ロボットの基础知识.docx
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ロボットの基础知识
ロボットの基礎知識
はじめに
ようこそ初めてのロボット工学へ。
基礎知識編では、ロボットとはそもそもどのような存在なのかということから、ロボット工学を学ぶ上で知っておきたいことを紹介していきます。
ロボットのイメージとは？
あなたは、ロボットと聞いてどのようなものをイメージしますか？
未来像（夢）
AI（人工知能）
人造人間
人間が利用するただの機械
人間の代わりに働いてくれる機械
アニメや映画などに登場する空想上のロボット
人型のロボット（ヒューマノイドロボット）
人型以外の形のロボット（４脚・車輪・クローラなど）
合体変形可能なロボット
周囲環境をセンサーで判断し状況に応じて行動する機械
日本が世界に誇れる最先端テクノロジー
科学技術の結晶体
いずれ知能を高め人間を強襲する存在
まだまだ未熟で解決すべき問題が山済みの技術
ロボコン
などなど、人それぞれいろんなイメージを持たれていると思います。
私のロボットに対するイメージは、
「人間や環境に合わせるように行動する様々な分野の科学技術を集約した機械」です。
私は、人間がロボットに合わせて動くということはあまり好ましくないことだと思っています。
例えば、ロボットが聞き取りやすいようにゆっくりと言葉を発したり、ゆっくりと歩いたりすることです。
ロボットに合わせなければ動かないようなものはいずれ淘汰されるでしょう。
人間や環境に合わせた機械を作り上げるために歩行・制御などの要素技術が研究されています。
そのため世界で要素技術の集合体である二足歩行ロボットが注目を集め個人でも製作する人が増えているのです。
ロボット世界への第一歩
ロボットに対し興味・関心はもったのはいいけど、
少し学んでみると難しすぎてどうも……。
と思っている方も多いはず。
現に私もその一人です。
本当に自分の得意な分野、またこれだったらずっとやっていけそうだと思うことは何ですか？
そこに私は答えが隠されていると思います。
今のロボット技術者の方でも、全く違う分野から来ている人もいます。
つまり、ロボットばかりしている必要もなく、むしろ他の分野でロボットと結びつく技術が開発されているわけです。
ロボットは物理学だけでなく、電気電子工学・生物学・心理学・化学などの集大成です。
是非、自分の得意なものから取り組んでいってみてください。
そして、無限の可能性を秘めているロボット世界へ踏み出しましょう。
まずはロボットの語源について見ていきましょう。
語源
あらゆる言葉に語源が存在するように、「ロボット」という言葉にも語源が存在します。
ロボットの語源は２つの説があり、
どちらの語源も「労働」や「労働者（働く人）」という意味をもっています。
また、「強制」という意味もあるそうです。
robota（ロボタ、ロボータ）：
チェコ語
ロボトニータ：
スロバギア語
チェコ、スロバギアという隣り合った国の言葉が語源なんです。
でも、昔はチェコスロバギアという一つの国だったので、
その中で二つの言葉があるというのは、不思議な感じがしますね。
語源の由来として、特に重要視されている説は、チェコ語の「robota」です。
これらの言葉から「ロボット」という言葉が生まれたわけですが、
実際に、この言葉を作りだした人は、チェコスロバギア（当時）の劇作家カレル・チャペックです。
彼が、1920年に発表した戯曲「RUR」の中で登場した言葉が、「ロボット」でした。
RURは、Rossum'sUniversalRobots（ロッサム万能ロボット会社）の略称です。
この作品は、ロボット製作会社RURを舞台とし、
人間の代わりに工業内で働くロボットたちが一致団結して、
人間社会に対して反乱を起こすという内容です。
この作品によって、「ロボット」という言葉が世の中に広まり、一般的に使われるようになりました。
しかし、当時のロボットは機械という意味で使われるのではなく、
コロイド物質（海草からとれる）で作られた合成人間という意味で使われ、
機械という意味で使われるのは、もっと後になってからのことです。
ロボット工学三原則
かなり有名なロボット三原則で、ロボットを学ぶ上で必須といえる知識の１つです。
ロボット工学三原則（ロボット三原則とも呼びます。
）の正式な文を英語も含めて下記に引用します。
第一条．ロボットは人間に危害を加えてはならない。
また、その危険を看過することによって、人間に危害を及ぼしてはならない。
