CN100398268C - 步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置 - Google Patents

Abstract

一种步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置，由于在弹性件(382)的内部或者其附近设置产生表示相对于第二关节(18、20)的脚部(22)的接地端位移的输出的位移传感器(70)，并且使用记录与上述位移相对应的在弹性件中产生的位移和应力的关系的模型，根据位移传感器的输出计算出作用在上述脚部上的地面反作用力，所以能以很高的精度计算出地面反作用力，从而能使步行式移动机器人(1)更加稳定地步行。此外，还可以组合不同种类的检测装置，构成双重传感器系统，以提高检测的可靠程度。还有，由于可以对位移传感器等是否劣化或者异常进行自我诊断，并且不设置温度传感器也能进行温度补偿，所以进一步提高了检测的可靠性。

Description

步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置

技术领域

本发明涉及步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置。

背景技术

步行式移动机器人，特别是双脚类人型步行式移动机器人，在脚部布置了传感器，能够检测出由于脚部着地而产生的位移或地面对脚部的反作用力，根据所检测到的值，进行适当的控制，从而实现稳定地步行。

在脚部布置了用于检测地面反作用力的传感器的例子，公知的有例如特开平5-305584号公报上所记载的技术，在这种现有技术中，在类人型步行式移动机器人的脚关节与脚部的接地端之间，布置了6种轴向力传感器，以检测作用在脚部上的地面反作用力。

此外，作为布置检测脚部的位移的传感器的例子，公知的有例如在日本机器人学会杂志第13卷第7期(1995年10月号)的1030页～1037页中提出的技术方案，在这种现有技术中，在同样种类的步行式移动机器人的脚部，用钢丝绳将缓冲件连接并夹在上部脚底板与下部脚底板之间，在上部脚底板的四角上安装作为电位差计(位移传感器)的结构要素的一部分的检测元件，并且，在其上方布置了转换部分等，通过检测元件检测出上部与下部的脚底板之间的距离(位移)，从而检测出是否着地以及路面高度的偏差(凹凸)。

可是，步行式移动机器人，特别是类人型的机器人的脚部，在步行时，为了防止由于跨出去的腿的摇摆而造成的反作用力使得支承腿产生绕着垂直轴线的扭动，需要设置适当的导向部分，并且，还要求具有适当的弹性，以便能吸收跨出去的腿着地时的冲击力。

这样，在步行式移动机器人，特别是在类人型的机器人的脚部设置传感器时，因为脚部的空间是有限的，不仅希望紧凑地收容位移传感器，而且为使步行式移动机器人更稳定地步行，还希望在根据足部位移检测出是否着地之外，检测出作用在脚部的地面反作用力。

发明内容

因此，本发明的第一个目的是提供一种步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其在步行式移动机器人的脚部布置位移传感器，并能根据该位移传感器的输出，计算出(推断)作用在脚部的地面反作用力。

还有，在把地面反作用力检测装置设置在步行式移动机器人的脚部，以检测作用在脚部上的地面反作用力时，如果再另外在脚部布置位移传感器，计算出(推断)出地面反作用力，则可以把不同种类的两种检测装置组合在一起，构成传感器的双重系统，从而能提高检测的可靠性。

因此，本发明的第二个目的就是提供一种步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其在步行式移动机器人的脚部设置地面反作用力检测器，检测作用在脚部的地面反作用力，并且再另外在脚部布置位移传感器，计算出(推断)出地面反作用力，从而构成传感器的双重系统，提高检测的可靠性。

还有，在把地面反作用力检测装置设置在步行式移动机器人的脚部，以检测作用在脚部上的地面反作用力的同时，再另外在脚部布置位移传感器，计算出(推断)出地面反作用力时，因为地面反作用力检测器要受到上述那样的着地时的冲击，所以从进一步提高检测的可靠性的意义上考虑，还希望能从位移传感器的输出中自我诊断出地面反作用力检测器的劣化或者异常。

因此，本发明的第三目的就是提供一种步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，在步行式移动机器人的脚部设置地面反作用力检测器，以检测作用在脚部上的地面反作用力，并且还另外在脚部上布置位移传感器，在计算出(推断)地面反作用力时，还能从位移传感器的输出中对地面反作用力检测器的劣化或者异常进行自我诊断，并且能进一步提高检测的可靠性。

还有，在把地面反作用力检测装置设置在步行式移动机器人的脚部，以检测作用在脚部上的地面反作用力的同时，再另外在脚部上布置利用弹性件的粘弹性特性的位移传感器，计算出(推断)出地面反作用力时，由于弹性件的粘弹性特性是随着温度和劣化而变化的，如果再设置温度传感器等来进行补偿，就会使结构复杂化。

因此，本发明的第四目的就是提供一种步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，在步行式移动机器人的脚部设置地面反作用力检测器，以检测作用在脚部上的地面反作用力，并且另外在脚部上布置利用粘弹性特性的位移传感器，计算出(推断)出地面反作用力时，不必设置温度传感器就能够推断出由于弹性件温度的上升和劣化而造成的粘弹性特性的变化，从而提供一种能进一步提高检测的可靠性的。

本发明为达到上述第一个目的，提供了一种本发明第一方面所记载的结构：步行式移动机器人至少具有上体和通过第一关节连接在上述上体上的若干条腿部，并且具有通过第二关节连接在上述腿部前端的脚部，在该步行式机器人中，具有：位移传感器，其设置在配置于上述第二关节与上述脚部的接地端之间的随着载荷而收缩的弹性件的内部和上述弹性件附近的至少一处，产生表示上述脚部的接地端相对于上述第二关节的位移的输出；以及地面反作用力的计算装置，其使用记录与上述位移相对应的在上述弹性件中所产生的位移和应力的关系的模型，根据上述位移传感器的输出计算出作用在上述脚部上的地面反作用力。这样，由于在弹性件的内部或者其附近设置产生表示脚部的接地端相对于第二关节的位移的输出的位移传感器，并且使用根据上述位移记录在上述弹性件中所产生的位移和应力的关系的模型，能根据位移传感器的输出计算出作用在脚部的地面反作用力，从而能以很高的精度计算出地面反作用力，能进一步使步行式移动机器人稳定地步行。

此外，根据本发明的第二方面，本发明具有如下结构：上述模型由下列各部分构成：第一弹簧；布置成与上述第一弹簧串联的阻尼器；布置成与上述第一弹簧和阻尼器并联的第二弹簧。这样，由于模型是如上面所述那样由第一弹簧、布置成与上述第一弹簧串联的阻尼器和布置成与上述第一弹簧和阻尼器并联的第二弹簧所构成的，即，使用考虑了弹性件的阻尼特性的模型，所以能获得频率特性优良的地面反作用力的推断值，换言之，能以良好的应答性进行地面反作用力的计算，从而能使步行式移动机器人更加稳定地步行。

此外，根据本发明的第三方面，本发明具有如下结构：上述地面反作用力计算装置具有通过推断上述阻尼器的位移来推断上述地面反作用力的观察器。这样，由于具有通过推断阻尼器的位移来推断地面反作用力的观察器，所以能以更高的精度计算出地面反作用力，从而能使步行式移动机器人更加稳定地步行。

此外，根据本发明的第四方面，本发明具有如下结构：上述地面反作用力计算装置计算出来的地面反作用力至少包括作用在垂直轴线方向上的分力。这样，由于由上述地面反作用力计算装置计算出来的地面反作用力至少包括作用在垂直轴线方向上的分力，所以，就能根据作用在这个方向上的地面反作用力，使得步行式移动机器人更加稳定地步行

此外，根据本发明的第五方面，本发明具有如下结构：上述弹性件在俯视图上局部地布置若干个，并且，上述地面反作用力计算装置根据上述若干个位移传感器的各自的输出，计算出上述地面反作用力。这样，由于在结构上上述位移传感器在俯视图上看局部地布置若干个，并且，上述地面反作用力计算装置根据上述若干个位移传感器的各自的输出，计算出上述地面反作用力，所以除具有本发明第一方面所陈述的效果，还能使得脚部的弹性最适当。

此外，根据本发明的第六方面，本发明具有如下结构：上述地面反作用力计算装置计算出来的地面反作用力包括作用在垂直轴线方向上的分力，和绕着与上述垂直轴线正交的轴线的力矩成分。这样，由于所计算出来的地面反作用力包含了作用在重力轴线方向的分力，和绕着与上述垂直轴线正交的轴线的力矩成分，所以，在本发明第四方面所述的效果之外，还能根据作用在以上所述的方向上的地面反作用力，使得步行式移动机器人能更加稳定地步行。

此外，根据本发明的第七方面，本发明具有如下结构：上述位移传感器由弹簧和压敏传感器构成。这样，由于位移传感器是由弹簧和压敏传感器所构成的。所以，在本发明第一方面所述的效果之外，还能使传感器的结构更加紧凑。

此外，根据本发明的第八方面，本发明具有如下结构：把上述弹簧的刚性设定得比上述弹性件的刚性小。这样，由于把弹簧的刚性设定得比上述弹性件的刚性小，所以在本发明第一方面所述的效果之外，还不会降低弹性件的衰减振动的效果。

此外，根据本发明的第九方面，本发明具有如下结构：在上述第二关节与上述脚部之间，布置了产生表示上述机器人所接触的地面作用在上述脚部上的地面反作用力的输出的第二地面反作用力检测器。这样，由于在第二关节与上述脚部的接地端之间，布置了产生表示机器人所接触的地面作用在脚部上的地面反作用力的输出的第二地面反作用力检测器，所以，如果在用设置在步行式移动机器人脚部上的地面反作用力检测器来检测作用在脚部上的地面反作用力时，再用布置在脚部的位移传感器来计算(推断)地面反作用力，就能构成用两种不同检测装置组合起来的传感器的双重系统，以提高检测的可靠性。

此外，根据本发明的第十方面，本发明具有如下结构：更进一步，还具有自我诊断装置，该自我诊断装置根据上述地面反作用力计算装置算出来的地面反作用力和从上述地面反作用力检测器的输出检测出来的地面反作用力，对上述位移传感器和上述第二地面反作用力检测器中是否至少有一个劣化或者异常进行自我诊断。这样，由于还具有自我诊断装置，根据计算出来的地面反作用力和从第二地面反作用力检测器的输出所检测出来的地面反作用力，来诊断位移传感器和检测器中是否至少有一个劣化或者异常，所以能进一步提高检测的可靠性。

此外，根据本发明的第十一方面，本发明具有如下结构：上述自我诊断装置具有第一判断装置，其判断上述地面反作用力计算装置所计算出来的地面反作用力与从上述第二地面反作用力检测器的输出所检测到的地面反作用力之差和比中的至少某一种，是否在第一规定范围内，当上述自我诊断装置判断上述差和比中的至少某一种不在上述第一规定范围内时，上述位移传感器即自我诊断为在上述位移传感器、上述第二地面反作用力检测器和上述弹性件中的至少一个劣化了。这样，由于有了这样的结构，当判断计算出来的地面反作用力和所检测到的地面反作用力的差和比中的至少某一种是否在第一规定范围内，且判断为不在第一规定范围内时，即可自我诊断为位移传感器、第二地面反作用力检测器和弹性件中的至少有一个劣化了，从而能以很高的精度对这些部件的劣化进行自我诊断。

