[논문 리뷰] Blockchain-Powered Collaboration in Heterogeneous Swarms of Robots

Jorge Peña Queralta, Tomi Westerlund|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 23.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 51인용 수 38

한 줄 요약

본 논문은 이종 다중 로봇 무리에서의 협업 관리를 위한 블록체인 기반 프레임워크를 제안하며, 온라인 자원 추정에는 PoW를, 데이터 품질 순위화를 위한 스마트 계약으로 자동 데이터 공유 및 대역폭 관리에 활용한다.

ABSTRACT

One of the key challenges in the collaboration within heterogeneous multi-robot systems is the optimization of the amount and type of data to be shared between robots with different sensing capabilities and computational resources. In this paper, we present a novel approach to managing collaboration terms in heterogeneous multi-robot systems with blockchain technology. Leveraging the extensive research of consensus algorithms in the blockchain domain, we exploit key technologies in this field to be integrated for consensus in robotic systems. We propose the utilization of proof of work systems to have an online estimation of the available computational resources at different robots. Furthermore, we define smart contracts that integrate information about the environment from different robots in order to evaluate and rank the quality and accuracy of each of the robots' sensor data. This means that the key parameters involved in heterogeneous robotic collaboration are integrated within the Blockchain and estimated at all robots equally without explicitly sharing information about the robots' hardware or sensors. Trustability is based on the verification of data samples that are submitted to the blockchain within each data exchange transaction and validated by other robots operating in the same environment. Initial results are reported which show the viability of the concepts presented in this paper.

연구 동기 및 목표

• 센싱 및 컴퓨팅 능력이 서로 다른 이질적 로봇들 간의 데이터 공유 최적화를 다루는 것.
• 하드웨어 세부 정보를 드러내지 않으면서 참여 로봏의 자원을 자동적이고 온라인으로 추정할 수 있게 한다.
• 다양한 로봇으로부터의 데이터 품질을 평가하고 순위를 매겨 신뢰 가능한 협업을 돕는 메커니즘을 개발한다.
• 블록체인과 스마트 계약을 활용하여 분산형이고 확장 가능한 방식으로 대역폭 할당을 관리한다.

제안 방법

• 참여 로봇들의 온라인 계산 자원을 추정하기 위해 Proof of Work 방식을 활용한다.
• 지도 매칭 또는 데이터 상관관계를 통해 데이터 품질 평가와 순위를 정의하고 데이터 샘플을 블록체인에 기록한다.
• 군집 전반의 데이터에 대한 분산 평가와 순위 부여를 수행하도록 스마트 계약을 포함한다.
• 피어-투-피어 네트워크 전반에서 자원 인식 대역폭 분배와 데이터 품질 순위를 통합한다.
• 블록체인 배포 설계 선택(허가형 대 허가 없는) 및 네트워크 건강 고려사항(시빌 보호, 데뮤리지)에 대해 논의한다.
• 실시간 협업의 확장성을 유지하기 위해 샤딩 개념과 Atomix 스타일의 교차 샤드 실행 아이디어를 활용하여 실현 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PoW를 어떻게 실시간으로 이질적 로봇 간의 이용 가능한 계산 자원을 추정하고 비교하는 데 활용할 수 있는가?
• RQ2 다양한 센서로부터의 데이터 품질을 어떻게 평가, 순위화하고 군집 내 데이터 공유와 대역폭 최적화에 활용할 수 있는가?
• RQ3 로봗의 하드웨어나 센서 세부 정보를 노출하지 않고도 블록체인 기반 스마트 계약으로 확장 가능하고 신뢰할 수 있는 분산 협업을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 현장 환경에서 애드호크 로봇 스웜을 가장 잘 뒷받침하는 설계 선택은 무엇인가 (허가형 대 비허가형, 단일 블록체인 대 애드혹 블록체인)?

주요 결과

• PoW 기반 방법은 다른 로봇의 계산 자원에 대한 온라인 추정을 제공합니다.
• 로봇 간 센서 데이터를 평가하고 데이터 공유 결정을 안내하기 위한 데이터 품질 순위 매김 메커니즘이 제안됩니다.
• 스마트 계약은 병렬 가능하고 샤드 친화적인 데이터 평가를 가능하게 하여 실시간 협업의 확장성을 지원합니다.
• 데이터 품질과 처리 능력이 로봇 간 P2P 대역폭 분배에 사용되어 협업 효율을 향상시킵니다.
• 이 접근법은 하드웨어나 센서 세부 정보를 명시적으로 공유할 필요가 없으므로 제로-지식에 가까운 협업을 목표로 합니다.