北海道大学 大学院情報科学研究院

卒業生とその進路

自律歩行ロボットの制御を行う生物規範型歩行生成機構の集積回路化に関する研究


中田 一紀

2004 年度 卒 ／博士（工学）

博士論文の概要

本研究は、センサエージェントへの応用を目的とした、自律移動ロボットの制御を行う生物規範型歩行生成／制御機構の集積回路化に関するものである。

センサエージェントとは、センサをその構成要素（エージェント）として自律分散的にセンシングを行うマルチエージェントシステムである。センサエージェントにおいて。エージェントはセンサによって獲得した環境情報を用いて、自律的に行動あるいは情報処理を行う。また、ネットワークを介して複数のエージェントと協調し、環境の認識や理解、構造化を行う。センサエージェントは、被災地などの極限状況下におけるセンシングに関連して今後重要となる技術のひとつであり、 その実現にはセンサ、移動機構および通信機構など各要素技術の集積化が不可欠である。

本研究では、センサエージェントに必要となる自律移動機構として生物規範型歩行生成／制御機構の集積回路化による実装について検討を行った。センサエージェントは未知環境下でのセンシングを目的としているため、その移動制御は予測不可能な環境の変動に対して実時間で自律的かつ適応的に行わなければならない。これは、従来の制御手法では実現することが難しい課題のひとつである。そこで、本研究では生物規範型歩行生成／制御機構に着目した。

生物の歩行や走行、遊泳、飛翔などの移動運動は、Central Pattern Generator（CPG）とよばれる中枢神経系が生成する周期運動を基本として行われる。このCPGによって生成される周期運動はセンサフィードバックを介して身体系や環境と力学的相互作用し、その結果として自律的かつ適応的に歩行運動が生成される（Global Entrainment）。つまり、生物は神経系、身体系および環境の間の相互作用を最適化することによって、未知の環境において自律適応的な歩行運動を実現している。このGlobal Entrainmentの概念にもとづいてロボットの歩行制御を行う手法が生物規範型歩行生成／制御手法である。

これまでの先行研究において、生物規範型歩行生成／制御手法に関する研究は、理論と応用の両面から進展してきた。それらの研究によって、次の利点が示唆されている：

（１）CPGが生成する周期運動は制御対象である物理系（身体系）の協調を図り、制御変数の実効的な自由度を低減する。

（２）（１）の結果、単位時間当りの計算量が削減される。

（３）センサフィードバックを介して、外乱や環境の変動に対する高い自律適応性が実現される。

本論文では、以上の利点に着目して、生物規範型歩行生成／制御機構のアナログ集積回路化による実装について検討した。従来の実装手法は、汎用マイクロプロセッサ上にソフトウェアとして組み込むものが主流であった。この手法は、正確な動作や制御性に優れているが、逐次的に処理を行う必要があるため、制御対象の自由度が高くなるにつれて計算負荷が大きくなるという問題がある。また、プロセッサの消費電力や占有面積も大きい。これらは、小型化かつ低電力動作が要求されるセンサエージェントの実現において問題となる。

そこで本研究では、アナログ回路の非線性を利用してCPGの機能を効率良く実現することを考えた。 CPGのモデルを連立常微分方程式（状態方程式）により記述し、モデルの状態変数を物理量（電圧および電流）に対応させることによりアナログ集積回路化を行った。状態変数の表現および相互作用の方式について回路構成を検討し、（i）電圧表現 -電流相互作用型回路、（ii）電圧表現-電圧相互作用型回路および（iii）電流表現-電流相互作用型回路を提案した。

CPGのアナログ集積回路化において（１）素子特性変動および電流源精度が回路動作に与える影響や（２）回路の発振周波数および振幅の動作域の制限が問題となる。本研究では、CPG回路の制御対象としてロボットの関節機構を想定したフィードバック制御系を構成し、センサフィードバックを効果的に利用することにより、それらの問題点が改善できることを示した。

以上により、本研究ではCPGの機能を実現するアナログ集積回路の設計方針およびそれを組み込んだ制御系の構成方法を確立し、その有用性を示すとともに、センサエージェントの自律移動機構の実装に向けての見通しを得た。

