[論文レビュー] Towards Python-based Domain-specific Languages for Self-reconfigurable Modular Robotics Research

M Alavi Moghadam, David Johan Christensen+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2013

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ATRON IIモジュール上でLinuxとPythonを用いた、自己再構成型モジュラー型ロボットのためのPythonベースのドメイン固有言語（DSL）フレームワークを提案する。LinuxのシステムサービスとPythonの高水準抽象化を活用することで、モジュール間通信の透過的実装、動的コード転送、ロールベースプログラミングが可能となり、従来の埋め込み仮想マシンに比べてソフトウェアの移植性と開発生産性が顕著に向上する。

ABSTRACT

This paper explores the role of operating system and high-level languages in the development of software and domain-specific languages (DSLs) for self-reconfigurable robotics. We review some of the current trends in self-reconfigurable robotics and describe the development of a software system for ATRON II which utilizes Linux and Python to significantly improve software abstraction and portability while providing some basic features which could prove useful when using Python, either stand-alone or via a DSL, on a self-reconfigurable robot system. These features include transparent socket communication, module identification, easy software transfer and reliable module-to-module communication. The end result is a software platform for modular robots that where appropriate builds on existing work in operating systems, virtual machines, middleware and high-level languages.

研究の動機と目的

• 自己再構成型モジュラー型ロボット（SMR）のソフトウェア開発における複雑さと低水準性を軽減するため、高水準な抽象化を導入すること。
• LinuxとPythonをSMRソフトウェア開発の基盤として用いることの妥当性を検証し、カスタム仮想マシンへの依存を低減すること。
• 既存のOSおよび言語機能を活用することで、ソフトウェアの移植性、再利用性、開発生産性を向上させること。
• ターミナルアクセスを介して、ロボットモジュール上で直接動的かつインタラクティブなプログラミングとデバッグを可能にすること。
• 高水準フレームワーク上にPython DSLとして実装されたロールベースプログラミングモデル（例：DynaRole）の統合を検討すること。

提案手法

• ATRON IIモジュールにフル機能のLinuxオペレーティングシステムを搭載し、高水準なシステムサービスとPythonへのアクセスを可能にする。
• モジュール間通信をソケットを介して抽象化する軽量なPythonフレームワーク「Moduleservice」を開発する。
• Pythonのプロセス間通信およびファイル転送機能を活用して、モジュール間での動的ソースコード転送を実装する。
• DynaRoleをインspiredしたPythonベースのDSLを設計し、ロールベースの振る舞いの抽象化を可能にし、形状適応性と振るまいの再利用を支援する。
• Pythonのインタプリタ型特性と圧縮（例：gzip）を活用して、遅い赤外線リンクを介したソースコードの効率的伝送を実現する。
• プロセス管理、ファイルI/O、ネットワーキングなどの既存のOSおよび言語機能を活用することで、低水準なシステム実装を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フル機能のオペレーティングシステムとPythonのような高水準言語を用いることで、モジュラー型ロボットにおけるソフトウェアの抽象化と移植性が顕著に向上するか？
• RQ2 リソース制限のあるモジュール上で、PythonベースのDSLのパフォーマンスおよびリソース使用量は、従来のバイトコードコンパイル型DSL（例：DynaRole）と比べてどの程度か？
• RQ3 ソケット、ファイル転送、プロセス制御などの既存のOSおよび言語機能が、SMRソフトウェアスタックにおけるカスタム仮想マシンの必要性をどの程度低減できるか？
• RQ4 低帯域幅の赤外線チャネルを介したソースコード伝送（例：gzip圧縮されたPythonスクリプト）は、モジュラー型ロボットシステムにおいて実用的か？
• RQ5 PythonベースのDSLは、DynaRoleに見られるようなロールベースプログラミングモデルを十分な表現力と保守性で効果的に表現できるか？

主な発見

• Moduleserviceフレームワーク（わずか451行のPython）は、ATRON IIモジュール間で透過的なソケット通信と動的ソースコード転送を成功裏に実現した。
• LinuxとPythonの利用により、開発者はターミナルアクセスを介してロボットモジュール上で直接ソフトウェアをインタラクティブにデバッグ・開発可能となり、開発ワークフローが顕著に向上した。
• サンプルプログラムの圧縮済みPython DSLバージョン（350バイト）は、バイトコード版（156バイト）よりも大きいが、赤外線伝送においても実用的なオーバーヘッドにとどまる。
• モジュール再起動を伴うブートローダー更新に比べ、開発のオーバーヘッドが低減され、3倍の時間的ペナルティが回避された。
• 基盤となるOSおよび言語スタックは、プロセス管理、ネットワーキングなどの基本的抽象化を提供し、低レベル機能の再実装の必要性を低減した。
• 本フレームワークは、DynaRoleのロールベースモデルをPython DSLとして実装する可能性を示しており、将来的なDSL進化の有効な道筋を示唆している。