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【発明の名称】 脚体運動補助装具の補助モーメント制御方法
【発明者】 【氏名】池内 康
【住所又は居所】埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会社本田技術研究所内
【要約】 【課題】人の脚体の運動を補助するために必要な力以外の力が人に作用するのを効果的に低減し、できるだけ脚体運動補助装具が装着されていなような感覚で人が脚体の運動を行うことを可能とする。

【解決手段】脚体運動補助装具１を装着した人Ａが単独で運動するための脚体の関節モーメントを推定して、それに応じて各脚体の目標関節補助モーメントを決定する。また、補助装具１が単独で運動するための床反力を推定し、この推定した床反力と補助装具１の脚リンク部４に設けた力センサ２２の出力などを用いて補助装具１から人Ａの各脚体の各関節に実際に作用する実関節補助モーメントの推定値を求める。この実関節補助モーメントの推定値を目標関節補助モーメントに一致させるように補助装具１の回転力発生手段１５，１６を制御する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の腰部に固定された腰装着部と、人の各足平部にそれぞれ固定され、該足平部の着地期に人の重量を受けつつ接地するように設けられた一対の足平装着部と、前記腰装着部と各足平装着部とをそれぞれ連結して、該腰装着部と各足平装着部との間で人の各脚体に概略沿うように延在する一対の脚リンク部とを少なくとも備えると共に、各脚リンク部に、人の股関節、膝関節および足首関節にそれぞれ対応する３つの関節部位を少なくとも含む複数の関節部位と、該複数の関節部位のうちの少なくとも股関節および膝関節に対応する関節部位に回転力を発生可能な回転力発生手段とを備えた脚体運動補助装具に対し、該回転力発生手段に発生させる回転力を制御する方法であって、
前記脚体運動補助装具を装着した人の両脚体の運動が行なわれている時に、
該人の両脚体の運動が脚体運動補助装具を人から取り外して行なわれているとした場合に各脚体の膝関節および股関節にそれぞれ発生すべきモーメントである人側関節モーメントを逐次推定する第１ステップと、
該人の両脚体の運動に伴う脚体運動補助装具の運動を該脚体運動補助装具が単独で行なっているとした場合に該脚体運動補助装具の各足平装着部に作用する床反力を逐次推定する第２ステップと、
前記脚体運動補助装具の各脚リンク部が該脚リンク部に連結された足平装着部を介して人から受ける力と、該人の両脚体の運動に伴う脚体運動補助装具の運動を該脚体運動補助装具が単独で行なっているとした場合に該足平装着部が受ける床反力との合力を検出可能に、各脚リンク部の膝関節部位よりも足平装着部寄りの部分で該脚リンク部に設けられた力センサの出力に基づき該合力の反力を逐次計測する第３ステップと、
前記人の各脚体の関節のうち、少なくとも膝関節の回転量を計測する該４ステップと、
該第４ステップで計測された膝関節の回転量と前記第３ステップで計測された合力の反力と前記第２ステップで推定された床反力とを少なくとも用いて、前記回転力発生手段が発生している回転力によって人の各脚体の膝関節および股関節にそれぞれ実際に発生している補助モーメントである実関節補助モーメントの推定値を逐次求める第５ステップと、
前記回転力発生手段が発生する回転力によって人の各脚体の膝関節および股関節にそれぞれ発生させるべき目標補助モーメントである目標関節補助モーメントを、少なくとも前記第１ステップで推定された各脚体の膝関節および股関節の人側関節モーメントに応じて逐次決定する第６ステップと、
前記第５ステップで求められた人の各脚体の膝関節および股関節のそれぞれの実関節補助モーメントの推定値が前記第６ステップで決定された該膝関節および股関節のそれぞれの目標関節補助モーメントにほぼ一致するように、前記回転力発生手段に発生させる回転力を制御する第７ステップとを備えたことを特徴とする脚体運動補助装具の補助モーメント制御方法。
【請求項２】
前記第１ステップは、前記脚体運動補助装具に設けられた加速度センサの出力と、該脚体運動補助装具の各脚リンク部の各関節部位の回転量を検出可能に該関節部位に設けられた関節変位センサの出力と、前記人を複数の剛体要素および複数の関節要素の連結体として表現してなる剛体リンクモデルとを少なくとも用いて、該人の両脚体の運動が脚体運動補助装具を人から取り外して行なわれているとした場合に各脚体に作用する床反力を推定するステップと、その推定した床反力を用いて逆動力学モデルの演算処理により前記人側関節モーメントを推定するステップとからなることを特徴とする請求項１記載の脚体運動補助装具の補助モーメント制御方法。
【請求項３】
前記第２ステップは、前記脚体運動補助装具に設けられた加速度センサの出力と、該脚体運動補助装具の各脚リンク部の各関節部位の回転量を検出可能に該関節部位に設けられた関節変位センサの出力と、前記脚体運動補助装具を複数の剛体要素および複数の関節要素の連結体として表現してなる剛体リンクモデルとを少なくとも用いて、人の両脚体の運動に伴う脚体運動補助装具の運動を該脚体運動補助装具が単独で行なっているとした場合に該脚体運動補助装具の各足平装着部に作用する床反力を推定することを特徴とする請求項１記載の脚体運動補助装具の補助モーメント制御方法。
【請求項４】
前記脚体運動補助装具の各脚リンク部は、その少なくとも１つ以上の箇所で該脚リンク部に対応する人の脚体に連結されており、
その各連結箇所で人から脚体運動補助装具が受ける力を検出可能に該脚体運動補助装具に設けられた力センサの出力に基づき当該力の反力を計測する第８ステップを備え、
前記第５ステップは、該第８ステップで計測された力の反力と前記第３ステップで計測された膝関節の回転量と前記第３ステップで計測された合力の反力と前記第２ステップで推定された床反力とを少なくとも用いて、前記実関節補助モーメントの推定値を求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の脚体運動補助装具の補助モーメント制御方法。
【請求項５】
前記人の両脚体の運動に伴う脚体運動補助装具の運動を該脚体運動補助装具が単独で行なっているとした場合に該脚体運動補助装具の各脚リンク部の膝関節部位および股関節部位にそれぞれ発生すべきモーメントである装具側関節モーメントを、前記第２ステップで推定された床反力を用いて逆動力学モデルの演算処理により逐次推定する第９ステップを備え、
前記第７ステップは、前記第５ステップで求められた人の各脚体の膝関節および股関節のそれぞれの実関節補助モーメントの推定値と前記第６ステップで決定された該膝関節および股関節のそれぞれの目標関節補助モーメントとの偏差を０に近づけるように、フィードバック制御則により、前記回転力発生手段に発生させる回転力のフィードバック操作量を決定するステップと、少なくとも前記第９ステップで推定された前記脚体運動補助装具の各脚リンク部の膝関節部位および股関節部位のそれぞれの装具側関節モーメントに応じて、前記回転力発生手段に発生させる回転力のフィードフォワード操作量を決定するステップとを備え、前記決定したフィードバック操作量およびフィードフォワード操作量に応じて前記回転力発生手段に発生させる回転力を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の脚体運動補助装具の補助モーメント制御方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、人の脚体の運動（歩行など）を補助するために該人に装着される脚体運動補助装具の補助モーメント制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の脚体運動補助装具としては、例えば特許文献１に見られるものが知られている。この特許文献１のものの補助装具は、人の腰部に装着される腰支持ベルトと、人の各足平部を載せる足支持部とを、腰部側から順に、股関節に対応する腰部モーメント発生装置、大腿部に対応する大腿支持ビーム、膝関節に対応する膝部モーメント発生装置、下腿部に対応する脛支持ビーム、足首関節に対応する踝部モーメント発生部を介して連結すると共に、足支持部、脛支持ビーム、大腿支持ビームをそれぞれベルトにより人の脚体の足平部、下腿部、大腿部に接続している。そして、足支持部の底部に備えた荷重センサと各ベルトに備えた力センサとの検出値から人の各脚体に作用する外力を計算し、その計算した外力を基に、人の脚体の各関節に発生するモーメントを計算するようにしている。さらに、その計算したモーメントに所定の軽減率を掛けて目標モーメントを決定し、その目標モーメントを満足し得る力が補助装具から人の脚体に作用するように各モーメント発生装置を制御するようにしている。
【特許文献１】特開２００３−２２０１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、人に装着される脚体運動補助装具は、人が該補助装具の重さや該補助装具の運動によって発生する慣性力を感じることなく、人の脚体の運動を補助できるものであることが望まれる。例えば、補助装具から脚体の各関節に付与すべき目標補助モーメントを０とした場合に、補助装具を装着していない場合と同じように、人の脚体の運動を行なえることが望ましい。つまり、目標補助モーメントを０とした場合に、補助装具は、人が意識的に該補助装具の各部を動かす力を発生させることなく、自律的に（単独で）、人の脚体の運動に追従するように運動できることが望ましい。そして、その上で、人が補助装具を装着していない場合に該人が想定している脚体の所望の運動を行なうために動力学的に必要となる脚体の関節のモーメントの一部を補助装具によって負担できるようにすることが望ましい。
【０００４】
しかしながら、前記特許文献１のものでは、補助装具が人の脚体の運動に自律的に追従する上で必要となる補助装具１への外力や、該補助装具の関節のモーメントが考慮されていない。このため、特許文献１のものでは、人の移動時の多くの状況において、人が該補助装具の重さや該補助装具の運動によって発生する慣性力（補助力以外の慣性力）受ける。そのため、補助装具を装着した人は、その補助装具の重さ等を意識しながら脚体を運動させなければならない状況が多々ある。その結果、脚体の実際の運動パターンと人が想定した運動パターンとのずれを生じやすく、ひいては、脚体の運動がぎくしゃくしたり、脚体の運動を円滑に行うこと困難となるという不都合があった。
【０００５】
また、特許文献１のものでは、足支持部の底面や、人の脚体に固定するバンドに多数の力センサを設けているため、コスト的に不利であると共に、各力センサの出力に含まれるノイズの影響を相乗的に受けやすいという不都合もあった。特に、足支持部の底面の荷重センサの出力は、床形状等の影響を直接的に受けやすいと共に、衝撃による損傷も生じやすいために、高い信頼性を確保することが困難である。その結果、補助装具のモーメント発生装置で発生するモーメントの乱れが生じやすく、人の脚体に作用させる補助力が急変したりする恐れがあった。
【０００６】
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、人に装着する脚体運動補助装具の重さなど、人の脚体の運動を補助するために必要な力以外の力が人に作用するのを効果的に低減し、できるだけ脚体運動補助装具が装着されていなような感覚で人が脚体の運動を行うことを可能とする脚体運動補助装具の補助モーメント制御方法を提供することを目的とする。また、脚体運動補助装具の足平装着部の底面に力センサを備えたりすることなく、人の該補助装具の回転力発生手段に適切な回転力を発生させるように該回転力発生手段を制御できる脚体運動補助装具の補助モーメント制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の脚体運動補助装具の補助モーメント制御方法の第１発明は、前記の目的を達成するために、
人の腰部に固定された腰装着部と、人の各足平部にそれぞれ固定され、該足平部の着地期に人の重量を受けつつ接地するように設けられた一対の足平装着部と、前記腰装着部と各足平装着部とをそれぞれ連結して、該腰装着部と各足平装着部との間で人の各脚体に概略沿うように延在する一対の脚リンク部とを少なくとも備えると共に、各脚リンク部に、人の股関節、膝関節および足首関節にそれぞれ対応する３つの関節部位を少なくとも含む複数の関節部位と、該複数の関節部位のうちの少なくとも股関節および膝関節に対応する関節部位に回転力を発生可能な回転力発生手段とを備えた脚体運動補助装具に対し、該回転力発生手段に発生させる回転力を制御する方法であって、
前記脚体運動補助装具を装着した人の両脚体の運動が行なわれている時に、
該人の両脚体の運動が脚体運動補助装具を人から取り外して行なわれているとした場合に各脚体の膝関節および股関節にそれぞれ発生すべきモーメントである人側関節モーメントを逐次推定する第１ステップと、
該人の両脚体の運動に伴う脚体運動補助装具の運動を該脚体運動補助装具が単独で行なっているとした場合に該脚体運動補助装具の各足平装着部に作用する床反力を逐次推定する第２ステップと、
前記脚体運動補助装具の各脚リンク部が該脚リンク部に連結された足平装着部を介して人から受ける力と、該人の両脚体の運動に伴う脚体運動補助装具の運動を該脚体運動補助装具が単独で行なっているとした場合に該足平装着部が受ける床反力との合力を検出可能に、各脚リンク部の膝関節部位よりも足平装着部寄りの部分で該脚リンク部に設けられた力センサの出力に基づき該合力の反力を逐次計測する第３ステップと、
前記人の各脚体の関節のうち、少なくとも膝関節の回転量を計測する該４ステップと、
該第４ステップで計測された膝関節の回転量と前記第３ステップで計測された合力の反力と前記第２ステップで推定された床反力とを少なくとも用いて、前記回転力発生手段が発生している回転力によって人の各脚体の膝関節および股関節にそれぞれ実際に発生している補助モーメントである実関節補助モーメントの推定値を逐次求める第５ステップと、
前記回転力発生手段が発生する回転力によって人の各脚体の膝関節および股関節にそれぞれ発生させるべき目標補助モーメントである目標関節補助モーメントを、少なくとも前記第１ステップで推定された各脚体の膝関節および股関節の人側関節モーメントに応じて逐次決定する第６ステップと、
前記第５ステップで求められた人の各脚体の膝関節および股関節のそれぞれの実関節補助モーメントの推定値が前記第６ステップで決定された該膝関節および股関節のそれぞれの目標関節補助モーメントにほぼ一致するように、前記回転力発生手段に発生させる回転力を制御する第７ステップとを備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
かかる第１発明によれば、前記第２ステップで推定する床反力は、人の両脚体の運動に伴う脚体運動補助装具の運動を該脚体運動補助装具が単独で行なっているとした場合に該脚体運動補助装具の各足平装着部に作用する床反力、すなわち、人の両脚体の運動に伴う脚体運動補助装具の運動を該脚体運動補助装具が単独で行なうために該補助装具に対して動力学的に必要となる床反力である。また、前記第３ステップで計測する合力の反力は、前記脚体運動補助装具の各脚リンク部が該脚リンク部に連結された足平装着部を介して人から受ける力と、該人の両脚体の運動に伴う脚体運動補助装具の運動を該脚体運動補助装具が単独で行なっているとした場合に該足平装着部が受ける床反力との合力の反力である。
【０００９】
このため、前記計測した合力の反力から、前記第２ステップで推定した床反力の符号（向き）を反転させたものを差し引いたものは、補助装具から足平装着部を介して人の足平部に作用する力を表すものとなる。
【００１０】
なお、この合力は、各脚リンク部の膝関節部位よりも足平装着部寄りの部分で該脚リンク部に力センサを設けた力センサによって検出可能である。この場合、脚リンク部は、着地期に直接的に接地するものではないので、力センサの出力の安定性や信頼性は高い。補足すると、人自身の運動に必要な床反力は、該人の各脚体の着地期において、該脚体の足平部に装着された足平装着部を介して人に作用し、脚リンク部には基本的には伝達されない。
【００１１】
従って、前記第５ステップでは、第４ステップで計測された膝関節の回転量と前記第３ステップで計測された合力の反力と前記第２ステップで推定された床反力とを少なくとも用いて、補助装具の回転力発生手段の回転力によって、人の膝関節および股関節に実際に発生している実関節補助モーメントの推定値を適正に求めることができる。例えば、補助装具が人の腰部と足平部とにのみ固定されている場合には、前記計測した合力の反力から、前記第２ステップで推定した床反力の符号（向き）を反転させたもの（並進力）を人の膝関節の実関節補助モーメント、股関節の実関節補助モーメントに、幾何学的な演算によって変換すればよい。その場合、股関節の実関節補助モーメントの推定値を求めるためには、人の膝関節の回転量の計測値が必要となる。
【００１２】
そして、第１発明では、このように求められた人の膝関節および股関節のそれぞれの実関節補助モーメントの推定値が前記第６ステップで決定された該膝関節および股関節のそれぞれの目標関節補助モーメントにほぼ一致するように、前記回転力発生手段に発生させる回転力を制御する。この場合、前記実関節補助モーメントの推定値は、前述の如く求められたものである。また、目標関節補助モーメントは、人の両脚体の運動が脚体運動補助装具を人から取り外して行なわれているとした場合に各脚体の膝関節および股関節にそれぞれ発生すべきモーメントである人側関節モーメントに応じて決定される。例えば該人側関節モーメントの一部のモーメント（膝関節および股関節のそれぞれの人側関節モーメントの所定割合のモーメント）に決定される。
【００１３】
このため、回転力発生手段に発生させる回転力は、脚体運動補助装具が、人の脚体の運動に伴う該補助装具の運動を該補助装具が自力で（単独）で行い得るような回転力を保持しつつ、人の膝関節および股関節にそれぞれ前記目標関節補助モーメントを発生させ得るような回転力となる。例えば、目標関節補助モーメントを０とすれば、回転力発生手段に発生させる回転力は、それによって人の膝関節および股関節にそれぞれ発生する実関節補助モーメントが０になるような回転力となり、このような回転力は、人の脚体の運動に伴う該補助装具の運動を該補助装具が自力で（単独）で行い得るような回転力である。
【００１４】
従って、第１発明によれば、人に装着する脚体運動補助装具の重さなど、人の脚体の運動を補助するために必要な力以外の力が人に作用するのが効果的に低減され、脚体運動補助装具が装着されていなような感覚で人が脚体の運動を行うことができることとなる。
【００１５】
