二足歩行ロボット「LEONARDO(レオナルド)」はスケボーに乗り、綱渡りもできます

二足歩行ロボット「LEONARDO(レオナルド)」はスケートボードに乗り、スラックラインを歩くことができるテクノロジー
©California Institute of Technology

歩くことと飛ぶことの中間的な新しい運動方法を編み出した「LEONARDO(レオナルド)」

カリフォルニア工科大学(Caltech)の研究者たちは、歩行と飛行を組み合わせた新しいタイプの二足歩行ロボットを開発しました。

このロボットは、非常に軽快で複雑な動きをすることができます。

歩行ロボットと飛行ドローンを兼ね備えた新開発の『LEONARDO』(LEgs ONboARD drOneの略、略してLEO)は、スラックラインを歩いたり、ホップしたり、スケートボードに乗ったりすることもできます。

カリフォルニア工科大学のCenter for Autonomous Systems and Technologies(CAST)のチームが開発したLEOは、多関節の脚とプロペラ式のスラスタを用いて、バランスを細かく制御することができる初めてのロボットです。

LEOロボットに関する論文は2021年10月6日にオンラインで発表され、Science Robotics誌の2021年10月号の表紙を飾りました。

「私たちは自然からインスピレーションを得ました。鳥が電話線を移動するために羽ばたいたり飛び跳ねたりする方法を考えてみてください。鳥が歩くことと飛ぶことの間を行き来するときには、複雑で興味深い行動が起こります。私たちはこの現象を理解し、そこから学びたいと考えました。」と、責任著者であり、航空宇宙と制御・動的システムのブレン教授であるSoon-Jo Chung氏は述べています。

Leonardo: The Skateboarding, Slacklining Robot

「ジェットスーツを着た人間が着陸や離陸の際に足腰をコントロールする方法と、LEOがプロペラを使った分散型スラスタと足の関節を同期制御する方法には類似点があります。私たちは、歩行と飛行のインターフェースを、ダイナミクスと制御の観点から研究したいと考えました。」 とChungは付け加えます。

二足歩行ロボットは、ジャンプやランニング、階段の昇降など、人間と同じような動きをすることで、現実世界の複雑な地形に対応することができますが、荒れた地形には対応できません。

一方、空を飛ぶロボットは、地面を避けることで複雑な地形を容易に移動することができますが、飛行中のエネルギー消費が大きいことや、積載量が限られていることなどの制約があります。

「マルチモーダルな移動能力を持つロボットは、それぞれの移動手段を適切に切り替えることで、従来のロボットよりも効率的に厳しい環境を移動することができます。LEOは特に、既存のロボットシステムでは一般的ではない、空中と二足歩行という2つの異なる領域のギャップを埋めることを目的としています。」とカリフォルニア工科大学の博士研究員であり、Science Robotics誌の論文の共同執筆者であるKyunam Kim氏は述べています。

歩くことと飛ぶことの中間のようなハイブリッドな動きをすることで、研究者たちは運動性能の面で両方の長所を得ることができました。

LEOの軽量な脚部は、重量の大部分を支えることでスラスタの負担を軽減していますが、スラスタは脚部の関節と同期して制御されるため、LEOは驚異的なバランス感覚を持っています。

「LEOは、障害物の種類に応じて、歩行と飛行のどちらかを選択したり、必要に応じて両者を組み合わせたりすることができます。さらにLEOは、スラックラインやスケートボードでの歩行のように、人間でもバランス感覚の習得が必要とされる珍しい運動を行うことができます。」と、Science Robotics誌の論文の共同執筆者であり、Chung氏のグループの元メンバーで、現在はカリフォルニア工科大学がNASAのために運営しているジェット推進研究所に所属しているPatrick Spieler氏は語ります。

LEOの身長は2.5フィート(76.2cm)で、3つの作動ジョイントを持つ2本の脚と、ロボットの肩の部分に斜めに取り付けられた4つのプロペラスラスタを備えています。

©California Institute of Technology

人が歩くときは、体のバランスを保ちながら重心が前方に移動するように脚の位置や向きを調整します。

LEOの歩行も同様で、プロペラによって直立した状態で歩行し、脚部アクチュエーターによって脚部の位置を変化させ、歩行と飛行を同期させてロボットの重心を前方に移動させています。

飛行時には、プロペラのみでドローンのように飛行します。

カリフォルニア工科大学の大学院生で、Science Robotics誌の論文の共著者であるElena-Sorina Lupu(MS ’21)は、「プロペラがあるので、実際にロボットを倒すことなく、大きな力でLEOを押したりできます。」と語ります。

LEOプロジェクトは、Science Robotics論文の著者と、同研究所のSURF(Summer Undergraduate Research Fellowship)プログラムを通じてプロジェクトに参加した3人のカリフォルニア工科大学の学部生とともに、2019年夏に開始されました。

次にチームは、ロボットの重量をより多く支えることができる、より剛性の高い脚のデザインを作り、プロペラの推力を高めることで、LEOの性能を向上させることを計画しています。

さらに、LEOの自律性を高め、不整地を歩く際に、どのくらいの重量を脚で支え、どのくらいの重量をプロペラで支える必要があるかをロボットが理解できるようにしたいと考えています。

また、新たに開発したディープニューラルネットワークを用いたドローンの着陸制御アルゴリズムをLEOに搭載することも計画しています。

環境への理解が深まったLEOは、ある場所から別の場所へ移動する際に、歩行、飛行、またはハイブリッド動作のどの組み合わせが最も安全でエネルギー消費が少ないかを自ら判断できるようになります。

「現在、LEOは歩行時のバランスをとるためにプロペラを使用しているため、エネルギー消費がかなり非効率的です。」

LEOのために設計された技術は、現実の世界では、空中ロボットやその他の種類の飛行体のために、制御された脚部ジョイントで構成される適応型ランディングギアシステムの開発を促進する可能性があります。

研究チームは、将来の火星用回転翼機に脚式着陸装置を搭載し、傾斜地や不整地への着陸時に空中ロボットのボディバランスを維持することで、厳しい着陸条件での失敗のリスクを低減することを想定しています。

Published by California Institute of Technology. Kyunam Kim et al, A bipedal walking robot that can fly, slackline, and skateboard. Science Robotics (2021). DOI: 10.1126/scirobotics.abf8136

 

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