主流機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

1、導(dǎo)言本文對(duì)目前現(xiàn)役實(shí)用機(jī)器人的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行整體的評(píng)測(cè)。主要內(nèi)容是根據(jù)本人對(duì)這些平臺(tái)的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)編寫(xiě)的。什么是機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)？所謂的“機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)”我們指的是用來(lái)給多種機(jī)器人設(shè)備開(kāi)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(kù) · 完備的調(diào)試/仿真環(huán)境 · 對(duì)多種機(jī)器人硬件設(shè)備的“驅(qū)動(dòng)”程序支持 · 通用的常用功能控制組件，例如計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)和機(jī)械手臂控制等。 大家可以看到，一個(gè)機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)需要包含很多東西。就我本人的觀點(diǎn)，現(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)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(jī)器人軟件平臺(tái)平臺(tái)名稱(chēng)所屬類(lèi)型Evolution Robotics ERSP平臺(tái)商用Microsoft Robotics Studio平臺(tái)非商業(yè)用途免費(fèi)OROCOS控件庫(kù)開(kāi)源且免費(fèi)Skilligent機(jī)器學(xué)習(xí)插件商用URBI平臺(tái)商用Webots仿真環(huán)境商用Player, Stage, Gazebo平臺(tái)開(kāi)源且免費(fèi)iRobot AWARE平臺(tái)商用OpenJAUS平臺(tái)開(kāi)源CLARAty平臺(tái)開(kāi)源為什么要使用機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)？機(jī)器人控制軟件的花費(fèi)在整個(gè)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)預(yù)算中占據(jù)了很大比例。比如，一個(gè)自動(dòng)控制項(xiàng)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(kāi)

3、和定制。所以機(jī)器人開(kāi)發(fā)平臺(tái)的作用就是減少軟件工程師的工作量，同時(shí)減少項(xiàng)目開(kāi)支。除了軟件工程的問(wèn)題外，在一個(gè)真正的機(jī)器人項(xiàng)目中還要涉及大量的人工智能。一個(gè)集成了許多現(xiàn)成的、可靠的組件庫(kù)的統(tǒng)一軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在應(yīng)付各種機(jī)器人工程時(shí)能幫上大忙。最后的問(wèn)題是“行為協(xié)作”。許多文獻(xiàn)中都有對(duì)行為協(xié)作的討論。正因?yàn)檫@是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題，所以一些平臺(tái)提供了統(tǒng)一的解決方案。應(yīng)用功能測(cè)評(píng) EvolutionMicrosoftOROCOSSkilligentURBIWebotsPlayer, Stage, Gazebo開(kāi)源否否是否否否是免費(fèi)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(jī)械手臂控制模塊否否是是否否否內(nèi)置物體識(shí)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(shí)時(shí)系統(tǒng)否否是否否否否Evolution Robotics's ERSPEvolution Robotics是一個(gè)集設(shè)計(jì)和銷(xiāo)售機(jī)器人軟硬件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，簡(jiǎn)稱(chēng)ERSP。整個(gè)軟件非常成熟。它集成了視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)（VIRP）和視覺(jué)導(dǎo)航繪圖系統(tǒng)（VSLAM）。它所用的視

