NetScience Interview Mail
1999/09/16 Vol.069
NetScience Interview Mail HOMEPAGE
http://www.moriyama.com/netscience/

NetScience Interview Mail : Free Science Mailzine
科学者インタビューを無料で配信中。今すぐご登録を!
電子メールアドレス(半角):
【その他提供中の情報】
| 新刊書籍情報 |
| イベント情報 |
| おすすめURL |
etc...


◆Person of This Week:

【淺間一(あさま・はじめ)@理化学研究所 工学基盤研究部 技術開発促進室】
                極限環境メカトロニクスチーム チームリーダー
                生化学システム研究室 副主任研究員
 研究:ロボット工学
 著書:長田正編著『自律分散をめざすロボットシステム』オーム社,東京,1995.ほか

研究室ホームページ:http://celultra.riken.go.jp/~asama/

○自律ロボットの研究者、淺間一さんにお話を伺います。
 淺間氏はロボカップと呼ばれるロボットのサッカーに出場したり、様々な分散ロボットなどをお作りになっています。
 近い将来、大きな役割を役割を果たすかもしれないロボット。
 その研究現場からのお話、お楽しみ下さい。
 7回連続予定。(編集部)



前号から続く (第2回/全7回)

[02: 自律分散型知能ロボット]

○では、先生がやっていらっしゃる現在の仕事についてお伺いしたいと思います。

■はい。まず我々がやっているのは、自律分散型知能ロボットと呼ばれるものなんですね。これは複数のロボットが通信をしながら協調して働く、というものなんです。

○はい。

■ここでは、ロボット間の通信技術が大変重要となります。そこでまず無線通信システムの開発をやったわけです。最初に無線モデムを使って、プロトコルをきちんと設計して、きちっとデータをやりとりして複数台を並列に動かしながらタスクを分担してやったりとか、あるいはその協調のときにちゃんと通信によってチーム作りをして、協調者をみつけて、誰かがリーダーになってどういうふうに動け、と指示を出していくとか。まあそういうことをやっておりました。

○ふむふむ。

■まず最初に例題としてやってたのは「荷片づけ作業」というものでして、複数の自律移動ロボットいて、机みたいな荷物が部屋に置いてあって片づけなさい、というタスクを与えます。

○ロボットは環境状況を知っているんですか?

■はい、このときは環境状況はいちおうロボットに与えて置いて、お互いにコミュニケーションして、誰がどの机を片づけるかということを自動的に決める。こいつはこの荷物、あいつはあっちの荷物、という形でね、うまく決めて、あとは並列処理でやってしまいしょうという話が一つですね。

○ええ。

■一方で、たとえばある一つの荷物を重くしてやったりするわけです。そうすると、最初は重さっていう情報はロボットに与えられていないので、同じように片づけようとするんですけど、ところが重たいので失敗する。そのときにこいつが、「助けてくれ」と他の奴にメッセージを送るわけです。「誰か助けて」とブロードキャストする。
そうすると他の奴のうち手のあいているどれかのロボットが「助けにいけますよ」と答える。
 すると助けを求めているリーダーとなるロボットが近い奴を選んで「あなたお願いしまーす」と答えるわけですね。

○なるほど、タクシーみたいですね(笑)。

■(笑)。呼ぶところはそうですね。2台同時で動くところは違いますが。
 で、お助けロボットが重い荷物の場所に到着すると2台並んでですね、リーダーがこういうスピードで動いて下さいね、とデータを渡しておいて、いっせいのせいでシンクロして動くわけです。そうすると重い荷物でも運べますよ、ということになるわけです。

○なるほど。

■こういう話をずっとやっていたんですけど、この移動ロボットという奴はステアリングを切るタイプの奴だったんですね。そうすると、ステアリングを切るタイプの奴というのは横方向に動けないんですね。ほら、車は縦列駐車のときとか大変でしょ。ハンドルを切りながらマニューバリングしないと横へ動けない。

