ロボットの移動

ロボットの移動とは、ロボットが自分自身をある場所から別の場所へ 移動するために使用するさまざまな方法の総称です。

車輪付きロボットは、一般的にエネルギー効率が非常に良く、制御も簡単です。しかし、起伏の多い地形を移動したり、人間の環境で移動したり相互作用したりするなど、さまざまな理由から、他の移動形態の方が適している場合があります。さらに、二足歩行ロボットや昆虫型ロボットの研究は、生体力学に有益な影響を与える可能性があります。

この分野の主な目標は、ロボットがどのように、いつ、どこに移動するかを自律的に決定する機能を開発することです。しかし、階段を登るといった単純なことでさえ、多数のロボット関節を調整するのは困難です。ロボットの自律移動は、ヒューマノイド（ホンダのASIMOなど）など、ロボット工学の多くの分野にとって大きな技術的障害となっています。

• パッシブダイナミクスを参照
• ゼロモーメントポイントを参照
• 脚の機構を参照
• ヘキサポッド（ロボット）を参照

歩行ロボットは、車輪の動きの代わりとして、人間や動物の歩き方を模倣します。脚の動きにより、車輪付きロボットでは到達が難しい凹凸のある表面、段差、その他の領域を乗り越えることが可能になり、車輪付きロボットのように環境地形を侵食するダメージも少なくなります。^[1]

六脚ロボットは昆虫の移動運動をベースとしており、最もよく知られているのはゴキブリ^[2]とナナフシで、その神経学的および感覚的出力は他の動物よりも複雑ではありません。複数の脚があれば、脚が損傷した場合でもいくつかの異なる歩行が可能になり、物体を運ぶロボットでその動きがより有用になります。

先進的なランニングロボットの例としては、ASIMO、BigDog、HUBO 2、RunBot、トヨタ・パートナーロボットなどが挙げられます。

硬くて平らな表面でのエネルギー効率という点では、車輪付きロボットが最も効率的です。これは、理想的で変形しない転がり（滑らない）車輪がエネルギーを失わないためです。これは、かかとで地面に衝突し、その結果エネルギーを失う脚付きロボットとは対照的です。

単純化のため、ほとんどの移動ロボットには 4 つの車輪または連続した複数のトラックがあります。研究者の中には、1 つまたは 2 つの車輪のみを備えた、より複雑な車輪付きロボットの作成を試みた人もいます。これらのロボットには、効率性の向上や部品の削減などの利点があるほか、4 輪ロボットでは移動できない狭い場所でも移動できるという利点もあります。

例: Boe-Bot、 Cosmobot、 Elmer、 Elsie、 Enon、 HERO、 IRobot Create、 iRobotの Roomba、 Johns Hopkins Beast、 Land Walker、 Modulus ロボット、 Musa、 Omnibot、 PaPeRo、 Phobot、 Pocketdelta ロボット、 Push the Talking Trash Can、 RB5X、 Rovio、 Seropi、 Shakey the robot、 Sony Rolly、 Spykee、 TiLR、 Topo、 TR Araña、 Wakamaru。

1980年代にMIT脚部研究所のマーク・レイバートが製作した数体のロボットは、非常にダイナミックな歩行を成功させた。当初は、脚が1本しかない非常に小さな足を持つロボットが、単に跳ねるだけで直立することができた。その動きは、ホッピングをする人の動きと同じである。ロボットが片側に倒れると、その方向にわずかにジャンプして、転倒から身を守る。^{[3]すぐに、そのアルゴリズムは2本足と4本足に一般化された。2足歩行ロボットが走行し、}宙返りまでする様子が示された。^[4]四足歩行ロボットも、速歩、走行、歩き回り、跳躍する様子が示された。 ^[5]

例:

• MITチーターカブは、広範囲の速度で自己安定できる受動的なコンプライアント脚を備えた電動四足ロボットです。^[6]
• 鉄拳IIは不整地を適応的に歩行できるように設計された小型の四足歩行ロボットである。^[7]

進行波のような外観を持つ協調的で連続的な機械的動作は、メタクロナルリズムまたは波と呼ばれ、自然界では繊毛虫による輸送や、虫や節足動物による移動に利用されています。

