スイスの企業がボストンのロボット犬よりも多くの車輪を備えた車輪足ハイブリッド移動ロボットを開発

ロボットファンの多くにとって、四足歩行ロボットといえば、まずボストン・ダイナミクス社のロボット犬を思い浮かべる人が多いのではないでしょうか。

1992 年に設立されたボストン ダイナミクスは、世界的な脚付きロボットの先駆者です。四足歩行ロボットの分野では、スイスの企業 ANYbotics がボストン ダイナミクスの強力なライバルです。ANYbotics の ANYmal は、ボストン ダイナミクスの SpotMini ロボット犬に決して劣っていません。

ANYbotics は、2016 年に ETH チューリッヒのエンジニア グループによって設立されました。これは、ETH チューリッヒのロボットシステム研究所 (RSL) からスピンオフした企業であり、ロボット ANYmal の発売で最もよく知られています。

ANYmal は以前、4 本の機械脚で歩き、不整地を横断し、階段を登ることができる車輪のない四足ロボットを発売したことがある。最近、研究チームはロボットに実用的な車輪のセットを追加しました。

ETHチューリッヒの研究チームは2018年からANYboticsを使って車輪付きロボットの実験を行っていると報じられている。新しいプロトタイプでは、研究者らはロボットの各足にハブモーターを備えた4つの車輪を装備した。

この車輪脚型ハイブリッド移動ロボットは、平坦な道路での車輪型ロボットの高い効率性と、荒れた道路での脚型ロボットのオフロード能力を兼ね備えています。

ローラースケートを履いた人間と車輪駆動型ロボットの間には重要な違いがあります。適切に設計されていれば、ロボットは人間では決してかなわないレベルの微妙な制御で車輪を制御できます。ボストン・ダイナミクス社の二輪ヒューマノイドロボット「ハンドル」ではすでにこの現象が見られています。ただし、今のところハンドルは脚の能力をフルに活用していないようです。

「車輪ロボット」はアイススケートのように滑ることができる

ボストン・ダイナミクスは以前から、市場を開拓するためにハンドル型車輪付きロボットの方向性を定めていました。車輪付きロボット犬の研究は、ANYmal のような起業家チームに課せられた仕事です。

ETH チューリッヒの ANYmal 開発チームは、かなり早い段階でロボット犬に 4 つの車輪を装備しました。当時は、4本の足の裏の車輪がアイススケートのように滑り、振動する環境でも前進できるとだけ発表されていた。

さらに、ANYmalは体の重心を保ったまま「片側橋」を渡ることができます。

最近、チームはロボットのビデオをさらに公開し、ANYmalの車輪付きバージョンがより成熟し、安定したものになったことを証明した。しかし、固定車輪を装備したANYmalは、脚付きロボットとしての歩行能力を失ってはいません。ローラースケートを履いて歩きながら、移動や方向調整などのいくつかのタスクを実行できます。

関係する研究者によると、車輪付きのANYmalは、他の車輪付き脚付きロボットと比較して、より強力な動的動作を実現でき、輸送コストを83％削減でき、他の脚付きロボットよりも大幅に優れているという。

2019年のDARPA Robot Underground Challengeでは、ANYmalは「Hot Wheels」に乗り、障害物を乗り越える非常に優れた能力を発揮しました。これは、車輪型ロボットよりも障害物を乗り越えやすく、脚型ロボットよりも速く歩行できることを意味する。当時、研究者らは、これが実用的な作業に使用された世界初の車輪・脚型ハイブリッド駆動ロボットであると語っていた。

最近公開されたビデオでは、車輪付きロボット「ANYmal」の 4 本の脚と 4 つの車輪が、ロボットのあらゆる動きにシームレスに統合されています。研究者らは、車輪モードと歩行モードを切り替えることができるアルゴリズムも設計しており、これによって ANYmal の速度と安定性も向上しています。

車輪と脚を組み合わせると何ができるでしょうか?

車輪と脚の組み合わせがロボットの移動性に大きな違いをもたらす理由を理解するには、その仕組みを見てみましょう。

図 | ANYmal の車輪付き脚ロボットが最適なハイブリッド歩行を実証

この車輪付き脚ロボットは、坂道や階段など車輪付きロボットの障害物をうまく乗り越えられるだけでなく、速度でも四足歩行ロボットを上回ります。

ANYbotics の ANYmalC 四足ロボットは、動的な人間環境において高度な自律性でタスクを実行できます。また、同時位置推定およびマッピング (SLAM) 機能も備えており、ステレオ光学カメラが 360 度の視野で奥行き情報を提供し、LIDAR システムが追加の環境データを提供し、ロボットが 100 メートルの範囲内で移動できるため、予期しない障害物を回避することができます。

ANYmal の車輪付き足バージョンは、車輪の回転と足踏みを融合した最適なハイブリッド歩行を動的に選択するためにカメラやライダーを必要としない「盲目」ロボットです。車輪の下の地形の感覚に基づいて、各脚の車輪の動きの有効性に基づいて、回転と歩行をシームレスに切り替えることができます。

