「見廻りお願い！」 ミリ波IoT搭載サービスロボットによる協働型見廻りシステムを開発

図2に本実証実験で利用したサービスロボットの外観・機器構成を、図3に自律移動サービスロボット内のシステム構成を示します。このロボットは、配膳ロボットとして開発された縦539 mm、横460 mm、高さ1,088 mmの自律移動ロボットで、LiDARと呼ばれるセンサーを使って、常に周辺の障害物等との距離を計測し、障害物を回避しながら自律的に移動することができます。自己位置推定と環境地図作成を同時に行う技術（SLAM: Simultaneous Localization and Mapping）を採用した地図自動作成機能を備えており、リアルタイムに自らの周辺環境の変化も捉えた地図を更新しながら現在地を推定し、与えられた目的地点に向かう能力を有しています。最大移動速度は、ゆっくりとした人の歩行速度と同程度の毎秒0.8mです。

自律移動サービスロボットには、3軸ジンバルに取り付けられた4Kカメラが搭載されています。4KカメラからのHDMI出力映像は、ビデオコンバータを介してデバイス連携用PCに入力され、同PC内でH.264/AVC形式で圧縮保存されます。また、ロボットにはTransferJet Xを用いたミリ波通信デバイスが搭載されており、デバイス連携用PCとは、USBケーブル（制御用）及び10GbE（ギガビットイーサ）ケーブル（データ通信用）を用いて接続されています。ミリ波通信デバイスにはUSBケーブル経由で利用可能な制御APIが備わっており、対向するミリ波通信デバイスとのセッション確立状態や受信電力等の情報の取得が可能です。セッション確立後、撮影データは対向するミリ波通信デバイス間で無線伝送されます。ロボットの目的地設定や移動開始指示など移動に関する制御は、図3のロボット制御部に対してMQTTプロトコルによりメッセージを送信することで行います。

今回、免許不要920MHz帯IoT 無線通信規格IEEE802.15.4gに基づく無線通信機能とプログラマブルな信号処理機能を有するIoT無線ルータ（YeST+: ワイステーションプラス）を開発し、人が操作するデバイスからの見廻り依頼をロボットが受け付けることや、ロボット同士で協調動作するための各種機器の自律制御を可能にしました。同一ロボット内における各デバイス間の制御メッセージは、GbEケーブル経由でMQTTプロトコルを用いて伝達されますが、YeST+が本ロボットシステムの中枢的な役割を担い、ロボットの移動指令、4Kカメラによる撮影の指令、及びTransferJet Xを用いた通信の指令を行っています。

自律移動サービスロボットに搭載している無線通信技術TransferJet Xは、数m程度の近距離であれば超高速の無線伝送が可能であり、短時間で大容量データを非接触に収集・配信できます。よって、ロボットの移動によって遠方の撮影データを近傍まで届けてもらい、TransferJet Xによって無線伝送することで、実質離れた場所の撮影データを短時間で無線転送した場合と同等の効果を得ることが可能になります（図4参照）。

開発したサービスロボット協働型見廻りシステムによる非接触でのデータ配信能力を検証するための基本的な実証実験では、およそ8m×18mのオフィスルーム内において、見廻り依頼者の位置から約10m先の様子の見廻りとして1分間の動画撮影を自律移動サービスロボットに依頼し、撮影データを届けてもらいました。見廻り依頼者の元では、撮影データの転送完了と同時に映像が自動再生される再生装置を構築しました。

本実証実験の結果、見廻り場所においてロボットが撮影したデータを物理的に依頼者の近傍まで運搬するために要した時間が21秒、また、TransferJet Xによって撮影データの再生装置への無線伝送が完了するまでの時間が34秒でした。データ容量を、見廻り依頼者の元への配信が完了するまでの時間で割ることでスループット換算値が得られます。上記の場合、撮影データは4K解像度の映像をH.264/AVCで即時圧縮することで10.48Gbyte（83.84Gbits）の容量となりましたが、これを配信完了に要した合計時間55秒で割ると、スループット換算値としては1.52Gbps相当になります。

次に、オフィスビルにおける複数の異なる場所で撮影したデータが、特定の見廻り依頼者の位置（データの届け先に該当）まで転送が完了するまでの時間を実際のロボットを用いて評価しました。図5は、ロボットのSLAMで構築されたフロアマップ上に、本実証実験で設定した見廻り依頼者と複数の見廻り場所の位置をプロットしたもので、図中の距離は、各見廻り場所からデータの届け先となっている見廻り依頼者の位置までの移動距離を示しています。

ロボットは、依頼を受けた各々の見廻り場所に到着後、1分間の4K解像度での撮影を行うと想定しました。このときの撮影データは、上述のオフィスルーム内の実験で取得されたものと同じデータ容量（10.48Gbyte）となります。この撮影データは、ロボット自身の移動によって見廻り依頼者の再生装置近傍まで届けられ、TransferJet Xによって無線伝送されます。

図6(a)に、各見廻り場所から見廻り依頼者の元に撮影データの転送が完了するまでの時間を示します。各見廻り場所から見廻り依頼者の元に撮影データの転送が完了するまでの時間は、見廻り場所によって異なることがわかります。

