JP4246534B2 - 二足歩行移動体の床反力作用点推定方法及び二足歩行移動体の関節モーメント推定方法 - Google Patents
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Description
【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例えば平地歩行を行っているとき、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等によらずに、二足歩行移動体の重心の位置と該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（足平部の親指の付け根の関節）の位置との相対的位置関係により概ね定まる。より具体的に二足歩行移動体の進行方向で重心の位置が足首関節の位置よりも後側に在るか、中足趾節関節の位置よりも前側にあるか、足首関節の位置と中足趾節関節の位置との間にあるかで、それぞれ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、中足趾節関節の水平方向位置、重心の水平方向位置とほぼ同等になる。従って、重心の位置と足首関節の位置と中足趾節関節の位置との相対的位置関係に応じて、それらの３つの位置のいずれかを床反力作用点の水平方向位置として推定することができる。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、少なくとも前記二足歩行移動体の平地歩行を含む運動中に、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ステップを備える。そして、前記運動中に接地している各脚体毎に、各脚体の床反力作用点の水平方向位置を、前記第１ステップで把握した前記重心の位置と該脚体の足首関節の位置と該脚体の中足趾節関節の位置との間の相対的位置関係に応じ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ステップで把握し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前記第１ステップで逐次把握しておくことで、それらの位置のいずれかを、それらの位置の相対的位置関係に応じて接地している各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。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、前記したように二足歩行移動体の進行方向で重心の位置が足首関節の位置よりも後側に在るか、中足趾節関節の位置よりも前側にあるか、足首関節の位置と中足趾節関節の位置との間にあるかで、それぞれ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、中足趾節関節の水平方向位置、重心の水平方向位置とほぼ同等になる。従って、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、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、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、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ればよい。
【００１６】
これにより、重心の位置、足首関節の位置及び中足趾節関節位置の相対的位置関係の三種類の場合分けに応じて適切な床反力作用点の水平方向位置を推定することができる。そして、この場合、重心の位置は、足首関節の位置の前後、あるいは中足趾節関節の位置の前後で連続的に変化するので、床反力作用点の水平方向位置の推定値も連続的に変化させることができる。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
また、本発明では、少なくとも前記二足歩行移動体の平地歩行と該二足歩行移動体の階段又は坂道での歩行とを含む該二足歩行移動体の運動中に、前記第１ステップの処理を実行しつつ、該二足歩行移動体の運動形態を判断し、その判断した二足歩行移動体の運動形態が階段又は坂道での歩行であるときには、接地している各脚体毎に、各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逐次推定すると共に、該脚体の足首関節から接地面までの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を該脚体の床反力作用点の鉛直方向位置として逐次推定することが好ましい。
【００２３】
すなわち、本願発明者の知見によれば、人間等の二足歩行移動体が階段又は坂道で歩行を行っているときには、一般に、接地中の床反力作用点は、その接地中のほぼ全期間にわたって中足趾節関節の近傍付近に偏る傾向がある。従って、二足歩行移動体の運動形態が階段又は坂道の歩行であるときには、平地歩行の場合のように、重心の位置と足首関節の位置と中足趾節関節の位置の相対的位置関係に応じて床反力作用点の水平方向位置を推定するのではなく、接地している脚体の中足趾節関節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ことが好ましい。これにより、階段又は坂道の歩行時における床反力作用点の水平方向位置を適正に推定できる。なお、この場合、床反力作用点の鉛直方向位置は、平地歩行の場合と同様に推定すればよい。
【００２４】
上記の如く、床反力作用点の水平方向位置の推定の仕方を平地歩行の運動形態と階段又は坂道での歩行の運動形態とで分ける場合において、前記二足歩行移動体の運動形態が、平地歩行であるか、階段又は坂道での歩行であるかは、少なくとも該二足歩行移動体の両脚体の足首関節の間の鉛直方向距離に基づき判断することができる。
【００２５】
すなわち、平地歩行では、両脚体が接地しているとき（両脚支持状態のとき）の両脚体の足首関節の間の鉛直方向距離は、ほぼ０近傍の値となるが、階段又は坂道の歩行では、両脚体が接地しているとき（両脚支持状態のとき）の両脚体の足首関節の間の鉛直方向距離は、比較的大きい値となる。従って、その両脚体の足首関節の鉛直方向距離に基づいて、二足歩行移動体の運動形態が平地歩行の運動形態であるか、階段又は坂道での歩行の運動形態であるかを適正に判断できる。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
【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、本発明の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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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Ｆf x，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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
(Ｚf−Ｚg)／(Ｘf−Ｘg)＝Ｆfz／Ｆfx
(Ｚr−Ｚg)／(Ｘr−Ｘg)＝Ｆrz／Ｆrx……（４）
そして、この式（４）と前記式（３）とから次式（５）が得られる。
【００４１】
