「マルチメディア通信と分散処理
J
ワ ー ク シ ョ ッ プ平成
5
年
3
月
自律移動ロボット群を用いた協調行動の実験支援システム
宇 津 宮 孝 一 副 島 匡 暢 肥 川 宏 臣 児 玉 利 忠 吉田和幸 大分大学工学部知能情報システム工学科 マルチロポットシステムの研究を促進するために，そのテストベッドとして機能する実験支援システムを開発 した.このシステムは.Gung-Ho
(r協力しよう」の意味)と呼ばれ，自律移動ロポット群の開発とこれ らの協調行動の基本概念の試行や評価を支援する.各移動ロポットは対応するワークステーションにより遠隔制 御され，システムはUNIX
環境が提供する豊富な機能やツーJレを利用することができる.本論文では，協調行 動の実験を支援するGung-Ho
システムの設計と実現およびその有効性などについて述べる.1 はじめに
協調行動をする複数ロポットからなるシステム (CM A
R
S (
C
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o
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M
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c
S
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s
*
t
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)
と略)は，人工知能やロポテイクスなどの分野 において，さまさ.まな概念を試行するための有用な環 境を提供する{
1
]
. CMAR
S
においては，各ロポッ トは自律動作をしながらも，協調して共通の目標を達 成しなければならない.ロポットがどのようにして協 調行動をするかということは，非常に重要で，興味を そそる研究課題である. これまでのCMARS
の研究は，特定の応用分野に 焦点を絞ったものか，あるいは机上でのシミュレー ションによる概念的なものが多い[
2
]
.
その原因は， 適当なハードウェアの製作が容易でない，あるいはリ アルタイムに近い状況での実験が困難であることなど に起因する.事実，完全なマJレチロポットシステムは 非常に複雑で，その開発には多大な労力と時間を要し てきた. そこでわれわれはIGung-Ho
(
r
協力しようJ
の意味)と呼ばれるCMARS
のための実験支援シス テムを開発した[
3
]
.
このシステムは，自律移動ロポッ ト群の開発とこれらによる協調機構の解明のための実 験を支骸するものである.Gung-Ho
システムで は，各移動ロポットは，パックエンドコンピュータで あるUNIX
ワークステーションにより制御されるの で，UN
1 X1が提供する並行処理機能，ネットワー ク機能.X
ウインドウシステム2や共有メモリなどの 機能や開発ツーJレを利用することができる.これらの 機能やツールは，CMAR
S
の開発には極めて有用で ある. 本論文は，まずGung-Ho
システムの設計と実 現について述べ，次にこれを用いた予備実験と協調行 動問題の考察を行うことにより，このシステムがC M
ARS
による協調機構の実験支援システムとして有効 であることを示す.2
実験支援システムの設計
ここでは，実験支援システムの中で実現しなければ ならないCMARS
の形態や制御方式について考察す る.2
.
1
システムの形態
マルチロポットシステムの形態は，主として集中型 と分散型の2
つに分類される.集中型システムは，ロ ポット数が少なく，その環境があらかじめよく知られ ている場合には，効率的な制御方法を提供できる.し かしながら，環境の複雑さが増せば，この方式の実現A Testbed f
o
r
Studying Cooperative Behavior Using Autonomous Mobile Robots
b
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K
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UTSUMIYA
，Masanobu SOEJIMA
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Computer S
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，
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凶v
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)
1
UNIX
オベレーテイングシステムはAT&T
が開発し，ライセンスしている.2X
ウインドウシステムはマサチューセッツ工科大学の登録商標である.-機 ン れ に 開 閉 な 各 コ さ と に を う す ン 制 る 独
R
の 示 エ 隔 す をA
こ に ク 逮 離 アM
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止 て 分 エC
か 図 べ つ を ウ は 点 を 一 J よ 部 ド れ の 成 同 に 御 -わ き 構 ) 部 制 ハ れ す の 体 御 と と わ や ム 本 制 部 式 ・ り テ ト た 動 方 る 作 ス ッ れ 可 御 な と シ ポ き 械 制 に 性 。 ロ 現 機 の 易 軟H
動 実 の ト 容 柔 一 移 に ト ツ がg
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上 ツ ポ と にn
部 タ ポ ロ こ 際u
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可 ュ ・ り す す 被 ピ る よ 発 発 一 n L ' 準 一 て 水 し 高 ・ と ル が 一 る ツ い の で め れ な さ る 案 す 提 発 も 関 認 を 冒 ム ト -アツ ス ポ ‘ ン ロ ト の ツ・カ ポ つ ロ ︿ i v は非常に困難である.一方，分散型システムは，中心 となる統率者をもたず，各ロポットは独立して動作す る.この方式は，各ロポットが各自の判断で行動する (自律動作)ので.全体の統率や制御は容易でないが， 柔軟性は高い.CMARS
は分散型システムに属する.分散システ ムに要求される最も重要な機能は，ロポット聞の通信 である.各ロポットは自分の行動を決めるために，セ ンサ情報のようなさまざまな情報をお互いの間で交換 しなければならない.2
.
