応じた駆動電流を生成してモータユニット９０に出力する。
【００２１】
また、義足８０がモータユニット９０の駆動力により歩行動作すると、床反力センサ１２０及び応力センサ１３０が義足８０の動作に応じた検出信号を出力し、この検出信号は、Ａ／Ｄ変換器２４０によりデジタル信号に変換されて感覚フィードバック信号生成手段２３０に入力される。
【００２２】
図３は動作補助装着具３０の構成を示す概略構成図である。図３に示されるように、動作補助装着具３０のソケット部６０は、切断された大腿部が挿入されるように縦断面がＵ字状に形成されており、有底円筒形状に形成されている。さらに、ソケット部６０の内周面には、大腿部２２の切断部分を包むように密着すると共に、大腿部２２に対する衝撃を緩和するように弾性を有するクッション材により形成された弾性層６２が設けられている。そして、弾性層６２の内周面の前後方向の夫々には、大腿部２２の皮膚表面に接触して筋電位信号を検出する生体電位センサ１１０が取り付けられている。
【００２３】
生体電位センサ１１０は、装着者２０が大腿部２２を前後方向に動作させようとしたときに発生する生体電位を検出する電極である。尚、生体電位センサ１１０は、上記のようにソケット部６０の内部に設けても良いが、装着者２０の大腿部２２に直接貼り付けるようにしても良い。
【００２４】
さらに、弾性層６２の内周面の前後方向の夫々には、大腿部２２の皮膚表面に接触して感覚フィードバック信号を装着者２０に伝達する感覚フィードバック信号変換手段１４０が設けられている。この感覚フィードバック信号変換手段１４０としては、義足８０の動作に応じた周期の振動を発生する振動素子、または弱い電気的刺激を与える低周波電流素子などが用いられ、振動子の振動を間欠的に発生させてその周期によって装着者に感覚フィードバック信号を伝達するものである。また、感覚フィードバック信号変換手段１４０は、ソケット部６０の内部に設けても良いし、あるいは、装着者２０の皮膚表面に貼り付けて、装着者２０が直接振動を皮膚で感知するようにしても良い。
【００２５】
そのため、装着者２０は、右足大腿部２２の皮膚表面に感覚フィードバック信号変換手段１４０からの振動（感覚フィードバック信号）が方向動作の速度に応じた周期で発せられることにより、義足８０の動作状態を感覚的に知ることが可能になる。
【００２６】
感覚フィードバック信号変換手段１４０から装着者２０に伝達される感覚フィードバック信号は、例えば、歩行速度がゆっくりであるときは、振動の周期が長く、歩行速度が速くなるに連れて振動の周期が短くなるようにしてある。そのため、装着者２０は、動作補助装着具３０による歩行速度を感覚フィードバック信号によって感覚的に感知することができ、正常な左足の歩行速度と切断された右足の動作補助装着具３０による歩行速度とが同一速度となるように自らの意思で調整することが可能になる。
【００２７】
また、装着者２０が大腿部２２の皮膚表面で振動を判別することが難しい場合は、スピーカを感覚フィードバック信号変換手段１４０として用いることもできる。この場合、装着者２０は、イヤホンが装着された耳でスピーカの発信音（例えば、ピッ、ピッというビープ音）を聞くことにより、発信音の長さや周期（間隔）を聴覚的に認識することが可能になり、動作補助装着具３０による歩行速度を耳から得られた感覚フィードバック信号によって感覚的に感知することができる。尚、イヤホンを使用することにより、装着者２０のみが感覚フィードバック信号として発信音を聞くことができ、他の人に聞かれずに済む。
【００２８】
また、装着者２０が聴覚の機能が低下している場合は、発光ダイオード等の光源を感覚フィードバック信号変換手段１４０として用いることもできる。この場合、装着者２０は、光源の点滅を見ることにより、点滅の点灯時間や点滅周期を視覚的に認識することが可能になり、動作補助装着具３０による歩行速度を光りの点滅から得られた感覚フィードバック信号によって視覚的に判別することができる。
【００２９】
ソケット部６０の底部には、上リム部６４が固定されており、上リム部６４の下端が膝関節部７０に連結されている。膝関節部７０のモータユニット９０は、図３中において破線で示すようにモータ９２の駆動力を減速ギヤを介して義足８０に伝達する構成であり、上リム部６４に対して下リム８４を前後方向に回動させるように取り付けられている。
【００３０】
また、モータユニット９０は、モータ９２により発生したトルクＴを検出するトルクセンサ（物理量センサ）９４と、モータ９２に駆動される膝関節部７０の回転角θを検出する角度センサ（物理量センサ）９６とを内蔵している。トルクセンサ９４としては、回転駆動力を伝達する軸の歪みを検出する磁歪式トルクセンサ、あるいはモータ９２の駆動側ギヤと負荷側ギヤの位相差を電磁的に検出する電磁式トルクセンサなどが用いられる。また、角度センサ９６としては、ロータリエンコーダ、あるいはポテンショメータなどが用いられる。
【００３１】
これらのトルクセンサ９４及び角度センサ９６により検出されたトルクＴ及び回転角θの検出信号は、前述した床反力センサ１２０及び応力センサ１３０の検出信号と共に、Ａ／Ｄ変換器２４０によりデジタル信号に変換されて随意的制御手段２１２に入力される。
【００３２】
義足８０の下リム部８４の前側及び後側に設けられた応力センサ１３０は、歪みゲージからなり、歩行動作に伴う体重移動によって下リム部８４に生じる応力を検出する。また、義足８０の足部８２の裏面(下側)に設けられた床反力センサ１２０は、荷重に応じた電気信号を出力する圧電素子などからなり、歩行動作に伴う床面(または地面)から受ける反力に応じた検出信号を出力する。
【００３３】
図４は実施例１の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。尚、図４においては、図２示すＡ／Ｄ変換器２４０が省略されている。図４に示されるように、制御装置２１０Ａは、生体電位処理手段２００、随意的制御手段２１２、駆動電流生成手段２２０、感覚フィードバック信号生成手段２３０を有する。
生体電位センサ１１０は、大腿の内部で発生する生体電位信号ａを検出して生体電位処理手段２００に入力する。生体電位処理手段２００は、生体電位信号ａから神経伝達信号ｂおよび筋電位信号ｃを抽出して随意的制御手段２１２に入力する。随意的制御手段２１２は、装着者２０の意思で動作補助ユニット３０が装着された右足を動作させる際に生じる生体電位信号ａから得られた神経伝達信号ｂおよび筋電位信号ｃに基づいて随意的制御信号ｄ１を生成する。
【００３４】
すなわち、随意的制御手段２１２は、生体電位信号ａに含まれる神経伝達信号ｂおよび筋電位信号ｃ（切断された右足大腿部２２の状態によって検出レベルが低下して検出できない場合もある）を用い、装着者２０の意思に従った動力をモータユニット９０に発生させるための随意的制御信号ｄ１を生成する。随意的制御手段２１２での制御則としては、比例制御を適用することができる。この比例制御により随意的制御信号ｄ１と駆動電流ｅとが比例関係になる。さらに、モータユニット９０の特性により駆動電流値とモータユニット９０の発生トルク値とが比例関係になる。尚、随意的制御手段２１２での制御則としては、比例制御と微分制御および／または積分制御とを組み合わせたものを適用しても良い。
【００３５】
例えば、装着者２０が右足を動作させようとすると、ソケット部６０の内周面に設けられた生体電位センサ１１０は右足大腿部２２の皮膚表面から生体電位を検出し、検出された生体電位に応じた生体電位ａを生体電位処理手段２００に出力する。生体電位処理手段２００では、生体電位信号ａから神経伝達信号ｂと筋電位信号ｃとからなる指令信号を生成して随意的制御手段２１２に出力する。随意的制御手段２１２は、神経伝達信号ｂと筋電位信号ｃから制御信号ｄ１を生成して駆動電流生成手段２２０に出力する。
【００３６】
駆動電流生成手段２２０は、随意的制御手段２１２からの制御信号ｄに基づいてモータ駆動電流ｅを生成して動作補助装着具３０のモータユニット９０に出力する。モータユニット９０の駆動力により義足８０が膝関節部７０を中心に前後方向に回動動作（歩行動作）する。義足８０の歩行動作に伴って各物理量センサ（トルクセンサ９４、角度センサ９６、床反力センサ１２０、応力センサ１３０）で検出されたセンサ信号ｆが感覚フィードバック信号生成手段２３０に入力されると、感覚フィードバック信号ｇが感覚フィードバック信号変換手段１４０に出力される。
【００３７】
そして、装着者２０は、感覚フィードバック信号変換手段１４０からの信号（振動、スピーカ音、光りの点滅）を感覚的（皮膚接触感覚、聴覚、視覚など）に認知して義足８０の動作状態を判別することが可能になる。
【００３８】
これにより、装着者２０は、義足８０を自分の足と同じように動作させて歩行することが可能になり、動作補助装着具３０が装着された右足と自分の左足とが同じ速度で交互にバランス良く前後方向に動作することになり、スムーズな歩行が可能になる。
【００３９】
図５は生体電位信号から各制御信号を生成する過程を示す図である。図５に示されるように、生体電位センサ１１０により検出された生体電位信号ａは、神経伝達信号ｂおよび筋電位信号ｃを有する。神経伝達信号ｂは意思伝達信号とも言えるもので、筋電位信号の先頭領域と重なっている。神経伝達信号ｂの周波数は，一般に筋電位信号ｃの周波数より高いので、異なるバンドパスフィルタを用いることにより分離することができる。
【００４０】
神経伝達信号ｂは、生体電位信号ａを増幅器２０２により増幅した後、例えば３３Ｈｚ〜数ＫＨｚの高帯域バンドパスフィルタ２０４により取り出すことができる。また、筋電位信号ｃは、生体電位信号ａを増幅器２０２により増幅した後、例えば３３Ｈｚ〜５００Ｈｚの中帯域バンドパスフィルタ２０６により取り出すことができる。尚、図５において、各フィルタ２０４，２０６は並列に接続されているがこれに限定されず、両フィルタ２０４，２０６が直列に接続されていても良い。
【００４１】
また、神経伝達信号ｂは、筋電位信号ｃの先頭領域のみならず、先頭領域以降についても重なる場合が有り得る。この場合には、神経伝達信号ｂの先頭領域のみを後述するパルス電流の生成に利用するようにすれば良い。
【００４２】
神経伝達信号ｂおよび筋電位信号ｃには、スムージング処理を行う。各電流は、生体信号処理手段２００からの信号をスムージングして得た制御信号を入力とし、駆動電流生成手段２２０によって生成される。
【００４３】
神経伝達信号ｂは、時間軸上の幅が狭いので、スムージング処理だけでもパルス状となり、この神経伝達信号ｂに基づいて駆動電流生成手段２２０によって生成される電流もパルス状となる。尚、神経伝達信号ｂに基づいて得られる電流（パルス電流）ｅ１は、矩形波状となる。一方、筋電位信号ｃは、時間軸上の幅が広いので、スムージング処理することにより実質的に筋電位に比例する山状となり、この筋電位信号ｃに基づいて駆動電流生成手段２２０によって生成される電流ｅ２も山状となる。
【００４４】
神経伝達信号ｂに基づいて生成されるパルス電流ｅ１と、筋電位信号ｃに基づいて比例的に生成される電流ｅ２との総電流（随意的制御信号）ｅがモータユニット９０に供給されると、この総電流ｅに比例する大きさのトルクをモータ９２が発生する。モータユニット９０のモータ９２に入力される各電流ｅ，ｅ１，ｅ２の大きさは、装着者２０の動作時の感覚により適宜設定される。
