JP4138814B2 - 運動管理システム - Google Patents

Description

本発明は、動物の運動を管理するシステムに関する。

ユーザの歩行訓練のレベルを設定する等の目的のため、このユーザの心電信号等の生理指標に鑑みて適当な歩行速度を決定する手法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００３−１５４０２９号公報

しかし、ユーザの身体に力を作用させることで脚等の動きを誘導（または補助）する装置がユーザに装着されている場合、このユーザにとって適当な誘導スケールおよびリズムを設定することは考慮されていなかった。

そこで、本発明は、人間等の動物の生理状態に応じて、その運動を適当なスケールおよびリズムで誘導しうるように当該動物の運動を管理するシステムを提供することを解決課題とする。

第１発明の運動管理システムは、動物の運動を管理するシステムであって、前記動物に力を作用させることによって前記動物の指定運動を誘導するように作動する第１運動誘導装置と、前記動物に装着される第１装具および第２装具と、前記第１装具に取り付けられたアクチュエータと、前記アクチュエータおよび前記第２装具に連結されている力伝達部材とを備え、かつ、前記アクチュエータが前記力伝達部材および前記第２装具を介して前記動物に力を作用させることによって前記動物の運動リズムと調和したリズムで前記動物に力を作用させることによって前記動物の運動スケールを調節しながら前記動物の前記指定運動を誘導するように作動する第２運動誘導装置と、前記第２運動誘導装置の動作を制御する制御部と、前記動物の前記指定運動の速さを表す第１運動変数を前記第１運動誘導装置の動作の速さに応じた信号を出力する、前記第１運動誘導装置に設けられている第１センサの出力信号に基づいて測定する第１運動変数測定部と、前記動物の前記指定運動のリズムを表す第２運動変数を前記第１運動誘導装置と前記動物との相互作用力に応じた信号を出力する、前記第１運動誘導装置に設けられている第２センサの出力信号の時間変化パターンまたは前記制御部により制御されている前記第２運動誘導装置の動作状態に基づいて測定する第２運動変数測定部と、前記第１運動変数および前記第２運動変数の両方を変数とする関数の値を、前記第１運動誘導装置および前記第２運動誘導装置のそれぞれの動作により前記動物の前記指定運動が誘導されている状態における前記第１運動変数測定部による前記第１運動変数の測定値と前記第２運動変数測定部による前記第２運動変数の測定値とに基づき、前記指定運動をしている前記動物の状態を表わす運動変数の値として測定する運動変数測定部と、前記第１運動誘導装置および前記第２運動誘導装置のそれぞれの動作により前記動物の前記指定運動が誘導されている状態において、前記動物の生理状態に応じた信号を出力する生理変数センサからの出力信号に基づいて生理変数を測定する生理変数測定部と、前記制御部により前記運動変数の値が変化するように制御されている前記第２運動誘導装置の動作により前記動物の前記指定運動が誘導されている過程で、前記運動変数の値および前記生理変数測定部により測定された生理変数に基づいて前記運動変数および前記生理変数の関係を求め、前記関係に基づいて前記生理変数の前記動物の身体機能の活性化または身体負荷の軽減のための最適値に対応する前記運動変数の値を前記運動変数の推奨値として設定する推奨値設定部とを備え、前記制御部が、前記運動変数が前記推奨値に一致するように前記第２運動誘導装置の動作を制御することを特徴とする。

第１発明の運動管理システムによれば、第２運動誘導装置から力を受けながら動物の運動が誘導されている過程で「生理変数」が測定される。動物の酸素摂取量、呼吸周波数、心拍数、脈拍数、血圧、血中飽和酸素濃度、乳酸値、筋電位および消費エネルギーのうち一部または全部が「生理変数」として測定されうる。また、「第１運動変数」が第１運動誘導装置の動作の速さに基づいて測定され、「第２運動変数」が第１運動誘導装置と動物との相互作用または第２運動誘導装置による誘導スケールに基づいて測定される。これにより、第１および第２運動変数、ひいてはこれら２つの運動変数の２変数関数である運動変数の値の測定精度の向上が図られる。さらに、この動物の「身体機能の活性化」または「身体負荷の軽減」のための生理変数の最適値に対応する運動変数の値が当該運動変数の推奨値として設定される。これにより、動物の運動変数の推奨値がこの動物の身体機能の活性化等に鑑みて適当に設定されうる。したがって、第２運動誘導装置によりこの推奨値に基づく力が加えられながら動物の運動が誘導されることで、この動物の運動がその身体機能の活性化等に鑑みて適当なスケールおよびリズムで誘導されうる。

第２発明の運動管理システムは、第１発明の運動管理システムにおいて、前記第１運動誘導装置および前記第２運動誘導装置のそれぞれが前記動物の前記指定運動としての歩行運動または走行運動を誘導するように作動し、前記第１運動変数測定部が前記動物の歩行または走行速度を前記第１運動変数として測定し、前記第２運動変数測定部が動物の歩行率（単位時間当たりの歩数を意味する。）を前記第２運動変数として測定することを特徴とする。

第２発明の運動管理システムによれば、動物の歩行または走行の速さ（速度）および歩行率（リズム）の両方の関数である運動変数の推奨値が、この動物の身体機能の活性化や身体負荷の軽減に鑑みて適当に設定されうる。そして、第２運動誘導装置によりこの推奨値に基づいて動物の運動が誘導されることで、動物の歩幅および歩行率がこの動物の身体機能の活性化等に鑑みて適当なものとなるように、当該誘導スケールおよびリズムが適当に制御されうる。

第３発明の運動管理システムは、第２発明の運動管理システムにおいて、前記運動変数測定部が前記第２運動変数としての歩行率の二乗に対する前記第１運動変数としての歩行または走行速度の比率である歩行比を前記運動変数として測定することを特徴とする。

第４発明の運動管理システムによれば、動物の歩行比の推奨値が、この動物の身体機能の活性化や身体負荷の軽減に鑑みて適当に設定されうる。そして、第２運動誘導装置によりこの推奨値に基づいて動物の運動が誘導されることで、動物の歩行比がこの動物の身体機能の活性化等に鑑みて適当なものとなるように、当該誘導スケールおよびリズムが適当に制御されうる。

第４発明の運動管理システムは、第１発明の運動管理システムにおいて、前記第１運動変数測定部が、前記第１運動誘導装置が有する回動体の回動に伴ってこの回動体に接触する動物の身体部分がこの回動体から力を受ける方向の反対方向に運動が誘導されている前記動物の前記第１運動変数を、当該回動体の回動速度に基づいて測定することを特徴とする。

第４発明の運動管理システムによれば、第１運動誘導装置が有する回動体を回動させることにより、回動体と身体部分が接触する動物の、回動体の回動方向とは逆向きの運動が誘導される。「回動体」には、複数のローラに掛け渡された無端ベルト、中心または中心から外れた点を通る軸回りに回動される球体、楕円球体、中心軸または中心軸から離れた中心軸に平行な軸回りに回動する円筒、四角筒等の筒体、その他任意の軸回りに回動される一塊の物体が含まれる。これにより、当該運動に伴う動物またはその身体部分の移動が回動体の回動によって相殺されるので、第１運動誘導装置の設置スペースさえあれば動物の運動変数の推奨値設定が可能であり、当該設定スペースが比較的自由に選択されうる。

