KR20040030885A - 2족보행 이동체의 상반력 추정 방법 및 2족보행 이동체의관절 모멘트 추정 방법 - Google Patents

2족보행 이동체의 상반력 추정 방법 및 2족보행 이동체의관절 모멘트 추정 방법 Download PDF

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KR20040030885A KR10-2004-7001438A KR20047001438A KR20040030885A KR 20040030885 A KR20040030885 A KR 20040030885A KR 20047001438 A KR20047001438 A KR 20047001438A KR 20040030885 A KR20040030885 A KR 20040030885A
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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

다리체(2)의 운동 상태가 외다리 지지 상태인지 양다리 지지 상태인지를 차례로 판단하는 동시에, 2족보행 이동체(1)의 중심(G0)의 운동방정식에 기초하여 전체 상반력(F)을 추정한다. 외다리 지지 상태일 때에는, 전체 상반력(F)의 추정값을 그대로 접지하고 있는 다리체(2)의 상반력의 추정값으로 하고, 양다리 지지 상태일 때에는, 그 양다리 지지 상태의 경과 시간 및 2족보행 이동체(1)의 이동 속도의 계측 데이터와 미리 정한 특성 데이터를 사용하여 후방측의 다리체(2)의 상반력(Fr)을 구하고, 그 상반력(Fr)을 전체 상반력(F)에서 뺌으로써, 전방측의 다리체(2)의 상반력(Ff)을 구한다. 이것에 의해 비교적 간단한 수법으로 인간 등의 2족보행 이동체의 다리체에 작용하는 상반력이나 다리체의 관절에 작용하는 모멘트를 정밀도 좋게 리얼 타임으로 파악할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.

Description

2족보행 이동체의 상반력 추정 방법 및 2족보행 이동체의 관절 모멘트 추정 방법{METHOD OF ESTIMATING FLOOR REACTIONS OF BIPEDAL WALKING BODY, AND METHOD OF ESTIMATING JOINT MOMENTS OF BIPEDAL WALKING BODY}
예를 들면 인간의 보행 동작을 보조하는 보행 어시스트 장치의 동작 제어나, 2족보행 로봇의 이동 동작의 제어를 행하는 경우, 인간이나 2족보행 로봇의 다리체에 작용하는 상반력(상세하게는, 다리체의 접지부에 바닥으로부터 작용하는 힘)을 차례로 파악하는 것이 필요하게 된다. 이 상반력을 파악함으로써 2족보행 이동체의 다리체의 관절에 작용하는 모멘트 등을 파악하는 것이 가능하게 되고, 그 파악된 모멘트 등에 기초하여 보행 어시스트 장치의 목표 보조력이나, 2족보행 로봇의 각 관절의 목표 구동 토크 등을 결정하는 것이 가능하게 된다.
상기 상반력을 파악하는 수법으로서는, 예를 들면 일본 특개 2000-249570호 공보에 개시되어 있는 것이 알려져 있다. 이 기술에서는, 2족보행 이동체의 정상적인 보행시에 각 다리체의 상반력의 경시 변화의 파형이 주기적으로 변화되므로, 각 다리체의 상반력을, 보행 주기의 1/n(n=1, 2, …)의 서로 다른 주기를 갖는 복수의 삼각함수의 합성값(일차 결합)으로서 파악하는 것이다. 이 경우, 복수의 삼각함수를 합성할 때의 각 삼각함수의 가중 계수는, 2족보행 이동체마다 미리 정한 소정값이나 그것을 지형에 따라서 조정한 값이 사용되고 있다.
그렇지만, 이러한 기술에서는, 2족보행 이동체의 1보 분량 혹은 복수보 분량에 대해서 다리체의 상반력을 파악하고자 하는 것이기 때문에, 2족보행 이동체의 걸음 모양이 차례로 변화되는 경우에는, 상반력을 정밀도 좋게 파악하는 것은 곤란하다. 또, 파악되는 상반력의 정밀도를 높이기 위해서는, 상기 삼각함수의 가중 계수를 2족보행 이동체마다 설정하거나, 지형 등에 따라서 조정하거나 해야 하므로, 2족보행 이동체의 이동 환경이나 2족보행 이동체의 개체차이의 영향을 작게 해서, 상반력을 정밀도 좋게 파악하도록 하는 것이 어렵다.
또, 예를 들면 2족보행 로봇에서는, 각 다리체의 발목부나 족평부(足平部)에 6축 힘 센서 등의 힘 센서를 부착하고, 이 힘 센서의 출력에 의해 상반력을 파악하는 것도 알려져 있다. 더욱이, 바닥에 설치한 포스 플레이트 상에서 2족보행 이동체를 보행시키고, 이 포스 플레이트의 출력에 의해 상반력을 파악하는 수법도 알려져 있다.
그렇지만, 힘 센서를 사용하는 기술에서는, 특히 인간의 다리체의 상반력을 파악하고자 하는 경우에는, 인간의 발목부나 족평부에 힘 센서를 부착하지 않으면 안되기 때문에, 통상적인 생활환경하에서는, 이 힘 센서가 보행의 방해가 되어버린다는 문제가 있다. 또, 포스 플레이트를 사용하는 것으로는, 이 포스 플레이트가 설치된 환경 하에서밖에 상반력을 파악할 수 없다.
본 발명은, 인간이나 2족보행 로봇 등의 2족보행 이동체의 다리체에 작용하는 상반력(床反力)을 추정하는 방법에 관한 것이다. 더욱이, 그 상반력의 추정값을 사용해서 2족보행 이동체의 다리체의 관절에 작용하는 모멘트를 추정하는 방법에 관한 것이다.
도 1(a),(b)는 본 발명의 상반력 추정 방법의 기본적 원리를 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 1실시형태에서의 2족보행 이동체로서의 인간과 이 인간에 장비하는 장치 구성을 모식화하여 도시하는 도면,
도 3은 도 2의 장치에 구비하는 연산처리장치의 기능을 설명하기 위한 블록도,
도 4는 도 3의 연산처리장치의 처리에 사용하는 강체 링크 모델을 도시하는 도면,
도 5는 통상 보행시에 있어서의 상반력 작용점 벡터의 진행 방향 성분과 대퇴부의 경사각도와의 상관 관계를 도시하는 선도,
도 6은 통상 보행시에 있어서의 상반력 작용점 벡터의 연직방향 성분과 대퇴부의 경사각도와의 상관 관계를 도시하는 선도,
도 7은 의자에 앉을 때의 상반력 작용점 벡터의 진행 방향 성분과 무릎 관절의 굴곡각도와의 상관 관계를 도시하는 선도,
도 8은 의자에서 일어설 때의 상반력 작용점 벡터의 진행 방향 성분과 무릎 관절의 굴곡각도와의 상관 관계를 도시하는 선도,
도 9는 계단에 오를 때의 상반력 작용점 벡터의 진행 방향 성분과 대퇴부의 경사각도와의 상관 관계를 도시하는 선도,
도 10은 계단에서 내려갈 때의 상반력 작용점 벡터의 진행 방향 성분과 대퇴부의 경사각도와의 상관 관계를 도시하는 선도,
도 11은 도 3의 연산처리장치의 처리를 설명하기 위한 도면,
도 12는 인간의 이동 속도와 양다리 지지 기간과의 상관 관계를 도시하는 선도,
도 13(a)는 양다리 지지 시간과 상반력의 연직방향 성분과의 관계를 도시하는 선도,
도 13(b)는 양다리 지지 시간과 상반력의 진행 방향 성분과의 관계를 도시하는 선도,
도 14는 도 3의 연산처리장치의 처리를 설명하기 위한 도면,
도 15는 본 발명의 실시형태에 의해 구해진 상반력의 추정값의 경시 변화의 양상을 예시하는 그래프, 및
도 16은 본 발명의 실시형태에 의해 구해진 무릎 관절 및 넓적다리 관절의모멘트의 추정값의 경시 변화의 양상을 예시하는 그래프이다.
본 발명은 이러한 배경을 감안하여 이루어진 것이며, 비교적 간단한 수법으로 상반력을 정밀도 좋게 리얼타임으로 파악할 수 있고, 특히 2족보행 이동체로서의 인간에 관계되는 상반력을 파악하는 점에서 적합한 상반력 추정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
더욱이, 그 상반력의 추정값을 사용하여 다리체의 무릎관절 등의 관절에 작용하는 모멘트를 정밀도 좋게 리얼타임으로 파악할 수 있는 2족보행 이동체의 관절 모멘트 추정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
우선, 본 발명의 2족보행 이동체의 상반력 추정 방법의 기본적인 사고방식을 설명한다.
2족보행 이동체의 다리체의 운동 상태(보행 동작시의 다리체의 운동 상태)는, 도 1(a)에 도시하는 바와 같이 2족보행 이동체(1)의 양다리체(2, 2)중 한쪽 다리체(2)(도면에서는 진행 방향에서 앞쪽의 다리체)만이 접지하는 외다리 지지 상태와, 도 1(b)에 도시하는 바와 같이 양 다리체(2, 2)가 접지하는 양다리 지지 상태가 있다.
여기에서, 양 다리체(2, 2)에 바닥(A)으로부터 작용하는 전체 상반력을 F로 놓으면, 전체 상반력(F)은, 도 1(a)의 외다리 지지 상태에서는, 접지하고 있는 다리체(2)에 작용하는 상반력과 동일하고, 또, 도 1(b)의 양다리 지지 상태에서는,양 다리체(2, 2)에 각각 작용하는 상반력(Ff, Fr)의 합력이다. 또, 지면에 대해 고정한 절대좌표계(Cf)에서의 2족보행 이동체(1)의 중심(G0)의 가속도(a)의 X축방향(2족보행 이동체(1)의 진행 방향에서의 수평방향), Z축방향(연직방향)의 성분을 각각 ax, az, 2족보행 이동체(1)에 작용하는 전체 상반력(F)의 X축방향, Z축방향의 성분을 각각 Fx, Fz로 놓으면, 중심(G0)의 운동방정식(상세하게는, 중심(G0)의 병진운동에 관한 운동방정식)은, 다음 식(1)에 의해 표시된다.
T(Fx, Fz-M·g)=M·T(ax, az)……(1)
(단, M: 2족보행 이동체의 중량, g: 중력가속도)
또한, 식(1)중의 양변의 괄호 부분T( , )는 2성분의 벡터를 의미하고 있다. 본 명세서에서는T( , )라는 형식의 표기는, 벡터를 나타낸다.
즉, 중심(G0)의 운동방정식은, 이 중심(G0)의 가속도(a)와 2족보행 이동체(1)의 중량(M)과의 곱이, 이 중심(G0)에 작용하는 중력(=M·g)과, 상기 전체 상반력(F)과의 합력과 동일하다는 관계식이 된다.
따라서, 2족보행 이동체(1)의 중심(G0)의 가속도(a=T(ax, az))를 파악하면, 그 가속도(a)와, 2족보행 이동체(1)의 중량(M)의 값과, 중력가속도(g)의 값을 사용하여, 다음 식(2)에 의해, 전체 상반력(F=T(Fx, Fz))의 추정값을 얻을 수 있게 된다.
T(Fx, Fz)=M·T(ax, az+g)……(2)
그리고, 도 1(a)의 외다리 지지 상태에서는, 접지하고 있는 단일의 다리체(2)에 작용하는 상반력은, 상기 전체 상반력(F)과 동일하므로, 식(2)에 의해 그 단일의 다리체(2)에 작용하는 상반력(F)의 추정값을 얻을 수 있게 된다.
이 경우, 상반력(F)의 추정값을 얻기 위해서 필요한 중량(M)은, 미리 계측 등에 의해 파악할 수 있다. 또, 중심(G0)의 위치나 가속도(a)에 대해서는, 상세한 것은 후술하지만, 2족보행 이동체(1)의 각 관절의 굴곡각도(회전각도)를 검출하는 센서나, 가속도 센서, 자이로 센서 등의 센서의 출력을 사용해서 공지의 수법 등에 의해 차례로 파악하는 것이 가능하다.
한편, 도 1(b)의 양다리 지지 상태에 관하여, 2족보행 이동체(1)의 진행 방향을 향해서 후방측에 존재하는 다리체(2)에 작용하는 상반력을 Fr=T(Frx, Frz), 전방측에 있는 다리체(2)에 작용하는 상반력을 Ff=T(Ffx, Ffz)로 놓는다. 이 때, 상세한 것은 후술하지만, 본원 발명자 등의 지견에 의하면, 특히, 후방측의 다리체(2)에 작용하는 상반력(Fr)의 각 성분(Frx, Frz)은, 각각 양다리 지지 상태의 개시시부터의 경과 시간 및 2족보행 이동체(1)의 이동 속도에 대해 현저한 상관성을 갖는 특징적인 변화의 특성을 보인다. 따라서, 그러한 특성을 나타내는 특성 데이터(맵이나 데이터 테이블, 근사함수식 등)를 각종 실험이나 시뮬레이션 등에 기초하여 미리 정해 두면, 그 특성 데이터에 기초하여, 후방측의 다리체(2)에 작용하는 상반력(Fr)을 추정하는 것이 가능하다. 그리고, 후방측의 다리체(2)에 작용하는 상반력(Fr)과 전방측의 다리체(2)에 작용하는 상반력(Ff)의 합력이 상기식(2)에 의해 얻어지는 전체 상반력(F)이므로, 다음 식(3)과 같이, 이 전체 상반력(F)의 추정값으로부터, 상기한 바와 같이 특성 데이터에 기초하여 구해지는 후방측의 다리체(2)에 작용하는 상반력(Fr)의 추정값을 뺌(벡터의 감산)으로써, 전방측의 다리체(2)에 작용하는 상반력(Ff)의 추정값을 구하는 것이 가능하다.
Ff=F-Fr=T(Fx-Frx, Fz-Frz)……(3)
따라서, 양다리 지지 상태에서는, 2족보행 이동체(1)의 이동 속도나 양다리 지지 상태의 개시시부터의 경과 시간을 파악하면, 그것들의 계측값이나 상기 전체 상반력(F)의 추정값을 사용해서 양 다리체(2)의 상반력(Fr, Ff)의 추정값을 구하는 것이 가능하다. 이 경우, 2족보행 이동체(1)의 이동 속도는, 상세한 것은 후술하지만, 예를 들면 각 다리체(2)의 대퇴부나 하퇴부의 경사 각도의 계측 데이터 등을 사용하여 파악하는 것이 가능하다.
이상 설명한 것을 기초로 하여, 본 발명을 다음에 설명한다. 본 발명의 2족보행 이동체의 상반력 추정 방법, 즉, 2족보행 이동체의 각 다리체에 작용하는 상반력을 추정하는 방법은, 상기의 목적을 달성하기 위해서, 상기 2족보행 이동체의 다리체의 운동 상태가 그 한쪽의 다리체만 접지하고 있는 외다리 지지 상태인지 양 다리체가 접지하고 있는 양다리 지지 상태인지를 판단하는 제 1 스텝과, 상기 2족보행 이동체의 중심의 위치를 차례로 구하면서, 이 중심의 위치의 시계열 데이터를 사용해서 지면에 대해 고정된 절대좌표계에서의 이 중심의 가속도를 차례로 구하는 제 2 스텝과, 상기 2족보행 이동체의 중량과 중력가속도와 상기 중심의 가속도와각 다리체에 작용하는 상반력의 합력인 전체 상반력에 의해 표시되는 이 중심의 운동방정식에 기초하여, 이 전체 상반력의 추정값을 차례로 구하는 제 3 스텝과, 상기 양다리 지지 상태가 개시할 때마다 그 개시시부터의 경과 시간을 이 양다리 지지 상태의 종료시까지 차례로 계측하는 제 4 스텝과, 적어도 각 회의 양다리 지지 상태의 개시 이전에 2족보행 이동체의 이동 속도를 계측하는 제 5 스텝을 구비한다. 그리고, 본 발명의 상반력 추정 방법은, 상기 2족보행 이동체의 외다리 지지 상태일 때에는, 상기 전체 상반력의 추정값을 접지하고 있는 단일의 다리체에 작용하는 상반력의 추정값으로서 차례로 구하고, 또, 상기 2족보행 이동체의 양다리 지지 상태일 때에는, 양 다리체중, 이 2족보행 이동체의 진행 방향을 향해서 후방측에 존재하는 한쪽의 다리체에 작용하는 상반력의, 상기 양다리 지지 상태의 경과 시간 및 2족보행 이동체의 이동 속도에 대한 변화의 특성을 나타내는 것으로서 미리 정한 특성 데이터에 기초하여, 이 한쪽의 다리체에 작용하는 상반력의 추정값을 차례로 구하는 동시에, 그 구한 이 한쪽의 다리체의 상반력의 추정값을 상기 전체 상반력의 추정값으로부터 뺌으로써, 다른 쪽의 다리체에 작용하는 상반력의 추정값을 차례로 구하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이러한 본 발명에 의하면, 상기 제 3 스텝에서, 2족보행 이동체의 중량, 중력가속도 및 중심의 가속도의 값으로부터, 2족보행 이동체의 중심의 상술의 운동방정식(식(1) 참조)에 기초하여 상기 전체 상반력의 추정값(식(2) 참조)이 차례로 구해진다. 그리고, 상기 제 1 스텝에서, 2족보행 이동체의 다리체의 운동 상태가 외다리 지지 상태인지 양다리 지지 상태인지가 판단되고, 각각의 지지 상태에 따른수법에 의해 상기 상반력의 추정값이 구해진다. 즉, 2족보행 이동체의 외다리 지지 상태에서는, 상기 전체 상반력의 추정값이 그대로, 접지하고 있는 단일의 다리체에 작용하는 상반력의 추정값으로서 얻어진다. 또한, 이때, 접지하고 있지 않은 다리체(미접지 다리측의 다리체)에 작용하는 상반력은 「0」이다.