2
ロボットの制御方式
従来の自律移動ロポットの制御方式は，知覚，モデ ル化，計画などの機能単位から構成きれていた.この ような方式の移動ロポットシステムは，正確な世界モ デルと経路計画を基本とする[
4
]
.
しかしながら，世 界知識と経路計画は集中的な管理と処理を必要とする ので，分散型制御方式による実現は容易ではない.Brooks
は，機能単位ではなく動作単位とでも いうべきものから構成される包括アーキテクチャ(
S
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b
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i
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n
A
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c
t
u
r
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)
の概念を提案した[
5
]
.
この動作単位はエージエント(
A
g
e
n
t
)
と呼ばれる. エージェントが実行する個々の作業は，行動(
B
e
h
a
v
-i
o
r)とも呼ばれている[
6
]
.
このようなモジュール化 は非常に柔軟性が高いソフトウェア構成法である.エ ージェントの全体のつながりを再構成することなく， 必要に応じて行動の挿入や削除が容易にできる.包括 アーキテクチャでは，エージェントは独立したプロセ スとして動作し，関辿情報の交換を大域的に行う.そ れゆえ，エージェント聞の並列処理機能と通信機能は， システムの基本機能として提供されなければならない. ソフトウェアアーキテクチャは頑健でなければなら ない.さらに，新たな機能を導入できるように柔軟で なければならないし，デバッグするのに容易でなけれ ばならない.その結果，ロポット群全体と個々のロポ ットの制御方式として，分散制御方式を選択した.2
.
3
システム開発ツール
ゆ
4・ 料
曜劇縦割溺跡 機械可動部 {実ロポット ぃP G
棚
、
旬
.
r
j ，i 低想ロポット 機械可動部 図1:G
u n g-H 0システムの構成 雷鯖の使用はロボットシステムのプログラミングを容 易にするものと思われる.しかしながら.CMAR
S
のテストや評価を容易にするための理解しやすいテス トベッドには，これらの雷鯖ばかりでなしさまざま なライブラリ，ロポットのシミュレータやモニタなど のソフトウェア開発ツールやデバッギングツールが備 えられていなければならない.シミュレータは，導入 する新しいアルゴリズムや方式を事前に試行するのに 有効である.モニタは，ロポットの位置などの稲々の 情報やロポットの状態などを追跡する.シミュレータ とモニタを組み合わせれば，マルチロポットシステム 開発の初期段階において，テストとデバッグの強力な ツールを提供することができる(
2
]
.
3Gung-Ho
システム
図2:移動ロポット群と実験環境 構成を選択した.研究の最終目標は
CMARS
による 協調行動の研究，つまり，協調機構の解明や協調アー キテクチャの開発と評価に重点を置いているので，当 面の間，ロポットシステムの機被的な部分はできるか ぎり最小限度に止どめておきたいからである.CMA
RS
に要求される最も重要な部分は，ロポット聞のコ ミュニケーションである.この機能は，パックエンド コンピュータとして利用するワークステーション同 士がイーサネットを介してメッセージをやりとりする ことによって実現する. 上述したさまざまな要求を達成するために，システ ムの制御部として機能するパックエンドコンピュータ は， UN 1 Xワークステーション群を用いる.U N 1X
環境では，並行プロセス機能，強力な通信機能など のさまざまのソフトウエア開発技術カ苦手リ用でき，これ らはCMARS
の開発に非常に適している.3
.
1
機械可動部
各ロポットの機械可動部は，直径が20
c m，高さ 動き回るように設計されている.機械可動部には，オ ンボードプロセッサ(現在はMC6809)が搭載さ れており，2
台のステッピングモータで2
つの車輸を 駆動する.センサ系は，2
つの触覚センサと4
方向超 音波センサから構成される. 超音波センサは，物体とロポット聞の距離を前後左 右の 4方向について剖・測することができる.オンポー ドプロセッサはモータやセンサなどロポットの入出力 資源を操作・管理する.プロセッサは後述する制御部 からのコマンドを実行し，センサ情報を制御部に戻す. コマンドとセンサ情報は，ロポットの機械可動部と 制御部の聞で無線通信を介して交換される.プロセッ サは制御部が存在するパックエンドコンピュータから コマンドを受け取ると，そのコマンドに基づいてモー タの制御，ロポットと物体の聞の距離の計測などを行 う.センサ情報は，制御部がその情報を要求したとき に転送される. Gung-Hoシステムの機械可動部は現在できる かぎり最小化を図っているが，最終的にはいくつかの が 25cm程の大きさである(図 2) .これらのロ マニピュレータも付加したいと考えている. ポット群は，構造が定型化されたオフィス空間の中を-3-￨国ト
- - t 図3
:
制御部の構造 ヲ・・~~子園~.ン 図4
:
実ロポットと仮想ロポットの切替え3
.
