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JP2004329520A - Motion assist device control system - Google Patents

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JP2004329520A
JP2004329520A JP2003128601A JP2003128601A JP2004329520A JP 2004329520 A JP2004329520 A JP 2004329520A JP 2003128601 A JP2003128601 A JP 2003128601A JP 2003128601 A JP2003128601 A JP 2003128601A JP 2004329520 A JP2004329520 A JP 2004329520A
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leg
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standing
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Hiroshi Yamakawa
浩 山川
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

【課題】人間が違和感を覚えずに自然に歩行等の動作を行うために適切なトルクが脚体の関節回りに付与されるように動作補助装置を制御し得るシステムを提供する。
【解決手段】本発明の制御システム２００によれば、まず脚体状態判定ユニット２１０により脚体姿勢や脚体動作が判定される。次に当該判定結果に基づき、係数設定ユニット２２０により第１係数ｋ１ｉと第２係数ｋ２ｊとが設定される。また測定ユニット２３０により姿勢変数ｘ及び動作変数ｙが測定される。続いてトルク設定ユニット２４０により第１係数ｋ１ｉ及び姿勢変数ｘの関数ｆｉ に基づき第１トルクＴ１ が設定され、第２バネ係数ｋ２ｊ及び動作変数ｙに基づき第２トルクＴ２ が設定された上で、両トルクＴ１ 及びＴ２ を含むトルクＴが設定される。そして、トルク制御ユニット２５０により当該トルクＴが脚体の関節回りに滑らかに付与されるよう動作補助装置１００が制御される。
【選択図】 図１An object of the present invention is to provide a system capable of controlling an operation assisting device so that an appropriate torque is applied around a joint of a leg so that a person can naturally perform an operation such as walking without feeling uncomfortable.
According to a control system of the present invention, first, a leg state determination unit determines a leg posture and a leg motion. Next, the first coefficient k 1i and the second coefficient k 2j are set by the coefficient setting unit 220 based on the determination result. Further, the posture variable x and the motion variable y are measured by the measurement unit 230. Subsequently, the torque setting unit 240 sets the first torque T 1 based on the first coefficient k 1i and the function f i of the attitude variable x, and sets the second torque T 2 based on the second spring coefficient k 2j and the operation variable y. on which it is, torque T containing both torque T 1 and T 2 are set. Then, the motion assist device 100 is controlled by the torque control unit 250 so that the torque T is smoothly applied around the joint of the leg.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人間の脚体の関節回りにトルクを付与することで該人間の動作を補助する動作補助装置を制御するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、人間の大腿部の角速度に応じ、大腿部の補助力の付与タイミングが制御される動作（歩行）補助装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この動作補助装置によれば、人間の大腿部角度の変化に応じて大腿部に補助力が付与されることで、この人間の歩行動作や着席動作が補助され得る。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１６６９９７号公報
（００２０〜００２４段落、００３８〜００４４段落、図５、図８）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、人間の脚体に補助力が付与されるタイミングが適切であっても、補助力の大きさや時間変化が不適切な場合には、人間が動作補助装置の使用に違和感を覚える場合がある。
【０００５】
そこで、本発明は、人間が違和感を覚えずに自然に歩行等の動作を行うために適切なトルクが脚体の関節回りに付与されるように動作補助装置を制御し得るシステムを提供することを解決課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の動作補助装置の制御システムは、脚体が着床状態にある立脚であるか、離床状態にある遊脚であるかの別と、脚体姿勢又は脚体姿勢及び脚体動作を判定する脚体状態判定手段と、脚体状態判定手段による判定結果に基づき、第１係数ｋ１ｉ（ｉ＝１，２，‥）と、第２係数ｋ２ｊ（ｊ＝１，２，‥）とを設定する係数設定手段と、人間の姿勢に応じて変化する姿勢変数ｘと、人間の動作に応じて変化する動作変数ｙとを測定する測定手段と、係数設定手段により設定された第１係数ｋ１ｉと、測定手段により測定された姿勢変数ｘの関数ｆｉ （ｘ）との積の和Σｉ ｋ１ｉｆｉ を第１トルクＴ１ として設定し、係数設定手段により設定された第２係数ｋ２ｊと、測定手段により測定された動作変数ｙの関数ｇｊ （ｙ）との積の和Σｊ ｋ２ｊｇｊ を第２トルクＴ２ として設定した上で、少なくとも第１トルクＴ１ と第２トルクＴ２ の和Ｔ１ ＋Ｔ２ を含み、脚体の関節回りに付与されるトルクＴを設定するトルク設定手段と、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定手段により設定されたトルクＴに到るように動作補助装置を制御するトルク制御手段とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、第１トルクＴ１ が「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定される第１係数ｋ１ｉと、人間の「姿勢」に応じて変化する姿勢変数ｘの関数ｆｉ との積の和Σｉ ｋ１ｉｆｉ として設定される。すなわち、第１トルクＴ１ はバネ係数ｋ１ｉを有する仮想的なバネの変位ｆｉ に応じた力として表現される。前記のように第１係数ｋ１ｉは「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定され、姿勢変数ｘの関数である当該仮想的なバネの変位ｆｉ には人間の「姿勢」が反映されている。従って、第１トルクＴ１ は人間の「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらに人間の「姿勢」に鑑み、当該人間に違和感を感じさせない観点から適切に設定され得る。
【０００８】
また第２トルクＴ２ が「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定される第２係数ｋ２ｊと、人間の「動作」に応じて変動する動作変数ｙの関数ｇｊ との積の和Σｊ ｋ２ｊｇｊ として設定される。すなわち、第２トルクＴ２ はバネ係数ｋ２ｊを有する仮想的なバネの変位ｇｊ に応じた力として表現される。前記のように第２係数ｋ２ｊは「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定され、動作変数ｙの関数である当該仮想的なバネの変位ｇｊ には人間の「動作」が反映されている。従って、第２トルクＴ２ は「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらに人間の「動作」に鑑み、当該人間に違和感を感じさせない観点から適切に設定され得る。
【０００９】
そして、人間の脚体の関節回りに付与されるトルクＴが、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ に基づいて設定される。このため、人間の脚体の関節周りに付与されるトルクＴは「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらには人間の「姿勢」及び「動作」に応じ、当該人間に動作の違和感を感じさせない観点から適切な大きさに設定され得る。
【００１０】
また、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定手段により設定されたトルクＴに到るように動作補助装置が制御される。このため、人間の脚体の関節周りに付与されるトルクＴ（ｔ）は時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から当該設定トルクＴまで徐々に増加するように滑らかに変化する。
【００１１】
従って、本発明によれば「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、人間の「姿勢」及び「動作」に鑑みて適切な大きさに設定されたトルクＴが、滑らかに当該人間の脚体の関節回りに付与される。このため、動作補助装置によりその動作（歩行、走行、着座、起立等）が補助されている人間に違和感を感じさせないように動作補助装置が滑らかに制御され得る。
【００１２】
また、本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段が姿勢変数ｘ、姿勢変数ｘのａ累乗（０＜ａ＜１）ｘａ 及び姿勢変数ｘの累積値Ｉｘを姿勢変数ｘの関数ｆｉ として用いて第１トルクＴ１ を設定し、動作変数ｙ、動作変数ｙのｂ累乗（ｂ＞１）ｙｂ 、動作変数ｙの累積値Ｉｙ及び動作変数ｙの変化値ｄｙを動作変数ｙの関数ｇｊ として用いて第２トルクＴ２ を設定することを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、姿勢変数ｘの関数ｆｉ ＝ｘ、ｘａ 及びＩｘに反映される「姿勢」と、動作変数ｙの関数ｇｊ ＝ｙ、ｙｂ 、Ｉｙ及びｄｙに反映される「動作」と、第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊに反映される「脚体状態」とに応じてトルクＴが適切に設定され得る。
【００１４】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク制御手段がトルク設定手段により設定されたトルクＴに応じたレベルの信号を生成する信号生成手段と、信号に応じ時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から該信号のレベルまで徐々に増加する信号を出力するフィルタとを備え、該信号生成手段により生成された信号に応じた該フィルタの出力を動作補助装置に付与することで、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定手段により設定されたトルクＴに到るように動作補助装置を制御することを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、信号がフィルタを経過した上で動作補助装置に付与されることで、人間の「姿勢」「動作」及び「脚体状態」に鑑みて適切な大きさに設定されたトルクＴが、滑らかに当該人間の脚体の関節回りに付与される。
【００１６】
また、本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により脚体の股関節トルクＴが設定されるとき、脚体状態判定手段により該脚体が遊脚であり、且つ、該遊脚の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より（１） 後方で前方移動すると判定された場合、（２） 後方で後方移動すると判定された場合、（３） 前方で前方移動すると判定された場合、（４） 前方で後方移動すると判定された場合に応じ、係数設定手段が（１） 第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを有限値（≠０）に設定し、（２） 第１係数ｋ１ｉを有限値に設定する一方、第２係数ｋ２ｊを０に設定し、（３） 第１係数ｋ１ｉを０に設定する一方、第２係数ｋ２ｊを有限値に設定し、（４） 第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを０に設定することを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、（１） 遊脚の大腿部が基準面より後方で前方移動する場合、少なくとも第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ の和が含まれるように当該遊脚の股関節トルク（股関節回りに付与されるトルク）Ｔが設定される。すなわち、仮想バネの変位である「姿勢」及び「動作」に応じた股関節トルクＴが、大腿部が基準面より後方で前方移動する遊脚の股関節回りに付与される。
【００１８】
また、（２） 遊脚の大腿部が基準面より後方で後方移動する場合、少なくとも第１トルクＴ１ が含まれる一方、第２トルクＴ２ が除外されるように当該遊脚の股関節トルクＴが設定される。すなわち、仮想バネの変位である「姿勢」に応じた股関節トルクＴが、大腿部が基準面より後方で後方移動する遊脚の股関節回りに付与される。
【００１９】
さらに（３） 遊脚の大腿部が基準面より前方で前方移動する場合、少なくとも第２トルクＴ２ が含まれる一方、第１トルクＴ１ が除外されるように当該遊脚の股関節トルクＴとして設定される。すなわち、仮想バネの変位としての「動作」に応じた股関節トルクＴが、大腿部が基準面より前方で前方移動する遊脚の股関節回りに付与される。
【００２０】
また（４） 遊脚の大腿部が基準面より前方で後方移動する場合、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が「０」に設定される。すなわち、大腿部が基準面より前方で後方移動する遊脚の股関節回りには、少なくとも第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ は付与されない。
【００２１】
前記のように場合（１） 〜（４） に応じて股関節トルクＴが設定された上で遊脚の股関節回りに付与されることにより、歩行や走行時における当該遊脚の動作を含む人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００２２】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段が基準面より前方における遊脚の大腿部の前方移動に伴って徐々に増大した後で徐々に減少するように第２トルクＴ２ を有限値に設定することを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、遊脚の大腿部が基準面より前方で前方移動するとき、第２トルクＴ２ が当該移動に伴い徐々に増大した後徐々に減少するように設定される。また、第２トルクＴ２ が含まれるように当該遊脚の股関節トルクＴが設定され、この股関節トルクＴが遊脚の股関節回りに付与される。これにより、遊脚の動作を含む人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００２４】
また本発明の動作補助装置の制御システムは、脚体状態判定手段により脚体が遊脚であると判定されたとき、トルク設定手段が、人間の脚体の股関節回りに付与されることで、歩行補助装置の装着による該人間の動作負担を軽減する第３トルクＴ３ を設定した上で、第３トルクＴ３ が含まれるように該遊脚の股関節トルクＴを設定することを特徴とする。
【００２５】
本発明によれば、第３トルクＴ３ が含まれるように設定された股関節トルクＴが遊脚の股関節回りに付与される。これにより、歩行補助装置の装着による人間の動作負担、具体的には、遊脚の移動に伴う当該遊脚の股関節回りの動作負担が軽減され得る。
【００２６】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段が遊脚の大腿部の前方移動に伴って徐々に増大した後、該大腿部の後方移動に伴って徐々に減少するように該遊脚の股関節回りに付与される第３トルクＴ３ を設定することを特徴とする。
【００２７】
本発明によれば、歩行補助装置の装着による人間の動作負担が、遊脚の大腿部の前方移動に伴い大きくなり、その後の後方移動に伴い小さくなることに鑑み、当該負担の大きさに応じた第３トルクＴが含まれる股関節トルクＴが遊脚の股関節回りに付与される。
【００２８】
これにより、歩行補助装置の装着による人間の動作負担、具体的には遊脚の移動に伴う当該負担がより確実に軽減され得る。
【００２９】
また本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により脚体の膝関節トルクが設定されるとき、脚体状態判定手段により（１’）該脚体が遊脚であると判定された場合、係数設定手段が第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを０に設定することを特徴とする。
【００３０】
本発明によれば、（１’）脚体が遊脚である場合、少なくとも第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が排除された形で膝関節トルク（膝関節回りに付与されるトルク）Ｔが設定される。これにより、遊脚の膝関節が不自然に曲げられることが回避され、歩行時における人間の遊脚の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００３１】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により脚体の股関節トルクＴが設定されるとき、脚体状態判定手段により該脚体が立脚であり、且つ、該立脚の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より（５） 前方で後方移動すると判定された場合、（６） 前方で前方移動すると判定された場合、（７） 後方で後方移動すると判定された場合、（８） 後方で前方移動すると判定された場合に応じ、係数設定手段が（５） 第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを有限値（≠０）に設定し、（６） 第１係数ｋ１ｉを有限値に設定する一方、第２係数ｋ２ｊを０に設定し、（７） 第１係数ｋ１ｉを０に設定する一方、第２係数ｋ２ｊを有限値に設定し、（８） 第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを０に設定することを特徴とする。
【００３２】
本発明によれば、（５） 立脚の大腿部が基準面より前方で後方移動する場合、当該立脚の股関節トルクＴが「０」に設定される。すなわち、少なくとも第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ は、大腿部が基準面より前方で後方移動する遊脚の股関節回りに付与されない。
【００３３】
また、（６） 立脚の大腿部が基準面より前方で前方移動する場合、少なくとも第１トルクＴ１ が含まれる一方、第２トルクＴ２ が除外されるように当該立脚の股関節トルクＴが設定される。すなわち、仮想バネの変位としての「動作」に応じたトルクＴが、大腿部が基準面より前方で前方移動する立脚の股関節回りに付与される。
【００３４】
さらに（７） 立脚の大腿部が基準面より後方で後方移動する場合、少なくとも第２トルクＴ２ が含まれ、第１トルクＴ１ が除外されるように当該立脚の股関節トルクＴが設定される。すなわち、仮想バネの変位としての「動作」に応じた股関節トルクＴが、大腿部が基準面より後方で後方移動する立脚の股関節回りに付与される。
【００３５】
また（８） 立脚の大腿部が基準面より後方で前方移動する場合、少なくとも第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が含まれるように当該立脚の股関節トルクＴが設定される。すなわち、仮想バネの変位としての「姿勢」及び「動作」に応じたトルクＴが、大腿部が基準面より後方で前方移動する立脚の股関節回りに付与される。
【００３６】
前記のように場合（５） 〜（８） に応じて股関節トルクＴが設定された上で立脚の股関節回りに付与されることで、歩行や走行時における立脚の動作を含む人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００３７】
また本発明の動作補助装置の制御システムは、脚体状態判定手段により一方の脚体のみが立脚であると判定される状態の開始後、トルク設定手段が第１トルクＴ１ と第２トルクＴ２ とを、両者の和Ｔ１ ＋Ｔ２ が徐々に増大した後で徐々に減少するように設定することを特徴とする。
【００３８】
本発明によれば、一方の脚体のみが立脚であると判定される状態の開始後、当該立脚の股関節トルクＴが徐々に増大するように設定される。これにより、両脚体が立脚である状態から一方の脚体のみが立脚である状態に変化した後、増大する当該一方の脚体の負担が軽減され得る。
【００３９】
また、当該トルクＴはしかる後、徐々に減少するように設定される。これにより、他方が遊脚にある場合の立脚の股関節トルクＴが過大になる事態が回避され、人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００４０】
また本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により脚体の膝関節トルクＴが設定されるとき、脚体状態判定手段により該脚体が立脚であり、且つ、該立脚の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より（２’）前方にあると判定された場合、（３’）後方にあると判定された場合に応じ、係数設定手段が（２’）第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを有限値に設定し、（３’）第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを０に設定することを特徴とする。
【００４１】
本発明によれば、（２’）立脚の大腿部が基準面より前方にある場合、少なくとも第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が含まれるように当該立脚の膝関節トルクＴが設定される。すなわち、仮想バネの変位としての「姿勢」及び「動作」に応じた膝関節トルクＴが、大腿部が基準面より前方にある立脚の膝関節回りに付与される。
【００４２】
また、（３’）立脚の大腿部が基準面より後方にある場合、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が０に設定される。すなわち、少なくとも第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ は、大腿部が基準面より後方にある立脚の膝関節に付与されない。
【００４３】
前記のように場合（２’）（３’）に応じて膝関節トルクＴが設定された上で、 脚体の膝関節回りに付与されることで、歩行や走行時における立脚の動作を含む人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００４４】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、脚体状態判定手段により脚体が遊脚であると判定されたとき、トルク設定手段が人間の脚体の膝関節回りに付与されることで、歩行補助装置の装着による該人間の動作負担を軽減する第３トルクＴ３ を設定した上で、第３トルクＴ３ が含まれるように該遊脚の膝関節トルクＴを設定することを特徴とする。
【００４５】
本発明によれば、第３トルクＴ３ が含まれるように設定された膝関節トルクＴが、遊脚の膝関節回りに付与される。これにより、歩行補助装置の装着による人間の動作負担、具体的には、遊脚の移動に伴う当該遊脚の膝関節回りの動作負担が軽減され得る。
【００４６】
また、本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により両脚体の股関節トルクＴが設定されるとき、脚体状態判定手段により該両脚体が立脚であり、両脚体の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より前方にあり、且つ、（９） 両脚体の大腿部が後方移動し、人間の重心と該立脚の足部の重心位置との前後方向の間隔が所定間隔未満であると判定された場合、（１０）両脚体の大腿部が前方移動し、該間隔が該所定間隔未満であると判定された場合、（１１）該間隔が該所定間隔以上であると判定された場合に応じ、係数設定手段が（９） 第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを有限値に設定し、（１０）第１係数ｋ１ｉを有限値に設定する一方、第２係数ｋ２ｊを０に設定し、（１１）第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを０に設定することを特徴とする。
