特許 7066752 外骨格を動作させる方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-05-02

(45)【発行日】2022-05-13

(54)【発明の名称】外骨格を動作させる方法

(51)【国際特許分類】

   A61H 3/00 20060101AFI20220506BHJP

   B25J 11/00 20060101ALI20220506BHJP

   A61F 2/70 20060101ALI20220506BHJP

【ＦＩ】

A61H3/00 B

B25J11/00 Z

A61F2/70

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2019568226

(86)(22)【出願日】2018-06-28

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-08-27

(86)【国際出願番号】 FR2018051586

(87)【国際公開番号】W WO2019002772

(87)【国際公開日】2019-01-03

【審査請求日】2021-02-17

(31)【優先権主張番号】1756007

(32)【優先日】2017-06-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】516282835

【氏名又は名称】ワンダークラフト

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100091214

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 進介

(72)【発明者】

【氏名】マッセリン，マテュー

(72)【発明者】

【氏名】ペトリオウ，マリーヌ

【審査官】山田 裕介

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１９３９０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０６６６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０９３７９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｈ ３／００

Ｂ２５Ｊ １１／００

Ａ６１Ｆ ２／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

人間オペレータを収容する外骨格を座位から立位へ動作させる方法であって、
前記座位及び前記立位は、前記外骨格が複数の自由度を有し、前記自由度は、前記座位及び前記立位において、各自由度が駆動されるような方法で、データ処理手段によって制御されるアクチュエータによってそれぞれ駆動されるものであり、
前記方法は、前記データ処理手段によって、
（ａ） 前記座位から前記立位への前記外骨格の軌道を生成するステップであって、前記軌道は時間の関数としてパラメータ化される、ステップと、
（ｂ） 前記の駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を前記軌道に適用するステップであって、前記仮想拘束は前記動作の進捗を表す位相変数によってパラメータ化される、ステップと、
（ｃ） 前記外骨格が前記座位から前記立位へ動作するように、前記一組の仮想拘束と関連して前記外骨格のコントローラを実行するステップであって、前記コントローラは、前記座位から前記立位への前記軌道に沿って前記外骨格を動作させる時に、前記仮想拘束に従うように前記アクチュエータに対するコマンドを生成することができる、ステップと、
を実施することを含む、方法。

【請求項2】

前記のステップ（ａ）における前記外骨格の軌道の生成は、起立のリクエストが受信された場合に実施される、
請求項１記載の方法。

【請求項3】

前記起立のリクエストは前記人間オペレータの姿勢に対応する、
請求項２記載の方法。

【請求項4】

前記人間オペレータの胸部には複数の姿勢センサが装備されており、
前記起立のリクエストは、前記複数のセンサによって測定された前記人間オペレータの前記胸部の姿勢の関数として検出される、
請求項３記載の方法。

【請求項5】

前記のステップ（ａ）は、前記座位及び／又は前記立位を特定することを含む、
請求項１乃至４いずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

前記のステップ（ａ）は、
前記起立のリクエストを受信した時に、前記外骨格によってとられる一時的な位置を識別することと、
前記一時的な位置から前記座位及び前記立位を特定することと、を含む、
請求項２乃至４いずれか１項を引用する請求項５記載の方法。

【請求項7】

前記の特定された座位及び立位は、そこから前記動作を実施できる、所定の拘束に関して許容可能な位置である、
請求項６記載の方法。

【請求項8】

前記所定の拘束は、前記人間オペレータを収容する前記外骨格の質量中心が外骨格の維持表面内にある安定状態にあること及び姿勢の拘束を含む、
請求項７記載の方法。

【請求項9】

前記のステップ（ｂ）は、前記位相変数を予め選択することを含む、
請求項１乃至８いずれか１項記載の方法。

【請求項10】

記憶手段内に記憶されたデータベースにおいて、
‐ 前記駆動される自由度に対する一組の仮想拘束であって、仮想拘束は前記動作の進捗を表す位相変数によってパラメータ化されている、一組の仮想拘束と、
‐ 前記一組の仮想拘束と関連する前記外骨格のコントローラと、
の対が記憶されており、
前記のステップ（ｂ）は、選択された前記位相変数の関数として、前記一組の仮想拘束を識別することを含む、
請求項９記載の方法。

