JP2014184527A

JP2014184527A - 摩擦係数推定装置及び脚式歩行ロボット

Info

Publication number: JP2014184527A
Application number: JP2013061865A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Doi; 将弘土井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2014-10-02
Anticipated expiration: 2033-03-25
Also published as: JP5949620B2

Abstract

【課題】床面接触部材と床面との間の摩擦係数を推定する技術を提供する。
【解決手段】摩擦係数推定装置は、上部プレート１０と、鉛直力センサ１１と、床面１６に対して接触した状態で相対的に変位可能な足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒを有する足平プレート１２と、足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒの相対的な変位に抗するように配置されたバネ１３と、上部プレート１０が荷重を受けると足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが相対的に離れるように、上部プレート１０と足平プレート１２を連結するリンク機構１４と、リンク機構１４の動作角度を検出するためのエンコーダ１５と、鉛直力センサ１１によって検出された荷重と、エンコーダ１５によって検出された動作角度と、に基づいて、足平プレート１２と床面１６との間の摩擦係数を推定する摩擦係数推定部５４と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、摩擦係数推定装置及び脚式歩行ロボットに関する。

この種の技術として、特許文献１は、上体から延設された複数の脚体を運動させて移動する脚式歩行ロボットを開示している。

特許第３６７９１０５号公報

一般に、脚式歩行ロボットを安定に動作させるには、足裏と床との間で滑りが発生しないよう、摩擦力の範囲内で動作させる必要がある。上記特許文献１の脚式歩行ロボットでは、足裏と床との摩擦係数を既知として取り扱っている。しかしながら、足裏と床との摩擦係数は、環境に応じて刻々と変化するものである。

そこで、本発明の目的は、床面接触部材と床面との間の摩擦係数を推定する技術を提供することにある。

本願発明の第１の観点によれば、荷重を受ける荷重受け部と、前記荷重受け部が受ける荷重を検出するための荷重検出手段と、床面に対して接触した状態で相対的に変位可能な第１の床面接触部材及び第２の床面接触部材を有する床面接触部材と、前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材の相対的な変位に抗するように配置された弾性部材と、前記荷重受け部が荷重を受けると前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材が相対的に離れるように、前記荷重受け部と前記床面接触部材を連結するリンク機構と、前記リンク機構の動作角度を検出するための動作角度検出手段と、前記荷重検出手段によって検出された前記荷重と、前記動作角度検出手段によって検出された前記動作角度と、に基づいて、前記床面接触部材と前記床面との間の摩擦係数を推定する摩擦係数推定手段と、を備えた、摩擦係数推定装置が提供される。以上の構成によれば、床面接触部材と床面との間の摩擦係数を推定することができる。
前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材が前記床面から離れている状態で、前記弾性部材は自然長となっている。
本願発明の第２の観点によれば、荷重を受ける荷重受け部と、前記荷重受け部が受ける荷重を検出するための荷重検出手段と、床面に対して接触した状態で相対的に変位可能な第１の床面接触部材及び第２の床面接触部材を有する床面接触部材と、前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材の相対的な変位に抗するように配置されると共に、前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材が前記床面から離れている状態で予め伸長状態とされる弾性部材と、前記荷重受け部が荷重を受けると前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材が相対的に離れるように、前記荷重受け部と前記床面接触部材を連結するリンク機構と、前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材が相対的に変位し始めるのを検知する変位開始検知手段と、前記変位開始検知手段によって前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材が相対的に変位し始めたのが検知されたときの、前記荷重検出手段によって検出される前記荷重に基づいて、前記床面接触部材と前記床面との間の摩擦係数を推定する摩擦係数推定手段と、を備えた、摩擦係数推定装置が提供される。以上の構成によれば、床面接触部材と床面との間の摩擦係数を推定することができる。
本願発明の第３の観点によれば、荷重を受ける荷重受け部と、床面に対して接触した状態で相対的に変位可能な第１の床面接触部材及び第２の床面接触部材を有する床面接触部材と、前記荷重受け部が荷重を受けると前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材が相対的に近づくように、前記荷重受け部と前記床面接触部材を連結するリンク機構と、前記リンク機構の動作角度を検出するための動作角度検出手段と、前記動作角度検出手段によって検出された前記動作角度に基づいて、前記床面接触部材と前記床面との間の摩擦係数を推定する摩擦係数推定手段と、を備えた、摩擦係数推定装置が提供される。以上の構成によれば、床面接触部材と床面との間の摩擦係数を推定することができる。
ロボット本体と、前記ロボット本体に取り付けられる複数の脚体と、を備え、前記複数の脚体を運動させることで歩行する、脚式歩行ロボットであって、上記の前記摩擦係数推定装置を更に備えた、脚式歩行ロボットが提供される。
前記摩擦係数推定装置の前記荷重受け部は、前記複数の脚体の何れかの下端に固定されている。

