− Robots of the World −
< その1 >

 パワードスーツ  歩行ロボット  惑星探査機  無人自律車  無人航空機  無人自律艇

 元々大きな機械が好きで、仕事で携わったものも比較的大きなロボットが多かったです。それもあって油圧駆動などの大きなロボットに興味を引かれます。超大型の人型重作業ロボットが動き回るのは夢の中だけでしょうか?
 現実のロボットの世界は、実用になり、世のためになるものが中々出てこないのでじれったいですが、例えローテクであっても自分の信条である「Simple is Best」を念頭に、世に認められ、貢献するロボットを作って行きたいです。産業用(生産用)以外に、そろそろいい加減に、実用ベースのロボットが普通に見受けられるようになって欲しいものです。そういう観点でのお気に入り、あるいは世に知られたものを集めてみました。あくまでとんぺいのプライベート上の好みの反映ですのでご承知置きください。
(最終更新:2013/12)

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パワードスーツ
1959年に米国で刊行されたロバート・A・ハインラインのSF小説「宇宙の戦士」でイメージが提案され、先ず、米国GE社(General Electric社)が「Hardiman」で1968年に具現化して見せた。当時の成果は不明であるが(そのチャレンジ精神には大いに敬意を払いたい)、その後の新規開発への参考ともなっている。筑波大ベンチャーの「HAL」の成功で注目されるようになり(但し、「HAL」は主に筋電位センスで力を制御しており、「力増幅」によるパワードスーツとは異なるが)、日米を中心とした企業などで開発が進められるようになった。HONDA他の「ヒューマノイド」と外見は似ているが、中に人間が入って動かす点で全く異なる技術を利用している。人間自体が制御を行っている「Man in the Loop」である点で、ヒューマノイドなどより技術的敷居は、いい意味で低いと考えられる。実用化による貢献度も非常に大きく、将来は「産業用ロボット」の成功に匹敵するものになると考える。介護、レスキュー活動、荷役・重量物搬送作業で活躍でき、将来性、現実性が高く、とても楽しみな装置分野である。自分が老いて足腰が弱って上手く歩けなくなった頃には数十万円で買える当たり前の製品として助けてもらえそうで、そう考えると冗談ではなくもっと応援したくなる。尚、、各開発者の使っているものに合わせ、「パワードスーツ」と「Exoskeleton」という語を混在して使っているが、同じ機能のものである(パワードスーツは事実上、皆「外骨格」(exoskeleton)であるから)。
上左は初の試作パワードスーツ「Hardiman」の構造モックアップ、上中央は重量物作業を行う「Hardiman」のコンセプトイメージ。上右は米海軍と陸軍の研究所が支援して研究が行われたパワードスーツのイメージ図。(米国GE社Ralph S.Mosher: "Handyman to Hardiman",1967)
パワーアシスト装置
    Hardiman

1968年に米国GE社が試作した元祖パワードスーツ「Hardiman」。電気サーボではなく油圧サーボで動いたようである。どの程度まともに動いたかは不明であるが1968年にこのようなものを真面目に作ったことは画期的である。

元祖パワードスーツ「Hardiman」のイメージ 元祖試作パワードスーツ「Hardiman」 「Hardiman」のハンド部
脚歩行装置 Mosher
上左は米陸軍が支援した人の動作を拡張して操縦する歩行式輸送ロボットのイメージ。そして上右はそれを米国GE社が試作したもの。人型外骨格パワードスーツではないが、4つの脚はそれぞれ操縦者が手足を動かして、油圧で倍力して動かす点で人のパワーを拡大するものとして共通・類似を用いた。これも成果がいかなるものかは不明であるが、当時としては画期的なものであった。開発は1968年に終了した。
 
「ロボットスーツ HAL」(Hybrid Assistive Limb)
筑波大学の「ロボットスーツ」。一般的な力計測で動かすものではない、独特な筋電位計測による動作制御方式である。むしろサイボーグに近い。NHKの特集、愛知万博等で広く紹介された。その製造・販売のために大学ベンチャー会社(「サイバーダイン(株)」。映画「ターミネーター」のロボットメーカ名と同じ!)が興され、介護、レスキュー用途などで広く普及・実用化させることを目指している。当面、400台/年程度を量産する予定。よくある架空予定ではなく、それだけの引き合いがあったということである。価格は1体約200万円程度に設定とのこと。
空圧パワードスーツ
神奈川工科大学のパワーアシスト装置。上左は2001年に同大が同様の空力式で発表したもの。右は、2007年10月の東京での国際福祉機器展で発表された改良型機体。左では、女性が患者の男性を抱き上げている。抱え上げなどの作業に邪魔とならないよう、動力装置類は全て背側に配されている。何故空圧式にしたのかは不明だが、左の初号機では家庭用血圧計等用の空圧ポンプを使用しているとのこと。右の機体(詳細仕様は不明)も同様な狙いで作られていることは見た目にも解る。

