不整地移動ロボティクス

永谷圭司東大特任教授博士（工学）編著
石上玄也慶大准教授博士（工学）著
遠藤大輔国立土木研究所主任研究員博士（工学）著
永岡健司九工大教授博士（工学）著
遠藤玄東工大教授博士（工学）著
程島竜一埼玉大准教授博士（工学）著
亀川哲志岡山大准教授博士（工学）著
田中基康電通大教授博士（工学）著

瓦礫や段差が混在した不整地を移動するロボットについて，機構や力学，制御を広範に解説。

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発行年月日: 2023/12/20

判型: B5

ページ数: 224ページ

ISBN: 978-4-339-04686-1

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4,180円(本体3,800円+税)

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【本書の特徴】
本書は，不整地移動機構や制御に関する不整地移動ロボットについて，体系的に解説するテキストです．対象読者層は，この分野の専門的な知識を習得しようとする学生，研究者，および企業の技術者を想定しています．
不整地移動ロボットの研究は，ロボット研究の黎明期から継続的に進められてきましたが，これを体系的にまとめたテキストはこれまでありませんでした．そこで，編著者と現在不整地移動ロボット研究の最先端を切り拓いている若手研究者7人が，不整地移動ロボット（車輪型，クローラ型，脚型，ヘビ型）のハードウエア，運動制御，動作計画などを体系的にまとめました．本書には，著者達の『自分が駆け出しの頃，こんな本があれば良かったのに』という思いが込められています．

【各章について】
０章では，本書の序論として，不整地の定義について紹介します．本書のタイトルにも入っている「不整地」という言葉は，耳にしたことも多いと思います．よくある国語辞典の定義では「整地されてない地形」とありますが，それが意味するところは多様です．そこで，本書では，ロボットの作業環境とその規模を関連付けながら不整地の幾何学形状や表面構成要素について分析し，「不整地」の定義づけを行いました．これは，非常にチャレンジングな試みであるため，今後異論も出てくるはずです．この不整地の定義に関する議論を，これからも継続していければと考えています．

１章は，車輪型／クローラ型ロボットです．車輪型とクローラ型，格好だけ見ると，ずいぶん外見は異なりますが，両者とも，無限回転運動を通じて移動を実現するため，運動制御における共通点が多いです．そこで，この章では，車輪型とクローラ型の基本的な共通点と相違点，両者が凹凸不整地を走行するためのメカニズムについて紹介しています．また後半では，車輪型とクローラ型を比較しながら，軟弱地盤走行に関する話題（テラメカニクス）や不整地走行制御など，最新の研究成果について体系的に説明しています．

２章は，脚型ロボットです．脚型移動は，高い環境適応性を持つ移動方法として広く研究されています．この章では，脚型ロボットのハードウエア，メカニズム，運動計画，制御手法といった脚型移動機構の基本について紹介すると共に，脚型ロボット制御の最新の動向にも触れています．

３章は，ヘビ型ロボットです．ヘビ型ロボットには，本物のヘビのように身体をくねらせて前進するものから，多くの駆動輪を備えたものまで様々な種類がありますが，それぞれのメカニズムや制御手法について体系的に説明しています．後半では，不整地環境でのヘビ型ロボットの移動時に発生する可能性のある問題や，それらの問題の解決策について考察しており，大変興味深い内容となっています．

なお，各章や節の終わりには，コラムとして，ロボット開発で直面する様々な問題やちょっとしたヒントになるトピックが紹介されており，これらも必見です．

【編者からのメッセージ】
本書は，現役バリバリの若手不整地移動ロボット研究者達が，『自分が駆け出しの頃，こんな本があれば良かったのに』という思いを込めて執筆した書籍です．これから，本分野の研究を志す学生の皆さんはもちろん，現在，本分野で研究開発を進めている現役研究者や企業の方にも，読み応えのある内容に仕上がっていると思います．なお，本書のタイトルである「不整地移動ロボティクス」という言葉は，2023年現在，まだ世の中には浸透していません．（Google検索でも4件のみのヒットです．）しかし，これから先の未来，ロボット研究に携わる方々にとって，この「不整地移動ロボティクス」という言葉が，ごく当たり前の聞き慣れたものとなることを期待しています．同時に，今後の更なる不整地移動ロボティクスの発展と，これを最大限に活用した「人々の役に立つ技術」が，これからも創造され続けることを願っています．

