(57)【要約】【課題】二足歩行体の脚体の関節に与えるトルクを求める方法および演算処理装置を提供する。【解決手段】当該方法は、床反力の作用点において脚体に作用する床反力の鉛直方向成分、脚体の関節部分に作用する力の鉛直方向成分および重力加速度項を使用して、脚体の関節部分に作用する力の水平方向成分および重力加速度項以外の加速度項を使用せずに脚体の関節部分に作用するモーメントを求めるステップと、脚体の関節部分に作用するモーメントに基づいて、脚体の関節におけるトルクを求めるステップとを含む。脚体に作用する床反力の鉛直方向成分は、脚体の接地状態に基づいて求められる。演算処理装置は上記のステップを実行するように構成される。【選択図】図３
2004114289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二足歩行体の脚体の関節に与えるトルクを求める方法であって、
　脚体の接地状態を判断するステップと、
　脚体の接地状態に基づいて脚体に作用する床反力の鉛直方向成分を求めるステップと、
　床反力の作用点を求めるステップと、
　床反力の作用点において脚体に作用する床反力の鉛直方向成分、脚体の関節部分に作用する力の鉛直方向成分および重力加速度項を使用して、脚体の関節部分に作用する力の水平方向成分および重力加速度項以外の加速度項を使用せずに脚体の関節部分に作用するモーメントを求めるステップと、
　脚体の関節部分に作用するモーメントに基づいて、脚体の関節におけるトルクを求めるステップとを含む方法。
【請求項２】
Ｍを身体の重量、ｇを重力加速度として、単脚接地の場合に脚体に作用する床反力の鉛直方向成分をＭ・ｇとし、両脚接地の場合に床反力の鉛直方向成分をそれぞれ（１／２）・Ｍ・ｇとする請求項1に記載の方法。
【請求項３】
脚体の接地状態を判断するステップにおいて、身体において計測された加速度の鉛直方向成分の値に基づいて脚体の接地状態を判断する請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
脚体の接地状態を判断するステップにおいて、センサにより脚体の接地状態を判断する請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
床反力の作用点を求めるステップにおいて、脚体の姿勢および身体の重心位置に基づいて床反力の作用点を求める請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
床反力の作用点を求めるステップにおいて、さらにセンサからの情報を使用する請求項５項に記載の方法。
【請求項７】
脚体の関節部分に作用するモーメントを求めるステップにおいて、最初に床反力の作用点において下腿部に作用する床反力の鉛直方向成分および重力加速度項を使用して、床反力の水平方向成分および重力加速度項以外の加速度項を使用せずに下腿部の膝関節部分に作用する力の鉛直方向成分およびモーメントを求め、つぎに大腿部の膝関節部分において作用する力の鉛直方向成分およびモーメントおよび重力加速度項を使用して、大腿部の膝関節部分において作用する力の水平方向成分および重力加速度項以外の加速度項を使用せずに大腿部の股関節部分に作用する力の鉛直方向成分およびモーメントを求める請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
二足歩行体の脚体の関節部分に作用するモーメントを求める方法であって、
　脚体の接地状態を判断するステップと、
　脚体の接地状態に基づいて脚体に作用する床反力の鉛直方向成分を求めるステップと、
　床反力の作用点を求めるステップと、
　床反力の作用点において脚体に作用する床反力の鉛直方向成分、脚体の関節部分に作用する力の鉛直方向成分および重力加速度項のみを考慮して脚体の関節部分に作用するモーメントを求めるステップとを含む方法。
【請求項９】
二足歩行体の脚体の関節に与えるトルクを求める演算処理装置であって、関節の角度センサおよび二足歩行体の体に取付けられた少なくとも一つのセンサと関連して動作可能であり、
　体に取付けられた少なくとも一つのセンサからの情報を使用して脚体の接地状態を判断する手段と、
　角度センサからの情報を使用して脚体の姿勢を求める手段と、
　脚体を含む体全体の重心の位置を求める手段と、
　脚体の接地状態に基づいて脚体に作用する床反力の鉛直方向成分を求める手段と、
　脚体の姿勢および脚体を含む体全体の重心の位置を使用して床反力の作用点を求める手段と、
　床反力の作用点において脚体に作用する床反力の鉛直方向成分、脚体の関節部分に作用する力の鉛直方向成分および重力加速度項を使用して、脚体の関節部分に作用する力の水平方向成分および重力加速度項以外の加速度項を使用せずに脚体の関節部分に作用するモーメントを求める手段と、
　脚体の関節部分に作用するモーメントに基づいて、脚体の関節におけるトルクを求める手段とを含む演算処理装置。
【請求項１０】
二足歩行体の脚体の関節に与えるトルクを求める演算処理装置であって、関節の角度センサ、二足歩行体の体に取付けられた少なくとも一つのセンサおよび脚体に取付けられた少なくとも一つのセンサと関連して動作可能であり、
　脚体に取付けられた少なくとも一つのセンサからの情報を使用して脚体の接地状態を判断する手段と、
　角度センサからの情報を使用して脚体の姿勢を求める手段と、
　脚体を含む体全体の重心の位置を求める手段と、
　体に取付けられた少なくとも一つのセンサからの情報を使用して脚体を含む体全体の重心加速度の鉛直方向成分を求める手段と、
　脚体の接地状態に基づいて脚体に作用する床反力の鉛直方向成分を求める手段と、
　脚体の姿勢および脚体を含む体全体の重心の位置を使用して床反力の作用点を求める手段と、
　床反力の作用点において脚体に作用する床反力の鉛直方向成分、脚体の関節部分に作用する力の鉛直方向成分および重力加速度項を使用して、脚体の関節部分に作用する力の水平方向成分および重力加速度項以外の加速度項を使用せずに脚体の関節部分に作用するモーメントを求める手段と、
　脚体の関節部分に作用するモーメントに基づいて、脚体の関節におけるトルクを求める手段とを含む演算処理装置。
【請求項１１】
二足歩行体の脚体の関節部分に作用するモーメントを求める演算処理装置であって、関節の角度センサおよび二足歩行体の体に取付けられた少なくとも一つセンサと関連して動作可能であり、
　体に取付けられた少なくとも一つセンサからの情報を使用して脚体の接地状態を判断する手段と、
　角度センサからの情報を使用して脚体の姿勢を求める手段と、
　脚体を含む体全体の重心の位置を求める手段と、
　脚体の接地状態に基づいて脚体に作用する床反力の鉛直方向成分を求める手段と、
　脚体の姿勢および脚体を含む体全体の重心の位置を使用して床反力の作用点を求める手段と、
　床反力の作用点において脚体に作用する床反力の鉛直方向成分、脚体の関節部分に作用する力の鉛直方向成分および重力加速度項を使用して、脚体の関節部分に作用する力の水平方向成分および重力加速度項以外の加速度項を使用せずに脚体の関節部分に作用するモーメントを求める手段とを含む演算処理装置。
【請求項１２】
二足歩行体の脚体の関節部分に作用するモーメントを求める演算処理装置であって、関節の角度センサ、二足歩行体の体に取付けられた少なくとも一つのセンサおよび脚体に取付けられた少なくとも一つのセンサと関連して動作可能であり、
　脚体に取付けられた少なくとも一つのセンサからの情報を使用して脚体の接地状態を判断する手段と、
　角度センサからの情報を使用して脚体の姿勢を求める手段と、
　脚体を含む体全体の重心の位置を求める手段と、
　脚体の接地状態に基づいて脚体に作用する床反力の鉛直方向成分を求める手段と、
　脚体の姿勢および脚体を含む体全体の重心の位置を使用して床反力の作用点を求める手段と、
　床反力の作用点において脚体に作用する床反力の鉛直方向成分、脚体の関節部分に作用する力の鉛直方向成分および重力加速度項を使用して、脚体の関節部分に作用する力の水平方向成分および重力加速度項以外の加速度項を使用せずに脚体の関節部分に作用するモーメントを求める手段とを含む演算処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、人間や二足歩行ロボット等の二足歩行移動体の脚体の関節部分に作用するモーメントを求める方法および演算処理装置に関する。さらに、当該モーメントに基づいて脚体の関節部分に与えるトルクを求める方法および演算処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
