二足歩行ロボットは、私たち人間に最も近い動作様式を持つロボットとして注目を集めています。この記事では、二足歩行ロボットの基本的な仕組みや制御手法、代表的な製品などについて、10問のクイズを通して解説します。ゼロモーメントポイント (ZMP) の概念、力制御を実現するアクチュエータ、代表的なロボットプロジェクトの歴史など、二足歩行ロボット技術の中核をなす重要なトピックについて理解を深めていきます。二足歩行ロボットの仕組みや最新の研究動向を、クイズを通してお楽しみください。
Q1 : ヒューマノイドロボット「ASIMO」を開発した企業はどれか？ Honda（本田技研工業） SONY（ソニー） Toyota（トヨタ） Kawasaki（川崎重工）
ASIMO（Advanced Step in Innovative Mobility）は本田技研工業（Honda）が開発したヒューマノイドロボットです。1990年代からの研究開発成果を経て2000年に名称ASIMOで広く知られるようになり、歩行、階段昇降、簡単な物の受け渡しなどをこなす実演で注目を集めました。ASIMOはP1/P2/P3などの前身機種の進化形であり、Hondaのバランス制御や小型化・高集積化技術の象徴的存在でした。
Q2 : 二足歩行ロボットが動的に安定していると言える一般的な条件はどれか？ 重心（CoM）が支持足の直上にあること 支持多角形（support polygon）内にZMPがあること 足裏の接触圧が常に均一であること すべての脚関節トルクがゼロであること
動的安定性の評価では、地面反力が作用する支持面上でゼロモーメントポイント（ZMP）が支持多角形（支えている足底の凸包）内に位置していることが重要です。これはロボットが転倒せずに床反力でモーメントを打ち消せることを意味します。重心位置が支持面の直上である必要はなく、動的な寿命では慣性や加速度の効果でZMPとCoMが異なる場合が多い点に注意が必要です。
Q3 : 「キャプチャポイント（Capture Point）」が表すものとして正しいものはどれか？ 現在の重心位置そのもの 接地時の圧力中心（CoP） ロボットが倒れるのを防ぐために次に踏み出すべき位置 モータのトルクが飽和する境界点
キャプチャポイントは、外乱を受けた際にその位置に足を置けばロボットの運動が停止し倒れなくなるような場所を示す概念です。瞬時キャプチャポイント（Instantaneous Capture Point）などの定式化では、重心の速度や高さに基づいて必要なステップ位置を算出し、歩行制御やプッシュリカバリに利用されます。大きな外乱ではステップストラテジーとしてこの概念が実用的です。
Q4 : 「受動ダイナミクス歩行（passive dynamic walking）」の特徴として正しいものはどれか？ 常にモーターで駆動され自己制御する歩行様式である 精密なセンサによるフィードバック制御が不可欠である 外部の電源を与え続けることで安定する歩行である 重力と機構形状の設計だけで（モーターをほとんど使わずに）歩行する仕組み
受動ダイナミクス歩行はTad McGeerらの研究で有名になった概念で、軽い傾斜面上で重力と機械的形状（慣性・関節の摩擦やカップリング）だけで自然に歩く機構を指します。電子制御やモータ出力をほとんど用いないため、非常に効率的な歩行動作の理解につながり、能動制御の設計指針やエネルギー効率改善の研究基盤として活用されています。
Q5 : シリーズエラスティックアクチュエータ（SEA）の主な利点はどれか？ トルク制御や高いコンプライアンスを実現し衝撃吸収性が向上する 位置制御で最高精度を保証する 常にエネルギー効率が最大化される メンテナンスが不要で寿命が無限に延びる
シリーズエラスティックアクチュエータ（SEA）は出力とモータの間に弾性要素を挿入することで、力（トルク）を直接測定しやすくし、力制御性能とコンプライアンスを向上させます。これにより接触時の衝撃吸収や人間との安全なインタラクションが可能になる一方で、位置追従性は弾性のために若干犠牲になることがあるので、用途に応じた制御設計が必要です。