【キーワード】
不整地，ロボット，車輪型，クローラ型，脚型，ヘビ型，移動機構，不整地移動，運動学，経路追従制御，軟弱地盤走行，テラメカニクス，歩容，安定余裕，静歩行，動歩行，ZMP，軌道計画，運動制御，全身運動制御，モデルベースト制御，障害物利用推進，螺旋捻転運動，CPG，周期運動

本書は，不整地移動機構や不整地移動ロボットの制御について体系的に解説するテキストである。特に，この分野の専門的な知識の習得を考える学生や研究者，企業の技術者の方々を対象に構成している。

車輪やクローラ，脚，ヘビ型などのさまざまな不整地移動ロボットの研究は，その形態や環境に合わせて，ロボット研究の黎明期より継続的に行われてきた。しかしながら，これらのトピックについて，ハンドブックなどで個々に触れられることはあっても，『不整地移動ロボット』として体系的に扱ったテキストはこれまで皆無であった。そもそも「不整地」という言葉自体がとても曖昧で，おのおのの分野によって定義がまちまちであったことも，その原因の一つである。

そこで本書では，まず第0章（石上玄也氏担当）にて，不整地の幾何学形状と表面構成要素やその規模，ロボットの作業環境に注目し，「不整地の定義および分類」を行った。この定義付けは非常にチャレンジングな試みであり，異論が出てくる可能性もあるが，この章を置くことで「不整地移動」について俯瞰することができ，その体系化が可能になったと考えている。

続いての第1章（遠藤大輔氏，永岡健司氏担当）では，「車輪型/クローラ型ロボット」について，機構・力学・制御の視点から解説した。第2章（遠藤玄氏，程島竜一氏担当）では，「脚型ロボット」について，脚型ロボットの基礎から，ロボットを構成するハードウェアや計画に基づく運動制御，さらには多様な運動制御法まで解説した。また，第3章（亀川哲志氏，田中基康氏担当）では，「ヘビ型ロボット」に関して，その特徴や運動計画，運動制御について説明し，不整地におけるその動作や，ヘビ型の移動機構が有する問題分析とその解決方法について議論を行った。

いずれの章の執筆者も，各機構や制御に関する研究分野の若手フロントランナーである。そのため，古典的な機構や制御の解説の枠を超えて，最近のトレンドについても触れている。そこで，本書にて興味が深まり，さらに先を学びたいという方は，ぜひ引用・参考文献をご参照いただきたい。また，章や節の終わりごとに，コラムをいくつか挿入した。不整地移動ロボットの研究開発現場で起こりうる諸問題をはじめ，本文に掲載しきれなかったちょっとしたトピックをTea break的に掲載している。じつはこんなこぼれ話にこそ，面白さが隠れていると思うので，のんびりご覧いただければ幸いである。

不整地におけるロボット技術の活用は，建設業や農業の自動化，災害対応や宇宙開発などのさまざまな分野で，今後も大きく期待されている。そのため，それらを支える不整地移動に関する研究開発は，これからの未来，ますます重要になっていくだろう。

本書のタイトルである「不整地移動ロボティクス」は，近い未来にそのような学問分野をカバーするワードとなることを期待して命名したものである。じつは本書執筆中の段階では，Google検索にてわずか4件しかヒットしなかったワードでもある。だが，これから先の未来，「不整地移動ロボティクス」というこのワードがロボット研究に携わる方々にとって，ごく当たり前の聞き慣れたものとなることを期待している。不整地移動ロボティクスの今後のさらなる発展と，これを最大限に活用した「人々の役に立つ技術」が，これからも創造され続けることを心から願う。

2023年10月
編著者　永谷圭司

0.　不整地の定義
0.1　不整地の定義と分類
0.2　不整地におけるロボットの移動形態
　0.2.1　不整地とロボットの移動特性
　0.2.2　不整地におけるロボットの移動不能状態
0.3　まとめ
引用・参考文献