또, 2족보행 이동체의 양다리 지지 상태에서는, 우선, 이 2족보행 이동체의 진행 방향을 향해서 후방측에 존재하는 한쪽의 다리체에 작용하는 상반력의 추정값이, 이 양다리 지지 상태의 개시시부터의 경과 시간의 계측 데이터나, 2족보행 이동체의 이동 속도의 계측 데이터를 사용함으로써 상기 특성 데이터에 기초하여 구해진다. 그리고, 다른 쪽의 다리체에 작용하는 상반력의 추정값은, 상기한쪽의 다리체의 상반력의 추정값을 상기 제 3 스텝에서 구해지는 전체 상반력의 추정값으로부터 뺌(벡터의 감산을 행함)으로써 구해진다(식(3)을 참조).
여기에서, 본 발명에서 외다리 지지 상태 및 양다리 지지 상태 모두 각 다리체에 작용하는 상반력을 구하기 위해서 상기 전체 상반력의 추정값이 사용된다. 그리고, 이 전체 상반력의 추정값을 구하기 위해서 필요한 2족보행 이동체의 중량은, 미리 계측 등에 의해 파악해 두면 좋다. 또, 2족보행 이동체의 중심의 위치나 가속도는, 2족보행 이동체의 각 관절의 굴곡각도(회전각도)를 검출하는 센서(포텐셔미터 등)나, 가속도 센서, 자이로 센서 등, 비교적 소형이고 2족보행 이동체에의 장비가 용이한 센서의 출력의 데이터를 사용하여 리얼타임으로 파악하는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명의 상반력 추정 방법에 의하면, 2족보행 이동체의 발목부나족평부에 힘 센서를 장착하거나, 포스 플레이트를 사용하거나 하지 않고, 비교적 간단한 수법으로 상반력을 리얼타임으로 파악할 수 있다.
이러한 본 발명의 상반력 추정 방법에서는, 상기 특성 데이터는, 예를 들면 상기 양다리 지지 상태의 개시시에 있어서의 상기 전체 상반력에 대한 상기 한쪽의 다리체의 상반력의 비율과, 이 양다리 지지 상태의 개시시부터 종료시까지의 계속시간에 대한 상기 경과 시간의 비율과의 관계를 나타내는 데이터이며, 상기 2족보행 이동체의 이동 속도와 상기 양다리 지지 상태의 계속 시간과의 미리 정한 상관 관계에 기초하여, 이 이동 속도의 계측값으로부터 이 양다리 지지 상태의 계속 시간을 추정하고, 그 양다리 지지 상태의 계속 시간의 추정값과 상기 경과 시간의 계측값과 이 양다리 지지 상태의 개시시에 있어서의 상기 전체 상반력의 추정값과 상기 특성 데이터로부터 상기 한쪽의 다리체에 작용하는 상반력의 추정값을 차례로 구하는 것이 바람직하다.
즉, 본원 발명자 등의 지견에 의하면, 상기 양다리 지지 상태의 개시시에 있어서의 상기 전체 상반력에 대한 상기 한쪽의 다리체(2족보행 이동체의 진행 방향을 향해서 후방측의 다리체)의 상반력의 비율과, 이 양다리 지지 상태의 개시시부터 종료시까지의 계속시간에 대한 상기 경과 시간의 비율과의 관계에 착목했을 때, 이 상반력의 비율은 2족보행 이동체의 이동 속도 등에 의하지 않고, 이 경과 시간의 비율에 대해 거의 일정한 변화를 보인다. 이 때문에, 상기 특성 데이터를, 상기와 같은 상반력의 비율과 경과 시간의 비율과의 관계를 나타내는 데이터로서 정함으로써, 이 특성 데이터의 설정이 용이하게 된다.
이 경우, 상기 경과 시간의 비율의 기준이 되는 양다리 지지 상태의 계속 시간은, 2족보행 이동체의 이동 속도에 따라 변화되고, 이 이동 속도가 일정하면 양다리 지지 상태의 계속 시간도 거의 일정하게 된다. 이 때문에, 이 이동 속도와 양다리 지지 상태의 계속 시간과의 상관 관계를 미리 정해 둠으로써 이 이동 속도의 계측값으로부터 그 상관 관계에 기초하여 적정하게 양다리 지지 상태의 계속 시간을 추정할 수 있다. 또, 상기 한쪽의 다리체에 작용하는 상반력의 비율의 기준이 되는 전체 상반력은, 2족보행 이동체의 중심의 운동방정식에 기초하여 추정되는 것이다.
따라서, 양다리 지지 상태에서의 각 다리체의 상반력의 추정에 관해서, 상술과 같이 양다리 지지 상태의 개시시의 전체 상반력을 기준으로 한 상기 한쪽의 다리체의 상반력의 비율과, 이 양다리 지지 상태의 계속 시간을 기준으로 한 상기 경과 시간의 비율과의 상관 데이터로서 상기 특성 데이터를 정하고, 이 특성 데이터에, 이동 속도의 계측값에 따라서 정해지는 양다리 지지 상태의 계속 시간의 추정값과, 이 양다리 지지 상태의 경과 시간의 계측값과, 양다리 지지 상태의 개시시의 전체 상반력의 추정값을 적용함으로써 상기 한쪽의 다리체에 작용하는 상반력의 추정값을 정밀도 좋게 적정하게 구할 수 있다.
또한, 상반력은 벡터량이므로, 상기 한쪽의 다리체의 상반력의 전체 상반력에 대한 비율은, 보다 자세하게는, 이 상반력의, 어떤 적당한 좌표계(예를 들면 2족보행 이동체가 이동하는 바닥에 대해서 고정된 좌표계)에서의 각 성분마다의 비율이다.
또, 본 발명의 상반력 추정 방법에서는, 상기 제 5 스텝에서 2족보행 이동체의 이동 속도를 계측하기 위해서, 예를 들면 이 2족보행 이동체의 각 다리체의 무릎 관절의 하측의 하퇴부의 경사각도와 이 다리체의 넓적다리 관절 및 무릎 관절 사이의 대퇴부의 경사각도를 각각 각 회의 양다리 지지 상태의 개시시에 계측하는 스텝과, 각 회의 양다리 지지 상태의 개시시에 2족보행 이동체의 진행 방향을 향해서 후방측에 존재하는 다리체의 넓적다리 관절에 대한 이 다리체의 하퇴부의 하단부의 위치의, 전회의 양다리 지지 상태의 개시시부터의 이 2족보행 이동체의 진행 방향에 있어서의 이동량을, 이 다리체의 대퇴부 및 하퇴부의 경사각도의 계측값과 이 다리체의 대퇴부 및 하퇴부의 미리 구한 사이즈에 기초하여 이 양다리 지지 상태의 개시마다 산출하는 스텝과, 각 회의 양다리 지지 상태의 개시시부터 다음 회의 양다리 지지 상태의 개시시까지의 경과 시간을 일보분 경과 시간으로 하여 계측하는 스텝을 구비한다. 그리고, 상기 제 5 스텝에서는, 각 회의 양다리 지지 상태의 개시마다, 그 개시시에 산출된 상기 이동량을, 전회의 양다리 지지 상태의 개시시부터 금회의 양다리 지지 상태의 개시시까지 계측된 상기 일보분 경과 시간으로 나눔으로써, 상기 이동 속도의 계측값을 구한다.
즉, 각 회의 양다리 지지 상태의 개시시에 2족보행 이동체의 진행 방향을 향해서 후방측에 존재하는 다리체(이 다리체는 각 회의 양다리 지지 상태의 개시 직전의 외다리 지지 상태에서 접지하고 있었던 다리체임)의 넓적다리 관절에 대한 이 다리체의 하퇴부의 하단부의 위치의, 전회의 양다리 지지 상태의 개시시부터의 이 2족보행 이동체의 진행 방향에 있어서의 이동량이, 전회의 양다리 지지 상태의 개시시부터, 금회의 양다리 지지 상태의 개시시까지의 일보당 다리체의 넓적다리 관절의 부분(다리체의 기단부)이 이동한 양이 된다. 따라서, 이 이동량을 전회의 양다리 지지 상태의 개시시부터 금회의 양다리 지지 상태의 개시시까지의 경과 시간인 상기 일보분 경과 시간으로 나눔으로써, 그 일보분 경과 시간의 기간에서의 2족보행 이동체의 평균적인 이동 속도가 구해지게 된다. 그리고, 이 경우, 상기 이동량은, 양다리 지지 상태의 개시시에 후방측에 존재하는 다리체의 대퇴부 및 하퇴부의 각각의, 금회 및 전회의 양다리 지지 상태의 개시시에 있어서의 경사각도의 계측값과, 그들 대퇴부 및 하퇴부의 사이즈(보다 상세하게는 길이)의 데이터를 사용해서 기하학적인 연산에 의해 구할 수 있다. 또, 각 다리체의 대퇴부 및 하퇴부의 경사각도는, 각 다리체의 각 관절의 굴곡각도를 검출하는 센서나 가속도 센서, 자이로 센서 등의 센서를 사용하여 계측하는 것이 가능하다.
따라서, 양다리 지지 상태에서의 각 다리체에 작용하는 상반력의 추정값을 구하기 위해서 필요한 2족보행 이동체의 이동 속도를 대형의 센서 등을 사용하지 않고 용이하게 계측할 수 있다. 게다가, 그 계측되는 이동 속도는, 각 회의 양다리 지지 상태의 개시 직전의 이동 속도이므로, 그 신뢰성이 높아지고, 나아가서는, 양다리 지지 상태에서의 상반력의 추정값의 정밀도를 높일 수 있다.
또, 본 발명의 상반력 추정 방법에서는, 상기 양 다리체 상에 각 다리체의 넓적다리 관절을 통하여 지지된 동체의 넓적다리 관절 근처의 하부의 상하 방향의 가속도를 차례로 계측하는 스텝을 구비하고, 상기 제 1 스텝에서는, 상기 동체의 하부의 상하 방향의 가속도가 미리 정한 소정의 임계값 이상으로 상승했을 때에 상기 양다리 지지 상태가 개시되는 동시에 상기 외다리 지지 상태가 종료되고, 또한, 상기 양다리 지지 상태에서 2족보행 이동체의 진행 방향을 향해서 후방측의 다리체에 작용하는 상기 상반력의 추정값이 미리 정한 소정의 임계값 이하로 저하했을 때에 상기 양다리 지지 상태가 종료되는 동시에 상기 외다리 지지 상태가 개시되는 것으로 하여, 상기 2족보행 이동체의 운동 상태를 판단한다.
또는, 특히, 상기 양다리 지지 상태의 종료(외다리 지지 상태의 개시)의 판단에 관해서는, 상술과 같이 양다리 지지 상태의 계속 시간을 추정하는 본 발명에서는, 상기 양다리 지지 상태의 개시시부터의 경과 시간의 계측값이 이 양다리 지지 상태의 계속 시간의 추정값에 달했을 때에 상기 양다리 지지 상태가 종료하는 동시에 상기 외다리 지지 상태가 개시되는 것으로 하여, 상기 2족보행 이동체의 운동 상태를 판단하도록 해도 좋다.
즉, 2족보행 이동체의 이동시(보행시)에, 다리체의 운동 상태가 외다리 지지 상태로부터 양다리 지지 상태로 이행할 때에, 미접지 다리측의 다리체가 접지함으로써 동체의 하부의 상하 방향의 가속도(상향의 가속도)가 일시적으로 현저하게 큰 것이 된다. 그리고, 이 현상은, 다리체의 다른 운동 상태에서는 일반적으로는 생기지 않는다. 따라서, 상기 가속도를 소정의 임계값(비교적 큰 값의 임계값)과 비교함으로써, 외다리 지지 상태의 종료 및 양다리 지지 상태의 개시를 적정하게 파악할 수 있다.
또, 다리체의 운동 상태가 양다리 지지 상태로부터 외다리 지지 상태로 이행할 때는, 한쪽의 다리체의 기상 동작이 행해짐으로써 그 다리체에 작용하는 상반력은, 「0」으로 저하해 간다. 따라서, 그 다리체에 작용하는 상반력을 소정의 임계값(예를 들면 「0」보다 약간 큰 임계값)과 비교함으로써, 양다리 지지 상태의 종료 및 외다리 지지 상태의 개시를 적정하게 파악할 수 있다. 또, 특히 양다리 지지 상태의 계속 시간을 추정하는 경우에는, 다리체의 운동 상태가 양다리 지지 상태로부터 외다리 지지 상태로 이행할 때에, 이 양다리 지지 상태의 개시시부터의 경과 시간이 상기 계속 시간의 추정값에 도달하므로, 그것에 의해, 양다리 지지 상태의 종료 및 외다리 지지 상태의 개시를 적정하게 파악할 수 있다.
이와 같이 다리체의 운동 상태를 판단함으로써 외다리 지지 상태인지 양다리 지지 상태인지의 판단을 적정하게 행할 수 있다. 이 결과, 외다리 지지 상태와 양다리 지지 상태에서 상이하게 되는 상반력의 추정값의 산출 수법을 적확한 타이밍에 교체할 수 있고, 나아가서는, 이 상반력의 추정값의 정밀도를 높일 수 있다. 또, 다리체의 운동 상태의 판단을 위해 필요한 동체의 하부의 상하 방향의 가속도는, 예를 들면 이 동체의 하부에 가속도 센서를 부착해 둠으로써 이 가속도 센서의 출력에 의해 용이하게 파악할 수 있다.
또한, 인간과 같이, 상기 동체가 양 다리체에 넓적다리 관절을 통하여 연결된 허리부와, 이 허리부상에 이 허리부에 대해 경사가능하게 존재하는 가슴부를 갖는 경우에는, 계측하는 동체의 하부의 상하 방향의 가속도는, 상기 허리부의 상하 방향의 가속도인 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 상반력 추정 방법에서는, 상기 제 2 스텝에서 2족보행 이동체의 중심의 위치나 이 중심의 가속도를 파악하는 수법으로서는, 여러 수법이 생각되고, 또, 여러 공지의 수법을 사용하는 것이 가능하지만, 다음과 같은 수법에 의해, 이 중심의 위치나 이 중심의 가속도를 파악하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 양 다리체 상에 각 다리체의 넓적다리 관절을 통하여 지지된 동체의 경사각도와, 각 다리체의 적어도 넓적다리 관절 및 무릎 관절의 각각의 굴곡각도와, 상기 2족보행 이동체의 미리 정한 기준점의 상기 절대좌표계에서의 가속도를 각각 차례로 계측하는 스텝을 구비하고, 상기 제 2 스텝에서는, 상기 동체의 경사각도와, 상기 넓적다리 관절 및 무릎 관절의 각각의 굴곡각도와, 상기 2족보행 이동체를 복수의 강체의 연결체로서 나타내어 이루어지는 강체 링크 모델과, 이 강체 링크 모델의 각 강체에 해당하는 2족보행 이동체의 각 강체 상당부의 미리 구한 중량과, 각 강체 상당부에서의 이 강체 상당부의 미리 구한 중심의 위치에 기초하여, 상기 기준점에 대한 상기 2족보행 이동체의 중심의 위치를 차례로 구하는 동시에, 그 중심의 위치의 시계열 데이터에 기초하여 이 기준점에 대한 이 중심의 가속도를 차례로 구하고, 그 기준점에 대한 이 중심의 가속도와, 상기 절대좌표계에서의 이 기준점의 가속도로부터 이 절대좌표계에서의 상기 중심의 가속도를 구한다.