【００４７】
本発明によれば（９） 基準面より前方にある両立脚の大腿部が後方移動し、前記間隔が所定間隔未満である場合、少なくとも第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が含まれるように両立脚の股関節トルクＴが設定される。この場合、人間が椅子からの起立動作の終期にあることが想定され、仮想バネの変位としての「姿勢」及び「動作」に応じた大きさの股関節トルクＴが、大腿部が基準面より前方で後方移動する両立脚の股関節回りに付与される。
【００４８】
また、（１０）基準面より前方にある両立脚の大腿部が前方移動し、前記間隔が所定間隔未満である場合、少なくとも第１トルクＴ１ が含まれる一方、第２トルクＴ２ が除外されるように両立脚の股関節トルクＴが設定される。この場合、椅子への着座動作の初期にあることが想定され、仮想バネの変位としての「姿勢」に応じた股関節トルクＴが、大腿部が基準面より前方で前方移動する両立脚の股関節回りに付与される。
【００４９】
さらに（１１）両立脚の大腿部が基準面より前方にあり、前記間隔が所定間隔以上である場合、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が０に設定される。この場合、椅子への着座動作の終期又は椅子からの起立動作の初期にあることが想定され、少なくとも第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ は両立脚の股関節回りに付与されない。
【００５０】
前記のように場合（９） 〜（１１）に応じて股関節トルクＴが設定された上で、両脚体の股関節回りに付与されることで、椅子へ着座、椅子から起立する人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００５１】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、トルク設定手段により両脚体の膝関節トルクＴが設定されるとき、脚体状態判定手段により該両脚体が立脚であり、両脚体の大腿部が両脚体の股関節角度を含み上体を前後に分割する基準面より前方にあり、且つ（４’）人間の重心と該立脚の足部の重心位置との前後方向の間隔が所定間隔未満であると判定された場合、（５’）該間隔が該所定間隔以上であると判定された場合に応じ、係数設定手段が（４’）第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを有限値に設定し、（５’）第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを０に設定することを特徴とする。
【００５２】
本発明によれば、（４’）両立脚の大腿部が基準面より前方にあり、前記間隔が所定間隔未満である場合、少なくとも第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が含まれるように、両立脚の膝関節トルクＴが設定される。この場合、椅子への着座動作の初期又は椅子からの起立動作の終期にあることが想定され、仮想バネの変位としての「姿勢」及び「動作」に応じた膝関節トルクＴが両脚体の膝関節回りに付与される。
【００５３】
また、（５’）両脚体の大腿部が基準面より前方にあり、前記間隔が所定間隔以上である場合、第１トルクＴ１ と第２トルクＴ２ とが除外されるように両脚体の膝関節トルクＴが設定される。この場合、椅子への着座動作の終期又は椅子からの起立動作の初期にあることが想定され、少なくとも第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ は、大腿部が基準面より前方にあり、股関節角度が所定角度以上である両脚体に付与されない。
【００５４】
前記のように場合（４’）（５’）に応じてトルクＴが両立脚の膝関節に付与されることにより、椅子へ着座・椅子から起立する人間の動作が違和感なく滑らかに補助されるように動作補助装置が制御され得る。
【００５５】
また、本発明の動作補助装置の制御システムは、測定手段が姿勢変数ｘ及び動作変数ｙとして脚体の股関節角度θ及び股関節角速度θ’を測定し、トルク設定手段が第１係数ｋ１ｉと、脚体の股関節角度θの関数ｆｉ （θ）との積の和Σｉ ｋ１ｉｆｉ を第１トルクＴ１ として設定し、第２係数ｋ２ｊと、股関節角速度θ’の関数ｇｊ （θ’）との積の和Σｊ ｋ２ｊｇｊ を第２トルクＴ２ として設定した上で、該脚体の股関節トルクＴを設定することを特徴とする。
【００５６】
本発明によれば「脚体の股関節角度θ」に反映される「脚体姿勢」と、「脚体の股関節角速度θ’」に反映される「脚体動作」とに応じてトルクＴが適切に設定され得る。
【００５７】
さらに本発明の動作補助装置の制御システムは、測定手段が姿勢変数ｘ及び動作変数ｙとして脚体の膝関節角度φ及び膝関節角速度φ’を測定し、トルク設定手段が第１係数ｋ１ｉと、脚体の股関節角度φの関数ｆｉ （φ）との積の和Σｉ ｋ１ｉｆｉ を第１トルクＴ１ として設定し、第２係数ｋ２ｊと、膝関節角速度φ’の関数ｇｊ （φ’）との積の和Σｊ ｋ２ｊｇｊ を第２トルクＴ２ として設定した上で、該遊脚の股関節トルクＴを設定することを特徴とする。
【００５８】
本発明によれば「脚体の膝関節角度φ」に反映される「脚体姿勢」と、「脚体の膝関節角速度φ’」に反映される「脚体動作」とに応じてトルクＴが適切に設定され得る。
【００５９】
【発明の実施の形態】
本発明の動作補助装置の制御システムの実施形態について、図面を用いて説明する。
【００６０】
図１は動作補助装置及び本発明の制御システムの構成説明図であり、図２は姿勢変数及び動作変数の定義説明図であり、図３は重力補償トルクの導出用変数の説明図であり、図４は股関節トルク設定方法の説明図であり、図５は膝関節トルク設定方法の説明図であり、図６は平地歩行時における人間の姿勢及び動作の説明図であり、図７は平地歩行時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図であり、図８は平地歩行時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図であり、図９は昇り歩行時における人間の姿勢及び動作の説明図であり、図１０は昇り歩行時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図であり、図１１は昇り歩行時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図であり、図１２は椅子着座・起立時における人間の姿勢及び動作の説明図であり、図１３は椅子着座・起立時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図であり、図１４は椅子着座・起立時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図であり、図１５は歩行時における股関節角度−膝関節角度軌跡の説明図であり、図１６は両膝屈伸時における股関節角度−膝関節角度軌跡の説明図である。
【００６１】
まず、動作補助装置及び本発明の制御システムの構成について図１を用いて説明する。
【００６２】
図１に示す動作補助装置１００は、左右一対の股関節アクチュエータ１０２と、左右一対の膝関節アクチュエータ１０４とを備えている。
【００６３】
股関節アクチュエータ１０２は人間の腹部、大腿部にそれぞれ取り付けられる腹部サポータ１１２及び大腿部サポータ１１４を介し、バッテリ１０６からの供給電力によりトルクＴを各脚体の股関節回りに付与する。膝関節アクチュエータ１０４は歩行者の大腿部、下腿部に取り付けられた大腿部サポータ１１４及び下腿部サポータ１１６を介し、バッテリ１０６からの供給電力によりトルクＴを各脚体の膝関節回りに付与する。バッテリ１０６は人間の背中に装着されるバックパック１１８に格納されている。
【００６４】
本発明の制御システム２００は、バックパック１１８に格納されたＣＰＵ等により構成されている。
【００６５】
制御システムは、脚体状態判定ユニット２１０と、係数設定ユニット２２０と、測定ユニット２３０と、トルク設定ユニット２４０と、トルク制御ユニット２５０とを備えている。
【００６６】
脚体状態判定ユニット２１０は人間の足裏に前後一対に配置され、荷重に応じた信号を出力するフットスイッチ２１２の出力信号に基づき、各脚体が着床状態にある「立脚」であるか、離床状態にある「遊脚」であるかの別を判定する。また、脚体状態判定ユニット２１０は脚体の股関節角度θに応じた信号を出力する股関節角度センサ２２２の出力信号に基づき、各脚体が両股関節を含み上体を前後に分割する基準面ｐ（図２参照）より前方及び後方のいずれにあるか等「脚体姿勢」を判定する。さらに脚体状態判定ユニット２１０は股関節角度センサ２２２の出力信号に基づき、各脚体が前方及び後方のいずれに移動しているか等「脚体動作」を判定する。基準面ｐは、人間の直立時には当該人間の両股関節を含む鉛直平面と一致する。
【００６７】
係数設定ユニット２２０は脚体状態判定ユニット２１０による判定結果に基づき、脚体の股関節及び膝関節ごとに第１係数ｋ１ｉ（ｉ＝１，２，３）と、第２係数ｋ２ｊ（ｊ＝１，２，３，４）を設定する。
【００６８】
測定ユニット２３０は股関節角度センサ２２２からの出力信号に基づき、左右の股関節角度θ（＝姿勢変数ｘ：図２参照）を測定し、左右の股関節角速度θ’（＝動作変数ｙ）を測定する。股関節角度θは基準面ｐ（図２参照）より前方に大腿部がある場合を正、基準面ｐより後方に大腿部がある場合を負として定義される。また、股関節角速度θ’は大腿部が前方移動する場合を正、大腿部が後方移動する場合を負として定義される。
【００６９】
また、測定ユニット２３０は膝関節角度センサ２２４からの出力信号に基づき、左右の膝関節角度φ（＝姿勢変数ｘ：図２参照）を測定し、左右の膝関節角速度φ’（＝動作変数ｙ）を測定する。
【００７０】
さらに、測定ユニット２３０は記憶装置（図示略）により記憶されている大腿部長さｌ１ 及び下腿部長さｌ２ と、股関節角度センサ２２２の出力に応じた股関節角度θと、膝関節角度センサ２２４の出力に応じた膝関節角度φとに基づき、人間の重心ＣＧと、脚体の足部の重心位置ＳＣＧとの前後方向の間隔ｄを測定する（図２参照）。
【００７１】
トルク設定ユニット２４０は係数設定ユニット２２０により設定された第１係数ｋ１ｉと、測定ユニット２２０により測定された姿勢変数ｘ＝（θ，φ）の関数ｆｉ としての姿勢変数ｘ、姿勢変数ｘのａ累乗（０＜ａ＜１）ｘａ 及び姿勢変数ｘの累積値Ｉｘとに基づき、次式（ｉ） に従って脚体の股関節及び膝関節ごとに第１トルクＴ１ を設定する。
【００７２】

Figure 2004329520
またトルク設定ユニット２４０は係数設定ユニット２２０により設定された第２係数ｋ２ｊと、測定ユニット２３０により測定された動作変数ｙ＝（θ’，φ’）の関数ｇｊ としての動作変数ｙ、動作変数ｙのｂ累乗（ｂ＞１）ｙｂ 、動作変数ｙの累積値Ｉｙ及び動作変数ｙの変化値ｄｙとに基づき、次式（ｉｉ）に従って脚体の股関節及び膝関節ごとの第２トルクＴ２ を設定する。
【００７３】
Figure 2004329520
さらにトルク設定ユニット２４０は人間の脚体の股関節、膝関節回りに付与されることで、歩行補助装置１００の装着による当該人間の動作負担を軽減する第３トルクＴ３ を設定する。
【００７４】
第３トルクＴ３ には動作補助装置１００の重さの影響を軽減する重力補償トルクＴ３Ｇと、アクチュエータ１０２、１０４のフリクションの影響を軽減する摩擦力補償トルクＴ３Ｆとが含まれる。
【００７５】
トルク設定ユニット２４０は記憶装置（図示略）により記憶されている複数の変数と、測定ユニット２３０により測定される複数の変数とに基づき、股関節、膝関節回りに付与される重力補償トルクＴ３Ｇを設定する。記憶装置により記憶されている当該変数には、図３に示す大腿部の質量ｍ１ 、下腿部の質量ｍ２ 、大腿部長さｌ１ 、下腿部長さｌ２ 、股関節−大腿部重心距離ｌ１０及び膝関節−下腿部重心距離ｌ２０とが含まれる。測定ユニット２３０により測定される当該変数には、鉛直方向に対する大腿部の角度（股関節角度θから基本全額面に対する基準面ｐの傾斜角度を差し引いた角度）θｑ 及び膝関節角度φが含まれる。これら変数に基づき、股関節、膝関節回りに付与される重力補償トルクＴ３Ｇがそれぞれ次式（ｉｉｉ）（ｉｖ） に従って設定される。
【００７６】
Figure 2004329520
トルク設定ユニット２４０は第１トルクＴ１ 、第２トルクＴ２ 及び第３トルクＴ３ に基づき、次式（ｖ） に従って脚体の各股関節及び各膝関節トルクＴを設定する。
【００７７】
Ｔ＝Ｔ１ ＋Ｔ２ ＋Ｔ３ ‥（ｖ）
なお脚体の股関節回りに付与される第１トルクＴ１ 、第２トルクＴ２ 、第３トルクＴ３ 及びトルクＴは当該脚体の大腿部の後方移動を補助する場合は正、前方移動を補助する場合は負で定義される。また、脚体の膝関節回りに付与される第１トルクＴ１ 、第２トルクＴ２ 、第３トルクＴ３ 及びトルクＴは当該脚体の膝の折り曲げを補助する場合は負、膝の伸ばしを補助する場合は正で定義される。
【００７８】
トルク制御ユニット２５０は信号生成ユニット２５２と、フィルタ２５４とを備えている。
【００７９】
信号生成ユニット２５２はトルク設定ユニット２４０により設定されたトルクＴに応じたレベルの信号を生成する。
【００８０】
フィルタ２５４は１次遅れフィルタ等、遅れ要素を有するフィルタであり、信号に応じ、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から当該信号のレベルまで徐々に増加する信号を出力する。
【００８１】
トルク制御ユニット２５０は信号生成ユニット２５２により生成された信号に応じたフィルタ２５４の出力に基づき、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定ユニット２４０により設定されたトルクＴに到るようにバッテリ１０６からアクチュエータ１０２及び１０４への供給電力を制御する。
【００８２】
次に、前記構成の本発明の制御システムによる動作補助装置の制御方法について図４〜図１１を用いて説明する。
【００８３】
まず、動作補助装置１００の股関節アクチュエータ１０２により、脚体の股関節トルクＴが、制御システム２００によりどのように設定されるかについて図４を用いて説明する。なお、次に説明するトルク設定処理は、動作補助装置１００のスイッチ（図示略）がＯＦＦからＯＮに切り替えられたとき等、所定のタイミングで開始させられる。
【００８４】
脚体状態判定ユニット２１０により左右のフットスイッチ２１２の出力信号に基づいて各脚体が離床状態にある「遊脚」であるか、着床状態にある「立脚」であるかが判定される（ｓ１．１）。
【００８５】
脚体状態判定ユニット２１０により脚体が「遊脚」であると判定された場合、測定ユニット２３０により測定された当該脚体の股関節角度θに基づき、脚体状態判定判定ユニット２１０により、当該脚体の大腿部が基準面より前方及び後方のいずれにあるかが判定される（ｓ１．２）。また、この場合、測定ユニット２３０により測定された当該脚体の股関節角速度θ’に基づき、脚体状態判定判定ユニット２１０により、当該脚体の大腿部が前方及び後方のいずれに移動しているかが判定される（ｓ１．２）。
【００８６】
続いて係数設定ユニット２２０により、脚体状態判定ユニットの判定結果（ｓ１．１，ｓ１．２参照）に基づき、第１係数ｋ１ｉ（ｉ＝１，２，３）及び第２係数ｋ２ｊ（ｊ＝１，２，３，４）が次のように複数の場合（１） 〜（４） に応じて設定される。
【００８７】
すなわち、（１） 遊脚の大腿部が基準面より後方にあり（股関節角度θが負）、当該遊脚の大腿部が前方移動している（股関節角速度θ’が正）場合、第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが有限値（≠０）に設定される（ｓ２．１）。
【００８８】
また、（２） 遊脚の大腿部が基準面より後方にあり（股関節角度θが負）、当該遊脚の大腿部が後方移動している（股関節角速度θ’が負）場合、第１係数ｋ１ｉが有限値に設定され、第２係数ｋ２ｊが０に設定される（ｓ２．２）。
【００８９】
さらに（３） 遊脚の大腿部が基準面より前方にあり（股関節角度θが正）、当該遊脚の大腿部が前方移動している（股関節角速度θ’が正）場合、第１係数ｋ１ｉが０に設定され、第２係数ｋ２ｊが有限値に設定される（ｓ２．３）。
【００９０】
また、（４） 遊脚の大腿部が基準面より前方にあり（股関節角度θが正）、当該遊脚の大腿部が後方移動している（股関節角速度θ’が負）場合、第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが０に設定される（ｓ２．４）。
【００９１】
次に測定ユニット２３０により当該遊脚の股関節角度θ及び股関節角速度θ’が測定される（ｓ３）。
【００９２】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１係数ｋ１ｉと、股関節角度θの関数ｆｉ としてのθ、θａ 及びＩθとに基づき、前記式（ｉ） に従って第１トルクＴ１ が設定される（ｓ４．１）。
【００９３】
またトルク設定ユニット２４０により第２係数ｋ２ｊと、股関節角速度θ’の関数ｇｊ としてのθ’、θ’ｂ 、Ｉθ’及びｄθ’と前記式（ｉｉ）に従って第２トルクＴ２ が設定される（ｓ４．２）。
【００９４】
さらにトルク設定ユニット２４０により、当該遊脚の股関節回りに付与されることで、動作補助装置１００の装着に伴う人間の動作負担を軽減するための第３トルクＴ３ が設定される（ｓ４．３）。
【００９５】
そして、トルク設定ユニット２４０により、第１トルクＴ１ 、第２トルクＴ２ 及び第３トルクＴ３ に基づき、前記式（ｖ） に従って遊脚の股関節トルクＴが設定される（ｓ４．４）。
【００９６】
具体的には、（１） 遊脚の大腿部が基準面より後方で前方移動している場合、第１トルクＴ１ 、第２トルクＴ２ 及び第３トルクＴ３ の和が当該遊脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが有限値（≠０）に設定され（ｓ２．１）、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ も有限値に設定され得るからである。
【００９７】
また、（２） 遊脚の大腿部が基準面より後方で後方移動している場合、第１トルクＴ１ 及び第３トルクＴ３ の和が当該遊脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ１ｉが有限値に設定され、第２係数ｋ２ｊが０に設定され（ｓ２．２）、第１トルクＴ１ が有限値に設定され得る一方、第２トルクＴ２ が０に設定されるからである。
【００９８】
さらに（３） 遊脚の大腿部が基準面より前方で前方移動している場合、第２トルクＴ２ 及び第３トルクＴ３ の和が当該遊脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ１ｉが０に設定され、第２係数ｋ２ｊが有限値に設定され（ｓ２．３）、第１トルクＴ１ が０に設定される一方、第２トルクＴ２ が有限値に設定され得るからである。
【００９９】
また、（４） 遊脚の大腿部が基準面より前方で後方移動している場合、第３トルクＴ３ が当該遊脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが０に設定され（ｓ２．４）、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が０に設定されるからである。
【０１００】
一方、脚体状態判定ユニット２１０により脚体が「立脚」であると判定された場合、測定ユニット２３０により測定された両脚体の大腿部が基準面より前方にあるか（股関節角度θがともに正であるか）否かが判定される（ｓ１．３）。
【０１０１】
ここで、両脚体の大腿部が基準面より前方にある（股関節角度θがともに正である）のではないと判定された場合、係数設定ユニット２２０により、脚体状態判定ユニット２１０の判定結果（ｓ１．１，ｓ１．３参照）に基づき、第１係数ｋ１ｉ（ｉ＝１，２，３）及び第２係数ｋ２ｊ（ｊ＝１，２，３，４）が次のように複数の場合（５） 〜（８） に応じて設定される。
【０１０２】
すなわち、（５） 立脚の大腿部が基準面より前方にあり（股関節角度θが正）、立脚の大腿部が後方移動している（股関節角速度θ’が負）場合、第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが有限値（≠０）に設定される（ｓ２．５）。
【０１０３】
また、（６） 立脚の大腿部が基準面より前方にあり（股関節角度θが正）、立脚の大腿部が前方移動している（股関節角速度θ’が正）場合、第１係数ｋ１ｉが有限値に設定され、第２係数ｋ２ｊが０に設定される（ｓ２．６）。
【０１０４】
さらに（７） 立脚の大腿部が基準面より後方にあり（股関節角度θが負）、立脚の大腿部が後方移動している（股関節角速度θ’が負）場合、第１係数ｋ１ｉが０に設定され、第２係数ｋ２ｊが有限値に設定される（ｓ２．７）。
【０１０５】
また、（８） 立脚の大腿部が基準面より前方にあり（股関節角度θが正）、立脚の大腿部が後方移動している（股関節角速度θ’が負）場合、第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが０に設定される（ｓ２．８）。
【０１０６】
次に測定ユニット２３０により当該遊脚の股関節角度θ及び股関節角速度θ’が測定される（ｓ３）。
【０１０７】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１トルクＴ１ 、第２トルクＴ２ 、第３トルクＴ３ 及び当該立脚の股関節トルクＴが設定される（ｓ４．１〜４．４）。なお、第３トルクＴ３ は「０」に設定される。
【０１０８】
具体的には、（５） 立脚の大腿部が基準面より前方で後方移動している場合、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ の和が当該立脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが有限値（≠０）に設定され（ｓ２．５）、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ も有限値に設定され得るからである。
【０１０９】
また、（６） 立脚の大腿部が基準面より前方で前方移動している場合、第１トルクＴ１ が当該立脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ１ｉが有限値に設定され、第２係数ｋ２ｊが０に設定され（ｓ２．６）、第１トルクＴ１ が有限値に設定され得る一方、第２トルクＴ２ は０に設定されるからである。
【０１１０】
さらに、（７） 立脚の大腿部が基準面より後方で後方移動している場合、第２トルクＴ２ が当該立脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ１ｉが０に設定され、第２係数ｋ２ｊが有限値に設定され（ｓ２．７）、第１トルクＴ１ が０に設定される一方、第２トルクＴ２ が有限値に設定され得るからである。
【０１１１】
また、（８） 立脚の大腿部が基準面より後方で前方移動している場合、当該立脚の股関節トルクＴは０に設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが０に設定され（ｓ２．８）、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が０に設定されるからである。
【０１１２】
また両脚体の大腿部がともに基準面より前方にある（股関節角度θが正）と判定された場合、係数設定ユニット２２０により、脚体状態判定ユニット２１０の判定結果（ｓ１．１，ｓ１．３参照）に基づき、第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが次のように複数の場合（９） 〜（１１）に応じて設定される。
【０１１３】
すなわち、（９） 両立脚の大腿部が後方移動し（股関節角速度θ’が負）、人間の重心ＣＧと、脚体の足部の重心位置ＳＣＧとの前後方向の間隔ｄ（図２参照）が所定間隔ｄ０ 未満であると判定された場合、第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが有限値（≠０）に設定される（ｓ２．９）。
【０１１４】
また、（１０）両立脚の大腿部が前方移動し（股関節角速度θ’が正）、間隔ｄが所定間隔ｄ０ 未満であると判定された場合、第１係数ｋ１ｉが有限値に設定される一方、第２係数ｋ２ｊが０に設定される（ｓ２．１０）。
【０１１５】
さらに（１１）間隔ｄが所定間隔ｄ０ 以上であると判定された場合、第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが０に設定される（ｓ２．１１）。
【０１１６】
次に測定ユニット２３０により当該遊脚の股関節角度θ及び股関節角速度θ’が測定される（ｓ３）。
【０１１７】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１トルクＴ１ 、第２トルクＴ２ 、第３トルクＴ３ 及び当該立脚の股関節トルクＴが設定される（ｓ４．１〜４．４）。なお、第３トルクＴ３ は「０」に設定される。
【０１１８】
具体的には、（９） 間隔ｄ（図２参照）が所定間隔ｄ０ 未満の状態で両立脚の大腿部が基準面より前方で後方移動している場合、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ の和が両立脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが有限値（≠０）に設定され（ｓ２．９）、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が有限値に設定され得るからである。
【０１１９】
また、（１０）間隔ｄ（図２参照）が所定間隔ｄ０ 未満の状態で両立脚の大腿部が基準面より前方で前方移動している場合、第１トルクＴ１ が両立脚の股関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ１ｉが有限値に設定され、第２係数ｋ２ｊが０に設定され（ｓ２．１０）、第１トルクＴ１ が有限値に設定され得る一方、第２トルクＴ２ が０に設定されるからである。
【０１２０】
さらに（１１）両立脚の大腿部がともに基準面より前方にあって間隔ｄが所定間隔ｄ０ 以上である場合、当該両立脚の股関節トルクＴが０に設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが０に設定され（ｓ２．１１）、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が０に設定されるからである。
【０１２１】