○ああ、そうですね。

■たとえば2台で重いモノを運ぶという作業を考えてみましょう。するとロボットは自分のセンサ使って動いたとしても必ず少しは横方向へずれるんですね。横方向へのずれっていうのは、横方向へ動けないと補正できないんですよ。
 たとえば、1mの棒を持ったとすると、横方向へ1ミリずれたとしてもどこかに柔らかい機構がないかぎり、非常に大きな力がかかってどこかが壊れてしまうということになるわけです。横方向へ動くことができれば、力制御によって力が0になるようにずれを補正しながら動かせるんですけど、自動車みたいなメカニズムだと、前後に動かないと横方向は修正できない。そういうデメリットがあるんですね。

○はいはい。

■だから協調搬送しようというときには、自動車のタイプのロボットでは駄目で、まず基本的な機能として全方向へ動ける機能が必要だろう、というのが最初のきっかけなんですね。

○なるほど。

[03: 全方向自律型移動ロボット ZEN]

■で、例の全方向の移動ロボットというのは、姿勢を変えないで前後、左右、回転と3つの自由度を制御する、ということになるわけですけども、課題はやっぱり車輪でしてね。

○はい、いまの奴は四角形の四辺の部分それぞれに車輪がついていますよね。で、車輪はそれぞれフリーローラーがついた形になっていて、それぞれの回転を制御することで全方向へ移動することができるようになっている。この車輪一つとっても、かなり特殊ですよね。いきなりできたわけじゃないんでしょう?

■ええ、最初に開発したロボットというのは、ビーズみたいなのを並べて、いわゆるネックレスを車輪に巻き付けたようなものを作ったんですね。ビーズの軸回りにはゴロゴロ空回りするようにしました。車軸に垂直な方向に関しては、通常の車輪と同様に床面との摩擦で駆動力を発生させることができるのですが、車軸に平行な方向に関しては、摩擦をほとんどゼロにできるということになるわけです。この車輪を4角形の移動ロボットの各辺に取り付けます。対向する2つの車輪、たとえば左右の車輪を回転させると、これによって前後方向の駆動力を発生し、移動するわけですが、このとき前後の車輪は、ビーズの部分が空回りして、前後方向の動きを妨げないことになります。逆に、前後の車輪を回転させると、これと同様な原理で左右に移動します。また、各車輪の車軸を、時計回り、あるいは反時計回りに回転させれば、その場での回転動作もできることになります。

○なるほど。

■でも、ビーズでは、動きががたがたしてしまい、外形がきれいな円形となるような、ちゃんとした車輪を作ろうと思ったわけです。で、その次に作ったやつというのは、フリーローラーが4つついたものを二つ互い違いに並べた形の車輪にしましてね。これは一つだけだと車輪にならないのですが、二つ組み合わせることで外形を円形にすることができるんですね。だから水平に車軸を保っていると、どこかで地面に接することになるわけです。これを使ったロボットも原理的にはビーズの車輪と同じです。
 こういう車輪というのは似たようなのはあるんです。Omniアルファという製品なんですけど、ただこのような車輪には問題点があるんです。

○二つ組み合わせていることですか。

■ええ。四輪になるとですね、状況によっては内側のフリーローラーが地面に当たっていることもあれば、外側に当たっていることもある。そうするとですね、車でいうと「トレッドが変化している」というアとになるわけです。左右の両輪とも内側のフリーローラーが接地していれば、トレッドが狭くなり、外側が接地していれば、トレッドは広くなる。要するに、移動中に勝手にトレッドが狭くなったり、広くなったりしてしまうわけです。

○ははあ、なるほど。

■トレッドが変化すると何が困るかといいますとね、こういう移動ロボットを制御するときには車軸なりモーターなりにエンコーダーっていうセンサーをつけまして、そこから車輪が何回転したかということを読みとって、自分がこの辺にいるに違いないということを計算して出しているんですね。それが「デッドレコニング」という自分の位置を推定して移動ロボットの位置制御をする一つの方法なんですけども、それがトレッドが変わってしまうと、自分の位置がどんどんずれていってしまう。それが非常にまずいという点がまず一つ。