여기에서, 2족보행 이동체에 임의로 기준점을 정했을 때, 이 기준점에 대한 2족보행 이동체의 중심의 위치는, 대강, 동체와, 각 다리체의 넓적다리 관절부터 무릎 관절에 걸친 대퇴부와, 무릎 관절부터 하측의 하퇴부와의 상호의 자세관계에 의해 정해진다. 그리고, 그 자세관계는, 동체의 경사각도와, 넓적다리 관절 및 무릎 관절의 각각의 굴곡각도를 계측함으로써, 그들 계측 데이터로부터 파악할 수 있다. 더욱이, 상세한 것은 후술하지만, 2족보행 이동체에 대해 상기 강체 링크 모델(예를 들면 2족보행 이동체의 양 다리체의 넓적다리 관절의 상측의 부분(동체를 포함함), 각 다리체의 대퇴부, 하퇴부를 강체로 간주하는 모델)을 상정했을 때, 2족보행 이동체의 각 강체 상당부의 중량과, 각 강체 상당부에서의 이 강체 상당부의 중심의 위치(상세하게는, 각 강체 상당부에 대해 고정된 좌표계에서의 이 강체 상당부의 위치)와, 상기의 자세관계에 기초하여 상기 기준점에 대한 2족보행 이동체의 중심의 위치를 구할 수 있다. 더욱이, 기준점에 대한 이 중심의 가속도는, 이 중심의 위치의 시계열 데이터로부터 파악되는 이 중심의 위치의 2차 미분값으로서 구해진다. 따라서, 상기 절대좌표계에서의 상기 기준점의 가속도를 계측해 둠으로써, 이 절대좌표계에서의 2족보행 이동체의 중심의 가속도는, 이 기준점에 대한 이 중심의 가속도와, 이 기준점의 가속도와의 합성 가속도로서 구해지게 된다.
이 경우, 상술한 바와 같이 2족보행 이동체의 가속도를 파악하기 위해서 필요한 동체의 경사각도는, 이 동체에 부착한 가속도 센서와 자이로 센서, 또는 경사계 등의 센서의 출력으로부터 파악하는 것이 가능하고, 각 다리체의 넓적다리 관절 및 무릎 관절의 굴곡각도는 각각의 관절의 개소에 부착된 포텐셔미터 등의 센서의 출력에 의해 파악할 수 있다. 또, 상기 절대좌표계에서의 상기 기준점의 가속도는, 이 기준점과 일체적인 부분에 부착한 가속도 센서 등의 센서의 출력에 의해 파악할 수 있다. 더욱이, 2족보행 이동체의 각 강체 상당부의 중량이나, 각 강체 상당부에서의 이 강체 상당부의 중심의 위치는, 미리 계측 등에 의해 파악할 수 있다.
따라서, 2족보행 이동체에 비교적 대형의 센서 등을 장비하거나 하지 않고,2족보행 이동체의 중심의 위치나 가속도를 리얼타임으로 용이하게 파악할 수 있게 된다.
이와 같이 2족보행 이동체의 중심의 위치나 가속도를 구하는 경우, 상기 기준점은, 상기 동체에 설정되어 있는 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 상기 절대좌표계에서의 이 기준점의 가속도를 계측하기 위한 가속도 센서 등의 센서를 동체에 장비할 수 있기 때문에, 다리체에 장비하는 센서를 적게 할 수 있고, 이 센서가 2족보행 이동체의 보행 동작의 방해가 되는 사태를 회피할 수 있다.
또, 인간과 같이, 상기 양 다리체에 넓적다리 관절을 통하여 연결된 허리부와, 이 허리부상에 이 허리부에 대해 경사가능하게 존재하는 가슴부를 갖고, 상기 중심의 위치를 구하기 위해서 사용하는 상기 동체의 경사각도는, 상기 허리부 및 가슴부의 각각의 경사각도인 것이 바람직하다. 그리고, 특히 이 경우, 상기 강체 링크 모델은, 상기 2족보행 이동체의 각 다리체의 무릎 관절의 하측의 하퇴부와, 이 무릎 관절 및 상기 넓적다리 관절 사이의 대퇴부와, 상기 허리부와, 이 허리부의 상측에 존재하는 상기 가슴부를 포함하는 상체부를 각각 강체로서 나타낸 모델인 것이 바람직하다.
이것에 의하면, 특히 2족보행 이동체가 인간일 경우에, 그 중심의 위치나 가속도를 정밀도 좋게 파악할 수 있고, 나아가서는, 상반력의 추정값의 정밀도를 높일 수 있다.
다음에, 본 발명의 2족보행 이동체의 관절 모멘트 추정 방법은, 상술한 본 발명의 상반력 추정 방법에 의해 차례로 구한 상기 각 다리체에 관계되는 상반력의추정값을 사용하여 상기 2족보행 이동체의 각 다리체의 적어도 하나의 관절에 작용하는 모멘트를 추정하는 방법이다. 그리고, 본 발명의 관절 모멘트 추정 방법은, 상기 양 다리체 상에 각 다리체의 넓적다리 관절을 통하여 지지된 동체의 경사각도와, 상기 각 다리체의 적어도 넓적다리 관절 및 무릎 관절의 각각의 굴곡각도와, 상기 2족보행 이동체의 미리 정한 기준점의 상기 절대좌표계에서의 가속도를 각각 차례로 계측하는 스텝과, 상기 동체의 경사각도와, 상기 각 다리체의 넓적다리 관절 및 무릎 관절의 각각의 굴곡각도와, 상기 2족보행 이동체를 복수의 강체의 연결체로 하여 나타내어 이루어지는 강체 링크 모델에 기초하여, 이 강체 링크 모델의 각 강체에 대응하는 2족보행 이동체의 각 강체 상당부의 경사각도를 차례로 구하는 스텝과, 상기 각 강체 상당부의 경사각도와 각 강체 상당부의 미리 구한 중량과 각 강체 상당부에서의 이 강체 상당부의 미리 구한 중심의 위치에 기초하여, 상기 기준점에 대한 각 강체 상당부의 중심의 위치를 차례로 구하는 동시에, 그 각 강체 상당부의 중심의 위치의 시계열 데이터에 기초하여 이 기준점에 대한 각 강체 상당부의 중심의 가속도를 차례로 구하는 스텝과, 이 기준점에 대한 각 강체 상당부의 중심의 가속도와, 상기 절대좌표계에서의 상기 기준점의 가속도로부터 이 절대좌표계에서의 각 강체 상당부의 중심의 가속도를 차례로 구하는 스텝과, 상기 각 강체 상당부의 경사각도의 시계열 데이터에 기초하여 각 강체 상당부의 각 가속도를 차례로 구하는 스텝과, 상기 2족보행 이동체의 강체 상당부로서의 각 다리체의 대퇴부의 경사각도와, 이 다리체의 무릎 관절의 굴곡각도중 적어도 한쪽에 기초하여, 이 2족보행 이동체에서의 각 다리체의 상반력 작용점의 추정 위치를 차례로 구하는스텝을 구비하고, 상기 상반력의 추정값과, 상기 상반력 작용점의 추정 위치와, 상기 절대좌표계에서의 각 강체 상당부의 중심의 가속도 및 이 강체 상당부의 각 가속도와, 각 강체 상당부의 경사각도와, 각 강체 상당부의 미리 구한 중량 및 사이즈와, 각 강체 상당부에서의 이 강체 상당부의 미리 구한 중심의 위치와, 각 강체 상당부의 미리 구한 관성 모멘트를 사용해서 역동력학 모델에 기초하여 상기 2족보행 이동체의 각 다리체의 적어도 하나의 관절에 작용하는 모멘트를 추정하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 상술과 같이, 상기 상반력 추정 방법에서의 상기 제 2 스텝에서 기준점에 대한 2족보행 이동체의 중심의 위치 등을 구하기 위해서, 동체의 경사각도와, 각 다리체의 넓적다리 관절 및 무릎 관절의 각각의 굴곡각도와 2족보행 이동체의 기준점의 상기 절대좌표계에서의 가속도를 각각 계측하는 스텝을 구비했을 때에는, 그것들을 고쳐서 계측할 필요는 없고, 또, 상기 강체 링크 모델은, 2족보행 이동체의 중심의 위치 등을 구하기 위해서 사용한 강체 링크 모델과 동일한 강체 링크 모델을 사용하면 좋다.
이러한 본 발명의 관절 모멘트 추정 방법에서는, 동체의 경사각도와, 넓적다리 관절 및 무릎 관절의 각각의 굴곡각도를 계측함으로써, 그들 계측 데이터로부터 동체, 대퇴부, 하퇴부 등의 2족보행 이동체의 각 강체 상당부의 경사각도(이것은 각 강체 상당부의 상호의 자세관계를 나타냄)를 파악할 수 있다. 그리고, 각 강체 상당부의 중량과, 각 강체 상당부에서의 이 강체 상당부의 중심의 위치(상세하게는, 각 강체 상당부에 대해 고정된 좌표계에서의 이 강체 상당부의 위치)와, 상기의 각 강체 상당부의 경사각도에 기초하여 상기 기준점에 대한 각 강체 상당부의 중심의 위치를 구할 수 있다. 더욱이, 기준점에 대한 각 강체 상당부의 중심의 가속도는, 이 중심의 위치의 시계열 데이터로부터 파악되는 이 중심의 위치의 2차 미분값으로서 구해진다. 따라서, 상기 절대좌표계에서의 상기 기준점의 가속도를 계측해 둠으로써, 이 절대좌표계에서의 2족보행 이동체의 각 강체 상당부의 중심의 가속도가, 이 중심의 기준점에 대한 가속도와, 상기 기준점의 가속도(절대좌표계에서의 가속도)와의 합성 가속도로서 구해지게 된다.
더욱이, 상기 각 강체 상당부의 경사각도의 시계열 데이터로부터 파악되는 이 경사각도의 2차 미분값으로서, 각 강체 상당부의 각 가속도가 구해진다.
또, 본원 발명자 등의 지견에 의하면, 2족보행 이동체에서의 각 다리체의 상반력 작용점의 위치, 예를 들면, 각 다리체의 발목부에 대한 이 다리체의 상반력 작용점의 위치는, 상기 2족보행 이동체의 강체 상당부로서의 각 다리체의 대퇴부의 경사각도나, 이 다리체의 무릎 관절의 굴곡각도와 밀접한 상관 관계를 갖는다. 따라서, 이 다리체의 대퇴부의 경사각도와, 무릎 관절의 굴곡각도중 적어도 한쪽에 기초하여, 2족보행 이동체에서의 상반력 작용점의 추정 위치를 구할 수 있다.
그리고, 상술한 바와 같이 2족보행 이동체의 각 강체 상당부의 중심의 가속도, 이 강체 상당부의 각가속도, 상반력 작용점의 추정 위치를 구했을 때, 상기 상반력 추정 방법에 의해 구해지는 상반력의 추정값과 더불어, 그것들의 데이터 등으로부터, 공지의 소위 역동력학 모델에 기초하여 각 다리체의 무릎 관절이나 넓적다리 관절에 작용하는 모멘트를 추정할 수 있다. 이 역동력학 모델에 기초하는 수법은, 그것을 간략하게 말하면, 2족보행 이동체의 각 강체 상당부의 중심의 병진운동에 관한 운동방정식과, 이 강체 상당부의 회전운동(예를 들면 이 강체 상당부의 중심의 주위의 회전운동)에 관한 운동방정식을 사용하여 강체 링크 모델의 각 관절에 상당하는 2족보행 이동체의 각 관절에 작용하는 모멘트를 상반력 작용점에 보다 가까운 것부터 순서대로 구해 가는 것이다. 상세한 것은 후술하지만, 예를 들면 각 다리체가 대퇴부 및 하퇴부를 각각 강체 상당부로서 갖는 연결체라고 했을 경우, 각 다리체의 하퇴부의 중심의 병진운동에 관한 운동방정식에, 이 하퇴부의 중심의 가속도, 이 다리체에 작용하는 상반력의 추정값, 하퇴부의 중량의 값을 적용함으로써 이 다리체의 무릎 관절에 작용하는 힘(관절 반력)을 알 수 있다. 더욱이, 이 다리체의 무릎 관절에 작용하는 관절 반력과, 이 다리체의 하퇴부의 각가속도와, 이 다리체의 상반력 작용점의 추정 위치와, 이 다리체의 상반력의 추정값과, 이 하퇴부에서의 이 하퇴부의 중심의 위치 및 이 하퇴부의 사이즈(길이)에 관계되는 데이터값과, 이 하퇴부의 관성 모멘트의 값과, 이 하퇴부의 경사각도의 값을 이 하퇴부의 회전운동에 관한 운동방정식에 적용함으로써 이 다리체의 무릎 관절의 모멘트를 추정할 수 있다.
또, 각 다리체의 대퇴부의 중심의 병진운동에 관한 운동방정식에, 이 대퇴부의 중심의 가속도, 이 다리체의 무릎 관절에 작용하는 관절 반력, 대퇴부의 중량의 값을 적용함으로써 이 다리체의 넓적다리 관절에 작용하는 관절 반력을 알 수 있다. 더욱이, 이 다리체의 무릎 관절 및 넓적다리 관절에 각각 작용하는 관절 반력과, 이 다리체의 대퇴부의 각가속도와, 이 대퇴부에서의 이 대퇴부의 중심의 위치및 이 대퇴부의 사이즈(길이)에 관계되는 데이터값과, 이 대퇴부의 관성 모멘트의 값과, 이 대퇴부의 경사각도의 값을 이 대퇴부의 회전운동에 관한 운동방정식에 적용함으로써 이 다리체의 넓적다리 관절의 모멘트를 추정할 수 있다.
이러한 본 발명의 관절 모멘트 추정 방법에 의하면, 상술의 본 발명의 상반력 추정 방법에 의해 구해진 상반력의 추정값을 사용하여 다리체의 관절에 작용하는 모멘트를 추정함으로써, 2족보행 이동체에 비교적 대형의 센서 등을 장비하거나 하지 않고, 다리체의 관절에 작용하는 모멘트를 비교적 정밀도 좋게 리얼타임으로 추정할 수 있다.
본 발명의 일실시형태를 상기 도 1 및 도 2∼도 12를 참조하여 설명한다.
본 실시형태는, 2족보행 이동체로서의 인간에 본 발명의 상반력 추정 방법 및 관절 모멘트 추정 방법을 적용한 실시형태이다.
도 2에 모식화해서 도시하는 바와 같이, 인간(1)은, 그 구성을 대별하면, 좌우 1쌍의 다리체(2, 2)와, 허리부(3) 및 가슴부(4)로 이루어지는 동체(5)와, 머리부(6)와, 좌우 1쌍의 팔체(7, 7)를 갖는다. 동체(5)는, 그 허리부(3)가 다리체(2, 2)의 각각 좌우 1쌍의 넓적다리 관절(8, 8)을 통하여 연결되고, 양 다리체(2, 2)상에 지지되어 있다. 또, 동체(5)의 가슴부(4)는, 허리부(3)의 상측에 이 허리부(3)에 대해 인간(1)의 전방측에 경사 가능하게 존재하고 있다. 그리고, 이 가슴부(4)의 상부의 좌우 양측부에서 팔체(7, 7)가 뻗어 설치되고, 이 가슴부(4)의 상단부에 머리부(6)가 지지되어 있다.
각 다리체(2, 2)는, 넓적다리 관절(8)로부터 뻗어 있는 대퇴부(9)와, 이 대퇴부(9)의 선단으로부터 무릎 관절(10)을 통하여 뻗어 있는 하퇴부(11)를 갖고, 하퇴부(11)의 선단부에, 발목부(발목관절)(12)를 통하여 족평부(13)가 연결되어 있다.
본 실시형태에서는, 이러한 구성을 갖는 인간(1)의 각 다리체(2)에 작용하는 상반력의 추정, 게다가 무릎 관절(10) 및 넓적다리 관절(8)에 작용하는 모멘트의 추정을 행하기 위해서, 다음과 같은 장치를 인간(1)에 장비하고 있다.
즉, 동체(5)의 가슴부(4)에는, 가슴부(4)의 경사에 수반되는 각속도에 따른 출력을 발생하는 자이로 센서(14)(이하, 가슴부 자이로 센서(14)라고 함)과, 가슴부(4)의 전후방향의 가속도에 따른 출력을 발생하는 가속도 센서(15)(이하, 가슴부 전후 가속도 센서(15)라고 함)과, CPU, RAM, ROM 등으로 구성되는 연산처리장치(16)와, 이 연산처리장치(16) 등의 전원이 되는 배터리(17)가 장착되어 있다. 이 경우, 이들 가슴부 자이로 센서(14), 가슴부 전후 가속도 센서(15), 연산처리장치(16) 및 배터리(17)는, 예를 들면 가슴부(4)에 도시하지 않은 벨트 등을 통하여 고정되는 숄더 백 형상의 수용 부재(18)에 수용되고, 이 수용 부재(18)를 통하여 가슴부(4)에 일체적으로 고정되어 있다.
또한, 가슴부 가속도 센서(5)의 출력이 나타내는 가속도는, 보다 상세하게는, 가슴부(4)의 수평 단면방향(가슴부(4)의 축심과 직교하는 방향)에서의 전후방향의 가속도이며, 인간(1)이 평지에 직립 자세로 기립한 상태에서는, 전후 수평방향(도 2의 절대좌표계의 X축방향)에서의 가속도이지만, 허리부(3) 또는 가슴부(4)가 연직방향(도 2의 절대좌표계의 Z축방향)으로부터 경사진 상태에서는, 가슴부(4)의 연직방향에 대한 경사각도분만 수평방향에 대해 경사진 방향에서의 가속도가 된다.
