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JP2003220584A - Floor reaction force action point estimation method for bipedal moving objects - Google Patents

Floor reaction force action point estimation method for bipedal moving objects

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JP2003220584A
JP2003220584A JP2002018798A JP2002018798A JP2003220584A JP 2003220584 A JP2003220584 A JP 2003220584A JP 2002018798 A JP2002018798 A JP 2002018798A JP 2002018798 A JP2002018798 A JP 2002018798A JP 2003220584 A JP2003220584 A JP 2003220584A
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JP
Japan
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leg
reaction force
floor reaction
gravity
thigh
Prior art date
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Application number
JP2002018798A
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Japanese (ja)
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Inventor
Masakazu Kawai
雅和 河合
Yasushi Ikeuchi
康 池内
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Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】人間等の二足歩行移動体の脚体に作用する床反
力の作用点の位置をリアルタイムで精度良く把握できる
ようにする。 【解決手段】足首部に対する床反力作用点の位置ベクト
ルは、脚体の大腿部の傾斜角度や膝関節の屈曲角度に対
し顕著な相関性を持って変化する。この相関性に基づ
き、大腿部の傾斜角度と膝関節の屈曲角度との少なくと
も一方、例えば大腿部の傾斜角度から床反力作用点の位
置ベクトルを求める。
(57) [Summary] [PROBLEMS] To enable accurate and real-time grasp of the position of the point of application of a floor reaction force acting on the leg of a bipedal walking body such as a human. A position vector of a floor reaction force acting point with respect to an ankle changes with a remarkable correlation with a tilt angle of a thigh of a leg and a bending angle of a knee joint. Based on this correlation, the position vector of the floor reaction force acting point is obtained from at least one of the inclination angle of the thigh and the bending angle of the knee joint, for example, the inclination angle of the thigh.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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に対する床反力作用
点の位置を、二足歩行移動体の運動中にリアルタイムで
逐次推定する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention sequentially determines the position of a floor reaction force acting point on each leg of a biped walking vehicle such as a human or a biped walking robot in real time during movement of the biped walking vehicle. Regarding the method of estimating.

【0002】[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、脚体の足平部に床から作用
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の位置を把
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。
2. Description of the Related Art For example, in the case of controlling the movement of a walking assist device that assists a human walking movement or the movement of a bipedal walking robot, the floor reaction force acting on the leg of the human or the bipedal walking robot ( Specifically, it is necessary to sequentially grasp the force acting on the foot of the leg from the floor) and the position of the floor reaction force acting point. By grasping the position of the floor reaction force and the floor reaction force action point, it becomes possible to grasp the moment etc. acting on the joint of the leg of the bipedal walking body, and based on the grasped moment etc. It is possible to determine the target assisting force of the walking assist device, the target driving torque of each joint of the biped walking robot, and the like.

【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。然し、このものでは、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。
As a method of grasping the floor reaction force, for example, one disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-249570 is known. In this technology, the floor reaction force of each leg changes with time of 1 / (1) of the walking cycle because the time-dependent waveform of the floor reaction force of each leg changes periodically during steady walking of a bipedal walking body. n
It is to be understood as a composite value (linear combination) of a plurality of trigonometric functions having different periods (n = 1, 2, ...). However, this cannot grasp the position of the floor reaction force acting point, and is insufficient to grasp the moment acting on the joint of the leg of the bipedal walking body.

【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(特開2001-29329号公報参照)。然し、
このものでは、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
常の環境下での歩行には適用できないという問題があ
る。
A method is also known in which a bipedal walking body is made to walk on a force plate installed on the floor, and the position of the floor reaction force and the floor reaction force acting point is grasped by the output of the force plate (special feature). Open 2001-29329 gazette). However,
This device has a problem that the position of the floor reaction force and the floor reaction force application point can be grasped only under the environment in which the force plate is installed, and it cannot be applied to walking in a normal environment.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の点に
鑑み、比較的簡単な手法で床反力作用点の位置を精度よ
くリアルタイムで把握することができ、特に二足歩行移
動体としての人間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。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above points, the present invention is capable of accurately grasping the position of the floor reaction force acting point in real time by a relatively simple method, and particularly as a bipedal walking vehicle. It is an object of the present invention to provide a method for estimating a floor reaction force action point suitable for grasping the position of the floor reaction force action point relating to the human.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、二足歩行移動体の各脚体に対する床反力
作用点の位置を逐次推定する方法であって、各脚体の大
腿部の傾斜角度と膝関節の屈曲角度との少なくとも一方
を計測対象角度として、二足歩行移動体の運動中にこの
計測対象角度を逐次計測し、各脚体の足首部に対する床
反力作用点の位置ベクトルと計測対象角度との間に成立
する所定の相関関係に基づき、計測対象角度の計測値か
ら前記位置ベクトルを逐次推定することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention is a method for successively estimating the position of a floor reaction force acting point with respect to each leg of a bipedal walking mobile body. At least one of the thigh inclination angle and the knee joint flexion angle is set as the measurement target angle, and the measurement target angle is sequentially measured during the movement of the bipedal walking mobile body, and the floor reaction against the ankle part of each leg is performed. It is characterized in that the position vector is sequentially estimated from the measured value of the measurement target angle based on a predetermined correlation established between the position vector of the force application point and the measurement target angle.

【0007】本願発明者は、鋭意努力の結果、例えば通
常歩行時には接地している脚体の大腿部の傾斜角度と膝
関節の屈曲角度は、床反力作用点と比較的顕著な相関性
を有し、例えば床反力作用点の位置ベクトルの進行方向
成分および鉛直方向成分と大腿部の傾斜角度との間に図
5,図6に示す相関関係が成立することを知見するに至
った。従って、本発明のように計測対象角度たる大腿部
の傾斜角度や膝関節の屈曲角度の計測値から床反力作用
点の位置ベクトルをリアルタイムで把握することができ
る。
As a result of earnest efforts, the inventor of the present application has found that, for example, the inclination angle of the thigh of the leg and the flexion angle of the knee joint, which are in contact with the ground during normal walking, have a relatively significant correlation with the floor reaction force acting point. It has been found that, for example, the correlations shown in FIGS. 5 and 6 are established between the advancing direction component and the vertical direction component of the position vector of the floor reaction force acting point and the tilt angle of the thigh. It was Therefore, the position vector of the floor reaction force acting point can be grasped in real time from the measured values of the tilt angle of the thigh and the bending angle of the knee joint, which are the measurement target angles, as in the present invention.

【0008】ところで、計測対象角度の計測値から床反
力作用点の位置ベクトルを求めるには、上記相関関係を
データテーブルとして記憶させておき、計測対象角度の
計測値に対応する床反力作用点の位置ベクトルをテーブ
ル検索するようにしても良い。然し、これでは大きな記
憶容量が必要になるため、上記相関関係を表す、計測対
象角度をパラメータとする近似式を作成して記憶させて
おき、この近似式に計測対象角度の計測値を代入して床
反力作用点の位置ベクトルを算出することが望ましい。
ここで、床反力作用点の位置ベクトルと計測対象角度と
の間の相関関係を一つの近似式で近似表現することが困
難になることもある。この場合は、近似式の作成に際
し、各脚体の足平部の踵が着床してからつま先が離床す
るまでの相関関係の推移を幾つかの相に区分し、それぞ
れの相を同一または異なる関数で近似すれば良い。特
に、図5,図6に示すように、計測対象角度(大腿部の
傾斜角度)に関して極小値を持つ相関関係であって、計
測対象角度が同一であっても計測対象角度の減少過程と
増加過程とで床反力作用点の位置ベクトルの値が異なる
場合は、各脚体の足平部の踵が着床してからつま先が離
床するまでの相関関係の推移を幾つかの相に区分するに
当たり、少なくとも計測対象角度の変化速度(該計測対
象角度の単位時間当たりの変化量)の正負に応じて相を
分ける。これにより、計測対象角度の減少過程での位置
ベクトルの値と計測対象角度の増加過程での位置ベクト
ルの値とを区別して算出できる。
By the way, in order to obtain the position vector of the floor reaction force acting point from the measured value of the measurement target angle, the above correlation is stored as a data table, and the floor reaction force action corresponding to the measured value of the measurement target angle is stored. You may make it table-search the position vector of a point. However, since this requires a large storage capacity, an approximate expression that represents the above correlation and that has the measurement target angle as a parameter is created and stored, and the measured value of the measurement target angle is substituted into this approximation expression. It is desirable to calculate the position vector of the floor reaction force acting point.
Here, it may be difficult to approximate the correlation between the position vector of the floor reaction force acting point and the measurement target angle by one approximate expression. In this case, when creating the approximate expression, the transition of the correlation from the heel of the foot of each leg to the time the toe leaves the floor is divided into several phases, and each phase is the same or It may be approximated by a different function. In particular, as shown in FIG. 5 and FIG. 6, there is a correlation having a minimum value with respect to the measurement target angle (tilt angle of the thigh), and even if the measurement target angle is the same, the measurement target angle decrease process If the value of the position vector of the floor reaction force action point differs from the increasing process, the transition of the correlation from the heel of the foot of each leg to the landing of the toe to the floor is divided into several phases. In order to classify, the phase is divided at least according to the positive / negative of the change speed of the measurement target angle (change amount of the measurement target angle per unit time). Accordingly, the value of the position vector in the process of decreasing the measurement target angle and the value of the position vector in the process of increasing the measurement target angle can be calculated separately.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を説明する前
に、二足歩行移動体の床反力推定方法の基本的な考え方
を図1を参照して説明する。二足歩行移動体の脚体の運
動状態、例えば歩行動作時の脚体の運動状態は、図1
(a)に例示するように二足歩行移動体1の両脚体2,
2のうちの一方の脚体2(図では進行方向で前側の脚
体)のみが接地する単脚支持状態と、図1(b)に示す
ように両脚体2,2が接地する両脚支持状態とがある。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Before describing the embodiments of the present invention, the basic concept of a floor reaction force estimation method for a bipedal walking vehicle will be described with reference to FIG. The movement state of the legs of the bipedal walking body, for example, the movement state of the legs during walking motion is shown in FIG.
As illustrated in (a), both legs 2, of the bipedal walking body 1.
2 is a single leg supporting state in which only one leg 2 (front leg in the traveling direction in the figure) of the two is grounded, and both leg supporting states in which both legs 2 and 2 are grounded as shown in FIG. 1B. There is.

【0010】ここで、まず、前記単脚支持状態におい
て、二足歩行移動体が運動を行う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。
First, in the single-leg support state, the equation of motion of the center of gravity of the bipedal walking body in the absolute coordinate system fixed to the floor on which the bipedal locomotion body moves (specifically, the center of gravity is described below). The equation of motion regarding the translational movement of the robot is calculated by multiplying the product of the acceleration of the center of gravity and the weight of the bipedal walking body by the gravity acting on the center of gravity (= weight of the bipedal walking body × gravitational acceleration). The relational expression is equal to the resultant force with the floor reaction force acting from the floor on the ground contacting part of the leg. Specifically, for example, as shown in FIG. 1A, in the absolute coordinate system Cf fixed to the floor A, the acceleration a of the center of gravity G0 of the bipedal walking mobile unit 1 in the X-axis direction (bipedal locomotion). Ax and az are components of the body 1 in the horizontal direction and the Z-axis direction (vertical direction), respectively, and X of the floor reaction force F related to the grounded leg 2 (the leg 2 on the supporting leg side). Letting Fx and Fz be the components in the axial direction and the Z-axis direction, respectively, the equation of motion of the center of gravity G0 is expressed by the following equation (1).

【0011】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。
T (Fx, Fz−M · g) = M · T (ax, az) (1) (where M is the weight of the bipedal moving body, g is the acceleration of gravity) The parentheses T (,) on both sides of the parentheses mean a two-component vector. In this specification, the notation in the form of T (,) represents a vector.

【0012】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。
Therefore, if the acceleration a = T (ax, az) of the center of gravity G0 of the bipedal walking body 1 is grasped, the acceleration a and
Using the value of the weight M of the bipedal walking body 1 and the value of the gravitational acceleration g, the floor reaction force F = T (Fx, Fz) according to the following equation (2).
It is possible to obtain an estimated value of.

【0013】T (Fx,Fz)=M・T(ax,az−g) ……(2) T (Fx, Fz) = M · T (ax, az−g) (2)

【0014】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。
In this case, the weight M required to obtain the estimated value of the floor reaction force F can be grasped in advance by measurement or the like. The position of the center of gravity G0 and the acceleration a will be described in detail later, but the output of a sensor that detects a bending angle (rotation angle) of each joint of the bipedal walking body 1 or an output of a sensor such as an acceleration sensor or a gyro sensor. It is possible to sequentially grasp by using a known method and the like.