なお、第１発明では、各足平装着部は、例えば人の各足平部の底面に当接するように設けられていることが好ましい。そして、各脚リンク部は、例えば該足平装着部に対して起立した姿勢で各脚体の外側面にほぼ沿って延在していることが好ましい。また、第１発明では、各脚リンク部の、膝関節部位よりも足平装着部寄りの部分に設けられている足首関節部位あるいは該足首関節部位以外の関節部位に前記回転力発生手段により回転力を発生させるようにしてもよい。この場合、前記力センサは、回転力発生手段により回転力を発生させる関節部位のうち、最も足平装着部に近い関節部位よりも該足平装着部寄りの部分（脚リンク部の部分）で力センサを設ければよい。
【００１６】
かかる第１発明では、前記第１ステップは、前記脚体運動補助装具に設けられた加速度センサの出力と、該脚体運動補助装具の各脚リンク部の各関節部位の回転量を検出可能に該関節部位に設けられた関節変位センサの出力と、前記人を複数の剛体要素および複数の関節要素の連結体として表現してなる剛体リンクモデルとを少なくとも用いて、該人の両脚体の運動が脚体運動補助装具を人から取り外して行なわれているとした場合に各脚体に作用する床反力を推定するステップと、その推定した床反力を用いて逆動力学モデルの演算処理により前記人側関節モーメントを推定するステップとからなることが好ましい（第２発明）。
【００１７】
この第２発明によれば、足平装着部の底面に力センサを装着したりすることなく、人の両脚体の運動が脚体運動補助装具を人から取り外して行なわれているとした場合に各脚体に作用する床反力を推定できるので、床形状等の影響を排除して求めることが可能となり、該床反力の推定値、ひいては、人側関節モーメントの推定値の変化の安定性を高めることができる。
【００１８】
また、第１発明では、前記第２ステップは、前記脚体運動補助装具に設けられた加速度センサの出力と、該脚体運動補助装具の各脚リンク部の各関節部位の回転量を検出可能に該関節部位に設けられた関節変位センサの出力と、前記脚体運動補助装具を複数の剛体要素および複数の関節要素の連結体として表現してなる剛体リンクモデルとを少なくとも用いて、人の両脚体の運動に伴う脚体運動補助装具の運動を該脚体運動補助装具が単独で行なっているとした場合に該脚体運動補助装具の各足平装着部に作用する床反力を推定することが好ましい（第３発明）。
【００１９】
この第３発明によれば、第２発明の場合と同様、足平装着部の底面に力センサを装着したりすることなく、人の両脚体の運動に伴う脚体運動補助装具の運動を該脚体運動補助装具が単独で行なっているとした場合に該脚体運動補助装具の各足平装着部に作用する床反力を推定できるので、床形状等の影響を排除して求めることが可能となり、該床反力の推定値の変化の安定性を高めることができる。ひいては、人の該補助装具の回転力発生手段に適切な回転力を発生させるように該回転力発生手段を制御できる。
【００２０】
なお、第３発明は、前記第２発明と組み合わせてもよい。この場合、加速度センサおよび関節変位センサは、第２発明のものと同一でよい。
【００２１】
また、前記第１〜第３発明では、前記脚体運動補助装具の各脚リンク部が、その少なくとも１つ以上の箇所（例えば人の大腿部や下腿部に対応する箇所）で該脚リンク部に対応する人の脚体に連結されている場合には、その各連結箇所で人から脚体運動補助装具が受ける力を検出可能に該脚体運動補助装具に設けられた力センサの出力に基づき当該力の反力を計測する第８ステップを備え、前記第５ステップは、該第８ステップで計測された力の反力と前記第３ステップで計測された膝関節の回転量と前記第３ステップで計測された合力の反力と前記第２ステップで推定された床反力とを少なくとも用いて、前記実関節補助モーメントの推定値を求めることが好ましい（第４発明）。
【００２２】
この第４発明によれば、各脚リンク部の人の各脚体との各連結箇所での人から脚体運動補助装具への力の反力を計測するので、前記第５ステップで、この計測した反力をさらに用いることで、前記実関節補助モーメントの推定値を精度良く求めることができる。なお、各連結箇所では、脚体運動補助装具の脚リンク部と人の脚体とが完全に固定されている必要はなく、例えば、該連結箇所における人の脚体の部位（大腿部、下腿部など）が該連結箇所における脚リンク部の部位に対して該脚体の部位のほぼ軸心方向に相対移動が可能で、且つ、該軸心方向とほぼ直交する方向に移動不能となるように連結されていてもよい。
【００２３】
また、前記第１〜第４発明では、前記人の両脚体の運動に伴う脚体運動補助装具の運動を該脚体運動補助装具が単独で行なっているとした場合に該脚体運動補助装具の各脚リンク部の膝関節部位および股関節部位にそれぞれ発生すべきモーメントである装具側関節モーメントを、前記第２ステップで推定された床反力を用いて逆動力学モデルの演算処理により逐次推定する第９ステップを備え、前記第７ステップは、前記第５ステップで求められた人の各脚体の膝関節および股関節のそれぞれの実関節補助モーメントの推定値と前記第６ステップで決定された該膝関節および股関節のそれぞれの目標関節補助モーメントとの偏差を０に近づけるように、フィードバック制御則により、前記回転力発生手段に発生させる回転力のフィードバック操作量を決定するステップと、少なくとも前記第９ステップで推定された前記脚体運動補助装具の各脚リンク部の膝関節部位および股関節部位のそれぞれの装具側関節モーメントに応じて、前記回転力発生手段に発生させる回転力のフィードフォワード操作量を決定するステップとを備え、前記決定したフィードバック操作量およびフィードフォワード操作量に応じて前記回転力発生手段に発生させる回転力を制御することが好適である（第５発明）。
【００２４】
この第５発明によれば、前記第２ステップで推定された床反力を用いて前記第９ステップで推定される装具側関節モーメントは、人の両脚体の運動に伴う脚体運動補助装具の運動を該脚体運動補助装具が単独で行なっているとした場合に該脚体運動補助装具の各脚リンク部の膝関節部位および股関節部位にそれぞれ発生すべきモーメントである。そして、第５発明では、人の各脚体の膝関節および股関節のそれぞれの実関節補助モーメントの推定値と該膝関節および股関節のそれぞれの目標関節補助モーメントとの偏差を０に近づけるための前記フィードバック操作量、すなわち、該偏差を０に収束させるための回転力発生手段の回転力の操作量（例えば電動モータの指示電流など）を決定する一方、少なくとも前記推定された膝関節部位および股関節部位のそれぞれの装具側関節モーメントに応じて、前記フィードフォワード操作量を決定する。従って、このフィードフォワード操作量には、回転力発生手段に、人の脚体の運動に伴う脚体運動補助装具の運動を、該補助装具が単独で（自力）で行うために要する関節モーメントを該補助装具の膝関節部位および股関節部位に発生させ得る回転力を前記回転力発生手段に発生させるための操作量成分が含まれる。このため、前記フィードバック操作量およびフィードフォワード操作量に応じて回転力発生手段に発生させる回転力を制御することにより、各脚体の膝関節および股関節のそれぞれの実関節補助モーメントの推定値を該膝関節および股関節のそれぞれの目標関節補助モーメントに迅速に制御することができる。また、人に装着する脚体運動補助装具の重さなど、人の脚体の運動を補助するために必要な力以外の力が人に作用するのをより効果的に低減することができる。
【００２５】
なお、前記フィードフォワード操作量は、装具側関節モーメントだけでなく、各脚リンク部の膝関節部位および股関節部位のそれぞれの装具側関節モーメントと前記第６ステップで決定された該膝関節および股関節のそれぞれの目標関節補助モーメントとに応じて決定してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の一実施形態を図１〜図２６を参照して説明する。図１は本実施形態に係る脚体運動補助装具１を人Ａに装着した状態を側面視で示し、図２は該脚体運動補助装具１を装着した人Ａの下半身を正面視で示している。なお、図２では、説明の便宜上、人Ａの各脚体の股関節、膝関節、足首関節を二点鎖線の円で表している。
【００２７】
これらの図１および図２において、脚体運動補助装具１（以下、単に補助装具１という）は、人Ａの腰部に固定された腰装着部２と、人Ａの左右の各脚体の足平部にそれぞれ固定された左右一対の足平装着部３，３と、これらの腰装着部２と左右の各足平装着部３，３とをそれぞれ連結する左右一対の脚リンク部４，４を備えている。なお、「左右」というのは、人Ａの前方に向かって左右という意味である。
【００２８】
腰装着部２は、腰部の外周囲に巻き付けられて該腰部に固定されたベルト状の部材から構成され、その背面部には、後述のセンサ等を収容したセンサボックス５が固定されている。
【００２９】
各脚リンク部４は、センサボックス５から人Ａの各脚体の股関節の側方箇所まで延設された腰リンク部材６と、この腰リンク部材６の先端から該股関節に対応する関節部位７（以下、股関節部位７という）を介して人Ａの各膝関節のほぼ側方箇所まで延設された大腿リンク部材８と、この大腿リンク部材８の先端（下端）から該膝関節に対応する関節部位９（以下、膝関節部位９という）を介して人Ａの各足首関節の側方箇所まで延設された下腿リンク部材１０と、この下腿リンク部材１０の先端（下端）から該足首関節に対応する関節部位１１（以下、足首関節部位１１という）を介して人Ａの足平部の底面に向かって延設された足平リンク部材１２とを備えている。この場合、各脚リンク部４は、人Ａの各脚体の外側面側（左脚体の左側、右脚体の右側）で、概ね該脚体に沿うように延在している。
【００３０】
各足平装着部３は、その本体が、人Ａの各足平部の底面に当接された概略板状の足平基体１３から構成され、この足平基体１３を人Ａの足平部にベルト部材１４で縛りつけることにより該足平部に固定されている。そして、該足平装着部３は、その足平基体１３が脚リンク部４の足平リンク部材１２の下端部に固定されると共に、ベルト部材１４を介して足平リンク部材１２に固定され、これにより、該脚リンク部４に連結されている。なお、図２ではベルト部材１４を省略している。
【００３１】
この足平装着部３は、人Ａの各脚体の着地期（各脚体の足平部に床反力を受ける時期）において、該脚体の足平部が足平装着部３の足平基体１３上に載った状態で、該足平基体１３が人Ａの重量を受けつつ接地することとなる。従って、人Ａの着地期において各足平部に作用すべき床反力は、その大部分（主に人Ａの重量（重力）に釣り合う成分）が足平装着部２の足平基体１３を介して人Ａの足平部に作用し、脚リンク部４には作用しない。なお、足平装着部３は、例えば人Ａの足平部に履かせる靴状のもので構成し、それを足平リンク部材１２に固定するようにしてもよい。
【００３２】
各脚リンク部４の股関節部位７、膝関節部位９および足首関節部位１１は、該脚リンク部４に対応する人Ａの脚体の屈伸運動に伴う回転運動（図１の紙面に概ね垂直な軸廻り（より詳しくは後述の脚平面にほぼ垂直な軸廻り）の回転運動）が可能とされている。また、前記腰リンク部材６は、センサボックス５寄りの部分６ａが硬質の剛体部材から構成されると共に、股関節部位７寄りの部分６ｂがゴム等の弾性材から構成されている。その弾性材部分６ｂは、人Ａの脚体の外転・内転運動（脚体の大腿部を人Ａの股関節でほぼ前後方向の軸廻りに回転させる運動）と旋回運動（脚体の大腿部を人Ａの股関節でほぼ上下方向の軸心廻りに回転させる運動）とに応じて弾性変形するようになっている。これにより、各脚リンク部４の股関節部位７（ひいては各脚リンク部４の、股関節部位７から下側の部分）は、該脚リンク部４に対応する人Ａの脚体の屈伸運動に応じて回転するだけでなく、人Ａの脚体の外転・内転運動と旋回運動とに応じて動くことが可能となっている。また、詳細な構造説明は省略するが、下腿リンク部材１０は、人Ａの足平部の足首関節廻りの旋回運動（足平部を下腿部の軸心廻りに回転させる運動）に伴う足平装着部３の運動が可能なように構成されている。
【００３３】
なお、図１では、図示の便宜上、各脚リンク部４の大腿リンク部材８の軸心と人Ａの大腿部の軸心とが同方向に向き、且つ、下腿リンク部材１０の軸心と人Ａの下腿部の軸心とが同方向に向くようになっているが、必ずしもそのようになっている必要はない。すなわち、各脚リンク部４の膝関節部位９の位置が、人Ａの膝関節の側方箇所（真横）から前後方向あるいは上下方向に多少ずれていてもよい。
【００３４】
各脚リンク部４の股関節部位７および膝関節部位９には、それぞれの関節部位７，９に回転力を発生する回転力発生手段としての電動モータ１５，１６が取り付けられている。これらの電動モータ１５，１６はそれぞれ、各脚リンク部４の外側面側に配置されている。この場合、電動モータ１５は、前記腰リンク部材６に対して大腿リンク部材８を股関節部位７の回転軸心廻りに回転させる回転力（トルク）を発生可能であり、電動モータ１６は、大腿リンク部材８に対して下腿リンク部材１０を膝関節部位９の回転軸心廻りに回転させる回転力（トルク）を発生可能である。なお、回転力発生手段は、電動モータの代わりに、例えば空圧アクチュエータ等により構成してもよい。
【００３５】
また、図２に示すように、各脚リンク部４の大腿リンク部材８の内側面（人Ａの大腿部に臨む面部）と、人Ａの大腿部との間には、該大腿部の上部および下部の周囲に巻き付けられたベルト部材１７，１８を介して該大腿部に固定されたプレート部材１９が配置されている。このプレート部材１９は、図示を省略するスライド機構を介して大腿リンク部材８に取り付けられ、該大腿リンク部材８の軸心方向（股関節部位７と膝関節部位９とを結ぶ線分方向）で該大腿リンク部材８に対して移動自在とされている。従って、大腿リンク部材８は、プレート部材１９およびベルト部材１７，１８を介して人Ａの大腿部に連結されている。そして、このプレート部材１９と大腿リンク部材８との間には、大腿リンク部材８がプレート部材１９を介して人Ａの大腿部から受ける並進力（大腿部リンク部材８の軸心方向に直行する方向の並進力）あるいはその反力を検出する力センサ２０と、該プレート部材１９の大腿リンク部材８に対する移動量を検出する変位センサ２１とが介装されている。
【００３６】
また、下腿リンク部材１０の下端部には力センサ２２が介装され、該下腿リンク部材１０は、該力センサ２２を介して足首関節部位１１に連結されている。この力センサ２２は、各脚リンク部４が足平装着部３を介して床から受ける床反力（詳しくは人Ａの脚体の運動に伴う補助装具１の運動を、補助装具１が単独で行なうとした場合に該補助装具１の各脚リンク部４に作用する床反力）と該脚リンク部４が人Ａの足平部から足平装着部３を介して受ける並進力との合力が足平リンク部材１２および足首関節部位１１を介して伝達され、その伝達される合力あるいは該合力の反力を検出するものである。
【００３７】
補足すると、人Ａの各脚体の着地期において、人Ａの重量は、人Ａの足平部を載せて接地する足平装着部３の足平基体１３に作用するので、力センサ２２には、人Ａの重量は作用しない。より詳しくは、補助装具１を装着した人Ａの運動が、該人Ａから補助装具１を取り外して行なわれているとした場合に、該人Ａの各脚体に作用する床反力（人Ａの運動を人Ａが単独で行なう上で動力学的に必要な床反力であり、その床反力の両脚体についての総和は、当該単独の人Ａに作用する重力と該人Ａがその運動によって発生する慣性力との総和に釣り合うものとなる）は、その大部分が足平基体１３を介して人Ａの脚体にそのまま作用するので、各脚リンク部４にはほとんど伝達されない。また、本実施形態では、各脚リンク部４の足首関節部位１１には、そこに回転力を発生する電動モータなどの手段が備えられず、該足首関節部位１１は回転自在である。このため、力センサ２２には、前記合力が伝達されるものとなる。なお、本実施形態では、力センサ２２は、基本的には、各脚リンク部４の、膝関節部位９よりも足平装着部３寄りの部分に設けられていればよく、例えば各脚リンク部４の足平リンク部材１２に介装してもよい。
【００３８】
前記センサボックス５の内部には、図３のブロック図で示すように、３軸方向の加速度（並進加速度）を検出する加速度センサ２３と、３軸廻りの角速度を検出するジャイロセンサ（角速度センサ）２４と、マイクロコンピュータを用いて構成された演算処理装置２５と、後述する光ファイバ２６，２７に導入する光を発光したり、戻り光を受光する発光／受光器２８と、演算処理装置２５の指令を受けて前記各電動モータ１５，１６の発生トルクを制御するモータ駆動回路２９と、演算処理装置２５等の各電装品の電源としてのバッテリ（蓄電器）３０とが収容されている。発光／受光器２８、加速度センサ２３、ジャイロセンサ２４はその検出出力を演算処理装置２５に入力するようにしている。なお、センサボックス５は、人Ａの腰部に前記腰装着部２を介して固定されているので、加速度センサ２３およびジャイロセンサ２４は、人Ａの腰部と一体的に動くようになっている。
【００３９】
補助装具１は、前記変位センサ２１、力センサ２０，２２、加速度センサ２３およびジャイロセンサ２４の他、次のようなセンシング構成を備えている。
【００４０】
すなわち、図２に示す如く、各脚リンク部４の股関節部位７、膝関節部位９および足首関節部位１１に、それぞれの関節部位の変位量（回転角）を検出する関節変位センサ３１，３２，３３がそれぞれ取り付けられている。これらの関節変位センサ３１〜３３の検出出力は図示しない信号線を介してセンサボックス５の前記演算処理装置２５に入力される。なお、前記変位センサ２１、力センサ２０，２２の検出出力も図示しない信号線を介してセンサボックス５の演算処理装置２５に入力される。
【００４１】
関節変位センサ３１〜３３のうち、股関節部位７の関節変位センサ３１が検出する変位量は、股関節部位７の３軸廻りの回転角（３つの軸廻りの回転角の組からなる３次元量）であり、膝関節部位９の関節変位センサ３２が検出する変位量は、膝関節部位９の１軸廻りの回転角、足首関節部位１１の関節変位センサ３３が検出する変位量は、足首関節部位１１の１軸廻りの回転角である。この場合、関節変位センサ３１が検出する回転角のうちの１つの回転角の回転軸と、関節変位センサ３２，３３が各々検出する回転角の回転軸とは、それぞれ図２に示す如く、それらのセンサ３１〜３３に対応する人Ａの脚体の股関節、膝関節、足首関節のそれぞれのほぼ中心を通る平面としての脚平面ＰＬ（図２の紙面に垂直な平面）にほぼ垂直な軸ａ31，ａ32，ａ33である。これらの軸ａ31，ａ32，ａ33は、それぞれ股関節部位７、膝関節部位９、足首関節部位１１の回転軸である。関節変位センサ３１〜３３は、それぞれ股関節部位７、膝関節部位９、足首関節部位１１の上記の回転軸ａ31，ａ32，ａ33廻りの回転角をポテンショメータやロータリエンコーダを用いて検出する。
【００４２】
