ニューラルネットワークIC搭載無索化MEMSマイクロロボットの開発

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25420226
• Research Institution: Nihon University
• Principal Investigator: 内木場 文男 日本大学, 理工学部, 教授 (60366557)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: マイクロロボット / MEMS / 昆虫型ロボット / ニューラルネットワーク / 人工筋肉 / 人工筋肉ワイヤー / PZT / 歩行ロボット

Outline of Annual Research Achievements

全長5mm以下のニューラルネットワークICを搭載したマイクロロボットの開発を行った。マイクロロボットの機構部にはMEMS技術によって微細加工を施したシリコン部品を用いることで全長5mm以下の微小化を実現した。筐体内部には回転アクチュエータを組み込んだ。また，生物の脳を模倣したニューラルネットワークを開発し，さらにCMOSICによる小型化を実現してロボットに搭載をした。
開発したロボットは電源を外部接続とすることによって，昆虫の6本足による歩行を実現した。ICのパルスタイミングを記憶させることによって，ロボットの前後進の切り替えを達成した。筐体サイズが10mm程度のロボットでは，電池を内蔵して無索化し，移動ロボットを実現した。
シリコン部品はMEMSによる高アスペクトドライエッチング技術によって作製し，ほぼ垂直な微細加工を利用した。部材の大きさはサブミリーメートルサイズであり，作製した部材の加工精度は5μm以内であった。
アクチュエータについては，それぞれ，形状記憶合金型，圧電インパクト，圧電摩擦駆動，電磁モータをそれぞれ開発した。いずれのアクチュエータにおいても回転動作が得られた。形状記憶合金型，圧電インパクト駆動型では安定した回転が得られ，ロボットに搭載した場合に，安定した歩行動作を継続した。
また，生物の神経細胞を電子回路によって模倣したハードウエアニューラルネットワークを開発した。生物の細胞膜電位の発火現象を再現する細胞体モデル，また，ニューロンの結合をコントロールするシナプスモデルをおのおの開発して，これらを組み合わせた。複数のニューロンを結合させることによって，パルス列を発生させ，アクチュエータの駆動信号として用いた。ハードウエアニューラルネットワークを周辺増幅回路も含めてCMOSICにすることによって，一部素子を除き2から4mm程度の大きさまでに小型化した。

