[論文レビュー] Loosely Coupled Payload Transport System with Robot Replacement

Pulkit Verma, Rahul Tallamraju+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、個々のロボットのバッテリー容量を超えた運用時間を延長するために、自動化されたロボット交換を備えた緩やかに結合されたマルチロボット荷物輸送システムを提案する。集中型最適化フレームワークを用い、低電圧のロボットを周辺の充電ハブで充電済みのロボットに交換するスケジューリングを実施し、5ロボットの編隊を用いた実世界実験およびシミュレーションにより、最大60分間の荷物搭載運用を達成。これは、非荷物搭載時の基準40分の制限から20分延長されたものである。

ABSTRACT

In this work, we present an algorithm for robot replacement to increase the operational time of a multi-robot payload transport system. Our system comprises a group of nonholonomic wheeled mobile robots traversing on a known trajectory. We design a multi-robot system with loosely coupled robots that ensures the system lasts much longer than the battery life of an individual robot. A system level optimization is presented, to decide on the operational state (charging or discharging) of each robot in the system. The charging state implies that the robot is not in a formation and is kept on charge whereas the discharging state implies that the robot is a part of the formation. Robot battery recharge hubs are present along the trajectory. Robots in the formation can be replaced at these hub locations with charged robots using a replacement mechanism. We showcase the efficacy of the proposed scheduling framework through simulations and experiments with real robots.

研究の動機と目的

• 協調的マルチロボット荷物輸送タスクにおける単一ロボットのバッテリー寿命という重要な制限を克服すること。
• 個々のロボットのバッテリー寿命を超えて、継続的な荷物輸送を維持するシステムを設計すること。
• システムの継続性を保証しながら、不要なロボット交換を最小限に抑えるスケジューリングアルゴリズムを開発すること。
• 指定された充電ハブで支援ロボットを用いて、人間の関与なしに自律的かつ自動的にロボットを交換可能にする仕組みを実現すること。
• 実機実験およびGazeboシミュレーションを用いて、システムの有効性を検証すること。

提案手法

• マルチロボットシステムは、相対姿勢（距離と角度）に基づく分散型制御によるリーダーフォロワー編隊を採用し、荷物の安定性を維持する。
• バッテリー残量は、搭載された電流および電圧センサを介して監視され、最適化のための中央サーバーに共有される。
• 整数二次計画法（IQP）を用いて、どのロボットが編隊にいる（放電中）か、どのロボットが充電ハブにいる（充電中）かを決定する。CPLEXを用いて解が得られる。
• 最適化は、交換回数を最小限に抑えつつシステム運用を保証するように設計され、バイナリ変数（1 = 編隊内、0 = ハブ内）を用いてロボットの状態を示す。
• 物理的ロボット交換は、ハブで支援ロボットが使用され、ロボットの持ち上げと再配置を支援することで、交換中も荷物のバランスを維持する。
• 支援ロボットは、複数回または複雑な交換が発生する場合にのみ使用され、特に荷物の不安定化を防ぐために必要に応じてのみ作動する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチロボット荷物輸送システムは、個々のロボットのバッテリー寿命を超えて、どのようにして継続的な運用を維持できるか？
• RQ2 システムの安定性とタスク継続性を保証しながら、ロボット交換回数を最小限に抑える最適化戦略は何か？
• RQ3 移動中の編隊において、最小限の荷物の攪乱で、人間の関与なしに自律的かつ自動的にロボット交換を実現する方法は何か？
• RQ4 実機およびシミュレーションを用いたロボット交換による荷物輸送システムの実現可能な運用時間はどの程度か？
• RQ5 1つのハブまたは複数のハブに複数回の交換が発生する状況下で、システムはどのように動作するか？

主な発見

• 本システムは、初期のロボットバッテリー容量のみを用いて、荷物なしでは40分間、6 kgの荷物を搭載した状態では25分間の運用時間を達成した。
• 提案されたロボット交換アルゴリズムを用いることで、荷物搭載時の運用時間を約60分に延長し、20分の改善を達成した。
• 実世界実験では、1回のロボット交換プロセスに約3分を要し、支援ロボットのおかげで安定した荷物取り扱いが維持された。
• 本システムは、1つのハブや複数のハブに複数回の交換を正常に処理でき、スケーラビリティと耐障害性を示した。
• Gazeboシミュレーションでは、9台のロボット（編隊に5台、充電ハブに3カ所、各ハブに1台の充電済みロボット）を用いたシステムの挙動が検証された。
• 最適化フレームワークは、低電圧ロボットとハブに到着した充電済みロボットを的確に同定し、人間の干渉なしに自律的スケジューリングを可能にした。