ROCR：テナガザルのように壁を登る軽量・高効率ロボット

フック型の爪一対、振り子のように振れるモーター駆動の尾、軽量フレームを備えたROCR（ロッカー）ロボットは、高さ8フィート（約2.4m）のカーペット張りの壁をわずか15秒強で登頂します。人間のクライマーや樹上性類人猿の動きを模倣しながら効率的に登攀するよう設計された初のロボットとして、ROCRは点検、メンテナンス、監視任務への有望なプラットフォームを提供します。

「ROCRの究極の用途は点検、メンテナンス、監視ですが、最大の即時的インパクトは教育ツールとして、そしてロボティクスの説得力あるデモンストレーションとしての役割にあります」と、ユタ大学機械工学助教授でプロジェクトリーダーのWilliam Provancher氏は語ります。

研究成果は今月、IEEEとASMEの共同ジャーナル『Transactions on Mechatronics』オンライン版に掲載予定。論文「ROCR Oscillating Climbing Robot」は、登攀ロボット効率の最初のベンチマークを確立し、将来設計の基準点を提供します。

なぜ効率が重要か

これまでの登攀ロボットの多くは、効率より安定性を優先し、落下しないよう速度や吸着力を確保してきました。しかしROCRは、エネルギー効率に焦点を当てた初のロボットで、登攀効率20%を達成しました。これは自動車のガソリンエンジン効率（約25%）に迫る注目すべき数値です。

ここでの効率とは、登攀時の機械的仕事とバッテリーからの電気エネルギー消費の比率です。尾の振れタイミングと振幅を最適化することで、消費電力と登攀速度のバランスを取っています。

設計のハイライト

• 寸法：幅12.2インチ × 長さ18インチ（上下）
• 重量：1.2ポンド（約544g）
• 爪間隔：4.9インチ
• 尾振幅：120°（垂直から左右各60°）
• 最適振動周波数：1.125 Hz（秒間1.125回）
• 登攀速度：6.2インチ/秒（カーペット張り合板上）

ロボットの尾は小型モーターがギアを駆動し、振り子運動を生み出します。尾の付け根に搭載されたバッテリーが、振り子運動に必要な質量を提供します。2つのスチール製フック爪が交互に壁を掴み、重心を移動させて空いた爪を次の掴み位置へ上げます。

試験と結果

試作前にコンピュータシミュレーションで最もエネルギー効率の良い登攀戦略を特定。実験試験で検証したところ、ロボットは固有共振周波数付近で動作時に最高性能を発揮しました。これは振り子時計の振り子が固有周波数で最も効率よく振れるのと同様です。

尾の振れが速すぎる（秒2回）と壁から離れ、安全コードで捕獲されました。最適な1.125 Hzでは20%の効率率を達成し、落下せず安定した上昇を維持しました。

今後の展開

Provancher氏と共同研究者たちは、レンガ、砂岩、その他産業用素材など幅広い表面に対応できるより高度な把持機構の追加と、効率と任務汎用性をさらに高める高度な制御アルゴリズムの開発を計画しています。

高効率によるバッテリー寿命延長で、ROCRは自律的・自立型運用での長時間任務が可能になり、実世界の点検、メンテナンス、監視タスクへの実用性が広がります。

ROCRの開発は米国立科学財団とユタ大学の助成を受けました。研究チームには、機械工学博士課程のMark Fehlberg氏と、元ユタ大学修士課程で現在はニューハンプシャー州でエンジニアとして働くSamuel Jensen-Segal氏が参加しています。

ユタ大学のWilliam Provancher氏らが開発したROCR振動登攀ロボット。2本のフック型爪、モーター、振り子型尾を用いて効率的に壁を登攀。重量わずか1.2ポンド、サイズ12.2×18インチ。監視、点検、メンテナンス、工学教育、魅力的な玩具への応用が期待される。