日本ロボット学会学術講演会2021オープンフォーラム「ムーンショット型研究開発（目標３）：自ら学習・行動し人と共生するAI ロボット」

多様な環境に適応しインフラ構築を革新する
協働AI ロボット（CAFE Project）の紹介と「開いた設計」2021年9月11日

東京大学大学院工学系研究科 総合研究機構
i-Constructionシステム学寄付講座

永谷圭司

2050年におけるフィールドロボット•

地球温暖化により発生する自然災害：
 被害を最小限に抑える自然災害の応急復旧技術．
減災・復旧の課題推進国の国際的地位を確立．

•

将来の有人探査の拠点構築：
 有人探査の月面拠点構築のためのインフラ技術．
国際協力で進める月面開発を日本がリード．

多様な環境に適応する協働AIロボット

2021/9/11(2)

永谷のプロジェクトの目標•

地球温暖化により発生する自然災害：
 被害を最小限に抑える自然災害の応急復旧技術．
減災・復旧の課題推進国の国際的地位を確立．
（2025年の具体目標：河道閉塞対応システム）•

将来の有人探査の拠点構築：
 有人探査の月面拠点構築のためのインフラ技術．
国際協力で進める月面開発を日本がリード．
（2025年の具体目標：輸送機の着陸パッドの土工）

上記を実現するフィールドロボットシステムの構築
多様な環境に適応する協働AIロボット

2021/9/11(3)

月面における着陸パッド土工の必要性

2020/10/14 アルテミス計画に関する国際合意

2021年～（無人）
月着陸移動探査

月面探査拠点シナリオにおいて，インフラを誰が・どのように・どのの順番で構築していくか？効率的なインフラ構築が求められている！

2024年
月ゲートウェイを活用した有人探査着陸拠点（インフラ）が整備されれば，着陸機の性能のみに依存せず，安全安心に,高頻度の月面への輸送を可能とする．

（Artemis計画）

2029年～
有人月面探査（科学探査）

2035年～
有人月面利用（資源，旅行）

しかし着陸パッド／着陸拠点を敷設するアイデアはあったものの， 現実的な土工・建設計画（議論）はこれまであまりなされていない．
複数台の小型協働AIロボットによる土工の地上試験を実施

多様な環境に適応する協働AIロボット

2021/9/11(4)河道閉塞対応システムの必要性
東竹沢地区/中越地震

寺野地区/中越地震

土木研究所資料 第4121号 天然ダム監視技術マニュアル（案）より多様な環境に適応する協働AIロボット

2021/9/11(5)なぜ堤防決壊ではなく河道閉塞なのか？
堤防決壊

河道閉塞

豪雨による堤防決壊（多くの場合 河道閉塞による土砂被害（多くの場決壊までの時間が短い：切迫状態）• 緊急的な避難以外に対策が少ない• 対応例が多い
対応策がある程度確立• 事前対策が可能（ソフト/ハード対策）• 無限定環境の要素は少ない

合決壊までの時間が比較的長い：急迫状態）• 発災までの猶予時間で対策• 対応例が少ない
対応策が確立していない• 事前対策が不可能• 場所によっては甚大な被害が発生• 無限定環境／有人作業では危険より高度な技術が必要
ロボットやAIを駆使して対応することが求められる現場で活用され信頼を獲得しなければ利用されない（河道閉塞対応は堤防決壊時にも応用が可能）
多様な環境に適応する協働AIロボット

2021/9/11(6)

「開いた設計」について

多様な環境に適応する協働AIロボット

2021/9/11(7)

閉じた設計と開いた設計
現在主流のアプローチ：• 場面を想定してロボットハードウエアを設計• 場面を想定してソフトウエアを設計• 現場では，場面に応じた最適作業計画を立案• 状況をセンシングし，ロバストに作業を実施

多様な環境に適応する協働AIロボット

 閉じた設計

2021/9/11(8)

閉じた設計と開いた設計
現在主流のアプローチ：• 場面を想定してロボットハードウエアを設計• 場面を想定してソフトウエアを設計• 現場では，場面に応じた最適作業計画を立案• 状況をセンシングし，ロバストに作業を実施

 閉じた設計

現在主流のアプローチで上手くいかない例：フィールドロボット• あらゆる場面を想定してハードウエアを設計（大型化）• あらゆる場面を想定したソフトウエアを設計（想定の発散）• 現場では，様々な状況に応じた作業計画を立案（状況把握が鍵）• 環境をセンシングし，ロバストに作業を実施（センシング能力の限界）

 閉じた設計では破綻

多様な環境に適応する協働AIロボット

2021/9/11(9)

