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カーネギーメロン大学、ペンシルバニア州ピッツバーグ

カーネギーメロン大学ロボット研究所（RI）の研究者らは、既製の四足ロボットを狭い平均台を歩けるほど機敏にするシステムを設計した。これはおそらくこの種の初の快挙である。

「この実験は大規模なものでした」とRI助教授でロボット探査研究室所長のザカリー・マンチェスター氏は語った。 「ロボットを使った平均台ウォーキングに成功した人はこれまで誰もいないと思います。」

マンチェスター氏と彼のチームは、宇宙で衛星を制御するためによく使用されるハードウェアを活用することで、四足動物の設計における既存の制約を相殺して、バランス能力を向上させました。

最新の四足ロボットの標準要素には、胴体と、それぞれの先端が丸い足になっている 4 本の脚が含まれており、ロボットは基本的な平坦な表面を移動したり、階段を登ることさえできます。 そのデザインは四本足の動物に似ていますが、尻尾を使って急旋回を制御できるチーターや、柔軟な背骨の助けを借りて空中で方向を調整する落ちてくる猫とは異なり、四足ロボットにはそのような本能的な敏捷性はありません。

ロボットの足のうち 3 つが地面に接している限り、転倒を避けることができます。 しかし、地面に片足か両足しか着いていない場合、ロボットは外乱を簡単に修正することができず、転倒の危険性が非常に高くなります。 このバランスの欠如により、荒れた地形の上を歩くことが特に困難になります。

「現在の制御方法では、四足ロボットの胴体と脚は切り離されており、動きを調整するために相互に話しかけることはありません」とマンチェスター氏は言う。

「では、どうすればバランスを改善できるでしょうか?」

チームのソリューションは、四足ロボットの背面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ます。 新しい制御技術の助けを借りて、RWA はロボットが足の位置に関係なくバランスをとることを可能にします。

RWA は、宇宙船の角運動量を操作することで衛星の姿勢制御を行うために、航空宇宙産業で広く使用されています。

「基本的には、大きなフライホイールにモーターが取り付けられています」と、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氏とともにこのプロジェクトに取り組んだマンチェスター氏は語った。 「重いフライホイールを一方向に回転させると、衛星は反対方向に回転します。 さあ、それを四足ロボットの胴体に取り付けてください。」

研究チームは、市販の Unitree A1 ロボットに 2 つの RWA (ピッチ軸に 1 つとロール軸に 1 つ) を取り付けて、ロボットの角運動量を制御するアプローチのプロトタイプを作成しました。 RWA では、RWA が体の向きを独立して制御するため、ロボットの脚が地面に接触しているかどうかは関係ありません。

マンチェスター氏は、ハードウェアはロボットの質量分布を変えず、尾や脊椎の関節制限もないため、RWAを考慮して既存の制御フレームワークを変更するのは簡単だと述べた。 このような制約を考慮する必要がなく、ハードウェアをジャイロスタット (宇宙船の理想化されたモデル) のようにモデル化し、標準モデル予測制御アルゴリズムに統合できます。

チームは一連の実験でシステムをテストし、ロボットが突然の衝撃から回復する能力が強化されたことを実証しました。 シミュレーションでは、ロボットを約0.5メートルの高さから逆さまに落とすという古典的な猫落ち問題を模倣し、RWAを使用してロボットが空中で向きを変えて足で着地できるようにした。 ハードウェアに関しては、ロボットが幅 6 センチメートルの平均台に沿って歩く実験により、ロボットが外乱から回復する能力とシステムの平衡能力を示しました。

マンチェスター氏は、約10年前のドローンと同様に、四足ロボットは主に研究室での研究プラットフォームから、広く利用可能な商用製品へと間もなく移行すると予測している。 そして、デザインのインスピレーションとなった本能的な四足動物に合わせて四足ロボットの安定化能力を強化する取り組みが続けられれば、将来的には捜索救助のような一か八かのシナリオで使用される可能性がある。