JP2003117857A - 二足歩行移動体の床反力推定方法及び二足歩行移動体の関節モーメント推定方法 - Google Patents

二足歩行移動体の床反力推定方法及び二足歩行移動体の関節モーメント推定方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】比較的簡単な手法で人間等の二足歩行移動体の
脚体に作用する床反力や脚体の関節に作用するモーメン
トを精度よくリアルタイムで把握することができる方法
を提供する。 【解決手段】脚体２の運動状態が単脚支持状態であるか
両脚支持状態であるかを逐次判断すると共に、二足歩行
移動体１の重心G0の運動方程式に基づいて全床反力Ｆを
推定する。単脚支持状態であるときには、全床反力Ｆの
推定値をそのまま接地している脚体２の床反力の推定値
とし、両脚支持状態であるときには、その両脚支持状態
の経過時間及び二足歩行移動体１の移動速度の計測デー
タとあらかじめ定めた特性データとを用いて後側の脚体
２の床反力Ｆrを求め、その床反力Ｆrを全床反力Ｆから
差し引くことにより、前側の脚体２の床反力Ｆfを求め
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、人間や二足歩行ロ
ボット等の二足歩行移動体の脚体に作用する床反力を推
定する方法に関する。さらに、その床反力の推定値を用
いて二足歩行移動体の脚体の関節に作用するモーメント
を推定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば人間の歩行動作を補助する歩行ア
シスト装置の動作制御や、二足歩行ロボットの移動動作
の制御を行なう場合、人間や二足歩行ロボットの脚体に
作用する床反力（詳しくは、脚体の接地部に床から作用
する力）を逐次把握することが必要となる。この床反力
を把握することで、二足歩行移動体の脚体の関節に作用
するモーメント等を把握することが可能となり、その把
握されたモーメント等に基づいて歩行アシスト装置の目
標補助力や、二足歩行ロボット各関節の目標駆動トルク
等を決定することが可能となる。
【０００３】前記床反力を把握する手法としては、例え
ば特開2000-249570号公報に開示されているものが知ら
れている。この技術では、二足歩行移動体の定常的な歩
行時に各脚体の床反力の経時変化の波形が周期的に変化
することから、各脚体の床反力を、歩行周期の１／ｎ
（ｎ＝１，２，…）の互いに異なる周期を有する複数の
三角関数の合成値（一次結合）として把握するものであ
る。この場合、複数の三角関数を合成する際の各三角関
数の重み係数は、二足歩行移動体毎にあらかじめ定めた
所定値やそれを地形に応じて調整した値が用いられてい
る。
【０００４】しかしながら、かかる技術では、二足歩行
移動体の一歩分もしくは複数歩分について脚体の床反力
を把握しようとするものであるため、二足歩行移動体の
歩容が逐次変化するような場合には、床反力を精度よく
把握することは困難である。また、把握される床反力の
精度を高めるためには、前記三角関数の重み係数を二足
歩行移動体毎に設定したり、地形等に応じて調整したり
しなければならないので、二足歩行移動体の移動環境や
二足歩行移動体の個体差の影響を少なくして、床反力を
精度よく把握するようにすることが困難である。
【０００５】また、例えば二足歩行ロボットにおいて
は、各脚体の足首部や足平部に６軸力センサ等の力セン
サを取り付け、この力センサの出力により床反力を把握
するものも知られている。さらに、床に設置したフォー
スプレート上で二足歩行移動体を歩行させ、該フォース
プレートの出力により床反力を把握する手法も知られて
いる。
【０００６】しかしながら、力センサを用いる技術で
は、特に人間の脚体の床反力を把握しようとする場合に
は、人間の足首部や足平部に力センサを取り付けなけれ
ばならないため、通常的な生活環境下では、該力センサ
が歩行の邪魔になってしまうという不都合がある。ま
た、フォースプレートを用いるものでは、該フォースプ
レートが設置された環境下でしか床反力を把握できな
い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる背景に
鑑みてなされたものであり、比較的簡単な手法で床反力
を精度よくリアルタイムで把握することができ、特に二
足歩行移動体としての人間に係る床反力を把握する上で
好適な床反力推定方法を提供することを目的とする。
【０００８】さらに、その床反力の推定値を用いて脚体
の膝関節等の関節に作用するモーメントを精度よくリア
ルタイムで把握することができる二足歩行移動体の関節
モーメント推定方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】まず、本発明の二足歩行
移動体の床反力推定方法の基本的な考え方を説明する。
【００１０】二足歩行移動体の脚体の運動状態（歩行動
作時の脚体の運動状態）は、図１（ａ）に例示するよう
に二足歩行移動体１の両脚体２，２のうちの一方の脚体
２（図では進行方向で前側の脚体）のみが接地する単脚
支持状態と、図１（ｂ）に示すように両脚体２，２が接
地する両脚支持状態とがある。
【００１１】ここで、両脚体２，２に床Ａから作用する
全床反力をＦとおくと、該全床反力Ｆは、図１（ａ）の
単脚支持状態では、接地している脚体２に作用する床反
力に等しく、また、図２（ａ）の両脚支持状態では、両
脚体２，２にそれぞれ作用する床反力Ff，Frの合力であ
る。また、二足歩行移動体１が運動を行う床Ａに対して
固定した絶対座標系Ｃfにおける二足歩行移動体１の重
心G0の加速度ａのＸ軸方向（二足歩行移動体２の進行方
向での水平方向）、Ｚ軸方向（鉛直方向）の成分をそれ
ぞれａx，ａz、二足歩行移動体１に作用する全床反力Ｆ
のＸ軸方向、Ｚ軸方向の成分をそれぞれＦx，Ｆzとおく
と、重心Ｇ0の運動方程式（詳しくは、重心G0の並進運
動に関する運動方程式）は、次式（１）により表され
る。
【００１２】T (Ｆx，Ｆz−Ｍ・ｇ)＝Ｍ・T(ａx，ａz) ……（１） （但し、Ｍ：二足歩行移動体の重量、ｇ：重力加速度）
【００１３】尚、式（１）中の両辺の括弧部分T( ，
）は２成分のベクトルを意味している。本明細書では
T( ， ）という形の表記は、ベクトルを表す。
【００１４】つまり、重心G0の運動方程式は、該重心G0
の加速度ａと二足歩行移動体１の重量Ｍとの積が、該重
心G0に作用する重力（＝Ｍ・ｇ）と、前記全床反力Ｆと
の合力に等しいという関係式になる。
【００１５】従って、二足歩行移動体１の重心Ｇ0の加
速度ａ＝T(ａx，ａz)を把握すれば、その加速度ａと、
二足歩行移動体１の重量Ｍの値と、重力加速度ｇの値と
を用いて、次式（２）により、全床反力Ｆ＝T(Ｆx，Ｆ
z)の推定値を得ることができることとなる。
【００１６】T (Ｆx，Ｆz)＝Ｍ・T(ａx，ａz＋ｇ) ……（２）
【００１７】そして、図１（ａ）の単脚支持状態では、
接地している単一の脚体２に作用する床反力は、上記全
床反力Ｆに等しいので、式（２）によりその単一の脚体
２に作用する床反力Ｆの推定値が得られることとなる。
【００１８】この場合、床反力Ｆの推定値を得るために
必要な重量Ｍは、あらかじめ計測等により把握すること
ができる。また、重心Ｇ0の位置や加速度ａについて
は、詳細は後述するが、二足歩行移動体１の各関節の屈
曲角度（回転角度）を検出するセンサや、加速度セン
サ、ジャイロセンサ等のセンサの出力を用いて公知の手
法等により逐次把握することが可能である。
【００１９】一方、図１（ｂ）の両脚支持状態に関し、
二足歩行移動体１の進行方向に向かって後側に存する脚
体２に作用する床反力をＦr＝T(Ｆrx，Ｆrz)、前側に存
する脚体２に作用する床反力をＦf＝T(Ｆfx，Ｆfz)とお
く。このとき、詳細は後述するが、本願発明者等の知見
によれば、特に、後側の脚体２に作用する床反力Ｆrの
各成分Ｆrx，Ｆrzは、それぞれ両脚支持状態の開始時か
らの経過時間及び二足歩行移動体１の移動速度に対して
顕著な相関性を有する特徴的な変化の特性を呈する。従
って、そのような特性を表す特性データ（マップやデー
タテーブル、近似関数式等）を各種実験やシミュレーシ
ョン等に基づいてあらかじめ定めておけば、その特性デ
ータに基づいて、後側の脚体２に作用する床反力Ｆrを
推定することが可能である。そして、後側の脚体２に作
用する床反力Ｆrと前側の脚体２に作用する床反力Ｆfの
合力が前記式（２）により得られる全床反力Ｆであるの
で、次式（３）のように、この全床反力Ｆの推定値か
ら、上記のように特性データに基づいて求められる後側
の脚体２に作用する床反力Ｆrの推定値を差し引く（ベ
クトルの減算）ことにより、前側の脚体２に作用する床
反力Ｆfの推定値を求めることが可能である。
【００２０】 Ｆf＝Ｆ−Ｆr＝T(Ｆx−Ｆrx，Ｆz−Ｆrz）……（３）
【００２１】従って、両脚支持状態においては、二足歩
行移動体１の移動速度や両脚支持状態の開始時からの経
過時間を把握すれば、それらの計測値や前記全床反力Ｆ
の推定値を用いて両脚体２の床反力Ｆr，Ｆfの推定値を
求めることが可能である。この場合、二足歩行移動体１
の移動速度は、詳細は後述するが、例えば各脚体２の大
腿部や下腿部の傾斜角度の計測データ等を用いて把握す
ることが可能である。
【００２２】以上説明したことを基礎として、本発明を
次に説明する。本発明の二足歩行移動体の床反力推定方
法、すなわち、二足歩行移動体の各脚体に作用する床反
力を推定する方法は、前記の目的を達成するために、前
記二足歩行移動体の脚体の運動状態がその一方のみの脚
体が接地している単脚支持状態であるか両脚体が接地し
ている両脚支持状態であるかを判断する第１ステップ
と、前記二足歩行移動体の重心の位置を逐次求めつつ、
該重心の位置の時系列データを用いて床に対して固定さ
れた絶対座標系での該重心の加速度を逐次求める第２ス
テップと、前記二足歩行移動体の重量と重力加速度と前
記重心の加速度と各脚体に作用する床反力の合力である
全床反力とにより表される該重心の運動方程式に基づ
き、該全床反力の推定値を逐次求める第３ステップと、
前記両脚支持状態が開始する毎にその開始時からの経過
時間を該両脚支持状態の終了時まで逐次計測する第４ス
テップと、少なくとも各回の両脚支持状態の開始以前に
二足歩行移動体の移動速度を計測する第５ステップとを
備える。そして、本発明の床反力推定方法は、前記二足
歩行移動体の単脚支持状態であるときには、前記全床反
力の推定値を接地している単一の脚体に作用する床反力
の推定値として逐次求め、また、前記二足歩行移動体の
両脚支持状態であるときには、両脚体のうち、該二足歩
行移動体の進行方向に向かって後側に存する一方の脚体
に作用する床反力の、前記両脚支持状態の経過時間及び
二足歩行移動体の移動速度に対する変化の特性を表すも
のとしてあらかじめ定めた特性データに基づき、該一方
の脚体に作用する床反力の推定値を逐次求めると共に、
その求めた該一方の脚体の床反力の推定値を前記全床反
力の推定値から差し引くことにより、他方の脚体に作用
する床反力の推定値を逐次求めることを特徴とするもの
である。
【００２３】かかる本発明によれば、前記第３ステップ
において、二足歩行移動体の重量、重力加速度及び重心
の加速度の値から、二足歩行移動体の重心の前述の運動
方程式（式（１）参照）に基づいて前記全床反力の推定
値（式（２）参照）が逐次求められる。そして、前記第
１ステップにおいて、二足歩行移動体の脚体の運動状態
が単脚支持状態であるか両脚支持状態であるかが判断さ
れ、それぞれの支持状態に応じた手法により前記床反力
の推定値が求められる。すなわち、二足歩行移動体の単
脚支持状態では、前記全床反力の推定値がそのまま、接
地している単一の脚体に作用する床反力の推定値として
得られる。尚、このとき、接地していない脚体（遊脚側
の脚体）に作用する床反力は「０」である。
【００２４】また、二足歩行移動体の両脚支持状態で
は、まず、該二足歩行移動体の進行方向に向かって後側
に存する一方の脚体に作用する床反力の推定値が、該両
脚支持状態の開始時からの経過時間の計測データや、二
足歩行移動体の移動速度の計測データを用いることで前
記特性データに基づいて求められる。そして、他方の脚
体に作用する床反力の推定値は、上記一方の脚体の床反
力の推定値を前記第３ステップで求められる全床反力の
推定値から差し引く（ベクトルの減算を行う）ことで求
められる（式（３）を参照）。
【００２５】ここで、本発明で単脚支持状態及び両脚支
持状態のいずれでも各脚体に作用する床反力を求めるた
めに前記全床反力の推定値が用いられる。そして、この
全床反力の推定値を求めるために必要な二足歩行移動体
の重量は、あらかじめ計測等により把握しておけばよ
い。また、二足歩行移動体の重心の位置や加速度は、二
足歩行移動体の各関節の屈曲角度（回転角度）を検出す
るセンサ（ポテンショメータ等）や、加速度センサ、ジ
ャイロセンサ等、比較的小型で二足歩行移動体への装備
が容易なセンサの出力のデータを用いてリアルタイムで
把握することが可能である。
