立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第29号) 2020

[ 研究助成 (A) ]シープドッグシステムから紐解く，群ロボットの階層型マエストロ制御法の創成
Design of hierarchical- maestro controller of swarm robots motivated by the sheepdog system2191016

研究代表者

大阪大学大学院

工学研究科

助教

末岡裕一郎

述べ，本報告書をまとめる。

[研 究 の 目 的][研究の内容，成果]

本研究の目的は，群ロボットに対して人間がその行動を指示できるシステムを構築することである。ロボットに求められるタスクは，使用

1 シープドッグシステムのモデリングと安定する側の置かれている状況や，タスク量によっ性解析て 変 化 す る。そ の よ う な 状 況 に 対 し，「も うシープドッグシステムを参考に群ロボットシちょっと，こんな感じで動いて！」という人間ステムのモデル (群ロボットと犬ロボットの行の意図と調和するシステム設計が本申請の狙い動モデル) を構築し，システムの振る舞いを解となる。

析する。

本研究ではシープドッグシステムという，人

1. 1

シープドッグシステムのモデリングが羊の群れを操る際に機動性の高い犬を用いる群ロボット側の行動モデルを，お互いに群れ手法をヒントに，群ロボットを足の速いロボッる，犬ロボットから離れるという行動を基に，ト (マエストロと呼ぶ) を用いて指揮すること，犬ロボット側の行動モデルを，群れの重心に近そして人がマエストロに指示を出し，群れ全体く，ゴールから離れるという行動を基に以下のの行動を柔軟に操るシステムを構築する。以下，ようにモデル化する。

マエストロは「犬ロボット」と呼称する。まず，・群ロボットの行動モデル

本研究目的を達成するために，シープドッグシステムを参考にした，犬ロボットと群ロボットの行動モデル設計に取り組んだ。解析・実験を通じて，犬ロボットの動かし方と群ロボットのモデル調整によって，群れのサイズや群れの行動ルートに介入できることが分かったため報告する。
以下では，1．シープドッグシステムのモデリングと安定性解析，それに基づき，2．人が介入する群ロボットシステムの設計を述べ，最後に今後の展開として，3．議論：群れの動きに介入できる，無脳ロボット群の設計へ拡張を
― 1 ―

図1

群ロボットの行動モデルの設計

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・犬ロボットの行動モデル

図 4(a) 収束半径の小さい結果

図2

1. 2

犬ロボットの行動モデルの設計システムの振る舞い：安定性解析

犬ロボットを用いた群ロボットの誘導が成功するかを，システムの安定性を解析することで調べる。ここでの解析では，犬ロボットと群ロボットをそれぞれ 1 体ずつで解析を行い，図 3

図 4(b) 収束半径の大きい結果のように，平衡状態でも 2 パターン存在することがわかった。詳細な説明は論文[c] を参照さ

2 人が介入する群ロボットシステムの設計
ここでは，システムを群ロボットシステムにれたい。

拡張し，人の介入 (操作性) に関して議論する。
2. 1

犬ロボット：1 体，群ロボット：5 体のシミュ
レーション解析

本節では，シミュレーション解析を通じて，群ロボットを誘導する問題に取り組んだ。具体的には，群ロボットの「サイズ」と「動く場所」を制御する解析に取り組みんだ。
図31. 3

図 5(a) に小さい群れサイズで，小回りするシステムの収束の様子

結果を，図 5(b) に大きい群れサイズで，小回犬のコントローラ設計による群ロボットの行りする結果を，図 5(c) に小さい群れサイズで動の違い大回りする結果を示す。実線は群れの重心の軌システムの安定性解析を通じて，犬のコント跡を表し，点線は群れサイズを表現している。

ローラ設計 (スピード) が，羊の動かし方に影響を及ぼすことが分かった。具体的には以下の通りである。
・犬を早く走らせると，図 4(a) のように目標点の周りを小さく動く。
・犬を遅く走らせると，図 4(b) のように目標点の周りを大きく動く。

図 5(a) 群れの行動制御の結果：
小さいサイズにて，小回りで巡回。

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図 5(b) 群れの行動制御の結果：
大きいサイズにて，小回りで巡回。

図7

実験システムの全体像

図 5(c) 群れの行動制御の結果：
小さいサイズにて，大回りで巡回。

これらの結果は，人が群ロボの動きとサイズ
図8に簡単に介入できることを示唆している。
2. 2群ロボットの実験結果の一例

実機検証

ここでは，解析結果の妥当性を示すために，

3

議 論：群 れ の 動 き に 介 入 で き る，無 脳 ロ

実 機 実 験 を 行 う。ロ ボ ッ ト は，pololu 社 のボット群の設計へ拡張

m3pi ロボットを用い，図 6，図 7 に示すよう人が群ロボットの動きのみに操作を加えるシにモーションキャプチャにてロボットの動きをステムであれば，シープドッグシステムを参考オンラインで取得し，制御を加える。実験は，にしたシステムより，シンプルかつ安価で設計

3×2.5[m] の屋内領域の周囲に 5 つの赤外線できる可能性がある。そこで，磁石デバイスをカメラを設置し，誘導実験を行った。

用いた，群ロボットと犬ロボットの相互作用を

図 8 に実機実験の一例を示す。群ロボットは設計し，基礎実機実験を行った。

解析と同様の動きを示すことが分かった。そし・群ロボットの設計：外側が全て S 極になるて，一連の解析，実機実験を通じて，群ロボッように 10 個のネオジム磁石を埋め込むことトの動きとサイズに人が介入する設計が可能だ

