[論文レビュー] A Graphical Language for Real-Time Critical Robot Commands

Andreas Angerer, Remi Smirra+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2013

Embedded Systems Design Techniques参考文献 10被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、SoftRobotフレームワーク内での複雑なリアルタイムロボットコマンドの直感的で視覚的な指定を可能にするグラフィカルなドメイン固有言語GSRAPIDを提示する。この言語は、ロボットタスクの図式を Robotics API を介して実行可能な Java コードに変換し、産業用ロボティクスの応用において、ハードリアルタイム制約のもとでコードの複雑さを著しく低減し、可読性および保守性を向上させる。

ABSTRACT

Industrial robotics is characterized by sophisticated mechanical components and highly-developed real-time control algorithms. However, the efficient use of robotic systems is very much limited by existing proprietary programming methods. In the research project SoftRobot, a software architecture was developed that enables the programming of complex real-time critical robot tasks with an object-oriented general purpose language. On top of this architecture, a graphical language was developed to ease the specification of complex robot commands, which can then be used as part of robot application workflows. This paper gives an overview about the design and implementation of this graphical language and illustrates its usefulness with some examples.

研究の動機と目的

• 手続き型言語で低レベルのリアルタイムロボット制御コードを記述する際の複雑さと保守性の問題に対処すること。
• アプリケーション開発者が高水準の抽象化レベルで複雑なロボットタスクを指定できるようにするとともに、ハードリアルタイム実行保証を確保すること。
• 並列処理、タイミングイベント、センサーに基づく条件分岐を含む複雑なコマンドの合成を簡素化するためのグラフィカルな形式主義を開発すること。
• グラフィカルな仕様を既存の Robotics API および Realtime Primitives Interface (RPI) スタックと統合し、決定論的なリアルタイム実行を実現すること。
• 手動で記述された実装と比較して、グラフィカルアプローチの使いやすさとスケーラビリティを評価すること。

提案手法

• 著者らは、モデルおよびUIエンジニアリングのための EMF および GMF/GEF を用いて、ロボットコマンドの視覚的合成を可能にするドメイン固有のグラフィカル言語（GSRAPID）を設計した。
• この言語は、ロボットの動作を相互に接続されたノード（例：LIN移動、SetDigitalValue、センサー）としてモデル化し、コマンド実行を表すデータフロー・グラフを形成する。
• 主な構成要素には、原子的動作を表す RuntimeCommands、動作のグループ化を目的とした TransactionCommands、センサーのデータや進行状況インジケータに基づく条件付き実行を実現する State/EventEffect 機構が含まれる。
• システムは、グラフィカルな図式から Java コードを生成し、これにより Robotics API に直接統合され、リアルタイムオペレーティングシステム上の RPI レイヤーを介して実行される。
• グラフィカルエディタは、ロボットAPIからのタイミングおよび条件トリガーを定義するための動的メソッド選択（例：motionAtPercent、isGreater）をサポートする。
• 実装は SoftRobot スタックに依存しており、RPIプリミティブが Xenomai拡張 Linux システム上で決定論的かつハードリアルタイム実行を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフィカル言語は、複雑でリアルタイム制御が重要なロボットコマンドの指定における複雑さを著しく低減し、理解しやすさを向上させることができるか？
• RQ2 視覚的フォーマリズムは、並列的・条件的・イベント駆動型のロボット動作を効果的にモデル化できるか、かつリアルタイム保証を維持できるか？
• RQ3 手続き的プログラミングと比較して、グラフィカルアプローチはタスクの複雑さが増加するに従ってどの程度スケーラブルか？
• RQ4 元の実装に不慣れな開発者が、生成されたコードをどの程度再利用・保守できるか？
• RQ5 WrappedActions のような高度な Robotics API 機能をサポートするために、グラフィカル言語を拡張する際の実際の課題と開発の負担は何か？

主な発見

• GSRAPID言語により、複雑なロボットタスクの仕様が生成された Java コードで約150行にまで簡略化された。これは手動で記述すればはるかに冗長で理解しにくくなるだろう。
• グラフィカル表現により、コマンド構造の意味が一目で把握可能となり、手続き的コードに比べて可読性および保守性が向上した。
• システムは Robotics API および RPI スタックと正常に統合され、事前に分かっている最悪実行時間を持つ決定論的でハードリアルタイムの実行が保証された。
• グラフィカルアプローチにより、コマンドの指定が迅速化され、専門外の開発者でも、複雑で並列的かつ条件付きでトリガーされるロボット動作をより効率的に定義できるようになった。
• ツールは、力センサーに基づくエラー回復を伴う同期二重アーム移動などの実世界の産業用タスクのプロトタイピングにおいて、強力な使いやすさを示した。
• 今後の課題として、安全性監視のための WrappedActions のような高度な概念をサポートするための GSRAPID の拡張の必要性が明らかになった。これは、言語の拡張性に潜在的かつ複雑な課題を示している。