专利名称：双脚行走移动体所受地面反向力及关节力矩的推定方法
技术领域：
本发明涉及一种对作用到人或双脚行走机器人等的双脚行走移动体的腿部上的地面反向力进行推定的方法。并且，还涉及一种使用其地面反向力的推定值，而对作用到双脚行走移动体的腿部的关节上的力矩进行推定的方法。
背景技术：
例如，在对辅助人行走动作的行走辅助装置的动作，或者双脚行走机器人的移动动作进行控制的情况下，必须依次把握作用到人或双脚行走机器人的腿部上的地面反向力(具体是指从地面作用到腿部的着地部分上的力)。通过把握该地面反向力，可以对作用到双脚行走移动体的腿部的关节上的力矩等进行把握，这样依据所把握的力矩等，可以对行走辅助装置的目标辅助力、或者双脚行走机器人的各关节的目标驱动转矩等进行决定。
众所周知，作为把握所述地面反向力的手法，例如已公开在特开2000-249570号公报上。在该技术中，根据双脚行走移动体于通常行走时各腿部的地面反向力随时间变化的波形发生周期性的变化，从而将各腿部的地面反向力作为、包含有行走周期的1/n(n＝1、2、…)的相互不同周期的多个三角函数的合成值(一次结合)进行把握。这种场合，合成多个三角函数时的各三角函数的加权系数使用了各双脚行走移动体预先设定的规定值、或者对应于地形而对其加权系数进行调整的值。
然而，在该技术中，由于是对双脚行走移动体的一步份或多步份来把握腿部的地面反向力，因此，在双脚行走移动体的步态依次发生变化的场合下，将很难高精度地把握地面反向力。另外，为了提高所把握的地面反向力的精度，又必须按各双脚行走移动体设定所述三角函数的加权系数，还要对应于地形等而进行调整，因此，也就很难减少双脚行走移动体的移动环境或双脚行走移动体的个体差别所带来的影响，以至难以高精度地把握地面反向力。
另外，众所周知，例如，在双脚行走机器人的场合下，将6轴力传感器等的力传感器安装在各腿部的踝部或脚底部上，通过该力传感器的输出来把握地面反向力。进而，使双脚行走移动体行走在设置于地面上的地面反向力计上，通过该地面反向力计的输出来把握地面反向力。
然而，在使用力传感器的技术中，特别是在想要把握人的腿部的地面反向力的场合时，由于必须将力传感器安装在人的踝部或脚底部上，因此，在通常的生活环境下，也就产生了该力传感器妨碍行走的问题。另外，对于使用地面反向力计的双脚行走机器人，只能是在设置有该地面反向力计的环境下才能把握地面反向力。
本发明鉴于上述的问题，目的在于提供一种地面反向力推定方法，该地面反向力推定方法是使用比较简单的手法，就可以高精度即时地把握地面反向力，特别适合使用在对作用到作为双脚行走移动体的人上的地面反向力进行把握的方面。
此外，本发明的另一目的在于提供一种双脚行走移动体的关节力矩推定方法，该双脚行走移动体的关节力矩推定方法是使用其地面反向力的推定值，可以高精度即时地对作用到腿部的膝关节等的关节上的力矩进行把握。
发明内容
首先，对本发明的双脚行走移动体的地面反向力推定方法的基本思路进行说明。
关于双脚行走移动体的腿部的运动状态，例如在行走动作时的腿部的运动状态可分为如图1(a)所示，在双脚行走移动体1的两腿部2、2中只有一条腿部2(图中为行进方向的前侧的腿)接触地面的单腿支承状态，以及如图1(b)所示，两条腿部2、2均接触地面的两腿支承状态。
在此，首先，在所述单腿支承状态下，相对双脚行走移动体进行运动的地面固定的绝对坐标系上的该双脚行走移动体的重心的运动方程式(具体是指关于重心的平移运动的运动方程式)是如下关系式该重心的加速度与双脚行走移动体的质量的乘积等于作用到该重心上的重力(＝双脚行走移动体的质量×重力加速度)与从地面作用到着地中的腿部的接地部上的地面反向力的合成力。具体而言，例如如图1(a)所示，在相对于地面A而固定的绝对坐标系Cf上，若将双脚行走移动体1的重心G0的加速度a于X轴方向(双脚行走移动体1的前进方向中的水平方向)、Z轴方向(竖直方向)的成份分别设定为ax、az，而将作用到着地中的腿部2(支承腿一侧的腿部2)上的地面反向力F于X轴方向、Z轴方向的成份分别设定为Fx、Fz，则重心G0的运动方程式由下式(1)表示。
T(Fx，Fz-M·g)＝M·T(ax，az) ......(1)(其中，M双脚行走移动体的质量，g重力加速度)另外，式(1)中两边的括号部分T(，)表示2成份的向量。在本说明书中，T(，)形式的记号表示向量。
因此，如果把握了双脚行走移动体1的重心G0的加速度a＝T(ax，az)，然后使用其加速度a、双脚行走移动体1的质量M的值、以及重力加速度g的值，并根据下式(2)，就可以得到地面反向力F＝T(Fx，Fz)的推定值。
T(Fx，Fz)＝M·T(ax，az-g)......(2)在这种场合，为了得到地面反向力F的推定值所必要的质量M可以通过预先计测等手段来把握。另外，关于重心G0的位置或加速度a，虽将在后边阐述，但是也可以使用对双脚行走移动体1的各关节的弯曲角度(转动角度)进行检测的传感器、或者加速度传感器、回转传感器等的传感器的输出，并通过周知的手法等，来进行依次把握。
接着，所述两腿着地状态中的双脚行走移动体的重心的运动方程式(具体是指关于重心的平移运动的运动方程式)是如下关系式该重心的加速度与双脚行走移动体的质量的乘积等于作用到该重心上的重力(＝双脚行走移动体的质量×重力加速度)与从地面分别作用到两腿部的接地部上的地面反向力(分别对应于两腿部的2个地面反向力)的合成力。具体而言，如图1(b)所示，在朝向双脚行走移动体1的前进方向，若将作用到前侧的腿部2上的地面反向力Ff于X、Z坐标轴上的坐标成份设定为Ffx、Ffz，而将作用到后侧的腿部2上的地面反向力Fr于X、Z坐标轴上的坐标成份设定为Frx、Frz，则重心G0的运动方程式由下式(3)表示。
T(Ffx+Frx，Ffz+Frz-M·g)＝M·T(ax，az)......(3)其中，式(3)中的ax、az、M、g所表示的含义与前面所述的相同。
另一方面，据本案发明者等人之所见，在两腿支承状态下，分别作用到各腿部2、2上的地面反向力Ff、Fr如图1(b)所示，大致可以视为是从各腿部2、2的下端部附近的特定部位12f、12r(例如，踝部)朝向双脚行走移动体1的重心G0而作用的。而且，此时，在相对于所述重心G0而言的各腿部2、2的所述特定部位12f、12r的位置与作用到各腿部2、2上的地面反向力Ff、Fr之间成立有一定的关系式，即，该关系式是表示连结所述重心G0与各腿部2、2的特定部12f、12r之间的线段的指向(相对于所述重心G0而言的该特定部12f、12r的位置的向量方向)、与作用到该各腿部2、2上的地面反向力Ff、Fr的指向相同的关系。
具体而言，参照图1(b)，将所述绝对坐标系Cf上的重心G0的位置的坐标设定为(Xg，Zg)，将前侧腿部2的特定部位12f的位置的坐标设定为(Xf，Zf)，将后侧腿部2的特定部位12r的位置的坐标设定为(Xr，Zr)，则上述的关系式为下式(4)。
(Zf-Zg)/(Xf-Xg)＝Ffz/Ffx(Zr-Zg)/(Xr-Xg)＝Frz/Frx
......(4)而且，根据式(4)及式(3)，可得到下式(5)。
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)(其中，ΔZf＝Xf-Xg，ΔZf＝Zf-Zg，ΔXr＝Xr-Xg，ΔZr＝Zr-Zg)因此，如果在对双脚行走移动体1的重心G0的加速度a＝T(ax，az)进行把握的同时，还对相对于双脚行走移动体1的重心G0的各腿部2、2的各自特定部位12f、12r的位置(该位置在式(5)中由ΔXf、ΔZf、ΔXr、ΔZr表示)进行把握的话，使用其加速度a及特定部位12f、12r的位置的值、双脚行走移动体1的质量M的值、以及加速度g的值，通过式(5)，可以得到每条腿部2的地面反向力Ff＝T(Ffx，Ffz)、Fr＝T(Frx，Frz)的推定值。
这种场合，为了得到地面反向力Ff、Fr的推定值所必要的质量M，可以通过预先计测等手段来把握。另外，关于重心G0的加速度a或重心G0的位置、以及相对于该重心G0的所述特定部位12f、12r的位置，虽将在后边阐述，但是也可以使用对双脚行走移动体1的各关节的弯曲角度(转动角度)进行检测的传感器、或者加速度传感器、回转传感器等的传感器的输出，通过周知的手法等，进行依次把握。
在以上述说明的基楚上，对本发明进行如下的说明。本发明的双脚行走移动体的地面反向力推定方法，即，对作用到双脚行走移动体的各腿部上的地面反向力进行推定的方法，为达到上述的目的，其特征在于，具有第1步骤，该第1步骤为对所述双脚行走移动体的腿部的运动状态是处于只有其中一条腿部着地的单腿支承状态，还是两条腿部着地的两腿支承状态进行判断；第2步骤，该第2步骤为在对所述双脚行走移动体的重心的位置进行依次求解的同时，还使用该重心的位置的时序数据，对相对于地面被固定的绝对坐标系上的该重心的加速度进行依次求解；以及第3步骤，该第3步骤为至少在所述两腿支承状态下，对相对预先设定在各腿部的下端部附近的特定部位的所述重心的位置进行依次求解。而且，本发明的地面反向力推定方法为当所述双脚行走移动体处于单腿支承状态下时，基于由双脚行走移动体的质量、重力加速度、所述重心的加速度、以及作用到着地中的腿部上的所述地面反向力所表示的该重心的运动方程式，而对作用到着地中的腿部上的所述地面反向力的推定值进行依次求解；当所述双脚行走移动体处于两腿支承状态下时，基于由双脚行走移动体的质量、重力加速度、所述重心的加速度、以及分别作用到两腿部上的所述地面反向力所表示的该重心的运动方程式、以及下述关系式，而对分别作用到两腿部上的所述地面反向力的推定值进行依次求解，而所述关系式为假定作用到各腿部上的所述地面反向力是从该腿部的所述特定部位朝向所述重心的方向而作用的，各腿部的特定部位相对于所述重心的位置与作用到该腿部上的所述地面反向力之间的关系式。