【請求項11】

人間オペレータを収容する外骨格を立位から座位へ動作させる方法であって、
前記座位及び前記立位は、前記外骨格が複数の自由度を有し、前記自由度は、前記座位及び前記立位において、各自由度が駆動されるような方法で、データ処理手段によって制御されるアクチュエータによってそれぞれ駆動されるものであり、
当該方法は、前記データ処理手段によって、
（ａ） 前記立位から前記座位への前記外骨格の軌道を生成するステップであって、前記軌道は時間の関数としてパラメータ化される、ステップと、
（ｂ） 前記の駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を前記軌道に適用するステップであって、前記仮想拘束は前記動作の進捗を表す位相変数によってパラメータ化されている、ステップと、
（ｃ） 前記外骨格が前記立位から前記座位へ動作するように、前記一組の仮想拘束と関連して前記外骨格のコントローラを実行するステップであって、前記コントローラは、前記座位から前記立位への前記軌道に沿って前記外骨格を動作させる時に、前記仮想拘束に従うように前記アクチュエータに対するコマンドを生成することができる、ステップと、
を実施することを含む、方法。

【請求項12】

人間オペレータを収容する外骨格であって、
前記外骨格はデータ処理手段を有し、前記データ処理手段は、
‐ 座位から立位への前記外骨格の軌道を生成するためのモジュールであって、前記外骨格が複数の自由度を有し、前記自由度は、前記座位及び前記立位において、各自由度が駆動されるような方法で、前記データ処理手段によって制御されるアクチュエータによってそれぞれ駆動され、前記軌道が生成され、前記軌道は時間の関数としてパラメータ化される、モジュールと、
‐ 前記の駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を前記軌道に適用するためのモジュールであって、前記仮想拘束は前記動作の進捗を表す位相変数によってパラメータ化される、モジュールと、
‐ 前記外骨格が前記座位から前記立位へ動作するように、前記一組の仮想拘束と関連して前記外骨格のコントローラを実行するためのモジュールであって、前記コントローラは、前記座位から前記立位への前記軌道に沿って前記外骨格を動作させる時に、前記仮想拘束に従うように前記アクチュエータに対するコマンドを生成することができる、モジュールと、
を実装するように構成されている、外骨格。

【請求項13】

人間オペレータを収容する外骨格であって、
前記外骨格はデータ処理手段を有し、前記データ処理手段は、
‐ 立位から座位への前記外骨格の軌道を生成するためのモジュールであって、前記外骨格が複数の自由度を有し、前記自由度は、前記座位及び前記立位において、各自由度が駆動されるような方法で、前記データ処理手段によって制御されるアクチュエータによってそれぞれ駆動され、前記軌道が生成され、前記軌道は時間の関数としてパラメータ化される、モジュールと、
‐ 前記の駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を前記軌道に適用するためのモジュールであって、前記仮想拘束は前記動作の進捗を表す位相変数によってパラメータ化される、モジュールと、
‐ 前記外骨格が前記立位から前記座位へ動作するように、前記一組の仮想拘束と関連して前記外骨格のコントローラを実行するためのモジュールであって、前記コントローラは、前記座位から前記立位への前記軌道に沿って前記外骨格を動作させる時に、前記仮想拘束に従うように前記アクチュエータに対するコマンドを生成することができる、モジュールと、
を実装するように構成されている、外骨格。

【請求項14】

コンピュータ上で実行されるときに、請求項１乃至１１いずれか１項記載の外骨格を動作させる方法を実行するためのコード命令を含む、コンピュータプログラム。

【請求項15】

コンピュータプログラムが請求項１乃至１１いずれか１項記載の外骨格を動作させる方法を実行するためのコード命令を含むコンピュータ装置によって読み取られることができる記憶手段。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は外骨格型ロボットの分野に関する。より詳しくは、外骨格を動作させる方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、例えば対麻痺等の重大な可動性の問題をもつ人々のために、外骨格と呼ばれる歩行補助デバイスが登場した。それは、ファスナ―システムのおかげでオペレータ（人間ユーザ）がスリップオンする外部ロボットデバイスであって、ファスナーシステムは外骨格の動作とオペレータ自身の動作とをリンクする。下肢の外骨格は、歩行動作を再現するために、通常少なくとも膝関節と股関節のレベルにおいて、いくつかの関節を有する。アクチュエータはこれらの関節を動かすことを可能にし、その結果、オペレータを動かすことができる。インターフェースシステムはオペレータが外骨格に命令できるようにし、制御システムはこれらの命令をアクチュエータに対するコマンドに変換する。センサは、一般に、装置を完成させる。

【0003】

これらの外骨格は、車椅子に比べて進歩したものである。なぜなら、これらの外骨格は、オペレータを自分の足に戻し、歩くことができるようにするからである。外骨格はもはや車輪によって制限されず、理論的には平坦でない環境の大部分に進出することができる：つまり、車輪は、脚とは異なり、段差、階段、高すぎる障害物などの重大な障害物をクリアすることができない。

【0004】

人間の活動はしばしば座位をとる：食事中、仕事中、輸送中、座位は非常に一般的な位置である。対麻痺患者への外骨格の使用は、ほとんどの場合、座位において、車椅子から外骨格への移動も提供する。このように、外骨格の利用に対する関心と可能性さえもが、その起立する能力、すなわち、座位から立位への移行能力に大きく依存している。

