[論文レビュー] Roborobo! a Fast Robot Simulator for Swarm and Collective Robotics

Nicolas Bredèche, Jean-Marc Montanier+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2013

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

Roborobo! は、SDL グラフィックスライブラリを活用して効率的な 2D レンダリングを実現する、軽量で C++ で構築されたマルチプラットフォームのロボットシミュレータであり、スウォームロボティクスおよび集合的ロボティクスの高速で大規模なシミュレーションを目的としている。標準のハードウェアでも 6,000 台までのロボットをリアルタイムでシミュレートでき、進化ロボティクス、身体的適応、複雑な環境下でのオンライン進化をサポートする。

ABSTRACT

Roborobo! is a multi-platform, highly portable, robot simulator for large-scale collective robotics experiments. Roborobo! is coded in C++, and follows the KISS guideline ("Keep it simple"). Therefore, its external dependency is solely limited to the widely available SDL library for fast 2D Graphics. Roborobo! is based on a Khepera/ePuck model. It is targeted for fast single and multi-robots simulation, and has already been used in more than a dozen published research mainly concerned with evolutionary swarm robotics, including environment-driven self-adaptation and distributed evolutionary optimization, as well as online onboard embodied evolution and embodied morphogenesis.

研究の動機と目的

• 大規模な集合的ロボティクス実験に特化した、高速でポータブルかつ軽量なシミュレータを提供すること。
• 2D 環境において数百〜数千台のロボットのリアルタイムシミュレーションを可能にし、広範な実験的検証を可能にすること。
• 進化ロボティクス、特に身体的進化および環境駆動型適応に関する研究を促進すること。
• 外部依存関係を最小限に抑えた（SDL のみ）シンプルなスタックを提供し、ラップトップ、Raspberry Pi、クラスタなど多様なプラットフォームへの容易なデプロイを可能にすること。
• 遅延の大きいリアルなシミュレータと高速な抽象的エージェントベースツールの間のギャップを埋め、擬似現実的なロボットモデルと高いパフォーマンスを両立させること。

提案手法

• SDL ライブラリを活用した C++ による実装により、高速な 2D グラフィックス処理を実現し、クロスプラットフォーム互換性を確保すること。
• 現実的なセンサーやアクチュエータ動作を再現する基準として、Khepera/ePuck ロボットモデルを採用すること。
• 複雑さと外部依存関係を最小限に抑えるために、KISS 原則（Keep It Simple）に基づく設計を採用すること。
• スケーラブルなパフォーマンスを実現する単一および複数ロボットのシミュレーションをサポートし、4GB のラップトップでも最大 6,000 台のロボットを達成すること。
• 進化アルゴリズムや適応的行動をロボットエージェントに直接統合可能なモジュラー・アーキテクチャを採用すること。
• 大規模な分散実験を可能にするために、フランスの Grid’5000 などのハイパフォーマンスコンピューティングクラスタへのデプロイを実施すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軽量なシミュレータは、現実的なロボット行動を維持しつつ、大規模なロボット集団の高性能シミュレーションを達成できるか？
• RQ2 最小限の依存関係を持つシミュレータは、オンライン進化や身体的進化を含む複雑な進化ロボティクス実験をどれほど効果的にサポートできるか？
• RQ3 簡素化された物理およびセンサーモデルを備えた 2D シミュレータは、スウォームロボティクスおよび集合的適応システム分野で意味のある結果を導くのにどの程度適しているか？
• RQ4 大規模ロボティクス研究において、Webots や Gazebo や NetLogo といった既存のシミュレータと比較して、Roborobo! のパフォーマンスと使いやすさはどの程度か？
• RQ5 Roborobo! は、Raspberry Pi やハイパフォーマンスクラスタを含む多様なプラットフォーム、特に組み込みシステムにおいても効果的にデプロイ可能か？

主な発見

• Roborobo! は、標準の 4GB ラップトップでも 6,000 台のロボットをリアルタイムでシミュレートでき、高いスケーラビリティを示した。
• 本シミュレータは、環境駆動型適応や分散最適化を含む、進化スウォームロボティクスに特化した 10 件以上の出版研究で使用された。
• フランスの Grid’5000 を含む大規模クラスタへのデプロイが実施され、ハイパフォーマンスコンピューティング環境における耐障害性とポータビリティを確認した。
• UPMC や Vrije Universiteit Amsterdam、NTNU などの機関において、研究および教育分野での活発な使用が確認され、学術的分野での広範な採用が示された。
• SDL のみを依存関係として持つ最小限のスタックのおかげで、Linux、macOS、Windows、Raspberry Pi、OpenPandora など多様なプラットフォームでのシームレスなデプロイが可能である。
• オンラインで実行されるオンボード進化および身体的形態形成をサポートしており、シミュレートされたロボット集団におけるリアルタイム適応を実現している。