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しらんはしかわ
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1 ロボットミドルウエア安藤慶昭国立研究開発法人産業技術総合研究所ロボットイノベーション研究センターロボットソフトウェアプラットフォーム研究チーム長

2 概要ロボットとソフトウェアロボットミドルウエアとは? RTミドルウエア:OpenRTM-aist 様々なミドルウエア / プラットフォーム終わりに 2

3 センサロボットを構成する要素エンコーダ力磁気加速度などアクチュエータモータなど機構 ( メカ ) + コンピュータソフトウエア 3

4 フィードバック制御コンピュータ目標角度角度ロータリーエンコーダ ( 角度を読むセンサ ) リアルタイム実行 ( リアルタイム OS 上 ) 回転電圧モータ制御理論たいていはソフトウェア ( プログラム ) で実現される 4

5 モータ運動学 θ1 θ2 l2 l1 ( x, y ) ロボットアームの運動学運動学 (kinematics) とは位置の移動とその時間変化を対応させて考える学問であり数理的な手法であり物理学の原理を基礎としていない一般的に物体の状態は移動と回転の運動学の両方を兼ね合わせて記述する vl v vr rl rr モータ l L r ロボットの機構 ( メカ ) の運動を数式で ( プログラムとして ) 記述する移動ロボットの運動学 5

6 順運動学逆運動学 (2 自由度の場合 ) 順運動学逆運動学 θ2 l2 ( x, y ) θ2 l2 ( x, y ) β θ1 l1 θ1 l1 α φ ld 2 つの関節の角度がわかっているとき XY 座標を求めることができる XY 座標がわかっているとき関節の角度を求めることができる注 : どの場合も腕の長さははじめから与えられている

7 ロボットを構成する要素これらのほとんどはソフトウエア ( プログラム ) として実現されコンピュータ上で実行される行動生成作業対話遠隔操作自律移動学習コンピュータソフトウエア ( プログラム ) 計測観測制御メカアクチュエータセンサ 7

8 プログラムプログラムとは? コンピュータにやらせたいことを書いた手順書アルゴリズムコンピュータは機械語 ( マシン語 ) しか理解できないプログラミング言語プログラムはプログラミング言語で書くプログラミング言語にはいろいろな種類があるそれぞれ長所短所がある ( 適材適所 ) 8

9 プログラミング言語機械語アセンブリ言語コンパイル型言語プログラムをすべて機械語に翻訳 ( コンパイル ) してから実行 C C++ FORTRAN Pascal など中間言語型プログラムを仮想コンピュータ用の機械語 ( バイトコード ) に翻訳してから仮想コンピュータ上で実行 Java.NET(C# など ) インタプリタ型プログラムを一行ずつ実行 Ruby Python Perl BASIC 人間が読みにくい人間が読みやすい低級言語高級言語 9

10 プログラミングパラダイム ( 枠組 ) オブジェクト指向プログラミング関数型プログラミングジェネリックプログラミングデータ指向プログラミング構造化プログラミング - 非構造化プログラミング命令型プログラミング - 宣言型プログラミングメッセージ送信プログラミング - 命令型プログラミング手続き型プログラミング - 関数型プログラミング値レベルプログラミング - 関数レベルプログラミング逐次実行型プログラミング - イベント駆動型プログラミングスカラプログラミング - ベクトルプログラミングクラスベースプログラミング - プロトタイプベースプログラミング - Mixin 制約プログラミング - 論理型プログラミングコンポーネント指向プログラミングアスペクト指向プログラミングパイプラインプログラミング課題指向プログラミングリフレクティブプログラミングデータフロープログラミング ( スプレッドシート ) ポリシーベースプログラミングツリープログラミング註釈プログラミング属性指向プログラミングコンセプト指向プログラミング 10

11 プログラミング言語を学ぶ文法を覚えるコンパイル実行の方法を覚える実際にプログラムを書いてみる関数やライブラリの使い方を覚えるいっぺんに覚える必要はない少しずつデバッグの方法を覚える人のプログラムを読む読むことは書くことより難しい! 11

12 いろいろな言語の Hello World C++ #include <cstdlib> #include <iostream> int main () { std::cout << "Hello, world!" << std::endl; return EXIT_SUCCESS; } 12

13 いろいろな言語の Hello World print "Hello, world! Python (Version 3 以降は ) print( Hello, world! ) 13

getinsets(); g.drawstring("hello, World!", ins.left + 25, ins.

