1.システムインテグレーションによって成否が変わる

システムインテグレーションという言葉は、一般にはあまり利用しません。しかし、社会の多くの場面で、システムインテグレーションが実施されています。たとえば、野球の監督は、メンバーの誰を選び、どのような打順とするかなどもチームというシステムのインテグレーションを行っていることに対応します。必ずしも年俸の高い有力選手を集めたチームが優勝するわけではなく、各選手の特質を考慮したチーム編成が重要であることは、良く知られた事実です。このように、システムはインテグレーションの方法によって、その性能が大きく左右されます。

2.ロボットにはシステムインテグレーションが必要

ロボットはセンサ、コンピュータ、アクチュエータ、エネルギー源などの統合体です。したがって、ロボットを作ることはシステムインテグレーションを意味します。システムの構成要素は様々であり、同じ要素でも性能、価格、取り使い容易性などの特徴が異なります。システムインテグレーション担当者は、このような特性を各要素について理解したうえでシステム設計を行います。要素の組み合わせは多様であり、多くのソリューションを想定することが可能です。

3.良いロボットシステムインテグレーションとは？

システムの各要素を巧みに組み合わせてインテグレーションします。その際、目的を達成する性能に加えて、インテグレーションする作業者の負担が少なく、システム全体の価格を安いことなどが優れたシステムインテグレーションの条件となります。同じ性能を生み出すのであれば、各要素は低価格で使い安いものが望まれます。そのような要素を組み合わせて目的の作業をロボットが実現するインテグレーションの方法を開発する必要があります。

4.新しいロボットシステムインテグレーションが必要

ロボットのシステムインテグレーションの方法は、様々なテキストブックに掲載されてきました。そこには先人の努力の成果が集約されています。これらの既存の方法によって、確かにロボットのシステムは実現できます。しかし、システムインテグレーションには様々な方法の提案が可能です。今後のロボット開発、特に産業化には、新しい発想のシステムインテグレーションが必要と思われます。

1.デカルト座標系

空間の1点は、直交する座標系などを利用して、座標（X,Y,Z）で表現されます。デカルトの発想です。ハエが飛んでいる状態でハエの位置を記述することから着想したと言われています。デカルトは空間の点を代数で記述できることを示しました。近世の自然科学の空間の捉え方です。空間に絶対に曲がらない直線と完全に垂直に交わる直線から作られる座標系を空想します。そこで、私は1点を指先します。ロボットにも、この点を（X,Y,Z）と教えればロボットの指先をこの点に移動させることができます。何もない空間に私の空想する図形を記述することができる素晴らしい方法です。

2.アリストテレスの発想

アリストテレスの場の捉え方は、デカルト座標系の方法とは異なります。空間を定義する前に、対象物の存在から始まります。その対象物のまわりを取り巻くものが空間となります。たとえば、リンゴがテーブルに置かれている状態で、デカルト表現では、「リンゴは設定した座標系の（3,14,28）［単位はcm］にある。」となり、アリストテレス表現では、「リンゴがあり、テーブルの上に置かれている。」などとなります。この比較は大変興味深いものがあります。ロボットのシステムを構築する際に、空間（座標系）から考えるか、対象物から考えるかとなります。

3.絶対座標系によるロボットシステムインテグレーション

現状の多くのロボットシステムインテグレーションでは、デカルト座標系などで運動記述して、制御を実行します。各要素は、この座標系に合わせる努力をして精度などの性能を追求します。しかし、現実世界は完全な直線や平面を作り出すことは極めて困難です。私の頭の中の理想的な座標と現実のロボットなどの座標を高精度に一致させるためには、理想と現実のギャップを解消しなければなりません。

4.キャリブレーションという問題

このように座標系を一致させるための作業をキャリブレーションと呼びます。カメラを利用するロボットでは、カメラとロボットの座標系を一致させる必要があります。いわば、直線の直角や平行を可能な限り正しくする努力です。現実の世界では、床が完全に水平ではなく、ロボットのリンクもわずかには撓み、固定されたはずのロボットも振動などでわずかにずれる、このような現実世界で、理想の空間を追い求めることがキャリブレーションとなります。

