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ロボットと光技術の融合へ―光センサー・システムの高度化が重要(3)

東京大学 石川正俊

―具体的にどのようなインパクトがあるのでしょうか?

それはロボットを止める必要がなくなるということです。現状は、ロボットが三次元形状計測を行なう際には毎回動作を止める必要があります。止まって画像計測を行ない,それに合わせて動作し,また画像計測を行なうのに止まるのを繰り返すわけです。その間に揺れてしまうという問題もあります。
それがこの高速ビジョンセンサーを使うと,揺れても1/1,000秒単位の情報がコントローラーに入っているので止まらずに動作することが可能になります。
それともう一つ,我々が取り組んでいるものとしてDynamic Compensation(動的補償)があります。これは大きな動きに対して細かいところは全てローカルのフィードバックに任せるというものです。画像計測が高速であれば本体のダイナミクスを全て補償できるので、筐体がどう動こうが問題になりません。例えばロボットアームの先に取り付けたセンサーで20 mm×20 mmの範囲の動きをフィードバックすれば,相対位置制御によってアームから先の動きは20 mmの精度で良くなるわけです。1/1,000秒の高速画像処理ならびに1/1,000の三次元形状計測ができると、産業用ロボットのフレキシビリティや知能は格段に上がります。

―AI系ロボット側から見るといかがでしょうか?

三次元形状計測は出来ていますが,先ほども申し上げたようにスピードが遅いという問題があります。高速化するにはセンサーのことが分かっていないといけません。いま期待されているのはTOF方式センサーですが,自己位置推定の高速化も必要です。
AIについて、ロボット掃除機「ルンバ」の開発者であるロドニー・ブルックスが随分前に「象はチェスをしない」という論文を発表しました。ここでチェスというのはロジックのAIを指しています。このロジックは組合せの最適化で問題を解くというタイプで、正しいロジックを通じてインテリジェンスを発揮していくというものです。しかし象にそんなロジックは必要ないというのです。象にとっては,リアルワールド・リアルタイムである今の世界をどうやって生きていくかという知能が必要であって、チェスの知能は要らないというわけです。
ロジックの方の知能には,あまり光技術は関係してこないと思います。しかし,リアルタイムの世界では光技術,あるいはセンサー技術が重要となります。いずれもリアルタイムを実現するものです。私はどちらかというと象の方の立場にいますが,近い将来,ロジックとリアルタイムの知能が一体化すると思っています。一体化するためのカギを握っているのは,リアルタイム側の技術です。なので,センサーデバイスの高精度化,高速化は必ず必要です。
AIやIoTを実現するため、ディープラーニングなど色々な知能を埋め込むのも重要ですが、実際にインプリメントする場合には実世界を全て理解していることの方が重要で、そうなるとセンサーの能力が高い方が知能としても高くなります。これが、私が見ているこれからのロボット開発のトレンドと、光センサーを開発されている方々への期待感です。
そのことを理解してAIやIoTを構築する必要があります。これは日本が強いのではないかと思っています。欧米はチェスロボットに代表されるような上の層の知能を上げるという方向に走っていますが,例えば,工場全体を知能化するには,どれだけセンサーをうまく作れたかが重要となります。ですので、日本はセンサーの知能の高度化に迫って行くほうが良いと思います。

(月刊OPTRONICS 2017年12月号より転載)

次週に続く—

タッチエンス MEMS触覚センサの量産化に向けた開発をスタート

触覚センサの開発・製造・販売を行うタッチエンス株式会社は、DEFTA Healthcare Technologies, L.P.等を引受先とした第三者割当増資を実施し、1億1千万円の資金調達を行った。また、MEMS産業界の有力者を社外取締役に迎え(注1)、MEMS触覚センサの本格的な量産に向けた開発をスタートすることを発表した。

(注1) 住友精密工業株式会社 元代表取締役社長 神永 晉氏(現在は、SKグローバルアドバイザーズ株式会社*代表取締役):MEMS産業に関わること30年、業界標準となったMEMS微細加工技術の開発・事業化をはじめとして、MEMSデバイス、センサ・ネットワーク等の開発・事業化を推進。産学連携、海外企業・研究機関との協業、M&A等の経験も豊富。MEMSを要のひとつとして具現化したIoTの世界に深く関わり、国際的にも活動範囲広く、中長期視点の研究開発・事業化の重要性を各方面で発信している。

