JP4291092B2 - Method for estimating joint moments of biped walking objects - Google Patents
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Description
本発明は、人間や2足歩行ロボット等の2足歩行移動体の各脚体の関節に作用するモーメント(関節モーメント)を推定する方法に関する。 The present invention relates to a method for estimating a moment (joint moment) acting on a joint of each leg of a biped walking moving body such as a human or a biped walking robot.
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を行なう場合、人間の脚体の関節に実際に作用する関節モーメントを把握することが必要となる。この関節モーメントを把握することで、歩行アシスト装置の目標補助力を適正に決定することが可能となる。また、2足歩行ロボットにおいても、その動作制御を行なうために、脚体の各関節に実際に作用する関節モーメントを適宜把握する必要が生じる場合がある。 For example, when performing motion control of a walking assist device that assists a human walking motion, it is necessary to grasp a joint moment that actually acts on a joint of a human leg. By grasping the joint moment, it is possible to appropriately determine the target assisting force of the walking assist device. Further, even in a biped walking robot, it may be necessary to appropriately grasp the joint moment actually acting on each joint of the leg in order to control its operation.
そこで、本願出願人は先に、例えば特開2003−89083号公報(特許文献1)等にて人間等の2足歩行移動体の脚体の関節モーメントを推定する手法を提案した。この手法では、2足歩行移動体の脚体の各関節の変位量(回転角)や、所定部位の加速度、角速度が所要のセンサを用いて計測され、それらの計測データや2足歩行移動体の剛体リンクモデル等を用いて各脚体に作用する床反力ベクトルとその作用点の位置とが推定される。ここで、剛体リンクモデルは、2足歩行移動体の構造を、複数の剛体要素を複数の関節要素で連結してなる連結体として表現するモデルであり、2足歩行移動体の全体重心の位置や、各剛体要素および各関節要素にそれぞれ対応する2足歩行移動体の剛体相当部(大腿部、下腿部、腰部等)および関節(膝関節、股関節等)の位置・姿勢を推定するために用いられる他、2足歩行移動体の動力学的な挙動を記述するモデルの基礎として用いられる。なお、剛体リンクモデルの各剛体要素には、その重量や長さ、重心の位置(各剛体要素上での位置)が付随的にあらかじめ設定される。 Therefore, the applicant of the present application has previously proposed a method for estimating the joint moment of the leg of a biped walking moving body such as a human being, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-89083 (Patent Document 1). In this method, the displacement amount (rotation angle) of each joint of the leg of the biped walking moving body, the acceleration and angular velocity of a predetermined part are measured using a required sensor, and the measurement data and the biped walking moving body are measured. The floor reaction force vector acting on each leg and the position of the point of action are estimated using a rigid link model or the like. Here, the rigid link model is a model that expresses the structure of the biped walking moving body as a connected body formed by connecting a plurality of rigid elements by a plurality of joint elements, and the position of the overall center of gravity of the biped walking moving body. Also, estimate the position / posture of rigid body equivalent parts (thighs, lower legs, hips, etc.) and joints (knee joints, hip joints, etc.) of the biped walking moving body corresponding to each rigid body element and each joint element. It is used as a basis for a model that describes the dynamic behavior of a bipedal mobile body. Each rigid element of the rigid link model is preliminarily preset with its weight and length, and the position of the center of gravity (position on each rigid element).
そして、上記特許文献1のものでは、推定した床反力ベクトルとその作用点の位置と剛体リンクモデルとを用いて、逆動力学モデルに基づく演算処理によって各脚体の膝関節や股関節の関節モーメントが推定される。逆動力学モデルは、それを一般的に言えば、物体に作用する外力と位置情報とを既知として(該外力および位置情報を入力パラメータとして)、該物体の内力である反力やモーメントを推定するための動力学モデルであり、物体の運動(位置の時系列パターン)と該物体に作用する力やモーメントとの関係を表すものである。特許文献1の手法では、逆動力学モデルは、前記剛体リンクモデルの各剛体要素の運動(並進運動および回転運動)に関する運動方程式を基に構築され、各脚体の関節モーメントが、床反力ベクトルの作用点により近い関節側のものから順番に推定される。
And in the thing of the said
ところで、特許文献1のもののように関節モーメントを推定する場合、床反力ベクトルやその作用点、並びに逆動力学モデルは、ある1つの座標系で記述する必要がある。そして、特許文献1のものでは、その座標系として床に固定した絶対座標系が用いられていた。
By the way, when estimating a joint moment like the thing of the
このように絶対座標系を用いた場合には、2足歩行移動体のある所定部位(詳しくは剛体リンクモデルのある剛体要素に対応する剛体相当部)の絶対座標系での傾斜角、例えば鉛直方向に対する傾斜角を把握しつつ、2足歩行移動体のある基準部位に対する相対的な位置・姿勢として把握される2足歩行移動体の各部位(剛体リンクモデルの各剛体要素に対応する剛体相当部)の位置・姿勢を絶対座標系での値に変換しなければならない。また、床反力ベクトルや関節モーメントを求める場合、剛体リンクモデルの各胴体要素の重心の絶対座標系での位置も推定する必要があるので、それらの重心の位置を絶対座標系で表すための演算処理(座標変換処理)も必要となる。従って、上記傾斜角を用いた座標変換等の演算処理が多数、必要となる。 When the absolute coordinate system is used in this way, an inclination angle in an absolute coordinate system of a predetermined portion of the biped walking moving body (specifically, a rigid body corresponding portion corresponding to a rigid body element having a rigid link model), for example, a vertical Each part of a biped walking moving body that is grasped as a relative position / posture of a biped walking moving body with respect to a reference part while grasping an inclination angle with respect to a direction (equivalent to a rigid body corresponding to each rigid element of the rigid link model) Part)) must be converted to values in the absolute coordinate system. Also, when calculating the floor reaction force vector and the joint moment, it is necessary to estimate the position of the center of gravity of each fuselage element of the rigid link model in the absolute coordinate system. Arithmetic processing (coordinate conversion processing) is also required. Accordingly, a large number of arithmetic processes such as coordinate conversion using the tilt angle are required.
この場合、2足歩行移動体のある所定部位の鉛直方向に対する傾斜角の計測手法としては、角速度を検出するジャイロセンサの検出値を積分する手法、該ジャイロセンサと加速度センサとを併用して所謂カルマンフィルタの手法で傾斜角を推定する手法、あるいは、振子式の傾斜計で傾斜角を直接検出する手法等が一般的に知られている。しかるにこれらのいずれの手法でも、ジャイロセンサの検出値の積分に伴う誤差の蓄積や2足歩行移動体の運動時の慣性加速度などの影響で、一般には鉛直方向に対する傾斜角を十分に満足できる精度で計測することはできない場合が多い。従って、2足歩行移動体のある所定の部位の絶対座標系における傾斜角を高精度で把握することは一般には困難である。このため、上記のようにその傾斜角を用いた座標変換等の演算処理を多数、必要となる特許文献1の手法では、演算誤差が蓄積し易く、それが関節モーメントの推定精度を向上させる妨げとなっていた。
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、2足歩行移動体の重力方向に対する傾斜情報を使用する演算処理を可能な限り少なくして、脚体の関節モーメントの推定精度を高めることができる2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。 The present invention has been made in view of such a background, and it is possible to improve the estimation accuracy of the joint moment of the leg by minimizing the arithmetic processing using the tilt information with respect to the direction of gravity of the biped walking moving body as much as possible. It is an object of the present invention to provide a joint moment estimation method for a biped walking mobile body that can be used.
本発明の2足歩行移動体の関節モーメント推定方法は、2足歩行移動体を、複数の剛体要素が少なくとも該2足歩行移動体の各脚体の股関節及び膝関節に対応する関節要素を含む複数の関節要素で連結された連結体として表現する剛体リンクモデルを用い、該2足歩行移動体の各脚体の少なくとも1つの関節に作用する関節モーメントを推定する方法であって、前記剛体リンクモデルの各関節要素に対応する前記2足歩行移動体の各関節の変位量を逐次把握する第1ステップと、前記剛体リンクモデルの所定の1つの剛体要素に固定された座標系としてあらかじめ設定された身体座標系の原点の加速度ベクトルの該身体座標系での値を少なくとも前記2足歩行移動体に装着した加速度センサの出力を用いて逐次把握する第2ステップと、前記2足歩行移動体の各脚体に作用する床反力ベクトルの前記身体座標系での値を逐次把握する第3ステップと、前記床反力ベクトルの作用点の位置ベクトルの前記身体座標系での値を逐次把握する第4ステップと、前記第1乃至第4ステップで把握した2足歩行移動体の各関節の変位量と前記身体座標系の原点の加速度ベクトルの値と前記床反力ベクトルの値とその作用点の位置ベクトルの値とを用いて、前記剛体リンクモデルの各剛体要素の運動と該剛体要素に作用する並進力およびモーメントとの関係を前記身体座標系を用いて表す逆動力学モデルに基づいて前記2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関節モーメントを逐次推定する第5ステップを備えると共に、
前記2足歩行移動体の全体重心の位置ベクトルの前記身体座標系での値を前記第1ステップで把握した2足歩行移動体の各関節の変位量と前記剛体リンクモデルとを用いて逐次把握する第6ステップと、その全体重心の位置ベクトルの値の時系列データおよび前記第2ステップで把握した身体座標系の原点の加速度ベクトルの値から該全体重心の加速度ベクトルの身体座標系での値を逐次把握する第7ステップと、前記2足歩行移動体の運動状態が一対の脚体のうちの一方の脚体のみ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逐次判断する第8ステップと、前記身体座標系が固定された剛体要素に対応する2足歩行移動体の剛体相当部の鉛直方向に対する傾斜角を逐次把握する第9ステップと、2足歩行移動体の各脚体毎に該脚体が接地しているか否かを逐次判断する第10ステップと、接地している各脚体の足首関節の位置ベクトルの前記身体座標系での値と該脚体の足平部の中足趾節関節の位置ベクトルの前記身体座標系での値とを前記第1ステップで把握した2足歩行移動体の各関節の変位量と前記剛体リンクモデルとを用いて逐次把握する第11ステップと、前記第6ステップで把握した前記全体重心の位置ベクトルの値と前記第11ステップで把握した、接地している各脚体の足首関節および該脚体の足平部の中足趾節関節のそれぞれの位置ベクトルの値と前記第9ステップで把握した傾斜角とに基づいて少なくとも該全体重心、接地している各脚体の足首関節および該脚体の足平部の中足趾節関節の位置関係と該脚体の足首関節の鉛直方向位置を逐次把握する第12ステップと、その把握した全体重心、接地している各脚体の足首関節および該脚体の足平部の中足趾節関節の位置関係に基づき該脚体に作用する床反力ベクトルの作用点の水平面内位置を推定すると共に該脚体の足首関節の鉛直方向位置に基づき該脚体に作用する床反力ベクトルの作用点の鉛直方向位置を逐次推定する第13ステップとを備え、
前記第3ステップは、2足歩行移動体の運動状態が前記単脚支持状態であるときには、前記第7ステップで把握した前記全体重心の加速度ベクトルの値と2足歩行移動体の全体重量と接地している脚体に作用する床反力ベクトルとにより表される該2足歩行移動体の全体重心の運動方程式に基づいて該床反力ベクトルの身体座標系での値を把握し、2足歩行移動体の運動状態が前記両脚支持状態であるときには、前記第7ステップで把握した前記全体重心の加速度ベクトルの値と2足歩行移動体の全体重量と両脚体のそれぞれに作用する床反力ベクトルとにより表される該2足歩行移動体の全体重心の運動方程式と、各脚体に作用する床反力ベクトルが該脚体の下端部近傍にあらかじめ定めた特定部から2足歩行移動体の全体重心に向かって作用するベクトルであると仮定して定まる、2足歩行移動体の全体重心に対する該脚体の特定部の相対位置と該脚体に作用する床反力ベクトルとの間の関係式とに基づいて両脚体のそれぞれに作用する床反力ベクトルの身体座標系での値を把握し、
前記第4ステップは、該第13ステップで推定された床反力ベクトルの作用点の水平面内位置および鉛直方向位置と前記第9ステップで把握された傾斜角とに基づき前記身体座標系での作用点の位置ベクトルの値を把握することを特徴とするものである。
The joint moment estimating method for a biped walking mobile body of the present invention includes a biped walking mobile body, and a plurality of rigid elements include joint elements corresponding to at least the hip joint and knee joint of each leg of the biped walking mobile body. A method of estimating a joint moment acting on at least one joint of each leg of the biped walking moving body using a rigid body link model expressed as a connected body connected by a plurality of joint elements, the rigid body link A first step of sequentially grasping the displacement amount of each joint of the biped walking moving body corresponding to each joint element of the model, and a coordinate system fixed in advance to a predetermined one rigid body element of the rigid body link model A second step of sequentially grasping at least the value of the acceleration vector at the origin of the body coordinate system using the output of an acceleration sensor attached to the biped walking moving body, A third step of sequentially grasping a value in the body coordinate system of a floor reaction force vector acting on each leg of the foot-walking moving body; and a position vector of an action point of the floor reaction force vector in the body coordinate system The fourth step of sequentially grasping the value, the amount of displacement of each joint of the biped walking mobile body grasped in the first to fourth steps, the value of the acceleration vector at the origin of the body coordinate system, and the floor reaction force vector Inverse power that expresses the relationship between the motion of each rigid element of the rigid link model and the translational force and moment acting on the rigid element using the body coordinate system using the value and the value of the position vector of the action point Rutotomoni comprising a fifth step of sequentially estimating joint moments acting on at least one of the joints of each leg of the biped walking mobile body on the basis of the academic models,
The position vector of the total center of gravity of the biped walking moving body is sequentially grasped using the displacement amount of each joint of the biped walking moving body obtained in the first step and the rigid link model. And the time series data of the position vector value of the entire center of gravity and the acceleration vector value of the origin of the body coordinate system grasped in the second step, the value of the acceleration vector of the entire center of gravity in the body coordinate system And the biped walking mobile body is in a single-leg support state in which only one of the pair of legs is grounded, or both legs are grounded. An eighth step of sequentially determining whether or not both legs are supported; and a ninth step of sequentially grasping an inclination angle with respect to a vertical direction of a rigid body equivalent part of a biped walking moving body corresponding to a rigid element to which the body coordinate system is fixed. Step and 2 A tenth step of sequentially determining whether or not each leg of the walking moving body is in contact with the ground; and a value in the body coordinate system of the position vector of the ankle joint of each of the grounded legs The displacement amount of each joint of the biped walking moving body obtained by the first step and the value of the position vector of the middle foot joint joint of the foot of the leg in the body coordinate system, the rigid link model, 11 and the position of the position of the overall center of gravity grasped in the sixth step and the ankle joint of each grounded leg grasped in the eleventh step and the leg joint Based on the value of each position vector of the metatarsal joint joint of the foot and the inclination angle grasped in the ninth step, at least the overall center of gravity, the ankle joint of each leg that is in contact with the ground, and the leg Positional relationship of the midfoot phalanx joint of the foot and the ankle of the leg Based on the twelfth step of sequentially grasping the vertical position of the knot, and the grasped total center of gravity, the ankle joint of each leg that is in contact with the ground, and the positional relationship of the midfoot toe joint of the foot of the leg Estimating the position in the horizontal plane of the point of action of the floor reaction force vector acting on the leg, and determining the vertical position of the point of action of the floor reaction force vector acting on the leg based on the vertical position of the ankle joint of the leg A thirteenth step of sequentially estimating,
In the third step, when the motion state of the biped walking mobile body is the single leg support state, the acceleration vector value of the total center of gravity grasped in the seventh step, the total weight of the biped walking mobile body, and the ground contact The value of the floor reaction force vector in the body coordinate system is grasped based on the motion equation of the overall center of gravity of the biped walking moving body represented by the floor reaction force vector acting on the leg that is When the motion state of the walking moving body is the both-leg supporting state, the value of the acceleration vector of the entire center of gravity grasped in the seventh step, the total weight of the biped walking moving body, and the floor reaction force acting on each of the both legs The biped walking moving body from the specific part in which the equation of motion of the entire center of gravity of the biped walking moving body represented by the vector and the floor reaction force vector acting on each leg is predetermined near the lower end of the leg. Towards the overall center of gravity Based on the relational expression between the relative position of the specific part of the leg with respect to the total center of gravity of the biped walking moving body and the floor reaction force vector acting on the leg Grasping the value in the body coordinate system of the floor reaction force vector acting on each leg,
In the fourth step, the action in the body coordinate system is performed based on the position in the horizontal plane and the vertical position of the action point of the floor reaction force vector estimated in the thirteenth step and the inclination angle grasped in the ninth step. It is characterized by grasping the value of the position vector of the point .