Research Products

• [Journal Article] IC Design of Driving Circuit of MEMS Microrobot Using Pulse-Type Hardware Neuron Model (2016)
  • Author(s): Yuki Ishihara, Yuka Naito, Kazuaki Maezumi, Yuki Okane, Hirozumi Oku, Masaki Tatani, Minami Takato, Ken Saito, Fumio Uchikoba
  • Journal Title: Artificial Life and Robotics Volume: 電子版 Pages: 電子版
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Miniaturized Rotary Actuators Using Shape Memory Alloy for Insect-Type MEMS Microrobot (2016)
  • Author(s): Ken Saito, Kei Iwata, Yuki Ishihara, Kazuki Sugita, Minami Takato, Fumio Uchikoba
  • Journal Title: Micromachines Volume: 7 Pages: 電子版
  • DOI: 10.3390/mi7040058
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] MEMS Microrobot Controlled by Mounted Neural Networks IC with Two Types Actuators (2016)
  • Author(s): Kei Iwata, Hirozumi Oku, Yuki Okane, Yohei Asano, Masaki Tatani, Yuki Ishihara, Kazuki Sugita, Satohiro Chiba, Satoko Ono, Mizuki Abe, Minami Takato, Ken Saito, Fumio Uchikoba
  • Journal Title: Journal of Robotics, Networking and Artificial Life Volume: 2 Pages: 213-216
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Insect-Type Microrobot with Bare Chip IC of Artificial Neural Networks (2016)
  • Author(s): K. Iwata, Y. Okane, Y. Ishihara, K. Sugita, S. Ono, M. Abe, S. Chiba, M. Takato, K. Saito, and F. Uchikoba
  • Journal Title: Proceedings of The 29th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems Volume: なし Pages: 1204-1207
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Gait Pattern Changing of Quadruped Robot Using Pulse-Type Hardware Neural Networks (2016)
  • Author(s): Daisuke Tanaka, Daichi Nagashima, Tomohiro Hidaka, Minami Takato, Fumio Uchikoba, Ken Saito
  • Journal Title: Proceedings of 21nd International Symposium on Artificial Life and Robotics Volume: なし Pages: CDROM
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Insect-Type MEMS Microrobot with Mountable Bare Chip IC of Artificial Neural Networks (2016)
  • Author(s): Ken Saito, Kazuki Sugita, Yuki Ishihara, Kei Iwata, Yohei Asano, Yuki Okane, Satoko Ono, Satohiro Chiba, Minami Takato, Fumio Uchikoba
  • Journal Title: Proceedings of 21nd International Symposium on Artificial Life and Robotics Volume: なし Pages: CDROM
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of Impact-Type rotary Actuator and Application for MEMS Microrobot by Bare Chip IC of Hardware Neuron Model (2015)
  • Author(s): Minami Takato, Yuka Naito, Kazuaki Maezumi, Yuki Ishihara, Yuki Okane, Hirozumi Oku, Masaki Tatani, Ken Saito, Fumio Uchikoba
  • Journal Title: Artificial Life and Robotics Volume: 20 Pages: 359-365
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] IC Design of Pulse-Type Hardware Model for Piezo Electric Type MEMS Microrobot (2015)
  • Author(s): Y. Ishihara, K. Sugita, M. Tatani, H. Oku, M. Takato, F. Uchikoba, K. Saito
  • Journal Title: Proceedings of 41st Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society Volume: なし Pages: CDROM
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] ハードウェアニューラルネットワーク制御によるミリメートルサイズMEMS昆虫型歩行ロボットの開発 (2015)
  • Author(s): 内木場文男 高橋芳浩，木村元昭，佐伯勝敏，齊藤健
  • Journal Title: 日本大学理工学部 理工学研究所 研究ジャーナル Volume: 135 Pages: 10-21
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Hexapod Type Microrobot Controlled by Power Type IC of Artificial Neural Networks (2015)
  • Author(s): Kei Iwata, Yuki Okane, Yohei Asano, Yuki Ishihara, Kazuki Sugita, Satohiro Chiba, Satoko Ono, Minami Takato, Ken Saito, Fumio Uchikoba
  • Journal Title: WSEAS TRANSACTIONS on CIRCUITS and SYSTEMS Volume: 14 Pages: 134-141
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of Brushless MEMS Micromotor with Multilayer Ceramic Magnetic Circuit (2015)
  • Author(s): M. Takato, Y. Yokozeki, K. Saito, and F. Uchikoba
  • Journal Title: Proceedings of the 2015 International Conference on Mechatronics and Robotics, Structural Analysis Volume: なし Pages: 31-36
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Artificial Neural Circuit Integration for MEMS Microrobot System (I) (2015)
  • Author(s): K. Saito, M. Takato, Y. Ishihara, K. Sugita, Y. Okane, H. Oku, Y. Asano, K. Iwata, M. Tatani, Y. Sekine, F. Uchikoba
  • Journal Title: Proceedings of AIM2015, IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronic Volume: なし Pages: CDROM
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of Mountable Pulse-Type Hardware Neuron Model Integrated Circuit on MEMS Microrobot (2015)
  • Author(s): M. Takato, Y. Naito, K. Maezumi, Y. Ishihara, Y. Okane, M. Tatani, K. Saito, F. Uchikoba
  • Journal Title: Proceedings of International Conference on Electronics Packaging 2015 Volume: なし Pages: 413-417
  • Acknowledgement Compliant
• [Presentation] MEMS Microrobot Controlled by Mounted Neural Networks IC with Two Types Actuators (2016)
  • Author(s): Kei Iwata, Hirozumi Oku, Yuki Okane, Yohei Asano, Masaki Tatani, Yuki Ishihara, Kazuki Sugita, Satohiro Chiba, Satoko Ono, Mizuki Abe, Minami Takato, Ken Saito, Fumio Uchikoba
  • Organizer: The 2016 International Conference on Artificial Life and Robotics
  • Place of Presentation: 沖縄コンベンションセンター(沖縄県宜野湾市）
