CN104978220A - 一种机器人在线重配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人在线重配置方法。它包括以下步骤：S1：建立抽象的机器人架构元模型；S2：建立机器人系统元模型；S3：建立机器人架构元模型和机器人系统元模型中部件元素之间及部件元素属性之间的映射关系及管理API；S4：实现对机器人架构元模型实例和机器人系统元模型实例进行双向转换过程中的同步，实现机器人系统元模型实例和实际机器人系统模型之间的同步；S5：重配置机器人架构元模型实现对运行时实际机器人系统的重配置。本发明将底层的机器人系统抽象成与平台无关的机器人架构元模型，管理者可以通过简单地改变上层的运行时机器人架构元模型实例就可以对复杂的运行时机器人系统进行监测和重配置。

Description

一种机器人在线重配置方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人在线重配置方法。

背景技术

机器人系统是一种具有感知上下文环境并且可在未知环境动态改变的情况下成功执行规定任务的智能系统，机器人软件开发研究也一直是技术领域的热点问题。一方面，传感器、执行器等硬件的发展和计算设备计算能力的飞速增长，很大程度上降低了机器人在硬件设计时的复杂度和难度，机器人已演变成了拥有大量先进传感器和执行器的复杂智能计算体，而且由于大多数机器人的相关硬件接口都有了特定的标准，这使在机器人硬件上实现网络分层式控制体系结构成为可能，这种体系结构的优势在于可以方便地增加或移除外围硬件，实现硬件上的开放性；另一方面，随着人们对智能生活的要求越来越高，机器人技术应用越来越广泛，机器人也慢慢地从工业领域走向人们的生活之中，已覆盖工业、医疗、娱乐、服务、救灾、家居等领域，智能机器人在人们的未来生活中会充当越来越重要的角色。

多领域的应用场景对机器人提出了新的需求，机器人的智能化使得机器人软件系统要处理的任务变得日益复杂，机器人可能需要添加各种新式传感器和执行器，同时运行在越来越多不确定的工作环境中，在这种环境下很难事先确定机器人的作业任务，而传统机器人因对环境的适应能力以及任务变化的能力较差很难满足相应的功能，这些因素都促使机器人技术向智能化、分布式、柔性化发展，必须具备一定的集成能力和自主能力，以及以多传感器采集各种信息进而相互集成为特点的智能化要求。可重构模块化机器人根据不同的环境和任务的改变它的构型，其控制系统也能很好地适应可重构性配置，体现出开放性、软硬件结构模块化及功能可重构等特点的可重构模块化机器人应运而生，可重构模块化机器人通过组装多个模块可以得到多种不同构型的机器人以满足不同任务的需求。因此，对于可重构模块化机器人可以根据不同的任务或不同的工作环境改变自身构型，整个可重构模块化机器人就是若干独立功能模块的有效组合，这些模块具有相同的软、硬件接口，模块自身具备一些的特定功能，且相互之间相互独立，因此模块化机器人的开发不同于传统机器人的集中为一个整体，而是呈现出分布式的特点。可变形和可重构的机器人作为当前机器人研究的一个热点，与传统的机器人相比，可重构模块化机器人对任务和环境的适应能力更强，更具有柔性，同时能简化设计制造和维护、缩短研制周期、降低研制成本，大大增强系统构建时的灵活性和弹性，已成为系统开发的重要设计方法。可重构模块化机器人的出现对机器人软件开发在复用性和自适应性上提出了更高的要求，其软件系统除具备一般机器人控制器的需求之外，还需要满足自身模块化、构型可变的特点。

面对着这个日益复杂多变的机器人系统，机器人相关软件的开发技术已不能赶上其发展速度，机器人软件开发的难度越来越大，所需功能越来越强大，软件的应用范围越来越广泛，整个系统架构更加复杂。机器人上的传感设备所采集到的数据是实时的、且数据无良好的结构，要将采集到的数据与实际场景中的客观事物的对象属性建立联系，则不得不编写大量的转换代码，代码量更是越来越庞大，机器人系统软件开发已不能满足机器人快速发展的现状，特别是现有机器人对复用性。除此以外，机器人还要能够自动识别工作对象、适应未知工作环境，并能根据使用者发出的指令或其自身的适应策略自动做出与之相适应的准确动作，出现了应用问题中的随需性，存在不同的应用场景，机器人需要从传感器实时获取所处环境的状态信息或者实时更新该场景下所需处理的任务，这些问题都为机器人软件的开发提出了在线重配置方面更高层次的要求，都使得现有的机器人软件开发方式不能满足其功能需要。

