(57)【要約】【課題】人に装着する脚体運動補助装具の自重が人に作用するのを軽減し、できるだけ脚体運動補助装具が装着されていなような感覚で人が脚体の運動を行うことを可能とする。【解決手段】脚体運動補助装具１を装着した人Ａの脚体の運動時に、この脚体運動と同じ運動を、補助装具１を取り外した人Ａが行っているとした場合に人Ａの脚体の各関節に発生すべき人側関節モーメントを推定すると共に、前記脚体運動と同じ運動を補助装具１が単独で行っているとした場合に補助装具１の各脚体部の関節部位４，６，１０に発生すべき装具側関節モーメントを推定する。装具側関節モーメントの推定値をトルク発生手段１８，１９，２０の基準トルクとし、この基準トルクに人側関節モーメントの推定値に応じたトルクを付加したトルクをトルク発生手段１８，１９，２０に発生させる。【選択図】図１
2005237504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の両脚体と一体的に運動可能に該両脚体に装着される脚体部を備えると共に、該脚体部に、着地期の各脚体の足平部を載せて接地するように該足平部の底面側に配置される足平装具部と各脚体の足首関節、膝関節および股関節にそれぞれ対応する関節部位とが各脚体沿いに連結して設けられ、さらに少なくとも前記各脚体の膝関節および股関節にそれぞれ対応する関節部位に付与する補助トルクを発生可能なトルク発生手段を備えた脚体運動補助装具に対し、各トルク発生手段の発生トルクを制御する方法であって、
前記脚体運動補助装具を装着した人の両脚体の運動が行われている時に、その両脚体の運動とほぼ同じ運動が前記脚体運動補助装具を人から取り外して行われているとした場合に少なくとも各脚体の膝関節および股関節にそれぞれ発生すべきモーメントである人側関節モーメントを逐次推定すると共に、前記脚体運動補助装具が単独で前記人の両脚体の運動とほぼ同じ運動を行っているとした場合に少なくとも各脚体の膝関節および股関節にそれぞれ対応する該脚体運動補助装具の各関節部位に発生すべきモーメントである装具側関節モーメントを逐次推定するモーメント推定ステップと、
前記各脚体の膝関節および股関節にそれぞれ対応する各関節部位の前記装具側関節モーメントの推定値を該関節部位に対応するトルク発生手段に発生させるべき基準トルクとし、その基準トルクに、該関節部位に対応する人体側関節モーメントの推定値に応じて決定したトルクを付加してなるトルクを前記補助トルクとして該トルク発生手段に発生させるように該トルク発生手段を制御するトルク制御ステップとを備えたことを特徴とする脚体運動補助装具の発生トルク制御方法。
【請求項２】
人の両脚体と一体的に運動可能に該両脚体に装着される脚体部を備えると共に、該脚体部に、着地期の各脚体の足平部を載せて接地するように該足平部の底面側に配置される足平装具部と各脚体の足首関節、膝関節および股関節にそれぞれ対応する関節部位とが各脚体沿いに連結して設けられ、さらに前記各脚体の足首関節、膝関節および股関節にそれぞれ対応する関節部位に付与する補助トルクを発生可能なトルク発生手段を備えた脚体運動補助装具に対し、各トルク発生手段の発生トルクを制御する方法であって、
前記脚体運動補助装具を装着した人の両脚体の運動が行われている時に、その両脚体の運動とほぼ同じ運動が前記脚体運動補助装具を人から取り外して行われているとした場合に各脚体の足首関節、膝関節および股関節にそれぞれ発生すべきモーメントである人側関節モーメントを逐次推定すると共に、前記脚体運動補助装具が単独で前記人の両脚体の運動とほぼ同じ運動を行っているとした場合に各脚体の足首関節、膝関節および股関節にそれぞれ対応する該脚体運動補助装具の各関節部位に発生すべきモーメントである装具側関節モーメントを逐次推定するモーメント推定ステップと、
前記足首関節、膝関節および股関節にそれぞれ対応する各関節部位の前記装具側関節モーメントの推定値を該関節部位に対応するトルク発生手段に発生させるべき基準トルクとし、その基準トルクに、該関節部位に対応する人体側関節モーメントの推定値に応じて決定したトルクを付加してなるトルクを前記補助トルクとして該トルク発生手段に発生させるように該トルク発生手段を制御するトルク制御ステップとを備えたことを特徴とする脚体運動補助装具の発生トルク制御方法。
【請求項３】
前記モーメント推定ステップで推定する人側関節モーメントおよび装具側関節モーメントは、人の各脚体の股関節、膝関節および足首関節を通る平面としての脚平面にほぼ垂直な軸回りのモーメントであることを特徴とする請求項１または２記載の脚体運動補助装具の発生トルク制御方法。
【請求項４】
前記モーメント推定ステップは、前記人または脚体運動補助装具の所定の部位の加速度を逐次把握する第１ステップと、前記人の各脚体の股関節、膝関節および足首関節の変位量を逐次把握する第２ステップと、前記人の両脚体の運動とほぼ同じ運動が前記脚体運動補助装具を人から取り外して行われているとした場合に人に作用する床反力およびその作用点を逐次推定する第３ステップと、前記脚体運動補助装具が単独で前記人の両脚体の運動とほぼ同じ運動を行っているとした場合に該脚体運動補助装具に作用する床反力およびその作用点を逐次推定する第４ステップと、前記第１ステップで把握した加速度と前記第２ステップで把握した変位量と前記第３ステップで推定した床反力および作用点と前記人を複数の剛体要素および関節要素の連結体として表現してなる人側剛体リンクモデルとを用いて逆動力学演算の処理により前記人側関節モーメントを推定する第５ステップと、前記第１ステップで把握した加速度と前記第２ステップで把握した変位量と前記第４ステップで推定した床反力および作用点と前記脚体運動補助装具を複数の剛体要素および関節要素の連結体として表現してなる装具側剛体リンクモデルとを用いて逆動力学演算の処理により前記装具側関節モーメントを推定する第６ステップとを備えることを特徴とする請求項１または２記載の脚体運動補助装具の発生トルク制御方法。
【請求項５】
前記第５ステップで推定する人側関節モーメントおよび前記第６ステップで推定する装具側関節モーメントは、人各脚体の股関節、膝関節および足首関節を通る平面としての脚平面にほぼ垂直な軸回りのモーメントであり、
前記第１ステップで把握する加速度と前記第３ステップで推定する床反力およびその作用点と前記第４ステップで推定する床反力およびその作用点とはいずれも３次元量であり、
前記第２ステップで把握する各脚体の股関節、膝関節および足首関節の変位量は該脚体に係る前記脚平面にほぼ垂直な軸回りの回転量を含むと共に前記股関節の変位量は３次元量であり、
少なくとも前記第１ステップで把握した加速度を用いて人の所定の部位に対して固定された所定の基準点の加速度を３次元量として逐次把握する第７ステップと、
少なくとも前記第２ステップで把握した変位量と前記人側剛体リンクモデルとを用いて該人側剛体リンクモデルのうちの各脚体部の要素の前記脚平面上での位置および姿勢を逐次把握する第８ステップと、
少なくとも前記第２ステップで把握した変位量と前記装具側剛体リンクモデルとを用いて該装具側剛体リンクモデルのうちの各脚体部の要素の前記脚平面上での位置および姿勢を把握する第９ステップとを備え、
前記第５ステップでは、前記第７ステップで把握した前記所定の基準点の加速度と前記第３ステップで推定した床反力およびその作用点とを前記股関節の変位量に応じて各脚体に対応する前記脚平面に投影してなる２次元量と、前記第８ステップで把握した位置および姿勢とを用いて前記人側関節モーメントを推定し、
前記第６ステップでは、前記第７ステップで把握した前記所定の基準点の加速度と前記第４ステップで推定した床反力およびその作用点とを前記股関節の変位量に応じて各脚体に対応する前記脚平面に投影してなる２次元量と、前記第９ステップで把握した位置および姿勢とを用いて前記装具側関節モーメントを推定することを特徴とする請求項４記載の脚体運動補助装具の発生トルク制御方法。
【請求項６】
前記第３ステップでは、少なくとも前記第１ステップで把握した加速度と前記第２ステップで把握した変位量と前記人側剛体リンクモデルとを用いて前記人に作用する床反力およびその作用点を推定し、前記第４ステップでは、少なくとも前記第１ステップで把握した加速度と前記第２ステップで把握した変位量と前記装具側剛体リンクモデルとを用いて前記脚体運動補助装具に作用する床反力およびその作用点を推定することを特徴とする請求項４または５記載の脚体運動補助装具の発生トルク制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は脚体に装着する脚体運動補助装具の発生トルク制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の補助装具としては、例えば特開２００３−２２０１０２号公報（特許文献１）に開示されているものが知られている。この特許文献１のものの補助装具は、人の各脚体の股関節、膝関節、足首関節の箇所にモーメント発生部を備え、それらのモーメント発生部と人の足平部を支持する足平支持部とがビームで連結されている。また、足平支持部と地面との間で作用する力およびモーメントを検出するセンサや、ビームの傾斜角を検出するセンサ、補助装具と人との間に作用する力を検出するセンサが備えられている。そして、これのセンサの検出出力などを基に、各モーメント発生部からの補助力（補助トルク）が加えられていないときに人の各部が発生すべき力を演算し、演算した力に一定の軽減率を掛けた補助力を各モーメント発生部に発生させるようにしている。これにより、人に対する全荷重を概略所定の割合で人と補助装具とが負担し、人の負荷を軽減するようにしている。
【０００３】
しかしながら、この特許文献１のものでは、人の各部が発生すべき力を演算するとき、着地している脚体の足平支持部に作用する力の検出値をそのまま用いて各脚体の関節などの各部に発生すべき力を算出するようにしている。このため、その算出される力は、補助装具を含めた人の全荷重を支えるための力となる。従って、上記の如く、その算出された力の一定割合をモーメント発生部に発生させるようにしても、人の移動時の多くの状況において、自身に装備された補助装具の重さを意識しながら脚体を運動させることとなる。その結果、脚体の実際の運動パターンと人が想定した運動パターンとのずれを生じやすく、ひいては、脚体の運動がぎくしゃくしたり、脚体の運動を円滑に行うことを可能とする補助トルクを効果的に各モーメント発生部に発生させることが困難となっていた。
【０００４】
なお、人の移動時の各脚体の関節に発生すべき関節モーメントを推定する手法として、例えば特開２００３−８９０８３号公報（特許文献２）や、特開２００３−１１２８９３号公報（特許文献３）等に本願出願人が提案した手法が知られている。しかし、これらの手法で推定される関節モーメントは、人とこれに装着される装具とを合わせた全荷重を支えるために必要な関節モーメントである。このため、これらの手法で求めた関節モーメントの所定割合を各関節のモーメント発生部に発生させるようにしても、特許文献１と同様の不具合を生じる。
【特許文献１】特開２００３−２２０１０２号公報
【特許文献２】特開２００３−８９０８３号公報
【特許文献３】特開２００３−１１２８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、人に装着する脚体運動補助装具の自重が人に作用するのを軽減し、できるだけ脚体運動補助装具が装着されていなような感覚で人が脚体の運動を行うことを可能とする脚体運動補助装具の発生トルク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】
【０００６】
本発明の脚体運動補助装具の発生トルク制御方法の第１発明は、前記の目的を達成するために、人の両脚体と一体的に運動可能に該両脚体に装着される脚体部を備えると共に、該脚体部に、着地期の各脚体の足平部を載せて接地するように該足平部の底面側に配置される足平装具部と各脚体の足首関節、膝関節および股関節にそれぞれ対応する関節部位とが各脚体沿いに連結して設けられ、さらに少なくとも前記各脚体の膝関節および股関節にそれぞれ対応する関節部位に付与する補助トルクを発生可能なトルク発生手段を備えた脚体運動補助装具に対し、各トルク発生手段の発生トルクを制御する方法であって、前記脚体運動補助装具を装着した人の両脚体の運動が行われている時に、その両脚体の運動とほぼ同じ運動が前記脚体運動補助装具を人から取り外して行われているとした場合に少なくとも各脚体の膝関節および股関節にそれぞれ発生すべきモーメントである人側関節モーメントを逐次推定すると共に、前記脚体運動補助装具が単独で前記人の両脚体の運動とほぼ同じ運動を行っているとした場合に少なくとも各脚体の膝関節および股関節にそれぞれ対応する該脚体運動補助装具の各関節部位に発生すべきモーメントである装具側関節モーメントを逐次推定するモーメント推定ステップと、前記各脚体の膝関節および股関節にそれぞれ対応する各関節部位の前記装具側関節モーメントの推定値を該関節部位に対応するトルク発生手段に発生させるべき基準トルクとし、その基準トルクに、該関節部位に対応する人体側関節モーメントの推定値に応じて決定したトルクを付加してなるトルクを前記補助トルクとして該トルク発生手段に発生させるように該トルク発生手段を制御するトルク制御ステップとを備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
また、第２発明は、人の両脚体と一体的に運動可能に該両脚体に装着される脚体部を備えると共に、該脚体部に、着地期の各脚体の足平部を載せて接地するように該足平部の底面側に配置される足平装具部と各脚体の足首関節、膝関節および股関節にそれぞれ対応する関節部位とが各脚体沿いに連結して設けられ、さらに前記各脚体の足首関節、膝関節および股関節にそれぞれ対応する関節部位に付与する補助トルクを発生可能なトルク発生手段を備えた脚体運動補助装具に対し、各トルク発生手段の発生トルクを制御する方法であって、前記脚体運動補助装具を装着した人の両脚体の運動が行われている時に、その両脚体の運動とほぼ同じ運動が前記脚体運動補助装具を人から取り外して行われているとした場合に各脚体の足首関節、膝関節および股関節にそれぞれ発生すべきモーメントである人側関節モーメントを逐次推定すると共に、前記脚体運動補助装具が単独で前記人の両脚体の運動とほぼ同じ運動を行っているとした場合に各脚体の足首関節、膝関節および股関節にそれぞれ対応する該脚体運動補助装具の各関節部位に発生すべきモーメントである装具側関節モーメントを逐次推定するモーメント推定ステップと、前記足首関節、膝関節および股関節にそれぞれ対応する各関節部位の前記装具側関節モーメントの推定値を該関節部位に対応するトルク発生手段に発生させるべき基準トルクとし、その基準トルクに、該関節部位に対応する人体側関節モーメントの推定値に応じて決定したトルクを付加してなるトルクを前記補助トルクとして該トルク発生手段に発生させるように該トルク発生手段を制御するトルク制御ステップとを備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
これらの第１および第２発明では、前記モーメント推定ステップにおいて、前記脚体運動補助装具を装着した人の両脚体の運動が行われている時に、その両脚体の運動とほぼ同じ運動が前記脚体運動補助装具を人から取り外して行われているとした場合に各脚体の各関節（第１発明では、少なくとも膝関節および股関節、第２発明では足首関節、膝関節および股関節）に発生すべき人側関節モーメントを逐次推定される。換言すれば、脚体運動補助装具を装着した人が現に行っている脚体の運動とほぼ同じ運動を、該脚体運動補助装具を取り外した人が自力で行っているとした場合に、各脚体の各関節に発生すべき人側関節モーメントが逐次推定される。従って、ここで推定される人側関節モーメントは、人が自身の重量を自力で支えながら、前記脚体の運動とほぼ同じ運動を行うために必要な関節モーメント（より詳しくは脚体運動補助装具を取り外した人の運動によって発生する慣性力と人に作用する重力および床反力との動力学的な釣り合い関係を満たすために必要な関節モーメント）である。
【０００９】
さらに、モーメント推定ステップでは、前記両脚体の運動とほぼ同じ運動を脚体運動補助装具が単独で（自力で）行っているとした場合に、該脚体運動補助装具の各関節部位に発生すべき装具側関節モーメントが逐次推定される。従って、ここで推定される装具側関節モーメントは、脚体運動補助装具が、あたかも自身の重量を自力で支えながら、前記脚体の運動と同じような運動を行うために必要な関節モーメント（より詳しくは脚体運動補助装具の単独の運動によって発生する慣性力と該脚体運動補助装具に作用する重力および床反力との動力学的な釣り合い関係を満たすために必要な関節モーメント）である。
【００１０】
つまり、モーメント推定ステップでは、人が自身の自重を支えながら脚体の運動を行うための人側関節モーメントと、脚体運動補助装具が自身の自重を支えながら脚体の運動とほぼ同じ運動を行うための装具側関節モーメントとが分離して推定される。
【００１１】
そして、かかる第１および第２発明では、前記トルク制御ステップにおいて、各関節部位の装具側関節モーメントの推定値をその関節部位に対応するトルク発生手段に発生させるべき基準トルクとし、その基準トルクに、該関節部位に対応する人体側関節モーメントの推定値に応じたトルク（例えば該人側関節モーメントの所定割合のトルク）を付加してなるトルクを発生させる。従って、各関節部位に対応するトルク発生手段は、脚体運動補助装具ができるだけ自力で、人の脚体の運動と同じような運動を行い得るようなトルクを発生しながら、人の脚体の各関節に発生させるべき人側関節モーメントの一部を補助的に担うこととなる。この場合、トルク発生手段のトルク発生には反力が必要であるが、その反力の多くは、着地期の脚体側の足平装具部が床から直接的に（人を介さずに）受ける床反力によって賄われることとなる。
【００１２】
従って、第１および第２発明によれば、人に装着する脚体運動補助装具の自重が人に作用するのを軽減し、できるだけ脚体運動補助装具が装着されていなような感覚で人が脚体の運動を行うことが可能となる。
【００１３】
補足すると、第１発明では、各脚体の足首関節に補助トルクを付与するトルク発生手段は、必ずしも必要ではない。この場合は、第２発明に比して、脚体運動補助装具の自重の、人への負担分は増えるものの、脚体運動補助装具の股関節および膝関節に対応する関節部位にトルク発生手段から前記の如く、トルクを付与するようにすることによって、脚体運動補助装具の自重の、人への負担分を比較的小さくすることは可能である。但し、脚体運動補助装具の自重の、人への負担分を極力少なくする上では、第２発明の如く、各脚体の足首関節、膝関節および股関節に対応する各関節部位にトルク発生手段からトルクを付与するようにすることが好適である。
【００１４】
前記第１および第２発明では、前記モーメント推定ステップで推定する人側関節モーメントおよび装具側関節モーメントは、３軸まわりのモーメント（３次元量ベクトルとしてのモーメント）でよいことはもちろん、例えば矢状面（人の前後方向の軸と鉛直方向の軸とで構成される平面）で見た１軸まわりのモーメント（矢状面に垂直な軸回りのモーメント）でもよい。この場合、脚体運動補助装具の自重の人への負担分を極力少なくする上では、原理上は、前記モーメント推定ステップで推定する人側関節モーメントおよび装具側関節モーメントを、３軸まわりのモーメント（３次元ベクトル量としてのモーメント）とし、また、各トルク発生手段で発生可能なトルクも３次元量であることが望ましいと考えられる。しかるに、このようにすると、一般には、脚体運動補助装具の構造が複雑化もしくは大型化し、却って、人の脚体の円滑な運動の妨げとなる。
【００１５】
但し、人の移動時の各脚体の運動は、主に屈伸運動であり、その屈伸運動は、脚体の股関節、膝関節および足首関節を通る平面にほぼ垂直な軸回りに各関節を回転させることで行われる。そこで、第３発明では、前記モーメント推定ステップで推定する人側関節モーメントおよび装具側関節モーメントを、人の各脚体の股関節、膝関節および足首関節を通る平面としての脚平面にほぼ垂直な軸回りのモーメントとする。
【００１６】
なお、この場合、前記トルク発生手段で発生させる補助トルクは上記脚平面にほぼ垂直な軸回りのトルクとなる。
【００１７】
かかる第３発明によれば、推定する人側関節モーメントおよび装具側関節モーメントが１軸回りの成分だけでよく、また、トルク発生手段で発生するトルクも１軸回りのトルクで済むため脚体運動補助装具の構造を小型で簡略なものとすることができる。同時に、人の脚体の主たる運動たる屈伸運動に係わる人側関節モーメントおよび装具側関節モーメントを推定して、トルク発生手段のトルクを制御するので、脚体運動補助装具の自重の人への負担を効果的に軽減することができる。
【００１８】