【００２６】従って、本発明の床反力推定方法によれ
ば、二足歩行移動体の足首部や足平部に力センサを装着
したり、フォースプレートを使用したりすることなく、
比較的簡単な手法で床反力をリアルタイムで把握するこ
とができる。
【００２７】かかる本発明の床反力推定方法では、前記
特性データは、例えば前記両脚支持状態の開始時におけ
る前記全床反力に対する前記一方の脚体の床反力の割合
と、該両脚支持状態の開始時から終了時までの継続時間
に対する前記経過時間の割合との関係を表すデータであ
り、前記二足歩行移動体の移動速度と前記両脚支持状態
の継続時間とのあらかじめ定めた相関関係に基づいて、
該移動速度の計測値から該両脚支持状態の継続時間を推
定し、その両脚支持状態の継続時間の推定値と前記経過
時間の計測値と該両脚支持状態の開始時における前記全
床反力の推定値と前記特性データとから前記一方の脚体
に作用する床反力の推定値を逐次求めることが好適であ
る。
【００２８】すなわち、本願発明者等の知見によれば、
前記両脚支持状態の開始時における前記全床反力に対す
る前記一方の脚体（二足歩行移動体の進行方向に向かっ
て後側の脚体）の床反力の割合と、該両脚支持状態の開
始時から終了時までの継続時間に対する前記経過時間の
割合との関係に着目したとき、該床反力の割合は、二足
歩行移動体の移動速度等によらずに、該経過時間の割合
に対してほぼ一定の変化を呈する。このため、前記特性
データを、上記のような床反力の割合と経過時間の割合
との関係を表すデータとして定めることにより、該特性
データの設定が容易になる。
【００２９】この場合、上記経過時間の割合の基準とな
る両脚支持状態の継続時間は、二足歩行移動体の移動速
度に応じて変化し、該移動速度が一定であれば、両脚支
持状態の継続時間もほぼ一定となる。このため、該移動
速度と両脚支持状態の継続時間との相関関係をあらかじ
め定めておくことで、該移動速度の計測値からその相関
関係に基づいて適正に両脚支持状態の継続時間を推定す
ることができる。また、前記一方の脚体に作用する床反
力の割合の基準となる全床反力は、二足歩行移動体の重
心の運動方程式に基づいて推定されるものである。
【００３０】従って、両脚支持状態における各脚体の床
反力の推定に関して、前述のように両脚支持状態の開始
時の全床反力を基準とした前記一方の脚体の床反力の割
合と、該両脚支持状態の継続時間を基準とした前記経過
時間の割合との相関データとして前記特性データを定
め、この特性データに、移動速度の計測値に応じて求ま
る両脚支持状態の継続時間の推定値と、該両脚支持状態
の経過時間の計測値と、両脚支持状態の開始時の全床反
力の推定値とを適用することで、前記一方の脚体に作用
する床反力の推定値を精度よく適正に求めることができ
る。
【００３１】尚、床反力はベクトル量であるので、前記
一方の脚体の床反力の全床反力に対する割合は、より詳
しくは、該床反力の、ある適当な座標系（例えば二足歩
行移動体が移動する床に対して固定された座標系）にお
ける各成分毎の割合である。
【００３２】また、本発明の床反力推定方法では、前記
第５ステップで二足歩行移動体の移動速度を計測するた
めに、例えば該二足歩行移動体の各脚体の膝関節の下側
の下腿部の傾斜角度と該脚体の股関節及び膝関節の間の
大腿部の傾斜角度とをそれぞれ各回の両脚支持状態の開
始時に計測するステップと、各回の両脚支持状態の開始
時に二足歩行移動体の進行方向に向かって後側に存する
脚体の股関節に対する該脚体の下腿部の下端部の位置
の、前回の両脚支持状態の開始時からの該二足歩行移動
体の進行方向における移動量を、該脚体の大腿部及び下
腿部の傾斜角度の計測値と該脚体の大腿部及び下腿部の
あらかじめ求めたサイズとに基づき該両脚支持状態の開
始毎に算出するステップと、各回の両脚支持状態の開始
時から次回の両脚支持状態の開始時までの経過時間を一
歩分経過時間として計測するステップとを備える。そし
て、前記第５ステップでは、各回の両脚支持状態の開始
毎に、その開始時に算出された前記移動量を、前回の両
脚支持状態の開始時から今回の両脚支持状態の開始時ま
でに計測された前記一歩分経過時間により除算すること
により、前記移動速度の計測値を求める。
【００３３】すなわち、各回の両脚支持状態の開始時に
二足歩行移動体の進行方向に向かって後側に存する脚体
（この脚体は各回の両脚支持状態の開始直前の単脚支持
状態で接地していた脚体である）の股関節に対する該脚
体の下腿部の下端部の位置の、前回の両脚支持状態の開
始時からの該二足歩行移動体の進行方向における移動量
が、前回の両脚支持状態の開始時から、今回の両脚支持
状態の開始時までの一歩当たりに脚体の股関節の部分
（脚体の基端部）が移動した量となる。従って、この移
動量を前回の両脚支持状態の開始時から今回の両脚支持
状態の開始時までの経過時間である前記一歩分経過時間
により除算することにより、その一歩分経過時間の期間
における二足歩行移動体の平均的な移動速度が求まるこ
ととなる。そして、この場合、前記移動量は、両脚支持
状態の開始時に後側に存する脚体の大腿部及び下腿部の
それぞれの、今回及び前回の両脚支持状態の開始時にお
ける傾斜角度の計測値と、それらの大腿部及び下腿部の
サイズ（より詳しくは長さ）のデータとを用いて幾何学
的な演算により求めることができる。また、各脚体の大
腿部及び下腿部の傾斜角度は、各脚体の各関節の屈曲角
度を検出するセンサや加速度センサ、ジャイロセンサ等
のセンサを用いて計測することが可能である。
【００３４】従って、両脚支持状態における各脚体に作
用する床反力の推定値を求めるために必要な二足歩行移
動体の移動速度を大型なセンサ等を使用することなく容
易に計測することができる。しかも、その計測される移
動速度は、各回の両脚支持状態の開始直前の移動速度で
あるので、その信頼性が高まり、ひいては、両脚支持状
態における床反力の推定値の精度を高めることができ
る。
【００３５】また、本発明の床反力推定方法では、前記
両脚体上に各脚体の股関節を介して支持された胴体の股
関節寄りの下部の上下方向の加速度を逐次計測するステ
ップを備え、前記第１ステップでは、前記胴体の下部の
上下方向の加速度があらかじめ定めた所定の閾値以上に
上昇した時に前記両脚支持状態が開始すると共に前記単
脚支持状態が終了し、且つ、前記両脚支持状態で二足歩
行移動体の進行方向に向かって後側の脚体に作用する前
記床反力の推定値があらかじめ定めた所定の閾値以下に
低下した時に前記両脚支持状態が終了すると共に前記単
脚支持状態が開始するとして、前記二足歩行移動体の運
動状態を判断する。
【００３６】あるいは、特に、前記両脚支持状態の終了
（単脚支持状態の開始）の判断に関しては、前述のよう
に両脚支持状態の継続時間を推定する本発明では、前記
両脚支持状態の開始時からの経過時間の計測値が該両脚
支持状態の継続時間の推定値に達した時に前記両脚支持
状態が終了すると共に前記単脚支持状態が開始するとし
て、前記二足歩行移動体の運動状態を判断するようにし
てもよい。
【００３７】すなわち、二足歩行移動体の移動時（歩行
時）に、脚体の運動状態が単脚支持状態から両脚支持状
態に移行する際に、遊脚側の脚体が接地することで、胴
体の下部の上下方向の加速度（上向きの加速度）が一時
的に顕著に大きなものとなる。そして、この現象は、脚
体の他の運動状態では一般には生じない。従って、上記
加速度を所定の閾値（比較的大きな値の閾値）と比較す
ることで、単脚支持状態の終了及び両脚支持状態の開始
を適正に把握することができる。
【００３８】また、脚体の運動状態が両脚支持状態から
単脚支持状態に移行する際には、一方の脚体の離床動作
が行なわれることで、その脚体に作用する床反力は、
「０」に低下していく。従って、その脚体に作用する床
反力を所定の閾値（例えば「０」より若干大きい閾値）
と比較することで、両脚支持状態の終了及び単脚支持状
態の開始を適正に把握することができる。また、特に両
脚支持状態の継続時間を推定する場合には、脚体の運動
状態が両脚支持状態から単脚支持状態に移行する際に、
該両脚支持状態の開始時からの経過時間が上記継続時間
の推定値に達するので、それによって、両脚支持状態の
終了及び単脚支持状態の開始を適正にを把握できる。
【００３９】このように脚体の運動状態を判断すること
で、単脚支持状態であるか両脚支持状態であるかの判断
を適正に行うことができる。この結果、単脚支持状態と
両脚支持状態とで異なるものとなる床反力の推定値の算
出手法を的確なタイミングで切換えることができ、ひい
ては、該床反力の推定値の精度を高めることができる。
また、脚体の運動状態の判断のために必要な胴体の下部
の上下方向の加速度は、例えば該胴体の下部に加速度セ
ンサを取り付けておくことで、該加速度センサの出力に
より容易に把握することができる。
【００４０】尚、人間のように、前記胴体が両脚体に股
関節を介して連結された腰部と、該腰部上に該腰部に対
して傾斜可能に存する胸部とを有するよう場合には、計
測する胴体の下部の上下方向の加速度は、前記腰部の上
下方向の加速度であることが好適である。
【００４１】また、本発明の床反力推定方法では、前記
第２ステップで二足歩行移動体の重心の位置や該重心の
加速度を把握する手法としては、種々の手法が考えら
れ、また、種々の公知の手法を用いることが可能である
が、次のような手法により、該重心の位置や該重心の加
速度を把握することが好適である。
【００４２】すなわち、前記両脚体上に各脚体の股関節
を介して支持された胴体の傾斜角度と、各脚体の少なく
とも股関節及び膝関節のそれぞれの屈曲角度と、前記二
足歩行移動体のあらかじめ定めた基準点の前記絶対座標
系における加速度とをそれぞれ逐次計測するステップを
備え、前記第２ステップでは、前記胴体の傾斜角度と、
前記股関節及び膝関節のそれぞれの屈曲角度と、前記二
足歩行移動体を複数の剛体の連結体として表してなる剛
体リンクモデルと、該剛体リンクモデルの各剛体に対応
する二足歩行移動体の各剛体相当部のあらかじめ求めた
重量と、各剛体相当部における該剛体相当部のあらかじ
め求めた重心の位置とに基づき、前記基準点に対する前
記二足歩行移動体の重心の位置を逐次求めると共に、そ
の重心の位置の時系列データに基づき該基準点に対する
該重心の加速度を逐次求め、その基準点に対する該重心
の加速度と、前記絶対座標系における該基準点の加速度
とから該絶対座標系での前記重心の加速度を求める。
【００４３】ここで、二足歩行移動体に任意に基準点を
定めたとき、該基準点に対する二足歩行移動体の重心の
位置は、概ね、胴体と、各脚体の股関節から膝関節にか
けての大腿部と、膝関節から下側の下腿部との相互の姿
勢関係により定まる。そして、その姿勢関係は、胴体の
傾斜角度と、股関節及び膝関節のそれぞれの屈曲角度と
を計測することで、それらの計測データから把握するこ
とが可能である。さらに、詳細は後述するが、二足歩行
移動体に対して前記剛体リンクモデル（例えば二足歩行
移動体の両脚体の股関節の上側の部分（胴体を含む）、
各脚体の大腿部、下腿部を剛体とみなすモデル）を想定
したとき、二足歩行移動体の各剛体相当部の重量と、各
剛体相当部における該剛体相当部の重心の位置（詳しく
は、各剛体相当部に対して固定した座標系における該剛
体相当部の位置）と、上記の姿勢関係とに基づいて前記
基準点に対する二足歩行移動体の重心の位置を求めるこ
とができる。さらに、基準点に対する該重心の加速度
は、該重心の位置の時系列データから把握される該重心
の位置の２階微分値として求められる。従って、前記絶
対座標系における前記基準点の加速度を計測しておくこ
とにより、該絶対座標系における二足歩行移動体の重心
の加速度は、該基準点に対する該重心の加速度と、該基
準点の加速度との合成加速度として求められることとな
る。
【００４４】この場合、上述のように二足歩行移動体の
加速度を把握するために必要な胴体の傾斜角度は、該胴
体に取り付けた加速度センサとジャイロセンサ、又は傾
斜計等のセンサの出力から把握することが可能であり、
各脚体の股関節及び膝関節の屈曲角度はそれぞれの関節
の箇所に取り付けたポテンショメータ等のセンサの出力
により把握することが可能である。また、前記絶対座標
系における前記基準点の加速度は、該基準点と一体的な
部分に取り付けた加速度センサ等のセンサの出力により
把握することが可能である。さらに、二足歩行移動体の
各剛体相当部の重量や、各剛体相当部における該剛体相
当部の重心の位置は、あらかじめ計測等により把握する
ことが可能である。
【００４５】従って、二足歩行移動体に比較的大型なセ
ンサ等を装備したりすることなく、二足歩行移動体の重
心の位置や加速度をリアルタイムで容易に把握すること
が可能となる。
【００４６】このように二足歩行移動体の重心の位置や
加速度を求める場合、前記基準点は、前記胴体に設定さ
れていることが好適である。これによれば、前記絶対座
標系における該基準点の加速度を計測するための加速度
センサ等のセンサを胴体に装備することができるため、
脚体に装備するセンサを少なくでき、該センサが二足歩
行移動体の歩行動作の邪魔になるような事態を回避でき
る。
