[论文解读] A Platform-independent Programming Environment for Robot Control

Michael Reckhaus, Nico Hochgeschwender+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2010

Software Testing and Debugging Techniques参考文献 7被引用 7

一句话总结

本文提出了一种平台无关的、基于模型的图形化机器人控制编程环境，通过类似依赖图的界面支持并发动作序列的设计。通过使用领域特定语言（DSL）和基于XML配置的代码生成，该系统实现了在不同机器人平台间复用控制逻辑，已在模拟服务机器人和教育用乐高NXT机器人上成功验证。

ABSTRACT

The development of robot control programs is a complex task. Many robots are different in their electrical and mechanical structure which is also reflected in the software. Specific robot software environments support the program development, but are mainly text-based and usually applied by experts in the field with profound knowledge of the target robot. This paper presents a graphical programming environment which aims to ease the development of robot control programs. In contrast to existing graphical robot programming environments, our approach focuses on the composition of parallel action sequences. The developed environment allows to schedule independent robot actions on parallel execution lines and provides mechanism to avoid side-effects of parallel actions. The developed environment is platform-independent and based on the model-driven paradigm. The feasibility of our approach is shown by the application of the sequencer to a simulated service robot and a robot for educational purpose.

研究动机与目标

• 解决机器人控制编程的复杂性与平台依赖性问题，以降低代码复用障碍并减少开发门槛。
• 通过提供图形化、直观的界面，降低机器人编程的入门难度，支持并行机器人动作的组合。
• 通过平台无关的建模，实现机器人控制逻辑在不同机器人平台间的复用。
• 在支持并发机器人动作的同时，防止意外副作用（如并行执行期间的传感器干扰）。
• 开发一个灵活、可扩展的框架，通过可配置的DSL和代码生成模板，适配多种机器人系统。

提出的方法

• 采用模型驱动软件开发（FMDD）范式，将平台无关模型（PIM）与平台相关实现（PSM）分离。
• 设计一个图形化序列器，将机器人动作表示为依赖图中的节点，支持并行动作序列的可视化组合。
• 使用领域特定语言（DSL）定义机器人特定的控制逻辑，并通过代码生成将其映射到目标平台代码。
• 实现基于XML的配置系统，用于加载平台相关的DSL和代码生成设置，从而实现平台独立性。
• 与Eclipse富客户端平台（RCP）和图形编辑框架（GEF）集成，以提供可扩展、可复用的UI组件。
• 将图形化动作序列转换为低级代码（如乐高NXT的NXC），以便在目标机器人上编译和部署。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种平台无关的图形化编程环境，以简化并发机器人控制程序的开发？
• RQ2 模型驱动开发原则在机器人控制中的应用程度如何，能否实现跨多种机器人平台的代码复用？
• RQ3 在图形化编程环境中，如何检测并缓解由并行机器人动作引发的副作用（如传感器干扰）？
• RQ4 可配置的DSL和代码生成流水线是否能有效支持多种机器人平台，而无需修改核心控制逻辑？
• RQ5 该环境在实际教育场景中对教授学生并行机器人编程的有效性如何？

主要发现

• 所提出的环境成功实现了基于依赖图隐喻的图形化并行动作序列编排，显著简化了并发控制逻辑的开发。
• 系统通过为乐高NXT机器人生成有效的NXC代码，并支持模拟服务机器人，证明了其平台独立性，且控制逻辑无需修改。
• 该环境已在大学课程中成功用于教学，帮助学生掌握在真实机器人上编程并行行为，证明其作为教育工具的有效性。
• 通过在图形化序列器中对变量作用域和数据流进行仔细建模，成功缓解了并发动作导致的副作用（如传感器遮挡）。
• 通过使用可配置的DSL和基于XML的代码生成模板，实现了相同控制逻辑在不同机器人平台间的无缝适配。
• 基于模型的方法实现了控制程序在不同机器人系统间的完全复用，达成了平台独立性的目标，显著降低了开发开销。