JP4008465B2 - 運動誘導装置 - Google Patents

Description

本発明は、ユーザの運動を誘導するための装置に関する。

ユーザの身体に対して脚体関節（股関節、膝関節、足関節）回りのトルクを付与することにより、このユーザの歩行運動を補助する装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、ユーザの歩行運動リズムに変化に追従しながらも、歩行補助装置による歩行補助リズムに自律性を持たせるように、この歩行補助装置を制御するシステムが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
特開２００３−１３５５４３号公報 特開２００４−０７３６４９号公報

しかし、ユーザがその歩行運動リズムを急に変化させた場合、歩行補助装置による歩行補助リズムがこの急な変化に追従せず、ユーザに違和感や不安感等を覚えさせてしまう可能性があった。すなわち、ユーザの運動を誘導するリズムが、このユーザの運動リズムの急な変化に追従せず、ユーザに違和感等を覚えさせる可能性があった。

そこで、本発明は、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化後の運動リズムに応じた適当なリズムでユーザの運動を誘導しうる装置を提供することを解決課題とする。

前記課題を解決するための第１発明の運動誘導装置は、誘導振動子に応じてユーザの運動を誘導するための装置であって、前記ユーザの身体運動に応じて時間変化するパラメータとしての第１および第２運動振動子を測定する運動振動子測定手段と、入力振動信号と相互に引き込み合うことで固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成する第１モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子を該入力振動信号として入力することにより、該出力振動信号として第１振動子を生成する第１振動子生成手段と、該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子と該第１振動子生成手段により生成された該第１振動子との位相差である第１位相差を目標位相差に近づけるように該固有角速度を新たに設定する固有角速度設定手段と、該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子の周期変化の大きさが閾値以下である場合、入力振動信号に基づき、該固有角速度設定手段により設定された該固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成する第２モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該第２運動振動子を該入力振動信号として入力することにより、該出力振動信号として第２振動子を生成する一方、該第１運動振動子の周期変化の大きさが閾値を超えた場合、該第２モデルにおける該固有角速度を、該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子の角速度および該第１振動子生成手段により生成された該第１振動子の角速度のうち一方または両方に応じた角速度に置換した上で、当該置換後の該第２モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該第２運動振動子を入力することによって該出力振動信号として第２振動子を生成する第２振動子生成手段と、該第２振動子生成手段により生成された第２振動子に基づき、前記誘導振動子を生成する誘導振動子生成手段とを備えていることを特徴とする。

第１発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動リズムの変化が小さい場合、すなわち、当該ユーザの身体運動に応じて時間変化するパラメータとしての第１運動振動子の周期変化の大きさが閾値以下である場合、次のようにユーザの運動が誘導される。なお、ユーザの「運動」には、歩行、走行、ものづくりに伴う手作業等、種々の運動が含まれうる。

まず、第１運動振動子が入力振動信号として第１モデルに入力されることにより、第１モデルの出力振動信号としての第１振動子が生成される。「第１モデル」は入力振動信号と相互に引き込み合うことで固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成するモデルである。これにより、「第１振動子」は「第１運動振動子」との固有角速度が反映されたに基づいて定まる自律的なリズムまたは角速度をもって振動する。なお、第１運動振動子として、後述の第２運動振動子の時間微分が測定されてもよい。ここで「振動」とは、現実的または仮想的なものが、ほぼ一定の周期を持って揺れ動くことのほか、広く時間変化することを含む概念である。また「振動子」とは、値が時間変化する電気信号や、ソフトウェアにおいて値が時間変化するものとして定義された関数等を含む概念である。しかるに、この第１振動子は、ユーザの運動リズムと運動誘導装置による誘導リズムとの調和を図りながら、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させる観点から、ユーザの第１運動振動子と不適当な位相差を有している可能性がある。したがって、第１振動子から直接的に誘導振動子が生成された場合、この誘導振動子によって誘導されたユーザの運動リズムが目標リズムから乖離してしまうおそれがある。

そこで「新たな固有角速度」が、ユーザの第１運動振動子と第１振動子との位相差である第１位相差に応じて設定される。これにより、新たな固有角速度は、第１運動振動子により特定されるユーザの運動リズムとの、目標位相差に応じた調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当するものとなる。また、その後、新たな固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する新たな第１振動子が第１モデルにしたがって生成されることが繰り返されることにより、第１振動子のリズムと第１運動振動子のリズムとの調和を図りながら、第１運動振動子と第１振動子との位相差である第１位相差の目標位相差からの偏差を徐々に減少させることができる。これにより、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化への誘導振動子の追従性を、ユーザに違和感等を与えない観点から適当なものとし、ユーザの運動リズムを目標リズムに適度なペースで徐々に一致させることができる。

続いて、第２運動振動子が入力振動信号として第２モデルに入力され、第２モデルからの出力振動信号として第２振動子が生成される。「第２モデル」は入力振動信号に基づき、新たな固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成するモデルである。これにより、当該新たな固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する「第２振動子」が生成される。さらに第２振動子に基づいて「誘導振動子」が生成される。これにより、誘導振動子によって誘導されたユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとを調和させながら、ユーザの運動リズムを目標運動リズムに一致させることができる。ユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとの調和により、運動誘導装置による誘導リズムがユーザの運動リズムに調和し、かつ、ユーザの運動リズムも運動誘導装置による誘導リズムに調和するといったようにユーザ（人間）と装置（機械）との調和（相互の歩み寄り）が図られる。

一方、ユーザの運動リズムの変化が大きい場合、すなわち、第１運動振動子の周期変化の大きさが閾値を超えた場合、「固有角速度」に代わって「第１運動振動子の角速度」および「第１振動子の角速度」のうち一方または両方に基づいて第２振動子が生成される。具体的には、この場合、第２モデルにおける固有角速度が第１運動振動子の角速度および第１振動子の角速度のうち一方または両方に応じた角速度に置換される。その上で、固有角速度が当該角速度に置換された後の第２モデルに、第２運動振動子が入力されることによって該出力振動信号として第２振動子が生成される。

第１運動振動子の角速度に基づいて第２振動子が生成されるとき、第１振動子の生成および固有角速度の設定処理が省略されうる。第１運動振動子の角速度、または第１運動振動子の角速度および第１振動子の角速度に基づいて第２振動子が生成されるとき、固有角速度の設定処理が省略されうる。このようにユーザの運動リズムの変化が小さい場合に実行される処理の一部が省略される分、第１および第２運動振動子が測定されてから誘導振動子が生成され、この誘導振動子がユーザに対して供給されるまでの時間が短縮されうる。

ただし、第１運動振動子または第１振動子から直接的に誘導振動子が生成された場合、ユーザの運動リズムの急な変化に応じて運動誘導装置による誘導リズムが過剰に運動リズムから乖離してしまい、ユーザに著しい違和感を与えるおそれがある。これは、ユーザの運動リズムの変化が大きく、ユーザの運動リズムが目標リズムから大きく乖離している可能性が高い状況ではより顕著なものとなる。

したがって、前記のように第１運動振動子の角速度および第１振動子の角速度のうち一方または両方に応じて「第２振動子」が生成され、この第２振動子に基づいて「誘導振動子」が生成されることで、運動リズムと誘導リズムとの著しい乖離が抑制されうる。

また、第１運動振動子の角速度には、ユーザの運動リズムが直接的に反映されている。さらに、前記のように第１運動振動子との「相互引き込み」の効果により運動振動子のリズムと調和しながら、固有角速度が反映された自律的なリズムをもって振動する第１振動子の角速度にもユーザの運動リズムが強く反映されている。このため、第１運動振動子の角速度および第１振動子の角速度のうち一方または両方が反映された第２振動子のリズムは、急に変化したユーザの運動リズムが反映されたものとなる。したがって、この第２振動子に基づいて「誘導振動子」が生成されることで、この誘導振動子のリズムが、ユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導する観点から適当なものになりうる。

以上のように、第１発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化後の運動リズムに応じた適当なリズムをもってユーザの運動が誘導されうる。