【0015】次に、前記両脚接地状態における二足歩行
移動体の重心の運動方程式(詳しくは重心の並進運動に
関する運動方程式)は、該重心の加速度と二足歩行移動
体の重量との積が、該重心に作用する重力(=二足歩行
移動体の重量×重力加速度)と、両脚体のそれぞれの接
地部に床から作用する床反力(両脚体にそれぞれ対応す
る二つの床反力)との合力に等しいという関係式にな
る。具体的には、図1(b)に示すように二足歩行移動
体1の進行方向に向かって前側の脚体2に係る床反力F
fのXZ座標成分をFfx,Ffz、後側の脚体2に係る床
反力FrのXZ座標成分をFrx,Frzとおくと、重心G0
の運動方程式は、次式(3)により表される。
Next, the equation of motion of the center of gravity of the bipedal walking vehicle in the two-legged ground contact state (more specifically, the equation of motion for translational movement of the center of gravity) is calculated by multiplying the product of the acceleration of the center of gravity and the weight of the bipedal walking vehicle. , Gravity acting on the center of gravity (= weight of bipedal moving body x gravitational acceleration), and floor reaction force acting from the floor on each ground contact portion of both legs (two floor reaction forces corresponding to both legs) It becomes the relational expression that it is equal to the resultant force with. Specifically, as shown in FIG. 1B, the floor reaction force F applied to the leg 2 on the front side in the traveling direction of the bipedal walking body 1.
When the XZ coordinate components of f are Ffx and Ffz, and the XZ coordinate components of the floor reaction force Fr related to the rear leg 2 are Frx and Frz, the center of gravity G0
The equation of motion of is expressed by the following equation (3).

【0016】 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。
T (Ffx + Frx, Ffz + Frz−M · g) = M · T (ax, az) (3) Incidentally, the meanings of ax, az, M, and g in the formula (3) are as described above. .

【0017】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12f,12r(例えば足
首部)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の前記特定部位12f,12
r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の特定部位3f,3rとを結ぶ線分の向き(該重
心G0に対する該特定部位3f,3r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。
On the other hand, according to the findings of the inventors of the present application, the floor reaction forces Ff and Fr respectively applied to the legs 2 and 2 in the two-leg supporting state are as shown in FIG. 1 (b). It can be considered that it acts from the specific portions 12f and 12r (for example, ankles) near the lower ends of the legs 2 and 2 toward the center of gravity G0 of the bipedal walking body 1. Then, at this time, the specific portions 12f, 12 of the legs 2, 2 with respect to the center of gravity G0.
A constant relational expression between the position of r and the floor reaction forces Ff and Fr acting on the legs 2 and 2, that is, the center of gravity G0 and the specific portions 3f and 3r of the legs 2 and 2 are A relational expression representing a relation that the direction of the connecting line segment (the direction of the position vector of the specific parts 3f, 3r with respect to the center of gravity G0) is equal to the direction of the floor reaction forces Ff, Fr related to the legs 2, 2 is established. .

【0018】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の特定部位3fの位置の座標を(X
f,Zf)、後側脚体2の特定部位3r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。
Specifically, referring to FIG. 1 (b), the coordinates of the position of the center of gravity G0 in the absolute coordinate system Cf are (Xg,
Zg) and the coordinates of the position of the specific portion 3f of the front leg 2 (X
f, Zf) and the coordinates of the position of the specific portion 3r of the rear leg 2 are (Xr, Zr), the above relational expression becomes the following expression (4).

【0019】 (Zf−Zg)/(Xf−Xg)=Ffz/Ffx (Zr−Zg)/(Xr−Xg)=Frz/Frx ……(4)[0019]       (Zf-Zg) / (Xf-Xg) = Ffz / Ffx       (Zr-Zg) / (Xr-Xg) = Frz / Frx                                           …… (4)

【0020】そして、この式(4)と前記式(3)から
次式(5)が得られる。
Then, from the equation (4) and the equation (3), the following equation (5) is obtained.

【0021】 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、ΔZf=Xf−Xg,ΔZf=Zf−Zg, ΔXr=Xr−Xg,ΔZr=Zr−Zg)[0021]       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)           (However, ΔZf = Xf−Xg, ΔZf = Zf−Zg,                       ΔXr = Xr−Xg, ΔZr = Zr−Zg)

【0022】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のそれぞれの特
定部位3f,3rの位置(これは式(5)ではΔXf,Δ
Zf,ΔXr,ΔZrにより表される)を把握すれば、そ
の加速度a及び特定部位3f,3r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(Ff
x,Ffz)、Fr=T(Frx,Frz)の推定値を得ることがで
きることとなる。
Therefore, the acceleration a = T (ax, az) of the center of gravity G0 of the bipedal walking body 1 is grasped, and at the same time, the specific portions of the legs 2 and 2 with respect to the center of gravity G0 of the bipedal walking body 1 are determined. The positions of 3f and 3r (this is ΔXf, Δ in equation (5))
Zf, ΔXr, ΔZr), the acceleration a and the positions of the specific parts 3f and 3r, the weight M of the bipedal walking body 1 and the gravity acceleration g are used. ,
From the equation (5), the floor reaction force Ff = T (Ff for each leg 2
It is possible to obtain the estimated values of x, Ffz) and Fr = T (Frx, Frz).

【0023】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に対する前記特定部位3f,3r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。
In this case, the weight M required to obtain the estimated values of the floor reaction forces Ff and Fr can be grasped in advance by measurement or the like. The acceleration a of the center of gravity G0, the position of the center of gravity G0, and the positions of the specific portions 3f and 3r with respect to the center of gravity G0 will be described in detail later, but the bending angle (rotation angle) of each joint of the bipedal walking body 1 is described. By using the output of a sensor that detects, or an sensor such as an acceleration sensor or a gyro sensor,
It is possible to sequentially grasp by a known method or the like.

【0024】以下、二足歩行移動体としての人間に本発
明の床反力作用点推定方法を適用した実施形態について
説明する。
An embodiment in which the floor reaction force action point estimating method of the present invention is applied to a human being as a bipedal walking body will be described below.

【0025】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。
As schematically shown in FIG. 2, the human 1 is
The structure is roughly divided into a pair of left and right legs 2, 2, a body 5 including a waist 3 and a chest 4, a head 6, and a pair of left and right arms 7, 7. The waist 5 of the body 5 is connected to each of the legs 2 and 2 via a pair of left and right hip joints 8 and is supported on the legs 2 and 2. Also, the chest 4 of the body 5 is located above the waist 3 and the human body 1 with respect to the waist 3.
It can be tilted to the front side of. And this chest 4
Arms 7, 7 are extended from the left and right sides of the upper part of the upper part, and the head part 6 is supported on the upper end part of the chest part 4.

【0026】各脚体2,2は、股関節8から延在する大
腿部9と、該大腿部9の先端から膝関節10を介して延
在する下腿部11とを有し、下腿部11の先端部に、足
首部(足首関節)12を介して足平部13が連結されて
いる。
Each leg 2, 2 has a thigh portion 9 extending from the hip joint 8 and a lower leg portion 11 extending from the tip of the thigh portion 9 via a knee joint 10, A foot portion 13 is connected to a tip portion of the thigh 11 via an ankle portion (ankle joint) 12.

【0027】本実施形態では、このような構成を有する
人間1の各脚体2に作用する床反力の推定、さらには膝
関節10及び股関節8に作用するモーメントの推定を行
うために、次のような装置を人間1に装備している。
In the present embodiment, in order to estimate the floor reaction force acting on each leg 2 of the human 1 having such a configuration and further the moment acting on the knee joint 10 and the hip joint 8, the following is performed. Human 1 is equipped with such a device.

【0028】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1
6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。
That is, a gyro sensor 14 (hereinafter referred to as a chest gyro sensor 14) which produces an output according to an angular velocity associated with the inclination of the chest 4 is provided on the chest 4 of the body 5, and the chest 4 is accelerated in the longitudinal direction. Acceleration sensor 15 (hereinafter referred to as chest longitudinal acceleration sensor 15)
And an arithmetic processing unit 16 including a CPU, RAM, ROM, etc.
And a battery 17 serving as a power source for the arithmetic processing unit 16 and the like. In this case, the chest gyro sensor 14, the chest longitudinal acceleration sensor 15, the arithmetic processing unit 1
The battery 6 and the battery 17 are housed in, for example, a shoulder bag-shaped accommodating member 18 that is fixed to the chest 4 via a belt (not shown) or the like, and are integrally fixed to the chest 4 via the accommodating member 18.

【0029】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。
The acceleration represented by the output of the chest acceleration sensor 15 is, more specifically, the horizontal cross-sectional direction of the chest 4 (the chest 4
Acceleration in the front-back direction in the direction orthogonal to the axis of
When the human 1 stands upright on a flat ground, the acceleration is in the front-rear horizontal direction (X-axis direction of the absolute coordinate system in FIG. 2), but the waist 3 or chest 4 is in the vertical direction (absolute coordinate system in FIG. 2). In the Z-axis direction), the acceleration is in a direction inclined to the horizontal direction by the inclination angle of the chest 4 with respect to the vertical direction.

【0030】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1
9(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。
The waist portion 3 of the body 5 has a gyro sensor 1 which produces an output corresponding to an angular velocity associated with the inclination of the waist portion 3.
9 (hereinafter, referred to as waist gyro sensor 19) and waist 3
An acceleration sensor 20 (hereinafter, referred to as waist longitudinal acceleration sensor 20) that generates an output according to the longitudinal acceleration of
An acceleration sensor 21 (hereinafter referred to as waist vertical acceleration sensor 21) that generates an output according to the vertical acceleration of the waist 3 is integrally mounted and fixed via a fixing means such as a belt (not shown).

【0031】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2
0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。
Here, more specifically, the waist longitudinal acceleration sensor 20 detects the longitudinal acceleration in the horizontal sectional direction of the waist 3 (the direction orthogonal to the axial center of the waist 3), similarly to the chest longitudinal acceleration sensor 15. It is a sensor. More specifically, the waist vertical acceleration sensor 21 is more specifically a vertical acceleration in the axial direction of the waist 3 (this is the waist longitudinal acceleration sensor 2).
This is a sensor that detects (0 is orthogonal to the acceleration detected). The waist longitudinal acceleration sensor 20 and the waist vertical acceleration sensor 21 may be integrally configured by a biaxial acceleration sensor.

【0032】さらに各脚体2の股関節8と膝関節10と
には、それぞれの屈曲角度Δθc,Δθdに応じた出力を
発生する股関節角度センサ22及び膝関節角度センサ2
3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。
Further, at the hip joint 8 and the knee joint 10 of each leg 2, the hip joint angle sensor 22 and the knee joint angle sensor 2 which generate outputs according to the respective bending angles Δθc and Δθd.
3 is installed. The hip joint angle sensor 22 is shown in FIG. 2 on the near side (to the front of the human 1 on the right side).
Although only the hip joint angle sensor 22 related to the hip joint 8 of the leg body 2 of FIG. 2 is shown, the hip joint angle sensor 22 on the front side is attached to the hip joint 8 of the leg body 2 on the other side (left side when facing the front of the human 1). A hip joint angle sensor 22 is mounted concentrically with.

【0033】これらの角度センサ22,23は、例えば
ポテンショメータにより構成されたものであり、各脚体
2に図示しないバンド部材等の手段を介して装着されて
いる。ここで、各股関節角度センサ22が検出する屈曲
角度Δθcは、より詳しくは、腰部3と各脚体2の大腿
部9との姿勢関係が所定の姿勢関係(例えば人間1の直
立姿勢状態のように腰部3の軸心と大腿部9の軸心とが
ほぼ平行となる姿勢関係)にあるときを基準とした、腰
部3に対する各脚体2の大腿部9の股関節8回り(人間
1の左右方向における股関節8の軸心回り)の回転角度
である。同様に、各膝関節角度センサ23が検出する屈
曲角度Δθdは、各脚体2の大腿部9と下腿部11との
姿勢関係が所定の姿勢関係(例えば大腿部9の軸心と下
腿部11の軸心とがほぼ平行となる姿勢関係)にあると
きを基準とした、大腿部9に対する下腿部11の膝関節
10回り(人間1の左右方向における膝関節10の軸心
回り)の回転角度である。
These angle sensors 22 and 23 are constituted by, for example, potentiometers, and are attached to each leg 2 through means such as band members (not shown). Here, the flexion angle Δθc detected by each hip joint angle sensor 22 is, more specifically, a predetermined posture relationship between the waist 3 and the thigh 9 of each leg 2 (for example, in the upright posture of the human 1). Around the hip joint 8 of the thigh portion 9 of each leg 2 with respect to the waist portion 3 (human being), with reference to the posture in which the axis of the waist 3 and the axis of the thigh 9 are substantially parallel to each other. 1 around the axis of the hip joint 8 in the left-right direction). Similarly, the bending angle Δθd detected by each knee joint angle sensor 23 has a predetermined posture relationship between the thigh 9 and the lower leg 11 of each leg 2 (for example, the axial center of the thigh 9). Around the knee joint 10 of the lower leg 11 with respect to the thigh 9 (the axis of the knee joint 10 in the left-right direction of the human 1) with reference to the time when the posture of the lower leg 11 is substantially parallel to the axial center of the lower leg 11. It is the rotation angle of the circumference.