【００４５】
ここで、総電流ｅは十分に大きな電流で立ち上がるように設定してあるので、装着者２０の動作意思に遅れなくモータユニット９０が駆動され、装着者２０は自分の意思に従った動作を違和感なく行うことができる。尚、パルス電流ｅ１を特に大きく示しているが、これはその役割を強調するためで、実際のパルス電流と筋電位信号から得られた駆動電流ｅ２との関係を示すものではない。
【００４６】
ここで、図４に示す上記制御システムにおける制御装置２１０Ａが実行する制御処理の手順について図６のフローチャートを参照して説明する。制御装置２１０Ａは、メモリに格納された制御プログラムを読み込んで図６の制御処理を実行する。
【００４７】
まず、装着者２０は、切断された右足大腿部２２に動作補助装着具３０のソケット部６０を嵌合させて装着作業が完了すると、制御ユニット４０の電源スイッチをオンに操作する。
【００４８】
図６のＳＡ１１において、制御ユニット４０の電源スイッチがオンに操作されると、ＳＡ１２に進み、生体電位センサ１１０により生体電位信号ａが検出されたか否かをチェックする。ここで、装着者２０が自らの意思で動作補助装着具３０が装着された右足を動作させようとすると、生体電位センサ１１０により生体電位信号ａが検出されるため、ＳＡ１３の処理に進む。
【００４９】
ＳＡ１３では、生体電位センサ１１０により検出した生体電位信号ａから神経伝達信号ｂおよび筋電位信号ｃを取得する（請求項１の生体電位処理手段）。続いて、ＳＡ１４に進み、神経伝達信号ｂに基づいてパルス電流ｅ１を生成し、且つ筋電位信号ｃに基づいて電流ｅ２を生成する（請求項１の駆動電流生成手段）。
【００５０】
次のＳＡ１５では、神経伝達信号ｂに応じたパルス電流ｅ１がモータの駆動開始可能電流の下限値It以上か否かをチェックする。このＳＡ１５において、パルス電流ｅ１がモータ９２の駆動開始可能電流の下限値It以上でない場合（ＮＯの場合）、ＳＡ１６に進み、パルス電流ｅ１が駆動開始可能電流の下限値It以上になるように、パルス電流ｅ１を増幅する。
【００５１】
また、ＳＡ１５において、パルス電流ｅ１がモータ９２の駆動開始可能電流の下限値It以上の場合（ＹＥＳの場合）、ＳＡ１７に進み、パルス電流ｅ１をモータ９２に供給して義足８０を駆動開始する。そして、ＳＡ１８では、筋電位信号ｃに基づく電流ｅ２によりモータ９２を駆動する。これで、義足８０は、モータ９２の駆動力によって前後方向に歩行動作を行なう。
【００５２】
次のＳＡ１９では、義足８０の歩行動作に伴って各物理量センサ（トルクセンサ９４、角度センサ９６、床反力センサ１２０、応力センサ１３０）で検出されたセンサ信号ｆを読み取る。続いて、ＳＡ２０に進み、センサ信号ｆが読み込まれると、センサ信号ｆに応じた感覚フィードバック信号ｇが生成され、感覚フィードバック信号ｇを感覚フィードバック信号変換手段１４０に出力する（請求項１の感覚フィードバック信号生成手段）。これにより、装着者２０は、感覚フィードバック信号変換手段１４０からの信号（振動、スピーカ音、視覚）を感覚的（皮膚接触感覚、聴覚、視覚など）に認知して義足８０の動作状態を判別することが可能になる。
【００５３】
このＳＡ１１〜ＳＡ２０の処理は、動作補助装着具３０の電源スイッチがオフになるまで繰り返し実行される。これにより、動作補助装着具３０のモータ９２は、装着者２０の意思に応じた動作を行なうように駆動制御される。
【実施例２】
【００５４】
図７は実施例２の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。尚、図７において、前述した実施例１の図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００５５】
図７に示す実施例２の制御装置２１０Ｂは、生体電位処理手段２００、随意的制御手段２１２、データベース３００、駆動電流生成手段２２０、感覚フィードバック信号生成手段２３０を有する。
制御装置２１０Ｂのデータベース３００は、装着者２０の各関節の回転角及び角速度等を、全タスクの全フェーズについて経験的に求め、それらの基準パラメータ（基準の回転角及び角速度等）を格納している。そして、随意的制御手段２１２は、動作補助装着具３０（図１乃至図３を参照）のモータ９２の随意的制御を行う際、装着者２０の動作に関する物理量からデータベース３００からタスクのフェーズを推定し、推定したフェーズに対応するパワーアシスト率となるように駆動力をモータ９２に発生させる。
【００５６】
ここで、上記タスク（Ｔａｓｋ）およびそのフェーズ（Ｐｈａｓｅ）について説明する。タスクとは装着者２０の各動作パターンを分類したもので、フェーズは各タスクを構成する一連の最小動作単位である。
【００５７】
図８は、人間１の基本動作として、立ち上がり（タスクＡ）、歩行（タスクＢ）、座り（タスクＣ）、および階段の昇りまたは降り（タスクＤ）を例示する図である。尚、タスクは、図８に限定されるものではない。図８において、各タスクは上記フェーズからなり、例えば歩行タスクＢは、両足が揃ったフェーズＢ１と、右足が前に出たフェーズＢ２と、左足が前にでて両足が揃った状態になったフェーズＢ３と、左足が前に出たフェーズＢ４からなる。
【００５８】
このような一連のフェーズをフェーズ・シークエンス（Ｐｈａｓｅ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ）という。装着者２０の動作を補助するのに適切な動力はフェーズ毎に異なる。そのため、各フェーズによって異なるパワーアシスト率ＰＡＲ１，ＰＡＲ２，ＰＡＲ３，ＰＡＲ４を付与することにより、フェーズ毎に最適な動作補助を行うことができる。
【００５９】
装着者２０の動きを分析すると、各フェーズにおける各関節の回転角及び角速度、歩行速度及び加速度、姿勢、重心の移動等が決まっていることが分かる。例えば、装着者２０の典型的な歩行パターンは決まっており、そのパターンで歩行するときに最も自然に感じる。従って、装着者２０の各関節の回転角及び角速度等を、全タスクの全フェーズについて経験的に求め、それらを基準パラメータ（基準の回転角及び角速度等）としてデータべース３００に格納しておけば良い。
【００６０】
尚、片足が切断された障害者の場合、両足を交互に動作させて各関節の回転角及び角速度等を、全タスクの全フェーズについて求めることができないので、予め動作補助装着具３０を装着する当該装着者２０と身長及び体重が似ている別人から得た各フェーズにおける基準パラメータ（基準の回転角及び角速度等）を作成してデータべース３００に格納するようにする。
【００６１】
図９Ａはデータベース３００に格納されている各タスク及び各フェーズを模式的に示す図である。図９Ｂは、物理量を基準パラメータと比較することにより装着者が行おうとしているタスク、およびその中のフェーズを推定するプロセスを示す図である。図９Ａ、図９Ｂに示すタスクおよびフェーズは、図８に示すものである。例示したタスクＡ（立上り）、タスクＢ（歩行）、タスクＣ（座り）・・・は、それぞれ、一連のフェーズ（フェーズＡ１、フェーズＡ２、フェーズＡ３・・・、フェーズＢ１、フェーズＢ２、フェーズＢ３・・・等）により構成されている。
【００６２】
装着者が動作を開始すると、物理量センサとしてのトルクセンサ９４、角度センサ９６、応力センサ１３０で検出されたセンサ信号により得られた各種の物理量の実測値をデータベース３００に格納された基準パラメータと比較する。この比較は、図９Ｂ中のグラフで概略的に示す。このグラフでは、膝の回転角θおよび角速度θ'、および重心位置ＣＯＧおよび重心位置の移動速度ＣＯＧ'を示しているが、勿論比較する物理量はこれらに限定されない。
【００６３】
一定の短い時間間隔で実測の物理量と基準パラメータとを比較する。この比較処理は、全てのタスク（Ａ，Ｂ，Ｃ・・・）における一連のフェーズについて行う。つまり、図９Ａの上部表に示す全てのフェーズ（Ａ１，Ａ２，Ａ３・・・，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３・・・，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３・・・）をマトリックス状に取り出し、実測の物理量と比較することになる。
【００６４】
図９Ｂのグラフに示すように、例えば時間t１，ｔ２，ｔ３・・・ごとに比較していくと、実測の物理量が全て一致する基準パラメータを有するフェーズを同定することができる。一致の誤差を排除するために、複数の時間で一致することを確認した後で、フェーズの同定を行えば良い。例えば図示の例で、実測値が複数の時間でフェーズＡ１の基準パラメータと一致したとすると、現在の動作はフェーズＡ１の動作であることが分かる。勿論、実測値と一致する基準パラメータを有するフェーズは、タスクの最初のフェーズ（Ａ１，Ｂ１，Ｃ１等）とは限らない。
【００６５】
更に、装着者２０の腰に角度センサを設け、この角度センサによって腰関節の角度を検出して動作補助装着具３０の制御に活用するようにしても良い。また、例えば、装着者２０の健脚側の情報など、装着者本人から検出可能な他の身体情報（例えば、装着者２０の左脚の情報）を活用することも可能である。
【００６６】
これらの情報は、装着式動作補助装置１０に角度センサ（腰用や健脚用など）が設けられている構成であっても良いし、あらかじめいくつかの動作のパターンや各種のフェーズに対応する各センサの検出値をサンプリングしておいて、データベース３００として制御装置２１０Ｂ内に設けられたメモリに格納しておく方法でも良い。
【００６７】
図１０は実施例２の制御装置２１０Ｂでモータ駆動力を制御する場合の制御方法を示すフローチャートである。制御装置２１０Ｂは、メモリに格納された制御プログラムを読み込んで図１０の制御処理を実行する。
【００６８】
尚、図１０のＳＢ１１，ＳＢ１２およびＳＢ１４〜ＳＢ１７、ＳＢ２４，ＳＢ２５は、実質的に図６のＳＡ１１〜ＳＡ１６、ＳＡ１９，ＳＡ２０と同じ処理であるので、それらの説明は省略し、ここではＳＢ１３、ＳＢ１８〜ＳＢ２３の処理について主に説明する。
【００６９】
図１０に示すＳＢ１３では、義足８０の歩行動作に伴って発生する各物理量（トルク、回転角、床反力、応力）を検出したセンサ信号をトルクセンサ９４、角度センサ９６、床反力センサ１２０、応力センサ１３０から読み取る。
【００７０】
ＳＢ１８では、各センサにより検出された物理量（実測値）とデータベース３００に格納された各フェーズの基準パラメータと順次比較する。図９を参照して説明したように、全てのタスクおよび各タスク毎のフェーズは、マトリックス状に存在するので、物理量の実測値と各フェーズの基準パラメータとを、例えばＡ１，Ａ２，Ａ３・・・，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３・・・，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３・・・との順番で順次比較する。データベース３００に格納された基準パラメータは、全てのタスクのフェーズ（以下では、単に「タスク／フェーズ」という）の間で重複しないように設定されているので、全てのタスクのフェーズの基準パラメータとの比較を行うと、物理量の実測値と一致する基準パラメータを有するタスクのフェーズを抽出することができる。