第５発明の運動管理システムは、第１発明の運動管理システムにおいて、前記第１運動誘導装置および前記第２運動誘導装置のそれぞれが前記動物の前記指定運動としての歩行運動または走行運動を誘導するように作動し、前記第１運動変数測定部が、前記第１運動誘導装置としてのトレッドミルが有する複数のローラに掛け渡された回動体としての無端ベルトの動きに逆らう方向に誘導されている前記動物の歩行または走行運動の速さを表す前記第１運動変数としての歩行または走行速度を前記無端ベルトの駆動速度に基づいて測定することを特徴とする。

第５発明の運動管理システムによれば、トレッドミル（第１運動誘導装置）の無端ベルト（回動体）を回動させることにより、この無端ベルトの動きとは逆向きの歩行または走行が誘導される。これにより、当該歩行または走行に伴う動物の移動が無端ベルトの回動によって相殺されるので、第１運動誘導装置の設置スペースさえあれば動物の歩行または走行運動に伴う運動変数の推奨値設定が可能であり、当該設定スペースが比較的自由に選択されうる。

第６発明の運動管理システムは、第１発明の運動管理システムにおいて、前記推奨値設定部が、複数の前記動物のそれぞれの身体的特徴を識別するための識別子を認識した上で各動物の複数の前記推奨値を予備的に設定し、認識した該識別子ごとに予備的に設定済みの該推奨値に基づいて新たな該推奨値を設定することにより、該識別子および該推奨値が対応付けられているデータベースを構築することを特徴とする。

第６発明の運動管理システムによれば、個々の動物の身体的特徴（身体のサイズ、ウェイト、年齢、性別等が含まれる。）に応じて標準的な推奨値が設定される。そして、２運動誘導装置によりこの標準的な推奨値に基づいて動物の運動が誘導されることで、動物の運動変数がこの動物の身体機能の活性化等に鑑みて適当なものとなるように、当該誘導スケールおよびリズムが適当に制御されうる。

本発明の運動管理システム、運動管理方法および運動管理プログラムの実施形態について図面を用いて説明する。以下、歩行者の脚体等について左右を区別するためにパラメータに添字Ｌ、Ｒを添付するが、表記の簡単のため左右を区別する必要が特にない場合には添字Ｌ、Ｒを省略する。

本発明の運動管理システムの構成について図１を用いて説明する。図１に示されている運動管理システム１は、トレッドミル（第１運動誘導装置）１０および歩行運動誘導装置（第２運動誘導装置）を備えている。運動管理システム１は、トレッドミル（第１運動誘導装置）１０および歩行運動誘導装置（第２運動誘導装置）を用いて、ユーザ（人間（動物））の身体機能の活性化等に鑑みて適当な推奨歩行比を設定するためのものである。また。運動管理システム１は、ユーザの歩行運動または走行運動（「指定運動」に該当する。）と、トレッドミル１０の動作と、歩行運動誘導装置２０の動作との調和を図りながら、推奨歩行比に応じたスケールおよびリズムで歩行するようにこのユーザを訓練するためのものである。

トレッドミル１０は、人間の標準的な横幅よりも若干広い程度の幅の駆動ローラ１１と、駆動ローラ１１とほぼ同じ幅の従動ローラ１２と、駆動ローラ１１および従動ローラ１２に掛け渡されている無端ベルト（回動体）１３と、無端ベルト１３のうちユーザが乗る部分を下から支える踏板１４とを備えている。駆動ローラ１１は、モータ、変速機等より構成される駆動機構１０１によって駆動される。駆動ローラ１１が図中時計回りに駆動されることにより、従動ローラ１２の同方格への従動を伴ってベルト１３も時計回りに回る。これによりベルト１３に乗っているユーザの図中左への歩行（または走行）が誘導される。また、ベルト１３の移動速度に応じた信号を出力する速度センサ１０２と、踏板１４が受ける圧力に応じた信号を出力する圧力センサ１０４とが設けられている。ユーザの身体には、その心拍数等の生理変数ｂに応じた信号を出力する生理変数センサ１０６が取り付けられている。生理変数センサ１０６は生理変数ｂの内容によって適当な方法でユーザの身体に取り付けられる。なお、トレッドミル１０としては、一般に市販されているもの等、公知のあらゆる構成のトレッドミルが採用されてもよい。

歩行運動誘導装置２０は、腰部装具（第１装具）２１と、大腿部装具（第２装具）２２と、力伝達部材２３と、バッテリ２４と、アクチュエータ（電動モータ）２５と、股関節角度センサ２６とを備えている。腰部装具２１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２２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２３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２５および前後の大腿部装具２２のそれぞれに連結されている。バッテリ２４は腰部装具２１に収納されており（たとえば、腰部装具２１を構成する複数枚の素材の間に固定されており）、アクチュエータ２５等に対して電力を供給する。アクチュエータ２５は腰部装具２１に取り付けられており、力伝達部材２３および大腿部装具２２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２６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。

運動管理システム１は、第１制御部１００と、第２制御部２００とを備えている。

第１制御部１００は、トレッドミル１０に付属するマイクロコンピュータ等のコンピュータにより構成されており、駆動機構１０１による駆動ローラ１１の駆動速度等を制御する。第１制御部１００は、運動変数測定部１１０と、生理変数測定部１２０と、推奨歩行比設定部１３０とを備えている。運動変数測定部１１０、生理変数測定部１２０および推奨歩行比設定部１３０はそれぞれハードウェアとしてのコンピュータ（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ（入出力装置）等により構成されている。）と、このコンピュータに機能を付与するソフトウェアとしての本発明の「運動管理プログラム」の一部とにより構成されている。

運動変数測定部１１０は第１運動変数測定部１１１と、第２運動変数測定部１１２とを備えている。第１運動変数測定部１１１は、速度センサ（第１センサ）１０２の出力に基づいてユーザの歩行速度ｖを当該ユーザの運動の速さを表す第１運動変数として測定する。第２運動変数測定部１１２は、圧力センサ（第２センサ）１０４の出力に基づいてユーザの歩行率（単位時間当たりの歩数）ｐを当該ユーザの運動のリズムを表す第２運動変数として測定する。そして、運動変数測定部１１０は、歩行速度ｖおよび歩行率ｐの関数である運動変数として歩行比ｋ（＝ｖ／ｐ²）を測定する。

生理変数測定部１２０は、ユーザの身体に取り付けられた生理変数センサ１０６の出力に基づいてこのユーザの生理状態に応じた生理変数ｂを測定する。推奨歩行比設定部１３０は、運動変数測定部１１０により測定されたユーザの歩行比ｋと、生理変数測定部１２０により測定された生理変数ｂとに基づき、推奨歩行比ｋ₀を設定する。

第２制御部（本発明の「制御部」に該当する。）２００は、歩行運動誘導装置２０の腰部装具２１に収納されたコンピュータと、このコンピュータを歩行運動誘導装置２０の当該制御部として機能させるソフトウェアとしての本発明の「運動管理プログラム」とにより構成されている。

第２制御部２００は、運動振動子測定部２１０と、１次振動子生成部２２０と、固有角速度設定部２３０と、２次振動子生成部２４０と、誘導振動子生成部２５０とを備えている。

