[論文レビュー] A ROS-based Software Framework for the NimbRo-OP Humanoid Open Platform

Philipp Allgeuer, Max Schwarz+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2018

Robotic Locomotion and ControlEngineering参考文献 7被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、NimbRo-OPヒューマノイドロボット向けにROSベースのソフトウェアフレームワークを提示しており、ハードウェア抽象化、視覚的認識、ヒューマノイドサッカー用の行動生成を可能にしている。このフレームワークはRoboCup 2013で実際に導入され、ロボットが公式のゴールを記録したことで、競技環境におけるリアルタイム制御とモularityの有効性が実証された。

ABSTRACT

Over the past few years, a number of successful humanoid platforms have been developed, including the Nao and the DARwIn-OP, both of which are used by many research groups for the investigation of bipedal walking, full-body motions, and human-robot interaction. The NimbRo-OP is an open humanoid platform under development by team NimbRo of the University of Bonn. Significantly larger than the two aforementioned humanoids, this platform has the potential to interact with a more human-scale environment. This paper describes a software framework for the NimbRo-OP that is based on the Robot Operating System (ROS) middleware. The software provides functionality for hardware abstraction, visual perception, and behavior generation, and has been used to implement basic soccer skills. These were demonstrated at RoboCup 2013, as part of the winning team of the Humanoid League competition.

研究の動機と目的

• ROSに基づくモジュラーでオープンソースのソフトウェアフレームワークを、NimbRo-OPヒューマノイドロボット向けに開発し、フルボディモーションおよび人間-ロボットインタラクション分野の研究を支援すること。
• 初期のRobotisベースのソフトウェアスタックを、より拡張性が高くコミュニティ統合が可能なネイティブROS実装に置き換えること。
• 実際の競技環境において、歩行、ボール検出、ゴールスコアリングを含むヒューマノイドサッカー行動の安定した実行を可能にすること。
• 開発およびデバッグを支援する可視化、診断、実行時パラメータチューニングを可能にする柔軟で拡張可能なアーキテクチャを提供すること。
• オープンソースモデルに従い、フレームワークおよびハードウェア設計を公開することで、コミュニティ主導の改善を促進すること。

提案手法

• フレームワークは、ハードウェア抽象化、デバイス制御、プロセス間通信に適したモジュラーなアーキテクチャを活用する、ロボットオペレーティングシステム（ROS）ミドルウェアに基づいている。
• 関節制御、センサデータ処理（例：ファイッシュアイカメラからのデータ）および行動実行を管理するためのカスタムROSノードアーキテクチャが実装された。
• ロボット制御、モーション制御、行動制御の3つの階層的レイヤーからなる制御スタックが採用されており、それぞれがROSサービスおよびトピックを公開している。
• RQTプラグインを用いた可視化が可能であり、3次元ロボット状態のレンダリングにRViz、時系列データのプロットにプレッター、実行時設定のチューニングにパラメータチューナーが利用可能である。
• 診断および歩行制御ウィジェットにより、実行中におけるバッテリー残量、サーボ温度、歩行コマンドのリアルタイム監視が可能である。
• ROSバッグを介した動的パrameterチューニングおよびデータログ記録が可能であり、後続の分析およびデバッグが可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NimbRo-OPのような大規模なヒューマノイドロボット向けに、ROSベースのソフトウェアフレームワークを効果的に設計・実装する方法は何か？
• RQ2 ROSは、ヒューマノイドロボティクスのソフトウェア開発において、モularity、再利用性、コミュニティ連携をどの程度実現できるか？
• RQ3 ROSベースのフレームワークは、競技環境において歩行やサッカー戦術といった複雑な行動のリアルタイムで安定した実行を可能にするか？
• RQ4 ROSの可視化およびデバッグツールは、ヒューマノイドロボットの開発および実行時監視をどの程度効果的に支援できるか？
• RQ5 20自由度のロボットとリアルタイム制約を満たす環境にROSベースの制御スタックを導入した場合、そのパフォーマンスおよび信頼性の特性は何か？

主な発見

• NimbRo-OPのROSフレームワークは、RoboCup 2013ヒューマノイドリーグの試合でロボットが公式のゴールを記録したことで、リアルタイム行動実行の有効性が実証された。
• フレームワークは、ICRA 2013およびRoboCupドイツオープン2013での一般公開デモンストレーションでも、動的で現実世界の環境下で安定した動作を示した。
• RQTベースの可視化ツール（プレッターおよびパラメータチューナー）の使用により、実行時デバッグおよびパrameterチューニングの効率が顕著に向上した。
• モジュラーなROSアーキテクチャのおかげで、認識、モーション、行動モジュールのシームレスな統合が可能になり、責任の明確な分離が実現された。
• フレームワークのオープンソース公開によりコミュニティ参加が促進され、RoboCupドイツオープン2013でHARTINGオープンソースアワードを受賞するなど、評価を受けた。
• TCP/IPおよびUDPを介したコンポONENT間の信頼性の高い通信が実現され、無線または有線接続に自動的に適応した。