（Arobotmaynotharmahumanbeing,or,throughinaction,allowahumanbeingtocometoharm.）
第二条．ロボットは人間にあたえられた命令に服従しなければならない。
ただし、あたえられた命令が、第一条に反する場合は、この限りでない。
（Arobotmustobeytheordersgiventoitbythehumanbeings,
exceptwheresuchorderswouldconflictwiththeFirstLaw.）
第三条．ロボットは、前掲第一条および第二条に反するおそれのないかぎり、自己をまもらなければならない。
（Arobotmustprotectitsownexistence,
aslongassuchprotectiondoesnotconflicttheFirstorSecondLaw.）
SF作家アイザック・アシモフが小説「われはロボット」の作中で記したものです。
この三原則は、ロボットの安全性・安定性にもつながる大変重要なものです。
実は、アイザック・アシモフは小説の執筆中にこの三原則を自覚はしておらず、
小説中にあたかも法に従うロボットを描き出していたそうです。
この作品が世に出、これを読んだＳＦ雑誌の編集者ジョン・Ｗ・キャンベルが、
作中でロボットがある規則に従って行動をしているということを発見し、それを元に三つ原則を作り上げたそうです。
そして、この三つの原則が上記のようなロボット工学三原則の元になっているのです。
この三原則がこれほどまでに広まった理由として、
１つに、アイザック・アシモフが多くの作品で、この三原則に従い行動するロボットを書いていること、
また、多くのSF作家がこの三原則をもとに作品を書き、それが世に広まったことが挙げられます。
次に、ロボット工学三原則の内容を見てみることにします。
「命令に服従しなければならない」という文があり、ロボットの語源のように、
この三原則でもロボットを人間の代わりに働く労働者（機械）として見ています。
学習能力や感情がないロボットに対してもこれではあまりにひどいと思われるかもしれません。
しかし、ロボットは人間や環境に合わせて行動する機械であって、
決して、小説や映画のように、人間に反抗したり、環境を破壊する存在であってはいけないのです。
そのため、厳しいかもしれませんが、このような三原則が作られているのです。
もちろん、本格的なロボットの法律となるとまだまだ解決すべき問題点が山積みですが、
将来的にはこの原則をもとにロボットに関する法律が作られていくと思います。
企業独自に原則を作っている例としては、SONY（ソニー）があります。
SONYの開発したエンターテイメントロボットのAIBO（アイボ）は、
ロボット工学三原則に基づいて作られた独自の三原則をもとに行動します。
これは、AIBO（アイボ）の感情を表現する上で、必要な三原則です。
人間に対して反抗的な感情を持つことができるようになっていて、
感情という面で、AIBO（アイボ）の特性を活かす三原則です。
SONY（ソニー）の例でもあるように、各々のロボットに独自の三原則があってもおもしろいと思います。
そして、それらの核を成すロボット工学大原則ができれば、よいロボット社会が形成できるのではないでしょうか。
ロボットブーム
今現在、世界中の企業ならびに研究者や個人において、様々なロボットを開発され競い合っています。
このロボットブームといえるべき現象は、いつから始まったものなのか、
また、ロボットブームを引き起こしたものはなんなのかを、歴史を振り返りながら見ていきます。
1920年、チェコの劇作家カレル・チャペックが「RUR」という作中で、
「ロボット」という造語を使用したのを発端にロボットという言葉とその概念が世の中に広まり、使われ始めました。
そして、1940年代のSF作家アイザック・アシモフの小説「われはロボット」から作られたロボット三原則によって、
ロボットについての議論が活発になり、他のSF小説にも度々ロボットが登場するようになりました。
日本では、手塚治虫の描いた「鉄腕アトム」や、
1970年に開かれた大阪万国博覧会のロボット関連の展示など大きな影響もあり、
後にこれらに影響を受けた人たちによって、日本のロボット産業や工業の発達の基盤が形成されました。
1980年代には、産業用ロボットが開発され、自動車などの生産ラインで人間の代わりに行うようになりました。
また、同時期に、マイクロコンピュータ（マイコン）の急速な発達もあり、