【００４７】また、人間のように、前記両脚体に股関節
を介して連結された腰部と、該腰部上に該腰部に対して
傾斜可能に存する胸部とを有し、前記重心の位置を求め
るために用いる前記胴体の傾斜角度は、前記腰部及び胸
部のそれぞれの傾斜角度であることが好適である。そし
て、特にこの場合、前記剛体リンクモデルは、前記二足
歩行移動体の各脚体の膝関節の下側の下腿部と、該膝関
節及び前記股関節の間の大腿部と、前記腰部と、該腰部
の上側に存する前記胸部を含む上体部とをそれぞれ剛体
として表したモデルであることが好適である。
【００４８】これによれば、特に二足歩行移動体が人間
である場合に、その重心の位置や加速度を精度よく把握
することができ、ひいては、床反力の推定値の精度を高
めることができる。
【００４９】次に、本発明の二足歩行移動体の関節モー
メント推定方法は、前述した本発明の床反力推定方法に
より逐次求めた前記各脚体に係る床反力の推定値を用い
て前記二足歩行移動体の各脚体の少なくとも一つの関節
に作用するモーメントを推定する方法である。そして、
本発明の関節モーメント推定方法は、前記両脚体上に各
脚体の股関節を介して支持された胴体の傾斜角度と、前
記各脚体の少なくとも股関節及び膝関節のそれぞれの屈
曲角度と、記二足歩行移動体のあらかじめ定めた基準点
の前記絶対座標系における加速度とをそれぞれ逐次計測
するステップと、前記胴体の傾斜角度と、前記各脚体の
股関節及び膝関節のそれぞれの屈曲角度と、前記二足歩
行移動体を複数の剛体の連結体として表してなる剛体リ
ンクモデルとに基づき、該剛体リンクモデルの各剛体に
対応する二足歩行移動体の各剛体相当部の傾斜角度を逐
次求めるステップと、前記各剛体相当部の傾斜角度と各
剛体相当部のあらかじめ求めた重量と各剛体相当部にお
ける該剛体相当部のあらかじめ求めた重心の位置とに基
づき、前記基準点に対する各剛体相当部の重心の位置を
逐次求めると共に、その各剛体相当部の重心の位置の時
系列データに基づき該基準点に対する各剛体相当部の重
心の加速度を逐次求めるステップと、該基準点に対する
各剛体相当部の重心の加速度と、前記絶対座標系におけ
る前記基準点の加速度とから該絶対座標系における各剛
体相当部の重心の加速度を逐次求めるステップと、前記
各剛体相当部の傾斜角度の時系列データに基づき各剛体
相当部の角加速度を逐次求めるステップと、前記二足歩
行移動体の剛体相当部としての各脚体の大腿部の傾斜角
度と、該脚体の膝関節の屈曲角度とのうちの少なくとも
一方に基づき、該二足歩行移動体における各脚体の床反
力作用点の推定位置を逐次求めるステップとを備え、前
記床反力の推定値と、前記床反力作用点の推定位置と、
前記絶対座標系における各剛体相当部の重心の加速度及
び該剛体相当部の角加速度と、各剛体相当部の傾斜角度
と、各剛体相当部のあらかじめ求めた重量及びサイズ
と、各剛体相当部における該剛体相当部のあらかじめ求
めた重心の位置と、各剛体相当部のあらかじめ求めた慣
性モーメントとを用いて逆動力学モデルに基づき前記二
足歩行移動体の各脚体の少なくとも一つの関節に作用す
るモーメントを推定することを特徴とするものである。
【００５０】尚、前述のように、前記床反力推定方法に
おける前記第２ステップで基準点に対する二足歩行移動
体の重心の位置等を求めるために、胴体の傾斜角度と、
各脚体の股関節及び膝関節のそれぞれの屈曲角度と二足
歩行移動体の基準点の前記絶対座標系における加速度と
をそれぞれ計測するステップを備えたときには、それら
を改めて計測する必要はなく、また、前記剛体リンクモ
デルは、二足歩行移動体の重心の位置等を求めるために
用いた剛体リンクモデルと同一の剛体リンクモデルを使
用すればよい。
【００５１】かかる本発明の関節モーメント推定方法で
は、胴体の傾斜角度と、股関節及び膝関節のそれぞれの
屈曲角度とを計測することで、それらの計測データから
胴体、大腿部、下腿部等の二足歩行移動体の各剛体相当
部の傾斜角度（これは各剛体相当部の相互の姿勢関係を
表す）を把握することが可能である。そして、各剛体相
当部の重量と、各剛体相当部における該剛体相当部の重
心の位置（詳しくは、各剛体相当部に対して固定した座
標系における該剛体相当部の位置）と、上記の各剛体相
当部の傾斜角度とに基づいて前記基準点に対する各剛体
相当部の重心の位置を求めることができる。さらに、基
準点に対する各剛体相当部の重心の加速度は、該重心の
位置の時系列データから把握される該重心の位置の２階
微分値として求められる。従って、前記絶対座標系にお
ける前記基準点の加速度を計測しておくことにより、該
絶対座標系における二足歩行移動体の各剛体相当部の重
心の加速度が、該重心の基準点に対する加速度と、前記
基準点の加速度（絶対座標系での加速度）との合成加速
度として求められることとなる。
【００５２】さらに、前記各剛体相当部の傾斜角度の時
系列データから把握される該傾斜角度の２階微分値とし
て、各剛体相当部の角加速度が求められる。
【００５３】また、本願発明者等の知見によれば、二足
歩行移動体における各脚体の床反力作用点の位置、例え
ば、各脚体の足首部に対する該脚体の床反力作用点の位
置は、前記二足歩行移動体の剛体相当部としての各脚体
の大腿部の傾斜角度や、該脚体の膝関節の屈曲角度と密
接な相関関係を有する。従って、該脚体の大腿部の傾斜
角度と、膝関節の屈曲角度とのうちの少なくとも一方に
基づいて、二足歩行移動体における床反力作用点の推定
位置を求めることができる。
【００５４】そして、上述のように二足歩行移動体の各
剛体相当部の重心の加速度、該剛体相当部の角加速度、
床反力作用点の推定位置を求めたとき、前記床反力推定
方法により求められる床反力の推定値と併せて、それら
のデータ等から、公知の所謂逆動力学モデルに基づいて
各脚体の膝関節や股関節に作用するモーメントを推定す
ることができる。この逆動力学モデルに基づく手法は、
それを簡略的に言えば、二足歩行移動体の各剛体相当部
の重心の並進運動に関する運動方程式と、該剛体相当部
の回転運動（例えば該剛体相当部の重心の回りの回転運
動）に関する運動方程式とを用いて剛体リンクモデルの
各関節に相当する二足歩行移動体の各関節に作用するモ
ーメントを床反力作用点により近いものから順番に求め
ていくものである。詳細は後述するが、例えば各脚体が
大腿部及び下腿部をそれぞれ剛体相当部として有する連
結体であるとした場合、各脚体の下腿部の重心の並進運
動に関する運動方程式に、該下腿部の重心の加速度、該
脚体に作用する床反力の推定値、下腿部の重量の値を適
用することで、該脚体の膝関節に作用する力（関節反
力）が判る。さらに、該脚体の膝関節に作用する関節反
力と、該脚体の下腿部の角加速度と、該脚体の床反力作
用点の推定位置と、該脚体の床反力の推定値と、該下腿
部における該下腿部の重心の位置及び該下腿部のサイズ
（長さ）に係わるデータ値と、該下腿部の慣性モーメン
トの値と、該下腿部の傾斜角度の値とを該下腿部の回転
運動に関する運動方程式に適用することで、該脚体の膝
関節のモーメントを推定することができる。
【００５５】また、各脚体の大腿部の重心の並進運動に
関する運動方程式に、該大腿部の重心の加速度、該脚体
の膝関節に作用する関節反力、大腿部の重量の値とを適
用することで、該脚体の股関節に作用する関節反力が判
る。さらに、該脚体の膝関節及び股関節にそれぞれ作用
する関節反力と、該脚体の大腿部の角加速度と、該大腿
部における該大腿部の重心の位置及び該大腿部のサイズ
（長さ）に係わるデータ値と、該大腿部の慣性モーメン
トの値と、該大腿部の傾斜角度の値とを該大腿部の回転
運動に関する運動方程式に適用することで、該脚体の股
関節のモーメントを推定することができる。
【００５６】かかる本発明の関節モーメント推定方法に
よれば、前述の本発明の床反力推定方法により求められ
た床反力の推定値を用いて脚体の関節に作用するモーメ
ントを推定することにより、二足歩行移動体に比較的大
型なセンサ等を装備したりすることなく、脚体の関節に
作用するモーメントを比較的精度よくリアルタイムで推
定することができる。
【００５７】
【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を前記図１並
びに図２〜図１２を参照して説明する。
【００５８】本実施形態は、二足歩行移動体としての人
間に本発明の床反力推定方法及び関節モーメント推定方
法を適用した実施形態である。
【００５９】図２に模式化して示すように、人間１は、
その構成を大別すると、左右一対の脚体２，２と、腰部
３及び胸部４からなる胴体５と、頭部６と、左右一対の
腕体７，７とを有する。胴体５は、その腰部３が脚体
２，２のそれぞれに左右一対の股関節８，８を介して連
結され、両脚体２，２上に支持されている。また、胴体
５の胸部４は、腰部３の上側に該腰部３に対して人間１
の前方側に傾斜可能に存している。そして、この胸部４
の上部の左右両側部から腕体７，７が延設され、該胸部
４の上端部に頭部６が支持されている。
【００６０】各脚体２，２は、股関節８から延在する大
腿部９と、該大腿部９の先端から膝関節１０を介して延
在する下腿部１１とを有し、下腿部１１の先端部に、足
首部（足首関節）１２を介して足平部１３が連結されて
いる。
【００６１】本実施形態では、このような構成を有する
人間１の各脚体２に作用する床反力の推定、さらには膝
関節１０及び股関節８に作用するモーメントの推定を行
うために、次のような装置を人間１に装備している。
【００６２】すなわち、胴体５の胸部４には、胸部４の
傾斜に伴う角速度に応じた出力を発生するジャイロセン
サ１４（以下、胸部ジャイロセンサ１４という）と、胸
部４の前後方向の加速度に応じた出力を発生する加速度
センサ１５（以下、胸部前後加速度センサ１５という）
と、CP U、RAM、ROM等から構成される演算処理装置１６
と、該演算処理装置１６等の電源となるバッテリ１７と
が装着されている。この場合、これらの胸部ジャイロセ
ンサ１４、胸部前後加速度センサ１５、演算処理装置１
６及びバッテリ１７は、例えば胸部４に図示しないベル
ト等を介して固定されるショルダーバッグ状の収容部材
１８に収容され、該収容部材１８を介して胸部４に一体
的に固定されている。
【００６３】尚、胸部加速度センサ１５の出力が表す加
速度は、より詳しくは、胸部４の水平断面方向（胸部４
の軸心と直交する方向）での前後方向の加速度であり、
人間１が平地に直立姿勢で起立した状態では、前後水平
方向（図２の絶対座標系のＸ軸方向）での加速度である
が、腰部３あるいは胸部４が鉛直方向（図２の絶対座標
系のＺ軸方向）から傾斜した状態では、胸部４の鉛直方
向に対する傾斜角度分だけ水平方向に対して傾斜した方
向での加速度となる。
【００６４】また、胴体５の腰部３には、腰部３の傾斜
に伴う角速度に応じた出力を発生するジャイロセンサ１
９（以下、腰部ジャイロセンサ１９という）と、腰部３
の前後方向の加速度に応じた出力を発生する加速度セン
サ２０（以下、腰部前後加速度センサ２０という）と、
腰部３の上下方向の加速度に応じた出力を発生する加速
度センサ２１（以下、腰部上下加速度センサ２１とい
う）とが、図示しないベルト等の固定手段を介して一体
的に装着・固定されている。
【００６５】ここで、腰部前後加速度センサ２０は、よ
り詳しくは胸部前後加速度センサ１５と同様、腰部３の
水平断面方向（腰部３の軸心と直交する方向）での前後
方向の加速度を検出するセンサである。また、腰部上下
加速度センサ２１は、より詳しくは、腰部３の軸心方向
での上下方向の加速度（これは腰部前後加速度センサ２
０が検出する加速度と直交する）を検出するセンサであ
る。尚、腰部前後加速度センサ２０及び腰部上下加速度
センサ２１は、二軸型の加速度センサにより一体的に構
成されたものであってもよい。
【００６６】さらに各脚体２の股関節８と膝関節１０と
には、それぞれの屈曲角度Δθc，Δθdに応じた出力を
発生する股関節角度センサ２２及び膝関節角度センサ２
３が装着されている。尚、股関節角度センサ２２につい
ては、図２では手前側（人間１の前方に向かって右側）
の脚体２の股関節８に係わる股関節角度センサ２２のみ
が図示されているが、他方側（人間１の前方に向かって
左側）の脚体２の股関節８には、手前側の股関節角度セ
ンサ２２と同心に、股関節角度センサ２２が装着されて
いる。
【００６７】これらの角度センサ２２，２３は、例えば
ポテンショメータにより構成されたものであり、各脚体
２に図示しないバンド部材等の手段を介して装着されて
いる。ここで、各股関節角度センサ２２が検出する屈曲
角度Δθcは、より詳しくは、腰部３と各脚体２の大腿
部９との姿勢関係が所定の姿勢関係（例えば人間１の直
立姿勢状態のように腰部３の軸心と大腿部９の軸心とが
ほぼ平行となる姿勢関係）にあるときを基準とした、腰
部３に対する各脚体２の大腿部９の股関節８回り（人間
１の左右方向における股関節８の軸心回り）の回転角度
である。同様に、各膝関節角度センサ２３が検出する屈
曲角度Δθdは、各脚体２の大腿部９と下腿部１１との
姿勢関係が所定の姿勢関係（例えば大腿部９の軸心と下
