ロボット・制御工学とは何を学ぶ学問？――機械・電気・情報を組み合わせ、ものを思いどおりに動かす技術
お世話になっております。
工場で自動車を組み立てる産業用ロボット。
自動で部屋を掃除するロボット掃除機。
空を飛ぶドローン。
そして、人間の歩行を助ける介護・福祉ロボット。
現在、さまざまな場所でロボットが活躍しています。
しかし、ロボットは単にモーターや歯車を組み合わせれば完成するわけではありません。
例えば、工場で部品をつかんで運ぶロボットを考えてみましょう。
ロボットの腕を動かすためには、機械の構造が必要です。
モーターを動かすためには、電気・電子技術が必要です。
部品の位置を知るためには、センサーが必要です。
そして、どこに部品があるのかを判断し、適切な動きを計算するには、情報技術が必要になります。
つまり、ロボットは複数の工学分野を組み合わせることで実現しているのです。
今回は、そんなロボット工学と制御工学について、大学で何を学ぶのか、将来どのような仕事につながるのかまで深く見ていきましょう。
■ そもそも「ロボット工学」と「制御工学」は何が違う？
最初に、ロボット工学と制御工学の違いを考えてみましょう。
ロボット工学は、ロボットの構造、動作、認識、判断など、ロボットを実現するための技術を総合的に研究する学問です。
例えば、人間の手のように物をつかむロボットを開発する場合、関節の構造、モーター、センサー、動作の計算などを考える必要があります。
一方、制御工学は、機械やシステムを目的の状態に近づけ、安定して動かすための学問です。
制御工学の対象はロボットだけではありません。
自動車、ドローン、エアコン、電力設備、工場の生産装置など、さまざまなところで利用されています。
例えば、エアコンの設定温度を25℃にしたとしましょう。
エアコンは室温を測定し、設定温度との違いに応じて運転を調整します。
これは制御工学の基本的な考え方です。
ロボット工学は「ロボットというシステムをどう実現するか」。
制御工学は「システムをどうすれば目的どおりに動かせるか」。
こう考えると、両者の違いが分かりやすいでしょう。
■ ① ロボットの身体をつくる――機械工学
人間が腕を動かすときには、骨や筋肉、関節が働きます。
ロボットにも、これらに相当する仕組みが必要です。
例えば、産業用ロボットの腕には、複数の関節が設けられています。
それぞれの関節を回転させることで、先端部分を目的の位置へ移動させます。
では、関節はいくつ必要なのでしょうか。
どのくらいの長さの腕にすればよいのでしょうか。
重い部品を持ち上げるためには、どれくらいの力が必要なのでしょうか。
このような問題に関係するのが機械工学です。
特に、機械の動きや力を分析する機械力学、機構学、材料力学などが重要になります。
また、ロボットが物をつかむ部分を「ロボットハンド」と呼びます。
硬い金属部品をつかむ場合と、柔らかい果物をつかむ場合では、必要な仕組みが異なります。
果物を強く握りすぎれば、つぶれてしまうかもしれません。
そこで、柔らかい材料や特殊な構造を利用して、壊れやすいものを安全につかむロボットも研究されています。
これは「ソフトロボティクス」と呼ばれる分野にもつながっています。
ロボットの身体をどのような構造にするか。
機械工学は、その根本を考える分野なのです。
■ ② ロボットを動かす――電気・電子工学
ロボットの身体が完成しても、それだけでは動きません。
関節を動かすためには、モーターなどの駆動装置が必要です。
また、モーターに適切な電力を供給し、回転速度や力を調整する必要があります。
ここで重要になるのが電気・電子工学です。
例えば、モーターの回転速度を変えるためには、電流や電圧を適切に制御する仕組みが必要です。
さらに、モーターが現在どのくらい回転しているのかを測定するため、エンコーダーなどのセンサーを使うこともあります。
ロボットには、モーターだけでなく、電源回路、制御回路、通信回路など、さまざまな電子技術が使われています。
つまり、電気・電子工学は、ロボットが実際に動くためのエネルギーと信号を扱う重要な分野なのです。