マイクロマウスと呼ばれる自律型ロボットも開発され、それを用いた競技が活発に行われました。
普及すらしませんでしたが、アメリカでマイコンで操作する家庭用のロボットが複数売られました。
また、このころから、特に日本において、ロボットを主題にしたアニメが多数放映され、
ロボットに興味を持つ人が急激に増え、現在のロボットエンジニアの多くが生まれる要因にもなっています。
その後、ロボットの研究や開発が企業ならびに大学や研究機関で活発になされ、
産業用ロボット以外にもエンターテイメントロボットや二足歩行ロボットが開発され、
その時代時代で人々の注目を集めながら、
現在のような個人の開発もあるようなロボットブームの時代に至っています。
ロボットは、夢があり、無限の可能性を秘めている存在です。
しかし、ロボットが戦争などの悪いことに使わないとは言いきれません。
例えば、もし、ガンダムの世界のように巨大ロボットが開発されれば、
武器をつけ、人々が欲に走り、お互いを傷つけあうというようなことが起こってしまうかもしれません。
それが起こらないためにも、空想を空想のまま留めておくことも大切なことだと思います。
人や環境、はたまた地球・宇宙のためのロボット。
ロボットブームの中で、ロボット社会の存在する良い未来像を想像し、
それに向かって、昔と同じように満身していくのもいいかもしれません。
ロボットと機械
ロボットがどのような機械のことを指すのかを見ていきます。
携帯電話やテレビや掃除機などは、人間がスイッチを押し、機能を選択して動かします。
これらは一般的に「ロボット」とはいわずに、「機械」と言います。
将来的には、家電も一括制御され、ロボットと呼ばれる時代が来るかもしれませんが、ここでは機械とします。
ロボットは、付加価値を加えた機械で、最大で４つの性質を持ちます。
まず、前後左右など自由自在に動き、複雑な動作が行える「多自由度性」という性質です。
このためには、アクチュエーターと呼ばれるモーターを多数使用して自由度を増す必要があります。
ちなみに、人間の手の自由度は片手だけで、２０余りもあります。
その他に、周囲環境や対象物の動作などの変化に柔軟に対応する「柔軟性」、
状況に応じて動作を自由に変えられる「凡用性」、
簡単な命令で複雑な動作をこなせる「知能性」、があります。
これらの性質を機械で実現するため必要なものとして、ロボットの外部や内部の環境情報を計測するセンサー、それらの情報やプログラム処理・演算を行うための計算機（マイクロコンピューター）、筋肉や関節の働きをするアクチュエーター、があります。
これらの性質を付加して、ようやくロボットと言えます。
また、ロボットというとヒューマノイド、つまり人型と想像しがちですが、絶対に人型でなくてはいけないということはありません。
例えば、産業用ロボットのように人の腕（アーム）の形をしたものでも性質をもっていれば十分にロボットと呼べます。
ちょっと話が変わりますが、日本と欧米のロボットに対する考え方が違うそうです。
日本は、あらゆるものには魂が宿るという八百万の神の存在があるので、機械も生のあるものだと考えています。
欧米では、ただの機械、働くものとしか考えていません。
そのため、日本では愛着が持てる人型や生き物の形を好み、そのようなロボットを開発しているのだと思います。
以上のことを踏まえたうえで、厳密ではありませんが、ロボットを定義しておきます。
ロボット
「人の感覚器官にあたるセンサー、筋肉にあたるアクチュエーター、脳にあたるコンピューターを搭載し、複雑で自由に変化可能な動作ができ、また環境変化に柔軟に対応できる知能をもつ機械」、「人や環境に合わせて行動する機械」
産業用ロボットとは？
ロボットというと二足歩行ロボットなどの比較的人間にちかい形をしたロボットを思い浮かべるかもしれません。
しかし、実際に私たちの周りで働いているロボットの多くは、
工場などで人間の代わりとして働く産業用ロボットと呼ばれるロボットです。
これらのロボットのおかげで私たちの身の回りの物、例えば車など、が作られています。
人間全体の形こそはしていないのですが、人間の一部を取り出した形をしています。
一番多い形としては、人間の腕の形をした「ロボットアーム」です。
ということで、この「ロボットアーム」を取り上げて、ロボットの仕組みなどを見ていきます。
少し雑ですが、↑の画像のような形をしているのがロボットアームです。
先端には、人間の手（ハンド）と同じ働きをする「エンドエフェクタ」が取り付けられています。