次に、動作補助装置１００の膝関節アクチュエータ１０４により、脚体の膝関節トルクＴが、制御システム２００によりどのように設定されるかについて図５を用いて説明する。
【０１２２】
まず、脚体状態判定ユニット２１０により左右のフットスイッチ２１２の出力信号に基づいて各脚体が離床状態にある「遊脚」であるか、着床状態にある「立脚」であるかが判定される（ｓ５．１）。
【０１２３】
（１’）脚体が「遊脚」であると判定された場合、第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが０に設定される（ｓ６．１）。
【０１２４】
次に測定ユニット２３０により当該遊脚の膝関節角度φ及び膝関節角速度φ’が測定される（ｓ７）。
【０１２５】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１係数ｋ１ｉと、股関節角度θの関数ｆｉ としてのθ、θａ 及びＩθとに基づき、前記式（ｉ） に従って第１トルクＴ１ が設定される（ｓ８．１）。
【０１２６】
またトルク設定ユニット２４０により第２係数ｋ２ｊと、股関節角速度θ’の関数ｇｊ としてのθ’、θ’ｂ 、Ｉθ’及びｄθ’と前記式（ｉｉ）に従って第２トルクＴ２ が設定される（ｓ８．２）。
【０１２７】
さらにトルク設定ユニット２４０により、脚体の膝関節回りに付与されることで、動作補助装置１００の装着に伴う人間の動作負担を軽減するための第３トルクＴ３ が設定される（ｓ８．３）。
【０１２８】
そして、トルク設定ユニット２４０により、第１トルクＴ１ 、第２トルクＴ２ 及び第３トルクＴ３ に基づき、前記式（ｖ） に従って遊脚の股関節トルクＴが設定される（ｓ８．４）。
【０１２９】
具体的には、（１’）脚体が「遊脚」である場合、第３トルクＴ３ が当該遊脚の膝関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが０に設定され（ｓ６．１）、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が０に設定されるからである。
【０１３０】
一方、脚体が「立脚」であると判定された場合、両脚体の大腿部が基準面より前方にあるか（測定ユニット２３０により測定された両脚体の股関節角度θがともに正であるか）否かが判定される（ｓ５．２）。
【０１３１】
両脚体の大腿部が基準面より前方にあるのではない（股関節角度θがともに正であるのではない）と判定された場合、係数設定ユニット２２０により、脚体状態判定ユニット２１０の判定結果（ｓ５．１，ｓ５．２参照）に基づき、第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが次のように複数の場合（２’）及び（３’）に応じて設定される。
【０１３２】
すなわち、（２’）立脚の大腿部が基準面より前方にある（股関節角度θが正）場合、第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが有限値に設定される（ｓ６．２）。
【０１３３】
また、（３’）立脚の大腿部が基準面より後方にある（股関節角度θが負）場合、第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが０に設定される（ｓ６．３）。
【０１３４】
次に測定ユニット２３０により当該立脚の膝関節角度φ及び膝関節角速度φ’が測定される（ｓ７）。
【０１３５】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１トルクＴ１ 、第２トルクＴ２ 、第３トルクＴ３ 及び当該立脚の膝関節トルクＴが設定される（ｓ８．１〜８．４）。なお、第３トルクＴ３ は「０」に設定される。
【０１３６】
具体的には、（２’）立脚の大腿部が基準面より前方にある場合、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ の和が当該立脚の膝関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが有限値（≠０）に設定され（ｓ６．２）、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が有限値に設定され得るからである。
【０１３７】
また、（３’）立脚の大腿部が基準面より後方にある場合、当該立脚の膝関節トルクＴが０に設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが０に設定され（ｓ６．３）、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が０に設定されるからである。
【０１３８】
また、両脚体の大腿部が基準面より前方にある（両脚体の股関節角度θがともに正である）と判定された場合、係数設定ユニット２２０により、脚体状態判定ユニットの判定結果（ｓ２１０，ｓ２１２参照）に基づき、第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが次のように複数の場合（４’）及び（５’）に応じて設定される。
【０１３９】
すなわち、（４’）人間の重心ＣＧと足部の重心位置ＳＣＧとの前後方向の間隔ｄ（図２参照）が所定間隔ｄ０ 未満である場合、第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが有限値（≠０）に設定される（ｓ６．４）。
【０１４０】
また、（５’）間隔ｄが所定間隔ｄ０ 以上である場合、第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが０に設定される（ｓ６．５）。
【０１４１】
次に測定ユニット２３０により当該立脚の膝関節角度φ及び膝関節角速度φ’が測定される（ｓ７）。
【０１４２】
続いてトルク設定ユニット２４０により第１トルクＴ１ 、第２トルクＴ２ 、第３トルクＴ３ 及び当該立脚の膝関節トルクＴが設定される（ｓ８．１〜８．４）。なお、第３トルクＴ３ は「０」に設定される。
【０１４３】
具体的には、（４’）両立脚が基準面より前方にあって、間隔ｄが所定間隔ｄ０ 未満である場合、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ の和が当該立脚の膝関節トルクＴとして設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが有限値（≠０）に設定され（ｓ６．４）、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が有限値に設定され得るからである。
【０１４４】
また、（５’）両立脚が基準面より前方にあって、間隔ｄが所定間隔ｄ０ 以上である場合、当該立脚の膝関節トルクＴは０に設定される。これは、この場合、前記のように第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊが０に設定され（ｓ６．５）、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が０に設定されるからである。
【０１４５】
図４及び図５に示された手順に従って設定されたトルクＴが、脚体の股関節及び膝関節に付与されるようにトルク制御ユニット２５０により動作補助装置１００が制御される。
【０１４６】
具体的には、まず信号生成ユニット２５２によりトルク設定ユニット２４０により設定されたトルクＴに応じたレベルの信号が生成される。次に信号生成ユニット２５２により生成された信号がフィルタ２５４に入力される。そして、トルク制御ユニット２５０により、フィルタ２５４の出力に基づき、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、当該トルクＴに到るようにバッテリ１０６からアクチュエータ１０２及び１０４への供給電力が制御される。
【０１４７】
続いて、動作補助装置１００を装着した人間の脚体の股関節及び膝関節トルクＴ（ｔ）が、当該人間の動作に応じて制御システム２００によりどのように制御されるかを図６〜図１４を用いて説明する。
【０１４８】
まず、平地歩行時において、脚体の股関節及び膝関節の角度と、脚体の股関節及び膝関節トルクとがどのように変化するかを図６、図７及び図８を用いて説明する。
【０１４９】
平地歩行時における人間の姿勢及び動作は図６（ａ）〜図６（ｇ）に示すように変化する。
【０１５０】
図６（ａ）は右脚体Ｒが遊脚であり、右大腿部が基準面ｐより後方で矢印Ａ＋ で示すように前方移動する一方、左脚体Ｌが立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲１▼を示す。
【０１５１】
図６（ｂ）は右脚体Ｒが遊脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ＋ で示すように前方移動する一方、左脚体Ｌが立脚であり、左大腿部が基準面ｐより後方にある状態▲２▼を示す。
【０１５２】
図６（ｃ）は右脚体Ｒが遊脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ− で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌが立脚であり、左大腿部が基準面ｐより後方にある状態▲３▼を示す。
【０１５３】
図６（ｄ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ− で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌも立脚であり、左大腿部が基準面ｐより後方にある状態▲４▼を示す。
【０１５４】
図６（ｅ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ− で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌが遊脚であり、左大腿部が基準面ｐより後方にある状態▲５▼を示す。
【０１５５】
図６（ｆ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより後方で矢印Ａ− で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌが遊脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲６▼を示す。
【０１５６】
図６（ｇ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより後方で矢印Ａ− で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌも立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲７▼を示す。
【０１５７】
平地歩行時において図６（ａ）〜図６（ｇ）に示す状態▲１▼〜▲７▼の変遷に応じ、右脚体Ｒの股関節角度θ及び股関節トルクＴは図７に示すように変化する。図７に示す状態▲１▼〜▲７▼の変遷周期は約１．５［ｓｅｃ］である。
【０１５８】
図４に示すトルク設定処理によれば、状態▲１▼では第１トルクＴ１ （＝Σｉ ｋ１ｉｆｉ （θ））及び第２トルクＴ２ （＝Σｊ ｋ２ｊｇｊ （θ））の和（一点鎖線）と、第３トルクＴ３ （点線）との和が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．１，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。
【０１５９】
さらに状態▲２▼では第２トルクＴ２ と第３トルクＴ３ との和が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．２，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。
【０１６０】
また、状態▲３▼では第３トルクＴ３ が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．４，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。状態▲２▼から状態▲３▼に切り替わったとき、図７に示すように第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ の和（一点鎖線）が０に設定されるので、股関節トルクＴの大きさが減少する。
【０１６１】
さらに状態▲４▼及び▲５▼では第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ の和が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．５，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。状態▲４▼から状態▲５▼に切り替わった後、図７に示すように股関節トルクＴは徐々に増大した後徐々に減少するように設定される。
【０１６２】
また状態▲６▼及び▲７▼では第２トルクＴ２ が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．７，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。
【０１６３】
また、平地歩行時において、図６（ａ）〜図６（ｇ）に示す状態▲１▼〜▲７▼の変遷に応じ、右脚体Ｒの膝関節角度φ及び膝関節トルクＴは図８に示すように変化する。図８に示す状態▲１▼〜▲７▼の変遷周期は約１．５［ｓｅｃ］である。
【０１６４】
図５に示すトルク設定処理によれば、状態▲１▼〜▲３▼では第３トルクＴ３ （点線）が膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．１，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。
【０１６５】
また、状態▲４▼及び▲５▼では第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ の和（一点鎖線）が膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．２，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。状態▲４▼から状態▲５▼に切り替わった後、図８に示すように膝関節トルクＴは徐々に増大した後徐々に減少するように設定される。
【０１６６】
さらに状態▲６▼及び▲７▼では第２トルクＴ２ が膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．３，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。
【０１６７】
次に階段や坂道等の昇り歩行時において、脚体の股関節及び膝関節の角度と、脚体の股関節及び膝関節トルクとがどのように変化するかを図９、図１０及び図１１を用いて説明する。
【０１６８】
昇り歩行時における人間の姿勢及び動作は図９（ａ）〜図９（ｆ）に示すように変化する。
【０１６９】
図９（ａ）は右脚体Ｒが遊脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ＋ で示すように前方移動する一方、左脚体Ｌが立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲１▼’を示す。
【０１７０】
図９（ｂ）は右脚体Ｒが遊脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ− で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌが立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲２▼’を示す。
【０１７１】
図９（ｃ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ− で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌも立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲３▼’を示す。
【０１７２】
図９（ｄ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ− で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌが遊脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲４▼’を示す。
【０１７３】
図９（ｅ）は右脚体Ｒが立脚であり、右大腿部が基準面ｐより前方で矢印Ａ− で示すように後方移動する一方、左脚体Ｌも立脚であり、左大腿部が基準面ｐより前方にある状態▲５▼’を示す。
【０１７４】
平地歩行時において、図９（ａ）〜図９（ｅ）に示す状態▲１▼’〜▲５▼’の変遷に応じ、右脚体Ｒの股関節角度θ及び股関節トルクＴは図１０に示すように変化する。図７に示す平地歩行時の股関節トルクＴと比較して図１０に示す昇り歩行時の股関節トルクＴが全般的に大きくなっている。図１０に示す状態▲１▼’〜▲５▼’の変遷周期は約３．０［ｓｅｃ］である。
【０１７５】
図４に示すトルク設定処理によれば、状態▲１▼’では第２トルクＴ２ （二点鎖線）と、第３トルクＴ３ （点線）との和が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．３，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。
【０１７６】
また状態▲２▼’では第３トルクＴ３ が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．４，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。状態▲１▼’から状態▲２▼’に切り替わったとき、図１０に示すように第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ の和（一点鎖線）が０に設定されるので、トルクＴの大きさが減少する。
【０１７７】
さらに状態▲３▼’〜▲５▼’では第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ の和（一点鎖線）が股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．５，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。状態▲３▼’から状態▲４▼’に切り替わった後、図１０に示すように股関節トルクＴは徐々に増大した後徐々に減少するように設定される。
【０１７８】
また、昇り歩行時において、図９（ａ）〜図９（ｅ）に示す状態▲１▼’〜▲５▼’の変遷に応じ、右脚体Ｒの膝関節角度φ及び膝関節トルクＴは図１１に示すように変化する。図８に示す平地歩行時の膝関節トルクＴと比較して図１１に示す昇り歩行時の膝関節トルクＴが全般的に大きくなっている。図１１に示す状態▲１▼’〜▲５▼’の変遷周期は約３．０［ｓｅｃ］である。
【０１７９】
図５に示すトルク設定処理によれば、状態▲１▼’及び▲２▼’では第３トルクＴ３ （点線）が膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．１，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。
【０１８０】
また状態▲３▼’〜▲５▼’では第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ の和（一点鎖線）が膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．２，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。状態▲３▼’から状態▲４▼’に切り替わった後、図１１に示すように膝関節トルクＴは徐々に増大した後徐々に減少するように設定される。
【０１８１】
続いて、椅子着座・起立時において、脚体の股関節及び膝関節の角度と、脚体の股関節及び膝関節トルクとがどのように変化するかを図１２、図１３及び図１４を用いて説明する。
【０１８２】
椅子着座・起立時における人間の姿勢及び動作は図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示すように変化する。
【０１８３】
図１２（ａ）は人間が起立している状態▲１▼”を示す。
【０１８４】
図１２（ｂ）は両脚体が立脚であり、重心ＣＧと足部の重心位置ＳＣＧとの前後方向の間隔ｄが所定間隔ｄ０ 未満である状態▲２▼”を示す。
【０１８５】
図１２（ｃ）は両脚体が立脚であり、間隔ｄが所定間隔ｄ０ 以上である状態▲３▼”を示す。
【０１８６】
図１２（ｄ）は人間が椅子ｃに着座している状態▲４▼”を示す。
【０１８７】
椅子着座・起立時において図１２（ａ）〜図１２（ｄ）に示す状態▲１▼”〜▲４▼”の変遷（起立状態から椅子に着座するまでの動作に相当）及び状態▲４▼”〜▲１▼”の変遷（椅子への着座状態から起立するまでの動作に相当）に応じ、脚体の股関節角度θ及び股関節トルクＴは図１３に示すように変化する。図１３に示す状態▲１▼”〜▲４▼”の変遷周期は約５．５［ｓｅｃ］である。
【０１８８】
図４に示すトルク設定処理によれば状態▲１▼”では、両立脚の股関節トルクＴが０に設定される。
【０１８９】
図１３で右側の状態▲２▼”では、両立脚の大腿部が後方移動しており（起立動作）、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ の和が両立脚の股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．９，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。また図１３で左側の状態▲２▼”では、両立脚の大腿部が前方移動しており（着座動作）、第１トルクＴ１ が両立脚の股関節トルクＴとして設定される（図４ｓ２．１０，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）。
【０１９０】
また、状態▲３▼”では両立脚の股関節トルクＴが０に設定され（図４ｓ２．１１，ｓ３，ｓ４．１〜４．４参照）、状態▲４▼”でも両立脚の股関節トルクＴが０に設定される。
【０１９１】
また、椅子着座・起立時において図１２（ａ）〜図１２（ｄ）に示す状態▲１▼”〜▲４▼”の変遷（起立状態から椅子に着座するまでの動作に対応する。）及び状態▲４▼”〜▲１▼”の変遷（椅子への着座状態から起立するまでの動作に対応する。）に応じ、脚体の膝関節角度φ及び膝関節トルクＴは図１４に示すように変化する。図１４に示す状態▲１▼”〜▲４▼”の変遷周期は約５．５［ｓｅｃ］である。
【０１９２】
図５に示すトルク設定処理によれば、状態▲１▼”では両立脚の膝関節トルクＴが０に設定される。
【０１９３】
状態▲２▼”では第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ の和が両立脚の膝関節トルクＴとして設定される（図５ｓ６．４，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）。
【０１９４】
また状態▲３▼”では両立脚の膝関節トルクＴが０に設定され（図５ｓ６．５，ｓ７，ｓ８．１〜８．４参照）、状態▲４▼”でも両立脚の膝関節トルクＴが０に設定される。
【０１９５】
前記のように動作補助装置１００を制御する制御システム２００によれば、第１トルクＴ１ が第１係数ｋ１ｉと、股関節角度θ及び膝関節角度φ（姿勢変数ｘ）の関数ｆｉ との積の和Σｉ ｋ１ｉｆｉ として設定される（前記式（ｉ） 参照）。すなわち、第１トルクＴ１ はバネ係数ｋ１ｉを有する仮想的なバネの変位ｆｉ に応じた力として表現される。
【０１９６】
前記のように第１係数ｋ１ｉは、「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定され、当該仮想的なバネの変位ｆｉ には脚体の股関節角度θ及び膝関節角度φにより表される人間の「姿勢」が反映されている。従って、第１トルクＴ１ は人間の「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらに人間の「姿勢」に鑑み、当該人間に違和感を感じさせない観点から適切に設定され得る。
【０１９７】
また、第２トルクＴ２ が第２係数ｋ２ｊと、股関節角速度θ’及び膝関節角速度φ’（動作変数ｙ）の関数ｇｊ との積の和Σｊ ｋ２ｊｇｊ として設定される（前記式（ｉｉ）参照）。すなわち、第２トルクＴ２ はバネ係数ｋ２ｊを有する仮想的なバネの変位ｇｊ に応じた力として表現される。
【０１９８】
前記のように第２係数ｋ２ｊは、「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」に応じて設定され、当該仮想的なバネの変位ｇｊ には股関節角速度θ’及び膝関節角速度φ’により表される人間の「動作」が反映されている。従って、第２トルクＴ２ は「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらに人間の「動作」に鑑み、当該人間に違和感を感じさせない観点から適切に設定され得る。
【０１９９】
そして、人間の脚体の関節回りに付与されるトルクＴが、第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ に基づいて設定される。このため、人間の脚体の関節周りに付与されるトルクＴは「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、さらには人間の「姿勢」及び「動作」に応じ、当該人間に動作の違和感を感じさせない観点から適切な大きさに設定され得る。
【０２００】
また、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定手段により設定されたトルクＴに到るように動作補助装置が制御される。このため、人間の脚体の関節周りに付与されるトルクＴ（ｔ）は時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から当該設定トルクＴまで徐々に増加するように滑らかに変化する。
【０２０１】
従って、本発明によれば「遊脚・立脚の別」「脚体姿勢」及び「脚体動作」、人間の「姿勢」及び「動作」に鑑みて適切な大きさに設定されたトルクＴが、滑らかに当該人間の脚体の関節回りに付与される。このため、動作補助装置によりその動作（歩行、走行、着座、起立等）が補助されている人間に違和感を感じさせないように動作補助装置が滑らかに制御され得る。
