ROS探索总结-44.ROS产品化探索之应用功能篇

ROS探索总结-44.ROS产品化探索之应用功能篇

概要

• 上篇我们讲到ROS中的开发工具，可以提高我们的开发效率，每一种工具都有其擅长之地，也有其不足之处，所以在设计、开发机器人产品的过程中，可以综合考虑，发挥每一个开发工具的优势。本篇我们来分析一下ROS中丰富的应用功能。

• 说起ROS中的应用功能，可就非常庞杂了，涵盖各种各样的功能包，简单做一个如下的分类：

  1. 底层驱动

  2. 上层功能

  3. 控制模块

  4. 常用组件

• 就这几种应用功能，我们来具体分析一下：

一、底层驱动

• 机器人开发是一个软硬件结合的领域，常常需要涉及很多传感器、执行器的驱动。常用的硬件一般都可以在ROS中找到匹配的驱动功能包，例如传感器可以参考wiki上的这个列表：http://wiki.ros.org/Sensors

• 针对常用的USB摄像头，ROS中有usb_cam、uvc_camera等功能类似的驱动包，运行还算比较稳定。我们用usb_cam驱动1080P的摄像头做识别，有的时候连续运行好几天都不会出问题，不过偶尔也会莫名其妙的挂掉。

• 一些伺服的驱动在ROS当中也可以找到，比如dynamixel的伺服，Kungfu Arm前端的灵巧手使用的就是dynamixel，相关的功能包是dynamixel_motor。用ROS驱动起来确实简单易用，但是运行时间长了，还是会有问题。有一次给Kungfu Arm录像，手就有点紧张了，手指不听使唤，把开水洒了一桌子，驱动也没有任何报错信息，重启之后再也没有重现类似的现象。

• ROS支持的很多机器人（PR2、KUKA、shadow hand等）都使用到了一种实时工业以太网总线——EtherCAT。EtherCAT本身就有开源的协议实现方式，ROS将开源库集成为功能包——ethercat_soem，可以在很多机器人的软件源中看到。我们在项目的初期也使用过这种方式，驱动是没有问题，但是稳定性、实时性、功能方面，都还存在一些问题。

• 就个人感受而言，ROS中底层驱动相关的功能包，大部分都是对已有开源驱动的集成封装，添加统一的ROS接口，所以稳定性主要和原本的驱动相关，同时还要考虑ROS通信机制的影响。

二、上层功能

• 上层功能是ROS最为擅长的一个领域，可以提供众多机器人的应用功能：SLAM、导航、定位、图像处理、机械臂控制等等，这个部分详细展开够说三天三夜了。我就针对两个部分谈一下自己的看法。

• 1. 机器人导航

• 现在很多学校或者公司做机器人导航的时候，都会基于ROS开发

• ROS的这套导航框架确实好用，很快就可以在机器人上把功能跑起来，而且基本不会涉及太多编码，但是还没来得及高兴，问题就出现了：现实和理想还是有很大差距的，功能实现的效果可能远远达不到我们的需求，更别提产品化应用了。

• 然后就是调整功能节点的各种参数，虽然可以有所改善，但是跟最终的应用还是会有很大差距。使用ROS快速开发后的兴奋，在这个时候就被泼了一盆凉水。

• ROS中的功能包一般都是一些通用的功能，不太可能完全适配我们自己的机器人，所以产生各种问题也是情理之中。解决的办法就是：我们不能太依赖ROS中的资源，核心问题还是需要自己解决，或者针对自己的机器人开发相关的功能，或者优化已有的ROS资源。

• 在Kungfu Arm的开发过程中，我们只用了半年时间就利用ROS把机器人功能原型搭建起来了，但是问题多多，接下来的优化开发用了一年多的时间，现在还在持续的迭代。

• MoveIt机械臂控制

• MoveIt是ROS当中针对机械臂控制的运动规划平台，集成了机械臂运动规划、避障规划、运动学计算等功能模块。和ROS中的导航功能差不多，用moveit搭建一个简单的机械臂控制系统不难，真的要去实现一个产品化的控制系统就复杂了。

