ほぼ完全単独走行するロボットイヌ

September, 1, 2023, Lausanne--学生プロジェクト – EPFLでの修士プロジェクトのために、Mickaël Achkarは犬の動きに関するデータをまとめて、一度動き始めると、補助やモータなしで走ることができる動物のロボットバージョンを開発した。

Josie Hughes教授が率いるEPFLのComputational Robot Design & Fabrication Lab(CREATE)のエンジニアは、これまでにない機能を備えたロボットを構築する新しい方法を考え出している。たとえば、Hughesと他の2人の研究者は、ChatGPTを使用して、トマトを収穫するためのロボットグリッパーを設計した。また、Mickaël Achkarは、生きている犬のモーションキャプチャデータを使用してロボットデータを構築した。より具体的には、Achkarは犬の生物学的メカニズムを研究して、よりスマートなロボット設計を作成し、モーターを作動させることなく、動き始めると自分で実行できるプロトタイプを構築した。

「人間と同じように動物が多種多様な動きをすることを念頭に置いて、動物の特徴を備えたロボットを設計したかった。しかし、これらの動きのほとんどは、ほんの数個の関節によって実行されている」(Achkar)。したがって、同氏は動物の運動制御プロセスからインスピレーションを得て、ロボットの設計に導いた。

Achkarは、バッタ、ネズミ、ゾウ、チーターなど、ほぼすべての動物を選ぶことができたが、犬が当然の選択であることが判明した。「犬の動きに関する膨大なデータセットを見つけ、オープンソースでも利用できた」。最初のステップは、犬の相乗的な動きに関するデータを抽出し、主成分分析と呼ばれる方法を通じて、意味のある方法で「要約」できるようにデータを構成することだった。これは基本的に、データを犬の運動の主軸を記述するいくつかのベクトルにグループ化し、この情報を使用してロボットの正確な仕様を確立する必要があった。

金属、プーリー、ケーブル、ネジ
Achkarのロボット犬は左右対称。ロボットの4本の脚にはそれぞれ3つの関節があり、各関節は他の関節と協調している。この後者の機能は、Achkarのロボットが本物の犬と同じように、また本物の犬のすべての敏捷性で走ることを可能にする追加の利点。プロトタイプを構築するために、Achkarは骨として金属ロッド、関節として3Dプリントされたプーリー、腱として細いケーブル、それをすべて一緒に保持するためのいくつかのネジを使用した。

エンジニアはプロトタイプをテストするためにトレッドミルを購入。彼らは、ロボットが動き始めると、制御モーターを作動させることなく自律的に動作できることを発見した。「最初はまぐれかもしれないと思った」とAchkar。「そこで、設計を少し変更して、ロボットをもう一度テストしたが、もう走れなかった」。しかし、研究チームは、ロボットが始動した後も動き続けることができるように、振り子に似たカウンターウェイトを追加することになった。「カウンターウェイトは共鳴を利用してエネルギーを注入する」(Achkar)。CREATEの博士課程の学生であり、プロジェクトスーパーバイザーであるFrancesco Stella､Ph.D学生は、「マスが水中に置かれると自動的に泳ぎ始めるように、ロボットの本体が自動的に反応できるように設計した」と付け加えた。

相乗効果で動く関節
それにもかかわらず、ロボットの制御モーターは、より広い可動域を達成するのに役立つ。たとえば、カウンターウェイトの助けを借りずにジャンプして障害物を克服することができる。「モーターで設計をさらに推し進めたいが、今のところプロトタイプはあまり堅牢ではない」(Achkar)。それでも、機械的な犬をテストできた。足の間にスティック挟んでどのように反応するかを確認するなど。平然と、ロボットは自動的に優雅なギャロップを再開した。トレッドミルでは、それは簡単に6 km/hの速度に達する。

「目標は、超ハイテクロボット犬と競争することではなく、バイオインスパイアードロボット設計を探求することである。これには、ロボットの基本的な設計を磨き、ロボットの能力を最大化しながら、単純な制御システムのみが必要になるようにパッシブな特性を変更する必要がある。われわれがここで行ったこと、つまり相乗効果で機能するように関節を設計することは、ロボットの手やその他の体の部分を作成するのに役立つことがすでに証明されている」(Achkar)。

Achkarは彼の研究論文を出版のために科学雑誌に提出した。
(詳細は、https://actu.epfl.ch/)