Ｆfx＝Ｍ・｛ΔＸf・(ΔＺr・ａx−ΔＸr・ａz−ΔＸr・ｇ)｝／(ΔＸf・ΔＺr−ΔＸr・ΔＺf)
Ｆfz＝Ｍ・｛ΔＺf・(ΔＺr・ａx−ΔＸr・ａz−ΔＸr・ｇ)｝／(ΔＸf・ΔＺr−ΔＸr・ΔＺf)
Ｆrx＝Ｍ・｛ΔＸr・(−ΔＺf・ａx＋ΔＸf・ａz＋ΔＸf・ｇ)｝／(ΔＸf・ΔＺr−ΔＸr・ΔＺf)
Ｆrz＝Ｍ・｛ΔＺr・(−ΔＺf・ａx＋ΔＸf・ａz＋ΔＸf・ｇ)｝／(ΔＸf・ΔＺr−ΔＸr・ΔＺf)……（５）
（但し、ΔＸf＝Ｘf−Ｘg，ΔＺf＝Ｚf−Ｚg，ΔＸr＝Ｘr−Ｘg，ΔＺr＝Ｚr−Ｚg）
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
さらに各脚体２の股関節８と膝関節１０とには、それぞれの屈曲角度Δθc，Δθdに応じた出力を発生する股関節角度センサ２２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。
【００５３】
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。
【００５４】
尚、前記各センサ１４，１５，１９〜２３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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。なお、図３中、括弧を付した部分（足首関節角度センサ２４の部分）と二点鎖線部分は、後述の第２実施形態に関するものであり、本実施形態では、これらの括弧付き部分および二点鎖線部分は不要である。従って、本実施形態における以下の演算処理装置１６の説明では、これらの括弧付き部分および二点鎖線部分に関する事項については言及しない。
【００５７】
図３に示すように、本実施形態における演算処理装置１６は、腰部上下加速度センサ２１の検出データと、後述する床反力推定手段３８により求められた各脚体２の床反力の推定値のデータとを用いて、人間１の脚体２，２の運動状態が単脚支持状態（図１（ａ）の状態）であるか、両脚支持状態（図１（ｂ）の状態）であるかを判断する脚体運動判断手段２５を備えている。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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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、前記足首位置算出手段３２で求められた各脚体２の足首関節１２の身体座標系Ｃpにおける位置のデータや脚体運動判断手段２５の判断結果のデータに基づいて人間１の運動形態を判断する運動形態判断手段３７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）や運動形態判断手段３７が判断した運動形態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。なお、本実施形態で前記運動形態判断手段３７が判断する運動形態は、例えば人間１が平地歩行を行う運動形態、人間１が階段もしくは坂道で歩行（昇降）する運動形態、人間１が椅子に座ったり、椅子から立ち上がる動作の運動形態である。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
すなわち、まず、演算処理装置１６は、前記脚体運動判断手段２５の処理を実行する。この脚体運動判断手段２５の処理では、前記サイクルタイム毎に、前記腰部上下加速度センサ２１による腰部３の上向き方向の加速度の検出データがあらかじめ定めた所定の閾値と比較される。そして、該加速度の検出値がその閾値を超えたときに、前記図１（ｂ）に示したような両脚支持状態が開始し、且つ、前記図１（ａ）に示したような単脚支持状態が終了したと判断される。すなわち、人間１の歩行時に、単脚支持状態から両脚支持状態への移行の際には、遊脚側の脚体２が着床（接地）することで、股関節８の近傍の腰部３には、ほぼ上向きに比較的大きな加速度（通常的な単脚支持状態では発生し得ない加速度）が発生する。このため、前記脚体運動判断手段２５は、上記のように腰部上下加速度センサ２１による腰部３の上向き方向の加速度の検出データを所定の閾値と比較することで、両脚支持状態の開始及び単脚支持状態の終了（換言すれば遊脚側の脚体２の接地が行われたこと）を判断する。
【００６７】
また、脚体運動判断手段２５の処理では、両脚支持状態で床反力推定手段３９により後述するように求められた両脚体２，２のそれぞれに作用する床反力Ｆf，Ｆr（図１（ｂ）参照）の推定値のうち、人間の進行方向に対して後側の脚体２に係る床反力Ｆr＝T(Ｆrx，Ｆrz)の推定値（詳しくは演算処理装置１６の前回のサイクルタイムで求められた床反力Ｆrの絶対値＝√(Ｆrx2+Ｆrz2)）があらかじめ定めた所定の閾値（略「０」の正の値）と比較される。そして、該床反力Ｆrの推定値の絶対値がその閾値以下に低下したときに、両脚支持状態が終了し、且つ単脚支持状態が開始した（換言すれば後側の脚体２が離床した）と判断される。尚、本実施形態では、脚体２の運動状態の初期状態は、両脚支持状態であり、いずれか一方の脚体２に係る床反力の推定値が上記閾値以下に低下するまでは、脚体運動判断手段２４は、脚体２の運動状態が両脚支持状態であると判断する。
【００６８】
なお、両脚支持状態であるか単脚支持状態であるかの判断は、各脚体２の足平部１３の底面（具体的には靴底等）に接地センサを装着しておき、その接地センサにより各脚体２の足平部１３の接地の有無を検出することで、判断するようにしてもよい。あるいは、各脚体２の下腿部１１に加速度センサを装着しておき、その加速度センサの検出出力に基づいて各脚体２の接地の有無を判断したり、各脚体２の下腿部１１と床面との距離を赤外線測距センサ等を用いて計測し、その計測値に基づいて各脚体２の接地の有無を判断するようにすることも可能である。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
xg＝（m1L・x1L＋m1R・x1R＋m 2L・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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
さらに、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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
次に、演算処理装置１６は、前記運動形態判断手段３７の処理と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。運動形態判断手段３７の処理では、足首位置算出手段３２により前記の如く算出された各脚体２の足首関節１２の身体座標系Ｃpにおける位置と、脚体運動判断手段２５による脚体運動の判断結果とに基づいて、人間１の運動形態が判断される。より具体的には、例えば脚体運動判断手段２５により両脚支持状態の開始（単脚支持状態の終了）が検知された時に足首位置算出手段３２により算出された両脚体２，２のそれぞれの足首関節１２，１２の身体座標系Ｃpにおける位置から把握される両足首関節１２，１２の間の鉛直方向距離（ｚ軸方向距離）が所定の閾値を越えている場合には、人間１の運動形態が坂道あるいは階段での歩行を行っている運動形態であると判断される。また、両脚支持状態の開始時に両足首関節１２，１２の間の鉛直方向の距離が上記所定の閾値以下である場合には、人間１の運動形態が平地歩行を行っている運動形態であると判断される。また、例えば脚体運動判断手段２５により両脚支持状態が継続的に検知されたまま、身体座標系Ｃpにおける両足首関節１２，１２の位置と、該身体座標系Ｃpの原点（これは前記の如く腰部３に設定されている）との水平方向距離（ｘ軸方向距離）が長くなりつつ、それらの鉛直方向距離（ｚ軸方向距離）が短くなるような場合には、人間１の運動形態が椅子に座ろうとする運動形態であると判断される。逆に、身体座標系Ｃpにおける両足首関節１２，１２の位置と、該身体座標系Ｃpの原点との水平方向距離が短くなりつつ、それらの鉛直方向距離が長くなる場合には、人間１の運動形態が椅子から立ち上がろうとする運動形態であると判断される。
