[논문 리뷰] Time Synchronization in modular collaborative robots

Carlos San Vicente Gutiérrez, Lander Usategui San Juan외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 19.

Modular Robots and Swarm Intelligence인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 시간 민감성 네트워킹(TSN)을 통해 IEEE 1588 정밀 시계 프로토콜(PTP)을 사용하여 나노초 이하의 시계 동기화를 달성하는 새로운 모듈형 협동로봇인 M-cobots를 제안한다. 시스템은 네트워크 부하가 90%일 경우에도 100 µs 이내의 ROS 2.0 메시지 타임스탬프 정확도와 밀리초 수준의 종단 간 지연을 보이며, 실시간 로봇 응용 프로그램을 위한 정밀하고 제조사에 관계없이 적용 가능한 동기화를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 협동로봇(cobots)에서 모듈성, 상호운용성, 정밀한 동기화의 부족을 해결한다.
• 표준화된 시간 동기화를 통해 로봇 모듈의 제조사에 관계없이 통합 가능한 내재된 모듈성과 표준화된 동기화 메커니즘을 제공한다.
• 운동 제어, 센서 융합, 실시간 통신에서 성능 저하를 유발하는 분산 로봇 시스템의 동기화 과제를 해결한다.
• 고부하 네트워크 조건에서도 견고하고 저지연 통신을 보장하는 모듈형 로봇 시스템의 성능을 입증한다.
• PTP와 ROS 2와 같은 개방형 표준을 활용하여 확장 가능하고 재구성 가능하며 상호운용 가능한 로봇 시스템의 기반을 마련한다.

제안 방법

• 분산 로봇 모듈 간의 핵심 동기화 메커니즘으로 IEEE 1588 정밀 시계 프로토콜(PTP)을 구현한다.
• PTP를 시간 민감성 네트워킹(TSN)과 통합하여 결정적이고 저진동 통신 및 정밀한 시계 분배를 보장한다.
• ROS 2.0의 시계 및 시간 추상화 계층을 활용하여 최소한의 오버헤드로 정확한 메시지 타임스탬프를 구현한다.
• 실시간 리눅스와 TSN 호환 네트워크 인터페이스를 사용하여 하드웨어 및 소프트웨어 스택을 구성하여 나노초 이하의 동기화를 지원한다.
• 수동적 동기화 기법을 적용하여 센서 및 액추атор 신호에서 발생하는 하드웨어 및 소프트웨어 유발 지연을 추정하고 보정한다.
• 시스템 성능을 평가하기 위해 제어된 네트워크 과부하(최대 90% 용량) 조건에서 시험을 실시하여 내구성과 지연 안정성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오픈 표준을 사용하여 분산 모듈 간에 나노초 이하의 시계 동기화를 달성할 수 있는가?
• RQ2 PTP 기반 동기화는 분산 로봇 시스템에서 ROS 2.0 메시지 타임스탬프 정확도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 네트워크 혼잡도는 PTP 동기화가 적용된 모듈형 로봇 시스템의 종단 간 통신 지연에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 시스템은 네트워크 부하가 최대 90%일 경우에도 밀리초 수준의 종단 간 지연을 유지할 수 있는가?
• RQ5 하드웨어 및 소프트웨어 지연 보정은 동기화 정확도와 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• M-cobot 시스템은 TSN 기반 IEEE 1588 PTP를 통해 모든 모듈 간에 나노초 이하의 정밀도로 분산 시계 동기화를 달성한다.
• ROS 2.0 메시지 타임스탬프 정확도는 100 마이크로초 이내를 유지하여 센서 및 제어 데이터의 정밀한 시간 상관관계를 가능하게 한다.
• 네트워크 활용률이 90%에 도달할 경우에도 종단 간 통신 지연은 밀리초 수준을 유지하여 고부하에 대한 높은 내구성을 입증한다.
• PTP 및 TSN의 적절한 구성 덕분에 시스템은 네트워크 과부하의 영향을 효과적으로 완화하여 실시간 성능을 유지한다.
• 운동 제어 및 센서 융합과 같이 시간 정밀도가 핵심적인 다양한 로봇 작업에서 동기화 정확도가 뛰어나게 유지된다.
• PTP, ROS 2 및 TSN의 통합은 제조사에 관계없이 적용 가능하고 상호운용성 및 재구성 가능성이 뛰어난 로봇 아키텍처를 가능하게 하여 산업 응용에 적합하다.