本発明によれば、床面接触部材と床面との間の摩擦係数を推定することができる。

図1は、脚式歩行ロボットの側面図である。（第１実施形態）図2は、足平プレートに滑りが発生する前の足部の斜視図である。（第１実施形態）図3は、足平プレートに滑りが発生した後の足部の斜視図である。（第１実施形態）図4は、足部の側面図である。（第１実施形態）図5は、足部の模式側面図である。（第１実施形態）図6は、脚式歩行ロボットの機能ブロック図である。（第１実施形態）図7は、脚式歩行ロボットの制御フローである。（第１実施形態）図8は、荷重データFzと動作角度データθとの関係を示すグラフである。（第１実施形態）図9は、足部の側面図である。（第２実施形態）図10は、脚式歩行ロボットの機能ブロック図である。（第２実施形態）図11は、脚式歩行ロボットの制御フローである。（第２実施形態）図12は、荷重データFzと動作角度データθとの関係を示すグラフである。（第２実施形態）図13は、荷重データFzと動作角度データθとの関係を示すグラフである。（第２実施形態）図14は、荷重データFzと摩擦係数データμとの関係を示すグラフである。（第２実施形態）図15は、足平プレートに滑りが発生する前の足部の斜視図である。第３実施形態）図16は、足平プレートに滑りが発生した後の足部の斜視図である。第３実施形態）図17は、足部の側面図である。（第３実施形態）図18は、足部の模式側面図である。（第３実施形態）図19は、脚式歩行ロボットの機能ブロック図である。（第３実施形態）図20は、脚式歩行ロボットの制御フローである。（第３実施形態）図21は、荷重データFzと動作角度データθとの関係を示すグラフである。（第３実施形態）図22は、動作角度データθと摩擦係数データμとの関係を示すグラフである。（第３実施形態）

（第１実施形態）
以下、図１〜図８を参照して、本願発明の第１実施形態を説明する。

図１に示すように、脚式歩行ロボット１は、ロボット本体２と、２つの脚体３と、２つの足部４と、を備えて構成されている。

ロボット本体２は、頭部５及び体幹部６によって構成されている。ロボット本体２は、制御装置７を有する。

２つの脚体３は、ロボット本体２の下端に取り付けられている。各脚体３は、複数の関節８を有する。各関節８には、関節８を駆動するアクチュエータ９が設けられている。

以上の構成で、脚式歩行ロボット１は、複数のアクチュエータ９を用いて２つの脚体３を運動させることで床面１６上を自律的に歩行する。

２つの足部４は、２つの脚体３の下端に夫々取り付けられている。２つの足部４の構成は同一であるから、一方の足部４についてのみ説明し、他方の足部４については説明を省略する。

図２〜図４に示すように、足部４は、上部プレート１０（荷重受け部）、鉛直力センサ１１（荷重検出手段）、足平プレート１２（床面接触部材）、バネ１３（弾性部材）、リンク機構１４、エンコーダ１５（動作角度検出手段）を備えて構成されている。

上部プレート１０は、脚式歩行ロボット１のロボット本体２や脚体３から荷重を受ける。上部プレート１０は、脚式歩行ロボット１の脚体３の下端に固定される。

鉛直力センサ１１は、上部プレート１０が受ける荷重を検出する。鉛直力センサ１１は、例えば歪みゲージや圧電素子によって構成されている。

足平プレート１２は、足平フロントプレート１２ｆと足平リアプレート１２ｒを有する。足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒは、床面１６に対して接触可能に構成されている。足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒは、床面１６に対して面接触可能に構成されている。足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒは、床面１６に対して接触した状態で、相対的に変位可能に構成されている。即ち、足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒは、床面１６に対して接触しつつ、互いに近づいたり離れたりできる。足平フロントプレート１２ｆは、脚式歩行ロボット１の前進方向側に、足平リアプレート１２ｒは、脚式歩行ロボット１の後進方向側に配置されている。

バネ１３は、足平フロントプレート１２ｆと足平リアプレート１２ｒの相対的な変位に抗するように配置されている。本実施形態では、バネ１３は、足平フロントプレート１２ｆと足平リアプレート１２ｒの間に配置されている。バネ１３の一端は足平フロントプレート１２ｆに固定され、バネ１３の他端は足平リアプレート１２ｒに固定されている。バネ１３は、例えばコイルバネである。

リンク機構１４は、図２及び図３に示すように、上部プレート１０が荷重を受けると足平フロントプレート１２ｆと足平リアプレート１２ｒが相対的に離れるように、上部プレート１０と足平プレート１２を連結する。リンク機構１４は、足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが共に床面１６に対して接触した状態で、上部プレート１０が荷重を受けると、足平フロントプレート１２ｆと足平リアプレート１２ｒが、床面１６に対する接触状態を維持しながら相対的に離れるように、上部プレート１０と足平プレート１２を連結する。

図４に示すように、リンク機構１４は、リア側リンク２０と、フロント側リンク２１と、センサプレート２２と、上部リニアベアリング２３と、下部リニアベアリング２４と、鉛直リニアベアリング２５と、によって構成されている。

