JP2014073222A - 運動補助装置及び運動補助方法 - Google Patents

Abstract

【課題】人体の運動を物理面並びに心理面から好適に補助することができる運動補助装置を提供する。
【解決手段】脚部アシスト・スーツ１００は、１つのアクチュエーター２０１で、複数の関節に力を印加するように構成されているので、軽量化・低価格化を実現することができる。特に、脚部アシスト・スーツ１００は、股関節ピッチ軸（ＨＰＪ）と膝関節ピッチ軸（ＫＰＪ）の間に一定の関係が形成されるように、ワイヤー干渉駆動を行なうようにすることで、立脚の体重支持と、遊脚の引き上げ効果を可能にして、自然な力サポートを損なわずに軽量化を達成することができる。
【選択図】 図２

Description

本明細書で開示する技術は、高齢者など主に介助や介護を必要とする人体に装着して用いられ、人体の運動を物理的並びに心理的に補助する運動補助装置及び運動補助方法ムに係り、特に、歩行動作を始め人体のさまざまな運動を汎用的に補助する運動補助装置及び運動補助方法に関する。

わが国の高齢化率（６５歳以上高齢者人口が総人口に占める割合）は、２０１０年に２３．１％であり、２０２５年には３０％に至ると予測されている。このように高齢者の人口構成に占める比重が急速に高まっていくと、高齢者ができる限り要介護状態とならず健康で活き活きと暮らせること、また、要介護状態となっても、できる限り悪化を防ぎ、自立した生活を送ることができる社会を実現することが急務となっている。

高齢化社会の到来に伴い、高齢者介護施設や高齢者を抱える家庭では、高齢者の心身の補助を行なうことを目的としたメカトロ機器への要求が高まっている。また、自律歩行補助器、パワー・アシスト・スーツといった物理的な補助に留まらず、ロボットを作業療法の中に効果的に取り入れたメンタル・アシストへの要求も存在する。

介助・介護用メカトロ機器開発で重要な点の１つは、高齢者の活動をいたずらに阻害せず、できるだけ維持・促進させることである。高齢者の体力が低下したからといって、高齢者の活動を機械が過度に代行してしまうと、高齢者の体力はますます減退し、状況は悪化する（廃用症候群）。パワー・アシスト・スーツは、人の筋肉が発生する力に加えて、人工的な力をその補助として加える装置であるが、高齢者の体力が低下した分を補完しながら、高齢者自身の活動を維持させられる点で、望ましい機器といえる。

しかしながら、現時点ではパワー・アシスト・スーツの普及率は決して高くない。その理由として、以下のようなことが考えられる。

（１）装着に手間がかかる。
（２）高価である。
（３）機器が重い。
（４）ぎこちないサポートしか行なわれない。
（５）装着したときの見た目が不格好である。
（６）稼働時間が短い。

例えば、筋電センサーからの出力と運動のフェーズ推定の結果に基づいて関節に駆動力を与える力制御型のパワー・アシスト方法が最近になって注目されている（例えば、非特許文献１を参照のこと）。しかしながら、筋電センサーは片脚に９箇所も取り付けなければならず、装着の手間がかかる。また、筋電センサーは経時変化や汗のため、皮膚から剥がれることもある。筋電センサーと皮膚の密着性が崩れると、筋電センサーの出力値が不安定となり、パワー・アシスト・スーツが暴走したり、装着した人体に不適切な力が印加したりするおそれがある。

また、人体の歩行時には、歩行の相に応じた設計トルク・パターンが人体に印加される歩行補助装置について提案がなされている（例えば、非特許文献２を参照のこと）。一方、使用者の歩行パターンは多様であり、設計したトルク・パターンではカバーできないケースも多々存在する。このため、歩行時に違和感がある、不自然で低速な歩行しか行なえない、といった結果に陥り易い。

他方、筋電センサーを用いない人体補助装置も提案されている（例えば、非特許文献３を参照のこと）。この装置は、ユーザーの関節の動きをセンシングし、それをサポートするような力を関節に印加するように構成されている。但し、この装置は、ユーザーの関節の動きを阻害するものがあると、感度よくユーザーの運動の意図を反映することが難しくなるという問題がある。例えば、現存のパワー・アシスト・スーツの関節部に含まれるギヤ部の粘性抵抗などは、ユーザーの関節の動きを阻害する要因となり得る。将来的には、このような阻害要因を排除していく必要があると思料される。

筋電センサーを用いないパワー・アシスト・スーツの多くは、経験則や、根拠に乏しい制御則に基づいて力を発生している。筋電センサーならば、理想的にはユーザーの運動意図を直接反映することができる（但し、現実には、上記したように、筋電センサーが安定したセンシングが難しいという問題がある）。これに対し、関節の動きのセンシングからユーザーの意図を抽出することは難しい。このような条件下で、ユーザーにストレスや不自然感の無い力サポートを行なうための、根拠ある制御則が必要である、と本出願人は思料される。

例えば、ユーザーのバランスや体重を支えながら、脚の振り出しを補助する歩行アシスト・システムについて提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。この歩行アシスト・システムは、ユーザーが把持する倒立振子型移動体と、ユーザーの脚の運動を補助する歩行補助装置からなり、倒立振子型移動体と歩行補助装置間で目標移動速度が所定の速度関係となるようにし、倒立振子型移動体は、ユーザーが把持した際の基体の動き及び目標移動速度に基づいて移動を制御するとともに、歩行補助装置は、ユーザーの脚体の動き及び目標移動速度に基づいて、力をユーザーに伝達させる。すなわち、歩行の層に応じて股関節をサポートするという、リズム・アシストを行なうシステムということができる。しかしながら、歩行アシスト・システムのアシストを適用する対象は歩行運動であり、それ以外の人体の運動に適用できる汎用性は有していない。付言すれば、股間部にサドルを有した体重アシストも提案されているが、着座の障害になることや外観の悪さの問題を有している。

また、従来のパワー・アシスト・スーツは、各関節駆動のためにそれぞれ１つのアクチュエーターを配設する構成が一般的である。したがって、より多くの関節部位をアシストしようとすると、アクチュエーターの台数増大により、装置の重量化、高価格化を招来し、実用性に乏しくなる。また、機器内でアクチュエーターの占める割合が高いことから意匠設計の制約となり、機器の見た目が不格好になりがちであるし、駆動電力もますことから稼働時間が短くなる要因にもなる。

本明細書で開示する技術の目的は、高齢者など主に介助や介護を必要とする人体に装着して用いられ、人体の運動を物理面並びに心理面から好適に補助することができる、優れた運動補助装置及び運動補助方法を提供することにある。

本明細書で開示する技術のさらなる目的は、関節数に対しより少ないアクチュエーターを用いて自然な力サポートを行なうとともに、軽量化・低価格化を実現する、優れた運動補助装置及び運動補助方法を提供することにある。

本願は、上記課題を参酌してなされたものであり、請求項１に記載の技術は、
ユーザーの第ｊの部位に装着される第ｊリンクと、
前記第ｉリンクの一端にて回転自在に接続される第ｉ関節部と、
前記ユーザーの第（ｊ＋１）の部位に装着される第（ｊ＋１）リンクと、
前記第（ｊ＋１）リンクの一端と一体であるとともに前記第ｊリンクの他端と連結する第（ｉ＋１）関節部と、
前記第ｊリンク又は前記第ｊリンクに隣接するリンクのいずれか一方に設置された単一のアクチュエーターと、
前記アクチュエーターの駆動力を前記第ｉ関節部及び前記第（ｉ＋１）関節部に伝達する伝達部と、
を具備する運動補助装置である。