かかる本発明によれば、前記剛体リンクモデルの各関節要素に対応する2足歩行移動体の各関節の変位量(関節の回転角等)を逐次把握すると共に、剛体リンクモデルの所定の剛体要素に固定された身体座標系の原点の加速度ベクトルの身体座標系での値と、床反力ベクトルおよびその作用点の位置ベクトルの身体座標系での値とを逐次把握することで、主に身体座標系で記述されるアルゴリズムによって関節モーメントを推定することが可能となる。すなわち、前記第1ステップで把握した各関節の変位量(これは剛体リンクモデルの各関節要素の変位量に相当する)によって、前記剛体リンクモデルの各剛体要素に対応する2足歩行移動体の各剛体相当部の相対的な位置関係および姿勢関係を逐次把握することができるので、身体座標系の原点から見た2足歩行移動体の各剛体相当部の位置および姿勢(向き)(剛体リンクモデルの各剛体要素の位置及び姿勢)を逐次把握できる。従って、各剛体要素あるいはそれに対応する2足歩行移動体の各剛体相当部の、身体座標系の原点から見た運動状態(位置、速度、加速度などの状態)を逐次把握できる。さらに、前記第2ステップで加速度センサの出力を用いて把握した身体座標系の原点の加速度ベクトルの身体座標系での値(詳しくは加速度ベクトルの、身体座標系での座標成分値の組)を用いることによって、身体座標系を固定した前記所定の剛体要素に対応する2足歩行移動体の剛体相当部の運動(地面に対する運動)とその剛体相当部に対する2足歩行移動体の各部の相対的な運動とを合わせた全体的な運動に伴う剛体リンクモデルの各剛体要素の加速度等の運動状態を身体座標系での値によって逐次把握できることとなる。なお、前記身体座標系の原点の加速度ベクトルには、重力に伴う慣性加速度成分が含まれる。そして、このように剛体リンクモデルの各剛体要素の加速度等の運動状態を身体座標系での値によって逐次把握できるので、前記第3ステップおよび第4ステップで床反力ベクトルおよびその作用点の位置ベクトルの身体座標系での値(詳しくは、床反力ベクトルのおよびその作用点の位置ベクトルのそれぞれの、身体座標系での座標成分値の組)とを把握することで、前記逆動力学モデルを身体座標系で表現することが可能となり、身体座標系での床反力ベクトルの値、その作用点の位置ベクトルの値、各剛体要素の位置、加速度等の運動状態の値を用いた逆動力学モデルの演算処理によって脚体の関節に作用する関節モーメントを推定することが可能となる。
ここで、より詳しくは、前記床反力ベクトルの身体座標系での値を把握する前記第3ステップにおいては、単脚支持状態と両脚支持状態とで2足歩行移動体の全体重心の運動方程式(全体重心の並進運動に関する運動方程式)を基本として、接地している脚体に作用する床反力ベクトルを推定するので、2足歩行移動体の歩行の妨げあるいは負担となるような荷重センサを使用することなく、床反力ベクトルを推定できる。なお、両脚支持状態では、全体重心の運動方程式だけでは各脚体のそれぞれに作用する床反力ベクトルを特定できないが、各脚体に作用する床反力ベクトルが該脚体の下端部近傍にあらかじめ定めた特定部(例えば各脚体の足首関節、床反力作用点等)から2足歩行移動体の全体重心に向かって作用するベクトルであると仮定して定まる、2足歩行移動体の全体重心に対する該脚体の特定部の相対位置と該脚体に作用する床反力ベクトルとの間の関係式をさらに用いることによって、各脚体毎の床反力ベクトルを推定できる。この場合、前記運動方程式で必要となる2足歩行移動体の全体重心の加速度ベクトルは、その身体座標系での値が前記第7ステップで逐次求められるので、その全体重心の運動方程式を身体座標系の座標成分値だけで記述することができる。また、前記2足歩行移動体の全体重心に対する脚体の特定部の相対位置と該脚体に作用する床反力ベクトルとの間の関係式も身体座標系の座標成分値だけで記述できる。従って、身体座標系での床反力ベクトルの値を、2足歩行移動体の傾斜情報(鉛直方向あるいは水平方向に対する傾斜状態)を把握することなく求めることができる。
また、2足歩行移動体の接地している脚体に作用する床反力ベクトルの作用点の水平面内位置は、その脚体の足首関節と中足趾節関節と2足歩行移動体の全体重心との相対的位置関係に密接に関係している。また、床反力ベクトルの作用点の鉛直方向位置は、脚体の足首関節の鉛直方向位置とほぼ一定の相関性を有する。従って、前記床反力ベクトルの作用点の位置ベクトルの身体座標系での値を把握する第4ステップにおいて、2足歩行移動体の全体重心、接地している各脚体の足首関節および該脚体の足平部の中足趾節関節の位置関係に基づき該脚体に作用する床反力ベクトルの作用点の水平面内位置を把握することができると共に該脚体の足首関節の鉛直方向位置に基づき該脚体に作用する床反力ベクトルの作用点の鉛直方向位置を把握することができる。そして、その把握した水平面内位置および鉛直方向位置と身体座標系が固定された剛体要素に対応する2足歩行移動体の剛体相当部の鉛直方向に対する傾斜角とを用いることで、身体座標系での床反力ベクトルの作用点の位置ベクトルを求めることができる。
このように床反力作用点の位置ベクトルの身体座標系での値を把握する場合には、身体座標系が固定された剛体要素に対応する2足歩行移動体の剛体相当部の鉛直方向に対する傾斜角を傾斜角検出用のセンサ(角速度センサや傾斜計)を用いて把握する必要がある。しかし、本発明では、その傾斜角は、床反力ベクトルの作用点を推定するためにだけ使用すればよいので、その傾斜角を用いる演算は必要最低限に抑えられる。従って、該傾斜角が誤差を有するような場合であっても、演算誤差の累積を最小限に抑えることができ、ひいては、関節モーメントの推定精度を十分な精度に確保できる。また、瞬間的に比較的大きな荷重がかかりやすい足平部の底部に圧力分布センサを設けずに済むため、関節モーメントの推定のための装置構成の耐久性上の利点もある。
According to the present invention, the displacement amount (joint rotation angle, etc.) of each joint of the biped walking moving body corresponding to each joint element of the rigid link model is sequentially grasped, and the predetermined rigid body element of the rigid link model is obtained. By sequentially grasping the value in the body coordinate system of the acceleration vector of the origin of the body coordinate system fixed to the body, and the value in the body coordinate system of the floor reaction force vector and the position vector of its action point, The joint moment can be estimated by an algorithm described in the coordinate system. That is, the displacement amount of each joint grasped in the first step (this corresponds to the displacement amount of each joint element of the rigid link model) of the biped walking moving body corresponding to each rigid element of the rigid link model. Since the relative positional relationship and posture relationship of each rigid body equivalent part can be grasped sequentially, the position and orientation (direction) of each rigid body equivalent part of the biped walking moving body viewed from the origin of the body coordinate system (rigid body link) The position and orientation of each rigid element of the model can be grasped sequentially. Therefore, it is possible to sequentially grasp the motion state (position, speed, acceleration, etc.) of each rigid body element or each rigid body equivalent part of the biped walking mobile body corresponding to the rigid body element as viewed from the origin of the body coordinate system. Further, the value in the body coordinate system of the acceleration vector at the origin of the body coordinate system obtained using the output of the acceleration sensor in the second step (specifically, the set of coordinate component values in the body coordinate system of the acceleration vector) By using the biped walking moving body corresponding to the predetermined rigid body element with a fixed body coordinate system, the movement of the biped walking moving body (movement with respect to the ground) and the relative position of each part of the biped walking moving body with respect to the rigid body corresponding portion Thus, the motion state such as the acceleration of each rigid body element of the rigid body link model accompanying the overall motion combined with the proper motion can be sequentially grasped by the value in the body coordinate system. The acceleration vector at the origin of the body coordinate system includes an inertial acceleration component due to gravity. Since the motion state such as the acceleration of each rigid body element of the rigid body link model can be successively grasped by the values in the body coordinate system in this way, the floor reaction force vector and the position of the action point thereof in the third step and the fourth step. By grasping the value of the vector in the body coordinate system (specifically, the set of coordinate component values in the body coordinate system of the position vector of the floor reaction force vector and its action point), the inverse dynamics The model can be expressed in the body coordinate system, and the value of the floor reaction force vector in the body coordinate system, the value of the position vector of the action point, the position of each rigid body element, the value of motion state such as acceleration, etc. It becomes possible to estimate the joint moment acting on the joint of the leg by the calculation process of the inverse dynamic model .
More specifically, in the third step of grasping the value of the floor reaction force vector in the body coordinate system, the equation of motion of the entire center of gravity of the biped walking moving body in the single leg support state and the both leg support state is used. Since the ground reaction force vector acting on the grounded leg is estimated based on (the equation of motion related to the translational motion of the entire center of gravity), a load sensor that hinders or burdens the walking of a bipedal moving body is used. The floor reaction force vector can be estimated without using it. In addition, in the state where both legs are supported, the floor reaction force vector acting on each leg cannot be specified only by the equation of motion of the entire center of gravity, but the floor reaction force vector acting on each leg is near the lower end of the leg. The biped walking moving body determined by assuming that the vector acts from the specific part (for example, ankle joint of each leg, the floor reaction force acting point, etc.) toward the entire center of gravity of the biped walking moving body. The floor reaction force vector for each leg can be estimated by further using a relational expression between the relative position of the specific part of the leg with respect to the total center of gravity and the floor reaction force vector acting on the leg. In this case, since the acceleration vector of the entire center of gravity of the biped walking moving body required in the equation of motion is obtained sequentially in the seventh step, the equation of motion of the entire center of gravity is obtained as the body coordinate. It can be described only by the coordinate component values of the system. Further, the relational expression between the relative position of the specific part of the leg with respect to the total center of gravity of the biped walking moving body and the floor reaction force vector acting on the leg can also be described only by the coordinate component value of the body coordinate system. Accordingly, the value of the floor reaction force vector in the body coordinate system can be obtained without grasping the inclination information (inclination state with respect to the vertical direction or the horizontal direction) of the biped walking moving body.
In addition, the position in the horizontal plane of the point of action of the floor reaction force vector acting on the grounded leg of the biped walking moving body is the ankle joint, the middle foot joint joint of the leg, and the entire biped walking moving body. It is closely related to the relative positional relationship with the center of gravity. Further, the vertical position of the action point of the floor reaction force vector has a substantially constant correlation with the vertical position of the ankle joint of the leg. Therefore, in the fourth step of grasping the value of the position vector of the action point of the floor reaction force vector in the body coordinate system, the overall center of gravity of the biped walking mobile body, the ankle joint of each leg that is grounded, and the leg It is possible to grasp the position in the horizontal plane of the point of action of the floor reaction force vector acting on the leg based on the positional relationship of the middle foot joint joint of the foot part of the body, and the vertical position of the ankle joint of the leg The vertical position of the point of action of the floor reaction force vector acting on the leg can be grasped based on this. Then, by using the grasped position in the horizontal plane and the vertical position and the inclination angle with respect to the vertical direction of the rigid body equivalent part of the biped walking moving body corresponding to the rigid body element to which the body coordinate system is fixed, The position vector of the action point of the floor reaction force vector can be obtained.
Thus, when grasping the value in the body coordinate system of the position vector of the floor reaction force acting point, the vertical direction of the rigid body equivalent part of the biped walking moving body corresponding to the rigid body element to which the body coordinate system is fixed is determined. It is necessary to grasp the inclination angle using a sensor (angular velocity sensor or inclinometer) for detecting the inclination angle. However, in the present invention, the inclination angle only needs to be used for estimating the action point of the floor reaction force vector, so that the calculation using the inclination angle can be minimized. Therefore, even when the tilt angle has an error, the accumulation of calculation errors can be minimized, and the joint moment estimation accuracy can be ensured with sufficient accuracy. In addition, since it is not necessary to provide a pressure distribution sensor at the bottom of the foot where a relatively large load is likely to be applied instantaneously, there is also an advantage in durability of the device configuration for estimating the joint moment.
このように本発明によれば、身体座標系での各剛体要素あるいはこれに対応する2足歩行移動体の各剛体相当部の運動状態の値を用いて脚体の関節モーメントを推定できるので、2足歩行移動体の傾斜情報(2足歩行移動体のある部位が鉛直方向あるいは水平方向に対してどれだけ傾いているか等の情報)を使用する演算処理を少なくできる。その結果、脚体の関節モーメントの推定精度を高めることができる。 As described above, according to the present invention, the joint moment of the leg can be estimated using the value of the motion state of each rigid body element in the body coordinate system or the corresponding rigid body of the biped walking mobile body corresponding thereto. It is possible to reduce the calculation processing using the inclination information of the biped walking moving body (information such as how much the part where the biped walking moving body is inclined with respect to the vertical direction or the horizontal direction). As a result, it is possible to improve the estimation accuracy of the joint moment of the leg.
かかる本発明では、前記加速度センサは、基本的には2足歩行移動体のどの剛体相当部に装着されていてもよいが、前記身体座標系が固定された剛体要素に対応する2足歩行移動体の剛体相当部に装着されていることが好ましい(第2発明)。すなわち、身体座標系が固定された剛体要素に対応する2足歩行移動体の剛体相当部以外の部位に加速度センサが装着されている場合には、その装着部位の加速度ベクトルから、2足歩行移動体の関節の変位量等を用いて身体座標系が固定された剛体要素に対応する剛体相当部の加速度ベクトルを算出する必要がある。これに対して、第2発明の如く、身体座標系が固定された剛体要素に対応する剛体相当部に加速度センサが装着されている場合には、該身体座標系の原点と加速度センサとの位置関係が固定されているので、2足歩行移動体の関節の変位量を使用することなく身体座標系の原点の加速度ベクトルの身体座標系での値を加速度センサの出力から把握することができる。その結果、把握する身体座標系の原点の加速度ベクトルの身体座標系での値の精度を高めることができる。 In the present invention, the acceleration sensor may be basically attached to any rigid body equivalent part of the biped walking moving body, but the biped walking movement corresponding to the rigid body element to which the body coordinate system is fixed. It is preferable that it is mounted on a rigid body equivalent part (second invention). That is, when an acceleration sensor is attached to a part other than the rigid body equivalent part of the biped walking moving body corresponding to the rigid body element having a fixed body coordinate system, the biped walking movement is performed from the acceleration vector of the wearing part. It is necessary to calculate an acceleration vector of a rigid body equivalent portion corresponding to a rigid body element having a fixed body coordinate system using a displacement amount of a body joint or the like. On the other hand, as in the second invention, when an acceleration sensor is attached to a rigid body corresponding part corresponding to a rigid element having a fixed body coordinate system, the position of the origin of the body coordinate system and the acceleration sensor Since the relationship is fixed, the value of the acceleration vector at the origin of the body coordinate system in the body coordinate system can be grasped from the output of the acceleration sensor without using the amount of displacement of the joint of the biped walking moving body. As a result, the accuracy of the value in the body coordinate system of the acceleration vector at the origin of the body coordinate system to be grasped can be improved.
さらに、上記第2発明では、前記身体座標系が固定された剛体要素は、前記2足歩行移動体の一対の股関節に対応する一対の関節要素を連結する剛体要素であることが好ましい(第3発明)。すなわち、2足歩行移動体の一対の股関節に対応する一対の関節要素を連結する剛体要素は2足歩行移動体の腰部に対応するものであり、該腰部は、一般に2足歩行移動体の移動時の動きが比較的小さい。このため、加速度センサの出力の急変を少なくして、該加速度センサの出力を比較的安定させることができ、ひいては、把握する身体座標系の原点の加速度ベクトルの身体座標系での値の精度を高めることができる。 Furthermore, in the second invention, the rigid body element to which the body coordinate system is fixed is preferably a rigid body element that connects a pair of joint elements corresponding to a pair of hip joints of the biped walking mobile body (third invention). That is, the rigid body element that connects the pair of joint elements corresponding to the pair of hip joints of the biped walking mobile body corresponds to the waist of the biped walking mobile body, and the waist is generally moved by the biped walking mobile body. The movement of time is relatively small. For this reason, sudden changes in the output of the acceleration sensor can be reduced and the output of the acceleration sensor can be made relatively stable. As a result, the accuracy of the value of the acceleration vector at the origin of the body coordinate system to be grasped can be improved. Can be increased.
前記第1〜第3発明では、前記第3ステップおよび第4ステップでそれぞれ把握する床反力ベクトルの値およびその作用点の位置ベクトルの値は3次元の値であるときには、床反力ベクトルの作用点の水平面内位置(2足歩行移動体の前後方向および左右方向での位置)は、次のように把握することができる。すなわち、前記第12ステップは、前記全体重心が接地している脚体の足首関節に対して2足歩行移動体の前後方向で後側に存在する場合には、該脚体の足首関節の水平面内位置(前後方向および左右方向での位置)を該脚体に作用する床反力ベクトルの作用点の水平面内位置(前後方向および左右方向での位置)として推定し、前記全体重心が接地している脚体の足平部の中足趾節関節に対して2足歩行移動体の前後方向で前側に存在する場合には、該脚体の足平部の中足趾節関節の水平面内位置(前後方向および左右方向での位置)を該脚体に作用する床反力ベクトルの作用点の水平面内位置(前後方向および左右方向での位置)として推定し、前記全体重心が接地している脚体の足首関節に対して2足歩行移動体の前後方向で前側に存在し、且つ該脚体の足平部の中足趾節関節に対して後側に存在する場合には、該脚体の足首関節と中足趾節関節とを結ぶ線分上で前記全体重心と前後方向の位置が同一となる点の水平面内位置(前後方向および左右方向での位置)を該脚体に作用するの床反力ベクトルの作用点の水平面内位置(前後方向および左右方向での位置)として推定する(第4発明)。 In the first to third aspects of the invention, when the value of the floor reaction force vector and the value of the position vector of the action point grasped in the third step and the fourth step are three-dimensional values, the floor reaction force vector The position of the action point in the horizontal plane (the position of the biped walking moving body in the front-rear direction and the left-right direction) can be grasped as follows. That is, in the twelfth step, when the entire center of gravity exists on the rear side in the front-rear direction of the biped walking moving body with respect to the ankle joint of the leg with which the entire center of gravity is grounded, the horizontal plane of the ankle joint of the leg The inner position (the position in the front-rear direction and the left-right direction) is estimated as the position in the horizontal plane (the position in the front-rear direction and the left-right direction) of the point of action of the floor reaction force vector acting on the leg, and the overall center of gravity is grounded. In the horizontal plane of the metatarsal joint of the leg of the leg, when it is present in the front and rear direction of the biped walking moving body with respect to the metatarsal joint of the leg of the leg The position (the position in the front-rear direction and the left-right direction) is estimated as the position in the horizontal plane (the position in the front-rear direction and the left-right direction) of the point of action of the floor reaction force vector acting on the leg, and the overall center of gravity is grounded Existing in the front-rear direction of the biped walking moving body with respect to the ankle joint of the leg And the entire center of gravity on a line segment connecting the ankle joint of the leg and the metatarsal phalanx joint, The position in the horizontal plane (the position in the front-rear direction and the left-right direction) of the point where the position in the front-rear direction is the same as the position in the horizontal plane of the action point of the floor reaction force vector acting on the leg (in the front-rear direction and the left-right direction) ( The fourth invention ).
すなわち、前記全体重心が接地している脚体の足首関節に対して2足歩行移動体の前後方向で後側に存在する場合には、該脚体は、通常、その足平部の踵で接地しており、その接地箇所は、該脚体の足首関節のほぼ直下に存在する。従って、この場合には、該脚体の足首関節の水平面内位置(前後方向および左右方向での位置)を該脚体に作用する床反力ベクトルの作用点の水平面内位置(前後方向および左右方向での位置)として推定できる。また、前記全体重心が接地している脚体の足平部の中足趾節関節に対して2足歩行移動体の前後方向で前側に存在する場合には、該脚体は、通常、その足平部のつま先で接地しており、その接地箇所は、該脚体の足平部の中足趾節関節のほぼ直下に存在する。従って、この場合には、該脚体の足平部の中足趾節関節の水平面内位置(前後方向および左右方向での位置)を該脚体に作用する床反力ベクトルの作用点の水平面内位置(前後方向および左右方向での位置)として推定できる。また、全体重心が接地している脚体の足首関節に対して2足歩行移動体の前後方向で前側に存在し、且つ該脚体の足平部の中足趾節関節に対して後側に存在する場合には、床反力ベクトルの作用点の前後方向での位置は全体重心の前後方向での位置とほぼ同じである。また、足平部は、概ね足首関節から中足趾節関節まで延在する剛体とみなせるので、床反力ベクトルの作用点は、足首関節と中足趾節関節とを結ぶ線分を床面に投影した線分上に存在すると考えることができる。従って、この場合には、脚体の足首関節と中足趾節関節とを結ぶ線分上で前記全体重心と前後方向の位置が同一となる点の水平面内位置(前後方向および左右方向での位置)を該脚体に作用する床反力ベクトルの作用点の水平面内位置(前後方向および左右方向での位置)として推定することができる。 That is, when the entire center of gravity is located behind the ankle joint of the leg that is in contact with the ground in the front-rear direction of the biped walking moving body, the leg usually has a foot of the foot. It is grounded, and the grounding point exists almost directly below the ankle joint of the leg. Accordingly, in this case, the position in the horizontal plane (position in the front-rear direction and the left-right direction) of the ankle joint of the leg is determined as the position in the horizontal plane (front-rear direction and left-right direction) of the point of action of the floor reaction force vector acting on the leg Position in the direction). In addition, when the entire center of gravity is present on the anterior side in the front-rear direction of the biped walking moving body with respect to the midfoot phalanx joint of the foot part of the leg, the leg is usually The toe of the foot part is grounded, and the grounding point exists almost immediately below the metatarsal joint joint of the foot part of the leg. Therefore, in this case, the horizontal plane position of the floor reaction force vector acting on the leg is set in the horizontal plane position (position in the front-rear direction and the left-right direction) of the middle foot phalanx joint of the foot part of the leg. It can be estimated as an internal position (position in the front-rear direction and the left-right direction). In addition, it exists on the front side in the front-rear direction of the biped walking moving body with respect to the ankle joint of the leg whose overall center of gravity is grounded, and on the posterior side of the midfoot phalanx joint of the foot part of the leg , The position of the action point of the floor reaction force vector in the front-rear direction is substantially the same as the position of the overall center of gravity in the front-rear direction. In addition, since the foot part can be regarded as a rigid body extending from the ankle joint to the middle foot joint joint, the action point of the floor reaction force vector is the line segment connecting the ankle joint and the middle foot joint joint. It can be considered that it exists on the line segment projected onto. Therefore, in this case, the position in the horizontal plane (in the front-rear direction and the left-right direction) where the overall center of gravity is the same as the front-rear direction position on the line segment connecting the ankle joint of the leg and the middle foot phalanx joint. Position) can be estimated as a horizontal plane position (position in the front-rear direction and the left-right direction) of the point of action of the floor reaction force vector acting on the leg.
