ロボットの脚の付き方

Robotics

ロボットには脚を使って運動するものが数多く開発されています. この脚の体への付き方は1つではありません. 今回はこの脚の付き方について考えていきます. 今回は論理的な裏付け無しで話している箇所が多くあるので, 参照できる文献があれば教えてください.

脚の付き方の種類

生き物の脚の付き方は大きく分けて次の三種類があります(軟体動物は除く). また, 上図の姿勢を各タイプの基本姿勢とします.

  • 哺乳類型 (Mammal Type)
  • 爬虫類型 (Reptile Type)
  • 昆虫型 (Insect Type)

BostonDynamicsのSpotは哺乳類型, SPACEBITのASAGUMOは昆虫型に分類できます.

今回は脚の関節は2つとします. 哺乳類型は人で言うところの膝部分に左右(Lateral–Medial)方向の回転軸を持っているのが特徴です. 爬虫類型と昆虫型では膝部分の関節は前後(Proximal–Distal)方向の回転軸を持っています. どのタイプも体と接する関節は前後(Proximal–Distal)方向の回転軸を持っています. この分類では爬虫類型と昆虫型の間に構造的な違いはありません. この2つの違いは基本となる姿勢だけです.

自重を支える

脚には体の重さ(自重)を支えるという重要な役割があります. この役割に関して最も優秀なのは哺乳類型です. 哺乳類型では関節が全く力(トルク)を発揮しなくても基本姿勢を保つことができます. 一方で爬虫類型と昆虫型は関節が働かないと基本姿勢は保てません. 脇を開いた腕立て伏せを想像してもらえば分かると思います. また, 爬虫類型の方が足が体から離れており, 関節により多くの力が必要となります.

遠くを見る

生き物は餌を探したり外敵を発見するために, なるべく遠くまで見える方が生存に有利になります. この点では哺乳類型が優れています. 基本姿勢での体の高さが全タイプで最も高くなっています. 爬虫類型と昆虫型はほぼ変わりません.

見つかりにくさ

生き物は外敵に発見されれば食べられてしまいます. 体が低いところにあるほど発見されにくくあります. この点では爬虫類型と昆虫型が優れています. 一方で哺乳類型は基本姿勢での体の高さが全タイプで最も高く発見されやすくなっています. 見つかりにくさは遠くを見ることとのトレードオフになっています.

踏まれた時

トカゲなどの小型の爬虫類や昆虫は踏まれる可能性があります. 爬虫類型と昆虫型では脚が体の外にあるため, 踏まれても脚が潰されることはありません. 哺乳類型では脚が体の下にあるため脚と体の両方が潰されてしまいます.

歩き方

歩く時の移動する速さは(歩幅)x(1秒間あたりの歩数)となります. 歩幅(Step length)は体の高さが高いほど大きくしやすくなります. 対して1秒間あたりの歩数(Step frequency)は脚の慣性モーメントが大きいほど負荷が大きくなります. 慣性モーメントは長さの2乗に比例するため, 脚が長いほど1秒間あたりの歩数は上げにくくなります. 爬虫類型と昆虫型の方が脚が折りたたまれていて慣性モーメントが小さいので歩数面では有利になります.


まだまだ考察が足りないので順次追記していく予定です.

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