[論文レビュー] An information model for modular robots: the Hardware Robot Information Model (HRIM)

Irati Zamalloa, Iñigo Muguruza+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2018

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 15被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、異なるメーカーのモジュラーロボット部品間のプラグアンドプレイ相互運用性を可能にする、ハードウェア指向の情報モデルであるHardware Robot Information Model（HRIM）を提案する。ROSに基づき、産業界からのフィードバックを反映して開発されたHRIMは、部品のインターフェースを標準化することで、シームレスな統合、再利用可能性、比較可能性を実現する。これは、ロボット業界が直面する水平統合の重要課題を解決し、垂直的でベンダーに依存するシステムからの脱却を促進する。

ABSTRACT

Today's landscape of robotics is dominated by vertical integration where single vendors develop the final product leading to slow progress, expensive products and customer lock-in. Opposite to this, an horizontal integration would result in a rapid development of cost-effective mass-market products with an additional consumer empowerment. The transition of an industry from vertical integration to horizontal integration is typically catalysed by de facto industry standards that enable a simplified and seamless integration of products. However, in robotics there is currently no leading candidate for a global plug-and-play standard. This paper tackles the problem of incompatibility between robot components that hinder the reconfigurability and flexibility demanded by the robotics industry. Particularly, it presents a model to create plug-and-play robot hardware components. Rather than iteratively evolving previous ontologies, our proposed model answers the needs identified by the industry while facilitating interoperability, measurability and comparability of robotics technology. Our approach differs significantly with the ones presented before as it is hardware-oriented and establishes a clear set of actions towards the integration of this model in real environments and with real manufacturers.

研究の動機と目的

• モジュラーロボット分野におけるハードウェア相互運用性の事実上標準の欠如が、再構成可能性やコスト効率の良い開発を妨げているという問題に対処する。
• 既存のソフトウェア中心のオントロジーの限界を乗り越えるために、抽象的なロボティクス標準と現実の部品統合の間の溝を埋めるハードウェア焦点型のモデルを構築する。
• 異なるベンダーの部品を、独自の調整を必要とせずに統合できる共通インターフェースフレームワークを提供することで、ロボティクスにおける水平統合を実現する。
• ロボットハードウェアメーカーと共同でモデルを共同設計し、広く採用されているロボットオペレーティングシステム（ROS）を用いて実装することで、実世界への展開を促進する。
• 標準化され拡張可能な情報モデルを通じて、ロボットハードウェア部品の測定可能性、比較可能性、ポータビリティを促進する。

提案手法

• 実際のロボットハードウェアベンダーとの直接的な協働を通じてHRIMを開発し、実用的関連性と現実世界への適用可能性を確保した。
• モジュラーロボット部品のための標準化されたインターフェース、プロパティ、動作を定義するハードウェア指向の情報構造としてモデルを設計した。
• ROSを用いてHRIMを実装し、既存のロボットシステムとの互換性と統合のしやすさを確保した。
• HRIM部品とROSインターフェースとの明確なマッピングを定義することで、異種ハードウェア間でのシームレスな通信と設定が可能になった。
• バージョニング、拡張性、機械可読表現をサポートするようにHRIMを構造化し、将来的な知識ベースシステムとの相互運用性を確保した。
• 実際のハードウェアモジュールとの統合を通じてモデルの実現可能性を検証し、プロトタイプのモジュラーロボットシステムでの利用を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてハードウェア中心の情報モデルが、異なるメーカーのモジュラーロボット部品間のプラグアンドプレイ相互運用性を実現できるか？
• RQ2 再利用可能性、測定可能性、比較可能性を支援するハードウェアインターフェース標準に求められる主な要件は何か？
• RQ3 どのようにして業界のステークホルダーと共同で開発された情報モデルが、実用的採用と現実世界の統合を確保できるか？
• RQ4 ROSに基づく情報モデルが、モジュラーロボットシステムにおける異種ハードウェア部品のシームレス統合をどの程度可能にするか？
• RQ5 HRIMのようなハードウェア指向モデルは、既存のソフトウェア中心のロボティクスオントロジーと比べて、現実世界の相互運用性を実現する点で何が異なるか？

主な発見

• HRIMは、インターフェースとメタデータを標準化することで、異なるベンダーのモジュラーロボット部品のプラグアンドプレイ統合を成功裏に実現した。
• 共通の機械可読表現を提供することで、統合作業の負荷を軽減し、Hardware Robot Operating System（H-ROS）の目標と整合した。
• ハードウェアベンダーとの協働を通じて、HRIMは実世界への展開に実現可能であることが検証され、既存のROSベースシステムの変更なしに相互運用性を実現できることを示した。
• 一貫したプロパティと動作のセットを定義することで、HRIMは部品の測定可能性と比較可能性をサポートし、ハードウェアモジュールの客観的評価と選定を可能にした。
• HRIMは、抽象的なロボティクスオントロジーと実際の産業応用の間の溝を埋められることを示し、ロボティクスにおける水平統合を促進する。
• ROSを基盤とし、セマンティックウェブの原則を活用することで、HRIMは部品の能力を人間と機械の両方が理解できるようにし、システム構成と再利用性を向上させた。