Q6 : 二足歩行ロボットの外乱（押される等）に対する回復戦略のうち、大きな外乱で有効なのはどれか？ アンクルストラテジー（足首だけでバランスを取る） ステップストラテジー（足の位置を変更して再配置する） ヒップストラテジー（腰を振って角運動量で回復する） モータ出力を最大にするだけで必ず回復する
外乱の大きさによって回復戦略は使い分けられます。小さな外乱では足首（アンクル）や腰（ヒップ）でモーメントを作り回復可能ですが、ある閾値を超える外乱では支持多角形を拡大する必要があり、そのために次の一歩を踏む「ステップストラテジー」が有効です。ステップによって支持領域を移動させることでZMPの制御可能領域を広げ、転倒を防ぎます。モータ出力だけで常に回復できるわけではありません。}
Q7 : 二足歩行ロボットにおける「ゼロモーメントポイント（ZMP）」とは何を指すか？ 支持面上で床反力によるモーメントがゼロになる点（ZMP） 重心（Center of Mass）の投影点 接地圧が最大となる足底の点 歩行周期の位相を示す点
ゼロモーメントポイント（ZMP）は、地面からの反力が支持面上に作用するとき、その反力によって生じるモーメントが水平面上でゼロになる点を指します。ロボットが転倒せずに歩行を維持するためには、動的安定の観点からZMPが支持多角形（support polygon）内に存在することが重要です。ZMPは重心（CoM）とは厳密には異なる概念で、重心の投影点が必ずしもZMPと一致するわけではありません。歩行制御ではZMPを基準に歩行パターンを設計・制御する手法が多く用いられます。
Q8 : 二足歩行ロボットで「コンプライアンス（柔らかさ）を持った力制御」を実現するために一般的に使われるアクチュエータはどれか？ ギア付きDCモーター（高減速比） シリーズエラスティックアクチュエータ（SEA） ステッピングモーター 単純な空圧シリンダー
シリーズエラスティックアクチュエータ（SEA）は、モータと出力の間に弾性素子（スプリング）を挿入し、トルク制御性と衝撃吸収性を高める設計です。弾性により力の直接測定／制御が容易になり、高精度な力制御や安全な接触動作、外乱吸収などが可能になります。二足歩行ロボットでは地面接触時の衝撃吸収やヒューマンインタラクション時の安全性向上のためにSEAやその派生がよく採用されます。
Q9 : 人型二足ロボット「Atlas」を開発したのはどの組織か？ Honda（本田技研工業） 東京大学 Boston Dynamics NASA
Atlasはアメリカのロボット研究開発企業Boston Dynamicsが開発した二足歩行ヒューマノイドロボットです。初期のフレームはDARPA等の支援を受けて設計され、当初は油圧駆動のバージョンとして発表されました。その後の世代では電動駆動を取り入れ、歩行、走行、ジャンプ、バランス回復など高い機動性と運動性能を示しています。Boston DynamicsはAtlas以外にもBigDogやSpotなど動的なロボットで知られています。
Q10 : 二足歩行ロボットの歩行パターン生成で「将来の重心（CoM）軌道を予測しZMPを制御する」古典的かつ実用的な手法はどれか？ PID制御 逆運動学 C.P.G.（中枢パターン生成） プレビュー制御（将来のZMP予測に基づく制御）
プレビュー制御は将来の参照ZMP（や重心軌道）を一定時間先まで予測し、その情報を用いて現在の制御入力を決定する手法です。特にKajitaらによるプレビュー制御を用いた歩行パターン生成は、線形単振動体モデル（LIPM）と組み合わせることで実用的なZMP制御を実現し、二足歩行ロボットの安定した歩行を可能にしました。MPCに近い発想ですが、プレビュー制御はリアルタイム性を意識した実装が多い点が特徴です。
まとめ
いかがでしたか？ 今回は二足歩行ロボクイズをお送りしました。
今回は二足歩行ロボクイズを出題しました。
ぜひ、ほかのクイズにも挑戦してみてください！