また、第２発明の運動誘導装置は、第１発明の運動誘導装置において、前記運動振動子測定手段が前記ユーザの身体運動に応じて時間変化する、前記ユーザの運動スケールを表すパラメータとしての第３運動振動子を測定し、前記誘導振動子生成手段が、前記第２振動子生成手段により生成された前記第２振動子と、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度とに応じて、該運動振動子測定手段により測定された該第３運動振動子の値を該ユーザの目標運動スケールに応じた目標値に近付けるように前記ユーザの運動を誘導するための仮想的な弾性要素の弾性力を表す第１誘導振動子を生成し、該第１誘導振動子を含む誘導振動子を生成することを特徴とする。

第２発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子をその目標値に近付けるように当該ユーザの運動を誘導するための仮想的なバネ等の弾性要素の弾性力を表している「第１誘導振動子」が生成され、この第１誘導振動子を含む誘導振動子が生成される。なお、第３運動振動子として第２運動振動子が測定されてもよい。仮想的な弾性要素の弾性力は、ユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当する新たな固有角速度に応じている。したがって、第１誘導振動子を含む誘導振動子に応じてユーザの運動が誘導されることで、ユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとの調和およびユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図り、かつ、ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子の値が目標値に近づくように、すなわち、ユーザの運動スケールが目標スケールに近付くようにユーザの運動が誘導されうる。

さらに、第３発明の運動誘導装置は、第２発明の運動誘導装置において、前記誘導振動子生成手段が、前記仮想的な弾性要素の弾性係数としての、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度の関数である第１係数と、前記第３運動振動子の値と前記目標値との偏差の関数と、前記第２振動子との積として算出される振動子が含まれている前記第１誘導振動子を生成することを特徴とする。

第３発明の運動誘導装置によれば、第１誘導振動子が、第１係数を弾性係数（バネ係数）とし、且つ、ユーザの運動スケールに応じた運動振動子の値を目標値に復元させる仮想的なバネ等の弾性要素による弾性力として表現される。これにより、筋肉の収縮状態から伸展状態への移行時の弾性力等、ユーザの身体部分の弾性要素の特性が反映されたリズムおよびスケールをもってユーザの運動が補助されうる。

また、第４発明の運動誘導装置は、第３発明の運動誘導装置において、前記運動振動子測定手段が前記第３運動振動子の時間微分を第４運動振動子として測定し、前記誘導振動子生成手段が、前記第２振動子生成手段により生成された前記第２振動子と、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度と、前記運動振動子測定手段により測定された該第４運動振動子とに応じて、該第３運動振動子の絶対値の増大を抑制するように前記ユーザの運動を誘導するための仮想的な減衰要素による減衰力を表す第２誘導振動子を生成し、該第２誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする。

第４発明の運動誘導装置によれば、ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子の絶対値の増大を抑制するように当該ユーザの運動を誘導するための仮想的なダンパによる減衰力として表される「第２誘導振動子」が生成され、この第２誘導振動子を含む誘導振動子が生成される。仮想的なダンパ等の弾性要素による減衰力は、ユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当する新たな固有角速度と、第４運動振動子とに応じている。なお、第１運動振動子として第３運動振動子の時間微分が測定されてもよい。したがって、第２誘導振動子を含む誘導振動子が生成されることにより、ユーザの運動リズムと誘導振動子のリズムとの調和、およびユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図り、かつ、第４運動振動子の値に応じて第３運動振動子の絶対値の増大を抑制しながら、ユーザの運動スケールが目標運動スケールに近付くようにユーザの運動が誘導されうる。

さらに、第５発明の運動誘導装置は、第４発明の運動誘導装置において、前記誘導振動子生成手段が、前記仮想的な減衰要素の減衰係数としての、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度の関数である第２係数と、前記第４運動振動子の関数と、第２振動子との積として算出される振動子が含まれている前記第２誘導振動子を生成することを特徴とする。

第５発明の運動誘導装置によれば、第２誘導振動子が、第２係数を減数係数（ダンパ係数）とし、かつ、第４運動振動子に応じて、第３運動振動子の絶対値の増大を抑制する仮想的なダンパ等の減衰要素による減衰力として表現される。これにより、筋肉の伸展状態から屈曲状態への移行時の粘性力等、ユーザの身体の減衰要素が反映されたリズムおよびスケールをもってユーザの運動が誘導されうる。

本発明の運動誘導装置の実施形態について図面を用いて説明する。

図１は本発明の運動誘導装置およびその制御システムの構成例示図、図２は本発明の運動誘導装置の機能例示図、図３は本発明の運動誘導装置の他の機能例示図、図４は運動振動子と第１基本振動子との関係例示図、図５は本発明の運動誘導装置の作用効果に関する実験結果の説明図、図６は誘導振動子生成に関する仮想的なバネおよびダンパの説明図である。

以下、歩行者の脚体等について左右を区別するために基本的にパラメータに添字Ｌ、Ｒを付するが、表記の簡単のため添字Ｌ、Ｒを省略する場合もある。

図１に示されている歩行補助装置（運動誘導装置）２００は、腰部装具２０２と、大腿部装具２０４と、力伝達部材２０６と、バッテリ２０８と、アクチュエータ（電動モータ）２１０と、股関節角度センサ２１２とを備えている。

腰部装具２０２は剛性のある素材と柔軟性のある素材とが組み合わせられて作られており、ユーザの腰部に装着される。大腿部装具２０４も剛性のある素材と柔軟性のある素材とが組み合わせられて作られており、ユーザの大腿部の前後それぞれに装着される。力伝達部材は、軽量の硬質プラスチック等の定形性のある素材より作られており、ユーザの大腿部に沿って、ユーザの腰部の横から下方に延びた後で大腿部の前後に向けて二股に分かれた形状であり、アクチュエータ２１０および前後の大腿部装具２０４のそれぞれに連結されている。バッテリ２０８は腰部装具２０２に収納されており（たとえば、腰部装具２０２を構成する複数の素材の間に固定されており）、アクチュエータ２１０等に対して電力を供給する。アクチュエータ２１０は腰部装具２０２に収納されており、力伝達部材２０６および大腿部装具２０４を介してユーザの大腿部に力を作用させる。股関節角度センサ２１２はユーザの腰部の横に設けられたロータリエンコーダ等により構成され、股関節角度に応じた信号を出力する。

図１に示されている制御システムは、腰部装具２０２に収納されたハードウェアとしてのコンピュータ１００と、このコンピュータ１００に対して歩行補助装置２００の制御機能を付与するソフトウェアとしての本発明の「制御プログラム」とにより構成されている。

制御システムは、運動振動子測定ユニット１０２と、判定ユニット１０４と、第１振動子生成ユニット１２０と、固有角速度設定ユニット１３０と、第２振動子生成ユニット１４０と、誘導振動子生成ユニット１５０とを備えている。各ユニットは、ハードウェアとしてのＣＰＵ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ、信号入力回路および信号出力回路等の組み合わせと、ＣＰＵ等より構成されるコンピュータに対して諸機能を付与するソフトウェアとしての本発明の「制御プログラム」とにより構成されている（以下同様）。なお、各ユニットは、それぞれ別個のＣＰＵ等により構成されていてもよく、共通のＣＰＵ等により構成されていてもよい。

運動振動子測定ユニット１０２は、股関節角度センサ２１２の出力に基づき、ユーザの「第２運動振動子」としてユーザの股関節角度φ_H を測定する。また、運動振動子測定ユニット１０２は、股関節角度センサ２１２の出力に基づき、「第１運動振動子」として股関節角速度ｄφ_H／ｄｔを測定する。

判定ユニット１０４は運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度（第１運動振動子）ｄφ_H／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δを超えているか否かを判定する。

第１振動子生成ユニット１２０は運動振動子測定ユニット１０２により測定された「第１運動振動子」としての股関節角速度ｄφ_H／ｄｔと固有角速度ω_Mとに基づき「第１モデル」にしたがって第１振動子ｘを生成する。

固有角速度設定ユニット１３０は、股関節角速度（第１運動振動子）ｄφ_H／ｄｔと、第１振動子ｘとの位相差である第１位相差に基づき、固有角速度ω_Mを新たに設定する。

第２振動子生成ユニット１４０は、運動振動子測定ユニット１０２により測定された「第２運動振動子」としての股関節角度φ_Hと、固有角速度設定ユニット１３０により設定された固有角速度ω_Mとに基づき「第２モデル」にしたがって第２振動子ｙを生成する。

