JP4188607B2 - 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 Download PDFInfo
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Description
【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、二足歩行ロボットの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、例えば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、まず、前記単脚支持状態において、二足歩行移動体が運動を行う床に対して固定的な絶対座標系における該二足歩行移動体の重心の運動方程式（詳しくは重心の並進運動に関する運動方程式）は、該重心の加速度と二足歩行移動体の重量との積が、該重心に作用する重力（＝二足歩行移動体の重量×重力加速度）と、接地している脚体の接地部に床から作用する床反力との合力に等しいという関係式になる。具体的には、例えば図１（ａ）に示すように、床Ａに対して固定した絶対座標系Ｃｆにおいて、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１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、接地している脚体２（支持脚側の脚体２）に係る床反力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】
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、床反力Ｆ＝T(Ｆx，Ｆz)の推定値を得ることができることとなる。
【００１５】
T(Ｆx，Ｆz)＝Ｍ・T(ａx，ａz−ｇ) ……（２）
【００１６】
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。
【００１７】
次に、前記両脚接地状態における二足歩行移動体の重心の運動方程式（詳しくは重心の並進運動に関する運動方程式）は、該重心の加速度と二足歩行移動体の重量との積が、該重心に作用する重力（＝二足歩行移動体の重量×重力加速度）と、両脚体のそれぞれの接地部に床から作用する床反力（両脚体にそれぞれ対応する二つの床反力）との合力に等しいという関係式になる。具体的には、図１（ｂ）に示すように二足歩行移動体１の進行方向に向かって前側の脚体２に係る床反力ＦfのＸＺ座標成分をＦfx，Ｆfz、後側の脚体２に係る床反力ＦrのＸＺ座標成分をＦrx，Ｆrzとおくと、重心Ｇ0の運動方程式は、次式（３）により表される。
【００１８】
T(Ｆfx＋Ｆrx，Ｆfz＋Ｆrz−Ｍ・ｇ)＝Ｍ・T(ａx，ａz) ……（３）
尚、式（３）中のａx，ａz，Ｍ，ｇの意味は前述のとおりである。
【００１９】
一方、本願発明者等の知見によれば、両脚支持状態において、各脚体２，２にそれぞれ係る床反力Ｆf，Ｆrは、概ね、図１（ｂ）に示すように、各脚体２，２の下端部近傍の特定部位１２f，１２r（例えば足首部）から二足歩行移動体１の重心Ｇ0に向かって作用するとみなすことができる。そして、このとき、前記重心Ｇ0に対する各脚体２，２の前記特定部位１２f，１２rの位置と、各脚体２，２に作用する床反力Ｆf，Ｆrとの間には一定の関係式、すなわち、前記重心Ｇ0と各脚体２，２の特定部位３f，３rとを結ぶ線分の向き（該重心Ｇ0に対する該特定部位３f，３rの位置ベクトルの向き）が該脚体２，２に係る床反力Ｆf，Ｆrの向きに等しいという関係を表す関係式が成立する。
【００２０】
具体的には、図１（ｂ）を参照して、前記絶対座標系Ｃｆにおける重心Ｇ0の位置の座標を（Ｘg，Ｚg）、前側脚体２の特定部位３fの位置の座標を（Ｘf，Ｚf）、後側脚体２の特定部位３rの位置の座標を（Ｘr，Ｚr）とおくと、上記の関係式は次式（４）となる。
【００２１】
(Ｚf−Ｚg)／(Ｘf−Ｘg)＝Ｆfz／Ｆfx
(Ｚr−Ｚg)／(Ｘr−Ｘg)＝Ｆrz／Ｆrx……（４）
【００２２】
そして、この式（４）と前記式（３）とから次式（５）が得られる。
【００２３】
Ｆfx＝Ｍ・｛ΔＸf・(ΔＺr・ａx−ΔＸr・ａz−ΔＸr・ｇ)｝／(ΔＸf・ΔＺr−ΔＸr・ΔＺf)
Ｆfz＝Ｍ・｛ΔＺf・(ΔＺr・ａx−ΔＸr・ａz−ΔＸr・ｇ)｝／(ΔＸf・ΔＺr−ΔＸr・ΔＺf)
Ｆrx＝Ｍ・｛ΔＸr・(−ΔＺf・ａx＋ΔＸf・ａz＋ΔＸf・ｇ)｝／(ΔＸf・ΔＺr−ΔＸr・ΔＺf)
Ｆrz＝Ｍ・｛ΔＺr・(−ΔＺf・ａx＋ΔＸf・ａz＋ΔＸf・ｇ)｝／(ΔＸf・ΔＺr−ΔＸr・ΔＺf)……（５）
（但し、ΔＺf＝Ｘf−Ｘg，ΔＺf＝Ｚf−Ｚg，ΔＸr＝Ｘr−Ｘg，ΔＺr＝Ｚr−Ｚg）
【００２４】
従って、二足歩行移動体１の重心Ｇ0の加速度ａ＝T(ａx，ａz)を把握するとと共に、二足歩行移動体１の重心Ｇ0に対する各脚体２，２のそれぞれの特定部位３f，３rの位置（これは式（５）ではΔＸf，ΔＺf，ΔＸr，ΔＺrにより表される）を把握すれば、その加速度ａ及び特定部位３f，３rの位置と、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、前記式（５）により、各脚体２毎の床反力Ｆf＝T(Ｆfx，Ｆfz)、Ｆr＝T(Ｆrx，Ｆrz)の推定値を得ることができることとなる。
【００２５】
この場合、床反力Ｆf，Ｆr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の加速度ａや重心Ｇ0の位置、該重心Ｇ0に対する前記特定部位３f，３rの位置については、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。
【００２６】
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、少なくとも前記両脚支持状態において各脚体の下端部近傍にあらかじめ定めた特定部位の前記重心に対する位置を逐次求める第３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、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接地している脚体に作用する前記床反力とにより表される該重心の運動方程式に基づき、接地している脚体に作用する前記床反力の推定値を逐次求め、前記二足歩行移動体の両脚支持状態であるときには、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両脚体のそれぞれに作用する前記床反力とにより表される該重心の運動方程式と、各脚体に作用する前記床反力が該脚体の前記特定部位から前記重心に向かって作用すると仮定して定まる、各脚体の特定部位の前記重心に対する位置と該脚体に作用する前記床反力との間の関係式とに基づき両脚体のそれぞれに作用する前記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。
【００２７】
かかる本発明によれば、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、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、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、接地している脚体に作用する前記床反力の推定値が求められる（式（２）参照）。
【００２８】
また、二足歩行移動体の両脚支持状態では、二足歩行移動体の重心の前述の運動方程式（式（３）参照）と、各脚体の特定部位の前記重心に対する位置と該脚体に作用する前記床反力との間の関係式（式（４））とに基づいて、二足歩行移動体の重量、重力加速度及び重心の加速度、並びに、重心に対する各脚体の特定部位の位置から、両脚体のそれぞれに作用する床反力の推定値が求められる（式（５）参照）。尚、単脚支持状態では、遊脚側の脚体（接地していない脚体）に作用する床反力は「０」である。
【００２９】
この場合、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、該重心に対する各脚体の特定部位の位置は、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。
【００３０】
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。
【００３１】
かかる本発明の床反力推定方法では、前記各脚体の特定部位は、該脚体の足首部であることが好適である。このようにすることにより、特に、両脚接地状態における前述の仮定の信頼性が高まる。このため、前記単脚支持状態における床反力の推定値はもちろん、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。つまり、脚体の運動状態によらずに、精度よく床反力を推定することができる。
【００３２】
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先行して離床する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。
【００３３】
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。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、上記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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
すなわち、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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に存する下腿部と、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。
