(57)【要約】【課題】複数種類の相関データを用いることなく、人間等の二足歩行移動体に係る床反力作用点の位置を比較的簡単な手法でリアルタイムに把握する。【解決手段】二足歩行移動体の平地歩行等の運動中に、二足歩行移動体の重心Ｇ０の位置と各脚体２の足首関節１２の位置と足平部１３の中足趾節関節１３ａの位置とを逐次把握する。足平部１３の中足趾節関節１３ａの直下の箇所と足首関節１２の直下の箇所とでそれぞれ足平部１３の底面に設けた接地センサ５１ｆ，５１ｒにより検知されるそれぞれの箇所の接地の有無の組合わせに応じて重心Ｇ０、足首関節１２および中足趾節関節１３ａのいずれかの水平方向位置を床反力作用点の水平方向位置として推定する。床反力作用点の鉛直方向位置は、足首関節１２から接地面までの鉛直方向距離に基づき推定する。【選択図】図６
2004314250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二足歩行移動体の各脚体毎の床反力作用点の位置を逐次推定する方法であって、
前記二足歩行移動体の各脚体の足平部の底面のうち、該脚体の足首関節の直下箇所と該脚体の足平部の中足趾節関節の直下箇所とにそれぞれ当該直下箇所の接地の有無に応じた接地検知信号を出力する第１接地センサおよび第２接地センサを設けておき、
前記二足歩行移動体の運動中に、該二足歩行移動体の重心の位置と各脚体の足首関節の位置と該脚体の足平部の中足趾節関節の位置とをそれぞれ逐次把握すると共に、接地している各脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離を逐次把握する第１ステップと、
前記二足歩行移動体の運動中に接地している各脚体毎に、少なくとも各脚体の前記第１接地センサの接地検知信号による接地の有無と前記第２接地センサの接地検知信号による接地の有無との組合わせに応じて、第１ステップで位置を求めた前記重心、該脚体の足首関節および該脚体の中足趾節関節のうちのいずれか一つの水平方向位置を選択的に該脚体の床反力作用点の水平方向位置として逐次推定すると共に、該脚体の床反力作用点の鉛直方向位置を、前記第１ステップで求めた該脚体の足首関節から接地面までの前記鉛直方向距離だけ該足首関節から鉛直方向下方に離れた位置として逐次推定する第２ステップとを備えたことを特徴とする二足歩行移動体の床反力作用点推定方法。
【請求項２】
前記第２ステップで前記床反力作用点の水平方向位置を推定するとき、接地している各脚体毎に、各脚体の第１接地センサの接地検知信号が接地有りを示す信号であり、且つ該脚体の第２接地センサの接地検知信号が接地無しを示す信号であるときには、該脚体の足首関節の水平方向位置を該脚体の床反力作用点の水平方向位置として推定し、各脚体の第１接地センサの接地検知信号が接地無しを示す信号であり、且つ該脚体の第２接地センサの接地検知信号が接地有りを示す信号であるときには、該脚体の中足趾節関節の水平方向位置を該脚体の床反力作用点の水平方向位置として推定し、各脚体の第１接地センサ及び第２接地センサの両者の接地検知信号が接地有りを示す信号であり、且つ、前記重心の位置が該脚体の足首関節の位置よりも前記二足歩行移動体の進行方向で後側に存在するときには、該脚体の足首関節の水平方向位置を該脚体の床反力作用点の水平方向位置として推定し、各脚体の第１接地センサ及び第２接地センサの両者の接地検知信号が接地有りを示す信号であり、且つ、前記重心の位置が該脚体の中足趾節関節の位置よりも前記二足歩行移動体の進行方向で前側に存在するときには、該脚体の中足趾節関節の水平方向位置を該脚体の床反力作用点の水平方向位置として推定し、各脚体の第１接地センサ及び第２接地センサの両者の接地検知信号が接地有りを示す信号であり、且つ、前記重心の位置が前記二足移動体の進行方向で該脚体の足首関節の位置と中足趾節関節の位置との間に存在するときには、前記重心の水平方向位置を該脚体の床反力作用点の水平方向位置として推定することを特徴とする請求項１記載の二足歩行移動体の床反力作用点推定方法。
【請求項３】
前記二足歩行移動体の直立停止状態における各脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離をあらかじめ計測して記憶保持しておき、前記第１ステップで前記接地している各脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離を把握するとき、前記記憶保持した鉛直方向距離を、前記接地している各脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離として把握することを特徴とする請求項１又は２記載の二足歩行移動体の床反力作用点推定方法。
【請求項４】
前記二足歩行移動体の直立停止状態における各脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離と該脚体の中足趾節関節から接地面までの鉛直方向距離とをそれぞれ第１基本鉛直方向距離及び第２基本鉛直方向距離としてあらかじめ計測して記憶保持しておき、
前記第１ステップで前記接地している各脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離を把握するとき、前記重心の位置が該脚体の中足趾節関節の位置よりも二足歩行移動体の進行方向で後側に存在するときには、前記第１基本鉛直方向距離を該脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離として把握し、前記重心の位置が該脚体の中足趾節関節の位置よりも二足歩行移動体の進行方向で前側に存在するときには、該脚体の足首関節と中足趾節関節との間の鉛直方向距離を求めた後、その求めた鉛直方向距離に前記第２基本鉛直方向距離を加えた値を該脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離として把握することを特徴とする請求項１又は２記載の二足歩行移動体の床反力作用点推定方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の二足歩行移動体の床反力作用点推定方法により逐次求めた床反力作用点の位置の推定値を用いて前記二足歩行移動体の各脚体の少なくとも一つの関節に作用するモーメントを推定する方法であって、
前記二足歩行移動体の接地している各脚体の床反力を少なくとも該二足歩行移動体の上体の所定部位の加速度を検出すべく該上体に装着した加速度センサの検出出力と該上体の傾斜角度を検出すべく該上体に装着した上体傾斜センサの検出出力とを用いて逐次推定するステップと、前記二足歩行移動体を複数の剛体の連結体として表してなる剛体リンクモデルの各剛体に対応する二足歩行移動体の各剛体相当部の傾斜角度、該剛体相当部の重心の加速度及び該剛体相当部の角加速度を少なくとも前記上体の傾斜センサと該二足歩行移動体の各脚体の関節の屈曲角度を検出すべく該関節に装着した角度センサの検出出力とを用いて逐次把握するステップとを備え、
前記床反力の推定値と、前記床反力作用点の位置の推定値と、前記各剛体相当部の傾斜角度、該剛体相当部の重心の加速度及び該剛体相当部の角加速度と、各剛体相当部のあらかじめ求めた重量及びサイズと、各剛体相当部における該剛体相当部のあらかじめ求めた重心の位置と、各剛体相当部のあらかじめ求めた慣性モーメントとを用いて逆動力学モデルに基づき前記二足歩行移動体の各脚体の少なくとも一つの関節に作用するモーメントを推定することを特徴とする二足歩行移動体の関節モーメント推定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人間や二足歩行ロボット等の二足歩行移動体の各脚体毎の床反力作用点の位置を推定する方法に関する。さらに、その床反力作用点の位置の推定値を用いて二足歩行移動体の脚体の関節に作用するモーメントを推定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば人間の歩行動作を補助する歩行アシスト装置の動作制御や、二足歩行ロボットの移動動作の制御を行なう場合、人間や二足歩行ロボットの脚体に作用する床反力（詳しくは、脚体の接地部に床から作用する力）と床反力作用点の位置とを逐次把握することが必要となる。この床反力および床反力作用点を把握することで、二足歩行移動体の脚体の関節に作用するモーメント等を把握することが可能となり、その把握されたモーメント等に基づいて歩行アシスト装置の目標補助力や、二足歩行ロボットの各関節の目標駆動トルク等を決定することが可能となる。
【０００３】
前記床反力を把握する手法としては、例えば特開２０００−２４９５７０号公報に開示されているものが知られている。この技術では、二足歩行移動体の定常的な歩行時に各脚体の床反力の経時変化の波形が周期的に変化することから、各脚体の床反力を、歩行周期の１／ｎ（ｎ＝１，２，…）の互いに異なる周期を有する複数の三角関数の合成値（一次結合）として把握するものである。しかし、この技術では、床反力作用点の位置を把握することはできず、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には不十分である。
【０００４】
また、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および床反力作用点の位置を把握する手法も知られている（例えば特開２００１−２９３２９号公報を参照）。しかし、この技術では、フォースプレートが設置された環境下でしか床反力および床反力作用点の位置を把握できず、通常の環境下での二足歩行移動体の歩行には適用できないという問題がある。
【０００５】
そこで、本願出願人は、先に、例えば特願２００２−１８７９８号にて、床反力作用点の位置をリアルタイムで推定できる手法を提案している。この手法は、各脚体の大腿部の傾斜角度、あるいは、膝関節の屈曲角度が各脚体の足首部に対する床反力作用点の位置（足首部を基準とした床反力作用点の位置ベクトル）との間に比較的高い相関性を有することを利用したものである。すなわち、この手法では、大腿部の傾斜角度、あるいは、膝関節の屈曲角度と、床反力作用点の位置との相関関係を表す相関データ（例えばデータテーブルや演算式）があらかじめ作成されて記憶保持され、この相関データと、二足歩行移動体の歩行時に計測される大腿部の傾斜角度又は膝関節の屈曲角度とから、床反力作用点の位置が推定される。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２４９５７０号公報
【特許文献２】
特開２００１−２９３２９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本願発明者等のさらなる実験・検討によって、大腿部の傾斜角度、あるいは、膝関節の屈曲角度と、床反力作用点の位置との相関関係は、二足歩行移動体の歩行速度等の影響を受け、さらには、平地歩行、階段歩行、坂道歩行等、二足歩行移動体の運動形態の影響も受けることが判明した。このため、上記手法により、床反力作用点の位置を適正に推定するためには、前記相関データを二足歩行移動体の歩行速度や運動形態の種別毎に複数種類用意して、記憶保持しておかなければならず、その記憶保持のためにメモリの多くの容量を必要とするという不都合があった。また、運動形態が切り替わるときに、その切り替わり前後で各別の相関データに基づいて推定される床反力作用点の位置の不連続が生じやすく、ひいては、その床反力作用点の推定位置を用いて関節モーメントを推定したときに、該関節モーメントの推定値も不連続に変化してしまうという不都合もあった。
【０００８】
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、複数種類の相関データを用いることなく、床反力作用点の位置を比較的簡単な手法でリアルタイムに把握することができ、特に二足歩行移動体としての人間に係る床反力作用点の位置を把握する上で好適な床反力作用点推定方法を提供することを目的とする。
【０００９】