軍用パワードスーツ
上左は米DARPAが当初、兵士の負担軽減用パワードスーツのイメージを提示した際のモックアップである。最終的には、重い火器を持った兵士が全体で10kgくらいの軽量パワードスーツを装着し、その上で素の人間並みに走ることができることを目標としている。上中は、身の安全のため装甲を施すが、その全自重をアシストすることで通常に行動できるようにする正に装甲機動戦士のモックアップ(米Raytheon)である。そして右は米国の一般雑誌に載った、2020年を目指したパワードスーツの完成型の一例である。10年前であれば荒唐無稽なスペックであったが、下掲の米国での研究機関、企業の開発は予想以上に進展しており、写真や公開されている動画を見ると、実現が案外近いことを思わせる。尚、米軍には、先進装具「Future Warrior」等の開発計画もある。

Berkeley BionicsEXOSKELETON
上は、DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)の後ろ盾で開発された、Berkeley Bionicsの最新試作機で、アクチュエータには流体シリンダを使って非常にコンパクトに仕上げている。軍用以外に多くの車椅子に代わることもできることも主張しており、150ポンド(約68kg)のおもりを装着して(上右写真)いるところで、しっかりとした歩行を行っている。左写真はBerkeley Robotics and Human Engineering Laboratoryのパワーアシスト装置「BLEEX」の後継となる。
SARCOS(米Raytheon傘下)EXOSKELETON
上左写真は、左記のDARPAの軍用パワードスーツのコンペで、14の企業と大学等機関の中から開発工事を正式に受注した米レイセオン(Raytheon)社のSARCOSチームの実地試作機。既に動画が公開されており、比較的低速で大きな力を出す一方、小走りしたり、ボクシングのジャブといった軽作業を高速で行う等、人間の筋肉の優れた特性に似た、非常に広い変速域動作をして見せた。駆動にはロータリーアクチュエータではなく、push-pullの流体シリンダを使用しており、大変優れた動きである。現在、有線でデモしているが、内燃機関駆動源を搭載予定であるので引けを取っている訳ではない。

マニピュレーションパワーアシスト装置
Berkley Robotics and Human Engineering Laboratoryのパワーアシスト装置。上左のアームは油圧駆動アーム・ハンドであり、後掲の架空の「パワーローダー」の腕部とよく似ている。右は電動式で、両腕で箱をつかむところ。かなり古い開発事例である。尚、工場現場等で、主に空力で、吊ったり吸着された重い荷を、そのハンドの基部のグリップを動かすことで、力補償して軽々と上下、水平移動できるバランサアームが数十年前から市販されている。
それと同様な既存技術が活用できると思う。
Lockheed Martin
が2009/2に開発成功を発表したexoskeletonパワードスーツ「ハルク:Human Universal Load Carrier」。重い砲弾を抱えているが、写真のものは脚強化のみで、腕は強化されない。脚につながる背中から胸にかけてのフレームで重荷を背負って移動できる(動画)。
パワーローダー
上写真3枚は、いずれも映画「Alien2」(1986)に登場した、
あくまでSF映画での特撮のパワードスーツ「パワーローダー」ある。上右写真は、左の映画のものを小模型化して展示模型として市販したものである。中央に操作する人間が乗っている。実在の米国の世界最大の建機メーカー、キャタピラ社のマークまで入れて、いかにも製品化されているかのようにリアルな印象を与えた。映画の設定では電動駆動で、手先の操縦はジョイスティックで行われ、その辺も現実的で実際に作れるかのような構造であり、宇宙船内での歩行式フォークリフト、といった役割であった。現実には油圧の駆動源に内燃機関などを自載すれば、同様のものはできると思う。こういうものを作りたいものである。

パワーローダー
パナソニック(株)の社内ベンチャー「アクティブリンク」(2003/6設立)のexoskeletonパワードスーツ(2009)。100kgの建築資材を2mの高さまで運ぶことができる。アルミ構造で、全備質量は約230kg、全高約150cm。電動で、現状の自由度は3×2脚、6×2腕。開発中。
リハビリ倍力装置
左の「アクティブリンク(株)」で開発したウェアラブル装置。空気駆動で、脳卒中などで動きが弱った腕のリハビリ補助を目指している。健康な片腕の動きや外部信号で強制的に対象腕を動かす。写真は2006年の米TIME誌の「TIME Best Inventions 2006」に治療装置でノミネートされたもの。上右写真のように空気ゴムアクチュエータが本当の筋肉のように張り付けられており、リアリティーがある。
川崎重工のパワードスーツ(脚部)。主に工場現場等での銃作業軽減用に開発されたもの。アシスト力の大きさは不明であるが、普通の屈伸動作等に十分追従した動作速度である。

左はホンダの歩行アシスト装置。股関節部のアシストモーターのセンサから、装着している脚力が低下した人(但し、自力で何とか歩行できる人)の歩行動作を検知し、力や動きを演算してアシストするもの。その結果、装着者は楽に歩けるようになる。質量は3kg弱と軽く、時速4km/h強で約2時間の動作が可能とされる。臨床試験、改良を経て実用化が期待されている。ホンダでヒューマノイドロボットを開発する過程で生まれたパワードスーツの一種(写真は「pen」No.226-2008/8/1号より)。右はトヨタのひざ部によるアシスト装置。 上は三重大の腕アシスト装置。軽く肘部をアシストするもの。主に福祉用だが軽量に作られている。