　例えば、人間の階段昇降動作、座位・立位運動、スクワット動作、重い荷物を持っての上下運動、重力に対する動作を補助する動作アシスト装置の動作制御や、二足歩行ロボットの移動動作の制御において、二足歩行移動体の脚体に作用する床反力を求め、床反力に基づいて二足歩行移動体の脚体の関節に作用するモーメントを把握することが必要となる。把握されたモーメント等に基づいて動作アシスト装置のアシストトルクや、二足歩行ロボットの各関節の目標駆動トルク等を決定することが可能となる。
【０００３】
　前記床反力を把握する手法としては、例えば特許文献１に開示されているものが知られている。この技術では、二足歩行移動体の定常的な歩行時に各脚体の床反力の経時変化の波形が周期的に変化することから、各脚体の床反力を、歩行周期の１／ｎ（ｎ＝１，２，・・・）の互いに異なる周期を有する複数の三角関数の合成値（一次結合）として把握するものである。この場合、複数の三角関数を合成する際の各三角関数の重み係数は、二足歩行移動体毎にあらかじめ定めた所定値やそれを地形に応じて調整した値が用いられている。
【０００４】
　しかしながら、かかる技術では、二足歩行移動体の一歩分もしくは複数歩分について脚体の床反力を把握しようとするものであるため、二足歩行移動体の歩容が逐次変化するような場合には、床反力を精度よく把握することは困難である。また、把握される床反力の精度を高めるためには、前記三角関数の重み係数を二足歩行移動体毎に設定したり、地形等に応じて調整したりしなければならないので、二足歩行移動体の移動環境や二足歩合移動体の個体差の影響を少なくして、床反力を精度よく把握するようにすることが困難である。
【０００５】
　また、特許文献２は、働いている人間の負荷を測定する装置・方法を開示している。しかし、この装置・方法によっては関節に作用するトルクを正確に測定することはできない。
【０００６】
　また、例えば二足歩行ロボットにおいては、各脚体の足首部や足平部に６軸力センサ等の力センサを取付け、この力センサの出力により床反力を把握するものも知られている。さらに、床に設置したフォースプレート上で二足歩行移動体を歩行させ、該フォース・プレートの出力により床反力を把握する手法も知られている。
【０００７】
　しかしながら、力センサを用いる技術では、特に人間の脚体の床反力を把握しようとする場合には、人間の足首部や足平部に力センサを取付けなければならないため、通常的な生活環境下では、該力センサが歩行の邪魔になってしまうという不都合がある。また、フォースプレートを用いるものでは、該フォースプレートが設置された環境下でしか床反力を把握できない。
【０００８】
　また、従来の動作アシスト装置において脚体の関節部分におけるモーメントを求める際に加速度項を求めるのに微分を使用するため、脚体の関節部分におけるモーメントのノイズの原因となっていた。さらに、脚体の関節部分におけるモーメントを求める際に水平方向の力の成分を使用しているが、水平方向の力、すなわち加速度の計測は困難であり、脚体の関節部分におけるモーメントの誤差の原因となっていた。また、多数の加速度項を求めるための微分演算が大量になると演算時間が長くなりリアルタイム処理の制約となるおそれがあった。
【特許文献１】特開 2000−249570 号公報
【特許文献２】米国特許第6152890号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
　本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、比較的簡単な手法で脚体の関節部分におけるモーメントを精度よくリアルタイムで把握することができ、特に二足歩行移動体としての人間の脚体の関節部分に作用するモーメントを把握する好適な関節モーメント推定方法を提供することを目的とする。
【００１０】
　さらに、脚体の関節部分に作用するモーメントの推定値を用いて、動作アシスト装置などにおいて脚体の関節部分に与えるアシストトルクなどのトルクを求めることができる、リアルタイム性およびロバスト性の高い二足歩行移動体の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
　まず、本発明の二足歩行移動体の関節モーメント推定方法における床反力推定方法の基本的な考え方を説明する。
【００１２】
　二足歩行移動体の脚体の運動状態、例えば歩行動作時の脚体の運動状態は、図１（ａ）に例示するように二足歩行移動体１の両脚体２，２のうちの一方の脚体２（図では進行方向で前側の脚体）のみが接地する単脚支持状態と、図１（ｂ）に示すように両脚体２，２が接地する両脚支持状態とがある。
【００１３】
　ここで、まず、前記単脚支持状態において、二足歩行移動体が運動を行う地面に対して固定的な絶対座標系における該二足歩行移動体の重心の運動方程式（詳しくは重心の並進運動に関する運動方程式）は、該重心の加速度と二足歩行移動体の重量との積が、該重心に作用する重力（＝二足歩行移動体の重量×重力加速度）と、接地している脚体の接地部に床から作用する床反力との合力に等しいという関係式になる。具体的には、例えば図１（ａ）に示すように、床Ａに対して固定した絶対座標系Ｃｆにおいて、二足歩行移動体１の重心Ｇ０の加速度ａのＸ軸方向（二足歩行移動体１の進行方向での水平方向）、Ｚ軸方向（鉛直方向）の成分をそれぞれａｘ，ａｚ、接地している脚体２（支持脚側の脚体２）に係る床反力ＦのＸ軸方向、Ｚ軸方向の成分をそれぞれＦｘ，Ｆｚとおくと、重心Ｇ０の運動方程式は、次式（１）により表される。
　Ｔ（Fｘ，Ｆｚ−Ｍ・ｇ）＝Ｍ・Ｔ（ａｘ，ａｚ）　　　・・・（１）
　　　（但し、Ｍ：二足歩行移動体の重量、ｇ：重力加速度）
【００１４】
　尚、式（１）中の両辺の括弧部分Ｔ（　，　）は２成分のベクトルを意味している。本明細書ではＴ（　，　）という形の表記は、ベクトルを表す。
【００１５】
　ここで、重力加速度項以外の加速度項を無視すると床反力の鉛直方向成分Ｆｚについて以下の式が成立する。
　　　　　　Ｆｚ＝Ｍ・ｇ　　　　　　・・・（２）
【００１６】
　この場合、床反力Ｆの推定値を得るために必要な重量Ｍは、あらかじめ計測等により把握することができる。
【００１７】
　次に、前記両脚接地状態における二足歩行移動体の重心の運動方程式（詳しくは重心の並進運動に関する運動方程式）は、該重心の加速度と二足歩行移動体の重量との積が、該重心に作用する重力（＝二足歩行移動体の重量×重力加速度）と、両脚体のそれぞれの接地部に床から作用する床反力（両脚体にそれぞれ対応する二つの床反力）との合力に等しいという関係式になる。具体的には、図１（ｂ）に示すように二足歩行移動体１の進行方向に向かって前側の脚体２に係る床反力ＦｆのＸＺ座標成分をＦfx，Ｆfz、後側の脚体２に係る床反力ＦｒのＸＺ座標成分をＦrx，Ｆrzとおくと、重心Ｇ０の運動方程式は、次式（３）により表される。
　Ｔ（Ｆfx＋Ｆrx，Ｆfz＋Ｆrz−Ｍ・ｇ）＝Ｍ・Ｔ（ａｘ，ａｚ）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（３）
【００１８】
　尚、式（３）中のａｘ，ａｚ，Ｍ，ｇの意味は前述のとおりである。
【００１９】
　ここで、重力加速度項以外の加速度項を無視し、両脚が均等に重力を負担すると仮定すると以下の式が成立する。
　Ｆfz ＝ Ｆrz ＝（１／２）・Ｍ・ｇ　　　　　・・・（４）
【００２０】
　従って、二足歩行移動体１の重量Ｍの値と、重力加速度ｇの値とを用いて、前記式（４）により、各脚体２毎の床反力の鉛直方向成分Ｆfz、Ｆrzの推定値を得ることができることとなる。
【００２１】
　この場合、床反力の鉛直方向成分Ｆfz、Ｆrzの推定値を得るために必要な重量Ｍは、あらかじめ計測等により把握することができる。
【００２２】
　重力加速度項以外の加速度項および水平方向の力の項を、寄与が小さいものとして無視すると、上記のように求めた床反力の鉛直方向成分、脚体の姿勢などから求めた床反力の作用点、および重力加速度項に基づいて脚体の膝関節部分に作用する鉛直方向の力およびモーメントを求めることが可能である。さらに、脚体の膝関節部分に作用する鉛直方向の力およびモーメントおよび重力加速度項に基づいて、脚体の股関節部分に作用する鉛直方向の力およびモーメントを求めることが可能である。また、脚体の膝関節部分および脚体の股関節部分に作用するモーメントに基づいて、動作アシスト装置などにおいて脚体の膝関節部分および脚体の股関節部分に与えるアシストトルクなどのトルクを求めることが可能である。このようにして、人間の動作を補助する動作アシスト装置などの動作制御が可能となる。
【００２３】
　上記の説明を基礎として本発明を次に説明する。本発明の、二足歩行体の脚体の関節に与えるトルクを求める方法は、脚体の接地状態を判断するステップと、脚体の接地状態に基づいて脚体に作用する床反力の鉛直方向成分を求めるステップと、床反力の作用点を求めるステップとを含む。さらに、床反力の作用点において脚体に作用する床反力の鉛直方向成分、脚体の関節部分に作用する力の鉛直方向成分および重力加速度項のみを考慮して脚体の関節部分に作用するモーメントを求めるステップと、脚体の関節部分に作用するモーメントに基づいて、脚体の関節におけるトルクを求めるステップとを含む。