○ふむふむ。

■それからこのロボットのもう一つの問題点は、内部機構にディファレンシャル・ギアを使った駆動メカニズムになっているんですが、ギアの数が多い分、一番末端の車輪の部分になると、遊びが非常に大きくなって、結構大きいガタになってしまうんです。また、この段階ではまだ外部から制御信号を与えて動かしていたんですが何とか自律化して、バッククラッシュを少なくして、トレッドの問題も改良したいということで作ったのが、いまロボカップに出しているロボットなんですよ。

○なるほどなるほど。

■これは大きさの違う樽型のフリーローラーを二種類使いまして、大小大小という形で交互にローラーを並べます。各フリーローラーの樽の外形を、車輪の系に合うように設計すると、外形をちょうど円にすることができますので、どんな状態であってもトレッドが変わらないようにすることができました。で、最終段のところにハーモニック・ギアっていう減速機をつけまして、これで50:1に減速するんですね。だから内部が高速に回っていても、外はゆっくり回転する。つまり中で半回転くらいのあそびがあっても、外では50分の1になる、というように、車輪の部分では遊びを少なくする機構にしたんです。

○はい。

■で、自律化に関しては、この上に計算機だとかバッテリだとかを積んで、自分の持つセンサ情報に応じて動くようにしたわけです。

○ふむふむ。
 これをお作りになる上で苦労したこととかあればお聞かせ願えますか。

■一番苦労したのが伝達機構のメカニズムでして、車輪が4つあると、各車輪にモーターをつけたくなってしまうところなんですね。

○はい。

■でも制御したいパラメーターというのはX方向とY方向の速度と回転速度なんですね。3つのパラメーターを制御したいのに4つモーターがあるというのは冗長であるという話になりまして、なんとかこれを3つで制御したい、ということを考えたわけです。

○なるほど、いかにも工学の人らしい発想ですね。それで?

■普通、自動車というのは非常に安定した並進走行性を持っているんですけども、あれは常に単一のエンジンの出力が両輪に伝わっているんですね。そして、同じスピードで回っていと曲がれないんですが、曲がるときには左右の速度差が生じるんです。そのときに速度差を生じさせているのがディファレンシャル・ギアという構造なわけです。
 で、これもそういうふうに出来ないか、と考えました。要するにたとえば、これは四角形の四辺の部分それぞれに車輪がついた構造になっているわけですが、この向かい合っている二つの車輪を一つのモーターで駆動しながら、一個ディファレンシャル機構を入れる。同じようにもう一つの組の車輪も別のモーターで同時で回転させてやりながら一個ディファレンシャル機構を入れてやる。
 ということを色々考えていたんですが、どうしてもこのロボットは90度ごとに対称形になりますんでディファレンシャル・ギアを二個、というのはなかなか難しい。そこでディファレンシャル・ギアを四個入れてやって、その一つずつを拘束してやるという方法を考えたんですね。

○車輪一個ずつに一つずつディファレンシャル・ギアを付けたわけですね。

■そうです。だからアクチュエーター1を回転させると、その回転力がベルトを介して軸に伝わる。その軸に平歯車が二つついてまして、それが対向する車輪のディファレンシャルギアの外周側の歯車に噛んでいるんです。そうすると、シャフトが回転すると二つのディファレンシャルギアが同時に回ることになりまして、対向する二つの車輪も同時に回転する、ということになります。だから一つのアクチュエーターによって平行する二つ車輪が回ることになりまして、X方向の移動が可能になるわけです。
 で、90度ごとに対称形になっていまして、アクチュエータ2を動かすと今度はY軸の移動が可能になります。ですからディファレンシャルギアは一組に二つあるんですが、同じシャフトから二個平歯車が出ているので、外側の動きは同期しているんですね。だからギAは二個なんだけど、機能的には一個と等価になっているわけです。
 そして、ディファレンス(差分)の分だけが真ん中から与えられるようになってまして、それがアクチュエーター3です。その回転は、ロボットの真ん中に伝達され、傘歯車によって今度は右と左を逆方向に回転させるんですね。だから並進分だけがアクチュエーター1と2で与えられて、回転成分は3で与えられると。

