タフ・ロボティクス・チャレンジの目指す"タフ"なロボットとは?

タフ・ロボティクス・チャレンジの目指す"タフ"なロボットとは?

画像提供:マイナビニュース

●独立して360°自由に回転させることが可能な2本の腕を持つ建設ロボット
実際の災害現場でも活躍できるようなタフなロボットが必要だ――それを改めて思い知らされたのが、東日本大震災であり、続いて発生した福島第一原発の事故である。6月19日、そうしたタフなロボットの開発を目指すプロジェクトのフィールド評価会が東北大学・青葉山キャンパスにて開催、その模様がメディアに公開された。

このプロジェクトは、内閣府・革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)のタフ・ロボティクス・チャレンジ(TRC)。フィールド評価会は、このプロジェクトの成果を公開することを目的として定期的に実施されているもので、今回が4回目の開催となる。プロジェクトの期間は2018年度までの5年間、予算は総額35億円。

○タフなロボットとは何か

「今までのロボットは、ひ弱な優等生だった」――そう語るのは、ImPACT/TRCにおいてプログラム・マネージャを務める田所諭・東北大学教授だ。

従来のロボットについて、田所教授は「条件が良いときはさまざまなことができるが、災害のような厳しい環境になると、十分にその性能を発揮することができない」と見る。ImPACT/TRCはそういった現状を変えるため、「ロボット技術を鍛え上げて、実際の災害で役に立つ基盤を作る」(同)ことを目的としている。

自然災害や人為災害の発生時、ロボットに期待される役割は、情報収集や復旧作業などである。しかし、現状のロボット技術にはまだまだ課題が多い。原発事故にはすでに何種類ものロボットが投入されているものの、苦戦を強いられている状況だ。

ImPACT/TRCが解決すべき課題として掲げるのは、「極限環境アクセシビリティ」「極限センシング」「作業失敗時リカバリ」「極限環境適合性」の4つ。つまり、厳しい環境でも移動できる、条件が悪くても周囲の状況を把握できる、失敗してもやり直せる、災害環境に適合して能力を発揮できる、ということを目指すわけだ。

こういった課題を解決するロボットとして、具体的に開発を進めているのが、サイバー救助犬、索状(ヘビ型)ロボット、飛行ロボット(ドローン)、脚ロボット、建設ロボットである。この5種類の形態のロボットについて、今回、屋内/屋外の模擬フィールドを使ったデモが行われたので、主なものを以下で紹介したい。

○建設ロボット

今回、初めてお披露目されたのが、双腕タイプの建設ロボットだ。通常の建設機械は単腕であるが、双腕であることのメリットについて、田所教授は「ナイフとフォークのようなもの」と説明する。フォークだけだと食べにくいが、ナイフも使うことで、肉を切り分けるような複雑な作業も可能になる、というわけだ。

双腕の建設機械はすでに製品として存在するが、ImPACT/TRCで開発している重作業ロボットは、2重旋回機構を採用しているのが大きな特徴となる。この機構では、2つの油圧アームの旋回軸を同軸上に配置。それぞれ独立して360°自由に回転させることが可能で、双腕のレイアウトを変更し、さまざまな作業に対応することができる。

まだ完成して間もないため、今回のデモでは、片腕ずつの動作しか用意されていなかったが、両腕で物を持ち上げるような動作も可能だ。2つのアームを反対向きに配置して、急斜面において、片手で自重を支えながら、もう一方の手で作業するようなことも可能だという。こういった双腕を連携させた作業は、今後実現していく予定。

また今回、アームの先端に取り付ける4本指のハンド部も開発した。このハンドは、形状を変えることで、掘るための「バケットモード」と、掴むための「ハンドモード」を切り替えることが可能。従来のようにアタッチメントを交換する手間が不要で、これ1つで災害現場のさまざまな状況に対応できるようになる。

説明が後になったが、このロボットの大きな特徴は、油圧を採用しつつ、精密な作業を可能にしたことである。油圧アームは工事現場などで広く普及していることから分かるように、タフでパワーもあるが、動作特性として大きなヒステリシスや遅れがあり、精密な作業は苦手だった。

しかし災害現場では、パワフルさとともに、器用さも求められる。そこで、ImPACT/TRCでは、位置・速度の目標値制御をしつつ、油圧シリンダに加える圧力を高速に制御する手法を開発、従来に比べ、約10倍の応答速度と精度を実現したという。さらに、力覚フィードバックを導入し、オペレータは反力を感じながら操縦できるようになっている。

