(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも上体と、前記上体に第１の関節を介して連結される複数本の脚部を備えると共に、前記脚部の先端に第２の関節を介して連結される足部を備えた脚式移動ロボットにおいて、前記第２の関節と前記足部の接地端の間に空間を備える弾性体を配置すると共に、前記弾性体の前記空間内に変位センサを内蔵し、よって前記第２の関節に対する前記足部の接地端の変位を検出可能に構成したことを特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項２】
前記第２の関節と前記足部の接地端の間に前記弾性体を複数個、上面視において局部的に配置するように構成したことを特徴とする請求項１項記載の脚式移動ロボット。
【請求項３】
前記複数個の弾性体を上面視において前記足部の縁部に配置するように構成したことを特徴とする請求項２項記載の脚式移動ロボット。
【請求項４】
前記変位センサが前記弾性体の密閉される空間内に収容されて内蔵されるように構成したことを特徴とする請求項１項から３項のいずれかに記載の脚式移動ロボット。
【請求項５】
前記変位センサが、バネおよび感圧センサからなるように構成したことを特徴とする請求項１項から４項のいずれかに記載の脚式移動ロボット。
【請求項６】
前記バネの剛性を前記弾性体の剛性に比して小さく設定するように構成したことを特徴とする請求項５項記載の脚式移動ロボット。
【請求項７】
少なくとも上体と、前記上体に第１の関節を介して連結される複数本の脚部を備えると共に、前記脚部の先端に第２の関節を介して連結される足部を備えた脚式移動ロボットにおいて、
ａ．前記第２の関節に接続される第１の剛性体と、前記足部の接地端に接続される第２の剛性体とで規定される空間内に、上視面において相互に離間して配置されて前記第２の関節に対する前記足部の接地端の変位を示す出力を生じる複数個の変位センサ、
ｂ．前記複数個の変位センサの出力が所定の幾何学的関係を満足するか否か判別する判別手段、
および
ｃ．前記判別手段の判別結果に基づいて前記複数個の変位センサの少なくとも１個が異常か否か自己判断する自己判断手段、
を備えたことを特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項８】
前記幾何学的関係は、前記複数個の変位センサの中の対向配置された変位センサの出力同士から求められる値が所定の値である関係であることを特徴とする請求項７項記載の脚式移動ロボット。
【請求項９】
前記所定の値が、零あるいはその近傍の値であることを特徴とする請求項８項記載の脚式移動ロボット。
【請求項１０】
前記第１および第２の剛性体で規定される空間内に弾性体を上視面において相互に離間させつつ複数個配置すると共に、その内部に前記変位センサを内蔵させるように構成したことを特徴とする請求項７項から９項のいずれかに記載の脚式移動ロボット。
【請求項１１】
前記第１および第２の剛性体で規定される空間内に弾性体を上視面において相互に離間させつつ複数個配置すると共に、その付近に前記変位センサを配置するように構成したことを特徴とする請求項７項から９項のいずれかに記載の脚式移動ロボット。
【請求項１２】
前記変位センサが、バネおよび感圧センサからなるように構成したことを特徴とする請求項７項から１１項のいずれかに記載の脚式移動ロボット。
【請求項１３】
前記バネの剛性を前記弾性体の剛性に比して小さく設定するように構成したことを特徴とする請求項１２項記載の脚式移動ロボット。
【請求項１４】
さらに、前記変位センサの出力に基づいて前記足部に作用する床反力を算出する床反力算出手段を備えたことを特徴とする請求項１項から１３項のいずれかに記載の脚式移動ロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
脚式移動ロボット、特に２足のヒューマノイド型の脚式移動ロボットにおいては、足部にセンサを配置して床面への着地による足部の変位あるいは床面から足部に作用する床反力を検出し、検出値に基づいて安定した歩行を実現するように適宜な制御が行われる。
【０００３】
足部に床反力を検出するセンサを配置した例としては例えば、特開平５−３０５５８４号公報記載の技術が知られており、その従来技術にあってはヒューマノイド型の脚式移動ロボットの足関節と足部の接地端の間に６軸力センサを配置して足部に作用する床反力を検出している。
【０００４】
また足部の変位を検出するセンサを配置した例としては例えば、日本ロボット学会誌  Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．７，ｐｐ．１０３０から１０３７（１９９５年１０月号）で提案されている技術が知られており、その従来技術にあっては同種の脚式移動ロボットの足部を、上部足底板と下部足底板の間に衝撃緩衝材をワイヤで連結してはさみ、上部足底板の四隅にポテンショメータ（変位センサ）の構成要素の一部である検出素子を取り付けると共に、その上方に変換部などを配置し、検出素子を介して上部と下部の足底板間の距離（変位）を検出することで着地の有無と着地路面の高さ偏差（凹凸）を検出している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、脚式移動ロボット、特にヒューマノイド型のロボットの足部は、歩行時に遊脚を振ることによる反力によって生じる支持脚側の鉛直軸回りのねじれを防止するために適宜なガイド部などを設ける必要があると共に、遊脚の着地時の衝撃を吸収して緩和できるように適宜な弾性を備えることが要求される。
【０００６】
このように、脚式移動ロボット、特にヒューマノイド型のロボットの足部にセンサを設けようとするとき、足部はスペース的にも限界があることから、上記した従来技術においてはセンサの構成要素の一部の検出素子のみを弾性体に配置しているが、本来的には変換部などの構成要素も含めて弾性体にコンパクトに収納するのが望ましい。
【０００７】
従って、この発明の第１の目的は従来技術の上記した課題を解決し、スペース的に制約のある脚式移動ロボットの足部の弾性体に変換部などの構成要素も含めてセンサをコンパクトに収納するようにした脚式移動ロボットを提供することにある。
【０００８】
さらに、脚式移動ロボットの足部にセンサを配置するとき、上記したような着地時の衝撃に曝されることから、配置したセンサの信頼性を向上させる意味で、センサの異常を自己診断するのが望ましい。
【０００９】
従って、この発明の第２の目的は、脚式移動ロボットの足部にセンサを配置すると共に、そのセンサの異常を自己診断して信頼性を向上させるようにした脚式移動ロボットを提供することにある。
【００１０】
さらに、脚式移動ロボットを一層安定に歩行させようとすると、足部の変位から着地の有無を検出するに止まらず、足部に作用する床反力を検出するのが望ましい。
【００１１】
従って、この発明の第３の目的は、脚式移動ロボットの足部に変位センサを配置すると共に、その出力に基づいて足部に作用する床反力を検出するようにした脚式移動ロボットの床反力検出装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記した第１の目的を達成するために、請求項１項にあっては、少なくとも上体と、前記上体に第１の関節を介して連結される複数本の脚部を備えると共に、前記脚部の先端に第２の関節を介して連結される足部を備えた脚式移動ロボットにおいて、前記第２の関節と前記足部の接地端の間に空間を備える弾性体を配置すると共に、前記弾性体の前記空間内に変位センサを内蔵し、よって前記第２の関節に対する前記足部の接地端の変位を検出可能に構成した。
【００１３】
第２の関節と足部の接地端の間に空間を備える弾性体を配置すると共に、弾性体の空間内に変位センサ、より具体的には検出素子と変換部からなる変位センサを内蔵し、よって第２の関節に対する足部の接地端の変位を検出可能に構成したので、スペース的に制約のある脚式移動ロボットの足部の弾性体に変換部などの構成要素も含めてセンサをコンパクトに収納することができる。
【００１４】
請求項２項にあっては、前記第２の関節と前記足部の接地端の間に前記弾性体を複数個、上面視において局部的に配置するように構成した。
【００１５】
第２の関節と足部の接地端の間に弾性体を複数個、上面視において局部的に配置するように構成したので、スペース的に制約のある脚式移動ロボットの足部の弾性体にセンサをコンパクトに収納できると共に、足部の弾性を最適にすることができる。即ち、脚式移動ロボットの足部は曲げ（回転方向）の弾性と上下方向の双方に適度な弾性を備えるのが望ましいが、例えば、弾性体が足部の中央付近に偏在させられると、要求が相反して双方を満足させることが困難となる。従って、弾性体を上面視において局部的に、例えば足部の周辺（縁部）に配置するようにすれば、かかる相反する要求を最適に満足させることができる。
【００２０】
請求項３項にあっては、前記複数個の弾性体を上面視において前記足部の縁部に配置するように構成した。
【００２１】
複数個の弾性体を上面視において足部の縁部（周辺）に配置するように構成したので、上で述べたように相反する要求を最適に満足させることができ、足部の弾性を最適にすることができる。
【００２２】
請求項４項にあっては、前記変位センサが前記弾性体の密閉される空間内に収容されて内蔵されるように構成した。
【００２３】
変位センサが弾性体の密閉される空間内に収容されて内蔵されるように構成したので、前記した効果に加え、変位センサに水分、塵埃などの異物が付着あるいは侵入するのを防止することができ、変位センサの耐久性を高めることができる。さらに周囲温度の影響も受け難くなり、温度補償などの補正の必要性を軽減することができる。
【００２４】
請求項５項にあっては、前記変位センサが、バネおよび感圧センサからなるように構成した。
【００２５】
変位センサが、バネおよび感圧センサからなるように構成したので、通常の変位（ストローク）から検出する場合に比し、センサの構成を一層コンパクトにすることができる。
【００２６】
請求項６項にあっては、前記バネの剛性を前記弾性体の剛性に比して小さく設定するように構成した。
【００２７】
バネの剛性を前記弾性体の剛性に比して小さく設定するように構成したので、前記した効果に加え、弾性体の振動減衰効果を低下させることがない。
【００２８】
請求項７項にあっては、少なくとも上体と、前記上体に第１の関節を介して連結される複数本の脚部を備えると共に、前記脚部の先端に第２の関節を介して連結される足部を備えた脚式移動ロボットにおいて、前記第２の関節に接続される第１の剛性体と、前記足部の接地端に接続される第２の剛性体とで規定される空間内に、上面視において相互に離間して配置されて前記第２の関節に対する前記足部の接地端の変位を示す出力を生じる複数個の変位センサ、前記複数個の変位センサの出力が所定の幾何学的関係を満足するか否か判別する判別手段、および前記判別手段の判別結果に基づいて前記複数個の変位センサの少なくとも１個が異常か否か自己診断する自己診断手段を備える如く構成した。
【００２９】
第１の剛性体と第２の剛性体とで規定される空間内に、上面視において相互に離間して配置された複数個の変位センサの出力が所定の幾何学的関係を満足するか否か判別し、その判別結果に基づいて変位センサの少なくとも１個が異常か否か自己診断するように構成したので、即ち、その冗長自由度を利用してセンサの異常を自己診断するので、着地時の衝撃に曝される脚式移動ロボットの足部にセンサを配置するときも、検出信頼性を向上させることができる。
【００３０】
請求項８項にあっては、前記幾何学的関係は、前記複数個の変位センサの中の対向配置された変位センサの出力同士から求められる値が所定の値である関係である如く構成した。
【００３１】