また、前記第１または第２発明において、人側関節モーメントおよび装具側関節モーメントを推定する手法としては種々様々な手法が考えられるが、その手法の一形態として、前記モーメント推定ステップは、前記人または脚体運動補助装具の所定の部位の加速度を逐次把握する第１ステップと、前記人の各脚体の股関節、膝関節および足首関節の変位量を逐次把握する第２ステップと、前記人の両脚体の運動とほぼ同じ運動が前記脚体運動補助装具を人から取り外して行われているとした場合に人に作用する床反力およびその作用点を逐次推定する第３ステップと、前記脚体運動補助装具が単独で前記人の両脚体の運動とほぼ同じ運動を行っているとした場合に該脚体運動補助装具に作用する床反力およびその作用点を逐次推定する第４ステップと、前記第１ステップで把握した加速度と前記第２ステップで把握した変位量と前記第３ステップで推定した床反力および作用点と前記人を複数の剛体要素および関節要素の連結体として表現してなる人側剛体リンクモデルとを用いて逆動力学演算の処理により前記人側関節モーメントを推定する第５ステップと、前記第１ステップで把握した加速度と前記第２ステップで把握した変位量と前記第４ステップで推定した床反力および作用点と前記脚体運動補助装具を複数の剛体要素および関節要素の連結体として表現してなる装具側剛体リンクモデルとを用いて前記装具側関節モーメントを推定する第６ステップとを備える（第４発明）。
【００１９】
すなわち、前記人または脚体運動補助装具の所定の部位の加速度と、人の各脚体の股関節、膝関節および足首関節の変位量とを把握すると共に、前記人の両脚体の運動とほぼ同じ運動が前記脚体運動補助装具を人から取り外して行われているとした場合に人に作用する床反力およびその作用点を推定し、それらの把握もしくは推定した物理量と前記人側剛体リンクモデルとを用いることで、人の各部（人側剛体リンクモデルの各要素に対応する部位）の相対的位置関係並びに動力学的関係（力と運動との関係）が定まるので、いわゆる逆動力学演算の処理によって人側関節モーメントを推定することができる。なお、逆動力学演算は、それを一般的にいえば、物体に作用する外力と位置情報とを既知として（該外力および位置情報を入力パラメータ）として、該物体の内力である反力やモーメントを推定する演算処理である。この場合、床反力が各脚体に作用する外力として既知のものとなるため、逆動力学演算の処理によって、人側関節モーメントを床のより近いものから順番に（足首関節、膝関節、股関節の順番）推定することができる。
【００２０】
同様に、前記把握した加速度および変位量と、前記第４ステップで推定した床反力およびその作用点と、前記装具側剛体リンクモデルとを用いることで、脚体運動補助装具の各部（装具側剛体リンクモデルの各要素に対応する部位）の相対的位置関係並びに動力学的関係（力と運動との関係）が定まるので、逆動力学演算の処理によって装具側関節モーメントを推定することができる。
【００２１】
なお、前記加速度および変位量は、それぞれ加速度センサ、回転角センサなどを用いて把握できる。また、床反力およびその作用点は、上記把握した加速度、関節の変位量、前記人側および装具側剛体リンクモデルなどを用いて推定することが可能である。
【００２２】
上記第４発明において、前記第３発明と同様に、前記第５ステップで推定する人側関節モーメントおよび前記第６ステップで推定する装具側関節モーメントを、人各脚体の股関節、膝関節および足首関節を通る平面としての脚平面にほぼ垂直な軸回りのモーメントとした場合には、前記第１ステップで把握する加速度と前記第３ステップで推定する床反力およびその作用点と前記第４ステップで推定する床反力およびその作用点とはいずれも３次元量であり、前記第２ステップで把握する各脚体の股関節、膝関節および足首関節の変位量は該脚体に係る前記脚平面にほぼ垂直な軸回りの回転量を含むと共に前記股関節の変位量は３次元量であり、少なくとも前記第１ステップで把握した加速度を用いて人の所定の部位に対して固定された所定の基準点の加速度を３次元量として逐次把握する第７ステップと、少なくとも前記第２ステップで把握した変位量と前記人側剛体リンクモデルとを用いて該人側剛体リンクモデルのうちの各脚体部の要素の前記脚平面上での位置および姿勢を逐次把握する第８ステップと、少なくとも前記第２ステップで把握した変位量と前記装具側剛体リンクモデルとを用いて該装具側剛体リンクモデルのうちの各脚体部の要素の前記脚平面上での位置および姿勢を把握する第９ステップとを備え、前記第５ステップでは、前記第７ステップで把握した前記所定の基準点の加速度と前記第３ステップで推定した床反力およびその作用点とを前記股関節の変位量に応じて各脚体に対応する前記脚平面に投影してなる２次元量と、前記第８ステップで把握した位置および姿勢とを用いて前記人側関節モーメントを推定し、前記第６ステップでは、前記第７ステップで把握した前記所定の基準点の加速度と前記第４ステップで推定した床反力およびその作用点とを前記股関節の変位量に応じて各脚体に対応する前記脚平面に投影してなる２次元量と、前記第９ステップで把握した位置および姿勢とを用いて前記装具側関節モーメントを推定することが好ましい（第５発明）。
【００２３】
かかる第５発明によれば、前記第２ステップで把握する各脚体の股関節、膝関節および足首関節の前記脚平面にほぼ垂直な軸回りの回転量は、ポテンショメータやロータリエンコーダ等の回転角センサを用いて比較的精度良く把握することができる。従って、人の各脚体の、脚平面上での２次元的な運動以外の運動（各脚体の外転、外旋、内転、内旋等）を含む３次元的な運動によらずに、前記第８ステップおよび第９ステップにおいてそれぞれ人側剛体リンクモデルの前記脚平面上での位置および姿勢、装具側剛体リンクモデルの前記脚平面上での位置および姿勢を比較的精度よく把握できる。また、人およびこれに装着された脚体運動補助装具の空間的な（３次元的な）運動を考慮し、前記基準点の加速度、人に作用する床反力およびその作用点の位置と、脚体運動補助装具に作用する床反力およびその作用点の位置とが、前記第７ステップ、第３ステップ、第４ステップで３次元量（ある３次元座標系で表されるベクトル量）として把握された上で、それらが該脚体の股関節の変位量（３次元量）に応じて該脚体に係わる脚平面に投影され、前記基準点の加速度、人に作用する床反力およびその作用点、脚体運動補助装具に作用する床反力およびその作用点の該脚平面上での２次元量（詳しくは脚平面に平行な面上での成分）が得られる。そして、前記５ステップにおいて、その基準点の加速度、人に作用する床反力およびその作用点の脚平面上での２次元量と、前記第８ステップで把握した人側剛体リンクモデルの要素の前記脚平面上での位置および姿勢とを用いることで、該脚平面上での逆動力学演算の処理によって、前記人側関節モーメントが推定される。同様に、前記基準点の加速度、脚体運動補助装具に作用する床反力およびその作用点の脚平面上での２次元量と、前記第９ステップで把握した装具側剛体リンクモデルの要素の前記脚平面上での位置および姿勢とを用いることで、該脚平面上での逆動力学演算の処理によって、前記装具側関節モーメントが推定される。このように、前記脚平面にほぼ垂直な軸回りの人側関節モーメントおよび装具側関節モーメントを推定することで、それぞれの関節モーメントの前記脚平面にほぼ垂直な軸回りの成分を十分な推定精度で推定できると共に、該成分が過度に変動するのを防止できる。その結果、前記各トルク発生手段で発生させるトルクも、脚体運動補助装具の自重の人への負担を安定して軽減する上で好適なものにすることができる。
【００２４】
また、前記第４または第５発明において、前記第３ステップでは、少なくとも前記第１ステップで把握した加速度と前記第２ステップで把握した変位量と前記人側剛体リンクモデルとを用いて前記人に作用する床反力およびその作用点を推定し、前記第４ステップでは、少なくとも前記第１ステップで把握した加速度と前記第２ステップで把握した変位量と前記装具側剛体リンクモデルとを用いて前記脚体運動補助装具に作用する床反力およびその作用点を推定することが好ましい（第６発明）。
【００２５】
人または脚体運動補助装具の所定の部位の加速度と、人の各脚体の各関節の変位量と、人側剛体リンクモデルとを用いることで、人の各部の運動状態（ひいては慣性力）が判るので動力学的な演算や幾何学的な演算によって人にその自重によって作用する床反力やその作用点を推定することが可能である。同様に、人または脚体運動補助装具の所定の部位の加速度と、人の各脚体の各関節の変位量と、人側剛体リンクモデルとを用いることで、脚体運動補助装具にその自重によって作用する床反力やその作用点を推定することが可能である。上記のように、床反力やその作用点を推定するために、所定の部位の加速度等を用いることによって、人に装着するセンサ類を少なくくしつつ小型にすることができる。また、この場合、その加速度を把握するために必要となる加速度センサは、人側剛体リンクモデルあるいは装具側剛体リンクモデルのいずれか１つの剛体要素に対応する部位に装着すればよいので、その装着箇所の自由度が高い。このため、人の脚体の運動を妨げるような箇所にセンサを装着するのを極力避けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の一実施形態（第１実施形態）を図１〜図１９を参照して説明する。本実施形態は、本発明の第１および第２発明の実施形態である。図１は本実施形態に係る脚体運動補助装具１を人Ａに装着した状態を側面視で示し、図２は該脚体運動補助装具１を装着した人Ａの下半身を正面視で示している。なお、図２では、説明の便宜上、人Ａの各脚体の股関節、膝関節、足首関節を二点差線の円で表している。
【００２７】
これらの図１および図２において、脚体運動補助装具１（以下、単に補助装具１という）は、人Ａの腰部の背面に装着されたセンサボックス２と、このセンサボックス２から人Ａの各脚体の股関節の箇所まで延設された腰リンク部材３と、この腰リンク部材３から股関節部位４を介して各脚体の大腿部沿いに膝関節の箇所まで延設された大腿リンク部材５と、この大腿リンク部材５から膝関節部位６を介して各脚体の下腿部沿いに延設されて、該脚体の下腿部の下部（足首関節の上側）に外挿された下腿環状部材７に連結された第１下腿リンク部材８と、下腿環状部材８から各脚体の足首関節の箇所まで延設された第２下腿リンク部材９と、この第２下腿リンク部材９から足首関節部位１０を介して各脚体の足平部の底面に向かって延設され、該足平部の底面に当接された平板状の足平装具部１２に連結された足平リンク部材１１とを備えている。センサボックス２はベルト１３等を介して腰部に固定され、大腿リンク部材５はベルト１４，１５等を介してで各脚体の大腿部に固定され、下腿リンク部材７はベルト１６等を介して各脚体の下腿部に固定され、足平装具部１２はベルト１７等を介して各脚体の足平部に固定されている。
【００２８】
股関節部位４、膝関節部位６および足首関節部位１０は、それぞれ人Ａの各脚体の股関節、膝関節、足首関節に対応する位置に在り、該脚体の屈伸運動に伴う回転運動（図１の紙面に概ね垂直な軸回り（より詳しくは後述の脚平面にほぼ垂直な軸回り）の回転運動）が可能とされている。また、腰リンク部材３は、センサボックス２寄りの部分３ａが硬質の剛体部材から構成されると共に、股関節部位４寄りの部分３ｂがゴム等の弾性材から構成されている。弾性材部分３ｂが変形することで、人Ａの脚体の外転・内転運動（脚体の大腿部を人Ａの左右方向で股関節回りに回転させる運動）や旋回運動（脚体の大腿部をほぼ上下方向の軸心回りに腰部に対して回転させる運動）を可能としている。また、第２下腿リンク部材９は、第１下腿リンク部材７に対して旋回運動が可能なように下腿環状部材８に取り付けられており、これにより足平部の足首関節回りの旋回運動（足平部を下腿部の軸心回りに回転させる運動）が可能となっている。
【００２９】
上記のような構造を有する補助装具１の各股関節部位４から下の部分（股関節部位４を含む）が人Ａの各脚体に対応する脚体部となっている。
【００３０】
補助装具１は、各脚体毎の股関節部位４、膝関節部位６および足首関節部位１０の箇所に、それぞれの関節部位にトルクを付与するトルク発生手段としての電動モータ１８，１９，２０を備えている。これらの電動モータ１８〜２０は各脚体の外側面（右脚体の右側面、左脚体の左側面）に配置されている。この場合、電動モータ１８は、前記腰リンク部材３に対して大腿リンク部材５を股関節部位４の回転軸心回りに回転させるトルクを発生可能であり、電動モータ１９は、大腿リンク部材５に対して第１および第２下腿リンク部材７，９を膝関節部位６の回転軸心回りに回転させるトルクを発生可能であり、電動モータ２０は、第１および第２下腿リンク部材７，９に対して足平リンク部材１１および足平装具部１２を足首関節部位１０の回転軸心回りに回転させるトルクを発生可能である。なお、トルク発生手段は、電動モータの代わりに、例えば空圧アクチュエータ等を使用してもよい。
【００３１】
前記センサボックス２の内部には、図３のブロック図で示すように、３軸方向の加速度（並進加速度）を検出する加速度センサ２１と、３軸回りの角速度を検出するジャイロセンサ２２と、マイクロコンピュータを用いて構成された演算処理装置２３と、後述する光ファイバ２４，２５に導入する光を発光したり、戻り光を受光する発光／受光器２６と、演算処理装置２３の指令を受けて前記各電動モータ１８〜２０の発生トルクを制御するモータ駆動回路２７と、演算処理装置２３等の各電装品の電源としてのバッテリ２８とが収容されている。発光／受光器２６、加速度センサ２１、ジャイロセンサ２２はその検出出力は演算処理装置２３に入力するようにしている。なお、加速度センサ２１およびジャイロセンサ２２は、センサボックス２およびバンド１３を介して腰部に固定され、腰部と一体的に動くようになっている。
【００３２】
補助装具１は、上記加速度センサ２１およびジャイロセンサ２２の他、次のようなセンシング構成を備えている。
【００３３】
すなわち、図２に示す如く、股関節部位４、膝関節部位６および足首関節部位１０に、それぞれ人Ａの股関節、膝関節、足首関節の変位量（回転角）を検出する関節変位センサ２９，３０，３１がそれぞれ設けられている。これらの関節変位センサ２９〜３１の検出出力は図示しない信号線を介してセンサボックス２の前記演算処理装置２３に入力される。これらの関節変位センサ２９〜３１のうち、股関節部位４の関節変位センサ２９が検出する変位量は、人Ａの股関節の３軸回りの回転角（３つの軸回りの回転角の組からなる３次元量）であり、膝関節部位６の関節変位センサ３０が検出する変位量は、人Ａの膝関節の１軸回りの回転角、足首関節部位１０の関節変位センサ３１が検出する変位量は、人Ａの足首関節の１軸回りの回転角である。この場合、関節変位センサ２９が検出する回転角のうちの１つと、関節変位センサ３０，３１が各々検出する回転角の回転軸は、それぞれ図２に示す如く、それらのセンサに対応する脚体の股関節、膝関節、足首関節のそれぞれのほぼ中心を通る平面としての脚平面ＰＬ（図２の紙面に垂直な平面）にほぼ垂直な軸ａ29，ａ30，ａ31である。これらの軸ａ29，ａ30，ａ31は、それぞれ股関節部位４、膝関節部位６、足首関節部位１０の回転軸である。関節変位センサ２９〜３１は、それぞれ股関節、膝関節、足首関節の上記の回転軸ａ29，ａ30，ａ31回りの回転角をポテンショメータやロータリエンコーダを用いて検出する。
【００３４】
ここで、脚平面ＰＬについて補足すると、該脚平面ＰＬは、それに対応する脚体を膝関節で屈曲させて該脚体の屈伸を行ったときに、該脚体の股関節、膝関節、足首関節の中心点が存在するような平面である。換言すれば、各脚体の屈伸は、その股関節、膝関節、足首関節の中心点をほぼ脚平面ＰＬ上に位置させた状態で行われる。そして、例えば図２の左側脚体のように、その股関節の運動によって左側脚体を外転させると、該左側脚体に対応する脚平面ＰＬは鉛直方向に対して傾く。
【００３５】
股関節部位４の関節変位センサ２９が検出する他の２軸回りの回転角は、対応する脚体の脚平面ＰＬに平行で、且つ互いに平行でない２つの軸回りの回転角である。そして、その回転角は、例えば前記腰リンク部材３の弾性材部分３ｂの変形量を検出するひずみセンサや、後述するような光ファイバを利用したセンサを用いて検出される。
【００３６】
また、図１に示すように、センサボックス２から導出された２本の光ファイバ２４，２５は人Ａの胴体の背面（背中）沿いに上方に向かって延設され、その先端部がそれぞれ人Ａの腹部の背面、胸部の背面に図示しないバンド等の部材を介して固定されている。光ファイバ２４，２５は、それぞれ腰部に対する腹部、胸部の傾き角（矢状面での傾き角）を検出する検出手段の構成要素である。これらの光ファイバ２４，２５を用いた腹部、胸部の傾き角の計測は次のような手法により行われる。光ファイバ２４を用いた腹部の傾き角の計測手法を代表的に説明すると、該光ファイバ２４には、センサボックス２内の前記発光／受光器２６から所定の強度の光が導入されると共に、その導入された光が該光ファイバ２４の先端で反射されてセンサボックス２側に戻ってくるようになっている。そして、その光の戻り量（戻った光の強度）が前記発光／受光器２６により検出されるようになっている。また、光ファイバ２４には、微小な光漏れを許容する複数の刻み部（図示しない）が長手方向に間隔を存して設けられており、光ファイバ２４に導入された光のうち、腰部に対する腹部の傾き角に応じた量の光がそれらの刻み部を介して光ファイバ２４から漏出する。このため、センサボックス２側への光の戻り量は、腹部の傾き角に応じたものとなり、その戻り量を検出することで、腰部に対する腹部の傾き角が計測される。すなわち、光ファイバ２４の光の戻り量に応じた発光／受光器２６の検出出力が、腰部に対する腹部の傾き角に応じたものとなり、それが該傾き角を示す信号として演算処理装置２３に入力される。光ファイバ２５を用いた胸部の傾き角の計測手法も同様である。
【００３７】
なお、前記関節変位センサ２９〜３１がそれぞれ検出する股関節、膝関節、足首関節の回転角は、両足平を平行に前方に向けて人Ａが直立姿勢で起立した状態（以下、人Ａの基準姿勢状態という）を基準（ゼロ点）とする回転角である。光ファイバ２５，２６を用いてそれぞれ検出する腹部、胸部の傾き角についても同様である。
【００３８】
さらに、補助装具１は、図１に示す如く、各足平装具部１２の底面に、２つの接地センサ３２，３３を備えている。これらの接地センサ３２，３３のうち、接地センサ３２は足首関節の直下の箇所（踵）に設けられ、接地センサ３３は足平の中足趾節関節（足平部の親指の付け根の関節）の直下の箇所（つま先）に設けられている。これらの接地センサ３２，３３は、それを設けた箇所が接地しているか否かを示すＯＮ／ＯＦＦ信号を出力するセンサである。なお、接地センサ３２，３３の検出出力は信号線（図示省略）を介してセンサボックス２の演算処理装置２３に入力される。
【００３９】
以上が補助装具１の構成である。かかる補助装具１では、人Ａの各脚体の着地期において、該脚体の足平が足平装具部１２上に載った状態で該足平装具部１２が接地する。この場合、例えば人Ａが直立姿勢で起立したような状態では、補助装具１の重量は、そのほぼ全体が両足平装具部１２，１２を介して床（地面）に作用し、人Ａにはほとんど作用しないものとなる。
【００４０】
次に、本実施形態で用いる人Ａの剛体リンクモデル（幾何学モデル）、補助装具１の剛体リンクモデル（幾何学モデル）、および座標系について説明しておく。図４は、人Ａの剛体リンクモデルＳ１の構造と座標系とを示している。なお、後述する如く、本実施形態では、補助装具１の剛体リンクモデルの基本構造は人Ａの剛体リンクモデルＳ１と同一とされており、図４は補助装具１の剛体リンクモデルの構造を示すものでもある。そのため、図４では、補助装具１の剛体リンクモデルを示す参照符号Ｓ１’を括弧付きで示している。
【００４１】
図４に示す如く、本実施形態では、人Ａの剛体リンクモデルＳ１は、９個の剛体要素と８個の関節要素とで構成される連結体として表現される。図４では、各剛体要素は線分で表され、各関節要素は円（参照符号Ｓ９ａを付したものを除く）で表されている。以下、詳説すると、この剛体リンクモデルＳ１は、大別すると、人の各脚体にそれぞれ対応する一対の脚体部Ｓ２，Ｓ２と、人の上体（腰部から上側の部分）に対応する上体部Ｓ３とから構成される。上体部Ｓ３は、人の腰部に対応する剛体要素Ｓ４と腹部に対応する剛体要素Ｓ５とを関節要素ＪＵ１で連結し、さらに、剛体要素Ｓ５と胸部に対応する剛体要素Ｓ６とを関節要素ＪＵ２で連結してなる連結体として構成されている。以下、剛体要素Ｓ４〜Ｓ６をそれぞれ腰部要素Ｓ４、腹部要素Ｓ５、腰部要素Ｓ６と称し、関節要素ＪＵ１、ＪＵ２をそれぞれ上体下部関節ＪＵ１、上体上部関節ＪＵ２と称することがある。
【００４２】
この場合、腰部要素Ｓ４の上端に前記上体下部関節ＪＵ１が設けられると共に、腰部要素Ｓ４の下部の左右両端に人Ａの一対の股関節に対応する一対の関節要素Ｊ１，Ｊ１（以下、単に股関節Ｊ１と称することがある）が設けられている。また、上体下部関節ＪＵ１は、人Ａの腰部と腹部との境界付近で人Ａの背骨上に想定した関節に対応するものであり、上体上部関節ＪＵ２は、腹部と胸部との境界付近で人Ａの背骨上に想定した関節に対応するものである。剛体リンクモデルＳ１では、人Ａの胴体の曲げ動作に対応する上体部Ｓ３の曲げ動作は、上体下部関節ＪＵ１および上体上部関節ＪＵ２の２つの関節要素で行われる。
【００４３】