腿部１１の軸心とがほぼ平行となる姿勢関係）にあると
きを基準とした、大腿部９に対する下腿部１１の膝関節
１０回り（人間１の左右方向における膝関節１０の軸心
回り）の回転角度である。
【００６８】尚、前記各センサ１４，１５，１９〜２３
は、それらの出力を演算処理装置１６に入力すべく、図
示を省略する信号線を介して演算処理装置１６に接続さ
れている。
【００６９】前記演算処理装置１６は、図３に示すよう
な機能的手段を備えている。すなわち、演算処理装置１
６は、腰部上下加速度センサ２１の検出データと、後述
する計時手段３５及び両脚支持期間推定手段３７により
それぞれ得られたデータとを用いて、人間１の脚体２，
２の運動状態が単脚支持状態（図１（ａ）の状態）であ
るか、両脚支持状態（図１（ｂ）の状態）であるかを判
断する脚体運動判断手段２４を備えている。また、演算
処理装置１６は、胸部前後加速度センサ１５及び胸部ジ
ャイロセンサ１４の検出データを用いて、胸部４の絶対
座標系Ｃfにおける傾斜角度θa（具体的には例えば鉛直
方向に対する傾斜角度θa。図２参照）を計測する胸部
傾斜角度計測手段２５と、腰部前後加速度センサ２０及
び腰部ジャイロセンサ１９の検出データを用いて、腰部
３の絶対座標系Ｃfにおける傾斜角度θb（具体的には例
えば鉛直方向に対する傾斜角度θb。図２参照）を計測
する腰部傾斜角度計測手段２６とを備えている。
【００７０】さらに、演算処理装置１６は、腰部前後加
速度センサ２０及び腰部上下加速度センサ２１の検出デ
ータと前記腰部傾斜角度計測手段２６により計測された
腰部３の傾斜角度θbのデータとを用いて、本実施形態
における人間１の基準点として図２に示すように腰部３
に設定される身体座標系Ｃp（図２のｘｚ座標）の原点
Ｏの絶対座標系Ｃfにおける加速度（並進加速度）ａ0＝
T(ａ0x，ａ0z)を求める基準加速度計測手段２７を備え
ている。ここで、身体座標系Ｃｐは、より詳しくは、例
えば人間１の左右の股関節８，８のそれぞれの中心を結
ぶ線の中点を原点Ｏとし、鉛直方向をｚ軸方向、人間１
の前方に向かう水平方向をｘ軸方向とした座標系（３軸
の方向が前記絶対座標系Ｃfと同一の座標系）である。
また、演算処理装置１６は、各脚体２の股関節角度セ
ンサ２２及び膝関節角度センサ２３の検出データと、前
記腰部傾斜角度計測手段２６による腰部３の傾斜角度θ
bのデータとを用いて、絶対座標系Ｃfにおける各脚体２
の大腿部９及び下腿部１１のそれぞれの傾斜角度θc，
θd（具体的には例えば鉛直方向に対する傾斜角度θc，
θd。図２参照）求める脚体姿勢算出手段２８を備えて
いる。
【００７１】また、演算処理装置１６は、前記胸部傾斜
角度計測手段２５、腰部傾斜角度計測手段２６及び脚体
姿勢算出手段２８により得られる胸部４の傾斜角度θ
a、腰部３の傾斜角度θb、並びに各脚体２の大腿部９の
傾斜角度θc及び下腿部１１の傾斜角度θdのデータを用
いて、後述の剛体リンクモデルに対応する人間１の各剛
体相当部の重心の位置（詳しくは前記身体座標系Ｃpに
おける各剛体相当部の重心の位置）を求める各部重心位
置算出手段２９と、その各剛体相当部の重心の位置のデ
ータを用いて、上記身体座標系Ｃpにおける人間１の全
体の重心G0（以下、身体重心G0という。図１参照）の位
置を求める身体重心位置算出手段３０と、その身体重心
G0の位置のデータと前記基準加速度計測手段２７による
身体座標系Ｃpの原点Ｏの加速度ａ0のデータとを用いて
絶対座標系Ｃfにおける身体重心G0の加速度ａ＝T(ａx，
ａz)(図１参照）を求める身体重心加速度算出手段３１
とを備えている。
【００７２】さらに、演算処理装置１６は、前記各部重
心位置算出手段２９による人間１の各剛体相当部の重心
の位置（詳しくは脚体２に係わる剛体相当部の重心の位
置）のデータと前記基準加速度計測手段２７による身体
座標系Ｃpの原点Ｏの加速度ａ0のデータとを用いて絶対
座標系Ｃfにおける各脚体２の大腿部９及び下腿部１１
のそれぞれの重心の加速度（並進加速度）を求める脚体
各部加速度算出手段３２と、前記脚体姿勢算出手段２８
による各脚体２の大腿部９及び下腿部１１のそれぞれの
傾斜角度θc，θdのデータを用いて絶対座標系Ｃfにお
ける各脚体２，２の大腿部９及び下腿部１１の角加速度
を求める脚体各部角加速度算出手段３３と、前記脚体姿
勢算出手段２８による各脚体２の大腿部９の傾斜角度θ
cや、前記膝関節角度センサ２３により計測される膝関
節１０の屈曲角度Δθdのデータを用いて接地している
各脚体２の床反力作用点の位置を推定する床反力作用点
推定手段３４とを備えている。
【００７３】また、演算処理装置１６は、脚体運動判断
手段２４により両脚支持状態の開始（単脚支持状態の終
了）が把握される毎に、その両脚支持状態の開始時から
の経過時間を計時する計時手段３５と、脚体運動判断手
段２４により両脚支持状態の開始（単脚支持状態の終
了）が把握される毎に、前記脚体姿勢算出手段２８によ
る各脚体２の大腿部９及び下腿部１１のそれぞれの傾斜
角度θc，θdのデータと前記計時手段３５の計時データ
とを用いて人間１の移動速度を推定する移動速度推定手
段３６と、この移動速度推定手段３６により求められた
移動速度のデータから両脚支持状態の開始時から終了時
までの時間（両脚支持状態の継続時間。以下、両脚支持
期間という）を推定する両脚支持期間推定手段３７とを
備えている。
【００７４】また、演算処理装置１６は、前記身体重心
加速度算出手段３１による身体重心の加速度ａのデータ
と前記両脚支持期間推定手段３７による両脚支持期間の
推定値のデータと前記計時手段３７による計時データと
前記脚体運動判断手段２４による脚体２の運動状態の判
断結果のデータとを用いて各脚体２に作用する床反力の
推定値を求める床反力推定手段３８と、この床反力の推
定値のデータと脚体各部加速度算出手段３２による各脚
体２の大腿部９及び下腿部１１の重心の加速度のデータ
と脚体各部角加速度算出手段３３による各脚体２の大腿
部９及び下腿部１１の角加速度のデータと床反力作用点
推定手段３４による床反力作用点の推定位置のデータと
前記脚体姿勢算出手段２８による各脚体２の大腿部９及
び下腿部１１のそれぞれの傾斜角度θc，θdのデータと
を用いて各脚体２の膝関節１０及び股関節８にそれぞれ
作用するモーメントを推定する関節モーメント推定手段
３９とを備えている。
【００７５】次に、上述の演算処理装置１６の各手段の
より詳細な処理内容と併せて、本実施形態の作動を説明
する。
【００７６】本実施形態では、例えば人間１が歩行して
移動を行うに際して、両脚体２，２を着床させた状態で
演算処理装置１６の図示しない電源スイッチを投入する
と、該演算処理装置１６による処理が所定のサイクルタ
イム毎に以下に説明するように逐次実行され、各脚体２
に作用する床反力の推定値等が逐次求められる。
【００７７】すなわち、まず、演算処理装置１６は、前
記胸部傾斜角度計測手段２５及び腰部傾斜角度計測手段
２６による処理を実行する。この場合、胸部傾斜角度計
測手段２５の処理では、胸部前後加速度センサ１５及び
胸部ジャイロセンサ１４からそれぞれ入力される胸部４
の前後方向の加速度、胸部４の角速度の検出データか
ら、所謂カルマンフィルタの処理を用いた公知の手法に
より、絶対座標系Ｃfにおける胸部４の傾斜角度θaが前
記サイクルタイム毎に逐次求められる。同様に、腰部傾
斜角度計測手段２５の処理では、腰部前後加速度センサ
２０及び腰部ジャイロセンサ１９からそれぞれ入力され
る腰部３の前後方向の加速度、腰部３の角速度の検出デ
ータから、カルマンフィルタの処理を用いて絶対座標系
Ｃfにおける腰部３の傾斜角度θbが逐次求められる。こ
こで、絶対座標系Ｃfにおける胸部４及び腰部３のそれ
ぞれの傾斜角度θa，θbは、本実施形態では例えば鉛直
方向（重力方向）に対する傾斜角度である。
【００７８】尚、例えばジャイロセンサ１４，１９によ
る角速度の検出データを積分することで、胸部４や腰部
３の傾斜角度を求めることも可能であるが、本実施形態
のようにカルマンフィルタの処理を用いることで、胸部
４や腰部３の傾斜角度θa，θbを精度よく計測すること
ができる。
【００７９】次に、演算処理装置１６は、前記脚体姿勢
算出手段２８の処理と前記基準加速度計測手段２７の処
理とを実行する。
【００８０】前記脚体姿勢算出手段２８による処理で
は、絶対座標系Ｃfにおける各脚体２の大腿部９及び下
腿部１１の傾斜角度θc，θd（鉛直方向に対する傾斜角
度。図２参照）が前記サイクルタイム毎に次のように求
められる。すなわち、各脚体２の大腿部９の傾斜角度θ
cは、その脚体２に装着されている前記股関節角度セン
サ２２による股関節８の屈曲角度Δθcの検出データの
今回値と、前記腰部傾斜角度計測手段２５により求めら
れた腰部３の傾斜角度θbの今回値とから次式（４）に
より算出される。
【００８１】θc＝θb＋Δθc ……（４）
【００８２】ここで、腰部３の傾斜角度θbは、該腰部
３の上端部が下端部よりも人間１の前方側に突き出るよ
うに該腰部３が鉛直方向に対して傾斜している場合に負
の値となるものであり、股関節８の屈曲角度Δθcは、
大腿部９の下端部が人間１の前方側に突き出るように大
腿部９が腰部３の軸心に対して傾斜している場合に正の
値となるものである。
【００８３】さらに、各脚体２の下腿部１１の傾斜角度
θdは、上記のように求められた大腿部９の傾斜角度θc
の今回値と、該脚体２に装着されている前記膝関節角度
センサ２３による膝関節１０の屈曲角度Δθdの検出デ
ータの今回値とから次式（５）により算出される。
【００８４】θd＝θc−Δθd ……（５）
【００８５】ここで、膝関節１０の屈曲角度は、下腿部
１１が大腿部９の軸心に対して該大腿部９の背面側に傾
斜している場合に正の値となるものである。
【００８６】また、前記基準加速度計測手段２７の処理
では、前記身体座標系Ｃpの原点Ｏの絶対座標系Ｃfにお
ける加速度ａ0＝T(a0x，a0z）が次のように求められ
る。すなわち、前記腰部前後加速度センサ２０による腰
部３の前後方向の加速度の検出データの今回値をap、前
記腰部上下加速度センサ２１による腰部３の上下方向の
加速度の検出データの今回値をaqとすると、それらの検
出データap，aqと、前記腰部傾斜角度計測手段２５によ
り求められた腰部３の傾斜角度θbの今回値とから、次
式（６）により絶対座標系Ｃfにおける加速度ａ0＝T(a0
x，a0z）が求められる。
【００８７】 a0＝T(a0x，a0z） ＝T(ap・cosθb−aq・sinθb，ap・sinθb＋aq・cosθb) ……（６）
【００８８】次に、演算処理装置１６は、前記各部重心
位置算出手段２９の処理を実行し、以下に説明する剛体
リンクモデルを用いて、前記身体座標系Ｃpにおける人
間１の各剛体相当部の重心の位置（身体座標系Ｃpの原
点Ｏに対する位置）を求める。
【００８９】図４に示すように、本実施形態で用いる剛
体リンクモデルＲは、人間１を、各脚体２の大腿部９に
相当する剛体R1，R1と、下腿部１１に相当する剛体R2，
R2と、腰部３に相当する剛体R3と、前記胸部４、腕体
７，７及び頭部６を合わせた部分４０（以下、上体部４
０という）に相当する剛体R4とを連結してなるものとし
て表現するモデルである。この場合、各剛体R1と剛体R3
との連結部、並びに、各剛体R1と剛体R2との連結部がそ
れぞれ股関節８、膝関節１０に相当する。また、剛体R3
と剛体R 4との連結部は腰部３に対する胸部４の傾動支
点部４１である。
【００９０】そして、本実施形態では、このような剛体
リンクモデルＲの各剛体R1〜R4に対応する人間１の剛体
相当部（各脚体２の大腿部９及び下腿部１１、腰部３、
上体部４０）のそれぞれの重心G1、G2、G3、G4の各剛体
相当部における位置があらかじめ求められ、演算処理装
置１６の図示しないメモリに記憶されている。
【００９１】ここで、演算処理装置１６に記憶保持して
いる各剛体相当部の重心G1、G2、G3、G4の位置は、各剛
体相当部に対して固定した座標系での位置である。この
場合、各剛体相当部の重心G1、G2、G3、G4の位置を表す
データとして、例えば、各剛体相当部の一端部の関節の
中心点から該剛体相当部の軸心方向の距離が用いられ
る。具体的には、例えば図４に示すように、各大腿部９
の重心G1の位置は、該大腿部９の股関節８の中心から大
腿部９の軸心方向に距離d1の位置、各下腿部１１の重心
G2の位置は、該下腿部１１の膝関節１０の中心から下腿
部１１の軸心方向に距離d2の位置として表され、それら
の距離d1，d2の値があらかじめ求められて演算処理装置
１６に記憶保持されている。他の剛体相当部の重心、G
3、G4の位置についても同様である。
【００９２】尚、上体部４０の重心G4の位置は、厳密に
は、該上体部４０に含まれる腕体７，７の動きの影響を
受けるが、歩行時における各腕体７，７は、一般に胸部
４の軸心に対して対称的な位置関係になるので、上体部
４０の重心G4の位置はさほど変動せず、例えば直立姿勢
状態における上体部４０の重心G4の位置とほぼ同一とな
る。
【００９３】また、本実施形態では、各剛体相当部（各
脚体２の大腿部９及び下腿部１１、腰部３、上体部４