さらに、その床反力作用点の推定値を用いて脚体の膝関節等の関節に作用するモーメントをリアルタイムに把握することができる二足歩行移動体の関節モーメント推定方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等が種々様々な実験等により鋭意努力して知見したところによれば、人間等の二足歩行移動体が平地歩行等の運動を行っているとき、接地している各脚体の床反力作用点の水平方向位置は、二足歩行移動体の移動速度や運動形態等によらずに、該脚体が足平部のどの箇所で接地しているかによって、概ね、二足歩行移動体の重心の水平方向位置、該脚体の足平部の中足趾節関節（足平部の親指の付け根の関節）の水平方向位置、および該脚体の足首関節の水平方向位置のいずれかの位置とほぼ同等になる。すなわち、各脚体について、その足平部の踵側を接地させずに中足趾節関節のほぼ直下の箇所（つま先側の箇所）で接地していれば、該脚体に係る床反力作用点の水平方向位置は、中足趾節関節の水平方向位置とほぼ同等になり、足平部のつま先側を接地させずに足首関節のほぼ直下の箇所（踵側の箇所）で接地していれば、該脚体に係る床反力作用点の水平方向位置は、足首関節の水平方向位置とほぼ同等になる。また、足平部のつま先側および踵側の両者の箇所が接地（足平部の底面のほぼ全面で接地）していれば、該脚体に係る床反力作用点の水平方向位置は、二足歩行移動体の重心の水平方向位置とほぼ同等になる場合が多い。従って、二足歩行移動体の重心、各脚体の足首関節、および中足趾節関節の位置（特に水平方向位置）を逐次把握するとともに、接地している各脚体の足平部のどの箇所が接地しているかを把握すれば、該脚体に係る床反力作用点の水平方向位置を推定することが可能である。また、接地している各脚体の床反力作用点の鉛直方向位置、特に足首関節に対する鉛直方向位置は、該脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離により定まる。
【００１１】
そこで、本発明の二足歩行移動体の床反力作用点推定方法、すなわち二足歩行移動体の各脚体毎の床反力作用点の位置を逐次推定する方法は、前記の目的を達成するために、前記二足歩行移動体の各脚体の足平部の底面のうち、該脚体の足首関節の直下箇所と該脚体の足平部の中足趾節関節の直下箇所とにそれぞれ当該直下箇所の接地の有無に応じた接地検知信号を出力する第１接地センサおよび第２接地センサを設けておく。そして、前記二足歩行移動体の運動中に、該二足歩行移動体の重心の位置と各脚体の足首関節の位置と該脚体の足平部の中足趾節関節の位置とをそれぞれ逐次把握すると共に、接地している各脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離を逐次把握する第１ステップと、前記二足歩行移動体の運動中に接地している各脚体毎に、少なくとも各脚体の前記第１接地センサの接地検知信号による接地の有無と前記第２接地センサの接地検知信号による接地の有無との組合わせに応じて、第１ステップで位置を求めた前記重心、該脚体の足首関節および該脚体の中足趾節関節のうちのいずれか一つの水平方向位置を選択的に該脚体の床反力作用点の水平方向位置として逐次推定すると共に、該脚体の床反力作用点の鉛直方向位置を、前記第１ステップで求めた該脚体の足首関節から接地面までの前記鉛直方向距離だけ該足首関節から鉛直方向下方に離れた位置として逐次推定する第２ステップとを備える。
【００１２】
かかる本発明の床反力作用点推定方法によれば、二足歩行移動体の重心の位置と各脚体の足首関節の位置と該脚体の足平部の中足趾節関節の位置とをそれぞれ逐次把握しておき、各脚体の足平部の底面の２つの箇所（足首関節の直下箇所と中足趾節関節の直下箇所）にそれぞれ設けた第１および第２接地センサの接地検知信号によるそれぞれの箇所の接地の有無の組合わせに応じて、前記重心、足首関節および中足趾節関節のうちのいずれか一つの水平方向位置が選択的に該脚体の床反力作用点の水平方向位置として逐次推定される。このため、データテーブルやマップデータ等を使用することなく、床反力作用点の水平方向位置を推定することができる。また、前記第１ステップで接地している各脚体の足首関節から接地面（床面）までの鉛直方向距離を逐次把握しておくことで、その鉛直方向距離だけ足首関節から鉛直方向下方に離れた位置を床反力作用点の鉛直方向位置として推定するので、データテーブルやマップデータ等を使用することなく、床反力作用点の水平方向位置を推定することができる。
【００１３】
従って、本発明の床反力作用点推定方法によれば、複数種類の相関データを用いることなく、床反力作用点の位置を比較的簡単な手法でリアルタイムに把握することができる。
【００１４】
なお、本発明の床反力作用点推定方法で、前記重心の位置、足首関節の位置、および中足趾節関節の位置は、例えば上体の傾斜角度をジャイロセンサや加速度センサにより検出すると共に、各脚体の関節の屈曲角度をポテンショメータ等を用いて検出し、それらの検出した上体の傾斜角度および脚体の関節の屈曲角度と、二足移動体を剛体の連結体として表現してなる剛体リンクモデルとを用いて把握することが可能である。
【００１５】
かかる本発明の床反力作用点推定方法では、基本的には、各脚体の第１接地センサの接地検知信号が接地有りを示す信号であり、且つ該脚体の第２接地センサの接地検知信号が接地無しを示す信号であるときには、該脚体の足首関節の水平方向位置を該脚体の床反力作用点の水平方向位置として推定し、各脚体の第１接地センサの接地検知信号が接地無しを示す信号であり、且つ該脚体の第２接地センサの接地検知信号が接地有りを示す信号であるときには、該脚体の中足趾節関節の水平方向位置を該脚体の床反力作用点の水平方向位置として推定し、各脚体の第１接地センサ及び第２接地センサの両者の接地検知信号が接地有りを示す信号であるときには、前記重心の水平方向位置を該脚体の床反力作用点の水平方向位置として推定すればよい。
【００１６】
但し、二足歩行移動体の運動形態等によっては、第１接地センサ及び第２接地センサの両者の接地検知信号が接地有りを示す信号であるとき、すなわち、足首関節の直下の箇所（踵側の底面）と中足趾節関節の直下の箇所（つま先側の底面）とが接地（荷重がほとんど発生しない接触を含む）しているとき、二足歩行移動体の重心の位置が、二足歩行移動体の進行方向において、接地している脚体の足首関節の位置よりも後側に存在したり、あるいは、中足趾節関節の位置よりも前側に存在するような状況が生じることがある。このような場合には、重心の水平方向位置が脚体の接地面から逸脱するので、該重心の水平方向位置を床反力作用点の水平方向位置として推定すると、その推定位置は、脚体の接地面内に存在すべき本来の床反力作用点の水平方向位置に対して不正確なものとなる。また、二足歩行移動体の重心が接地している脚体の足首関節の位置よりも後側に存在するような状況では、該脚体に係る床反力は、一般に該脚体の足平部の踵寄りの箇所（すなわち前記第１接地センサの近傍箇所）に集中する。さらに二足歩行移動体の重心が接地している脚体の足平部の中足趾節関節の位置よりも前側に存在するような状況では、該脚体に係る床反力は、一般に該脚体のつま先寄りの箇所（すなわち前記第１接地センサの近傍箇所）に集中する。
【００１７】
そこで、本発明の床反力作用点推定方法では、前記第２ステップで前記床反力作用点の水平方向位置を推定するとき、接地している各脚体毎に、各脚体の第１接地センサの接地検知信号が接地有りを示す信号であり、且つ該脚体の第２接地センサの接地検知信号が接地無しを示す信号であるときには、該脚体の足首関節の水平方向位置を該脚体の床反力作用点の水平方向位置として推定し、各脚体の第１接地センサの接地検知信号が接地無しを示す信号であり、且つ該脚体の第２接地センサの接地検知信号が接地有りを示す信号であるときには、該脚体の中足趾節関節の水平方向位置を該脚体の床反力作用点の水平方向位置として推定し、各脚体の第１接地センサ及び第２接地センサの両者の接地検知信号が接地有りを示す信号であり、且つ、前記重心の位置が該脚体の足首関節の位置よりも前記二足歩行移動体の進行方向で後側に存在するときには、該脚体の足首関節の水平方向位置を該脚体の床反力作用点の水平方向位置として推定し、各脚体の第１接地センサ及び第２接地センサの両者の接地検知信号が接地有りを示す信号であり、且つ、前記重心の位置が該脚体の中足趾節関節の位置よりも前記二足歩行移動体の進行方向で前側に存在するときには、該脚体の中足趾節関節の水平方向位置を該脚体の床反力作用点の水平方向位置として推定し、各脚体の第１接地センサ及び第２接地センサの両者の接地検知信号が接地有りを示す信号であり、且つ、前記重心の位置が前記二足移動体の進行方向で該脚体の足首関節の位置と中足趾節関節の位置との間に存在するときには、前記重心の水平方向位置を該脚体の床反力作用点の水平方向位置として推定することが好適である。
【００１８】
このようにすることにより、二足歩行移動体の運動形態等によらずに、床反力作用点の水平方向位置の推定精度を高めることができる。
【００１９】
また、本発明の床反力作用点推定方法では、床反力作用点の鉛直方向位置の推定に関しては、例えば前記二足歩行移動体の直立停止状態における各脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離をあらかじめ計測して記憶保持しておき、前記第１ステップで前記接地している各脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離を把握するとき、前記記憶保持した鉛直方向距離を、前記接地している各脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離として把握する。なお、二足歩行移動体の直立停止状態は、より詳しく言えば、二足歩行移動体が、その両脚体および上体をほぼ鉛直方向に伸ばし、両脚体の足平部の底面のほぼ全面を接地させて起立した状態を意味する。
【００２０】
すなわち、本願発明者等の知見によれば、接地している脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離は、一般に、二足歩行移動体の平地歩行等の運動中にさほど大きく変化することはなく、二足歩行移動体の直立停止状態における各脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離に概略的にはほぼ同等となる。従って、その直立停止状態における各脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離をあらかじめ計測して記憶保持しておき、その記憶保持した鉛直方向距離を、二足歩行移動体の運動中に接地している脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離として把握することで、簡単に床反力作用点の鉛直方向位置を推定できる。
【００２１】
さらにより精度よく、床反力作用点の鉛直方向位置を推定するためには、前記二足歩行移動体の直立停止状態における各脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離と該脚体の中足趾節関節から接地面までの鉛直方向距離とをそれぞれ第１基本鉛直方向距離及び第２基本鉛直方向距離としてあらかじめ計測して記憶保持しておき、前記第１ステップで前記接地している各脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離を把握するとき、前記重心の位置が該脚体の中足趾節関節の位置よりも二足歩行移動体の進行方向で後側に存在するときには、前記第１基本鉛直方向距離を該脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離として把握し、前記重心の位置が該脚体の中足趾節関節の位置よりも二足歩行移動体の進行方向で前側に存在するときには、該脚体の足首関節と中足趾節関節との間の鉛直方向距離を求めた後、その求めた鉛直方向距離に前記第２基本鉛直方向距離を加えた値を該脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離として把握することが好ましい。
【００２２】
