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Human-Robot-Interaction Lab. 1

NEDO特別講座2012 - 2013

市販デバイスをRTC化するRTC‐CANopen

Non‐OS, ネイティブバス対応RTミドルウェア環境

2013年7月2日

工学部電気工学科教授・工学部長水川真



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RTC‐CANopenとは？

ネイティブバスであるCANを介して接続される各種デバイスと，汎用PC上で動作するRT-Componentを相互に連携可能なミドルウェア

組み込み機器向けRTミドルウェア

OpenRTM-aistをプラットフォームとして利用

組み込み機器同士はネイティブバスであるCANを利用して通信を実行


NEDO特別講座2012 - 2013 RTミドルウェアとは？

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RT = Robot Technology cf. IT ≠Real-time 単体のロボットだけでなく、さまざまなロボット技術に基づく機能要素

をも含む (センサ、アクチュエータ, 制御スキーム、アルゴリズム、etc….)

RT-Middleware RT要素のインテグレーションのためのミドルウエア

RT-Component RT-Middlewareにおけるソフトウエアの基本単位

RT-Middleware

+ + + + +



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RTミドルウェアとRTコンポーネント

RTコンポーネントフレームワーク

RTコンポーネント

コアロジック

ロジックを箱（フレームワーク）に入れたもの＝RTコンポーネント（RTC）

RTミドルウエア

RTC RTC RTC RTC RTC RTC RTC RTC

RTCの実行環境（OSのようなもの）＝RTミドルウエア（RTM）※RTCはネットワーク上に分散可能

・デバイス制御・制御アルゴリズム・アプリケーションetc…



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RTミドルウェアとRTコンポーネント

RTコンポーネントを組み合わせることでシステムを構築

開発効率の向上

多様なユーザニーズへの対応



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RTコンポーネント仕様 Robotic Technology Component Specification

OMG(Object Management Group)にて標準化

2008年4月にVersion 1.0が一般公開 → 現在ver.1.1

RTミドルウェア上で動作するコンポーネントの仕様を標準化

インターフェース仕様

状態遷移仕様



CANopen

CANopenCiA(CAN in Automation)によって国際標準化されたアプリケーション層の規格≪特徴≫• オブジェクトディクショナリを持つ• 多くの企業における採用事例• 通信とアプリケーションの独立性

CANopenとは？

安全バスシステム

AS‐Interface

DeviceNet

INTERBUSESLAN

SafetyBus p

PROFIBUS‐DP (PROFISafe)

Ethernet

CANProfibus ModbusInter

bus-s

ハイエンドPCワークステーション

PCワークステーション

ハイエンドコントローラ、組込み

PC、PLC

16～32bit

8bit

プラントマネージメント

プラント制御

プロセス制御

コントローラカプラー

センサーアクチュエータ

オートメーションピラミッドにおける通信

CANopenを使用した製品例

7. Application

3. Network

4. Transport

5. Session

6. Presentation

1. Physical

2. Data Link

上位プロトコルを使用しないバイバス

CANopenのアプリケーション規格

CANopenのような上位CANプロトコルにより部分的に実装

標準的なCAN実装

DS-306

DR-303

DS-301Application Layer

Communication Profile

ISO11898高速CAN仕様

DSP-302Framework Programmable

Device

DS-4xxDevice Profile for Device

RTC(RTC-CANopen)

DS-413

DS-406

DS-402

DS-401Device Profile for Generic

I/O Module

OSI 7層モデル CANopen規格書構成


NEDO特別講座2012 - 2013 CANopen概要

PDO

SDO

CommunicationCAN

Object Dictionary

Index Object1000H1001H

・・

1600H

ApplicationProcess

Environment

CANopen Device

≪ネットワークプロトコルとして≫• オープンプロトコル（標準化）• 公開された規格書• リアルタイムデータ通信• デバイスモデルが明確• サポートメーカが多い

（2007/08時点で501社）

≪CANopenで出来ること≫• 最大127ノード（各ノードにID）• ネットワーク構成の標準化• 全てのデバイスパラメータにアクセス可能• デバイス間の同期• 周期/イベントドリブン型データ通信が非同