또, 동체(5)의 허리부(3)에는, 허리부(3)의 경사에 따르는 각속도에 따른 출력을 발생하는 자이로 센서(19)(이하, 허리부 자이로 센서(19)라 함)와, 허리부(3)의 전후방향의 가속도에 따른 출력을 발생하는 가속도 센서(20)(이하, 허리부 전후 가속도 센서(20)라 함)와, 허리부(3)의 상하 방향의 가속도에 따른 출력을 발생하는 가속도 센서(21)(이하, 허리부 상하 가속도 센서(21)라 함)가, 도시하지 않은 벨트 등의 고정 수단을 통하여 일체적으로 장착·고정되어 있다.
여기에서, 허리부 전후 가속도 센서(20)는, 보다 자세하게는 가슴부 전후 가속도 센서(15)와 동일하게, 허리부(3)의 수평 단면방향(허리부(3)의 축심과 직교하는 방향)에서의 전후방향의 가속도를 검출하는 센서이다. 또, 허리부 상하 가속도 센서(21)는, 보다 상세하게는, 허리부(3)의 축심방향에서의 상하 방향의 가속도(이것은 허리부 전후 가속도 센서(20)가 검출하는 가속도와 직교함)를 검출하는 센서이다. 또한, 허리부 전후 가속도 센서(20) 및 허리부 상하 가속도 센서(21)는, 2축형의 가속도 센서에 의해 일체적으로 구성된 것이라도 좋다.
더욱이 각 다리체(2)의 넓적다리 관절(8)과 무릎 관절(10)에는, 각각의 굴곡각도(△θc, △θd)에 따른 출력을 발생하는 넓적다리 관절 각도 센서(22) 및 무릎 관절 각도 센서(23)가 장착되어 있다. 또한, 넓적다리 관절 각도 센서(22)에 대해서는, 도 2에서는 앞쪽(인간(1)의 전방을 향해서 우측)의 다리체(2)의 넓적다리 관절(8)에 관계되는 넓적다리 관절 각도 센서(22)만이 도시되어 있지만, 다른 쪽(인간(1)의 전방을 향해서 좌측)의 다리체(2)의 넓적다리 관절(8)에는, 앞쪽의 넓적다리 관절 각도 센서(22)와 동심으로, 넓적다리 관절 각도 센서(22)가 장착되어 있다.
이들 각도 센서(22, 23)는, 예를 들면 포텐셔미터에 의해 구성된 것이며, 각 다리체(2)에 도시하지 않은 밴드부재 등의 수단을 통하여 장착되어 있다. 여기에서, 각 넓적다리 관절 각도 센서(22)가 검출하는 굴곡각도(△θc)는, 보다 상세하게는, 허리부(3)와 각 다리체(2)의 대퇴부(9)와의 자세관계가 소정의 자세관계(예를 들면 인간(1)의 직립 자세 상태와 같이 허리부(3)의 축심과 대퇴부(9)의 축심이 거의 평행이 되는 자세 관계)에 있을 때를 기준으로 한, 허리부(3)에 대한 각 다리체(2)의 대퇴부(9)의 넓적다리 관절(8) 둘레(인간(1)의 좌우 방향에서의 넓적다리 관절(8)의 축심 둘레)의 회전 각도이다. 동일하게, 각 무릎 관절 각도 센서(23)가 검출하는 굴곡각도(△θd)는, 각 다리체(2)의 대퇴부(9)와 하퇴부(11)의 자세관계가 소정의 자세관계(예를 들면 대퇴부(9)의 축심과 하퇴부(11)의 축심이 거의 평행이 되는 자세 관계)에 있을 때를 기준으로 한, 대퇴부(9)에 대한 하퇴부(11)의 무릎 관절(10) 둘레(인간(1)의 좌우 방향에서의 무릎 관절(10)의 축심 둘레)의 회전 각도이다.
또한, 상기 각 센서(14, 15, 19∼23)는, 그것들의 출력을 연산처리장치(16)에 입력하기 위해, 도시를 생략하는 신호선을 통하여 연산처리장치(16)에 접속되어 있다.
상기 연산처리장치(16)는, 도 3에 도시하는 바와 같은 기능적 수단을 구비하고 있다. 즉, 연산처리장치(16)는, 허리부 상하 가속도 센서(21)의 검출 데이터와, 후술하는 시간 측정 수단(35) 및 양다리 지지 기간 추정 수단(37)에 의해 각각 얻어진 데이터를 사용하여, 인간(1)의 다리체(2, 2)의 운동 상태가 외다리 지지 상태(도 1(a)의 상태)인지, 양다리 지지 상태(도 1(b)의 상태)인지를 판단하는 다리체 운동 판단 수단(24)을 구비하고 있다. 또, 연산처리장치(16)는, 가슴부 전후 가속도 센서(15) 및 가슴부 자이로 센서(14)의 검출 데이터를 사용하여, 가슴부(4)의 절대좌표계(Cf)에서의 경사각도(θa)(구체적으로는 예를 들면 연직방향에 대한 경사각도(θa). 도 2 참조)를 계측하는 가슴부 경사각도 계측 수단(25)과, 허리부 전후 가속도 센서(20) 및 허리부 자이로 센서(19)의 검출 데이터를 사용하여, 허리부(3)의 절대좌표계(Cf)에서의 경사각도(θb)(구체적으로는 예를 들면 연직방향에 대한 경사각도(θb). 도 2 참조)를 계측하는 허리부 경사각도 계측 수단(26)을 구비하고 있다.
게다가, 연산처리장치(16)는, 허리부 전후 가속도 센서(20) 및 허리부 상하 가속도 센서(21)의 검출 데이터와 상기 허리부 경사각도 계측 수단(26)에 의해 계측된 허리부(3)의 경사각도(θb)의 데이터를 사용하고, 본 실시형태에서의 인간(1)의 기준점으로서 도 2에 도시하는 바와 같이 허리부(3)에 설정되는 신체좌표계(Cp)(도 2의 xz좌표)의 원점(O)의 절대좌표계(Cf)에서의 가속도(병진 가속도)(a0=T(a0x, a0z)를 구하는 기준가속도 계측 수단(27)을 구비하고 있다. 여기에서, 신체좌표계(Cp)는, 보다 상세하게는, 예를 들면 인간(1)의 좌우의 넓적다리 관절(8, 8)의 각각의 중심을 연결하는 선의 중점을 원점(O)으로 하고, 연직방향을 z축방향, 인간(1)의 전방을 향하는 수평방향을 x축방향으로 한 좌표계(3축의 방향이 상기 절대좌표계(Cf)와 동일한 좌표계)이다.
또, 연산처리장치(16)는, 각 다리체(2)의 넓적다리 관절 각도 센서(22) 및 무릎 관절 각도 센서(23)의 검출 데이터와, 상기 허리부 경사각도 계측 수단(26)에 의한 허리부(3)의 경사각도(θb)의 데이터를 사용하고, 절대좌표계(Cf)에서의 각다리체(2)의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 각각의 경사각도(θc, θd)(구체적으로는 예를 들면 연직방향에 대한 경사각도(θc, θd). 도 2 참조)를 구하는 다리체 자세 산출 수단(28)을 구비하고 있다.
또, 연산처리장치(16)는, 상기 가슴부 경사각도 계측 수단(25), 허리부 경사각도 계측 수단(26), 및 다리체 자세 산출 수단(28)에 의해 얻어지는 가슴부(4)의 경사각도(θa), 허리부(3)의 경사각도(θb), 및 각 다리체(2)의 대퇴부(9)의 경사각도(θc) 및 하퇴부(11)의 경사각도(θd)의 데이터를 사용하고, 후술의 강체 링크 모델에 대응하는 인간(1)의 각 강체 상당부의 중심의 위치(상세하게는 상기 신체좌표계(Cp)에서의 각 강체 상당부의 중심의 위치)를 구하는 각 부 중심위치 산출 수단(29)과, 그 각 강체 상당부의 중심의 위치의 데이터를 사용하고, 상기 신체좌표계(Cp)에서의 인간(1)의 전체의 중심(G0)(이하, 신체중심(G0)이라고 함. 도 1 참조)의 위치를 구하는 신체 중심위치 산출 수단(30)과, 그 신체중심(G0)의 위치의 데이터와 상기 기준가속도 계측 수단(27)에 의한 신체좌표계(Cp)의 원점(O)의 가속도(a0)의 데이터를 사용하여 절대좌표계(Cf)에서의 신체중심(G0)의 가속도(a=T(ax, az))(도 1 참조)를 구하는 신체중심 가속도 산출 수단(31)을 구비하고 있다.
더욱이, 연산처리장치(16)는, 상기 각 부 중심위치 산출 수단(29)에 의한 인간(1)의 각 강체 상당부의 중심의 위치(상세하게는 다리체(2)에 관계되는 강체 상당부의 중심의 위치)의 데이터와 상기 기준가속도 계측 수단(27)에 의한 신체좌표계(Cp)의 원점(O)의 가속도(a0)의 데이터를 사용하여 절대좌표계(Cf)에서의 각 다리체(2)의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 각각의 중심의 가속도(병진 가속도)를 구하는 다리체 각 부 가속도 산출 수단(32)과, 상기 다리체 자세 산출 수단(28)에 의한 각 다리체(2)의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 각각의 경사각도(θc, θd)의 데이터를 사용하여 절대좌표계(Cf)에서의 각 다리체(2, 2)의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 각가속도를 구하는 다리체 각 부 각가속도 산출 수단(33)과, 상기 다리체 자세 산출 수단(28)에 의한 각 다리체(2)의 대퇴부(9)의 경사각도(θc)나, 상기 무릎 관절 각도 센서(23)에 의해, 계측되는 무릎 관절(10)의 굴곡각도(△θd)의 데이터를 사용하여 접지하고 있는 각 다리체(2)의 상반력 작용점의 위치를 추정하는 상반력 작용점 추정 수단(34)을 구비하고 있다.
또, 연산처리장치(16)는, 다리체 운동 판단 수단(24)에 의해 양다리 지지 상태의 개시(외다리 지지 상태의 종료)가 파악될 때마다, 그 양다리 지지 상태의 개시시부터의 경과 시간을 재는 시간 측정 수단(35)과, 다리체 운동 판단 수단(24)에 의해 양다리 지지 상태의 개시(외다리 지지 상태의 종료)가 파악될 때마다, 상기 다리체 자세 산출 수단(28)에 의한 각 다리체(2)의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 각각의 경사각도(θc, θd)의 데이터와 상기 시간 측정 수단(35)의 시간 측정 데이터를 사용하여 인간(1)의 이동 속도를 추정하는 이동 속도 추정 수단(36)과, 이 이동 속도 추정 수단(36)에 의해 구해진 이동 속도의 데이터로부터 양다리 지지 상태의 개시시부터 종료시까지의 시간(양다리 지지 상태의 계속 시간. 이하, 양다리 지지 기간이라고 함)을 추정하는 양다리 지지 기간 추정 수단(37)을 구비하고 있다.
또, 연산처리장치(16)는, 상기 신체중심 가속도 산출 수단(31)에 의한 신체중심의 가속도(a)의 데이터와 상기 양다리 지지 기간 추정 수단(37)에 의한 양다리 지지 기간의 추정값의 데이터와 상기 시간 측정 수단(35)에 의한 시간 측정 데이터와 상기 다리체 운동 판단 수단(24)에 의한 다리체(2)의 운동 상태의 판단 결과의 데이터를 사용하여 각 다리체(2)에 작용하는 상반력의 추정값을 구하는 상반력 추정 수단(38)과, 이 상반력의 추정값의 데이터와 다리체 각 부 가속도 산출 수단(32)에 의한 각 다리체(2)의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 중심의 가속도의 데이터와 다리체 각 부 각가속도 산출 수단(33)에 의한 각 다리체(2)의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 각가속도의 데이터와 상반력 작용점 추정 수단(34)에 의한 상반력 작용점의 추정 위치의 데이터와 상기 다리체 자세 산출 수단(28)에 의한 각 다리체(2)의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 각각의 경사각도(θc, θd)의 데이터를 사용하여 각 다리체(2)의 무릎 관절(10) 및 넓적다리 관절(8)에 각각 작용하는 모멘트를 추정하는 관절 모멘트 추정 수단(39)을 구비하고 있다.
다음에, 상술한 연산처리장치(16)의 각 수단의 보다 상세한 처리 내용과 더불어, 본 실시형태의 작동을 설명한다.
본 실시형태에서는, 예를 들면 인간(1)이 보행하여 이동을 행할 때에, 양 다리체(2, 2)를 착상시킨 상태에서 연산처리장치(16)의 도시하지 않은 전원 스위치를 투입하면, 이 연산처리장치(16)에 의한 처리가 소정의 사이클타임 마다 이하에 설명하는 바와 같이 차례로 실행되어, 각 다리체(2)에 작용하는 상반력의 추정값 등이 차례로 구해진다.
즉, 우선, 연산처리장치(16)는 상기 가슴부 경사각도 계측 수단(25) 및 허리부 경사각도 계측 수단(26)에 의한 처리를 실행한다. 이 경우, 가슴부 경사각도 계측 수단(25)의 처리에서는, 가슴부 전후 가속도 센서(15) 및 가슴부 자이로 센서(14)로부터 각각 입력되는 가슴부(4)의 전후방향의 가속도, 가슴부(4)의 각속도의 검출 데이터로부터, 소위 칼만 필터의 처리를 사용한 공지의 수법에 의해, 절대좌표계(Cf)에서의 가슴부(4)의 경사각도(θa)가 상기 사이클타임 마다 차례로 구해진다. 동일하게, 허리부 경사각도 계측 수단(26)의 처리에서는, 허리부 전후 가속도 센서(20) 및 허리부 자이로 센서(19)로부터 각각 입력되는 허리부(3)의 전후방향의 가속도, 허리부(3)의 각속도의 검출 데이터로부터, 칼만 필터의 처리를 사용하여 절대좌표계(Cf)에서의 허리부(3)의 경사각도(θb)가 차례로 구해진다. 여기에서, 절대좌표계(Cf)에서의 가슴부(4) 및 허리부(3)의 각각의 경사각도(θa, θb)는, 본 실시형태에서는 예를 들면 연직방향(중력방향)에 대한 경사각도이다.
또한, 예를 들면 자이로 센서(14, 19)에 의한 각속도의 검출 데이터를 적분함으로써 가슴부(4)나 허리부(3)의 경사각도를 구하는 것도 가능하지만, 본 실시형태와 같이 칼만 필터의 처리를 사용함으로써 가슴부(4)나 허리부(3)의 경사각도(θa, θb)를 정밀도 좋게 계측할 수 있다.
다음에, 연산처리장치(16)는 상기 다리체 자세 산출 수단(28)의 처리와 상기 기준가속도 계측 수단(27)의 처리를 실행한다.
상기 다리체 자세 산출 수단(28)에 의한 처리에서는, 절대좌표계(Cf)에서의 각 다리체(2)의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 경사각도(θc, θd)(연직방향에 대한 경사각도. 도 2 참조)가 상기 사이클타임 마다 다음과 같이 구해진다. 즉, 각 다리체(2)의 대퇴부(9)의 경사각도(θc)는, 그 다리체(2)에 장착되어 있는 상기 넓적다리 관절 각도 센서(22)에 의한 넓적다리 관절(8)의 굴곡각도(△θc)의 검출 데이터의 금회의 값과, 상기 허리부 경사각도 계측 수단(25)에 의해 구해진 허리부(3)의 경사각도(θb)의 금회의 값으로부터 다음 식(4)에 의해 산출된다.
θc=θb+△θc……(4)
여기에서, 허리부(3)의 경사각도(θb)는, 이 허리부(3)의 상단부가 하단부보다도 인간(1)의 전방측으로 돌출하도록 이 허리부(3)가 연직방향에 대해 경사져 있는 경우에 음의 값이 되는 것이며, 넓적다리 관절(8)의 굴곡각도(△θc)는, 대퇴부(9)의 하단부가 인간(1)의 전방측으로 돌출하도록 대퇴부(9)가 허리부(3)의 축심에 대해 경사져 있는 경우에 양의 값이 되는 것이다.
더욱이, 각 다리체(2)의 하퇴부(11)의 경사각도(θd)는, 상기한 바와 같이 구해진 대퇴부(9)의 경사각도(θc)의 금회의 값과, 이 다리체(2)에 장착되어 있는 상기 무릎 관절 각도 센서(23)에 의한 무릎 관절(10)의 굴곡각도(△θd)의 검출 데이터의 금회의 값으로부터 다음 식(5)에 의해 산출된다.
θd=θc-△θd……(5)
여기에서, 무릎 관절(10)의 굴곡각도는, 하퇴부(11)가 대퇴부(9)의 축심에 대해 이 대퇴부(9)의 배면측에 경사져 있는 경우에 양의 값이 되는 것이다.
