土木学会 建設用ロボット委員会 新技術小委員会「異分野技術交流会」2023.12.12

ロボティクスのシステムからの再考～現場で有用なロボットシステム開発を目指して～
川村貞夫
立命館大学 立命館グローバル・イノベーション研究機構
特別招聘研究教授
株式会社チトセロボティクス 取締役副社長
産業用ハンドリングシステムアライアンス 会長※事務局（建設用ロボット委員会）より川村先生のお問い合わせ先は下記のとおりです。
kawamura@se.ritsumei.ac.jp

目次
１．川村研究室 過去の研究紹介
２．産業用ロボットの現状と新事業化課題
３．システムからの再考
４．おわりに

研究方針
・機構と制御から問題解決 ・システムインテグレーションの技術と科学
研究分野
繰り返し学習制御 空気圧駆動システム ワイヤ駆動システム 水中ロボット
ロボットハンド ロボット運動制御理論 身体運動科学 合気道の科学
1996－2022 立命館大学ロボティクス学科教授
2003 - 2006 立命館副総長・立命館大学副学長
2011 - 2012 日本ロボット学会会長
2015 - 2020 日本学術会議 ロボット学分科会 委員長
2018 – 現在 株式会社チトセロボティクス 副社長
2022 – 現在 立命館グローバルイノベーション研究機構 特別招聘研究教授
2022年 – 現在 産業用ハンドリングシステムアライアンス（IHaSA）会長
ロボット革命イニシアティブ協議会（RRI）マニピュレーション委員会 委員長
一般社団法人 日本食品機械工業会（FOOMA）食品製造ライン自動化推進プロジェクト委員長
機械振興協会 「サービスロボットの市場発展および産業の成長に関する調査研究」委員長
近畿経済産業局 公益財団法人 大阪産業局 スマート生産性向上研究会 委員長
NEDO ロボット・AI部 「ロボット分野における研究開発と社会実装の大局的なアクションプラン」
ロボットアクションプラン策定に掛かる有識者委員会 委員長

ワイヤ駆動ロボット 1987年～2006年
高速運動，大空間運動などに利用

日本ロボット学会 日本のロボット研究開発の歩み http://rraj.rsj-web.org/ja_history

空気圧駆動システム 2007年～2021年

YouTube公開中

片手操縦可能水中ロボット“有手海”

YouTube公開中

柱状採泥水中ロボット“海剣”

YouTube公開中

回転式完全密封採泥管

考古学用水中ロボット“海観”
琵琶湖 葛籠尾崎湖底遺跡調査
・Maximum depth about 80 m
・Fluctuated water-flow 0.3 ～ 0.5 [m/s] or more
Jomon pottery
・Push against lake bottom
to stabilize
・Blow around object
using lower thrusters
to remove soil

Sueki（dish)about
1500years
ago

YouTube公開中

第9回2015年8月24日南水域
付近 水深28.8m 須恵器
付近 水深44.8m 須恵器

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水中ハンドリング作業
・流れの影響・対象物への力発生による反力の影響
対象物に押し付ける力（吸着力）が必要

Resistance to reaction force by fin kick
(Shibuya Diving Industry Co. HP )Adsorptive force
RobotObject
Reaction force
Reaction force generated during work

負圧効果板 ベルヌーイ効果の利用
・Form narrow flow path
between plate and object
・Flow velocity increases

v1P1

v1 > v2・Pressure becomes small
P1 < P2 (Z1 ≅ Z2 )v2 P2・Adsorption to object
by pressure difference

Principle of Negative Pressure Effect Plate

Bernoulli’s principle
11
ρv12 + P1 + ρgz1 = ρv22 + P2 + ρgz2
2
Between plate and object

2

Outside plate

実験結果

Only thruster

・Measured up to 3 mm distance.

In the case of 2 mm, the strain gauge contacted the bottom surface.

・The maximum adsorption force was 9 times larger thanthat of the thruster alone.

ダム検査水中ロボット“堤瑕無”Experiments in pool
A motor changes motion direction
by changing direction of wheels and thrusters.