此外，根据本发明的第十二方面，本发明具有如下结构：上述自我诊断装置具有第二判断装置，其判断上述地面反作用力计算装置计算出来的地面反作用力与从上述第二地面反作用力检测器所检测到的地面反作用力之差和比中的至少某一种，是否在第二规定范围内，当上述自我诊断装置判断上述差和比中的至少某一种不在上述第二规定范围内时，就可以判断上述第二地面反作用力检测器异常了。这样，由于有了这样的结构，当判断计算出来的地面反作用力和所检测到的地面反作用力的差和比中的至少某一种是否在第二规定范围内，且判断为不在第二规定范围内时，即可自我诊断为第二地面反作用力检测器异常了，从而能以很高的精度对第二地面反作用力检测器的异常进行自我诊断。

此外，根据本发明的第十三方面，本发明具有如下结构：上述自我诊断装置具有计算判断上述差和比至少有某一种不在上述第一范围内的次数的计数装置，当上述所计算的次数超过规定的次数时，便自我诊断为上述位移传感器、上述第二地面反作用力检测器和上述弹性件中至少有一个劣化了。这样，当计算判断上述差和比至少有一种不在上述第一范围内的次数，且该次数超过规定的次数时，则自我诊断为位移传感器、第二地面反作用力检测器和弹性件中至少有一个劣化了，所以，因一次性的情况的发生而误认的情况减少了，能更加精确地对劣化进行自我诊断。

此外，根据本发明的第十四方面，本发明具有如下结构：步行式移动机器人至少具有上体和通过第一关节连接在上述上体上的若干条腿部，并且具有通过第二关节连接在上述腿部前端的脚部，在该步行式机器人中，具有：位移传感器，其设置在上述第二关节与上述脚部的接地端之间的弹性件的内部和上述弹性件附近的至少一处，产生表示上述脚部的接地端相对于上述第二关节的位移的输出；地面反作用力检测器，其布置在上述第二关节与上述脚部的接地端之间，产生表示从上述机器人所接触的地面作用在上述脚部上的地面反作用力的输出；以及自适应观察器，其使用记录与上述位移相对应的在上述弹性件中产生的位移和应力的关系的模型，根据从上述位移传感器的输出和从上述地面反作用力检测器的输出所检测出来的地面反作用力，输出表示由上述位移传感器所推断的地面反作用力与由上述地面反作用力检测器的输出所检测出来的地面反作用力的差的地面反作用力推断误差的同时，鉴别上述模型的参数值。这样，由于具有：位移传感器，其在弹性件内部及其附近的至少一处设置，产生表示脚部的接地端相对于第二关节的位移的输出的；地面反作用力检测器，其产生表示地面作用在上述脚部上的地面反作用力的输出；以及自适应观察器，其使用记录与上述位移相对应的在弹性件中产生的位移和应力的关系的模型，在输出表示由上述位移传感器所推断的地面反作用力与由上述地面反作用力检测器的输出所检测出来的地面反作用力的差的推断误差的同时，鉴别模型的参数值，所以，在把地面反作用力检测器设置在步行式移动机器人的脚部，以检测作用在脚部上的地面反作用力的同时，还另外在脚部上布置了利用粘弹性特性的位移传感器，计算(推断)出地面反作用力时，不必设置温度传感器，就能够推断由于弹性件的温度偏差和劣化而造成的粘弹性特性的变化，从而能进一步提高检测的精度。

此外，根据本发明的第十五方面，本发明具有如下结构：还具有至少根据上述参数值对上述弹性件的劣化进行自我诊断的弹性件自我诊断装置。这样，由于这种至少根据参数值对弹性件的劣化进行自我诊断的结构，从而能进一步提高检测的可靠性。

此外，根据本发明的第十六方面，本发明具有如下结构：上述自适应观察器分别设置在上述各个脚部上，用于输出上述输出推断误差和推断输出。这样，由于自适应观察器分别设置在上述各个脚部上，输出输出推断误差和推断输出，所以能进一步提高脚部的各种数值的检测精度。

此外，根据本发明的第十七方面，本发明具有如下结构：在上述各个脚部都设置一个上述自适应观察器，以输出上述输出推断误差和推断输出。这样，由于在所有脚部(腿部)都设置一个自适应观察器，以输出输出推断误差和推断输出，所以不但结构简单，还能提高对各脚部的值的检测精度。

此外，根据本发明的第十八方面，本发明具有如下结构：上述参数值能在多个上述自适应观察器上通用。这样，由于参数值能在多个自适应观察器上通用，所以，在具有本发明第十六方面的效果之外，还能防止由于参数值的差造成的步行时的不稳定。

此外，根据本发明的第十九方面，本发明具有如下结构：还具有根据上述地面反作用力的推断误差对上述地面反作用力检测器的异常进行自我诊断的地面反作用力检测器自我诊断装置。这样，由于还具有根据地面反作用力的推断误差对地面反作用力检测器的异常进行自我诊断，所以能进一步提高检测的可靠性。

此外，根据本发明的第二十方面，本发明具有如下结构：上述模型中上述弹性件的粘弹性特性近似于弹簧和阻尼器，并且上述参数值是由上述弹簧和阻尼器的常数构成的。这样，由于模型中弹性件的粘弹性近似于弹簧和阻尼器，并且参数值是由弹簧和阻尼器的常数构成的，所以能更加确定地推断由于温度的偏移和劣化所造成的粘弹性特性的变化。

附图说明

图1是说明本发明的一个实施例的步行式移动机器人与其地面反作用力检测装置的立体图；

图2是图1中的步行式移动机器人的脚部的侧面的纵断面图；

图3是图2所示的脚部的仰视图；

图4是图2所示的脚部的局部放大图；

图5是表示本发明的第二实施例的步行式移动机器人与其地面反作用力检测装置的工作过程，以及表示图2中所示的位移传感器的异常检测(自我诊断)的流程图；

图6是表示本发明的第三实施例的步行式移动机器人与其地面反作用力检测装置的工作过程，表示在由图2中所示的位移传感器推断地面的反作用力时所使用的，近似于图2中所示的圆筒形弹性件的特性的模型的说明图；

图7说明由第三实施例的步行式移动机器人与其地面反作用力检测装置中位移传感器推断地面反作用力的图2中所示的脚部的模型图；

图8表示由第三实施例的步行式移动机器人与其地面反作用力检测装置中的位移传感器推断地面反作用力时所使用的弹簧机构模型的输出输入关系的框图；

图9是表示本发明的第三实施例的步行式移动机器人与其地面反作用力检测装置的工作过程，以及位移传感器和6种轴向力传感器等的异常检测(自我诊断)的流程图；

图10表示本发明的第四实施例的步行式移动机器人与其地面反作用力检测装置，更具体的说，表示该步行式移动机器人的脚部的结构与图3相同的脚部22R、22L中，左腿的脚部22L的底面图；

图11表示本发明的第五实施例的步行式移动机器人与其地面反作用力检测装置，更具体的说，表示该步行式移动机器人的脚部的结构与图3相同的脚部22R、22L中，左腿的脚部22L的底面图；

图12表示本发明的第六实施例的步行式移动机器人与其地面反作用力检测装置，以及的结构与图2相同的步行式移动机器人的脚部的侧面纵断面图；

图13是图12中所示的脚部的底面模式图；

图14是表示第六实施例的步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置的变型例的脚部底面的模式图；

图15也是表示第六实施例的步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置的变型例的脚部底面的模式图；

图16是本发明的第七实施例的步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置，以及图2相同的步行式移动机器人脚部的侧面纵断面图；

图17是本发明的第八实施例的步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置的结构说明图；

图18是第八实施例的步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置的工作过程的流程图；

图19是本发明的第九实施例的步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置的结构说明图；

图20是详细表示图19中所示的参数通用化处理框图的构成的说明图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的一个实施例中的步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置。

图1是本实施例的步行式移动机器人，更详细的说，是双脚类人型机器人及其地面反作用力检测装置的整体示意图。

如图1所示，双脚类人型机器人(步行式移动机器人，下称“机器人”)1在左、右腿部(腿或者腿部环节)2上分别有6个关节。这6个关节由从上往下的下列各个关节构成：大腿(腰部)上的腿部旋转(绕Z轴线旋转)用的关节10R、10L(右侧为R，左侧为L，以下都相同)，大腿(腰部)上的摇摆方向(绕X轴线旋转)的关节12R、12L，大腿(腰部)上的俯仰方向(绕Y轴线旋转)的关节14R、14L，膝部的俯仰方向的关节16R、16L，脚踝的俯仰方向的关节18R、18L，以及脚踝摇摆方向的关节20R、20L。

在关节18R(L)、20R(L)的下部安装了脚部(脚板)22R、22L，并且，在最上部设有上体(基体)24，在上体的内部收藏了控制部件26和机载电池(图中未表示)等。控制部件26由CPU、ROM、RAM等组成的微机所构成，并且具有对机器人1的传感器系统等的异常发出警告的警告灯，以及显示警告内容的显示装置(图中都未表示)。此外，控制部件26的RAM的一部分，具有由在机载电池停止供电后仍能继续收存储存值的一部分的不挥发存储器构成的备份(back-up)部分。

如上所述，大腿关节(或者腰关节，即上述的第一部分关节)由关节10R(L)、12R(L)、14R(L)构成，而脚关节(脚踝关节，即上述的第二部分关节)由关节18R(L)、20R(L)构成。大腿关节与膝关节(16R(L))由大腿联杆28R、28L连接，而膝关节与脚关节则由小腿联杆30R、30L连接。此外，脚关节与脚部22R则由末端联杆32R、32L连接。

此外，如图1所示，在脚关节18、20R(L)和脚板22R(L)的接地端之间，安装了公知的6种轴向力传感器(地面反作用力检测器)34，以测定该轴向力的三个方向的分量Fx、Fy、Fz，和力矩的三个方向的分量Mx、My、Mz，用于产生表示脚部是否着地(接地)、以及由地面(图中未表示)施加的地面反作用力(接地载荷)等输出信号。此外，在上体24上设有倾斜传感器36，当相对于Z轴线(垂直方向(重力方向))倾斜时，便产生表示其角速度的输出信号。此外，在驱动各个关节的电动机中，设有产生表示其转动量的输出信号的回转式编码器(图中未表示)。

这6种轴向力传感器34等的输出信号都输入控制部件26中。控制部件26由机载电池供电进行工作，根据收藏在ROM中的数据和所输入的传感器的输出值，计算出关节驱动的操作量，驱动上述关节组。如上所述，由于腿部2分别给予左、右脚6个自由度，所以在步行的过程中，可以用适当的角度驱动6×2＝12个关节，使机器人1进行所希望的动作，能任意地在三维空间中步行。另外，本说明书中的“×”号表示乘法。