運動振動子測定部２１０は、股関節角度センサ２６の出力に基づき、第２運動振動子として股関節角度φ_H（ユーザの運動スケールに応じた運動振動子である「第３運動振動子」にも該当する。）を測定する。また、運動振動子測定部２１０は、股関節角度センサ２６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（第３運動振動子の時間微分値である「第４運動振動子」にも該当する。）を測定する。

１次振動子生成部２２０は運動振動子測定部２１０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１次振動子ｘを生成する。

固有角速度設定部２３０は、第１位相差設定部２３１と、第２位相差設定部２３２と、相関係数設定部２３３と、第１角速度設定部２３４と、第２角速度設定部２３５とを備えている。

第１位相差設定部２３１は股関節角速度ｄφ_H／ｄｔの角速度ω_Hと、ファン・デル・ポル方程式に含まれる固有角速度ω_Mに基づいて定まる角速度で時間変化する１次振動子ｘとの位相差を第１位相差δθ₁として設定する。第２位相差設定部２３２は仮想運動振動子θ_hと仮想誘導振動子（仮想誘導振動子）θ_mとの関係を表す「仮想モデル」にしたがって、仮想運動振動子θ_hと仮想誘導振動子θ_mとの位相差を第２位相差δθ₂（＝θ_h−θ_m）として設定する。

相関係数設定部２３３は、第２位相差設定部２３２により設定された第２位相差δθ₂が、第１位相差設定部２３１により設定された第１位相差δθ₁に近づくように仮想運動振動子θ_hと仮想誘導振動子θ_mとの相関係数εを設定する。第１角速度設定部２３４は、相関係数設定部２３３により設定された相関係数εに基づき、仮想運動振動子θ_hの角速度ω_hを設定する。第２角速度設定部２３５は、第１角速度設定部２３４により設定された仮想運動振動子θ_hの角速度ω_hに基づき、第２位相差設定部２３２により設定された第２位相差δθ₂が、目標位相差設定部２１２により設定された目標位相差δθ_ｄに近づくように仮想誘導振動子θ_mの角速度ω_mを新たな固有角速度ω_Mとして設定する。

２次振動子生成部２４０は、運動振動子測定部２１０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、固有角速度設定部２３０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２次振動子ｙを生成する。

誘導振動子生成部２５０は、第１誘導振動子生成部２５１と、第２誘導振動子生成部２５２とを備えている。

第１誘導振動子生成部２５１は２次振動子生成部２４０により生成された２次振動子ｙと、固有角速度設定部２３０により設定された固有角速度ω_Mと、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角度φ_H（第３運動振動子）をその目標値φ₀に近付けるための仮想的男性要素の弾性力を表す第１誘導振動子ｚ₁を生成する。第２誘導振動子生成部２５２は２次振動子生成部２４０により生成された２次振動子ｙと、固有角速度設定部２３０により設定された固有角速度ω_Mと、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ（第４運動振動子）に応じて股関節角度φ_H（第３運動振動子）の絶対値の増大を抑制するための仮想的な減衰要素の減衰力を表す第２誘導振動子ｚ₂を生成する。そして、誘導振動子生成部２５０は、第１誘導振動子ｚ₁および第２誘導振動子ｚ₂に基づき、歩行運動誘導装置２０によりユーザに作用させられる股関節回りのトルクＴを特定する誘導振動子ｚを生成する。

第１制御部１００および第２制御部２００は無線通信が可能とされている。なお、第１制御部１００に代えて第２制御部２００が推奨歩行比設定部１３０を備えている等、運動管理システムを構成する複数の処理部１１０（１１１，１１２）１，１２０，１３０，２１０，２２０，‥が、第１制御部１００および第２制御部２００に任意のパターンで配設されていてもよい。また、第１制御部１００および第２制御部２００は同一のコンピュータにより構成されていてもよい。第１制御部１００および第２制御部２００の通信は有線通信であってもよい。

前記構成の運動管理システム１の機能、特にユーザの推奨歩行比（運動変数の推奨値）の設定方法について図２〜図５を用いて説明する。

第１制御部１００により、ベルト１３の速度が一定になるようにトレッドミル１０の動作が制御されることで、ベルト１３の動きとは逆方向へのほぼ一定速度でのユーザの歩行運動が誘導される。

この状態で、運動振動子測定部２１０は股関節角度センサ２６の出力に基づき、ユーザの左右の股関節角度φ_H＝（φ_HL，φ_HR）（第２運動振動子および第３運動振動子に該当する。）を測定する（図２／ｓ０１１）。また、運動振動子測定部２１０は股関節角度センサ２６の出力に基づき、ユーザの左右の股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ＝（ｄφ_HL／ｄｔ，ｄφ_HR／ｄｔ）（第１運動振動子および第４運動振動子に相当する。）を測定する（図２／ｓ０１２）。

さらに、１次振動子生成部２２０が、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角速度ｄφ_H／ｄｔおよびメモリに記憶されている最新の固有角速度ω_M＝（ω_ML，ω_MR）に基づき「第１モデル」にしたがって１次振動子ｘ＝（ｘ_L，ｘ_R）を設定する（図２／ｓ０２０）。第１モデルは、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ等の第１運動振動子に応じて出力が変動する、左右の脚体等、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（すなわち、当該第１要素のそれぞれの出力振動信号）を生成するモデルである。第１モデルは、たとえば次式（１）で表されるファン・デル・ポル（ｖａｎ ｄｅｒ Ｐｏｌ）方程式によって表現される。１次振動子生成部２２０によって股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ（第１運動振動子）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１次振動子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１次振動子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（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、歩行運動誘導装置２０による実際の歩行補助リズム（歩行誘導リズム）から大きく外れない範囲で任意に設定されてよい。

１次振動子ｘ＝（ｘ_L，ｘ_R）はルンゲ・クッタ法により算定（設定）される。１次振動子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、実際の歩行運動リズムとほぼ同じリズム（角速度）で時間変化する股関節角速度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、ユーザの歩行運動リズム（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、１次振動子ｘが生成されてもよい。

また、式（１）で表現されるファン・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第１モデルが表現されてもよく、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得るあらゆる方程式によって第１モデルが表現されてもよい。

前記のように股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ等の第１運動振動子に応じて出力が変動する仮想的な複数の第１要素（左右の脚体）の関係を表現する第１モデルにしたがって、第１要素の出力として１次振動子ｘが生成される（式（１），図２／ｓ０２０）。これにより、ユーザの実際の運動に関係する複数の第１要素の関係を、第１相関係数ｇ等により表される第１モデルにおける複数の第１要素の相関関係に反映させることで、当該複数の第１要素間の関係に鑑みて適当な１次振動子ｘが生成され得る。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１次振動子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。

続いて、固有角速度設定部２３０がメモリに記憶されている目標位相差δθ_dと、１次振動子設定部２１０により生成された１次振動子ｘとに基づき、仮想的な２つの振動子が含まれている仮想モデルにしたがって固有角速度ω_Mを新たに設定する（図２／ｓ０３０）。

具体的には、まず、第１位相差測定部２３１が、左右各成分について、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ（第１運動振動子）の位相θ_Hと、１次振動子設定部２１０により生成された１次振動子ｘの位相θ_Mとの位相差θ_H−θ_Mを、第１位相差δθ₁として設定する（図２／ｓ０３１）。

次に、第２位相差設定部２３２が、過去３歩行周期にわたって第１位相差設定部２３１により設定された第１位相差δθ₁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を第２位相差δθ₂として設定する（図２／ｓ０３２）。

