二足歩行ロボット
現在主流なのは、重心位置を制御して歩行を制御する方法である。技術的にこなれた位置制御をベースに開発できるため、ほとんどの歩行ロボットがこの方法を採用している。ZMPを使った歩行制御も、重心位置を制御して歩行を実現している。
ロボットが歩く時の関節角の制御量を歩行パターンと言う。研究者によって、歩行軌道や歩行制御量など、言い方は様々である。かつては計算機の能力が足りなかったため、あらかじめ歩行パターンを生成しておき、ロボットでそれを再生することで歩行を実現しようとしていた。この方法は、計算値と実際のロボットの挙動が徐々にずれるためにうまくいかない。コンピュータの発達とともに挙動をリアルタイムでフィードバックし歩行パターンを生成することが出来るようになり、歩行が実現できるようになった。歩行パターンは制御モデルの運動方程式を立て、歩行の仕方となる拘束条件を入れ、運動方程式を解いて制御量を求める。
運動方程式とは、ある関節にどれだけ力を加えると、体の姿勢がどう変化し、重心位置とモーメント力がどうなる、という関係を表した数式である。運動方程式はリンクごとに相互作用を一つ一つ考慮して立てることも出来るが、歩行ロボットのようにいくつもリンク機構があると運動方程式を立てることは容易ではない。普通はオイラー・ラグランジュの運動方程式を使い、運動方程式を作る。
この方程式は、外力が加わらない限り、ポテンシャルエネルギーの変化量と運動エネルギーの変化量は等しいという、物理学の基本法則から導かれている。ロボットの運動は3次元なので、式は行列とベクトルを使ったもので構成される。
トリ型二足歩行ロボットは1990年頃に産業技術総合研究所、および信州大学で製作されている。2004年にはトヨタ・i-footが製作された。産業技術研究所のロボットはZMPによる歩行理論の実証を目指して、理論的に最も合理的なトリ型が採用された。信州大学のロボットは歩行ロボットとしては初めてサスペンションを装備した。足首と股関節にバネとダンパーを装着し、歩行から走行までモードレスに扱うことのできる独自の歩行理論の実証を目指した。
生物界ではトリ型歩行のほうが、直立二足歩行よりはるかに多く見られる。これは運動性がよく、エネルギー効率が高いためであると考えられている。実際ダチョウなど走鳥類は時速80km以上で長時間走ることができるとされている。これはチーターよりは遅いが、チーターの最高速は数秒間しか出ない。長距離ではダチョウの方が優れていると言われている。
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。