組込み・FPGA、知能ロボティクス

ソフトウェア「みたいに」使えるハードウェアで、ロボットの低消費電力を実現

大川猛先生 

宇都宮大学 工学部 情報工学科/工学研究科 情報システム科学専攻

パソコンのように、なんでもできるマルチタスク型のコンピュータではなく、家電やロボットのように、機械に特定の働きをさせるための技術を組み込む方法を学ぶ組込みシステム研究。大川先生は、産業用から家庭用まで幅広いニーズがあるロボットを低消費電力に動かすために、ロボット開発者が簡単に組み込んで使えるコンピュータの半導体チップの研究開発をしています。

ロボットが柔軟でスピーディーな動きをするためには、人間の頭脳にあたるコンピュータは非常に重要になります。

ロボットの頭脳をパカっと開けて中を覗いてみましょう。ロボットの頭脳はソフトウェアが組み込まれた部品の集合体です。複数の部品をつなぎ合わせているため、部品ごとに交換ができます。

 

ならば高速処理できるソフトウェアを組み込んだマイクロプロセッサのような部品をたくさん使えばさくさく動くのではないか、と思う人もいるかもしれません。しかし、それでは消費電力も大きくなってしまいます。災害時の捜索活動や人命救助、高齢者の見守り介護など、人間が働くには過酷な現場でのロボットの活躍がますます期待されていますが、バッテリーがすぐになくなって動かなくなってしまうようでは大変困るのです。

 

そこで、頭脳部分のコンピュータ部品を、ハードウェアだけれどもソフトウェアのように書き換えられて、その上低消費電力のFPGA (Field Programmable Gate Array)という半導体チップを使えばいいのではないかと考えました。

 

FPGAは、「AND/OR/NOT」ができる論理ゲートやメモリで構成され、その配線をつなぎ変えることで、ソフトウェアのように自由に論理回路を書き換えることができます。また、取り替えも可能です。しかもハードウェアとしての並列処理ができて高性能です。そしてなんと言っても、消費電力を抑えることができるのです。

 

しかし、FPGAはハードウェアなので回路の規模に制限があります。ロボットに複雑な動きをしてもらうためには、それだけ細かな手順を伝えられる複雑な論理回路が必要になります。

 

ロボット開発者にとって、限られた回路規模の中で高性能な回路を作るのは至難の技です。そこで、FPGAの論理設計は専門家にやってもらい、あとはロボットに入れるだけ、という部品にしてしまえばいいと考えました。そうすれば、ロボット開発者にも簡単に使うことができます。

 

実際に、パソコンとFPGAに同じ処理をさせた実験では、処理の速度はパソコンと同じくらいで、消費電力はパソコンの約十分の一という結果を出すことができました。これなら電力の供給が難しい現場でも大活躍が期待できます。しかも、FPGAはインターネットにつなぐことができるので、クラウド上にある計算式をロボット同士で共有しながら、常に新しい計算式を使って作業をすることができます。ソフトウェア「みたいに」使えるハードウェアを使うことで、質の高いロボットが開発できるのではないでしょうか。

 

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大川猛先生 

宇都宮大学 工学部 情報工学科/工学研究科 情報システム科学専攻