[論文レビュー] Swarmrobot.org - Open-hardware Microrobotic Project for Large-scale Artificial Swarms

Serge Kernbach|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2011

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 37被引用数 12

ひとこと要約

本論文では、大規模な人工スワームの構築を可能にするオープンハードウェアのジャスミン・マイクロロボットプラットフォームと関連ソフトウェアスタックを提示する。低コストでモジュラーなハードウェアとオープンソースのシミュレーションおよびソフトウェアライブラリを統合することで、自己組織化、空間的調整、分散意思決定といった、実験的・ボトムアップ的手法による、出現的スワーム行動の研究を促進する。

ABSTRACT

The purpose of this paper is to give an overview of the open-hardware microrobotic project swarmrobot.org and the platform Jasmine for building large-scale artificial swarms. The project targets an open development of cost-effective hardware and software for a quick implementation of swarm behavior with real robots. Detailed instructions for making the robot, open-source simulator, software libraries and multiple publications about performed experiments are ready for download and intend to facilitate exploration of collective and emergent phenomena, guided self-organization and swarm robotics in experimental way.

研究の動機と目的

• 大規模な人工スワーム用に低コストでオープンハードウェアのマイクロロボットプラットフォームを開発すること。
• 現実世界のロボットシステムにおける集団的・出現的現象の実験的探求を可能にすること。
• プログラマブルな局所ルールと分散制御を通じて、自己組織化を支援すること。
• 教育的および研究的利用を目的として、オープンソースのソフトウェア、シミュレーションツール、文書化された実験を提供すること。
• 最小限のハードウェア能力で複雑な集団的行動を実現する可能性を示すことで、スワームロボティクス分野を前進させること。

提案手法

• 赤外線通信とスワーム相互作用用の基本的センシングを備えた、低コストでモジュラーなマイクロロボットプラットフォーム（ジャスミン）の設計。
• スワーム行動の迅速なプロトタイピングを支援するソフトウェア開発キット（SDK）およびオープンソースシミュレータの実装。
• ボトムアップ、トップダウン、観察ベースの戦略を用いて、望ましい巨視的スワームパターンを生じる局所的行動ルールを導出する。
• 集団的空間計算と情報伝播を可能にする、動的通信ネットワーク（「通信ストリート」）の使用。
• 長期的な自律性をサポートするためのエネルギー意識を持つ行動、ドッキングおよび電力管理の統合。
• 中央制御なしでフィードバックベースの集合、自己集合、集団的認識を実現するための生物学的および技術的インspired戦略の採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストでオープンハードウェアのマイクロロボットプラットフォームは、現実世界のスワームにおいてどのように複雑な集団的行動を実装可能にするか？
• RQ2 自己組織化されたスワーム現象（例：集合、空間的調整）を生成するために、どのような局所的ルールと相互作用メカニズムが十分か？
• RQ3 分散型・分散制御は、中央集権的協調なしに、スケーラブルで頑健な集団的タスクをどの程度達成できるか？
• RQ4 制限されたハードウェア能力（例：センシング、通信、電力）をどのように最適化してマイクロロボットにおける集団知能を支援できるか？
• RQ5 身体化（エンベッディング）は、物理的およびアルゴリズム的設計を通じて、複雑なスワーム行動をどのように可能にするか？

主な発見

• ジャスミン・マイクロロボットプラットフォームは、オープンソースで低コストな部品を用いて、大規模な人工スワームの現実世界実験を成功裏に実現した。
• 本プロジェクトでは、分散制御の局所的ルールを通じて、出現的集団行動（例：集合、空間的方向性、集団的意思決定）の実現可能性が実証された。
• 動的通信ネットワーク（
• 生物学的および技術的インspiredな電力管理とドッキング戦略により、スケーラブルでエネルギー効率の良い運用が達成された。
• 実験により、部分的な観察しか得られない状況下でも、接続された観察モデルを用いてロボットが空間的文脈を集団的に推定できることを確認した。
• シミュレータおよびSDKを含むオープンソースエコシステムにより、スワームロボティクス分野の研究者や教育者にとっての参入障壁が著しく低下した。