ロボットとは?その種類や歴史、実際の活用方法など徹底解説

ロボットとは、一般的に人間をはじめとする動物の動きを基本に動作する機械や装置のこと。
人間に代わって作業を自動化するものなどは、主に産業用ロボット。それ以外の非産業用のものはパーソナルロボットと呼ばれ分類されています。
当記事では、一般的に「ロボット」と呼ばれるものが何であるのか?その分類や歴史、活用事例などを整理しました。

ロボットとは?ロボットの定義

まず、一般的に「ロボット」と呼ばれるものには、大きく分けて二種類存在します。
一つは産業用マニピュレーティングロボットで、日本工業規格の定義では「プログラミングによる自動的な制御によって、マニピュレーション機能などを駆使し、産業に用いられるもの」と定義されています。

マニピュレーション機能とは
人間の手足のような巧妙な動作機能のことで、アーム等の本来は単純な動作しかしないものに多様な動作を実現させるもののこと。

産業用マニピュレーティングロボットは、主に工場などの単純作業の工程で、人間の代わりに使用され、複雑な作業には向きませんが、重い物体の移動や大きな力を要する作業には絶大な効果を発揮しています。

産業用以外の非産業用のロボットを一般的に「サービスロボット」と呼び、日本国内では20世紀末頃から、一部メーカーによって製造・販売されています。

サービスロボットの多くは、人間の居住空間で一緒に生活するか、あるいは生活の手助けをする個人向けで、産業用のように単純に作業をこなすだけではなく、人間の感性等も考慮されているものと一般的に定義されています。

具体的には、犬や猫のようにペットの代わりとして人間とコミュニケーションをとることを目的としたものや、本来人間が行うべき清掃などを人間の代わりに行うなど、手助けを目的としたものが一般的です。

ロボットの歴史

日本は今やロボット産業大国とも呼ばれ、その開発において最前線を走る国の一つと言われています。前述の通り産業用と非産業用のロボットがあります。多くの人はロボットと聞くと人の形状をしたものを思い浮かべるかと思いますが、産業用として使用されるものはそうではないものがほとんどです。生産工場のラインで使用されるものや、建築現場、農作業などで使用されるものなど多岐に渡ります。

非産業ロボット「サービスロボット」の歴史

世界中にある多くの神話や、伝説には泥や石、金属で作られたゴーレムという人造人間が登場するなど、その歴史は「ロボット」という言葉が生まれる前、紀元前にまで遡るとも言われています。
「人の形をした人間でない何か」をロボットと分類するとこのような過去にまでさかのぼることになります。

そこから時代が進み、12世紀~19世紀頃には、フランスのパリを中心に「オートマタ」という機械で動く自動人形が作られました。

オートマタとは
言葉の原義としては「自動機械」のことであり、語源のギリシャ語「automatos」は「自らの意志で動くもの」というような意味合いを持つ言葉である。どういう条件を満たせばオートマタと呼ぶのにふさわしいかは、作られた時代背景や用途、特徴によっていろいろな種類があるがゆえに見解が分かれるところである。本項では主に、18世紀から19世紀にかけてのドイツやスイスの時計技術の革新と、ルネサンス以降のフランスが持っていたディレッタンティズムの複合によって作られた、動力がぜんまいばねによる人形状のものを中心に説明する。また、表記は「オートマトン」「オートマータ」などが同様の意味で用いられるが、学術用語との区別がつきやすく「人形」の意味で使うケースが多い「オートマタ」とする。

引用:Wikipedia

日本でも、からくり人形と呼ばれる機械的な仕組みがあり、「茶運び人形」などがオートマタとおなじようなロボットの起源として紹介されることが多くあります。

引用:Wikipedia

産業ロボットの歴史

産業用ロボットの歴史としては、1961年に開発されたアメリカのユニメーション社の「ユニメート」、同じくアメリカのAMF社の「バーサトラン」が世界で初めて実用化された産業ロボットとされています。

ユニメートは移動はせず、工場のベルトコンベヤーの横に設置される形態のものです。プログラミングされた関節座標に基づき独自の動きを成すもので、入力工程で保存された動きを運転中に再現するというものでした。