誘導振動子生成ユニット１５０は、第２振動子生成ユニット１４０により生成された第２振動子ｙに基づき、誘導振動子ｚを生成し、誘導振動子ｚに応じたトルクＴを歩行補助装置２００にユーザに対して作用させる。

前記構成の歩行補助装置およびその制御システムの機能について図２〜図３を用いて説明する。

運動振動子測定ユニット１０２が、股関節角度センサ２１２の出力に基づき、「第２運動振動子」としてユーザの左右の股関節角度φ_H＝（φ_HL，φ_HR）を測定する（図２／ｓ１０１）。また、運動振動子測定ユニット１０２が、股関節角度センサ２１２の出力に基づき、「第１運動振動子」としてユーザの左右の股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ＝（ｄφ_HL／ｄｔ，ｄφ_HR／ｄｔ）を測定する（図２／ｓ１０２）。

さらに、判定ユニット１０４が、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度（第１運動振動子）ｄφ_H／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δを超えているか否かを判定する。たとえば、図４に示されているように、（ｄφ_H／ｄｔ）＝０かつ（ｄ²φ_H／ｄｔ²）＞０となる隣り合う２つの時点ｔ_idおよびｔ_id+1の間隔が股関節角速度（ｄφ_Ｈ／ｄｔ）の周期とされ、周期変化の大きさ｛（ｔ_id+2−ｔ_id+1）−（ｔ_id+1−ｔ_id）｝が閾値δを超えているか否かが判定される。

判定ユニット１０４により股関節角速度ｄφ_H／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δ以下であると判定された場合、次の手順にしたがって誘導振動子ｚが生成される。

さらに、第１振動子生成ユニット１２０が、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度ｄφ_H／ｄｔおよび固有角速度ω_M＝（ω_ML，ω_MR）に基づき第１モデルにしたがって第１振動子ｘ＝（ｘ_L，ｘ_R）を生成する（図２／ｓ１２０）。「第１モデル」は左右の脚体等、仮想的な複数の第１要素の相関関係を表現するモデルである。具体的には「第１モデル」は入力振動信号と相互に引き込み合うことで固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号（当該第１要素の出力振動信号）を生成するモデルである。第１モデルは、たとえば次式（１）のファン・デル・ポル（ｖａｎ ｄｅｒ Ｐｏｌ）方程式（「第１連立方程式」に該当する。）によって表現される。第１振動子生成ユニット１２０によって股関節角速度（第１運動振動子）ｄφ _H ／ｄｔ＝（ｄφ _HL ／ｄｔ，ｄφ _HR ／ｄｔ）が当該入力振動信号として第１モデルに入力されることにより、当該出力振動信号として第１振動子ｘ＝（ｘ _L 、ｘ _R ）が生成される。

（ｄ²ｘ_L／ｄｔ²）＝ξ（１−ｘ_L ²）（ｄｘ_L／ｄｔ）−ω_ML ²ｘ_L
＋ｇ（ｘ_L−ｘ_R）＋Ｋ（ｄφ_HL／ｄｔ），
（ｄ²ｘ_R／ｄｔ²）＝ξ（１−ｘ_R ²）（ｄｘ_R／ｄｔ）−ω_MR ²ｘ_R
＋ｇ（ｘ_R−ｘ_L）＋Ｋ（ｄφ_HR／ｄｔ） ‥（１）

ここで「ξ」は第１振動子ｘおよびその１回時間微分（ｄｘ／ｄｔ）がｘ−（ｄｘ／ｄｔ）平面で安定なリミットサイクルを描くように設定される係数（＞０）である。ｇは第１モデルにおいて左右の脚体（複数の第１要素）の相関関係を表す第１相関係数である。Ｋはフィードバック係数である。なお、固有角速度ω_Mは歩行補助装置２００による実際の歩行補助リズム（歩行補助リズム）から大きく外れない範囲で任意に設定されてよい。

第１振動子ｘ＝（ｘ_L，ｘ_R）はルンゲ・クッタ法により設定生成される。第１振動子ｘの成分ｘ_Lおよびｘ_Rはそれぞれ左右の脚体に関する仮想的な歩行補助リズムを表す。また、振動子ｘはファン・デル・ポル方程式の１つの性質である「相互引き込み」により、実際の歩行リズムと略同等のリズム（角速度）で時間変化する股関節角速度（運動振動子）ｄφ_H／ｄｔのリズムと調和しながらも「固有角速度」ω_M に基づいて定まる自律的なリズムまたは角速度をもって時間変化または振動するという性質がある。

なお、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔに代えてまたは加えて、股関節角度φ_Hや、膝関節、足関節、肩関節、肘関節の角度や角速度、さらには歩行者の着地音、呼吸音、断続的な発声音等、ユーザの歩行リズム（運動リズム）が反映されたリズムで変動する種々の第１運動振動子に基づき、第１振動子ｘが生成されてもよい。

また、「第１モデル」は、式（１）により表現されるファン・デル・ポル方程式とは異なる形のファン・デル・ポル方程式によって表現されてもよく、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ等の入力振動信号と相互引き込み効果をもって出力振動信号が生成されうるあらゆる方程式によって表現されてもよい。

続いて、固有角速度設定ユニット１３０が、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度ｄφ_H／ｄｔと、第１振動子生成ユニット１２０により生成された第１振動子ｘとに基づき新たな固有角速度ω_Mを設定する（図２／ｓ１３０）。

具体的には、左右各成分について、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔの位相θ_Hと、第１振動子ｘの位相θ_Mとの位相差θ_H−θ_Mが第１位相差θ_HMとして設定される（図２／ｓ１３１）。たとえば、図４に示されているように、ｄφ_H／ｄｔ＝０且つｄ²φ_H／ｄｔ²＞０となる時点（・・，ｔ_id，ｔ_id+1，‥）と、ｘ＝０且つ（ｄｘ／ｄｔ）＞０となる時点との時間差に応じ、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔの位相θ_Hと第１振動子ｘの位相θ_Mとの位相差（第１位相差）θ_HM（＝θ_H−θ_M）が設定される。

次に、過去３歩行周期にわたって第１位相差θ_HMが一定であったことを要件として、左右各成分について、次式（２．１）および（２．２）によって表される「仮想モデル」にしたがって、次式（２．３）によって表される仮想運動振動子θ_hと仮想誘導振動子θ_mとの位相差θ_h−θ_mが、第２位相差θ_hmとして設定される（図２／ｓ１３２）。

（ｄθ_h／ｄｔ）＝ω_h＋ε・ｓｉｎ（θ_m−θ_h） ‥（２．１）
（ｄθ_m／ｄｔ）＝ω_m＋ε・ｓｉｎ（θ_h−θ_m） ‥（２．２）
θ_hm＝ａｒｃｓｉｎ［（ω_h−ω_m）／２ε］ ‥（２．３）

ここで、εは仮想モデルにおける仮想運動振動子θ_hおよび仮想誘導振動子θ_mの相関係数である。また、ω_hは仮想運動振動子θ_hの角速度であり、ω_mは仮想誘導振動子θ_mの角速度である。

続いて、第１位相差θ_HMと第２位相差θ_hmとの差θ_HM−θ_hmが最小になるように相関係数εが設定される（図２／ｓ１３３）。具体的には次式（２．４）にしたがって、左右各成分について、股関節角速度（第１運動振動子）ｄφ_H／ｄｔが０となる離散的な時間（・・，ｔ_id-1，ｔ_id，ｔ_id+1，・・）（図４参照）における相関係数εが逐次設定される。

ε（ｔ_id+1）＝ε（ｔ_id）−η｛Ｖ（ｔ_id+1）−Ｖ（ｔ_id）｝／｛ε（ｔ_id）−ε（ｔ_id-1）｝，
Ｖ（ｔ_id+1）≡（１／２）｛θ_HM（ｔ_id+1）−θ_hm（ｔ_id）｝² ‥（２．４）

ここで、η＝（η_L，η_R）の各成分は、第１位相差θ_HMの左右各成分と、第２位相差θ_hmの左右各成分とを近づけるポテンシャルＶ＝（Ｖ_L，Ｖ_R）の安定性を表す係数である。