14 いろいろな言語の Hello World Java import java.awt.*; import java.awt.event.*; public class HelloFrame extends Frame { HelloFrame(String title) { super(title); } public void paint(graphics g) { super.paint(g); Insets ins = this.getinsets(); g.drawstring("hello, World!", ins.left + 25, ins.top + 25); } public static void main(string[] args) { HelloFrame fr = new HelloFrame("Hello"); class HelloJava { public static void main(string[] args) { System.out.println( Hello, world!"); } } fr.addwindowlistener( new WindowAdapter() { public void windowclosing(windowevent e) { System.exit(0); } } ); fr.setresizable(true); fr.setsize(500, 100); fr.setvisible(true); } } 14

15 プログラミングの流れ C++ Java Python プログラムプログラムプログラムコンパイルリンクコンパイル (javac.exe) 実行 JavaVM(java.exe) で実行 Python インタプリタで実行 15

16 プログラミング言語の特徴実行速度リアルタイム実行コンパイルオブジェクト指向 C/C++ 必要 / Java 必要 Python 不要移植性動的処理 GUIの作りやすさ学習のしやすさ手軽さ大規模開発 C/C++ / / Java Python 用途目的に応じて適切なプログラミング言語を選択することが重要 16

17 オブジェクト指向プログラミング 17

18 オブジェクト指向プログラミングオブジェクト指向とはカプセル化 ( モジュール化 ) 処理の詳細とデータの隠蔽インヘリタンス機能の継承や拡張ポリモーフィズム多態性と共通化ダイナミックバインディング型の違いによる処理の差別化とりあえずオブジェクト指向 = カプセル化と覚えておけば十分 18

19 クラスの概念クラス = データ + 処理メンバ変数インスタンスと同時に生成される変数オブジェクトの状態を保持通常オブジェクトの外からは見えないようにする ( 隠蔽 ) メンバ関数オブジェクトに作用を及ぼすメンバ変数の値を変えるオブジェクトに処理をさせて結果を得る int m_var0 クラス int getvar0() void setvar0(int var) メンバ変数メンバ関数 19

20 例 : なぜ変数を隠蔽するのか実装の隠蔽実装と振る舞いの分離依存性の排除隠蔽レベルの制御 (C++ の例 ) public protected private 2つの setvar の例 void setvar0(int var) { m_var0 = var; } void setvar0(int var) { if (var > 100) { m_var0 = 100; } else if (var < 0) {m_var0 = 0; } else { m_var0 = var; } } 20

21 クラスとインスタンスクラスオブジェクトを作るための型メンバ変数メンバ関数から構成されるインスタンスオブジェクトとも呼ぶ ( 厳密には両者は違うが ) クラスを具現化したものクラス : たこ焼きの型インスタンス : たこ焼きクラスインスタンス

22 ロボットミドルウェアとは? 22

23 ロボットミドルウエアとは? ロボットシステム構築を効率化するための共通機能を提供する基盤ソフトウエアロボット OS と呼ばれることもあるインターフェースプロトコルの共通化標準化例としてモジュール化コンポーネント化フレームワークを提供モジュール間の通信をサポートパラメータの設定配置起動モジュールの複合化 ( 結合 ) 機能を提供抽象化により OS や言語間連携相互運用を実現 2000 年ごろから開発が活発化世界各国で様々なミドルウエアが開発公開されている 23

24 ロボットソフトウェア開発の方向従来型開発コンポーネント指向開発カメラマイク頭腕駆動音声合成カメラ音声認識対話音声合成ミドルウェアマイクステレオビジョン顔認識頭腕駆動ステレオビジョン顔認識音声認識対話様々な機能を融合的に設計実行時の効率は高いが柔軟性に欠けるシステムが複雑化してくると開発が困難に大規模複雑な機能の分割統合開発保守効率化 ( 機能の再利用等 ) システムの柔軟性向上

25 モジュール化のメリット再利用性の向上同じコンポーネントをいろいろなシステムに使いまわせる選択肢の多様化同じ機能を持つ複数のモジュールを試すことができる柔軟性の向上モジュール接続構成かえるだけで様々なシステムを構築できる信頼性の向上モジュール単位でテスト可能なため信頼性が向上する堅牢性の向上システムがモジュールで分割されているので一つの問題が全体に波及しにくい

26 ミドルウエアコンポーネント etc ミドルウエア OS とアプリケーション層の中間に位置し特定の用途に対して利便性抽象化向上のために種々の機能を提供するソフトウエア例 :RDBMS ORB 等定義は結構曖昧分散オブジェクト ( ミドルウエア ) 分散環境においてリモートのオブジェクトに対して透過的アクセスを提供する仕組み例 :DDS CORBA Ice Java RMI DCOM 等コンポーネント再利用可能なソフトウエアの断片 ( 例えばモジュール ) であり内部の詳細機能にアクセスするための ( シンタクスセマンティクスともにきちんと定義された ) インターフェースセットをもち外部に対してはそのインターフェースを介してある種の機能を提供するモジュール CBSD(Component Based Software Development) ソフトウエアシステムを構築する際の基本構成要素をコンポーネントとして構成するソフトウエア開発手法 26

27 様々なミドルウエア / プラットフォーム OpenRTM-aist ROS OROCOS OPRoS ORCA Microsoft Robotic Studio Player/Stage/Gazebo ORiN RSNP UNR Platform OPEN-R Open Robot Controller architecture 27

28 RT-Middleware OpenRTM-aist 28

29 RT とは? RT = Robot Technology cf. IT Real-time 単体のロボットだけでなくさまざまなロボット技術に基づく機能要素をも含む ( センサアクチュエータ, 制御スキームアルゴリズム etc.) 産総研版 RT ミドルウエア OpenRTM-aist RT-Middleware (RTM) RT 要素のインテグレーションのためのミドルウエア RT-Component (RTC) RT-Middleware におけるソフトウエアの基本単位 RT-Middleware 29