【0034】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。
The sensors 14, 15, 19 to 23 are used.
Are connected to the arithmetic processing unit 16 via signal lines (not shown) so as to input their outputs to the arithmetic processing unit 16.

【0035】前記演算処理装置16は、図3に示すよう
な機能的手段を備えている。すなわち、演算処理装置1
6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35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24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(具体的には例えば鉛直方
向に対する傾斜角度θa。図2参照)を計測する胸部傾
斜角度計測手段25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(具体的には例え
ば鉛直方向に対する傾斜角度θb。図2参照)を計測す
る腰部傾斜角度計測手段26とを備えている。
The arithmetic processing unit 16 has functional means as shown in FIG. That is, the arithmetic processing device 1
6 uses the detection data of the waist vertical acceleration sensor 21 and the data of the estimated value of the floor reaction force of each leg 2 obtained by the floor reaction force estimation means 35, which will be described later, and the leg 2 of the human 1. Two
The leg motion determination means 24 is provided to determine whether the exercise state is the single-leg support state (the state of FIG. 1A) or the both-leg support state (the state of FIG. 1B). Further, the arithmetic processing unit 16 uses the detection data of the chest longitudinal acceleration sensor 15 and the chest gyro sensor 14 to detect the inclination angle θa of the chest 4 in the absolute coordinate system Cf (specifically, for example, the inclination angle θa with respect to the vertical direction. 2) is used to measure the waist inclination angle measuring means 25, and the detection data of the waist longitudinal acceleration sensor 20 and the waist gyro sensor 19 are used.
The waist inclination angle measuring means 26 for measuring the inclination angle θb in the absolute coordinate system Cf (specifically, for example, the inclination angle θb with respect to the vertical direction; see FIG. 2).

【0036】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)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27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(3軸
の方向が前記絶対座標系Cfと同一の座標系)である。
Further, the arithmetic processing unit 16 uses the detection data of the waist longitudinal acceleration sensor 20 and the waist vertical acceleration sensor 21 and the data of the inclination angle θb of the waist 3 measured by the waist inclination angle measuring means 26. As shown in FIG. 2, the waist 3 is used as a reference point for the human 1 in the present embodiment.
Acceleration (translational acceleration) a 0 = in the absolute coordinate system Cf of the origin O of the body coordinate system Cp (xz coordinates in FIG. 2) set to
A reference acceleration measuring means 27 for calculating T (a 0 x, a 0 z) is provided. Here, more specifically, the body coordinate system Cp is, for example, the midpoint of the line connecting the centers of the left and right hip joints 8 of the human 1 as the origin O, the vertical direction as the z-axis direction, and the human 1
Is a coordinate system in which the horizontal direction toward the front is defined as the x-axis direction (the coordinate system in which the directions of three axes are the same as the absolute coordinate system Cf).

【0037】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26による腰部3の
傾斜角度θbのデータとを用いて、絶対座標系Cfにおけ
る各脚体2の大腿部9及び下腿部11のそれぞれの傾斜
角度θc,θd(具体的には例えば鉛直方向に対する傾斜
角度θc,θd。図2参照)求める脚体姿勢算出手段28
を備えている。
Further, the arithmetic processing unit 16 uses the detection data of the hip joint angle sensor 22 and the knee joint angle sensor 23 of each leg 2 and the data of the inclination angle θb of the waist 3 by the waist inclination angle measuring means 26. Then, the inclination angles θc and θd of the thigh 9 and the lower leg 11 of each leg 2 in the absolute coordinate system Cf (specifically, for example, the inclination angles θc and θd with respect to the vertical direction, see FIG. 2). Body posture calculating means 28
Is equipped with.

【0038】また、演算処理装置16は、前記胸部傾斜
角度計測手段25、腰部傾斜角度計測手段26及び脚体
姿勢算出手段28により得られる胸部4の傾斜角度θ
a、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29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30と、
その人間1の全体の重心G0(図1参照。以下、身体重心
G0という)の位置のデータと前記脚体姿勢算出手段28
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本実施形態におけ
る各脚体2の特定部位としての各脚体2の足首部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、前記身体重心位置算出手段30による身
体重心の位置のデータと前記基準加速度計測手段27に
よる身体座標系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32とを備えている。
Further, the arithmetic processing unit 16 has the inclination angle θ of the chest 4 obtained by the chest inclination angle measuring means 25, the waist inclination angle measuring means 26 and the leg posture calculating means 28.
a, the inclination angle θb of the waist 3, the inclination angle θc of the thigh 9 of each leg 2, and the inclination angle θd of the lower leg 11, using the data of the human 1 corresponding to the rigid link model described later. By using the center-of-gravity position calculating means 29 for each part for obtaining the position of the center of gravity of the rigid body equivalent part (specifically, the position of the center of gravity of each rigid body equivalent part in the body coordinate system Cp) and the data of the position of the center of gravity of each rigid body equivalent part, A body center of gravity position calculating means 30 for obtaining the position of the center of gravity of the entire human 1 in the body coordinate system Cp,
The center of gravity G0 of the entire human 1 (see FIG. 1; hereinafter, the center of gravity of the body)
G0) position data and the leg posture calculation means 28
Using the data of the inclination angles θc and θd of the thigh 9 and the lower leg 11 of each leg 2 according to the above, the ankle portion 12 of each leg 2 as a specific portion of each leg 2 in the present embodiment. Of the body center of gravity G0 with respect to the body center of gravity G0 (specifically, ΔXf, ΔZf, ΔXr, ΔZr in the equation (5)), position data of the body center of gravity by the body center of gravity position calculating means 30, and the reference. Using the data of the acceleration a 0 of the origin O of the body coordinate system Cp by the acceleration measuring means 27, the acceleration a of the center of gravity G 0 of the body in the absolute coordinate system Cf =
And a body center-of-gravity acceleration calculation means 32 for obtaining T (ax, az) (see FIG. 1).

【0039】さらに、演算処理装置16は、前記各部重
心位置算出手段29による人間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27による身体
座標系Cpの原点Oの加速度a 0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33と、前記脚体姿勢算出手段28
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34と、前記脚体姿
勢算出手段28により求められる大腿部9の傾斜角度θ
cや、前記膝関節角度センサ23で計測される膝関節1
0の屈曲角度Δθdのデータを用いて接地している各脚
体2の床反力作用点の位置を推定する床反力作用点推定
手段35とを備えている。
Further, the arithmetic processing unit 16 has
Center of gravity of each rigid body equivalent part of the human 1 by the center position calculation means 29
Position (specifically, the position of the center of gravity of the rigid body equivalent part related to leg 2)
Data and the body measured by the reference acceleration measuring means 27.
Acceleration a at the origin O of the coordinate system Cp 0Absolute using and data of
Thigh 9 and lower leg 11 of each leg 2 in the coordinate system Cf
Legs that calculate the acceleration (translational acceleration) of each center of gravity of
Each part acceleration calculation means 33 and the leg posture calculation means 28
Of the thigh 9 and lower leg 11 of each leg 2
The absolute coordinate system Cf is calculated using the data of the inclination angles θc and θd.
Angular acceleration of thigh 9 and lower leg 11 of each leg 2, 2
For calculating the angular acceleration of each leg of the body, and the leg figure
Inclination angle θ of the thigh 9 calculated by the force calculating means 28
c and the knee joint 1 measured by the knee joint angle sensor 23
Each leg grounded using 0 bending angle Δθd data
Floor reaction force action point estimation for estimating the position of the floor reaction force action point of the body 2
And means 35.

【0040】また、演算処理装置16は、前記身体重心
加速度算出手段32による身体重心の加速度aのデータ
と前記足首位置算出手段31による各脚体2の足首部1
2の身体重心に対する位置のデータと前記脚体運動判断
手段24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36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33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34による各脚体2の大腿部9及び下腿部1
1の角加速度のデータと床反力作用点推定手段35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28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37とを備えてい
る。
In the arithmetic processing unit 16, the data of the acceleration a of the body center of gravity by the body center of gravity acceleration calculating means 32 and the ankle portion 1 of each leg 2 by the ankle position calculating means 31.
Floor reaction force for obtaining an estimated value of the floor reaction force acting on each leg 2 by using the data of the position of the body 2 with respect to the center of gravity of the body and the data of the determination result of the motion state of the leg 2 by the leg motion determination means 24. The estimation means 36, the data of the estimated value of the floor reaction force, and the acceleration calculation means 33 for each leg body calculate the acceleration data of the center of gravity of the thigh 9 and the crus 11 of each leg 2 and calculate the angular acceleration of each leg. Thigh 9 and lower leg 1 of each leg 2 by means 34
1 data of the angular acceleration, the data of the estimated position of the floor reaction force acting point by the floor reaction force acting point estimating means 35, and the thigh 9 and the crus 11 of each leg 2 by the leg posture calculating means 28. Each leg 2 using the data of each inclination angle θc and θd
The joint moment estimating means 37 for estimating the moment acting on each of the knee joint 10 and the hip joint 8 is provided.

【0041】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。
Next, the operation of this embodiment will be described together with the more detailed processing contents of each means of the arithmetic processing unit 16 described above.

【0042】本実施形態では、例えば人間1が歩行等の
脚体2の運動を行うに際して、両脚体2,2を着床させ
た状態で演算処理装置16の図示しない電源スイッチを
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。
In the present embodiment, for example, when a person 1 exercises the leg 2 such as walking, when a power switch (not shown) of the arithmetic processing unit 16 is turned on with both legs 2 and 2 in the floor, The processing by the arithmetic processing unit 16 is sequentially executed every predetermined cycle time as described below,
The estimated value of the floor reaction force acting on each leg 2 is sequentially obtained.

【0043】すなわち、まず、演算処理装置16は、前
記脚体運動判断手段24の処理を実行する。この脚体運
動判断手段24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
脚支持状態が終了すると判断される。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24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を判
断する。
That is, first, the arithmetic processing unit 16 executes the processing of the leg motion judging means 24. In the processing of the leg motion determining means 24, at each cycle time,
The detection data of the upward acceleration of the waist 3 by the waist vertical acceleration sensor 21 is compared with a predetermined threshold value. Then, when the detected value of the acceleration exceeds the threshold value, the two-leg supporting state as shown in FIG. 1B is started, and the single-leg supporting state as shown in FIG. It is determined that the condition ends. That is, human 1
At the time of walking, when the transition from the single-leg support state to the two-leg support state occurs, the leg 2 on the free leg side is landed, so that the waist portion 3 near the hip joint 8 is relatively large in the upward direction. Acceleration (acceleration that cannot occur in a normal single-leg support state) occurs. Therefore, the leg motion determining means 24 compares the detection data of the upward acceleration of the waist 3 by the waist vertical acceleration sensor 21 with a predetermined threshold value as described above, thereby starting the two-leg supporting state and the single leg. Determine the end of supportive state.

【0044】また、脚体運動判断手段24の処理では、
両脚支持状態で床反力推定手段35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(Fr
x,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=√(F
rx2+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すると判断され
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。
In the processing of the leg motion judging means 24,
Of the estimated values of the floor reaction forces Ff and Fr (see FIG. 1 (b)) acting on each of the two legs 2 and 2 which are obtained by the floor reaction force estimation means 35 in the two-leg supported state as described later, Floor reaction force Fr = T (Fr on the leg 2 on the rear side with respect to the traveling direction)
x, Frz) estimated value (specifically, the absolute value of the floor reaction force Fr obtained in the previous cycle time of the arithmetic processing unit 16 = √ (F
rx 2 + Frz 2 )) is a predetermined threshold value (substantially “0”)
Positive value of). Then, when the absolute value of the estimated value of the floor reaction force Fr falls below the threshold value, it is determined that the both-leg supporting state ends and the single-leg supporting state starts. In the present embodiment, the initial state of motion of the leg 2 is the both-leg support state, and the leg is not supported until the estimated value of the floor reaction force related to one of the legs 2 falls below the threshold value. The body movement determination means 24 determines that the movement state of the leg body 2 is the both-leg support state.