すなわち、前記重心の位置が脚体の中足趾節関節の位置よりも二足歩行移動体の進行方向で後側に存在するときには、該脚体の足平部は、少なくともその踵の底面を接地させているので、二足歩行移動体の運動中に接地している脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離は、前記第１基本鉛直方向距離にほぼ等しい。また、重心の位置が脚体の中足趾節関節の位置よりも二足歩行移動体の進行方向で前側に存在するときには、該脚体の足平部は、一般に踵を浮かせて、つま先側の箇所（中足趾節関節の近傍箇所）で接地させている。そして、この場合には、該脚体の足平関節から接地面までの鉛直方向距離は、該足平関節と中足趾節関節との間の鉛直方向距離に、前記第２基本鉛直方向距離を加えた値にほぼ等しい。そして、この場合、足平関節と中足趾節関節との間の鉛直方向距離は前記第１ステップで把握したそれらの関節の位置から求めることができる。
【００２３】
従って、重心の位置が脚体の中足趾節関節の位置よりも二足歩行移動体の進行方向で後側に存在するか前側に存在するかで上記の如く、脚体の足首関節から接地面までの鉛直方向距離を把握することで、その鉛直方向距離の精度を高めることができ、ひいては、床反力作用点の鉛直方向位置の推定値の精度をより高めることができる。
【００２４】
次に、本発明の二足歩行移動体の関節モーメント推定方法は、前述した本発明の床反力推定方法により逐次求めた床反力作用点の位置の推定値を用いて二足歩行移動体の各脚体の少なくとも一つの関節に作用するモーメントを推定する方法である。そして、この関節モーメント推定方法は、前記二足歩行移動体の接地している各脚体の床反力を少なくとも該二足歩行移動体の上体の所定部位の加速度を検出すべく該上体に装着した加速度センサの検出出力と該上体の傾斜角度を検出すべく該上体に装着した上体傾斜センサの検出出力とを用いて逐次推定するステップと、前記二足歩行移動体を複数の剛体の連結体として表してなる剛体リンクモデルの各剛体に対応する二足歩行移動体の各剛体相当部の傾斜角度、該剛体相当部の重心の加速度及び該剛体相当部の角加速度を少なくとも前記上体の傾斜センサの検出出力と該二足歩行移動体の各脚体の関節の屈曲角度を検出すべく該関節に装着した角度センサの検出出力とを用いて逐次把握するステップとを備え、前記床反力の推定値と、前記床反力作用点の位置の推定値と、前記各剛体相当部の傾斜角度、該剛体相当部の重心の加速度及び該剛体相当部の角加速度と、各剛体相当部のあらかじめ求めた重量及びサイズと、各剛体相当部における該剛体相当部のあらかじめ求めた重心の位置と、各剛体相当部のあらかじめ求めた慣性モーメントとを用いて逆動力学モデルに基づき前記二足歩行移動体の各脚体の少なくとも一つの関節に作用するモーメントを推定することを特徴とするものである。
【００２５】
かかる本発明の関節モーメント推定方法では、詳細は後述するが、二足歩行移動体の上体（胴体）の所定部位（例えば腰部）の加速度を加速度センサで逐次検出すると共に、上体の傾斜角度を上体傾斜センサで逐次検出すれば、それらの検出出力（検出値）を用いて、接地している各脚体に作用する床反力を逐次推定することができる。さらに、上体の傾斜角度を上体傾斜センサで検出することに加えて、各脚体の関節の屈曲角度を角度センサで逐次検出すれば、それらの上体傾斜センサ及び角度センサの検出出力（検出値）を用いて、二足歩行移動体を表す剛体リンクモデルの各剛体相当部（大腿部や下腿部等）の傾斜角度（これは各剛体相当部の相互の姿勢関係を表す）、該剛体相当部の重心の加速度および該剛体相当部の角加速度を逐次把握できる。すなわち、上体の傾斜角度と各脚体の関節の屈曲角度とがわかれば、各剛体相当部の相互の姿勢関係がわかるので、各剛体相当部の傾斜角度がわかる。さらに各剛体相当部における該剛体相当部の重心の位置（各剛体相当部に固定した座標系での該剛体相当部の重心の位置）はあらかじめ求めておくことができるので、これと各剛体相当部の相互の姿勢関係とから、二足歩行移動体に全体における（剛体リンクモデルの全体における）各剛体相当部の重心の位置（二足歩行移動体の任意の位置（例えば腰部）に定めた基準点に対する位置）が判る。そして、各剛体相当部の重心の位置の二階微分値として、該重心の加速度を把握できる。また、各剛体相当部の傾斜角度がわかれば、それの二階微分値として各剛体相当部の角加速度を把握できる。
【００２６】
そして、上述のように二足歩行移動体の床反力を推定すると共に、各剛体相当部の傾斜角度、該剛体相当部の重心の加速度、および該剛体相当部の角加速度を把握したとき、前記床反力作用点推定方法により求められる床反力作用点の推定値と併せて、それらのデータと、各剛体相当部のあらかじめ求めた重量及びサイズ（特に長さ）と、各剛体相当部における該剛体相当部のあらかじめ求めた重心の位置と、各剛体相当部のあらかじめ求めた慣性モーメントとを用いて、公知の所謂逆動力学モデルに基づいて各脚体の膝関節や股関節に作用するモーメントを推定することができる。この逆動力学モデルに基づく手法は、それを簡略的に言えば、二足歩行移動体の各剛体相当部の重心の並進運動に関する運動方程式と、該剛体相当部の回転運動（例えば該剛体相当部の重心の回りの回転運動）に関する運動方程式とを用いて剛体リンクモデルの各関節に相当する二足歩行移動体の各関節に作用するモーメントを床反力作用点により近いものから順番に求めていくものである。詳細は後述するが、例えば各脚体が大腿部及び下腿部をそれぞれ剛体相当部として有する連結体であるとした場合、各脚体の下腿部の重心の並進運動に関する運動方程式に、該下腿部の重心の加速度、該脚体に作用する床反力の推定値、下腿部の重量の値を適用することで、該脚体の膝関節に作用する力（関節反力）が判る。さらに、該脚体の膝関節に作用する関節反力と、該脚体の下腿部の角加速度と、該脚体の床反力作用点の推定位置と、該脚体の床反力の推定値と、該下腿部における該下腿部の重心の位置及び該下腿部のサイズ（長さ）に係わるデータ値と、該下腿部の慣性モーメントの値と、該下腿部の傾斜角度の値とを該下腿部の回転運動に関する運動方程式に適用することで、該脚体の膝関節のモーメントを推定することができる。
【００２７】
また、各脚体の大腿部の重心の並進運動に関する運動方程式に、該大腿部の重心の加速度、該脚体の膝関節に作用する関節反力、大腿部の重量の値とを適用することで、該脚体の股関節に作用する関節反力が判る。さらに、該脚体の膝関節及び股関節にそれぞれ作用する関節反力と、該脚体の大腿部の角加速度と、該大腿部における該大腿部の重心の位置及び該大腿部のサイズ（長さ）に係わるデータ値と、該大腿部の慣性モーメントの値と、該大腿部の傾斜角度の値とを該大腿部の回転運動に関する運動方程式に適用することで、該脚体の股関節のモーメントを推定することができる。
【００２８】
かかる本発明の関節モーメント推定方法によれば、前述の本発明の床反力作用点推定方法により推定した床反力作用点を用いて脚体の関節に作用するモーメントを推定することにより、多種類の相関データをあらかじめ用意したり、二足歩行移動体に比較的大型なセンサ等を装備したりすることなく、脚体の関節に作用するモーメントを比較的簡単な演算処理でリアルタイムに推定することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しつつ、本発明の床反力作用点推定方法及び関節モーメント推定方法を適用した実施形態を説明する。まず、理解の便宜上、本実施形態における二足歩行移動体の床反力推定手法の基本的な考え方を図１を参照して説明しておく。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（図では二足歩行移動体１の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。
【００３０】
ここで、まず、前記単脚支持状態において、二足歩行移動体１が運動を行う床に対して固定的な絶対座標系における該二足歩行移動体１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。
【００３１】
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）
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。
【００３２】
従って、二足歩行移動体１の重心Ｇ０の加速度ａ＝Ｔ（ａｘ，ａｚ）を把握すれば、その加速度ａと、二足歩行移動体１の重量Ｍの値と、重力加速度ｇの値とを用いて、次式（２）により、床反力Ｆ＝Ｔ（Ｆｘ，Ｆｚ）の推定値を得ることができることとなる。
【００３３】
Ｔ（Ｆｘ，Ｆｚ）＝Ｍ・Ｔ（ａｘ，ａｚ−ｇ）    ……（２）
この場合、床反力Ｆの推定値を得るために必要な重量Ｍは、あらかじめ計測等により把握することができる。また、重心Ｇ０の位置や加速度ａについては、詳細は後述するが、二足歩行移動体１の各関節の屈曲角度（回転角度）を検出するセンサや、加速度センサ、ジャイロセンサ等のセンサの出力を用いて公知の手法等により逐次把握することが可能である。
【００３４】
また、前記両脚接地状態における二足歩行移動体１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１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２，２のそれぞれの接地部に床から作用する床反力（両脚体２，２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。
【００３５】
Ｔ（Ｆｆｘ＋Ｆｒｘ，Ｆｆｚ＋Ｆｒｚ−Ｍ・ｇ）＝Ｍ・Ｔ（ａｘ，ａｚ）    ……（３）
尚、式（３）中のａｘ，ａｚ，Ｍ，ｇの意味は前述のとおりである。
【００３６】
一方、本願発明者等の知見によれば、両脚支持状態において、各脚体２，２にそれぞれ係る床反力Ｆｆ，Ｆｒは、概ね、図１（ｂ）に示すように、各脚体２，２の下端部近傍の特定部位、例えば足首関節１２ｆ，１２ｒの部分から二足歩行移動体１の重心Ｇ０に向かって作用するとみなすことができる。そして、このとき、前記重心Ｇ０に対する各脚体２，２の前記足首関節１２ｆ，１２ｒの位置と、各脚体２，２に作用する床反力Ｆｆ，Ｆｒとの間には一定の関係式、すなわち、前記重心Ｇ０と各脚体２，２の足首関節１２ｆ，１２ｒとを結ぶ線分の向き（該重心Ｇ０に対する該足首関節１２ｆ，１２ｒの位置ベクトルの向き）が該脚体２，２に係る床反力Ｆｆ，Ｆｒの向きに等しいという関係を表す関係式が成立する。
【００３７】
具体的には、図１（ｂ）を参照して、前記絶対座標系Ｃｆにおける重心Ｇ０の位置の座標を（Ｘｇ，Ｚｇ）、前側脚体２の足首関節１２ｆの位置の座標を（Ｘｆ，Ｚｆ）、後側脚体２の足首関節１２ｒの位置の座標を（Ｘｒ，Ｚｒ）とおくと、上記の関係式は次式（４）となる。
【００３８】
2004314250.tif 000003
そして、この式（４）と前記式（３）とから次式（５）が得られる。
【００３９】
2004314250.tif 000004
従って、二足歩行移動体１の重心Ｇ０の加速度ａ＝Ｔ（ａｘ，ａｚ）を把握するとと共に、二足歩行移動体１の重心Ｇ０に対する各脚体２，２のそれぞれの足首関節１２ｆ，１２ｒの位置（これは式（５）ではΔＸｆ，ΔＺｆ，ΔＸｒ，ΔＺｒにより表される）を把握すれば、その加速度ａ及び足首関節１２ｆ，１２ｒの位置と、二足歩行移動体１の重量Ｍの値と、重力加速度ｇの値とを用いて、前記式（５）により、各脚体２毎の床反力Ｆｆ＝Ｔ（Ｆｆｘ，Ｆｆｚ）、Ｆｒ＝Ｔ（Ｆｒｘ，Ｆｒｚ）の推定値を得ることができることとなる。
【００４０】
この場合、床反力Ｆｆ，Ｆｒの推定値を得るために必要な重量Ｍは、あらかじめ計測等により把握することができる。また、重心Ｇ０の加速度ａや重心Ｇ０の位置、該重心Ｇ０に対する前記足首関節１２ｆ，１２ｒの位置については、詳細は後述するが、二足歩行移動体１の各関節の屈曲角度（回転角度）を検出するセンサや、加速度センサ、ジャイロセンサ等のセンサの出力を用いて、公知の手法等により逐次把握することが可能である。
【００４１】
以下に説明する実施形態（第１および第２実施形態）は、上記に説明した事項を基礎として各脚体２の床反力を推定しつつ、各脚体２の床反力作用点および関節モーメントを推定するものである。
【００４２】
以下に、二足歩行移動体としての人間に本発明を適用した第１実施形態について詳説する。
【００４３】
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。
【００４４】