30 ロボットシステムの構造ロボット体内のコンポーネントによる構成例画像データポートカメラコンポーネント顔位置問合せ顔認識コンポーネントデータコマンドの流れカメラコンポーネント画像データステレオビジョンコンポーネントカメラコントロール人物データ表情データジェスチャ軌道データ頭腕駆動コンポーネント音声データ音声認識コンポーネント文字データ対話コンポーネント文字データ音声合成コンポーネントマイクコンポーネント多くの機能要素 ( コンポーネント ) から構成される

31 RT ミドルウエアプロジェクト NEDO 21 世紀ロボットチャレンジプログラム ( 年度 ) ロボット機能発現のために必要な要素技術開発 RT 分野のアプリケーション全体に広く共通的に使われる機能および RT 要素の部品化 ( モジュール化 ) の研究開発分散オブジェクト指向システムのミドルウェアである CORBA をベースとして行う RT 要素の分類を行いモジュール化の形態必要な機能課題インタフェース仕様などを明確にする 14 年度成果報告書より 31

32 従来のシステムでは Joystick software Joystick Robot Arm Control software 互換性のあるインターフェース同士は接続可能 Robot Arm 32

33 従来のシステムでは Humanoid s Arm Control software Humanoid s Arm Joystick software Joystick ロボットによってインターフェースは色々互換性が無ければつながらない Robot Arm Control software Robot Arm 33

34 RT ミドルウエアでは RT ミドルウエアは別々に作られたソフトウエアモジュール同士を繋ぐための共通インターフェースを提供する Arm A Control software compatible arm interfaces Humanoid s Arm Joystick software Joystick ソフトウエアの再利用性の向上 RT システム構築が容易になる Arm B Control software Robot Arm 34

35 RT ミドルウエアの目的モジュール化による問題解決仕様の明確化最新技術を容易に利用可能誰でもロボットが作れるコストの問題技術の問題ニーズの問題 A 社製移動ベース B 社製アーム C 社製センサ最新の理論アルゴリズム多様なユーザ!!!! RT コンポーネント化仕様モジュール化再利用ロボットの低コスト化システム開発者最新技術を利用可能カスタマイズが容易に多様なニーズに対応ロボットシステムインテグレーションによるイノベーション 35

モントリオール会議 ( ロボット技術の標準化を呼びかけるセミナーを企画し基調講演する故谷江和雄元産総研知能システム研究部門長

36 期待される未来のロボット産業のモデルソリューションビジネスユーザ納品発注システムインテグレータ (SI) 製造委託情報提供コンポーネント提供コンポーネントコンポーネントコンポーネントメーカメーカメーカシーズ提供製造業者研究機関 2004 年 8 月 OMG モントリオール会議 ( ロボット技術の標準化を呼びかけるセミナーを企画し基調講演する故谷江和雄元産総研知能システム研究部門長 President of IEEE Robotics and Society ) ミドルウエアミドルウエア :SI コンポーネントメーカ製造業者間の交流を促進する情報基盤

37 RT ミドルウエアと RT コンポーネントロジックデバイス制御制御アルゴリズムアプリケーション etc RT コンポーネントフレームワーク RT コンポーネントロジックを箱 ( フレームワーク ) に入れたもの =RT コンポーネント (RTC) RTC RTC RTC RTC RTC RTC RTC RTC RT ミドルウエア RTC の実行環境 (OS のようなもの )=RT ミドルウエア (RTM) RTC はネットワーク上に分散可能 37

38 RT コンポーネント化のメリットモジュール化のメリットに加えてソフトウエアパターンを提供ロボットに特有のソフトウエアパターンを提供することで体系的なシステム構築が可能フレームワークの提供フレームワークが提供されているのでコアのロジックに集中できる分散ミドルウエアロボット体内 LAN やネットワークロボットなど分散システムを容易に構築可能

39 RT コンポーネントの主な機能アクティビティ実行コンテキストデータポート共通の状態遷移 Inactive Active 複合実行センサ RTC 制御 RTC データ指向ポート連続的なデータの送受信動的な接続切断目標値位置電圧サーボの例 Error アクチュエータ RTC ライフサイクルの管理コアロジックの実行エンコーダコンポーネント位置 - 1 TI s TDs 制御器コンポーネントデータ指向通信機能 + Kp アクチュエータコンポーネントサービスポート定義可能なインターフェースを持つ内部の詳細な機能にアクセスパラメータ取得設定モード切替 etc ステレオビジョンインターフェースモード設定関数座標系設定関数キャリブレーション etc 画像データサービス指向相互作用機能ステレオビジョンの例ステレオビジョンコンポーネントサービスポート 3D デプスデータデータポートコンフィギュレーションパラメータを保持する仕組みいくつかのセットを保持可能実行時に動的に変更可能セット名セット名名前値名前値複数のセットを動作時に切り替えて使用可能