POWDER(パウダー) <POWDER動画>
Tompei(本ホームページ主催のとんぺい)の設計によるパワードスーツ'POWDER'(パウダー)。重作業を意識した本格パワードスーツのプロトタイプ(右半身完成)で、伸ばした腕先で最大約60kgの荷を持ち上げることができる。万全な多重安全機構も備えている。災害救助や重荷運搬などを想定した、パワードスーツ本来のパワフルな力増幅機械を目指している。写真は約20kgの水入り鋼製缶を、伸ばした片腕で持ち上げているところ。20kgであるがパワードスーツ無しでは伸ばした片腕先ではまず持ち上げられない。設計上は上述の60kgの荷まで持ち上げられるが、脚の制御改善などを進めて対応準備中である。

役に立つパワードスーツ
パワードスーツが如何に役に立つかをとんぺいが図説したもの。一押しは左上の災害救助(レスキュー)用途で、図のように、具体的に瓦礫の撤去を行い救助する(災害現場にクレーン車等は入れない)。そのようなパワードスーツが実現すれば、確実に大きな力となる。消防署毎での全国的な配備、災害活動時の自衛隊にも配備して大いに活躍する。作業用として、左下のような引越し等で、右上のような屋内物流作業に使える。各軸最大数百W程度で、約100kgfの搬送ができれば十分である。軍用においては、上掲写真にあるような、重荷を担いでの行軍、砲弾等物資の搬送、兵士自身の運動性強化等として開発が急がれている。そして右下のような、工場での重作業の軽減があり、固定作業用のいわゆる産業用ロボットでできない汎用重作業に、クレーンの代用も兼ねた自在な作業支援装置となる。図にはないが、他には、老いて弱った手足を補強することで、普通の大人よりやや弱いパワーで十分で(各軸約0.1kW、最大力25kgf強)、軽量化された良いものが安価で普及すれば(絶対そうなる)自分でも(将来)是非欲しい。一般的なパワードスーツとは原理が異なるが、筋電位を検出しての予測駆動での義手、義足としても技術活用が可能である(上掲の「ロボットスーツ HAL」等)。

Walker
歩行ロボット
Big Dog
Boston Dynamics(MITからのベンチャー)が米DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)の支援で開発した4脚歩行ロボット「Big Dog」。ガソリンエンジンで油圧回路を駆動して歩行する。全長約1m、全高約0.7m。そして自重は約75kgであるが、その割りにペイロードは約54kgと大きく、左写真のように本体両側部に大きな重りを載せているが、DARPAの企図するMULE(輸送用ロボット)の開発に沿ったデモのためである。本物の4脚動物のようにリアルに動歩行し、最高速度は約5.3km/h。驚くべきことは、下右写真のように歩行中の本機を横から蹴っても、全く危なげ無しに横にそれて体勢を立て直し歩行を続けるという極めてロバストなことである。動画(2008/3以前時点のもの)では他に屋外での不整地、軟弱地、登坂、さらには鹿のようなジャンプもこなしている。小型ではあるが、ここまでできる歩行機械は他に例を見ない。
LS3(Legged Squad Supporting Systems)
上掲のBigDogに続いて米DARPA、海兵隊の支援でBoston Dynamicsが中心となって開発されたLegged Squad Supporting Systems。下左写真のようにBigDog同様不整地急斜面をロバストに踏破し、部隊支援能力として、下右写真のようにマーカーを装着した隊長にレーザーレーダー等のセンサを用いて適当な距離を取りながら追従する。米軍に古くからあるMULEの構想(ラバ(MULE:ロバと馬の雑種)あるいは軍馬のように装備を背負って部隊に自律随伴する支援装備)を見事に実現している。2012年からフィールドテストが始められ、400ポンド(約180kg)を積み、20マイル(約32km)を連続航続可能とされる。動画ではその不整地踏破能力の高さ、隊長に追従する様子、走行時の重心の動きの安定さ(ブレの少なさ)、側部に荷物を背負いつつ転倒しても起き上がる様子、そしてそのような高機能ゆえの本物の動物らしさが伝わってくる。感動モノである。

