次世代ロボット開発を加速するスマートアクチュエータシステム THK株式会社

2013年7月、宇宙飛行士による船外活動を支援、代行するロボットの開発プロジェクト「REX-J」が完了した。このプロジェクトにおいてロボットハンド開発の中核を担ったTHKは、「スマートアクチュエータシステム」でロボット技術の進化を狙う。

宇宙環境で人と同等の動作をさせることの難しさ

宇宙空間でロボットが宇宙飛行士の代わりを務めるためには、宇宙飛行士と同様に、各種の機器や工具類を操作できるよう、人間と同程度の握力、安定性、正確性が求められる。
さらに、作業の幅を広げるためには、作業内容に応じてロボットの手首より先のハンド部分を取り外し、作業内容に合ったハンドに交換ができることが望ましい。
これまで、ロボットハンドで強い握力を実現するためには、強い力を出せる大型のアクチュエータ*や駆動制御回路をロボットの腕や肩、胴体などといった比較的スペースのある部分に内蔵することが一般的であったが、それらのアクチュエータをいかにして小型化してロボットハンドに内蔵し、かつ人と同じ動作ができるほどの握力を有するような宇宙用ロボットハンドを開発するか――それがTHKに与えられたミッションだった。

筋肉の動きを模倣する

電気駆動式のロボットハンドは、回転モータとアクチュエータの組み合わせで動くしくみだが、各関節にモータを配置することが必要となるため、部品が多くなり大型化してしまう。
さらに、コストや消費電力という点でも課題が残る。
そこでTHKが考えたのは、人間の筋肉の収縮と同じ直線運動を真似ること。
LMガイドをはじめ、直動機構に強い自社の強みをさらに発展させ、ボールねじを利用した直動アクチュエータを開発したのだ。
指にボールねじを組み込むことでモータの回転運動を直線運動に変換し、小型でありながら30kgという人間並みの握力を達成した。
その後、ロケット発射時のすさまじい重力や−50°Cという超低温環境など、地上との数々の違いから生まれる課題をクリアしたこのロボットハンドは、2012年に宇宙に打ち上げられ、無事ミッションを終了した。

中核技術に込められたもう1つのコンセプト

今回THKが開発したロボットハンドで使われている直動アクチュエータには、もう1つの機能が組み込まれている。
それは、次世代ロボットを構築するための統合システム「SEED」だ。
これまでの産業用アクチュエータは、堅牢性・汎用性が高いものの敷居が高く、扱うには熟練した知識が必要で、また大型で多くの配線を有するため、人と共存する環境で活躍するような次世代ロボットに組み込むには不向きだった。
よって、次世代ロボットを開発するためにはベース環境を一から開発するために多くの労力がかかっていた。
THKが開発したSEEDには、次世代ロボット向けの要素部品が統合的にラインアップされており、これらを組み合わせることで、用途に合わせた多様なロボットを作り出すことができる。
SEEDで、ロボット分野におけるベース環境を整え、次世代ロボットの開発を加速しようというのだ。

センサ・アクチュエータ・OSを統合するシステム

SEEDは3つの機能により構成されている。
1つ目 はマッチ箱サイズの小型通信コントローラドライバ「SEED-Driver」。単体で小型の直動アクチュエータを 動かすメインコントローラの役割を担うことができ、さらに、CAN通信によって他のモジュールと相互通信することもできるのだ。
2つ目は、SEED以外のシステムと接続、制御するためのコンバータ「SEED-MS」だ。
ロボットは直動アクチュエータ以外にも様々なモジュールが組み合わさって構成されている。
SEED-MSではC言語ベースでライブラリを改変することができ、既存の様々なデバイスと通信することができる。
3つ目がPCとの間のCAN通信、A/D、Dio等の入出力機能を名刺半分のサイズに凝縮した「SEED-PC」。
これにより、PCベースのOSやロボット向けアプリケーション、開発環境、USB機器、インターネット環境をロボット本体に組み込むことができる。
つまり、これら3つの機能を持つSEEDシステムを利用することで、ロボットの統合環境が整い、インターフェースを統一させることができるため、開発をスマートで簡単に行うことができる。