根据本发明，在所述第1步骤中，对双脚行走移动体的腿部的运动状态是处于单腿支承状态还是处于双腿支承状态进行判断，然后通过对应于各自支承状态的手法，来求解所述地面反向力的推定值。即，当双脚行走移动体处于单腿支承状态下时，基于双脚行走移动体的重心的上述的运动方程式(参照式(1))，并根据双脚行走移动体的质量的值、重力加速度及重心的加速度的值，来求解作用到着地中的腿部上的所述地面反向力的推定值(参照式(2))。
另外，当双脚行走移动体处于两腿支承状态下时，基于双脚行走移动体的重心的上述的运动方程式(参照式(3))、以及各腿部的特定部位相对于所述重心的位置与作用到该腿部上的所述地面反向力之间的关系式(式(4))，并根据双脚行走移动体的质量、重力加速度及重心的加速度、以及相对于重心的各腿部的特定部位的位置，来分别求解作用到两腿部上的地面反向力的推定值(参照式(5))。另外，在单腿支承状态下，作用到悬空一侧的腿部(未着地的腿部)上的地面反向力为0。
这种场合，为了求得地面反向力的推定值所必要的双脚行走移动体的质量，也可以通过预先计测等手段来把握。另外，关于双脚行走移动体的重心的位置或加速度、相对于该重心的各腿部的特定部位的位置，也可以使用对双脚行走移动体的各关节的弯曲角度(转动角度)进行检测的传感器(电位计等)、或者加速度传感器、回转传感器等的、比较小型且又较容易装备到双脚行走移动体上的传感器的输出的数据，即时地进行把握。
因此，根据本发明的地面反向力推定方法，不是将力传感器安装到双脚行走移动体的踝部或脚底部上，也不使用地面反向力计，而是通过比较简单的手法，就可以即时地把握地面反向力。
在本发明的地面反向力推定方法中，所述各腿部的特定部位最好是该腿部的踝部。通过这样设定，特别是，可以提高两腿着地状态中的前述假定的信赖性。这样，不仅可以提高所述单腿支承状态中的地面反向力的推定值的精度，同样可以提高在两腿支承状态中的地面反向力的推定值的精度。即，无论腿部的运动状态如何，均可以高精度地推定地面反向力。
另外，在本发明的地面反向力推定方法中，具有对经各腿部的髋关节而被支承在所述两腿部上的躯干的靠近髋关节的下部于上下方向的加速度进行计测的步骤，在所述第1步骤中，当所述躯干的下部于上下方向的加速度上升到预先设定的规定的阈值以上时，为所述两腿支承状态的开始，而且同时为所述单腿支承状态的结束，另外在所述两腿支承状态下，当作用到先要离开地面的一侧腿部上的所述地面反向力的推定值降低到预先设定的规定的阈值以下时，为所述两腿支承状态的结束，而且同时为所述单腿支承状态的开始，以此来判断所述双脚行走移动体的运动状态。
即，在双脚行走移动体的移动时(行走时)，当腿部的运动状态从单腿支承状态向两腿支承状态过渡时，由于悬空一侧的腿部的着地，躯干的下部于上下方向的加速度(朝向上方的加速度)将暂时地明显变大。而且，这种现象一般在腿部的其它的运动状态不产生。另外，当腿部的运动状态从两腿支承状态向单腿支承状态过渡时，由于一侧的腿部进行离地动作，作用到其腿部上的地面反向力将会降低到0。因此，如上所述，通过判断腿部的运动状态，可以正确地判断是单腿支承状态还是两腿支承状态。其结果，可以在单腿支承状态与两腿支承状态下对两不相同状态的地面反向力的推定值的计算手法在准确的时机进行转换，进而可以提高该地面反向力的推定值的精度。另外，为了判断腿部的运动状态所必要的躯干的下部于上下方向的加速度可以通过，例如将加速度传感器安装在该躯干部的下部，并根据该加速度传感器的输出，容易地进行把握。
另外，如同人一样，在所述躯干具有经髋关节而被连结在两腿部上的腰部、以及相对于该腰部可以倾斜并设置在腰部上的胸部的场合下，所计测的躯干的下部于上下方向的加速度最好是所述腰部于上下方向的加速度。
另外，在本发明的地面反向力推定方法中，在所述第2步骤中，作为把握双脚行走移动体的重心的位置和该重心的加速度的手法，虽然有多种方法可以考虑，而且也可以使用多种的周知方法，但是，最好通过下述的方法，来把握该重心的位置和该重心的加速度。
即，具有分别对经各腿部的髋关节而被支承在所述两腿部上的躯干的倾斜角度、各腿部的至少是髋关节及膝关节的各自的弯曲角度、以及预先设定在所述双脚行走移动体上的基准点于所述绝对坐标系上的加速度进行计测的步骤，在所述第2步骤中，基于所述躯干的倾斜角度、所述髋关节及膝关节的各自的弯曲角度、将所述双脚行走移动体以多个刚体的连结体来表示而成的刚体连动模型、与该刚体连动模型的各刚体相对应的双脚行走移动体的各刚体相当部的预先求得的质量、以及刚体相当部上的该刚体相当部的预先求得的重心的位置，而对相对于所述基准点的所述双脚行走移动体的重心的位置进行依次求解，而且同时还基于其重心的位置的时序数据，而对相对于其基准点的该重心的加速度进行依次求解，并根据相对于其基准点的该重心的加速度、以及所述绝对坐标系上的该基准点的加速度，来对该绝对坐标系上的所述重心的加速度进行求解。
即，在双脚行走移动体上任意地设定基准点时，相对于该基准点的双脚行走移动体的重心的位置大致通过躯干、从各腿部的髋关节到膝关节间的大腿部、以及从膝关节开始的下侧的小腿部之间的相互的姿势关系来确定。而且，通过对躯干的倾斜角度、与髋关节及膝关节的各自的弯曲角度进行计测，可以根据这些计测数据，来把握其姿势关系。此外，详细将在后边说明，在此，将双脚行走移动体假想成所述刚体连动模型(例如，将双脚行走移动体的两腿部的髋关节的上侧的部分(包括躯干)、各腿部的大腿部、以及小腿部视为刚体的模型)时，可以基于双脚行走移动体的各刚体相当部的质量、各刚体相当部上的该刚体相当部的重心的位置(具体是指在相对于各刚体相当部而固定的坐标系上的该刚体相当部的位置)、以及上述的姿势关系，来对相对于所述基准点的双脚行走移动体的重心的位置进行求解。此外，相对于基准点的该重心的加速度，是通过从该重心的位置的时序数据中所把握的该重心的位置的2次微分值来求得的。因此，通过对所述绝对坐标系上的所述基准点的加速度进行计测，该绝对坐标系上的双脚行走移动体的重心的加速度，则可以作为相对于该基准点的该重心的加速度与该基准点的加速度的合成加速度来求得。
这种场合，如上所述，为了把握双脚行走移动体的加速度所必要的躯干的倾斜角度，可以根据安装在该躯干上的加速度传感器与回转传感器、或者倾斜计等的传感器的输出来把握，而各腿部的髋关节及膝关节的各自的弯曲角度，可以通过安装在各自关节上的某位置处的电位计等的传感器的输出来把握。另外，所述绝对坐标系上的所述基准点的加速度，可以通过安装在与该基准点呈一体的部分上的加速度传感器等的传感器的输出来把握。此外，双脚行走移动体的各刚体相当部的质量或者各刚体相当部上的该刚体相当部的重心的位置，可以通过预先计测等手段来把握。
因此，不必将比较大型的传感器等装备在双脚行走移动体上，就可以容易即时地把握双脚行走移动体的重心的位置和加速度。
这样，在对双脚行走移动体的重心的位置或者加速度进行求解的场合，最好是将所述基准点设定在所述躯干上。通过这样设定，由于可以将计测所述绝对坐标系上的该基准点的加速度用的加速度传感器等的传感器装备到躯干上，因此可以减少装备在腿部上的传感器，而且还可以避免该传感器妨碍双脚行走移动体的行走动作的问题。
另外，如同人一样，具有经髋关节而被连结于所述两腿部的腰部、以及相对于该腰部可以倾斜并且处于该腰部上的胸部，为了求解所述重心的位置而使用的所述躯干的倾斜角度最好是所述腰部及胸部的各自的倾斜角度。而且，特别在这种场合下，所述刚体连动模型最好是将处于所述双脚行走移动体的各腿部的膝关节的下侧的小腿部、该膝关节与所述髋关节之间的大腿部、所述腰部、以及处于该腰部的上侧且包含有所述胸部在内的上体部分别以刚体来表示而成的模型。
由此，特别是在双脚行走移动体为人的场合下，可以高精度地把握其重心的位置和加速度，进而，可以提高地面反向力的推定值的精度。
另外，如上所述，在根据躯干的倾斜角度等，来求解相对于所述基准点的双脚行走移动体的重心的位置的场合时，在所述第3步骤，通过求解相对于该基准点的各腿部的所述特定部位的位置，可以求得相对于双脚行走移动体的重心的所述特定部位的位置。这种场合，为了求得相对于基准点的所述特定部位的位置所必要的参量因所述基准点的设定位置而异。例如，所述特定部位为各腿部的踝部，而且在将所述基准点设定在躯干上的场合时，可以基于该躯干的倾斜角度(是指在躯干具有所述腰部及胸部的场合下，并将基准点设定在腰部上时的该腰部的倾斜角度)、各腿部的髋关节及膝关节的弯曲角度、以及各腿部的大腿部及小腿部的尺寸(长度)，来求解相对于基准点而言的各腿部的特定部位的位置。
接着，本发明的双脚行走移动体的关节力矩推定方法是使用通过前面所述的本发明的地面反向力推定方法而依次求得的作用到所述各腿部上的地面反向力的推定值，而对作用到所述双脚行走移动体的各腿部的至少一个关节上的力矩进行推定的方法。并且，本发明的关节力矩推定方法的特征在于，具有如下步骤，即，分别对经各腿部的髋关节而被支承在所述两腿部上的躯干的倾斜角度、各腿部上的至少是髋关节及膝关节的各自的弯曲角度、以及预先设定在所述双脚行走移动体上的基准点于所述绝对坐标系上的加速度进行计测的步骤；基于所述躯干的倾斜角度、所述各腿部的髋关节及膝关节的各自的弯曲角度、以及将所述双脚行走移动体以多个刚体的连结体来表示而成的刚体连动模型，而对与该刚体连动模型的各刚体相对应的双脚行走移动体的各刚体相当部的倾斜角度进行依次求解的步骤；基于所述各刚体相当部的倾斜角度、各刚体相当部的预先求得的质量、以及各刚体相当部上的该刚体相当部的预先求得的重心的位置，而对相对于所述基准点的各刚体相当部的重心的位置进行依次求解，而且同时还基于各刚体相当部的重心的位置的时序数据，而对相对于该基准点的各刚体相当部的重心的加速度进行依次求解的步骤；根据相对于该基准点的各刚体相当部的重心的加速度、以及所述绝对坐标系上的所述基准点的加速度，而对该绝对坐标系上的各刚体相当部的重心的加速度进行依次求解的步骤；基于所述各刚体相当部的倾斜角度的时序数据，而对各刚体相当部的角加速度进行依次求解的步骤；基于作为所述双脚行走移动体的刚体相当部的各腿部的大腿部的倾斜角度、与该腿部的膝关节的弯曲角度的两角度中的至少一个，而对该双脚行走移动体上的各腿部的地面反向力作用点的推定位置进行依次求解的步骤；使用所述地面反向力的推定值、所述地面反向力作用点的推定位置、所述绝对坐标系上的各刚体相当部的重心的加速度及该刚体相当部的角加速度、各刚体相当部的倾斜角度、预先求得的各刚体相当部的质量及尺寸、预先求得的各刚体相当部上的该刚体相当部的重心的位置、以及预先求得的各刚体相当部的惯性力矩，并基于逆动力学模型，而对作用到所述双脚行走移动体的各腿部的至少一个关节上的力矩进行推定。