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）
δθ₂＝ａｒｃｓｉｎ［（ω_h−ω_m）／２ε］ ‥（２．３）

ここで、ε＝（ε_L，ε_R）は仮想モデルにおける仮想運動振動子θ_h＝（θ_hL，θ_hR）および仮想誘導振動子θ_m＝（θ_mL，θ_mR）の左右成分ごとの相関係数である。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、相関係数設定部２３３が、第１位相差設定部２３１により設定された第１位相差δθ₁と、第２位相差設定部２３２により設定された第２位相差δθ₂との差δθ₁−δθ₂が最小になるように、相関係数εを設定する（図２／ｓ０３３）。

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ｄφ_H／ｄｔ（第１運動振動子）が０となる離散的な時間ｔ_id（ｄ＝１，２，・・）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｛Ｖ₁（ｔ_id+1）−Ｖ₁（ｔ_id）｝／｛ε（ｔ_id）−ε（ｔ_id-1）｝，
Ｖ（ｔ_id+1）≡（１／２）｛δθ₁（ｔ_id+1）−δθ₂（ｔ_id）｝² ‥（２．４）

ここで、η＝（η_L，η_R）の各成分は、第１位相差δθ₁の左右各成分と、第２位相差δθ₂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、第１角速度設定部２３４が、相関係数設定部２３３により設定された相関係数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δθ₁−δθ₂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を次式（２．５）にしたがって設定する（図２／ｓ０３４）。

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）｝−δθ₁（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、第２角速度設定部２３５が、左右各成分について、第１角速度設定部２３４により設定された仮想運動振動子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を新たな固有角速度ω_Mとして設定する（図２／ｓ０３５）。具体的には、第２角速度設定部２３５が、左右各成分について、第２位相差δθ₂が目標位相差δθ_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）を設定する。

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）｝−δθ_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、２次振動子生成部２４０が、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角度φ_H（第２運動振動子）と、固有角速度設定部２３０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、２次振動子ｙ＝（ｙ_L+，ｙ_L-，ｙ_R+，ｙ_R-）を生成する（図２／ｓ０４０）。「第２モデル」は、股関節角度φ_H等の第２運動振動子に応じて出力が変動する複数の神経要素等、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に基づいて定まる角速度で時間変化する出力振動信号（すなわち、当該第２要素のそれぞれの出力振動信号）を生成するモデルである。第２モデルは次式（３）の連立微分方程式により表現される。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。２次振動子生成部２４０により、股関節角度φ_H（第２運動振動子）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２次振動子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_L），
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_L），
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_R），
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_ＭMR）Ｋ（φ_R），
τ_2i・ｄｖ_i／ｄｔ＝−ｖ_i＋ｙ_i，
ｙ_i＝Ｈ（ｕ_i−ｕ_th），Ｈ≡０（ｕ_i＜ｕ_th），１（ｕ_i≧ｕ_th）または
ｙ_i＝ｆs（ｕ_i）≡１／｛１＋ｅｘｐ（−ｕ_i／ξ）｝ ‥（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）によって表されているように、新たな固有角速度ω_Mへの依存性を有する。

τ_1i≡ｔ（ω_ML）／ω_ML−γ_L（i=L+,L-），
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。さらに、ｗ_i/j（＜０）は複数の第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）

新たな固有角速度ω_Mの関数であるｆ₁（ω_M）およびｆ₂（ω_M）の係数ｃ，ｃ₀，ｃ₁，ｃ₂は、目標運動設定部２１１によって設定された目標となる運動リズムに応じた係数として設定され得る。

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、歩行運動リズムと連関したリズムで変動する種々の振動子に基づき、２次振動子ｙ_iが生成されてもよい。

２次振動子ｙ_iは、状態変数ｕ_iの値が閾値ｕ_th未満である場合は０、状態変数ｕ_iの値が閾値ｕ_th以上である場合は１となる。或いは、２次振動子ｙ_iは、シグモイド関数ｆsによって定義されている（式（３）参照）。これにより、大腿部の屈曲方向（前方）への動きについてはこの動きを支配する第２要素（神経要素）L+、R+の出力である２次振動子ｙ_L+およびｙ_R+が、他の第２要素の出力よりも大きくなる。また、大腿部の伸展方向（後方）への動きについてはこの動きを支配する第２素子L-、R-の出力である２次振動子ｙ_L-およびｙ_R-が、他の第２要素の出力よりも大きくなる。脚体（大腿部）の前方または後方への動きは、たとえば、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔの極性によって識別される。

前記のように股関節角度φ_H等の第２運動振動子に応じて出力が変動する複数の第２要素の関係を表現する第２モデルにしたがって、第２要素の出力として２次振動子ｙ_iが生成される（式（３），図２／ｓ０４０参照）。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相関係数ｗ_i/jにより表される第２モデルにおける複数の第２要素の相関関係に反映させることで、当該複数の第２要素間の関係に鑑みて適当な２次振動子ｙ_iが生成され得る。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２次振動子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。

次に、誘導振動子生成部２５０が運動振動子測定部２１０によって測定された股関節角度φ_H（第３運動振動子）および股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ（第４運動振動子）と、２次振動子生成部２４０により生成された２次振動子ｙ_iと、固有角速度設定部２３０によって設定された新たな固有角速度ω_Mとに基づき、誘導振動子ｚを設定する（図３／ｓ０５０）。

具体的には、次式（４）にしたがって第１誘導振動子ｚ₁が生成される（図３／ｓ０５１）。

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_ＲR- ‥（４）

ここで「ｇ₁₊」「ｇ_1-」「ｇ₊」および「ｇ_-」は次式（４．１）〜（４．４）のそれぞれによって定義される関数である。

ｇ₁₊（ｐ，ω）≡Σ_kａ_k+ω^k （ａ_k+：係数，ｋ＝０〜３）‥（４．１）
ｇ_1-（ｐ，ω）≡Σ_kａ_k-ω^k （ａ_k-：係数，ｋ＝０〜３）‥（４．２）
ｇ₊（φ）≡ｃ₁₊（φ−φ₀₊）＋ｃ₂₊（φ−φ₀₊）³
（ｃ₁₊，ｃ_2;：係数，φ₀₊：屈曲方向の股関節角度φ_Hの目標値）‥（４．３）
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）‥（４．４）

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４に示されている２つの仮想的なバネＧ₁₊およびＧ_1-の弾性力として認識される。第１係数ｇ₁₊およびｇ_1-は、固有角速度ω_Mに応じて、股関節角度φ_H（ユーザの運動スケールに応じた運動変数としての第３運動振動子）を目標運動スケールに応じた目標角度φ₀₊（＞０）およびφ_0-（＜０）に近付ける第１ポテンシャル（仮想的なバネ（弾性要素）のポテンシャル）のグラディエントを表す（式（４．１）（４．２）参照）。すなわち、第１誘導振動子ｚ₁は、第１ポテンシャルに応じた第１係数ｇ₁₊，ｇ_1-を弾性係数（バネ係数）とし、かつ、股関節角度φ_H（第３運動振動子）の値を目標角度φ₀₊およびφ_0-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得る。

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（第３運動振動子）をその目標角度φ₀₊に近付けるようにユーザの大腿部に作用する（式（４）参照）。すなわち、股関節角度φ_Hが目標角度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が目標角度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（第３運動振動子）をこの目標角度φ_0-に近付けるようにユーザの大腿部に作用する（式（４）参照）。すなわち、股関節角度φ_Hが目標角度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が目標角度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。