剛体リンクモデルＳ１の各脚体部Ｓ２は、人の大腿部に対応する剛体要素である大腿部要素Ｓ７を前記股関節Ｊ１を介して腰部要素Ｓ４に連結し、下腿部に対応する剛体要素である下腿部要素Ｓ８を膝関節に対応する関節要素Ｊ２を介して連結し、足平部に対応する剛体要素である足平部要素Ｓ９を足首関節に対応する関節要素Ｊ３を介して連結してなる連結体として構成されている。以下、剛体要素Ｓ７〜Ｓ９をそれぞれ大腿部要素ＳＳ７、下腿部要素Ｓ８、足平部要素Ｓ９と称し、関節要素Ｊ２，Ｊ３をそれぞれ単に膝関節Ｊ２、足首関節Ｊ３と称することがある。
【００４４】
なお、図４において、足平部要素Ｓ９の先端の参照符号Ｊ４を付した部分は、人の足平部の親指の付け根の関節である中足趾節関節（以下、ＭＰ関節という）に対応する部分である。剛体リンクモデルＳ１では、部分Ｊ４は、関節としての機能を持つものではないが、以下、便宜上、その部分Ｊ４をＭＰ関節Ｊ４と称する。
【００４５】
以上の如く構成された人Ａの剛体リンクモデルＳ１の各剛体要素及び各関節要素は、各関節要素の回転運動によって、その相互の位置関係および姿勢関係（向きの関係）が各剛体要素および各関節要素に対応する人の各部の相互の位置関係および姿勢関係と同一になるように運動可能とされている。この場合、上体下部関節ＪＵ１及び上体上部関節ＪＵ２は、それぞれ３軸回りの回転が可能とされており、その中の１軸を計測軸として、その計測軸回りの回転（図４に各関節要素ＪＵ１，ＪＵ２に対応して記載した矢印（回転方向を表す矢印））を計測するようにしている。その計測軸は、本実施形態では、前記一対の股関節Ｊ１，Ｊ１の中心を結ぶ線分と平行な軸である。また、各脚体部Ｓ２の股関節Ｊ１は、左側脚体部Ｓ２の股関節Ｊ１に関して代表的に図４中に記載した矢印（回転方向を表す矢印）で示す如く３軸回りの回転が可能とされている。さらに、各脚体部Ｓ２の膝関節Ｊ２および足首関節Ｊ３はそれぞれ、左側の脚体部Ｓ２の各関節要素Ｊ２，Ｊ３に関して代表的に図４中に記載した矢印（回転方向を表す矢印）で示す如く１軸回りの回転が可能とされている。膝関節Ｊ２および足首関節Ｊ３のそれぞれの回転軸は、股関節Ｊ１、膝関節Ｊ２および足首関節Ｊ３のそれぞれの中心を通る脚平面ＰＬ（図４では左側脚体部Ｓ２については図示を省略している）に垂直な軸である。右側脚体部Ｓ２の股関節Ｊ１、膝関節Ｊ２、および足首関節Ｊ３の回転動作についても左側脚体部Ｓ２と同様である。この場合、右側脚体部Ｓ２の膝関節Ｊ２および足首関節Ｊ３のそれぞれの回転軸（１軸）は、該右側脚体部Ｓ２に対応して図示した脚平面ＰＬに垂直な軸である。なお、各股関節Ｊ１は、いずれの脚体部Ｓ２についても３軸回りの回転が可能であるから、それぞれの脚体部Ｓ２に対応する脚平面ＰＬに垂直な軸回りの回転も可能である。
【００４６】
また、剛体リンクモデルＳ１では、その各剛体要素の重量および長さ（図の線分方向の長さ）、各剛体要素の重心の位置（各剛体要素に固定された後述の要素座標系での位置）とがあらかじめ定められて、演算処理装置２３の図示しないメモリに記憶保持されている。図４の黒点Ｇ６，Ｇ５，Ｇ４，Ｇ７，Ｇ８，Ｇ９はそれぞれ胸部要素Ｓ６、腹部要素Ｓ５、腰部要素Ｓ４、大腿部要素Ｓ７、下腿部要素Ｓ８、足平部要素Ｓ９の重心を例示的に示している。補足すると、腰部要素Ｓ６は、３つの関節要素ＪＵ１，Ｊ１，Ｊ１に連結されているので、その長さについては、両股関節Ｊ１，Ｊ１を結ぶ線分の長さと、その線分の中点と下部上体関節ＪＵ１とを結ぶ線分の長さとがある。なお、各剛体要素の長さに代えて、その剛体要素に固定された要素座標系での該剛体要素の端点の位置を演算処理装置２３に記憶保持させておいてもよい。
【００４７】
剛体リンクモデルＳ１の各剛体要素の重量、長さ、重心の位置は、基本的にはそれぞれの剛体要素に対応する人の部位（剛体相当部）の重量、長さ、重心の位置とほぼ同一になるように設定されている。例えば、大腿部要素Ｓ１０の重量、長さ、重心の位置は、それぞれ人の大腿部の実際の重量、長さ、重心の位置とほぼ同一である。なお、剛体リンクモデルＳ１の各剛体要素の重量、長さおよび重心の位置は、人Ａに補助装具１を装備していない状態での重量、長さおよび重心の位置である。また、胸部要素Ｓ６の重量および重心の位置は、人の胸部と両腕体と頭部とを合わせたものの重量および重心の位置である。補足すると、人の移動時の両腕体の運動（腕を前後に振る動作）に伴う胸部要素Ｓ６の重心の位置変化は比較的小さく、該胸部要素Ｓ６のほぼ一定の位置に維持される。
【００４８】
剛体リンクモデルＳ１の各剛体要素の重量、長さ、重心の位置は、基本的には、人の各部の寸法や重量の実測値に基づいて定めればよいが、人の身長や体重から、人間の平均的な統計データに基づいて推定するようにしてもよい。一般に、各剛体要素に対応する人の剛体相当部の重心の位置や重量、長さは、人間の身長や体重（全体重量）と相関性があり、その相関関係に基づいて人の身長および体重の実測データから各剛体要素に対応する人の剛体相当部の重心の位置や重量、長さを比較的精度よく推定することが可能である。
【００４９】
なお、図４では、便宜上、各重心Ｇ４〜Ｇ９は、それぞれに対応する剛体要素の軸心上（図示の線分上）に位置するように記載しているが、必ずしもその軸心上に位置するとは限らず、その軸心からずれた位置に存在してもよい。
【００５０】
本実施形態では、剛体リンクモデルＳ１に対して、次のような座標系があらかじめ設定されている。すなわち、図４に示す如く身体座標系ＢＣが腰部要素Ｓ４に固定して設定されている。この身体座標系ＢＣは、一対の股関節Ｊ１，Ｊ１の中心を結ぶ線分の中点を原点とし、その線分の方向をＹ軸、原点から上体下部関節ＪＵ１の中心に向かう方向をＺ軸、これらのＹ軸およびＺ軸に直交する方向をＸ軸とする３次元座標系（ＸＹＺ座標系）として設定されている。人Ａの前記基準姿勢状態では、身体座標系ＢＣのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸はそれぞれ人間１の前後方向、左右方向、上下方向（鉛直方向）に向き、ＸＹ平面は水平面である。なお、本実施形態では、身体座標系ＢＣの原点は本発明における基準点に相当するものである。
【００５１】
また、各脚体部Ｓ２に対応する脚平面ＰＬには、脚座標系ＬＣが固定・設定されている。なお、図４では便宜上、右側脚体部Ｓ２の脚平面ＰＬに対応する脚座標系ＬＣのみ代表的に記載している。この脚座標系ＬＣは、脚平面ＰＬ上の股関節Ｊ１の中心点を原点とする３次元座標系（ＸＹＺ座標系）であり、脚平面ＰＬに垂直な方向をＹ軸、身体座標系ＢＣのＺ軸を脚平面ＰＬに投影した軸と平行な方向をＺ軸、これらのＹ軸およびＺ軸に直交する方向をＸ軸としている。なお、脚座標系ＬＣのＸＺ平面は、脚平面ＰＬと一致する。
【００５２】
さらに、各剛体要素には、例えば参照符号Ｃ４〜Ｃ９で示すように要素座標系が固定的に設定されている。本実施形態では、腰部要素Ｓ４の要素座標系Ｃ４は身体座標系ＢＣと同一とされている。また、胸部要素Ｓ６、腹部要素Ｓ５、各大腿部要素Ｓ７、各下腿部要素Ｓ８、および各足平部要素Ｓ９のそれぞれの要素座標系Ｃ６，Ｃ５，Ｃ７，Ｃ８，Ｃ９はそれぞれ、上体上部関節ＪＵ２、上体下部関節ＪＵ１、膝関節Ｊ１１、足首関節Ｊ１３、ＭＰ関節Ｓ９ａの中心点を原点とする３次元座標系（ＸＹＺ座標系）とされている。
【００５３】
なお、要素座標系Ｃ４〜Ｃ９は、対応する剛体要素に固定されているものであれば、その原点や各軸の向きの設定は任意でよい。
【００５４】
次に、補助装具１の剛体リンクモデルを説明する。本実施形態では、補助装具１の剛体リンクモデルの連結構造は、人の剛体リンクモデルＳ１（以下、人剛体リンクモデルＳ１という）と同一としており、図４に示した構造を有している。従って、補助装具１の剛体リンクモデルの説明は図４を用いて行う。以下、補助装具１の剛体リンクモデルを図４に括弧書きで示す如く、参照符号Ｓ１’で表し、装具剛体リンクモデルＳ１’と称する。
【００５５】
この場合、装具剛体リンクモデルＳ１’の各脚体部Ｓ２の関節要素Ｊ１〜Ｊ３は、それぞれ補助装具１の股関節部位４、膝関節部位６、足首関節部位１０に対応している。なお、上体部Ｓ３の関節要素ＪＵ１，ＪＵ２は、人Ａの場合と同様、人Ａの背骨上に想定した関節に対応している。また、本実施形態では、装具剛体リンクモデルＳ１’の各関節要素Ｊ１〜Ｊ３，ＪＵ１，ＪＵ２は、それぞれ人剛体リンクモデルＳ１の関節要素Ｊ１〜Ｊ３，ＪＵ１，ＪＵ２と同じ位置にあるものとされ、それぞれが可能な回転も人剛体リンクモデルＳ１と同一である。
【００５６】
装具剛体リンクモデルＳ１’の各剛体要素Ｓ４〜Ｓ９は、補助装具１のうち、該剛体要素に対応する人の部位に装着されている部分に相当している。例えば装具剛体リンクモデルＳ１’の大腿部要素Ｓ５は、補助装具１のうち、股関節部位４の中心と膝関節部位６の中心との間の部分（前記大腿部リンク部材５、バンド１４，１５と、股関節部位４、膝関節部位６、電動モータ１８，１９および関節変位センサ２９，３０のそれぞれの半体）に対応している。そして、装具剛体リンクモデルＳ１’の各剛体要素Ｓ４〜Ｓ９の重量および重心の位置（各剛体要素に固定された要素座標系での位置）があらかじめ演算処理装置２３のメモリに記憶保持されている。装具剛体リンクモデルＳ１’の各剛体要素Ｓ３〜Ｓ９の重量および重心の位置は、補助装具１の単体（人Ａから取り外した補助装具１）での重量および重心の位置である。
【００５７】
なお、本実施形態では、装具剛体リンクモデルＳ１’の各関節要素の位置を人Ａの人剛体リンクモデルＳ１と同一にしているので、足平要素Ｓ９を除く各剛体要素Ｓ４〜Ｓ８の長さは人剛体リンクモデルＳ１と共通とされる。また、身体座標系ＢＣ、脚座標系ＬＣ、および各要素座標系Ｃ４〜Ｃ９も両剛体リンクモデルＳ１，Ｓ１’で共通とされている。
【００５８】
補足すると、本実施形態では、装具剛体リンクモデルＳ１’では、各足平部要素Ｓ９は、より詳しくは、図５に示す構造を有するものとされている。すなわち、足首関節Ｊ３に概略平板状の基体Ｓ９ａが連結され、この基体Ｓ９ｂの前部（つま先寄り部分）および後部（踵部寄りの部分）の下面にそれぞれ床に接地する支持部Ｓ９ｂ，Ｓ９ｃが備えられている。そして、装具剛体リンクモデルＳ１’の足平部要素Ｓ９に関しては、その長さの代わりに、足平部要素Ｓ９の要素座標系Ｃ９における支持部Ｓ９ｂ，Ｓ９ｃの位置（支持部Ｓ９ｂ，Ｓ９ａの下端の位置）が演算処理装置２３のメモリに記憶保持されている。
【００５９】
なお、本実施形態では、補助装具１の、人Ａの腹部および胸部に対応する部分の重量は他の部分の重量に比して十分に小さく、実質的に０である。従って、装具剛体リンクモデルＳ１’の腰部要素Ｓ４よりも上側の要素、すなわち、上体下部関節ＪＵ１、腹部要素Ｓ５、上体上部関節ＪＵ２、胸部要素Ｓ６は省略してもよい。
【００６０】
次に前記演算処理装置２３の処理機能の概要を説明する。図６は演算処理装置２３の処理機能の全体を概略的に示すブロック図、図７および図８は、演算処理装置２３の要部の処理機能を示すブロック図である。
【００６１】
演算処理装置２３の処理機能は、それを大別すると、人Ａの各脚体の各関節（足首関節、膝関節、股関節）に発生する関節モーメントを逐次推定する人側関節モーメント推定手段４１と、補助装具１の各関節部位４，６，１０に発生する関節モーメントを逐次推定する装具側関節モーメント推定手段４２と、これらの推定手段４３，４４で推定された関節モーメントに基づき補助装具１の各電動モータ１８〜２０に発生させるべきトルク（補助トルク）を決定する装具発生トルク決定手段４５と、その決定したトルクを発生させるように各電動モータ１８〜２０をモータ駆動回路４６を介して制御するモータ制御手段４７とから構成される。
【００６２】
この場合、人側関節モーメント推定手段４１は、さらに詳しくは、図７に示すように、各股関節部位４の関節変位センサ２９および発光／受光器２６の検出出力を基に後述する座標変換のための変換テンソルを作成する変換テンソル作成手段５１と、各関節変位センサ２１，２２，２３の検出出力を基に、人剛体リンクモデルＳ１の各脚体部Ｓ２の脚平面ＰＬ上での各関節要素の位置、各剛体要素の姿勢（傾斜角）、および各剛体要素の重心の位置を求める２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２と、変換テンソル作成手段５１が作成した変換テンソルと２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２が求めた位置・姿勢とを用いて人剛体リンクモデルＳ１の各関節要素および各剛体要素の重心の身体座標系ＢＣでの３次元的な位置ベクトルの値（座標成分値）を求める３次元関節・要素重心位置算出手段５３と、前記加速度センサ２１及びジャイロセンサ２２の検出出力を基に身体座標系ＢＣの原点の加速度ベクトル（並進加速度）および角速度ベクトルの値（身体座標系ＢＣでの座標成分値）を求める身体座標系加速度・角速度算出手段５４と、前記加速度センサ２１及びジャイロセンサ２２の検出出力を基に身体座標系ＢＣの鉛直方向に対する傾斜角を算出する身体座標系傾斜角算出手段５５とを備えている。なお、３次元関節・要素重心位置算出手段５３が求める位置ベクトルには、人剛体リンクモデルＳ１の各足平部要素Ｓ９のＭＰ関節Ｊ４の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルも含まれる。
【００６３】
さらに人側関節モーメント推定手段４１は、３次元関節・要素重心位置算出手段５３が求めた各剛体要素の重心の位置ベクトルの値を用いて身体座標系ＢＣでの人剛体リンクモデルＳ１の全体重心（人Ａの全体重心）の位置ベクトルの値を求める全体重心位置算出手段５６を備えている。
【００６４】
また、人側関節モーメント推定手段４１は、３次元関節・要素重心位置算出手段５３が求めた各足首関節Ｊ３の位置ベクトルの値と全体重心位置算出手段５６が求めた全体重心の位置ベクトルの値と身体座標系加速度・角速度算出手段５４が求めた身体座標系ＢＣの原点の加速度ベクトルの値と前記接地センサ３２，３３の検出出力とを用いて人Ａの各脚体に作用する床反力ベクトル（並進床反力）の身体座標系ＢＣでの値（座標成分値）を推定する床反力推定手段５７と、３次元関節・要素重心位置算出手段５３が求めた各足首関節Ｊ３および各ＭＰ関節Ｓ９ａの位置ベクトルの値と身体座標系傾斜角算出手段５５が求めた身体座標系ＢＣの傾斜角と全体重心位置算出手段５６が求めた全体重心の位置ベクトルの値と接地センサ３２，３３の検出出力とを用いて各脚体に作用する床反力ベクトルの作用点（以下、単に床反力作用点という）の位置ベクトルの身体座標系ＢＣでの値を求める床反力作用点推定手段５８とを備える。
【００６５】
そして、人側関節モーメント推定手段４１は、床反力推定手段５７が求めた床反力ベクトルの値と床反力作用点推定手段５８が求めた床反力作用点の位置ベクトルの値と身体座標系加速度・角速度算出手段５４が求めた加速度ベクトルおよび角速度ベクトルの値を、変換テンソル作成手段５１が作成した変換テンソルを用いて各脚体に対応する脚平面ＰＬに投影する脚平面投影手段５９と、この投影により得られた値（２次元量）と２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２が求めた位置・姿勢とを用いて人Ａの各脚体の足首関節、膝関節および股関節に作用する関節モーメントの推定値を算出する関節モーメント算出手段６０とを備えている。
【００６６】
詳細は後述するが、人側関節モーメント推定手段４１は、上記各手段５１〜６０の演算処理を所定の演算処理周期で逐次実行し、各演算処理周期において最終的に関節モーメント算出手段６０により関節モーメントの推定値を逐次算出する。ここで算出される関節モーメントの推定値は、人Ａが補助装具１を装着せずに自力で各脚体の所要の運動を行ったと仮定した場合に、人Ａの各脚体の各関節に発生するモーメントである。
【００６７】
一方、装具側関節モーメント推定手段４２は、人側関節モーメント推定手段４１の２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２で求められた脚平面ＰＬ上での各脚体部Ｓ２の各関節要素の位置などを基に、該脚平面ＰＬ上での装具剛体リンクモデルＳ１’の各脚体部Ｓ２の剛体要素の重心の位置を求める２次元要素重心位置算出手段６１と、この２次元要素重心位置算出手段６１で求められた剛体要素の重心の位置と人側関節モーメント推定手段４１の変換テンソル作成手段５１で求められた変換テンソルとを用いて装具剛体リンクモデルＳ１’の各剛体要素の重心の身体座標系ＢＣでの３次元的な位置ベクトルの値を求める３次元要素重心位置算出手段６２と、この３次元要素重心位置算出手段６２が求めた各剛体要素の重心の位置ベクトルの値を用いて身体座標系ＢＣでの装具剛体リンクモデルＳ１’の全体重心（補助装具１の全体重心）の位置ベクトルの値を求める全体重心位置算出手段６３とを備えている。なお、３次元要素重心位置算出手段６２が求める位置ベクトルには、装具剛体リンクモデルＳ１’の各足平要素Ｓ９の支持部Ｓ９ｃ，Ｓ９ｄ（図５参照）の位置ベクトルも含まれる。
【００６８】
さらに、装具側関節モーメント推定手段４２は、人側関節モーメント推定手段４１の３次元関節・要素重心位置算出手段６６が求めた各足首関節Ｊ３の位置ベクトルの値と全体重心位置算出手段６３が求めた補助装具１の全体重心の位置ベクトルの値と人側関節モーメント推定手段４１の身体座標系加速度・角速度算出手段５４が求めた身体座標系ＢＣの原点の加速度ベクトルの値と前記接地センサ３２，３３の検出出力とを用いて補助装具１の各脚体部に作用する床反力ベクトル（並進床反力）の身体座標系ＢＣでの値（座標成分値）を推定する床反力推定手段６４と、３次元要素重心位置算出手段５３で求められる装具剛体リンクモデルＳ１’の各足平要素Ｓ９の支持部Ｓ９ｃ，Ｓ９ｄの位置ベクトルの値と人側関節モーメント推定手段４１の身体座標系傾斜角算出手段５５が求めた身体座標系ＢＣの傾斜角と全体重心位置算出手段６３が求めた全体重心の位置ベクトルの値と接地センサ３２，３３の検出出力とを用いて補助装具１の各脚体部に作用する床反力ベクトルの作用点（床反力作用点）の位置ベクトルの身体座標系ＢＣでの値を求める床反力作用点推定手段６５とを備える。
【００６９】
そして、装具側関節モーメント推定手段４２は、床反力推定手段６４が求めた床反力ベクトルの値と床反力作用点推定手段６５が求めた床反力作用点の位置ベクトルの値と人側関節モーメント推定手段４１の身体座標系加速度・角速度算出手段５４が求めた加速度ベクトルおよび角速度ベクトルの値を、前記変換テンソル作成手段５１が作成した変換テンソルを用いて各脚体に対応する脚平面ＰＬに投影する脚平面投影手段６６と、この投影により得られた値（２次元量）と前記２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２が求めた人剛体リンクモデルＳ１の各脚体部Ｓ２の股関節Ｊ１、膝関節Ｊ２、および足首関節Ｊ３の脚座標系ＬＣでの位置ベクトル（これは、本実施形態では装具剛体リンクモデルＳ１’の各脚体部Ｓ２の各関節要素の位置ベクトルと一致する）等とを用いて補助装具１の各関節部位４，６，１０に発生すべき関節モーメントの推定値を算出する関節モーメント算出手段６７とを備えている。
【００７０】
詳細は後述するが、装具側関節モーメント推定手段４２は、人側関節モーメント推定手段４１の処理と並行して、上記各手段６１〜６７の演算処理を所定の演算処理周期で逐次実行し、各演算処理周期において最終的に関節モーメント算出手段６７により関節モーメントの推定値を逐次算出する。ここで算出される関節モーメントの推定値は、補助装具１が単独で人の各脚体の所要の運動と同じような運動を行ったと仮定した場合に、補助装具１の各関節部位４，６，１０に発生するモーメントである。
【００７１】
次に演算処理装置２３の各手段の詳細な演算処理と併せて本実施形態の装置の作動を説明する。なお、以下の説明において、一般的に、ベクトル量をある座標系Ｃaから別の座標系Ｃbに座標変換する変換テンソル、すなわち座標系Ｃaの成分値で表されるベクトル量を座標系Ｃbの成分値で表されるベクトル量に変換するテンソルを「Ｒ(Ｃa→Ｃb)」というように表記する。また、ある座標系Ｃaで見たある点Ｐもしくは部位Ｐの位置ベクトルをＵ(P/Ca)というように表記する。また、ある座標系Ｃaの座標成分値で表される、物体Ｑもしくは部位Ｑの作用力、加速度等の物理量のベクトルＡをＡ(Q/Ca)というように表記する。この場合、位置ベクトルＵ(P/Ca)や、物理量ベクトルＡ(Q/Ca)の座標系Ｃａでの座標成分値を表すときは、各座標軸の名称であるｘ、ｙ、ｚをさらに付加して表記する。例えば、位置ベクトルＵ(P/Ca)のＸ座標成分は、Ｕ(P/Ca)ｘというように表記する。
【００７２】
また、前記各要素座標系Ｃ４〜Ｃ９をそれぞれ対応する人Ａの部位の名称を用いてＣ＿腰部、Ｃ＿腹部、Ｃ＿胸部、Ｃ＿大腿部、Ｃ＿下腿部、Ｃ＿足平部と称することがある。このことは、人剛体リンクモデルＳ１の各剛体要素Ｓ４〜Ｓ９、各剛体要素Ｓ４〜Ｓ９の重心Ｇ４〜Ｇ９についても同様とする。例えば人剛体リンクモデルＳ１の腰部要素Ｓ４およびその重心Ｇ４をそれぞれＳ＿腰部、Ｇ＿腰部と表記することがある。
【００７３】
さらに、装具剛体リンクモデルＳ１’の各剛体要素Ｓ４〜Ｓ９をそれぞれ対応する人Ａの部位の名称を用いてＳ＿腰部装具、Ｓ＿腹部装具、Ｓ＿胸部装具、Ｓ＿大腿部装具、Ｓ＿下腿部装具、Ｓ＿足平部装具と称することがある。このことは、、装具剛体リンクモデルＳ１’の各剛体要素Ｓ４〜Ｓ９の重心についても同様とする。例えば装具剛体リンクモデルＳ１’の腰部要素Ｓ４の重心Ｇ４をＧ＿腰部装具と表記することがある。
