[논문 리뷰] Pure Coordination using the Coordinator--Configurator Pattern

Markus Klotzbücher, Geoffrey Biggs외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 01.

Advanced Software Engineering Methodologies참고 문헌 7인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 구성요소 기반 로봇 시스템에서 명령 실행과 조율 로직을 분리함으로써 조율을 향상시키기 위해 Coordinator–Configurator 패턴을 제안한다. Orocos RTT 프레임워크 내부에 구현된 Lua 기반 도메인 전용 언어(DSL)로서의 Configurator에 의해 동작 실행을 이관함으로써 재사용성, 시간적 결정성, 내구성이 향상되며, 이는 두 대의 youBot 로봇 간의 힘 피드백 결합을 통해 입증되었다.

ABSTRACT

This work-in-progress paper reports on our efforts to improve different aspects of coordination in complex, component-based robotic systems. Coordination is a system level aspect concerned with commanding, configuring and monitoring functional computations such that the system as a whole behaves as desired. To that end a variety of models such as Petri-nets or Finite State Machines may be utilized. These models specify actions to be executed, such as invoking operations or configuring components to achieve a certain goal. This traditional approach has several disadvantages related to loss of reusability of coordination models due to coupling with platform-specific functionality, non-deterministic temporal behavior and limited robustness as a result of executing platform operations within the context of the coordinator. To avoid these shortcomings, we propose to split this "rich" coordinator into a Pure Coordinator and a Configurator. Although the coordinator remains in charge of commanding and reacting, the execution of actions is deferred to the Configurator. This pattern, called "Coordinator-Configurator", is implemented as a novel Configurator domain specific language that can be used together with any model of coordination. We illustrate the approach by refactoring an existing application that realizes a safe haptic coupling of two youBot mobile manipulators.

연구 동기 및 목표

• 기존 조율 모델의 한계, 즉 플랫폼 결합, 비결정적 행동, 낮아진 내구성 문제를 해결한다.
• 플랫폼에 종속적인 운영에서 조율 모델을 분리함으로써 재사용성을 향상시킨다.
• 동작 실행 실패를 조율기에서 격리함으로써 시스템의 내구성을 향상시킨다.
• 구성 실행을 국소화함으로써 조율 로직의 프로파일링 및 벤치마킹을 향상시킨다.
• Configurator 패턴을 사용한 모듈형이고 조합 가능한 아키텍처를 통해 플랫폼 독립적인 조율을 지원한다.

제안 방법

• 기존의 '풍부한' 조율기 역할을 순수 조율기(결정 수립 전용)와 Configurator(동작 실행 전용)로 분해한다.
• Configurator를 Orocos RTT 프레임워크와 통합된 Lua 기반 도메인 전용 언어(DSL)로 구현한다.
• 시스템 상태를 이름이 부여된 구성으로 정의하고, 이벤트가 구성 적용 및 상태 보고를 트리거하도록 한다.
• 이벤트 기반 메커니즘을 사용하여 도착하는 이벤트를 특정 구성에 바인딩함으로써 반응형 상태 전이를 가능하게 한다.
• 구성 적용을 단일 컴포넌트 내부에 국소화하여 프로파일링 및 측정을 단순화한다.
• 구성 원소에 컴포넌트 생성/삭제 및 연결 관리 기능을 포함시켜 패턴을 배포로 조율하는 데도 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 다양한 로봇 플랫폼과 소프트웨어 프레임워크 간에 조율 모델을 더 재사용 가능하게 만들 수 있는가?
• RQ2 별도의 Configurator에 동작 실행을 연기함으로써 시간적 결정성과 시스템 내구성은 어떻게 향상되는가?
• RQ3 DSL 기반 Configurator는 실시간 성능을 유지하면서도 플랫폼 독립적인 조율을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 조율 모델은 어떻게 더 큰 로봇 시스템 내에서 하위 시스템으로서 조합되고 재사용될 수 있는가?
• RQ5 배포, 시작, 종료 과정는 얼마나 균일하게 구성 시퀀스로 모델링될 수 있는가?

주요 결과

• Coordinator–Configurator 패턴은 조율 로직을 플랫폼에 종속적인 동작에서 분리함으로써 다양한 로봇 시스템 간에 조율 모델의 재사용을 가능하게 했다.
• Pure Coordinator는 동작 실행이 Configurator로 연기되므로 반응형이며 비차단적 유지되며, 이로 인해 시간적 결정성이 향상되었다.
• Configurator의 실패 사항은 Coordinator에서 격리되어 있으며, 이로 인해 조율기가 누락된 상태 이벤트를 감지하고 대응할 수 있어 시스템의 내구성이 향상되었다.
• DSL 기반 Configurator 덕분에 구성 실행이 단일 컴포넌트에 국소화되어 조율 행동의 중앙 집중적 프로파일링 및 측정이 가능해졌다.
• 패턴은 구성 원소에 컴포넌트 생성, 삭제, 연결 관리 기능을 포함시켜 배포로 조율하는 데도 확장 가능했다.
• 이 방법은 모듈형 조합을 가능하게 하며, 어떤 유효한 Coordinator와 Configurator 구성 조합이라도 재사용 가능한 복합 컴포넌트로 간주할 수 있게 하였다.