【００４２】
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。
【００４３】
尚、上述のように胴体の傾斜角度等から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場合には、前記第３ステップでは、該基準点に対する各脚体の前記特定部位の位置を求めることで、二足歩行移動体の重心に対する前記特定部位の位置を求めることができる。この場合、基準点に対する前記特定部位の位置を求めるために必要なパラメータは、前記基準点の設定位置によって異なる。例えば、前記特定部位が各脚体の足首部であり、また、前記基準点を胴体に設定した場合には、該胴体の傾斜角度（胴体が前記腰部及び胸部を有する場合で、基準点が腰部に設定されている場合には、該腰部の傾斜角度）と、各脚体の股関節及び膝関節の屈曲角度と、各脚体の大腿部及び下腿部のサイズ（長さ）とに基づいて、基準点に対する各脚体の特定部位の位置を求めることが可能である。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
【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１０を参照して説明する。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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、CPU、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１６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。
【００５８】
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。
【００５９】
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１９（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。
【００６０】
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２０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。
【００６１】
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２３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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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１６は、腰部上下加速度センサ２１の検出データと、後述する床反力推定手段３６により求められた各脚体２の床反力の推定値のデータとを用いて、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。
【００６５】
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。
【００６６】
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θb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。
【００６７】
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θa、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の全体の重心の位置を求める身体重心位置算出手段３０と、その人間１の全体の重心G0（図１参照。以下、身体重心G0という）の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本実施形態における各脚体２の特定部位としての各脚体２の足首部１２の身体重心G0に対する位置（詳しくは、前記式（５）におけるΔＸf，ΔＺf，ΔＸr，ΔＺr）を求める足首位置算出手段３１と、前記身体重心位置算出手段３０による身体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３２とを備えている。
【００６８】
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３４と、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θc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３５とを備えている。
【００６９】
また、演算処理装置１６は、前記身体重心加速度算出手段３２による身体重心の加速度ａのデータと前記足首位置算出手段３１による各脚体２の足首部１２の身体重心に対する位置の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３６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３３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３４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３５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３７とを備えている。
【００７０】
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。
【００７１】
本実施形態では、例えば人間１が歩行等の脚体２の運動を行うに際して、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。
【００７２】
すなわち、まず、演算処理装置１６は、前記脚体運動判断手段２４の処理を実行する。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。
【００７３】
また、脚体運動判断手段２４の処理では、両脚支持状態で床反力推定手段３５により後述するように求められた両脚体２，２のそれぞれに作用する床反力Ｆf，Ｆr（図１（ｂ）参照）の推定値のうち、人間の進行方向に対して後側の脚体２に係る床反力Ｆr＝T(Ｆrx，Ｆrz)の推定値（詳しくは演算処理装置１６の前回のサイクルタイムで求められた床反力Ｆrの絶対値＝√(Ｆrx2+Ｆrz2)）があらかじめ定めた所定の閾値（略「０」の正の値）と比較される。そして、該床反力Ｆrの推定値の絶対値がその閾値以下に低下したときに、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される。尚、本実施形態では、脚体２の運動状態の初期状態は、両脚支持状態であり、いずれか一方の脚体２に係る床反力の推定値が上記閾値以下に低下するまでは、脚体運動判断手段２４は、脚体２の運動状態が両脚支持状態であると判断する。
【００７４】
上述のような脚体運動判断手段２４の処理と並行して、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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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θc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（６）により算出される。
【００７８】
θc＝θb＋Δθc ……（６）
【００７９】
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。
【００８０】
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（７）により算出される。
【００８１】
θd＝θc−Δθd ……（７）
【００８２】
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。
【００８３】
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（８）により絶対座標系Ｃfにおける加速度ａ0＝T(a0x，a0z）が求められる。
【００８４】
a0＝T(a0x，a0z）
＝T(ap・cosθb−aq・sinθb，ap・sinθb＋aq・cosθb−ｇ)……（８）
【００８５】
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の原点に対する位置）を求める。
【００８６】
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３８（以下、上体部３８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R4との連結部は腰部３に対する胸部４の傾動支点部３９である。
【００８７】
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３８）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。
【００８８】
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t1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t2の位置として表され、それらの距離t1，t2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、G3、G4の位置についても同様である。
