センサー、計算機、アクチュエータ、電源を、物理原理・主要仕様・実製品・選定上の限界から解説します。
以下は編集したおすすめの順番です。初めての方は1から、目的が決まっている方は必要な記事へ進んでください。
ロボットの「頭脳」を担う組み込みコンピュータ(SBC)を、汎用SoCのRaspberry Pi 5、GPU統合型AIコンピュータのNVIDIA Jetson Orin、専用ASICのGoogle Coralという3つの設計思想で比較する。TOPS/Wという効率指標の意味から、newbotがなぜ汎用SoCを選んでいるのか、2026年のDRAM高騰がホビイストSBC市場を直撃した実話まで追う。
光の往復時間で距離を測るLiDARの原理から、回転式のVelodyne Puck、非回転式で低価格化を実現したLivox Mid-360S、中国勢のHesai・RoboSenseまで、実在する主要製品のスペックを比較する。DARPA Grand ChallengeからDJIスピンオフ、Volvo×Luminarの破綻劇まで、業界の裏側にある実話も追う。
レンズ1枚で車線・標識・障害物を認識する単眼カメラは、低コスト・省スペースな代わりに1枚の画像だけでは絶対距離が定まらない原理的制約を抱える。Mobileye EyeQ6L・Tesla HW4・Continental MFC500・comma.aiの実例から、その制約をどう補っているかを見る。ヘブライ大学発のMobileyeがインテルに1.5兆円超で買収された経緯や、Tesla Visionがレーダーを「削除」した2021年の決断も追う。
2つのレンズの視差から距離を三角測量するステレオカメラは、単眼カメラの原理的弱点だった絶対スケール問題を解決する。Stereolabs ZED 2i・Luxonis OAK-D・e-con Systems TARAのスペックと、2008年から500万台超を送り出したスバル・アイサイトの進化から、ベースライン設計のトレードオフを見る。アイサイトの生みの親がスバル退社後にステレオビジョンのスタートアップを興した話も。
赤外線プロジェクターで模様を投影しステレオマッチングするアクティブステレオ、パターン歪みから奥行きを求める構造化光、位相差から距離を出すToF——3方式が併存するデプスカメラの原理と、Intel RealSense D435i・Microsoft Kinect・Orbbec Femto Bolt・iPhone TrueDepthの実例を見る。イスラエルのPrimeSenseがKinectを生み、アップルに買収されFace IDに転生した経緯も追う。
加速度計とジャイロスコープで機体の姿勢・動きを直接検知するIMUは、カメラやLiDARと違い外部環境に一切依存しない代わりに、時間経過とともに誤差が蓄積する(ドリフトする)宿命を持つ。MEMSジャイロの原理からAllan分散によるノイズ解析、消費者向けチップから航法グレードまでの製品グレード分類、Xsens MTiシリーズの製品戦略までを整理する。
モーターの回転角度・速度を電気信号に変換するロータリーエンコーダを、光を遮って読み取る光学式と、磁界の向きを読み取る磁気式という2つの原理から比較する。オルガンメーカーが始めた技術という意外な出自から、newbotの車輪オドメトリが1.2mの直進でわずか6.5°の実際の回転を80°と誤認した実測値まで、車輪オドメトリの精度を支える(そして裏切る)エンコーダの実像を追う。
衛星測位に基地局からの補正情報を組み合わせるRTK方式は、通常のGNSS単独測位の誤差数mをセンチメートル級まで縮める。2周波測位による電離層遅延の除去原理から、u-blox ZED-F9Pの普及がもたらした低価格RTKの浸透、Trimble RTX・日本のみちびき(QZSS)まで、そしてクボタが全国342拠点まで整備した農業機械向けRTK基地局網の実例から、測位精度がどう変わるかを見る。
地磁気の方向を捉えて方位を割り出す磁気センサーは、スマートフォンの電子コンパスからドローンのヨー角補正、CubeSatの姿勢制御まで、電源が入っている限り絶対方位という外部基準を返し続ける唯一のセンサーである。Hall効果・AMR・GMR・フラックスゲートという4つの物理原理の違い、Bosch BMM150・STマイクロLIS3MDL・Honeywell HMC5883Lなど実チップの仕様比較、ハード鉄・ソフト鉄誤差とそのキャリブレーション、IMUとのAHRS融合、そして鉱脈探査からWWIIの潜水艦狩り・月面探査機を経て今日のCubeSat姿勢制御に至る技術史までを整理する。
電波の反射で距離・相対速度を測るミリ波レーダーは、雨・霧・逆光といった悪天候・悪条件に最も強いセンサーである。FMCW方式のビート周波数から距離・速度を同時に求める原理、第二次世界大戦のChain Home以来の技術系譜、Tesla社が一度は排除し後に復活させたレーダー、Continental ARS540の4Dイメージング仕様、5基のレーダーで360度をカバーするHonda SENSING 360の実例から、レンジ・視野角・分解能のトレードオフを見る。