还有，如特开平10-277969号公报中所提出的那样，控制部件26随着收藏在ROM中的算法(algorism)，根据用倾斜传感器36所检测到的倾斜度，求出补偿地面反作用力(更详细的说是力矩)，在进行使所检测到的全部地面反作用力与补偿地面反作用力和目标全部地面反作用力的合力一致的复合柔性控制的同时，还像特开2001-322076号公报所提出的那样，根据补偿全部地面反作用力的控制偏差，推断接地时地面表面的形状。另外，所谓“全部地面反作用力”，是指作用在脚部22R(L)上的地面反作用力的合力。

在左、右脚部22R(L)的接地端与6种轴向力传感器34之间，具有安装了弹簧机构体38(将在后面描述)和贴在脚底上的底板40的柔性机构42。当脚部22R(L)受到地面的反作用力时，柔性机构42中的弹簧机构体38和底板40便挠曲，以缓和在使脚部22R(L)移位而着地时的冲击。

接着，参照图2以后的附图详细说明图1中所示的机器人1脚部22R(L)的结构，具体的说，是6种轴向力传感器34及其周边部件的结构。

图2是上述脚部22R、22L中的左腿的脚部22L的侧视断面图，图3是从底面看图2时的仰视图。此外，由于脚部22R(L)是左右对称的，所以省略了右腿的脚部22R的说明，并且，除了特别必要的情况，下面都不附加标号R、L。

如图2所示，6种轴向力传感器34安装在脚关节18、20与脚部22的接地端，即脚部22下部的弹簧机构体38、脚底框架(第二刚性件)50、脚底板52和底板40所构成的接地端之间。弹簧机构体38由倒Ω字形框架(第一刚性件)381、圆筒形弹性件(弹性体)382和螺钉383所构成。6种轴向力传感器34的上部用定位销54定位在脚关节18、20附近末端的联杆32上，同时用若干个固定上部用的螺钉56将其固定。末端的联杆32用钛或者镁合金等刚性高的金属(合金)制成。

6种轴向力传感器34的下部，通过上述弹簧机构体38连接在脚底框架50上。在脚底框架50的上面，筋(rib)朝向脚关节18、20隆起一体形成导向部分50a，用来容纳连接在脚关节18、20上的呈倒Ω字形的框架381，以防止它向上述垂直轴线周围的支承腿一侧扭弯。脚底框架50用具有刚性的金属材料制成。

此外，构成弹簧机构体38的倒Ω字形的框架381也用具有同样刚性的材料，例如，铝材(或者铝合金)制成。在倒Ω字形的框架381的中央形成了凹部，在该凹部中收容了6种轴向力传感器34的下部，并用8个固定下部用的螺钉58把6种轴向力传感器34与倒Ω字形的框架381连接固定在一起。

在倒Ω字形的框架381与脚底框架50的间隙中，夹着用润滑性能好的材料制作的环状部件60，当倒Ω字形的框架381在脚底框架50的导向部分50a内上下滑动时，它就能起活塞环那样的作用。

这样，若干个圆筒形弹性件382便布置在脚关节(第二关节)18、20与脚部22的接地端之间，更详细的说，布置在连接在脚关节18、20上的倒Ω字形的框架(第一刚性件)381与连接在脚部22的接地端上的脚底框架(第二刚性件)所限定的空间内，从上方看起来，布置在互相隔开的局部区域上。

更具体的说，如图3所示，圆筒形弹性件382从382a到382d一共布置了四个，在脚部22边缘部位(周边)互相离开相同的距离。另外，因为图3是仰视图，正确的表示是从下面看，不过，即使从上面看，从左右对称上来说，布置的位置是一样的。圆筒形弹性件382用合成橡胶之类的弹性很好的材料制成。

限定收容圆筒形弹性件382的空间的倒Ω字形的框架381和脚底框架50，用弹簧机构体用的螺栓383(和螺母383a)夹持圆筒形弹性件382的两端并固定。如图2所示，在各个圆筒形弹性件382的内部形成了气密的空隙，其中收容(内置)了位移传感器70。

图4是表示把图2中的位移传感器收容位置附近放大后的说明图，如图4所示，位移传感器70由下列各部分构成：板状的静电电容式压敏传感器701；与压敏传感器701相对布置的板状件702；弹性安装在压敏传感器701与板状件702之间并对压敏传感器701施加压力的弹簧703。在压敏传感器701的内部装有检测元件和转换部分(两者都未在图中表示)，成为一个整体，转换部分的输出信号从电线束704输出，送往控制部件26。

如图4所清楚表示的，当以圆筒形弹性件382的上、下端的高度(自然状态的长度)为ht时，位移传感器的高度比它低，是hs，因此，位移传感器70的结构可以布置在圆筒形弹性件382的上、下端所限定的空间内。

在这个位移传感器70上，当脚部22接触地面、有压缩方向的载荷作用在圆筒形弹性件382上时，圆筒形弹性件382便缩短，弹簧703也随着缩短。由压敏传感器701测定这个弹簧703的应力，就测定了弹簧的长度(圆筒形弹性件382的位移)。即，这种结构是把由用压敏传感器701检测到的由于弹簧703的伸缩所造成的应力作为压力值，再将其转换为弹簧703的位移。

接着，如下文中所述，使用根据圆筒形弹性件382的粘弹性特性、记录与弹簧703的位移相对应的圆筒形弹性件382中所产生的应力的模型(model)，根据位移传感器70的输出信号，计算出在圆筒形弹性件382中所产生的应力，即，从机器人1接地的地面之类作用在脚部22上的底板反作用力。

这样，位移传感器70由压敏传感器701和弹簧703等构成，它在产生表示脚部22相对于脚关节18、20的接地端的位移(移动距离)，即，倒Ω字形的框架381与脚底框架50之间的位移(移动距离)的输出信号同时，还根据该输出信号检测出作用在脚部22上的底板反作用力(载荷)。

另外，弹簧703的刚性要设定得比圆筒形弹性件382的刚性小得多。这是为了不降低由圆筒形弹性件382的粘性所造成的衰减振动的效果。

这里，还要参照图3说明一下6种轴向力传感器34的检测轴线。脚部22的底面(脚底面)大致呈矩形，6种轴向力传感器34在前后方向(X轴线方向)上布置在比脚底面的中心稍稍靠后一些。图3中的标号Xc表示6种轴向力传感器34的X轴线方向上的检测轴线，Yc表示Y轴线方向上的检测轴线。这两条X轴线方向上的检测轴线Xc和Y轴线方向上的检测轴线Yc与图2中清楚表示的脚部中心线(Z轴线方向)ftc垂直相交，6种轴向力传感器34布置成使得它的Z轴线方向的检测轴线Zc与脚部中心线ftc在同一条轴线上。

另外，上面所说的所谓前后方向是指X轴线方向，从上述图1中可以看得很清楚，就是指机器人1的行进方向。此外，所谓左右(横)方向是指Y轴线方向，即，是指与X轴线方向(行进方向)和Z轴线方向(重力方向)垂直相交的方向。下文中都这样规定。

6种轴向力传感器34的Z轴线方向的检测轴线Zc，布置在位于两个圆筒形弹性件382(382a与382c，或者382b与382d，都用位于其下方的弹簧机构体用的螺栓383来表示)的中点附近。

具体的说，6种轴向力传感器34的Z轴线方向的检测轴线Zc，布置在行进方向(X轴线方向)上，更具体的说，布置在位于X轴线方向的检测轴线上的两个圆筒形弹性件382a、382c的中点附近，并且，其Z轴线方向的检测轴线Zc，也布置在左右方向(Y轴线方向)上，更具体的说，布置在位于Y轴线方向的检测轴线上的两个圆筒形弹性件382、382d的中点附近。即，Z轴线方向的检测轴线Zc，布置在位于由四个圆筒形弹性件382(382a～382d)形成的四边形，具体的说，在四条边的长度相等的菱形(更具体的说，各顶点都是直角的正方形)的重心附近。

另外，在图2中，标号62表示位移传感器70的放大器(增幅器)，标号64表示脚部22的脚指头。

如上所述，本实施例中的步行式移动机器人，由于在从俯视图上看局部布置的四个圆筒形弹性件382的上、下端ht所限定的空间内，配置(内置)了由检测元件和转换部分构成的位移传感器70，从而能检测出相对于脚关节18、20的脚部22的接地端的位移，所以能把包括转换部分等结构要素在内的位移传感器70，紧凑地容纳在空间有限的机器人1的脚部22的圆筒形弹性件382内。

还有，由于把位移传感器70内置在圆筒形弹性件382的形成气密状态的空隙内，而且把4个圆筒形弹性件382从上方看起来局部地布置在脚关节18、20与脚部22的接地端之间，更具体的说，布置在脚部22的边缘部位(周边)，所以能将脚部22的弹性调节到最合适的状态。即，一般都希望图中所示的机器人1的脚部22具有弯曲(旋转方向)的弹性和上、下两个方向适度的弹性，但是，例如，当把圆筒形弹性件382放置在与脚部中央偏离的位置上时，如果将弹性件的弹性系数设定为适合于弯曲弹性的值，那么就上、下方向的弹性就过于硬了，很难满足要求相反的双方。可是，利用以上所述的布置方式，就能最适当地满足这种相反的要求。

此外，由于把位移传感器收容在形成气密状态的空隙(空间)内，换言之，由于这个空隙的内部是密封的，所以能防止水分、灰尘等异物侵入其内部并附着在其上，从而能提高位移传感器70的寿命。还有，由于不大会受到周围温度的影响，所以能减小对进行温度补偿等校正的必要性。

此外，由于位移传感器70是由弹簧703和压敏传感器701所构成的，与检测平常的位移(行程)的情况相比，传感器的结构能更加紧凑。

具体的说，如果是通常的行程传感器，就必须在图4中的假想线所示的轴的长度hshaft上，再加上与能进行实测的有效行程efst相同的或者比它还长的可动空隙的厚度(高度)。因此，即使假设轴的长度hshaft与有效行程efst相等(可以利用轴的全长作为有效行程)，行程传感器的厚度最小也必须为2×efst。

因此，如果圆筒形弹性件382缩短到它的自然长度ht的1/2以下(即，efst需要在1/2ht以上)，那么就不能把这个行程传感器内置在圆筒形弹性件382的上、下端规定的空间内。另外，因为实际上很难把轴的全长都用作有效的行程，如果行程传感器的厚度达到2×efst以上，这种不良的情况就会更加显著。与此相反，在本实施例的位移传感器701中，借助于适当设定弹簧703的弹性和压敏传感器701的灵敏度，圆筒形弹性件382的自然长度ht可以不到hs。

此外，由于把弹簧703的刚性设定得比圆筒形弹性件382的刚性小，所以不会降低圆筒形弹性件382的衰减振动的效果。

图5是表示本发明第二实施例的步行式移动机器人及其底板反作用力检测装置的工作过程(自我诊断工作过程)的流程图。

在第二实施例中，其结构能对第一实施例中的布置在步行式移动机器人的脚部22上的位移传感器70的异常进行自我诊断。即，在第二实施例中，因为布置了四个位移传感器70，所以能利用其冗余自由度，对位移传感器70的异常进行检测(自我诊断)。