また、前記のように大腿部の前方への動きおよび後方への動きの別に応じて、複数の第２要素ｉ（=L+,L-,R+,R-）のうち一部から偏重的に出力があるので、２つの仮想的なバネＧ₁₊およびＧ_1-のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避される。

すなわち、左の大腿部が前方に動いているとき、この動きを支配する第２要素L+に応じた２次振動子ｙ_L+の値が他の第２要素L-に応じた２次振動子ｙ_L-の値より大きくなって、式（４）により表されている第１誘導振動ｚ_1Lが次式（４ａ）のように表される（または近似される）。

ｚ_1L＝ｇ₁₊（ω_mL）ｇ₊（φ_HL）ｙ_L+ ‥（４ａ）

このため、左の大腿部が前方に動いているとき、２つの仮想的なバネＧ₁₊およびＧ_1-のそれぞれの弾性力のうち、股関節角度φ_Hを前側の目標角度φ₀₊に近付けるようにユーザの大腿部に作用するバネＧ₁₊の弾性力が偏重的に反映されることとなる。これにより、２つの仮想的なバネＧ₁₊およびＧ_1-のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避される。

また、左の大腿部が後方に動いているとき、この動きを支配する第２要素L-の出力が他の第２要素L+の出力より大きくなり、これによって第２要素L-に応じた２次振動子ｙ_L-の値が第２要素L+に応じた２次振動子ｙ_L+の値より大きくなって式（４）によって表されている第１誘導振動子ｚ_1Lは次式（４ｂ）のように表される（または近似される）。

ｚ_1L＝−ｇ_1-（ω_mL）ｇ_-（φ_HL）ｙ_L- ‥（４ｂ）

このため、左の大腿部が後方に動いているとき、２つの仮想のバネＧ₁₊およびＧ_１−のそれぞれの弾性力のうち、股関節角度φ_Hを後側の目標角度φ_0-に近付けるようにユーザの大腿部に作用する仮想のバネＧ_1-の弾性力が偏重的に反映されることとなる。これにより、２つの仮想的なバネＧ₁₊およびＧ_1-のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避される。これは、右の脚体（大腿部）の動きについても同様である。

なお、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔを変数とするシグモイド関数ｆs（式（３）参照）が第１係数ｇ₁₊，ｇ_1-に組み込まれ、これにより股関節角速度ｄφ_H／ｄｔの極性により特定される大腿部の前後への動きの別に応じて、複数の第２要素ｉの出力としての２次振動子ｙ_iのうち一部が偏重的に反映された形で第１トルクＴ₁が生成されてもよい。これによっても、２つの仮想的なバネＧ₁₊およびＧ_1-のそれぞれの弾性力が相殺される事態が回避され得る。

さらに、次式（５）にしたがって第２誘導振動子ｚ₂が設定される（図２／ｓ０５２）。

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-‥（５）

ここで「ｇ₂₊」「ｇ_2-」「Ｈ₊」および「Ｈ_-」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。
ｇ₂₊（ω）≡Σ_kｂ_k+ω^k （ｂ_K+：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．１）
ｇ_2-（ω）≡Σ_kｂ_k-ω^k （ｂ_k-：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．２）
Ｈ₊（φ）≡０（φ≦０），１（φ＞０） ‥（５．３）
Ｈ_-（φ）≡０（φ＞０），１（φ≦０） ‥（５．４）

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Ｇ_2;およびＧ_2-の減衰力として把握される。第２係数ｇ₂₊およびｇ_2-は、固有角速度ω_Mに応じて股関節角度φ_Hの絶対値の増大を抑制する第２ポテンシャル（仮想的なダンパ（減衰要素）のポテンシャル）のグラディエントを表す（式（５．１）（５．２）参照）。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、かつ、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ（第４運動振動子）に応じて股関節角度φ_H（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得る。

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₊および股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ（第４運動振動子）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（５）参照）。すなわち、仮想的なダンパ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-および股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ（第４運動振動子）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（５）参照）。すなわち、仮想的なダンパ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。

そして、誘導振動子生成部２５０により生成された第１誘導振動子ｚ₁＝（ｚ_1L，ｚ_1R）と、第２誘導振動子ｚ₂＝（ｚ_2L，ｚ_2R） とを含む誘導振動子ｚ（＝ｚ₁＋ｚ₂）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、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／ｓ０１１，ｓ０１２，・・，ｓ０４０，図３／ｓ０５０）が繰り返されることで、ユーザは歩行運動誘導装置２０の動作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運動する。

そして、ユーザが前記のようにトレッドミル１０および歩行運動誘導装置２０の動作により歩行運動が誘導されている状態で、運動変数測定部１１０が歩行比ｋを測定する（図３／ｓ１１０）。具体的には、第１運動変数測定部１０１がトレッドミル１０のベルト１３の速度に応じた速度センサ（第１センサ）１０２の出力に基づき、ユーザの歩行速度ｖを測定する（図３／ｓ１１１）。また、第２運動変数測定部１１２がトレッドミル１０の踏板１４が受ける圧力に応じた圧力センサ（第２センサ）１０４の出力がピークを示す単位時間当たりの回数に基づき、ユーザの歩行率（単位時間当たりの歩数）ｐを測定する（図２／Ｓ１１２）。なお、歩行運動誘導装置２０によりユーザに作用させられる股関節回りのトルクＴの時間変化に基づいて歩行率ｐが測定されてもよい。また、ユーザの身体に加速度センサが取り付けられ、ユーザの鉛直方向の加速度に応じた加速度センサの出力に基づいて歩行率ｐが測定されてもよい。そして、運動変数測定部１００が歩行速度ｖおよび歩行率ｐの関数としての歩行比ｋ＝ｖ／ｐ²を測定する。

また、生理変数測定部１２０が生理変数センサ１０６の出力に基づいて生理変数ｂを測定する（図３／ｓ１２０）。生理変数ｂには、ユーザの酸素摂取量、呼吸周波数、心拍数、脈拍数、血圧、血中飽和酸素濃度、乳酸値、筋電位、および消費エネルギーのうち一部または全部が含まれる。

生理変数ｂが測定されるたび、股関節角度φ_Hの目標角度φ₀₊およびφ_0-、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-、ならびに第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-のうち一部または全部が変更設定される。目標角度φ₀₊およびφ_0-が変更設定されることで歩行運動誘導装置２０による誘導スケールが変化し、ユーザの歩幅ｑが変更されうる。また、係数ａ_k+，ａ_k-，ｂ_k+およびｂ_k-の一部または全部が変更設定されることで歩行運動誘導装置２０による誘導リズムが変化し、ユーザの歩行率（目標運動リズム）ｐが変更されうる。これにより、歩行運動誘導装置２０によって歩行比ｋが逐次変化するようにユーザの歩行運動が誘導されていく過程で、生理変数ｂが逐次測定される。そして、歩行比ｋおよび生理変数ｂの関係が求められ、推奨歩行比設定部１３０がこの関係に基づいて推奨歩行比ｋ₀を設定する（図３／ｓ１３０）。