发明内容

本发明的目的是克服目前不能对机器人进行在线重配置的技术问题，提供了一种机器人在线重配置方法，其将底层的机器人系统抽象成与平台无关的机器人架构元模型，由于运行时软件架构的抽象性，管理者可以通过简单地改变上层的运行时机器人架构元模型实例就可以对复杂的运行时机器人系统进行监测和重配置。

本发明的一种机器人在线重配置方法，包括以下步骤：

S1：从机器人系统中抽象出来需要管理的机器人部件建立抽象的机器人架构元模型，机器人架构元模型包括与机器人部件对应的部件元素、部件元素属性以及部件元素之间的协作关系；

S2：在机器人架构元模型的基础上建立与某个实际机器人系统相对应的机器人系统元模型，机器人系统元模型包括与机器人架构元模型一样的部件元素，机器人系统元模型内的部件元素的属性以及部件元素之间的协作关系都与该实际机器人系统相对应；

S3：建立机器人架构元模型和机器人系统元模型中部件元素之间及部件元素属性之间的映射关系，使得机器人架构元模型和机器人系统元模型之间可以实现双向转换，建立用于管理和调用这些部件元素的管理API；

S4：生成运行时环境，在运行时环境中建立机器人架构元模型实例和机器人系统元模型实例，通过SMRT工具实现对机器人架构元模型实例和机器人系统元模型实例进行双向转换过程中的同步，通过编写Socket通信实现机器人系统元模型实例和实际机器人系统模型之间的同步，进而实现三层模型中各个模型间的同步；

S5：实际机器人系统运行时，重配置机器人架构元模型，引起机器人系统元模型发生相应改变，从而实现对运行时实际机器人系统的重配置。

作为优选，采用EMF技术建立机器人架构元模型和机器人系统元模型。

作为优选，采用QVT模型转换语言建立机器人架构元模型和机器人系统元模型中部件元素之间及部件元素属性之间的映射关系。

作为优选，所述步骤S5包括以下步骤：将运行时机器人架构元模型转换成代码，将机器人系统元模型和管理API转换成java代码，再通过QVT语言来定义机器人架构元模型和机器人系统元模型的转换关系，结合生成的项目代码作为eclipse应用运行，产生运行环境，进而创建机器人架构元模型和机器人系统元模型的实例，通过管理这些抽象的机器人架构元模型的实例就可以控制对应实际机器人元模型的实例。

作为优选，机器人架构元模型和机器人系统元模型的区别在于部件元素间的属性表示方式不相同，部件元素之间的关系表示不相同。

作为优选，所述管理API以代码形式呈现，通过在机器人系统的EMF项目工程中建立一个DecModel，实现对管理API的加入，通过DecModel添加对目标机器人系统进行侦听和调用的代码块来完成对机器人管理API的调用，实现检索和更新实际系统的运行状态。

作为优选，在开发过程中用EMF提供的模型验证工具准确地保证模型的正确性，根据建立的genmodel模型生成底层JAVA代码和插件项目，对这些代码进行编辑，可以实现不同的需求，简化了繁琐底层代码的编写，根据生成的插件项目把他们作为Eclipse项目运行可以产生运行时环境，然后建立具体的机器人架构元模型和机器人系统元模型的实例。

本发明的实质性效果是：将底层的机器人系统抽象成与平台无关的机器人架构元模型，由于运行时软件架构的抽象性，管理者可以通过简单地改变上层的运行时机器人架构元模型实例就可以对复杂的运行时机器人系统进行监测和重配置。

附图说明

图1是本发明的一种流程图；

图2是本发明的一种系统整体概念图；

图3是同步机制设计框图；

图4是元模型的UML表示形式；

图5是机器人架构元模型；

图6是机器人系统元模型；

图7是元模型和代理间的socket通信示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种机器人在线重配置方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：从机器人系统中抽象出来需要管理的机器人部件建立抽象的机器人架构元模型，机器人架构元模型包括与机器人部件对应的部件元素、部件元素属性以及部件元素之间的协作关系；