1.　車輪型/クローラ型ロボット
1.1　車輪型/クローラ型ロボットの概論
　1.1.1　概要
　1.1.2　ロボットの機構構成
　1.1.3　移動機構
　1.1.4　移動機構配置
　1.1.5　整地・不整地への適用
1.2　車輪型/クローラ型ロボットの整地移動
　1.2.1　整地走行の基礎力学
　1.2.2　運動学と制御の基礎理論
　1.2.3　運動学に基づく経路追従制御
1.3　車輪型/クローラ型ロボットにおける不整地移動の力学
　1.3.1　不整地走行のための機構と運動学
　1.3.2　斜面走行の力学
　1.3.3　段差走行の力学
　1.3.4　凹凸路・狭隘路走行の力学
　1.3.5　軟弱地盤走行の力学
1.4　車輪型/クローラ型ロボットによる不整地走行制御
　1.4.1　各障害現象とその定義
　1.4.2　各障害現象に対する制御上の戦略
　1.4.3　不整地走行制御の具体例
1.5　まとめ
引用・参考文献

2.　脚型ロボット
2.1　脚型ロボットの概要
　2.1.1　脚型ロボットの例
　2.1.2　脚型ロボットの脚数
2.2　脚型ロボットの基礎理論
　2.2.1　脚型ロボットの用語
　2.2.2　歩容
　2.2.3　静的安定余裕
　2.2.4　歩行速度
　2.2.5　静歩行と動歩行
　2.2.6　動的安定性とZMP
2.3　脚型ロボットの機構・駆動・知覚
　2.3.1　関節配置
　2.3.2　関節駆動系
　2.3.3　アクチュエータ・減速機
　2.3.4　関節のバックドライバビリティ
　2.3.5　直列弾性アクチュエータ
　2.3.6　重力分離駆動と干渉駆動
　2.3.7　油圧駆動
　2.3.8　脚先機構
　2.3.9　センサ
2.4　脚型ロボットの計画に基づく運動制御
　2.4.1　歩行ロボットのモデル化
　2.4.2　ZMPを用いた動的トロット歩容
　2.4.3　関節制御
　2.4.4　歩行ロボット制御の理想と現実
　2.4.5　制御システム
　2.4.6　脚先力制御の必要性
　2.4.7　インピーダンス制御
　2.4.8　脚先位置制御を基本としたアドミッタンス制御
　2.4.9　脚支持力フィードフォワード制御
　2.4.10　スカイフックサスペンション制御
　2.4.11　歩容制御
　2.4.12　領域設定法と基準収束型適応歩容
2.5　脚型ロボットの多様な制御法
　2.5.1　ステートマシン
　2.5.2　中枢パターン生成器
　2.5.3　ばね式倒立振子制御
　2.5.4　仮想モデル制御
　2.5.5　モデル予測制御
　2.5.6　全身運動制御
　2.5.7　段差の移動の実装例
　2.5.8　斜面の移動の実装例
2.6　まとめ
付録：全身運動制御の典型的な制御技術
引用・参考文献

3.　ヘビ型ロボット
3.1　ヘビ型ロボットの概要
　3.1.1　生物のヘビとヘビ型ロボット
　3.1.2　ヘビ型ロボットの分類と特徴
　3.1.3　ヘビ型ロボットの推進原理と移動形態
　3.1.4　ヘビ型ロボットの制御方策
3.2　ヘビ型ロボットの運動計画
　3.2.1　サーペノイド曲線に基づいた横うねり運動
　3.2.2　曲率微分制御
　3.2.3　フレネ・セレの3次元曲線表現に基づく形状設計
　3.2.4　連続曲線に合わせた関節角度の算出
　3.2.5　単純形状の連結による複雑曲線の表現
　3.2.6　シフト動作
3.3　モデルベースト制御
　3.3.1　車輪による拘束と運動学モデル
　3.3.2　制御入力
　3.3.3　先頭の3次元制御
　3.3.4　段差昇降制御
　3.3.5　力学モデルとその活用方法
3.4　適応的な運動制御
　3.4.1　CPGを適用した周期運動
　3.4.2　反射的振る舞いによる障害物利用推進
3.5　不整地とヘビ型ロボット
　3.5.1　動作先導部の選択と目標地点への到達方法
　3.5.2　不整地における推進力の発生方法
　3.5.3　不整地における適応方針
　3.5.4　不整地で生じる問題とその解決方法
3.6　実装例
　3.6.1　クローラゲート
　3.6.2　螺旋捻転運動をするヘビ型ロボット
　3.6.3　運動学モデルによる複数面移動
　3.6.4　能動車輪型の3次元操舵と環境適応
3.7　まとめ
引用・参考文献

