アプリケーションノート 5598

ロボット:家庭を取り巻く「人工の」代理人


要約: それと気づかないこともありますが、ロボットはあらゆる場所に存在します。このアプリケーションノートでは、掃除機から照明、そして同時に2つの場所で作業することを可能にするマシンまで、我々の日常生活にロボットが普及していること、および毎日出会うそれらの「ロボット」のみでなく、それらを可能にしている数百のマイクロプロセッサに我々が依存していることを説明します。

これと同様の記事が「Electronic Design」誌の2013年3月5日号に掲載されています。

はじめに

2000年前のローマ市民たちは、奴隷の人数を数えることによって、達成可能な作業の数を判断していました。20世紀初頭には、モーターの数を数えることによって同じ質問に答えることができました。今日、我々はマイクロプロセッサの数を数えます。現代の多くの家庭には100以上のマイクロプロセッサが存在し、しかもこの数には最近の自動車が備えている50~80のプロセッサは含まれていません。事実、マイクロプロセッサは現代のロボット、すなわち「機械的または仮想的な人工の代理人」1なのです。
図1. すべての照明が輝き、電気メーターが回転している現代の家庭—多数の隠れたロボットが動作していることを示します。
図1. すべての照明が輝き、電気メーターが回転している現代の家庭—多数の隠れたロボットが動作していることを示します。

ロボットの時代

現代はロボットの時代です。数十年前にはSFの世界の話でしたが、今後10年か20年の間に我々の家庭にはさらに多くのロボットが入ってきます。SF作家として有名なアイザック・アシモフは、ロボットが人間に危害を加えないようにするための「ロボット工学の3つの原則」、より一般的には「ロボット3原則」として知られるものを規定しました。アシモフは、「私はコンピュータが怖いとは思わない。コンピュータがないことの方が怖い」と語っています2。確かにそのとおりです。もし家庭からマイクロプロセッサがなくなったとしたら、我々の生活水準は一気に低下するでしょう。
ゴードン・ムーアは1965年の論文で、のちに「ムーアの法則」として知られることになる概念を示しました。彼は、トランジスタの縮小と、それに伴うマイクロプロセッサの大幅な密度の増大によって、デジタル技術が急速に拡大すると予想しました。その過程で、各トランジスタのコストも低下し、より強力なプロセッサが安価で入手可能になります。ムーアの先見性は驚くべきものでした。彼はこう語っています。
集積エレクトロニクスの将来は、エレクトロニクスの将来そのものである。集積化の持つ利点によってエレクトロニクスが普及し、多くの新しい分野にこの科学が広がることになる。
集積回路によって、家庭用コンピュータ(あるいは少なくとも中央のコンピュータに接続された端末)、自動車の自動制御、個人用の携帯通信機器などの夢のような製品が実現する。電子腕時計なら、ディスプレイさえあれば今すぐにでも実現可能である3
これは実に48年も前のことです。今日、我々は自宅のラップトップで音声認識を使って記事を作成し、クラウドにバックアップしています。50以上のプロセッサを備えた自動車を運転し、世界中どこにいてもスマートフォンの通話、メール、ビデオを使っていつでも連絡可能で、デジタルウォッチを10ドル以下で購入しています。すごい時代になったものです。我々の革新と生活水準を制限するのは、人間の想像力のみです。
ムーアの法則に話を戻しましょう。年とともにわずかに修正されてきましたが、その概念は確固としています。今日使われているのは、「集積回路のトランジスタ密度は約2年ごとに2倍になる」というものです4。これは銀行の複利計算に似ており、驚異的な進歩をとげた過去48年間にわたって成立してきました。具体例で示すと、1971年には、Intelの4004プロセッサに2,300個のトランジスタが含まれていました。1978年には、8086に29,000個が含まれていました。1989年には、Intel486に120万個のトランジスタが含まれていました。1999年には、Intel® Pentium® IIIプロセッサが950万個のデバイスを備えていました。そして2009年には7億7,400万個のトランジスタを持つIntelプロセッサが登場し5、2011年には22億7,000万個のトランジスタを持つものが現れました。
密度の増大と同様の驚異的な精度で、ムーアのその他の予想も的中しました。マイクロプロセッサの価格は低下し、あらゆる場所で急増しました。今では、小型のプロセッサ1つを1ドル以下で購入することができます。大量購入の場合は、わずか数セントです。また、プログラム可能なマイクロプロセッサをスタンドアローンのプロセッサとして販売できることがわかったため、Intelのプロセッサファミリが登場しました。
今日、特殊製品のメーカーは、完全なカスタムICの代わりに、汎用プロセッサを選ぶことができます。この判断は、生産量とコスト、投資利益率(ROI)、および開発期間に基づいて行われます。例として、小売価格3.33米ドルの単純な装飾用LEDソーラーガーデンライトを考えます。特定用途向け集積回路(ASIC)のブロック図に、太陽電池、1つのAA充電式バッテリ、バッテリの充電とLEDの動作のためのブーストコンバータ、クロック発振器、ステートマシン(シーケンスカウンタ)、およびLEDスイッチングトランジスタを含める方法が考えられます。別の方法として、小型のマイクロプロセッサと少数の外付けトランジスタおよびダイオードを使用することもできます。ASICは初期開発費(NRE)が比較的高いため、どちらを選ぶかは経済的な判断になります。少量生産の場合は、汎用マイクロプロセッサ方式を選ぶことになるでしょう。
マイクロプロセッサの競争において1つ不変なのは、それらがすべて電気を使用するということです。トランジスタが小さいほど消費電力が少なく、結果としてバッテリ寿命が延長されます。ロボット、または「家事ヘルパー」は、動作に電気を必要とします。各アプリケーションに対して、AC電力線、充電式バッテリ、または交換式バッテリのいずれを使用するかが決定されます。自動車のドアを開けるキーフォブは充電式ではなく、年に1回だけボタン電池を交換する必要があります。都市ガスや水道の電子メーターはバッテリの交換が必要になるまでに10~40年間動作し、多くの家電製品は家庭のACコンセントに接続されます。これから先はどうでしょうか?1965年にゴードン・ムーアが非常に明確に予想したロボット時代は、今やどこにも存在する我々の日常生活の一部になっています。そして、我々の多くはそのことに気づいていません。