Experiments in dam lake (Shorenji dam)

About 60m
About 100m

システム化技術開発例 冷凍カキフライ高速ハンドリング
液体シリコン3Dプリンタ利用
ロボットハンド開発
タクト：80個/分

カキフライ（40 g）

耐久性：100万回突破

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システム化技術開発例

食堂食器回収システム

食器認識システム

現状（立命館大学生協食堂返却時作業）

柔軟EE

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システム化技術開発例 レストランバックヤード食洗作業■要求仕様
・様々な状態での食器の認識
・小空間作業実現
・EEは水没可能・遠隔トラブル対策
・洗浄後の衛生管理■設計方針
・クラウドの深層学習による食器認識
・小型ロボット（4kg可搬）1台のみ利用
・水没可能の空気圧駆動EE・インターネット利用遠隔管理
・作業ごとのEEの取り替え

MSM

システム化技術開発例 レストラン下膳作業■要求仕様
・様々な状態での多様な食器の認識・お手拭き，箸など薄い対象物ハンドリング
・広い宴会場での回収■設計方針
・クラウドの深層学習による食器認識
・モバイルマニピュレータによる作業実施
・薄物把持可能エンドエフェクタ
・センサ，MSMによるクラウドでの状態理解

・４0人程度の被験者（食事者）の食後画像データを入手
・クラウドサーバによって深層学習モデル構築
・深層学習モデルをロボット制御PCに
ダウンロード・各食器，お手拭き，箸，箸袋，紙などを認識して把持点決定

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システム化技術開発例 食品盛り付け作業■要求仕様
・多様な食品の認識
・多様な食品の直接接触エンドエフェクタ
・高速盛り付け作業
・目標盛り付けの決定■設計方針
・クラウドの深層学習による食品認識・微少把持力発生のエンドエフェクタ
・盛り付け目標位置姿勢の機械知能による実現
・センサ，MSMによるクラウドでの状態理解

人工知能による食品認識

人工知能による
目標盛り付け位置姿勢

プロの盛り付け例

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目次
１．川村研究室 過去の研究紹介
２．産業用ロボットの現状と新事業化課題
３．システムからの再考
４．おわりに現状の産業用ロボットの構成/制御方法
剛体リンク
関節角度で手先位置計測可能

高減速比ギア付きモータ
モータ側計測で回転角の高分解能

確定環境
工場内など
設備調整

位置制御
位置による信頼性

教示再生方式
据え付け誤差などの問題解消

精密機械
数十μm
繰り返し位置精度

The Robot Revolution: Companies that are Using Intelligent and Efficient Machines — Tekh Decoded

高剛性ロボットが確定環境で作業
高速 高精度自動車，重工業，電気電子産業で大成功

2000年以降
外国製ロボットの急速な伸び

JARA (Japan Robot Industry Association)
IFR (International Robot Federation)

450,000

100%

400,00090%

350,000

80%
70%

300,000

60%

日本製ロボット輸出台数
日本製ロボット国内向け出荷台数
全世界出荷台数
日本製ロボットシェア

250,000
200,000
150,000

50%
40%
30%

新しい分野でのロボット事業化必要

2020年

2018年

2016年

2014年

2012年

2010年

2008年

2006年

2004年

2002年

2000年

1998年

1996年

1994年

1992年

1990年

0%
1988年

0

1986年

10%
1984年

50,000
1982年

20%

1980年

100,000

グラフデータ提供
小平紀生氏のご厚意による

研究開発成果から事業化への道
社会課題から技術開発実施
事業として成立させる段階

解決必要課題・労働力不足解消など開発可能技術・5年程度実現

SIP 社会課題を技術で解決

事業化？

研究開発成果から事業化への道

社会課題から技術開発実施
事業として成立させる段階

B:技術開発完了，事業化未到達

B

解決必要課題
A領域を目標とする

A-Goal・労働力不足解消など

C

A

開発可能技術・5年程度実現D

事業成立条件C:既存技術で事業化可能
・ 既に企業が実施済み
・残された事業化は困難？

・利益確実確保・事業継続可能D:ニーズ創生型
・新市場を形成・これだけでは課題解決はできない実用化・社会実装の阻害分析から解決へ
国際ロボット展（iREX2023）NEDOフォーラム
2023.11.30 一部修正

［１］ロボットが果たすべき機能問題
自動車、飛行機、半導体移動能力で評価可能

計算/記憶能力で評価可能

解くべき開発課題（問題）が容易に作成可能

ロボット

汎用性？ 問題の境界線設定？

評価が難しく費用対効果を読みにくい

問題作成が難しい

成功例 お掃除ロボット 自律専用作業ロボット

［2］概念/言葉の曖昧性問題「ロボットは汎用機械である」
・汎用機械など無い，人も汎用ではない．
「汎用性の高いロボットが優れたロボット？」
・階段も上がれず掃除しか出来ないロボット 事業化大成功「無限定環境で利用可能」
・無限定環境など現実にはない．限定から高機能化可能「人とロボットの共生」
・生命/非生命 境界線があいまいで混乱の原因「位置と力のハイブリッド制御」は，「速度と力の直交制御」に変更すべき
概念や言葉の曖昧性のために，経営者（投資家）と技術開発者のコミニュケーションは非効率