○右と左の回転差をもうけてやらないと円弧を描かないから、そのために出力を調節すると。

■そうです。この構造だと、各アクチュエーターがどの動きに関与しているのかという、いわば役目が完全に分離しているんです。そうするとX、Yにどれだけ動かしたい、回転したいというときも、どのアクチュエータをどれだけ何度動かせばいいのかということが簡単に求まってしまう、という機構なわけで、これは特許にもなってます。この機構は、3つのアクチュエーターで四輪を駆動することで冗長性がない、制御と計算が簡単に出来る、自動車と同じで一つのアクチュエーターで両輪を同時に駆動する方式ですから、非常に並進走行性が安定している、とまあいろいろメリットがあるわけです。

○ふむふむ。

■で、この上にバッテリーをのせ、バッテリーからD/Aコンバーターを介して駆動系と電装系に電力を供給するするようにしました。計算機をのせ、CPUはいまはペンティアムを使っていますが、カウンターで車輪の回転を数えながら、制御を行うようにしました。

○他のセンサー類は?

■いろんなセンサーがつけられるようになっていす。あとでお話ししますが赤外線のセンサーだとか、超音波のセンサーだとか、ジャイロ、コンパス、力センサー、無線のLANとかがつけられます。ロボカップの奴には画像の入力ボードがついていて、CCDカメラで画像を撮って処理をしています。

○重さはどのくらいあるんですか。

■50キロくらいですか。バッテリ一個が2キロくらいあって、それを6つ積んでますから、それだけで12キロありますからね。だから海外遠征のときも大変です(笑)。
 バッテリは車輪のすぐ上のところについてます。無線LANは2Mbpsの通信速度が出せることになってますがよくご存じのとおり(笑)、実効としては2Mは出ない。オーバーヘッドもありますし、通信うまくいかないときは自動的にエラー回復したりとかするんで、実際にはそんなに早くない。
 カメラもいろんなタイプがあります。ロボカップ用に使ってたのは小さい奴ですが、パン、チルト、ズームができる奴もあります。クビを振ってものを見ることができるわけです。

○人間がモニターするために、ではなくて、ロボットが、ですか?

■そうです。ロボットが見たい方向を見るわけです。阪大の浅田研のロボットも首と眼を協調させて動かしますね。見たい方向に体を向けるだけではなくて首を曲げて見る、なんてこともやれるわけです。

○ふむ。

■まあ、いままでの考え方はセンシングして、認識して、それから行動する、ということだったんですが、最近、我々が考えているのは「センシングと行動というのはもっとカップリングしているんじゃないか」と。要するに「見るための行動」っていうのもあるし、「見た情報に基づく行動」っていうのもあって、それが非常に高速にまわっている、っていうのがたぶん、現実の、生き物のやりかたですね。実際そうやらないと早く動けるようなロボットというのは作れないだろう、ということをやっているんです。

○これの場合は、その辺はどうなっているんでしょう。たとえば自分がガーッと動くことで、風景がバーッと動きますよね。それに対してどう環境認識しているんだろうかと。

■そうですね、人間などは、環境を漠然と見ていることは少なくて、何か、あるいはどこかに注意を払いながら見ているということでしょう。背景が動いても、常に見るべき重要なポイントを絞って、それを見失わない。絞り込んだセンシング情報から環境の認識を行う、ということですね。
 いまの移動ロボットは、そういうダイナミックな画像認識はまだできていないですね。我々の研究室では、いま石川君というマスターの学生さんがまさにそういう研究をやってます。網膜チップを使いまして、リアルタイムでそのような画像処理をハードウエアでやってしまおうと。人間の眼というのはまさにそういう形でできあがってますよね。それによって非常に高速に画像処理ができて、リアクティブな動きができる。

