二足歩行ロボット
歩行パターンを使う歩行は積極的に重心位置を制御することで歩行を行うが、重心位置を制御しない歩行制御法もある。アルゴリズム歩行、倒立振子モードによる歩行制御、イベント歩行、リズム運動を軌範とする歩行制御など、研究者により呼び方と制御方法は様々だが、重心位置を積極的に制御しない点では同じである。また、受動的に重心位置が変化する点ではパッシブウォーキングと親和性が高い。
竹馬型二足ロボットやトリ型二足歩行ロボットなど、無質量脚モデルに近い二足歩行ロボットで適用例がある。アルゴリズムを使った歩行制御のメリットは、運動方程式を解く必要が無いので衝撃緩衝機構が付けられること、工作精度が低くてもいいので製造コストを抑えられること、運用中に発生する障害(転倒によるフレームの歪み、駆動系の不具合)、負荷の変動に対応できるので荷物の運搬や外力の作用に対応できること、などがある。また、エネルギー保存則に則した動作が可能になるため、歩行パターンを用いる歩行制御に比べ、格段にエネルギー効率を高くできる。
例えば、左の二足歩行の動作シミュレーション動画は、非常にシンプルな数式で歩行が生成されており、遊脚着地位置とキック力を恣意的にずらすことで方向転換や速度制御を行なっている。1つのベクトルで歩行を制御できるので、操縦桿とアクセル・ブレーキでロボットをコントロールすることが可能になっている。
二足歩行ロボットのハードウエアはフレームとアクチュエータ、制御系、電源で構成される。以前は制御系と電源は外部に置くことが多かったが、バッテリーと制御機器の小型化によりロボット本体に搭載することが可能になった。二足歩行ロボットの構成要素は産業用ロボットと大差無いが、歩行ロボットは産業用ロボットと違い、自動車などと同じ移動体であり、設計には自動車やオートバイの考え方に似たところがある。すなわち、軽量で大出力なほど有利であり、バネ下重量(歩行ロボットでは脚の質量がこれに相当する)や末端重量が少ないほど良い。重心位置が運動特性に大きな影響を及ぼす点も似ている。
二足歩行ロボットは現在研究開発途上のものであり、これが標準的な構造と言えるものは無いが、現在の傾向やその経緯について簡単に解説する。
二足歩行ロボットの骨組みは制御モデルのリンク(節)に相当する。現在主流のZMPを軌範とする歩行制御を行う場合、位置制御がベースとなるため、制御モデルのリンクは完全剛体と仮定されるので、実際に製作されるロボットのフレームにも高い剛性が求められる。当然、転倒したぐらいでは歪まない強度が要求される。また精度も高いものが要求され、低い工作精度だと制御が困難になることがある。以前は軽量化のためアルミニウムが使われることがあったが、近年は剛性と加工性を重視してスチールが用いられることが多くなってきた。ちなみに産業用ロボットでも剛性を重視して鋳鋼や鋼板が用いられている。剛性だけで言えば炭素繊維強化プラスチックなどの複合素材が優れているが、加工が非常に難しいため、あまり用いられない。
軽量化のため外骨格構造が取られることが多いが、転倒時に歪みやすいので内骨格構造が採用されることもある。内骨格構造には艤装がしやすく、修理が容易というメリットもある。
二足歩行ロボットのアクチュエータにはサーボモーターが用いられる。油圧、空圧、人工筋肉などが用いられることもあるが例は少ない。サーボモーターは高速回転するものなので、減速機で回転数を落としトルクを上げる必要がある。減速機には歯車が使われるが、二足歩行ロボットには遊星歯車かハーモニックドライブが使われる。ハーモニックドライブは楕円と真円の差動を利用した減速機で、小型軽量高効率で多くの歩行ロボットに使われている。ただし大変高価である。
サーボモータを駆動するにはサーボアンプが必要になる。産業用ロボットも含めてロボットのサーボアンプには、普通、ロバスト性を高めるためにPWMドライバが使われる。PWMとはモーターの最大電流を+と-のパルスで供給し、モーターを常に最大負荷で使う方法である。サーボアンプはパワーデバイスであり、熱容量の関係から、汎用品は大きく重い。ロボットに搭載するには特注品を依頼するか自作する必要がある。
小型(10~30cm程度)の二足歩行ロボットについては、特に日本において個人や小規模な団体での研究が盛んである。これはロボカップやROBO-ONEといったロボット競技大会によるところが大きい。2011年2月24〜26日には、二足歩行ロボットのフルマラソン大会が世界で初めて行われ、トップの完走時間は54時間57分50秒であった。
ヴァルキリー(アメリカ合衆国・NASA)開発の二足歩行ロボット。
WABOT-1(早稲田大学: 世界初の電気制御二足歩行ロボット)
ASIMO(本田技研工業):実用化を視野に入れて開発された
E2-DR(本田技研工業):カナダ・バンクーバーで2017年9月に開催されたロボット産業関連の展示会「IROS 2017」で発表された災害救助ロボット(プロトタイプ)。
