專利名稱：雙腳行走移動(dòng)體所受地面反向力及關(guān)節(jié)力矩的推定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)作用到人或雙腳行走機(jī)器人等的雙腳行走移動(dòng)體的腿部上的地面反向力進(jìn)行推定的方法。并且，還涉及一種使用其地面反向力的推定值，對(duì)作用到雙腳行走移動(dòng)體的腿部的關(guān)節(jié)上的力矩進(jìn)行推定的方法。
背景技術(shù)：
例如，在對(duì)輔助人行走動(dòng)作的行走輔助裝置的動(dòng)作，或者雙腳行走機(jī)器人的移動(dòng)動(dòng)作進(jìn)行控制的情況下，必須依次把握作用到人或雙腳行走機(jī)器人的腿部上的反向力(具體是指從地面作用到腿部的著地部分上的力)。通過把握該地面反向力，可以對(duì)作用到雙腳行走移動(dòng)體的腿部的關(guān)節(jié)上的力矩等進(jìn)行把握，這樣依據(jù)所把握的力矩等，可以對(duì)行走輔助裝置的目標(biāo)輔助力、或者雙腳行走機(jī)器人的各關(guān)節(jié)的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行決定。
眾所周知，作為把握所述地面反向力的手法，例如已公開在特開2000-249570號(hào)公報(bào)上。在該技術(shù)中，根據(jù)雙腳行走移動(dòng)體于持續(xù)行走時(shí)，各腿部的地面反向力隨時(shí)間變化的波形發(fā)生周期性的變化，而將各腿部的地面反向力作為、包含有行走周期的1/n(n＝1、2、…)的相互不同周期的多個(gè)三角函數(shù)的合成值(一次結(jié)合)進(jìn)行把握。這種場(chǎng)合，合成多個(gè)三角函數(shù)時(shí)的各三角函數(shù)的加權(quán)系數(shù)，使用了每種雙腳行走移動(dòng)體預(yù)先設(shè)定的規(guī)定值、或者對(duì)應(yīng)于地形而對(duì)其規(guī)定值進(jìn)行調(diào)整的值。
然而，在該技術(shù)中，由于是關(guān)于雙腳行走移動(dòng)體的一步份或多步份，來把握腿部的地面反向力，因此，類似于在雙腳行走移動(dòng)體的步態(tài)依次發(fā)生變化的場(chǎng)合下，將很難高精度地把握地面反向力。另外，為了提高所把握的地面反向力的精度，必須對(duì)各雙腳行走移動(dòng)體設(shè)定所述三角函數(shù)的加權(quán)系數(shù)，還要對(duì)應(yīng)于地形等進(jìn)行調(diào)整，因此，也就很難減少雙腳行走移動(dòng)體的移動(dòng)環(huán)境或雙腳行走移動(dòng)體的個(gè)體差所帶來的影響，以至難以高精度地把握地面反向力。
另外，眾所周知，例如，在雙腳行走機(jī)器人的場(chǎng)合下，將6軸力傳感器等的力傳感器安裝在各腿部的踝部或腳底部上，通過該力傳感器的輸出來把握地面反向力。進(jìn)而，使雙腳行走移動(dòng)體行走在設(shè)置于地面上的地面反向力計(jì)上，通過該地面反向力計(jì)的輸出來把握地面反向力。
然而，在使用力傳感器的技術(shù)中，特別是在想要把握人的腿部的地面反向力的場(chǎng)合時(shí)，由于必須將力傳感器安裝在人的踝部或腳底部上，因此，在通常的生活環(huán)境下，也就產(chǎn)生了該力傳感器妨礙行走的問題。另外，對(duì)于使用地面反向力計(jì)的雙腳行走機(jī)器人，只能是在設(shè)置有該地面反向力計(jì)的環(huán)境下才能把握地面反向力。
本發(fā)明鑒于上述的問題，目的在于提供一種地面反向力推定方法，該地面反向力推定方法是使用比較簡單的手法，就可以高精度即時(shí)地把握地面反向力，特別適合用于把握與作為雙腳行走移動(dòng)體的人所相關(guān)連的地面反向力。
此外，本發(fā)明的另一目的在于提供一種雙腳行走移動(dòng)體的關(guān)節(jié)力矩推定方法，該雙腳行走移動(dòng)體的關(guān)節(jié)力矩推定方法是使用其地面反向力的推定值，可以高精度即時(shí)地對(duì)作用到腿部的膝關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)上的力矩進(jìn)行把握。

發(fā)明內(nèi)容
首先，關(guān)于本發(fā)明的雙腳行走移動(dòng)體的地面反向力推定方法的基本思路進(jìn)行說明。
雙腳行走移動(dòng)體的腿部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(在行走動(dòng)作時(shí)的腿部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài))具有如圖1(a)所示，在雙腳行走移動(dòng)體1的兩腿部2、2中只有一條腿部2(圖中前進(jìn)方向上的前側(cè)的腿部)接觸地面的單腿支承狀態(tài)，以及如圖1(b)所示，兩條腿部2、2均接觸地面的兩腿支承狀態(tài)。
在此，將從地面A作用到兩腿部2、2上的總地面反向力設(shè)為F，當(dāng)在圖1(a)所示的單腿支承狀態(tài)下，該總地面反向力F等于作用到著地中的腿部2上的地面反向力，另外，當(dāng)在圖2(a)所示的兩腿支承狀態(tài)下，該總地面反向力F等于分別作用到著地中的腿部2、2上的地面反向力Ff、Fr的合力。另外，將相對(duì)于地面而固定的絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的雙腳行走移動(dòng)體1的重心G0的加速度a于X軸方向(雙腳行走移動(dòng)體2的前進(jìn)方向中的水平方向)、Z軸方向(豎直方向)的成份分別設(shè)定為ax、az，將作用到雙腳行走移動(dòng)體1上的總地面反向力F于X軸方向、Z軸方向的成份分別設(shè)定為Fx、Fz，則重心G0的運(yùn)動(dòng)方程式(具體是指關(guān)于重心的平移運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式)由下式(1)表示。
T(Fx，F(xiàn)z-M·g)＝M·T(ax，az) ……(1)(其中，M雙腳行走移動(dòng)體的質(zhì)量，g重力加速度)另外，式(1)中兩邊的括號(hào)部分T(，)表示2成份的向量。在本說明書中，T(，)形式的記號(hào)表示向量。
即，重心G0的運(yùn)動(dòng)方程式是指該重心G0的加速度a與雙腳行走移動(dòng)體1的質(zhì)量M之間的積等于作用到該重心G0上的重力(＝M·g)與所述總地面反向力F的合力的關(guān)系式。
因此，如果把握了雙腳行走移動(dòng)體1的重心G0的加速度a＝T(ax，az)，然后使用其加速度a、雙腳行走移動(dòng)體1的質(zhì)量M的值、以及重力加速度g的值，并根據(jù)下式(2)，則可以得到總地面反向力F＝T(Fx，F(xiàn)z)的推定值。
T(Fx，F(xiàn)z)＝M·T(ax，az+g) ……(2)而且，在圖1(a)所示的單腿支承狀態(tài)下，由于作用到著地中的單腿部2上的地面反向力等于上述總地面反向力F，因此，根據(jù)式(2)，還可以得到作用到其單腿部2上的地面反向力F的推定值。
這種場(chǎng)合，為了得到地面反向力F的推定值，所必要的質(zhì)量M可以通過預(yù)先計(jì)測(cè)等手段來把握。另外，關(guān)于重心G0的位置或加速度a，雖將在后邊闡述，但是也可以使用對(duì)雙腳行走移動(dòng)體1的各關(guān)節(jié)的彎曲角度(轉(zhuǎn)動(dòng)角度)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器、或者加速度傳感器、回轉(zhuǎn)傳感器等傳感器的輸出，并通過周知的手法等，進(jìn)行依次把握。
另一方面，在圖1(b)所示的兩腿支承狀態(tài)下，將作用到朝向雙腳行走移動(dòng)體1前進(jìn)方向時(shí)的處于后側(cè)的腿部2上的地面反向力設(shè)定為Fr＝T(Frx，F(xiàn)rz)，將作用到前側(cè)的腿部2上的地面反向力設(shè)定為Ff＝T(Ffx，F(xiàn)fz)。此時(shí)，詳細(xì)將在后邊闡述，據(jù)本案發(fā)明者等人之所見，特別是，作用到后側(cè)的腿部2上的地面反向力Fr的各成份Frx、Frz，分別相對(duì)于從兩腿支承狀態(tài)的開始所經(jīng)過的時(shí)間及雙腳行走移動(dòng)體1的移動(dòng)速度，呈現(xiàn)出具有顯著關(guān)連性的特殊變化的特性。因此，如果基于各種實(shí)驗(yàn)或模擬等，對(duì)表示這種特性的數(shù)據(jù)(圖表或數(shù)據(jù)表、近似函數(shù)式等)預(yù)先進(jìn)行設(shè)定，然后基于其特性數(shù)據(jù)，可以對(duì)作用到后側(cè)的腿部2上的地面反向力Fr進(jìn)行推定。而且，由于作用到后側(cè)的腿部2上的地面反向力Fr與作用到前側(cè)的腿部2上的地面反向力Ff的合力，是通過所述式(2)可以得到的總地面反向力F，因此，如下式(3)所示，通過從該總地面反向力F的推定值中減去(向量的減法運(yùn)算)基于上述的特性數(shù)據(jù)而求得的作用到后側(cè)的腿部2上的地面反向力Fr的推定值，可以得到作用到前側(cè)的腿部2上的地面反向力Ff的推定值。
Ff＝F-Fr＝T(Fx-Frx，F(xiàn)z-Frz) ……(3)因此，在兩腿支承狀態(tài)下，如果把握雙腳行走移動(dòng)體1的移動(dòng)速度或從兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的經(jīng)過時(shí)間，并使用這些計(jì)測(cè)值或所述總地面反向力F的推定值，可以求得兩腿部2的地面反向力Ff、Fr的推定值。這種場(chǎng)合，關(guān)于雙腳行走移動(dòng)體1的移動(dòng)速度，其詳細(xì)將在后邊闡述，使用例如各腿部2的大腿部或小腿部的傾斜角度的計(jì)測(cè)數(shù)據(jù)等，可以予以把握。
在上述說明的基礎(chǔ)上，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行如下說明。本發(fā)明的雙腳行走移動(dòng)體的地面反向力推定方法，也即是，對(duì)作用到雙腳行走移動(dòng)體的各腿部上的地面反向力進(jìn)行推定的方法，為達(dá)到上述的目的，其特征在于，具有第1步驟，該第1步驟為對(duì)所述雙腳行走移動(dòng)體的腿部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是處于只有其中一條腿部著地的單腿支承狀態(tài)，還是兩條腿部著地的兩腿支承狀態(tài)進(jìn)行判斷；第2步驟，該第2步驟為在對(duì)所述雙腳行走移動(dòng)體的重心的位置進(jìn)行依次求解中，還使用該重心的位置的時(shí)序數(shù)據(jù)，對(duì)相對(duì)于地面而固定的絕對(duì)坐標(biāo)系上的該重心的加速度進(jìn)行依次求解；第3步驟，該第3步驟為基于由所述雙腳行走移動(dòng)體的質(zhì)量、重力加速度、所述重心的加速度、以及作為作用到各腿部上的地面反向力的合力的總地面反向力所表示的該重心的運(yùn)動(dòng)方程式，對(duì)該總地面反向力的推定值進(jìn)行依次求解；第4步驟，該第4步驟為在每次所述兩腿支承狀態(tài)開始之時(shí)，對(duì)從其開始時(shí)到該兩腿部支承狀態(tài)的結(jié)束時(shí)為止的經(jīng)過時(shí)間進(jìn)行依次計(jì)測(cè)；以及第5步驟，該第5步驟為至少在各次兩腿支承狀態(tài)的開始之前，對(duì)雙腳行走移動(dòng)體的移動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)測(cè)。而且，本發(fā)明的地面反向力推定方法為當(dāng)所述雙腳行走移動(dòng)體處于單腿支承狀態(tài)時(shí)，將所述總地面反向力的推定值作為作用到著地中的單條腿部上的地面反向力的推定值而進(jìn)行依次求解；另外，當(dāng)所述雙腳行走移動(dòng)體處于兩腿支承狀態(tài)時(shí)，基于反映作用到兩腿部當(dāng)中的朝向該雙腳行走移動(dòng)體的前進(jìn)方向而處于后側(cè)的一條腿部上的地面反向力的、相對(duì)于所述兩腿支承狀態(tài)的經(jīng)過時(shí)間及雙腳行走移動(dòng)體的移動(dòng)速度而變化的特性且于預(yù)先設(shè)定的特性數(shù)據(jù)，而對(duì)作用到該一條腿部上的地面反向力的推定值進(jìn)行依次求解，并且通過從所述總地面反向力的推定值中減去所求得的該一條腿部的地面反向力的推定值，而對(duì)作用到另一條腿部上的地面反向力的推定值進(jìn)行依次求解。
根據(jù)本發(fā)明，在所述第3步驟中，根據(jù)雙腳行走移動(dòng)體的質(zhì)量、重力加速度及重心的加速度的值，并基于雙腳行走移動(dòng)體的重心的前面所述的運(yùn)動(dòng)方程式(參照式(1))，可以求解所述總地面反向力的推定值(參照式(2))。而且，在所述第1步驟中，對(duì)雙腳行走移動(dòng)體的腿部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是處于單腿支承狀態(tài)還是處于雙腿支承狀態(tài)進(jìn)行判斷，然后通過對(duì)應(yīng)于各自支承狀態(tài)的手法，可以求解所述地面反向力的推定值。即，當(dāng)雙腳行走移動(dòng)體處于單腿支承狀態(tài)下，所述總地面反向力的推定值則不加處理的作為作用到著地中的一條腿部上的地面反向力而被求得。另外，作用到未著地的腿部(游離一側(cè)的腿部)上的地面反向力為0。
另外，當(dāng)雙腳行走移動(dòng)體處于兩腿支承狀態(tài)下，首先，通過使用從該兩腿部支承狀態(tài)開始時(shí)起算的經(jīng)過時(shí)間的計(jì)測(cè)數(shù)據(jù)和雙腳行走移動(dòng)體的移動(dòng)速度的計(jì)測(cè)數(shù)據(jù)，并基于所述特性數(shù)，來求解作用到兩腿部當(dāng)中的朝向該雙腳行走移動(dòng)體的前進(jìn)方向而處于后側(cè)的一條腿部上的地面反向力的推定值。而且，通過從所述第3步驟中所求得的所述總地面反向力的推定值中減去(進(jìn)行向量的減法運(yùn)算)上述的一條腿部的地面反向力的推定值，可以求得作用到另一條腿部上的地面反向力的推定值(參照式(3))。
在此，在本發(fā)明中的單腿支承狀態(tài)及兩腿支承狀態(tài)中的任何狀態(tài)下，都使用了所述總地面反向力的推定值，來求解作用到各腿部上的地面反向力。而且，為了求得總地面反向力的推定值，所必要的雙腳行走移動(dòng)體的質(zhì)量，可以通過預(yù)先計(jì)測(cè)等手段來把握。另外，關(guān)于雙腳行走移動(dòng)體的重心的位置或加速度，可以使用對(duì)雙腳行走移動(dòng)體的各關(guān)節(jié)的彎曲角度(轉(zhuǎn)動(dòng)角度)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器(電位計(jì)等)、或者加速度傳感器、回轉(zhuǎn)傳感器等的、比較小型且又較容易裝備到雙腳行走移動(dòng)體上的傳感器的輸出，即時(shí)地進(jìn)行把握。
因此，根據(jù)本發(fā)明的地面反向力推定方法，不是將力傳感器安裝到雙腳行走移動(dòng)體的踝部或腳底部上，也不使用地面反向力計(jì)，而是通過比較簡單的手法，就可以即時(shí)地把握地面反向力。
在本發(fā)明的地面反向力推定方法中，所述特性數(shù)據(jù)是反映，例如在所述兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)所述一條腿部的地面反向力與所述總地面反向力間的比例、與所述經(jīng)過時(shí)間與從該兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)到結(jié)束時(shí)的持續(xù)時(shí)間間的比例之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)，最好是基于所述雙腳行走移動(dòng)體的移動(dòng)速度與所述兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間之間的預(yù)先設(shè)定的相關(guān)關(guān)系，并根據(jù)該移動(dòng)速度的計(jì)測(cè)值，對(duì)該兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行推定；根據(jù)其兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間的推定值、所述經(jīng)過時(shí)間的計(jì)測(cè)值、在該兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的所述總地面反向力的推定值、以及所述特性數(shù)據(jù)，對(duì)作用到所述一條腿部上的地面反向力的推定值進(jìn)行依次求解。
即，據(jù)本案發(fā)明者等人之所見，當(dāng)著眼于在所述兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的所述一條腿部(朝向雙腳行走移動(dòng)體的前進(jìn)方向時(shí)的后側(cè)的腿部)的地面反向力相對(duì)于所述總地面反向力而言的比例、與所述經(jīng)過時(shí)間相對(duì)于從該兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)到結(jié)束時(shí)的持續(xù)時(shí)間而言的比例之間的關(guān)系時(shí)，該地面反向力的比例不是隨雙腳行走移動(dòng)體的移動(dòng)速度而變化，而是相對(duì)于該經(jīng)過時(shí)間的比例呈現(xiàn)出幾乎一定的變化。由此，通過將所述特性數(shù)據(jù)作為反映如上所述的地面反向力的比例與經(jīng)過時(shí)間的比例之間關(guān)系的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，從而該特性數(shù)據(jù)的設(shè)定變得容易。
這種場(chǎng)合，作為上述經(jīng)過時(shí)間的比例的基準(zhǔn)的兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，對(duì)應(yīng)于雙腳行走移動(dòng)體的移動(dòng)速度而發(fā)生變化，如果該移動(dòng)速度處于一定，兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間也幾乎處于一定。由此，通過預(yù)先對(duì)該移動(dòng)速度與兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行設(shè)定，則根據(jù)該移動(dòng)速度的計(jì)測(cè)值，并基于其相關(guān)關(guān)系，可以對(duì)兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確地推定。另外，作為作用到所述一條腿部上的地面反向力點(diǎn)的比例的基準(zhǔn)的總地面反向力，是基于雙腳行走移動(dòng)體的重心運(yùn)動(dòng)方程式而被推定的力。