또, 상기 기준가속도 계측 수단(27)의 처리에서는, 상기 신체좌표계(Cp)의 원점(O)의 절대좌표계(Cf)에서의 가속도(a0=T(a0x, a0z))가 다음과 같이 구해진다.즉, 상기 허리부 전후 가속도 센서(20)에 의한 허리부(3)의 전후방향의 가속도의 검출 데이터의 금회의 값을 ap, 상기 허리부 상하 가속도 센서(21)에 의한 허리부(3)의 상하 방향의 가속도의 검출 데이터의 금회의 값을 aq 라고 하면, 그들 검출 데이터 ap, aq와, 상기 허리부 경사각도 계측 수단(26)에 의해 구해진 허리부(3)의 경사각도(θb)의 금회의 값으로부터, 다음 식(6)에 의해 절대좌표계(Cf)에서의 가속도(a0=T(a0x, a0z))가 구해진다.
a0=T(a0x, a0z)
=T(ap·cosθb-aq·sinθb, ap·sinθb+aq·cosθb)……(6)
다음에, 연산처리장치(16)는, 상기 각 부 중심위치 산출 수단(29)의 처리를 실행하고, 이하에 설명하는 강체 링크 모델을 사용하여, 상기 신체좌표계(Cp)에서의 인간(1)의 각 강체 상당부의 중심의 위치(신체좌표계(Cp)의 원점(O)에 대한 위치)를 구한다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태에서 사용하는 강체 링크 모델(R)은, 인간(1)을, 각 다리체(2)의 대퇴부(9)에 상당하는 강체(R1, R1)와, 하퇴부(11)에 상당하는 강체(R2, R2)와, 허리부(3)에 상당하는 강체(R3)와, 상기 가슴부(4), 팔체(7, 7) 및 머리부(6)를 합친 부분(40)(이하, 상체부(40)라 함)에 상당하는 강체(R4)를 연결하여 이루어지는 것으로서 표현하는 모델이다. 이 경우, 각 강체(R1)와 강체(R3)와의 연결부, 및, 각 강체(R1)와 강체(R2)와의 연결부가 각각넓적다리 관절(8), 무릎 관절(10)에 상당한다. 또, 강체(R3)와 강체(R4)와의 연결부는 허리부(3)에 대한 가슴부(4)의 경동지점부(41)이다.
그리고, 본 실시형태에서는, 이러한 강체 링크 모델(R)의 각 강체(R1∼R4)에 대응하는 인간(1)의 강체 상당부(각 다리체(2)의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11), 허리부(3), 상체부(40))의 각각의 중심(G1, G2, G3, G4)의 각 강체 상당부에서의 위치가 미리 구해지고, 연산처리장치(16)의 도시하지 않은 메모리에 기억되어 있다.
여기에서, 연산처리장치(16)에 기억 유지되어 있는 각 강체 상당부의 중심(G1, G2, G3, G4)의 위치는, 각 강체 상당부에 대해 고정된 좌표계에서의 위치이다. 이 경우, 각 강체 상당부의 중심(G1, G2, G3, G4)의 위치를 나타내는 데이터로서, 예를 들면, 각 강체 상당부의 일단부의 관절의 중심점으로부터 이 강체 상당부의 축심방향의 거리가 사용된다. 구체적으로는, 예를 들면 도 4에 도시하는 바와 같이, 각 대퇴부(9)의 중심(G1)의 위치는, 이 대퇴부(9)의 넓적다리 관절(8)의 중심으로부터 대퇴부(9)의 축심방향에 거리(d1)의 위치, 각 하퇴부(11)의 중심(G2)의 위치는, 이 하퇴부(11)의 무릎 관절(10)의 중심으로부터 하퇴부(11)의 축심방향에 거리(d2)의 위치로서 표시되고, 그들 거리(d1, d2)의 값이 미리 구해져서 연산처리장치(16)에 기억 유지되어 있다. 다른 강체 상당부의 중심, G3, G4의 위치에 대해서도 동일하다.
또한, 상체부(40)의 중심(G4)의 위치는, 엄밀하게는, 이 상체부(40)에 포함되는 팔체(7, 7)의 움직임의 영향을 받지만, 보행시에 있어서의 각 팔체(7, 7)는,일반적으로 가슴부(4)의 축심에 대해 대칭적인 위치 관계가 되므로, 상체부(40)의 중심(G4)의 위치는 그다지 변동하지 않고, 예를 들면 직립 자세상태에서의 상체부(40)의 중심(G4)의 위치와 거의 동일하게 된다.
또, 본 실시형태에서는, 각 강체 상당부(각 다리체(2)의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11), 허리부(3), 상체부(40))의 중심(G1, G2, G3, G4)의 위치를 나타내는 데이터 이외에, 각 강체 상당부의 중량의 데이터나, 각 강체 상당부의 사이즈의 데이터(예를 들면 각 강체 상당부의 길이의 데이터)가 미리 구해져서, 연산처리장치(16)에 기억 유지되어 있다.
또한, 하퇴부(11)의 중량은, 족평부(13)를 포함한 중량이다. 또, 상술한 바와 같이 연산처리장치(16)에 미리 기억 유지한 데이터는, 실측 등에 의해 구해 놓아도 좋지만, 인간(1)의 신장이나 체중으로부터, 인간의 평균적인 통계 데이터에 기초하여 추측하도록 해도 좋다. 일반적으로, 상기 각 강체 상당부의 중심(G1, G2, G3, G4)의 위치나, 중량, 사이즈는, 인간의 신장이나 체중과 상관성이 있고, 그 상관 데이터에 기초하여, 인간의 신장 및 체중의 데이터로부터, 상기 각 강체 상당부의 중심(G1, G2, G3, G4)의 위치나, 중량, 사이즈를 비교적 정밀도 좋게 추측할 수 있다.
상기 각 부 중심위치 산출 수단(29)은, 상술한 바와 같이 연산처리장치(16)에 미리 기억 유지한 데이터와, 상기 가슴부 경사각도 계측 수단(25) 및 허리부 경사각도 계측 수단(26)에 의해 각각 구해진 가슴부(4)의 경사각도(θa)(=상체부(40)의 경사각도) 및 허리부(3)의 경사각도(θb)의 금회의 값과, 상기 다리체 자세 산출 수단(28)에 의해 구해진 각 다리체(2)의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 각각의 경사각도(θc, θd)의 금회의 값으로부터, 허리부(3)에 고정된 원점(O)을 갖는 신체좌표계(Cp)(도 4의 xz좌표)에서의 각 강체 상당부의 중심(G1, G2, G3, G4)의 위치를 구한다.
이 경우, 각 강체 상당부(각 다리체(2)의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11), 허리부(3), 상체부(40))의 경사각도(θa∼θd)가 상술한 바와 같이 구해지고 있으므로, 그 경사각도(θa∼θd)의 데이터와, 각 강체 상당부의 사이즈의 데이터로부터 신체좌표계(Cp)에서의 각 강체 상당부의 위치 및 자세를 알 수 있다. 따라서, 신체좌표계(Cp)에서의 각 강체 상당부의 중심(G1, G2, G3, G4)의 위치가 구해지게 된다.
구체적으로는, 예를 들면 도 4를 참조하여, 동 도 4의 좌측에 위치하는 다리체(2)(인간(1)의 진행 방향 전방을 향해서 후방측의 다리체(2))에 관하고, 대퇴부(9)의 신체좌표계(Cp)에서의 경사각도(z축방향에 대한 경사각도)는 θc(이 경우, 도 4에서는 θc<0임)이므로, 신체좌표계(Cp)에서의 대퇴부(9)의 중심(G1)의 위치의 좌표는,(d1·sinθc, -d1·cosθc)가 된다. 또, 하퇴부(11)의 신체좌표계(Cp)에서의 경사각도는 θd(도 4에서는 θd<0)이므로, 신체좌표계(Cp)에서의 하퇴부(11)의 중심(G2)의 위치의 좌표는, 대퇴부(9)의 길이를 Dc라고 하면,(Dc·sinθc+d2·sinθd, -Dc·cosθc-d2·cosθd)가 된다. 다른 다리체(2)의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11) 또한, 허리부(3) 및 상체부(38)의 중심에 관해서도 상기와 같이 구해진다.
이렇게 하여, 각 부 중심위치 산출 수단(29)에 의해, 신체좌표계(Cp)에서의 각 강체 상당부의 중심(G1, G2, G3, G4)의 위치를 구한 후, 연산처리장치(16)는, 상기 신체 중심위치 산출 수단(30)의 처리를 실행하고, 각 강체 상당부의 중심(G1, G2, G3, G4)의 위치의 데이터와, 각 강체 상당부의 중량의 데이터를 사용하여 신체좌표계(Cp)에서의 인간(1)의 신체중심(G0)의 위치(xg, zg)를 구한다.
여기에서, 신체좌표계(Cp)에서의 허리부(3)의 중심(G3)의 위치 및 중량을 각각(x3, z3), m3, 상체부(40)의 중심(G4)의 위치 및 중량을 각각(x4, z4), m4, 인간(1)의 전방을 향해서 좌측의 다리체(2)의 대퇴부(9)의 중심(G1)의 위치 및 중량을 각각(x1L, z1L), m1L, 동 다리체(2)의 하퇴부(11)의 중심(G2)의 위치 및 중량을 각각(x2L, z2L), m2L, 우측의 다리체(2)의 대퇴부(9)의 중심(G1)의 위치 및 중량을 각각(x1R, z1R), m1R, 동 다리체(2)의 하퇴부(11)의 중심(G2)의 위치 및 중량을 각각(x2R, z2R), m2R, 인간(1)의 체중을 M(=m1L+m2L+m1R+m2R+m3+m4)라고 하면, 신체좌표계(Cp)에서의 인간(1)의 신체중심(G0)의 위치(xg, zg)는 다음 식(7)에 의해 구해진다.
xg=(m1L·x1L+m1R·x1R+m2L·x2L+m2R·x2R
+m3·x3+m4·x4)/M
zg=(m1L·z1L+m1R·z1R+m2L·z2L+m2R·z2R
+m3·z3+m4·z4)/M……(7)
이렇게 하여 신체 중심위치 산출 수단(30)의 처리를 실행한 후, 더욱이, 연산처리장치(16)는 상기 신체 중심 가속도 산출 수단(31)의 처리를 실행한다. 이신체 중심 가속도 산출 수단(31)의 처리에서는, 우선, 상기 사이클타임 마다 신체 중심위치 산출 수단(30)에 의해 구해지는 신체좌표계(Cp)에서의 신체중심(G0)의 위치(xg, zg)의 시계열 데이터를 사용하고, 신체좌표계(Cp)의 원점(O)에 대한 신체중심(G0)의 위치(xg, zg)의 2차 미분값, 즉, 신체좌표계(Cp)에서의 신체중심(G0)의 가속도(T(d2xg/dt2, d2zg/dt2))가 구해진다. 그리고, 이 가속도(T(d2xg/dt2, d2zg/dt2))와, 상기 기준가속도 계측 수단(27)에 의해 구해진 신체좌표계(Cp)의 원점(O)의 절대좌표계(Cf)에서의 가속도(a0=T(a0x, a0z))와의 벡터합을 구함으로써, 절대좌표계(Cf)에서의 신체중심(G0)의 가속도(a=T(ax, az))가 구해진다.
또, 연산처리장치(16)는, 상기 다리체 자세 산출 수단(28) 및 각 부 중심위치 산출 수단(29)의 처리의 실행후, 상기 다리체 각 부 가속도 산출 수단(32), 다리체 각 부 각가속도 산출 수단(33), 및 상반력 작용점 추정 수단(34)의 처리를 실행한다.
이 경우, 상기 다리체 각 부 가속도 산출 수단(32)의 처리에서는, 상기 신체 중심 가속도 산출 수단(31)의 처리와 동일하게, 우선, 상기 사이클타임 마다 상기 각 부 중심위치 산출 수단(29)에 의해 구해지는 신체좌표계(Cp)에서의 각 다리체(2)의 강체 상당부인 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 중심(G1, G2)의 위치의 각각의 시계열 데이터를 사용하고, 신체좌표계(Cp)에서의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 중심(G1, G2)의 위치의 각각의 2차 미분값, 즉, 신체좌표계(Cp)에서의 대퇴부(9)및 하퇴부(11)의 중심(G1, G2)의 각각의 가속도(신체좌표계(Cp)의 원점 0에 대한 병진 가속도)가 구해진다. 그리고, 이 각각의 가속도와, 상기 기준가속도 계측 수단(27)에 의한 신체좌표계(Cp)의 원점(O)의 절대좌표계(Cf)에서의 가속도(a0=T(a0x, a0z))와의 벡터합을 구함으로써, 절대좌표계(Cf)에서의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 각각의 가속도(보다 상세하게는, 이 가속도의 절대좌표계(Cf)에서의 좌표성분)이 구해진다.
또, 상기 다리체 각 부 각가속도 산출 수단(33)의 처리에서는, 상기 사이클타임마다 상기 다리체 자세 산출 수단(28)에 의해 구해지는 각 다리체(2)의 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 각각의 경사각도(θc, θd)의 시계열 데이터를 사용하고, 이 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 각각 경사각도(θc, θd)의 2차 미분값, 즉, 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 각각의 각가속도가 구해진다.
또, 상반력 작용점 추정 수단(34)의 처리에서는, 접지하고 있는 다리체(2)에 대하여, 예를 들면 상기 다리체 자세 산출 수단(28)에 의해 산출된 대퇴부(9)의 경사각도(θc)의 금회의 값으로부터, 도 5 및 도 6에 도시하는 바와 같이 미리 정해진 상관관계에 기초하여 이 다리체(2)의 발목부(12)로부터, 이 다리체(2)의 족평부(13)의 상반력 작용점(족평부(13)의 접지 개소에 작용하는 전체 상반력이 집중한다고 간주할 수 있는 점)으로의 벡터(발목부(12)에 대한 상반력 작용점의 위치 벡터. 이하, 상반력 작용점 벡터라고 함)를 이 상반력 작용점의 위치를 나타내는 데이터로서 구한다.
즉, 본원 발명자 등의 지견에 의하면, 접지하고 있는 다리체(2)의 대퇴부(9)의 경사각도(θc)나 무릎 관절(10)의 굴곡각도(△θd)는, 상반력 작용점과 비교적 현저한 상관성을 갖고, 예를 들면 대퇴부(9)의 경사각도(θc)에 대해, 상기 상반력 작용점 벡터, 상세하게는, 인간(1)의 진행 방향(X축방향)에서의 이 상반력 작용점 벡터의 성분과, 연직방향(Z축방향)에서의 이 상반력 작용점 벡터의 성분은, 각각 도 5, 도 6에 도시하는 바와 같이 변화한다. 여기에서, 대퇴부(9)의 음의 경사각도(θc)는, 다리체(2)가 인간(1)의 후방측으로 뻗도록 대퇴부(9)가 허리부(3)의 축심에 대해 경사져 있을 때(예를 들면 도 2의 인간(1)의 전방을 향해서 우측의 다리체(2))의 각도이며, 양의 경사각도(θc)는, 다리체(2)가 인간(1)의 전방에 존재하도록 대퇴부(9)가 허리부(3)의 축심에 대해 경사져 있을 때(예를 들면 도 2의 인간(1)의 전방을 향해서 좌측의 다리체(2))의 각도이다.
여기에서, 본 실시형태에서는, 도 5 및 도 6의 상관 관계를 나타내는, 대퇴부(9)의 경사각도(θc)를 파라메타로 하는 근사식을 작성하고, 이 근사식을 연산처리장치(16)에 미리 기억 유지시키고 있다. 그리고, 상기 상반력 작용점 추정 수단(34)의 처리에서는, 상기 다리체 자세 산출 수단(28)에 의해 구해진 대퇴부(9)의 경사각도(θc)의 금회의 값을 상기 근사식에 대입하여, 상기 상반력 작용점 벡터(상세하게는 이 상반력 작용점 벡터의 X축방향, Z축방향의 성분)를 구하고 있다.
여기에서, 도 5 및 도 6과 같이, 대퇴부(9)의 경사각도(θc)가 극소값을 갖는 상관 관계에서는, 대퇴부(9)의 경사각도(θc)가 동일하여도 경사각도(θc)의 감소 과정과 증가 과정에서 상반력 작용점 벡터의 값이 다르다. 그래서, 본 실시형태에서는, 상기 근사식을 작성할 때, 족평부(13)의 발뒤꿈치가 착상하고 나서 발끝이 기상할 때까지의 상기 상관관계의 추이를, 대퇴부(9)의 경사각도(θc)가 양인 제 1의 형상(도 5에서는 a1의 형상, 도 6에서는 b1의 형상)과, 대퇴부(9)의 경사각도(θc)가 음이고, 또한, 대퇴부(9)의 경사각도(θc)의 변화 속도, 즉, 대퇴부(9)의 경사각속도가 음인 제 2의 형상(도 5에서는 a2의 형상, 도 6에서는 b2의 형상)과, 대퇴부(9)의 경사각도(θc)가 음이고, 또한, 대퇴부(9)의 경사 각속도가 양인 제 3의 형상(도 5에서는 a3의 형상, 도 6에서는 b3의 형상)으로 구분하고, 상반력 작용점 벡터의 X축방향 성분, Z축방향 성분의 각각에 대하여, 각 형상을 동일 또는 다른 함수로 근사하도록 했다. 도 5의 상관 관계에서의 제 1 및 제 2의 형상(a1, a2)을 합친 형상의 근사식은, 상반력 작용점 벡터의 X축방향 성분을 px로 하고, 예를 들면,
px= x1·θc6+x2·θc5+x3·θc4
+x4·θc3+x5·θc2+x6·θc+x7
라는 형태의 6차의 다항식 함수(x1∼x7은 정수값)에 의해 표시된다. 또, 도 5의 상관 관계에서의 제 3 형상(a3)의 근사식은, 예를 들면
px= x8·θc4+x9·θc3+x10·θc2+x11·θc+x12
라는 형태의 4차의 다항식 함수(x8∼x12는 정수값)에 의해 표시된다.