1 つの車輪が効率的でない場合は、搭載されたセンサーと動作計画マイクロコントローラが各車輪へのトルクを選択的に制御し、他の脚との調整を維持しながらその脚をステップ動作に切り替えることができます。全体として、これにより、ANYmal の車輪付きロボットは、困難な地形を移動する能力を犠牲にすることなく、より速く移動できるようになり、転がる方が歩くよりもはるかに効率的であるため、輸送コストが削減されます。このロボットは、最高4m/sの速度で非常にダイナミックな動きを実現できます。比較すると、すでに一般に販売されている4足の車輪のないロボットANYmalCは、1m/sの速度で移動します。

画像 | ANYmalC

ANYmal ロボットは、特定の状況に基づいて脚と車輪の移動を切り替えることもできます。車輪に供給される電力「アンペア」に基づいて、または障害物があるかどうかに基づいて脚の移動に切り替えることができます。このロボットも非常に小さく、他の四足歩行ロボットと同様の外観を維持しています。

フィギュア | 初期プロトタイプ、スケートができるANYma

この研究を担当した研究者の一人、ETHチューリッヒのマルコ・ビェロニッチ氏は、歩行のタイミングを事前に定義しなくても、プログラムを通じて周期的な歩行シーケンスを自動的に見つけることができると述べた。ロボットの現在の状況に基づいて、各脚は地面から離れるのに適したタイミングを独自に判断することができ、このアプローチは荒れた地形で非常にうまく機能します。

将来的にこの車輪付きロボットに地形を識別するセンサーが搭載されるかどうかについては、今回提出された論文はロボットの固有受容感覚信号のみに基づいたものであり、つまり地形認識を利用して環境に応じて歩き方を変えるものではないとマルコ氏は述べた。彼らは、このフレームが平らな地形でも不整地でもすでにうまく機能していることに驚きました。しかし、彼らは現在、ロボットが地形に基づいて歩行シーケンスを事前に計画できるようにする拡張機能に取り組んでいる。この地形応答の拡張により、階段などのより複雑な障害物に対処できるようになります。

図 | 車輪付きの足でも自由に歩くことができる

同氏は、現時点では車輪は回転できないが、ロボットに転がりと歩行のハイブリッドな動きを探求させるため、これは良い挑戦であると述べた。アプリケーションの観点から見ると、車輪を操縦できることは有益である可能性があります。彼らは、ロボットの股関節の内転/外転を回転させるための脚の構成と脚ごとの作動量を分析し、複雑さを増すことなくロボットの操作性を高めました。

マルコ氏はまた、脚を持つロボットはすべて車輪を持つべきであり、将来的には車輪付きロボットがより一般的になるだろうと考えています。自然界にはこのような移動手段が存在しないため、車輪付きロボットの設計はより困難であり、これが類似の生物が出現していない理由の 1 つであると考えられます。現在、ローラー歩行のANYmal、CENTAUROロボット、ボストンダイナミクスのHandleなど、脚車輪型ロボットプラットフォームはわずかしかありませんが、この分野の現在の進歩により、同様のコンセプトのロボットがさらに登場するでしょう。

将来的には、チームはロボットが地上や困難な障害物上でより複雑な動作を実行できるようにするフレームワークに取り組んでいます。ここでの課題は、このような高次元の問題に対して最適な操作をどのように見つけるか、そして実際のロボットアプリケーションでこれらの動作を安定して実行するかということです。

この研究に関連する論文「車輪付き脚ロボットのための全身 MPC とオンライン歩行シーケンス生成」は、arXiv プレプリント プラットフォームで公開されており、スイス連邦工科大学の複数の著者によって執筆されました。

図 | Wheeled-ANYmal、ASCENTO、Handleなどの最近の脚車輪ロボットプラットフォーム

現在、ロボットの動作に対する人々の要求はますます複雑になっています。作業環境の複雑性と多様性により、移動ロボットの機械構造設計に対する要求はますます高まっています。脚を持つロボットにとって、疫病が欧米に広がった2020年は画期的な年になりそうです。これは資本の動きからもわかります。米国のロボット研究開発会社Agility Roboticsは最近、同社のDigitヒューマノイドロボットでシリーズA資金調達で2,000万ドルを調達し、ANYmalも数日前にシリーズA資金調達で2,230万ドルを完了しました。 同様のロボットが主流になり始めたばかりなので、市場は今後も成長を続けると思われます。

かつてのロボットは、移動するために脚を持つか、車輪を使用する傾向がありました。しかし、車輪と脚を組み合わせた車輪足ロボットのほとんどは、まだ研究段階にあります。今回ANYmalが実証した四足車輪ロボットの潜在能力は、ロボット分野の今後の発展方向を指し示すものなのだろうか。これには時間がかかるかもしれません。