幾何学的関係は、複数個の変位センサの中の対向配置された変位センサの出力同士から求められる値が所定の値である関係である如く構成したので、変位センサが異常か否かを容易かつ迅速に自己診断することができ、検出信頼性を向上させることができる。
【００３２】
請求項９項にあっては、前記所定の値は、零あるいはその近傍の値である如く構成した。
【００３３】
所定の値が零あるいはその近傍の値である如く構成したので、変位センサが異常か否かを容易かつ迅速に自己診断することができ、検出信頼性を向上させることができる。
【００３４】
請求項１０項にあっては、前記第１および第２の剛性体で規定される空間内に弾性体を上面視において相互に離間させつつ複数個配置すると共に、その内部に前記変位センサを内蔵させる如く構成した。
【００３５】
第１および第２の剛性体で規定される空間内に弾性体を上面視において相互に離間させつつ複数個配置すると共に、その内部に変位センサを内蔵させる如く構成したので、従前の請求項で述べた効果に加え、スペース的に制約のある脚式移動ロボットの足部に変位センサをコンパクトに収納することができる。
【００３６】
請求項１１項にあっては、前記第１および第２の剛性体で規定される空間内に弾性体を上面視において相互に離間させつつ複数個配置すると共に、その付近に前記変位センサを配置するように構成した。
【００３７】
第１および第２の剛性体で規定される空間内に弾性体を上面視において相互に離間させつつ複数個配置すると共に、その付近に変位センサを配置するように構成したので、従前の請求項で述べた効果に加え、同様にスペース的に制約のある脚式移動ロボットの足部に変位センサをコンパクトに収納することができる。
【００３８】
請求項１２項にあっては、前記変位センサが、バネおよび感圧センサからなるように構成した。
【００３９】
変位センサが、バネおよび感圧センサからなるように構成したので、従前の請求項で述べた効果に加え、センサの構成を一層コンパクトにすることができる。
【００４０】
請求項１３項にあっては、前記バネの剛性を前記弾性体の剛性に比して小さく設定するように構成した。
【００４１】
バネの剛性を弾性体の剛性に比して小さく設定するように構成したので、従前の請求項で述べた効果に加え、弾性体の振動減衰効果を低下させることがない。
【００４２】
請求項１４項にあっては、さらに、前記変位センサの出力に基づいて前記足部に作用する床反力を算出する床反力算出手段を備える如く構成した。
【００４３】
変位センサの出力に基づいて足部に作用する床反力を算出する如く構成したので、床反力を精度良く算出することができ、脚式移動ロボットを一層安定に歩行させることが可能となる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照してこの発明の一つの実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置を説明する。
【００４５】
図１はこの実施の形態に係る脚式移動ロボット、より詳しくは２足のヒューマノイド型のロボットおよびその床反力検出装置を全体的に示す概略図である。
【００４６】
図示の如く、２足のヒューマノイド型のロボット（脚式移動ロボット。以下「ロボット」という）１は、左右それぞれの脚部（脚あるいは脚部リンク）２に６個の関節を備える。６個の関節は上から順に、股（腰部）の脚部回転用（Ｚ軸まわり）の関節１０Ｒ，１０Ｌ（右側をＲ、左側をＬとする。以下同じ）、股（腰部）のロール方向（Ｘ軸まわり）の関節１２Ｒ，１２Ｌ、股（腰部）のピッチ方向（Ｙ軸まわり）の関節１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ方向の関節１６Ｒ，１６Ｌ、足首のピッチ方向の関節１８Ｒ，１８Ｌ、および同ロール方向の関節２０Ｒ，２０Ｌから構成される。
【００４７】
関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）の下部には足部（足平）２２Ｒ，Ｌが取り付けられると共に、最上位には上体（基体）２４が設けられ、その内部に制御ユニット２６および搭載バッテリ（図示せず）などが格納される。制御ユニット２６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどからなるマイクロコンピュータから構成されると共に、ロボット１のセンサ系などの異常を警告する警告灯、およびその内容を表示する表示装置（共に図示せず）を備える。また、制御ユニット２６のＲＡＭの一部は、搭載バッテリからの通電が停止された後も記憶値の一部を格納し続ける、不揮発メモリからなるバックアップ部を備える。
【００４８】
上記において、股関節（あるいは腰関節。前記した第１の関節）は関節１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から、足関節（足首関節。前記した第２の関節）は関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構成される。股関節と膝関節（１６Ｒ（Ｌ））とは大腿リンク２８Ｒ，Ｌ、膝関節と足関節とは下腿リンク３０Ｒ，Ｌで連結される。また、足関節と足部２２Ｒ（Ｌ）とは末端リンク３２Ｒ，Ｌで連結される。
【００４９】
また、同図に示す如く、足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）と足平２２Ｒ（Ｌ）の接地端の間には、公知の６軸力センサ（床反力検出器）３４が取り付けられ、力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚとモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを測定し、足部の着地（接地）の有無および床面（図示せず）から作用する床反力（接地荷重）などを示す出力を生じる。また、上体２４には傾斜センサ３６が設置され、Ｚ軸（鉛直方向（重力方向））に対する傾きとその角速度を示す出力を生じる。また、各関節を駆動する電動モータには、その回転量を示す出力を生じるロータリエンコーダ（図示せず）が設けられる。
【００５０】
これら６軸力センサ３４などの出力は制御ユニット２６に入力される。制御ユニット２６は、搭載バッテリから通電されて動作し、ＲＯＭに格納されているデータおよび入力されたセンサ出力値に基づいて関節駆動操作量を算出し、前記した関節群を駆動する。上記の如く、脚部２は左右の足それぞれについて６つの自由度を与えられていることから、歩行中にこれら６＊２＝１２個の関節を適宜な角度で駆動することで、ロボット１に所望の動きを与えることができ、任意に３次元空間を歩行させることができる。尚、この明細書で「＊」は乗算を示す。
【００５１】
さらに、制御ユニット２６は、ＲＯＭに格納されたアルゴリズムに従い、特開平１０−２７７９６９号で提案されているように、傾斜センサ３６で検出された傾きに応じて補償床反力（より詳しくはモーメント）を求め、補償床反力と目標全床反力の合力に検出された全床反力が一致するような複合的なコンプライアンス制御を行うと共に、特開２００１−３２２０７６号で提案されるように、補償全床反力の制御偏差に基づいて接地する床面の形状を推定する。尚、「全床反力」とは、足部２２Ｒ（Ｌ）に作用する床反力の合計値を意味する。
【００５２】
左右の足部２２Ｒ（Ｌ）の接地端と６軸力センサ３４の間には、バネ機構体３８（後述）が装備されると共に、足底にはソール４０が貼られてコンプライアンス機構４２を構成する。足部２２Ｒ（Ｌ）が床反力を受けると、コンプライアンス機構４２においてバネ機構体３８およびソール４０がたわみ、足部２２Ｒ（Ｌ）を変位させて着地時の衝撃を緩和する。
【００５３】
続いて、図２以降を参照して図１に示したロボット１の足部２２Ｒ（Ｌ）の構成、具体的には６軸力センサ３４、およびその周辺部材の構成を詳細に説明する。
【００５４】
図２は前記した足部２２Ｒ，Ｌのうち、左脚の足部２２Ｌの側面断面図、図３は図２を底面から見た底面図である。また、足部２２Ｒ（Ｌ）は左右対称であるため、右脚の足部２２Ｒの説明は省略すると共に、以下特に必要な場合を除きＲ，Ｌを付すのを省略する。
【００５５】
図２に示す如く、６軸力センサ３４は足関節１８，２０と足部２２の接地端、即ち、足部２２の下部のバネ機構体３８、足底フレーム（第２の剛性体）５０、足底プレート５２およびソール４０からなる接地端の間に取り付けられる。バネ機構体３８は、逆Ω字状フレーム（第１の剛性体）３８１、円筒状弾性体（弾性体）３８２およびボルト３８３からなる。６軸力センサ３４の上部は、足関節１８，２０付近の末端側のリンク３２に位置決めピン５４によって位置決めされつつ複数個の上部固定用ボルト５６によって締結固定される。末端側のリンク３２は、チタンやマグネシウム合金などの高剛性の金属（合金）材により製作される。
【００５６】
６軸力センサ３４の下部は、前記したバネ機構体３８を介して足底フレーム５０に接続される。足底フレーム５０の上面には足関節１８，２０に向けてリブが一体的に隆起されてガイド部５０ａが形成され、足関節１８，２０に接続される逆Ω字状フレーム３８１を収容して前記した鉛直軸回りの支持脚側のねじれを防止する。足底フレーム５０は、剛性を備えた金属材から製作される。
【００５７】
また、バネ機構体３８を構成する逆Ω字状フレーム３８１も同様に剛性を備えた素材、例えばアルミニウム（あるいはその合金）材から製作される。逆Ω字状フレーム３８１の中央には凹部が形成され、そこに６軸力センサ３４の下部を収容する、６軸力センサ３４と逆Ω字状フレーム３８１が８個の下部固定用ボルト５８によって締結固定される。
【００５８】
逆Ω字状フレーム３８１と足底フレーム５０の間隙には、潤滑性の高い素材より製作されるリング状部材６０が介在し、逆Ω字状フレーム３８１が足底フレーム５０のガイド部５０ａ内で上下に摺動する際にピストンリングのような働きをする。
【００５９】
このように、円筒状弾性体３８２は、足関節（第２の関節）１８，２０と足部２２の接地端の間、より詳しくは足関節１８，２０に接続される逆Ω字状フレーム（第１の剛性体）３８１と、足部２２の接地端に接続される足底フレーム（第２の剛性体）５０とで規定される空間内に、上面視において相互に離間させられて局部的に複数個配置される。
【００６０】
より具体的には、円筒状弾性体３８２は、図３に示す如く、足部２２の縁部（周辺）に相互に同じ距離だけ離間させられ、３８２ａから３８２ｄまで４個配置される。尚、図３は底面図のため、正確には下面視で示しているが、上面視でも左右対称となるだけで、配置位置は同様である。円筒状弾性体３８２は合成ゴム材などの弾性に優れた素材から製作される。
【００６１】
円筒状弾性体３８２を収容する空間を規定する逆Ω字状フレーム３８１と足底フレーム５０は、バネ機構体用のボルト３８３（およびナット３８３ａ）で、円筒状弾性体３８２の両端を挟持して締結される。図２に示す如く、円筒状弾性体３８２のそれぞれの内部には空隙が気密に形成され、そこに変位センサ７０が収容（内蔵）される。
【００６２】
図４は図２の変位センサ収容位置付近を拡大して示す説明図であるが、図示の如く、変位センサ７０は、プレート状の静電容量式の感圧センサ７０１と、それに対向配置されたプレート状体７０２と、感圧センサ７０１とプレート状体７０２の間に弾装されて感圧センサ７０１に圧力を加えるスプリング（バネ）７０３からなる。感圧センサ７０１の内部には検出素子および変換部（共に図示せず）が一体的に内蔵され、変換部の出力はハーネス７０４から取り出され、制御ユニット２６に送られる。
【００６３】
図４に良く示すように、円筒状弾性体３８２の上下端の高さ（自然長）をｈｔとするとき、変位センサの高さはそれ未満のｈｓとされ、よって変位センサ７０が円筒状弾性体３８２の上下端ｈｔで規定される空間内に配置されるように構成される。