リア側リンク２０は、直線的なリンクである。リア側リンク２０の下端は、足平リアプレート１２ｒに回転可能に固定されている。

フロント側リンク２１は、直線的なリンクである。フロント側リンク２１の下端は、足平フロントプレート１２ｆに回転可能に固定されている。

リア側リンク２０の長手方向中央部と、フロント側リンク２１の長手方向中央部は、回転可能に連結されている。

センサプレート２２は、鉛直力センサ１１を搭載するプレートである。

上部リニアベアリング２３は、直線的なリンクである。上部リニアベアリング２３は、伸縮自在のリンクである。上部リニアベアリング２３は、リア側リンク２０の上端と、フロント側リンク２１の上端と、に回転可能に固定されている。

下部リニアベアリング２４は、直線的なリンクである。下部リニアベアリング２４は、伸縮自在のリンクである。下部リニアベアリング２４の一端は、足平フロントプレート１２ｆに固定されている。下部リニアベアリング２４の他端は、足平リアプレート１２ｒに固定されている。下部リニアベアリング２４は、足平フロントプレート１２ｆと足平リアプレート１２ｒとの相対的な変位の方向を規制する。前述したバネ１３（図２参照）は、下部リニアベアリング２４内に配置されている。

鉛直リニアベアリング２５は、直線的なリンクである。鉛直リニアベアリング２５は、伸縮自在のリンクである。鉛直リニアベアリング２５の上端は、センサプレート２２の下面に回転不能に固定されている。鉛直リニアベアリング２５の下端は、リア側リンク２０とフロント側リンク２１との連結部分に回転自在に固定されている。鉛直リニアベアリング２５は、上部リニアベアリング２３に対して常に直交する関係となるように結合している。

エンコーダ１５は、リンク機構１４の動作角度を検出する。リンク機構の動作角度とは、例えば、鉛直方向に対する、リンク機構１４が有するフロント側リンク２１の姿勢角度に相当する。

図５に示すように、本実施形態では、説明の便宜上、リア側リンク２０のリンク長は２ｄとする。フロント側リンク２１のリンク長は２ｄとする。バネ１３のバネ定数はｋとする。足平プレート１２と床面１６との間の摩擦係数をμとする。即ち、足平フロントプレート１２ｆと床面１６との間の摩擦係数をμとし、足平リアプレート１２ｒと床面１６との間の摩擦係数をμとする。リンク機構１４の動作角度はθとする。θは、フロント側リンク２１の鉛直方向に対する角度として定義される。

なお、足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが床面１６から離れている状態で、バネ１３は自然長となっている。

図６に示すように、制御装置７は、CPU５０（Central Processing Unit）とRAM５１（Random Access Memory）、ROM５２（Read Only Memory）を有している。ROM５２には、制御プログラムが記憶されている。制御プログラムは、CPU５０上に読み込まれ、CPU５０上で実行されることで、CPU５０等のハードウェアを、脚体制御部５３、摩擦係数推定部５４（摩擦係数推定手段）、摩擦係数記憶部５５として機能させる。

制御装置７には、鉛直力センサ１１とエンコーダ１５、複数のアクチュエータ９が電気的に接続されている。制御装置７は、鉛直力センサ１１から、上部プレート１０が現在受けている荷重に相当する荷重データFzを取得する。制御装置７は、エンコーダ１５から、現在のリンク機構１４の動作角度に相当する動作角度データθを取得する。制御装置７は、複数のアクチュエータ９に制御信号を出力することで、２つの脚体３の動作を自在に制御する。

摩擦係数記憶部５５は、現在歩行している床面１６と足平プレート１２との摩擦係数データμを記憶する。

脚体制御部５３は、摩擦係数記憶部５５に記憶されている摩擦係数データμを参照しつつ、２つの脚体３が所定の動作パターンで動作するよう、複数のアクチュエータ９に制御信号を出力する。

摩擦係数推定部５４は、鉛直力センサ１１から出力された荷重データFzと、エンコーダ１５から出力された動作角度データθと、に基づいて、足平プレート１２と床面１６との間の摩擦係数データμを下記式（１）に基づいて推定し、推定した摩擦係数に相当する摩擦係数データで、摩擦係数記憶部５５に記憶されている摩擦係数データμを更新する。下記式(1)において、Fzは鉛直力センサ１１から出力された荷重データである。θ０は、足平プレート１２が床面１６に接触する前の状態における動作角度データθである。ｋはバネ１３のばね定数である。

本実施形態において、摩擦係数推定装置は、上部プレート１０と、鉛直力センサ１１と、足平プレート１２と、バネ１３と、リンク機構１４と、エンコーダ１５と、摩擦係数推定部５４と、によって構成されている。

