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コンピュータとロボット（と生物）2/3

Mon Mar 14 15:20:15 JST 2016 (modified: Sat Sep 30 16:15:34 JST 2017)
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コンピュータとロボット
（と生物）

2/3

　 　 千葉工業大学 未来ロボティクス学科

上田 隆一

Q. もう一度考えましょう

　

  • ロボットや機械におけるコンピュータの役割は？
  • 生物との違いは？

コンピュータ・ロボット

　

  • コンピュータ: センサの情報をモータの動きに変換
  • ロボット: センサ・モータ・コンピュータが連携したもの
    • 　
  • 生物の神経系・脳と役割は同じ。
  • 情報の伝達に使うのも電気信号なので同じ。
    • もちろん構造は異なる。
    　
  • 人間の欲望と共に進化中
    • （しかし、ロボットが自己増殖し始めたら、
      どうなるんでしょうね？）

もっとも簡単な
「ロボット」

　

  • 自動ドア
    • 単機能ながら洗練されたロボット
    • これ、どうなってるんでしょう？
    　
  • センサがある。ドアを開くモータがある。

単純な回路の例

このままだと色々問題がありますが・・・

構成要素

  • センサ側
    • 反応すると小さい電流をON/OFF
  • モータ側
    • リレーのON/OFFでモータに電力を送る・送らない
  • リレーが自動のスイッチになる
    • 人の手が介在しないスイッチ
    • 入力から出力を導く（コンピュータの本質）

もっと凝るとどうなる？

　　　　　　

  • 人を絶対に挟まないようにセンサを増やそう、等
    • 　
  • バリエーションが増える
    • 両方反応したらON
    • どっちかが反応したらON
    　
  • バリエーションを考えてみましょう
    • 電流の強弱は考えずとりあえずONとOFFだけ考える
    • ディジタル回路

ANDの回路

　　　　

  • 両方ONならONの回路
    • 使用例: 小さな虫に反応しないように二つセンサが反応したらドアを開く
    • （センサもスイッチなので話がややこしくなるため、
      以後、センサとモータを取り払った回路で考えます）

ORの回路

　　　　

  • どちらかがONならONの回路
    • 使用例: ドアの外と内のどちらかのセンサが反応したらドアを開く

スイッチを小さく

　　　　

  • リレーでANDやORなどの回路を組み合わせると
    複数のセンサの反応から様々なモータの動かし方を
    実現できそう
    • 回路を横に並べたり縦につないだり
    　
  • 複雑な回路ではリレーの数が増える
  • リレーは大きい、遅い、（昔は）壊れる

半導体への置き換え

　　　　

  • より小さく、より低消費電力で、よりON/OFFを速く
  • 真空管→トランジスタ・電解効果トランジスタ（FET）
    • 　
  • 例（MOSFET）

FET（MOSFET）

　　　　

  • 3本線が出ている（左図）
    • 　
  • N型: ゲートに電圧をかけるとスイッチON
  • P型: ゲートに電圧をかけるとスイッチOFF
  • 右図: N型MOSとP型MOSの記号

D2PAK By No machine-readable author provided. CyrilB~commonswiki assumed (based on copyright claims). [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html), CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) or CC BY-SA 2.5-2.0-1.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5-2.0-1.0)], via Wikimedia Commons

MOSFETを使った
ディジタル回路

　　　　

  • P型とN型を組み合わせて使う
    • complementary MOS, CMOS
  • 下の例: 入力をひっくり返す回路（NOTゲート）

NOTゲートの電子回路

NANDゲート

  • 組み合わせると入出力のパターンを自在に作成可能

NANDゲートの回路

NANDゲートの汎用性

　　

  • 回路がややこしいので次のような記号で表しましょう。
  • NOT, AND, ORが作れる
  • 他、過去の入力を覚える機能も作れる（記憶）

二進数

　　　

  • ON/OFFも書くのが面倒なので1と0で表しましょう
  • ON/OFFを幾つかまとめると数が表現できる
    • OFF OFF (00): 0
    • OFF ON (01): 1
    • ON OFF (10): 2
    • ON ON (11): 3
  • 計算できる（下図: 足し算の回路）
    • さらに複雑な入出力が作れる

NandFullAdder
（public domain）

小さく、多く

　　

CPU（中央演算装置）

　　

  • 入出力関係が複雑になると回路を作るのが大変
    • 複雑な出力の例: ディスプレイに絵を描く等
  • いくつかの汎用的な回路を使い回して様々な出力
    • 計算の手順を記憶しておく（プログラム）
    • 少しずつ出力を作っていく


By smial (Own work) [FAL or GFDL 1.2], via Wikimedia Commons

　

このパートのまとめ

　　　
  • 人が機械により便利なことをさせようとして
    コンピュータが進化してきた
    • 　
  • 生物が増殖のために脳を大きくしたのと似ている（？）
    • でも基本はスイッチ・センサ・モータである
　

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