用途によって、自由に取替えができ、様々な作業をこなすことができます。
例えば、溶接作業時には溶接用のエンドエフェクタが取り付けられ、
塗装作業時には塗装用のスプレーエンドエフェクタが取り付けられます。
エンドエフェクタが手（ハンド）の場合、ハンドリングという動作ができます。
ハンドの形態によって違いますが、主につかむ・にぎる・はさむの３動作が可能です。
このとき、落とさないようにしっかりとつかむこと、目標地点に運ぶための位置決め精度が必要になります。
溶接作業の場合、スポット溶接とアーク溶接ができます。
それぞれ要求される動作が違います。
一点一点溶接を行うスポット溶接では、正確で精確な位置決めが必要になります。
一方、連続的に溶接を行うアーク溶接では、連続的に溶接を行うので、溶接部の形状に合わせた動作が必要で、
アームの移動速度やアーム先端の移動方法を制御することが必要になります。
塗装作業の場合、スプレーを用い製品に塗装を行います。
むらなく塗装を行うため、製品の形状に合わせたアームの正確な移動が必要になります。
この他にも、組立てや解体を目的としたエンドエフェクタが取り付けられることがあります。
このようにエンドエフェクタを取り替えるだけで様々な作業をこなせることができます。
産業用ロボットは、その場その場での柔軟な対応をすることができないのが欠点です。
この欠点は、センサーを取り付けるなどすることで少しは補うことができます。
その代わり、一度教えれば精確に同じ動作を行え、また何時間でも同じ動作を繰り返すことができます。
次は、ロボットにどのように動作を教えているのかを見ていきます。
ティーチング・プレイバック
ロボットに動作をどのように教えているのでしょうか。
「ティーチング・プレイバック」という方法があります。
これは、人間が動作を教え、その動作をロボットが再生するというものです。
教えられた動作と同じ動作しかしませんが、一度教えるだけで大丈夫です。
ティーチングは「教示」、プレイバックは「再生」という意味からきています。
しかし、ロボットには１つの関節（モータ）だけでなく、多数の関節によって動いているので、
その関節それぞれに目的の動作を行うように教える必要があります。
あらかじめ人間側が決めた座標系で、各関節を何度動かすかなど、大変な計算が必要になります。
「順運動学」や「逆運動学」などの計算を用いてロボットのモーション（動作）作成が行われます。
すべての動作をプログラムで作成するのは難しく、様々な知識と技術が必要になります。
また、異なる作業ごとにプログラムを作り変える必要もでてきます。
このとき、「ティーチング・ペンダント」と呼ばれる操作盤を用いると便利になります。
これによって、実際に見ながら各関節を何度動かせばいいのかを設定できます。
人間が角度などの数値を入力し、目標の位置に動かします。
そして、プレイバックで再生し、調整した上で、その座標と各関節の状態を記憶させておくことがきます。
一度記憶されれば、何度でもその位置に移動できます。
これを繰り返しながらロボットのモーション（動作）を作成しています。
これらの動作をつなぎ合わせることで、作業によって違う動作を作り出すことができます。
しかし、ティーチング・プレイバックにも限界があり、教えられた動作をただ繰り返すだけしかできません。
人間では、教えられたことを繰り返すだけではなく、その時の状況や変化に柔軟に対応しながら作業を行います。
この柔軟性をロボットにも持たせるために、様々なセンサーを取り付けます。
センサーにより、状況や変化を計測し、それをデジタル数値に変換し、情報を得ることができます。
この情報をもとに、ロボットが状況に合わせた動作を行うことができるようになります。
次は、センサを搭載した柔軟性のあるロボットについて見ていきます。
フレキシブルなロボット
人間のようにその時の状況や変化を柔軟に判断し、作業をこなすためにはどうしたらいいのでしょうか。
そのためには、「センサー」と呼ばれる計測装置を搭載する必要があります。
センサーにより、人間の目や耳などに当たる感覚を身につけることができます。
例えば、カメラで画像を認識にし、その画像を解析することで、
人間や物の大きさや形を判断したり、距離や位置を認識したりすることができるようになります。
このように状況や変化に対応する柔軟性を持ったロボットのことを「フレキシブルなロボット」と言います。
フレキシブル（flexible）とは、「～曲げやすい」とか「順応性のある」などの意味がありますが、