또, 도 6의 상관관계에서의 제 1 및 제 2의 형상(b1, b2)을 합친 형상의 근사식은, 상반력 작용점 벡터의 Z축방향 성분을 pz로 하여, 예를 들면
pz=z1·θc6+z2·θc5+z3·θc4
+z4·θc3+z5·θc2+z6·θc+z7
라는 형태의 6차의 다항식 함수(z1∼z7은 정수값)에 의해 표시된다. 또, 도 6의 상관관계에서의 제 3의 형상(b3)의 근사식은, 예를 들면
pz=z8·θc3+z9·θc2+z10·θc+z11
라는 형태의 3차의 다항식함수(z8∼z11은 정수값)에 의해 표시된다.
그리고, 상반력 작용점 벡터를 구할 때는, 대퇴부(9)의 경사각도(θc)의 양음을 식별하는 동시에, 대퇴부(9)의 경사각도(θc)의 시계열 데이터의 1차 미분으로 산출되는 대퇴부(9)의 경사 각속도의 양음을 식별한다. 더욱이, 이들 식별된 경사각도(θc)의 양음과 경사 각속도의 양음으로부터 현재 어느 형상에 존재하는지를 판별하고, 판별된 형상의 근사식에 대퇴부(9)의 경사각도(θc)의 금회의 값을 대입함으로써 상반력 작용점 벡터를 산출한다. 이것에 의해, 대퇴부(9)의 경사각도(θc)의 감소 과정에서의 상반력 작용점 벡터의 값과 증가 과정에서의 상반력 작용점 벡터의 값을 구별하여 산출할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 다리체(2)의 대퇴부(9)의 경사각도(θc)와 상반력작용점 벡터와의 상관관계를 다항식으로 근사하고, 상반력 작용점 벡터를 구하도록 했는데, 도 5 및 도 6에 도시한 상관 관계를 데이터 테이블에 의해 기억 유지해 두고, 그 데이터 테이블을 사용하여, 대퇴부(9)의 경사각도(θc)로부터 상반력 작용점 벡터를 구하도록 할 수도 있다.
또, 상반력 작용점의 위치는, 접지하고 있는 다리체(2)의 무릎 관절(10)의 굴곡각도와의 상관성도 있고, 대퇴부(9)의 경사각도(θc) 대신에, 무릎 관절 각도 센서(23)로 계측되는 무릎 관절(10)의 굴곡각도(△θd)로부터, 상반력 작용점의 위치를 추정하도록 해도 좋고, 또는, 대퇴부(9)의 경사각도(θc)와 무릎 관절(10)의 굴곡각도(△θd) 양자를 사용하여, 맵 등에 의해 상반력 작용점의 위치를 추정하도록 해도 좋다.
더욱이, 인간(1)이 의자에 앉을 때나 의자에 앉아 있는 상태로부터 일어설 때는, 상반력 작용점의 위치와 무릎 관절(10)의 굴곡각도(△θd)와의 사이에 도 7(의자에 앉을 때), 도 8(의자에서 일어설 때)에 도시하는 상관관계가 성립하고, 계단을 오를 때나 내려갈 때는, 상반력 작용점의 위치와 대퇴부(9)의 경사각도(θc)와의 사이에 도 9(계단을 오를 때), 도 10(계단에서 내려갈 때)이 성립한다. 따라서, 의자에 앉거나 일어설 때는, 무릎 관절(10)의 굴곡각도(△θd)로부터 도 7, 도 8의 상관관계에 기초하여 상반력 작용점의 위치를 추정할 수 있고, 또, 계단을 오르고 내려갈 때는, 대퇴부(9)의 경사각도(θc)로부터 도 9, 도 10의 상관관계에 기초하여 상반력 작용점의 위치를 추정할 수 있다.
한편, 전술한 각 수단(25∼34)의 처리와 병행하여, 연산처리장치(16)는, 다리체 운동 판단 수단(24)에 의한 처리를 실행한다. 이 다리체 운동 판단 수단(24)의 처리에서는, 상기 사이클타임 마다, 상기 허리부 상하 가속도 센서(21)에 의한 허리부(3)의 상향 방향의 가속도의 검출 데이터가 미리 정한 소정의 임계값과 비교된다. 그리고, 이 가속도의 검출값이 그 임계값을 넘었을 때에, 상기 도 1(b)에 도시한 바와 같은 양다리 지지 상태가 개시되고, 또한, 상기 도 1(a)에 도시한 바와 같은 외다리 지지 상태가 종료된다고 판단된다. 즉, 인간(1)의 보행시에, 외다리 지지 상태로부터 양다리 지지 상태로 이행할 때는, 미접지 다리측의 다리체(2)가 착상함으로써 넓적다리 관절(8)의 근방의 허리부(3)에는, 거의 상향으로 비교적 큰 가속도(통상적인 외다리 지지 상태에서는 발생할 수 없는 가속도)가 발생한다. 이 때문에, 상기 다리체 운동 판단 수단(24)은, 상기한 바와 같이 허리부 상하 가속도 센서(21)에 의한 허리부(3)의 상향 방향의 가속도의 검출 데이터를 소정의 임계값과 비교함으로써 양다리 지지 상태의 개시 및 외다리 지지 상태의 종료를 판단한다.
또한, 다리체 운동 판단 수단(24)에 의해 양다리 지지 상태가 개시한 것이 파악되었을 때에는 그것에 따라 상기 시간 측정 수단(35)이, 이 양다리 지지 상태의 개시시(허리부 상하 가속도 센서(21)에 의한 가속도의 검출 데이터가 상기 임계값을 초과한 시점의 사이클타임)부터의 경과 시간의 시간 측정을 개시한다.
또, 다리체 운동 판단 수단(24)의 처리에서는, 상술한 바와 같이 양다리 지지 상태의 개시가 파악되면, 이 양다리 지지 상태의 개시 시점으로부터 상기 시간 측정 수단(35)에 의해 계측되는 경과 시간이, 이 양다리 지지 상태의 개시 시점에서 상기 양다리 지지 기간 추정 수단(37)에 의해 후술하는 바와 같이 구해지는 양다리 지지 기간(양다리 지지 상태의 개시시부터 종료시까지의 이 양다리 지지 상태의 계속 시간)의 추정값에 도달했는지 아닌지가 상기 사이클타임 마다 차례로 감시된다. 그리고, 다리체 운동 판단 수단(24)은, 이 경과 시간이 양다리 지지 기간의 추정값에 도달했을 때에, 양다리 지지 상태가 종료되고, 또한, 외다리 지지 상태가 개시된다고 판단한다.
이와 같이 다리체 운동 판단 수단(24)의 처리가 실행되고, 또, 상기 다리체 자세 산출 수단(28)에 의한 처리가 실행된 후, 연산처리장치(16)는, 상기 이동 속도 추정 수단(36)의 처리 및 양다리 지지 기간 추정 수단(37)의 처리를 순차 실행한다.
이동 속도 추정 수단(36)에 의한 처리는 다음과 같이 행해진다. 즉, 도 11을 참조하여, 인간(1)의 보행시에, 시각 t1에서 실선으로 도시하는 인간(1)의 전방측의 다리체(2)(도면에서는 인간(1)의 전방을 향해서 우측의 다리체(2))가 착상하여 양다리 지지 상태가 개시되고, 시각 t2에서 가상선으로 도시된 인간(1)으로 나타내는 바와 같이, 다음 양다리 지지 상태가 개시된 경우(시각 t1에서 인간(1)의 후방측에 존재하는 다리체(2)가 이상(離床)후에 시각 t2에서 착상한 경우)를 상정한다. 이때, 시각 t1부터 시각 t2까지의 인간(1)의 이동 거리(L)는, 절대좌표계(Cf)의 X축방향(인간(1)의 진행 방향)에서의 허리부(3)의 넓적다리 관절(8)의 중심의 이동 거리(이것은, 본 실시형태에서는, 신체좌표계(Cp)의 원점(O)의 X축방향의 이동량과 동일)이다.
그리고, 이 이동 거리(L)는, 시각 t1에서의 넓적다리 관절(8)의 중심으로부터 인간(1)의 전방측의 다리체(2)의 발목부(12)까지의 X축방향의 거리(△L1)와, 시각 t2에서의 넓적다리 관절(8)의 중심으로부터 인간(1)의 후방측의 다리체(2)(이것은 시각 t1에서 인간(1)의 전방측에 있던 다리체(2)임)의 발목부(12)까지의 X축방향의 거리(△L2)와의 총합에 거의 일치한다.
따라서, 상기 거리(△L1, △L2)와, 시각 t1부터 시각 t2까지의 경과 시간(t2-t1), 즉, 양다리 지지 상태가 개시되고 나서 다음에 양다리 지지 상태가 개시될 때 까지의 1보분의 경과 시간을 파악함으로써, 그들 거리(△L1, △L2)와, 이 1보분 경과 시간(t2-t1)을 사용하여 다음 식(8)에 의해 시각 t1부터 t2까지의 인간(1)의 이동 속도(V)(시각 t1부터 시각 t2까지의 평균 이동 속도)를 구할 수 있다.
V=D/(t2-t1)=(△L1+△L2)/(t2-t1)……(8)
그래서, 본 실시형태에서의 상기 이동 속도 추정 수단(36)의 처리에서는, 상기 다리체 운동 판단 수단(24)에 의해 양다리 지지 상태가 개시된 것이 파악될 때마다, 인간(1)의 전방측의 다리체(2)에 관계되는 상기 거리(△L1)와, 후방측의 다리체(2)에 관계되는 상기 거리(△L2)가 이하에 설명하는 바와 같이 구해지고, 그들 거리(△L1, △L2)의 산출값이 기억 유지된다. 그리고, 금회의 양다리 지지 상태의 개시시에 구해진 후방측의 다리체(2)에 관계되는 거리(△L2)와, 전회의 양다리 지지 상태의 개시시에 요구된 전방측의 다리체(2)에 관계되는 거리(△L1)와, 전회의 양다리 지지 상태의 개시시부터 이번의 양다리 지지 상태의 개시시까지 상기 시간측정 수단(35)에 의해 계측된 시각(=t2-t1)으로부터 상기 식(8)에 의해 인간(1)의 이동 속도(V)를 구한다.
이 경우, 상기 거리(△L1, △L2)는 다음과 같이 구해진다. 즉, 양다리 지지 상태의 개시시에 있어서의 인간(1)의 전방측의 다리체(2)에 대해서는, 이 양다리 지지 상태의 개시시(다리체 운동 판단 수단(24)에 의해 양다리 지지 상태의 개시가 파악된 사이클타임)에 상기 다리체 자세 산출 수단(28)에 의해 구해지는 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 각각의 경사각도를 θc1, θd1(도 11의 시각 t1의 도면을 참조)이라고 한다. 이때, 이 다리체(2)에 관계되는 거리(△L1)는, 이들 경사각도(θc1, θd1(θc1>0, θd1>0))의 데이터와, 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 각각의 길이(Dc, Dd)의 데이터를 사용하여, 다음 식(9)에 의해 산출된다.
△L1=Dc·sinθc1+Dd·sinθd1……(9)
동일하게, 양다리 지지 상태의 개시시에 있어서의 인간(1)의 후방측의 다리체(2)에 대해서는, 이 양다리 지지 상태의 개시시에 상기 다리체 자세 산출 수단(28)에 의해 구해지는 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 각각의 경사각도를 θc2, θd2(도 11의 시각 t2의 도면을 참조)라고 하면, 이 다리체(2)에 관계되는 거리(△L2)는, 이들 경사각도(θc2, θd2(θc2<O, θd2<0))의 데이터와, 대퇴부(9) 및 하퇴부(11)의 각각의 길이(Dc, Dd)의 데이터를 사용하여, 다음 식(10)에 의해 산출된다.
△L2=-Dc·sinθc2-Dd·sinθd2……(10)
이상 설명한 이동 속도 추정 수단(36)의 처리에 의해, 양다리 지지 상태가개시할 때마다, 인간(1)의 이동 속도(V)(상세하게는, 양다리 지지 상태가 개시하기 직전의 1보에 있어서의 이동 속도)가 추정된다. 또한, 양다리 지지 상태가 개시되고 나서 다음에 양다리 지지 상태가 개시될 때까지의 기간에 있어서의 각 사이클타임에서는, 이동 속도(V)의 추정값은 일정하게 유지된다.
또, 양다리 지지 기간 추정 수단(37)의 처리는 다음과 같이 행해진다. 본원 발명자 등의 지견에 의하면, 인간(1)의 보행시의 양다리 지지 상태의 계속 기간인 양다리 지지 기간은, 인간(1)의 이동 속도(V)와 밀접한 상관성을 갖는다. 즉, 인간(1)의 보행시의 양다리 지지 기간은, 이동 속도(V)에 대해 도 12에 도시하는 바와 같이 변화되고, 이 이동 속도(V)가 빨라질 수록 짧아진다.
그래서, 본 실시형태에서는, 도 12의 상관 관계가 미리 데이터 테이블이나, 그것을 근사하는 다항식 함수의 형태로, 연산처리장치(16)에 미리 기억 유지되어 있다. 그리고, 상기 양다리 지지 기간 추정 수단(37)의 처리에서는, 양다리 지지 상태의 개시시에, 이동 속도 추정 수단(36)에 의해 상술과 같이 구해진 이동 속도(V)의 최신값으로부터, 도 12의 상관 관계에 기초하여 이 양다리 지지 상태에 관계되는 양다리 지지 기간의 추정값을 구한다. 또한, 이 양다리 지지 기간의 추정값은, 다음번의 양다리 지지 상태가 개시될 때까지 유지된다.
또, 연산처리장치(16)는, 상기 신체 중심 가속도 산출 수단(31), 다리체 운동 판단 수단(24), 시간 측정 수단(35), 및 양다리 지지 기간 추정 수단(37)의 처리의 실행후, 상반력 추정 수단(38)의 처리를 상기 사이클타임 마다 실행한다. 이 상반력 추정 수단(38)의 처리에서는, 신체 중심 가속도 산출 수단(31)에 의해 구해진 신체중심(G0)의 가속도(T(ax, az))의 데이터와, 인간(1)의 중량(M)의 데이터로부터, 상기 식(2)에 의해, 전체 상반력(F=T(Fx, Fz))의 추정값이 상기 사이클타임 마다 차례로 구해진다. 이 경우, 다리체 운동 판단 수단(24)에 의해 파악되어 있는 다리체(2)의 운동 상태가 외다리 지지 상태인 경우에는, 상기 전체 상반력(F=T(Fx, Fz))의 추정값이 그대로 접지하고 있는 단일의 다리체(2)에 작용하는 상반력의 추정값으로서 구해지게 된다.
한편, 다리체 운동 판단 수단(24)에 의해 파악되어 있는 다리체(2)의 운동 상태가 양다리 지지 상태인 경우에는, 상반력 추정 수단(38)은, 다음과 같이 하여 각 다리체(2)에 작용하는 상반력(Ff=T(Frx, Frz) 및 Ff=T(Ffx, Ffz))을 구한다. 즉, 본원 발명자 등의 지견에 의하면, 양다리 지지 상태에서 인간(1)의 후방측에 존재하는 다리체(2)에 작용하는 상반력(Fr)의 각 성분의, 이 양다리 지지 상태의 개시시에 있어서의 전체 상반력(F)의 각 성분에 대한 비율(이하, 상반력비라고 함)과, 이 양다리 지지 상태의 개시시부터의 경과 시간의 상기 양다리 지지 기간에 대한 비율(=경과 시간/양다리 지지 기간. 이하, 양다리 지지 시간비라고 함)과의 관계에 착목했을 때, 그것들 사이에는 특징적인 상관성이 있고, 이 상관성은, 인간(1)의 이동 속도(V) 등의 영향을 거의 받지 않는다.