【００７１】
次のＳＢ１９では、各センサにより検出された物理量（実測値）とデータベース３００に格納された各フェーズの基準パラメータとが一致したか否かをチェックしており、不一致の場合は上記ＳＢ１８の処理に戻り、ＳＢ１８，ＳＢ１９の処理を繰り返す。また、ＳＢ１９において、各センサにより検出された物理量（実測値）とデータベース３００に格納された各フェーズの基準パラメータとが一致した場合は、ＳＢ２０に進み、センサにより検出された物理量（実測値）とデータベース３００に格納された各フェーズの基準パラメータとが一致した回数が予め設定された所定回数に達したか否かをチェックする。
【００７２】
上記ＳＢ２０において、一致した回数が予め設定された所定回数に達しない場合は、上記ＳＢ１８の処理に戻り、ＳＢ１８〜ＳＢ２０の処理を繰り返す。また、上記ＳＢ２０において、一致した回数が予め設定された所定回数に達した場合は、ＳＢ２１に進み、物理量の実測値に一致した基準パラメータに対応するタスクのフェーズを選択し、装着者２０の動作を選択したタスクのフェーズと推定する。
【００７３】
次のＳＢ２２は、データベース３００を参照することにより、補助すべき動作に対応するフェーズに割り付けたパワーアシスト率を選択し、このパワーアシスト率となる動力をモータユニット９０に発生させるように上記随意的制御信号を調整する（請求項３の随意的制御手段）。
【００７４】
続いて、ＳＢ２３に進み、調整後の随意的制御信号に応じた電流（総電流ｅ）を生成し、この総電流の供給によりモータユニット９０を駆動する（請求項１の駆動電流生成手段）。この後は、前述したＳＡ１９，ＳＡ２０と同様なＳＢ２４，ＳＢ２５で感覚フィードバック信号ｇを生成し、感覚フィードバック信号ｇを感覚フィードバック信号変換手段１４０に出力する。
【００７５】
このように、実施例２の制御処理によれば、各センサから得られた物理量に基づいて装着者２０の動作を推定し、この推定されたフェーズ毎に最適化されたパワーアシスト率となるように随意的制御信号を生成するため、モータユニット９０がこの随意的制御信号に応じた動力付与を行うことにより、正常な足の歩行動作と同じように義足８０の歩行動作がスムーズな動作となり、装着者２０が片足に動作補助装着具３０を装着した状態で歩行する際に違和感のない歩行動作補助を行うことができる。
【実施例３】
【００７６】
図１１は実施例３の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。尚、図１１において、前述した図４及び図７と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００７７】
図１１に示す実施例３の制御装置２１０Ｃは、生体電位処理手段２００、随意的制御手段２１２、データベース３００、自律的制御手段３１０、制御信号合成手段３２０、駆動電流生成手段２２０、感覚フィードバック信号生成手段２３０を有する。
制御装置２１０Ｃの自律的制御手段３１０は、各センサにより検出されたセンサ信号ｆ（物理情報信号）とデータベース３００に格納された基準パラメータとを比較することにより、装着者２０のタスクのフェーズを推定し、推定したフェーズに応じた駆動力をモータ９２に発生させるための自律的制御信号ｄ２を生成する。また、制御信号合成手段３２０は、随意的制御手段２１２からの随意的制御信号ｄ１および自律的制御手段７からの自律的制御信号ｄ２とを合成して制御信号ｄを生成する。
【００７８】
自律的制御手段３１０は、図８および図９に示すように、動作補助装着具３０（図１乃至図３を参照）を装着した装着者２０が歩行動作する際、トルクセンサ９４、角度センサ９６、床反力センサ１２０、応力センサ１３０により検出されたトルク、回転角、反力、応力の物理量とデータベース３００に格納された各タスクの各フェーズの基準パラメータとを比較することにより、装着者２０のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力をモータ９２に発生させるための自律的制御信号ｄ２を生成する。
【００７９】
制御信号合成手段３２０は、随意的制御手段２１２からの随意的制御信号ｄ１と自律的制御手段３１０からの自律的制御信号ｄ２とを合成する。自律的制御では、例えばフェーズ毎に一定の動力を付与する。従って、制御信号合成手段３２０で合成された制御信号ｄは、動作の開始から終了まで変化する随意的制御による動力と、フェーズ毎に一定の自律的制御による動力とを加算した動力とをモータ９２に発生させるように形成されている。
【００８０】
図１２は実施例３の制御装置２１０Ｃでモータ駆動力を制御する場合の制御方法を示すフローチャートである。制御装置２１０Ｃは、メモリに格納された制御プログラムを読み込んで図１２の制御処理を実行する。
【００８１】
尚、図１２のＳＣ１１〜ＳＣ１３，ＳＣ１５〜ＳＣ１７，ＳＣ２２，ＳＣ２３は、実質的に図１０のＳＢ１１〜ＳＢ１３,ＳＢ１８〜ＳＢ２０，ＳＢ２４，ＳＢ２５と同じ処理であるので、それらの説明は省略し、ここではＳＣ１４、ＳＣ１８〜ＳＣ２１の処理について主に説明する。
【００８２】
図１２に示すＳＣ１４では、生体電位センサ１１０により検出された生体電位信号ａを用い、装着者２０の意思に従った駆動力をモータ９２に発生させるための随意的制御信号ｄ１を生成する（随意的制御手段）。尚、随意的制御信号ｄ１は、前述した第１、２実施例と同様に、神経伝達信号に応じたパルス電流および筋電位信号に応じた駆動電流を生成するためのものとする。
【００８３】
ＳＣ１８では、物理量の実測値に一致した基準パラメータに対応するタスクのフェーズを選択し、装着者２０の動作を選択したタスクのフェーズと推定すると共に、このタスクのフェーズに対応するハイブリッド比（随意的制御信号／自律的制御信号）を規定する。また、ハイブリッド比は、各タスクのフェーズ毎に、装着者１の動作を違和感なくアシストできるように予め設定され、データベース３００に格納される。このハイブリッド比は、各センサによる実測の物理量とデータベース３００に格納された基準パラメータとの比較によりフェーズが推定されると、上述したように制御装置２１０Ｃによって自動的に規定される。
【００８４】
続いて、ＳＣ１９に進み、推定したフェーズに応じた駆動力をモータ９２に発生させるための自律的制御信号を生成する（自律的制御手段）。
【００８５】
次のＳＣ２０では、規定したハイブリッド比となるように随意的制御信号ｄ１および自律的制御信号ｄ２を合成して総制御信号ｄを生成する（制御信号合成手段）。
【００８６】
さらに、ＳＣ２１に進み、この総制御信号ｄに応じて生成した駆動電流ｅの供給によりモータ８２を駆動する。総制御信号ｄは、随意的制御信号／自律的制御信号の割合から得られる所要のハイブリッド比となるように生成される。そのため、動作補助装着具３０のモータユニット９０は、総制御信号に応じた駆動電流ｅを供給されることにより、随意的制御信号及び自律的制御信号に応じた駆動力を発生することができ、義足８０の歩行動作が正常な足の歩行動作と同じようにスムーズな動作となる。よって、装着者２０は、片足に動作補助装着具３０を装着した状態で歩行する際にスムーズな歩行動作を行うことができる。
【実施例４】
【００８７】
図１３は実施例４の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。尚、図１３において、前述した図４及び図７及び図１１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００８８】
図１３に示す実施例４の制御装置２１０Ｄは、生体電位処理手段２００、随意的制御手段２１２、データベース３００、自律的制御手段３１０、制御信号合成手段３２０、駆動電流生成手段２２０、感覚フィードバック信号生成手段２３０を有する。
制御装置２１０Ｄの随意的制御手段２１２および自律的制御手段３１０は、各センサにより検出された物理量とデータベース３００に格納された基準パラメータとを比較することにより、装着者２０が行おうとしているタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じたハイブリッド比およびパワーアシスト率となるように、随意的制御信号ｄ１および自律的制御信号ｄ２を生成する機能を有する。
【００８９】
従って、随意的制御手段２１２は、神経伝達信号および筋電位信号に基づいてモータユニット９０（図１乃至図３を参照）の駆動を制御する制御信号と、各センサにより検出された装着者２０の動作に関する物理量からデータベース３００からタスクのフェーズを推定し、推定したフェーズに対応するパワーアシスト率となるように駆動力をモータ９２に発生させる制御信号とを生成する。
【００９０】
図１４は実施例４の制御装置２１０Ｄでモータ駆動力を制御する場合の制御方法を示すフローチャートである。制御装置２１０Ｄは、メモリに格納された制御プログラムを読み込んで図１４の制御処理を実行する。
【００９１】
尚、図１４のＳＤ１１〜ＳＤ１７，ＳＤ２１〜ＳＤ２３は、実質的に図１２のＳＣ１１〜ＳＣ１７,ＳＣ２１〜ＳＣ２３と同じ処理であるので、それらの説明は省略し、ここではＳＤ１８〜ＳＤ２０の処理について主に説明する。
【００９２】
図１４に示すＳＤ１８では、物理量の実測値に一致した基準パラメータに対応するタスクのフェーズを選択し、装着者２０の動作を選択したタスクのフェーズと推定すると共に、このタスクのフェーズに対応するハイブリッド比（随意的制御信号／自律的制御信号）を規定する。さらに、データベース３００を参照することにより、補助すべき動作に対応するフェーズに割り付けたパワーアシスト率を規定する。
【００９３】
次のＳＤ１９では、このフェーズに応じた動力でモータ９２を駆動するための自律的制御信号を生成する。
【００９４】
続いて、ＳＤ２０に進み、上記のように規定されたハイブリッド比およびパワーアシスト率となるように随意的制御信号ｄ１および自律的制御信号ｄ２を合成して総制御信号ｄを生成する。これにより、規定されたハイブリッド比及びパワーアシスト率となる動力をモータユニット９０に発生させることが可能になる。
【００９５】
そのため、動作補助装着具３０（図１乃至図３を参照）のモータユニット９０は、上記のように規定されたハイブリッド比およびパワーアシスト率となるように総制御信号に応じた駆動電流ｅを供給されることにより、随意的制御信号及び自律的制御信号に応じた駆動力を発生することができ、義足８０の歩行動作が正常な足の歩行動作と同じようにスムーズな動作となる。よって、装着者２０は、片足に動作補助装着具３０を装着した状態で歩行する際にスムーズな歩行動作を行うことができる。
【実施例５】
【００９６】
図１５は実施例５の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。尚、図１５において、前述した図４、図７、図１１、図１３と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００９７】