【0045】上述のような脚体運動判断手段24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25及び腰部傾斜角度計測手段26による処理を
実行する。この場合、胸部傾斜角度計測手段25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C
f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25
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θ
a,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。
In parallel with the processing of the leg movement determining means 24 as described above, the arithmetic processing unit 16 executes the processing by the chest inclination angle measuring means 25 and the waist inclination angle measuring means 26. In this case, in the processing of the chest inclination angle measuring means 25, a so-called Kalman filter processing is performed based on the longitudinal acceleration of the chest 4 and the detection data of the angular velocity of the chest 4 which are respectively input from the chest longitudinal acceleration sensor 15 and the chest gyro sensor 14. By the known method used, the absolute coordinate system C
The inclination angle θa of the chest 4 at f is sequentially obtained for each cycle time. Similarly, the waist inclination angle measuring means 25
In the processing of 1, the waist 3 in the absolute coordinate system Cf is processed by the Kalman filter from the detection data of the longitudinal acceleration of the waist 3 and the angular velocity of the waist 3 which are respectively input from the waist longitudinal acceleration sensor 20 and the waist gyro sensor 19.
The inclination angle θb of is successively obtained. Here, the inclination angles θ of the chest 4 and the waist 3 in the absolute coordinate system Cf
In the present embodiment, a and θb are, for example, the vertical direction (gravitational direction)
Is the tilt angle with respect to.

【0046】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。
It is also possible to obtain the tilt angles of the chest 4 and the waist 3 by integrating the angular velocity detection data from the gyro sensors 14 and 19, for example, but the Kalman filter processing is used as in the present embodiment. As a result, the inclination angles θa and θb of the chest 4 and the waist 3 can be accurately measured.

【0047】次に、演算処理装置16は、前記脚体姿勢
算出手段28の処理と前記基準加速度計測手段27の処
理とを実行する。
Next, the arithmetic processing unit 16 executes the processing of the leg posture calculating means 28 and the processing of the reference acceleration measuring means 27.

【0048】前記脚体姿勢算出手段28による処理で
は、絶対座標系Cfにおける各脚体2の大腿部9及び下
腿部11の傾斜角度θc,θd(鉛直方向に対する傾斜角
度。図2参照)が前記サイクルタイム毎に次のように求
められる。すなわち、各脚体2の大腿部9の傾斜角度θ
c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(6)に
より算出される。
In the processing by the leg posture calculating means 28, the inclination angles θc and θd of the thigh 9 and the lower leg 11 of each leg 2 in the absolute coordinate system Cf (inclination angles with respect to the vertical direction, see FIG. 2). Is calculated for each cycle time as follows. That is, the inclination angle θ of the thigh 9 of each leg 2
c is the current value of the detection data of the flexion angle Δθc of the hip joint 8 by the hip joint angle sensor 22 attached to the leg 2 and the inclination angle θb of the waist 3 obtained by the waist inclination angle measuring means 25. It is calculated from the current value and the following equation (6).

【0049】θc=θb+Δθc ……(6)Θc = θb + Δθc (6)

【0050】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。
Here, the inclination angle θb of the waist 3 is negative when the waist 3 is inclined with respect to the vertical direction so that the upper end of the waist 3 projects more toward the front side of the human 1 than the lower end. And the flexion angle Δθc of the hip joint 8 is
This is a positive value when the thigh 9 is inclined with respect to the axis of the waist 3 so that the lower end of the thigh 9 projects toward the front side of the human 1.

【0051】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。
Furthermore, the inclination angle θd of the lower leg 11 of each leg 2 is the inclination angle θc of the thigh 9 obtained as described above.
And the current value of the detection data of the flexion angle Δθd of the knee joint 10 by the knee joint angle sensor 23 attached to the leg 2 are calculated by the following equation (7).

【0052】θd=θc−Δθd ……(7)Θd = θc−Δθd (7)

【0053】ここで、膝関節10の屈曲角度Δθd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。
Here, the bending angle Δθd of the knee joint 10 is
This is a positive value when the lower leg 11 is inclined to the back side of the thigh 9 with respect to the axis of the thigh 9.

【0054】また、前記基準加速度計測手段27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a0T(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a0T(a0
x,a0z)が求められる。
In the processing of the reference acceleration measuring means 27, the acceleration a 0 = T (a 0 x, a 0 z) in the absolute coordinate system Cf of the origin O of the body coordinate system Cp is obtained as follows. . That is, when the current value of the detection data of the longitudinal acceleration of the waist 3 by the waist longitudinal acceleration sensor 20 is ap, and the current value of the detection data of the vertical acceleration of the waist 3 by the waist vertical acceleration sensor 21 is aq, Based on the detected data ap and aq and the present value of the inclination angle θb of the waist 3 obtained by the waist inclination angle measuring means 25, the acceleration a 0 = T (a in the absolute coordinate system Cf by the following equation (8). 0
x, a 0 z) is required.

【0055】 a0T(a0x,a0z) =T(ap・cosθb−aq・sinθb,ap・sinθb+aq・cosθb−g) ……(8)A 0 = T (a 0 x, a 0 z) = T (ap · cos θb−aq · sin θb, ap · sin θb + aq · cos θb−g) (8)

【0056】次に、演算処理装置16は、前記各部重心
位置算出手段29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。
Next, the arithmetic processing unit 16 executes the processing of the center-of-gravity position calculating means 29 of each part, and uses the rigid link model described below to calculate the rigid body equivalent parts of the human 1 in the body coordinate system Cp. The position of the center of gravity (position with respect to the origin of the body coordinate system Cp) is obtained.

【0057】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3
8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。
As shown in FIG. 4, the rigid body link model R used in this embodiment corresponds to the human body 1 with the rigid bodies R1 and R1 corresponding to the thighs 9 of the legs 2 and the lower leg 11. Rigid body R2,
R2, a rigid body R3 corresponding to the waist 3, and a portion 38 in which the chest 4, the arms 7, 7 and the head 6 are combined (hereinafter, the upper body 3
It is a model that is expressed by connecting with a rigid body R4 corresponding to (8). In this case, each rigid body R1 and rigid body R3
And the connecting portion between the rigid bodies R1 and R2 correspond to the hip joint 8 and the knee joint 10, respectively. Also, rigid body R3
And the rigid body R4 is a tilt fulcrum 39 of the chest 4 with respect to the waist 3.

【0058】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。
In the present embodiment, the rigid body equivalent portions of the human 1 (the thighs 9 and the lower legs 11, the waist 3 of each leg 2) corresponding to the respective rigid bodies R1 to R4 of the rigid body link model R as described above. ,
The positions of the respective centers of gravity G1, G2, G3, and G4 of the upper body portion 38) at respective rigid body equivalent portions are obtained in advance and stored in a memory (not shown) of the arithmetic processing unit 16.

【0059】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、G
3、G4の位置についても同様である。
Here, the positions of the centers of gravity G1, G2, G3, and G4 of the respective rigid body equivalent portions stored in the arithmetic processing unit 16 are positions in the coordinate system fixed with respect to the respective rigid body equivalent portions. In this case, as the data representing the positions of the centers of gravity G1, G2, G3, and G4 of each rigid body equivalent portion, for example, the distance in the axial direction of the rigid body equivalent portion from the center point of the joint at one end of each rigid body equivalent portion is used. To be Specifically, for example, as shown in FIG. 4, each thigh 9
The position of the center of gravity G1 of the lower thigh 11 is the distance t1 from the center of the hip joint 8 of the thigh 9 in the axial direction of the thigh 9,
The position of G2 is represented as a position of a distance t2 from the center of the knee joint 10 of the lower leg 11 in the axial direction of the lower leg 11, and the values of the distances t1 and t2 are obtained in advance to calculate the processing device. 16 is stored and held. Center of gravity of other rigid body equivalent part, G
The same applies to the positions of 3 and G4.

【0060】尚、上体部38の重心G4の位置は、厳密に
は、該上体部38に含まれる腕体7,7の動きの影響を
受けるが、歩行時における各腕体7,7は、一般に胸部
4の軸心に対して対称的な位置関係になるので、上体部
38の重心G4の位置はさほど変動せず、例えば直立姿勢
状態における上体部38の重心G4の位置とほぼ同一とな
る。
Strictly speaking, the position of the center of gravity G4 of the body 38 is affected by the movement of the arms 7, 7 included in the body 38, but each arm 7, 7 during walking is Generally has a symmetric positional relationship with respect to the axis of the chest 4, the position of the center of gravity G4 of the body 38 does not change so much, and, for example, the position of the center of gravity G4 of the body 38 in the upright posture is It will be almost the same.

【0061】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3
8)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。
Further, in the present embodiment, the portions corresponding to the respective rigid bodies (the thigh portion 9 and the lower leg portion 11 of each leg 2, the waist portion 3, the upper body portion 3).
In addition to the data indicating the positions of the centers of gravity G1, G2, G3, and G4 in 8), the data of the weight of each rigid body equivalent part and the data of the size of each rigid body equivalent part (for example, the data of the length of each rigid body equivalent part) It is obtained in advance and stored and held in the arithmetic processing unit 16.

【0062】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、その相関データに基づいて、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。
The weight of the lower leg portion 11 is the weight including the foot portion 13. Further, as described above, the arithmetic processing unit 16
The data stored and held in advance may be obtained by actual measurement or the like, but may be estimated from the height and weight of the human 1 based on average statistical data of the human. Generally, the position of the center of gravity G1, G2, G3, G4 of each of the rigid body equivalents, weight, and size are correlated with the height and weight of the human, and based on the correlation data, the data of the height and weight of the human From the center of gravity G1, G2, G3, G4
It is possible to estimate the position, weight, and size of the with relative accuracy.

【0063】前記各部重心位置算出手段29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25及び腰部傾斜角度
計測手段26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28により求
められた各脚体2の大腿部9及び下腿部11のそれぞれ
の傾斜角度θc,θdの今回値とから、腰部3に固定され
た原点Oを有する身体座標系Cp(図4のxz座標)で
の各剛体相当部の重心G1、G2、G3、G4の位置を求める。
The center-of-gravity position calculating means 29 for each part stores the data stored in advance in the arithmetic processing device 16 as described above, and the chest 4 obtained by the chest inclination angle measuring means 25 and the waist inclination angle measuring means 26, respectively. The current values of the inclination angle θa (= the inclination angle of the upper body portion 38) and the inclination angle θb of the waist portion 3, and the thigh portion 9 and the lower leg portion 11 of each leg 2 obtained by the leg posture calculating means 28. Based on the current values of the respective inclination angles θc and θd of, the center of gravity G1, G2, G3, G4 of each rigid body equivalent portion in the body coordinate system Cp (xz coordinate in FIG. 4) having the origin O fixed to the waist 3 Find the position of.

【0064】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。
In this case, since the inclination angles θa to θd of the respective rigid body equivalent portions (the thigh 9 and the lower leg 11, the waist 3, the upper body 38 of each leg 2) are obtained as described above. The position and orientation of each rigid body equivalent part in the body coordinate system Cp can be known from the data of the inclination angles θa to θd and the size data of each rigid body equivalent part. Therefore, the positions of the centers of gravity G1, G2, G3, G4 of the respective rigid body equivalent parts in the body coordinate system Cp can be obtained.

【0065】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L
c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。
Specifically, referring to FIG. 4, for example, regarding the leg 2 located on the left side of FIG. 4, the inclination angle of the thigh 9 in the body coordinate system Cp (the inclination angle with respect to the z-axis direction).
Is θc (in this case, θc <0 in FIG. 4), the coordinates of the position of the center of gravity G1 of the thigh 9 in the body coordinate system Cp are (t1 · sin θc, −t1 · cos θc). Also,
Since the inclination angle of the lower leg 11 in the body coordinate system Cp is θd (θd <0 in FIG. 4), the coordinate of the position of the center of gravity G2 of the lower leg 11 in the body coordinate system Cp is the length of the thigh 9 Sa is L
Let c be (Lc ・ sinθc + t2 ・ sinθd, −Lc ・ cosθc
−t2 · cos θd). The center of gravity of the thigh portion 9 and the lower leg portion 11 of the other leg body 2, and the center of gravity of the waist portion 3 and the upper body portion 38 are also obtained in the same manner as above.

【0066】このようにして、各部重心位置算出手段2
9により、身体座標系Cpにおける各剛体相当部の重心G
1、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30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。
In this way, the center of gravity position calculating means 2 for each part
9, the center of gravity G of each rigid body equivalent part in the body coordinate system Cp
After obtaining the positions of 1, G2, G3, and G4, the arithmetic processing unit 16
Is executed by the body center-of-gravity position calculation means 30, and the data of the positions of the centers of gravity G1, G2, G3, and G4 of each rigid body equivalent portion and the data of the weight of each rigid body equivalent portion are used in the body coordinate system Cp. The position (xg, zg) of the body center of gravity G0 of the human 1 is calculated.

