クラウドロボティクス - 百科事典

クラウドロボティクスは、ロボティクスの分野でクラウド技術（クラウドコンピューティング、クラウドストレージなど）を活用し、ロボティクスのための統合インフラと共有サービスの利点を中心にインターネット技術を試みるものです。クラウドに接続すると、ロボットはクラウド内の現代データセンターの強力な計算、ストレージ、通信リソースを利用できます。これにより、さまざまなロボットやエージェント（他の機械、スマートオブジェクト、人間など）からの情報を処理・共有できます。人間もネットワークを通じてロボットに遠隔でタスクを委託できます。クラウドコンピューティング技術により、ロボットシステムは強力な機能を持ちつつ、クラウド技術を通じてコストを削減できます。したがって、クラウドに「脳」を持つ軽量で低コスト、賢いロボットを構築することが可能です。この「脳」は、データセンター、知識ベース、タスクプランナー、ディープラーニング、情報処理、環境モデル、通信サポートなどで構成されています。

コンポーネント
ロボット用クラウドには、少なくとも以下の6つの重要なコンポーネントがあります：

1. ロボットのための「クラウド脳」の構築。クラウドロボティクスの主な目的です。
2. 全世界的な画像、地図、オブジェクトデータのライブラリを提供し、しばしば幾何学形状や機械的性質、専門システム、知識ベース（例：セマンチックウェブ、データセンター）を含みます。
3. 样本ベースの統計モデリングや動作計画、タスク計画、多ロボット協力、システムのスケジューリングと調整のための大量並列計算。
4. 結果、軌跡、動的制御ポリシーおよびロボット学習サポートの共有。
5. 人間が「オープンソース」のコード、データ、設計を共有し、プログラミング、実験、ハードウェア構築を行います。
6. 評価、学習、エラーリカバリのためにオンデマンドの人間のガイドラインとサポート。
7. セマンチック知識ベース、Apple SIRIのようなサービスなど、さまざまな方法を通じて拡張された人間・ロボットの相互作用。

应用
* 自律移動ロボット：Googleの自動運転車はクラウドロボットです。車はネットワークを通じてGoogleの巨大な地図データベースや衛星と環境モデル（例：Streetview）にアクセスし、それをGPS、カメラ、3Dセンサからのストリーミングデータと組み合わせ、自車の位置をセンチメートル単位で監視し、過去と現在の交通パターンと比較して衝突を避けます。各車は環境、道路、運転や条件について何かを学び、その情報をGoogleクラウドに送信し、他の車のパフォーマンスを向上させるために使用されます。
* クラウド医療ロボット：医療クラウド（医療クラスタとも呼ばれる）は、病気アーカイブ、電子医療記録、患者健康管理システム、実践サービス、分析サービス、クリニックソリューション、専門システムなど、さまざまなサービスを含みます。ロボットはクラウドに接続して患者に対する臨床サービスを提供し、医師（例：共同手術ロボット）に支援を提供します。さらに、医師とケアガイダンスの間で情報を共有することで、臨床治療に関する協力サービスを提供します。
* 助成ロボット：家庭用ロボットは、高齢者の医療とライフモニタリングに使用できます。システムはユーザーの健康状態を収集し、クラウド専門システムや医師と情報を交換し、特に慢性疾患を持つ高齢者の生活を便利にします。例えば、ロボットは高齢者が転倒しないようにサポートを提供し、心臓病や出血病などの緊急健康サポートを提供します。高齢者のケアガイダンス者も、ロボットを通じてネットワークから緊急時の通知を受け取ることができます。
* 工業ロボット：ドイツ政府の「産業4.0計画」では、「産業は第4次産業革命の threshholdに立っています。インターネットの推進力によって、現実世界と仮想世界がどんどん近づき、モノのインターネットが形成されています。将来の産業生産は、非常に柔軟な（大量生産）生産条件下的に製品の強力な個別化、顧客やビジネスパートナーのビジネスと価値創造プロセスへの広範な統合、生産と高品質なサービスの連結が特徴です。これにより、ハイブリッド製品と呼ばれる製品が生まれます。」製造では、このクラウドベースのロボットシステムは、専門の知識ベースからワイヤリングやケーブルの取り付けやシールの調整などのタスクを学習することを可能にします。複数のロボットは協力タスクのための情報を共有できます。さらに、消費者はオンライン注文システムを通じて直接製造ロボットにカスタマイズされた製品の注文をすることができます。別の潜在的なパラダイムは、ショッピング・デリバリーロボットシステムです。注文が行われた後、倉庫ロボットがアイテムを自動車や自動無人機に配達し、それを受取人に届けることができます。

