[論文レビュー] Towards a Domain Specific Language for a Scene Graph based Robotic World Model

Sebastian Blumenthal, Herman Bruyninckx|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2014

Robotics and Sensor-Based Localization参考文献 9被引用数 12

ひとこと要約

本論文では、ロボットシーングラフ（RSG）フレームワークに基づくロボットワールドモデルをモデル化するためのドメイン固有言語（RSG-DSL）を紹介する。この言語により、構造的でエラーの少ないシーン構成、意味的構造、および関数ブロックの入出力の指定が可能となり、M1レベルのDSLモデルからM1レベルのテキスト変換により、BRICS_3Dライブラリに統合可能なC++コードが生成される。これにより、ロボット分野におけるモデル駆動開発が強化される。

ABSTRACT

Robot world model representations are a vital part of robotic applications. However, there is no support for such representations in model-driven engineering tool chains. This work proposes a novel Domain Specific Language (DSL) for robotic world models that are based on the Robot Scene Graph (RSG) approach. The RSG-DSL can express (a) application specific scene configurations, (b) semantic scene structures and (c) inputs and outputs for the computational entities that are loaded into an instance of a world model.

研究の動機と目的

• モデル駆動工学におけるロボットワールドモデルの分野特化言語（DSL）の不足に対処すること。
• ロボットアプリケーションにおけるシーン構成、意味的構造、および関数ブロックインタフェースを形式的かつ構造的に定義する方法を提供すること。
• ランタイムエラーの低減と開発効率の向上を図るため、ワールドモデルコンポーネントの設計時における事前の仕様化を可能にすること。
• M1レベルのDSLモデルから自動的にC++コードを生成することで、既存のC++ライブラリ（例：BRICS_3D）との統合を支援すること。
• ロボットのサブドメイン（例：センシング、計画、協調制御）向けの複数のDSLを統合するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• M0からM3までの4段階のモデル駆動工学スタックを用いてRSG-DSLを定義し、DSLのメタモデルとしてM2を用いる。
• 階層的構造（GeometricNode、Transform、Group、Attribute）を用いて、空間的および意味的組織化を実現するシーン構造をモデル化する。
• 入力および出力構造（例：複数出力のための「*」オプションの基数）を備えた関数ブロックを定義し、シーングラフへの挿入用のフックポイントを提供する。
• M1レベルのDSLモデルからM1レベルのテキスト変換を用いて、実行時にBRICS_3D C++ライブラリで使用可能なC++コードを生成する。
• 共有ポインタとライブラリ依存関係を伴う型定義（例：PointCloudPCL）を用いてデータ型を表現し、コード生成を支援する。
• 意味的アノテーション（例：4本の脚を持つテーブル）およびセンサーや処理ノードに接続された入出力フックを通じた動的データフローをサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シーングラフベースのロボットワールドモデルの構造的および計算的側面をモデル化するためのドメイン固有言語をどのように設計できるか？
• RQ2 直接的なC++ API使用と比較して、RSG-DSLはコードの複雑さとエラーの可能性をどの程度低減できるか？
• RQ3 RSG-DSLは、事前に定義されたオブジェクト構造（例：テーブル）のような意味的知識、および関数処理ブロックの入出力データフローを表現できるか？
• RQ4 コード生成を通じて、PCL や BRICS_3D などの既存のロボットソフトウェアスタックとどのように統合できるか？
• RQ5 幾何学的または制御用など、複数のDSL（例：幾何学、制御）を統合して、統一されたロボット開発フレームワークを構築する可能性はどの程度あるか？

主な発見

• RSG-DSLは、ロボットの運動学、静的環境部品、センサデータの保存位置など、アプリケーション固有のシーン構成を成功裏にモデル化した。
• DSLは、プレートと4本の脚から成るテーブルのような意味的シーン構造を指定でき、これにより認識アルゴリズムの事前知識として利用可能である。
• 関数ブロックインタフェースは、入力および出力構造を形式的に定義しており、「*」基数演算子による可変数の出力サポートも含まれる。
• モデルからテキストへの変換により、BRICS_3Dライブラリ用に正しいC++コードが生成され、既存のワールドモデル実装との互換性が保証された。
• DSLは、シーン構造定義と低レベルAPIの順序制約との分離を実現し、開発者の生産性を向上させるとともに、コーディングエラーを低減した。
• 将来的な拡張性（不確実性モデル、マルチロボット対応、ロボットサブドメイン用の他のDSLとの統合など）をサポートする。