【００８９】
尚、上体部３８の重心G4の位置は、厳密には、該上体部３８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３８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３８の重心G4の位置とほぼ同一となる。
【００９０】
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３８）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。
【００９１】
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、その相関関係に基づいて、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。
【００９２】
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３８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。
【００９３】
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３８）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。
【００９４】
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に関し、大腿部９の身体座標系Ｃp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、（t1・sinθc，−t1・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Ｌcとすると、（Ｌc・sinθc＋t2・sinθd，−Lc・cosθc−t2・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。
【００９５】
このようにして、各部重心位置算出手段２９により、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，zg）を求める。
【００９６】
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３８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G1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（x2R，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（９）により求められる。
【００９７】
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 ……（９）
【００９８】
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３２の処理と、前記足首位置算出手段３１の処理とを実行する。
【００９９】
この場合、身体重心加速度算出手段３２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，zg）の時系列データを用いて、身体座標系Ｃpにおける身体重心G0の位置（xg，zg）の２階微分値、すなわち、身体座標系Ｃpの原点Ｏに対する身体重心G0の加速度T(d2xg／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。
【０１００】
また、前記足首位置算出手段３１の処理では、まず、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のデータの今回値と、前記腰部傾斜角度計測手段２６により求められた腰部３の傾斜角度θbのデータの今回値と、該大腿部９及び下腿部１１のサイズ（長さ）のデータとから、前記各部重心位置算出手段２９の処理と同様の処理によって、前記身体座標系Ｃpにおける各脚体２の足首部１２の位置が求められる。具体的には、図４を参照して、同図４の左側に位置する脚体２に関し、下腿部１１の長さ（膝関節１０の中心から足首部１２までの長さ）をＬdとすると、身体座標系Ｃpにおける足首部１２の位置の座標（x12，z12）は、（Lc・sinθc＋Ld・sinθd，−Lc・cosθc−Ld・cosθd）となる（但し、図４ではθc＜０、θd＜０）。他方の脚体２についても同様である。
【０１０１】
そして、この足首部１２の身体座標系Ｃpにおける位置（x12，z12）と前記身体重心位置算出手段３０により求められた身体座標系Ｃpにおける身体重心G0の位置（xg，zg）のデータの今回値とから、身体重心Ｇ0に対する各脚体２の足首部１２の位置ベクトルT(x12−xg，z12−zg）、すなわち、前記式（５）におけるΔＸf，ΔＺf，ΔＸr，ΔＺrが求められる。
【０１０２】
次に、演算処理手段１６は、前記床反力推定手段３６の処理を次のように実行する。すなわち、この処理では、前記脚体運動判断手段２４により今回のサイクルタイムで判断された脚体２の運動状態が単脚支持状態である場合には、人間１の体重Ｍ及び重力加速度ｇの値（これらはあらかじめ演算処理装置１６に記憶されている）と、前記身体重心加速度算出手段３２により求められた絶対座標系Ｃfにおける身体重心G0の加速度ａ＝T(ａx，ａz)の今回値とから、前記式（２）により、接地している脚体２に作用する床反力Ｆ＝T(Ｆx，Ｆz)の推定値が求められる。尚、この場合、非接地側の脚体２（遊脚側の脚体２）に作用する床反力は、T(０，０)である。
【０１０３】
また、脚体運動判断手段２４により今回のサイクルタイムで判断された脚体２の運動状態が両脚支持状態である場合には、人間１の体重Ｍ及び重力加速度ｇと、前記身体重心加速度算出手段３２により求められた絶対座標系Ｃfにおける身体重心G0の加速度ａ＝T(ａx，ａz)の今回値と、前記足首位置算出手段３１により求められた各脚体２の足首部１２の身体重心G0に対する位置の今回値のデータ（式（５）のΔＸf，ΔＺf，ΔＸr，ΔＺrのデータの今回値）とから、前記式（５）により、各脚体２毎の床反力Ｆf＝T(Ｆfx，Ｆfz)、Ｆr＝T(Ｆrx，Ｆrz)の推定値が求められる。
【０１０４】
一方、演算処理装置１６は、上述のような身体重心位置算出手段３０、身体重心加速度加速度算出手段３２、足首位置算出手段３１、及び床反力推定手段３６の処理と並行して、前記脚体各部加速度算出手段３３、脚体各部角加速度算出手段３４、床反力作用点推定手段３５の処理を実行する。
【０１０５】
この場合、前記脚体各部加速度算出手段３３の処理では、前記身体重心加速度算出手段３２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G1，G2のそれぞれの加速度（身体座標系Ｃpの原点Ｏに対する加速度）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による腰部３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。
【０１０６】
また、前記脚体各部角加速度算出手段３４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。
【０１０７】
また、床反力作用点推定手段３５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により求められた大腿部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。
【０１０８】
すなわち、本願発明者の知見によれば、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。
【０１０９】
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１６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３５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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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２３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Δθd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。
【０１１５】
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Δθd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。
【０１１６】
上記の如く床反力作用点の位置を推定した後、次に、演算処理装置１６は、前記関節モーメント推定手段３７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３６、脚体各部加速度算出手段３３、脚体各部角加速度算出手段３４、床反力作用点推定手段３５、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。
【０１１７】
さらに詳細には、図１１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Ｃf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（１０）となる。
【０１１８】
