マルチロボット協働：単一ロボットの知能からシステム知能へ

こんにちは、HONPINE創業者のAllen Liです。

ここ数年、私たちは一つの問いについて深く考えてきました。ロボティクスの次の段階を決定づけるものは何でしょうか。単一ロボットの能力を高め続けることなのか、それとも複数のロボットが知能的なシステムとして連携できるようにすることなのか。

私は、どちらの方向性も重要だと考えています。単一ロボットの知能は今後も進化し続けます。しかし、ロボットが物流、製造、建設、検査、専門作業、ヒューマノイドロボット、インテリジェントオートメーションなど、ますます複雑な用途に進出するにつれ、1台のロボットだけで達成できることには明確な限界があります。

私がさらに関心を持っているのは、ロボットが独立して働く段階から、情報共有、タスク配分、動作協調、環境変化への対応が可能な接続型システムノードへと移行することです。

そのため私は、マルチロボット協調がロボティクスの将来における重要な発展方向の一つになると考えています。

マルチロボット協調は、単にロボットを増やすことではない

マルチロボットシステムを初めて考える際、1台のロボットが1つのタスクを完了できるなら、10台なら10倍のタスクを完了できると考えるのは自然なことです。

しかし実際には、はるかに複雑です。

1台のロボットが独立して動作する場合、基本的な問いは通常、「自分のタスクをどのように完了するか」です。

複数のロボットが同じ環境で動作する場合、問いははるかに難しくなります。「互いに干渉せず、どのように一緒にタスクを完了するか」です。

複数のAGVが同時に資材を搬送する自動倉庫を考えてみてください。2台の移動ロボットが同時に狭い通路へ近づいた場合、どちらを優先すべきでしょうか。同じタスクに複数のロボットを使用できる場合、どれを選ぶべきでしょうか。タスクに最も近いロボットが突然故障した場合、どのロボットが引き継ぐべきでしょうか。複数のロボットが同じ作業空間に入る必要がある場合、アクセスと動作をどのように協調すべきでしょうか。

これらはもはや、個々のロボットにおける単純なモーション制御の問題ではありません。システムレベルの協調と組織化の問題です。

したがって、成功するマルチロボットシステムには、機械を追加する以上のことが必要です。ロボットは、自身の状態、他のロボットの状態、実行中のタスク、および次に起こり得る行動について、共通の理解を持つ必要があります。

一般的なROS2マルチロボットアーキテクチャでは、分散通信、名前空間管理、タスク配分、隊形制御、状態同期、衝突回避が連携し、協調ロボット運用の基盤を構築します。

ここから私は重要な結論に至ります。ロボティクスの将来の競争力は、個々のロボットがどれほど高性能かだけでなく、ロボットシステム全体がどれほど効果的に連携できるかにも依存します。

単一ロボットの知能からシステム知能へ

私は、これがロボティクス業界にとって重要な転換を示すものだと考えています。

従来、ロボットを評価する際には、可搬重量、位置決め精度、速度、繰り返し精度、関節トルク、剛性、信頼性といったパラメータに注目します。これらの仕様は今後も基本となります。

しかし、ロボットが協調システムとして動作し始めると、より広範な問いを投げかける必要があります。

ロボットは他のロボットの位置を継続的に把握できるでしょうか。他のロボットが実行しているタスクを認識できるでしょうか。自身の稼働状態をリアルタイムで共有できるでしょうか。故障になる前に異常状態を特定できるでしょうか。運転条件が変化した際、システムは迅速にタスクを再配分できるでしょうか。通信が途絶えた場合や、1台のロボットが使用不能になった場合はどうなるでしょうか。

これらの問いは、ロボットアーキテクチャにおける根本的な変化を示しています。

ロボットは、あらかじめ定義されたタスクを実行するだけの機械ではなくなります。ネットワーク接続され、状態を認識し、協働するインテリジェントノードへと変化しています。

マルチロボットシステムの開発には、すでに分散通信、タスク配分、状態同期、隊形制御、衝突回避が含まれています。これらの技術が成熟するにつれ、個々のロボットとより大きなロボットシステムとの境界は、ますます相互接続されていきます。

このことは、HONPINEにとって特に重要な別の問いを考えさせます。

ロボットの知能がシステムへと上位化していくなら、ロボットの動作を物理的に生み出す関節はどうあるべきでしょうか。

ロボット関節はロボットの「筋肉」以上の存在になるべきである

これはHONPINEが探求している問いの一つです。

従来のロボット関節の定義では、主な役割は明確です。コントローラからの動作指令を機械的な動きへ変換することです。

そのため、一般的な一体型ロボット関節モジュールは、精密減速機、モーター、エンコーダ、ブレーキ、駆動システムで構成されることがあります。このアーキテクチャは、従来の産業用ロボットにおいて高い有効性を実証してきました。