上左はオハイオ州立大の不整地移動ロボット:ASV(Adaptive Suspension Vehicle)。各3自由度(パンタグラフ2軸、脚左右傾き1軸)の脚が6脚で18自由度。全長5.2m、自重3200kg、直進歩行速度:2.3m/s、動力源はバイク用ガソリンエンジン50PS、駆動は油圧による。プロジェクトは1982年から始まって1985年に本体が組み上がり、1990年に終了した。一般的なポンプモーターとサーボ弁の組み合わせでなく、ポンプ自体にサーボ弁の高速制御機能機能を与え、ポンプ+アクチュエータを直結して高効率化している。前部に操縦者が乗り操縦を行うが、LRF(レーザスキャン距離計)を搭載し、地面への各脚の適応は一応自動化され、操縦者は動く方向だけを操作すればよくなっている。古いものであるが、大きな自走システムを創り上げたと言う点で未だに優れた機械といえる。
上右は東工大のTITAN-XI。山の側面を削って法面(斜面)を形成し、その面をコンクリート補強する工事等において、自重補償用のワイヤをウインチで巻き取りながら急斜面を登降坂できる。約67PSのエンジンで油圧駆動し、約7tonの本体をワイヤと4脚を協調させて移動する。測量センサを応用した地図生成システムと自己位置標定システムを搭載し、写真のような段差を跨ぎ越えしながら歩行できた。標準姿勢時全長約4.8m×全幅約5.0m×高さ約3.0m。2005年。
フィンランドのPlustech社(林業関係で有名なTimberjack社の子会社で米JohnDeere社の一部門へ吸収された)が試作した山林地作業用6脚歩行ロボット。オペレータが一人乗り込み操縦する。ブームアームの先端の黄色の機械は木を切る、枝を払う、そして定尺に切り揃える林業用自動化装置のハーベスタ(これは本歩行機械の開発とは関係ない市販品)。詳細なスペックは無いが、油圧駆動のハーベスタを搭載しているので全油圧駆動と考えられ、水平移動速度は2〜3km/hである。右下は1991年の初号試作機で左と右上の2枚は3代目の完成機である。斜面は形状にもよるが20〜30度程度の斜面を昇降、横行などができる。製品化はされなかったが、仮に発売されるとしたら、かなり高価となりそうである。
上左2枚は三菱重工の急傾斜山林地作業用6脚歩行ロボット。ストローク約2mの6脚を3脚ずつにグループ化、それらで交互に踏み替えし、その間に各グループを取り付けた2つのフレーム間を旋回・スライドさせることで、任意の方向に歩行できる(8自由度)。作業装置として上部に市販ミニショベルのヘッドを搭載し、それが搭載するディーゼルエンジン(15PS)でロボット全体を油圧駆動する。無線遠隔操縦により本体の簡易油圧サーボ弁ほかを制御することで、最高約4.6m/minで移動し、最高30〜41°の斜面を登降坂できる。最大姿勢高約4.5m、全質量3,950kg、標準姿勢時全長約3.6m、全幅約2.3mで、自身を歩行させて普通トラック(ペイロード4ton、荷台幅2.4m)に乗降させることができる。1995年完成。
上右写真はその原型となった小型(とはいえ最大姿勢高は約2mに達する)6脚歩行ロボット。電池パックを搭載し、無線操縦される自立式。最高約6m/minで水平移動できる。優れた専用開発高効率モータドライバを搭載し、それは東工大との「Titech Motor Driver-1」の開発へとつながった。1990年。
ヒューマノイドロボット
1996年末、ホンダから2足歩行ロボットとして一線を画する2足歩行ロボット「P2」が発表された(写真上左の中央)。その動歩行を使った速く自然な歩き方、台車押しや体を押されての後ずさり動作などはまるで人間のようであり、それまで他で行われていたレベルのものは一気に旧態化してしまった。ハーモニックドライブを組み合わせた過負荷で駆動されるモーター、そして新方式の制御方法によって達成された。P2は全高180cm、210kgで、最高歩行速度は2km/hであったが、その後、P3を経て2000年にASIMOが発表された。ASIMO(写真上右)は最新型で全重54kg、全高130cm、歩行速度は2.7km/hであるが、直線歩行では6km/hを達成している。自由度はASIMOでは脚6軸×2、腰が1軸(ひねり)、腕7軸×2、首3軸である。P2やASIMOは当時として画期的であり、「できる」ことを実証したHONDAの功績は大きい。
右写真は(独)産業技術総合研究所のヒューマノイドロボット:HRP-2「Promet(プロメテ)」(右)とHRP-4C「未夢(ミーム)」。HRP-2は2004年4月にプレスリリースされ、2005年にモーションキャプチャデータをもとに「会津磐梯山」を自立して踊るデモを披露した。身長154cm、全幅62cm、体重58kg。そして2009年3月、身長158cm、体重43kg(電池を含む)と日本の平均的女性を模したHRP-4Cが発表されて話題を集めた。人間の動きをもとに、それまでのHRPシリーズで開発された制御技術を適用し、よく人間らしい歩行動作を実現した。

