この物理の答と二足歩行ロボット設計の関係はありま

Question

以前にこちらで質問させて頂きました内容から、私なりに思い付いたことがあり、こちらでお聞きし、コメントなど頂ければと思います。

質問内容は、こちらに御座います。http://oshiete.goo.ne.jp/qa/7112667.html

二つの棒が鉛直に支えられて立っています。ひとつの棒には先端に重りがついていて、もうひとつには何もついていません。そして、支えをはずして、この二つの棒を同時に倒すと、どちらが速く倒れるか、という問題でした。この答えは、

「先端に重りがついている方が倒れるのが遅い」

ということでした。つまり、「先端に重りがついている方が安定で倒れにくい」と考えることができるかと思います。

この答えを皆さんから頂きまして、それから考えていました。少々突然ですが、
二足歩行を実現する当たって、上述のことが考慮されてはいるのでは？　と思いました。

つまり二足歩行のロボットの設計において、上半身、頭部を重くするように考える、ということは
されているのでしょうか。もちろん、そんな単純なことではないことは重々承知しているのですが、いかがでしょうか。

確か私の記憶では、かつての二足歩行の研究では、下半身だけ作製して、下半身の二足歩行を考えていたけれども、実は上半身の存在も重要だということがわかり、その後上半身も同時に用意された、という経緯があったと見聞きしました。

いかがでしょうか、私はまったくの素人でロボット工学を知っている訳ではないのですが、私の考えというか気付きのようなものが、どの程度正解なのかを知りたく、どうかコメントなど下さいますと嬉しいです。

どうぞよろしくお願いします。

delli7 · Accepted Answer

もちろん二足歩行ロボット設計と大いに関係があります。

安定しているという言葉には動的と静的の意味が含まれていて、
例えば直径３センチのサインペンとほうきを逆さに立てる場合、
静的には、（テーブルの上に手てる場合）短いサインペンの方が簡単です。
動的には、（てのひらの上にたてて、バランスをとる場合）長いほうきの方が簡単です。

二足歩行ロボットではどうでしょう？
静止している場合や静歩行（接地面から重心がはみ出ないようにゆっくり歩く）の場合は
接地面（つまり足の裏）が広くて重心の低い方が有利です。

問題は動的歩行ですが、これは老人が歩行中に転倒する話に関係があります。
つまり若くて健康なうちはあまり意識しませんが、年をとると
１．平衡感覚の低下（二足歩行ロボットなら加速度センサや重力センサの性能）
２．反射速度の低下（二足歩行ロボットならセンサ＞＞CPU＞＞モータの速度）
３．筋力の低下（モータ、アクチュエーターのトルク）
これらが限界ギリギリになると転倒しやすくなり、限界以下になれば補助具無しでは歩行できなくなります。
ロボットに話を戻すと、２．の反射速度は、CPU等の性能を上げなくても、
重心が高くなって倒れるまでの時間的余裕が増えれば同じです。

しかし！
頭部にバッテリーなどを移動して重心を高くすると足首の関節からみて遠くに重心があるので
足首のモータは、より大きなトルクが必要になり、より重いモータ、バッテリが必要になります。
（悪循環）
さらにそれでも転倒したときのダメージも、高重心では大きくなります。

まあ、二足歩行ロボットというのは人間の動作に近づけるというのが本来の目的でもあると思うので、
人間程度の重量バランスが良いのでは？
（人間の動作に近づける必要が無いなら、もっと安定な形状はいくらでもあるしね＾＾）

kenkyujyo_com · Answer

ロボットの歩行動作を丁寧に分解すると、
(1)足首の角度を変える
(2)接地点が変わるため、接地点から回転力が生じて重心が移動する。
(3)重心が所定の位置に移動したら次の動作に移る。動歩行と静歩行では位置が違う。
結局、動き出しが遅くなることにメリットはない。サーボの動作に比べＣＰＵは十分高速だ。昔のアホな車メーカーがプロコン（インタラプタ）の遅いサイクルタイムで動かしていた時代を除く。
回答者の多くは素人なため、情報はうのみにしないように。