アメリカのユニメーション社の「ユニメート」

またパーサトランは、アナログ計算機で制御される初期の円筒座標型産業用ロボットのこと
(「バーサトラン」の写真)

日本国内では、川崎重工業が前述のユニメーション社と技術提携をして日本版のユニメートを1960年代後半に生産開始したことがロボット産業の始まりとされています。日本版ユニメートは自動車製造の際のスポット溶接作業に使用されました。日本でも1970年代に入ると国内大手製造業の多くがロボット産業に参画し始め、1980年代には開発競争が激化し始めます。

一方、当時のロボット開発先進国アメリカでは、1969年にスタンフォード大学が全電動式6軸関節式ロボット「スタンフォードアーム」を開発します。

引用:Wikipedia

スタンフォードアームはアームソリューションに基づき動くもので、溶接以外にも組み立て作業などより多くのタスクをこなすことができる技術として注目されました。また、世界で初めて開発された商業的に入手が可能な完全電気式マイコン制御ロボットは、1973年に欧州のABBロボティックスにより開発された「IRB6」です。初期のモデルはスウェーデンの会社に販売され、切削と研磨管の曲げの工程に使用されました。日本と同じく1980年代に入ると世界的にもロボット産業のブームは最高潮となります。そして現在に至るまで開発と採用は右肩上がりに増し、1998年には世界中で69,000台の生産台数から2014年には20万台を超えるところまで成長しています。

これからのロボット

ここまで整理したロボットの歴史・発展は、コンピュータの歴史に酷似しています。
コンピューターの世界では、機械式計算機が「計算」を行う 機械であったのに対して、半導体技術、計算機技術の進展により、コントローラとしての適用範囲の広がり、ネットワーク化されることにより、人の思考と記憶、コミュニケーションを代替強化する脳機能の補完系として、 ICT(Information and Communication Technology(情報通信技術))と呼ばれるまでに進化してきています。
これに対してロボットも、人の労働力を代替する、 マニピュレーション技術、移動技術、ビジョンを含む 識別・認識技術、これらを統合した ヒューマノイドと発展してきています。
コンピュータが脳の外化により人の思考・記憶能力を拡張したのに加え、人の身体能力を補完拡張するためにロボット技術(RT)を使用し、超高齢社会における社会のバリアフリー化、個人の能動的活動を支援することが期待されています。

このように現在では産業ロボットとしての活用だけではなく、介護や医療、掃除、警備、レスキューなどのサービスに使われるものや、接客、教育、家庭用などその用途の幅も大きく広がっています。

ロボットの技術要素

ロボットは、単一の技術だけで作成されているわけではなく、多くの要素技術が組み合わさって構成されています。
例えば、ハード的な機構部分としては、「機構」や「アクチュエータ」などがあり、動く部部分を担当する制御に関わる部分としては「制御装置」がある。
また周囲からの情報、たとえば音声や画像などを受け取る仕組みとしての「センシング」およびそれらの内容を認識するための「認識技術」や「人工知能(AI)技術(プランニング)」がある。
さらに人間との共存を図るためには、コンピュータと人の間でのコミュニケーションを良くする手段、すなわちコンピュータは人に対して、情報をわかりやすいように提示し、人は操作したい意思を容易にコンピュータに伝達する仕組みや、ヒューマンインターフェイスも重要な要素となってきます。

そこで、ここでは主要なロボットの技術要素を6つの分野に分けて整理していきます。

機構

「機構」とは、機械などの諸部分が互いに関連して働く仕組みのこと。
ロボットの機構について大まかな分類をすると「作業」と「移動」に分けられます。
作業に関しては、ハンド付きのロボ ットアームが用いられることが多く、移動に関しては、車輪ロボットが用いられることが多くあります。
車輪ロボットは、全方向移動や不整地対応など、目的や環境により様々な種類があります。
このように機構は、各ロボットの用途に応じて個別に設計されることが多く、モジュール化により開発が容易になったソフトウェアや制御回路の状況とは対照的と言えます。
しかし近年の3DCADなどの発達や、3Dプリンタなどの登場により、複雑な形状をデスクトップ上でも製作できる環境が整いつつあることから、今後のものづくりの流れを変える事が期待されています。