ここで、脚平面ＰＬについて補足すると、該脚平面ＰＬは、それに対応する人Ａの脚体を膝関節で屈曲させて該脚体の屈伸を行ったときに、該脚体の股関節、膝関節、足首関節の中心点が存在するような平面である。換言すれば、各脚体の屈伸は、その股関節、膝関節、足首関節の中心点をほぼ脚平面ＰＬ上に位置させた状態で行われる。そして、例えば図２の左側脚体のように、その股関節の、前後方向の軸廻りの回転運動によって左側脚体を外転させた状態では、該左側脚体に対応する脚平面ＰＬは鉛直方向に対して傾く。
【００４３】
股関節部位７の関節変位センサ３１が検出する他の２軸廻りの回転角は、対応する脚体の脚平面ＰＬに平行で、且つ互いに平行でない２つの軸廻りの回転角（より詳しくは、脚体の外転・内転あるいは旋回に伴う股関節部位７の姿勢の回転角）である。そして、その回転角は、例えば前記腰リンク部材６の弾性材部分６ｂの変形量を検出するひずみセンサや、後述するような光ファイバを利用したセンサの出力を用いて検出される。
【００４４】
また、図１に示すように、センサボックス５から導出された２本の光ファイバ２６，２７は人Ａの胴体の背面（背中）沿いに上方に向かって延設され、その先端部がそれぞれ人Ａの腹部の背面、胸部の背面に図示しないバンド等の部材を介して固定されている。光ファイバ２６，２７は、それぞれ腰部に対する腹部、胸部の傾き角を検出する検出手段の構成要素である。これらの光ファイバ２６，２７を用いた腹部、胸部の傾き角の計測は次のような手法により行われる。光ファイバ２６を用いた腹部の傾き角の計測手法を代表的に説明すると、該光ファイバ２６には、センサボックス５内の前記発光／受光器２８から所定の強度の光が導入されると共に、その導入された光が該光ファイバ２６の先端で反射されてセンサボックス５側に戻ってくるようになっている。そして、その光の戻り量（戻った光の強度）が前記発光／受光器２８により検出されるようになっている。また、光ファイバ２６には、微小な光漏れを許容する複数の刻み部（図示しない）が長手方向に間隔を存して設けられており、光ファイバ２６に導入された光のうち、腰部に対する腹部の傾き角に応じた量の光がそれらの刻み部を介して光ファイバ２６から漏出する。このため、センサボックス５側への光の戻り量は、腹部の傾き角に応じたものとなり、その戻り量を検出することで、腰部に対する腹部の傾き角が計測される。すなわち、光ファイバ２６の光の戻り量に応じた発光／受光器２８の検出出力が、腰部に対する腹部の傾き角に応じたものとなり、それが該傾き角を示す信号として演算処理装置２５に入力される。光ファイバ２７を用いた胸部の傾き角の計測手法も同様である。なお、本実施形態で、光ファイバ２６，２７を用いて上記のように検出する腹部および胸部の傾き角は、人Ａの矢状面（側面視）での傾き角である。
【００４５】
補足すると、前記関節変位センサ３１〜３３がそれぞれ検出する股関節部位７、膝関節部位９、足首関節部位１１の回転角は、補助装具１の各脚リンク部４をほぼ鉛直方向に延ばすと共に、足平装着部３の足平基体１３をほぼ水平姿勢にした状態（以下、この状態を補助装具１の基準姿勢状態という）を基準（ゼロ点）とする回転角である。また、光ファイバ２６，２７を用いてそれぞれ検出する腹部、胸部の傾き角は、補助装具１を装着した人Ａが水平な床面に直立姿勢（人Ａの各脚体および胴体をほぼ鉛直方向に向けた姿勢）で起立した状態（以下、この状態を人Ａの基準姿勢状態という）を基準とする傾き角である。
【００４６】
さらに、補助装具１は、図１に示す如く、各足平装着部３の足平基体１３の底面に、２つの接地センサ３４，３５を備えている。これらの接地センサ３４，３５のうち、接地センサ３４は人Ａの足首関節の直下の箇所（踵）に設けられ、接地センサ３５は人Ａの足平部の中足趾節関節（足平部の親指の付け根の関節）の直下の箇所（つま先）に設けられている。これらの接地センサ３４，３５は、それを設けた箇所が接地しているか否かを示すＯＮ／ＯＦＦ信号を出力するセンサである。なお、接地センサ３４，３５の検出出力は信号線（図示省略）を介してセンサボックス５の演算処理装置２５に入力される。
【００４７】
以上が本実施形態での補助装具１の構成である。
【００４８】
次に、本実施形態で用いる人Ａの剛体リンクモデル（幾何学モデル）、補助装具１の剛体リンクモデル（幾何学モデル）、および座標系について説明しておく。図４は、人Ａの剛体リンクモデルＳ１の構造と座標系とを示している。なお、後述する如く、本実施形態では、補助装具１の剛体リンクモデルの基本構造は人Ａの剛体リンクモデルＳ１と同一とされており、図４は補助装具１の剛体リンクモデルの構造を示すものでもある。そのため、図４では、補助装具１の剛体リンクモデルを示す参照符号Ｓ１’を括弧付きで示している。
【００４９】
図４に示す如く、本実施形態では、人Ａの剛体リンクモデルＳ１は、９個の剛体要素と８個の関節要素とで構成される連結体として表現される。図４では、各剛体要素は線分で表され、各関節要素は円（参照符号Ｊ４を付したものを除く）で表されている。以下、詳説すると、この剛体リンクモデルＳ１は、大別すると、人Ａの各脚体にそれぞれ対応する一対の脚体部Ｓ２，Ｓ２と、人Ａの上体（腰部から上側の部分）に対応する上体部Ｓ３とから構成される。上体部Ｓ３は、人Ａの腰部に対応する剛体要素Ｓ４と腹部に対応する剛体要素Ｓ５とを関節要素ＪＵ１で連結し、さらに、剛体要素Ｓ５と胸部に対応する剛体要素Ｓ６とを関節要素ＪＵ２で連結してなる連結体として構成されている。以下、剛体要素Ｓ４〜Ｓ６をそれぞれ腰部要素Ｓ４、腹部要素Ｓ５、腰部要素Ｓ６と称し、関節要素ＪＵ１、ＪＵ２をそれぞれ上体下部関節ＪＵ１、上体上部関節ＪＵ２と称することがある。
【００５０】
この場合、腰部要素Ｓ４の上端に前記上体下部関節ＪＵ１が設けられると共に、腰部要素Ｓ４の下部の左右両端に人Ａの一対の股関節に対応する一対の関節要素Ｊ１，Ｊ１（以下、単に股関節Ｊ１と称することがある）が設けられている。また、上体下部関節ＪＵ１は、人Ａの腰部と腹部との境界付近で人Ａの背骨上に想定した関節に対応するものであり、上体上部関節ＪＵ２は、腹部と胸部との境界付近で人Ａの背骨上に想定した関節に対応するものである。剛体リンクモデルＳ１では、人Ａの胴体の曲げ動作に対応する上体部Ｓ３の曲げ動作は、上体下部関節ＪＵ１および上体上部関節ＪＵ２の２つの関節要素で行われる。
【００５１】
剛体リンクモデルＳ１の各脚体部Ｓ２は、人Ａの大腿部に対応する剛体要素である大腿部要素Ｓ７を前記股関節Ｊ１を介して腰部要素Ｓ４に連結し、下腿部に対応する剛体要素である下腿部要素Ｓ８を膝関節に対応する関節要素Ｊ２を介して連結し、足平部に対応する剛体要素である足平部要素Ｓ９を足首関節に対応する関節要素Ｊ３を介して連結してなる連結体として構成されている。以下、剛体要素Ｓ７〜Ｓ９をそれぞれ大腿部要素ＳＳ７、下腿部要素Ｓ８、足平部要素Ｓ９と称し、関節要素Ｊ２，Ｊ３をそれぞれ単に膝関節Ｊ２、足首関節Ｊ３と称することがある。
【００５２】
なお、図４において、足平部要素Ｓ９の先端の参照符号Ｊ４を付した部分は、人の足平部の親指の付け根の関節である中足趾節関節（以下、ＭＰ関節という）に対応する部分である。剛体リンクモデルＳ１では、部分Ｊ４は、関節としての機能を持つものではないが、以下、便宜上、その部分Ｊ４をＭＰ関節Ｊ４と称する。
【００５３】
以上の如く構成された人Ａの剛体リンクモデルＳ１の各剛体要素及び各関節要素は、各関節要素の回転運動によって、その相互の位置関係および姿勢関係（向きの関係）が各剛体要素および各関節要素に対応する人の各部の相互の位置関係および姿勢関係と同一になるように運動可能とされている。この場合、上体下部関節ＪＵ１及び上体上部関節ＪＵ２は、それぞれ３軸廻りの回転が可能とされており、その中の１軸を計測軸として、その計測軸廻りの回転（図４に各関節要素ＪＵ１，ＪＵ２に対応して記載した矢印（回転方向を表す矢印）を参照）を計測するようにしている。その計測軸は、本実施形態では、前記一対の股関節Ｊ１，Ｊ１の中心を結ぶ線分と平行な軸（後述する身体座標系ＢＣのＹ軸に平行な軸）である。また、各脚体部Ｓ２の股関節Ｊ１は、左脚体部Ｓ２の股関節Ｊ１に関して代表的に図４中に記載した矢印（回転方向を表す矢印）で示す如く３軸廻りの回転が可能とされている。さらに、各脚体部Ｓ２の膝関節Ｊ２および足首関節Ｊ３はそれぞれ、左側の脚体部Ｓ２の各関節要素Ｊ２，Ｊ３に関して代表的に図４中に記載した矢印（回転方向を表す矢印）で示す如く１軸廻りの回転が可能とされている。膝関節Ｊ２および足首関節Ｊ３のそれぞれの回転軸は、股関節Ｊ１、膝関節Ｊ２および足首関節Ｊ３のそれぞれの中心を通る脚平面ＰＬ（図４では左脚体部Ｓ２については図示を省略している）に垂直な軸である。右脚体部Ｓ２の股関節Ｊ１、膝関節Ｊ２、および足首関節Ｊ３の回転動作についても左脚体部Ｓ２と同様である。この場合、右脚体部Ｓ２の膝関節Ｊ２および足首関節Ｊ３のそれぞれの回転軸（１軸）は、該右脚体部Ｓ２に対応して図示した脚平面ＰＬに垂直な軸である。なお、各股関節Ｊ１は、いずれの脚体部Ｓ２についても３軸廻りの回転が可能であるから、それぞれの脚体部Ｓ２に対応する脚平面ＰＬに垂直な軸廻りの回転も可能である。
【００５４】
また、剛体リンクモデルＳ１では、その各剛体要素の重量および長さ（図の線分方向の長さ）並びに慣性モーメントと、各剛体要素の重心の位置（各剛体要素に固定された後述の要素座標系での位置）とがあらかじめ定められて、演算処理装置２５の図示しないメモリに記憶保持されている。図４の黒点Ｇ６，Ｇ５，Ｇ４，Ｇ７，Ｇ８，Ｇ９はそれぞれ胸部要素Ｓ６、腹部要素Ｓ５、腰部要素Ｓ４、大腿部要素Ｓ７、下腿部要素Ｓ８、足平部要素Ｓ９の重心を例示的に示している。補足すると、腰部要素Ｓ６は、３つの関節要素ＪＵ１，Ｊ１，Ｊ１に連結されているので、その長さについては、両股関節Ｊ１，Ｊ１を結ぶ線分の長さと、その線分の中点と上体下部関節ＪＵ１とを結ぶ線分の長さとがある。なお、各剛体要素の長さに代えて、その剛体要素に固定された要素座標系での該剛体要素の両端点の位置を演算処理装置２５に記憶保持させておいてもよい。
【００５５】
剛体リンクモデルＳ１の各剛体要素の重量、長さ、慣性モーメント、重心の位置は、基本的にはそれぞれの剛体要素に対応する人Ａの部位（剛体相当部）の重量、長さ、慣性モーメント、重心の位置とほぼ同一になるように設定されている。例えば、大腿部要素Ｓ１０の重量、長さ、慣性モーメント、重心の位置は、それぞれ人Ａの大腿部の実際の重量、長さ、慣性モーメント、重心の位置とほぼ同一である。なお、剛体リンクモデルＳ１の各剛体要素の重量、長さ、慣性モーメントおよび重心の位置は、人Ａに補助装具１を装備していない状態での（人Ａ単独での）重量、長さ、慣性モーメントおよび重心の位置である。また、胸部要素Ｓ６の重量、慣性モーメントおよび重心の位置は、人Ａの胸部と両腕体と頭部とを合わせたものの重量、慣性モーメントおよび重心の位置である。補足すると、人Ａの移動時の両腕体の運動（腕を前後に振る動作）に伴う胸部要素Ｓ６の重心の位置変化は比較的小さく、該胸部要素Ｓ６のほぼ一定の位置に維持される。
【００５６】
剛体リンクモデルＳ１の各剛体要素の重量、長さ、慣性モーメント、重心の位置は、基本的には、人Ａの各部の寸法や重量の実測値に基づいて定めればよいが、人Ａの身長や体重から、人間の平均的な統計データに基づいて推定するようにしてもよい。一般に、各剛体要素に対応する人Ａの剛体相当部の重心の位置や重量、長さ、慣性モーメントは、人間の身長や体重（全体重量）と相関性があり、その相関関係に基づいて人Ａの身長および体重の実測データから各剛体要素に対応する人Ａの剛体相当部の重心の位置や重量、長さ、慣性モーメントを比較的精度よく推定することが可能である。
【００５７】
なお、図４では、便宜上、各重心Ｇ４〜Ｇ９は、それぞれに対応する剛体要素の軸心上（図示の線分上）に位置するように記載しているが、必ずしもその軸心上に位置するとは限らず、その軸心からずれた位置に存在してもよい。
【００５８】
本実施形態では、剛体リンクモデルＳ１に対して、次のような座標系があらかじめ設定されている。すなわち、図４に示す如く身体座標系ＢＣが腰部要素Ｓ４に固定して設定されている。この身体座標系ＢＣは、一対の股関節Ｊ１，Ｊ１の中心を結ぶ線分の中点を原点とし、その線分の方向をＹ軸、原点から上体下部関節ＪＵ１の中心に向かう方向をＺ軸、これらのＹ軸およびＺ軸に直交する方向をＸ軸とする３次元座標系（ＸＹＺ座標系）として設定されている。人Ａの前記基準姿勢状態では、身体座標系ＢＣのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸はそれぞれ人Ａの前後方向、左右方向、上下方向（鉛直方向）に向き、ＸＹ平面は水平面である。
【００５９】
また、各脚体部Ｓ２の一つの関節要素、例えば股関節Ｊ１に脚座標系ＬＣが固定・設定されている。なお、図４では便宜上、右脚体部Ｓ２に対応する脚座標系ＬＣのみを代表的に記載している。この脚座標系ＬＣは、その一つの座標軸が該脚座標系ＬＣに対応する脚体部Ｓ２に係る脚平面ＰＬに垂直になるような３次元座標系である。この実施形態では、具体的には、脚座標系ＬＣは、股関節Ｊ１の中心点を原点とし、脚平面ＰＬに垂直な方向をＹ軸、身体座標系ＢＣのＺ軸を脚平面ＰＬに投影した軸と平行な方向をＺ軸、これらのＹ軸およびＺ軸に直交する方向をＸ軸とする座標系とされている。従って、脚座標系ＬＣは、換言すれば、そのＸＺ平面が脚平面ＰＬと一致するような座標系である。
【００６０】
さらに、各剛体要素には、例えば参照符号Ｃ４〜Ｃ９で示すように要素座標系が固定的に設定されている。本実施形態では、腰部要素Ｓ４の要素座標系Ｃ４は身体座標系ＢＣと同一とされている。また、胸部要素Ｓ６、腹部要素Ｓ５、各大腿部要素Ｓ７、各下腿部要素Ｓ８、および各足平部要素Ｓ９のそれぞれの要素座標系Ｃ６，Ｃ５，Ｃ７，Ｃ８，Ｃ９はそれぞれ、上体上部関節ＪＵ２、上体下部関節ＪＵ１、膝関節Ｊ１１、足首関節Ｊ１３、ＭＰ関節Ｊ４の中心点を原点とする３次元座標系（ＸＹＺ座標系）とされている。
【００６１】
なお、要素座標系Ｃ４〜Ｃ９は、それぞれに対応する剛体要素に対して固定されている限り、必ずしも上記のように設定する必要はなく、その原点や各軸の向きの設定は任意でよい。また、脚座標系ＬＣの原点を股関節Ｊ１の中心からずらしたり、身体座標系ＢＣを腰部要素Ｓ４と異なる部位に対して固定・設定するようにしてもよい。座標系の設定の仕方は基本的には任意でよく、種々様々な設定形態を採ることが可能である。従って、本実施形態での座標系の設定の仕方は一例に過ぎない。
【００６２】
次に、補助装具１の剛体リンクモデルを説明する。本実施形態では、補助装具１の剛体リンクモデルの連結構造は、人Ａの剛体リンクモデルＳ１（以下、人剛体リンクモデルＳ１という）と同一としており、図４に示した構造を有している。従って、補助装具１の剛体リンクモデルの説明は図４を用いて行う。以下、補助装具１の剛体リンクモデルを図４に括弧書きで示す如く、参照符号Ｓ１’で表し、装具剛体リンクモデルＳ１’と称する。
【００６３】
この場合、装具剛体リンクモデルＳ１’の各脚体部Ｓ２の関節要素Ｊ１〜Ｊ３は、それぞれ補助装具１の股関節部位７、膝関節部位９、足首関節部位１１に対応している。また、上体部Ｓ３の関節要素ＪＵ１，ＪＵ２は、人Ａの場合と同様、人Ａの背骨上に想定した関節に対応している。また、本実施形態では、装具剛体リンクモデルＳ１’の各関節要素Ｊ１〜Ｊ３，ＪＵ１，ＪＵ２のそれぞれが可能な回転も人剛体リンクモデルＳ１と同一である。
【００６４】
装具剛体リンクモデルＳ１’の各剛体要素Ｓ４〜Ｓ９は、補助装具１のうち、該剛体要素に対応する人Ａの部位に装着された部分、あるいは該部位と一体的に可動な部分が対応している。例えば装具剛体リンクモデルＳ１’の腰部要素Ｓ４は、補助装具１のうち、前記腰装着部２、センサボックス５および腰リンク部材６から構成される部分が対応している。また、例えば装具剛体リンクモデルＳ１’の各大腿部要素Ｓ５は、補助装具１のうち、各脚リンク部４の股関節部位７と膝関節部位９との間の部分（前記大腿部リンク部材８、スライド機構（図示しない）、プレート部材１９、ベルト部材１７，１８、変位センサ２１および力センサ２０から構成される部分）に対応している。他の剛体要素についても同様である。但し、補助装具１の、各脚リンク部４の各関節部位７，９，１１およびその関節部位に取り付けられたもの（電動モータ１５，１６および関節変位センサ３１〜３３）については、各関節部位７，９，１１およびその関節部位に取り付けられたものの半体が、該関節部位に対応する関節要素で連結された剛体要素のそれぞれに含まれるものとする。例えば、装具剛体リンクモデルＳ１’の股関節部位７とこれに取り付けられた関節変位センサ３１および電動モータ１５は、そのそれぞれの半体が、腰部要素Ｓ４、大腿部要素Ｓ７に含まれるものとする。
【００６５】
そして、装具剛体リンクモデルＳ１’の各剛体要素Ｓ４〜Ｓ９の重量、長さ、慣性モーメント並びに重心の位置（各剛体要素に固定された要素座標系での位置）があらかじめ演算処理装置２５のメモリに記憶保持されている。この場合、各剛体要素の要素座標系は、例えば人剛体リンクモデルＳ１と同様に設定されている。また、装具剛体リンクモデルＳ１’の各剛体要素Ｓ４〜Ｓ９の重量、慣性モーメントおよび重心の位置は、補助装具１の単体（人Ａから取り外した補助装具１）での重量、慣性モーメントおよび重心の位置である。
【００６６】
また、装具剛体リンクモデルＳ１’の座標系に関し、本実施形態では、装具剛体リンクモデルＳ１’の腰部要素Ｓ４の要素座標系Ｃ４は、人剛体リンクモデルＳ１の腰部要素Ｓ４の要素座標系Ｃ４（＝身体座標系ＢＣ）と同一とされている。また、装具剛体リンクモデルＳ１’の左脚体部Ｓ２に係る脚座標系ＬＣは、前記人剛体リンクモデルＳ１の左脚体部Ｓ２に係る脚座標系ＬＣと同様に、該装具剛体リンクモデルＳ１’の左股関節Ｊ１の中心を原点とし、前記左脚平面ＰＬに平行な面をＸＺ平面とする（左脚平面ＰＬに垂直な方向をＹ軸とする）座標系とされている。装具剛体リンクモデルＳ１’の右脚体部Ｓ２に係る脚座標系ＬＣについても同様である。また、補助装具１の足平装着部３は、人Ａの足平部に固定されることから、本実施形態では、装具剛体リンクモデルＳ１’の各足平部要素Ｓ９の要素座標系Ｃ９は、人剛体リンクモデルＳ１の各足平部要素Ｓ９の要素座標系Ｃ９と同一とされている。なお、補助装具１を人Ａに装備した状態における人Ａの股関節の中心と、補助装具１の股関節部位７の中心との位置関係はほぼ固定的に定まるので、装具剛体リンクモデルＳ１’における脚座標系ＬＣを人剛体リンクモデルＳ１における脚座標系ＬＣと同一にしてもよい。
【００６７】
補足すると、本実施形態では、装具剛体リンクモデルＳ１’では、各足平部要素Ｓ９は、より詳しくは、図５に示す構造を有するものとされている。すなわち、足首関節Ｊ３に概略平板状の足平基体Ｓ９ａが連結され、この足平基体Ｓ９ｂの前部（つま先寄り部分）および後部（踵部寄りの部分）の下面にそれぞれ床に接地する支持部Ｓ９ｂ，Ｓ９ｃが備えられている。そして、装具剛体リンクモデルＳ１’の足平部要素Ｓ９に関しては、その長さの代わりに、足平部要素Ｓ９の要素座標系Ｃ９における支持部Ｓ９ｂ，Ｓ９ｃの位置（支持部Ｓ９ｂ，Ｓ９ａの下端の位置）が演算処理装置２５のメモリに記憶保持されている。