次に、相関係数εに基づき、仮想誘導振動子θ_mの固有角速度ω_mが一定であるという条件下で、左右各成分について、第１および第２位相差の差θ_HM−θ_hmの各成分が最小となるように仮想運動振動子θ_hの角速度ω_hが次式（２．５）にしたがって設定される（図２／ｓ１３４）。

ω_h（ｔ_id）＝−α∫ｄｔ・（［４ε（ｔ_id）^２−｛ω_h（ｔ）−ω_m（ｔ_id）｝²］^1/2
×ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛（ω_h（ｔ）−ω_m（ｔ_id-1））／２ε（ｔ_id）｝−θ_HM（ｔ_id）］）
‥（２．５）

ここで、α＝（α_L，α_R）の各成分は系の安定性を表す係数である。

続いて、左右各成分について、仮想運動振動子θ_hの角速度ω_hに基づき、仮想誘導振動子θ_mの角速度ω_mが、新たな固有角速度ω_Mとして設定される（図２／ｓ１３５）。具体的には、左右各成分について、第２位相差θ _hm が目標位相差θ_dに近づくように、次式（２．６）にしたがって仮想誘導振動子θ_mの角速度ω_m＝（ω_mL，ω_mR）が設定される。

ω_m（ｔ_id）＝β∫ｄｔ・（［４ε（ｔ_id）²−｛ω_h（ｔ_id）−ω_m（ｔ）｝²）
×ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛（ω_h（ｔ_id）−ω_m（ｔ））／２ε（ｔ_id）｝−θ_d］）‥（２．６）

ここで、β＝（β_L，β_R）の各成分は系の安定性を表す係数である。

続いて、第２振動子生成ユニット１４０が、運動振動子測定ユニット１０２により測定された「第２運動振動子」としての股関節角度φ_Hと、固有角速度設定ユニット１３０により設定された新たな固有角速度ω_Mとに基づき、「第２モデル」にしたがって、第２振動子ｙ＝（ｙ_L+，ｙ_L-，ｙ_R+，ｙ_R-）を生成する（図２／ｓ１４０）。「第２モデル」は複数の神経要素等、仮想的な複数の第２要素の相関関係を表現するモデルである。具体的には「第２モデル」は入力振動信号に応じて当該新たな固有角速度ω _M に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号（当該第２要素の出力信号）を生成するモデルである。第２モデルはたとえば次式（３）の連立微分方程式（「第２連立方程式」に該当する。）により表現される。当該連立微分方程式には、左大腿部の屈曲方向（前方）および伸展方向（後方）のそれぞれへの運動を支配する神経要素Ｌ＋およびＬ−、並びに右大腿部の屈曲方向および伸展方向のそれぞれへの運動を支配する神経要素Ｒ＋およびＲ−の膜電位の変動に対応する状態変数ｕ_i（ｉ＝Ｌ＋，Ｌ−，Ｒ＋，Ｒ−）と、神経要素ｉの順応効果が反映される自己抑制因子ｖ_iとが含まれている。第２振動子生成ユニット１４０により、股関節角度（第２運動振動子）φ _H が当該入力振動信号として第２モデルに入力されることにより、当該出力振動信号として第２振動子ｙが生成される。

τ_1L+・ｄｕ_L+／ｄｔ＝−ｕ_L+＋ｗ_L+/L-ｙ_L-＋ｗ_L+/R+ｙ_R+
−λ_Lｖ_L+＋ｆ₁（ω_ML）＋ｆ₂（ω_ML）Ｋ（φ_HL），
τ_1L-・ｄｕ_L-／ｄｔ＝−ｕ_L-＋ｗ_L-/L+ｙ_Ｌ＋＋ｗ_L-/R-ｙ_R-
−λ_Lｖ_L-＋ｆ₁（ω_ML）＋ｆ₂（ω_ML）Ｋ（φ_HL），
τ_1R+・ｄｕ_R+／ｄｔ＝−ｕ_R+＋ｗ_R+/L+ｙ_L+＋ｗ_R+/R-ｙ_R-
−λ_Rｖ_R+＋ｆ₁（ω_MR）＋ｆ₂（ω_MR）Ｋ（φ_HR），
τ_1R-・ｄｕ_R-／ｄｔ＝−ｕ_R-＋ｗ_R-/L-ｙ_L-＋ｗ_R-/R+ｙ_R+
−λ_Rｖ_R-＋ｆ₁（ω_MR）＋ｆ₂（ω_MR）Ｋ（φ_HR），
τ_2i・ｄｖ_i／ｄｔ＝−ｖ_i＋ｙ_i，
ｙ_i＝ｍａｘ（０，ｕ_i） ‥（３）

ここでτ_1iは状態変数ｕ_iの変化特性を規定する時定数であり、左右各成分について次式（３．１）によって表されるように固有角速度ω_Mへの依存性を有する。

τ_1i≡ｔ（ω_ML）／ω_ML−γ_L（ｉ＝Ｌ＋，Ｌ−），または
ｔ（ω_MR）／ω_MR−γ_R（ｉ＝Ｒ＋，Ｒ−） ‥（３．１）
ｔ（ω）はω依存性を有する係数である。γ＝（γ_L，γ_R）は定数である。

また、τ_2iは自己抑制因子ｖ_ｉの変化特性を規定する時定数である。また、ｗ_i/j（＜０）は仮想的な複数の第２要素（神経要素）ｉおよびｊの相関関係を第２モデルにしたがって生成される複数の（第２要素の）出力振動信号の相関関係に反映させるための第２相関係数（定数）である。「λ_L」および「λ_R」は慣れ係数である。Ｋは股関節角度φ_Hに応じたフィードバック係数である。

「ｆ₁」および「ｆ₂」はそれぞれ次式（３．２）および（３．３）により定義される関数である。
ｆ₁（ω）≡ｃ・ω（ｃ＞０） ‥（３．２）
ｆ₂（ω）≡ｃ₀＋ｃ₁ω＋ｃ₂ω² ‥（３．３）

なお、股関節角度φ_Hに代えてまたは加えて、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔや、膝関節、足関節、肩関節、肘関節の角度や角速度、さらには歩行者の着地音、呼吸音、意図的な発声音等、歩行リズムと連関したリズムで変動する種々の第２運動振動子に基づき、第２振動子ｙ_iが生成されてもよい。

次に、誘導振動子生成ユニット１５０が、第２振動子生成ユニット１４０により生成された第２振動子ｙ_iに基づき、誘導振動子ｚを生成する（図２／ｓ１５０）。具体的には、次式（４）にしたがって誘導振動子ｚが生成される。

ｚ_L＝ ｐ₊ｙ_L+−ｐ_-ｙ_L-，
ｚ_R＝−ｐ₊ｙ_R+＋ｐ_-ｙ_R- ‥（４）

ここで、ｐ₊およびｐ_-は活性化係数を表している。

そして、誘導振動子生成ユニット１５０により生成された誘導振動子ｚに応じた電流Ｉ＝（Ｉ_L，Ｉ_R）が電池２０６から左右のアクチュエータ２１０にそれぞれ供給され、力伝達部材２０６および大腿部装具２０４を介してユーザの大腿部に力（股関節回りのトルク）Ｔが作用する。

以後、前記処理（図２／ｓ１０１，ｓ１０２，・・，ｓ１５０）が繰り返されることで、ユーザは歩行補助装置２００によって股関節回りのトルクＴが作用している状態で歩行する。

一方、判定ユニット１０４により股関節角速度ｄφ_H／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δを超えていると判定された場合、次の手順にしたがって誘導振動子ｚが生成される。この場合、固有角速度ω_Mの設定（図２／ｓ１３０）が省略され、第２振動子ｙが前記方法とは異なる方法で生成される。

すなわち、この場合、第２振動子生成ユニット１４０が、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角度φ_Hと、固有角速度ω_Mに代えて第１振動子生成ユニット１２０により生成された第１振動子ｘの角速度ω_M1に基づき「第２モデル」にしたがって第２振動子ｙ＝（ｙ_L+，ｙ_L-，ｙ_R+，ｙ_R-）を生成する（図３／ｓ１４０）。この上で、前記のようにこの第２振動子ｙに基づいて誘導振動子ｚが生成される（図３／ｓ１５０）。そして、誘導振動子ｚに応じた電流Ｉがアクチュエータ２１０に供給され、ユーザに対して股関節回りのトルクＴが付与される。