【００２４】
　このように、本発明においては、脚体に作用する力の鉛直方向成分のみを利用し、力の水平方向成分を利用しないので、水平方向の力、すなわち水平方向加速度の計測誤差に起因する関節モーメントの誤差を生じることがない。また、鉛直方向の力に関しても、重力による力のみを用いるため、鉛直方向の加速度の計測誤差に起因する関節モーメントの算出においても誤差を生じない。
【００２５】
　また、脚体各部の加速度を求める必要が無いのでノイズが小さくなると共に演算速度が高くなり、二足歩行体の脚体の関節部分に作用するモーメントを求める際のロバスト性およびリアルタイム性が向上する。
【００２６】
　本発明の一実施形態においては、Ｍを身体の重量、ｇを重力加速度として、単脚接地の場合に脚体に作用する床反力の鉛直方向成分をＭ・ｇとし、両脚接地の場合に床反力の鉛直方向成分をそれぞれ（１／２）・Ｍ・ｇとする。このため、脚体に作用する床反力の鉛直方向成分を簡単に求めることができ、さらにロバスト性およびリアルタイム性が向上する。
【００２７】
　本発明の一実施形態においては、脚体の接地状態を判断するステップにおいて、身体において計測された加速度の鉛直方向成分の値に基づいて脚体の接地状態を判断する。したがって、複雑な判断処理を行う必要が無いので演算速度が高くなり、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などにおけるリアルタイム性が向上する。
【００２８】
　本発明の一実施形態においては、脚体の接地状態を判断するステップにおいて、脚体に取付けた少なくとも一つのセンサにより脚体の接地状態を判断する。したがって、判断処理のための演算処理が不要となり、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などにおけるリアルタイム性が向上する。また、簡単なセンサにより確実に判断を行うことができる。
【００２９】
　本発明の一実施形態においては、床反力の作用点を求めるステップにおいて、脚体の姿勢および身体の重心位置に基づいて床反力の作用点を求める。したがって、簡易な方法によりロバスト性を高めることができる。
【００３０】
　本発明の一実施形態においては、床反力の作用点を求めるステップにおいて、さらに脚体に取付けた少なくとも一つのセンサからの情報を使用する。したがって、脚体に取付けた少なくとも一つのセンサからの情報の基づいて確実に床反力の作用点を求めることができる。
【００３１】
　本発明の一実施形態においては、脚体の関節部分に作用するモーメントを求めるステップにおいて、最初に床反力の作用点において下腿部に作用する床反力の鉛直方向成分および重力加速度項のみを考慮して下腿部の膝関節部分に作用する力の鉛直方向成分およびモーメントを求める。つぎに大腿部の膝関節部分において作用する力の鉛直方向成分およびモーメントおよび重力加速度項のみを考慮して大腿部の股関節部分に作用する力の鉛直方向成分およびモーメントを求める。
【００３２】
　したがって、床反力の作用点において脚体に作用する床反力のおよび重力加速度項のみを考慮して、下腿部の膝関節部分に作用するモーメントおよび大腿部の膝関節部分に作用するモーメントを確実に求めることができる。
【００３３】
　本発明の、二足歩行体の脚体の関節部分に作用するモーメントを求める方法は、脚体の接地状態を判断するステップと、脚体の接地状態に基づいて脚体に作用する床反力の鉛直方向成分を求めるステップと、床反力の作用点を求めるステップとを含む。さらに、床反力の作用点において脚体に作用する床反力の鉛直方向成分、脚体の関節部分に作用する力の鉛直方向成分および重力加速度項のみを考慮して脚体の関節部分に作用するモーメントを求めるステップを含む。
【００３４】
　このように、本発明においては、脚体に作用する力の鉛直方向成分のみを利用し、力の水平方向成分を利用しないので、水平方向の力、すなわち水平方向加速度の計測誤差に起因する関節モーメントの誤差を生じることがない。また、脚体各部の加速度を求める必要が無いのでノイズが小さくなると共に演算速度が高くなり、二足歩行体の脚体の関節部分に作用するモーメントを求める際のロバスト性およびリアルタイム性が向上する。
【００３５】
　本発明による二足歩行体の脚体の関節に与えるトルクを求める演算処理装置は、関節の角度センサおよび二足歩行体の体に取付けられた少なくとも一つのセンサと関連して動作可能である。演算処理装置は以下の手段を含む。体に取付けられた少なくとも一つのセンサからの情報を使用して脚体の接地状態を判断する手段と、角度センサからの情報を使用して脚体の姿勢を求める手段とが含まれる。脚体を含む体全体の重心の位置を求める手段がさらに含まれる。脚体の接地状態に基づいて脚体に作用する床反力の鉛直方向成分を求める手段がさらに含まれる。脚体の姿勢および脚体を含む体全体の重心の位置を使用して床反力の作用点を求める手段がさらに含まれる。当床反力の作用点において脚体に作用する床反力の鉛直方向成分、脚体の関節部分に作用する力の鉛直方向成分および重力加速度項を使用して、脚体の関節部分に作用する力の水平方向成分および重力加速度項以外の加速度項を使用せずに脚体の関節部分に作用するモーメントを求める手段がさらに含まれる。脚体の関節部分に作用するモーメントに基づいて、脚体の関節におけるトルクを求める手段がさらに含まれる。
【００３６】
　本発明による二足歩行体の脚体の関節に与えるトルクを求める演算処理装置は、関節の角度センサ、二足歩行体の体に取付けられた少なくとも一つのセンサおよび脚体に取付け取付けられた少なくとも一つのセンサと関連して動作可能である。演算処理装置は以下の手段を含む。脚体に取付け取付けられた少なくとも一つのセンサからの情報を使用して脚体の接地状態を判断する手段と、角度センサからの情報を使用して脚体の姿勢を求める手段とが含まれる。脚体を含む体全体の重心の位置を求める手段がさらに含まれる。脚体の接地状態に基づいて脚体に作用する床反力の鉛直方向成分を求める手段がさらに含まれる。脚体の姿勢および脚体を含む体全体の重心の位置を使用して床反力の作用点を求める手段がさらに含まれる。床反力の作用点において脚体に作用する床反力の鉛直方向成分、脚体の関節部分に作用する力の鉛直方向成分および重力加速度項を使用して、脚体の関節部分に作用する力の水平方向成分および重力加速度項以外の加速度項を使用せずに脚体の関節部分に作用するモーメントを求める手段がさらに含まれる。脚体の関節部分に作用するモーメントに基づいて、脚体の関節におけるトルクを求める手段がさらに含まれる。
【００３７】
　このように、本発明においては、脚体に作用する力の鉛直方向成分のみを利用し、力の水平方向成分を利用しないので、水平方向の力、すなわち水平方向加速度の計測誤差に起因する関節モーメントの誤差を生じることがない。また、鉛直方向の力に関しても、重力による力のみを用いるため、鉛直方向の加速度の計測誤差に起因する関節モーメントの誤差を生じない。
【００３８】
　また、脚体各部の加速度を求める必要が無いのでノイズが小さくなると共に演算速度が高くなり、二足歩行体の脚体の関節部分に作用するモーメントを求める際のロバスト性およびリアルタイム性が向上する。
【００３９】
　さらに、体に取付けられた少なくとも一つのセンサからの情報を使用して脚体の接地状態を判断する発明においては、複雑な判断処理を行う必要が無いので演算速度が高くなり、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などにおけるリアルタイム性が向上する。
【００４０】
　脚体に取付け取付けられた少なくとも一つのセンサからの情報を使用して脚体の接地状態を判断する発明においては、判断処理のための演算処理が不要となり、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などにおけるリアルタイム性が向上する。また、簡単なセンサにより確実に判断を行うことができる。
【００４１】
　本発明による二足歩行体の脚体の関節部分に作用するモーメントを求める演算処理装置は、関節の角度センサおよび二足歩行体の体に取付けられた少なくとも一つのセンサと関連して動作可能である。演算処理装置は以下の手段を含む。体に取付けられた少なくとも一つのセンサからの情報を使用して脚体の接地状態を判断する手段と、角度センサからの情報を使用して脚体の姿勢を求める手段とが含まれる。脚体を含む体全体の重心の位置を求める手段がさらに含まれる。脚体の接地状態に基づいて脚体に作用する床反力の鉛直方向成分を求める手段がさらに含まれる。脚体の姿勢および脚体を含む体全体の重心の位置を使用して床反力の作用点を求める手段がさらに含まれる。床反力の作用点において脚体に作用する床反力の鉛直方向成分、脚体の関節部分に作用する力の鉛直方向成分および重力加速度項を使用して、脚体の関節部分に作用する力の水平方向成分および重力加速度項以外の加速度項を使用せずに脚体の関節部分に作用するモーメントを求める手段がさらに含まれる。