０）の重心G1、G2、G3、G4の位置を表すデータの他、各
剛体相当部の重量のデータや、各剛体相当部のサイズの
データ（例えば各剛体相当部の長さのデータ）があらか
じめ求められて、演算処理装置１６に記憶保持されてい
る。
【００９４】尚、下腿部１１の重量は、足平部１３を含
めた重量である。また、上述のように演算処理装置１６
にあらかじめ記憶保持したデータは、実測等により求め
ておいてもよいが、人間１の身長や体重から、人間の平
均的な統計データに基づいて推測するようにしてもよ
い。一般に、上記各剛体相当部の重心G1、G2、G3、G4の
位置や、重量、サイズは、人間の身長や体重と相関性が
あり、その相関データに基づいて、人間の身長及び体重
のデータから、上記各剛体相当部の重心G1、G2、G3、G4
の位置や、重量、サイズを比較的精度よく推測すること
が可能である。
【００９５】前記各部重心位置算出手段２９は、上述の
ように演算処理装置１６にあらかじめ記憶保持したデー
タと、前記胸部傾斜角度計測手段２５及び腰部傾斜角度
計測手段２６によりそれぞれ求められた胸部４の傾斜角
度θa（＝上体部４０の傾斜角度）及び腰部３の傾斜角
度θbの今回値と、前記脚体姿勢算出手段２８により求
められた各脚体２の大腿部９及び下腿部１１のそれぞれ
の傾斜角度θc，θdの今回値とから、腰部３に固定され
た原点Ｏを有する身体座標系Ｃp（図４のｘｚ座標）で
の各剛体相当部の重心G1、G2、G3、G4の位置を求める。
【００９６】この場合、各剛体相当部（各脚体２の大腿
部９及び下腿部１１、腰部３、上体部４０）の傾斜角度
θa〜θdが上述のように求められているので、その傾斜
角度θa〜θｄのデータと、各剛体相当部のサイズのデ
ータとから身体座標系Ｃpにおける各剛体相当部の位置
及び姿勢が判る。従って、身体座標系Ｃpにおける各剛
体相当部の重心G1、G2、G3、G4の位置が求められること
となる。
【００９７】具体的には、例えば図４を参照して、同図
４の左側に位置する脚体２（人間１の進行方向前方に向
かって後側の脚体２）に関し、大腿部９の身体座標系Ｃ
pにおける傾斜角度（ｚ軸方向に対する傾斜角度）はθc
（この場合、図４ではθc＜０である）であるので、身
体座標系Ｃpにおける大腿部９の重心G1の位置の座標
は、（d1・sinθc，−d1・cosθc）となる。また、下腿
部１１の身体座標系Ｃpにおける傾斜角度はθd（図４で
はθd＜０）であるので、身体座標系Ｃpにおける下腿部
１１の重心G2の位置の座標は、大腿部９の長さをDcとす
ると、（Dc・sinθc＋d2・sinθd，−Dc・cosθc−d2・
cosθd）となる。他の脚体２の大腿部９及び下腿部１１
並びに、腰部３及び上体部３８の重心についても上記と
同様に求められる。
【００９８】このようにして、各部重心位置算出手段２
９により、身体座標系Ｃpにおける各剛体相当部の重心G
1、G2、G3、G4の位置を求めた後、演算処理装置１６
は、前記身体重心位置算出手段３０の処理実行し、各剛
体相当部の重心G1、G2、G3、G4の位置のデータと、各剛
体相当部の重量のデータとを用いて身体座標系Ｃpにお
ける人間１の身体重心G0の位置（xg，z g）を求める。
【００９９】ここで、身体座標系Ｃpにおける腰部３の
重心G3の位置及び重量をそれぞれ（x3，z3）、m3、上体
部４０の重心G4の位置及び重量をそれぞれ（x4，z4）、
m4、人間１の前方に向かって左側の脚体２の大腿部９の
重心G1の位置及び重量をそれぞれ（x1L，z1L）、m1L、
同脚体２の下腿部１１の重心G2の位置及び重量をそれぞ
れ（x2L，z2L）、m2L、右側の脚体２の大腿部９の重心G
1の位置及び重量をそれぞれ（x1R，z1R）、m1R、同脚体
２の下腿部１１の重心G2の位置及び重量をそれぞれ（x2
R，z2R）、m2R、人間１の体重をＭ（＝m1L＋m2L＋m1R＋
m2R＋m3＋m4）とすると、身体座標系Ｃpにおける人間１
の身体重心G0の位置（xg，zg）は次式（７）により求め
られる。
【０１００】 xg＝（m1L・x1L＋m1R・x1R＋m2L・x2L＋m2R・x2R ＋m3・x3＋m4・x4）／Ｍ zg＝（m1L・z1L＋m1R・z1R＋m2L・z2L＋m2R・z2R ＋m3・z3＋m4・z4）／Ｍ ……（７）
【０１０１】このようにして身体重心位置算出手段３０
の処理を実行した後、さらに、演算処理装置１６は、前
記身体重心加速度算出手段３１の処理を実行する。この
身体重心加速度算出手段３１の処理では、まず、前記サ
イクルタイム毎に身体重心位置算出手段３０により求め
られる身体座標系Ｃpにおける身体重心G0の位置（xg，z
g）の時系列データを用いて、身体座標系Ｃpの原点Ｏに
対する身体重心G0の位置（xg，zg）の２階微分値、すな
わち、身体座標系Ｃpにおける身体重心G0の加速度T(d2x
g／dt2，d2zg／dt2)が求められる。そして、この加速度
T(d2xg／dt2，d2zg／dt2)と、前記基準加速度計測手段
２７により求められた身体座標系Ｃpの原点Ｏの絶対座
標系Ｃfにおける加速度a0＝T(a0x，a0z）とのベクトル
和を求めることにより、絶対座標系Ｃfにおける身体重
心G0の加速度ａ＝T(ax，az)が求められる。
【０１０２】また、演算処理装置１６は、前記脚体姿勢
算出手段２８及び各部重心位置算出手段２９の処理の実
行後、前記脚体各部加速度算出手段３２、脚体各部角加
速度算出手段３３、及び床反力作用点推定手段３４の処
理を実行する。
【０１０３】この場合、前記脚体各部加速度算出手段３
２の処理では、前記身体重心加速度算出手段３１の処理
と同様、まず、前記サイクルタイム毎に前記各部重心位
置算出手段２９により求められる身体座標系Ｃpにおけ
る各脚体２の剛体相当部である大腿部９及び下腿部１１
の重心G1，G2の位置のそれぞれの時系列データを用い
て、身体座標系Ｃpにおける大腿部９及び下腿部１１の
重心G1，G2の位置のそれぞれの２階微分値、すなわち、
身体座標系Ｃpにおける大腿部９及び下腿部１１の重心G
1，G2のそれぞれの加速度（身体座標系Ｃpの原点Ｏに対
する並進加速度）が求められる。そして、このそれぞれ
の加速度と、前記基準加速度計測手段２７による身体座
標系Ｃpの原点Ｏの絶対座標系Ｃfにおける加速度a0＝T
(a0x，a0z）とのベクトル和を求めることにより、絶対
座標系Ｃfにおける大腿部９及び下腿部１１のそれぞれ
の加速度（より詳しくは、該加速度の絶対座標系Ｃfに
おける座標成分）が求められる。
【０１０４】また、前記脚体各部角加速度算出手段３３
の処理では、前記サイクルタイム毎に前記脚体姿勢算出
手段２８により求められる各脚体２の大腿部９及び下腿
部１１のそれぞれの傾斜角度θc，θdの時系列データを
用いて、該大腿部９及び下腿部１１のそれぞれ傾斜角度
θc，θdの２階微分値、すなわち、大腿部９及び下腿部
１１のそれぞれの角加速度が求められる。
【０１０５】また、床反力作用点推定手段３４の処理で
は、接地している脚体２について、例えば前記脚体姿勢
算出手段２８により算出された大腿部９の傾斜角度θc
の今回値から、図５及び図６に示すようにあらかじめ定
められた相関関係に基づいて該脚体２の足首部１２か
ら、該脚体２の足平部１３の床反力作用点（足平部１３
の接地箇所に作用する全床反力が集中するとみなせる
点）へのベクトル（足首部１２に対する床反力作用点の
位置ベクトル。以下、床反力作用点ベクトルという）を
該床反力作用点の位置を表すデータとして求める。
【０１０６】すなわち、本願発明者等の知見によれば、
接地している脚体２の大腿部９の傾斜角度θcや膝関節
１０の屈曲角度Δθdは、床反力作用点と比較的顕著な
相関性を有し、例えば大腿部９の傾斜角度θcに対し
て、前記床反力作用点ベクトル、詳しくは、人間１の進
行方向（Ｘ軸方向）における該床反力作用点ベクトルの
成分と、鉛直方向（Ｚ軸方向）における該床反力作用点
ベクトルの成分とは、それぞれ図５、図６に示すように
変化する。ここで、大腿部９の負の傾斜角度θcは、脚
体２が人間１の後側に延びるように大腿部９が腰部３の
軸心に対して傾斜しているとき（例えば図２の人間１の
前方に向かって右側の脚体２）の角度であり、正の傾斜
角度θcは、脚体２が人間１の前側に存するように大腿
部９が腰部３の軸心に対して傾斜しているとき（例えば
図２の人間１の前方に向かって左側の脚体２）の角度で
ある。
【０１０７】そこで、本実施形態では、図５及び図６の
相関関係を表す、大腿部９の傾斜角度θcをパラメータ
とする近似式を作成して、この近似式を演算処理装置１
６にあらかじめ記憶保持させている。そして、前記床反
力作用点推定手段３４の処理では、前記脚体姿勢算出手
段２８により求められた大腿部９の傾斜角度θcの今回
値を上記近似式に代入して、前記床反力作用点ベクトル
（詳しくは該床反力作用点ベクトルのＸ軸方向、Ｚ軸方
向の成分）を求めている。
【０１０８】ここで、図５及び図６のように、大腿部９
の傾斜角度θcが極小値を持つ相関関係では、大腿部９
の傾斜角度θcが同一であっても傾斜角度θcの減少過程
と増加過程とで床反力作用点ベクトルの値が異なる。そ
こで、本実施形態では、上記近似式を作成する際、足平
部１３の踵が着床してからつま先が離床するまでの前記
相関関係の推移を、大腿部９の傾斜角度θcが正である
第１の相（図５ではａ１の相、図６ではｂ１の相）と、
大腿部９の傾斜角度θcが負で、且つ、大腿部９の傾斜
角度θcの変化速度、即ち、大腿部９の傾斜角速度が負
である第２の相（図５ではａ２の相、図６ではｂ２の
相）と、大腿部９の傾斜角度θcが負で、且つ、大腿部
９の傾斜角速度が正である第３の相（図５ではａ３の
相、図６ではｂ３の相）とに区分し、床反力作用点ベク
トルのＸ軸方向成分、Ｚ軸方向成分のそれぞれについ
て、各相を同一または異なる関数で近似するようにし
た。図５の相関関係における第１および第２の相ａ１，
ａ２を合わせた相の近似式は、床反力作用点ベクトルの
Ｘ軸方向成分をｐxとして、例えば、ｐx＝x1・θc6＋x2
・θc5＋x3・θc4＋x4・θc3＋x5・θc2＋x6・θc＋x7
という形の６次の多項式関数（x1〜x7は定数値）により
表される。また、図５の相関関係における第３の相ａ３
の近似式は、例えば ｐx＝x8・θc4＋x9・θc3＋x10・θc2＋x11・θc＋x12 という形の４次の多項式関数（x8〜x12は定数値）によ
り表される。
【０１０９】また、図6の相関関係における第１および
第２の相ｂ１，ｂ２を合わせた相の近似式は、床反力作
用点ベクトルのＺ軸方向成分をｐzとして、例えば ｐz＝z1・θc6＋z2・θc5＋z3・θc4＋z4・θc3＋z5・
θc2＋z6・θc＋z7 という形の６次の多項式関数（z1〜z7は定数値）により
表される。また、図６の相関関係における第３の相ｂ３
の近似式は、例えば ｐz＝z8・θc3＋z9・θc2＋z10・θc＋z11 という形の３次の多項式関数（z8〜z11は定数値）によ
り表される。
【０１１０】そして、床反力作用点ベクトルを求める際
は、大腿部９の傾斜角度θcの正負を識別すると共に、
大腿部９の傾斜角度θcの時系列データの一階微分で算
出される大腿部９の傾斜角速度の正負を識別する。さら
に、これらの識別された傾斜角度θcの正負と傾斜角速
度の正負とから現在どの相に存するかを判別して、判別
された相の近似式に大腿部９の傾斜角度θcの今回値を
代入することにより床反力作用点ベクトルを算出する。
これにより、大腿部９の傾斜角度θcの減少過程での床
反力作用点ベクトルの値と増加過程での床反力作用点ベ
クトルの値とを区別して算出することができる。
【０１１１】尚、本実施形態では、脚体２の大腿部９の
傾斜角度θcと床反力作用点ベクトルとの相関関係を多
項式で近似して、床反力作用点ベクトルを求めるように
したが、図５及び図６に示した相関関係をデータテーブ
ルにより記憶保持しておき、そのデータテーブルを用い
て、大腿部９の傾斜角度θcから床反力作用点ベクトル
を求めるようにすることも可能である。
【０１１２】また、床反力作用点の位置は、接地してい
る脚体２の膝関節１０の屈曲角度との相関性もあり、大
腿部９の傾斜角度θcの代わりに、膝関節角度センサ２
３で計測される膝関節１０の屈曲角度Δθdから、床反
力作用点の位置を推定するようにしてもよく、あるい
は、大腿部９の傾斜角度θcと膝関節１０の屈曲角度Δ
θdとの両者を用いて、マップ等により床反力作用点の
位置を推定するようにしてもよい。
【０１１３】さらに、人間１が椅子に座るときや椅子に
座っている状態から立ち上がるときは、床反力作用点の
位置と膝関節１０の屈曲角度Δθdとの間に図７（椅子
座り時），図８（椅子立ち時）に示す相関関係が成立
し、階段を上るときや下るときは、床反力作用点の位置
と大腿部９の傾斜角度θcとの間に図９（階段上り
時）、図１０（階段下り時）が成立する。従って、椅子
に座ったり立ち上がるときは、膝関節１０の屈曲角度Δ
θdから図７，図８の相関関係に基づいて床反力作用点
の位置を推定でき、また、階段を上り下りするときは、
大腿部９の傾斜角度θcから図９，図１０の相関関係に