【0067】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G
1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(x2
R,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。
Here, the position and weight of the center of gravity G3 of the waist 3 in the body coordinate system Cp are (x3, z3), m3, and the position and weight of the center of gravity G4 of the body 38 are (x4, z4), respectively.
m4, the position and weight of the center of gravity G1 of the thigh 9 of the left leg 2 toward the front of the human 1 (x1L, z1L), m1L,
The position and weight of the center of gravity G2 of the lower leg 11 of the leg 2 are (x2L, z2L), m2L, and the center of gravity G of the thigh 9 of the right leg 2 respectively.
The position and weight of 1 are (x1R, z1R), m1R, and the position and weight of the center of gravity G2 of the lower leg 11 of the leg 2 (x2R)
R, z2R), m2R, weight of human 1 is M (= m1L + m2L + m1R +)
m2R + m3 + m4), human 1 in the body coordinate system Cp
The position (xg, zg) of the body center of gravity G0 of is calculated by the following equation (9).

【0068】 xg=(m1L・x1L+m1R・x1R+m2L・x2L+m2R・x2R +m3・x3+m4・x4)/M zg=(m1L・z1L+m1R・z1R+m2L・z2L+m2R・z2R +m3・z3+m4・z4)/M ……(9)[0068]     xg = (m1L ・ x1L + m1R ・ x1R + m2L ・ x2L + m2R ・ x2R                   + m3 ・ x3 + m4 ・ x4) / M     zg = (m1L ・ z1L + m1R ・ z1R + m2L ・ z2L + m2R ・ z2R                   + m3 ・ z3 + m4 ・ z4) / M …… (9)

【0069】このようにして身体重心位置算出手段30
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32の処理と、前記足首位置
算出手段31の処理とを実行する。
In this way, the body center of gravity position calculating means 30
After executing the processing of 1, the arithmetic processing unit 16 further executes the processing of the body center-of-gravity acceleration calculation means 32 and the ankle position calculation means 31.

【0070】この場合、身体重心加速度算出手段32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30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27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。
In this case, in the processing of the body center-of-gravity acceleration calculating means 32, first, the time series of the position (xg, zg) of the body center of gravity G0 in the body coordinate system Cp obtained by the body center of gravity position calculating means 30 for each cycle time. Using the data,
The second derivative of the position (xg, zg) of the body center of gravity G0 in the body coordinate system Cp, that is, the acceleration T (d 2 xg / dt 2 , d 2 zg / dt of the body center of gravity G 0 with respect to the origin O of the body coordinate system Cp. 2 ) is required. And this acceleration T (d 2 xg / dt 2 , d 2 zg / dt 2 )
And the acceleration a 0 = in the absolute coordinate system Cf of the origin O of the body coordinate system Cp obtained by the reference acceleration measuring means 27.
By obtaining the vector sum with T (a 0 x, a 0 z), the acceleration a = T (ax, az) of the body center of gravity G0 in the absolute coordinate system Cf is obtained.

【0071】また、前記足首位置算出手段31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26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29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の足首部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の中心から足首部
12までの長さ)をLdとすると、身体座標系Cpにおけ
る足首部12の位置の座標(x12,z12)は、(Lc・sin
θc+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。
In the processing of the ankle position calculating means 31, first, the inclination angles θc and θd of the thigh 9 and the lower leg 11 of each leg 2 obtained by the leg posture calculating means 28 are calculated. And the current value of the data of the inclination angle θb of the waist 3 obtained by the waist inclination angle measuring means 26, and the size (length) data of the thigh 9 and the lower leg 11. From the above, the position of the ankle portion 12 of each leg 2 in the body coordinate system Cp is obtained by the same processing as the processing of the center-of-gravity position calculating means 29. Specifically, referring to FIG. 4, regarding the leg 2 located on the left side of FIG. 4, the length of the lower leg portion 11 (the length from the center of the knee joint 10 to the ankle portion 12) is defined as Ld. Then, the coordinates (x12, z12) of the position of the ankle 12 in the body coordinate system Cp are (Lc · sin
θc + Ld · sin θd, −Lc · cos θc−Ld · cos θd) (however, in FIG. 4, θc <0, θd <0). The same applies to the other leg 2.

【0072】そして、この足首部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
30により求められた身体座標系Cpにおける身体重心G
0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Δ
Xf,ΔZf,ΔXr,ΔZrが求められる。
Then, the body coordinate system Cp of the ankle portion 12 is
Position (x12, z12) and the body center of gravity G in the body coordinate system Cp obtained by the body center of gravity position calculating means 30.
From the current value of the data at position 0 (xg, zg), the position vector T (x12 of the ankle 12 of each leg 2 with respect to the body center of gravity G0
−xg, z12−zg), that is, Δ in the above formula (5)
Xf, ΔZf, ΔXr, and ΔZr are obtained.

【0073】次に、演算処理手段16は、前記床反力推
定手段36の処理を次のように実行する。すなわち、こ
の処理では、前記脚体運動判断手段24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32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。
Next, the arithmetic processing means 16 executes the processing of the floor reaction force estimating means 36 as follows. That is, in this processing, when the motion state of the leg 2 judged by the leg motion judging means 24 at the current cycle time is the single-leg support state, the weight M of the human 1 and the gravitational acceleration g.
Value (these are stored in advance in the arithmetic processing unit 16) and the acceleration a of the body center of gravity G0 in the absolute coordinate system Cf obtained by the body center of gravity acceleration calculating means 32.
= From the current value of T (ax, az), according to the equation (2),
Floor reaction force F = T (Fx, Fz) acting on the grounded leg 2
The estimated value of is obtained. In this case, the floor reaction force acting on the leg 2 on the non-grounded side (leg 2 on the free leg side) is T (0,0).
Is.

【0074】また、脚体運動判断手段24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32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(a
x,az)の今回値と、前記足首位置算出手段31により
求められた各脚体2の足首部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,ΔX
r,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。
When the leg body 2 is in the two-leg supporting state as judged by the leg body movement judging means 24 in the current cycle time, the weight M and the gravitational acceleration g of the human 1 and the center of gravity of the body are measured. Acceleration of the body center of gravity G0 in the absolute coordinate system Cf obtained by the acceleration calculating means 32 a = T (a
x, az) and the current value data of the current value of the position of the ankle portion 12 of each leg 2 with respect to the body center of gravity G0 obtained by the ankle position calculating means 31 (ΔXf, ΔZf, ΔX in the equation (5)).
From the current values of r and ΔZr data), the floor reaction force Ff = T (Ffx, Ffz), Fr = for each leg 2 is calculated by the equation (5).
An estimated value of T (Frx, Frz) is obtained.

【0075】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30、身体重心加速度加速度算出
手段32、足首位置算出手段31、及び床反力推定手段
36の処理と並行して、前記脚体各部加速度算出手段3
3、脚体各部角加速度算出手段34、床反力作用点推定
手段35の処理を実行する。
On the other hand, the arithmetic processing unit 16 carries out parallel processing of the body center of gravity position calculating means 30, body center of gravity acceleration acceleration calculating means 32, ankle position calculating means 31, and floor reaction force estimating means 36 as described above. Acceleration calculating means 3 for each part of the leg
3. The processes of the angular acceleration calculating means 34 for each leg and the floor reaction force acting point estimating means 35 are executed.

【0076】この場合、前記脚体各部加速度算出手段3
3の処理では、前記身体重心加速度算出手段32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29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G
1,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27による腰部3の絶
対座標系Cfにおける加速度a0T(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。
In this case, the acceleration calculating means 3 for each part of the leg
In the processing of No. 3, similarly to the processing of the body center-of-gravity acceleration calculation means 32, first, the large body equivalent portion of each leg 2 in the body coordinate system Cp obtained by the respective portion center-of-gravity position calculation means 29 for each cycle time is large. Thigh 9 and Lower Thigh 11
The respective second-order differential values of the positions of the centers of gravity G1 and G2 of the thigh 9 and the lower leg 11 in the body coordinate system Cp using the time series data of the positions of the centers of gravity G1 and G2 of
Center of gravity G of thigh 9 and lower leg 11 in body coordinate system Cp
The respective accelerations of 1 and G2 (acceleration with respect to the origin O of the body coordinate system Cp) are obtained. Then, by obtaining the vector sum of each acceleration and the acceleration a 0 = T (a 0 x, a 0 z) in the absolute coordinate system Cf of the waist 3 by the reference acceleration measuring means 27, the absolute coordinate system Cf The respective accelerations (more specifically, the coordinate components in the absolute coordinate system Cf of the accelerations) of the thigh 9 and the lower leg 11 at are calculated.

【0077】また、前記脚体各部角加速度算出手段34
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28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。
Further, the angular acceleration calculating means 34 for each part of the leg body
In the processing, the time series data of the inclination angles θc and θd of the thigh 9 and the lower leg 11 of each leg 2 obtained by the leg posture calculating means 28 at each cycle time is used to Second-order differential values of the inclination angles θc and θd of the thigh 9 and the lower leg 11, that is, the angular accelerations of the thigh 9 and the lower leg 11 are obtained.

【0078】また、床反力作用点推定手段35の処理で
は、接地している脚体2について、例えば前記脚体姿勢
算出手段28により求められた大腿部9の傾斜角度θc
の今回値から、図5及び図6に示すようにあらかじめ定
められた相関関係に基づいて該脚体2の足首部12か
ら、該脚体2の足平部13の床反力作用点(足平部13
の接地箇所に作用する全床反力が集中するとみなせる
点)へのベクトル(足首部12に対する床反力作用点の
位置ベクトル。以下、床反力作用点ベクトルという)を
該床反力作用点の位置を表すデータとして求める。
Further, in the processing of the floor reaction force action point estimating means 35, the inclination angle θc of the thigh 9 of the leg 2 which is in contact with the ground is calculated by the leg posture calculating means 28, for example.
From this value, the floor reaction force acting point (foot) from the ankle portion 12 of the leg body 2 to the foot portion 13 of the leg body 2 based on a predetermined correlation as shown in FIGS. 5 and 6. Flat part 13
To the point where all floor reaction forces acting on the ground contact point are concentrated (position vector of the floor reaction force action point with respect to the ankle portion 12. Hereinafter, referred to as floor reaction force action point vector) is the floor reaction force action point. Is obtained as data representing the position of.

【0079】すなわち、本願発明者の知見によれば、接
地している脚体2の大腿部9の傾斜角度θcや膝関節1
0の屈曲角度Δθdは、床反力作用点と比較的顕著な相
関性を有し、例えば大腿部9の傾斜角度θcに対して、
前記床反力作用点ベクトル、詳しくは、人間1の進行方
向(X軸方向)における該床反力作用点ベクトルの成分
と、鉛直方向(Z軸方向)における該床反力作用点ベク
トルの成分とは、それぞれ図5、図6に示すように変化
する。ここで、大腿部9の負の傾斜角度θcは、脚体2
が人間1の後側に延びるように大腿部9が腰部3の軸心
に対して傾斜しているとき(例えば図2の人間1の前方
に向かって右側の脚体2)の角度であり、正の傾斜角度
θcは、脚体2が人間1の前側に存するように大腿部9
が腰部3の軸心に対して傾斜しているとき(例えば図2
の人間1の前方に向かって左側の脚体2)の角度であ
る。
That is, according to the knowledge of the inventor of the present application, the inclination angle θc of the thigh 9 of the leg 2 which is in contact with the ground and the knee joint 1
The bending angle Δθd of 0 has a relatively significant correlation with the floor reaction force acting point, and for example, with respect to the inclination angle θc of the thigh 9,
The floor reaction force action point vector, specifically, the component of the floor reaction force action point vector in the traveling direction (X axis direction) of the human 1 and the component of the floor reaction force action point vector in the vertical direction (Z axis direction). And change as shown in FIGS. 5 and 6, respectively. Here, the negative inclination angle θc of the thigh 9 is equal to the leg 2
Is an angle when the thigh portion 9 is inclined with respect to the axis of the waist portion 3 so as to extend to the rear side of the human 1 (for example, the leg 2 on the right side toward the front of the human 1 in FIG. 2). , The positive inclination angle θc is set so that the leg 2 is on the front side of the human 1
Is inclined with respect to the axis of the waist 3 (see, for example, FIG.
This is the angle of the left leg 2) facing the front of the human 1.