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、足首関節１２を介して足平部１３が連結されている。
【００４５】
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に作用する床反力及びその作用点の推定、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。
【００４６】
すなわち、胴体５の胸部４には、胸部４の傾斜に伴う角速度に応じた出力を発生するジャイロセンサ１４（以下、胸部ジャイロセンサ１４という）と、胸部４の前後方向の加速度に応じた出力を発生する加速度センサ１５（以下、胸部前後加速度センサ１５という）と、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等から構成される演算処理装置１６と、該演算処理装置１６等の電源となるバッテリ１７とが装着されている。この場合、これらの胸部ジャイロセンサ１４、胸部前後加速度センサ１５、演算処理装置１６及びバッテリ１７は、例えば胸部４に図示しないベルト等を介して固定されるショルダーバッグ状の収容部材１８に収容され、該収容部材１８を介して胸部４に一体的に固定されている。
【００４７】
尚、胸部加速度センサ１５の出力が表す加速度は、より詳しくは、胸部４の水平断面方向（胸部４の軸心と直交する方向）での前後方向の加速度であり、人間１が平地に直立姿勢で起立した状態では、前後水平方向（図２の絶対座標系ＣｆのＸ軸方向）での加速度であるが、腰部３あるいは胸部４が鉛直方向（図２の絶対座標系Ｃｆ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。
【００４８】
また、胴体５の腰部３には、腰部３の傾斜に伴う角速度に応じた出力を発生するジャイロセンサ１９（以下、腰部ジャイロセンサ１９という）と、腰部３の前後方向の加速度に応じた出力を発生する加速度センサ２０（以下、腰部前後加速度センサ２０という）と、腰部３の上下方向の加速度に応じた出力を発生する加速度センサ２１（以下、腰部上下加速度センサ２１という）とが、図示しないベルト等の固定手段を介して一体的に装着・固定されている。
【００４９】
ここで、腰部前後加速度センサ２０は、より詳しくは胸部前後加速度センサ１５と同様、腰部３の水平断面方向（腰部３の軸心と直交する方向）での前後方向の加速度を検出するセンサである。また、腰部上下加速度センサ２１は、より詳しくは、腰部３の軸心方向での上下方向の加速度（これは腰部前後加速度センサ２０が検出する加速度と直交する）を検出するセンサである。尚、腰部前後加速度センサ２０及び腰部上下加速度センサ２１は、二軸型の加速度センサにより一体的に構成されたものであってもよい。
【００５０】
さらに各脚体２の股関節８と膝関節１０と足首関節１２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および膝関節角度センサ２３が装着されている。尚、股関節角度センサ２２については、図２では手前側（人間１の前方に向かって右側）の脚体２の股関節８に係わる股関節角度センサ２２のみが図示されているが、他方側（人間１の前方に向かって左側）の脚体２の股関節８には、手前側の股関節角度センサ２２と同心に、股関節角度センサ２２が装着されている。
【００５１】
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、本実施形態の例では、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の直立停止状態のように腰部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。ここで、大腿部９の軸心は、該大腿部９の一端の関節（股関節８）の中心と他端の関節（膝関節１０）の中心を結ぶ直線である。同様に、下腿部１１の軸心はその両端の関節（膝関節１０および足首関節１２）のそれぞれの中心を結ぶ直線である。
【００５２】
さらに、各脚体２の足平部１３の底面の２つの箇所には、それらの箇所の接地の有無を検出する接地センサ５１ｆ，５１ｒが装着されている。より詳しくは、接地センサ５１ｆ，５１ｒは、人間１が履く各足平部１３の靴底に装着されている。この場合、各足平部１３の接地センサ５１ｆ，５１ｒは、それぞれ本発明における第２接地センサ、第１接地センサに相当するものであり、それぞれ足平部１３の中足趾節関節１３ａ（図２に黒点で示す。以下、ＭＰ関節１３ａという）の直下箇所と、足首関節１２の直下箇所とに前後方向に離間して設けられ、それぞれの該当箇所の接地の有無に応じてＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する。なお、前記ＭＰ関節１３ａは、より詳しくは足平部１３の親指の付け根の関節である。また、ＭＰ関節１３ａの直下箇所というのは、より正確には、人間１がほぼ直立した起立姿勢で、その足平部１３の底面のほぼ全体を平坦な床面に接地させた状態でのＭＰ関節１３ａの鉛直下方箇所という意味であり、足首関節１２の直下箇所についても同様である。以下の説明では、接地センサ５１ｆをＭＰ直下接地センサ５１ｆ、接地センサ５１ｒを足首直下接地センサ５１ｒと称することがある。
【００５３】
前記各センサ１４，１５，１９〜２３，５１ｆ，５１ｒ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。また、本発明の床反力作用点推定方法に対応させていえば、ＭＰ直下接地センサ５１ｆ、足首直下接地センサ５１ｒは、それぞれ第２接地センサ、第１接地センサに相当するものである。さらに、本発明の関節モーメント推定方法に対応させていえば、センサ１４，１５，１９、２０は、二足歩行移動体としての人間１の上体の傾斜角度を検出するための上体傾斜センサとしての意味をもち、センサ２０，２１は、人間１（二足歩行移動体）の所定部位としての腰部３の加速度を検出するためのセンサとしての意味をもつ。
【００５４】
また、図２中、括弧付きの参照符号２４を付して示したものは、各脚体２の足首関節１２の屈曲角度に応じた信号を出力する足首関節角度センサであるが、これは、後述する第２実施形態に係わるものである。そして、本実施形態（第１実施形態）では、足首関節角度センサ２４は不要であり、実際には備えられていない。
【００５５】
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、前記接地センサ５１ｒ、５１ｆの検出データを用いて、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を備えている。また、演算処理装置１６は、胸部前後加速度センサ１５及び胸部ジャイロセンサ１４の検出データを用いて、胸部４の絶対座標系Ｃｆにおける傾斜角度θａ（具体的には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、腰部前後加速度センサ２０及び腰部ジャイロセンサ１９の検出データを用いて、腰部３の絶対座標系Ｃｆにおける傾斜角度θｂ（具体的には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。
【００５６】
さらに、演算処理装置１６は、腰部前後加速度センサ２０及び腰部上下加速度センサ２１の検出データと前記腰部傾斜角度計測手段２６により計測された腰部３の傾斜角度θｂのデータとを用いて、本実施形態における人間１の基準点として図２に示すように腰部３に設定される身体座標系Ｃｐ（図２のｘｚ座標系）の原点Ｏの絶対座標系Ｃｆにおける加速度（並進加速度）ａ０＝Ｔ（ａ０ｘ，ａ０ｚ）を求める基準加速度計測手段２８を備えている。ここで、身体座標系Ｃｐは、より詳しくは、例えば人間１の左右の股関節８，８のそれぞれの中心を結ぶ線の中点を原点Ｏとし、鉛直方向をｚ軸方向、人間１の前方に向かう水平方向をｘ軸方向とした座標系であり、３軸の方向は前記絶対座標系Ｃｆと同一である。
【００５７】
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（具体的には鉛直方向に対する傾斜角度θｃ，θｄ。図２参照）求める脚体姿勢算出手段２９を備えている。
【００５８】
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２９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３０と、その各剛体相当部の重心の位置のデータを用いて、上記身体座標系Ｃｐにおける人間１の全体の重心の位置を求める身体重心位置算出手段３１と、前記脚体姿勢算出手段２９による各脚体２の大腿部９及び下腿部１１のそれぞれの傾斜角度θｃ，θｄのデータを用いて各脚体２の足首関節１２の身体座標系Ｃｐにおける位置を求めると共に、さらに身体重心位置算出手段３１による人間１の全体の重心Ｇ０（図１参照。以下、身体重心Ｇ０という）の位置のデータを用いて該脚体２の足首関節１２の身体重心Ｇ０に対する位置（詳しくは、前記式（５）におけるΔＸｆ，ΔＺｆ，ΔＸｒ，ΔＺｒ）を求める足首位置算出手段３１と、足首位置算出手段３１により得られた足首関節１２の位置（身体座標系Ｃｐにおける位置）のデータを用いて各脚体２の足平部１３のＭＰ関節１３ａの身体座標系Ｃｐにおける位置（詳しくはｘ軸方向位置）を求めるＭＰ位置算出手段３３と、前記身体重心位置算出手段３１により得られた身体重心Ｇ０の位置のデータと前記基準加速度計測手段２８により得られた身体座標系Ｃｐの原点Ｏの加速度ａ０のデータとを用いて絶対座標系Ｃｆにおける身体重心Ｇ０の加速度ａ＝Ｔ（ａｘ，ａｚ）（図１参照）を求める身体重心加速度算出手段３４とを備えている。
【００５９】
さらに、演算処理装置１６は、前記各部重心位置算出手段３０により得られた人間１の各剛体相当部の重心の位置（詳しくは脚体２に係わる剛体相当部の重心の位置）のデータと前記基準加速度計測手段２８により得られた身体座標系Ｃｐの原点Ｏの加速度ａ０のデータとを用いて絶対座標系Ｃｆにおける各脚体２の大腿部９及び下腿部１１のそれぞれの重心の加速度（並進加速度）を求める脚体各部加速度算出手段３５と、前記脚体姿勢算出手段２９により得られた各脚体２の大腿部９及び下腿部１１のそれぞれの傾斜角度θｃ，θｄのデータを用いて絶対座標系Ｃｆにおける各脚体２，２の大腿部９及び下腿部１１の角加速度を求める脚体各部角加速度算出手段３６と、前記身体重心位置算出手段３１、足首位置算出手段３２およびＭＰ位置算出手段３３でそれぞれ求めた身体重心Ｇ０、足首関節１２及びＭＰ関節１３ａの位置（身体座標系Ｃｐでの位置）、並びに各脚体２の接地センサ５１ｆ，５１ｒの検出出力に基づ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３８とを備えている。
【００６０】
また、演算処理装置１６は、前記身体重心加速度算出手段３４により求めた身体重心の加速度ａのデータと前記足首位置算出手段３２により求めた各脚体２の足首関節１２の身体重心Ｇ０に対する位置のデータと前記脚体運動判断手段２５による脚体２の運動状態の判断結果のデータとを用いて各脚体２に作用する床反力の推定値を求める床反力推定手段３９と、この床反力の推定値のデータと脚体各部加速度算出手段３５による各脚体２の大腿部９及び下腿部１１の重心の加速度のデータと脚体各部角加速度算出手段３６による各脚体２の大腿部９及び下腿部１１の角加速度のデータと床反力作用点推定手段３８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２９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４０とを備えている。
【００６１】
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。
【００６２】
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（両足平部１３，１３を接地させた状態）で演算処理装置１６の図示しない電源スイッチを投入すると、該演算処理装置１６による処理が所定のサイクルタイム毎に以下に説明するように逐次実行され、各脚体２に作用する床反力の推定値等が逐次求められる。