另外，如前面所述，在所述地面反向力推定方法中的所述第2步骤，为了求得相对于基准点的双脚行走移动体的重心的位置等，当具有了对躯干的倾斜角度、各腿部上的髋关节及膝关节的各自的弯曲角度、以及双脚行走移动体上的基准点于所述绝对坐标系上的加速度分别进行计测的步骤时，也就没有必要再次对这些数据进行计测，而且，所述刚体连动模型也可以使用与为了求解双脚行走移动体的重心的位置等所使用的刚体连动模型同一的刚体连动模型。
在本发明的关节力矩推定方法中，由于对躯干的倾斜角度、髋关节及膝关节的各自的弯曲角度进行计测，故而可以根据这些数据，来把握躯干、大腿部、以及小腿部等的双脚行走移动体的各刚体相当部的倾斜角度(该角度反映各刚体相当部相互的姿势关系)。而且，基于各刚体相当部的质量、各刚体相当部上的该刚体相当部的重心的位置(具体是指相对于各刚体相当部而固定的坐标系上的该刚体相当部的位置)、以及上述的各刚体相当部的倾斜角度，可以求得相对于所述基准点的各刚体相当部的重心的位置。此外，相对于基准点的各刚体相当部的重心的加速度，是作为从该重心的位置的时序数据中所把握的该重心的位置的2次微分值来求得。因此，通过对所述绝对坐标系上的所述基准点的加速度进行计测，该绝对坐标系上的双脚行走移动体的各刚体相当部的重心的加速度，则可以作为相对于基准点的该重心的加速度与所述基准点的加速度(绝对坐标系上的加速度)的合成加速度来求得。
此外，作为从各刚体相当部的倾斜角度的时序数据中所把握的该倾斜角度的2次微分值，还可以求得各刚体相当部的角加速度。
另外，据本案发明者等人之所见，双脚行走移动体上的各腿部的地面反向力作用点的位置，例如，针对各腿部的踝部的该腿部的地面反向力作用点的位置与作为所述双脚行走移动体的刚体相当部的各腿部的大腿部的倾斜角度、或者该腿部的膝关节的弯曲角度之间具有紧密的相关关系。因此，可以基于该腿部的大腿部的倾斜角度与膝关节的弯曲角度的两角度中的至少一个，来求得双脚行走移动体上的地面反向力作用点的推定位置。
而且，如上所述，在求出双脚行走移动体的各刚体相当部的重心的加速度、该刚体相当部的角加速度、以及地面反向力作用点的推定位置之后，可以与通过所述地面反向力推定方法而求得的地面反向力的推定值一起，根据这些数据，并依据周知的所谓逆动力学模型，而对作用到各腿部的膝关节或髋关节上的力矩进行推定。依据该逆动力学模型的手法，简单地说，是指使用关于双脚行走移动体的各刚体相当部的重心的平移运动的运动方程式、以及关于该刚体相当部的转动运动(例如，围绕该刚体相当部的重心转动的转动运动)的运动方程式，而对作用到相当于刚体连动模型的各关节的双脚行走移动体的各关节上的力矩、从距离地面反向力作用点最近的点开始依次地进行求解。详细将在后边阐述，例如，当各腿部是作为将大腿部及小腿部分别以刚体相当部的形式连结而成的连结体的场合时，通过将该小腿部的重心的加速度、作用到该腿部上的地面反向力的推定值、以及小腿部的质量的值适用到关于各腿部的小腿部的重心的平移运动的运动方程式上，可以知道作用到该腿部的膝关节上的力(关节反向力)。此外，还通过将作用到该腿部的膝关节上的关节反向力、该腿部的小腿部的角加速度、该腿部的地面反向力作用点的推定位置、该腿部的地面反向力的推定值、与该小腿部上的该小腿部的重心的位置及该小腿部的尺寸(长度)相关联的数据值、该小腿部的惯性力矩的值、以及该小腿部的倾斜角度的值适用到关于该小腿部的转动运动的运动方程式上，可以推定该腿部的膝关节的力矩。
另外，将该大腿部的重心的加速度、作用到该腿部的膝关节上的关节反向力、以及该大腿部的质量的值适用到关于各腿部的大腿部的重心的平移运动的运动方程式上，可以知道作用到该腿部的髋关节上的关节反向力。此外，还通过将分别作用到该腿部的膝关节及髋关节上的关节反向力、该腿部的大腿部的角加速度、与该大腿部上的该大腿部的重心的位置及该大腿部的尺寸(长度)相关联的数据值、该大腿部的惯性力矩的值、以及该大腿部的倾斜角度的值适用到关于该大腿部的转动运动的运动方程式上，可以推定该腿部的髋关节的力矩。
根据本发明的关节力矩推定方法，通过使用根据前面所述的本发明的地面反向力推定方法而求得的地面反向力的推定值来推定作用到腿部的关节上的力矩，可以不必将比较大型的传感器装备到双脚行走移动体上，也可以较高精度即时地推定作用到腿部的关节上的力矩。
图1是用于说明本发明的地面反向力推定方法的基本原理的示意图。
图2是对作为本发明的一实施方式中的双脚行走移动体的人以及装备到该人身上的装置构成进行模式化的示意图。
图3是用于说明图2中的装置所具有的运算处理装置的功能的方框图。
图4是表示在图3的运算处理装置的处理中所使用的刚体连动模型的示意图。
图5是表示在通常行走时地面反向力作用点向量的前进方向成份与大腿部的倾斜角度之间的相关关系的坐标图。
图6是表示在通常行走时地面反向力作用点向量的竖直方向成份与大腿部的倾斜角度之间的相关关系的坐标图。
图7是表示坐到椅子上时地面反向力作用点向量的前进方向成份与膝关节的弯曲角度之间的相关关系的坐标图。
图8是表示从椅子上站起时地面反向力作用点向量的前进方向成份与膝关节的弯曲角度之间的相关关系的坐标图。
图9是表示上台阶时地面反向力作用点向量的前进方向成份与大腿部的倾斜角度之间的相关关系的坐标图。
图10是表示下台阶时地面反向力作用点向量的前进方向成份与大腿部的倾斜角度之间的相关关系的坐标图。
图11是用于说明图3中的运算处理装置的关节力矩推定机构的处理的示意图。
图12是对通过本发明的实施方式而求得的通常行走时地面反向力的推定值随时间变化的状况进行例举的图表。
图13是对通过本发明的实施方式而求得的上台阶时的地面反向力推定值随时间变化的状况进行例举图表。
图14是对通过本发明的实施方式而求得的从椅子上站起时地面反向力的推定值随时间变化的状况进行例举图表。
图15是对通过本发明的实施方式而求得的通常行走时膝关节及髋关节的力矩的推定值随时间变化的状况进行例举图表。
具体实施例方式
下面，参照所述图1以及图2至图10说明本发明的一实施方式。
本实施方式是将本发明的地面反向力推定方法及关节力矩推定方法适用到作为双脚行走移动体的人上的实施方式。
如图2中的模式化图形所示，对于人1的构成进行大致划分，其具有左右一对的腿部2、2，由腰部3及胸部4构成的躯干5，头部6，以及左右一对的臂部7、7。躯干5的腰部3经左右一对髋关节8、8而连结于两腿部2、2，这样躯干5被支承在两腿部2、2上。另外，躯干5的胸部4以相对于腰部3而言可以倾斜到人1的前方一侧的形式存在于该腰部3的上侧。而且，从该胸部4的上部的左右两侧延设有臂部7、7，在该胸部4的上端支承有头部6。
各腿部2、2具有从髋关节8延设出的大腿部9、以及从该大腿部9的前端经膝关节10而延设出的小腿部11，并在小腿部11的前端部经踝部(踝关节)12连结有脚底部13。
在本实施方式中，为了进行作用到具有这种构成的人1的各腿部2上的地面反向力的推定、以及作用到膝关节10及髋关节8上的力矩的推定，而在人1上又装备有如下的装置。
即，在躯干5的胸部4上安装有产生与伴随胸部4的倾斜的角速度相对应的输出的回转传感器14(以下称胸部回转传感器14)、产生与胸部4的前后方向的加速度相对应的输出的加速度传感器15(以下称胸部前后加速度传感器15)、由CPU、RAM、ROM等构成的运算处理装置16、以及作为该运算处理装置16等的电源的电池17。这种场合，这些胸部回转传感器14、胸部前后方向加速度传感器15、运算处理装置16、以及电池17被收装在，例如经未图示的皮带等而被固定在胸部4上的肩式背包状的收纳部件18内，并经该收纳部件18而被一体地固定在胸部4上。
另外，胸部前后加速度传感器15的输出所表示的加速度更加具体地，是指在胸部4的水平截面方向上(与胸部4的轴心垂直的方向)的前后方向的加速度，当在人1以直立姿势站立于平地的状态下，是指前后水平方向(图2中的绝对坐标系的X轴方向)上的加速度，而在腰部3或胸部4偏离竖直方向(图2中的绝对坐标系上的Z轴方向)而倾斜的状态下，是指以胸部4相对于竖直方向的倾斜角度在相对于水平方向所倾斜的方向上的加速度。
另外，在躯干5的腰部3上经未图示的皮带等的固定机构而被一体地安装·固定有产生与伴随腰部3的倾斜的角速度相对应的输出的回转传感器19(以下称腰部回转传感器19)、产生与腰部3的前后方向的加速度相对应的输出的加速度传感器20(以下称腰部前后加速度传感器20)、以及产生与腰部3的上下方向的加速度相对应的输出的加速度传感器21(以下称腰部上下加速度传感器21)。