［3］システムインテグレーション問題
直列の悪魔（失敗に誘導する原因） 要素選択の冗長性
要素をどのように選択してシステム実現か？
既存SI技術には多様な解が存在
構造体
構造体
構造体

センサ
センサ
センサ

コンピュータ/AI
コンピュータ/AI

アクチュエータ/機構アクチュエータ/機構

コンピュータ/AI

アクチュエータ/機構

エネルギー源
エネルギー源
エネルギー源・一つの優れた要素開発で学術論文にはなるが，ロボットの事業的評価はシステム全体の性能
・SIの科学が未熟のため，SIの技術が脆弱となり，選択の誤りを誘発

［４］SI技術未熟問題
要素技術の成熟（1）コンピュータ/インターネット メモリ/演算速度の急速な進歩，ビッグデータ（2）センサ MEMSにより軽量化/小型化/低価格化 利用技術オープンソース化（3）画像処理 小型/高速カメラ，３Dカメラ開発加速 利用技術オープンソース化（４）アクチュエータ 材料開発や作り込み技術により電動モータW/ｇ比向上（５）AI
変動環境への対応可能性

SI技術

・多くは当時あるものを寄せ集めて何とか形にしてきた60年の歴史
・現状のSI技術とは別の新しいSI技術開発が必要
・SI技術は学術論文になり難いので，大学の貢献ほぼ皆無（博士論文やPDのキャリアアップに研究課題とし難い）

力制御は未完成技術［１］理論の未完成性
𝝉𝝉 = 𝑱𝑱𝑻𝑻 (𝒒𝒒) [𝒌𝒌𝒇𝒇 (𝒇𝒇𝒅𝒅 − 𝒇𝒇) + 𝒇𝒇𝒅𝒅 ]𝒇𝒇 力信号ではない

位相の遅れた信号因果律(Causality)に反している
安定性の厳密は議論が不足 ゲイン調整は経験に依存［２］ハードの未完成性

ロードセル式 壊れやすい 高価
重力との分離必要
剛体の力とトルクの集中計測では，柔軟物体には不十分

［５］利用状況の多様性問題
並列の悪魔
目標システムは何か？

（失敗に誘導する原因）

・人/環境フレンドリーとロボットフレンドリー境界の設定困難
・AI/ロボット利用境界設定重要

陸上移動は簡単に切り分け
車輪移動体 道路環境整備

建設業
農業

食品製造に限定しても条件は大きく異なる

製造業
食産業
食品工場

・・・

食産業
レストラン
医療
福祉

目標システム設定の誤りを誘発

［6］大学の研究テーマ設定問題
１．事業化重要研究テーマ情報が大学に無い・汎用性の高いロボットを実現する研究目標
・人を観察すれば，研究テーマはいくらでも思いつく
・実社会の正確なニーズは大学に入り難い（研究者の消極性，企業の閉鎖性）

２．事業化重要研究テーマを大学で実行できない
・問題が難しすぎて，論文化できない・責任をもって若手研究者を育成できない・予算獲得が難しい

阻害要因の解消法［1］ロボットが果たすべき機能問題

論理化/明確化［2］概念/言葉の曖昧性問題［3］システムインテグレーション問題［4］SI技術未熟問題

SI技術開発新SI技術開発

チトセロボティクス

ビジュアルフィードバック制御［5］利用状況の多様性問題［6］大学の研究テーマ設定問題

ニーズから問題作成
産官学の本質的情報交流

IHaSA

ロボフレの境界線設定

産官学の情報交換の場
3年間会費無料
会員募集中チトセロボティクス

2018年3月1日 立命館大学 川村貞夫
同研究室卒業生 西田亮介 立花 京らにより起業

中小企業優秀新技術・新製品賞最優秀賞

東京都ベンチャー技術大賞で奨励賞および女性活躍推進知事特別賞

目次
１．川村研究室 過去の研究紹介
２．産業用ロボットの現状と新事業化課題
３．システムからの再考
４．おわりにロボットシステムインテグレーション方法の再考必要①新性能を生み出すための欠落要素の発見と開発
・新材料利用 ・新センサ利用 ・・・②システムインテグレーションの新しい方法の提案
・システムとしてメリットを生み出すインテグレーション法
以下②の方法としてビジュアルフィードバック制御を例題とする