下面，说明这个问题。

图3中，当将分别装在圆筒形弹性件382a、382b、382c、382d中的位移传感器70a、70b、70c、70d的输出信号(表示位移或者圆筒形弹性件382的缩短量)定为L1、L2、L3、L4时，如果4个位移传感器70都正常，则表示其几何学关系的下式总是成立的。另外，假定传感器的输出中没有残留误差。

L1+L3-L2-L4＝0……….公式1

图5中的流程图是表示根据公式1所进行的位移传感器70的异常检测(自我诊断)的流程图。

另外，图中所示的程序，是在控制部件26的每一个控制周期中，例如每10msec，对左、右腿(腿部2)两方面所进行的程序。

下面，进行说明，在S10中，读入4个位移传感器70的检测值Ln，前进到S12，判断公式1左边的绝对值是否小于等于容许值(规定的值)ε(接近于零的正值或其附近的值。如不取公式1左边为绝对值，则为零附近的值)，即，判断检测值Ln是否能近似地满足公式1。另外，要判断检测值Ln是否更加准确(严格)地满足公式1时，可以使容许值ε为零，把不等号改为等号。此外，位移传感器70的布置位置有偏移的情况，则可以判断是否应把公式1的左边定为L1+L3-L2-L4+C(其中C为规定值)，或者是否在S12中L1+L3与L2+L4的差是规定的差或者大致是规定的差。

如S12中是肯定的，就前进到S14，在判断4个位移传感器70全部正常时，把标志F的比特重新设定为0。另一方面，如S12中是否定的，则前进到S16，在判断4个位移传感器70全部、或者至少任意有一个发生断线等异常情况时，则把标志F的比特设定为1，并且点亮上述警告灯，在显示装置中显示其内容。另外，警告灯例如在位移传感器70发生异常时点亮(以及判断后述的位移传感器70、6种轴向力传感器34和圆筒形弹性件382中至少有一种变劣时点亮、和判断6种轴向力传感器34异常时点亮)，所以可以根据检测的对象准备很多个。

在这个实施例中，具有：4个(多个)位移传感器70，在由连接在脚关节18、20上的倒Ω字形的框架(第一刚性件)381与连接在脚部22的接地端上的脚底框架(第二刚性件)50所限定的空间内，从上方看时互相隔开地布置在脚部22的边缘部位并产生表示上述脚部22的接地端相对于上述脚关节18、20的位移h(Ln)；自我诊断装置，判别4个位移传感器70的输出Ln是否满足规定的几何学上的关系，并根据这个判断的结果进行自我诊断，是否在4个位移传感器70中至少有一个有异常。

即，由于具有能利用所布置的4个位移传感器70的冗余自由度，即利用所布置的几何学上的关系，对传感器的输出Ln是否近似地(或者正确地)满足表示其几何学上的关系的公式1，从而能对位移传感器70是否异常进行自我诊断，所以即使把位移传感器70布置在着地时受到冲击的机器人1的脚部22上，也能提高传感器的可靠性。

此外，由于几何学上的关系是在多个位移传感器中互相相对地布置的位移传感器的输出的差小于等于容许值ε(具体的说，是零或者其附近的值，更具体的说，是零附近的值)的关系，所以能很容易而且迅速地自我诊断位移传感器70是否异常，从而能提高检测的可靠性。另外，其它的结构和效果与第一实施例相同。

图6是表示本发明的第三实施例的步行式移动机器人与其地面反作用力检测装置的工作过程的说明图，更具体的说，是把圆筒形弹性件382模式化的说明图。

要让机器人1更加稳定地步行，不单要检测脚部22的位移，还希望检测出作用在脚部22上的地面反作用力。而且，设置位移传感器70和其它6种轴向力传感器(地面反作用力检测器)34，检测作用在脚部22上的地面反作用力时，也可以另外根据位移传感器70的输出计算(推断)出地面反作用力，把不同种类的检测装置组合在一起，构成传感器的双重系统，也能提高检测的可靠性。

更进一步，因为如上所述，6种轴向力传感器等要受到着地时的冲击，从进一步提高检测可靠性的意义上来说，还希望能根据位移传感器的输出对6种轴向力传感器34等的变劣或者异常进行自我诊断。

下面，对此进行说明。另外，这种工作过程是由上述控制部件26进行的。

如图6所示，左、右脚部22内的圆筒形弹性件382的特性(上述的应力特性)，近似于由下列各部件构成的粘弹性模型：弹性系数为Kb的弹簧(第一弹簧)，与其串联布置的阻尼系数为D的(虚拟)阻尼器，与这两个部件并联布置的、弹性系数为Ka的弹簧(第二弹簧)，表示其特性的公式如下。

Fn＝-Ka×Ln-Kb×(Ln-Xn)+C

D×d(Xn)/dt＝Kb×(Ln-Xn)        公式2

上式中，除了前面涉及过的Ln之外，各种符号的意义为：Fn：圆筒形弹性件382中所产生的应力；Xn：上述粘弹性模型中的(虚拟)阻尼器的缩短量(位移量)；d(Xn)/dt：Xn的时间微分值；Ka、Kb：弹性系数；D：阻尼系数；C：表示偏移的系数(另外，“n”是指4个圆筒形弹性件382a～382d中的任何一个，具体的说，n＝1时为382a，n＝2时为382b，n＝3时为382c，n＝4时为382d)。

另外，考虑到圆筒形弹性件382的非线性，也可以让其特性近似于下式。

Fn＝-f1(Ln)-f2(Ln-Xn)+C

D×d(Xn)/dt＝f2×(Ln-Xn)               公式2-1

上式中，f1、f2是相对于输入单调地增加的函数。

图7是脚部22的模型图。在第三实施例中，为了便于理解作用在脚部22上的地面反作用力，把布置四个位移传感器70的位置的在X、Y方向上的中心点，作为其作用点。更具体的说，把圆筒形弹性件382的高度(自然状态的长度)的中点P表示为作用点。另外，省略了图7中末端一侧的联杆32。

此外，以6种轴向力传感器34所检测到的地面反作用力的平移分量为矢量Ffs，其在X、Y、Z轴线方向上的分力分别为Ffsx、Ffsy、Ffsz。此外，这些分力绕各轴线的力矩分量为矢量Mfs，其在X、Y、Z轴线方向上的分力矩分别为Mfsx、Mfs y、Mfsz。

同样，由4个位移传感器70的检测值所推算出来的地面反作用力的平移分量的Z轴线方向上的分量为矢量Ffbz，力矩分量的X、Y轴线方向的分量分别为Mfbx，Mfby时，则下列公式3成立。

Ffbz＝F1+F2+F3+F4             公式3a

Mfbx＝{(F2-F4)×d1}/2         公式3b

Mfby＝{(-F1+F3)×d2}/2        公式3c

这样，如果圆筒形弹性件382的粘弹性特性是已知的，则由于公式2(或者公式2-1)以及公式3a～3c的关系成立，就能根据位移传感器70的输出，高精度地计算(推算)出地面反作用力中的3个(轴向力)的分量(上述之外的分量，从原理上说是不可能检测出来的)。另外，在上述公式3中，d1表示位移传感器70b与70d的间隔(隔开的距离)，d2表示位移传感器70a与70c的间隔(隔开的距离)。

当以支承圆筒形弹性件382的倒Ω字形的框架381的相对于脚底框架50的相对高度(相对于脚关节18、20的脚部22的接地端的位移)为h，以绕X轴线的相对倾斜度为θx(省略图示)，以绕Y轴线的相对倾斜度为θy时，则这些参数与L1、L2、L3、L4之间的关系如下面的公式4所示。

h＝(L1+L2+L3+L4)/4           公式4a

θx＝(L2-L4)/d1              公式4b

θy＝(L3-L1)/d2              公式4c

另外，虽然也可以使用下列公式4a-1、4a-2中的任何一个来代替公式4a，但如果考虑到计量测算的误差，还是以上式为佳。

h＝(L1+L3)/2        公式4a-1

h＝(L2+L4)/2        公式4a-2

此外，地面反作用力的推算是用由图8(a)中所示的结构所构成的观察器90来进行的。观察器90是以公式1、公式2(或者公式2-1)、公式3a、公式3b、公式3c、公式4a、公式4b、公式4c为基础，输入h、θx、θy，以Xn为状态量，输出Ffbz、Mfbx、Mfby(删去Ln)，具有图中所示那样的模型(弹簧机构体模型)。观察器90根据这种关系按照下列顺序从L1、L2、L3、L4推算出Ffbz、Mfbx、Mfby。

首先，将图中所示的模型的状态量Xn初始化。就是在没有地面反作用力作用在脚部22上的时候，使位移传感器的检测值与理论值一致，或者在机器人1直立时，有地面反作用力作用在脚部22上的时候，使位移传感器的检测值与理论值一致。具体的说，理论值是根据在进行初始化时作用在机器人1的脚部22上的地面反作用力的理想值来确定的。另外，由于状态量Xn有收敛性，所以，即使经过初始化的值多少有一些偏差，也没有问题。

接着，把位移传感器的检测值L1、L2、L3、L4代入公式4a、4b和4c中，求出h、θx、θy，再利用图中所示的模型，对各个脚部2计算出Ffbz、Mfbx、Mfby。

接着，按照下列公式5，求出所计算出的Ffbz、Mfbx、Mfby与6种轴向力传感器34所检测到的地面反作用力分别相对应的成分Ffsz、Mfsx、Mfsy的差Fferrx、Mferrx、Mferry。

Fferrz＝Ffsz-Ffbz

Mferrx＝Mfsx-Mfbx

Mferry＝Mfsy-Mfby               公式5

通过对按照以上的方式判断所求出的差是否在规定的容许范围内，就能检测出(自我诊断)6种轴向力传感器34是否异常。

下面，参照图9中的流程图进行说明。图9中的程序也是在控制部件26中，每一个周期，例如每10msec，对左、右腿(腿部2)双方各进行一次。

首先，在S100中，判断位移传感器70是否能被检测(判断)为正常。这是利用，例如，第二实施例的图5中的流程图所说明的标志F的比特判断来进行的。由于在S100中的判断为否定时，就不能再对以下所说的异常进行检测了，所以程序直接介入结束步骤。另外，在这种情况下，由于不能对异常进行检测，如果机器人1处于正在步行的过程中，如有可能，在满足动力学的平衡条件的同时，优选在短时间内结束步行。

当S100中为肯定时，便进入S102，判断是否差Fferrz大于等于第一Fz的容许值Frefz1小于第二Fz的容许值Frefz2，当答案为肯定时，便进入S104，同样判断是否差Mferrx大于等于第一Mx容许值Mrefx1小于第二Mx的容许值Mrefx2。在S104中也是肯定时，便进入S106，同样判断是否差Fferry大于等于第一My的容许值Mrefy1小于第二My的容许值Mrefy2。