アクチュエータ

「アクチュエーター」とは、入力されたエネルギーもしくはコンピュータが出力した電気信号を、物理的運動に変換する機械・電気回路を構成する機械要素のことで、能動的に作動または駆動するもののことを言います。
現状では電気式のモータ駆動が主流ですが、空気式や油圧式なども制御技術の進歩により広まってきており、更により効率的で強力なパワーを発揮できる人工筋肉等の活用も今後注目されています。
柔軟性のある人工筋肉は、ウェアラブル機器のアクチュエータに適しているといえます。

制御装置

「制御装置」は、選択した行動に基づいて「動く」ことを担当する部分です。
複数のロボットによる協調制御や、産業用ロボットのティーチングを簡素化するための自動化プログラミングなど多くの制御方法の開発が行われています。また、モータの駆動系を制御するサーボ方式や、駆動力を制御するトルクサーボなどが開発されており、人に危害を加えにくい制御法も実用化され始めている。また、これまでは制御が難しいとされてきた歩行ロボットや飛行ロボットなどが安定して制御されるようになってきています。今後は、更に開発効率を上げるためのソ フトウェア(ミドルウェアやライブラリーなど)の技術開発が必要と言われています。

センシング

ロボットは、感じて、考えて、動くシステムですが、この「センシング」は”感じる”部分を担当している技術です。
人には五感と呼ばれる「視覚」「聴覚」「触覚」「嗅覚」「味覚」の感覚がありますが、ロボットはこのうち「視覚」「聴覚」「触覚」などを専用のセンサを用いて感じています。
「視覚」センサは、人の目を超える高分解能、高感度を実現し、暗闇でも見ることができるイメージセンサなどの開発が行われています。
また「触覚」センサはウェアラブル機器に適したフレキシブルなものが開発されています。

認識技術

センシングは、人でいう五感で感じる部分のことです。
そこで得られた感覚を処理して、環境及び自分の状態を検知しますが、ロボットも同様にセンシングで得られたデータを処理・統合することで状態を認識します。
その認識技術には下記のようなものがあります。

音声認識

音声認識とは、人間の声などをコンピューターに認識させることです。具体的には携帯電話特にiPhoneなどのiOSに搭載されているSiriでは、話し言葉を文字列に変換したりするだけではなく、その質問等に回答することまでできるようになっています。また、音声の特徴をとらえて声を出している人を識別する機能なども、日々開発が続けられてより精度も高くなっています。

画像認識

画像認識とは、画像や動画からその特徴を把握し、対象物を識別するパターン認識技術の1つです。
人の場合は画像に写っているものが何であるかを、これまでの経験から「理解」して判断することができますが、コンピューターにはそれができません。
画像に何が写っているかを「理解」することができませんが、たくさんの画像データから、対象物の特徴を学習することで、未知の画像を与えた時に、対象物が何であるかを「確率」として表現することができるようになります。

自己位置推定

自己位置推定とは、 ロボット自身が今どこにいるのか?またはどっちの方向を向いているのか?どれぐらいの速度で移動しているのか?など
現在のロボットの状態を各種のセンサデータを使用して推定する技術の事です。

具体的には、GPS(Global Positioning System)を利用して、自分の現在の位置を特定するなどするもので、このGPSは携帯電話や自動車などにも搭載されております。
身近な活用方法としては、自動車の運転中に衝突を予知してブレーキをかけるといった、事故を未然に防ぐ機能などにも活用されています。

ポーズ・ジェスチャー認識

人とのコミュニケーションをとるロボットにとっては重要な技術になります。
この認識技術の活用の場として考えられるのは、寝たきりの方が例えば部屋にある電化製品を動かしたいときなど、体のジェスチャーを学習させて識別できるようにしておくと、電化製品の操作が可能になります。

人工知能(AI)技術(プランニング)

