ホンダにおける RT ミドルウェア開発と標準化活動株式会社本田技術研究所基礎技術研究センター関谷眞

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すずりはぎにわ
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1 ホンダにおける RT ミドルウェア開発と標準化活動株式会社本田技術研究所基礎技術研究センター関谷眞

2 目次知能ロボットシステム概要コンポーネント指向ミドルウェア HRTMの開発 ASIMOへの適用 HRTMとOpenRTM-aistの連携動作標準化活動

3 知能ロボットシステム概要センサーやアクチュエーターは追加や変更されるシステム構成は変更したくないセンサー, アクチュエーターの関係を抽象化したデータ処理 ( 知能アルゴリズム ) が必要となる

4 知能アルゴリズムの抽象化階層設計によって知能アルゴリズムの抽象化を実現する知能ロボットシステムアーキテクチャー抽象化モデル層 ( 知能アルゴリズム ) 基盤機能層 ( フレームワーク ) OS ハードウェアデータフローステートマシン抽象化センサー抽象化アクチュエーター実行制御通信

5 コンポーネント指向開発アルゴリズムの抽象化のためのオブジェクトコンポーネント指向開発共通のインターフェース仕様に従う同一インターフェースを持つコンポーネント同士は入れ替え可能コンポーネントの特徴オブジェクトは開発言語仕様として定義される ( 例えば C++) が, コンポーネントは言語とは独立した仕様として定義することができるコンポーネントは抽象化モデルの実現手段として適している

6 Component Component6 コンポーネント指向ミドルウェアシステム設計コンポーネント FSM コンポーネント通信プロトコル指定階層化コンポーネント B a A b c C コンポーネント仕様フレームワーク OS コンポーネント指向ミドルウェアはシステム設計ツール, コンポーネント仕様, フレームワークで構成される

7 知能ロボットミドルウェアの要件構成要素要件システム設計ツール標準的なモデル言語でシステムを設計できることコンポーネント仕様標準的なコンポーネント仕様に準拠することコンポーネントを階層的に設計できること状態遷移型コンポーネントを設計できることフレームワークコンポーネントを様々な OS 上で実行できることコンポーネント間通信に複数の手法を利用できること処理時間に対するオーバーヘッドが最小限であること

ロボットミドルウエアの比較 Name OpenRTM-aist ROS OROCOS 階層化コンポーネント実装は2 階層まで no no FSM コンポーネント no yes (Python) no サポート OS 通信プロトコル Linux Windows Mac OSX CORBA Linux

8 ロボットミドルウエアの比較 Name OpenRTM-aist ROS OROCOS 階層化コンポーネント実装は2 階層まで no no FSM コンポーネント no yes (Python) no サポート OS 通信プロトコル Linux Windows Mac OSX CORBA Linux TCP/IP UDP Linux Windows Mac OSX TCP/IP UDP システム設計言語独自ブロック図 no no コンポーネント仕様 RTC no 独自仕様 2009 年当時は全ての要件を満たすロボットミドルウェアが存在しなかったため RTC 仕様に準拠した独自のミドルウェア開発を開始した

9 Honda Robotic Technology Middleware(HRTM) の特徴構成要素システム設計ツールコンポーネント仕様フレームワーク特徴 UML でシステムを設計できる RTC 仕様に準拠するコンポーネントを階層的に設計できる状態遷移型コンポーネントを設計できるコンポーネントのソースコードは OS に依存しないコンポーネント間通信複数のプロトコルを選択できるネットワークプロセス間プロセス内通信モードを選択できるハードリアルタイム性を確保

10 システム設計ツール UMLによる視覚的な設計ポートの種類や接続関係設計コンポーネントの実行順指定ステートチャートによるFSM 設計ソースコード自動生成機能コンポーネント実行状態のモニタリング

11 コンポーネント仕様 RTC 仕様 (CORBA PSM) に準拠 OpenRTM-aist との相互接続が可能 HRTM 独自の拡張を実装

12 階層型コンポーネント多階層化が可能プロパティによって, サブコンポーネントの並列実行, 直列実行及び実行順序を指定可能並列実行直列実行

13 状態遷移型コンポーネント UML Statechart による視覚的な状態遷移モデル設計を実現し, 複雑な状態遷移を簡潔に表現できるようにした設計した状態遷移図からソースコードを自動生成できる Super State Event A State A State B Event C Event B State C

14 フレームワークマルチプラットフォーム対応 OS 依存 API の抽象化層を実装し, コンポーネントのソースコードを OS 非依存としたマルチ通信プロトコル対応コンポーネント間の通信プロトコルをプロパティとして, 実行時に選択する機能を実装したコネクタのプロパティで通信プロトコルを選択

15 ハードリアルタイム性実行コンテキストに優先度指定を追加した OpenRTM-aist 互換通信処理を拡張し,3 つの通信モードを実装したネットワークプロセス間プロセス内 1000 バイト通信時間測定結果通信モード受信時間 [us] 送信時間 [us] 合計 [us] ネットワークプロセス内