たとえば、生理変数ｂとしてユーザの消費エネルギーが測定され、図５に丸（○）で示されているような歩行比ｋおよび消費エネルギー（生理変数）の関係が得られた場合を考える。この場合、当該関係は図５に示されている歩行比ｋの２次曲線によって近似表現され、この２次曲線が最小値をとる歩行比ｋ＝０．０７５がこのユーザにとっての推奨歩行比ｋ₀として設定される。ユーザの消費エネルギーが最小となるように設定された推奨歩行比ｋ₀は、ユーザの身体負荷の軽減に鑑みて適当な歩行比ｋである。なお、心拍数、乳酸値（身体の疲労度を表す。）、筋群活性度（身体機能の活性化の程度を表す。）等、消費エネルギーとは異なる生理変数ｂが測定され、当該測定変数ｂに基づいて推奨歩行比ｋ₀が設定されてもよい。

次に、歩行運動誘導装置２０による推奨歩行比ｋ₀に応じたユーザの歩行運動の誘導方法について図６を用いて説明する。推奨歩行比ｋ₀に応じたユーザの歩行運動の誘導方法は、推奨歩行比ｋ₀の設定時におけるユーザの歩行運動の誘導方法と、誘導振動子ｚの生成方法（図３／ｓ０５０）において相違するのみである。そこで、運動振動子の測定（図２／ｓ０１１，ｓ０１２）、１次振動子ｘの生成（図２／ｓ０２０）、固有角速度ω_Mの設定（図２／ｓ０３０）および２次振動子ｙの生成（図２／ｓ０４０）については説明を省略する。

第１運動変数測定部１１１が、トレッドミル１０の動作および歩行運動誘導装置２０の動作により歩行運動が誘導されているユーザの歩行速度ｖを測定する（図６／ｓ１１１）。

また、誘導振動子生成部２５０が、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角度φ_Hおよび股関節角速度ｄφ_H／ｄｔと、２次振動子生成部２４０により生成された２次振動子ｙ_iと、固有角速度設定部２３０によって設定された固有角速度ω_Mとに加え、さらに、第１運動変数測定部１１１により測定されたユーザの歩行速度ｖと、推奨歩行比設定部１３０により測定された推奨歩行比ｋ₀とに基づき、誘導振動子ｚを設定する（図２／ｓ２５０）。

具体的には、次式（６）にしたがって第１誘導振動子ｚ₁が生成される（図６／ｓ２５１）。

ｚ_1L＝ｇ₁₊（ｐ₀，ω_mL）ｇ₊（ｑ₀，φ_HL）ｙ_L+−ｇ_1-（ｐ₀，ω_mL）ｇ_-（ｑ₀，φ_HL）ｙ_L-，
ｚ_1R＝ｇ₁₊（ｐ₀，ω_mR）ｇ₊（ｑ₀，φ_HR）ｙ_R+−ｇ_1-（ｐ₀，ω_mR）ｇ_-（ｑ₀，φ_HR）ｙ_ＲR-，
ｐ₀≡（ｖ／ｋ₀）^1/2，ｑ₀≡（ｖｋ₀）^1/2‥（６）

ここで「ｇ₁₊」「ｇ_1-」「ｇ₊」および「ｇ_-」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。

ｇ₁₊（ｐ₀，ω）≡Σ_kａ_k+（ｐ₀）ω^k（ａ_k+（ｐ₀）：係数，ｋ＝０〜３）‥（６．１）
ｇ_1-（ｐ₀，ω）≡Σ_kａ_k-（ｐ₀）ω^k（ａ_k-（ｐ₀）：係数，ｋ＝０〜３）‥（６．２）
ｇ₊（ｑ₀，φ）≡ｃ₁₊（φ−φ₀₊（ｑ₀））＋ｃ₂₊（φ−φ₀₊（ｑ₀））³
（ｃ₁₊，ｃ_2;：係数，φ₀₊：屈曲方向の股関節角度φ_Hの目標値）‥（６．３）
ｇ_-（ｑ₀，φ）≡ｃ_1-（φ−φ_0-（ｑ₀））＋ｃ_2-（φ−φ_0-（ｑ₀））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）‥（６．４）

第１誘導振動子ｚ₁により股関節角度φ_H（第３運動振動子）が推奨歩行比ｋ₀および歩行速度ｖに応じた目標角度φ₀₊，φ_0-に一致するようにユーザの歩行運動が誘導されうる。

さらに、次式（７）にしたがって第２誘導振動子ｚ₂が設定される（図６／ｓ２５２）。

ｚ_2L＝−ｇ₂₊（ｐ₀，ω_mL）（ｄφ_HL／ｄｔ）Ｈ₊（φ_HL）ｙ_L+
＋ｇ_2-（ｐ₀，ω_mL）（ｄφ_HL／ｄｔ）Ｈ_-（φ_HL）ｙ_L-，
ｚ_2R＝−ｇ₂₊（ｐ₀，ω_mR）（ｄφ_HR／ｄｔ）Ｈ₊（φ_HR）ｙ_R+
＋ｇ_2-（ｐ₀，ω_mR）（ｄφ_HR／ｄｔ）Ｈ_-（φ_HR）ｙ_R-‥（７）

ここで「ｇ₂₊」「ｇ_2-」は次式（７．１）〜（７．２）のそれぞれによって定義される関数である。

ｇ₂₊（ｐ₀，ω）≡Σ_kｂ_k+（ｐ₀）ω^k
（ｂ_K+（ｐ₀）：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．１）
ｇ_2-（ｐ₀，ω）≡Σ_kｂ_k-（ｐ₀）ω^k
（ｂ_k-（ｐ₀）：係数，ｋ＝０〜３）‥（５．２）

第２誘導振動子ｚ₂により、股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ（第４運動振動子）に応じて股関節角度φ_H（第３運動振動子）の絶対値の増大が抑制されるようにユーザの歩行運動が誘導されうる。

股関節角度φ_Hの目標角度φ₀₊（ｑ₀）およびφ_0-（ｑ₀）は推奨歩行比ｋ₀および歩行速度ｖに応じた推奨歩幅ｑ₀（＝（ｖｋ₀）^1/2）関数であり、ユーザの歩幅ｑ（＝ｖ／ｐ）と推奨歩幅ｑ₀との偏差δｑに基づいて補正されうる。

また、第１係数ｇ₁₊（ｐ₀，ω_M），ｇ_1-（ｐ₀，ω_M）に含まれる係数ａ_k+（ｐ₀）およびａ_k-（ｐ₀）、第２係数ｇ₂₊（ｐ₀，ω_M），ｇ_2-（ｐ₀，ω_M）に含まれる係数ｂ_k+（ｐ₀）およびｂ_k-（ｐ₀）は推奨歩行比ｋ₀および歩行速度ｖに応じた推奨歩行率ｐ₀（＝（ｖ／ｋ₀）^1/2）の関数であり、ユーザの歩行率ｐ（＝ｖ／ｑ）と推奨補効率ｐ₀との偏差δｐに基づいて補正されうる。

そして、誘導振動子生成部２５０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とを含む誘導振動子ｚに応じた電流Ｉ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、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／ｓ０１１，ｓ０１２，・・，ｓ０４０，図６／ｓ２５０）が繰り返されることで、ユーザは歩行運動誘導装置２０の動作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。