学術論文

  1. Abe Y., Nakada K., Hagiwara N., Suzuki E., Suda K., Mochizuki S., Terasaki Y., Sasaki T., and Asai T., "Highly-integrable analogue reservoir circuits based on a simple cycle architecture," Scientific Reports, vol. 14, no. 1, 10966 (2024).
  2. Nakada K., Suzuki S., Suzuki E., Terasaki Y., Asai T., and Sasaki T., "An information theoretic parameter tuning for MEMS-based reservoir computing," Nonlinear Theory and Its Applications, vol. E13-N, no. 2, pp. 459-464 (2022).
  3. Nakada K., Miura K., and Asai T., "Dynamical systems design of silicon neurons using phase reduction method," Nonlinear Theory and Its Applications, vol. 7, no. 2, pp. 95-109 (2016).
  4. Nakada K., Asai T., Hirose T., Hayashi H., and Amemiya Y., "A subthreshold CMOS circuit for a piecewise linear neuromorphic oscillator with current-mode low-pass filters," Neurocomputing, vol. 71, no. 1-3, pp. 3-12 (2007).
  5. Nakada K., Asai T., and Hayashi H., "Analog VLSI implementation of resonate-and-fire neuron," International Journal of Neural Systems, vol. 16, no. 6, pp. 445-456 (2006).
  6. Nakada K., Asai T., and Amemiya Y., "Analog CMOS implementation of a CNN-based locomotion controller with floating-gate devices," IEEE Transactions on Circuits and Systems I, vol. 52, no. 6, pp. 1095-1103 (2005).
  7. Nakada K., Asai T., and Amemiya Y., "Biologically-inspired locomotion controller for a quadruped walking robot: Analog IC implementation of a CPG-based controller," Journal of Robotics and Mechatronics, vol. 16, no. 4, pp. 397-403 (2004).
  8. Nakada K., Asai T., and Amemiya Y., "Design of an artificial central pattern generator with feedback controller," Intelligent Automation and Soft Computing, vol. 10, no. 2, pp. 185-192 (2004).
  9. Nakada K., Asai T., and Amemiya Y., "An analog central pattern generator for interlimb coordination in quadruped locomotion," IEEE Transactions on Neural Networks, vol. 14, no. 5, pp. 1356-1365 (2003).

書籍／チャプター

  1. Nakada K., Asai T., and Hayashi H., "Synchronization properties of pulse-coupled resonate-and-fire neuron circuits and their application," Brain-Inspired IT III, Natsume K., Hanazawa A., and Miki T., Eds, International Congress Series, vol. 1301, pp. 148-151, Elsevier, Netherlands (2007).
  2. Nakada K., Asai T., and Hayashi H., "Burst synchronization in two pulse-coupled resonate-and-fire neuron circuits," Professional Practice in Artificial Intelligence, IFIP International Federation for Infornation Processing, Debenham J., Ed., vol. 218, pp. 285-294, Springer, Boston (2006).

特許

  1. 寺崎 幸夫, 中田 一紀, 鈴木 英治, 須田 慶太, 佐々木 智生, 浅井 哲也, 阿部 佑紀, "ノード及びレザバー素子," 特願2023-122359（2023年7月27日）.