【０２０２】
さらに、第３トルクＴ３ が含まれるように設定されたトルクＴが脚体（遊脚）の関節回りに付与され得る。これにより、歩行補助装置１００の装着による人間の動作負担、具体的には、遊脚の移動に伴う当該遊脚の関節回りの動作負担が軽減され得る。
【０２０３】
ここで歩行時に（Ａ）全くトルクが付与されない場合、（Ｂ）第３トルクＴ３ のうち摩擦力補償トルクＴ３Ｆが付与された場合、（Ｃ）第１トルクＴ１ 、第２トルクＴ２ 及び摩擦力補償トルクＴ３Ｆが付与された場合の股関節角度θ−膝関節角度φの軌跡を図１５を用いて説明する。
【０２０４】
歩行時に（Ｂ）第３トルクＴ３ のみが付与された場合の軌跡（破線）は（Ａ）全くトルクが付与されない場合の軌跡（一点鎖線）よりも、膝関節角度φについて広がりが大きくなっている。これは、股関節及び膝関節回りに摩擦力補償トルクＴ３Ｆが付与されることで歩行動作が補助され、脚体動作が大きくなり、人間が自然に近い動作・姿勢で歩行し得ることを意味する。
【０２０５】
また、歩行時に（Ｃ）第１トルクＴ１ 、第２トルクＴ２ 及び摩擦力補償トルクＴ３Ｆが付与された場合の軌跡（実線）は（Ｂ）摩擦力補償トルクＴ３Ｆが付与された場合の軌跡（破線）よりも股関節角度θ及び膝関節角度φについて広がりが大きなっている。これは、摩擦力補償トルクＴ３Ｆに加えて第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が付与されることで歩行動作が補助され、脚体動作がさらに大きくなり、人間がさらに自然に近い動作・姿勢で歩行し得ることを意味する。
【０２０６】
続いて両膝屈伸時に（Ａ）全くトルクが付与されない場合、（Ｂ）第３トルクＴ３ のうち摩擦力補償トルクＴ３Ｆが付与された場合、（Ｃ）第１トルクＴ１ 、第２トルクＴ２ 及び摩擦力補償トルクＴ３Ｆが付与された場合の股関節角度θ−膝関節角度φの軌跡を図１６を用いて説明する。
【０２０７】
両膝屈伸時に（Ｂ）第３トルクＴ３ のみが付与された場合の軌跡（破線）は（Ａ）全くトルクが付与されない場合の軌跡（一点鎖線）よりも、膝関節角度φについて正方向にずれている。これは、股関節及び膝関節回りに摩擦力補償トルクＴ３Ｆが付与されることで両膝屈伸動作が補助され、脚体動作が大きくなり、人間が自然に近い動作・姿勢で両膝を屈伸し得ることを意味する。
【０２０８】
また、両膝屈伸時に（Ｃ）第１トルクＴ１ 、第２トルクＴ２ 及び摩擦力補償トルクＴ３Ｆが付与された場合の軌跡（実線）は（Ｂ）摩擦力補償トルクＴ３Ｆが付与された場合の軌跡（破線）よりも膝関節角度φについて正方向にずれている。これは、摩擦力補償トルクＴ３Ｆに加えて第１トルクＴ１ 及び第２トルクＴ２ が付与されることで両膝屈伸動作が補助され、脚体動作がさらに大きくなり、人間がさらに自然に近い動作・姿勢で両膝を屈伸し得ることを意味する。
【０２０９】
なお前記実施形態では第１トルクＴ１ の設定時、姿勢変数ｘ＝（θ，φ）の関数ｆｉ として（θ，φ）、（θａ ，φａ ）及び（Ｉθ，Ｉφ）が用いられ、第２トルクＴ２ の設定時、動作変数ｙ＝（θ’，φ’）の関数ｇｊ として、（θ’，φ’）、（θ’ａ ，φ’ａ ）、（Ｉθ’，Ｉφ’）及び（ｄθ’，ｄφ’）が用いられたが、他の実施形態として関数ｆｉ 及び関数ｇｊ として前記以外の関数が用いられてもよく、また、関数の組合せパターンが種々変更されてもよい。
【０２１０】
前記実施形態では第２バネ係数ｋ２ｊが有限値に設定される場合があったが（図４ｓ２．１，ｓ２．３，ｓ２．５，図５ｓ６．１等参照）、他の実施形態として第２バネ係数ｋ２ｊが定常的に０に設定されてもよい。当該他の実施形態によれば、人間の動作に応じた第２トルクＴ２ が排除された形で、当該人間の脚体の関節回りにトルクＴが付与され得る。
【０２１１】
前記実施形態ではフットスイッチ２１２（図１参照）により脚体が遊脚であるか立脚であるかが判断されたが（図４ｓ１．１，図５ｓ５．１参照）、他の実施形態として膝関節部分や足関節部分に赤外線を用いて床面との距離を測定する距離センサ（図示略）が設けられ、当該距離センサにより測定される距離に基づいて脚体が遊脚であるか立脚であるかが判断されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】動作補助装置及び本発明の制御システムの構成説明図
【図２】姿勢変数及び動作変数の定義説明図
【図３】重力補償トルクの導出用変数の説明図
【図４】股関節トルクの設定方法の説明図
【図５】膝関節トルクの設定方法の説明図
【図６】平地歩行時における人間の姿勢及び動作の説明図
【図７】平地歩行時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図
【図８】平地歩行時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図
【図９】昇り歩行時における人間の姿勢及び動作の説明図
【図１０】昇り歩行時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図
【図１１】昇り歩行時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図
【図１２】椅子着座・起立時における人間の姿勢及び動作の説明図
【図１３】椅子着座・起立時における股関節角度と股関節トルクとの相関説明図
【図１４】椅子着座・起立時における膝関節角度と膝関節トルクとの相関説明図
【図１５】歩行時における股関節角度−膝関節角度軌跡の説明図
【図１６】両膝屈伸時における股関節角度−膝関節角度軌跡の説明図
【符号の説明】
１００‥動作補助装置、１０２，１０４‥アクチュエータ、２００‥制御システム、２１０‥脚体状態判定ユニット、２１２‥フットスイッチ、２２０‥係数設定ユニット、２２２‥股関節角度センサ、２２４‥膝関節角度センサ、２３０‥測定ユニット、２４０‥トルク設定ユニット、２５０‥トルク制御ユニット、２５２‥信号生成ユニット、２５４‥フィルタ、ｐ‥基準面[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a system for controlling a motion assisting device that assists a human motion by applying a torque around a joint of a human leg.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an operation (walking) assisting device has been proposed in which the timing of applying a thigh assisting force is controlled in accordance with the angular velocity of a human thigh (see, for example, Patent Document 1). According to this motion assisting device, an assisting force is applied to the thigh in accordance with the change in the angle of the thigh of the human, so that the human walking or sitting can be assisted.
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2000-166997 A
(Paragraphs 0020 to 0024, paragraphs 0038 to 0044, FIGS. 5 and 8)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, even if the timing at which the assisting force is applied to the human leg is appropriate, if the magnitude of the assisting force or the time change is inappropriate, the human may feel uncomfortable using the motion assisting device. .
[0005]
In view of the above, the present invention provides a system that can control a motion assist device so that an appropriate torque is applied around a joint of a leg in order for a person to naturally perform an operation such as walking without feeling uncomfortable. Is the solution.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the control system of the motion assist device according to the present invention is configured to determine whether the leg is a standing leg in a landing state or a free leg in a leaving state, and a leg posture or a leg. A first coefficient k based on a determination result by the leg state determination means for determining the posture and the leg movement; 1i (I = 1, 2, ‥) and the second coefficient k 2j Coefficient setting means for setting (j = 1, 2,...), A posture variable x changing according to the posture of the human, and a measuring means measuring an operation variable y changing according to the human movement; First coefficient k set by coefficient setting means 1i And a function f of the attitude variable x measured by the measuring means i Sum of product with (x)） i k 1i f i To the first torque T 1 And the second coefficient k set by the coefficient setting means. 2j And a function g of the operating variable y measured by the measuring means j Sum of product with (y) Σ j k 2j g j To the second torque T 2 And at least the first torque T 1 And the second torque T 2 Sum T of 1 + T 2 And a torque setting means for setting a torque T applied around the joint of the leg, and a torque T (t) applied around the joint of the leg is set to 0 or a finite value (> 0) over time. And a torque control means for controlling the motion assist device so as to gradually increase the torque from the torque setting means to the torque T set by the torque setting means.
[0007]
According to the present invention, the first torque T 1 Is a first coefficient k set in accordance with “different swing leg / standing leg” “leg posture” and “leg movement” 1i And the function f of the posture variable x that changes according to the "posture" of the human i Sum of products with i k 1i f i Is set as That is, the first torque T 1 Is the spring coefficient k 1i Displacement f of a virtual spring having i It is expressed as a force according to. As described above, the first coefficient k 1i Is set in accordance with “separation of free leg / standing leg”, “leg posture”, and “leg movement”, and the virtual spring displacement f is a function of the posture variable x. i Reflects the "posture" of a human. Therefore, the first torque T 1 Can be appropriately set in view of the human's "free swing / standing", "leg posture" and "leg movement", and also from the viewpoint of not causing the person to feel uncomfortable.
[0008]
Also, the second torque T 2 Is a second coefficient k that is set according to “separation of free leg / standing leg”, “leg posture”, and “leg motion”. 2j And the function g of the motion variable y that fluctuates according to the "motion" of the human j Sum of products with j k 2j g j Is set as That is, the second torque T 2 Is the spring coefficient k 2j Displacement g of a virtual spring having j It is expressed as a force according to. As described above, the second coefficient k 2j Is set according to “separation of the free leg / standing leg”, “leg posture”, and “leg motion”, and the virtual spring displacement g is a function of the motion variable y. j Reflects the "motion" of a human. Therefore, the second torque T 2 Can be set appropriately from the viewpoint of “discretion of a free leg / standing leg”, “leg posture”, and “leg movement”, and also from the viewpoint of preventing the person from feeling uncomfortable in view of the “movement” of the person.
[0009]
Then, the torque T applied around the joint of the human leg is the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set based on For this reason, the torque T applied around the joints of the human legs depends on “different swing leg / standing”, “leg posture” and “leg motion”, and furthermore, according to the “posture” and “motion” of the human. The size can be set to an appropriate size from the viewpoint of not causing the person to feel uncomfortable in the motion.
[0010]
Further, the torque T (t) applied around the joint of the leg gradually increases from 0 or a finite value (> 0) over time, and then reaches the torque T set by the torque setting means. The operation assist device is controlled. For this reason, the torque T (t) applied around the joint of the human leg smoothly changes from 0 or a finite value (> 0) to the set torque T with time.
[0011]
Therefore, according to the present invention, the torque T set to an appropriate magnitude in consideration of “separation of the free leg / standing leg”, “leg posture” and “leg motion”, and “human posture” and “motion” is Is smoothly applied around the joint of the human leg. For this reason, the motion assist device can be smoothly controlled so that the person assisted by the motion assist device (walking, running, sitting, standing up, etc.) does not feel uncomfortable.
[0012]
Further, in the control system of the motion assisting device according to the present invention, the torque setting means may include a posture variable x, a power of a posture variable x (0 <a <1) x a And the accumulated value Ix of the attitude variable x is calculated by the function f of the attitude variable x. i As the first torque T 1 Is set, and the operation variable y, the power of b of the operation variable y (b> 1) y b , The cumulative value Iy of the operation variable y and the change value dy of the operation variable y are expressed by a function g of the operation variable y. j As the second torque T 2 Is set.
[0013]
According to the invention, the function f of the attitude variable x i = X, x a And attitude, which are reflected in Ix and Ix, and function g of motion variable y j = Y, y b , Iy and dy and the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j The torque T can be appropriately set in accordance with the “leg state” reflected in the above.
[0014]
Further, the control system of the motion assisting device according to the present invention further includes: a signal generating unit that generates a signal having a level corresponding to the torque T set by the torque setting unit; A filter that outputs a signal that gradually increases from (> 0) to the level of the signal, and outputs the output of the filter according to the signal generated by the signal generation means to the motion assist device, thereby After the torque T (t) applied around the joint of the body gradually increases from 0 or a finite value (> 0) with time, the operation is assisted so that the torque T (t) reaches the torque T set by the torque setting means. It is characterized by controlling the device.
[0015]
According to the present invention, the signal is applied to the motion assist device after passing through the filter, so that the torque is set to an appropriate magnitude in consideration of the “posture”, “motion”, and “leg state” of the human. T is smoothly applied around the joint of the human leg.
[0016]
Further, when the hip joint torque T of the leg is set by the torque setting means, the leg is a free leg by the leg state determining means, and the control system of the motion assisting device of the present invention, (1) When it is determined that the thigh moves forward in the rear, and (2) when it is determined that it moves backward in the rear, (3) In the case where the thigh includes the hip joint of both legs and divides the upper body into front and rear. When it is determined to move forward in (4), according to the case where it is determined to move backward in front, the coefficient setting means sets (1) the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to a finite value (≠ 0), and (2) the first coefficient k 1i Is set to a finite value, while the second coefficient k 2j Is set to 0, and (3) the first coefficient k 1i Is set to 0 while the second coefficient k 2j Is set to a finite value, and (4) the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0.