図１５に示す実施例５では、装着者２０から生体電位信号ａが得られない場合の制御システムであり、生体電位センサ１１０を用いない制御方法でモータユニット９０（図１乃至、図３を参照）の駆動力を制御する。
【００９８】
実施例５の制御装置２１０Ｅは、データベース３００、自律的制御手段３１０、駆動電流生成手段２２０、感覚フィードバック信号生成手段２３０を有する。制御装置２１０Ｅは、装着者２０から生体電位信号ａが得られないため、随意的制御手段２１２が設けられていなく、自律的制御手段３１０によって生成される自律制御信号ｄ２が駆動電流生成手段２２０に供給される。
【００９９】
自律的制御手段３１０は、各センサにより検出された物理量とデータベース３００に格納された基準パラメータとを比較することにより、装着者２０が行おうとしているタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じたハイブリッド比およびパワーアシスト率となるように、自律的制御信号ｄ２を生成する。そのため、駆動電流生成手段２２０は、自律的制御信号ｄ２に応じた電流を生成し、モータユニット９０に供給する。
【０１００】
図１６は実施例５の制御装置２１０Ｅがモータ駆動力を制御する場合の制御方法を示すフローチャートである。制御装置２１０Ｅは、メモリに格納された制御プログラムを読み込んで図１６の制御処理を実行する。
【０１０１】
尚、図１６のＳＥ１１〜ＳＥ２１は、実質的に図１４のＳＤ１２，ＳＤ１４を除いた処理手順であり、ＳＤ１１,ＳＤ１２，ＳＤ１３〜ＳＤ１７，ＡＤ１９〜ＳＤ２３と同じ処理であるので、それらの説明は省略する。ここでは、ＳＥ１８の処理について説明する。
【０１０２】
ＳＥ１８では、規定されたハイブリッド比およびパワーアシスト率となるように自律的制御信号ｄ２を生成する。これにより、規定されたハイブリッド比及びパワーアシスト率となる動力をモータユニット９０に発生させることが可能になる。
【０１０３】
このように、実施例５の制御装置２１０Ｅは、装着者２０から生体電位信号ａが得られない場合には、自律的制御手段３１０によって生成される自律制御信号ｄ２に応じてモータユニット９０のモータ９２から駆動力が得られるので、義足８０の歩行動作がスムーズな動作となる。よって、装着者２０は、片足に動作補助装着具３０（図１乃至、図３を参照）を装着した状態で歩行する際にスムーズな歩行動作を行うことができる。
【実施例６】
【０１０４】
図１７は実施例６の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。尚、図１７において、前述した図４、図７、図１１、図１３、図１５と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【０１０５】
制御装置２１０Ｆは、前述した駆動電流生成手段２２０、感覚フィードバック信号生成手段２３０の他に、キャリブレーションデータベース４００、フェーズ特定手段４１０、差分導出手段４２０、パラメータ補正手段４３０、キャリブレーション制御手段４４０を有する。
キャリブレーションデータベース４００は、装着者２０が発生する筋力に対する筋電位（生体電位）の検出感度に応じて制御信号のパラメータを補正するためのデータ記憶手段である。
【０１０６】
すなわち、キャリブレーションデータベース４００は、動作補助装着具３０（図１乃至図３を参照）を装着した装着者２０が発する筋力および筋電位信号（生体電位信号）の第１の対応関係を予め格納した第１記憶領域と、装着者２０が所定の基本動作を行う過程で発する筋力および筋電位信号（生体電位信号）の第２の対応関係を予め格納した第２記憶領域とを有する。
【０１０７】
各物理量センサによって検出された関節角度及び生体電位センサ１１０によって検出された筋電位信号は、キャリブレーションデータベース４００に入力される。
【０１０８】
そして、キャリブレーション制御手段４４０は、動作補助装着具３０が装着者２０に装着される都度、装着者２０による基本動作において発生する生体信号と第２の対応関係とに基づいて、第１の対応関係を満たすように生体電位信号に応じたモータ９２（図１乃至図３を参照）による駆動力（トルク）の補正を行う。
【０１０９】
すなわち、キャリブレーション制御手段４４０は、装着者２０が動作補助装着具３０を装着して電源スイッチがオンに操作されたときに、所定の負荷を動作補助装着具３０に印加させてキャリブレーション制御処理を実行し、モータ９２からの駆動力を印加された負荷と拮抗させる。この駆動力が拮抗する負荷としては、例えば、装着者２０に装着された動作補助装着具３０の何処かに、規定重量を有する標準のおもりを取り付ける。
【０１１０】
そして、装着者は、所定の重量を有するおもりの荷重と釣り合うような筋力を発生させようとする。キャリブレーション制御手段４４０は、その時に生じた生体電位信号を測定すると共に、このおもりの荷重に釣り合うような駆動力をモータ９２から発生させて対応させることで、あたかも装着者２０がおもりの荷重に釣り合う筋力を発生させたのと同じ状況をつくる。
【０１１１】
また、おもりを動作補助装着具３０に取付けることが難しい場合は、床や壁など固定された場所に動作補助装着具３０の一部を押し付けるなどして、装着者２０の生体電位信号と、動作補助装着具３０に取り付けられた応力センサ１３０で検出される力とを対応させるという方法も考えられる。また、床などに押し付ける代わりに、例えば、自分自身の手や足で動作補助装着具３０に負荷をかける方法を用いても良い。
【０１１２】
このように、装着者２０は、印加された負荷に拮抗するようにモータ９２からの駆動力を発生させた後、予め決められた所定のキャリブレーション動作（例えば、タスクＡ：着席状態から立ち上がる動作）を行う。これにより、上記キャリブレーション動作に伴って角度センサ９６（図３参照）が関節角度を検出すると共に、生体電位センサ１１０が切断された右足大腿部２２の筋電位信号を検出する。
【０１１３】
そして、フェーズ特定手段４１０では、角度センサ９６により検出した関節角度をキャリブレーションデータベース４００に格納された関節角度と比較することにより、装着者２０のキャリブレーション動作パターンのフェーズを特定する。
【０１１４】
また、差分導出手段４２０では、キャリブレーション制御処理の開始により、モータ９２の負荷（入力トルク）と、生体電位センサ１１０により検出された右足大腿部２２の筋電位信号（実測値）に対応する筋力（推定トルク）とを比較し、両者の差分を求め上記第２の対応関係を求める。
【０１１５】
また、パラメータ補正手段４３０では、フェーズ特定手段４１０によって特定されたフェーズにおける差分導出手段４２０によって算出された負荷（入力トルク）と筋力（推定トルク）との差に基づいて、上記第１の対応関係を満足するようにパラメータＫを補正する。また、前述したように動作補助装着具３０に取付けたおもりや動作補助装着具３０を床や壁に当接させたり、あるいは動作補助装着具３０に自分自身の手や足などで負荷を入力した状態で、この負荷に対するモータ９２からの入力トルクと、生体電位センサ１１０により検出された筋電位信号（実測値）に対応する筋力との差がないときは、基準パラメータを補正しない。
【０１１６】
しかし、おもり等の負荷を入力した状態でモータ９２からの入力トルクと、生体電位センサ１１０により検出された筋電位信号（実測値）に対応する筋力との差があるときは、両者が一致するようにパラメータＫを補正する。その際、補正パラメータＫ’は、入力トルクと推定トルクとが等しくなるように設定される。
【０１１７】
そして、キャリブレーション制御手段４４０は、パラメータ補正手段４３０によって補正されたパラメータを当該装着者２０のパラメータとして設定し、次のフェーズに対するキャリブレーションを行う。
【０１１８】
このように、キャリブレーションによって設定されたパラメータを用いて生体電位センサ１１０によって検出された生体電位信号に応じたアシスト力を発生するようにモータ９２を制御するため、装着者２０のその日の状態（皮膚の抵抗値）や生体電位センサ１１０の取付位置のずれなどに拘り無くパワーアシスト率が所定値を保つように制御することが可能になる。
【０１１９】
また、制御装置２１０Ｆには、角度センサ９６によって検出された関節角度及び生体電位センサ１１０によって検出された筋電位信号が供給されており、関節角度及び筋電位信号に応じた各フェーズ毎のモータ９２からの駆動力をキャリブレーション制御手段４４０によって設定された補正パラメータＫ’を用いて演算し、その演算結果から得られた制御信号を駆動電流生成手段２２０に供給する。
【０１２０】
また、キャリブレーション制御手段４４０は、制御ユニット４０の電源スイッチがオンに操作される度にキャリブレーション制御処理を実行するようにしても良いし、あるいは、専用のキャリブレーションスイッチ４６０を設けることで、操作者が自らの操作でキャリブレーション制御処理を実行するようにしても良い。また、タイマスイッチ４７０を設けることで、予め設定された任意の時間（例えば、毎朝８時、あるいは月曜の８時といった具合）になるとキャリブレーション制御処理を自動的に実行することも可能である。
【０１２１】
このキャリブレーション制御処理は、装着者２０が動作補助装着具３０を装着して歩行動作を練習する過程で動力補正を行なうために頻繁に実行されることが望ましいが、練習開始から１週間以上経過した場合には、任意の時間毎に実行するように切替えることができる。そのため、電源スイッチやキャリブレーションスイッチ４６０やタイマスイッチ４７０を使用回数（練習回数）に応じて使い分けるようにしても良いし、あるいはキャリブレーションスイッチ４６０またはタイマスイッチ４７０を適宜操作するようにしても良い。
【０１２２】
ここで、実施例６の制御装置２１０Ｆが実行するキャリブレーション制御処理の手順について図１８に示すフローチャートを参照して説明する。このキャリブレーション制御処理を実行する際は、装着者２０は、動作補助装着具３０の何処かに、規定重量を有する標準のおもりを取り付けたり、あるいは床や壁など固定された場所に動作補助装着具３０の一部を押し付けたり、あるいは自分自身の手や足で動作補助装着具３０に負荷をかけるといった動作（姿勢）を行なう。
【０１２３】
図１８に示されるように、制御装置２１０Ｆは、Ｓ１１１で動作補助装着具３０（図１乃至図３を参照）が装着者２０の右足大腿部２２に装着されて電源スイッチ（図示せず）がオンに操作されると、Ｓ１１２に進み、電源オン操作が初回かどうかをチェックする。Ｓ１１２において、初回である場合には、初期設定モードに移行する。すなわち、Ｓ１１３に進み、モータ９２に所定電流（初期設定用に設定された低電流）を供給してモータトルクを発生させて初期設定キャリブレーション処理（請求項１０のキャリブレーション手段）を実行する。
【０１２４】
続いて、Ｓ１１４に進み、モータ９２の駆動力（トルク）に対する応力センサ１３０の検出値を読み込む。次のＳ１１５では、応力センサ１３０の検出値から推定されたトルクがモータ９２の駆動力（トルク）と釣り合うか否かをチェックする。
【０１２５】