S2：在机器人架构元模型的基础上建立与某个实际机器人系统相对应的机器人系统元模型，机器人系统元模型包括与机器人架构元模型一样的部件元素，机器人系统元模型内的部件元素的属性以及部件元素之间的协作关系都与该实际机器人系统相对应，机器人架构元模型和机器人系统元模型的区别在于部件元素间的属性表示方式不相同，部件元素之间的关系表示不相同；

S3：建立机器人架构元模型和机器人系统元模型中部件元素之间及部件元素属性之间的映射关系，使得机器人架构元模型和机器人系统元模型之间可以实现双向转换，建立用于管理和调用这些部件元素的管理API；

S4：生成运行时环境，在运行时环境中建立机器人架构元模型实例和机器人系统元模型实例，通过SMRT工具实现对机器人架构元模型实例和机器人系统元模型实例进行双向转换过程中的同步，通过编写Socket通信实现机器人系统元模型实例和实际机器人系统模型之间的同步，进而实现三层模型中各个模型间的同步；

S5：实际机器人系统运行时，重配置机器人架构元模型，引起机器人系统元模型发生相应改变，从而实现对运行时实际机器人系统的重配置。

采用EMF技术建立机器人架构元模型和机器人系统元模型。采用QVT模型转换语言建立机器人架构元模型和机器人系统元模型中部件元素之间及部件元素属性之间的映射关系。

将运行时软件架构运用到机器人的软件开发当中，首先需要对实际复杂的机器人系统进行抽象简化，抽象出需关注的模块组成抽象架构模型。运行时软件架构(Runtime Software Architecture)就是把运行时的系统看作是动态的架构模型，是运行软件系统的动态表现，能在一个高度抽象的层次中监控和适应系统，但和实际的系统中间又存在着一种因果关系。实际系统的改变会反应到运行时架构上的改变，而架构的重配置也会映射到实际的运行时系统上。将运行时软件架构运用到机器人开发上的系统整体概念图，如图2所示。从图2中可以看出，上层为抽象的架构元模型，其元素是我们从机器人系统中抽象出来的一些需管理的机器人部件，架构元模型是一个抽象的模型可以根据不同的映射机制映射到不同种类的机器人系统，与不同的底层机器人系统是一种松耦合关系。下层为实际的机器人系统元模型，和实际的机器人系统之间是一一对应的关系，通过运行时重配置上层抽象架构元模型来控制下层的实际机器人系统元模型，实现对架构模型进行在线重配置。同时，需要中间的运行时同步引擎来保证运行时模型间的一致性，需要模型间模型的差异和融合和双向转换技术来做支撑。模型的差异，就是将现有的两个元模型进行对比，通过对比模型中的元素和属性，得到一个模型的差异，用符号“-”来表示，-：A×A→ΔA，ΔA代表计算出的模型差异，为原始的模型操作集；模型的融合则可以将现有模型和一个模型的差相融合，产生一个新的模型，从而实现用模型的调整和重配置来控制运行时的机器人系统，用“+”来表示，+：A×ΔA→A。双向转换技术则用两个模型之间的一种关系R来驱动模型之间的双向转换，如果用A和S表示要转换的两个元模型，则可用来表示这种关系，如果元模型A和元模型S是一一对应的，那么R可以写作R(a，s)，元模型之间的双向转换可以表示为：

$\stackrel{\→}{R}:A\×S\→S$

$\stackrel{\←}{R}:A\×S\→A$

着眼于模型对关系R(a，s)如何计算出通过调整元模型S来保证两个元模型间的对应关系，并返回S的调整后版本，则代表模型相对方向的转变。a，s分别为元模型A和元模型S的实例。