本願の請求項２に記載の技術によれば、請求項１に記載の運動補助装置の前記伝達部は、前記第ｉ関節部の発生トルクと前記第（ｉ＋１）関節部の発生トルクの間に比例関係が成立するように、前記アクチュエーターの駆動力を伝達するように構成されている。

本願の請求項３に記載の技術によれば、請求項１に記載の運動補助装置の前記伝達部は、前記第ｉ関節部と前記第（ｉ＋１）関節部間で駆動方向が逆向きになるように前記アクチュエーターの駆動力を伝達するように構成されている。

本願の請求項４に記載の技術によれば、請求項１に記載の運動補助装置の前記伝達部は、ワイヤーにより前記アクチュエーターの駆動力を前記第ｉ関節部及び前記第（ｉ＋１）関節部に伝達するように構成されている。

本願の請求項５に記載の技術によれば、請求項４に記載の運動補助装置の前記伝達部は、前記第ｉ関節部と前記第（ｉ＋１）関節部間で前記ワイヤーをクロスさせている。

本願の請求項６に記載の技術によれば、請求項１に記載の運動補助装置の前記第ｊリンクは前記ユーザーの脚の大腿部に装着される大腿部リンクであり、前記第ｉ関節部は前記大腿部リンクの上端にて回転自在に接続される股関節ピッチ軸であり、前記第（ｊ＋１）リンクは前記脚の脛部に装着される脛部リンクであり、前記第（ｉ＋１）関節部は前記脛部リンクの上端と一体であるとともに前記大腿部リンクの下端と連結する膝関節ピッチ軸であり、前記アクチュエーターは前記大腿部リンクに設置されている。

本願の請求項７に記載の技術によれば、請求項６に記載の運動補助装置の前記伝達部は、前記アクチュエーターの出力軸に巻架された後、前記股関節ピッチ軸に対して前記アクチュエーターの回転方向と同一方向に巻架され、次いで、前記膝関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの回転方向と逆方向に巻架されたワイヤーからなる。

本願の請求項８に記載の技術によれば、請求項１に記載の運動補助装置の前記第ｊリンクは前記ユーザーの脚の大腿部に装着される大腿部リンクであり、前記第ｉ関節部は前記大腿部リンクの下端にて回転自在に接続される膝関節ピッチ軸であり、前記第（ｊ＋１）リンクは前記脚の大腿部に装着される骨盤リンクであり、前記第（ｉ＋１）関節部は前記骨盤リンクと一体であるとともに前記大腿部リンクの上端と連結する股関節ピッチ軸であり、前記アクチュエーターは前記大腿部リンクに隣接する脛部リンクに設置されている。

本願の請求項９に記載の技術によれば、請求項８に記載の運動補助装置の前記伝達部は、前記アクチュエーターの出力軸に巻架された後、前記膝関節ピッチ軸に対して前記アクチュエーターの回転方向と同一方向に巻架され、次いで、前記股関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの回転方向と逆方向に巻架されたワイヤーからなる。

本願の請求項１０に記載の技術によれば、請求項１に記載の運動補助装置は、前記アクチュエーターのトルク目標値を決定する目標トルク決定部と、前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御するアクチュエーター制御部をさらに備えている。

本願の請求項１１に記載の技術によれば、請求項１０に記載の運動補助装置は、前記関節部の関節角を計測する関節角計測部と、前記アクチュエーターに作用する外トルクを計測するトルク計測部をさらに備えている。そして、前記アクチュエーター制御部は、前記関節角計測部が計測した前記関節角と、前記トルク計測部が計測した前記外トルクとの間に所望の関係が成立するように、前記アクチュエーターをトルク制御するように構成されている。

本願の請求項１２に記載の技術によれば、請求項１１に記載の運動補助装置の前記アクチュエーター制御部は、前記目標トルクτ_Aにて前記アクチュエーターを駆動した際の外乱トルクτ_dを算出する外乱オブザーバーを備え、前記目標トルクτ_Aと、前記外トルクτ_eと、前記関節角を時間微分して得られる関節角速度に基づいて前記アクチュエーターが応答したことにより達成される関節角加速度目標値を求めて出力するアクチュエーターの理論応答モデルから得られる関節角加速度目標値に前記アクチュエーター内のイナーシャーの公称値Ｊ_nを掛けたトルク目標値τ^refを、前回の制御周期において前記外乱オブザーバーによって得られた外乱トルクτ_dで修正して、現制御周期における前記アクチュエーターに対する指示トルクτを決定するように構成されている。

本願の請求項１３に記載の技術によれば、請求項６に記載の運動補助装置は、前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかを検出する状態検出部と、前記股関節ピッチ軸及び前記膝関節ピッチ軸の関節角を計測する関節角計測部と、前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかに応じて、前記股関節ピッチ軸又は前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する目標トルク決定部をさらに備えている。そして、前記アクチュエーター制御部は、前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御するように構成されている。

本願の請求項１４に記載の技術によれば、請求項１３に記載の運動補助装置の前記目標トルク決定部は、前記脚が立脚のときには、前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づいて前記トルク目標値を決定し、前記脚が遊脚のときには、前記股関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定するように構成されている。

本願の請求項１５に記載の技術によれば、請求項１３に記載の運動補助装置の前記状態検出部は、前記脚の足部の設置判定を行なう接触スイッチからなる。

また、本願の請求項１６に記載の技術は、請求項６に記載の運動補助装置を用いてユーザーの運動を補助する運動補助方法であって、
前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかを検出する状態検出ステップと、
前記股関節ピッチ軸及び前記膝関節ピッチ軸の関節角を計測する関節角計測ステップと、
前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかに応じて、前記股関節ピッチ軸又は前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する目標トルク決定ステップと、
前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御するアクチュエーター制御ステップと、
を有する運動補助方法である。

本明細書で開示する技術によれば、１つのアクチュエーターで複数の関節に力を印加するように構成して、軽量化・低価格化を実現する、優れた運動補助装置及び運動補助方法を提供することができる。

また、本明細書で開示する技術によれば、特に股関節と膝関節の間に一定の関係が形成されるように、ワイヤー干渉駆動を行なうことで、１つのアクチュエーターで股関節と膝関節の両方の駆動を実現し、立脚の体重支持と、遊脚の引き上げ効果の両立を可能にして、自然な力サポートを損なわずに、軽量化・低価格化を実現することができる、優れた運動補助装置及び運動補助方法を提供することができる。

本明細書で開示する技術を適用したパワー・アシスト・スーツは、機器内でアクチュエーターの占める割合が減ることから、見た目に美しい意匠設計を行ない易く、また、アクチュエーターの駆動電力が少なくて済むことから、稼働時間を長くすることができる。

本明細書で開示する技術のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

図１は、本明細書で開示する技術を適用した脚部アシスト・スーツ１００の構成を模式的に示した図である。 図２は、図１に示した脚部アシスト・スーツのうち股関節と膝関節の周辺を拡大して描いた図（大腿部リンク２０７にアクチュエーター２０１を設置した構成例）である。 図３は、図１に示した脚部アシスト・スーツの関節駆動に適用されるアクチュエーター（Ａ）の構成例を示した図である。 図４は、ホスト・コンピューター２０３を中心に構築された、脚部アシスト・スーツの制御システム１００の構成例を示した図である。 図５は、図１に示した脚部アシスト・スーツ１００が立脚側及び遊脚側の脚部にサポート力を発生させる様子を示した図である。 図６は、図１に示した脚部アシスト・スーツ１００が立脚側及び遊脚側の脚部にサポート力を発生させる様子を示した図である。 図７は、立脚側の膝関節の屈伸角θ_knee、並びに、遊脚側の股関節の屈折角θ_hipを示した図である。 図８は、図１に示した脚部アシスト・スーツのうち股関節と膝関節の周辺を拡大して描いた図（脛部リンク２０６にアクチュエーター２０１を設置した構成例）である。 図９は、脚部アシスト・スーツ１００が装着中のユーザーに対して力サポートを行なうための処理手順を示したフローチャートである。 図１０は、アクチュエーター２０１の理想応答を実現する制御ブロック図である。