TrackingWalk TrackWalk ReceiveTarget 指令値待ち状態歩行中状態状態通知

16 ASIMO への適用 HRTM の機能実証例として,ASIMO システムの経路追従歩行部のコンポーネント化に成功した ReceiveStop ReceiveSuspend TrackingWalk TrackWalk ReceiveTarget 指令値待ち状態歩行中状態状態通知状態遷移イベント生成目的地到着状態コンポーネント化後の処理時間 à 32 μs(10%) 増加ポート数を最小限にすることで, 処理時間は減らすことができる

17 HRTM と OpenRTM-aist との連携システム概要 HRTM コンポーネントと OpenRTM-aist コンポーネントが相互接続して 2 台のルンバを操作するシステムを構築した Kinect コンポーネント (OpenRTM-aist) ジェスチャーコンポーネント (OpenRTM-aist) ルンバコンポーネント (HRTM) ルンバコンポーネント (OpenRTM-aist) モニターコンポーネント (OpenRTM-aist) コントローラーコンポーネント (HRTM)

18 HRTM と OpenRTM-aist との連携動作 2012 年 12 月の OMG Robotics Information Day で実施

19 標準化活動 FSM4RTC(Finite State Machine for RTC) 仕様 RTC 仕様に対する拡張仕様 n コンポーネントの状態変化を外部に通知するインターフェース仕様 n FSM コンポーネントのための拡張インターフェース仕様 n データポートインターフェース仕様 2015 年 7 月現在採択仕様として公開中 n 年 9 月正式仕様化予定

20 まとめホンダ製ミドルウェアの狙いと特徴を示し,ASIMO システムへの適用例を紹介した拡張仕様を産総研と共に標準化作業中拡張機能は OpenRTM-aist への適用を検討中

22 Appendix FSM4RTC 仕様

23 FSM4RTC の概要 RTC に対する拡張項目 ComponentObserver(SDOService を継承 ) n コンポーネントの状態変化を外部に通知するためのインターフェース ExtendedFsmService(SDOService を継承 ) n FSM コンポーネントのための拡張インターフェース DataPort の追加 n コンポーネント間でイベントを送受信するためのインターフェース

24 SDOService による機能拡張 FSM4RTC は SDOService を継承したインターフェースによるコンポーネント拡張の仕組みを利用している

25 ComponentObserver クラス図 pkg <<interface>> SDOPackage::SDOService <<interface>> RTC::ComponentObserver + update_status(status_kind : StatusKind, hint : String) : void <<enumeration>> RTC::StatusKind - COMPONENT_PROFILE - RTC_STATUS - EC_STATUS - PORT_PROFILE - CONFIGURATION - RTC_HEARTBEAT - EC_HEARTBEAT - FSM_PROFILE - FSM_STATUS - FSM_STRUCTURE - USER_DEFINED - STATUS_KIND_NUM コンポーネントが外部に通知を行うための update_status メソッドを持つ

26 ComponentObserver シーケンス図外部ツールなどが ComponentObserver をコンポーネントに登録し, 状態の通知を待つ

27 ExtendedFsmService クラス図 pkg <<interface>> SDOPackage::SDOService FsmEventProfile - name : String - data_type : String * 1 <<interface>> RTC::ExtendedFsmService + get_current_state() : String + set_fsm_structure( in fsm_structure : FsmStructure) : ReturnCode_t + get_fsm_structure(inout fsm_structure : FsmStructure) : ReturnCode_t 1 1 RTC::FsmStructure - name : String - structure : String - event_profiles : FsmEventProfile[] - properties : NameValue[] FSM 状態を取得するための get_current_state FSM の内部構造を設定するための set_fsm_structure FSM の内部構造を取得するための get_fsm_structure

28 ExtendedFsmService シーケンス図 FSM コンポーネントは ExtendedFsmService を外部インターフェースとして自ら登録する

29 DataPort クラス図 <<interface>> RTC::DataPushService + push(data : Octet[]) : PortStatus <<interface>> RTC::DataPullService + pull(data : Octet[]) : PortStatus プッシュ型通信の DataPushService は push プル型通信の DataPullService は Pull メソッドを持つ

30 DataPort シーケンス図 PortService は PortProfile に基づいて DataPushService または DataPullService を生成する

RTM セミナー RT ミドルウェアによる実時間ロボット制御系の構築とソフトウェア教育静岡大学大学院工学研究科機械工学専攻清水昌幸

RTM セミナー RT ミドルウェアによる実時間ロボット制御系の構築とソフトウェア教育静岡大学大学院工学研究科機械工学専攻清水昌幸 RTM セミナー 2013.11.12 RT ミドルウェアによる実時間ロボット制御系の構築とソフトウェア教育静岡大学大学院工学研究科機械工学専攻清水昌幸 2 内容 RT ミドルウェアを用いた実時間ロボット制御系の構築実時間制御の実現方法. ART-Linux を用いた実現例と実時間性能. ソフトウェア教育研究室配属学生 ( 学部 4 年生 ) への導入教育の実施内容と結果. 3 ロボット制御系の一例

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