主流機器人軟件開發(fā)平臺介紹.doc

實用文檔導(dǎo)言本文對目前現(xiàn)役實用機器人的軟件開發(fā)平臺進(jìn)行整體的評測。主要內(nèi)容是根據(jù)本人對這些平臺的實際使用經(jīng)驗編寫的。什么是機器人軟件開發(fā)平臺？所謂的“機器人軟件開發(fā)平臺”我們指的是用來給多種機器人設(shè)備開發(fā)程序的軟件包。它一般包括下列內(nèi)容： 統(tǒng)一的編程環(huán)境 統(tǒng)一的編譯執(zhí)行環(huán)境 可重用的組建庫 完備的調(diào)試/仿真環(huán)境 對多種機器人硬件設(shè)備的“驅(qū)動”程序支持 通用的常用功能控制組件，例如計算機視覺技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)和機械手臂控制等。 大家可以看到，一個機器人軟件開發(fā)平臺需要包含很多東西。就我本人的觀點，現(xiàn)在還沒有一個現(xiàn)有的產(chǎn)品能滿足所有的要求。它們總是或多或少的缺了什么東西。機器人軟件平臺平臺名稱所屬類型Evolution Robotics ERSP平臺商用Microsoft Robotics Studio平臺非商業(yè)用途免費OROCOS控件庫開源且免費Skilligent機器學(xué)習(xí)插件商用URBI平臺商用Webots仿真環(huán)境商用Player, Stage, Gazebo平臺開源且免費iRobot AWARE平臺商用OpenJAUS平臺開源CLARAty平臺開源為什么要使用機器人軟件開發(fā)平臺？機器人控制軟件的花費在整個機器人應(yīng)用系統(tǒng)預(yù)算中占據(jù)了很大比例。比如，一個自動控制項目的80%工作量都集中在系統(tǒng)集成方面，包括軟件的發(fā)開和定制。所以機器人開發(fā)平臺的作用就是減少軟件工程師的工作量，同時減少項目開支。除了軟件工程的問題外，在一個真正的機器人項目中還要涉及大量的人工智能。一個集成了許多現(xiàn)成的、可靠的組件庫的統(tǒng)一軟件開發(fā)平臺，在應(yīng)付各種機器人工程時能幫上大忙。最后的問題是“行為協(xié)作”。許多文獻(xiàn)中都有對行為協(xié)作的討論。正因為這是一個普遍存在的問題，所以一些平臺提供了統(tǒng)一的解決方案。應(yīng)用功能測評 EvolutionMicrosoftOROCOSSkilligentURBIWebotsPlayer, Stage, Gazebo開源否否是否否否是免費否非商業(yè)用途是否否否是支持Windows是是否是是是是(仿真)支持Linux是否是是是是是分布式環(huán)境否是否是是 是(有限的)行為協(xié)作是是否是是否否內(nèi)置機械手臂控制模塊否否是是否否否內(nèi)置物體識別模塊是否否是否否否內(nèi)置導(dǎo)航模塊是否否是否否否學(xué)習(xí)工具否否否是否否否仿真環(huán)境否是否否是 (Webots)是是硬件支持范圍小大中中大大中可重用自定義組件是是是Not applcbl是否否實時系統(tǒng)否否是否否否否Evolution Roboticss ERSPEvolution Robotics是一個集設(shè)計和銷售機器人軟硬件的開發(fā)平臺，簡稱ERSP。整個軟件非常成熟。它集成了視覺識別系統(tǒng)（VIRP）和視覺導(dǎo)航繪圖系統(tǒng)（VSLAM）。它所用的視覺系統(tǒng)是基于David Lowe開發(fā)的算法（已注冊專利）。平臺提供了可視化的編程環(huán)境工具，通過搭建圖標(biāo)來構(gòu)建程序。可視化編程界面系統(tǒng)通過運行時的“任務(wù)”程序來激活或停止“行為”組件。系統(tǒng)不支持仿真。它在Windows 和Linux下運行.Microsoft Robotics Studio微 軟最近成立了專門的團隊開發(fā)機器人軟件平臺，產(chǎn)品叫做Microsoft Robotics Studio（MSRS）。它能在Windows和Windows CE下運行。分布運行的開發(fā)環(huán)境承擔(dān)了大部分的信息傳遞和線程管理任務(wù)。