リリースの詳細は以下のサイト(@press):
 https://www.atpress.ne.jp/news/165718

「Apple Watch Series 4」発表

 アップルは9月13日、スマートウォッチ「Apple Watch Series 4」を発表した。アルミニウムケースのGPSモデルが税別4万5800円、セルラーモデルが税別5万6800円、ステンレススチールのセルラーモデルが税別7万4800円。9月14日より予約受付を開始し、9月21日に販売を開始する。なお、旧モデルとなるSeries 3は税別3万1800円で販売継続となる。

Series 4では、初代Apple Watchから大きく変更することのなかったデザインに手が加えられており、小型モデルは従来比35%、大型モデルは32%とディスプレイサイズが拡大。ボディサイズも、38mmと42mmから40mmと44mmに大型化。ディスプレイサイズの拡大により、画面表示の情報量が増え、新しいUIも採用されている。OSは、Watch OS 5を搭載する。

SoCには、Appleが設計したS4エンジンを搭載。64bitのデュアルコアプロセッサで、GPUも強化。従来比で2倍高速化されているという。また、デジタルクラウンにハプティクスが追加されたことで、クラウンを回した際の機械的な感触を再現。スピーカーの音量も従来比50%増加し、マイクの収音性能も高めたという。そのほか、LTE、Bluetooth 5.0、GPS、防水機能などを一通り搭載する。バッテリーライフは、1日中としている。

さらに、加速度・ジャイロセンサも刷新されており、2倍のダイナミックレンジ、モーションデータのサンプリングが8倍高速化されている。センサの高性能化により、落下や転倒、スリップを検知できるようになり、緊急通報ボタンが表示された後そのまま1分間動かなければ、自動で通報する。心拍センサも刷新されており、新たに異様な低心拍数や心房細動の検知に加え、デジタルクラウンに指を置くことで心電図を計測できるようになった。

ニュースサイト:https://japan.cnet.com/article/35125533/

凸版印刷・ホシデン、IoTで健康・労務管理 生体センサでの連携

凸版印刷株式会社は、Bluetooth技術による位置情報とネットワークカメラによる映像データを組み合わせ、人や資材の動態を可視化し、作業員の労務状況を分析できるサービス「ID-Watchy(アイディーウォッチー)」シリーズを提供している。

このたび、「ID-Watchy」に、ホシデン株式会社製のリストバンド型生体センサ「MEDiTAG(メディタグ)」を連携させることにより、位置情報と映像データによる労務管理に加えて、作業員の健康状態を把握できる機能を追加した「ID-Watchy Bio(アイディーウォッチーバイオ)」を開発した。労務状況の分析と連携してデータを活用し、企業の健康経営につなげる。建設業や製造業、企業人事・総務部門などに向けて、2018年12月に販売を開始する予定となっている。

■ 「ID-Watchy Bio」の特長 ・作業員一人ひとりの労務状況を管理・分析 クラウド環境で記録した位置情報と映像を一元管理し、管理者は遠隔でも作業員一人ひとりの労務状況をリアルタイムに確認。作業員別の滞留時間や動線など、労務状況を分析で きる。

・生体センサー「MEDiTAG」を付けるだけで、健康・行動・位置情報を手軽に把握 作業員が付けた生体センサー「MEDiTAG」からパルス*・転倒検知・ストレスレベル・歩数検知など作業員一人ひとりの健康情報を手軽に記録できる。位置情報や映像データから分析した労務状況と健康情報を組み合わせ、適切な人員配置やケアを行うことができ企業の健康経営の実現に貢献する。
*パルスは拍数/分を推定、算出しています。

・健康・行動・位置情報の連携で現場での災害、事故を未然防止 管理者は作業員の健康状態と行動、位置情報を連携したデータをリアルタイムで確認することができます。そのため、危険な場所への立ち入りや現場での体調急変、転倒などの労働災害を事前に察知し、未然防止することが可能。

■ 価格 初期導入費用:150万円から
(100人規模の事業所想定、カメラ5台、BLEセンサー5台、MEDiTAG費用は別途)
サービス使用料:月額10万円から
※対象人数、カメラ・センサー台数などにより価格は変動。