次に、図７を参照して、脚式歩行ロボット１の動作を説明する。

摩擦係数推定部５４は、荷重データFzを取得する（S300）。摩擦係数推定部５４は、荷重データFzが０より大きいか判定する（S310）。荷重データFzが０より大きくないと判定した場合は（S310:NO）、摩擦係数推定部５４は、処理をS300に戻す。一方、荷重データFzが０より大きいと判定した場合は（S310:YES）、摩擦係数推定部５４は、動作角度データθを取得する（S320）。摩擦係数推定部５４は、上記式（１）に基づいて、摩擦係数データμを推定する（S330）。摩擦係数推定部５４は、推定した摩擦係数データμをRAM５１に記憶する（S340）。摩擦係数推定部５４は、荷重データFzが所定値Fzmaxより大きいか判定する（S350）。荷重データFzが所定値Fzmaxより大きくないと判定した場合は（S350:NO）、摩擦係数推定部５４は、処理をS320に戻す。一方、荷重データFzが所定値Fzmaxより大きいと判定した場合は（S350:YES）、摩擦係数推定部５４は、RAM５１に記憶されている複数の摩擦係数データμの平均値を算出し（S360）、その平均値を用いて摩擦係数記憶部５５の摩擦係数データμを更新する（S370）。脚体制御部５３は、摩擦係数記憶部５５に記憶されている現在の摩擦係数データμを参照して、２つの脚体３を所望の動作パターンで動作させる。

次に、上記式（１）について説明する。

図５において、「上部プレート１０に作用する荷重」と、「バネによる弾性力」及び「足平プレート１２と床面１６の間に働く摩擦力」と、が下記式（２）のように釣り合っている。左辺が「上部プレート１０に作用する荷重」によってリンク機構１４のリア側リンク２０及びフロント側リンク２１に発生するモーメントである。右辺第１項が「足平プレート１２と床面１６の間に働く摩擦力」によってリンク機構１４のリア側リンク２０及びフロント側リンク２１に発生するモーメントである。右辺第２項が「バネによる弾性力」によってリンク機構１４のリア側リンク２０及びフロント側リンク２１に発生するモーメントである。

上記式（２）をｄcosθで除すると、下記式（３）となる。

そして、上記式（３）をμについて整理すると、上記式（１）が導出される。図８には、上記式（１）をプロットしたグラフを示している。図８の横軸は荷重データFzであり、縦軸は動作角度データθである。図８に示すように、摩擦係数データμの大小に応じて、荷重データFzと動作角度データθの対応関係が決まっている。従って、荷重データFzと動作角度データθを計測すれば、摩擦係数データμが自ずと決まってくる。なお、ノイズ除去の観点から、摩擦係数データμを複数回推定し、図７のS360で示したように平均化するとよい。

以上に、第１実施形態を説明したが、上記第１実施形態は、以下の特長を有する。

（１）摩擦係数推定装置は、荷重を受ける上部プレート１０（荷重受け部）と、上部プレート１０が受ける荷重を検出するための鉛直力センサ１１（荷重検出手段）と、床面１６に対して接触した状態で相対的に変位可能な足平フロントプレート１２ｆ（第１の床面接触部材）及び足平リアプレート１２ｒ（第２の床面接触部材）を有する足平プレート１２（床面接触部材）と、足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒの相対的な変位に抗するように配置されたバネ１３（弾性部材）と、上部プレート１０が荷重を受けると足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが相対的に離れるように、上部プレート１０と足平プレート１２を連結するリンク機構１４と、リンク機構１４の動作角度を検出するためのエンコーダ１５（動作角度検出手段）と、鉛直力センサ１１によって検出された荷重と、エンコーダ１５によって検出された動作角度と、に基づいて、足平プレート１２と床面１６との間の摩擦係数を推定する摩擦係数推定部５４（摩擦係数推定手段）と、を備える。以上の構成によれば、足平プレート１２と床面１６との間の摩擦係数（摩擦係数データμ）を推定することができる。

また、足平プレート１２を実際に床面１６上で滑らせることで摩擦係数を推定しているので、高いロバスト性と高い推定精度が実現される。

（２）足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが床面から離れている状態で、バネ１３は自然長となっている。

（５）脚式歩行ロボット１は、ロボット本体２と、ロボット本体２に取り付けられる２つの脚体３と、を備える。脚式歩行ロボット１は、２つの脚体３を運動させることで歩行する。脚式歩行ロボット１は、上記の摩擦係数推定装置を更に備える。以上の構成によれば、脚式歩行ロボット１は、摩擦係数を推定するのに必要となる実際の動作として、歩行さえすればよいことになる。即ち、歩行しながら摩擦係数を推定することができる。

なお、必ずしも歩行しなければ摩擦係数を推定できないわけではなく、脚式歩行ロボット１がその場で足踏みすることでも、上記式（１）を用いて、摩擦係数を推定することができる。

（６）上部プレート１０は、２つの脚体３の何れかの下端に固定されている。

（第２実施形態）
次に、図９〜図１４を参照しつつ、本願発明の第２実施形態を説明する。ここでは、本実施形態が上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、重複する説明は適宜省略する。また、上記第１実施形態の各構成要素に対応する構成要素には原則として同一の符号を付すこととする。