【0005】

特許出願ＷＯ２０１００４４０８７、ＥＰ１２６０２０１及びＵＳ２０１３０１５０９８０において、「座位」及び「立位」を画定し、この２つの間を遷移するためのアルゴリズムを提供することが提案されている。より具体的には、起立は、足部センサによる地面との接触を検出するように調整され、股関節及び膝関節の矢状方向のモータが活性化される。

【0006】

しかしながら、このアプローチは単純であり、快適な動きや自然な感覚を可能にするものではないことに留意されたい。実際、起立動作の実行自体に、４つの課題がある：
‐ アームチェア、椅子、及び、座ることができるその他の支持体は、様々な形状、寸法を有する。さらに、設置位置は、各ユーザの機能（a function）によって異なる：あるユーザにとって実用的であることは、他のユーザにとってはそうはならない。同様に、立位はユーザの機能として異なるものでなければならない。実際、それぞれが独自の重量分布を持ち、特定のバランスのとれた立位をとっている。さらに、膝が多かれ少なかれ曲がっているなど、若干後傾になることを好む人もいるだろう。理想的な立位は、起立後にユーザが何をしたいかにも依存する。この全てが、起立させるべき外骨格の開始位置と到着位置が、各患者と各使用例に適応しなければならないという事実に寄与している。
‐ 起立動作を可能にするためには、患者の足は、動作の継続期間を通して、地面に留まる必要がある。このように、座位及び立位を知っていても、足の運動学的な拘束に従いながら、一方から他方へ移行する動作を見出すことは、簡単ではない。
‐ 座位は、一般に、脚部が非常に折り曲げられており、足部の十分後ろに圧力中心が位置している。このように、動作開始時の荷重モーメントは重要であり、伸展した姿勢に到達するためにはかなりのトルクが必要である。経時的に予め計算された軌道に追従する標準的なコントローラは、この問題を悪化させる可能性がある：例えば、２つの関節が同じ追跡品質を有しない場合、例えば、一方が軌道の前方にあり、他方が後方にある場合、配置は、運動をさらに困難にする可能性がある。これは、膝関節に対して股関節の伸展が早すぎる場合、特に顕著である。すなわち、骨盤は後方にかなり送られ、膝に対して非常に重大なモーメントを及ぼす。
‐ （例えば、前かがみになったり、アームレストにもたれたりする）患者の体上部の動作と脚部の動きを同期させることが重要である。患者が外骨格に適応しなければならない場合、訓練フェーズは長く疲労したものとなる。外骨格の動きが患者の体上部の動きに適応していることが、患者に必要な訓練を減らすことを可能にする。さらに、患者は、動作を制御し、それを実行することに加わるという事実を評価する（appreciate）。

【0007】

従って、現在の拘束から自由な、効率的で普遍的であり（椅子及びユーザの初期位置に関係なく起立することを可能にする）、快適で自然な、外骨格に対する座位から起立する新規な技法を利用できることが所望される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】国際公開第２０１００４４０８７号公報

【文献】欧州特許公開第１２６０２０１号公報

【文献】米国特許公開第２０１３０１５０９８０号公報

【発明の概要】

【0009】

そこで本発明は、第１態様によれば、人間オペレータを収容する外骨格（１）を座位から立位へ動作させる方法に関し、座位及び立位は、外骨格が、座位及び立位において、駆動されない自由度が無い（no degree of freedom is non-actuated）ように、データ処理手段によって制御されるアクチュエータによってそれぞれ駆動される複数の自由度を有するようになっており、
本方法は、データ処理手段によって、
（ａ） 座位から立位への前記外骨格（１）の軌道を生成するステップであって、軌道は時間の関数としてパラメータ化される、ステップと、
（ｂ） 駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を軌道に適用するステップであって、仮想拘束は位相変数によってパラメータ化される、ステップと、
（ｃ） 外骨格（１）が座位から立位へ動作するように、一組の仮想拘束と関連して外骨格（１）のコントローラを実行するステップであって、コントローラは、軌道の間、仮想拘束に従う（comply）ようにアクチュエータに対するコマンドを生成することができる、ステップと、
を実施することを含む。