ニュースリリースサイト:https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000086.000033034.html

ルネサス、米IDTを約7330億円(67億ドル)で買収

ルネサス エレクトロニクスおよび米IDTは、ルネサスがIDTの株式を1株当たり49.00ドル、株式価値にして総額約67億ドル(1ドル110円換算で約7330億円)で買収し、完全子会社化することに合意したことを発表した。

買収は現金で行なわれる予定。ルネサスは、製品の絞込みと、戦略市場への注力で業績の回復を進める一方、成長戦略の推進に向け、2017年2月にIntersilを買収。パワーマネジメントICやアナログ半導体製品などのポートフォリオ拡充を図っていた。
今回の買収により、同社はさらにIDTの有するRF、高性能タイミング、メモリインタフェース/パワーマネジメント、オプティカル・インターコネクト、ワイヤレスパワー、スマートセンサなどのアナログ・ミクスドシグナル製品を加えることとなり、これらをルネサスの主軸製品であるマイコンやSoCと組み合わせることで、組込機器で高まる高速な情報処理に対するニーズに、センサからアナログフロントエンドデバイス、およびプロセッサやインタフェースに至るまでフルソリューションの提供が可能となり、最適なシステムを構築することができるようになると同社では説明している。

また、今回の買収により販売機会が拡大することから、短期・長期の売上成長を見込み、ならびに規模の拡大に伴うコストの効率化により、合計2億5000万ドル(同約275億円、Non-GAAPベースの営業利益の年間ランレート)程度の統合効果が見込めるとしている。

なお、同買収は、すでに両社の取締役会にて全会一致で可決されているが、買収完了は、IDTの株主総会における合併の承認、および関係当事国において必要となる当局の承認の取得を前提としているため、2019年上期中となる見通しだという。

ニュースサイト:https://news.mynavi.jp/article/20180911-691593/

体に貼る、シールタイプ環境生体センサー「LogicInk」

体の皮膚に貼っておくだけで紫外線強度などが分かる環境生体センサ「LogicInk」が、Kickstarterでクラウドファンディング中である。

LogicInkは、手の甲などにタトゥーシールのように転写して使う環境生体センサ。センサ機能がインク自体にあり、色の変化により目で見て分かるのでスマートフォンなどのデバイスは必要ない。紫外線強度、血中アルコール濃度、PM2.5濃度、ブルーライト強度などのセンサーが開発されている。

現在、商品化されているのは、紫外線強度が分かる「LogicInk UV」。LogicInk UVは、二重の輪の形になっているシール。手の甲に貼っておくと、内側の輪の色の変化でその時々の紫外線強度を、外側の輪の色の変化で1日に浴びた紫外線量を知ることができる。
LogicInk UVの価格は1枚14ドル(約1600円)で、10枚セットは45ドル(約5000円)。出荷は2018年11月の予定で、日本への送料は36ドル(約4000円)。

ほかに、体に貼るだけで血中アルコール濃度が分かる「Alcohol Biosensor」は、現在プロトタイプの段階で、米国立衛生研究所(NIH)によりその有効性が認証されている。PM2.5の濃度が分かる「Pollution Sensor」もプロトタイプ段階で、ブルーライトの強度が分かる「High Energy Visible Light」は概念実証段階だ。
これら開発中のセンサは、79ドル(約8800円)で予約できる。出荷は2019年8月の予定で、日本への送料は36ドル(約4000円)。

LogicInkは2018年10月6日までクラウドファンディングを実施するが、2018年9月10日時点で、目標の2万5000ドル(約280万円)をほぼ達成している。

ニュースサイト:https://fabcross.jp/news/2018/20180910_logicink.html

ロボットと光技術の融合へ―光センサー・システムの高度化が重要(2)

東京大学 石川正俊

―では、先生が狙っているところとは?