实现运用基于模型驱动的运行时架构技术到运行时系统管理中，保证运行架构模型和实际系统间的同步是重要保障。要实现同步机制必须提供需管理的系统模型元素及如何调用和管理这些元素，此时就要关注如何维护一个模型、如何通过管理API来控制实际系统、如何同步系统与模型之间的改变。同步机制可以自己编写，也可通过现有的工具来实现，其在整体设计框图，如图3所示，从设计框图中可以看出：输入是机器人系统元模型和使用权模型(包括如何调用管理API监测和修整可管理的元素)，然后利用某种同步机制根据输入来生成同步引擎。输入的系统模型元素中包含了要管理的系统元素，这些模型元素除了和实际系统中的器件相对应，还要表示出这些器件的属性、方法以及它们之间的协作关系。同步引擎是架构模型与系统模型交互的桥梁，要实现通过抽象运行时架构元模型来控制实际系统，同步引擎应该在开发者对元模型进行读取元模型实例之前和重配置元模型实例之后触发，这是同步的一个关键问题。对于读取操作这一关键步骤是由模型监听器完成，模型监听器介入读操作，要求触发同步引擎，直到同步到最新的元模型实例后才进行读取操作；同时，模型监听器要求在写操作完成后，进行同步操作把元模型实例的实时配置反映到机器人系统上。

为了实现通过抽象架构元模型控制机器人系统进行在线重配置，本实施例采用Eclipse建模架构(Eclipse Modeling Framework，EMF)技术，EMF是一种强大的架构和代码生成工具，本实施例通过其建立相应的元模型和代码生成工具，以构建基于模型定义的java运行环境，首先以选取的机器人部件来定义架构元模型和机器人系统元模型，其次定义相应管理API来调用和管理这些机器人部件，然后将运行时架构元模型转换成代码，并根据定义的系统模型和管理API转换成java代码。为进一步简化复杂代码编写的步骤，本实施例通过eclipse平台提供的开发工具，根据所创建的genmodel来自动生成代码。再通过QVT语言来定义架构元模型和机器人系统元模型的转换关系，结合生成的项目代码作为eclipse应用运行，产生运行环境，进而创建架构元模型和机器人系统元模型的实例，通过管理这些抽象架构元模型的实例就可以控制对应实际机器人元模型的实例。

建立实际系统状态的抽象架构元模型，是实现通过简单的运行时架构元模型实例来控制复杂的机器人系统的首要任务。元模型的建立有好多种方式，本实施例运用EMF技术通过类图来建立元模型，定义指定什么种类的元素将出现在抽象架构元模型中，这些元素的属性和这些元素之间的关系如何表示。这些定义将被记录在EMF元模型中，本实施例建立的元模型的UML表示形式，如图4所示，在类图中抽象出5个类来表示机器人架构元模型，其中Registration类记录了已注册的执行器和传感器；Message类作为父类，有robotid、msgid和available三个属性，并且属性的Lower Bound和Upper Bound都是“1”，代表每个实例都只有唯一的robotid和msgid值，可以通过这两个值来区别不同的机器人实例，available属性则表示是否关注某个器件的状态，如果要检测它的值可以将其设置为true，不关注则设置为false，那么其值就不会在架构元模型中显示出来。Sensor类包含了sensorid、ContractIdentifier、type、value等属性，通过这些属性可以知道怎么访问这些传感器和获得各个传感器的值，传感器的值以String表示。Command类是命令类，所有发送的命令必须继承command类。此外，本实施例还自定义了Sensortype数据类型，来区分不同的传感器类型。上述类图表示的ecore模型视图，如图5所示，通过配置上面架构元模型的实例，以及相关的模块就代替了机器人系统主要的组成部分，从而实现对实际机器人的控制。在自适应策略中，可以通过添加对应的注释属性来实现，添加注释是EMF中一种标准的扩展架构元模型获得额外信息的方式，注释里可以包含语义和约束，原型引擎可以根据这些语义和约束自动的修改架构元模型。

在上述抽象架构模型建立的基础上建立机器人系统元模型，其主要区别在于元素间的属性表示方式发生了变化，元素之间的关系表示也不相同，本实施例建立的机器人系统元模型，如图6所示，上述的机器人系统元模型，比运行时架构元模型更为具体化，类的属性都是和实际机器人相对应，可以看作实际的机器人组件的类对象。机器人系统的元模型中的元素生成类之后，创建相应类的实例就代表了一个实际的机器人组成部件，再通过创建元模型的实例形成实际的机器人元件，从而可以通过这些实例的属性来使用这些元件、获取元件的状态以及它们之间的协作关系。