図6(b)に、各見廻り場所と見廻り依頼者間における撮影データ転送時間のスループット換算値を示します。例えば、見廻り場所①における撮影データが見廻り依頼者の元に撮影データの転送が完了するまでの時間は、ロボットの移動に要した時間71秒に、TransferJet Xによる撮影データの伝送時間34秒を加えた105秒となるため（図6(a)参照）、撮影データ容量10.48Gbyte（83.84Gbits）をこの105秒で割ることで、スループット換算値798Mbpsが得られます（図6(b)参照）。

図6(b)の結果から、開発した見廻りシステムを用いた場合、見廻り依頼者の位置から比較的遠方の見廻り場所⑤（データの届け先まで69.2m）や⑥（データの届け先まで86.8m）であっても、626Mbps及び514Mbps相当のスループット換算値を達成することが確認できました。なお、図6(b)には参考データとして、2021年6月1日現在、国内で商用サービスとして利用可能な第5世代移動通信システム（5G）を用いた場合の技術規格上のデバイス間最大スループットの値480Mbpsを黒い実線で示しています。上記見廻り場所⑤や⑥については、比較的長い移動時間を要するため、ほかの見廻り場所に比べてスループット換算値が低下しているにもかかわらず、5Gを用いた場合の技術規格上のデバイス間最大スループットに匹敵する速度となっています。

一方、より近隣の見廻り場所③や④（各々データの届け先まで8.6mと28.5m）であれば、1Gbpsを超えるスループット換算値となることも分かります。

以上の結果より、広帯域通信インフラの敷設が困難なオフィス・ホテル・病院等のビル内や駅・商業施設等の構内の高解像度カメラによる非接触での見廻りデータの転送や、インフラ敷設が困難な災害地区や電波の届きづらい狭空間など近距離エリアにおける高速データ配信システムとして本開発技術が有効であることが確認できました。

開発したサービスロボット協働型見廻りシステムでは、異業種の自律移動サービスロボットが運用される現場において、各々のロボットが担当する持ち場で“本来業務”を行いつつ、人からの見廻り依頼やほかのロボットからの協力依頼に応じて見廻りを行うことを想定しています。最初に見廻り依頼を受け付けたロボットが、自らよりも見廻り場所に近いほかのロボットの存在を確認できた場合には、代わりにそのロボットに見廻りを行ってもらうことで効率的な見廻りが可能となります。また、撮影データを有するロボットにとって、データを届ける先が本来業務の移動範囲外であった場合、異なるロボットにデータの運搬を依頼することでデータ配信エリアの拡張も可能になります。

図7に、本実証実験により確認した見廻り場所の撮影の依頼を協調動作によって実現する場合の動作フローを示します。ここでは、システムは見廻り依頼を最終的に引き受けて撮影を担うロボット（見廻り係ロボット）と、見廻り依頼の情報を中継発信することに加え、撮影データを引き取って見廻り依頼者の元まで届けるロボット（運搬係ロボット）で構成されています。

今回開発したサービスロボット協働型見廻りシステムにおけるロボットは、920MHz帯IoT無線を用いた各種情報の発信や交換を行う機能を有するYeST+を搭載しており、数百m範囲内に存在するほかのロボットの存在検出や協力依頼、互いの位置情報を知らせ合うなど、ロボット同士で協調動作することが可能となっています。

図7では、まず、見廻り依頼者はIoTメッセージ端末を用いて920MHz帯IoT無線フレームを発信し、周辺のロボットに見廻りを依頼しますが、この際に、見廻り場所の位置情報（Position A）と見廻り映像データの届け先の情報（Position B）が無線フレームの中に挿入されます（図7①参照）。

見廻り依頼を受け付けたロボットは、同じく920MHz帯IoT 無線を用いて、見廻り場所である“Position A”により近い位置に見廻り可能なロボットがいないか検索を行い、発見された場合には、そのロボットに対して見廻り場所の撮影を依頼します（図7②参照）。今回の実証システムでは、この検索・撮影依頼は、“問合せ・応答”という1往復のメッセージ交換でまとめて実現しています。問合せ無線フレームには、見廻り場所の撮影を依頼することを示す情報が搭載されており、周辺に複数存在し得るロボットに同報（ブロードキャスト）されます。これを受信して見廻り場所の撮影を行うことを了承したロボットは、依頼元のロボットに対してユニキャストで了承応答するとともに、見廻り場所に移動して撮影を開始します。

図7では、さらに、運搬係ロボットは見廻り係ロボットからの応答を受信後、見廻り場所“Position A”に移動し見廻り係から撮影データを受け取ります。その後、届け先である“Position B”まで撮影データを運搬し、TransferJet Xにより再生装置に無線伝送します（図7③参照）。

なお、今回の実証システムは、3台以上のロボットの協調動作にも対応しており、例えば、撮影データを異なるロボット間で協力してバケツリレー的に転送を行うことで、より広域かつ柔軟な範囲の撮影データの収集・配信が可能になります。また、図7①～③の見廻りの依頼から撮影データが届くまでの動作については、同時に複数の異なる見廻り場所に対して実践することも可能です。