The R2P framework for robot prototyping: methodological approach, hardware modules, and software components

A physical prototype is essential since early stages of development of robotic systems, as they involve mechanical, electronic, and software components and the overall success of robotic applications depends on the performance, and on the interplay, of all of them. Unfortunately, set up a prototype is a demanding process that often drains resources from research activities, and prevents results to be transferred to real-world applications. This is one of the main limiting factors in today’s robotic research and a major reason explaining the still missing entry of robotics into the mass market with the expected impact. This thesis presents the Rapid Robot Prototyping framework (R2P), which aims at dramatically reduce time and efforts required to build a prototype platform, allowing to focus on research aspects instead of struggling on implementation details. Modular, open source, development is the way to obtain this result: modules can be developed and consolidated individually, by research groups with specific competences, and then reused in multiple projects, sharing solutions and improving reliability. Modular approaches are common in several fields, and have been recently applied to robot software development; in this thesis, we bring the same approach to hardware and low-level control. Starting from the identification of a set of common requirements for robotic platforms, we have implemented specific, standardized, hardware modules, featuring on-board computation, each focused on the satisfaction of a specific functional requirement. We designed a communication protocol to enable the modules interact in real-time on a bus, allowing to accomplish complex tasks by the cooperation of distributed devices. A lightweight publish/subscribe middleware has been developed to bring to embedded firmware development the programming techniques which are currently restricted to high-level software, thus extending modularity to low-level control software. R2P also provides native interfacing to ROS, currently the most adopted software framework for robotics, enabling the developed platforms to be easily integrated in a large range of projects. Complex systems can now be implemented by assembling off-the-shelf components and easily programming their interaction, without the need for domain-specific knowledge in electronics and low-level control. In the thesis the overall approach has been validated with some use cases to demonstrate the effectiveness of the proposed approach on real applications.

Un prototipo reale è essenziale fino dai primi passi dello sviluppo di sistemi robotici, dato che essi coinvolgono componenti meccanici, elettronici, e software, e che il funzionamento complessivo delle applicazioni robotiche dipende dalle prestazioni e dall'integrazione di tutti questi componenti. Sfortunatamente, costruire un prototipo è un'operazione dispendiosa, che spesso sottrae risorse alle attività di ricerca, e impedisce di trasferire i risultati ottenuti ad applicazioni reali. Al giorno d'oggi, questo è uno dei maggiori fattori limitanti nella ricerca nel campo della robotica, e uno dei principali motivi che spiegano come mai la robotica non sia ancora entrata nel mercato di massa con l'impatto previsto. Questa tesi presenta il framework Rapid Robot Prototyping (R2P), che si pone come obiettivo il ridurre sensibilmente il tempo e gli sforzi necessari per costruire una piattaforma prototipale, consentendo di concentrarsi sugli aspetti di ricerca invece che cercare di risolvere problemi implementativi. Uno sviluppo modulare ed open source è il modo di ottenere questi risultati: ogni modulo può essere sviluppato e consolidato individualmente, da gruppi di ricerca con competenze specifiche, e successivamente riutlizzato in più progetti, condividendo i risultati e migliorando l'affidabilità. Approcci modulari sono comuni in molteplici campi, e sono stati applicati recentemente anche allo sviluppo di software per robotica; in questa tesi, estendiamo lo stesso approccio allo sviluppo dell'hardware e del controllo di basso livello. Partendo dall'identificazione di alcuni requisiti base, condivisi da varie piattaforme robotiche, abbiamo implementato moduli hardware specifici, standardizzati, ognuno volto a soddisfare un particolare requisito funzionale. Abbiamo definito e implementato un protocollo di comunicazione che consenta ai moduli di interagire attraverso un bus in tempo reale, consentendo di eseguire task complessi tramite la cooperazione di dispositivi distribuiti. E' stato sviluppato un middleware di tipo publish/subscribe, per estendere alla programmazione di firmware quelle tecniche di programmazione che sono oggigiorno limitate allo sviluppo di software di alto livello, estendendo la modularita' alla scrittura di codice di controllo di basso livello. R2P fornisce integrazione nativa con ROS, il framework piu' diffuso per lo sviluppo di software per robotica, consentendo alle piattaforme sviluppate di essere utilizzate in un ampio numero di progetti. Sistemi complessi possono ora essere implementati assemblando componenti pronti all'uso, e definendo in maniera semplice le loro interazioni, senza aver bisogno di competenze specifiche in campi quali l'elettronica e il controllo di basso livello. Nella tesi, il sistema complessivo è stato validato tramite lo sviluppo di alcuni robot, dimostrando l'efficacia dell'approccio proposto nella realizzazione di applicazioni reali.