[0017]
According to the present invention, (1) when the thigh of the free leg moves forward behind the reference plane, at least the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set to include the sum of the hip joint torque (torque applied around the hip joint) of the free leg. That is, the hip joint torque T according to the “posture” and “motion” that are the displacements of the virtual spring is applied around the hip joint of the free leg in which the thigh moves forward behind the reference plane.
[0018]
(2) When the thigh of the free leg moves backward behind the reference plane, at least the first torque T 1 While the second torque T 2 Is set so that the hip joint torque T of the free leg is excluded. That is, the hip joint torque T according to the “posture” that is the displacement of the virtual spring is applied around the hip joint of the free leg in which the thigh moves rearward behind the reference plane.
[0019]
(3) When the thigh of the free leg moves forward ahead of the reference plane, at least the second torque T 2 While the first torque T 1 Is set as the hip joint torque T of the free leg. That is, the hip joint torque T according to the “motion” as the displacement of the virtual spring is applied around the hip joint of the free leg in which the thigh moves forward ahead of the reference plane.
[0020]
(4) When the thigh of the free leg moves backward and forward from the reference plane, the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set to “0”. That is, at least the first torque T is applied around the hip joint of the free leg in which the thigh moves forward and backward from the reference plane. 1 And the second torque T 2 Is not granted.
[0021]
As described above, the hip joint torque T is set in accordance with the cases (1) to (4) and is applied around the hip joint of the free leg, so that the human motion including the movement of the free leg during walking or running is obtained. The motion assist device can be controlled so that the motion is smoothly assisted without a sense of incongruity.
[0022]
Further, the control system of the motion assisting device according to the present invention is arranged such that the torque setting means gradually increases with the forward movement of the thigh of the free leg in front of the reference plane and then gradually decreases. 2 Is set to a finite value.
[0023]
According to the present invention, when the thigh of the free leg moves forward ahead of the reference plane, the second torque T 2 Is set so as to gradually increase with the movement and then gradually decrease. Also, the second torque T 2 Is included, and the hip joint torque T of the free leg is set, and the hip joint torque T is applied around the hip joint of the free leg. Thereby, the motion assisting device can be controlled so that human motion including the motion of the free leg is smoothly assisted without a sense of incongruity.
[0024]
Further, the control system of the motion assist device of the present invention is such that when the leg state determination means determines that the leg is a free leg, the torque setting means is provided around the hip joint of the human leg, Third torque T that reduces the human's work load due to wearing of the walking assist device 3 And the third torque T 3 Is set so that the hip joint torque T of the free leg is included.
[0025]
According to the present invention, the third torque T 3 Is applied around the hip joint of the swing leg. Thereby, the operation load on the human due to the wearing of the walking assist device, specifically, the operation load around the hip joint of the free leg due to the movement of the free leg can be reduced.
[0026]
Further, the control system of the motion assist device of the present invention is configured such that the torque setting means gradually increases with the forward movement of the thigh of the free leg, and then gradually decreases with the backward movement of the thigh. Third torque T applied around the hip joint of the swing leg 3 Is set.
[0027]
According to the present invention, in view of the fact that the burden of human movement due to the wearing of the walking assist device increases with the forward movement of the thigh of the swing leg and decreases with the subsequent backward movement, The hip joint torque T including the corresponding third torque T is applied around the hip joint of the free leg.
[0028]
Thereby, the operation load of the human due to the wearing of the walking assist device, specifically, the load associated with the movement of the free leg can be more reliably reduced.
[0029]
Further, in the control system of the motion assist device of the present invention, when the knee joint torque of the leg is set by the torque setting means, the leg state determining means (1 ') determines that the leg is a free leg. In this case, the coefficient setting means sets the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0.
[0030]
According to the present invention, (1 ′) when the leg is a free leg, at least the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set so that the knee joint torque (torque applied around the knee joint) T is set. Thereby, the knee joint of the free leg can be prevented from being bent unnaturally, and the motion assist device can be controlled so that the motion of the free leg of the human at the time of walking can be smoothly assisted without discomfort.
[0031]
Further, when the hip joint torque T of the leg is set by the torque setting means, the leg state determination means sets the leg as a standing leg, and Is determined to move backward in front of the reference plane that divides the upper body into front and back, including the hip joints of both legs. If it is determined that (8) the coefficient setting means determines (5) the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to a finite value (≠ 0), and (6) the first coefficient k 1i Is set to a finite value, while the second coefficient k 2j Is set to 0, and (7) the first coefficient k 1i Is set to 0 while the second coefficient k 2j Is set to a finite value, and (8) the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0.
[0032]
According to the present invention, (5) when the thigh of the standing leg moves rearward in front of the reference plane, the hip joint torque T of the standing leg is set to “0”. That is, at least the first torque T 1 And the second torque T 2 Is not provided around the hip joint of the free leg where the thigh moves rearward in front of the reference plane.
[0033]
(6) When the thigh of the standing leg moves forward ahead of the reference plane, at least the first torque T 1 While the second torque T 2 Is set so that the hip joint torque T of the standing leg is excluded. That is, the torque T according to the “motion” as the displacement of the virtual spring is applied around the hip joint of the standing leg whose thigh moves forward ahead of the reference plane.
[0034]
(7) When the thigh of the standing leg moves rearward behind the reference plane, at least the second torque T 2 And the first torque T 1 Is set so that the hip joint torque T of the standing leg is excluded. That is, the hip joint torque T according to the “motion” as the displacement of the virtual spring is applied around the hip joint of the standing leg whose thigh moves rearward behind the reference plane.
[0035]
(8) When the thigh of the standing leg moves forward behind the reference plane, at least the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set so that the hip joint torque T of the standing leg is included. That is, the torque T according to the “posture” and “motion” as the displacement of the virtual spring is applied around the hip joint of the standing leg whose thigh moves forward behind the reference plane.
[0036]
As described above, the hip joint torque T is set according to the cases (5) to (8) and is applied around the hip joint of the standing leg, so that the human motion including the standing leg motion during walking or running is uncomfortable. The motion assist device can be controlled so as to be smoothly assisted.
[0037]
Further, in the control system of the motion assisting device according to the present invention, after the leg state determination unit starts the state in which only one leg is determined to be the standing leg, the torque setting unit sets the first torque T 1 And the second torque T 2 And the sum T of both 1 + T 2 Is set so as to gradually increase and then gradually decrease.
[0038]
According to the present invention, after the start of the state in which only one leg is determined to be a standing leg, the hip joint torque T of the standing leg is set to gradually increase. Thus, after the state where both legs are standing is changed to the state where only one leg is standing, the increasing load on the one leg can be reduced.
[0039]
Further, the torque T is set so as to gradually decrease thereafter. Thereby, the situation where the hip joint torque T of the standing leg becomes excessive when the other is on the free leg is avoided, and the motion assist device can be controlled so that the human motion is smoothly assisted without a sense of incongruity.
[0040]
Further, when the knee joint torque T of the leg is set by the torque setting means, the leg state determination means sets the leg as a standing leg, and When it is determined that the part includes the hip joints of both legs and divides the upper body back and forth (2 ′) forward and (3 ′) rearward, (2 ′) First coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to a finite value, and (3 ′) the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0.
[0041]
According to the present invention, (2 ′) when the thigh of the standing leg is located forward of the reference plane, at least the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set so that the knee joint torque T of the standing leg is included. That is, the knee joint torque T according to the “posture” and “motion” as the displacement of the virtual spring is applied around the knee joint of the standing leg whose thigh is forward of the reference plane.
[0042]
(3 ′) When the thigh of the standing leg is behind the reference plane, the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set to 0. That is, at least the first torque T 1 And the second torque T 2 Is not applied to the knee joint of a standing leg whose thigh is behind the reference plane.
[0043]
As described above, after the knee joint torque T is set according to the cases (2 ′) and (3 ′), the torque is applied around the knee joint of the leg to include the operation of the standing leg during walking or running. The motion assist device can be controlled so that human motion is smoothly assisted without a sense of incongruity.
[0044]
Further, the control system of the motion assist device of the present invention, when the leg is determined by the leg state determination means is a free leg, the torque setting means is provided around the knee joint of the human leg, Third torque T that reduces the human's work load due to wearing of the walking assist device 3 And the third torque T 3 Is set such that the knee joint torque T of the free leg is included.
[0045]
According to the present invention, the third torque T 3 Is applied around the knee joint of the swing leg. Thereby, the operation load on the human due to the wearing of the walking assist device, specifically, the operation load around the knee joint of the free leg due to the movement of the free leg can be reduced.
[0046]
Further, when the hip joint torque T of the two legs is set by the torque setting means, the leg state determination means sets the two legs to standing, and the thigh of the two legs (9) The thighs of the two legs move backward, including the hip joints of the two legs, and the thighs of the two legs move rearward, and the center of gravity of the human and the position of the center of gravity of the foot of the standing leg are When it is determined that the interval in the front-rear direction is less than the predetermined interval, (10) when the thighs of both legs move forward, and when it is determined that the interval is less than the predetermined interval, (11) the interval Is determined to be greater than or equal to the predetermined interval, the coefficient setting means sets (9) the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to a finite value, and (10) the first coefficient k 1i Is set to a finite value, while the second coefficient k 2j Is set to 0, and (11) the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0.
[0047]
According to the present invention, (9) when the thighs of the legs in front of the reference plane move rearward and the interval is less than the predetermined interval, at least the first torque T 1 And the second torque T 2 Are set so that the hip joint torque T of both legs is included. In this case, it is assumed that the human is at the end of the standing motion from the chair, and the hip joint torque T of a magnitude corresponding to the “posture” and “motion” as the displacement of the virtual spring, and the thigh is higher than the reference plane. It is given around the hip joint of the legs that move forward and backward.
[0048]
(10) In the case where the thighs of the legs in front of the reference plane move forward and the interval is less than the predetermined interval, at least the first torque T 1 While the second torque T 2 Is set so that the hip joint torque T of both legs is excluded. In this case, it is assumed that it is in the initial stage of the sitting operation on the chair, and the hip joint torque T according to the “posture” as the displacement of the virtual spring is applied to the hip joint of the dual leg where the thigh moves forward ahead of the reference plane. Granted around.
[0049]
(11) When the thighs of both legs are located forward of the reference plane and the distance is equal to or longer than a predetermined distance, 1 And the second torque T 2 Is set to 0. In this case, it is assumed that it is at the end of the sitting operation on the chair or at the beginning of the standing operation from the chair, and at least the first torque T 1 And the second torque T 2 Is not applied around the hip joint of both legs.
[0050]
As described above, the hip joint torque T is set according to the cases (9) to (11), and is applied around the hip joints of both legs, so that a person sitting on the chair and standing up from the chair feels uncomfortable. The motion assist device can be controlled so as to be smoothly assisted.
[0051]
Furthermore, when the knee joint torque T of both legs is set by the torque setting means, the leg state determination means sets the two legs to standing, and the thigh of the two legs (4 ') the distance between the center of gravity of the human and the position of the center of gravity of the foot of the standing leg in the front-rear direction is less than a predetermined distance, including the hip joint angles of both legs, and dividing the upper body back and forth. If it is determined that (5 ′) the interval is equal to or longer than the predetermined interval, the coefficient setting means determines (4 ′) the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to a finite value, and (5 ′) the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0.
[0052]
According to the present invention, (4 ′) when the thighs of the both legs are located forward of the reference plane and the distance is less than the predetermined distance, at least the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set, so that the knee joint torque T of both legs is set. In this case, it is assumed that the knee joint torque T according to the “posture” and the “motion” as the displacement of the virtual spring is at the beginning of the sitting motion of the chair or at the end of the standing motion from the chair. Granted around the joint.
[0053]
(5 ′) When the thighs of both legs are in front of the reference plane and the distance is equal to or longer than a predetermined distance, the first torque T 1 And the second torque T 2 The knee joint torque T of both legs is set so as to exclude. In this case, it is assumed that it is at the end of the sitting operation on the chair or at the beginning of the standing operation from the chair, and at least the first torque T 1 And the second torque T 2 Is not applied to both legs whose thighs are forward of the reference plane and the hip joint angle is equal to or greater than a predetermined angle.
[0054]
As described above, according to the cases (4 ′) and (5 ′), the torque T is applied to the knee joints of the both legs, so that the motion of a person sitting on the chair and standing up from the chair is smoothly assisted without a sense of incongruity. The motion assist device can be controlled as described above.
[0055]
In the control system of the motion assist device of the present invention, the measuring means measures the hip joint angle θ and the hip joint angular velocity θ ′ of the leg as the posture variable x and the motion variable y, and the torque setting means measures the first coefficient k. 1i And the function f of the hip joint angle θ of the leg i Sum of product with (θ)） i k 1i f i To the first torque T 1 And the second coefficient k 2j And the function g of the hip joint angular velocity θ ′ j Sum of product with (θ ')） j k 2j g j To the second torque T 2 And the hip joint torque T of the leg is set.
[0056]
According to the present invention, the torque T is appropriately set in accordance with the “leg posture” reflected on the “leg hip angle θ of the leg” and the “leg motion” reflected on the “leg angular velocity θ ′ of the leg”. Can be set to
[0057]
Further, in the control system of the motion assist device of the present invention, the measuring means measures the knee joint angle φ and the knee joint angular velocity φ 'of the leg as the posture variable x and the motion variable y, and the torque setting means measures the first coefficient k. 1i And the function f of the hip joint angle φ of the leg i Sum of the product with (φ)） i k 1i f i To the first torque T 1 And the second coefficient k 2j And the function g of the knee joint angular velocity φ ' j Sum of product with (φ ')） j k 2j g j To the second torque T 2 And the hip joint torque T of the free leg is set.
[0058]
According to the present invention, the torque T is determined according to the “leg posture” reflected on the “knee joint angle φ of the leg” and the “leg motion” reflected on the “knee joint angular velocity φ ′ of the leg”. Can be set appropriately.
[0059]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of a control system for an operation assisting device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0060]
FIG. 1 is an explanatory diagram of the configuration of the motion assisting device and the control system of the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram of the definition of the posture variable and the operational variable, and FIG. 3 is an explanatory diagram of the variables for deriving the gravity compensation torque. 4 is an explanatory diagram of a method of setting a hip joint torque, FIG. 5 is an explanatory diagram of a method of setting a knee joint torque, FIG. 6 is an explanatory diagram of a posture and an action of a human at the time of walking on flat ground, and FIG. FIG. 8 is a diagram illustrating the correlation between the hip joint angle and the hip joint torque at the time of walking, FIG. 8 is a diagram illustrating the correlation between the knee joint angle and the knee joint torque during walking on level ground, and FIG. FIG. 10 is a diagram illustrating the correlation between the hip joint angle and the hip joint torque at the time of climbing walking, FIG. 11 is a diagram illustrating the correlation between the knee joint angle and the knee joint torque at the time of climbing walking, and FIG. When sitting on a chair or standing up 13 is a diagram illustrating the correlation between the hip joint angle and the hip joint torque when the chair is seated and standing, and FIG. 14 is the knee joint angle and the knee joint torque when the chair is seated and standing. 15 is an explanatory diagram of a hip joint angle-knee joint angle locus during walking, and FIG. 16 is an explanatory diagram of a hip joint angle-knee joint angle locus during bilateral knee flexion / extension.
[0061]
First, the configurations of the motion assist device and the control system of the present invention will be described with reference to FIG.
[0062]
1 includes a pair of left and right hip joint actuators 102 and a pair of left and right knee joint actuators 104.
[0063]
The hip joint actuator 102 applies torque T around the hip joint of each leg by power supplied from the battery 106 via an abdominal supporter 112 and a thigh supporter 114 attached to the human abdomen and thigh, respectively. The knee joint actuator 104 applies torque T around the knee joint of each leg by power supplied from the battery 106 via a thigh supporter 114 and a thigh supporter 116 attached to the pedestrian's thigh and lower leg. Attached to. The battery 106 is stored in a backpack 118 mounted on a human back.
[0064]
The control system 200 of the present invention includes a CPU and the like stored in the backpack 118.
[0065]
The control system includes a leg state determination unit 210, a coefficient setting unit 220, a measurement unit 230, a torque setting unit 240, and a torque control unit 250.
[0066]
Based on the output signal of the foot switch 212 which is arranged in a pair of front and rear on the human sole and outputs a signal corresponding to the load, the leg state determination unit 210 determines whether each of the legs is in the “standing state” in the landing state. Then, it is determined whether or not the “leg” is in a leaving state. In addition, the leg state determination unit 210 outputs a signal corresponding to the hip joint angle θ of the leg based on the output signal of the hip joint angle sensor 222, where each leg includes both hip joints and divides the upper body back and forth. (See FIG. 2) "Leg posture" is determined, such as whether the subject is ahead or behind. Further, based on the output signal of the hip joint angle sensor 222, the leg state determination unit 210 determines “leg operation” such as whether each leg is moving forward or backward. The reference plane p coincides with a vertical plane including both hip joints of the person when the person stands upright.
[0067]
The coefficient setting unit 220 calculates a first coefficient k for each of the hip joint and the knee joint of the leg based on the determination result by the leg state determining unit 210. 1i (I = 1, 2, 3) and the second coefficient k 2j (J = 1, 2, 3, 4) is set.
[0068]
The measuring unit 230 measures the left and right hip joint angles θ (= posture variable x: see FIG. 2) based on the output signal from the hip joint angle sensor 222, and measures the left and right hip joint angular velocities θ ′ (= motion variable y). The hip joint angle θ is defined as positive when there is a thigh in front of the reference plane p (see FIG. 2) and negative when there is a thigh behind the reference plane p. The hip joint angular velocity θ ′ is defined as positive when the thigh moves forward, and negative when the thigh moves backward.
[0069]
The measuring unit 230 also measures the left and right knee joint angles φ (= posture variable x: see FIG. 2) based on the output signal from the knee joint angle sensor 224, and calculates the left and right knee joint angular velocities φ ′ (= motion variable y ) Is measured.
[0070]
Further, the measuring unit 230 stores the thigh length l stored by a storage device (not shown). 1 And lower leg length l 2 Based on the hip joint angle θ according to the output of the hip joint angle sensor 222 and the knee joint angle φ according to the output of the knee joint angle sensor 224, the center of gravity CG of the human and the center of gravity SCG of the foot of the leg are calculated. Is measured in the front-back direction (see FIG. 2).