【００６３】
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、各脚体２の接地センサ５１ｆ，５１ｒのＯＮ／ＯＦＦが判断される。そして、一方の脚体２の接地センサ５１ｆ，５１ｒのうちの少なくとも一つがＯＮ信号を出力する（いずれかの接地センサ５１ｆ，５１ｒの箇所が接地している）と共に、他方の脚体２の接地センサ５１ｆ，５１ｒのうちの少なくともいずれか一つがＯＮ信号を出力している場合には、人間１の脚体２，２の運動状態は、前記図１（ｂ）に示したような両脚支持状態であると判断される。また、一方の脚体２の接地センサ５１ｆ，５１ｒのうちの少なくとも一つがＯＮ信号を出力すると共に、他方の脚体２の接地センサ５１ｆ，５１ｒのいずれもがＯＮ信号を出力していない（接地センサ５１ｆ，５１ｒの両者の箇所が接地していない）場合には、人間１の脚体２，２の運動状態は、前記図１（ａ）に示したような単脚支持状態であると判断される。
【００６４】
なお、単脚支持状態であるか両脚支持状態であるかの判断は、上記のように接地センサ５１ｆ，５１ｒの検出信号だけで判断してもよいが、単脚支持状態と両脚支持状態との間の移行時においては、さらに、腰部上下加速度センサ２１の検出出力の変化等を考慮して判断するようにしてもよい。
【００６５】
上述のような脚体運動判断手段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、胸部前後加速度センサ１５及び胸部ジャイロセンサ１４からそれぞれ入力される胸部４の前後方向の加速度、胸部４の角速度の検出データから、所謂カルマンフィルタの処理を用いた公知の手法により、絶対座標系Ｃｆにおける胸部４の傾斜角度θａが前記サイクルタイム毎に逐次求められる。同様に、腰部傾斜角度計測手段２７の処理では、腰部前後加速度センサ２０及び腰部ジャイロセンサ１９からそれぞれ入力される腰部３の前後方向の加速度、腰部３の角速度の検出データから、カルマンフィルタの処理を用いて絶対座標系Ｃｆにおける腰部３の傾斜角度θｂが逐次求められる。ここで、絶対座標系Ｃｆにおける胸部４及び腰部３のそれぞれの傾斜角度θａ，θｂは、本実施形態では例えば鉛直方向（重力方向）に対する傾斜角度である。
【００６６】
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。
【００６７】
次に、演算処理装置１６は、前記脚体姿勢算出手段２９の処理と前記基準加速度計測手段２８の処理とを実行する。
【００６８】
前記脚体姿勢算出手段２９による処理では、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（６）により算出される。
【００６９】
θｃ＝θｂ＋Δθｃ    ……（６）
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。
【００７０】
さらに、各脚体２の下腿部１１の傾斜角度θｄは、上記のように求められた大腿部９の傾斜角度θｃの今回値と、該脚体２に装着されている前記膝関節角度センサ２３による膝関節１０の屈曲角度Δθｄの検出データの今回値とから次式（７）により算出される。
【００７１】
θｄ＝θｃ−Δθｄ    ……（７）
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。
【００７２】
また、前記基準加速度計測手段２８の処理では、前記身体座標系Ｃｐの原点Ｏの絶対座標系Ｃｆにおける加速度ａ０＝Ｔ（ａ０ｘ，ａ０ｚ）が次のように求められる。すなわち、前記腰部前後加速度センサ２０による腰部３の前後方向の加速度の検出データの今回値をａｐ、前記腰部上下加速度センサ２１による腰部３の上下方向の加速度の検出データの今回値をａｑとすると、それらの検出データａｐ，ａｑと、前記腰部傾斜角度計測手段２５により求められた腰部３の傾斜角度θｂの今回値とから、次式（８）により絶対座標系Ｃｆにおける加速度ａ０＝Ｔ（ａ０ｘ，ａ０ｚ）が求められる。
【００７３】
2004314250.tif 000005
次に、演算処理装置１６は、前記各部重心位置算出手段３０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。
【００７４】
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。
【００７５】
そして、本実施形態では、このような剛体リンクモデルＲの各剛体Ｒ１〜Ｒ４に対応する人間１の剛体相当部（各脚体２の大腿部９及び下腿部１１、腰部３、上体部３８）のそれぞれの重心Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４の各剛体相当部における位置があらかじめ求められ、演算処理装置１６の図示しないメモリに記憶されている。
【００７６】
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。
【００７７】
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、例えば直立停止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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
前記各部重心位置算出手段３０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２９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座標系）での各剛体相当部の重心Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４の位置を求める。
【００８１】
この場合、各剛体相当部（各脚体２の大腿部９及び下腿部１１、腰部３、上体部３８）の傾斜角度θａ〜θｄが上述のように求められているので、その傾斜角度θａ〜θｄのデータと、各剛体相当部のサイズのデータとから身体座標系Ｃｐにおける各剛体相当部の位置及び姿勢が判る。従って、身体座標系Ｃｐにおける各剛体相当部の重心Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４の位置が求められることとなる。
【００８２】
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。
【００８３】
このようにして、各部重心位置算出手段３０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３１の処理実行し、各剛体相当部の重心Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４の位置のデータと、各剛体相当部の重量のデータとを用いて身体座標系Ｃｐにおける人間１の身体重心Ｇ０の位置（ｘｇ，ｚｇ）を求める。
【００８４】
ここで、身体座標系Ｃｐにおける腰部３の重心Ｇ３の位置及び重量をそれぞれ（ｘ３，ｚ３）、ｍ３、上体部３８の重心Ｇ４の位置及び重量をそれぞれ（ｘ４，ｚ４）、ｍ４、人間１の前方に向かって左側の脚体２の大腿部９の重心Ｇ１の位置及び重量をそれぞれ（ｘ１Ｌ，ｚ１Ｌ）、ｍ１Ｌ、同脚体２の下腿部１１の重心Ｇ２の位置及び重量をそれぞれ（ｘ２Ｌ，ｚ２Ｌ）、ｍ２Ｌ、右側の脚体２の大腿部９の重心Ｇ１の位置及び重量をそれぞれ（ｘ１Ｒ，ｚ１Ｒ）、ｍ１Ｒ、同脚体２の下腿部１１の重心Ｇ２の位置及び重量をそれぞれ（ｘ２Ｒ，ｚ２Ｒ）、ｍ２Ｒ、人間１の体重をＭ（＝ｍ１Ｌ＋ｍ２Ｌ＋ｍ１Ｒ＋ｍ２Ｒ＋ｍ３＋ｍ４）とすると、身体座標系Ｃｐにおける人間１の身体重心Ｇ０の位置（ｘｇ，ｚｇ）は次式（９）により求められる。
【００８５】
ｘｇ＝（ｍ１Ｌ・ｘ１Ｌ＋ｍ１Ｒ・ｘ１Ｒ＋ｍ２Ｌ・ｘ２Ｌ＋ｍ２Ｒ・ｘ２Ｒ＋ｍ３・ｘ３＋ｍ４・ｘ４）／Ｍ
ｚｇ＝（ｍ１Ｌ・ｚ１Ｌ＋ｍ１Ｒ・ｚ１Ｒ＋ｍ２Ｌ・ｚ２Ｌ＋ｍ２Ｒ・ｚ２Ｒ＋ｍ３・ｚ３＋ｍ４・ｚ４）／Ｍ                    ……（９）
このようにして身体重心位置算出手段３１の処理を実行した後、さらに、演算処理装置１６は、前記身体重心加速度算出手段３４の処理と、前記足首位置算出手段３２の処理と、ＭＰ位置算出手段３３の処理とを実行する。
【００８６】
この場合、身体重心加速度算出手段３４の処理では、まず、前記サイクルタイム毎に身体重心位置算出手段３１により求められる身体座標系Ｃｐにおける身体重心Ｇ０の位置（ｘｇ，ｚｇ）の時系列データを用いて、身体座標系Ｃｐにおける身体重心Ｇ０の位置（ｘｇ，ｚｇ）の２階微分値、すなわち、身体座標系Ｃｐの原点Ｏに対する身体重心Ｇ０の加速度Ｔ（ｄ２ｘｇ／ｄｔ２，ｄ２ｚｇ／ｄｔ２）が求められる。そして、この加速度Ｔ（ｄ２ｘｇ／ｄｔ２，ｄ２ｚｇ／ｄｔ２）と、前記基準加速度計測手段２８により求められた身体座標系Ｃｐの原点Ｏの絶対座標系Ｃｆにおける加速度ａ０＝Ｔ（ａ０ｘ，ａ０ｚ）とのベクトル和を求めることにより、絶対座標系Ｃｆにおける身体重心Ｇ０の加速度ａ＝Ｔ（ａｘ，ａｚ）が求められる。
【００８７】
また、前記足首位置算出手段３２の処理では、まず、前記脚体姿勢算出手段２９により求められた各脚体２の大腿部９及び下腿部１１のそれぞれの傾斜角度θｃ，θｄのデータの今回値と、前記腰部傾斜角度計測手段２７により求められた腰部３の傾斜角度θｂのデータの今回値と、該大腿部９及び下腿部１１のサイズ（長さ）のデータとから、前記各部重心位置算出手段３０の処理と同様の処理によって、前記身体座標系Ｃｐにおける各脚体２の足首関節１２の位置が求められる。具体的には、図４を参照して、同図４の左側に位置する脚体２に関し、下腿部１１の長さ（膝関節１０の中心から足首関節１２の中心までの長さ）をＬｄとすると、身体座標系Ｃｐにおける足首関節１２の位置の座標（ｘ１２，ｚ１２）は、（Ｌｃ・ｓｉｎθｃ＋Ｌｄ・ｓｉｎθｄ，−Ｌｃ・ｃｏｓθｃ−Ｌｄ・ｃｏｓθｄ）となる（但し、図４ではθｃ＜０、θｄ＜０）。他方の脚体２についても同様である。
【００８８】
そして、この足首関節１２の身体座標系Ｃｐにおける位置（ｘ１２，ｚ１２）と前記身体重心位置算出手段３１により求められた身体座標系Ｃｐにおける身体重心Ｇ０の位置（ｘｇ，ｚｇ）のデータの今回値とから、身体重心Ｇ０に対する各脚体２の足首部１２の位置ベクトルＴ（ｘ１２−ｘｇ，ｚ１２−ｚｇ）、すなわち、前記式（５）におけるΔＸｆ，ΔＺｆ，ΔＸｒ，ΔＺｒが求められる。
【００８９】
また、ＭＰ位置算出手段３３の処理では、次のようにＭＰ関節１３ａの位置（詳しくは、身体座標系Ｃｐにおけるｘ軸方向の位置）が求められる。すなわち、図５を参照して、本実施形態では、人間１が水平な床Ａ上で直立姿勢で起立して各脚体２の足平部１４の底面のほぼ全面を床Ａに接触させた状態（以下、単に直立停止状態という）における足首関節１２とＭＰ関節１３ａとの間の水平方向（ｘ軸方向）の距離Δｘｍｐ０があらかじめ実測されて演算処理装置１６に記憶保持されている。なお、この距離Δｘｍｐ０は、各脚体２毎に各別に実測して記憶保持してもよいが、いずれか一方の脚体２について実測したものを両脚体２，２で共用してもよい。
【００９０】
ここで、人間１の平地歩行等の運動中における足首関節１２とＭＰ関節１３ａとの間の水平方向距離はそれぞれ、一般に、人間１の直立停止状態における上記距離Δｘｍｐ０に概略的には等しい。そこで、本実施形態では、ＭＰ関節１３ａの位置（ｘ軸方向の位置）は、足首関節１２からｘ軸方向に上記距離Δｘｍｐ０だけ離れた位置として求められる。具体的には、足首位置算出手段３２により得られた足首関節１２の身体座標系Ｃｐにおける位置（ｘ１２，ｚ１２）の今回値のｘ軸座標成分に、距離Δｘｍｐ０を加えたものが身体座標系ＣｐにおけるＭＰ関節１３ａのｘ軸方向位置として求められる。
【００９１】
