アナログ高集積化回路による人工知能を搭載したＭＥＭＳマイクロロボットの開発

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23760243
• Research Institution: Nihon University
• Principal Investigator: 齊藤 健 日本大学, 理工学部, 助教 (70580174)
• Keywords: アナログ高集積回路 / 人工知能 / MEMS / マイクロロボット / ハードウェアニューラルネットワーク / パルス形ハードウェアニューロンモデル

Research Abstract

研究期間全体を通じて4.0×2.7×2.5mmサイズの人工筋肉ワイヤ(形状記憶合金の一種)を駆動機構に採用したMEMSマイクロロボットの機械機構および，機械機構を駆動するアナログ高集積回路による人工知能である電気・電子機構について開発をおこなった。開発の結果，蟻の歩行動作を模倣した世界最小の6足歩行を実現するマイクロロボットの開発に成功し，かつ生物の脳と同様にプログラムの必要ない人工知能による歩行動作の生成が可能であることを明らかにした。本研究を基に，将来的にロボットにマニピュレータやセンサ等を搭載し，人工知能回路が環境に応じて自律的にロボットを駆動し，人間の体内での医療補助や精密機械の狭小部分でのメンテナンス作業等に応用可能である。
また，最終年度において，4.0×4.6×3.6mmサイズの圧電素子を駆動機構に採用したMEMSマイクロロボットの機械機構および，駆動に必要な電気・電子機構についても合わせて開発をおこなった。人工筋肉ワイヤによる駆動機構は変位量が大きい，圧電素子による駆動機構は電力消費が少ないとそれぞれ異なったメリットがあり，状況に応じて選択的にロボットシステムに採用可能である。
アナログ高集積回路による人工知能回路については，東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC)およびDigian Technology Inc.を利用し作製したアナログ高集積回路が動作し，従来10cm角程度の実装部品を用いた人工知能回路を，2mm角程度まで大幅な回路面積の縮小に成功した。一般的にロボットの動作制御は，マイクロコントローラ等を用いたデジタル制御である。今回試作した人工知能回路は生物の脳と同様に，神経細胞が出力するパルス波形を基に，ロボットの動作制御が可能である。
研究期間全体を通じて，1件の英文著書，4件の英文論文誌，2件の邦文論文誌に研究を掲載し，査読付きの国際会議に7件発表した。また，1件のテレビ取材を受けその様子が放映された。

