ロボットポータル-ロボナブル-勝手に制御分析！あのロボットはどう動く？<br/ >エピローグ「ロボット制御工学の世界からスパロボの世界へ！」

立命館大学総合理工学研究機構先端ロボティクス研究センター
チェアプロフェッサー　金岡克弥

　「プロローグ」「特別編」「エピローグ」を含めて全 16 回，一年以上に渡った本連載ですが，楽しんでいただけたでしょうか．若手ロボット制御工学研究者有志が各回をオムニバス形式で担当して執筆しました．いよいよ最終回を迎えるにあたり，連載の総括をしておきます．

ロボット「工学」であることの意味

　本連載では，スパロボを（オーバーテクノロジーではなく）現在の技術の延長として捉えたとき，そこに必要となる学問を，制御という手段にもとづく工学であることを意識したロボット制御工学に限定して論じてきました．

　われわれ（特に筆者）がロボットに感じる魅力の中で「スーパーであること」が大きな割合を占めていることは確かです．アニメや SF の中のスパロボは，われわれが抱く「スーパーでありたい」という夢を，わかりやすいカタチで表現したものともいえるでしょう．

　しかし，これだけ日々メディアにロボットが登場しているにもかかわらず，いまだに「スパロボがいる社会」は現実となっていません．

　やはり，スパロボは非現実的なのでしょうか？アニメや SF で描かれるスパロボは，オーバーテクノロジーが前提となっていることが多いですね．しかし，だからといって，オーバーテクノロジーの非現実性を笑い者にしたり，スパロボすべてが非現実的であると切って捨てたり，非現実性から目を背けてロマンに逃避したりするのは，工学者あるいは工学を志す者として真っ当な態度ではないように思います．

　工学者は，人の役に立つモノを創造する人であるべきだと筆者は考えています．そして，ロボット工学はあくまで工学であってほしいと思います．「ロボット学」あるいは「ロボット科学」という，工学の範疇から飛び出すような流れも，学問という知的チャレンジとしてはあるべきですが，ロボットをつくる究極の目標が人間を理解することだけなのであれば，少なくとも筆者が目指すロボット工学の目標とは異なります．

　人類には「自分と同じヒトガタをつくりたい」という業（ごう）は確かに存在するのでしょう．しかし，ヒトガタをつくるというロマンを工学として正当化するために「その過程で開発された技術が派生的に役に立つ」というのは嘘ではないにしても，あまりにも回りくどいやり方です．

　工学ならば，ストレートに役に立つものを目指すべきではないでしょうか．筆者が目指すロボット工学とは，もっと直接に人の役に立つロボットをつくるための学問です．その目標は，人間そのものをテクノロジーで再現すること（人間の模倣）ではあり得ません．もちろん，擬人的なロボットが役に立つこともあります(*1)が，その場合であっても人間の模倣そのものを目標とするのではなく，目標を達成するための手段の一つとして取り扱うのが工学の姿勢です．人間の模倣そのものを目標としてしまえば，役に立つか否かには関係なく似せる，となりますが，工学ならば，どこまで似せれば役に立つのか，という問題を常に考えることになります．

＊1：人間を模倣することが工学的価値を持つアプリケーションとして，筆者には三つ思い当たります．一つは人体に対する試験用のダミーとして，です．現在でも，車の衝突実験の時に人体のダミーを入れますが，あれをもう少し高度かつ汎用にするという用途です．もう一つは，義手義足あるいは『攻殻機動隊』で描かれた「義体」としての用途です．そして，最後は「エロ」です．人間を模倣するロボットの最も有望なアプリケーションの一つであることは間違いないでしょう．先の『攻殻機動隊』や映画『A.I. Artificial Intelligence』など，フィクションでも多々そういう描写がありますね．筆者は，そのような用途を必ずしも完全に否定するものではありませんが，筆者の人生を懸けて開発したロボット技術がエロに使われることには，戦争に使われるのと同等もしくはそれ以上の嫌悪感を抱かざるを得ません．

　工学では，目標を実現するためのストレートな手段があるならば原則としてそちらを採るべきです．人間の模倣が合理的な解ならばそれを採るべきです．しかし，ロボット工学の解は模倣のみではありません．ロボットは人間ではないのですから，人間とは違うロボットならではのスーパーな特性を伸ばすことを考えるべきです．人間に学ぶことは重要ですが，無理に形態を人間に近づける必要はありません．飛行機を実現するために鳥に学ぶことは重要ですが，鳥の羽ばたきの模倣は不要であるばかりでなくむしろ回りくどいやり方なのと同じことです．