【0010】

他の有利な、かつ非限定的な特徴によれば：
・ ステップ（ａ）における前記外骨格（１）の軌道の生成は、起立のリクエストが受信された場合に実施され；
・ 起立のリクエストは人間オペレータの姿勢に対応し；
・ 人間オペレータの胸部には複数の姿勢センサが装備されており、
起立のリクエストは、複数のセンサによって測定された人間オペレータの胸部の姿勢の関数として検出され；
・ ステップ（ａ）は、座位及び／又は立位を特定することを含み；
・ 前記のステップ（ａ）は、
起立のリクエストの受信中に、外骨格（１）がとる一時的な位置を識別することと、
一時的な位置から座位及び立位を特定することと、を含み；
・ 特定された座位及び立位は、所定の拘束に関して許容可能な位置であり；
・ 所定の拘束は、圧力中心ＣｏＰが外骨格の維持表面（a sustentation surface）内及び姿勢の拘束内にある安定状態にあるということを含み；
・ ステップ（ｂ）は、位相変数を予め選択すること（the prior selection）を含み；
・ 記憶手段内に記憶されたデータベースにおいて、
‐ 駆動される自由度に対する一組の仮想拘束であって、仮想拘束は位相変数によってパラメータ化されている、一組の仮想拘束と、
‐ 一組の仮想拘束と関連する前記外骨格のコントローラと、
の対が記憶されており、
ステップ（ｂ）は、選択された位相変数の関数として、一組の拘束を識別することを含む。

【0011】

第２態様によれば、本発明は、人間オペレータを収容する外骨格を立位から座位へ動作させる方法に関し、座位及び立位は、外骨格が、座位及び立位において、駆動されていない自由度が無いようにデータ処理手段によって制御されるアクチュエータによって、複数のそれぞれ駆動される自由度を有するようになっており、
本方法は、データ処理手段によって、
（ａ） 立位から座位への外骨格の軌道を生成するステップであって、軌道は時間の関数としてパラメータ化される、ステップと、
（ｂ） 駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を軌道に適用するステップであって、仮想拘束は位相変数によってパラメータ化される、ステップと、
（ｃ） 外骨格（１）が立位から座位へ動作するように、一組の仮想拘束と関連して外骨格（１）のコントローラを実行するステップであって、前記コントローラは、前記軌道の間、前記仮想拘束に従うように前記アクチュエータに対するコマンドを生成することができる、ステップと、
を実施することを含む。

【0012】

第３態様によれば、本発明は、人間オペレータを収容する外骨格に関し、本外骨格は

‐ 座位から立位への外骨格の軌道を生成するためのモジュールであって、外骨格が、座位及び立位において、駆動されていない自由度が無いように、データ処理手段によって制御されるアクチュエータによってそれぞれ駆動される複数の自由度を有するように軌道が生成され、軌道は時間の関数としてパラメータ化される、モジュールと、
‐ 駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を軌道に適用するためのモジュールであって、仮想拘束は位相変数によってパラメータ化される、モジュールと、
‐ 外骨格が座位から立位へ動作するように、一組の仮想拘束と関連して外骨格のコントローラを実行するためのモジュールであって、コントローラは、軌道の間、仮想拘束に従うようにアクチュエータに対するコマンドを生成することができる、モジュールと、
を実装するように構成されたデータ処理手段を有する。

【0013】

第４態様によれば、本発明は、人間オペレータを収容する外骨格に関し、本外骨格は、
‐ 立位から座位までの外骨格の軌道を生成するためのモジュールであって、外骨格が、座位及び立位において、駆動されていない自由度が無いように、データ処理手段によって制御されるアクチュエータによってそれぞれ駆動される複数の自由度を有するように軌道が生成され、軌道は時間の関数としてパラメータ化される、モジュールと、
‐ 駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を前記軌道に適用するためのモジュールであって、仮想拘束は位相変数によってパラメータ化される、モジュールと、
‐ 外骨格が立位から座位へ動作するように、一組の仮想拘束と関連して外骨格のコントローラを実行するためのモジュールであって、コントローラは、軌道の間、仮想拘束に従うようにアクチュエータに対するコマンドを生成することができる、モジュールと、
を実施するように構成されたデータ処理手段を有する。

【0014】

第５態様及び第６態様によれば、本発明は、第１態様又は第２態様による外骨格を動作させる方法を実行するためのコード命令を含むコンピュータプログラム製品、及びコンピュータプログラムが第１態様又は第２態様による外骨格を動作させる方法を実行するためのコード命令を含むコンピュータ装置によって読み取られることができる記憶手段に関する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

本発明の他の特徴及び利点は、以下の好適な実施形態の説明を読むことによって明らかになる。
本明細書は、添付の図面を参照して、以下に示される。

【図1】本発明に係る方法を実施するための外骨格（外骨格型）の概要を示す図である。

【図2】位相変数の展開、及びこの位相変数の関数として駆動される自由度の展開の一例を示す図である。

【図3】本発明の方法の好ましい実施形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

アーキテクチャ
図１を参照すると、本発明の方法は、外骨格１を起立させるための方法であって、外骨格１は、即ち２足のロボット化されたタイプの装置の関節でつながった機械的システムであって、駆動され、指令され、２本の脚を備え、より詳しくは、（特にストラップによって）外骨格１の脚と一体化した下肢を有する人間オペレータを収容する。したがって、多かれ少なかれヒューマノイドロボットであり得る。