【0080】そこで、本実施形態では、図5及び図6の
相関関係を表す、大腿部9の傾斜角度θcをパラメータ
とする近似式を作成して、この近似式を演算処理装置1
6にあらかじめ記憶保持させている。そして、前記床反
力作用点推定手段35の処理では、前記脚体姿勢算出手
段28により求められた大腿部9の傾斜角度θcの今回
値を上記近似式に代入して、前記床反力作用点ベクトル
(詳しくは該床反力作用点ベクトルのX軸方向、Z軸方
向の成分)を求めている。
Therefore, in the present embodiment, an approximate expression having the inclination angle θc of the thigh 9 as a parameter, which represents the correlation between FIGS. 5 and 6, is created, and this approximate expression is calculated by the arithmetic processing unit 1.
6 is stored and held in advance. Then, in the processing of the floor reaction force action point estimating means 35, the current value of the inclination angle θc of the thigh 9 obtained by the leg posture calculating means 28 is substituted into the above-mentioned approximate expression to obtain the floor reaction force. The action point vector (specifically, the components of the floor reaction force action point vector in the X-axis direction and the Z-axis direction) is obtained.

【0081】ここで、図5及び図6のように、大腿部9
の傾斜角度θcが極小値を持つ相関関係では、大腿部9
の傾斜角度θcが同一であっても傾斜角度θcの減少過程
と増加過程とで床反力作用点ベクトルの値が異なる。そ
こで、本実施形態では、上記近似式を作成する際、足平
部13の踵が着床してからつま先が離床するまでの前記
相関関係の推移を、大腿部9の傾斜角度θcが正である
第1の相(図5ではa1の相、図6ではb1の相)と、
大腿部9の傾斜角度θcが負で、且つ、大腿部9の傾斜
角度θcの変化速度、即ち、大腿部9の傾斜角速度が負
である第2の相(図5ではa2の相、図6ではb2の
相)と、大腿部9の傾斜角度θcが負で、且つ、大腿部
9の傾斜角速度が正である第3の相(図5ではa3の
相、図6ではb3の相)とに区分し、床反力作用点ベク
トルのX軸方向成分、Z軸方向成分のそれぞれについ
て、各相を同一または異なる関数で近似するようにし
た。図5の相関関係における第1および第2の相a1,
a2を合わせた相の近似式は、床反力作用点ベクトルの
X軸方向成分をpxとして、例えば、 px=x1・θc6+x2・θc5+x3・θc4+x4・θc3+x5
θc2+x6・θc+x7 という形の6次の多項式関数(x1〜x7は定数値)により
表される。また、図5の相関関係における第3の相a3
の近似式は、例えば px=x8・θc4+x9・θc3+x10・θc2+x11・θc+x12 という形の4次の多項式関数(x8〜x12は定数値)によ
り表される。
Here, as shown in FIGS. 5 and 6, the thigh 9
In the correlation in which the inclination angle θc of has a minimum value, the thigh 9
Even if the inclination angle θc is the same, the value of the floor reaction force action point vector is different in the decreasing process and the increasing process of the inclination angle θc. Therefore, in the present embodiment, when the above approximate expression is created, the inclination angle θc of the thigh 9 is calculated as a positive value from the transition of the correlation from the heel of the foot 13 to the floor of the toe. And a first phase (a1 phase in FIG. 5, b1 phase in FIG. 6)
The second phase (the phase of a2 in FIG. 5) in which the inclination angle θc of the thigh 9 is negative and the change speed of the inclination angle θc of the thigh 9, that is, the inclination angular velocity of the thigh 9 is negative. , The phase of b2 in FIG. 6) and the third phase in which the inclination angle θc of the thigh 9 is negative and the inclination angular velocity of the thigh 9 is positive (phase of a3 in FIG. 5, FIG. 6). b3 phase), and each phase is approximated by the same or different function for each of the X-axis direction component and the Z-axis direction component of the floor reaction force action point vector. The first and second phases a1, in the correlation of FIG.
The approximate expression of the phase combining a2 is, for example, px = x 1 · θc 6 + x 2 · θc 5 + x 3 · θc 4 + x 4 · θc 3 + x, where the X-axis direction component of the floor reaction force action point vector is px 5
It is represented by a sixth-order polynomial function of the form θc 2 + x 6 · θc + x 7 (x 1 to x 7 are constant values). In addition, the third phase a3 in the correlation of FIG.
The approximate expression is represented by, for example, px = x 8 · θc 4 + x 9 · θc 3 + x 10 · θc 2 + x 11 · θc + x in the form of 12 fourth order polynomial functions (x 8 ~x 12 is a constant value) .

【0082】また、図6の相関関係における第1および
第2の相b1,b2を合わせた相の近似式は、床反力作
用点ベクトルのZ軸方向成分をpzとして、例えば pz=z1・θc6+z2・θc5+z3・θc4+z4・θc3+z5
θc2+z6・θc+z7 という形の6次の多項式関数(z1〜z7は定数値)により
表される。また、図6の相関関係における第3の相b3
の近似式は、例えば pz=z8・θc3+z9・θc2+z10・θc+z11 という形の3次の多項式関数(z8〜z11は定数値)によ
り表される。
Further, the approximate expression of the phase obtained by combining the first and second phases b1 and b2 in the correlation of FIG. 6 is, for example, pz = z 1 where pz is the component of the floor reaction force action point vector.・ Θc 6 + z 2・ θc 5 + z 3・ θc 4 + z 4・ θc 3 + z 5
It is represented by a 6th-order polynomial function of the form θc 2 + z 6 · θc + z 7 (z 1 to z 7 are constant values). In addition, the third phase b3 in the correlation of FIG.
The approximate expression of is expressed by, for example, a cubic polynomial function in the form of pz = z 8 · θc 3 + z 9 · θc 2 + z 10 · θc + z 11 (z 8 to z 11 are constant values).

【0083】そして、床反力作用点ベクトルを求める際
は、大腿部9の傾斜角度θcの正負を識別すると共に、
大腿部9の傾斜角度θcの時系列データの一階微分で算
出される大腿部9の傾斜角速度の正負を識別する。さら
に、これらの識別された傾斜角度θcの正負と傾斜角速
度の正負とから現在どの相に存するかを判別して、判別
された相の近似式に大腿部9の傾斜角度θcの今回値を
代入することにより床反力作用点ベクトルを算出する。
これにより、大腿部9の傾斜角度θcの減少過程での床
反力作用点ベクトルの値と増加過程での床反力作用点ベ
クトルの値とを区別して算出することができる。
When obtaining the floor reaction force action point vector, the positive / negative of the inclination angle θc of the thigh 9 is identified, and
The positive or negative of the tilt angular velocity of the thigh 9 calculated by the first derivative of the time series data of the tilt angle θc of the thigh 9 is identified. Furthermore, it is determined which phase the current phase is in from the positive / negative of the identified tilt angle θc and the positive / negative of the tilt angular velocity, and the present value of the tilt angle θc of the thigh 9 is added to the approximate expression of the determined phase. The floor reaction force action point vector is calculated by substituting.
Thereby, the value of the floor reaction force action point vector in the process of decreasing the inclination angle θc of the thigh 9 and the value of the floor reaction force action point vector in the process of increasing can be calculated separately.

【0084】尚、床反力作用点の位置は、接地している
脚体2の膝関節10の屈曲角度との相関性もあり、大腿
部9の傾斜角度θcの代わりに、膝関節角度センサ23
で計測される膝関節10の屈曲角度Δθdから、床反力
作用点の位置を推定するようにしてもよく、あるいは、
大腿部9の傾斜角度θcと膝関節10の屈曲角度Δθdと
の両者を用いて、マップ等により床反力作用点の位置を
推定するようにしてもよい。
The position of the floor reaction force acting point has a correlation with the flexion angle of the knee joint 10 of the leg 2 that is in contact with the ground, and instead of the inclination angle θc of the thigh 9, the knee joint angle is used. Sensor 23
The position of the floor reaction force acting point may be estimated from the bending angle Δθd of the knee joint 10 measured by
The position of the floor reaction force acting point may be estimated by a map or the like using both the inclination angle θc of the thigh 9 and the bending angle Δθd of the knee joint 10.

【0085】また、人間1が椅子に座るときや椅子に座
っている状態から立ち上がるときは、床反力作用点の位
置と膝関節10の屈曲角度Δθdとの間に図7(椅子座
り時),図8(椅子立ち時)に示す相関関係が成立し、
階段を上るときや下るときは、床反力作用点の位置と大
腿部9の傾斜角度θcとの間に図9(階段上り時)、図
10(階段下り時)が成立する。従って、椅子に座った
り立ち上がるときは、膝関節10の屈曲角度Δθdから
図7,図8の相関関係に基づいて床反力作用点の位置を
推定でき、また、階段を上り下りするときは、大腿部9
の傾斜角度θcから図9,図10の相関関係に基づいて
床反力作用点の位置を推定できる。
Further, when the human 1 is sitting on the chair or standing up from the state of sitting on the chair, FIG. 7 (when sitting on the chair) is shown between the position of the floor reaction force acting point and the bending angle Δθd of the knee joint 10. , The correlation shown in FIG. 8 (when standing up) is established,
When going up and down the stairs, FIG. 9 (when climbing the stairs) and FIG. 10 (when descending the stairs) are established between the position of the floor reaction force acting point and the inclination angle θc of the thigh 9. Therefore, when sitting or standing up on a chair, the position of the floor reaction force acting point can be estimated from the bending angle Δθd of the knee joint 10 based on the correlation of FIGS. 7 and 8, and when going up and down the stairs, Thigh 9
The position of the floor reaction force acting point can be estimated based on the correlation of FIGS.

【0086】上記の如く床反力作用点の位置を推定する
と、次に、演算処理装置16は、前記関節モーメント推
定手段37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36、脚体各部加速度算出手段
33、脚体各部角加速度算出手段34、床反力作用点推
定手段35、及び脚体姿勢算出手段28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1
0、股関節8に作用するモーメントが順番に求められ
る。
When the position of the floor reaction force acting point is estimated as described above, the arithmetic processing unit 16 then executes the processing of the joint moment estimating means 37 to make the knee joint 10 and the hip joint 8 of each leg 2. Find the moment that acts on. This processing is obtained by the floor reaction force estimation means 36, the leg portion acceleration calculation means 33, the leg portion angular acceleration calculation means 34, the floor reaction force action point estimation means 35, and the leg posture calculation means 28, respectively. This is done on the basis of the so-called inverse dynamics model, using the current values of the data. This inverse dynamic model is for human 1
Using the equation of motion regarding the translational motion of each rigid body equivalent part and the equation of motion related to the rotational motion, the moments acting on the joints are sequentially obtained from the joints closer to the floor reaction force action point. Knee joint 1 of each leg 2
0, the moment acting on the hip joint 8 is sequentially obtained.

【0087】さらに詳細には、図11を参照して、ま
ず、各脚体2の下腿部11に関し、下腿部11の先端部
の足首部12に作用する力(関節反力)、下腿部11の
膝関節10の部分に作用する力(関節反力)、及び下腿
部11の重心G2の並進加速度を、それぞれ絶対座標系C
fにおける成分表記によって、T(F1x,F1z)、T(F2x,
2z)、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。
More specifically, referring to FIG. 11, first, regarding the lower leg 11 of each leg 2, the force (joint reaction force) acting on the ankle 12 at the tip of the lower leg 11, The force (joint reaction force) acting on the knee joint 10 portion of the thigh 11 and the translational acceleration of the center of gravity G2 of the lower leg 11 are respectively expressed in the absolute coordinate system C.
According to the component notation in f, T (F 1 x, F 1 z), T (F 2 x,
F 2 z) and T (a 2 x, a 2 z), and the weight of the lower leg 11 is m 2 . At this time, the equation of motion regarding the translational movement of the center of gravity G2 of the lower leg 11 is given by the following equation (10).

【0088】 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) T (m 2 · a 2 x, m 2 · a 2 z) = T (F 1 x−F 2 x, F 1 z−F 2 z−m 2 · g) Therefore, T (F 2 x , F 2 z) = T (F 1 x−m 2 · a 2 x, F 1 z−m 2 · a 2 z−m 2 · g) (10)

【0089】ここで、下腿部11の重心G2の加速度T(a2
x,a2z)は、前記脚体各部加速度算出手段33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
部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36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。
Here, the acceleration T (a 2
x, a 2 z) is obtained by the acceleration calculating means 33 for each leg. The joint reaction force T (F 1 x, F 1 z) acting on the ankle 12 at the tip of the lower leg 11 is approximately the same as the floor reaction of the leg 2 having the lower leg 11. It is equal to the estimated value of the floor reaction force obtained by the force estimating means 36.
More specifically, when the leg 2 is in contact with the ground in the single-leg supporting state, the joint reaction force T (F 1 x, F 1 z) is the floor reaction force T (Fx , Fz), and when the leg 2 is the leg on the free leg side, T (F 1 x, F 1 z) = T
It is (0,0). When the leg 2 is a leg on the rear side in the forward direction of the human 1 in the both-leg support state, the joint reaction force T (F 1 x, F 1 z) is expressed by the equation (5). Is the floor reaction force T (Frx, Frz), and when the leg 2 is the front leg, it is the floor reaction force T (Ffx, Ffz) in the equation (5).

