組込指向脳型計算機の確立とホームロボットへの応用

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01798
• 研究機関: 九州工業大学
• 研究代表者: 田向 権 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 准教授 (90432955)
• 研究分担者: 森江 隆 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 教授 (20294530) ; 末竹 規哲 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (80334051)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 脳型計算機 / FPGA / ディジタルハードウェア / 論理回路 / 深層学習 / Robot Operating System / RoboCup / ホームロボット

研究実績の概要

本研究は，ホームロボットへ応用可能な組込指向脳型計算機の実現を目指し，理論，回路，応用の3本の柱から構成される．
理論班：ニューロン間のデータのやり取りを1ビットの信号線で実現できるパルス結合位相振動子をレザバーコンピューティングへと応用した．これにより，リカレントニューラルネットワークのハードウェア実装において，その回路規模を大幅に削減できる可能性を見いだした．また，各種ハードウェア指向のニューラルネットワークを提案し，脳型計算機の組込み化に関する成果を得た．
回路班：上記，パルス結合位相振動子レザバーやEcho State Network，最適化器Pigeon-Inspired Optimization，階層構造を持つ自己組織化マップなどの専用アーキテクチャを開発し，書き換え可能半導体FPGAへと実装し，その性能を評価した．
応用班：大規模データセット半自動生成法を開発し，学習用画像に人間が正解を付与するフェーズを完全に除去，競技会等の現場でデータ収集から物体認識のための視覚系構築までを数時間で実現することを可能とした．Robot Operating SystemからFPGA内部へ簡便にアクセスできるROS-FPGAを応用して時間領域アナログ積和演算方式CMOSバイナリコネクトネットワーク専用チップをTOYOTA HSRロボットへ実装，人物追跡へと応用し，回路とシステムの分野で世界最大の国際会議ISCAS2019にてデモ発表した．この成果がBest Live Demonstration Awardを受賞し，極めて高い評価を得た．
本研究の成果をホームロボットへと集約，RoboCup Japan Open 2019において2部門で優勝，世界大会RoboCup @Home Domestic Standard Platform League 3位入賞を果たした．

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Universiti Putra Malaysia(マレーシア)
  • 国名: マレーシア
  • 外国機関名: Universiti Putra Malaysia
• [雑誌論文] A hardware intelligent processing accelerator for domestic service robots (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishida Yutaro, Morie Takashi, Tamukoh Hakaru
  • 雑誌名: Advanced Robotics 巻: － ページ: 1～11
  • DOI: https://doi.org/10.1080/01691864.2020.1769726
  • 査読あり
• [雑誌論文] Semi-Automatic Dataset Generation for Object Detection and Recognition and its Evaluation on Domestic Service Robots (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishida Yutaro, Tamukoh Hakaru
  • 雑誌名: Journal of Robotics and Mechatronics 巻: 32 ページ: 245～253
  • DOI: 10.20965/jrm.2020.p0245
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Training Autoencoder using Three Different Reversed Color Models for Anomaly Detection (2020)
  • 著者名/発表者名: Al aama Obada、Tamukoh Hakaru
  • 雑誌名: Journal of Robotics, Networking and Artificial Life 巻: 7 ページ: 35～40
  • DOI: https://doi.org/10.2991/jrnal.k.200512.008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Hardware-Oriented Echo State Network and its FPGA Implementation (2020)
  • 著者名/発表者名: Honda Kentaro, Tamukoh Hakaru
  • 雑誌名: Journal of Robotics, Networking and Artificial Life 巻: 7 ページ: 58～62
  • DOI: https://doi.org/10.2991/jrnal.k.200512.012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Acceleration of training dataset generation by 3D scanning of objects (2020)
  • 著者名/発表者名: Abe Yushi, Ishida Yutaro, Ono Tomohiro, Tamukoh Hakaru
  • 雑誌名: Proceedings of International Conference on Artificial Life and Robotics 巻: 25 ページ: 197～200
  • DOI: 10.5954/ICAROB.2020.OS20-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Fast Pick-and-Place Method for Home Service Robots using 3D point clouds (2020)
  • 著者名/発表者名: Ono Tomohiro, Tamukoh Hakaru
  • 雑誌名: Proceedings of International Conference on Artificial Life and Robotics 巻: 25 ページ: 195～196