【００６４】
この変位センサ７０にあっては、足部２２が接地するなどして円筒状弾性体３８２に圧縮方向の荷重が作用すると、円筒状弾性体３８２が縮み、それに伴ってスプリング７０３が縮む。そのスプリング７０３の応力を感圧センサ７０１で測定し、スプリング長（円筒状弾性体３８２の変位）を測定するように構成される。即ち、スプリング７０３の伸縮による応力を感圧センサ７０１で圧力値として計測してスプリング７０３の変位に変換するように構成される。
【００６５】
続いて、後述するように、スプリング７０３の変位に応じて円筒状弾性体３８２に生じる応力を、円筒状弾性体３８２の粘弾性特性に基づいて記述するモデルを用い、変位センサ７０の出力に基づいて円筒状弾性体３８２に生じる応力、即ち、ロボット１が接地する床面などから足部２２に作用する床反力を算出するようにした。
【００６６】
このように、変位センサ７０は感圧センサ７０１およびスプリング７０３などから構成され、足関節１８，２０に対する足部２２の接地端の変位（移動距離）、即ち、逆Ω字状フレーム３８１と足底フレーム５０の間の変位（移動距離）を示す出力を生じると共に、その出力に基づいて足部２２に作用する床反力（荷重）を検出するように構成した。
【００６７】
尚、スプリング７０３の剛性は、円筒状弾性体３８２の剛性に比して十分に小さく設定するものとする。これは、円筒状弾性体３８２の粘性による振動減衰効果を低下させないためである。
【００６８】
ここで、６軸力センサ３４などの検出軸について図３を参照して説明すると、足部２２の底面（足底面）は大略矩形状を呈し、その中心位置よりも前後方向（Ｘ軸方向）においてやや後方に６軸力センサ３４が配置される。同図でＸｃは６軸力センサ３４のＸ軸方向における検出軸を示し、ＹｃはＹ軸方向における検出軸を示す。これらＸ軸方向検出軸ＸｃおよびＹ軸方向検出軸Ｙｃは、図２に良く示す脚部中心線（Ｚ軸方向）ｆｔｃと直交させられ、６軸力センサ３４のＺ軸方向検出軸Ｚｃが脚部中心線ｆｔｃと同一となるように６軸力センサ３４が配置される。
【００６９】
尚、上記で前後方向とはＸ軸方向を意味し、前記した図１から明らかなように、ロボット１の進行方向を意味する。また、左右（横）方向とはＹ軸方向を意味し、Ｘ軸方向（進行方向）およびＺ軸方向（重力方向）に直交する方向を意味する。以下同様とする。
【００７０】
６軸力センサ３４は、円筒状弾性体３８２の２個（３８２ａと３８２ｃ、あるいは３８２ｂと３８２ｄ。いずれもその下方に位置するバネ機構体用のボルト３８３で示す）の中点付近にＺ軸方向検出軸Ｚｃが位置するように配置される。
【００７１】
６軸力センサ３４は具体的には、進行方向（Ｘ軸方向）、より具体的にはＸ軸方向検出軸上に位置する２個の円筒状弾性体３８２ａ，ｃの中点付近にＺ軸方向検出軸Ｚｃが位置するように配置されると共に、左右方向（Ｙ軸方向）、より具体的にはＹ軸方向検出軸上に位置する２個の円筒状弾性体の２個３８２ｂ，ｄの中点付近にＺ軸方向検出軸Ｚｃが位置するように配置される。即ち、４個の円筒状弾性体３８２（３８２ａから３８２ｄ）によって形成される四角形、具体的には四辺同長の菱形（より具体的には各頂点が直角の正方形）の重心付近にＺ軸方向検出軸Ｚｃが位置するように配置される。
【００７２】
尚、図２において、符号６２は変位センサ７０のアンプ（増幅器）を、６４は足部２２の爪先を示す。
【００７３】
この実施の形態に係る脚式移動ロボットは上記の如く、検出素子と変換部からなる変位センサ７０を上面視において４個、局部的に円筒状弾性体３８２の上下端ｈｔで規定される空間内に配置し（内蔵させ）、よって足関節１８，２０に対する足部２２の接地端の変位を検出可能に構成したので、スペース的に制約のあるロボット１の足部２２の円筒状弾性体３８２に変換部などの構成要素も含めて変位センサ７０をコンパクトに収納することができる。
【００７４】
さらに、円筒状弾性体３８２の気密に形成された空隙内に変位センサ７０を内蔵させると共に、円筒状弾性体３８２を、足関節１８，２０と足部２２の接地端の間に４個、上面視において局部的に、より具体的には足部２２の縁部（周辺）に配置するようにしたので、足部２２の弾性を最適にすることができる。即ち、図示のロボット１の足部２２は曲げ（回転方向）の弾性と上下方向の双方に適度な弾性を備えるのが望ましいが、例えば、円筒状弾性体３８２を足部の中央付近に偏在させる場合、曲げ弾性が適切な値になるように弾性体の弾性係数を設定すると、上下方向の弾性が固くなり過ぎるなど、要求が相反して双方を満足させるのが困難となる。しかし、上記のように配置することで、かかる相反する要求を最適に満足させることができる。
【００７５】
また、変位センサ７０は気密に形成された空隙（空間）内に収容される、換言すればその空隙内に密閉されるように構成したので、変位センサ７０に水分、塵埃などの異物が付着あるいは侵入するのを防止することができ、変位センサ７０の耐久性を高めることができる。さらに、周囲温度の影響も受け難くなり、温度補償などの補正の必要性を軽減することができる。
【００７６】
また、変位センサ７０がスプリング７０３および感圧センサ７０１からなるように構成したので、通常の変位（ストローク）から検出する場合に比し、センサの構成を一層コンパクトにすることができる。
【００７７】
具体的には、通常のストロークセンサにあっては、図４で破線で示すようにシャフトの長さｈｓｈａｆｔに、実測可能な有効ストロークｅｆｓｔと同じかそれ以上の可動スペースを加算した厚み（高さ）が必要になる。従って、仮にシャフトの長さｈｓｈａｆｔと有効ストロークｅｆｓｔが等しい（シャフトの全長を有効ストロークとして利用できる）としても、ストロークセンサの厚みは最低でも２＊ｅｆｓｔだけ必要になる。
【００７８】
このため、円筒状弾性体３８２がその自然長ｈｔの１／２以下に縮む（即ち、ｅｆｓｔが１／２ｈｔ以上必要になる）とすれば、かかるストロークセンサを円筒状弾性体３８２の上下端で規定される空間内に内蔵させることはできない。尚、実際にはシャフトの全長の全てを有効ストロークとして利用することは困難なため、ストロークセンサの厚みは２＊ｅｆｓｔ以上となり、かかる不具合がより顕著となる。これに対し、この実施の形態に係る変位センサ７０にあっては、スプリング７０３の弾性および感圧センサ７０１の感度を適宜設定することにより、円筒状弾性体３８２の自然長ｈｔ未満のｈｓとすることができる。
【００７９】
また、スプリング７０３の剛性を円筒状弾性体３８２の剛性に比して小さく設定するように構成したので、円筒状弾性体３８２の振動減衰効果を低下させることがない。
【００８０】
図５は、この発明の第２の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置の動作（自己診断動作）を示すフロー・チャートである。
【００８１】
第２の実施の形態にあっては、第１の実施の形態に係る脚式移動ロボットの足部２２に配置された変位センサ７０の異常を自己診断するように構成した。即ち、変位センサ７０を４個配置したことから、第２の実施の形態においては、その冗長自由度を利用して変位センサ７０の異常検知（自己診断）を行うように構成した。
【００８２】
以下、それについて説明する。
【００８３】
図３において、円筒状弾性体３８２ａ，３８２ｂ，３８２ｃ，３８２ｄにそれぞれ内蔵される変位センサ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄの出力（変位あるいは円筒状弾性体３８２の縮み量を示す）をＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４とするとき、４個の変位センサ７０が正常であれば、幾何学的な関係として次式１が常に成立する。尚、センサ出力にはオフセットがないものと仮定する。
Ｌ１＋Ｌ３−Ｌ２−Ｌ４＝０  ．．．  式１
【００８４】
図５フロー・チャートは、式１に基づいて行われる変位センサ７０の異常検知（自己診断）を示すフロー・チャートである。
【００８５】
尚、図示のプログラムは、制御ユニット２６において制御周期ごと、例えば１０ｍｓｅｃごとに、左右の脚（脚部２）の両方について実行される。
【００８６】
以下説明すると、Ｓ１０において４個の変位センサ７０の検出値Ｌｎを読み込み、Ｓ１２に進み、式１の左辺の絶対値が許容値（所定の値）ε（零に近い正の値あるいはその近傍の値。式１の左辺を絶対値としないならば零近傍の値）以下であるか否か、即ち、検出値Ｌｎが式１を近似的に満足しているか否か判断する。尚、検出値Ｌｎが式１をより正確（厳密）に満足しているか否かを判断するには、許容値εを零にし、不等号を等号にすれば良い。また、変位センサ７０の配置位置にオフセットがある場合は、式１の左辺をＬ１＋Ｌ３−Ｌ２−Ｌ４＋Ｃ（ただしＣ：規定値）とするか、またはＳ１２においてＬ１＋Ｌ３とＬ２＋Ｌ４の差が所定の差あるいは略所定の差であるか否かを判断するようにすれば良い。
【００８７】
Ｓ１２で肯定されるときはＳ１４に進み、４個の変位センサ７０が全て正常と判断してフラグＦのビットを０にリセットする。他方、Ｓ１２で否定されるときはＳ１６に進み、４個の変位センサ７０の全てあるいは少なくともいずれかに断線などの異常が生じたと判定し、フラグＦのビットを１にセットすると共に、前記した警告灯を点灯し、その内容を表示装置に表示する。尚、警告灯は、例えば変位センサ７０が異常のときに点灯されるべきもの（および後述する変位センサ７０と６軸力センサ３４と円筒状弾性体３８２に少なくともいずれかが劣化と判定されたときに点灯されるべきもの、および６軸力センサ３４が異常と判定されるときに点灯されるべきもの）など検出対象に応じて複数個用意しても良い。
【００８８】
この実施の形態にあっては、足関節１８，２０に接続される逆Ω状フレーム（第１の剛性体）３８１と、足部２２の接地端に接続される足底フレーム（第２の剛性体）５０とで規定される空間内に、上面視において相互に離間して足部２２の縁部に配置されて前記足関節１８，２０に対する前記足部２２の接地端の変位ｈ（Ｌｎ）を示す出力を生じる４個（複数個）の変位センサ７０と、４個の変位センサ７０の出力Ｌｎが所定の幾何学的関係を満足するか否か判別し、その判別結果に基づいて４個の変位センサ７０の少なくとも１個が異常か否か自己診断する自己診断手段を備える如く構成した。
【００８９】
即ち、４個の変位センサ７０の配置の冗長自由度、即ち、配置の幾何学的な関係を利用し、センサ出力Ｌｎがその幾何学的な関係を表す式１を近似的に（あるいは正確に）満足しているか否か判断して変位センサ７０が異常か否かを自己診断するように構成したので、着地時の衝撃に曝されるロボット１の足部２２に変位センサ７０を配置するときも、センサの信頼性を向上させることができる。
【００９０】
また、幾何学的関係が、複数個の変位センサの中の対向配置された変位センサの出力の差が許容値ε（具体的には零あるいはその近傍の値、より具体的には零近傍の値）以下である関係である如く構成したので、変位センサ７０が異常か否かを容易かつ迅速に自己診断することができ、検出信頼性を向上させることができる。尚、残余の構成および効果は、第１の実施の形態と異ならない。
【００９１】
図６は、この発明の第３の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置の動作を示す説明図、より具体的には円筒状弾性体３８２をモデル化して示す説明図である。
【００９２】
ロボット１を一層安定に歩行させようとすると、足部２２の変位を検出するに止まらず、足部２２に作用する床反力を検出するのが望ましい。そして、変位センサ７０と別に６軸力センサ（床反力検出器）３４を設けて足部２２に作用する床反力を検出するときも、それとは別に、変位センサ７０の出力に基づいて床反力を算出（推定）すれば、異種の検出手段を組み合わせてセンサの二重系を構成することができて検出信頼性を向上させることができる。