【００４２】
　本発明による二足歩行体の脚体の関節部分に作用するモーメントを求める演算処理装置は、関節の角度センサ、二足歩行体の体に取付けられた少なくとも一つのセンサおよび脚体に取付けられた少なくとも一つのセンサと関連して動作可能である。演算処理装置は以下の手段を含む。脚体に取付け取付けられた少なくとも一つのセンサからの情報を使用して脚体の接地状態を判断する手段と、角度センサからの情報を使用して脚体の姿勢を求める手段とが含まれる。脚体を含む体全体の重心の位置を求める手段がさらに含まれる。脚体の接地状態に基づいて脚体に作用する床反力の鉛直方向成分を求める手段がさらに含まれる。脚体の姿勢および脚体を含む体全体の重心の位置を使用して床反力の作用点を求める手段がさらに含まれる。床反力の作用点において脚体に作用する床反力の鉛直方向成分、脚体の関節部分に作用する力の鉛直方向成分および重力加速度項を使用して、脚体の関節部分に作用する力の水平方向成分および重力加速度項以外の加速度項を使用せずに脚体の関節部分に作用するモーメントを求める手段がさらに含まれる
【００４３】
　このように、本発明においては、脚体に作用する力の鉛直方向成分のみを利用し、力の水平方向成分を利用しないので、水平方向の力、すなわち水平方向加速度の計測誤差に起因する関節モーメントの誤差を生じることがない。また、鉛直方向の力に関しても、重力による力のみを用いるため、鉛直方向の加速度の計測誤差に起因する関節モーメントの誤差を生じない。
【００４４】
　また、脚体各部の加速度を求める必要が無いのでノイズが小さくなると共に演算速度が高くなり、二足歩行体の脚体の関節部分に作用するモーメントを求める際のロバスト性およびリアルタイム性が向上する。
【００４５】
　さらに、体に取付けられた少なくとも一つのセンサからの情報を使用して脚体の接地状態を判断する発明においては、複雑な判断処理を行う必要が無いので演算速度が高くなり、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などにおけるリアルタイム性が向上する。
【００４６】
　脚体に取付け取付けられた少なくとも一つのセンサからの情報を使用して脚体の接地状態を判断する発明においては、判断処理のための演算処理が不要となり、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などにおけるリアルタイム性が向上する。また、簡単なセンサにより確実に判断を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
　本発明の一実施形態を前記図１並びに図２乃至図５を参照して説明する。
【００４８】
　本実施形態は、二足歩行移動体としての人間に本発明の関節部分に与えるトルクを求める方法及び関節モーメントを推定する方法を適用した実施形態である。
【００４９】
　図２に模式化して示すように、人間１は、その構成を大別すると、左右一対の脚体２，２と、腰部３及び胸部４からなる胴体５と、頭部６と、左右一対の腕体７，７とを有する。胴体５は、その腰部３が脚体２，２のそれぞれに左右一対の股関節８，８を介して連結され、両脚体２，２上に支持されている。また、胴体５の胸部４は、腰部３の上側に該腰部３に対して人間１の前方側に傾斜可能に存している。そして、この胸部４の上部の左右両側部から腕体７，７が延設され、該胸部４の上端部に頭部６が支持されている。
【００５０】
　各脚体２，２は、股関節８から延在する大腿部９と、該大腿部９の先端から膝関節１０を介して延在する下腿部１１とを有し、下腿部１１の先端部に、足首部（足首関節）１２を介して足平部１３が連結されている。
【００５１】
　本実施形態では、このような構成を有する人間１の各脚体２に作用する床反力の推定、さらには膝関節１０及び股関節８に作用するモーメントの推定を行うために、次のような装置を人間１に装備している。
【００５２】
　すなわち、胴体５の胸部４には、胸部４の傾斜に伴う角速度に応じた出力を発生するジャイロセンサ１４（以下、胸部ジャイロセンサ１４という）と、胸部４の水平方向の加速度に応じた出力を発生する加速度センサ１５（以下、胸部水平加速度センサ１５という）と、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ等から構成される演算処理装置１６と、該演算処理装置１６等の電源となるバッテリ１７とが装着されている。この場合、これらの胸部ジャイロセンサ１４、胸部水平加速度センサ１５、演算処理装置１６及びバッテリ１７は、例えば胸部４に図示しないベルト等を介して固定されるショルダーバッグ状の収容部材１８に収容され、該収容部材１８を介して胸部４に一体的に固定されている。
【００５３】
　尚、胸部加速度センサ１５の出力が表す加速度は、より詳しくは、胸部４の水平断面方向（胸部４の軸心と直交する方向）での前後方向の加速度であり、人間１が平地に直立姿勢で起立した状態では、水平方向（図２の絶対座標系のＸ軸方向）での加速度であるが、胸部４が鉛直方向（図２の絶対座標系のＺ軸方向）から傾斜した状態では、胸部４の鉛直方向に対する傾斜角度分だけ水平方向に対して傾斜した方向での加速度となる。
【００５４】
　また、胴体５の腰部３には、腰部３の傾斜に伴う加速度に応じた出力を発生するジャイロセンサ１９（以下、腰部ジャイロセンサ１９という）と、腰部３の水平方向の加速度に応じた出力を発生する加速度センサ２０（以下、腰部水平加速度センサ２０という）と、腰部３の鉛直方向の加速度に応じた出力を発生する加速度センサ２１（以下、腰部鉛直加速度センサ２１という）とが、図示しないベルト等の固定手段を介して一体的に装着・固定されている。
【００５５】
　ここで、腰部水平加速度センサ２０は、より詳しくは胸部水平加速度センサ１５と同様、腰部３の水平断面方向（腰部３の軸心と直交する方向）での水平方向の加速度を検出するセンサである。また、腰部鉛直加速度センサ２１は、より詳しくは、腰部３の軸心方向での上下方向の加速度（これは腰部水平加速度センサ２０が検出する加速度と直交する）を検出するセンサである。尚、腰部水平加速度センサ２０及び腰部鉛直加速度センサ２１は、二軸型の加速度センサにより一体的に構成されたものであってもよい。
【００５６】
　さらに各脚体２の股関節８と膝関節１０とには、それぞれの屈曲角度Δθｃ，Δθｄに応じた出力を発生する股関節角度センサ２２及び膝関節角度センサ２３が装着されている。尚、股関節角度センサ２２については、図２では手前側（人間１の前方に向かって右側）の脚体２の股関節８に係わる股関節角度センサ２２のみが図示されているが、他方側（人間１の前方に向かって左側）の脚体２の股関節８には、手前側の股関節角度センサ２２と同様に、股関節角度センサ２２が装着されている。
【００５７】
　これらの角度センサ２２，２３は、例えばポテンショメータにより構成されたものであり、各脚体２に図示しないバンド部材等の手段を介して装着されている。ここで、各股関節角度センサ２２が検出する屈曲角度Δθｃは、より詳しくは、腰部３と各脚体２の大腿部９との姿勢関係が所定の姿勢関係（例えば人間１の直立姿勢状態のように腰部３の軸心と大腿部９の軸心とがほぼ平行となる姿勢関係）にあるときを基準とした、腰部３に対する各脚体２の大腿部９の股関節８回り（人間１の左右方向における股関節８の軸心回り）の回転角度である。同様に、各膝関節角度センサ２３が検出する屈曲角度Δθｄは、各脚体２の大腿部９と下腿部１１との姿勢関係が所定の姿勢関係（例えば大腿部９の軸心と下腿部１１の軸心とがほぼ平行となる姿勢関係）にあるときを基準とした、大腿部９に対する下腿部１１の膝関節１０回り（人間１の左右方向における膝関節１０の軸心回り）の回転角度である。
【００５８】
　また、脚体の接地部分にフット・スイッチ２４を備えるようにしてもよい。フット・スイッチ２４は、脚体の接地状態を接触方式で検出するものである。
【００５９】
　あるいは、足関節や膝関節の位置に赤外線方式などによる図示しない距離センサを装着し、予め直立時の床面との距離を測定しておき、距離センサによる測定距離と予め測定した距離により脚体の接地状態を判定するようにすることもできる。
【００６０】
　尚、前記各センサ１４，１５，１９乃至２４あるいは距離センサは、それらの出力を演算処理装置１６に入力すべく、図示を省略する信号線を介して演算処理装置１６に接続されている。
【００６１】