■ ③ ロボットが周囲を知る――センサー・計測工学
人間は目や耳、皮膚などから周囲の情報を得ています。
ロボットも、周囲の状況を知らなければ、適切に動くことができません。
そこで必要になるのがセンサーです。
例えば、ロボット掃除機には、障害物との距離や床の状態、自分自身の動きなどを調べるためのセンサーが使われています。
工場のロボットでは、カメラを使って部品の位置や向きを検出することがあります。
また、人間と接触するロボットでは、接触したときの力を測定することも重要です。
センサーによって得られた情報は、そのままでは必ずしも正確とは限りません。
測定には誤差や雑音が含まれることがあります。
そのため、複数のセンサーの情報を組み合わせたり、数学的な処理によって測定結果を推定したりします。
このような技術は、計測工学や信号処理とも深く関係しています。
ロボットが安全に動くためには、まず自分自身と周囲の状態を正しく知ることが必要なのです。
■ ④ ロボットが判断する――情報工学・AI
ロボットが周囲の情報を取得できるようになったら、次はその情報をどう使うかが問題になります。
例えば、カメラで撮影した画像の中から、目的の部品を見つけるにはどうすればよいのでしょうか。
また、障害物を避けながら目的地へ移動するには、どのような経路を選べばよいのでしょうか。
こうした問題に関係するのが情報工学です。
ロボットでは、画像処理、経路探索、アルゴリズム、プログラミング、AIなどの技術が利用されます。
例えば、自律移動ロボットでは、周囲の地図を作成したり、自分の位置を推定したりする必要があります。
さらに、障害物が現れた場合には、移動経路を変更することもあります。
最近では、機械学習を利用して、物体の認識や動作の学習などを行う研究も進んでいます。
ただし、すべてのロボットに高度なAIが必要なわけではありません。
決められた作業を正確に繰り返すロボットでは、従来のプログラムや制御技術が中心となる場合もあります。
情報工学は、ロボットに何をさせるか、どのように判断させるかを考える重要な分野なのです。
■ ⑤ 制御工学――どうすれば正確に動かせるのか？
ここからは、制御工学をもう少し詳しく見てみましょう。
例えば、ロボットの腕を90度回転させたいとします。
モーターに電気を流せば、関節は回転します。
しかし、何も考えずに回転させるだけでは、90度を超えてしまうかもしれません。
反対に、摩擦や荷物の重さの影響で、90度まで届かない可能性もあります。
そこで、現在の角度をセンサーで測定し、目標の90度との差を調べます。
目標より小さければ回転させ、目標に近づいたら動きを調整します。
このように、実際の状態を測定して、目標との差を小さくする仕組みを「フィードバック制御」と呼びます。
フィードバック制御は、ロボットだけでなく、自動車の速度制御、ドローンの姿勢制御、工場の温度管理などにも利用されています。
ただし、制御は単に目標との差を小さくすればよいわけではありません。
急激に動かすと振動が発生したり、目標を何度も行き過ぎたりする場合があります。
そのため、どのような調整をすれば、速く、正確に、安定して動くのかを数学的に考えます。
ここが制御工学の面白いところです。
■ ⑥ ドローンは、なぜ空中で姿勢を保てるのか？
制御工学の身近な応用例として、ドローンを考えてみましょう。
しかし、プロペラを回すだけでは安定して飛ぶことはできません。
例えば、風が吹いた場合には、機体が傾くことがあります。
そのままでは、目的の方向へ飛べなくなったり、姿勢を保てなくなったりする可能性があります。
そこで、ジャイロセンサーや加速度センサーなどによって機体の動きを測定します。
そして、機体の姿勢を安定させるために、各モーターの回転を調整します。
このような処理を非常に短い時間間隔で繰り返すことで、安定した飛行を実現しています。
ドローンには、機械工学、電気・電子工学、センサー技術、情報工学、制御工学などが組み合わされています。
まさに複数の工学分野が一つの製品に集まった例といえるでしょう。
■ ⑦ 自動運転――認識・判断・制御を組み合わせる