因此，關(guān)于兩腿支承狀態(tài)中的各腿部的地面反向力的推定，作為如前面所述的、以兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的總地面反向力為基準(zhǔn)的所述一條腿部的地面反向力的比例與以兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間為基準(zhǔn)的所述經(jīng)過時(shí)間的比例之間的相關(guān)數(shù)據(jù)，而設(shè)定所述特性數(shù)據(jù)，并將對(duì)應(yīng)于移動(dòng)速度的計(jì)測(cè)值而求得的兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間的推定值、該兩腿支承狀態(tài)的經(jīng)過時(shí)間的計(jì)測(cè)值、以及兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的總地面反向力的推定值適用到該特性數(shù)據(jù)中，從而可以高精度正確地求得作用到所述一條腿部上的地面反向力的推定值。
另外，由于地面反向力為向量，因此，所述一條腿部的地面反向力相對(duì)于總地面反向力的比例具體而言，是指在某適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系上的該地面反向力的每個(gè)成份的比例。
另外，在本發(fā)明的地面反向力推定方法中，在所述第5步驟中為了計(jì)測(cè)雙腳行走移動(dòng)體的移動(dòng)速度，具有以下步驟，例如，在各次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)，對(duì)該雙腳行走移動(dòng)體的各腿部的膝關(guān)節(jié)的下側(cè)的小腿部的傾斜角度以及該腿部的髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)之間的大腿部的傾斜角度分別進(jìn)行計(jì)測(cè)的步驟；基于在各次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)朝向雙腳行走移動(dòng)體的前進(jìn)方向而處于后側(cè)的腿部的大腿部及小腿部的傾斜角度的計(jì)測(cè)值、以及該腿部的大腿部及小腿部的預(yù)先求得的尺寸，在每次該兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)，對(duì)在各次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)相對(duì)于朝向雙腳行走移動(dòng)體的前進(jìn)方向而處于后側(cè)的腿部的髖關(guān)節(jié)而言的該腿部的小腿部的下端部的位置的、在從前一次兩腿支承狀態(tài)開始時(shí)的該雙腳行走移動(dòng)體的前進(jìn)方向上的移動(dòng)量而進(jìn)行計(jì)算的步驟；以及，將從各次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)到下一次的兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)為止的經(jīng)過時(shí)間作為一步份的經(jīng)過時(shí)間而進(jìn)行計(jì)測(cè)的步驟。而且，在所述第5步驟中，在每次兩腿支承狀態(tài)的開始，通過將在其開始時(shí)所計(jì)算出的所述移動(dòng)量除以從前一次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)到此次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)為止所計(jì)測(cè)的所述一步份的經(jīng)過時(shí)間，來求解所述移動(dòng)速度的計(jì)測(cè)值。
即，在各次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)相對(duì)于朝向雙腳行走移動(dòng)體的前進(jìn)方向而處于后側(cè)的腿部(該腿部是指在各次兩腿支承狀態(tài)于開始之前的單腿支承狀態(tài)下的處于著地著的腿部)的髖關(guān)節(jié)而言的該腿部的小腿部的下端部的位置的、從前一次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的該雙腳行走移動(dòng)體于前進(jìn)方向上的移動(dòng)量，是指在從前一次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)到此次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)之間的一步中，腿部的髖關(guān)節(jié)的部分(腿部的基端部)所移動(dòng)的量。因此，通過將該移動(dòng)量除以作為從前一次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)到此次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)為止的經(jīng)過時(shí)間的所述一步份的經(jīng)過時(shí)間，來求解在其一步份的經(jīng)過時(shí)間的期間中的雙腳行走移動(dòng)體的平均的移動(dòng)速度。而且，這種場(chǎng)合，所述移動(dòng)量是使用在兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)處于后側(cè)的腿部的大腿部及小腿部的各自的、此次及前一次的兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的傾斜角度的計(jì)測(cè)值、以及這些大腿部及小腿部的尺寸(具體而言是指長度)的數(shù)據(jù)，并通過幾何學(xué)的運(yùn)算，而求得。另外，各腿部的大腿部及小腿部的傾斜角度可以使用對(duì)各腿部的各關(guān)節(jié)的彎曲角度進(jìn)行檢測(cè)的傳感器、或者加速度傳感器、回轉(zhuǎn)傳感器等的傳感器而進(jìn)行計(jì)測(cè)。
因此，為了求得作用到兩腿支承狀態(tài)下的各腿部上的地面反向力的推定值，不使用大型的傳感器等，也可以容易地計(jì)測(cè)得所必要的雙腳行走移動(dòng)體的移動(dòng)速度。而且，由于所計(jì)測(cè)得移動(dòng)速度是各次兩腿支承狀態(tài)的開始之前的移動(dòng)速度，因此，其信賴性較高，進(jìn)而，可以提高兩腿支承狀態(tài)下的地面反向力的推定值的精度。
另外，在本發(fā)明的地面反向力推定方法中，具有對(duì)經(jīng)各腿部的髖關(guān)節(jié)而被支承在所述兩腿部上的軀干的靠近髖關(guān)節(jié)的下部于上下方向的加速度進(jìn)行依次計(jì)測(cè)的步驟；在所述第1步驟中，當(dāng)所述軀干的下部于上下方向的加速度上升到預(yù)先設(shè)定的規(guī)定的閾值以上時(shí)，為所述兩腿支承狀態(tài)的開始，而且同時(shí)為所述單腿支承狀態(tài)的結(jié)束，另外在所述兩腿支承狀態(tài)下，當(dāng)作用到朝向雙腳行走移動(dòng)體的前進(jìn)方向而處于后側(cè)的腿部上的所述地面反向力的推定值降低到預(yù)先設(shè)定的規(guī)定的閾值以下時(shí)，為所述兩腿支承狀態(tài)的結(jié)束，而且同時(shí)為所述單腿支承狀態(tài)的開始，以此來判斷所述雙腳行走移動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
或者，特別是，關(guān)于所述兩腿支承狀態(tài)的結(jié)束(單腿支承狀態(tài)的開始)的判斷，如前所述，在對(duì)兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行推定的本發(fā)明中，也可以當(dāng)從所述兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的經(jīng)過時(shí)間的計(jì)測(cè)值達(dá)到該兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間的推定值之時(shí)，為所述兩腿支承狀態(tài)的結(jié)束，而且同時(shí)為所述單腿支承狀態(tài)的開始，以此來判斷所述雙腳行走移動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
即，在雙腳行走移動(dòng)體的移動(dòng)時(shí)(行走時(shí))，當(dāng)腿部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)從單腿支承狀態(tài)向兩腿支承狀態(tài)過渡時(shí)，由于游離一側(cè)的腿部的著地，軀干的下部于上下方向的加速度(朝向上方的加速度)將暫時(shí)地明顯變大。而且，這種現(xiàn)象一般在腿部的其它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不產(chǎn)生。因此，通過將上述加速度與規(guī)定的閾值(比較大的閾值)進(jìn)行比較，可以準(zhǔn)確地把握單腿支承狀態(tài)的結(jié)束及兩腿支承狀態(tài)的開始。
另外，當(dāng)腿部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)從兩腿支承狀態(tài)向單腿支承狀態(tài)過渡時(shí)，由于一側(cè)的腿部進(jìn)行離地動(dòng)作，作用到其腿部上的地面反向力將會(huì)降低到0。因此，通過將作用到其腿部上的地面反向力與規(guī)定的閾值(例如，多少大于0的閾值)進(jìn)行比較，可以準(zhǔn)確地把握兩腿支承狀態(tài)的結(jié)束及單腿支承狀態(tài)的開始。另外，特別是，在對(duì)兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行推定的場(chǎng)合，當(dāng)腿部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是從兩腿支承狀態(tài)向單腿支承狀態(tài)過渡時(shí)，由于從該兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)起算的經(jīng)過時(shí)間達(dá)到上述持續(xù)時(shí)間的推定值，因此，可以準(zhǔn)確地把握兩腿支承狀態(tài)的結(jié)束及單腿支承狀態(tài)的開始。
這樣，通過判斷腿部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以對(duì)是單腿支承狀態(tài)還是兩腿支承狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確地判斷。其結(jié)果，可以在單腿支承狀態(tài)與兩腿支承狀態(tài)下對(duì)兩不相同狀態(tài)下的地面反向力的推定值的計(jì)算手法在準(zhǔn)確的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)而可以提高該地面反向力的推定值的精度。另外，為了判斷腿部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所必要的軀干的下部于上下方向的加速度可以通過例如將加速度傳感器安裝在該軀干部的下部，并根據(jù)該加速度傳感器的輸出，容易地進(jìn)行把握。
另外，如同人一樣，在所述軀干具有經(jīng)髖關(guān)節(jié)而被連結(jié)在兩腿部上的腰部、以及相對(duì)于該腰部可以傾斜并設(shè)置在腰部上的胸部的場(chǎng)合下，所計(jì)測(cè)的軀干的下部于上下方向的加速度最好是所述腰部于上下方向的加速度。
另外，在本發(fā)明的地面反向力推定方法中，在所述第2步驟中，作為把握雙腳行走移動(dòng)體的重心的位置或該重心的加速度的手法，雖然有多種方法可以考慮，而且也可以使用多種的周知方法，但是，最好通過下述的方法，來把握該重心的位置或該重心的加速度。
即，具有對(duì)經(jīng)各腿部的髖關(guān)節(jié)而被支承在所述兩腿部上的軀干的傾斜角度、各腿部的至少是髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的各自的彎曲角度、以及所述雙腳行走移動(dòng)體的預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)點(diǎn)于所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的加速度分別進(jìn)行依次計(jì)測(cè)的步驟；在所述第2步驟中，基于所述軀干的傾斜角度、所述髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的各自的彎曲角度、將所述雙腳行走移動(dòng)體以多個(gè)剛體的連結(jié)體來表示而成的剛體連動(dòng)模型、與該剛體連動(dòng)模型的各剛體相對(duì)應(yīng)的雙腳行走移動(dòng)體的各剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的質(zhì)量、以及各剛體相當(dāng)部上的該剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的重心的位置，而對(duì)相對(duì)于所述基準(zhǔn)點(diǎn)的所述雙腳行走移動(dòng)體的重心的位置進(jìn)行依次求解，而且同時(shí)基于其重心的位置的時(shí)序數(shù)據(jù)，而對(duì)相對(duì)于該基準(zhǔn)點(diǎn)的該重心的加速度進(jìn)行依次求解，并根據(jù)相對(duì)于其基準(zhǔn)點(diǎn)的該重心的加速度、以及所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的該基準(zhǔn)點(diǎn)的加速度，而對(duì)該絕對(duì)坐標(biāo)系上的所述重心的加速度進(jìn)行求解。
在此，在雙腳行走移動(dòng)體上任意地設(shè)定基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，相對(duì)于該基準(zhǔn)點(diǎn)的雙腳行走移動(dòng)體的重心的位置大致通過軀干、從各腿部的髖關(guān)節(jié)到膝關(guān)節(jié)間的大腿部、以及從膝關(guān)節(jié)開始的下側(cè)的小腿部之間的相互的姿勢(shì)關(guān)系來確定。而且，通過對(duì)軀干的傾斜角度、以及髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的各自的彎曲角度進(jìn)行計(jì)測(cè)，并根據(jù)這些計(jì)測(cè)數(shù)據(jù)，可以把握其姿勢(shì)關(guān)系。此外，詳細(xì)將在后邊說明，將雙腳行走移動(dòng)體假想成所述剛體連動(dòng)模型(例如，將雙腳行走移動(dòng)體的兩腿部的髖關(guān)節(jié)的上側(cè)的部分(包括軀干)、各腿部的大腿部、以及小腿部視為剛體的模型)時(shí)，基于雙腳行走移動(dòng)體的各剛體相當(dāng)部的質(zhì)量、各剛體相當(dāng)部上的該剛體相當(dāng)部的重心的位置(具體是指在相對(duì)于各剛體相當(dāng)部而固定的坐標(biāo)系上的該剛體相當(dāng)部的位置)、以及上述的姿勢(shì)關(guān)系，可以對(duì)相對(duì)于所述基準(zhǔn)點(diǎn)的雙腳行走移動(dòng)體的重心的位置進(jìn)行求解。此外，相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的該重心的加速度，可以通過根據(jù)該重心的位置的時(shí)序數(shù)據(jù)而把握的該重心的位置的2次微分值來求得。因此，通過對(duì)所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的所述基準(zhǔn)點(diǎn)的加速度進(jìn)行計(jì)測(cè)，該絕對(duì)坐標(biāo)系上的雙腳行走移動(dòng)體的重心的加速度，則可以通過相對(duì)于該基準(zhǔn)點(diǎn)的該重心的加速度與該基準(zhǔn)點(diǎn)的加速度的合成加速度來求得。
這種場(chǎng)合，如上所述，為了把握雙腳行走移動(dòng)體的加速度，所必要的軀干的傾斜角度，可以根據(jù)安裝在該軀干上的加速度傳感器與回轉(zhuǎn)傳感器、或者傾斜表等的傳感器的輸出來把握，而各腿部的髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的各自的彎曲角度，可以通過安裝在各自關(guān)節(jié)上的某位置處的電位計(jì)等的傳感器的輸出來把握。另外，所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的所述基準(zhǔn)點(diǎn)的加速度，可以通過安裝在與該基準(zhǔn)點(diǎn)呈一體的部分上的加速度傳感器等的傳感器的輸出來把握。此外，雙腳行走移動(dòng)體的各剛體相當(dāng)部的質(zhì)量或各剛體相當(dāng)部上的該剛體相當(dāng)部的重心的位置，可以通過預(yù)先計(jì)測(cè)等手段來把握。
因此，不必將比較大型的傳感器等裝備在雙腳行走移動(dòng)體上，就可以容易即時(shí)地把握雙腳行走移動(dòng)體的重心的位置或加速度。
這樣，在對(duì)雙腳行走移動(dòng)體的重心的位置或加速度進(jìn)行求解的場(chǎng)合，最好是將所述基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)定在所述軀干上。通過這樣設(shè)定，由于可以將用于計(jì)測(cè)所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的該基準(zhǔn)點(diǎn)的加速度的加速度傳感器等的傳感器裝備到軀干上，因此，可以減少裝備在腿部上的傳感器，而且還可以避免該傳感器妨礙雙腳行走移動(dòng)體的行走動(dòng)作的問題。
另外，如同人一樣，具有經(jīng)髖關(guān)節(jié)而被連結(jié)于所述兩腿部的腰部、以及相對(duì)于該腰部可以傾斜并且處于該腰部上的胸部，為了求解所述重心的位置而使用的所述軀干的傾斜角度最好是所述腰部及胸部的各自的傾斜角度。而且，特別是，在這種場(chǎng)合下，所述剛體連動(dòng)模型最好是將所述雙腳行走移動(dòng)體的各腿部的膝關(guān)節(jié)的下側(cè)的小腿部、該膝關(guān)節(jié)與所述髖關(guān)節(jié)之間的大腿部、所述腰部、以及包括處于該腰部的上側(cè)的所述胸部在內(nèi)的上體部分別以剛體來表示而成的模型。
由此，特別是，在雙腳行走移動(dòng)體為人的場(chǎng)合下，可以高精度地把握其重心的位置或者加速度，進(jìn)而，可以提高地面反向力的推定值的精度。