フィールドロボットに必要な開いた設計

時々刻々と変化する環境に臨機応変に対応するロボットシステム
これまでの設計法で決定的に欠けてきた概念「開いた設計」を導入．（ハードウエア，ソフトウエア共に）「閉じた設計」＋「開いた設計」
1. 環境になじむ 2. メニーモーダル 3. 動的協働ロボット
環境評価AI技術 Physical AI技術
（身体：機体） （判断：計測） （行動：制御）
多様な環境に適応する協働AIロボット

2021/9/11(10)

開いた設計によるハードウエア
開いた設計によるハードウエア

多様な環境に適応する協働AIロボット

2021/9/11(11)

開いた設計によるハードウエア
開いた設計によるハードウエア

閉じた設計：場面を想定してロボットハードウエアを設計
（例）災害現場（通常の土工の現場でも）ではサイズが大きい方が良い
開いた設計：使用現場が確定しなくても使える機械「小型群」「ヘテロ」「軽量」「柔軟」「冗長」などを組みこんだロボットの機体設計

多様な環境に適応する協働AIロボット

2021/9/11(12)

開いた設計によるハードウエア
開いた設計によるAI技術

現状のAI技術：1.

想定される環境や状況を網羅したデータを事前に蓄積
 土木建設物は一品生産／災害現場も同一災害は皆無．
深層学習の従来アプローチを採用することが困難．

2.

対象現場は刻々と環境が変化
 順解析も困難．特に災害現場などは，状況が多様でデータが不足．

3.

現場ごとに，センサデータの入力セットが異なる
 現在のAIは，センサデータの入力セットの変化に対応できない．

開いた設計によるAI技術：
1. 言語の利用： Image Captioningに代表される状況の言語化技術，言語化・抽象化された状況の判断技術．
2. 物理モデルの利用：Physics Informed Neural Network（PINN）を利用し，物理モデルを考慮しつつ，適切な精度で環境を理解するAIの構築．
3. メニーモーダル：多くのモダリティを柔軟に扱うAI Architectureの開発．
多様な環境に適応する協働AIロボット

2021/9/11(13)

開いた設計による制御技術
背景：月面の特徴•高真空、強い放射能、長期間の昼・夜、気温高低差 etc  特有の地質を形成••

月面の物理モデルが不明確（特に土工事関係）
月面上での膨大データ収集は不可能

問題：月面土工作業に向けたAIによる戦略（制御器）構築

提案：ドメインランダム化によるドメインフリーな戦略学習•

地上データと、ロボット群・土壌・地質特性・重力等を多様に変化させるドメインランダム化シミュレーションを利用  地上から月面に転移可能な戦略を学習
ドメインランダム化シミュレーション（Cyber）
月面上へ戦略転移(Physical)

地上データ収集（Physical）

戦略転移学習

多様な環境に適応する協働AIロボット

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開いた設計による複数台の制御技術
Top-down
design

オペレータ
タスク遂行の最適化

背景：月面極現環境下での環境適応とオペレータの目的最適•

環境条件は未知＆オペレータの目的を最適化 環境変化/強固な目的の相互順応問題：不確定な環境と目的の変容

月面の作業は不明瞭環境条件により協同ロボットのチーム編成

協働チーム
自律生成

•

オペレータ目的と環境条件のギャップ
相互を繋ぐ境界条件の破壊・再構築

Bottom-upembed

提案：環境・目的のダイナミクス埋め込み型協同ロボットオペレーション

環境ダイナミクスの同定
協働ダイナミクスへの取り込み

異なる環境であっても環境順応と目的達成を実現する群ロボット協働手法
外部ダイナミクスを埋め込みながら最適なチーム編成を実現

多様な環境に適応する協働AIロボット

2021/9/11

(15)

まとめ•

地球温暖化により発生する自然災害：
 被害を最小限に抑える自然災害の応急復旧技術．
減災・復旧の課題推進国の国際的地位を確立．
（2025年の具体目標：河道閉塞対応システム）•

将来の有人探査の拠点構築：
 有人探査の月面拠点構築のためのインフラ技術．
国際協力で進める月面開発を日本がリード．
（2025年の具体目標：輸送機の着陸パッドの土工）

ハードウエア，ソフトウエア共に「開いた設計」を導入し，上記を実現するフィールドロボットシステムの構築を目指す．
多様な環境に適応する協働AIロボット

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keiji@ieee.org
http://www.i-con.t.u-tokyo.ac.jp/
https://moonshot-cafe-project.org/
http://k-nagatani.org/
多様な環境に適応する協働AIロボット

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