ROS在機(jī)器人工程中的應(yīng)用

劉國超，李少春，吳 陽

(無錫太湖學(xué)院 智能裝備工程學(xué)院，江蘇 無錫 214064)

0 引言

新工科建設(shè)是主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略行動，它的主要內(nèi)容為新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式。機(jī)器人與人工智能專業(yè)在新工科建設(shè)中備受關(guān)注。智能機(jī)器人的研究包括但不限于機(jī)器人，還包括圖像識別、深度學(xué)習(xí)、運(yùn)動控制、語音交互等。智能機(jī)器人不是一項(xiàng)技術(shù)，而是下一次的產(chǎn)業(yè)革命[1]。

隨著信息技術(shù)加速發(fā)展，社會需求飛速變革，導(dǎo)航定位硬件及算法、運(yùn)動智能算法、深度學(xué)習(xí)算法等的突破，帶動了運(yùn)動規(guī)劃、圖像識別、語音識別等技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能機(jī)器人不但在工業(yè)界得到延伸，也深入服務(wù)領(lǐng)域?！皺C(jī)器人”的核心概念和功能是代替人從事一些人類無法完成或是“不愿意”做的事情的自動化機(jī)構(gòu)。人是一個高度復(fù)雜的智能體，如果機(jī)器人要取代人完成一些工作，則機(jī)器人必然也是一個高度復(fù)雜的智能體。

1 機(jī)器人專業(yè)特點(diǎn)

機(jī)器人工程專業(yè)是跨學(xué)科的綜合性專業(yè)，其最終目的是要培養(yǎng)能夠獨(dú)立進(jìn)行機(jī)器人研發(fā)、算法優(yōu)化的綜合性人才[2]。大學(xué)的本科教育是培養(yǎng)人才的關(guān)鍵，而相關(guān)教育平臺、硬件的選擇也至關(guān)重要。移動機(jī)器人學(xué)包含了許多工程和學(xué)科的知識，包括但不限于機(jī)械、電氣、電子工程、計算機(jī)，甚至認(rèn)知和社會科學(xué)，因此一款性能良好、配置全面的移動機(jī)器人是非常契合機(jī)器人工程專業(yè)教學(xué)要求的平臺和工具。

同時，教學(xué)型機(jī)器人平臺也是繼工業(yè)機(jī)器人蓬勃發(fā)展以來，下一個最惹人注目和具有極高發(fā)展前景和充滿商機(jī)的領(lǐng)域。因此重視移動機(jī)器人相關(guān)知識的教授和學(xué)生能力的培養(yǎng)，將有助于學(xué)生緊跟時代節(jié)奏，順利完成就業(yè)。機(jī)器人開發(fā)難度大，從業(yè)門檻高，沒有開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)等因素嚴(yán)重阻礙了機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。因此，當(dāng)前急需一個標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)方法，一個高效統(tǒng)一的軟件架構(gòu)，一套輔助開發(fā)的工具來幫助廣大的機(jī)器人開發(fā)者發(fā)揮自己的才智，構(gòu)建機(jī)器人工程的“高樓大廈”。智能機(jī)器人是人類科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，未來的智能機(jī)器人將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們目前的想象。

2 ROS介紹

2.1 ROS是什么

機(jī)器人操作系統(tǒng)(Robot Operating System，ROS)，是一個基于Linux的軟件框架，這個框架把原本松散的零部件耦合在了一起，為他們提供了通信架構(gòu)[3-4]。ROS本質(zhì)上是一個中間件，它為基于ROS的應(yīng)用程序之間建立起溝通的橋梁，所以也是運(yùn)行在基操作系統(tǒng)上的環(huán)境，在這個環(huán)境上，機(jī)器人的感知、決策、控制算法可以更好地組織和運(yùn)行。

2.2 ROS在智能機(jī)器人開發(fā)中的角色

如圖1所示，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常包含運(yùn)動底盤，機(jī)械手臂，機(jī)械手抓等機(jī)械或電氣執(zhí)行單元。感知系統(tǒng)一般由視覺、語音、激光、IMU等傳感器組成。機(jī)器人大腦主要由環(huán)境信息處理以及機(jī)器人行為決策控制等一系列算法模塊組成。常見機(jī)器人功能有：環(huán)境建模與定位，自然交互，運(yùn)動控制與規(guī)劃，計算機(jī)視覺等組成。操作系統(tǒng)提供算法單元之間的連接，算法與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的連接，相當(dāng)于人類的中樞神經(jīng)“小腦”。ROS在機(jī)器人開發(fā)中扮演的角色就是“小腦”。