　工学の成果としてのロボットは，人間と違ってこそ役に立つのです．人間を模倣することが工学的価値を持つアプリケーションにおいてさえ「人間と似ているが人間ではない」ことがロボットの価値といえます．いわんやスパロボにおいては，人間からかけ離れたそのスーパーな特性を伸ばしてこそ役に立ちます．「ロボットが人間に限りなく近づく」のではなく，ロボットはあくまで人間とは違うただの機械や道具として人間が本来すべきではない非人間的な仕事をし，その分，人間は人間と豊かなコミュニケーションをする，という方が，近未来に目指すべきロボット共存社会のビジョンとしてはどう考えても健康的です．

本連載をスタートした動機

　すると，人間を模倣することを目標とする（現実の）ロボットよりも，むしろ架空のスーパーロボットの方が工学的本質を突いているかもしれないとさえ思えてきます．アムロがガンダムに初めて搭乗し，『こいつ，動くぞ！』と言った瞬間，ザクと戦うというあまりにも非人間的な仕事でさえ，することができるようになったのですから．

　このような，スーパーロボットによって紡がれてきた，荒唐無稽なようでいて意外に本質を突いている工学的な夢を実現する準備が今，ロボット工学の進歩によって整いつつあります．平たくいえば，うまく問題を切り出しさえすれば，スーパーロボットはかなり実現に近づいているのです（図 1 ）．

図1　架空の工学をでっち上げなくても，スパロボを実現するスーパーロボット制御工学は実現しつつある．身長18メートルにこだわるならば，動けないモビルスーツしか今はつくれないが，身長のようなモビルスーツの本質と関係ないところにこだわらなければ，近未来の実現は可能．

　ロボット工学が発展を続けるこの今だからこそ，スパロボを空想上のイメージとして消費するだけではなく，スパロボにインスパイアされた想像力／創造力豊かな次世代のロボット研究者・技術者という金の卵をどんどん産み出さなければなりません．そして彼ら／彼女らが工学者として次世代のスーパーなロボット技術をつくり出していく．工学として自然な「夢を夢のまま終わらせず現実にする」という理想の一端がここにあるように思います．

　そのためには，スパロボを必要以上に礼賛することなく，必要以上に貶（けな）すこともなく，奇を衒（てら）わず，素直に工学の俎上に載せること．一体それはどういう議論になるだろうか．そしてそれは，これからロボット工学を志すかもしれない若い学生諸君や，ロボットへの夢を抱きつつも工学の道には進まなかった社会人の方々にとっては，格好のロボット工学への導入・紹介になるのではないか．本連載はそんな思いで始まりました．

制御なくしてスパロボなし！

　スパロボに必要な工学は，実際のところ多岐に渡ります．ロボット制御工学だけでスパロボが実現できるはずもありません．しかし，スパロボのメカ（アクチュエータ・エンジン・素材など）の重要性は広く認識されている(*2)一方で，制御の重要性はあまり認識されていません．ほとんど無視されているといってもいいくらいです(*3)．これは，ロボットに興味を持っている方々においてさえ，ロボット制御とは何なのかが理解されていないことによるものかもしれません．仕方ないといえば仕方ないことです．メカは見えますが，制御は見えないのでわかりにくいですね．でもやっぱり，スパロボたり得るには制御は不可欠です．ロボット制御工学が人知れず地道に機能してこそ，スパロボのスーパーな動きを自在に操れるのですから．

＊2：したがって，多くのスパロボでこれらはオーバーテクノロジーとして設定されています．代表は，アクチュエータ＝流体パルスシステム／フィールドモーターシステム，エンジン＝熱核反応炉，素材＝ガンダリウム合金ですね．

＊3：数は少ないですが，制御が重要視されているものもあります．例えばこの連載でも取り上げられたガンダムの「AMBAC」や，パトレイバーの「オートバランス」「モーショントレーサー」は，明らかにこの連載で対象とする範疇の「制御」が描かれていた例です．

ロボット制御工学を俯瞰する

　そこで本連載では，スパロボたちを自在に操るための基盤技術となる，現実世界のロボット制御工学を俯瞰してきました．本連載の各回で語られたトピックスのうち，主なキーワードをおさらいしておきましょう．

■木野先生（第 1 回，第 2 回）
「モビルスーツの力学と制御－AMBAC システム，ガンダムハンマーの制御を分析－」
【主なロボット工学キーワード】
・微分方程式
・運動方程式（ダイナミクス），モデル化，トルク
・フィードフォワード制御，フィードバック制御，ティーチングプレイバック
【取り上げた主なスパロボ】
・ガンダム（AMBAC，ガンダムハンマー），ザク，ジオング
・百式（フレキシブルバインダー）
・ウイングガンダム0（ゼロ）

