ソフトウェアから見たロボット開発

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1 ソフトウェアから見たロボット開発 福島県のロボットの取り組みとソフトウェアから見たロボット 会津大学 渡部有隆 1

2 概要 ソフトウェアから見たロボット開発 ロボットとソフトウェア - ソフトウェアの役割 - ソフトウェア開発 ロボットシステム開発の展望 - ロボット開発 - 分散システム - クラウドロボティクス 会津大学の取り組み - RTC-Library FUKUSHIMA - 研究開発 - RTミドルウェア講習会 - プログラミングコンテスト Keywords: ソフトウェア 人材育成 大学生等 福島県のロボット開発の取り組み ICT専門の大学 会津大学 2

3 ロボットが必要とされる主な分野 多様化するロボット産業 ロボットの分類 産業用ロボット サービスロボット フィールドロボット 組み立てロボット 案内ロボット 清掃ロボット 介護支援ロボット 建設ロボット 水中作業ロボット 搬送ロボット 生活支援ロボット 警備ロボット メディアサービスロボット 防災ロボット 農業用ロボット 応用分野 災害対応 農業 林業 物流 建設 防犯 環境 自動車 製造 医療 介護 福祉 家電 エンターテイメント 軍事 教育 宇宙 ICTの応用分野 3

4 ロボットを支える技術 バックエンドのICT プログラミング アルゴリズム 実装するためのツール 技術 問題解決 データ分析の理論 機械学習 統計学 パターン認識 環境 古典アルゴリズム Deep Learning グラフ ロボット 端末 予測 分類 クラスタ分析 ロボット アクチュエータ センサ モニタ コントローラ シミュレータ ニューラルネットワーク ビッグデータ データマイニング 膨大な量のデータ 散乱した生データ 不完全なデータ リアルタイムデータ データサイエンス 役立つ情報や指標を発見する 興味深いデータを発見する 適切な表現に変換する プラットフォーム システムを繋ぐ基盤技術 データを集め蓄積する仕組み ログ WEB センシングデータ ライフログ プログラミング言語 プログラミングパラダイム ライブラリ フレームワーク オープンソース 統合開発環境 エディタ プラグイン オペレーティングシステム ミドルウェア データベースマネジメントシステム ネットワーク センサ サーバ ストレージ ユーザ 4

5 ロボットシステムの構成要素 ソフトウェアの役割り Integrate コンポーネントを繋げる Control UI コントローラ, etc. ユーザ ロボットをより賢くする Think Store View 画像解析 パターン認識 画像データベース モニター スピーカー, etc. 画像処理 ジェスチャ認識 環境情報データベース 自律移動 環境認識 3次元点群データベース 歩行制御 音声認識 経路計画 安全予測 Sense 原因解析 エネルギー管理 センサ カメラ, etc. 飛行制御 対話 Simulate シミュレータ 環境 Act 地理情報データベース タスク情報データベース ログ情報データベース Communicate 外部サービスとの 通信I/O アクチュエータ モーター, etc. 5

6 ソフトウェアとは プログラム プログラミング コンピュータに命令を与える 知的 な 作業 単純作業. プログラミング言語を用いて命令文を記述する. 本質はアルゴリズム ライブラリ フレームワーク プログラム 画像 数値 データ コマンド 音声 画像 手順 アルゴリズム チャート テキスト 入力 ソフトウェア プログラムの集合 出力 6

7 ソフトウェア開発の性質 とても難しい知的な作業 アルゴリズムの設計には論理的思考力が不可欠 パズルを解くのに似ている 損失 プログラムに文法上の間違いがあると動かない 忠実に翻訳 実行される 損害 プログラムは書いた通りに動く 思った通りに動くとは限らない 暴走もする バグによる影響は絶大 納期遅れ 破綻 損失 ソフトウェアのバグによる事故の例 ATMや予約管理システムの故障 宇宙船が制御不能 大停電 etc. 事故 専門知識 論理的思考 経験 安全性 信頼性 堅牢性 高いコスト = 高い価値 7

8 ソフトウェア開発を支援する技術 ソフトウェアをいかに効率よく開発するか プログラミング言語 C, C++, C#, Objective-C, Java, Ruby, Python, PHP, JavaScript, Fortran, OCaml, Haskel, C#, Swift, COBOL, Basic, Lisp... プログラミングパラダイム オブジェクト指向 関数型プログラミング言語 ミドルウェア DBMS, RTミドルウェア 技術移転の サイクルが速い ソフトウェアライブラリ フレームワーク 再利用可能な洗練されたプログラムの集合 ツール群 オープンソース 自由に使えるソフトウェア 多岐に渡る分野のオープンソースプロジェクト 開発ツール IDE,バージョン管理システム 学習コスト 保守 管理コスト 技術継承 ビジュアルプログラミング モデリング言語 ユーザ指向のプログラミング技術 8