2
制御部
各ロポットを実質的に制御するプログラムは，対応 するUNIX
ワークステーションにより実行される. 機械可動部へのコマンドおよび機械可動部からのセン サ情報は，図 3に示される位置制御モジューJレ(Lo・c
a
t
i
o
n
Cont
l'o
l)により処理される.ロポットの機被 可動部を制御する各ワークステーション聞の通信はTCP/I P
プロトコルを用いて行われる.図3
に示さ れるメッセージ制御モジュール(
M
e
s
s
a
g
eCont
l'o
I
)
は，メッセージを当該ワークステーションにイーサネ ットを介して送信することにより通帽する. 分樹高綱方式を合むいろいろな制御方式は，UN
1
X上のプログラミング冒蹄を用いて実現することがで議
鎚
a
v
￨
•
•
•
•
.
. ・回
{日〉
-~.
・
.
・ -
.
.
.
.
図5
:
センサ情報のモニタリング きる.例えば，C++
を使用すればオブジェクト指向 のアーキテクチャの股針と開発が容易になり，P
r 01
0 gやL
is
pを用いればAI
指向のアーキテクチ ャの導入が容易になる.Gung-Ho
システム、にお いては一連の機能はプログラミング雷鯖とUNIX
の 間のインタフェースをとるために用意される.UNI
X環境においては，プログラミングツールばかりでな く，CMAR
S
の開発に要求されるさまざまな機能が， 部品としてあらかじめ装備されている.したがって， ロポット開通信のようなハードウェア指向の機能もU
NIX
ソフトウェアを用いて容易に実現することがで きる. 制御部においては，多重プロセス制御，プロセス開 通信および並行処理などの有用な機能が，UNIX
ワークステーション上で提供される.制御方式を構成 する各モジュールはこれらの機能を利用して，ロポッ トのさまざまな制御方式を開発したり，試行したりす ることができる.3
.
3
シミュレータ/モニタ
試行環境において，シミュレータは仮想ロポットを 生成する.仮想ロポットは実在はしないが，実ロポッ トと同様に同ーのコマンドを受け取ることにより，実 ロポットの機能を代替えするものである(図4
)
.
例え ば，ロポットを取り巻く環境の地図を用いて，模擬の センサ情報を返す(図5
)
.
このシミュレータを利用す れば，開発中のアルゴリズムの改普やデバッグを実環-4-境でテストする前に即座に実施できる.
Gung-H
o
システムでは，これらの仮想ロポットと実ロポット が共存し，相互作用をすることができる.この機能は また，実ロポットの数が十分でない状況でも，多数の ロポットからなるCMARS
を容易にテストすること ができる. 上述した制御用のプロセス群とモニタプロセスは同 時に動作する.モニタは，位置制御モジュールやメッ セージ制御モジューJレから.各ロポットに関するすべ ての情報を獲得する.モニタプロセスはIX
ウインド ウシステムを用いてワークステーションの画面上に， ロポットの位置，センサ情報，制御部の状態などロポッ トのさまざまな情報を表示する.モニタ自身は，仮想 ロポットが実ロポットと閉じ情報を生成するので，両 者の区別をすることはできない.それゆえ，両方のロ ポットの状況を監視することができる.このツーJレは， ロポットの振舞い，例えば，実現している制御方式の 効率などの記録や評価をするのに大変強力である.シ ミュレータやモニタの機能は，新しい制御方式やアル ゴリズムを開発する際に大きな助けになる[
2
]
.
4
行動原理に基づくマルチロボット制御方
式の試作と検討
ロポットの開発環境としてGung-Ho
システム の有効性を確かめるために，簡単なロポット制御アル ゴリズムのプログラムを密いてみた.行動原理に基づ くマルチロポット(
B
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回e
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-
R
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)
の例として，互いに交信しながら，目的地に行くよう に制御される移動ロポット群を考える.目的地はあら かじめ制御プログラムによりロポットに与えられてい るものとする.包括アーキテクチャに対しては，行動 を起こしている各エージェントは.UN
1
X
のプロセ スとして実現され，並列に実行される.プロセス間通 信はIUNI
Xの機能である共有メモリ機構により処 理される. 行動制御型プログラム言
Q Q
(実ロボット) 図6
:
エージェントモデルによる制御方式の実現 衝突を回避しながら目的地に向かつて動こうとする. 実世界では，仮想ロポットは実際には存在しないので， 実ロポットが活性化するのみである.4
.