40 分散オブジェクトとは? システムの機能分割と分散配置ネットワーク透過なオブジェクトコンポーネント化と再利用オブジェクト指向 + ネットワーク分散オブジェクトプロキシオブジェクトアプリ A アプリ B アプリ C ミドルウエア代表例 CORBA (Common Object Request Broker Architecture) CCM (CORBA Component Model) JavaRMI (Java Remote Method Invocation) EJB (Enterprise Java Beans) DCOM, HORB etc 計算機 A OS A 計算機 B OS B 計算機 C OS C 計算機 D OS D 40

41 CORBA の例 <<IDL 定義 >> interface MobileRobot { void gotopos(in position pos); } << サーバ実装 >> class MobileRobot_Impl : public virtual POA_MobileRobot, public virtual PortableServer::RefCountServant Base { void gotopos(position pos) { MobileRobot::gotoPos の実装 } } << クライアント >> 本題にたどり着くまでが面倒 RTミドルウエアがサーバ MobileRobot_var robot; robot = { 何らかの方法でオブジェクト参照を取得 } // robot = プロキシオブジェクト robot->gotopos(pos); サーバスケルトン全部面倒みます object!! IDL メソッド gotopos() 呼び出しクライアントスタブクライアント proxy object call 41

42 RTM RTC とは? ソフトウエアアーキテクチャの違い RTC アプリアプリケーション RTC RTC アプリケーションオブジェクトオブジェクト RTM ライブラリライブラリミドルウエア (CORBA) ミドルウエア (CORBA) OS OS OS 従来ソフトウエアから分散オブジェクトへオブジェクト指向開発言語 OS の壁を越えて利用できるインターフェースを IDL で定義各言語へ自動変換 OS アーキテクチャの違いを吸収ネットワーク透過に利用できる分散システムを容易に構築可能分散オブジェクトから RTC へインターフェースがきちんと決まっている IDL で定義された標準インターフェース呼び出しに対する振る舞いが決まっている (OMG RTC 標準仕様 ) 同じ部品として扱えるコンポーネントのメタ情報を取得することができる動的な接続や構成の変更ができるロボットシステムに特有な機能を提供後述 42

43 RT ミドルウエアによる分散システム RTM によりネットワーク上に分散する RTC を OS 言語の壁を越えて接続することができるネットワークロボット A RTC RTC RTM VxWorks ロボット B RTC RTC RTM QNX ロボット C RTC RTC RTC RTM Real Time Linux Linux RTM RTC RTC Windows RTM RTC RTC uitron RTM RTC RTC RTC 同士の接続はプログラム実行中に動的に行うことが出来るアプリケーション操作デバイスセンサ

操作可能コンポーネント設計をすばやく簡単にオンライン編集機能 C++ Java Python C# のコードを自動生成

44 ツールチェーン RTCBuilder RT コンポーネント設計コード生成 RTSystemEditor RTC を組み合わせてシステムを設計 RTC RTM 統合開発環境の整備 RTシステムを簡単に設計操作可能コンポーネント設計をすばやく簡単にオンライン編集機能 C++ Java Python C# のコードを自動生成 RTC 設計実装デバッグ RTMによるインテグレーションデバッグまでをオフライン編集機能一貫して行うことができる統合開発環境をEclipse 上に構築 44

45 体系的システム開発開発者の経験やノウハウに依存したロボットシステム開発体系的システムデザイン : 分析設計実装の一連の流れ 45

46 プラットフォーム概要 ( 例 ) 介助犬ロボットの開発 ( 対話による拾上げ動作の実装 ) システム設計検索参照仕様作成ロボット設計支援ツール構想動作確認 RTシステムエディタシミュレータ RT リポジトリ設計 HW SW の検証ロボットの仕様ロボットの RT システム製作拾上げ動作設計ロボットの仕様 ( アプリケーション開発 ) 動作の概略作成動作設計ツール補完動作列生成 ( 安全動作列生成 ) 動作記述の生成保存安全性の確認シミュレータ動作の検証動作 DB 対話による作業命令 ( アプリケーション開発 ) 動作の確認ロボットの仕様シナリオ作成ツール実時間 SW 設計ツール検証シミュレータ動作聴覚シナリオ記述接近作業対話ロボットへ実装 46

47 RT ミドルウェアの国際標準化 OMG 国際標準標準化組織で手続きに沿って策定 1 組織では勝手に改変できない安心感多くの互換実装ができつつある競争と相互運用性が促進される RT ミドルウエア互換実装は 10 種類以上名称ベンダ特徴互換性 OpenRTM-aist 産総研 NEDO PJ で開発参照実装 --- HRTM ホンダアシモは HRTM へ移行中 OpenRTM.NET セック.NET(C#,VB,C++/CLI, F#, etc..) RTM on Android セック Android 版 RT ミドルウエア標準化履歴 2005 年 9 月 Request for Proposal 発行 ( 標準化開始 ) 2006 年 9 月 OMG で承認事実上の国際標準獲得 2008 年 4 月 OMG RTC 標準仕様 ver.1.0 公式リリース 2012 年 9 月 ver. 1.1 改定 2015 年 9 月 FSM4RTC(FSM 型 RTC とデータポート標準 ) 採択 RTC-Lite 産総研 PIC, dspic 上の実装〇 Mini/MicorRTC SEC NEDO オープンイノベーション PJ で開発〇 RTMSafety SEC/AIST NEDO 知能化 PJで開発機能安全認証取得 RTC CANOpen SIT, CiA CAN 業界 RTM 標準〇 PALRO 富士ソフト小型ヒューマノイドのためのC++ PSM 実装 OPRoS ETRI 韓国国家プロジェクトでの実装 GostaiRTC GOSTAI, THALES ロボット言語上で動作する C++ PSM 実装特定のベンダが撤退してもユーザは使い続けることが可能〇