【００９６】
また、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、運動形態判断手段３７で判断された運動形態が平地歩行の運動形態である場合には、接地している各脚体２について、身体重心位置算出手段３１で求めた身体重心G0の身体座標系Ｃpにおける位置（ｘ軸方向位置）の今回値と、足首位置算出手段３２で求めた足首関節１２の身体座標系Ｃpにおける位置（ｘ軸方向位置）の今回値とＭＰ位置算出手段３３で求めたＭＰ関節１３ａの身体座標系Ｃpにおける位置（ｘ軸方向位置）の今回値とに基づいて、身体重心G0と足首関節１２とＭＰ関節１３ａとの相対的な位置関係（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）が判断される。
【００９７】
そして、図６（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（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、人間１の平地歩行時に、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は、通常、該脚体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のほぼ直下の位置にある。そこで、図６（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。補足すると、脚体２の足平部１３の底面のほぼ全面が接地した状態で、足首関節１２が身体重心G0よりも前側に存在するような場合もあるが、このような場合でも、該脚体２に係る床反力は足平部１３の踵寄りに集中するので、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。
【００９８】
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）、（ｃ）においても同様である。
【００９９】
また、図６（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、人間１の平地歩行時に、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との間に在る状態は、該脚体２の足平部１３の底面のほぼ全面が床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、身体重心G0のほぼ直下の位置にある。そこで、図６（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。
【０１００】
また、図６（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、人間１の平地歩行時に、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は、通常、該脚体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のほぼ直下の位置にある。そこで、図６（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。補足すると、脚体２の足平部１３の底面のほぼ全面が接地した状態で、ＭＰ関節１３ａが身体重心G0よりも後側に存在するような場合もあるが、このような場合でも、該脚体２に係る床反力は足平部１３のつま先寄りに集中するので、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。
【０１０１】
本実施形態の床反力作用点推定手段３８の処理では、運動形態判断手段３７で判断された運動形態が椅子に座ったり、あるいは椅子から立ち上がる運動形態である場合においても、上記した平地歩行の運動形態の場合と全く同様に、各脚体２の床反力作用点のｘ軸方向位置が決定される。
【０１０２】
一方、運動形態判断手段３７で判断された運動形態が、階段もしくは坂道での歩行の運動形態である場合には、床反力推定手段３８は、身体重心G0と足首関節１２とＭＰ関節１３ａとの相対的な位置関係によらずに、ＭＰ関節１３ａの鉛直方向直下の位置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、本願発明者等の知見によれば、人間１が階段や坂道で歩行するときには、接地している脚体２の床反力作用点は、接地中の大部分の期間においてＭＰ関節１３ａの近くに集中する傾向がある。そこで、人間１の運動形態が階段もしくは坂道での歩行を行っている運動形態であるときには、上記の如く床反力作用点のｘ軸方向位置を決定する。
【０１０３】
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、運動形態判断手段３７で判断された人間１の運動形態がいずれの運動形態であっても、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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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、運動形態判断手段３７、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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
さらに詳細には、図７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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
また、図７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。
【０１１７】
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（１１）中のM1は、同式（１１）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（１０）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。
【０１１８】
従って、膝関節１０に作用するモーメントM2は、床反力推定手段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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