また、上記第1〜第4発明では、床反力作用点ベクトルの鉛直方向位置の推定に関しては、例えば、前記第13ステップは、接地している脚体に作用する床反力ベクトルの鉛直方向位置を、前記第12ステップで把握された脚体の足首関節の鉛直方向位置からあらかじめ定めた所定値だけ鉛直方向下方に離れた位置として推定する(第5発明)。すなわち、2足歩行移動体の歩行時等に接地している脚体の足首関節は、一般に床面から概ね一定の高さの位置に存在する。従って、脚体の足首関節の鉛直方向位置から、あらかじめ定めた所定値(上記一定の高さに相当する所定値)だけ鉛直方向下方に離れた位置を床反力ベクトルの作用点の鉛直方向位置として推定できる。 In the first to fourth aspects of the invention , regarding the estimation of the vertical position of the floor reaction force action point vector, for example, the thirteenth step is the vertical direction of the floor reaction force vector acting on the grounded leg. The position is estimated as a position that is separated vertically downward by a predetermined value from the vertical position of the ankle joint of the leg grasped in the twelfth step ( fifth invention ). In other words, the ankle joint of the leg that is in contact with the ground when the bipedal walking body is walking or the like is generally located at a certain height from the floor. Accordingly, the position in the vertical direction of the point of action of the floor reaction force vector is a position that is vertically downward from the vertical position of the ankle joint of the leg by a predetermined value (predetermined value corresponding to the certain height). Can be estimated.
接地している脚体の足首関節の床面からの高さは上記の如く概ね一定の高さであるが、2足歩行移動体の移動時に脚体の足平部の底面のつま先側の部分だけが接地している状態では、該脚体の足首関節の床面からの高さは、該足平部の底面のほぼ全体または踵側の部分が接地している場合に較べて多少高くなる。従って、床反力ベクトルの作用点の鉛直方向位置の推定精度をより高める上では、第5発明で次のようにすることが好ましい。 The height of the grounded leg from the floor of the ankle joint is substantially constant as described above, but the toe side portion of the bottom of the leg of the leg when moving the biped walking mobile In the state where only the ground is in contact, the height of the leg from the floor of the ankle joint is slightly higher than that in the case where almost the entire bottom surface or the heel side of the foot is grounded. . Therefore, in order to further improve the estimation accuracy of the position in the vertical direction of the action point of the floor reaction force vector, it is preferable to perform the following in the fifth aspect .
すなわち、前記第10ステップでは、接地していると判断した脚体について、さらに該脚体の足平部のつま先側部分および踵側部分のそれぞれ接地の有無を判断し、前記第12ステップでは、前記接地している脚体の足首関節の鉛直方向位置に加えて該脚体の足平部の中足趾節関節の鉛直方向位置を把握するようにする。そして、前記第13ステップでは、前記第10ステップで足平部のつま先側部分および踵側部分のうちのつま先側部分のみが接地していると判断されたときには、前記所定値の代りに、前記第12ステップで把握した前記足首関節の鉛直方向位置と中足趾節関節の鉛直方向位置とから求められる該足首関節と中足趾節関節との鉛直方向の距離を用いて前記床反力ベクトルの作用点の鉛直方向位置を推定する(第6発明)。 That is, in the tenth step, for the leg determined to be grounded, the toe side portion and the heel side portion of the foot portion of the leg are further determined for grounding, and in the twelfth step, In addition to the vertical position of the ankle joint of the leg that is grounded, the vertical position of the metatarsal joint of the foot of the leg is grasped. In the thirteenth step, when it is determined in the tenth step that only the toe side portion of the toe side portion and the heel side portion of the foot is grounded, instead of the predetermined value, The floor reaction force vector is calculated using the vertical distance between the ankle joint and the middle foot phalanx joint obtained from the vertical position of the ankle joint and the middle foot phalanx joint obtained in the twelfth step. estimating the lead straight direction position of the point of action (the sixth invention).
これによれば、接地している脚体の足平部のつま先側部分だけが接地していると判断される状態では、脚体の足首関節の鉛直方向位置から、足首関節と中足趾節関節との鉛直方向距離だけ鉛直下方に離れた位置が床反力ベクトルの作用点の鉛直方向位置として推定される。その結果、床反力ベクトルの作用点の鉛直方向位置の推定精度を高めることができる。 According to this, in the state where it is determined that only the toe side portion of the foot portion of the leg that is grounded is grounded, the ankle joint and the middle ankle joint are determined from the vertical position of the ankle joint of the leg. A position that is vertically downward from the joint by a vertical distance is estimated as the vertical position of the point of action of the floor reaction force vector. As a result, it is possible to improve the estimation accuracy of the vertical position of the action point of the floor reaction force vector.
以上説明した各発明では、前記第3ステップおよび第4ステップでそれぞれ把握する床反力ベクトルの値およびその作用点の位置ベクトルの値は、3次元の値であることが好ましい(第7発明)。これによれば、2足歩行移動体の空間的な挙動に則して床反力ベクトルの値およびその作用点の位置ベクトルの値を把握するので、それらを基に把握される関節モーメントの推定精度を高めることができる。 In each of the inventions described above, it is preferable that the value of the floor reaction force vector and the value of the position vector of the action point respectively grasped in the third step and the fourth step are three-dimensional values ( seventh invention ). . According to this, since with reference to the spatial behavior of the two-legged walking mobile body to grasp the values of and the position vector of the point of action of the floor reaction force vector estimated in the joint moment they Ru is grasped based on Accuracy can be increased.
本発明の実施形態を図1〜図10を参照して説明する。図1は本発明を2足歩行移動体としての人間に適用した実施形態での全体的装置構成を模式的に示す図である。同図に示すように、人間1は、その構成を大別すると、左右一対の脚体2,2と、胴体3と、左右一対の腕体4,4と、頭部5とを有する。胴体3は、腰部6、腹部7、および胸部8から構成され、その腰部6が脚体2,2のそれぞれに左右一対の股関節9,9を介して連結されて両脚体2,2上に支持されている。また、胴体3の胸部8の左右の両側部からそれぞれ腕体4,4が延設されると共に、胸部8の上端に頭部5が支持されている。各脚体2は、股関節9から延在する大腿部10と、該大腿部10の先端から膝関節11を介して延在する下腿部12と、該下腿部12の先端から足首関節13を介して延在する足平部14とを備えている。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram schematically showing an overall apparatus configuration in an embodiment in which the present invention is applied to a human being as a biped walking mobile body. As shown in the figure, the
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の各関節9,11,13に作用する関節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。すなわち、腰部6の背面にはセンサボックス15が図示しないベルト等の部材を介して装着されている。このセンサボックス15の内部には、図2のブロック図で示すように3軸方向の加速度(並進加速度)を検出する加速度センサ16と、3軸方向(3軸回り)の角速度を検出するジャイロセンサ17と、マイクロコンピュータを用いて構成された演算処理装置18と、後述する光ファイバ26,27に導入する光を発光したり、戻り光を受光する発光/受光器19と、演算処理装置18等の各電装品の電源としてのバッテリ20とが収容されている。なお、加速度センサ16及びジャイロセンサ17は、センサボックス15を介して腰部6に固定され、腰部6と一体的に動くようになっている。
In the present embodiment, in order to estimate the joint moment acting on each joint 9, 11, 13 of each
各脚体2の股関節9、膝関節11、足首関節13の部位には、それぞれの関節の変位量を検出する関節変位センサ21,22,23が図示しないベルト等の部材を介して装着されている。これらの各関節変位センサ21,22,23が検出する変位量は、各関節9,11,13の3軸回りの回転角であり、その検出は、ポテンショメータ等を用いて行われる。
また、各脚体2の足平部14の底面(詳しくは足平部14に装着した靴の底面)には、2つの接地センサ24,25が設けられている。接地センサ24,25のうち、接地センサ24は足首関節13の直下の箇所(踵)に設けられ、接地センサ25は足平部14の中足趾節関節14a(足平部14の親指の付け根の関節)の直下の箇所(つま先)に設けられている。これらの接地センサ24,25は、それを設けた箇所が接地しているか否かを示すON/OFF信号を出力するセンサである。なお、各関節変位センサ21,22,23、および接地センサ24,25の検出出力は信号線(図示省略)を介してセンサボックス15の演算処理装置18に入力される。
In addition, two
さらに、図1に示す如く、センサボックス15から2本の光ファイバ26,27が胴体3の背面沿いに上方に向かって延設され、その先端部がそれぞれ腹部7の背面、胸部8の背面に図示しないベルト等の部材を介して固定されている。光ファイバ26,27は、それぞれ腰部6に対する腹部7、胸部8の傾き角(矢状面での傾き角)を検出する検出手段の構成要素である。これらの光ファイバ26,27を用いた腹部7、胸部8の傾き角の計測は次のような手法により行われる。光ファイバ26を用いた腹部7の傾き角の計測手法を代表的に説明すると、該光ファイバ26には、センサボックス15内に設けられた発光/受光器19(図2に示す)から所定の強度の光が導入されると共に、その導入された光が該光ファイバ26の先端で反射されてセンサボックス15側に戻ってくるようになっている。そして、その光の戻り量(戻った光の強度)が前記発光/受光器19により検出されるようになっている。また、光ファイバ26には、微小な光漏れを許容する複数の刻み部(図示しない)が長手方向に間隔を存して設けられており、光ファイバ26に導入された光のうち、腰部6に対する腹部7の傾き角に応じた量の光がそれらの刻み部を介して光ファイバ26から漏出する。このため、センサボックス15側への光の戻り量は、腹部7の傾き角に応じたものとなり、その戻り量を検出することで、腰部6に対する腹部7の傾き角が計測される。すなわち、光ファイバ25の光の戻り量に応じた発光/受光器19の検出出力が、腰部6に対する腹部7の傾き角に応じたものとなり、それが該傾き角を示す信号として演算処理装置18に入力される。光ファイバ27を用いた胸部8の傾き角の計測手法も同様である。
Further, as shown in FIG. 1, two
なお、前記関節変位センサ21,22,23がそれぞれ検出する股関節9、膝関節11、足首関節13の回転角は、両足平部14,14を平行に前方に向けて人間1が直立姿勢で起立した状態(以下、人間1の基準姿勢状態という)を基準(ゼロ点)とする回転角である。光ファイバ26,27を用いて検出する腹部7、胸部8の傾き角についても同様である。
The rotation angles of the
ここで、本実施形態で用いる人間1の剛体リンクモデルと座標系について説明しておく。図3はその剛体リンクモデルS1と座標系とを示している。なお、この剛体リンクモデルS1は、前記図1にも仮想線で併記されている。本実施形態では、剛体リンクモデルS1は、人間1を、9個の剛体要素と8個の関節要素とで構成される連結体として表現している。さらに詳説すると、剛体リンクモデルS1は、大別すると、人間1の各脚体2にそれぞれ対応する一対の脚体部S2,S2と、人間1の上体(腰部6から上側の部分)に対応する上体部SUとから構成されている。上体部SUは、人間1の腰部6に対応する剛体要素S6と腹部7に対応する剛体要素S7とを関節要素JU1で連結し、さらに、剛体要素S7と胸部8に対応する剛体要素S8とを関節要素JU2で連結してなる連結体として構成されている。以下、剛体要素S6,S7,S8をそれぞれ腰部要素S6、腹部要素S7、胸部要素S8と称し、関節要素JU1、JU2をそれぞれ上体下部関節JU1、上体上部関節JU2と称することがある。
Here, the rigid link model and coordinate system of the human 1 used in this embodiment will be described. FIG. 3 shows the rigid link model S1 and the coordinate system. Note that this rigid link model S1 is also shown in phantom in FIG. In the present embodiment, the rigid link model S1 represents the human 1 as a connected body composed of nine rigid elements and eight joint elements. More specifically, the rigid link model S1 can be roughly divided into a pair of leg portions S2 and S2 corresponding to each
この場合、腰部要素S6は、逆T字形となっており、その上端に前記上体下部関節JU1が設けられると共に、左右の両端に人間1の一対の股関節9,9に対応する一対の関節要素J9,J9(以下、単に股関節J9ということがある)が設けられている。つまり、腰部要素S6は、股関節J9,J9の間でそれらの中心を結ぶ線分方向(左右方向)に延在する部分S6aとこの部分S6aの中央から上体下部関節JU1に向かってほぼ上方に伸びる部分S6bとから構成されている。ここで、上体下部関節JU1は、人間1の腰部6と腹部7との境界付近で人間1の背骨上に想定した関節に対応するものであり、上体上部関節JU2は、腹部7と胸部8との境界付近で人間1の背骨上に想定した関節に対応するものである。人間1の胴体3の曲げ動作をつかさどる実際の背骨は多数の関節で構成されるが、剛体リンクモデルS1では、上体部SUの曲げ動作は、上体下部関節JU1および上体上部関節JU2の2つの関節要素で行われる。そして、腹部要素S7は、上体下部関節JU1と上体上部関節JU2との間でそれらの中心を結ぶ線分方向に延在している。なお、胸部要素S8は、図1に示す如く、上体上部関節JU2から人間1の首の付け根(より詳しくは胴体3と首との境界付近での背骨上の部位)まで延在するものとされている。
In this case, the waist element S6 has an inverted T shape, and the upper body lower joint JU1 is provided at the upper end thereof, and a pair of joint elements corresponding to the pair of
剛体リンクモデルS1の各脚体部S2は、大腿部10に対応する剛体要素S10を前記股関節J9を介して腰部要素S6に連結し、下腿部12に対応する剛体要素S12を膝関節11に対応する関節要素J11を介して連結し、足平部14に対応する剛体要素S14を足首関節13に対応する関節要素J13を介して連結してなる連結体として構成されている。以下、剛体要素S10,S12,S14をそれぞれ大腿部要素S10、下腿部要素S12、足平部要素S14と称し、関節要素J11,J13をそれぞれ単に膝関節J11、足首関節J13と称することがある。
Each leg S2 of the rigid link model S1 connects the rigid element S10 corresponding to the
この場合、大腿部要素S10および下腿部要素S12は、それぞれの両端の関節要素の間でそれらの中心を結ぶ線分方向に延在している。また、足平要素S14の先端は、人間1の足平部14の中足趾節関節14a(以下、MP関節14aという)に対応しており、図1に示す如く、足首関節13(J13)から足平部14の中足趾節関節14a(以下、MP関節14aという)まで延在している。剛体リンクモデルS1では、足平要素S14の先端は関節としての機能を持つものではないが、以下、便宜上、その先端をMP関節J14aと称することがある。
In this case, the thigh element S10 and the crus element S12 extend in the direction of a line segment connecting the centers between joint elements at both ends. Further , the tip of the foot element S14 corresponds to a midfoot phalanx joint 14a (hereinafter referred to as an MP joint 14a) of the
以上の如く構成された剛体リンクモデルS1の各剛体要素及び各関節要素は、各関節要素の回転運動によって、その相互の位置関係および姿勢関係(向きの関係)が各剛体要素および各関節要素に対応する人間1の各部の相互の位置関係および姿勢関係とほぼ同一になるように運動可能とされている。この場合、上体下部関節JU1及び上体上部関節JU2は、それぞれ3軸回りの回転が可能とされており、その中の1軸を計測軸として、その計測軸回りの回転(図3中に各関節要素JU1,JU2に対応して記載した矢印(回転方向を表す矢印))を計測するようにしている。その計測軸は、本実施形態では、前記一対の股関節J9,J9の中心を結ぶ線分(腰部要素S6の部分S6aの延在方向)と平行な軸である。また、各脚体部S2の股関節J9、膝関節J11、および足首関節J13はそれぞれ、左側の脚体部S2の各関節要素J9,J11,J13に関して代表的に図3中に記載した矢印(回転方向を表す矢印)で示す如く3軸回りの回転が可能とされている。
Each rigid body element and each joint element of the rigid body link model S1 configured as described above has a mutual positional relation and posture relation (orientation relation) to each rigid body element and each joint element by the rotational motion of each joint element. It is possible to exercise so that the corresponding positional relationship and posture relationship of each part of the
また、剛体リンクモデルS1では、その各剛体要素の重量および長さ(軸心方向の長さ)、各剛体要素の重心の位置(各剛体要素での位置)とがあらかじめ定められて、演算処理装置18の図示しないメモリに記憶保持されている。図3の黒点G8,G7,G6,G10,G12,G14はそれぞれ胸部要素S8、腹部要素S7、腰部要素S6、大腿部要素S10、下腿部要素S12、足平部要素S14の重心を例示的に示している。なお、腰部要素S6は前記したように逆T字形であるので、その長さについては、前記部分S6aの長さと部分S6bの長さとがある。
In the rigid link model S1, the weight and length of each rigid element (length in the axial direction) and the position of the center of gravity of each rigid element (position at each rigid element) are determined in advance, and the arithmetic processing is performed. It is stored and held in a memory (not shown) of the
各剛体要素の重量、長さ、重心の位置は、基本的にはそれぞれの剛体要素に対応する人間1の剛体相当部の重量、長さ、重心の位置とほぼ同一に設定されている。例えば、大腿部要素S10の重量、長さ、重心の位置は、それぞれ人間1の大腿部10の実際の重量、長さ、重心の位置とほぼ同一である。但し、重量および重心の位置は、人間1に本実施形態の装置を装備した状態での重量および重心の位置である。また、胸部要素S8の重量および重心の位置は、人間1の胸部8と両腕体4,4と頭部5とを合わせたものの重量および重心の位置である。補足すると、人間1の移動時の両腕体4,4の運動(腕を前後に振る動作)に伴う胸部要素S8の重心の位置変化は比較的小さく、該胸部要素S8のほぼ一定の位置に維持される。また、各剛体要素の重心の位置は、各剛体要素にあらかじめ固定して設定された後述の要素座標系での位置ベクトルとして、該要素座標系の各座標成分値で設定されている。
The weight, length, and the position of the center of gravity of each rigid element are basically set to be substantially the same as the weight, length, and the position of the center of gravity of the
各剛体要素の重量、長さ、重心の位置は、基本的には、人間1の各部の寸法や重量の実測値に基づいて定めればよいが、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定するようにしてもよい。一般に、各剛体要素に対応する人間1の剛体相当部の重心の位置や重量、長さは、人間の身長や体重(全体重量)と相関性があり、その相関関係に基づいて人間1の身長および体重の実測データから各剛体要素に対応する人間1の剛体相当部の重心の位置や重量、長さを比較的精度よく推定することが可能である。 The weight, length, and center of gravity of each rigid element may be basically determined based on the measured values of the dimensions and weight of each part of the human 1, but from the height and weight of the human 1, the human average It may be estimated based on statistical data. In general, the position, weight, and length of the center of gravity of the portion corresponding to the rigid body of the human 1 corresponding to each rigid element have a correlation with the height and weight (total weight) of the human, and the height of the human 1 based on the correlation. In addition, it is possible to estimate the position, weight, and length of the center of gravity of the portion corresponding to the rigid body of the human 1 corresponding to each rigid body element with relatively high accuracy from the actually measured data of body weight.
なお、図3では、便宜上、各重心G8,G7,G6,G10,G12,G14は、それぞれに対応する剛体要素の軸心上に位置するように記載しているが、必ずしもその軸心上に位置するとは限らず、その軸心からずれた位置に存在してもよい。 In FIG. 3, for the sake of convenience, each center of gravity G8, G7, G6, G10, G12, and G14 is described so as to be located on the axis of the corresponding rigid element, but is not necessarily on that axis. It may not be located but may exist at a position shifted from the axis.
本実施形態では、剛体リンクモデルS1に対して、次のような座標系があらかじめ設定されている。すなわち、図3に示す如く身体座標系BCが腰部要素S6に固定して設定されている。この身体座標系BCは、一対の股関節J11,J11の中心を結ぶ線分の中点(腰部要素S6の部分S6aの中央点)を原点とし、その線分の方向をY軸、原点から上体下部関節JU1の中心に向かう方向をZ軸、これらのY軸およびZ軸に直交する方向をX軸とする3次元座標系(XYZ座標系)として設定されている。人間1の前記基準姿勢状態では、身体座標系BCのX軸、Y軸、Z軸はそれぞれ人間1の前後方向、左右方向、上下方向(鉛直方向)に向き、XY平面は水平面である。 In the present embodiment, the following coordinate system is preset for the rigid link model S1. That is, as shown in FIG. 3, the body coordinate system BC is set fixed to the waist element S6. This body coordinate system BC uses the midpoint of the line segment connecting the centers of the pair of hip joints J11 and J11 (the center point of the portion S6a of the waist element S6) as the origin, the direction of the line segment as the Y axis, and the upper body from the origin A three-dimensional coordinate system (XYZ coordinate system) is set in which the direction toward the center of the lower joint JU1 is the Z axis, and the Y axis and the direction orthogonal to the Z axis are the X axes. In the reference posture state of the human 1, the X-axis, Y-axis, and Z-axis of the body coordinate system BC are respectively directed in the front-rear direction, the left-right direction, and the vertical direction (vertical direction) of the human 1, and the XY plane is a horizontal plane.
