[論文レビュー] Safe, Remote-Access Swarm Robotics Research on the Robotarium

Daniel Pickem, Li Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2016

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 49被引用数 29

ひとこと要約

本論文では、物理的スワームロボット群上で協調制御アルゴリズムを安全にリアルタイムで実行できる、リモートアクセス可能なマルチロボット実験台「Robotarium」を提示する。形式的で安全な手法—特にバリア証明—を統合することで、最小限の実行時オーバーヘッドで衝突回避を確実に保証し、研究者がハードウェアの安全性を損なうことなく多様なスワーム制御アルゴリズムをデプロイできる。

ABSTRACT

This paper describes the development of the Robotarium -- a remotely accessible, multi-robot research facility. The impetus behind the Robotarium is that multi-robot testbeds constitute an integral and essential part of the multi-agent research cycle, yet they are expensive, complex, and time-consuming to develop, operate, and maintain. These resource constraints, in turn, limit access for large groups of researchers and students, which is what the Robotarium is remedying by providing users with remote access to a state-of-the-art multi-robot test facility. This paper details the design and operation of the Robotarium as well as connects these to the particular considerations one must take when making complex hardware remotely accessible. In particular, safety must be built in already at the design phase without overly constraining which coordinated control programs the users can upload and execute, which calls for minimally invasive safety routines with provable performance guarantees.

研究の動機と目的

• マルチロボットシステムにおける理論・シミュレーション・実践のギャップを埋めるために、リモートアクセス可能な物理的実験台を提供すること。
• 高価で保守が難しく、アクセスが制限されるマルチロボット実験台の限界を克服し、広範な研究アクセスを可能にすること。
• ユーザーが実行できる制御アルゴリズムの種類を過度に制限せずに、リモート実行中のロボットの物理的安全性を保証するシステムを設計すること。
• セキュアなリモートインターフェースを通じて、多数の移動型ロボットに多様な協調制御アルゴリズムを柔軟かつリアルタイムでデプロイできるようにすること。

提案手法

• Robotariumは、オンボード制御装置と無線通信を備えたGRITSBotロボットのフリートを用い、ウェブベースのインターフェースを通じてリモート制御を可能にしている。
• 中央集約型サーバーがロボットの状態を管理し、ユーザーがアップロードした制御コードを実行するとともに、バリア証明に基づく制御則を用いて安全を確保している。
• 安全メカニズムは、衝突を防ぐために制御入力を変更するが、元の動作を可能な限り保つ最小限の干渉であるランタイムオーバーレイとして実装されている。
• 制御アルゴリズムはMATLABベースのAPI環境で実行され、低レベルのハードウェア詳細を抽象化し、迅速なプロトタイピングを可能にしている。
• カバレッジ制御などのタスク用のユーザー入力は、タッチ、ジェスチャー（Leap Motion）、またはEEGインターフェースで取得され、時間変動する密度関数にマッピングされる。
• システムはボロノイタイル化と面積統合技術を用いて、ユーザー定義の密度関数に基づき局所的な制御入力を計算している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模なマルチロボット実験台を物理的ハードウェアの安全性を保ちながらリモートアクセス可能にするにはどうすればよいか？
• RQ2 制御アルゴリズムの柔軟性を損なわず、最小限の干渉で衝突回避を強制するための形式的手段として、どのような手法が利用可能か？
• RQ3 物理的セーフティやパフォーマンスを損なわず、共有のリモートロボットプラットフォーム上で多様な協調制御アルゴリズムをどれほど実行できるか？
• RQ4 人間の入力（例：ジェスチャーまたは脳波）をリアルタイムで、ロボットスワームの動的タスク目標に効果的に変換するにはどうすればよいか？

主な発見

• Robotariumは、カバレッジ制御、レンドヴゥーズ、フォーメーション制御を含む多様なスワーム制御アルゴリズムを、最小限のセットアップオーバーヘッドでリモートで実行可能であることを実証した。
• バリア証明に基づく安全確保により、ユーザーが提供する制御則の変更や、顕著な実行時パフォーマンス低下を伴わず、証明可能な衝突回避が実現された。
• Leap Motionコントローラーを用いた実験では、12台のGRITSBotsがユーザーが定義した関心領域に動的に集まる、リアルタイムのヒューマンガイド付きカバレッジ制御が実現された。
• システムはタッチ、ジェスチャー、EEGの複数の入力モダリティをサポートしており、動的タスク目標を生成し、新しい人間-ロボットインタラクションのパラダイムを可能にした。
• Robotariumはwww.robotarium.orgで公開されており、最小限のコード変更で複数のアルゴリズムのデプロイと検証に使用されている。
• 実験台アーキテクチャは将来のスケーラビリティをサポートしており、多様な移動モード（例：マルチコプター、二足歩行ロボット）の統合や、並列実験の実行が可能である。