【0017】

外骨格１は、足が平らであるときに、外骨格を着用している人の脚の足部を支持することができる支持面を含む足部構造を各脚に備える。

【0018】

ここで「起立（Stand up）」とは、座位から立位へと移行する外骨格１の動作のことを意味する。ここのこれらの用語は、それらの自然な語義を有する。より具体的には、座位とは、外骨格を装備したオペレータが座席に載る、つまり、その「後方（rear）」のレベルで支持される位置を意味するものとする。後述するように、一般に「許容可能な」座位が選択され、特に外骨格の両足が地面に置かれ、平坦である。立位では、オペレータは、好ましくは伸展した、自身の２つの脚に独自に載っており、このことは、２つの脚以外に支持点がないことを意味する。座位としては、一般的に、外骨格の２つの足が地面に置かれ、平坦である位置が含まれる。座位及び立位の一方においてのように他方では、外骨格は安定状態にある必要があり、つまり、オペレータは転倒することなく静止したままでいることができる。

【0019】

安定状態は、有利には、ＣｏＭ（質量中心）が外骨格１の維持表面（a sustentation surface）内にある状態を意味する。ＣｏＭはＺＭＰ （ゼロモーメント点）を有する停止点（stoppage）と一致し、より具体的には、接触力（contact forces）のモーメントが、その３つの座標のうち２つがゼロになる点（純粋垂直）を示す。

【0020】

外骨格１は、「駆動される（actuated）」又は「駆動されない（non-actuated）」、複数の自由度、互いに関して動作可能である、（一般には回転によって）変形可能な関節を有する。

【0021】

駆動される自由度は、データ処理手段１１によって制御されるアクチュエータを備える関節を示し、つまり、この自由度は制御され、それに応じて作動することが可能である。対照的に、駆動されない自由度は、アクチュエータを備えていない関節を示し、つまり、この自由度はそれ自体の動力学に従い、データ処理手段１１は、そのための直接制御を有さない（が、他の駆動されている自由度を介した、結果的な間接制御（a priori an indirect control）は有する）。図１の例では、踵‐地面の接触（the heel-ground contact）は点（punctual）であり、したがって外骨格１はこの接触点に対して自由に回転する（free in rotation）。したがって、踵‐股関節軸（the heel-hip axis）と垂直との間の角度は、駆動されていない自由度を構成する。

【0022】

本事例では、以下において、なぜ、座位及び立位が、外骨格１がこれらの位置において駆動されない自由度を持たない、すなわちシステムがサブ駆動されないか、がわかる（サブ駆動の度合い、すなわち駆動されない自由度の数はゼロに等しく、これはシステムの進展又は漸進的変化（the evolution）が完全に特定される（totally determined）ことを意味する）。

【0023】

これは、なぜ、座位及び立位が、通常、両足が床の上に置かれており平坦であることを要求するのかを説明する：踵‐地面の接触はもはや点ではなく、踵‐股関節軸と垂直との間の角度は、自由回転が無いために、もはや外骨格１の駆動されない自由度を構成しない。しかしながら、本発明は、両足が床の上にあり平坦である座位及び立位に限定されない。なぜなら、唯一の必要条件は、駆動されない自由度を有さないことだからであり、片足が下されておらず平坦でなかったとしても、完全に（entirely）駆動される位置（特に座位）を見出すことが可能だからである。

【0024】

データ処理手段１１は、命令を処理すること、及び、異なるアクチュエータに対するコマンドを生成することに適したコンピュータ装置（典型的には、外骨格１が「リモート制御」される場合は外部の、優位には外骨格１に埋め込まれたプロセッサ）を示す。アクチュエータは、電気式、液圧式等でもよい。

【0025】

本発明は、いかなる外骨格アーキテクチャ１にも限定されず、出願ＷＯ２０１５１４０３５２およびＷＯ２０１５１４０３５３に記載されているような実施例がとられる。

【0026】

しかしながら、当業者は、本方法を他の任意の機械的アーキテクチャに適合させる方法を知っているであろう。

【0027】

動力学
典型的には、軌道、即ち各自由度の進展は、時間の関数として表される。システムの「動力学（dynamic）」は関数ｆ

【0028】

【数1】

及び出発点

【0029】

【数2】

によって定義される：
関数ｆは

【0030】

【数3】

で表され、Χは外骨格１の状態空間であり、Ｕは制御空間、ｔは時間を表す。

【0031】

所謂「仮想拘束」法において、原則は駆動される自由度の選択のために、時間ではなく、進展のパラメータによってパラメータ化された軌道を、但し構成の関数として直接的に、画定することであり、このパラメータは位相変数として表される。かかる位相変数の一例は、図１において表され、それは、踵‐股関節軸と垂直との間の角度であり、したがって、前述の駆動されない自由度をその場合構成する。