しかし私は、将来のロボットにはさらに多くのものが必要になると考えています。

ロボットがマルチロボット協調に参加することを期待されるなら、その関節は指令された回転量を知るだけでは不十分です。自身の稼働状態も理解する必要があります。

実際の出力位置はどこか。現在の速度はどれくらいか。関節はどのような負荷を受けているか。温度は安全範囲内か。通信リンクは正常に機能しているか。ブレーキは正常に作動しているか。モーター側と出力側の位置に異常な差はないか。関節に異常トルクまたは過負荷状態は発生していないか。

この情報を継続的に収集し、ロボット制御システムへ送信できるとき、関節は単なる受動的なアクチュエータを超える存在になります。

ロボットの動作状態情報における重要な情報源となるのです。

これが、私が次世代のインテリジェントロボット関節を理解する方法です。

デュアルエンコーダがますます重要になる理由

これが、HONPINEがデュアルエンコーダ技術を重視する理由でもあります。

従来のシングルエンコーダ構成では、システムはモーター側からフィードバックを取得できます。しかし、ロボットの実際の機械的動作は減速機構の出力側で発生します。

モーターの回転量は、最終出力部で実際に生じている正確な動作を必ずしも表すものではありません。

このため、モーター側エンコーダと出力側エンコーダは、異なる一方で補完的な機能を果たします。

モーター側エンコーダは、モーター整流、速度制御、モーター位置のためのフィードバックを提供できます。出力側エンコーダは、伝達段階後のロボット関節の実際の位置を直接測定できます。

ロボットに求められる動作精度、動的応答、状態監視が高度化するにつれて、出力側フィードバックの価値はますます高まります。

マルチロボット協調では、これはさらに重要になります。各関節が自身の実際の動作状態を正確に判断できれば、ロボットコントローラはより信頼性の高いロボットのリアルタイムモデルを構築できます。

この観点から、デュアルエンコーダは単に関節の位置決め精度を向上させる手段ではありません。ロボットの実際の動作状態を理解するための、より完全なフィードバック機構を提供します。

位置フィードバックからトルク・力センシングへ

しかし、多くの将来のロボット用途では、関節の位置を知るだけでは十分ではありません。

協働ロボット、ヒューマノイドロボット、力制御システム、マルチロボットマニピュレーションにおいては、別の問いが不可欠になります。

ロボットにはどれほどの力またはトルクが加わっているのか。

同じ物体を2台のロボットが協力して運搬する場合を考えてみてください。各ロボットが自身の位置だけを把握し、物体に加えられている力やトルクに関する情報を持たなければ、安定した協調動作を維持することははるかに困難になります。

ヒューマノイドロボットも、人や環境と物理的に相互作用する際に同様の課題に直面します。位置情報だけでは、ロボットと外界との相互作用を完全に記述することはできません。

そのため私は、ロボット関節モジュールの開発は、位置フィードバックから、位置、トルク、力、包括的な関節状態情報を組み合わせた方向へと徐々に進むと考えています。

問いは、関節が正確に動けるかどうかだけではありません。その動作中に何が起きているかを関節が正確に検知できるかも理解する必要があります。

HONPINEにとって、これは一体型トルクセンシングロボット関節を継続的な研究開発の重要分野とする理由です。

ロボット関節はネットワーク化されたモーションノードになりつつある

もう一つの重要なトレンドは、ロボット関節の接続性が高まっていることです。

従来のロボットアーキテクチャでは、コントローラと関節の関係は比較的単純です。コントローラが指令を送信し、関節がそれを実行します。

将来のロボットシステムでは、はるかに豊かな相互作用が求められる可能性があります。

各関節は、ロボットのリアルタイム制御ネットワーク内のノードとなることができます。動作指令を受信すると同時に、位置、速度、トルク、温度、電流、故障状態、ブレーキ状態、安全状態などの情報を報告できます。

