[论文解读] Towards Remote Robotic Competitions: An Internet-Connected Task Board and Dashboard

Peter T. C. So, Jonas Wittmann+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2022

IoT and Edge/Fog Computing被引用 6

一句话总结

本文提出了一种用于远程机器人竞赛的物联网（IoT）任务板及网络仪表板，实现对全球各站点机器人平台的自动化、实时性能追踪。该系统通过嵌入式传感器和微控制器客观评估抓取任务——物体定位、插入与拆卸——并通过国际Robothon Grand Challenge验证了其可行性，参赛队伍的表现与人类专家相当，且通过开源设计与代码实现了全程透明。

ABSTRACT

In this work we present a platform to assess robot platform skills using an internet-of-things (IoT) task board device to aggregate performances across remote sites. We demonstrate a concept for a modular, scale-able device and web dashboard enabling remote competitions as an alternative to in-person robot competitions. We share data from nine robot platforms located across four continents in three manipulation task categories of object localization, object insertion, and component disassembly through an organized international robot competition - the Robothon Grand Challenge. This paper discusses the design of an electronic task board, the strategies implemented by the top-performing teams and compares their results with a benchmark solution to the presented task board. Through this platform, we demonstrate fully remote, online competitions can generate innovative robotic solutions and tested a tool for measuring remote performances. Using the open-sourced task board code and design files, the reader can reproduce the benchmark solution or configure the platform for their own use case and share their results transparently without transporting their robot platform.

研究动机与目标

• 解决线下机器人竞赛中的后勤与可及性障碍，特别是在疫情相关出行限制期间。
• 开发一个标准化、客观且透明的评估平台，用于衡量远程站点机器人抓取技能的表现。
• 实现无需将机器人运送到中心场地的异步、持续性能评估。
• 通过国际性竞赛Robothon Grand Challenge验证该平台，该竞赛涉及四大洲九个机器人平台。
• 提供开源基准解决方案与基础设施，以支持可复现性及社区扩展。

提出的方法

• 一种集成物联网功能的实体任务板，内嵌电路与微控制器，可检测任务完成情况并以5秒的发布延迟记录执行时间。
• 集成五项逐步复杂的任务：按钮按压、钥匙开关操作、以太网接口插入、电池拆卸与电池回收，模拟真实电子废弃物处理场景。
• 通过网络仪表板可视化实时性能数据，并允许公众访问所有远程站点的历史结果。
• 采用基于视觉引导与力反馈的机器人基准解决方案，使用PCMC（比例-积分-微分控制配合力反馈）实现精确操作。
• 采用基于力阈值与位置追踪的标准化成功指标，采样频率为1 kHz，并通过平滑处理降低噪声。
• 使用状态机基于参考力（Fref）与期望位置（zdes）验证任务成功，并通过MQTT协议将结果发布至网络仪表板。

实验结果

研究问题

• RQ1 远程、互联网连接的任务板能否在全球分布的机器人平台上实现对机器人抓取技能的客观、实时性能评估？
• RQ2 来自不同机构与硬件配置的机器人平台在标准化、与现实世界相关的抓取任务上的表现如何比较？
• RQ3 基准机器人解决方案在拆卸与插入任务中，能在多大程度上实现与人类专家相当的性能？
• RQ4 开源、低成本的物联网任务板平台能否实现可扩展、可重复且透明的国际机器人竞赛？
• RQ5 与传统线下赛事相比，使用自动化任务板的远程竞赛在后勤与协作方面具有哪些优势？

主要发现

• Robothon Grand Challenge成功展示了通过物联网任务板与网络仪表板对四大洲九个机器人平台实现远程、实时性能监控。
• Team RoboTHIx在电池回收任务中表现优于人类专家，通过使用高功率电磁铁一次性完成两个电池的拆卸与回收，实现了更短的完成时间。
• 基准解决方案在所有五项任务中均表现出一致的成功率，采用视觉引导控制与力反馈，力与位置数据以1 kHz采样并经平滑处理以减少噪声。
• 系统支持跨多个时区的异步参与，组织者通过交互日志与遥测数据追踪各队进度，不受本地时间影响。
• 网络仪表板提供了近乎实时的团队进度可视化，提升了在线决赛期间的参与度与透明度，活动吸引超过1,500名观众。
• 开源的任务板设计与代码允许复制基准配置并用于新应用场景，促进可复现性与社区驱动的创新。