【レイバーOS(制御系プログラム)】『機動警察パトレイバー：98式AVイングラム性能/メカニズム』レイバー性能を左右するOS(制御系プログラム)

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今回は、『機動警察パトレイバー：98式AVイングラム性能/メカニズム』レイバー性能を左右するOS(制御系プログラム)についてご紹介します。

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ハイパーテクノロジーの急速な発展と共に、あらゆる分野に進出した多足歩行式作業機械「レイバー」。
しかし、それは「レイバー犯罪」と呼ばれる新たな社会的脅威をも生み出すことになった。
続発するレイバー犯罪に、警視庁は本庁警備部内に特科車両二課を創設して、これに対抗した。

通称「特車二課」パトロールレイバー中隊パトレイバーの誕生である。

『機動警察パトレイバー：98式AVイングラム性能/メカニズム』レイバー性能を左右するOS(制御系プログラム)についてご紹介します。

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レイバー開発では、比較的初期の段階において多脚歩行式と直立二脚式の研究が分離する方向に向かった。多くの企業が直立二脚式に絞り込んで実用化を目指した理由は、制御プログラムが多脚式とはまったく性質の異なるものだったからである。

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機械的な、ハードウェア面での相互関連性は高かったが、これを制御するオペレーション・システムについては、共通性はほとんど無いも同然だったという。

生物進化を辿るかのごとく段階的に脚数を減少させて歩行を再現する研究は古くから行われているが、そこから得られた基礎データが、今求められる機器開発には必ずしも有効であるとはいえず、実質的な関連性も薄いことはすでに判っていた。

四脚あるいはそれ以上の多脚を有するレイバーあるいはロボットは、次第に多用途汎用というよりは特殊用途機材として位置付けられるようになり、二脚歩行モデル開発部門との研究・実験基礎データの共有こそ行われたが、実質的な作業はそれぞれ独立した別部門として進められることになったのある。

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研究が先行したのは多脚式の歩行モデルである。歩行時の安定性が高く転倒リスクが小さい六脚や四脚歩行機械は、作業時の車体安定性に重きを置くならば労働用機械にうってつけで、必要に応じ歩行脚部を不動固定状態にし、作業プラットフォーム化することも可能と判断された。

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これは従来型建機で装備される「アウトリガー(車体を安定させる)」のような役割を兼ねた機能を歩行脚に付与しようという試みでもあった。

コンピューター上での歩行駆動概念モデルによる検討段階で、歩行制御実現への機械構造的なアプローチが比較的容易で、かつ作業時の安定を十二分に確保するという目的に適った歩行脚数は「6」がよいとされた。

歩行脚配置は、上半身の回転軸中心に基部を置き、ここから放射状に広がるようにレイアウトするのが理想で、その姿はあたかも太った「バクテリオファージ」のようであったという。

放射状配置であれば、前後左右への移動に融通性が高く、全方向へと動くことが可能である。それぞれの脚関節(多関節を想定していた)を任意に曲げて上半身の水平を維持調整し、重心をなるべく低く落とした状態で各関節部をロックすれば安定不動のプラットフォーム化が実現できるという考え方であった。

しかし、実際には放射配置された六脚の歩行肢で任意に全方向へと歩くことは、制御プログラムが複雑化しすぎるという現実に突き当たった。

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搭載を想定した車上コンピューターのスペックに見合わない容量と演算速度が要求されるのである。

もちろん、脚部のみのスケールモデルを用いて平滑なトライアル・トラックを歩行することは容易だった。脚の挙動を単純化したモデルでは何ら問題は出なかったのである。

ところがフルスケールの歩行実験モデルに上半身を想定したダミー・ウェイトを搭載し、機能肢を動かしている状況を再現した重心移動を加えながら、障害となる瓦礫に覆われたテストフィールドを歩かせる実験では、動きの緩慢さには眼を瞑るとしても、脚制御のハーモナイズが破綻し、あろうことか躓いて転倒するという事態が発生してしまった。

何のことはない、上半身の重心移動に対応するバランス制御が、直立二脚歩行を実現するためのバランス制御に匹敵するほどの複雑な歩行制御プログラムが必要であることが明確になったのである。

放射状に配置された脚部は「アキンボウ」と呼ばれる肘を張るような形状が常態であるため、もとより静止時の安定性は確保されているものの、六脚による効率的な歩行運動制御が単なる歩行ではなく、作業をしながら動くことによって実験室レベルでの想定を遙かに超えた不確定要素が介入するという、振り返って思えば判りきった事実を改めて突きつけられたことになる。

先述の通り建設機械という用途からすれば、歩行脚を含む移動肢部分は、その上に載る機能肢(作業用アーム)とそのターレット(旋回機構)、及び操縦室を収める上半身を水平に維持し不動のプラットフォームを形成することが理想であるという高いハードルが設定されており、これが実現できないのであればわざわざクローラやホイールを脚に変更する意味はないとまで言われていたそうである。