THKが開発したSEEDは、本格的な次世代ロボットの開発のハードルを下げるだろう。
さらに、SEEDによって促進されるのはロボット開発だけではない。
大学や高等専門学校などに教育用に導入されれば、エンジニア育成も進むはずだ。次世代のロボットをつくるのは、きっと、SEEDで開発技術を学ぶ未来のエンジニアたちなのだ。

■ SEED、ロボットハンドに関するお問い合せ

THK 株式会社 技術本部 事業開発統括部
所在地:〒144-0033 東京都大田区東糀谷 4-9-16
T E L:03-5735-0227
F A X:03-5735-0229
E – m a i l:[email protected]
U R L:http://www.thk.com/jp

エンターテイメントを活用して技術を普及させる Team Skeletonics

2mの搭乗型ロボットが動く映像がニコニコ動画やYouTubeを通じ世界中で大きな話題となっている。幕張メッセで開催された超巨大フェスイベント「ニコニコ超会議」にも登壇し、人々を興奮させたのは、沖縄高専の学生が立ち上げ、現在東京大学,東京工業大学,首都大学東京,沖縄高専に通いながら起業準備中の「Team Skeletoncs」だ。確かな技術力とユニークな切り口から、技術の発展に貢献することを目指している。

機構の力を最大限に活用する

動きを2倍にするリンク機構を用いて開発された、Skeletoncs。人の動きを忠実に再現する。

動きを2倍にするリンク機構を用いて開発された、Skeletoncs。人の動きを忠実に再現する。

スケルトニクスとは骨格「Skeleton」と構造「Mechanics」を組み合わせた造語である。彼らが開発した、腕や脚の動きに追従して動く外骨格ロボットは、まさに1989年原作で近未来の21世紀を描いたSFアニメ「攻殻機動隊」に登場するアームスーツの風貌さながらだ。その特徴は、すべての駆動をリンク機構により制御し、一切のパワーアシストを行っていない点にある。「多少の負荷ならば、頑張れば動かせます」。近年モータ駆動を制御して作動するサーボ機構が発達し、非常に複雑な動きを制御可能とする一方で、重量、コスト、不具合発生が増加する傾向にある。だからこそ、シンプルな機構にこだわることが、安価で故障の少ないロボットを開発することにつながったのだ。

エンターテイメントの世界から新技術を普及させる

彼らが得意とするリンク機構は人の動作に忠実に追従する。動作に連動してモータを動かし、人の負荷を軽減させるパワーアシストは、工場における重量物の操作や組立など産業分野での作業や、介護やリハビリなどの福祉分野での支援に欠かせない技術である。彼らもまた要素技術としてパワーアシストの製品を開発しているが、実用化を目指した開発ではなく、「手でつまむ力を30倍に増幅し、スチール缶を簡単に握りつぶせる」といった、魅せる技術と位置づけた開発を行っている。映画の試写会やテレビなど、エンターテイメントの世界で活用できるプロトタイプを製作し、人々の注目を集めることで技術の普及を推進することを狙っているのだ。

技術力と情報発信力を併せ持つ

skeletonics2そもそもTeam Skeletonicsは、アイデア対決・全国高等専門学校ロボットコンテスト(通称:高専ロボコン)で優勝した沖縄工業高等専門学校を卒業したメンバーが中心。10代の頃から機械に囲まれ、お金のない中で学校に捨てられた廃材を使ってロボットを作る日々を送った。その泥臭いモノづくりに関する経験を土台に、学校で学んだ先進的な知識を生かした開発を行う。その上で、YouTubeなどソーシャルメディアを活用できるデジタルネイティブ世代の感性も併せ持つ。「アニメに出てくるような変形するロボットに乗ってみたい」。少年のような笑顔で語る彼らの夢と情熱が、新しい技術を普及させるカギとなるかもしれない。

Team Skeletoncs

2013年版透明マント 南洋理工大学 Dr. Zheng Baile

漫画や映画など、人間の想像の世界に何度も出現してきた「透明マント」。この夢の機能を持つデバイスが2013年にカリフォルニアで行われた「TED2013」でお披露目された。登壇者は、シンガポールの南洋理工大学のZheng Baile博士。MITが選ぶ35歳以下のイノベーター「35 INNOVATOR UNDER 35」にも選ばれた実力者だ。

