Arquitectura PRISMA para el Caso de Estudio: Brazo Robot

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1 Arquitectura PRISMA para el Caso de Estudio: Brazo Robot Jennifer Pérez 1, Rafael Cabedo 1, Pedro Sánchez 2, Jose A. Carsí 1, Juan A. Pastor 2, Isidro Ramos 1, Bárbara Álvarez 2 1 Departamento de Sistemas Informáticos y Computación Universidad Politécnica de Valencia C/Camino de Vera s/n Valencia, España {jeperez rcabedo pcarsi iramos}@dsic.upv.es E Valencia- España 2 Departamento Tecnologías de la Información y las Comunicaciones Universidad Politécnica de Cartagena Campus Muralla del Mar s/n Cartagena, España { pedro.sanchez juanangel.pastor balvarez }@upct.es Resumen. En este trabajo se aplica el modelo PRISMA a un caso de estudio de ámbito industrial en el marco del proyecto europeo EFTCoR (Environmental Friendly and Costeffective Technology for Coating Removal). El caso de estudio consiste en el diseño y construcción de un sistema robótico teleoperado dedicado a la limpieza de cascos de buques. Concretamente, este trabajo presenta el diseño arquitectónico y aspectual del robot 4U4. El desarrollo del caso de estudio muestra como PRISMA reúne todos los requisitos necesarios para la construcción de arquitecturas complejas, distribuidas y reutilizables, como los sistemas de tele-operación, de forma sencilla y elegante a través de su lenguaje de descripción de arquitecturas orientado a aspectos. Palabras Clave: Sistemas de Teleoperación, Lenguajes de Descripción de Arquitecturas (LDA s), Desarrollo de Software Basado en Componentes (DSBC), Desarrollo de Software Basado en Aspectos (DSOA) 1. Introducción En este trabajo se presentan las propiedades y ventajas que aporta PRISMA (Plataforma OASIS para Modelos Arquitectónicos) [23] en la construcción de modelos arquitectónicos complejos mediante la especificación de un caso de estudio. El desarrollo del caso mostrará como PRISMA potencia la reutilización y combina dos aproximaciones actuales para el desarrollo de sistemas: el Desarrollo de Software Basado en Componentes (DSBC) y el Desarrollo de Software Orientado a Aspectos (DSOA). Entre los distintos tipos de sistemas software que tienen arquitecturas complejas, distribuidas y reutilizables, en este trabajo se aplica el modelo PRISMA a un caso de estudio de ámbito industrial en el marco del proyecto europeo EFTCoR (Environmental Friendly and Cost-effective Technology for Coating Removal) Este trabajo ha sido financiado por el CICYT (Centro de Investigación Científica Y Tecnológica), Proyecto DYNAMICA (DYNamic and Aspect-Oriented Modeling for Integrated Component-based Architectures), TIC C Además, su desarrollo ha sido financiado por Microsoft Research Cambridge, proyecto PRISMA: Model Compiler of Aspect-oriented component-based software architectures.

2 [EFT02]. Dicho caso de estudio consiste en el diseño y construcción de un sistema robótico tele-operado dedicado a la limpieza de cascos de buques. El diseño de la arquitectura de estos sistemas se debe abordar desde un alto nivel de abstracción de forma que sea posible reutilizar los diseños para distintos tipos de arquitecturas y que sean fácilmente modificables. Concretamente, este trabajo presenta el diseño arquitectónico y aspectual de un brazo robot. Este robot ha sido cedido por parte de miembros de proyecto EFTCoR para utilizarse en este proyecto para las pruebas de especificación y desarrollo de las componentes software del robot siguiendo el enfoque PRISMA. El desarrollo del caso de estudio muestra como PRISMA reúne todos los requisitos necesarios para la construcción de arquitecturas complejas, distribuidas y reutilizables, como los sistemas de tele-operación, de forma sencilla y elegante a través de su lenguaje de descripción de arquitecturas orientado a aspectos [Per04]. La estructura del trabajo es la siguiente: en primer lugar se detallan los trabajos existentes de lenguajes de descripción de arquitecturas orientados a aspectos que se aplican a un ámbito industrial. En el apartado 3, se presenta el caso de estudio que se va a utilizar en el trabajo. En el apartado 4, se explica la especificación realizada del caso de estudio. Finalmente, en el apartado 5 se presentan las conclusiones y trabajos futuros. 2. Trabajos Relacionados Existe una gran variedad de lenguajes de definición de arquitecturas (LDAs), cada uno de ellos presenta ventajas e inconvenientes, tal y como presenta el estudio realizado en [Med00]. El ámbito de aplicación de estos lenguajes es el de procesos distribuidos sencillos de ámbito académico en los que no hay complejidad y evolución. Si bien es cierto, en la actualidad no existe ningún LDA orientado a aspectos que se aplique en ámbitos industriales. Normalmente, los ejemplos que utilizan son filtros de tuberías y buffers. Sin embargo, PRISMA pretende tener una proyección industrial en la que los modelos arquitectónicos son sistemas complejos, abiertos y activos, como los sistemas de teleoperación. 3. Caso de Estudio: Brazo Robot En este trabajo se presenta la especificación PRISMA de un brazo robot conocido como robot 4U4. Este robot, a pesar de ser más pequeño que el EFTCoR, comparte con éste el marco arquitectónico de referencia definido para el EFTCoR (llamado ACROSET) e instanciado a las peculiaridades del 4U4. El robot 4U4 esta formado por un conjunto de articulaciones que permiten que el robot se mueva (Base, Shoulder, Elbow, Wrist) y una herramienta que le permite realizar tareas (Tool) (ver figura 1). En el caso de estudio, la herramienta es una pinza, cuyas acciones de apertura y cierre posibilitan la recogida de objetos.