ロボット—どこにでもあるが気づかない

電気の供給について考えるとき、「生活必需品と考えられているものをゼロから作ることができるだろうか?」と自問してみてください。残念ながら、我々のほとんどは、日常生活で使用しているものや家庭にあるものを作ることができません。簡単なものならどうでしょうか?ボールペン、リモコン、ソーラーガーデンライト、あるいは最も単純なマイクロコントローラを使用するものなら何か作れますか?
標準的な現代の家庭で使用される最も単純なロボット機器について考える前に、そのすべてがロボットに依存している地方自治体、政府、その他の外的支援サービスについて考える必要があります。今日、我々の快適で豊かな暮らしは、マイクロプロセッサによって運営され維持されている目立たないサービスの利用が前提となっています。昨晩、仕事を終えて車で自宅に帰る途中、妻に電話して何か買っていくものがあるか尋ねました。その1つの行為ですら、我々は携帯電話と基地局、自動車、さらに信号機の中にもあるマイクロプロセッサの力を借りています。こうした生活支援「必需品」の数は、電気、水道水、都市ガス、下水とごみ収集、消防と警察、自動車や家電製品の修理サービス、さらに食料品店などまで含めて90項目以上になります。こうしたロボットを使用したサービスは常に存在し、あまりに多いために我々はその重要性を忘れています。