【００７４】
なお、人Ａの脚体に係わるもの、あるいは補助装具１の脚体部に係わるものについては、その左右を区別する必要があるときは、「右」、「左」をさらに付加して記述する。例えば右側大腿部要素Ｓ７をＳ＿右大腿部もしくはＳ＿右大腿部装具と称することがある。
【００７５】
また、股関節Ｊ１、膝関節Ｊ２、足首関節Ｊ３、およびＭＰ関節Ｊ４をそれぞれＪ＿股、Ｊ＿膝、Ｊ＿足首、Ｊ＿ＭＰと称することがある。この場合も左右を区別する必要があるときは、上記と同様、「右」、「左」をさらに付加して表記する。
【００７６】
演算処理装置２３は、所定の演算処理周期で前記各関節変位センサ２９，３０，３１、発光／受光器２６、加速度センサ２１、ジャイロセンサ２２の検出出力を図示しないＡ／Ｄ変換器を介して取り込むと共に、各接地センサ３２，３３の検出出力（ＯＮ／ＯＦＦ信号）を取り込む。そして、まず、人側関節モーメント推定手段４１および装具側関節モーメント推定手段４２の演算処理を並行して実行する。
【００７７】
人側関節モーメント推定手段４１の演算処理を説明すると、まず、前記変換テンソル作成手段５１、２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２、および３次元関節・要素重心位置算出手段５３の演算処理が順次実行される。なお、以降、人側関節モーメント推定手段４１の説明が終了するまでは、剛体要素は、特に断らない限り、人剛体リンクモデルＳ１の剛体要素を意味するものとする。
【００７８】
変換テンソル作成手段５１の演算処理では、各脚平面ＰＬに対応する脚座標系ＬＣと身体座標系ＢＣとの間のベクトル量の座標変換を行うための変換テンソルＲ(LC→BC)と、腹部要素Ｓ５の要素座標系Ｃ５および胸部要素Ｓ６の要素座標系Ｃ６のそれぞれと身体座標系ＢＣの間のベクトル量の座標変換を行うための変換テンソルＲ(C＿腹部→BC)、Ｒ(C＿胸部→BC)とが作成される。
【００７９】
変換テンソルＲ(LC→BC)は、股関節部位４の関節変位センサ２９で検出される股関節の３軸回りの回転角のうち、脚平面ＰＬに垂直な回転軸ａ29の回りの回転角を除く２つの軸回りの回転角から決定される。本実施形態では、脚平面ＰＬに垂直な回転軸ａ29を除く２つの軸回りの股関節の回転角（脚体の外転・内転、および旋回に伴う回転角）が決まれば、脚座標系ＬＣと身体座標系ＢＣとの間の姿勢関係が一義的に定まる。従って、変換テンソルＲ(LC→BC)は、股関節の３軸回りの回転角のうち、脚平面ＰＬに垂直な回転軸ａ29の回りの回転角を除く２つの軸回りの回転角の検出値から求めることができる。なお、変換テンソルＲ(LC→BC)は、左右の脚体毎に各別に求められる。
【００８０】
また、変換テンソルＲ(C＿腹部→BC)、Ｒ(C＿胸部→BC)は次のように作成される。まず、発光／受光器２６の検出出力を基に、人剛体リンクモデルＳ１の腰部要素Ｓ４に対する腹部要素Ｓ５と胸部要素Ｓ６の傾斜角（詳しくは身体座標系ＢＣのＺ軸方向に対する矢状面（ＸＺ平面）上での傾斜角）が把握される。そして、腰部要素Ｓ４に対する腹部要素Ｓ５の傾斜角だけ、座標系Ｃ＿腹部が身体座標系ＢＣに対して矢状面上で傾いたものとして、変換テンソルＲ(Ｃ＿腹部→BC）が決定される。同様に、腰部要素Ｓ４に対する胸部要素Ｓ６の傾斜角だけ、座標系Ｃ＿胸部が身体座標系ＢＣに対して矢状面上で傾いたものとして、変換テンソルＲ(Ｃ＿腹部→BC）が決定される。
【００８１】
補足すると、本実施形態では、人剛体リンクモデルＳ１の上体下部関節ＪＵ１および上体上部関節ＪＵ２を１軸回り（Ｃ＿腹部およびＣ＿胸部のＹ軸回り）の回転による腹部要素Ｓ５および胸部要素Ｓ６の腰部要素Ｓ４に対する傾斜角のみを計測するようにしたが、上体下部関節ＪＵ１および上体上部関節ＪＵ２をそれぞれ例えば２軸回り（例えばＣ＿腹部およびＣ＿胸部のＹ軸とＸ軸との２軸回り）の回転が可能なものとして、腹部要素Ｓ５および胸部要素Ｓ６の２軸回りの傾斜角を計測するようにしてもよい。そして、それらの２軸回りの傾斜角から変換テンソルＲ(C＿腹部→BC)、Ｒ(C＿胸部→BC)を求めるようにしてもよい。
【００８２】
なお、上記変換テンソルＲ(LC→BC)，Ｒ(Ｃ＿腹部→BC)，Ｒ(Ｃ＿胸部→BC）を転置したものがそれぞれの逆変換を行うための変換テンソルとなる。従って、Ｒ(BC→LC)＝Ｒ(LC→BC)T、Ｒ(BC→Ｃ＿腹部)＝Ｒ(Ｃ＿腹部→BC)T、Ｒ(BC→Ｃ＿胸部)＝Ｒ(Ｃ＿胸部→BC)T（Ｔは転置を意味する）である。
【００８３】
前記２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２の演算処理では、まず、各脚体の関節変位センサ２９〜３１の検出出力から把握される、該脚体の股関節、膝関節、足首関節の脚平面ＰＬに垂直な軸（図２の回転軸ａ29，ａ30，ａ31）回りの回転角から、人剛体リンクモデルＳ１の大腿部要素Ｓ７、下腿部要素Ｓ８および足平部要素Ｓ９のそれぞれの傾斜角θ＿大腿部、θ＿下腿部、θ＿足平部が算出される。ここで、傾斜角θ＿大腿部、θ＿下腿部、θ＿足平部は、脚平面ＰＬに係わる脚座標系ＬＣのＺ軸方向に対する傾斜角である。なお、θ＿大腿部、θ＿下腿部、θ＿足平部は、装具剛体リンクモデルＳ１’の大腿部要素Ｓ７、下腿部要素Ｓ８および足平部要素Ｓ９のそれぞれの傾斜角でもある。
【００８４】
具体的には、図９に示す如く、股関節、膝関節、足首関節のそれぞれの検出された回転角（前記基準姿勢状態からの、脚平面ＰＬ（＝脚座標ＬＣのＸＺ平面）に垂直な軸回りの回転角）をθ＿股、θ＿膝、θ＿足首とすると、θ＿大腿部、θ＿下腿部、θ＿足平部は、それぞれ次式（１ａ）〜（１ｃ）により順番に求められる。
【００８５】
θ＿大腿部＝−θ＿股                        ……（１ａ）
θ＿下腿部＝θ＿大腿部＋θ＿膝              ……（１ｂ）
θ＿足平部＝θ＿下腿部−θ＿足首＋９０°    ……（１ｃ）
尚、図９の例では、θ＿股＞０、θ＿膝＞０、θ＿足首＞０であり、θ＿大腿部＜０、θ＿下腿部０＞０、θ＿足平部＜０である。また、θ＿大腿部、θ＿下腿部、θ＿足平部の算出は、各脚体部毎に各別に行われる。
【００８６】
上記の如く求められる傾斜角θ＿大腿部、θ＿下腿部、θ＿足平部は、人側および装具側剛体リンクモデルＳ１，Ｓ１’の各脚体部Ｓ２の各剛体要素の、該脚体部Ｓ２に対応する脚平面ＰＬ上での姿勢を表すものである。
【００８７】
次に、各脚体部Ｓ２の各関節要素の、脚座標系ＬＣのＸＺ平面、すなわち、脚平面ＰＬ上での位置が、上記の如く求めθ＿大腿部、θ＿下腿部、θ＿足平部と、あらかじめ演算処理装置２３のメモリに記憶保持された人剛体リンクモデルＳ１の各脚体部Ｓ２の各剛体要素の長さとを用いて求められる。具体的には、各脚体部Ｓ２の関節要素Ｊ＿股（Ｊ１），Ｊ＿膝（Ｊ２），Ｊ＿足首（Ｊ３）およびＪ＿ＭＰ（Ｊ４）のそれぞれの脚座標系ＬＣでの位置ベクトルＵ(Ｊ＿股/LC)，Ｕ(Ｊ＿膝/LC)，Ｕ(Ｊ＿足首/LC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/LC)がそれぞれ次式（２ａ）〜（２ｄ）により順番に算出される。なお、このとき、脚座標系ＬＣのＹ軸方向（脚平面ＰＬの法線方向）でのＪ＿股，Ｊ＿膝、Ｊ＿足首、Ｊ＿ＭＰの位置、すなわち、Ｊ＿股，Ｊ＿膝、Ｊ＿足首、Ｊ＿ＭＰの、脚座標系ＬＣでのＹ座標成分はいずれも０とされる。つまり、本実施形態では、Ｊ＿股，Ｊ＿膝、Ｊ＿足首、Ｊ＿ＭＰは、いずれも脚平面ＰＬ上でのみ運動可能とされる。
【００８８】
Ｕ(Ｊ＿股/LC)＝(０，０，０)T          …（２ａ）
Ｕ(Ｊ＿膝/LC)＝Ｕ(Ｊ＿股/LC)
＋(−L7×sin(θ＿大腿部)，０，−L7×cos(θ＿大腿部))T
…（２ｂ）
Ｕ(Ｊ＿足首/LC)＝Ｕ(Ｊ＿膝/LC)
＋(−L8×sin(θ＿下腿部)，０，−L8×cos(θ＿大腿部))T
…（２ｃ）
Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/LC)＝Ｕ(Ｊ＿足首/LC)
＋(−L9×sin(θ＿足平部)，０，−L9×cos(θ＿足平部))T
…（２ｄ）
ここで、式（２ｂ），（２ｃ），（２ｄ）中のＬ７，Ｌ８，Ｌ９はそれぞれ大腿部要素Ｓ７、下腿部要素Ｓ８、足平部要素Ｓ９の長さであり、前記した如く演算処理装置２３のメモリにあらかじめ記憶保持されている。また、式（２ｂ）〜（２ｄ）のそれぞれの右辺第２項のベクトルは、股関節Ｊ１から見た膝関節Ｊ２の位置ベクトル、膝関節Ｊ２から見た足首関節Ｊ３の位置ベクトル、足首関節Ｊ３から見たＭＰ関節Ｊ４の位置ベクトルを意味している。なお、式（２ａ）〜（２ｄ）により求められる位置ベクトルＵ(Ｊ＿股/LC)，Ｕ(Ｊ＿膝/LC)，Ｕ(Ｊ＿足首/LC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/LC)のそれぞれのＸ座標成分およびＺ座標成分の組が脚平面ＰＬ上での２次元的位置を表している。補足すると、本実施形態では、位置ベクトルＵ(Ｊ＿股/LC)，Ｕ(Ｊ＿膝/LC)，Ｕ(Ｊ＿足首/LC)は、装具側剛体リンクモデルＳ１’の各脚体部Ｓ２の各関節要素の脚平面ＰＬ上での２次元的位置ベクトルでもある。
【００８９】
さらに、各脚体部Ｓ２の各剛体要素の重心の、脚座標系ＬＣでの位置ベクトルが、式（２ａ）〜（２ｄ）により上記の如く算出された関節要素の位置ベクトルを用いて算出される。具体的には、各脚体部Ｓ２の大腿部要素Ｓ７、下腿部要素Ｓ８、足平部要素Ｓ９のそれぞれの重心Ｇ＿大腿部（Ｇ７），Ｇ＿下腿部（Ｇ８），Ｇ＿足平部（Ｇ９）のそれぞれの位置ベクトルＵ(Ｇ＿大腿部/LC)，Ｕ(Ｇ＿下腿部/LC)，Ｕ(Ｇ＿足平部/LC)がそれぞれ次式（３ａ）〜（３ｃ）により算出される。
【００９０】
Ｕ(Ｇ＿大腿部/LC)＝Ｕ(Ｊ＿膝/LC)＋
Ｒ(Ｃ＿大腿部→LC)×Ｕ(Ｇ＿大腿部/Ｃ＿大腿部)…（３ａ）
Ｕ(Ｇ＿下腿部/LC)＝Ｕ(Ｊ＿足首/LC)＋
Ｒ(Ｃ＿下腿部→LC)×Ｕ(Ｇ＿下腿部/Ｃ＿下腿部)…（３ｂ）
Ｕ(Ｇ＿足平部/LC)＝Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/LC)＋
Ｒ(Ｃ＿足平部→LC)×Ｕ(Ｇ＿足平部/Ｃ＿足平部)…（３ｃ）
ここで、式（３ａ）〜（３ｃ）のＲ(Ｃ＿大腿部→LC)、Ｒ(Ｃ＿下腿部→LC)、Ｒ(Ｃ＿足平部→LC)は、それぞれ大腿部座標系Ｃ＿大腿部（Ｃ７）から脚座標系ＬＣへの変換テンソル、下腿部座標系Ｃ＿下腿部（Ｃ８）から脚座標系ＬＣへの変換テンソル、足平部座標系Ｃ＿足平部（Ｃ９）から脚座標系ＬＣへの変換テンソルであり、それぞれ先に算出したθ＿大腿部、θ＿下腿部、θ＿足平部を用いて決定される。また、Ｕ(Ｇ＿大腿部/Ｃ＿大腿部)、Ｕ(Ｇ＿下腿部/Ｃ＿下腿部)、Ｕ(Ｇ＿足平部/Ｃ＿足平部)は、各剛体要素の要素座標系で表された該剛体要素の重心の位置ベクトルであり、前記した如くあらかじめ演算処理装置２３のメモリに記憶保持されている。
【００９１】
上記式（３ａ）〜（３ｃ）により求められる位置ベクトルＵ(Ｇ＿大腿部/LC)，Ｕ(Ｇ＿下腿部/LC)，Ｕ(Ｇ＿足平部/LC)のＸ座標成分及びＺ座標系分の組が脚平面ＰＬ上での２次元的位置を表している。以上説明した演算処理が２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２の演算処理である。
【００９２】
次に３次元関節・要素重心位置算出手段５３の演算処理では、変換テンソル作成手段５１で求めた変換テンソルと２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２で求めた各脚体部Ｓ２の各関節要素および各剛体要素の重心の位置（脚座標系ＬＣでの位置）とを用いて、人剛体リンクモデルＳ１の各関節要素および各剛体要素の重心の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルが求められる。
【００９３】
各関節要素の位置ベクトルの算出は次のように行われる。例えば左側脚体部Ｓ２の各関節要素Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の位置ベクトルの算出について説明する。まず、腰部要素Ｓ４の両股関節Ｊ１，Ｊ１の中心を結ぶ線分の長さをＬ４ａとおくと、身体座標系ＢＣにおける左側股関節Ｊ１の位置ベクトルＵ(Ｊ＿左股/ＢＣ)は、次式（４ａ）により与えられる。
【００９４】
Ｕ(Ｊ＿左股/BC)＝(０，Ｌ４ａ／２，０)T    …（４ａ）
さらに、身体座標系ＢＣにおける左側膝関節Ｊ２、左側足首関節Ｊ３、左側ＭＰ関節Ｊ４のそれぞれの位置ベクトルＵ(Ｊ＿左膝/ＢＣ)、Ｕ（Ｊ＿左足首/ＢＣ）、Ｕ（Ｊ＿左ＭＰ/ＢＣ）は、変換テンソルＲ(LC→BC)と、左側脚体部Ｓ２に対応する脚座標系ＬＣ（左ＬＣ）での位置ベクトルＵ(Ｊ＿左膝/LC)、Ｕ（Ｊ＿左足首/LC）、Ｕ（Ｊ＿左ＭＰ/LC）とを用いて次式（４ｂ）〜（４ｄ）により順番に求められる。
【００９５】
Ｕ(Ｊ＿左膝/BC)＝Ｕ(Ｊ＿左股/BC)＋Ｒ(LC→BC）×Ｕ(Ｊ＿左膝/LC）…（４ｂ）
Ｕ(Ｊ＿左足首/BC)＝Ｕ（Ｊ＿左股/BC)＋Ｒ(LC→BC)×Ｕ(Ｊ＿左足首/LC)
…（４ｃ）
Ｕ(Ｊ＿左ＭＰ/BC)＝Ｕ（Ｊ＿左股/BC)＋Ｒ(LC→BC)×Ｕ(Ｊ＿左ＭＰ/LC)
…（４ｄ）
右側脚体部Ｓ２の各関節要素の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルも上記と同様に求められる。
【００９６】
さらに、上体部Ｓ３の上体下部関節ＪＵ１および上体上部関節ＪＵ２の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルＵ(JU1/BC)，Ｕ(JU2/BC)は、それぞれ次式（５ａ），（５ｂ）により順番に求められる。
【００９７】
Ｕ(JU1/BC)＝(０，０，Ｌ４ｂ)T      ……（５ａ）
Ｕ(JU2/BC)＝Ｕ(JU1/BC)＋Ｒ(Ｃ＿腹部→BC)・(０，０，Ｌ５)T  ……（５ｂ）
なお、式（５ａ）のＬ４ｂは、両股関節Ｊ１，Ｊ１を結ぶ線分の中点から上体下部関節ＪＵ１の中心までの長さ、式（５ｂ）のＬ５は腹部要素Ｓ５の長さであり、これらの長さは前述の通りあらかじめ演算処理装置２３のメモリに記憶保持されている。
【００９８】
また、各剛体要素の重心の、身体座標系ＢＣでの位置ベクトルの算出は次のように行われる。すなわち、大腿部要素Ｓ７、下腿部要素Ｓ８、足平部要素Ｓ９のそれぞれの重心の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルＵ(Ｇ＿大腿部/BC)，Ｕ(Ｇ＿下腿部/BC)，Ｕ(Ｇ＿足平部/BC)は、それぞれ前記式（４ｂ）の右辺のＵ(Ｊ＿左膝/LC)を前記２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２で算出した大腿部要素Ｓ７、下腿部要素Ｓ８、足平部要素Ｓ９の重心の位置ベクトルＵ(Ｇ＿大腿部/LC)、Ｕ(Ｇ＿下腿部/LC)、Ｕ(Ｇ＿足平部/LC）で置き換えた式を演算することで求められる。なお、Ｇ＿大腿部，Ｇ＿下腿部，Ｇ＿足平部の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルの算出は、各脚体部Ｓ２毎に各別に行われる。
【００９９】
また、腰部要素Ｓ４の重心Ｇ４の位置ベクトルＵ(Ｇ＿腰部/BC)は、あらかじめ記憶保持された腰部座標系Ｃ＿腰部（Ｃ４）での重心Ｇ＿腰部の位置ベクトルＵ(Ｇ＿腰部/Ｃ＿腰部)から、次式（６）により求められる。
【０１００】
Ｕ(Ｇ＿腰部/BC)＝Ｒ(Ｃ＿腰部→BC)×Ｕ(Ｇ＿腰部/Ｃ＿腰部)  …（６）
ここで、Ｒ(Ｃ＿腰部→BC)は、腰部座標系Ｃ＿腰部から身体座標系ＢＣへの変換テンソルである。本実施形態では、Ｃ＿腰部は身体座標系ＢＣに等しいので、Ｒ(Ｃ＿腰部→BC)は３次の単位行列で表される。従って、Ｕ(Ｇ＿腰部/Ｃ＿腰部)がそのままＵ(Ｇ＿腰部/BC)として得られる。
【０１０１】
さらに、腹部要素Ｓ５、胸部要素Ｓ６のそれぞれの重心Ｇ５，Ｇ６の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルＵ(Ｇ＿腹部/BC)，Ｕ(Ｇ＿胸部/BC)は、変換テンソル作成手段５１で求めた変換テンソルＲ(Ｃ＿腹部→BC)，Ｒ(Ｃ＿胸部→BC)と、あらかじめ記憶保持された腹部座標系Ｃ＿腹部（Ｃ５）での腹部要素Ｓ５の重心の位置ベクトルＵ(Ｇ＿腹部/Ｃ＿腹部)、及び胸部座標系Ｃ＿胸部（Ｃ６）での胸部要素Ｓ６の重心の位置ベクトルＵ(Ｇ＿胸部/Ｃ＿胸部)とを用いてそれぞれ次式（７），（８）により求められる。
【０１０２】
Ｕ(Ｇ＿腹部/BC)＝Ｕ(JU1/BC)＋Ｒ(Ｃ＿腹部→BC)・Ｕ(Ｇ＿腹部/Ｃ＿腹部)
……（７）
Ｕ(Ｇ＿胸部/BC)＝Ｕ(JU2/BC)＋Ｒ(Ｃ＿胸部→BC)・Ｕ(Ｇ＿胸部/Ｃ＿胸部)
……（８）
なお、Ｕ(JU1/BC)、Ｕ(JU2/BC)は、前記式（５ａ），（５ｂ）により求められたものである。
【０１０３】
以上説明した演算処理が３次元関節・要素重心位置算出手段５３の演算処理である。なお、以上のように３次元関節・要素重心位置算出手段５３で算出される各関節要素と各剛体要素の重心との位置ベクトルは、それぞれに対応する人Ａの実際の部位の、身体座標系ＢＣで見た位置ベクトルとしての意味を持つ。
【０１０４】
人側関節モーメント推定手段４１は、上記した変換テンソル作成手段５１、２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２、および３次元関節・要素重心位置算出手段５３の演算処理と並行して、身体座標系加速度・角速度算出手段５４および身体座標系傾斜角算出手段５５の演算処理を実行する。
【０１０５】
身体座標系加速度・角速度算出手段５４の演算処理では、加速度センサ２１の検出出力から把握される３軸方向の加速度（並進加速度）とジャイロセンサ２２の検出出力から把握される３軸回りの角速度とから次のように身体座標系ＢＣの原点の加速度ベクトルの身体座標系ＢＣでの値（座標成分値）が求められる。まず、各センサ２１，２２がそれぞれ検出する加速度、角速度はそれらのセンサ２１，２２に対して固定された３軸の座標系（以下、センサ座標系ＳＣ又はＣ＿センサという）であらわされるベクトル量であるので、それを身体座標系ＢＣでの値に変換する。その変換は、人Ａの腰部に対する加速度センサ２１およびジャイロセンサ（角速度センサ）２２の相対的な取り付け位置関係（Ｃ４（＝ＢＣ）に対するＣ＿センサの相対的姿勢関係）に応じてあらかじめ設定された変換テンソルをセンサ座標系ＳＣでそれぞれ検出された加速度ベクトル、角速度ベクトルに乗算することで行われる。すなわち、センサ座標系ＳＣでの加速度ベクトルの検出値をACC(センサ/ＳＣ)、それを身体座標系ＢＣに変換した加速度ベクトルをACC(センサ/ＢＣ)、センサ座標系ＳＣでの角速度ベクトルの検出値をω(センサ/ＳＣ)、それを身体座標系ＢＣに変換した角速度ベクトルをω(センサ/ＢＣ)とおくと、加速度ベクトルACC(センサ/ＢＣ)、角速度ベクトルω(センサ/ＢＣ)は、それぞれ次式（９），（１０）により求められる。ここで、ACC(センサ/BC)、ω(センサ/BC)は、より詳しくは、それぞれ加速度センサ２１、ジャイロセンサ２２の箇所の加速度ベクトル、角速度ベクトルである。なお、この例では加速度センサ２１、ジャイロセンサ２２の箇所はほぼ同一箇所とし、センサ座標系ＳＣは両センサ２１，２２について同じ座標系としている。
【０１０６】
ACC(センサ/BC)＝Ｒ(SC→BC)・ACC(センサ/SC)          ……（９）
ω(センサ/BC)＝Ｒ(SC→BC)・ω(センサ/SC)              ……（１０）
ここで、変換テンソルＲ(SC→BC)はセンサ座標系ＳＣと身体座標系ＢＣとの相対的な姿勢関係（詳しくは、センサ座標系ＳＣの各軸の身体座標系ＢＣの各軸に対する傾き角）から決定され、補助装具１の人Ａへの装着時等にあらかじめ演算処理装置１８のメモリに記憶保持されている。補足すると、加速度センサ２１やジャイロセンサ２２を人Ａの腰部以外の部位（人剛体リンクモデルＳ１のいずれかの剛体要素に対応する剛体相当部）に装着してもよい。この場合には、加速度ベクトルACC(センサ/BC)および角速度ベクトルω(センサ/BC)は、センサ座標系ＳＣでの検出値を加速度センサ２１やジャイロセンサ２２を装着した剛体要素の要素座標系での値に変換した後、さらに変換テンソルによって身体座標系ＢＣでの値に変換すればよい。この場合の変換テンソルは、加速度センサ２１やジャイロセンサ２２を装着した剛体要素と腰部要素Ｓ４との間にある関節要素の変位量（回転角）の検出値を基に決定される。
【０１０７】
身体座標系加速度・角速度算出手段５５の演算処理では、上記の如く加速度ベクトルACC(センサ/BC)および角速度ベクトルω(センサ/BC)を求めた後、次式（１１）によって、身体座標系ＢＣの原点の加速度ベクトルACC(BCO/BC)を求める。「ＢＣＯ」は身体座標系ＢＣの原点を表す符号である。
【０１０８】
【数１】
2005237504.tif 000003