国際会議

  1. Nakada K., Suzuki E., Suda K., Terasaki Y., Asai T., and Sasaki T., "A memory-efficient FORCE learning based on ensemble Kalman filter," 2022 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications, Online, Croatia (Dec. 12-15, 2022).
  2. Nakada K., Suzuki S., Suzuki E., Terasaki Y., Sasaki T., and Asai T., "An information theoretic design for MEMS-based reservoir computing," The 2021 Nonlinear Science Workshop, Online (Dec. 6-8, 2021).
  3. Nakada K., Miura K., and Asai T., "Dynamical system design for silicon neurons using phase reduction approach," The 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Osaka International Convention Center, Osaka, Japan (Jul. 3-7, 2013).
  4. Nakada K., Miura K., Asai T., and Tanaka H., "Dynamical systems design of nonlinear oscillators using phase reduction approach," 2012 IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems, The Splendor Hotel Kaohsiung, Kaohsiung, Taiwan (Dec. 2-5, 2012).
  5. Nakada K., Miura K., and Asai T., "Silicon neuron design based on phase reduction analysis," The 6th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems (The 13th International Symposium on Advanced Intelligent Systems), Kobe Convention Center, Kobe, Japan (Nov. 20-24, 2012).
  6. Nakada K., Igarashi J., Asai T., Tateno K., Hayashi H., Ohtsubo Y., Miki T., and Yoshii K., "Stochastic synchronization and array-enhanced coherence resonance in a bio-inspired chemical sensor array," The 2008 IEEE 11th International Conference on Computational Science and Engineering, CSE-08-4, S.Paulo, Brazil (Jul. 16-18, 2008).
  7. Nakada K., Asai T., and Hayashi H., "Synchronization properties of pulse-coupled resonate-and-fire neuron circuits and their application," Abstracts of the 3rd International Conference of Brain-inspired Information Technology, p. 64, Kitakyushu, Japan (Sep. 27-29, 2006).
  8. Nakada K., Asai T., and Hayashi H., "Burst synchronization in two pulse-coupled resonate-and-fire neuron circuits," IFIP Conference on Artificial Intelligence, Santiago, Chile (Aug. 21-24, 2006).
  9. Nakada K., Igarashi J., Asai T., and Hayashi H., "Noise effects on performance of signal detection in an analog VLSI resonate-and-fire neuron," 2006 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, pp. 5183-5186, Island of Kos, Greece (May 21-24, 2006).
  10. Nakada K., Asai T., and Hayashi H., "A silicon resonate-and-fire neuron based on the Volterra system," Proceedings of the 2005 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications, pp. 82-85, Bruges, Belgium (Oct. 18-21, 2005).
  11. Nakada K., Asai T., Hirose T., and Amemiya Y., "Analog current-mode implementation of central pattern generator for robot locomotion," Proceedings of the International Joint Conference on Neural Networks 2005, pp. 639-644, Montreal, Canada (Jul. 31-Aug. 4, 2005).
  12. Nakada K., Asai T., Hirose T., and Amemiya Y., "Analog CMOS implementation of a neuromorphic oscillator with current-mode low-pass filters," Proceedings of the IEEE International Symposium on Circuits and Systems, pp. 1923-1926, Kobe, Japan (May 23-26, 2005).
  13. Nakada K., Asai T., and Amemiya Y., "Towards development of sensor agents: applications of analog CPG chip," The 2nd International Symposium on Ubiquitous Knowledge Network Environment, Sapporo, Japan (Mar. 16-18, 2005).
  14. Nakada K., Asai T., and Amemiya Y., "Analog current-mode implementation of neuromorphic oscillator for robot locomotion," Proceedings of the 2005 RCIQE International Seminar for 21st Century COE Program: Quantum Nanoelectronics for Meme-Media-Based Information Technologies (III), pp. 150-151, Sapporo, Japan (Feb. 8-10, 2005).
  15. Nakada K., Asai T., and Amemiya Y., "Analog CMOS implementation of a bursting oscillator with depressing synapse," Proceedings of the International Conference on Intelligent Sensors, Sensor Networks and Information Processing, pp. 503-506, Melbourne, Australia (Dec. 14-17, 2004).
  16. Nakada K., Asai T., Hirose T., and Amemiya Y., "Digital VLSI implementation of ultra-discrete Burgers cellular automata for simulating traffic flow," Proceedings of the IEEE International Symposium on Communications and Information Technologies 2004, pp. 394-397, Sapporo, Japan (Oct. 26-29, 2004).
  17. Nakada K., Asai T., and Amemiya Y., "An analog CMOS circuit implementing a CNN-based locomotion controller for quadruped walking robots," Proceedings of the 2004 IEEE International Symposium on Circuits and Systems , vol. 3, pp. 1-4, Vancouver, Canada (May 23-26, 2004).
  18. Nakada K., Asai T., and Amemiya Y., "An experimental chip for bio-inspired locomotion controller based on the Wilson-Cowan neural oscillator ," 2004 RCIQE International Seminar for 21st Century COE Program: Quantum Nanoelectronics for Meme-Media-Based Information Technologies (II), Sapporo, Japan (Feb. 9-11, 2004).
  19. Nakada K., Asai T., and Amemiya Y., "A novel analog cellular neural network for biologically-inspired walking robot," The 46th IEEE Midwest Symposium on Circuits and Systems , 576N, Cairo, Egypt (Dec. 27-30, 2003).
  20. Nakada K., Asai T., and Amemiya Y., "An analog CMOS circuit for locomotion control in quadruped walking robot," The 1st International Workshop on Ubiquitous Knowledge Network Environment, Sapporo, Japan (Nov. 25-27, 2003).
  21. Nakada K., Asai T., and Amemiya Y., "An analog neural oscillator circuit for locomotion control in quadruped walking robot," Proceedings of the 2003 International Joint Conference on Neural Networks , vol. 2, pp. 983-988, Oregon, U.S.A. (Jul. 20-24, 2003).
  22. Nakada K., Asai T., and Amemiya Y., "An analog CMOS circuit implementing CPG controller for quadruped walking robot," Proceedings of the 2nd International Symposium on Adaptive Motion of Animals and Machines , WeP-II-2, Kyoto, Japan (Mar. 4-8, 2003).
  23. Nakada K., Miyanaga Y., and Shimozawa T., "A new speech feature extraction method via time-frequency distribution," Proceedings of the 2001 International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications , pp. 989-992, Tokushima, Japan (Jul. 10-12, 2001).