3 Figura 1: Robot 4U4 Cada una de estas articulaciones está compuesta por un actuador y un sensor. Los actuadores son los encargados de mandar acciones a las articulaciones o a la herramienta del robot, para que realicen la acción que éstos especifican. Mientras que los sensores realizan la lectura del resultado de dichas acciones, para saber si éstas se han ejecutado correctamente. La función del robot 4U4 es la de moverse, bien sea por pasos simples o mediante el uso de cinemática inversa ( a un punto específico en el espacio). Esta funcionalidad, junto con la de la herramienta, permite que el robot 4U4 permita desplazar objetos de una posición inicial a una posición final. Los movimientos del robot los ordena un operario por control remoto, ya que es necesario que se sitúe en un lugar alejado del robot para evitar situaciones de riesgo. Además se debe de realizar un control de los movimientos del robot. De forma que éstos sean correctos, puedan ejecutarse y ni el robot, ni cualquier otro elemento que forme parte del entorno corra peligro ante sus movimientos. 4. Especificación PRISMA del Caso de Estudio La definición de la arquitectura de un sistema se ha de realizar siguiendo unos criterios específicos para encontrar los elementos arquitectónicos de éste. Los elementos arquitectónicos PRISMA [Per03] se obtienen identificando escenas [Nor98] funcionales del sistema y asignando a cada elemento una escena funcional, dependiendo de si la escena es simple o compleja, el elemento será un componente o un sistema, respectivamente. El concepto de escena dentro de un sistema esta vagamente definido. Es por este motivo, que a continuación se da una definición. <<Una escena es una actividad relevante dentro de un sistema de información. Una escena se caracteriza por las tareas que se desempeñan en la actividad siguiendo un determinado protocolo, los actores que las realizan y el espacio virtual o físico donde se desarrolla.>> Este enfoque para la detección de componentes, es compatible con el Architecture Based Design Method (ABD) [Bac00], ya que este método se basa en la descomposición funcional del problema, es decir del sistema de información. ABD es una metodología

4 propuesta por el SEI (Software Engineering Institute of The Carnegie Mellon University) para diseñar arquitecturas software de un dominio de aplicación o de una familia de productos. Siguiendo esta metodología se van a identificar los distintos elementos arquitectónicos del Robot 4U4 [Pas04]. A continuación se presenta una pequeña parte de la especificación del robot que se ha realizado partiendo de la especificación de requisitos de éste Especificación Arquitectónica En esta sección se presenta la configuración arquitectónica del robot mediante los tipos de PRISMA que representan su visión basada en componente (black box): componentes, conectores, sistemas, attachments y bindings. - Identificación de componentes simples El nivel más bajo del robot tiene como componentes básicos los sensores y los actuadores (ver Figura 2 para el caso de la herramienta). Ambos componentes son los que van a hacer de interfaz con el hardware, para el caso específico del robot 4U4. Component_Instance ToolActuator Ports ControlToolAct: IToolJoint, Subprocess FToolAct.ROBOT; End_Ports; Functional Aspect Import FToolAct; Distribution Aspect Import DLocation; End_Component_Instance ToolActuator; Component_Instance ToolSensor Ports ControlToolSen: IRead, Subprocess FSensor.OK; End_Ports; Functional Aspect Import FSensor; Distribution Aspect Import DLocation; End_Component_Instance ToolSensor; Figura 2: Componentes Actuador y Sensor de la Herramienta En el sistema tendremos tantos actuadores y sensores como articulaciones tienen el robot más la herramienta. De forma que cada par actuador-sensor ha de estar coordinado por un conector, con el objetivo de separar su interacción de su funcionalidad (ver Figura 3 para el caso de la herramienta).