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)……（１０）
【０１１９】
ここで、下腿部１１の重心G2の加速度T(a2x，a2z)は、前記脚体各部加速度算出手段３３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３６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、前記式（５）の床反力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（５）の床反力T(Ffx，Ffz）である。
【０１２０】
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３３により求められた下腿部１１の重心G2の加速度T(a2x，a2z)のデータと、床反力推定手段３６により求められる床反力（＝T(Ｆ1x，Ｆ1z)）のデータと、下腿部１１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（１０）により求められる。
【０１２１】
また、図１１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t2、下腿部１１の重心G2と足首部１２との間の距離をt2’（＝Ld−t2）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（１１）となる。
【０１２２】
IG2・α2＝M1−M2＋F1x・t2’・cosθd−F1z・t2’・sinθd＋F2x・t2・cosθd−F2z・t2・sinθd
ゆえに
M2＝M1−IG2・α2＋F1x・t2’・cosθd−F1z・t2’・sinθd＋F2x・t2・cosθd−F2z・t2・sinθd……（１１）
【０１２３】
ここで、式（１１）中のM1は、同式（１１）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３５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３６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３４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３６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（１０）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。
【０１２４】
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３６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３５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３４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（１０）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（Ld）、重心G2の位置(t2)のデータとから前記式（１１）により求められる。
【０１２５】
関節モーメント推定手段３７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。
【０１２６】
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（１２）（前記式（１０）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。
【０１２７】
T(Ｆ3x，Ｆ3z)＝T(Ｆ2x−m1・a1x，Ｆ2z−m1・a1z−m1・ｇ)……（１２）
【０１２８】
ここで、T(Ｆ2x，Ｆ2z)は、先に前記式（１０）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３３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。
【０１２９】
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（１３）（前記式（１１）と同じ形の式）により、大腿部９の股関節８の部分に作用するモーメントM3が求められる。
【０１３０】
M3＝M2−IG1・α1＋F2x・t1’・cosθc−F2z・t1’・sinθc＋F3x・t1・cosθc−F3z・t1・sinθc……（１３）
【０１３１】
ここで、M2は、前記式（１１）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（１０）により求められた膝関節１０の関節反力、T(Ｆ3x，Ｆ3z)は、前記式（１２）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３４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、t1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）、t1’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Lc−t1）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。
【０１３２】
以上説明した処理が、前記演算処理装置１６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。
【０１３３】
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１０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。
【０１３４】
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１２〜図１４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１５に実線で例示する。ここで、図１２及び図１５は、人間１が平地をほぼ一定速度で歩行した場合の例示、図１３は人間１が階段を歩行して昇った場合の例示、図１４は人間１が椅子に座った状態から立ち上がった場合の例示である。この場合、図１２〜図１４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１５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。
【０１３５】
図１２〜図１４を参照して明らかなように、本実施形態によれば、脚体２の運動形態や運動環境によらずに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１５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。
【０１３６】
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、平地での歩行、階段での歩行等、脚体２の運動形態や運動環境によらずに比較的精度よく行うことができる。
【０１３７】
尚、以上説明した実施形態では、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。
【０１３８】
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の演算処理装置の関節モーメント推定手段における処理を説明するための図。
【図１２】本発明の実施形態により求められた通常歩行時の床反力の推定値の経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１３】本発明の実施形態により求められた階段上り時の床反力の推定値の経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１４】本発明の実施形態により求められた椅子立ち上がり時の床反力の推定値の経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１５】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、１２…足首部（特定部位）、Ｏ…基準点。
【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、二足歩行ロボットの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、例えば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、まず、前記単脚支持状態において、二足歩行移動体が運動を行う床に対して固定的な絶対座標系における該二足歩行移動体の重心の運動方程式（詳しくは重心の並進運動に関する運動方程式）は、該重心の加速度と二足歩行移動体の重量との積が、該重心に作用する重力（＝二足歩行移動体の重量×重力加速度）と、接地している脚体の接地部に床から作用する床反力との合力に等しいという関係式になる。具体的には、例えば図１（ａ）に示すように、床Ａに対して固定した絶対座標系Ｃｆにおいて、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１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、接地している脚体２（支持脚側の脚体２）に係る床反力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】
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、床反力Ｆ＝T(Ｆx，Ｆz)の推定値を得ることができることとなる。