【0032】

仮想拘束法はよく知られており、通常は、例えば出願ＦＲ１７５０２１７において提案されるように、少なくとも１つの自由度が駆動されない動作、具体的には歩行に適用される。

【0033】

位相変数は、かかる場合に、ステップの「進捗（the progress）」を画定することを可能にする。より詳しくは、各ステップにおいて、位相変数は、初期値から最終値へと連続的に進んでから、初期値に再設定される：これは、以下のステップの始まりである。物事を容易にするために、位相パラメータの値を０と１との間で正規化することが可能である。

【0034】

進展パラメータの各値は、システムが追従するように努めなければならない駆動される自由度の値に対応する：仮想拘束として既知であるのは、これらの関係（このようにして制御することが望まれる駆動される各自由度に対して１つ）である。図２は、関節、例えば膝関節、のための仮想拘束のオペレーションを示す。

【0035】

システムが、可能な自由度又は作動することが望まれる自由度に対するこの軌道に正確に追従すれば、換言すると、これらの自由度に対して仮想拘束が守られれば（complied）、システムの進展は、自身の動力学に従う駆動されない自由度のそれによって完全に特定される。この動力学は、ハイブリッドゼロ動力学（ＨＺＤ）と称される。なぜなら：
‐ コマンドが作動を所望することができない／所望しない度合いに対応し、即ち、コマンドはゼロに等しいので、「ゼロ」と表され；
‐ 地面上への足の衝撃が、連続的な位相と交差する瞬間的な不連続な位相を課すので、「ハイブリッド」と表される、からである。

【0036】

外骨格１を起立させるための本方法は、すべての自由度が駆動されており、動作が非周期的（ステップを含まない）であり、したがってＨＺＤが適用できない場合であっても、予想外の方法で仮想拘束法を使用する。

【0037】

歩行動作中における、位相変数の導入は、システムのサブ駆動に適合する方法である。起立動作中には、システムは全体的に駆動されているが、問題点は、オペレータの胸部と外骨格の異なる関節とを協調させることであり、異なる関節のうちのいくつかは、エネルギートルクの飽和、ユーザの予想外の動作、又はさらに他の摂動によって、予測ほど早く動作しないことがある。

【0038】

したがって、出願人は、適切な位相変数を選択し、とりわけ、歩行に使用されるものとは異なる位相変数を選択することにより（歩行に適した位相変数が常に起立に適した位相変数であるわけではなく：歩行中の単調な変数は起立中には単調である必要はない）、仮想拘束法が、驚くべき方法で、起立動作を簡単に同期させ、したがって関節の早すぎる屈曲を回避することを可能にし、結果として、操作性と快適性を大幅に向上させて、正確にオペレータが望む速度で実行できることを見出した。

【0039】

位相変数は、特に、ユーザが自身の処分における（at his disposal）直接制御を有する位相変数がとられる。例えば、膝の位置又は胸部の角度が引用される。

【0040】

方法
本方法は、座位から立位への外骨格１の軌道を生成するステップであって、軌道は時間の関数としてパラメータ化される、ステップによって始まる。起立のリクエストが受信されるとき、このステップが優先して実施される

【0041】

このために、ステップ（ａ）は有利には、起立のリクエストを生成するために、オペレータが起立を所望していることを検出することを含む。

【0042】

実際には、外骨格１が人間オペレータを収容する外骨格であれば、（標準化された起立のリクエストを直接受信できる、通常のロボットの場合とは異なり）それは、オペレータの意志を特定する人間オペレータの姿勢である。したがって、それは、椅子の上のオペレータのシンプルな動作（例えば、座位のままで左を見るためにターンすること）と、立位への動作との間の差異を生じさせるために必要となる。

【0043】

そのために、オペレータの胸部（の向き）の構成を検出することを可能にするセンサ１０のチョッキがオペレータに提供され得る。起立のリクエストは、座位から立位への動作を開始するために、オペレータの意志を示すオペレータの特定の姿勢、例えば前方へ傾く等、に対応することができ、したがってデータ処理手段にステップ（ａ）を実施するように命じる。このスタートアップアルゴリズムは、予め計算されパラメータ化された動作及びテストされたアップストリーム、又は、例えば、地面１３上への足の衝撃を検出するための手段及び／又は外骨格１に装備された初期測定手段１４等のセンサに参照される動作、に基づくことができる。あるいは、起立のリクエストは、オペレータがボタンを押圧することに対応することができる。

【0044】

図３を参照すると、この、起立のリクエスの受信後に、ステップ（ａ）は、座位及び／又は立位の生成のサブステップを有する。これらの位置は直接利用可能であり得るので、このサブステップは任意である（特に、オペレータは、動作の始まる瞬間において（at the moment of the initiation of the
movement）、既に許容可能な座位に自らいることができ（can find himself）、ターゲットの立位は予め設けられている）。