Ｓ１１５において、応力センサ１３０の検出値から推定されたトルクがモータ９２の駆動力（トルク）と釣り合わない場合（ＮＯの場合）、Ｓ１１６に移行してモータ９２の駆動力（トルク）を１ランク上げる。そして、Ｓ１１４に戻り、再度、１ランク上げたモータ９２の駆動力（トルク）に対する応力センサ１３０の検出値を読み込む。応力センサ１３０の検出値は、負荷とモータトルクとの力関係によって決まる歪みを検出した値である。応力センサ１３０の検出値から推定されたトルクがモータ９２の駆動力（トルク）と釣り合うまで上記Ｓ１１４〜Ｓ１１６の処理を繰り返す。
【０１２６】
上記Ｓ１１５において、応力センサ１３０の検出値から推定されたトルクがモータ９２の駆動力（トルク）と釣り合った場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ１１７に進み、生体電位を各生体電位センサ１１０から出力された表面筋電位の検出信号によって検出し、この検出信号に基づいて補正値を求め、上記キャリブレーションで得られたパラメータＫ’を設定する。
【０１２７】
さらに、Ｓ１１７では、動作補助装着具３０を装着した装着者２０が静止状態でのキャリブレーションによって得られた装着者２０の筋力に応じた補正値（パラメータＫ’）を生成し、このパラメータを当該装着者固有の補正値としてデータベース４００に格納する。
【０１２８】
これにより、動作補助装着具３０が装着者２０に装着される都度、装着者２０が所定の基本動作（キャリブレーション動作）を行う過程で発する動力および生体電位信号の対応関係（第２の対応関係）とに基づいて、装着者２０が発する動力および生体電位信号の対応関係（第１の対応関係）を満たすように生体信号に応じたモータ９２の駆動力の補正を行うことが可能になる。
【０１２９】
その後は、Ｓ１１８に進み、通常の制御処理を実行する制御モードに移行する。そして、Ｓ１１９において、電源スイッチがオフに操作されるまで、通常の制御モードが継続される。
【０１３０】
また、上記Ｓ１１２において、電源オン操作が２回目以降である場合には、Ｓ１２０に進み、前述した再設定モードに移行する。そして、Ｓ１２１では、装着者２０がワンモーション（１回の動作）での補正値設定キャリブレーション（請求項１０のキャリブレーション手段）を実行し、所定のキャリブレーション動作（例えば、椅子に座った状態から立ち上がる動作に移行する動作パターン）を行うのに伴って得られた装着者２０の筋力に応じた補正値（パラメータＫ’）を設定する。その後は、上記Ｓ１１７〜Ｓ１１９の処理を実行する。
【０１３１】
尚、本実施例では、２回目以降ワンモーションによるキャリブレーションを行うものとしたが、これに限らず、２回目以降も初回と同様に静止状態のまま補正値設定キャリブレーションを行うようにしても良い。
【０１３２】
次に、各補正値設定モード毎の制御処理について図１９乃至図２１を参照して説明する。
図１９は初期設定を行う初回キャリブレーションの制御手順を示すフローチャートである。尚、初回キャリブレーションの場合、前述したように、装着者２０は、動作補助装着具３０の何処かに、規定重量を有する標準のおもりを取り付けたり、あるいは床や壁など固定された場所に動作補助装着具３０の一部を押し付けたり、あるいは自分自身の手や足で動作補助装着具３０に負荷をかけるといった動作（姿勢）を行なうことにより補正値の設定を行なう。
【０１３３】
図１９に示されるように、制御装置２１０Ｆは、Ｓ１３１において、装着者２０が上記キャリブレーションの動作を行なうのに応じてモータ９２に所定駆動電流を供給して駆動力（入力トルク）を発生させる。
【０１３４】
次のＳ１３２では、装着者２０の右足大腿部の筋電位信号（生体電位信号）を生体電位センサ１１０から取得する。次のＳ１３３では、応力センサ１３０により実測された応力検出値から発生トルクを演算して推定する。
【０１３５】
その後、Ｓ１３４に進み、トルクセンサ９４によって検出されたモータ９２の入力トルクと上記応力センサ１３０の検出値から演算された仮想トルクとを比較する。そして、Ｓ１３５において、入力トルクと仮想トルクとの比率を求める。次のＳ１３６では、キャリブレーションデータベース４００に格納された各フェーズ毎の負荷に対するパラメータを読み出し、このパラメータに上記比率をかけて駆動電流生成手段２２０に供給される制御信号の補正値（補正パラメータ）を求める。続いて、Ｓ１３７に進み、補正パラメータを自律的制御のパラメータとして設定する。
【０１３６】
このように、右足大腿部２２に動作補助装着具３０が装着された装着者２０は、その日の状態に応じた生体信号のキャリブレーションを自動的に行うことができる。そのため、キャリブレーションに要する労力と時間を大幅に削減することが可能になる。
【０１３７】
さらに、装着者２０に対してキャリブレーションを行うために余計な負担を強いることがなく、当該装着者２０の状態に応じた補正値を設定し、装着者２０の筋電位信号に基づく駆動力を装着者２０の動作に連動して正確に付与することが可能になる。
【０１３８】
よって、キャリブレーションを行う際に装着者２０の意思に沿ったアシスト力がモータ９２から付与され、アシスト力が過大になったり、過小になったりせず、装着者２０の動作を安定的にアシストして装着式動作補助装置の信頼性をより高めることができる。
【０１３９】
特に装着者２０が初心者の場合のように、装着された動作補助装着具３０を思うように使うことが難しいと思われる状況においても、装着者２０は安心してキャリブレーションを行うことができる。
【０１４０】
次に前述した再設定モード１（図１８のＳ１２０参照）のキャリブレーション制御処理について図２０を参照して説明する。
【０１４１】
図２０はワンモーション（１回の動作）による再設定キャリブレーションの制御手順を示すフローチャートである。尚、ワンモーションによるキャリブレーションを行う場合、装着者２０は、着席したまま動作補助装着具３０におもりを取り付けられて膝関節部７０を上げ下げする動作を１回だけ行なうことになる。また、メモリ１３０には、キャリブレーションの動作に対応する基準筋電位が予め格納されている。
【０１４２】
図２０に示されるように、制御装置２１０Ｆは、Ｓ１４１において、膝関節部７０の角度センサ９６からの検出信号の有無を確認する。そして、装着者２０が着席状態で動作補助装着具３０の膝関節部７０を動作させるのに伴って膝関節部７０の関節角度の動きを角度センサ９６によって検出されると、Ｓ１４２に進み、角度センサ９６からの検出信号に基づいて膝関節部７０の動作角度を設定する。
【０１４３】
続いて、Ｓ１４３に進み、膝関節部７０の動作角度に応じた基準筋電位をメモリから読み込む。次の、Ｓ１４４では、装着者２０の右足大腿部２２の筋電位の実測値を生体電位センサ１１０から読み込む。そして、Ｓ１４５では、基準筋電位と筋電位の実測値とを比較する。
【０１４４】
次の、Ｓ１４６では、基準筋電位と筋電位の実測値との比率を求める。そして、Ｓ１４７では、前述したキャリブレーションデータベース４００に格納された膝関節部７０の動作角度に応じたパラメータを読み出し、このパラメータに上記比率をかけて駆動電流生成手段２２０に供給される制御信号の補正値（補正パラメータ）を求める。続いて、Ｓ１４８に進み、補正パラメータを随意的制御のパラメータとして設定する。
【０１４５】
このように、２回目以降のキャリブレーションは、着席した状態で膝関節部７０を回動させる動作（ワンモーション）によってパラメータＫ’を補正することができるので、装着者２０の体力的な負担を大幅に軽減できると共に、動作補助装着具３０を装着してからキャリブレーションに要する準備時間を短縮することが可能になる。そのため、２回目以降のキャリブレーションでは、歩行開始が速やかに行えることになる。
【０１４６】
次に前述した再設定モード２のキャリブレーション制御処理について図２１を参照して説明する。この再設定モード２では、装着者２０が着席状態から立ち上がり動作（フェーズＡ１〜Ａ４）を基準動作として行い、そして、再び着席動作（フェーズＡ４〜Ａ１）を行うものとする（図８を参照）。
【０１４７】
図２１に示されるように、制御装置２１０Ｆは、Ｓ１５１において、動作補助装着具３０に設けられた角度センサ９６からの検出信号の有無を確認する。そして、装着者２０が図８に示すような着席状態から立上がり状態に移行する動作を行うのに伴って膝関節部７０の角度の動きを角度センサ９６からの検出信号によって検出すると、Ｓ１５２に進み、角度センサ９６からの検出信号に基づいてキャリブレーションデータベース４００に格納されたタスクを選択し、装着者２０の基準動作を設定する。
【０１４８】
次のＳ１５３では、着席状態から立上がり状態に移行する動作に応じた基準筋電位をメモリから読み込む。続いて、Ｓ１５４に進み、装着者２０の筋電位の実測値を生体電位センサ１１０から読み込む。そして、Ｓ１５５では、基準筋電位と筋電位の実測値とを比較する。
【０１４９】
次の、Ｓ１５６では、基準筋電位と筋電位の実測値との比率を求める。そして、Ｓ１５７では、前述したキャリブレーションデータベース４００に格納された膝関節の動作角度に応じたパラメータを読み出し、このパラメータに上記比率をかけて駆動電流生成手段２２０に供給される制御信号の補正値（補正パラメータ）を求める。続いて、Ｓ１５８に進み、補正パラメータを随意的制御のパラメータとして設定する。
【０１５０】
次のＳ１５９では、キャリブレーション動作のタスクが終了したかどうかを確認する。Ｓ１５９において、まだキャリブレーション動作のフェーズが残っている場合は、Ｓ１６０に進み、次のフェーズに更新して上記Ｓ１５３以降の処理を再度実行する。
【０１５１】
また、上記Ｓ１５９において、キャリブレーション動作のタスクが終了した場合は、今回のキャリブレーション処理を終了する。
【０１５２】
このように、２回目以降のキャリブレーションは、着席した状態でパラメータＫ’を補正することができるので、装着者２０の体力的な負担を大幅に軽減できると共に、動作補助装着具３０を装着してからキャリブレーションに要する準備時間を短縮することが可能になる。
【０１５３】
従って、キャリブレーションの動作は、装着者２０が屈伸動作を行うことで表面筋電位のキャリブレーションを行っても良いし、あるいは、装着者２０が椅子に座った状態で膝関節の曲げ伸ばし動作を基準動作としても良いし、その個人に合ったキャリブレーションを行うことができるので、装着者２０が身体障害者の場合には動作可能な任意の動作でキャリブレーションを行うことも可能であり、他の動作（タスク）を基準動作とすることも可能である。
【０１５４】
尚、実施例６においては、前述した実施例１の制御装置にキャリブレーション制御処理を付加した構成について説明したが、このキャリブレーション制御処理は、他の実施例２〜５においても同様に実行することができるように組み合わせることも可能であるが、その制御処理は上記図１８〜図２１に示す制御処理と同様であるので、他の実施例２〜５に係るキャリブレーション制御処理の説明は省略する。
【産業上の利用可能性】
【０１５５】