kenkyujyo_com · Answer

頭を重くするというと、歩行ロボットではなく、いわゆる倒立振子（姿勢制御）に当てはまる原理であり、歩行ロボットにはあてはまりません。
いわゆる歩行ロボットは重心を動かしながら歩かなくてはいけません。下半身のみでは重心が移動するのに大きな角度が必要で、上半身があると重心が高くなって、足首の角度移動が少なくなってすむからです。また、歩くだけで精一杯の時代ではなく、歩いて何かをするようにするには、必ず上半身が必要になります。ですから、初心者の実験でない限り、下半身のみはありえないでしょう。
ロボットが倒立振子のようにその場にいることが重要ならともかく、移動するスピードが重要であるなら、その頭に重量をおいて動き出しを遅くする考えはナンセンスと感じる人もいるのではないでしょうか。ようするに、用途しだいです。

yokkun831 · Answer

>「先端に重りがついている方が倒れるのが遅い」ということでした。つまり、「先端に重りがついている方が安定で倒れにくい」と考えることができるかと思います。

「倒れるのが遅い」ことと「安定で倒れにくい」こととは全く別です。

重心が低いほど安定で倒れにくいことは，経験的にも理論的にもよく知られた事実です。物体が平衡位置から変位したときに復元力が働いて平衡位置にもどろうとするような場合に，「安定な平衡」にあるといいます。安定な平衡位置から変位したときに，物体の重心は必ず上方に移動し，それがもとに戻ろうとする力を生じさせる原因となります。重心が低い位置にあると，倒れようとするとき一旦重心が上方に動くような条件を満たすことが多くなるので，安定になるわけです。

一方，「倒れるのが遅い」というのは，同じ不安定状態において倒れるのに時間を要することを述べています。鉛直に立った棒状の物体を考えるときに，重心が高くなるほど接地点まわりの慣性モーメント（回転の慣性）が大きくなるためです。ですから，倒れる前に接地点を動かしたりしてもとにもどすなどの対処がしやすいということですね。これは長い棒状の物体を手の上に載せて，手をうまく動かすことによって，「動的な安定」を保って棒を倒れないように支えることができるという経験からも明らかです。綱渡りで長い棒を水平に持ってバランスをとるのも同じ理屈です。

もちろん，このように慣性を大きくすることでバランスをとりやすくするという手法は，部分的にロボット工学でも活用できると思います。しかし，慣性が大きくなった分動かすのに大きな力（トルク）が必要になりますから，それで全体的な運動のコントロールがしやすくなるとは一概には言えないと思います。まして，重心を上にずらすことであえて不安定の度合を増すことになりますから，その可否は単純ではありません。

chiha2525 · Answer

専門外ですが。

人型のようなロボットを開発する場合、重心は胴体にあり、手足はなるべく軽いほうが動かしやすいだろうと思われます。またそのほうが反動による胴体の動きが少なくて済み、制御が楽になるように思われます。

人も走るときは、右足を出したら右腕を引いて、胴体がぶれないようにバランスをしていますね。（江戸時代以前は右手右足を同時に前に出していましたが、それは置いといて）

ただ、今のロボットは全体的にまだまだ重く、どこでも良いから軽量化を、と考えている段階じゃないかと思います。

この物理の答と二足歩行ロボット設計の関係はありま

もちろん二足歩行ロボット設計と大いに関係があります。

ロボットの歩行動作を丁寧に分解すると、

頭を重くするというと、歩行ロボットではなく、いわゆる倒立振子（姿勢制御）に当てはまる原理であり、歩行ロボットにはあてはまりません。

>「先端に重りがついている方が倒れるのが遅い」ということでした。

専門外ですが。

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