  • DOI: 10.5954/ICAROB.2020.OS20-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Network with Sub-Networks (2020)
  • 著者名/発表者名: Fuengfusin Ninnart, Tamukoh Hakaru
  • 雑誌名: Proceedings of International Conference on Artificial Life and Robotics 巻: 25 ページ: 191～194
  • DOI: 10.5954/ICAROB.2020.OS20-2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Construction and verification of person tracking system in autonomous robot for education (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryogo Miyazaki, Hakaru Tamukoh
  • 雑誌名: Proc. of Asia Pacific Conference on Robot IoT System Development and Platform 2019 (APRIS2019) 巻: － ページ: －
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-Speed Synchronization of Pulse-Coupled Phase Oscillators on Multi-FPGA (2019)
  • 著者名/発表者名: Pramanta Dinda, Tamukoh Hakaru
  • 雑誌名: In: Gedeon T., Wong K., Lee M. (eds) Neural Information Processing. ICONIP 2019. Communications in Computer and Information Science 巻: 1143 ページ: 318～329
  • DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-36802-9_34
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-Level Synthesis System to Integrate SoC and ROS (2019)
  • 著者名/発表者名: Yutaro Ishida, Hakaru Tamukoh
  • 雑誌名: Proc. of Asia Pacific Conference on Robot IoT System Development and Platform 2019 (APRIS2019) 巻: － ページ: －
  • 査読あり
• [雑誌論文] FPGA-enabled Binarized Convolutional Neural Networks toward Real-time Embedded Object Recognition System for Service Robots (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshimoto Yuma, Shuto Daisuke, Tamukoh Hakaru
  • 雑誌名: Proc. of 2019 IEEE International Circuits and Systems Symposium (ICSyS) 巻: － ページ: －
  • DOI: 10.1109/ICSyS47076.2019.8982469
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Quick Data Generation Method for Training Object Detection Algorithms in Home Environments (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuma Yoshimoto, Muhammad Farhan Mustafa, Wan Zuha Wan Hasan, Hakaru Tamukoh
  • 雑誌名: Proc. of 2019 International Workshop on Smart Info-Media Systems in Asia (SISA2019) 巻: － ページ: 7～10
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hardware Implementation of Brain-Inspired Amygdala Model (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Yuichiro, Tamukoh Hakaru
  • 雑誌名: Proc. of 2019 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS) 巻: － ページ: －
  • DOI: 10.1109/ISCAS.2019.8702430
  • 査読あり
• [雑誌論文] Live Demonstration: A VLSI Implementation of Time-Domain Analog Weighted-Sum Calculation Model for Intelligent Processing on Robots (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Masatoshi, Iwamoto Gouki, Abe Yushi, Tanaka Yuichiro, Ishida Yutaro, Tamukoh Hakaru, Morie Takashi
  • 雑誌名: Proc. of 2019 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS) 巻: － ページ: －
  • DOI: 10.1109/ISCAS.2019.8702222
  • 査読あり
• [雑誌論文] Live Demonstration: Hardware Implementation of Brain-Inspired Amygdala Model (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Yuichiro, Tamukoh Hakaru
  • 雑誌名: Proc. of 2019 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS) 巻: － ページ: －
  • DOI: 10.1109/ISCAS.2019.8702213