しかし放射状配置の六脚歩行は挫折した。だが研究開発者たちはこれにいつまでも拘泥することはせず、不整地踏破能力、特に上下移動への地形追随性が高いことが大きな魅力である多脚式移動肢装備レイバー開発を諦めることはなく、障害にぶつかりながらも実用化への研究が継続された。

制御プログラムのみならず、多脚になることで動力と(物理的な意味での)制御回路システムが複雑になり、車体シャシー部の総重量も増すというデメリットはあるが、被支持部(上半身)の重量を個々の脚に分散することで、作業器材(腕部)の大型化も見込めるという目算があったようだ。

多脚式のレイバーは結局、折衷的な設計とはなったものの充分に実用的に完成した。歩行脚に走行用ホイールを装備し、搭乗者位置を高く置いた見通しの利く操縦席を具え、急坂登攀を伴う作業、中長距離の移動を要する高速道路建設用などの特殊用途向け車輛として広く普及することになる。

一方、直立二脚式レイバー開発は超伝導モーターの実用化以前から、大出カコアレスモーターを主駆動源としての歩行実験が繰り返し行われていた。

ごく初期の試験車輛は、主エネルギー供給源に小型の内燃機関(ディーゼルまたはガソリン・エンジン)ジェネレーターとして搭載、発電した電力をバッテリーに貯蔵し、これにより大出力モーターを駆動させるというシステムであった。

この段階では駆動部全てにモーターを置くわけではなく、ギア及びシャフト・ドライブ、チェーン・ドライブ、テンドン方式など様々な駆動伝達方式を実験していた。

当時実用化が進められていたハイブリッド車や燃料電池式の電気自動車などと同様で、バッテリーの性能とモーター出力、車体重量と消費電力との相関関係によって駆動可能時間と性能が決定されることになるが、研究は搭載重量を大きく見込め安定性の高い多脚式で先行し、機材の軽量化に目処が立ったところで直立二脚式レイバーへと駆動・動力系が転用されていくという道筋を辿る。

これらの歩行に必要な動力を制御するシステム、とりわけ自動バランス制御に関するプログラムの開発は、実用型超伝導モーターの完成を待たず、外部電源に接続して給電する形で積極的に進められていた。

プログラムは、コンピューターによるシミュレーションで開発可能な内容ではない。試作・実験によるトライ・アンド・エラーを繰り返して基礎データを収集することからスタートし、一定の行動、たとえば直線歩行をプログラムし、この行為のみを繰り返し行うということから始まった。

飽くことの無い繰り返ししか打開策はない運動プログラム構築は、等身大モデルから大型モデルに、平坦地から不整地歩行へと対象フィールドが拡大されていった。

等身大に近いサイズであれば従来型モーターによる出力で単独歩行が可能なまでに成熟した制御プログラムであっても、これをより大型の機器に適用できるかといえば、そのようにはならない。

軀体そのものの全重量や各駆動部に置かれたモーター、アクチュエーターとして機能するリニアモーターの重量と位置、出力によって、歩行時のバランスはまったく異なるものとなるためである。

パラメーターを書き換えるだけでオールマイティに普遍化でき歩行プログラム/姿勢制御プログラムを開発することは難しく、基礎データを基にして車種ごとに新規プログラムの作成が必要で、これが直立二脚式(多脚式も同様であったが)レイバーの開発でもっとも労力と時間を要する部分でもあった。

一定の成果が得られた時点で実用化が開始された。小・中型の建設器機として内燃機関-バッテリー-電動モーターによるハイブリッド動力を搭載した脚歩行型の市販車輛がマーケットに送り込まれている。

バッテリーのみではまだ稼働可能時間が極端に短いためハイブリッド動力となったが、企業側からすれば実用化することによって大きな実験場が得られることにもなるというのが本音であろう。リコールのリスクを視野に入れてもなお余りある成果がもたらされるという判断があった。

先鞭を付けたのは大企業ではなく、それまで大手企業が製造販売している車輛を受注によって改装、カスタマイズする中堅の架装メーカーだった。

完全オリジナルの二脚歩行式建機は実用度という観点からすると従来のクローラ式のほうが遥かに優れていたため、業界の一部を除いてさしたる話題にもならず需要はほとんどなかったという。

だが歩行式レイバーの開発を手掛ける企業の中には、同社のノウハウ、特にバランス制御機能プログラムが現在開発中の車輛にとって何らかのブレイクスルーとなる可能性を秘めていることを見抜いた開発者がいた。

密かに、この中堅企業争奪戦が水面下で始まったという。その勝者が後の篠原重工であった。

篠原重工製レイバーに搭載される制御操作プログラム(OS)の中でも高く評価されているのが自動バランス制御プログラムである。

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ここに、例のメーカーが作ったバランス制御機能プログラムがどの程度反映されているのかはわからない。AV-98以前のレイバーで充分な手応えを得た「篠原」の開発陣は、次世代に向けてのOS開発に総力を結集する。