　前記演算処理装置１６は、図３に示すような機能的手段を備えている。すなわち、演算処理装置１６は、腰部鉛直加速度センサ２１の検出データと、所定の閾値とを用いて、人間１の脚体２，２の運動状態が単脚支持状態（図１（ａ）の状態）であるか、両脚支持状態（図１（ｂ）の状態）であるかを判断する脚体運動判断手段２５を備えてもよい。あるいは、脚体の接地部分のフット・スイッチ２４あるいは図示しない距離センサを備えて、フット・スイッチ２４あるいは図示しない距離センサからの情報に基づいて脚体の接地状態を判断するようにしてもよい。また、演算処理装置１６は、胸部水平加速度センサ１５及び胸部ジャイロセンサ１４の検出データを用いて、胸部４の絶対座標系Ｃｆにおける傾斜角度θａ（具体的には例えば鉛直方向に対する傾斜角度θａ。図２参照）を計測する胸部傾斜角度計測手段２６と、腰部水平加速度センサ２０及び腰部ジャイロセンサ１９の検出データを用いて、腰部３の絶対座標系Ｃｆにおける傾斜角度θｂ（具体的には例えば鉛直方向に対する傾斜角度θｂ。図２参照）を計測する腰部傾斜角度計測手段２７とを備えている。
【００６２】
　ここで、身体座標系Ｃｐは、より詳しくは、例えば人間１の左右の股関節８，８のそれぞれの中心を結ぶ線の中点を原点Ｏとし、鉛直方向をｚ軸方向、人間１の前方に向かう水平方向をｘ軸方向とした座標系（３軸の方向が前記絶対座標系Ｃｆと同一の座標系）である。
【００６３】
　また、演算処理装置１６は、各脚体２の股関節角度センサ２２及び膝関節角度センサ２３の検出データと、前記腰部傾斜角度計測手段２７による腰部３の傾斜角度θｂのデータとを用いて、絶対座標系Ｃｆにおける各脚体２の大腿部９及び下腿部１１のそれぞれの傾斜角度θｃ，θｄ（具体的には例えば鉛直方向に対する傾斜角度θｃ，θｄ。図２参照）を求める脚体姿勢算出手段３２を備えている。
【００６４】
　また、演算処理装置１６は、前記胸部傾斜角度計測手段２６、腰部傾斜角度計測手段２７及び脚体姿勢算出手段３２により得られる胸部４の傾斜角度θａ、腰部３の傾斜角度θｂ、並びに各脚体２の大腿部９の傾斜角度θｃ及び下腿部１１の傾斜角度θｄのデータを用いて、後述の剛体リンクモデルに対応する人間１の各剛体相当部の重心の位置（詳しくは前記身体座標系Ｃｐにおける各剛体相当部の重心の位置）を求める各部重心位置算出手段３１を備えている。
【００６５】
　各部重心位置算出手段３１と脚体姿勢算出手段３２とは、身体幾何学モデル３０を構成する。
【００６６】
　さらに、演算処理装置１６は、各剛体相当部の重心の位置のデータを用いて、上記身体座標系Ｃｐにおける人間１の全体の重心の位置を求める身体重心位置算出手段４１を備えている。身体重心位置算出手段４１は、身体質量分布モデル４０を構成する。
【００６７】
　さらに、演算処理装置１６は、前記脚体姿勢算出手段３２により求められる大腿部９の傾斜角度θｃおよび下腿部１１の傾斜角度θｄおよび身体重心位置算出手段４１により求められる全体の重心の位置を用いて、接地している各脚体２の床反力作用点の位置を推定する床反力作用点推定手段５０を備えている。後で詳細に述べるが、床反力作用点の位置を推定する場合にフット・スイッチ２４あるいは距離センサからの情報を使用することもできる。
【００６８】
　また、演算処理装置１６は、各脚体２に作用する床反力の推定値を求める床反力推定手段６０を備えている。床反力推定手段６０は、脚体運動判断手段２５またはフット・スイッチ２４もしくは距離センサからの情報に基づいて床反力の鉛直方向成分の推定値を求める。
【００６９】
　さらに、演算処理装置１６は、床反力推定手段６０による推定値のデータと床反力作用点推定手段５０による床反力作用点の推定位置のデータと前記脚体姿勢算出手段３２による各脚体２の大腿部９及び下腿部１１のそれぞれの傾斜角度θｃ，θｄのデータとを用いて各脚体２の膝関節１０及び股関節８にそれぞれ作用するモーメントを推定する関節モーメント推定手段７１を備えている。
【００７０】
　また、演算処理装置１６は、関節モーメント推定手段７１により求めたモーメントの推定値に所定の係数を乗じて人間をアシストするためのアシストトルクすなわち重力補償トルクを求める重力補償トルク算出手段７２を備えている。
【００７１】
　関節モーメント推定手段７１と重力補償トルク算出手段７２は、重力補償モデル７０を構成する。
【００７２】
　次に、上述の演算処理装置１６の各手段のより詳細な処理内容と併せて、本実施形態の作動を説明する。
【００７３】
　本実施形態では、例えば人間１が歩行等の脚体２の運動を行うに際して、両脚体２，２を着床させた状態で演算処理装置１６の図示しない電源スイツチを投入すると、該演算処理装置１６による処理が所定のサイクルタイム毎に以下に説明するように逐次実行され、各脚体２に作用する床反力の推定値等が逐次求められる。
【００７４】
　すなわち、まず、演算処理装置１６は、前記脚体運動判断手段２５の処理を実行する。この脚体運動判断手段２５の処理では、前記サイクルタイム毎に、前記腰部鉛直加速度センサ２１による腰部３の鉛直方向上向き加速度の検出データがあらかじめ定めた所定の閾値と比較される。そして、該加速度の検出値がその閾値を超えている場合に、前記図１（ａ）に示したような、前側の足を立脚とする単脚支持状態であると判断する。また、該加速度の検出値がその閾値以下である場合に、前記図１（ｂ）に示したような両脚支持状態であると判断する。
【００７５】
　あるいは、サイクルタイムごとに脚体の接地部分に備えられたフット・スイッチ２４あるいは距離センサの出力値を読み込んで脚体の接地状態を判断するようにしてもよい。
【００７６】
　上述のようなフット・スイッチ２４もしくは距離センサまたは脚体運動判断手段２５の処理と並行して、演算処理装置１６は、前記胸部傾斜角度計測手段２６及び腰部傾斜角度計測手段２７による処理を実行する。この場合、胸部傾斜角度計測手段２６の処理では、胸部水平加速度センサ１５及び胸部ジャイロセンサ１４からそれぞれ入力される胸部４の水平方向の加速度、胸部４の角速度の検出データから、所謂カルマンフィルタの処理を用いた公知の手法により、絶対座標系Ｃｆにおける胸部４の傾斜角度θａが前記サイクルタイム毎に逐次求められる。同様に、腰部傾斜角度計測手段２７の処理では、腰部水平加速度センサ２０及び腰部ジャイロセンサ１９からそれぞれ入力される腰部３の水平方向の加速度、腰部３の角速度の検出データから、カルマンフィルタの処理を用いて絶対座標系Ｃｆにおける腰部３の傾斜角度θｂが逐次求められる。ここで、絶対座標系Ｃｆにおける胸部４及び腰部３のそれぞれの傾斜角度θａ，θｂは、本実施形態では例えば鉛直方向（重力方向）に対する傾斜角度である。
【００７７】
　尚、例えばジャイロセンサ１４，１９による角速度の検出データを積分することで、胸部４や腰部３の傾斜角度を求めることも可能であるが、本実施形態のようにカルマンフィルタの処理を用いることで、胸部４や腰部３の傾斜角度θａ，θｂを精度よく計測することができる。
【００７８】
　次に、演算処理装置１６は、前記脚体姿勢算出手段３２の処理を実行する。　前記脚体姿勢算出手段３２による処理では、絶対座標系Ｃｆにおける各脚体２の大腿部９及び下腿部１１の傾斜角度θｃ，θｄ（鉛直方向に対する傾斜角度。図２参照）が前記サイクルタイム毎に次のように求められる。すなわち、各脚体２の大腿部９の傾斜角度θｃは、その脚体２に装着されている前記股関節角度センサ２２による股関節８の屈曲角度Δθｃの検出データの今回値と、前記腰部傾斜角度計測手段２７により求められた腰部３の傾斜角度θｂの今回値とから次式（５）により算出される。
　　　　　　　θｃ＝θｂ＋Δθｃ　　　　・・・（５）
【００７９】
　ここで、腰部３の傾斜角度θｂは、該腰部３の上端部が下端部よりも人間１の前方側に突き出るように該腰部３が鉛直方向に対して傾斜している場合に負の値となるものであり、股関節８の屈曲角度Δθｃは、大腿部９の下端部が人間１の前方側に突き出るように大腿部９が腰部３の軸心に対して傾斜している場合に正の値となるものである。
【００８０】
　さらに、各脚体２の下腿部１１の傾斜角度θｄは、上記のように求められた大腿部９の傾斜角度θｃの今回値と、該脚体２に装着されている前記膝関節角度センサ２３による膝関節１０の屈曲角度Δθｄの検出データの今回値とから次式（６）により算出される。
　　　　　　　　θｄ＝θｃ−Δθｄ　　　　　　・・・（６）
【００８１】
　ここで、膝関節１０の屈曲角度は、下腿部１１が大腿部９の軸心に対して該大腿部９の背面側に傾斜している場合に正の値となるものである。
【００８２】
　次に、演算処理装置１６は、前記各部重心位置算出手段３１の処理を実行し、以下に説明する剛体リンクモデルを用いて、前記身体座標系Ｃｐにおける人間１の各剛体相当部の重心の位置（身体座標系Ｃｐの原点に対する位置）を求める。
【００８３】
　図４に示すように、本実施形態で用いる剛体リンクモデルＲは、人間１を、各脚体２の大腿部９に相当する剛体Ｒ１，Ｒ１と、下腿部１１に相当する剛体Ｒ２、Ｒ２と、腰部３に相当する剛体Ｒ３と、前記胸部４、腕体７，７及び頭部６を合わせた部分３８（以下、上体部３８という）に相当する剛体Ｒ４とを連結してなるものとして表現するモデルである。この場合、各剛体Ｒ１と剛体Ｒ３との連結部、並びに、各剛体Ｒ１と剛体Ｒ２との連結部がそれぞれ股関節８、膝関節１０に相当する。また、剛体Ｒ３と剛体Ｒ４との連結部は腰部３に対する胸部４の傾動支点部３９である。