圖1 ROS在智能機(jī)器人開發(fā)中的角色

當(dāng)前機(jī)器人行業(yè)特別是智能機(jī)器人行業(yè)存在的問題就是缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，沒有統(tǒng)一的硬件架構(gòu)，沒有統(tǒng)一的軟件架構(gòu)，沒有統(tǒng)一的操作系統(tǒng)甚至沒有統(tǒng)一的開發(fā)語言。這嚴(yán)重阻礙了技術(shù)的流通和人才的流通。導(dǎo)致一個機(jī)器人功能的開發(fā)和維護(hù)只能由機(jī)器人本身的生產(chǎn)廠商來做。幾乎無可能像手機(jī)一樣可以由大量的第三方開發(fā)人員來開發(fā)大量優(yōu)質(zhì)的能夠適用于大部分機(jī)器人的應(yīng)用。ROS的誕生正是為了解決這一問題，為機(jī)器人開發(fā)提供統(tǒng)一的“標(biāo)準(zhǔn)”。

3 ROS在機(jī)器人教學(xué)中的探索

以自動化工程中機(jī)器人綜合智能應(yīng)用為背景，采用移動機(jī)器人作為手段和對象，按復(fù)雜工程應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計，參考指定場景和具體設(shè)計要求，基于機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS完成具有明確的系統(tǒng)與作業(yè)性能要求的智能機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計過程，包括分工設(shè)計、編程開發(fā)及集成應(yīng)用實(shí)現(xiàn)、測試、評估及報告。設(shè)計過程和內(nèi)容使學(xué)生能夠綜合運(yùn)用所學(xué)到的專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)方向核心課程知識和技能，設(shè)計和開發(fā)具體項(xiàng)目,在智能機(jī)器人方向得到專業(yè)設(shè)計能力的綜合性訓(xùn)練。要求完成強(qiáng)化資料閱讀，通過綜合設(shè)計中團(tuán)隊(duì)合作分工、交流、設(shè)計、制作編程、測試評估及各階段的頭書面報告，得到完整的專業(yè)化工程設(shè)計及解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng),為畢業(yè)設(shè)計獨(dú)立完成研究開發(fā)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

ROS是“新工科”的最佳實(shí)踐“機(jī)器人開發(fā)”。與老工科相比，更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性。而機(jī)器人的特點(diǎn)是跨學(xué)科、綜合性、工程性，是人工智能最具有挑戰(zhàn)性的實(shí)踐平臺。ROS與“新工科”教育機(jī)器人方面。ROS真正融合了很多人工智能的技術(shù)，包括深度學(xué)習(xí)、導(dǎo)航、SLAM、決策、人機(jī)交互等。

3.1 能力的培養(yǎng)

課程培養(yǎng)學(xué)生的能力，具體包括以下幾方面能力的培養(yǎng)：

(1)了解智能機(jī)器人相關(guān)技術(shù)點(diǎn)，了解智能機(jī)器人組成架構(gòu)。

(2)綜合性的專業(yè)基礎(chǔ)知識和技能應(yīng)用能力的培養(yǎng)，包括計算機(jī)硬件、軟件、機(jī)器人運(yùn)動控制、機(jī)器入動態(tài)控制/智能感知與決策算法、通信及人機(jī)交互技術(shù)。

(3)具體掌握基于機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS的移動機(jī)器人開發(fā)方法。

(4)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、測試文檔及技術(shù)報告編寫能力。

(5)培養(yǎng)學(xué)生智能機(jī)器人綜合應(yīng)用能力。

3.2 課程情況

以智能機(jī)器人綜合智能應(yīng)用為背景，采用移動機(jī)器人以及多關(guān)節(jié)手臂作為手段和對象，按復(fù)雜工程應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計，參考指定場景和具體設(shè)計要求，基于機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS完成具有明確的系統(tǒng)與作業(yè)性能要求的智能機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計過程，包括分工設(shè)計、編程開發(fā)及集成應(yīng)用實(shí)現(xiàn)、測試、評估及報告。課程具有以下特色。

