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。

(オートマタの写真)

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。

(茶運び人形の写真)

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。
(「ユニメート」の写真)

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。

(「スタンフォードアーム」の写真)

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。

①垂直多関節ロボット:軸数: 4~7軸
②水平多関節ロボット:軸数: 4軸
③パラレルリンクロボット:軸数: 4~6軸
④直交ロボット:軸数: 2~4軸

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。

①コミュニケーションロボット
②家事代行ロボット(ホームロボット)
③医療代行ロボット
④農業ロボット
⑤パワーアシストスーツ(ウェアラブル)
⑥セキュリティロボ
⑦測量、危険地帯作業ロボット
⑧自動運転車・・・など

ロボットの活用方法事例

1 ロボットスーツ
2 介護ロボット(セラピーロボット)
3 災害対策ロボット
4 ロボットカー(Google)
5 掃除ロボ
6 産業用ロボット
7 ロボットレストラン(エンターテイメント)

準備中

まとめ

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