この式（１１）中の、Ｕ(センサ/ＢＣ)は、身体座標系ＢＣでの加速度センサ２１およびジャイロセンサ２２の位置ベクトルであり、Ｕ(センサ/ＢＣ)ｘ、Ｕ(センサ/BC)ｙ、Ｕ(センサ/BC)ｚはそれぞれ、前述した本明細書でのベクトルの座標成分値の表記手法の定義にしたがって、Ｕ(センサ/ＢＣ)の身体座標系ＢＣでの各座標成分値である。Ｕ(センサ/ＢＣ)は、補助装具１の人Ａへの装着時に実測されて演算処理装置２３のメモリに記憶保持されている。また、ω(センサ/ＢＣ)ｘ、ω(センサ/BC)ｙ、ω(センサ/BC)ｚはそれぞれ先に求めた角速度ベクトルω(センサ/ＢＣ)の各座標成分値である。また、ω(センサ/BC)’は、ω(センサ/BC)の１階微分値を示しており、その値は、演算処理装置２３の演算処理周期毎に前記式（１０）により求めるω(センサ/BC)の時系列データから算出される。
【０１０９】
また、腰部要素Ｓ４内のどの部分でも角速度は同一であり、腰部要素Ｓ４に固定されている身体座標系ＢＣの原点ＢＣＯの角速度ω(BCO/BC)は、ω(センサ/BC)に等しい。従って、ω(BCO/BC)＝ω(センサ/BC)である。
【０１１０】
上記式（１１）で求められるACC(BCO/BC)は、加速度センサ２１を身体座標系ＢＣの原点に設置し、且つ、加速度センサ２１の軸の向きを身体座標系ＢＣと一致させた場合の該加速度センサ２１の出力値（加速度検出値）と等しくなるベクトルである。
【０１１１】
なお、加速度センサ２１は重力に伴う加速度も検出するので、上記のように求められた加速度ベクトルACC(BCO/BC)には、重力による慣性加速度成分が含まれる。また、本実施系形態では、腰部要素Ｓ４の角速度を考慮して身体座標系ＢＣの原点ＢＣＯの加速度ベクトルACC(BCO/BC)を求めるようにしたが、腰部要素Ｓ４の角速度やその変化率は比較的小さいので、前記式（９）で求めたACC(センサ/BC)をそのまま身体座標系ＢＣの原点ＢＣＯの加速度ベクトルACC(BCO/BC)としてもよい。
【０１１２】
また、前記身体座標系傾斜角算出手段５５の演算処理では、加速度センサ２１およびジャイロセンサ２２の検出出力から所謂カルマンフィルタによって鉛直方向（重力方向）に対する腰部要素Ｓ４の傾斜角（身体座標系ＢＣのＺ軸の傾斜角）が算出される。この算出手法は公知であるのでここでの説明は省略する。なお、ここで算出される傾斜角は、前後方向の水平軸と左右方向の水平軸との２軸回りの傾斜角である。
【０１１３】
次に、人側関節モーメント推定手段４１は、全体重心位置算出手段５６の演算処理を実行する。この全体重心位置算出手段５６の演算処理では、前記３次元関節・要素重心位置算出手段５３によって求められた各剛体要素の重心位置（身体座標系ＢＣでの位置ベクトル）と、あらかじめ前述したように設定された各剛体要素の重量とから、次式（１２）によって、人剛体リンクモデルＳ１の全体重心（人Ａの全体重心。以下、Ｇ＿全体と表記することがある）の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/BC)が求められる。
【０１１４】
Ｕ(Ｇ＿全体/BC)＝{Ｕ(Ｇ＿胸部/BC)×ｍ＿胸部＋Ｕ(Ｇ＿腹部/BC)×ｍ＿腹部
＋Ｕ(Ｇ＿腰部/BC)×ｍ＿腰部＋Ｕ(Ｇ＿右大腿部/BC)×ｍ＿右大腿部
＋Ｕ(Ｇ＿左大腿部/BC)×ｍ＿左大腿部＋Ｕ(Ｇ＿右下腿部/BC)×ｍ＿右下腿部
＋Ｕ(Ｇ＿左下腿部/BC)×ｍ＿左下腿部＋Ｕ(Ｇ＿右足平部/BC)×ｍ＿右足平部
＋Ｕ(Ｇ＿左足平部/BC)×ｍ＿左足平部}／全体重量          ……（１２）
なお、ｍ＿胸部など、「ｍ＿○○」は○○の名称に対応する剛体要素の重量であり、これらの重量には補助装具１の重量は含まれない。この式（１２）の如く、全体重心の位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/BC)は、人剛体リンクモデルＳ１の各剛体要素の重心の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルとその剛体要素の重量との積の総和を、人Ａの全体重量（詳しくは人Ａから補助装具１を取り外した状態での人Ａの全体重量で、これは人剛体リンクモデルＳ１の全ての剛体要素の重量の総和に等しい）で除算することで求められる。
【０１１５】
次に、人側関節モーメント推定手段４１は、前記床反力推定手段５７および床反力作用点推定手段５８の算出処理を実行する。床反力推定手段５７の演算処理では、まず、接地センサ３２，３３の検出出力に基づき、人Ａの運動状態が両脚体が着地する（補助装具１の両足平装具部１２，１２が接地する）両脚支持状態であるか、一方の脚体のみが着地する（補助装具１の一方の足平装具部１２のみが接地する）単脚支持状態であるか、又は両脚体が着地しない状態であるかが判断される。すなわち、一方の脚体の接地センサ３２，３３のいずれかが接地有りを示すＯＮ信号を出力し、且つ、他方の脚体の接地センサ３２，３３のいずれかが接地有りを示すＯＮ信号を出力している場合には両脚接地状態であると判断される。また、両脚体のうちの一方の脚体の接地センサ３２，３３のいずれかが接地有りを示すＯＮ信号を出力しており、且つ、他方の脚体の接地センサ３２，３３の両者が接地有りを示すＯＮ信号を出力していない場合には、単脚支持状態であると判断される。そして、床反力推定手段５７の処理では、両脚支持状態であるか単脚支持状態であるかに応じて、各別の演算処理により人Ａの各脚体に作用する床反力ベクトルが推定される。なお、両脚体の接地センサ３２，３３の全てがＯＮ信号を出力していない場合には、両脚体が着地していない状態であり、この場合には、当然のことながら、各脚体に作用する床反力ベクトルは０である。
【０１１６】
この床反力ベクトルの推定処理の基本的な考え方は、本願出願人が先に提案した特開２００３−８９０８３号公報等のものと同じであるが、本実施形態では、主に、その推定処理に用いる座標系等が同公報等に記載した手法と相違している。以下に図１０および図１１（ａ），（ｂ）を参照して説明する。図１０は矢状面で見た人Ａの単脚支持状態を例示しており、図１１（ａ），（ｂ）はそれぞれ矢状面、前額面で見た人Ａの両脚支持状態を例示している。なお、これらの図１０及び図１１では人Ａを人剛体リンクモデルＳ１で模式化して示している。図１０に示すように、人Ａの運動状態が単脚支持状態であるときには、着地側の脚体（ここでは例えば右側脚体であるとする）に作用する床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/BC)、すなわち、右側脚体に作用する床反力ベクトルを身体座標系ＢＣの座標成分値で表したものが、全体重心Ｇ＿全体の、身体座標系ＢＣでの並進運動に関する運動方程式を表す次式（１３）により算出される。
【０１１７】
Ｆｒｆ(右脚体/BC)＝全体重量×(ACC(BCO/BC)＋Ｕ(Ｇ＿全体/BC)'')  ……（１３）
ここで、Ｕ(Ｇ＿全体/BC)''は、全体重心Ｇ＿全体の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルの２階微分値であり、演算処理装置２３の演算処理周期毎に前記全体重心位置算出手段５６で算出した全体重心Ｇ＿の位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/BC)の時系列データから算出される。このＵ(Ｇ＿全体/BC)''は、身体座標系ＢＣの原点に対する全体重心Ｇ＿全体の相対的加速度を意味する。また、式（１３）の「全体重量」は、人Ａから補助装具１を取り外した状態での人Ａの全体重量（人剛体リンクモデルＳ１の全体重量）である。そして、ACC(BCO/BC)は、前記身体座標系加速度・角速度算出手段５４で算出した身体座標系ＢＣの原点ＢＣＯの加速度ベクトルであり、この加速度ベクトルACC(BCO/BC)にＵ(Ｇ＿全体/BC)''を加えたものが、全体重心Ｇ＿全体の実際の加速度を意味している。従って、全体重心位置算出手段５６で算出されたＧ＿全体の位置ベクトルの時系列データと身体座標系加速度・角速度算出手段５４で算出された身体座標系ＢＣの原点の加速度ベクトルACC(BCO/BC)と人Ａの全体重量（人剛体リンクモデルＳ１の全体重量）とから式（１３）により床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/BC)が算出される。左側脚体が着地している場合でも、単脚支持状態では同様に、式（１３）の右辺の演算によって、床反力ベクトルＦｒｆ(左脚体/BC)が算出される。この場合、前述したようにACC(BCO/BC)には、重力による慣性加速度成分が含まれ、また、床反力ベクトルＦｒｆを身体座標系ＢＣで表すので、重力加速度やその方向を考慮する必要はない。なお、着地していない側の脚体に作用する床反力ベクトルＦｒｆは０である。また、図１０では、図示の便宜上、身体座標系ＢＣのＺ軸を鉛直方向に記載しているが、式（１３）は身体座標系ＢＣの傾きにはよらない。
【０１１８】
一方、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、両脚支持状態であるときには、人Ａの右側脚体に作用する床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/BC)と左側脚体に作用する床反力ベクトルＦｒｆ(左脚体/BC)とが次の５つの関係式（１４）〜（１８）を基に算出される。
【０１１９】
Ｆｒｆ(右脚体/BC)＋Ｆｒｆ(左脚体/BC)
＝全体重量×(ACC(BCO/BC)＋Ｕ(Ｇ＿全体/BC)'')
……（１４）
Ｆｒｆ(右脚体/BC)ｘ：Ｆｒｆ(右脚体/BC)ｚ
＝Ｕ(Ｇ＿全体/BC)ｘ−Ｕ(Ｊ＿右足首/BC)ｘ
：Ｕ(Ｇ＿全体/BC)ｚ−Ｕ(Ｊ＿右足首/BC)ｚ……（１５）
Ｆｒｆ(左脚体/BC)ｘ：Ｆｒｆ(左脚体/BC)ｚ
＝Ｕ(Ｇ＿全体/BC)ｘ−Ｕ(Ｊ＿左足首/BC)ｘ
：Ｕ(Ｇ＿全体/BC)ｚ−Ｕ(Ｊ＿左足首/BC)ｚ……（１６）
Ｆｒｆ(右脚体/BC)ｙ：Ｆｒｆ(右脚体/BC)ｚ
＝Ｕ(Ｇ＿全体/BC)ｙ−Ｕ(Ｊ＿右足首/BC)ｙ
：Ｕ(Ｇ＿全体/BC)ｚ−Ｕ(Ｊ＿右足首/BC)ｚ……（１７）
Ｆｒｆ(左脚体/BC)ｙ：Ｆｒｆ(左脚体/BC)ｚ
＝ACC(Ｇ＿全体/BC)ｙ−Ｕ(Ｊ＿左足首/BC)ｙ
：Ｕ(Ｇ＿全体/BC)ｚ−Ｕ(Ｊ＿左足首/BC)ｚ……（１８）
ここで、これらの式（１４）〜（１８）の意味を説明すると、式（１４）は、人Ａの全体重心Ｇ＿全体の、身体座標系ＢＣでの並進運動に関する運動方程式を表しており、その右辺は、前記式（１３）の右辺と同じである。また、式（１５）〜（１８）は、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/BC)および床反力ベクトルＦｒｆ(左脚体/BC)がそれぞれ右側脚体の足首関節Ｊ１、左側脚体の足首関節Ｊ１から全体重心Ｇ＿全体に向かうベクトルであると仮定して、換言すれば、床反力ベクトルＦｒｆと、左側足首関節Ｊ３から見たＧ＿全体の位置ベクトルとの向きが同じであると仮定して得られる幾何学的関係式である。この場合、式（１５），（１６）は矢状面（身体座標系ＢＣのＸＺ平面）で見た関係式であり、式（１７），（１８）は前額面（身体座標系ＢＣのＹＺ）平面で見た関係式である。なお、図１１では、図示の便宜上、身体座標系ＢＣのＺ軸を鉛直方向に記載しているが、式（１４）〜（１８）は身体座標系ＢＣの傾きにはよらない。
【０１２０】
両脚支持状態での床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/BC)，Ｆｒｆ(左脚体/BC)を求める場合には、それらのベクトルの座標成分値を未知数として、前記式（１４）〜（１８）により構成される連立方程式を解くことで、Ｆｒｆ(右脚体/BC)，Ｆｒｆ(左脚体/BC)が算出される。すなわち、Ｆｒｆ(右脚体/BC)，Ｆｒｆ(左脚体/BC)は、全体重心位置算出手段５６で算出されたＧ＿全体の位置ベクトルの時系列データと身体座標系加速度・角速度算出手段５４で算出された身体座標系ＢＣの原点の加速度ベクトルACC(BCO/BC)と人Ａの全体重量（補助装具１を含まない人Ａの全体重量）と３次元関節・要素重心位置算出手段５３で求めたＵ(Ｊ＿右足首/BC)およびＵ(Ｊ＿左足首/BC)とから算出される。このように、本実施形態では、両脚支持状態での床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/BC)，Ｆｒｆ(左脚体/BC)は、身体座標系ＢＣで記述される前記関係式（１４）〜（１８）に基づいて算出される。
【０１２１】
なお、Ｆｒｆ(右脚体/BC)，Ｆｒｆ(左脚体/BC)のＺ軸成分は、矢状面に関する式（１５），（１６）、あるいは前額面に関する式（１７），（１８）のいずれを用いても求めることが可能である。また、本実施形態では、床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/BC)および床反力ベクトルＦｒｆ(左脚体/BC)がそれぞれ右側脚体の足首関節Ｊ１、左側脚体の足首関節Ｊ１から全体重心Ｇ＿全体に向かうベクトルであると仮定した式（１５）〜（１８）を用いたが、式（１５）〜（１８）のＵ(Ｊ＿右足首/BC)、Ｕ(Ｊ＿左足首/BC)の代わりに、各足首関節Ｊ１のある近傍点の位置（身体座標系ＢＣでの位置）、あるいは、後述する如く求められる各脚体の床反力作用点の位置（身体座標系ＢＣでの位置）を用いるようにしてもよい。
【０１２２】
床反力作用点推定手段５８の演算処理では、まず、前記身体座標系傾斜角算出手段５５で算出された腰部要素Ｓ４の鉛直方向に対する傾斜角を基に、身体座標系ＢＣから絶対座標系ＩＣへの変換テンソルＲ(BC→IC)が作成される。ここで、絶対座標系ＩＣは、鉛直方向をＺ軸とする直交座標系で、前記基準姿勢状態において身体座標系ＢＣと各座標軸の向きが同一となる座標系である。なお、絶対座標系ＩＣから身体座標系ＢＣへの変換テンソルＲ(IC→BC)は変換テンソルＲ(BC→IC)の転置Ｒ(BC→IC)Tである。また、腰部要素Ｓ４の鉛直方向に対する傾斜角がほぼ一定となるような脚体の運動を行うような場合には、上記変換テンソルＲ(BC→IC)は、ほぼ一定となるので、それをあらかじめ演算処理装置２３のメモリに記憶保持しておくようにしてもよい。
【０１２３】
次いで、上記変換テンソルＲ(BC→IC)を用いて、前記全体重心位置算出手段５６で先に求めた全体重心Ｇ＿全体の位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/BC)と、３次元関節・要素重心位置算出手段５３で先に求めた各脚体部Ｓ２の足首関節Ｊ３およびＭＰ関節Ｊ４のそれぞれの位置ベクトルＵ(Ｊ＿足首/BC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/BC)とにそれぞれ上記変換テンソルＲ(BC→IC)を乗算することにより、全体重心Ｇ＿全体、各足首関節Ｊ３およびＭＰ関節Ｊ４の絶対座標系ＩＣで見た位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/IC)，Ｕ(Ｊ＿足首/IC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/IC)が算出される。なお、これらの位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/IC)，Ｕ(Ｊ＿足首/IC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/IC)は、身体座標系ＢＣと同じ原点を有する絶対座標系ＩＣでの位置ベクトルである。また、このとき、接地センサ３２，３３の検出出力により接地無しと判断される脚体に関しては、位置ベクトルＵ(Ｊ＿足首/IC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/IC)を算出する必要はない。
【０１２４】
次いで、接地センサ３２，３３の検出出力により接地有りと判断される各脚体毎に、位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/IC)，Ｕ(Ｊ＿足首/IC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/IC)のＸ軸方向成分Ｕ(Ｇ＿全体/IC)ｘ，Ｕ(Ｊ＿足首/IC)ｘ，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/IC)ｘの大小関係に応じて、換言すれば、全体重心Ｇ＿全体、足首関節Ｊ３およびＭＰ関節Ｊ４の前後方向での相対的な水平位置関係に応じて、床反力作用点の位置ベクトル（絶対座標系ＩＣでの位置ベクトル）Ｕ(COP/IC)のＸ軸成分およびＹ軸成分が決定される。この決定手法を図１２（ａ）〜（ｃ）および図１３を参照してさらに詳説する。なお、以下の説明では、左側脚体が着地しているとする。図１２（ａ）〜（ｃ）は矢状面で見た人Ａの左脚体が接地している状態（これらの図では単脚支持状態）を例示しており、図１３は図１２（ｂ）の状態での接地側の足平部を平面視で見た図を示している。なお、図１２及び図１３では人Ａは人剛体リンクモデルＳ１で模式化して示している。
【０１２５】
図１２（ａ）に示すように、全体重心Ｇ＿全体が接地している左側脚体のＭＰ関節Ｊ４よりも前方に存在する場合、すなわち、Ｕ(Ｇ＿全体/IC)ｘ＞Ｕ(Ｊ＿左ＭＰ/IC)ｘである場合には、該左側脚体の足平部Ｓ９は、主にそのつま先側部分で踏ん張って接地している。この場合には、床反力作用点COPは、その足平部のＭＰ関節Ｊ４のほぼ直下の位置に存在する。そこで、この場合には、床反力作用点COPの位置ベクトルＵ(左COP/IC)のＸ，Ｙ軸成分はそれぞれＭＰ関節Ｊ４の位置ベクトルＵ(Ｊ＿左ＭＰ/IC)のＸ，Ｙ軸成分に等しいとする。すなわち、Ｕ(左COP/IC)ｘ＝Ｕ(Ｊ＿左ＭＰ/IC)ｘ、Ｕ(左COP/IC)ｙ＝Ｕ(Ｊ＿左ＭＰ/IC)ｙとする。
【０１２６】
また、図１２（ｃ）に示す如く、全体重心Ｇ＿全体が接地している左側脚体の足首関節Ｊ３よりも後方に存在する場合、すなわち、Ｕ(Ｇ＿全体/IC)ｘ＜Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｘである場合には、該左側脚体の足平部Ｓ９は、主にその踵側部分で踏ん張って接地している。この場合には、床反力作用点COPは、その左側脚体の足首関節１３のほぼ直下の位置に存在する。そこで、この場合には、床反力作用点COPの位置ベクトルＵ(左COP/IC)のＸ，Ｙ軸成分はそれぞれ足首関節Ｊ３の位置ベクトルＵ(Ｊ＿左足首/IC)のＸ，Ｙ軸成分に等しいとする。すなわち、Ｕ(左COP/IC)ｘ＝Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｘ、Ｕ(左COP/IC)ｙ＝Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｙとする。
【０１２７】
また、図１２（ｂ）に示すように、全体重心Ｇ＿全体が前後方向で左側脚体の足首関節Ｊ３とＭＰ関節Ｊ４との間に存在する場合、すなわち、Ｕ(Ｊ＿左ＭＰ/IC)ｘ≦Ｕ(Ｇ＿全体/IC)ｘ≦Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｘである場合には、床反力作用点COPは、図示の矢状面上では、全体重心Ｇ＿全体のほぼ真下に存在する。そこで、この場合には、床反力作用点COPの位置ベクトルＵ(左COP/IC)のＸ軸成分は、全体重心Ｇ＿全体のＸ軸成分に等しいとする。すなわち、Ｕ(左右COP/IC)ｘ＝Ｕ(Ｇ＿全体/IC)ｘとする。そして、床反力作用点COPの位置は、概ね、足首関節Ｊ３の中心点とＭＰ関節Ｊ４の中心点とを結ぶ線分を床面に投影した線分上に存在すると考えられる。そこで、床反力作用点COPの位置ベクトルＵ(右COP/IC)のＹ軸成分は、図１３に示す如く、左側脚体に関する足首関節Ｊ３の中心点とＭＰ関節Ｊ４の中心点とを結ぶ線分上で、全体重心Ｇ＿全体とＸ軸成分（絶対座標系ＩＣでのＸ軸成分）の値が同じになるような点ＰのＹ軸成分と等しいとする。このような位置ベクトルＵ(左COP/IC)のＹ軸成分の値は、次式（１９）に比例関係式に基づいて求められる。
【０１２８】
Ｕ(左COP/IC)ｘ−Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｘ：Ｕ(Ｊ＿左ＭＰ/IC)ｘ−Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｘ
＝Ｕ(左COP/IC)ｙ−Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｙ
：Ｕ(Ｊ＿左ＭＰ/IC)ｙ−Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｙ      ……（１９）