[0071]
The torque setting unit 240 determines the first coefficient k set by the coefficient setting unit 220. 1i And a function f of the attitude variable x = (θ, φ) measured by the measurement unit 220 i Posture variable x as a power of posture variable x (0 <a <1) x a And the cumulative value Ix of the posture variable x, the first torque T for each of the hip joint and the knee joint of the leg according to the following equation (i). 1 Set.
[0072]
Figure 2004329520
Further, the torque setting unit 240 is provided with the second coefficient k set by the coefficient setting unit 220. 2j And a function g of the operation variable y = (θ ′, φ ′) measured by the measurement unit 230 j Variable y as a power of motion variable b (b> 1) y b , Based on the accumulated value Iy of the motion variable y and the change value dy of the motion variable y, the second torque T for each of the hip joint and the knee joint of the leg according to the following equation (ii). 2 Set.
[0073]
Figure 2004329520
Further, the torque setting unit 240 is provided around the hip joint and the knee joint of the human leg, so that the third torque T for reducing the operation load on the human due to the wearing of the walking assist device 100 is provided. 3 Set.
[0074]
Third torque T 3 Is a gravity compensation torque T for reducing the effect of the weight of the motion assist device 100. 3G And the frictional force compensation torque T for reducing the effect of friction of the actuators 102 and 104 3F And are included.
[0075]
The torque setting unit 240 is based on a plurality of variables stored by a storage device (not shown) and a plurality of variables measured by the measurement unit 230, and a gravity compensation torque T applied around the hip joint and the knee joint. 3G Set. The variables stored in the storage device include the mass m of the thigh shown in FIG. 1 , Mass of lower leg m 2 , Thigh length l 1 , Lower leg length l 2 , Hip joint-thigh center of gravity distance l 10 And knee joint-lower leg center of gravity distance l 20 And are included. The variables measured by the measurement unit 230 include the angle of the thigh with respect to the vertical direction (the angle obtained by subtracting the inclination angle of the reference plane p with respect to the basic full face plane from the hip joint angle θ) θ q And the knee joint angle φ. Based on these variables, the gravity compensation torque T applied around the hip and knee joints 3G Are set according to the following equations (iii) and (iv), respectively.
[0076]
Figure 2004329520
The torque setting unit 240 determines the first torque T 1 , The second torque T 2 And the third torque T 3 , Each hip joint and knee joint torque T of the leg is set according to the following equation (v).
[0077]
T = T 1 + T 2 + T 3 ‥ (v)
The first torque T applied around the hip joint of the leg 1 , The second torque T 2 , The third torque T 3 The torque T is defined as positive when assisting backward movement of the thigh of the leg, and is defined as negative when assisting forward movement. Also, the first torque T applied around the knee joint of the leg 1 , The second torque T 2 , The third torque T 3 The torque T is defined as negative when assisting the knee bending of the leg, and defined as positive when assisting knee extension.
[0078]
The torque control unit 250 includes a signal generation unit 252 and a filter 254.
[0079]
The signal generation unit 252 generates a signal of a level corresponding to the torque T set by the torque setting unit 240.
[0080]
The filter 254 is a filter having a delay element, such as a first-order delay filter, and outputs a signal that gradually increases from 0 or a finite value (> 0) to the level of the signal with time according to the signal.
[0081]
Based on the output of the filter 254 according to the signal generated by the signal generation unit 252, the torque control unit 250 determines whether the torque T (t) applied around the joint of the leg is 0 or a finite value (>) over time. After gradually increasing from 0), the power supplied from the battery 106 to the actuators 102 and 104 is controlled so as to reach the torque T set by the torque setting unit 240.
[0082]
Next, a method of controlling the operation assisting device by the control system of the present invention having the above-described configuration will be described with reference to FIGS.
[0083]
First, how the hip joint torque T of the leg is set by the control system 200 by the hip joint actuator 102 of the motion assisting apparatus 100 will be described with reference to FIG. The torque setting process described below is started at a predetermined timing, for example, when a switch (not shown) of the motion assist device 100 is switched from OFF to ON.
[0084]
Based on the output signals of the left and right foot switches 212, the leg state determination unit 210 determines whether each leg is a “free leg” in a leaving state or a “standing” state in a landing state ( s1.1).
[0085]
When the leg state determination unit 210 determines that the leg is a “free leg”, the leg state determination determination unit 210 determines the leg based on the hip joint angle θ of the leg measured by the measurement unit 230. It is determined whether the thigh of the body is ahead or behind the reference plane (s1.2). In this case, based on the hip joint angular velocity θ ′ of the leg measured by the measurement unit 230, the leg state determination determination unit 210 determines whether the thigh of the leg is moving forward or backward. Is determined (s1.2).
[0086]
Subsequently, the first coefficient k is set by the coefficient setting unit 220 based on the determination result (see s1.1 and s1.2) of the leg state determination unit. 1i (I = 1, 2, 3) and the second coefficient k 2j (J = 1, 2, 3, 4) is set according to (1) to (4) when there are a plurality of cases as follows.
[0087]
That is, (1) when the thigh of the free leg is behind the reference plane (the hip joint angle θ is negative) and the thigh of the free leg is moving forward (the hip joint angular velocity θ 'is positive), 1 coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to a finite value ($ 0) (s2.1).
[0088]
(2) If the thigh of the free leg is behind the reference plane (the hip joint angle θ is negative) and the thigh of the free leg is moving backward (the hip joint angular velocity θ 'is negative), 1 coefficient k 1i Is set to a finite value and the second coefficient k 2j Is set to 0 (s2.2).
[0089]
(3) If the thigh of the free leg is forward of the reference plane (the hip joint angle θ is positive) and the thigh of the free leg is moving forward (the hip joint angular velocity θ ′ is positive), the first Coefficient k 1i Is set to 0 and the second coefficient k 2j Is set to a finite value (s2.3).
[0090]
(4) If the thigh of the free leg is forward of the reference plane (the hip joint angle θ is positive) and the thigh of the free leg is moving backward (the hip joint angular velocity θ 'is negative), 1 coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0 (s2.4).
[0091]
Next, the measurement unit 230 measures the hip joint angle θ and the hip joint angular velocity θ ′ of the free leg (s3).
[0092]
Subsequently, the first coefficient k is set by the torque setting unit 240. 1i And the function f of the hip joint angle θ i Θ, θ as a And Iθ, the first torque T according to the above equation (i). 1 Is set (s4.1).
[0093]
Further, the second coefficient k is determined by the torque setting unit 240. 2j And the function g of the hip joint angular velocity θ ′ j Θ ', θ' as b , Iθ ′ and dθ ′ and the second torque T according to the equation (ii). 2 Is set (s4.2).
[0094]
Further, the torque setting unit 240 applies the third torque T to the human body around the hip joint of the free leg to reduce a human operation load associated with the mounting of the motion assist device 100. 3 Is set (s4.3).
[0095]
Then, the first torque T is set by the torque setting unit 240. 1 , The second torque T 2 And the third torque T 3 , The hip joint torque T of the free leg is set according to the above equation (v) (s4.4).
[0096]
Specifically, (1) when the thigh of the swing leg is moving forward behind the reference plane, the first torque T 1 , The second torque T 2 And the third torque T 3 Is set as the hip joint torque T of the free leg. This is in this case the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to a finite value (≠ 0) (s2.1), and the first torque T 1 And the second torque T 2 Is also set to a finite value.
[0097]
(2) When the thigh of the swing leg is moving rearward behind the reference plane, the first torque T 1 And the third torque T 3 Is set as the hip joint torque T of the free leg. This is in this case the first coefficient k 1i Is set to a finite value and the second coefficient k 2j Is set to 0 (s2.2), and the first torque T 1 Can be set to a finite value while the second torque T 2 Is set to 0.
[0098]
(3) When the thigh of the swing leg is moving forward ahead of the reference plane, the second torque T 2 And the third torque T 3 Is set as the hip joint torque T of the free leg. This is in this case the first coefficient k 1i Is set to 0 and the second coefficient k 2j Is set to a finite value (s2.3), and the first torque T 1 Is set to 0 while the second torque T 2 Can be set to a finite value.
[0099]
(4) When the thigh of the swing leg is moving backward in front of the reference plane, the third torque T 3 Is set as the hip joint torque T of the free leg. This is in this case the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0 (s2.4), and the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set to 0.
[0100]
On the other hand, when the leg state determination unit 210 determines that the leg is “standing”, it is determined whether the thighs of both legs measured by the measurement unit 230 are ahead of the reference plane (the hip joint angle θ is It is determined whether it is positive or not (s1.3).
[0101]
Here, when it is determined that the thighs of both legs are not in front of the reference plane (both hip joint angles θ are both positive), the coefficient setting unit 220 determines the result of the leg state determination unit 210. (See s1.1, s1.3), the first coefficient k 1i (I = 1, 2, 3) and the second coefficient k 2j (J = 1, 2, 3, 4) is set according to (5) to (8) when there are a plurality of cases as follows.
[0102]
(5) When the thigh of the standing leg is ahead of the reference plane (the hip joint angle θ is positive) and the thigh of the standing leg is moving backward (the hip joint angular velocity θ ′ is negative), the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to a finite value (≠ 0) (s2.5).
[0103]
(6) When the thigh of the standing leg is ahead of the reference plane (the hip joint angle θ is positive) and the thigh of the standing leg is moving forward (the hip joint angular velocity θ ′ is positive), the first coefficient k 1i Is set to a finite value and the second coefficient k 2j Is set to 0 (s2.6).
[0104]
(7) When the thigh of the standing leg is behind the reference plane (the hip joint angle θ is negative) and the thigh of the standing leg is moving backward (the hip joint angular velocity θ 'is negative), the first coefficient k 1i Is set to 0 and the second coefficient k 2j Is set to a finite value (s2.7).
[0105]
(8) When the thigh of the standing leg is ahead of the reference plane (the hip joint angle θ is positive) and the thigh of the standing leg is moving backward (the hip joint angular velocity θ ′ is negative), the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0 (s2.8).
[0106]
Next, the measurement unit 230 measures the hip joint angle θ and the hip joint angular velocity θ ′ of the free leg (s3).
[0107]
Subsequently, the first torque T is set by the torque setting unit 240. 1 , The second torque T 2 , The third torque T 3 And, the hip joint torque T of the standing leg is set (s4.1 to 4.4). The third torque T 3 Is set to “0”.
[0108]
Specifically, (5) when the thigh of the standing leg is moving backward in front of the reference plane, the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set as the hip joint torque T of the standing leg. This is in this case the first coefficient k as described above. 1i And the second coefficient k 2j Is set to a finite value (≠ 0) (s2.5), and the first torque T 1 And the second torque T 2 Is also set to a finite value.
[0109]
(6) When the thigh of the standing leg is moving forward ahead of the reference plane, the first torque T 1 Is set as the hip joint torque T of the standing leg. This is in this case the first coefficient k as described above. 1i Is set to a finite value and the second coefficient k 2j Is set to 0 (s2.6), and the first torque T 1 Can be set to a finite value while the second torque T 2 Is set to 0.
[0110]
(7) When the thigh of the standing leg is moving backward behind the reference plane, the second torque T 2 Is set as the hip joint torque T of the standing leg. This is in this case the first coefficient k as described above. 1i Is set to 0 and the second coefficient k 2j Is set to a finite value (s2.7), and the first torque T 1 Is set to 0 while the second torque T 2 Can be set to a finite value.
[0111]
(8) When the thigh of the standing leg is moving forward behind the reference plane, the hip joint torque T of the standing leg is set to zero. This is in this case the first coefficient k as described above. 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0 (s2.8), and the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set to 0.
[0112]
When it is determined that the thighs of both legs are both forward of the reference plane (the hip joint angle θ is positive), the coefficient setting unit 220 determines the determination results (s1.1, s1. 3), the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Are set according to the following cases (9) to (11).
[0113]
That is, (9) the thigh of both legs moves backward (the hip joint angular velocity θ ′ is negative), and the distance d in the front-rear direction between the center of gravity CG of the human and the center of gravity SCG of the foot of the leg (see FIG. 2) ) Is the predetermined interval d 0 If it is determined to be less than the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to a finite value ($ 0) (s2.9).
[0114]
(10) The thighs of both legs move forward (the hip joint angular velocity θ ′ is positive), and the interval d is a predetermined interval d. 0 If it is determined to be less than the first coefficient k 1i Is set to a finite value, while the second coefficient k 2j Is set to 0 (s2.10).
[0115]
(11) The interval d is a predetermined interval d 0 If it is determined that the above is the case, the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0 (s2.11).
[0116]
Next, the measurement unit 230 measures the hip joint angle θ and the hip joint angular velocity θ ′ of the free leg (s3).
[0117]
Subsequently, the first torque T is set by the torque setting unit 240. 1 , The second torque T 2 , The third torque T 3 And, the hip joint torque T of the standing leg is set (s4.1 to 4.4). The third torque T 3 Is set to “0”.
[0118]
Specifically, (9) the interval d (see FIG. 2) is equal to the predetermined interval d 0 When the thigh of both legs is moving backward and forward from the reference plane in a state of less than the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set as the hip joint torque T of both legs. This is in this case the first coefficient k as described above. 1i And the second coefficient k 2j Is set to a finite value (≠ 0) (s2.9), and the first torque T 1 And the second torque T 2 Can be set to a finite value.
[0119]
(10) The interval d (see FIG. 2) is equal to the predetermined interval d. 0 When the thighs of both legs are moving forward in front of the reference plane in a state of less than 1 Is set as the hip joint torque T of both legs. This is in this case the first coefficient k as described above. 1i Is set to a finite value and the second coefficient k 2j Is set to 0 (s2.10), and the first torque T 1 Can be set to a finite value while the second torque T 2 Is set to 0.
[0120]
(11) Both the thighs of the standing legs are forward of the reference plane and the distance d is a predetermined distance d. 0 In this case, the hip joint torque T of the compatible leg is set to zero. This is in this case the first coefficient k as described above. 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0 (s2.11), and the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set to 0.
[0121]
Next, how the knee joint torque T of the leg is set by the control system 200 by the knee joint actuator 104 of the motion assisting apparatus 100 will be described with reference to FIG.
[0122]
First, based on the output signals of the left and right foot switches 212, the leg state determination unit 210 determines whether each leg is a “free leg” in a leaving state or a “standing leg” in a landing state. (S5.1).
[0123]
(1 ′) When the leg is determined to be a “free leg”, the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0 (s6.1).
[0124]
Next, the measurement unit 230 measures the knee joint angle φ and the knee joint angular velocity φ ′ of the free leg (s7).
[0125]
Subsequently, the first coefficient k is set by the torque setting unit 240. 1i And the function f of the hip joint angle θ i Θ, θ as a And Iθ, the first torque T according to the above equation (i). 1 Is set (s8.1).
[0126]
Further, the second coefficient k is determined by the torque setting unit 240. 2j And the function g of the hip joint angular velocity θ ′ j Θ ', θ' as b , Iθ ′ and dθ ′ and the second torque T according to the equation (ii). 2 Is set (s8.2).
[0127]
Further, the third torque T is applied by the torque setting unit 240 around the knee joint of the leg to reduce a human's operation load due to the mounting of the operation assisting device 100. 3 Is set (s8.3).
[0128]
Then, the first torque T is set by the torque setting unit 240. 1 , The second torque T 2 And the third torque T 3 , The hip joint torque T of the free leg is set according to the above equation (v) (s8.4).
[0129]
Specifically, (1 ′) when the leg is a “free leg”, the third torque T 3 Is set as the knee joint torque T of the free leg. This is in this case the first coefficient k as described above. 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0 (s6.1), and the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set to 0.
[0130]
On the other hand, when it is determined that the legs are “standing”, whether the thighs of both legs are in front of the reference plane (whether the hip joint angles θ of both legs measured by the measurement unit 230 are both positive) ) Is determined (s5.2).
[0131]
When it is determined that the thighs of both legs are not in front of the reference plane (the hip joint angles θ are not both positive), the coefficient setting unit 220 determines the result of the leg state determination unit 210. (See s5.1 and s5.2), the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Are set according to the following two cases (2 ′) and (3 ′).
[0132]
That is, (2 ′) when the thigh of the standing leg is in front of the reference plane (the hip joint angle θ is positive), the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to a finite value (s6.2).
[0133]
(3 ′) When the thigh of the standing leg is behind the reference plane (the hip joint angle θ is negative), the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0 (s6.3).
[0134]
Next, the measurement unit 230 measures the knee joint angle φ and the knee joint angular velocity φ ′ of the standing leg (s7).
[0135]
Subsequently, the first torque T is set by the torque setting unit 240. 1 , The second torque T 2 , The third torque T 3 Then, the knee joint torque T of the standing leg is set (s8.1 to 8.4). The third torque T 3 Is set to “0”.
[0136]
Specifically, (2 ′) when the thigh of the standing leg is located forward of the reference plane, the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set as the knee joint torque T of the standing leg. This is in this case the first coefficient k as described above. 1i And the second coefficient k 2j Is set to a finite value (≠ 0) (s6.2), and the first torque T 1 And the second torque T 2 Can be set to a finite value.
[0137]
(3 ′) When the thigh of the standing leg is behind the reference plane, the knee joint torque T of the standing leg is set to zero. This is in this case the first coefficient k as described above. 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0 (s6.3), and the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set to 0.
[0138]
When it is determined that the thighs of both legs are forward of the reference plane (both legs have a positive hip joint angle θ), the coefficient setting unit 220 determines the result of the leg state determination unit (s210). , S212), the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Are set according to (4 ′) and (5 ′) as follows.
[0139]
That is, (4 ′) the distance d (see FIG. 2) in the front-rear direction between the center of gravity CG of the human and the center of gravity SCG of the foot is the predetermined distance d. 0 Is less than the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to a finite value ($ 0) (s6.4).
[0140]
(5 ′) The interval d is equal to the predetermined interval d. 0 If not less than the first coefficient k 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0 (s6.5).
[0141]
Next, the measurement unit 230 measures the knee joint angle φ and the knee joint angular velocity φ ′ of the standing leg (s7).
[0142]
Subsequently, the first torque T is set by the torque setting unit 240. 1 , The second torque T 2 , The third torque T 3 Then, the knee joint torque T of the standing leg is set (s8.1 to 8.4). The third torque T 3 Is set to “0”.
[0143]
Specifically, (4 ′) both legs are in front of the reference plane, and the distance d is a predetermined distance d. 0 Is less than the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set as the knee joint torque T of the standing leg. This is in this case the first coefficient k as described above. 1i And the second coefficient k 2j Is set to a finite value (≠ 0) (s6.4), and the first torque T 1 And the second torque T 2 Can be set to a finite value.
[0144]
Also, (5 ′) both legs are forward of the reference plane, and the distance d is a predetermined distance d. 0 In the case described above, the knee joint torque T of the standing leg is set to zero. This is in this case the first coefficient k as described above. 1i And the second coefficient k 2j Is set to 0 (s6.5), and the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set to 0.
