NAOqi¶

NAOqi — это проприетарная операционная система реального времени и программная платформа, разработанная французской компанией Aldebaran Robotics (позднее вошедшей в состав японского холдинга SoftBank Robotics) для управления гуманоидными роботами серий NAO, Pepper и Romeo. Платформа обеспечивает взаимодействие между аппаратным обеспечением робота, его сенсорами, исполнительными механизмами и прикладным программным обеспечением, предоставляя разработчикам инструменты для создания поведенческих алгоритмов, распознавания речи и объектов, а также навигации в пространстве.

¶Архитектура и компоненты

NAOqi построена на основе модульной архитектуры, где каждый модуль отвечает за определённый функциональный блок. Основные компоненты включают:

¶Ядро системы

Ядро NAOqi реализует управление процессами в реальном времени, планирование задач и обработку сенсорных данных. Оно работает на базе операционной системы Linux (дистрибутив OpenEmbedded), что обеспечивает совместимость с широким спектром аппаратных ресурсов. Основные функции ядра:

• Управление памятью — распределение ресурсов между модулями.
• Обработка прерываний — реагирование на события от датчиков (камеры, микрофоны, сенсоры касания).
• Синхронизация потоков — координация работы параллельных процессов (например, одновременное движение конечностей и распознавание речи).

¶Модули

Система состоит из более чем 50 модулей, каждый из которых реализует отдельную функцию. Ключевые модули:

• ALMotion — управление двигателями и кинематикой робота (ходьба, позы, жесты). Поддерживает 25 степеней свободы для NAO и 20 для Pepper.
• ALMemory — хранилище данных, доступное для чтения и записи всеми модулями (например, текущее положение суставов, результаты распознавания лиц).
• ALAudioDevice — обработка аудиопотока с микрофонов (до 4 каналов) и синтез речи через встроенный динамик.
• ALVideoDevice — захват и обработка видео с двух камер (разрешение до 1280×960 пикселей, частота до 30 кадров/с).
• ALSpeechRecognition — модуль распознавания речи на основе скрытых марковских моделей (HMM). Поддерживает до 10 языков, включая русский, английский, японский, французский.
• ALFaceDetection — идентификация лиц по базе данных (до 1000 записей) с точностью около 90% при фронтальном ракурсе.
• ALNavigation — построение карты помещения и планирование маршрута с использованием ультразвуковых датчиков (дальность до 2,5 м) и инфракрасных сенсоров.

¶Промежуточное ПО (Middleware)

NAQqi использует собственный протокол межпроцессного взаимодействия (IPC), основанный на сокетах TCP/IP и шине данных. Модули могут обмениваться сообщениями как в синхронном (блокирующем), так и в асинхронном режиме. Это позволяет создавать распределённые приложения, где часть обработки выполняется на внешнем компьютере, а часть — на борту робота.

¶История развития

¶Первое поколение (2006–2010)

Первая версия NAOqi была выпущена в 2006 году вместе с роботом NAO. Она базировалась на ядре Linux 2.6 и поддерживала только базовые функции: управление моторами, захват видео с камеры и простейшее распознавание речи (набор из 50 команд). Система была написана на C++ с использованием фреймворка Qt для графического интерфейса.

¶Второе поколение (2011–2015)

В 2011 году вышла версия 1.14, которая добавила поддержку многопоточности, улучшенную навигацию и интеграцию с ROS (Robot Operating System). В 2014 году, с выходом робота Pepper, платформа была расширена модулями для эмоционального взаимодействия (ALEmotionManager) и распознавания жестов (ALGestureRecognition). В этот период NAOqi стала поддерживать скриптовые языки — Python и JavaScript (через движок V8).

¶Третье поколение (2016–2020)

Версия 2.0 (2016) принесла полную переработку архитектуры: переход на 64-разрядное ядро, поддержку облачных сервисов (через API SoftBank Cloud) и модуль ALDialog для ведения диалогов. В 2018 году вышла версия 2.5, оптимизированная для работы на Raspberry Pi 3 (использовалась в образовательных наборах). Последнее крупное обновление — версия 2.8 (2020), которая добавила интеграцию с TensorFlow Lite для выполнения нейросетевых моделей на борту.

¶Современное состояние (2021–настоящее время)

После свёртывания массового производства роботов NAO и Pepper в 2021 году компания SoftBank Robotics прекратила активную разработку NAOqi. Поддержка системы ограничена выпуском критических исправлений безопасности. По состоянию на 2025 год последняя стабильная версия — 2.9.4 (выпущена в декабре 2023 года). Платформа продолжает использоваться в образовательных учреждениях и исследовательских лабораториях, где установлены ранее приобретённые роботы.