48 実用例製品化例 HRP シリーズ : 川田工業 AIST S-ONE:SCHAFT DAQ-Middleware: KEK/J-PARC KEK: High Energy Accelerator Research Organization J-PARC: Japan Proton Accelerator Research Complex 災害対応ロボット操縦シミュレータ : NEDO/ 千葉工大 HIRO, NEXTAGE open: Kawada Robotics RAPUDA:Life Robotics ビュートローバー RTC/RTC-BT(VSTONE) OROCHI( アールティ ) 新日本電工他 : Mobile SEM

49 ROS(Robot Operating System) 49

がソフトウエア部分の PL Player の作者の一人ビジネスモデルソフト :ROS( 無償 )+ハード:PR2

50 Willow Garage Willow Garage 2007 年設立のロボットベンチャー ( 米 Menlo Park) Scott Hassan が出資 google の初期エンジンの作者の一人 Brian Gerkey がソフトウエア部分の PL Player の作者の一人ビジネスモデルソフト :ROS( 無償 )+ハード:PR2 を販売その他は不明資金がたくさんあるので急いで利益を上げる必要はないとのことまずPR2を10 台無償で大学などに配布予定 50

51 ROS(Robot Operating System) 目的 : ロボット研究を効率的にする OS ではない Robot Operating System, Robot Open Source UNIX 哲学 UNIX 的なコンパクトなツールライブラリ群による効率的なインテグレーション環境を提供するモジュール性柔軟性再利用性言語 OS 非依存オープンソースプラットフォームアーキテクチャ独自ミドルウエア ( 独自 IDL からコード生成 ) メッセージベース pub/sub モデル RPC モデル 51

52 ROS(2) ライブラリツール群が充実シミュレータ :Gazebo ベースナビゲーション :Player 等座標変換キャリブレーションプランニング :TREX マニピュレーション :OpenRAVE ビジョン :OpenCV 音声 :ManyEars 外部のオープンソースライブラリを取り込みライブラリ群として整備最近これまでとは大きくアーキテクチャの異なるミドルウェア ROS2 をリリース 52

53 ROS1 の仕組みノード :ROS のモジュール化単位 1 ノード =1 プロセスマスター : ノードの参照やトピックを保持するネームサービスシステム全体で原則一つ SPOF(Single Point of Failure) 他のノードより先に起動しなければならないパラメータサーバ : ノードのパラメータを保持するデータベースマスター内で動作ノードからは XMLRPC でアクセス rosout: ノードに対して stdout, stderr のような役割を果たす原則マスターは 1 つ他のノードより先に起動しなければならない # 拡張機能でマルチマスターも可ノード参照トピックを登録 ROS ノード ROS マスターパラメータサーバ同一トピック間のポートは自動で接続 ROS 独自プロトコル Node0: Node1: Node2: : Topic0: Topic1: Topic2: : /rosout XMLRPC で通信 ROS ノード 53

54 ROS1 の通信マスター関係の通信は XMLRPC を使用 XMLRPCはSOAP 同様に通信プロトコルとしてはHTTPをメッセージフォーマットとしてはXMLを使用する SOPAに比べて仕様が簡単 (A4で2ページ) 単純で扱いやすいトピックベースの通信は独自の ROS msg 形式.msg ファイル ( IDL) で定義 ROS message description language primitive 型 (+string, time, dulation)+ 配列 ( 固定長可変長 ) のみのシンプルな構成構造体などはできない ( はず ) TCPで通信するROSTCP UDPのROSUDPがあるサービスの通信も ROS msg 形式サービス定義 :.msg とほぼ同じ ( 引数返り値 ) 1サービス1オペレーション (1 関数 ) ROS message は自前で IDL コンパイラシリアライザデシリアライザスタブ等を実装結局のところ CORBA と同じ 54

55 ROS1 の前提単一のロボットワークステーションクラスの計算機パワー非リアルタイム ( リアルタイム性が必要な場合は特別なやり方で実施 ) 良好な通信環境 ( 有線または広帯域な無線 ) 主に学術研究向け何かを規定したり禁止したりすることのない最大の柔軟性例えば main() 関数をラップしたりしない 55

56 ROS1 から ROS2 へユースケース複数のロボット組込みCPU リアルタイム理想的でない通信環境製品向け使用あらかじめ規定されたパターンにのっとった構造化したシステム構成新たな技術 Zeroconf (avahi, bonjour, UPnP 等 ) Protocol Buffers ZeroMQ (and the other MQs) Redis( 次世代高速 key-valueデータストア ) WebSockets DDS (Data Distribution Service). 56