上記第１実施形態では、足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが床面１６から離れている状態で、バネ１３は自然長であるとした。これに対し、本実施形態では、足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが床面１６から離れている状態で、バネ１３は予め伸長状態とされている。足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが床面１６から離れている状態で、バネ１３が予め伸長状態となるように、図９に示すように、上部リニアベアリング２３とリア側リンク２０との関節部分にメカニカルストッパー２６を設け、動作角度データθの下限を規定している。また、足平リアプレート１２ｒと足平フロントプレート１２ｆが相対的に変位し始めるのを検知するスイッチ２７（変位開始検知手段）が上部リニアベアリング２３とフロント側リンク２１との関節部分に設けられている。スイッチ２７は、足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが床面１６から離れている状態でOFFであり、足平リアプレート１２ｒと足平フロントプレート１２ｆが相対的に変位し始めると初めてONになる。スイッチ２７は、足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが床面１６から離れている状態でOFFであり、足平リアプレート１２ｒと足平フロントプレート１２ｆが相対的に離れ始めると初めてONになる。本実施形態では、エンコーダ１５は、省略してもよい。

図１０に示すように、スイッチ２７は、制御装置７と電気的に接続されている。従って、制御装置７は、スイッチ２７を介して、足平リアプレート１２ｒと足平フロントプレート１２ｆが相対的に離れ始めるのを検知可能に構成されている。

摩擦係数推定部５４は、スイッチ２７によって足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが相対的に離れ始めるのが検知されたときの、鉛直力センサ１１によって検出される荷重データFzに基づいて、足平プレート１２と床面１６との間の摩擦係数データμを推定する。

本実施形態において、摩擦係数推定装置は、上部プレート１０と、鉛直力センサ１１と、足平プレート１２と、バネ１３と、リンク機構１４と、スイッチ２７と、摩擦係数推定部５４と、によって実現されている。

次に、図１１を参照して、脚式歩行ロボット１の動作を説明する。

摩擦係数推定部５４は、荷重データFzを取得する（S400）。摩擦係数推定部５４は、荷重データFzが０より大きいか判定する（S410）。荷重データFzが０より大きくないと判定した場合は（S410:NO）、摩擦係数推定部５４は、処理をS400に戻す。一方、荷重データFzが０より大きいと判定した場合は（S410:YES）、摩擦係数推定部５４は、スイッチ２７がONであるか判定する（S420）。スイッチ２７がONでないと判定したら(S420:NO)、摩擦係数推定部５４は、処理をS420に戻す。一方、スイッチ２７がONであると判定したら(S420:YES)、摩擦係数推定部５４は、荷重データFzを取得する（S430）。摩擦係数推定部５４は、取得した荷重データFzに基づいて、摩擦係数データμを推定する（S440）。摩擦係数推定部５４は、推定した摩擦係数データμを用いて摩擦係数記憶部５５の摩擦係数データμを更新する（S450）。脚体制御部５３は、摩擦係数記憶部５５に記憶されている現在の摩擦係数データμを参照して、２つの脚体３を所望の動作パターンで動作させる。

次に、摩擦係数推定部５４による摩擦係数データμの推定について説明する。上記第１実施形態では、図８に示すように、足平フロントプレート１２ｆと足平リアプレート１２ｒが相対的に離れ始めるのに必要となる荷重データFzは、摩擦係数データμの大小に拘わらず、一定である。しかしながら、本実施形態では、足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが床面１６から離れている状態で、バネ１３が予め伸長状態とされている。従って、図１２や図１３に示すように、足平フロントプレート１２ｆと足平リアプレート１２ｒが相対的に離れ始めるのに必要となる荷重データFzが摩擦係数データμに応じて異なっている。図１２及び図１３において、横軸は荷重データFzであり、縦軸は動作角度データθである。図１４には、足平リアプレート１２ｒと足平フロントプレート１２ｆが相対的に離れ始めたときの荷重データFzと、摩擦係数データμと、の対応関係を示している。従って、足平リアプレート１２ｒと足平フロントプレート１２ｆが相対的に離れ始めたときの荷重データFzさえ取得できれば、摩擦係数データμを推定することができる。なお、図１４に示す、足平リアプレート１２ｒと足平フロントプレート１２ｆが相対的に離れ始めたときの荷重データFzと、摩擦係数データμと、の対応関係は、例えばRAM５１にテーブル形式で予め記憶しておけばよい。

以上に、第２実施形態を説明したが、上記第２実施形態は、以下の特長を有する。

（３）摩擦係数推定装置は、荷重を受ける上部プレート１０と、上部プレート１０が受ける荷重を検出するための鉛直力センサ１１（荷重検出手段）と、床面１６に対して接触した状態で相対的に変位可能な足平フロントプレート１２ｆ（第１の床面接触部材）及び足平リアプレート１２ｒ（第２の床面接触部材）を有する足平プレート１２（床面接触部材）と、足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒの相対的な変位に抗するように配置されると共に、足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが床面１６から離れている状態で予め伸長状態とされるバネ１３（弾性部材）と、上部プレート１０が荷重を受けると足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが相対的に離れるように、上部プレート１０と足平プレート１２を連結するリンク機構１４と、足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが相対的に変位し始めるのを検知するスイッチ２７（変位開始検知手段）と、スイッチ２７によって足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが相対的に変位し始めたのが検知されたときの、鉛直力センサ１１によって検出される荷重に基づいて、足平プレート１２と床面１６との間の摩擦係数を推定する摩擦係数推定部５４（摩擦係数推定手段）と、を備える。以上の構成によれば、足平プレート１２と床面１６との間の摩擦係数を推定することができる。