すなわち、まず、大腿部９の重心G1（図４参照）の並進運動に関する運動方程式に基づく次式（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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
次いで、大腿部９の重心G1の回りの回転運動に関する運動方程式に基づく次式（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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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８及び図９に実線で示す。図８及び図９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８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９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８、図９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８及び図９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。
【０１２７】
なお、図９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。
【０１２８】
また、図８に関して補足すると、同図８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。
【０１２９】
また、図１０〜図１９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１０および図１１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１２および図１３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１４および図１５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１６および図１７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１８および図１９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１０〜図１９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１０〜図１９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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
次に、本発明の第２実施形態を前記図２〜図７、並びに図２０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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
すなわち、図２０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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
また、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。
【０１４４】
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、運動形態判断手段３７で判断された人間１の運動形態がいずれの運動形態であっても、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と考えられる。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。
【０１４５】
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２０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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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、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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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】平地歩行時における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】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８】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鉛直方向位置の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１２】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１４】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１６】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１８】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２０】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。
【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例えば平地歩行を行っているとき、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等によらずに、二足歩行移動体の重心の位置と該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（足平部の親指の付け根の関節）の位置との相対的位置関係により概ね定まる。より具体的に二足歩行移動体の進行方向で重心の位置が足首関節の位置よりも後側に在るか、中足趾節関節の位置よりも前側にあるか、足首関節の位置と中足趾節関節の位置との間にあるかで、それぞれ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、中足趾節関節の水平方向位置、重心の水平方向位置とほぼ同等になる。従って、重心の位置と足首関節の位置と中足趾節関節の位置との相対的位置関係に応じて、それらの３つの位置のいずれかを床反力作用点の水平方向位置として推定することができる。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、少なくとも前記二足歩行移動体の平地歩行を含む運動中に、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ステップを備える。