Research Products

• [Journal Article] A Millimeter-Sized Robot by a Piezoelectric Impact-type Rotary Actuator and a Hardware Neuron Model (2014)
  • Author(s): Minami Takato, Masaki Tatani, Hirozumi Oku, Yuki Okane, Junichi Tanida, Shinpei Yamasaki, Ken Saito and Fumio Uchikoba
  • Journal Title: International Journal of Advanced Robotic Systems Volume: (now printing)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hexapod-Type SMA Driven MEMS Microrobot with Mounted Bare Chip Artificial Neural Networks IC (2014)
  • Author(s): Kazuaki Maezumi, Shinpei Yamasaki, Hiroki Obara, Yuka Naito, Kei Iwata, Masaki Tatani, Yuki Okane, Yuki Ishihara, Tomohiro Hidaka, Yohei Asano, Hirozumi Oku, Minami Takato, Ken Saito and Fumio Uchikoba
  • Journal Title: Proc. of The Nineteenth International Symposium on Artificial Life and Robotics 2014 Volume: - Pages: 401～405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] AI制御によるバイオミメティクスMEMSマイクロロボット (2013)
  • Author(s): 齊藤健、高藤美泉、関根好文、内木場文男
  • Journal Title: 日本ロボット学会誌 Volume: Vol.31、No.7 Pages: 684-688
  • DOI: 10.7210/jrsj.31.684
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] IC Chip of Pulse-Type Hardware Neural Networks for Hexapod Walking MEMS Micro Robot (2013)
  • Author(s): Ken Saito, Shiho Takahama, Shinpei Yamasaki, Minami Takato, Yoshifumi Sekine and Fumio Uchikoba
  • Journal Title: Proceedings of International Joint Conference on Neural Networks Volume: - Pages: 529～534
  • DOI: 10.1109/IJCNN.2013.6706782
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Insect Type MEMS Micro Robot Controlled by CMOS IC of Hardware Neural Networks (2013)
  • Author(s): Minami Takato, Shinpei Yamasaki, Shiho Takahama, Junichi Tanida, Ken Saito, Fumio Uchikoba
  • Journal Title: Proceedings of the Twelfth European Conference on the Synthesis and Simulation of Living Systems Volume: - Pages: 546～553
  • DOI: 10.7551/978-0-262-31709-2-ch079
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Biomimetics Micro Robot with CMOS IC Neural Networks Locomotion Control (2013)
  • Author(s): Shiho Takahama, Junichi Tanida, Minami Takato, Fumio Uchikoba and Ken Saito
  • Journal Title: Proceedings of the 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society Volume: - Pages: 6371～6376
  • DOI: 10.1109/IECON.2013.6700184
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Locomotion Control of MEMS Microrobot Using Pulse-Type Hardware Neural Networks
  • Author(s): Ken Saito, Kazuto Okazaki, Tatsuya Ogiwara, Minami Takato, Katsutoshi Saeki, Yoshifumi Sekine and Fumio Uchikoba
  • Journal Title: Electrical Engineering in Japan Volume: Volume 186, Issue 3 Pages: 43–5
  • DOI: 10.1002/eej.22473
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Actuation of Artificial Muscle Wire for MEMS Microrobot Using Current Output-Type Artificial Neural Networks IC Bare Chip (2014)
  • Author(s): Ken Saito, Tomohiro Hidaka, Yuki Ishihara, Minami Takato, Shinpei Yamasaki, Kazuaki Maezumi, Yuka Naito, Kei Iwata, Yuki Okane, Yohei Asano and Fumio Uchikoba
  • Organizer: The 14th Mechatronics Forum International Conference
  • Place of Presentation: Karlstad, Sweden
  • Year and Date: 20140616-20140618
• [Presentation] ANN制御システムを搭載した昆虫型MEMSマイクロロボット (2014)
  • Author(s): 岡根 佑樹，前角 和明，高藤 美泉，内藤 友香，小原 広輝，浅野 洋平，石原 優毅，岩田 蛍，奥 大純，多谷 大樹，日高 智浩，齊藤 健，内木場 文男
  • Organizer: 第28回エレクトロニクス実装学会春季講演大会
  • Place of Presentation: 拓殖大学（東京都文京区）
  • Year and Date: 20140305-20140307
• [Presentation] 神経細胞モデル用いたインパクト駆動型マイクロロボット用駆動回路のCMOS-IC設計 (2014)
  • Author(s): 石原 優毅，日高 智浩，内藤 友香，高浜 詩帆，前角 和明，高藤 美泉，内木場 文男，齊藤 健
  • Organizer: 平成24年度電子情報通信学会東京支部学生会研究発表会
  • Place of Presentation: 東海大学（東京都港区）
  • Year and Date: 20140301-20140301
• [Presentation] ベアチップを用いたMEMSマイクロロボットを駆動するパルス形ハードウェアニューロンモデルの測定と評価 (2014)
  • Author(s): 内藤 友香，高浜 詩帆，高藤 美泉，齊藤 健，内木場 文男
  • Organizer: 平成24年度電子情報通信学会東京支部学生会研究発表会
  • Place of Presentation: 東海大学（東京都港区）
  • Year and Date: 20140301-20140301
• [Presentation] 人工筋肉アクチュエータで駆動する超小型ロボット用神経回路網の高集積回路設計 (2014)