【0090】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3
3により求められた下腿部11の重心G2の加速度T(a
2x,a2z)のデータと、床反力推定手段36により求めら
れる床反力(=T(F1x,F1z))のデータと、下腿部1
1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。
Therefore, the joint reaction force T (F 2 x, F 2 z) acting on the knee joint 10 of each leg 2 is calculated by the acceleration calculating means 3 of each leg.
Of the crus 11 determined by the three center of gravity G2 of the acceleration T (a
2 x, a 2 z) data, the floor reaction force (= T (F 1 x, F 1 z)) data obtained by the floor reaction force estimating means 36, and the lower leg 1
From the data of the weight m 2 obtained in advance and the value of the gravitational acceleration g, the value is obtained by the above equation (10).

【0091】また、図11を参照して、下腿部11の先
端部の足首部12に作用するモーメントをM1、下腿部
11の膝関節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。
Referring to FIG. 11, the moment acting on the ankle 12 at the tip of the lower leg 11 is M 1 , the moment acting on the knee joint 10 of the lower leg 11 is M 2 ,
The moment of inertia about the center of gravity G2 of the lower leg 11 is I G2 , and the angular acceleration about the center of gravity G2 of the lower leg 11 is α 2 . Corresponding to FIG. 4, the distance between the center of gravity G2 of the lower leg 11 and the center of the knee joint 10 is t2, and the distance between the center of gravity G2 of the lower leg 11 and the ankle 12 is t2 ′. (= Ld-t2),
The equation of motion regarding the rotational movement of the lower leg 11 around the center of gravity G2 is given by the following equation (11).

【0092】 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・t 2・cosθd−F2z・t2・sinθd ……(11)I G2 · α 2 = M 1 −M 2 + F 1 x · t2 ′ · cos θd−F 1 z · t2 ′ · sin θd + F 2 x · t2 · cos θd−F 2 z · t2 · sin θd Therefore M 2 = M 1 −I G2・ α 2 + F 1 x ・ t2 '・ cos θd−F 1 z ・ t2' ・ sin θd + F 2 x ・ t 2 ・ cos θd−F 2 z ・ t2 ・ sin θd …… (11)

【0093】ここで、式(11)中のM1は、同式(1
1)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35により求められる床反力作用点
ベクトルと、該脚体2について前記床反力推定手段36
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34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28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36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。
Here, M 1 in the equation (11) is the same as the equation (1
1) The floor reaction force action point vector obtained by the floor reaction force action point estimating means 35 for the leg 2 having the lower leg 11 and the floor reaction force estimating means 36 for the leg 2
Is a moment obtained as an outer product (vector product) with the floor reaction force vector obtained by. Also, α 2 is
It is the angular acceleration of the lower leg 11 obtained by the angular acceleration calculation means 34 for each leg. Further, θd is an inclination angle of the lower leg 11 calculated by the leg posture calculating means 28. Further, T (F 1 x, F 1 z) is an estimated value of the floor reaction force obtained by the floor reaction force estimation means 36 as described above. Furthermore, T (F 2 x, F 2 z) is obtained by the above equation (10). In addition, the moment of inertia I G2 is the lower leg 11
It is obtained in advance and stored in the arithmetic processing unit 16 together with the data of the weight m 2 and the size thereof.

【0094】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36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35による床反力作用点ベ
クトルのデータと、脚体各部角加速度算出手段34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28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。
Therefore, the moment acting on the knee joint 10
M 2 is the data of the estimated value of the floor reaction force by the floor reaction force estimation means 36, the data of the floor reaction force action point vector by the floor reaction force action point estimation means 35, and the lower value by the leg acceleration calculation means 34. Data of the angular acceleration α 2 of the thigh 11 and data of the inclination angle θd of the lower leg 11 calculated by the leg posture calculating means 28;
Joint reaction force T (F 2 x, F 2 z) obtained by the above equation (10)
And the data of the moment of inertia I G2 of the lower leg 11, the size (Ld), and the position (t2) of the center of gravity G2, which are obtained in advance, by the above equation (11).

【0095】関節モーメント推定手段37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。
The joint moment estimating means 37 obtains the moment M 2 acting on the knee joint 10 portion of the lower leg 11 as described above, and then performs the same process as the calculation process to calculate the thigh 9 The moment acting on the hip joint 8 is obtained. The basic idea of this processing is the same as the method of obtaining the moment M 2 of the knee joint 10, so detailed illustration and description thereof will be omitted, but the outline thereof is as follows.

【0096】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(1
2)(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。
That is, first, the center of gravity G1 of the thigh 9 (see FIG.
The following equation (1
2) (equation of the same form as the equation (10)), the thigh 9
The joint reaction force T (F 3 x, F 3 z) that acts on the hip joint 8 portion is calculated.

【0097】 T(F3x,F3z)=T(F2x−m1・a1x,F2z−m1・a1z−m1・g) ……(12) T (F 3 x, F 3 z) = T (F 2 x−m 1 · a 1 x, F 2 z−m 1 · a 1 z−m 1 · g) (12)

【0098】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33
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。
Here, T (F 2 x, F 2 z) is the joint reaction force of the knee joint 10 previously obtained by the equation (10). Further, T (a 1 x, a 1 z) is the acceleration calculating means 33 for each part of the leg.
Is the acceleration (translational acceleration) of the center of gravity G1 of the thigh 9 in the absolute coordinate system Cf. Further, m 1 is the weight of the thigh 9 which is obtained in advance, and g is the gravitational acceleration.

【0099】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。
Next, the portion of the hip joint 8 of the thigh 9 is calculated by the following equation (13) (equal to the above equation (11)) based on the equation of motion related to the rotational movement of the thigh 9 around the center of gravity G1. The moment M 3 acting on is calculated.

【0100】 M3=M2−IG1・α1+F2x・t1’・cosθc−F2z・t1’・sinθc +F3x・t1・cosθc−F3z・t1・sinθc ……(13)M 3 = M 2 −I G1 · α 1 + F 2 x · t1 ′ · cos θc−F 2 z · t1 ′ · sin θc + F 3 x · t1 · cos θc−F 3 z · t1 · sin θc (13 )

【0101】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34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28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)、t
1’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。
Here, M2 is the moment of the knee joint 10 obtained by the equation (11), and T (F 2 x, F 2 z) is the joint of the knee joint 10 obtained by the equation (10). Reaction force,
T (F 3 x, F 3 z) is the joint reaction force of the hip joint 8 obtained by the equation (12), and I G1 is the thigh portion 9 obtained in advance.
Of inertia about the center of gravity G1 of the thigh, α 1 is the angular acceleration of the thigh 9 calculated by the angular acceleration calculating means 34 for each leg, and θc is the inclination of the thigh 9 calculated by the leg posture calculating means 28. It is an angle. Also, t1 is the distance from the center of the hip joint 8 to the center of gravity G1 of the thigh 9 (see FIG. 4), t1
1'is the distance from the center of the knee joint 10 to the center of gravity G1 of the thigh 9 (Lc-t1 in FIG. 4), and these are the position of the center of gravity G1 and the size of the thigh 9 (long Sa)).

【0102】以上説明した処理が、前記演算処理装置1
6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。
The processing described above is the same as that of the arithmetic processing unit 1.
It is sequentially executed every 6 cycle times, and the floor reaction force acting on each leg 2 and the moment acting on the knee joint 10 and the hip joint 8 of each leg 2 are sequentially estimated in real time.

【0103】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1
0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。
Although detailed description will be omitted in the present specification, the estimated values of the moments of the knee joint 10 and the hip joint 8 obtained are, for example, a device for assisting the walking of the human 1 (knee joint 1
0 or a device including an electric motor or the like that can apply an auxiliary torque to the hip joint 8).

【0104】前述した演算処理装置16の処理により求
められた床反力の推定値(詳しくは、該床反力の推定値
の絶対値)の経時変化の様子を図12〜図14に実線で
例示する。また、演算処理装置16の処理により求めら
れた膝関節10及び股関節8のモーメントの推定値の経
時変化の様子を図15に実線で例示する。ここで、図1
2及び図15は、人間1が平地をほぼ一定速度で歩行し
た場合の例示、図13は人間1が階段を上った場合の例
示、図14は人間1が椅子に座った状態から立ち上がっ
た場合の例示である。この場合、図12〜図14では、
フォースメータ等を用いて床反力を実測した比較例(床
反力の真値に相当するもの)が仮想線で併記されてい
る。また、図15ではトルクメータ等を用いて膝関節1
0及び股関節8のモーメントを実測した比較例(膝関節
10及び股関節8のモーメントの真値に相当するもの)
が仮想線で併記されている。
12 to 14 show the changes over time in the estimated value of the floor reaction force (specifically, the absolute value of the estimated value of the floor reaction force) obtained by the processing of the arithmetic processing unit 16 described above. To illustrate. A solid line in FIG. 15 illustrates how the estimated values of the moments of the knee joint 10 and the hip joint 8 obtained by the processing of the arithmetic processing unit 16 change with time. Here, FIG.
2 and 15 are examples when the human 1 walks on a flat ground at a substantially constant speed, FIG. 13 is an example when the human 1 climbs stairs, and FIG. 14 is a state in which the human 1 stands up from a state of sitting on a chair. It is an example of the case. In this case, in FIGS.
A comparative example (equivalent to the true value of the floor reaction force) in which the floor reaction force is actually measured using a force meter or the like is also shown by a virtual line. Further, in FIG. 15, a knee joint 1 is used by using a torque meter or the like.
Comparative example in which the moments of 0 and the hip joint 8 were measured (corresponding to the true values of the moments of the knee joint 10 and the hip joint 8)
Are also shown in phantom lines.

【0105】図12〜図14を参照して明らかなよう
に、本実施形態によれば、脚体2の運動形態や運動環境
によらずに精度のよい床反力の推定値が得られているこ
とが判る。また、本実施形態ではこの床反力の推定値お
よび床反力作用点の推定位置を用いることによって、図
15に示されるように、膝関節10や股関節8のモーメ
ントも比較的精度よく推定することができる。
As apparent from FIGS. 12 to 14, according to the present embodiment, an accurate estimated value of the floor reaction force can be obtained regardless of the motion form of the leg 2 and the motion environment. It is understood that there is. Further, in the present embodiment, by using the estimated value of the floor reaction force and the estimated position of the floor reaction force action point, as shown in FIG. 15, the moments of the knee joint 10 and the hip joint 8 are relatively accurately estimated. be able to.

【0106】以上のように、本実施形態によれば、脚体
2に人間1の歩行の邪魔となったり、脚体2の運動に負
担がかかるようなセンサを装着したりすることなく、股
関節8や股関節8に装着した角度センサ22,23や、
胴体5に装備したジャイロセンサ14,19及び加速度
センサ15,20,21というような比較的小型で軽量
なセンサを用いて各脚体2に作用する床反力および床反
力作用点の位置を推定でき、この推定値から各脚体2の
股関節8及び膝関節10に作用するモーメントをリアル
タイムで容易に推定することができる。しかも、その推
定を、平地での歩行、階段での歩行等、脚体2の運動形
態や運動環境によらずに比較的精度よく行うことができ
る。
As described above, according to the present embodiment, the hip joint can be provided without disturbing the walking of the human body 1 on the leg body 2 or mounting a sensor that imposes a burden on the motion of the leg body 2. 8 and the angle sensors 22, 23 attached to the hip joint 8,
The relatively small and lightweight sensors such as the gyro sensors 14 and 19 and the acceleration sensors 15, 20 and 21 mounted on the body 5 are used to determine the floor reaction force acting on each leg 2 and the position of the floor reaction force application point. It can be estimated, and the moment acting on the hip joint 8 and the knee joint 10 of each leg 2 can be easily estimated in real time from this estimated value. Moreover, the estimation can be performed relatively accurately regardless of the movement form or the movement environment of the leg 2 such as walking on a flat ground or walking on stairs.