5.相対位置利用

ロボットにとってデカルトの座標系で正しく動くことが目的ではなく、実際の作業の実現が必要です。我々が何かの作業をする場合に、まず初めに空間に注目するのではなく、対象物に注目します。そして、その対象物を他の対象物との関係から目標作業を理解して実行すると想定できます。その際、絶対座標系で表現する必要はなく、対象物と他の対象物の相対位置のみで表現して作業を達成できます。いわば、デカルト的ではなくアリストテレス的思考で十分となります。この発想にたてば、ロボットのシステムインテグレーションに新しい方法を提案できます。チトセロボティクスで開発したビジュアルフィードバック制御ソフトウェア「クルーボ」は、このような発想でうまれました。

1.人類学に企業が注目

地球規模の環境問題、国際紛争、資本主義経済の限界など、先が予測し難い現代社会で、人類学に関心が高まっています。どのような文明が、どのようにして生まれ、なぜ崩壊したか？崩壊の理由は、自然災害か？人の営みか？企業経営者にとっても人類の大きな歴史の流れの中で、将来を考えることが重要なのでしょう。最近では人類学者からの情報や意見を求める企業も増えているようです。

2.デニソワ人

先端科学技術は人類学を大きく発展させています。2008年に西シベリアのアルタイ山脈のデニソワ洞窟で骨の断片が発見され、約5万前の新しい人類であることが示されました。我々の祖先のホモサピエンスとネアンデルタール人のみではなく、デニソワ人が共存していたそうです。他の2種類の人類が絶滅したというよりも、現在の人類にもDNAが受け継がれているようです。

3.針の発明

このデニソワ人が針を利用していたことが分かっています。この針の長さは7.6cmで鳥の骨から作られました。デニソワ人は、針と糸を使って防寒着を製作していたと思われます。縫い目の細かい防寒着は、極寒のシベリアでの生活を克服したと予想できます。約5万年前から人類は針を発明して、自分の目で針穴を確認して糸を指先で通していたのです。

4.ロボットで針穴に糸通し

針穴に糸を通すための専用機を開発すれば、この作業は比較的容易に実現できでしょう。しかし、デニソワ人が行ったように、目で見て針と糸を手に持った状態での作業をステレオカメラとロボットアームを利用して実現することは、従来のロボット技術ではほぼ不可能に思えます。約5万年前に人類が実現できた作業を現在のロボット技術は達成できていませんでした。

5.チトセロボティクスの技術がデニソワ人に追いついた

動画でもご紹介していますように、新しいシステムインテグレーション技術により、任意に設置された針に糸を通すことができるようになりました。ようやくロボット技術がデニソワ人の一つの作業レベルに追いついたと言えます。まだまだ未熟なロボットが、人類が実現してきた作業に追いつくように我々は努力したいと思います。

1. 目の数

人を含めて多くの生物の目は2つである。しかし、ニュージーランドに生息するムカシトカゲは、頭頂部に第3の目を持っている。ただし、通常の目のように利用していないようである。約5億年前のカンブリア紀に生息したオパビニアは、図のように体の先頭に突出したハサミ状の吻と5つの目を持っている。昆虫は単眼が複数集合した複眼を持っているが、高度な形状認識などは難しいと考えられる。目の数はどのようにして決まるのであろうか。ロボットシステムの設計者としては興味ある質問である。

2. 生物の目は、どこにいくつ？

一つの目で2次元情報が得られるので、2つの目で3次元情報が得られる。これは、工学的によく知られた事実である。したがって、目は2つ必要であり、ロボットのカメラも2つ必要となる。たしかに、カンブリア紀の5つの目のオパビニアのような生物は現在みることはない。目が頭部になく、腕や脚のどこかにあれば、もっと違う利用ができそうである。
一番の問題は脳からの距離であろう。目からは膨大な外界の情報が入力される。これを脳に伝達して、信号処理することによって判断、認識を経て、次の行動に繋げる。膨大な情報を短時間で脳に伝達するためには、脳から近い位置に目を設置する必要があった。目は脳が露出した器官とも言われる。したがって、脳から距離の遠い手足に目をつけることは難しいと想像できる。それでは、頭部に3つ以上の目は妥当かとの疑問をもつ。前述のムカシトカゲは頭頂部に第3の目をもっている。ただし、通常の目と異なる利用で、光の検知などと想定されている。4つ以上の目も頭部にあってもよく、ロボットでは用途に合わせてステレオカメラを2セット持つ形となる。生物になぜ4つの目がないかを証明することは難しいけれども、2セットのステレオ視を脳内で信号処理することが脳に大きな負担となることは容易に想像できる。
結局、生物の目では、神経の伝達速度と脳の情報処理によって、目の数と位置が決まっているように思われる。