前記機能を発揮する運動管理システム１によれば、歩行運動誘導装置（第２運動誘導装置）２０の動作によりユーザの運動が誘導されている過程で歩行比（運動変数）ｋおよび生理変数ｂが測定される（図３／ｓ１１０，ｓ１２０）。そして、この動物の「身体機能の活性化」または「身体負荷の軽減」のための生理変数ｂの最適値に対応する歩行比ｋの値が推奨目標比ｋ₀として設定される。これにより、推奨歩行比ｋ₀が、このユーザの身体機能の活性化等に鑑みて適当に設定されうる。そして、歩行運動誘導装置２０によりこの推奨歩行比ｋ₀に基づいてユーザの歩行運動が誘導されることで、ユーザの歩幅（運動スケール）ｑおよび歩行率（運動リズム）ｐがこのユーザの身体機能の活性化等に鑑みて適当なものとなるように、当該誘導スケールおよびリズムが適当に制御されうる。

運動管理システム１の効果に関する実験結果について図７〜図９を用いて説明する。

図７に示されているように、歩行運動誘導装置２０による歩行運動の誘導の有無に応じて同一のユーザが同一の速度ｖで歩行した場合の歩行比ｋが異なる。すなわち、ユーザが歩行補助装置２０を装着せずに歩行した場合の歩行比ｋは約０．００６５に制御されている。これに対して、ユーザが歩行運動誘導装置２０を装着して歩行運動が誘導された状態で歩行した場合の歩行比ｋは、前記のように設定された推奨歩行比ｋ（＝０．００７５）に制御されている。このユーザは、歩行運動誘導装置２０の動作によって歩行比ｋ、ひいては歩幅ｑが大きくなるように歩行運動が誘導されている。

また、図８に示されているように、歩行運動誘導装置２０による歩行運動の誘導の有無に応じて同一のユーザが同一の速度ｖで歩行した場合の心拍数（生理変数）が異なる。すなわち、ユーザが歩行補助装置２０を装着せずに歩行した場合の心拍数は、ユーザが歩行運動誘導装置２０を装着して歩行運動が誘導された状態で歩行した場合の心拍数よりも高い。これは、図７に示されているように、ユーザの歩幅が大きくなるように歩行運動が誘導されている状態で、その心拍数が低く抑えられており、身体への負荷が軽減されていることを意味する。

また、図９に示されているように、歩行運動誘導装置２０による歩行運動の誘導の有無に応じて同一のユーザが同一の速度ｖで歩行した場合の筋群活性度（生理変数）が異なる。図９（ｂ）に示されているユーザが歩行運動誘導装置２０を装着して歩行運動が誘導された状態で歩行した場合のその股関節周囲の筋群活性度は、図９（ａ）に示されているユーザが歩行補助装置２０を装着せずに歩行した場合の同じ箇所の筋群活性度よりも高い。これは、図７に示されているように、ユーザは歩幅が大きくなるように歩行運動が誘導されることで、ユーザの身体機能が活性化されていることを意味する。

図７〜図９に示されている実験結果から、たとえば、運動管理システム１が高齢者等、歩行運動機能が低下しているユーザの運動管理に利用された場合の意義が大きいことがわかる。すなわち、本発明の運動管理システム１が利用されることで、高齢者等の身体負荷を軽減しながら、その身体機能の低下抑制、さらには活性化を促すことができる。

さらに、ユーザの歩行速度ｖ（第１運動変数）がトレッドミル１０のベルト１３の速さに基づいて測定される（図３／ｓ１１１）。またユーザの歩行率ｐ（第２運動変数）が、ユーザの着床および離床の繰り返しにより変化するトレッドミル１０への圧力に基づいて測定される（図３／ｓ１１２）。これにより、歩行速度ｖおよび歩行率ｐの関数である歩行比ｋの測定精度の向上が図られる（図３／ｓ１１０）。したがって、ユーザの身体機能の活性化や身体負荷の軽減に鑑みて適当な運動変数の推奨値がより正確に設定されうる。

また、トレッドミル１０の無端ベルト（回動体）１３を回動させることにより、この無端ベルト１３の動きとは逆向きの歩行または走行運動が誘導される。これにより、当該歩行または走行に伴うユーザの移動が無端ベルト１３の回動によって相殺されるので、トレッドミル１０の設置スペースさえあればユーザの歩行または走行運動に伴う推奨歩行比ｋ₀の設定が可能である。トレッドミル１０が省略され、歩行運動誘導装置２０のみによってユーザの歩行運動が誘導されている状態で推奨歩行比ｋ₀が設定されてもよい。

なお、運動管理システム１はユーザの歩行運動以外のあらゆる運動に伴って変化する運動変数の推奨値の設定に利用されてもよい。たとえば、車椅子の左右の車輪に手で力を加える運動について、両腕が車輪を押すリズム等、他の運動についての運動変数の推奨値設定に利用されてもよい。運動管理システム１は馬の走行運動等、人間以外の動物の運動についての運動変数の推奨値設定に利用されてもよい。また、歩行比ｋのほか、歩行速度ｖおよび歩行率ｐの任意の関数としての運動変数の推奨値が設定されてもよい。

また、トレッドミル１０のほか、複数のローラに掛け渡された無端ベルト、中心または中心から外れた点を通る軸回りに回動される球体、楕円球体、中心軸または中心軸から離れた中心軸に平行な軸回りに回動する円筒、四角筒等の筒体、その他任意の軸回りに回動される一塊の物体等の回動体を回動させることでこの回動体に接触するユーザの腕や脚などの身体部分の運動を誘導する装置が第１運動誘導装置として採用されてもよい。

前記実施形態では誘導振動子ｚに応じた左右の股関節回りのトルクＴ＝（Ｔ_L，Ｔ_R）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ユーザの身体に作用させられてもよい。トルク作用対象となる関節の組合せは、ユーザに応じてさまざまに変更されてもよい。

また、第２制御部２００の２次振動子生成部２４０が、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角度φ_H（第２運動振動子）または股関節角速度ｄφ_H／ｄｔ（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、固有角速度設定部２３０により設定された新たな固有角速度ω_Mに代えて、運動振動子測定部２１０により測定された股関節角度φ_H等の角速度（位相の時間変化）と、１次振動子生成部２２０により生成された１次振動子ｘの角速度とのうち一方または両方が反映されたリズムで振動する２次振動子ｙを生成してもよい。

当該構成によれば、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、特開２００４−７３６４９号公報に開示されている方法にしたがって誘導振動子ｚが生成されてもよい。

さらに、次のような形で誘導振動子ｚが生成されてもよい。すなわち、運動振動子測定部２１０がユーザの２つの異なる身体部分の動きに応じて時間変化するパラメータとしての運動振動子（たとえば肩関節角速度および股関節角度）のそれぞれを「第１運動振動子」および「第２運動振動子」として測定する。また、１次振動子生成部２２０が第１運動振動子と相互に引き込み合い、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１次振動子ｘを生成する。さらに、固有角速度設定部２３０が第１運動振動子と１次振動子ｘとの位相差に基づき、新たな固有角速度ω_Mを設定する。また、２次振動子生成部２４０が第２運動振動子に基づき、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２次振動子ｙを生成する。そして、誘導振動子生成部２５０が２次振動子ｙに加え、第１運動変数測定部１０１により測定された歩行速度ｖ（第１運動変数）と、第２運動変数測定部１０２により測定された歩行率ｐ（第２運動変数）とのうち一方または両方に基づいて誘導振動子ｚを生成する。