接著，本發(fā)明的雙腳行走移動(dòng)體的關(guān)節(jié)力矩推定方法是使用通過前面所述的本發(fā)明的地面反向力推定方法而依次求得的作用到所述各腿部上的地面反向力的推定值，而對(duì)作用到所述雙腳行走移動(dòng)體的各腿部的至少一個(gè)關(guān)節(jié)上的力矩進(jìn)行推定的方法。并且，本發(fā)明的關(guān)節(jié)力矩推定方法的特征在于，具有如下步驟，即，對(duì)經(jīng)各腿部的髖關(guān)節(jié)而被支承在所述兩腿部上的軀干的傾斜角度、所述各腿部的至少是髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的各自的彎曲角度、以及述雙腳行走移動(dòng)體的預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)點(diǎn)于所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的加速度分別進(jìn)行依次計(jì)測(cè)的步驟；基于所述軀干的傾斜角度、所述各腿部的髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的各自的彎曲角度、以及將所述雙腳行走移動(dòng)體以多個(gè)剛體的連結(jié)體來表示而成的剛體連動(dòng)模型，而對(duì)與該剛體連動(dòng)模型的各剛體相對(duì)應(yīng)的雙腳行走移動(dòng)體的各剛體相當(dāng)部的傾斜角度進(jìn)行依次求解的步驟；基于所述各剛體相當(dāng)部的傾斜角度、各剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的質(zhì)量、以及各剛體相當(dāng)部上的該剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的重心的位置，而對(duì)相對(duì)于所述基準(zhǔn)點(diǎn)的各剛體相當(dāng)部的重心的位置進(jìn)行依次求解，而且同時(shí)基于其各剛體相當(dāng)部的重心的位置的時(shí)序數(shù)據(jù)，而對(duì)相對(duì)于該基準(zhǔn)點(diǎn)的各剛體相當(dāng)部的重心的加速度進(jìn)行依次求解的步驟；根據(jù)相對(duì)于該基準(zhǔn)點(diǎn)的各剛體相當(dāng)部的重心的加速度、以及所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的所述基準(zhǔn)點(diǎn)的加速度，而對(duì)該絕對(duì)坐標(biāo)系上的各剛體相當(dāng)部的重心的加速度進(jìn)行依次求解的步驟；基于所述各剛體相當(dāng)部的傾斜角度的時(shí)序數(shù)據(jù)，而對(duì)各剛體相當(dāng)部的角加速度進(jìn)行依次求解的步驟；基于作為所述雙腳行走移動(dòng)體的剛體相當(dāng)部的各腿部的大腿部的傾斜角度、與該腿部的膝關(guān)節(jié)的彎曲角度的兩角度中的至少一個(gè)，而對(duì)該雙腳行走移動(dòng)體上的各腿部的地面反向力作用點(diǎn)的推定位置進(jìn)行依次求解的步驟；使用所述地面反向力的推定值、所述地面反向力作用點(diǎn)的推定位置、所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的各剛體相當(dāng)部的重心的加速度及該剛體相當(dāng)部的角加速度、各剛體相當(dāng)部的傾斜角度、各剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的質(zhì)量及尺寸、各剛體相當(dāng)部上的該剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的重心的位置、以及各剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的慣性力矩，并基于逆動(dòng)力學(xué)模型，而對(duì)作用到所述雙腳行走移動(dòng)體的各腿部的至少一個(gè)關(guān)節(jié)上的力矩進(jìn)行推定。
另外，如前面所述，在所述地面反向力推定方法中的所述第2步驟，為了求得相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的雙腳行走移動(dòng)體的重心的位置等，當(dāng)具有了對(duì)軀干的傾斜角度、各腿部上的髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的各自的彎曲角度、以及雙腳行走移動(dòng)體的基準(zhǔn)點(diǎn)于所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的加速度分別進(jìn)行計(jì)測(cè)的步驟時(shí)，也就沒有必要再次對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)測(cè)，而且，所述剛體連動(dòng)模型也可以使用與求解雙腳行走移動(dòng)體的重心的位置等所使用的剛體連動(dòng)模型同一的剛體連動(dòng)模型。
在本發(fā)明的關(guān)節(jié)力矩推定方法中，由于對(duì)軀干的傾斜角度、髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的各自的彎曲角度進(jìn)行計(jì)測(cè)，故而可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)，來把握軀干、大腿部、以及小腿部等的雙腳行走移動(dòng)體的各剛體相當(dāng)部的傾斜角度(該角度反映各剛體相當(dāng)部相互的姿勢(shì)關(guān)系)。而且，基于各剛體相當(dāng)部的質(zhì)量、各剛體相當(dāng)部上的該剛體相當(dāng)部的重心的位置(具體是指相對(duì)于各剛體相當(dāng)部而固定的坐標(biāo)系上的該剛體相當(dāng)部的位置)、以及上述的各剛體相當(dāng)部的傾斜角度，可以求得相對(duì)于所述基準(zhǔn)點(diǎn)的各剛體相當(dāng)部的重心的位置。此外，相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的各剛體相當(dāng)部的重心的加速度，是通過從該重心的位置的時(shí)序數(shù)據(jù)中所把握的該重心的位置的2次微分值來求得。因此，通過對(duì)所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的所述基準(zhǔn)點(diǎn)的加速度進(jìn)行計(jì)測(cè)，該絕對(duì)坐標(biāo)系上的雙腳行走移動(dòng)體的各剛體相當(dāng)部的重心的加速度，則可以通過該重心相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的加速度與所述基準(zhǔn)點(diǎn)的加速度(絕對(duì)坐標(biāo)系上的加速度)的合成加速度來求得。
此外，通過從所述各剛體相當(dāng)部的傾斜角度的時(shí)序數(shù)據(jù)中所把握的該傾斜角度的2次微分值，還可以求得各剛體相當(dāng)部的角加速度。
另外，據(jù)本案發(fā)明者等人之所見，雙腳行走移動(dòng)體上的各腿部的地面反向力作用點(diǎn)的位置，例如，針對(duì)各腿部的踝部的該腿部的地面反向力作用點(diǎn)的位置，與作為所述雙腳行走移動(dòng)體的剛體相當(dāng)部的各腿部的大腿部的傾斜角度、和該腿部的膝關(guān)節(jié)的彎曲角度之間具有緊密的相關(guān)關(guān)系。因此，可以基于該腿部的大腿部的傾斜角度與膝關(guān)節(jié)的彎曲角度的兩角度中的至少一個(gè)，來求得雙腳行走移動(dòng)體上的地面反向力作用點(diǎn)的推定位置。
而且，如上所述，在求得雙腳行走移動(dòng)體的各剛體相當(dāng)部的重心的加速度、該剛體相當(dāng)部的角加速度、以及地面反向力作用點(diǎn)的推定位置之后，與通過所述地面反向力推定方法而求得的地面反向力的推定值一起，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，并依據(jù)周知的所謂逆動(dòng)力學(xué)模型，可以對(duì)作用到各腿部的膝關(guān)節(jié)或髖關(guān)節(jié)上的力矩進(jìn)行推定。依據(jù)該逆動(dòng)力學(xué)模型的手法，簡單地說，是指使用關(guān)于雙腳行走移動(dòng)體的各剛體相當(dāng)部的重心的平移運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式、以及關(guān)于該剛體相當(dāng)部的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)(例如，圍繞該剛體相當(dāng)部的重心轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng))的運(yùn)動(dòng)方程式，而對(duì)作用到相當(dāng)于剛體連動(dòng)模型的各關(guān)節(jié)的雙腳行走移動(dòng)體的各關(guān)節(jié)上的力矩，從距離地面反向力作用點(diǎn)近的點(diǎn)開始依次地進(jìn)行求解。詳細(xì)將在后邊闡述，例如，當(dāng)各腿部是作為將大腿部及小腿部分別以剛體相當(dāng)部的形式連結(jié)而成的連結(jié)體的場(chǎng)合時(shí)，通過將該小腿部的重心的加速度、作用到該腿部上的地面反向力的推定值、以及小腿部的質(zhì)量的值適用到關(guān)于各腿部的小腿部的重心的平移運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式上，可以知道作用到該腿部的膝關(guān)節(jié)上的力(關(guān)節(jié)反向力)。此外，還通過將作用到該腿部的膝關(guān)節(jié)上的關(guān)節(jié)反向力、該腿部的小腿部的角加速度、該腿部的地面反向力作用點(diǎn)的推定位置、該腿部的地面反向力的推定值、與該小腿部上的該小腿部的重心的位置及該小腿部的尺寸(長度)相關(guān)連的數(shù)據(jù)值、該小腿部的慣性力矩的值、以及該小腿部的傾斜角度的值適用到關(guān)于該小腿部的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式上，可以推定該腿部的膝關(guān)節(jié)的力矩。
另外，通過將該大腿部的重心的加速度、作用到該腿部的膝關(guān)節(jié)上的關(guān)節(jié)反向力、以及該大腿部的質(zhì)量的值適用到關(guān)于各腿部的大腿部的重心的平移運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式上，可以知道作用到該腿部的髖關(guān)節(jié)上的關(guān)節(jié)反向力。此外，通過將分別作用到該腿部的膝關(guān)節(jié)及髖關(guān)節(jié)上的關(guān)節(jié)反向力、該腿部的大腿部的角加速度、與該大腿部上的該大腿部的重心的位置及該大腿部的尺寸(長度)相關(guān)連的數(shù)據(jù)值、該大腿部的慣性力矩的值、以及該大腿部的傾斜角度的值適用到關(guān)于該大腿部的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式上，可以推定該腿部的髖關(guān)節(jié)的力矩。
根據(jù)本發(fā)明的關(guān)節(jié)力矩推定方法，通過使用根據(jù)前面所述的本發(fā)明的地面反向力推定方法而求得的地面反向力的推定值來推定作用到腿部的關(guān)節(jié)上的力矩，可以不必將比較大型的傳感器等裝備到雙腳行走移動(dòng)體上，還可以較高精度地、即時(shí)地推定作用到腿部的關(guān)節(jié)上的力矩。


圖1(a)、(b)是用于說明本發(fā)明的地面反向力推定方法的基本原理的示意圖。
圖2是對(duì)作為本發(fā)明的一實(shí)施方式中的雙腳行走移動(dòng)體的人以及裝備到該人身上的裝置構(gòu)成進(jìn)行模式化的示意圖。
圖3是用于說明圖2中的裝置所具有的運(yùn)算處理裝置的功能的方框圖。
圖4是表示在圖3的運(yùn)算處理裝置的處理中所使用的剛體連動(dòng)模型的示意圖。
圖5是表示在通常行走時(shí)地面反向力作用點(diǎn)向量的前進(jìn)方向成份與大腿部的傾斜角度之間的相關(guān)關(guān)系的坐標(biāo)圖。
圖6是表示在通常行走時(shí)地面反向力作用點(diǎn)向量的豎直方向成份與大腿部的傾斜角度之間的相關(guān)關(guān)系的坐標(biāo)圖。
圖7是表示坐到椅子上時(shí)地面反向力作用點(diǎn)向量的前進(jìn)方向成份與膝關(guān)節(jié)的彎曲角度之間的相關(guān)關(guān)系的坐標(biāo)圖。
圖8是表示從椅子上站起時(shí)地面反向力作用點(diǎn)向量的前進(jìn)方向成份與膝關(guān)節(jié)的彎曲角度之間的相關(guān)關(guān)系的坐標(biāo)圖。
圖9是表示上臺(tái)階時(shí)地面反向力作用點(diǎn)向量的前進(jìn)方向成份與大腿部的傾斜角度之間的相關(guān)關(guān)系的坐標(biāo)圖。
圖10是表示下臺(tái)階時(shí)地面反向力作用點(diǎn)向量的前進(jìn)方向成份與大腿部的傾斜角度之間的相關(guān)關(guān)系的坐標(biāo)圖。
圖11是用于說明圖3中的運(yùn)算處理裝置的處理的示意圖。
圖12是表示人的移動(dòng)速度與兩腿支承期間之間的相關(guān)關(guān)系的坐標(biāo)圖。
圖13(a)是表示兩腿支承時(shí)間與地面反向力的豎直方向成份之間的關(guān)系的坐標(biāo)圖。
圖13(b)是表示兩腿支承時(shí)間與地面反向力的前進(jìn)方向成份之間的關(guān)系的坐標(biāo)圖。
圖14是用于說明圖3中的運(yùn)算處理裝置的處理的示意圖。
圖15是對(duì)通過本發(fā)明的實(shí)施方式而求得的地面反向力的推定值隨時(shí)間變化的狀況進(jìn)行例舉的示意圖表。
圖16是對(duì)通過本發(fā)明的實(shí)施方式而求得的膝關(guān)節(jié)及髖關(guān)節(jié)的力矩的推定值隨時(shí)間變化的狀況進(jìn)行例舉的圖表。
具體實(shí)施例方式
下面，參照所述圖1以及圖2至圖12說明本發(fā)明的一實(shí)施方式。
本實(shí)施方式是將本發(fā)明的地面反向力推定方法及關(guān)節(jié)力矩推定方法適用到作為雙腳行走移動(dòng)體的人上的實(shí)施方式。
如圖2中的模式化圖形所示，若對(duì)于人1的構(gòu)成進(jìn)行大致劃分，其具有左右一對(duì)的腿部2、2，由腰部3及胸部4構(gòu)成的軀干5，頭部6，以及左右一對(duì)的臂部7、7。軀干5的腰部3經(jīng)左右一對(duì)髖關(guān)節(jié)8、8而連結(jié)于兩腿部2、2，這樣軀干5被支承在兩腿部2、2上。另外，軀干5的胸部4以相對(duì)于腰部3而言可以傾斜到人1的前方一側(cè)的形式存在于該腰部3的上側(cè)。而且，從該胸部4的上部的左右兩側(cè)延設(shè)有臂部7、7，在該胸部4的上端部支承有頭部6。
各腿部2、2具有從髖關(guān)節(jié)8延設(shè)出的大腿部9、以及從該大腿部9的前端經(jīng)膝關(guān)節(jié)10而延設(shè)出的小腿部11，并在小腿部11的前端部經(jīng)踝部(踝關(guān)節(jié))12連結(jié)有腳底部13。
在本實(shí)施方式中，為了進(jìn)行作用到具有這種構(gòu)成的人1的各腿部2上的地面反向力的推定、以及作用到膝關(guān)節(jié)10及髖關(guān)節(jié)8上的力矩的推定，而在人1上裝備有如下的裝置。
即，在軀干5的胸部4上安裝有產(chǎn)生與伴隨胸部4傾斜的角速度相對(duì)應(yīng)的輸出的回轉(zhuǎn)傳感器14(以下稱胸部回轉(zhuǎn)傳感器14)、產(chǎn)生與胸部4的前后方向的加速度相對(duì)應(yīng)的輸出的加速度傳感器15(以下稱胸部前后加速度傳感器15)、由CPU、RAM、ROM等構(gòu)成的運(yùn)算處理裝置16、以及作為該運(yùn)算處理裝置16等的電源的電池17。這種場(chǎng)合，這些胸部回轉(zhuǎn)傳感器14、胸部前后加速度傳感器15、運(yùn)算處理裝置16、以及電池17，被收裝在例如經(jīng)未圖示的帶子等而被固定在胸部4上的肩式背包狀的收納部件18內(nèi)，并經(jīng)該收納部件18而被一體地固定在胸部4上。
另外，胸部前后加速度傳感器15的輸出所表示的加速度，更加具體地，是指在胸部4的水平截面方向上(與胸部4的軸心垂直的方向)的前后方向的加速度，當(dāng)人1以直立姿勢(shì)站立于平地的狀態(tài)下，是指前后水平方向(圖2中的絕對(duì)坐標(biāo)系的X軸方向)上的加速度，當(dāng)在腰部3或胸部4偏離豎直方向(圖2中的絕對(duì)坐標(biāo)系上的Z軸方向)而傾斜的狀態(tài)下，是指以胸部4相對(duì)于豎直方向的傾斜角度在相對(duì)于水平方向而傾斜的方向上的加速度。
另外，在軀干5的腰部3上，經(jīng)未圖示的帶子等的固定機(jī)構(gòu)而一體地固定安裝有產(chǎn)生與伴隨腰部3傾斜的角速度相對(duì)應(yīng)的輸出的回轉(zhuǎn)傳感器19(以下稱腰部回轉(zhuǎn)傳感器19)、產(chǎn)生與腰部3的前后方向的加速度相對(duì)應(yīng)的輸出的加速度傳感器20(以下稱腰部前后加速度傳感器20)、以及產(chǎn)生與腰部3的上下方向的加速度相對(duì)應(yīng)的輸出的加速度傳感器21(以下稱腰部上下加速度傳感器21)。
在此，腰部前后加速度傳感器20更加具體而言，與胸部前后加速度傳感器15同樣，是對(duì)在腰部3的水平截面方向上(與腰部3的軸心垂直的方向)的前后方向的加速度進(jìn)行檢測(cè)的傳感器。另外，腰部上下加速度傳感器21更加具體而言，是對(duì)在腰部3的軸心方向上的上下方向的加速度(該加速度垂直于腰部前后加速度傳感器20所檢測(cè)出的加速度)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器。另外，腰部前后加速度傳感器20及腰部上下加速度傳感器21，也可以通過二軸型的加速度傳感器一體地構(gòu)成。
此外，在各腿部2的髖關(guān)節(jié)8與膝關(guān)節(jié)10上，還安裝有產(chǎn)生與各自的彎曲角度Δθc、Δθd相對(duì)應(yīng)的輸出的髖關(guān)節(jié)角度傳感器22及膝關(guān)節(jié)角度傳感器23。另外，關(guān)于髖關(guān)節(jié)角度傳感器22，雖然只是在圖2中顯示了與近前一側(cè)(朝向人1的前方場(chǎng)合時(shí)的右側(cè))的腿部2的髖關(guān)節(jié)8相關(guān)連的髖關(guān)節(jié)角度傳感器22，但是，在另一側(cè)(朝向人1的前方場(chǎng)合時(shí)的左側(cè))的腿部2的髖關(guān)節(jié)8上，也安裝有與近前一側(cè)的髖關(guān)節(jié)角度傳感器22同心的髖關(guān)節(jié)角度傳感器22。
這些角度傳感器22、23是，例如通過電位計(jì)而構(gòu)成的傳感器，并經(jīng)未圖示的綁帶部件等機(jī)構(gòu)而被安裝在各腿部2上。在此，各髖關(guān)節(jié)角度傳感器22所檢測(cè)出的彎曲角度Δθc更加具體而言，是以腰部3與各腿部2的大腿部9之間的姿勢(shì)關(guān)系處于規(guī)定的姿勢(shì)關(guān)系(例如，在如人1的直立姿勢(shì)狀態(tài)，腰部3的軸心與大腿部9的軸心幾乎處于平行的姿勢(shì)關(guān)系)時(shí)為基準(zhǔn)，且是相對(duì)于腰部3而言的以各腿部2的大腿部9的髖關(guān)節(jié)8為軸轉(zhuǎn)動(dòng)(在人1的左右方向上的髖關(guān)節(jié)8的軸心轉(zhuǎn)動(dòng))的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。同樣，各膝關(guān)節(jié)角度傳感器23所檢測(cè)出的彎曲角度Δθd是以各腿部2的大腿部9與小腿部11之間的姿勢(shì)關(guān)系處于規(guī)定的姿勢(shì)關(guān)系(例如，大腿部9的軸心與小腿部11的軸心幾乎處于平行的姿勢(shì)關(guān)系)時(shí)為基準(zhǔn)，且是相對(duì)于大腿部9而言的以小腿部11的膝關(guān)節(jié)10為軸轉(zhuǎn)動(dòng)(在人1的左右方向上的膝關(guān)節(jié)10的軸心轉(zhuǎn)動(dòng))的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