透明になるメカニズム

透明な四角い箱が蛍光色の筒の前に置かれた瞬間、筒が消えた。透明な箱を通して観察されるはずの筒は全く見えず、背景の壁だけが見えたのだ。この不思議な箱の素材は石灰岩や大理石の主成分の炭酸カルシウムの結晶、カルサイト。

カルサイトが特殊な光特性を持つことは広く知られている。高校の授業でカルサイトを通してモノを見る実験をした人も多いのではないだろうか?この場合観察対象は二重に見える。複屈折と言われるこの現象は、光が偏向の状態により2つの光線に分解されることで説明することができる。Zheng教授はこのような性質を持つカルサイトを2つ組み合わせることで、光が物質を迂回して進むように設計した。

産業応用を狙う

透明マントと題されたテクノロジーは今まで何度となく登場してきた。しかし、素材にレーザーを用いて、マイクロメートル、もしくはナノメートルサイズの複雑な微細加工を施して光を対象から逃すように設計したものがほとんどであった。そのため生産コストが高く、産業上の応用が困難であるという課題を抱えていた。しかし、今回発表されたものは非常に安価な材料を単純に組み合わせたデバイスであることから、産業上の応用やスケールアップが大きく期待されている。使い古された物質がエンジニアのアイデア一つで一躍注目の物質に豹変した。

乗り越えるべき困難

このデバイスが「透明マント」として機能する条件はまだ限られている。レーザーオイルと言われる特殊な油に囲まれた空間に置くことが必要な点だ。光の屈折を特殊な条件でコントロールすることでのみ、この現象が起きる。見方を変えれば、この条件を再現できるような光学的なトリックを思いつけば、人間は光をコントロールする道具を一つ得たことになる。
開発者のZheng博士は光を対象から逃す技術だけでなく、音や熱をも対象から逃すような技術の開発を進めている。あらゆる電磁気の波をコントロールするデバイスが出現するのももうすぐかもしれない。

透明マントにより見えなくなったピンク色の紙を丸めた筒

透明マントにより見えなくなったピンク色の紙を丸めた筒

実験で使われた2種類のカルサイト。屈折率をもとに形状を計算して制作している。

実験で使われた2種類のカルサイト。屈折率をもとに形状を計算して制作している。

最先端、でも誰もが使えるものを作る

東京大学大学院 情報理工系研究科 五十嵐 健夫 教授

情報技術の発展により、今やあらゆる分野でデジタルとアナログの境界があいまいになってきている。CGの技術に革新をもたらし、2006年には、未来を有望視される研究者に与えられる賞「Significant New Researcher Award」を受賞した1人の研究者に、今、世界が注目している。

イラストを簡単に3D化できるソフト

パソコン上で書いた絵が次の瞬間に立体化され、3Dになる。できた立体はくるくると回転させることができるし、途中で絵の加筆修正もできるインタラクティブ性を持つ――五十嵐教授が学生時代に開発し、世界中にインパクトを与えた三次元モデリングシステム「Teddy」だ。世界最高峰のコンピュータグラフィックス学会のカンファレンス「SIGGRAPH」で優秀論文を受賞し、その後もプレイステーション 2のソフトにも応用され製品化されるなど、世界中から注目を集めている。

誰もが創造力を発揮できる社会を目指す

五十嵐教授の研究テーマは「ユーザーインターフェース」。特に、初心者でも簡単に3D表現を行うことができるような技術の研究を進めている。そこで大事になってくるのは、ゴール設定とアプローチ方法だ。Teddyでは、コンピュータが入力された二次元の多角形の芯線を見つけて、その芯線を元の多角形に垂直な方向に、上下に持ち上げる。さらに高さは、芯線と多角形の周との間の距離に比例した値を算出する。芯線と多角形の周にメッシュをすることで三次元モデルを計算するのだ。五十嵐教授は、そのほかにも紐の結び目を簡単にデザインできるソフトや、自由な形状でかつ正しい音のなる鉄琴をデザインできるソフトなど、一般のユーザーが直感的に使えるようなものを幅広く開発している。