[0145]
The motion assist device 100 is controlled by the torque control unit 250 so that the torque T set according to the procedure shown in FIGS. 4 and 5 is applied to the hip joint and the knee joint of the leg.
[0146]
Specifically, first, a signal of a level corresponding to the torque T set by the torque setting unit 240 is generated by the signal generation unit 252. Next, the signal generated by the signal generation unit 252 is input to the filter 254. Then, after the torque T (t) applied around the joint of the leg gradually increases from 0 or a finite value (> 0) with time based on the output of the filter 254 by the torque control unit 250, Power supplied from the battery 106 to the actuators 102 and 104 is controlled so as to reach the torque T.
[0147]
Next, how the control system 200 controls the hip joint and knee joint torque T (t) of the leg of the human wearing the motion assisting device 100 in accordance with the motion of the human is shown in FIGS. This will be described with reference to FIG.
[0148]
First, how the angles of the hip joint and the knee joint of the leg and the torque of the hip joint and the knee joint of the leg change during flat ground walking will be described with reference to FIGS. 6, 7, and 8. FIG.
[0149]
The posture and the motion of the human at the time of walking on level ground change as shown in FIGS. 6 (a) to 6 (g).
[0150]
In FIG. 6A, the right leg R is a swing leg, and the right thigh is behind the reference plane p with an arrow A. + , The left leg L is a standing leg, and the left thigh is located forward of the reference plane p.
[0151]
In FIG. 6B, the right leg R is a free leg, and the right thigh is positioned in front of the reference plane p with an arrow A. + , The left leg L is standing, and the left thigh is behind the reference plane p, as shown by (2).
[0152]
In FIG. 6C, the right leg R is a free leg, and the right thigh is positioned in front of the reference plane p with an arrow A. − , The left leg L is standing, and the left thigh is behind the reference plane p.
[0153]
In FIG. 6D, the right leg R is a standing leg, and the right thigh is in front of the reference plane p with an arrow A. − While the left leg L is also a standing leg while the left thigh is behind the reference plane p, as shown by.
[0154]
In FIG. 6E, the right leg R is a standing leg, and the right thigh is in front of the reference plane p with an arrow A. − , The left leg L is a free leg, and the left thigh is behind the reference plane p.
[0155]
In FIG. 6F, the right leg R is a standing leg, and the right thigh is behind the reference plane p with an arrow A. − , The left leg L is a free leg, and the left thigh is in front of the reference plane p.
[0156]
In FIG. 6 (g), the right leg R is a standing leg, and the right thigh is behind the reference plane p with an arrow A − , The left leg L is also a standing leg, and the left thigh is in front of the reference plane p.
[0157]
When walking on level ground, the hip joint angle θ and the hip torque T of the right leg R change as shown in FIG. 7 in accordance with the transition of the states (1) to (7) shown in FIGS. 6 (a) to 6 (g). I do. The transition period of the states (1) to (7) shown in FIG. 7 is about 1.5 [sec].
[0158]
According to the torque setting process shown in FIG. 1 (= Σ i k 1i f i (Θ)) and the second torque T 2 (= Σ j k 2j g j (Θ)) (dot-dash line) and the third torque T 3 (Dotted line) is set as the hip joint torque T (see FIG. 4 s2.1, s3, s4.1 to 4.4).
[0159]
Further, in the state (2), the second torque T 2 And the third torque T 3 Is set as the hip joint torque T (see FIG. 4 s2.2, s3, s4.1 to 4.4).
[0160]
In the state (3), the third torque T 3 Is set as the hip joint torque T (see FIG. 4 s2.4, s3, s4.1 to 4.4). When the state is switched from the state (2) to the state (3), as shown in FIG. 1 And the second torque T 2 Is set to 0, the magnitude of the hip joint torque T decreases.
[0161]
Further, in states (4) and (5), the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set as the hip joint torque T (see FIG. 4 s2.5, s3, s4.1 to 4.4). After switching from the state (4) to the state (5), the hip joint torque T is set to gradually increase and then gradually decrease as shown in FIG.
[0162]
In states (6) and (7), the second torque T 2 Is set as the hip joint torque T (see FIG. 4 s2.7, s3, s4.1 to 4.4).
[0163]
In addition, during walking on level ground, the knee joint angle φ and the knee joint torque T of the right leg R are changed according to the transition of the states (1) to (7) shown in FIGS. 6 (a) to 6 (g). Changes as shown in FIG. The transition period of the states (1) to (7) shown in FIG. 8 is about 1.5 [sec].
[0164]
According to the torque setting process shown in FIG. 5, the third torque T in the states (1) to (3). 3 (Dotted line) is set as the knee joint torque T (see FIG. 5 s6.1, s7, s8.1 to 8.4).
[0165]
In states (4) and (5), the first torque T 1 And the second torque T 2 (Dotted line) is set as the knee joint torque T (see FIG. 5 s6.2, s7, and s8.1 to 8.4). After switching from the state (4) to the state (5), the knee joint torque T is set to gradually increase and then gradually decrease as shown in FIG.
[0166]
Further, in states (6) and (7), the second torque T 2 Is set as the knee joint torque T (see s6.3, s7, and s8.1 to 8.4 in FIG. 5).
[0167]
Next, how the angles of the hip joint and the knee joint of the leg and the torque of the hip joint and the knee joint of the leg change at the time of ascending walking on a stair or a slope will be described with reference to FIGS. 9, 10, and 11. Will be explained.
[0168]
The posture and the motion of the person during the climbing walk change as shown in FIGS. 9A to 9F.
[0169]
In FIG. 9A, the right leg R is a free leg, and the right thigh is positioned in front of the reference plane p with an arrow A. + , The left leg L is standing and the left thigh is forward of the reference plane p, as indicated by {circle around (1)}.
[0170]
In FIG. 9 (b), the right leg R is a free leg, and the right thigh is in front of the reference plane p with an arrow A − , The left leg L is standing, and the left thigh is forward of the reference plane p.
[0171]
In FIG. 9C, the right leg R is a standing leg, and the right thigh is in front of the reference plane p with an arrow A. − , The left leg L is also a standing leg, and the left thigh is in front of the reference plane p.
[0172]
In FIG. 9D, the right leg R is a standing leg, and the right thigh is in front of the reference plane p with an arrow A. − , The left leg L is a free leg, and the left thigh is in front of the reference plane p.
[0173]
In FIG. 9E, the right leg R is a standing leg, and the right thigh is in front of the reference plane p with an arrow A. − , The left leg L is also a standing leg, and the left thigh is in front of the reference plane p.
[0174]
When walking on level ground, the hip joint angle θ and the hip torque T of the right leg R are shown in FIG. 10 according to the transition of the states (1) ′ to (5) ′ shown in FIGS. 9 (a) to 9 (e). To change. The hip joint torque T during uphill walking shown in FIG. 10 is generally larger than the hip joint torque T during flatland walking shown in FIG. 7. The transition period of the states (1) 'to (5)' shown in FIG. 10 is about 3.0 [sec].
[0175]
According to the torque setting process shown in FIG. 4, in the state {circle around (1)} ′, the second torque T 2 (Two-dot chain line) and the third torque T 3 (Dotted line) is set as the hip joint torque T (see FIG. 4 s2.3, s3, s4.1 to 4.4).
[0176]
In the state (2) ', the third torque T 3 Is set as the hip joint torque T (see FIG. 4 s2.4, s3, s4.1 to 4.4). When the state is switched from the state {circle around (1)} ′ to the state {circle around (2)} ′, as shown in FIG. 1 And the second torque T 2 Is set to 0, so that the magnitude of the torque T decreases.
[0177]
Further, in the state (3) 'to (5)', the first torque T 1 And the second torque T 2 (Dotted line) is set as the hip joint torque T (see FIG. 4 s2.5, s3, s4.1 to 4.4). After switching from the state (3) 'to the state (4)', the hip joint torque T is set to gradually increase and then gradually decrease as shown in FIG.
[0178]
In addition, at the time of climbing walking, the knee joint angle φ and the knee joint torque T of the right leg R are changed according to the transition of the states (1) ′ to (5) ′ shown in FIGS. 9 (a) to 9 (e). It changes as shown in FIG. The knee joint torque T during uphill walking shown in FIG. 11 is generally larger than the knee joint torque T during flatland walking shown in FIG. The transition cycle of the states (1) 'to (5)' shown in FIG. 11 is about 3.0 [sec].
[0179]
According to the torque setting process shown in FIG. 5, the third torque T in the states (1) 'and (2)'. 3 (Dotted line) is set as the knee joint torque T (see FIG. 5 s6.1, s7, s8.1 to 8.4).
[0180]
Also, in the state (3) 'to (5)', the first torque T 1 And the second torque T 2 (Dotted line) is set as the knee joint torque T (see FIG. 5 s6.2, s7, and s8.1 to 8.4). After switching from the state (3) 'to the state (4)', the knee joint torque T is set to gradually increase and then gradually decrease as shown in FIG.
[0181]
Next, how the angles of the hip joint and the knee joint of the leg and the torque of the hip joint and the knee joint of the leg change when the chair is seated and standing will be described with reference to FIGS. 12, 13, and 14. I do.
[0182]
The posture and movement of the person when the chair is seated and standing changes as shown in FIGS. 12 (a) to 12 (c).
[0183]
FIG. 12A shows a state {circle around (1)} ”where a human is standing up.
[0184]
In FIG. 12B, both legs are standing, and the distance d between the center of gravity CG and the center of gravity SCG of the foot in the front-back direction is a predetermined distance d. 0 <2>".
[0185]
In FIG. 12C, both legs are standing, and the distance d is a predetermined distance d. 0 This is the state (3) ″ described above.
[0186]
FIG. 12D shows a state (4) "in which a person is sitting on the chair c.
[0187]
12 (a) to 12 (d) during the sitting and standing of the chair (equivalent to the operation from the standing state to the sitting of the chair) and the state (4) The hip joint angle θ and the hip torque T of the legs change as shown in FIG. 13 according to the transition of “〜1 ▼” (corresponding to the operation from the sitting state of the chair to the standing). The transition period of the states (1) "to (4)" shown in FIG. 13 is about 5.5 [sec].
[0188]
According to the torque setting process shown in FIG. 4, in state {circle around (1)} ", the hip joint torque T of both legs is set to zero.
[0189]
In the state {circle around (2)} on the right side in FIG. 13, the thighs of both legs are moving backward (standing operation), and the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set as the hip joint torque T of both legs (see FIG. 4 s2.9, s3, s4.1 to 4.4). In the state {circle around (2)} on the left side in FIG. 13, the thigh of the compatible leg is moving forward (seating operation), and the first torque T 1 Is set as the hip joint torque T of both legs (see FIG. 4 s2.10, s3, s4.1 to 4.4).
[0190]
Further, in state {circle around (3)}, the hip joint torque T of the both legs is set to 0 (see FIG. 4 s2.11, s3, s4.1 to 4.4), and in state {circle around (4)}, the hip joint torque T of the both legs is also set. Set to 0.
[0191]
In addition, when the chair is seated and standing, the transition from the state (1) "to (4)" shown in FIGS. 12A to 12D (corresponding to the operation from the standing state to sitting on the chair) and The knee joint angle φ and the knee joint torque T of the legs are shown in FIG. 14 in accordance with the transition of the state (4) ″ to (1) ”(corresponding to the operation from the sitting state of the chair to the standing). Changes to The transition period of the states (1) "to (4)" shown in FIG. 14 is about 5.5 [sec].
[0192]
According to the torque setting process shown in FIG. 5, the knee joint torque T of both legs is set to 0 in the state {circle around (1)}.
[0193]
In state {circle around (2)}, the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set as the knee joint torque T of both legs (see FIGS. 5 s6.4, s7, and s8.1 to 8.4).
[0194]
In state {circle around (3)}, the knee joint torque T of both legs is set to 0 (see FIG. 5 s6.5, s7, s8.1 to 8.4). Is set to 0.
[0195]
According to the control system 200 for controlling the motion assist device 100 as described above, the first torque T 1 Is the first coefficient k 1i And the function f of the hip joint angle θ and the knee joint angle φ (posture variable x) i Sum of products with i k 1i f i (See the above formula (i)). That is, the first torque T 1 Is the spring coefficient k 1i Displacement f of a virtual spring having i It is expressed as a force according to.
[0196]
As described above, the first coefficient k 1i Is set in accordance with “separation of free leg / standing leg”, “leg posture”, and “leg movement”, and the displacement f of the virtual spring is set. i Reflects the “posture” of the human represented by the hip joint angle θ and the knee joint angle φ of the legs. Therefore, the first torque T 1 Can be appropriately set in view of the human's "free swing / standing", "leg posture" and "leg movement", and also from the viewpoint of not causing the person to feel uncomfortable.
[0197]
Also, the second torque T 2 Is the second coefficient k 2j And a function g of the hip joint angular velocity θ ′ and the knee joint angular velocity φ ′ (motion variable y) j Sum of products with j k 2j g j (See the above formula (ii)). That is, the second torque T 2 Is the spring coefficient k 2j Displacement g of a virtual spring having j It is expressed as a force according to.
[0198]
As described above, the second coefficient k 2j Is set according to “separation of the free leg / standing leg”, “leg posture”, and “leg movement”, and the displacement g of the virtual spring is set. j Reflects the “motion” of a human represented by the hip joint angular velocity θ ′ and the knee joint angular velocity φ ′. Therefore, the second torque T 2 Can be set appropriately from the viewpoint of “discretion of a free leg / standing leg”, “leg posture”, and “leg movement”, and also from the viewpoint of preventing the person from feeling uncomfortable in view of the “movement” of the person.
[0199]
Then, the torque T applied around the joint of the human leg is the first torque T 1 And the second torque T 2 Is set based on For this reason, the torque T applied around the joints of the human legs depends on “different swing leg / standing”, “leg posture” and “leg motion”, and furthermore, according to the “posture” and “motion” of the human. The size can be set to an appropriate size from the viewpoint of not causing the person to feel uncomfortable in the motion.
[0200]
Further, the torque T (t) applied around the joint of the leg gradually increases from 0 or a finite value (> 0) over time, and then reaches the torque T set by the torque setting means. The operation assist device is controlled. For this reason, the torque T (t) applied around the joint of the human leg smoothly changes from 0 or a finite value (> 0) to the set torque T with time.
[0201]
Therefore, according to the present invention, the torque T set to an appropriate magnitude in consideration of “separation of the free leg / standing leg”, “leg posture” and “leg motion”, and “human posture” and “motion” is Is smoothly applied around the joint of the human leg. For this reason, the motion assist device can be smoothly controlled so that the person assisted by the motion assist device (walking, running, sitting, standing up, etc.) does not feel uncomfortable.
[0202]
Further, the third torque T 3 May be applied around the joint of the leg (free leg). Thereby, the operation load on the human due to the wearing of the walking assist device 100, specifically, the operation load around the joint of the free leg due to the movement of the free leg can be reduced.
[0203]
Here, (A) when no torque is applied during walking, (B) third torque T 3 Friction compensation torque T 3F (C) the first torque T 1 , The second torque T 2 And frictional force compensation torque T 3F The trajectory between the hip joint angle θ and the knee joint angle φ in the case where is given will be described with reference to FIG.
[0204]
(B) Third torque T during walking 3 The trajectory (dashed line) in the case where only torque is applied has a larger spread with respect to the knee joint angle φ than the trajectory (dashed-dotted line) in the case where no torque is applied (A). This is because the frictional force compensation torque T around the hip and knee joints. 3F Is provided, the walking motion is assisted, the leg motion is increased, and a human can walk with a motion / posture close to nature.
[0205]
Also, when walking (C) the first torque T 1 , The second torque T 2 And frictional force compensation torque T 3F Is given (solid line) is (B) frictional force compensation torque T 3F Are larger in the hip joint angle θ and the knee joint angle φ than in the trajectory (dashed line) in the case where is given. This is the friction compensation torque T 3F And the first torque T 1 And the second torque T 2 Is provided, the walking motion is assisted, the leg motion is further increased, and a human can walk with a motion and posture closer to nature.
[0206]
Subsequently, when (A) no torque is applied during both knee flexion and extension, (B) the third torque T 3 Friction compensation torque T 3F (C) the first torque T 1 , The second torque T 2 And frictional force compensation torque T 3F Is described with reference to FIG. 16.
[0207]
(B) Third torque T when bending and stretching both knees 3 The trajectory (dashed line) in the case where only the torque is applied is shifted in the positive direction with respect to the knee joint angle φ than the trajectory (dashed-dotted line) in the case (A) where no torque is applied. This is because the frictional force compensation torque T around the hip and knee joints. 3F Is provided, the both knee flexion / extension motion is assisted, and the leg motion is increased, which means that a human can flex and extend both knees in a motion / posture close to nature.
[0208]
In addition, when both knees are flexed and extended, (C) the first torque T 1 , The second torque T 2 And frictional force compensation torque T 3F Is given (solid line) is (B) frictional force compensation torque T 3F Is shifted in the positive direction with respect to the knee joint angle φ from the trajectory (dashed line) where. This is the friction compensation torque T 3F And the first torque T 1 And the second torque T 2 Is added, the knee-knee flexion / extension operation is assisted, and the leg movement is further increased, which means that a human can bend and extend both knees in a more natural movement / posture.
[0209]
In the embodiment, the first torque T 1 Is set, the function f of the attitude variable x = (θ, φ) i (Θ, φ), (θ a , Φ a ) And (Iθ, Iφ) are used, and the second torque T 2 Is set, the function g of the operation variable y = (θ ′, φ ′) j (Θ ′, φ ′), (θ ′ a , Φ ' a ), (Iθ ′, Iφ ′) and (dθ ′, dφ ′), but in another embodiment the function f i And the function g j A function other than the above may be used, and the combination pattern of the functions may be variously changed.
[0210]
In the above embodiment, the second spring coefficient k 2j May be set to a finite value (see FIG. 4 s2.1, s2.3, s2.5, FIG. 5 s6.1, etc.), but as another embodiment, the second spring coefficient k 2j May be constantly set to 0. According to the other embodiment, the second torque T according to the human motion 2 Is removed, the torque T can be applied around the joint of the human leg.
[0211]
In the above embodiment, whether the leg is a free leg or a standing leg is determined by the foot switch 212 (see FIG. 1) (see FIGS. 4s1.1 and 5s5.1). A distance sensor (not shown) for measuring the distance to the floor using infrared rays is provided at the part or ankle joint, and the leg is a free leg or a standing leg based on the distance measured by the distance sensor. May be determined.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration explanatory diagram of an operation assisting device and a control system of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a definition of a posture variable and a motion variable.