次に、演算処理装置１６は、前記床反力作用点推定手段３８の処理と前記床反力推定手段３９の処理とを実行する。床反力作用点推定手段３８の処理では、次のように接地している各脚体２に係わる床反力作用点（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）が推定される。すなわち、まず、各脚体２の接地センサ５１ｆ，５１ｒの検出信号が判断され、いずれかの接地センサ５１ｆ，５１ｒがＯＮ信号を出力している場合には、その脚体２が接地していると判断する。そして、その接地している各脚体２について、該脚体２の接地センサ５１ｆ，５１ｒのＯＮ／ＯＦＦの組合わせと、該脚体２の足首関節１２およびＭＰ関節、並びに身体重心Ｇ０の相対的位置関係（詳しくはｘ軸方向の相対的位置関係）に応じて床反力作用点のｘ軸方向位置（人間１の進行方向での水平方向位置）が決定される。
【００９２】
さらに詳細には、図６（ａ）を参照して、足首直下接地センサ５１ｒがＯＮ信号を出力すると共に、ＭＰ直下接地センサ５１ｆがＯＦＦになっている場合には、足首関節１２の鉛直方向直下に床反力作用点が存在するとして、その足首関節１２のｘ軸方向位置が床反力作用点のｘ軸方向位置（人間１の進行方向での水平方向位置）として決定される。すなわち、上記のように足首直下接地センサ５１ｒおよびＭＰ直下接地センサ５１ｆがそれぞれＯＮ、ＯＦＦになっているような状態は、該接地センサ５１ｒ，５１ｆを備えた脚体２の足平部１３がその踵寄りの箇所で床Ａに接地しているような状態であり、このような状態では、その脚体２の床反力作用点は、足首関節１２のほぼ直下（鉛直下方）の位置にある。そこで、足首直下接地センサ５１ｒおよびＭＰ直下接地センサ５１ｆがそれぞれＯＮ、ＯＦＦになっている場合には、上記の如く接地している脚体２の床反力作用点のｘ軸方向位置を決定する。なお、図６（ａ）では接地している１つの脚体２のみを模式的に図示しており、他方の脚体は図示を省略している。このことは以下に説明する図６（ｂ）並びに図７（ａ）〜（ｃ）においても同様である。
【００９３】
また、図６（ｂ）を参照して、足首直下接地センサ５１ｒがＯＦＦになっていると共に、ＭＰ直下接地センサ５１ｆがＯＮ信号を出力している場合には、ＭＰ関節１３ａの鉛直方向直下に床反力作用点が存在するとして、そのＭＰ関節１３ａのｘ軸方向位置が床反力作用点のｘ軸方向位置として決定される。すなわち、足首直下接地センサ５１ｒおよびＭＰ直下接地センサ５１ｆがそれぞれＯＦＦ、ＯＮになっているような状態は、該接地センサ５１ｒ，５１ｆを備えた脚体２の足平部１３がそのつま先寄りの箇所で床Ａに接地しているような状態であり、このような状態では、その脚体２の床反力作用点は、ＭＰ関節１３ａのほぼ直下（鉛直方向下方）の位置にある。そこで、足首直下接地センサ５１ｒおよびＭＰ直下接地センサ５１ｆがそれぞれＯＦＦ、ＯＮになっている場合には、上記の如く接地している脚体２の床反力作用点のｘ軸方向位置を決定する。
【００９４】
なお、図６（ａ），（ｂ）にそれぞれ対応する接地センサ５１ｒ，５１ｆのＯＮ／ＯＦＦの組合わせの場合（接地センサ５１ｒ，５１ｆのいずれか一方のみがＯＮになっている場合）における床反力作用点のｘ軸方向位置の推定の仕方は、身体重心Ｇ０、足首関節１２およびＭＰ関節１３ａの相互の位置関係には依存しない。
【００９５】
一方、足首直下接地センサ５１ｒおよびＭＰ直下接地センサ５１ｆの両者がＯＮ信号を出力している場合には、さらに身体重心Ｇ０、足首関節１２およびＭＰ関節１３ａの相対的位置関係（詳しくは、身体座標系Ｃｐのｘ軸方向における相対的位置関係）に応じて床反力作用点のｘ軸方向位置が推定される。さらに詳細には、図７（ａ）に示すように、身体重心Ｇ０が足首関節１２よりも後側に在るときには、その足首関節１２の鉛直方向直下に床反力作用点が存在するとして、その足首関節１２のｘ軸方向位置が床反力作用点のｘ軸方向位置として決定される。すなわち、接地している脚体２の足首関節１２が身体重心Ｇ０よりも前側にある状態では、該脚体２に係る床反力は足平部１３の踵寄りの箇所に集中しており、このような状態では、その脚体２の床反力作用点は、足首関節１２のほぼ直下の位置にある。そこで、図７（ａ）の如く足首関節１２が身体重心Ｇ０よりも前側にある状態では、上記の如く接地している脚体２の床反力作用点のｘ軸方向位置を決定する。
【００９６】
また、図７（ｂ）に示すように、ｘ軸方向で身体重心Ｇ０がＭＰ関節１３ａと足首関節１２との間に在るときには、身体重心Ｇ０の鉛直方向直下に床反力作用点が存在するとして、その身体重心Ｇ０のｘ軸方向位置が床反力作用点のｘ軸方向位置として決定される。すなわち、ｘ軸方向における身体重心Ｇ０の位置が接地している脚体２のＭＰ関節１３ａと足首関節１２との間に在る状態では、該脚体２に係る床反力は、身体重心Ｇ０の鉛直下方付近に集中する。そこで、図７（ｂ）の如くｘ軸方向における身体重心Ｇ０の位置が接地している脚体２のＭＰ関節１３ａと足首関節１２との間に在る状態では、上記の如く接地している脚体２の床反力作用点のｘ軸方向位置を決定する。
【００９７】
また、図７（ｃ）に示すように、身体重心Ｇ０がＭＰ関節１３ａよりも前側に在るときには、そのＭＰ関節１３ａの鉛直方向直下に床反力作用点が存在するとして、そのＭＰ関節１３ａのｘ軸方向位置が床反力作用点のｘ軸方向位置として決定される。すなわち、接地している脚体２のＭＰ関節１３ａが身体重心Ｇ０よりも後側にある状態では、該脚体２に係る床反力は足平部１３のつま先寄りの箇所に集中しており、このような状態では、その脚体２の床反力作用点は、ＭＰ関節１３ａのほぼ直下の位置にある。そこで、図７（ｃ）の如くＭＰ関節１３ａが身体重心Ｇ０よりも後側にある状態では、上記の如く接地している脚体２の床反力作用点のｘ軸方向位置を決定する。
【００９８】
以上説明した床反力作用点推定手段３８の処理により、接地している各脚体２の床反力作用点のｘ軸方向位置が推定される。なお、両接地センサ５１ｒ，５１ｆのＯＮ、ＯＦＦの組合わせと、身体重心Ｇ０、足首関節１２およびＭＰ関節１３ａの相対的位置関係と、上記した床反力作用点のｘ軸方向位置との関係は、人間１が平地を歩行しているような場合はもちろん、例えば人間１が椅子に座ったり、椅子から立ち上がる動作を行なっている場合、さらには、人間１が階段もしくは坂道での歩行を行っている場合にも概ね成立するものである。
【００９９】
床反力作用点推定手段３８の処理では、さらに接地している各脚体２の床反力作用点の鉛直方向位置（ｚ軸方向位置）が次のように決定される。すなわち、まず、接地している各脚体２について、該脚体２の足首関節１２と接地面（床Ａ）との距離が把握される。この場合、本実施形態では、あらかじめ演算処理装置１６に記憶保持された値が、足首関節１２と接地面（床Ａ）との距離（以下、足首関節・接地面間距離という）として把握される。さらに詳細には、前記図５を参照して、人間１の前記直立停止状態における足首関節１２の中心から床Ａ面（接地面）までの距離Ｈａ（以下、足首関節基準高さＨａという）があらかじめ実測されて、演算処理装置１６に記憶保持されている。なお、足首関節基準高さＨａは、各脚体２毎に各別に実測して記憶保持するようにしてもよいが、いずれか一方の脚体２についてのみ、実測して記憶保持し、それを両脚体２で共用してもよい。そして、上記記憶保持した足首関節基準高さＨａが、足首関節・接地面間距離として把握される。
【０１００】
上記のようにして、足首関節・接地面間距離を把握した後、床反力作用点の鉛直方向位置（ｚ軸方向位置）は、この把握した足首・接地面間距離だけ、足首関節１２の位置から鉛直下方に離れた位置として決定される。すなわち、床反力作用点の鉛直方向位置（身体座標系Ｃｐにおける位置）は、前記運動形態判断手段３７が判断した人間１の運動形態がいずれの運動形態であっても、足首関節１２の位置のｚ軸成分値から、上記の如く把握した足首関節・接地面間距離を減じた値（但し、上向きをｚ軸の正方向とする）として決定される。
【０１０１】
なお、本実施形態では、後述する関節モーメント推定手段４０による関節モーメントの算出を行うために、上記の如く決定した床反力作用点の身体座標系Ｃｐにおける位置（ｘｚ座標成分）は、さらに足首位置算出手段３２で算出された、身体座標系Ｃｐにおける足首関節１２の位置を基準とした位置に変換される。すなわち、床反力作用点の推定位置は、足首関節１２の位置を基準とした位置ベクトル（以下、床反力作用点ベクトルという）に変換されて求められる。
【０１０２】
以上説明した床反力作用点推定手段３８の処理によって、接地している各脚体２について、その足首関節１２を基準とした床反力作用点ベクトル（ｘ軸方向及びｚ軸方向の位置）が推定される。
【０１０３】
前記床反力推定手段３９の処理では、前記脚体運動判断手段２５により今回のサイクルタイムで判断された脚体２の運動状態が単脚支持状態である場合には、人間１の体重Ｍ及び重力加速度ｇの値（これらはあらかじめ演算処理装置１６に記憶されている）と、前記身体重心加速度算出手段３４により求められた絶対座標系Ｃｆにおける身体重心Ｇ０の加速度ａ＝Ｔ（ａｘ，ａｚ）の今回値とから、前記式（２）により、接地している脚体２に作用する床反力Ｆ＝Ｔ（Ｆｘ，Ｆｚ）の推定値が求められる。尚、この場合、非接地側の脚体２（遊脚側の脚体２）に作用する床反力は、Ｔ（０，０）である。
【０１０４】
また、脚体運動判断手段２５により今回のサイクルタイムで判断された脚体２の運動状態が両脚支持状態である場合には、人間１の体重Ｍ及び重力加速度ｇと、前記身体重心加速度算出手段３４により求められた絶対座標系Ｃｆにおける身体重心Ｇ０の加速度ａ＝Ｔ（ａｘ，ａｚ）の今回値と、前記足首位置算出手段３２により求められた各脚体２の足首関節１２の身体重心Ｇ０に対する位置の今回値のデータ（式（５）のΔＸｆ，ΔＺｆ，ΔＸｒ，ΔＺｒのデータの今回値）とから、前記式（５）により、各脚体２毎の床反力Ｆｆ＝Ｔ（Ｆｆｘ，Ｆｆｚ）、Ｆｒ＝Ｔ（Ｆｒｘ，Ｆｒｚ）の推定値が求められる。
【０１０５】
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３１、身体重心加速度算出手段３４、足首位置算出手段３２、ＭＰ位置算出手段３３、床反力作用点推定手段３８、及び床反力推定手段３９の処理と並行して、前記脚体各部加速度算出手段３５および脚体各部角加速度算出手段３６の処理を実行する。
【０１０６】
この場合、前記脚体各部加速度算出手段３５の処理では、前記身体重心加速度算出手段３４の処理と同様、まず、前記サイクルタイム毎に前記各部重心位置算出手段３０により求められる身体座標系Ｃｐにおける各脚体２の剛体相当部である大腿部９及び下腿部１１の重心Ｇ１，Ｇ２の位置のそれぞれの時系列データを用いて、身体座標系Ｃｐにおける大腿部９及び下腿部１１の重心Ｇ１，Ｇ２の位置のそれぞれの２階微分値、すなわち、身体座標系Ｃｐにおける大腿部９及び下腿部１１の重心Ｇ１，Ｇ２のそれぞれの加速度（身体座標系Ｃｐの原点Ｏに対する加速度）が求められる。そして、このそれぞれの加速度と、前記基準加速度計測手段２８による腰部３の絶対座標系Ｃｆにおける加速度ａ０＝Ｔ（ａ０ｘ，ａ０ｚ）とのベクトル和を求めることにより、絶対座標系Ｃｆにおける大腿部９及び下腿部１１のそれぞれの加速度（より詳しくは、該加速度の絶対座標系Ｃｆにおける座標成分）が求められる。
【０１０７】
また、前記脚体各部角加速度算出手段３６の処理では、前記サイクルタイム毎に前記脚体姿勢算出手段２９により求められる各脚体２の大腿部９及び下腿部１１のそれぞれの傾斜角度θｃ，θｄの時系列データを用いて、該大腿部９及び下腿部１１のそれぞれ傾斜角度θｃ，θｄの２階微分値、すなわち、大腿部９及び下腿部１１のそれぞれの角加速度が求められる。
【０１０８】
次に、演算処理装置１６は、前記関節モーメント推定手段４０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３９、脚体各部加速度算出手段３５、脚体各部角加速度算出手段３６、床反力作用点推定手段３８、及び脚体姿勢算出手段２９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。
【０１０９】
さらに詳細には、図８を参照して、まず、各脚体２の下腿部１１に関し、下腿部１１の先端部の足首関節１２に作用する力（関節反力）、下腿部１１の膝関節１０の部分に作用する力（関節反力）、及び下腿部１１の重心Ｇ２の並進加速度を、それぞれ絶対座標系Ｃｆにおける成分表記によって、Ｔ（Ｆ１ｘ，Ｆ１ｚ）、Ｔ（Ｆ２ｘ，Ｆ２ｚ）、Ｔ（ａ２ｘ，ａ２ｚ）とし、該下腿部１１の重量をｍ２とする。このとき、下腿部１１の重心Ｇ２の並進運動に関する運動方程式は、次式（１０）となる。
【０１１０】