以下、図面を参照しながら本明細書で開示する技術の実施形態について詳細に説明する。

図１には、本明細書で開示する技術を適用した脚部アシスト・スーツ１００の構成を模式的に示している。

図示の脚部アシスト・スーツ１００は、人体の左右の脚それぞれ対し、股関節にロール、ピッチ、ヨーの３自由度、膝関節にピッチの１自由度、合計で８自由度を有している。図１では、紙面前方の右側の関節部及びリンクを実線で描き、紙面後方で右脚に隠れた左側の関節部及びリンクを点線で描いている。

各関節間は剛体リンクで接続されている。具体的には、左右の股関節間は骨盤リンク（Ｐｅｌｖｉｓ Ｌｉｎｋ：ＰＬ）２０８で接続され、左右それぞれの股関節と膝関節間は大腿部リンク（Ｔｈｉｇｈ Ｌｉｎｋ：ＴＬ）２０７で接続され、左右それぞれの膝関節と足首関節間は脛部リンク（Ｓｈａｎｋ Ｌｉｎｋ：ＳＬ）２０６で接続されている。骨盤リンク（ＰＬ）２０８、大腿部リンク２０７、脛部リンク２０６は、それぞれバンド（図示しない）によって人間の身体に固定されているものとする。

図示の脚部アシスト・スーツ１００は、左右それぞれの脚につき、股関節ヨー軸（Ｈｉｐ Ｙａｗ Ｊｏｉｎｔ：ＨＹＪ）２０９、股関節ロール軸（Ｈｉｐ Ｒｏｌｌ Ｊｏｉｎｔ：ＨＲＪ）２１０、股関節ピッチ軸（Ｈｉｐ Ｐｉｔｈｃｈ Ｊｏｉｎｔ：ＨＰＪ）２０４、膝関節ピッチ軸（Ｋｎｅｅ Ｐｉｔｃｈ Ｊｏｉｎｔ：ＫＰＪ）２０５の４関節自由度を持つ。これらの関節部のうち、駆動力を発生する駆動関節（Ａｃｔｉｖｅ Ｊｏｉｎｔ）は、股関節ピッチ軸２０４と膝関節ピッチ軸２０５のみであり、その他の股関節ヨー軸２０９、股関節ロール軸２１０は、力を発しないフリー・ジョイントとする。また、足首はバンドで固定されるのみで、足首関節の自由度はない。

骨盤部には、脚部アシスト・スーツ１００の制御を行なうホスト・コンピューター２０３が搭載されている。また、左右の足底部には、足底と路面の間の接地状態を検出するための接触センサー（ｆｏｏｔＳＷ）２１１が搭載されており、接触センサー２１１の出力に基づいて左右それぞれの脚が立脚、遊脚いずれの状態であるかを判別することができる。

図２には、図１に示した脚部アシスト・スーツ１００のうち股関節と膝関節の周辺を拡大して描いている。図示のように、左右それぞれの股関節ピッチ軸２０４と膝関節ピッチ軸２０５は駆動関節であるが、これらが１つのアクチュエーター２０１によって駆動される。このアクチュエーター２０１は、大腿部リンク２０７に設置され、その出力は、ワイヤー２０２を介して股関節ピッチ軸２０４と膝関節ピッチ軸２０５に伝達されるものとする。また、左右の膝関節ピッチ軸２０５にはアクチュエーターは配設されないが、別途、膝関節ピッチ軸２０５の関節角θ_kneeを計測するエンコーダー（図２には図示しない）が取り付けられているものとする。

図２に示す例では、ワイヤー２０２は、アクチュエーター２０１の出力軸に巻架された後、股関節ピッチ軸２０４に対してはアクチュエーター２０１の回転方向と同一方向すなわち正則となるように巻架され、次いで、膝関節ピッチ軸２０５に対してはアクチュエーター２０１の回転方向と逆方向すなわち反対則となるように巻架されている。股関節ピッチ軸２０４と膝関節ピッチ軸２０５の間で、ワイヤー２０２をクロスさせている。

膝関節ピッチ軸２０５は、脛部リンク２０６に対して固定されている。具体的には、膝関節ピッチ軸２０５のプーリーは、脛部リンク２０６と一体に形成されている。したがって、アクチュエーター２０１の出力軸の回転がワイヤー２０２を介して膝関節ピッチ軸２０５に伝達されると、膝関節ピッチ軸２０５と一体となって脛部リンク２０６が動作する。

一方、股関節ピッチ軸２０４は、大腿部リンク２０７に対して、フリーに取り付けられている。具体的には、股関節ピッチ軸２０４のプーリーは、大腿部リンク２０７とは一体ではなく、ベアリング（図示しない）を介して回転自在となっている。したがって、アクチュエーター２０１の出力軸が単に回転するだけでは、股関節ピッチ軸２０４のプーリーを介して大腿部リンク２０７が動作することはなく、股関節ピッチ軸２０４にトルクτ_hipが発生しない。

ここで、足首に外力が加わるなどして、脛部リンク２０６と一体である膝関節ピッチ軸２０５にトルクτ_kneeが発生すると、ワイヤー２０２を介した干渉駆動により、股関節ピッチ軸２０４に干渉トルクτ_hipが発生する（非特許文献４を参照のこと）。後述するように、股関節ピッチ軸２０４に発生するトルクτ_hipと、膝関節ピッチ軸２０５に発生するトルクτ_kneeの間には、比例関係が成立する。

このように股関節ピッチ軸２０４と膝関節ピッチ軸２０５の間には、ワイヤー干渉駆動による拘束関係があることから、脚部アシスト・スーツ１００は、単一のアクチュエーター２０１のみを用いて膝と大腿部を同時に動作させることができる。

図３には、図１に示した脚部アシスト・スーツ１００の股関節ピッチ軸２０４及び膝関節ピッチ軸２０５の同時駆動に適用されるアクチュエーター２０１の構成例を示している。図示のアクチュエーター２０１は、回転子３０１と固定子３０２からなるモーター３００本体と、波動歯車装置などのギヤからなる減速部３０３で構成され、インターフェース基板３０４上に搭載されている。モーターの回転子には、回転位置すなわち関節軸の角度を検出するエンコーダー３０５が取り付けられている。また、減速部の出力軸には、軸受部３０６を介して後段のリンク（図示しない）が接続されるとともに、出力トルクを検出するためのトルク・センサー３０７が取り付けられている。

股関節ピッチ軸２０４はアクチュエーター２０１の回転方向と同一方向となるようにワイヤー２０２で巻架されている。したがって、アクチュエーター２０１内のエンコーダー３０５の出力により、股関節ピッチ軸２０４の関節角θ_hipを測定することができる。また、膝関節ピッチ軸２０５に別途取り付けられたエンコーダー（前述）により、膝関節ピッチ軸２０５の関節角θ_kneeを計測することができる。