1
エージェント
上述したタスクを遂行するために，エージェントモ デJレを導入し，下記のエージェント群を用意した[
7
]
，[
8
]
.
• HOM
1
NG
エージェントは.所定の位置へロ ポットを向かわせるコマンドを生成する.・
OBJECT-AVOIDANCE
エージェン トは，センサ情報と他のロポット位置情報を調 べる.障害物が検出されると，衝突を回避する ために方向を変えるコマンドを生成する..INTERRUPT
エージェントは.目的地に 行こうとする他のロポットの進路を邪魔して目 的地に到達しないようにする.• CAL
L
エージェントは他のロポットの情報を 更新する. 例として.2
種類のロポットを使用する.そのl
つ は実ロポットで，イ也の 1つはシミュレータによって生 成された仮想ロポットである.ロポット聞の位置デー タがやりとりされる.そして，仮想ロポットは突ロポツ 図 6に示されるように.エージェントは制御部の トの障害物となる.実ロポットは，仮想ロポットとの 中でさまざまな情報を交換している.エージェントに-5-よって生成されるコマンド群はつのコマンドにま とめられてロポットに供給される.センサ情報は，セ ンサ情報要求コマンドを各ロポットに定期的に送信す ることによって収集される.
4
.
2
予備実験
まず，前節で述べたエージェント群を開発し，シミ ュレータやモニタを用いてテストする.次に，これら のエージェントを実ロポットで実現し，システムを 実環境で実行する.この予備実験は，これまでに述べ てきたすべての機能を実演するために，2
台の実ロポ ットとl
台の仮想ロポットにより遂行する.実ロポッ トは目的地へ進む(
H
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i
n
g
)
ように動き回り，仮想 ロポットはそれを邪魔する(
I
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r
r
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)
ように動<.HOMING
，
CALL
，
OBJECT-AVOIDANCE
エー ジェントによって制御される実ロポットは，INTER-RUPT
，CALL
，OBJECT-AVOIDANCE
エージェントによって制御される仮想ロポットとの衝突を回避 するために.方向を変えながら与えられた目的地に向 かつて進んでい<.図 7はこれらのロポットの軌跡 を描いたモニタ画面を例示している.図に示されるよ うに.エージェントは正しく機能している.実ロポッ トは仮想ロポットとの衝突を回避しながら，画面の3 つの目的地の lつに到達する梯子が示されている. この実験はエージェントモデルと包括アーキテクチ ャの原理と特長をうまく表し，この方法の有用性を実 証するものとなっている
[
9
)
.
仮想ロポットを用いる ことにより，ロポット数が実在する実ロポットの数に 制約を受けないで，マルチロポットシステムのための 試行環境を提供することができる.もちろん実ロポッ トも使用するので，設計者はロポットと実世界の相互 作用を容易に試行することができる.4
.
3
検討
上記の例のような制御方式の拭作を通じて， Gu
n
g-Ho
システムが分散ロポットアプリケーションを 開発するのに十分対応できることがわかった.このシ ステムを利用することにより，上述した例プログラム の開発は l人でわずか半月で済んだ.この倒が示すよ うに，われわれのシステムは効率的なロポットプログ 図7
:
移動ロポット群の軌跡 ラミング環境とそのテストベッドを提供することがで きる. しかしなiJfらGung-Ho
システムは，ロポット 制御アルゴリズムを前もってテストするための簡単な 実験環境を提供するために股針きれたので，リアルタ イム操作機能が現時点では十分ではない.現時点では， ロポットの機械可動部が単純で動作が遅いので，リア ルタイム操作の欠知が問題を起こすという状況にはま だなっていない.今後は，リアルタイム操作を取り扱 うアルゴリズムの開発が，実世界のアプリケーション には不可欠になるものと思われる. リアルタイム操作機能と問機，さらに複雑な状況で 実施する実験に対応するためには，ロポットの機械可 動部のハードウェアの改良が必要である.機械可動部 をより高遠にするために，オンボードプロセッサの強 化を考えている.さらに，センサの種類と数を増やす ことも計画している.現在の版は非常に単純なハード ウェアが使用されているにもかかわらず，これまでに 述べた予備実験で，CMAR
S
の実験支援システムと して有用であることを示すことができた.-6
ー5
協調行動の考察とその試行
本来のCMARS
を開発するためには，まず協調行 動を考察し，次に適切なモデル問題を選択し，その問 題をGung-Hoシステムで試行することにより， 協調機構を解明することが必要である.5
.