産業用ロボットの知能を高めていくことです。そのためには,センサーとアクチュエータの高速化,高精度化が重要になります。センサーに関しては,その機能はかなり高まってきていますが,要求速度は先ほど申し上げたように1/1,000秒なので,これに対応するための開発が必要です。特に一般的な光センサーは遅いので、それを如何に高速化させるかが課題です。
光三次元形状計測を例に挙げますが,現在製品化されている多くのものは遅いのが現状です。CEATECに出展しましたが,エクスビジョン(石川氏が創業したベンチャー企業)では1/1,000秒で高速三次元計測を可能にするシステムを開発しています。これは対象物に対し,測定用のパターン画像を1,000fpsで投影可能なプロジェクターと高速ビジョンセンサーを使用することで,高速に移動している物体をリアルタイムで形状計測できるものです。1/1,000秒で認識する高速ビジョンセンサーはロボット制御にもそのまま使うことができます。

―高速ビジョンセンサーについて詳しく教えてください。

石川教授の研究室とソニーが共同開発した高速ビジョンセンサーをパラレルリンクロボットの先端に搭載。

我々の研究室とソニーとが共同で開発したもので,ソニーが実用化を発表しています。この成果をこの2月に開催されたISSCCで発表しましたが,我々の研究室ではこれを搭載したパラレルリンクロボット(ファナック製)を用い,高速画像認識技術などの研究開発を進めています。このチップはcolumn parallelという方式で,1/1,000秒で画像処理ができるものです。1番上の層に1/1,000秒でも感度が高いイメージャーがあり,二層目にAD変換が約1,300個,4bitと1bitプロセッシングエレメント(PE)も約1,300個が並列実装されています。フレームレートは,フル解像度で500 fps(2メガピクセル4 bit)。それを1/4にした0.3メガピクセルで1,000fpsになります。これを例えばGPUでやろうとしたら何十Wという消費電力が必要ですが,このチップはわずか363mWです。
これまで1/1,000秒の画像処理を実現させるのには高価な画像処理装置が必要でしたし,カメラ自体も感度が足りなかったり,足りたとしても分解能が低かったりという問題がありましたが,このセンサーでは感度も分解能も満足するものとなっています。それでいて超低消費電力。私はこの高速ビジョンセンサーが今後のロボットの世界を根底から変えると思っています。なぜならロボットの指先に載せられるので,相対値制御が実現できるからです。そうなるとある程度のずれはローカルに補償できるので,プレイバックという概念がなくなります。これは非常に大きなインパクトがあります。

(月刊OPTRONICS 2017年12月号より転載)

次週に続く—

センサイト・キュレーション「ロボットセンサの最新動向」(2)

11.「Robopedia」 運営:NEDO8(新エネルギー技術研究開発機構)
ロボットに関する研究開発や教育事例を収集し、共有するためのポータルサイト。どちらかといえば研究機関に所属する技術者向きかも
http://robopedia.sakura.tv/

12.「未来コトハジメ--ロボティクス社会」 運営:(株)日経BP
「社会問題解決のアイデアバンク」として最新のテクノロジーの流れからこれからの社会をひも解くサイト。ロボティクス社会の項目ではロボットの”眼”として人間には見えないものを捉えるセンサを付けるなどの可能性についても述べている。
https://business.nikkeibp.co.jp/atclh/NBO/mirakoto/robotics/index.html

13.「EDGE&LINK-ロボット」 運営:オムロン(株)
オムロンによる社会に貢献する技術の紹介サイト。卓球をする人のレベルに合わせてラリーをする卓球ロボット「フォルフェウス」の紹介等もある。
https://www.edge-link.omron.co.jp/technology/

14.「Tech Mag」 運営:TDK(株)
TDKのWEBマガジン。ここでは、ロボットカーの自動運転に対する今後の期待と課題について技術に詳しい外部ライターが解説していて、読みやすい。
https://www.tdk.co.jp/techmag/topics/index.htm

15.「製品情報」 運営:日本電産(株)
日本電産の製品情報サイト。少し以前のものだが、市場予測と共にサービスロボット分野に対する同社の様々な供給部品を見ることが出来る。
https://www.nidec.com/ja-JP/product/new_field/service_robot/

16.「センサ制御ロボットによる工場の生産性の向上」 運営:タイコエレクトロニクス
IoTおよびIndustry4.0を見据えてタイコエレクトロニクスが力を入れている産業ロボットについての記述がある。
http://www.te.com/jpn-ja/trends/iot/industry-4-digital-factory-production/sensors-improve-robots-in-factories.html