期型通信と混在

CANopenの特徴PDO : Process Data ObjectSDO : Service Data Object



RT‐Mddleware (RTC)• ソフトウェアレベルでモジュール化

• 状態遷移を持つ

• 入力/出力ポートを持つ

• データ送受信のトリガリングがある

• サービスポートを持つ

CANopen (Slave Node)• ハードウェアレベルでモジュール化

• 状態遷移を持つ

• 入力/出力ポートを持つ

• データ送受信のトリガリングがある

• 入力/出力ポートで送受信するデータのマッピング内容の変更が可能

CANopenとRT‐Middlewareの比較

PDO Mapping

任意のデータがマッピング可能


NEDO特別講座2012 - 2013 State Machine

Initializing Pre-Operational Operational StoppedPDO ○SDO ○ ○

SynchronizationObject

○ ○

Time StampObject

○ ○

Emergency Object ○ ○Boot-up Object ○

Network ManagementObject

○ ○ ○

Initializing

Reset Application

Reset Communication

Pre-Operational

Operational

Stopped

Power On Hardware Reset

CANopen OpenRTM-aist-0.4.0 処理Initializing onInitialize 初期化処理Pre-Operational onActivated アクティブ化される時1度だけ呼ばれるOperational onExecute アクティブ状態時に周期的に呼ばれるStopped onDeactivated 非アクティブ化される時1度だけ呼ばれる- onAborting ERROR状態に入る前に1度だけ呼ばれる

Reset　Application(ResetCommunication)

onReset Resetされる時に1度だけ呼ばれる

- onError ERROR状態の時に周期的に呼ばれる- onFinailize 終了時に1度だけ呼ばれる

⇔状態遷移も似ている


NEDO特別講座2012 - 2013 RTC‐CANopen概要

過酷な環境でも動作標準規格を使用

小規模マイコンにも対応 RT‐Middleware

RTC‐CANopen

信頼性が高いCAN(Controller Area Network)を使用

CiAによって国際標準化されたCANopenを使用

CANのインタフェースを搭載する小規模マイコンにも対応

OpenRTM‐aist‐を使用

分散制御ロボット開発用プラットフォーム


NEDO特別講座2012 - 2013 RTC‐CANopen概要

システム概要

特徴

RTC-CANopenシステム構成

RTC-CANopenソフトウェア構成

• 軽量性・・・組込み向けRT-Middlewareとして軽量な仕様• ロバスト性・・・全体を監視する仕組みを配置することによりシステムのロバスト性を向上•リアルタイム性・・・CANの特徴を活かし、高速で信頼性の高いコンポーネント間通信を実現• 柔軟性・・・コンポーネントのPnP機能など、システムの構成を柔軟に変更可能なシステム• 再利用性の向上・・・CANopenを使用することによってデバイスの再利用性が向上•マルチプラットフォーム・・・Windows，Linuxに対応(動作検証:Windows XP SP3,Ubuntu 9.10)

CANなどネイティブバスを介して接続される各種デバイスと汎用PC上のRTCを相互に連携可能．RTC-CANopenは，”Device RTC”，”Proxy RTC”，”RTC-CANopen Server”から構成される

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Proxy RTC

(Object Dictionary)Profile

CAN

RTC-CANopen Server

PnP Manager

RTC-CANopen Manager

Status Manager

CANopen Slave (Slave Node)Proxy Node ID = (odd number)

CANopen Slave (Slave Node)Device Node ID (even number) = Proxy Node ID - 1

Heartbeat

NMT Master Message

TPDO1(1800h)

TPDO2(1801h)

TPDO3(1802h)

TPDO4(1803h)

TPDO1(1800h)

TPDO2(1801h)

TPDO3(1802h)

TPDO4(1803h)

RPDO1(1400h)

RPDO2(1401h)

RPDO3(1402h)

RPDO4(1403h)

RPDO1(1400h)

RPDO2(1401h)

RPDO3(1402h)

RPDO4(1403h)

RPDO(Index) = TPDO(Index) - 400h

TPDO(Index) = RPDO(Index) + 400h

CANopen Master(Master Node)Node ID = 1

Device RTC (DSP-xxx)

EDS

DCF

SDO(Service Data Object)

NMT Slave State machine

Initializing

Reset Application

Reset Communication

Pre-Operational

Stopped

Power On Hardware Reset

Operational

• Device RTC ： CANopenのSlave Nodeをベースにした組込系MPU上で動作するRTC• Proxy RTC ： Device RTCと仮想RTC接続され汎用PC上で動作するRTC• RTC‐CANopen Server ： Device RTCとProxy RTCの状態遷移の制御とネットワーク全体の管理を行うRTC（PnP Manager, Status Manager, RTC‐CANopen Manager）

RTC‐CANopenのシステム構成


NEDO特別講座2012 - 2013 検証用システム

RTC-CANopen準拠として開発したDevice 既存CANopen製品として販売されているEPOS

２種類のシステムによる検証


NEDO特別講座2012 - 2013 試験動画


NEDO特別講座2012 - 2013 RTC‐CANopenの評価試験

•既存のCANopenのProfileでも特に複雑な仕様であるDSP‐402が適用されているEPOSを利用•WiiリモコンのRTCを利用し，OpenRTM‐aistのRTCと通信が可能であることを確認