在此，腰部前后加速度传感器20，更加具体而言，与胸部前后加速度传感器15同样，是对在腰部3的水平截面方向上(与腰部3的轴心垂直的方向)的前后方向的加速度进行检测的传感器。另外，腰部上下加速度传感器21，更加具体而言，是对在腰部3的轴心方向上的上下方向的加速度(该加速度垂直于腰部前后加速度传感器20所检测出的加速度)进行检测的传感器。另外，腰部前后加速度传感器20及腰部上下加速度传感器21，也可以通过二轴型的加速度传感器而一体地构成。
此外，在各腿部2的髋关节8与膝关节10上，还安装有产生与各自的弯曲角度Δθc、Δθd相对应的输出的髋关节角度传感器22及膝关节角度传感器23。另外，关于髋关节角度传感器22，虽然只在图2中显示了与近前一侧(朝向人1的前方的场合时的右侧)的腿部2的髋关节8所相关的髋关节角度传感器22，但是，在另一侧(朝向人1的前方的场合时的左侧)的腿部2的髋关节8上，也安装有与近前一侧的髋关节角度传感器22同心的髋关节角度传感器22。
这些角度传感器22、23，例如可以是通过电位计来构成的传感器，并经未图示的绑带部件等的机构而被安装在各腿部2上。在此，各髋关节角度传感器22所检测出的弯曲角度Δθc更加具体而言，是以腰部3与各腿部2的大腿部9之间的姿势关系处于规定的姿势关系(例如，像人1的直立姿势状态那样，腰部3的轴心与大腿部9的轴心几乎处于平行的姿势关系)时为基准，且是相对于腰部3而言的各腿部2的大腿部9的髋关节8所转动(在人1的左右方向上的髋关节8的轴心转动)的转动角度。同样，各膝关节角度传感器23所检测出的弯曲角度Δθd是以各腿部2的大腿部9与小腿部11之间的姿势关系处于规定的姿势关系(例如，大腿部9的轴心与小腿部11的轴心几乎处于平行的姿势关系)时为基准，且是相对于大腿部9而言的小腿部11的膝关节10所转动(在人1的左右方向上的膝关节10的轴心转动)的转动角度。
另外，前面所述的传感器14、15、19～23以将这些传感器的输出输入于运算处理装置16的方式，经由省略图示的信号线而被连接于运算处理装置16。
所述运算处理装置16具有图3所示的功能机构。即，运算处理装置16具有腿部运动判断机构24，该腿部运动判断机构24使用腰部上下加速度传感器21所检测出的数据与通过将在后面说明的地面反向力推定机构36而求得的各腿部2的地面反向力的推定值的数据，而对人1的腿部2、2的运动状态是单腿支承状态(图1(a)的状态)还是两腿支承状态(图1(b)的状态)进行判断。另外，运算处理装置16具有胸部倾斜角度计测机构25以及腰部倾斜角度计测机构26，其中，胸部倾斜角度计测机构25使用胸部前后加速度传感器15及胸部回转传感器14所检测出的数据，而对胸部4的绝对坐标系Cf上的倾斜角度θa(参照图2，具体是指例如，相对于竖直方向的倾斜角度θa)进行计测；而腰部倾斜角度计测机构26使用腰部前后加速度传感器20及腰部回转传感器19所检测出的数据，而对腰部3于绝对坐标系Cf上的倾斜角度θb(参照图2，具体是指例如，相对于竖直方向的倾斜角度θb)进行计测。
此外，运算处理装置16还具有基准加速度计测机构27，该基准加速度计测机构27使用腰部前后加速度传感器20及腰部上下加速度传感器21所检测出的数据、与通过腰部倾斜角度计测机构26所检测出腰部3的倾斜角度θb的数据，来求解原点O的绝对坐标系Cf上的加速度(平移加速度)a0＝T(a0x，a0z)，而该原点O是作为本实施方式中的人1的基准点，并如图2所示，是被设定在腰部3上的身体坐标系Cp(图2中的xz坐标)的原点。在此，身体坐标系Cp具体而言，是指例如以将人1的左右的髋关节8、8的各自的中心进行连结的线的中心作为原点O，并将竖直方向作为z轴方向，而将人1朝向前方的水平方向作为x轴方向的坐标系(3轴的方向与所述绝对坐标系Cf为同一的坐标系)。
另外，运算处理装置16具有腿部姿势计算机构28，该腿部姿势计算机构28使用各腿部2的髋关节角度传感器22及膝关节角度传感器23所检测出的数据、与通过腰部倾斜角度计测机构26所检测出的腰部3的倾斜角度θb的数据，来求解绝对坐标系Cf上的各腿部2的大腿部9及小腿部11的各自的倾斜角度θc、θd(参照图2，具体是指例如，相对于竖直方向的倾斜角度θc、θd)。
另外，运算处理装置16具有各部重心位置计算机构29、身体重心位置计算机构30、踝位置计算机构31、以及身体重心加速度计算机构32，其中，各部重心位置计算机构29使用通过胸部倾斜角度计测机构25、腰部倾斜角度计测机构26以及腿部姿势计算机构28而得到的胸部4的倾斜角度θa、腰部3的倾斜角度θb、以及各腿部2的大腿部9的倾斜角度θc及小腿部11的倾斜角度θd的数据，来求解与将在后边说明的刚体连动模型相对应的人1的各刚体相当部的重心的位置(具体是指所述身体坐标系Cp上的各刚体相当部的重心的位置)；身体重心位置计算机构30使用其各刚体相当部的重心的位置的数据，来求解上述身体坐标系Cp上的人1的整体的重心的位置；踝位置计算机构31使用其人1的整体的重心G0(参照图1，以下称身体重心G0)的位置数据、以及通过腿部姿势计算机构28而得到的各腿部2的大腿部9及小腿部11的各自的倾斜角度θc、θd的数据，来求解作为本实施方式中的各腿部2的特定部位的各腿部2的踝部12的相对于身体重心G0而言的位置(具体是指所述式(5)中的ΔXf、ΔZf、ΔXr、ΔZr)；身体重心加速度计算机构32使用通过身体重心位置计算机构30而得到的身体重心G0的位置的数据、以及通过所述基准加速度计测机构27而得到的身体坐标系Cp上的原点O的加速度a0的数据，来求解绝对坐标系Cf上的身体重心G0的加速度a＝T(ax，az)(参照图1)。
此外，运算处理装置16还具有腿部各部加速度计算机构33、腿部各部角加速度计算机构34、以及地面反向力作用点推定机构35，其中，腿部各部加速度计算机构33使用通过所述各部重心位置计算机构29而得到的人1的各刚体相当部的重心的位置(具体是指与腿部2相关联的各刚体相当部的重心的位置)的数据、以及通过所述基准加速度计测机构27而得到的身体坐标系Cp上的原点O的加速度a0的数据，来求解绝对坐标系Cf上的各腿部2的大腿部9及小腿部11的各自的重心的加速度(平移加速度)；腿部各部角加速度计算机构34使用通过所述腿部姿势计算机构28而得到的各腿部2的大腿部9及小腿部11的各自的倾斜角度θc、θd的数据，来求解绝对坐标系Cf上的各腿部2的大腿部9及小腿部11的角加速度；地面反向力作用点推定机构35使用通过所述腿部姿势计算机构28而得到的各腿部2的大腿部9的倾斜角度θc或通过所述膝关节角度传感器23而计测出的膝关节10的弯曲角度Δθd的数据，来推定着地中的各腿部2的地面反向力作用点的位置。
另外，运算处理装置16具有地面反向力推定机构36、以及关节力矩推定机构37，其中，地面反向力推定机构36使用通过所述身体重心加速度计算机构32而得到的身体重心的加速度a的数据、通过所述踝位置计算机构31而得到的各腿部2的踝部12的相对于身体重心的位置的数据、以及通过所述腿部运动判断机构24而得到的腿部2的运动状态的判断结果的数据，来求解作用到各腿部2上的地面反向力的推定值；关节力矩推定机构37使用该地面反向力的推定值的数据、通过所述腿部各部加速度计算机构33而得到的各腿部2的大腿部9及小腿部11的重心的加速度的数据、通过所述腿部各部角加速度计算机构34而得到的各腿部2的大腿部9及小腿部11的角加速度的数据、通过所述地面反向力作用点推定机构35而得到的地面反向力作用点的推定位置的数据、以及通过所述腿部姿势计算机构28而得到的各腿部2的大腿部9及小腿部11的各自的倾斜角度θc、θd的数据，来推定分别作用到各腿部2的膝关节10及髋关节8上的力矩。
下面，一并关于上述的运算处理装置16的各机构的更加详细的处理内容以及本实施方式的动作进行说明。
在本实施方式中，例如，人1在进行行走等的腿部2的运动时，在使两腿部2、2着地的状态下打开运算处理装置16的未图示的电源开关，则通过该运算处理装置16进行的处理则在规定的每一周期如以下所说明的那样被依次实行，作用到各腿部2上的地面反向力的推定值等也被依次求得。
即，首先，运算处理装置16实行所述腿部运动判断机构24的处理。在该腿部运动判断机构24的处理中，在所述每一周期，对通过所述腰部上下加速度传感器21所检测出的腰部3的朝向上方的加速度的检测数据、与预先设定的规定的阈值进行比较。当该传感器的检测值超过其阈值时，判断为如图1(b)所示的两腿支承状态的开始，且又是如图1(a)所示的单腿支承状态的结束。即，在人1行走中，当从单腿支承状态向两腿支承状态过渡时，由于悬空一侧的腿部2的着地，在髋关节8的附近的腰部3上，产生大致朝向上方的较大的加速度(在通常的单腿支承状态下产生不了的加速度)。由此，所述腿部运动判断机构24通过如上所述那样，将根据腰部上下加速度传感器21而得到的腰部3的朝向上方的加速度的检测数据与规定的阈值进行比较，来判断两腿支承状态的开始及单腿支承状态的结束。
另外，在腿部运动判断机构24的处理中还进行以下比较，即，在两腿支承状态下，在通过将后边所说明的地面反向力推定机构35而求得的分别作用到两腿部2、2上的地面反向力Ff、Fr((参照图1(b))的推定值当中，对作用到相对于人1的前进方向而言的后侧的腿部2上的地面反向力Fr＝T(Frx，Frz)的推定值(具体是指运算处理装置16在前一回的周期而求得的地面反向力Fr的绝对值＝√(Frx2+Frz2))、与预先设定的规定的阈值(大致为‘0’的正值)进行比较。而且，当该地面反向力Fr的推定值低到其阈值以下时，判断为两腿支承状态的结束，且又是单腿支承状态的开始。另外，在本实施方式中，腿部2的运动状态的初期状态为两腿支承状态，一直到作用到任何一侧的腿部2上的地面反向力的推定值低到上述的阈值以下之前，腿部运动判断机构24都将腿部2的运动状态判断为两腿支承状态。