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modified hierarchical k-nearest neighbor method with application to land-cover classification (2019)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Tatsuya, Tamukoh Hakaru, Kubota Ryosuke
  • 雑誌名: Proc. SPIE 11049, International Workshop on Advanced Image Technology (IWAIT) 2019 巻: － ページ: －
  • DOI: doi.org/10.1117/12.2521356
  • 査読あり
• [雑誌論文] A hardware implementation of Craik-O’Brien effect-based contrast improvement for dichromats (2019)
  • 著者名/発表者名: Ono Tomohiro、Kubota Ryosuke、Suetake Noriaki、Tamukoh Hakaru
  • 雑誌名: Proc. SPIE 11049, International Workshop on Advanced Image Technology (IWAIT) 2019 巻: － ページ: －
  • DOI: doi.org/10.1117/12.2521580
  • 査読あり
• [学会発表] ホームサービスロボットの脳型人工知能のための回路とシステム (2019)
  • 著者名/発表者名: 田向 権
  • 学会等名: 電子情報通信学会回路とシステム研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 生活支援ロボットのための組込み脳型人工知能 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田向 権
  • 学会等名: 令和元年度QBPワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] Hardware Accelerators for Brain-Like Artificial Intelligence on Home Service Robots (2019)
  • 著者名/発表者名: Hakaru Tamukoh
  • 学会等名: 2019 4th IEEE International Circuits and Systems Symposium (ICSyS 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] RoboCupとWRS：世界大会3連覇を達成ホームロボットの組込み画像認識 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田向 権
  • 学会等名: NVIDIA JETSON Meet-up #13
  • 招待講演
• [学会発表] ホームサービスロボットにおける物体把持のための把持点推定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小野 智寛，石田 裕太郎，阿部 佑志，田向 権
  • 学会等名: 第9回インテリジェントホームロボティクス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] モデル予測制御のためのハードウェア指向Neural Network (2019)
  • 著者名/発表者名: 本田 健太郎，岩谷 直樹，田中 勇気，堀口 辰也，中村 敏明，田向 権
  • 学会等名: 第37回日本ロボット学会学術講演会（RSJ）
• [学会発表] 物体の3Dスキャンによるホームサービスロボット向け学習データセット作製の高速化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 阿部 佑志，石田 裕太郎，小野 智寛，田向 権
  • 学会等名: 第37回日本ロボット学会学術講演会（RSJ）
• [学会発表] Pigeon-Inspired Optimizationのハードウェア指向化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 林 達冶，本田 健太郎，田中 勇気，堀口 辰也，中村 敏明，田向 権
  • 学会等名: 第37回日本ロボット学会学術講演会（RSJ）
• [学会発表] 画像認識システムのFPGA実装に向けた回路資源の有効利用に関する検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中村 勇吾，長嶺 佑哉，田向 権
  • 学会等名: SOFT九州支部夏季ワークショップ2019in福岡
• [学会発表] ホームサービスロボットにおける触覚情報を用いた物体認識 (2019)
  • 著者名/発表者名: 金岡 大樹，石田 裕太郎，田向 権
  • 学会等名: SOFT九州支部夏季ワークショップ2019in福岡
• [学会発表] 深層学習を用いたモデル予測制御のFPGA実装 (2019)
  • 著者名/発表者名: 德野 将士，本田 健太郎，田向 権
  • 学会等名: SOFT九州支部夏季ワークショップ2019in福岡
• [学会発表] 中間層に余剰ニューロンを持った自己符号化器 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 章央，田向 権
  • 学会等名: 電子情報通信学会スマートインフォメディアシステム研究会(SIS)
• [学会発表] ニューラルネットワークのハードウェア実装に向けた乱数生成手法の提案と検証 (2019)
  • 著者名/発表者名: 堀 三晟，田向 権
  • 学会等名: 電子情報通信学会スマートインフォメディアシステム研究会(SIS)
• [学会発表] 社会実装を目指したホームサービスロボットの研究開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小野 智寛，堀 三晟，石田 裕太郎，田中 悠一朗，吉元 裕真，阿部 佑志，武藤 冬樹，椛島 康平，福宿 将士，坂田 拓馬，吉井 拓巳，上村 大地，金丸 和樹，中村 健太郎，西村 雄太，森江 隆，田向 権
  • 学会等名: ロボティクス・メカトロニクス講演会2019 in Hiroshima
• [学会発表] 補色で再構成するAutoencoder (2019)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 章央，田向 権
  • 学会等名: 電子情報通信学会スマートインフォメディアシステム研究会(SIS)
• [備考] 九州工業大学 田向研究室
  • URL: https://www.brain.kyutech.ac.jp/~tamukoh/
• [備考] Hibikino-Musashi@Home
  • URL: http://www.brain.kyutech.ac.jp/~hma/wordpress/