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ハエにヒントを得た視覚誘導飛行ロボット


執筆者:高嶋聰(沖縄科学技術大学院大学



昆虫を含む節足動物の神経システムにヒントを得たロボット研究が多く行われている.たとえば昆虫も人間も複雑な環境内で自律的に動き回ることのできる「移動体(ビークル)」とみなすことが可能である.昆虫はロボティクが取り扱う困難な課題の一つである,視覚誘導に基づく移動機能などの問題に対する解を明瞭に示している.昆虫は非常に幅広い行動レパートリーをもっており,優れたセンサーと限られたリソースを活用して予測のできない環境に対してどのように対応するかを我々に示す.特にハエやトンボなどの空中を飛ぶ昆虫は脊椎動物や現代の移動ロボットをはるかに超えるレベルの敏捷性を備えている.昆虫の感覚-運動制御システムはまさに傑作といえる.ここではハエにヒントを得た視覚誘導飛行ロボットについて説明する.

1991年にFranceschiniたちは平面状の複眼とハエからヒントを得た運動検出単位(elementary motion detector; EMD)アレイを備えたオプティックフロー(OF)を検知する完全自律移動ロボットを実現した.このロボット「ハエ号」はリング状に配置された個眼を通し外界を観ており,任意の隣接する2個の個眼がEMDを駆動し,全体で114個あるEMDが方位角面内のOFを解析する.ハエ号の複眼にはある規則に従って増える解像度勾配があたえてあり,このような解像度勾配を眼の解剖学的構造に組み込むことにより、ロボットが並進運動したときにロボットの視覚円(隣り合う個眼がある一定の距離だけ離れた地点を見込む距離)に入ってくる物体のコントラストを確実に検出できるようにしている.ハエ号は脳のように並列かつアナログ信号処理により動作する.このロボットは静止した物体をぬって移動することができる.

同様の運動検出原理を飛行エージェントの誘導に使い,起伏の多い地形にそって飛行したり,着陸したりできるのがハエにヒントを得た視覚誘導飛行ロボットである.このロボットは対地速度と地表高度の情報なしに地形に追従して移動可能である.この一つの可変ピッチローターをもつ半拘束ミニチュアヘリコプターFANIA
はわずか19個のEMDを搭載した眼をもっており,この眼からの信号により地面を回避する.円形アリーナで行った試験ではコントラストのある障害物を飛び越える挙動を示した.

Franceschinたちはさらに,飛行する生物が感知するOFを形式化しオプティックフローレギュレータと呼ばれる自動パイロットを作製した.この自動パイロットを備えたミニチュアヘリコプターOCTAVEは円形アリーナでの試験でさまざまな地形に沿った飛行や離陸,着陸をなめらかに行うことができる.また,風による外乱にも昆虫とほぼ同じやり方で妥当な応答を示す.

ハエにヒントを得たこの自動パイロットは人が設計した従来型の自動操縦とは大きく異なる.すなわち,従来型自動操縦では航空機を一定の高さと一定の速度を保つために,多数の高価で大きな測定センサーを必要とするのに対し,OCTAVEは地表からの高さに常時適応して地面に衝突しないようにするだけである.

飛翔中のハエの網膜はマイクロスキャニングを惹き起こしている.網膜全体が約5Hzで数μmnの往復運動をしているのである.マイクロスキャニングは運動検出と関連した機能をもつとの仮説のもとFranceschinたちは回転運動によるOFのみを活用して視覚機能を発揮する二つのロボット作製した(SCANIAとOSCAR).SCANIAは分解能の低い眼しか持っていないが,それ自身の視覚により,矩形領域内の壁面を避けながら移動することができる.OSCARおよびOSCARを実装したOSCARロボットは実験室の天井からつるされた2個のプロペラをもつ,自由に首を左右に振ることのできるロボットで,マイクロスキャニング機能を備えたことで,近くにある棒などのターゲットに視線を固定できる.このロボットはターゲットを最高30°の速度で追尾することができる.さらに吊り紐による振り子運動や床の振動,突風など外乱を受けても注視が可能である.この機能は現実のヘリコプターで非常に重要な送電線の検出をレーダーやレーザ―に頼らずに可能にする非常に魅力的な機能である.