【００６８】
なお、本実施形態では、身体座標系ＢＣ上での装具剛体リンクモデルＳ１’の上体下部関節ＪＵ１、上体上部関節ＪＵ２、腹部要素Ｓ５、および胸部要素Ｓ６の位置・姿勢は、それぞれ人剛体リンクモデルＳ１の上体下部関節ＪＵ１、上体上部関節ＪＵ２、腹部要素Ｓ５、および胸部要素Ｓ６の位置・姿勢と同一とされている。但し、補助装具１の、人Ａの腹部および胸部に対応する部分の重量や慣性モーメントは他の部分の重量や慣性モーメントに比して十分に小さく、実質的に０として差し支えない。従って、装具剛体リンクモデルＳ１’の腰部要素Ｓ４よりも上側の要素、すなわち、上体下部関節ＪＵ１、腹部要素Ｓ５、上体上部関節ＪＵ２、胸部要素Ｓ６は省略してもよい。
【００６９】
前記人剛体リンクモデルＳ１および装具剛体リンクモデルＳ１’は、その瞬時瞬時の姿勢（各要素の相互の位置および姿勢関係）が、それぞれ人Ａ、補助装具１の瞬時瞬時の姿勢と同じような姿勢になるものとされている。従って、以降の説明では、しばしば、人剛体リンクモデルＳ１の各要素と、該要素に対応する人Ａの部位とを同一視し、人剛体リンクモデルＳ１の各要素を、それに対応する人Ａの部位と同じものとして使用することがある。例えば人剛体リンクモデルＳ１の各脚体部Ｓ２を人Ａの各脚体を同じものとして使用することがある。装具剛体リンクモデルＳ１’の各要素と、それに対応する補助装具１の部位との関係についても同様とする。例えば装具剛体リンクモデルＳ１’の各脚体部Ｓ２、大腿部要素Ｓ７、下腿部要素Ｓ８、足平部要素Ｓ９をそれぞれ、補助装具１の各脚リンク部４（但しこの場合足平装着部３を含む）、大腿リンク部材８、下腿リンク部材１０、足平装着部３と同じものとして使用することがある。
【００７０】
次に前記演算処理装置２５の処理機能の概要を説明する。図６は演算処理装置２５の処理機能の全体を概略的に示すブロック図、図７および図８は、演算処理装置２５の要部の処理機能を示すブロック図である。
【００７１】
演算処理装置２５の処理機能は、それを大別すると、人Ａの脚体の運動が行なわれている時（人Ａの歩行時など）に、その脚体の運動が人Ａから補助装具１を取り外して行なわれているとした場合（人Ａが補助装具１を装着せずに自力で各脚体の所望の運動を行ったと仮定した場合）に人Ａの各脚体の各関節（足首関節、膝関節、股関節）に発生すべき関節モーメントを逐次推定する人側関節モーメント推定手段４１と、人Ａの脚体の運動に伴う補助装具１の運動を、該補助装具１が単独で（人Ａから取り外された補助装具１が自力で）行なっているとした場合に補助装具１の各関節部位７，９，１１に発生すべき関節モーメントを逐次推定する装具側関節モーメント推定手段４２と、補助装具１の電動モータ１５，１６の作動によって各脚体の股関節および膝関節に発生させるべき目標モーメントである目標関節補助モーメントを前記人側関節モーメント推定手段４１で推定された関節モーメントに応じて決定する目標関節補助モーメント決定手段４３と、補助装具１の電動モータ１５，１６の作動によって人Ａの股関節および膝関節にそれぞれ実際に発生している関節モーメントである実関節補助モーメントの推定値を前記力センサ２０，２２、変位センサ２１の出力などを基に逐次求める実関節補助モーメント推定手段４４と、前記装具側関節モーメント推定手段４２でそれぞれ推定された関節モーメントと前記目標関節補助モーメント決定手段４３で決定された股関節および膝関節の目標関節補助モーメントと前記実関節補助モーメント推定手段４４で推定された膝関節および股関節の実関節補助モーメントの推定値とを用い、股関節および膝関節のそれぞれの実関節補助モーメントの推定値を目標関節補助モーメントに一致させるように各電動モータ１５，１６をモータ駆動回路２９を介してフィードバック制御するモータ制御手段４５とから構成される。
【００７２】
この場合、人側関節モーメント推定手段４１は、さらに詳しくは、図７に示すように、各股関節部位４の関節変位センサ３１および発光／受光器２８の検出出力を基に後述する座標変換のための変換テンソルを作成する変換テンソル作成手段５１と、各関節変位センサ３１，３２，３３の検出出力を基に、人剛体リンクモデルＳ１の各脚体部Ｓ２の脚平面ＰＬ上での各関節要素の位置、各剛体要素の姿勢（傾斜角）、および各剛体要素の重心の位置を求める２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２と、変換テンソル作成手段５１が作成した変換テンソルと２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２が求めた位置・姿勢とを用いて人剛体リンクモデルＳ１の各関節要素および各剛体要素の重心の身体座標系ＢＣでの３次元的な位置ベクトルの値（座標成分値）を求める３次元関節・要素重心位置算出手段５３と、前記加速度センサ２３及びジャイロセンサ２４の検出出力を基に身体座標系ＢＣの原点の加速度ベクトル（並進加速度）および角速度ベクトルの値（身体座標系ＢＣでの座標成分値）を求める身体座標系加速度・角速度算出手段５４と、前記加速度センサ２３及びジャイロセンサ２４の検出出力を基に身体座標系ＢＣの鉛直方向に対する傾斜角を算出する身体座標系傾斜角算出手段５５とを備えている。なお、３次元関節・要素重心位置算出手段５３が求める位置ベクトルには、人剛体リンクモデルＳ１の各足平部要素Ｓ９のＭＰ関節Ｊ４の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルも含まれる。
【００７３】
さらに人側関節モーメント推定手段４１は、３次元関節・要素重心位置算出手段５３が求めた人剛体リンクモデルＳ１の各剛体要素の重心の位置ベクトルの値を用いて身体座標系ＢＣでの人剛体リンクモデルＳ１の全体重心（人Ａの全体重心）の位置ベクトルの値を求める全体重心位置算出手段５６を備えている。
【００７４】
また、人側関節モーメント推定手段４１は、３次元関節・要素重心位置算出手段５３が求めた各足首関節Ｊ３および各ＭＰ関節Ｊ４の位置ベクトルの値と身体座標系傾斜角算出手段５５が求めた身体座標系ＢＣの傾斜角と全体重心位置算出手段５６が求めた全体重心の位置ベクトルの値と接地センサ３４，３５の検出出力とを用いて各脚体（各脚体部Ｓ２）に作用する床反力（並進床反力のベクトル）の作用点（以下、単に床反力作用点という）の位置ベクトルの身体座標系ＢＣでの値を求める床反力作用点推定手段５８と、３次元関節・要素重心位置算出手段５３が求めた各関節要素および各剛体要素の重心の位置ベクトルの値と全体重心位置算出手段５６が求めた全体重心の位置ベクトルの値と身体座標系加速度・角速度算出手段５４が求めた身体座標系ＢＣの原点の加速度ベクトルおよび角速度ベクトルの値と前記接地センサ３４，３５の検出出力と前記床反力作用点推定手段５７が求めた床反力作用点の位置ベクトルの値とを用いて人Ａの各脚体に作用する床反力（並進床反力のベクトル）の身体座標系ＢＣでの値（座標成分値）を推定する床反力推定手段５８とを備える。なお、床反力推定手段５８が推定する床反力は、より詳しくは、人Ａの運動が、人Ａから補助装具１を取り外して行なわれているとした場合に該人Ａの各脚体に作用する床反力である。
【００７５】
そして、人側関節モーメント推定手段４１は、床反力推定手段５８が求めた床反力の値と床反力作用点推定手段５７が求めた床反力作用点の位置ベクトルの値と身体座標系加速度・角速度算出手段５４が求めた加速度ベクトルおよび角速度ベクトルの値を、変換テンソル作成手段５１が作成した変換テンソルを用いて各脚体に対応する脚平面ＰＬに投影する脚平面投影手段５９と、この投影により得られた値（２次元量）と２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２が求めた位置・姿勢とを用いて人Ａの各脚体の足首関節、膝関節および股関節に発生すべき関節モーメントの推定値を算出する関節モーメント算出手段６０とを備えている。
【００７６】
詳細は後述するが、人側関節モーメント推定手段４１は、上記各手段５１〜６０の演算処理を所定の演算処理周期で逐次実行し、各演算処理周期において最終的に関節モーメント算出手段６０により関節モーメントの推定値を逐次算出する。
【００７７】
一方、装具側関節モーメント推定手段４２は、図８に示すように、各関節変位センサ３１，３２，３３の検出出力を基に、装具剛体リンクモデルＳ１’の各脚体部Ｓ２の脚座標系ＬＣのＸＺ平面上での各関節要素の位置、各剛体要素の姿勢（傾斜角）、および各剛体要素の重心の位置を求める２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段６１と、この２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段６１が求めた位置・姿勢と前記人側関節モーメント推定手段４１の変換テンソル作成手段５１で求められた変換テンソル（図７および図８の※１を参照）とを用いて装具剛体リンクモデルＳ１’の各関節要素および各剛体要素の重心の身体座標系ＢＣでの３次元的な位置ベクトルの値（座標成分値）を求める３次元関節・要素重心位置算出手段６２と、この３次元関節・要素重心位置算出手段６２が求めた装具剛体リンクモデルＳ１’の各剛体要素の重心の位置ベクトルの値を用いて身体座標系ＢＣでの装具剛体リンクモデルＳ１’の全体重心（補助装具１の全体重心）の位置ベクトルの値を求める全体重心位置算出手段６３とを備えている。なお、３次元関節・要素重心位置算出手段６２が求める位置ベクトルには、装具剛体リンクモデルＳ１’の各足平要素Ｓ９の支持部Ｓ９ｃ，Ｓ９ｄの下端（図５参照）の位置ベクトルも含まれる。
【００７８】
さらに、装具側関節モーメント推定手段４２は、３次元関節・要素重心位置算出手段６２で求められた装具剛体リンクモデルＳ１’の各足平要素Ｓ９の支持部Ｓ９ｃ，Ｓ９ｄの位置ベクトルの値と人側関節モーメント推定手段４１の身体座標系傾斜角算出手段５５が求めた身体座標系ＢＣの傾斜角（図７および図８の※２を参照）と全体重心位置算出手段６３が求めた全体重心の位置ベクトルの値と接地センサ３４，３５の検出出力とを用いて補助装具１の各脚リンク部４に作用する床反力（並進床反力）の作用点（床反力作用点）の位置ベクトルの身体座標系ＢＣでの値を求める床反力作用点推定手段６４と、３次元関節・要素重心位置算出手段６２が求めた装具剛体リンクモデルＳ１’の各関節要素および各剛体要素の重心の位置ベクトルの値と全体重心位置算出手段６３が求めた全体重心の位置ベクトルの値と人側関節モーメント推定手段４１の身体座標系加速度・角速度算出手段５４で求められた身体座標系ＢＣの原点の加速度ベクトルおよび角速度ベクトルの値（図７および図８の※３を参照）と前記接地センサ３４，３５の検出出力と前記床反力作用点推定手段６４が求めた床反力作用点の位置ベクトルの値とを用いて補助装具１の各脚リンク部４に作用する床反力（並進床反力のベクトル）の身体座標系ＢＣでの値（座標成分値）を推定する床反力推定手段６５とを備える。なお、床反力推定手段６５が推定する床反力は、より詳しくは、人Ａの脚体の運動に伴う補助装具１の運動を、該補助装具１が単独で（自力で）行なっているとした場合に該補助装具１の各脚リンク部４に作用する床反力である。
【００７９】
そして、装具側関節モーメント推定手段４２は、床反力推定手段６５が求めた床反力の値と床反力作用点推定手段６４が求めた床反力作用点の位置ベクトルの値と人側関節モーメント推定手段４１の身体座標系加速度・角速度算出手段５４が求めた加速度ベクトルおよび角速度ベクトルの値を、人側関節モーメント推定手段４１の変換テンソル作成手段５１が作成した変換テンソル（図７および図８の※１を参照）を用いて各脚体に対応する脚平面ＰＬに投影する（装具剛体リンクモデルＳ１’の脚座標系ＬＣのＸＺ平面に投影する）脚平面投影手段６６と、この投影により得られた値（２次元量）と前記２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段６１が求めた位置・姿勢とを用いて補助装具１の各関節部位７，９，１１に発生すべき関節モーメントの推定値を算出する関節モーメント算出手段６７とを備えている。
【００８０】
詳細は後述するが、装具側関節モーメント推定手段４２は、人側関節モーメント推定手段４１の処理と並行して、上記各手段６１〜６７の演算処理を所定の演算処理周期で逐次実行し、各演算処理周期において最終的に関節モーメント算出手段６７により関節モーメントの推定値を逐次算出する。
【００８１】
また、前記実関節補助モーメント推定手段４４には、前記図６に示すように、装具側関節モーメント推定手段４２の脚平面投影手段５９で求められた脚平面ＰＬ上での床反力（装具剛体リンクモデルＳ１’の脚座標系ＬＣのＸＺ平面上での床反力。図６および図８の※４を参照）や、力センサ２０，２２および変位センサ２１の検出出力、装具側関節モーメント推定手段４２の２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段６１で求められた装具剛体リンクモデルＳ１’の各脚体部Ｓ２の姿勢（大腿部要素Ｓ７の脚平面ＰＬ上での傾斜角など。図６および図８の※５を参照）が入力される。そして、実関節補助モーメント推定手段４４は、これらの入力値を用いて実関節補助モーメント推定値を後述するように算出する。
【００８２】
次に演算処理装置２５の各手段の詳細な演算処理と併せて本実施形態の装置の作動を説明する。なお、以下の説明において、一般的に、ベクトル量をある座標系Ｃaから別の座標系Ｃbに座標変換する変換テンソル、すなわち座標系Ｃaの成分値で表されるベクトル量を座標系Ｃbの成分値で表されるベクトル量に変換するテンソルを「Ｒ(Ｃa→Ｃb)」というように表記する。また、ある座標系Ｃaで見たある点Ｐもしくは部位Ｐの位置ベクトルをＵ(P/Ca)というように表記する。また、ある座標系Ｃaの座標成分値で表される、物体Ｑもしくは部位Ｑの作用力、加速度等の物理量のベクトルＡをＡ(Q/Ca)というように表記する。この場合、位置ベクトルＵ(P/Ca)や、物理量ベクトルＡ(Q/Ca)の座標系Ｃａでの座標成分値を表すときは、各座標軸の名称であるｘ、ｙ、ｚをさらに付加して表記する。例えば、位置ベクトルＵ(P/Ca)のＸ座標成分は、Ｕ(P/Ca)ｘというように表記する。さらに位置ベクトルＵ(P/Ca)や、物理量ベクトルＡ(Q/Ca)の座標系Ｃａでの２つの座標成分値の組（２次元ベクトル）を表すときには、その２つの座標軸の名称を付加して表記する。例えばベクトルＡ(Q/Ca)のＸ軸成分、Ｚ軸成分の組からなる２次元ベクトル（これはベクトルＡ(Q/Ca)の、Ｙ軸（座標系ＣａのＹ軸）に垂直な面上での成分ベクトルである）は、Ａ(Q/Ca)x,zというように表記する。なお、着目している座標系が明らかである場合には、座標系Ｃａの表記を省略することもある。
【００８３】
また、前記各要素座標系Ｃ４〜Ｃ９をそれぞれ対応する人Ａの部位の名称を用いてＣ＿腰部、Ｃ＿腹部、Ｃ＿胸部、Ｃ＿大腿部、Ｃ＿下腿部、Ｃ＿足平部と称することがある。このことは、人剛体リンクモデルＳ１の各剛体要素Ｓ４〜Ｓ９、各剛体要素Ｓ４〜Ｓ９の重心Ｇ４〜Ｇ９についても同様とする。例えば人剛体リンクモデルＳ１の腰部要素Ｓ４およびその重心Ｇ４をそれぞれＳ＿腰部、Ｇ＿腰部と表記することがある。
【００８４】
さらに、装具剛体リンクモデルＳ１’の各剛体要素Ｓ４〜Ｓ９をそれぞれに対応する人Ａの部位の名称を用いてＳ＿腰部装具、Ｓ＿腹部装具、Ｓ＿胸部装具、Ｓ＿大腿部装具、Ｓ＿下腿部装具、Ｓ＿足平部装具と称することがある。このことは、、装具剛体リンクモデルＳ１’の各剛体要素Ｓ４〜Ｓ９の重心についても同様とする。例えば装具剛体リンクモデルＳ１’の腰部要素Ｓ４の重心Ｇ４をＧ＿腰部装具と表記することがある。
【００８５】
なお、人Ａの脚体に係わるもの、あるいは補助装具１の脚リンク部４に係わるものについては、その左右を区別する必要があるときは、「右」、「左」をさらに付加して記述する。例えば右側の大腿部要素Ｓ７をＳ＿右大腿部もしくはＳ＿右大腿部装具と称することがある。
【００８６】
また、人剛体リンクモデルＳ１の股関節Ｊ１、膝関節Ｊ２、足首関節Ｊ３、およびＭＰ関節Ｊ４をそれぞれＪ＿股、Ｊ＿膝、Ｊ＿足首、Ｊ＿ＭＰと称し、装具剛体リンクモデルＳ１’の股関節Ｊ１、膝関節Ｊ２および足首関節Ｊ３をそれぞれＪ＿股装具、Ｊ＿膝装具、Ｊ＿足首装具と称することがある。この場合も左右を区別する必要があるときは、上記と同様、「右」、「左」をさらに付加して表記する。
【００８７】
演算処理装置２５は、所定の演算処理周期で前記各関節変位センサ３１，３２，３３、発光／受光器２８、加速度センサ２３、ジャイロセンサ２４、力センサ２０，２２、変位センサ２１の検出出力を図示しないＡ／Ｄ変換器を介して取り込むと共に、各接地センサ３４，３５の検出出力（ＯＮ／ＯＦＦ信号）を取り込む。そして、まず、人側関節モーメント推定手段４１および装具側関節モーメント推定手段４２の演算処理を並行して実行する。
【００８８】
人側関節モーメント推定手段４１の演算処理を以下に詳説する。なお、以降、人側関節モーメント推定手段４１の説明が終了するまでは、剛体要素、関節要素、脚座標系、要素座標系は、特に断らない限り、それぞれ人剛体リンクモデルＳ１の剛体要素、関節要素、脚座標系、要素座標系を意味するものとする。
【００８９】
まず、前記変換テンソル作成手段５１、２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２、および３次元関節・要素重心位置算出手段５３の演算処理が順次実行される。
【００９０】
変換テンソル作成手段５１の演算処理では、各脚座標系ＬＣと身体座標系ＢＣとの間のベクトル量の座標変換を行うための変換テンソルＲ(LC→BC)と、腹部要素Ｓ５の要素座標系Ｃ５および胸部要素Ｓ６の要素座標系Ｃ６のそれぞれと身体座標系ＢＣの間のベクトル量の座標変換を行うための変換テンソルＲ(C＿腹部→BC)、Ｒ(C＿胸部→BC)とが作成される。
【００９１】
変換テンソルＲ(LC→BC)は、補助装具１の股関節部位７の関節変位センサ３１で検出される股関節部位７の３軸廻りの回転角のうち、脚平面ＰＬに垂直な回転軸ａ31の廻りの回転角を除く２つの軸廻りの回転角から決定される。本実施形態では、脚平面ＰＬに垂直な回転軸ａ31を除く２つの軸廻りの股関節部位７の回転角（人Ａの脚体の股関節廻りの外転・内転、および旋回に伴う股関節部位７の回転角）が決まれば、人剛体リンクモデルＳ１の脚座標系ＬＣと身体座標系ＢＣとの間の姿勢関係が一義的に定まる。従って、変換テンソルＲ(LC→BC)は、股関節の３軸廻りの回転角のうち、脚平面ＰＬに垂直な回転軸ａ31の廻りの回転角を除く２つの軸廻りの回転角の検出値から求めることができる。なお、変換テンソルＲ(LC→BC)は、左右の脚体毎に各別に求められる。
【００９２】