【００９３】
さらに、６軸力センサなどは前記したような着地時の衝撃に曝されることから、検出信頼性をさらに向上させる意味で、変位センサの出力に基づいて６軸力センサ３４などの劣化あるいは異常を自己診断することが望ましい。
【００９４】
そこで、第３の実施の形態においては、変位センサ７０の出力に基づき、接地する床面から足部２２に作用する床反力を算出（推定）すると共に、変位センサ７０の出力に基づいて６軸力センサ３４などの劣化あるいは異常を自己診断するようにした。
【００９５】
以下、それについて説明する。尚、この動作も、前記した制御ユニット２６で行われる。
【００９６】
左右の足部２２内の円筒状弾性体３８２の特性（前記した応力特性）は、図６に示すように、バネ定数Ｋｂのバネ（第１のバネ）と、それに直列に配列されたダンピング定数Ｄの（仮想）ダンパと、それらに対して並列に配列されるバネ定数Ｋａのバネ（第２のバネ）とからなる粘弾性モデルで近似され、その特性を示す式は次式のようになる。
Ｆｎ＝−Ｋａ＊Ｌｎ−Ｋｂ＊（Ｌｎ−Ｘｎ）＋Ｃ
Ｄ＊ｄ（Ｘｎ）／ｄｔ＝Ｋｂ＊（Ｌｎ−Ｘｎ）  ．．．式２
【００９７】
上記で、先に触れたＬｎを除くと、Ｆｎ：円筒状弾性体３８２に生じる応力、Ｘｎ：上記の粘弾性モデルにおける（仮想）ダンパの縮み量（変位量）、ｄ（Ｘｎ）／ｄｔ：Ｘｎの時間微分値、Ｋａ，Ｋｂ：バネ定数、Ｄ：ダンピング定数、Ｃ：オフセットを表す定数である（尚、「ｎ」は、４個の円筒状弾性体３８２ａから３８２ｄのうちのいずれかを意味し、具体的には、ｎ＝１：３８２ａ、ｎ＝２：３８２ｂ、ｎ＝３：３８２ｃ、ｎ＝４：３８２ｄを意味する）。
【００９８】
尚、円筒状弾性体３８２の非線形性を考慮し、その特性を以下のように近似しても良い。
Ｆｎ＝−ｆ１（Ｌｎ）−ｆ２（Ｌｎ−Ｘｎ）＋Ｃ
Ｄ＊ｄ（Ｘｎ）／ｄｔ＝ｆ２＊（Ｌｎ−Ｘｎ）  ．．．式２−１
上記で、ｆ１，ｆ２は入力に対して単調に増加する関数である。
【００９９】
図７は足部２２の模式図である。第３の実施の形態においては、足部２２に作用する床反力を、理解の便宜のため、４個の変位センサ７０の配置位置のＸ，Ｙ方向の中心点を作用点として表現する。より詳しくは、円筒状弾性体３８２の高さ（自然長）の中点Ｐをもって作用点と表現するようにした。尚、同図において末端側のリンク３２の図示を省略する。
【０１００】
また６軸力センサ３４が検出した床反力の並進成分をベクトルＦｆｓとし、そのＸＹＺ各軸方向の力成分をそれぞれＦｆｓｘ，Ｆｆｓｙ，Ｆｆｓｚとする。またそれらの軸回りのモーメント成分をベクトルＭｆｓとし、そのＸＹＺ各軸方向成分をそれぞれＭｆｓｘ，Ｍｆｓｙ，Ｍｆｓｚとする。
【０１０１】
４個の変位センサ７０の検出値から推定される床反力の並進成分のＺ軸方向成分を同様にベクトルＦｆｂｚ、モーメント成分のＸＹ各軸方向成分をそれぞれＭｆｂｘ，Ｍｆｂｙとすると、次式３が成立する。
【０１０２】
Ｆｆｂｚ＝  Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３＋Ｆ４      ．．．．式３ａ
Ｍｆｂｘ＝｛（Ｆ２−Ｆ４）＊ｄ１｝／２    ．．．式３ｂ
Ｍｆｂｙ＝｛（−Ｆ１＋Ｆ３）＊ｄ２｝／２  ．．．式３ｃ
【０１０３】
このように、円筒状弾性体３８２の粘弾性特性を既知とすれば、式２（または式２−１）および式３ａから３ｃの関係が成立するので、変位センサ７０の出力に基づいて床反力の中の３（軸力）成分を精度よく算出（推定）することができる（上記以外の成分は、原理的に検出することができない）。尚、上記で、ｄ１：変位センサ７０ｂと７０ｄの間隔（離間距離）、ｄ２：変位センサ７０ａと７０ｃの間隔（離間距離）を示す。
【０１０４】
円筒状弾性体３８２を支持する逆Ω字状フレーム３８１の足底フレーム５０に対する相対高さ（足関節１８，２０に対する足部２２の接地端の変位）をｈ、Ｘ軸まわりの相対傾斜をθｘ（図示省略）、Ｙ軸まわりの相対傾斜をθｙとすると、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４と、それらとの関係は、次式４のようになる。
ｈ＝（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）／４  ．．．式４ａ
θｘ＝（Ｌ２−Ｌ４）／ｄ１          ．．．式４ｂ
θｙ＝（Ｌ３−Ｌ１）／ｄ２          ．．．式４ｃ
【０１０５】
尚、式４ａの代わりに次の式４ａ−１，４ａ−２のいずれかを用いても良いが、計測誤差を考慮すると、上式の方が良い。
ｈ＝（Ｌ１＋Ｌ３）／２  ．．．式４ａ−１
ｈ＝（Ｌ２＋Ｌ４）／２  ．．．式４ａ−２
【０１０６】
また、床反力の推定は、図８（ａ）に示すような構成からなるオブザーバ９０を用いて行う。オブザーバ９０は、式１、式２（または式２−１）、式３ａ，式３ｂ、式３ｃ、式４ａ，式４ｂ、式４ｃを基に、ｈ，θｘ，θｙを入力、Ｘｎを状態量、Ｆｆｂｚ，Ｍｆｂｘ，Ｍｆｂｙを出力（Ｌｎは消去される）とする、図示のようなモデル（バネ機構体モデル）を備える。オブザーバ９０は、かかる関係に基づき、以下の手順でＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４からＦｆｂｚ，Ｍｆｂｘ，Ｍｆｂｙを推定する。
【０１０７】
先ず、図示のモデルの状態量Ｘｎを初期化する。これは、足部２２に床反力が作用していないときの変位センサ検出値の理論値と一致させるか、ロボット１の直立時に足部２２に床反力が作用したときの変位センサ検出値の理論値と一致させることで行う。理論値は、具体的には、初期化を行うときのロボット１の足部２２に作用する床面の想定値に応じて決定する。尚、状態量Ｘｎは収束性があるので、その初期化した値に多少のばらつきが生じても問題ない。
【０１０８】
次いで、式４ａ、式４ｂおよび式４ｃに変位センサ検出値Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を代入し、ｈ，θｘ，θｙを求め、図示のモデルを用い、脚部２のぞれぞれについてＦｆｂｚ，Ｍｆｂｘ，ＭＦｂｙを算出する。
【０１０９】
次いで、算出したＦｆｂｚ，Ｍｆｂｘ，Ｍｆｂｙと、６軸力センサ３４が検出した床反力のそれぞれ対応する成分Ｆｆｓｚ，Ｍｆｓｘ，Ｍｆｓｙとの差Ｆｆｅｒｒｘ，Ｍｆｅｒｒｘ，Ｍｆｅｒｒｙを次式５に従って求める。
0003726057.tif 000002
【０１１０】
上記の如くして求めた差が所定の許容範囲内にあるか否か判断することで、６軸力センサ３４の異常を検知（自己診断）することができる。
【０１１１】
図９フロー・チャートを参照して以下説明する。同図のプログラムも制御ユニット２６において制御周期ごと、例えば１０ｍｓｅｃごとに、左右の脚（脚部２）の両方について実行される。
【０１１２】
先ず、Ｓ１００において変位センサ７０が正常と検知（判定）されているか否か判断する。これは、例えば第２の実施の形態の図５フロー・チャートで説明したフラグＦのビットを判断することで行う。Ｓ１００で否定されるときは以下に述べる異常検知が実行できないことから、プログラムを直ちに終了する。尚、この場合、異常検知が実行できないことから、ロボット１が歩行中であれば、可能ならば、動力学的平衡条件を満足しつつ、短時間の内に歩行を終了させるのが望ましい。
【０１１３】
Ｓ１００で肯定されるときはＳ１０２に進み、差Ｆｆｅｒｒｚが第１のＦｚ許容値Ｆｒｅｆｚ１以上で、第２のＦｚ許容値Ｆｒｅｆｚ２未満か否か判断し、肯定されるときはＳ１０４に進み、差Ｍｆｅｒｒｘが同様に第１のＭｘ許容値Ｍｒｅｆｘ１以上で、第２のＭｘ許容値Ｍｒｅｆｘ２未満か否か判断する。Ｓ１０４でも肯定されるときはＳ１０６に進み、差Ｍｆｅｒｒｙが同様に第１のＭｙ許容値Ｍｒｅｆｙ１以上で、第２のＭｙ許容値Ｍｒｅｆｙ２未満か否か判断する。
【０１１４】
Ｓ１０６（あるいはＳ１０２，Ｓ１０４のいずれか）で否定されるときはＳ１０８に進み、カウント値Ｃを１つインクリメントし、Ｓ１１０に進み、カウント値Ｃが適宜設定された所定値Ｃｒｅｆを超えるか否か判断する。尚、このカウント値Ｃは、制御ユニット２６の前記したバックアップ部に格納しておき、制御ユニット２６への通電が停止された後も、保持されるように構成する。
【０１１５】
Ｓ１１０で肯定されるときはＳ１１２に進み、変位センサ７０、６軸力センサ３４および円筒状弾性体３８２（より詳しくは円筒状弾性体３８２の少なくとも１つ）の中の少なくともいずれかが劣化と判定すると共に、警告灯を点灯し、表示装置にその内容を表示する。尚、Ｓ１１０で否定されるときはＳ１１２をスキップする。
【０１１６】
Ｓ１０６で肯定されるときはＳ１１４に進み、差Ｆｆｅｒｒｚが第３のＦｚ許容値Ｆｒｅｆｚ３以上で、第４のＦｚ許容値Ｆｒｅｆｚ４未満か否か判断し、肯定されるときはＳ１１６に進み、差Ｍｆｅｒｒｘが同様にＭｘ第３の許容値Ｍｒｅｆｘ３以上で、第４のＭｘ許容値Ｍｒｅｆｘ４未満か否か判断する。Ｓ１１６でも肯定されるときはＳ１１８に進み、差Ｍｆｅｒｒｙが同様に第３のＭｙ許容値Ｍｒｅｆｙ３以上で、第４のＭｙ許容値Ｍｒｅｆｙ４未満か否か判断する。
【０１１７】
Ｓ１１８で肯定されるときはＳ１２０に進み、６軸力センサ３４が正常と判別すると共に、Ｓ１１４，Ｓ１１６，Ｓ１１８のいずれかで否定されるときはＳ１２２に進み、６軸力センサ３４に断線などの異常が生じたと判定すると共に、警告灯を点灯し、表示装置にその内容を表示する。
【０１１８】
即ち、差がぞれぞれ劣化判別許容範囲より狭い許容範囲内にないことは、差が劣化では生じ得ないような値となったことを意味する。この場合も、可能性としては、原因は変位センサ７０、６軸力センサ３４および円筒状弾性体３８２のいずれかにも生じ得るが、変位センサ７０についてはＳ１００の判断を経ていると共に、変位センサ７０に比して６軸力センサ３４は機構が複雑なことから、劣化以外の異常が発生すると、一気に許容範囲を超えた値を出力する傾向がある。そこで、Ｓ１１４からＳ１１８のいずれかで否定されるときは、６軸力センサ３４が異常と判別（自己診断）するようにした。
【０１１９】
尚、前記した第１および第２の許容値は、変位センサ７０などの劣化を判別するに足る値を適宜選択して設定する。ここで、『劣化』とは、言うまでもなく、正常ではないものの、異常（故障）まで到らない程度を意味し、従って変位センサ７０に関しても、Ｓ１００で肯定されてはいるが、その可能性を否定できないことから、Ｓ１１２の判断対象に含めた。
【０１２０】
また、Ｓ１１４からＳ１１８で使用される第３および第４の許容値は、それらによって規定される許容範囲が、Ｓ１０２からＳ１０６で起用される第１および第２の許容値で規定される許容範囲に比して狭くなるように設定すると共に、６軸力センサ３４の異常を判別するに足る値を適宜選択して設定する。
【０１２１】
尚、Ｓ１２２で６軸力センサ３４が異常と判定されたときは、前記した複合的なコンプライアンス制御あるいは床面の形状推定において、６軸力センサ３４の出力に代え、変位センサ７０の出力から推定された床反力を使用すると共に、歩行中であれば、動力学的平衡条件を満足しつつ、できる限り短時間の内に歩行を終了させることとする。
【０１２２】
また、６軸力センサ出力に代えて変位センサ出力による推定値を用いる際には、複合的なコンプライアンス制御あるいは床面の形状推定のゲインや補償回路の特性を変えることが望ましい。変位センサ７０の出力から推定された床反力は、６軸力センサ３４の検出値に比較すれば、若干応答性が低下するからである。
【０１２３】
また、Ｓ１０２からＳ１０６およびＳ１１４からＳ１１８において、差をローパスフィルタ（図示せず）を通して得た値の絶対値を求め、その値を同様に予め実験により求めた適宜な値と比較しても良い。また、Ｓ１１４からＳ１１８で否定された回数をカウントし、カウント値を適宜な値と比較して６軸力センサ３４が異常か否か判別するようにしても良い。さらに、Ｓ１０２からＳ１０６およびＳ１１４からＳ１１８において算出値と検出値の差を用いたが、算出値と検出値の比を用いても良い。