FIG. 3 is an explanatory diagram of variables for deriving a gravity compensation torque.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a setting method of a hip joint torque.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a setting method of a knee joint torque.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a posture and an action of a human when walking on level ground.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a correlation between a hip joint angle and a hip joint torque during walking on level ground.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a correlation between a knee joint angle and a knee joint torque when walking on level ground.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a posture and an action of a human during ascending walking;
FIG. 10 is an explanatory diagram of a correlation between a hip joint angle and a hip joint torque during ascending walking;
FIG. 11 is a diagram illustrating a correlation between a knee joint angle and a knee joint torque during climbing walking;
FIG. 12 is an explanatory diagram of a posture and an action of a human when the chair is seated and standing.
FIG. 13 is a diagram illustrating the correlation between the hip joint angle and the hip joint torque when the chair is seated and standing.
FIG. 14 is a diagram illustrating a correlation between a knee joint angle and a knee joint torque when the chair is seated and standing.
FIG. 15 is an explanatory diagram of a hip joint angle-knee joint angle locus during walking.
FIG. 16 is an explanatory diagram of a hip joint angle-knee joint angle trajectory when both knees are flexed and extended.
[Explanation of symbols]
100 ‥ motion assist device, 102, 104 ‥ actuator, 200 ‥ control system, 210 ‥ leg condition determination unit, 212 ‥ foot switch, 220 ‥ coefficient setting unit, 222 ‥ hip joint angle sensor, 224 ‥ knee joint angle sensor, 230 {Measurement unit, 240} Torque setting unit, 250} Torque control unit, 252} Signal generation unit, 254} Filter, p} Reference plane

Claims (16)

人間の脚体の関節回りにトルクを付与することで該人間の動作を補助する動作補助装置を制御するシステムであって、
脚体が着床状態にある立脚であるか、離床状態にある遊脚であるかの別と、脚体姿勢又は脚体姿勢及び脚体動作を判定する脚体状態判定手段と、
脚体状態判定手段による判定結果に基づき、第１係数ｋ１ｉ（ｉ＝１，２，‥）と、第２係数ｋ２ｊ（ｊ＝１，２，‥）とを設定する係数設定手段と、
人間の姿勢に応じて変化する姿勢変数ｘと、人間の動作に応じて変化する動作変数ｙとを測定する測定手段と、
係数設定手段により設定された第１係数ｋ１ｉと、測定手段により測定された姿勢変数ｘの関数ｆｉ （ｘ）との積の和Σｉ ｋ１ｉｆｉ を第１トルクＴ１ として設定し、係数設定手段により設定された第２係数ｋ２ｊと、測定手段により測定された動作変数ｙの関数ｇｊ （ｙ）との積の和Σｊ ｋ２ｊｇｊ を第２トルクＴ２ として設定した上で、少なくとも第１トルクＴ１ と第２トルクＴ２ の和Ｔ１ ＋Ｔ２ を含み、脚体の関節回りに付与されるトルクＴを設定するトルク設定手段と、
脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定手段により設定されたトルクＴに到るように動作補助装置を制御するトルク制御手段とを備えていることを特徴とする制御システム。A system for controlling an operation assisting device that assists the operation of the human by applying a torque around the joint of the human leg,
Whether the leg is a standing leg in a landing state or a free leg in a leaving state, and a leg state determining means for determining a leg posture or a leg posture and a leg motion,
Coefficient setting means for setting a first coefficient k 1i (i = 1, 2, ‥) and a second coefficient k 2j (j = 1, 2, ‥) based on a judgment result by the leg state judgment means;
Measuring means for measuring a posture variable x that changes according to the posture of the person and an operation variable y that changes according to the movement of the person;
A first coefficient k 1i set by the coefficient setting means sets a sum Σ i k 1i f i of the product of a function f i (x) of the measured by the measuring means posture variable x as a first torque T 1 The sum j k 2j g j of the product of the second coefficient k 2j set by the coefficient setting means and the function g j (y) of the operation variable y measured by the measurement means is set as the second torque T 2. And a torque setting means for setting a torque T applied around the joint of the leg, including at least the sum T 1 + T 2 of the first torque T 1 and the second torque T 2 ;
The operation is performed so that the torque T (t) applied around the joint of the leg gradually increases from 0 or a finite value (> 0) with time, and then reaches the torque T set by the torque setting means. A control system comprising: torque control means for controlling an auxiliary device. トルク設定手段が姿勢変数ｘ、姿勢変数ｘのａ累乗（０＜ａ＜１）ｘａ 及び姿勢変数ｘの累積値Ｉｘを姿勢変数ｘの関数ｆｉ として用いて第１トルクＴ１ を設定し、動作変数ｙ、動作変数ｙのｂ累乗（ｂ＞１）ｙｂ 、動作変数ｙの累積値Ｉｙ及び動作変数ｙの変化値ｄｙを動作変数ｙの関数ｇｊ として用いて第２トルクＴ２ を設定することを特徴とする請求項１記載の制御システム。Torque setting means posture variables x, first set the torque T 1 by using the accumulated value Ix of the attitude variable a power of x (0 <a <1) x a and orientation variable x as a function f i of the attitude variable x , The operating variable y, the power b of the operating variable y (b> 1) y b , the accumulated value Iy of the operating variable y, and the change value dy of the operating variable y as the function g j of the operating variable y, and the second torque T 2. The control system according to claim 1, wherein トルク制御手段がトルク設定手段により設定されたトルクＴに応じたレベルの信号を生成する信号生成手段と、
信号に応じ、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から該信号のレベルまで徐々に増加する信号を出力するフィルタとを備え、
該信号生成手段により生成された信号に応じた該フィルタの出力を動作補助装置に付与することで、脚体の関節回りに付与されるトルクＴ（ｔ）が、時間経過に伴い０又は有限値（＞０）から徐々に増加した後、トルク設定手段により設定されたトルクＴに到るように動作補助装置を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の制御システム。Signal generating means for generating a signal having a level corresponding to the torque T set by the torque setting means,
A filter that outputs a signal that gradually increases from 0 or a finite value (> 0) to the level of the signal with time according to the signal,
By providing the output of the filter in accordance with the signal generated by the signal generating means to the motion assist device, the torque T (t) applied around the joint of the leg becomes zero or a finite value over time. 3. The control system according to claim 1, wherein the operation assist device is controlled so that the torque gradually increases from (> 0) and reaches the torque T set by the torque setting means. トルク設定手段により脚体の股関節トルクＴが設定されるとき、
脚体状態判定手段により該脚体が遊脚であり、且つ、該遊脚の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より（１） 後方で前方移動すると判定された場合、（２） 後方で後方移動すると判定された場合、（３） 前方で前方移動すると判定された場合、（４） 前方で後方移動すると判定された場合に応じ、
係数設定手段が（１） 第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを有限値（≠０）に設定し、（２） 第１係数ｋ１ｉを有限値に設定する一方、第２係数ｋ２ｊを０に設定し、（３） 第１係数ｋ１ｉを０に設定する一方、第２係数ｋ２ｊを有限値に設定し、（４） 第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを０に設定することを特徴とする請求項１、２又は３記載の制御システム。When the hip joint torque T of the leg is set by the torque setting means,
The leg state determining means determines that the leg is a free leg and that the thigh of the free leg moves forward (1) behind a reference plane including the hip joints of both legs and dividing the upper body into front and rear. If (2) it is determined to move backward in the rear, (3) if it is determined to move forward in the front, (4) if it is determined to move backward in the forward,
The coefficient setting means sets (1) the first coefficient k 1i and the second coefficient k 2j to a finite value (≠ 0), and (2) sets the first coefficient k 1i to a finite value, while setting the second coefficient k 2j Is set to 0, (3) the first coefficient k 1i is set to 0, while the second coefficient k 2j is set to a finite value, and (4) the first coefficient k 1i and the second coefficient k 2j are set to 0. The control system according to claim 1, wherein the setting is performed. トルク設定手段が基準面より前方における遊脚の大腿部の前方移動に伴って徐々に増大した後で徐々に減少するように第２トルクＴ２ を有限値に設定することを特徴とする請求項４記載の制御システム。Claims, characterized in that to set the second torque T 2 so as to decrease gradually after gradually increases with forward movement of the thigh of the free leg in front of the reference plane torque setting means to a finite value Item 5. The control system according to Item 4. 脚体状態判定手段により脚体が遊脚であると判定されたとき、トルク設定手段が、人間の脚体の股関節回りに付与されることで、歩行補助装置の装着による該人間の動作負担を軽減する第３トルクＴ３ を設定した上で、第３トルクＴ３ が含まれるように該遊脚の股関節トルクＴを設定することを特徴とする請求項４又は５記載の制御システム。When the leg state determination means determines that the leg is a free leg, the torque setting means is provided around the hip joint of the human leg, thereby reducing the operation load on the human due to the wearing of the walking assist device. third in terms of setting the torque T 3, the control system according to claim 4 or 5, wherein setting the hip torque T of the free leg to include third torque T 3 to reduce. トルク設定手段が遊脚の大腿部の前方移動に伴って徐々に増大した後、該大腿部の後方移動に伴って徐々に減少するように該遊脚の股関節回りに付与される第３トルクＴ３ を設定することを特徴とする請求項６記載の制御システム。After the torque setting means gradually increases with the forward movement of the thigh of the free leg, the torque setting means is provided around the hip joint of the free leg so as to gradually decrease with the backward movement of the thigh. the control system of claim 6, wherein the set torque T 3. トルク設定手段により脚体の膝関節トルクが設定されるとき、脚体状態判定手段により（１’）該脚体が遊脚であると判定された場合、係数設定手段が第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを０に設定することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の制御システム。When the knee joint torque of the leg is set by the torque setting means, the coefficient setting means sets the first coefficient k 1i and the first coefficient k 1i when the leg state determining means (1 ′) determines that the leg is a free leg. The control system according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, or 7, wherein the second coefficient k2j is set to 0. トルク設定手段により脚体の股関節トルクＴが設定されるとき、
脚体状態判定手段により該脚体が立脚であり、且つ、該立脚の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より（５） 前方で後方移動すると判定された場合、（６） 前方で前方移動すると判定された場合、（７） 後方で後方移動すると判定された場合、（８） 後方で前方移動すると判定された場合に応じ、
係数設定手段が（５） 第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを有限値（≠０）に設定し、（６） 第１係数ｋ１ｉを有限値に設定する一方、第２係数ｋ２ｊを０に設定し、（７） 第１係数ｋ１ｉを０に設定する一方、第２係数ｋ２ｊを有限値に設定し、（８） 第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを０に設定することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７又は８記載の制御システム。When the hip joint torque T of the leg is set by the torque setting means,
The leg state determining means determines that the leg is a standing leg and that the thigh of the standing leg moves backward (5) forward from a reference plane including the hip joints of both legs and dividing the upper body into front and rear. If (6) it is determined to move forward in the front, (7) if it is determined to move backward in the rear, (8) if it is determined to move forward in the rear,
The coefficient setting means sets (5) the first coefficient k 1i and the second coefficient k 2j to a finite value (≠ 0), and (6) sets the first coefficient k 1i to a finite value, while the second coefficient k 2j Is set to 0, (7) the first coefficient k 1i is set to 0, while the second coefficient k 2j is set to a finite value, and (8) the first coefficient k 1i and the second coefficient k 2j are set to 0. The control system according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, or 8, wherein the setting is performed. 脚体状態判定手段により一方の脚体のみが立脚であると判定される状態の開始後、トルク設定手段が第１トルクＴ１ と第２トルクＴ２ とを、両者の和Ｔ１ ＋Ｔ２ が徐々に増大した後で徐々に減少するように設定することを特徴とする請求項９記載の制御システム。After starting the state where only one of the leg by the leg member state determining means is determined to be standing, the torque setting means a first torque T 1 and the second torque T 2, is both the sum T 1 + T 2 of The control system according to claim 9, wherein the control system is set so as to gradually increase and then gradually decrease. トルク設定手段により脚体の膝関節トルクＴが設定されるとき、
脚体状態判定手段により該脚体が立脚であり、且つ、該立脚の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より（２’）前方にあると判定された場合、（３’）後方にあると判定された場合に応じ、
係数設定手段が（２’）第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを有限値に設定し、（３’）第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを０に設定することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０記載の制御システム。When the knee joint torque T of the leg is set by the torque setting means,
The leg state determining means determines that the leg is a standing leg, and that the thigh of the standing leg is located (2 ′) forward of a reference plane including the hip joints of both legs and dividing the upper body into front and rear. In this case, (3 ′) when it is determined that it is located behind,
The coefficient setting means sets (2 ′) the first coefficient k 1i and the second coefficient k 2j to finite values, and (3 ′) sets the first coefficient k 1i and the second coefficient k 2j to 0. The control system according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10. 脚体状態判定手段により脚体が遊脚であると判定されたとき、トルク設定手段が人間の脚体の膝関節回りに付与されることで、歩行補助装置の装着による該人間の動作負担を軽減する第３トルクＴ３ を設定した上で、第３トルクＴ３ が含まれるように該遊脚の膝関節トルクＴを設定することを特徴とする請求項１１記載の制御システム。When the leg state determination unit determines that the leg is a free leg, the torque setting unit is provided around the knee joint of the human leg, thereby reducing the operation load of the human due to the wearing of the walking assist device. third in terms of setting the torque T 3, the control system according to claim 11, wherein setting the knee joint torque T of the free leg to include third torque T 3 to reduce. トルク設定手段により両脚体の股関節トルクＴが設定されるとき、
脚体状態判定手段により該両脚体が立脚であり、両脚体の大腿部が両脚体の股関節を含み上体を前後に分割する基準面より前方にあり、且つ、（９） 両脚体の大腿部が後方移動し、人間の重心と該立脚の足部の重心位置との前後方向の間隔が所定間隔未満であると判定された場合、（１０）両脚体の大腿部が前方移動し、該間隔が該所定間隔未満であると判定された場合、（１１）該間隔が該所定間隔以上であると判定された場合に応じ、
係数設定手段が（９） 第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを有限値に設定し、（１０）第１係数ｋ１ｉを有限値に設定する一方、第２係数ｋ２ｊを０に設定し、（１１）第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを０に設定することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１又は１２記載の制御システム。When the hip joint torque T of both legs is set by the torque setting means,
The leg condition judging means means that the two legs are standing, and the thighs of the two legs are located forward of a reference plane including the hip joints of the two legs and dividing the upper body into front and rear, and (9) the size of the two legs When it is determined that the thigh moves backward and the distance between the center of gravity of the human and the position of the center of gravity of the foot of the standing leg in the front-rear direction is less than the predetermined distance, (10) the thighs of both legs move forward. If the interval is determined to be less than the predetermined interval, (11) if the interval is determined to be greater than or equal to the predetermined interval,
The coefficient setting means sets (9) the first coefficient k 1i and the second coefficient k 2j to a finite value, and (10) sets the first coefficient k 1i to a finite value, while setting the second coefficient k 2j to 0. (11) The first coefficient k 1i and the second coefficient k 2j are set to 0, wherein the first coefficient k 1i and the second coefficient k 2j are set to 0. 13. The control system according to 12. トルク設定手段により両脚体の膝関節トルクＴが設定されるとき、
脚体状態判定手段により該両脚体が立脚であり、両脚体の大腿部が両脚体の股関節角度を含み上体を前後に分割する基準面より前方にあり、且つ（４’）人間の重心と該立脚の足部の重心位置との前後方向の間隔が所定間隔未満であると判定された場合、（５’）該間隔が該所定間隔以上であると判定された場合に応じ、
係数設定手段が（４’）第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを有限値に設定し、（５’）第１係数ｋ１ｉ及び第２係数ｋ２ｊを０に設定することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２又は１３記載の制御システム。When the knee joint torque T of both legs is set by the torque setting means,
The two leg bodies are standing by the leg state determination means, and the thighs of the two leg bodies are located ahead of a reference plane including the hip joint angles of the two leg bodies and dividing the upper body back and forth, and (4 ′) the center of gravity of the human When it is determined that the distance between the center of gravity of the foot and the foot of the standing leg in the front-rear direction is less than the predetermined distance, (5 ′) when the distance is determined to be equal to or more than the predetermined distance
The coefficient setting means sets (4 ′) the first coefficient k 1i and the second coefficient k 2j to finite values, and (5 ′) sets the first coefficient k 1i and the second coefficient k 2j to 0. The control system according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, or 13. 測定手段が姿勢変数ｘ及び動作変数ｙとして脚体の股関節角度θ及び股関節角速度θ’を測定し、
トルク設定手段が第１係数ｋ１ｉと、脚体の股関節角度θの関数ｆｉ （θ）との積の和Σｉ ｋ１ｉｆｉ を第１トルクＴ１ として設定し、第２係数ｋ２ｊと、股関節角速度θ’の関数ｇｊ （θ’）との積の和Σｊ ｋ２ｊｇｊ を第２トルクＴ２ として設定した上で、該脚体の股関節トルクＴを設定することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３又は１４記載の制御システム。The measuring means measures the hip joint angle θ and the hip joint angular velocity θ ′ of the legs as the posture variable x and the motion variable y,
Set by the torque setting means and the first coefficient k 1i, as a function f i (θ) first torque T 1 the sum Σ i k 1i f i of the product of the hip angle theta of the leg, the second coefficient k 2j wherein when, after setting the sum Σ j k 2j g j of the product of the 'function g j (theta of') the hip joint angular velocity theta as a second torque T 2, to set the hip torque T of the leg The control system according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 or 14. 測定手段が姿勢変数ｘ及び動作変数ｙとして脚体の膝関節角度φ及び膝関節角速度φ’を測定し、
トルク設定手段が第１係数ｋ１ｉと、脚体の股関節角度φの関数ｆｉ （φ）との積の和Σｉ ｋ１ｉｆｉ を第１トルクＴ１ として設定し、第２係数ｋ２ｊと、膝関節角速度φ’の関数ｇｊ （φ’）との積の和Σｊ ｋ２ｊｇｊ を第２トルクＴ２ として設定した上で、該遊脚の股関節トルクＴを設定することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４又は１５記載の制御システム。The measuring means measures the knee joint angle φ and the knee joint angular velocity φ ′ of the legs as the posture variable x and the motion variable y,
Set by the torque setting means and the first coefficient k 1i, as a function f i (φ) first torque T 1 the sum Σ i k 1i f i of the product of the hip angle phi of the leg, the second coefficient k 2j Setting the sum 積j k 2j g j of the product of the function g j (φ ′) of the knee joint angular velocity φ ′ as the second torque T 2 , and then setting the hip joint torque T of the free leg. The control system according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 or 15.
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