[論文レビュー] Robotic frameworks, architectures and middleware comparison

Emmanouil Tsardoulias, Pericles A. Mitkas|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2017

Robotics and Automated Systems参考文献 4被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、主なロボットフレームワーク、ミドルウェア、アーキテクチャの包括的比較を提供し、それらの定義の重複や役割を明確にしている。OS対応、プログラミング言語、オープンソース状態、リアルタイム機能、シミュレータ統合といった主要な指標に基づき25のシステムを評価し、モジュラリティ、オープンソース性、強力なコミュニティ支援のおかげでROSが支配的であると結論づけている。

ABSTRACT

Nowadays, the construction of a complex robotic system requires a high level of specialization in a large number of diverse scientific areas. It is reasonable that a single researcher cannot create from scratch the entirety of this system, as it is impossible for him to have the necessary skills in the necessary fields. This obstacle is being surpassed with the existent robotic frameworks. This paper tries to give an extensive review of the most famous robotic frameworks and middleware, as well as to provide the means to effortlessly compare them. Additionally, we try to investigate the differences between the definitions of a robotic framework, a robotic middleware and a robotic architecture.

研究の動機と目的

• ロボットフレームワーク、ミドルウェア、アーキテクチャの定義にしばしば混乱をもたらす違いを明確にすること。
• 現在使用されている代表的なロボットソフトウェアフレームワークを体系的かつ比較的に分析すること。
• プログラミング言語の好み、プラットフォーム対応、リアルタイム機能といったロボットソフトウェア開発のトレンドを特定すること。
• 客観的で標準化された評価基準に基づき、研究者が適切なツールを選択できるように支援すること。

提案手法

• 本研究では、8つの標準化された指標（OS対応、プログラミング言語、オープンソース状態、分散実行サポート、ハードウェアインターフェースの可用性、事前構築済みロボットアルゴリズムの統合、シミュレータ統合、リアルタイム制御指向）を用いて、25のロボットフレームワークおよびミドルウェアシステムを構造的に比較した。
• 各フレームワークは、一貫した記号システム（✓：あり、✗：なし、∼：部分的、？：未定）を用いて評価され、明確性と再現性が確保された。
• 各フレームワークの能力と制限を評価するために、公開可能な文書、ソースコードリポジトリ、コミュニティリソースを活用した分析が行われた。
• オープンソースおよび商用システムを含む比較が行われ、特にリアルタイムおよび制御指向のフレームワークに特に注意を払った。
• 本研究では、コンポonent指向設計、モularity、クラウドロボティクスの台頭といったロボットソフトウェア分野の広範なトレンドを文脈として位置づけた。
• ROSは、広範なツールキット、活発なコミュニティ、可視化（rviz）および幾何変換（tf）の強力なサポートのおかげで、最も広く採用されていると強調された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ロボットフレームワーク、ミドルウェア、アーキテクチャの定義の主な違いは何か。実際にはどのように重複しているか？
• RQ2 リアルタイムまたは制御指向の実行をサポートするロボットフレームワークはどれか。これは現在の研究トレンドに何を示唆しているか？
• RQ3 最も広く使われているフレームワークは、OS対応、プログラミング言語の可用性、シミュレータ統合の観点からどのように比較できるか？
• RQ4 モularityは、現代のロボットソフトウェアフレームワーク設計においてどのような役割を果たし、コード再利用やシステム統合にどのように影響を与えるか？
• RQ5 なぜROSはロボットコミュニティにおいて支配的フレームワークとして浮上したのか。その広範な採用に寄与する主な特徴は何か？

主な発見

• ROSは、強力なコミュニティ支援、公式Wikiに豊富なドキュメンテーション、rvizやtfといった可視化および幾何変換のための広範なツールキットを備えた、最も広く採用されているロボットフレームワークである。
• リアルタイム制御を明示的に設計したフレームワークは、Orocos、RSCA、MCA2のわずかな少数にとどまり、これは高水準のタスクに注力する研究トレンドを示している。
• C++がフレームワーク全体で支配的であり、パフォーマンスの必要性、低レベルのシステムアクセス、効率的なメモリ管理の要請を反映している。
• LinuxおよびUnixベースのシステムは、大多数のフレームワークでサポートされているが、Windows対応は主に商用または未熟なシステムに限られており、Unix系環境のオープンソース伝統を反映している。
• モジュラーでコンポーネント指向のアーキテクチャが広く採用されており、多様なロボットシステム間でのコード再利用性の向上と統合の複雑さ低減に寄与している。
• 多くのフレームワークが組み込みシミュレータ（例：Gazebo、Webots、Player/Stage）を備えている一方で、他のフレームワークは外部ツールに依存していることから、現代のロボット開発におけるシミュレーションの重要性が浮き彫りになっている。