它的行為協(xié)作基于“服務(wù)優(yōu)先級”的概念。它提供了完備的仿真和圖形化開發(fā)環(huán)境?？梢暬幊探缑娣抡姝h(huán)境在 微軟大旗的感召下，越來越多的機器人設(shè)備廠商宣布支持MSRS。（不知道在這個領(lǐng)域會不會出現(xiàn)WINDOWS的局面？不過我想應(yīng)該不會，根據(jù)我的經(jīng)驗，在 涉及程序開發(fā)這個領(lǐng)域微軟的感召力僅局限與WINDOWS平臺，根據(jù)他們公司的一貫作風(fēng)來看，應(yīng)該是不會做包打天下的產(chǎn)品的。譯者注）OROCOSOROCOS是一個開源的控件庫。這些控件主要用于高級運動控制和機器人控制。它自己帶有一個針對實時運行環(huán)境優(yōu)化了的開發(fā)平臺。該環(huán)境使用“鎖無關(guān)緩沖區(qū)”技術(shù)，滿足應(yīng)用程序?qū)崟r性嚴(yán)格的要求。OROCOS體系OROCOS提供一系列可重用組件和硬件驅(qū)動。獨立的運動學(xué)與動力學(xué)開發(fā)框架能讓用戶進(jìn)行物理運動學(xué)的建模和計算。應(yīng)用的領(lǐng)域有機器人、人體工程、計算機動畫、工業(yè)機械建模等。該系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的圖形化編程環(huán)境或者仿真環(huán)境。Skilligent從嚴(yán)格意義上說，Skilligent不屬于機器人軟件開發(fā)平臺。因為它提供的是一種對機器人編程的仿真訓(xùn)練，而不是真正意義上編寫實際運行在機器人上面的程序。Skilligent的機器人行為控制系統(tǒng)是基于“developmental robotics”一種新型的對多用途的、非特定任務(wù)控制的自治機器人系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)人工智能系統(tǒng)。Skilligent讓一個常規(guī)的機器人變成一個能與終端用戶交流并能被訓(xùn)練的友好的機器人。系統(tǒng)控制軟件的良好的交互性能讓用戶與機器人之間的交流和協(xié)作更自然。用戶可以通過手勢、聲音、控制操作和“共同注意（joint attention）”。用戶在訓(xùn)練機器人Skilligent行為控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是一系列將實際應(yīng)用情況中的任務(wù)或者技能轉(zhuǎn)換成普適模型的算法。系統(tǒng)針對物體識別、聲音識別和視覺導(dǎo)航的學(xué)習(xí)進(jìn)行了優(yōu)化。嚴(yán)格來說，Skilligent倒不是一個平臺，而更象是一個系統(tǒng)插件，因為它能夠和本文中介紹的其他平臺很好的結(jié)合在一起。URBIURBI是由Gostai開發(fā)的平臺。它沒有提供流行的圖形編程界面，而是獨立提供了一種語言。語言的特點是針對建立平行、分布式的事件驅(qū)動程序進(jìn)行了優(yōu)化。對每一種機器人硬件平臺，Gostai都承諾提供一種單獨的專門的程序語言。目前，Gostai已經(jīng)為數(shù)個機器人產(chǎn)品提供了服務(wù)，包括索尼Aibo, 樂高M(jìn)indstorms和 K-Team的Khepera.URBI是一種分布式的平臺。利用它用戶可以組建一個計算機群來協(xié)同運行服務(wù)程序。Gostai的合作者負(fù)責(zé)提供視覺識別和語音識別的組件。該平臺沒有自帶的仿真平臺，但是近期它宣布與Webots合作。Webots是一個流行的商用機器人仿真平臺。WebotsWebots是一個流行的機器人快速建模和仿真商用平臺，由Cyberbotics公司出品。這個系統(tǒng)不算是一個軟件開發(fā)平臺，說是一個帶有建模能力的仿真引擎比較貼切。該系統(tǒng)提供了多種常見的機器人模型比如兩足、輪式和機械手臂。Webots快速建模和仿真環(huán)境Player, Stage, GazeboPlayer,是一個支持多種機器人硬件平臺、開源的、基于TCP/IP的技術(shù)硬件抽象層。