57 ROS 年 6 月ごろ alpha リリース通信部分は既存の標準に基づくミドルウェア : DDS で行うとしたただし DDS の複数の実装に対応 RTM が複数の CORBA 実装に対応したように DDS 依存部分は middleware interface として隠ぺいすることとしたちょうど RTM が CORBA を隠ぺいしたようにコンポーネントモデルを導入することにしたコードは Windows での使用も意識した形に 57

58 Player/Stage and Gazebo 58

59 Player/Stage and Gazebo USC Robotics Lab Player ロボット用ネットワークサーバネットワーク経由でセンサアクチュエータにアクセスするためのインターフェースを提供 Player は多くのロボットハードウエアをサポート ex. ActivMedia Pioneer 2 family Player は移動ロボット制御のための一連の共通インターフェースを提供するプラットフォーム 59

60 Player/Stage and Gazebo Stage 2 次元のビットマップベースの環境において移動ロボットセンサオブジェクト群をシミュレートする. マルチエージェントシステムの研究のために設計されている. Stage は 2 次元の移動ロボットシミュレーション環境を提供する. 60

61 Player/Stage and Gazebo Gazebo 屋外環境のマルチロボットシミュレーション環境を提供. 3 次元環境のロボットセンサオブジェクト群のシミュレーション環境を提供する. 現在は DARPA の支援を受けて OSRF において開発を継続中 OSRF: OpenSource Robotics Foundation 3 次元移動ロボットシミュレーション環境を提供. 61

62 Player/Stage and Gazebo Robot server パスプランニング衝突回避センサフュージョンマルチエージェント制御 etc... Robot A Robot B ユーザが開発する Player クライアント. C, C++, Tcl, LISP, Java, Python をサポート. しかし OOP ではない. ロボットセンサに対する共通インターフェースを提供. Robot C Simulator 62

63 OROCOS 63

64 OROCOS EU プロジェクトで開発 ( ) K.U.Leuven( ベルギー ) LAAS Toulouse( フランス ) ORCA へ KTH Stockholm( スウェーデン ) ハードリアルタイムのソフトウエアフレームワークロボットの制御に必要なライブラリ集 ( 運動学リアルタイム制御 etc ) 最近はコンポーネントベース開発のフレームワークも提供ツールによるモデルベース開発 64

65 OROCOS コンポーネントモデルデータフローポート種々のサービスインターフェースコンフィギュレーション機能コールバックベースのロジック実行フレームワークほぼ RTC と同じ ( マネ?) 65

66 OPRoS (The Open Platform for Robotic Services) 66

67 OPRoS 韓国の国プロジェクトで開発されたロボット用プラットフォーム ETRI(Electronics and Telecommunication Research Institute) KIST, Kanwong Univ., etc OMG RTC( ほぼ ) 準拠通信ミドルウエアは独自 (URC(Ubiquitous Robot Companion PJ) で開発したもの ) ツールチェーンなども提供 67

68 OPRoS ETRI, OMG Infra. WG, OPRoS Component Tools 68

69 OPRoS コンポーネント開発 Component Editor システム構築 Component Composer OpenRTM-aist によく似たツールチェーン ETRI, OMG Infra. WG, OPRoS Component Tools 69

70 YARP 70

71 YARP (Yet Another Robot Platform) IIT (Istituto Italiano di Tecnologia) で開発された icub のためのソフトウエアプラットフォーム icub: EUプロジェクト RobotCub, 53DOFの赤ちゃんの様なヒューマノイド YARP 71

72 YARP コンポーネントフレームワークは無し Main から書き始める原則 1 プロセス 1 モジュール多様な伝送方式のデータポートを提供 TCP, UDP, multicast Carrier: 様々なマーシャリングプロトコルを利用可能簡単な RPC もある独自のマーシャリング方式ノード間の利用にはネームサービスを利用 CUI ツール : yarp 接続制御モジュール制御 72

73 Microsoft Robotics Studio 73

74 Microsoft Robotics Studio 高レベルのビヘイビアやハードウエアのサービス志向の抽象化を提供再利用性シミュレータエンジンを提供 AGEIA PhysX も使えるブラウザインターフェース Windows のみで利用可能ただしある種のハードウエアに対応 LEGO NXT, i-robot, ActivMedia 等 74

75 MSRS アーキテクチャ DSSP:Decentralized Software Services Protocol DSSP: SOAP ベースのプロトコルであり軽量なサービスモデルを提供する DSSP はステート志向のメッセージオペレーションをサポートアプリケーションはサービスの集合体として定義され HTTP の拡張として提供されるサービスとは : アプリケーションのライフタイム中であれば生成操作モニタリング削除可能な軽量なエンティティサービス : ユニークな ID 状態振る舞いコンテキストを持つ実体 75