そして、前記運動中に接地している各脚体毎に、各脚体の床反力作用点の水平方向位置を、前記第１ステップで把握した前記重心の位置と該脚体の足首関節の位置と該脚体の中足趾節関節の位置との間の相対的位置関係に応じ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ステップで把握し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前記第１ステップで逐次把握しておくことで、それらの位置のいずれかを、それらの位置の相対的位置関係に応じて接地している各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。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、前記したように二足歩行移動体の進行方向で重心の位置が足首関節の位置よりも後側に在るか、中足趾節関節の位置よりも前側にあるか、足首関節の位置と中足趾節関節の位置との間にあるかで、それぞれ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、中足趾節関節の水平方向位置、重心の水平方向位置とほぼ同等になる。従って、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、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、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、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ればよい。
【００１６】
これにより、重心の位置、足首関節の位置及び中足趾節関節位置の相対的位置関係の三種類の場合分けに応じて適切な床反力作用点の水平方向位置を推定することができる。そして、この場合、重心の位置は、足首関節の位置の前後、あるいは中足趾節関節の位置の前後で連続的に変化するので、床反力作用点の水平方向位置の推定値も連続的に変化させることができる。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
また、本発明では、少なくとも前記二足歩行移動体の平地歩行と該二足歩行移動体の階段又は坂道での歩行とを含む該二足歩行移動体の運動中に、前記第１ステップの処理を実行しつつ、該二足歩行移動体の運動形態を判断し、その判断した二足歩行移動体の運動形態が階段又は坂道での歩行であるときには、接地している各脚体毎に、各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逐次推定すると共に、該脚体の足首関節から接地面までの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を該脚体の床反力作用点の鉛直方向位置として逐次推定することが好ましい。
【００２３】
すなわち、本願発明者の知見によれば、人間等の二足歩行移動体が階段又は坂道で歩行を行っているときには、一般に、接地中の床反力作用点は、その接地中のほぼ全期間にわたって中足趾節関節の近傍付近に偏る傾向がある。従って、二足歩行移動体の運動形態が階段又は坂道の歩行であるときには、平地歩行の場合のように、重心の位置と足首関節の位置と中足趾節関節の位置の相対的位置関係に応じて床反力作用点の水平方向位置を推定するのではなく、接地している脚体の中足趾節関節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ことが好ましい。これにより、階段又は坂道の歩行時における床反力作用点の水平方向位置を適正に推定できる。なお、この場合、床反力作用点の鉛直方向位置は、平地歩行の場合と同様に推定すればよい。
【００２４】
上記の如く、床反力作用点の水平方向位置の推定の仕方を平地歩行の運動形態と階段又は坂道での歩行の運動形態とで分ける場合において、前記二足歩行移動体の運動形態が、平地歩行であるか、階段又は坂道での歩行であるかは、少なくとも該二足歩行移動体の両脚体の足首関節の間の鉛直方向距離に基づき判断することができる。
【００２５】
すなわち、平地歩行では、両脚体が接地しているとき（両脚支持状態のとき）の両脚体の足首関節の間の鉛直方向距離は、ほぼ０近傍の値となるが、階段又は坂道の歩行では、両脚体が接地しているとき（両脚支持状態のとき）の両脚体の足首関節の間の鉛直方向距離は、比較的大きい値となる。従って、その両脚体の足首関節の鉛直方向距離に基づいて、二足歩行移動体の運動形態が平地歩行の運動形態であるか、階段又は坂道での歩行の運動形態であるかを適正に判断できる。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
【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、本発明の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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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Ｆf x，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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
(Ｚf−Ｚg)／(Ｘf−Ｘg)＝Ｆfz／Ｆfx
(Ｚr−Ｚg)／(Ｘr−Ｘg)＝Ｆrz／Ｆrx……（４）
そして、この式（４）と前記式（３）とから次式（５）が得られる。
【００４１】
Ｆfx＝Ｍ・｛ΔＸf・(ΔＺr・ａx−ΔＸr・ａz−ΔＸr・ｇ)｝／(ΔＸf・ΔＺr−ΔＸr・ΔＺf)
Ｆfz＝Ｍ・｛ΔＺf・(ΔＺr・ａx−ΔＸr・ａz−ΔＸr・ｇ)｝／(ΔＸf・ΔＺr−ΔＸr・ΔＺf)
Ｆrx＝Ｍ・｛ΔＸr・(−ΔＺf・ａx＋ΔＸf・ａz＋ΔＸf・ｇ)｝／(ΔＸf・ΔＺr−ΔＸr・ΔＺf)
Ｆrz＝Ｍ・｛ΔＺr・(−ΔＺf・ａx＋ΔＸf・ａz＋ΔＸf・ｇ)｝／(ΔＸf・ΔＺr−ΔＸr・ΔＺf)……（５）
（但し、ΔＸf＝Ｘf−Ｘg，ΔＺf＝Ｚf−Ｚg，ΔＸr＝Ｘr−Ｘg，ΔＺr＝Ｚr−Ｚg）
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
さらに各脚体２の股関節８と膝関節１０とには、それぞれの屈曲角度Δθc，Δθdに応じた出力を発生する股関節角度センサ２２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。
【００５３】
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。
【００５４】
尚、前記各センサ１４，１５，１９〜２３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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。なお、図３中、括弧を付した部分（足首関節角度センサ２４の部分）と二点鎖線部分は、後述の第２実施形態に関するものであり、本実施形態では、これらの括弧付き部分および二点鎖線部分は不要である。従って、本実施形態における以下の演算処理装置１６の説明では、これらの括弧付き部分および二点鎖線部分に関する事項については言及しない。