  • Year and Date: 2016-01-29 – 2016-01-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Insect-Type Microrobot with Bare Chip IC of Artificial Neural Networks (2016)
  • Author(s): K. Iwata, Y. Okane, Y. Ishihara, K. Sugita, S. Ono, M. Abe, S. Chiba, M. Takato, K. Saito, and F. Uchikoba
  • Organizer: The 29th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems
  • Place of Presentation: Shanghai(China)
  • Year and Date: 2016-01-24 – 2016-01-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Gait Pattern Changing of Quadruped Robot using Pulse-Type Hardware Neural Networks (2016)
  • Author(s): Daisuke Tanaka, Daichi Nagashima, Tomohiro Hidaka, Minami Takato, Fumio Uchikoba, Ken Saito
  • Organizer: 21nd International Symposium on Artificial Life and Robotics
  • Place of Presentation: ビーコンブラザ(大分県別府市）
  • Year and Date: 2016-01-20 – 2016-01-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Insect-Type MEMS Microrobot with Mountable Bare Chip IC of Artificial Neural Networks (2016)
  • Author(s): Ken Saito, Kazuki Sugita, Yuki Ishihara, Kei Iwata, Yohei Asano, Yuki Okane, Satoko Ono, Satohiro Chiba, Minami Takato, Fumio Uchikoba
  • Organizer: 21nd International Symposium on Artificial Life and Robotics
  • Place of Presentation: ビーコンブラザ(大分県別府市）
  • Year and Date: 2016-01-20 – 2016-01-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] STDP特性の電子回路モデル化に対する検討 (2015)
  • Author(s): 阿部水樹, 中村麻衣, 高藤美泉, 内木場文男, 齊藤健, 佐伯勝敏, 関根好文
  • Organizer: 電気学会電子情報システム部門電子回路研究会
  • Place of Presentation: 徳島大学(徳島県徳島市）
  • Year and Date: 2015-11-12 – 2015-11-12
• [Presentation] CMOSICによる人工ニューラルネットワークを搭載したMEMSマイクロロボットの歩行動作 (2015)
  • Author(s): 杉田和貴,小野聡子,千葉哲玄,石原優毅,浅野洋平,岩田 蛍,岡根佑樹,高藤美泉,関根好文,内木場文男,齊藤 健
  • Organizer: 電気学会電子情報システム部門電子回路研究会
  • Place of Presentation: 徳島大学(徳島県徳島市）
  • Year and Date: 2015-11-12 – 2015-11-12
• [Presentation] IC Design of Pulse-Type Hardware Model for Piezo Electric Type MEMS Microrobot (2015)
  • Author(s): Y. Ishihara, K. Sugita, M. Tatani, H. Oku, M. Takato, F. Uchikoba, K. Saito
  • Organizer: 41st Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2015-11-09 – 2015-11-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MEMSマイクロロボットの駆動波形を生成する人工ニューラルネットワークのCMOSIC設計 (2015)
  • Author(s): 杉田和貴，小野聡子，千葉哲玄，石原優毅，浅野洋平，岩田 蛍， 岡根佑樹，高藤美泉，内木場文男，齊藤 健
  • Organizer: 平成２７年 電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 長崎大学(長崎県長崎市）
  • Year and Date: 2015-08-26 – 2015-08-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Silicon Artificial Neural Networks Locomotion Rhythm Generator for MEMS Microrobot System (2015)
  • Author(s): Ken Saito, Minami Takato, Fumio Uchikoba
  • Organizer: 4th International Symposium on Energy Challenges and Mechanics
  • Place of Presentation: Aberdeen（England)
  • Year and Date: 2015-08-11 – 2015-08-12
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] MEMSマイクロロボットの歩行動作を生成するパルス形ハードウェアニューロンモデルのIC設計 (2015)
  • Author(s): 石原 優毅, 杉田 和貴, 多谷 大樹, 奥 大純, 高藤 美泉, 内木場 文男, 齊藤 健
  • Organizer: 第28回 回路とシステムワークショップ プログラム
  • Place of Presentation: 淡路夢舞台国際会議場(兵庫県淡路市）
  • Year and Date: 2015-08-03 – 2015-08-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of Miniature Electromagnetic Induction Type MEMS Generators with Multilayer Ceramic Circuit (2015)
  • Author(s): Minami Takato, Hiroaki Endo, Yuji Yokozeki, Kazuaki Maezumi, Ken Saito, Fumio Uchikoba
  • Organizer: The ASME 2015 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference (IDETC/CIE 2015)
  • Place of Presentation: Boston(USA)
  • Year and Date: 2015-08-02 – 2015-08-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Brushless MEMS Micromotor with Multilayer Ceramic Magnetic Circuit (2015)
  • Author(s): M. Takato, Y. Yokozeki, K. Saito, and F. Uchikoba
  • Organizer: The 2015 International Conference on Mechatronics and Robotics, Structural Analysis.
  • Place of Presentation: Zakynthos(Greece)
  • Year and Date: 2015-07-16 – 2015-07-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Artificial Neural Circuit Integration for MEMS Microrobot System (I) (2015)
  • Author(s): K. Saito, M. Takato, Y. Ishihara, K. Sugita, Y. Okane, H. Oku, Y. Asano, K. Iwata, M. Tatani, Y. Sekine, F. Uchikoba
  • Organizer: AIM2015, IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronic
  • Place of Presentation: Busan(Korea)
  • Year and Date: 2015-07-07 – 2015-07-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hexapod Type Microrobot Controlled by Power Type IC of Artificial Neural Networks (2015)
  • Author(s): Kei Iwata, Yuki Okane, Yohei Asano, Yuki Ishihara, Kazuki Sugita, Satohiro Chiba, Satoko Ono, Minami Takato, Ken Saito, Fumio Uchikoba
  • Organizer: 6th International Conference on Theoritical and Applied Mechanics
  • Place of Presentation: Salerno(Italy)
  • Year and Date: 2015-06-27 – 2015-06-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Mountable Pulse-Type Hardware Neuron Model Integrated Circuit on MEMS Microrobot (2015)
  • Author(s): M. Takato, Y. Naito, K. Maezumi, Y. Ishihara, Y. Okane, M. Tatani, K. Saito, F. Uchikoba
  • Organizer: 2015 International Conference on Electronics Packaging
  • Place of Presentation: テルサ京都(京都府京都市）
  • Year and Date: 2015-04-14 – 2015-04-14
  • Int'l Joint Research
• [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/