【００１５】
T(Ｆx，Ｆz)＝Ｍ・T(ａx，ａz−ｇ) ……（２）
【００１６】
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。
【００１７】
次に、前記両脚接地状態における二足歩行移動体の重心の運動方程式（詳しくは重心の並進運動に関する運動方程式）は、該重心の加速度と二足歩行移動体の重量との積が、該重心に作用する重力（＝二足歩行移動体の重量×重力加速度）と、両脚体のそれぞれの接地部に床から作用する床反力（両脚体にそれぞれ対応する二つの床反力）との合力に等しいという関係式になる。具体的には、図１（ｂ）に示すように二足歩行移動体１の進行方向に向かって前側の脚体２に係る床反力ＦfのＸＺ座標成分をＦfx，Ｆfz、後側の脚体２に係る床反力ＦrのＸＺ座標成分をＦrx，Ｆrzとおくと、重心Ｇ0の運動方程式は、次式（３）により表される。
【００１８】
T(Ｆfx＋Ｆrx，Ｆfz＋Ｆrz−Ｍ・ｇ)＝Ｍ・T(ａx，ａz) ……（３）
尚、式（３）中のａx，ａz，Ｍ，ｇの意味は前述のとおりである。
【００１９】
一方、本願発明者等の知見によれば、両脚支持状態において、各脚体２，２にそれぞれ係る床反力Ｆf，Ｆrは、概ね、図１（ｂ）に示すように、各脚体２，２の下端部近傍の特定部位１２f，１２r（例えば足首部）から二足歩行移動体１の重心Ｇ0に向かって作用するとみなすことができる。そして、このとき、前記重心Ｇ0に対する各脚体２，２の前記特定部位１２f，１２rの位置と、各脚体２，２に作用する床反力Ｆf，Ｆrとの間には一定の関係式、すなわち、前記重心Ｇ0と各脚体２，２の特定部位３f，３rとを結ぶ線分の向き（該重心Ｇ0に対する該特定部位３f，３rの位置ベクトルの向き）が該脚体２，２に係る床反力Ｆf，Ｆrの向きに等しいという関係を表す関係式が成立する。
【００２０】
具体的には、図１（ｂ）を参照して、前記絶対座標系Ｃｆにおける重心Ｇ0の位置の座標を（Ｘg，Ｚg）、前側脚体２の特定部位３fの位置の座標を（Ｘf，Ｚf）、後側脚体２の特定部位３rの位置の座標を（Ｘr，Ｚr）とおくと、上記の関係式は次式（４）となる。
【００２１】
(Ｚf−Ｚg)／(Ｘf−Ｘg)＝Ｆfz／Ｆfx
(Ｚr−Ｚg)／(Ｘr−Ｘg)＝Ｆrz／Ｆrx……（４）
【００２２】
そして、この式（４）と前記式（３）とから次式（５）が得られる。
【００２３】
Ｆfx＝Ｍ・｛ΔＸf・(ΔＺr・ａx−ΔＸr・ａz−ΔＸr・ｇ)｝／(ΔＸf・ΔＺr−ΔＸr・ΔＺf)
Ｆfz＝Ｍ・｛ΔＺf・(ΔＺr・ａx−ΔＸr・ａz−ΔＸr・ｇ)｝／(ΔＸf・ΔＺr−ΔＸr・ΔＺf)
Ｆrx＝Ｍ・｛ΔＸr・(−ΔＺf・ａx＋ΔＸf・ａz＋ΔＸf・ｇ)｝／(ΔＸf・ΔＺr−ΔＸr・ΔＺf)
Ｆrz＝Ｍ・｛ΔＺr・(−ΔＺf・ａx＋ΔＸf・ａz＋ΔＸf・ｇ)｝／(ΔＸf・ΔＺr−ΔＸr・ΔＺf)……（５）
（但し、ΔＺf＝Ｘf−Ｘg，ΔＺf＝Ｚf−Ｚg，ΔＸr＝Ｘr−Ｘg，ΔＺr＝Ｚr−Ｚg）
【００２４】
従って、二足歩行移動体１の重心Ｇ0の加速度ａ＝T(ａx，ａz)を把握するとと共に、二足歩行移動体１の重心Ｇ0に対する各脚体２，２のそれぞれの特定部位３f，３rの位置（これは式（５）ではΔＸf，ΔＺf，ΔＸr，ΔＺrにより表される）を把握すれば、その加速度ａ及び特定部位３f，３rの位置と、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、前記式（５）により、各脚体２毎の床反力Ｆf＝T(Ｆfx，Ｆfz)、Ｆr＝T(Ｆrx，Ｆrz)の推定値を得ることができることとなる。
【００２５】
この場合、床反力Ｆf，Ｆr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の加速度ａや重心Ｇ0の位置、該重心Ｇ0に対する前記特定部位３f，３rの位置については、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。
【００２６】
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、少なくとも前記両脚支持状態において各脚体の下端部近傍にあらかじめ定めた特定部位の前記重心に対する位置を逐次求める第３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、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接地している脚体に作用する前記床反力とにより表される該重心の運動方程式に基づき、接地している脚体に作用する前記床反力の推定値を逐次求め、前記二足歩行移動体の両脚支持状態であるときには、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両脚体のそれぞれに作用する前記床反力とにより表される該重心の運動方程式と、各脚体に作用する前記床反力が該脚体の前記特定部位から前記重心に向かって作用すると仮定して定まる、各脚体の特定部位の前記重心に対する位置と該脚体に作用する前記床反力との間の関係式とに基づき両脚体のそれぞれに作用する前記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。
【００２７】
かかる本発明によれば、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、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、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、接地している脚体に作用する前記床反力の推定値が求められる（式（２）参照）。
【００２８】
また、二足歩行移動体の両脚支持状態では、二足歩行移動体の重心の前述の運動方程式（式（３）参照）と、各脚体の特定部位の前記重心に対する位置と該脚体に作用する前記床反力との間の関係式（式（４））とに基づいて、二足歩行移動体の重量、重力加速度及び重心の加速度、並びに、重心に対する各脚体の特定部位の位置から、両脚体のそれぞれに作用する床反力の推定値が求められる（式（５）参照）。尚、単脚支持状態では、遊脚側の脚体（接地していない脚体）に作用する床反力は「０」である。
【００２９】
この場合、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、該重心に対する各脚体の特定部位の位置は、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。
【００３０】
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。
【００３１】
かかる本発明の床反力推定方法では、前記各脚体の特定部位は、該脚体の足首部であることが好適である。このようにすることにより、特に、両脚接地状態における前述の仮定の信頼性が高まる。このため、前記単脚支持状態における床反力の推定値はもちろん、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。つまり、脚体の運動状態によらずに、精度よく床反力を推定することができる。
【００３２】
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先行して離床する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。
【００３３】
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。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、上記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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
すなわち、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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に存する下腿部と、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。
【００４２】
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。
【００４３】
尚、上述のように胴体の傾斜角度等から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場合には、前記第３ステップでは、該基準点に対する各脚体の前記特定部位の位置を求めることで、二足歩行移動体の重心に対する前記特定部位の位置を求めることができる。この場合、基準点に対する前記特定部位の位置を求めるために必要なパラメータは、前記基準点の設定位置によって異なる。例えば、前記特定部位が各脚体の足首部であり、また、前記基準点を胴体に設定した場合には、該胴体の傾斜角度（胴体が前記腰部及び胸部を有する場合で、基準点が腰部に設定されている場合には、該腰部の傾斜角度）と、各脚体の股関節及び膝関節の屈曲角度と、各脚体の大腿部及び下腿部のサイズ（長さ）とに基づいて、基準点に対する各脚体の特定部位の位置を求めることが可能である。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
【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１０を参照して説明する。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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、CPU、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１６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。