5 Connector_Instance ToolCnct Roles Tool: ISUCTool, Subprocess CProcessTool.SUC; ControlBaseAct: IToolJoint, Subprocess CProcessTool.ACT; ControlBaseSen:IRead, Subprocess CProcessTool.SEN; End_Roles; Coordination Aspect Import CProcessTool; Distribution Aspect Import DLocation; Safety Aspect Import SToolmotion; Weavings. End_Weavings; End_Connector_Instance ToolCnct; Figura 3: Conector Sensor-Actuador - Identificación de Simple Unit Controllers (SUCs) Los simple unit controllers (SUCs) van a formar la segunda capa de la arquitectura. Cada SUC va a agrupar el sensor, el actuador y el conector de cada una de las articulaciones del robot o de la herramienta. En el modelo arquitectónico del robot 4U4, cada uno de estos SUCs va a ser un sistema PRISMA de primer nivel de composición. Los SUCs identificados para el robot son los siguientes: Base, Shoulder, Elbow, Wrist, y Tool (ver Figura 4 para el caso de la herramienta). System_Instance ToolSUC Ports Tool: ISUCTool; End_Ports; Instances NewInstanceOf(ToolActuator, Actuador, localhost); NewInstanceOf(ToolSensor, Sensor, localhost); NewInstanceOf(ToolCnct, CnctSUC, 0, 0, localhost, 0, 3); End_Instances; Attachments ToolCnct.ControlToolAct ToolActuator.ControlToolAct; ToolCnct.ControlToolSen ToolSensor.ControlToolSen; End_Attachments; Bindings ToolCnct.Tool ToolSUC.Tool; End_Bindings; System_Instance ToolSUC; Figura 4: SUC de la herramienta

6 - Identificación de Mechanism Unit Controller (MUCs) Los MUCs van a formar la tercera capa de la arquitectura. Éstos se caracterizan por el hecho de coordinar un conjunto de SUCs a través de uno o más conectores. Un MUC dentro del modelo PRISMA va a ser un sistema (componente complejo) que integra un conjunto de componentes (simples o complejas) y conectores con un objetivo funcional común (escena). En el caso del robot 4U4, se va a definir un MUC compuesto por los SUCs Base, Shoulder, Elbow y Wrist y un conector que los va a coordinar con el objetivo común de mover el brazo robot (ver Figura 5). Figura 5: MUC del brazo robot - Identificación de Robot Unit Controller (RUCs) Los RUCs van a formar la cuarta capa de la arquitectura, éstos se caracterizan por el hecho de coordinar un robot completo a través de uno o más conectores. Es por este motivo que un RUC dentro del modelo PRISMA va a ser un sistema (componente complejo) que integra un conjunto de componentes (simples o complejos) y conectores con el objetivo de que un robot desempeñe sus tareas. En el caso del robot 4U4, se va a definir un RUC que incorpore el SUC de la herramienta, el MUC del brazo robot y un conector que los sincronice con el objetivo de mover el robot completo (ver Figura 6).

7 Figura 6: RUC robot 4U4 - Modelo Arquitectónico Final Finalmente, nos encontramos con la última capa del modelo arquitectónico del sistema de información. Dicha capa modela tanto el robot como el entorno en el que éste se desenvuelve. Es por este motivo, que en el modelo arquitectónico del robot 4U4 se han incluido las componentes simples entorno y operario, además del propio robot. Por otro lado, también se ha incluido un conector que controla la ejecución de comandos que ordena el operario y comprueba que éstos sean válidos en base a las características del entorno y a la posición del robot (ver Figura 9). Figura 9: Modelo arquitectónico para el sistema de información del robot 4U Especificación Aspectual Una vez ya diseñado el modelo arquitectónico del robot 4U4, es necesario identificar los concerns comunes al sistema (crosscutting concerns) para separarlos en aspectos reutilizables. De forma que, un componente, conector o sistema PRISMA del modelo arquitectónico del robot 4U4 puede estar formado por un conjunto de aspectos (White Box). Los aspectos que se han identificado en el sistema se presentan a continuación.