家庭内のロボット

話を家庭に戻します。私の家は、大きな子供のいる都市生活者としては標準的なものだと思います。我々は最初にモーター(158個)と電動機器(87個)の数を調べ、次にマイクロプロセッサ(278個)を数えました。
調光器、タイマー、リモコンから、バッテリ式の燭台やソーラーガーデンライトまで、マイクロプロセッサは何にでも入っています。しかも、それぞれの種類ごとに1つではありません。家庭には複数の電話機、照明、コンピュータ、プリンタ、一酸化炭素警報機、バッテリ駆動の工具があります。びっくりするような話ですが、8つの火災報知器が独自のワイヤレスメッシュネットワークを構成しています。設定機能が付いたエアコンがあるため、夜もそのまま眠ることができます。洗濯器と乾燥機、およびこれらの機器への給湯設備があるため、もう小川で石に服を打ち付けて洗濯する必要はありません。4つの衛星チャネルと3つの地上波チャネルを同時に録画可能な2台のデジタルビデオレコーダ(DVR)、インターネットからビデオをストリーミングする2台のセットトップボックス、そしてサラウンドサウンドに対応した2台のDVDプレーヤーがあるため、退屈とも無縁です。この辺にしないときりがありませんが、要点は明らかになったはずです。我々は今の生活様式に甘やかされていますが、ロボットがどこにでもあり、それらを動作させるための電気の供給が信頼に足るものでなければ、このどれ1つとして、必要なときに適切な温度や明るさで、これほどうまく動作してはくれないでしょう。
では、一般家庭用として購入しやすくなっている数種類のロボットについて説明します。

ロボット掃除機

うちには、Roomba®とNeato Robotics® XV-11モデルの、2つの半自律型ロボット掃除機があります。Roombaの方が旧式で、壁、階段、家具、および赤外線ビームによって囲まれたセミランダムパターンを使用します。XV-11モデルの方は、最初に赤外線レーザーで部屋をマッピングし、次に効率的な前進後退を実行するように自分自身をプログラムします。RoombaもNeatoも、自動的に充電ステーションに戻ります。しかし、Roombaはそれまでの作業を記憶していないため、最初からやり直す必要があります。XV-11は元の部屋に戻って作業を再開することができるため、部屋から部屋へ移動しながら家全体を掃除する間に、必要に応じて何度でも充電が可能です。
図2. 写真のNeatoタイプのようなロボット掃除機は自律動作する代理人で、赤外線レーザーを使って部屋をスキャンし、辺縁、家具、出入口、さらに人間まで検出して自分自身を誘導します。
図2. 写真のNeatoタイプのようなロボット掃除機は自律動作する代理人で、赤外線レーザーを使って部屋をスキャンし、辺縁、家具、出入口、さらに人間まで検出して自分自身を誘導します。
ロボットのマイクロプロセッサは、映画やビデオの監督のような役割を果たし、すべての吸引および清掃処理を管理して、ほとんどの時間を無人で動作可能にします。いくつか例外もあって、どんな自動装置にも失敗はあります。絨毯がほつれていたときに、ロボットが糸を吸い取ろうとしていたことがありました。自分のダストボックスを、面白いおもちゃ箱と勘違いしているようなときもあります。いずれの場合も、ちゃんと停止してブザーで助けを求めます。LCDディスプレイにロボットを停止させた原因が表示されるため、推理する必要はありません。このすべてが「お願い」リストをこなす時間の増加につながるため、妻のご機嫌も良くなります。
なるほど、とあなたは思うかもしれません。これは自分にとって「素敵な工学技術」だ。しかし、本当にロボット掃除機が必要だろうか?普通の掃除機でも十分ではないか?もちろんその通りですが、他にも利点はあります。最大の利点は時間で、他のことをする時間ができるということです。また、これらのロボットはどちらも普通の掃除機より消費電力が少なく、環境に優しい製品です。しかし、さらに重要なのは、スケジュールどおりに動作して通常のほこりの堆積を軽減し、そこに住む全員の健康を改善してくれるという点です。