この概念は、協調動作にリアルタイム通信と状態同期が不可欠である分散型マルチロボットシステムの発展と自然に適合します。

HONPINEの観点から見ると、ロボット関節モジュールの開発は機械性能だけに焦点を当てることはできません。

機械伝達、電気統合、センシング、通信、安全性の完全なアーキテクチャを考慮する必要があります。

精密減速機は依然として基本ですが、完全な関節の価値は、これらの技術がどれほど効果的に連携するかからますます生まれます。

安全性はインテリジェントロボット関節の基本能力になる

ロボットが人間に近づくにつれて、安全性はますます重要になります。

これは、協働ロボット、ヒューマノイドロボット、移動ロボット、建設ロボット、その他の動的環境で稼働するシステムに特に当てはまります。1つの関節の故障は、ロボット自体だけでなく、ロボットシステム全体の運用にも影響する可能性があります。

したがって、将来のロボット関節モジュールには、過電流保護、過温度保護、エンコーダエラー検出、位置偏差監視、異常トルク検出、通信障害検出、安全トルク制御を含む、より包括的な安全機構が必要です。

例えば、HONPINEのHAGシリーズには、ブレーキ機能に加え、安全アーキテクチャの一部としてSTO（Safe Torque Off）が統合されています。

ブレーキとSTOは異なる目的を果たします。ブレーキは特定の条件下で関節の機械的位置を保持するのに役立ち、STOはモーターがトルクを発生することを防ぐ駆動レベルの安全機能を提供します。

私の観点では、これらの機能を互いの代替として捉えるべきではありません。より包括的なロボット安全アーキテクチャにおいて、補完的な層を形成できます。

私は、安全機能がオプション機能から、インテリジェントロボット関節の基本能力へと徐々に移行すると考えています。

HONPINEがロボット関節モジュールを再考する理由

これらすべての発展を総合すると、将来のロボット関節は、おそらくハーモニック減速機、モーター、エンコーダ、ブレーキの組み合わせ以上のものになることが明らかです。

先進的な一体型ロボット関節は、精密伝達、モーター技術、デュアルエンコーダフィードバック、トルクセンシング、一体型駆動電子機器、リアルタイム通信、安全機能、関節状態監視をコンパクトなアーキテクチャに統合する可能性があります。

さらに重要なのは、これらの機能が孤立した部品として存在すべきではないことです。それらは、統合されたインテリジェントモーションノードとして連携する必要があります。

これは、HONPINEのロボット関節モジュール研究開発における重要な方向性です。

私たちは、ロボット関節を小型化、軽量化、または高トルク化することだけに関心があるわけではありません。これらは依然として重要なエンジニアリング目標ですが、それがすべてではありません。

ロボット関節が、より完全な動作状態センシング、通信、安全性、実行能力をどのように提供できるかについても検討しています。

これこそが、次世代のインテリジェントアクチュエータを従来のロボットアクチュエータと区別するものになると私は考えています。

次世代ロボット関節モジュールに向けたHONPINEの方向性

製品と技術の観点から、HONPINEは異なるロボット用途向けに、相互補完的な複数のロボット関節プラットフォームを開発すべきだと考えています。

HPJM：高信頼性・高トルクロボット関節

HPJMは、高トルク、剛性、信頼性、長期安定性が不可欠な用途向けに位置付けられています。

産業用ロボット、建設ロボット、移動ロボット、重負荷ロボットシステムでは、位置決め精度以上のものが求められることがよくあります。これらの関節モジュールは、長期間にわたって信頼性の高い動作性能を維持しながら、厳しい負荷に耐えなければなりません。

これらの用途では、高トルク、高剛性、精密伝達、高信頼性が引き続き開発の優先事項となります。

HAG：統合駆動、安全、通信

HAGは、より高度に統合されたインテリジェントロボット関節に向けたもう一つの方向性を示しています。

精密減速機、モーター、エンコーダ、駆動電子機器、通信インターフェース、安全機能をコンパクトな関節アーキテクチャに統合することで、システム統合の複雑さを低減し、完全なロボットプラットフォームへの関節統合を容易にできます。

このアーキテクチャは、スペース、配線、システム統合、分散制御が重要な考慮事項となるヒューマノイドロボット、協働ロボット、移動ロボット、その他の用途に特に適しています。

TCHL：力制御と動的相互作用のためのロボット関節

協働ロボット、ヒューマノイドロボット、および制御された物理的相互作用を必要とするロボットシステムでは、トルク情報がますます重要になります。

一体型トルクセンシングにより、ロボットは関節の位置と動きだけでなく、それらの動きに関連する力とトルクも理解できます。

私の考えでは、将来のロボット関節に対する問いはもはや単に次のことではありません。

この関節は正確に動けるか。

さらに次のことでもあります。

この関節は、動作中に自身が受けている状態を正確に理解できるか。

これが、トルクセンシングロボット関節がHONPINEの将来の技術ロードマップにおける重要な一部となる理由です。

真の機会は関節知能にある

次世代ロボット関節モジュールについてのHONPINEの理解を要約するなら、私は個別のハードウェア仕様に焦点を当てません。

最も注目に値する概念は、関節知能だと考えています。

インテリジェントロボット関節には、自身の稼働状態を監視し、ロボットコントローラに有用な情報を提供する能力が必要です。

例えば、異常な温度状態の識別、モーター側と出力側のエンコーダフィードバック間における通常と異なる差の認識、異常トルクの検出、通信中断への適切な応答、必要時にあらかじめ定義された安全状態への移行ができるべきです。