図４には、脚部アシスト・スーツ１００の骨盤部に搭載されたホスト・コンピューター２０３を中心に構築された、脚部アシスト・スーツ１００の制御システムの構成例を示している。左右それぞれに配設されたアクチュエーター２０１Ｌ／Ｒには、トルク制御とホスト・コンピューター２０３との通信を行なうためのマイコン４０１Ｌ／Ｒが併設されている。ホスト・コンピューター２０３は、このマイコン４０１Ｌ／Ｒを介して、アクチュエーター２０１内のモーター３００に対してトルク制御目標値を与えることができる。また、ホスト・コンピューター２０３は、アクチュエーター２０１Ｌ／Ｒに含まれるエンコーダー３０５Ｌ／Ｒやトルク・センサー３０７Ｌ／Ｒの検出値を、マイコン４０１Ｌ／Ｒを通じて読み出すことができる。また、左右の膝関節のエンコーダー４０３Ｌ／Ｒにマイコン４０２Ｌ／Ｒが併設されるとともに、左右の足底に搭載された接触センサー２１１Ｌ／Ｒにもマイコン４０４Ｌ／Ｒが併設されている。ホスト・コンピューター２０３は、同様の通信により、マイコン４０２Ｌ／Ｒ、４０４Ｌ／Ｒを介して、エンコーダー４０３Ｌ／Ｒ、左右の足の接触センサー２１１Ｌ／Ｒの出力を読み出すことができるものとする。

ホスト・コンピューター２０３は、アクチュエーター２０１Ｌ／Ｒ内のエンコーダー３０５Ｌ／Ｒの出力値から股関節ピッチ軸の関節角θ_hipを得ることができ、膝関節のエンコーダー４０３Ｌ／Ｒの出力値から膝関節ピッチ軸の関節角θ_kneeを得ることができる。

本実施形態では、ホスト・コンピューター２０３は、アクチュエーター２０１に対して位置制御ではなく力制御方式を採用するが、筋電センサーを用いず、ユーザーの関節の動きに相当する股関節ピッチ軸２０４の関節角θ_hip、膝関節ピッチ軸２０５の関節角θ_kneeに基づいて力制御を行なう。したがって、ユーザーは、筋電センサーを人体に装着する手間から解放されるとともに、筋電センサーの出力値の不安定性に基づく動作不良の危険から解放される。

これらの関節部には、摩擦や慣性といったモデル化や同定が困難な、大きな誤差を生む要因がある。そこで、理想的な関節部（ＩＪＵ）を実現するために、アクチュエーター２０１の駆動には、関節部に存在する摩擦や慣性といったモデル化や同定が困難な外乱の要因に対処し、数理モデル（理想応答モデル）に基づいて出力トルクを指示することができるアクチュエーター制御装置を用いる。具体的には、トルク・センサー３０７の値と、エンコーダー３０５の出力を用いてアクチュエーター２０１の制御を行ない、数理モデルに基づく精密な応答を実現する（例えば、特許文献２を参照のこと）。アクチュエーター２０１は、指令トルク及び外トルクに対し、指定されたイナーシャーと粘性抵抗によって支配される、精密な２次系の応答を示す。これにより、減速部のギヤ内の摩擦などによって関節の動きが阻害されることなく、わずかな力が関節に作用しても、精密にアクチュエーター２０１の角加速度変化となって現れるようにすることができる。したがって、トルク・センサー３０７で得られる出力トルクと、エンコーダー３０５による検出角度を用いて制御を行なうことで、数理モデルに基づく精密な応答を実現することができる。その結果、脚部アシスト・スーツ１００を装着したユーザーの関節に抵抗感を与えることなく、運動をサポートする力を発することができる。

図１に示した脚部アシスト・スーツ１００及びこれを装着する人のマスプロパティーは既知とし、人と脚部アシスト・スーツを合わせた系を２脚ロボットとしてモデル化すると、そのダイナミクス演算において、アクチュエーター２０１は、下式（１）に示すような数式でモデル化される。

上式（１）において、Ｉ_aは関節の仮想イナーシャー、ｑ_Aは関節の関節角（エンコーダー出力として得られるθ_hip、θ_kneeに相当）、τ_Aは関節の発生トルクの指令値であるトルク目標値、τ_eは関節に作用する外トルク、ν_aは関節内部の（未知の、モデル化が困難となる）仮想的な粘性係数である。トルク目標値τ_Aの算出方法については後述に譲る。

上式（１）から、理論モデルには、関節に作用する外トルク項τ_eが含まれていることが分かる。したがって、アクチュエーター２０１の応答を理論モデル通りとなるように矯正するには、この外トルクτ_eを検出する必要がある。本実施形態では、上述したように、アクチュエーター２０１には、減速部３０３の出力軸において外トルクτ_eを計測するためのトルク・センサー３０７が配設されており（図３を参照のこと）、そのトルク計測結果はホスト・コンピューター２０３で収集されるようになっている。

アクチュエーター２０１が上式（１）で表される理論モデルに従った応答を行なうことは、上式（１）の右辺が与えられたときに、左辺の関節角加速度が達成されることに他ならない。このような関節角加速度制御系を構成するために、外乱トルクを推定する外乱オブザーバーを適用することによって、理論応答モデルに基づいて関節トルクτを高い精度で決定することができる。

図１０には、アクチュエーター２０１の理想応答を実現する制御ブロック図を示している。同図中で、点線で囲まれた部分が外乱オブザーバーに相当し、外乱トルクτ_dを推定し、制御系に及ぼす影響を除去することによって、ロバストな加速度制御系を構築している。但し、Ｊ_nは関節内のイナーシャーの公称値、Ｊは関節内のイナーシャーの（未知の）実際値、ｑ_Aは関節角である。また、関節の仮想イナーシャーＩ_aは、ダイナミクス演算における設計事項として仮想的な定数が与えられるとする。

ホスト・コンピューター２０３上では、制御周期毎に、力制御方式によりアクチュエーター２０１に対する指令値である目標トルクτ_Aを決定するとともに、アクチュエーター２０１の減速部３０３の出力軸に取り付けられたトルク・センサー３０７によって計測された外トルク実測値τ_e、並びに、エンコーダー３０５などによって計測された関節角ｑ_Aから得られる角速度実測値がアクチュエーター２０１に併設されたマイコン４０１から送られてくる。そして、これら目標トルクτ_A、外トルク実測値τ_e、並びに関節角ｑ_Aの角速度実測値を上式（１）で表される理論応答モデルに代入して、同式左辺の関節角ｑ_Aの加速度目標値を求め、この角加速度目標値を外乱オブザーバーに投入する。

外乱オブザーバー内では、入力された関節角ｑ_Aの加速度目標値に関節の仮想イナーシャー公称値Ｊ_nを掛けて、現制御周期におけるトルク目標値τ^refに変換する。そして、外乱オブザーバーにより前制御周期で得られた外乱トルクτ_dをこのトルク目標値τ^refに修正を加えると、現制御周期における関節に対するトルク指令値τとなる。

伝達関数１／Ｊ_nからなる関節にトルク指令値τからなる力制御を掛けると、関節部に存在する摩擦や慣性などの外乱の影響を受けながら回転駆動する。具体的には、トルク指令値τを電流指令値に換算し、これがモーター３００の駆動回路への指示入力となる。その際の発生トルクτ_e並びに関節角ｑ_Aはそれぞれトルク・センサー３０７並びにエンコーダー３０５などで計測されるとともに、関節角出力ｑ_Aを時間微分することで関節角速度が得られる。

