[論文レビュー] A Platform-independent Programming Environment for Robot Control

Michael Reckhaus, Nico Hochgeschwender+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2010

Software Testing and Debugging Techniques参考文献 7被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、依存グラフに類似したインターフェースを通じて並列アクションシーケンスの設計を可能にする、プラットフォームに依存しないモデル駆動型のグラフィカルプログラミング環境を提示する。ドメイン固有言語（DSL）とXML設定によるコード生成を用いることで、多様なロボットプラットフォーム間で制御論理を再利用可能にし、シミュレーテッドサービスロボットおよび教育用レゴNXTロボットを用いて成功裏に実証された。

ABSTRACT

The development of robot control programs is a complex task. Many robots are different in their electrical and mechanical structure which is also reflected in the software. Specific robot software environments support the program development, but are mainly text-based and usually applied by experts in the field with profound knowledge of the target robot. This paper presents a graphical programming environment which aims to ease the development of robot control programs. In contrast to existing graphical robot programming environments, our approach focuses on the composition of parallel action sequences. The developed environment allows to schedule independent robot actions on parallel execution lines and provides mechanism to avoid side-effects of parallel actions. The developed environment is platform-independent and based on the model-driven paradigm. The feasibility of our approach is shown by the application of the sequencer to a simulated service robot and a robot for educational purpose.

研究の動機と目的

• 制御プログラミングの複雑さとプラットフォーム固有性が、コード再利用を阻害し、開発の障壁を高めることに対処する。
• 並列ロボットアクションの組み立てを可能にする、グラフィカルで直感的なインターフェースを提供することで、ロボットプログラミングの高い入り口障壁を低減する。
• プラットフォームに依存しないモデリングを通じて、異なるロボットプラットフォーム間で制御論理を再利用可能にする。
• 並列実行中のセンサー干渉などの意図しない副作用を防止しながら、並列ロボットアクションをサポートする。
• 構成可能なDSLおよびコード生成テンプレートを用いて、さまざまなロボットシステムに適応可能な柔軟で拡張可能なフレームワークを開発する。

提案手法

• プラットフォームに依存しないモデル（PIM）とプラットフォーム固有の実装（PSM）を分離するため、モデル駆動ソフトウェア開発（FMDD）パラダイムを採用する。
• ロボットアクションを依存関係グラフのノードとして表現するグラフィカルシーケンサを設計し、並列アクションシーケンスの視覚的構成を可能にする。
• ドメイン固有言語（DSL）を用いてロボット固有の制御論理を定義し、コード生成によりターゲットプラットフォームのコードにマッピングする。
• プラットフォーム固有のDSLおよびコード生成設定をロードするためのXMLベースの構成システムを実装し、プラットフォーム独立性を実現する。
• 拡張可能で再利用可能なUIコンポONENTを提供するため、Eclipse Rich Client Platform（RCP）およびGraphical Editing Framework（GEF）と統合する。
• グラフィカルなアクションシーケンスを、Lego NXT用のNXCなど低レベルコードに変換し、ターゲットロボットにコンパイル・デプロイ可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 並列ロボット制御プログラムの開発を簡素化するため、プラットフォームに依存しないグラフィカルプログラミング環境をどのように設計できるか？
• RQ2 モデル駆動開発の原則をどの程度ロボット制御に適用することで、多様なロボットプラットフォーム間での再利用を可能にできるか？
• RQ3 並列ロボットアクションに起因する副作用（例：センサーの干渉）を、グラフィカルプログラミング環境でどのように検出・緩和できるか？
• RQ4 構成可能なDSLおよびコード生成パイプラインは、コア制御論理を変更せずに複数のロボットプラットフォームを効果的にサポートできるか？
• RQ5 この環境は、実践的な教育的現場において、学生が並列ロボットプログラミングを学ぶのにどの程度効果的か？

主な発見

• 提案された環境は、依存関係グラフのメタファーを用いて、並列アクションのグラフィカルなシーケンシングを成功裏に実現し、並列制御論理の開発を著しく簡素化した。
• 制御論理に変更を加えずに、Lego NXTロボット向けに有効なNXCコードを生成し、シミュレーテッドサービスロボットをサポートすることで、プラットフォーム独立性を実証した。
• 本環境は、大学の講義で実際に使用され、学生が実機のロボット上で並列動作をプログラミングする方法を学ぶのを効果的に支援した。教育的ツールとしての有効性が裏付けられた。
• 並列アクションに起因する副作用（例：センサーの遮蔽）は、グラフィカルシーケンサ内での変数スコープの注意深い管理とデータフローのモデリングによって緩和された。
• 構成可能なDSLおよびXMLベースのコード生成テンプレートの使用により、同じ制御論理を異なるロボットプラットフォームにシームレスに適応可能にした。
• モデル駆動アプローチにより、異なるロボットシステム間で制御プログラムを完全に再利用可能にした。プラットフォーム独立性の目標を達成し、開発のオーバーヘッドを低減した。