当在S106(或者在S102、S104的任何一个步骤)中为否定时，便进入S108，对计算值C加上一个增量，再进入S110，判断计算值C是否超过所设定的适当的规定值Cref。另外，把这个计算值C储存在控制部件26的上述备份部分中，即使在控制部件26停电之后，仍能保持在其中。

在S110中为肯定时，便进入S112，在判断位移传感器70、6种轴向力传感器34和圆筒形弹性件382(更详细的说，是圆筒形弹性件382中至少有一个)中至少有某一个劣化了的同时，点亮警告灯，并在显示装置中显示其内容。另外，在S110中为否定时，则跳过S112。

在S106中为肯定时，便进入S114，判断是否差Fferrz大于等于第三Fz的容许值Frefz3小于第四Fz的容许值Frefz4，当答案为肯定时，便进入S116，同样判断是否差Mferrx大于等于Mx第三容许值Mrefx3小于第四Mx容许值Mrefx4。在S116也是肯定时，便进入S118，同样判断是否差Mferry大于等于第三My容许值Mrefy3小于第四My的容许值Mrefy4。

当在S118中为肯定时，便进入S120，当判断6种轴向力传感器34正常，并且在S114、S116、S118的任何一个步骤中为否定时，便进入S122，在判断发生了6种轴向力传感器34中有断线等异常情况的同时，点亮警告灯，并在显示装置中显示其内容。

即，差不在比判断各种劣化的容许范围还要窄的容许范围内，就意味着差已经达到了还不能产生劣化的值。在这种情况下，作为可能性来说，原因可能是在位移传感器70、6种轴向力传感器34和圆筒形弹性件382的任何一种中产生的，但是，因为位移传感器70经过了在S100中的判断，并且6种轴向力传感器34的机构又比位移传感器70来得复杂，所以，如果发生劣化以外的异常，就会有一下就输出超过容许范围的值的倾向。因此，在从S114到S118中任何一个步骤中被否定时，就可以判断(自我诊断)是6种轴向力传感器34有异常。

另外，上述的第一和第二容许值是为选择足以判断位移传感器70等的劣化的值而设定的。此时，所谓的“劣化”，不言而喻是指非正常的情况，但又没有达到异常(故障)的程度，因此，虽然在S100中对位移传感器70是肯定的，但，因为不能否定其可能性，所以将其包括在S112的判断对象中。

此外，由在从S114到S118中所使用的第三和第四容许值所规定的容许范围，与在从S102到S106中开始使用的第一和第二容许值所规定的容许范围相比，所设定的范围比较窄，并且所设定的值，足够用于在判断6种轴向力传感器34的异常时进行适当的选择。

另外，在S122中判定6种轴向力传感器34异常时，在上述的复合柔性控制或者地面的形状推断中，在使用由位移传感器70的输出所推断的底板反作用力来代替6种轴向力传感器34的输出的同时，如果是在步行的过程中，既满足了动力学的平衡条件，而且还能在尽可能有限的时间内结束步行。

此外，在使用根据位移传感器的输出的推断值来代替6种轴向力传感器的输出的过程中，希望改变复合的柔性控制或者推断地面形状的增益和补偿电路的特性。因为，根据位移传感器70的输出所推断的地面反作用力，与6种轴向力传感器34的检测值相比较，反应性能降低了一些。

此外，在从S102到S106，和从S114到S118的过程中，也可以求出让差通过低通滤波器(图中未表示)后所获得的值的绝对值，把这个值与预先按照同样方式用实验求得的适当的值相比较。此外，还可以计算从S114到S118中否定的次数，将计数值与适当的值相比较，以判断6种轴向力传感器34是否异常。更进一步，以上是使用从S102到S106，和从S114到S118的计算值与检测值的差，但是，也可以使用计算值与检测值的比。

如上所述，在第三实施例中，在具有设置在布置在脚关节18、20与脚部22的接地端之间的圆筒形弹性件382内部并产生表示脚部22的接地端相对于脚关节18、20的位移的输出的位移传感器70的同时，还具有观察器90。由于观察器90使用记录由于上述位移而在圆筒形弹性件382中产生的位移和应力Fn的模型，根据位移传感器70的输出Ln，计算出作用在脚部22上的地面反作用力Ffbz(作用在垂直方向的分量)、Mfbx、Mfby(绕着与垂直轴线正交的轴线的力矩分量)，所以能以很高的精度计算出地面的反作用力，能使机器人1稳定地步行。

此外，由于这种模型是由下列各部分构成的：弹性系数为Kb的弹簧，与其串联的阻尼系数为D的阻尼器，相对于以上两部分并联的、弹性系数为Ka的弹簧，即，由于使用了考虑到了圆筒形弹性件382的阻尼系数(特性)D的模型，因而能获得频率特性优良的地面反作用力的推断值，换言之，能良好的反应性能进行地面反作用力的计算。

更进一步，由于是由观察器90来推断阻尼器的位移Xn，再用它来推断上述地面反作用力的，所以能以更高的精度计算出地面的反作用力。

此外，由于这种结构是在脚关节18、20与脚部22的接地端之间，布置了6种轴向力传感器(第二地面反作用力检测器)34，再由它来产生表示上述机器人所接触的地面作用在脚部22上的地面反作用力，把不同种类的地面反作用力检测装置组合在一起，能构成传感器的双重系统，从而能提高检测的可靠性。

此外，由于根据用位移传感器70的输出计算出来的地面反作用力，和用6种轴向力传感器34的输出所检测到的地面反作用力，更具体的说，由于能根据这些差：Fferrz、Mferrx、Mferry进行自我诊断，在位移传感器70和6种轴向力传感器34，以及圆筒形弹性件382中，是否至少有一个是劣化了或者异常了，所以能很简单而迅速地对这些劣化或者异常进行自我诊断，从而进一步提高了检测的可靠性。

此外，由于在判定劣化或者异常时，会点亮警告灯，并在显示装置中显示这种内容，所以能把事实报告给操作者。此外，当6种轴向力传感器34自我诊断为正常时继续通过6种轴向力传感器34的输出来检测地面反作用力，并且当6种轴向力传感器34自我诊断为异常时满足动力学上的平衡条件，采取使步行在短时间内结束等适当的对应措施。

另外，在第三实施例中，关于上述的弹簧机构体模型，也可以使用由下面的公式6a、公式6b和公式6c所确定的值(用附带标号st来表示)来代替把Xn作为状态量。即，也可以用hst、θstx、θsty作为状态量。

hst＝(X1+X2+X3+X4)/4         公式6a

θstx＝(X2-X4)/d1            公式6b

θsty＝(X3-X1)/d2            公式6c

X1+X3-X2-X4＝0               公式7

而且，如图8(b)所示，根据公式1、公式2(公式2-1)、公式3a、公式3b、公式3c、公式4a、公式4b、公式4c，以及公式6a、公式6b、公式6c，观察器90也可以是以h、θx、θy作为输入，以hst、θstx、θsty作为状态量，以Ffbz、Mfbx、Mfby作为输出的模型(弹簧机构体模型)。

另外，在这种情况下，减去一个状态量也不会有问题。这是因为，当公式2那样的线性性质成立时，d(X1)/dt∶d(X2)/dt∶d(X3)/dt∶d(X4)/dt之比与初始状态如何无关，经过一段时间后(具体的说，经过比公式2所表示的弹簧机构体的时间常数充分长的时间)，收敛为d(L1)/dt∶d(L2)/dt∶d(L3)/dt∶d(L4)/dt之比，公式7的从属关系大致成立。因此，及时减少一个独立变数，也没有妨碍(不过，在使用公式2-1的情况下，由于成为非线性形状，不具有上述性质，所以不能做成图8(b)中所示的形式的弹簧机构体模型)。

此外，在第三实施例中，还可以设置温度传感器，以便根据检测到的温度，对弹性系数Ka、Kb和阻尼系数D进行调整。

图10表示本发明的第四实施例的步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置，更具体的说，表示这种步行式移动机器人的脚部结构，与图3一样，在脚部22R、22L中，是左腿的脚部22L的仰视图。

在第四实施例中，如果把图10与图3进行比较，就能明白，它是把圆筒形弹性件382的布置从图3所示的状态向右转动了45度。由于只是在几何学上对第一实施例的结构进行了变换，所以其余的结构和效果都与第一实施例没有差别。

另外，在第四实施例和第一实施例中，为了易于演算，内部装有位移传感器70的两个相对的圆筒形弹性件382之间隔开的距离是相等的，即，在图10和图3中，这些圆筒形弹性件的联结线(双点划线)所形成的形状是正方形，但，也可以是只让相对的圆筒形弹性件之间形成隔开的距离相等的长方形，或者甚至是相对的圆筒形弹性件之间隔开的距离不同的梯形等等形状。更进一步，位移传感器70的数量也并不是只限于4个，也可以是5个以上。

图11表示本发明的第五实施例的步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置，更具体的说，表示这种步行式移动机器人的脚部结构，与图3一样，在脚部22R、22L中，是左腿的脚部22L的仰视图。

如图11所示，在第五实施例中，把6种轴向力传感器34布置在由三个圆筒形弹性件382(382a、382b、382c)形成的三角形的重心附近，位于Z轴线方向灵敏度中心线Zc上，以提高检测精度，并且每一个圆筒形弹性件中分别布置了位移传感器70a、70b、70c。

因为位移传感器70的个数是三个，所以不能检测到(自我诊断)位移传感器70的异常。这就意味着，它是第一和第二实施例简化后的形式。不过，由于用3个位移传感器70能形成一个平面，所以能够推算(计算)出上述3根轴线上的地面反作用力。

另外，虽然在第五实施例中，位移传感器70的个数定为3个，而在第一到第四实施例中定为4个，但，并不是仅限于此。位移传感器70的个数，即使只有一个也够用。不过，在这种情况下，就只能推算(计算)出地面反作用力中的垂直轴线方向的分力(上述的Ffbz)，并且也不能检测第二实施例中所述的异常。

此外，如果把位移传感器70的个数定为2个，就能检测出(计算出)地面反作用力中的垂直轴线方向的分力(上述的Ffbz)，以及绕着与联结两个位移传感器70的直线正交的水平轴线的力矩。更进一步，如果是三个就能像上面所说的那样，推算(计算)出地面反作用力的三条轴线上的分力。

图12表示本发明的第六实施例的步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置，更具体的说，是这种步行式移动机器人的脚部22的侧面的纵断面图。此外，图13是图12中所示的脚部22的底面的模式图。

在第六实施例中，在图3所示的第一实施例的结构中，在脚关节18、20与脚部22的接地端之间布置了4个圆筒形弹性件382，并且把由检测元件和转换部分构成的位移传感器70，分别布置在由4个圆筒形弹性件382的上、下端限定的空间内，更具体的说，不是内置在圆筒形弹性件382的内部，而是布置在其附近(更详细的说，布置在联结相对的两个圆筒形弹性件382的直线上)，这样就能检测出脚部22的接地端相对于脚关节18、20的位移。