76 MSRS シミュレータ 76

77 OPEN-R 77

78 OPEN-R 開発元 :SONY AIBO, SDR-[3,4]X, QURIO 等の制御アーキテクチャ目的スケーラビリティポータビリティインターオペラビリティ異なるタイプのロボットに対して同じインターフェースを提供スタイルフレキシビリティ車輪型 4 足歩行型 2 足歩行型 78

79 OPEN-R アーキテクチャハードウエアコンポーネント CPC (Configurable Physical Component) 各コンポーネントは自身の機能位置ダイナミクスパラメータなどの情報を内蔵しているハードウエア自体がリフレクティブな機能を提供ソフトウエアコンポーネントコンフィギュレーション依存層コンフィギュレーション非依存層コンポーネント指向 sampleobserver Connect connection OPEN-R System Load CPC info samplesubject Device Driver (Virtual Robot) Robot Hard Components (CPC) 79

OPEN-R の特徴リモート処理 Walking module コードのポータビリティ組込システムと PC 間ネットワークを介したメッセージパッシングソフトウエアの再利用 Color tracking module Vision output module TCP GW

80 OPEN-R の特徴リモート処理 Walking module コードのポータビリティ組込システムと PC 間ネットワークを介したメッセージパッシングソフトウエアの再利用 Color tracking module Vision output module TCP GW User software module User software moduleuser software module TCP GW Bridge コンカレント開発環境 PC と組込みスケーラビリティモジュール非依存性の確保メッセージパッシングモジュラリティハード & ソフト 80

81 ORiN 81

82 ORiN (Open Robot Interface for the Network) 日本の FA ロボット標準 FA ロボットコントローラを抽象化マルチベンダロボットシステムを容易に実現可能メンバー : ORiN consortium (FANUC, YASUKAWA, Kawasaki, MITSUBISHI, DENSO, KOBELCO) ORiN 82

83 ORiN 設計ポリシ緩やかな標準化様々なタイプのロボット仕様を包含可能拡張性ベンダ特有のオプションを定義可能ネットワークプロトコルのモジュール化既存のロボットに適用可能実装と仕様の分離 OOP 実装ポリシデファクト標準 PC&Windows Distributed object model (DCOM) ネットワーク透過言語非依存 XML ベンダ独自の仕様を記述するための標準フレームワークインターネット技術 HTTP, XML, SOAP 83

84 ORiN アーキテクチャ RAO (Robot Access Object) ロボットコントローラに対する統一されたデータアクセシビリティを提供 RRD (Robot Resource Definition) ロボットプロファイルデータ RAP (Robot Access Protocol) インターネットを介したアクセシビリティを提供 84

85 RSNP (Robot Service Network Protocol)

86 RSi (Robot Service Initiative) RSi (Robot Service Initiative) が主導となって定めるロボット用インターネットサービスのプロトコル RSi:2004 年発足富士通三菱重工東芝安川電機日本気象協会等が加盟ロボットをプラットフォームとしたインターネットと連携した新たなビジネス創出を目指す成田雅彦, 産業技術大学院大学 ROBOMEC2013 RTM 講習会資料より 86

越し通信を実現主としてロボットとインターネット ( クラウド ) との連携に利用 cf.

87 RSNP RSiサーバ等で提供するサービスを各地のロボットを介して提供天気予報見守りロボットマップ各種ロボット制御 SOAPを利用疑似 Push 機能を利用し Firewall 越し通信を実現主としてロボットとインターネット ( クラウド ) との連携に利用 cf. RTC RSNP RTC/RTM 成田雅彦, 産業技術大学院大学 ROBOMEC2013 RTM 講習会資料より 87

88 UNR Platform (Ubiquitous Network Robot Platform) 88

89 UNR Platform 商業施設病院家などのさまざまな場所における人々の活動を支援ロボットスマートフォンアプリ環境センサがネットワークを介して連携し多地点で人々にサービスを提供することを目指す ART により開発配布亀井剛次 ATR, CNR 研究会

90 UNR Platform 一部はOMG RoIS (Robot Interaction Service) 標準に準拠個々のロボット仕様を気にせずアプリケーションを記述可能アプリと下位コンポーネントのデータのやり取りを仲介共通化標準化 90

91 RoIS: ロボット対話サービスに必要な機能を標準化 UNRプラットフォームは各種 RoISサービスをクライアントの要求に応じて仲介ロボット側はRTMや ROSなど何を利用してもよい UNR Platform RoIS 機能コンポーネント群 91

92 Comparison of open frameworks Target Open spec/source Realtime Language OS modularity communica tion OpenRTM-aist Universal / OMG RTC ROS Universal / OROCOS Universal / OPRoS Universal / OMG RTC YARP Humanoid/ Universal / C++, C, Python, Java,.NET, Android C++, Python, Java, LISP, Matlab UNIX, Mac OS X, Windows, uitron, QNX, VxWorks Linux, (OS X, Windows) C++, (scripting: Lua) Linux, Windows, Etc.. CBSD Free style CBSD C++ Windows, Linux CBSD C++, Java, Python, Lua, Matlab Linux, Windows, Mac OS X ORCA/ORCA2 Universal / C++, Python RTLinux, Other Free style MSRS Universal /.NET(C++,C#,VB,etc.) Windows SOA CBSD CORBA original protocol Ice, CORBA Original protocol Original protocol CORBA, CURD, Ice DSS SOAP 92

