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2014 年度 実施状況報告書

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

研究課題

研究課題/領域番号 25420226
研究機関日本大学

研究代表者

内木場 文男  日本大学, 理工学部, 教授 (60366557)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワードマイクロマシン / 知能ロボティックス / 人工知能 / ニューラルネットワーク
研究実績の概要

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の昆虫型歩行ロボットの開発を行った。ロボットの機構部品はIC製造技術を基本とするMEMSを用いてシリコンウェハから作製し,小型高精度のものを得た。形状記憶合金の一種である人工筋肉ワイヤーを利用した回転アクチュエータと積層圧電素子を利用したインパクト型回転アクチュエータとをそれぞれ開発した。回転アクチュエータにリンク機構を組み合わせることによって昆虫の歩行動作を実現した。
制御には生体の神経回路網を模倣した電子回路によるハードウェアニューラルネットワークを適用した。人工筋肉ワイヤー回転アクチュエータ駆動用,圧電インパクト型回転アクチュエータの駆動用のそれぞれに低消費電流ニューラルネットワークCMOSICを開発した。
ニューラルネットワークICは付加回路を介して昆虫型ロボットに接続し,歩行動作を実現した。人工筋肉ワイヤー回転アクチュエータ搭載ロボットは全長2.7mm,幅4.0mm,高さは2.5mmであった。圧電インパクト型回転アクチュエータ搭載ロボットは全長4.6mm,幅4.0mm,高さ3.6mmであった。それぞれのロボットは毎分26.4mm,180mmの速度で歩行を実現した。
ハードウェアニューラルネットワークの回路のCMOSIC化と圧電型アクチュエータの低消費電力化を遂行して、一部電池を搭載した無策化ロボットの開発も行った。ただし、電池の形状が大きいことからロボットの全長が1cm程度のものとなった。さらに、低消費電力のアクチューエータに関しては電磁誘導式のものの検討を始めた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

交付申請書に記載した平成26年度の計画は、①基本ニューラルネットワーク回路に関して実際にICを完成させる。②人工筋肉ワイヤー回転アクチュエータの低消費電力化を小型電池駆動ができるまで進める。③これらを組み合わせ、小型電池を搭載し無策化ロボットを実現する。④全長4mm程度のロボットの大きさとする。⑤シナプス加重の重み付けによる学習機能の発現などの高機能化を検討する。⑦積層圧電型素子とMEMSを組み合わせたインパクトアクチュエータの開発をする。⑧アクチュエータの回転数を200RPMとする。⑨圧電以外の低消費電力のアクチュエータを開発する。以上9項目であった。
このうち①に関しては、実際にCMOSICを設計し、製造を外部ファンダリーに委託し入手した。当初の予定では人工筋肉ワイヤー用のものであったが圧電インパクトドライブ用のものも入手し、人工筋肉ワイヤー、圧電インパクトドライブの両方を駆動することができた。②については人工筋肉ワイヤーに電流制限抵抗を接続をすることによって電池駆動を実現した。③④に関しては電池駆動にはいたったがロボットのサイズが大きくなってしまった。⑤に関してはシナプス加重の変更によるネットワークの結合状態の制御を確認した。⑥に関してはアクチュエータの開発を終え、当初の予定よりも早く実際にロボットに搭載して歩行を実現した。⑧200RPMを達成した。⑨低消費電力アクチュエータとして電磁誘導型の開発に着手した。
電池を搭載したロボットに関してそのサイズは目標に達していないが、一方で、圧電インパクトタイプで大きな進展があり、平成27年度に予定していた計画を前倒ししてロボットに搭載して、歩行を実現したので、おおむね順調に進展していると考える。

今後の研究の推進方策

平成27年度は研究終了年度になるので、当初の目的を達成する。具体的には、①学習機能を持つニューラルネットワークを設計し外部ファンダリーを利用してICを入手する。②ベアチップICをロボットに搭載する③これらを組み合わせて当初の目的、全長4mm以下,無策化し、分速1mの歩行速度を実現するロボットの開発を行う。
また、①の学習機能を持つニューラルネットワークICの効力を発揮するために何らかのセンサーをマイクロロボットに搭載して、外部出力に応じたセンサーの出力を利用してニューラルネットワークの学習を進めてゆく。
以上の成果を論文誌、国際学会等で発表することによって、世界に広く発信をする。また、実際の昆虫等の群れにロボットを投入し、これを観察することによって、たとえば、ロボットが昆虫に与える影響等を観察し、産業応用を含めた次の段階への準備を進める。

次年度使用額が生じた理由

一部消耗品の割引等による

次年度使用額の使用計画

消耗品として追加使用をする

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2015 2014 その他

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 4件、 謝辞記載あり 9件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (3件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] IC design of driving circuit of MEMS microrobot using pulse-type hardware neuron model2015

    • 著者名/発表者名
      Yuki Ishihara, Yuka Naito, Kazuaki Maezumi, Yuki Okane, Hirozumi Oku, Masaki Tatani, Minami Takato, Ken Saito and Fumio Uchikoba
    • 雑誌名

      Proc. of The Twentieth International Symposium on Artificial Life and Robotics 2015

      巻: 1 ページ: 770-775

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Development of Impact-Type Rotary Actuator and Application for MEMS Microrobot by Bare Chip IC of Hardware Neuron Model2015

    • 著者名/発表者名
      Minami Takato, Yuka Naito, Kazuaki Maezumi, Yuki Ishihara, Yuki Okane, Hirozumi Oku, Masaki Tatani, Ken Saito, and Fumio Uchikoba
    • 雑誌名