これまで概説してきたバイオロボットを用いたアプローチは新規デバイスや機械,とくにマイクロビークル搭載させる安価な感覚運動制御システムを設計することを可能にするのみならず,神経行動学や神経生理学に対し,有用な情報をフィードバックするものである.


Further Reading

昆虫ミメティックス Insect Mimetics(2008),針山孝彦,下澤楯夫,pp. 866-877

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A visually guided flight robot inspired by the fly


responsibility for wording of article: Akira Takashima (OIST)


A lot of research has been conducted on robots inspired by the nervous system of arthropods, including insects. For example, both insects and humans can be regarded as “vehicles” capable of autonomously moving around in a complex environment. One challenge in treating insects from a robotic viewpoint is to clearly demonstrate how movement functions under the guidance of vision. Insects have an extensive behavioral repertoire, and using their excellent sensors and limited resources, they can respond to an unpredictable environment. Flying insects, such as flies and dragonflies in particular, are far more agile than vertebrates or modern mobile robots. The sensory–motor control system of an insect is an engineering masterpiece. In the followings, we describe the features of a visually guided flight robot inspired by the fly. 

In 1991, Franceschini et al. created a fully autonomous mobile robot that detected optic flow (OF) with planar compound eyes and an elementary motion detector (EMD) array, inspired by the fly. This robot, named “Fly,” detects the outside world with ring-shaped ommatidia. A given pair of adjacent ommatidia drives a single EMD, and 114 EMDs as a whole analyze OF in the azimuthal plane. The compound eyes of “Fly” have a built-in resolution gradient that increases on the basis of a certain rule. The resolution gradient incorporated in the anatomical structure of the eyes ensures the detection of the contrast of objects entering the robot’s field of vision during translational motion (a distance that adjacent ommatidia predict for a point a certain distance away). “Fly” could process analog signals in parallel, just like the brain. The robot could weave its way around inanimate objects.

There is a visually guided flight robot inspired by the fly, which uses the same motion detection principles mentioned above to guide flight agents. This robot can fly and land on a rough terrain and follow the terrain without any information on the ground speed or surface contours. This robot is FANIA, a semi-constrained miniature helicopter with a variable pitch rotor. It has eyes equipped with 19 EMDs, and it uses signals from the eyes to avoid the ground. It was able to fly over contrasting obstacles in its trial in a circular arena.

Franceschin et al. also formatted OF perceived by flying organisms and construct an autopilot called an OF regulator. A miniature helicopter (OCTAVE), equipped with this autopilot, can take off, fly, and land smoothly in trials over various terrains in a circular arena. It also showed a very good approximation to an insect response when buffeted by the wind.

The fly-inspired autopilot differed greatly from the conventional autopilot designed by humans. A conventional autopilot is designed to allow an airplane to maintain a constant speed and constant altitude, and it requires many expensive, large sensors. In contrast, OCTAVE does not collide with the ground by only regulating its altitude. 

The retina of a fly in flight is microscanning. It moves back and forth by a few micrometers 5 times a second. Franceschin et al. hypothesized that microscanning is involved in motion detection, and on this basis, they built 2 types of robots with visual sensing (SCANIA and OSCAR) using only circular-motion OF activity. SCANIA has only low-resolution eyes; however, using its vision, it could avoid walls surrounding a rectangular area in which SCANIA was. OSCAR and robots equipped with OSCAR had 2 propellers suspended from the ceiling of the test chamber and could accordingly move their heads freely. They were equipped with microscanning and could fix a line of site on bars or other nearby objects. This robot could track at an angle up to 30° above the target. Even if buffeted by the pendulum motion of a hanging strap, floor vibrations, or wind gusts, the robot could hold its gaze. This feature would be very useful in real helicopters for detecting transmission lines without relying on radar or lasers.

The bio-robot approach outlined here paves the way for designing new devices and machinery, particularly inexpensive sensorimotor control systems for micro-vehicles. It also provides useful feedback in the fields of neuroethology and neurophysiology.


Further Reading

昆虫ミメティックス Insect Mimetics(2008),針山孝彦,下澤楯夫,pp. 866-877


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