基づいて床反力作用点の位置を推定できる。
【０１１４】一方、前述した各手段２５〜３４の処理と
並行して、演算処理装置１６は、脚体運動判断手段２４
による処理を実行する。この脚体運動判断手段２４の処
理では、前記サイクルタイム毎に、前記腰部上下加速度
センサ２１による腰部３の上向き方向の加速度の検出デ
ータがあらかじめ定めた所定の閾値と比較される。そし
て、該加速度の検出値がその閾値を超えたときに、前記
図１（ｂ）に示したような両脚支持状態が開始し、且
つ、前記図１（ａ）に示したような単脚支持状態が終了
すると判断される。すなわち、人間１の歩行時に、単脚
支持状態から両脚支持状態への移行の際には、遊脚側の
脚体２が着床することで、股関節８の近傍の腰部３に
は、ほぼ上向きに比較的大きな加速度（通常的な単脚支
持状態では発生し得ない加速度）が発生する。このた
め、前記脚体運動判断手段２４は、上記のように腰部上
下加速度センサ２１による腰部３の上向き方向の加速度
の検出データを所定の閾値と比較することで、両脚支持
状態の開始及び単脚支持状態の終了を判断する。
【０１１５】尚、脚体運動判断手段２４により両脚支持
状態が開始したことが把握されたときにはそれに応じて
前記計時手段３５が、該両脚支持状態の開始時（腰部上
下加速度センサ２１による加速度の検出データが上記閾
値を超えた時点のサイクルタイム）からの経過時間の計
時を開始する。
【０１１６】また、脚体運動判断手段２４の処理では、
上述のように両脚支持状態の開始が把握されると、該両
脚支持状態の開始時点から前記両脚支持時間計時手段３
７により計測される経過時間が、該両脚支持状態の開始
時点で前記両脚支持期間推定手段３７により後述するよ
うに求められる両脚支持期間（両脚支持状態の開始時か
ら終了時までの該両脚支持状態の継続時間）の推定値に
達したか否かが前記サイクルタイム毎に逐次監視され
る。そして、脚体運動判断手段２４は、該経過時間が両
脚支持期間の推定値に達した時に、両脚支持状態が終了
し、且つ、単脚支持状態が開始すると判断する。
【０１１７】このように脚体運動判断手段２４の処理が
実行され、また、前記脚体姿勢算出手段２８による処理
が実行された後、演算処理装置１６は、前記移動速度推
定手段３６の処理及び両脚支持期間推定手段３７の処理
を順次実行する。
【０１１８】移動速度推定手段３６による処理は次のよ
うに行われる。すなわち、図１１を参照して、人間１の
歩行時に、時刻t1において実線で示す人間１の前方側の
脚体２（図では人間１の前方に向かって右側の脚体２）
が着床して両脚支持状態が開始し、時刻t2において仮想
線示の人間１で表すように、次の両脚支持状態が開始し
た場合（時刻t1で人間１の後方側に存する脚体２が離床
後に時刻t2で着床した場合）を想定する。このとき、時
刻t1から時刻t2までの人間１の移動距離Ｌは、絶対座標
系ＣfのＸ軸方向（人間１の進行方向）における腰部３
の股関節８の中心の移動距離（これは、本実施形態で
は、身体座標系Ｃpの原点ＯのＸ軸方向の移動量に等し
い）である。
【０１１９】そして、この移動距離Ｌは、時刻t1におけ
る股関節８の中心から人間１の前方側の脚体２の足首部
１２までのＸ軸方向の距離ΔL1と、時刻t2における股関
節８の中心から人間１の後方側の脚体２（これは時刻t1
で人間１の前方側にあった脚体２である）の足首部１２
までのＸ軸方向の距離ΔL2との総和にほぼ一致する。
【０１２０】従って、上記距離ΔL1，ΔL2と、時刻t1か
ら時刻t2までの経過時間（t2−t1）、すなわち、両脚支
持状態が開始してから次に両脚支持状態が開始するまで
の１歩分の経過時間を把握することによって、それらの
距離ΔL1，ΔL2と、該１歩分経過時間（t2−t1）とを用
いて次式（８）により時刻t1からt2までの人間１の移動
速度Ｖ（時刻t1から時刻t2までの平均移動速度）を求め
ることができる。
【０１２１】 Ｖ＝D／（t2−t1）＝（ΔL1＋ΔL2）／（t2−t1） ……（８）
【０１２２】そこで、本実施形態における前記移動速度
推定手段３６の処理では、前記脚体運動判断手段２４に
より両脚支持状態が開始したことが把握される毎に、人
間１の前方側の脚体２に係わる上記距離ΔL1と、後方側
の脚体２に係わる上記距離ΔL2とが以下に説明するよう
に求められ、それらの距離ΔL1，ΔL2の算出値が記憶保
持される。そして、今回の両脚支持状態の開始時に求め
られた後方側の脚体２に係わる距離ΔL2と、前回の両脚
支持状態の開始時に求められた前方側の脚体２に係わる
距離ΔL1と、前回の両脚支持状態の開始時から今回の両
脚支持状態の開始時までに前記計時手段３７により計測
された時間（＝t2−t1）とから前記式（８）により人間
１の移動速度Ｖを求める。
【０１２３】この場合、上記距離ΔL1，ΔL2は次によう
に求められる。すなわち、両脚支持状態の開始時におけ
る人間１の前方側の脚体２については、該両脚支持状態
の開始時（脚体運動判断手段２４により両脚支持状態の
開始が把握されたサイクルタイム）に前記脚体姿勢算出
手段２８により求められる大腿部９及び下腿部１１のそ
れぞれの傾斜角度をθc1、θd1（図１１の時刻t1の図を
参照）とする。このとき、該脚体２に係わる距離ΔL1
は、これらの傾斜角度θc1，θd1（θc1＞０，θd1＞
０）のデータと、大腿部９及び下腿部１１のそれぞれの
長さDc，D dのデータとを用いて、次式（９）により算
出される。
【０１２４】 ΔL1＝Dc・sinθc1＋Dd・sinθd1 ……（９）
【０１２５】同様に、両脚支持状態の開始時における人
間１の後方側の脚体２については、該両脚支持状態の開
始時に前記脚体姿勢算出手段２８により求められる大腿
部９及び下腿部１１のそれぞれの傾斜角度をθc2、θd2
（図１１の時刻t2の図を参照）とすると、該脚体２に係
わる距離ΔL2は、これらの傾斜角度θc2，θd2（θc2＜
０，θd2＜０）のデータと、大腿部９及び下腿部１１の
それぞれの長さDc，Ddのデータとを用いて、次式（１
０）により算出される。
【０１２６】 ΔL1＝−Dc・sinθc2−Dd・sinθd2 ……（１０）
【０１２７】以上説明した移動速度推定手段３６の処理
によって、両脚支持状態が開始する毎に、人間１の移動
速度Ｖ（詳しくは、両脚支持状態が開始する直前の１歩
における移動速度）が推定される。尚、両脚支持状態が
開始してから次に両脚支持状態が開始するまでの期間に
おける各サイクルタイムでは、移動速度Ｖの推定値は一
定に維持される。
【０１２８】また、両脚支持期間推定手段３７の処理は
次のように行われる。本願発明者等の知見によれば、人
間１の歩行時の両脚支持状態の継続期間である両脚支持
期間は、人間１の移動速度Ｖと密接な相関性を有する。
すなわち、人間１の歩行時の両脚支持期間は、移動速度
Ｖに対して図１２に示すように変化し、該移動速度Ｖが
速くなる程、短くなる。
【０１２９】そこで、本実施形態では、図１２の相関関
係があらかじめデータテーブルや、それを近似する多項
式関数の形態で、演算処理装置１６にあらかじめ記憶保
持されている。そして、前記両脚支持期間推定手段３７
の処理では、両脚支持状態の開始時に、移動速度推定手
段３６により前述のように求められた移動速度Ｖの最新
値から、図１２の相関関係に基づいて該両脚支持状態に
係わる両脚支持期間の推定値を求める。尚、該両脚支持
期間の推定値は、次回の両脚支持状態が開始するまで維
持される。
【０１３０】また、演算処理装置１６は、前記身体重心
加速度算出手段３１、脚体運動判断手段２４、計時手段
３５、及び両脚支持期間推定手段３７の処理の実行後、
床反力推定手段３８の処理を前記サイクルタイム毎に実
行する。この床反力推定手段３８の処理では、身体重心
加速度算出手段３１により求められた身体重心G0の加速
度T(ａx，ａz)のデータと、人間１の重量Ｍのデータと
から、前記式（２）により、全床反力Ｆ＝T(Ｆx，Ｆz)
の推定値が前記サイクルイタイム毎に逐次求められる。
この場合、脚体運動判断手段２４により把握されている
脚体２の運動状態が単脚支持状態である場合には、上記
全床反力Ｆ＝T(Ｆx，Ｆz)の推定値がそのまま接地して
いる単一の脚体２に作用する床反力の推定値として求め
られることとなる。
【０１３１】一方、脚体運動判断手段２４により把握さ
れている脚体２の運動状態が両脚支持状態である場合に
は、床反力推定手段３８は、次のようにして各脚体２に
作用する床反力Ｆr＝T(Ｆrx，Ｆrz)及びＦf＝T(Ｆfx，
Ｆfz)を求める。すなわち、本願発明者等の知見によれ
ば、両脚支持状態で人間１の後方側に存する脚体２に作
用する床反力Ｆrの各成分の、該両脚支持状態の開始時
における全床反力Ｆの各成分に対する割合（以下、床反
力比という）と、該両脚支持状態の開始時からの経過時
間の前記両脚支持期間に対する割合（＝経過時間／両脚
支持期間。以下、両脚支持時間比とい）との関係に着目
したとき、それらの間には特徴的な相関性があり、この
相関性は、人間１の移動速度Ｖ等の影響をほとんど受け
ない。
【０１３２】具体的には、後方側の脚体２に作用する床
反力ＦrのＺ軸方向（鉛直方向）の成分Ｆrzの、両脚支
持状態の開始時における全床反力ＦのＺ軸方向の成分Ｆ
z（以下、参照符号Ｆzsにより表す）に対する割合であ
る床反力比Ｆrz／Ｆzsは、人間１の移動速度Ｖ等によら
ずに、前記両脚支持時間比に対して図１３（ａ）に示す
ようなほぼ一定の相関関係を有し、基本的には、両脚支
持状態の時間の経過に伴い「１」から「０」まで減少し
ていく。また、後方側の脚体２に作用する床反力Ｆrの
Ｘ軸方向（人間１の進行方向に向かう水平方向）の成分
Ｆrxの、両脚支持状態の開始時における全床反力ＦのＸ
軸方向の成分Ｆx（以下、参照符号Ｆxsにより表す）に
対する割合である床反力比Ｆrx／Ｆxsは、人間１の移動
速度Ｖ等によらずに、前記両脚支持時間比に対して図１
３（ｂ）に示すようなほぼ一定の相関関係を有し、両脚
支持状態の時間の経過に伴い、一旦、「１」から増加し
た後、「０」まで減少していく。
【０１３３】そこで、本実施形態では、図１３（ａ），
（ｂ）の相関関係（特性データ）があらかじめデータテ
ーブルや、それらの相関関係をそれぞれ近似する多項式
関数の形態で、演算処理装置１６にあらかじめ記憶保持
されている。そして、両脚支持状態における前記床反力
推定手段３８の処理では、前記全床反力Ｆの推定値が求
められることに加えて、計時手段３５による経過時間の
計時データの今回値と、両脚支持期間推定手段３７によ
り求められた両脚支持期間の推定値のデータの最新値と
から前記両脚支持時間比が前記サイクルタイム毎に逐次
求められる。そして、この求めた両脚支持時間比のデー
タから図１３（ａ）の相関関係に基づいて、Ｚ軸方向に
おける床反力比Ｆrz／Ｆzsが逐次求められ、この床反力
比Ｆrz／Ｆzsに両脚支持状態の開始時の全床反力ＦのＺ
軸方向成分Ｆzxを乗算することにより、後方側の脚体２
に作用する床反力ＦrのＺ軸方向成分Ｆrzが逐次求めら
れる。同様に、両脚支持時間比の求めたデータから図１
３（ｂ）の相関関係に基づいて、Ｘ軸方向における床反
力比Ｆrx／Ｆxsが逐次求められ、この床反力比Ｆrx／Ｆ
xsに両脚支持状態の開始時の全床反力ＦのＸ軸方向成分
Ｆxsを乗算することにより、後方側の脚体２に作用する
床反力ＦrのＸ軸方向成分Ｆrxが逐次求められる。
【０１３４】さらに、前記式（３）に従って、後側の脚
体２に係る床反力Ｆr＝T(Ｆrx，Ｆrz)を各サイクルタイ
ムで求めた全床反力Ｆ＝T(Ｆx，Ｆz)から減算（ベクト
ルの減算）することにより、前側の脚体２に係る床反力
Ｆf＝T(Ｆfx，Ｆfz)＝T(Ｆx−Ｆrx，Ｆz−Ｆrz)が逐次
求められる。これにより両脚支持状態における両脚体
２，２のそれぞれの床反力Ｆr，Ｆfが逐次求められるこ
ととなる。
【０１３５】次に、演算処理装置１６は、前記関節モー
メント推定手段３９の処理を実行して、各脚体２の膝関
節１０及び股関節８に作用するモーメントを求める。こ
の処理は、前記床反力推定手段３８、脚体各部加速度算
出手段３２、脚体各部角加速度算出手段３３、床反力作
用点推定手段３４、及び脚体姿勢算出手段２８によりそ
れぞれ求められたデータの今回値を用いて、所謂逆動力
学モデルに基づいて行われる。この逆動力学モデルは、
人間１の各剛体相当部の並進運動に関する運動方程式と
回転運動に関する運動方程式とを用いて、床反力作用点
により近い関節から順番に該関節に作用するモーメント
を求めるものであり、本実施形態では、各脚体２の膝関
節１０、股関節８に作用するモーメントが順番に求めら
れる。
【０１３６】さらに詳細には、図１４を参照して、ま
ず、各脚体２の下腿部１１に関し、下腿部１１の先端部
の足首部１２に作用する力（関節反力）、下腿部１１の
膝関節１０の部分に作用する力（関節反力）、及び下腿
部１１の重心G2の並進加速度を、それぞれ絶対座標系Ｃ
fにおける成分表記によって、T(Ｆ1x，Ｆ1z)、T(Ｆ2x，
Ｆ2z)、T(a2x，a2z)とし、該下腿部１１の重量をm2とす
る。このとき、下腿部１１の重心G2の並進運動に関する
運動方程式は、次式（１１）となる。