【００５７】
図３に示すように、本実施形態における演算処理装置１６は、腰部上下加速度センサ２１の検出データと、後述する床反力推定手段３８により求められた各脚体２の床反力の推定値のデータとを用いて、人間１の脚体２，２の運動状態が単脚支持状態（図１（ａ）の状態）であるか、両脚支持状態（図１（ｂ）の状態）であるかを判断する脚体運動判断手段２５を備えている。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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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、前記足首位置算出手段３２で求められた各脚体２の足首関節１２の身体座標系Ｃpにおける位置のデータや脚体運動判断手段２５の判断結果のデータに基づいて人間１の運動形態を判断する運動形態判断手段３７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）や運動形態判断手段３７が判断した運動形態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。なお、本実施形態で前記運動形態判断手段３７が判断する運動形態は、例えば人間１が平地歩行を行う運動形態、人間１が階段もしくは坂道で歩行（昇降）する運動形態、人間１が椅子に座ったり、椅子から立ち上がる動作の運動形態である。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
すなわち、まず、演算処理装置１６は、前記脚体運動判断手段２５の処理を実行する。この脚体運動判断手段２５の処理では、前記サイクルタイム毎に、前記腰部上下加速度センサ２１による腰部３の上向き方向の加速度の検出データがあらかじめ定めた所定の閾値と比較される。そして、該加速度の検出値がその閾値を超えたときに、前記図１（ｂ）に示したような両脚支持状態が開始し、且つ、前記図１（ａ）に示したような単脚支持状態が終了したと判断される。すなわち、人間１の歩行時に、単脚支持状態から両脚支持状態への移行の際には、遊脚側の脚体２が着床（接地）することで、股関節８の近傍の腰部３には、ほぼ上向きに比較的大きな加速度（通常的な単脚支持状態では発生し得ない加速度）が発生する。このため、前記脚体運動判断手段２５は、上記のように腰部上下加速度センサ２１による腰部３の上向き方向の加速度の検出データを所定の閾値と比較することで、両脚支持状態の開始及び単脚支持状態の終了（換言すれば遊脚側の脚体２の接地が行われたこと）を判断する。
【００６７】
また、脚体運動判断手段２５の処理では、両脚支持状態で床反力推定手段３９により後述するように求められた両脚体２，２のそれぞれに作用する床反力Ｆf，Ｆr（図１（ｂ）参照）の推定値のうち、人間の進行方向に対して後側の脚体２に係る床反力Ｆr＝T(Ｆrx，Ｆrz)の推定値（詳しくは演算処理装置１６の前回のサイクルタイムで求められた床反力Ｆrの絶対値＝√(Ｆrx2+Ｆrz2)）があらかじめ定めた所定の閾値（略「０」の正の値）と比較される。そして、該床反力Ｆrの推定値の絶対値がその閾値以下に低下したときに、両脚支持状態が終了し、且つ単脚支持状態が開始した（換言すれば後側の脚体２が離床した）と判断される。尚、本実施形態では、脚体２の運動状態の初期状態は、両脚支持状態であり、いずれか一方の脚体２に係る床反力の推定値が上記閾値以下に低下するまでは、脚体運動判断手段２４は、脚体２の運動状態が両脚支持状態であると判断する。
【００６８】
なお、両脚支持状態であるか単脚支持状態であるかの判断は、各脚体２の足平部１３の底面（具体的には靴底等）に接地センサを装着しておき、その接地センサにより各脚体２の足平部１３の接地の有無を検出することで、判断するようにしてもよい。あるいは、各脚体２の下腿部１１に加速度センサを装着しておき、その加速度センサの検出出力に基づいて各脚体２の接地の有無を判断したり、各脚体２の下腿部１１と床面との距離を赤外線測距センサ等を用いて計測し、その計測値に基づいて各脚体２の接地の有無を判断するようにすることも可能である。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
xg＝（m1L・x1L＋m1R・x1R＋m 2L・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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
さらに、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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
次に、演算処理装置１６は、前記運動形態判断手段３７の処理と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。運動形態判断手段３７の処理では、足首位置算出手段３２により前記の如く算出された各脚体２の足首関節１２の身体座標系Ｃpにおける位置と、脚体運動判断手段２５による脚体運動の判断結果とに基づいて、人間１の運動形態が判断される。より具体的には、例えば脚体運動判断手段２５により両脚支持状態の開始（単脚支持状態の終了）が検知された時に足首位置算出手段３２により算出された両脚体２，２のそれぞれの足首関節１２，１２の身体座標系Ｃpにおける位置から把握される両足首関節１２，１２の間の鉛直方向距離（ｚ軸方向距離）が所定の閾値を越えている場合には、人間１の運動形態が坂道あるいは階段での歩行を行っている運動形態であると判断される。また、両脚支持状態の開始時に両足首関節１２，１２の間の鉛直方向の距離が上記所定の閾値以下である場合には、人間１の運動形態が平地歩行を行っている運動形態であると判断される。また、例えば脚体運動判断手段２５により両脚支持状態が継続的に検知されたまま、身体座標系Ｃpにおける両足首関節１２，１２の位置と、該身体座標系Ｃpの原点（これは前記の如く腰部３に設定されている）との水平方向距離（ｘ軸方向距離）が長くなりつつ、それらの鉛直方向距離（ｚ軸方向距離）が短くなるような場合には、人間１の運動形態が椅子に座ろうとする運動形態であると判断される。逆に、身体座標系Ｃpにおける両足首関節１２，１２の位置と、該身体座標系Ｃpの原点との水平方向距離が短くなりつつ、それらの鉛直方向距離が長くなる場合には、人間１の運動形態が椅子から立ち上がろうとする運動形態であると判断される。
【００９６】
また、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、運動形態判断手段３７で判断された運動形態が平地歩行の運動形態である場合には、接地している各脚体２について、身体重心位置算出手段３１で求めた身体重心G0の身体座標系Ｃpにおける位置（ｘ軸方向位置）の今回値と、足首位置算出手段３２で求めた足首関節１２の身体座標系Ｃpにおける位置（ｘ軸方向位置）の今回値とＭＰ位置算出手段３３で求めたＭＰ関節１３ａの身体座標系Ｃpにおける位置（ｘ軸方向位置）の今回値とに基づいて、身体重心G0と足首関節１２とＭＰ関節１３ａとの相対的な位置関係（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）が判断される。
【００９７】