구체적으로는, 후방측의 다리체(2)에 작용하는 상반력(Fr)의 Z축방향(연직방향)의 성분(Frz)의, 양다리 지지 상태의 개시시에 있어서의 전체 상반력(F)의 Z축방향의 성분(Fz)(이하, 참조 부호 Fzs에 의해 나타냄)에 대한 비율인 상반력비(Frz/Fzs)는, 인간(1)의 이동 속도(V) 등에 의하지 않고, 상기 양다리 지지 시간비에 대해 도 13(a)에 도시하는 바와 같은 거의 일정한 상관 관계를 갖고, 기본적으로는, 양다리 지지 상태의 시간의 경과에 따라 「1」부터 「0」까지 감소해 간다. 또, 후방측의 다리체(2)에 작용하는 상반력(Fr)의 X축방향(인간(1)의 진행 방향을 향하는 수평방향)의 성분(Frx)의, 양다리 지지 상태의 개시시에 있어서의 전체 상반력(F)의 X축방향의 성분(Fx)(이하, 참조 부호 Fxs에 의해 나타냄)에 대한 비율인 상반력비(Frx/Fxs)는, 인간(1)의 이동 속도(V) 등에 의하지 않고, 상기 양다리 지지 시간비에 대해 도 13(b)에 도시하는 바와 같은 거의 일정한 상관 관계를 갖고, 양다리 지지 상태의 시간의 경과에 따라, 일단, 「1」로부터 증가한 후, 「0」까지 감소해 간다.
그래서, 본 실시형태에서는, 도 13(a), (b)의 상관 관계(특성 데이터)가 미리 데이터 테이블이나, 그것들의 상관 관계를 각각 근사하는 다항식 함수의 형태로, 연산처리장치(16)에 미리 기억 유지되어 있다. 그리고, 양다리 지지 상태에서의 상기 상반력 추정 수단(38)의 처리에서는, 상기 전체 상반력(F)의 추정값이 구해지는 것과 더불어, 시간 측정 수단(35)에 의한 경과 시간의 시간 측정 데이터의 금회의 값과, 양다리 지지 기간 추정 수단(37)에 의해 구해진 양다리 지지 기간의 추정값의 데이터의 최신값으로부터 상기 양다리 지지 시간비가 상기 사이클타임 마다 차례로 구해진다. 그리고, 이 구한 양다리 지지 시간비의 데이터로부터 도 13(a)의 상관관계에 기초하여, Z축방향에서의 상반력비(Frz/Fzs)가 차례로 구해지고, 이 상반력비(Frz/Fzs)에 양다리 지지 상태의 개시시의 전체 상반력(F)의 Z축방향 성분(Fzs)을 승산함으로써, 후방측의 다리체(2)에 작용하는 상반력(Fr)의 Z축방향 성분(Frz)이 차례로 구해진다. 동일하게, 양다리 지지 시간비의 구한 데이터로부터 도 13(b)의 상관관계에 기초하여, X축방향에서의 상반력비(Frx/Fxs)가 차례로 구해지고, 이 상반력비(Frx/Fxs)에 양다리 지지 상태의 개시시의 전체 상반력(F)의 X축방향 성분(Fxs)을 승산함으로써, 후방측의 다리체(2)에 작용하는 상반력(Fr)의 X축방향 성분(Frx)이 차례로 구해진다.
더욱이, 상기 식(3)에 따라서, 후방측의 다리체(2)에 관계되는 상반력(Fr=T(Frx, Frz))을 각 사이클타임에서 구한 전체 상반력(F=T(Fx, Fz))으로부터 감산(벡터의 감산)함으로써, 전방측의 다리체(2)에 관계되는 상반력(Ff=T(Ffx, Ffz)=T(Fx-Frx, Fz-Frz))이 차례로 구해진다. 이것에 의해 양다리 지지 상태에서의 양 다리체(2, 2)의 각각의 상반력(Fr, Ff)이 차례로 구해지게 된다.
다음에, 연산처리장치(16)는, 상기 관절 모멘트 추정 수단(39)의 처리를 실행하고, 각 다리체(2)의 무릎 관절(10) 및 넓적다리 관절(8)에 작용하는 모멘트를 구한다. 이 처리는, 상기 상반력 추정 수단(38), 다리체 각 부 가속도 산출 수단(32), 다리체 각 부 각가속도 산출 수단(33), 상반력 작용점 추정 수단(34), 및 다리체 자세 산출 수단(28)에 의해 각각 구해진 데이터의 금회의 값을 사용하여, 소위 역동력학 모델에 기초하여 행해진다. 이 역동력학 모델은, 인간(1)의 각 강체 상당부의 병진운동에 관한 운동방정식과 회전운동에 관한 운동방정식을 사용하여, 상반력 작용점에 보다 가까운 관절부터 순서대로 이 관절에 작용하는 모멘트를 구하는 것이며, 본 실시형태에서는, 각 다리체(2)의 무릎 관절(10), 넓적다리 관절(8)에 작용하는 모멘트가 순서대로 구해진다.
더욱이 상세하게는, 도 14를 참조하여, 우선, 각 다리체(2)의 하퇴부(11)에 관하고, 하퇴부(11)의 선단부의 발목부(12)에 작용하는 힘(관절 반력), 하퇴부(11)의 무릎 관절(10)의 부분에 작용하는 힘(관절 반력), 및 하퇴부(11)의 중심(G2)의 병진 가속도를, 각각 절대좌표계(Cf)에서의 성분표기에 의해,T(F1x, F1z),T(F2x, F2z),T(a2x, a2z)로 하고, 이 하퇴부(11)의 중량을 m2라고 한다. 이때, 하퇴부(11)의 중심(G2)의 병진운동에 관한 운동방정식은, 다음 식(11)이 된다.
T(m2·a2x, m2·a2z)=T(F1x-F2x, F1z-F2z-m2·g)
때문에,T(F2x, F2z)
=T(F1x-m2·a2x, F1z-m2·a2z-m2·g)……(11)
여기에서, 하퇴부(11)의 중심(G2)의 가속도(T(a2x, a2z))는, 상기 다리체 각 부 가속도 산출 수단(32)에 의해 구해지는 것이다. 또, 하퇴부(11)의 선단부의 발목부(12)에 작용하는 관절 반력(T(F1x, F1z))은, 근사적으로는, 이 하퇴부(11)를 갖는 다리체(2)에 대해 상기 상반력 추정 수단(38)에 의해 구해지는 상반력의 추정값과 동일하다. 보다 상세하게는, 외다리 지지 상태에서, 이 다리체(2)가 접지하고 있을 때에는, 관절 반력(T(F1x, F1z))은, 상기 식(2)에 의해 구해지는 상반력(T(Fx, Fz))이고, 이 다리체(2)가 미접지 다리측의 다리체일 때에는,T(F1x, F1z)=T(0, 0)이다. 또, 양다리 지지 상태에서, 이 다리체(2)가 인간(1)의 진행 방향 전방을 향해서 후방측의 다리체일 때에는, 관절 반력(T(F1x, F1z))은, 상기 도 13(a), (b)의 상관관계를 사용해서 상술과 같이 구해진 상반력(T(Frx, Frz))이고, 이 다리체(2)가 전방측의 다리체일 때에는, 상기 식(3)을 따라서 상술과 같이 구해진 상반력(T(Ffx, Ffz))이다.
따라서, 각 다리체(2)의 무릎 관절(10)에 작용하는 관절 반력(T(F2x, F2z))은, 다리체 각 부 가속도 산출 수단(32)에 의해 구해진 하퇴부(11)의 중심(G2)의 가속도(T(a2x, a2z))의 데이터와, 상반력 추정 수단(38)에 의해 구해지는 상반력(=T(F1x, F1z))의 데이터와, 하퇴부(11)의 미리 구해진 중량(m2)의 데이터와, 중력가속도(g)의 값으로부터, 상기 식(11)에 의해 구해진다.
또, 도 14를 참조하여, 하퇴부(11)의 선단부의 발목부(12)에 작용하는 모멘트를 M1, 하퇴부(11)의 무릎 관절(10)의 부분에 작용하는 모멘트를 M2, 하퇴부(11)의 중심(G2)의 둘레의 관성 모멘트를 IG2, 하퇴부(11)의 중심(G2)의 둘레의 각가속도를 α2라고 한다. 또, 상기 도 4에 대응시켜서, 하퇴부(11)의 중심(G2)과 무릎 관절(10)의 중심과의 사이의 거리를 d2, 하퇴부(11)의 중심(G2)과 발목부(12)와의 사이의 거리를 d2'(=Dd-d2)라고 하면, 하퇴부(11)의 중심(G2)의 둘레의 회전운동에 관한 운동방정식은, 다음 식(12)이 된다.
IG2·α2=M1-M2+F1x·d2'·cosθd-F1z·d2'·sinθd
+F2x·d2·cosθd-F2z·d2·sinθd
때문에
M2=M1-IG2·α2+F1x·d2'·cosθd-F1z·d2'·sinθd
+F2x·d2·cosθd-F2z·d2·sinθd……(12)
여기에서, 식(12)중의 M1은, 동 식(12)에 관계되는 하퇴부(11)를 갖는 다리체(2)에 대하여 상기 상반력 작용점 추정 수단(34)에 의해 구해지는 상반력 작용점 벡터와, 이 다리체(2)에 대하여 상기 상반력 추정 수단(38)에 의해 구해지는 상반력 벡터와의 외적(벡터적)으로 하여 얻어지는 모멘트이다. 또, α2는, 상기 다리체 각 부 각가속도 산출 수단(33)에 의해 구해지는 하퇴부(11)의 각가속도이다. 또, θd는 상기 다리체 자세 산출 수단(28)에 의해 구해지는 하퇴부(11)의 경사각도이다. 또,T(F1x, F1z)는, 상술한 바와 같이, 상반력 추정 수단(38)에 의해 구해지는 상반력의 추정값이다. 더욱이,T(F2x, F2z)는, 상기 식(11)에 의해 구해지는 것이다. 또, 관성 모멘트(IG2)는 하퇴부(11)의 중량(m2)이나 사이즈의 데이터 등과 함께, 미리 구해져서 연산처리장치(16)에 기억되는 것이다.
따라서, 무릎 관절(10)에 작용하는 모멘트(M2)는, 상반력 추정 수단(38)에 의한 상반력의 추정값의 데이터와, 상반력 작용점 추정 수단(34)에 의한 상반력 작용점 벡터의 데이터와, 다리체 각 부 각가속도 산출 수단(33)에 의한 하퇴부(11)의 각가속도(α2)의 데이터와, 다리체 자세 산출 수단(28)에 의한 하퇴부(11)의 경사각도(θd)의 데이터와, 상기 식(11)에 의해 구해진 관절 반력(T(F2x, F2z))의 데이터와, 미리 구한 하퇴부(11)의 관성 모멘트(IG2), 사이즈(Dd), 중심(G2)의 위치(d2)의 데이터로부터 상기 식(12)에 의해 구해진다.
관절 모멘트 추정 수단(39)은, 상기한 바와 같이 하여 하퇴부(11)의 무릎 관절(10)의 부분에 작용하는 모멘트(M2)를 구한 후, 그 산출 처리와 동일한 처리에 의해, 대퇴부(9)의 넓적다리 관절(8)의 부분에 작용하는 모멘트를 구한다. 이 처리의 기본적인 생각은, 무릎 관절(10)의 모멘트(M2)를 구하는 수법과 동일하므로, 상세한 도시 및 설명은 생략하지만, 그 개요는 다음과 같다.
즉, 우선, 대퇴부(9)의 중심(G1)(도 4 참조)의 병진운동에 관한 운동방정식에 기초하는 다음 식(13)(상기 식(11)과 같은 형태의 식)에 의해, 대퇴부(9)의 넓적다리 관절(8)의 부분에 작용하는 관절 반력(T(F3x, F3z))가 구해진다.
T(F3x, F3z)=T(F2x-m1·a1x, F2z-m1·a1z-m1·g)……(13)
여기에서,T(F2x, F2z)는, 먼저 상기 식(11)에 의해 구한 무릎 관절(10)의 관절 반력이다. 또,T(a1x, a1z)는, 상기 다리체 각 부 가속도 산출 수단(32)에 의해 구해지는 대퇴부(9)의 중심(G1)의 절대좌표계(Cf)에서의 가속도(병진 가속도)이다. 또, m1은 미리 구한 대퇴부(9)의 중량, g는 중력가속도이다.
이어서, 대퇴부(9)의 중심(G1)의 주위의 회전운동에 관한 운동방정식에 기초하는 다음 식(14)(상기 식(12)와 동일한 형태의 식)에 의해, 대퇴부(9)의 넓적다리 관절(8)의 부분에 작용하는 모멘트(M3)가 구해진다.
M3=M2-IG1·α1+F2x·d1'·cosθc-F2z·d1'·sinθc
+F3x·d1·cosθc-F3z·d1·sinθc……(14)
여기에서, M2는, 상기 식(12)에 의해 구해진 무릎 관절(10)의 모멘트,T(F2x, F2z)는, 상기 식(11)에 의해 구해진 무릎 관절(10)의 관절 반력,T(F3x, F3z)는, 상기 식(13)에 의해 구해진 넓적다리 관절(8)의 관절 반력, IG1은, 미리 구한 대퇴부(9)의 중심(G1)의 둘레의 관성 모멘트, α1은 상기 다리체 각 부 각가속도 산출 수단(33)에 의해 구해지는 대퇴부(9)의 각가속도, θc는 상기 다리체 자세 산출 수단(28)에 의해 구해지는 대퇴부(9)의 경사각도이다. 또, d1은, 넓적다리 관절(8)의 중심으로부터 대퇴부(9)의 중심(G1)까지의 거리(도 4 참조), d1'은, 무릎 관절(10)의 중심으로부터 대퇴부(9)의 중심(G1)까지의 거리(도 4에서는 Dc-d1)이며, 이것들은, 미리 구한 중심(G1)의 위치나 대퇴부(9)의 사이즈(길이)로부터 정해지는 것이다.
이상 설명한 처리가, 상기 연산처리장치(16)의 사이클타임 마다 차례로 실행되고, 각 다리체(2)에 작용하는 상반력이나, 각 다리체(2)의 무릎 관절(10) 및 넓적다리 관절(8)에 작용하는 모멘트가 차례로 리얼타임에서 추정된다.
또한, 본 명세서에서의 상세한 설명은 생략하지만, 구해진 무릎 관절(10)이나 넓적다리 관절(8)의 모멘트의 추정값은, 예를 들면 인간(1)의 보행을 보조하는 장치(무릎 관절(10)이나 넓적다리 관절(8)에 보조 토크를 부여할 수 있는 전동 모터 등을 포함하는 장치)의 제어에 사용된다.
상술한 연산처리장치(16)의 처리에 의해 구해진 상반력의 추정값(상세하게는, 이 상반력의 추정값의 절대값)의 경시 변화의 양상을 도 15에 실선으로 예시한다. 또, 연산처리장치(16)의 처리에 의해 구해진 무릎 관절(10) 및 넓적다리 관절(8)의 모멘트의 추정값의 경시 변화의 양상을 도 16에 실선으로 예시한다. 여기에서, 도 15 및 도 16은, 인간(1)이 평지를 거의 일정 속도로 보행한 경우의 예시이다. 이 경우, 도 15에서는, 포스 미터 등을 사용하여 상반력을 실측한 비교예(상반력의 실제값에 상당하는 것)이 가상선으로 병기되어 있다. 또, 도 16에서는 토크 미터 등을 사용하여 무릎 관절(10) 및 넓적다리 관절(8)의 모멘트를 실측한 비교예(무릎 관절(10) 및 넓적다리 관절(8)의 모멘트의 실제값에 상당하는 것)가 가상선으로 병기되어 있다.
도 15를 참조해서 명확한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면 정밀도가 좋은 상반력의 추정값이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다. 또, 본 실시형태에서는 이 상반력의 추정값을 사용함으로써, 도 16에 도시되는 바와 같이, 무릎 관절(10)이나 넓적다리 관절(8)의 모멘트도 비교적 정밀도 좋게 추정할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태에 의하면, 다리체(2)에 인간(1)의 보행의 방해가 되거나, 다리체(2)의 운동에 부담이 걸리는 센서를 장착하거나 하지 않고, 넓적다리 관절(8)이나 무릎 관절(10)에 장착한 각도 센서(22, 23)나, 동체(5)에 장비한 자이로 센서(14, 19) 및 가속도 센서(15, 20, 21)와 같은 비교적 소형이고 경량인 센서를 사용하여 각 다리체(2)에 작용하는 상반력이나, 각 다리체(2)의 넓적다리 관절(8) 및 무릎 관절(10)에 작용하는 모멘트를 리얼타임으로 용이하게 추정할 수 있다. 게다가, 그 추정을, 이동 속도(V) 등에 의하지 않고 비교적 정밀도 좋게 행할 수 있다.