他とは違う照明

次に、照明について考えてみます。あまり明確にロボットとは感じられないでしょうが、にも関わらず機能の面で十分にロボット的です。我が家の玄関アプローチには、アップライト照明付きのアーチ型の屋根がかかっています。天井は基本的には上方に突き出ており、その周囲に上を向いた容器が付いています。この容器の中にLEDが配置されていて、湾曲した天井からの反射光のみが見えるようになっています。LEDライトの色は、気分に合わせて赤外線リモコンで変えることができます。2つのマイクロプロセッサが使われており、リモコンの中に1つと、赤外線を受信してLEDをスイッチングするためのものが容器の中に1つ入っています。色、フェード、または各色間の点滅速度は、リモコンで変化させることが可能です。
屋外の通路は、LEDソーラーライトで照らされます。その他に、赤、緑、青の順に変化を繰り返す装飾用のLEDライトもあります。これらは太陽光で給電されるため、電気代が増えることはありません。専用のマイクロプロセッサによって、太陽電池からバッテリを充電し、色を順番に変えることができるようになっています。これらの自動化されたLEDによって差込み式ACトランスを使用する有線の12Vシステムを置き換えたことで、植物の世話をするときの保守の問題が解消しました。
家の各所には小型の蛍光灯(CFL)があり、その多くは調光可能です。家庭内の調光器は、専用のICまたはマイクロプロセッサで制御(またはリモートコントロール)されます。たとえ調光用に作られたCFLでも、他のCFLとともに調光する場合には厄介な欠点が現れます。それらは互いに電力線を介して「会話」し、設定によっては各CFLのスイッチング電源が同期しようとして明滅を繰り返すことになります。皮肉なことに、解決策は1つのCFLを白熱灯に交換することです。白熱灯はローインピーダンスのため、CFLの電流パルスが吸収され、クロストークを防ぎます。これは、古い技術がマイクロプロセッサの助けとなる例です。
屋外には、侵入者を検出し、できれば侵入を思い止まらせための、赤外線を感知するセキュリティライトが設置してあります。誰かが私道にいると(気温が低いときでも)ライトが作動し、かつ道路を走る自動車のラジエターの熱は無視するように赤外線センサーを調整するのは困難でした。我々は、より高性能のマイクロプロセッサを備えた10.5GHzのレーダーを追加することによってこの問題を解決しました。単にライトを制御するだけの自律的な代理人(つまり、ロボット)のために赤外線とレーダー「観測」の両方を使用するのは過剰だと感じられるでしょう。それでも、私はエンジニアであり、我々には自然を出し抜く技術があるのです。
ホットタブ(屋外の大型浴槽)にも照明があり、元はスイッチで制御される12V ACの白熱電球でした。「ムード照明」を追加するために、1つのオン/オフスイッチによって制御されるように設計されたRGB LEDでその電球を置き換えました。LEDへの入力は、もちろんACからDCへの変換を行う整流ダイオードで、「大容量」コンデンサを充電するため時定数が大きくなります。うまい工夫としてACラインから第2の経路が設けてあり、こちらはより短い時定数を備えています。メインの電力は大容量コンデンサから供給され、第2の経路はスイッチが短時間オフになったことを通知します。メインの電力は本質的に短時間の中断を無視するのに対して、第2の経路は点灯するLEDを変更してムードライトを制御するためのカウンタをインクリメントします。1つの設定では、LEDがゆっくりとすべての色に順番に切り替わっていきます。ホットタブは100°F (約38℃)になるため、大容量の湿式電解コンデンサがどうなったか想像してみてください。浴槽からLED電球アセンブリを取り外してみると、メインの470µFのコンデンサは膨張し、液漏れしていました。新しいコンデンサをはんだ付けすることで、また1年間にわたり問題が解消しました。