自動運転も、ロボット・制御工学と深く関係する分野です。
自動運転車が道路を走るためには、まず周囲の状況を認識しなければなりません。
カメラやレーダーなどを使って、歩行者やほかの自動車、道路の状況を調べます。
次に、その情報をもとに、どのように走行するかを判断します。
例えば、前方に障害物がある場合には、速度を落とすのか、安全な範囲で回避するのかなどを考えます。
そして、最後にアクセル、ブレーキ、ハンドルなどを制御します。
ここでは、情報工学による認識や判断と、制御工学による車両の運動制御が組み合わされています。
ただし、公道で安全に自動運転を実現するには、技術だけでなく、交通ルールや安全基準、責任の所在なども重要になります。
ロボット・制御工学の発展は、社会制度や倫理の問題とも関係しているのです。
■ ⑧ 医療・介護ロボット――人間の身体を支える技術
ロボット工学は、工場で使う機械だけの学問ではありません。
医療や介護、リハビリテーションの分野でも研究が進められています。
例えば、歩行を補助する装着型ロボットを考えてみましょう。
人が歩こうとするとき、脚の関節や筋肉が動きます。
その動きをセンサーで検出し、必要に応じてモーターなどで補助します。
ここでは、機械の構造だけでなく、人間の身体の動きについても理解する必要があります。
さらに、人間とロボットが直接接触するため、安全性が非常に重要です。
強い力を加えすぎると、身体に負担をかけてしまう可能性があります。
そのため、適切な力で補助する「力制御」や、人間の動きに合わせて動作を変える制御技術などが研究されています。
このような分野では、機械工学や制御工学に加えて、生体工学や医療・福祉の知識も必要になります。
ロボットは、人間の仕事を代わりに行うだけでなく、人間の能力や生活を支えるためにも研究されているのです。
■ ⑨ ロボット工学と情報工学は、どこが違う？
ここは、進路選択で特に重要な部分です。
ロボットを作りたいと思っている高校生の中には、機械系と情報系のどちらへ進むべきか迷う人もいるでしょう。
例えば、自律移動ロボットを開発する場合を考えてみます。
機械系では、車輪や脚の構造、モーターの配置、力の伝達、振動などを研究します。
電気電子系では、モーターを動かす回路やセンサー、電源などを研究します。
情報系では、周囲を認識するアルゴリズムや、移動経路の計算、AIによる判断などを研究します。
制御系では、機械の状態を測定し、目標どおりに動かすための方法を研究します。
つまり、同じロボットを研究していても、注目する部分が異なるのです。
ただし、実際の研究では、これらの分野が完全に分かれているわけではありません。
機械系の研究室でもプログラミングを利用しますし、情報系の研究室でも実際のロボットを使って実験することがあります。
そのため、大学を選ぶ際には、学科の名前だけでなく、研究室でどのような技術を扱っているのかまで調べることが重要になります。
■ 高校の数学・物理は、どのように使われる？
ロボット・制御工学では、数学と物理が非常に重要になります。
例えば、ロボットの腕を動かす場合、関節を何度回転させれば先端が目的の位置に届くのかを計算する必要があります。
ここでは、三角関数やベクトルなどを利用します。
また、ロボットの腕に働く力や運動を分析する場合には、力学や微分・積分が必要です。
制御工学では、機械の動きを数式で表し、その動きが時間とともにどう変化するのかを考えます。
そのため、大学では微分方程式、線形代数、ラプラス変換、確率・統計なども学びます。
さらに、センサーの測定値には誤差があるため、統計的な考え方を利用する場合もあります。
高校で学ぶ数学や物理は、ロボットを正確に動かすための基礎になっているのです。
■ 大学では、実際に何を学ぶの？
大学のロボット・制御系では、講義だけでなく、実験やプログラミング、設計製作などを行います。
例えば、小型ロボットを製作し、モーターやセンサーを取り付け、プログラムによって動かす実習があります。
また、コンピュータを使ったシミュレーションによって、ロボットの動きや制御の性能を予測することもあります。