それは実用型の超伝導モーターを車体各駆動部に採用するための統合型制御操作システムであり、車体全体のエネルギーロスを最小限に抑えながら無駄なくコントロールするというノウハウを確立することを目標にした。

篠原重工のOSは、他社に抜きん出て評価の高いものとなったが、AV-98では総体として車体性能を充分に（最大限ではない。あえて30%ほどのマージンが残されていたという)引き出すことが可能なものとして完成されていた。

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駆動タイミング、確実制動などが操縦者に違和感なくハーモナイズされ、さらに操縦者が緊急時以外は意識する必要のないようなレベルで個々のモーターのステイタス管理、冷却系温度管理、各部位の位置情報、出力調節などが自動的に行われ、操作に必要な情報が過多にならないようモニター上に表示されることこそないが、搭載コンピューターは車体各部に設置される測距感圧、接触、感熱、慣性などの各種センサーから収集されるデータを瞬時に解析し、操作入力に対する反応を適切に行えるような制御操作プログラムを構築、しかもそれが車体スペック上限の70%内で機能するように処理されていたのである。

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AV-98用OSには、特定の操縦者が継続的に搭乗することで操作入力特性を自動学習しフィードバックするプログラムが試験搭載されていたといい、これが車体性能のマージン分を引き出すための「鍵」として機能するようになったといわれる。

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性能のマージン分が、いわば「隠れたパワーブースター・システム」であると考えればわかりやすいかもしれない。

搭乗者を試すようにも思えるシステムだが、操作スキルの向上に的確な対応を行うためにOSそのものを随時更新するという手間を多少なりとも省くために構築されたプログラムであり、また常に最大限の性能を引き出すような車体レスポンスでは、過負荷により搭乗者の安全性と車体の機能保証を担保することができないため、このような方法を採ったということである。

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必然的に、この制御操作プログラム(OS)は複雑を極めた。AV-98は車体駆動に関係するモーターをすべて超伝導化したが、この全てを管理することになる。また、超伝導状態が維持不能となった場合には通常のモーターとして駆動させる切り替えも管理制御するというものだけに、既存のOSに多くの追加プログラムを必要とした。

超伝導による各駆動部のモーターは回転軸部位だけでなく、直線運動もリニア方式でアクチュエーターとして使用され、また磁気の反発力を利用したショック・ダンパーも超伝導が使用された。

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モーター使用に際しては冷却と、冷却系の熱交換システムが肝要であるが、この管理と制御もOSがこなす。

物理的には冷却回路のシステムをどこに配置するかが問題のひとつであった。従来型の重作業用レイバーであれば、車体重心を下げて安定した構造体を構築することが目指す方向のひとつであったから、操縦室下部あたりに置くのが順当選択肢であったが、AV-98では操縦室の後方、あえて車体背部に搭載した。

これは軽快な二脚歩行のためには静止安定の常態を崩す必要があり、その役割を担わせようという目的があったためである。

崩れたバランスを即座に回復し、次の挙動に備えることができる駆動系の出力と、全方向に対する質量移動の感知によって次の運動に向けての統合的な判断が行えるOSがあってこそ、AV-98はレイバーとして完成した。

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冷却触媒用の配管回路は全身の超伝導モーターを巡り背部のラジエーターを通って熱交換することになるが、作業肢(腕部)や歩行肢(脚部)といったユニットごとに回路は閉鎖可能で、緊急時には自動的に冷却触媒循環は停止する。

各超伝導モーターは、低温化が阻害された場合に機能停止するわけではなく、通常の高出力コアレスモーターとして駆動する設計が導入されているため、稼働時間が極端に短くなり出力も低下するが、制御操作プログラムは可能な限り駆動の継続を維持するように指示を出し、自己点検によって出力低下部位と車体全体との出力バランスを取る緊急対応を行い、即座に車輛不活性に陥るようなことはない。

このようなフェイルセーフ機能(誤操作・誤動作による障害が発生した場合、常に設計時に想定した安全側に動作するようにすること)を具えていることは警察用レイバーとしてのアドバンテージを保証するものとして評価された。

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なお、これはあくまでも地上における運用を前提にしたもので、水中における使用は想定されていない。冷却触媒の液体窒素は、状況によって緊急冷却触媒排出が必要となる場合もあるが、水中ではこれが阻害されるため、水没状態での行動は禁止されており、やむを得ぬ場合でも数分以上の水中活動は危険とされる。

超伝導/通常モーターの一括管理と緊急対応能力を有するOSはこれまでになく、それを搭載して実働したAV-98の存在意義は篠原重工のみならず、レイバー製造業にとって意味の大きいものであった。

ハイパーテクノロジーの急速な発展と共に、あらゆる分野に進出した多足歩行式作業機械「レイバー」。
しかし、それは「レイバー犯罪」と呼ばれる新たな社会的脅威をも生み出すことになった。
続発するレイバー犯罪に、警視庁は本庁警備部内に特科車両二課を創設して、これに対抗した。

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