【０１２４】
第３の実施の形態においては上記の如く、足関節１８，２０と足部２２の接地端の間に配置された円筒状弾性体３８２の内部に設けられ、足関節１８，２０に対する足部２２の接地端の変位を示す出力を生じる変位センサ７０を備えると共に、オブザーバ９０を備え、オブザーバ９０は、上記した変位によって円筒状弾性体３８２に生じる変位と応力Ｆｎを記述するモデルを用い、変位センサ７０の出力Ｌｎに基づいて足部２２に作用する床反力Ｆｆｂｚ（鉛直軸方向に作用する力成分），Ｍｆｂｘ，Ｍｆｂｙ（鉛直軸に直交する軸回りのモーメント成分）を算出するように構成したので、床反力を精度良く算出することができ、ロボット１を安定に歩行させることが可能となる。
【０１２５】
また、そのモデルが、バネ定数Ｋｂのバネと、それに直列に配列されるダンピング定数Ｄのダンパと、それらに対して並列に配列されるバネ定数Ｋａのバネとからなるように構成したので、即ち、円筒状弾性体３８２のダンピング定数（特性）Ｄまで考慮したモデルを用いるように構成したことから、周波数特性に優れた床反力の推定値を得ることができ、換言すれば床反力の算出を応答性良く行うことができる。
【０１２６】
さらに、オブザーバ９０によってダンパの変位Ｘｎを推定することによって前記床反力を推定するように構成したので、より一層精度良く床反力を算出することができる。
【０１２７】
また、足関節１８，２０と足部２２の接地端の間に、前記ロボットが接地する床面から足部２２に作用する床反力を示す出力を生じる６軸力センサ（第２の床反力検出器）３４を配置するように構成したので、異種の床反力検出手段を組み合わせてセンサの二重系を構成することができて検出信頼性を向上させることができる。
【０１２８】
また、変位センサ７０の出力から算出される床反力と６軸力センサ３４の出力から検出される床反力に基づいて、より具体的にはそれらの差Ｆｆｅｒｒｚ，Ｍｆｅｒｒｘ，Ｍｆｅｒｒｙに基づいて変位センサ７０および６軸力センサ３４ならびに円筒状弾性体３８２の少なくともいずれかが劣化あるいは異常か否か自己診断する如く構成したので、それらの劣化あるいは異常を簡易にかつ迅速に自己診断することができて検出信頼性をさらに向上させることができる。
【０１２９】
そして、劣化あるいは異常と判定されたときは警告灯を点灯し、その内容を表示装置に表示するように構成したので、操作者にその事実を報知することができる。また６軸力センサ３４が正常と自己診断されたときは６軸力センサ３４の出力による床反力検出を続行すると共に、６軸力センサ３４が異常と自己診断されたときは動力学的平衡条件を満足しつつ、歩行を短時間の内に終了するなど適宜に対応することが可能となる。
【０１３０】
尚、第３の実施の形態において、上記したバネ機構体モデルに関し、Ｘｎを状態量とする代わりに、以下の式６ａ、式６ｂおよび式６ｃから決定される値（ｓｔを付して示す）を用いても良い。即ち、ｈｓｔ，θｓｔｘ，θｓｔｙを状態量として用いても良い。
ｈｓｔ＝（Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３＋Ｘ４）／４  ．．．式６ａ
θｓｔｘ＝（Ｘ２−Ｘ４）／ｄ１          ．．．式６ｂ
θｓｔｙ＝（Ｘ３−Ｘ１）／ｄ２          ．．．式６ｃ
Ｘ１＋Ｘ3 −Ｘ２−Ｘ４＝０              ．．．．式７
【０１３１】
そして、式１、式２（式２−１）、式３ａ，式３ｂ、式３ｃ、式４ａ、式４ｂ、式４ｃ、および式６ａ、式６ｂ、式６ｃを基に、図８（ｂ）に示す如く、オブザーバ９０は、ｈ，θｘおよびθｙを入力、ｈｓｔ，θｓｔｘ，θｓｔｙを状態量、Ｆｆｂｚ，Ｍｆｂｘ，Ｍｆｂｙを出力とするモデル（バネ機構体モデル）を用いても良い。
【０１３２】
尚、この場合、状態量が１つ減るが、問題はない。何故ならば、式２のように線形性が成立していると、ｄ（Ｘ１）／ｄｔ：ｄ（Ｘ２）／ｄｔ：ｄ（Ｘ３）／ｄｔ：ｄ（Ｘ４）／ｄｔの比は、初期状態の如何に関わらず、経時的に（具体的には、式２で表されるバネ機構体の時定数より十分長い時間が経過すれば）、ｄ（Ｌ１）／ｄｔ：ｄ（Ｌ２）／ｄｔ：ｄ（Ｌ３）／ｄｔ：ｄ（Ｌ４）／ｄｔの比に収束し、式７の従属関係がほぼ成立するからである。従って、独立変数を１つ減らしても支障ないものである（但し、式２─１を用いた場合には、非線形となって上記した性質を持たないので、図８（ｂ）の示す形式のバネ機構体モデルを作成することができない）。
【０１３３】
また、第３の実施の形態において、温度センサを設け、検出された温度に応じてバネ定数Ｋａ，Ｋｂおよびダンピング定数Ｄを補償するようにしても良い。
【０１３４】
図１０は、この発明の第４の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置、より具体的にはその脚式移動ロボットの足部の構成を示す、図３と同様な足部２２Ｒ，Ｌのうち、左脚の足部２２Ｌの底面図である。
【０１３５】
第４の実施の形態においては、図１０を図３と対比すれば明らかな如く、円筒状弾性体３８２の配置を、図３に示す状態から４５度だけ右に回転させたものである。第１の実施の形態の構成に幾何学的な回転変換を施しただけであるので、残余の構成および効果は、第１の実施の形態と異ならない。
【０１３６】
尚、第４の実施の形態および第１の実施の形態において、演算を容易にするため、変位センサ７０を内蔵する円筒状弾性体３８２の対向する同士の離間距離が等間隔となるように、即ち、図１０および図３においてそれらを結ぶ線（２点鎖線）が形づくる形状が正方形をなすように構成したが、対向する同士の離間距離のみ等間隔とした長方形にしても良く、さらには対向する同士の離間距離も異なる台形とするなど、どのような形状としても良い。さらには変位センサ７０の個数も４個に限られるものではなく、５個以上であっても良い。
【０１３７】
図１１は、この発明の第５の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置、より具体的にはその脚式移動ロボットの足部の構成を示す、図３と同様な足部２２Ｒ，Ｌのうち、左脚の足部２２Ｌの底面図である。
【０１３８】
第５の実施の形態においては、同図に示すように、６軸力センサ３４を３個の円筒状弾性体３８２（３８２ａ，３８２ｂ，３８２ｃ）によって形成される三角形の重心付近にＺ軸方向感度中心線Ｚｃが位置するように配置して検出精度を向上させると共に、円筒状弾性体のそれぞれに１個づつ、変位センサ７０ａ，７０ｂ，７０ｃを配置するようにした。
【０１３９】
変位センサ７０の個数が３個であることから、変位センサ７０の異常を検知（自己診断）することができない。その意味で、第１および第２の実施の形態を簡易にしたものである。ただし、３個の変位センサ７０で面を形成することができるため、前記した３軸について床反力を推定（算出）することは可能である。
【０１４０】
尚、第５の実施の形態では変位センサ７０の個数を３個とすると共に、第１から第４の実施の形態では４個としたが、それらに限られるものではない。変位センサ７０の個数は、最小限１個であっても足りる。但し、その場合は床反力の中、鉛直軸方向の力成分（前記したＦｆｂｚ）しか推定（算出）することができないと共に、第２の実施の形態で述べた異常検知を行うことはできない。
【０１４１】
また変位センサ７０の個数を２個とすれば、床反力の中、鉛直軸方向の力成分（前記したＦｆｂｚ）に加え、２個の変位センサ７０を結ぶ直線に直交する水平軸回りのモーメントを検出（算出）することができる。さらに、３個とすれば、上で述べたように床反力の３軸力成分を推定（算出）することができる。
【０１４２】
図１２は、この発明の第６の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置、より具体的にはその脚式移動ロボットの足部２２の側面縦断面図である。また図１３は、図１２に示す足部２２の底面の模式図である。
【０１４３】
第６の実施の形態においては、図１０に示す第４の実施の形態の構成において、足関節１８，２０と足部２２の接地端の間に４個の円筒状弾性体３８２を配置すると共に、検出素子と変換部からなる変位センサ７０を４個の円筒状弾性体３８２のそれぞれの上下端で規定される空間内、より具体的には、円筒状弾性体３８２に内蔵させることなく、その付近（より詳しくは、対向する２個の円筒状弾性体３８２を結ぶ直線上）に配置し、よって足関節１８，２０に対する足部２２の接地端の変位を検出可能に構成した。
【０１４４】
図１２に示す如く、変位センサ７０は、第１の実施の形態と同様にプレート状の静電容量式の感圧センサ７０１と、それに対向配置されたプレート状体７０２と、感圧センサ７０１とプレート状体７０２の間に弾装されて感圧センサ７０１に圧力を加えるスプリング７０３からなる。感圧センサ７０１の内部には検出素子および変換部（共に図示せず）が一体的に内蔵され、変換部の出力はハーネス７０４から取り出され、制御ユニット２６に送られる。変位センサ７０はハウジング７０６内に気密に、換言すれば、密閉される空間内に収容される。
【０１４５】
第６の実施の形態は上記の如く構成したので、第１の実施の形態と同様、スペース的に制約のある脚式移動ロボットの足部の弾性体に変換部などの構成要素も含めてセンサをコンパクトに収納することができる。
【０１４６】
尚、第６の実施の形態において、変位センサ７０の配置例は図１４に示すようにしても良い。即ち、変位センサ７０は、隣接する２個の円筒状弾性体３８２を結ぶ直線（図示せず）の上に配置しても良い。さらには、図１５に示すように、変位センサ７０の個数は、円筒状弾性体３８２の個数と異なっても良い。尚、残余の構成および効果は、第１の実施の形態などの従前の実施の形態と異ならない。
【０１４７】
図１６は、この発明の第７の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置、より具体的にはその脚式移動ロボットの足部の構成を示す、図２と同様な足部２２Ｒ，Ｌのうち、左脚の足部２２Ｌの側面縦断面図である。
【０１４８】
第７の実施の形態においては、６軸力センサ３４を除去し、４個の円筒状弾性体３８２のそれぞれに変位センサ７０を内蔵させる（配置する）ようにした。従って、第７の実施の形態においても、変位センサ７０の自己診断が行われると共に、変位センサ７０の出力から推定される床反力のみが制御ユニット２６に送られ、その推定値に基づいて制御が行われる。尚、残余の構成および効果は、この実施の形態では逆Ω字状フレーム３８１と末端側のリンク３２が下部固定用ボルト５８によって締結される点を除くと、従前の実施の形態と異ならない。
【０１４９】
図１７は、この発明の第８の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置の構成を示す説明図である。
【０１５０】
第８の実施の形態においては、第３の実施の形態の構成に、適応オブザーバを追加するようにした。即ち、前記した円筒状弾性体３８２の粘弾性特性は温度依存性が高く、式２で述べた粘弾性モデルにおいてバネ定数Ｋａ，Ｋｂやダンピング定数Ｄなどは、温度によって大きく変化する。また、円筒状弾性体３８２の長期間使用によっても、バネ定数Ｋａ，Ｋｂやダンピング定数Ｄなどは経時的に変化（劣化）する。この場合、温度センサを追加して測定値で温度補償を行うのは構成を複雑にすると共に、後者の経時変化には無力である。
【０１５１】
従って、式２のパラメータ（Ｋａ，Ｋｂ，Ｄ）を定数として扱うと、上記した温度依存性あるいは経時変化によって変位センサ７０を用いた床反力の推定（算出）に誤差が生じる。
【０１５２】