  • Author(s): 日高 智浩，石原 優毅，前角 和明，内藤 友香，高浜 詩帆，高藤 美泉，齊藤 健，内木場 文男
  • Organizer: 平成24年度電子情報通信学会東京支部学生会研究発表会
  • Place of Presentation: 東海大学（東京都港区）
  • Year and Date: 20140301-20140301
• [Presentation] Hexapod-Type SMA Driven MEMS Microrobot with Mounted Bare Chip Artificial Neural Networks IC (2014)
  • Author(s): Kazuaki Maezumi, Shinpei Yamasaki, Hiroki Obara, Yuka Naito, Kei Iwata, Masaki Tatani, Yuki Okane, Yuki Ishihara, Tomohiro Hidaka, Yohei Asano, Hirozumi Oku, Minami Takato, Ken Saito and Fumio Uchikoba
  • Organizer: Nineteenth International Symposium on Artificial Life and Robotics 2014
  • Place of Presentation: Beppu, Oita, Japan
  • Year and Date: 20140122-20140124
• [Presentation] Analog Hardware Neural Networks Controlled MEMS Microrobot System (2014)
  • Author(s): Ken Saito
  • Organizer: International Symposium on Engineering and Technology
  • Place of Presentation: Pune, India
  • Year and Date: 20140109-20140110
  • Invited
• [Presentation] ニューラルネットワークベアチップを用いたMEMSマイクロロボット用の駆動波形の生成 (2013)
  • Author(s): 齊藤 健, 高藤美泉, 山崎晋平, 前角和明, 小原広輝, 内藤友香, 岩田 蛍, 多谷大樹, 岡根佑樹, 石原優毅, 日高智浩, 浅野洋平, 奥大純, 関根好文, 内木場文男
  • Organizer: 電気学会電子回路研究会
  • Place of Presentation: 日本大学理工学部（東京都千代田区）
  • Year and Date: 20131129-20131129
• [Presentation] Biomimetics Micro Robot with CMOS IC Neural Networks Locomotion Control (2013)
  • Author(s): Shiho Takahama, Junichi Tanida, Minami Takato, Fumio Uchikoba and Ken Saito
  • Organizer: 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society
  • Place of Presentation: Vienna, Austria
  • Year and Date: 20131110-20131113
• [Presentation] IC Implementation of Pulse-Type Hardware Neural Networks for Generation of Driving Waveform of MEMS Micro Robot (2013)
  • Author(s): Shiho Takahama, Junichi Tanida, Shinpei Yamasaki, Minami Takato, Fumio Uchikoba and Ken Saito
  • Organizer: Annual Conference of Electronics, Information and Systems Society, I.E.E. of Japan
  • Place of Presentation: 北見工業大学（北海道北見市）
  • Year and Date: 20130904-20130907
• [Presentation] MEMSマイクロロボットの歩行および旋回動作を生成するパルス形ハードウェアニューラルネットワークの構築 (2013)
  • Author(s): 内藤友香，山崎晋平，高藤美泉，内木場文男，齊藤健
  • Organizer: 電気学会電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 北見工業大学（北海道北見市）
  • Year and Date: 20130904-20130907
• [Presentation] IC Chip of Pulse-Type Hardware Neural Networks for Hexapod Walking MEMS Micro Robot (2013)
  • Author(s): Ken Saito, Shiho Takahama, Shinpei Yamasaki, Minami Takato, Yoshifumi Sekine, and Fumio Uchikoba
  • Organizer: International Joint Conference on Neural Networks
  • Place of Presentation: Dallas, Texas, USA
  • Year and Date: 20130804-20130809
• [Presentation] Piezo Impact Type MEMS Rotary Actuator and Application to Millimeter Size Robot (2013)
  • Author(s): Minami Takato, Masaki Tatani, Junichi Tanida, Shinpei Yamasaki, Ken Saito and Fumio Uchikoba
  • Organizer: IEEE-International Ultrasonics symposium 2013
  • Place of Presentation: Prague, Czech Republic
  • Year and Date: 20130721-20130725
• [Presentation] Insect Type MEMS Miniaturized Robot with Hardware Neural Networks Control System (2013)
  • Author(s): Minami Takato, Ken Saito and Fumio Uchikoba
  • Organizer: International Symposium on Highly-Controlled Nano- and Micro-Scale Functional Surface Structures for Frontier Smart Materials 2013
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 20130420-20130420
  • Invited
• [Presentation] Insect Type MEMS Micro Robot Controlled by CMOS IC of Hardware Neural Networks (2013)
  • Author(s): Minami Takato, Shinpei Yamasaki, Shiho Takahama, Junichi Tanida, Ken Saito, Fumio Uchikoba
  • Organizer: Twelfth European Conference on the Synthesis and Simulation of Living Systems
  • Place of Presentation: Taormina, Italy
  • Year and Date: 2013-09-04
• [Book] Engineering Creative Design in Robotics and Mechatronics (2013)
  • Author(s): Ken Saito, Minami Takato Yoshifumi Sekine and Fumio Uchikoba
  • Total Pages: 1-10
  • Publisher: IGI Global
• [Remarks] 日本大学 理工学部 内木場・齊藤研究室
  • URL: http://www.eme.cst.nihon-u.ac.jp/~uchikoba/index.html