Rover Sojarna
惑星探査機
Sojourner Rover
上はNASAの火星探査計画マーズパスファインダーMars Pathfinder)。システム一式は1997年7月4日(米国独立記念日)に火星に着陸した。小型軽量化、ローコスト化が求められ、着地には落下傘と本体周りを覆うエアバッグのような緩衝材が使われ、わずかな着地ロケットで、落下速度を14m/sまで減じて着地することができた。着地すると上左図のようにゴムボール様緩衝材は、はじけるように開き、太陽電池パネルを展開する。ここが中継基地となり、火星探査を推進した、故カール・セーガン博士を讃え、カール・セーガン記念基地と名づけられた。そしてその基地から、格納されていたローバーSojourner(ソジャーナ)が出発する。着地以後含め、約16,000枚の写真を地球に送った。上中、上右写真の Sojourner には効果的な懸架装置:ロッカーボギー機構に計6輪が付けられ、コントローラCPUには強力な宇宙船で破壊されにくい、そして誤動作しにくい8bit のもの(80C85)が使われるなど制御部もシンプルにした。上左は展開された基地ユニットと周辺を探査する Sojourner 。アルファ・プロトンX線分光分析器を車体前方に備え、アルファ線の照射によるプロトン放射スペクトル、X線スペクトルを分析し、岩石や土壌の成分分析を行った。データは基地を中継して地球に送られた。以上システム一式で、基地が264kg。Sojourner が全長65cm×幅48cmで10.5kg。通信に時間がかかるため操作は極めて慎重に行われた。目標とした生命検出はできなかったが、ロボットミッションとしては上手く行った。小規模なミッションに見えるが、アポロ計画での有人月探査に次ぐような快挙かと思う。
Spirit
Mars Exploration Rover
左2枚はマーズパスファインダー後に、水と、生命の痕跡の探査のために送られた同型Mars Exploration RoverSpirit」(2004/1/3着陸)と「Opportunity」(2004/1/24着陸)の火星上での想像図。マーズパスファインダーと同様なエアバッグ方式で無事着陸した。全長約1.6m×全幅約2.3m×最大高約1.5m、そして全重約180kgと「ソジャーナ」より随分と大きい。最高速度は約50mm/sであるが、通常運用ではその約1/5。懸架機構は「ソジャーナ」と同じく6輪ロッカーボギー。視察用ステレオカラーカメラ、走行用ステレオモノクロカメラを備える。太陽電池で最大140Wを発電して余力はリチウムイオン電池に蓄え、夜間等に利用する。「PowerPC」CPUのベースとなったRAD6000 CPU1個がVxWORKSをOSとして全体を制御する。撮影画像はデジカメ同様、一旦フラッシュメモリに蓄えられ、圧縮して送信される。運用温度は-40〜+40℃。風化した岩石の表層研削機を備え、その面を拡大視するカメラ、アルファ粒子、X線分光解析器等を備えている。「Opportunity」は期待寿命90日を大きく上回り、2007/11迄4年近くも運用された。

Mars Science Laboratory
米国が2011年10〜11月に発射予定の次期火星無人ローバー「Mars Science Laboratory」(後の'Curiosity')。2012年秋から活動予定である。全重約900kg、全長約2.7mと非常に大きい。火星に生命がいたか?(いるか?)の確認、環境・気候の把握、地質学的探査、有人探査への準備活動などを目的とする。様々なサンプルを得るための5〜20kmの移動ミッション、後のミッションでサンプルを地球に送るための大型機を着地できることの実証、そして20kmの円内に正確に着地できることの実証を行う。着地には、直径約16mのパラシュートを使い、最終段階ではロケットでの減速も行う。ステレオカメラ他、今迄のローバーが備えていた種類の器材を備える。移動速度は平均約30m/h、最高約90m/h(約2.5cm/s)で、今迄の火星ローバーと同じロッカーボギー機構で最高約75cmの障害を乗り越えることができるとされる。IBMのPower PC750をベースに英BAEが開発したRAD750 CPUを約110〜200MHzのコアクロックで駆動し、Mars Exploration Roverの35MIPSに比べ、約266MIPSの処理能力を得る。駆動エネルギには太陽電池では供給が不足するので、プルトニウムを使ったいわゆる原子力電池で駆動され、その出力は2.5kWh/日(Mars Exploration Roverでは約0.6kWh/日)で、少なくとも火星の1年(地球では687日)はシステムを十分に運用できる。ただ、右上写真のようにローバーとして大型化しすぎ、着地や、その他仕様のハードル設定が高すぎることに対し、疑問視も多く、未だ流動的な点が多いとされる。
左から、Mars Exploration Rover、Sojourner Rover、Mars Science Laboratory。Mars Science Laboratoryの大きさがよく分る 左から、Sojourner Rover、Mars Exploration Rover、Mars Science Laboratoryのタイヤ。
Phoenix Mars Lander

2007年8月に打ち上げられ、2008年5月26日に無事に火星に着陸した火星無人探査機「Phoenix
着陸後、通信障害や、通信中継を行う探査衛星オデッセイとの通信不通等、数々のトラブルに見舞われた。左の左写真は、太陽電池パネルを広げた「Phoenix」の想像図。左の右写真は、土壌採取ショベルの付いたアームを伸ばしているところ。すくった土壌を機体のオーブンで加熱して成分解析を行う。その作業でもトラブルがあったが、何とか土壌をオーブンに入れたところである。ロボットアームはあるが、固定脚で移動はできないので、ロボットとは言い難いかもしれない。



日本の惑星探査機(ローバー)
日本は月など惑星で車両を走行させる探査をまだ実施していないが、惑星探査機(ローバー)の試作・研究は行われている。上左はJAXA((独)宇宙航空研究開発機構)の月面ローバー研究試作機。独自に懸架機構、駆動機構を備えた4つの三角形状クローラを動かして月面不整地を走行する。各クローラはそれぞれ方向を変えることができ、左右の2つのクローラ間はボギー機構でつながれて地面高低に応じてピッチング搖動適応し、さらに左右の搖動は車体センターデフで平均化されて車体筐体に固定されている。そのような機構により高い不整地適応性を有する。月面の多くは微細な砂:レゴリスで覆われており、クローラの接地圧ほかはそれらに適応するよう設計されている。試験走行速度は約5cm/s、最大登坂角25°以上、電力は70W程度に抑えられている。上右は東京工業大学の3輪ローバー「Tri-Star IV」。車輪の内側のスポーク部は板バネでできており、金属のみでゴムタイヤのようなクッション性、地面形状適応性を得ている。アルミパイプで3車輪の高さを調整して不整地高低、斜面に適応する。そして、万一転倒しても、車輪シャフトを大きく回転させることで起き上がりが自在にでき、一層の不整地踏破性能が得られている。周辺の状況が十分には把握しにくい惑星不整地では、予期せぬ障害、転落等で転倒することも考えられるので、そのような万一に備えた柔軟な機構を備えていることは重要である。