上記の点に鑑み、第８の実施の形態においては、かかるパラメータを適応オブザーバを用いて自動同定し、よって得た推定状態値から床反力を推定（算出）することで変位センサ７０による床反力の推定精度を向上させるようにした。
【０１５３】
また、第１の実施の形態で変位センサ７０の異常を自己診断すると共に、第３の実施の形態において円筒状弾性体３８２や変位センサ７０などの劣化あるいは６軸力センサ３４の異常を自己診断するようにしているが、第８の実施の形態においては、それとは別に、さらにバネ定数Ｋａ，Ｋｂやダンピング定数Ｄを示すモデルのパラメータを適応オブザーバを用いて自動同定し、よって得たパラメータ同定値からも円筒状弾性体３８２の劣化などをより精度良く自己診断するようにした。
【０１５４】
適応オブザーバは、システム周囲の環境変化によってパラメータ値が変化する、あるいはパラメータ値を正確に求めることができない場合に対応してオブザーバの内部に未知パラメータを自動的に同定する同定機構を備えるようにしたものであり、図１７に示すような構成からなる。尚、図示の適応オブザーバは公知のものであって、例えば、「現代制御シリーズ  オブザーバ」コロナ社（昭和６３年１０月）に記載されている。
【０１５５】
以下、同図を参照して説明すると、適応オブザーバ１００は、入力値を状態変数とする状態変数フィルタ、未知パラメータ同定器、出力推定器および状態推定器からなる。尚、前記したように６軸力センサ３４および変位センサ７０は左右の脚にそれぞれ設けられることから、適応オブザーバ１００も、左右それぞれの脚に対応するオブザーバ、具体的には右脚用適応オブザーバ１００Ｒ、および左脚用適応オブザーバ１００Ｌが設けられる。ただし、各適応オブザーバは、入力値こそ異なるものの、それらの内部で行なわれる演算自体は同様なため、図１７にあってはＲ，Ｌを省略して説明する。
【０１５６】
適応オブザーバ１００には、６軸力センサ３４の出力の中の、変位センサ７０から推定される、式３から得られる３軸成分Ｆｆｂｚ，Ｍｆｂｘ，Ｍｆｂｙに対応するＦｆｓｚ，Ｍｆｓｘ，Ｍｆｓｙが入力されると共に、式４から得られる、円筒状弾性体３８２を支持する逆Ω字状フレーム３８１の足底フレーム５０に対する相対高さ（足関節１８，２０に対する足部２２の接地端の変位）ｈ、Ｘ軸まわりの相対傾斜θｘ（図示省略）、Ｙ軸まわりの相対傾斜θｙが入力される。
【０１５７】
尚、ｈ，θｘ，θｙは、式４を用いて円筒状弾性体３８２の縮み量Ｌｎ（変位センサ７０によって検出された値）から算出される。
【０１５８】
適応オブザーバ１００において、未知パラメータ同定器は、状態変数ｚに基づいた同定パラメータとしてバネ定数Ｋａハット、Ｋｂハットおよびダンピング定数Ｄハットを同定する。また、出力推定器は状態変数ｚ（ｔ）と同定パラメータを受け取り、推定出力として前記した３軸力成分Ｆｆｂｚハット，Ｍｆｂｘハット，Ｍｆｂｙハットを出力する。
【０１５９】
出力推定器の推定出力Ｆｆｂｚハット，Ｍｆｂｘハット，Ｍｆｂｙハットは加減算段１０２に送られ、そこで６軸力センサ出力Ｆｆｓｚ，Ｍｆｓｘ，Ｍｆｓｙが減算されて出力推定誤差Ｆｆｅｒｒｚ，Ｍｆｅｒｒｘ，Ｍｆｅｒｒｙが算出される。算出された出力推定誤差は、一方ではそのまま出力されると共に、他方では未知パラメータ同定器に入力される。また、状態推定器も状態変数ｚ（ｔ）と同定パラメータＫａハット、Ｋｂハット、Ｄハットを受け取り、前記したｈｓｔ，θｓｔｘ，θｓｔｙの推定値である推定状態値ｈｓｔハット，θｓｔｘハット，θｓｔｙハットを算出する。
【０１６０】
このように、適応オブザーバ１００は、式２で用いられるパラメータ（Ｋａ，Ｋｂ，Ｄ）を自動同定し、それに基づいて式３および式４で算出される値を算出する。尚、この明細書において、ハットを付した値は推定値を示す。
【０１６１】
ここで、６軸力センサ３４が正常に動作している場合、未知パラメータ同定器は、入力値から求められる状態変数ｚ（ｔ）と出力推定誤差Ｆｆｅｒｒｚ，Ｍｆｅｒｒｘ，Ｍｆｅｒｒｙに基づいてバネ定数Ｋａ，Ｋｂおよびダンピング定数Ｄを同定するので、円筒状弾性体３８２の粘弾性特性が周囲温度の増減に応じて変化しても、その変化を同定することができる。従って、推定出力を推定床反力とすることで、変位センサ７０の床反力推定精度を向上させることができる。さらに、適応オブザーバ１００で同定されるパラメータを用いて円筒状弾性体３８２の劣化などを検知（自己診断）することができる。
【０１６２】
図１８は、その動作を示すフロー・チャートである。図示のプログラムも制御ユニット２６において制御周期ごと、例えば１０ｍｓｅｃごとに実行される。
【０１６３】
以下説明すると、Ｓ２００において電源立ち上げ直後、即ち、通電して作動開始してから微少時間以内か否か判断し、肯定されるときはＳ２０２に進み、新しい円筒状弾性体３８２か否か判断する。尚、円筒状弾性体３８２が交換されたときは、前記したバックアップ部の適宜なフラグのビットが１にセットされるものとし、ここではそのフラグを参照して判断する。
【０１６４】
Ｓ２０２で肯定されるときはＳ２０４に進み、パラメータ、即ち、バネ定数Ｋａ，Ｋｂとダンピング定数Ｄの初期化を行う。即ち、パラメータを、新品の、換言すれば、全く劣化していない状態の円筒状弾性体３８２が備えるであろう値に設定する。次いでＳ２０６に進み、パラメータ許容範囲を設定する。パラメータ許容範囲は、設定されたパラメータに所定値を加減算した、あるいは所定の比率を乗じて得た上下限の値として設定、即ち、設定値（あるいは前回値）からの変化の許容値として設定する。また、上記したフラグ（円筒状弾性体３８２が新品に交換されたときに１にセットされるフラグ）を０にリセットする。
【０１６５】
他方、Ｓ２０２で否定されるときはＳ２０８に進み、バックアップ部に記憶していたパラメータ値、即ち、前回の歩行で得た最後のパラメータ推定値を適応オブザーバのパラメータ初期値として設定し、パラメータの許容範囲には前回設定されていた値を設定する。
【０１６６】
次いでＳ２１０に進み、運動中か否か判断する。ここで『運動中』とは、歩行などの重心移動を伴う運動動作を行なっている状態を言う。Ｓ２１０で肯定されるときはＳ２１２に進み、左右の脚（脚部２）のうち、どちらの脚が支持脚か否か判断し、右脚と判断されるときはＳ２１４に進み、右脚用適応オブザーバ１００Ｒの未知パラメータ同定器の演算を行なう。また、左脚と判断されるときはＳ２１６に進み、左脚用適応オブザーバ１００Ｌの未知パラメータ同定器の演算を行なう。
【０１６７】
このように、未知パラメータ同定器の演算（同定パラメータＫａハット、Ｋｂハット、Ｄハットの更新）は、運動中の支持脚期に実行するようにした。これは、適応オブザーバへの入力値（変位センサ７０および６軸力センサ３４の検出値）の変動が小さいときは適応オブザーバの推定精度が低下するためである。尚、推定精度の多少の低下を許容するならば、支持脚期、遊脚期に関わらず、両脚同時に未知パラメータ同定器の演算を実行するようにしても良い。あるいは、遊脚期など、適応オブザーバへの入力の変動が小さいときには、パラメータ推定ゲインを小さくするようにしても良い。
【０１６８】
次いでＳ２１８に進み、パラメータ推定値、即ち、同定されたパラメータＫ，Ｄが、Ｓ２０６あるいはＳ２０８で設定された許容範囲内にあるか否か判断し、否定されるときはＳ２２０に進み、円筒状弾性体３８２などが劣化あるいは異常と判断（自己診断）して短時間内に歩行を停止すると共に、警告灯を点灯し、その内容を表示装置に表示する。
【０１６９】
また、円筒状弾性体３８２は徐々に（経時的に）劣化することから、同定されたパラメータＫａ，Ｋｂ，Ｄが許容範囲内にないときは、過去の適宜なプログラムループ時（図１７のｔに相当）の変化量も勘案し、変化量が徐々に増大していてこのプログラムループで許容範囲内にないと判断される場合、対応する脚側の円筒状弾性体３８２が劣化したと判断することで、より精度の高い異常判断を行なうことができる。
【０１７０】
他方、先にも述べたように、６軸力センサ３４は機構が複雑なことから、劣化以外の異常が生じると一気に許容範囲を超えた値を出力する傾向があるので、過去の適宜なプログラムループ時の変化量が比較的微少であるにも関わらず、このプログラムループで許容範囲内にないと判断されるときは、６軸力センサ３４に断線などの異常が生じたと判断する。尚、Ｓ２２０の処理においては、第２あるいは第３の実施の形態の異常検知も併用し、その結果を考慮して判断するようにしても良い。
【０１７１】
次いでＳ２２２に進み、左右の脚について未知パラメータ同定器以外のオブザーバ演算を行なう。即ち、ロボット１が運動中であれば、更新された同定パラメータＫａハット、Ｋｂハット、Ｄハットに基づいて前記した出力推定値、即ち、変位センサ７０の出力に基づく床反力推定値Ｆｆｂｚハット，Ｍｆｂｘハット，Ｍｆｂｙハットを算出する。他方、ロボット１が運動中でないときは、同定パラメータを更新しないで、換言すれば、前回推定値を用いてオブザーバ演算を行い、床反力推定値Ｆｆｂｚハット，Ｍｆｂｘハット，Ｍｆｂｙハットを算出する。
【０１７２】
尚、算出した床反力に基づいて前記した複合的なコンプライアンス制御などを行う場合、各脚別の算出値をそのまま使用すると、パラメータの推定誤差によって左右のバランスを崩す恐れがあることから、各脚別の算出値の平均を求めるなどして共通化（同一化）するのが望ましい。尚、それに関しては次の実施の形態で述べる。
【０１７３】
続いてＳ２２４に進み、求めたパラメータ値をバックアップ部に記憶して終了する。尚、この処理は、通電が停止される直前に行っても良い。
【０１７４】
第８の実施の形態は上記の如く、足関節１８，２０と足部２２の接地端の間に配置された円筒状弾性体３８２の内部およびその付近の少なくともいずれか、より詳しくはその内部に設けられ、前記関節に対する前記足部の接地端の変位を示す出力を生じる変位センサ７０と、変位センサ７０の出力ｈ，θｘ，θｙと６軸力センサ３４の出力から検出された床反力Ｆｆｓｚ，Ｍｆｓｘ，Ｍｆｓｙを基に変位センサ７０の出力から推定される床反力Ｆｆｂｚハット，Ｍｆｂｘハット，Ｍｆｂｙハットと６軸力センサ３４の出力から検出された床反力との差である床反力推定誤差Ｆｆｅｒｒｚ，Ｍｆｅｒｒｘ，Ｍｆｅｒｒｙを求めると共に、前記モデルのパラメータ値Ｋａ，Ｋｂ，Ｄを同定する適応オブザーバ１００を備える如く構成したので、ロボット１の足部２２に６軸力センサ３４を設けて床反力を検出すると共に、それとは別に足部２２に粘弾性特性を利用した変位センサ７０を配置して床反力を算出（推定）するとき、温度センサを設けることなく、円筒状弾性体３８２の温度ドリフトや劣化による粘弾性特性の変化を推定することができ、よって検出精度を向上させることができる。
【０１７５】
さらに、パラメータ推定値および出力推定誤差に基づき、円筒状弾性体３８２および６軸力センサ３４の劣化、あるいは６軸力センサ３４の異常を自己診断するように構成したので、検出信頼性を向上させることができる。
【０１７６】
尚、上記したＳ２１８の処理において、円筒状弾性体３８２のパラメータＫａ，Ｋｂ，Ｄの温度特性を求めて予め記憶しておき、それを考慮してパラメータ推定値が許容範囲内にあるか否か判断するようにしても良い。即ち、円筒状弾性体あるいはその縁部の温度を測定し、測定値に応じて許容範囲を補正すると共に、パラメータ推定値が補正した許容範囲内にあるか否か判断することで、劣化（あるいは異常）をより一層精度良く判定することができる。
【０１７７】
さらに、パラメータ推定値が許容範囲内にあるか否か判断するのとは別に、各脚のパラメータ推定値同士を比較して左右度を判定しても良い。この場合、円筒状弾性体３８２の温度依存性の影響を受けることなく、その劣化を判定することができるが、左右の脚についての劣化が同程度であると判定することができないので、あくまでも補助的な判定手法である。
【０１７８】