ヘビ型ロボットの開発に成功した例がいくつかあります。本物のヘビの動きを模倣したこれらのロボットは、非常に狭い空間でも移動できるため、倒壊した建物に閉じ込められた人々の捜索に使用される可能性があります。 ^[8]日本のACM-R5ヘビ型ロボット^[9]は、陸上でも水中でも移動できます。^[10]

例: 蛇腕ロボット、 ロボボア、 スネークボット。

• 自律型水中車両を参照

ブラキエーションにより、ロボットはスイングして移動することができ、エネルギーは表面をつかんだり離したりするためにのみ使用されます。^[11]この動きは、木から木へとスイングする類人猿に似ています。2 種類のブラキエーションは、二足歩行 (連続接触) または走行 (跳躍) に例えることができます。連続接触は、手/把持機構が常に横断する表面に取り付けられている場合です。跳躍は、1 つの表面/手足から次の表面/手足への空中「飛行」の段階を採用します。

ロボットは複数のモードで移動するように設計することもできます。たとえば、再構成可能な二足歩行ヘビロボット^[12]は、ヘビのように這うことができ、二足歩行ロボットのように歩くこともできます。

動的な移動能力を持つロボットを作りたいという願望から、科学者たちは自然に解決策を求めるようになりました。 単一モードで基本的な移動が可能なロボットがいくつか発明されましたが、いくつかの機能が欠けていることが判明しており、そのため機能と用途が制限されています。 高度に知能化されたロボットは、捜索救助任務、戦場、地形調査などの多くの分野で必要とされています。 したがって、この種のロボットは、小型、軽量、高速で、複数の移動モードで移動する能力を備えている必要があります。 結局のところ、複数の動物がいくつかのロボットの設計にインスピレーションを与えてきました。 そのような動物には次のようなものがあります。

ムササビ

ムササビ（モモンガ族）は、高自由度（DoF）の脚を持つ四足歩行能力を利用して、陸上で優れた機動性を発揮します。空中では、ムササビは脚の間の膜からの揚力を利用して滑空します。彼らは脚を自由に動かすことができる非常に柔軟な膜を持っています。^[13]彼らは非常に弾力性のある膜を使って空中で滑空し、地上ではしなやかな動きを見せます。さらに、ムササビは前脚と後脚をつなぐ膜のおかげでマルチモーダルな移動が可能で、これも滑空能力を高めています。^[13]柔軟な膜は硬い板よりも高い揚力係数を持ち、失速が発生する迎え角を遅らせることが証明されています。^[13]また、ムササビは膜の端、翼端、尾に太い束を持っており、変動と不要なエネルギー損失を最小限に抑えるのに役立ちます。^[13]

Pteromyini は、数多くの身体的特徴を備えているため、滑空能力を高めることができます。

柔軟な筋肉構造は、複数の目的を果たします。まず、ムササビの揚力発生器として働く斜板は、薄くて柔軟な筋肉のおかげで効果的に機能します。 ^{[14] [15]}斜板は、収縮と拡張による膜の張力を制御することができます。張力制御は、膜のバタつきを最小限に抑えることで、最終的にエネルギーの節約に役立ちます。ムササビは着地すると、歩行中に膜がたるまないように膜を収縮させます。^[15]

プロパタギウムと尾パタギウムは、ムササビにさらなる揚力を与える役割を果たします。^[15]プロパタギウムはムササビの頭と前肢の間にありますが、尾パタギウムは尾と後肢にあり、ムササビの敏捷性と着地時の抗力を高める役割を果たしています。^[15]

さらに、ムササビは膜の形状を維持するために膜の端に太いロープのような筋肉構造を持っています。^[15]これらの筋肉構造は広頚筋、脛手根筋、半腱様筋と呼ばれ、それぞれ前翼板、斜翼板、尾翼板に位置しています。^[15]これらの太い筋肉構造は、滑空中に強い風圧によって不必要に羽ばたくのを防ぎ、エネルギー損失を最小限に抑える役割を果たします。^[15]

翼端は前肢の手首に位置し、翼端渦の形成による誘導抗力の影響を最小限に抑える翼型を形成する役割を果たします。^[14]翼端は渦の影響を弱め、誘導抗力が翼全体に影響するのを防ぎます。ムササビは滑空中に親指を使って翼端を展開したり折りたたんだりすることができます。これにより、翼端が不必要にたるむのを防ぐことができます。^[14]