另外，前面所述的傳感器14、15、19～23經(jīng)由將這些傳感器的輸出輸入到運(yùn)算處理裝置16的省略圖示的信號(hào)線而被連接于運(yùn)算處理裝置16。
所述運(yùn)算處理裝置16具有圖3所示的功能性機(jī)構(gòu)。即，運(yùn)算處理裝置16具有腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24，該腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24使用腰部上下加速度傳感器21所檢測(cè)出的數(shù)據(jù)、以及通過將在后面說明的計(jì)時(shí)機(jī)構(gòu)35及兩腿支承期間推定機(jī)構(gòu)37而分別得到的數(shù)據(jù)，而對(duì)人1的腿部2、2的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是單腿支承狀態(tài)(圖1(a)的狀態(tài))還是兩腿支承狀態(tài)(圖1(b)的狀態(tài))進(jìn)行判斷。另外，運(yùn)算處理裝置16具有胸部傾斜角度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)25以及腰部傾斜角度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)26，其中，胸部傾斜角度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)25使用胸部前后加速度傳感器15及胸部回轉(zhuǎn)傳感器14所檢測(cè)出的數(shù)據(jù)，而對(duì)胸部4于絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的傾斜角度θa(參照?qǐng)D2，具體是指，例如相對(duì)于豎直方向的傾斜角度θa)進(jìn)行計(jì)測(cè)；而腰部傾斜角度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)26使用腰部前后加速度傳感器20及腰部回轉(zhuǎn)傳感器19所檢測(cè)出的數(shù)據(jù)，而對(duì)腰部3于絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的傾斜角度θb(參照?qǐng)D2，具體是指，例如相對(duì)于豎直方向的傾斜角度θb)進(jìn)行計(jì)測(cè)。
此外，運(yùn)算處理裝置16還具有基準(zhǔn)加速度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)27，該基準(zhǔn)加速度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)27使用腰部前后加速度傳感器20及腰部上下加速度傳感器21所檢測(cè)出的數(shù)據(jù)、與通過腰部傾斜角度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)26所計(jì)測(cè)出腰部3的傾斜角度θb的數(shù)據(jù)，來求解如圖2所示設(shè)定在腰部3上的身體坐標(biāo)系Cp(圖2中的xz坐標(biāo))的原點(diǎn)O于絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的加速度(平移加速度)a0＝T(a0x，a0z)。在此，身體坐標(biāo)系Cp具體而言是指，例如以連結(jié)人1的左右髖關(guān)節(jié)8、8的各自中心的線的中心點(diǎn)作為原點(diǎn)O，并將豎直方向作為z軸方向，將人1朝向前方的水平方向作為x軸方向的坐標(biāo)系(坐標(biāo)系的3軸的方向與所述絕對(duì)坐標(biāo)系Cf相同)。
另外，運(yùn)算處理裝置16具有腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28，該腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28使用各腿部2的髖關(guān)節(jié)角度傳感器22及膝關(guān)節(jié)角度傳感器23所檢測(cè)出的數(shù)據(jù)、與通過所述腰部傾斜角度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)26所檢計(jì)測(cè)出的腰部3的傾斜角度θb的數(shù)據(jù)，來求解絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的各腿部2的大腿部9及小腿部11的各自的傾斜角度θc、θd(參照?qǐng)D2，具體是指例如，相對(duì)于豎直方向的傾斜角度θc、θd)。
另外，運(yùn)算處理裝置16具有各部重心位置計(jì)算機(jī)構(gòu)29、身體重心位置計(jì)算機(jī)構(gòu)30、以及身體重心加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)31，其中，各部重心位置計(jì)算機(jī)構(gòu)29使用通過胸部傾斜角度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)25、腰部傾斜角度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)26以及腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28而得到的胸部4的傾斜角度θa、腰部3的傾斜角度θb、以及各腿部2的大腿部9的傾斜角度θc及小腿部11的傾斜角度θd的數(shù)據(jù)，來求解與將在后邊說明的剛體連動(dòng)模型相對(duì)應(yīng)的人1的各剛體相當(dāng)部的重心的位置(具體是指所述身體坐標(biāo)系Cp上的各剛體相當(dāng)部的重心的位置)；身體重心位置計(jì)算機(jī)構(gòu)30使用其各剛體相當(dāng)部的重心的位置的數(shù)據(jù)，來求解上述身體坐標(biāo)系Cp上的人1的整體的重心G0(參照?qǐng)D1，以下稱身體重心G0)的位置；身體重心加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)31使用其身體重心G0的位置的數(shù)據(jù)、以及通過所述基準(zhǔn)加速度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)27而得到的身體坐標(biāo)系Cp的原點(diǎn)O的加速度a0的數(shù)據(jù)，來求解絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的身體重心G0的加速度a＝T(ax，az)(參照?qǐng)D1)。
此外，運(yùn)算處理裝置16還具有腿部各部加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)32、腿部各部角加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)33、以及地面反向力作用點(diǎn)推定機(jī)構(gòu)34，其中，腿部各部加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)32使用通過所述各部重心位置計(jì)算機(jī)構(gòu)29而得到的人1的各剛體相當(dāng)部的重心的位置(具體是指與腿部2相關(guān)連的各剛體相當(dāng)部的重心的位置)的數(shù)據(jù)、以及通過所述基準(zhǔn)加速度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)27而得到的身體坐標(biāo)系Cp的原點(diǎn)O的加速度a0的數(shù)據(jù)，來求解絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的各腿部2的大腿部9及小腿部11的各自的重心的加速度(平移加速度)；腿部各部角加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)33使用通過所述腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28而得到的各腿部2的大腿部9及小腿部11的各自的傾斜角度θc、θd的數(shù)據(jù)，來求解絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的各腿部2的大腿部9及小腿部11的角加速度；地面反向力作用點(diǎn)推定機(jī)構(gòu)34使用通過所述腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28而得到的各腿部2的大腿部9的傾斜角度θc或通過所述膝關(guān)節(jié)角度傳感器23而計(jì)測(cè)出的膝關(guān)節(jié)10的彎曲角度Δθd的數(shù)據(jù)，來推定著地中的各腿部2的地面反向力作用點(diǎn)的位置。
另外，運(yùn)算處理裝置16具有計(jì)時(shí)機(jī)構(gòu)35、移動(dòng)速度推定機(jī)構(gòu)36、以及兩腿支承期間推定機(jī)構(gòu)37，其中，計(jì)時(shí)機(jī)構(gòu)35在每次通過腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24而把握兩腿支承狀態(tài)的開始(單腿支承狀態(tài)的結(jié)束)時(shí)，對(duì)從其兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的經(jīng)過時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)；移動(dòng)速度推定機(jī)構(gòu)36在每次通過腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24而把握兩腿支承狀態(tài)的開始(單腿支承狀態(tài)的結(jié)束)時(shí)，使用通過所述腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28而得到的各腿部2的大腿部9及小腿部11的各自的傾斜角度θc、θd的數(shù)據(jù)、以及所述計(jì)時(shí)機(jī)構(gòu)35的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)人1的移動(dòng)速度進(jìn)行推定；兩腿支承期間推定機(jī)構(gòu)37根據(jù)通過該移動(dòng)速度推定機(jī)構(gòu)36而求得的移動(dòng)速度的數(shù)據(jù)，對(duì)從兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)到結(jié)束時(shí)的時(shí)間(兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，以下稱兩腿支承期間)進(jìn)行推定。
另外，運(yùn)算處理裝置16具有地面反向力推定機(jī)構(gòu)38、以及關(guān)節(jié)力矩推定機(jī)構(gòu)39，其中，地面反向力推定機(jī)構(gòu)38使用通過所述身體重心加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)31而得到的身體重心的加速度a的數(shù)據(jù)、通過所述兩腿支承期間推定機(jī)構(gòu)37而得到的兩腿支承期間的推定值的數(shù)據(jù)、通過所述計(jì)時(shí)機(jī)構(gòu)37而得到的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)、以及通過所述腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24而得到的腿部2的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判斷結(jié)果的數(shù)據(jù)，來求解作用到各腿部2上的地面反向力的推定值；關(guān)節(jié)力矩推定機(jī)構(gòu)39使用該地面反向力的推定值的數(shù)據(jù)、通過腿部各部加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)32而得到的各腿部2的大腿部9及小腿部11的重心的加速度的數(shù)據(jù)、通過所述腿部各部角加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)33而得到的各腿部2的大腿部9及小腿部11的角加速度的數(shù)據(jù)、通過所述地面反向力作用點(diǎn)推定機(jī)構(gòu)34而得到的地面反向力作用點(diǎn)的推定位置的數(shù)據(jù)、以及通過所述腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28而得到的各腿部2的大腿部9及小腿部11的各自的傾斜角度θc、θd的數(shù)據(jù)，來推定分別作用到各腿部2的膝關(guān)節(jié)10及髖關(guān)節(jié)8上的力矩。
下面，一并關(guān)于上述的運(yùn)算處理裝置16的各機(jī)構(gòu)的更加詳細(xì)的處理內(nèi)容，對(duì)本實(shí)施方式的動(dòng)作進(jìn)行說明。
在本實(shí)施方式中，例如，人1在進(jìn)行行走移動(dòng)之時(shí)，在使兩腿部2、2著地的狀態(tài)下，一旦打開運(yùn)算處理裝置16的未圖示的電源開關(guān)，則如以下所說明的那樣，在規(guī)定的每一周期依次實(shí)行通過該運(yùn)算處理裝置16而進(jìn)行的處理，依次求解作用到各腿部2上的地面反向力的推定值等。
即，首先，運(yùn)算處理裝置16實(shí)行通過所述胸部傾斜角度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)25及腰部傾斜角度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)26而進(jìn)行的處理。這種場(chǎng)合，在胸部傾斜角度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)25的處理中，根據(jù)從胸部前后加速度傳感器15及胸部回轉(zhuǎn)傳感器14而分別輸入的胸部4的前后方向的加速度、及胸部4的角速度的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并通過使用所謂卡爾曼濾波器的處理的周知的手法，來在所述每一周期依次求解絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的胸部4的傾斜角度θa。同樣地，在腰部傾斜角度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)25的處理中，根據(jù)從前后加速度傳感器20及腰部回轉(zhuǎn)傳感器19而分別輸入的腰部3的前后方向的加速度、及腰部3的角速度的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并使用所謂卡爾曼濾波器的處理，來依次求解絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的腰部3的傾斜角度θb。在此，絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的胸部4及腰部3的各自的傾斜角度θa、θb在本實(shí)施方式中為，例如相對(duì)于豎直方向(重力方向)而言的傾斜角度。
另外，雖然可以通過例如對(duì)由胸部回轉(zhuǎn)傳感器14、19而得到的角速度的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，求得胸部4和腰部3的傾斜角度，但是，如本實(shí)施方式這樣，通過使用所謂卡爾曼濾波器的處理，可以高精度地計(jì)測(cè)胸部4和腰部3的傾斜角度θa、θb。
接著，運(yùn)算處理裝置16實(shí)行所述腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28的處理與所述基準(zhǔn)加速度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)27的處理。
在所述腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28的處理中，絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的各腿部2的大腿部9及小腿部11的傾斜角度θc、θd(參照?qǐng)D2，相對(duì)于豎直方向的傾斜角度)在所述每一周期可以按如下這樣依次求得。即，根據(jù)通過安裝在腿部2上的所述髖關(guān)節(jié)角度傳感器22而得到的髖關(guān)節(jié)8的彎曲角度Δθc的檢測(cè)數(shù)據(jù)的此次值、以及通過所述腰部傾斜角度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)25而求得的腰部3的傾斜角度θb的此次值，并通過下式(4)，來計(jì)算各腿部2的大腿部9的傾斜角度θc。
θc＝θb+Δθc ……(4)在此，在該腰部3相對(duì)于豎直方向而傾斜，以使得該腰部3的上端部比下端部還突出到人1的前方一側(cè)的場(chǎng)合下，腰部3的傾斜角度θb為負(fù)的值；而在大腿部9相對(duì)于腰部3的軸心而傾斜，以使得大腿部9的下端部突出到人1的前方一側(cè)的場(chǎng)合下，髖關(guān)節(jié)8的彎曲角度Δθc為正的值。
此外，根據(jù)如上所述而求得的大腿部9的傾斜角度θc的此次值、以及通過安裝在腿部2上的所述膝關(guān)節(jié)角度傳感器23而得到的膝關(guān)節(jié)10的彎曲角度Δθd的檢測(cè)數(shù)據(jù)的此次值，并通過下式(5)，來計(jì)算各腿部2的小腿部11的傾斜角度θd。
θd＝θc-Δθd ……(5)在此，在小腿部11相對(duì)于大腿部9的軸心而傾斜到大腿部9的背面一側(cè)的場(chǎng)合下，膝關(guān)節(jié)10的彎曲角度為正的值。