人工知能とは、コンピュータを使って、学習・推論・判断など人間の知能のはたらきを人工的に実現したもので、簡単に言うと「人工的に作られた人間のような知能」の事です。
ロボットにおいてはセンシングにおいて得られた情報を認識技術により認識し、その処理を人工知能によって判断する流れとなります。

「人工知能=ロボット」と勘違いしている方も多いかもしれませんが、
「人工知能」はロボットにおける「脳」の部分のみ。
その人工知能の学習方法には、「機械学習」「ディープラーニング」があります。最近では脳型人工知能のディープラーニング(DL)の研究開発が活発化しており、DLによる音声認識や画像認識の認識率が向上しています。今後、さらにその研究成果と技術の発展が期待される分野です。

ロボットの種類

前述の通りロボットは大別すると「産業ロボット」と「サービスロボット」の2分類に分けることができます。

産業ロボット

産業用ロボットは、一般的に「3軸以上の自由度があり、プログラムによって自動制御可能なマニピュレーションロボット」のことを指すし、分類すると下記のようになる。
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垂直多関節ロボット:軸数: 4~7軸

垂直多関節ロボットは、産業用ロボットの中でも現在主流となっている、人間の腕に似た形状が特徴のロボットです。事前に作業動作を記憶させ導入することによって、これまで人の手に頼らざるを得なかった高難度の緻密な作業を代替して実行することができます。現在、主に溶接や搬送作業に導入されています。
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水平多関節ロボット:軸数: 4軸

水平多関節ロボットは、水平方向の動作に特化した産業用ロボットで、スカラロボットとも呼ばれています。産業用ロボットの中でもシンプルな構造であることと、水平方向の高速な動きを得意とすることが主な特徴です。現在、主に基板の組み立て作業などに導入されています。
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パラレルリンクロボット:軸数: 4~6軸

パラレルリンクロボットは、従来の産業用ロボットが課題とするコストの高さを解決するために生み出されたロボットです。パラレルリンク機構という並列に構成された複数のリンクでロボットを制御する方式と、天井から吊り下げる形での設置が主な特徴です。現在、主にピッキングや組み立て作業に導入されています。
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直交ロボット:軸数: 2~4軸

直交ロボットとは、2つから3つの交差する直線的なスライド軸を中心としたパーツで構成された産業用ロボットです。非常にシンプルな構造で精密な動作が可能であることと、導入後のコストパフォーマンスの高さが主な特徴です。現在、主に組立作業や搬送工程に導入されています。
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サービスロボット

産業用に当てはまらないロボットは、全部サービスロボットに分類されるとするとその種類は下記のように分類できます。

コミュニケーションロボット

コミュニケーションロボットは、人の生活の状況に応じた適切な動作や言葉を発するロボットです。ロボットの機能によって、会話型、動作型、会話・動作複合型の3種類に分類されます。それぞれの機能の特徴を生かすことで、接客業などの人手不足が解消できるのではと期待されています。
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家事代行ロボット(ホームロボット)

自宅においての家事を代行できる家事代行ロボットは、一般的に普及が進んでいる掃除ロボットから、実用化や普及に向けて開発が進められている人型の全自動代行ロボットまで幅広い種類が存在します。いわゆる時短家電の延長線上から、今後さらなる発展が期待されています。
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医療代行ロボット

現在の医療現場では、医師や看護師などの医療従事者に代わって業務を遂行できるロボットが数多く導入されています。手術やリハビリだけでなく、普段の診療まで代行できるロボットも導入が進んでいます。導入がさらに進むことで、医師・看護師不足の問題解決や高精度なサービス提供の実現が期待されています。

農業ロボット

農業ロボットは、力仕事や繊細な作業だけでなく、農業分野でのありとあらゆる場面に対応できるロボットです。自動収穫ロボットやロボットトラクターなど、必要とする場面で対応するロボットの種類や形状も様々です。導入がさらに進むことで、農業における労働力不足の解消が期待されています。
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パワーアシストスーツ(ウェアラブル)