尚、上記実施例では、装着者２０の右足大腿部２２に動作補助装着具３０を装着した場合を一例として挙げたが、これに限らず、左足大腿部または右腕、左腕の何れかに装着される場合、あるいは両腕、両足に動作補助装着具が装着される場合にも本発明が適用できるのは勿論である。すなわち、本発明は、装着者２０の両足、両腕の４肢の何れかあるいは全てに装着される動作補助装着具の駆動手段を制御するのに好適である。
【０１５６】
また、上記実施例では、電動モータの駆動トルクで義足を駆動して歩行する構成について説明したが、電動モータ以外の駆動手段（例えば、超音波モータやエアシリンダ等）を用いて動作補助装着具を動作させる場合にも適用することができるのは勿論である。
【０１５７】
また、上記実施例では、膝関節部７０をモータ９２で駆動する構成を一例として挙げたが、これに限らず、例えば、膝関節部及び足首の関節部の夫々を各モータで駆動する構成の多関節構造のものにも本発明が適用できるのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】本発明による装着式動作補助装置の装着状態の一実施例を示す斜視図である。
【図２】動作補助装着具３０と制御装置２１０Ａとの関係を模式的に示す制御システムの概念図である。
【図３】動作補助装着具３０の構成を示す概略構成図である。
【図４】実施例１の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。
【図５】生体電位信号から各制御信号を生成する過程を示す図である。
【図６】制御装置２１０Ａが実行する制御処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【図７】実施例２の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。
【図８】人間１の基本動作として、歩行（タスクＡ）、立ち上がり（タスクＢ）、座り（タスクＣ）、および階段の昇りまたは降り（タスクＤ）を例示する図である。
【図９Ａ】データベース３００に格納されている各タスク及び各フェーズを模式的に示す図である。
【図９Ｂ】物理量を基準パラメータと比較することにより装着者が行おうとしているタスク、およびその中のフェーズを推定するプロセスを示す図である。
【図１０】実施例２の制御装置２１０Ｂでモータ駆動力を制御する場合の制御方法を示すフローチャートである。
【図１１】実施例３の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。
【図１２】実施例３の制御装置２１０Ｃでモータ駆動力を制御する場合の制御方法を示すフローチャートである。
【図１３】実施例４の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。
【図１４】実施例４の制御装置２１０Ｄでモータ駆動力を制御する場合の制御方法を示すフローチャートである。
【図１５】実施例５の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。
【図１６】実施例５の制御装置２１０Ｅがモータ駆動力を制御する場合の制御方法を示すフローチャートである。
【図１７】実施例６の装着式動作補助装置の制御系の信号処理を示すシステム系統図である。
【図１８】実施例６の制御装置２１０Ｆが実行する制御処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【図１９】初期設定を行う初回キャリブレーションの制御手順を示すフローチャートである。
【図２０】ワンモーション（１回の動作）による再設定キャリブレーションの制御手順を示すフローチャートである。
【図２１】設定モード２のキャリブレーション制御処理を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【０１５９】
１０ 装着式動作補助装置
２０ 装着者
２２ 右足大腿部
３０ 動作補助装着具
４０ 制御ユニット
５０ 電源ユニット
６０ ソケット部
７０ 膝関節部
８０ 義足
９０ モータユニット
９２ モータ
９４ トルクセンサ
９６ 角度センサ
１１０ 生体電位センサ
１２０ 床反力センサ
１３０ 応力センサ
１４０ 感覚フィードバック信号変換手段
２００ 生体電位処理手段
２１０Ａ〜２１０Ｆ 制御装置
２１２ 随意的制御手段
２２０ 駆動電流生成手段
２３０ 感覚フィードバック信号生成手段
３００ データベース
３１０ 自律的制御手段
３２０ 制御信号合成手段
４００ キャリブレーションデータベース
４１０ フェーズ特定手段
４２０ 差分導出手段
４３０ パラメータ補正手段
４４０ キャリブレーション制御手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
義肢が装着された装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
前記義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具と、
前記義肢の動作に関する物理量を検出する物理量センサと、
前記義肢の装着箇所の生体信号を検出する生体信号センサと、
前記義肢を動作させるための指令信号を、前記生体信号センサにより検出された生体信号から取得する生体信号処理手段と、
前記生体信号処理手段により取得された指令信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成する随意的制御手段と、
前記随意的制御手段により生成された随意的制御信号に基づいて、前記生体信号の信号に応じた駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する駆動信号生成手段と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する感覚フィードバック信号生成手段と、
該感覚フィードバック信号生成手段で生成された感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する感覚伝達手段と、
を備えることを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装着式動作補助装置であって、
前記感覚伝達手段は、前記装着者の聴覚または皮膚の触覚または視覚に前記感覚フィードバック信号を伝達することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装着式動作補助装置であって、
さらにタスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータを格納したデータベースを備え、
前記随意的制御手段は、前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項４】
義肢が装着された装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
前記義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具と、
前記義肢の装着箇所の生体信号を検出する生体信号センサと、
前記義肢の動作に関する物理量を検出する物理量センサと、
前記生体信号センサにより検出された生体信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成する随意的制御手段と、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータを格納したデータベースと、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための制御信号を生成する自律的制御手段と、
前記随意的制御手段からの随意的制御信号および前記自律的制御手段からの自律的制御信号を合成する制御信号合成手段と、
前記制御信号合成手段により合成された総制御信号に応じた総駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する駆動信号生成手段と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する感覚フィードバック信号生成手段と、
該感覚フィードバック信号生成手段で生成された感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する感覚伝達手段と、
を備えることを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装着式動作補助装置であって、
前記感覚伝達手段は、前記装着者の聴覚または皮膚の触覚または視覚に前記感覚フィードバック信号を伝達することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項６】
請求項４に記載の装着式動作補助装置において、
前記データベースは、前記随意的制御信号と前記自律的制御信号との比（ハイブリッド比）を、前記フェーズの基準パラメータと所要の対応関係となるように格納し、
前記制御信号合成手段は、前記自律的制御手段により推定されたタスクのフェーズに応じ、前記対応関係に基づいて規定されるハイブリッド比となるように、前記随意的制御信号および前記自律的制御信号を合成することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項７】
請求項４乃至６の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記義肢を動作させるための指令信号を、前記生体信号センサにより検出された生体信号から取得する生体信号処理手段を備え、
前記駆動信号生成手段は、前記生体信号処理手段により取得された指令信号に応じて生成したパルス電流の供給により、前記駆動手段の動作を開始させることを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項８】
請求項４に記載の装着式動作補助装置であって、
前記随意的制御手段は、前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項９】
義肢が装着された装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
前記義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具と、
前記義肢の動作に関する物理量を検出する物理量センサと、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータを格納したデータベースと、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための自律的制御信号を生成する自律的制御手段と、
前記自律的制御信号に応じた駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する駆動信号生成手段と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する感覚フィードバック信号生成手段と、