当該構成によれば、ユーザの異なる身体部分のそれぞれの運動リズムと、この運動を誘導するリズムとの調和を図りながら、ユーザの運動リズムが目標運動リズムに近づくようにこの運動が誘導されうる。

さらに、本発明の運動管理システム１は、推奨歩行比設定部１３０が複数のユーザのそれぞれの身体的特徴（身体のサイズ、ウェイト、年齢、性別等が含まれる。）を識別するための識別子を認識した上で各ユーザの複数の推奨歩行比ｋ₀を予備的に設定し、認識した識別子ごとに予備的に設定済みの推奨歩行比ｋ₀に基づいて新たな推奨歩行比ｋ₀を設定することにより、識別子および推奨値が対応付けられているデータベースを構築してもよい。この場合、ユーザの識別子、ひいては身体的特徴に応じてデータベースから検索された標準的な推奨値に基づいて、ユーザの歩行運動が誘導される。これにより、ユーザの歩行比ｋがこのユーザの身体機能の活性化等に鑑みて適当なものとなるように、当該誘導スケールおよびリズムが適当に制御されうる。

本発明の運動管理システムの構成例示図 本発明の運動管理方法の説明図 本発明の運動管理方法の説明図 歩行運動を誘導する仮想的なバネおよびダンパの説明図 推奨歩行比の設定方法の説明図 本発明の運動管理方法説明図 本発明の運動管理システムの効果に関する実験結果の説明図 本発明の運動管理システムの効果に関する実験結果の説明図 本発明の運動管理システムの効果に関する実験結果の説明図

符号の説明

１‥運動管理システム、１０‥トレッドミル（第１運動誘導装置）、１３‥回動体、２０‥歩行運動誘導装置（第２運動誘導装置）、２１‥腰部装具（第１装具）、２２‥大腿部装具（第２装具）、２５‥アクチュエータ、２６‥股関節角度センサ、１００‥第１制御部、１１０‥運動変数測定部、１１１‥第１運動変数測定部、１１２‥第２運動変数測定部、１２０‥生理変数測定部、１３０‥推奨歩行比設定部（推奨値設定部）、２００‥第２制御部（制御部）、２１０‥運動振動子測定部、２２０‥１次振動子生成部、２３０‥固有角速度設定部、２３１‥第１位相差設定部、２３２‥第２位相差設定部、２３３‥相関係数設定部、２３４‥第１角速度設定部、２３５‥第２角速度設定部、２４０‥２次振動子生成部、２５０‥誘導振動子生成部、２５１‥第１誘導振動子生成部、２５２‥第２誘導振動子生成部

Claims (6)

1. 動物の運動を管理するシステムであって、
   前記動物に力を作用させることによって前記動物の指定運動を誘導するように作動する第１運動誘導装置と、
   前記動物に装着される第１装具および第２装具と、前記第１装具に取り付けられたアクチュエータと、前記アクチュエータおよび前記第２装具に連結されている力伝達部材とを備え、かつ、前記アクチュエータが前記力伝達部材および前記第２装具を介して前記動物に力を作用させることによって前記動物の運動リズムと調和したリズムで前記動物に力を作用させることによって前記動物の運動スケールを調節しながら前記動物の前記指定運動を誘導するように作動する第２運動誘導装置と、
   前記第２運動誘導装置の動作を制御する制御部と、
   前記動物の前記指定運動の速さを表す第１運動変数を前記第１運動誘導装置の動作の速さに応じた信号を出力する、前記第１運動誘導装置に設けられている第１センサの出力信号に基づいて測定する第１運動変数測定部と、
   前記動物の前記指定運動のリズムを表す第２運動変数を前記第１運動誘導装置と前記動物との相互作用力に応じた信号を出力する、前記第１運動誘導装置に設けられている第２センサの出力信号の時間変化パターンまたは前記制御部により制御されている前記第２運動誘導装置の動作状態に基づいて測定する第２運動変数測定部と、
   前記第１運動変数および前記第２運動変数の両方を変数とする関数の値を、前記第１運動誘導装置および前記第２運動誘導装置のそれぞれの動作により前記動物の前記指定運動が誘導されている状態における前記第１運動変数測定部による前記第１運動変数の測定値と前記第２運動変数測定部による前記第２運動変数の測定値とに基づき、前記指定運動をしている前記動物の状態を表わす運動変数の値として測定する運動変数測定部と、
   前記第１運動誘導装置および前記第２運動誘導装置のそれぞれの動作により前記動物の前記指定運動が誘導されている状態において、前記動物の生理状態に応じた信号を出力する生理変数センサからの出力信号に基づいて生理変数を測定する生理変数測定部と、
   前記制御部により前記運動変数の値が変化するように制御されている前記第２運動誘導装置の動作により前記動物の前記指定運動が誘導されている過程で、前記運動変数の値および前記生理変数測定部により測定された生理変数に基づいて前記運動変数および前記生理変数の関係を求め、前記関係に基づいて前記生理変数の前記動物の身体機能の活性化または身体負荷の軽減のための最適値に対応する前記運動変数の値を前記運動変数の推奨値として設定する推奨値設定部とを備え、
   前記制御部が、前記運動変数が前記推奨値に一致するように前記第２運動誘導装置の動作を制御することを特徴とする運動管理システム。
2. 請求項１記載の運動管理システムにおいて、
   前記第１運動誘導装置および前記第２運動誘導装置のそれぞれが前記動物の前記指定運動としての歩行運動または走行運動を誘導するように作動し、
   前記第１運動変数測定部が前記動物の歩行または走行速度を前記第１運動変数として測定し、前記第２運動変数測定部が動物の歩行率（単位時間当たりの歩数を意味する。）を前記第２運動変数として測定することを特徴とする運動管理システム。
3. 請求項２記載の運動管理システムにおいて、
   前記運動変数測定部が前記第２運動変数としての歩行率の二乗に対する前記第１運動変数としての歩行または走行速度の比率である歩行比を前記運動変数として測定することを特徴とする運動管理システム。
4. 請求項１記載の運動管理システムにおいて、
   前記第１運動変数測定部が、前記第１運動誘導装置が有する回動体の回動に伴ってこの回動体に接触する動物の身体部分がこの回動体から力を受ける方向の反対方向に運動が誘導されている前記動物の前記第１運動変数を、前記回動体の回動速度に基づいて測定することを特徴とする運動管理システム。
5. 請求項１記載の運動管理システムにおいて、
   前記第１運動誘導装置および前記第２運動誘導装置のそれぞれが前記動物の前記指定運動としての歩行運動または走行運動を誘導するように作動し、
   前記第１運動変数測定部が、前記第１運動誘導装置としてのトレッドミルが有する複数のローラに掛け渡された回動体としての無端ベルトの動きに逆らう方向に誘導されている前記動物の歩行または走行運動の速さを表す前記第１運動変数としての歩行または走行速度を前記無端ベルトの駆動速度に基づいて測定することを特徴とする運動管理システム。
6. 請求項１記載の運動管理システムにおいて、
   前記推奨値設定部が、複数の前記動物のそれぞれの身体的特徴を識別するための識別子を認識した上で各動物の複数の前記推奨値を予備的に設定し、認識した前記識別子ごとに予備的に設定済みの前記推奨値に基づいて新たな前記推奨値を設定することにより、前記識別子および前記推奨値が対応付けられているデータベースを構築することを特徴とする運動管理システム。

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