[논문 리뷰] Synchronization and quorum sensing in a swarm of humanoid robots

Patrick Bechon, Jean-Jacques Slotine|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 14.

Modular Robots and Swarm Intelligence참고 문헌 16인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 네트워크 지연과 동적 그룹 구성 변화에도 불구하고 정밀한 코디네이션을 달성하기 위해 계약 이론(contraction theory)과 다수의 의사결정 센싱(quorum sensing)을 활용한 8대의 Nao 인간형 로봇 군집을 위한 강건한 동기화 프레임워크를 제시한다. 각 로봇은 중앙 서버에서 계산하고 방송하는 모든 로봇의 평균 상태를 실시간 피드백을 통해 공통의 가상 오실레이터에 동기화하며, 이로 인해 변동하는 지연 또는 엎어진 후 재접속하는 상황에서도 부드럽고 적응적인 조율이 가능하다.

ABSTRACT

With the advent of inexpensive simple humanoid robots, new classes of robotic questions can be considered experimentally. One of these is collective behavior of groups of humanoid robots, and in particular robot synchronization and swarming. The goal of this work is to robustly synchronize a group of humanoid robots, and to demonstrate the approach experimentally on a choreography of 8 robots. We aim to be robust to network latencies, and to allow robots to join or leave the group at any time (for example a fallen robot should be able to stand up to rejoin the choreography). Contraction theory is used to allow each robot in the group to synchronize to a common virtual oscillator, and quorum sensing strategies are exploited to fit within the available bandwidth. The humanoids used are Nao's, developed by Aldebaran Robotics.

연구 동기 및 목표

• 변동하는 네트워크 지연과 동적 구성 변화(예: 운영 중 로봇의 참가 또는 퇴출)가 있는 상황에서도 대규모 인간형 로봇 군집의 강건하고 실시간 동기화를 가능하게 하기.
• 기존의 NTP와 같은 전통적 시계 동기화 프로토콜이 개별 로봇의 지연을 보완하지 못하거나 중간에 재통합을 허용하지 않는 한계를 극복하기.
• 각 로봇이 글로벌 다수 신호에 영향을 받는 가상 오실레이터를 통해 유지하는 확장 가능한 분산 제어 아키텍처를 개발하기.
• 8대의 Nao 로봇을 활용한 정확한 동기화 코디네이션을 실험적으로 구현하여 부드럽고 지속적인 운동을 보장하기.

제안 방법

• 각 로봇는 비선형 동역학 시스템에 의해 지배되는 가상 오실레이터를 구현하며, 계약 이론을 통해 공통 궤적으로의 지수 수렴을 보장하는 방식으로 상태가 진화한다.
• 비선형성과 외란에 대한 강건성을 확보하기 위해 행렬 Θ를 통한 시간에 따라 변하는 메트릭 변환을 사용하여 계약 분석을 일반화한다.
• 중앙 서버는 모든 로봇의 가상 오실레이터 상태(x, ẋ, y, ẏ)를 수신하여 평균(mx, mẋ, my, mẏ)을 계산하고, 결합 강도 κ와 총 로봇 수 N을 포함한 다수 신호를 방송한다.
• 로봇는 자신의 계산에 타임스탬프를 부여하고 속도 데이터(ẋ, ẏ)를 이용한 예측을 통해 네트워크 지연을 보완함으로써 현재 평균 상태를 추정한다.
• 제어 루프는 150ms 간격으로 실행되며, 오일러 방법을 통한 상태 예측과 로봇에 대한 명령 업데이트를 통해 부드러운 운동 실행을 구현한다.
• 다수의 의사결정 센싱은 글로벌 평균 신호를 필터링하여, 서로 다른 운동 주파수(예: 0.5 Hz 대비 1 Hz)를 가진 로봇이 같은 속도의 파트너와만 동기화하도록 허용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변동하는 네트워크 지연과 동적 구성 변화가 있는 상황에서 인간형 로봇 군집이 정밀하고 실시간으로 동기화를 달성할 수 있는가?
• RQ2 비선형 역학적 특성가 존재하는 상황에서도 계약 이론을 어떻게 적용하여 로봇 궤적이 공통의 가상 오실레이터로 지수 수렴하도록 보장할 수 있는가?
• RQ3 다수의 의사결정 센싱 전략을 통해 통신 대역폭을 줄이면서도 분산된 군집에서 동기화의 강건성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 로봇가 엎어진 후에도 전역 리셋이나 마스터 제어 없이 동기화된 코디네이션에 재통합할 수 있는가?
• RQ5 동일한 군집 내에서 서로 다른 춤 템포 등 여러 동기화된 행동을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 네트워크 지연과 동적 로봇 재접속에 견디는 8대의 Nao 로봇을 정확한 코디네이션 공연을 통해 성공적으로 동기화했다.
• 계약 이론은 초기 조건이나 미세한 교란이 존재하더라도 모든 로봇 궤적이 가상 오실레이터로 지수 수렴함을 보장했다.
• 다수의 의사결정 센싱 메커니즘은 상태 평균과 도함수만 전송함으로써 통신 오버헤드를 줄였으며, 최소한의 대역폭으로도 확장 가능한 조율을 가능하게 했다.
• 서버 기반의 다수 신호는 결합 강도 κ를 실시간으로 조정할 수 있게 하여 동기화 속도와 안정성의 동적 제어를 가능하게 했다.
• 다른 운동 주파수(예: 0.5 Hz 대비 1 Hz)를 가진 로봇는 다수 신호를 각각 필터링하여 동일한 속도의 파트너와만 동기화할 수 있었으며, 이는 다중 행동 조율을 가능하게 했다.
• 로봇는 가상 오실레이터를 통해 재접속을 통해 동기화를 재설립함으로써 엎어진 후에도 코디네이션에 재통합될 수 있었으며, 전역 재시작이 필요하지 않았다.