また、床反力作用点の位置ベクトルＵ(左COP/IC)のＺ軸成分は、左側脚体の足首関節Ｊ３からあらかじめ定めた所定値Ｈ０（＞０）だけ鉛直方向下方に離れた点のＺ軸成分に等しいとする。すなわち、Ｕ(左COP/IC)ｚ＝Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｚ−Ｈ０とする。ここで、所定値Ｈ０は、前記基準姿勢状態（より正確には人Ａに補助装備１を装着した状態で、足平部Ｓ３の下面の足平装具部１２の底面のほぼ全体を水平な床面上に接触させた状態）における床面から足首関節Ｊ３の中心までの鉛直方向距離であり、あらかじめ実測されて演算処理装置２３のメモリに記憶保持されている。所定値Ｈ０は左右の各脚体毎に各別に実測してもよいが、いずれかの一方の脚体について実測した値を左右の両脚体で共通に使用してもよい。
【０１２９】
本実施形態では、以上の如く、左側脚体が接地している場合に該左側脚体に作用する床反力ベクトルＦｒｆの床反力作用点の位置ベクトルＵ(左COP/IC)が求められる。右側脚体が接地している場合についても同様である。この場合、両脚接地状態では、各脚体のそれぞれについて上記の如く床反力作用点の位置ベクトルが求められる。
【０１３０】
なお、本実施形態では、床反力作用点の位置ベクトルＵ(COP/IC)のＺ軸成分を求めるために用いる前記所定値Ｈ０を一定値としたが、接地センサ３２，３３により、足平部Ｓ９のつま先側のみが接地していること、すなわち、接地センサ３３のみが接地有りを示すＯＮ信号を出力している場合には、上記所定値Ｈ０の代わりに、その接地している脚体について、足首関節Ｊ３およびＭＰ関節Ｊ４のそれぞれの位置ベクトルＵ(Ｊ＿足首/IC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/IC)のＺ軸成分の差（Ｕ(Ｊ＿足首/IC)ｚ−Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/IC)ｚ）、すなわち、足首関節Ｊ３とＭＰ関節Ｊ４との鉛直方向距離を使用するようにしてもよい。このようにすると、Ｕ(COP/IC)の精度を高めることができる。
【０１３１】
床反力作用点推定手段５８の演算処理では、最後に、上記の如く接地している各脚体について求めた床反力作用点の位置ベクトルＵ(COP/IC)に、先に求めた変換テンソルＲ(BC→IC)の転置である逆変換テンソルＲ(IC→BC)を乗算することにより、床反力作用点の位置ベクトルの身体座標系ＢＣでの値Ｕ(COP/BC)が求められる。
【０１３２】
次に、人側関節モーメント推定手段４１は、前記脚平面投影手段５９の演算処理を実行する。この処理では、身体座標系加速度・角速度算出手段５４で算出された身体座標系ＢＣの原点ＢＣＯの加速度ベクトルACC(BCO/BC)および角速度ベクトルω(BCO/BC)と、床反力推定手段５７で算出された床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/BC)，Ｆｒｆ(左脚体/BC)と、床反力作用点推定手段５８で算出された床反力作用点ＣＯＰの位置ベクトルＵ(COP/BC)とが変換テンソル作成手段５１で作成された変換テンソルＲ(LC→BC)の転置である変換テンソルＲ(BC→LC)（＝Ｒ(LC→BC)T）を用いて各脚体部Ｓ２毎に、それに対応する脚平面ＰＬに投影される。
【０１３３】
具体的には、加速度ベクトルACC(BCO/BC)および角速度ベクトルω(BCO/BC)に次式（２０ａ）、（２０ｂ）の如く、それぞれ変換テンソルＲ(BC→LC)を乗算することにより、各脚座標系ＬＣから見た加速度ベクトルACC(BCO/LC)および角速度ベクトルω(BCO/LC)が求められる。
【０１３４】
ACC(BCO/LC)＝Ｒ(BC→LC)×ACC(BCO/BC)    ……（２０ａ）
ω(BCO/LC)＝Ｒ(BC→LC)×ω(BCO/BC)        ……（２０ｂ）
なお、加速度ベクトルACC(BCO/LC)および角速度ベクトルω(BCO/LC)は、それぞれ左脚体部Ｓ２に係わる脚座標系ＬＣに対応するものと、右脚体部Ｓ２に係わる脚座標系ＬＣに対応するものとが各別に求められる。
【０１３５】
同様に、床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/BC)，Ｆｒｆ(左脚体/BC)に次式（２０ｃ）、（２０ｄ）の如く、それぞれ変換テンソルＲ(BC→右LC)、Ｒ(BC→左LC)を乗算することにより、各脚座標系ＬＣから見た床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/右LC)，Ｆｒｆ(左脚体/右LC)が求められる。
【０１３６】
Ｆｒｆ(右脚体/右LC)＝Ｒ(BC→右LC)×Ｆｒｆ(右脚体/BC)    ……（２０ｃ）
Ｆｒｆ(左脚体/左LC)＝Ｒ(BC→左LC)×Ｆｒｆ(左脚体/BC)    ……（２０ｄ）
さらに、着地している各脚体２に係わる床反力作用点ＣＯＰの位置ベクトルＵ(COP/BC)に次式（２０ｅ）の如く、その着地している脚体２に対応する変換テンソルＲ(BC→LC)を乗算することにより、該脚体２に対応する脚座標系ＬＣから見た床反力作用点ＣＯＰの位置ベクトルＵ(COP/LC)が求められる。
【０１３７】
Ｕ(COP/LC)＝Ｒ(BC→LC)×Ｕ(COP/BC)    ……（２０ｅ）
なお、位置ベクトルＵ(COP/LC)は、人Ａの単脚支持状態では着地側の脚体に対応するもののみが求められ、両脚支持状態では、左右のそれぞれの脚体毎に求められる。
【０１３８】
ここで、加速度ベクトルACC(BCO/LC)、床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/右LC)，Ｆｒｆ(左脚体/左LC)および床反力作用点の位置ベクトルＵ(COP/LC)については、それぞれのＸ座標成分およびＺ座標成分の組が、それぞれに対応する身体座標系ＢＣでのベクトル（３次元量）を各脚平面ＰＬ（脚座標系ＬＣのＸＺ平面）に投影してなる２次元量のベクトルとして得られる。例えば、図１４を参照して、身体座標系ＢＣでの右側脚体に係わる床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/LC)が図示の実線で示すようなベクトルであるとすると、床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/右LC)のＸ座標成分およびＺ座標成分の組は、同図に破線で示すような脚平面ＰＬ（右）上のベクトルとなる。
【０１３９】
なお、脚平面ＰＬ上での脚体の回転運動は、脚平面ＰＬの法線方向（脚座標系ＬＣのＹ軸方向）の軸回りの回転運動であるから、角速度ベクトルω(BCO/BC)を脚平面ＰＬに投影したものは、前記式（２０ｂ）により求められる脚座標系ＬＣでの角速度ベクトルω(BCO/LC)のＹ座標成分である。
【０１４０】
以下の関節モーメント算出手段６０の説明では、加速度ベクトルACC(BCO/LC)、床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/右LC)，Ｆｒｆ(左脚体/左LC)および床反力作用点の位置ベクトルＵ(COP/LC)は、そのＸ座標成分およびＺ座標成分の組から成る２次元ベクトルを意味するものとする。例えば加速度ベクトルACC(BCO/LC)は、（ACC(BCO/LC)x，ACC(BCO/LC)z)Tを意味する。なお、角速度ωについては、脚平面ＰＬ上での値はω(BCO/LC)yで表す。
【０１４１】
次に、人側関節モーメント推定手段４１は、関節モーメント算出手段６０による演算処理を実行する。この関節モーメント算出手段６０の演算処理の概略を説明すると、各脚体部Ｓ２の足平部要素Ｓ９、下腿部要素Ｓ８、大腿部要素Ｓ７のそれぞれの並進運動および回転運動に関する運動方程式に基づく逆動力学モデルの演算によって、足平部要素Ｓ９、下腿部要素Ｓ８、および大腿部要素Ｓ７のそれぞれの腰部要素Ｓ４側の端点の関節要素Ｊ＿足首、Ｊ＿膝、Ｊ＿股の関節モーメントが順番に算出される。この場合、逆動力学モデルは、各脚体部Ｓ２毎に、それに対応する脚平面ＰＬ（脚座標系ＬＣのＸＺ平面）上で取扱われる。なお、この算出処理の基本的な考え方は、逆動力学モデルを取扱う平面及び座標系を除いて本願出願人が先に提案した特開２００３−８９０８３号公報等のものと同じである。
【０１４２】
以下、具体的に説明すると、各脚体部Ｓ２の足平部要素Ｓ９、下腿部要素Ｓ８、大腿部要素Ｓ７のそれぞれの脚平面ＰＬ上での並進運動の運動方程式は次の式（２１）〜（２３）により与えられる。なお、以下の説明において、足平部要素Ｓ９、下腿部要素Ｓ８、および大腿部要素Ｓ７のそれぞれの剛体要素の両端のうち、腰部要素Ｓ４に近い側の一端部を「Ｐ＿○○」、遠い側の他端部「Ｄ＿○○」（○○は剛体要素を表す名称）というように表記することがある。例えば図１５に示す如く、下腿部要素Ｓ８の膝関節Ｊ＿膝（Ｊ２）側の端部を「Ｐ＿下腿部」、足首関節Ｊ＿足首（Ｊ３）側の端部を「Ｄ＿下腿部」というように表記する。
【０１４３】
Ｆ(Ｐ＿足平部/LC)＝ｍ＿足平部×(ACC(BCO/LC)＋Ｕ(Ｇ＿足平部/LC)'')
−Ｆｒｆ(脚体/LC)                      ……（２１）
Ｆ(Ｐ＿下腿部/LC)＝ｍ＿下腿部×(ACC(BCO/LC)＋Ｕ(Ｇ＿下腿部/LC)'')
−Ｆ(Ｄ＿下腿部/LC)                    ……（２２）
Ｆ(Ｐ＿大腿部/LC)＝ｍ＿大腿部×(ACC(BCO/LC)＋Ｕ(Ｇ＿大腿部/LC)'')
−Ｆ(Ｄ＿大腿部/LC)                    ……（２３）
ここで、上記各式（２１）〜（２３）中に現れる２つのＦ（Ｐ＿○○/BC)、Ｆ（Ｄ＿○○/BC)は、その○○で表される名称の剛体要素の端部が、それに接触する物体から受ける反力（脚平面ＰＬ上での２次元並進力ベクトル）を意味している。このため、作用・反作用の法則によって、Ｆ(Ｄ＿下腿部/BC)＝−Ｆ(Ｐ＿足平部/BC)、Ｆ(Ｄ＿大腿部/BC)＝−Ｆ(Ｐ＿下腿部/BC)である。なお、足平部要素Ｓ９に係わる式（２１）においては、該足平部要素Ｓ９の、腰部要素Ｓ４から遠い側の端部は、床反力作用点ＣＯＰとみなされ、その端部（床反力作用点ＣＯＰ）に床から作用する反力として、前記脚平面投影手段５９で求められた床反力ベクトルＦｒｆ(脚体/LC)が用いられる。
【０１４４】
また、Ｕ(Ｇ＿足平部/LC)''、Ｕ(Ｇ＿下腿部/LC)''、Ｕ(Ｇ＿大腿部/LC)''は、それぞれ、前記２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２で先に算出された脚座標系ＬＣでの重心Ｇ＿足平部、Ｇ＿下腿部、Ｇ＿大腿部の位置ベクトル（より正確には、該位置ベクトルのＸ座標成分及びＺ座標成分の組）の２階微分値、すなわち、脚平面ＰＬ上で見た重心Ｇ＿足平部、Ｇ＿下腿部、Ｇ＿大腿部の、脚座標系ＬＣの原点に対する相対加速度（２次元ベクトル）を意味している。この場合、脚座標系ＬＣの原点（股関節Ｊ１の中心）の脚平面ＰＬ上での加速度ベクトルは、身体座標系ＢＣの原点の加速度ベクトルACC(BCO/LC)とほぼ同一であるので、この加速度ベクトルACC(BCO/LC)に、Ｕ(Ｇ＿足平部/LC)''、Ｕ(Ｇ＿下腿部/LC)''、Ｕ(Ｇ＿大腿部/LC)''を加算したものが、脚平面ＰＬ上での重心Ｇ＿足平部、Ｇ＿下腿部、Ｇ＿大腿部の実際の加速度ベクトルを示すものとなる。
【０１４５】
なお、図１５には代表的に、下腿部要素Ｓ８に関する式（２２）のパラメータの関係を例示している。
【０１４６】
従って、脚平面投影手段５９で求めた床反力ベクトルＦｒｆ(脚体/LC)および加速度ベクトルACC(BCO/LC)と、前記２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２で求めた足平部要素Ｓ９の重心の位置ベクトルＵ(Ｇ＿足平部/LC)の時系列データから得られる相対加速度ベクトルＵ(Ｇ＿足平部/LC)''と、足平部要素Ｓ９の重量ｍ＿足平部とから式（２１）の右辺の演算により、Ｆ(Ｐ＿足平部/LC)、すなわち、足首関節Ｊ＿足首に作用する並進力（脚平面ＰＬ上での２次元ベクトル）が求められる。また、その求めたＦ(Ｐ＿足平部/LC)（＝−Ｆ(Ｄ＿下腿部/LC)）と、脚平面投影手段５９で求めた加速度ベクトルACC(BCO/LC)と、２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２で求めた下腿部要素Ｓ８の重心の位置ベクトルＵ(Ｇ＿下腿部/LC)の時系列データから得られる相対加速度ベクトルＵ(Ｇ＿下腿部/LC)''と、下腿部要素Ｓ８の重量ｍ＿下腿部とから式（２２）の右辺の演算によりＦ(Ｐ＿下腿部/LC)、すなわち、膝関節Ｊ＿膝に作用する並進力（脚平面ＰＬ上での２次元ベクトル）が求められる。同様に、その求めたＦ(Ｐ＿下腿部/LC)（＝−Ｆ(Ｄ＿大腿部/LC)）等を用いて、式（２３）の右辺の演算によりＦ(Ｐ＿大腿部/LC)、すなわち、股関節Ｊ＿股に作用する並進力（脚平面ＰＬ上での２次元ベクトル）が求められる。このように、関節要素Ｊ＿足首、Ｊ＿膝、Ｊ＿股に作用する反力ベクトル（並進力ベクトル）が上記（２１）〜（２３）の運動方程式に基づいて順番に算出される。
【０１４７】
次に、足平部要素Ｓ９、下腿部要素Ｓ８、大腿部要素Ｓ７のそれぞれの回転運動（それぞれの重心を通って脚平面ＰＬに垂直な軸回りの回転運動）の運動方程式は次の式（２４）〜（２６）により与えられる。
【０１４８】
Ｍ(Ｐ＿足平部)＝Ｉ＿足平部×(ω(足平部)’＋ω(BCO/LC)y’)
−{(Ｕ(COP/LC)−Ｕ(Ｇ＿足平部/LC))×Ｆｒｆ(脚体/LC)}y
−{(Ｕ(Ｐ＿足平部/LC)−Ｕ(Ｇ＿足平部/LC))
×Ｆ(Ｐ＿足平部/LC)}y              ……（２４）
Ｍ(Ｐ＿下腿部)＝Ｉ＿下腿部×(ω(下腿部)’＋ω(BCO/LC)y’)
−{(Ｕ(Ｄ＿下腿部/LC)−Ｕ(Ｇ＿下腿部/LC))×Ｆ(Ｄ＿下腿部/LC)}y
−{(Ｕ(Ｐ＿下腿部/LC)−Ｕ(Ｇ＿下腿部/LC)）
×Ｆ(Ｐ＿下腿部/LC)}y
−Ｍ（Ｄ＿下腿部）                            ……（２５）
Ｍ(Ｐ＿大腿部)＝Ｉ＿大腿部×(ω(大腿部)’＋ω(BCO/LC)y’)
−{(Ｕ(Ｄ＿大腿部/LC)−Ｕ(Ｇ＿大腿部/LC))×Ｆ(Ｄ＿大腿部/LC)}y
−{(Ｕ(Ｐ＿大腿部/LC)−Ｕ(Ｇ＿大腿部/LC)）
×Ｆ(Ｐ＿大腿部/LC)}y
−Ｍ（Ｄ＿大腿部）                            ……（２６）
ここで、上記各式（２４）〜（２６）中に現れるＭ（Ｐ＿○○)、Ｍ（Ｄ＿○○)は、その○○で表される名称の剛体要素の端部が、それぞれに接触する物体から受ける反力モーメント（脚平面ＰＬに垂直な軸回り（脚座標系ＬＣのＹ軸に平行な軸回り）のモーメント）を意味している（図１５参照）。このため、作用・反作用の法則によって、Ｍ(Ｄ＿下腿部)＝−Ｍ(Ｐ＿足平部)、Ｍ(Ｄ＿大腿部)＝−Ｍ(Ｐ＿下腿部)である。また、Ｉ＿足平部、Ｉ＿下腿部、Ｉ＿大腿部は、それぞれ人剛体リンクモデルＳ１の足平部要素Ｓ９、下腿部要素Ｓ８、大腿部要素Ｓ７のそれぞれの重心回りの慣性モーメント（詳しくは補助装具１の慣性モーメントを含まない慣性モーメント）であり、これは、人剛体リンクモデルＳ１の各剛体要素の重量などと同様、あらかじめ実測データ等に基づいて決定されて演算処理装置２３のメモリに記憶保持されている。また、ω(足平部)’、ω(下腿部)’、ω(大腿部)’はそれぞれ、足平部要素Ｓ９、下腿部要素Ｓ８、大腿部要素Ｓ７の、脚座標系ＬＣから見た相対角速度ω(足平部)、ω(下腿部)、ω(大腿部)（脚平面ＰＬに垂直な軸回りの相対角速度）の１階微分値、すなわち、相対角加速度を意味し、これらはそれぞれ、次式（２６ａ）〜（２６ｃ）の如く、前記２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２で求めた足平部要素Ｓ９、下腿部要素Ｓ８、大腿部要素Ｓ７の傾斜角θ＿足平部、θ＿下腿部、θ＿大腿部の２階微分値として与えられる。
【０１４９】
ω(足平部)’＝θ＿足平部''      ……（２６ａ）
ω(下腿部)’＝θ＿下腿部''      ……（２６ｂ）
ω(大腿部)’＝θ＿大腿部''      ……（２６ｃ）
そして、ω(BCO/LC)y’は、前記脚平面投影手段５９で求めた身体座標系ＢＣの原点ＢＣＯの実際の角速度ω(BCO/LC)yの１階微分値であり、この１階微分値ω(BCO/LC)y’にω(足平部)’、ω(下腿部)’、ω(大腿部)’をそれぞれ加算したものが、それぞれ足平部要素Ｓ９、下腿部要素Ｓ８、大腿部要素Ｓ７の実際の角加速度（脚平面ＰＬに垂直な軸回りの角加速度）を表すものとなる。
【０１５０】
なお、図１５には代表的に、下腿部要素Ｓ８に関する式（２５）のパラメータの関係を例示している。
【０１５１】
関節モーメント算出手段６０では、最終的に上記式（２４）〜（２６）により、関節モーメントＭ(Ｐ＿足平部)、Ｍ(Ｐ＿下腿部)、Ｍ(Ｐ＿大腿部)が順次求められる。すなわち、前記脚平面投影手段５９で求めた床反力ベクトルＦｒｆ(脚体/LC)およびＵ(COP/LC)と、該脚平面投影手段５９で求めた角速度ω(BCO/LC)yの時系列データから把握される角加速度ω(BCO/LC)y’と、前記２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２で求めた傾斜角θ＿足平部の時系列データから把握される相対角加速度ω(足平部)’（＝θ＿足平部''）と、該２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２で求めた位置ベクトルＵ(Ｇ＿足平部/LC)およびＵ(Ｐ＿足平部/LC)（＝Ｕ(Ｊ＿足首/LC)（より正確には、これらの位置ベクトルのＸ座標成分及びＺ座標成分の組）と、前記式（２１）により先に求めた反力Ｆ(Ｐ＿足平部/LC)と、あらかじめ設定された慣性モーメントＩ＿足平部とから、前記式（２４）の右辺の演算により、関節モーメントＭ(Ｐ＿足平部)、すなわち、足首関節Ｊ３に作用する、脚平面ＰＬに垂直な軸回りのモーメントが求められる。
【０１５２】
また、この求めた関節モーメントＭ(Ｐ＿足平部)（＝−Ｍ(Ｄ＿下腿部)）と、前記式（２１），（２２）により先に求めた反力Ｆ(Ｐ＿足平部/LC)（＝−Ｆ(Ｄ＿下腿部/LC)）およびＦ(Ｐ＿下腿部/LC)と、脚平面投影手段５９で求めた角速度ω(BCO/LC)yの時系列データから把握される角加速度ω(BCO/LC)y’と、前記２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２で求めた傾斜角θ＿下腿部の時系列データから把握される相対角加速度ω(下腿部)’（＝θ＿下腿部''）と、該２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２で求めた位置ベクトルＵ(Ｇ＿下腿部/LC)、Ｕ(Ｐ＿下腿部/LC)（＝Ｕ(Ｊ＿膝/LC)）、およびＵ(Ｄ＿下腿部/LC)（＝Ｕ(Ｊ＿足首/LC)）（より正確には、これらの位置ベクトルのＸ座標成分及びＺ座標成分の組）と、あらかじめ設定された慣性モーメントＩ＿下腿部とから、前記式（２５）の右辺の演算により、関節モーメントＭ(Ｐ＿下腿部)、すなわち、膝関節Ｊ２に作用する、脚平面ＰＬに垂直な軸回りのモーメントが求められる。同様に、その求めたＭ(Ｐ＿下腿部)（＝−Ｍ(Ｄ＿大腿部)）等を用いて、式（２５）の右辺の演算によりＭ(Ｐ＿大腿部)、すなわち、股関節Ｊ１に作用する、脚平面ＰＬに垂直な軸回りのモーメントが求められる。
【０１５３】
なお、本実施形態では、各脚体部Ｓ２の各剛体要素の慣性モーメントＩ＿足平部、Ｉ＿下腿部、Ｉ＿大腿部を考慮したが、これらは一般的には、十分に０に近い値である。このため、式（２３）〜（２５）の演算では、慣性モーメントＩ＿足平部、Ｉ＿下腿部、Ｉ＿大腿部を含む項を省略してもよい。この場合には、足平部要素Ｓ９、下腿部要素Ｓ８および大腿部要素Ｓ７の角速度や角加速度を把握する必要はない。
【０１５４】
以上のように、関節モーメント算出手段６０の演算処理では、人Ａの各脚体２の足首関節、膝関節、および股関節の、脚平面ＰＬに垂直な軸回りの関節モーメントＭ(Ｐ＿足平部)、Ｍ(Ｐ＿下腿部)、Ｍ(Ｐ＿大腿部)が足首関節側から順番に算出される。これらの関節モーメントＭ(Ｐ＿足平部)、Ｍ(Ｐ＿下腿部)、Ｍ(Ｐ＿大腿部)は、補助装具１を装着した人Ａが現に行っている運動とほぼ同じ運動を、補助装具１を装着していない状態で（人Ａが自力で）行った場合に、各脚体の足首関節、膝関節、股関節に発生すべきモーメントである。
【０１５５】
次に、装具側関節モーメント推定手段４２の演算処理を説明する。装具側関節モーメント推定手段４２の演算処理は、人側関節モーメント推定手段４１の演算処理と並行して、演算処理装置２３の処理周期毎に逐次実行され、その演算処理の基本的手法は、人側関節モーメント推定手段４２の演算処理と同じである。従って、以下の説明では、人側関節モーメント推定手段４２の演算処理と相違する点を主体として説明する。なお、以降、装具側関節モーメント推定手段４２の演算処理の説明が終了するまでは、剛体要素は特に断らない限り、装具剛体リンクモデルＳ１’の剛体要素を意味するものとする。
【０１５６】
装具側関節モーメント推定手段４２の演算処理では、前記人側関節モーメント推定手段４１の２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２による演算処理が実行された後、まず、２次元要素重心位置算出手段６１による演算処理が実行され、装具剛体リンクモデルＳ１’の剛体要素（脚体部Ｓ２の剛体要素）の重心の、脚座標系ＬＣにおける位置ベクトルなどが求められる。
