空気圧アクチュエータがロボット チーターに与える

電気モーターは脚式ロボットを主流にするのに役立ち、安全で機敏な動作に必要なすべての高度な制御機能を備えたロボットの四肢を制御する簡単でコンパクトな方法を提供します。 電気モーターからは得られないものは（何回でも）、生体筋肉のパフォーマンスに匹敵するために必要な瞬発力です。 これが、おそらく現時点で最も強力でダイナミックなロボットである Atlas が油圧アクチュエーターを使用している理由です。人間サイズのロボットにバク転をさせるには、それが必要なパワーを得るほぼ唯一の方法です。

南アフリカのケープタウン大学のロボット工学者たちは、チーターの高速操縦に触発されて、昔ながらの油圧アクチュエーターの兄弟である空気圧の実験を開始した。 液体の代わりに気体を作動流体として使用することにより、油圧にはないコンプライアンスが組み込まれており、比較的シンプルで安価なフォームファクタで高い力対重量比を得ることができます。 空気圧の制御は簡単ですか? いいえ！ しかし、ロボットをチーターのように走らせるには、複雑な制御さえ必要ない可能性があることが判明した。

「私たちは、素早い機動性のためには、微妙な力の制御は必要ないかもしれないと主張しています。」—アミール・パテル、ケープタウン大学、南アフリカ

まず、油圧の何が問題なのかについて話しましょう。なぜなら、油圧は複雑で、高価で、爆発するとあらゆる種類の厄介な問題が発生するためです。 また、油圧の非準拠の性質により、モデル化と制御が容易になりますが、実際の使用では許容性が低くなります。 1980 年代に遡ると、Marc Raibert が MIT で動的脚ロボットを開発していたとき、それらの走行ロボットや跳躍ロボットは油圧ではなく空気圧に依存していました。空気圧の方が実装がはるかに簡単だったからです。

最近、誰もが空気圧ではなく油圧を使用しているように見える大きな理由の 1 つは、空気が圧縮性であるためです。これは、組み込みのコンプライアンスには最適ですが、ほとんどの従来の制御方法を台無しにしてしまいます。 「このアクチュエータでは力の微調整が難しく、ほとんどの人がこれを避けてきました」とケープタウン大学のアミール・パテル准教授は説明する。 「油圧は圧縮性ではないので、驚くべきことを実現できますが、空気圧よりもかなり高価です。 そして、手足の爆発的な動きを必要とする動物を観察するとき、私たちは空気圧が優れた、しかし見落とされがちなアクチュエーターであると考えました。」

パテルはチーターの生体力学について膨大な量の研究を行ってきました。 その一部については過去にも書きました。 （たとえば、チーターの尻尾がふわふわしている理由は次のとおりです。）しかし最近、パテル氏はチーターの動きを非常に忠実に追跡して、チーターがどのようにしてそのような動きをすることができるのかを解明する方法を見つけようとしています。 チーターが協力してくれればこれは簡単でしょうが、状況を聞いてみると、チーターを小さなフォースプレートの上を直接走らせたり、セットアップしたカメラの理想的な視野で望む操作を実行させたりするのは、ある意味大変なことです。悪夢。 この研究の多くは進行中ですが、パテル氏はすでにチーターにヒントを得た移動への新しいアプローチを提案できるほどのことを学んでいます。 「私たちがここ南アフリカでチーターを研究してきた長年の経験から、彼らは静止状態から加速するときに力を細かく制御しようとしていないように見えます」とパテル氏は言う。 「彼らはただ全力で押しているだけです。これは、空気圧のようなオン/オフ アクチュエーター (バンバン コントローラーとも呼ばれます) がその仕事をできるのではないかと考えさせます。」 私たちは、素早い操縦性のタスクには精細な力制御は必要ないのではないかと主張しています。」

「私たちは、停止状態からの急速な加速や、高速歩行になった後の停止など、移動の過渡的な段階に焦点を当てています。」—アミール・パテル、ケープタウン大学、南アフリカ

パテル氏は（同僚のクリストファー・メイラー氏、ステイシー・シールド氏、ルーベン・ゴベンダー氏とともに）空気圧がもたらす急速な加速と操縦性を探るため、ケンバと呼ばれる脚付きロボット（あるいは脚付きロボットの半分）を製作した。 Kemba の腰には、より忠実な位置決めを実現するために腰に高トルクの疑似ダイレクト ドライブ電気モーターが組み込まれており、膝には強力な空気圧ピストンが取り付けられています。 電気モーターは電気モーターに期待されるような正確な制御を提供しますが、ピストンはオンまたはオフにできるシンプルな (そして安価な) バイナリ バルブによって制御されます。 結局のところ、空気圧が何をしているのかをある程度理解する必要があるため、研究者らは空気圧アクチュエータの複雑な力学のモデル化に多大な労力を費やしました。 しかし、繰り返しになりますが、ここでのコンセプトは、爆発的な作動のために空気圧を使用し、腰の電気モーターからより細かい制御を得るということです。