そして、図６（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（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、人間１の平地歩行時に、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は、通常、該脚体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のほぼ直下の位置にある。そこで、図６（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。補足すると、脚体２の足平部１３の底面のほぼ全面が接地した状態で、足首関節１２が身体重心G0よりも前側に存在するような場合もあるが、このような場合でも、該脚体２に係る床反力は足平部１３の踵寄りに集中するので、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。
【００９８】
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）、（ｃ）においても同様である。
【００９９】
また、図６（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、人間１の平地歩行時に、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との間に在る状態は、該脚体２の足平部１３の底面のほぼ全面が床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、身体重心G0のほぼ直下の位置にある。そこで、図６（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。
【０１００】
また、図６（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、人間１の平地歩行時に、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は、通常、該脚体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のほぼ直下の位置にある。そこで、図６（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。補足すると、脚体２の足平部１３の底面のほぼ全面が接地した状態で、ＭＰ関節１３ａが身体重心G0よりも後側に存在するような場合もあるが、このような場合でも、該脚体２に係る床反力は足平部１３のつま先寄りに集中するので、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。
【０１０１】
本実施形態の床反力作用点推定手段３８の処理では、運動形態判断手段３７で判断された運動形態が椅子に座ったり、あるいは椅子から立ち上がる運動形態である場合においても、上記した平地歩行の運動形態の場合と全く同様に、各脚体２の床反力作用点のｘ軸方向位置が決定される。
【０１０２】
一方、運動形態判断手段３７で判断された運動形態が、階段もしくは坂道での歩行の運動形態である場合には、床反力推定手段３８は、身体重心G0と足首関節１２とＭＰ関節１３ａとの相対的な位置関係によらずに、ＭＰ関節１３ａの鉛直方向直下の位置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、本願発明者等の知見によれば、人間１が階段や坂道で歩行するときには、接地している脚体２の床反力作用点は、接地中の大部分の期間においてＭＰ関節１３ａの近くに集中する傾向がある。そこで、人間１の運動形態が階段もしくは坂道での歩行を行っている運動形態であるときには、上記の如く床反力作用点のｘ軸方向位置を決定する。
【０１０３】
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、運動形態判断手段３７で判断された人間１の運動形態がいずれの運動形態であっても、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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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、運動形態判断手段３７、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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
さらに詳細には、図７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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
また、図７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。
【０１１７】
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（１１）中のM1は、同式（１１）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（１０）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。
【０１１８】
従って、膝関節１０に作用するモーメントM2は、床反力推定手段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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
すなわち、まず、大腿部９の重心G1（図４参照）の並進運動に関する運動方程式に基づく次式（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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
次いで、大腿部９の重心G1の回りの回転運動に関する運動方程式に基づく次式（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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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８及び図９に実線で示す。図８及び図９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８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９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８、図９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８及び図９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。
【０１２７】
なお、図９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。
【０１２８】