8 - Aspecto Funcional Tras el análisis del sistema del robot 4U4, se puede observar que su función es la de mover el robot, bien sea por pasos simples o mediante el uso de cinemática inversa. - Aspecto de Distribución Por otro lado, los movimientos del robot los ordena un operario por control remoto, ya que es necesario que se sitúe en un lugar alejado del robot para evitar situaciones de riesgo. - Aspecto de Seguridad En este sistema es necesario establecer el control seguro de los movimientos del robot. De forma que éstos sean correctos, puedan ejecutarse y ni el robot, ni cualquier otro elemento que forme parte del entorno corra peligro ante sus movimientos. - Aspecto de Coordinación Los movimientos de todas y cada una de las articulaciones se han de realizar de forma coordinada. Por lo tanto, sus movimientos han de estar sincronizados. En la figura 10 se presenta un ejemplo de aspecto y cómo estos aspectos se importan en las componentes anteriormente definidas. - Aspecto de Presentación El sistema necesita definir la interfaz de usuario con la que va a trabajar el operario para interactuar con el robot. Figura 10:Aspecto de Seguridad del Conector del SUC de la Base En la figura 10 se presenta un ejemplo de aspecto y cómo estos aspectos se importan en las componentes anteriormente definidas.

9 5. Conclusiones y Trabajos Futuros Este trabajo presenta la especificación de un robot mediante el lenguaje de descripción de arquitecturas. De este modo se muestra como PRISMA reúne todos los requisitos necesarios para la construcción de arquitecturas complejas, distribuidas y reutilizables, como los sistemas de tele-operación, de forma sencilla a través de su lenguaje de descripción de arquitecturas orientado a aspectos. De esta forma, PRISMA se presenta como un enfoque a seguir para la mejora del tiempo desarrollo software, evitando la implementación de miles y miles de líneas de código ADA que son necesarias para desarrollar este tipo de sistemas. El trabajo que se va a realizar a corto plazo se puede dividir en dos tareas fundamentales. La primera es la especificación del sistema de tele-operación EFTCoR en base al modelo arquitectónico del robot 4U4. La segunda es la aplicación en la etapa de requisitos de la metodología ATRIUM [Nav03] y cómo integrar la aplicación del modelo arquitectónico ACROSET dentro de ésta. Bibliografía [Bac00] Bachman F., Bass et al., The Architecture Based Design Method, Technical Report CMU/SEI- 200-TR-001, Carnegie Mellon University, USA, January [EFT02] EFTCoR Project: Friendly and Cost-Effective Technology for Coating Removal. V Programa Marco, Subprograma Growth, G3RD-CT [Med00] Medvidovic N., Taylor R. N. (2000); A classification and Comparison Framework for Software Architecture Description Languages ; IEEE Transactions of SW Engineering, Vol. 26, nº 1, January. [Nav03] E. Navarro, I. Ramos, J. Pérez Benedí, Software Requirements for Architectured Systems, Proceedings of 11th IEEE International Requirements Engineering Conference (RE'03), Monterey, California, USA, September 8-12, 2003, IEEE Computer Society 2003, ISBN , pp [Nor98] P. Noriega, C. Sierra, Subastas y Sistemas Multiagente, Revista Iberoamericana de Inteligencia Artificial, Number 6, pp , [Pas04] Juan A. Pastor, Bárbara Álvarez, Pedro Sánchez, Francisco Ortiz, An Architectural Framework for Modeling Teleoperated Service Robots, IEEE Transactions on Computers (pendiente de notificación) [Per04] Jennifer Pérez, Nour Áli, Jose A. Carsí, Isidro Ramos, Elena Navarro, Designing Software Architectures with an Aspect-Oriented Language, Journal on Aspect Orientation, (To appear) [Per03] Perez J., Ramos I., Jaén J., Letelier P., Navarro E. (2003a); PRISMA: Towards Quality, Aspect Oriented and Dynamic Software Architectures ;. In proceedings of 3rd IEEE International Conference on Quality Software (QSIC 2003), Dallas, Texas, USA, November, IEEE Computer Society Press ISBN , pp