既存CANopen製品を利用した試験

RTC-CANopen-0.2.0の動作検証/評価デモシステム

ハードウェア構成ソフトウェア構成


NEDO特別講座2012 - 2013 検証用システム

PnPによりシステム構築が行われていることを確認


NEDO特別講座2012 - 2013RTC‐CANopenを用いたロボット開発手順

RTC-CANopen System Editor

またはOSSツール




RTC-CANopen Builder

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RTC‐CANopen用開発ツール

RTC-CANopen Builder

CANopen用デバイスの設定ファイル(DCF)を自動生成

設計したRTコンポーネントの定義情報を標準形式(RtcProfile)にて出力

OpenRTM-aist向けの開発ツールであるRtcBuilderを拡張して実装

RtcBuilderは，産総研サイトにて無償配布

Eclipse Plagin

読込み

RTC-CANopen Builder

(RTC Builder)

自動生成

EDSEDSRTC

仕様

EDSEDS(Device)

DCF

EDSEDS(Proxy)

DCF

自動生成

Device のDCFを読み込みRTC仕様を生成するために必要な情報を入力する。

また、読み込んだDevice のDCF に設定されている Node ID が偶数であることを確認する。

読み込んだDevice のDCF に応じて、あらかじめ用意している汎用ProxyRTC の DCFにある ”Node ID ” ,” BaudRate ” ,” PDO Mapping

Parameter ” , ”PDO Communication Parameter ”の設定を行う。

現在あるRTC Builder と同じように RTC 仕様を出力す

る。（ RTC仕様 Ver .0 .2）



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RTC‐CANopen用開発ツール

RTC-CANopen System Editor

CANopenデバイス間の接続と対応するRTCの接続をシームレスに実行

設定した接続情報をDCFファイルに追記

設計したロボットシステムの定義情報を標準形式(RtsProfile)にて出力

OpenRTM-aist向けの開発ツールであるRTSystemEditorを拡張して実装

RTSystemEditorは，産総研サイトにて無償配布

RTC-CANopen System Editorは基本的にRTC System Editorと同様である。異なる点としてはDCFを読み込みEclipseの下の画面にデバイス間の接続関係を描写、設定変更することが可能となっている点である。

設定変更を反映

RTS仕様

読込み

(Online )

EDSEDSDCF

RTC

Proxy

RTC

EDSEDSDCF

読込み

EDSEDSRTC

仕様

読込み(Offline)

自動生成

Eclipse Plugin

RTC-CANopen System Editor(RTC System Editor)



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RTC‐CANopenのメリット

既存ハードウェアをロボット向けに転用可能

CANopen仕様に準拠した各種デバイスをロボットシステムにて利用可能に

ハードウェアコストの低減

幅広い組み込みMPUに対応

CANopenが実装可能なMPUであれば動作可能

M16C, R8C, H8S, SHシリーズ，V850，PIC18Fxx8 など

コンポーネント間通信の信頼性の向上

CANの特徴を活かした高速で信頼性の高い通信が実現可能

CANopenを使用した製品例


NEDO特別講座2012 - 2013RTC‐CANopeを利用したロボットの例(つくばチャレンジ)

• つくばチャレンジ参加ロボット

“PAR‐NE09”



RTC‐CANopeを利用したロボットの例(小型ロボット)

• ビーゴの改良→RTC‐CANopenリファレンスロボット

Maxon製EPOS


NEDO特別講座2012 - 2013 RTC‐CANopen構築ガイド


NEDO特別講座2012 - 2013UMLとRTミドルウェアによるモデルベースロボットシステム開発

・著者：芝浦工業大学水川真株式会社テクノロジックアート坂本武志大阪大学大原賢一共著

・定価：2835円(本体2700円＋税)・B5 192頁・ISBN 978-4-274-20813-3・発売日：2009/12

主要目次

第1章モデルベースロボット開発入門第2章ロボット用ミドルウェア“OpenRTM‐aist”第3章 UMLを用いたロボットのモデリング～構造設計～第4章 UMLを用いたロボットのモデリング～振る舞い設計～第5章再利用性を意識したロボット制御プログラムの開発第6章設計したクラスを利用したRTコンポーネット設計付録A 教育・研究用ロボット「ビーゴ」の紹介付録B OpenRTM‐aistの開発環境構築付録C 組込みコンピュータ向けRTコンポーネントフレームワーク“RTC‐Lite”の紹介付録D RTM‐CANOpenの紹介参考文献


NEDO特別講座2012 - 2013 RTC‐CANopen標準化

既存のCANopen準拠デバイスをRTMフレームワークで利用可能 (既製品を容易に利用)CANopen準拠である為，ロボット以外にも幅広く利用可能 (企業の参入を促進)

ロボット部品の大幅な種類増と低価格供給が期待

• CANopenの標準化団体であるCiA(CAN in Automation)とRTC-CANopenの規格化に関して調整を開始(2008～)

• CAN Newsletter にRTC-CANopen及び， RT-Middleware紹介記事掲載(2010.6) • CiAより，Service Robot のCANopenプロファイル策定のため，

