【中國傳動網(wǎng) 技術(shù)前沿】 ROS是一個開源的機(jī)器人操作系統(tǒng)，能夠集成大規(guī)模的不同機(jī)器人的通信層，其主要目標(biāo)是通過知識共享加速機(jī)器人的研究和工業(yè)應(yīng)用。它允許個人修改高級外設(shè)，如運(yùn)動控制、感知和路徑規(guī)劃工具等。在ROS的幫助下，軟件開發(fā)人員能夠方便地模擬機(jī)器人的行為，省去了制造或購買實體機(jī)器人所需的高昂費(fèi)用，并通過借助免費(fèi)開源庫中的現(xiàn)有代碼來快速構(gòu)建自己的應(yīng)用程序場景。在未來，動態(tài)的和更具協(xié)作性的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境將使得具有適應(yīng)性的機(jī)器人擁有巨大的市場。

如果沒有ROS，就沒有最近流行的無人服務(wù)、物流機(jī)器人、飛行器及自動駕駛，正是機(jī)器人操作平臺ROS為這些技術(shù)帶來了飛速的進(jìn)步。ROS并非其字面意義上的操作系統(tǒng)，而更多的是一個中間件，它能夠讓你根據(jù)現(xiàn)有的代碼知識構(gòu)建你的想法，并共享各種模塊來解決一些常見問題，從而使機(jī)器人更快、更經(jīng)濟(jì)、更高效地工作。本文講述了ROS自其誕生以來的故事，主要探討了現(xiàn)有市場玩家對于開源的不同看法，展示了目前相關(guān)的實用案例及技術(shù)上存在的難點(diǎn)。文章的最后總結(jié)了關(guān)于這些矛盾如何解決的前景，以及ROS未來的發(fā)展可能性。

別重新發(fā)明車輪

ROS起源于斯坦福人工智能機(jī)器人（STAIR），這是一個由AndrewNg領(lǐng)頭并組織相關(guān)研究人員而推出的項目，旨在將多種AI功能（如視覺、操縱、導(dǎo)航等）整合到單個機(jī)器人中。由于大量的重復(fù)編程非常浪費(fèi)時間，這些研究人員想建立一個基于現(xiàn)有資源的某種東西——停止重新發(fā)明車輪。STAIR的與眾不同之處在于，人們可以在保持系統(tǒng)整體不變的情況下使用不同的子系統(tǒng)。盡管系統(tǒng)這個概念對于不同的使用者來說是不同的——這是高效使用大批量機(jī)器人項目的一個先決條件。

這些斯坦福大學(xué)研究人員在募資時，遇到了谷歌出身的企業(yè)家斯科特·哈桑（ScottHassan）。哈桑于2006年創(chuàng)立了一家機(jī)器人技術(shù)公司W(wǎng)illowGarage，投入了大量資金。2009年，這家公司發(fā)布了ROS的第一個源代碼開放Beta版，在第二年發(fā)布了正式版。

隨后，WillowGarage加大了公關(guān)力度，在各個主流的國際機(jī)器人大會上也非?；钴S。ROS社區(qū)取得了快速發(fā)展，與此同時，ROS軟件包的數(shù)量也在快速增長（ROS軟件包：具有各種應(yīng)用項目的軟件，如導(dǎo)航）。2011年和2012年，ROS逐漸成為機(jī)器人領(lǐng)域的一個巨大炒作話題。WillowGarage推出了更多基于ROS的機(jī)器人（TurtleBot）。在這個階段，每隔6個月就會出現(xiàn)新版本且功能更強(qiáng)大的ROS系統(tǒng)，代碼的質(zhì)量也在穩(wěn)步提高。因為沒有看到商業(yè)化的趨勢，當(dāng)時也有人質(zhì)疑WillowGarage關(guān)于ROS的動機(jī)。2013年，斯科特·哈桑并不看好服務(wù)機(jī)器人能帶來的收益，隨后從WillowGarage撤資，并在當(dāng)年晚些時候關(guān)閉了該公司。

開源機(jī)器人基金會（OSRF）正式負(fù)責(zé)接管了ROS的后續(xù)開發(fā)。當(dāng)時負(fù)責(zé)ROS的團(tuán)隊規(guī)模很小，也沒有大的投資方參與。憑借著世界各地的開發(fā)人員對ROS的開發(fā)和使用所形成的開發(fā)者社區(qū)，ROS得以幸存并延續(xù)至今。

自2014年起，ROS社區(qū)發(fā)展迅猛

由于技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，機(jī)器學(xué)習(xí)取得突破，以及對于靈活且小規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的需求愈發(fā)旺盛，機(jī)器人領(lǐng)域從2014年開始再次得到了學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)和風(fēng)險投資的重視。