Ｔ（ｍ２・ａ２ｘ，ｍ２・ａ２ｚ）＝Ｔ（Ｆ１ｘ−Ｆ２ｘ，Ｆ１ｚ−Ｆ２ｚ−ｍ２・ｇ）ゆえに、Ｔ（Ｆ２ｘ，Ｆ２ｚ）＝Ｔ（Ｆ１ｘ−ｍ２・ａ２ｘ，Ｆ１ｚ−ｍ２・ａ２ｚ−ｍ２・ｇ）……（１０）
ここで、下腿部１１の重心Ｇ２の加速度Ｔ（ａ２ｘ，ａ２ｚ）は、前記脚体各部加速度算出手段３５により求められるものである。また、下腿部１１の先端部の足首関節１２に作用する関節反力Ｔ（Ｆ１ｘ，Ｆ１ｚ）は、近似的には、該下腿部１１を有する脚体２について前記床反力推定手段３９により求められる床反力の推定値に等しい。より詳しくは、単脚支持状態において、該脚体２が接地しているときには、関節反力Ｔ（Ｆ１ｘ，Ｆ１ｚ）は、前記式（２）により求められる床反力Ｔ（Ｆｘ，Ｆｚ）であり、該脚体２が遊脚側の脚体であるときには、Ｔ（Ｆ１ｘ，Ｆ１ｚ）＝Ｔ（０，０）である。また、両脚支持状態において、該脚体２が人間１の進行方向前方に向かって後側の脚体であるときには、関節反力Ｔ（Ｆ１ｘ，Ｆ１ｚ）は、前記式（５）の床反力Ｔ（Ｆｒｘ，Ｆｒｚ）であり、該脚体２が前側の脚体であるときには、前記式（５）の床反力Ｔ（Ｆｆｘ，Ｆｆｚ）である。
【０１１１】
従って、各脚体２の膝関節１０に作用する関節反力Ｔ（Ｆ２ｘ，Ｆ２ｚ）は、脚体各部加速度算出手段３５により求められた下腿部１１の重心Ｇ２の加速度Ｔ（ａ２ｘ，ａ２ｚ）のデータと、床反力推定手段３９により求められる床反力（＝Ｔ（Ｆ１ｘ，Ｆ１ｚ））のデータと、下腿部１１のあらかじめ求められた重量ｍ２のデータと、重力加速度ｇの値とから、上記式（１０）により求められる。
【０１１２】
また、図８を参照して、下腿部１１の先端部の足首関節１２に作用するモーメントをＭ１、下腿部１１の膝関節１０の部分に作用するモーメントをＭ２、下腿部１１の重心Ｇ２の回りの慣性モーメントをＩＧ２、下腿部１１の重心Ｇ２の回りの角加速度をα２とする。また、前記図４に対応させて、下腿部１１の重心Ｇ２と膝関節１０の中心との間の距離をｔ２、下腿部１１の重心Ｇ２と足首部１２との間の距離をｔ２’（＝Ｌｄ−ｔ２）とすると、下腿部１１の重心Ｇ２の回りの回転運動に関する運動方程式は、次式（１１）となる。
【０１１３】
ＩＧ２・α２＝Ｍ１−Ｍ２＋Ｆ１ｘ・ｔ２’・ｃｏｓθｄ−Ｆ１ｚ・ｔ２’・ｓｉｎθｄ＋Ｆ２ｘ・ｔ２・ｃｏｓθｄ−Ｆ２ｚ・ｔ２・ｓｉｎθｄ
ゆえに
Ｍ２＝Ｍ１−ＩＧ２・α２＋Ｆ１ｘ・ｔ２’・ｃｏｓθｄ−Ｆ１ｚ・ｔ２’・ｓｉｎθｄ＋Ｆ２ｘ・ｔ２・ｃｏｓθｄ−Ｆ２ｚ・ｔ２・ｓｉｎθｄ……（１１）
ここで、式（１３）中のＭ１は、同式（１３）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３８により前述の如く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３９により求められる床反力ベクトルとの外積（ベクトル積）として得られるモーメントである。また、α２は、前記脚体各部角加速度算出手段３６により求められる下腿部１１の角加速度である。また、θｄは前記脚体姿勢算出手段２９により求められる下腿部１１の傾斜角度である。また、Ｔ（Ｆ１ｘ，Ｆ１ｚ）は、前述の通り、床反力推定手段３９により求められる床反力の推定値である。さらに、Ｔ（Ｆ２ｘ，Ｆ２ｚ）は、前記式（１２）により求められるものである。また、慣性モーメントＩＧ２は下腿部１１の重量ｍ２やサイズのデータ等と共に、あらかじめ求められて演算処理装置１６に記憶されるものである。
【０１１４】
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３９による床反力の推定値のデータと、床反力作用点推定手段３８による床反力作用点ベクトルの推定値のデータと、脚体各部角加速度算出手段３６による下腿部１１の角加速度α２のデータと、脚体姿勢算出手段２９による下腿部１１の傾斜角度θｄのデータと、前記式（１０）により求められた関節反力Ｔ（Ｆ２ｘ，Ｆ２ｚ）のデータと、あらかじめ求めた下腿部１１の慣性モーメントＩＧ２、サイズ（Ｌｄ）、重心Ｇ２の位置（ｔ２）のデータとから前記式（１１）により求められる。
【０１１５】
関節モーメント推定手段４０は、上記のようにして下腿部１１の膝関節１０の部分に作用するモーメントＭ２を求めた後、その算出処理と同様の処理によって、大腿部９の股関節８の部分に作用するモーメントを求める。この処理の基本的な考え方は、膝関節１０のモーメントＭ２を求める手法と同一であるので、詳細な図示及び説明は省略するが、その概要は次の通りである。
【０１１６】
すなわち、まず、大腿部９の重心Ｇ１（図４参照）の並進運動に関する運動方程式に基づく次式（１２）（前記式（１０）と同じ形の式）により、大腿部９の股関節８の部分に作用する関節反力Ｔ（Ｆ３ｘ，Ｆ３ｚ）が求められる。
【０１１７】
Ｔ（Ｆ３ｘ，Ｆ３ｚ）＝Ｔ（Ｆ２ｘ−ｍ１・ａ１ｘ，Ｆ２ｚ−ｍ１・ａ１ｚ−ｍ１・ｇ）……（１２）
ここで、Ｔ（Ｆ２ｘ，Ｆ２ｚ）は、先に前記式（１０）により求めた膝関節１０の関節反力である。また、Ｔ（ａ１ｘ，ａ１ｚ）は、前記脚体各部加速度算出手段３５により求められる大腿部９の重心Ｇ１の絶対座標系Ｃｆにおける加速度（並進加速度）である。また、ｍ１はあらかじめ求めた大腿部９の重量、ｇは重力加速度である。
【０１１８】
次いで、大腿部９の重心Ｇ１の回りの回転運動に関する運動方程式に基づく次式（１３）（前記式（１１）と同じ形の式）により、大腿部９の股関節８の部分に作用するモーメントＭ３が求められる。
【０１１９】
Ｍ３＝Ｍ２−ＩＧ１・α１＋Ｆ２ｘ・ｔ１’・ｃｏｓθｃ−Ｆ２ｚ・ｔ１’・ｓｉｎθｃ＋Ｆ３ｘ・ｔ１・ｃｏｓθｃ−Ｆ３ｚ・ｔ１・ｓｉｎθｃ……（１３）
ここで、Ｍ２は、前記式（１１）により求められた膝関節１０のモーメント、Ｔ（Ｆ２ｘ，Ｆ２ｚ）は、前記式（１０）により求められた膝関節１０の関節反力、Ｔ（Ｆ３ｘ，Ｆ３ｚ）は、前記式（１２）により求められた股関節８の関節反力、ＩＧ１は、あらかじめ求めた大腿部９の重心Ｇ１の回りの慣性モーメント、α１は前記脚体各部角加速度算出手段３６により求められる大腿部９の角加速度、θｃは前記脚体姿勢算出手段２９により求められる大腿部９の傾斜角度である。また、ｔ１は、股関節８の中心から大腿部９の重心Ｇ１までの距離（図４参照）、ｔ１’は、膝関節１０の中心から大腿部９の重心Ｇ１までの距離（図４ではＬｃ−ｔ１）であり、これらは、あらかじめ求めた重心Ｇ１の位置や大腿部９のサイズ（長さ）から定まるものである。
【０１２０】
以上説明した処理が、前記演算処理装置１６のサイクルタイム毎に逐次実行され、各脚体２に作用する床反力や、各脚体２の膝関節１０及び股関節８に作用するモーメントが逐次リアルタイムで推定される。
【０１２１】
尚、本明細書での詳細な説明は省略するが、求められた膝関節１０や股関節８のモーメントの推定値は、例えば人間１の歩行を補助する装置（膝関節１０や股関節８に補助トルクを付与可能な電動モータ等を含む装置）の制御に用いられる。
【０１２２】
前述した演算処理装置１６の処理により求められた床反力作用点の推定値の経時変化の様子の一例を図９及び図１０に実線で示す。図９及び図１０は例えば約４．５ｋｍ／ｈの移動速度で人間１が平地歩行を行った場合に一方の脚体２が接地してから離床するまでの該脚体２の床反力作用点の推定値のｘ軸方向成分（進行方向における水平方向成分）、ｚ軸方向成分（鉛直方向成分）の経時変化の様子をそれぞれ実線で示したものである。この場合、図９ではｘ軸方向成分は、床Ａに対して固定された絶対座標系Ｃｆに変換して表している。また、図１０ではｚ軸方向成分は、身体座標系Ｃｐにおけるｚ軸座標値（股関節８の中心から床反力作用点までの鉛直方向距離に相当）で表している。また、図９、図１０には、フォースプレート等を用いて実測した床反力作用点のｘ軸方向成分、ｚ軸方向成分を破線で併記している。これらの図９及び図１０に見られるように、床反力作用点の推定値は、実測値に比較的良好な精度で合致する。
【０１２３】
なお、図１０に示すｚ軸方向成分に関し、脚体２が離床する直前では、推定値と実測値の誤差が比較的大きくなる。これは、本実施形態では、足首関節１２と床反力作用点との間の鉛直方向距離を一定として（図５の足首関節・接地面間距離Ｈａに等しいとして）、床反力作用点の鉛直方向位置（ｚ軸方向位置）を求めているため、脚体２の離床の直前のように、足平部１３の踵側が床Ａから浮くような状況では、床反力作用点の鉛直方向位置の誤差が大きくなるためである。
【０１２４】
また、図９に関して補足すると、同図９には、ＭＰ関節１３ａ、身体重心Ｇ０、および足首関節１２のｘ軸方向位置の算出値（絶対座標系Ｃｆに変換したもの）も併記している。平地歩行における床反力作用点のｘ軸方向位置は、前述のように推定されるので、身体重心Ｇ０が足首関節１２よりも後側に在る期間（時刻ｔ１までの期間）では、床反力作用点のｘ軸方向位置は、足首関節１２のｘ軸方向位置に合致し、身体重心Ｇ０がｘ軸方向で足首関節１２とＭＰ関節１３ａとの間に在る期間（時刻ｔ１〜ｔ２の期間）では、床反力作用点のｘ軸方向位置は身体重心Ｇ０のｘ軸方向位置に合致している。さらに、身体重心Ｇ０がＭＰ関節１３ａよりも前側に在る期間（時刻ｔ２以降の期間）では、床反力作用点のｘ軸方向位置は、ＭＰ関節１３ａのｘ軸方向位置に合致している。
【０１２５】
また、図１１〜図２０に膝関節１０及び股関節８のモーメントの推定値の経時変化の様子を実線で例示する。図１１および図１２は例えば約４．５ｋｍ／ｈの移動速度で人間１が平地歩行を行った場合に、前記演算処理装置１６の演算処理で求められた膝関節モーメント、股関節モーメントをそれぞれ例示するもの、図１３および図１４は人間１が階段の下り歩行を行った場合に求められた膝関節モーメント、股関節モーメントをそれぞれ例示するもの、図１５および図１６は人間１が階段の登り歩行を行った場合に求められた膝関節モーメント、股関節モーメントをそれぞれ例示するものである。また、図１７および図１８は人間１が椅子に座る動作を行なった場合に求められた膝関節モーメント、股関節モーメントをそれぞれ例示するもの、図１９および図２０は人間１が椅子から立ち上がる動作を行った場合に求められた膝関節モーメント、股関節モーメントをそれぞれ例示するものである。これらの図１１〜図２０では、トルクメータ等を用いて実測したモーメントを破線で併記している。これらの図１１〜図２０に見られるように、モーメントの推定値の変化の傾向は、実測値に良く合致している。このことから、本実施形態で求められる床反力作用点の推定位置は、脚体２の関節モーメントを推定する上で十分に適正な精度で求められることが判る。
【０１２６】
以上のように本実施形態によれば、床反力作用点を推定するために複数種類の相関データ等を使用することなく、人間１の平地歩行や、階段もしくは坂道での歩行、あるいは椅子に座ったり、椅子から立ち上がる動作を行なっているときの床反力作用点の位置を簡単な手法で推定することができる。
【０１２７】
次に、本発明の第２実施形態を前記図２〜図８、並びに図２１を参照して説明する。なお、本実施形態は、第１実施形態と一部の構成および処理のみが相違すものであるので、第１実施形態と同一構成もしくは同一機能部分については、第１実施形態と同一の参照符号および図面を用いて説明を省略する。
【０１２８】
図２を参照して、本実施形態では、人間１には、前記第１実施形態で説明した装置に加えて、各脚体２の足首関節１２に、該足首関節２の屈曲角度Δθｄに応じた信号を出力する足首関節角度センサ２４が装着されている。該足首角度センサ２４は、膝関節角度センサ２３等と同様にポテンショメータにより構成されたものであり、足首関節１２に図示しないベルト等を介して固定されている。そして、足首関節角度センサ２４は、その出力を演算処理装置１６に入力すべく図示しない信号線を介して演算処理装置１６に接続されている。
【０１２９】
ここで、各足首関節角度センサ２４が検出する屈曲角度Δθｄは、足首関節１２の中心とこの足首関節１２に連なる足平部１３のＭＰ関節１３ａの中心とを結ぶ線と、下腿部１１の軸心とのなす角度である。
【０１３０】
また、図３を参照して、本実施形態における演算処理装置１６では、上記各足首関節角度センサ２４の出力が入力され、それが、ＭＰ位置算出手段３３に与えられるようになっている。また、ＭＰ位置算出手段３３には、足首位置算出手段３２により算出された足首関節１２の位置（身体座標系Ｃｐにおける位置）が前記第１実施形態と同様に与えられる他、さらに、脚体姿勢算出手段２９により算出された下腿部１１の傾斜角度θｄが与えられるようになっている。