CFE(Call for Expert)発出 (2010.7.14）• CiAキックオフミーティング実施 (2010.11.15）• サービスロボットSIG発足(2011.3.5) 議長水川真（芝浦工大）• 国際標準化

→ CiAからの提案により，仕様を以下の２つに分割修正版WDを作成(2011.11.04/11.18)

CiA318:Implementation guideline - Mapping of RTC to CANopenCiA460:Service robot controller profile - NMT master application and CANopen

device proxies・サービスロボットSIGにて，修正版WDを基にDSP公開(2012. 2. 7)

CAN Newsletter(June 2010)

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NEDO特別講座2012 - 2013 CiA から規格案発行2012.2.10

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• RTC‐CANopenの国際標準規格化

• 開発ソフトウェア– 設定ツール（Eclipseプラグイン）

• RTC‐CANopen Builder• RTC‐CANopen System Editor

– サーバー• Windows版：商用ライブラリ

• Linux版：オープンソース公開

– クライアント（Device）• すべてオープンソース公開

• H8SX• SH2• ARM

開発成果

Windows Linux

Device: CANcardXLDriver: GCPDriver

Device: PCAN-PCカードDriver: Socket CAN

対応インターフェース

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• RTC‐CANopenの提供– セグウェイジャパン株式会社

– 京都大学

– 大阪大学

– 東京大学

– 名古屋工業大学

• 2010年､2011年つくばチャレンジ機体への適用

• 小型リファレンスロボット（Beego改）– 再利用センターへの提供

– 室内運搬サービスデモ（再利用センターと共同）

– ROS連携実験（東京大学）

• RTC‐CANopenリファレンスマニュアルの公開

RTC‐CANopenの利用状況

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RTC‐CANopenの利用実績～2010年つくばチャレンジ～

RTC‐CANopen適用システム

つくばチャレンジ用自律移動ロボット

・Maxon製EPOSを使用（既存CANopen製品の利用）・差動二輪型の移動機構・既存RTCを利用・汎用Proxyを利用

知能化PJで開発したRTC群及びRTC‐CANopen

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• Chasswheel社FourX

モジュールの利用実績～FourXへの適用～

・CorrectorGps・Navigation・PathFollower・Urg_to_Obstacles

・ObstacleAvoidance・CollisionDetection・Predictor_Odometry

再利用RTC

システム構成

NEDO知能化PJの東北大のモジュールを利用し，自律移動の動作を確認

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システム構成

モジュールの利用実績～サービスロボットへの適用～

サービスシナリオ①ユーザは「手紙を持ってくる」

サービス実行する②移動ロボットはポストまで移動③ポストが手紙をロボットへ渡す④ロボットはユーザの位置まで移動

• テクノクラフト社Beego改

・RFIDタグリーダーを利用・Maxon製EPOSに置換(既存CANopen製品を利用)・差動二輪型の移動機構

試験用ロボットbeego

・PathFollower ・Navigation再利用RTC

既存のRTCを利用し，移動ロボットを用いてサービスを行った

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まとめ

ＲＴミドルウェアとは？

部品単位でロボットシステムの開発，構築を行うための仕組み

ベース仕様はOMGにて，国際標準化済み

CANopenとは？

CiA(CAN in Automation)によって国際標準化されたアプリケーション層の規格

幅広い組み込み機器に対応した仕様

RTC-CANopenとは？

組み込み機器向けRTミドルウェア

分散制御ロボット開発用プラットフォーム

デバイスプロファイルとは？

デバイス種類毎に共通な設定情報を定義したもの

既に様々なドメインにおけるプロファイルが制定されている


NEDO特別講座2012 - 2013 Call for Experts: CANopen application profile for service robotsFri, 14 Jun 2013 14:15:04 +0200Dear CiA‐member,

The robotics market is growing. The so‐called “service robots” are not only used in manufacturing business, but also in medical‐ and healthcare or home automation application fields.

As the environmental conditions for such service robots may be very complicated, they constantly need to recognize various objects and have to respond accordingly to dynamically changing situations in order to support their “human companions”. Composed of drives, sensors, voice components, etc., modules are implemented that enable to move, to grip or to communicate. These modules are integrated to one service robot. In order to establish the communication between these modules of a robot as well as to enable the module‐internal data flow, embedded networks such as CANopen are used. For the purpose of reducing the effort of system integration for CANopen‐based systems, CANopen device and application profiles are used. These profiles specify in detail the communication interfaces of modules respectively single devices, so that a system designer can already start with system integration although the device/module is not available at the laboratory, yet.

In case your company is interested in specifying a CANopen application profile for service robots, please contact CiA by 2013‐06‐28 by using the attached Call for Experts.

Kind regards,

Sarah FollertCAN in Automation (CiA)

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