• 这是我们基于ROS开发的工业机器人控制系统，不仅把ROS核心通信机制抛离了，而且还针对moveit、ompl、fastik等功能包进行了代码级的优化和修改，大家可以参考专门介绍这款机器人的文章：功夫手：一款基于ROS的工业机器人

• 总而言之，ROS中丰富的上层应用资源，对机器人产品化的实现还是有很大帮助的，一方面可以利用这些功能包快速完成原型开发，另一方面也可以从这些源码资源中获得灵感。

三、控制模块

• 丰富的上层资源最终还是要落实到机器人上，在机器人控制部分，ROS提供了一个控制框架——ros_control，同时还有很多常用的控制器——ros_controllers。

• ros_control是ROS为开发者提供的机器人控制中间件，包含一系列控制器接口、传动装置接口、硬件接口、控制器工具箱等等，可以帮助机器人应用功能包快速落地，提高开发效率。

• 针对不同类型的机器人（移动机器人、机械臂等），ros_control可以提供多种类型的控制器（controller），但是这些控制器的接口各不相同。

• 为了提高代码的复用率，ros_control还提供一个硬件抽象层，负责机器人硬件资源的管理，而controller从抽象层请求资源即可，并不直接接触硬件。

• 控制器管理器（Controller Manager）

• 每个机器人可能有多个控制器（controller），所以这里有一个控制器管理器的概念，提供一种通用的接口来管理不同的控制器。控制器管理器的输入就是ROS上层应用功能包的输出。

• 控制器（Controller）

• 控制器可以完成每个joint的控制，读取硬件资源接口中的状态，再发布控制命令，并且提供PID控制器。

• 硬件资源（Hardware Rescource）

• 为上下两层提供硬件资源的接口。

• 机器人硬件抽象（RobotHW）

• 机器人硬件抽象和硬件资源直接打交道，通过write和read方法完成硬件操作，这一层也包含关节约束、力矩转换、状态转换等功能。

• 真实机器人（Real Robot）

• 真实机器人上也需要有自己的嵌入式控制器，将接收到命令反映到执行器上，比如接收到旋转90度的命令后，就需要让执行器快速、稳定的旋转90度。

• 关于如何使用ros_control控制一款实体机器人，大家可以参考hans-robot发布的一款cute_robot：https://github.com/hans-robot/cute_robot

• 应用功能中的控制模块提供了不少控制器：位置控制器、轨迹控制器、力控制器、速度控制器等等，这些控制器的框架设计和代码实现，都可以用于自己的机器人开发中。

四、常用组件

• 应用功能中还有一些常用模块，这里我把他们统称为常用组件，比如TF、URDF、Message等。

• TF是ROS中非常重要的一个部分，可以根据机器人系统中的坐标系创建一棵TF树，然后帮助开发者完成坐标系之间的变换。在ROS系统中，TF是通过广播和监听的方式操作的，这种方法在复杂机器人系统中会产生很多冗余信息，效率不高。

• 刨除上层的广播和监听封装，TF的内核其实与ROS并没有关系，而是一个完成坐标运算的数学库。在我们的项目开发中，可以直接链接TF的底层数学库，帮助完成需要的坐标变换，Kungfu Arm的正向运动学就使用到了TF数学库。

• URDF是ROS中实现机器人建模的重要工具，很多上层功能的算法实现，都依赖于机器人的URDF模型，所以如果直接移植ROS中的功能包源码，URDF模型部分还是需要维护的。

• ROS为机器人提供了一个统一的平台，很重要的一个部分就是定义了一系列标准的接口，这些接口的定义与ROS系统的通信机制没有关系，完全可以在程序中调用，这样不仅免去了重复定义的问题，还可以保持和ROS统一的接口。

总结

• 本篇浅谈了ROS应用功能在机器人产品化开发当中的应用，这是ROS中资源最为丰富的一个部分，不仅可以帮助我们快速搭建功能原型，验证设计上的问题，同时还可以借助开源代码，助力后续的功能开发，绝对是机器人开发的优质资源。