【００８４】
　そして、本実施形態では、このような剛体リンクモデルＲの各剛体Ｒ１乃至Ｒ４に対応する人間１の剛体相当部（各脚体２の大腿部９及び下腿部１１、腰部３、上体部３８）のそれぞれの重心Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の各剛体相当部における位置があらかじめ求められ、演算処理装置１６の図示しないメモリに記憶されている。
【００８５】
　ここで、演算処理装置１６に記憶保持している各剛体相当部の重心Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の位置は、各剛体相当部に対して固定した座標系での位置である。この場合、各剛体相当部の重心Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の位置を表すデータとして、例えば、各剛体相当部の一端部の関節の中心点から該剛体相当部の軸心方向の距離が用いられる。具体的には、例えば図４に示すように、各大腿部９の重心Ｇ１の位置は、該大腿部９の股関節８の中心から大腿部９の軸心方向に距離ｔ１の位置、各下腿部１１の重心Ｇ２の位置は、該下腿部１１の膝関節１０の中心から下腿部１１の軸心方向に距離ｔ２の位置として表され、それらの距離ｔ１，ｔ２の値があらかじめ求められて演算処理装置１６に記憶保持されている。他の剛体相当部の重心、Ｇ３，Ｇ４の位置についても同様である。
【００８６】
　尚、上体部３８の重心Ｇ４の位置は、厳密には、該上体部３８に含まれる腕体７，７の動きの影響を受けるが、歩行時における各腕体７，７は、一般に胸部４の軸心に対して対称的な位置関係になるので、上体部３８の重心Ｇ４の位置はさほど変動せず、例えば直立姿勢状態における上体部３８の重心Ｇ４の位置とほぼ同一となる。
【００８７】
　また、本実施形態では、各剛体相当部（各脚体２の大腿部９及び下腿部１１、腰部３、上体部３８）の重心Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の位置を表すデータの他、各剛体相当部の重量のデータや、各剛体相当部のサイズのデータ（例えば各剛体相当部の長さのデータ）があらかじめ求められて、演算処理装置１６に記憶保持されている。
【００８８】
　尚、下腿部１１の重量は、足平部１３を含めた重量である。また、上述のように演算処理装置１６にあらかじめ記憶保持したデータは、実測等により求めておいてもよいが、人間１の身長や体重から、人間の平均的な統計データに基づいて推測するようにしてもよい。一般に、上記各剛体相当部の重心Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の位置や、重量、サイズは、人間の身長や体重と相関性があり、その相関関係に基づいて、人間の身長及び体重のデータから、上記各剛体相当部の重心Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の位置や重量、サイズを比較的精度よく推測することが可能である。
【００８９】
　前記各部重心位置算出手段３１は、上述のように演算処理装置１６にあらかじめ記憶保持したデータと、前記胸部傾斜角度計測手段２６及び腰部傾斜角度計測手段２７によりそれぞれ求められた胸部４の傾斜角度θａ（＝上体部３８の傾斜角度）及び腰部３の傾斜角度θｂの今回値と、前記脚体姿勢算出手段３２により求められた各脚体２の大腿部９及び下腿部１１のそれぞれの傾斜角度θｃ，θｄの今回値とから、腰部３に固定された原点Ｏを有する身体座標系Ｃｐ（図４のｘｚ座標）での各剛体相当部の重心Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の位置を求める。
【００９０】
　この場合、各剛体相当部（各脚体２の大腿部９及び下腿部１１、腰部３、上体部３８）の傾斜角度θａ乃至θｄが上述のように求められているので、その傾斜角度θａ乃至θｄのデータと、各剛体相当部のサイズのデータとから身体座標系Ｃｐにおける各剛体相当部の位置及び姿勢が判る。従って、身体座標系Ｃｐにおける各剛体相当部の重心Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の位置が求められることとなる。
【００９１】
　具体的には、例えば図４を参照して、同図４の左側に位置する脚体２に関し、大腿部９の身体座標系Ｃｐにおける傾斜角度（ｚ軸方向に対する傾斜角度）はθｃ（この場合、図４ではθｃ＜０である）であるので、身体座標系Ｃｐにおける大腿部９の重心Ｇ１の位置の座標は、（t1・sinθｃ，−t1・cosθｃ）となる。また、下腿部１１の身体座標系Ｃｐにおける傾斜角度はθｄ（図４ではθｄ＜０）であるので、身体座標系Ｃｐにおける下腿部１１の重心Ｇ２の位置の座標は、大腿部９の長さをＬｃとすると、（Ｌｃ・sinθｃ＋t2・sinθｄ，−Ｌｃ・cosθｃ−t2・cosθｄ）となる。他の脚体２の大腿部９及び下腿部１１並びに、腰部３及び上体部３８の重心についても上記と同様に求められる。
【００９２】
　このようにして、各部重心位置算出手段３１により、身体座標系Ｃｐにおける各剛体相当部の重心Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の位置を求めた後、演算処理装置１６は、前記身体重心位置算出手段４１の処理を実行し、各剛体相当部の重心Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の位置のデータと、各剛体相当部の重量のデータとを用いて身体座標系Ｃｐにおける人間１の身体重心Ｇ０の位置（ｘｇ，ｚｇ）を求める。
【００９３】
　ここで、身体座幣系Ｃｐにおける腰部３の重心Ｇ３の位置及び重量をそれぞれ（ｘ３，ｚ３）、ｍ３、上体部３８の重心Ｇ４の位置及び重量をそれぞれ（ｘ４，ｚ４）、ｍ４、人間１の前方に向かって左側の脚体２の大腿部９の重心Ｇ１の位置及び重量をそれぞれ（ｘ１Ｌ，ｚ１Ｌ）、ｍ１Ｌ、同脚体２の下腿部１１の重心Ｇ２の位置及び重量をそれぞれ（ｘ２Ｌ，ｚ２Ｌ）、ｍ２Ｌ，右側の脚体２の大腿部９の重心Ｇ１の位置及び重量をそれぞれ（ｘ１Ｒ，ｚ１Ｒ）、ｍ１Ｒ、同脚体２の下腿部１１の重心Ｇ２の位置及び重量をそれぞれ（ｘ２Ｒ，ｚ２Ｒ）、ｍ２Ｒ、人間１の体重をＭ（＝ｍ１Ｌ＋ｍ２Ｌ＋ｍ１Ｒ＋ｍ２Ｒ＋ｍ３＋ｍ４）とすると、身体座標系Ｃｐにおける人間１の身体重心Ｇ０の位置（ｘｇ，ｚｇ）は次式（７）により求められる。
【００９４】
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）
【００９５】
　次に、演算処理手段１６は、前記床反力推定手段６０の処理を次のように実行する。
【００９６】
　すなわち、この処理では、前記脚体運動判断手段２５またはフット・スイッチ２４もしくは距離センサにより今回のサイクルタイムで判断された脚体２の運動状態が単脚支持状態である場合には、前記式（２）により、接地している脚体２に作用する床反力の鉛直方向成分Ｆｚの推定値が求められる。
【００９７】
　尚、この場合、非接地側の脚体２（遊脚側の脚体２）に作用する床反力の鉛直方向成分Ｆｚは、０である。
【００９８】
　また、脚体運動判断手段２５またはフット・スイッチ２４もしくは距離センサにより今回のサイクルタイムで判断された脚体２の運動状態が両脚支持状態である場合には、前記式（４）により、各脚体２毎の床反力の鉛直方向成分Ｆfz、Ｆrzの推定値が求められる。
【００９９】
　一方、演算処理装置１６は、上述のような身体重心位置算出手段４１及び床反力推定手段６０の処理と並行して、床反力作用点推定手段５０の処理を実行する。
【０１００】
　床反力作用点推定手段５０の処理では、脚体２の足首部１２から、該脚体２の足平部１３の床反力作用点（足平部１３の接地箇所に作用する全床反力が集中するとみなせる点）へのベクトル（足首部１２に対する床反力作用点の位置ベクトル。以下、床反力作用点ベクトルという）を該床反力作用点の位置を表すデータとして以下の手順により求める。
【０１０１】
　ここで、図２に示すように足首部１２を足関節１２Ａと表記し足平部１３の先端の関節(いわゆるＭＰ関節)を１２Ｂと表記する。まず、足関節１２Ａの位置座標の水平方向成分ｘ１２を求める。具体的には、図４を参照して、同図４の左側に位置する脚体２に関し、下腿部１１の長さ（膝関節１０の中心から足首部１２までの長さ）をＬｄとすると、身体座標系Ｃｐにおける足首部１２の位置の座標（ｘ１２，ｚ１２）は、上述のように（Ｌｃ・sinθｃ＋Ｌｄ・sinθｄ，−Ｌｃ・cosθｃ−Ｌｄ・cosθｄ）となる（但し、図４ではθｃ＜０、θｄ＜０）。他方の脚体２についても同様である。また、足関節１２ＡとＭＰ関節１２Ｂとの間の水平距離を定数Ｄとして以下の式によりＭＰ関節１２Ｂの位置座標の水平方向成分ｘ１２Ｂを求める。
