21世紀のロボティクス：分散システム、テレプレゼンス、宇宙探査

21世紀のロボティクス：分散システム、テレプレゼンス、宇宙探査

現代のロボティクスは本質的に分散型です。複雑なロボットは、自律、半自律、人間制御のモジュールが融合し、それらが緊密な同期で動作する必要があります。テレロボティクスでは、映像と力覚フィードバックをオペレーターにストリーミングすることで、ロボットの位置にいるかのような臨場感を与えることが目標です。

欧州宇宙機関（ESA）にとって、この能力は他の惑星や深宇宙でのミッションに不可欠です。オペレーターは宇宙ステーション、あるいは地球上にいながら、数千キロ先の機器を遠隔操作できます。

テレプレゼンスは、力覚フィードバックと拡張現実（AR）映像の組み合わせで実現されます。感覚情報が豊富であればあるほど、オペレーターの知覚は自然になり、より高精度で安全な遠隔操作が可能になります。

最大の障壁の一つは通信リンクです。ロボットのリアルタイム制御ループは低遅延・高信頼性のデータ ストリームに依存しますが、オペレーターと遠隔地のロボット間のリンクは、高遅延、パケット損失、一時的な切断に見舞われがちです。特に深宇宙やブロードバンド インターネット接続では顕著です。このリンクを制御システムの不可欠な一部として扱い、両端が常にその状態を把握することで、安全性と安定性を維持する必要があります。

ESAの多職種チーム（メカトロニクス、コンピュータ ビジョン、制御理論、ソフトウェア工学の専門家で構成）は、データ中心のアプローチを採用しました。システム状態、映像フレーム、制御信号をデータとしてモデル化することで、リンク状態を全体のシステム状態に自然に統合しました。これにより、NASAが宇宙通信で使用しているData Distribution Service（DDS）を評価することになりました。調査の結果、DDSが最も厳しいリンク環境下でもリアルタイム テレオペレーションをサポートできることが判明し、宇宙ロボティクスの新たなフロンティアが開かれました。

2014年5月のTEDx RheinMain RocketMindsイベントで、私は500km以上離れた場所にあるKukaロボットアームを、EXO-1外骨格プロトタイプを使って遠隔操作しました。課題は、公差0.5mm未満の穴に金属ピンを挿入することでした。これは、宇宙リンクで典型的な遅延とパケット損失を模倣した、インターネットベースの2G WAN接続で実行されました。15秒の遅延と大量のデータ損失にもかかわらず、DDSは力覚フィードバック、制御ループ、ライブ映像のシームレスな通信を維持し、極限状態下でも精密テレロボティクスが達成可能であることを実証しました。

2014年、NASAのバリー・ウィルモア宇宙飛行士が、国際宇宙ステーションで史上初のロボット力覚フィードバック実験「Haptics-1」を実施しました。このマイルストーンは、地球大気圏外での触覚テレオペレーションの実現可能性を確認するものです。

First time #haptic feedback is used in space, ever! Today @Space_Station#haptics-1 is being successfully conducted! pic.twitter.com/30zD5GzGqs

— ESATelerobotics (@ESATelerobotics) December 30, 2014

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