在实行如上所述的腿部运动判断机构24的处理的同时，运算处理装置16还实行通过所述胸部倾斜角度计测机构25及腰部倾斜角度计测机构26所进行的处理。这种场合，在胸部倾斜角度计测机构25的处理中，根据从胸部前后加速度传感器15及胸部回转传感器14分别输入的胸部4的前后方向的加速度、及胸部4的角速度的检测数据，并通过进行所谓卡尔曼滤波器的处理的周知的手法，来在所述每一周期依次求解绝对坐标系Cf上的胸部4的倾斜角度θa。同样，在腰部倾斜角度计测机构25的处理中，根据从前后加速度传感器20及腰部回转传感器19分别输入的腰部3的前后方向的加速度、及腰部3的角速度的检测数据，并进行所谓卡尔曼滤波器的处理，来依次求解绝对坐标系Cf上的腰部3的倾斜角度θb。在此，绝对坐标系Cf上的胸部4及腰部3的倾斜角度θa、θb在本实施方式中为，例如相对于竖直方向(重力方向)而言的倾斜角度。
另外，虽然例如对通过胸部回转传感器14、19而得到的角速度的检测数据进行积分，可以求得胸部4或腰部3的倾斜角度，但是，如本实施方式这样，通过使用所谓卡尔曼滤波器的处理，可以高精度地计测胸部4和腰部3的倾斜角度θa、θb。
接着，运算处理装置16实行所述腿部姿势计算机构28的处理与所述基准加速度计测机构27的处理。
在所述腿部姿势计算机构28的处理中，绝对坐标系Cf上的各腿部2的大腿部9及小腿部11的倾斜角度θc、θd(参照图2，相对于竖直方向的倾斜角度)在所述每一周期可以按如下这样依次求得。即，根据通过安装在腿部2上的所述髋关节角度传感器22而得到的髋关节8的弯曲角度Δθc的检测数据的此次值、以及通过所述腰部倾斜角度计测机构25而求得的腰部3的倾斜角度θb的此次值，并通过下式(6)，来计算各腿部2的大腿部9的倾斜角度θc。
θc＝θb+Δθc ......(6)在此，在该腰部3相对于竖直方向而倾斜，以使得该腰部3的上端部比下端部还突出到人1的前方一侧的场合下，腰部3的倾斜角度θb为负的值；而在大腿部9相对于腰部3的轴心而倾斜，以使得大腿部9的下端部突出到人1的前方一侧的场合下，髋关节8的弯曲角度Δθc为正的值。
此外，根据如上所述所求得的大腿部9的倾斜角度θc的此次值、以及通过安装在腿部2上的所述膝关节角度传感器23而检测出的膝关节10的弯曲角度Δθd的检测数据的此次值，并通过下式(7)，来计算各腿部2的小腿部11的倾斜角度θd。
θd＝θc-Δθd ......(7)
在此，在小腿部11相对于大腿部9的轴心而倾斜到背面一侧的场合下，膝关节10的弯曲角度为正的值。
另外，在所述基准加速度计测机构27的处理中，所述身体坐标系Cp的原点O于绝对坐标系Cf上的加速度a0＝T(a0x，a0z)可以按如下这样求得。即，将通过腰部前后加速度传感器20而得到的腰部3的前后方向的加速度的检测数据的此次值设为ap，而将通过所述腰部上下加速度传感器21而得到的腰部3的上下方向的加速度的检测数据的此次值设为aq，则根据这些检测数据ap、aq、以及通过腰部倾斜角度计测机构25而求得的腰部3的倾斜角度θb的此次值，并通过下式(8)，可以求得绝对坐标系Cf上的加速度a0＝T(a0x，a0z)。
a0＝T(a0x，a0z)＝T(ap·cosθb-aq·sinθb，ap·sinθb+aq·cosθb-g)......(8)接着，运算处理装置16实行所述各部重心位置计算机构29的处理，使用在以下将要说明的刚体连动模型，来求解所述身体坐标系Cp上的人1的各刚体相当部的重心的位置(相对于身体坐标系Cp的原点的位置)。
如图4所示，在本实施方式中所使用的刚体连动模型R是将人1作为连结以下刚体的人形来进行表现的模型，也即，所述刚体包括相当于腿部2的大腿部9的刚体R1、R1，相当于小腿部11的刚体R2、R2，相当于腰部3的刚体R3、R3，以及相当于将所述胸部4、臂部7、7、及头部6合在一起的部分38(以下称上体部38)的刚体R4。这种场合，各刚体R1与刚体R3间的连结部、以及各刚体R1与刚体R2间的连结部分别相当于髋关节8、膝关节10。另外，刚体R3与刚体R4间的连结部为相对于腰部3而言的胸部4的倾斜转动支点部39。
而且，在本实施方式中，与这种刚体连动模型R的各刚体R1～R4相对应的人1的刚体相当部(各腿部2的大腿部9及小腿部11、腰部3、上体部38)的各自的重心G1、G2、G3、G4于各刚体相当部上的位置是被预先求得，并被记忆存储在运算处理装置16的未图示的存储器中。
在此，记忆存储在运算处理装置16中的各刚体相当部的重心G1、G2、G3、G4的位置是相对于各刚体相当部而被固定的坐标系上的位置。这种场合，作为表示各刚体相当部的重心G1、G2、G3、G4的位置的数据，例如，可以使用从各刚体相当部的一端部的关节的中心点开始算起，在该刚体相当部的轴心方向上的距离。具体而言，例如，如图4所示，各大腿部9的重心G1的位置是表示从该大腿部9的髋关节8的中心开始算起，在大腿部9的轴心方向上距离t1处的位置；各小腿部11的重心G2的位置是表示从该小腿部11的膝关节10的中心开始算起，在小腿部11的轴心方向上距离t2处的位置；这些距离t1、t2的值被预先求得，并被记忆存储在运算处理装置16中。关于其它的刚体相当部的重心G3、G4的位置也与之同样。
另外，关于上体部38的重心G4的位置，严密地讲，虽然会受到包含在该上体部38内的臂部7、7的动作的影响，但是，由于在行走时的各臂部7、7一般相对于胸部4的轴心处于对称的位置关系上，故而上体部38的重心G4的位置几乎不发生变动，例如几乎与直立姿势状态时的上体部38的重心G4的位置是同一位置。
另外，在本实施方式中，除了对各刚体相当部(各腿部2的大腿部9及小腿部11、腰部3、上体部38)的重心G1、G2、G3、G4的位置进行表示的数据之外，也可以预先求得各刚体相当部的质量的数据、各刚体相当部的尺寸的数据(例如，各刚体相当部的长度的数据)，并将其记忆存储在运算处理装置16中。
另外，小腿部11的质量为包括脚底部13在内的质量。另外，如上所述，预先记忆存储在运算处理装置16中的数据，虽然可以通过实际测量等方法得到，但是，也可以根据人1的身长或体重等，并基于人的平均统计数据来推侧。一般，上述各刚体相当部的重心G1、G2、G3、G4的位置、或质量、尺寸与人的身长或体重具有相关性，基于其相关关系，并根据人1的身长及体重的数据，可以较高精度地推测上述各刚体相当部的重心G1、G2、G3、G4的位置、质量、尺寸。
所述各部重心位置计算机构29根据如上所述的预先记忆存储在运算处理装置16中的数据、通过所述胸部倾斜角度计测机构25及腰部倾斜角度计测机构26而分别求得的胸部4的倾斜角度θa(＝上体部38的倾斜角度θa)及腰部3的倾斜角度θb的此次值、以及通过所述腿部姿势计算机构28而求得的各腿部2的大腿部9及小腿部11的各自的倾斜角度θc、θd的此次值，来求解身体坐标系Cp(图4中的xz坐标)上的各刚体相当部的重心G1、G2、G3、G4的位置，而该身体坐标系Cp是具有固定在腰部3上的原点O的坐标系。
这种场合，由于各刚体相当部(各腿部2的大腿部9及小腿部11、腰部3、上体部38)的倾斜角度θa～θd的数据可以通过上述的方法来求得，因此，根据其倾斜角度θa～θd的数据、以及各刚体相当部的尺寸的数据，可以知道身体坐标系Cp上的各刚体相当部的位置及姿势。这样，也就可以求得身体坐标系Cp上的各刚体相当部的重心G1、G2、G3、G4的位置。
具体而言，例如参照图4，关于位于同图4中的左侧的腿部2进行说明，由于大腿部9的身体坐标系Cp上的倾斜角度(相对于轴z方向的倾斜角度)为θc(该场合，在图4中θc＜0)，故而身体坐标系Cp上的大腿部9的重心G1的位置的坐标为(t1·sinθc，-t1·cosθc)。另外，由于小腿部11的身体坐标系Cp上的倾斜角度为θd(在图4中θd＜0)，故而若将大腿部9的长度设定为Lc，则身体坐标系Cp上的小腿部11的重心G2的位置的坐标为(Lc·sinθc+t2·sinθd，-Lc·cosθc-t2·cosθd)。关于另一侧的腿部2的大腿部9及小腿部11、以及腰部3及上体部38的重心也与上述同样地可以求得。
这样，在通过各部重心位置计算机构29，求得身体坐标系Cp上的各刚体相当部的重心G1、G2、G3、G4的位置之后，运算处理装置16又实行所述身体重心位置计算机构30的处理，使用各刚体相当部的重心G1、G2、G3、G4的位置的数据、以及各刚体相当部的质量的数据，来求解身体坐标系Cp上的人1的身体重心G0的位置(xg，zg)。
在此，若进行以下设定，即，将身体坐标系Cp上的腰部3的重心G3的位置及质量分别设定为(x3，z3)、m3，将上体部38的重心G4的位置及质量分别设定为(x4，z4)、m4，将在朝向人1的前方的场合时的左侧的腿部2的大腿部9的重心G1的位置及质量分别设定为(x1L，z1L)、m1L，将同一腿部2的小腿部11的重心G2的位置及质量分别设定为(x2L，z2L)、m2L，将右侧的腿部2的大腿部9的重心G1的位置及质量分别设定为(x1R，z1R)、m1R，将同一腿部2的小腿部11的重心G2的位置及质量分别设定为(x2R，z2R)、m2R，将人1的体重设定为M(＝m1L+m2L+m1R+m2R+m3+m4)，则身体坐标系Cp上的人1的身体重心G0的位置(xg，zg)可以根据下式(9)求得。
xg＝(m1L·x1L+m1R·x1R+m2L·x2L+m2R·x2R+m3·x3+m4·x4)/Mzg＝(m1L·z1L+m1R·z1R+m2L·z2L+m2R·z2R+m3·z3+m4·z4)/M......(9)这样，在实行身体重心位置计算机构30的处理之后，运算处理装置16还实行所述身体重心加速度计算机构32的处理以及所述踝位置计算机构31的处理。