本実施形態は、上記第１実施形態と比較して、高価なエンコーダ１５を不要とすることができる点で、コスト面で優れていると言える。

なお、必ずしも歩行しなければ摩擦係数を推定できないわけではなく、脚式歩行ロボット１がその場で足踏みすることでも、図１４を用いて、摩擦係数を推定することができる。

（第３実施形態）
次に、図１と図１５〜図２２を参照しつつ、本願発明の第３実施形態を説明する。ここでは、本実施形態が上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、重複する説明は適宜省略する。また、上記第１実施形態の各構成要素に対応する構成要素には原則として同一の符号を付すこととする。

図１５〜図１７に示すように、足部４は、上部プレート１０（荷重受け部）、足平プレート１２（床面接触部材）、バネ１３（弾性部材）、リンク機構１４、エンコーダ１５（動作角度検出手段）を備えて構成されている。

リンク機構１４は、図１５及び図１６に示すように、上部プレート１０が荷重を受けると足平フロントプレート１２ｆと足平リアプレート１２ｒが相対的に近づくように、上部プレート１０と足平プレート１２を連結する。リンク機構１４は、足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが共に床面１６に対して接触した状態で、上部プレート１０が荷重を受けると、足平フロントプレート１２ｆと足平リアプレート１２ｒが、床面１６に対する接触状態を維持しながら相対的に近づくように、上部プレート１０と足平プレート１２を連結する。

図１７に示すように、リンク機構１４は、リア側リンク６０と、フロント側リンク６１と、上部リニアベアリング６２と、下部リニアベアリング６３と、鉛直リニアベアリング６４と、によって構成されている。

リア側リンク６０は、リア側上部リンク６０ａとリア側下部リンク６０ｂによって構成されている。リア側上部リンク６０ａは、直線的なリンクである。リア側下部リンク６０ｂは、直線的なリンクである。リア側上部リンク６０ａとリア側下部リンク６０ｂは、V字状となるように相互に固定されている。リア側リンク６０は、脚式歩行ロボット１の前進方向側に向かって凸となるように配置されている。リア側上部リンク６０ａの長手方向とリア側下部リンク６０ｂの長手方向は、直角である。リア側下部リンク６０ｂの下端は、足平リアプレート１２ｒに回転可能に固定されている。

フロント側リンク６１は、フロント側上部リンク６１ａとフロント側下部リンク６１ｂによって構成されている。フロント側上部リンク６１ａは、直線的なリンクである。フロント側下部リンク６１ｂは、直線的なリンクである。フロント側上部リンク６１ａとフロント側下部リンク６１ｂは、V字状となるように相互に固定されている。フロント側リンク６１は、脚式歩行ロボット１の後進方向側に向かって凸となるように配置されている。フロント側上部リンク６１ａの長手方向とフロント側下部リンク６１ｂの長手方向は、直角である。フロント側下部リンク６１ｂの下端は、足平フロントプレート１２ｆに回転可能に固定されている。

リア側リンク６０のリア側上部リンク６０ａとリア側下部リンク６０ｂの連結部分と、フロント側リンク６１のフロント側上部リンク６１ａとフロント側下部リンク６１ｂの連結部分と、は、リア側リンク６０とフロント側リンク６１が相対的に回転可能となるように連結されている。

上部リニアベアリング６２は、直線的なリンクである。上部リニアベアリング６２は、伸縮自在のリンクである。上部リニアベアリング６２は、リア側リンク６０のリア側上部リンク６０ａの上端と、フロント側リンク６１のフロント側上部リンク６１ａの上端と、に回転可能に固定されている。

下部リニアベアリング６３は、直線的なリンクである。下部リニアベアリング６３は、伸縮自在のリンクである。下部リニアベアリング６３の一端は、足平フロントプレート１２ｆに固定されている。下部リニアベアリング６３の他端は、足平リアプレート１２ｒに固定されている。下部リニアベアリング６３は、足平フロントプレート１２ｆと足平リアプレート１２ｒとの相対的な変位の方向を規制する。前述したバネ１３（図１５参照）は、下部リニアベアリング６３内に配置されている。

鉛直リニアベアリング６４は、直線的なリンクである。鉛直リニアベアリング６４は、伸縮自在のリンクである。鉛直リニアベアリング６４の上端は、上部プレート１０の下面に回転不能に固定されている。鉛直リニアベアリング６４の下端は、リア側リンク６０とフロント側リンク６１との連結部分に回転自在に固定されている。鉛直リニアベアリング６４は、上部リニアベアリング６２に対して常に直交する関係となるように、上部リニアベアリング６２と結合している。

エンコーダ１５は、リンク機構１４の動作角度を検出する。リンク機構の動作角度とは、例えば、鉛直方向に対する、リンク機構１４が有するリア側リンク６０のリア側上部リンク６０ａの姿勢角度に相当する。