また、変換テンソルＲ(C＿腹部→BC)、Ｒ(C＿胸部→BC)は次のように作成される。まず、発光／受光器２８の検出出力を基に、人剛体リンクモデルＳ１の腰部要素Ｓ４に対する腹部要素Ｓ５と胸部要素Ｓ６の傾斜角（詳しくは身体座標系ＢＣのＺ軸方向に対する矢状面（ＸＺ平面）上での傾斜角）が把握される。そして、腰部要素Ｓ４に対する腹部要素Ｓ５の傾斜角だけ、座標系Ｃ＿腹部が身体座標系ＢＣに対して矢状面上で傾いたものとして、変換テンソルＲ(Ｃ＿腹部→BC）が決定される。同様に、腰部要素Ｓ４に対する胸部要素Ｓ６の傾斜角だけ、座標系Ｃ＿胸部が身体座標系ＢＣに対して矢状面上で傾いたものとして、変換テンソルＲ(Ｃ＿腹部→BC）が決定される。
【００９３】
補足すると、本実施形態では、人剛体リンクモデルＳ１の上体下部関節ＪＵ１および上体上部関節ＪＵ２を１軸廻り（Ｃ＿腹部およびＣ＿胸部のＹ軸廻り）の回転による腹部要素Ｓ５および胸部要素Ｓ６の腰部要素Ｓ４に対する傾斜角のみを計測するようにしたが、上体下部関節ＪＵ１および上体上部関節ＪＵ２をそれぞれ例えば２軸廻り（例えばＣ＿腹部およびＣ＿胸部のＹ軸とＸ軸との２軸廻り）の回転が可能なものとして、腹部要素Ｓ５および胸部要素Ｓ６の２軸廻りの傾斜角を計測するようにしてもよい。そして、それらの２軸廻りの傾斜角から変換テンソルＲ(C＿腹部→BC)、Ｒ(C＿胸部→BC)を求めるようにしてもよい。
【００９４】
なお、上記変換テンソルＲ(LC→BC)，Ｒ(Ｃ＿腹部→BC)，Ｒ(Ｃ＿胸部→BC）を転置したものがそれぞれの逆変換を行うための変換テンソルとなる。従って、Ｒ(BC→LC)＝Ｒ(LC→BC)T、Ｒ(BC→Ｃ＿腹部)＝Ｒ(Ｃ＿腹部→BC)T、Ｒ(BC→Ｃ＿胸部)＝Ｒ(Ｃ＿胸部→BC)T（Ｔは転置を意味する）である。
【００９５】
前記２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２の演算処理では、まず、補助装具１の各脚リンク部４の関節変位センサ３１〜３３の検出出力から把握される、各脚リンク部４の股関節部位７、膝関節部位９、足首関節部位１１の脚平面ＰＬに垂直な軸（図２の回転軸ａ31，ａ32，ａ33）廻りの回転角を用いて、人剛体リンクモデルＳ１の大腿部要素Ｓ７、下腿部要素Ｓ８および足平部要素Ｓ９のそれぞれの傾斜角θ＿大腿部、θ＿下腿部、θ＿足平部が算出される。ここで、傾斜角θ＿大腿部、θ＿下腿部、θ＿足平部は、脚座標系ＬＣのＺ軸方向に対する傾斜角である。
【００９６】
この場合、例えば各脚リンク部４の膝関節部位９の位置が人Ａの膝関節の側方箇所（真横）からずれている場合（この場合、人Ａの大腿部の長さと補助装具１の大腿リンク部材８の長さとが同一でなく、あるいは人Ａの下腿部の長さと補助装具１の下腿リンク部材１０の長さとが同一でない）には、各脚リンク部４の股関節部位７、膝関節部位９、足首関節部位１１の脚平面ＰＬに垂直な軸廻りの回転角は、一般には、人Ａの股関節、膝関節、足首関節の脚平面ＰＬに垂直な軸廻りの回転角と異なっている。
【００９７】
そこで、本実施形態では、各脚リンク部４の股関節部位７、膝関節部位９、足首関節部位１１の脚平面ＰＬに垂直な軸廻りの回転角の検出値を基に、人Ａの股関節、膝関節、足首関節の脚平面ＰＬに垂直な軸廻りの回転角（人剛体リンクモデルＳ１の各脚体部Ｓ２の関節Ｊ＿股（Ｊ１）、Ｊ＿膝（Ｊ２）、Ｊ＿足首（Ｊ３）の脚平面ＰＬに垂直な軸廻りの回転角）を幾何学的な演算によって求め、それを基に、傾斜角θ＿大腿部、θ＿下腿部、θ＿足平部を算出する。以下に、その算出手法を図９を参照して説明する。図９は、脚平面ＰＬ上で見た人剛体リンクモデルＳ１および装具剛体リンクモデルＳ１’の脚体部Ｓ２の幾何学的な関係を示している。なお、装具剛体リンクモデルＳ１’の脚体部Ｓ２の要素は破線で示している。
【００９８】
図９において、θ＿股装具、θ＿膝装具、θ＿足首装具は、それぞれ関節変位センサ３１，３２，３３によって検出される補助装具１の股関節部位７、膝関節部位９、足首関節部位１１の回転角（補助装具１の前記基準姿勢状態からの回転角）である。ここで、本実施形態では、股関節部位７および足首関節部位１１は、それぞれ人Ａの股関節、足首関節の側方箇所（真横）に配置されているので、脚平面ＰＬ上で見た、人剛体リンクモデルＳ１のＪ＿股の位置は装具剛体リンクモデルＳ１’のＪ＿股装具の位置と一致し、また、Ｊ＿足首の位置はＪ＿足首装具の位置と一致する。また、関節変位センサ３３によって検出される補助装具１の足首関節部位１１の回転角θ＿足首装具は、人Ａの足首関節の回転角θ＿足首に一致する。なお、本実施形態では、補助装具１を装着した人Ａがその基準姿勢状態からしゃがんだ時に検出されるθ＿股装具、θ＿膝装具、θ＿足首装具を正の値とする。従って、図示の例では、θ＿股装具＞０、θ＿膝装具＞０、θ＿足首装具＞０である。また、本実施形態では、人剛体リンクモデルＳ１のＪ＿膝がＪ＿股よりも脚座標系ＬＣのＸ軸の正側（前方側）に位置しているときのＳ＿大腿部（大腿部要素Ｓ７）の傾斜角θ＿大腿部を負の値とし、Ｊ＿足首がＪ＿膝よりも脚座標系ＬＣのＸ軸の正側に位置しているときのＳ＿下腿部（下腿部要素Ｓ８）の傾斜角θ＿下腿部を負の値とし、Ｊ＿ＭＰ（足平部要素Ｓ９の先端）がＪ＿足首よりも脚座標系ＬＣのＸ軸の正側に位置しているときのＳ＿足平部（足平部要素Ｓ９）の傾斜角θ＿足平部を負の値とする。図示の例では、θ＿大腿部＜０、θ＿下腿部＞０、θ＿足平部＜０である。装具剛体リンクモデルＳ１’のＳ＿大腿部装具、Ｓ＿下腿部装具、およびＳ＿足平部要素のそれぞれの傾斜角θ＿大腿部装具、θ＿下腿部装具、θ＿足平部装具についても上記と同様とする。
【００９９】
この場合、人剛体リンクモデルＳ１のＪ＿膝、Ｊ＿股のそれぞれの回転角θ＿膝、θ＿股は、次式（１ａ）、（１ｂ）により順番に求められる。
【０１００】
θ＿膝＝π−cos−１（（L7２＋L8２−Ｄha２）／（２×L7×L8））
……（１ａ）
θ＿股＝θ＿股装具−sin−１（（Ｌ8s２／Ｄha）×sin（π−θ＿膝装具））
＋sin−１（（L8／Ｄha）×sin（π−θ＿膝））
……（１ｂ）
なお、L7、L8は人剛体リンクモデルＳ１のＳ＿大腿部、Ｓ＿下腿部のそれぞれの長さ、Ｌ8sは装具剛体リンクモデルＳ１’のＳ＿下腿部の長さである。また、Ｄhaは、人剛体リンクモデルＳ１のＪ＿股とＪ＿足首との距離（これは装具剛体リンクモデルＳ１’のＪ＿股装具とＪ＿足首装具との距離に等しい）であり、これは、次式（１ｃ）により求められる。
【０１０１】
Ｄha＝√（Ｌ7s２＋Ｌ8s２−２×Ｌ7s×Ｌ8s×cos（π−θ＿膝装具））
……（１ｃ）
そして、これらの式（１ａ）〜（１ｃ）によりθ＿膝装具およびθ＿股装具の検出値を用いて求められるθ＿膝、θ＿股と、θ＿足首の検出値（＝θ＿足首装具の検出値）とから、傾斜角θ＿大腿部、θ＿下腿部、θ＿足平部が、それぞれ次式（１ｄ）〜（１ｆ）により順番に求められる。
【０１０２】
θ＿大腿部＝−θ＿股 ……（１ｄ）
θ＿下腿部＝θ＿大腿部＋θ＿膝 ……（１ｅ）
θ＿足平部＝θ＿下腿部−θ＿足首＋（π／２） ……（１ｆ）
尚、θ＿大腿部、θ＿下腿部、θ＿足平部の算出は、各脚体部Ｓ２毎に各別に行われる。
【０１０３】
上記の如く求められる傾斜角θ＿大腿部、θ＿下腿部、θ＿足平部は、人剛体リンクモデルＳ１の各脚体部Ｓ２の各剛体要素の、該脚体部Ｓ２に対応する脚平面ＰＬ（脚座標系ＬＣＸＺ平面）上での姿勢を表すものである。
【０１０４】
次に、各脚体部Ｓ２の各関節要素の、脚座標系ＬＣのＸＺ平面、すなわち、脚平面ＰＬ上での位置が、上記の如く求められたθ＿大腿部、θ＿下腿部、θ＿足平部と、人剛体リンクモデルＳ１の各脚体部Ｓ２の各剛体要素の長さとを用いて求められる。具体的には、各脚体部Ｓ２の関節要素Ｊ＿股（Ｊ１），Ｊ＿膝（Ｊ２），Ｊ＿足首（Ｊ３）およびＪ＿ＭＰ（Ｊ４）のそれぞれの脚座標系ＬＣでの位置ベクトルＵ(Ｊ＿股/LC)，Ｕ(Ｊ＿膝/LC)，Ｕ(Ｊ＿足首/LC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/LC)がそれぞれ次式（２ａ）〜（２ｄ）により順番に算出される。なお、このとき、脚座標系ＬＣのＹ軸方向（脚平面ＰＬの法線方向）でのＪ＿股，Ｊ＿膝、Ｊ＿足首、Ｊ＿ＭＰの位置、すなわち、位置ベクトルＵ(Ｊ＿股/LC)，Ｕ(Ｊ＿膝/LC)，Ｕ(Ｊ＿足首/LC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/LC)のＹ軸成分はいずれも０とされる。つまり、本実施形態では、Ｊ＿股，Ｊ＿膝、Ｊ＿足首、Ｊ＿ＭＰは、いずれも脚平面ＰＬ上でのみ運動可能とされる。
【０１０５】
Ｕ(Ｊ＿股/LC)＝(０，０，０)T …（２ａ）
Ｕ(Ｊ＿膝/LC)＝Ｕ(Ｊ＿股/LC)
＋(−L7×sin(θ＿大腿部)，０，−L7×cos(θ＿大腿部))T
…（２ｂ）
Ｕ(Ｊ＿足首/LC)＝Ｕ(Ｊ＿膝/LC)
＋(−L8×sin(θ＿下腿部)，０，−L8×cos(θ＿大腿部))T
…（２ｃ）
Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/LC)＝Ｕ(Ｊ＿足首/LC)
＋(−L9×sin(θ＿足平部)，０，−L9×cos(θ＿足平部))T
…（２ｄ）
ここで、式（２ｂ），（２ｃ），（２ｄ）中のL7，L8，L9はそれぞれＳ＿大腿部（大腿部要素Ｓ７）、Ｓ＿下腿部（下腿部要素Ｓ８）、Ｓ＿足平部（足平部要素Ｓ９）の長さである。また、式（２ｂ）〜（２ｄ）のそれぞれの右辺第２項のベクトルは、股関節Ｊ１（Ｊ＿股）から見た膝関節Ｊ２（Ｊ＿膝）の位置ベクトル、膝関節Ｊ２から見た足首関節Ｊ３（Ｊ＿足首）の位置ベクトル、足首関節Ｊ３から見たＭＰ関節Ｊ４（Ｊ＿ＭＰ）の位置ベクトルを意味している。なお、式（２ａ）〜（２ｄ）により求められる位置ベクトルＵ(Ｊ＿股/LC)，Ｕ(Ｊ＿膝/LC)，Ｕ(Ｊ＿足首/LC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/LC)のそれぞれのＸ軸成分およびＺ軸成分の組が脚平面ＰＬ上での２次元的位置を表している。
【０１０６】
さらに、各脚体部Ｓ２の各剛体要素の重心の、脚座標系ＬＣでの位置ベクトルが、式（２ａ）〜（２ｄ）により上記の如く算出された関節要素の位置ベクトルを用いて算出される。具体的には、各脚体部Ｓ２の大腿部要素Ｓ７、下腿部要素Ｓ８、足平部要素Ｓ９のそれぞれの重心Ｇ＿大腿部（Ｇ７），Ｇ＿下腿部（Ｇ８），Ｇ＿足平部（Ｇ９）のそれぞれの位置ベクトルＵ(Ｇ＿大腿部/LC)，Ｕ(Ｇ＿下腿部/LC)，Ｕ(Ｇ＿足平部/LC)がそれぞれ次式（３ａ）〜（３ｃ）により算出される。
【０１０７】
Ｕ(Ｇ＿大腿部/LC)＝Ｕ(Ｊ＿膝/LC)＋
Ｒ(Ｃ＿大腿部→LC)×Ｕ(Ｇ＿大腿部/Ｃ＿大腿部)…（３ａ）
Ｕ(Ｇ＿下腿部/LC)＝Ｕ(Ｊ＿足首/LC)＋
Ｒ(Ｃ＿下腿部→LC)×Ｕ(Ｇ＿下腿部/Ｃ＿下腿部)…（３ｂ）
Ｕ(Ｇ＿足平部/LC)＝Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/LC)＋
Ｒ(Ｃ＿足平部→LC)×Ｕ(Ｇ＿足平部/Ｃ＿足平部)…（３ｃ）
ここで、式（３ａ）〜（３ｃ）のＲ(Ｃ＿大腿部→LC)、Ｒ(Ｃ＿下腿部→LC)、Ｒ(Ｃ＿足平部→LC)は、それぞれ大腿部座標系Ｃ＿大腿部（Ｃ７）から脚座標系ＬＣへの変換テンソル、下腿部座標系Ｃ＿下腿部（Ｃ８）から脚座標系ＬＣへの変換テンソル、足平部座標系Ｃ＿足平部（Ｃ９）から脚座標系ＬＣへの変換テンソルであり、それぞれ先に算出したθ＿大腿部、θ＿下腿部、θ＿足平部を用いて決定される。また、Ｕ(Ｇ＿大腿部/Ｃ＿大腿部)、Ｕ(Ｇ＿下腿部/Ｃ＿下腿部)、Ｕ(Ｇ＿足平部/Ｃ＿足平部)は、各剛体要素の要素座標系で表された該剛体要素の重心の位置ベクトルであり、あらかじめ演算処理装置２５のメモリに記憶保持されている。
【０１０８】
上記式（３ａ）〜（３ｃ）により求められる位置ベクトルＵ(Ｇ＿大腿部/LC)，Ｕ(Ｇ＿下腿部/LC)，Ｕ(Ｇ＿足平部/LC)のＸ軸成分及びＺ軸系分の組が脚平面ＰＬ上での２次元的位置を表している。以上説明した演算処理が２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２の演算処理である。
【０１０９】
次に３次元関節・要素重心位置算出手段５３の演算処理では、変換テンソル作成手段５１で求めた変換テンソルと２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２で求めた各脚体部Ｓ２の各関節要素および各剛体要素の重心の位置（脚座標系ＬＣでの位置）とを用いて、人剛体リンクモデルＳ１の各関節要素および各剛体要素の重心の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルが求められる。
【０１１０】
各関節要素の位置ベクトルの算出は次のように行われる。例えば左脚体部Ｓ２の各関節要素（ＭＰ関節Ｊ４を含む）の位置ベクトルの算出について説明する。まず、腰部要素Ｓ４の両股関節Ｊ１，Ｊ１の中心を結ぶ線分の長さをＬ４ａとおくと、身体座標系ＢＣにおける左股関節Ｊ１の位置ベクトルＵ(Ｊ＿左股/ＢＣ)は、次式（４ａ）により与えられる。
【０１１１】
Ｕ(Ｊ＿左股/BC)＝(０，Ｌ４ａ／２，０)T …（４ａ）
さらに、身体座標系ＢＣにおける左膝関節Ｊ２、左足首関節Ｊ３、左ＭＰ関節Ｊ４のそれぞれの位置ベクトルＵ(Ｊ＿左膝/ＢＣ)、Ｕ（Ｊ＿左足首/ＢＣ）、Ｕ（Ｊ＿左ＭＰ/ＢＣ）は、変換テンソルＲ(LC→BC)と、左脚体部Ｓ２に対応する脚座標系ＬＣ（左ＬＣ）での位置ベクトルＵ(Ｊ＿左膝/LC)、Ｕ（Ｊ＿左足首/LC）、Ｕ（Ｊ＿左ＭＰ/LC）とを用いて次式（４ｂ）〜（４ｄ）により順番に求められる。
【０１１２】
Ｕ(Ｊ＿左膝/BC)＝Ｕ(Ｊ＿左股/BC)＋Ｒ(LC→BC）×Ｕ(Ｊ＿左膝/LC）…（４ｂ）
Ｕ(Ｊ＿左足首/BC)＝Ｕ（Ｊ＿左股/BC)＋Ｒ(LC→BC)×Ｕ(Ｊ＿左足首/LC)
…（４ｃ）
Ｕ(Ｊ＿左ＭＰ/BC)＝Ｕ（Ｊ＿左股/BC)＋Ｒ(LC→BC)×Ｕ(Ｊ＿左ＭＰ/LC)
…（４ｄ）
右脚体部Ｓ２の各関節要素（ＭＰ関節Ｊ４を含む）の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルも上記と同様に求められる。
【０１１３】
さらに、上体部Ｓ３の上体下部関節ＪＵ１および上体上部関節ＪＵ２の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルＵ(JU1/BC)，Ｕ(JU2/BC)は、それぞれ次式（４ｅ），（４ｆ）により順番に求められる。
【０１１４】
Ｕ(JU1/BC)＝(０，０，Ｌ４ｂ)T ……（４ｅ）
Ｕ(JU2/BC)＝Ｕ(JU1/BC)＋Ｒ(Ｃ＿腹部→BC)・(０，０，Ｌ５)T ……（４ｆ）
なお、式（４ｅ）のＬ４ｂは、両股関節Ｊ１，Ｊ１を結ぶ線分の中点から上体下部関節ＪＵ１の中心までの長さ、式（４ｆ）のＬ５は腹部要素Ｓ５の長さである。
【０１１５】
また、各剛体要素の重心の、身体座標系ＢＣでの位置ベクトルの算出は次のように行われる。すなわち、大腿部要素Ｓ７、下腿部要素Ｓ８、足平部要素Ｓ９のそれぞれの重心の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルＵ(Ｇ＿大腿部/BC)，Ｕ(Ｇ＿下腿部/BC)，Ｕ(Ｇ＿足平部/BC)は、それぞれ前記式（４ｂ）の右辺のＵ(Ｊ＿左膝/LC)を前記２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２で算出した大腿部要素Ｓ７、下腿部要素Ｓ８、足平部要素Ｓ９の重心の位置ベクトルＵ(Ｇ＿大腿部/LC)、Ｕ(Ｇ＿下腿部/LC)、Ｕ(Ｇ＿足平部/LC）で置き換えた式を演算することで求められる。なお、Ｇ＿大腿部，Ｇ＿下腿部，Ｇ＿足平部の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルの算出は、各脚体部Ｓ２毎に各別に行われる。
【０１１６】
また、腰部要素Ｓ４の重心Ｇ４の位置ベクトルＵ(Ｇ＿腰部/BC)は、あらかじめ記憶保持された腰部座標系Ｃ＿腰部（Ｃ４）での重心Ｇ＿腰部の位置ベクトルＵ(Ｇ＿腰部/Ｃ＿腰部)から、次式（４ｇ）により求められる。
【０１１７】
Ｕ(Ｇ＿腰部/BC)＝Ｒ(Ｃ＿腰部→BC)×Ｕ(Ｇ＿腰部/Ｃ＿腰部) …（４ｇ）
ここで、Ｒ(Ｃ＿腰部→BC)は、腰部座標系Ｃ＿腰部から身体座標系ＢＣへの変換テンソルである。本実施形態では、Ｃ＿腰部は身体座標系ＢＣに等しいので、Ｒ(Ｃ＿腰部→BC)は３次の単位行列で表される。従って、Ｕ(Ｇ＿腰部/Ｃ＿腰部)がそのままＵ(Ｇ＿腰部/BC)として得られる。
【０１１８】
さらに、腹部要素Ｓ５、胸部要素Ｓ６のそれぞれの重心Ｇ５，Ｇ６の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルＵ(Ｇ＿腹部/BC)，Ｕ(Ｇ＿胸部/BC)は、変換テンソル作成手段５１で求めた変換テンソルＲ(Ｃ＿腹部→BC)，Ｒ(Ｃ＿胸部→BC)と、あらかじめ記憶保持された腹部座標系Ｃ＿腹部（Ｃ５）での腹部要素Ｓ５の重心の位置ベクトルＵ(Ｇ＿腹部/Ｃ＿腹部)、及び胸部座標系Ｃ＿胸部（Ｃ６）での胸部要素Ｓ６の重心の位置ベクトルＵ(Ｇ＿胸部/Ｃ＿胸部)とを用いてそれぞれ次式（４ｈ），（４ｉ）により求められる。
【０１１９】
Ｕ(Ｇ＿腹部/BC)＝Ｕ(JU1/BC)＋Ｒ(Ｃ＿腹部→BC)・Ｕ(Ｇ＿腹部/Ｃ＿腹部)
……（４ｈ）
Ｕ(Ｇ＿胸部/BC)＝Ｕ(JU2/BC)＋Ｒ(Ｃ＿胸部→BC)・Ｕ(Ｇ＿胸部/Ｃ＿胸部)
……（４ｉ）
なお、Ｕ(JU1/BC)、Ｕ(JU2/BC)は、前記式（４ｅ），（４ｆ）により求められたものである。
【０１２０】
以上説明した演算処理が３次元関節・要素重心位置算出手段５３の演算処理である。以上のように３次元関節・要素重心位置算出手段５３で算出される各関節要素と各剛体要素の重心との位置ベクトルは、それぞれに対応する人Ａの実際の部位の、身体座標系ＢＣで見た位置ベクトルとしての意味を持つ。
【０１２１】
人側関節モーメント推定手段４１は、上記した変換テンソル作成手段５１、２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２、および３次元関節・要素重心位置算出手段５３の演算処理と並行して、身体座標系加速度・角速度算出手段５４および身体座標系傾斜角算出手段５５の演算処理を実行する。
【０１２２】