【００５８】
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。
【００５９】
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１９（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。
【００６０】
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２０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。
【００６１】
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２３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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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１６は、腰部上下加速度センサ２１の検出データと、後述する床反力推定手段３６により求められた各脚体２の床反力の推定値のデータとを用いて、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。
【００６５】
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。
【００６６】
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θb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。
【００６７】
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θa、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の全体の重心の位置を求める身体重心位置算出手段３０と、その人間１の全体の重心G0（図１参照。以下、身体重心G0という）の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本実施形態における各脚体２の特定部位としての各脚体２の足首部１２の身体重心G0に対する位置（詳しくは、前記式（５）におけるΔＸf，ΔＺf，ΔＸr，ΔＺr）を求める足首位置算出手段３１と、前記身体重心位置算出手段３０による身体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３２とを備えている。
【００６８】
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３４と、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θc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３５とを備えている。
【００６９】
また、演算処理装置１６は、前記身体重心加速度算出手段３２による身体重心の加速度ａのデータと前記足首位置算出手段３１による各脚体２の足首部１２の身体重心に対する位置の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３６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３３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３４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３５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３７とを備えている。
【００７０】
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。
【００７１】
本実施形態では、例えば人間１が歩行等の脚体２の運動を行うに際して、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。
【００７２】
すなわち、まず、演算処理装置１６は、前記脚体運動判断手段２４の処理を実行する。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。
【００７３】
また、脚体運動判断手段２４の処理では、両脚支持状態で床反力推定手段３５により後述するように求められた両脚体２，２のそれぞれに作用する床反力Ｆf，Ｆr（図１（ｂ）参照）の推定値のうち、人間の進行方向に対して後側の脚体２に係る床反力Ｆr＝T(Ｆrx，Ｆrz)の推定値（詳しくは演算処理装置１６の前回のサイクルタイムで求められた床反力Ｆrの絶対値＝√(Ｆrx2+Ｆrz2)）があらかじめ定めた所定の閾値（略「０」の正の値）と比較される。そして、該床反力Ｆrの推定値の絶対値がその閾値以下に低下したときに、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される。尚、本実施形態では、脚体２の運動状態の初期状態は、両脚支持状態であり、いずれか一方の脚体２に係る床反力の推定値が上記閾値以下に低下するまでは、脚体運動判断手段２４は、脚体２の運動状態が両脚支持状態であると判断する。
【００７４】
上述のような脚体運動判断手段２４の処理と並行して、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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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θc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（６）により算出される。
【００７８】
θc＝θb＋Δθc ……（６）
【００７９】
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。
【００８０】
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（７）により算出される。
【００８１】
θd＝θc−Δθd ……（７）
【００８２】
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。
【００８３】
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（８）により絶対座標系Ｃfにおける加速度ａ0＝T(a0x，a0z）が求められる。
【００８４】
a0＝T(a0x，a0z）
＝T(ap・cosθb−aq・sinθb，ap・sinθb＋aq・cosθb−ｇ)……（８）
【００８５】
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の原点に対する位置）を求める。
【００８６】
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３８（以下、上体部３８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R4との連結部は腰部３に対する胸部４の傾動支点部３９である。
【００８７】
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３８）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。
【００８８】
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t1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t2の位置として表され、それらの距離t1，t2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、G3、G4の位置についても同様である。
【００８９】
尚、上体部３８の重心G4の位置は、厳密には、該上体部３８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３８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３８の重心G4の位置とほぼ同一となる。
【００９０】
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３８）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。
【００９１】
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、その相関関係に基づいて、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。
【００９２】
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３８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。
【００９３】
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３８）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。
【００９４】