　　　 ｘ１２Ｂ　＝ ｘ１２ ＋ Ｄ
【０１０２】
　次に、動作モードの判定を行う。両脚接地時において、上記のようにして求めた、左右の足関節１２Ａの位置の差の鉛直方向成分が、所定の閾値を超えた場合には、階段あるいは坂道の歩行と判断する。それ以外の場合には、通常歩行と判断する。
【０１０３】
　つぎに、通常歩行の場合に、上記のように求めた水平方向成分の大きさを比較して以下の手順により床反力作用点ベクトルの終点の水平方向成分を求める。Ｇ０の水平方向成分ｘｇが、足関節１２Ａの位置座標の水平方向成分ｘ１２よりも小さい場合には、床反力作用点ベクトルの終点の水平方向成分は、足関節１２Ａの位置座標の水平方向成分ｘ１２であるとする。Ｇ０の水平方向成分ｘｇが、足関節１２Ａの位置座標の水平方向成分ｘ１２とＭＰ関節１２Ｂの位置座標の水平方向成分ｘ１２Ｂとの間にある場合には、床反力作用点ベクトルの終点の水平方向成分は、Ｇ０の水平方向成分ｘｇであるとする。Ｇ０の水平方向成分ｘｇが、ＭＰ関節１２Ｂの位置座標の水平方向成分ｘ１２Ｂよりも大きい場合には、床反力作用点ベクトルの終点の水平方向成分は、ＭＰ関節１２Ｂの位置座標の水平方向成分ｘ１２Ｂであるとする。
【０１０４】
　階段あるいは坂道の歩行の場合には、床反力作用点ベクトルの終点の水平方向成分は、常にＭＰ関節１２Ｂの位置座標の水平方向成分ｘ１２Ｂであるとする。
【０１０５】
　床反力作用点ベクトルの鉛直方向成分は、足関節１２Ａと地面との間の距離を定数Ｅとして求める。
【０１０６】
　上記の手順により、足関節１２Ａを始点とし、床反力の作用点を終点とする床反力作用点ベクトルを求めることができる。
【０１０７】
　さらに、床反力作用点推定手段５０は、フット・スイッチ２４あるいは距離センサの情報を使用して以下の手順により床反力作用点ベクトルを求めることもできる。この場合には、足関節１２ＡおよびＭＰ関節１２Ｂ用の接触式のフット・スイッチ２４あるいは距離センサで踵およびつま先の接地判定を行う。両方のフット・スイッチ２４あるいは距離センサが接地状態を示している場合には、上記の通常歩行の場合と同様の手順により、床反力作用点ベクトルの終点の水平方向成分を求める。足関節１２Ａ用のフット・スイッチ２４あるいは距離センサのみが接触状態を示している場合には、床反力作用点ベクトルの終点の水平方向成分は、足関節１２Ａの位置座標の水平方向成分ｘ１２であるとする。ＭＰ関節１２Ｂ用のフット・スイッチ２４あるいは距離センサのみが接触状態を示している場合には、床反力作用点ベクトルの終点の水平方向成分は、ＭＰ関節１２Ｂの位置座標の水平方向成分ｘ１２Ｂであるとする。
【０１０８】
　床反力作用点ベクトルの鉛直方向成分は、足関節１２Ａと地面との間の距離を定数Ｅとして求める。
【０１０９】
　上記の手順により、フット・スイッチ２４あるいは距離センサの情報を使用して、足関節１２Ａを始点とし、床反力の作用点を終点とする床反力作用点ベクトルを求めることができる。
【０１１０】
　上記の如く床反力作用点の位置を推定した後、次に、演算処理装置１６は、前記関節モーメント推定手段７１の処理を実行して、各脚体２の膝関節１０及び股関節８に作用するモーメントを求める。この処理は、前記床反力推定手段６０、床反力作用点推定手段５０、及び脚体姿勢算出手段３２によりそれぞれ求められたデータの今回値を用いて、所謂逆動力学モデルに基づいて行われる。この逆動力学モデルは、人間１の各剛体相当部の並進運動に関する運動方程式と回転運動に関する運動方程式とを用いて、床反力作用点により近い関節から順番に該関節に作用するモーメントを求めるものであり、本実施形態では、各脚体２の膝関節１０、股関節８に作用するモーメントが順番に求められる。
【０１１１】
　さらに詳細には、図５を参照して、まず、各脚体２の下腿部１１に関し、下腿部１１の先端部の足首部１２に作用する力（関節反力）、下腿部１１の膝関節１０の部分に作用する力（関節反力）、及び下腿部１１の重心Ｇ２の並進加速度を、それぞれ絶対座標系Ｃｆにおける成分表記によって、Ｔ(Ｆ１x，Ｆ１z)、Ｔ(Ｆ2x，Ｆ2z)、Ｔ(ａ2x，ａ2z)とし、該下腿部１１の重量をｍ２とする。このとき、下腿部１１の重心Ｇ２の並進運動に関する運動方程式は、重力加速度の項以外の加速度項を無視すると、次式となる。
　　　Ｔ（０，０）＝Ｔ（Ｆ１x−Ｆ２x，Ｆ１z−Ｆ２z−ｍ２・ｇ）
【０１１２】
　ゆえに、鉛直方向成分について運動方程式は、以下のとおりである。
　　　 Ｆ２z＝Ｆ１z−ｍ２・ｇ　　　　　　・・・（８）
【０１１３】
　ここで、下腿部１１の先端部の足首部１２に作用する関節反力の鉛直方向成分Ｆ１zは、近似的には、該下腿部１１を有する脚体２について前記床反力推定手段６０により求められる床反力の鉛直方向成分の推定値に等しい。より詳しくは、単脚支持状態において、該脚体２が接地しているときには、関節反力の鉛直方向成分Ｆ１zは、前記式（２）により求められる床反力の鉛直方向成分Ｆz＝Ｍ・ｇであり、該脚体２が遊脚側の脚体であるときには、Ｆ１z＝０である。また、両脚支持状態において、該脚体２が人間１の進行方向前方に向かって後側の脚体であるときに、関節反力の鉛直方向成分Ｆ１zは、前記式（４）の床反力の鉛直方向成分Ｆrz＝（１／２）・Ｍ・ｇであり、該脚体２が前側の脚体であるときには、前記式（４）の床反力Ｔの鉛直方向成分Ｆfz＝（１／２）・Ｍ・ｇである。
【０１１４】
　従って、各脚体２の膝関節１０に作用する関節反力の鉛直方向成分Ｆ２zは、床反力推定手段６０により求められる床反力の鉛直方向成分Ｆ１zのデータと、下腿部１１のあらかじめ求められた重量ｍ２のデータと、重力加速度ｇの値とから、上記式（８）により求められる。
【０１１５】
　また、図５を参照して、下腿部１１の先端部の足首部１２に作用するモーメントをＭ１、下腿部１１の股関節１０の部分に作用するモーメントをＭ２、下腿部１１の重心Ｇ２の回りの慣性モーメントをＩＧ２、下腿部１１の重心Ｇ２の回りの角加速度をα２とする。また、前記図４に対応させて、下腿部１１の重心Ｇ２と膝関節１０の中心との間の距離をｔ２、下腿部１１の重心Ｇ２と足首部１２との間の距離をｔ２’（＝Ｌd−ｔ２）とすると、下腿部１１の重心Ｇ２の回りの回転運動に関する運動方程式は、水平方向の力の項および角加速度項を除去すると、次式（９）となる。
【０１１６】
ＩＧ２・α２＝０＝Ｍｌ−Ｍ２−Ｆ１z・ｔ２’・sinθｄ−Ｆ２z・ｔ２・sinθｄ
ゆえに
　Ｍ２＝Ｍ１−Ｆ１z・ｔ２’・sinθｄ−Ｆ２z・ｔ２・sinθｄ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（９）
【０１１７】
　ここで、式（９）中のＭ１は、同式（９）に係わる下腿部１１を有する脚体２について前記床反力作用点推定手段５０により求められる床反力作用点ベクトルと、該脚体２について前記床反力推定手段６０により求められる床反力ベクトルとの外積（ベクトル積）として得られるモーメントである。また、角加速度項を除去するのでα２はゼロとされる。また、θｄは前記脚体姿勢算出手段３２により求められる下腿部１１の傾斜角度である。また、Ｆ１zは、前述の通り、床反力推定手段６０により求められる床反力の鉛直方向成分の推定値である。さらに、Ｆ２zは、前記式（８）により求められるものである。
【０１１８】
　従って、膝関節１０に作用するモーメントＭ２は、床反力推定手段６０による床反力の鉛直方向成分の推定値のデータと、床反力作用点推定手段５０による床反力作用点ベクトルのデータと、脚体姿勢算出手段３２による下腿部１１の傾斜角度θｄのデータと、前記式（８）により求められた関節反力の鉛直方向成分Ｆ２zのデータと、あらかじめ求めた下腿部１１のサイズ（Ｌｄ）、重心Ｇ２の位置（ｔ２）のデータとから前記式（９）により求められる。
【０１１９】
　関節モーメント推定手段７１は、上記のようにして下腿部１１の膝関部１０の部分に作用するモーメントＭ２を求めた後、その算出処理と同様の処理によって、大腿部９の股関節８の部分に作用するモーメントを求める。この処理の基本的な考え方は、膝関節１０のモーメントＭ２を求める手法と同一であるので、詳細な図示及び説明は省略するが、その概要は次の通りである。
【０１２０】
　すなわち、まず、大腿部９の重心Ｇ１（図４参照）の並進運動に関する運動方程式に基づく次式（１０）（前記式（８）と同じ形の式）により、大腿部９の股関節８の部分に作用する関節反力の鉛直方向成分Ｆ３zが求められる。
　　　 Ｆ３z＝Ｆ２z−ｍ１・ｇ　　　　　　　・・・（１０）
【０１２１】
　ここで、Ｆ２zは、先に前記式（８）により求めた膝関節１０の関節反力の鉛直方向成分である。また、ｍ１はあらかじめ求めた大腿部９の重量、ｇは重力加速度である。