索引
コラム1：不整地移動ロボットのコラム概要
コラム2：役に立つロボットを創るために必要なこと
コラム3：不整地移動ロボットと熱環境
コラム4：電源とバッテリ
コラム5：トラフィカビリティ
コラム6：ロボットの無線通信
コラム7：目立たず地味だが必要不可欠なケーブル・配線
コラム8：ハーネスとポッティング処理
コラム9：コンビネーション型の機構紹介
コラム10：不整地移動ロボットの防塵と防水
コラム11：不整地移動ロボットの輸送
コラム12：フィールド実験の重要性とその準備

読者モニターレビュー【釜玉うどん様（業界・専門分野：工学、マルチエージェントシステム　）】

本書は車輪型/クローラ型ロボット、脚型ロボット、ヘビ型ロボットを「不整地を移動するロボット」という観点からまとめたものです。個人的にですが、それぞれのロボットについては広く研究・開発がなされているものの、「不整地移動」という統一された文脈で記述されたことはなかったのではないでしょうか。
本文では最初に「不整地」の定義を丁寧に行い、それぞれの環境下でどういったロボットが用いられているのか写真付きで紹介されています。その後は各ロボットの性質やモデル、また制御則などの説明が詳細に書かれているため、「紹介されたロボットがどういった原理で動いているのか」というイメージも掴みやすいと思いました。また各章では参考文献も記されており、本書で興味を持った読者がさらに読むべき文献も記されていると思います。
学生や研究者以外にも、興味がある方は第0章を読めば雰囲気がよくわかりますし、それぞれのロボットを研究・開発する方は該当する章を読めばおおよそのことが理解できるように思います。総じて、「不整地移動ロボティクス」の先駆けとなるような書籍だと感じました。

読者モニターレビュー【糸井雄祐様（業務内容：クローラの開発，電動一輪車の開発）】

不整地での移動体を開発する1人のエンジニアとして感銘を受けた内容だった。

私は、０章の「不整地の定義」に最も感銘を受けた。不整地という無秩序な環境を、定義に落とし込み、そこから分類分けをした表と図を見たとき高揚してしまった。様々な不整地の環境によってどの移動体が向いているかは私の経験の中である程度把握していた。しかし、ここまで細分化・具体化されている表と図を見ると私がまだ経験していない不整地がはるかに多く存在するのだと思い知らされた。車輪型とクローラ型の章での走行力学の議論は、実際に移動体を開発する身として、かなり勉強になる。さらに、モデル化した式を解釈を含めた上で書かれている。そのため、特殊な形状の移動体を開発する上でもとても参考になる。脚型・ヘビ型の章は、今後の移動体開発における糧になる章であった。

この本全体を通して感じたことは、如何に不整地の移動体というものが重要かつ難解ということである。私のなかでの不整地への探求心がさらに深まった。

読者モニターレビュー【りゅっぢ様（業界・専門分野：農業工学）】

私は荒地に近い農地でクローラを試験運用した経験があるが，著者たちの現場経験は非常に共感できた。車輪型とクローラ型の章でのテラメカニクスや不整地走行制御の議論は、実際には制御に用いないとしても勉強になる．力学的なモデリングも数式を展開するだけでなく，十分にその解釈の仕方が書かれている．脚型とヘビ型ロボットの章は、私にとって新しい知識の領域であり、今後の自作プロジェクトにおいて新たな方向性を模索する上で大きなヒントを与えてくれた。各章のコラムも実践的な問題に対するなヒントを提供しており、これがこの本のユニークな魅力の一つである。この本に通底して感じたのは，不整地移動ロボットの分野における現場の最前線から得られた知見だ。不整地移動ロボット界隈の「内部の人」に一歩二歩近づいた気分だ．

永谷圭司（ナガタニケイジ）

1997年筑波大学大学院博士課程修了．博士（工学）．カーネギーメロン大学機械工学科（ポストドクトラルフェロー），岡山大学大学院自然科学研究科講師，東北大学大学院工学研究科准教授，東北大学未来科学技術共同研究センター准教授を経て，現在，東京大学大学院工学系研究科特任教授．ムーンショット型研究開発事業目標③プロジェクトマネージャー．SIPスマートインフラマネジメントシステムの構築，サブ課題A代表．建設機械の自動化や火山探査ロボット技術，災害対応ロボット技術の開発など，フィールドロボティクスの研究に従事．日本ロボット学会，計測自動制御学会，日本機械学会，IEEE等の会員．