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に関し、大腿部９の身体座標系Ｃp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、（t1・sinθc，−t1・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Ｌcとすると、（Ｌc・sinθc＋t2・sinθd，−Lc・cosθc−t2・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。
【００９５】
このようにして、各部重心位置算出手段２９により、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，zg）を求める。
【００９６】
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３８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G1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（x2R，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（９）により求められる。
【００９７】
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 ……（９）
【００９８】
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３２の処理と、前記足首位置算出手段３１の処理とを実行する。
【００９９】
この場合、身体重心加速度算出手段３２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，zg）の時系列データを用いて、身体座標系Ｃpにおける身体重心G0の位置（xg，zg）の２階微分値、すなわち、身体座標系Ｃpの原点Ｏに対する身体重心G0の加速度T(d2xg／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。
【０１００】
また、前記足首位置算出手段３１の処理では、まず、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のデータの今回値と、前記腰部傾斜角度計測手段２６により求められた腰部３の傾斜角度θbのデータの今回値と、該大腿部９及び下腿部１１のサイズ（長さ）のデータとから、前記各部重心位置算出手段２９の処理と同様の処理によって、前記身体座標系Ｃpにおける各脚体２の足首部１２の位置が求められる。具体的には、図４を参照して、同図４の左側に位置する脚体２に関し、下腿部１１の長さ（膝関節１０の中心から足首部１２までの長さ）をＬdとすると、身体座標系Ｃpにおける足首部１２の位置の座標（x12，z12）は、（Lc・sinθc＋Ld・sinθd，−Lc・cosθc−Ld・cosθd）となる（但し、図４ではθc＜０、θd＜０）。他方の脚体２についても同様である。
【０１０１】
そして、この足首部１２の身体座標系Ｃpにおける位置（x12，z12）と前記身体重心位置算出手段３０により求められた身体座標系Ｃpにおける身体重心G0の位置（xg，zg）のデータの今回値とから、身体重心Ｇ0に対する各脚体２の足首部１２の位置ベクトルT(x12−xg，z12−zg）、すなわち、前記式（５）におけるΔＸf，ΔＺf，ΔＸr，ΔＺrが求められる。
【０１０２】
次に、演算処理手段１６は、前記床反力推定手段３６の処理を次のように実行する。すなわち、この処理では、前記脚体運動判断手段２４により今回のサイクルタイムで判断された脚体２の運動状態が単脚支持状態である場合には、人間１の体重Ｍ及び重力加速度ｇの値（これらはあらかじめ演算処理装置１６に記憶されている）と、前記身体重心加速度算出手段３２により求められた絶対座標系Ｃfにおける身体重心G0の加速度ａ＝T(ａx，ａz)の今回値とから、前記式（２）により、接地している脚体２に作用する床反力Ｆ＝T(Ｆx，Ｆz)の推定値が求められる。尚、この場合、非接地側の脚体２（遊脚側の脚体２）に作用する床反力は、T(０，０)である。
【０１０３】
また、脚体運動判断手段２４により今回のサイクルタイムで判断された脚体２の運動状態が両脚支持状態である場合には、人間１の体重Ｍ及び重力加速度ｇと、前記身体重心加速度算出手段３２により求められた絶対座標系Ｃfにおける身体重心G0の加速度ａ＝T(ａx，ａz)の今回値と、前記足首位置算出手段３１により求められた各脚体２の足首部１２の身体重心G0に対する位置の今回値のデータ（式（５）のΔＸf，ΔＺf，ΔＸr，ΔＺrのデータの今回値）とから、前記式（５）により、各脚体２毎の床反力Ｆf＝T(Ｆfx，Ｆfz)、Ｆr＝T(Ｆrx，Ｆrz)の推定値が求められる。
【０１０４】
一方、演算処理装置１６は、上述のような身体重心位置算出手段３０、身体重心加速度加速度算出手段３２、足首位置算出手段３１、及び床反力推定手段３６の処理と並行して、前記脚体各部加速度算出手段３３、脚体各部角加速度算出手段３４、床反力作用点推定手段３５の処理を実行する。
【０１０５】
この場合、前記脚体各部加速度算出手段３３の処理では、前記身体重心加速度算出手段３２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G1，G2のそれぞれの加速度（身体座標系Ｃpの原点Ｏに対する加速度）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による腰部３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。
【０１０６】
また、前記脚体各部角加速度算出手段３４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。
【０１０７】
また、床反力作用点推定手段３５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により求められた大腿部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。
【０１０８】
すなわち、本願発明者の知見によれば、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。
【０１０９】
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１６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３５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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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２３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Δθd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。
【０１１５】
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Δθd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。
【０１１６】
上記の如く床反力作用点の位置を推定した後、次に、演算処理装置１６は、前記関節モーメント推定手段３７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３６、脚体各部加速度算出手段３３、脚体各部角加速度算出手段３４、床反力作用点推定手段３５、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。
【０１１７】
さらに詳細には、図１１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Ｃf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（１０）となる。
【０１１８】
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)……（１０）
【０１１９】
ここで、下腿部１１の重心G2の加速度T(a2x，a2z)は、前記脚体各部加速度算出手段３３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３６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、前記式（５）の床反力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（５）の床反力T(Ffx，Ffz）である。
【０１２０】
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３３により求められた下腿部１１の重心G2の加速度T(a2x，a2z)のデータと、床反力推定手段３６により求められる床反力（＝T(Ｆ1x，Ｆ1z)）のデータと、下腿部１１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（１０）により求められる。
【０１２１】
また、図１１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t2、下腿部１１の重心G2と足首部１２との間の距離をt2’（＝Ld−t2）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（１１）となる。
【０１２２】
IG2・α2＝M1−M2＋F1x・t2’・cosθd−F1z・t2’・sinθd＋F2x・t2・cosθd−F2z・t2・sinθd
ゆえに
M2＝M1−IG2・α2＋F1x・t2’・cosθd−F1z・t2’・sinθd＋F2x・t2・cosθd−F2z・t2・sinθd……（１１）