身体座標系加速度・角速度算出手段５４の演算処理では、加速度センサ２３の検出出力から把握される３軸方向の加速度（並進加速度）とジャイロセンサ２４の検出出力から把握される３軸廻りの角速度とから次のように身体座標系ＢＣの原点の加速度ベクトルの身体座標系ＢＣでの値（座標成分値）が求められる。まず、各センサ２３，２４がそれぞれ検出する加速度、角速度はそれらのセンサ２３，２４に対して固定された３軸の座標系（以下、センサ座標系ＳＣ又はＣ＿センサという）であらわされるベクトル量であるので、それを身体座標系ＢＣでの値に変換する。その変換は、人Ａの腰部に対する加速度センサ２３およびジャイロセンサ（角速度センサ）２４の相対的な取り付け位置関係（Ｃ４（＝ＢＣ）に対するＣ＿センサの相対的姿勢関係）に応じてあらかじめ設定された変換テンソルをセンサ座標系ＳＣでそれぞれ検出された加速度ベクトル、角速度ベクトルに乗算することで行われる。すなわち、センサ座標系ＳＣでの加速度ベクトルの検出値をACC(センサ/ＳＣ)、それを身体座標系ＢＣに変換した加速度ベクトルをACC(センサ/ＢＣ)、センサ座標系ＳＣでの角速度ベクトルの検出値をω(センサ/ＳＣ)、それを身体座標系ＢＣに変換した角速度ベクトルをω(センサ/ＢＣ)とおくと、加速度ベクトルACC(センサ/ＢＣ)、角速度ベクトルω(センサ/ＢＣ)は、それぞれ次式（５ａ），（５ｂ）により求められる。ここで、ACC(センサ/BC)、ω(センサ/BC)は、より詳しくは、それぞれ加速度センサ２３、ジャイロセンサ２４の箇所の加速度ベクトル、角速度ベクトルである。なお、この例では加速度センサ２３、ジャイロセンサ２４の箇所はほぼ同一箇所とし、センサ座標系ＳＣは両センサ２３，２４について同じ座標系としている。
【０１２３】
ACC(センサ/BC)＝Ｒ(SC→BC)・ACC(センサ/SC) ……（５ａ）
ω(センサ/BC)＝Ｒ(SC→BC)・ω(センサ/SC) ……（５ｂ）
ここで、変換テンソルＲ(SC→BC)はセンサ座標系ＳＣと身体座標系ＢＣとの相対的な姿勢関係（詳しくは、センサ座標系ＳＣの各軸の身体座標系ＢＣの各軸に対する傾き角）から決定され、補助装具１の人Ａへの装着時等にあらかじめ演算処理装置１８のメモリに記憶保持されている。補足すると、加速度センサ２３やジャイロセンサ２４を人Ａの腰部以外の部位（人剛体リンクモデルＳ１のいずれかの剛体要素に対応する剛体相当部）に装着してもよい。この場合には、加速度ベクトルACC(センサ/BC)および角速度ベクトルω(センサ/BC)は、センサ座標系ＳＣでの検出値を加速度センサ２３やジャイロセンサ２４を装着した剛体要素の要素座標系での値に変換した後、さらに変換テンソルによって身体座標系ＢＣでの値に変換すればよい。この場合の変換テンソルは、加速度センサ２３やジャイロセンサ２４を装着した剛体要素と腰部要素Ｓ４との間にある関節要素の変位量（回転角）を基に決定される。
【０１２４】
身体座標系加速度・角速度算出手段５５の演算処理では、上記の如く加速度ベクトルACC(センサ/BC)および角速度ベクトルω(センサ/BC)を求めた後、次式（５ｃ）によって、身体座標系ＢＣの原点の加速度ベクトルACC(BCO/BC)を求める。「ＢＣＯ」は身体座標系ＢＣの原点を表す符号である。
【０１２５】
【数１】


【０１２６】
この式（５ｃ）中の、Ｕ(センサ/ＢＣ)は、身体座標系ＢＣでの加速度センサ２３およびジャイロセンサ２４の位置ベクトルであり、Ｕ(センサ/ＢＣ)ｘ、Ｕ(センサ/BC)ｙ、Ｕ(センサ/BC)ｚはそれぞれ、前述した本明細書でのベクトルの座標成分値の表記手法の定義にしたがって、Ｕ(センサ/ＢＣ)の身体座標系ＢＣでの各座標成分値である。Ｕ(センサ/ＢＣ)は、補助装具１の人Ａへの装着時に実測されて演算処理装置２５のメモリに記憶保持されている。また、ω(センサ/ＢＣ)ｘ、ω(センサ/BC)ｙ、ω(センサ/BC)ｚはそれぞれ先に求めた角速度ベクトルω(センサ/ＢＣ)の各座標成分値である。また、ω(センサ/BC)’は、ω(センサ/BC)の１階微分値を示しており、その値は、演算処理装置２３の演算処理周期毎に前記式（５ｂ）により求めるω(センサ/BC)の時系列データから算出される。
【０１２７】
また、腰部要素Ｓ４内のどの部分でも角速度は同一であり、腰部要素Ｓ４に固定されている身体座標系ＢＣの原点ＢＣＯの角速度ω(BCO/BC)は、ω(センサ/BC)に等しい。従って、ω(BCO/BC)＝ω(センサ/BC)である。
【０１２８】
上記式（５ｃ）で求められるACC(BCO/BC)は、加速度センサ２３を身体座標系ＢＣの原点に設置し、且つ、加速度センサ２３の軸の向きを身体座標系ＢＣと一致させた場合の該加速度センサ２３の出力値（加速度検出値）と等しくなるベクトルである。
【０１２９】
なお、加速度センサ２３は重力に伴う加速度も検出するので、上記のように求められた加速度ベクトルACC(BCO/BC)には、重力による慣性加速度成分（重力加速度成分）が含まれる。また、本実施系形態では、腰部要素Ｓ４の角速度を考慮して身体座標系ＢＣの原点ＢＣＯの加速度ベクトルACC(BCO/BC)を求めるようにしたが、腰部要素Ｓ４の角速度やその変化率は比較的小さいので、前記式（５ａ）で求めたACC(センサ/BC)をそのまま身体座標系ＢＣの原点ＢＣＯの加速度ベクトルACC(BCO/BC)としてもよい。
【０１３０】
また、前記身体座標系傾斜角算出手段５５の演算処理では、加速度センサ２３およびジャイロセンサ２４の検出出力から所謂カルマンフィルタによって鉛直方向（重力方向）に対する腰部要素Ｓ４の傾斜角（身体座標系ＢＣのＺ軸の傾斜角）が算出される。この算出手法は公知であるのでここでの説明は省略する。なお、ここで算出される傾斜角は、前後方向の水平軸と左右方向の水平軸との２軸廻りの傾斜角である。
【０１３１】
次に、人側関節モーメント推定手段４１は、全体重心位置算出手段５６の演算処理を実行する。この全体重心位置算出手段５６の演算処理では、前記３次元関節・要素重心位置算出手段５３によって求められた各剛体要素の重心位置（身体座標系ＢＣでの位置ベクトル）と、あらかじめ前述したように設定された各剛体要素の重量とから、次式（６）によって、人剛体リンクモデルＳ１の全体重心（人Ａの全体重心。以下、Ｇ＿全体と表記することがある）の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/BC)が求められる。
【０１３２】
Ｕ(Ｇ＿全体/BC)＝{Ｕ(Ｇ＿胸部/BC)×ｍ＿胸部＋Ｕ(Ｇ＿腹部/BC)×ｍ＿腹部
＋Ｕ(Ｇ＿腰部/BC)×ｍ＿腰部＋Ｕ(Ｇ＿右大腿部/BC)×ｍ＿右大腿部
＋Ｕ(Ｇ＿左大腿部/BC)×ｍ＿左大腿部＋Ｕ(Ｇ＿右下腿部/BC)×ｍ＿右下腿部
＋Ｕ(Ｇ＿左下腿部/BC)×ｍ＿左下腿部＋Ｕ(Ｇ＿右足平部/BC)×ｍ＿右足平部
＋Ｕ(Ｇ＿左足平部/BC)×ｍ＿左足平部}／全体重量 ……（６）
なお、ｍ＿胸部など、「ｍ＿○○」は○○の名称に対応する人剛体リンクモデルＳ１の剛体要素の重量であり、これらの重量には補助装具１の重量は含まれない。この式（６）の如く、全体重心の位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/BC)は、人剛体リンクモデルＳ１の各剛体要素の重心の身体座標系ＢＣでの位置ベクトルとその剛体要素の重量との積の総和を、人Ａの全体重量（詳しくは人Ａから補助装具１を取り外した状態での人Ａの全体重量で、これは人剛体リンクモデルＳ１の全ての剛体要素の重量の総和に等しい）で除算することで求められる。
【０１３３】
次に、人側関節モーメント推定手段４１は、前記床反力作用点推定手段５７および床反力推定手段５８の算出処理を実行する。
【０１３４】
床反力作用点推定手段５７の演算処理では、まず、前記身体座標系傾斜角算出手段５５で算出された腰部要素Ｓ４の鉛直方向に対する傾斜角を基に、身体座標系ＢＣから絶対座標系ＩＣへの変換テンソルＲ(BC→IC)が作成される。ここで、絶対座標系ＩＣは、鉛直方向をＺ軸とする直交座標系で、人Ａの前記基準姿勢状態において身体座標系ＢＣと各座標軸の向きが同一となる座標系である。なお、絶対座標系ＩＣから身体座標系ＢＣへの変換テンソルＲ(IC→BC)は変換テンソルＲ(BC→IC)の転置Ｒ(BC→IC)Tである。また、腰部要素Ｓ４の鉛直方向に対する傾斜角がほぼ一定となるような脚体の運動を行うような場合には、上記変換テンソルＲ(BC→IC)は、ほぼ一定となるので、それをあらかじめ演算処理装置２５のメモリに記憶保持しておくようにしてもよい。
【０１３５】
次いで、上記変換テンソルＲ(BC→IC)を用いて、前記全体重心位置算出手段５６で先に求めた全体重心Ｇ＿全体の位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/BC)と、３次元関節・要素重心位置算出手段５３で先に求めた各脚体部Ｓ２の足首関節Ｊ３およびＭＰ関節Ｊ４のそれぞれの位置ベクトルＵ(Ｊ＿足首/BC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/BC)とにそれぞれ上記変換テンソルＲ(BC→IC)を乗算することにより、全体重心Ｇ＿全体、各足首関節Ｊ３およびＭＰ関節Ｊ４の絶対座標系ＩＣで見た位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/IC)，Ｕ(Ｊ＿足首/IC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/IC)が算出される。なお、これらの位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/IC)，Ｕ(Ｊ＿足首/IC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/IC)は、身体座標系ＢＣと同じ原点を有する絶対座標系ＩＣでの位置ベクトルである。また、このとき、接地センサ３４，３５の検出出力により接地無しと判断される脚体に関しては、位置ベクトルＵ(Ｊ＿足首/IC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/IC)を算出する必要はない。
【０１３６】
次いで、接地センサ３４，３５の検出出力により接地有りと判断される各脚体毎に、位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/IC)，Ｕ(Ｊ＿足首/IC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/IC)のＸ軸方向成分Ｕ(Ｇ＿全体/IC)ｘ，Ｕ(Ｊ＿足首/IC)ｘ，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/IC)ｘの大小関係に応じて、換言すれば、全体重心Ｇ＿全体、足首関節Ｊ３およびＭＰ関節Ｊ４の前後方向での相対的な水平位置関係に応じて、床反力作用点の位置ベクトル（絶対座標系ＩＣでの位置ベクトル）Ｕ(COP/IC)のＸ軸成分およびＹ軸成分が決定される。この決定手法を図１０（ａ）〜（ｃ）および図１１を参照してさらに詳説する。なお、以下の説明では、左側脚体が着地しているとする。図１０（ａ）〜（ｃ）は矢状面（絶対座標系ＩＣのＸＺ平面）で見た人Ａの左脚体が接地している状態（これらの図では単脚支持状態）を例示しており、図１１は図１０（ｂ）の状態での接地側の足平部を平面視で見た図を示している。なお、図１０及び図１１では人Ａは人剛体リンクモデルＳ１で模式化して示している。
【０１３７】
図１０（ａ）に示すように、全体重心Ｇ＿全体が接地している左脚体のＭＰ関節よりも前方に存在する場合、すなわち、Ｕ(Ｇ＿全体/IC)ｘ＞Ｕ(Ｊ＿左ＭＰ/IC)ｘである場合には、該左脚体の足平部Ｓ９は、主にそのつま先側部分で踏ん張って接地している。この場合には、床反力作用点COPは、その足平部のＭＰ関節Ｊ４のほぼ直下の位置に存在する。そこで、この場合には、床反力作用点COPの位置ベクトルＵ(左COP/IC)のＸ，Ｙ軸成分はそれぞれＭＰ関節Ｊ４の位置ベクトルＵ(Ｊ＿左ＭＰ/IC)のＸ，Ｙ軸成分に等しいとする。すなわち、Ｕ(左COP/IC)ｘ＝Ｕ(Ｊ＿左ＭＰ/IC)ｘ、Ｕ(左COP/IC)ｙ＝Ｕ(Ｊ＿左ＭＰ/IC)ｙとする。
【０１３８】
また、図１０（ｃ）に示す如く、全体重心Ｇ＿全体が接地している左脚体の足首関節Ｊ３よりも後方に存在する場合、すなわち、Ｕ(Ｇ＿全体/IC)ｘ＜Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｘである場合には、該左脚体の足平部Ｓ９は、主にその踵側部分で踏ん張って接地している。この場合には、床反力作用点COPは、その左脚体の足首関節Ｊ３のほぼ直下の位置に存在する。そこで、この場合には、床反力作用点COPの位置ベクトルＵ(左COP/IC)のＸ，Ｙ軸成分はそれぞれ足首関節Ｊ３の位置ベクトルＵ(Ｊ＿左足首/IC)のＸ，Ｙ軸成分に等しいとする。すなわち、Ｕ(左COP/IC)ｘ＝Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｘ、Ｕ(左COP/IC)ｙ＝Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｙとする。
【０１３９】
また、図１２（ｂ）に示すように、全体重心Ｇ＿全体が前後方向で左脚体の足首関節Ｊ３とＭＰ関節Ｊ４との間に存在する場合、すなわち、Ｕ(Ｊ＿左ＭＰ/IC)ｘ≦Ｕ(Ｇ＿全体/IC)ｘ≦Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｘである場合には、床反力作用点COPは、図示の矢状面上では、全体重心Ｇ＿全体のほぼ真下に存在する。そこで、この場合には、床反力作用点COPの位置ベクトルＵ(左COP/IC)のＸ軸成分は、全体重心Ｇ＿全体のＸ軸成分に等しいとする。すなわち、Ｕ(左右COP/IC)ｘ＝Ｕ(Ｇ＿全体/IC)ｘとする。そして、床反力作用点COPの位置は、概ね、足首関節Ｊ３の中心点とＭＰ関節Ｊ４の中心点とを結ぶ線分を床面に投影した線分上に存在すると考えられる。そこで、床反力作用点COPの位置ベクトルＵ(右COP/IC)のＹ軸成分は、図１１に示す如く、左脚体に関する足首関節Ｊ３の中心点とＭＰ関節Ｊ４の中心点とを結ぶ線分上で、全体重心Ｇ＿全体とＸ軸成分（絶対座標系ＩＣでのＸ軸成分）の値が同じになるような点ＰのＹ軸成分と等しいとする。このような位置ベクトルＵ(左COP/IC)のＹ軸成分の値は、次式（７）に比例関係式に基づいて求められる。
【０１４０】
Ｕ(左COP/IC)ｘ−Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｘ
：Ｕ(Ｊ＿左ＭＰ/IC)ｘ−Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｘ
＝Ｕ(左COP/IC)ｙ−Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｙ
：Ｕ(Ｊ＿左ＭＰ/IC)ｙ−Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｙ ……（７）
また、床反力作用点の位置ベクトルＵ(左COP/IC)のＺ軸成分は、左側脚体の足首関節Ｊ３からあらかじめ定めた所定値Ｈ０（＞０）だけ鉛直方向下方に離れた点のＺ軸成分に等しいとする。すなわち、Ｕ(左COP/IC)ｚ＝Ｕ(Ｊ＿左足首/IC)ｚ−Ｈ０とする。ここで、所定値Ｈ０は、人Ａに装備した補助装備１の足平装着部３の足平基体１３の底面のほぼ全体を水平な床面上に接触させた状態における床面から足首関節Ｊ３の中心までの鉛直方向距離であり、あらかじめ実測されて演算処理装置２５のメモリに記憶保持されている。所定値Ｈ０は左右の各脚体毎に各別に実測してもよいが、いずれかの一方の脚体について実測した値を左右の両脚体で共通に使用してもよい。
【０１４１】
本実施形態では、以上の如く、左脚体が接地している場合に該左脚体に作用する床反力の作用点である床反力作用点の位置ベクトルＵ(左COP/IC)が求められる。右脚体が接地している場合についても同様である。この場合、両脚接地状態では、各脚体のそれぞれについて上記の如く床反力作用点の位置ベクトルが求められる。
【０１４２】
なお、本実施形態では、床反力作用点の位置ベクトルＵ(COP/IC)のＺ軸成分を求めるために用いる前記所定値Ｈ０を一定値としたが、接地センサ３４，３５により、足平部Ｓ９のつま先側のみが接地していること、すなわち、接地センサ３５のみが接地有りを示すＯＮ信号を出力している場合には、上記所定値Ｈ０の代わりに、その接地している脚体について、足首関節Ｊ３およびＭＰ関節Ｊ４のそれぞれの位置ベクトルＵ(Ｊ＿足首/IC)，Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/IC)のＺ軸成分の差（Ｕ(Ｊ＿足首/IC)ｚ−Ｕ(Ｊ＿ＭＰ/IC)ｚ）、すなわち、足首関節Ｊ３とＭＰ関節Ｊ４との鉛直方向距離を使用するようにしてもよい。このようにすると、Ｕ(COP/IC)の精度を高めることができる。
【０１４３】
床反力作用点推定手段５７の演算処理では、最後に、上記の如く接地している各脚体について求めた床反力作用点の位置ベクトルＵ(COP/IC)に、先に求めた変換テンソルＲ(BC→IC)の転置である逆変換テンソルＲ(IC→BC)を乗算することにより、床反力作用点の位置ベクトルの身体座標系ＢＣでの値Ｕ(COP/BC)が求められる。
【０１４４】
次に、床反力推定手段５８の演算処理を説明する。まず、この演算処理の原理を図１２および図１３を参照して説明する。図１２および図１３は、それぞれ単脚支持状態、両脚支持状態の人Ａの下半身を人剛体リンクモデルＳ１で模式化して示している。なお、図１２および図１３の人剛体リンクモデルＳ１では、図示の便宜上、各剛体要素を大きさ（幅）をもった要素として表現している。また、この床反力推定手段５８の説明では、床反力、角運動量、位置ベクトルなどのベクトル量は、特にことわらない限り、身体座標系ＢＣで表現されるものとし、単にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸というときは、それらの座標軸は身体座標系ＢＣの座標軸を意味するものとする。従って、ベクトル量を表記するとき、しばしば座標系の名称を省略する。例えば、人Ａの右脚体に作用する床反力を身体座標系ＢＣで表現したものをＦｒｆ(右脚体/BC)と表記する代わりに、Ｆｒｆ(右脚体)と略記し、そのＸ軸成分をＦｒｆ(右脚体)xと略記する。
【０１４５】
人Ａの運動時には、一般に、該人Ａの全体の角運動量が時間的に変化し、この角運動量の時間的変化率（時間微分値）である全角運動量変化率は、床反力以外の外力（重力を除く）が人Ａに作用していない場合、人Ａに作用する全ての床反力（ベクトル）の総和である全床反力（ベクトル）が人Ａの全体重心Ｇ＿全体の廻りに発生するモーメント（あるいは各脚体に作用する床反力がそれぞれＧ＿全体の廻りに発生するモーメントの総和）に等しい。なお、人Ａの単脚支持状態では、接地していない脚体に作用する床反力は０であるから、接地している一つの脚体に作用する床反力が全床反力であり、人Ａの両脚支持状態では、接地している左右の両脚体にそれぞれ作用する床反力の総和（ベクトル和）が全床反力である。補足すると、接地している脚体に作用する実際の床反力は、該脚体の接地面に分布するものとなるが、本明細書では該脚体の床反力作用点COPに床反力が集中している（接地面に分布する床反力の重心が床反力作用点COPに在る）とみなす。