3. ロボットの目は、どこにいくつ？

生物とは異なり、ロボットのカメラ設置位置は、かならずしもコンピュータに近い必要はない。通信系の遅れは、現在要求されるロボット運動速度などから勘案して大きな制約条件にはなっていない。したがって、ハンドアイのように作業によって効率的なカメラ設置位置を選択可能である。必要に応じて、全体の空間を見渡せる位置やハンドの指先にもカメラを搭載できる。
カメラの数も2個に限定する必要はない。要求するカメラの性能にも依存するが、近年ではカメラは比較的低価格で購入できるので、カメラ台数の増加によるコストの上昇は大きな問題とならない。また、3個以上のカメラを利用する場合にもコンピュータの計算負担も小さくなっている。
このような理由から、ロボットの場合にはカメラの位置と数は生物よりも制約が少なく、比較的自由にシステム設計者によって変更可能となっている。

4. ロボットのカメラシステムの問題

ロボットのカメラの位置と個数は、それほど大きな問題ではない。むしろ、問題はカメラの設置方法にある。たとえば、2つのカメラで3次元情報を獲得する場合、2つのカメラの座標系の設定が正確で、作業中にも変化しないことを保証しなければならない。このため、物理的に2つのカメラの位置と姿勢が変化しないように、頑丈なフレームなどにしっかりと固定する必要がある。カメラ間の距離の短い平行ステレオであれば、2台のカメラ全体を支えるフレーム構造は比較的小さく構成できる。しかし、水平面と鉛直面を広く撮影するために、2つのカメラの距離を離して、カメラの姿勢を90度などで設定する場合には、カメラ同士の幾何関係のキャリブレーションは大きな問題となる。また、フレームの僅かな変形によっても精度が大きく低下する場合も多いので、フレームの剛性を高める必要があり、結果的に大型高重量のロボットシステムとなってしまう。カメラの台数を3台以上利用する場合には、同様のキャリブレーションの手間が台数の増加に従って拡大する。

5. チトセロボティクスのビジュアルフィードバック制御

チトセロボティクスの開発したビジュアルフィードバック制御では、2つのカメラ同士のキャリブレーションは不要である。そのため、各カメラの位置姿勢関係が変化しても問題は生じない。結果的に、2台のカメラを剛性の高いフレームなどで固定する必要がなくなり、システム全体を小型化・軽量化することが可能となっている。また、カメラが3台以上利用する場合にも対応可能である。

6. カンブリア紀の生物のようなロボット設計

カンブリア紀には生命の大爆発が起こり、多様な生命種が一気に生まれたと言われている。ただし、カンブリア紀の少し前から生命の大爆発が起こっていたとの説もある。ロボットのシステム開発では、生命から刺激を受け、アイディアをもらって思考することがある。観察する生物は、現存の生物種に限定する必要はなく、古生物など進化の初期の生物種からも学べることがありそうである。
視野角を広くとるためにウサギや馬など両眼を左右に取り付ける生物もいる。一方、目前の距離を正確に計測するために、両眼が平行ステレオカメラのように機能する場合もある。類人猿、虎などのネコ科、猛禽類などの動物は、獲物や枝までの距離を正確に計測するために、このような目の構造となっていると思われる。人を模擬したロボットの頭部では、平行ステレオカメラが利用され、立体視が可能となる。カメラ間の位置は近いので、固定フレームは比較的小型でも剛性を確保できて都合がよい。キャリブレーションも一度実施すればある程度の信頼性を期待できる。ただし、オクルージョン問題は発生しやすく、手先精度を高めようとしても精度の限界がある。チトセロボティクスのビジュアルフィードバック制御を利用すれば、キャリブレーションは不要となるので、平行ステレオカメラに限定されず、自由なロボットシステム設計が可能となる。
現状の生物に制約されず、人類が優れた生命体と過信せず、カンブリア紀の多様な古生物などからも自由に発想することが興味深い。そのような意味を込めて、クルーボのスタートアップマニュアルの表紙にはオパビニアに登場いただいている。もちろん、クルーボではカメラ5個も利用可能である。