実際のロボットを動かすと、計算どおりに動かない場合があります。
摩擦、部品の誤差、センサーの雑音、モーターの特性など、さまざまな要因が影響するからです。
そこで、実験結果を分析し、設計やプログラムを改善していきます。
ロボット工学では、ものづくりとプログラミングの両方を経験できることが大きな魅力です。
■ ロボット工学を学ぶなら、プログラミングは必要？
ロボット工学を学ぶうえで、プログラミングは非常に重要です。
ただし、情報工学科で学ぶプログラミングと、ロボット工学で利用するプログラミングでは、目的が異なる場合があります。
例えば、情報工学ではWebサービスやデータ処理、AIなどを目的としてプログラムを作ることがあります。
一方、ロボット工学では、センサーから情報を読み取り、モーターを動かし、機械の動作を制御するためにプログラムを使います。
大学や研究室によっては、Python、C、C++などの言語を利用します。
また、ロボット向けのソフトウェアを開発するときには、ROSやROS 2といった開発基盤を利用する場合もあります。
そのため、「プログラミングも好きだけれど、実際に動くものを作りたい」という人には、ロボット工学は魅力的な分野になるでしょう。
■ ロボット・制御工学に向いているのは、どんな人？
ロボット・制御工学に向いているのは、単にロボットが好きな人だけではありません。
例えば、次のような関心がある人にも向いています。
機械を設計したり、組み立てたりすることが好き
プログラミングで実際のものを動かしてみたい
センサーや電子回路の仕組みに興味がある
AIをロボットや自動運転に応用したい
数学や物理を使って機械の動きを考えたい
医療や介護、防災などに役立つ技術を開発したい
試行錯誤しながら問題を解決することが好き
ただし、すべての分野が得意である必要はありません。
最初は機械に興味があった人が、大学でプログラミングの面白さに気づくこともあるでしょう。
逆に、情報工学に興味があった人が、実際のロボットを動かす研究に進むこともあります。
大切なのは、自分がロボットのどの部分に興味を持っているのかを考えることです。
■ 卒業後は、どのような仕事に就くの？
ロボット・制御工学を学んだ人が活躍する業界は、非常に幅広くなっています。
産業用ロボットメーカー、自動車メーカー、電機メーカー、精密機器メーカーなどが代表的です。
また、工場の自動化設備、医療機器、ドローン、物流システムなどの開発にも関係しています。
仕事の内容も、機械設計、電子回路設計、組み込みソフトウェア開発、制御システム開発、ロボットの研究開発、生産設備の自動化など、さまざまです。
さらに、ロボットを開発する企業だけでなく、ロボットを導入して工場の生産性を改善する仕事もあります。
大学院へ進学し、ロボットの運動制御やAI、センサーなどの専門研究を深める道もあります。
ロボット・制御工学は、一つの業界に限定されず、さまざまな産業で活用できる学問なのです。
■ 最後に――ロボット工学は、複数の学問をつなぐ分野
ロボットを作るためには、機械工学だけでは足りません。
電気・電子工学だけでも、情報工学だけでも、完成しません。
それぞれの技術を組み合わせ、目的どおりに動くシステムとして完成させる必要があります。
そして、そこで重要な役割を果たすのが制御工学です。
ロボット工学の面白さは、一つの学問を深く研究するだけでなく、複数の専門分野を組み合わせることで、新しい機能を実現できることにあります。
工学部を志望する高校生には、ぜひ考えてみてほしいと思います。
ロボットの身体を作りたいのか。
モーターやセンサーを開発したいのか。
AIによって判断させたいのか。
それとも、ロボットを正確で安全に動かす仕組みを研究したいのか。
同じ「ロボットが好き」という気持ちでも、目指す研究分野は異なります。
「ロボットのどの部分を作りたいのか」
そこから考えてみることが、自分に合った大学や学科を見つける第一歩になるのではないでしょうか。
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