該感覚フィードバック信号生成手段で生成された感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する感覚伝達手段と、
を備えることを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装着式動作補助装置であって、
前記感覚伝達手段は、前記装着者の聴覚または皮膚の触覚または視覚に前記感覚フィードバック信号を伝達することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項１１】
請求項１乃至８の何れかに記載された装着式動作補助装置であって、
前記駆動手段から付与された負荷としての駆動力に対する生体信号を前記生体信号センサによって検出し、この検出信号に基づいて補正値を設定するキャリブレーション手段を備えたことを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載された装着式動作補助装置であって、
キャリブレーション手段は、
前記動作補助装着具が前記装着者に装着された状態で前記駆動源からの所定の駆動力を外的負荷として付与する負荷発生手段と、
該負荷発生手段により付与された駆動力に抗して発生した生体信号を前記生体信号センサによって検出し、この検出信号に基づいて前記駆動信号生成手段が行う演算処理のパラメータを生成し、このパラメータを当該装着者固有の補正値として設定する補正値設定手段と、
を備えたことを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載された装着式動作補助装置であって、
前記生体信号センサにより検出された前記生体信号と前記駆動手段を制御する制御信号との対応関係のデータが格納されたデータベースを有し、
前記補正値設定手段は、前記データベースに格納された制御信号を前記補正値に補正することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項１４】
義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具の動作を制御する装着式動作補助装置の制御方法であって、
前記義肢を動作させるための指令信号を生体信号センサにより検出された生体信号から取得する手順と、
前記生体信号から取得された指令信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記義肢の駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成する手順と、
前記随意的制御信号に基づいて、前記生体信号の信号に応じた駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する手順と、
前記義肢に設けられた物理量センサにより前記義肢の動作に関する物理量を検出する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する手順と、
前記感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する手順と、
を実行することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の装着式動作補助装置の制御方法であって、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータをデータベースに格納する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための制御信号を生成する手順と、
をさらに有することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。
【請求項１６】
義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具の動作を制御する装着式動作補助装置の制御方法であって、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータをデータベースに格納する手順と、
前記義肢を動作させるための指令信号を生体信号センサにより検出された生体信号から取得する手順と、
前記生体信号から取得された指令信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成する手順と、
前記義肢の動作に関する物理量を検出する物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための自律的制御信号を生成する手順と、
前記随意的制御信号と前記自律的制御信号とを合成する手順と、
合成された総制御信号に応じた駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する手順と、
前記義肢に設けられた物理量センサにより前記義肢の動作に関する物理量を検出する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する手順と、
前記感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する手順と、
を実行することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の装着式動作補助装置の制御方法であって、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための制御信号を生成することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。
【請求項１８】
義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具の動作を制御する装着式動作補助装置の制御方法であって、
前記義肢の動作に関する物理量を物理量センサにより検出する手順と、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータをデータベースに格納する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための自律的制御信号を生成する手順と、
前記自律的制御信号に応じた駆動信号を生成し、該駆動信号を前記駆動手段に供給する手順と、
前記義肢に設けられた物理量センサにより前記義肢の動作に関する物理量を検出する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する手順と、
前記感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する手順と、
を実行することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。
【請求項１９】
請求項１４乃至１８に記載された装着式動作補助装置の制御方法であって、
前記駆動手段から付与された負荷としての駆動力に対する生体信号を前記生体信号センサによって検出し、この検出信号に基づいて補正値を設定するキャリブレーション処理を実行することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。
【請求項２０】
請求項１４乃至１９の何れかに記載された制御方法を、装着式動作補助装置を制御するためのコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１】
義肢が装着された装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
前記義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具と、
前記義肢の動作に関する物理量を検出する物理量センサと、
前記義肢の装着箇所の生体信号を検出する生体信号センサと、
前記義肢を動作させるための指令信号を、前記生体信号センサにより検出された生体信号から取得する生体信号処理手段と、
前記生体信号処理手段により取得された指令信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成する随意的制御手段と、
前記随意的制御手段により生成された随意的制御信号に基づいて、前記生体信号の信号に応じた駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する駆動信号生成手段と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する感覚フィードバック信号生成手段と、
該感覚フィードバック信号生成手段で生成された感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する感覚伝達手段と、
を備えることを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装着式動作補助装置であって、
前記感覚伝達手段は、前記装着者の聴覚または皮膚の触覚または視覚に前記感覚フィードバック信号を伝達することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装着式動作補助装置であって、
さらにタスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータを格納したデータベースを備え、
前記随意的制御手段は、前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項４】
義肢が装着された装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
前記義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具と、
前記義肢の装着箇所の生体信号を検出する生体信号センサと、
前記義肢の動作に関する物理量を検出する物理量センサと、
前記生体信号センサにより検出された生体信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成する随意的制御手段と、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータを格納したデータベースと、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための制御信号を生成する自律的制御手段と、
前記随意的制御手段からの随意的制御信号および前記自律的制御手段からの自律的制御信号を合成する制御信号合成手段と、
前記制御信号合成手段により合成された総制御信号に応じた総駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する駆動信号生成手段と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する感覚フィードバック信号生成手段と、