また、適応オブザーバ１００を左右それぞれの脚、即ち、足部２２に対応して設け、右脚用適応オブザーバ１００Ｒ、および左脚用適応オブザーバ１００Ｌとしたが、前記したようにそれらの内部で行なわれる演算自体は同様なため、全ての脚、即ち、２本の脚（足部２２）について１個の適応オブザーバを備えるようにしても良い。この場合、例えばＳ２１２の判断に基づき、適応オブザーバ１００に入力すべき値を左右の脚部のいずれかから選択するようにすれば良い。
【０１７９】
図１９は、この発明の第９の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置の構成、より具体的にはそこで使用される適応オブザーバの構成を示す説明図である。
【０１８０】
第９の実施の形態は第８の実施の形態の変形例であり、左右の適応オブザーバ１００Ｒ，１００Ｌの各未知パラメータ同定器のパラメータ推定値をパラメータ共通化処理ブロック１０４において共通の値とし、共通化されたパラメータ推定値に基づいて各脚用の出力推定誤差を算出するように構成した。
【０１８１】
以下、図２０を参照して説明すると、右脚用適応オブザーバ１００Ｒの未知パラメータ同定器から出力されるパラメータ推定値の変更分（今回値と前回値の差分）ΔＫａＲ，ΔＫｂＲ，ΔＤＲと、左脚用適応オブザーバ１００Ｌの未知パラメータ同定器から出力されるパラメータ推定値の変更分ΔＫａＬ，ΔＫｂＬ，ΔＤＬがパラメータ共通化処理ブロック１０４に入力される。
【０１８２】
パラメータ共通化処理ブロック１０４では、各出力値の重み付き平均（αを０．５として単純平均としても良い）ΔＫａａｖｅ，ΔＫｂａｖｅ，ΔＤａｖｅを求め、それらをパラメータ推定値の前回値に加算して今回のパラメータ推定値（更新値）Ｋａハット、Ｋｂハット、Ｄハットを決定すると共に、決定したＫａハット、Ｋｂハット、Ｄハットを左右の適応オブザーバ１００Ｒ，１００Ｌに出力する。
【０１８３】
左右の適応オブザーバ１００Ｒ，１００Ｌでは、この共通化されたパラメータ推定値に基づいて各脚の床反力推定値を算出し、さらにそれらに基づいて出力推定誤差を算出する。このように、パラメータ推定値を共通化することで、左右パラメータの差に起因する歩行時の不安定化を防止することができる。
【０１８４】
尚、重み付き平均を算出するときは、遊脚側に比して支持脚側の重みを大きくする（右脚が遊脚期のときはαを大きく、左脚が遊脚期のときはαを小さくする）ことが望ましい。これは、前記したように遊脚期は適応オブザーバへの入力の変動が小さく、よって推定精度が低下するためである。
【０１８５】
第９の実施の形態は上記の如く構成したので、第８の実施の形態に比して構成は若干複雑となるものの、各脚についての推定精度および劣化などの自己診断精度を向上させることができる。尚、残余の構成および効果は、第８の実施の形態と異ならない。
【０１８６】
このように、第１から第９の実施の形態にあっては、少なくとも上体２４と、前記上体に第１の関節（股関節１０，１２，１４）を介して連結される複数本の脚部２を備えると共に、前記脚部の先端に第２の関節（足関節１８，２０）を介して連結される足部２２を備えた脚式移動ロボット１において、前記第２の関節と前記足部の接地端の間に弾性体（円筒状弾性体３８２）を配置すると共に、変位センサ、より具体的には検出素子と変換部からなる変位センサ７０を前記弾性体の上下端ｈｔで規定される空間内に配置し、よって前記第２の関節に対する前記足部の接地端の変位ｈ（Ｌｎ）を検出可能に構成した。
【０１８７】
また、前記第２の関節と前記足部の接地端の間に前記弾性体（円筒状弾性体３８２）を複数個（３個あるいは４個）、上面視において局部的に配置するように構成した。
【０１８８】
また、第１の実施の形態などにおいて前記変位センサ、より具体的には検出素子と変換部からなる変位センサ７０を前記弾性体（円筒状弾性体３８２）に内蔵させ、よって前記第２の関節に対する前記足部の接地端の変位を検出可能に構成した。
【０１８９】
また、第６の実施の形態において、前記変位センサ、より具体的には検出素子と変換部からなる変位センサ７０を前記弾性体（円筒状弾性体３８２）の付近に配置し、よって前記第２の関節に対する前記足部の接地端の変位を検出可能に構成した。
【０１９０】
また、前記複数個の弾性体（円筒状弾性体３８２）を上面視において前記足部２２の縁部に配置するように構成した。
【０１９１】
また、前記変位センサ７０が、密閉される空間内に収容されるように構成した。
【０１９２】
また、前記変位センサ７０が、バネ（スプリング７０３）および感圧センサ７０１からなるように構成した。
【０１９３】
また、前記バネ（スプリング７０３）の剛性を前記弾性体（円筒状弾性体３８２）の剛性に比して小さく設定するように構成した。
【０１９４】
また、少なくとも上体２４と、前記上体に第１の関節（股関節１０，１２，１４）を介して連結される複数本の脚部２を備えると共に、前記脚部の先端に第２の関節（足関節１８，２０）を介して連結される足部２２を備えた脚式移動ロボット１において、前記第２の関節に接続される第１の剛性体（逆Ω字状フレーム３８１）と、前記足部の接地端に接続される第２の剛性体（足底フレーム５０）とで規定される空間内に、上面視において相互に離間して配置されて前記第２の関節に対する前記足部の接地端の変位ｈ（Ｌｎ）を示す出力を生じる複数個の変位センサ７０、前記複数個の変位センサの出力Ｌｎが所定の幾何学的関係を満足するか否か判別する判別手段（制御ユニット２６，Ｓ１２）、および前記判別手段の判別結果に基づいて前記複数個の変位センサの少なくとも１個が異常か否か自己診断する自己診断手段（制御ユニット２６，Ｓ１４）を備える如く構成した。
【０１９５】
また、前記幾何学的関係は、前記複数個の変位センサ７０の中の対向配置された変位センサの出力の差が所定の値である関係である如く構成した。
【０１９６】
また、前記所定の値は、零あるいはその近傍の値である如く構成した。
【０１９７】
また、前記第１および第２の剛性体で規定される空間内に弾性体（円筒状弾性体３８２）を上面視において相互に離間させつつ複数個配置すると共に、その内部に前記変位センサ７０を内蔵させる如く構成した。
【０１９８】
また、前記第１および第２の剛性体で規定される空間内に弾性体（円筒状弾性体３８２）を上面視において相互に離間させつつ複数個配置すると共に、その付近に前記変位センサ７０を配置するように構成した。
【０１９９】
第３の実施の形態などにあっては、少なくとも上体２４と、前記上体に第１の関節（股関節１０，１２，１４）を介して連結される複数本の脚部２を備えると共に、前記脚部の先端に第２の関節（足関節１８，２０）を介して連結される足部２２を備えた脚式移動ロボット１において、前記第２の関節と前記足部の接地端の間に配置された弾性体（円筒状弾性体３８２）の内部および前記弾性体の付近の少なくともいずれかに設けられ、前記第２の関節に対する前記足部の接地端の変位ｈ（Ｌｎ）を示す出力を生じる変位センサ７０、および前記変位に応じて前記弾性体に生じる変位ｈ（Ｌｎ）と応力Ｆｎの関係を記述するモデルを用い、前記変位センサの出力に基づいて前記足部に作用する床反力Ｆｆｂｚ，Ｍｆｂｘ，Ｍｆｂｙを算出する床反力算出手段（制御ユニット２６）を備える如く構成した。
【０２００】
また、前記モデルは、第１のバネ（図６に示すバネ定数Ｋｂのバネ）と、前記第１のバネに直列に配列されるダンパ（ダンピング定数Ｄのダンパ）と、前記第１のバネおよびダンパに対して並列に配列される第２のバネ（バネ定数Ｋａのバネ）とから記述される如く構成した。
【０２０１】
また、前記床反力算出手段は、前記ダンパの変位Ｘｎを推定することによって前記床反力を推定するオブザーバ９０を備える如く構成した。
【０２０２】
また、前記床反力算出手段が算出する床反力が、少なくとも鉛直軸方向に作用する力成分Ｆｆｂｚを含むように構成した。
【０２０３】
また、前記変位センサが上視面において局部的に複数個配置されると共に、前記床反力算出手段は、前記複数個の変位センサのそれぞれの出力に基づいて前記床反力を算出するように構成した。
【０２０４】
また、前記床反力算出手段が算出する床反力が、鉛直軸方向に作用する力成分分Ｆｆｂｚと、前記鉛直軸に直交する軸回りのモーメント成分Ｍｆｂｘ，Ｍｆｂｙを含むように構成した。
【０２０５】
また前記第２の関節（足関節１８，２０）と前記足部の接地端の間に、前記ロボットが接地する床面から前記足部に作用する床反力Ｆｆｓｘ，Ｍｆｓｘ，Ｍｆｓｙを示す出力を生じる第２の床反力検出器（６軸力センサ３４）を配置するように構成した。
【０２０６】
さらに、前記床反力算出手段が算出する床反力Ｆｆｂｚ，Ｍｆｂｘ，Ｍｆｂｙと前記第２の床反力検出器の出力から検出される床反力Ｆｆｓｘ，Ｍｆｓｘ，Ｍｆｓｙに基づいて前記変位センサ７０および前記床反力検出器の少なくともいずれかが劣化あるいは異常か否か自己診断する自己診断手段（制御ユニット２６，Ｓ１００からＳ１２２）を備える如く構成した。
【０２０７】
また、前記自己診断手段は、前記床反力算出手段が算出する床反力と前記第２の床反力検出器の出力から検出される床反力の差および比の少なくともいずれか、より詳しくは差Ｆｆｅｒｒｚ，Ｍｆｅｒｒｘ，Ｍｆｅｒｒｙが第１の所定範囲内にあるか否か判断する第１の判断手段（制御ユニット，Ｓ１０２からＳ１０６）を備え、前記自己診断手段は、前記差および比の少なくともいずれかが前記第１の所定範囲内にないと判断されるとき、前記変位センサ、前記第２の床反力検出器および前記弾性体の少なくともいずれかが劣化と自己診断する（制御ユニット２６，Ｓ１０８からＳ１１２）如く構成した。
【０２０８】
また、前記自己診断手段は、前記床反力算出手段が算出する床反力と前記第２の床反力検出器の出力から検出される床反力の差および比の少なくともいずれか、より詳しくは差Ｆｆｅｒｒｚ，Ｍｆｅｒｒｘ，Ｍｆｅｒｒｙが第２の所定範囲内にあるか否か判断する第２の判断手段（制御ユニット２６，Ｓ１１４からＳ１１８）を備え、前記自己診断手段は、前記差および比の少なくともいずれかが前記第２の所定範囲内にないと判断されるとき、前記第２の床反力検出器が異常と自己診断する（制御ユニット２６，Ｓ１２０，Ｓ１２２）ように構成した。
【０２０９】
また、前記自己診断手段は、前記差および比の少なくともいずれかが前記第１の所定範囲内にないと判断された回数をカウントするカウント手段（制御ユニット２６，Ｓ１０８）を備え、前記カウントされた回数（カウント値Ｃ）が所定回数（所定値Ｃｒｅｆ）を超えるとき、前記変位センサ、前記床反力検出器および前記弾性体の少なくともいずれかが劣化と自己診断する（制御ユニット２６，Ｓ１１０からＳ１１２）如く構成した。
【０２１０】
第８および第９の実施の形態においては、少なくとも上体２４と、前記上体に第１の関節（股関節１０，１２，１４）を介して連結される複数本の脚部２を備えると共に、前記脚部の先端に第２の関節（足関節１８，２０）を介して連結される足部２２を備えた脚式移動ロボット１において、前記第２の関節と前記足部の接地端の間に配置された弾性体（円筒状弾性体３８２）の内部および前記弾性体の付近の少なくともいずれかに設けられ、前記第２の関節に対する前記足部の接地端の変位ｈ（Ｌｎ）を示す出力を生じる変位センサ７０、前記第２の関節と前記足部の接地端の間に配置され、前記ロボットが接地する床面から前記足部に作用する床反力Ｆｆｓｚ，Ｍｆｓｘ，Ｍｆｓｙを示す出力を生じる床反力検出器（６軸力センサ３４）、および前記変位に応じて前記弾性体の変位ｈ（Ｌｎ）に生じる応力Ｆｎの関係を記述するモデルを用い、前記変位センサの出力ｈ，θｘ，θｙと前記床反力検出器の出力から検出された床反力Ｆｆｓｚ，Ｍｆｓｘ，Ｍｆｓｙに基づき、前記変位センサから推定される床反力Ｆｆｂｚハット，Ｍｆｂｘハット，Ｍｆｂｙハットと前記床反力検出器の出力から検出された床反力との差を示す床反力推定誤差Ｆｆｅｒｒｚ，Ｍｆｅｒｒｘ，Ｍｆｅｒｒｙを出力すると共に、前記モデルのパラメータ値Ｋａ，Ｋｂ，Ｄを同定する適応オブザーバ１００、より詳しくは適応オブザーバ１００を備えた推定手段（制御ユニット２６，Ｓ２００からＳ２２４）を備える如く構成した。