【0045】

起立のリクエストの受信中にとられる位置に対応する「一時的な」座位から開始すると、「開始」座位は、有利に特定され、これは、本方法によって用いられる許容可能な座位である（そこから立位への動作が実施される。本明細書の残りの部分において、「座位」とは許容可能な座位であり、特に、開始座位を意味することに留意されたい）。

【0046】

より詳しくは、「許容可能な（acceptable）」座位及び立位は、既述のように、（典型的には足が地面の上にある）全ての自由度が駆動される位置であり、優先的には、安定性の拘束（上記支持のＣｏＰ（CoP above supports））、関節振幅、トルク等の姿勢拘束、及び、（座位に対してのみ）座高、足の間隔、骨盤の向き等の一時的な位置によって画定される拘束に関する。それらの値が正しい軌道（a correct trajectory）を可能にしない場合、逆に、例えば足の間隔又は骨盤の向き等の特定の拘束が、一時的な位置に関して再画定されることができる点に留意する必要がある。

【0047】

許容可能な座位又は立位の一方又は他方の特定は、相応のタスクの定義を伴う逆運動学（inverse kinematics）によって達成されることができる。

【0048】

座位及び立位は、動作を通して全ての自由度が駆動された状態に保たれることを保証するために、優先的に姿勢一貫性、例えば、同一の足の位置（動作する外骨格１の独自の休止（uniquely the rest）を示す）を共有する。したがって、特に好適な方法において、ステップ（ａ）は起立のリクエストの受信後直ちに、一時的な座位を識別することを含む。そこから、許容可能な座位及び立位の特定のための基礎として用いられる関連する拘束（座高、足部の間隔、姿勢の仕様等）が、外骨格１及びオペレータのモデルを用いて計算される。モデルは、オペレータに特有の測定値（関節中心の間隔、重さ、サイズ）から予め生成されることができる。

【0049】

（開始）座位及び立位は、その後、姿勢一貫性をサーチする間、拘束のおかげで特定される。それらをつなぐ時間の関数としての軌道は、その後特定されることができる。

【0050】

ステップ（ａ）の、座位と立位との間の軌道の特定は、例えば二次又は逆運動学等による、多くの既知の方法において行われることができる。

【0051】

１つの位置を別の位置とリンクすることを可能にする動的軌道（A dynamic trajectory）は、特に、関節振幅、速度、利用可能なトルク、地面上にある足等の、上記の潜在的なシステム拘束との対応性を有する全ての関節に対する時間の関数としての位置／速度／加速度によって画定される。

【0052】

それにより、ステップ（ａ）は、軌道が実行可能であることを確実にし、潜在的トルク、関節拘束などを考慮することを単純な方法で確実にする。

【0053】

ステップ（ｂ）において、一時的軌道（the temporal trajectory）は、仮想拘束に受け渡される（passed into）。より詳しくは、駆動される自由度に対する一組の拘束は、軌道に適用され、仮想拘束は位相変数によってパラメータ化される。

【0054】

このステップ（ｂ）は、位相変数を予め選択すること（the prior selection）を含むことができる。既述のように、動作中の進展が単調であり、測定可能な変数が必要である。オペレータが動作の実行を制御するために、この変数の進展に基づいて行動できることが望ましい。この仮想拘束への推移（passage）は、すでに述べたように、関節の早すぎる伸展（the joints unbending too quickly）を回避し、それゆえに快適さが大幅に向上する。

【0055】

仮想拘束の所与の組に対して、「拘束された」状態空間は、位相パラメータの値（及び、必要に応じて、その導関数）によって各点が画定される動力学のトポロジ的多様性（a topological variety of the dynamic）である。

【0056】

一組の仮想拘束は、軌道の間、仮想拘束に従うように、アクチュエータに対するコマンドを生成することができるコントローラに関連付けられる。

【0057】

異なる位相変数、又は非常に単純に異なる座高若しくは起立速度に対応して、複数の組の拘束が利用可能であることに留意されたい。

【0058】

この点で、本方法は、有利には、データ記憶手段１２（データ処理手段１１に接続されたメモリ）に記憶されたデータベース（制御ライブラリと称される）の使用を提案、データベースは、
‐ 駆動される自由度に対する一組の仮想拘束であって、仮想拘束は位相変数によってパラメータ化される、仮想拘束と、
‐ 少なくとも１つの安定な軌道を実施することにより仮想拘束に従うように、アクチュエータに対するコマンドを生成することができる（一組の仮想拘束と関連する）外骨格１のコントローラと、
の少なくとも１対のデータベースである。

【0059】

当業者は、それらを生成する方法を知っているであろう。したがって、ステップ（ｂ）は、特に選択された位相変数の関数として、一組の仮想拘束とコントローラの対を識別することを含むことができる。