【０１５７】
より具体的には、大腿部要素Ｓ７、下腿部要素Ｓ８、足平部要素Ｓ９のそれぞれの重心Ｇ＿大腿部装具（Ｇ７）、Ｇ＿下腿部装具（Ｇ８）、Ｇ＿足平部装具（Ｇ９）のそれぞれの位置ベクトルＵ（Ｇ＿大腿部装具/LC），Ｕ(Ｇ＿下腿部装具/LC)，Ｕ(Ｇ＿足平部装具/LC)がそれぞれ次式（２７ａ）〜（２７ｃ）により算出される。
【０１５８】
Ｕ(Ｇ＿大腿部装具/LC)＝Ｕ(Ｊ＿膝/LC)＋
Ｒ(Ｃ＿大腿部→LC)×Ｕ(Ｇ＿大腿部装具/Ｃ＿大腿部)…（２７ａ）
Ｕ(Ｇ＿下腿部装具/LC)＝Ｕ(Ｊ＿足首/LC)＋
Ｒ(Ｃ＿下腿部→LC)×Ｕ(Ｇ＿下腿部装具/Ｃ＿下腿部)…（２７ｂ）
Ｕ(Ｇ＿足平部装具/LC)＝Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/LC)＋
Ｒ(Ｃ＿足平部→LC)×Ｕ(Ｇ＿足平部装具/Ｃ＿足平部)…（２７ｃ）
ここで、式（２７ａ）〜（２７ｃ）の変換テンソルＲ(Ｃ＿大腿部→LC)、Ｒ(Ｃ＿下腿部→LC)、Ｒ(Ｃ＿足平部→LC)、並びに位置ベクトルＵ(Ｊ＿膝/LC)，Ｕ(Ｊ＿足首/LC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/LC)は、それぞれ人側関節モーメント推定手段４１の２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２で求められたものである。また、Ｕ(Ｇ＿大腿部装具/Ｃ＿大腿部)、Ｕ(Ｇ＿下腿部装具/Ｃ＿下腿部)、Ｕ(Ｇ＿足平部装具/Ｃ＿足平部)は、各剛体要素の要素座標系で表された該剛体要素の重心の位置ベクトルであり、あらかじめ演算処理装置２３のメモリに記憶保持されている。
【０１５９】
上記式（２７ａ）〜（２７ｃ）により求められる位置ベクトルＵ(Ｇ＿大腿部装具/LC)，Ｕ(Ｇ＿下腿部装具/LC)，Ｕ(Ｇ＿足平部装具/LC)のＸ座標成分及びＺ座標系分の組が脚平面ＰＬ上での２次元的位置を表している。
【０１６０】
また、２次元要素重心位置算出手段６１の演算処理では、各足平部要素Ｓ９の支持部Ｓ９ａ，Ｓ９ｂ（前記図５を参照）の、脚座標系ＬＣでの位置ベクトルも算出される。ここで、各足平部要素Ｓ９の支持部Ｓ９ａ，Ｓ９ｂのうちの前側の支持部Ｓ９ａを前支持部Ｓ９ａ、後側の支持部Ｓ９ｂを後支持部Ｓ９ａと称し、それぞれの位置ベクトル（脚座標系ＬＣでの位置ベクトル）をＵ(前支持部/LC)、Ｕ(後支持部/LC)とすると、Ｕ(前支持部/LC)、Ｕ(後支持部/LC)は、それぞれ、上記式（２７ａ）の右辺のＵ(Ｇ＿足平部装具/Ｃ＿足平部)を、Ｕ(前支持部/Ｃ＿足平部)、Ｕ(後支持部/Ｃ＿足平部)で置き換えた式によって算出される。Ｕ(前支持部/Ｃ＿足平部)、Ｕ(後支持部/Ｃ＿足平部)は、それぞれ各足平部要素Ｓ９の要素座標系Ｃ＿足平部（Ｃ９）での前支持部Ｓ９ａ、後支持部Ｓ９ｂの位置ベクトルであり、あらかじめ演算処理装置２３のメモリに記憶保持されている。
【０１６１】
次いで、装具側関節モーメント推定手段４２は、３次元要素重心位置算出手段６２の演算処理を実行し、装具剛体リンクモデルＳ１’の各剛体要素の重心の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルを求める。この演算処理は、人側関節モーメント推定手段４１の３次元関節・要素重心位置算出手段６２で人剛体リンクモデルＳ１の各剛体要素の重心の３次元的な位置ベクトルを求める場合と同様に実行される。すなわち、大腿部要素Ｓ７、下腿部要素Ｓ８、足平部要素Ｓ９のそれぞれの重心の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルＵ(Ｇ＿大腿部装具/BC)，Ｕ(Ｇ＿下腿部装具/BC)，Ｕ(Ｇ＿足平部装具/BC)は、それぞれ前記式（４ｂ）の右辺のＵ(Ｊ＿左膝/LC)を２次元要素重心位置算出手段６１で先に算出した重心の位置ベクトルＵ(Ｇ＿大腿部装具/LC)、Ｕ(Ｇ＿下腿部装具/LC)、Ｕ(Ｇ＿足平部装具/LC）で置き換えた式を演算することで求められる。なお、Ｇ＿大腿部装具，Ｇ＿下腿部装具，Ｇ＿足平部装具の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルの算出は、各脚体部Ｓ２毎に各別に行われる。
【０１６２】
また、腰部要素Ｓ４の重心Ｇ４の位置ベクトルＵ(Ｇ＿腰部装具/BC)は、前記式（６）の右辺のＵ（Ｇ＿腰部/Ｃ＿腰部）を、あらかじめ記憶保持された腰部座標系Ｃ＿腰部での重心Ｇ＿腰部装具の位置ベクトルＵ(Ｇ＿腰部装具/Ｃ＿腰部)で置き換えた式により算出される。から、次式（６）により求められる。なお、本実施形態では、Ｃ＿腰部は身体座標系ＢＣに等しいので、実際上は、Ｕ(Ｇ＿腰部装具/Ｃ＿腰部)がそのままＵ(Ｇ＿腰部/BC)として得られる。
【０１６３】
さらに、腹部要素Ｓ５、胸部要素Ｓ６のそれぞれの重心Ｇ５，Ｇ６の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルＵ(Ｇ＿腹部装具/BC)，Ｕ(Ｇ＿胸部装具/BC)は、それぞれ、前記式（７），（８）の右辺のＵ(Ｇ＿腹部/Ｃ＿腹部)、Ｕ(Ｇ＿胸部/Ｃ＿胸部)をそれぞれＵ(Ｇ＿腹部装具/Ｃ＿腹部)、Ｕ(Ｇ＿胸部装具/Ｃ＿胸部)（これらはあらかじめ演算処理装置２３に記憶保持されている）に置き換えた式によって算出される。
【０１６４】
なお、本実施形態では、装具剛体リンクモデルＳ１’の腹部要素Ｓ５および胸部要素Ｓ６の重量は十分に小さいので、これらの要素は装具剛体リンクモデルＳ１’の全体重心にほとんど影響を及ぼさない。従って、位置ベクトルＵ(Ｇ＿腹部装具/BC)，Ｕ(Ｇ＿胸部装具/BC)の算出は省略してもよい。
【０１６５】
また、３次元要素重心位置算出手段６２の演算処理では、各足平部要素Ｓ９の前支持部Ｓ９ａおよび後支持部Ｓ９ｂの、身体座標系ＢＣでの位置ベクトルＵ(前支持部/BC)、Ｕ(後支持部/BC)も各脚体部Ｓ２毎に算出される。これらの位置ベクトルＵ(前支持部/BC)、Ｕ(後支持部/BC)は、それぞれ前記式（４ｂ）の右辺のＵ(Ｊ＿左膝/LC)を２次元要素重心位置算出手段６１で先に算出した各足平部要素Ｓ９の前支持部Ｓ９ａ、後支持部Ｓ９ｂの位置ベクトルＵ(前支持部/LC)、Ｕ(後支持部/LC)で置き換えた式を演算することで求められる。
【０１６６】
次いで、装具側関節モーメント推定手段４２は、全体重心位置算出手段６３の演算処理を実行する。この全体重心位置算出手段６３の演算処理では、３次元要素重心位置算出手段６２によって求められた各剛体要素の重心位置（身体座標系ＢＣでの位置ベクトル）と、あらかじめ演算処理装置２３に記憶保持された装具剛体リンクモデルＳ１’の各剛体要素の重量とから、次式（２８）によって、装具剛体リンクモデルＳ１’の全体重心（補助装具１の全体重心。以下、Ｇ＿装具全体と表記することがある）の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルＵ(Ｇ＿装具全体/BC)が求められる。
【０１６７】
Ｕ(Ｇ＿装具全体/BC)＝{Ｕ(Ｇ＿胸部装具/BC)×ｍ＿胸部装具
＋Ｕ(Ｇ＿腹部装具/BC)×ｍ＿腹部装具＋Ｕ(Ｇ＿腰部装具/BC)×ｍ＿腰部装具
＋Ｕ(Ｇ＿右大腿部装具/BC)×ｍ＿右大腿部装具
＋Ｕ(Ｇ＿左大腿部装具/BC)×ｍ＿左大腿部装具
＋Ｕ(Ｇ＿右下腿部装具/BC)×ｍ＿右下腿部装具
＋Ｕ(Ｇ＿左下腿部装具/BC)×ｍ＿左下腿部装具
＋Ｕ(Ｇ＿右足平部装具/BC)×ｍ＿右足平部装具
＋Ｕ(Ｇ＿左足平部装具/BC)×ｍ＿左足平部装具}／装具全体重量  ……（２８）
なお、ｍ＿胸部装具など、「ｍ＿○○装具」は○○の名称に対応する装具剛体リンクモデルＳ１’の剛体要素の重量であり、これらの重量は補助装具１単体での重量である（人Ａの重量は含まれない）。また、本実施形態では、ｍ＿胸部装具≒０、ｍ＿腹部装具≒０なのでこれらを含む項は省略してもよい。
【０１６８】
次に、装具側関節モーメント推定手段４２は、床反力推定手段６４および床反力作用点推定手段６５の算出処理を実行する。床反力推定手段６４の演算処理では、人側関節モーメント推定手段４１の床反力推定手段５７と同様の手法によって、補助装具１に作用する床反力ベクトル（身体座標系ＢＣで見た床反力ベクトル）が推定される。
【０１６９】
すなわち、まず、人側関節モーメント推定手段４１の床反力推定手段５７と同様に、接地センサ３２，３３の検出出力に基づき、人Ａの単脚支持状態であるか両脚支持状態であるかが判断される。図１６は、単脚支持状態における補助装具１（矢状面で見た補助装具１）の脚体部の例を装具剛体リンクモデルＳ１’で模式化して示している。また、図１７（ａ），（ｂ）は、それぞれ矢状面、前額面で見た、両脚支持状態の補助装具１の脚体部の例を装具剛体リンクモデルＳ１’で模式化して示している。なお、以下の説明では、補助装具１の右脚体部、左脚体部に作用する床反力ベクトル（身体座標系ＢＣの座標成分値で表されるベクトル）をそれぞれＦｒｆ（右脚体装具/BC）、Ｆｒｆ（左脚体装具/BC）で表す。また、左右を区別する必要が無いときは、Ｆｒｆ（脚体装具/BC）で表す。
【０１７０】
そして、図１６のように単脚支持状態であるときには、前記式（１３）と同様の下記の運動方程式（２９）によって、補助装具１の着地側の脚体部Ｓ２（ここでは例えば右側脚体部であるとする）に作用する床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体部装具/BC)が算出される。
【０１７１】
Ｆｒｆ(右脚体装具/BC)＝
装具全体重量×(ACC(BCO/BC)＋Ｕ(Ｇ＿装具全体/BC)'')  ……（２９）
ここで、Ｕ(Ｇ＿装具全体/BC)''は、前記全体重心位置算出手段６３で逐次算出される位置ベクトルＵ(Ｇ＿装具全体/BC)の２階微分値であり、Ｕ(Ｇ＿装具全体/BC)の時系列データから算出される。また、式（２９）のACC(BCO/BC)は、人側関節モーメント推定手段４１の身体座標系加速度・角速度算出手段５４で算出した身体座標系ＢＣの原点ＢＣＯの加速度ベクトルである。人Ａの左側脚体が着地している場合でも、単脚支持状態では同様に、式（２９）の右辺の演算によって、床反力ベクトルＦｒｆ(左脚体装具/BC)が算出される。なお、補助装具１の、着地していない脚体側の脚体部に作用する床反力ベクトルＦｒｆ（脚体装具/BC）は０である。
【０１７２】
また、図１７（ａ），（ｂ）に示すように、両脚支持状態であるときには、補助装具１に作用する床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体装具/BC)およびＦｒｆ(左脚体装具/BC)が前記式（１４）〜（１８）と同様の下記の５つの関係式（３０）〜（３４）を基に算出される。
【０１７３】
Ｆｒｆ(右脚体装具/BC)＋Ｆｒｆ(左脚体装具/BC)
＝装具全体重量×(ACC(BCO/BC)＋Ｕ(Ｇ＿装具全体/BC)'')
……（３０）
Ｆｒｆ(右脚体装具/BC)ｘ：Ｆｒｆ(右脚体装具/BC)ｚ
＝Ｕ(Ｇ＿装具全体/BC)ｘ−Ｕ(Ｊ＿右足首/BC)ｘ
：Ｕ(Ｇ＿装具全体/BC)ｚ−Ｕ(Ｊ＿右足首/BC)ｚ    ……（３１）
Ｆｒｆ(左脚体装具/BC)ｘ：Ｆｒｆ(左脚体装具/BC)ｚ
＝Ｕ(Ｇ＿装具全体/BC)ｘ−Ｕ(Ｊ＿左足首/BC)ｘ
：Ｕ(Ｇ＿装具全体/BC)ｚ−Ｕ(Ｊ＿左足首/BC)ｚ    ……（３２）
Ｆｒｆ(右脚体装具/BC)ｙ：Ｆｒｆ(右脚体装具/BC)ｚ
＝Ｕ(Ｇ＿装具全体/BC)ｙ−Ｕ(Ｊ＿右足首/BC)ｙ
：Ｕ(Ｇ＿装具全体/BC)ｚ−Ｕ(Ｊ＿右足首/BC)ｚ    ……（３３）
Ｆｒｆ(左脚体装具/BC)ｙ：Ｆｒｆ(左脚体装具/BC)ｚ
＝ACC(Ｇ＿装具全体/BC)ｙ−Ｕ(Ｊ＿左足首/BC)ｙ
：Ｕ(Ｇ＿装具全体/BC)ｚ−Ｕ(Ｊ＿左足首/BC)ｚ    ……（３４）
これらの式（３０）〜（３４）のうち、式（３０）は、補助装具１の全体重心Ｇ＿装具全体の、身体座標系ＢＣでの並進運動に関する運動方程式を表しており、その式（３０）の右辺は、式（２０）の右辺と同じである。また、式（３１）〜（３４）は、図１７（ａ），（ｂ）に示すように、床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体装具/BC)および床反力ベクトルＦｒｆ(左脚体装具/BC)がそれぞれ右側足首関節Ｊ１、左側足首関節Ｊ１からＧ＿装具全体に向かうベクトルであると仮定して得られる幾何学的関係式である。この場合、式（３１），（３２）は矢状面（身体座標系ＢＣのＸＺ平面）で見た関係式であり、式（３３），（３４）は前額面（身体座標系ＢＣのＹＺ）平面で見た関係式である。
【０１７４】
人側関節モーメント推定手段４１の床反力推定手段５７の演算処理の場合と同様、両脚支持状態での床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体装具/BC)，Ｆｒｆ(左脚体装具/BC)を求める場合には、それらのベクトルの座標成分値を未知数として、前記式（３０）〜（３４）により構成される連立方程式を解くことで、Ｆｒｆ(右脚体装具/BC)，Ｆｒｆ(左脚体装具/BC)が算出される。なお、この演算に必要なＵ(Ｇ＿装具全体/BC)は、前記全体重心位置算出手段６３で求めたものが使用され、Ｕ(Ｊ＿右足首/BC)およびＵ(Ｊ＿左足首/BC)は、人側関節モーメント推定手段４１の３次元関節・要素重心位置算出手段５３で求められたものが使用される。また、Ｆｒｆ(右脚体装具/BC)，Ｆｒｆ(左脚体装具/BC)のＺ軸成分は、矢状面に関する式（３１），（３２）、あるいは前額面に関する式（３３），（３４）のいずれを用いても求めることが可能である。
【０１７５】
なお、本実施形態では、床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体装具/BC)および床反力ベクトルＦｒｆ(左脚体装具/BC)がそれぞれ右側脚体の足首関節Ｊ１、左側脚体の足首関節Ｊ１からＧ＿装具全体に向かうベクトルであると仮定した式（３１）〜（３４）を用いたが、式（３１）〜（３４）のＵ(Ｊ＿右足首/BC)、Ｕ(Ｊ＿左足首/BC)の代わりに、各足首関節Ｊ１のある近傍点の位置（身体座標系ＢＣでの位置）、あるいは、後述する如く求められる補助装具１の各脚体部の床反力作用点の位置（身体座標系ＢＣでの位置）を用いるようにしてもよい。
【０１７６】
上記の如く床反力推定手段６４で求められる床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体装具/BC)，Ｆｒｆ(左脚体装具/BC)は、補助装具１自身の重量のみ考慮されているので、現在行われている人Ａの脚体の運動と同じような運動を補助装具１が単独で自立的に運動しているとした場合に、該補助装具１の自重によって該補助装具１に作用する床反力ベクトルを意味するものとなる。なお、補助装具１が単独で運動するために必要な床反力ベクトルは、前記式（２９）又は（３０）を満たす必要があるが、両脚支持状態では式（３１）〜（３４）以外の関係式を用いて推定するようにすることも可能である。
【０１７７】
床反力作用点推定手段６４の演算処理では、人側関節モーメント推定手段４１の床反力作用点推定手段５８と同様の手法によって、補助装具１に作用する床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体装具/BC)，Ｆｒｆ(左脚体装具/BC)の作用点が推定される。
【０１７８】
この場合、前記絶対座標系ＩＣでの、装具全体重心と、着地している各脚体側の足平部要素Ｓ９の前支持部Ｓ９ａと後支持部Ｓ９ｂとの水平面内での位置関係に基づいて、床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体装具/BC)，Ｆｒｆ(左脚体装具/BC)の作用点が推定される。
【０１７９】
より具体的には、まず、前記人側関節モーメント推定手段４１の床反力作用点推定手段５８で求められた前記変換テンソルＲ(BC→IC)を用いて、前記全体重心位置算出手段６３で先に求めた装具全体重心の位置ベクトルＵ(Ｇ＿装具全体/BC)と、前記３次元要素重心位置算出手段６２で先に求めた各足平部要素Ｓ９の前支持部Ｓ９ａおよび後支持部Ｓ９ｂのそれぞれの位置ベクトルＵ(前支持部/BC)，Ｕ(後支持部/BC)とにそれぞれ上記変換テンソルＲ(BC→IC)を乗算することにより、装具全体重心、各足平部要素Ｓ９の前支持部Ｓ９ａおよび後支持部Ｓ９ｂの絶対座標系ＩＣで見た位置ベクトルＵ(Ｇ＿装具全体/IC)，Ｕ(前支持部/IC)，Ｕ(後支持部/IC)が算出される。なお、このとき、接地センサ３２，３３の検出出力により接地無しと判断される脚体に関しては、位置ベクトルＵ(前支持部/BC)，Ｕ(後支持部/BC)を算出する必要はない。
【０１８０】
次いで、接地センサ３２，３３の検出出力により接地有りと判断される各脚体毎に、位置ベクトルＵ(Ｇ＿装具全体/IC)，Ｕ(前支持部/IC)，Ｕ(後支持部/IC)のＸ軸方向成分Ｕ(Ｇ＿装具全体/IC)ｘ，Ｕ(前支持部/IC)ｘ，Ｕ(後支持部/IC)ｘの大小関係に応じて、換言すれば、装具全体重心、足平部要素Ｓ９の前支持部Ｓ９ａおよび後支持部Ｓ９ｂの前後方向での相対的な水平位置関係に応じて、床反力作用点の位置ベクトル（絶対座標系ＩＣでの位置ベクトル）Ｕ(装具COP/IC)のＸ軸成分およびＹ軸成分が決定される。
【０１８１】
より具体的に図１８（ａ）〜（ｃ）および図１９を参照して説明する。なお、以下の説明では、左側脚体が着地しているとする。図１８（ａ）〜（ｃ）は矢状面で見た補助装具１の左側脚体部が接地している状態（これらの図では単脚支持状態）を例示しており、図１９は図１８（ｂ）の状態での補助装具１の接地側の足平部を平面視で見た図を示している。なお、図１８及び図１９では補助装具１の脚体部を人剛体リンクモデルＳ１’で模式化して示している。
【０１８２】
図１８（ａ）に示すように、装具全体重心Ｇ＿装具全体が着地側の左足平部Ｓ９の前支持部Ｓ９ａよりも前方に存在する場合、すなわち、Ｕ(Ｇ＿装具全体/IC)ｘ＞Ｕ(左前支持部/IC)ｘである場合には、床反力作用点COPは、その左足平部Ｓ９の前支持部Ｓ９ａ（足平部Ｓ９のつま先部分）のほぼ直下の位置に存在する。そこで、この場合には、接地している左足平部Ｓ９に対応する床反力作用点COPの位置ベクトルＵ(左装具COP/IC)のＸ，Ｙ軸成分はそれぞれ左足平部Ｓ９の前支持部Ｓ９ａの位置ベクトルＵ(左前支持部/IC)のＸ，Ｙ軸成分に等しいとする。すなわち、Ｕ(左装具COP/IC)ｘ＝Ｕ(左前支持部/IC)ｘ、Ｕ(左装具COP/IC)ｙ＝Ｕ(左前支持部/IC)ｙとする。
【０１８３】
また、図１８（ｃ）に示す如く、装具全体重心Ｇ＿装具全体が着地側の左足平部Ｓ９の後支持部Ｓ９ｂよりも後方に存在する場合、すなわち、Ｕ(Ｇ＿装具全体/IC)ｘ＜Ｕ(左後支持部/IC)ｘである場合には、床反力作用点COPは、その左足平部Ｓ９の後支持部Ｓ９ｂ（足平部Ｓ９の踵部分）のほぼ直下の位置に存在する。そこで、この場合には、接地している左足平部Ｓ９に対応する床反力作用点COPの位置ベクトルＵ(左装具COP/IC)のＸ，Ｙ軸成分はそれぞれ左足平部Ｓ９の後支持部Ｓ９ｂの位置ベクトルＵ(左後支持部/IC)のＸ，Ｙ軸成分に等しいとする。すなわち、Ｕ(左装具COP/IC)ｘ＝Ｕ(左後支持部/IC)ｘ、Ｕ(左装具COP/IC)ｙ＝Ｕ(左後支持部/IC)ｙとする。
【０１８４】
また、図１８（ｂ）に示すように、装具全体重心Ｇ＿装具全体が前後方向で左足平部Ｓ９の前支持部Ｓ９ａと後支持部Ｓ９ｂとの間に存在する場合、すなわち、Ｕ(左前支持部/IC)ｘ≦Ｕ(Ｇ＿装具全体/IC)ｘ≦Ｕ(左後支持部/IC)ｘである場合には、床反力作用点COPは、図示の矢状面上では、装具全体重心Ｇ＿装具全体のほぼ真下に存在する。そこで、この場合には、接地している左足平部Ｓ９に対応する床反力作用点COPの位置ベクトルＵ(左装具COP/IC)のＸ軸成分は、装具全体重心Ｇ＿装具全体のＸ軸成分に等しいとする。すなわち、Ｕ(左装具COP/IC)ｘ＝Ｕ(Ｇ＿装具全体/IC)ｘとする。そして、床反力作用点COPの位置は、概ね、左足平部Ｓ９の前支持部Ｓ９ａと後支持部Ｓ９ｂとを結ぶ線分を床面に投影した線分上に存在すると考えられる。そこで、床反力作用点COPの位置ベクトルＵ(左装具COP/IC)のＹ軸成分は、図１９に示す如く、左足平部Ｓ９の前支持部Ｓ９ａと後支持部Ｓ９ｂとを結ぶ線分上で、装具全体重心Ｇ＿装具全体とＸ軸成分（絶対座標系ＩＣでのＸ軸成分）の値が同じになるような点ＱのＹ軸成分と等しいとする。このような位置ベクトルＵ(左装具COP/IC)のＹ軸成分の値は、次式（３５）に比例関係式に基づいて求められる。
【０１８５】
Ｕ(左装具COP/IC)ｘ−Ｕ(左後支持部/IC)ｘ：Ｕ(左前支持部/IC)ｘ−Ｕ(左後支持部/IC)ｘ
＝Ｕ(左装具COP/IC)ｙ−Ｕ(左後支持部/IC)ｙ
：Ｕ(左前支持部/IC)ｙ−Ｕ(左後支持部/IC)ｙ      ……（３５）
