皆さん、なぜ人型ロボットが、人間のために作られた空間をよろよろ歩き回る不格好でぎこちない機械のように感じないのか疑問に思ったことがあるなら、その滑らかな動きの最も知られざる英雄の 1 つである関節部分を詳しく見てみましょう。ヒューマノイド ロボットの関節コンポーネントのサプライヤーとして、私は毎日、ハイテク サーボや派手な AI 頭脳に注目し、全体を人間と協力して (敵対せずに) 機能させる人間工学に基づいた小さな部品に注目しているロボットビルダー、愛好家、エンジニアと毎日話しています。これらの関節がロボットの使いやすさ、安全性、全体的な雰囲気をどのように形作るのか、教科書的な専門用語を使わずに、その核心を見ていきましょう。
まず、ロボット関節の「人間工学的側面」とは何でしょうか?ヒューマノイドの場合、これはすべての関節 (肩、肘、手首、腰、膝、足首) が人体の動きを模倣する必要があると同時に、安全に操作できる必要があることを意味します。考えてみてください。ロボットの肘関節が奇妙な角度で突き出ていたり、子供の絵をこすってしまうほど鋭かったりしたら、それは問題です。誰かが助けを求めて膝に寄りかかったときに、膝関節が突然ロックしてしまうと危険です。ここでの人間工学とは、単にロボットを人間に「見せる」ことだけではなく、人間の空間に対抗するのではなく、人間の空間に合わせて機能する部品を設計することです。
それが人間工学に基づいた最初のチェックなので、可動範囲から始めましょう。人間には各関節に一定の可動範囲があります。肩は 360 度 (ほぼほぼ) 回転し、肘は 180 度曲がり、膝は一方向にのみ曲がります。ヒューマノイド ロボットの関節はこれに一致する必要がありますが、範囲を超えてはなりません。範囲が広すぎると、動きが不安定で不安定になります。高齢者介護用のロボットを製作した顧客から、元々の膝関節は 90 度しか曲がらず、座っている高齢者と同じ高さでひざまずくようにプログラムしようとしたが、できなかった、との話を聞いたことがあります。ここで適切なジョイント設計が重要になります。私たちは既製の部品を販売するだけではありません。私たちはビルダーと協力して、ロボットのパフォーマンスがオーバーシュートしたり、パフォーマンスを下回ったりしないように範囲制限を調整しています。たとえば、私たちの肩関節には、人間の最大回転数に達する前に回転を停止するトルク リミッターが組み込まれており、関節の損傷や近くの人への偶発的な衝突の両方を防ぎます。
次に、力の感度です。これは安全性にとって非常に重要であり、ロボットが人間の周りにいる場合、人間工学の中核となります。人間の皮膚は圧力を感じることができるため、ガラスに触れたり、誰かを抱きしめたりするときに、私たちの体がどの程度の力を使うかを自動的に調整します。ロボットにも同じ感覚が必要ですが、関節はそれを硬い動きではなく、穏やかな動きに変換する必要があります。ヒューマノイドが子供に本を渡しているとします。肘関節に力センサーがなければ、本をきつく締めすぎたり、ランプをひっくり返すほど速く腕を振ったりする可能性があります。当社のジョイント パーツは、薄型トルク センサーと力センサーをジョイント軸に直接統合しているため、ロボットはリアルタイムで動きを調整できます。私たちはこれが、教育用の小さな人型ロボットで成果を上げているのを目にしてきました。子供たちはロボットを持ち上げて、コーディングの練習のために腕を動かします。人間の接触を感じると関節の動きが止まったため、誰も怪我をしませんでした。