【０１３７】 T(m2・a2x，m2・a2z)＝T(Ｆ1x−Ｆ2x，Ｆ1z−Ｆ2z−m2・ｇ) ゆえに、T(Ｆ2x，Ｆ2z)＝T(Ｆ1x−m2・a2x，Ｆ1z−m2・a2z−m2・ｇ) ……（１１）
【０１３８】ここで、下腿部１１の重心G2の加速度T(a2
x，a2z)は、前記脚体各部加速度算出手段３２により求
められるものである。また、下腿部１１の先端部の足首
部１２に作用する関節反力T(Ｆ1x，Ｆ1z)は、近似的に
は、該下腿部１１を有する脚体２について前記床反力推
定手段３８により求められる床反力の推定値に等しい。
より詳しくは、単脚支持状態において、該脚体２が接地
しているときには、関節反力T(Ｆ1x，Ｆ1z)は、前記式
（２）により求められる床反力T(Fx，Fz）であり、該脚
体２が遊脚側の脚体であるときには、T(Ｆ1x，Ｆ1z)＝T
(０，０)である。また、両脚支持状態において、該脚体
２が人間１の進行方向前方に向かって後側の脚体である
ときには、関節反力T(Ｆ1x，Ｆ1z)は、前記図１３
（ａ），（ｂ）の相関関係を用いて前述のように求めら
れた床反力T(Frx，Frz）であり、該脚体２が前側の脚体
であるときには、前記式（３）に従って前述のように求
められた床反力T(Ffx，Ffz）である。
【０１３９】従って、各脚体２の膝関節１０に作用する
関節反力T(Ｆ2x，Ｆ2z)は、脚体各部加速度算出手段３
２により求められた下腿部１１の重心G2の加速度T(a
2x，a2z)のデータと、床反力推定手段３８により求めら
れる床反力（＝T(Ｆ1x，Ｆ1z)）のデータと、下腿部１
１のあらかじめ求められた重量m2のデータと、重力加速
度ｇの値とから、上記式（１１）により求められる。
【０１４０】また、図１４を参照して、下腿部１１の先
端部の足首部１２に作用するモーメントをＭ1、下腿部
１１の膝関節１０の部分に作用するモーメントをＭ2、
下腿部１１の重心G2の回りの慣性モーメントをIG2、下
腿部１１の重心G2の回りの角加速度をα2とする。ま
た、前記図４に対応させて、下腿部１１の重心G2と膝関
節１０の中心との間の距離をd2、下腿部１１の重心G2と
足首部１２との間の距離をd2’（＝Dd−d2）とすると、
下腿部１１の重心G2の回りの回転運動に関する運動方程
式は、次式（１２）となる。
【０１４１】 IG2・α2＝M1−M2＋F1x・d2’・cosθd−F1z・d2’・sinθd ＋F2x・d2・cosθd−F2z・d2・sinθd ゆえに M2＝M1−IG2・α2＋F1x・d2’・cosθd−F1z・d2’・sinθd ＋F2x・d2・cosθd−F2z・d2・sinθd ……（１２）
【０１４２】ここで、式（１２）中のM1は、同式（１
２）に係わる下腿部１１を有する脚体２について前記床
反力作用点推定手段３４により求められる床反力作用点
ベクトルと、該脚体２について前記床反力推定手段３８
により求められる床反力ベクトルとの外積（ベクトル
積）として得られるモーメントである。また、α2は、
前記脚体各部角加速度算出手段３３により求められる下
腿部１１の角加速度である。また、θdは前記脚体姿勢
算出手段２８により求められる下腿部１１の傾斜角度で
ある。また、T(Ｆ1x，Ｆ1z)は、前述の通り、床反力推
定手段３８により求められる床反力の推定値である。さ
らに、T(F2x，F2z)は、前記式（１１）により求められ
るものである。また、慣性モーメントIG2は下腿部１１
の重量m2やサイズのデータ等と共に、あらかじめ求めら
れて演算処理装置１６に記憶されるものである。
【０１４３】従って、膝関節１０に作用するモーメント
M2は、床反力推定手段３８による床反力の推定値のデー
タと、床反力作用点推定手段３４による床反力作用点ベ
クトルのデータと、脚体各部角加速度算出手段３３によ
る下腿部１１の角加速度α2のデータと、脚体姿勢算出
手段２８による下腿部１１の傾斜角度θdのデータと、
前記式（１１）により求められた関節反力T(F2x，F2z)
のデータと、あらかじめ求めた下腿部１１の慣性モーメ
ントIG2、サイズ（Dd）、重心G2の位置(d2)のデータと
から前記式（１２）により求められる。
【０１４４】関節モーメント推定手段３９は、上記のよ
うにして下腿部１１の膝関節１０の部分に作用するモー
メントM2を求めた後、その算出処理と同様の処理によっ
て、大腿部９の股関節８の部分に作用するモーメントを
求める。この処理の基本的な考え方は、膝関節１０のモ
ーメントM2を求める手法と同一であるので、詳細な図示
及び説明は省略するが、その概要は次の通りである。
【０１４５】すなわち、まず、大腿部９の重心G1（図４
参照）の並進運動に関する運動方程式に基づく次式（１
３）（前記式（１１）と同じ形の式）により、大腿部９
の股関節８の部分に作用する関節反力T(F3x，F3z)が求
められる。
【０１４６】 T(Ｆ3x，Ｆ3z)＝T(Ｆ2x−m1・a1x，Ｆ2z−m1・a1z−m1・ｇ) ……（１３）
【０１４７】ここで、T(Ｆ2x，Ｆ2z)は、先に前記式
（１１）により求めた膝関節１０の関節反力である。ま
た、T(a1x，a1z)は、前記脚体各部加速度算出手段３２
により求められる大腿部９の重心G1の絶対座標系Ｃfに
おける加速度（並進加速度）である。また、m1はあらか
じめ求めた大腿部９の重量、ｇは重力加速度である。
【０１４８】次いで、大腿部９の重心G1の回りの回転運
動に関する運動方程式に基づく次式（１４）（前記式
（１２）と同じ形の式）により、大腿部９の股関節８の
部分に作用するモーメントM3が求められる。
【０１４９】 M3＝M2−IG1・α1＋F2x・d1’・cosθc−F2z・d1’・sinθc ＋F3x・d1・cosθc−F3z・d1・sinθc ……（１４）
【０１５０】ここで、M2は、前記式（１２）により求め
られた膝関節１０のモーメント、T(Ｆ2x，Ｆ2z)は、前
記式（１１）により求められた膝関節１０の関節反力、
T(Ｆ3x，Ｆ3z)は、前記式（１３）により求められた股
関節８の関節反力、IG1は、あらかじめ求めた大腿部９
の重心G1の回りの慣性モーメント、α1は前記脚体各部
角加速度算出手段３３により求められる大腿部９の角加
速度、θcは前記脚体姿勢算出手段２８により求められ
る大腿部９の傾斜角度である。また、d1は、股関節８の
中心から大腿部９の重心G1までの距離（図４参照）、d
1’は、膝関節１０の中心から大腿部９の重心G1までの
距離（図４ではDc−d1）であり、これらは、あらかじめ
求めた重心G1の位置や大腿部９のサイズ（長さ）から定
まるものである。
【０１５１】以上説明した処理が、前記演算処理装置１
６のサイクルタイム毎に逐次実行され、各脚体２に作用
する床反力や、各脚体２の膝関節１０及び股関節８に作
用するモーメントが逐次リアルタイムで推定される。
【０１５２】尚、本明細書での詳細な説明は省略する
が、求められた膝関節１０や股関節８のモーメントの推
定値は、例えば人間１の歩行を補助する装置（膝関節１
０や股関節８に補助トルクを付与可能な電動モータ等を
含む装置）の制御に用いられる。
【０１５３】前述した演算処理装置１６の処理により求
められた床反力の推定値（詳しくは、該床反力の推定値
の絶対値）の経時変化の様子を図１５に実線で例示す
る。また、演算処理装置１６の処理により求められた膝
関節１０及び股関節８のモーメントの推定値の経時変化
の様子を図１６に実線で例示する。ここで、図１５及び
図１６は、人間１が平地をほぼ一定速度で歩行した場合
の例示である。この場合、図１５では、フォースメータ
等を用いて床反力を実測した比較例（床反力の真値に相
当するもの）が仮想線で併記されている。また、図１６
ではトルクメータ等を用いて膝関節１０及び股関節８の
モーメントを実測した比較例（膝関節１０及び股関節８
のモーメントの真値に相当するもの）が仮想線で併記さ
れている。
【０１５４】図１５を参照して明らかなように、本実施
形態によれば精度のよい床反力の推定値が得られている
ことが判る。また、本実施形態ではこの床反力の推定値
を用いることによって、図１６に示されるように、膝関
節１０や股関節８のモーメントも比較的精度よく推定す
ることができる。
【０１５５】以上のように、本実施形態によれば、脚体
２に人間１の歩行の邪魔となったり、脚体２の運動に負
担がかかるようなセンサを装着したりすることなく、股
関節８や股関節８に装着した角度センサ２２，２３や、
胴体５に装備したジャイロセンサ１４，１９及び加速度
センサ１５，２０，２１というような比較的小型で軽量
なセンサを用いて各脚体２に作用する床反力や、各脚体
２の股関節８及び膝関節１０に作用するモーメントをリ
アルタイムで容易に推定することができる。しかも、そ
の推定を、移動速度Ｖ等によらずに比較的精度よく行う
ことができる。
【０１５６】尚、以上説明した実施形態では、前記脚体
運動判断手段２４の処理では、両脚支持状態の開始時か
らの経過時間が前記両脚支持期間の推定値に達したとき
に、両脚支持状態の終了及び単脚支持状態の開始を判断
するようにしたが、例えば次のようにして、両脚支持状
態の終了及び単脚支持状態の開始を判断するようにして
もよい。すなわち、両脚支持状態で人間１の後方側に存
する脚体２（両脚支持状態の終了時に離床する脚体２）
について前記床反力推定手段３８により前記サイクルタ
イム毎に求められる床反力Ｆrの絶対値＝√(Ｆrx2+Ｆrz
2)を逐次あらかじめ定めた所定の閾値（略「０」の正の
値）と比較する。そして、その床反力Ｆrの絶対値が該
閾値以下に低下した時（該絶対値が略「０」になった
時）に、両脚支持状態の終了及び単脚支持状態の開始を
判断する。このようにしても、その判断を的確に行うこ
とができる。
【０１５７】また、前記実施形態では、本発明を人間１
に適用した場合を例にとって説明したが、二足歩行移動
体としての二足歩行ロボットにも本発明を適用すること
ができる。ここで、二足歩行ロボットでは、腰部と胸部
とが一体的な構造となっている場合があるが、この場合
には、ジャイロセンサや前後方向の加速度センサを腰部
及び胸部のいずれか一方だけに取り付けて、床反力や脚
体の関節のモーメントを本実施形態と同様に推定するよ
うにすることも可能である。また、二足歩行ロボットで
は、股関節や膝関節の屈曲角度は、それらの関節のアク
チュエータに対する制御装置の制御量により把握するよ
うにすることも可能である。
【０１５８】また、前記実施形態では、脚体２の運動状
態を判断するために、腰部上下加速度センサ２１の検出
データをそのまま用いたが、該検出データの代わりに、
例えば前記基準加速度計測手段２７により求められる絶
対座標系Ｃfでの腰部３の加速度ａ0の鉛直方向（Ｚ軸方
向）の成分の値を用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の床反力推定方法の基本的原理を説明す
るための図。
【図２】本発明の一実施形態における二足歩行移動体と
しての人間と該人間に装備する装置構成を模式化して示
す図。
【図３】図２の装置に備える演算処理装置の機能を説明
するためのブロック図。
【図４】図３の演算処理装置の処理に用いる剛体リンク
モデルを示す図。
【図５】通常歩行時における床反力作用点ベクトルの進
行方向成分と大腿部の傾斜角度との相関関係を示す線
図。
【図６】通常歩行時における床反力作用点ベクトルの鉛
直方向成分と大腿部の傾斜角度との相関関係を示す線
図。
【図７】椅子座り時における床反力作用点ベクトルの進
行方向成分と膝関節の屈曲角度との相関関係を示す線
図。
【図８】椅子立ち上がり時における床反力作用点ベクト
ルの進行方向成分と膝関節の屈曲角度との相関関係を示
す線図。
【図９】階段上り時における床反力作用点ベクトルの進
行方向成分と大腿部の傾斜角度との相関関係を示す線
図。
【図１０】階段下り時における床反力作用点ベクトルの
進行方向成分と大腿部の傾斜角度との相関関係を示す線
図。
【図１１】図３の演算処理装置の処理を説明するための
図。
【図１２】人間の移動速度と両脚支持期間との相関関係
を示す線図。
【図１３】（ａ）両脚支持時間と床反力の鉛直方向成分
との関係を示す線図。（ｂ）両脚支持時間と床反力の進
行方向成分との関係を示す線図。
【図１４】図３の演算処理装置の処理を説明するための
図。
【図１５】本発明の実施形態により求められた床反力の
推定値の経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１６】本発明の実施形態により求められた膝関節及
び股関節のモーメントの推定値の経時変化の様子を例示
するグラフ。
【符号の説明】
１…人間（二足歩行移動体）、２…脚体、３…腰部、４
…胸部、５…胴体、８…股関節、９…大腿部、１０…膝
関節、１１…下腿部、Ｏ…基準点。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 久 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 3C007 CS08 KS21 KS23 KS24 KS33 KX02 MT00 WA03 WA13 5H301 AA01 AA10 BB14 CC04 CC07 GG17

