[논문 리뷰] Fog Robotics: A Summary, Challenges and Future Scope

Gudi Siva Leela Krishna Chand, Benjamin Johnston외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 14.

IoT and Edge/Fog Computing인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 클라우드 로봇 기술의 단점을 보완하기 위해 엣지 기반 계산을 활용해 네트워크 혼잡을 줄이고 실시간 로봇 성능을 햖스시키는 저지연 대안인 퍼그 로봇 기술을 제안한다. 로봇과 클라우드 사이에 퍼그 로봇 서버를 도입함으로써 시스템은 상당히 낮은 지연 시간을 달성하였으며, 페퍼 로봇 실험을 통해 이를 입증하였다. 이는 시간 민감도가 높은 응용 분야에서 기존 클라우드 로봇 기술을 뛰어넘는 성능을 보였다.

ABSTRACT

Human-robot interaction plays a crucial role to make robots closer to humans. Usually, robots are limited by their own capabilities. Therefore, they utilise Cloud Robotics to enhance their dexterity. Its ability includes the sharing of information such as maps, images and the processing power. This whole process involves distributing data which intend to rise enormously. New issues can arise such as bandwidth, network congestion at backhaul and fronthaul systems resulting in high latency. Thus, it can make an impact on seamless connectivity between the robots, users and the cloud. Also, a robot may not accomplish its goal successfully within a stipulated time. As a consequence, Cloud Robotics cannot be in a position to handle the traffic imposed by robots. On the contrary, impending Fog Robotics can act as a solution by solving major problems of Cloud Robotics. Therefore to check its feasibility, we discuss the need and architectures of Fog Robotics in this paper. To evaluate the architectures, we used a realistic scenario of Fog Robotics by comparing them with Cloud Robotics. Next, latency is chosen as the primary factor for validating the effectiveness of the system. Besides, we utilised real-time latency using Pepper robot, Fog robot server and the Cloud server. Experimental results show that Fog Robotics reduces latency significantly compared to Cloud Robotics. Moreover, advantages, challenges and future scope of the Fog Robotics system is further discussed.

연구 동기 및 목표

• 클라우드 로봇 기술의 한계, 특히 대량의 데이터 전송으로 인한 높은 지연 시간과 네트워크 혼잡 문제를 해결하기 위해.
• 중앙 집중식 클라우드 처리의 탈중앙화된 대안으로서의 퍼그 로봇 기술의 실현 가능성과 장점을 탐색하기 위해.
• 통제된 로봇 환경에서 실시간 지연 시간 측정을 통해 퍼그 로봇 아키텍처의 성능을 평가하기 위해.
• 응답 시간과 시스템 반응성 측면에서 퍼그 로봇 기술과 클라우드 로봇 기술을 비교하기 위해.

제안 방법

• 로봇에 가까운 곳에 계산 자원을 위치시켜 원격 클라우드 서버에 대한 의존도를 줄이는 퍼그 로봇 아키텍처를 설계하기 위해.
• 로봇, 퍼그 로봇 서버, 클라우드 서버로 구성된 3단계 시스템을 구현하여 처리 작업을 분산시키기 위해.
• 퍼그 및 클라우드 환경에서 실시간 지연 시간 테스트를 위해 페퍼 로봇을 사용하기 위해.
• 퍼그와 클라우드 성능을 비교하기 위해 동일 조건에서 작업 실행에 대한 종단 간 지연 시간을 측정하기 위해.
• 시스템 효과성을 검증하기 위해 주로 지연 시간을 성능 지표로 선정하기 위해.
• 반응성 평가를 위해 실시간 데이터 전송 및 처리를 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 퍼그 로봇 기술은 실시간 로봇 응용 분야에서 기존 클라우드 로봇 기술 대비 어떻게 지연 시간을 줄이는가?
• RQ2 로봇, 퍼그 서버, 클라우드 간 효율적인 작업 오프로딩을 가능하게 하는 아키텍처 설계는 무엇인가?
• RQ3 퍼그 로봇 기술은 로봇 운영의 반응성과 신뢰성에 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 지연 시간과 네트워크 부하 측면에서 퍼그 로봇 기술과 클라우드 로봇 기술 간의 주요 성능 트레이드오프는 무엇인가?

주요 결과

• 페퍼 로봇을 활용한 실시간 실험을 통해 퍼그 로봇 기술이 클라우드 로봇 기술 대비 종단 간 지연 시간을 상당히 줄이는 것으로 입증되었다.
• 퍼그 로봇 서버는 데이터를 원천에 가까이 처리함으로써 응답 시간을 낮추어 전송 지연을 최소화한다.
• 클라우드 로봇 기술에서 흔히 발생하는 네트워크 혼잡과 백홀/프론트홀 병목 현상이 퍼그 레이어의 국지적 처리를 통해 완화된다.
• 제안된 아키텍처는 높은 신뢰성과 확장성을 유지하여 시간 민감도가 높은 로봇 응용 분야에 적합하다.
• 실험 결과에 따르면, 특히 고부하 상황에서 퍼그 로봇 기술이 클라우드 로봇 기술을 뛰어넘는 지연 시간 민감도 성능을 보였다.
• 본 연구는 퍼그 로봇 기술이 저지연, 실시간 의사결정이 필요한 차세대 로봇 시스템을 위한 실현 가능한 솔루션임을 규명하였다.