主流機器人軟件開發(fā)平臺

1、導言本文對目前現(xiàn)役實用機器人的軟件開發(fā)平臺進行整體的評測。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備的“驅動”程序支持 · 通用的常用功能控制組件，例如計算機視覺技術、導航技術和機械手臂控制等。 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

2、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機器學習插件商用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用系統(tǒng)預算中占據(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

3、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

4、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)置導航模塊是否否是否否否學習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 Robotics's ERSPEvolution Robotics是一個集設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）和視覺導航繪圖系統(tǒng)（VSLAM）。它所用的視

5、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，通過搭建圖標來構建程序?？梢暬幊探缑嫦到y(tǒng)通過運行時的“任務”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)境承擔了大部分的信息傳遞和線程管理任務。它的行為協(xié)作基于“服務優(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。可視化編程界面

6、仿真環(huán)境在 微軟大旗的感召下，越來越多的機器人設備廠商宣布支持MSRS。（不知道在這個領域會不會出現(xiàn)WINDOWS的局面？不過我想應該不會，根據(jù)我的經(jīng)驗，在 涉及程序開發(fā)這個領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來看，應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“鎖無關緩沖區(qū)”技術，滿足應用程序對實時性嚴格的要求。OROCOS體系OROCOS提供一系列可重用組件和硬件驅動。獨立的運動學與動力學開發(fā)框架能讓用戶進行物理運動學的建模和

7、計算。應用的領域有機器人、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、非特定任務控制的自治機器人系統(tǒng)進行學習人工智能系統(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

8、。用戶可以通過手勢、聲音、控制操作和“共同注意（joint attention）”。用戶在訓練機器人Skilligent行為控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的關鍵技術是一系列將實際應用情況中的任務或者技能轉換成普適模型的算法。系統(tǒng)針對物體識別、聲音識別和視覺導航的學習進行了優(yōu)化。嚴格來說，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、分布式的事件驅動程序進行了優(yōu)化。對每一種機器人硬件平臺，Gostai都承諾提供

9、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，包括索尼Aibo, 樂高Mindstorms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)同運行服務程序。Gostai的合作者負責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

10、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習。下列是一些相關的信息：· iRobo

11、t 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構（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

12、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，比如視覺導航、姿態(tài)控制和可視化的輪子下陷預測等。 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)的機器人上都預裝自己的系統(tǒng)，正象WINDOWS預裝在PC上面那樣。當然目前為止，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。各公司必須找到進軍工業(yè)機器人和商用機器人領域的切入口。

13、在 工業(yè)機器人領域，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準的活動，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準。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）。在商用機器人領域，我 們可能看到民用機器人軟件平臺標準的出臺，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控 制。所以，我們相信很快會有關于遠程控制、集群協(xié)作和導航組件的標準出現(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、辦公領域機器人的應用標 準上。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習技能。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，能夠自主學習的靈活多變的機器人能越來越多的出現(xiàn)在我們身邊。