9 ロボット開発の展望 インテグレーション + アルゴリズムによる知能化 クラウドロボティクス ネットワークロボット 分散システム IoT 標準化 従来のロボット開発 コンポーネント化 独自の指針 インタフェース 技術の進歩 標準化の取り組み ミドルウェアの普及 ハードウェアの進歩 ネットワーク CPU メモリ ディスク センサ アルゴリズムの進歩 人工知能 AI ソフトウェアの進歩 プログラミング言語 フレームワーク ニーズの多様化 9

10 従来のロボット開発 構成例のイメージ 駆動 画像処理 それぞれの指針に基づき プログラムとロボットシステムを開発. 機能レベルの研究 ソフトウェアの再利用性は重視しない. 個々のプログラムは密に結合している. 外部との連携が図りにくい.新規参入の壁 自律制御 企業 カメラ 画像認識 ファイル 研究機関 大学 10

11 従来のロボット開発 問題点 A社デバイス B社デバイス Control Software Control Software 互換性のないインタフェース同士 は接続不可能 互換性のあるインタフェース同士 は接続可能 Joystick Software A社デバイスに合わせたプログラム B社デバイスを使うためには 作り直す必要がある Z社デバイス 11

12 ミドルウェアによる解決 インタフェースの標準化 A社デバイス B社デバイス Control Software Control Software 再利用性の向上 標準化されたインタフェース ミドルウェア 柔軟性の向上 Joystick Software 両社のデバイスで共通なソフトウェア Z社デバイス 12

13 ミドルウェアによる解決 A社部品 インタフェースの標準化 B社部品 C社デバイス Y大学アルゴリズム Z社サービス ミドルウェア ネットワークで簡単につながる ロボットシステム開発が 短時間で可能 ロボットシステム 再利用性の向上 選択肢の多様化 柔軟性の向上 信頼性の向上 堅牢性の向上 13

14 分散システムによるロボット開発 インテグレーション 標準化 構成例のイメージ 自律制御 駆動 ミドルウェア システムの機能を分割し 分散配置する コンポーネント化と再利用. コントローラ ネットワーク透過なオブジェクト. 画像処理 多機能性 DB接続 表示 高性能化 低コスト化 カメラ 画像認識 ローカルネットワーク デバイス アルゴリズム単位でコンポーネントを接続する 14

15 クラウドロボティクス ロボットシステムの将来像 多機能化++ 高性能化++ 構成例のイメージ 低コスト化++ 自律制御 駆動 コントローラ DB接続 研究課題 画像処理 表示 ネットワークアーキテクチャ カメラ 画像認識 セキュリティ ローカルネットワーク グローバルネットワーク 安全性 データ保存や高速処理を必要とする機能をクラウドへ 15

16 人材育成 システムを効率良くインテグレートするフレームワーク ツール 言語 開発手法 IDE, Git, etc. ソフトウェア工学 プログラミング言語(C++, Java, Python, etc.), XML, IDL, etc. オープンソース ライブラリ ミドルウェア OpenCV, Chainer, TensorFlow, OpenCL, Fluentd, etc. RTミドルウェア(OpenRTM-aist, etc.), ROS, MySQL, MongoDB, etc. プラットフォーム 理論 プログラミングパラダイム Operating Systems (Linux, Windows, etc.) 画像処理 人工知能 高性能計算 集合知 プロトコル 標準化 データベース 通信 セキュリティ 仮想化技術, クラウド, etc. ハードウェア デバイス センサ プロセッサ ネットワーク サーバ ストレージ, etc. 16

17 人材育成 新しい価値を生み出すアルゴリズム アルゴリズム = 問題を解決するための手順 効率化を目指す アルゴリズム CPU, メモリ, 永続化 正しく動作する 理論 数学 物理 発想 入力 アプリケーション 論理的思考力 古典的アルゴリズム 画像処理 出力 人工知能 動力学 数学 仕様 手順 基本的な情報処理 画像生成 予測 分析 分類 姿勢制御 固有のビジネスロジック 組み合わせ最適化 認識 認識 飛行制御 17

18 会津大学の取り組み ソフトウェアライブラリ 研究開発 RTミドルウェアの推進 各種ロボットシステムの開発 OpenRTM-aist ソフトウェア開発 コンポーネントレポジトリの構築 ロボット教育プログラム RTミドルウェア講習会の開催 ハッカソン E-ラーニングプログラムの提供 18

19 RTC-Library FUKUSHIMA 19

20 プロジェクト 大型屋外災害対応ロボット 空中観測用ロボット 有線 無線 小型屋外災害対応ロボット 研修用教材 ロボット 20

21 RTC-Library FUKUSHIMA プロジェクト 大型屋外災害対応ロボット 援竜 RTCライブラリの構築 OpenRTM-aistによる標準化 再利用の促進 高品質化 コスト削減 小型屋外災害対応ロボット スタートキット リポジトリ 県内企業等 空中観測用ロボット Drone 研究機関等 空中観測用ロボット 有線 Dronet 地上観測用ロボット Grone 知的画像処理ソフトウェア 2DCDP, 研修用教材 ロボット Kobuki, EV3, 大学 高専等 再利用 登録 研修活動の促進 イノベーション コースト構想の実現 RTCの拡充 駆動系 制御系 センサー系 操作系 シミュレータ 無線通信系 有線通信系 画像処理 表示系 クラウド 21