図２　AMBACシステムの概要

■田原先生（第 3 回，第 4 回）
「操縦者とロボットをつなぐ運動学と，静力学の導入－スパロボの華麗な操縦と動作を分析－」
【主なロボット工学キーワード】
　・非線形連立方程式，解析解と数値解，写像，行列，転置行列，逆行列，疑似逆行列
　・自由度，劣駆動システム，冗長性
　・運動学（順運動学・逆運動学・ヤコビ行列・微分順運動学・微分逆運動学），特異姿勢
　・分解速度制御，分解加速度制御
　・計算トルク法
　・静力学と動力学，仮想仕事の原理
　・マスター・スレーブシステム
　・ベルンシュタイン問題
【取り上げた主なスパロボ】
　・闘将ダイモス（トレーサー）
　・イングラム（モーショントレーサー）
　・ゴッグの腕（フレキシブル・ベロウズ・リム）
・ザブングル（ホイールによる操縦！）
・闘将ダイモス（トレーサー）
・Ｇガンダム（モビルトレースシステム）
・獣神ライガー
・イングラム（モーショントレーサー）
・ゴッグの腕（フレキシブル・ベロウズ・リム）

図3　肩・腕のマスターコントローラとロボットの肩・腕

■ 菊植先生（第 5 回，第 6 回）
「スパロボの制御における力・トルクの役割－ザクの巧みな力加減を分析－」
【主なロボット工学キーワード】
　・幾何学，運動学，静力学，動力学
　・ロボットにおける運動学，静力学，動力学
　・物理量
　・古典力学
　・ブロック線図
　・デジタル制御における微積分
　・並進系の運動方程式と回転系の運動方程式
　・運動方程式と制御則
　・P（比例）制御，PID（比例・積分・微分）制御
　・位置制御と力制御
　・コンプライアンス，コンプライアンス制御
　・バックドライバビリティ
【取り上げた主なスパロボ】
　・ザク（力制御）

図4　回転ばねとP制御

■吉田先生（第 7 回，第 8 回）
「 2 足歩行を実現する力学と制御の役割－ザクの歩行の基礎を分析－」
【主なロボット工学キーワード】
　・代数方程式を解く，微分方程式を解く
　・力学的エネルギー保存則
　・運動方程式からの力学的エネルギー保存則導出
　・ZMP（Zero-Moment Point）
　・リンクモデル
　・倒立振子モデル
　・近似ダイナミクスに基づく軌道計画
　・ダイナミクスのエッセンス（本質）を抜き出して運動をモデル化する技術
【取り上げた主なスパロボ】
　・ザク，ザクタンク
　・νガンダム

図5　2 足歩行ロボット全体の運動を簡略化したモデルと力学の関係

■杉原先生（第 9 回，第 10 回）
「人型ロボットの力学とオートバランスの理論－パトレイバーの安定化制御を分析－」
【主なロボット工学キーワード】
　・慣性二次モーメント，質量特性（マスプロパティ）
　・作用反作用の法則，拘束条件，劣駆動ロボット
　・人型ロボットの重心－ZMP モデル
　・人型ロボットの制御
　・人型ロボットの工学的合理性
　・相図
　・オートバランスの数値シミュレーション
　・神経振動子（Central Pattern Generator, CPG），自励振動（リミットサイクル）
【取り上げた主なスパロボ】
　・イングラム，クラブマン，グリフォン，エコノミー，ブロッケン（オートバランス）


図6　自励振動に同期して両足を昇降すれば，安定な足踏みが可能になる　(c)Tomomichi Sugihara

■金岡（第 11 回，第 12 回）
「操縦者とロボットをつなぐ力学と制御－パワードスーツの制御を分析－」
【主なロボット工学キーワード】
　・人工知能（AI）
　・ロボットの操縦方法
　・コマンドベースの操縦方法
　・力学ベースの操縦方法
　・軌道制御ベースの制御方法
　・駆動力制御ベースの制御方法
　・クローズドループダイナミクス
　・操縦者とランドメイトをモデル化した運動方程式
　・操作力増幅制御
【取り上げた主なスパロボ】
　・ドラえもん，ジャイアントロボ，ターミネーター，バスターマシン：ディスヌフ，タチコマ（人工知能）
　・ランドメイト（パワー増幅）
　・スタープラチナ（ロボットではありませんが）

図7　駆動力ベースのロボットシステム

■木野先生（特別編）
「ロケットパンチで理解する力学の基礎のきそ－マジンガーＺとグレートマジンガーの性能比較－」
【主なロボット工学キーワード】
　・モデル化，モデル化誤差
　・SI 単位系
　・フックの法則
　・質点系，回転系，並進・回転系
　・変位，速度，加速度，質量
　・角速度，角加速度，慣性モーメント
　・トルク
　・運動方程式
【取り上げた主なスパロボ】
　・マジンガーＺ（ロケットパンチ）
　・グレートマジンガー（アトミックパンチ）
　・UFO ロボグレンダイザー（スクリュークラッシャーパンチ）
　・ジェガン，クロスボーンバンガード MS