個人Webpage

石上玄也（イシガミゲンヤ）

2008年東北大学大学院工学研究科航空宇宙工学専攻修了，博士（工学）．同年よりMIT Postdoctoral Associate，2010年よりJAXA宇宙科学研究所プロジェクト研究員．2013年より慶應義塾大学に着任，現在に至る．IEEE/RAS Co-chairs for the technical committee for space robotics，国土交通省宇宙建設革新会議委員長，など，宇宙探査をはじめとしたフィールドロボティクスを主専門分野とし，テラメカニクスや自律移動制御などの研究開発を進める一方で，アシスト機器の世界大会・サイバスロンでは慶應大のチームリーダーとして世界3位（2019年，2020年）に貢献．

慶應義塾大学　石上研究室ホームページ

遠藤大輔（エンドウダイスケ）

2017年東北大学大学院博士課程修了．博士（工学）．株式会社デンソー，日本学術振興会特別研究員（DC2），株式会社不二越を経て，現在，国立研究開発法人土木研究所技術推進本部先端技術チーム主任研究員．クローラ型ロボットの自己位置推定と動作制御、移動マニピュレータ、建設ロボットの研究に従事．現職では建設機械の自動化を促進するためのオープンな研究開発プラットフォームの整備に取り組む．日本ロボット学会，土木学会， IEEE等の会員．

永岡健司（ナガオカケンジ）

2011年総合研究大学院大学5年一貫博士課程修了．博士（工学）．東北大学大学院工学研究科助教，九州工業大学大学院工学研究院准教授を経て，現在，九州工業大学大学院工学研究院教授．宇宙ロボティクスを専門とし，地球周回軌道上サービスから月惑星探査まで，宇宙ロボット技術に関する研究開発に従事．日本ロボット学会，日本機械学会，計測自動制御学会，IEEE，ISTVSの会員．

永岡研究室HP

遠藤玄（エンドウゲン）

2000年東京工業大学理工学研究科機械物理工学専攻博士課程修了
ソニー株式会社リサーチャー，国際電気通信基礎技術研究所（ATR）客員研究員，東京工業大学助教，東京医科歯科大学准教授，東京工業大学准教授を経て，現在，東京工業大学工学院教授．社会課題を解決する実用的なロボットシステム，特に機構設計に興味を持つ．具体的には，化学繊維ロープや３Dプリンティング技術を用いた樹脂軽量材の基礎特性評価から，これらを用いた廃炉用超長尺ロボットアーム，4足歩行ロボット，特殊ハンドなどの研究に従事．日本ロボット学会，計測自動制御学会，日本機械学会，IEEE等の会員．

研究室Webpage

程島竜一（ホドシマリュウイチ）

2006年東京工業大学大学院理工学研究科機械宇宙システム専攻博士課程修了．博士（工学）．東京工業大学21世紀COE研究員，東京工業大学産学連携研究員，総務省消防庁消防研究センター研究官，埼玉大学大学院理工学研究科助教を経て，現在，埼玉大学大学院理工学研究科准教授．生物規範型ロボットや移動ロボットを専門とし，機構設計と運動制御に関する研究に従事．これまでにザトウグモ型6脚歩行ロボット，トカゲ型4脚歩行ロボット，ヒラムシ型メッシュロボット等を開発．日本ロボット学会，日本機械学会，計測自動制御学会等の会員．

埼玉大学　設計工学研究室Web

亀川哲志（カメガワテツシ）

2004年東京工業大学大学院総合理工学研究科博士課程修了．博士（工学）.同年，NPO国際レスキューシステム研究機構研究員を経て，2006年より岡山大学大学院自然科学研究科助手，2007年同助教，2008年同講師，2020年より岡山大学大学院ヘルスシステム統合科学研究科准教授となり，現在に至る．この間，2004年ローマ大学客員研究員，2012年カーネギーメロン大学客員研究員．ヘビ型ロボット，レスキューロボット，医療ロボットの研究開発に従事．日本ロボット学会，日本機械学会，計測自動制御学会，日本コンピュータ外科学会の会員．