外乱オブザーバーは、計測された関節角ｑ_Aの角速度に対し、関節の仮想イナーシャー公称値Ｊ_nからなる伝達関数Ｊ_nｓを適用することで関節に作用したトルクを推定することができ、この推定トルクを関節へのトルク指令値τから引き算することで、外乱トルクτ_dを推定することができる。そして、現制御周期で得られた外乱トルクτ_dはフィードバックされ、次制御周期におけるトルク指令値τの修正に使用される。なお、途中に挿入された、ｇ／（ｓ＋ｇ）で表されるローパス・フィルタ（ＬＰＦ）は、系の発散を防ぐためのものである。

このようにして、関節部に摩擦や慣性などのモデル化することができない外乱成分が存在していても、アクチュエーターの加速度応答を加速度目標値に追従させることができる。すなわち、上式（１）の右辺が与えられたときに左辺の関節角加速度が達成されるので、アクチュエーターは外乱の影響を受けるにも拘らず理論モデルに従った応答を実現することができる。但し、外乱トルクτ_dをフィードバックする途中に上記のローパス・フィルタｇ／（ｓ＋ｇ）が挿入されており（前述）、高周波数域の外乱除去には向かない。

外乱オブザーバーは、プラント内の外乱成分を推定し、制御入力にフィードバックすることで、プラントに未知のパラメータ変動や外乱があっても、目標状態に到達させる効力がある。但し、正しく外乱を推定するには、複数のサイクルに亘ってフィードバック演算を繰り返す必要がある。

図１０に示した制御ブロック構成では、外乱オブザーバーは、関節角ｑ_Aの角加速度を上式（１）によって求め、これを関節部のアクチュエーターに対する関節角加速度目標値に設定する。関節角ｑの角加速度は、トルク・センサー３０７から得られた外トルクτ_eと、関節の目標トルクτ_Aと、エンコーダー３０５などから出力される関節角ｑ_Aの時間微分に基づいて決定される。このような構成をとることによって、関節部は、イナーシャーＩ_a及び粘性係数ν_ａに従った応答を行なうことが可能となり、理想化される。

上述したように、ワイヤー２０２は、アクチュエーター２０１の出力軸に巻架された後、股関節ピッチ軸２０４に対してはアクチュエーター２０１の回転方向と同一方向となるように巻架され、次いで、膝関節ピッチ軸２０５に対してはアクチュエーター２０１の回転方向と逆方向となるように巻架されている（図２を参照のこと）。このワイヤー２０２の干渉駆動により、脚部アシスト・スーツ１００の各軸には、下式（２）に示すようなトルクが発生する（例えば、非特許文献４を参照のこと）。

上式（２）において、τ_iは第ｉ関節に発生するトルク、ｆ_jは第ｊワイヤーに発生している張力である。但し、第ｊワイヤーは、第ｉ関節に半径ｒ_ijのプーリーで巻架されているものとする。また、ｓ_ijは、第ｊワイヤーが第ｉ関節のプーリーに巻架される方向を正負符号で表している。張力ｆ_jが作用している関節角の正方向に回転するならばｓ_ijは＋１、逆方向に回転するならばｓ_ijは−１の値をとる。

第ｊワイヤーの先には、半径Ｒ_jのプーリーを介して、下式（３）のように表わされるトルクτ_jを発生するアクチュエーターが接続されているとする。

上式（２）と上式（３）により、第ｉ関節に発生するトルクτ_iは下式（４）のように表わされる。

ここで、すべてのプーリーの径が同一とし、上式（４）を図1に示した例に適用すると、股関節と膝関節にはそれぞれ下式（５）、下式（６）に示すようなトルクτ_hip、τ_kneeがそれぞれ発生することが分かる。

但し、上式（５）及び上式（６）において、τ_Aは大腿部に配設されたアクチュエーター２０１の発生トルクである。上式（５）及び上式（６）から、ワイヤー干渉駆動により、股関節ピッチ軸２０４と膝関節ピッチ軸２０５には、同じ大きさで互いに逆方向となるトルクが発生することが分かる。股関節ピッチ軸２０４と膝関節ピッチ軸２０５のプーリーの径が同一でなければ、トルクτ_hip、τ_kneeの大きさは同一ではなくなるが、プーリーの径の比に応じた一定の比で互いに逆方向にトルクが発生するということはできる。

脚部アシスト・スーツ１００において、立脚側の脚では、膝関節ピッチ軸２０５は、大腿部リンク２０７と脛部リンク２０６を伸展させるように動作して（図５中の参照番号５０１を参照のこと）、ユーザーの体重を押し上げる役割があり、例えば階段を昇る際に重要である。これと同時に、股関節ピッチ軸２０４は、ユーザーの胴体に対し大腿部リンク２０７を伸展させるように動作して（図５中の参照番号５０２を参照のこと）、上体の姿勢を維持するようにすることが好ましい。その際、膝関節ピッチ軸２０５が図５の紙面時計回りに動作すると同時に、股関節ピッチ軸２０４はその反対の反時計回りに動作する。したがって、立脚時において、股関節ピッチ軸２０４は膝関節ピッチ軸２０５とは協調関係にあるということができる。

一方、遊脚側の脚では、股関節ピッチ軸２０４は、ユーザーの胴体に対して大腿部リンク２０７を屈曲させるように動作して（図５中の参照番号５０３）、ユーザーの遊脚を引き上げるという役割がある。これと同時に、膝関節ピッチ軸２０５は、大腿部リンク２０７と脛部リンク２０６が屈曲するように動作して（図５中の参照番号５０４）、遊脚のつま先が地面にぶつからないようにすることが好ましい。その際、股関節ピッチ軸２０４が図５の紙面時計回りに動作すると同時に、膝関節ピッチ軸２０５はその反対の反時計回りに動作する。したがって、遊脚時において、膝関節２０５は股関節ピッチ軸２０４とは協調関係にあるということができる。

また、股関節ピッチ軸２０４と膝関節ピッチ軸２０５とが協調関係にあるといっても、遊脚（並びに立脚）がユーザーの意図に応じていずれの姿勢もとり得るように（例えば、図６に示すように、股関節ピッチ軸のみ動作させる、あるいは、膝関節ピッチ軸のみ動作させる）、股関節ピッチ軸２０４と膝関節ピッチ軸２０５は独立して角度が変えられるように構成する必要がある。

脚部アシスト・スーツ１００は、図１に示したような構成をとることにより、駆動源が１つのアクチュエーター２０１のみであっても、トルク制御並びにワイヤー２０２による干渉駆動で、股関節と膝関節の２関節を同時に協調させるとともに、各々独立しても関節角を変えることができる。すなわち、脚部アシスト・スーツ１００は、図５に示したように、立脚側の脚部では体重を押し上げるようなサポート力を発生させるとともに、遊脚側の脚部では脚を引き上げるようなサポート力を発生させることが可能である。但し、図５内でトルクの発生方向は、下肢根元（骨盤）側のリンクから下肢先端（足底）側のリンクに作用するトルクの方向を示している。

立脚側の脚では、ユーザーの体重を押し上げるという観点から、膝関節ピッチ軸２０５がより重要な役割を担う。また、遊脚側の脚では、脚部を引き上げるという観点から、股関節ピッチ軸２０４がより重要な役割を担う。そこで、力のサポート則としては、立脚側については膝関節の屈伸角θ_kneeに応じてアクチュエーター２０１のトルクτ_Aを発生し（下式（７）を参照のこと）、遊脚側については股関節の屈折角θ_hipに応じてアクチュエーター２０１のトルクτ_Aを発生する（下式（８）を参照のこと）、などの方法が考えられる。立脚側の膝関節の屈伸角θ_knee、並びに、遊脚側の股関節の屈折角θ_hipは、それぞれ図７に示す通りである。