【０１２２】
　次いで、大腿部９の重心Ｇ１の回りの回転運動に関する運動方程式に基づく次式（１１）（前記式（９）と同じ形の式）により、大腿部９の股関節８の部分に作用するモーメントＭ３が求められる。
　　Ｍ３＝Ｍ２−Ｆ２z・ｔ１’・sinθｃ−Ｆ３z・ｔ１・sinθｃ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１１）
【０１２３】
　ここで、Ｍ２は、前記式（１１）により求められた膝関節１０のモーメント、Ｆ２zは、前記式（８）により求められた膝関節１０の関節反力の鉛直方向成分、Ｆ３zは、前記式（１０）により求められた股関節８の関節反力の鉛直方向成分、θｃは前記脚体姿勢算出手段３２により求められる大腿部９の傾斜角度である。また、ｔ１は、股関節８の中心から大腿部９の重心Ｇ１までの距離（図４参照）、ｔ１’は、膝関節１０の中心から大腿部９の重心Ｇ１までの距離（図４ではＬｃ−ｔ１）であり、これは、あらかじめ求めた重心Ｇ１の位置や大腿部９のサイズ（長さ）から定まるものである。
【０１２４】
　次に、重力補償トルク算出手段７２において、関節モーメント推定手段７１において求められた膝関節モーメントおよび股関節モーメントに所定の係数が乗じられ、重力補償トルクが算出される。当該係数は、人間１の動作を補助する動作アシスト装置（膝関節１０や股関節８に補助トルクを付与可能な電動モータ等を含む装置）において、関節モーメントの所定の割合を補償することを目的として定数(アシスト比率という)で与えられる。このようにして求めた重力補償トルクは、上記の動作アシスト装置の制御に用いられる。
【０１２５】
　以上説明した処理が、前記演算処理装置１６のサイクルタイム毎に逐次実行され、各脚体２に作用する床反力、各脚体２の膝関節１０及び股間節８に作用するモーメントおよび膝関節および股関節における重力補償トルクが逐次リアルタイムで推定される。
【０１２６】
　上記の本発明の一実施形態の作動を図１４の流れ図にまとめる。図１４のステップ S1410において、脚体運動判断手段２５により脚体の接地状態を判断する。なお、脚体運動判断手段２５に代わりフット・スイッチ２４あるいは距離センサの情報を使用してもよい。ステップ S1420において、脚体姿勢算出手段３２により脚体の姿勢を求める。ステップ S1430において、身体重心位置算出手段４１により身体重心位置を求める。ステップ S1440において、床反力推定手段６０により床反力の鉛直方向成分を求める。ステップ S1450において、床反力作用点推定手段５０により床反力の作用点を求める。ステップ S1460において、関節モーメント推定手段７１により関節に作用するモーメントを求める。ステップ S1470において、重力補償トルク算出手段７２により関節に作用させるトルクを求める。
【０１２７】
　前述した演算処理装置１６の処理により求められた関節に作用するモーメントの推定値の経時変化の様子を図６乃至図１３に×で示す。さらに、図６乃至図１３において、関節に作用するモーメントを求めるステップにおいて、加速度項および水平方向の力の項を含めて演算を行い、フィルタリングを行った場合の様子を◇で示し、フィルタリングを行わなかった場合の様子を□で示す。図６および７は、階段登り時における股関節および膝関節に作用するモーメントを示す。図８および９は、階段下り時における股関節および膝関節に作用するモーメントを示す。図１０および１１は、椅子座り時における股関節および膝関節に作用するモーメントを示す。図１２および１３は、椅子立ち時における股関節および膝関節に作用するモーメントを示す。
【０１２８】
　図６乃至１３を参照すると、本発明によれば、関節に作用するモーメントを求めるステップにおいて、加速度項および水平方向の力の項を除去して演算しているにもかかわらず、関節に作用するモーメントの推定値の推移は、加速度項および水平方向の力の項を含めて演算を行った場合の推定値の推移と同様である。特に、椅子座り時および椅子立ち時の推定値の推移は、加速度項および水平方向の力の項を含めて演算を行った場合の推定値の推移ときわめて近似している。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
　以上のように、本実施形態によれば、脚体２に人間１の歩行の邪魔となったり、脚体２の運動に負担がかかるようなセンサを装着したりすることなく、股関節８や膝関節１０にそれぞれ装着した角度センサ２２、２３や、胴体５に装備したジャイロセンサ１４、１９及び加速度センサ１５，２０，２１というような比較的小型で軽量なセンサを用いて各脚体２に作用する床反力や、各脚体２の股関節８及び膝関節１０に作用するモーメントをリアルタイムで容易に推定することができる。さらに、関節に作用するモーメントを求めるステップにおいて、加速度項および水平方向の力の項を除去して演算するので、加速度項の演算により生じるノイズを排除することができ、加速度項の演算を省略することによりリアルタイム性を向上することができる。特に、椅子座り時および椅子立ち時においては、精度よく推定を行うことができる。
【０１３０】
　尚、以上説明した実施形態では、本発明を人間１に適用した場合を例にとって説明したが、二足歩行移動体としての二足歩行ロボットにも本発明を適用することができる。ここで、二足歩行ロボットでは、腰部と胸部とが一体的な構造となっている場合があるが、この場合には、ジャイロセンサや水平方向の加速度センサを腰部及び胸部のいずれか一方だけに取付けて、床反力や脚体の関節のモーメントを本実施形態と同様に推定するようにすることも可能である。また、二足歩行ロボットでは、股関節や膝関節の屈曲角度は、それらの関節のアクチュエータに対する制御装置の制御量により把握するようにすることも可能である。
【０１３１】
　また、前記実施形態では、脚体２の運動状態を判断するために、腰部鉛直加速度センサ２１の検出データをそのまま用いたが、該検出データの代わりに、例えば前記基準加速度計測手段２８により求められる絶対座標系Ｃｆでの腰部３の加速度ａ０の鉛直方向（Ｚ軸方向）の成分の値を用いるようにしてもよい。
【０１３２】
　以上のように、本発明は、人間の階段昇降動作、座位・立位運動、スクワット動作、重い荷物を持っての上下運動、重力に対する動作を補助する動作アシスト装置の動作制御や、二足歩行ロボットの移動動作の制御を行う場合に、移動体の脚体に作用する関節モーメントを把握しさらに関節部分に与えるトルクを得るものとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１３３】
【図１】本発明の床反力推定方法の基本的原理を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施形態における二足歩行移動体としての人間と該人間に装備する装置構成を模式化して示す図である。
【図３】図２の装置に備える演算処理装置の機能を説明するためのブロック図である。
【図４】図３の演算処理装置の処理に用いる剛体リンクモデルを示す図である。
【図５】図３の演算処理装置の関節モーメント推定手段における処理を説明するための図である。
【図６】本発明の実施形態により求められた階段登り時に股関節に作用するモーメントの推定値の経時変化の様子を例示するグラフである。
【図７】本発明の実施形態により求められた階段登り時に膝関節に作用するモーメントの推定値の経時変化の様子を例示するグラフである。
【図８】本発明の実施形態により求められた階段下り時に股関節に作用するモーメントの推定値の経時変化の様子を例示するグラフである。
【図９】本発明の実施形態により求められた階段下り時に膝関節に作用するモーメントの推定値の経時変化の様子を例示するグラフである。
【図１０】本発明の実施形態により求められた椅子座り時に股関節に作用するモーメントの推定値の経時変化の様子を例示するグラフである。
【図１１】本発明の実施形態により求められた椅子座り時に膝関節に作用するモーメントの推定値の経時変化の様子を例示するグラフである。
【図１２】本発明の実施形態により求められた椅子立ち時に股関節に作用するモーメントの推定値の経時変化の様子を例示するグラフである。
【図１３】本発明の実施形態により求められた椅子立ち時に膝関節に作用するモーメントの推定値の経時変化の様子を例示するグラフである。
【図１４】本発明の一実施形態の作動を示す流れ図である。
【符号の説明】
【０１３４】
３２　　脚体姿勢算出手段
４１　　身体重心位置算出手段
５０　　床反力作用点推定手段
６０　　床反力推定手段
７１　　関節モーメント推定手段
７２　　重力補償トルク算出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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