这种场合，在身体重心加速度计算机构32的处理中，首先，使用在所述每一周期通过身体重心位置计算机构30而求得的身体坐标系Cp上的重心G0的位置(Xg，Zg)的时序数据，来求解身体坐标系Cp上的重心G0的位置(Xg，Zg)的2次微分值，也即是相对于身体坐标系Cp上的原点O而言的身体重心G0的加速度T(d2xg/dt2，d2zg/dt2)。通过求解该加速度T(d2xg/dt2，d2zg/dt2)、与通过所述基准加速度计测机构27而求得的身体坐标系Cp上的原点O于绝对坐标系Cf上的加速度a0＝T(a0x，a0z)之间的向量和，可以求得绝对坐标系Cf上的身体重心G0的加速度a＝T(ax，az)。
另外，在所述踝位置计算机构31的处理中，首先，根据通过所述腿部姿势计算机构28而求得的各腿部2的大腿部9及小腿部11的各自的倾斜角度θc、θd的数据的此次值、通过所述腰部倾斜角度计测机构26所求得的腰部3的倾斜角度θb的数据的此次值、以及该大腿部9及小腿部11的尺寸(长度)的数据，并通过实行与所述各部重心位置计算机构29的处理同样的处理，可以求得所述身体坐标系Cp上的各腿部2的踝部12的位置。具体而言，参照图4，关于位于同图4中的左侧的腿部2进行说明，若将小腿部11的长度(从膝关节10的中心到踝部12的长度)设定为Ld，则身体坐标系Cp上的踝部12的位置的坐标(x12，z12)为(Lc·sinθc+Ld·sinθd，-Lc·cosθc-Ld·cosθd)(其中，在图4中θc＜0，θd＜0)。关于另一侧的腿部2也与之同样。
而且，根据该踝部12的身体坐标系Cp上的位置的坐标(x12，z12)、以及通过所述身体重心位置计算机构30而求得身体坐标系Cp上的身体重心G0的位置(xg，zg)的数据的此次值，可以求得相对于身体重心G0的各腿部2的踝部12的位置向量T(x12-xg，z12-zg)，即所述式(5)中的ΔXf、ΔZf、ΔXr、ΔZr。
接着，运算处理机构16实行所述地面反向力推定机构36的处理如下。即，在该处理中，在通过所述腿部运动判断机构24于此次的周期中而判断得到的腿部2的运动状态为单腿支承状态的场合下，根据人1的体重M及重力加速度g的值(这些值被预先记忆在运算处理装置16中)、以及通过所述身体重心加速度计算机构32而求得的绝对坐标系Cf上的身体重心G0的加速度a＝T(ax，az)的此次值，并通过所述式(2)，可以求得作用到着地中的腿部2上的地面反向力F＝T(Fx，Fz)的推定值。另外，此时，作用到未着地一侧的腿部2(悬空一侧的腿部2)上的地面反向力为T(0，0)。
另外，在通过所述腿部运动判断机构24于此次的周期中而判断得到的腿部2的运动状态为两腿支承状态的场合下，根据人1的体重M及重力加速度g、通过所述身体重心加速度计算机构32而求得的绝对坐标系Cf上的身体重心G0的加速度a＝T(ax，az)的此次值、以及通过所述踝位置计算机构31而得到的相对于身体重心G0的各腿部2的踝部12的位置的此次值的数据(式(5)中的ΔXf、ΔZf、ΔXr、ΔZr的数据的此次值)，并通过所述式(5)，可以求得每一腿部2上的地面反向力Ff＝T(Ffx，Ffz)、Fr＝T(Frx，Frz)的推定值。
另一方面，运算处理装置16与所实行的如上所述的身体重心位置计算机构30、身体重心加速度计算机构32、踝位置计算机构31、以及地面反向力推定机构36的处理相并行地，还实行所述腿部各部加速度计算机构33、腿部各部角加速度计算机构34、以及地面反向力作用点推定机构35的处理。
这种场合，在所述腿部各部加速度计算机构33的处理中，与所述身体重心加速度计算机构32的处理同样，首先，使用在所述每一周期通过所述各部重心位置计算机构29而求得的作为身体坐标系Cp上的各腿部2的刚体相当部的大腿部9及小腿部11的重心G1、G2的位置的各自的时序数据，来求解身体坐标系Cp上的大腿部9及小腿部11的重心G1、G2的位置的各自的2次微分值，也即是身体坐标系Cp上的大腿部9及小腿部11的重心G1、G2的各自的加速度(相对于身体坐标系Cp的原点O的加速度)。而且，通过求解该各自的加速度、与通过所述基准加速度计测机构27而求得的腰部3于绝对坐标系Cf上的加速度a0＝T(a0x，a0z)之间的向量和，可以求得绝对坐标系Cf上的大腿部9及小腿部11的各自的的加速度(具体是指该加速度的绝对坐标系Cf上的坐标成份)。
另外，在所述腿部各部角加速度计算机构34的处理中，使用在所述每一周期通过所述腿部姿势计算机构28而求得的各腿部2的大腿部9及小腿部11的各自的倾斜角度θc、θd的时序数据，可以求得该大腿部9及小腿部11的各自的倾斜角度θc、θd的2次微分值，也即是大腿部9及小腿部11的各自的角加速度。
另外，在所述地面反向力作用点推定机构35的处理中，关于着地中的腿部2进行说明，根据例如通过所述腿部姿势计算机构28而求得的各腿部2的大腿部9的倾斜角度θc的此次值，并基于如图5及图6所示的预先规定的相关关系，而将从该腿部2的踝部12朝向该腿部2的脚底部13的地面反向力作用点(可以视为作用到脚底部13的着地位置上的所有地面反向力所集中的一点)的向量(相对于踝部12的地面反向力作用点的位置。以下称地面反向力作用点向量)、作为表示该地面反向力作用点的位置的数据来进行求解。
即，据本案发明者等人之所见，着地中的腿部2的大腿部9的倾斜角度θc或膝关节10的弯曲角度Δθd与地面反向力作用点之间存在有比较显著的相关性，例如，相对于大腿部9的倾斜角度θc而言的所述地面反向力作用点向量，具体而言，人1的前进方向(X轴方向)上的该地面反向力作用点向量的成份与竖直方向(Z轴方向)上的该地面反向力作用点向量的成份，如图5及图6所示那样发生变化。在此，大腿部9的负的倾斜角度θc是指在大腿部9相对于腰部3的轴心而倾斜，以使得腿部2伸到人1的后侧的时候(例如，图2中的朝向人1的前方的场合时的右侧的腿部2)的角度；正的倾斜角度θc是指在大腿部9相对于腰部3的轴心而倾斜，以使得腿部2处于人1的前侧的时候(例如，图2中的朝向人1的前方的场合时的左侧的腿部2)的角度。
因此，在本实施方式中，作成以大腿部9的倾斜角度θc为参量的且表示图5及图6的相关关系的近似式，并将该近似式预先记忆存储在运算处理装置16中。而且，在所述地面反向力作用点推定机构35的处理中，将通过所述腿部姿势计算机构28而求得的大腿部9的倾斜角度θc的此次值代入上述近似式，来求解所述地面反向力作用点向量(具体是指该地面反向力作用点向量于X轴方向、及Z轴方向的成份)。
在此，如图5及图6所示，在大腿部9的倾斜角度θc具有极小值的相关关系中，即使大腿部9的倾斜角度θc为同一角度，但是在倾斜角度θc的减少过程与增加过程中，地面反向力作用点向量的值也不相同。因此，在本实施方式中，在作成上述近似式时，将脚底部13的脚后跟着地之后，一直到脚尖离开地面之间的所述相关关系的过渡区分成以下3相，即大腿部9的倾斜角度θc为正的第1相(图5中为a1的相，图6中为b1的相)、大腿部9的倾斜角度θc为负且大腿部9的倾斜角度θc的变化速度也即大腿部9的倾斜角速度为负的第2相(图5中为a2的相，图6中为b2的相)、以及大腿部9的倾斜角度θc为负且大腿部9的倾斜角速度为正的第3相(图5中为a3的相，图6中为b3的相)，关于地面反向力作用点向量于X轴方向、及Z轴方向的各自的成份，则可以通过利用同一或不同的函数而将各相进行近似地来得到。当将地面反向力作用点向量于X轴方向的成份设定为px时，而对图5的相关关系中的第1相a1及第2相a2进行合并后的相的近似式，则可通过例如以下形式的6次多项式函数(x1～x7为常数值)来表示。
px＝x1·θc6+x2·θc5+x3·θc4+x4·θc3+x5·θc2+x6·θc+x7另外，图5的相关关系中的第3相a3的近似式，可通过例如以下形式的4次多项式函数(x8～x12为常数值)来表示。
px＝x8·θc4+x9·θc3+x10·θc2+x11·θc+x12另外，当将地面反向力作用点向量于Z轴方向的成份设定为pz时，而对图6的相关关系中的第1相b1及第2相b2进行合并的相的近似式，可通过例如以下形式的6次多项式函数(z1～z7为常数值)来表示。
pz＝z1·θc6+z2·θc5+z3·θc4+z4·θc3+z5·θc2+z6·θc+z7另外，图6的相关关系中的第3相b3的近似式，可通过例如以下形式的3次多项式函数(z8～z11为常数值)来表示。
pz＝z8·θc3+z9·θc2+z10·θc+z11而且，在求解地面反向力作用点向量时，在对大腿部9的倾斜角度θc的正负进行识别的同时，还对通过大腿部9的倾斜角度θc的时序数据的一次微分而计算出的大腿部9的倾斜角速度的正负进行辨别。此外，再根据这些被识别出的倾斜角度θc的正负与倾斜角速度的正负，来判断现在处于哪一相，然后通过将大腿部9的倾斜角度θc的此次值代入被判断出的相的近似式中，从而计算出地面反向力作用点向量。这样，可以区别大腿部9的倾斜角度θc于减少过程中的地面反向力作用点向量的值、与大腿部9的倾斜角度θc的增加过程中的地面反向力作用点向量的值，并可以对之计算出。
另外，在本实施方式中，虽然是使用多项式，而对腿部2的大腿部9的倾斜角度θc与地面反向力作用点向量之间的相关关系进行了近似，以求出地面反向力作用点向量，但是，也可以通过数据表，而对图5及图6所示的相关关系进行记忆存储，并使用该数据表，来从大腿部9的倾斜角度θc中，求出地面反向力作用点向量。
另外，地面反向力作用点的位置与着地中的腿部2的膝关节10的弯曲角度之间也具有相关性，可以代替大腿部9的倾斜角度θc，根据通过膝关节角度根传感器23而计测的膝关节10的弯曲角度Δθd，来推定地面反向力作用点的位置；或者，也可以使用大腿部9的倾斜角度θc与膝关节10的弯曲角度Δθd的两者，通过图面等，来推定地面反向力作用点的位置。