パソコンに向かっているだけでは見えないニーズを探る

インターフェースの研究は、製造業やサービス業、日常生活などあらゆるシーンで活用され、1つの成果が既存の仕組みを大きく変化させる可能性を秘めている。「たとえば、町工場の人に私の研究を見てもらって、その上でどんなソフトがあったら便利なのか、具体的なニーズを聞いてみたいです」。そんな思いから、五十嵐教授は9月に行われる町工場との交流ワークショップ「新分野ジョイントワークショップ」にも参加する。古くから産学連携が当たり前のように行われる工学分野だからこそ、既成の枠に捉われない新たなコミュニケーションが必要なのだ。

金属成形ができる3Dプリンタ、研究中。

東京農工大学大学院 工学研究院 笹原 弘之 教授

アメリカで始まったメイカーズムーブメントにより、今や3Dプリンタは工学系の研究者以外からも注目を集めている。現状、樹脂が主流のこの技術を金属でも活用できるようにするための研究が活発に行われている。

3Dプリンタの普及で高まる造形技術への注目

3次元造形技術の金属部材への適用に関して、現在の主流はレーザーを用いて金属粉末を溶かして固める粉末焼結法だ。しかしながら、使用できる金属材料に制限が多く、強度・密度の点に課題を抱えているため実用化には至っていない。一方で、近年では金属の接合技術である溶接を利用した造形技術の研究が進められており、航空機産業などで商業的に利用可能な技術として期待を集めている。

アーク放電による金属積層

noukoudaiそんな中で笹原教授が注目したのはアーク放電で金属を溶かして固める方法だ。送給装置から連続的に出された溶接ワイヤは、基板との間で発生するアーク放電とジュール発熱によって先端が溶融金属となる。その後表面張力により球状となった溶滴が基板に積層していくことで造形を行う。現在の加工精度は±0.5mm、高速切削と同程度の速度での造形ができるのだという。さらに、マシニングセンタの主軸頭に溶接トーチを設置することで造形自体も可能となるため、中小企業でも導入できる点も特徴的だ。既存の3Dプリンタの加工精度が0.01mm~0.1mm程度であることを考えると、後工程で切削が必要という現在の課題を解決することができれば、一品ものの金属部品や金型製作分野に大きな変化をもたらすことができるはずだ。

すべては加工技術向上のために

現在、機械加工技術の分野では、微細加工や精密加工の研究が多く、笹原教授のように基盤技術としての加工技術を研究する研究者は減少傾向にある。そんな中で笹原教授の研究室では、中小企業との共同研究も積極的に行っている。発電用ガスタービンなどの難削材加工に適用可能な新しい研削技術について中小企業との共同研究を進め、共同研究先の社長は今春に博士号の学位を無事取得したのだという。ビジネスのグローバル化やアジア諸国の台頭により、日本のモノづくり中小企業の大学への期待は高まる一方だ。中小企業と連携した新技術の開発こそが世界でトップレベルである日本の加工技術のさらなる発展につながるのではないだろうか。

生きた人間の動きを再現 3D人体模型アプリteamLabBody

ウルトラテクノロジスト集団 チームラボ株式会社
大阪大学大学院医学系研究科 菅本 一臣 教授

ウルトラテクノロジストを自称するチームラボは、プログラマ、エンジニア、数学者、建築家、デザイナー、アニメーター・・・、ありとあらゆる情報化社会の技術者たちが集まり、次々とデジタル分野のアーティスティックな作品を生み出している。今度は大阪大学整形外科の研究チームと組んで、世界初の医学アプリをリリースした。

世界で初めて生きた人間の関節の動きを解明

TB2人間の体には200以上もの関節が存在し、それらを複合的に使うことで、歩いたり、屈んだり、日々の生活に必要な複雑な動作を可能にしている。各々の関節がどう作用し合って動いているのかを正確に理解することは難しく、これまでの医学では、亡くなった患者さんの献体解剖から関節の位置や形を把握し、動きを予測していた。自らの意思で動かした人間の関節はどうなっているか。世界で初めてその疑問を解決したのが、菅本一臣教授率いる研究チームだ。