また、図８に関して補足すると、同図８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。
【０１２９】
また、図１０〜図１９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１０および図１１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１２および図１３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１４および図１５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１６および図１７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１８および図１９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１０〜図１９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１０〜図１９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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
次に、本発明の第２実施形態を前記図２〜図７、並びに図２０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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
すなわち、図２０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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
また、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。
【０１４４】
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、運動形態判断手段３７で判断された人間１の運動形態がいずれの運動形態であっても、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と考えられる。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。
【０１４５】
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２０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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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、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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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】平地歩行時における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】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８】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鉛直方向位置の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１２】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１４】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１６】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１８】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２０】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。
Claims (7)
- 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、
少なくとも前記二足歩行移動体の平地歩行を含む運動中に、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、
前記運動中に接地している各脚体毎に、各脚体の床反力作用点の水平方向位置を、前記第１ステップで把握した前記重心の位置と該脚体の足首関節の位置と該脚体の中足趾節関節の位置との間の相対的位置関係に応じ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ステップで把握し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。 - 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、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、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、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。
- 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。
- 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。 - 少なくとも前記二足歩行移動体の平地歩行と該二足歩行移動体の階段又は坂道での歩行とを含む該二足歩行移動体の運動中に、前記第１ステップの処理を実行しつつ、該二足歩行移動体の運動形態を判断し、その判断した二足歩行移動体の運動形態が階段又は坂道での歩行であるときには、接地している各脚体毎に、各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逐次推定すると共に、該脚体の足首関節から接地面までの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を該脚体の床反力作用点の鉛直方向位置として逐次推定することを特徴とする請求項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。
- 前記二足歩行移動体の運動形態が、平地歩行であるか、階段又は坂道での歩行であるかを少なくとも該二足歩行移動体の両脚体の足首関節の間の鉛直方向距離に基づき判断することを特徴とする請求項５記載の二足歩行移動体の床反力作用点推定方法。
- 請求項１〜６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二足歩行移動体の関節モーメント推定方法。
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