次に、関節自体の物理的なフィット感があります。現実的に考えてみましょう。人間の 2 倍のスペースを占める大型のロボットを誰も望んでいません。ここでの人間工学とは、人間と同じように出入り口を移動したり、ソファに座ったり、棚に到達したりできるように、ヒューマノイドのフレーム内に収まるコンパクトで流線形の関節を意味します。その大きな部分は使用する素材です。待ってください、「材料？ それは人間工学ではなくロボット工学の話だ」と思っているかもしれませんが、聞いてください。関節が安価で重い金属でできていると、ロボット全体が重くなり、バランスが崩れて動きにくくなります。そのため、私たちは建設業者と協力して、ユースケースに応じて適切な材料を選択しています。たとえば、狭い小売スペースで作業するロボットは、軽量で耐久性のある部品の恩恵を受けます。強度を損なうことなくリグ全体をスリムに保つ CNC マシン ロボット アーム リンクなどの軽量構造ビットとジョイント アセンブリを組み合わせることもお勧めします。物流のために重い商品を持ち上げる必要がある（ただし、倉庫作業員の周りで作業する）ロボットの場合、当社は高トルク鋼合金ジョイントを使用していますが、エッジを柔らかくするためにプラスチックロボットシェルのような軽量で柔軟なカバーと組み合わせています。そういえば、これらのカバーは見た目のためだけのものではありません。接合部分の丸みを帯びた鋭利でないエッジは、偶発的な切断のリスクを軽減し、純粋に人間工学に基づいたデザインです。
また、モジュール性についてもお話したいと思います。これは、ビルダーとエンドユーザーの両方にとって人間工学的に大きな利点です。どうやって？関節が破損した場合でも、ロボット全体を交換する必要はなく、故障した部品を交換するだけで済みます。これは修理に便利なだけではありません。これにより、製作者はロボットの設計を途中で調整できます。たとえば、大学のロボット工学チームは、基本的な膝関節から始めて、後でランニング用にアップグレードする可能性があります (脚アセンブリ全体を再構築することなく、高トルクのモジュラー膝関節に交換できます)。モジュール化によりロボットの動きの調整も容易になり、すべての関節が本物の人間のように同期して動作するようになります。当社のモジュラー ジョイントが標準のロボット アクセサリ ハブに差し込まれるため、すべてを最初から配線する必要がなく、テストにかかる時間を何か月も節約できるチームを見てきました。
待って、よくある間違いについて真剣に考えてみましょう。新しいロボット製作者の多くは、関節がヒューマノイド システム全体とどのように相互作用するかを考えずに、最大トルク、速度、価格などの仕様に重点を置いています。たとえば、重いものを持ち上げるのに最適な関節が振動しすぎて、ロボットの頭 (ナビゲーション用のセンサーが付いている) がぐらつき、ロボットが人間の顔を認識したり、部屋を移動したりすることが困難になる可能性があります。これは人間工学的には失敗です。たとえロボットの動きが強力であっても、環境とスムーズに相互作用することができないからです。当社のジョイントは振動減衰機能が組み込まれた設計になっているため、ロボットの他のシステムに影響を与えることはありません。また間違い？重量配分無視。ロボットの股関節が重すぎると、立っているだけでも余分に頑張らなければならず、バッテリー寿命が消耗し、動きが遅くなります。私たちは、各パーツが他のパーツと対立するのではなく、他のパーツと連携して機能するように、ビルダーが全身の関節の重量のバランスを取れるように支援します。
そして、高齢者や子供など、弱い立場にある人々と対話するロボットには、人間工学のさらなる層、つまりアクセシビリティが必要です。車椅子を使用する人を支援するために設計されたヒューマノイドは、肘掛けに手を伸ばしたり、低いテーブルから軽食をつかんだり、運動能力が制限されている人でも十分に追いつくことができる程度にゆっくりと移動する必要があります。つまり、関節は速く動かしすぎてはならず、正確でなければならず、高すぎたり短すぎたりしないフレーム内に収まる必要があります。当社のカスタム ジョイント セットを使用すると、製作者は可動範囲と速度設定を調整できるため、ロボットを特定の使用例に合わせて調整できます。私たちは、認知症の高齢者向けのコンパニオン ロボットを構築した小規模チームと協力しました。彼らは、錠剤を手渡すときに手首の関節がゆっくりと優しく動くように調整し、握力が弱いと感じると肘の関節が動かなくなるように調整して、高齢者が物を落とさないようにしました。