また、各剛体要素には、例えば参照符号C8,C7,C6,C10,C12,C14で示すように要素座標系が固定的に設定されている。本実施形態では、腰部要素S6の要素座標系C6は身体座標系BCと同一とされている。また、胸部要素S8、腹部要素S7、各大腿部要素S10、各下腿部要素S12、および各足平部要素S14のそれぞれの要素座標系C8,C7,C10,C12,C14はそれぞれ、上体上部関節JU2、上体下部関節JU1、膝関節J11、足首関節J13、MP関節J14aの中心点を原点とする3次元座標系(XYZ座標系)とされている。別の言い方をすれば、各脚体部S2については、その各剛体要素S10,S12,S14の要素座標系C10,C12,C14は、各剛体要素S10,S12,S14の両端の関節要素のうち、腰部要素S6からより遠い側の関節要素の中心点を原点としている。また、上体部SUの腹部要素S7および胸部要素S8のそれぞれの要素座標系C7,C8は、腹部要素S7および胸部要素S8のそれぞれの両端の関節要素のうち、腰部要素S6により近い側の関節要素の中心点を原点としている。なお、図3では、要素座標系C10,C12,C14は図示の便宜上、右側脚体部S2についてのみ図示しているが、左側脚体部S2についても右側脚体部M2と同様に要素座標系が設定されている。 For each rigid element, an element coordinate system is fixedly set, for example, as indicated by reference numerals C8, C7, C6, C10, C12, and C14. In the present embodiment, the element coordinate system C6 of the waist element S6 is the same as the body coordinate system BC. The element coordinate systems C8, C7, C10, C12, and C14 of the chest element S8, the abdominal element S7, the thigh elements S10, the crus elements S12, and the foot elements S14 are A three-dimensional coordinate system (XYZ coordinate system) having the origin at the center point of the upper body joint JU2, the upper body lower joint JU1, the knee joint J11, the ankle joint J13, and the MP joint J14a is used. In other words, for each leg S2, the element coordinate systems C10, C12, C14 of the rigid elements S10, S12, S14 are the joint elements at both ends of the rigid elements S10, S12, S14. The center point of the joint element farther from the waist element S6 is the origin. The element coordinate systems C7 and C8 of the abdominal element S7 and the chest element S8 of the upper body SU are joints closer to the waist element S6 among the joint elements at both ends of the abdominal element S7 and the chest element S8. The center point of the element is the origin. In FIG. 3, the element coordinate systems C10, C12, and C14 are shown only for the right leg part S2 for convenience of illustration, but the left leg part S2 is also shown in the element coordinate system in the same manner as the right leg part M2. Is set.
また、要素座標系C8,C7は、それぞれ胸部要素S8、腹部要素S7の延在方向(軸心方向)にZ軸が設定されると共に、Y軸が身体座標系BCのY軸と同一方向に設定されている。また、要素座標系C10,C12,C14はそれぞれ大腿部要素S10、下腿部要素S12、足平部要素S14の延在方向(軸心方向)にZ軸が設定されると共に、Y軸が股関節J9、膝関節J11及び足首関節J13のそれぞれの中心点を含む平面(以下、脚平面ということがある)の法線方向に設定されている。上記のいずれの要素座標系C8,C7,C10,C12,C14でも、X軸はY軸及びZ軸に直交する方向に設定されている。以下の説明では、各要素座標系C8,C7,C6,C10,C12,C14をそれぞれ胸部座標系C8、腹部座標系C7、腰部座標系C6、大腿部座標系C10、下腿部座標系C12、足平部座標系C14と称することがある。 In the element coordinate systems C8 and C7, the Z axis is set in the extending direction (axial direction) of the chest element S8 and the abdominal element S7, respectively, and the Y axis is in the same direction as the Y axis of the body coordinate system BC. Is set. In the element coordinate systems C10, C12, and C14, the Z axis is set in the extending direction (axial direction) of the thigh element S10, the crus element S12, and the foot element S14, and the Y axis is It is set in the normal direction of a plane including the center points of the hip joint J9, knee joint J11, and ankle joint J13 (hereinafter also referred to as leg plane). In any of the element coordinate systems C8, C7, C10, C12, and C14, the X axis is set in a direction orthogonal to the Y axis and the Z axis. In the following description, the element coordinate systems C8, C7, C6, C10, C12, and C14 are respectively represented as a chest coordinate system C8, an abdominal coordinate system C7, a waist coordinate system C6, a thigh coordinate system C10, and a crus coordinate system C12. , May be referred to as a foot part coordinate system C14.
なお、要素座標系C8,C7,C10,C12,C14は、必ずしも上記の如く設定する必要はなく、基本的にはその原点や各軸の向きの設定は任意でよい。 The element coordinate systems C8, C7, C10, C12, and C14 are not necessarily set as described above. Basically, the origin and the direction of each axis may be set arbitrarily.
図4は前記演算処理装置18の演算処理機能を示すブロック図である。同図に示すように、演算処理装置18は、前記各関節変位センサ21,22,23および発光/受光器19の検出出力を基に後述する座標変換のための変換テンソルを作成する変換テンソル作成手段28と、その変換テンソルを用いて前記剛体リンクモデルS1の各関節要素および各剛体要素の重心の身体座標系BCでの位置ベクトルの値(座標成分値)を求める関節・要素重心位置算出手段29と、前記加速度センサ16及びジャイロセンサ17の検出出力を基に身体座標系BCの原点の加速度ベクトル(並進加速度)の値(身体座標系BCでの座標成分値)を求める身体座標系加速度算出手段30と、前記加速度センサ16及びジャイロセンサ17の検出出力を基に身体座標系BCの鉛直方向に対する傾斜角を算出する身体座標系傾斜角算出手段31とを備えている。
FIG. 4 is a block diagram showing the arithmetic processing function of the
さらに演算処理装置18は、関節・要素重心位置算出手段29が求めた各剛体要素の重心の位置ベクトルの値を用いて身体座標系BCでの剛体リンクモデルS1の全体重心(人間1の全体重心)の位置ベクトルの値を求めると共に、その位置ベクトルの値の時系列データと身体座標系加速度算出手段30が求めた身体座標系BCの原点の加速度ベクトルの値とを用いて該全体重心の加速度ベクトル(並進加速度)の値(身体座標系BCでの座標成分値)を求める全体/要素重心運動算出手段32を備えている。なお、全体/要素重心運動演算算出手段32では、関節・要素重心位置算出手段29が求めた各大腿部要素S10、下腿部要素S12および足平部要素S12のそれぞれの重心の位置ベクトルの値の時系列データと身体座標系加速度算出手段30が求めた身体座標系BCの原点の加速度ベクトルの値とを用いて各大腿部要素S10、下腿部要素S12および足平部要素S14の重心の加速度ベクトル(並進加速度)の値(身体座標系BCでの座標成分値)も求められる。
Furthermore, the
また、演算処理装置18は、関節・要素重心位置算出手段29が求めた各足首関節J13の位置ベクトルの値と全体/要素重心運動算出手段32が求めた全体重心の位置ベクトルの値およびその加速度ベクトルの値と前記接地センサ24,25の検出出力とを用いて人間1の各脚体2,2に作用する床反力ベクトル(並進床反力)の身体座標系BCでの値(座標成分値)を推定する床反力推定手段33と、関節・要素重心位置算出手段29が求めた各足首関節J13および各MP関節J14aの位置ベクトルの値と身体座標系傾斜角算出手段31が求めた身体座標系BCの傾斜角と全体/要素重心運動算出手段32が求めた全体重心の位置ベクトルの値と接地センサ24,25の検出出力とを用いて各脚体2に作用する床反力ベクトルの作用点(以下、単に床反力作用点という)の位置ベクトルの身体座標系BCでの値を求める床反力作用点推定手段34とを備える。
The
そして、演算処理装置18は、変換テンソル作成手段28が作成した変換テンソルと全体/要素重心運動算出手段30が求めた各大腿部要素S10、下腿部要素S12、足平部要素S14のそれぞれの重心の加速度ベクトルと床反力推定手段33が求めた床反力ベクトルの値と床反力作用点推定手段34が求めた床反力作用点の位置ベクトルの値とを用いて各脚体2の足首関節13、膝関節11および股関節9に作用する関節モーメントを推定する関節モーメント推定手段35を備えている。
Then, the
詳細は後述するが、演算処理装置18は、上記各手段28〜35の演算処理を所定の演算処理周期で逐次実行し、各演算処理周期において最終的に関節モーメント推定手段35により関節モーメントの推定値を逐次算出する。
Although details will be described later, the
次に演算処理装置18の各手段の詳細な演算処理と併せて本実施形態の装置の作動を説明する。なお、以下の説明において、一般的に、ベクトル量をある座標系Caから別の座標系Cbに座標変換する変換テンソル、すなわち座標系Caの成分値で表されるベクトル量を座標系Cbの成分値で表されるベクトル量に変換するテンソルを「R(Ca→Cb)」というように表記する。また、ある座標系Caで見たある点Pもしくは部位Pの位置ベクトルをU(P/Ca)というように表記する。また、ある座標系Caの座標成分値で表される、物体Qもしくは部位Qの作用力、加速度等の物理量のベクトルAをA(Q/Ca)というように表記する。この場合、位置ベクトルU(P/Ca)や、物理量ベクトルA(Q/Ca)の座標系Caでの座標成分値を表すときは、各座標軸の名称であるx、y、zをさらに付加して表記する。例えば、位置ベクトルU(P/Ca)のX座標成分は、U(P/Ca)xというように表記する。
Next, the operation of the apparatus of the present embodiment will be described together with detailed arithmetic processing of each means of the
また、前記各要素座標系C8,C7,C6,C10,C12,C14をそれぞれ対応する部位の名称を用いてC_胸部、C_腹部、C_腰部、C_大腿部、C_下腿部、C_足平部と称することがある。このことは、各剛体要素S8,S7,S6,S10,S12,S14、各剛体要素Sの重心G8,G7,G6,G10,G12,G14についても同様とする。例えば腰部剛体要素S8およびその重心G8をそれぞれS_腰部、G_腰部と表記することがある。なお、大腿部10、下腿部12、足平部14に関するものについては、その左右を区別する必要があるときは、「右」、「左」をさらに付加して記述する。例えば右側大腿部要素S10をS_右大腿部と称することがある。また、股関節J9、膝関節J11、足首関節J13、およびMP関節J14aをそれぞれJ_股、J_膝、J_足首、J_MPと称することがある。この場合も左右を区別する必要があるときは、上記と同様、「右」、「左」をさらに付加して表記する。
In addition, the element coordinate systems C8, C7, C6, C10, C12, and C14 are respectively used for the corresponding part names, and C_chest, C_abdomen, C_waist, C_thigh, C_crus, C_foot Sometimes referred to as a part. The same applies to the rigid elements S8, S7, S6, S10, S12, and S14, and the centers of gravity G8, G7, G6, G10, G12, and G14 of the rigid elements S. For example, the waist rigid element S8 and its center of gravity G8 may be referred to as S_waist and G_waist, respectively. In addition, about the
演算処理装置18は、所定の演算処理周期で前記各関節変位センサ21,22,23、発光/受光器19、加速度センサ16、ジャイロセンサ17の検出出力を図示しないA/D変換器を介して取り込むと共に、各接地センサ24,25の検出出力(ON/OFF信号)を取り込む。そして、まず、前記変換テンソル作成手段28および関節・要素重心位置算出手段29の演算処理を順次実行する。
The
変換テンソル作成手段28の演算処理では、各要素座標系と身体座標系BCとの間のベクトル量の座標変換を行うための変換テンソルが作成される。この変換テンソルは、次の手順で作成される。まず、各関節変位センサ21,22,23の検出出力を基に、それぞれ各脚体2の股関節9、膝関節11および足首関節13のそれぞれの回転角(3軸回りの回転角)が剛体リンクモデルS1の各股関節J9、膝関節J11および足首関節J13の回転角として把握されると共に、発光/受光器19の検出出力を基に、剛体リンクモデルS1の腰部要素M6に対する腹部要素S7と胸部要素S8の傾斜角(詳しくは腰部要素座標系C6のZ軸方向に対する矢状面(XZ平面)上での傾斜角)が把握される。そして、これらの把握された回転角および傾斜角を用いて、剛体要素の要素座標系の間でベクトル量の座標変換を行うための変換テンソルが作成される。この要素座標系間変換テンソルは、本実施形態では、足平部座標系C14から下腿部座標系C12への変換テンソルR(C_足平部→C_下腿部)と、下腿部座標系C12から大腿部座標系C10への変換テンソルR(C_下腿部→C_大腿部)と、大腿部座標系C10から腰部座標系C6への変換テンソルR(C_大腿部→C_腰部)と、腹部座標系C7から腰部座標系C6への変換テンソルR(C_腹部→C_腰部)と、胸部座標系C8から腰部座標系C6への変換テンソルR(C_胸部→C_腰部)とから構成される。なお、R(C_足平部→C_下腿部),R(C_下腿部→C_大腿部)、R(C_大腿部→C_腰部)は、左右の脚体部S2毎に各別に作成される。
In the calculation process of the conversion tensor creation means 28, a conversion tensor for performing coordinate conversion of the vector quantity between each element coordinate system and the body coordinate system BC is created. This conversion tensor is created by the following procedure. First, based on the detection outputs of the
ここで作成される要素座標系間変換テンソルの一例を示すと、例えば図5に示すように膝関節11の関節変位センサ22の検出出力から把握される膝関節11の回転角(膝関節J11の回転角)が、大腿部座標系C10のY軸(図5の紙面に垂直な軸)回りにθyであるとする。但し、この例では要素座標系C10のX軸回り、Z軸回りの膝関節11の回転角は0であるとする。また、膝関節11のY軸回り回転角は、脚体2が伸びる方向を正方向としており、図示の例ではθy<0である。このとき、変換テンソルR(C_下腿部→C_大腿部)は、次式(1)の如く3次の行列で表される。
An example of the element coordinate system conversion tensor created here is shown in FIG. 5, for example, as shown in FIG. 5, the rotation angle of the knee joint 11 grasped from the detection output of the
なお、図5の例では、膝関節11の1軸回り(Y軸回り)の回転のみを想定したため、変換テンソルR(C_下腿部→C_大腿部)は式(1)のような簡単な行列で表されるが、一般にはより複雑な形式になる。 In the example of FIG. 5, since it is assumed that the knee joint 11 rotates only about one axis (around the Y axis), the conversion tensor R (C_crus → C_thigh) is as simple as equation (1). It is generally expressed in a more complex form.
また、例えば変換テンソルR(C_腹部→C_腰部)は、腰部6に対する腹部7の傾斜角をθy(但し傾斜角θyは人間1の前方側への傾斜方向を正方向とする)とおくと、前記式(1)の右辺の行例と同じ形の行列で表される。変換テンソルR(C_胸部→C_腰部)も同様である。補足すると、本実施形態では、剛体リンクモデルS1の上体下部関節JU1および上体上部関節JU2を1軸回り(C_腹部およびC_胸部のY軸回り)の回転による腹部要素S7および胸部要素S8の腰部要素S6に対する傾斜角を計測するようにしたため、変換テンソルR(C_腹部→C_腰部)およびR(C_胸部→C_腰部)は常に前記式(1)の右辺の行例と同じ形の行列で表される。但し、上体下部関節JU1および上体上部関節JU2をそれぞれ例えば2軸回り(例えばC_腹部およびC_胸部のY軸とX軸との2軸回り)の回転が可能なものとして、腹部要素M7および胸部要素M8の2軸回りの傾斜角を計測するようにしてもよい。
Further, for example, the conversion tensor R (C_abdomen → C_lumbar region) is set such that the inclination angle of the abdomen 7 with respect to the
次いで、上記の如く求めた要素座標系間変換テンソルから、各要素座標系で記述された(各要素座標系の座標成分値で記述された)ベクトル量を身体座標系BCに座標変換する(ベクトル量を身体座標系BCの座標成分値での記述に変換する)ための変換テンソルが求められる。 Next, from the element coordinate system conversion tensor obtained as described above, the vector quantity (described by the coordinate component value of each element coordinate system) described in each element coordinate system is converted into a body coordinate system BC (vector) A conversion tensor for converting a quantity into a description with coordinate component values in the body coordinate system BC is obtained.
この場合、本実施形態では腰部座標系C6(C_腰部)は身体座標系BCに等しいものとしたので、C_腰部から身体座標系BCへの変換テンソルR(C_腰部→BC)は3次の単位行列で表される。また、腹部座標系C7(C_腹部)および胸部座標系C8(C_胸部)のそれぞれから身体座標系BCへの変換テンソルR(C_腹部→BC),R(C_胸部→BC)は、それぞれ先に求めた要素座標系間変換テンソルR(C_腹部→C_腰部),R(C_胸部→C_腰部)と同一である。そして、他の要素座標系C10(C_大腿部),C12(C_下腿部),C14(C_足平部)から身体座標系BCへの変換テンソルは、次式(2a)〜(2c)の如く、腰部要素S6寄りのものから順番に決定される。 In this case, since the waist coordinate system C6 (C_waist) is equal to the body coordinate system BC in this embodiment, the conversion tensor R (C_waist → BC) from the C_waist to the body coordinate system BC is a cubic unit. Represented by a matrix. Also, the conversion tensors R (C_abdomen → BC) and R (C_chest → BC) from the abdominal coordinate system C7 (C_abdomen) and the chest coordinate system C8 (C_chest) to the body coordinate system BC are respectively set in advance. It is the same as the obtained element coordinate system conversion tensor R (C_abdomen → C_waist), R (C_chest → C_waist). The conversion tensors from the other element coordinate systems C10 (C_thigh), C12 (C_crus), C14 (C_foot) to the body coordinate system BC are expressed by the following equations (2a) to (2c). In this way, it is determined in order from the one closer to the waist element S6.
R(C_大腿部→BC)=R(C_腰部→BC)×R(C_大腿部→C_腰部) ……(2a)
R(C_下腿部→BC)=R(C_大腿部→BC)×R(C_下腿部→C_大腿部)
……(2b)
R(C_足平部→BC)=R(C_下腿部→BC)×R(C_足平部→C_下腿部)
……(2c)
R (C_thigh → BC) = R (C_waist → BC) × R (C_thigh → C_waist) (2a)
R (C_crus → BC) = R (C_thighs → BC) × R (C_crus → C_thighs)
(2b)
R (C_foot → BC) = R (C_crus → BC) × R (C_foot → C_crus)
(2c)
なお、R(C_大腿部→BC),R(C_下腿部→BC),R(C_足平部→BC)は、各脚体部S2毎に各別に求められる。補足すると、各要素座標系から身体座標系BCへの変換テンソルを転置したものが逆変換(身体座標系BCから該要素座標系への座標変換)を行うための変換テンソルとなる。例えばR(BC→C_大腿部)=R(C_大腿部→BC)T(Tは転置を意味する)である。 Note that R (C_thigh → BC), R (C_crus → BC), and R (C_foot → BC) are obtained separately for each leg S2. Supplementally, a transposition of the conversion tensor from each element coordinate system to the body coordinate system BC becomes a conversion tensor for performing inverse conversion (coordinate conversion from the body coordinate system BC to the element coordinate system). For example, R (BC → C_thigh) = R (C_thigh → BC) T (T means transposition).