その他惑星探査機→とんぺいのメカセレクション(航空・宇宙)



Autonomous
無人自律車
無人自律車レース(その1) 「DARPA Grand Challenge2004
2004年3月に行われたDARPA(The Defense Advanced Research Projects Agency)主催のオフロード無人車ラリー「Grand Challenge」の第1回目。下左、下中の2枚は出走前の無人車たち。日本で多く見られる「ロボコン」の大型版みたいで楽しそうである。予備審査として2kmの走行試験があったが、7チームしか完走できず、結局完走できなかった車両も含め15両が本走行に参加した。下右は最も長く速く走ったCMU(Carnegy Mellon University)の車両「サンドストーム」。ロサンゼルスからラスベガス近郊までの灼熱の砂漠地帯の約230kmの指定コースを12kmまで60km/h近くで激走した。60km/hと高速にしたのは、全長を10時間以内に走破しなければならないから余裕を取ったのである。結局、ゴールインした車両は無く、賞金100万ドルは翌年に繰り越されることになったが、「サンドストーム」以下、広く報道され、讃えられた。下右の「サンドストーム」の天井上に見えている白い丸いものの中にはレーザレーダと、ステレオビジョンカメラが装備されている。それらにより前方地面の地形、障害を高速で明確に検知できる。車体は米軍のハンビー(新型ジープ)を払い下げ利用して転倒しにくくしている。レースは本番スタート直前の2時間前にゴールが公表され、各チャレンジャーは車両のコンピュータにその位置座標などをインプットして出発する。「サンドストーム」の走行速度は、それまで自律試験車両の殆どの走行速度がせいぜい10km/h程度であったので、それらを見慣れた者には衝撃的であった。因みに上記CMUチームは上記のゴール公表後2時間のうちにゴール位置座標だけでなく、そこまでの地形情報、経路詳細データを多数のプログラマによる人海戦術で「サンドストーム」にインプットしたと言われる。そのための一帯地形詳細を事前に収集していたのである。特にルール違反ではないが。リタイアの原因は、急なヘアピンカーブで、前方を見誤ったためのようである。

無人自律車レース(その2) 「DARPA Grand Challenge2005
完走車なしの2004年に続き、2005年10月8に「Grand Challenge」の第2回目が行われた。Mojave砂漠の131.2mileを10時間以内に走破することが入賞条件でスタンフォード大の「Stanley」、CMU(Carnegy Mellon University)の2台の計3台が入賞し、最速の「Stanley」(下写真最上段左)が6時間53分でGOALして優勝賞金200万ドルを獲得した。下写真中段の2枚は無人走行中の参加車で、非常にあいまいな走行路を見事に走っている。勿論無人である。「Stanley」のフロントガラス上には5つのレーザーレーダ(Sick社LMS291))が並び、GPS等も備える。最下段左は優勝は逃したが完走はできたOshkosh Truck社の大型15tトラック。この成果から、民生技術、民生製品(センサ、コンピュータ等)を使って、高度とされる軍用品に匹敵するものを作ることができることが実証され、民需製品のテロ兵器転用が危惧されるようになった。尚、Grand Challengeは今回で終了し、模擬街中60mileを6時間以内に走破することを条件とした「Urban Challenge」へと続いた(下掲)。


