知能機械学授業2018-1 (ロボットシステム)

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9. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. ロボットとは何か • ཁૉٕज़ͷ૊Έ߹Θͤ
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11. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. あるロボット屋の日常 • ͋ΔϩϘοτ԰͕ɼ*5ؔ࿈اۀͷ"ࣾͷٕज़։ൃ෦ͷਓʹݺ͹Ε·ͨ͠
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23. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. モジュール化のメリット • ࢥߟͷ੾Γ෼͚
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25. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. メカトロニクスものづくり 25 ػց޻ֶ ిؾɾిࢠ޻ֶ ৘ใ޻ֶ ϝΧτϩχΫε ੍ޚ޻ֶ ૊ࠐΈٕज़ ి࣓ؾֶ ΦϖϨʔγϣϯ
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26. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 分野間の交流 26 ػց޻ֶ ిؾɾిࢠ޻ֶ ৘ใ޻ֶ • ιϑτ΢ΤΞ࢓༷ॻ
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27. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 標準化の必要性 • ਤ໘΍จॻ͸ίϛϡχέʔγϣϯͷಓ۩
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33. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. ミドルウエアとは • ͦ΋ͦ΋ϛυϧ΢ΤΞͱ͸
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39. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 39 ロボペディアより転載
40. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. OBPRJ 40
41. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. OBPRJ
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47. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. RTミドルウエアとは • ͋͘·Ͱ΋ن֨ͳͷͰɼ࣮૷͕ͨ͘͞Μ͋Δ
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48. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. ロボット用ミドルウエアに共通していること • ロボット自体は要素技術のシステムインテグレーション • 目的はハードウエアおよび知能ソフトウエアの抽象化やインターフェースの共通化 • モジュール化・分散システム • マルチプラットフォーム (OS, 言語) • ネットワーク透過性 48 ロボット用ミドルウエアの違いがわかる点 • 開発プロセス自体をどのように捉えるか • RTMは規格からスタートしているので，ウォーターフォール型開発プロセスを意識したツール類の設 計 • ドキュメントが残りやすい • リバースしてドキュメントを生成できる • 設計変更時の手間が多いツールが多い (もちろんコードベースで対応できるが) • ROSは実装からスタートしているので，コードベースで開発が進行しやすい • ツールによる自動生成などはあまり無い．書ける人向け．書ける人にはとても速く実装できる • 設計変更が起こっても，コードをゴリゴリ書いてどんどん進めることができる • ドキュメントが残りにくい •
49. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. SIer側のメリット・デメリット • すぐに試せて，試したモジュールをそのまま再利用が可能 • 基本的にデータのやり取りなので，通信の仕様（型，データ の意味や単位）さえ分かれば簡単に使える • ほとんどがフリーかつオープンソースであるため，ミドルウ エア自体をカスタマイズすることも可能（ライセンスに注意） • ネットワークを隠ぺいするので，分散システムが容易に開発 できる • ソフトウエアのオーバーヘッドは存在する • 初期導入時の時間的コスト • システムのチューニング作業は不可欠 49
50. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. モジュール開発者側としてのメリット •ユーザ向けのソフトウエア・インターフェースが決定でき る •同じミドルウエア利用者には簡単に試してもらえる •ソフトウエアのドキュメントを簡潔にできる •新規参入しやすい •初期導入時のコスト •モジュール開発自体のコスト • ドライバ，ライブラリに加えてミドルウエア対応モ ジュールの開発も必要 •置き換えも容易（メリット？デメリット？） 50
51. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 大学の研究室としてのメリット •ソフトウェア資産の寿命を伸ばす • 引き継ぎしやすい • ソフトウェアシステムの全体構造を把握しやすい • ドキュメント化しやすい • モジュールごとにコードが分離されているのでみやすい • ミドルウェアのメンテナンスを外部化できる • ウェブにドキュメントがある • 講習会などを利用すれば基本教育も外部化可能 •着目している点のみに集中できる • 一度システムを構築できたら使いまわせる • システムに新機能を追加しやすい 51
52. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. • 海外では共通のロボット，共通のソフトウエアプラットフォームで成果 を蓄積していこうという動きが大きい • 共通規格を作り，ベンダーロックインを避けたいという気持ちが強い • ROSユーザ大きい • アカデミアでもまれてきたツールが豊富でFA世界まで注目してき た (ROS-industrial) • ほとんどのミドルウェアがROS互換になっている • 日本のRTMは日本中心 • 海外のRTMユーザは少ない（あるユーザ曰く，英語のドキュメン トが少ないのが最大の原因） • 日本も多くない．そもそもROSも含めてミドルウェア使ってる人 自体少数 • ORiNは着実 • DENSOウェーブのロボットや，FA機器すべて対応 • 海外での受けが良い． • ラボオートメーションなどでもORiNは強い (LabView連携) • 安全の観点からオープンソースとFAは反対語？ 52
53. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 304ʹ͍ͭͯ 53
54. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. ROS (技術的特徴) • Ubuntu Linuxに特化 – aptパッケージ管理システムを利用 – 他のOSでも動くが，メリットは少ない • 分散型アーキテクチャ – Node • 機能モジュールは「Node」と呼ばれる • Nodeは基本的に１つのプロセスに１つ • Nodeに状態マシンの概念が無い – 通信機能 Topic / Service / Parameter • 通信はデータフロー型通信 (Pub-sub型) のTopicと，サーバークライアント型のService • システム全体の調整はParameter – Master • roscore (Master) が，NodeやTopicを管理 • Masterとの通信はXML-RPCだが，Topic通信はシンプルなTCPソケット通信で高速 – ミドルウエアはほぼ通信ライブラリのみを提供しているのが現状 – デプロイの仕組みがシンプル (roslaunch) • ビルドツールが充実 – CMakeを使ったビルドの仕組み (catkin, rosbuild) – rosdepでパッケージ間の依存関係を確認 • 有効なツール開発プロジェクトを取り込む – OpenCV, PCL, OpenNI … 54
55. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. PackageとNode • 一つの配布単位をPackageと呼ぶ • 一つの機能単位をNodeと呼ぶ • Packageには，0〜複数のNode が含まれている • Package.xmlに他のパッケージや ライブラリへの依存関係が記述 されており，rosdepコマンドで 解決できる • CMakeLists.txtには，CMake構文 で書かれているが，ROS用にカス タマイズされた関数を使い，簡 潔にビルド手順を記述できる 55 Package Node Node .launch CMakeLists.txt package.xml .msg .srv .param
56. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. PC2 PC1 Node間の通信 • Topic • データフロー型 • Pub/Sub型 • 接続という概念は無い • 同一名のTopicはネームス ペースで分ける • Service • サーバ・クライアント型通 信 • 要求に対して結果を返す 56 Node Node Node ns1/ TopicA Publish Subscribe ns1/ Service1 Node Provide Node 1. Request 2. Call 3. Result
57. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. PC2 PC1 Node間の通信 • Parameter • Parameterサーバ上のデータ を更新・購読 • 一元管理 • Parameterはみんなの共有財 産 • NodeがParameterを所有 する，という概念は無い • 通常はネームスペースで 区切る Node Node Node ns1/ param01 set get
58. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. MasterとNode • Masterは，複数のNodeを管理するサーバ • Masterは一つのシステムに必ず一つ必要 • TopicをPublish/SubscribeしているNodeの情報 • ServiceをProvideしているNodeの情報 • パラメータの値 • XML-RPCで通信．ネットワーク越しの問い合わせも可能 • 例：Topic通信の開始 (MasterAPIの仕組み) • NodeはMasterにTopicの購読を申込む • Publisherに対して，購読申し込みがあったことを通知 • Publisherは利用可能なTCPポート番号をMasterに返して，Subscriber の接続を待つ • SubscriberはMasterから受け取ったアドレス/ポートに接続して，通 信が始まる 58
59. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 35ϛυϧ΢ΣΞʹ͍ͭͯ 59
60. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. RTミドルウエアとは • RT <> Real Time. RT==Robot Technology • ロボット技術(RT)要素のソフトウエアをモジュール 化するための規格 – RT要素（＝アクチュエータ，センサ，インター フェース，ソフトウエア）をRTコンポーネン ト (RTC) と呼ぶ – RTCをどう作るか？という規格 • RTC規格は，CORBAやUMLの規格化を行う OMG(Object Management Group)に採択さ れた国際標準規格 • 言語やOSなどのプラットフォームによらない形で規 格を提供 • 規格なので，実装をプラットフォームに合わ せて作れる • 対応OSが多い，対応言語が多い • OS無しの組み込み対応が可能 • 実時間OSにも対応 • 異なるRTミドルウエア間でのブリッジ開発が 用意 60
61. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. RTC規格の特徴 • RTCはポートを持つ • ポートはインターフェースを持ち，同 じ型のインターフェースならば接続が 出来て通信出来る • RTCは状態マシンを持つ • RTCは作成されると，直ちにCREATE状 態になり，そこからINACTIVE状態に遷 移する • 各状態遷移に対応するコールバック関 数がある • RTCがACTIVE状態に励起されると，周 期的にon_executeを実行する • RTCはdeactivateされると，INACTIVE 状態に戻る • RTCはコンフィグレーションを持つ • RTCの起動時もしくは，実行中に変更 が可能 61 RTC RTC RTC RTC CREATED INACTIVE ACTIVE ERROR DEACTIVATE ACTIVATE RESET RTC RTC
62. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. • RTCには状態マシンを管理する 「実行コンテキスト (Execution Context) 」がある • ECには種類がある • 周期実行型EC • イベント駆動型EC • ECは，RTCの状態がACTIVEの場 合，on_executeを周期的に呼ぶ • ECはRTCの起動中も変更可能 • リアルタイムEC • シミュレータ同期EC 62 RTC RTC RTC RTC CREATED INACTIVE ACTIVE ERROR DEACTIVATE ACTIVATE RESET RTC規格の特徴 RTC Execution
63. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. RTミドルウエアとは • あくまでも規格なので，実装がたくさんある – OpenRTM-aist ・・・産総研が開発．CORBAを利用．C++, Python, Java対応． Win, Linux, Macに対応 – OpenRTM.NET・・・株式会社セックが開発．.NET framework対応 – H-RTM・・・Honda Research Instituteが開発．OMGのRTCモデルにFSMを拡張 – RTM Safety・・・株式会社セック開発．国際規格IEC 61508 SIL3の機能安全認証 を取ったRTミドルウエア – miniRTC, microRTC・・・組み込み用軽量RTM．CANやZigBeeでの通信に対応 – RTM on Android・・・Android上で動作するRTM．OpenRTM-aistと互換 – RTC-CANopen・・・芝浦工業大学水川研究室で開発．CANopen対応機器をRTCに半 自動変換 • 規格に準拠したミドルウエア間の連携（状態マシンやデータ型のマッピング）が容易 • 自分の環境にあったミドルウエアを選択しつつ，他のミドルウエアの資産と連携 可能 • 自分の環境にあったミドルウエアを開発できる 63
64. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. モデルベース開発 • 分散オブジェクト的なモ デリングをサポート • モデリング言語SysMLと連 携して，RTCのコードやシ ステムプロファイルを自 動生成 • ロボット開発の要求分析 からサポートし，文書作 成と開発の初期段階まで を一本化 64 ͜Ε΋Ϟσϧ
65. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 65 HRP-4: Kawada/AIST
    HRP-4C: Kawada/AIST
    TAIZOU: General Robotics Inc.