上記変換テンソル作成手段28の演算処理に続く関節・重心位置算出手段29の演算処理では、上記の如く求めた変換テンソルと、あらかじめメモリに記憶された各剛体要素の長さおよび重心位置(各要素座標系での位置)とから各関節要素および各剛体要素の重心の身体座標系BCでの位置ベクトルが求められる。なお、ここで位置ベクトルを求める関節要素には前記MP関節J14aが含まれる。 In the calculation processing of the joint / centroid position calculation means 29 following the calculation processing of the conversion tensor creation means 28, the conversion tensor obtained as described above, the length and the gravity center position of each rigid body element previously stored in the memory (each element Position vector in the body coordinate system BC of the center of gravity of each joint element and each rigid element. Here, the joint element for obtaining the position vector includes the MP joint J14a.
各関節要素の位置ベクトルの算出は次のように行われる。例えば左側脚体部S2の各関節要素J9,J11,J13の位置ベクトルの算出について説明する。腰部要素S6の、両股関節J9,J9間の部分S6a長さをL6aとおくと、C_腰部における左側股関節J6の位置ベクトルU(J_左股/C_腰部)は、(0,L6a/2,0)Tである。従って、身体座標系BCにおける左側股関節J9の位置ベクトルU(J_左股/BC)は、次式(3)により求められる。 Calculation of the position vector of each joint element is performed as follows. For example, calculation of the position vector of each joint element J9, J11, J13 of the left leg part S2 will be described. If the length S6a between the hip joints J9 and J9 of the waist element S6 is L6a, the position vector U (J_left hip / C_waist) of the left hip joint J6 at C_waist is (0, L6a / 2,0). ) T. Therefore, the position vector U (J_left hip / BC) of the left hip joint J9 in the body coordinate system BC is obtained by the following equation (3).
U(J_左股/BC)=R(C_腰部→BC)×U(J_左股/C_腰部)
=R(C_腰部→BC)×(0,L6a/2,0)T ……(3)
U (J_left crotch / BC) = R (C_waist → BC) x U (J_left crotch / C_waist)
= R (C_lumbar → BC) × (0, L6a / 2, 0) T (3)
さらに、左側大腿部要素S10の長さをL10とおくと、左側大腿部座標系C10(C_左大腿部)における左側股関節J9の位置ベクトルU(J_左股/C_左大腿部)は、(0,0,L10)Tであるから、身体座標系BCにおける左側膝関節J11の位置ベクトルU(J_左膝/BC)は、次式(4)により求められる。 Further, if the length of the left thigh element S10 is L10, the position vector U of the left hip joint J9 in the left thigh coordinate system C10 (C_left thigh) (J_left thigh / C_left thigh) Is (0, 0, L10) T , the position vector U (J_left knee / BC) of the left knee joint J11 in the body coordinate system BC is obtained by the following equation (4).
U(J_左膝/BC)=U(J_左股/BC)
+R(C_左大腿部→BC)×(−U(J_左股/C_左大腿部))
=U(J_左股/BC)
+R(C_左大腿部→BC)×(0,0,−L10)T
……(4)
U (J_Left Knee / BC) = U (J_Left Knee / BC)
+ R (C_left thigh → BC) × (−U (J_left crotch / C_left thigh))
= U (J_Left / BC)
+ R (C_left thigh → BC) × (0, 0, −L10) T
(4)
以下同様にして、左側足首関節J13、左側MP関節J14aの身体座標系BCでの位置ベクトルU(J_左足首/BC)、U(J_左MP/BC)がそれぞれ次式(5),(6)により順番に算出される。 Similarly, the position vectors U (J_left ankle / BC) and U (J_left MP / BC) in the body coordinate system BC of the left ankle joint J13 and the left MP joint J14a are respectively expressed by the following equations (5), (6 ) In order.
U(J_左足首/BC)=U(J_左膝/BC)
+R(C_下腿→BC)×(−U(J_左膝/C_左下腿部))
=U(J_左膝/BC)
+R(C_下腿→BC)×(0,0,−L12)T ……(5)
U(J_左MP/BC)=U(J_左足首/BC)
+R(C_左足平部→BC)×(−U(J_左足首/C_左足平部))
=U(J_左足首/BC)
+R(C_左足平部→BC)×(0,0,−L14)T ……(6)
U (J_Left ankle / BC) = U (J_Left knee / BC)
+ R (C_lower leg → BC) × (−U (J_left knee / C_left lower leg))
= U (J_Left Knee / BC)
+ R (C_lower leg → BC) × (0, 0, −L12) T (5)
U (J_Left MP / BC) = U (J_Left ankle / BC)
+ R (C_left foot → BC) × (−U (J_left ankle / C_left foot))
= U (J_Left ankle / BC)
+ R (C_left foot → BC) × (0,0, −L14) T (6)
なお、式(5)のL12、式(6)のL14はそれぞれ左側下腿部要素S12、左側足平部要素S14の長さである。右側脚体部S2の各関節要素の位置ベクトルも上記と同様に求められる。 In addition, L12 of Formula (5) and L14 of Formula (6) are the lengths of the left crus element S12 and the left foot part element S14, respectively. The position vector of each joint element of the right leg part S2 is also obtained in the same manner as described above.
さらに、上体部SUの各関節要素の位置ベクトルも上記と同様に求められる。すなわち、上体下部関節JU1および上体上部関節JU2の身体座標系BCでの位置ベクトルは、それぞれ次式(7),(8)により順番に求められる。 Further, the position vector of each joint element of the upper body SU is obtained in the same manner as described above. That is, the position vectors in the body coordinate system BC of the lower body joint JU1 and the upper body joint JU2 are obtained in order by the following equations (7) and (8), respectively.
U(JU1/BC)=R(C_腰部→BC)・U(JU1/C_腰部)
=R(C_腰部→BC)・(0,0,L6b)T ……(7)
U(JU2/BC)=U(JU1/BC)+R(C_腹部→BC)・U(JU2/C_腹部)
=U(JU1/BC)+R(C_腹部→BC)・(0,0,L7)T ……(8)
U (JU1 / BC) = R (C_lumbar → BC) ・ U (JU1 / C_lumbar)
= R (C_ waist → BC) · (0, 0, L6b) T (7)
U (JU2 / BC) = U (JU1 / BC) + R (C_abdomen → BC) ・ U (JU2 / C_abdomen)
= U (JU1 / BC) + R (C_abdomen → BC) · (0,0, L7) T ...... (8)
なお、式(7)のL6bは、腰部要素S6の部分S6bの長さである。また、式(8)のL7は腹部要素S7の長さである。 In addition, L6b of Formula (7) is the length of the part S6b of the waist element S6. Moreover, L7 of Formula (8) is the length of abdominal element S7.
また、各剛体要素の重心の、身体座標系BCでの位置ベクトルの算出は次のように行われる。すなわち、腰部要素S6、大腿部要素S10、下腿部要素S12、足平部要素S14のそれぞれの重心の身体座標系BCでの位置ベクトルU(G_腰部/BC),U(G_大腿部/BC),U(G_下腿部/BC),U(G_足平部/BC)は、それぞれ前記式(3)〜(6)の右辺のU(J_左股/C_腰部)、U(J_左股/C_左大腿部)、U(J_左膝/C_左下腿部)、U(J_左足首/C_左足平部)を、それぞれ各要素座標系であらかじめ設定されている各剛体要素の重心の位置ベクトルU(G_腰部/C_腰部)、U(G_大腿部/C_大腿部)、U(G_下腿部/C_下腿部)、U(G_足平部/C_足平部)で置き換えた式を演算することで求められる。なお、G_大腿部,G_下腿部,G_足平部の位置ベクトルの算出は、各脚体部S2毎に各別に行われる。 Further, the calculation of the position vector of the center of gravity of each rigid element in the body coordinate system BC is performed as follows. That is, the position vectors U (G_waist / BC), U (G_thigh) of the center of gravity of the lumbar element S6, the thigh element S10, the crus element S12, and the foot element S14 in the body coordinate system BC. / BC), U (G_crus / BC), U (G_foot / BC) are U (J_left crotch / C_waist), U (on the right side of the equations (3) to (6), respectively. J_Left / C_Left), U (J_Left Knee / C_Left Lower Leg), U (J_Left Ankle / C_Left Foot) are set in advance in each element coordinate system. Position vector U (G_waist / C_waist), U (G_thigh / C_thigh), U (G_crus / C_crus), U (G_foot / C_foot) Part) is calculated by calculating the expression replaced. The calculation of the position vectors of G_thigh, G_crus, and G_foot is performed separately for each leg S2.
また、腹部要素S7、胸部要素S8のそれぞれの重心G7,G8の身体座標系BCでの位置ベクトルU(G_腹部/BC),U(G_胸部/BC)は、それぞれ次式(9),(10)により求められる。 The position vectors U (G_abdomen / BC) and U (G_chest / BC) in the body coordinate system BC of the centroids G7 and G8 of the abdominal element S7 and the chest element S8 are expressed by the following equations (9) and (9), respectively. 10).
U(G_腹部/BC)=U(JU1/BC)+R(C_腹部→BC)・U(G_腹部/C_腹部)
……(9)
U(G_胸部/BC)=U(JU2/BC)+R(C_胸部→BC)・U(G_胸部/C_胸部)
……(10)
U (G_abdomen / BC) = U (JU1 / BC) + R (C_abdomen → BC) · U (G_abdomen / C_abdomen)
...... (9)
U (G_chest / BC) = U (JU2 / BC) + R (C_chest → BC) ・ U (G_chest / C_chest)
(10)
以上が変換テンソル作成手段28および関節・要素重心位置算出手段29の演算処理である。なお、以上のように関節・要素重心位置算出手段29で算出される各関節要素と各剛体要素の重心との位置ベクトルは、それぞれに対応する人間1の実際の部位の、身体座標系BCで見た位置ベクトルとしての意味を持つ。
The calculation processing of the conversion tensor creation means 28 and the joint / element gravity center position calculation means 29 has been described above. As described above, the position vector of each joint element calculated by the joint / element center-of-gravity position calculation means 29 and the center of gravity of each rigid body element is the body coordinate system BC of the actual part of the
演算処理装置18は、上記した変換テンソル作成手段28および関節・要素重心位置算出手段29の演算処理と並行して、身体座標系加速度算出手段30および身体座標系傾斜角算出手段31の演算処理を実行する。
The
身体座標系加速度算出手段30の演算処理では、加速度センサ16の検出出力から把握される3軸方向の加速度(並進加速度)とジャイロセンサ17の検出出力から把握される3軸回りの角速度とから次のように身体座標系BCの原点の加速度ベクトルの身体座標系BCでの値(座標成分値)が求められる。まず、各センサ16,17がそれぞれ検出する加速度、角速度はそれらのセンサ16,17に対して固定された3軸の座標系(以下、センサ座標系SC又はC_センサという)であらわされるベクトル量であるので、それを身体座標系BCでの値に変換する。その変換は、腰部6に対する加速度センサ16およびジャイロセンサ(角速度センサ)17の相対的な取り付け位置関係(腰部座標系C6(=身体座標系BC)に対するセンサ座標系SCの相対的姿勢関係)に応じてあらかじめ設定された変換テンソルをセンサ座標系SCでそれぞれ検出された加速度ベクトル、角速度ベクトルに乗算することで行われる。すなわち、センサ座標系SCでの加速度ベクトルの検出値をACC(センサ/SC)、それを身体座標系BCに変換した加速度ベクトルをACC(センサ/BC)、センサ座標系SCでの角速度ベクトルの検出値をω(センサ/SC)、それを身体座標系BCに変換した角速度ベクトルをω(センサ/BC)とおくと、加速度ベクトルACC(センサ/BC)、角速度ベクトルω(センサ/BC)は、それぞれ次式(11),(12)により求められる。ここで、ACC(センサ/BC)、ω(センサ/BC)は、より詳しくは、それぞれ加速度センサ16、ジャイロセンサ17の箇所の加速度ベクトル、角速度ベクトルであり、その意味で、ACC、ωの表記に「センサ」を付加している。なお、この例では加速度センサ16、ジャイロセンサ17の箇所はほぼ同一箇所とし、センサ座標系SCは両センサ16,17について同じ座標系としている。
In the calculation processing of the body coordinate system acceleration calculation means 30, the following is based on the acceleration in three axes (translational acceleration) grasped from the detection output of the
ACC(センサ/BC)=R(SC→BC)・ACC(センサ/SC) ……(11)
ω(センサ/BC)=R(SC→BC)・ω(センサ/SC) ……(12)
ACC (sensor / BC) = R (SC → BC) ・ ACC (sensor / SC) ...... (11)
ω (sensor / BC) = R (SC → BC) ・ ω (sensor / SC) (12)
ここで、変換テンソルR(SC→BC)はセンサ座標系SCと身体座標系BCとの相対的な姿勢関係(詳しくは、センサ座標系SCの各軸の身体座標系BCの各軸に対する傾き角)から前記した要素座標系間変換テンソル(R(C_大腿部→C_腰部)等)と同様に求められる。例えば、センサ座標系SCの3軸(XYZ軸)が図6に示す如く身体座標系BCのY軸(図6の紙面に垂直な軸)回りに角度θyだけ傾いている場合には、変換テンソルR(SC→BC)は前記式(1)の右辺と同じ形の行列で表される。この場合、加速度センサ16およびジャイロセンサ17は身体座標系BCを設けた腰部8に固定されているので、センサ座標系SCの各軸の身体座標系BCの各軸に対する傾き角は、加速度センサ16およびジャイロセンサ17の腰部8への取り付け時に実測されて判明しており、その傾き角を基にあらかじめ変換テンソルR(SC→BC)が求められて、演算処理装置18の図示しないメモリに記憶保持されている。補足すると、加速度センサ16やジャイロセンサ17を腰部6以外の部位(剛体リンクモデルS1のいずれかの剛体要素に対応する剛体相当部)に装着してもよい。この場合には、加速度ベクトルACC(センサ/BC)および角速度ベクトルω(センサ/BC)は、センサ座標系SCでの検出値を加速度センサ16やジャイロセンサ17を装着した剛体要素の要素座標系での値に変換した後、さらに前記変換テンソル作成手段28で求めた変換テンソルによって身体座標系BCでの値に変換すればよい。
Here, the conversion tensor R (SC → BC) is a relative posture relationship between the sensor coordinate system SC and the body coordinate system BC (more specifically, the inclination angle of each axis of the sensor coordinate system SC with respect to each axis of the body coordinate system BC). ) From the element coordinate system conversion tensor (R (C_thigh → C_waist), etc.). For example, when the three axes (XYZ axes) of the sensor coordinate system SC are inclined by the angle θy around the Y axis (axis perpendicular to the paper surface of FIG. 6) of the body coordinate system BC as shown in FIG. R (SC → BC) is represented by a matrix having the same form as the right side of the equation (1). In this case, since the
身体座標系加速度算出手段30の演算処理では、上記の如く加速度ベクトルACC(センサ/BC)および角速度ベクトルω(センサ/BC)を求めた後、次式(13)によって、身体座標系BCの原点の加速度ベクトルACC(BCO/BC)を求める。「BCO」は身体座標系BCの原点を表す符号である。 In the calculation processing of the body coordinate system acceleration calculating means 30, after obtaining the acceleration vector ACC (sensor / BC) and the angular velocity vector ω (sensor / BC) as described above, the origin of the body coordinate system BC is obtained by the following equation (13). Acceleration vector ACC (BCO / BC) is obtained. “BCO” is a code representing the origin of the body coordinate system BC.
この式(13)中の、U(センサ/BC)は、身体座標系BCでの加速度センサ16およびジャイロセンサ17の位置ベクトルであり、U(センサ/BC)x、U(センサ/BC)y、U(センサ/BC)zはそれぞれ、前述した本明細書でのベクトルの座標成分値の表記手法の定義にしたがって、U(センサ/BC)の身体座標系BCでの各座標成分値である。U(センサ/BC)は、加速度センサ16およびジャイロセンサ17の腰部8への取り付け時に実測されて演算処理装置18のメモリに記憶保持されている。また、ω(センサ/BC)x、ω(センサ/BC)y、ω(センサ/BC)zはそれぞれ先に求めた角速度ベクトルω(センサ/BC)の各座標成分値である。また、ω(センサ/BC)’は、ω(センサ/BC)の1階微分値を示しており、その値は、演算処理装置18の演算処理周期毎に前記式(12)により求めるω(センサ/BC)の時系列データから算出される。補足すると、腰部要素S6内のどの部分でも角速度は同一であり、例えば腰部要素S6に固定されている身体座標系BCの原点BCOの角速度ω(BCO/BC)は、ω(センサ/BC)に等しい。
In this equation (13), U (sensor / BC) is a position vector of the
なお、加速度センサ16は重力に伴う加速度も検出するので、上記のように求められた加速度ベクトルACC(BCO/BC)には、重力による慣性加速度成分が含まれる。また、本実施系形態では、腰部要素S6の角速度を考慮して身体座標系BCの原点BCOの加速度ベクトルACC(BCO/BC)を求めるようにしたが、腰部要素S6の角速度やその変化率は比較的小さいので、前記式(11)で求めたACC(センサ/BC)をそのまま身体座標系BCの原点BCOの加速度ベクトルACC(BCO/BC)としてもよい。
Since the
また、前記身体座標系傾斜角算出手段31の演算処理では、加速度センサ16およびジャイロセンサ17の検出出力から所謂カルマンフィルタによって鉛直方向(重力方向)に対する腰部要素S6の傾斜角(身体座標系BCのZ軸の傾斜角)が算出される。この算出手法は公知であるのでここでの説明は省略する。なお、ここで算出される傾斜角は、前後方向の水平軸と左右方向の水平軸との2軸回りの傾斜角である。
Further, in the calculation process of the body coordinate system tilt angle calculation means 31, the tilt angle of the waist element S6 with respect to the vertical direction (gravity direction) from the detection outputs of the
次に、演算処理装置18は、全体/要素重心運動算出手段30の演算処理を実行する。この全体/要素重心運動算出手段30の演算処理では、まず、前記関節・要素重心位置算出手段29によって求められた各剛体要素の重心位置(身体座標系BCでの位置ベクトル)と、あらかじめ前述したように設定された各剛体要素の重量とから、次式(14)によって、剛体リンクモデルS1の全体重心(人間1の全体重心。以下、G_全体と表記することがある)の身体座標系BCでの位置ベクトルU(G_全体/BC)が求められる。
Next, the
U(G_全体/BC)={U(G_胸部/BC)×m_胸部+U(G_腹部/BC)×m_腹部
+U(G_腰部/BC)×m_腰部+U(G_右大腿部/BC)×m_右大腿部
+U(G_左大腿部/BC)×m_左大腿部+U(G_右下腿部/BC)×m_右下腿部
+U(G_左下腿部/BC)×m_左下腿部+U(G_右足平部/BC)×m_右足平部
+U(G_左足平部/BC)×m_左足平部}/全体重量 ……(14)
U (G_whole / BC) = {U (G_chest / BC) × m_chest + U (G_abdomen / BC) × m_abdomen + U (G_waist / BC) × m_waist + U (G_right thigh / BC) × m_right thigh + U (G_left thigh / BC) × m_left thigh + U (G_right lower leg / BC) × m_right lower leg + U (G_left lower leg / BC) × m_left lower leg Part + U (G_right foot / BC) × m_right foot + U (G_left foot / BC) × m_left foot} / whole weight …… (14)
なお、m_胸部など、「m_○○」は○○の名称に対応する剛体要素の重量である。この式(14)の如く、全体重心の位置ベクトルU(G_全体/BC)は、剛体リンクモデルS1の各剛体要素の重心の身体座標系BCでの位置ベクトルとその剛体要素の重量との積の総和を、人間1の全体重量(=全ての剛体要素の重量の総和)で除算することで求められる。 Note that “m_OO”, such as m_chest, is the weight of the rigid element corresponding to the name of OO. As shown in this equation (14), the position vector U (G_total / BC) of the total center of gravity is the product of the position vector in the body coordinate system BC of the center of gravity of each rigid element of the rigid link model S1 and the weight of the rigid element. Is divided by the total weight of human 1 (= sum of the weights of all rigid elements).