此外，在人1坐到椅子上或从坐在椅子上的状态站起来时，地面反向力作用点的位置与膝关节10的弯曲角度Δθd之间成立有图7(坐到椅子上时)、图8(从椅子上站起时)所示的相关关系；在上台阶或下台阶时，地面反向力作用点的位置与大腿部9的倾斜角度θc之间成立有图9(上台阶时)、图10(下台阶时)所示的相关关系。因此，在坐到椅子上及从椅子上站起来时，根据膝关节10的弯曲角度Δθd，并基于图7、图8的相关关系，可以推定地面反向力作用点的位置，另外，在上下台阶时，根据膝关节10的弯曲角度Δθd，并基于图9、图10的相关关系，可以推定地面反向力作用点的位置。
在推定如上所述的地面反向力作用点的位置之后，接着，运算处理装置16实行所述关节力矩推定机构37的处理，以求解作用到各腿部2的膝关节10及髋关节8上的力矩。该处理是使用通过所述地面反向力推定机构36、腿部各部加速度计算机构33、腿部各部角加速度计算机构34、地面反向力作用点推定机构35、以及所述腿部姿势计算机构28而分别求得的数据的此次值，并基于所谓逆动力学模型而进行。该逆动力学模型是使用关于人1的各刚体相当部的平移运动的运动方程式、与关于转动运动的运动方程式，从距离地面反向力作用点最近的关节开始依次地求解作用到该关节上的力矩的模型，在本实施方式中，依次对作用到各腿部2的膝关节10及髋关节8上的力矩进行求解。
此外，进一步具体而言，参照图11，首先，关于各腿部2的小腿部11进行说明，通过绝对坐标系Cf上的成份记号，分别将作用到小腿部11的前端部的踝部12上的力(关节反向力)、作用到小腿部11的膝关节10的部分上的力(关节反向力)、以及小腿部11的重心G2的平移加速度设定为T(F1x，F1z)、T(F2x，F2z)、T(a2x，a2z)，而将该小腿部11的质量设定为m2。此时，关于小腿部11的重心G2的平移运动的运动方程式为下式(10)。
T(m2·a2x，m2·a2z)＝T(F1x-F2x，F1z-F2z-m2·g)故，T(F2x，F2z)＝T(F1x-m2·a2x，F1z-m2·a2z-m2·g)......(10)在此，小腿部11的重心G2的加速度T(a2x，a2z)可以通过所述腿部各部加速度计算机构33来求得。另外，作用到小腿部11的前端部的踝部12上的关节反向力T(F1x，F1z)近似等于关于具有该小腿部11的腿部2的场合时通过地面反向力推定机构36而求得的地面反向力的推定值。更加具体而言，在单腿支承状态下，当该腿部2处于着地中的时候，关节反向力T(F1x，F1z)为通过所述式(2)而求得的地面反向力T(Fx，Fz)，而当该腿部2是悬空一侧的腿部时，T(F1x，F1z)＝T(0，0)。另外，在两腿支承状态下，当该腿部2是在朝向人1的前进方向的场合时的后侧的腿部时，关节反向力T(F1x，F1z)为所述式(5)的地面反向力T(Frx，Frz)，而当该腿部2是前侧的腿部时，该关节反向力为所述式(5)的地面反向力T(Ffx，Ffz)。
因此，作用到各腿部2的膝关节10上的关节反向力T(F2x，F2z)，可以根据通过腿部各部加速度计算机构33而求得的小腿部11的重心G2的加速度T(a2x，a2z)的数据、通过地面反向力推定机构36而求得的地面反向力(＝T(F1x，F1z))的数据、预先求得的小腿部11的质量m2的数据、以及重力加速度g的值，并通过上述的式(10)来求得。
另外，参照图11，将作用到小腿部11的前端部的踝部12上的力矩设定为M1，将作用到小腿部11的膝关节10的部分上的力矩设定为M2，将围绕小腿部11的重心G2转动的惯性力矩设定为IG2，将围绕小腿部11的重心G2转动的角加速度设定为α2。另外，对应于所述图4，若将小腿部11的重心G2与膝关节10的中心之间的距离设定为t2，将小腿部11的重心G2与踝部12之间的距离设定为t2’(＝Ld-t2)，则关于围绕小腿部11的重心G2转动的转动运动的运动方程式为下式(11)。
IG2·α2＝M1-M2+F1x·t2’·cosθd-F1z·t2’·sinθd+F2x·t2·cosθd-F2z·t2·sinθd故，M2＝M1-IG2·α2+F1x·t2’·cosθd-F1z·t2’·sinθd+F2x·t2·cosθd-F2z·t2·sinθd......(11)在此，式(11)中的M1是关于具有与同式(11)相关联的小腿部11的腿部2，作为通过所述地面反向力作用点推定机构35而求得的地面反向力作用点向量、与针对该腿部2而言的通过所述地面反向力推定机构36而求得的地面反向力向量的两者间的外积(向量积)而得到的力矩。另外，α2是通过所述腿部各部角加速度计算机构34而求得的小腿部11的角加速度。另外，θd是通过所述腿部姿势计算机构28而求得的小腿部11的倾斜角度。另外，T(F1x，F1z)如前所述，是通过地面反向力推定机构36而求得的地面反向力的推定值。此外，T(F2x，F2z)是通过所述式(10)而求得的反向力。而且，惯性力矩IG2与小腿部11的质量m2和尺寸等数据均是通过预先求得，并被记忆存储在运算处理装置16中。
因此，作用到膝关节10上的力矩M2可以根据通过地面反向力推定机构36而得到的地面反向力的推定值的数据、通过地面反向力作用点推定机构35而得到的地面反向力作用点向量的数据、通过所述腿部各部角加速度计算机构34而得到的小腿部11的角加速度α2的数据、通过所述腿部姿势计算机构28而得到的小腿部11的倾斜角度θd的数据、通过所述式(10)而求得的关节反向力T(F2x，F2z)的数据、以及预先得到的小腿部11的惯性力矩IG2尺寸(Ld)、重心G2的位置(t2)的数据，并通过所述式(11)来求得。
在如上所述那样求得作用到小腿部11的膝关节10的部分上的力矩M2之后，通过进行与关节力矩推定机构37的计算处理同样的处理，来求解作用到大腿部9的髋关节8的部分上的力矩。由于这种处理的基本考虑方法与求解膝关节10的力矩M2的手法为同一手法，故而省略详细的图解及说明，但其概要说明如下。
即，首先，通过依据关于大腿部9的重心G1(参照图4)的平移运动的运动方程式的下式(12)(与所述式(10)相同形式的式子)，来求解作用到大腿部9的髋关节8的部分上的关节反向力T(F3x，F3z)。
T(F3x，F3z)＝T(F2x-m1·a1x，F2z-m1·a1z-m1·g)......(12)在此，T(F2x，F2z)为通过在前面所述式(10)而求得的膝关节10的关节反向力。另外，T(a1x，a1z)为通过所述腿部各部加速度计算机构33而求得的大腿部9的重心G1于绝对坐标系Cf上的加速度(平移加速度)。此外，m1为预先求得的大腿部9的质量，g为重力加速度。
接着，通过依据关于围绕大腿部9的重心G1转动的转动运动的运动方程式的下式(13)(与所述式(11)相同形式的式子)，来求解作用到大腿部9的髋关节8的部分上的力矩M3。
M3＝M2-IG1·α1+F2x·t1’·cosθc-F2z·t1’·sinθc+F3x·t1·cosθc-F3z·t1·sinθc......(13)在此，M2为通过所述式(11)而求得的膝关节10的力矩，T(F2x，F2z)为通过所述式(10)而求得的膝关节10的关节反向力，T(F3x，F3z)为通过所述式(12)而求得的髋关节8的关节反向力，IG1为预先而求得的围绕大腿部9的重心G1转动的惯性力矩，α1为通过腿部各部角加速度计算机构34而求得的大腿部9的角加速度，θc为通过所述腿部姿势计算机构28而求得的大腿部9的倾斜角度。t1为从髋关节8的中心到大腿部9的重心G1之间的距离(参照图4)，t1’为从膝关节10的中心到大腿部9的重心G1之间的距离(图4中的Lc-t1)，这些值均是根据预先求得的重心G1的位置和大腿部9的尺寸(长度)来确定的数据。
运算处理装置16在每一周期依次地实行以上所说明的处理，并依次即时地推定作用到各腿部2上的地面反向力、或作用到各腿部2的膝关节10及髋关节8上的力矩。
另外，在本说明书中虽然省略了详细说明，但是所求得的膝关节10或髋关节8的力矩的推定值也可以应用在例如，辅助人1的行走的装置(包括可以对膝关节10或髋关节8施行辅助转矩的电动机等)的控制上。
图12至图14中的实线所例举的是通过前面所述的运算处理装置16而求得的地面反向力的推定值(具体是指该地面反向力的推定值的绝对值)随时间变化的情况。另外，图15中的实线所例举的是通过运算处理装置16的处理而求得的膝关节10及髋关节8的力矩的推定值随时间变化的情况。在此，图12及图15所例举的是人1几乎以一定速度行走于平地上时的例子，图13所例举的是人1攀升台阶场合时的例子，图14所例举的是从坐在椅子上的状态站起来场合时的例子。这种场合，在图12至图14中，也用虚线同时描画了使用力计测器等而实际测得的地面反向力的比较例(相当于地面反向力的实际值时的例子)。另外，在图15中，也用虚线同时描画了使用转矩计等而实际测得的膝关节10及髋关节8的力矩的比较例(相当于膝关节10及髋关节8的力矩的实际值时的例子)。
参照图12至图14可知，根据本实施方式，可以不必拘泥于腿部2的运动方式或运动环境，就可以得到高精度的地面反向力的推定值。另外，在本实施方式中，通过使用该地面反向力的推定值，如图15所示那样，就可以较高精度地推定膝关节10和髋关节8的力矩。
如上所述，根据本实施方式，不是将妨碍人1的行走且又增加腿部2的运动的负担的传感器安装在腿部2上，而是使用了所谓分别安装在髋关节8和膝关节10上的角度传感器22、23、或者安装在躯干5上的回转传感器14、19及加速度传感器15、20、21之类的比较小型且又轻量的传感器，从而可以容易即时地对作用到各腿部2上的地面反向力、或者作用到各腿部2的髋关节8及膝关节10上的力矩进行推定。而且，可以不必拘泥于平地上的行走、台阶上的行走等的腿部2的运动方式或运动环境，就可以较高精度地进行其推定。