なお、図２には、単一のアクチュエーター２０１を大腿部リンク２０７に設置して、股関節ピッチ軸２０４と膝関節ピッチ軸２０５の２関節をワイヤー干渉駆動する構成例を示した。この構成例では、アクチュエーター２０１の出力軸の回転方向に対し、股関節ピッチ軸２０４が同一方向、膝関節ピッチ軸２０５が逆方向となるようにワイヤー２０２を巻架し、膝関節ピッチ軸２０５のプーリーを脛部リンク２０６と一体にする一方、股関節ピッチ軸２０４のプーリーを大腿部リンク２０７に対し回転自在としている。

これに対し、単一のアクチュエーター２０１を大腿部リンク２０７ではなく脛部リンク２０６に設置するように、脚部アシスト・スーツ１００を構成することもできる。図８に示す例では、ワイヤー２０２は、脛部リンク２０６に設置されたアクチュエーター２０１の出力軸に巻架された後、膝関節ピッチ軸２０５に対してはアクチュエーター２０１の回転方向と同一方向すなわち正則となるように巻架され、次いで、股関節ピッチ軸２０４に対してはアクチュエーター２０１の回転方向と逆方向すなわち反対則となるように巻架されている。膝関節ピッチ軸２０５と股関節ピッチ軸２０４の間で、ワイヤー２０２をクロスさせている。

股関節ピッチ軸２０４は、骨盤リンク２０８に対して固定されている。具体的には、股関節ピッチ軸２０４のプーリーは、骨盤リンク２０８と一体に形成されている。したがって、アクチュエーター２０１の出力軸の回転がワイヤー２０２を介して股関節ピッチ軸２０４に伝達されると、骨盤リンク２０８に対して大腿部リンク２０７が動作する。

一方、膝関節ピッチ軸２０５は、脛部リンク２０６及び大腿部リンク２０７のいずれに対しても、フリー脛部リンク２０６及び大腿部リンク２０７のいずれとも一体ではなく、ベアリング（図示しない）を介して回転自在となっている。したがって、アクチュエーター２０１の出力軸が単に回転するだけでは、膝関節ピッチ軸２０５のプーリーを介して脛部リンク２０６が動作することはなく、膝関節ピッチ軸２０５にトルクτ_kneeが発生しない。

ここで、骨盤リンク２０８に外力が加わるなどして、骨盤リンク２０８と一体である股関節ピッチ軸２０４にトルクτ_hipが発生すると、ワイヤー２０２を介した干渉駆動により、膝関節ピッチ軸２０５に干渉トルクτ_kneeが発生する（同上）。上述したように、股関節ピッチ軸２０４に発生するトルクτ_hipと、膝関節ピッチ軸２０５に発生するトルクτ_kneeの間には、比例関係が成立する。

このように、図８に示した構成例においても、股関節ピッチ軸２０４と膝関節ピッチ軸２０５の間には、ワイヤー干渉駆動による拘束関係があることから、脚部アシスト・スーツ１００は、単一のアクチュエーター２０１のみを用いて膝と大腿部を同時に動作させることができる。

図２又は図８のいずれの脚部構成であっても、立脚側については膝関節の屈伸角θ_kneeに応じてアクチュエーター２０１のトルクτ_Aを発生し（上式（７）を参照のこと）、遊脚側については股関節の屈折角θ_hipに応じてアクチュエーター２０１のトルクτ_Aを発生する（上式（８）を参照のこと）という、上記の力のサポート則は有効であると理解されたい。

図９には、脚部アシスト・スーツ１００が装着中のユーザーに対して力サポートを行なうための処理手順をフローチャートの形式で示している。この処理手順は、例えばホスト・コンピューター２０３が所定のプログラム・コードを実行することを通じて実現する。

まず、ホスト・コンピューター２０３は、マイコン４０４Ｌ／Ｒを通じて左右の足底に搭載された接触センサー２１１Ｌ／Ｒの出力を読み出して、左右それぞれの足の接地状態を判定する（ステップＳ９０１）。

次いで、ホスト・コンピューター２０３は、アクチュエーター２０１Ｌ／Ｒに含まれるエンコーダー３０５Ｌ／Ｒの出力をマイコン４０１Ｌ／Ｒを通じて読み出すとともに、左右の膝関節のエンコーダー４０３Ｌ／Ｒの出力をマイコン４０２Ｌ／Ｒを通じて読み出して、左右それぞれの股関節の関節角θ_hipと膝関節の関節角θ_kneeを取得する（ステップＳ９０２）。

次いで、ホスト・コンピューター２０３は、左右それぞれの脚について、上式（７）及び上式（８）に基づいて、アクチュエーター２０１Ｌ／Ｒのトルク目標値を算出する（ステップＳ９０３）。

そして、ホスト・コンピューター２０３は、ステップＳ９０３で得られたトルク目標値を、マイコン４０１Ｌ／Ｒを介して、アクチュエーター２０１内のモーター３００に対してトルク制御目標値を与える（ステップＳ９０４）。

以上の処理手順を例えば１０ミリ秒の制御周期毎に実行することで、脚部アシスト・スーツ１００は、装着したユーザーの歩行などの運動に対して自然な力サポートを行なうことができる。

本実施形態に係る脚部アシスト・スーツ１００は、１つのアクチュエーター２０１で、複数の関節に力を印加するように構成されているので、軽量化・低価格化を実現することができる。特に、脚部アシスト・スーツ１００は、股関節ピッチ軸２０４と膝関節ピッチ軸２０５の間に一定の関係が形成されるように、ワイヤー干渉駆動を行なうようにすることで、立脚の体重支持と、遊脚の引き上げ効果を可能にして、自然な力サポートを損なわずに軽量化を達成することができる。