全体/要素重心運動算出手段30の演算処理では、さらに、上記のように求めた全体重心の位置ベクトルU(G_全体/BC)の時系列データ(演算処理装置18の演算処理周期毎のU(G_全体/BC)の時系列値)から、U(G_全体/BC)の2階微分値U(G_全体/BC)''が算出される。この2階微分値U(G_全体/BC)''は、身体座標系BCの原点BCOに対する全体重心G_全体の相対的な加速度を意味している。そして、この2階微分値U(G_全体/BC)''、すなわち、身体座標系BCの原点BCOに対するG_全体の相対加速度を、前記身体座標系加速度算出手段30で先に求めた身体座標系BCの原点BCOの加速度ベクトルACC(BCO/BC)に加算することにより、G_全体の実際の加速度ベクトルACC(G_全体/BC)が算出される。すなわち、次式(15)により、ACC(G_全体/BC)が算出される。 In the calculation process of the total / element centroid motion calculating means 30, the time series data of the position vector U (G_total / BC) of the total centroid determined as described above (U (for each calculation processing cycle of the calculation processing device 18) The second-order differential value U (G_total / BC) '' of U (G_total / BC) is calculated from the time series value of G_total / BC). This second-order differential value U (G_total / BC) '' means the relative acceleration of the entire center of gravity G_ relative to the origin BCO of the body coordinate system BC. The second-order differential value U (G_whole / BC) '', that is, the body coordinate system obtained by the body coordinate system acceleration calculation means 30 in advance of the relative acceleration of G_w with respect to the origin BCO of the body coordinate system BC. By adding to the acceleration vector ACC (BCO / BC) of the origin BCO of BC, the actual acceleration vector ACC (G_total / BC) of G_total is calculated. That is, ACC (G_total / BC) is calculated by the following equation (15).
ACC(G_全体/BC)=ACC(BCO/BC)+U(G_全体/BC)'' ……(15) ACC (G_Overall / BC) = ACC (BCO / BC) + U (G_Overall / BC) '' (15)
さらに、全体/要素重心運動算出手段30の演算処理では、関節・要素重心位置算出手段29で先に求めた各脚体部S2の大腿部要素S10、下腿部要素S12、および足平部要素S14のそれぞれの重心の位置ベクトル(身体座標系BCでの位置ベクトル)の時系列データ(演算処理装置18の演算処理周期毎の時系列値)から、それぞれの重心の位置ベクトルの2階微分値、すなわち、身体座標系BCの原点BCOに対する各剛体要素の重心の相対加速度が算出される。そして、この各剛体要素の重心の相対加速度を、前記身体座標系加速度算出手段30で先に求めた身体座標系BCの原点BCOの加速度ベクトルACC(BCO/BC)に加算することにより、各剛体要素の重心の実際の加速度ベクトルが算出される。例えば、各大腿部要素S10の重心G_大腿部(G10)の加速度ベクトルACC(G_大腿部/BC)は、前記式(15)と同様、G_大腿部の位置ベクトルU(G_大腿部/BC)の2階微分値U(G_大腿部/BC)''にACC(BCO/BC)を加算することで算出される。下腿部要素S12、足平部要素S14についても同様である。 Further, in the calculation process of the whole / element centroid motion calculating means 30, the thigh element S10, the crus element S12, and the foot part of each leg part S2 previously obtained by the joint / element centroid position calculating means 29 are obtained. From the time series data (time series value for each calculation processing period of the calculation processing device 18) of the position vector of each centroid of the element S14 (position vector in the body coordinate system BC), the second-order differentiation of the position vector of each centroid. The value, that is, the relative acceleration of the center of gravity of each rigid element with respect to the origin BCO of the body coordinate system BC is calculated. Then, by adding the relative acceleration of the center of gravity of each rigid body element to the acceleration vector ACC (BCO / BC) of the origin BCO of the body coordinate system BC previously obtained by the body coordinate system acceleration calculating means 30, each rigid body is obtained. The actual acceleration vector of the centroid of the element is calculated. For example, the acceleration vector ACC (G_thigh / BC) of the center of gravity G_thigh (G10) of each thigh element S10 is G_thigh position vector U (G_large) as in the equation (15). It is calculated by adding ACC (BCO / BC) to the second-order differential value U (G_thigh / BC) '' of thigh / BC. The same applies to the crus element S12 and the foot part element S14.
次に、演算処理装置18は、前記床反力推定手段33および床反力作用点推定手段34の算出処理を実行する。床反力推定手段33の演算処理では、まず、接地センサ24,25の検出出力に基づき、人間1の運動状態が両脚体2,2が接地する両脚支持状態であるか、一方の脚体2のみが接地する単脚支持状態であるかが判断される。すなわち、一方の脚体2の接地センサ24,25のいずれかが接地有りを示すON信号を出力し、且つ、他方の脚体2の接地センサ24,25のいずれかが接地有りを示すON信号を出力している場合には両脚接地状態であると判断される。また、両脚体2,2のうちの一方の脚体2の接地センサ24,25のいずれかが接地有りを示すON信号を出力しており、且つ、他方の脚体2の接地センサ24,25の両者が接地有りを示すON信号を出力していない場合には、単脚支持状態であると判断される。そして、床反力推定手段31の処理では、両脚支持状態であるか単脚支持状態であるかに応じて、各別の演算処理により各脚体2に作用する床反力ベクトルを推定する。
Next, the
この床反力ベクトルの推定処理の基本的な考え方は、本願出願人が先に提案した特開2003−89083号公報等のものと同じであるが、本実施形態では、主に、その推定処理に用いる座標系等が同公報等に記載した手法と相違している。以下に図7および図8(a),(b)を参照して説明する。図7は矢状面で見た人間1の単脚支持状態を例示しており、図8(a),(b)はそれぞれ矢状面、前額面で見た人間1の両脚支持状態を例示している。なお、これらの図7及び図8では人間1は剛体リンクモデル状に模式化して示している。図7に示すように、人間1の運動状態が単脚支持状態であるときには、接地している脚体2(ここでは例えば右側脚体2であるとする)に作用する床反力ベクトルFrf(右脚体/BC)、すなわち、接地している右側脚体2に作用する床反力ベクトルを身体座標系BCの座標成分値で表したものが、全体重心G_全体の、身体座標系BCでの並進運動に関する運動方程式を表す次式(16)により算出される。
The basic concept of the estimation process of the floor reaction force vector is the same as that of JP 2003-89083 A and the like previously proposed by the applicant of the present application. However, in the present embodiment, the estimation process is mainly performed. The coordinate system and the like used in is different from the method described in the publication. This will be described below with reference to FIGS. 7 and 8 (a) and 8 (b). FIG. 7 illustrates the single-leg support state of the human 1 viewed from the sagittal plane, and FIGS. 8A and 8B illustrate the dual-leg support state of the human 1 viewed from the sagittal plane and the frontal plane, respectively. is doing. In FIGS. 7 and 8, the
Frf(右脚体/BC)=全体重量×ACC(G_全体/BC) ……(16) Frf (right leg / BC) = total weight × ACC (G_total / BC) (16)
すなわち、前記全体/要素重心運動算出手段30で算出されたG_全体の加速度ベクトルACC(G_全体/BC)と人間1の全体重量(剛体リンクモデルS1の全体重量)とから式(16)により床反力ベクトルFrf(右脚体/BC)が算出される。左側脚体2が接地している場合でも、単脚支持状態では同様に、式(16)の右辺の演算によって、床反力ベクトルFrf(左脚体/BC)が算出される。この場合、前述したようにACC(G_全体/BC)には、重力による慣性加速度成分が含まれ、また、床反力ベクトルFrfを身体座標系BCで表すので、重力加速度やその方向を考慮する必要はない。なお、接地していない側の脚体2に作用する床反力ベクトルFrfは0である。また、図7では、図示の便宜上、身体座標系BCのZ軸を鉛直方向に記載しているが、式(16)は身体座標系BCの傾きにはよらない。
That is, from the G_total acceleration vector ACC (G_total / BC) calculated by the total / element centroid motion calculating means 30 and the total weight of the human 1 (the total weight of the rigid link model S1), A reaction force vector Frf (right leg / BC) is calculated. Even when the
一方、図8(a),(b)に示すように、両脚支持状態であるときには、右側脚体2に作用する床反力ベクトルFrf(右脚体/BC)と左側脚体2に作用する床反力ベクトルFrf(左脚体/BC)とが次の5つの関係式(17)〜(21)を基に算出される。
On the other hand, as shown in FIGS. 8A and 8B, when both legs are supported, the floor reaction force vector Frf (right leg / BC) acting on the
Frf(右脚体/BC)+Frf(左脚体/BC)=全体重量×ACC(G_全体/BC)
……(17)
Frf(右脚体/BC)x:Frf(右脚体/BC)z
=U(G_全体/BC)x−U(J_右足首/BC)x
:U(G_全体/BC)z−U(J_右足首/BC)z……(18)
Frf(左脚体/BC)x:Frf(左脚体/BC)z
=U(G_全体/BC)x−U(J_左足首/BC)x
:U(G_全体/BC)z−U(J_左足首/BC)z……(19)
Frf(右脚体/BC)y:Frf(右脚体/BC)z
=U(G_全体/BC)y−U(J_右足首/BC)y
:U(G_全体/BC)z−U(J_右足首/BC)z……(20)
Frf(左脚体/BC)y:Frf(左脚体/BC)z
=ACC(G_全体/BC)y−U(J_左足首/BC)y
:U(G_全体/BC)z−U(J_左足首/BC)z……(21)
Frf (right leg / BC) + Frf (left leg / BC) = total weight × ACC (G_total / BC)
(17)
Frf (right leg / BC) x: Frf (right leg / BC) z
= U (G_whole / BC) x-U (J_right ankle / BC) x
: U (G_whole / BC) z-U (J_right ankle / BC) z …… (18)
Frf (left leg / BC) x: Frf (left leg / BC) z
= U (G_whole / BC) x-U (J_left ankle / BC) x
: U (G_whole / BC) z-U (J_left ankle / BC) z …… (19)
Frf (right leg / BC) y: Frf (right leg / BC) z
= U (G_whole / BC) y-U (J_right ankle / BC) y
: U (G_whole / BC) z-U (J_right ankle / BC) z …… (20)
Frf (left leg / BC) y: Frf (left leg / BC) z
= ACC (G_whole / BC) y-U (J_left ankle / BC) y
: U (G_whole / BC) z-U (J_left ankle / BC) z …… (21)
ここで、これらの式(17)〜(21)の意味を説明すると、式(17)は、全体重心G_全体の、身体座標系BCでの並進運動に関する運動方程式を表している。また、式(18)〜(21)は、図8(a),(b)に示すように、床反力ベクトルFrf(右脚体/BC)および床反力ベクトルFrf(左脚体/BC)がそれぞれ右側脚体2の足首関節13、左側脚体2の足首関節13から全体重心G_全体に向かうベクトルであると仮定して、換言すれば、床反力ベクトルFrfと、左側足首関節13から見たG_全体の位置ベクトルとの向きが同じであると仮定して得られる幾何学的関係式である。この場合、式(18),(19)は矢状面(身体座標系BCのXZ平面)で見た関係式であり、式(20),(21)は前額面(身体座標系BCのYZ)平面で見た関係式である。なお、図8では、図示の便宜上、身体座標系BCのZ軸を鉛直方向に記載しているが、式(17)〜(21)は身体座標系BCの傾きにはよらない。また、本実施形態では、各脚体2の足首関節13は、該脚体2の下端部近傍の特定部としての意味を持つ。
Here, the meaning of these equations (17) to (21) will be described. Equation (17) represents an equation of motion related to translational motion of the entire center of gravity G_ in the body coordinate system BC. In addition, as shown in FIGS. 8A and 8B, the equations (18) to (21) are expressed by the floor reaction force vector Frf (right leg / BC) and the floor reaction force vector Frf (left leg / BC). ) Are vectors directed from the
両脚支持状態での床反力ベクトルFrf(右脚体/BC),Frf(左脚体/BC)を求める場合には、それらのベクトルの座標成分値を未知数として、前記式(17)〜(21)により構成される連立方程式を解くことで、Frf(右脚体/BC),Frf(左脚体/BC)が算出される。すなわち、Frf(右脚体/BC),Frf(左脚体/BC)は、人間1の全体重量と全体/要素重心運動算出手段30で求めたACC(G_全体/BC)およびU(G_全体/BC)と関節・要素重心位置算出手段29で求めたU(J_右足首/BC)およびU(J_左足首/BC)とから算出される。このように、本実施形態では、両脚支持状態での床反力ベクトルFrf(右脚体/BC),Frf(左脚体/BC)は、身体座標系BCで記述される前記関係式(17)〜(21)に基づいて算出される。 When calculating the floor reaction force vectors Frf (right leg / BC) and Frf (left leg / BC) in the state where both legs are supported, the coordinate component values of these vectors are set as unknowns and the above equations (17) to ( Frf (right leg / BC) and Frf (left leg / BC) are calculated by solving the simultaneous equations constituted by 21). That is, Frf (right leg / BC) and Frf (left leg / BC) are the ACC (G_total / BC) and U (G_total) obtained by the total weight of the human 1 and the total / element centroid motion calculation means 30. / BC) and U (J_right ankle / BC) and U (J_left ankle / BC) obtained by the joint / element gravity center calculating means 29. Thus, in the present embodiment, the floor reaction force vectors Frf (right leg / BC) and Frf (left leg / BC) in the state where both legs are supported are expressed by the relational expression (17) described in the body coordinate system BC. ) To (21).
なお、Frf(右脚体/BC),Frf(左脚体/BC)のZ軸成分は、矢状面に関する式(18),(19)、あるいは前額面に関する式(20),(21)のいずれを用いても求めることが可能である。 Note that the Z-axis components of Frf (right leg / BC) and Frf (left leg / BC) are the expressions (18) and (19) relating to the sagittal plane or the expressions (20) and (21) relating to the frontal plane. Any of these can be used.
床反力作用点推定手段34の演算処理では、まず、前記身体座標系傾斜角算出手段31で算出された腰部要素S6の鉛直方向に対する傾斜角を基に、身体座標系BCから絶対座標系ICへの変換テンソルR(BC→IC)が作成される。ここで、絶対座標系ICは、鉛直方向をZ軸とする直交座標系で、前記基準姿勢状態において身体座標系BCと各座標軸の向きが同一となる座標系である。なお、絶対座標系ICから身体座標系BCへの変換テンソルR(IC→BC)は変換テンソルR(BC→IC)の転置R(BC→IC)Tである。 In the calculation process of the floor reaction force action point estimation means 34, first, based on the inclination angle of the waist element S6 calculated by the body coordinate system inclination angle calculation means 31 with respect to the vertical direction, the body coordinate system BC is changed to the absolute coordinate system IC. A conversion tensor R (BC → IC) is created. Here, the absolute coordinate system IC is an orthogonal coordinate system having the vertical direction as the Z axis, and is a coordinate system in which the orientation of each coordinate axis is the same as that of the body coordinate system BC in the reference posture state. The conversion tensor R (IC → BC) from the absolute coordinate system IC to the body coordinate system BC is a transposition R (BC → IC) T of the conversion tensor R (BC → IC).
