二足歩行ロボット
歩行の形態には静歩行と動歩行がある。静歩行とは重心の路面への投影点が左右いずれかの足の裏に位置するような歩行法である。静歩行の静は、静的安定の静のことである。静的に安定なのでどこで停止しても転倒することが無いが、床面が常に平面でなければならないなど環境に制約が多い。 静歩行は、安価なおもちゃでよく使われている。
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,東京大学情報システム工学研究室(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,東京大学情報システム工学研究室(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)
歩行の体育学的な分類としては、歩様(歩容、歩法と書く場合もある)による分類がある。二足歩行の歩様にはウォーク(常足、なみあし)、トロット(速歩、はやあし)、ギャロップなどがある。単に歩行と言った場合はトロットのことと考えて差し支えない。
トロットとは交互に軸足が切り替わり、常にどちらかの足が地面に付いている、跳躍期の無い歩き方のことを言う。軸足は瞬間的に入れ替わり、両方に体重がかかっている期間は無いか無視できるほど短いものとされる。トロット歩行の場合、歩行という一見複雑な運動を、軸足の接地点を回転中心とした回転運動として捉えることができ、運動方程式を比較的簡単に立てることができる。このため二足歩行ロボットではトロットを規範とする歩行制御が適用されるのが普通である。
歩行が回転運動だとすると遠心力が発生するはずである。このときの遠心力 F {\displaystyle F} は下の式で表される。 v {\displaystyle v} は重心の移動速度(=歩行速度)、 r {\displaystyle r} は重心位置の高さ、 m {\displaystyle m} は質量である。
F = m v 2 r {\displaystyle F={\frac {mv^{2}}{r}}}
Fをmgと置き換えると、次の式が導かれる。 g {\displaystyle g} は重力加速度である。
v = g r {\displaystyle v={\sqrt {gr}}}
トリ型モデルの派生型として恐竜型モデルがある。恐竜型モデルはトリ型モデルの胴体をさらに前後に長くしたものである。尾に相当する部分で積極的に偏心モーメントを打ち消す。トリ型モデルよりさらに高速走行に向くと考えられているが、旋回するときに尾や首が邪魔になるので、屋内での応用範囲は狭いと見られている。これらのロボットは主にアメリカで研究されている。近年の恐竜の運動の研究には目覚しいものがあるが、歩行ロボットの研究成果も少なからず貢献している。
恐竜型モデルだと長い胴体でバランスを取ることが出来るので、静歩行でもかなりダイナミックな歩行が可能になる。静歩行なら運動方程式を扱う必要が無く、衝撃干渉機構などを組み込むことが容易にできる。制御に対する要求レベルも低く、歩行動作を停止しても転倒しないため安全性が高く、大型化が簡単に出来るので建設機械などへの適用も可能だろう。現時点では産業技術総合研究所で大型恐竜型歩行ロボットが開発されている。
これは歩行の限界速度を表す式で、これより速い速度で歩行すると遠心力により自然に脚が床面から離れ、走行に移行することを意味している。人間の重心位置の高さを1mとすると歩行の限界速度は11.2km/hとなる(ちなみに競歩の世界記録は13.6km/h(50km)。腰の捻りや足裏のストロークなどが加わるため理論上の数値よりは大きくなる)。走行に至らないまでも、歩行速度が増すと遠心力により軸足が滑りやすくなり、歩行ロボットは転倒しやすくなる。
トロット歩行の場合、水平方向の運動量は理論的には次のステップへ100%伝達される。上下方向の運動量は床面との衝突により失われてしまうが、人間の場合、重心の位置エネルギーをアキレス腱が保存し、軸足交換時に体を蹴り上げて次のステップに伝えていると考えられている。
ウォークは、両脚に体重のかかる期間のある歩様のことである。この歩様では、両足が地面についていると重心の速度ベクトルの向きが一方向に拘束されてしまう。そのため、ステップごとに上下方向の運動量に加えて左右方向の運動量も失われる(重心の軌跡がジグザグになる)ので、エネルギーコストが著しく悪化する。それゆえ、人間や鳥ではあまり行われていない歩行と考えられている。また、2本脚のときと1本脚のときで運動モードが異なり制御が複雑になるので二足歩行ロボットでもあまり行われない。
ギャロップは跳躍期のある歩行で、いわゆる走行のことである。跳躍期とは2本とも脚が地面に付いていない時期のことである。
なお、ここでの歩行の定義は工学における定義の一例である。また、歩様の分類や名前の付け方には研究者により差がある。
ASIMO以外でも二足歩行ロボットによる走行が研究されてきている。走行の場合、着地の際の衝撃が歩行と比べて大きいため、衝撃緩和技術が重要になる。また、両足が地面から離れるため、その間の姿勢制御は無重量状態の姿勢制御と同様の技術が必要になる。より進んだ活動を行うためには、周辺の状況を適切に認識し、以後の状況を予測し判断する能力も必要となる。段差や障害物を認識しそれを見越した行動を取ったり、人間や他のロボットの行動や指示などを認識しなければならない。カメラによる画像認識や音声認識などの技術も二足歩行ロボットにとって重要な技術となる。現在では歩行制御の研究は一段落した感があり、二足歩行ロボットの研究の中心はヒューマノイドとしての統合システムの研究へ移行しつつある。
動歩行を実現する方法としてZMPを規範とする歩行制御方法が主流となっている。規範とは、制御工学的に言えば境界条件と拘束条件の組み合わせのことで、ひらたく言えば規則とか法則というような意味あいである。
1972年、ユーゴスラビア(現セルビア共和国)のミハイロピューピン研究所のブコブラトビッチ(Miomir Vukobratović)らが、ゼロモーメントポイント(ZMP)と呼ばれる歩行規範に基づく2足歩行ロボットの軌道生成法と制御法を発表した。ZMPは床反力の圧力中心であり、ロボットの運動と運動方程式から計算することができる。ブコブラトビッチらは、支持多角形(Support polygon)内を運動するZMPの時間軌道を予め設定し、これに対応する歩行運動を繰り返し収束計算により求めた。ZMPを用いることにより、遊脚や上半身の質量による影響すべてを厳密に考慮した歩行運動を設計することができる。
ZMPとは動力学的な重心の投影点が安定域(≒足の裏のこと)に位置するような運動法則である。"動力学的な"ところが静歩行と異なるため、ZMPによる歩行は動歩行に分類される。しかし同じ動歩行といっても、ZMPによる歩行は、人間や動物の歩行と同じではない。ZMPによる歩行はエネルギー保存則とは無関係な運動法則なので、エネルギーの消耗が激しい。ヒトなどの生物は少ないエネルギーで長距離を歩行するが、ZMPではそれを説明できない。
鳥のような形をした二足歩行モデルである。胴体が前後に長く、前に曲がる第2関節を持つ脚を持つ。胴体と第3節の間に第4節を設定する場合もある。生物の鳥類には第4節がある。
胴体の両側に股関節があり、重心位置が股関節の位置とサジタル平面上で一致する。胴体の重心位置が股関節と一致するので、胴体に偏心モーメントが無い。したがってモーメント力を床面まで伝える必要が無いので、足首トルクを必要としない。そのためトリ型二足歩行ロボットでは足首のアクチュエータは省略されるか、小さいものでよい。末端重量を小さくできるので、第2関節、股関節のアクチュエータも小型化できる。そのため、脚部全体を軽量化することが可能である。脚が軽いので全身の重心位置が股関節の位置にほぼ一致し、地面を蹴る力をダイレクトに重心に伝えることができる。このためトリ型モデルは運動性能が良く、高速に走行することができ、エネルギーコストも良いとされる。