17.「MyEnigma」 運営:個人
エンジニアの個人ブログ 簡潔にロボットのカメラ・LiDAR・レーダセンサについて解説している。書籍をよく調べていて、研究熱心ぶりがうかがえる。
https://myenigma.hatenablog.com/entry/20140530/1401435139

18.「academist」 運営:アカデミスト(株)
学術系クラウドファンディングサイト 研究者がやってみたい研究・実験の支援を募るサイト。紹介する研究は金額がたまたま達しなかったようだが、研究・実験の支援者がどれぐらいいるのかという事も分かって、興味深い。
https://academist-cf.com/projects/51

19.「国立大学55工学系学部ホームページ」 運営:国立大学55工学系学部長会議
全国の国立大学の工学系学部の学部長が構成しており、工学系の教育・研究活動の改善、向上及び発展に寄与するためのサイト(東大・京大・筑波大・東工大は入っていない)ロボコンの案内もあるが、「おもしろ科学実験」のコーナーではセンサを作ってみる実験も掲載されている。
http://www.mirai-kougaku.jp/

以上、今回はロボットとセンサというテーマでサイトをご紹介しましたが、ロボットという言葉がかなり市民権を得ているためか、子供向け、学生向け、研究者向けなどビジネスだけではないページなども見られました。また、人間とロボットの将来のあるべき形などを論じているサイトなどもいくつかあり、現時点でロボットは身近にある未来という捉え方をされているのだと感じました。

「ロボットの神経に期待される超高速分布型ファイバーセンサー」(2)

2.位相検波BOCDR

2種類の超高速BOCDRのうち1つ目は、「位相検波BOCDR」5)である。従来のシステムでは、電気スペクトルアナライザー(ESA)の周波数掃引機能を用いてBGS全体を取得した後、そのピーク値を与える周波数(BFS)を算出していた。その結果、サンプリングレートは19 Hzに制限されていた4)

図3. 超高速化の原理
(a) BGSを周波数領域から時間領域に変換する原理

そこで、高速に周波数が掃引された信号を電圧制御発振器(VCO)により発生させ、BGSとミキシングし、ある固定の1周波数成分のスペクトルパワーだけをモニタリングした。これにより、従来周波数領域の信号であるBGSを時間領域の信号に変換することが可能となり、高速なBGSの取得が実現された(図3(a))。

しかし、そのままではBGSからBFSを算出するプロセスが全体の動作速度を制限してしまう。そこで、取得した時間領域BGSを狭帯域通過フィルター(BPF)により1周期の正弦波に近似して、排他的論理和(XOR)の論理ゲートと低域通過フィルター(LPF)を用いて位相検波を行った(図3(b))。これにより、BFSと1対1対応となる量を直接取得することが可能となった(図4(a,b))。

図3. 超高速化の原理
(b) 時間領域BGSから位相検波によってBFSを取得する原理
図4. システムの出力と印加歪の関係
(a) 位相遅延と印加歪の関係。(b) 出力電圧と印加歪の関係
図5. 位相検波BOCDRの実験系

次に、この手法により100 kHzを超えるサンプリングレートを達成できることを実証した。これは、従来法の5000倍以上の速度である。用いた実験系を図5に示す。まず、1 kHzまでの局所的な振動の検出に成功した(図6(a–d))。次に、光ファイバーをたわませて発生させた変形の伝搬を検出した(図6(e–g))。以上により、リアルタイム分布測定の動作が確認できた。

図6. 位相検波BOCDRによる超高速測定のデモ
(a–d) 30 HZから1 kHzまでの局所的な振動の検出結果,
(e–g) 伝搬するたわみ変形の発生の様子とリアルタイム検出の結果.

(※月刊OPTRONICS 2017年12月号より転載)

参考文献

4) Y. Mizuno, Z. He, and K. Hotate, “One-end-access high-speed distributed strain measurement with 13-mm spatial resolution based on Brillouin optical correlation-domain reflectometry,” IEEE Photon. Technol. Lett. 21, 474 (2009).

5) Y. Mizuno, N. Hayashi, H. Fukuda, K. Y. Song, and K. Nakamura, “Ultrahigh-speed distributed Brillouin reflectometry,” Light: Sci. Appl. 5, e16184 (2016).