前記機能を発揮する本発明の歩行補助装置２００およびその制御システムによれば、ユーザの運動リズムの変化が小さい場合、すなわち、股関節角速度（第１運動振動子）ｄφ_H／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δ以下である場合、次のようにユーザの歩行運動が誘導（補助）される。

すなわち、まず、股関節角速度（第１運動振動子）ｄφ _H ／ｄｔが入力振動信号として「第１モデル」に入力されることにより、第１モデルの出力振動信号としての第１振動子ｘが生成される（図２／ｓ１２０）。「第１モデル」は入力振動信号と相互に引き込み合うことで固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成する、ファン・デル・ポル方程式（第１連立方程式）により表現されるモデルである。これにより、第１振動子ｘはファン・デル・ポル方程式（式（１））の性質である「相互引き込み」の効果によりユーザの股関節角速度（第１運動振動子）（ｄφ_H／ｄｔ）のリズムと調和しながら、固有角速度ω_Mが反映された自律的なリズムをもって振動する。一方、第１振動子ｘは、ユーザの歩行リズムと歩行補助装置２００による誘導リズムとの調和を図りながら、ユーザの歩行リズムを目標リズムに一致させる観点から、ユーザの股関節角速度（ｄφ_H／ｄｔ）に対して不適当な位相差を有している可能性がある。したがって、第１振動子ｘから直接的に誘導振動子ｚが生成された場合、この誘導振動子ｚによって誘導されたユーザの歩行リズムが目標リズムから乖離してしまうおそれがある。

そこで、ユーザの股関節角速度ｄφ_H／ｄｔと第１振動子ｘとの位相差である第１位相差θ_HMに応じて新たな固有角速度ω_Mが設定される（図２／ｓ１３０）。これにより、新たな固有角速度ω_Mは、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔにより特定されるユーザの運動リズムとの、目標位相差θ_dに応じた調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子（仮想歩行補助振動子が該当する。）の角速度θ_mに相当するものとなる。

続いて、股関節角度（第２運動振動子）φ _H が入力振動信号として第２モデルに入力され、第２モデルからの出力振動信号として第２振動子ｙが生成される（図２／ｓ１４０）。「第２モデル」は入力振動信号に基づき、新たな固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成するモデルである。これにより、当該新たな固有角速度ω _M ひいては出力振動信号の時定数τ _1i （ω _ML ）に基づいて定まる角速度で時間変化する第２振動子ｙが生成される。さらに第２振動子ｙに基づいて「誘導振動子」が生成される（図２／ｓ１５０）。これにより、誘導振動子ｚ、ひいてはトルクＴによって誘導されたユーザの運動リズムと歩行補助装置２００による誘導リズムとを調和させながら、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させることができる。ユーザの運動リズムと歩行補助装置２００による誘導リズムとの調和により、歩行補助装置２００による誘導リズムがユーザの運動リズムに調和し、且つ、ユーザの運動リズムも歩行補助装置２００による誘導リズムに調和するといったようにユーザ（人間）と装置（機械）との調和（相互の歩み寄り）が図られる。

また、新たな固有角速度ω_Mが反映された形で新たな第１振動子ｘが生成されることが繰り返されることにより（図２／ｓ１２０）、第１振動子ｘのリズムと股関節角速度（第１運動振動子）ｄφ_H／ｄｔのリズムとの調和を図りながら、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔと第１振動子ｘとの位相差である第１位相差θ_HMの、目標位相差θ_dからの偏差を徐々に減少させることができる。これにより、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化への誘導振動子ｚひいてはユーザの身体に作用するトルクＴの追従性を、ユーザに違和感等を与えない観点から適当なものとし、ユーザの運動リズムを目標運動リズムに適度なペースで徐々に一致させることができる。

一方、ユーザの運動リズムの変化が大きい場合、すなわち、股関節角速度（第１運動振動子）ｄφ_H／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δを超えた場合、固有角速度ω_Mに代えて第１振動子ｘの角速度ω_M1に基づき、第２モデルにしたがって第２振動子ｙが生成される（図３／ｓ１４０）。具体的には、この場合、第２モデルにおける固有角速度ω _M が第１運動振動子ｘの角速度ω _M1 に置換される。その上で、固有角速度ω _M が当該角速度ω _M1 に置換された後の第２モデルに、股関節角度（第２運動振動子）φ _H が入力されることによって出力振動信号として第２振動子ｙが生成される。

第１運動振動子ｘの角速度ω_M1に基づいて第２振動子ｙが生成されるとき、固有角速度ω_Mの設定処理（図２／ｓ１３０）が省略されうる。このようにユーザの運動リズムの変化が小さい場合に実行される処理の一部が省略される分、股関節角速度（運動振動子）ｄφ_H／ｄｔが測定されてから、誘導振動子ｚが生成され、誘導振動子ｚに応じた力Ｔがユーザの大腿部に作用するまでの時間が短縮されうる。

ただし、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ等の第１運動振動子または第１振動子ｘから直接的に誘導振動子ｚが生成された場合、ユーザの運動リズムの急な変化に応じて歩行補助装置２００による誘導リズムが過剰に運動リズムから乖離してしまい、ユーザに著しい違和感を与えるおそれがある。これは、ユーザの運動リズムの変化が大きく、ユーザの運動リズムが目標リズムから大きく乖離している可能性が高い状況ではより顕著なものとなる。

したがって、前記のように第１振動子ｘの角速度ω_M1に応じて第２振動子ｙが生成され（図３／ｓ１４０）、この第２振動子ｙに基づいて誘導振動子ｚが生成されることで（図３／ｓ１５０）、ユーザの運動リズムと歩行補助装置２００による運動の誘導（補助）リズムとの著しい乖離が抑制されうる。

また、股関節角速度（第１運動振動子）ｄφ_H／ｄｔの角速度には、ユーザの運動リズムが直接的に反映されている。さらに、前記のように「相互引き込み」の効果により股関節角速度ｄφ_H／ｄｔのリズムと調和しながら、固有角速度ω_Mが反映された自律的なリズムをもって振動する第１振動子ｘの角速度ω_M1にもユーザの運動リズムが強く反映されている。このため、第１振動子ｘの角速度ω_M1 に基づいて定まる第２振動子ｙの角速度またはリズムは、急に変化したユーザの運動リズムが反映されたものとなる。したがって、この第２振動子ｙに基づいて誘導振動子ｚが生成されることで（図３／ｓ１５０）、この誘導リズムが、ユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、この運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導する観点から適当なものになりうる。

以上のように、本発明の歩行補助装置２００およびその制御システムによれば、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化後の運動リズムに応じた適当なリズムをもってユーザの運動が誘導されうる。

また、複数の第１要素の相関関係を表現する第１モデルにしたがって、第１要素の出力振動信号として第１振動子ｘが生成される（式（１），図２／ｓ１２０）。これにより、ユーザの実際の運動に関係する現実の複数の第１要素の相関関係を第１モデルにしたがって生成される複数の（第１要素の）出力振動信号の相関関係を表す第１相関係数ｇに反映させることで、当該複数の第１要素の相関関係に鑑みて適当な第１振動子ｘが生成されうる。たとえば複数の第１要素として左右の脚体や同一脚体の複数の関節が想定された場合、交互に前後に動く等の左右の脚体の定性的関係や股関節回りの脚体運動と膝関節回りの脚体運動との周期や位相差等の同一脚体の関節間の定性的関係等が反映された形で第１振動子ｘが生成される。したがって、ユーザの運動を誘導する誘導振動子のリズムおよびスケールを当該関係に鑑みて適当なものとすることができる。