또한, 이상 설명한 실시형태에서는, 상기 다리체 운동 판단 수단(24)의 처리에서는, 양다리 지지 상태의 개시시부터의 경과 시간이 상기 양다리 지지 기간의추정값에 도달했을 때에, 양다리 지지 상태의 종료 및 외다리 지지 상태의 개시를 판단하도록 했지만, 예를 들면 다음과 같이 하여, 양다리 지지 상태의 종료 및 외다리 지지 상태의 개시를 판단하도록 해도 좋다. 즉, 양다리 지지 상태에서 인간(1)의 후방측에 존재하는 다리체(2)(양다리 지지 상태의 종료시에 이상하는 다리체(2))에 대하여 상기 상반력 추정 수단(38)에 의해 상기 사이클타임 마다 구해지는 상반력(Fr)의 절대값(=√(Frx2+Frz2)을 차례로 미리 정한 소정의 임계값(대략 「0」인 양의 값)과 비교한다. 그리고, 그 상반력(Fr)의 절대값이 이 임계값 이하로 저하했을 때(이 절대값이 대략 「0」이 되었을 때)에, 양다리 지지 상태의 종료 및 외다리 지지 상태의 개시를 판단한다. 이렇게 해도, 그 판단을 적확하게 행할 수 있다.
또, 상기 실시형태에서는, 본 발명을 인간(1)에 적용한 경우를 예로 들어서 설명했지만, 2족보행 이동체로서의 2족보행 로보트에도 본 발명을 적용할 수 있다. 여기에서, 2족보행 로보트에서는, 허리부와 가슴부가 일체적인 구조로 되어 있는 경우가 있지만, 이 경우에는, 자이로 센서나 전후방향의 가속도 센서를 허리부 및 가슴부중 어느 한쪽에만 부착하여, 상반력이나 다리체의 관절의 모멘트를 본 실시형태와 동일하게 추정하도록 할 수도 있다. 또, 2족보행 로보트에서는, 넓적다리 관절이나 무릎 관절의 굴곡각도는, 그들 관절의 액추에이터에 대한 제어장치의 제어량에 의해 파악하도록 할 수도 있다.
또, 상기 실시형태에서는, 다리체(2)의 운동 상태를 판단하기 위해서, 허리부 상하 가속도 센서(21)의 검출 데이터를 그대로 사용했지만, 이 검출 데이터 대신에, 예를 들면 상기 기준가속도 계측 수단(27)에 의해 구해지는 절대좌표계(Cf)에서의 허리부(3)의 가속도(a0)의 연직방향(Z축방향)의 성분의 값을 사용하도록 해도 좋다.
이상과 같이, 본 발명은, 인간이나 로보트 등의 2족보행 이동체의 보행 보조나 보행 제어를 행할 경우에, 이동체의 다리체에 작용하는 상반력이나 관절 모멘트를 파악할 수 있는 것으로서 유용하다.

Claims (11)

  1. 2족보행 이동체의 각 다리체에 작용하는 상반력을 추정하는 방법으로서,
    상기 2족보행 이동체의 다리체의 운동 상태가 그 한쪽만의 다리체가 접지하고 있는 외다리 지지 상태인지 양 다리체가 접지하고 있는 양다리 지지 상태인지를 판단하는 제 1 스텝과, 상기 2족보행 이동체의 중심의 위치를 차례로 구하면서, 이 중심의 위치의 시계열 데이터를 사용하여 지면에 대해 고정된 절대좌표계에서의 이 중심의 가속도를 차례로 구하는 제 2 스텝과, 상기 2족보행 이동체의 중량과 중력가속도와 상기 중심의 가속도와 각 다리체에 작용하는 상반력의 합력인 전체 상반력에 의해 표시되는 이 중심의 운동방정식에 기초하여, 이 전체 상반력의 추정값을 차례로 구하는 제 3 스텝과, 상기 양다리 지지 상태가 개시할 때마다 그 개시시부터의 경과 시간을 이 양다리 지지 상태의 종료시까지 차례로 계측하는 제 4 스텝과, 적어도 각 회의 양다리 지지 상태의 개시 이전에 2족보행 이동체의 이동 속도를 계측하는 제 5 스텝을 구비하고,
    상기 2족보행 이동체의 외다리 지지 상태일 때에는, 상기 전체 상반력의 추정값을 접지하고 있는 단일의 다리체에 작용하는 상반력의 추정값으로서 차례로 구하고,
    상기 2족보행 이동체의 양다리 지지 상태일 때에는, 양 다리체중, 이 2족보행 이동체의 진행 방향을 향해서 후방측에 존재하는 한쪽의 다리체에 작용하는 상반력의, 상기 양다리 지지 상태의 경과 시간 및 2족보행 이동체의 이동 속도에 대한 변화의 특성을 나타내는 것으로 하여 미리 정한 특성 데이터에 기초하여, 이 한쪽의 다리체에 작용하는 상반력의 추정값을 차례로 구하는 동시에, 그 구한 이 한쪽의 다리체의 상반력의 추정값을 상기 전체 상반력의 추정값으로부터 뺌으로써, 다른 쪽의 다리체에 작용하는 상반력의 추정값을 차례로 구하는 것을 특징으로 하는 2족보행 이동체의 상반력 추정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 특성 데이터는, 상기 양다리 지지 상태의 개시시에 있어서의 상기 전체 상반력에 대한 상기 한쪽의 다리체의 상반력의 비율과, 이 양다리 지지 상태의 개시시부터 종료시까지의 계속시간에 대한 상기 경과 시간의 비율과의 관계를 나타내는 데이터이고,
    상기 2족보행 이동체의 이동 속도와 상기 양다리 지지 상태의 계속 시간과의 미리 정한 상관관계에 기초하여, 이 이동 속도의 계측값으로부터 이 양다리 지지 상태의 계속 시간을 추정하고, 그 양다리 지지 상태의 계속 시간의 추정값과 상기 경과 시간의 계측값과 이 양다리 지지 상태의 개시시에 있어서의 상기 전체 상반력의 추정값과 상기 특성 데이터로부터 상기 한쪽의 다리체에 작용하는 상반력의 추정값을 차례로 구하는 것을 특징으로 하는 2족보행 이동체의 상반력 추정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 2족보행 이동체의 각 다리체의 무릎 관절의 하측의 하퇴부의 경사각도와 이 다리체의 넓적다리 관절 및 무릎 관절의 사이의 대퇴부의 경사각도를 각각 각 회의 양다리 지지 상태의 개시시에 계측하는 스텝과, 각 회의양다리 지지 상태의 개시시에 2족보행 이동체의 진행 방향을 향해서 후방측에 존재하는 다리체의 넓적다리 관절에 대한 이 다리체의 하퇴부의 하단부의 위치의, 전회의 양다리 지지 상태의 개시시부터의 이 2족보행 이동체의 진행 방향에 있어서의 이동량을, 이 다리체의 대퇴부 및 하퇴부의 경사각도의 계측값과 이 다리체의 대퇴부 및 하퇴부의 미리 구한 사이즈에 기초하여 이 양다리 지지 상태의 개시마다 산출하는 스텝과, 각 회의 양다리 지지 상태의 개시시부터 다음회의 양다리 지지 상태의 개시시까지의 경과 시간을 일보분 경과 시간으로서 계측하는 스텝을 구비하고, 상기 제 5 스텝에서는, 각 회의 양다리 지지 상태의 개시마다, 그 개시시에 산출된 상기 이동량을, 전회의 양다리 지지 상태의 개시시부터 금회의 양다리 지지 상태의 개시시까지 계측된 상기 일보분 경과 시간으로 나눔으로써, 상기 이동 속도의 계측값을 구하는 것을 특징으로 하는 2족보행 이동체의 상반력 추정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 양 다리체 상에 각 다리체의 넓적다리 관절을 통하여 지지된 동체의 넓적다리 관절 근처의 하부의 상하 방향의 가속도를 차례로 계측하는 스텝을 구비하고, 상기 제 1 스텝에서는, 상기 동체의 하부의 상하 방향의 가속도가 미리 정한 소정의 임계값 이상으로 상승했을 때에 상기 양다리 지지 상태가 개시되는 동시에 상기 외다리 지지 상태가 종료되고, 또한, 상기 양다리 지지 상태에서 2족보행 이동체의 진행 방향을 향해서 후방측의 다리체에 작용하는 상기 상반력의 추정값이 미리 정한 소정의 임계값 이하로 저하했을 때에 상기 양다리 지지 상태가 종료되는 동시에 상기 외다리 지지 상태가 개시되는 것으로 하여, 상기 2족보행 이동체의 운동 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 2족보행 이동체의 상반력 추정 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 양 다리체 상에 각 다리체의 넓적다리 관절을 통하여 지지된 동체의 넓적다리 관절 근처의 하부의 상하 방향의 가속도를 계측하는 스텝을 구비하고, 상기 제 1 스텝에서는, 상기 동체의 하부의 상하 방향의 가속도가 미리 정한 소정의 임계값 이상으로 상승했을 때에 상기 양다리 지지 상태가 개시되는 동시에 상기 외다리 지지 상태가 종료되고, 또한, 상기 양다리 지지 상태의 개시시부터의 경과 시간의 계측값이 이 양다리 지지 상태의 계속 시간의 추정값에 도달했을 때에 상기 양다리 지지 상태가 종료되는 동시에 상기 외다리 지지 상태가 개시되는 것으로 하여, 상기 2족보행 이동체의 운동 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 2족보행 이동체의 상반력 추정 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 양 다리체 상에 각 다리체의 넓적다리 관절을 통하여 지지된 동체의 경사각도와, 각 다리체의 적어도 넓적다리 관절 및 무릎 관절의 각각의 굴곡각도와, 상기 2족보행 이동체의 미리 정한 기준점의 상기 절대좌표계에서의 가속도를 각각 차례로 계측하는 스텝을 구비하고, 상기 제 2 스텝에서는, 상기 동체의 경사각도와, 상기 넓적다리 관절 및 무릎 관절의 각각의 굴곡각도와, 상기 2족보행 이동체를 복수의 강체의 연결체로서 나타내어 이루어지는 강체 링크 모델과, 이 강체 링크 모델의 각 강체에 대응하는 2족보행 이동체의 각 강체 상당부의 미리 구한 중량과, 각 강체 상당부에서의 이 강체 상당부의 미리 구한 중심의 위치에 기초하여, 상기 기준점에 대한 상기 2족보행 이동체의 중심의 위치를 차례로 구하는 동시에, 그 중심의 위치의 시계열 데이터에 기초하여 이 기준점에 대한 이 중심의 가속도를 차례로 구하고, 그 기준점에 대한 이 중심의 가속도와, 상기 절대좌표계에서의 이 기준점의 가속도로부터 이 절대좌표계에서의 상기 중심의 가속도를 구하는 것을 특징으로 하는 2족보행 이동체의 상반력 추정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 기준점은 상기 동체에 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 2족보행 이동체의 상반력 추정 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 동체는, 상기 양 다리체에 넓적다리 관절을 통하여 연결된 허리부와, 이 허리부상에 이 허리부에 대해 경사가능하게 존재하는 가슴부를 갖고, 상기 중심의 위치를 구하기 위해서 사용하는 상기 동체의 경사각도는, 상기 허리부 및 가슴부의 각각의 경사각도인 것을 특징으로 하는 2족보행 이동체의 상반력 추정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 강체 링크 모델은, 상기 2족보행 이동체의 각 다리체의 무릎 관절의 하측의 하퇴부와, 이 무릎 관절 및 상기 넓적다리 관절 사이의 대퇴부와, 상기 허리부와, 이 허리부의 상측에 존재하는 상기 가슴부를 포함하는 상체부를 각각 강체로서 나타낸 모델인 것을 특징으로 하는 2족보행 이동체의 상반력 추정 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 2족보행 이동체의 상반력 추정 방법에 의해 차례로 구한 상기 각 다리체에 관계되는 상반력의 추정값을 사용하여 상기 2족보행 이동체의 각 다리체의 적어도 하나의 관절에 작용하는 모멘트를 추정하는 방법으로서,
    상기 양 다리체 상에 각 다리체의 넓적다리 관절을 통하여 지지된 동체의 경사각도와, 상기 각 다리체의 적어도 넓적다리 관절 및 무릎 관절의 각각의 굴곡각도와, 상기 2족보행 이동체의 미리 정한 기준점의 상기 절대좌표계에서의 가속도를 각각 차례로 계측하는 스텝과,
    상기 동체의 경사각도와, 상기 각 다리체의 넓적다리 관절 및 무릎 관절의 각각의 굴곡각도와, 상기 2족보행 이동체를 복수의 강체의 연결체로서 나타내어 이루어지는 강체 링크 모델에 기초하여, 이 강체 링크 모델의 각 강체에 대응하는 2족보행 이동체의 각 강체 상당부의 경사각도를 차례로 구하는 스텝과,
    상기 각 강체 상당부의 경사각도와 각 강체 상당부의 미리 구한 중량과 각 강체 상당부에서의 이 강체 상당부의 미리 구한 중심의 위치에 기초하여, 상기 기준점에 대한 각 강체 상당부의 중심의 위치를 차례로 구하는 동시에, 그 각 강체 상당부의 중심의 위치의 시계열 데이터에 기초하여 이 기준점에 대한 각 강체 상당부의 중심의 가속도를 차례로 구하는 스텝과,
    이 기준점에 대한 각 강체 상당부의 중심의 가속도와, 상기 절대좌표계에서의 상기 기준점의 가속도로부터 이 절대좌표계에서의 각 강체 상당부의 중심의 가속도를 차례로 구하는 스텝과,
    상기 각 강체 상당부의 경사각도의 시계열 데이터에 기초하여 각 강체 상당부의 각가속도를 차례로 구하는 스텝과,
    상기 2족보행 이동체의 강체 상당부로서의 각 다리체의 대퇴부의 경사각도와, 이 다리체의 무릎 관절의 굴곡각도중 적어도 한쪽에 기초하여, 이 2족보행 이동체에 있어서의 각 다리체의 상반력 작용점의 추정 위치를 차례로 구하는 스텝을 구비하고,
    상기 상반력의 추정값과, 상기 상반력 작용점의 추정 위치와, 상기 절대좌표계에서의 각 강체 상당부의 중심의 가속도 및 이 강체 상당부의 각가속도와, 각 강체 상당부의 경사각도와, 각 강체 상당부의 미리 구한 중량 및 사이즈와, 각 강체 상당부에서의 이 강체 상당부의 미리 구한 중심의 위치와, 각 강체 상당부의 미리 구한 관성 모멘트를 사용하여 역동력학 모델에 기초하여 상기 2족보행 이동체의 각 다리체의 적어도 하나의 관절에 작용하는 모멘트를 추정하는 것을 특징으로 하는 2족보행 이동체의 관절 모멘트 추정 방법.
  11. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 2족보행 이동체의 상반력 추정 방법에 의해 차례로 구한 상기 각 다리체에 관계되는 상반력의 추정값을 사용하여 상기 2족보행 이동체의 각 다리체의 적어도 하나의 관절에 작용하는 모멘트를 추정하는 방법으로서,
    상기 동체의 경사각도와, 상기 각 다리체의 넓적다리 관절 및 무릎 관절의 각각의 굴곡각도와, 상기 강체 링크 모델에 기초하여, 이 강체 링크 모델의 각 강체에 대응하는 2족보행 이동체의 각 강체 상당부의 상기 절대좌표계에서의 경사각도를 차례로 구하는 스텝과,
    상기 각 강체 상당부의 경사각도와 각 강체 상당부의 미리 구한 중량과 각 강체 상당부에서의 이 강체 상당부의 중심의 위치에 기초하여, 상기 기준점에 대한 각 강체 상당부의 중심의 위치를 차례로 구하는 동시에, 그 각 강체 상당부의 중심의 위치의 시계열 데이터에 기초하여 이 기준점에 대한 각 강체 상당부의 중심의 가속도를 차례로 구하는 스텝과,
    이 기준점에 대한 각 강체 상당부의 중심의 가속도와, 상기 절대좌표계에서의 상기 기준점의 가속도로부터 이 절대좌표계에서의 각 강체 상당부의 중심의 가속도를 차례로 구하는 스텝과,
    상기 각 강체 상당부의 경사각도의 시계열 데이터에 기초하여 각 강체 상당부의 각가속도를 차례로 구하는 스텝과,
    상기 2족보행 이동체의 강체 상당부로서의 각 다리체의 대퇴부의 경사각도와, 이 다리체의 무릎 관절의 굴곡각도중 적어도 한쪽에 기초하여, 이 2족보행 이동체에서의 각 다리체의 상반력 작용점의 추정 위치를 차례로 구하는 스텝을 구비하고,
    상기 상반력의 추정값과, 상기 상반력 작용점의 추정 위치와, 상기 절대좌표계에서의 각 강체 상당부의 중심의 가속도 및 이 강체 상당부의 각가속도와, 각 강체 상당부의 경사각도와, 각 강체 상당부의 미리 구한 중량 및 사이즈와, 각 강체 상당부에서의 이 강체 상당부의 미리 구한 중심의 위치와, 각 강체 상당부의 미리 구한 관성 모멘트를 사용하여 역동력학 모델에 기초하여 상기 2족보행 이동체의 각 다리체의 적어도 하나의 관절에 작용하는 모멘트를 추정하는 것을 특징으로 하는 2족보행 이동체의 관절 모멘트 추정 방법.
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