1. 理想は必要

理想だけでは現場は動かない。現場の経験だけでは失敗を招く。どこの世界のどこの組織や人にも起こる問題である。現実とかけ離れた理想のみでは、進歩や改善などできない。しかし、現実のみに捕らわれていては、何も理解できず、これも現実を変えることができない。理想主義と現実主義をどのように選択するべきか。人によって、状況によって判断は分かれる。しかし、どのような場合にも理想を掲げることは必要となる。

2. プラトンとアリストテレス

プラトン（紀元前427～前347）はソクラテスの弟子の哲学者として有名である。プラトンの思想は多岐にわたり、その中心にあるのはイデア論と言われている。普遍的で完全な真実の世界を思弁によって認識しようとする哲学である。アリストテレス（紀元前384～前322）は、そのプラトンの弟子でありながら、プラトンを批判して唯一絶対の永遠のイデアを否定する。アリストテレスは地上の人間、多様性を擁護し、現実を観察する。ルネサンス期のイタリアの画家ラファエロは、バチカン宮殿に「アテナイの学堂」として2人を描いている。プラトンは指で天を指さし、アリストテレスは手の平を下向きにして水平に前に出している。理想と現実を象徴的に表現している。

3. 自然界の直線

ギリシャのパルテノン神殿では、中央が左右よりも盛り上がったように湾曲している。これは人の知覚特性から、完全な水平線では中央が下がったように見えるので、現実物をあえて曲げて建築している。直線の美しさに神に近づく感覚を当時の人々が持ったのであろうか。このような視点での庭園設計の観察も興味深い。イギリス庭園では、実は人が相当に手入れをしているにも関わらず、自然の状態を表現している。一方、フランスの庭園では、たとえばベルサイユ宮殿では池は直線に形作り、彫像は一定間隔で規則正しい。幾何学的な美しさと人工物創造への並々ならぬ自信をストレートに表現しているように思える。それでは日本庭園はといえば、微妙なバランスである。一見、不規則な本来の自然のような形を持ちながら、きれいに楕円体に刈り込まれた低木や常に形を整えられた樹木などがある。完全に人工的な直線などはない。しかし、自然そのものを目指していない。このような嗜好の違いは、どのような理由から生まれるのであろうか。

4. ロボティクス

ロボティクスに限らず一般に工学では、基礎的な理論があり、その理論に基づいて現実を考察し、人工物を作る。現実のすべてを考えることは無理な場合が多いので、理論では理想的状態を仮定する。リンク構造のロボットでは、リンクは完全剛体で曲がらないと仮定する場合が多い。このような仮定のもとに、剛体の力学を基盤に解析やモデリングが行われ、普遍性のある有用な結果がモデル駆動方式で得られてきた。しかし、変形や摩擦などモデル自体が作り難い場合やモデルのパラメータ値に誤差が含まれる場合には、この方法の性能は劣化する。そこで、モデルからのずれ量をさらに詳しく調べて、理想に近づけようとする。この一つが、さまざまなキャリブレーションである。パルテノン神殿を多少曲げても理想の直線に合わせようとした行為と同じである。

5. チトセロボティクスの技術

チトセロボティクスの技術はアリストテレスに近い。常に現場現物の問題から考える。現実世界を理想世界に一致させようとせず、現実世界で問題解決可能な方法を、理想世界の知識を基盤に開発する。床は水平ではなく、カメラのレンズは歪んでいることを受け入れて、それでも問題なくロボットを制御できる方法を開発する。方法を生み出すためには、理想世界の知識が有用である。現実世界では曖昧に見える方法が真に有用であることを、理想世界の道具を利用して深く考えることが必要となる。現実と理想の適度なバランスを有しているという点では、日本庭園に近いかもしれない。アリストテレスが存命であれば、チトセロボティクスは褒められる企業と思う。