○なるほど。

■さっきの変化という話だと、画像がバーッと流れるというのはオプティカル・フローっていうんですけど、自分が動いているとか、その中でまた対象物が動いているなんてことを認識できるようになるわけです。

[04: 赤外線通信センサシステム LOCISS(ローシス)]

■あとセンサー系ですが、ロボカップのときはCCDカメラを使っているんですが、それ以外にも自分の状況を知るセンサ、周りの状況を知るセンサだとかがついています。エンコーダーっていうのは自分の車輪の回転を見て自分がどこにいるか知るのに使いますが、ジャイロとかコンパスっていうのは、方向を見るわけです。  ただし、なかなか万能なセンサってないんですね。ジャイロだとドリフトっていう現象があってだんだんずれて行っちゃうんですよ。コンパスも、地磁気を見るわけですが、近くに強力な磁界を発する装置があったりると急に乱れちゃってわけ分からなくなったりする。信頼性もあまりよくない。だから状況によって使い分けるということになります。

○ふむふむ。

次号へ続く…。

[◆Information Board:イベント、URL、etc.]

■新刊書籍:
◇『エスチャリーの生態学』D. C. McLusky:著 中田喜三郎:訳 本体3,500円+税
 生物研究社 
http://www.bonanet.or.jp/~aquabiol/aquabiol.html
 干潟,河口域..様々な表情をもつ環境 Estuariy を基礎的に解説。干潟関係者必読

◇『ダーウィン──世界を変えたナチュラリストの生涯』A・デズモンド+J・ムーア
 グールド絶賛の決定版伝記、渡辺政隆訳で登場!
 本体 18000円+税 工作舎 http://www.kousakusha.co.jp

■イベント:
◇ノバルティスライフサイエンスフォーラム99 9月29日、東京経団連ホール
http://www.rowland.co.jp/forum/

■URL:
◇キャラクタが感情をこめて合成音声で話す『WebMessenger』を開発, NTT
―親しみやすく訴求力のあるマルチメディアコンテンツの作成を支援―
http://www.ntt.co.jp/news/news99/9909/990910.html

◇ISS搭乗宇宙飛行士候補者の基礎訓練 月間基礎訓練レポート8月号
http://jem.tksc.nasda.go.jp/astro/ascan/ascan_rep9908.html

◇受精卵クローン牛の食用出荷について(岩手県畜産課)
http://www.pref.iwate.jp/magazin/ushi/index.html

 *ここは、科学に関連するイベントの一行告知、URL紹介など、
  皆様からお寄せいただいた情報を掲示する欄です。情報をお待ちしております。
  基本的には一行告知ですが、情報が少ないときにはこういう形で掲示していきます。
  なおこの欄は無料です。


NetScience Interview Mail Vol.069 1999/09/16発行 (配信数:18,526部)
発行人:田崎利雄【科学技術ソフトウェアデータベース・ネットサイエンス事業部】
編集人:森山和道【フリーライター】
tazaki@dware.co.jp
moriyama@moriyama.com
ホームページ:http://www.moriyama.com/netscience/
*本誌に関するご意見・お問い合わせはmoriyama@moriyama.comまでお寄せ下さい。
◆このメールニュースは、
◆<科学技術ソフトウェアデータベース・ネットサイエンス>
◆[http://netscience.nexusnet.ne.jp/] の提供で運営されています。

○当メールニュースでは、科学に関連するイベントの一行告知、研究室URL紹介などもやっていきたいと考えています。情報をお寄せ下さい。
本メールニュースの発行は、インターネットの本屋さん・まぐまぐを使って行われています。
メール配信先の変更、配信の中止は、以下のWWWサーバーで行って下さい。
 http://www.moriyama.com/netscience/
原則として手作業による変更、中止は行っておりません。
なお、複数による閲覧が可能なアドレス(メーリングリストなど)での登録はご遠慮下さい。
必要な場合には、発行人までその旨ご連絡下さい。
(配信先変更の場合は、現アドレスをいったん削除の上、新規にアドレスをご登録ください)