なお、本明細書の開示の技術は、以下のような構成をとることも可能である。
（１） ユーザーの第ｊの部位に装着される第ｊリンクと、
前記第ｉリンクの一端にて回転自在に接続される第ｉ関節部と、
前記ユーザーの第（ｊ＋１）の部位に装着される第（ｊ＋１）リンクと、
前記第（ｊ＋１）リンクの一端と一体であるとともに前記第ｊリンクの他端と連結する第（ｉ＋１）関節部と、
前記第ｊリンク又は前記第ｊリンクに隣接するリンクのいずれか一方に設置された単一のアクチュエーターと、
前記アクチュエーターの駆動力を前記第ｉ関節部及び前記第（ｉ＋１）関節部に伝達する伝達部と、
を具備する運動補助装置。
（２）前記伝達部は、前記第ｉ関節部の発生トルクと前記第（ｉ＋１）関節部の発生トルクの間に比例関係が成立するように、前記アクチュエーターの駆動力を伝達する、
上記（１）に記載の運動補助装置。
（３）前記伝達部は、前記第ｉ関節部と前記第（ｉ＋１）関節部間で駆動方向が逆向きになるように前記アクチュエーターの駆動力を伝達する、
上記（１）に記載の運動補助装置。
（４）前記伝達部は、ワイヤーにより前記アクチュエーターの駆動力を前記第ｉ関節部及び前記第（ｉ＋１）関節部に伝達する、
上記（１）に記載の運動補助装置。
（５）前記伝達部は、前記第ｉ関節部と前記第（ｉ＋１）関節部間で前記ワイヤーをクロスさせる、
上記（４）に記載の運動補助装置。
（６）ユーザーの脚の大腿部に装着される大腿部リンクと、
前記大腿部リンクの上端にて回転自在に接続される股関節ピッチ軸と、
前記脚の脛部に装着される脛部リンクと、
前記脛部リンクの上端と一体であるとともに前記大腿部リンクの下端と連結する膝関節ピッチ軸と、
前記大腿部リンクに設置されたアクチュエーターと、
前記アクチュエーターの駆動力を前記股関節ピッチ軸及び前記膝関節ピッチ軸に伝達する伝達部と、
を具備する運動補助装置。
（７）前記伝達部は、前記股関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの駆動方向と同一方向に前記駆動力を伝達するとともに、前記膝関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの駆動方向と逆方向に前記駆動力を伝達する、
上記（６）に記載の運動補助装置。
（８）前記伝達部は、前記アクチュエーターの出力軸に巻架された後、前記股関節ピッチ軸に対して前記アクチュエーターの回転方向と同一方向に巻架され、次いで、前記膝関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの回転方向と逆方向に巻架されたワイヤーからなる、
上記（６）に記載の運動補助装置。
（９）前記伝達部は、前記股関節ピッチ軸と前記膝関節ピッチ軸間で前記ワイヤーをクロスさせる、
上記（８）に記載の運動補助装置。
（１０）ユーザーの脚の大腿部に装着される大腿部リンクと、
前記大腿部リンクの下端にて回転自在に接続される膝関節ピッチ軸と、
前記脚の大腿部に装着される骨盤リンクと、
前記骨盤リンクと一体であるとともに前記大腿部リンクの上端と連結する股関節ピッチ軸と、
前記大腿部リンクに隣接する脛部リンクに設置されたアクチュエーターと、
前記アクチュエーターの駆動力を前記股関節ピッチ軸及び前記膝関節ピッチ軸に伝達する伝達部と、
を具備する運動補助装置。
（１１）前記伝達部は、前記膝関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの駆動方向と同一方向に前記駆動力を伝達するとともに、前記股関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの駆動方向と逆方向に前記駆動力を伝達する、
上記（１０）に記載の運動補助装置。
（１２）前記伝達部は、前記アクチュエーターの出力軸に巻架された後、前記膝関節ピッチ軸に対して前記アクチュエーターの回転方向と同一方向に巻架され、次いで、前記股関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの回転方向と逆方向に巻架されたワイヤーからなる、
上記（１０）に記載の運動補助装置。
（１３）前記伝達部は、前記膝関節ピッチ軸と前記股関節ピッチ軸間で前記ワイヤーをクロスさせる、
上記（１２）に記載の運動補助装置。
（１４）前記アクチュエーターのトルク目標値を決定する目標トルク決定部と、
前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御するアクチュエーター制御部と、
をさらに備える、上記（１）、（６）、又は（１０）のいずれかに記載の運動補助装置。
（１５）前記関節部の関節角を計測する関節角計測部と、
前記アクチュエーターに作用する外トルクを計測するトルク計測部をさらに備え、
前記アクチュエーター制御部は、前記関節角計測部が計測した前記関節角と、前記トルク計測部が計測した前記外トルクとの間に所望の関係が成立するように、前記アクチュエーターをトルク制御する、
上記（１４）に記載の運動補助装置。
（１６）前記アクチュエーター制御部は、
前記目標トルクτ_Aにて前記アクチュエーターを駆動した際の外乱トルクτ_dを算出する外乱オブザーバーを備え、
前記目標トルクτ_Aと、前記外トルクτ_eと、前記関節角を時間微分して得られる関節角速度に基づいて前記アクチュエーターが応答したことにより達成される関節角加速度目標値を求めて出力するアクチュエーターの理論応答モデルから得られる関節角加速度目標値に前記アクチュエーター内のイナーシャーの公称値Ｊ_nを掛けたトルク目標値τ^refを、前回の制御周期において前記外乱オブザーバーによって得られた外乱トルクτ_dで修正して、現制御周期における前記アクチュエーターに対する指示トルクτを決定する、
上記（１５）に記載の運動補助装置。
（１７）前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかを検出する状態検出部と、
前記股関節ピッチ軸及び前記膝関節ピッチ軸の関節角を計測する関節角計測部と、
前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかに応じて、前記股関節ピッチ軸又は前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する目標トルク決定部をさらに備え、
前記アクチュエーター制御部は、前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御する、
上記（６）又は（１０）のいずれかに記載の運動補助装置。
（１８）前記目標トルク決定部は、前記脚が立脚のときには、前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づいて前記トルク目標値を決定し、前記脚が遊脚のときには、前記股関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する、
上記（１７）に記載の運動補助装置。
（１９）前記状態検出部は、前記脚の足部の設置判定を行なう接触スイッチからなる、
上記（１７）に記載の運動補助装置。
（２０）上記（１）、（６）、又は（１０）のいずれかに記載の運動補助装置を用いてユーザーの運動を補助する運動補助方法であって、
前記アクチュエーターのトルク目標値を決定する目標トルク決定ステップと、
前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御するアクチュエーター制御ステップと、
を有する運動補助方法。
（２１）上記（６）又は（１０）のいずれかに記載の運動補助装置を用いてユーザーの運動を補助する運動補助方法であって、
前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかを検出する状態検出ステップと、
前記股関節ピッチ軸及び前記膝関節ピッチ軸の関節角を計測する関節角計測ステップと、
前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかに応じて、前記股関節ピッチ軸又は前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する目標トルク決定ステップと、
前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御するアクチュエーター制御ステップと、
を有する運動補助方法。
（２２）前記目標トルク決定ステップでは、前記脚が立脚のときには、前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づいて前記トルク目標値を決定し、前記脚が遊脚のときには、前記股関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する、
上記（２１）に記載の運動補助方法。

特開２０１１−６２４６３号公報 特許第４７１５８６３号公報

Ｋａｗａｍｏｔｏ Ｈ．，Ｌｅｅ Ｓ．，Ｋａｎｂｅ Ｓ．，Ｓａｎｋａｉ Ｙ．： "Ｐｏｗｅｒ Ａｓｓｉｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ＨＡＬ−３ ｕｓｉｎｇ ＥＭＧ−ｂａｓｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ"，Ｐｒｏｃ．ｏｆ Ｉｎｔ’ｌ Ｃｏｎｆ． ｏｎＳｙｓｔｅｍｓ，Ｍａｎ ａｎｄ Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ（ＳＭＣ２００３），ｐｐ．１６４８−１６５３，２００３ Ｋｅｎｔａ Ｓｕｚｕｋｉ，Ｇｏｕｊｉ Ｍｉｔｏ，Ｈｉｒｏａｋｉ Ｋａｗａｍｏｔｏ，Ｙａｓｕｈｉｓａ Ｈａｓｅｇａｗａ，Ｙｏｓｈｉｙｕｋｉ Ｓａｎｋａｉ："Ｉｎｔｅｎｔｉｏｎ−Ｂａｓｅｄ Ｗａｌｋｉｎｇ Ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ Ｐａｒａｐｌｅｇｉａ Ｐａｔｉｅｎｔｓ ｗｉｔｈ Ｒｏｂｏｔ Ｓｕｉｔ ＨＡＬ"，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１２，ｐｐ．１４４１−１４６９，２００７ Ｊ．Ｇｈａｎ，Ｒ．Ｓｔｅｇｅｒ，Ｋａｚｅｒｏｏｎｉ，Ｈ，"Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｂｅｒｋｅｌｅｙ Ｌｏｗｅｒ Ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ"，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ２０，Ｎｕｍｂｅｒ ９，ｐｐ．９８９−１０１４，Ｎｕｍｂｅｒ ９，２００６ Ｋ．Ｙｏｋｏｉ ｅｔ ａｌ."Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ Ｓｅｖｅｎ−Ｄｅｇｒｅｅｓ−ｏｆ−Ｆｒｅｅｄｏｍ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ａｃｔｕａｔｅｄ ｂｙ ａ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｔｅｎｄｏｎ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｓｙｓｔｅ"，Ｉｎ Ｐｒｏｃ．Ａｎｎｕａｌ Ｃｏｎｆ． ｏｆ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｊａｐａｎ，１９９１，ｐｐ．４６１−４６４．