既存SI技術

ビジュアルフィードバック制御

完全な直線/完全な平面の理想世界を求める
幾何誤差の極小化（キャリブレーション）
カメラ１
座標系
ロボット
ベース座標系

ロボット
関節角座標系

Mirobot Robot Arm is Live on Kickstarter - Electronics-Lab.com

カメラ2
座標系

①対象物位置を可能な限り正確にカメラ座標系で計測②各座標系を正確に一致
完全直角/完全平行を求める③対象物位置姿勢をロボットベース座標系に変換④逆運動学で関節角座標系で記述
正確なリンク長さ/角度に近づける⑤関節角座標系でフィードバック制御実施

現場の技術的問題

６自由度（関節）ロボット

カメラとロボットのキャリブレーションを十分に行っても，レンズひずみ，座標系変換誤差などから手先精度は 0.5ｍｍ～1ｍｍ程度

手先精度
0.5ｍｍ～1ｍｍ ＞ 0.03ｍｍ程度
実現精度

ロボット繰り返し精度

ロボット単体の位置再現性能は高くてもシステムの性能が低い

人は針穴に糸通しできる？
ロシア・アルタイ地方のデニソワ洞窟で5万年前（最古）の針発見 Mandspels fra inuit i det østlige
Sibirien - Man’s parka f… | Flickr
デニソア人が針を使用 密閉性の高い防寒着を実現
デニソア人がシベリアの極寒地に進出
針直径1mm以下
シベリアを経由して日本に到達5万年前に人類ができていたことを21世紀のロボットができない

理想モデル主義

デカルト座標系

・モデルを想定・誤差があれば修正して完全なモデルに近づける

要素還元主義・大きなシステムは小さい要素に分解・各要素ごとにモデルを設定し，パラメータ同定（x,y,z）

要素還元逆課程による設計主義
・分解要素をモデル化してパラメータを同定した課程を逆に辿る設計

システム

要素要素に分解 要素を分析
要素をモデル化などで理解

要素を統合
実際のシステムとは異なる？

要素還元逆課程でない新しいSI法開発

対象物とロボットハンドの相対位置誤差のみの情報から制御
カメラ１
座標系

ロボット
ベース座標系

ロボット
関節角座標系

カメラ2
座標系

立命館大学
川村研2010年から研究開始

相対位置誤差各要素を理想モデルに近づけるので無く，最終結果を目的に合わせる制御
途中の要素（座標系）は適当で正確でなくて良い目標位置姿勢更新型の制御法 （2016年ごろ）
運動収束性はモデルに基づき数学的に証明可能

位置制御

姿勢制御

2023年現在バージョンは連続的運動実現

20μmでの挿入作業実現

工業用カメラ利用
固定せず安易に設置

カメラ，ロボットの座標系キャリブレーション負担ない
新しいビジュアルフィードバック制御を開発
チトセロボティクス
産業用ロボットに適用可能なソフトウエア（クルーボ）
販売中（詳細会社HP）
Forbes Japanに掲載 2023.9.8

キャリブレーション利用法（従来方法）との比較

不定形ケーブルトラッキング作業新しいSI技術によってSI負担を低減し，利益率が低い中小企業にロボット導入
システム

製品

センサ製造企業
ソフトウエア企業
チトセロボティクス

費用
製品

費用
製品

EE製造企業
ロボット製造企業

費用
製品

費用

製品

SIer
システムに必要な要素開発
システム化を容易とする技術開発（SI費用を減少）技術で可利益で可SIerを通じて各要素企業に資金が流れる製品
製造企業顧客費用費用
製造企業が支払い可能
金額範囲

目次
１．川村研究室 過去の研究紹介
２．産業用ロボットの現状と新事業化課題
３．システムからの再考
４．おわりに

おわりに・ロボティクスは、ようやく60年程度の学問・発展途上であり，未完成部分が多く存在
特に，SI技術は再考する必要あり
・SI技術を支えるSI科学が重要
・現実世界のシステム全体を考えたSIが有用（建設ロボットに合致したSI技術が有用）アテナイの学堂 （ラファエロ作 バチカン宮殿）

Analisi quadro: Scuola di Atene – Raffaello |🎨🎨Atuttarte

Cyber空間

Physical空間

理想の美しい世界の追及
直線はひたすら真っすぐ

パルテノン神殿
理想世界に合わせ，直線に見えるように現実を曲げている

プラトン

アリストテレス

しかし，現実は理想世界ではない
・曲がっている現実に合わせた方法必要
・Cyberの道具をPhysicalに如何にして利用するかが重要
Así hubieras visto el Partenón (y otros seis monumentos famosos) de haberhecho turismo hace 2.500 años - altmarius (ning.com)