5、覺(jué)系統(tǒng)是基于David Lowe開(kāi)發(fā)的算法（已注冊(cè)專(zhuān)利）。平臺(tái)提供了可視化的編程環(huán)境工具，通過(guò)搭建圖標(biāo)來(lái)構(gòu)建程序?？梢暬幊探缑嫦到y(tǒng)通過(guò)運(yùn)行時(shí)的“任務(wù)”程序來(lái)激活或停止“行為”組件。系統(tǒng)不支持仿真。它在Windows 和Linux下運(yùn)行.Microsoft Robotics Studio微 軟最近成立了專(zhuān)門(mén)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)機(jī)器人軟件平臺(tái)，產(chǎn)品叫做Microsoft Robotics Studio（MSRS）。它能在Windows和Windows CE下運(yùn)行。分布運(yùn)行的開(kāi)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(jí)”的概念。它提供了完備的仿真和圖形化開(kāi)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(lái)越多的機(jī)器人設(shè)備廠商宣布支持MSRS。（不知道在這個(gè)領(lǐng)域會(huì)不會(huì)出現(xiàn)WINDOWS的局面？不過(guò)我想應(yīng)該不會(huì)，根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，在 涉及程序開(kāi)發(fā)這個(gè)領(lǐng)域微軟的感召力僅局限與WINDOWS平臺(tái)，根據(jù)他們公司的一貫作風(fēng)來(lái)看，應(yīng)該是不會(huì)做包打天下的產(chǎn)品的。譯者注）OROCOSOROCOS是一個(gè)開(kāi)源的控件庫(kù)。這些控件主要用于高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器人控制。它自己帶有一個(gè)針對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境優(yōu)化了的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該環(huán)境使用“鎖無(wú)關(guān)緩沖區(qū)”技術(shù)，滿足應(yīng)用程序?qū)?shí)時(shí)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(dòng)。獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)開(kāi)發(fā)框架能讓用戶進(jìn)行物理運(yùn)動(dòng)學(xué)的建模和

7、計(jì)算。應(yīng)用的領(lǐng)域有機(jī)器人、人體工程、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、工業(yè)機(jī)械建模等。該系統(tǒng)沒(méi)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(shuō)，Skilligent不屬于機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。因?yàn)樗峁┑氖且环N對(duì)機(jī)器人編程的仿真訓(xùn)練，而不是真正意義上編寫(xiě)實(shí)際運(yùn)行在機(jī)器人上面的程序。Skilligent的機(jī)器人行為控制系統(tǒng)是基于“developmental robotics”一種新型的對(duì)多用途的、非特定任務(wù)控制的自治機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)人工智能系統(tǒng)。Skilligent讓一個(gè)常規(guī)的機(jī)器人變成一個(gè)能與終端用戶交流并能被訓(xùn)練的友好的機(jī)器人。系統(tǒng)控制軟件的良好的交互性能讓用戶與機(jī)器人之間的交流和協(xié)作更自然

8、。用戶可以通過(guò)手勢(shì)、聲音、控制操作和“共同注意（joint attention）”。用戶在訓(xùn)練機(jī)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(shí)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(duì)物體識(shí)別、聲音識(shí)別和視覺(jué)導(dǎo)航的學(xué)習(xí)進(jìn)行了優(yōu)化。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，Skilligent倒不是一個(gè)平臺(tái)，而更象是一個(gè)系統(tǒng)插件，因?yàn)樗軌蚝捅疚闹薪榻B的其他平臺(tái)很好的結(jié)合在一起。URBIURBI是由Gostai開(kāi)發(fā)的平臺(tái)。它沒(méi)有提供流行的圖形編程界面，而是獨(dú)立提供了一種語(yǔ)言。語(yǔ)言的特點(diǎn)是針對(duì)建立平行、分布式的事件驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)每一種機(jī)器人硬件平臺(tái)，Gostai都承諾提供

9、一種單獨(dú)的專(zhuān)門(mén)的程序語(yǔ)言。目前，Gostai已經(jīng)為數(shù)個(gè)機(jī)器人產(chǎn)品提供了服務(wù)，包括索尼Aibo, 樂(lè)高M(jìn)indstorms和 K-Team的Khepera.URBI是一種分布式的平臺(tái)。利用它用戶可以組建一個(gè)計(jì)算機(jī)群來(lái)協(xié)同運(yùn)行服務(wù)程序。Gostai的合作者負(fù)責(zé)提供視覺(jué)識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別的組件。該平臺(tái)沒(méi)有自帶的仿真平臺(tái)，但是近期它宣布與Webots合作。Webots是一個(gè)流行的商用機(jī)器人仿真平臺(tái)。WebotsWebots是一個(gè)流行的機(jī)器人快速建模和仿真商用平臺(tái)，由Cyberbotics公司出品。這個(gè)系統(tǒng)不算是一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，說(shuō)是一個(gè)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(jiàn)的機(jī)器人模型比如兩