運用データが蓄積されるにつれ、関節は健全性監視と早期故障検出も支援できる可能性があります。

言い換えれば、関節は単に指令を実行する段階から、センシング、監視、フィードバック、保護、動作実行を含む、より完全な能力へと進化すべきです。

ここにこそ、インテリジェントアクチュエータが将来のロボットシステムに大きな価値を生み出すと私が考える理由があります。

マルチロボット協調時代にロボット関節モジュールはどうなるのか

最初の問いに戻りましょう。

なぜマルチロボット協調はますます重要になるのでしょうか。

それは、ロボットが独立した機械から、情報を共有し、タスクを配分し、動きを協調させ、変化する条件に集合的に対応できる接続型システムへと徐々に進化しているからです。

このシステムにおいて、上位ソフトウェアはタスク計画、経路計画、タスク配分、ロボット協調、システムレベルの意思決定を担います。

ロボット関節は、それらの決定を正確で信頼性が高く安全な物理的動作へ変換する役割を担います。

このため、ロボット関節モジュールはロボットの知能とロボットの動作をつなぐ重要なインターフェースとなります。

ロボットアーキテクチャの進化に伴い、上位システムはますます高知能化する一方、関節にはより正確なセンシング、通信、安全性、動作実行が求められます。

したがって関節は、ロボットのインテリジェントモーション層における重要な一部となります。

HONPINEはより優れた減速機を作るだけではない

これは、HONPINEの創業者として私がよく考える問いの一つです。

私たち自身を減速機メーカーとしてのみ定義するなら、研究開発は当然、伝達効率、精度、耐用年数、トルク容量、剛性、サイズ、重量に焦点を当てることになります。

これらは基本技術であり、HONPINEは今後も投資を続けます。

しかし、ロボティクスのより広い発展を見るとき、私たちの志はさらに先へ進むべきだと考えています。

私たちは精密減速機からアクチュエータへ、アクチュエータから一体型ロボット関節モジュールへ、そして一体型関節モジュールからインテリジェントモーションノードへと進み続けるべきです。

これは単に製品ポートフォリオへ製品を追加することではありません。

ロボティクスにおけるコアモーションコンポーネントの役割に対する理解を変えることを意味します。

精密ハーモニック減速機は、正確な伝達の基盤を提供します。

一体型アクチュエータは、伝達技術とモーター技術を組み合わせます。

インテリジェントロボット関節は、センシング、制御、通信、安全性を追加します。

これらの技術はともに、ロボットの知能と現実世界との物理的相互作用の間にある重要なモーション層を形成できます。

将来のロボットは1台のロボットだけではないかもしれない

私は、ロボティクス業界が大きな構造変化へ向かっていると考えています。

これまで私たちは主に、ロボットが何をできるかを語ってきました。

将来は、ロボットシステムが何を達成できるかを語ることが増えるかもしれません。

私たちは、個々のロボットがどれほど高い能力を持てるかに注目してきました。

次の問いは、単一の機械では困難または不可能なタスクを完了するために、複数のロボットがどのように協力できるかです。

ロボティクスが個々の機械から協調システムへ、単一ロボットの知能からシステム知能へと進むにつれ、ロボット関節モジュールも進化しなければなりません。

それらは、単にロボットの機械的な「筋肉」のままであってはなりません。

稼働状態を検知し、正確な動作を実行し、ロボット制御システムと通信し、システム全体の安全性と信頼性に貢献できるインテリジェントモーションコンポーネントになる必要があります。

これが、HONPINEが継続して投資すべき方向性だと私は考えています。

私たちの目標は、単により優れたハーモニック減速機や、より高性能なロボット関節を製造することではありません。

将来のロボットのためのインテリジェントモーション層の構築を支援したいと考えています。

これが、ロボティクスの次の段階におけるHONPINEの役割に対する私の考えです。

インテリジェントオートメーションの未来を動かす。

— Allen Li

創業者、HONPINE