その他のロボット

テレプレゼンスロボットはどうでしょう?自分の代わりに作業に行かせ、遠隔操作でトラブルシューティングを行うことができるものです。基本的に、同時に2つの場所にいることを可能にするロボットです。本当に?はい、本当です。
我々はAnybots®社のQB Avatarロボットをお借りして、カリフォルニア州サンノゼにあるマキシムの本社でその仮想プレゼンスシステムを試してみました。我々は会議に参加し、まるで実際に本人がそこにいるかのように会話しました。エンジニアとして「これは面白い」と感じ、移動時間が節約されて同時に2つの場所にいることが可能になるのがわかりました。
QB Avatarは、ジャイロ制御のマイクロプロセッササーボを使って、2つの車輪の上でバランスを取ります。このマシンは振り子を逆さにした形状で、重量はわずか32ポンド(約14.5kg)しかなく、人間の近くで使っても安全です。QB Avatarはクラウドに対応しているため、特殊な超低レイテンシのビデオプロトコルを使用して、インターネットを介して世界中どこでも制御することができます。それによって本人が行くのとほぼ同様のリアルタイムの共同作業が可能になり、お客様の機器のトラブルシューティングに役立ちます。エンジニアの肩越しに覗き込んで、彼らが見ているのと同じオシロスコープ、メーター、またはスペクトルアナライザを、同じように見ることができます。また、これによって当社の担当者のトレーニングも容易になります。
図3. 自分の分身であるAnybots社のQB Avatarは、お客様のトラブルシューティングを手伝い、同時に2つの場所にいることを可能にしてくれます。
図3. 自分の分身であるAnybots社のQB Avatarは、お客様のトラブルシューティングを手伝い、同時に2つの場所にいることを可能にしてくれます。
次に紹介する「ぜひ欲しい」ロボットは、10年以上前から我々が目にしているものです。今では3Dプリンタと呼ばれているこれらのクリスマスマシンは、当時は2万5000~5万ドルしていました。これらを使用すると、高コストの金型に投資することなく3次元モデルの設計と製作が可能になります。今では、より大型の物体をプラスチックと金属で作ることができる非常に優れたプロ用モデルが数千ドルで売られています。家庭用またはホビー用モデルは今のところプラスチックの物体のみを成型可能ですが、価格は400ドルからです。これは紙用のレーザープリンタと同じ価格帯で、私が自分のおもちゃとして購入することができる範囲です。今や私の制約となるのは、3Dデザインソフトウェアの使い方を学ぶ時間のみです。現在、素敵な最初のプロジェクトを物色中であり、ご意見を歓迎します。

結論

我々のほとんどはこれまでになかった快適な生活を満喫しており、それは我々の周囲でロボット機能を実行するマイクロプロセッサによって実現されています。しかし、我々がこれらのロボットについて考えることはほとんどなく、電力がなければ自動化されたすべての動作がすぐに破綻することに思い至ると冷水を浴びた気分になります。以前うちが停電したとき、気が付くと私たちは色々な部屋に入って電気のスイッチを入れていました。これは条件反射でした(ロボット的と言っても良いでしょう)。そして電力が回復したとき、家中のほぼすべての電気がついているのを見て実に滑稽に感じました。私たちは部屋から部屋へと、リモコンを使って電気を消して回りました。でもこれは、非常に一般的な行動です。我々は何も考えずにロボットを使っており、それらが動作不能のときに動かそうとさえします。我々はいつになったら学習するのでしょうか?

参考文献

  1. ロボットに関する話題を概観するには、最初にこちらをご覧になると良いでしょう:http://en.wikipedia.org/wiki/Robot
  2. 「Isaac Asimov」、BrainyQuote.com、Xplore, Inc.、アクセス日:2013年3月7日、www.brainyquote.com/quotes/authors/i/isaac_asimov.html
  3. Gordon E. Moore、「Cramming more components onto integrated circuits」、「Electronics」誌、第38期第8号(1965年4月19日)、pp.114~117
  4. 「Backgrounder, Moore’s Law: Raising the Bar」 (Intel Corporation、2005年)
  5. Chris Hare、「Current Processors Chart」、PC Hardware Links、最終更新日:2013年1月22日、http://pclinks.xtreemhost.com/current_cpus.htm