さらに、複数の第２要素の相関関係を表現する第２モデルにしたがって、第２要素の出力振動信号として第２振動子ｙ_iが生成される（式（３），図２／ｓ１４０）。これにより、ユーザの実際の運動に関係する複数の第２要素の相関関係を第２モデルにしたがって生成される複数の（第２要素の）出力振動信号の相関関係を表す第２相関係数ｗ_i/jにに反映させることで、当該複数の第２要素の相関関係に鑑みて適当な第２振動子ｙが生成されうる。たとえば複数の第２要素としてユーザの複数の神経（ニューロン）が想定された場合、左右の脚体による歩行運動を支配するニューロン間の定性的関係等が反映された形で第２振動子ｙ_iが生成される。したがって、ユーザの運動を誘導する誘導振動子のリズムおよびスケールを当該関係に鑑みて適当なものとすることができる。

本発明の歩行補助装置２００の前記作用効果に関する実験結果について、図５を用いて説明する。

ユーザがほぼ一定のリズムで歩行した場合の歩行補助装置２００による誘導リズムの測定結果が図５（ａ）に示されている。この場合、ユーザの歩行周期（＝２π／（股関節角速度ｄφ_H／ｄｔの角速度ω _H ））が図５（ａ）に実線で示されているようにほぼ一定に維持されている。また、歩行補助装置２００による誘導周期（歩行補助周期）は図５（ａ）に破線で示されているように、ユーザの歩行周期に追従している。

ユーザが歩行リズムを大きめに変化させながら歩行した場合の歩行補助装置２００による誘導リズムの測定結果が図５（ｂ）に示されている。この場合、ユーザの歩行周期が図５（ｂ）に実線で示されているように大きく変化している（図５（ｂ）矢印１〜３）。また、歩行補助装置２００による誘導周期は図５（ｂ）に破線で示されているように、大きく変化したユーザの歩行周期に追従して大きく変化している。

この実験結果から明らかなように、本発明の歩行補助装置（運動誘導装置）２００によれば、ユーザの運動リズムが急に変化した場合でも、この変化後の運動リズムに応じた適当なリズムをもってユーザの運動が誘導されうる。

なお、前記実施形態ではユーザの歩行が誘導されたが、他の実施形態としてユーザによる自動車等の製品の製造に関する手作業等、他の動作が補助されてもよい。

前記実施形態では誘導振動子ｚに応じて左右の股関節回りのトルクＴがユーザの身体に作用させられたが、他の実施形態として膝関節、足関節、肩関節、肘関節、手根関節等、種々の関節回りのトルクが、誘導振動子ｚに応じてユーザの身体に作用させられてもよい。トルクが作用する関節の組合せは、ユーザに応じてさまざまに変更されてもよい。また、他の実施形態としてヘッドホン等の聴覚装置（図示略）を介して歩行者が聴覚的に知覚可能な周期的な音や、ゴーグル等の視覚装置（図示略）を介して知覚可能な周期的な光または標識や、マッサージ機器等により歩行者が背中や肩等の身体の一部の触覚を介して知覚可能な周期的な叩き（ノック）等が、誘導振動子ｚに応じてユーザに対して与えられてもよい。

測定対象となる第１または第２運動振動子の種類が多くなるほど、ファン・デル・ポル方程式等の第１振動子ｘの生成に応じた非線形微分方程式（式（１））や、第２振動子ｙ_iの生成に応じた非線形微分方程式（式（３））における相関項は多くなるが、当該第１および第２相関係数の調節によってユーザの身体の様々な部分の動きに鑑みた一層緻密な運動の誘導が実現される。

前記実施形態では股関節角速度ｄφ_H／ｄｔの周期変化の大きさが閾値δを超えている場合、固有角速度ω_Mに代えて第１振動子ｘの角速度ω_M1に基づき、第２モデルにしたがって第２振動子ｙが生成されたが（図３／ｓ１４０）、他の実施形態として、この場合、固有角速度ω_Mに代えて股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ等の運動振動子の角速度、または股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ等の運動振動子の角速度および第１振動子ｘの角速度ω_M1の平均値若しくは重み付き平均値に基づいて第２振動子ｙが生成されてもよい。ユーザの運動状態および生理状態のうち一方または両方が測定され、重み設定手段によって当該測定結果に基づいてこの重みが設定されてもよい。

前記実施形態では式（４）にしたがって誘導振動子ｚが生成されたが、他の実施形態として次のような手順にしたがって誘導振動子ｚが生成されてもよい。

まず、次式（５）にしたがって第１誘導振動子ｚ₁が生成される。

ｚ_1L＝ｇ₁₊（ω_ML）ｇ₊（φ_HL）ｙ_L+−ｇ_1-（ω_ML）ｇ_-（φ_HL）ｙ_L-，
ｚ_1R＝ｇ₁₊（ω_MR）ｇ₊（φ_HR）ｙ_R+−ｇ_1-（ω_MR）ｇ_-（φ_HR）ｙ_R- ‥（５）

ここで「ｇ₁₊」「ｇ_1-」「ｇ₊」および「ｇ_-」は次式（５．１）〜（５．４）のそれぞれによって定義される関数である。
ｇ₁₊（ω）≡Σ_kａ_k+ω^k （ａ_k+：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．１）
ｇ_1-（ω）≡Σ_kａ_k-ω^k （ａ_k-：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．２）
ｇ₊（φ）≡ｃ₁₊（φ−φ₀₊）＋ｃ₂₊（φ−φ₀₊）³
（ｃ₁₊，ｃ₂₊：係数，φ₀₊：屈曲方向の股関節角度φ_Hの目標値）‥（５．３）
ｇ_-（φ）≡ｃ_1-（φ−φ_0-）＋ｃ_2-（φ−φ_0-）³
（ｃ_1-，ｃ_2-：係数，φ_0-：伸展方向の股関節角度φ_Hの目標値）‥（５．４）

第１誘導振動子ｚ₁は、第１係数ｇ₁₊およびｇ_1-をそれぞれバネ係数（弾性係数）とする、図６に示されている２つの仮想的なバネＧ₁₊およびＧ_1-の弾性力として把握される。すなわち、第１誘導振動子ｚ₁は、第１係数ｇ₁₊，ｇ_1-を弾性係数（バネ係数）とし、且つ、股関節角度（ユーザの運動スケールに応じた第３運動振動子）φ_Hの値を目標値φ₀に復元させる仮想的なバネ等の弾性要素による弾性力として表現される。これにより、筋肉の収縮状態から伸展状態への移行時の弾性力等、ユーザの身体の弾性要素が反映されたリズムおよびスケールをもってユーザの運動が誘導されうる。

一方の仮想的なバネＧ₁₊による弾性力は、そのバネ係数ｇ₁₊に応じて股関節角度φ_Hをこの目標値φ₀₊に近付けるようにユーザの大腿部に作用する（式（５）参照）。すなわち、股関節角度φ_Hが目標値φ₀₊未満である場合、バネＧ₁₊による弾性力が、股関節角度φ_Hを増加させる方向（前方）に大腿部を動かすようにこの大腿部に作用する。また、股関節角度φ_Hが目標値φ₀₊を超えた場合、バネＧ₁₊による弾性力が、股関節角度φ_Hを減少させる方向（後方）に大腿部を動かすようにこの大腿部に作用する。

また、他方の仮想的なバネＧ_1-による弾性力は、そのバネ係数ｇ_1-に応じて股関節角度φ_Hをこの目標値φ_0-に近付けるようにユーザの大腿部に作用する（式（５）参照）。すなわち、股関節角度φ_Hが目標値φ_0-を超えている場合、バネＧ_1-による弾性力が股関節角度φ_Hを減少させる方向（後方）に大腿部を動かすようにこの大腿部に作用する。また、股関節角度φ_Hが目標値φ_0-を下回った場合、バネＧ_1-による弾性力が、股関節角度φ_Hを増加させる方向（前方）に大腿部を動かすようにこの大腿部に作用する。

股関節角度φ_Hの目標値φ₀₊およびφ_0-は、目標となる運動スケール（歩幅）に応じて、ユーザの股関節角度φ_Hを含む脚体の姿勢の幾何学的条件にしたがって設定される。また、新たな固有角速度ω_Mの関数である第１係数ｇ₁₊（ω_M）およびｇ_1-（ω_M）のそれぞれに含まれる係数ａ_k+およびａ_k-は、目標となる運動リズム（歩行率（＝単位時間（たとえば１分間）当たりの歩数））に応じた係数として設定されうる。

