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歩容の電力消費の計算

作成: 2026-08-14 更新: 2026-08-20

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４足歩行ロボット ＞ 自律型＞ 身体 ＞ 動力系 ＞ 構成 ＞ 歩容の消費電力

モータ (サーボ) は，歩行中につぎのような電力要求をする： 　・静止トルク（立っているだけで必要） 　・動作トルク（歩くために必要） 　・衝撃トルク（着地時に必要） 　・姿勢保持トルク（バランスを取るために必要） 歩容の消費電力 P は，つぎの3項の和で表せる：。 　　P = P_posture + P_locomotion + P_gait 　　姿勢維持（posture）：重心を支えるための静的トルク 　　移動（locomotion）：前進するための仕事率 　　歩容（gait）：周期運動の効率の良し悪し 1. 姿勢維持の消費電力 P_posture 四足歩行ロボットは，静止していても「脚で体重を支える」ために電力を使う： 　　P_posture ≈ Mg l η 　　　Ｍ：体重 　　　ｇ：重力加速度 　　　Ｉ：脚関節の平均モーメントアーム 　　　η：モータ効率 　例. Unitree Go2 　　　M = 15 kg 　　　g = 9.8 　　　l = 0.05 m 　　　η = 0.7 　　→ P_posture ≈ 15 × 9.8 × 0.05 × 0.7 　　　　　　　　= 10.5 W 　　つまり── 　　静止しているだけで約 10 W を消費 2. 移動の消費電力 P_locomotion 前進するための仕事率は， 　　P_locomotion = F_forward v 　　v：歩行速度 ( = ⊿距離 / ⊿時間 ) 　　F_forward：前進方向の平均推進力 推進力は，体重と歩容の効率で決まる： 　　F_forward ≈ k_terrain M g 　　k_terrain : 地面の性状係数 　　　　　0.02〜0.1 程度 まとめて， 　　P_locomotion = k_terrain M g v 　例. Unitree Go2 　　　M = 15 　　　g = 9.8 　　　k_terrain = 0.05 　　　v = 1.5 m/s 　　F_forward = 0.05 × 15 × 9.8 = 7.35N 　　P_locomotion = 7.35 × 1.5 = 11.0 W 　　つまり── 　　前進そのものは 10 W 程度しか食わない。 3. 歩容の消費電力 P_gait 歩容の周期運動は， 　　脚の上下動 　　膝の屈伸 　　体の上下動 　　接地衝撃の吸収 　　加減速の繰り返し などでなり，姿勢維持や前進よりもずっと大きな電力を食う。 歩容の効率を η_gait とすると， 　　P_gait = P_ideal η_gait 　　P_ideal = Mg⋅h_osc f　(理想仕事率) : 　　　h_osc：上下動の振幅（0.01〜0.05 m） 　　　f：歩容の周波数（1〜3 Hz） 　例. Unitree Go2 　　　M = 15 　　　g = 9.8 　　　h_osc = 0.03 　　　f = 2 　　　η_gait = 0.3 　　P_ideal = 15 × 9.8 × 0.03 × 2 = 8.82W 　　P_gait = 8.82 × 0.3 = 29.4 W 　　つまり── 　　歩容の “形” で 30 W くらい食う。 4. 総消費電力のモデル 3つを合計すると， 　　P = P_posture + P_locomotion + P_gait 　例. Unitree Go2 　　　姿勢維持：10 W 　　　前進：10 W 　　　歩容：30 W 　　P ≈ 50 W 実際の Go2 は 120〜240 W を消費する。 電力を消費しているものは，モータ以外に： 　　コンピュータ 　　センサー 　　その他 そして，モータの消費分も，50 W を超える： 　(1) モータのピーク電流 　　脚関節は周期的に 20〜40 A を食う瞬間がある。 　(2) 機構効率の損失 　　減速機・リンクの摩擦で 20〜40% が熱になる。 　(3) 姿勢制御の微調整 　　IMU のフィードバックで常に微小トルクを出している。 　(4) 歩容の非線形性 　　上下動・衝撃吸収・加減速が「非線形の無駄仕事」を生む。 　(5) 電源系の損失 　　DC-DC，モータドライバの損失が 10〜20%。