另外，在所述基準(zhǔn)加速度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)27的處理中，所述身體坐標(biāo)系Cp的原點(diǎn)O于絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的加速度a0＝T(a0x，a0z)可以按以下求得。即，將通過腰部前后加速度傳感器20而得到的腰部3的前后方向的加速度的檢測(cè)數(shù)據(jù)的此次值設(shè)為ap，將通過所述腰部上下加速度傳感器21而得到的腰部3的上下方向的加速度的檢測(cè)數(shù)據(jù)的此次值設(shè)為aq，則根據(jù)這些檢測(cè)數(shù)據(jù)ap、aq、以及通過腰部傾斜角度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)25而求得的腰部3的傾斜角度θb的此次值，并通過下式(6)，可以求得絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的加速度a0＝T(a0x，a0z))。
a0＝T(a0x，a0z)＝T(ap·cosθb-aq·sinθb，ap·sinθb+aq·cosθb)……(6)接著，運(yùn)算處理裝置16實(shí)行所述各部重心位置計(jì)算機(jī)構(gòu)29的處理，使用在以下將要說明的剛體連動(dòng)模型，來求解所述身體坐標(biāo)系Cp上的人1的各剛體相當(dāng)部的重心的位置(相對(duì)于身體坐標(biāo)系Cp的原點(diǎn)的位置)。
如圖4所示，在本實(shí)施方式中所使用的剛體連動(dòng)模型R是將人1作為由以下剛體連結(jié)而成的人形來進(jìn)行表現(xiàn)的模型，即是將相當(dāng)于各腿部2的大腿部9的剛體R1、R1、相當(dāng)于小腿部11的剛體R2、R2、相當(dāng)于腰部3的剛體R3、以及相當(dāng)于將所述胸部4、臂部7、7、及頭部6合在一起的部分40(以下稱上體部40)的剛體R4連結(jié)起來。這種場(chǎng)合，各剛體R1與剛體R3間的連結(jié)部、以及各剛體R1與剛體R2間的連結(jié)部分別相當(dāng)于髖關(guān)節(jié)8、膝關(guān)節(jié)10。另外，剛體R3與剛體R4間的連結(jié)部，為相對(duì)于腰部3的胸部4的傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)部41。
而且，在本實(shí)施方式中，與這種剛體連動(dòng)模型R的各剛體R1～R4相對(duì)應(yīng)的人1的剛體相當(dāng)部(各腿部2的大腿部9及小腿部11、腰部3、上體部40)的各自的重心G1、G2、G3、G4于各剛體相當(dāng)部上的位置被預(yù)先求得，并被記憶存儲(chǔ)在運(yùn)算處理裝置16的未圖示的存儲(chǔ)器中。
在此，記憶存儲(chǔ)在運(yùn)算處理裝置16中的各剛體相當(dāng)部的重心G1、G2、G3、G4的位置是指在相對(duì)于各剛體相當(dāng)部而固定的坐標(biāo)系上的位置。這種場(chǎng)合，作為反映各剛體相當(dāng)部的重心G1、G2、G3、G4的位置的數(shù)據(jù)，例如，可以使用從各剛體相當(dāng)部的一端部的關(guān)節(jié)的中心點(diǎn)開始算起，在該剛體相當(dāng)部的軸心方向上的距離。具體而言，例如，如圖4所示，各大腿部9的重心G1的位置是由從該大腿部9的髖關(guān)節(jié)8的中心開始算起，在大腿部9的軸心方向上距離d1處的位置來表示；各小腿部11的重心G2的位置是由從該小腿部11的膝關(guān)節(jié)10的中心開始算起，在小腿部11的軸心方向上距離d2處的位置來表示；這些距離d1、d2的值被預(yù)先求得，并被記憶存儲(chǔ)在運(yùn)算處理裝置16中。關(guān)于其它剛體相當(dāng)部的重心G3、G4的位置也與之同樣。
另外，關(guān)于上體部40的重心G4的位置，雖然嚴(yán)密地講，會(huì)受到包含在該上體部40之內(nèi)的臂部7、7的動(dòng)作的影響，但是，由于在行走時(shí)的各臂部7、7一般是相對(duì)于胸部4的軸心處于對(duì)稱的位置關(guān)系，故而，上體部40的重心G4的位置幾乎不發(fā)生變動(dòng)，例如，它幾乎與直立姿勢(shì)狀態(tài)時(shí)的上體部40的重心G4的位置是同一位置。
另外，在本實(shí)施方式中，除了對(duì)各剛體相當(dāng)部(各腿部2的大腿部及小腿部11、腰部3、上體部40)的重心G1、G2、G3、G4的位置進(jìn)行表示的數(shù)據(jù)之外，也可以預(yù)先求得各剛體相當(dāng)部的質(zhì)量的數(shù)據(jù)、各剛體相當(dāng)部的尺寸的數(shù)據(jù)(例如，各剛體相當(dāng)部的長度的數(shù)據(jù))，并將之記憶存儲(chǔ)在運(yùn)算處理裝置16中。
另外，小腿部11的質(zhì)量為包括腳底部13在內(nèi)的質(zhì)量。另外，如上所述，預(yù)先記憶存儲(chǔ)在運(yùn)算處理裝置16中的數(shù)據(jù)，雖然可以通過實(shí)際測(cè)量等方法得到，但是，也可以根據(jù)人1的身長或體重等，并基于人的平均統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來推側(cè)。一般情況下，上述各剛體相當(dāng)部的重心G1、G2、G3、G4的位置、或者質(zhì)量、尺寸，與人的身長或體重具有關(guān)連性，基于其相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)人1的身長及體重的數(shù)據(jù)，可以較高精度地推測(cè)上述各剛體相當(dāng)部的重心G1、G2、G3、G4的位置、或者質(zhì)量、尺寸。
所述各部重心位置計(jì)算機(jī)構(gòu)29根據(jù)如上所述的預(yù)先記憶存儲(chǔ)在運(yùn)算處理裝置16中的數(shù)據(jù)、通過所述胸部傾斜角度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)25及腰部傾斜角度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)26而分別求得的胸部4的傾斜角度θa(＝上體部40的傾斜角度)及腰部3的傾斜角度θb的此次值、以及通過所述腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28而求得的各腿部2的大腿部9及小腿部11的各自的傾斜角度θc、θd的此次值，來求解身體坐標(biāo)系Cp(圖4中的xz坐標(biāo))上的各剛體相當(dāng)部的重心G1、G2、G3、G4的位置，而該身體坐標(biāo)系Cp是具有固定在腰部3上的原點(diǎn)O的坐標(biāo)系。
這種場(chǎng)合，由于各剛體相當(dāng)部(各腿部2的大腿部9及小腿部11、腰部3、上體部40)的傾斜角度θa～θd的數(shù)據(jù)可以通過上述的方法來求得，因此，根據(jù)其傾斜角度θa～θd的數(shù)據(jù)、以及各剛體相當(dāng)部的尺寸的數(shù)據(jù)，可以知道身體坐標(biāo)系Cp上的各剛體相當(dāng)部的位置及姿勢(shì)。這樣，也就可以求得身體坐標(biāo)系Cp上的各剛體相當(dāng)部的重心G1、G2、G3、G4的位置。
具體而言，例如，參照?qǐng)D4，關(guān)于位于同圖4中的左側(cè)的腿部2(朝向人1的前進(jìn)方向的前方而處于后側(cè)的腿部2)進(jìn)行說明，由于大腿部9于身體坐標(biāo)系Cp上的傾斜角度(相對(duì)于軸z方向的傾斜角度)為θc(該場(chǎng)合，在圖4中θc＜0＝，故而身體坐標(biāo)系Cp上的大腿部9的重心G1的位置的坐標(biāo)為(d1·sinθc，-d1·cosθc)。另外，由于小腿部11于身體坐標(biāo)系Cp上的傾斜角度為θd(在圖4中θd＜0)，故而若將大腿部9的長度設(shè)定為Dc，則身體坐標(biāo)系Cp上的小腿部11的重心G2的位置的坐標(biāo)為(Dc·sinθc+d2·sinθd，-Dc·cosθc-d2·cosθd)。關(guān)于另一側(cè)的腿部2的大腿部9及小腿部11、以及腰部3及上體部38的重心也可以與上述同樣地求得。
這樣，在通過各部重心位置計(jì)算機(jī)構(gòu)29，求得身體坐標(biāo)系Cp上的各剛體相當(dāng)部的重心G1、G2、G3、G4的位置之后，運(yùn)算處理裝置16開始實(shí)行所述身體重心位置計(jì)算機(jī)構(gòu)30的處理，使用各剛體相當(dāng)部的重心G1、G2、G3、G4的位置的數(shù)據(jù)、以及各剛體相當(dāng)部的質(zhì)量的數(shù)據(jù)，來求解身體坐標(biāo)系Cp上的人1的身體重心G0的位置(xg，zg)。
在此，若進(jìn)行以下設(shè)定，即，將身體坐標(biāo)系Cp上的腰部3的重心G3的位置及質(zhì)量分別設(shè)定為(x3，z3)、m3，將上體部40的重心G4的位置及質(zhì)量分別設(shè)定為(x4，z4)、m4，將在朝向人1的前方的場(chǎng)合時(shí)處于左側(cè)的腿部2的大腿部9的重心G1的位置及質(zhì)量分別設(shè)定為(x1L，z1L)、m1L，將同一腿部2的小腿部11的重心G2的位置及質(zhì)量分別設(shè)定為(x2L，z2L)、m2L，將處于右側(cè)的腿部2的大腿部9的重心G1的位置及質(zhì)量分別設(shè)定為(x1R，z1R)、m1R，將同一腿部2的小腿部11的重心G2的位置及質(zhì)量分別設(shè)定為(x2R、z2R)、m2R，將人1的體重設(shè)定為M(＝m1L+m2L+m1R+m2R+m3+m4)，則身體坐標(biāo)系Cp上的人1的身體重心G0的位置(xg、zg)可以根據(jù)下式(7)求得。
xg＝(m1L·x1L+m1R·x1R+m2L·x2L+m2R·x2R+m3·x3+m4·x4)/Mzg＝(m1L·z1L+m1R·z1R+m2L·z2L+m2R·z2R+m3·z3+m4·z4)/M……(7)這樣，在實(shí)行身體重心位置計(jì)算機(jī)構(gòu)30的處理之后，運(yùn)算處理裝置16還實(shí)行所述身體重心加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)31的處理。在該身體重心加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)31的處理中，首先，使用在所述每一周期通過身體重心位置計(jì)算機(jī)構(gòu)30而求得的身體坐標(biāo)系Cp上的身體重心G0的位置(Xg，Zg)的時(shí)序數(shù)據(jù)，來求解相對(duì)于身體坐標(biāo)系Cp上的原點(diǎn)O而言的身體重心G0的位置(Xg，Zg)的2次微分值，也即是，相對(duì)于身體坐標(biāo)系Cp上的原點(diǎn)O而言的身體重心G0的加速度T(d2xg/dt2，d2zg/dt2)。而且，通過求解該加速度T(d2xg/dt2，d2zg/dt2)、與通過所述基準(zhǔn)加速度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)27而求得的身體坐標(biāo)系Cp的原點(diǎn)O于絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的加速度a0＝T(a0x，a0z)之間的向量和，可以求得絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的身體重心G0的加速度a＝T(ax，az)。
另外，運(yùn)算處理裝置16在實(shí)行所述腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28及各部重心位置計(jì)算機(jī)構(gòu)29的處理之后，還實(shí)行所述腿部各部加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)32、腿部各部角加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)33、以及地面反向力作用點(diǎn)推定機(jī)構(gòu)34的處理。
這種場(chǎng)合，在所述腿部各部加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)32的處理中，與所述身體重心加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)31的處理同樣，首先，使用在所述每一周期通過所述各部重心位置計(jì)算機(jī)構(gòu)29而求得的身體坐標(biāo)系Cp上的作為各腿部2的剛體相當(dāng)部的大腿部9及小腿部11的重心G1、G2的位置的各自的時(shí)序數(shù)據(jù)，來求解身體坐標(biāo)系Cp上的大腿部9及小腿部11的重心G1、G2的位置的各自的2次微分值，也即是，身體坐標(biāo)系Cp上的大腿部9及小腿部11的重心G1、G2的各自的加速度(相對(duì)于身體坐標(biāo)系Cp的原點(diǎn)O的平移加速度)。然后，通過求解該各自的加速度、與通過所述基準(zhǔn)加速度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)27而得到的身體坐標(biāo)系Cp上的原點(diǎn)O于絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的加速度a0＝T(a0x，a0z)之間的向量和，可以求得絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的大腿部9及小腿部11的各自的加速度(具體是指該加速度于絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的坐標(biāo)成份)。
另外，在所述腿部各部角加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)33的處理中，使用在所述每一周期通過所述腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28而求得的各腿部2的大腿部9及小腿部11的各自的傾斜角度θc、θd的時(shí)序數(shù)據(jù)，可以求得各腿部2的大腿部9及小腿部11的各自的傾斜角度θc、θd的2次微分值，也即是，大腿部9及小腿部11的各自的角加速度。
另外，在所述地面反向力作用點(diǎn)推定機(jī)構(gòu)34的處理中，關(guān)于著地中的腿部2進(jìn)行說明，例如，根據(jù)通過所述腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28而計(jì)算出的大腿部9的傾斜角度θc的此次值，并基于如圖5及圖6所示的預(yù)先設(shè)定的相關(guān)關(guān)系，而將從該腿部2的踝部12朝向該腿部2的腳底部13的地面反向力作用點(diǎn)(可以視為作用到腳底部13的著地位置上的總地面反向力所集中的點(diǎn))的向量(相對(duì)于踝部12的地面反向力作用點(diǎn)的位置向量，以下稱地面反向力作用點(diǎn)向量)、作為表示該地面反向力作用點(diǎn)的位置來進(jìn)行求解。
即，據(jù)本案發(fā)明者等人之所見，著地中的腿部2的大腿部9的傾斜角度θc或膝關(guān)節(jié)10的彎曲角度Δθd，與地面反向力作用點(diǎn)之間存在有比較顯著的關(guān)連性，例如，針對(duì)大腿部9的傾斜角度θc而言時(shí)，所述地面反向力作用點(diǎn)向量，具體而言，具有在人1的前進(jìn)方向(X軸方向)上的該地面反向力作用點(diǎn)向量的成份與在豎直方向(Z軸方向)上的該地面反向力作用點(diǎn)向量的成份，兩成份如圖5及圖6所示那樣發(fā)生變化。在此，大腿部9的負(fù)的傾斜角度θc是指在大腿部9相對(duì)于腰部3的軸心而傾斜，以使得腿部2伸到人1后側(cè)的場(chǎng)合時(shí)(例如，圖2中的朝向人1前方的場(chǎng)合時(shí)的右側(cè)的腿部2)的角度；正的傾斜角度θc是指在大腿部9相對(duì)于腰部3的軸心而傾斜，以使得腿部2處于人1前側(cè)的場(chǎng)合時(shí)(例如，圖2中的朝向人1前方的場(chǎng)合時(shí)的左側(cè)的腿部2)的角度。
因此，在本實(shí)施方式中，作成以大腿部9的傾斜角度θc為參量的且反映圖5及圖6的相關(guān)關(guān)系的近似式，并將該近似式預(yù)先記憶存儲(chǔ)在運(yùn)算處理裝置16中。然后，在所述地面反向力作用點(diǎn)推定機(jī)構(gòu)34的處理中，將通過所述腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28而求得的大腿部9的傾斜角度θc的此次值代入上述近似式，來求解所述地面反向力作用點(diǎn)向量(具體是指該地面反向力作用點(diǎn)向量于X軸方向、Z軸方向的成份)。
在此，如圖5及圖6所示，在大腿部9的傾斜角度θc具有極小值的相關(guān)關(guān)系中，即使大腿部9的傾斜角度θc為同一角度，但是在傾斜角度θc的減少過程與增加過程中，地面反向力作用點(diǎn)向量的值也不相同。因此，在本實(shí)施方式中，在作成上述近似式時(shí)，將腳底部13的腳后跟著地之后，一直到腳尖離開地面之間的所述相關(guān)關(guān)系的過渡區(qū)分成以下3相，即，大腿部9的傾斜角度θc為正的第1相(圖5中為a1的相，圖6中為b1的相)，大腿部9的傾斜角度θc為負(fù)、且大腿部9的傾斜角度θc的變化速度也即大腿部9的傾斜角速度為負(fù)的第2相(圖5中為a2的相，圖6中為b2的相)，以及大腿部9的傾斜角度θc為負(fù)、且大腿部9的傾斜角速度為正的第3相(圖5中為a3的相，圖6中為b3的相)，關(guān)于地面反向力作用點(diǎn)向量于X軸方向、Z軸方向的各自的成份，則可以通過利用同一或不同的函數(shù)而將各相進(jìn)行近似地求解來得到。若將地面反向力作用點(diǎn)向量于X軸方向的成份設(shè)定為px，對(duì)圖5的相關(guān)關(guān)系中的第1相a1及第2相a2進(jìn)行合并后的相的近似式，則可通過例如以下形式的6次多項(xiàng)式函數(shù)(x1～x7為常數(shù)值)來表示。
px＝x1·θc6+x2·θc5+x3·θc4+x4·θc3+x5·θc2+x6·θc+x7另外，圖5的相關(guān)關(guān)系中的第3相a3的近似式，可通過例如以下形式的4次多項(xiàng)式函數(shù)(x8～x12為常數(shù)值)來表示。
px＝x8·θc4+x9·θc3+x10·θc2+x11·θc+x12另外，若將地面反向力作用點(diǎn)向量于Z軸方向的成份設(shè)定為pz，對(duì)圖6的相關(guān)關(guān)系中的第1相b1及第2相b2進(jìn)行合并的相的近似式，可通過例如以下形式的6次多項(xiàng)式函數(shù)(z1～z7為常數(shù)值)來表示。
pz＝z1·θc6+z2·θc5+z3·θc4+z4·θc3+z5·θc2+z6·θc+z7另外，圖6的相關(guān)關(guān)系中的第3相b3的近似式，可通過例如以下形式的3次多項(xiàng)式函數(shù)(z8～z11為常數(shù)值)來表示。
pz＝z8·θc3+z9·θc2+z10·θc+z11而且，在求解地面反向力作用點(diǎn)向量時(shí)，在對(duì)大腿部9的傾斜角度θc的正負(fù)進(jìn)行識(shí)別的同時(shí)，還對(duì)通過大腿部9的傾斜角度θc的時(shí)序數(shù)據(jù)的一次微分而計(jì)算出的大腿部9的傾斜角速度的正負(fù)進(jìn)行辨別。進(jìn)而，再根據(jù)這些被識(shí)別出的傾斜角度θc的正負(fù)與傾斜角速度的正負(fù)，來判斷現(xiàn)在處于哪一相，然后通過將大腿部9的傾斜角度θc的此次值代入被判斷出的相的近似式中，而計(jì)算出地面反向力作用點(diǎn)向量。這樣，可以區(qū)別大腿部9的傾斜角度θc于減少過程中的地面反向力作用點(diǎn)向量的值、與大腿部9的傾斜角度θc于增加過程中的地面反向力作用點(diǎn)向量的值，并對(duì)之進(jìn)行計(jì)算出。
