淺談機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

寂靜天花板

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。
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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)品能滿足所有的要求。它們總是或多或少的缺了什么東西。
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- @  ^, m; q) i% L1 ^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)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。
; \5 u4 N, N( B4 n# K$ P" u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。
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4 V8 x" }4 r9 n; ~" n, R4 mEvolution Robotics是一個(gè)集設(shè)計(jì)和銷售機(jī)器人軟硬件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，簡(jiǎn)稱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）。它所用的視覺(jué)系統(tǒng)是基于David Lowe開(kāi)發(fā)的算法（已注冊(cè)專利）。
& H$ ~! t/ l9 l" w" f9 u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。
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系統(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。
2 r' e8 @  V' {5 i7 c微軟的機(jī)器人軟件平臺(tái)，產(chǎn)品叫做Microsoft Robotics Studio（MSRS）。它能在Windows和Windows Embedded Compact 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。

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。
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OROCOS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。
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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�提供的是一種對(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。用戶可以通過(guò)手勢(shì)、聲音、控制操作和“共同注意（joint attention）”。
) g* V' |& b" [! e2 a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�能夠和本文中介紹的其他平臺(tái)很好的結(jié)合在一起。
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URBI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都承諾提供一種單獨(dú)的專門(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)。

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Webots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。
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該系統(tǒng)提供了多種常見(jiàn)的機(jī)器人模型比如兩足、輪式和機(jī)械手臂。
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Player,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。
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Player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。

1 P) I' Z0 B0 L/ |- P7 r- Z+ z5 |還有其他的平臺(tái)例如iRobot AWARE, OpenJAUS, CLARAty, YARP。簡(jiǎn)單了解下。
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• iRobot AWARE是一個(gè)由iRobot公司出品的軟件平臺(tái)。他們的平臺(tái)專用于美國(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。
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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。
' @7 u) R- O2 M7 {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。
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）。
3 |, |1 K. [% y3 m, Z* b! O3 P# A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。
  q, v4 n8 [8 j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。
8 d8 N2 V2 {! O/ }/ U$ e9 S消費(fèi)機(jī)器人市場(chǎng)價(jià)格敏感程度要遠(yuǎn)高于其他領(lǐng)域。當(dāng)前最受關(guān)注的家用真空吸塵機(jī)器人，其價(jià)格已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大多數(shù)機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的價(jià)格。所以現(xiàn)在談?wù)撓�費(fèi)機(jī)器人的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)還為時(shí)尚早。
" y* X7 g0 n* ]/ p$ g還有一個(gè)方面，那就是操作系統(tǒng)——Linux與Windows的競(jìng)爭(zhēng)。我的猜想是在未來(lái)的市場(chǎng)上他們都將各據(jù)其地，誰(shuí)也吃不掉誰(shuí)。
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lnxianzhi

樓主這個(gè)是總結(jié)還是普及

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謝謝樓主的帖子, 學(xué)習(xí)了