また、床反力作用点の位置ベクトルＵ(左装具COP/IC)のＺ軸成分は、前記人側関節モーメント推定手段４１の床反力作用点推定手段５８と同じく、左脚体部の足首関節Ｊ３から所定値Ｈ０（＞０）だけ鉛直方向下方に離れた点のＺ軸成分に等しいとする。すなわち、Ｕ(左COP/IC)ｚ＝Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｚ−Ｈ０とする。ここで、本実施形態では、人剛体リンクモデルＳ１と装具剛体リンクモデルＳ１’とで各関節要素の位置は同じであるとしているので、所定値Ｈ０は、前記人側関節モーメント推定手段４１の床反力作用点推定手段５８で用いるものと同一である。
【０１８６】
本実施形態では、以上の如く、左側脚体が接地している場合に補助装具１の左側脚体部に作用する床反力ベクトルＦｒｆの床反力作用点の位置ベクトルＵ(左COP装具/IC)が求められる。右側脚体が接地している場合についても同様である。この場合、両脚接地状態では、各脚体のそれぞれについて上記の如く床反力作用点の位置ベクトルが求められる。
【０１８７】
なお、本実施形態では、床反力作用点の位置ベクトルＵ(COP装具/IC)のＺ軸成分を求めるために用いる前記所定値Ｈ０を一定値としたが、接地センサ３２，３３により、足平部Ｓ９のつま先側のみが接地していることが検出された場合には、上記所定値Ｈ０の代わりに、その接地している足平部Ｓ９について、足首関節Ｊ３および前支持部Ｓ９ａのそれぞれの位置ベクトルＵ(Ｊ＿足首/IC)，Ｕ(前支持部/IC)のＺ軸成分の差（Ｕ(Ｊ＿足首/IC)ｚ−Ｕ(前支持部/IC)ｚ）、すなわち、足首関節Ｊ３と前支持部Ｓ９ａとの鉛直方向距離を使用するようにしてもよい。このようにすると、Ｕ(COP装具/IC)の精度を高めることができる。
【０１８８】
床反力作用点推定手段６５の演算処理では、最後に、上記の如く接地している各脚体部について求めた床反力作用点の位置ベクトルＵ(COP装具/IC)に、変換テンソルＲ(IC→BC)を乗算することにより、補助装具１に係わる床反力作用点の位置ベクトルの身体座標系ＢＣでの値Ｕ(COP装具/BC)が求められる。
【０１８９】
次に、装具側関節モーメント推定手段４２は、脚平面投影手段６６の演算処理を実行する。この処理では、床反力推定手段６４で算出された床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体装具/BC)，Ｆｒｆ(左脚体装具/BC)と、床反力作用点推定手段６５で算出された床反力作用点ＣＯＰの位置ベクトルＵ(装具COP/BC)とが前記変換テンソル作成手段５１で作成された変換テンソルＲ(LC→BC)の転置である変換テンソルＲ(BC→LC)（＝Ｒ(LC→BC)T）を用いて各脚体部Ｓ２毎に、それに対応する脚平面ＰＬに投影される。
【０１９０】
具体的には、床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/BC)，Ｆｒｆ(左脚体/BC)に次式（３６ａ）、（３６ｂ）の如く、それぞれ変換テンソルＲ(BC→右LC)、Ｒ(BC→左LC)を乗算することにより、各脚座標系ＬＣから見た床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体装具/右LC)，Ｆｒｆ(左脚体装具/右LC)が求められる。
【０１９１】
Ｆｒｆ(右脚体装具/右LC)＝Ｒ(BC→右LC)×Ｆｒｆ(右脚体装具/BC)……（３６ａ）
Ｆｒｆ(左脚体装具/左LC)＝Ｒ(BC→左LC)×Ｆｒｆ(左脚体装具/BC)……（３６ｂ）
さらに、着地している各脚体部Ｓ２に係わる床反力作用点ＣＯＰの位置ベクトルＵ(COP/BC)に次式（３６ｃ）の如く、その着地している脚体部Ｓ２に対応する変換テンソルＲ(BC→LC)を乗算することにより、該脚体部S２に対応する脚座標系ＬＣから見た床反力作用点ＣＯＰの位置ベクトルＵ(装具COP/LC)が求められる。
【０１９２】
Ｕ(装具COP/LC)＝Ｒ(BC→LC)×Ｕ(COP装具/BC)    ……（３６ｃ）
なお、位置ベクトルＵ(装具COP/LC)は、人Ａの単脚支持状態では着地側の脚体部Ｓ２に対応するもののみが求められ、両脚支持状態では、左右のそれぞれの脚体部Ｓ２毎に求められる。
【０１９３】
補足すると、左右の各脚座標系ＬＣで見た加速度ベクトルACC(BCO/LC)および角速度ベクトルω(BCO/LC)は、人側関節モーメント推定手段４１の脚平面投影手段５９で前述したように求めるので（前記式（２０ａ），（２０ｂ）を参照）、装具側関節モーメント推定手段４２の脚平面投影手段５９では、これらを求める必要はない。
【０１９４】
以下の関節モーメント算出手段６７の説明では、加速度ベクトルACC(BCO/LC)、床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体装具/右LC)，Ｆｒｆ(左脚体装具/左LC)および床反力作用点の位置ベクトルＵ(COP装具/LC)は、そのＸ座標成分およびＺ座標成分の組から成る２次元ベクトルを意味するものとする。なお、角速度ωについては、脚平面ＰＬ上での値はω(BCO/LC)yで表す。
【０１９５】
次に、装具側関節モーメント推定手段４２は、関節モーメント算出手段６７による演算処理を実行する。この関節モーメント算出手段６７の演算処理では、人側関節モーメント推定手段４１の関節モーメント算出手段６７の演算処理と同様に、各脚体部Ｓ２の足平部要素Ｓ９、下腿部要素Ｓ８、大腿部要素Ｓ７のそれぞれの、以下に示す並進運動および回転運動に関する運動方程式に基づく逆動力学モデルの演算（各脚平面ＰＬ上での２次元的な演算）によって、関節要素Ｊ＿足首、Ｊ＿膝、Ｊ＿股の関節モーメントが順番に算出される。
【０１９６】
この場合、並進運動に関する運動方程式は、次の式（３７）〜（３９）により与えられ、回転運動に関する運動方程式は、次の式（４０）〜（４２）により与えられる。なお、以下の運動方程式において、前記関節モーメント算出手段６０の演算処理の場合と同様、装具剛体リンクモデルＳ１’の足平部要素Ｓ９、下腿部要素Ｓ８、および大腿部要素Ｓ７のそれぞれの剛体要素の両端のうち、腰部要素Ｓ４に近い側の一端部を「Ｐ＿○○装具」、遠い側の他端部「Ｄ＿○○装具」（○○は剛体要素を表す名称）というように表記する。例えば、下腿部要素Ｓ８の膝関節Ｊ＿膝（Ｊ２）側の端部を「Ｐ＿下腿部装具」、足首関節Ｊ＿足首（Ｊ３）側の端部を「Ｄ＿下腿部装具」というように表記する。また、Ｆ（Ｐ＿○○装具/BC)、Ｆ（Ｄ＿○○装具/BC)は、その○○で表される名称の剛体要素（装具剛体リンクモデルＳ１’の剛体要素）の端部が、それに接触する物体から受ける反力（脚平面ＰＬ上での２次元並進力ベクトル）を意味する。同様に、Ｍ（Ｐ＿○○装具)、Ｍ（Ｄ＿○○装具)は、その○○で表される名称の剛体要素（装具剛体リンクモデルＳ１’の剛体要素）の端部が、それぞれに接触する物体から受ける反力モーメント（脚平面ＰＬに垂直な軸回り（脚座標系ＬＣのＹ軸に平行な軸回り）のモーメント）を意味する。
【０１９７】
Ｆ(Ｐ＿足平部装具/LC)＝ｍ＿足平部装具×(ACC(BCO/LC)＋Ｕ(Ｇ＿足平部装具/LC)'')
−Ｆｒｆ(脚体装具/LC)                  ……（３７）
Ｆ(Ｐ＿下腿部装具/LC)＝ｍ＿下腿部装具×(ACC(BCO/LC)＋Ｕ(Ｇ＿下腿部装具/LC)'')
−Ｆ(Ｄ＿下腿部装具/LC)                ……（３８）
Ｆ(Ｐ＿大腿部装具/LC)＝ｍ＿大腿部装具×(ACC(BCO/LC)＋Ｕ(Ｇ＿大腿部装具/LC)'')
−Ｆ(Ｄ＿大腿部装具/LC)                ……（３９）
Ｍ(Ｐ＿足平部装具)＝Ｉ＿足平部装具×(ω(足平部)’＋ω(BCO/LC)y’)
−{(Ｕ(装具COP/LC)−Ｕ(Ｇ＿足平部装具/LC))×Ｆｒｆ(脚体装具/LC)}y
−{(Ｕ(Ｐ＿足平部/LC)−Ｕ(Ｇ＿足平部装具/LC)）
×Ｆ(Ｐ＿足平部装具/LC)}y            ……（４０）
Ｍ(Ｐ＿下腿部装具)＝Ｉ＿下腿部装具×(ω(下腿部)’＋ω(BCO/LC)y’)
−{(Ｕ(Ｄ＿下腿部/LC)−Ｕ(Ｇ＿下腿部装具/LC))×Ｆ(Ｄ＿下腿部装具/LC)}y
−{(Ｕ(Ｐ＿下腿部/LC)−Ｕ(Ｇ＿下腿部装具/LC)）
×Ｆ(Ｐ＿下腿部装具/LC)}y
−Ｍ（Ｄ＿下腿部装具）                                  ……（４１）
Ｍ(Ｐ＿大腿部装具)＝Ｉ＿大腿部装具×(ω(大腿部)’＋ω(BCO/LC)y’)
−{(Ｕ(Ｄ＿大腿部/LC)−Ｕ(Ｇ＿大腿部装具/LC))×Ｆ(Ｄ＿大腿部装具/LC)}y
−{(Ｕ(Ｐ＿大腿部/LC)−Ｕ(Ｇ＿大腿部装具/LC)）
×Ｆ(Ｐ＿大腿部装具/LC)}y
−Ｍ（Ｄ＿大腿部装具）                                  ……（４２）
なお、Ｆ(Ｄ＿下腿部装具/BC)＝−Ｆ(Ｐ＿足平部装具/BC)、Ｆ(Ｄ＿大腿部装具/BC)＝−Ｆ(Ｐ＿下腿部装具/BC)、Ｍ(Ｄ＿下腿部装具)＝−Ｍ(Ｐ＿足平部装具)、Ｍ(Ｄ＿大腿部装具)＝−Ｍ(Ｐ＿下腿部装具)である。また、Ｉ＿足平部装具、Ｉ＿下腿部装具、Ｉ＿大腿部装具は、それぞれ装具剛体リンクモデルＳ１’の足平部要素Ｓ９、下腿部要素Ｓ８、大腿部要素Ｓ７のそれぞれの重心回りの慣性モーメント（補助装具１単体での慣性モーメント）であり、これは、あらかじめ実測データ等に基づいて決定されて演算処理装置２３のメモリに記憶保持されている。
【０１９８】
これらの式（３７）〜（４２）はそれぞれ前記式（２１）〜（２６）に対応している。関節モーメント算出手段６７では、人側関節モーメント推定手段４１の場合と同様、上記式（３７）〜（４２）により、各脚体部Ｓ２毎に、最終的に関節モーメントＭ(Ｐ＿足平部装具)、Ｍ(Ｐ＿下腿部装具)、Ｍ(Ｐ＿大腿部装具)が順次求められる。
【０１９９】
この場合、その演算に必要なACC(BCO/LC)、ω(足平部)’、ω(下腿部)’、ω(大腿部)’、
ω(BCO/LC)y’、Ｕ(Ｐ＿足平部/LC)、Ｕ(Ｄ＿下腿部/LC)、Ｕ(Ｐ＿下腿部/LC)、Ｕ(Ｄ＿大腿部/LC)、Ｕ(Ｐ＿大腿部/LC)は、前記式（２１）〜（２６）で用いるものと同じものである。また、Ｕ(Ｇ＿足平部装具/LC)''、Ｕ(Ｇ＿下腿部装具/LC)''、Ｕ(Ｇ＿大腿部装具/LC)''は、それぞれ、前記２次元要素重心位置算出手段６１で先に算出された脚座標系ＬＣでの重心Ｇ＿足平部装具、Ｇ＿下腿部装具、Ｇ＿大腿部装具の位置ベクトル（より正確には、該位置ベクトルのＸ座標成分及びＺ座標成分の組）の２階微分値として、該位置ベクトルの時系列データから求められる。また、Ｆｒｆ(脚体装具/LC)は、前記床反力推定手段６４で先に求められた床反力ベクトルを脚平面投影手段６６で脚平面に投影してなる２次元ベクトルであり、Ｕ(装具COP/LC)は、前記床反力作用点推定手段６５で先に求められた床反力作用点を脚平面投影手段６６で脚平面ＰＬに投影してなる２次元ベクトルである。
【０２００】
なお、本実施形態では、各脚体部Ｓ２の各剛体要素の慣性モーメントＩ＿足平部装具、Ｉ＿下腿部装具、Ｉ＿大腿部装具を考慮したが、これらは一般的には、十分に０に近い値であるので、式（４０）〜（４２）の演算では、慣性モーメントＩ＿足平部装具、Ｉ＿下腿部装具、Ｉ＿大腿部装具を含む項を省略してもよい。
【０２０１】
関節モーメント算出手段６７の演算処理では、以上のようにして、補助装具１の各関節部位４，６，１０の、脚平面ＰＬに垂直な軸回りの関節モーメントＭ(Ｐ＿足平部装具)、Ｍ(Ｐ＿下腿部装具)、Ｍ(Ｐ＿大腿部装具)が足首関節部位４（Ｊ３）側から順番に算出される。これらの関節モーメントＭ(Ｐ＿足平部装具)、Ｍ(Ｐ＿下腿部装具)、Ｍ(Ｐ＿大腿部装具)は、補助装具１を装着した人Ａが現に行っている運動とほぼ同じ運動を、補助装具１が単独で（自力で）行っているとした場合に、補助装具１の各脚体部の足首関節部位４、膝関節部位６、股関節部位に発生すべきモーメントである。
【０２０２】
以上が演算処理装置２３の人側関節モーメント推定手段４１および装具側関節モーメント推定手段４２の演算処理の詳細である。
【０２０３】
演算処理装置２３は、次に、前記装具発生トルク決定手段４３の演算処理を実行する。この演算処理では、人Ａに係る前記関節モーメントＭ（Ｐ＿足平部)、Ｍ(Ｐ＿下腿部)、Ｍ(Ｐ＿大腿部)と、補助装具１に係る前記関節モーメントＭ（Ｐ＿足平部装具)、Ｍ(Ｐ＿下腿部装具)、Ｍ(Ｐ＿大腿部装具)と基に、補助装具１の各脚体部の各電動モータ１８〜２０に発生させるべきトルクが決定される。
【０２０４】
具体的には、例えば足首の電動モータ２０について説明すると、補助装具１に係る関節モーメントＭ(Ｐ＿足平部装具)を該電動モータ２０に発生させるべき基準トルクとし、人Ａに係る関節モーメントＭ（Ｐ＿足平部)に、所定の割合（１０％など）を乗じたモーメントを上記基準トルクに付加してなる（加えてなる）トルクを該電動モータ２０の目標発生トルクとして決定する。他の電動モータ１８，１９についても同様である。なお、上記所定の割合は、あらかじめ定めておいてもよいが、人Ａが行っている運動形態や、その時期等に応じて可変的に設定してもよい。
【０２０５】
そして、演算処理装置２３は、このように決定した目標発生トルクを各電動モータ１８〜２０に発生させるように、前記モータ制御手段４４によってモータ駆動回路２７を介して各電動モータ１８〜２０を制御する。
【０２０６】
以上説明したように、人Ａと補助装具１とで各別に脚体の関節モーメントを推定して、それを基に各電動モータ１８〜２０を制御することによって、少なくとも補助装具１が自力で人Ａとほぼ同じ運動を行い得るような関節モーメントＭ（Ｐ＿足平部装具)、Ｍ(Ｐ＿下腿部装具)、Ｍ(Ｐ＿大腿部装具)に、補助分のトルクを付加したトルクを各電動モータ１８〜２０に発生させることとなる。このため、人Ａは、補助装具１の自重をほとんど感じることなく、自身が意図した脚体の運動を行うことができる。
【０２０７】
また、本実施形態では、脚平面ＰＬ上での逆動力学演算によって、人Ａの関節モーメントおよび補助装具１の関節モーメントを推定するようにしているため、その推定値のばらつきを抑えて安定性を高めることができる。すなわち、股関節部位４の関節変位センサ２９で検出する３軸回りの回転角のうち、脚平面ＰＬに垂直な軸回りの回転角以外の回転角は一般に誤差を伴いやすいが、本実施形態によるときには、それらの２軸回りの回転角を使用する演算処理を極力少なくして関節モーメントが求められる。このため、回転角の検出値の誤差の累積を抑えることができ、その結果、推定される関節モーメントの値のばらつきを抑えることができる。
【０２０８】
補足すると、関節モーメントを３次元的な逆動力学演算によって推定するようにすることも可能であるが、特に、股関節部位４の関節変位センサ２９で検出する３軸回りの回転角のうち、脚平面ＰＬに垂直な軸回りの回転角以外の回転角の誤差が生じやすい場合には、関節モーメントの推定値のばらつきを抑える上で、前記実施形態の如く、脚平面ＰＬ上での逆動力学演算によって関節モーメントを推定する方が有利である。
【０２０９】
次に、以上説明した実施形態の変形態様を説明する。なお、以下に説明する変形態様は、本発明の第１発明に係る実施形態に相当するものである。
【０２１０】
前記実施形態では、補助装具１の足首関節部位１０に電動モータ２０を備えるようにしたが、足首関節部位１０の電動モータ２０を省略してもよい。この場合、補助装具１の足平リンク部材１１と前記第２下腿リンク部材９との間の足首関節部位１０をフリージョイントのような回転自在なもので構成した場合には、補助装具１の各関節モーメントを求めるに際しては、前記式（４０）の右辺を「０」として、膝関節部位６の関節モーメントＭ(Ｐ＿下腿部装具)および股関節部位４の関節モーメントＭ(Ｐ＿大腿部装具)を求めるようにすればよい。これ以外は、前記実施形態と同一でよい。以下、ここで説明した変形態様を第２実施形態という。
【０２１１】
また、例えば補助装具１の足平装具部１２と前記第２下腿リンク部材９との間にばね等の弾性部材を介装した場合、すなわち、補助装具１を剛体リンクモデルで表現したとき、図２０に示すように足平部要素Ｓ９と、下腿部要素Ｓ８との間にばね等の弾性部材７０を介装したような場合には、前記式（４０）のＭ(Ｐ＿足平部装具)を、足首関節部位１０の回転角の検出値からデータテーブルや所定の演算式により求め、さらにそれを用いて膝関節部位６の膝関節モーメントＭ(Ｐ＿下腿部装具)および股関節部位４の関節モーメントＭ(Ｐ＿大腿部装具)を求めるようにすればよい。これ以外は、前記実施形態と同一でよい。以下、ここで説明した変形態様を第３実施形態という。
【０２１２】
次に、本発明の効果の検証について図２１〜図２４を参照して説明する。なお、ここで説明する例は、前記第２実施形態に係わる例である。
【０２１３】
図２１は、補助装具を装着した人Ａが、階段を登ったときの人Ａの消費エネルギーを示すグラフ、図２２および図２３はそれぞれ、補助装具を装着した人Ａが、足踏み運動を行ったときの人Ａの消費エネルギー、心拍数を示すグラフである。図２１〜図２３のいずれについても、実線示の棒グラフは前記第２実施形態の補助装具を人Ａが装着し、且つ、第２実施形態の関節モーメントの算出および電動モータ１８，１９の制御を行った場合の実施例を示している。また、破線示の棒グラフは第２実施形態の補助装具を人Ａが装着し、且つ、電動モータ１８，１９のトルク発生を行わない場合の比較例を示している。なお、図２１に関して、階段を登るときのペースは、１分あたり、４５段のペースであり、図２２および図２３に関して、足踏み運動のペースは、１分あたり、２２２．５回の足踏みペースである。
【０２１４】
図２１および図２２に示すように、実施例では、比較例に比して人Ａの消費エネルギー（単位時間当たりの消費エネルギー）が小さくなっている。また、人Ａの足踏みを行ったとき、図２３に示すように、実施例では、比較例に比して、人Ａの心拍数が小さくなっている。このことから、補助装具の電動モータ１８，１９の発生トルクによって効果的に補助装具の自重の人Ａへの負担が軽減されることが判る。
【０２１５】
また、図２４は、補助装具を単独で図示しない昇降アームを係止し、該昇降アームによって補助装具の脚体部をほぼ垂直な姿勢から水平姿勢まで引っ張り上げ、さらに再び垂直な姿勢まで戻したときの引っ張り上げ力の時間変化を示すグラフである。実線示のグラフは前記第２実施形態の補助装具に対して関節モーメントの算出および電動モータ１８，１９の制御を行った場合の実施例を示し、破線示の棒グラフは第２実施形態の補助装具に対して電動モータ１８，１９のトルク発生を行わない場合の比較例を示している。
【０２１６】
この図２４に見られるように、実施例では、比較例に比して、引っ張り上げ力が大幅に小さくなっている。このことからも、電動モータ１８，１９の発生トルクによって補助装具の自重の人への負担が効果的に軽減されることが判る。
【図面の簡単な説明】
【０２１７】
【図１】本発明の第１実施形態における脚体運動補助装具を装着した人を側面示で示す図。
【図２】図１の脚体運動補助装具を装着した人の下半身部を正面示で示す図。
【図３】図１の脚体運動補助装具のセンサボックスの内部の構成を示すブロック図。
【図４】図１の脚体運動補助装具の制御処理で用いる人側剛体リンクモデルおよび装具側剛体リンクモデルの構造を示す図。
【図５】装具側剛体リンクモデルの足平部の構造を示す図。
【図６】図３に示す演算処理装置の処理機能を大略的に示すブロック図。
【図７】図６に示す人側関節モーメント推定手段の詳細機能を示すブロック図。
【図８】図６に示す装具側関節モーメント推定手段の詳細機能を示すブロック図。
【図９】脚平面での脚体の位置および姿勢を求める処理を説明するための図。
【図１０】単脚支持状態における人の床反力推定処理を説明するための図。
【図１１】（ａ），（ｂ）は両脚支持状態における人の床反力推定処理を説明するための図。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は人の矢状面での床反力作用点の推定処理を説明するための図。
【図１３】人の水平面での床反力作用点の推定処理を説明するための図。
【図１４】人の関節モーメントを推定するための物理量の脚平面への投影を説明するための図。
【図１５】逆動力学モデルによる人の関節モーメントの推定処理を説明するための図。
【図１６】単脚支持状態での脚体運動補助装具の床反力推定処理を説明するための図。
【図１７】（ａ），（ｂ）は両脚支持状態における脚体運動補助装具の床反力推定処理を説明するための図。
【図１８】（ａ）〜（ｃ）は脚体運動補助装具の矢状面での床反力作用点の推定処理を説明するための図。
【図１９】脚体運動補助装具の水平面での床反力作用点の推定処理を説明するための図。
【図２０】第３実施形態における脚体運動補助装具の足平部の構造を説明するための図。
【図２１】本発明の効果を説明するためのグラフ。
【図２２】本発明の効果を説明するためのグラフ。
【図２３】本発明の効果を説明するためのグラフ。
【図２４】本発明の効果を説明するためのグラフ。
【符号の説明】
【０２１８】
Ａ…人、１…脚体運動補助装具、４…股関節部位、６…膝関節部位、１０…足首関節部位、１２…足平装具部、１８〜２０…電動モータ（トルク発生手段）、Ｓ１…人剛体リンクモデル、Ｓ１’…装具剛体リンクモデル。
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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