無人自律車レース(その3) 「DARPA Urban Challenge (2007)
2007年11月3日に本戦が行われた、DARPA(The Defense Advanced Research Projects Agency:米国防総省高等研究計画局)主催の無人自律車市街地レース。
米国下院は、戦地での死傷者を大きく減らすため、2015年までに軍事用地上車両の3分の1を無人化するよう国防省に要求している。FCS(Future Combat System(別掲))の推進がその具体的反映例であり、このUrban Challenge、そしてその前(上掲)のGrand Challengeはそのような無人・自律化装備品の研究開発の促進策である。
Grand Challenge
は砂漠地帯を激走し、ゴールタイムを競うものであったが、Urban Challengeでは、ゴールタイム以外に、市街地を想定したルートでカリフォルニア州の交通法規を遵守し、6時間以内に3つのミッション遂行するために、約60マイル(約97km)を走る。因みに、自分が、「どこかの街に行って、6時間で100kmくらい指示通り回ってこい」と言われても結構きついと思う。1つのミッションは6〜7のサブミッションで構成され、全サブミッション完了後、指定場所に戻ってから次のミッションへ移る。
世界中から89台が参加表明し、本選で6台が完走した。タイムが最短で、「交通違反」が無かったカーネギーメロン大チームが優勝した。無人自律車には出場24時間前に、コースとなる模擬市街地の地図情報「RNDF」(Route and Navigation Definition File)、そして、各車出発5分前には指定スポットへの駐車、規定Uターン、指定場所の通過などのミッションを指定した指令ファイル「MDF」(Mission Definition File)がメモリーで渡され、インプットされた。
多くの車がGrand Challengeから重要視されてきたレーザーレーダを主センサに活用し、
未だ画像処理、ステレオビジョンではなく、レーザーレーダが現実的であることが分かる。また、制御処理系は、デュアルコア、あるいはクアッドコアCPU搭載のノートPCを10台程度使うものが多く、それらを6時間以上稼働させるために発電機搭載のクルマも多い。
ストップサインのある交差点(全進入車一時停止、先入車優先、追い越し禁止等の難しい判断が必要な米国特有なもの)での他車等を的確に認識しての進入判断、信号の認識や
走行中の他車の追い越し、衝突回避、そして駐車などを行いながら、MDFで指定されたミッションをこなす。
3回目で荒野も市街地も自律移動ミッションができることを実証したが、過去のレースの開発成果は全て公開されており、ネット等で閲覧でき、各チーム間で参考にされ、それ故、急速に完成度が高まったものと考えられる(テロリスト等に活用されなければいいのであるが)。次回のレースはあっても、DARPA主催で、そして「軍事用地上車両の3分の1を無人化」が議会要求されている以上、地上戦に有益な技術のコンペティションとなることは確かであろう。
優勝したカーネギーメロン大チームの「Boss」号。平均速度約23km/hで完走して優勝し、賞金200万ドル(約2億3000万円)を獲得。2位は前回のGrand Challenge
で優勝したスタンフォード大の「
Junior」号(平均速度約21km/h、賞金100万ドル)。
 決勝戦で無人走行するMITの「Talos」号。完走して5位。最も多くのセンサを取り付けた
 クルマであったそうである。レースは、カリフォルニア州ビクタービル(Victorville)にある
 空軍基地跡の、陸軍軍事訓練エリアで行われた。
奥の家は廃墟のようである。
対向車線がある街路を走る無人自律車(左中央)。
交差点や駐車場などがある市街路を、決勝に選ばれた無人自律車11台と、それを追尾監視し、非常時には被監視車を緊急停止できるドライバーが乗った11台、そして、より現実に近い市街走行らしくするために、「人間」が運転する約40台の車を混在させた。優勝車の平均速度が約23km/hであるから、写真での車両は案外40km/hくらいを易々と走っているのであろう。
航空写真上に描かれた全行程地図走行情報は、出場24時間前に、メモリデータとして渡される。全走行距離は約60mile(約97km)。コース走行自体はGPSとそれによるナビゲーション手法が確立されているので困難はないが、19のサブミッション、カリフォルニア州の道路交通法規を遵守しなければならず、約100人の監視員がチェックし、違反があれば減点とされ、他車との干渉調整等もあり、難しい。 全周レーザーレーダの計測イメージ
Velodyne社製「HDL-64E Lidar」の出力と中央の自車のCGを重ね合わせたもの。64個のレーザー送受信器を内蔵し、360度全周を最高15回/秒でスキャンする。舗装道路面で50m、車両等なら120m迄を5cmの距離精度で、水平視野は360度全周(連続回転計測)、垂直視野角26.8度で計測できる画期的な視覚センサ。
自車の前に横切る形の他車、自車の後左にも他車(追従監視の有人車であろう)、そして前方奥には木が並んでいることが解る。この「Lidar」以外にもSICK社製(昨年優勝のスタンフォード大チームがルーフ前縁に5個並べて使っていた)やIBEO社等のロバストなレーザーレーダが活用された。


超大型無人自律ダンプ(コマツ)
写真は、南米チリ北部の世界最大の露天掘り銅鉱山「チュキカマタ鉱山」での作業を無人化した事例。積載量290t、タイヤ直径3.8m、最高速度64km/h、そして下左写真のように乗用車よりはるかに大きい世界最大級のディーゼルエレクトリック式超大型930Eダンプを無人航行させ、
24時間3交代稼働で大量の採掘物を搬送する。高精度なRTK(Real Time Kinematic)GPS、レーザー誘導、光ファイバジャイロで規定の走行路を誘導走行し、障害などがあれば、前方を探索するミリ波レーダで検知して事故を回避する。既知の、整備されたコースで、所々にあるらしいレーザー誘導器も使用しているようで、上掲のDARPAの無人レースと比べて、若干簡単にも思える。しかし、商用であり、930Eダンプは3.5億円とも言われ、事故が起きた場合の損失や復旧の困難さを考えると、極めて高い信頼性を有するシステムであると考えられる。常用運用速度は不明であるが、ネットムービー(過去のTV-CM)等から、平地で30km/h程度と推察される。下右は、運用エリアの大きさ、そして採掘物の流れを示す。2008年1月に、オーストラリア西部のピルバラ鉄鉱山に2事例目が導入されることが発表された。