研究
RoboEarthは、欧州連合の第7 Framework Program（研究、技術開発プロジェクト）によって資金を提供され、特にクラウドロボティクスの分野を探求するために設立されました。RoboEarthの目標は、ロボットシステムが他のロボットの経験を活用し、機械認識と行動の急速な進歩を促進し、最終的にはより洗練された人間機械の相互作用を可能にすることです。RoboEarthはクラウドロボティクスインフラを提供し、RoboEarthのWorld-Wide-Webスタイルのデータベースは、人間やロボットが生成した知識を機械読み取り形式で保存します。RoboEarthの知識ベースに保存されているデータには、ソフトウェアコンポーネント、ナビゲーション用の地図（例：オブジェクトの位置、世界モデル）、タスク知識（例：アクションレシピ、操作戦略）、オブジェクト認識モデル（例：画像、オブジェクトモデル）が含まれます。RoboEarth Cloud Engineには、モバイルロボット、自律車、ドローンなど、ナビゲーションに多くの計算が必要なものに対するサポートが含まれています。

Rapyutaは、ETHZのロボティクス研究者によって開発されたRoboEarth Engineに基づくオープンソースのクラウドロボティクスフレームワークです。このフレームワーク内で、Rapyutaに接続された各ロボットはセキュアな計算環境（長方形のボックス）を持ち、重い計算をクラウドに移行する能力を持ちます。さらに、計算環境は互いに密接に連結しており、RoboEarthの知識リポジトリに高帯域幅の接続があります。

FogROS2は、UCバークリーの研究者によって開発されたRobot Operating System 2（ROS 2）のオープンソース拡張です。ロボットがクラウドリソースに計算負荷の高いタスク（例：SLAM、グリップ計画、動作計画）をオフロードし、パフォーマンスを向上させ、ボード上の計算要件を削減するために設計されています。FogROS2は、クラウドインスタンスのプロビジョニング、ROS 2ノードのデプロイ、ロボットとクラウドサービス間のセキュアな通信を自動化します。このプラットフォームは、既存のROS 2アプリケーションに対応するように設計されており、コードの変更が不要です。さらに、FogROS2-SGCは、異なるネットワークと場所間でのセキュアなグローバル接続を可能にし、FogROS2-FTは、複数のクラウドプロバイダーにサービスを複製することで、障害に対する堅牢性を提供します。

KnowRobは、RoboEarthの拡張プロジェクトで、知識表現と推論方法と、知識を取得するための技術と、物理システムに知識を根付けるための技術を組み合わせた知識処理システムです。これにより、異なるソースからの情報を統合するための共通のセマンチックフレームワークとして機能します。

RoboBrainは、公共のインターネットリソース、コンピュータシミュレーション、現実のロボット実験から学習する大規模な計算システムです。これにより、ロボティクスに関するすべての情報を包括的かつ相互に連結した知識ベースにまとめます。アプリケーションには、ロボティクス研究のためのプロトタイピング、家庭用ロボット、自動運転車が含まれます。このプロジェクトの目標は、ロボットに常にオンラインでアクセスできる集中化された「脳」を作成することです。このプロジェクトはスタンフォード大学とコーネル大学が主導しており、国立科学財団、海軍研究局、陸軍研究局、Google、マイクロソフト、クアルコム、アルフレッド・P・スローン財団、国立ロボティクスイニシアチブなどがサポートしています。

MyRobotsは、ロボットとインテリジェントデバイスをインターネットに接続するサービスで、ロボットとスマートオブジェクト（例：ロボットのためのFacebook）のソーシャルネットワークと見なされます。ソーシャル化、協力、共有を通じて、ロボットもその相互作用から利益を得ることができます。例えば、センサー情報を共有し、現在の状態の視点を提供します。

COALASは、INTERREG IVAフランス（カナール）－イングランド欧州跨境協力プログラムによって資金を提供されています。このプロジェクトは、社会的および技術的なイノベーションを通じて障害者のための新しい技術を開発することを目的としており、ユーザーの社会的および心理的整合性を通じて行われます。目標は、クラウド上の医療クラスタと家庭用サービスロボット（例：ホロアンデッド、インテリジェント車椅子）を含む認知環境支援システムを開発することです。