如图12所示，位移传感器70和第一实施例中的一样，是由下列各部分构成的：平板状的静电电容式压敏传感器701；布置成与其相对的板状件702；安装在压敏传感器701与板状件702之间，对压敏传感器701施加压力的弹簧703。在压敏传感器701的内部一体地内置检测元件和转换部分(两者都未在图中表示)，转换部分的输出信号从电线束704输出，送往控制部件26。位移传感器70收容在壳体706内气密的，换言之密闭的空间内。

由于第六实施例具有上述结构，所以，与第一实施例一样，能把包括转换部分等结构要素在内的传感器，紧凑地收容在空间有限的步行式移动机器人的脚部的弹性件内。

另外，在第六实施例中，位移传感器70的布置方式也可以如图14所示的那样。即，可以把位移传感器70布置在联结相邻两个圆筒形弹性件382的直线(图中未表示)上。更进一步，也可以如图15所示，位移传感器70的个数可以与圆筒形弹性件382的个数不同。另外，其余的结构和效果则与第一实施例等上面描述过的实施例没有区别。

图16表示本发明的第七实施例的步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置，更具体的说，表示这种步行式移动机器人的脚部的结构，是与图2同样的脚部22R、22L中的左腿的脚部22L的侧面纵断面图。

在第七实施例中，省略了6种轴向力传感器34，在4个圆筒形弹性件382中分别内置(布置)位移传感器70。因此，在第七实施例中，在进行位移传感器70的自我诊断的同时，只把根据位移传感器70的输出所推断的地面反作用力输送到控制部件26中，并根据这个推断值进行控制。另外，其余的结构和效果，除了在本实施例中用下部固定螺栓58来连接倒Ω字形的框架381和联杆32的末端之外，都与以前的实施例相同。

图17是本发明的第八实施例的步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置的结构的说明图。

在第八实施例中，在第三实施例的结构中增加了相应的观察器。即，上述圆筒形弹性件382的粘弹性特性的对温度的依赖性很强，在公式2中所述的粘弹性模型中的弹性系数Ka、Kb和阻尼系数D等，会因为温度而发生很大的变化。此外，由于长时间使用圆筒形弹性件382，也会使得弹性系数Ka、Kb和阻尼系数D等在经过一定时间后发生变化(劣化)。在这种情况下，增加温度传感器，用测定值来进行温度补偿，不但使结构复杂，而且对后者在长时间内的变化不起作用。

因此，当把公式2中的参数(Ka、Kb、D)作为常数来处理时，由于上述的对温度的依赖性或者经过长时间的变化，就会在使用位移传感器70对地面反作用力进行推算(计算)中产生误差。

有鉴于以上所提到的问题，在第八实施例中，使用自适应观察器(適応オブザ一バ)对这些参数进行自动鉴别，并利用由此所获得的推断状态值来推算(计算)地面反作用力，以提高位移传感器70推算的地面反作用力的精度。

此外，在第一实施例中对位移传感器70的异常进行自我诊断，并且，在第三实施例中对圆筒形弹性件382和位移传感器70等的劣化或者6种轴向力传感器34的异常进行自我诊断，但，在第八实施例中，不同于上述实施例，更进一步，使用与表示弹性系数Ka、Kb和阻尼系数D的模型的参数相对应的观察器，进行自动鉴别，从而也能从所获得的参数的鉴别值，以更高的精度对圆筒形弹性件382的劣化等进行自我诊断。

所谓对应的观察器，是指在由于系统周围环境的变化而使参数的值变化，或者不能正确求出参数的值的各种情况下，具有与此相对应的，能自动鉴别观察器内部未知参数的鉴别机构的观察器，其结构如图17所示。另外，图中所示的观察器是公知的，例如，记载在日晷(コロナ)社(昭和63年10月)出版的“现代控制系列  观察器”中。

下面，参照图17来说明，对应的观察器100是由下列各部分构成的：以输入值作为状态变数的状态变数过滤器；未知参数鉴别器；输出推断器；和状态推断器。另外，按照上面所说的那样，在左、右腿上分别设有6种轴向力传感器34和位移传感器70，所以对应的观察器100也有分别与左、右腿相对应的观察器，具体的说，设有右腿用的自适应观察器100R，和左腿用的自适应观察器100L。不过，各个自适应观察器的输入值虽然各不相同，但由于在其内部进行的演算本身是相同的，所以在图17的说明中省略了R、L。

在自适应观察器100中，6种轴向力传感器34的输出中的由位移传感器70推算出来的、与从公式3所获得的3种轴向力分量Ffbz、Mfbx、Mfby相对应的Ffsz、Mfsx、Mfsy被输入的同时，还输入从公式4获得的、相对于支承圆筒形弹性件382的倒Ω字形的框架381的脚底板50的相对高度(相对于脚关节18、20的脚部22的接地端的位移)h，绕着X轴线的相对倾斜度θx(图中省略了)，和绕着Y轴线的相对倾斜度θy。

另外，h、θx、θy是使用公式4从圆筒形弹性件382的缩短量Ln(由位移传感器70所检测到的值)计算出来的。

在自适应观察器100中，未知参数鉴别器用于鉴别以状态变数z为根据的鉴别参数：弹性系数Ka的随机编码(hat/ハツト)，Kb的随机编码和阻尼系数D的随机编码。此外，输出推断器接受状态变数z(t)和鉴别参数，输出作为推断输出的上述3种轴向力成分Ffbz随机编码、Mfbx随机编码、Mfby随机编码。

输出推断器的推断输出Ffbz随机编码、Mfbx随机编码、Mfby随机编码送到加减计算装置102中，在该装置中减去6种轴向力传感器的输出Ffsz、Mfsx、Mfsy之后，计算出输出推断误差Fferrz、Mferrx、Mferry。计算出来的输出推断误差，一方面被原封不动地输出去，另一方面，还被输入到未知参数鉴别器中。此外，状态推断器还接受状态变数z(t)和鉴别参数Ka的随机编码，Kb的随机编码和阻尼系数D的随机编码，计算出上述hst、θstx、θsty的推算值，即，推断状态值hst的随机编码，θstx的随机编码，θsty的随机编码。

这样，自适应观察器100自动鉴别公式2中所使用的参数(Ka、Kb、D)，并根据这些参数用公式3和公式4计算出计算值。另外，在本说明书中附有随机编码的值表示推算值。

此时，在6种轴向力传感器34正常工作的情况下，由于未知参数鉴别器是根据从输入值求出的状态变数z(t)和输出推断误差Fferrz、Mferrx、Mferry来鉴别弹性系数Ka、Kb和阻尼系数D的，所以，即使圆筒形弹性件382的粘弹性特性随着周围温度的增减而变化，也能够鉴别这种变化。因此，把推断输出作为推断的地面反作用力，就能提高位移传感器70的地面反作用力的推断精度。更进一步，使用由自适应观察器100所鉴别的参数，就能检测出(自我诊断)圆筒形弹性件382的劣化等等。

图18是表示其工作过程的流程图。图中所示的程序也是在控制部件26的每一个控制周期中，例如每10msec进行一次。

下面，进行说明，当在S200中接通电源后，立即对是否在通电以后的很短的时间内开始工作进行判断，如果是肯定的，则进入S202，对是否是新的圆筒形弹性件382进行判断。另外，在更换圆筒形弹性件382后，把上述备份部分的适当的标志位设定为1，并在这里参照该标志进行判断。

在S202中为肯定时，便进入S204，对参数，即弹性系数Ka、Kb和阻尼系数D进行初始化。换言之，就是把参数设定为新零件具有全部都没有劣化状态下的圆筒形弹性件382的值。接着，进入S206，设定参数容许范围。参数的容许范围是在所设定的参数上加、减预定的数值，或者乘以预定的比例所得到的上、下限的值，即，设定从设定值(或者是上一次的值)变化以后的容许值。此外，把上述的标志(在更换新的圆筒形弹性件382时，设定为1的标志)重新设定为0。

另一方面，当在S202中为否定时，便进入S208，把备份部分储存的参数值，即，把在上一次步行中所获得的最后的参数推算值，设定为自适应观察器的参数的初始值，并将上一次已经设定的值设定在参数的容许范围内。

接着，进入S210，判断是否在运动过程中。这里所谓的“运动过程中”，是指进行步行等伴随有重心移动的运动状态。在S210中为肯定时，便进入S212，判断在左、右腿(腿部2)中，哪一条腿是支承腿，当判断为右腿时，便进入S214，进行右腿用的自适应观察器100R的未知参数鉴别器的演算。此外，当判断为左腿时，便进入S216，进行左腿用的自适应观察器100L的未知参数鉴别器的演算。

这样，未知参数鉴别器的演算(鉴别参数Ka的随机编码，Kb的随机编码和D的随机编码的更新)是在运动过程中的支承期间进行的。这是因为，当输入自适应观察器的值(位移传感器70和6种轴向力传感器34的检测值)的变动小时，自适应观察器的推断精度降低了。另外，如果容许推断精度稍微降低一些，就可以不管是腿的支承期间还是抬起期间，对两条腿同时进行未知参数鉴别器的演算。或者，在抬起期间等自适应观察器的输入变动很小时，也可以把参数推断的增益定得小些。

接着，进入S218，判断参数推断值，即，鉴别后的参数K、D是否处于S206或者S208中所设定的容许范围内，如为否定时，便进入S220，在判断(自我诊断)圆筒形弹性件382等劣化或者异常之后，在短时间内就停止步行，点亮警告灯，并在显示装置中显示其内容。

此外，因为圆筒形弹性件382是慢慢地(经过很长的时间)劣化的，在所鉴别的参数Ka、Kb、D不在容许范围内时，要查阅过去的适当的程序循环时(相当于图17的t)的变化量，在变化量逐渐增大，而判断不在这个程序循环中的容许范围内的情况下，则判断为对应的腿上的圆筒形弹性件382已经劣化，可以进行精度更高的异常判断。

另一方面，如前面已经说过的，因为6种轴向力传感器34的机构很复杂，当发生劣化以外的异常时，有一下子输出超过容许范围的值的倾向，所以无论过去的适宜的程序循环时的变化量是否比较小，当判断在这个程序循环中不在容许范围内时，就应判断6种轴向力传感器34中发生了断线之类的异常情况。另外，在S220的处理中，也可以同时使用第二实施例或者第三实施例中的异常检测，在考虑了它们的检测结果后再进行判断。

然后，进入S222，对左、右腿进行未知参数鉴别器以外的观察器演算。即，如果机器人1在运动过程中，就根据更新后的鉴别参数Ka的随机编码，Kb的随机编码和D的随机编码，计算出上述输出推算值，即，根据位移传感器70的输出，计算出地面反作用力推算值Ffbz随机编码、Mfbx随机编码、Mfby随机编码。另一方面，如果机器人1不是在运动过程中，则不更新鉴别参数，换言之使用上一次的推算值进行观察器演算，计算出地面反作用力的推算值Ffbz随机编码、Mfbx随机编码、Mfby随机编码。