超音波パルスの往復時間で近距離の障害物を検知する超音波センサーは、LiDARの音波版といえる。透明なガラスや黒い物体も検知できる代わりに有効距離は数m止まり。コウモリのエコーロケーション研究から第一次世界大戦のソナー開発、Bosch USS世代6の実測レンジ、ロボティクス定番のMurata MA40S4S・MaxBotix、8基のセンサーを使うトヨタのインテリジェントクリアランスソナーまで、性能を左右するパラメータを整理する。
フレーム(静止画)を一定間隔で撮り続ける従来のカメラと違い、イベントカメラ(Dynamic Vision Sensor, DVS)はピクセルごとに独立して「輝度が変化した瞬間」だけをマイクロ秒単位で報告する。Prophesee Metavision・iniVation DVXplorer/DAVIS・Samsung DVS-Gen4の実チップと、1988年のシリコン網膜研究から2024年のiniVation買収に至る神経形態工学の系譜、ステレオイベントカメラによる自動運転データセットDSEC、UAV上でのSLAM研究まで追う。
温度センサーは「熱を電気信号に変える」という一点で共通しながら、内部で使う物理現象は熱電対のゼーベック効果、測温抵抗体・サーミスタの抵抗-温度特性、半導体ICのバンドギャップ、赤外線放射温度計のシュテファン-ボルツマン則という4系統にまたがる。1821年のゼーベックの勘違いから始まった熱電対の歴史、Callendar-Van Dusen式によるPT100の較正、DS18B20・TMP117・MLX90614など実在するICの仕様比較、F1マシンが非接触IRセンサー12個でタイヤ温度を測る実例までを整理する。
ロボットアームの「腕の感覚」を担う力覚センサー(6軸F/Tセンサー)と、ロボットハンドの「指先の感覚」を担う触覚センサーを、歪みゲージの原理からピエゾ抵抗・静電容量・光学式という3つの触覚方式まで解説する。ATI・Bota Systems・XELA RoboticsからShadow Robotの129個のセンサーを持つ義手型ハンドまで、実在する製品と、1938年の歪みゲージ同時発明という科学史の実話を追う。
ロボットの「筋肉」にあたるアクチュエータを、BLDCモーター・ステッピングモーター・サーボモーターという3つの切り口から比較する。実はこの3つは並列の分類ではなく、モーターの構造(BLDC/ステッピング)と制御アーキテクチャ(サーボ)という異なる軸が混ざっている——その誤解を解きほぐしながら、トルク・応答性・制御方式のトレードオフを、NASAが直面した真空中のブラシ摩耗問題からWienerのサイバネティクス誕生秘話まで追う。
ロボット・ドローンの航続時間と安全性を決めるのはモーターやセンサーではなくバッテリーとBMS(バッテリーマネジメントシステム)である。リチウムイオン電池の電気化学からセルバランシング・保護回路の仕組み、Molicelの高放電セルからDJIのインテリジェントバッテリー、次世代の全固体電池を追うSamsung SDIまで、実在製品のスペックを比較する。ボーイング787の発火事故が教えるBMSの限界にも触れる。
モータの負荷変動と電圧降下を結び付け、電池・配線・DC-DC・計算機のどこで電源が崩れるかを切り分ける。
センサーが測った値を筐体の外へ運ぶのは、たいてい電波である。Wi-FiのOFDMが直交サブキャリアでマルチパスを乗り越える仕組み、BLEがGFSK変調とスター型トポロジーで間欠動作を実現する設計、LoRaのチャープスペクトラム拡散(CSS)がSF7〜12の選択で到達距離とデータレートを引き換える原理を、ESP32-C6・Nordic nRF52840・Semtech SX1262・TI CC2652R7・MultiTech mDotという実チップの数値で追う。1999年のWi-Fi命名劇、1996年にデンマーク王の異名から生まれたBluetoothという名前、フランスの一スタートアップが作ったLoRaがSemtechに買収されるまでの経緯、そして1000万台規模まで育ったZENNER社のLoRaWANスマートメーターネットワークという実例から、周波数帯・送信電力・感度・トポロジーというパラメータの選び方を見る。
Raspberry PiやJetsonといったSBCそのものではなく、その上に載る「AI推論専用アクセラレータ」に焦点を絞り、Google Coral Edge TPU、Intel Movidius(Myriad X)、NVIDIA Jetson Orin NXという3つの設計思想を比較する。INT8量子化がなぜ速度と引き換えに精度を犠牲にできるのかという原理から、SkydioドローンがJetson TX2上で9つのニューラルネットを同時に回す実例、Googleに事実上見捨てられたCoralをコミュニティが延命させている現状まで追う。