さて、マテリアルについてもう一度話しましょう。それはすべてに関係するからです。すべてのジョイントに 1 つの素材を使用するだけではなく、作業に合わせて素材を使用します。例えば、動きの多い肩関節には耐久性が求められるため、高級合金鋼を使用しています。歩行時に衝撃がかかる下肢の関節部には、アルミニウムと軽量複合素材を混合した素材を使用し、力に耐えながら軽量化を実現しています。私たちは、関節を補完する構造サポートについて、ビルダーに常にアルミニウム ロボット シャーシとステンレス鋼金属ロボット部品のページを案内しています。たとえば、膝関節を頑丈なシャーシと組み合わせることで、脚全体がより安定し、ぐらつきがなくなります。また、関節カバーなど、人と接触する外部部品には、食品に安全で皮膚を傷つけない非刺激性プラスチックを使用しています。これは、医療現場で子供や人々と対話するロボットにとって重要です。
待ってください。私がいつも受ける質問に答えましょう。「通常のロボットのジョイントと人間工学に基づいたヒューマノイドのジョイントの違いは何ですか?」通常のロボットの関節は、工場での速度、精度、重量物の持ち上げを目的として作られています。工場には安全ケージがあるため、作業者にぶつかっても気にしません。人型の関節？精度と安全性、可動範囲と安定性、強度と重量のバランスをとらなければなりません。そのため、関節のすべての部分は人間の相互作用を念頭に置いて設計する必要があります。関節がどのようにスムーズに回転するか（擦れたりぎくしゃくした動きがない）などの小さな詳細によっても、ロボットがより自然に、まるで本物の人間のように感じられるようになります。壊れたおもちゃのように動くロボットと握手をしたい人はいません。人間工学に基づいたジョイントにより、その相互作用がシームレスに感じられます。
多くのロボット製作者がテクノロジーの進歩に注力していることは承知していますが、最も重要なイノベーションは、ロボットを単独で動作させるだけでなく、人間のために機能させるものである場合もあります。次回、直感的に操作でき、怖さやぎこちなさを感じない人型ロボットを見つけたら、よく見てください。おそらく、その関節は私が話している人間工学の原則に基づいて設計されています。それらは単なる金属やプラスチックの破片ではありません。これらのおかげで、ロボットはひざまずいて子供と話したり、コップをこぼさずに渡したり、ランプをひっくり返さずにリビングルームを移動したりできるのです。
人型ロボットを構築していて、パフォーマンス、安全性、人間工学のバランスをとった関節パーツが必要な場合は、プロジェクトについてチャットするために当社にご連絡ください。標準のモジュラージョイントが必要な場合でも、特定の使用例に合わせてカスタム設計されたものが必要な場合でも、当社は適切なコンポーネントの選択をお手伝いします。私たちは趣味のチームから産業パートナーまであらゆる人々と協力しているため、プロジェクトが大きすぎたり小さすぎたりすることはありません。
参考文献
- 国際標準化機構 (ISO)。 「ロボットとロボット装置 - ヒューマノイドロボットの安全要件」ISO 13482:2014。
- Vukobratović, M. および Potkonjak, V. 『ヒューマノイド ロボット: モデリングと制御の基礎』 Springer、2013 年。
- Ryu, J. および Kim, W. 「安全な人間とロボットの相互作用のための力制御: レビュー」IEEE Transactions on Robotics、vol. 32、いいえ。 3、2016、515-533ページ。
- Zhang、L.ら。 「在宅支援アプリケーションのためのヒューマノイド ロボット ジョイントの人間工学的設計」、2020 IEEE ロボティクスとオートメーションに関する国際会議 (ICRA) 議事録、2020 年、5678 ～ 5684 ページ。