ROS（ロボットオペレーションシステム）は、クラウドロボティクスをサポートするエコシステムを提供します。ROSは、複数のロボットプラットフォームで複雑かつ堅牢なロボット行動を簡単に作成するための柔軟で分散型のフレームワークです。ROSは、複数のツール、ライブラリ、慣習の集合体で、複雑なロボット行動の作成を簡単にするために設計されています。ROSのライブラリであるrosjavaは、Androidアプリケーションを開発するために使用されます。Androidが市場で急速に成長し、数十億のユーザーを持っているため、クラウドロボティクスの分野で重要な役割を果たします。

DAVinciプロジェクトは、HadoopのMap/Reduceタスクとして並列化できる一部のロボティクスアルゴリズムを探求することを目指す提案されたソフトウェアフレームワークです。このプロジェクトは、ロボティクスエコシステム全体でデータを協力して共有するために、コモディティハードウェアで構築された計算クラスタを提供するクラウドコンピューティング環境を構築することを目指しています。このイニシアティブは一般公開されていません。

C2RO（C2ROクラウドロボティクス）は、クラウドでリアルタイムアプリケーション（例：衝突回避、オブジェクト認識）を処理するプラットフォームです。これまで、高遅延時間がクラウドでの処理を妨げており、システム上の計算ハードウェア（例：グラフィックプロセッシングユニットまたはGPU）が必要でした。C2ROは、IEEE PIMRC17で発表された査読付き論文で、そのプラットフォームが自動ナビゲーションや他のAIサービスをロボットに提供できることを示しました。C2ROは、2017年9月のRoboBusinessでクラウドベースのSLAM（同時位置と地図作成）を初めて示したプラットフォームと主張しました。

Rocosは、開発者ツールとインフラを提供し、スケールの大きなロボットファleetの構築、テスト、デプロイ、運用、自動化を行う集中化クラウドロボティクスプラットフォームです。2017年10月に設立され、2019年1月に本番運用を開始しました。

クラウドロボティクスの限界
ロボットはクラウドコンピューティングのさまざまな利点を享受できますが、クラウドはロボティクスのすべての解決策ではありません。

* ロボットの動作制御は、（リアルタイム）センサーとコントローラーのフィードバックに強く依存しており、クラウドから大きな利点を得られない場合があります。
* 実時実行を伴うタスクは、ボード上の処理が必要です。
* クラウドベースのアプリケーションは、高遅延応答やネットワークの遅延のために遅くなったり利用不能になることがあります。ロボットがクラウドに過度に依存すると、ネットワークの障害により「脳が無くなる」リスクがあります。

挑戦
クラウドロボティクスの研究開発には以下のような潜在的な問題と挑戦があります：

* スケーラブルな並列化：並列化スケジュールは自動化インフラの規模に応じて拡大します。
* 有効な負荷バランス：ローカルとクラウド計算の間でのオペレーションのバランス。
* 知識ベースと表現
* クラウドにおける自動化のための集団学習
* インフラストラクチャ/プラットフォームまたはソフトウェアアサーション
* ロボティクスのためのモノのインターネット
* 一体化および協力可能なエラートルレント制御
* 大データ：大規模かつアクセス可能なネットワークで収集および配信されるデータは、分類問題のための決定を可能にし、パターンを明らかにすることができます。
* ウィルス通信、クラウドへの接続
* ロボットクラウドのシステムアーキテクチャ
* オープンソース、オープンアクセスインフラストラクチャ
* ワークロードシェアリング
* 標準とプロトコル

リスク
* 環境セキュリティ：クラウドコンピューティング環境における計算リソースとユーザーの集中は、セキュリティ脅威の集中を意味します。その規模と重要性により、クラウド環境は仮想マシンやボットマルウェア、強制力攻撃、その他の攻撃の標的とされています。
* データプライバシーとセキュリティ：クラウドサービスプロバイダーで機密データをホストすることは、組織のデータセキュリティに対するプロバイダーへの大きなコントロールの委譲を意味します。例えば、各クラウドには顧客からの大量の情報が含まれており、家庭用ロボットがハッキングされた場合、ユーザーの個人情報や家のレイアウト、生活のスナップショット、ホームビューなどが漏洩するリスクがあります。さらに、ロボットがハッキングされ、他の人に制御された場合、ユーザーが危険にさらされる可能性があります。
* エチカル問題：ロボティクスのいくつかの倫理的問題、特にクラウドベースのロボティクスは考慮する必要があります。ロボットがネットワークを通じて接続されているため、他の人にアクセスされるリスクがあります。ロボットが制