【０１２３】
ここで、式（１１）中のM1は、同式（１１）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３５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３６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３４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３６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（１０）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。
【０１２４】
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３６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３５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３４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（１０）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（Ld）、重心G2の位置(t2)のデータとから前記式（１１）により求められる。
【０１２５】
関節モーメント推定手段３７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。
【０１２６】
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（１２）（前記式（１０）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。
【０１２７】
T(Ｆ3x，Ｆ3z)＝T(Ｆ2x−m1・a1x，Ｆ2z−m1・a1z−m1・ｇ)……（１２）
【０１２８】
ここで、T(Ｆ2x，Ｆ2z)は、先に前記式（１０）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３３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。
【０１２９】
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（１３）（前記式（１１）と同じ形の式）により、大腿部９の股関節８の部分に作用するモーメントM3が求められる。
【０１３０】
M3＝M2−IG1・α1＋F2x・t1’・cosθc−F2z・t1’・sinθc＋F3x・t1・cosθc−F3z・t1・sinθc……（１３）
【０１３１】
ここで、M2は、前記式（１１）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（１０）により求められた膝関節１０の関節反力、T(Ｆ3x，Ｆ3z)は、前記式（１２）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３４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、t1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）、t1’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Lc−t1）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。
【０１３２】
以上説明した処理が、前記演算処理装置１６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。
【０１３３】
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１０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。
【０１３４】
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１２〜図１４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１５に実線で例示する。ここで、図１２及び図１５は、人間１が平地をほぼ一定速度で歩行した場合の例示、図１３は人間１が階段を歩行して昇った場合の例示、図１４は人間１が椅子に座った状態から立ち上がった場合の例示である。この場合、図１２〜図１４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１５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。
【０１３５】
図１２〜図１４を参照して明らかなように、本実施形態によれば、脚体２の運動形態や運動環境によらずに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１５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。
【０１３６】
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、平地での歩行、階段での歩行等、脚体２の運動形態や運動環境によらずに比較的精度よく行うことができる。
【０１３７】
尚、以上説明した実施形態では、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。
【０１３８】
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の演算処理装置の関節モーメント推定手段における処理を説明するための図。
【図１２】本発明の実施形態により求められた通常歩行時の床反力の推定値の経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１３】本発明の実施形態により求められた階段上り時の床反力の推定値の経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１４】本発明の実施形態により求められた椅子立ち上がり時の床反力の推定値の経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１５】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、１２…足首部（特定部位）、Ｏ…基準点。
Claims (9)
- 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、少なくとも前記両脚支持状態において各脚体の下端部近傍にあらかじめ定めた特定部位の前記重心に対する位置を逐次求める第３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、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接地している脚体に作用する前記床反力とにより表される該重心の運動方程式に基づき、接地している脚体に作用する前記床反力の推定値を逐次求め、
前記二足歩行移動体の両脚支持状態であるときには、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両脚体のそれぞれに作用する前記床反力とにより表される該重心の運動方程式と、各脚体に作用する前記床反力が該脚体の前記特定部位から前記重心に向かって作用すると仮定して定まる、各脚体の特定部位の前記重心に対する位置と該脚体に作用する前記床反力との間の関係式とに基づき両脚体のそれぞれに作用する前記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。 - 前記各脚体の特定部位は、該脚体の足首部であ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。
- 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、前記両脚支持状態で先行して離床する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又は２記載の二足歩行移動体の床反力推定方法。
- 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１〜３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。
- 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４記載の二足歩行移動体の床反力推定方法。
- 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４又は５記載の二足歩行移動体の床反力推定方法。
- 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に存する下腿部と、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６記載の二足歩行移動体の床反力推定方法。
- 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、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。 - 請求項４〜７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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