図１８は、足部４の構成を模式的に示したものである。本実施形態では、説明の便宜上、リア側リンク６０のリア側上部リンク６０ａのリンク長はｄ０とする。リア側リンク６０のリア側下部リンク６０ｂのリンク長はｄ１とする。フロント側リンク６１のフロント側上部リンク６１ａのリンク長はｄ０とする。フロント側リンク６１のフロント側下部リンク６１ｂのリンク長はｄ１とする。バネ１３のバネ定数はｋとする。足平プレート１２と床面１６との間の摩擦係数をμとする。即ち、足平フロントプレート１２ｆと床面１６との間の摩擦係数をμとし、足平リアプレート１２ｒと床面１６との間の摩擦係数をμとする。リンク機構１４の動作角度はθとする。θは、リア側リンク６０のリア側上部リンク６０ａの鉛直方向に対する角度として定義される。

図１９に示すように、制御装置７は、CPU５０（Central Processing Unit）とRAM５１（Random Access Memory）、ROM５２（Read Only Memory）を有している。ROM５２には、制御プログラムが記憶されている。制御プログラムは、CPU５０上に読み込まれ、CPU５０上で実行されることで、CPU５０等のハードウェアを、脚体制御部５３、摩擦係数推定部５４（摩擦係数推定手段）、摩擦係数記憶部５５として機能させる。

制御装置７には、エンコーダ１５と複数のアクチュエータ９が電気的に接続されている。制御装置７は、エンコーダ１５から、現在のリンク機構１４の動作角度に相当する動作角度データθを取得する。制御装置７は、複数のアクチュエータ９に制御信号を出力することで、２つの脚体３の動作を自在に制御する。

摩擦係数記憶部５５は、現在歩行している床面１６と足平プレート１２との摩擦係数データを記憶する。

摩擦係数推定部５４は、エンコーダ１５から出力された動作角度データθに基づいて、足平プレート１２と床面１６との間の摩擦係数データμを下記式（４）に基づいて推定し、推定した摩擦係数に相当する摩擦係数データで、摩擦係数記憶部５５に記憶されている摩擦係数データμを更新する。

本実施形態において、摩擦係数推定装置は、上部プレート１０と、足平プレート１２と、リンク機構１４と、エンコーダ１５と、摩擦係数推定部５４と、によって実現されている。

次に、図２０を参照して、脚式歩行ロボット１の動作を説明する。

摩擦係数推定部５４は、脚式歩行ロボット１が両脚支持状態から単脚支持状態へと切り替わったか判定する（S500）。摩擦係数推定部５４は、例えば、脚体制御部５３から複数のアクチュエータ９に出力される制御信号に基づいて、脚式歩行ロボット１が両脚支持状態から単脚支持状態へと切り替わったか判定する（S500）。両脚支持状態とは、２つの脚体３が接地している状態を意味する。単脚状態とは、２つの脚体３のうち何れか一方のみが接地しており、他方が離地している状態を意味する。脚式歩行ロボット１が両脚支持状態から単脚支持状態へと切り替わっていないと判定したら（S500:NO）、摩擦係数推定部５４は、処理をS500に戻す。一方、脚式歩行ロボット１が両脚支持状態から単脚支持状態へと切り替わったと判定したら（S500:YES）、摩擦係数推定部５４は、所定時間経過後に、エンコーダ１５から出力された動作角度データθを取得する（S510）。摩擦係数推定部５４は、エンコーダ１５から出力された動作角度データθに基づいて、上記式（４）により、足平プレート１２と床面１６との間の摩擦係数データμを推定する（S520）。摩擦係数推定部５４は、推定した摩擦係数データμを用いて摩擦係数記憶部５５の摩擦係数データμを更新する（S530）。脚体制御部５３は、摩擦係数記憶部５５に記憶されている現在の摩擦係数データμを参照して、２つの脚体３を所望の動作パターンで動作させる。

次に、上記式（４）について説明する。

図１８において、「上部プレート１０に作用する荷重」と、「バネによる弾性力」及び「足平プレート１２と床面１６の間に働く摩擦力」と、が下記式（５）のように釣り合っている。左辺が「上部プレート１０に作用する荷重」によってリンク機構１４のリア側リンク６０及びフロント側リンク６１に発生するモーメントである。右辺第１項が「足平プレート１２と床面１６の間に働く摩擦力」によってリンク機構１４のリア側リンク６０及びフロント側リンク６１に発生するモーメントである。右辺第２項が「バネによる弾性力」によってリンク機構１４のリア側リンク６０及びフロント側リンク６１に発生するモーメントである。下記式（５）において、Fzは、上部プレート１０が受けた荷重に相当する荷重データである。θ０は、足平プレート１２が床面１６に接触する前の状態における動作角度データθである。

図２１には、上記式（５）をプロットしたグラフを示している。図２１の横軸は荷重データFzであり、縦軸は動作角度データθである。図２１によると、本実施形態では、（１）荷重データFzを増やしていっても、ある程度以上に荷重データFzが大きくなると動作角度データθが横ばいになること、（２）リンク機構１４が停止するときの動作角度データθは、摩擦係数データμによって異なること、の（１）及び（２）の知見が得られる。従って、上部プレート１０が受ける荷重データFzが十分に大きくなるタイミングで、動作角度データθを取得することで、荷重データFzを測定することなく、摩擦係数データμを推定することができる。「上部プレート１０が受ける荷重データFzが十分に大きくなるタイミング」とは、例えば、脚式歩行ロボット１が両脚支持状態から単脚支持状態へと切り替わってから所定時間経過した後のタイミングが挙げられる。

