[论文解读] Pure Coordination using the Coordinator--Configurator Pattern

Markus Klotzbücher, Geoffrey Biggs+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2013

Advanced Software Engineering Methodologies参考文献 7被引用 6

一句话总结

本文提出协调器-配置器（Coordinator–Configurator）模式，通过将命令执行与协调逻辑解耦，提升基于组件的机器人系统中的协调能力。通过将动作执行卸载至作为Orocos RTT框架内Lua语言DSL实现的配置器，该方法增强了可重用性、时间确定性及鲁棒性，如在两台youBot机器人触觉耦合实验中所展示。

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.

研究动机与目标

• 解决传统协调模型在机器人系统中的局限性，如平台紧耦合、非确定性行为及鲁棒性降低。
• 通过将协调模型与平台特定操作解耦，提升其可重用性。
• 通过将动作执行失败与协调器隔离，增强系统鲁棒性。
• 通过将配置执行集中化，实现对协调逻辑的更好性能分析与基准测试。
• 通过使用配置器模式构建模块化、可组合的架构，支持平台无关的协调。

提出的方法

• 将传统的‘丰富’协调器分解为两个角色：纯协调器（负责决策）与配置器（负责动作执行）。
• 在Orocos RTT框架中，以Lua实现配置器作为领域特定语言（DSL）。
• 将系统状态定义为命名配置，事件触发配置应用并报告状态。
• 使用事件驱动机制将输入事件绑定至特定配置，实现响应式状态转换。
• 将配置应用限制在单一组件内，以简化性能分析与测量。
• 扩展该模式以支持作为协调的部署机制，将组件创建/销毁与连接管理纳入配置原语。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使协调模型在不同机器人平台与软件框架之间更具可重用性？
• RQ2 将动作执行推迟至独立的配置器，如何提升时间确定性与系统鲁棒性？
• RQ3 基于DSL的配置器能否在保持实时性能的同时实现平台无关的协调？
• RQ4 协调模型如何作为子系统在更大机器人系统中实现组合与重用？
• RQ5 部署、启动与关闭过程在多大程度上可统一建模为配置序列？

主要发现

• 协调器-配置器模式成功将协调逻辑与平台特定操作解耦，使协调模型可在不同机器人系统中重用。
• 纯协调器保持响应式且非阻塞，因动作执行被推迟至配置器，从而提升时间确定性。
• 配置器中的故障与协调器隔离，通过允许协调器检测并响应缺失的状态事件，增强系统鲁棒性。
• 基于DSL的配置器使协调行为的集中性能分析与测量成为可能，因配置执行被限定在单一组件内。
• 该模式通过扩展配置原语以包含组件创建、销毁与连接管理，支持作为协调的部署机制。
• 该方法支持子系统的模块化组合，任何有效的协调器与配置器配置组合均可作为可重用的复合组件处理。