3.2.1 主流開發(fā)框架

開發(fā)架構(gòu)采用當(dāng)前行業(yè)主流開發(fā)框架，實(shí)用性較強(qiáng)。底層驅(qū)動開發(fā)：STM32嵌入式開發(fā)；操作系統(tǒng)層以及開發(fā)工具：ROS+rviz+gazebo輔助應(yīng)用開發(fā)庫、科大訊飛語音、百度AI、OpenCV、AI框架。

3.2.2 涉及知識廣泛

如圖2所示，展示了課程涉及的相關(guān)知識。

圖2 涉及的相關(guān)知識

3.3 課程主要內(nèi)容

整體課程分為3個階段。

第一階段：機(jī)器人軟件系統(tǒng)構(gòu)建以及硬件系統(tǒng)構(gòu)建；

第二階段：機(jī)器人基礎(chǔ)功能開發(fā)；

第三階段：機(jī)器人開發(fā)與綜合系統(tǒng)設(shè)計。

第一階段以操作系統(tǒng)認(rèn)知及ROS系統(tǒng)認(rèn)知為主，并認(rèn)識一個ROS工程。第二階段包括基礎(chǔ)功能開發(fā)，從C++編寫一個node，到話題服務(wù)通信機(jī)制，再到參數(shù)服務(wù)器、tf構(gòu)建、運(yùn)動學(xué)解算等。第三個階段主要是機(jī)器人開發(fā)與綜合系統(tǒng)設(shè)計，包括navigation自主導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)、多點(diǎn)導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)、機(jī)械臂抓取服務(wù)開發(fā)、AR碼識別追蹤、語音交互等，并完成幾個綜合涉及，如自主充電開發(fā)實(shí)驗(yàn)、物料識別與抓取實(shí)驗(yàn)、定點(diǎn)抓取應(yīng)用實(shí)驗(yàn)等。

其中主要內(nèi)容是以下兩部分：激光雷達(dá)SLAM，即同步定位與地圖構(gòu)建。激光SLAM，是目前最穩(wěn)定、最主流的定位導(dǎo)航方法。涉及知識點(diǎn)包括STM32模塊、激光雷達(dá)、IMU模塊、超聲波模塊等硬件模塊的功能及原理以及整個ROS操作系統(tǒng)。

移動智能抓取：移動智能抓取系統(tǒng)主要由智能移動平臺系統(tǒng)和智能視覺抓取系統(tǒng)二部分組成，形成集感知、思維、知行統(tǒng)一為一體的智能系統(tǒng)。取智能車和機(jī)械臂的優(yōu)勢進(jìn)行組合，相較于常規(guī)的移動機(jī)器人或固定工位的機(jī)械臂而言，有著更靈活、更廣泛的應(yīng)用，在實(shí)際生產(chǎn)車間、倉庫或是餐廳、家庭都具有實(shí)際的應(yīng)用需求，而這也在一定程度上助漲了關(guān)于移動智能抓取機(jī)器人的研究熱情。該DEMO在激光雷達(dá)SLAM的基礎(chǔ)上，增加了圖像識別，機(jī)械臂運(yùn)動控制等知識點(diǎn)，可作為是本科階段的進(jìn)階課程應(yīng)用。

4 結(jié)語

從機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)來講，相對于傳統(tǒng)的自動化專業(yè)，機(jī)器人工程專業(yè)更強(qiáng)調(diào)由機(jī)器自動化向人工智能的進(jìn)化，這就突出了軟件及算法的學(xué)習(xí)和開發(fā)在專業(yè)課程中的重要性，而ROS因?yàn)槠溟_源性、通用性、復(fù)用性和社區(qū)性的特點(diǎn)，成為被最為廣泛接受的學(xué)習(xí)和開發(fā)平臺。以智能機(jī)器人綜合智能應(yīng)用為背景，采用移動機(jī)器人以及多關(guān)節(jié)手臂作為手段和對象，按復(fù)雜工程應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計，為畢業(yè)設(shè)計獨(dú)立完成研究開發(fā)工作打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。