次いで、上記変換テンソルR(BC→IC)を用いて、前記全体/要素重心運動算出手段32で先に求めた全体重心G_全体の位置ベクトルU(G_全体/BC)と、関節・要素重心位置算出手段29で先に求めた各脚体部S2の足首関節J13およびMP関節J14aのそれぞれの位置ベクトルU(J_足首/BC),U(J_MP/BC)とにそれぞれ上記変換テンソルR(BC→IC)を乗算することにより、全体重心G_全体、各足首関節J13およびMP関節J14aの絶対座標系ICで見た位置ベクトルU(G_全体/IC),U(J_足首/IC),U(J_MP/IC)が算出される。なお、これらの位置ベクトルU(G_全体/IC),U(J_足首/IC),U(J_MP/IC)は、身体座標系BCと同じ原点を有する絶対座標系ICでの位置ベクトルである。また、このとき、接地センサ24,25の検出出力により接地無しと判断される脚体2に関しては、位置ベクトルU(J_足首/IC),U(J_MP/IC)を算出する必要はない。
Next, using the conversion tensor R (BC → IC), the total center G_total position vector U (G_total / BC) previously determined by the total / element center of gravity motion calculating means 32 and the joint / element center of gravity position The conversion tensors R (BC →) are respectively added to the position vectors U (J_ankle / BC) and U (J_MP / BC) of the ankle joint J13 and the MP joint J14a of each leg body S2 previously obtained by the calculation means 29. IC), the position vector U (G_total / IC), U (J_ankle / IC), U (J_MP) as seen in the absolute coordinate system IC of the total center of gravity G_, each ankle joint J13 and MP joint J14a. / IC) is calculated. These position vectors U (G_total / IC), U (J_ankle / IC), and U (J_MP / IC) are position vectors in the absolute coordinate system IC having the same origin as the body coordinate system BC. At this time, it is not necessary to calculate the position vectors U (J_ankle / IC) and U (J_MP / IC) for the
次いで、接地センサ24,25の検出出力により接地有りと判断される各脚体2毎に、位置ベクトルU(G_全体/IC),U(J_足首/IC),U(J_MP/IC)のX軸方向成分U(G_全体/IC)x,U(J_足首/IC)x,U(J_MP/IC)xの大小関係に応じて、換言すれば、全体重心G_全体、足首関節13およびMP関節14aの前後方向での相対的な水平位置関係に応じて、床反力作用点の位置ベクトル(絶対座標系ICでの位置ベクトル)U(COP/IC)のX軸成分およびY軸成分が決定される。この決定手法を図9(a)〜(c)および図10を参照してさらに詳説する。なお、以下の説明では、左側脚体2が接地しているとする。図9(a)〜(c)は矢状面で見た人間1の左脚体2が接地している状態(これらの図では単脚支持状態)を例示しており、図10は図9(b)の状態での接地側の足平部14を平面視で見た図を示している。なお、図9及び図10では人間1は剛体リンクモデル状に模式化して示している。
Next, for each
図9(a)に示すように、全体重心G_全体が接地している左側脚体2のMP関節14aよりも前方に存在する場合、すなわち、U(G_全体/IC)x>U(J_左MP/IC)xである場合には、該左側脚体2の足平部14は、主にそのつま先側部分で踏ん張って接地している。この場合には、床反力作用点COPは、その足平部14のMP関節14aのほぼ直下の位置に存在する。そこで、この場合には、床反力作用点COPの位置ベクトルU(左COP/IC)のX,Y軸成分はそれぞれMP関節14aの位置ベクトルU(J_左MP/IC)のX,Y軸成分に等しいとする。すなわち、U(左COP/IC)x=U(J_左MP/IC)x、U(左COP/IC)y=U(J_左MP/IC)yとする。
As shown in FIG. 9A, when the entire center of gravity G_ is present ahead of the MP joint 14a of the
また、図9(c)に示す如く、全体重心G_全体が接地している左側脚体2の足首関節13よりも後方に存在する場合、すなわち、U(G_全体/IC)x<U(J_左足首/IC)xである場合には、該左側脚体2の足平部14は、主にその踵側部分で踏ん張って接地している。この場合には、床反力作用点COPは、その左側脚体2の足首関節13のほぼ直下の位置に存在する。そこで、この場合には、床反力作用点COPの位置ベクトルU(左COP/IC)のX,Y軸成分はそれぞれ足首関節13の位置ベクトルU(J_右足首/IC)のX,Y軸成分に等しいとする。すなわち、U(左COP/IC)x=U(J_左足首/IC)x、U(左COP/IC)y=U(J_左足首/IC)yとする。
Further, as shown in FIG. 9C, when the entire center of gravity G_ is present behind the
また、図9(b)に示すように、全体重心G_全体が前後方向で左側脚体2の足首関節13とMP関節14aとの間に存在する場合、すなわち、U(J_左MP/IC)x≦U(G_全体/IC)x≦U(J_左足首/IC)xである場合には、床反力作用点COPは、図示の矢状面上では、全体重心G_全体のほぼ真下に存在する。そこで、この場合には、床反力作用点COPの位置ベクトルU(左COP/IC)のX軸成分は、全体重心G_全体のX軸成分に等しいとする。すなわち、U(左右COP/IC)x=U(G_全体/IC)xとする。そして、床反力作用点COPは、接地している左側脚体2の足平部14と床面との接触面(この場合、足平部14の底面のほぼ全面)に存在しており、その位置は、概ね、足首関節13の中心点とMP関節14aの中心点とを結ぶ線分を床面に投影した線分上に存在すると考えられる。そこで、床反力作用点COPの位置ベクトルU(右COP/IC)のY軸成分は、図10に示す如く、左側脚体2に関する足平部要素S14の軸心上(足首関節13の中心点とMP関節14aの中心点とを結ぶ線分上)で、全体重心G_全体とX軸成分(絶対座標系ICでのX軸成分)の値が同じになるような点PのY軸成分と等しいとする。このような位置ベクトルU(右COP/IC)のY軸成分の値は、次式(22)に比例関係式に基づいて求められる。
Further, as shown in FIG. 9B, when the entire center of gravity G_ is present between the ankle joint 13 and the MP joint 14a of the
U(左COP/IC)x−U(J_左足首/IC)x:U(J_左MP/IC)x−U(J_左足首/IC)x
=U(左COP/IC)y−U(J_左足首/IC)y
:U(J_左MP/IC)y−U(J_左足首/IC)y ……(22)
U (left COP / IC) x-U (J_left ankle / IC) x: U (J_left MP / IC) x-U (J_left ankle / IC) x
= U (Left COP / IC) y-U (J_Left ankle / IC) y
: U (J_Left MP / IC) y-U (J_Left ankle / IC) y (22)
また、床反力作用点の位置ベクトルU(左COP/IC)のZ軸成分は、左側脚体2の足首関節13(足首要素J13)からあらかじめ定めた所定値H0(>0)だけ鉛直方向下方に離れた点のZ軸成分に等しいとする。すなわち、U(右COP/IC)z=U(J_左足首/IC)z−H0とする。ここで、所定値H0は、前記基準姿勢状態(より正確には足平部14の底面のほぼ全体を水平な床面上に接触させた状態)における床面から足首関節13の中心までの鉛直方向距離であり、あらかじめ実測されて演算処理装置18のメモリに記憶保持されている。所定値H0は左右の各脚体2毎に各別に実測してもよいが、いずれかの一方の脚体2について実測した値を左右の両脚体2で共通に使用してもよい。
In addition, the Z-axis component of the position vector U (left COP / IC) of the floor reaction force acting point is in the vertical direction by a predetermined value H0 (> 0) determined in advance from the ankle joint 13 (ankle element J13) of the
本実施形態では、以上の如く、左側脚体2が接地している場合に該左側脚体に作用する床反力ベクトルFrfの床反力作用点の位置ベクトルU(左COP/IC)が求められる。右側脚体2が接地している場合についても同様である。この場合、両脚接地状態では、各脚体2のそれぞれについて上記の如く床反力作用点の位置ベクトルが求められる。
In the present embodiment, as described above, the position vector U (left COP / IC) of the floor reaction force acting point of the floor reaction force vector Frf acting on the left leg when the
なお、本実施形態では、床反力作用点の位置ベクトルU(COP/IC)のZ軸成分を求めるために用いる前記所定値H0を一定値としたが、接地センサ24,25により、足平部14のつま先側のみが接地していること、すなわち、接地センサ25のみが接地有りを示すON信号を出力している場合には、上記所定値H0の代わりに、その接地している脚体2のついて、足首関節13およびMP関節14aのそれぞれの位置ベクトルU(J_足首/IC),U(J_MP/IC)のZ軸成分の差(U(J_足首/IC)z−U(J_MP/IC)z)、すなわち、足首関節13とMP関節14aとの鉛直方向距離を使用するようにしてもよい。このようにすると、U(COP/IC)の精度を高めることができる。
In the present embodiment, the predetermined value H0 used for obtaining the Z-axis component of the position vector U (COP / IC) of the floor reaction force acting point is a constant value. When only the toe side of the
床反力作用点推定手段34の演算処理では、最後に、上記の如く接地している各脚体2について求めた床反力作用点の位置ベクトルU(COP/IC)に、先に求めた変換テンソルR(BC→IC)の転置である逆変換テンソルR(IC→BC)を乗算することにより、床反力作用点の位置ベクトルの身体座標系BCでの値U(COP/BC)が求められる。
In the calculation process of the floor reaction force action point estimation means 34, the position vector U (COP / IC) of the floor reaction force action point obtained for each
次に、演算処理装置18は、関節モーメント推定手段35による演算処理を実行する。この関節モーメント推定手段35の演算処理の概略を説明すると、各脚体部S2の足平部要素S14、下腿部要素S12、大腿部要素S10のそれぞれの並進運動および回転運動に関する運動方程式に基づく逆動力学モデルの演算によって、足平部要素S14、下腿部要素S12、および大腿部要素S10のそれぞれの腰部要素S6側の端点の関節要素J_足首、J_膝、J_股の関節モーメントが順番に算出される。
Next, the
以下、具体的に説明すると、足平部要素S14、下腿部要素S12、大腿部要素S10のそれぞれの並進運動の運動方程式は次の式(23)〜(25)により与えられる。なお、以下の説明において、一般的に、足平部要素S14、下腿部要素S12、および大腿部要素S10のそれぞれの剛体要素の両端のうち、腰部要素S6に近い側の一端部を「P_○○」、遠い側の他端部「D_○○」(○○は剛体要素を表す名称)というように表記することがある。例えば下腿部要素S12の膝関節J_膝(J11)側の端部を「P_下腿部」、足首関節J_足首(J13)側の端部を「D_下腿部」というように表記する。 More specifically, the equations of translation of the foot element S14, the crus element S12, and the thigh element S10 are given by the following equations (23) to (25). In the following description, generally, one end portion on the side closer to the waist element S6 among the ends of the rigid elements of the foot element S14, the crus element S12, and the thigh element S10 is referred to as “ P_OO "and the other end" D_OO "on the far side (XX is a name indicating a rigid element) may be used. For example, the end on the knee joint J_knee (J11) side of the crus element S12 is expressed as “P_lower leg”, and the end on the ankle joint J_ankle (J13) side as “D_lower leg”.
F(P_足平部/BC)=m_足平部×ACC(G_足平部/BC)−F(D_足平部/BC)
……(23)
F(P_下腿部/BC)=m_下腿部×ACC(G_下腿部/BC)−F(D_下腿部/BC)
……(24)
F(P_大腿部/BC)=m_大腿部×ACC(G_大腿部/BC)−F(D_大腿部/BC)
……(25)
F (P_foot / BC) = m_foot × ACC (G_foot / BC) −F (D_foot / BC)
...... (23)
F (P_crus / BC) = m_crus × ACC (G_crus / BC) −F (D_crus / BC)
...... (24)
F (P_thigh / BC) = m_thigh × ACC (G_thigh / BC) −F (D_thigh / BC)
...... (25)
ここで、上記各式(23)〜(25)中に現れる2つのF(P_○○/BC)、F(D_○○/BC)は、その○○で表される名称の剛体要素の両端が、それぞれに接触する物体から受ける反力(身体座標系BCで表した並進力ベクトル)を意味している。この場合、F(D_足平部/BC)は、前記床反力推定手段31で求めた床反力ベクトルFrf(脚体/BC)に等しい。また、F(D_下腿部/BC)=−F(P_足平部/BC)、F(D_大腿部/BC)=−F(P_下腿部/BC)である。 Here, two F (P_OO / BC) and F (D_OO / BC) appearing in each of the above formulas (23) to (25) are both ends of the rigid element having the name represented by OO. Means a reaction force (translational force vector expressed in the body coordinate system BC) received from an object in contact with each other. In this case, F (D_foot / BC) is equal to the floor reaction force vector Frf (leg / BC) obtained by the floor reaction force estimating means 31. Further, F (D_thigh / BC) = − F (P_foot / BC) and F (D_thigh / BC) = − F (P_crut / BC).
従って、床反力推定手段31で求めた床反力ベクトルFrf(脚体/BC)と、前記全体/要素重運動算出手段30で求めた足平部要素S14の重心の加速度ベクトルACC(G_足平部/BC)と、足平部要素S14の重量m_足平部とから式(23)の右辺の演算により、F(P_足平部/BC)、すなわち、足首関節J_足首に作用する並進力が求められる。また、その求めたF(P_足平部/BC)(=−F(D_下腿部/BC))と全体/要素重運動算出手段30で求めた下腿部要素S12の重心の加速度ベクトルACC(G_下腿部/BC)と下腿部要素S12の重量m_下腿部とから式(24)の右辺の演算によりF(P_下腿部/BC)、すなわち、膝関節J_膝に作用する並進力が求められる。同様に、その求めたF(P_下腿部/BC)(=F(D_大腿部/BC))を用いて、式(25)の右辺の演算によりF(P_大腿部/BC)、すなわち、股関節J_股に作用する並進力が求められる。このように、関節要素J_足首、J_膝、J_股に作用する反力ベクトル(並進力ベクトル)が上記(23)〜(25)の運動方程式に基づいて順番に算出される。 Therefore, the floor reaction force vector Frf (leg / BC) obtained by the floor reaction force estimating means 31 and the acceleration vector ACC (G_foot) of the center of gravity of the foot element S14 obtained by the whole / element heavy motion calculating means 30 are obtained. Flat part / BC) and the weight m_foot part of the foot part element S14, F (P_foot part / BC), that is, translation acting on the ankle joint J_ankle by the calculation of the right side of the equation (23) Power is required. Further, the acceleration vector ACC of the center of gravity of the crus element S12 obtained by the obtained F (P_foot part / BC) (= −F (D_crus part / BC)) and the whole / element heavy motion calculation means 30. Acts on F (P_crus / BC), that is, knee joint J_knee, by calculating the right side of the equation (24) from (G_crus / BC) and the weight m_crus of the crus element S12 Translation force is required. Similarly, F (P_thigh / BC) is calculated by the calculation of the right side of Expression (25) using the obtained F (P_lower leg / BC) (= F (D_thigh / BC)). That is, a translational force acting on the hip joint J_crotch is required. Thus, reaction force vectors (translation force vectors) acting on the joint elements J_ankle, J_knee, and J_crotch are sequentially calculated based on the equations of motion (23) to (25).
次に、足平部要素S14、下腿部要素S12、大腿部要素S10のそれぞれの回転運動(それぞれの重心回りの回転運動)の運動方程式は次の式(26)〜(28)により与えられる。 Next, the equations of motion of the respective foot movements S14, crus element S12, and thigh element S10 (rotational movements around the center of gravity) are given by the following equations (26) to (28). It is done.
M(P_足平部/C_足平部)=I_足平部×ω(足平部/C_足平部)’
+ω(足平部/C_足平部)×(I_足平部×ω(足平部/C_足平部))
−(U(COP/C_足平部)−U(G_足平部/C_足平部))
×(R(BC→C_足平部)×F(D_足平部/BC))
−(U(P_足平部/C_足平部)−U(G_足平部/C_足平部))
×(R(BC→C_足平部)×F(P_足平部/BC))
−R(BC→C_足平部)×M(D_足平部/BC)
……(26)
M(P_下腿部/C_下腿部)=I_下腿部×ω(下腿部/C_下腿部)’
+ω(下腿部/C_下腿部)×(I_下腿部×ω(下腿部/C_下腿部))
−(−U(G_下腿部/C_下腿部))
×(R(BC→C_下腿部)×F(D_下腿部/BC))
−(U(P_下腿部/C_下腿部)−U(G_下腿部/C_下腿部))
×(R(BC→C_下腿部)×F(P_下腿部/BC))
−R(BC→C_下腿部)×M(D_下腿部/BC)
……(27)
M(P_大腿部/C_大腿部)=I_大腿部×ω(大腿部/C_大腿部)’
+ω(大腿部/C_大腿部)×(I_大腿部×ω(大腿部/C_大腿部))
−(−U(G_大腿部/C_大腿部))
×(R(BC→C_大腿部)×F(D_大腿部/BC))
−(U(P_大腿部/C_大腿部)−U(G_大腿部/C_大腿部))
×(R(BC→C_大腿部)×F(P_大腿部/BC))
−R(BC→C_大腿部)×M(D_大腿部/BC)
……(28)
M (P_foot part / C_foot part) = I_foot part × ω (foot part / C_foot part) '
+ Ω (foot part / C_foot part) × (I_foot part × ω (foot part / C_foot part))
-(U (COP / C_foot part) -U (G_foot part / C_foot part))
× (R (BC → C_foot part) × F (D_foot part / BC))
-(U (P_foot / C_foot) -U (G_foot / C_foot)))
× (R (BC → C_foot) × F (P_foot / BC))
-R (BC → C_foot part) × M (D_foot part / BC)
...... (26)
M (P_crus / C_crus) = I_crus × ω (crus / C_crus) '
+ Ω (crus / C_crus) × (I_crus × ω (crus / C_crus))
-(-U (G_crus / C_crus))
× (R (BC → C_crus) × F (D_crus / BC))
-(U (P_crus / C_crus) -U (G_crus / C_crus))
× (R (BC → C_crus) × F (P_crus / BC))
-R (BC → C_crus) × M (D_crus / BC)
...... (27)
M (P_thigh / C_thigh) = I_thigh × ω (thigh / C_thigh) '
+ Ω (thigh / C_thigh) × (I_thigh × ω (thigh / C_thigh))
-(-U (G_thigh / C_thigh))
× (R (BC → C_thigh) × F (D_thigh / BC))
-(U (P_thigh / C_thigh) -U (G_thigh / C_thigh))
× (R (BC → C_thigh) × F (P_thigh / BC))
-R (BC → C_thigh) × M (D_thigh / BC)
...... (28)
ここで、上記各式(26)〜(28)中にそれぞれ現れる2つのF(P_○○/BC)、F(D_○○/BC)は、その○○で表される名称の剛体要素の両端が、それぞれに接触する物体から受ける反力モーメント(身体座標系BCdで表したモーメントベクトル)を意味している。この場合、式(26)のM(D_足平部/BC)は0である。M(D_下腿部/BC)=−R(C_足平部→BC)×M(P_足平部/C_足平部)、M(D_大腿部/BC)=−R(C_下腿部→BC)×M(P_下腿部/C_下腿部)である。また、I_足平部、I_下腿部、I_大腿部は、それぞれ足平部要素S14、下腿部要素S12、大腿部要素S10のそれぞれの重心回りの慣性モーメントであり、ω(足平部/C_足平部)、ω(下腿部/C_下腿部)、ω(大腿部/C_大腿部)は、それぞれ、足平部要素S14、下腿部要素S12、大腿部要素S10のそれぞれの重心回りの角速度を意味している。この場合、一般に、慣性モーメントI_足平部、I_下腿部、I_大腿部は、十分に小さい値(0に近い値)であるので、本実施形態では、I_足平部、I_下腿部、I_大腿部はいずれも0に近似する。 Here, two F (P_OO / BC) and F (D_OO / BC) appearing in each of the formulas (26) to (28) are the rigid body elements having the names represented by OO. It means a reaction force moment (a moment vector expressed in the body coordinate system BCd) received from an object in contact with both ends. In this case, M (D_foot / BC) in Expression (26) is zero. M (D_foot / BC) = − R (C_foot → BC) × M (P_foot / C_foot), M (D_thigh / BC) = − R (C_crus) Part → BC) × M (P_crus / C_crus). Further, I_foot, I_crus, and I_thigh are moments of inertia around the center of gravity of the foot element S14, the crus element S12, and the thigh element S10, respectively, and ω (foot Flat part / C_foot part), ω (crus part / C_crus part), and ω (thigh part / C_thigh part) are the foot part element S14, the leg part element S12, and the thigh, respectively. It means the angular velocity around the center of gravity of each subelement S10. In this case, generally, the moments of inertia I_foot, I_crus, and I_thigh are sufficiently small values (values close to 0). Therefore, in this embodiment, I_foot, I_crus And I_thigh are both close to zero.
従って、前記式(26)〜(28)は、近似的に次の式(29)〜(31)に書き換えられる。なお、式(29)〜(31)では、M(D_足平部/BC)=0、M(D_下腿部/BC)=−R(C_足平部→BC)×M(P_足平部/C_足平部)、M(D_大腿部/BC)=−R(C_下腿部→BC)×M(P_下腿部/C_下腿部)であることを考慮している。 Accordingly, the equations (26) to (28) are approximately rewritten into the following equations (29) to (31). In the equations (29) to (31), M (D_foot / BC) = 0, M (D_crus / BC) = − R (C_foot → BC) × M (P_foot Part / C_foot), M (D_thigh / BC) = − R (C_crus → BC) × M (P_crus / C_crus).