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】二足歩行移動体の各脚体に作用する床反力
    を推定する方法であって、 前記二足歩行移動体の脚体の運動状態がその一方のみの
    脚体が接地している単脚支持状態であるか両脚体が接地
    している両脚支持状態であるかを判断する第１ステップ
    と、前記二足歩行移動体の重心の位置を逐次求めつつ、
    該重心の位置の時系列データを用いて床に対して固定さ
    れた絶対座標系での該重心の加速度を逐次求める第２ス
    テップと、前記二足歩行移動体の重量と重力加速度と前
    記重心の加速度と各脚体に作用する床反力の合力である
    全床反力とにより表される該重心の運動方程式に基づ
    き、該全床反力の推定値を逐次求める第３ステップと、
    前記両脚支持状態が開始する毎にその開始時からの経過
    時間を該両脚支持状態の終了時まで逐次計測する第４ス
    テップと、少なくとも各回の両脚支持状態の開始以前に
    二足歩行移動体の移動速度を計測する第５ステップとを
    備え、 前記二足歩行移動体の単脚支持状態であるときには、前
    記全床反力の推定値を接地している単一の脚体に作用す
    る床反力の推定値として逐次求め、 前記二足歩行移動体の両脚支持状態であるときには、両
    脚体のうち、該二足歩行移動体の進行方向に向かって後
    側に存する一方の脚体に作用する床反力の、前記両脚支
    持状態の経過時間及び二足歩行移動体の移動速度に対す
    る変化の特性を表すものとしてあらかじめ定めた特性デ
    ータに基づき、該一方の脚体に作用する床反力の推定値
    を逐次求めると共に、その求めた該一方の脚体の床反力
    の推定値を前記全床反力の推定値から差し引くことによ
    り、他方の脚体に作用する床反力の推定値を逐次求める
    ことを特徴とする二足歩行移動体の床反力推定方法。
  2. 【請求項２】前記特性データは、前記両脚支持状態の開
    始時における前記全床反力に対する前記一方の脚体の床
    反力の割合と、該両脚支持状態の開始時から終了時まで
    の継続時間に対する前記経過時間の割合との関係を表す
    データであり、 前記二足歩行移動体の移動速度と前記両脚支持状態の継
    続時間とのあらかじめ定めた相関関係に基づいて、該移
    動速度の計測値から該両脚支持状態の継続時間を推定
    し、その両脚支持状態の継続時間の推定値と前記経過時
    間の計測値と該両脚支持状態の開始時における前記全床
    反力の推定値と前記特性データとから前記一方の脚体に
    作用する床反力の推定値を逐次求めることを特徴とする
    請求項１記載の二足歩行移動体の床反力推定方法。
  3. 【請求項３】前記二足歩行移動体の各脚体の膝関節の下
    側の下腿部の傾斜角度と該脚体の股関節及び膝関節の間
    の大腿部の傾斜角度とをそれぞれ各回の両脚支持状態の
    開始時に計測するステップと、各回の両脚支持状態の開
    始時に二足歩行移動体の進行方向に向かって後側に存す
    る脚体の股関節に対する該脚体の下腿部の下端部の位置
    の、前回の両脚支持状態の開始時からの該二足歩行移動
    体の進行方向における移動量を、該脚体の大腿部及び下
    腿部の傾斜角度の計測値と該脚体の大腿部及び下腿部の
    あらかじめ求めたサイズとに基づき該両脚支持状態の開
    始毎に算出するステップと、各回の両脚支持状態の開始
    時から次回の両脚支持状態の開始時までの経過時間を一
    歩分経過時間として計測するステップとを備え、前記第
    ５ステップでは、各回の両脚支持状態の開始毎に、その
    開始時に算出された前記移動量を、前回の両脚支持状態
    の開始時から今回の両脚支持状態の開始時までに計測さ
    れた前記一歩分経過時間により除算することにより、前
    記移動速度の計測値を求めることを特徴とする請求項１
    又は２記載の二足歩行移動体の床反力推定方法。
  4. 【請求項４】前記両脚体上に各脚体の股関節を介して支
    持された胴体の股関節寄りの下部の上下方向の加速度を
    逐次計測するステップを備え、前記第１ステップでは、
    前記胴体の下部の上下方向の加速度があらかじめ定めた
    所定の閾値以上に上昇した時に前記両脚支持状態が開始
    すると共に前記単脚支持状態が終了し、且つ、前記両脚
    支持状態で二足歩行移動体の進行方向に向かって後側の
    脚体に作用する前記床反力の推定値があらかじめ定めた
    所定の閾値以下に低下した時に前記両脚支持状態が終了
    すると共に前記単脚支持状態が開始するとして、前記二
    足歩行移動体の運動状態を判断することを特徴とする請
    求項１〜３のいずれか１項に記載の二足歩行移動体の床
    反力推定方法。
  5. 【請求項５】前記両脚体上に各脚体の股関節を介して支
    持された胴体の股関節寄りの下部の上下方向の加速度を
    計測するステップを備え、前記第１ステップでは、前記
    胴体の下部の上下方向の加速度があらかじめ定めた所定
    の閾値以上に上昇した時に前記両脚支持状態が開始する
    と共に前記単脚支持状態が終了し、且つ、前記両脚支持
    状態の開始時からの経過時間の計測値が該両脚支持状態
    の継続時間の推定値に達した時に前記両脚支持状態が終
    了すると共に前記単脚支持状態が開始するとして、前記
    二足歩行移動体の運動状態を判断することを特徴とする
    請求項２記載の二足歩行移動体の床反力推定方法。
  6. 【請求項６】前記両脚体上に各脚体の股関節を介して支
    持された胴体の傾斜角度と、各脚体の少なくとも股関節
    及び膝関節のそれぞれの屈曲角度と、前記二足歩行移動
    体のあらかじめ定めた基準点の前記絶対座標系における
    加速度とをそれぞれ逐次計測するステップを備え、前記
    第２ステップでは、前記胴体の傾斜角度と、前記股関節
    及び膝関節のそれぞれの屈曲角度と、前記二足歩行移動
    体を複数の剛体の連結体として表してなる剛体リンクモ
    デルと、該剛体リンクモデルの各剛体に対応する二足歩
    行移動体の各剛体相当部のあらかじめ求めた重量と、各
    剛体相当部における該剛体相当部のあらかじめ求めた重
    心の位置とに基づき、前記基準点に対する前記二足歩行
    移動体の重心の位置を逐次求めると共に、その重心の位
    置の時系列データに基づき該基準点に対する該重心の加
    速度を逐次求め、その基準点に対する該重心の加速度
    と、前記絶対座標系における該基準点の加速度とから該
    絶対座標系での前記重心の加速度を求めることを特徴と
    する請求項１〜５のいずれか１項に記載の二足歩行移動
    体の床反力推定方法。
  7. 【請求項７】前記基準点は、前記胴体に設定されている
    ことを特徴とする請求項６記載の二足歩行移動体の床反
    力推定方法。
  8. 【請求項８】前記胴体は、前記両脚体に股関節を介して
    連結された腰部と、該腰部上に該腰部に対して傾斜可能
    に存する胸部とを有し、前記重心の位置を求めるために
    用いる前記胴体の傾斜角度は、前記腰部及び胸部のそれ
    ぞれの傾斜角度であることを特徴とする請求項６又は７
    記載の二足歩行移動体の床反力推定方法。
  9. 【請求項９】前記剛体リンクモデルは、前記二足歩行移
    動体の各脚体の膝関節の下側の下腿部と、該膝関節及び
    前記股関節の間の大腿部と、前記腰部と、該腰部の上側
    に存する前記胸部を含む上体部とをそれぞれ剛体として
    表したモデルであることを特徴とする請求項８記載の二
    足歩行移動体の床反力推定方法。
  10. 【請求項１０】請求項１〜５のいずれか１項に記載の二
    足歩行移動体の床反力推定方法により逐次求めた前記各
    脚体に係る床反力の推定値を用いて前記二足歩行移動体
    の各脚体の少なくとも一つの関節に作用するモーメント
    を推定する方法であって、 前記両脚体上に各脚体の股関節を介して支持された胴体
    の傾斜角度と、前記各脚体の少なくとも股関節及び膝関
    節のそれぞれの屈曲角度と、記二足歩行移動体のあらか
    じめ定めた基準点の前記絶対座標系における加速度とを
    それぞれ逐次計測するステップと、 前記胴体の傾斜角度と、前記各脚体の股関節及び膝関節
    のそれぞれの屈曲角度と、前記二足歩行移動体を複数の
    剛体の連結体として表してなる剛体リンクモデルとに基
    づき、該剛体リンクモデルの各剛体に対応する二足歩行
    移動体の各剛体相当部の傾斜角度を逐次求めるステップ
    と、 前記各剛体相当部の傾斜角度と各剛体相当部のあらかじ
    め求めた重量と各剛体相当部における該剛体相当部のあ
    らかじめ求めた重心の位置とに基づき、前記基準点に対
    する各剛体相当部の重心の位置を逐次求めると共に、そ
    の各剛体相当部の重心の位置の時系列データに基づき該
    基準点に対する各剛体相当部の重心の加速度を逐次求め
    るステップと、 該基準点に対する各剛体相当部の重心の加速度と、前記
    絶対座標系における前記基準点の加速度とから該絶対座
    標系における各剛体相当部の重心の加速度を逐次求める
    ステップと、 前記各剛体相当部の傾斜角度の時系列データに基づき各
    剛体相当部の角加速度を逐次求めるステップと、 前記二足歩行移動体の剛体相当部としての各脚体の大腿
    部の傾斜角度と、該脚体の膝関節の屈曲角度とのうちの
    少なくとも一方に基づき、該二足歩行移動体における各
    脚体の床反力作用点の推定位置を逐次求めるステップと
    を備え、 前記床反力の推定値と、前記床反力作用点の推定位置
    と、前記絶対座標系における各剛体相当部の重心の加速
    度及び該剛体相当部の角加速度と、各剛体相当部の傾斜
    角度と、各剛体相当部のあらかじめ求めた重量及びサイ
    ズと、各剛体相当部における該剛体相当部のあらかじめ
    求めた重心の位置と、各剛体相当部のあらかじめ求めた
    慣性モーメントとを用いて逆動力学モデルに基づき前記
    二足歩行移動体の各脚体の少なくとも一つの関節に作用
    するモーメントを推定することを特徴とする二足歩行移
    動体の関節モーメント推定方法。
  11. 【請求項１１】請求項６〜９のいずれか１項に記載の二
    足歩行移動体の床反力推定方法により逐次求めた前記各
    脚体に係る床反力の推定値を用いて前記二足歩行移動体
    の各脚体の少なくとも一つの関節に作用するモーメント
    を推定する方法であって、 前記胴体の傾斜角度と、前記各脚体の股関節及び膝関節
    のそれぞれの屈曲角度と、前記剛体リンクモデルとに基
    づき、該剛体リンクモデルの各剛体に対応する二足歩行
    移動体の各剛体相当部の前記絶対座標系における傾斜角
    度を逐次求めるステップと、 前記各剛体相当部の傾斜角度と各剛体相当部のあらかじ
    め求めた重量と各剛体相当部における該剛体相当部の重
    心の位置とに基づき、前記基準点に対する各剛体相当部
    の重心の位置を逐次求めると共に、その各剛体相当部の
    重心の位置の時系列データに基づき該基準点に対する各
    剛体相当部の重心の加速度を逐次求めるステップと、 該基準点に対する各剛体相当部の重心の加速度と、前記
    絶対座標系における前記基準点の加速度とから該絶対座
    標系における各剛体相当部の重心の加速度を逐次求める
    ステップと、 前記各剛体相当部の傾斜角度の時系列データに基づき各
    剛体相当部の角加速度を逐次求めるステップと、 前記二足歩行移動体の剛体相当部としての各脚体の大腿
    部の傾斜角度と、該脚体の膝関節の屈曲角度とのうちの
    少なくとも一方に基づき、該二足歩行移動体における各
    脚体の床反力作用点の推定位置を逐次求めるステップと
    を備え、 前記床反力の推定値と、前記床反力作用点の推定位置
    と、前記絶対座標系における各剛体相当部の重心の加速
    度及び該剛体相当部の角加速度と、各剛体相当部の傾斜
    角度と、各剛体相当部のあらかじめ求めた重量及びサイ
    ズと、各剛体相当部における該剛体相当部のあらかじめ
    求めた重心の位置と、各剛体相当部のあらかじめ求めた
    慣性モーメントとを用いて逆動力学モデルに基づき前記
    二足歩行移動体の各脚体の少なくとも一つの関節に作用
    するモーメントを推定することを特徴とする二足歩行移
    動体の関節モーメント推定方法。
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