カーネギーメロン大学、バランスビームを歩ける4本足ロボットシステムを設計

RIの助教授でロボット探査ラボの責任者であるZachary Manchester氏は、次のようにコメントしている。

Manchester氏と彼のチームは、宇宙で衛星を制御するためによく使われるハードウェアを活用することで、4脚の設計にある既存の制約を相殺し、バランス能力を向上させた。

現代の四足歩行ロボットの標準的な構成は、胴体と丸みを帯びた足で終わる4本の脚で、基本的な平面を移動し、階段も登れるようになっている。しかし、チーターが尻尾を使って急カーブを曲がったり、落下するネコが柔軟な背骨を使って空中で方向を変えたりするように、四足歩行ロボットにはそうした本能的な俊敏性はない。

ロボットは、3本の足が地面についていれば転倒を防ぐことができる。しかし、1本か2本の足しか地面についていないと、外乱に対応することができず、転倒の危険性が高くなる。このバランスの悪さが、悪路の歩行を特に難しくしているという。

研究チームのソリューションは、四足歩行ロボットの背中に取り付けるリアクションホイールアクチュエーター（RWA）システムを採用している。このRWAは、新しい制御技術により、ロボットの足の位置とは無関係にバランスをとれるという。

RWAは、航空宇宙産業において、宇宙船の角運動量を操作することで人工衛星の姿勢制御を行うために広く使用されている。Manchester氏は、RI大学院生のChi-Yen Lee氏、機械工学大学院生のShuo Yang氏とBenjamin Boksor氏と共にこのプロジェクトに取り組んだ。

研究チームは、市販のUnitree A1ロボットに2つのRWA（ピッチ軸とロール軸に1つずつ）を搭載し、ロボットの角運動量を制御するアプローチを試作した。RWAを使えば、ロボットの脚が地面と接触しているかどうかは関係なく、RWAが体の向きを独立して制御してくれるのだという。

Manchester氏によると、既存の制御フレームワークをRWAに対応させるのは簡単だという。なぜなら、ハードウェアはロボットの質量分布を変えず、尾や脊椎のような関節の制約もないからだ。このような制約を考慮する必要がないため、ハードウェアをジャイロスタット（宇宙船の理想化モデル）のようにモデル化し、標準的なモデル予測制御アルゴリズムに統合することができるとしている。

研究チームは、このシステムを使った一連の実験に成功し、ロボットが突然の衝撃から回復する能力が向上していることを実証した。シミュレーションでは、ロボットを約半分の高さから逆さまに落として古典的な落下傘問題を模倣し、RWAによってロボットが空中で方向を変え、足から着地することができた。ハードウェアでは、ロボットが幅6cmのバランスビームに沿って歩く実験で、外乱から回復する能力、およびシステムのバランス能力を示した。

Manchester氏は、四足歩行ロボットは、研究室での研究用プラットフォームから、10年ほど前のドローンのように、広く商業利用できる製品にまもなく移行すると予測しているという。また、四足歩行ロボットの設計に影響を与えた本能的な四足動物に匹敵するような安定化能力を強化する作業を継続すれば、将来的には捜索救助のような危険度の高い場面で使用できるようになるかもしれない。

研究チームの知る限り、四足歩行の動物が狭いバランスビームの上で歩行に成功した例はこれが初めてだという。彼らの論文「リアクションホイールを用いた脚式ロボットのバランス強化」は、2023年国際ロボット工学・オートメーション会議に採択された。同会議は5月29日から6月2日まで、ロンドンで開催される。

▶︎カーネギーメロン大学