【０１３１】
以上説明した以外の構成は、前記第１実施形態と同一である。
【０１３２】
前述のような構成を有する本実施形態では、演算処理装置１６のＭＰ位置算出手段３３の処理と床反力作用点推定手段３８の処理のみが前記第１実施形態と相違している。より詳しくは、本実施形態は、ＭＰ関節１３ａの位置を前記第１実施形態のものよりもより精度よく把握し、ひいては、床反力作用点の位置の推定精度を第１実施形態のものよりも高めるものである。以下に、本実施形態におけるＭＰ位置算出手段３３の処理と床反力作用点推定手段３８の処理とを詳説する。
【０１３３】
ＭＰ位置算出手段３３の処理では、足首関節角度センサ２４の検出データ等を用いて次のようにＭＰ関節１３ａの位置（詳しくは身体座標系Ｃｐにおけるｘ軸方向およびｚ軸方向の位置）が求められる。
【０１３４】
すなわち、図２１を参照して、足首関節１２の中心とＭＰ関節１３ａの中心とを結ぶ線分Ｓ（以下、足平幹線Ｓという）を想定し、この足平幹線Ｓが鉛直方向（ｚ軸方向）に対してなす角度（足平幹線Ｓの傾斜角度）をθｅ、足平幹線Ｓの長さ（足首関節１２とＭＰ関節１３ａとの距離）をＬｓとすると、足首関節１２とＭＰ関節１３ａとの水平方向（ｘ軸方向）の距離Δｘｍｐ及び鉛直方向（ｚ軸方向）の距離Δｚｍｐ、すなわち、足首関節１２に対するＭＰ関節１３ａの位置Ｔ（Δｘｍｐ，Δｚｍｐ）は次式（１４）により与えられる。
【０１３５】
Ｔ（Δｘｍｐ，Δｚｍｐ）＝（Ｌｓ・ｓｉｎθｅ，Ｌｓ・ｃｏｓθｅ）……（１４）
この場合、足平部１３は、ほぼ剛体とみなすことができ、このときＬｓは定数となる。
【０１３６】
また、足平幹線Ｓの傾斜角度θｅは、前記足首関節角度センサ２４により検出される足首関節１２の屈曲角度Δθｅと、前記脚体姿勢算出手段２９により求められる下腿部１１の傾斜角度θｄとを用いて次式（１５）により与えられる。
【０１３７】
θｅ＝θｄ−（１８０−Δθｅ）……（１５）
なお、式（１５）では、角度の単位として「度」を用いている。
【０１３８】
そこで、ＭＰ位置算出手段３３の処理では、まず、前記脚体姿勢算出手段２８により求められた各脚体２の下腿部１１の傾斜角度θｄのデータの今回値と、該脚体２に装着されている前記足首関節角度センサ２４による足首関節１２の屈曲角度Δθｅの検出データの今回値とから、上記式（１５）により、足平幹線Ｓの傾斜角度θｅが求められる。そして、この求めた傾斜角度θｅと、人間１に対してあらかじめ実測して演算処理装置１６に記憶保持した足平幹線Ｓの長さＬｓとから、前記式（１４）により足首関節１２に対するＭＰ関節１３ａの位置Ｔ（Δｘｍｐ，Δｚｍｐ）が求められる。さらに、この位置Ｔ（Δｘｍｐ，Δｚｍｐ）と、前記足首位置算出手段３２で求めた足首関節１２の位置（身体座標系Ｃｐにおける位置）Ｔ（ｘ１２，ｚ１２）とのベクトル和を演算することにより、身体座標系ＣｐにおけるＭＰ関節１３ａの位置が求められる。
【０１３９】
また、床反力作用点推定手段３８の処理においては、接地している各脚体２の床反力作用点の水平方向位置（ｘ軸方向位置）は、前記第１実施形態と同一の手法で求められる。従って、床反力作用点の水平方向位置の推定処理については説明を省略する。
【０１４０】
一方、床反力作用点推定手段３８の処理では、接地している各脚体２の床反力作用点の鉛直方向位置（ｚ軸方向位置）の推定手法は、前記第１実施形態と相違し、次のように床反力作用点の鉛直方向位置が決定される。すなわち、まず、接地している各脚体２について、該脚体２の足首関節１２と接地面（床Ａ）との距離、すなわち、足首関節・接地面間距離が把握される。この場合、足首関節・接地面間距離の把握の仕方は、身体重心Ｇ０がｘ軸方向でＭＰ関節１３ａの前側にあるか後側にあるかで分けられる。身体重心Ｇ０がＭＰ関節１３ａの後側にある場合には、身体重心Ｇ０がＭＰ関節１３ａの後側にある場合には、一般に、足平部１３の踵の底面が、床Ａにほぼ接触しているか、もしくは床Ａ面とほぼ同等の高さ位置に存在している。そこで、この場合には、人間１の直立停止状態であらかじめ実測されて演算処理装置１６に記憶保持された前記足首関節基準高さＨａ（図５参照）が足首関節・接地面間距離として把握される。
【０１４１】
また、身体重心Ｇ０がＭＰ関節１３ａの前側にある場合には、一般に足平部１３の踵が床Ａ面よりも上側に浮いている。この場合には、次のようにして、足首関節・接地面間距離が算出される。すなわち、前記図２１を参照して、足平部１３の踵が床Ａ面よりも上側に浮いている場合には、足首関節・接地面間距離は、足首関節１２とＭＰ関節１３ａとの間の鉛直方向距離Δｚｍｐと、ＭＰ関節１３ａの接地面（床Ａ面）からの距離との和になる。この場合、ＭＰ関節１３ａの接地面からの距離は、前記図５に示したように人間１が直立姿勢で起立して、足平部１３の底面のほぼ全面を床Ａに接触させた状態（前記直立停止状態）におけるＭＰ関節１３ａの床Ａ面からの距離Ｈｂ（以下、ＭＰ関節基準高さＨｂという）とほぼ同一である。そこで、本実施形態では、上記ＭＰ関節基準高さＨｂが前記足首関節基準高さＨａと共にあらかじめ実測されて演算処理装置１６に記憶保持されている。そして、身体重心Ｇ０がＭＰ関節１３ａの前側にある場合には、足首関節１２及びＭＰ関節１３ａのそれぞれの身体座標系Ｃｐにおける位置から把握される、それらの関節間の鉛直方向距離Δｚｍｐと、前記ＭＰ関節基準高さＨｂとの和が足首関節・接地面間距離として求められる。
【０１４２】
なお、本発明の床反力作用点推定方法に対応させると、前記足首関節基準高さＨａおよびＭＰ関節基準高さＨｂはそれぞれ第１基本鉛直方向距離、第２基本鉛直方向距離に相当するものである。
【０１４３】
上記のようにして、足首関節・接地面間距離を把握した後、床反力作用点の鉛直方向位置（ｚ軸方向位置）は、前記第１実施形態と同様に、その把握した足首・接地面間距離だけ、足首関節１２の位置から鉛直下方に離れた位置として決定される。すなわち、床反力作用点の鉛直方向位置（身体座標系Ｃｐにおける位置）は、足首関節１２の位置のｚ軸成分値から、上記の如く把握した足首関節・接地面間距離を減じた値（但し、上向きをｚ軸の正方向とする）として決定される。
【０１４４】
なお、本実施形態においても、前記第１実施形態と同様に、関節モーメント推定手段４０による関節モーメントの算出を行うために、上記の如く決定した床反力作用点の身体座標系Ｃｐにおける位置（ｘｚ座標成分）は、さらに足首位置算出手段３２で算出された、身体座標系Ｃｐにおける足首関節１２の位置を基準とした位置に変換される。
【０１４５】
以上説明したＭＰ位置算出手段３３および床反力作用点推定手段３８以外の演算処理装置１６の処理は、前記第１実施形態と同一である。
【０１４６】
かかる本実施形態では、ＭＰ関節１３ａの位置（ｘ軸方向およびｚ軸方向位置）が比較的精度よく把握できるため、床反力作用点の位置、特に鉛直方向位置を第１実施形態のものよりも精度よく推定できる。ひいては、膝関節１０や股関節８に作用する関節モーメントも第１実施形態のものよりも精度よく推定することができる。
【０１４７】
なお、床反力作用点の鉛直方向位置を推定するために求める足首関節・接地面間距離は、前記第１実施形態および第２実施形態で説明した手法以外の手法で求めることも可能である。例えば、各脚体２の下腿部１１の適当な部位（具体的には、足首関節１２から膝関節１０側に下腿部１１の軸心方向に所定距離だけ離れた部位）に、赤外線測距センサ等の光学的測距センサを装着しておき、この測距センサを備えた部位と床面（脚体２の接地面）との間の、下腿部１１の軸心方向における距離を測定する。そして、この測定距離と下腿部１１の傾斜角度θｄとから、幾何学演算（三角関数演算）により測距センサを備えた部位と床面との鉛直方向距離（以下、ここではセンサ・床面間鉛直距離という）を算出する。さらに、測距センサを備えた部位と足首関節１２との距離（固定値）、および下腿部１１の傾斜角度θｄとから、三角関数演算により該部位と足首関節１２との間の鉛直方向距離を求め、その求めた鉛直方向距離を前記センサ・床面間鉛直距離から差し引くことで、足首関節・接地面間距離を求める。このように足首関節・接地面間距離を求めることで、足首関節角度センサ２４を用いることなく、床反力作用点の鉛直方向位置を精度よく推定することができる。なお、この場合、床反力作用点の水平方向位置は、前記第１実施形態と同じ手法で推定するようにすればよい。
【０１４８】
また、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における床反力推定手法の基本的原理を説明するための図。
【図２】本発明の実施形態における二足歩行移動体としての人間と該人間に装備する装置構成を模式化して示す図。
【図３】図２の装置に備える演算処理装置の機能を説明するためのブロック図。
【図４】図３の演算処理装置の処理に用いる剛体リンクモデルを示す図。
【図５】本発明の第１実施形態における中足趾節関節の位置（水平方向位置）の算出手法と、足首関節から接地面までの距離を把握する手法とを説明するための図。
【図６】床反力作用点の水平方向位置の推定手法を説明するための図。
【図７】床反力作用点の水平方向位置の推定手法を説明するための図。
【図８】図３の演算処理装置の関節モーメント推定手段における処理を説明するための図。
【図９】本発明の第１実施形態により求められた平地歩行時の床反力作用点の水平方向位置経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１０】本発明の第１実施形態により求められた平地歩行時の床反力作用点の鉛直方向位置の経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１１】本発明の第１実施形態により求められた平地歩行時の膝関節モーメントの経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１２】本発明の第１実施形態により求められた平地歩行時の股関節モーメントの経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１３】本発明の第１実施形態により求められた階段下り歩行時の膝関節モーメントの経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１４】本発明の第１実施形態により求められた階段下り歩行時の股関節モーメントの経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１５】本発明の第１実施形態により求められた階段登り歩行時の膝関節モーメントの経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１６】本発明の第１実施形態により求められた階段登り歩行時の股関節モーメントの経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１７】本発明の第１実施形態により求められた、椅子への座り動作時の膝関節モーメントの経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１８】本発明の第１実施形態により求められた、椅子への座り動作時の股関節モーメントの経時変化の様子を例示するグラフ。
【図１９】本発明の第１実施形態により求められた、椅子からの立ち上がり動作時の膝関節モーメントの経時変化の様子を例示するグラフ。
【図２０】本発明の第１実施形態により求められた、椅子からの立ち上がり動作時の股関節モーメントの経時変化の様子を例示するグラフ。
【図２１】本発明の第２実施形態における中足趾節関節の位置の算出手法と、足首関節から接地面までの距離を把握する手法とを説明するための図。
【符号の説明】
１…人間（二足歩行移動体）、２…脚体、８…股関節、９…大腿部、１０…膝関節、１１…下腿部、１２…足首関節、１３…足平部、１３ａ…中足趾節関節、１４，１５、１９，２０…傾斜センサ、２０，２１…加速度センサ、２２，２３，２４…角度センサ、５１ｒ…第１接地センサ、５１ｆ…第２接地センサ。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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