1
協調行副の分類
協調という用語は「協同調和J
の略であり，いろい ろな定義が考えられるが[1OJ
，[
1
1
J
.
広辞苑(第四版) にはその意味が次のように説明されている， (1)利害の対立した双方がおだやかに相互間の問題 を解決しようとすること.伺)労健協鯛.(
2
)
性格や意見の異なった者同士が互いに蹟り合つ て鯛和をはかること.例)協間性. (3)生体を構成する鰭部分が相互に澗整を保った活 動をすること. これらの意味を整理すると，協胴行動は，複数の主体 が共通の目標を達成するために，次の 3つの場合に必 要となるものと考えられる.(
3
0
)
競合(利害の衝突)の解決妥協や遠慮にょっ て解決する.例)遠慮ロポット[
1
2
J
.
(b)個性の補い合い 我を殺し，双方の長所だけを 出し合う. (c)一致協力 同期や嗣整を保って活動する.例) 協関融資，御輿かつぎなどの動作. 協問機構を解明するためには，上記の3
つの分類を含 む協間行動の拭行ができる問題を選択し，考察する必 要がある.5
.
2
協調行動の試行
現段階のGung-Hoシステムの性能や能力では， 実行できるタスクは限定される.したがってここでは. 協鯛行動を試行するモデル問題として自律移動ロポッ ト群による「棒倒し問題J
を選んだ.これは，前節の (a.)に対しては，どの棒をと・のロポットが倒すかと いうことで艶合が起こる事象をどのように解決 すればよいかを考える. -7-(b)に対しては，あるロポットが事故を起こして動 けなくなった場合に，他のロポットが自らのタ スクをどの時点で中断して相手を助ければよい かを考える.(
c
)
に対しては，大きな棒を複数のロポットで倒す 際の一致協力の仕方について考察する. これらの協鯛動作を，棒を倒すという大域的なタスク を与え，t
s
鯛を促進あるいは後退させるような下記の いくつかの要素を変化させ，大域的タスクの終了時間， 各ロポットが行うタスク数の偏り，タスク終了時間， 走行距離などを通じて解析・野価するものである. 賦行方法は，図2で示すような実験環境において，3
台のロポットで15
本すべての棒を倒すという大域 的タスクを与える.処理は，実験の最中に不測の事故 や任意の焼合が起こることも想定している.実験は各 ロポットとタスクについて，以下の要素を組み合わせ て行う. -知識 ロポットはすべての棒の位置情報をも つ/部分的な棒の位置情報をもっ. ・場 意図しなくても他ロポットの位置情報が 入手できる/意図しないと他ロポットの位置情 報が入手できない. .推論 他ロポットの棒の選択が予測できる/ 予測できない. ・群構造 他のロポットの棒の選択に干渉でき る/できない. ・タスクの性質棒はロポットl
台で倒れる/2
台でしか倒れない. 協鯛問題については，タスクの分割をどのようにす るかという点に関してすでにいくつかの研究がなされ ている[
1
3
]
，[
1
4
]
，[
1
5
)
.
ここでは，協鯛機構の解明を目 指して，上述した要素の組み合わせにより，協調行動 にどのような影響が及ぼされるのかについて，今後本 格的な実験により鯛査していく.6
おわりに
われわれは，CMAR
S
の開発と研究のための支援 システムであるGung-Hoシステムについて述べ てきた.これはUNIX
ワークステーションを基盤にしているので.U N 1 Xが提供するさまざまな機能や 開発ツールを利用することができる.したがって，エ ージェントモデルや包括アーキテクチャなど新しい方 式のマJレチロポットシステムの実現に非常に適してい る.また，ワークステーションがロポットの制御部と して働き，機械可動部である移動ロポットを遮隅操作 するという方法は，最終的なロポットの姿や仕様を開 発を進めながら明確にしていく場合には，特に有効な 手法である. これまでは，分散協調ロポット群のための効率的な テストベッドを構成する基本要素を開発することに焦 点を当ててきた.そのため.その効果を実際に示すた めに，単純なマルチロポットシステムを実現し，その 有効性を確かめた.今後は，分散協調機構を解明する ために，協鯛の概念の整理を行い，その試行ができる 様倒し問題を選択し.Gung-Hoシステム上でさ まざまな実験をする計画である. 参考文献
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