その意味から、ロボットでは「柔軟性のある」「融通のきく」という意味で用いられています。
センサーなしのロボットでは、振動や転がりなどによって対象物との距離や位置が変化してしまうと、
全く作業が進まず、無意味な同じ動作をただ繰り返し行うだけになってしまいます。
しかし、この「フレキシブルなロボット」は、そんなことは起こりません。
カメラで得られた画像を解析したり、赤外線センサーで距離を把握することで、対象物との位置や距離を認識し、変化があればその都度情報が送られてくるので、その変化に合わせ、動作を微調整（補正）しながら行うことができます。
これには、あらかじめ決められたプログラムに変数を導入することで可能になります。
学習型ロボットや自律型ロボットは、これをさらに進化させたものです。
作業のミス低減はもちろん、違う製品を作業する場合のティーチング作業を減らせます。
また、センサーは計測技術を応用した様々な種類のものがあります。
人間のような感覚機能や人間にはない特徴的な感覚機能を搭載しています。
例えば、移動ロボットには超音波センサーを搭載し、
移動している途中に障害物や人にぶつかりそうになると、センサーで危険を感知し、回避させることができます。
昆虫や動物を研究し、その優れた感覚機能を用いた高度センサーが開発されています。
このように「フレキシブルなロボット」は、センサーを取り付けることで、周囲の変化に柔軟に対応し、より人間らしく動くことができます。
次は、「フレキシブルなロボット」をさらに進化させた「自律型ロボット」について見ていきます。
自律型ロボット
「フレキシブルなロボット」は、センサーを取り付け状況変化に柔軟に対応するロボットでした。
この「フレキシブルなロボット」により多くのデーター（知識）を蓄えさせることで、
人間が細かく教示しなくても、ロボット自身が状況に応じて動きます。
そういうロボットのことを「自律型ロボット」と呼びます。
また、動作の良悪を自分で判断し、淘汰させ、少しずつよくしていく「学習型ロボット」もこれにあたると思います。
ロボットアームのつかむという動作を例にとって見ていきます。
「机の上に置いてあるものをつかむ」という動作では、「机」の位置を空間的にとらえて、その「机」の上にある「物体」の位置を把握する必要があります。
「机」という言葉一つをとってみても、丸いもの四角いものなど様々な形状があり、
事前に「机」の形や意味を情報として与えておかなければいけません。
言葉の意味を認識させておくことで、ロボットへの動作命令を文章として与えることができ、文の単語ごとの意味をロボット内部のデータベースから探し出し、つなぎ合わせ文全体の意味を理解して行動することができます。
そのために、人間が膨大な量の情報をデータ化して記憶させておかなければいけません。
ロボットは、作業に必要な情報だけをデータ化し、データベースを利用して動作を行います。
「机」をカメラで画像として保存・解析し、データベース内の情報と比較し、情報が一致した「机」と判断します。
そして、「机」の上にある「物体」の形状や大きさ、位置をセンサーを利用して認識します。
ロボットはようやく、「机にこういう形状・大きさの物体がこの座標にある」と判断します。
次に、認識した机の上にある物体を「つかむ」という動作を行います。
まず、先ほどデータ化した「物体」の位置情報をもとに、アーム先端（エンドエフェクタ）を物体に近づけます。
センサーからの情報を利用し、目標位置までの距離を把握し、アーム関節を微調整しながら行います。
次に、エンドエフェクタであるハンドを動かして物体をつかむ動作を行います。
物体の硬さ、大きさなどをセンサーで認識し、物体を落とさないように、またつぶさないようにつかみます。
これで、ようやく「机の上に置いてあるものをつかむ」という動作が完了しました。
一見簡単なように見えても、ロボットは膨大な情報をもとにこの動作を行っているのです。
「学習型ロボット」になると、何度も何度もつかむ動作を行い、データを作成しながら、
つかめない場合は修正しながら、一番最善の効率のよい動作を探します。
膨大なデータベースを作成、記憶させ、センサーで状況変化を認識し、
データをもちに行うべき動作を判断する必要があります。
ロボットに自律をさせるには、膨大な量のデータと高度センサーが必要になります。
メカニズム
今回は、ロボットの「メカニズム」について
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