[論文レビュー] Time Synchronization in modular collaborative robots

Carlos San Vicente Gutiérrez, Lander Usategui San Juan+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2018

Modular Robots and Swarm Intelligence被引用数 8

ひとこと要約

この論文では、時間敏感ネットワーク（TSN）を介したIEEE 1588精密時刻プロトコル（PTP）を用いて、サブマイクロ秒レベルの時 clocks 同期を実現する新しいモジュラーカラボット（M-cobots）を提案する。本システムは、90％のネットワーク負荷下でも100 µsのROS 2.0メッセージタイムスタンプ精度とミリ秒レベルのエンドツーエンド遅延を達成し、リアルタイムロボットアプリケーションにおける正確でベンダーアーゲンスの同期を可能にする。

ABSTRACT

A new generation of robot systems which are modular, flexible and safe for human-robot interaction are needed. Existing cobots seem to meet only the later and require a modular approach to improve their reconfigurability and interoperability. We propose a new sub-class of cobots named M-cobots which tackle these problems. In particular, we discuss the relevance of synchronization for these systems, analyze it and demonstrate how with a properly configured M-cobot, we are able to obtain a) distributed sub-microsecond clock synchronization accuracy among modules, b) timestamping accuracy of ROS 2.0 messages under 100 microseconds and c) millisecond-level end-to-end communication latencies, even when disturbed with networking overloads of up to 90% of the network capacity.

研究の動機と目的

• 既存の協調ロボット（cobots）におけるモularity、相互運用性、正確な同期の欠如に対処する。
• ネイティブなモularityと標準化された時刻同期を通じて、ロボットモジュールのベンダーアーゲンス統合を可能にする。
• 運動制御、センサーフュージョン、リアルタイム通信における性能劣化を引き起こす分散型ロボットシステムにおける同期課題を克服する。
• 高いネットワーク負荷下でも、モジュラーロボットシステムにおける堅牢で低遅延通信を実証する。
• PTPとROS 2などのオープンスタンダードを活用して、スケーラブルで再構成可能かつ相互運用可能なロボットシステムの基盤を確立する。

提案手法

• 分散型ロボットモジュール全体に、IEEE 1588精密時刻プロトコル（PTP）をコア同期メカニズムとして実装する。
• PTPをタイムセンシティブネットワーキング（TSN）と統合し、決定論的で低ジターリング通信と正確な時刻配布を実現する。
• ROS 2.0のクロックおよび時刻抽象化レイヤーを活用し、最小限のオーバーヘッドで正確なメッセージタイムスタンプを実現する。
• サブマイクロ秒レベルの同期を実現するため、リアルタイムLinuxとTSN準拠のネットワークインターフェースを用いたハードウェアおよびソフトウェアスタックを構成する。
• センサーやアクチュエータ信号に起因するハードウェアおよびソフトウェア由来の遅延を推定・補正するための受動的同期技術を適用する。
• ネットワーク過負荷（最大90％）の下でシステム性能を評価し、耐障害性と遅延安定性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オープンスタンダードを用いて、モジュラーカラボットアーキテクチャが分散モジュール間でサブマイクロ秒レベルの時 clocks 同期を達成できるか？
• RQ2 PTPベースの同期は、分散型ロボットシステムにおけるROS 2.0メッセージタイムスタンプ精度をどの程度向上させるか？
• RQ3 ネットワーク混雑状態は、PTP同期を備えたモジュラーロボットシステムにおけるエンドツーエンド通信遅延にどのように影響するか？
• RQ4 提案されたシステムは、高いネットワーク負荷（最大90％）下でもミリ秒レベルのエンドツーエンド遅延を維持できるか？
• RQ5 ハードウェアおよびソフトウェア遅延補償の同期精度およびシステム性能への影響は何か？

主な発見

• M-cobotシステムは、TSN上でのIEEE 1588 PTPを用いて、すべてのモジュールでサブマイクロ秒レベルの分散時 clocks 同期を達成した。
• ROS 2.0メッセージタイムスタンプ精度は100マイクロ秒以内を維持し、センサーや制御データの正確な時間的相関が可能になった。
• ネットワーク利用率が90％に達しても、エンドツーエンド通信遅延はミリ秒レベルに保たれ、高い混雑耐性を示した。
• PTPおよびTSNの適切な設定により、ネットワーク過負荷の影響を効果的に低減し、リアルタイム性能を維持できた。
• 運動制御やセンサーフュージョンなど、タイミング精度が重要な多様なロボットタスクにおいても、同期精度は安定していた。
• PTPとROS 2、TSNの統合により、ベンダーアーゲンスで相互運用可能かつ再構成可能なロボットアーキテクチャが実現され、産業用途に適した基盤が構築された。