[論文レビュー] Internet of Robotic Things: Current Technologies, Applications, Challenges and Future Directions

Davide Villa, Xinchao Song+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2021

Robotics and Automated Systems参考文献 29被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、IoTとロボティクスの統合としてのロボットのインターネット（IoRT）を紹介し、クラウド接続型で低コストなロボットシステムを実現するとともに、分散コンピューティングによって性能を向上させる。三層構造アーキテクチャを提示し、実世界の応用事例を分析し、主な技術的・倫理的課題を特定するとともに、スマートシティおよびインダストリー4.0におけるスケーラブルで安全かつ相互運用可能なIoRT展開を可能にするための標準化された規制を提唱する。

ABSTRACT

Nowadays, the Internet of Things (IoT) concept is gaining more and more notoriety bringing the number of connected devices to reach the order of billion units. Its smart technology is influencing the research and developments of advanced solutions in many areas. This paper focuses on the merger between the IoT and robotics named the Internet of Robotic Things (IoRT). Allowing robotic systems to communicate over the internet at a minimal cost is an important technological opportunity. Robots can use the cloud to improve the overall performance and for offloading demanding tasks. Since communicating to the cloud results in latency, data loss, and energy loss, finding efficient techniques is a concern that can be addressed with current machine learning methodologies. Moreover, the use of robotic generates ethical and regulation questions that should be answered for a proper coexistence between humans and robots. This paper aims at providing a better understanding of the new concept of IoRT with its benefits and limitations, as well as guidelines and directions for future research and studies.

研究の動機と目的

• インターネット・オブ・ロボティクス・トゥイングス（IoRT）を、IoTとロボティクスの統合として、包括的に理解すること。
• 物理層、ネットワーク層、制御層、サービス／アプリケーション層を含む、IoRTのアーキテクチャ層を分析すること。
• IoRTシステム開発における主な技術的・倫理的・規制的課題を特定し、議論すること。
• スマート製造、医療、都市環境におけるIoRTの能力を示す実世界の事例を提示すること。
• 社会への安全で相互運用可能かつ持続可能なIoRT統合を保証するため、標準化された規制および倫理的枠組みを提唱すること。

提案手法

• 三層構造IoRTアーキテクチャを提案：物理層（センサおよびアクチュエータ）、ネットワーク層（IPv6を用いたIPベース通信）、制御／サービス層（タスクのオフロードおよび意思決定のためのクラウドおよびエッジコンピューティング）。
• クラウドロボティクスをIoTの原則と統合し、計算リソース、データ保存、機械学習能力へのオンデマンドアクセスを可能にする。
• スマート製造、遠隔医療、災害対応、スマートシティインfraを含む実世界の応用事例を用いて、IoRTの実用的展開を説明する。
• ネットワーク遅延、データ損失、エネルギー消費、セキュリティ脆弱性、および異種ロボットおよびIoTデバイス間の相互運用性といった技術的課題を分析する。
• サイバーフィジカルシステムにおけるロボットの自律性、人間とロボットのインタラクション、および責任に関する倫理的懸念を検討する。
• 製品およびサービス規制を統合する必要性を提起し、とりわけサイバーフィジカルIoRTシステムに特化した、責任と標準化のギャップを埋める新しい規制枠組みを提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IoRTを通じたIoTとロボティクスの統合は、ロボットシステムのパフォーマンスおよびスケーラビリティをどのように向上させるか？
• RQ2 効率的で低遅延のIoRTシステムを実現するための、コアなアーキテクチャ的構成要素および通信プロトコルは何か？
• RQ3 IoRT展開を妨げる主な技術的課題（遅延、セキュリティ、相互運用性など）は何か？
• RQ4 自律性、プライバシー、人間とロボットのインタラクションといった倫理的懸念は、日常環境における人間とロボットの共存にどのように影響を与えるか？
• RQ5 スマートシティおよびインダストリー4.0におけるIoRTの安全でスケーラブルな導入を支援するための規制および標準化枠組みは何か？

主な発見

• IoRTアーキテクチャにより、ロボットシステムは計算負荷の高いタスクをクラウドおよびエッジネットワークにオフロードでき、ローカルのハードウェア制限を軽減しながらパフォーマンスが向上する。
• IPv6を用いたIPベース通信により、IoRTはリアルタイムのデータ処理および意思決定を可能とし、異種ロボットおよびIoTデバイスのシームレスな統合を実現する。
• スマート製造およびスマートシティにおける現在のIoRT導入事例は、自動化、効率性、サービスへのアクセス性の向上に顕著な改善をもたらしている。
• 技術的ポテンシャルにもかかわらず、IoRTシステムは、標準化されたインターフェースの欠如に起因して、セキュリティ、データプライバシー、ネットワーク遅延、相互運用性の面で深刻な課題に直面している。
• GDPRや機械指令（Machinery Directive）を含む既存の規制は、IoRTが有するユニークなサイバーフィジカル的およびハイブリッド的性質に起因し、十分ではない。
• IoRTに統一された規制枠組みが存在しないことにより、責任の所在が曖昧になり、大規模な展開が阻害される。したがって、新しい専用の標準および政策の整備が不可欠である。