以上、特定の実施形態を参照しながら、本明細書で開示する技術について詳細に説明してきた。しかしながら、本明細書で開示する技術の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本明細書では、脚部アシスト・スーツに適用した実施形態を中心に説明してきたが、本明細書で開示する技術の要旨はこれに限定されるものではない。脚部以外の人の部位に装着されるさまざまなタイプのアシスト・スーツにも本明細書で開示する技術を適用して、歩行以外の人のさまざまな運動を補助することも可能である。

要するに、例示という形態により本明細書で開示する技術について説明してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本明細書で開示する技術の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

１００…脚部アシスト・スーツ
２０１…アクチュエーター、２０２…ワイヤー
２０３…ホスト・コンピューター
２０４…股関節ピッチ軸、２０５…膝関節ピッチ軸
２０６…脛部リンク、２０７…大腿部リンク
２０８…骨盤リンク、２０９…股関節ヨー軸
２１０…股関節ロール軸、２１１…接触センサー
３００…モーター
３０１…回転子、３０２…固定子
３０３…減速部、３０４…インターフェース基板
３０５…エンコーダー（アクチュエーター内）、３０６…軸受部
３０７…トルク・センサー
４０１、４０２、４０４…マイコン
４０３…エンコーダー（膝関節）、４０５…接触センサー

Claims (16)

1. ユーザーの第ｊの部位に装着される第ｊリンクと、
   前記第ｉリンクの一端にて回転自在に接続される第ｉ関節部と、
   前記ユーザーの第（ｊ＋１）の部位に装着される第（ｊ＋１）リンクと、
   前記第（ｊ＋１）リンクの一端と一体であるとともに前記第ｊリンクの他端と連結する第（ｉ＋１）関節部と、
   前記第ｊリンク又は前記第ｊリンクに隣接するリンクのいずれか一方に設置された単一のアクチュエーターと、
   前記アクチュエーターの駆動力を前記第ｉ関節部及び前記第（ｉ＋１）関節部に伝達する伝達部と、
   を具備する運動補助装置。
2. 前記伝達部は、前記第ｉ関節部の発生トルクと前記第（ｉ＋１）関節部の発生トルクの間に比例関係が成立するように、前記アクチュエーターの駆動力を伝達する、
   請求項１に記載の運動補助装置。
3. 前記伝達部は、前記第ｉ関節部と前記第（ｉ＋１）関節部間で駆動方向が逆向きになるように前記アクチュエーターの駆動力を伝達する、
   請求項１に記載の運動補助装置。
4. 前記伝達部は、ワイヤーにより前記アクチュエーターの駆動力を前記第ｉ関節部及び前記第（ｉ＋１）関節部に伝達する、
   請求項１に記載の運動補助装置。
5. 前記伝達部は、前記第ｉ関節部と前記第（ｉ＋１）関節部間で前記ワイヤーをクロスさせる、
   請求項４に記載の運動補助装置。
6. 前記第ｊリンクは前記ユーザーの脚の大腿部に装着される大腿部リンクであり、
   前記第ｉ関節部は前記大腿部リンクの上端にて回転自在に接続される股関節ピッチ軸であり、
   前記第（ｊ＋１）リンクは前記脚の脛部に装着される脛部リンクであり、
   前記第（ｉ＋１）関節部は前記脛部リンクの上端と一体であるとともに前記大腿部リンクの下端と連結する膝関節ピッチ軸であり、
   前記アクチュエーターは前記大腿部リンクに設置される、
   請求項１に記載の運動補助装置。
7. 前記伝達部は、前記アクチュエーターの出力軸に巻架された後、前記股関節ピッチ軸に対して前記アクチュエーターの回転方向と同一方向に巻架され、次いで、前記膝関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの回転方向と逆方向に巻架されたワイヤーからなる、
   請求項６に記載の運動補助装置。
8. 前記第ｊリンクは前記ユーザーの脚の大腿部に装着される大腿部リンクであり、
   前記第ｉ関節部は前記大腿部リンクの下端にて回転自在に接続される膝関節ピッチ軸であり、
   前記第（ｊ＋１）リンクは前記脚の大腿部に装着される骨盤リンクであり、
   前記第（ｉ＋１）関節部は前記骨盤リンクと一体であるとともに前記第タイプリンクの上端と連結する股関節ピッチ軸であり、
   前記アクチュエーターは前記大腿部リンクに隣接する脛部リンクに設置される、
   請求項１に記載の運動補助装置。
9. 前記伝達部は、前記アクチュエーターの出力軸に巻架された後、前記膝関節ピッチ軸に対して前記アクチュエーターの回転方向と同一方向に巻架され、次いで、前記股関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの回転方向と逆方向に巻架されたワイヤーからなる、
   請求項８に記載の運動補助装置。
10. 前記アクチュエーターのトルク目標値を決定する目標トルク決定部と、
    前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御するアクチュエーター制御部と、
    をさらに備える、請求項１に記載の運動補助装置。
11. 前記関節部の関節角を計測する関節角計測部と、
    前記アクチュエーターに作用する外トルクを計測するトルク計測部をさらに備え、
    前記アクチュエーター制御部は、前記関節角計測部が計測した前記関節角と、前記トルク計測部が計測した前記外トルクとの間に所望の関係が成立するように、前記アクチュエーターをトルク制御する、
    請求項１０に記載の運動補助装置。
12. 前記アクチュエーター制御部は、
    前記目標トルクτ_Aにて前記アクチュエーターを駆動した際の外乱トルクτ_dを算出する外乱オブザーバーを備え、
    前記目標トルクτ_Aと、前記外トルクτ_eと、前記関節角を時間微分して得られる関節角速度に基づいて前記アクチュエーターが応答したことにより達成される関節角加速度目標値を求めて出力するアクチュエーターの理論応答モデルから得られる関節角加速度目標値に前記アクチュエーター内のイナーシャーの公称値Ｊ_nを掛けたトルク目標値τ^refを、前回の制御周期において前記外乱オブザーバーによって得られた外乱トルクτ_dで修正して、現制御周期における前記アクチュエーターに対する指示トルクτを決定する、
    請求項１１に記載の運動補助装置。
13. 前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかを検出する状態検出部と、
    前記股関節ピッチ軸及び前記膝関節ピッチ軸の関節角を計測する関節角計測部と、
    前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかに応じて、前記股関節ピッチ軸又は前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する目標トルク決定部をさらに備え、
    前記アクチュエーター制御部は、前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御する、
    請求項６に記載の運動補助装置。
14. 前記目標トルク決定部は、前記脚が立脚のときには、前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づいて前記トルク目標値を決定し、前記脚が遊脚のときには、前記股関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する、
    請求項１３に記載の運動補助装置。
15. 前記状態検出部は、前記脚の足部の設置判定を行なう接触スイッチからなる、
    請求項１３に記載の運動補助装置。
16. 請求項６に記載の運動補助装置を用いてユーザーの運動を補助する運動補助方法であって、
    前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかを検出する状態検出ステップと、
    前記股関節ピッチ軸及び前記膝関節ピッチ軸の関節角を計測する関節角計測ステップと、
    前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかに応じて、前記股関節ピッチ軸又は前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する目標トルク決定ステップと、
    前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御するアクチュエーター制御ステップと、
    を有する運動補助方法。