図２１において、荷重データFzの増加に対して動作角度データθが横ばいになる条件は、下記式（６）で示される。

従って、上記式（５）及び（６）により、下記式（７）が導出される。

上記式（７）を摩擦係数データμについて整理すると、上記式（４）が導出される。図２２には、上記式（４）をプロットしたグラフを示している。図２２の横軸は動作角度データθであり、縦軸は摩擦係数データμである。図２２に示す、動作角度データθと、摩擦係数データμと、の対応関係は、例えばRAM５１にテーブル形式で予め記憶しておけばよい。

以上に、第３実施形態を説明したが、上記第３実施形態は、以下の特長を有する。

（４）摩擦係数推定装置は、荷重を受ける上部プレート１０（荷重受け部）と、床面１６に対して接触した状態で相対的に変位可能な足平フロントプレート１２ｆ（第１の床面接触部材）及び足平リアプレート１２ｒ（第２の床面接触部材）を有する足平プレート１２（床面接触部材）と、上部プレート１０が荷重を受けると足平フロントプレート１２ｆ及び足平リアプレート１２ｒが相対的に近づくように、上部プレート１０と足平プレート１２を連結するリンク機構１４と、リンク機構１４の動作角度を検出するためのエンコーダ１５（動作角度検出手段）と、エンコーダ１５によって検出された動作角度に基づいて、足平プレート１２と床面１６との間の摩擦係数を推定する摩擦係数推定部５４（摩擦係数推定手段）と、を備える。以上の構成によれば、足平プレート１２と床面１６との間の摩擦係数を推定することができる。

１脚式歩行ロボット
４足部
１０上部プレート
１１鉛直力センサ
１３バネ
１４リンク機構
１５エンコーダ
１２足平プレート

Claims

荷重を受ける荷重受け部と、
前記荷重受け部が受ける荷重を検出するための荷重検出手段と、
床面に対して接触した状態で相対的に変位可能な第１の床面接触部材及び第２の床面接触部材を有する床面接触部材と、
前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材の相対的な変位に抗するように配置された弾性部材と、
前記荷重受け部が荷重を受けると前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材が相対的に離れるように、前記荷重受け部と前記床面接触部材を連結するリンク機構と、
前記リンク機構の動作角度を検出するための動作角度検出手段と、
前記荷重検出手段によって検出された前記荷重と、前記動作角度検出手段によって検出された前記動作角度と、に基づいて、前記床面接触部材と前記床面との間の摩擦係数を推定する摩擦係数推定手段と、
を備えた、
摩擦係数推定装置。
請求項１に記載の摩擦係数推定装置であって、
前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材が前記床面から離れている状態で、前記弾性部材は自然長となっている、
摩擦係数推定装置。
荷重を受ける荷重受け部と、
前記荷重受け部が受ける荷重を検出するための荷重検出手段と、
床面に対して接触した状態で相対的に変位可能な第１の床面接触部材及び第２の床面接触部材を有する床面接触部材と、
前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材の相対的な変位に抗するように配置されると共に、前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材が前記床面から離れている状態で予め伸長状態とされる弾性部材と、
前記荷重受け部が荷重を受けると前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材が相対的に離れるように、前記荷重受け部と前記床面接触部材を連結するリンク機構と、
前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材が相対的に変位し始めるのを検知する変位開始検知手段と、
前記変位開始検知手段によって前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材が相対的に変位し始めたのが検知されたときの、前記荷重検出手段によって検出される前記荷重に基づいて、前記床面接触部材と前記床面との間の摩擦係数を推定する摩擦係数推定手段と、
を備えた、
摩擦係数推定装置。
荷重を受ける荷重受け部と、
床面に対して接触した状態で相対的に変位可能な第１の床面接触部材及び第２の床面接触部材を有する床面接触部材と、
前記荷重受け部が荷重を受けると前記第１の床面接触部材及び前記第２の床面接触部材が相対的に近づくように、前記荷重受け部と前記床面接触部材を連結するリンク機構と、
前記リンク機構の動作角度を検出するための動作角度検出手段と、
前記動作角度検出手段によって検出された前記動作角度に基づいて、前記床面接触部材と前記床面との間の摩擦係数を推定する摩擦係数推定手段と、
を備えた、
摩擦係数推定装置。
ロボット本体と、前記ロボット本体に取り付けられる複数の脚体と、を備え、前記複数の脚体を運動させることで歩行する、脚式歩行ロボットであって、
請求項１〜４の何れかに記載の前記摩擦係数推定装置を更に備えた、
脚式歩行ロボット。
請求項５に記載の脚式歩行ロボットであって、
前記摩擦係数推定装置の前記荷重受け部は、前記複数の脚体の何れかの下端に固定されている、
脚式歩行ロボット。