¶Программирование и SDK

¶Языки и инструменты

Разработка приложений для NAOqi ведётся на нескольких языках:

• C++ — для создания низкоуровневых модулей и драйверов. Используется фреймворк NAOqi SDK на базе CMake.
• Python — основной язык для написания поведений (behaviors). Поддерживаются библиотеки NumPy, OpenCV (через ALProxy).
• JavaScript — для веб-интерфейсов и простых диалогов (через модуль ALWeb).
• Choregraphe — графическая среда разработки, позволяющая создавать программы из блоков (nodes) без написания кода. Поддерживает экспорт в Python-скрипты.

¶Пример кода (Python)

```python from naoqi import ALProxy

¶Создание прокси для модуля движения

motion = ALProxy("ALMotion", "192.168.1.100", 9559)

¶Включение автономного режима

motion.setExternalCollisionProtectionEnabled("Arms", True)

¶Выполнение жеста приветствия

motion.angleInterpolation("LShoulderPitch", 1.5, 1.0, True) motion.angleInterpolation("RShoulderRoll", -0.5, 0.8, True) ```

¶API и протоколы

NAOqi предоставляет RESTful API (порт 9559 по умолчанию) для удалённого управления. Поддерживаются следующие протоколы:

• ALMemory — чтение/запись ключей и значений.
• ALBehaviorManager — запуск и остановка поведений.
• ALDialog — управление диалоговыми сценариями (формат .top файлов).

¶Применение

¶Образование

NAOqi широко используется в учебных заведениях для обучения программированию и робототехнике. По данным SoftBank Robotics, на 2020 год платформа была установлена более чем в 10 000 школ и университетов по всему миру, включая Россию (МГУ, МФТИ, СПбГУ). Типовые задачи: изучение алгоритмов движения, распознавания образов и голосового управления.

¶Научные исследования

В исследовательских лабораториях NAOqi применяется для:

• Изучения социального взаимодействия человека и робота (Human-Robot Interaction, HRI).
• Разработки адаптивных алгоритмов ходьбы и балансирования.
• Тестирования нейросетевых моделей для компьютерного зрения (например, YOLO, MobileNet).

¶Коммерческое использование

До прекращения массовых продаж роботы на базе NAOqi использовались в:

• Розничной торговле (Pepper в магазинах SoftBank, японских банках и отелях).
• Здравоохранении (помощь в реабилитации пациентов с нарушениями моторики).
• Развлечениях (шоу-программы, презентации).

¶Ограничения и критика

¶Технические ограничения

• Производительность — процессор Intel Atom Z530 (1,6 ГГц) в NAO и Qualcomm Snapdragon 410 (1,2 ГГц) в Pepper не позволяют запускать современные нейросети в реальном времени без внешнего компьютера.
• Автономность — время работы от аккумулятора составляет 60–90 минут для NAO и 8–12 часов для Pepper.
• Закрытость кода — NAOqi является проприетарным ПО; исходный код недоступен, что ограничивает возможности модификации.

¶Критика сообщества

Разработчики отмечают недостаточную документацию для версий 2.5 и выше, а также частые изменения API между версиями, что приводит к несовместимости старых приложений. Кроме того, прекращение активной поддержки в 2021 году вызвало обеспокоенность у пользователей, использующих платформу в долгосрочных проектах.

¶Интересные факты

• NAOqi была первой операционной системой для гуманоидных роботов, получившей сертификацию ROS (Robot Operating System) в 2012 году.
• В 2015 году робот Pepper под управлением NAOqi стал первым роботом, который был принят на работу в японский офис компании SoftBank в качестве консультанта по продажам.
• Модуль ALSpeechRecognition в версии 2.0 поддерживал распознавание до 5000 слов на английском языке, но для русского языка словарь был ограничен 500 словами.

¶Источники

• Aldebaran Robotics. «NAOqi API Reference». Версия 2.8, 2020.
• SoftBank Robotics. «Pepper Technical Specifications». 2019.
• Pot, E., et al. «Choregraphe: A Graphical Tool for Humanoid Robot Programming». Proceedings of IEEE RO-MAN, 2009.
• Breazeal, C. «Designing Sociable Robots». MIT Press, 2002.
• Документация SoftBank Robotics (архив). «NAOqi OS Architecture». 2023.