10、足、輪式和機(jī)械手臂。Webots快速建模和仿真環(huán)境Player, Stage, GazeboPlayer,是一個(gè)支持多種機(jī)器人硬件平臺(tái)、開(kāi)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(gè)系統(tǒng)適合用于機(jī)器人集群沖突/協(xié)作的研究。Player, Stage, GazeboPlayer還能提供一個(gè)在機(jī)器人上運(yùn)行的簡(jiǎn)易界面用來(lái)通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)讀取傳感器數(shù)據(jù)、向激勵(lì)器發(fā)送命令和配置運(yùn)行中的設(shè)備。其他平臺(tái)還有其他的平臺(tái)例如iRobot AWARE, OpenJAUS, CLARAty, YARP。作者還沒(méi)有機(jī)會(huì)深入學(xué)習(xí)。下列是一些相關(guān)的信息：· iRobo

11、t AWARE是一個(gè)由iRobot公司出品的軟件平臺(tái)。他們的平臺(tái)專(zhuān)用于美國(guó)軍方的軍用機(jī)器人。根據(jù)Rodney Brooks的說(shuō)法，該公司利用一些開(kāi)源代碼來(lái)改進(jìn)自己的產(chǎn)品。從現(xiàn)有的資料來(lái)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(gè)開(kāi)源的無(wú)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(jī)器人。 · CLARAty是一個(gè)由美國(guó)宇航局開(kāi)發(fā)并開(kāi)源發(fā)布的

12、項(xiàng)目。不過(guò)它不是完全免費(fèi)的，這個(gè)軟件好象是提供了一些有趣的算法，比如視覺(jué)導(dǎo)航、姿態(tài)控制和可視化的輪子下陷預(yù)測(cè)等。 市場(chǎng)展望對(duì)于機(jī)器人平臺(tái)開(kāi)發(fā)公司來(lái)說(shuō)，最美妙的事情莫過(guò)于將來(lái)大批量出產(chǎn)的機(jī)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(gè)夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)之前，教育和科研機(jī)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(shí)力將具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品免費(fèi)的投放市場(chǎng)，這將有可能使當(dāng)前的教育科研市場(chǎng)受到?jīng)_擊。目前，教育科研和業(yè)余愛(ài)好者的市場(chǎng)看上去已經(jīng)趨于飽和，而且這個(gè)市場(chǎng)本身的容量就不大。各公司必須找到進(jìn)軍工業(yè)機(jī)器人和商用機(jī)器人領(lǐng)域的切入口。

13、在 工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，大部分的機(jī)器人器材制造商在產(chǎn)品中附帶自己開(kāi)發(fā)的平臺(tái)（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(duì)于這種情 況OMG小組正在發(fā)起一場(chǎng)建立一系列標(biāo)準(zhǔn)的活動(dòng)，以試圖打破這種賣(mài)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(zhǎng)期標(biāo)準(zhǔn)。另一方 面，在歐洲同樣也有志同道合的人在獨(dú)立的做這方面的努力（European Robotics Platform）。在商用機(jī)器人領(lǐng)域，我 們可能看到民用機(jī)器人軟件平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，特別是在軍用機(jī)器人（對(duì)嵌入式系統(tǒng)兼容性要求嚴(yán)格）方面。在美國(guó)，絕大部分的機(jī)器人研究成果受美軍科研機(jī)構(gòu)控 制。所以，我們相信很快會(huì)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(jī)器人和家庭、辦公領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用標(biāo) 準(zhǔn)上。最近Skilligent出品了新的機(jī)器人平臺(tái)，他們的軟件讓機(jī)器人能在與人的交流過(guò)程中自主學(xué)習(xí)技能。從理論上說(shuō)，這很大程度上將 很多傳統(tǒng)的商用機(jī)器人開(kāi)發(fā)環(huán)境被廢棄，因?yàn)闄C(jī)器人可以直接訓(xùn)練而不用編寫(xiě)程序。但是另一個(gè)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(lái)越聰明在將不久的將來(lái)，能夠自主學(xué)習(xí)的靈活多變的機(jī)器人能越來(lái)越多的出現(xiàn)在我們身邊。