[论文解读] Internet of Robotic Things: Current Technologies, Applications, Challenges and Future Directions

Davide Villa, Xinchao Song+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2021

Robotics and Automated Systems参考文献 29被引用 11

一句话总结

本文提出物联网机器人（IoRT）作为物联网（IoT）与机器人技术的融合，通过分布式计算提升性能，实现低成本、云连接的机器人系统。论文提出三层架构，分析实际应用场景，识别关键技术与伦理挑战，并倡导制定标准化法规，以实现智慧城市和工业4.0中可扩展、安全且互操作的IoRT部署。

ABSTRACT

Nowadays, the Internet of Things (IoT) concept is gaining more and more notoriety bringing the number of connected devices to reach the order of billion units. Its smart technology is influencing the research and developments of advanced solutions in many areas. This paper focuses on the merger between the IoT and robotics named the Internet of Robotic Things (IoRT). Allowing robotic systems to communicate over the internet at a minimal cost is an important technological opportunity. Robots can use the cloud to improve the overall performance and for offloading demanding tasks. Since communicating to the cloud results in latency, data loss, and energy loss, finding efficient techniques is a concern that can be addressed with current machine learning methodologies. Moreover, the use of robotic generates ethical and regulation questions that should be answered for a proper coexistence between humans and robots. This paper aims at providing a better understanding of the new concept of IoRT with its benefits and limitations, as well as guidelines and directions for future research and studies.

研究动机与目标

• 提供对物联网机器人（IoRT）作为物联网（IoT）与机器人技术融合的全面理解。
• 分析IoRT的架构层级，包括物理层、网络层、控制层及服务/应用组件。
• 识别并讨论IoRT系统开发中的关键技术、伦理与监管挑战。
• 展示实际应用案例，体现IoRT在智能制造、医疗保健和城市环境中的能力。
• 倡导制定标准化法规与伦理框架，以确保IoRT在社会中安全、互操作且可持续地集成。

提出的方法

• 提出三层IoRT架构：物理层（传感器与执行器）、网络层（基于IPv6的IP通信）以及控制/服务层（利用云计算与边缘计算实现任务卸载与决策）。
• 将云机器人技术与物联网原则相结合，实现对计算资源、数据存储与机器学习能力的按需访问。
• 通过智能制造、远程医疗、灾难响应与智慧城市建设等实际应用，说明IoRT的实际部署。
• 分析技术挑战，包括网络延迟、数据丢失、能耗、安全漏洞，以及异构机器人与物联网设备间的互操作性问题。
• 探讨与机器人自主性、人机交互及信息物理系统中责任归属相关的伦理关切。
• 提出需要建立统一的产品与服务监管框架，特别是针对信息物理IoRT系统，以填补责任与标准化方面的空白。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过IoRT实现物联网与机器人技术的融合，如何提升机器人系统的性能与可扩展性？
• RQ2 哪些核心架构组件与通信协议可实现高效、低延迟的IoRT系统？
• RQ3 哪些主要技术挑战——如延迟、安全性和互操作性——阻碍了IoRT的部署？
• RQ4 自主性、隐私与人机交互等伦理关切，如何影响机器人与人类在日常生活环境中的共存？
• RQ5 为支持智慧城市与工业4.0中IoRT的安全、可扩展采用，需要哪些监管与标准化框架？

主要发现

• IoRT架构使机器人系统能够将计算密集型任务卸载至云端与边缘网络，提升性能，同时减轻本地硬件限制。
• IoRT通过基于IP的通信（使用IPv6）支持实时数据处理与决策，实现异构机器人与物联网设备的无缝集成。
• 当前在智能制造与智慧城市中的IoRT部署已显著提升自动化水平、运行效率与服务可及性。
• 尽管技术前景广阔，IoRT系统仍面临安全、数据隐私、网络延迟与互操作性等关键挑战，主要因缺乏标准化接口所致。
• 现有法规如GDPR与产品安全指令（如机械指令）不足以应对IoRT的独特信息物理与混合特性。
• IoRT缺乏统一的监管框架，导致责任归属模糊，阻碍大规模部署，亟需制定专门的新标准与政策。