M(P_足平部/C_足平部)=−(U(COP/C_足平部)−U(G_足平部/C_足平部))
×(R(BC→C_足平部)×F(D_足平部/BC))
−(U(P_足平部/C_足平部)−U(G_足平部/C_足平部))
×(R(BC→C_足平部)×F(P_足平部/BC))
……(29)
M(P_下腿部/C_下腿部)=−(−U(G_下腿部/C_下腿部))
×(R(BC→C_下腿部)×F(D_下腿部/BC))
−(U(P_下腿部/C_下腿部)−U(G_下腿部/C_下腿部))
×(R(BC→C_下腿部)×F(P_下腿部/BC))
−R(BC→C_下腿部)
×(−R(C_足平部→BC)×M(P_足平部/C_足平部))
……(30)
M(P_大腿部/C_大腿部)=−(−U(G_大腿部/C_大腿部))
×(R(BC→C_大腿部)×F(D_大腿部/BC))
−(U(P_大腿部/C_大腿部)−U(G_大腿部/C_大腿部))
×(R(BC→C_大腿部)×F(P_大腿部/BC))
−R(BC→C_大腿部)
×(−R(C_下腿部→BC)×M(P_下腿部/C_下腿部))
……(31)
M (P_foot / C_foot) =-(U (COP / C_foot) -U (G_foot / C_foot)))
× (R (BC → C_foot part) × F (D_foot part / BC))
-(U (P_foot / C_foot) -U (G_foot / C_foot)))
× (R (BC → C_foot) × F (P_foot / BC))
...... (29)
M (P_crus / C_crus) =-(-U (G_crus / C_crus))
× (R (BC → C_crus) × F (D_crus / BC))
-(U (P_crus / C_crus) -U (G_crus / C_crus))
× (R (BC → C_crus) × F (P_crus / BC))
-R (BC → C_ lower leg)
× (−R (C_foot part → BC) × M (P_foot part / C_foot part))
...... (30)
M (P_thigh / C_thigh) = − (− U (G_thigh / C_thigh))
× (R (BC → C_thigh) × F (D_thigh / BC))
-(U (P_thigh / C_thigh) -U (G_thigh / C_thigh))
× (R (BC → C_thigh) × F (P_thigh / BC))
-R (BC → C_ thigh)
× (−R (C_crus → BC) × M (P_crus / C_crus))
...... (31)
そして、本実施形態では、式(29)の右辺の演算により、M(P_足平部/C_足平部)、すなわち、足首関節13に作用する関節モーメントM(P_足平部/C_足平部)(足平部座標系C_足平部で表したモーメントベクトル)が求められる。この場合、式(29)の右辺のU(COP/C_足平部)は、前記床反力作用点推定手段32で先に求めた床反力作用点の位置ベクトルU(COP/BC)に、前記変換テンソル作成手段28で求めた変換テンソルR(C_足平部→BC)の逆変換テンソルR(BC→C_足平部)=R(C_足平部→BC)Tを乗算することにより求められる。また、U(G_足平部/C_足平部)は、あらかじめ設定されたものであり、U(P_足平部/C_足平部)は、足平部要素S14のあらかじめ定められた長さL14により定まる、足平部座標系C_足平部における足首関節J13の位置ベクトル(0,0,L14)Tである。また、F(D_足平部/BC)は床反力推定手段31で先に求めた床反力ベクトルFrf(脚体/BC)の値である。さらに、F(P_足平部/BC)は、前記式(23)により前述の通り求められる。従って、変換テンソル作成手段28で作成された変換テンソルR(C_足平部→BC)と、床反力作用点推定手段32で求めた床反力作用点の位置ベクトルU(COP/BC)と、床反力推定手段31で求めた床反力ベクトルFrf(脚体/BC)と、前記式(23)により求めた反力ベクトルF(P_足平部/BC)とを用いて式(29)の右辺の演算により、M(P_足平部/C_足平部)、すなわち、足首関節13に作用する関節モーメント(足平部座標系C_足平部で表したモーメントベクトル)が求められる。なお、接地していない脚体2については、その床反力作用点の位置ベクトルU(COP/C_足平部)は不定であるが、F(D_足平部/BC)=0であるので、式(29)の第1項の値はU(COP/C_足平部)の値によらずに0になる。
In the present embodiment, M (P_foot / C_foot), that is, the joint moment M (P_foot / C_foot) acting on the ankle joint 13 is calculated by the calculation of the right side of Expression (29). Part) (the foot part coordinate system C_moment vector expressed in the foot part). In this case, U (COP / C_foot portion) on the right side of the equation (29) is the position vector U (COP / BC) of the floor reaction force action point previously obtained by the floor reaction force action point estimation means 32. By multiplying the inverse transformation tensor R (BC → C_foot part) = R (C_foot part → BC) T of the transformation tensor R (C_foot part → BC) obtained by the transformation tensor creation means 28 Desired. U (G_foot part / C_foot part) is set in advance, and U (P_foot part / C_foot part) is a predetermined length of the foot element S14. The position vector (0, 0, L14) T of the ankle joint J13 in the foot part coordinate system C_foot part determined by L14. Further, F (D_foot / BC) is a value of the floor reaction force vector Frf (leg / BC) previously obtained by the floor reaction force estimating means 31. Further, F (P_foot / BC) is obtained as described above by the equation (23). Accordingly, the conversion tensor R (C_foot → BC) created by the conversion tensor creation means 28 and the position vector U (COP / BC) of the floor reaction force action point obtained by the floor reaction force action point estimation means 32 The floor reaction force vector Frf (leg / BC) obtained by the floor reaction force estimation means 31 and the reaction force vector F (P_foot / BC) obtained by the above equation (23) ) To obtain M (P_foot part / C_foot part), that is, a joint moment acting on the ankle joint 13 (moment vector represented by the foot part coordinate system C_foot part). For the
また、式(30)の右辺の演算により、M(P_下腿部/C_下腿部)、すなわち、膝関節11に作用する関節モーメント(下腿部座標系C_下腿部で表したモーメントベクトル)が求められる。この場合、式(30)の右辺のU(G_下腿部/C_下腿部))は、あらかじめ設定されたものであり、U(P_下腿部/C_下腿部)は、下腿部要素S12のあらかじめ定められた長さL12により定まる、下腿部座標系C_下腿部(C12)における膝関節J11の位置ベクトル(0,0,L12)Tである。また、R(BC→C_下腿部)は、変換テンソル作成手段28で作成した変換テンソルR(C_下腿部→BC)の逆変換テンソルR(C_下腿部→BC)Tである。また、F(D_下腿部/BC)は、前記式(23)により求められるF(P_足平部/BC)の符号を反転させたものであり、F(P_下腿部/BC)は、前記式(24)により求められるものである。さらに、M(P_足平部/C_足平部)は、前記式(29)により求められる。従って、変換テンソル作成手段28で作成された変換テンソルR(C_下腿部→BC),R(C_足平部→BC)と、前記式(23),(24)によりそれぞれ先に求めた反力ベクトルF(P_足平部/BC),F(P_下腿部/BC)と、あらかじめ設定された下腿部要素S12の重心の位置ベクトルU(G_下腿部/C_下腿部)と、下腿部要素S12の長さL12と、前記式(29)により先に求めたモーメントM(P_足平部/C_足平部)とを用いて式(30)の右辺の演算により、M(P_下腿部/C_下腿部)、すなわち、膝関節11に作用する関節モーメント(下腿部座標系C_下腿部で表したモーメントベクトル)が求められる。 Further, M (P_crus / C_crus), that is, a joint moment acting on the knee joint 11 (a crus coordinate system C_moment vector expressed by the crus) by the calculation of the right side of Expression (30). ) Is required. In this case, U (G_crus / C_crus)) on the right side of equation (30) is preset, and U (P_crus / C_crus) is the crus This is a position vector (0, 0, L12) T of the knee joint J11 in the lower leg coordinate system C_lower leg (C12) determined by a predetermined length L12 of the element S12. R (BC → C_crus) is an inverse transformation tensor R (C_crus → BC) T of the transformation tensor R (C_crus → BC) created by the transformation tensor creation means 28. F (D_crus / BC) is obtained by inverting the sign of F (P_foot / BC) obtained by the above equation (23), and F (P_crus / BC) is , Which is obtained by the equation (24). Further, M (P_foot part / C_foot part) is obtained by the above equation (29). Accordingly, the conversion tensors R (C_crus → BC) and R (C_foot → BC) created by the conversion tensor creation means 28 and the equations previously obtained from the above equations (23) and (24), respectively. Force vectors F (P_foot / BC), F (P_crus / BC), and a preset position vector U (G_crus / C_crus) of the center of gravity of the crus element S12 By calculating the right side of the equation (30) using the length L12 of the crus element S12 and the moment M (P_foot / C_foot) previously obtained by the equation (29), M (P_crus / C_crus), that is, the joint moment acting on the knee joint 11 (crut coordinate system C_moment vector represented by the crus) is obtained.
同様に、式(31)の右辺の演算により、M(P_大腿部/C_大腿部)、すなわち、股関節9に作用する関節モーメント(大腿部座標系C_大腿部で表したモーメントベクトル)が求められる。この場合、式(31)の右辺のU(G_大腿部/C_大腿部))は、あらかじめ設定されたものであり、U(P_大腿部/C_大腿部)は、大腿部要素S10のあらかじめ定められた長さL10により定まる、大腿部座標系C_大腿部における股関節J9の位置ベクトル(0,0,L10)Tである。また、R(BC→C_大腿部)は、変換テンソル作成手段28で作成した変換テンソルR(C_大腿部→BC)の逆変換テンソルR(C_大腿部→BC)Tである。また、F(D_大腿部/BC)は、前記式(24)により求められるF(P_下腿部/BC)の符号を反転させたものであり、F(P_大腿部/BC)は、前記式(25)により求められるものである。さらに、M(P_下腿部/C_下腿部)は、前記式(30)により求められる。従って、変換テンソル作成手段28で作成された変換テンソルR(C_大腿部→BC),R(C_下腿部→BC)と、前記式(24),(25)によりそれぞれ先に求めた反力ベクトルF(P_下腿部/BC),F(P_大腿部/BC)と、あらかじめ設定された大腿部要素S10の重心の位置ベクトルU(G_大腿部/C_大腿部)と、大腿部要素S10の長さL10と、前記式(30)により先に求めたモーメントM(P_下腿部/C_下腿部)とを用いて式(31)の右辺の演算により、M(P_大腿部/C_大腿部)、すなわち、股関節9に作用する関節モーメント(大腿部座標系C_大腿部で表したモーメントベクトル)が求められる。 Similarly, M (P_thigh / C_thigh), that is, a joint moment acting on the hip joint 9 (moment vector expressed in the thigh coordinate system C_thigh) is calculated by calculating the right side of the equation (31). ) Is required. In this case, U (G_thigh / C_thigh)) on the right side of Expression (31) is set in advance, and U (P_thigh / C_thigh) is thigh The position vector (0, 0, L10) T of the hip joint J9 in the thigh coordinate system C_thigh, which is determined by the predetermined length L10 of the element S10. R (BC → C_thigh) is an inverse conversion tensor R (C_thigh → BC) T of the conversion tensor R (C_thigh → BC) created by the conversion tensor creation means 28. F (D_thigh / BC) is obtained by inverting the sign of F (P_thigh / BC) obtained by the above equation (24), and F (P_thigh / BC) is , Which is obtained by the formula (25). Further, M (P_crus / C_crus) is obtained by the above equation (30). Accordingly, the conversion tensors R (C_thigh → BC) and R (C_crus → BC) created by the conversion tensor creation means 28 and the equations previously obtained from the above equations (24) and (25), respectively. Force vectors F (P_thigh / BC), F (P_thigh / BC), and a preset position vector U (G_thigh / C_thigh) of the center of gravity of the thigh element S10 By calculating the right side of the equation (31) using the length L10 of the thigh element S10 and the moment M (P_crus / C_crus) previously obtained by the equation (30), M (P_thigh / C_thigh), that is, a joint moment acting on the hip joint 9 (thigh coordinate system C_moment vector expressed in the thigh) is obtained.
以上のように、関節モーメント推定手段35の演算処理では、各脚体2の足首関節13、膝関節11、および股関節9の関節モーメントM(P_足平部/C_足平部)、M(P_下腿部/C_下腿部)、M(P_大腿部/C_大腿部)が足首関節13側から順番に算出される。なお、このように求められた関節モーメントは、例えば人間1の歩行を補助する装置(足首関節13や、膝関節11、股関節9に補助トルクを付与可能な電動モータを含む装置)の制御に用いられる。
As described above, in the calculation process of the joint moment estimating means 35, the joint moments M (P_foot / C_foot) of the ankle joint 13, the knee joint 11 and the
以上説明した実施形態では、身体座標系BCを基本的な座標系として用いて各種の演算処理が実行される。そして、身体座標系BCあるいは腰部6の鉛直方向に対する傾斜角を考慮して演算処理を行うのは、床反力作用点推定手段32の演算処理だけである。このため、鉛直方向に対する腰部6等の傾斜角を使用する演算処理を従来に比して大幅に少なくすることができる。その結果、傾斜角を高い精度で把握することが困難な場合であっても、誤差の蓄積を最小限に留め、関節モーメントの推定精度を高めることができる。さらに、傾斜角を用いない床反力作用点推定手段を用いれば、関節モーメント推定システムに3次元姿勢センサなどが不要となり、システムの小型化、簡略化が可能となる。
In the embodiment described above, various arithmetic processes are executed using the body coordinate system BC as a basic coordinate system. And it is only the calculation process of the floor reaction force action point estimation means 32 that performs the calculation process in consideration of the inclination angle of the body coordinate system BC or the
また、本実施形態では、演算処理装置18の各手段の処理を3次元で行っているため推定する関節モーメントの精度を高めることができる。
Moreover, in this embodiment, since the process of each means of the
1…人間(2足歩行移動体)、2…脚体、6…腰部、9…股関節、10…大腿部、11…膝関節、12…下腿部、13…足首関節、14a…中足趾節関節、21〜23…関節変位センサ、16…加速度センサ、S1…剛体リンクモデル、JU1,JU2,J9,J11,J13…関節要素、S8,S7,S6,S10,S12,S14…剛体要素、BC…身体座標系、G8,G7,G6,G10,G12,G14…剛体要素の重心、G_全体…全体重心、Frf…床反力ベクトル、COP…床反力作用点(床反力ベクトルの作用点)。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記剛体リンクモデルの各関節要素に対応する前記2足歩行移動体の各関節の変位量を逐次把握する第1ステップと、前記剛体リンクモデルの所定の1つの剛体要素に固定された座標系としてあらかじめ設定された身体座標系の原点の加速度ベクトルの該身体座標系での値を少なくとも前記2足歩行移動体に装着した加速度センサの出力を用いて逐次把握する第2ステップと、前記2足歩行移動体の各脚体に作用する床反力ベクトルの前記身体座標系での値を逐次把握する第3ステップと、前記床反力ベクトルの作用点の位置ベクトルの前記身体座標系での値を逐次把握する第4ステップと、前記第1乃至第4ステップで把握した2足歩行移動体の各関節の変位量と前記身体座標系の原点の加速度ベクトルの値と前記床反力ベクトルの値とその作用点の位置ベクトルの値とを用いて、前記剛体リンクモデルの各剛体要素の運動と該剛体要素に作用する並進力およびモーメントとの関係を前記身体座標系を用いて表す逆動力学モデルに基づいて前記2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関節モーメントを逐次推定する第5ステップを備えると共に、
前記2足歩行移動体の全体重心の位置ベクトルの前記身体座標系での値を前記第1ステップで把握した2足歩行移動体の各関節の変位量と前記剛体リンクモデルとを用いて逐次把握する第6ステップと、その全体重心の位置ベクトルの値の時系列データおよび前記第2ステップで把握した身体座標系の原点の加速度ベクトルの値から該全体重心の加速度ベクトルの身体座標系での値を逐次把握する第7ステップと、前記2足歩行移動体の運動状態が一対の脚体のうちの一方の脚体のみ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逐次判断する第8ステップと、前記身体座標系が固定された剛体要素に対応する2足歩行移動体の剛体相当部の鉛直方向に対する傾斜角を逐次把握する第9ステップと、2足歩行移動体の各脚体毎に該脚体が接地しているか否かを逐次判断する第10ステップと、接地している各脚体の足首関節の位置ベクトルの前記身体座標系での値と該脚体の足平部の中足趾節関節の位置ベクトルの前記身体座標系での値とを前記第1ステップで把握した2足歩行移動体の各関節の変位量と前記剛体リンクモデルとを用いて逐次把握する第11ステップと、前記第6ステップで把握した前記全体重心の位置ベクトルの値と前記第11ステップで把握した、接地している各脚体の足首関節および該脚体の足平部の中足趾節関節のそれぞれの位置ベクトルの値と前記第9ステップで把握した傾斜角とに基づいて少なくとも該全体重心、接地している各脚体の足首関節および該脚体の足平部の中足趾節関節の位置関係と該脚体の足首関節の鉛直方向位置を逐次把握する第12ステップと、その把握した全体重心、接地している各脚体の足首関節および該脚体の足平部の中足趾節関節の位置関係に基づき該脚体に作用する床反力ベクトルの作用点の水平面内位置を推定すると共に該脚体の足首関節の鉛直方向位置に基づき該脚体に作用する床反力ベクトルの作用点の鉛直方向位置を逐次推定する第13ステップとを備え、
前記第3ステップは、2足歩行移動体の運動状態が前記単脚支持状態であるときには、前記第7ステップで把握した前記全体重心の加速度ベクトルの値と2足歩行移動体の全体重量と接地している脚体に作用する床反力ベクトルとにより表される該2足歩行移動体の全体重心の運動方程式に基づいて該床反力ベクトルの身体座標系での値を把握し、2足歩行移動体の運動状態が前記両脚支持状態であるときには、前記第7ステップで把握した前記全体重心の加速度ベクトルの値と2足歩行移動体の全体重量と両脚体のそれぞれに作用する床反力ベクトルとにより表される該2足歩行移動体の全体重心の運動方程式と、各脚体に作用する床反力ベクトルが該脚体の下端部近傍にあらかじめ定めた特定部から2足歩行移動体の全体重心に向かって作用するベクトルであると仮定して定まる、2足歩行移動体の全体重心に対する該脚体の特定部の相対位置と該脚体に作用する床反力ベクトルとの間の関係式とに基づいて両脚体のそれぞれに作用する床反力ベクトルの身体座標系での値を把握し、
前記第4ステップは、該第13ステップで推定された床反力ベクトルの作用点の水平面内位置および鉛直方向位置と前記第9ステップで把握された傾斜角とに基づき前記身体座標系での作用点の位置ベクトルの値を把握することを特徴とする2足歩行移動体の関節モーメント推定方法。 A rigid link that represents a biped walking mobile body as a connected body in which a plurality of rigid elements are connected by a plurality of joint elements including joint elements corresponding to at least the hip joint and knee joint of each leg of the biped walking mobile body A method for estimating a joint moment acting on at least one joint of each leg of the biped walking moving body using a model,
As a coordinate system fixed to a predetermined one rigid body element of the rigid link model, a first step of sequentially grasping a displacement amount of each joint of the biped walking moving body corresponding to each joint element of the rigid body link model A second step of sequentially grasping at least the value of the acceleration vector at the origin of a preset body coordinate system in the body coordinate system using an output of an acceleration sensor attached to the biped walking moving body; and the biped walking A third step of sequentially grasping a value in the body coordinate system of a floor reaction force vector acting on each leg of the moving body; and a value in the body coordinate system of a position vector of an action point of the floor reaction force vector. The fourth step of sequentially grasping, the displacement amount of each joint of the biped walking moving body grasped in the first to fourth steps, the value of the acceleration vector at the origin of the body coordinate system, and the value of the floor reaction force vector So Using the position vector value of the action point, an inverse dynamics model expressing the relationship between the motion of each rigid element of the rigid link model and the translational force and moment acting on the rigid element using the body coordinate system based comprising a fifth step of sequentially estimating joint moments acting on at least one of the joints of each leg of the biped walking mobile body Rutotomoni,
The position vector of the total center of gravity of the biped walking moving body is sequentially grasped using the displacement amount of each joint of the biped walking moving body obtained in the first step and the rigid link model. And the time series data of the position vector value of the entire center of gravity and the acceleration vector value of the origin of the body coordinate system grasped in the second step, the value of the acceleration vector of the entire center of gravity in the body coordinate system And the biped walking mobile body is in a single-leg support state in which only one of the pair of legs is grounded, or both legs are grounded. An eighth step of sequentially determining whether or not both legs are supported; and a ninth step of sequentially grasping an inclination angle with respect to a vertical direction of a rigid body equivalent part of a biped walking moving body corresponding to a rigid element to which the body coordinate system is fixed. Step and 2 A tenth step of sequentially determining whether or not each leg of the walking moving body is in contact with the ground; and a value in the body coordinate system of the position vector of the ankle joint of each of the grounded legs The displacement amount of each joint of the biped walking moving body obtained by the first step and the value of the position vector of the middle foot joint joint of the foot of the leg in the body coordinate system, the rigid link model, 11 and the position of the position of the overall center of gravity grasped in the sixth step and the ankle joint of each grounded leg grasped in the eleventh step and the leg joint Based on the value of each position vector of the metatarsal joint joint of the foot and the inclination angle grasped in the ninth step, at least the overall center of gravity, the ankle joint of each leg that is in contact with the ground, and the leg Positional relationship of the midfoot phalanx joint of the foot and the ankle of the leg Based on the twelfth step of sequentially grasping the vertical position of the knot, and the grasped total center of gravity, the ankle joint of each leg that is in contact with the ground, and the positional relationship of the midfoot toe joint of the foot of the leg Estimating the position in the horizontal plane of the point of action of the floor reaction force vector acting on the leg, and determining the vertical position of the point of action of the floor reaction force vector acting on the leg based on the vertical position of the ankle joint of the leg A thirteenth step of sequentially estimating,
In the third step, when the motion state of the biped walking mobile body is the single leg support state, the acceleration vector value of the total center of gravity grasped in the seventh step, the total weight of the biped walking mobile body, and the ground contact The value of the floor reaction force vector in the body coordinate system is grasped based on the motion equation of the overall center of gravity of the biped walking moving body represented by the floor reaction force vector acting on the leg that is When the motion state of the walking moving body is the both-leg supporting state, the value of the acceleration vector of the entire center of gravity grasped in the seventh step, the total weight of the biped walking moving body, and the floor reaction force acting on each of the both legs The biped walking moving body from the specific part in which the equation of motion of the entire center of gravity of the biped walking moving body represented by the vector and the floor reaction force vector acting on each leg is predetermined near the lower end of the leg. Towards the overall center of gravity Based on the relational expression between the relative position of the specific part of the leg with respect to the total center of gravity of the biped walking moving body and the floor reaction force vector acting on the leg Grasping the value in the body coordinate system of the floor reaction force vector acting on each leg,
In the fourth step, the action in the body coordinate system is performed based on the position in the horizontal plane and the vertical position of the action point of the floor reaction force vector estimated in the thirteenth step and the inclination angle grasped in the ninth step. A method for estimating a joint moment of a biped walking moving body characterized by grasping a value of a position vector of a point .
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