    HIRO: Kawada/GRX
    OROCHI: mayekawa
    NAO, Pepper: Aldebaran Robotics Mobilerobots: Adept MobileRobot FA用ロボット: DENSO, MITSUBISHI Kabuki : Yujin Robotics アカデミックスカラロボット : V-STONE
66. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 35ϛυϧ΢ΤΞԠ༻ͷ۩ମྫ 66
67. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 開発概要 • 名刺受け機能付きマスコットロボット • 注：株式会社ナレッジサービスで製作 67 ϋʔυ΢ΣΞߏ੒ ιϑτ΢ΣΞߏ੒
68. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 開発概要 • 名刺受け機能付きマスコットロボット –各種展示会などで使用 –頭部カメラで首動作 –口蓋内スキャナで名刺認識 –名刺画像からお客様の芳名認識 –お客様の芳名読み上げ＆挨拶 –RTミドルウェア使用 • ソフトウェアの再利用性向上 • 顧客の要望に応じてシステムを増設 • 注：株式会社ナレッジサービスで製作 68
69. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. ハードウェア • ノートブックPCに各種I/ OボードをUSB接続 –小型カメラ –スピーカー –RCサーボモータ制御 • 首フリ動作 –小型スキャナ • 名刺受け 69
70. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 70 ˎWinXP + VC++2008
71. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 71
72. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. • USBカメラコンポーネント –OpenRTM-aist付属のExampleを流用 –OpenCVを利用 72 ࢖༻ͨ͠Χϝϥ ▪ग़ྗϙʔτ •TimedOctetSeqܕ •OpenCVܗࣜͷը૾
73. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. • 画像処理コンポーネント –OpenCVを利用した画像処理コンポーネント • 大阪大学　田窪氏のものを改変 73 ▪ೖྗϙʔτ •TimedOctetSeqܕ •OpenCVܗࣜը૾ ▪ग़ྗϙʔτ •TimedDoubleܕ •ը૾಺ͷಈྖҬ ɹɹɹɹॏ৺࠲ඪʢXʣ ▪ग़ྗϙʔτ •TimedDoubleܕ •ը૾಺ͷಈྖҬ ɹɹɹɹॏ৺࠲ඪʢYʣ
74. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 74
75. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. • RCサーボドライバ「iMCs04」 –iXs Research製 –超小型（45[mm] x 30[mm] ） –USB接続 –4chのRCサーボモータを制御 –4chのA/Dコンバータ 75 iMCs04 ▪ೖྗϙʔτ •TimedIntܕ •RCαʔϘϞʔλ΁ͷ ɹɹɹࢦྩ஋ʢύϧε෯ʣ ▪ग़ྗϙʔτ •TimedFloatܕ •A/Dม׵ͷग़ྗ
76. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 76
77. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. • TWAIN対応スキャナ用画像取得コンポーネント –今回は名刺読み取り用小型スキャナを使用 • 102(L)×48(W)×26(H) • 70[g] • 600dpi 77 ▪ग़ྗϙʔτ •TimedOctetSeqܕ •BitMapܗࣜը૾σʔλ
78. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. • 芳名認識コンポーネント –名刺からフォントの大きな文字領域を抽出 –データベースと照合し，漢字認識 –氏名漢字読み仮名データベースと照合し，読み仮名をひら がなで出力 78 ▪ग़ྗϙʔτ •TimedStringܕ •໊ࢗը૾͔ΒಡΈࠐΜ͓ͩ٬༷ͷ໊͓લ ɹʢͻΒ͕ͳʣ ▪ೖྗϙʔτ •TimedOctetSeqܕ •Bitmapܗࣜը૾
79. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. • テキスト音声合成ライブラリ「AquesTalk」 を使用した音声合成コンポーネント –テキスト情報を表音文字として，音声合成 79 ▪ೖྗϙʔτ •TimedStringܕ •දԻจࣈྻ
80. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 80
81. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. • 全体の動きの制御 –情報の流れを統制 • 画像処理後の情報→首フリ動作 • 名刺認識情報→音声合成 –同期（首フリしていると名刺を口に入れ づらい） • GUIを提供 • ボタン操作で首フリ動作を停止 81
82. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 82
83. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 開発効率とカスタマイズ性 • 2週間足らずで開発 • 認識エンジンは別チームが APIの形で開発したものをRTC でラッピング • カメラやモータ制御は既存 のRTCを再利用 • モジュールごとにデバッグ が可能 • 機能の追加・削除が容易 • 83
84. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 84 גࣜձࣾϦόετͷϩϘοτΛRTCԽͯ͠Έͨ ΦϥϯμExactDynamics੡ϚχϐϡϨʔλʮiARMʯ ΧφμInuktun੡ΫϩʔϥʮminiTracsʯ ΞϝϦΧTRACLabs੡ ύϯνϧτӢ୆ʮBiclopsʯ ΞϝϦΧVIDERE Design੡ εςϨΦΧϝϥʮBiclopsʯ
85. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. WASEDA UNIV, Jan. 2014 RTC化したロボット要素を結合 • 遠隔地にクローラで移動し， パンチルト動作可能なステ レオカメラで確認してアー ムで対象物体をハンドリン グする • すべてが異なるAPIを利用 • PCとの接続方法も異なる • RTCでラッピングして置く ことで，再利用性が向上 • 遠隔操作が簡単に構築でき る 85 ϋʔυ΢ΤΞͷߏ੒ RTγεςϜͷߏ੒
86. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. ੿࡞ͷπʔϧ౳ 86
87. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. arduinoでRTコンポーネント作るツール • ホビー，デザイン系のライトユーザ向けマイコンボード． 87
88. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. RTno (拙作) • RTno “アールティーノ” = RT-middleware + Arduino • ArduinoとRTミドルウエアの連携 • RTコンポーネントをArduinoで作る • 組み込みプログラミングのみでRTCを作る 88 ૊ΈࠐΈϓϩάϥϜ ɾσʔλϙʔτͷએݴ ɾDoubleܕग़ྗϙʔτx1 ɾLongܕೖྗϙʔτx1 ɾग़ྗϙʔτ͔ΒA/Dม׵݁ՌΛग़ྗ ɾೖྗϙʔτ΁ͷࢦྩͰLEDΛ੍ޚ RTC σʔλϙʔτͷ௨৴ ঢ়ଶϚγϯͷ੍ޚ σʔλϙʔτߏ੒ͳͲͷ ϓϩϑΝΠϧ ίϯϙʔωϯτ ͷࣗಈੜ੒ (ProxyRTC)
89. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 組み込み関連のRTM • OpenRTM-aistͷ૊ΈࠐΈσόΠεରԠ – ૊ΈࠐΈLinux΁ͷରԠ – TOPPERSରԠ • RTC-CANopen – CANOpenରԠσόΠεͳΒ͹ରԠՄೳ • RTC-Lite (miniRTC, microRTC) – CANόεͱZigBeeແઢωοτϫʔΫʹରԠ͓ͯ͠ΓɼARMܥͷܰྔ ͳϚΠίϯͰͷಈ࡞ใࠂ͕͋Δ • RTno – ҆ՁͳarduinoରԠϚΠίϯϘʔυରԠ – FloatܕɼγʔέϯεܕʹରԠ 89
90. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. RTno ͷΞʔΩςΫνϟ 90 arduino͔Βૹ৴ ͞ΕΔϓϩϑΝΠϧʹԠͯ͡ ϒϦοδRTC͸ࣗಈతʹ ΠϯλʔϑΣʔεΛม׵ ͢Δ RTnoϥΠϒϥϦ͸ɼϗετPC ͱͷ͢΂ͯͷ௨৴ΛΧϓηϧԽ͠·͢ɽ
91. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 73&1γϛϡϨʔλ • 35ίϯϙʔωϯτͱͷ௨৴ʹରԠͨ͠ಈྗֶγϛϡϨʔλ
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96. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. RTM講習会 • 各種講習会をROBOMECなどで • 2013年〜　早稲田大学理工学部内でも開催 96
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100. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. http://www.openrtm.org/openrtm/ja/project/Recommendation_CommonIF 共通インターフェース仕様の策定 同等の機能を有するロボット要素間のインターフェースの共通化 100 ҠಈɾϚχϐϡϨʔλɾର࿩ɾը૾ॲཧ
101. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. まとめ • ロボット用ミドルウエアの普及 • 開発ツールやプラットフォーム整備に よる研究開発活動の増進 • サービス指向の研究開発の増加を 望む • 研究開発した技術の蓄積支援 – ３年たったら動かない問題 • 技術・情報・人材の交流 – 研究所間，企業・大学間の連携 – 異業種（特にIT分野からの）ロボッ ト分野への参入促進 101
102. SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. ͝ਗ਼ௌ͋Γ͕ͱ͏͍͟͝·ͨ͠ גࣜձࣾ46("3
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