ムササビの尾は滑空能力を向上させる重要な役割を果たしている。他の脊椎動物とは対照的に、ムササビは滑空時に空気力学的表面積を増やすために平らな尾を持っている。^{[16] [17]}これにより、ムササビは尾のピッチ角の安定性を維持することもできる。これは特に着陸時に役立ち、ムササビはピッチ角を広げてより多くの抗力を誘発し、減速して安全に着陸することができる。^[15]

さらに、プテロミニの脚と尾は滑空方向を制御する役割を果たしている。脚の周りの膜の柔軟性により、膜と体の冠状面の間の弦角と二面角が制御される。^[13]これにより、動物はローリング、ピッチング、ヨーイングの動きを作り出し、滑空速度と方向を制御することができる。^{[18] [19]}着陸中、動物は膜を使って抗力を増やしピッチ角を変え、脚の膜間の張力を緩めて空気抵抗をさらに増やすことで、急速に速度を落とすことができる。^{[18] [19]}

Desmodus Rotundus (吸血コウモリ)

吸血コウモリは、跳躍などの強力な陸上移動と滑空などの空中移動のモードを持っていることが知られています。いくつかの研究は、コウモリの形態が両方の移動モードを簡単かつ効果的に切り替えることができることを実証しました。^[20]これを助ける解剖学は、基本的にコウモリの体の中で最も大きな筋肉である深胸筋（後部）を中心に構築されています。^[20] 2つの移動モード間では、3つの骨が共有されています。これらの3つの主要な骨は、上腕骨、尺骨、橈骨であり、腕の構造の不可欠な部分です。両方のモードですでにコンポーネントが共有されているため、跳躍から滑空に移行する際に追加の筋肉は必要ありません。^[20]

バットの肩の形態を詳細に研究すると、腕の骨がやや頑丈になっており、尺骨と橈骨が地面からの強い反力に耐えられるように癒合していることが分かる^[20]

Schistocerca gregaria（サバクトビバッタ）

サバクトビバッタは、長距離を跳躍して飛翔する能力と、陸上で這う能力で知られている。^[21]この生物の解剖学の詳細な研究により、移動のメカニズムについての詳細が明らかになった。サバクトビバッタの後ろ足は跳躍のために発達している。後ろ足は、大きな脛骨伸筋、小さな脛骨屈筋、バナナ型の厚いクチクラからなる半月状の突起を持っている。^{[22] [23]}脛骨筋が屈曲すると、筋肉の機械的利点と脚伸展の垂直方向の推力成分が増加する。^[24]これらのサバクトビバッタは、エネルギーが最初に後ろ足に蓄えられ、次に脚を伸ばすために放出されるカタパルト機構を利用している。^[25]

完璧なジャンプをするためには、バッタは素早く離陸できるほどの力で足を地面に押し付けなければならない。素早い離陸と適度なジャンプの高さを達成するには、十分な力が必要である。また、力は素早く生成されなければならない。ジャンプモードから飛行モードに効果的に移行するには、昆虫は羽を広げる時間を調整して、ジャンプの距離と高さを最大化する必要がある。ジャンプの頂点に達すると、飛行モードが作動する。^[22]

ムササビをモデルにしたマルチモーダル歩行・滑空ロボットのモデリング

模倣すべき必須モデルの発見に続いて、研究者たちは、柔軟な膜を使用して空中および地上環境で効果的な動作を実現できる脚付きロボットの設計を目指しました。したがって、この目標を達成するには、次の設計上の考慮事項を考慮する必要がありました。

1. 膜の形状と面積は、膜の意図された空力性能を達成できるように意識的に選択する必要がありました。さらに、膜は脚に取り付けられているため、膜のデザインは脚のデザインに影響します。^[13]

2. 膜は、滑走や歩行中に脚が自由に動けるように十分な柔軟性を備えていなければならなかった。しかし、柔軟性が高すぎると膜の強い圧力がかかる部分の振動によってエネルギーが大きく失われる可能性があるため、柔軟性の程度を制御する必要があった。^[13]

3. ロボットの脚は、歩行だけでなく滑走にも適切なトルクを発生できるように設計する必要があった。^[13]