RHP(Robust Humanoid Platform)(川崎重工業,(JSK)等の共同開発):東京ビッグサイトにて2017年11月29日から2017年12月2日まで開催された国際ロボット展「iREX 2017」で発表されたプロトタイプ・ロボット(バージョン4)。
Kaleido(カレイド)(川崎重工業,(JSK)等の共同開発):東京ビッグサイトにて2018年10月17日から2018年10月21日まで開催された国際ロボット展「WRS 2018」で発表されたプロトタイプ・ロボット(バージョン5)。
HRP-2(川田工業,産業技術総合研究所等の共同開発)
HRP-2改(川田工業,産業技術総合研究所等の共同開発):DARPAロボティクス・チャレンジ2015年6月本戦(23チーム中)10位
JAXON(東京大学開発):DARPAロボティクス・チャレンジ2015年6月本戦(23チーム中)11位
HRP-3(川田工業,産業技術総合研究所等の共同開発)
HRP-4(川田工業,産業技術総合研究所等の共同開発))
HRP-5P(川田テクノロジーズ,本田技研工業,産業技術総合研究所等の共同開発)
KHR-1(近藤科学):愛好家向けに市販された
i-SOBOT(タカラトミー):家庭用に市販された。廉価ながらも17自由度を備えていた。
QRIO(ソニー):試作機は完成度が比較的高かったものの、発売されず。
トヨタ・i-foot(トヨタ自動車):搭乗型二足歩行ロボットで愛・地球博で公開された。
T-HR3(トヨタ自動車):2017年11月29日から12月2日まで東京ビッグサイトで開催された2017国際ロボット展に出展された。
LAND WALKER(榊原機械):搭乗型だが厳密には二足歩行ではない。
HUBO+(DRC-HUBO)(大韓民国・韓国科学技術院 (KAIST)):DARPAロボティクス・チャレンジ2015年6月本戦(23チーム中)1位で優勝。
WALK-MAN(Whole-body Adaptive Locomotion and Manipulation)(イタリア共和国・イタリア技術研究所(IIT)):DARPAロボティクス・チャレンジ2015年6月本戦(23チーム中)17位。
iCub(イタリア共和国):イタリア技術研究所(IIT) を中心に研究・開発がおこなわれている子供型二足歩行ロボット。設計はオープンソースとなっており、如何様にもカスタマイズ可能。
REEM-C(スペイン・バルセロナ):PAL Robotics にて開発された身長165cm、体重80kg、全44自由度の二足歩行ロボット(2013年7月発表)。
TALOS(スペイン・バルセロナ):PAL Roboticsを中心に研究・開発がおこなわれている身長175cm、体重95Kg、全32自由度の二足歩行ロボット。
TORO(Torque Controlled Humanoid Robot)(ドイツ連邦共和国・ドイツ航空宇宙センター):宇宙空間で宇宙飛行士と共同作業を行なう目的で開発された二足歩行ロボット(2013年3月発表)。身長174cm、体重76.4kg。
FEDOR(Final Experimental Demonstration Object Research)(ロシア連邦):Android Technics と高等研究財団にて開発された二足歩行ロボット(2016年10月発表)。
2019年7月23日、音声アシスタント機能を追加して小型・軽量化にも成功した新型二足歩行ロボット『Skybot F-850』 がツイッターのページで公開された。
DARwIn-OP(Romela)
先行者(中華人民共和国 ・長沙市・国防科学技術大学)
Walker(本社:中華人民共和国 ・広東省・深圳市 / アメリカ本社:アメリカ合衆国・カリフォルニア州・ロサンゼルス,UBTECH):正式名称は「Intelligent Humanoid Service Robot」。身長145cm、体重77kg、全36自由度の二足歩行ロボット。2019年1月8日から2019年1月11日までアメリカ・ラスベガスで開催された｢CES 2019｣に出展された。
PETMAN(アメリカ合衆国・マサチューセッツ州・ミドルセックス郡・ウォルサム市,ボストン・ダイナミクス社)
アトラス(アメリカ合衆国・マサチューセッツ州・ミドルセックス郡・ウォルサム市,ボストン・ダイナミクス社)
Digit(アメリカ合衆国・オレゴン州・オレゴン州立大学,Agility robotics社):2020年度内に量産・納品を開始する予定の新型二足歩行ロボット(2019年2月26日発表)。
Nao(フランス ・Aldebaran Robotics社)
Romeo(フランス ・Aldebaran Robotics社、Cap Digital)
ASRA C1(アスラテック)
PALRO(富士ソフト)
S-1 (SCHAFT):DARPAロボティクス・チャレンジ2013年12月予選首位通過(2015年6月本戦欠場)
Sota (ロボット)(ヴイストン,日本電信電話,NTTデータ等の共同開発)
ロボゼロ(デアゴスティーニ・ジャパン)
ロビ(デアゴスティーニ・ジャパン)
PLEN(プレンプロジェクト)
ロボホン(シャープ)
Tesla Bot(テスラボット)」