[논문 리뷰] An information model for modular robots: the Hardware Robot Information Model (HRIM)

Irati Zamalloa, Iñigo Muguruza외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 05.

Modular Robots and Swarm Intelligence참고 문헌 15인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다양한 제조사에서 생산한 모듈러 로봇 구성 요소 간의 플러그 앤 플레이 상호운용성을 가능하게 하는 하드웨어 중심의 정보 모델인 하드웨어 로봇 정보 모델(HRIM)을 제안한다. ROS 기반이며 산업계의 피드백을 반영하여 제작된 HRIM은 구성 요소 인터페이스를 표준화함으로써 원활한 통합, 재사용성, 비교 가능성 향상을 가능하게 하여 로봇 산업의 수평적 통합에 대한 핵심적 요구를 충족시키고, 수직적, 제조사에 종속된 시스템에 대한 의존도를 감소시킨다.

ABSTRACT

Today's landscape of robotics is dominated by vertical integration where single vendors develop the final product leading to slow progress, expensive products and customer lock-in. Opposite to this, an horizontal integration would result in a rapid development of cost-effective mass-market products with an additional consumer empowerment. The transition of an industry from vertical integration to horizontal integration is typically catalysed by de facto industry standards that enable a simplified and seamless integration of products. However, in robotics there is currently no leading candidate for a global plug-and-play standard. This paper tackles the problem of incompatibility between robot components that hinder the reconfigurability and flexibility demanded by the robotics industry. Particularly, it presents a model to create plug-and-play robot hardware components. Rather than iteratively evolving previous ontologies, our proposed model answers the needs identified by the industry while facilitating interoperability, measurability and comparability of robotics technology. Our approach differs significantly with the ones presented before as it is hardware-oriented and establishes a clear set of actions towards the integration of this model in real environments and with real manufacturers.

연구 동기 및 목표

• 모듈러 로봇 분야에서 하드웨어 상호운용성에 대한 사실상 표준이 부족하여 재구성 가능성과 비용 효율적인 개발이 저해되는 문제를 해결하기 위해.
• 기존 소프트웨어 중심의 온톨로지의 한계를 극복하기 위해 추상적인 로봇 표준과 실제 구성 요소 통합 사이의 격차를 메우는 하드웨어 중심의 모델을 개발하기 위해.
• 다양한 제조사의 구성 요소를 포함하는 시스템에 대해 독자적인 적응 조치 없이도 공통 인터페이스 프레임워크를 제공함으로써 로봇 분야의 수평적 통합을 가능하게 하기 위해.
• 로봇 하드웨어 제조사와의 공동 설계를 통해 실용적 구현을 보장하고, 광범위하게 채택된 로봇 운영 체제(Robot Operating System, ROS)를 사용하여 모델을 구현함으로써 실제 현장 적용을 촉진하기 위해.
• 표준화되고 확장 가능한 정보 모델을 통해 로봇 하드웨어 구성 요소의 측정 가능성, 비교 가능성, 이식 가능성 향상을 위해.

제안 방법

• 실제 실사용 가능성을 확보하기 위해 로봇 하드웨어 제조사와의 직접 협업을 통해 HRIM을 개발하였다.
• 모듈러 로봇 구성 요소를 위한 표준화된 인터페이스, 속성, 행동을 정의하는 하드웨어 중심의 정보 구조로 모델을 설계하였다.
• 로봇 운영 체제(Robot Operating System, ROS)를 사용하여 HRIM을 구현함으로써 기존 로봇 시스템과의 호환성과 통합 용이성을 확보하였다.
• HRIM 구성 요소와 ROS 인터페이스 간의 명확한 매핑을 정의하여 이질적인 하드웨어 간의 원활한 통신 및 구성 설정을 가능하게 하였다.
• 버전 관리, 확장성, 기계가 읽을 수 있는 표현 방식을 지원하도록 HRIM을 설계하였으며, 향후 지식 기반 시스템과의 상호운용성을 위해 의미 웹 표준을 활용하였다.
• 실제 하드웨어 모듈과의 통합을 통해 모델의 실현 가능성을 검증하였고, 프로토타입 모듈러 로봇 시스템에서의 활용을 통해 성능을 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하드웨어 중심의 정보 모델이 다양한 제조사에서 생산한 모듈러 로봇 구성 요소 간의 플러그 앤 플레이 상호운용성을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 모듈러 로봇에서 재사용성, 측정 가능성, 비교 가능성 지원을 위한 하드웨어 인터페이스 표준이 가져야 할 핵심 요구사항은 무엇인가?
• RQ3 어떤 방식으로 산업 이해관계자들과 공동으로 정보 모델을 개발할 수 있는가? 이를 통해 실용적 보급과 실제 통합을 보장할 수 있는가?
• RQ4 ROS 기반의 정보 모델이 모듈러 로봇 시스템에서 이질적인 하드웨어 구성 요소의 원활한 통합을 어느 정도 가능하게 하는가?
• RQ5 기존의 소프트웨어 중심의 로봇 온톨로지와 비교했을 때, HRIM과 같은 하드웨어 중심 모델이 실제 상호운용성을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• HRIM은 구성 요소의 인터페이스와 메타데이터를 표준화함으로써 다양한 제조사에서 생산한 모듈러 로봇 구성 요소 간의 플러그 앤 플레이 통합을 성공적으로 가능하게 하였다.
• 모델은 하드웨어 구성 요소의 공통이고 기계가 읽을 수 있는 표현 방식을 제공함으로써 통합 작업의 노력과 비용을 줄였으며, 하드웨어 로봇 운영 체제(H-ROS)의 목표와도 부합한다.
• 하드웨어 제조사와의 협업을 통해 HRIM이 실제 현장 적용에 실현 가능하다는 것이 검증되었고, 기존 ROS 기반 시스템에 대한 수정 없이도 상호운용성을 지원하는 것으로 확인되었다.
• 일관된 속성과 행동 집합을 정의함으로써 HRIM은 구성 요소의 측정 가능성과 비교 가능성을 지원하여, 하드웨어 모듈의 객관적 평가 및 선택을 가능하게 하였다.
• 모델은 추상적인 로봇 온톨로지와 실질적인 산업 응용 간 격차를 메우는 데 성공적으로 기여하여 로봇 분야의 수평적 통합을 촉진함을 입증하였다.
• ROS 기반 구현과 의미 웹 원칙을 활용함으로써 HRIM은 구성 요소 기능에 대한 인간과 기계의 이해를 모두 향상시켜 시스템 조립과 재사용성을 강화하였다.