【0060】

最後のステップ（ｃ）において、外骨格１の前記コントローラは、外骨格１が座位から立位へと動作するように、一組の仮想拘束（必要がある場合）に関連して実行される。

【0061】

より具体的には、コントローラは、位相変数の関数として設定された軌道パラメータを適用する：すなわち、コントローラは、各瞬間おいて位相変数を適用し、その結果として、駆動される各関節の位置及び速度設定点を計算する。

【0062】

一時的位置と異なる許容可能な座位を特定しなければならない場合、ステップ（ｃ）は、コントローラを実行する前に、この許容可能な座位への推移（the passage）を含まなければならないことに留意すべきである。しかし、これは一般に、方法の開始時に外骨格がとる一時的な位置に近い。

【0063】

実際には、これらは、例えば座高等の共通の条件を有する２つの座位である。許容可能な座位が、足部が座席下を通過するために、より折り曲げられた脚部を有するのに対して、一時的な位置は、しばしば、半伸展された（semi-extended）脚部である。

【0064】

起立の複雑さはすべてアップストリームで行われるため、この解決法は特に効率的である。オペレーションにおいて、外骨格のコントローラは、その構成に関わらず、快適で自然な起立動作を得るために、得られた軌道を適用しなければならないだけである。

【0065】

そこから、移動する（歩く）方法は、特に、例えば出願ＦＲ１７５０２１７に定義されているように、仮想拘束の新規な組及び（歩行中に駆動されていない自由度が存在するため）この場合ＨＺＤ型のコントローラを使用して、引き継がれる。

【0066】

立位から座位へ外骨格１を動作させるための「反対の」方法（即ち、起立に代えて着座）は類似の方法で実施されることができることに留意すべきである。

【0067】

この第２方法は同じ原則に基づいており、座位と立位とを反転させると第１方法と同一である：
第２方法は、データ処理手段１１によって：
（ａ） 立位から座位への外骨格１の軌道を生成するステップであって、
軌道は時間の関数としてパラメータ化される、ステップと、
（ｂ） 駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を軌道に適用するステップであって、
仮想拘束は位相変数によってパラメータ化される、ステップと、
（ｃ） 外骨格１が立位から座位へ動作するように、一組の仮想拘束と関連して外骨格１のコントローラを実行するステップであって、
コントローラは、軌道の間、仮想拘束に従うアクチュエータに対するコマンドを生成することができる、ステップと、
を実施することを含む。

【0068】

当業者は、許容可能な立位および着座位置を決定するステップを入れ換える方法を知っており、第１方法（起立）のすべての実施形態は第２方法（着座）に適応させることができる。

【0069】

装置及びシステム
他の態様によれば、本発明は、第１態様（起立）及び／又は第２態様（着座）による方法を実施するための、特に外骨格型の、外骨格１に関する。

【0070】

既述のように、外骨格１は、データ処理手段１１及びデータ記憶手段１２（任意に外部の）と、必要に応じて慣性測定手段１４（慣性ユニット）及び／又は地面１３上への足部の衝突を検出するための手段（接触覚センサ又は任意に圧力センサ）と、を備える。

【0071】

外骨格は複数の自由度を有し、そのうちの少なくとも１つの自由度はデータ処理手段１１によって制御されるアクチュエータによって駆動されており、具体的には、座位及び立位において、駆動されていない自由度が無いように、データ処理手段１１によって制御されるアクチュエータによってそれぞれ駆動される。

【0072】

データ処理手段１１は、
‐ 座位から立位へ（及び／又は立位から座位へ）の外骨格１の軌道を生成するためのモジュールであって、外骨格１が座位及び立位において、駆動されていない自由度が無いように、データ処理手段１１によって制御されるアクチュエータによってそれぞれ駆動される複数の自由度を有するように、軌道を生成し、軌道は時間の関数としてパラメータ化される、モジュールと、
‐ 駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を軌道に適用するためのモジュールであって、仮想拘束は位相変数によってパラメータ化される、モジュールと、
‐ 外骨格１が座位から立位へ（及び／又は立位から座位へ）動作するように、一組の仮想拘束と関連してコントローラを実行するためのモジュールであって、コントローラは、軌道の間、仮想拘束に従うようにアクチュエータに対するコマンドを生成することができる、モジュールと、
を実装するように構成されている。

【0073】

コンピュータプログラム製品
第５態様及び第６態様によれば、本発明は、本発明の第１態様又は第２態様による外骨格を動作させる方法を実行するためのコード命令を含むコンピュータプログラム製品、及びこのコンピュータプログラム製品が見出されるコンピュータ装置によって読み出されることができる記憶手段（例えばデータ記憶手段１２）に関する。

【図1】

【図2】

【図3】