人間の姿はあるけど、まっすぐに立てない！ヒューマノイドロボットはどのようにして生まれたのでしょうか?

一般的なヒューマノイドロボットはなぜ直立できないのでしょうか?

著者: 邢博洋

技術の急速な発展により、ヒューマノイドロボットは私たちの生活の一部になりました。家庭用サービスロボットから産業用ロボット、エンターテインメント分野のパフォーマンスロボットまで、あらゆるところにロボットが存在します。しかし、一見非常に高度なヒューマノイドロボットがなぜ常にまっすぐに立つことができないのか疑問に思ったことはありませんか?

まず、ヒューマノイドロボットの構造と動きを理解する必要があります。ヒューマノイドロボットは通常、頭部、胴体、手足、関節で構成されており、モーターと減速機によって動きを実現します。ヒューマノイドロボットは歩行時にバランスを保つために関節を回転させて体の姿勢を調整する必要があります。しかし、そのプロセスはそれほど単純ではありません。

では、なぜヒューマノイドロボットはまっすぐに立つことができないのでしょうか?これにはいくつかの理由があります:

1. 機械構造上の制限

機械構造は、ヒューマノイドロボットが直立できないことに影響を与える重要な要因の 1 つです。ヒューマノイドロボットは構造が比較的複雑で関節が多いため、動作中に摩擦や抵抗が発生しやすくなります。特に関節部分では摩擦が存在するため、歩行中にロボットが直立姿勢を維持することが困難です。さらに、ヒューマノイドロボットの重量配分も重要な要素です。片側に重量が集中すると、ロボットは歩行中に傾いてしまいます。

2. モーションコントロールの問題

ロボット制御の観点から見ると、膝を曲げることでロボットの姿勢が非特異になることを保証でき、それによってロボットの制御性が向上します。変な姿勢とは、膝が伸びたり、2つの関節が同軸になっているような状況です。このような状況では、関節のアクセス可能なスペースが狭くなる（膝伸展により足首は脚長を半径とする円弧内でしか動かず、円弧内の領域には動かない）か、自由度が失われ、より極端なストレス状態になります（例えば、膝を伸展させた後、脚に垂直な方向の耐荷重性能は極めて劣りますが、脚方向に沿った耐荷重能力は2倍になります）。つまり、システム制御では処理が難しい厄介な状況が追加されることになります。数学では O による除算のようなことが頻繁に発生するため、計算プロセス中に「O による除算」が発生しないようにするために、数値計算に多くの追加対策が追加されます。

膝を曲げて歩行する利点は、ロボットの姿勢制御がより制御しやすくなることです。脚にはまだ伸びる余地があるため、地形の起伏による乱れに上半身が適応する際に、脚に十分な調整スペースがあり、制御力を発揮できます。例えば、あるステップでスイング脚が着地する前に、予期せぬ揺れによりロボットの上半身の実際の重心位置が予想よりも高くなった場合、この脚着地ステップでは、膝関節の曲げ角度を減らし、脚をより長く伸ばして、浮いた重心の誤差を補正することができます。

一般的に、足を曲げて歩いているときに体が揺れる場合は、足を少し伸ばして姿勢を調整することができます。足をまっすぐ伸ばしたまま歩き続けると、足をさらに伸ばす選択肢がなくなり、調整の余地が少なくなります。

ヒューマノイドロボットは歩行時に多くのエネルギーを消費します。人間の歩行の省エネの微妙なところは、それが完全に安定していない省エネ動作であるということにあります。人が歩くとき、常に杖を使って体を前に支え、その後常に後ろから杖を抜こうとしているかのようです。歩行中、体重のほとんどは軸に沿った棒の支持力によって地面に伝わり、関節の力は前方へのスイングを駆動して前進を維持し、転倒を防ぐために歩行を切り替えるときに短時間ブレーキをかけるためにのみ使用されます。

人間の歩行の不完全な安定性により、歩くことで実際に転倒する可能性がある。直脚歩行のため、歩行中に片方の脚が伸びる瞬間があり、大腿骨とふくらはぎの骨がほぼ同軸で連結棒の死点まで支えられる必要があります。このとき、伸展した支持脚の膝関節には駆動トルクがほとんどない。このとき、さまざまな原因（急な方向転換や緊急停止など）で車体が揺れた場合、股関節と足首関節の強度が傾斜防止トルクを十分に提供できない場合、車体の姿勢が傾く傾向があります。支持脚の可動域が狭くなり（膝関節がまっすぐなため股関節は足首を中心に円錐面を動くだけで脚に沿って動くことができない）、徐々に体の姿勢が不安定になり転倒につながる（他の肢が対策を講じない場合）

足を伸ばして足の裏で着地するのは、体から棒を伸ばして地面に着地するようなものです。まっすぐな脚によって体に伝わる力は、主に脚の軸に沿った推力と股関節と足首の関節のトルクです。力の伝達方向は限られているため、毎回の着地位置を非常に慎重に計算する必要があります。そうしないと、足が一度着地したときに体のバランスが崩れてしまいます。足を曲げて歩くと、膝関節を曲げることで体に伝わる力の大きさと方向を調整することができます。

そのため、滑りやすい氷の上を初めて歩こうとすると、ただ足を伸ばして踏むのではなく、無意識に膝を曲げて体のバランスを保とうとするのです。そうすると、滑ったり、足が割れたりする可能性が高くなります。

現在、ヒューマノイドロボットは制御面で比較的大きな姿勢調整空間を得ることができ、それが上半身の姿勢や歩行の安定にプラスの効果をもたらしています。しかし、非ヒューマノイド型の歩行では、ロボットは歩行時に多くのエネルギーを消費するため、システム設計において電力を過大評価することになり、駆動ジョイントが大きくなり、ロボットがかさばってしまいます。

3. センサーの性能が不十分

ヒューマノイドロボットは、正確な動作制御を実現するために、さまざまなセンサーを利用して環境情報を取得する必要があります。現在、市場に出回っているほとんどのヒューマノイドロボットは、LIDAR、カメラ、ジャイロスコープ、加速度計などのセンサーを使用しています。しかし、これらのセンサーの性能には限界があり、環境の変化を完全に捉えることは困難です。特に、光が大きく変化したり、地面にゴミがあったりすると、センサーが誤判定し、ロボットが位置や姿勢を正確に判断できず、安定した姿勢を維持できなくなる可能性があります。

4. 人工知能アルゴリズムの最適化

人工知能技術の発展に伴い、ディープラーニングや強化学習などの手法をヒューマノイドロボットの分野に適用しようとする研究者が増えています。これらのアルゴリズムにより、ロボットは環境の変化をよりよく理解して適応できるようになり、より安定した自然な歩行が可能になります。

しかし、これらの高度なアルゴリズムを実際の問題に適用するには、データが不十分であったり、アルゴリズムが非常に複雑であったりするなど、依然として多くの課題が残ります。したがって、これらのアルゴリズムを既存の動作制御方法と組み合わせて、ヒューマノイドロボットの安定性と歩行性能を向上させる方法は、解決すべき緊急の課題のままです。

つまり、ヒューマノイドロボットが直立できないという現在の現象は、複数の要因が複合的に作用した結果である。今後の開発過程では、機械構造、動作制御アルゴリズム、センサー性能などを継続的に最適化し、人工知能技術を活用してロボットの安定性と歩行性能を向上させる必要があります。