      Proc. of The Twentieth International Symposium on Artificial Life and Robotics 2015

      巻: 1 ページ: 764-769

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Development of quadruped robot with locomotion rhythm generator using pulse-type hardware neural networks2015

    • 著者名/発表者名
      Ken Saito, Yuki Ikeda, Minami Takato, Yoshifumi Sekine and Fumio Uchikoba
    • 雑誌名

      Proc. of The Twentieth International Symposium on Artificial Life and Robotics 2015

      巻: 1 ページ: 758-763

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Development of Miniature Electromagnetic Devices Combined with Silicon and Magnetic Ceramic2014

    • 著者名/発表者名
      Minami Takato, Hiroaki Endo, Kazuaki Maezumi, Yuji Yokozeki, Ken Saito, Fumio Uchikoba
    • 雑誌名

      Applied Mechanics and Materials Journal

      巻: 704 ページ: 305-312

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] MEMS Microrobot System with Locomotion Rhythm Generator Using Artificial Neural Networks2014

    • 著者名/発表者名
      Ken Saito, Minami Takato, Yoshifumi Sekine, and Fumio Uchikoba
    • 雑誌名

      Proceedings of the 1st International Conference on Robotics and Mechatronics, Structural Analysis

      巻: 1 ページ: 27-32

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] A Millimeter-Sized Robot by a Piezoelectric Impact-type Rotary Actuator and a Hardware Neuron Model2014

    • 著者名/発表者名
      Minami Takato, Masaki Tatani, Hirozumi Oku, Yuki Okane, Junichi Tanida, Shinpei Yamasaki, Ken Saito, Fumio Uchikoba
    • 雑誌名

      International Journal of Advanced Robotic Systems

      巻: 11 ページ: 1-8

    • DOI

      doi: 10.5772/58671

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Neural Networks Integrated Circuit for Biomimetics MEMS Microrobot2014

    • 著者名/発表者名
      Ken Saito, Kazuaki Maezumi, Yuka Naito, Tomohiro Hidaka, Kei Iwata, Yuki Okane, Hirozumi Oku, Minami Takato and Fumio Uchikoba
    • 雑誌名

      Journal of robotics

      巻: 3 ページ: 235-246

    • DOI

      doi:10.3390/robotics3030235

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Electromagnetic Induction Type Micro Generator Combined with MEMS Air Turbine and Multilayer Ceramic Magnetic Circuit2014

    • 著者名/発表者名
      Yuji Yokozeki, Masato Kaneko, Tatsuya Nishi, Hiroaki Endo, Kazuki Hoshi, Naohiro Yoshida, Kento Hosoya, Ryo Saito, Minami Takato, Ken Saito, and Fumio Uchikoba
    • 雑誌名

      Proceedings of 2014 International Conference on Electronics Packaging

      巻: 1 ページ: 384-387

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Impact-Type MEMS Microrobot Controlled by Bare Chip IC of Hardware Neuron2014

    • 著者名/発表者名
      Masaki Tatani, Kazuaki Maezumi, Minami Takato, Shinpei Yamasaki, Hiroki Obara, Yuka Naito, Kei Iwata, Yuki Okane, Yuki Ishihara, Tomohiro Hidaka, Yohei Asano, Hirozumi Oku, Ken Saito, and Fumio Uchikoba
    • 雑誌名

      Proceedings of 2014 International Conference on Electronics Packaging

      巻: 1 ページ: 388-393

    • 謝辞記載あり
  • [学会発表] Development of Miniature Electromagnetic Devices Combined with Silicon and Magnetic Ceramic2014

    • 著者名/発表者名
      Minami Takato, Hiroaki Endo, Kazuaki Maezumi, Yuji Yokozeki, Ken Saito and Fumio Uchikoba
    • 学会等名
      Development of Miniature Electromagnetic Devices Combined with Silicon and Magnetic Ceramic,” 2014 10th International Conference on MEMS and NANO, and Smart Systems
    • 発表場所
      Dubai, UAE
    • 年月日
      2014-12-08 – 2014-12-10
  • [学会発表] Impact-Type MEMS Microrobot Controlled by Bare Chip IC of Hardware Neuron2014

    • 著者名/発表者名
      M. Tatani, K. Maezumi, M. Takato, S. Yamasaki, H. Obara, Y. Naito, K. Iwata, Y. Okane, Y. Ishihara, T. Hidaka, Y. Asano, H. Oku, K. Saito, and F. Uchikoba
    • 学会等名
      2014 International Conference on Electronics Packaging
    • 発表場所
      Toyama, Japan
    • 年月日
      2014-04-23 – 2014-04-25
  • [学会発表] Electromagnetic Induction Type Micro Generator Combined with MEMS Air Turbine and Multilayer Ceramic Magnetic Circuit2014

    • 著者名/発表者名
      Y. Yokozeki, M. Kaneko, T. Nishi, H. Endo, K. Hoshi, N. Yoshida, K. Hosoya, R. Saito, M. Takato, K. Saito, and F. Uchikoba
    • 学会等名
      2014 International Conference on Electronics Packaging
    • 発表場所
      Toyama, Japan
    • 年月日
      2014-04-23 – 2014-04-25
  • [図書] Handbook of Research on Advancements in Robotics and Mechatronics2014

    • 著者名/発表者名
      Ken Saito, Minami Takato Yoshifumi Sekine and Fumio Uchikoba
    • 総ページ数
      993
    • 出版者
      IGI Global
  • [備考] http://www.eme.cst.nihon-u.ac.jp/~uchikoba

URL: 

公開日: 2016-05-27  

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