另外，在本實(shí)施方式中，雖然是使用多項(xiàng)式對(duì)腿部2的大腿部9的傾斜角度θc與地面反向力作用點(diǎn)向量之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了近似，以求出地面反向力作用點(diǎn)向量，但是，也可以利用數(shù)據(jù)表對(duì)圖5及圖6所示的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行記憶存儲(chǔ)，并使用該數(shù)據(jù)表，根據(jù)大腿部9的傾斜角度θc，求出地面反向力作用點(diǎn)向量。
另外，地面反向力作用點(diǎn)的位置，與著地中的腿部2的膝關(guān)節(jié)10的彎曲角度之間也具有關(guān)連性，可以代替大腿部9的傾斜角度θc，根據(jù)利用膝關(guān)節(jié)角度傳感器23而計(jì)測(cè)的膝關(guān)節(jié)10的彎曲角度Δθd，來推定地面反向力作用點(diǎn)的位置；或者，也可以使用大腿部9的傾斜角度θc與膝關(guān)節(jié)10的彎曲角度Δθd的兩者，通過圖表等，來推定地面反向力作用點(diǎn)的位置。
此外，在人1坐到椅子上或者從坐在椅子上的狀態(tài)站起來時(shí)，地面反向力作用點(diǎn)的位置與膝關(guān)節(jié)10的彎曲角度Δθd之間，成立有圖7(坐到椅子上時(shí))、圖8(從椅子上站起時(shí))所示的相關(guān)關(guān)系；在上臺(tái)階或者下臺(tái)階時(shí)，地面反向力作用點(diǎn)的位置與大腿部9的傾斜角度θc之間，成立有圖9(上臺(tái)階時(shí))、圖10(下臺(tái)階時(shí))所示的相關(guān)關(guān)系。因此，在坐到椅子上或從椅子上站起來時(shí)，根據(jù)膝關(guān)節(jié)10的彎曲角度Δθd，并基于圖7、圖8的相關(guān)關(guān)系，可以推定地面反向力作用點(diǎn)的位置，另外，在上臺(tái)階或下臺(tái)階時(shí)，根據(jù)大腿部9的傾斜角度θc，并基于圖9、圖10的相關(guān)關(guān)系，可以推定地面反向力作用點(diǎn)的位置。
另一方面，運(yùn)算處理裝置16在實(shí)行前面所述的各機(jī)構(gòu)25～34的處理的同時(shí)，還實(shí)行通過所述腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24進(jìn)行的處理。在該腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24的處理中，在所述每一周期，對(duì)通過所述腰部上下加速度傳感器21而得到的腰部3的朝向上方的加速度的檢測(cè)數(shù)據(jù)、與預(yù)先設(shè)定的規(guī)定的閾值進(jìn)行比較。而且，當(dāng)該加速度的檢測(cè)值超過其閾值時(shí)，判斷為如圖1(b)所示的兩腿支承狀態(tài)的開始，且又是如圖1(a)所示的單腿支承狀態(tài)的結(jié)束。即，在人1行走中，當(dāng)從單腿支承狀態(tài)向兩腿支承狀態(tài)過渡時(shí)，由于游離一側(cè)的腿部2的著地，在髖關(guān)節(jié)8的附近的腰部3上，產(chǎn)生幾乎朝向上方的較大的加速度(在通常的單腿支承狀態(tài)下產(chǎn)生不了的加速度)。由此，所述腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24通過如上所述那樣，對(duì)根據(jù)腰部上下加速度傳感器21而得到的腰部3的朝向上方的加速度的檢測(cè)數(shù)據(jù)、與規(guī)定的閾值進(jìn)行比較，來判斷兩腿支承狀態(tài)的開始及單腿支承狀態(tài)的結(jié)束。
另外，在通過腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)2 4把握了兩腿支承狀態(tài)的開始之時(shí)，與之對(duì)應(yīng)地，所述計(jì)時(shí)機(jī)構(gòu)35開始對(duì)從該兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)(通過腰部上下加速度傳感器21而得到的加速度的檢測(cè)數(shù)據(jù)超過上述閾值時(shí)的周期時(shí)刻)的經(jīng)過時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。
另外，在腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24的處理中，一旦把握了如上所述的兩腿支承狀態(tài)的開始，在所述每一周期，對(duì)于從該兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)利用所述兩腿支承時(shí)間計(jì)時(shí)機(jī)構(gòu)37而計(jì)測(cè)的經(jīng)過時(shí)間，是否達(dá)到了在該兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)刻利用所述兩腿支承期間推定機(jī)構(gòu)37而求得的將在后面說明的兩腿支承期間(從兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)到結(jié)束時(shí)之間的該兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間)的推定值，進(jìn)行依次監(jiān)視。并且，當(dāng)該經(jīng)過時(shí)間達(dá)到兩腿支承期間的推定值時(shí)，腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24判斷為兩腿支承狀態(tài)的結(jié)束，且又是單腿支承狀態(tài)的開始。
如此地實(shí)行腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24的處理，另外，在實(shí)行通過所述腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28而進(jìn)行的處理之后，運(yùn)算處理裝置16開始依次地實(shí)行所述移動(dòng)速度推定機(jī)構(gòu)36的處理及所述兩腿支承期間推定機(jī)構(gòu)37的處理。
根據(jù)移動(dòng)速度推定機(jī)構(gòu)36進(jìn)行的處理如下。即，參照?qǐng)D11，在人1行走時(shí)，在t1時(shí)刻，由實(shí)線所示的人1的前方一側(cè)的腿部2(圖1中朝向人1的前方場(chǎng)合時(shí)的右側(cè)的腿部2)進(jìn)行著地，開始兩腿支承狀態(tài)，如虛線描畫的人1所示，想象在t2時(shí)刻開始下一次的兩腿支承狀態(tài)的情況(在t1時(shí)刻處于人1后側(cè)的腿部2離開地面后在t2時(shí)刻開始著地的場(chǎng)合)。此時(shí)，人1從t1時(shí)刻到t2時(shí)刻的移動(dòng)距離L為絕對(duì)坐標(biāo)系Cf的X軸方向(人1的前進(jìn)方向)上的腰部3的髖關(guān)節(jié)8的中心的移動(dòng)距離(該距離在本實(shí)施方式中等于身體坐標(biāo)系Cp上的原點(diǎn)O于X軸方向的移動(dòng)量)。
而且，該移動(dòng)距離L幾乎等于距離ΔL1與距離ΔL2之間的總和，其中距離ΔL1為在t1時(shí)刻從髖關(guān)節(jié)8的中心到人1的前方一側(cè)的腿部2的踝部12之間的X軸方向上的距離，距離ΔL2為在t2時(shí)刻從髖關(guān)節(jié)8的中心到人1的后方一側(cè)的腿部2(該腿部為在t1時(shí)刻處于人1的前方一側(cè)的腿部2)的踝部12之間的X軸方向上的距離。
因此，通過把握上述距離ΔL1、ΔL2X、以及從t1時(shí)刻到t2時(shí)刻的經(jīng)過時(shí)間(t2-t1)也即是從兩腿支承狀態(tài)開始之后到下一次的兩腿支承狀態(tài)的開始之間的一步份的經(jīng)過時(shí)間，并使用這些距離ΔL1、ΔL2、以及該一步份的經(jīng)過時(shí)間(t2-t1)，根據(jù)下式(8)，可以求得從時(shí)刻t1到時(shí)刻t2的人1的移動(dòng)速度V(從時(shí)刻t1到時(shí)刻t2的平均移動(dòng)速度)。
V＝D/(t2-t1)＝(ΔL1+ΔL2)/(t2-t1)……(8)因此，在本實(shí)施方式中的所述移動(dòng)速度推定機(jī)構(gòu)36的處理中，在每次通過所述腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24把握兩腿支承狀態(tài)的開始后，與人1的前方一側(cè)的腿部2相關(guān)連的上述距離ΔL1以及與后方一側(cè)的腿部2相關(guān)連的上述距離ΔL2可以按以下求得，并對(duì)這些距離ΔL1、ΔL2的算出值進(jìn)行記憶存儲(chǔ)。然后，根據(jù)在此次的兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)所求得的與后方一側(cè)的腿部2相關(guān)連的上述距離ΔL2、在前一次的兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)所求得的與前方一側(cè)的腿部2相關(guān)連的上述距離ΔL1、以及從前一次的兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)到此次的兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)利用所述計(jì)時(shí)機(jī)構(gòu)37而計(jì)測(cè)的時(shí)間(t2-t1)，并通過所述式(8)，求解人1的移動(dòng)速度V。
這種場(chǎng)合，上述距離ΔL1、ΔL2的求解如下。即，關(guān)于在兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)人1的前方一側(cè)的腿部2的說明如下，在該兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)(通過腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24所把握的兩腿支承狀態(tài)開始的周期)，將通過所述腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28而求得的大腿部9及小腿部11的各自的傾斜角度設(shè)定為θc1、θd1(參照?qǐng)D11的時(shí)刻t1處的圖)。此時(shí)，使用這些傾斜角度θc1、θd1(θc1＞0、θd1＞0)的數(shù)據(jù)與大腿部9及小腿部11的各自的長度的Dc、Dd的數(shù)據(jù)，并根據(jù)下式(9)，而計(jì)算出與該腿部2相關(guān)連的距離ΔL1。
ΔL1＝Dc·sinθc1+Dd·sinθd1 ……(9)同樣地，關(guān)于在兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)人1的后方一側(cè)的腿部2的說明如下，在該兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)，若將通過所述腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28而求得的大腿部9及小腿部11的各自的傾斜角度設(shè)定為θc2、θd2(參照?qǐng)D11的時(shí)刻t2處的圖)，使用這些傾斜角度θc2、θd2(θc2＜0、θd2＜0)的數(shù)據(jù)與大腿部9及小腿部11的各自的長度的Dc、Dd的數(shù)據(jù)，并根據(jù)下式(10)，而計(jì)算出與該腿部2相關(guān)連的距離ΔL2。
ΔL1＝-Dc·sinθc2-Dd·sinθd2 ……(10)根據(jù)以上說明的移動(dòng)速度推定機(jī)構(gòu)36的處理，在每一次兩腿支承狀態(tài)的開始，推定人1的移動(dòng)速度V(具體是指兩腿支承狀態(tài)的開始之前的一步中的移動(dòng)速度)。另外，在兩腿支承狀態(tài)開始之后，到下一次兩腿支承狀態(tài)開始的期間的各周期時(shí)刻，移動(dòng)速度V的推定值被維持于一定。
另外，兩腿支承期間推定機(jī)構(gòu)37的處理如下進(jìn)行。據(jù)本案發(fā)明者等人之所見，作為人1于行走時(shí)的兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)期間的兩腿支承期間，與人1的移動(dòng)速度V之間具有密切的關(guān)連性。即，人1于行走時(shí)的兩腿支承期間相對(duì)于移動(dòng)速度V，發(fā)生如圖12所示的變化，該移動(dòng)速度V越快，兩腿支承期間則越短。
因此，在本實(shí)施方式中，以預(yù)先的數(shù)據(jù)表或者將之進(jìn)行近似的多項(xiàng)式函數(shù)的形式，對(duì)圖12的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行預(yù)先記憶存儲(chǔ)于運(yùn)算處理裝置16。而且，在所述兩腿支承期間推定機(jī)構(gòu)37的處理中，在兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)，根據(jù)如前所述那樣通過移動(dòng)速度推定機(jī)構(gòu)36而求得的移動(dòng)速度V的最新值，并基于圖12的相關(guān)關(guān)系，對(duì)與該兩腿支承狀態(tài)相關(guān)連的兩腿支承期間的推定值進(jìn)行求解。另外，該兩腿支承期間的推定值又被維持到下一次的兩腿支承狀態(tài)的開始。
另外，運(yùn)算處理裝置16在實(shí)行所述身體重心加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)31、腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24、計(jì)時(shí)機(jī)構(gòu)35、以及兩腿支承期間推定機(jī)構(gòu)37的處理之后，還在所述每一周期實(shí)行所述地面反向力推定機(jī)構(gòu)38的處理。在該地面反向力推定機(jī)構(gòu)38的處理中，根據(jù)通過身體重心加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)31而求得的身體重心G0的加速度a＝T(ax，az)的數(shù)據(jù)、以及人1的質(zhì)量M的數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述式(2)，在每一周期可以依次求得總地面反向力F＝T(Fx，F(xiàn)z)的推定值。這種場(chǎng)合，當(dāng)通過腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24而把握的腿部2的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為單腿支承狀態(tài)時(shí)，上述總地面反向力F＝T(Fx，F(xiàn)z)的推定值則可以作為作用到著地中的一條腿部2上的地面反向力的推定值來求得。
另一方面，當(dāng)通過腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24而把握的腿部2的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為兩腿支承狀態(tài)時(shí)，地面反向力推定機(jī)構(gòu)38按如下來求解作用到各腿部2上的地面反向力Fr＝T(Frx，F(xiàn)rz)及Ff＝T(Ffx，F(xiàn)fz)。即，據(jù)本案發(fā)明者等人之所見，當(dāng)著眼于在兩腿支承狀態(tài)下作用到人1的后方一側(cè)的腿部2上的地面反向力Fr的各成份相對(duì)于該兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的總地面反向力F的各成份的比例(以下稱地面反向力比)、與從該兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的經(jīng)過時(shí)間相對(duì)于所述兩腿支承期間的比例(＝經(jīng)過時(shí)間/兩腿支承期間，以下稱兩腿支承時(shí)間比)之間的關(guān)系時(shí)，在這些關(guān)系之間存在有特殊的關(guān)連性，該關(guān)連性幾乎不受人1的移動(dòng)速度V等的影響。
具體而言，作為作用到后方一側(cè)的腿部2上的地面反向力Fr的Z軸方向(豎直方向)上的成份Frz相對(duì)于兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的總地面反向力F的Z軸方向上的成份Fz(以下用參照符號(hào)Fzs表示)而言的比例的地面反向力比Frz/Fzs不論人1的移動(dòng)速度V等如何，相對(duì)于所述兩腿支承時(shí)間比而言，具有如圖13(a)所示的幾乎一定的相關(guān)關(guān)系，其基本上是伴隨兩腿支承狀態(tài)的時(shí)間的經(jīng)過，從1至0地減少下去。另外，作為作用到后方一側(cè)的腿部2上的地面反向力Fr的X軸方向(朝向人1的前進(jìn)方向的水平方向)上的成份Frx相對(duì)于兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的總地面反向力F的X軸方向上的成份Fx(以下用參照符號(hào)Fxs表示)而言的比例的地面反向力比Frx/Fxs不論人1的移動(dòng)速度V等如何，相對(duì)于所述兩腿支承時(shí)間比而言，具有如圖13(b)所示的幾乎一定的相關(guān)關(guān)系，其伴隨兩腿支承狀態(tài)的時(shí)間的經(jīng)過，暫時(shí)地從1開始增加，而后減少到0。
因此，在本實(shí)施方式中，以預(yù)先的數(shù)據(jù)表或者將這些相關(guān)關(guān)系分別進(jìn)行近似的多項(xiàng)式函數(shù)的形式，而對(duì)圖13(a)、(b)的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行預(yù)先記憶存儲(chǔ)于運(yùn)算處理裝置16。然后，在所述地面反向力推定機(jī)構(gòu)38的處理中，再加上對(duì)所述總地面反向力F的推定值進(jìn)行求解，根據(jù)通過計(jì)時(shí)機(jī)構(gòu)35而得到的經(jīng)過時(shí)間的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)的此次值、通過兩腿支承期間推定機(jī)構(gòu)37而求得的兩腿支承期間的推定值的最新值，在所述每一周期可以依次求得所述兩腿支承時(shí)間比。然后，根據(jù)所求得的該兩腿支承時(shí)間比的數(shù)據(jù)，并基于圖13(a)的相關(guān)關(guān)系，可以依次求得Z軸方向上的地面反向力比Frz/Fzs，并通過將兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的總地面反向力F的Z軸方向上的成份Fzx乘以該地面反向力比Frz/Fzs，可以求得作用到后方一側(cè)的腿部2上的地面反向力Fr的Z軸方向上的成份Frz。同樣地，根據(jù)所求得的兩腿支承時(shí)間比的數(shù)據(jù)，并基于圖13(b)的相關(guān)關(guān)系，可以依次求得X軸方向上的地面反向力比Frx/Fxs，并通過將兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的總地面反向力F的X軸方向上的成份Fxs乘以該地面反向力比Frx/Fxs，可以求得作用到后方一側(cè)的腿部2上的地面反向力Fr的X軸方向上的成份Frx。