22 サービス WEBのコンテンツ コンポーネントとパッケージのライブラリ メイン機能 RTCリポジトリ コンポーネント登録 管理 コンポーネント検索 WEB構成 トップページ OpenRTM-aist ライブラリ ドキュメント フォーラム コラム ダウンロード 登録 管理 研修資料 マニュアル 検索 Eラーニング 検索結果 ロボット一覧 コンポーネント一覧 個人情報保護方針 サイトポリシィ コンポーネント詳細 利用規約 22

23 RTコンポーネントの例 ドローンビューア ドローンセンサー情報等を表示 フライト情報 GPS Gyro 環境情報,etc. ビューア コントローラ系 一部抜粋 RTC_RPY_Viewer ロボットの姿勢のGUI 表示 Roll Pitch Yaw RTC_E1_GUI 大型ロボット操作用のGUI PC タブレット等での使用を想定 23

24 RTコンポーネントの例 画像ビューア系 一部抜粋 俯瞰合成画像ビューアRTC 画像データを取得し 画像をディスプレイ上に 表示 RTC_Camera_Multi_Viewer クローラロボットから取得した複数の画像を結合して表示 24

25 RTコンポーネントの例 画像処理系 一部抜粋 2DCDP_コアロジックRTC 2枚の画像ファイルに対し 二次元 連続動的計画法(2DCDP) のアルゴリズムを用いた非線形最 適マッチングの処理を行う 2DCDPシステム 2枚のカメラ画像ファイルに対し 二次元連続動的計 画法(2DCDP)のアルゴリズムを用いた非線形最 適マッチング処理を行い その結果をビューアに表示 俯瞰画像合成RTC 8枚の画像から1枚の俯瞰画像 へ合成を行う 2DCDPパラメータ設定RTC 2DCDP system用のパラメータ設定guiを制御 25

26 会津大学の研究 26

27 動画像認識のアルゴリズム時空間連続DP 27

28 ビデオから都市風景の3D画像化 28

29 教育プログラム ロボットSWライブラリーを基盤としたロボットテクノロジー教育研修 ロボットテクノロジーの人材育成とOpenRTM-aistの普及を図る E-ラーニング コンテスト 事業化 WEB上でOpenRTMを学ぶことができる教材 世界規模のコンペティション への参戦 ハッカソン テキスト ビデオ クイズ 難題の解決を通して チームの開発力を高める RTミドルウェア講習会 中級 RTミドルウェア講習会 初級 RTMやRTCの概念 作成方 法 各種ツールの使い方を学 ぶ 自ら設計 実装したRTCで ロボットを動かせるようになる RTMやRTCについて さらに技術力を高める 事業化 ロボット開発の促進 与えられた問題に対して RTC-Library-Fukushima 自ら設計 実装したRTCでロ ボットを動かせるようになる RTコンポーネント群 コントローラ系 センサ カメラ系 既存のRTCを使ってRTM上で ロボットを動作させることができ るようになる 検索 登録 システムエディタ 画像処理系 Joystick KOBUKI TurtleBot 教育用機材 講習会において 充実した教育用機材 を提供 Ras. Pi Camera 小型PC カメラ コントローラ レポジトリ LEGO EV3 教育用台車ロボット Raspberry Pi 表示 モニタ系 ネットワーク系 クラウド シミュレータ モデル クラウド DB系 教育研修用コンポーネント 29

30 RTミドルウェア講習会 概要 RTミドルウェアやRTコンポーネントの概念 作成方法 ツールの使い方を解説 実際にRTコンポーネントを作成しロボットを動作させてRTミドルウェアによる開発を学ぶ実習形式の講習会 30

31 RTミドルウェア講習会 ハッカソン 開催日時 開催場所 人数 平成27年6月24日 水 会津 会津大学 20名 平成28年3月4日 金 会津 会津大学 20名 平成28年11月18日 金 会津 会津大学 16名 平成28年12月16日 金 いわき いわき明星大学 17名 平成29年1月27日 金 郡山 日本大学工学部 17名 内容 RTミドルウェア講習会 OpenRTMの概念や作成方法などを解説し 実際にロボットを動かす演習を行います 中級RTミドルウェア講習会 平成29年3月10日 金 会津大学 20名 OpenRTMのツールを使いながら 自分で仕 様を考え プログラムを作成し ロボットを自 律移動させるシステムを作成します 会津大学 数チーム ハッカソントライアル ハッカソン 平成29年3月22 23日 来年度も計画 初級 中級 上級 ハッカソンなど 31

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