93 Comparison of open frameworks Target Open spec/source Realtime Language OS modularity communica tion OpenRTM-aist Universal / OMG RTC ORiN FA robots / ISO ORiN RSNP Internet Service / RSi RSNP C++, C, Python, Java,.NET, Android UNIX, Mac OS X, Windows, uitron, QNX, VxWorks CBSD C++ Windows OOP Java Java VM OOP CORBA DCOM, CORBA SOAP UNR Platform PlayerStage OPEN-R Open Robot Controller Architecture Internet Service / OMG RoIS/RLS Mobile robot / Java Java VM OOP C, C++, Tcl, LISP, Java, and Python Linux, Etc.. AIBO, C++ Linux / SDR3X OOP Universal / Java, Python Linux, Etc.. PO OOP SOAP original protocol original protocol HORB 93

94 終わりにロボット新戦略とロボットOS ミドルウェア RTミドルウェアの目的アーキテクチャ応用その他のロボットOS/ ミドルウェアの動向詳しくは検索 openrtm 本日の資料は openrtm.org に掲載します 94

95 レポート課題 (1) 1. ロボット制御に必要な以下のプログラムを示せ a. 2 自由度のアームの逆運動学を計算する以下の仕様の関数の Python プログラムを作成し実行結果を示せ (20 点 ) 関数 : th = invkinem(link, pos) th: 2 つの関節の角度 [deg] link: 2 つのリンク長 [m] pos: 手先位置 [m] 引数戻り値はいずれも要素数 2 の配列とする b. ジョイスティックの現在値から移動ロボットの車輪角速度を出力する Python プログラムを作成し実行結果を示せ (20 点 ) 関数 : vl, vr = joy2vel (k, x, y) k: 適当な係数 x, y: ジョイスティックの現在値 vl, vr: 移動ロボットの左右車輪角速度 [rad/s] 95

96 ヒント :Python でのプログラミング代入 (x に 1 を代入 ) x=1 四則演算 * / 平方根 ( ) math.sqrt(): 例 math.sqrt(x*x + y*y) 三角関数 math.sin(x), math.cos(x) arccos arctan math.acos(x), math.atan2(y,x) 円周率 math.pi ユークリッド距離 math.hypot(x, y) : 右図 l= (x^2+y^2) y l θ (x, y) x ブラウザ上でプログラミング可能なサイトを利用するとよい 96

97 ヒント :a.2 自由度アームの逆運動学関数 import math def invkinem(link, pos): l1 = link[0] l2 = link[1] x = pos[0] y = pos[1] β θ2 l2 ( x, y ) l1 ld th[0] = th[1] = return th θ1 α φ link = (1.0, 1.0) path = ((-1.0, 1.0), (-0.5, 1.0), (0.0, 1.0), (0.5, 1.0), (1.0,1.0)) for pos in path: print invkinem(link, pos) 97

98 ヒント :b. ジョイスティックから車輪速度への変換 import math def joy2vel(k, pos): th = math.atan2(pos[1], pos[0]) v = / vl = vr = return (vl, vr) y y y y pos = ((0.0,1.0), (1.0,1.0), (1.0, 0.0)) x x x x for p in pos: vl vl vr vl vr print joy2vel(1.0, p) vl vr vr y vl vr 横から見るどれだけ倒したか x 上から見るどの方向へ倒したか指令値左右の車輪の ( 角 ) 速度このタイプ ( 差動駆動型 2 輪移動ロボット ) は左右の車輪の速度を与えることでロボットを任意の場所へ移動させる x, y の値が出力される左右の車輪の速度を入力する 98

99 レポート課題 (2) 2. ミドルウエアを利用した以下のサンプルプログラムを示せ言語は C++ とする a. ロボットミドルウエアを一つ選びデータの送信を行う手順方法を調べ説明せよ結果としてコメントを付したソースコード ( 完全である必要はないがデータ送信に必要な最低限の部分を示すこと例えば OpenRTM であればヘッダと oninitialize, onexecute 関数部分 ) を添付せよ b. 同様にデータの受信を行う手順方法を調べ説明せよ結果としてコメントを付したソースコード ( 完全である必要はないがデータ受信に必要な最低限の部分を示すこと例えば OpenRTM であればヘッダと oninitialize, onexecute 関数部分 ) を添付せよ 3. 授業の感想コードに付記されたコメントを重視します 99

100 解答レポート提出期限後に資料掲載サイトに解答を掲載します 100

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Microsoft PowerPoint pptx PFCore(RT ミドルウェア ) トレーニング中級編 10:00-11:00 第 1 部 :RT コンポーネントプログラミングの概要担当 : 安藤慶昭 ( 産業技術総合研究所 ) 概要 :RT コンポーネントの作成方法, 設計時の注意点などの概要について解説します第 2 部 :RT ミドルウェア (PFcore) 開発支援ツールと RT コンポーネントの作成方法 11:00-12:00 12:00-13:00