CTやMRIのイメージ画像をもとに、骨の三次元的な位置を計算し、立体動画として可視化するコンピューターソフトを開発。膝部分だけでも2,000人という膨大なデータを解析して、生きた人間の皮膚や筋肉の収縮を加味した全身の立体骨格モデルを完成させたのである。この研究により、全ての関節において従来の解剖学書とは違う動きをしていることが明らかとなり、医学界に衝撃をもたらした。

3Dモーショングラフィックスでリアルに動く人体模型を実現

関節にとどまらず、筋肉・神経・血管などの形や動きを正確に把握することができれば、治療や手術はもちろんのこと、医学生の教育にも大いに活用できるはず。そこに着目した菅本教授とチームラボは、精度の高い3Dモーショングラフィックスを駆使して全身の動きを忠実に再現する「teamLabBody -3D Motion Human Anatomy-」の開発に乗りだした。このアプリは、菅本教授の研究をもとに人体の全827部位をビジュアル化しており、iPadのタッチパネル操作で、見たい部位だけを3D閲覧したり、角度や倍率を自由に調整することができる。

長年に渡り研究者が解明できなかった生きた人間の動きは、計算ソフトや3Dモーショングラフィックスといったテクノロジーの集積により、いつでもどこでもだれでも入手できる3D人体模型アプリへと進化を遂げた。生命科学の知見をもとに、テクノロジーが生みだす世界は人間の想像を遥かに凌いでいるのかもしれない。

teamLabBody-3D Motion Human Anatomy- App
カテゴリ: メディカル
価格: ¥2,600

teamLabBody-3D Motion Human Anatomy- App
カテゴリ: メディカル
価格: ¥2,600

チームラボ株式会社

[所在地] 東京都文京区本郷1-11-6 東接本郷ビル5F
[TEL] 03-5804-2356
[FAX] 03-5804-2422
[E-mail] [email protected]
[URL] http://www.team-lab.com/

分身ロボットが孤独を癒す 株式会社オリィ研究所 吉藤 健太朗

遠く離れた人に会いたい-そんな想いを抱きながら、孤独を抱える人は数多くいる。高性能な各種センサ、音声・画像認識などを搭載したハイスペックな家庭用のロボットが数多く開発される中、シンプルな機能ながら要介護者や病院から多くの共感を集めるロボットが早稲田大学発のベンチャー企業「オリィ研究所」のOriHime(オリヒメ)だ。

OriHimeにはWebカメラとスピーカー、集音マイクがついていて、見たもの、聞いた音をPCやタブレット端末を通じて体験し、スピーカーを通じて自分の声を相手に届けることができる。
そして首をリモートコントロールで動かすことで、自分が見たい映像を見ることができる。
機構としては極めてシンプルだが、使用者の反応は極めてよい。
「コミュニケーションロボットは、状況に応じて笑顔になったり、怒ったりと言葉以外の表情も重要だと考えられがちですが、OriHimeは無表情。顔の表情はなくても、能面を参考にデザインされた顔と音声と体の動きから、周りに居る人は表情を”感じる”事ができるのです」。
実際に病院で無菌室から出られない女の子が家族と時間を共有できるようにとOriHimeを使って実験したところ、ロボットがあることで家族は彼女に向かって話しかけるように会話ができ、彼女自身もまるで自分がその空間にいるような感覚を持つことができたのだという。

プラットフォームとしてのロボット

吉藤さんが目指すのは、ロボットの普及ではなく、その先にある「会いたい人に会えて、行きたいところに行ける社会」を構築すること。
そのため、OriHimeを構成するソフトウェア、ハードウェア、インターフェイスの3つ技術を、それぞれオープンプラットフォームとして開放し、パートナーを増やしていくモデルを描いている。
孤独を抱える人々からの生の声を聞き、多くの人々と共同で問題を解決することが目指すべき世界への一番の近道だと考えているからだ。
実際の病院や患者と連携し、臨床研究を進めることができるこのオリヒメプラットフォームを活用してくれる共同研究先を、彼らは今、求めている。

株式会社オリィ研究所

[所在地] 東京都墨田区八広4-39-7
[URL] http://orylab.com/