另外，在以上所说明的实施方式中，虽然以将本发明适用人1上的场合为例进行了说明，但是，本发明也可以适用在作为双脚行走移动体的双脚行走机器人上。在此，在该双脚行走机器人上，虽然存在有腰部与胸部成为一体构造的场合，但在这种场合，也可以将回转传感器和前后方向的加速度传感器安装在腰部和胸部的任何一方上，与本实施方式同样，可以推定地面反向力和腿部的关节的力矩。另外，在双脚行走机器人上，膝关节和髋关节的弯曲角度，也可以通过对这些关节的传动器进行控制的控制装置的控制量来把握。
另外，在本实施方式中，为了判断腿部2的运动状态，虽然以原有状态使用了腰部上下加速度传感器21的检测数据，但是，代替该检测数据，也可以使用例如，通过所述基准加速度计测机构27而求得的绝对坐标系Cf上的腰部3的加速度a0于竖直方向上(Z轴方向)的成份的值。
综上所述，本发明作为把握作用到移动体的腿部上的地面反向力和关节力矩的方法，可以有效应用在进行人或机器人等的双脚行走移动体的行走辅助或行走控制的场合。
权利要求
1.一种双脚行走移动体的地面反向力推定方法，对作用到双脚行走移动体的各腿部上的地面反向力进行推定，其特征在于，具有第1步骤，该第1步骤为对所述双脚行走移动体的腿部的运动状态是处于只有其中一条腿部着地的单腿支承状态，还是两条腿部着地的两腿支承状态进行判断；第2步骤，该第2步骤为在对所述双脚行走移动体的重心的位置进行依次求解的同时，还使用该重心的位置的时序数据，对相对于地面被固定的绝对坐标系上的该重心的加速度进行依次求解；以及第3步骤，该第3步骤为至少在所述两腿支承状态下，对相对预先设定在各腿部的下端部附近的特定部位的所述重心的位置进行依次求解；当所述双脚行走移动体处于单腿支承状态下时，基于由双脚行走移动体的质量、重力加速度、所述重心的加速度、以及作用到着地中的腿部上的所述地面反向力所表示的该重心的运动方程式，而对作用到着地中的腿部上的所述地面反向力的推定值进行依次求解；当所述双脚行走移动体处于两腿支承状态下时，基于由双脚行走移动体的质量、重力加速度、所述重心的加速度、以及分别作用到两腿部上的所述地面反向力所表示的该重心的运动方程式、以及下述关系式，而对分别作用到两腿部上的所述地面反向力的推定值进行依次求解，而所述关系式为假定作用到各腿部上的所述地面反向力是从该腿部的所述特定部位朝向所述重心的方向而作用的，各腿部的特定部位相对于所述重心的位置与作用到该腿部上的所述地面反向力之间的关系式。
2.根据权利要求1所述的地面反向力推定方法，其特征在于，所述各腿部的特定部位为该腿部的踝部。
3.根据权利要求1所述的地面反向力推定方法，其特征在于，具有对经各腿部的髋关节而被支承在所述两腿部上的躯干的靠近髋关节的下部于上下方向的加速度进行计测的步骤；在所述第1步骤中，当所述躯干的下部于上下方向的加速度上升到预先设定的规定的阈值以上时，为所述两腿支承状态的开始，而且同时为所述单腿支承状态的结束，另外在所述两腿支承状态下，当作用到先要离开地面的一侧腿部上的所述地面反向力的推定值降低到预先设定的规定的阈值以下时，为所述两腿支承状态的结束，而且同时为所述单腿支承状态的开始，以此来判断所述双脚行走移动体的运动状态。
4.根据权利要求1所述的地面反向力推定方法，其特征在于，具有分别对经各腿部的髋关节而被支承在所述两腿部上的躯干的倾斜角度、各腿部的至少是髋关节及膝关节的各自的弯曲角度、以及预先设定在所述双脚行走移动体上的基准点于所述绝对坐标系上的加速度进行计测的步骤；在所述第2步骤中，基于所述躯干的倾斜角度、所述髋关节及膝关节的各自的弯曲角度、将所述双脚行走移动体以多个刚体的连结体来表示而成的刚体连动模型、与该刚体连动模型的各刚体相对应的双脚行走移动体的各刚体相当部的预先求得的质量、以及刚体相当部上的该刚体相当部的预先求得的重心的位置，而对相对于所述基准点的所述双脚行走移动体的重心的位置进行依次求解，而且同时还基于其重心的位置的时序数据，而对相对于其基准点的该重心的加速度进行依次求解，并根据相对于其基准点的该重心的加速度、以及所述绝对坐标系上的该基准点的加速度，来对该绝对坐标系上的所述重心的加速度进行求解。
5.根据权利要求4所述的地面反向力推定方法，其特征在于，将所述基准点设定在所述躯干上。
6.根据权利要求4所述的地面反向力推定方法，其特征在于，所述躯干具有经髋关节而被连结于所述两腿部的腰部、以及相对于该腰部可以倾斜并且处于该腰部上的胸部，为了求解所述重心的位置而使用的所述躯干的倾斜角度为所述腰部及胸部的各自的倾斜角度。
7.根据权利要求6所述的地面反向力推定方法，其特征在于，所述刚体连动模型是将处于所述双脚行走移动体的各腿部的膝关节的下侧的小腿部、该膝关节与所述髋关节之间的大腿部、所述腰部、以及处于该腰部的上侧且包含有所述胸部在内的上体部分别以刚体来表示而成的模型。
8.一种双脚行走移动体的关节力矩推定方法，使用通过权利请求第1项所记载的地面反向力推定方法而依次求得的关于所述各腿部的地面反向力的推定值，而对作用到所述双脚行走移动体的各腿部的至少一个关节上的力矩进行推定，其特征在于，具有如下步骤，即，分别对经各腿部的髋关节而被支承在所述两腿部上的躯干的倾斜角度、各腿部上的至少是髋关节及膝关节的各自的弯曲角度、以及预先设定在所述双脚行走移动体上的基准点于所述绝对坐标系上的加速度进行计测的步骤；基于所述躯干的倾斜角度、所述各腿部的髋关节及膝关节的各自的弯曲角度、以及将所述双脚行走移动体以多个刚体的连结体来表示而成的刚体连动模型，而对与该刚体连动模型的各刚体相对应的双脚行走移动体的各刚体相当部的倾斜角度进行依次求解的步骤；基于所述各刚体相当部的倾斜角度、各刚体相当部的预先求得的质量、以及各刚体相当部上的该刚体相当部的预先求得的重心的位置，而对相对于所述基准点的各刚体相当部的重心的位置进行依次求解，而且同时还基于各刚体相当部的重心的位置的时序数据，而对相对于该基准点的各刚体相当部的重心的加速度进行依次求解的步骤；根据相对于该基准点的各刚体相当部的重心的加速度、以及所述绝对坐标系上的所述基准点的加速度，而对该绝对坐标系上的各刚体相当部的重心的加速度进行依次求解的步骤；基于所述各刚体相当部的倾斜角度的时序数据，而对各刚体相当部的角加速度进行依次求解的步骤；基于作为所述双脚行走移动体的刚体相当部的各腿部的大腿部的倾斜角度与该腿部的膝关节的弯曲角度的两角度中的至少一个，而对该双脚行走移动体上的各腿部的地面反向力作用点的推定位置进行依次求解的步骤；使用所述地面反向力的推定值、所述地面反向力作用点的推定位置、所述绝对坐标系上的各刚体相当部的重心的加速度及该刚体相当部的角加速度、各刚体相当部的倾斜角度、各刚体相当部的预先求得的质量及尺寸、各刚体相当部上的该刚体相当部的预先求得的重心的位置、以及各刚体相当部的预先求得的惯性力矩，并基于逆动力学模型，而对作用到所述双脚行走移动体的各腿部的至少一个关节上的力矩进行推定。
9.一种双脚行走移动体的关节力矩推定方法，使用通过权利请求第4项所记载的地面反向力推定方法而依次求得的关于所述各腿部的地面反向力的推定值，而对作用到所述双脚行走移动体的各腿部的至少一个关节上的力矩进行推定，其特征在于，具有如下步骤，即，基于所述躯干的倾斜角度、所述各腿部的髋关节及膝关节的各自的弯曲角度、以及所述刚体连动模型，而对与该刚体连动模型的各刚体相对应的双脚行走移动体的各刚体相当部于所述绝对坐标系上的倾斜角度进行依次求解的步骤；基于所述各刚体相当部的倾斜角度、各刚体相当部的预先求得的质量、以及各刚体相当部上的该刚体相当部的重心的位置，而对相对于所述基准点的各刚体相当部的重心的位置进行依次求解，而且同时还基于各刚体相当部的重心的位置的时序数据，而对相对于该基准点的各刚体相当部的重心的加速度进行依次求解的步骤；根据相对于该基准点的各刚体相当部的重心的加速度、以及所述绝对坐标系上的所述基准点的加速度，而对该绝对坐标系上的各刚体相当部的重心的加速度进行依次求解的步骤；基于所述各刚体相当部的倾斜角度的时序数据，而对各刚体相当部的角加速度进行依次求解的步骤；基于作为所述双脚行走移动体的刚体相当部的各腿部的大腿部的倾斜角度与该腿部的膝关节的弯曲角度的两角度中的至少一个，而对该双脚行走移动体上的各腿部的地面反向力作用点的推定位置进行依次求解的步骤；使用所述地面反向力的推定值、所述地面反向力作用点的推定位置、所述绝对坐标系上的各刚体相当部的重心的加速度及该刚体相当部的角加速度、各刚体相当部的倾斜角度、各刚体相当部的预先求得的质量及尺寸、各刚体相当部上的该刚体相当部的预先求得的重心的位置、以及各刚体相当部的预先求得的惯性力矩，并基于逆动力学模型，而对作用到所述双脚行走移动体的各腿部的至少一个关节上的力矩进行推定。
全文摘要
一种双脚行走移动体所受地面反向力及关节力矩的推定方法，判断腿部(2)的运动状态是单腿还是两腿支承状态，当是单腿支承状态时，依据双脚行走移动体(1)的重心(G0)的运动方程式，来推定作用到着地中的腿部(2)上的地面反向力(F)；当是两腿支承状态时，依据所述重心(G0)的运动方程式、以及各腿部(2)的地面反向力(Fr)、(Ff)的成分与相对于所述重心(G0)而言的各腿部(2)的踝部(12)的位置之间的关系式，来分别推定作用到腿部(2)上的地面反向力(Fr)、(Ff)。此外，还使用其地面反向力(Fr)、(Ff)的推定值，依据逆动力学模型，推定作用到各腿部(2)的膝关节(10)或髋关节(8)上的力矩。
文档编号A61B5/024GK1520350SQ0281289
公开日2004年8月11日 申请日期2002年6月27日 优先权日2001年6月27日
发明者河合雅和, 池内康, 加藤久 申请人:本田技研工业株式会社