【０１４６】
また、一般に、ある並進力が、任意の点PP廻りに発生するモーメントの、任意の一つの軸XX廻りの成分の大きさは、軸XXに垂直な面SS上で見た、該並進力の作用線（該並進力の作用点を通って該並進力と同じ方向の直線）と点PPとの距離であるモーメントアーム長を、該並進力の面SS上での成分（該並進力の軸XXに垂直な成分）の大きさに乗算したものに等しい。
【０１４７】
従って、人Ａの全角運動量変化率の、ある所定軸廻りの成分の大きさは、人Ａに作用する全床反力の、該所定軸に垂直な面上での成分ベクトル（２次元ベクトル）の大きさ（絶対値）に、ある長さのモーメントアーム長を乗算したものに一致する。また、該全床反力の、所定軸に垂直な面上での成分がＧ＿全体の廻りに発生するモーメントの向きは、全角運動量変化率の所定軸廻りの成分の向きに一致する。
【０１４８】
このようなことを考慮し、本実施形態では、接地している各脚体２に作用する床反力の所定軸に垂直な面での成分ベクトルの向きを、上記モーメントアーム長と全角運動量変化率の所定軸廻りの成分（特にその向き）とを用いて規制することとした。
【０１４９】
具体的には、人Ａの全角運動量変化率のＹ軸（人Ａの左右方向の軸）廻りの成分に着目し、図１２に示す人Ａの単脚支持状態では、足平装着部３を介して接地している脚体（図示の例では右脚体）に作用している床反力Ｆｒｆ(右脚体）（＝全床反力）のＹ軸に垂直な面（ＸＺ平面）上での成分ベクトルＦｒｆ(右脚体)x,ｚの向きを、その作用線Ｋ（図示の例では接地している右脚体の床反力作用点COPを通る直線Ｋ（右））がＧ＿全体を中心とするある半径ｒ（＝モーメントアーム長）の円Cｉに接し、且つ、その作用線の向きのＦｒｆ(右脚体)x,zによってＧ＿全体の廻りに発生するモーメントの向きが全角運動量変化率Ｌ'（Ｌ'は全角運動量Ｌの１階微分値を意味する）のＹ軸廻り成分Ｌ'yの向きと同じになるような向きに規制する。このことは、左脚体のみが足平装着部３を介して接地している単脚支持状態でも同様である。
【０１５０】
補足すると、単脚支持状態では、接地している脚体に作用する床反力は、全床反力に等しいので、上記のように接地している脚体に作用する床反力のＸＺ平面上での成分ベクトルの向きを規制したとき、全床反力のＸＺ平面上での成分ベクトルがＧ＿全体の廻りに発生するモーメントの向きも、全角運動量変化率のＹ軸廻り成分Ｌ'yの向きと同じになる。そして、この場合は、接地している脚体に作用している床反力のＹ軸に垂直な面上での成分ベクトルＦｒｆ(脚体)x,ｚの大きさ（絶対値）に、上記円Ｃiの半径であるモーメントアーム長ｒを乗算したものが全角運動量変化率のＹ軸廻り成分Ｌ'yの大きさ（絶対値）に一致する。
【０１５１】
また、図１３に示す人Ａの両脚支持状態では、右脚体に作用している床反力Ｆｒｆ(右脚体)のＹ軸に垂直な面（ＸＺ平面）上での成分ベクトルＦｒｆ(右脚体)x,z、の方向を、その作用線Ｋ(右)がＧ＿全体を中心とするある半径ｒ（＝モーメントアーム長）の円Cｉに接し、且つ、その作用線Ｋ(右)の向きのＦｒｆ(右脚体)x,zによってＧ＿全体の廻りに発生するモーメントの向きが全角運動量変化率Ｌ'のＹ軸廻り成分Ｌ'yの向きと同じになるような向きに規制する。同様に、左脚体に作用している床反力Ｆｒｆ(左脚体)のＹ軸に垂直な面（ＸＺ平面）上での成分ベクトルＦｒｆ(左脚体)x,z、の向きを、その作用線Ｋ(左)が上記半径ｒの円Cｉに接し、且つ、その作用線Ｋ(左)の向きのＦｒｆ(左脚体)x,zによってＧ＿全体の廻りに発生するモーメントの向きが全角運動量変化率Ｌ'のＹ軸廻り成分Ｌ'yの向きと同じになるような向きに規制する。
【０１５２】
補足すると、両脚支持状態では、上記のように左右の各脚体に作用する床反力のＸＺ平面上での成分ベクトルの向きを規制したとき、それらの成分ベクトルの総和（全床反力のＸＺ平面上での成分ベクトル）がＧ＿全体の廻りに発生するモーメントの向きも、全角運動量変化率のＹ軸廻り成分Ｌ'yの向きと同じになる。但し、この場合は、右脚体に作用している床反力Ｆｒｆ(右脚体)のＸＺ平面上での成分ベクトルＦｒｆ(右脚体)x,zの大きさ（絶対値）と、左脚体に作用している床反力Ｆｒｆ(左脚体)のＸＺ平面上での成分Ｆｒｆ(左脚体)x,zの大きさ（絶対値）とにそれぞれ、上記円Ｃiの半径であるモーメントアーム長ｒを乗算したものの総和は、一般には、全角運動量変化率Ｌ'のＹ軸廻り成分Ｌ'yの大きさに一致しない。
【０１５３】
以上説明したことを考慮し、本実施形態における床反力推定手段５８の演算処理では、以下に説明するように、全角運動量変化率Ｌ'のＹ軸廻り成分Ｌ'yと、全床反力（以下、これをＦｒｆ(全体)と称する）のＹ軸に垂直な面上での成分ベクトル（身体座標系ＢＣの矢状面としてのＸＺ平面上での成分）とからモーメントアーム長ｒを求める。そして、このモーメントアーム長ｒを用いて、接地している各脚体に作用する床反力（詳しくは該床反力のＸＺ平面上での成分ベクトル）の向きを決定する。このように床反力の向きを決定すれば、該床反力の各座標成分値の比率が定まるので、それと、全床反力とから該床反力の各座標成分値を求めることができる。なお、床反力のＹ軸成分は、人側関節モーメント推定手段４１が最終的に求める関節モーメント（脚平面ＰＬに垂直な軸廻りの関節モーメント）にはさほど影響を及ぼさないことから、本実施形態では、床反力のＹ軸成分は無視する（Ｙ軸成分を０とする）。
【０１５４】
以下に床反力推定手段５８の演算処理を図１４などを参照しつつ具体的に説明する。図１４は、床反力推定手段５８の演算処理機能を示すブロック図である。
【０１５５】
図１４に示すように、床反力推定手段５８は、全角運動量変化率算出手段５８ａ、全床反力算出手段５８ｂ、モーメントアーム長算出手段５８ｃ、床反力方向決定手段５８ｄおよび床反力成分算出手段５８ｅを備えている。全角運動量変化率算出手段５８ａには、前記身体座標系加速度・角速度算出手段５４で求められた身体座標系ＢＣの原点ＢＣＯの角速度ω(BCO/BC)と、前記３次元関節・要素重心位置算出手段５３で求められた各関節要素の位置ベクトルおよび各剛体要素の重心の位置ベクトルと、前記全体重心位置算出手段５６で求められたＧ＿全体の位置ベクトルとが入力される。
【０１５６】
そして、全角運動量変化率算出手段５８ａは、これらの入力値を使用して、次式（８ａ）の演算により、全角運動量変化率Ｌ’のＹ軸廻り成分Ｌ'yを求める。
【０１５７】
Ｌ'y＝Σ（Ｉ＿n×θ''(n)y）
＋Σ（ｍ＿n×ΔＵ(Ｇ＿ｎ)
×ΔACC(Ｇ＿ｎ))y
……（８ａ）
但し、ΔＵ(Ｇ＿ｎ)≡Ｕ(Ｇ＿ｎ)−Ｕ(Ｇ＿全体)
ΔACC(Ｇ＿ｎ)≡ACC(Ｇ＿ｎ)−ACC(Ｇ＿全体)
＝Ｕ(Ｇ＿ｎ)''−Ｕ(Ｇ＿全体)''
この式（８ａ）において、「ｎ」は各剛体要素に任意に割り当てた番数を意味し、Ｉ＿ｎは番数ｎの剛体要素の慣性モーメント、θ''(n)は、番数ｎの剛体要素のその重心廻りの角加速度である。従って、式（８ａ）の第１項のΣの演算は、各剛体要素の慣性モーメントＩ＿ｎと角加速度θ''(n)のＹ軸成分との積（これは各剛体要素がその回転運動によって発生するモーメントのＹ軸成分である）を、全ての剛体要素について加算する演算である。また、ｍ＿ｎは番数ｎの剛体要素の重量、Ｕ(Ｇ＿ｎ)は、番数ｎの剛体要素の重心の身体座標系ＢＣでの位置ベクトル、ACC(Ｇ＿n)は、番数ｎの剛体要素の重心の加速度、ΔＵ(Ｇ＿ｎ)は、番数ｎの剛体要素の重心の、Ｇ＿全体に対する位置ベクトル、ΔACC(Ｇ＿n)は、番数ｎの剛体要素の重心の、Ｇ＿全体に対する相対加速度である。従って、式（８ａ）の第２項のΣの演算は、各剛体要素の重心のＧ＿全体に対する位置ベクトルΔＵ(Ｇ＿ｎ)と、該剛体要素の重心の全体重心Ｇ＿全体に対する相対加速度ΔACC(Ｇ＿n)とのベクトル積に該剛体要素の重量を乗算したもの（これは各剛体要素がその重心の並進加速度運動によってＧ＿全体廻りに発生するモーメントである）のＹ軸成分を、全ての剛体要素について加算する演算である。補足すると、番数ｎの剛体要素の重心を通ってΔACC(Ｇ＿n)と同方向の直線とＧ＿全体とのＸＺ平面上での距離をｒ(Ｇ＿n)、番数ｎの剛体要素の重心の並進運動をＧ＿全体の廻りの回転運動とみなしたときの該剛体要素の重心のＹ軸廻りの角加速度をθ(Ｇ＿n)とおいたとき、ΔＵ(Ｇ＿ｎ)とΔACC(Ｇ＿n)とのベクトル積のＹ軸成分（＝（ΔＵ(Ｇ＿ｎ)×ΔACC(Ｇ＿ｎ))y）は、ｒ(Ｇ＿n)２×θ(Ｇ＿n)に等しい。
【０１５８】
この場合、式（８ａ）の第１項のΣの演算で必要なＩ＿nは、あらかじめ演算処理装置２５の図示しないメモリに記憶保持されている。また、θ''(n)yは、次のように求められる。すなわち、前記３次元関節・要素重心位置算出手段５３で求めた脚体部Ｓ２の各関節要素の位置ベクトル（Ｕ(Ｊ＿左股/BC)等）から、ＸＺ平面（身体座標系ＢＣの矢状面）上での各剛体要素の傾斜角度が逐次求められ、さらにその傾斜角度の２階微分値に、前記身体座標系加速度・角速度算出手段５４で求めた身体座標系ＢＣの原点ＢＣＯの角速度ω(BCO/BC)のＹ軸成分の１階微分値を加算することで、該剛体要素の角加速度のＹ軸成分θ''(n)yが求められる。
【０１５９】
また、式（８ａ）の第２項のΣの演算で必要なΔＵ(Ｇ＿ｎ)は、前記３次元関節・要素重心位置算出手段５３で求めた各剛体要素の重心の位置ベクトル（Ｕ(Ｇ＿大腿部/BC)等）と、前記全体重心位置算出手段５６で求めたＧ＿全体の位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/BC)とから、式（８ａ）の但し書きの定義に従って求められる。さらに、ΔACC(Ｇ＿n)は、３次元関節・要素重心位置算出手段５３で求めた各剛体要素の重心の位置ベクトルの２階微分値Ｕ(Ｇ＿ｎ)''と、全体重心位置算出手段５６で求めたＧ＿全体の位置ベクトルの２階微分値Ｕ(Ｇ＿全体)''とから、式（８ａ）の但し書きの定義に従って求められる。
【０１６０】
前記全床反力算出手段５８ｂには、前記身体座標系加速度・角速度算出手段５４で求められた身体座標系ＢＣの原点ＢＣＯの加速度ACC(BCO/BC)と、前記全体重心位置算出手段５６で求められたＧ＿全体の位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/BC)とが入力される。
【０１６１】
そして、全床反力算出手段５８ｂは、これらの入力値から、次式（８ｂ）の演算により、全床反力Ｆｒｆ(全体）のＸＺ平面上での成分ベクトルＦｒｆ(全体)x,z（Ｆｒｆ(全体）のＸ軸成分およびＺ軸成分からなる２次元ベクトル）を求める。
【０１６２】
Ｆｒｆ(全体)x,z＝全体重量×(ACC(BCO/BC)＋Ｕ(Ｇ＿全体/BC)'')x,z
……（８ｂ）
すなわち、全床反力のＹ軸に垂直な成分ベクトルＦｒｆ(全体)x,zは、身体座標系ＢＣの原点ＢＣＯの加速度ACC(BCO/BC)と、Ｇ＿全体の位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/BC)の２階微分値Ｕ(Ｇ＿全体/BC)''とを加算してなるベクトル（これはＧ＿全体の加速度を意味する）のＸＺ平面上での成分に、人Ａの全体重量を乗算することで求められる。
【０１６３】
次に、上記の如く求められた全角運動量変化率Ｌ'のＹ軸廻り成分Ｌ'yと、全床反力のＸＺ平面（矢状面）上での成分ベクトルＦｒｆ(全体)x,zとは、前記モーメントアーム長算出手段５８ｃに入力され、ここで、それらの入力値からモーメントアーム長が求められる。この場合、前記した如く、Ｌ'yの大きさは、全床反力のＸＺ平面上での成分ベクトルＦｒｆ(全体)x,zの大きさにモーメントアーム長を乗算したものに一致する。そこで、モーメントアーム長算出手段５８ｃは、次式（８ｃ）によりモーメントアーム長ｒを求める。
【０１６４】
ｒ＝Ｌ'y／｜Ｆｒｆ(全体)x,z｜ ……（８ｃ）
なお、本実施形態では、上記式（８ｃ）により求められるモーメントアーム長ｒは、全角運動量変化率のＹ軸廻り成分Ｌ'yの向き（符号）に応じて正負の値を採る。この場合、本実施形態では、Ｌ'yが前記図１２および図１３に示す矢印の向きであるとき、Ｌ'yの値が正の値であるとした。従って、モーメントアーム長ｒが正の値であるか負の値であるかによって、Ｆｒｆ(全体)x,zがＧ＿全体廻りに発生するモーメント（Ｙ軸廻りのモーメント）の向きが定まるようになっている。
【０１６５】
このように求められたモーメントアーム長ｒは、次に前記床反力方向決定手段５８ｄに入力される。該床反力方向決定手段５８ｄには、さらに接地センサ３４，３５の出力と、前記床反力作用点推定手段５７で推定された床反力作用点COPの位置ベクトルＵ(COP/BC)とが入力される。そして、床反力方向決定手段５８ｄは、これらの入力値を使用して、次のように接地している各脚体に作用する床反力の方向（向き）を決定する。
【０１６６】
まず、接地センサ３４，３５の検出出力を基に、人Ａの両脚支持状態であるか、単脚支持状態であるかが判断される。すなわち、一方の脚体の接地センサ３４，３５のいずれかが接地有りを示すＯＮ信号を出力し、且つ、他方の脚体の接地センサ３４，３５のいずれかが接地有りを示すＯＮ信号を出力している場合には両脚接地状態であると判断される。また、両脚体のうちの一方の脚体の接地センサ３４，３５のいずれかが接地有りを示すＯＮ信号を出力しており、且つ、他方の脚体の接地センサ３４，３５の両者が接地有りを示すＯＮ信号を出力していない場合には、単脚支持状態であると判断される。
【０１６７】
そして、両脚支持状態であるときには、図１３に示す如く、右脚体に係る床反力Ｆｒｆ（右脚体）の向き（ＸＺ平面上での向き）については、右脚体の床反力作用点COPを通って、Ｇ＿全体を中心とする半径ｒ（より正確には｜ｒ｜）の円に接する直線Ｋ（右）の身体座標系ＢＣでの傾きα(右脚体）を該右脚体の床反力Ｆｒｆ(右脚体)の向き（ＸＺ平面上での向き）を表すものとして決定する。この場合、モーメントアーム長ｒが正であるときには、直線Ｋ（右）は、半径ｒの円Ｃｉの後方側の部分に接するものとする。つまり、直線Ｋ（右）を作用線として床反力Ｆｒｆ（右脚体）のＸＺ平面上での成分ベクトルＦｒｆ(右脚体)x,zが床反力作用点ＣＯＰに作用したとき、それによって、Ｇ＿全体廻りに発生するモーメントのＹ軸廻り成分の向きが全角運動量変化率のＹ軸廻り成分Ｌ'yの向きと同じなるように円Ｃｉに接する直線Ｋ（右）の傾きα(右脚体)が決定される。左脚体についても右脚体の場合と同様に、該左脚体の床反力Ｆｒｆ(左脚体)の向き（矢状面上での向き）を表す直線Ｋ（左）の身体座標系ＢＣでの傾きα(左脚体)が決定される。なお、本実施形態では、傾きαは、左右いずれの脚体についても、直線Ｋの、Ｘ軸方向の単位変化量に対するＺ軸方向の変化量の比の値である。
【０１６８】
また、単脚支持状態であるときには、図１２に示す如く、接地している脚体（図の例では右脚体）の床反力作用点COPからＧ＿全体までのベクトル（COPに対するＧ＿全体の位置ベクトル）のＸＺ平面上での成分ベクトル（身体座標系ＢＣの矢状面で見た２次元ベクトル）をCGとおくと、このCGと、右脚体の床反力作用点COPを通って、Ｇ＿全体を中心とする半径ｒ（より正確には｜ｒ｜）の円に接する直線Ｋ（右）とのなす角度θａが、床反力Ｆｒｆ（右脚体）の向き（矢状面上での向き）を表すものとして決定される。この場合、モーメントアーム長ｒが正であるときには、直線Ｋ（右）は、半径ｒの円Ｃｉの後方側の部分に接するものとする。つまり、直線Ｋ（右）を作用線として床反力Ｆｒｆ(右脚体)のＸＺ平面上での成分ベクトルＦｒｆ(右脚体)x,zが床反力作用点COPに作用したとき、それによって、Ｇ＿全体廻りに発生するモーメントのＹ軸廻り成分の向きが全角運動量変化率のＹ軸廻り成分の向きと同じなるようにベクトルCGに対する直線Ｋ（右）のＸＺ平面上での角度θａが決定される。
【０１６９】
このような角度θａは、次式（８ｄ）により算出される。
【０１７０】
θａ＝−sin−１（ｒ／｜CG｜) ……（８ｄ）
この場合、ベクトルCGの絶対値は、前記床反力作用点推定手段５７で求められた床反力作用点COPの位置ベクトルＵ(右COP/BC）と、前記全体重心位置算出手段５６で求められたＧ＿全体の位置ベクトルＵ(Ｇ＿全体/BC)とから算出される。
【０１７１】
左脚体のみが接地する単脚支持状態においても、上記と同様に左脚体の床反力作用点COPに対するＧ＿全体の位置ベクトルのＸＺ平面上での成分ベクトルCGと、左脚体の床反力作用点COPを通って、Ｇ＿全体を中心とする半径ｒ（より正確には｜ｒ｜）の円に接する直線Ｋ（左）とのなす角度θａが床反力Ｆｒｆ(左脚体)のＸＺ平面上での成分ベクトルＦｒｆ(左脚体)x,zの向きを表すものとして決定される。
【０１７２】
以上説明した床反力方向決定手段５８ｄの処理により、接地している各脚体２に作用する床反力ＦｒｆのＸＺ平面（身体座標系ＢＣの矢状面）での成分ベクトルＦｒｆ(脚体)x,zの作用線が前記式（８ｃ）により決定したモーメントアーム長ｒを半径、Ｇ＿全体を中心とする円Ｃiに接し、且つ、その作用線の方向のＦｒｆ(脚体)x,zがＧ＿全体廻りに発生するモーメントが、角運動量変化率のＹ軸廻り成分Ｌ'yに一致するように、接地している各脚体２に作用する床反力Ｆｒｆの向き（身体座標系ＢＣの矢状面上での向き）が決定されることとなる。
【０１７３】
次に、床反力方向決定手段５８ｄにより決定された床反力の方向（両脚支持状態では傾きα、単脚支持状態では角度θａ）は、前記床反力成分算出手段５８ｅに入力される。なお、床反力成分算出手段５８ｅは、前記全床反力算出手段５８ｂで求められた全床反力のＸＺ平面上での成分Ｆｒｆ(全体)x,zも入力される。また、単脚支持状態では、床反力方向決定手段５８ｄから、その処理で求めたベクトルCGも入力される。さらに、各脚体の床反力作用点COPの位置ベクトルおよびＧ＿全体の位置ベクトルも入力される。
【０１７４】
そして、床反力成分算出手段５８ｅは、それらの入力値から、接地している各脚体に作用する床反力Ｆｒｆの、身体座標系ＢＣでの座標成分値を次のようにして求める。
【０１７５】
まず、両脚支持状態である場合について説明する。両脚支持状態での各脚体に作用する床反力（詳しくはそのＸ軸成分およびＺ軸成分）は、次式（９ａ）〜（９ｄ）の関係式に基づいて決定される。
【０１７６】
Ｆｒｆ(右脚体)x＋Ｆｒｆ(左脚体)x＝Ｆｒｆ(全体)x ……（９ａ）
Ｆｒｆ(右脚体)z＋Ｆｒｆ(左脚体)z＝Ｆｒｆ(全体)z ……（９ｂ）
Ｆｒｆ(右脚体)z＝α(右脚体)×Ｆｒｆ(右脚体)x ……（９ｃ）
Ｆｒｆ(左脚体)z＝α(左脚体)×Ｆｒｆ(左脚体)x ……（９ｄ）
式（９ａ）、（９ｂ）は、各脚体に作用する床反力の総和が全床反力に一致するということを表す式である。また、式（９ｃ）、（９ｄ）は、各脚体に作用する床反力の方向によって、その床反力の成分値の比率が定まるということを示す式である。
【０１７７】