で，磁石の反発力を利用してロボット同士のと分かった。

斥力，および犬からの斥力を設計した。
・犬ロボットの設計：ロボットに磁石を取り付け，ロボット群を磁石の反発力で追い立てるよう，また人の意思がシステムに介入できるよう外部コントローラを設計した。
本実機実験を通じて，群ロボットにマイコンや計算機を搭載せずとも，シープドッグのような群ロボットのナビゲーションを実現できる可図6

開発ロボットとカメラ：3 つの反射マーカー (左図)とカメラ (右図) でロボットの位置・姿勢を取得する。

能性が示唆された。今後は，マイコンレスシステムの設計を進めていき，人が介入できる群ロ― 3 ―立石科学技術振興財団

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[成果の発表，論文等]
解説記事[ a ] 末岡，角田：シープドッグシステムから紐解く
マルチエージェントシステムの制御，計測と制御，
59(2)，pp. 125-130, 2020．
学術雑誌掲載論文[b]

Y. Sueoka, T. Tahara, M. Ishikawa, K. Osuka :Statistical
図9

ExplorationofDistributed

PatternFormation Based on Minimalistic Approach, Journal

犬ロボットとマイコンレス群ロボットの開発

of Robotics and Mechatronics (JRM), 31 (6), pp.
905-912, 2019.
[c]

角田，末岡，和田，大須賀，牧羊犬のヒツジ追い現象に着想を得たエージェント群の機動制御法の理論解析，計測自動制御学会論文集，55(8)，pp.
507-515，2019．
国際学会発表[ d ] Y. Tsunoda, Y. Sueoka, T. Wada, K. Osuka :Sheepdog-type robot navigation : Experimental

図 10 目標地点へ誘導する実験結果

verification based on a linear model, Proc. of the 2020

ボットシステムのミニマル構築法を設計する予定である。

IEEE/SICE International Symposium on SystemIntegration, pp. 1144-1149, 2020.
[ e ] Y. Sueoka, K. Osuka : Exploration of roledivision in ant-like foraging for dynamic food source
switching, ALIFE2019, 2019.

[今後の研究の方向，課題][ f ] Y. Sueoka, K. Osuka : One approach to implicit
observer : estimation of subpopulations in foraging

まとめ

一連の研究を通じて分かったことは以by ants-like colony, AMAM2019, B18, 2019.
[g]

下の 3 つである。
1．犬ロボットの速度を調整すると，多数のロボット群のナビゲーションルートを制御できる。

Y. Tsunoda, Y. Sueoka, K. Osuka : Exploration ofsheepdog controller for sheep flock navigation basedon the model derived from a real shepherding.,
AMAM2019, B17, 2019.
[ h ] F. Nose, Y. Sueoka, D. Nakanishi, K. Osuka :2．群ロボットの引力パラメータを調整することで，群れのサイズを制御できる。

Experimental Study on Sensing Fin Pressure forDistributed Control of a Fish-Type Swimming
Robot, SICE Annual Conference 2019, 2019.

3．群れの動きのみに人が介入したいケース[ i ] Y. Tsunoda, Y. Sueoka, Y. Tsunoda, K. Osuka :では，システムはより単純に設計できる

Analysis of sheepdog-type navigation for minimal

可能性がある。
今後の予定

今後は，人が介入できる群ロボッ

トシステムのミニマル (最小限の) 構成を探し

swarm alignment behavior by distributed acoustic
robots, Swarm 2019, pp. 201-202, 2019.
国内学会発表ていく予定である。
謝辞

sheep model, Swarm 2019, pp. 197-200, 2019.
[ j ] T. Kida, Y. Sueoka, K. Osuka : Demonstration of

本研究実施にあたり，大阪大学大学院工学研究科 角田祐輔氏，重吉比呂氏には実験システム構築・実施において多大な尽力をいただ[ k ] 武部，末岡，重吉，大須賀：遠心力による車輪
径可変ロボット提案，第 25 回自律分散システム・シンポジウム，2C1-RM3, 2020．
[ l ] 末岡，石谷，沖本，南，大須賀：捕食者からの逃避戦略の学習で紐解く群れ行動の獲得，第 25 回いた。ここに謝意を表する。

自 律 分 散 シ ス テ ム・シ ン ポ ジ ウ ム，1A1-BhS7,2020．
[m] 末岡，石谷，南，大須賀：マルチエージェント― 4 ―立石科学技術振興財団

強化学習で切り拓く群れ行動の獲得，第 7 回制御部
門マルチシンポジウム，1B1-2, 2020．
[n]門マルチシンポジウム，2H2-1, 2020．

ロボット学会学術講演会，1H3-07, 2019．
[ r ] 重吉，末岡，木田，角田，大須賀：磁石結合・分離機構を搭載した非自走型群ロボットによる協調

沖本，末岡，石谷，大須賀：環境に応じたターゲット探索行動の機械学習的アプローチ，第 7 回制行動の実現，第 63 回自動制御連合講演会，1G3-02,2019．
[ s ] 花原，野瀬，末岡，中西，大須賀：ヒレ型遊泳御部門マルチシンポジウム，3A2-4, 2020．
[p][ q ] 石 谷，末 岡，角 田．大 須 賀：非 線 形 な シ ー プ
ドッグシステムにおける安定性解析，第 37 回日本

野瀬，末岡，中西，大須賀：尾ビレのしなり感覚に基づく魚型ロボットの遊泳制御，第 7 回制御部
[o]

助成研究成果集(第29号) 2020

木田，末岡，大須賀：音の到達時間差を活用しロボットに向けたワイヤ駆動型飛び移り座屈機構のた群ロボットの整列行動の実機検証，第 37 回日本

提案，第 63 回システム制御情報学会研究発表講演

ロボット学会学術講演会，1H3-06, 2019.

会，pp. 765-767, 2019．

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