なお、股関節角度φ_Hの目標値φ₀₊およびφ_0-は、歩行補助装置２００に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、ユーザによって設定された目標とする「歩幅」に基づき、ユーザの股関節角度φ_Hを含む脚体の姿勢の幾何学的条件にしたがって設定されてもよい。また、第１係数ｇ₁₊（ω_M）およびｇ_1-（ω_M）のそれぞれに含まれる係数ａ_k+およびａ_k-は、運動誘導装置２００に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、ユーザによって設定された目標とする「歩行率」に応じて設定されてもよい。

さらに、次式（６）にしたがって第２誘導振動子ｚ₂が生成される。

ｚ_2L＝−ｇ₂₊（ω_ML）（ｄφ_HL／ｄｔ）Ｈ₊（φ_HL）ｙ_L+
＋ｇ_2-（ω_ML）（ｄφ_HL／ｄｔ）Ｈ_-（φ_HL）ｙ_L-，
ｚ_2R＝−ｇ₂₊（ω_MR）（ｄφ_HR／ｄｔ）Ｈ₊（φ_HR）ｙ_R+
＋ｇ_2-（ω_MR）（ｄφ_HR／ｄｔ）Ｈ_-（φ_HR）ｙ_R- ‥（６）

ここで「ｇ₂₊」「ｇ_2-」「Ｈ₊」および「Ｈ_-」は次式（６．１）〜（６．４）のそれぞれによって定義される関数である。
ｇ₂₊（ω）≡Σ_kｂ_k+ω^k （ｂ_k+：係数，ｋ＝０〜３）‥（６．１）
ｇ_2-（ω）≡Σ_kｂ_k-ω^k （ｂ_k-：係数，ｋ＝０〜３）‥（６．２）
Ｈ₊（φ）≡０（φ≦０），１（φ＞０） ‥（６．３）
Ｈ_-（φ）≡０（φ＞０），１（φ≦０） ‥（６．４）

第２誘導振動子ｚ₂は、第２係数ｇ₂₊およびｇ_2-をそれぞれダンパ係数（減衰係数）とする、図４に示されている２つの仮想的なダンパＧ₂₊およびＧ_2-による減衰力として把握される。すなわち、第２誘導振動子ｚ₂は、第２ポテンシャルに応じた第２係数ｇ₂₊，ｇ_2-を減数係数（ダンパ係数）とし、且つ、股関節角速度（第３運動振動子の時間微分である第４運動振動子）ｄφ_H／ｄｔに応じて股関節角度（第３運動振動子）φ_Hの絶対値の増大を抑制する仮想的なダンパ等の減衰要素による減衰力として表現される。これにより、筋肉の伸展状態から屈曲状態への移行時の粘性力等、ユーザの身体の減衰要素が反映されたリズムおよびスケールをもってユーザの運動が誘導されうる。

一方の仮想的なダンパＧ₂₊による減衰力は、そのダンパ係数ｇ₂₊と、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔとに応じて、前側（屈曲側）への股関節角度φ_Hの絶対値の増大を抑制するようにユーザの大腿部に作用する（式（６）参照）。すなわち、ダンパＧ₂₊による減衰力は大腿部の前方への過剰な動きを抑制するようにこの大腿部に作用する。

また、他方の仮想的なダンパＧ_2-による弾性力は、そのダンパ係数ｇ_2-と、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔとに応じて、後側（伸展側）への股関節角度φ_Hの絶対値の増大を抑制するようにユーザの大腿部に作用する（式（６）参照）。すなわち、ダンパＧ_2-による減衰力は大腿部の後方への過剰な動きを抑制するようにこの大腿部に作用する。

また、第２誘導振動子ｚ₂には、股関節角度φ_Hの関数としての階段関数Ｈ₊，Ｈ₋が含まれている。したがって、２つの仮想的なダンパＧ₂₊およびＧ_2-のそれぞれの減衰力が相殺される事態が回避される。

固有角速度ω_Mの関数である第２係数ｇ₂₊（ω_M）およびｇ_2-（ω_M）のそれぞれに含まれる係数ｂ_k+およびｂ_k-は、目標となる運動リズムに応じた係数として設定されうる。なお、当該係数ｂ_k+およびｂ_k-は、運動誘導装置２００に設けられている設定ボタン（図示略）の操作を通じて、ユーザによって設定された目標とする「歩行率」に応じて設定されてもよい。

そして、誘導振動子生成ユニット１５０により生成された第１誘導振動子ｚ₁と第２誘導振動子ｚ₂とが合成されることで誘導振動子ｚ（＝ｚ₁＋ｚ₂）が生成される。

当該他の実施形態の歩行補助装置２００によれば、次の理由により、ユーザの運動スケールが目標運動スケールに近づくようにユーザの歩行運動等の運動が誘導（補助）されうる。

すなわち、第１誘導振動子ｚ₁に含まれている第１係数ｇ₁₊，ｇ_1-は、ユーザの股関節角度（第３運動振動子）φ_Hをその目標値φ₀₊，φ_0-に近付けるための仮想的なバネの弾性係数を表す。第１係数ｇ₁₊，ｇ_1-は固有角速度ω_M（＝仮想誘導振動子θ_mの角速度ω_m）に応じたものである（式（５．１）（５．２）参照）。この固有角速度ω_Mは前記のようにユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当する。

さらに、第２誘導振動子ｚ₂に含まれている第２係数ｇ₂₊，ｇ_2-は、ユーザの股関節角度（第３運動振動子）φ_Hの絶対値の増大を抑制する仮想的なダンパの減衰係数を表す。第２係数ｇ₂₊，ｇ_2-は固有角速度ω_Mに応じたものである（式（６．１）（６．２）参照）。固有角速度ω_Mは前記のようにユーザの運動リズムとの調和を図りつつ、ユーザの運動リズムを目標リズムに一致させるようにユーザの運動を誘導するという観点から適当な振動子の角速度に相当する。

したがって、新たな固有角速度ω_Mに応じた第１係数ｇ₁₊（ω_M），ｇ_1-（ω_M）が反映された形で第１誘導振動子ｚ₁が生成され、且つ、固有角速度ω_Mに応じた第２係数ｇ₂₊（ω_M），ｇ_2-（ω_M）が反映された形で第２誘導振動子ｚ₂が生成されることで、ユーザの運動リズムと誘導振動子ｚ、ひいてはユーザの大腿部に作用する力Ｔのリズムとの調和、およびユーザの運動リズムと目標リズムとの一致を図りながら、ユーザの運動スケールが目標スケールに近付くようにユーザの運動が誘導されうる。

本発明の他の実施形態としての歩行補助装置２００の制御システムが、ユーザの運動状態および生理状態のうち一方または両方を測定する状態測定ユニットと、状態測定ユニットにより判定されたユーザの運動状態および生理状態のうち一方または両方に応じて、前記閾値δを設定する閾値設定ユニットとをさらに備えていてもよい。ユーザの「運動状態」には、坂や階段を昇る上昇歩行状態、ほぼ平坦地を歩行する平地歩行状態、坂や階段を下る下降歩行状態、速く歩行するクイック歩行状態、遅く歩行するスロー歩行状態等が含まれうる。また、ユーザの「生理状態」には、疲労度が高い状態、疲労度が低い状態、心拍数や発汗量が多い状態や、心拍数が少ない状態等が含まれうる。

当該構成の運動誘導装置によれば、ユーザの「運動状態」や「生理状態」によっては、ユーザの運動リズムの変化への運動誘導装置による誘導リズムの応答性を高くした方がよい場合がある一方、この応答性を低くしたほうがよい場合があることに鑑み、ユーザの「運動状態」および「生理状態」のうち一方または両方に応じて閾値δが設定される。たとえば、ユーザの運動状態によっては（たとえば、下降歩行状態やクイック歩行状態）、ユーザの運動リズムの変化が大きくても、歩行補助装置２００による誘導リズムの応答性を低くした方がよい場合がある。その一方、ユーザの運動状態によっては（たとえば、上昇歩行状態やスロー歩行状態）、ユーザの運動リズムの変化が小さくても、歩行補助装置２００による誘導リズムの応答性を高くしたほうがよい場合がある。