【0107】尚、以上説明した実施形態では、本発明を
人間1に適用した場合を例にとって説明したが、二足歩
行移動体としての二足歩行ロボットにも本発明を適用す
ることができる。ここで、二足歩行ロボットでは、腰部
と胸部とが一体的な構造となっている場合があるが、こ
の場合には、ジャイロセンサや前後方向の加速度センサ
を腰部及び胸部のいずれか一方だけに取り付けて、床反
力や脚体の関節のモーメントを本実施形態と同様に推定
するようにすることも可能である。また、二足歩行ロボ
ットでは、股関節や膝関節の屈曲角度は、それらの関節
のアクチュエータに対する制御装置の制御量により把握
するようにすることも可能である。
In the above-described embodiments, the case where the present invention is applied to the human 1 has been described as an example, but the present invention can also be applied to a bipedal walking robot as a bipedal walking vehicle. Here, in a bipedal walking robot, the waist and the chest may have an integrated structure, but in this case, a gyro sensor and a longitudinal acceleration sensor are provided on only one of the waist and the chest. It is also possible to attach it and to estimate the floor reaction force and the moment of the joint of the leg like the present embodiment. Further, in the bipedal robot, the bending angles of the hip joint and the knee joint can be grasped by the control amount of the control device for the actuators of those joints.

【0108】また、前記実施形態では、脚体2の運動状
態を判断するために、腰部上下加速度センサ21の検出
データをそのまま用いたが、該検出データの代わりに、
例えば前記基準加速度計測手段27により求められる絶
対座標系Cfでの腰部3の加速度a0の鉛直方向(Z軸方
向)の成分の値を用いるようにしてもよい。
Further, in the above embodiment, the detection data of the waist vertical acceleration sensor 21 is used as it is in order to judge the motion state of the leg 2, but instead of the detection data,
For example, the value of the component in the vertical direction (Z-axis direction) of the acceleration a 0 of the waist 3 in the absolute coordinate system Cf obtained by the reference acceleration measuring means 27 may be used.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】床反力推定方法の基本的原理を説明するための
図。
FIG. 1 is a diagram for explaining the basic principle of a floor reaction force estimation method.

【図2】本発明の一実施形態における二足歩行移動体と
しての人間と該人間に装備する装置構成を模式化して示
す図。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a human being as a bipedal walking body and a device configuration equipped to the human being according to an embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 3 is a block diagram for explaining a function of an arithmetic processing unit included in the device of FIG.

【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。
FIG. 4 is a diagram showing a rigid link model used in the processing of the arithmetic processing unit shown in FIG. 3;

【図5】通常歩行時における床反力作用点ベクトルの進
行方向成分と大腿部の傾斜角度との相関関係を示す線
図。
FIG. 5 is a diagram showing a correlation between a traveling direction component of a floor reaction force action point vector and a tilt angle of a thigh during normal walking.

【図6】通常歩行時における床反力作用点ベクトルの鉛
直方向成分と大腿部の傾斜角度との相関関係を示す線
図。
FIG. 6 is a diagram showing a correlation between a vertical component of a floor reaction force action point vector and a thigh inclination angle during normal walking.

【図7】椅子座り時における床反力作用点ベクトルの進
行方向成分と膝関節の屈曲角度との相関関係を示す線
図。
FIG. 7 is a diagram showing a correlation between a traveling direction component of a floor reaction force action point vector and a flexion angle of a knee joint when sitting on a chair.

【図8】椅子立ち上がり時における床反力作用点ベクト
ルの進行方向成分と膝関節の屈曲角度との相関関係を示
す線図。
FIG. 8 is a diagram showing the correlation between the advancing direction component of the floor reaction force action point vector and the flexion angle of the knee joint when the chair stands up.

【図9】階段上り時における床反力作用点ベクトルの進
行方向成分と大腿部の傾斜角度との相関関係を示す線
図。
FIG. 9 is a diagram showing a correlation between a traveling direction component of a floor reaction force action point vector and a thigh inclination angle when climbing stairs.

【図10】階段下り時における床反力作用点ベクトルの
進行方向成分と大腿部の傾斜角度との相関関係を示す線
図。
FIG. 10 is a diagram showing a correlation between a traveling direction component of a floor reaction force action point vector and a thigh inclination angle when descending stairs.

【図11】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。
FIG. 11 is a diagram for explaining the process in the joint moment estimating means of the arithmetic processing device in FIG.

【図12】本発明の実施形態により求められた通常歩行
時の床反力の推定値の経時変化の様子を例示するグラ
フ。
FIG. 12 is a graph exemplifying how the estimated value of the floor reaction force during normal walking obtained by the embodiment of the present invention changes with time.

【図13】本発明の実施形態により求められた階段上り
時の床反力の推定値の経時変化の様子を例示するグラ
フ。
FIG. 13 is a graph exemplifying how the estimated value of the floor reaction force when climbing the stairs, which is obtained according to the embodiment of the present invention, changes with time.

【図14】本発明の実施形態により求められた椅子立ち
上がり時の床反力の推定値の経時変化の様子を例示する
グラフ。
FIG. 14 is a graph exemplifying how the estimated value of the floor reaction force when the chair stands up changes with time, which is obtained according to the embodiment of the present invention.

【図15】本発明の実施形態により求められた膝関節及
び股関節のモーメントの推定値の経時変化の様子を例示
するグラフ。
FIG. 15 is a graph exemplifying how the estimated values of the moments of the knee joint and the hip joint obtained by the embodiment of the present invention change with time.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…人間(二足歩行移動体)、2…脚体、8…股関節、
10…膝関節、12…足首部(特定部位)、13…足平
部、22…股関節角度センサ、23…膝関節角度セン
サ。
1 ... Human (bipedal walking body), 2 ... Leg, 8 ... Hip joint,
10 ... Knee joint, 12 ... Ankle part (specific site), 13 ... Foot part, 22 ... Hip joint angle sensor, 23 ... Knee joint angle sensor.

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Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】二足歩行移動体の各脚体に対する床反力作
用点の位置を逐次推定する方法であって、 各脚体の大腿部の傾斜角度と膝関節の屈曲角度との少な
くとも一方を計測対象角度として、二足歩行移動体の運
動中にこの計測対象角度を逐次計測し、 各脚体の足首部に対する床反力作用点の位置ベクトルと
計測対象角度との間に成立する所定の相関関係に基づ
き、計測対象角度の計測値から前記位置ベクトルを逐次
推定する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。
1. A method for successively estimating the position of a floor reaction force acting point on each leg of a bipedal walking body, comprising at least the inclination angle of the thigh of each leg and the bending angle of the knee joint. One of them is set as the measurement target angle, and the measurement target angle is sequentially measured during the movement of the bipedal walking body, and is established between the position vector of the floor reaction force acting point on the ankle of each leg and the measurement target angle. A floor reaction force action point estimation method for a bipedal walking body, characterized in that the position vector is sequentially estimated from a measured value of a measurement target angle based on a predetermined correlation.
【請求項2】前記相関関係を表す、前記計測対象角度を
パラメータとする近似式を作成して記憶させておき、こ
の近似式に計測対象角度の計測値を代入して前記位置ベ
クトルを算出すると共に、 近似式の作成に際し、前記各脚体の足平部の踵が着床し
てからつま先が離床するまでの前記相関関係の推移を幾
つかの相に区分し、それぞれの相を同一または異なる関
数で近似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。
2. An approximate expression that represents the correlation and that has the measurement target angle as a parameter is created and stored, and the position vector is calculated by substituting the measured value of the measurement target angle into the approximation expression. At the same time, when creating the approximate expression, the transition of the correlation from the heel of the foot of each leg to the time when the toes leave the floor is divided into several phases, and each phase is the same or The method for estimating a floor reaction force action point of a bipedal walking body according to claim 1, wherein the method is approximated by different functions.
【請求項3】前記各脚体の足平部の踵が着床してからつ
ま先が離床するまでの前記相関関係の推移を幾つかの相
に区分するに当たり、少なくとも前記計測対象角度の変
化速度の正負に応じて相を分けることを特徴とする請求
項2記載の二足歩行移動体の床反力作用点推定方法。
3. A rate of change of at least the angle to be measured in dividing the transition of the correlation into several phases from the time when the heel of the foot of each leg is landed to the time when the toe is removed from the floor. The floor reaction force action point estimating method for a bipedal walking body according to claim 2, wherein the phases are divided according to the positive or negative of.
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Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7119510B2 (en) 2003-04-17 2006-10-10 Honda Motor Co., Ltd. Method of assuming acting point of floor reaction force to biped walking mobile body and method of assuming joint moment of biped walking mobile body
JP2008535638A (en) * 2005-04-12 2008-09-04 本田技研工業株式会社 Active control of ankle foot orthosis
US7643903B2 (en) 2003-04-17 2010-01-05 Honda Motor Co., Ltd. Method of assuming acting point of floor reaction force to biped walking mobile body and method of assuming joint moment of biped walking mobile body
JP2012165821A (en) * 2011-02-10 2012-09-06 Suncall Engineering Kk Walking assisting apparatus
WO2013046840A1 (en) * 2011-09-26 2013-04-04 ソニー株式会社 Movement assisting device and movement assisting method, computer program, and program storage medium
JP2013111368A (en) * 2011-11-30 2013-06-10 Dainippon Printing Co Ltd Measurement device, motion-assist robot, measurement method, and program for measurement device
CN103153234A (en) * 2010-10-06 2013-06-12 艾克索仿生技术公司 Human machine interfaces for lower extremity orthotics
WO2013188868A1 (en) * 2012-06-15 2013-12-19 Vanderbilt University Movement assistance device
JP2018075301A (en) * 2016-11-11 2018-05-17 トヨタ自動車株式会社 Walking training system
WO2019082802A1 (en) * 2017-10-23 2019-05-02 サンコール株式会社 Walking motion assist device
JP2020028923A (en) * 2018-08-20 2020-02-27 ファナック株式会社 Control device for articulated robot
WO2020217690A1 (en) * 2019-04-23 2020-10-29 サンコール株式会社 Walking motion assist device

Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7643903B2 (en) 2003-04-17 2010-01-05 Honda Motor Co., Ltd. Method of assuming acting point of floor reaction force to biped walking mobile body and method of assuming joint moment of biped walking mobile body
US7119510B2 (en) 2003-04-17 2006-10-10 Honda Motor Co., Ltd. Method of assuming acting point of floor reaction force to biped walking mobile body and method of assuming joint moment of biped walking mobile body
JP2008535638A (en) * 2005-04-12 2008-09-04 本田技研工業株式会社 Active control of ankle foot orthosis
CN103153234A (en) * 2010-10-06 2013-06-12 艾克索仿生技术公司 Human machine interfaces for lower extremity orthotics
US11096854B2 (en) 2010-10-06 2021-08-24 Ekso Bionics, Inc. Human machine interfaces for lower extremity orthotics
CN103153234B (en) * 2010-10-06 2016-09-14 艾克索仿生技术公司 Man-machine interface for lower limb orthosis
JP2012165821A (en) * 2011-02-10 2012-09-06 Suncall Engineering Kk Walking assisting apparatus
JP2013066669A (en) * 2011-09-26 2013-04-18 Sony Corp Movement assisting device and movement assisting method, computer program, and program storage medium
WO2013046840A1 (en) * 2011-09-26 2013-04-04 ソニー株式会社 Movement assisting device and movement assisting method, computer program, and program storage medium
EP2762123A4 (en) * 2011-09-26 2015-08-19 Sony Corp MOTION ASSISTING DEVICE AND MOTION ASSISTING METHOD, COMPUTER PROGRAM, AND PROGRAM STORAGE MEDIUM
US9980842B2 (en) 2011-09-26 2018-05-29 Sony Corporation Motion assist device and motion assist method, computer program, and program recording medium
JP2013111368A (en) * 2011-11-30 2013-06-10 Dainippon Printing Co Ltd Measurement device, motion-assist robot, measurement method, and program for measurement device
US9566705B2 (en) 2012-06-15 2017-02-14 Vanderbilt University Movement assistance device
WO2013188868A1 (en) * 2012-06-15 2013-12-19 Vanderbilt University Movement assistance device
JP2018075301A (en) * 2016-11-11 2018-05-17 トヨタ自動車株式会社 Walking training system
WO2019082802A1 (en) * 2017-10-23 2019-05-02 サンコール株式会社 Walking motion assist device
JP2019076294A (en) * 2017-10-23 2019-05-23 サンコール株式会社 Walking assist device
US11504292B2 (en) 2017-10-23 2022-11-22 Suncall Corporation Gait motion assisting device
JP2020028923A (en) * 2018-08-20 2020-02-27 ファナック株式会社 Control device for articulated robot
JP7148321B2 (en) 2018-08-20 2022-10-05 ファナック株式会社 Control device for articulated robot
WO2020217690A1 (en) * 2019-04-23 2020-10-29 サンコール株式会社 Walking motion assist device

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