そして、これらの式（９ａ）〜（９ｄ）から、Ｆｒｆ(右脚体)x、Ｆｒｆ(右脚体)z、Ｆｒｆ(左脚体)x、Ｆｒｆ(左脚体)zがそれぞれ次式（９ｅ）〜（９ｈ）により求められる。
【０１７８】
Ｆｒｆ(右脚体)x＝(Ｆｒｆ(全体)z
−α(左脚体)×Ｆｒｆ(全体)x）／Δα ……（９ｅ）
Ｆｒｆ(右脚体)z＝(α(右脚体)×Ｆｒｆ(全体)z
−α(右脚体)×α(左脚体)×Ｆｒｆ(全体)x）／Δα
……（９ｆ）
Ｆｒｆ(左脚体)x＝(−Ｆｒｆ(全体)z
＋α(右脚体)×Ｆｒｆ(全体)x）／Δα ……（９ｇ）
Ｆｒｆ(左脚体)z＝(−α(左脚体)×Ｆｒｆ(全体)z
＋α(右脚体)×α(左脚体)×Ｆｒｆ(全体)x）／Δα
……（９ｈ）
但し、Δα＝α(右脚体)−α(左脚体)
従って、両脚支持状態であるときには、基本的には、上記式（９ｅ）〜（９ｈ）の右辺の演算によって、各脚体に作用する床反力のＸ軸成分、Ｚ軸成分、すなわち、Ｆｒｆ(脚体)x,zを算出することができる。
【０１７９】
但し、両脚支持状態での両脚体の足平部（足平要素Ｓ４）の前後方向（Ｘ軸方向）の距離が短いときには、α(右脚体)およびα(左脚体)の値が互いに近い値となり（Δαが０に近い値となる）、前記式（９ｅ）〜（９ｈ）で求められる床反力の精度が低下する。
【０１８０】
ここで、両脚支持状態での両足平部（両足平要素Ｓ４，Ｓ４）のＸ軸方向での距離（以下、足平間前後距離という。図１３を参照）が短いときには、両脚体２，２にそれぞれ作用する床反力がほぼ等しいと考えられる。また、それらの床反力の合力がＧ＿全体廻りに発生するモーメントのＹ軸廻り成分の向きは、全角運動量変化率のＹ軸廻り成分Ｌ'yの向きに一致すべきである。そこで、本実施形態では、足平間前後距離が所定の第１閾値以下であるときには、次の式（１０）により各脚体２に作用する床反力のＸ軸成分、Ｚ軸成分を算出することとした。
【０１８１】
【数２】




【０１８２】
式（１０）の但し書き中のCavGは、左右の脚体のそれぞれの床反力作用点COPを結ぶ線分の中点Cavから、Ｇ＿全体までのベクトル（当該中点Cavに対するＧ＿全体の位置ベクトル）のＸＺ平面上での成分ベクトルである。なお、Ｃavの身体座標系ＢＣでの位置ベクトルは、左右の各床反力中心点COＰの位置ベクトルの平均値（＝（Ｕ(右COP)＋Ｕ(左COP)）／２）として算出される。また、θbは、ベクトルCavGと、ＸＺ平面上で上記中点を通って、Ｇ＿全体を中心とする半径ｒ（より正確には｜ｒ｜）の円に接する直線とのなす角度であり、前記式（８ｄ）の右辺の「CG」を「CavG」で置き換えた式によって算出される。従って、式（１０）のFrf_s(全体)x,yは、両脚体の床反力作用点COPを結ぶ線分の中点CavからＧ＿全体までのベクトルのＸＺ平面上での成分ベクトルと同じ向きを持ち、且つ、Ｆｒｆ(全体)x,zの大きさを持つベクトルを角度θｂだけ当該中点Cavの廻りにＸＺ平面（矢状面）上で回転させたベクトル（２次元ベクトル）である。このため、ＸＺ平面上において、Frf_s(全体)x,yの作用線（ＸＺ平面上で上記中点を通ってベクトルFrf_s(全体)x,yと同方向の直線）は、Ｇ＿全体を中心とする半径ｒの円Ｃｉに接する。
【０１８３】
従って、両脚支持状態で足平間前後距離が第１閾値以下であるときに前記式（１０）により求められるＦｒｆ(右脚体)x,z，Ｆｒｆ(左脚体)x,zは、互いにその大きさ及び向きが等しく、且つ、その総和の大きさが全床反力Ｆｒｆ(全体)の大きさに等しいものとなる。また、足平間前後距離が第１閾値以下のときには、各脚体の床反力作用点COPのＸＺ平面上での位置と、前記中点CavのＸＺ平面での位置とは、ほぼ等しいので、Ｆｒｆ(右脚体)x,z，Ｆｒｆ(左脚体)x,zのそれぞれの作用線（床反力中心点COPを通るＸＺ平面上での作用線）は、概ね、Ｇ＿全体を中心とする半径ｒの円Ｃｉに接するものとなる。
【０１８４】
また、足平間前後距離が上記第１閾値よりも大きい所定の第２閾値以上であるときに、前記式（９ｅ）〜（９ｈ）により各脚体に作用する床反力のＸ軸成分、Ｚ軸成分を算出することとした。さらに、足平間前後距離が第１閾値と第２閾値との間の距離であるときには、式（９ｅ）〜（９ｈ）により求められる床反力のＸ軸成分、Ｚ軸成分（以下、これらの成分の組から成るベクトルに参照符号Ｆｒｆ１x,zを付する）と、式（１０）により求められる床反力のＸ軸成分、Ｚ軸成分（以下、これらの成分の組から成るベクトルに参照符号Ｆｒｆ２x,zを付する）との重み付き平均値を、各脚体に作用する床反力のＸ軸成分、Ｚ軸成分として求めることとすると共に、その重み係数の値を足平間前後距離に応じて連続的に変化させるようにした。
【０１８５】
従って、両脚支持状態において床反力成分算出手段５８ｅが最終的に求める、各脚体の床反力のＸＺ平面上での成分ベクトルＦｒｆ(脚体)x,z（Ｆｒｆ(脚体)x,zの推定値の真値）は、次式（１１ａ）により求められる。
【０１８６】
Ｆｒｆ(脚体)x,z＝Ｗ×Ｆｒｆ１x,z＋（１−Ｗ）×Ｆｒｆ２x,z
……（１１ａ）
ここで、Ｗは重み係数であり、その値は、図１５に示す如く定められたデータテーブルあるいは演算式により、足平間前後距離に応じて決定される。この場合、足平間前後距離としては、例えば両脚体のそれぞれの床反力作用点COPの、身体座標系ＢＣでのＸ軸方向の距離、すなわち｜Ｕ(右COP/BC)x−Ｕ(左COP/BC)x｜が使用される。なお、足平間前後距離として、例えば両脚体のそれぞれのＭＰ関節のＸ軸方向距離や、足首関節のＸ軸方向距離を使用するようにしてもよい。
【０１８７】
なお、両脚支持状態において、直線Ｋ（右）又は直線Ｋ（左）がＺ軸にほぼ平行となる場合もあり、その場合には、傾きα(右脚体)またはα(左脚体)の全体値が無限大もしくは過大に大きなものとなる。そこで、本実施形態では、傾きαの絶対値があらかじめ定めた所定値を超えるような場合には、強制的にαの値をその所定値に制限するようにしている。
【０１８８】
一方、単脚支持状態で足平装着部３を介して接地している脚体に作用する床反力（詳しくはそのＸ軸成分およびＺ軸成分）は、次式（１１ｂ）により算出される。
【０１８９】
【数３】


【０１９０】
すなわち、接地している脚体に作用する床反力のＸＺ平面上での成分ベクトルＦｒｆ(脚体)x,zは、その脚体の床反力作用点COPからＧ＿全体に向かい、且つ、Ｆｒｆ(全体)x,zの大きさを持つベクトルを角度θａだけ床反力作用点COPの廻りにＸＺ平面（矢状面）上で回転させたベクトルとして求められる。このようにして求められるＦｒｆ(脚体)x,zは、その作用線がＧ＿全体を中心とする半径ｒの円Ｃｉに接することとなる。
【０１９１】
なお、本実施形態では、両脚支持状態および単脚支持状態のいずれの場合にあっても、先に述べたように床反力のＹ軸成分は０とする。また、単脚支持状態で、接地していない脚体に作用する床反力は０とされる。
【０１９２】
以上のように床反力成分算出手段５８ｅの処理を行なうことで、両脚支持状態では、床反力の成分ベクトルＦｒｆ(右脚体)x,z、Ｆｒｆ(左脚体)x,zのそれぞれの作用線（ＸＺ平面上で各脚体の床反力作用点COPを通る作用線）がＧ＿全体を中心とする半径ｒ（モーメントアーム長）の円Ｃiに接すると共に、Ｆｒｆ(右脚体)x,z、Ｆｒｆ(左脚体)x,zのそれぞれが（ひいては、それらの総和が）Ｇ＿全体の廻りに発生するモーメント（Ｙ軸廻りのモーメント）の向きが全角運動量変化率のＹ軸廻り成分Ｌ'yの向きに一致するように、Ｆｒｆ(右脚体)x,z、Ｆｒｆ(左脚体)x,zのそれぞれの向きが決定される。そして、その上で、Ｆｒｆ(全体)x,zに、Ｆｒｆ(右脚体)x,z、Ｆｒｆ(左脚体)x,zの総和（＝Ｆｒｆ(右脚体)x,z＋Ｆｒｆ(左脚体)x,z）が一致するようにＦｒｆ(右脚体)x,z、Ｆｒｆ(左脚体)x,zの推定値（Ｘ軸成分の値とＺ軸成分の値との組））が求められる。
【０１９３】
また、単脚支持状態では、足平装着部３を介して接地している脚体の床反力の成分ベクトルＦｒｆ(脚体)x,z、の作用線（該脚体の床反力作用点COPを通る作用線）がＸＺ平面上においてＧ＿全体を中心とする半径ｒ（モーメントアーム長）の円Ｃiに接すると共に、そのＦｒｆ(脚体)x,z、がＧ＿全体の廻りに発生するモーメント（Ｙ軸廻りのモーメント）の向きが全角運動量変化率のＹ軸廻り成分Ｌ'yの向きに一致するように、Ｆｒｆ(脚体)x,zの向きが決定される。し、且つ、Ｆｒｆ(全体)x,zの大きさ（絶対値）に、Ｆｒｆ(脚体)x,zの大きさ（絶対値）が一致するように接地している脚体に係るＦｒｆ(脚体)x,z、が求められる。
【０１９４】
その結果、両脚支持状態および単脚支持状態のいずれにおいても、身体座標系ＢＣの矢状面上でのＦｒｆの向き（Ｆｒｆ(脚体)x,zの向き）を安定させることができる。
【０１９５】
以上の如く求められるＦｒｆ(脚体)x,zは、補助装具１を装着した人Ａの運動が、該人Ａから補助装具１を取り外して行なわれたとした場合に人Ａの各脚体に作用する床反力のＸＺ平面上での成分ベクトルの推定値である。換言すれば、その床反力Ｆｒｆ(脚体)x,zは、補助装具１を装着した人Ａの運動と同じ運動を、該人Ａが単独で（補助装具１を装着せずに）行なう上で動力学的に必要な床反力のＸＺ平面上での成分ベクトルの推定値である。
【０１９６】
なお、本実施形態では、床反力Ｆｒｆ(脚体)のＹ軸成分を０としたが、さらに全角運動量変化率のＸ軸廻り成分を考慮し、この全角運動量変化率のＸ軸廻り成分の向きと、足平装着部３を介して接地している各脚体２の床反力のＹＺ平面上での成分ベクトルＦｒｆ(脚体)y,zの総和がＧ＿全体の廻りに発生するモーメント（Ｘ軸廻りのモーメント）の向きとが一致するように、ＹＺ平面上での床反力の成分ベクトルＦｒｆ(脚体)y,zの向きを決定するようにしてもよい。その向きの決定は、前記した場合と同様に、ＸＺ平面上でのモーメントアーム長と、そのモーメントアーム長の半径を有する円を使用して行なえばよい。そして、Ｆｒｆ(脚体)y,zの向きを決定した上で、両脚支持状態では、各脚体２に作用する床反力のＹＺ平面上での成分ベクトルＦｒｆ(脚体)y,zの総和が全床反力のＹＺ平面上での成分ベクトルＦｒｆ(全体)y,zに一致するように各Ｆｒｆ(脚体)y,zの各座標成分値を求め、また、単脚支持状態では、接地している脚体２に作用する床反力のＹＺ平面上での成分ベクトルＦｒｆ(脚体)y,zの大きさが全床反力のＹＺ平面上での成分ベクトルＦｒｆ(全体)y,zの大きさに一致するようにＦｒｆ(脚体)y,zの各座標成分値を求めるようにしてもよい。
【０１９７】
以上が床反力推定手段５８の演算処理である。なお、上記の如く求めた床反力の推定値からノイズ成分を除去するために、該推定値にフィルタリング処理を施したものを最終的に床反力の推定値として得るようにしてもよい。そのフィルタリング処理としては、例えば２次のバタワースフィルタ（ローパスフィルタ）を使用するフィルタリング処理が挙げられ、該バタワースフィルタの遮断周波数は、例えば３Ｈｚ程度が好適である。
【０１９８】
次に、人側関節モーメント推定手段４１は、前記脚平面投影手段５９の演算処理を実行する。この処理では、身体座標系加速度・角速度算出手段５４で算出された身体座標系ＢＣの原点ＢＣＯの加速度ベクトルACC(BCO/BC)および角速度ベクトルω(BCO/BC)と、床反力推定手段５８で算出された床反力Ｆｒｆ(右脚体/BC)，Ｆｒｆ(左脚体/BC)と、床反力作用点推定手段５７で算出された床反力作用点ＣＯＰの位置ベクトルＵ(COP/BC)とが変換テンソル作成手段５１で作成された変換テンソルＲ(LC→BC)の転置である変換テンソルＲ(BC→LC)（＝Ｒ(LC→BC)T）を用いて各脚体部Ｓ２毎に、それに対応する脚平面ＰＬに投影される。
【０１９９】
具体的には、加速度ベクトルACC(BCO/BC)および角速度ベクトルω(BCO/BC)に次式（１２ａ）、（１２ｂ）の如く、それぞれ変換テンソルＲ(BC→LC)を乗算することにより、各脚座標系ＬＣから見た加速度ベクトルACC(BCO/LC)および角速度ベクトルω(BCO/LC)が求められる。
【０２００】
ACC(BCO/LC)＝Ｒ(BC→LC)×ACC(BCO/BC) ……（１２ａ）
ω(BCO/LC)＝Ｒ(BC→LC)×ω(BCO/BC) ……（１２ｂ）
なお、加速度ベクトルACC(BCO/LC)および角速度ベクトルω(BCO/LC)は、それぞれ左脚体部Ｓ２に係わる脚座標系ＬＣに対応するものと、右脚体部Ｓ２に係わる脚座標系ＬＣに対応するものとが各別に求められる。
【０２０１】
同様に、床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/BC)，Ｆｒｆ(左脚体/BC)に次式（１２ｃ）、（１２ｄ）の如く、それぞれ変換テンソルＲ(BC→右LC)、Ｒ(BC→左LC)を乗算することにより、各脚座標系ＬＣから見た床反力Ｆｒｆ(右脚体/右LC)，Ｆｒｆ(左脚体/右LC)が求められる。
【０２０２】
Ｆｒｆ(右脚体/右LC)＝Ｒ(BC→右LC)×Ｆｒｆ(右脚体/BC) ……（１２ｃ）
Ｆｒｆ(左脚体/左LC)＝Ｒ(BC→左LC)×Ｆｒｆ(左脚体/BC) ……（１２ｄ）
さらに、着地している各脚体に係わる床反力作用点ＣＯＰの位置ベクトルＵ(COP/BC)に次式（１２ｅ）の如く、その着地している脚体に対応する変換テンソルＲ(BC→LC)を乗算することにより、該脚体に対応する脚座標系ＬＣから見た床反力作用点ＣＯＰの位置ベクトルＵ(COP/LC)が求められる。
【０２０３】
Ｕ(COP/LC)＝Ｒ(BC→LC)×Ｕ(COP/BC) ……（１２ｅ）
なお、位置ベクトルＵ(COP/LC)は、人Ａの単脚支持状態では着地側の脚体に対応するもののみが求められ、両脚支持状態では、左右のそれぞれの脚体毎に求められる。
【０２０４】
ここで、加速度ベクトルACC(BCO/LC)、床反力Ｆｒｆ(右脚体/右LC)，Ｆｒｆ(左脚体/左LC)および床反力作用点の位置ベクトルＵ(COP/LC)については、それぞれのＸ座標成分およびＺ座標成分の組が、それぞれに対応する身体座標系ＢＣでのベクトル（３次元量）を各脚平面ＰＬ（脚座標系ＬＣのＸＺ平面）に投影してなる２次元量のベクトルとして得られる。例えば、図１６を参照して、身体座標系ＢＣでの右脚体に係わる床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/LC)が図示の実線で示すようなベクトルであるとすると、床反力ベクトルＦｒｆ(右脚体/右LC)のＸ座標成分およびＺ座標成分の組は、同図に破線で示すような脚平面ＰＬ（右）上のベクトルとなる。
【０２０５】
なお、脚平面ＰＬ上での脚体の回転運動は、脚平面ＰＬの法線方向（脚座標系ＬＣのＹ軸方向）の軸廻りの回転運動であるから、角速度ベクトルω(BCO/BC)を脚平面ＰＬに投影したものは、前記式（１２ｂ）により求められる脚座標系ＬＣでの角速度ベクトルω(BCO/LC)のＹ座標成分である。
【０２０６】
以下の関節モーメント算出手段６０の説明では、加速度ベクトルACC(BCO/LC)、床反力Ｆｒｆ(右脚体/右LC)，Ｆｒｆ(左脚体/左LC)および床反力作用点の位置ベクトルＵ(COP/LC)は、そのＸ軸成分およびＺ軸成分の組から成る２次元ベクトルを意味するものとする。例えば加速度ベクトルACC(BCO/LC)は、（ACC(BCO/LC)x，ACC(BCO/LC)z)Tを意味する。なお、角速度ωについては、脚平面ＰＬ上での値はω(BCO/LC)yで表す。
【０２０７】
次に、人側関節モーメント推定手段４１は、関節モーメント算出手段６０による演算処理を実行する。この関節モーメント算出手段６０の演算処理の概略を説明すると、各脚体部Ｓ２の足平部要素Ｓ９（Ｓ＿足平部）、下腿部要素Ｓ８（Ｓ＿下腿部）、大腿部要素Ｓ７（Ｓ＿大腿部）のそれぞれの並進運動および回転運動に関する運動方程式に基づく逆動力学モデルの演算によって、足平部要素Ｓ９、下腿部要素Ｓ８、および大腿部要素Ｓ７のそれぞれの腰部要素Ｓ４側の端点の関節要素Ｊ＿足首、Ｊ＿膝、Ｊ＿股の関節モーメントが順番に算出される。この場合、逆動力学モデルは、各脚体部Ｓ２毎に、それに対応する脚平面ＰＬ（脚座標系ＬＣのＸＺ平面）上で取扱われる。なお、この算出処理の基本的な考え方は、逆動力学モデルを取扱う平面及び座標系を除いて本願出願人が先に提案した特開２００３−８９０８３号公報等のものと同じである。
【０２０８】
以下、具体的に説明すると、各脚体部Ｓ２の足平部要素Ｓ９、下腿部要素Ｓ８、大腿部要素Ｓ７のそれぞれの脚平面ＰＬ上での並進運動の運動方程式は次の式（１５ａ）〜（１５ｃ）により与えられる。なお、以下の説明において、足平部要素Ｓ９、下腿部要素Ｓ８、および大腿部要素Ｓ７のそれぞれの剛体要素の両端のうち、腰部要素Ｓ４に近い側の一端部を「Ｐ＿○○」、遠い側の他端部「Ｄ＿○○」（○○は剛体要素を表す名称）というように表記することがある。例えば図１７に示す如く、下腿部要素Ｓ８の膝関節Ｊ＿膝（Ｊ２）側の端部を「Ｐ＿下腿部」、足首関節Ｊ＿足首（Ｊ３）側の端部を「Ｄ＿下腿部」というように表記する。
【０２０９】
Ｆ(Ｐ＿足平部/LC)＝ｍ＿足平部×(ACC(BCO/LC)＋Ｕ(Ｇ＿足平部/LC)'')
−Ｆｒｆ(脚体/LC) ……（１５ａ）
Ｆ(Ｐ＿下腿部/LC)＝ｍ＿下腿部×(ACC(BCO/LC)＋Ｕ(Ｇ＿下腿部/LC)'')
−Ｆ(Ｄ＿下腿部/LC) ……（１５ｂ）
Ｆ(Ｐ＿大腿部/LC)＝ｍ＿大腿部×(ACC(BCO/LC)＋Ｕ(Ｇ＿大腿部/LC)'')
−Ｆ(Ｄ＿大腿部/LC) ……（１５ｃ）
ここで、上記各式（１５ａ）〜（１５ｃ）中に現れる２つのＦ（Ｐ＿○○/BC)、Ｆ（Ｄ＿○○/BC)は、その○○で表される名称の剛体要素の端部が、それに接触する物体から受ける反力（脚平面ＰＬ上での２次元並進力ベクトル）を意味している。このため、作用・反作用の法則によって、Ｆ(Ｄ＿下腿部/BC)＝−Ｆ(Ｐ＿足平部/BC)、Ｆ(Ｄ＿大腿部/BC)＝−Ｆ(Ｐ＿下腿部/BC)である。なお、足平部要素Ｓ９に係わる式（１５ａ）においては、該足平部要素Ｓ９の、腰部要素Ｓ４から遠い側の端部は、床反力作用点ＣＯＰとみなされ、その端部（床反力作用点ＣＯＰ）に床から作用する反力として、前記脚平面投影手段５９で求められた床反力Ｆｒｆ(脚体/LC)が用いられる。
【０２１０】
また、Ｕ(Ｇ＿足平部/LC)''、Ｕ(Ｇ＿下腿部/LC)''、Ｕ(Ｇ＿大腿部/LC)''は、それぞれ、前記２次元脚姿勢・要素重心位置算出手段５２で先に算出された脚座標系ＬＣでの重心Ｇ＿足平部、Ｇ＿下腿部、Ｇ＿大腿部の位置ベクトル（より正確には、該位置ベクトルのＸ座標成分及びＺ座標成分の組）の２階微分値、すなわち、脚平面ＰＬ上で見た重心Ｇ＿足平部、Ｇ＿下腿部、Ｇ＿大腿部の、脚座標系ＬＣの原点に対する相対加速度（２次元ベクトル）を意味している。この場合、脚座標系ＬＣの原点（股関節Ｊ１の中心）の脚平面ＰＬ上での加速度ベクトルは、身体座標系ＢＣの原点の加速度ベクトルACC(BCO/LC)とほぼ同一であるので、この加速度ベクトルACC(BCO/