作为抽象架构元模型和机器人系统元模型之间的桥梁，保证抽象架构元模型实例和机器人系统元模型实例之间的对应关系是最关键的，必须满足以下对应关系：

1.正确的反应：在实际系统改变时，管理人员都可以通过运行时抽象架构模型来获得正确的系统状态。

2.正确的重配置：管理人员可以直接更改运行时抽象架构元模型，而这些配置应该能动态的引起正确的实际系统改变。

对应关系的正确性完全依赖于架构模型和实际系统之间的关系当实例对(a，s)∈R时，形成抽象架构元模型实例和实际系统是一一对应的，此时架构元模型实例a就是实际系统元模型实例s的映射。对于机器人系统来说，当实际机器人系统添加了一个新的传感器，那么在对应的架构元模型实例上也将新增一个名字和属性相同的传感器，反过来也是一样。

根据以上对应关系的概念，本实施例首先建立与上述架构元模型和机器人系统元模型相对应的genmodel，根据genmodel结合eclipse开发工具生成相应的java插件项目，再将其生成整个运行环境。其次本实施例采用了SMRT工具来自动生成同步引擎，SMRT工具是一个普适的工具，要使用SMRT工具必须提供要管理系统的元素和相应的管理API，本实施例通过扩展SMRT工具来满足在机器人系统上的应用，建立的机器人系统元模型实例，来传递给SMRT工具机器人系统元素；另一方面本实施例中的机器人管理API以代码形式呈现，通过在机器人系统的EMF项目工程中建立一个DecModel，实现对管理API的加入，通过DecModel添加对目标机器人系统进行侦听和调用的代码块来完成对机器人管理API的调用，实现检索和更新实际系统的运行状态。在前面研究基础上，本实施例创建了一个用hash map实现的Mapping pool，记录运行时架构元模型实例和机器人系统元素的引用，以便了解运行时架构元模型实例和机器人系统元素之间是否形成一一对应的关系。同时，Mapping pool会随着机器人系统或者元模型实例的改变，动态记录所用的元素，可以通过查看Mapping pool中的内容，验证上述元素在注册表中的情况。

本实施例将机器人系统元模型实例与微软的机器人开发平台相结合来验证其真实可行性，因微软的MRDS(Microsoft RoboticsDeveloper Studio)机器人开发平台是面向服务的，其不同于部分构件式的机器人开发平台，构件式的机器人开发平台构件之间的关系是预先设定的，很难进行运行时的架构调整，而MRDS是面向服务的开发方式，保证了服务之间的关系在运行时才确定可以随时更改，满足了本实施例验证运行时架构对在线重配置的要求。选择微软的MRDS机器人开发平台后，实现生成的机器人系统元模型实例的java代码和编写实际机器人代理使用的c#代码之间的通信是主要的问题。本实施例使用socket序列化命令实现这一目标，编写不同接口间的通信命令，成功实现了机器人系统元模型实例和微软机器人应用平台的仿真机器人代理进行通信。这就形成了如图7所示的三层结构模型，上层为我们开发机器人所用的机器人架构元模型实例，中间层是与机器人架构元模型实例对应的机器人系统元模型实例，底层是我们建立的实际机器人模型，它与机器人系统元模型实例通过socket命令保持实时对应关系。