その上で、ユーザの運動リズムの変化が大きく変化した場合、すなわち、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ等の運動振動子の周期変化の大きさがこの閾値δを超えた場合、前記のように固有角速度ω_Mの設定処理（図２／ｓ１３０）等が省略された上で、誘導振動子Ｔが生成されうる。また、固有角速度ω_Mではなく第１振動子ｘの角速度ω_M1が反映されたリズムで振動する第２振動子ｙが生成され（図３／ｓ１４０）、この第２振動子ｙに基づいて誘導振動子ｚが生成される（図３／ｓ１５０）。これにより、ユーザの運動リズムの変化に対する歩行補助装置２００による歩行補助リズム（誘導リズム）の応答性が、このユーザの運動状態や生理状態に鑑みて適当なものに調節されうる。

ユーザの歩行状態（運動状態）は、たとえば、次のような手順で測定される。すなわち、ユーザの歩行状態と、ｎ個の運動振動子によってｎ次元空間に描かれる軌道パターンとの対応関係がメモリから読み取られる。この上で、この対応関係と、運動振動子測定ユニット１０２により測定された股関節角速度ｄφ_H／ｄｔを含むｎ個の運動振動子によってｎ次元空間に描かれる軌道パターンとに基づき、ユーザの「歩行状態」が測定される。歩行状態測定用の運動振動子として、ユーザの股関節角度φ_Hや、膝関節、足関節、肩関節、肘関節の角度や角速度、角加速度、脚体の一部の位置、さらには歩行者の着地音、呼吸音、意図的な発声音等、歩行リズムと連関したリズムで変動する種々のパラメータが測定されてもよい。

また、歩行補助装置２００の制御システムが、状態測定ユニットにより判定されたユーザの運動状態および生理状態のうち一方または両方に応じて、第１モデルにおける第１相関係数ｇを調節する第１相関調節ユニットをさらに備えていてもよい。さらに、歩行補助装置２００の制御システムが、状態測定ユニットにより判定されたユーザの運動状態および生理状態のうち一方または両方に応じて、第２モデルにおける第２相関係数ｗ_i/jを調節する第２相関調節ユニットをさらに備えていてもよい。

本発明の運動誘導装置２００によれば、左右の脚体等、現実の複数の第１要素の関係または複数の第２要素の関係がユーザの「運動状態」や「生理状態」に応じて変動するという事情が反映された形で、ユーザの状態に応じてユーザの運動が適当なリズムおよびスケールをもってリアルタイムで誘導されうる。

また、第１誘導振動子ｚ₁および第２誘導振動子ｚ₂が合成されることで誘導振動子ｚが生成される場合（式（５）（６）参照）、ユーザの運動状態および生理状態のうち一方または両方に応じて、このユーザの運動の目標リズムおよびスケールに応じた係数（φ₀₊，φ_0-，ａ_k+，ａ_k-，ｂ_k+，ｂ_k-，・・）等が設定されてもよい。これにより、ユーザの運動リズムおよびスケールを、このユーザの「歩行状態」に応じた目標リズムおよびスケールのそれぞれに一致させる観点から適当なリズムおよびスケールをもってユーザの運動が誘導されうる。

さらに、ユーザの運動状態および生理状態のうち一方または両方に応じて、目標位相差θ_dが設定されてもよい。これにより、ユーザの股関節角速度（運動振動子）ｄφ_H／ｄｔと歩行補助装置２００による誘導振動子ｚ（ひいてはトルクＦ）との位相差が、ユーザの「歩行状態」に応じた目標位相差θ_dに近づくように、このユーザの運動が誘導されうる。これにより、ユーザの歩行状態の変動に応じて、ユーザの運動リズムを目標リズムに近づける観点から適当なリズムでユーザの運動が誘導（補助）される。

本発明の運動誘導装置およびその制御システムの構成例示図 本発明の運動誘導装置およびその制御システムの機能例示図 本発明の運動誘導装置およびその制御システムの他の機能例示図 運動振動子と第１基本振動子との関係例示図 本発明の運動誘導装置の作用効果に関する実験結果の説明図 誘導振動子生成に関する仮想的なバネおよびダンパの説明図

符号の説明

１００‥コンピュータ（制御システム）、１０２‥運動振動子測定ユニット、１０４‥判定ユニット、１２０‥第１振動子生成ユニット、１３０‥固有角速度設定ユニット、１４０‥第２振動子生成ユニット、１５０‥誘導振動子生成ユニット、２００‥歩行補助装置（運動誘導装置）、２１０‥アクチュエータ、２１２‥股関節角度センサ

Claims (8)

1. 誘導振動子に応じてユーザの運動を誘導するための装置であって、
   前記ユーザの身体運動に応じて時間変化するパラメータとしての第１および第２運動振動子を測定する運動振動子測定手段と、
   入力振動信号と相互に引き込み合うことで固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成する第１モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子を該入力振動信号として入力することにより、該出力振動信号として第１振動子を生成する第１振動子生成手段と、
   該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子と該第１振動子生成手段により生成された該第１振動子との位相差である第１位相差を目標位相差に近づけるように該固有角速度を新たに設定する固有角速度設定手段と、
   該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子の周期変化の大きさが閾値以下である場合、入力振動信号に基づき、該固有角速度設定手段により設定された該固有角速度に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号を生成する第２モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該第２運動振動子を該入力振動信号として入力することにより、該出力振動信号として第２振動子を生成する一方、該第１運動振動子の周期変化の大きさが閾値を超えた場合、該第２モデルにおける該固有角速度を、該運動振動子測定手段により測定された該第１運動振動子の角速度および該第１振動子生成手段により生成された該第１振動子の角速度のうち一方または両方に応じた角速度に置換した上で、当該置換後の該第２モデルに、該運動振動子測定手段により測定された該第２運動振動子を入力することによって該出力振動信号として第２振動子を生成する第２振動子生成手段と、
   該第２振動子生成手段により生成された第２振動子に基づき、前記誘導振動子を生成する誘導振動子生成手段とを備えていることを特徴とする運動誘導装置。
2. 前記運動振動子測定手段が前記ユーザの身体運動に応じて時間変化する、前記ユーザの運動スケールを表すパラメータとしての第３運動振動子を測定し、
   前記誘導振動子生成手段が、前記第２振動子生成手段により生成された前記第２振動子と、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度とに応じて、該運動振動子測定手段により測定された該第３運動振動子の値を該ユーザの目標運動スケールに応じた目標値に近付けるように前記ユーザの運動を誘導するための仮想的な弾性要素の弾性力を表す第１誘導振動子を生成し、該第１誘導振動子を含む誘導振動子を生成することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
3. 前記誘導振動子生成手段が、前記仮想的な弾性要素の弾性係数としての、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度の関数である第１係数と、前記第３運動振動子の値と前記目標値との偏差の関数と、前記第２振動子との積として算出される振動子が含まれている前記第１誘導振動子を生成することを特徴とする請求項２記載の運動誘導装置。
4. 前記運動振動子測定手段が前記第３運動振動子の時間微分を第４運動振動子として測定し、
   前記誘導振動子生成手段が、前記第２振動子生成手段により生成された前記第２振動子と、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度と、前記運動振動子測定手段により測定された該第４運動振動子とに応じて、該第３運動振動子の絶対値の増大を抑制するように前記ユーザの運動を誘導するための仮想的な減衰要素による減衰力を表す第２誘導振動子を生成し、該第２誘導振動子を含む前記誘導振動子を生成することを特徴とする請求項３記載の運動誘導装置。
5. 前記誘導振動子生成手段が、前記仮想的な減衰要素の減衰係数としての、前記固有角速度設定手段により設定された前記固有角速度の関数である第２係数と、前記第４運動振動子の関数と、第２振動子との積として算出される振動子が含まれている前記第２誘導振動子を生成することを特徴とする請求項６記載の運動誘導装置。
6. 前記運動振動子測定手段が、前記第１運動振動子として前記第２運動振動子の時間微分を測定することを特徴とする請求項１記載の運動誘導装置。
7. 前記運動振動子測定手段が前記第３運動振動子として前記第２運動振動子を測定することを特徴とする請求項２記載の運動誘導装置。
8. 前記運動振動子測定手段が前記第１運動振動子として前記第３運動振動子の時間微分を測定することを特徴とする請求項２記載の運動誘導装置。

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