【０２１１】
さらに、少なくとも前記パラメータ値Ｋａハット，Ｋｂハット，Ｄハットに基づいて前記弾性体の劣化を自己診断する弾性体自己診断手段（制御ユニット２６，Ｓ２１８）を備える如く構成した。
【０２１２】
また、前記適応オブザーバ１００が前記足部２２のそれぞれ、具体的には左右の足部について別々に（右脚用１００Ｒ，左脚用１００Ｌとして）設けられるように構成した。
【０２１３】
また、前記適応オブザーバ１００が前記足部２２の全て、具体的には２個の足部２２について１個設けられるように構成した。
【０２１４】
また、前記パラメータ値Ｋａ，Ｋｂ，Ｄ、より詳しくはパラメータ共通化処理ブロック１０４で共通化処理されたパラメータ値Ｋａハット＋ΔＫａａｖｅ，Ｋｂハット＋ΔＫｂａｖｅ，Ｄハット＋ΔＤａｖｅが、複数個の前記適応オブザーバ１００Ｒ，１００Ｌに共通して用いられるように構成した。
【０２１５】
さらに、前記床反力推定誤差Ｆｆｅｒｒｚ，Ｍｆｅｒｒｘ，Ｍｆｅｒｒｙに基づいて前記床反力検出器の異常を自己診断する床反力検出器自己診断手段（制御ユニット２６、Ｓ１０２からＳ１２２）を備えるように構成した。
【０２１６】
また、前記モデルが前記弾性体の粘弾性特性をバネ（バネ定数Ｋａのバネとバネ定数Ｋｂのバネ）とダンパ（ダンピング定数Ｄのダンパ）で近似するものであると共に、前記パラメータ値が前記バネとダンパの定数Ｋａ，Ｋｂ，Ｄからなるように構成した。
【０２１７】
尚、上記において、変位センサを静電容量式の感圧センサを用いて構成したが、感圧センサの種類はそれに限られるものではなく、圧電式、歪みゲージ、うず電流式などであっても良い。
【０２１８】
また、２足のヒューマノイド型のロボットを例にとって説明したが、この発明は３足以上の脚式移動ロボットにおいても妥当するものである。
【０２１９】
【発明の効果】
請求項１項においては、第２の関節と足部の接地端の間に空間を備える弾性体を配置すると共に、変位センサ、より具体的には検出素子と変換部からなる変位センサを弾性体の空間内に内蔵し、よって第２の関節に対する足部の接地端の変位を検出可能に構成したので、スペース的に制約のある脚式移動ロボットの足部の弾性体に変換部などの構成要素も含めてセンサをコンパクトに収納することができる。
【０２２０】
請求項２項にあっては、第２の関節と足部の接地端の間に弾性体を複数個、上面視において局部的に配置するように構成したので、スペース的に制約のある脚式移動ロボットの足部の弾性体にセンサをコンパクトに収納できると共に、足部の弾性を最適にすることができる。
【０２２３】
請求項３項にあっては、複数個の弾性体を上面視において足部の縁部に配置するように構成したので、上で述べたように相反する要求を最適に満足させることができ、足部の弾性を最適にすることができる。
【０２２４】
請求項４項にあっては、変位センサが弾性体の密閉される空間内に収容されて内蔵されるように構成したので、前記した効果に加え、変位センサに水分、塵埃などの異物が付着あるいは侵入するのを防止することができ、変位センサの耐久性を高めることができる。さらに、周囲温度の影響も受け難くなり、温度補償などの補正の必要性を軽減することができる。
【０２２５】
請求項５項にあっては、変位センサが、バネおよび感圧センサからなるように構成したので、通常の変位（ストローク）から検出する場合に比し、センサの構成を一層コンパクトにすることができる。
【０２２６】
請求項６項にあっては、バネの剛性を前記弾性体の剛性に比して小さく設定するように構成したので、前記した効果に加え、弾性体の振動減衰効果を低下させることがない。
【０２２７】
請求項７項にあっては、第１の剛性体と第２の剛性体とで規定される空間内に、上面視において相互に離間して配置された複数個の変位センサの出力が所定の幾何学的関係を満足するか否か判別し、その判別結果に基づいて変位センサの少なくとも１個が異常か否か自己診断するように構成したので、即ち、その冗長自由度を利用してセンサの異常を自己診断するので、着地時の衝撃に曝される脚式移動ロボットの足部にセンサを配置するときも、検出信頼性を向上させることができる。
【０２２８】
請求項８項にあっては、幾何学的関係は、複数個の変位センサの中の対向配置された変位センサの出力同士から求められる値が所定の値である関係である如く構成した変位センサが異常か否かを容易かつ迅速に自己診断することができ、検出信頼性を向上させることができる。
【０２２９】
請求項９項にあっては、所定の値が、零あるいはその近傍の値である関係である如く構成したので、変位センサが異常か否かを容易かつ迅速に自己診断することができ、検出信頼性を向上させることができる。
【０２３０】
請求項１０項にあっては、第１および第２の剛性体で規定される空間内に弾性体を上面視において相互に離間させつつ複数個配置すると共に、その内部に変位センサを内蔵させる如く構成したので、従前の請求項で述べた効果に加え、スペース的に制約のある脚式移動ロボットの足部に変位センサをコンパクトに収納することができる。
【０２３１】
請求項１１項にあっては、第１および第２の剛性体で規定される空間内に弾性体を上面視において相互に離間させつつ複数個配置すると共に、その付近に変位センサを配置するように構成したので、従前の請求項で述べた効果に加え、同様にスペース的に制約のある脚式移動ロボットの足部に変位センサをコンパクトに収納することができる。
【０２３２】
請求項１２項にあっては、変位センサが、バネおよび感圧センサからなるように構成したので、従前の請求項で述べた効果に加え、センサの構成を一層コンパクトにすることができる。
【０２３３】
請求項１３項にあっては、バネの剛性を弾性体の剛性に比して小さく設定するように構成したので、従前の請求項で述べた効果に加え、弾性体の振動減衰効果を低下させることがない。
【０２３４】
請求項１４項にあっては、変位センサの出力に基づいて足部に作用する床反力を算出する如く構成したので、床反力を精度良く算出することができ、脚式移動ロボットを一層安定に歩行させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一つの実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置の説明斜視図である。
【図２】図１に示す脚式移動ロボットの足部の側面縦断面図である。
【図３】図２に示す足部の底面図である。
【図４】図２に示す足部の部分拡大図である。
【図５】この発明の第２の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置の動作を示す、図２に示す変位センサの異常検知（自己診断）を示すフロー・チャートである。
【図６】この発明の第３の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置の動作である、図２に示す変位センサによる床反力推定において使用される、図２に示す円筒状弾性体（弾性体）の特性を近似したモデルを示す説明図である。
【図７】第３の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置における変位センサによる床反力推定を説明する、図２に示す足部の模式図である。
【図８】第３の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置における変位センサによる床反力推定において使用されるバネ機構体モデルの入出力関係を示すブロック図である。
【図９】第３の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置の動作を示す、変位センサおよび６軸力センサなどの異常検知（自己診断）を示すフロー・チャートである。
【図１０】この発明の第４の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置、より具体的にはその脚式移動ロボットの足部の構成を示す、図３と同様な足部２２Ｒ，Ｌのうち、左脚の足部２２Ｌの底面図である。
【図１１】この発明の第５の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置、より具体的にはその脚式移動ロボットの足部の構成を示す、図３と同様な足部２２Ｒ，Ｌのうち、左脚の足部２２Ｌの底面図である。
【図１２】この発明の第６の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置、図２と同様の脚式移動ロボットの足部の側面縦断面図である。
【図１３】図１２に示す足部の底面の模式図である。
【図１４】第６の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置の変形例を示す足部底面の模式図である。
【図１５】第６の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置の変形例を示す足部底面の模式図である。
【図１６】この発明の第７の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置、図２と同様の脚式移動ロボットの足部の側面縦断面図である。
【図１７】この発明の第８の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置の構成を示す説明図である。
【図１８】第８の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置の動作を示すフロー・チャートである。
【図１９】この発明の第９の実施の形態に係る脚式移動ロボットおよびその床反力検出装置の構成を示す説明図である。
【図２０】図１９に示すパラメータ共通化処理ブロックの構成を詳しく示す説明図である。
【符号の説明】
１  脚式移動ロボット（ロボット）
２  脚部（脚）
１０，１２，１４Ｒ，Ｌ  股関節（第１の関節）
１８，２０Ｒ，Ｌ  足関節（第２の関節）
２２Ｒ，Ｌ  足部
２４    上体
２６    制御ユニット
３４    ６軸力センサ（床反力検出器）
３８    バネ機構体
４０    ソール
５０    足底フレーム（第２の剛性体）
５２    足底プレート
７０    変位センサ
９０    オブザーバ
１００  適応オブザーバ
３８１  逆Ω字状フレーム（第１の剛性体）
３８２  円筒状弾性体（弾性体）
７０１  感圧センサ
７０３  スプリング（バネ）
【図１】
0003726057.tif 000003
【図２】
0003726057.tif 000004
【図３】
0003726057.tif 000005
【図４】
0003726057.tif 000006
【図５】
0003726057.tif 000007
【図６】
0003726057.tif 000008
【図７】
0003726057.tif 000009
【図８】
0003726057.tif 000010
【図９】
0003726057.tif 000011
【図１０】
0003726057.tif 000012
【図１１】
0003726057.tif 000013
【図１２】
0003726057.tif 000014
【図１３】
0003726057.tif 000015
【図１４】
0003726057.tif 000016
【図１５】
0003726057.tif 000017
【図１６】
0003726057.tif 000018
【図１７】
0003726057.tif 000019
【図１８】
0003726057.tif 000020
【図１９】
0003726057.tif 000021
【図２０】
0003726057.tif 000022