国内学会

  1. 中田 一紀, 鈴木 駿也, 鈴木 英治, 寺﨑 幸夫, 佐々木 智生, 浅井 哲也, "相互情報量基準による非線形MEMS共振器レザバーの制御性の向上," 電子情報通信学会非線形問題研究会, (オンライン開催), 2021年6月11-13日.
  2. 中田 一紀, 三浦 佳二, 浅井 哲也, "位位相縮約法によるシリコンニューロンのダイナミカルシステムデザイン," Neuro 2013, (京都), 2013年6月.
  3. 中田 一紀, 三浦 佳二, 浅井 哲也, "位相縮約に基づくシリコンニューロンのダイナミカルシステムデザイン," 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会, (北九州), 2012年10月.
  4. 中田 一紀, 三浦 佳二, 浅井 哲也, "位相縮約法に基づく非線形発振回路の最適化設計," 日本応用数理学会 数理設計研究部会 2012年研究部会連合発表会, (福岡), 2012年3月.
  5. 中田 一紀, 浅井 哲也, "Logical Stochastic Resonanceによる論理動作を実現するアナログCMOS回路," 電子情報通信学会 複雑コミュニケーションサイエンス研究会（第３回）, pp. 243-248, (東京), 2012年3月.
  6. 中田 一紀, 三浦 佳二, 浅井 哲也, "位相縮約による非線形発振回路の雑音誘起同期現象の数理解析," 電子情報通信学会 回路とシステム研究会, (九州), 2012年1月.
  7. 中田 一紀, 浅井 哲也, 林 初男, "Resonate-and-Fire Neuron モデルのアナログCMOS 集積回路化," 電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会, (北九州), 2005年11月.
  8. 中田 一紀, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "歩行運動を制御する結合神経振動子系の集積回路化〜弱反転領域で動作する電流モード結合神経振動子回路," 電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会, (北九州), 2004年11月.
  9. 中田 一紀, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "歩行運動を制御する結合神経振動子系の集積回路化〜ダイナミックシナプスを導入した神経振動子回路," 電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会, (東京), 2004年3月.
  10. 中田 一紀, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "生物規範型の移動運動を制御するアナログCMOS回路〜センサフィードバックに対する周波数/振幅変調特性," 電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会, (北九州), 2003年11月.
  11. 中田 一紀, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "Wilson-Cowan 神経振動子モデルに基づくアナログCPG回路の構成," 日本神経回路学会第13回全国大会, (東京), 2003年9月.
  12. 中田 一紀, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "生物規範型の移動運動を制御するアナログCMOS回路〜Amari-Hopfield アナログCPG回路とWilson-Cowan アナログCPG回路の比較," 電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会, (玉川), 2003年3月.
  13. 中田 一紀, 秋田 純一, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "スパイクソーティングをオンラインで行う多チャンネル独立成分解析システム," 第6回システムLSIワークショップ, (滋賀), 2002年11月.
  14. 中田 一紀, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "生物規範型の移動運動を制御するアナログCMOS回路〜リズム協調運動を制御するCPGの集積回路化," 電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会, (北九州), 2002年11月.
  15. 浅井 哲也, 中田 一紀, 雨宮 好仁, "モダンニューラルネットのハードウェアエミュレーション 〜スパイクニューロンとダイナミックシナプスをアナログVLSI化する," 日本神経回路学会第12回全国大会, (鳥取), 2002年9月.
  16. 中田 一紀, 宮永 喜一, 下澤 楯夫, "時間-周波数分布に基づく音声信号からの特徴抽出法の構成," 電子情報通信学会 VLSI設計技術研究会, 46, (北見), 2001年6月.
  17. 中田 一紀, 宮永 喜一, 吉田 則信, "非対称尺度を導入した競合学習型神経回路網による音韻認識," 電気関係学会 北海道支部連合大会 信号処理・電子回路 部門, 220, (手稲), 2000年10月.

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