另外，在根据计算出来的地面反作用力进行上述复合柔性控制等的情况下，如果原封不动地使用各条腿的计算出来的值，则由于参数的推算误差，有破坏左、右平衡的危险，所以希望求出各条腿的计算值的平均值，使其通用化(统一化)。另外，关于这个问题，将在下一个实施例中陈述。

接着，进入S224，把求出的参数储存在备份部分中，结束一个周期。另外，这种处理也可以在就要停止通电之前进行。

如上所述，第八实施例由于在其结构中具有位移传感器70和自适应观察器100，而位移传感器70设置在布置在脚关节18、20与脚部22的接地端之间的圆筒形弹性件382的内部或者其附近至少其中之一的部位上，更详细的说，设置在其内部，产生表示上述脚部的接地端相对于上述关节的位移的输出；而自适应观察器100根据从位移传感器70的输出h、θx、θy和6种轴向力传感器34的输出检测出来的地面反作用力Ffsz、Mfsx、Mfsy，求出从位移传感器70的输出推算出的Ffbz随机编码、Mfbx随机编码、Mfby随机编码，和从6种轴向力传感器34的输出检测出来的地面反作用力的差，即地面反作用力推断误差Fferrz、Mferrx、Mferry，并鉴别上述模型的参数值Ka、Kb、D。所以，当在机器人1的脚部22上设置6种轴向力传感器34，并检测出地面反作用力的同时，还在另一个部位布置了利用脚部22上的粘弹性特性的位移传感器70，计算(推算)出地面反作用力时，即使不设置温度传感器，也能推算出由于圆筒形弹性件382的温度的变动和劣化所造成的粘弹性特性的变化，从而能提高检测的精度。

更进一步，由于能根据参数的推算值和输出的推算误差，对圆筒形弹性件382和6种轴向力传感器34的劣化，或者6种轴向力传感器34的异常进行自我诊断，，所以能提高检测的可靠性。

另外，在上述S218的处理中，也可以预先求出圆筒形弹性件382的参数Ka、Kb、D的温度特性，并将其储存起来，在考虑了这些储存的参数之后，再判断参数的推算值是否在容许的范围内。即，测定圆筒形弹性件或者其边缘部位的温度，根据测定值修正容许范围，并判断参数的推算值是否在修正后的容许范围内，就能以更高的精度判断是否劣化(或者异常)。

还有，除了判断参数的推算值是否在容许范围内之外，也可以比较各腿部的不同参数推算值，以判断其左右的程度。在这种情况下，虽然能在判断其劣化时，不受圆筒形弹性件382的温度依赖性的影响，但是，由于当左右两条腿的劣化程度相同时，就不能进行判断了，说到底只是一种辅助的判断方式。

此外，虽然分别在左、右腿，即在相应的脚部22上设置自适应观察器100，即右腿用的为自适应观察器100R，左腿用的为自适应观察器100L，但是，由于如以上所述的那样，在它们内部进行的演算本身是相同的，所以也可以对于所有的腿，即两条腿(脚部22)只有一个自适应观察器。在这种情况下，例如，可以根据S212的判断，从左、右腿部中任意一条腿部选择应该输入自适应观察器100中的值。

图19是本发明的第九实施例的步行式移动机器人及其地面反作用力检测装置的结构的，更具体的说，在其上所使用的自适应观察器的结构的说明图。

第九实施例是第八实施例的变型例，其结构为把左、右自适应观察器100R、100L的各未知参数鉴别器的参数推算值，作为在参数通用化处理程序段104中的通用值，根据通用化后的参数推算值，推算出各条腿用的输出推算误差。

下面，参照图20进行说明。把从右腿用的自适应观察器100R的未知参数鉴别器输出的参数推算值的变化量(这一次的值与上一次的值的差)ΔKaR、ΔKbR、ΔDR，和从左腿用的自适应观察器100L的未知参数鉴别器输出的参数推算值的变化量ΔKaL、ΔKbL、ΔDL，输入参数通用化处理程序段104中。

在参数通用化处理程序段104中，求出各输出值的加权平均值(也可以是α为0.5的单纯平均值)ΔKaave、ΔKbave、ΔDave，再将其加在参数推算值的上一次的值上，确定这一次的参数推算值(更新值)Ka随机编码、Kb随机编码、D随机编码，并将所确定的Ka随机编码、Kb随机编码、D随机编码输出到左、右自适应观察器100R、100L中。

在左、右自适应观察器100R、100L中，根据上述通用化后的参数推算值计算出各条腿的地面反作用力的推算值，然后再根据上述推算值计算出输出推算误差。这样，通过使参数推算值通用化，能防止因为左、右参数的差而造成步行时的不稳定。

另外，在计算加权平均值时，希望支承腿的加权大于抬起的腿(右腿抬起时，加大α，左腿抬起时，减小α)。这是因为，如上所述，腿提起来时输入自适应观察器的变化小，因而推算的精度下降。

由于第九实施例具有上述结构，所以，与第八实施例相比，结构要复杂一些，但却能提高对各条腿的推算精度和劣化等的自我诊断的精度。另外，其余的结构和效果与第八实施例没有差别。

这样，从第一实施例到第九实施例的结构是，步行式移动机器人1至少具有上体24和通过第一关节(股关节10、12、14)连接在上述上体上的若干腿部2，并且具有通过第二关节(脚关节18、20)连接在上述腿部前端的脚部22，在该步行式移动机器人1中，把弹性件(圆筒形弹性件382)布置在上述第二关节与上述脚部的接地端之间，并且把位移传感器，更具体的说是由检测元件与转换部分构成的位移传感器70布置在由上述弹性件的上、下端ht所限定的空间内，从而能检测出上述脚部的接地端相对于上述第二关节的位移h(Ln)。

此外，在步行式移动机器人1中，把若干个(3个或者4个)上述弹性件(圆筒形弹性件382)，在俯视图上看局部地布置在上述第二关节与上述脚部的接地端之间。

此外，在步行式移动机器人1中，把第一实施例等中的上述位移传感器，更具体的说，由检测元件和转换部分构成的位移传感器70内置在上述弹性件(圆筒形弹性件382)中，从而能检测出上述脚部的接地端相对于上述第二关节的位移。

此外，在第六实施例中，上述位移传感器，更具体的说，由检测元件和转换部分构成的位移传感器70配置在上述弹性件(圆筒形弹性件382)的附近，从而能检测出上述脚部的接地端相对于上述第二关节的位移。

此外，在步行式移动机器人1中，把上述若干个弹性件(圆筒形弹性件382)在俯视图上看布置在上述脚部22的边缘部位。

此外，在步行式移动机器人1中，上述位移传感器70可以容纳在密闭的空间内。

此外，在步行式移动机器人1中，上述位移传感器70由弹簧(弹簧703)和压敏传感器701构成。

此外，还可以是这样的结构，即，把上述弹簧(弹簧703)的刚性设定为小于上述弹性件(圆筒形弹性件382)的刚性。

此外，步行式移动机器人1至少具有上体24，通过第一关节(股关节10、12、14)连接在上述上体上的若干腿部2，并且具有通过第二关节(脚关节18、20)连接在上述腿部前端脚步22，在该步行式移动机器人1中，具有：若干个位移传感器70，布置在由连接在上述第二关节上的第一刚性件(倒Ω字形的框架381)和连接在上述脚部的接地端上的第二刚性件(脚底框架50)所限定的空间内，在俯视图上看互相隔开距离，产生表示上述脚部的接地端相对于上述第二关节的位移h(Ln)的输出；判别装置(控制部件26、S12)，判断上述若干个位移传感器的输出Ln是否满足规定的几何学关系；以及自我诊断装置(控制部件26、S14)，根据上述判别装置的判别结果，对上述若干个位移传感器中的至少一个进行是否有异常的自我诊断。

此外，在步行式移动机器人1中，上述几何学上的关系，是上述若干个位移传感器70中相对布置的位移传感器的输出的差为规定值的关系。

此外，上述规定的值为零，或者是零附近的值。

此外，在步行式移动机器人1中，将若干个弹性件在俯视图上看互相隔开距离布置在由上述第一和第二刚性件所限定的空间内，并且其内部内置有上述位移传感器。

此外，在步行式移动机器人1中，将若干个弹性件在俯视图上看互相隔开距离布置在由上述第一和第二刚性件所限定的空间内，并且在其附近布置了上述位移传感器。

在诸如第三实施例中，步行式移动机器人1至少具有上体24和通过第一关节(股关节10、12、14)连接在上述上体上的若干腿部2，并且具有通过第二关节(脚关节18、20)连接在上述腿部前端的脚部22，在该步行式移动机器人1中，具有：若干个位移传感器70，设置在布置在上述第二关节与上述脚部的接地端之间的弹性件(圆筒形弹性件382)的内部和上述弹性件的附近的至少一处，产生表示上述脚部的接地端相对于上述第二关节的位移h(Ln)的输出；以及地面反作用力计算装置(控制部件26)，使用记录对应上述位移在上述弹性件中产生的位移h(Ln)和应力Fn的关系的模型，根据上述位移传感器的输出，计算出上述作用在上述脚部的地面反作用力Ffbz、Mfbx、Mfby的。

此外，在步行式移动机器人1中，上述模型由第一弹簧(图6中所示的弹性系数Kb的弹簧)和与上述第一弹簧串联布置的阻尼器(阻尼系数为D的阻尼器)，以及与上述第一弹簧和阻尼器并联的布置的第二弹簧(弹性系数Ka的弹簧)。

此外，在步行式移动机器人1中，上述地面反作用力计算装置具有借助于推算上述阻尼器的位移Xn，来推算上述地面反作用力的观察器90。

此外，在步行式移动机器人1中，上述地面反作用力计算装置所计算出来的地面反作用力，至少包含作用在垂直轴线方向上的分力Ffbz。

此外，在步行式移动机器人1中，上述位移传感器在俯视图上看局部地布置了若干个，并且上述地面反作用力计算装置根据上述若干个位移传感器各自的输出计算出上述地面反作用力。

此外，在步行式移动机器人1中，上述地面反作用力计算装置所计算出来的地面反作用力，包含作用在垂直轴线方向上的分力Ffbz，以及绕着与上述垂直轴线正交的轴线的力矩成分Mfbx、Mfby。

此外，在步行式移动机器人1中，在上述第二关节(脚关节18、20)与上述脚部的接地端之间，布置了产生表示从上述机器人所接触的地面作用在上述脚部上的地面反作用力Ffsx、Mfsx、Mfsy的第二地面反作用力检测器(6种轴向力传感器34)。

还有，在该步行式移动机器人中，根据上述地面反作用力计算装置计算出来的地面反作用力Ffbz、Mfbx、Mfby，与从上述第二地面反作用力检测器输出的检测到的地面反作用力Ffsz、Mfsx、Mfsy，判断上述位移传感器70和上述地面反作用力检测器中是否至少有一个劣化或者异常的自我诊断装置(控制部件26、从S100到S122)。