該感覚フィードバック信号生成手段で生成された感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する感覚伝達手段と、
を備えることを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装着式動作補助装置であって、
前記感覚伝達手段は、前記装着者の聴覚または皮膚の触覚または視覚に前記感覚フィードバック信号を伝達することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項６】
請求項４に記載の装着式動作補助装置において、
前記データベースは、前記随意的制御信号と前記自律的制御信号との比（ハイブリッド比）を、前記フェーズの基準パラメータと所要の対応関係となるように格納し、
前記制御信号合成手段は、前記自律的制御手段により推定されたタスクのフェーズに応じ、前記対応関係に基づいて規定されるハイブリッド比となるように、前記随意的制御信号および前記自律的制御信号を合成することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項７】
請求項４乃至６の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記義肢を動作させるための指令信号を、前記生体信号センサにより検出された生体信号から取得する生体信号処理手段を備え、
前記駆動信号生成手段は、前記生体信号処理手段により取得された指令信号に応じて生成したパルス電流の供給により、前記駆動手段の動作を開始させることを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項８】
請求項４に記載の装着式動作補助装置であって、
前記随意的制御手段は、前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項９】
義肢が装着された装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
前記義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具と、
前記義肢の動作に関する物理量を検出する物理量センサと、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータを格納したデータベースと、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための自律的制御信号を生成する自律的制御手段と、
前記自律的制御信号に応じた駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する駆動信号生成手段と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する感覚フィードバック信号生成手段と、
該感覚フィードバック信号生成手段で生成された感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する感覚伝達手段と、
を備えることを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装着式動作補助装置であって、
前記感覚伝達手段は、前記装着者の聴覚または皮膚の触覚または視覚に前記感覚フィードバック信号を伝達することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項１１】
請求項１乃至８の何れかに記載された装着式動作補助装置であって、
前記駆動手段から付与された負荷としての駆動力に対する生体信号を前記生体信号センサによって検出し、この検出信号に基づいて補正値を設定するキャリブレーション手段を備えたことを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載された装着式動作補助装置であって、
キャリブレーション手段は、
前記動作補助装着具が前記装着者に装着された状態で前記駆動源からの所定の駆動力を外的負荷として付与する負荷発生手段と、
該負荷発生手段により付与された駆動力に抗して発生した生体信号を前記生体信号センサによって検出し、この検出信号に基づいて前記駆動信号生成手段が行う演算処理のパラメータを生成し、このパラメータを当該装着者固有の補正値として設定する補正値設定手段と、
を備えたことを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載された装着式動作補助装置であって、
前記生体信号センサにより検出された前記生体信号と前記駆動手段を制御する制御信号との対応関係のデータが格納されたデータベースを有し、
前記補正値設定手段は、前記データベースに格納された制御信号を前記補正値に補正することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項１４】
義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具の動作を制御する装着式動作補助装置の制御方法であって、
前記義肢を動作させるための指令信号を生体信号センサにより検出された生体信号から取得する手順と、
前記生体信号から取得された指令信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記義肢の駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成する手順と、
前記随意的制御信号に基づいて、前記生体信号の信号に応じた駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する手順と、
前記義肢に設けられた物理量センサにより前記義肢の動作に関する物理量を検出する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する手順と、
前記感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する手順と、
を実行することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の装着式動作補助装置の制御方法であって、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータをデータベースに格納する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための制御信号を生成する手順と、
をさらに有することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。
【請求項１６】
義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具の動作を制御する装着式動作補助装置の制御方法であって、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータをデータベースに格納する手順と、
前記義肢を動作させるための指令信号を生体信号センサにより検出された生体信号から取得する手順と、
前記生体信号から取得された指令信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記駆動手段に発生させるための随意的制御信号を生成する手順と、
前記義肢の動作に関する物理量を検出する物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための自律的制御信号を生成する手順と、
前記随意的制御信号と前記自律的制御信号とを合成する手順と、
合成された総制御信号に応じた駆動信号を生成し、前記駆動手段に供給する手順と、
前記義肢に設けられた物理量センサにより前記義肢の動作に関する物理量を検出する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する手順と、
前記感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する手順と、
を実行することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の装着式動作補助装置の制御方法であって、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための制御信号を生成することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。
【請求項１８】
義肢に対して動力を付与する駆動手段を有した動作補助装着具の動作を制御する装着式動作補助装置の制御方法であって、
前記義肢の動作に関する物理量を物理量センサにより検出する手順と、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位（フェーズ）の各々の基準パラメータをデータベースに格納する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記駆動手段に発生させるための自律的制御信号を生成する手順と、
前記自律的制御信号に応じた駆動信号を生成し、該駆動信号を前記駆動手段に供給する手順と、
前記義肢に設けられた物理量センサにより前記義肢の動作に関する物理量を検出する手順と、
前記物理量センサにより検出された物理情報信号に基づいて感覚フィードバック信号を生成する手順と、
前記感覚フィードバック信号を前記装着者に伝達する手順と、
を実行することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。
【請求項１９】
請求項１４乃至１８に記載された装着式動作補助装置の制御方法であって、
前記駆動手段から付与された負荷としての駆動力に対する生体信号を前記生体信号センサによって検出し、この検出信号に基づいて補正値を設定するキャリブレーション処理を実行することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。
【請求項２０】
請求項１４乃至１９の何れかに記載された制御方法を、装着式動作補助装置を制御するためのコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２００９−６０９４６（Ｐ２００９−６０９４６Ａ）
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２８８６８（Ｐ２００７−２２８８６８）
【出願日】平成１９年９月４日（２００７．９．４）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月４日（２００７．９．４）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]