对运行时架构的在线重配置是否有效的验证，本实施例通过微软MRDS平台对机器人的所有组件及状态进行实时观测，判断对架构模型的在线重配置在机器人系统上的实际效果。本实施例选择比较基本且具有代表性的乐高NXT机器人，它可以采用蓝牙或USB和PC进行通信，NXT机器人提供了一个可扩展的架构，可以通过它对服务进行配置，使自身或第三方设备可以在任何时候加入，很好满足了对简单在线重配置的需求。NXT功能块有三个MOTOR端口和四个传感器端口，插入的设备能获取其所在的端口，验证在线重配置可以利用本实施例的运行时架构开发方式，通过对架构元模型实例的修改来实现元素的注册或者不同的端口间切换，也可以通过系统元模型实例查看已注册的元素所用的端口。用测试实验中一个简单实例来说明机器人系统元模型实例和微软机器人平台的仿真机器人之间的映射关系，我们创建的一个机器人系统元模型的实例，这个实例与我们在微软机器人开发平台上开发的机器人是一一对应关系，在该机器人系统里我们创建了一个node节点，该node里包含了一个Actuator和两个Sensor。这些实例元素的属性值和我们所编写的机器人C#代码中的值都是完全一致的，其相应的命令可以通过ocket序列化命令来发送。若从架构模型中屏蔽掉ColorSensor，相应的机器人系统元模型实例中Registration中的ColorSensor在同步架构元模型实例后就会相应地消失。同时，通过socket命令发送给C#代码编写的机器人代理，就可以在机器人代理中取消注册ColorSensor。实验实时结果可以通过访问微软机器人平台相对应的网页查看，实际机器人系统中已经取消注册了ColorSensor，这就表明本实施例在线重配置已经生效。除了在线满足不同的新需求，对机器人组件的属性和协作关系进行重配置，我们还可以通过抽象架构模型系统在线监测各个传感器的值，很方便的获取一些对我们很重要的参数，实现了屏蔽一些底层的复杂数据的干扰。

Claims (7)

1.一种机器人在线重配置方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：从机器人系统中抽象出来需要管理的机器人部件建立抽象的机器人架构元模型，机器人架构元模型包括与机器人部件对应的部件元素、部件元素属性以及部件元素之间的协作关系；

S2：在机器人架构元模型的基础上建立与某个实际机器人系统相对应的机器人系统元模型，机器人系统元模型包括与机器人架构元模型一样的部件元素，机器人系统元模型内的部件元素的属性以及部件元素之间的协作关系都与该实际机器人系统相对应；

S3：建立机器人架构元模型和机器人系统元模型中部件元素之间及部件元素属性之间的映射关系，使得机器人架构元模型和机器人系统元模型之间可以实现双向转换，建立用于管理和调用这些部件元素的管理API；

S4：生成运行时环境，在运行时环境中建立机器人架构元模型实例和机器人系统元模型实例，通过SMRT工具实现对机器人架构元模型实例和机器人系统元模型实例进行双向转换过程中的同步，通过编写Socket通信实现机器人系统元模型实例和实际机器人系统模型之间的同步，进而实现三层模型中各个模型间的同步；

S5：实际机器人系统运行时，重配置机器人架构元模型，引起机器人系统元模型发生相应改变，从而实现对运行时实际机器人系统的重配置。

2.根据权利要求1所述的一种机器人在线重配置方法，其特征在：采用EMF技术建立机器人架构元模型和机器人系统元模型。

3.根据权利要求1所述的一种机器人在线重配置方法，其特征在：采用QVT模型转换语言建立机器人架构元模型和机器人系统元模型中部件元素之间及部件元素属性之间的映射关系。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种机器人在线重配置方法，其特征在，所述步骤S5包括以下步骤：将运行时机器人架构元模型转换成代码，将机器人系统元模型和管理API转换成java代码，再通过QVT语言来定义机器人架构元模型和机器人系统元模型的转换关系，结合生成的项目代码作为eclipse应用运行，产生运行环境，进而创建机器人架构元模型和机器人系统元模型的实例，通过管理这些抽象的机器人架构元模型的实例就可以控制对应实际机器人元模型的实例。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种机器人在线重配置方法，其特征在：机器人架构元模型和机器人系统元模型的区别在于部件元素间的属性表示方式不相同，部件元素之间的关系表示不相同。

6.根据权利要求4所述的一种机器人在线重配置方法，其特征在：所述管理API以代码形式呈现，通过在机器人系统的EMF项目工程中建立一个DecModel，实现对管理API的加入，通过DecModel添加对目标机器人系统进行侦听和调用的代码块来完成对机器人管理API的调用，实现检索和更新实际系统的运行状态。

7.根据权利要求2所述的一种机器人在线重配置方法，其特征在：在开发过程中用EMF提供的模型验证工具准确地保证模型的正确性，根据建立的genmodel模型生成底层JAVA代码和插件项目，对这些代码进行编辑，可以实现不同的需求，简化了繁琐底层代码的编写，根据生成的插件项目把他们作为Eclipse项目运行可以产生运行时环境，然后建立具体的机器人架构元模型和机器人系统元模型的实例。