此外，按照所述式(3)，通過從在各周期所求得的總地面反向力F＝T(Fx，F(xiàn)z)中減去(向量間的減法運(yùn)算)與后側(cè)的腿部2相關(guān)連的地面反向力Fr＝T(Frx，F(xiàn)rz)，可以求得與前側(cè)的腿部2相關(guān)連的地面反向力Ff＝T(Ffx，F(xiàn)fz)＝T(Fx-Frx，F(xiàn)z-Frz)。這樣，兩腿支承狀態(tài)下的兩腿部2、2的地面反向力Fr、Ff被分別求得。
接著，運(yùn)算處理裝置16實(shí)行所述關(guān)節(jié)力矩推定機(jī)構(gòu)39的處理，以求解作用到各腿部2的膝關(guān)節(jié)10及髖關(guān)節(jié)8上的力矩。該處理是使用通過所述地面反向力推定機(jī)構(gòu)38、腿部各部加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)32、腿部各部角加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)33、地面反向力作用點(diǎn)推定機(jī)構(gòu)34、以及腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28而分別求得的數(shù)據(jù)的此次值，并基于所謂逆動(dòng)力學(xué)模型而進(jìn)行。該逆動(dòng)力學(xué)模型是使用關(guān)于人1的各剛體相當(dāng)部的平移運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式、與關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式，從距離地面反向力作用點(diǎn)近的關(guān)節(jié)開始，依次地求解作用到該關(guān)節(jié)上的力矩的模型，在本實(shí)施方式中，依次對(duì)作用到各腿部2的膝關(guān)節(jié)10及髖關(guān)節(jié)8上的力矩進(jìn)行求解。
進(jìn)一步具體而言，參照?qǐng)D14，首先，關(guān)于各腿部2的小腿部11進(jìn)行說明，利用各自在絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的成份記號(hào)，分別將作用到小腿部11的前端部的踝部12上的力(關(guān)節(jié)反向力)、作用到小腿部11的膝關(guān)節(jié)10的部分上的力(關(guān)節(jié)反向力)、以及小腿部11的重心G2的平移加速度設(shè)定為T(F1x，F(xiàn)1z)、T(F2x，F(xiàn)2z)、T(a2x，a2z)，將該小腿部11的質(zhì)量設(shè)定為m2。此時(shí)，關(guān)于小腿部11的重心G2的平移運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式為下式(11)。
T(m2·a2x，m2·a2z)＝T(F1x-F2x，F(xiàn)1z-F2z-m2·g)故，T(F2x，F(xiàn)2z)＝T(F1x-m2·a2x，F(xiàn)1z-m2·a2z-m2·g)……(11)在此，小腿部11的重心G2的加速度T(a2x，a2z)可以通過所述腿部各部加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)32來求得。另外，作用到小腿部11的前端部的踝部12上的力T(F1x，F(xiàn)1z)近似等于關(guān)于具有該小腿部11的腿部2而言的通過地面反向力推定機(jī)構(gòu)38而求得的地面反向力的推定值。更加具體而言，在單腿支承狀態(tài)下，當(dāng)該腿部2處于著地中時(shí)，關(guān)節(jié)反向力T(F1x，F(xiàn)1z)為通過所述式(2)而求得的地面反向力T(Fx，F(xiàn)z)，而當(dāng)該腿部2是游離一側(cè)的腿部時(shí)，T(F1x，F(xiàn)1z)＝T(0，0)。另外，在兩腿支承狀態(tài)下，當(dāng)該腿部2是在朝向人1的前進(jìn)方向的場(chǎng)合時(shí)的后側(cè)的腿部時(shí)，關(guān)節(jié)反向力T(F1x，F(xiàn)1z)為使用所述圖13(a)、(b)的相關(guān)關(guān)系，如前面所述那樣而求得的地面反向力T(Frx，F(xiàn)rz)，而當(dāng)該腿部2是前側(cè)的腿部時(shí)，該關(guān)節(jié)反向力為按照所述式(3)，如前面所述那樣而求得的地面反向力T(Ffx，F(xiàn)fz)。
因此，作用到各腿部2的膝關(guān)節(jié)10上的關(guān)節(jié)反向力T(F2x，F(xiàn)2z)，可以根據(jù)通過腿部各部加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)32而求得的小腿部11的重心G2的加速度T(a2x，a2z)的數(shù)據(jù)、通過地面反向力推定機(jī)構(gòu)38而求得的地面反向力(＝T(F1x，F(xiàn)1z))的數(shù)據(jù)、小腿部11的預(yù)先求得的質(zhì)量m2的數(shù)據(jù)、以及重力加速度g的值，并通過上述式(11)來求得。
另外，參照?qǐng)D14，將作用到小腿部11的前端部的踝部12上的力矩設(shè)定為M1，將作用到小腿部11的膝關(guān)節(jié)10的部分上的力矩設(shè)定為M2，將圍繞小腿部11的重心G2轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性力矩設(shè)定為IG2，將圍繞小腿部11的重心G2轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度設(shè)定為α2。另外，對(duì)應(yīng)于所述圖4，若將小腿部11的重心G2與膝關(guān)節(jié)10的中心之間的距離設(shè)定為d2，將小腿部11的重心G2與踝部12之間的距離設(shè)定為d2’(＝Dd-d2)，則關(guān)于圍繞小腿部11的重心G2轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式為下式(12)。
IG2·α2＝M1-M2+F1x·d2’·cosθd-F1z·d2’·sinθd+F2x·d2·cosθd-F2z·d2·sinθd故，M2＝M1-IG2·α2+F1x·d2’·cosθd-F1z·d2’·sinθd+F2x·d2·cosθd-F2z·d2·sinθd……(12)在此，式(12)中的M1是通過關(guān)于具有同式(12)所關(guān)連的小腿部11的腿部2而言的通過地面反向力作用點(diǎn)推定機(jī)構(gòu)34而求得的地面反向力作用點(diǎn)向量、與關(guān)于該腿部2而言的通過所述地面反向力推定機(jī)構(gòu)38而求得的地面反向力向量的兩者間的外積(向量積)，而得到的力矩。另外，α2是通過腿部各部角加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)33而求得的小腿部11的角加速度。另外，θd是通過所述腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28而求得的小腿部11的傾斜角度。另外，T(F1x，F(xiàn)1z)如前所述，是通過地面反向力推定機(jī)構(gòu)38而求得的地面反向力的推定值。此外，T(F2x，F(xiàn)2z)是通過所述式(11)而求得的反向力。而且，慣性力矩IG2與小腿部11的質(zhì)量m2和尺寸等數(shù)據(jù)均是通過預(yù)先求得，并被記憶存儲(chǔ)在運(yùn)算處理裝置16中。
因此，作用到膝關(guān)節(jié)10上的力矩M2，可以根據(jù)通過地面反向力推定機(jī)構(gòu)38而得到的地面反向力的推定值的數(shù)據(jù)、通過地面反向力作用點(diǎn)推定機(jī)構(gòu)34而得到的地面反向力作用點(diǎn)向量的數(shù)據(jù)、通過腿部各部角加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)33而得到的小腿部11的角加速度α2的數(shù)據(jù)、通過腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28而得到的小腿部11的傾斜角度θd的數(shù)據(jù)、通過所述式(11)而求得的關(guān)節(jié)反向力T(F2x，F(xiàn)2z)的數(shù)據(jù)、以及預(yù)先求得的小腿部11的慣性力矩IG2、尺寸(Dd)、重心G2的位置(d2)的數(shù)據(jù)，并通過所述式(12)來求得。
關(guān)節(jié)力矩推定機(jī)構(gòu)39在如上所述那樣求得作用到小腿部11的膝關(guān)節(jié)10的部分上的力矩M2之后，又通過進(jìn)行與其計(jì)算處理同樣的處理，來求解作用到大腿部9的髖關(guān)節(jié)8的部分上的力矩。由于該處理的基本考慮方法與求解膝關(guān)節(jié)10的力矩M2的手法相同，故而省略詳細(xì)的圖解及說明，就其概要進(jìn)行如下說明。
即，首先，通過依據(jù)關(guān)于大腿部9的重心G1(參照?qǐng)D4)的平移運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式的下式(13)(與所述式(11)相同形式的式子)，來求解作用到大腿部9的髖關(guān)節(jié)8的部分上的關(guān)節(jié)反向力T(F3x，F(xiàn)3z)。
T(F3x，F(xiàn)3z)＝T(F2x-m1·a1x，F(xiàn)2z-m1·a1z-m1·g)……(13)在此，T(F2x，F(xiàn)2z)為在前面通過所述式(11)而求得的膝關(guān)節(jié)10的關(guān)節(jié)反向力。另外，T(a1x，a1z)為通過所述腿部各部加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)32而求得的大腿部9的重心G1于絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的加速度(平移加速度)。此外，m1為預(yù)先求得的大腿部9的質(zhì)量，g為重力加速度。
接著，通過依據(jù)關(guān)于圍繞大腿部9的重心G1轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式的下式(14)(與所述式(12)相同形式的式子)，來求解作用到大腿部9的髖關(guān)節(jié)8的部分上的力矩M3。
M3＝M2-IG1·α1+F2x·d1’·cosθc-F2z·d1’·sinθc
+F3x·d1·cosθc-F3z·d1·sinθc……(14)在此，M2為通過所述式(12)而求得的膝關(guān)節(jié)10的力矩，T(F2x，F(xiàn)2z)為通過所述式(11)而求得的膝關(guān)節(jié)10的關(guān)節(jié)反向力，T(F3x，F(xiàn)3z)為通過所述式(13)而求得的髖關(guān)節(jié)8的關(guān)節(jié)反向力，IG1為預(yù)先求得的圍繞大腿部9的重心G1轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性力矩，α1為通過所述腿部各部角加速度計(jì)算機(jī)構(gòu)33而求得的大腿部9的角加速度，θc為通過所述腿部姿勢(shì)計(jì)算機(jī)構(gòu)28而求得的大腿部9的傾斜角度。另外，d1為從髖關(guān)節(jié)8的中心到大腿部9的重心G1之間的距離(參照?qǐng)D4)，d1’為從膝關(guān)節(jié)10的中心到大腿部9的重心G1之間的距離(圖4中的Dc-d1)，這些值是根據(jù)預(yù)先求得的重心G1的位置和大腿部9的尺寸(長度)而確定的數(shù)據(jù)。
在每一周期通過運(yùn)算處理裝置16依次實(shí)行以上所說明的處理，作用到各腿部2上的地面反向力、或作用到各腿部2的膝關(guān)節(jié)10及髖關(guān)節(jié)8上的力矩被依次即時(shí)地推定。
另外，在本說明書中雖然省略了詳細(xì)說明，但是所求得的膝關(guān)節(jié)10或髖關(guān)節(jié)8的力矩的推定值也可以應(yīng)用在例如，輔助人1的行走的裝置(包括可以對(duì)膝關(guān)節(jié)10或髖關(guān)節(jié)8施行輔助轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)等的裝置)的控制上。
圖15中的實(shí)線所例舉的是，通過前面所述的運(yùn)算處理裝置16的處理而求得的地面反向力的推定值(具體是指該地面反向力的推定值的絕對(duì)值)隨時(shí)間變化的情況。另外，圖16中的實(shí)線所例舉的是，通過運(yùn)算處理裝置16的處理而求得的膝關(guān)節(jié)10及髖關(guān)節(jié)8的力矩的推定值隨時(shí)間變化的情況。在此，圖15及圖16所例舉的是人1幾乎以恒定速度行走于平地上時(shí)的例子。這種場(chǎng)合，在圖15中，也用虛線同時(shí)描畫了使用力計(jì)測(cè)器等來實(shí)際測(cè)得地面反向力的對(duì)比例(相當(dāng)于地面反向力的實(shí)際值時(shí)的例子)。另外，在圖16中，也用虛線同時(shí)描畫了使用轉(zhuǎn)矩計(jì)等來實(shí)際測(cè)得膝關(guān)節(jié)10及髖關(guān)節(jié)8的力矩的對(duì)比例(相當(dāng)于膝關(guān)節(jié)10及髖關(guān)節(jié)8的力矩的實(shí)際值時(shí)的例子)。
參照?qǐng)D15可知，根據(jù)本實(shí)施方式，可以得到高精度的地面反向力的推定值。另外，在本實(shí)施方式中，通過使用該地面反向力的推定值，如圖16所示那樣，還可以較高精度地推定膝關(guān)節(jié)10或髖關(guān)節(jié)8的力矩。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式，不是將妨礙人1的行走或者增加腿部2運(yùn)動(dòng)的負(fù)擔(dān)的傳感器安裝在腿部2上，而是使用了所謂分別安裝在髖關(guān)節(jié)8或髖關(guān)節(jié)8上的角度傳感器22、23、或者安裝在軀干5上的回轉(zhuǎn)傳感器14、19及加速度傳感器15、20、21之類的比較小型且又輕量的傳感器，就可以容易即時(shí)地對(duì)作用到各腿部2上的地面反向力、或者作用到各腿部2的髖關(guān)節(jié)8及膝關(guān)節(jié)10上的力矩進(jìn)行推定。而且，無論移動(dòng)速度V等如何，都可以較高精度地進(jìn)行其推定。
另外，在以上說明的實(shí)施方式中，雖然在所述腿部運(yùn)動(dòng)判斷機(jī)構(gòu)24的處理中，在從兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的經(jīng)過時(shí)間達(dá)到所述兩腿支承期間的推定值時(shí)，判斷為兩腿支承狀態(tài)的結(jié)束且又是單腿支承狀態(tài)的開始，但是，也可以通過以下的方法來判斷兩腿支承狀態(tài)的結(jié)束及單腿支承狀態(tài)的開始。即，例如，關(guān)于在兩腿支承狀態(tài)處于人1的后方一側(cè)的腿部2(在兩腿支承狀態(tài)結(jié)束時(shí)離開地面的腿部2)進(jìn)行說明，將在所述每一周期通過所述地面反向力推定機(jī)構(gòu)38而求得的地面反向力Fr的絕對(duì)值＝√(Frx2+Frz2)依次地與預(yù)先設(shè)定的閾值(大致接近0的正的值)進(jìn)行比較。而且，當(dāng)其地面反向力Fr的絕對(duì)值達(dá)到該閾值以下時(shí)(該絕對(duì)值大致等于0時(shí))，判斷為兩腿支承狀態(tài)的結(jié)束且又是單腿支承狀態(tài)的開始。即使利用這種方法，也可以準(zhǔn)確地進(jìn)行其判斷。
另外，在所述實(shí)施方式中，雖然以將本發(fā)明適用于人1上的場(chǎng)合為例進(jìn)行了說明，但是，本發(fā)明也可以適用在作為雙腳行走移動(dòng)體的雙腳行走機(jī)器人上。在此，在該雙腳行走機(jī)器人上，雖然存在有腰部與胸部成為一體構(gòu)造的場(chǎng)合，但在這種場(chǎng)合下，也可以將回轉(zhuǎn)傳感器或前后方向的加速度傳感器安裝在腰部或胸部的任何一方上，與本實(shí)施方式同樣地來推定地面反向力或腿部的關(guān)節(jié)的力矩。另外，在雙腳行走機(jī)器人上，膝關(guān)節(jié)或髖關(guān)節(jié)的彎曲角度，也可以通過對(duì)這些關(guān)節(jié)的傳動(dòng)器進(jìn)行控制的控制裝置的控制量來把握。
另外，在所述實(shí)施方式中，為了判斷腿部2的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，雖然不加處理地使用了腰部上下加速度傳感器21的檢測(cè)數(shù)據(jù)，但是，代替該檢測(cè)數(shù)據(jù)，也可以使用例如，通過所述基準(zhǔn)加速度計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)27而求得的絕對(duì)坐標(biāo)系Cf上的腰部3的加速度a0于豎直方向上(Z軸方向)的成份的值。
綜上所述，本發(fā)明作為把握作用到移動(dòng)體的腿部上的地面反向力或關(guān)節(jié)力矩的方法，可以有效應(yīng)用在對(duì)人或機(jī)器人等的雙腳行走移動(dòng)體進(jìn)行行走輔助或行走控制的場(chǎng)合。
權(quán)利要求
1.一種雙腳行走移動(dòng)體的地面反向力推定方法，對(duì)作用到雙腳行走移動(dòng)體的各腿部上的地面反向力進(jìn)行推定的方法，其特征在于，具有第1步驟，該第1步驟為對(duì)所述雙腳行走移動(dòng)體的腿部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是處于只有其中一條腿部著地的單腿支承狀態(tài)，還是兩條腿部著地的兩腿支承狀態(tài)進(jìn)行判斷；第2步驟，該第2步驟為在對(duì)所述雙腳行走移動(dòng)體的重心的位置進(jìn)行依次求解中，還使用該重心的位置的時(shí)序數(shù)據(jù)，對(duì)相對(duì)于地面而固定的絕對(duì)坐標(biāo)系上的該重心的加速度進(jìn)行依次求解；第3步驟，該第3步驟為基于由所述雙腳行走移動(dòng)體的質(zhì)量、重力加速度、所述重心的加速度、以及作為作用到各腿部上的地面反向力的合力的總地面反向力所表示的該重心的運(yùn)動(dòng)方程式，對(duì)該總地面反向力的推定值進(jìn)行依次求解；第4步驟，該第4步驟為在每次所述兩腿支承狀態(tài)開始之時(shí)，對(duì)從其開始時(shí)到該兩腿部支承狀態(tài)的結(jié)束時(shí)為止的經(jīng)過時(shí)間進(jìn)行依次計(jì)測(cè)；以及第5步驟，該第5步驟為至少在各次兩腿支承狀態(tài)的開始之前，對(duì)雙腳行走移動(dòng)體的移動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)測(cè)；當(dāng)所述雙腳行走移動(dòng)體處于單腿支承狀態(tài)時(shí)，將所述總地面反向力的推定值作為作用到著地中的單條腿部上的地面反向力的推定值而進(jìn)行依次求解；當(dāng)所述雙腳行走移動(dòng)體處于兩腿支承狀態(tài)時(shí)，基于反映作用到兩腿部當(dāng)中的朝向該雙腳行走移動(dòng)體的前進(jìn)方向而處于后側(cè)的一條腿部上的地面反向力的、相對(duì)于所述兩腿支承狀態(tài)的經(jīng)過時(shí)間及雙腳行走移動(dòng)體的移動(dòng)速度而變化的特性且于預(yù)先設(shè)定的特性數(shù)據(jù)，而對(duì)作用到該一條腿部上的地面反向力的推定值進(jìn)行依次求解，并且通過從所述總地面反向力的推定值中減去所求得的該一條腿部的地面反向力的推定值，而對(duì)作用到另一條腿部上的地面反向力的推定值進(jìn)行依次求解。