図8　マジンガーZのロケットパンチ

■橋口先生（第 13 回）
「変形ロボットの力学 ?“格好良い変形”を支える姿勢制御を分析?」
【主なロボット工学キーワード】
　・作用反作用
　・フライホイール，リアクションホイール
　・ジャイロ効果，CMG，ジャイロモーメント，プリセッション

【取り上げた主なスパロボ】
・バルキリー
・ストライクフリーダムガンダム（マルチロックオンシステム）
・宇宙戦艦ヤマト（波動エンジン）
・ν（ニュー）ガンダム（フィンファンネル）

図9　フィンファンネルの幾何モデル図

　以上，主なものだけでもかなりの数のトピックスとなりました．もちろん，これでロボット制御工学のすべてを網羅しているわけではありません(*4)が，少なくともロボット制御工学の基礎については，ほぼ概観したといっていいでしょう．

＊4：終わってから改めて見ると，かなり力学側に偏って議論された感はあります．制御の側面からの議論はあまりなされず，その点では若干バランスに欠けます．その辺りは，本連載の続編があれば，もう少し考えてみたいと思っています．

　モーションプログラミングは多くの場合，幾何学（田原先生の第 3 回で紹介された運動学）の範疇を出ません．しかし，モーション打ち込みでも何でも，ロボットを動かしてきた体感覚そのものは役に立ちます．とにかくそれは第一歩であり，その先のロボット制御工学の世界には，多リンク系の力学とフィードバック制御が織りなす豊穣な世界が待っています．そこはフロンティアで，開拓しなければならないフィールドがまだまだ残っています．

　ロボット工学を深く理解するためには，そのような体感覚が重要だと筆者は考えています．機械でも身体でも，とにかく多リンク系のダイナミクスを実際に扱って来た人の感覚が生きる可能性があります．ロボコンでも構いませんし，ボディコントロールを要するスポーツでもよいのです．意識しているか否かは別問題として，そこには常に力学と制御が存在します．ある意味で，それを数学という言語を使って体系化したものがロボット制御工学である，ともいえます．力学と制御の本質をいかに美しく記述し，役に立つ工学として仕上げるかに，ロボット制御工学者としての腕が問われます．それが，吉田先生の回（第 7 回）で述べられた技術者としてのセンスというものでしょう．

図10　見た目やモーションが同じであることが重要なのではなく，力学と制御の本質を役に立つ工学として具現化することが重要．例えば，走ることの本質は地表面上での高速移動であり，その実現のためには必ずしも走るモーションをロボットでそのまま模倣して再現しなければならないわけではない．

スーパーロボット制御工学へ！

　ロボット工学は，華々しくメディアに取り上げられることが多い学問ですが，少なくともロボット制御工学は全然完成していません．文字通り，よちよち歩きの学問といってもいいでしょう．まだ基礎固めをしなければなりませんし，さらなる発展が必要です．

　しかし，人工知能（ AI ）研究と異なるロボット制御工学の一つの希望は，菊植先生の第 6 回の最後で述べられたように，未来のスーパーロボット制御工学といえども現在のロボット制御工学と同じく，ニュートン・ラグランジュ以来の古典力学の範疇にあることは確実である，ということです．これは，未来のスーパーロボット制御工学は，現在のロボット制御工学の素直な延長にあるとして差し支えない，ということを示唆します．ならば，われわれの今の努力はムダではなく，直接に，未来のスーパーロボット制御工学として結実するという期待が持てます．

　数式をコネクリ回してありがたがるなんて馬鹿みたいじゃないか，と思っていた方に，だけどそれがロボット制御工学なんだ，と本連載を読んで理解してもらえたでしょうか．数学，力学，制御というツールを駆使して人間の役に立つスーパーロボットの本質を解き明かし実現する「工学」にこそ，努力と根性は必要なのではないでしょうか．

　もし，これからロボット制御工学を志そうとする若いみなさんが本連載を読んでくれたならば，未来のスーパーロボット制御工学を，本当に人の役に立つ工学として構築してほしいと筆者は思っています．また願わくば，本連載を読んだ方が一人でも，そのようなスーパーロボット制御工学を新たに志してくれたならば，これ以上の喜びはありません．

おわりに

　お陰様で，本連載が書籍になりました！　書籍化に当たっては大幅に加筆・修正し，ほぼ書き下ろしに等しい部分も多々あります．スパロボファン，ロボコンファンはもとより，ロボットにかかわるすべての学生・社会人・研究者，必読の書といっても過言ではありません．ロボット工学に関する新たな視点が得られること請け合いです．