パワーアシストスーツとは、電動の動力源や人工筋肉などで人間の動きをサポートする衣服や装置のことです。スーツの使用目的や動力によって複数の種類に分類されます。現在、労働環境の改善にむけて介護業界や建設業界などで導入が進み始めています。
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セキュリティロボット

セキュリティロボットは、警備ロボットとも呼ばれ、近年都市部を中心に導入が進んでいます。カメラやアラームを搭載しており、非常時に作動するシステムが主ですが、最近ではAIを活用した自動警備体制に対応するものが登場してきています。導入がさらに進むことで、人手不足の解消と警備体制の強化が期待されています。

測量、危険地帯作業ロボット

近年では、人間が立ち入ることができない地域で地形を調べたり作業を行ったりすることができるロボットがさまざま導入されています。AI技術を活用した危険地帯での人命救助や、遠隔操作による原子力発電所の解体作業などで大きな功績をあげており、近年注目が高い分野です。

自動運転車

AI技術の発展によって、人間が運転するよりも安全とされる自動運転車の導入と普及が現実味を増しています。そのほかにも、今まででは考えられなかった分野においてのロボット導入や普及が今後進んでいくのではないでしょうか。

ロボットの活用方法事例

ロボットは様々な活用場面があります。活用事例を詳しく紹介します。

ロボットスーツ

建設現場や介護現場における身体的負担を軽減する形で、近年導入が進んでいます。また、身体的負担の激しい物流現場においても導入が検討され始めていることも事実で、今後さらに多くの業界で導入が進むことでしょう。

介護ロボット(セラピーロボット)

介護現場では、身体強化のスーツ型ロボットのほかに、利用者のメンタルケアを目的としたセラピー型のロボットの導入も進んでいます。動物型のロボットを利用者のもとに置くことで、コミュニケーション機会の増加や癒し効果による利用者のストレス解消が期待できます。

災害対策ロボット

地震や火災などの災害発生時において、いち早い人命救助をアシストするロボットの開発と導入が進んでいます。情報収集に特化した種類のロボットだけでなく、近年においては人命救助そのものを可能とするロボットの導入も各地で進められています。

ロボットカー(Google)

近年Googleなどが開発に取り組んでいる全自動運転自動車のロボットカーは、現時点ではまだ普及にむけて数多くの課題があります。もし実用化が実現すれば、従来の自動車を運転することができない人の交通手段に新たな選択肢が生まれ、人や物の移動が活発化することが期待できます。

掃除ロボット

日々の家事負担軽減を目的として普及している自宅用床掃除ロボットのほかにも、掃除ロボットはさまざまな場で数多く活用されています。近年では業務用の床洗浄機や窓掃除に特化したロボットなどが実用化され、将来的にはあらゆる場所をロボットが清掃できるようになるかもしれません。

産業用ロボット

産業用ロボットは、労働生産性向上のために工場などに導入されています。日本の工場では、人手不足の解消に向けた自動化も積極的に進められており、製造から出荷の各工程で数多くの産業用ロボットが導入されています。

ロボットレストラン(エンターテイメント)

2012年に日本にオープンしたロボットレストランは、先進性と話題性を武器に観光客をターゲットとして営業してきました。エンターテイメント施設として、様々な種類のロボットがショーなどを通じて店内を盛り上げていくスタイルが大きな特徴となっています。

コミュニケーションロボット

コミュニケーションロボットは、機能の種類に応じて活用される場が異なります。自宅や介護現場に設置してコミュニケーションを促すロボットや、人手不足解消を目的に施設の受付業務を代行するロボットなど、現在では人々の生活に合わせた形で数多くのロボットが活用されています。

まとめ

以上のように、ロボットにはしっかりとした歴史背景や数多くの分類が存在し、ロボットは現在の社会において必要不可欠なものとして各所で活躍しています。近年では、人間が行っている作業の代行だけでなく、人間にはできない作業に取り組むことも増えており、今後ロボットの価値はさらに高まっていくことでしょう。そして私たちは、今後に向けてロボットに関する知識や関心を少しでも高めていく必要があるのではないでしょうか。