ヒューマノイドや多関節ロボットへの応用に　量子コンピュータで姿勢制御の計算時間を大幅短縮　芝浦工大･早大･富士通が新手法を開発

芝浦工業大学システム理工学部の大谷拓也准教授、早稲田大学理工学術院の高西淳夫教授と富士通株式会社は、量子コンピュータを活用してロボットの姿勢を効率的に制御する新手法を開発したと発表した。

複数の関節を持つロボットの「逆運動学計算」を、量子技術を活用して効率的かつ高精度に解くことに成功している。

複雑化するロボット姿勢計算の課題に量子コンピュータを活用

ロボットの姿勢制御では、目標とする手先の位置から関節の角度を求める「逆運動学計算」が重要となる。特に、複数の関節を持つロボットでは関節の組み合わせが膨大となり、目標位置との誤差を最小化するために反復計算が必要だ。その結果、計算負荷が高くなり、人体の関節数と同等の17個の関節を有する全身多関節のモデルの場合は、解空間が膨大なため解けず、近似した7個の関節で運動計算を行うのが一般的だった。

本研究では、こうした課題に対して、量子コンピュータの特性を活かした新手法を提案した。ロボットの各部品（リンク）の向きや位置を量子ビットで表現し、量子回路を用いて順運動学計算（関節角度から手先位置を求める計算）を実行している。逆運動学計算は古典的なコンピューターで行い、量子と古典のハイブリッド手法によって、効率的な姿勢制御を実現した。

「量子もつれ」を導入し、収束速度と精度が向上

今回の研究では、量子もつれを導入することで、親関節の動きが子関節に自然に影響を与える構造を量子回路上で再現した。これにより、逆運動学計算の収束速度と精度が大幅に向上している。富士通の量子シミュレータを用いた検証では、従来手法と比較して、少ない計算回数でも最大43%の誤差低減を達成した。


また、64量子ビットの実機を用いた実験においても、量子もつれ導入による効果を確認している。さらに、ロボットなどの17個の関節を持つ全身多関節モデルの運動計算を、30分程度で実行できるという試算が得られた。

ヒューマノイドや多関節ロボットへの応用に期待

本手法は、少数の量子ビットで多関節ロボットの姿勢を表現でき、現在の開発段階の量子コンピュータ（NISQ）環境でも実装可能だ。将来的には、ヒューマノイドロボットや多関節マニピュレータのリアルタイム制御、障害物回避、エネルギー最適化などへの応用が期待される。また、量子フーリエ変換などの高度な量子アルゴリズムとの組み合わせにより、さらなる性能向上も見込まれている。

本手法により、産業用ロボットの性能向上や制御効率化が進むことが予想される。多関節構造を持つロボットの精密動作やリアルタイム制御が求められる分野では、今回の技術が新たな標準となる可能性もあるだろう。