Stage和Gazebo提供的是內(nèi)建的仿真環(huán)境。這個系統(tǒng)適合用于機器人集群沖突/協(xié)作的研究。Player, Stage, GazeboPlayer還能提供一個在機器人上運行的簡易界面用來通過IP網(wǎng)絡(luò)讀取傳感器數(shù)據(jù)、向激勵器發(fā)送命令和配置運行中的設(shè)備。其他平臺還有其他的平臺例如iRobot AWARE, OpenJAUS, CLARAty, YARP。作者還沒有機會深入學(xué)習(xí)。下列是一些相關(guān)的信息： iRobot AWARE是一個由iRobot公司出品的軟件平臺。他們的平臺專用于美國軍方的軍用機器人。根據(jù)Rodney Brooks的說法，該公司利用一些開源代碼來改進(jìn)自己的產(chǎn)品。從現(xiàn)有的資料來看，我們還不能確定AWARE是否采用了Rodney Brooks行為協(xié)作和控制包容體系結(jié)構(gòu)（subsumption architecture for behavior coordination and control） OpenJAUS是一個開源的無人職守系統(tǒng)。Vecna公司似乎在改進(jìn)OpenJAUS系統(tǒng)并將之用于他們的BEAR機器人。 CLARAty是一個由美國宇航局開發(fā)并開源發(fā)布的項目。不過它不是完全免費的，這個軟件好象是提供了一些有趣的算法，比如視覺導(dǎo)航、姿態(tài)控制和可視化的輪子下陷預(yù)測等。 市場展望對于機器人平臺開發(fā)公司來說，最美妙的事情莫過于將來大批量出產(chǎn)的機器人上都預(yù)裝自己的系統(tǒng)，正象WINDOWS預(yù)裝在PC上面那樣。當(dāng)然目前為止，我們還看不到有這種可能。在這個夢想成為現(xiàn)實之前，教育和科研機構(gòu)還是最主要的客戶。微軟的介入讓其他的公司倍感壓力。微軟憑借自身實力將具有競爭力的產(chǎn)品免費的投放市場，這將有可能使當(dāng)前的教育科研市場受到?jīng)_擊。目前，教育科研和業(yè)余愛好者的市場看上去已經(jīng)趨于飽和，而且這個市場本身的容量就不大。各公司必須找到進(jìn)軍工業(yè)機器人和商用機器人領(lǐng)域的切入口。在 工業(yè)機器人領(lǐng)域，大部分的機器人器材制造商在產(chǎn)品中附帶自己開發(fā)的平臺（例如ABB）。他們也許更愿意使用自己的軟件而不是使用第三方的產(chǎn)品。對于這種情 況OMG小組正在發(fā)起一場建立一系列標(biāo)準(zhǔn)的活動，以試圖打破這種賣方壟斷的局面。盡管目前收效甚微，但是我們希望他們能建立行之有效的中長期標(biāo)準(zhǔn)。另一方 面，在歐洲同樣也有志同道合的人在獨立的做這方面的努力（European Robotics Platform）。在商用機器人領(lǐng)域，我 們可能看到民用機器人軟件平臺標(biāo)準(zhǔn)的出臺，特別是在軍用機器人（對嵌入式系統(tǒng)兼容性要求嚴(yán)格）方面。在美國，絕大部分的機器人研究成果受美軍科研機構(gòu)控 制。所以，我們相信很快會有關(guān)于遠(yuǎn)程控制、集群協(xié)作和導(dǎo)航組件的標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)。另一方面，歐洲的科研力量集中在建立工業(yè)機器人和家庭、辦公領(lǐng)域機器人的應(yīng)用標(biāo) 準(zhǔn)上。最近Skilligent出品了新的機器人平臺，他們的軟件讓機器人能在與人的交流過程中自主學(xué)習(xí)技能。從理論上說，這很大程度上將 很多傳統(tǒng)的商用機器人開發(fā)環(huán)境被廢棄，因為機器人可以直接訓(xùn)練而不用編寫程序。但是另一個方面，那些不能由用戶提供的技能還是需要傳統(tǒng)的編程。所以，我們 能夠望這樣的系統(tǒng)能越來越聰明在將不久的將來，能夠自主學(xué)習(xí)的靈活多變的機器人能越來越多的出現(xiàn)在我們身邊。消費機器人市場價