2.根據(jù)權(quán)利要求第1項(xiàng)所述的地面反向力推定方法，其特征在于，所述特性數(shù)據(jù)是反映，在所述兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)所述一條腿部的地面反向力與所述總地面反向力間的比例、與所述經(jīng)過時(shí)間與從該兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)到結(jié)束時(shí)的持續(xù)時(shí)間間的比例之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)；基于所述雙腳行走移動(dòng)體的移動(dòng)速度與所述兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間之間的預(yù)先設(shè)定的相關(guān)關(guān)系，并根據(jù)該移動(dòng)速度的計(jì)測(cè)值，對(duì)該兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行推定；根據(jù)其兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間的推定值、所述經(jīng)過時(shí)間的計(jì)測(cè)值、在該兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的所述總地面反向力的推定值、以及所述特性數(shù)據(jù)，對(duì)作用到所述一條腿部上的地面反向力的推定值進(jìn)行依次求解。
3.根據(jù)權(quán)利要求第1項(xiàng)所述的地面反向力推定方法，其特征在于，具有以下步驟在各次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)，對(duì)所述雙腳行走移動(dòng)體的各腿部的膝關(guān)節(jié)的下側(cè)的小腿部的傾斜角度以及該腿部的髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)之間的大腿部的傾斜角度分別進(jìn)行計(jì)測(cè)的步驟；基于在各次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)朝向雙腳行走移動(dòng)體的前進(jìn)方向而處于后側(cè)的腿部的大腿部及小腿部的傾斜角度的計(jì)測(cè)值、以及該腿部的大腿部及小腿部的預(yù)先求得的尺寸，在每次該兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)，對(duì)在各次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)相對(duì)于朝向雙腳行走移動(dòng)體的前進(jìn)方向而處于后側(cè)的腿部的髖關(guān)節(jié)而言的該腿部的小腿部的下端部的位置、在從前一次兩腿支承狀態(tài)開始時(shí)的該雙腳行走移動(dòng)體的前進(jìn)方向上的移動(dòng)量而進(jìn)行計(jì)算的步驟；以及，將從各次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)到下一次的兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)為止的經(jīng)過時(shí)間作為一步份的經(jīng)過時(shí)間而進(jìn)行計(jì)測(cè)的步驟；在所述第5步驟中，在每次兩腿支承狀態(tài)的開始，通過將在其開始時(shí)所計(jì)算出的所述移動(dòng)量除以從前一次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)到此次兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)為止所計(jì)測(cè)的所述一步份的經(jīng)過時(shí)間，來求解所述移動(dòng)速度的計(jì)測(cè)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求第1項(xiàng)所述的地面反向力推定方法，其特征在于，具有對(duì)經(jīng)各腿部的髖關(guān)節(jié)而被支承在所述兩腿部上的軀干的靠近髖關(guān)節(jié)的下部于上下方向的加速度進(jìn)行依次計(jì)測(cè)的步驟；在所述第1步驟中，當(dāng)所述軀干的下部于上下方向的加速度上升到預(yù)先設(shè)定的規(guī)定的閾值以上時(shí)，為所述兩腿支承狀態(tài)的開始，而且同時(shí)為所述單腿支承狀態(tài)的結(jié)束，另外，在所述兩腿支承狀態(tài)下，當(dāng)作用到朝向雙腳行走移動(dòng)體的前進(jìn)方向而處于后側(cè)的腿部上的所述地面反向力的推定值降低到預(yù)先設(shè)定的規(guī)定的閾值以下時(shí)，為所述兩腿支承狀態(tài)的結(jié)束，而且同時(shí)為所述單腿支承狀態(tài)的開始，以此來判斷所述雙腳行走移動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求第2項(xiàng)所述的地面反向力推定方法，其特征在于，具有對(duì)經(jīng)各腿部的髖關(guān)節(jié)而被支承在所述兩腿部上的軀干的靠近髖關(guān)節(jié)的下部于上下方向的加速度進(jìn)行計(jì)測(cè)的步驟；在所述第1步驟中，當(dāng)所述軀干的下部于上下方向的加速度上升到預(yù)先設(shè)定的規(guī)定的閾值以上時(shí)，為所述兩腿支承狀態(tài)的開始，而且同時(shí)為所述單腿支承狀態(tài)的結(jié)束，另外，當(dāng)從所述兩腿支承狀態(tài)的開始時(shí)的經(jīng)過時(shí)間的計(jì)測(cè)值達(dá)到該兩腿支承狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間的推定值之時(shí)，為所述兩腿支承狀態(tài)的結(jié)束，而且同時(shí)為所述單腿支承狀態(tài)的開始，以此來判斷所述雙腳行走移動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求第1項(xiàng)所述的地面反向力推定方法，其特征在于，具有對(duì)經(jīng)各腿部的髖關(guān)節(jié)而被支承在所述兩腿部上的軀干的傾斜角度、各腿部的至少是髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的各自的彎曲角度、以及所述雙腳行走移動(dòng)體的預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)點(diǎn)于所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的加速度分別進(jìn)行依次計(jì)測(cè)的步驟；在所述第2步驟中，基于所述軀干的傾斜角度、所述髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的各自的彎曲角度、將所述雙腳行走移動(dòng)體以多個(gè)剛體的連結(jié)體來表示而成的剛體連動(dòng)模型、與該剛體連動(dòng)模型的各剛體相對(duì)應(yīng)的雙腳行走移動(dòng)體的各剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的質(zhì)量、以及各剛體相當(dāng)部上的該剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的重心的位置，而對(duì)相對(duì)于所述基準(zhǔn)點(diǎn)的所述雙腳行走移動(dòng)體的重心的位置進(jìn)行依次求解，而且同時(shí)基于其重心的位置的時(shí)序數(shù)據(jù)，而對(duì)相對(duì)于該基準(zhǔn)點(diǎn)的該重心的加速度進(jìn)行依次求解；并根據(jù)相對(duì)于其基準(zhǔn)點(diǎn)的該重心的加速度、以及所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的該基準(zhǔn)點(diǎn)的加速度，而對(duì)該絕對(duì)坐標(biāo)系上的所述重心的加速度進(jìn)行求解。
7.根據(jù)權(quán)利要求第6項(xiàng)所述的地面反向力推定方法，其特征在于，將所述基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)定在所述軀干上。
8.根據(jù)權(quán)利要求第6項(xiàng)所述的地面反向力推定方法，其特征在于，所述軀干具有經(jīng)髖關(guān)節(jié)而連結(jié)于所述兩腿部的腰部、以及相對(duì)于該腰部可以傾斜并且處于該腰部上的胸部，為求解所述重心的位置而使用的所述軀干的傾斜角度為所述腰部及胸部的各自的傾斜角度。
9.根據(jù)權(quán)利要求第8項(xiàng)所述的地面反向力推定方法，其特征在于，所述剛體連動(dòng)模型是將所述雙腳行走移動(dòng)體的各腿部的膝關(guān)節(jié)的下側(cè)的小腿部、該膝關(guān)節(jié)與所述髖關(guān)節(jié)之間的大腿部、所述腰部、以及包括處于該腰部的上側(cè)的所述胸部在內(nèi)的上體部分別以剛體來表示而成的模型。
10.一種雙腳行走移動(dòng)體的關(guān)節(jié)力矩推定方法，使用通過權(quán)利請(qǐng)求第1項(xiàng)至第5項(xiàng)中的任何一項(xiàng)所記載的地面反向力推定方法而依次求得的關(guān)于所述各腿部的地面反向力的推定值，而對(duì)作用到所述雙腳行走移動(dòng)體的各腿部的至少一個(gè)關(guān)節(jié)上的力矩進(jìn)行推定的方法，其特征在于，具有如下步驟對(duì)經(jīng)各腿部的髖關(guān)節(jié)而被支承在所述兩腿部上的軀干的傾斜角度、所述各腿部的至少是髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的各自的彎曲角度、以及所述雙腳行走移動(dòng)體的預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)點(diǎn)于所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的加速度分別進(jìn)行依次計(jì)測(cè)的步驟；基于所述軀干的傾斜角度、所述各腿部的髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的各自的彎曲角度、以及將所述雙腳行走移動(dòng)體以多個(gè)剛體的連結(jié)體來表示而成的剛體連動(dòng)模型，而對(duì)與該剛體連動(dòng)模型的各剛體相對(duì)應(yīng)的雙腳行走移動(dòng)體的各剛體相當(dāng)部的傾斜角度進(jìn)行依次求解的步驟；基于所述各剛體相當(dāng)部的傾斜角度、各剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的質(zhì)量、以及各剛體相當(dāng)部上的該剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的重心的位置，而對(duì)相對(duì)于所述基準(zhǔn)點(diǎn)的各剛體相當(dāng)部的重心的位置進(jìn)行依次求解，而且同時(shí)基于其各剛體相當(dāng)部的重心的位置的時(shí)序數(shù)據(jù)，而對(duì)相對(duì)于該基準(zhǔn)點(diǎn)的各剛體相當(dāng)部的重心的加速度進(jìn)行依次求解的步驟；根據(jù)相對(duì)于該基準(zhǔn)點(diǎn)的各剛體相當(dāng)部的重心的加速度、以及所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的所述基準(zhǔn)點(diǎn)的加速度，而對(duì)該絕對(duì)坐標(biāo)系上的各剛體相當(dāng)部的重心的加速度進(jìn)行依次求解的步驟；基于所述各剛體相當(dāng)部的傾斜角度的時(shí)序數(shù)據(jù)，而對(duì)各剛體相當(dāng)部的角加速度進(jìn)行依次求解的步驟；以及，基于作為所述雙腳行走移動(dòng)體的剛體相當(dāng)部的各腿部的大腿部的傾斜角度、與該腿部的膝關(guān)節(jié)的彎曲角度的兩角度中的至少一個(gè)，而對(duì)該雙腳行走移動(dòng)體上的各腿部的地面反向力作用點(diǎn)的推定位置進(jìn)行依次求解的步驟；使用所述地面反向力的推定值、所述地面反向力作用點(diǎn)的推定位置、所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的各剛體相當(dāng)部的重心的加速度及該剛體相當(dāng)部的角加速度、各剛體相當(dāng)部的傾斜角度、各剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的質(zhì)量及尺寸、各剛體相當(dāng)部上的該剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的重心的位置、以及各剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的慣性力矩，并基于逆動(dòng)力學(xué)模型，而對(duì)作用到所述雙腳行走移動(dòng)體的各腿部的至少一個(gè)關(guān)節(jié)上的力矩進(jìn)行推定。
11.一種雙腳行走移動(dòng)體的關(guān)節(jié)力矩推定方法，使用通過權(quán)利請(qǐng)求第6項(xiàng)至第9項(xiàng)中的任何一項(xiàng)所記載的地面反向力推定方法而依次求得的關(guān)于所述各腿部的地面反向力的推定值，而對(duì)作用到所述雙腳行走移動(dòng)體的各腿部的至少一個(gè)關(guān)節(jié)上的力矩進(jìn)行推定的方法，其特征在于，具有如下步驟基于所述軀干的傾斜角度、所述各腿部的髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的各自的彎曲角度、以及將所述剛體連動(dòng)模型，而對(duì)與該剛體連動(dòng)模型的各剛體相對(duì)應(yīng)的雙腳行走移動(dòng)體的各剛體相當(dāng)部于絕對(duì)坐標(biāo)系上的傾斜角度進(jìn)行依次求解的步驟；基于所述各剛體相當(dāng)部的傾斜角度、各剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的質(zhì)量、以及各剛體相當(dāng)部上的該剛體相當(dāng)部的重心的位置，而對(duì)相對(duì)于所述基準(zhǔn)點(diǎn)的各剛體相當(dāng)部的重心的位置進(jìn)行依次求解，而且同時(shí)基于其各剛體相當(dāng)部的重心的位置的時(shí)序數(shù)據(jù)，而對(duì)相對(duì)于該基準(zhǔn)點(diǎn)的各剛體相當(dāng)部的重心的加速度進(jìn)行依次求解的步驟；根據(jù)相對(duì)于該基準(zhǔn)點(diǎn)的各剛體相當(dāng)部的重心的加速度、以及所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的所述基準(zhǔn)點(diǎn)的加速度，而對(duì)該絕對(duì)坐標(biāo)系上的各剛體相當(dāng)部的重心的加速度進(jìn)行依次求解的步驟；基于所述各剛體相當(dāng)部的傾斜角度的時(shí)序數(shù)據(jù)，而對(duì)各剛體相當(dāng)部的角加速度進(jìn)行依次求解的步驟；以及，基于作為所述雙腳行走移動(dòng)體的剛體相當(dāng)部的各腿部的大腿部的傾斜角度、與該腿部的膝關(guān)節(jié)的彎曲角度的兩角度中的至少一個(gè)，而對(duì)該雙腳行走移動(dòng)體上的各腿部的地面反向力作用點(diǎn)的推定位置進(jìn)行依次求解的步驟；使用所述地面反向力的推定值、所述地面反向力作用點(diǎn)的推定位置、所述絕對(duì)坐標(biāo)系上的各剛體相當(dāng)部的重心的加速度及該剛體相當(dāng)部的角加速度、各剛體相當(dāng)部的傾斜角度、各剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的質(zhì)量及尺寸、各剛體相當(dāng)部上的該剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的重心的位置、以及各剛體相當(dāng)部的預(yù)先求得的慣性力矩，并基于逆動(dòng)力學(xué)模型，而對(duì)作用到所述雙腳行走移動(dòng)體的各腿部的至少一個(gè)關(guān)節(jié)上的力矩進(jìn)行推定。
全文摘要
一種雙腳行走移動(dòng)體的地面反向力推定方法以及雙腳行走移動(dòng)體的關(guān)節(jié)力矩推定方法，對(duì)腿部(2)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是單腿支承狀態(tài)還是兩腿支承狀態(tài)進(jìn)行依次判斷，而且依據(jù)雙腳行走移動(dòng)體(1)的重心(GO)的運(yùn)動(dòng)方程式，來推定總地面反向力(F)。當(dāng)是單腿支承狀態(tài)時(shí)，將總地面反向力(F)的推定值不加處理地作為處于著地中的腿部(2)的地面反向力的推定值；當(dāng)是兩腿支承狀態(tài)時(shí)，使用其兩腿支承狀態(tài)的經(jīng)過時(shí)間及雙腳行走移動(dòng)體(1)的移動(dòng)速度的計(jì)測(cè)數(shù)據(jù)、與預(yù)先設(shè)定的特性數(shù)據(jù)，對(duì)后側(cè)的腿部(2)的地面反向力(Fr)進(jìn)行求解，并通過從總地面反向力(F)中減去其地面反向力(Ff)，來求解前側(cè)的腿部(2)的地面反向力(Ff)。這樣，使用比較簡單的手法，就可以高精度即時(shí)地把握作用到人等的雙腳行走移動(dòng)體的腿部上的地面反向力或者作用到腿部關(guān)節(jié)上的力矩。
文檔編號(hào)B25J5/00GK1537040SQ02815149
公開日2004年10月13日 申請(qǐng)日期2002年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月1日
發(fā)明者河合雅和, 池內(nèi)康, 加藤久 申請(qǐng)人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社