此外，上述自我诊断装置具有第一判断装置(控制部件、从S102到S106)，该第一判断装置用于判断上述地面反作用力计算装置所计算出来的地面反作用力，与从上述第二地面反作用力检测器的输出所检测出来的地面反作用力的差或者比中的至少有一个，更详细的说，差Fferrz、Mferrx、Mferry是否在第一规定范围内，当上述自我诊断装置判断上述差和比例中至少有一个不在上述第一规定范围内时，便自我诊断(控制部件26、从S108到S112)上述位移传感器、上述第二地面反作用力检测器和上述弹性件中至少有一个劣化了。

此外，上述自我诊断装置具有第二判断装置(控制部件26、从S114到S118)，该第二判断装置用于判断上述地面反作用力计算装置所计算出来的地面反作用力与从上述第二地面反作用力检测器的输出所检测出来的地面反作用力的差或者比中的至少有一个，更详细的说，差Fferrz、Mferrx、Mferry是否在第二规定范围内，当上述自我诊断装置判断上述差和比例中至少有一个不在上述第二规定范围内时，便自我诊断(控制部件26、S120、S122)为上述第二地面反作用力检测器有异常。

此外，上述自我诊断装置具有计算判断上述差和比中至少有一种不在上述第一规定范围内的次数的计数装置(控制部件26、S108)，当上述计算的次数(计数值C)超过规定的次数(规定值Cref)时，便自我诊断(控制部件26、S110、S112)为上述位移传感器、上述地面反作用力检测器和上述弹性件中至少有一个劣化了。

第八和第九实施例的结构是，步行式移动机器人1至少具有上体24，通过第一关节(股关节10、12、14)连接在上述上体上的若干条腿部2，并且具有通过第二关节(脚关节18、20)连接在上述腿部前端的脚部22，在该步行式移动机器人1中，还具有位移传感器70和自适应观察器100，更详细的说是具有自适应观察器100的推断装置(控制部件26、从S200到S224)。上述位移传感器70设置在布置在上述第二关节与上述脚部的接地端之间的弹性件(圆筒形弹性件382)的内部和上述弹性件附近中的至少一处，并产生表示上述脚部的接地端相对于上述第二关节的位移h(Ln)的输出。上述自适应观察器100布置在上述第二关节与上述脚部的接地端之间，使用产生表示从上述机器人所接触的地面作用在上述脚部上的地面反作用力Ffsz、Mfsx、Mfsy的输出的地面反作用力检测器(6种轴向力传感器)，和记录对应上述位移而在上述弹性件中产生的位移h(Ln)与应力Fn的关系的模型，根据上述位移传感器的输出h、θx、θy和从上述地面反作用力检测器的输出检测出来的地面反作用力Ffsz、Mfsx、Mfsy，输出表示由上述位移传感器推断的地面反作用力Ffbz随机编码、Mfbx随机编码、Mfby随机编码，与根据上述地面反作用力检测器的输出所检测到的地面反作用力的差的地面反作用力推断误差Fferrz、Mferrx、Mferry，并鉴别上述模型的参数值Ka、Kb、D。

此外，还可以是这样的结构，即，具有至少根据上述参数值Ka随机编码、Kb随机编码、D随机编码自我诊断上述弹性件的劣化的弹性件自我诊断装置(控制部件26、S218)。

此外，还可以是这样的结构，即，上述自适应观察器100分别设置在上述脚部22上，具体的说，，分别设置在左、右脚部上(右脚用的是100R、左脚用的是100L)。

此外，还可以是这样的结构，即，在上述所有的脚部22，具体的说，在两个脚部22上设置一个上述自适应观察器100。

此外，还可以是这样的结构，即，上述参数值Ka、Kb、D，更详细的说，在参数通用化处理程序104中，经过通用化处理的参数值Ka随机编码+ΔKaave，Kb随机编码+ΔKbave，D随机编码+ΔDave，可以在多个上述自适应观察器100R、100L中通用。

更进一步，还可以是这样的结构，即，具有根据上述地面反作用力推断误差Fferrz、Mferrx、Mferry自我诊断出上述地面反作用力检测器的异常的地面反作用力检测器自我诊断装置(控制部件26、从S102到S122)。

此外，还可以是这样的结构，即，上述模型使得上述弹性件的粘弹性特性近似于弹簧(弹性系数为Ka的弹簧与弹性系数为Kb的弹簧)和阻尼器(阻尼系数为D的阻尼器)所具有的特性，并且上述参数值由上述弹簧和阻尼器的系数Ka、Kb、D所构成。

另外，在上述结构中，是使用静电电容式的压敏传感器构成位移传感器的，但，压敏传感器的种类不一部仅限于这些，也可以使用压电式传感器、应变仪、涡流电流式传感器等等。

此外，以上以双脚类人形机器人为例进行了说明，但，本发明也可以应用于三脚以上的步行式移动机器人。

按照本发明，由于在步行式移动机器人中，在弹性件的内部或者其附近，设置产生表示相对于第二关节的脚部的接地端位移的输出的位移传感器，并且使用记录与上述位移相对应的在弹性件中产生的位移和应力的关系的模型，根据位移传感器的输出计算出作用在上述脚部上的地面反作用力，所以能以很高的精度计算出地面反作用力，从而能使步行式移动机器人更加稳定地步行。此外，还可以组合不同种类的检测装置，构成双重传感器系统，以提高检测的可靠程度。还有，由于可以对位移传感器等是否劣化或者异常进行自我诊断，并且不设置温度传感器也能进行温度补偿，所以进一步提高了检测的可靠性。因此，本发明能应用于步行式移动机器人之类的机械中。

Claims (20)

1.一种步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，该步行式移动机器人至少具有上体和通过第一关节连接在上述上体上的若干条腿部，并且具有通过第二关节连接在上述腿部前端的脚部，该地面反作用力检测装置的特征在于，具有：

a.位移传感器，其设置在配置于上述第二关节与上述脚部的接地端之间的随着载荷而收缩的弹性件的内部和上述弹性件附近的至少任意一处，产生表示上述脚部的接地端相对于上述第二关节的位移的输出；以及

b.地面反作用力的计算装置，其使用记录与上述位移相对应的在上述弹性件中产生的位移和应力的关系的模型，根据上述位移传感器的输出计算出作用在上述脚部上的地面反作用力。

2.如权利要求1所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，上述模型由下列各部分记录：第一弹簧；与上述第一弹簧串联布置的阻尼器；与上述第一弹簧和阻尼器并联布置的第二弹簧。

3.如权利要求2所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，上述地面反作用力计算装置具有通过推断上述阻尼器的位移来推断上述地面反作用力的观察器。

4.如权利要求1～3中任一项所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，上述地面反作用力计算装置计算出来的地面反作用力至少包括作用在垂直轴线方向上的分力。

5.如权利要求1～3中任一项所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，上述位移传感器在俯视图上看局部地布置有若干个，并且上述地面反作用力计算装置根据上述若干个位移传感器的各自的输出，计算出上述地面反作用力。

6.如权利要求5所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，上述地面反作用力计算装置计算出来的地面反作用力包括作用在垂直轴线方向上的分力，和绕着与上述垂直轴线正交的轴线的力矩成分。

7.如权利要求1～3中任一项所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，上述位移传感器由弹簧和压敏传感器构成。

8.如权利要求7所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，把上述弹簧的刚性设定得比上述弹性件的刚性小。

9.如权利要求1～3中任一项所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，在上述第二关节与上述脚部的接地端之间，配置产生表示上述机器人所接触的地面作用在上述脚部上的地面反作用力的输出的第二地面反作用力检测器。

10.如权利要求9所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，它还具有：

c.自我诊断装置，其根据上述地面反作用力计算装置算出来的地面反作用力和从上述第二地面反作用力检测器的输出检测出来的地面反作用力，对是否上述位移传感器和上述第二地面反作用力检测器中至少任意一个劣化或者异常进行自我诊断。

11.如权利要求10所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，上述自我诊断装置具有：

d.第一判断装置，其判断上述地面反作用力计算装置所计算出来的地面反作用力与从上述第二地面反作用力检测器的输出检测到的地面反作用力之差和比中的至少任意一种，是否在第一规定范围内，

当上述自我诊断装置判断上述差和比中的至少任意一种不在上述第一规定范围内时，上述位移传感器自我诊断为上述位移传感器、上述第二地面反作用力检测器和上述弹性件中的至少任意一个劣化了。

12.如权利要求10或11所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，上述自我诊断装置具有：

e.第二判断装置，其判断上述地面反作用力计算装置计算出来的地面反作用力与从上述第二地面反作用力检测器所检测到的地面反作用力之差和比中的至少任意一种，是否在第二规定范围内，

当上述自我诊断装置判断上述差和比中的至少任意一种不在上述第二规定范围内时，则判断为上述第二地面反作用力检测器异常了。

13.如权利要求11所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，上述自我诊断装置具有：

f.计算判断上述差和比中至少任意某一种不在上述第一范围内的次数的计数装置，

当上述所计算的次数超过规定的次数时，则自我诊断为上述位移传感器、上述第二地面反作用力检测器和上述弹性件中至少任意一个劣化了。

14.一种步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，该步行式移动机器人至少具有上体和通过第一关节连接在上述上体上的若干条腿部，并且具有通过第二关节连接在上述腿部前端的脚部，上述地面反作用力检测装置的特征在于，具有：

a.位移传感器，其设置在配置于上述第二关节与上述脚部的接地端之间的弹性件的内部和上述弹性件附近中的至少任意一处，产生表示上述脚部的接地端相对于上述第二关节的位移的输出；

b.地面反作用力检测器，其配置在上述第二关节与上述脚部的接地端之间，产生表示上述机器人所接触的地面作用在上述脚部上的地面反作用力的输出；以及

c.自适应观察器，其使用记录与上述位移相对应的在上述弹性件中产生的位移和应力的关系的模型，根据从上述位移传感器的输出和从上述地面反作用力检测器的输出检测出来的地面反作用力，输出表示由上述位移传感器推断出的地面反作用力与由上述地面反作用力检测器的输出检测出来的地面反作用力的差的地面反作用力推断误差，并且鉴别上述模型的参数值。

15.如权利要求14所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，具有：

d.至少根据上述参数值对上述弹性件的劣化进行自我诊断的弹性件自我诊断装置。

16.如权利要求14或15所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，上述自适应观察器分别设置在上述各个脚部上。

17.如权利要求14或15所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，在上述各个脚部都设置一个上述自适应观察器。

18.如权利要求16所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，上述参数值能在多个上述自适应观察器上通用。

19.如权利要求14或15所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，它还具有：

e.根据上述地面反作用力的推断误差对上述地面反作用力检测器的异常进行自我诊断的地面反作用力检测器自我诊断装置。

20.如权利要求14或15所述的步行式移动机器人的地面反作用力检测装置，其特征在于，上述模型中上述弹性件的粘弹性特性近似于弹簧和阻尼器，并且上述参数值是由上述弹簧和阻尼器的常数构成的。

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