[论文解读] An information model for modular robots: the Hardware Robot Information Model (HRIM)

Irati Zamalloa, Iñigo Muguruza+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2018

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 15被引用 6

一句话总结

本文提出了硬件机器人信息模型（HRIM），一种面向硬件的信息模型，可实现来自不同制造商的模块化机器人组件之间的即插即用互操作性。HRIM基于ROS构建，并参考了行业反馈，对组件接口进行标准化，以实现无缝集成、可重用性和可比性，解决了机器人行业在水平集成方面的需求，减少了对垂直、厂商锁定系统的依赖。

ABSTRACT

Today's landscape of robotics is dominated by vertical integration where single vendors develop the final product leading to slow progress, expensive products and customer lock-in. Opposite to this, an horizontal integration would result in a rapid development of cost-effective mass-market products with an additional consumer empowerment. The transition of an industry from vertical integration to horizontal integration is typically catalysed by de facto industry standards that enable a simplified and seamless integration of products. However, in robotics there is currently no leading candidate for a global plug-and-play standard. This paper tackles the problem of incompatibility between robot components that hinder the reconfigurability and flexibility demanded by the robotics industry. Particularly, it presents a model to create plug-and-play robot hardware components. Rather than iteratively evolving previous ontologies, our proposed model answers the needs identified by the industry while facilitating interoperability, measurability and comparability of robotics technology. Our approach differs significantly with the ones presented before as it is hardware-oriented and establishes a clear set of actions towards the integration of this model in real environments and with real manufacturers.

研究动机与目标

• 解决模块化机器人领域缺乏硬件互操作性事实标准的问题，该问题阻碍了可重构性和成本效益高的开发。
• 通过创建以硬件为重点的模型，克服现有以软件为中心的本体论的局限性，弥合抽象机器人标准与实际组件集成之间的差距。
• 通过提供支持来自不同供应商组件的通用接口框架，实现机器人领域的水平集成，而无需进行专有适配。
• 通过与机器人硬件制造商共同设计该模型，并使用广泛采用的机器人操作系统（ROS）进行实现，促进实际部署。
• 通过标准化、可扩展的信息模型，实现机器人硬件组件的可测量性、可比性和可移植性。

提出的方法

• 通过与机器人硬件供应商的直接合作开发HRIM，以确保其实际相关性和现实适用性。
• 将模型设计为面向硬件的信息结构，定义模块化机器人组件的标准化接口、属性和行为。
• 使用机器人操作系统（ROS）实现HRIM，利用其生态系统确保与现有机器人系统的兼容性和易于集成。
• 明确定义HRIM组件与ROS接口之间的映射关系，实现异构硬件之间的无缝通信和配置。
• 将HRIM设计为支持版本控制、可扩展性以及使用语义网标准的机器可读表示，以实现与基于知识的系统未来的互操作性。
• 通过与真实硬件模块的集成验证了该模型的可行性，并在原型模块化机器人系统中展示了其应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过以硬件为核心的信息化模型，实现来自不同制造商的模块化机器人组件之间的即插即用互操作性？
• RQ2 支持模块化机器人中可重用性、可测量性和可比性的硬件接口标准的关键需求是什么？
• RQ3 如何与行业利益相关者共同开发信息模型，以确保实际采纳和现实世界中的集成？
• RQ4 基于ROS的信息模型在多大程度上能够实现模块化机器人系统中异构硬件组件的无缝集成？
• RQ5 与现有的以软件为中心的机器人本体论相比，HRIM这类面向硬件的模型在实现实际互操作性方面有何不同？

主要发现

• HRIM通过标准化接口和元数据，成功实现了来自不同供应商的模块化机器人组件的即插即用集成。
• 该模型通过提供硬件组件的通用、机器可读表示，减少了集成工作量，与硬件机器人操作系统（H-ROS）的目标保持一致。
• 通过与硬件制造商的合作，HRIM在实际部署中被验证为可行，并表明其无需修改现有基于ROS的系统即可支持互操作性。
• HRIM通过定义一组一致的属性和行为，支持组件的可测量性和可比性，从而实现对硬件模块的客观评估和选择。
• 该模型表明，面向硬件的标准可以弥合抽象机器人本体论与实际工业应用之间的差距，推动机器人领域的水平集成。
• 通过基于ROS并采用语义网原则，HRIM实现了对组件功能的人类和机器理解，提升了系统组合与重用能力。