これらの要素を組み込むためには、ムササビの特性に細心の注意を払う必要がありました。ロボットの空力特性は、動的モデリングとシミュレーションを使用してモデル化されました。ムササビの膜の厚い筋肉束を模倣することで、設計者はロボットの膜端の変動と振動を最小限に抑えることができ、不必要なエネルギー損失を減らすことができました。^[13]さらに、ロボットの翼の抗力は、格納式の翼端を使用することで削減され、滑空能力が向上しました。^[14]さらに、仮想仕事分析を使用してプテリヨミニの脚の構造を模倣した後、ロボットの脚は十分なトルクを組み込むように設計されました。^[13]

ロボットの脚と膜の設計に従って、平均滑空比（GR）は1.88と決定されました。ロボットは効果的に機能し、いくつかの歩行パターンで歩き、高自由度の脚で這いました。^[13]ロボットは安全に着地することもできました。これらのパフォーマンスは、ロボットの滑空および歩行能力とマルチモーダル移動を実証しました。

デスモドゥス・ロトゥンドゥス（吸血コウモリ）をモデルにしたマルチモーダルジャンプ・滑空ロボットのモデリング

Multi-Mo Batと呼ばれるロボットの設計には、エネルギー貯蔵段階、ジャンプ段階、惰性走行段階、滑空段階という4つの主要な動作段階の確立が含まれていました。^[20]エネルギー貯蔵段階では、基本的にジャンプエネルギー用のエネルギーの確保が含まれます。このエネルギーはメインの動力ばねに蓄えられます。このプロセスでは、肩の関節の周りにトルクも発生し、脚がジャンプ用に構成されます。蓄えられたエネルギーが放出されると、ジャンプ段階を開始できます。ジャンプ段階が開始され、ロボットが地面から離陸すると、惰性走行段階に移行し、頂点に到達して下降を開始するまで続きます。ロボットが下降すると、翼の底部の抗力が増加することで翼が再構成されるため、抗力によって下降速度が低下します。^[20]この段階では、ロボットは滑空します。

吸血コウモリの腕の構造は、ロボットの脚の設計において重要な役割を果たします。自由度（DoF）の数を最小限に抑えるために、腕の2つのコンポーネントはxz平面上でミラーリングされます。^[20]これにより、ロボットの脚構造の4バー設計が作成され、独立した2つのDoFのみになります。^[20]

Schistocerca gregaria（サバクトビバッタ）をモデルにしたマルチモーダルジャンプ・飛行ロボットのモデリング

設計されたロボットは、ジャンプと羽ばたきの機能を統合した単一のDCモーターで駆動されました。^[23]これは、脚の構造のための逆スライダークランク機構、ウインチ機構として機能するドッグクラッチシステム、および羽ばたき翼システムに使用されるラックピニオン機構を組み込んだ設計でした。^[20]この設計には、非常に効率的なエネルギー貯蔵および放出機構と統合された翼羽ばたき機構が組み込まれていました。^[20]

イナゴに似た特徴を持つロボットが開発された。ロボットの設計上の主な特徴は、単一のモーターで駆動するギアシステムであり、これによりロボットはジャンプや羽ばたきの動作を実行できる。イナゴの動きと同様に、ロボットの動きは脚を最大エネルギー貯蔵位置まで曲げることによって開始され、その後エネルギーはすぐに放出され、飛行に必要な力を生み出す。^[20]

このロボットは性能テストを受け、その結果、重量23gで約19Hzの周波数で羽ばたきながら、約0.9mの高さまでジャンプできることが実証された。^[20]羽ばたきなしでテストされたロボットは、翼のあるロボットに比べてジャンプ性能が約30%低下し、それほど印象的なパフォーマンスは示さなかった。^[20]翼の重さがジャンプに影響を与えるはずなので、逆の結果になることが予想されるため、 これらの結果は非常に印象的である^{[論評] 。}

• 製品の最適化
• モーションプランニング
• モーションキャプチャは、人間、昆虫、その他の生物に対して実行できます。
• 機械学習、通常は強化学習を伴います。

• ロドニー・ブルックス
• マーク・レイバート
• ジェシカ・ホジンズ
• レッド・ウィテカー
• ヒューマノイドロボットプロジェクトのヒューマノイドロボットの歩行の予測性を実現するためにプレビュー制御^[26]を導入した梶田修司。

• マイクロスイマー

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