UAV
無人航空機
無人航空機:UAV(Unmanned Aerial Vehicle)
無人航空機:UAV(Unmanned Aerial Vehicle)は、空中には障害物が皆無であり、衛星通信を含めた無線リンクもし易いので、地上用無人機:UGV(UGV)に比べ、その無人化、自律化も進んでいる。ここに掲載した米軍のUAVの多くは、高高度をミッションに従って自律航行して、写真撮影からミサイル発射迄をこなしており(発射の判断は人間の遠隔指示であるが)、それら以外の様々な機を含め、軍の実用装備として、多くが実戦投入されている。尚、掲載はしていないが巡航ミサイル「トマホーク」等はそれらと同様な機能を有する先駆的自律無人機の一種である。
上左は世界最大のUAV「 グローバルホーク」(Grobal Hawk)。 2001年11月にアフガニスタンで初めて作戦投入された。2005年に正式化され、約20,000m上空を最高約648km/hで巡航し、航続距離は約21,700km、最大滞空時間は42時間と長い。自重は約12tで、その全幅はB-737と同様で約35.4mに達する(写真の左翼基部にいる人との大きさの比較に注意)。1機当たり約2,000万ドル(約23億円)とされている。上右はMQ-9 プレデターB(Predator B)。最初のシステムは1994年に飛行している。全幅20.1mで高度15,000mで、滞空時間は約30時間である。2001年に本機の下部に抱えたレーザー誘導式のヘルファイヤ-Cミサイルの発射に成功しており、2002年11月にはイエメンで同ミサイルを実戦発射した。2002年8月には、本機からさらに小型のUAVを発射し、成功した。以後、上述の Predator B 等に、誘導爆弾、機関砲等を装着して攻撃力を大幅に強化しつつある。兵士を危険にさらさず、遠隔の敵を攻撃ができることが狙いであり、現在は一層進化して、アメリカ本国からアフガニスタンなどにいる実機の衛星回線での超長距離遠隔操縦、監視、そして対地攻撃ができるようになった。しかし、確かに安全ではあるが、リアリティ、緊迫感がないための判断ミスによる誤爆増加が問題になっている。
下左は、実用運用中にある、米国のUAVの一部。様々なUAVが既にアフガニスタン、イラク戦争以前から実戦運用されている。下左写真内右上のようなヘリコプター型も多用されている。下右は、そのようなヘリコプタ型UAV「Fire Scout」が、非誘導型ロケット弾を発射したところ。目標決定、発射は遠隔操縦による。
上左写真は、手前からX-47B無人攻撃機、次の白い機体はX-45A無人攻撃機。X-45Aは、航空機の進歩に寄与した開発者(開発組織)、あるいは航空機自体に贈られるジョンソン・メモリアル・トロフィーを獲得した優秀な無人航空機とされる。同写真奥は、既に実戦運用されている上掲の「プレデター」(3機編隊は貼り合わせである)。上右写真は、空母の飛行甲板上のX-47B無人攻撃機で、米海軍が試験運用している。空母の飛行甲板に殆ど自動で離着陸ができ、非常に高度な機能を完成させている。X-45AもX-47Bも、明確にステルス性を付与した機体形状で、近々の実用化を目指していることがうかがわれる。



USV
無人自律艇
深海無人探査機「うらしま
上左は、(独)海洋研究開発機構(文部科学省管轄の独立行政法人)の自律探査機。種別としては、UUV(Unmanned undersea Vehicle)となる。概略プログラムに従って、慣性航法装置と音響センサシステムを使って無索線で自律独力で航行し、データを収集して指定位置に帰還する。全長約9.7m、全幅約1.3m、高さ約1.5m。空中状態での質量は約10 t 、燃料電池と補助のリチウム二次電池で駆動され、速度は巡航3ノット、最高4ノット。2000年に竣工、実走試験を開始し、2001年に最大潜航深度3,500mを達成、2005年2月には自動航走距離317kmという世界記録を達成した。慣性航法にはリングレーザージャイロを使い、その誤差は1時間当たり0.01マイル=約16mと少ない。音響センサは400〜600kHz程度の超音波を使い、前方80m程度先を画像イメージ化できる。深度や燃料残量などで異常があれば浮上させるフェールセーフ機能も搭載している。上右は、本艇他の無人探査機の運用イメージ図。


遠隔操作室
操縦は無線遠隔式。自律性は無い。不審船上者に提示させた証明証、パスポート等を超望遠で捉え認識し、基地局でコンピュータ審査ができる等、実践的である。
無人哨戒艇 Protector
イスラエルのRafaelとイギリスのBAE systemsによるUSV(Unmanned Surface Vehicle(Vessel))。遠隔操作で自由に航行させることができ、不審船等を見つけた場合は、警告や、搭載している機関銃により、威嚇・攻撃もできる。近年、増加しつつある不審船活動、海賊行為に対抗するものとして開発が進められてきた。船体前部に遠隔操縦式機銃を備え、その後の船橋上の、頂部の白いものはレーダー、その下には雲台付き視察カメラがある。その他に無線、GPSのアンテナが付いている。それらと制御装置により、湾内を無人警備するデモを行った。船体後部は、任務に応じて艇の機能を変えるための、各種オプション器材の搭載・接続部となっている。欧米では、このような無人船艇は数多く発表されている。米海軍と米沿岸警備隊が導入を検討中である。UAV(無人航空機)、UUV(Unmanned undersea Vehicle)に続き、実用段階に入った。本艇には自律制御部は無いが、水上は空に準じて、無人遠隔・自律運行が実現し易い環境であり、期待が持たれる。


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