ネズミ型ロボット「SQuRo」が狭小空間での機敏な検査能力を実現

北京理工大学、洞窟に住むネズミの形態と運動特性を模倣した四足歩行ロボットを開発

脚部ロボットは実世界アプリケーションでの使用が非常に有望ですが、狭い空間での動作は依然として課題です。環境適応性を高める一つの解決策は、複数の動作を実行しペイロードを運べる小型生体模倣ロボットを設計することです。洞窟に住むネズミは、比類なき機敏さと適応性から大きな注目を集めており、ネズミの形態や運動特性を模倣する多くの努力がなされてきました。

最近、北京理工大学のQing Shi教授率いるチームが、SQuRo（小型四足ロボットラット）と名付けられた新しいロボットラットを開発しました。

Shi教授のチームは、ネズミの動作や行動を再現するロボットを開発してきました。生体模倣設計により、複数のネズミらしき振る舞いが可能な車輪式ロボットラットを開発。最近、車輪を脚に置き換えて運動機敏性をさらに向上させました。IEEE Transactions on Robotics誌に掲載されたこの研究では、実験結果から脚部ロボットSQuRoが狭い空間内で実際のネズミの動きを模倣できることが明らかになりました。

ネズミは、細長いスリムなボディと比類なき機敏さにより狭い空間に適応できます。動きの機敏さを模倣するため、チームは洞窟内で移動するネズミの形態と運動特性を最大限に活用しました。まずネズミの主要運動関節（KMJ）を抽出し、自由度（DOF）構成を完了。具体的には、各肢に2 DOFを設計して肢の動きを再現、腰に2 DOF、頭に2 DOFを設けて柔軟な脊椎の動きを再現。長く柔軟な脊椎のおかげで、SQuRoは体を曲げて素早く向きを変えられます。

ネズミの形態を模倣するだけでなく、ロボットラットはネズミの移動特性も備えています。このため、チームはラットと類似のマルチモーダル運動を実現するための階層的オープンループコントローラーを提案。制御フレームワークは主に3層で構成：1) 4つの基本運動モードを持つマルチモーションプランナーと、制御変数と接地反力（GRF）の直接的関係確立；2) 安定性と駆動限界を考慮したパラメータ最適化；3) 各関節の軌道生成。この制御フレームワークにより、機敏な動作と高速な遷移が可能になります。

生体模倣的な柔軟構造とマルチモーダル運動制御により、SQuRoは屈伸立位、歩行、這い回り、旋回など様々な動作を実行でき、転倒後も肢と頸部を制御して重心（CoM）を適切に調整することで回復可能。さらにフィールドテストで、SQuRoは不規則な狭い通路（内幅90mm）を通過し、高さ30mmの障害物を越え、傾斜15°の斜面で安定した移動を達成。狭い空間内での検査タスクへの応用可能性を示しました。

同規模の最先端四足ロボットと比較して、新開発のSQuRoは相対的により細長くスリムなボディとより軽い重量を持ちます。最小回転半径がボディ長の0.48倍とかなり小さく、他のロボットと比較して優れています。さらに、自重の91%に等しい荷重を運んでも安定した移動が可能で、小型四足ロボットとして優れたペイロード運搬能力を示します。これらの能力により、SQuRoは狭い空間と荒れた地形を機敏に通過し、関連シナリオでの検知や輸送などのタスクを実行できます。

詳細情報はRuoxi Tian、IEEE Transactions on Roboticsまで（メールアドレスはスパムボットから保護されています。表示にはJavaScriptが必要です）。