次週に続く―

ロボットセンサの基礎知識(2)

東北学院大学工学部
機械知能工学科 教授
熊谷正朗

センサの信号面の変化

一般用のセンサが多様化しているように、ロボット用のセンサも様々である。ロボット開発をするために使うセンサとしては、1990年代はまだまだ、「センサそのもの」だけがパッケージングされたものが多かった。

図2 センサ系の構成のハード的変化 (1/2)

具体的には、物理・化学的現象をそのまま部品にした「生」のセンサ本体(図2(a))、その信号を増幅・変換・フィルタ処理をし(温度センサIC等)、計測原理を実現するアナログ回路(振動ジャイロ等)を「センサ部品」内に持ち(同(b))、ある程度「料理」された信号を出力する。たとえば、小型のカメラモジュールも、撮像のためのCCD素子本体、それを駆動し映像信号として出力する周辺チップが基板上に一括搭載されていた(コンピュータのないアナログ主体の電子回路)。

図2 センサ系の構成のハード的変化 (2/2)

それが2000年ころにはセンサ部品内でデジタル化されるものが増え(同(c))、さらにマイコンの高性能化、低コスト化が進んで、センサ部品のなかに処理用のプロセサ(コンピュータ)まで入ることが一般的になってきた(同(d))。身近な例ではコンピュータのマウスがあり、以前は「玉」が転がり(今の若者には通じにくくなりつつある)、ローラで回転をとり、ロータリーエンコーダで計測していたが(以前のPC9801シリーズのマウスコネクタはそのパルス信号そのものを受付け、PC側に数えるカウンタがあった)、いまは低画素・高速のカメラで撮影・画像処理した結果として、センサから見える面の移動計測=マウスの移動の計測をしている。

このような変化に伴い、センサの信号も変わってきている。従来はアナログの電気的変化(電圧・電流・抵抗・容量など)が出力され、これをアナログ回路で受けて、アナログデジタル変換をするハードウエアを実装していたが、センサ側にコンピュータまで入った結果、そのセンサと利用側のコンピュータの間が、コンピュータ同士のデジタル通信(SPI, I2C等)になってきた。PCに接続して使うことが前提のセンサであれば、USB接続(実際には、USB-シリアル変換を内蔵したケースもよくある)のものもあり、回路に不慣れな場合でも「挿せば動く」ようになってきている。あるいは、センサ自身がネットワーク接続できるようになっているものも珍しくはない(ネットワークカメラもこの形式)。1990年代にもこのようなコンピュータおよび処理内蔵型のものはあったが、一般には高価な装置型センサの形式であり、それが数百円の安いセンサにも一般化したという点が変化である。特に、ゲーム機やスマホに搭載されるような、数が出ることが期待されるセンサから真っ先にこのデジタル通信化が進んだ印象がある。

図3 アナログ・デジタルセンサ系のトラブル解析作業

ただし、この変化には利点欠点がある。利点は明確で、ある程度の~高度な専門知識を必要とするアナログ処理部分(センシング原理はアナログなので、それが無くなるわけではない)をパッケージ内に収め、センサ周囲の性能を保証し、電源を繋ぐだけにしたこと、マイコンと数本の線で繋ぐだけであとはソフトを書ければ良く、特にソフト系の組み込み技術者にも扱いやすくなったことが上げられる。一方で、全体がブラックボックス化して、かつソフトがなければ動作しないため、うまく動かないときに、部品としてのセンサそのものが悪いのか、通信部分(センサ・マイコンの通信インタフェースの設定含む)が悪いのか、センサの使い方(初期化や計測条件の設定だけで面倒)が悪いのか、といった解析が、以前はオシロスコープを順番に当てれば良かったことに比べて、難易度が上がっている(図3)。言い換えれば「サンプルなどを見つけてきて一発で動けばすごく良い」が、「ひとたびトラブルが起きると以前よりかなり大変」である。

次週に続く―

著者
熊谷正朗(くまがいまさあき)
東北学院大学工学部 機械知能工学科 教授
略歴:
2000年 東北大学大学院工学研究科修了、博士(工学)。同年 東北大学助手。2003年東北学院大学講師、助教授、准教授を経て、2013年教授。2008年より仙台市地域連携フェローを兼任。
主にメカトロニクス、ロボット系の講義を担当し、仙台市地域連携フェローでも「基礎からのメカトロニクスセミナー」を実施。