また危険な災害現場では、人間が搭乗して動かすわけにもいかないため、遠隔操縦が前提となるが、固定視点の映像を見ながらの操縦だと、作業効率が低下するという課題があった。ImPACT/TRCでは、搭載カメラやドローンを利用した画像処理システムを開発。任意視点の俯瞰画像を提示することで、周囲の状況が把握しやすくなっている。

ただ、遠隔操縦となると、信頼性の高い通信システムが不可欠だ。今回のデモでは、無線の問題でうまく動かないというトラブルが発生。課題を図らずも実証する形になったが、ImPACT/TRCでは別途、タフな無線技術の開発も進められているので、そちらの成果に期待したいところだ。

この双腕ロボットにより、田所教授は「作業の能率が一桁上がるのではないか」と期待する。今後、研究開発やフィールド試験を進め、3年後には実用化したいとのことだ。

建設ロボットのデモ

●可変構造で動きのムダを省く
○脚ロボット

脚ロボット「WAREC-1」は、高い移動能力と作業能力の実現を目指す4足ロボットだ。自由度は1足あたり7で、合計28自由度。各関節の可動範囲が広く、2足歩行、4足歩行、腹ばい移動、垂直はしご昇降など、多様な移動方法に対応することが大きな特徴だ。足はすべて共通構成で手と足の区別はないため、逆立ちも問題無い。

ロボットが移動する場合、2足より4足の方が安定するが、足場が崩れたりすると、転倒する危険性がある。しかし、胴体を接地させる腹ばい移動は、すでに転倒状態であるとも言え、瓦礫の上などでも、より安定した移動を実現できる。

WAREC-1はこれまで、各移動モードをそれぞれ個別に実装してきたが、今回、初めて各モードをスムーズに変更できるようになった。デモでは、2足→4足→腹ばい移動→2足(逆立ち)と、切り替える様子が披露された。

プラントなどの作業では、はしごの昇降機能も求められる。WAREC-1はこれが可能であるのだが、通常の4足ロボットだと、はしごの手前で2足で立ち上がり、さらに接近する動作が必要になる。しかしWAREC-1だと、逆立ちしてそのままはしごに取り付けば良く、動作に無駄が無い。

今後は、環境認識機能を追加し、腹ばい移動から垂直はしご昇降を連続して行えるようにするとのこと。そしてさらにハンドも追加して、作業能力も持たせる予定だ。

脚型ロボットのデモ

○ヘビ型ロボット

ヘビ型では、2種類のロボットのデモが行われた。1つは前週に公開されたばかりの空気浮上式のロボットで、別記事にすでにまとめてあるのでそちらを参照してもらうとして、ここではもう1つの方を紹介することにしたい。

このロボット「T2 Snake-3」は、プラント内の巡回点検などを目的に開発が進められているもので、搭載した車輪で移動する方式。細いヘビ型なので狭いところでも通れるほか、ロボットの長さを活かし、胴体を持ち上げることで、配管など高さ1m程度の障害物を乗り越えることができるという。ロボットの全長は1.7m、重量は約10kg。

発表されたのは今年4月だが、今回公開されたロボットでは、先端にグリッパーが追加されており、探査だけでなく、作業することも可能になった。このグリッパーは、仕組みが非常にユニーク。柔らかい膜の中に粉体が詰まっていて、空気を抜いたり戻したりすることで、固くなったり柔らかくなったりできる。

この機構を使うと、バルブを回すような作業も可能。柔らかい状態のまま押しつけ、形を馴染ませてから固体化。バルブを把持した形になり、その状態でグリッパーを回転させればいいわけだ。この機構は小型化・軽量化に適しており、ヘビ型ロボットにも搭載できる。そのほか、精密な位置合わせが不要というメリットもある。

ちなみにグリッパー内部の粉体であるが、いろいろ試してみたところ、なんと"コーヒー豆の粗挽き"が一番良かったそうで、実際にこれを使っているとのこと。実用化の際には、おそらく工業的に製造できる素材になると思われるが、意外なものが使われているのはちょっと面白かった。

ヘビ型ロボットのデモ
(大塚実)

関連記事(外部サイト)