今天，ROS社區(qū)比以往任何時候都更加活躍。它已擁有大約3000名有積極貢獻(xiàn)的活躍社區(qū)成員。這些成員來自各個國家，其中大部分來自美國、中國、德國和日本。他們貢獻(xiàn)了總計超過450萬行重要的代碼，據(jù)推測，這相當(dāng)于169名全職開發(fā)人員8.5年的工作量。

截至2017年7月，根據(jù)維基關(guān)于ROS的問答數(shù)量，ROS社區(qū)的參與度在一年內(nèi)大約提高15%。同時wiki.ros.org網(wǎng)站的編輯和瀏覽量也上漲了30%。圖1展示了可應(yīng)用于不同場景的軟件包逐年下載數(shù)量的變化。

圖1軟件包下載數(shù)量的變化

學(xué)術(shù)著作《ROS：一個開源的機(jī)器人操作系統(tǒng)》的被引用量清晰地展現(xiàn)了社區(qū)和ROS的合作進(jìn)程，這篇論文由M·Quigley和斯坦福大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系、WillowGarage和南加州大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系在2009年聯(lián)合發(fā)表。發(fā)表至今已逾8年，但其引用量自2016年以來激增了40%。

實際中ROS應(yīng)用的增長也被相關(guān)數(shù)據(jù)所證實。圖2中的數(shù)據(jù)曲線代表兼容ROS的機(jī)器人的數(shù)量，展現(xiàn)了ROS應(yīng)用的快速增長。

圖2ROS應(yīng)用的增長趨勢

在中國，ROS也開始逐漸流行開來。目前從數(shù)量上來看，中國用戶是訪問ROS網(wǎng)站的第二大團(tuán)體，并且份額正逐漸增加，如圖3所示。

圖3各國訪問ROS網(wǎng)站份額對比

ROS架構(gòu)中所蘊(yùn)含的哲學(xué)目標(biāo)

自創(chuàng)立之初，ROS的架構(gòu)便是基于由創(chuàng)始人定下的“哲學(xué)目標(biāo)”：

（1）點(diǎn)對點(diǎn)（Peer-to-peer）。

（2）基于工具（Tools-based）。

（3）多語言（Multi-lingual）。

（4）簡潔（Thin）。

（5）免費(fèi)且開源（FreeandOpen-Source）。

使用ROS的系統(tǒng)涉及許多在對等拓?fù)渲羞\(yùn)行時需要連接的進(jìn)程。為了防止計算機(jī)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)溢出中央服務(wù)器的流量，ROS通過緩沖和對等連接在很大程度上緩解了這些風(fēng)險。創(chuàng)始成員選擇了“微內(nèi)核設(shè)計”，即將大型工具拆分成更小的單元，以提高處理復(fù)雜機(jī)器人環(huán)境所需的靈活性和穩(wěn)定性，但同時效率有所降低。要實現(xiàn)消息的良好交流，語言環(huán)境是決定性的因素。因此，ROS使用一種簡單的、與語言無關(guān)的接口定義語言（IDL），它自動將所支持的語言標(biāo)準(zhǔn)化為一個通用代碼，從而實現(xiàn)“混合和匹配”。為ROS提倡的“更簡單的代碼提取”和“沒有或幾乎沒有包裝”的外部存儲庫的應(yīng)用鋪平了道路。因此，不同中間件之間的不兼容性及“獨(dú)立庫”對ROS的依賴性保持較低。

ROS成功的關(guān)鍵無疑是開源。無私、無直接經(jīng)濟(jì)報酬、致力于公益的想法看起來可能是罕見而天真的。盡管有意識地進(jìn)行無償?shù)闹R共享、起初的困難很難想象，但這已經(jīng)被早先成功的Linux計算機(jī)操作系統(tǒng)證明是可行的。被調(diào)整過的Linux正運(yùn)行著高度復(fù)雜和與安全相關(guān)的諸多系統(tǒng)，如核電站的控制及如今多達(dá)150萬臺Android智能手機(jī)。

ROS的倡導(dǎo)者們認(rèn)為，ROS的發(fā)展也會遵循同樣的軌跡。根據(jù)OSRF首席執(zhí)行官BrianGerkey的說法，Linux在Windows環(huán)境下是一個“蹩腳的暴發(fā)戶”。而在機(jī)器人技術(shù)方面，ROS卻是“先行者”。事實上，微軟最初試圖建立自己的機(jī)器人平臺——“微軟機(jī)器人開發(fā)工作室”，但最終因為ROS在這一領(lǐng)域太過強(qiáng)勢，微軟不得不停止其自主工作室的開發(fā)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)

ROS還支持分布式系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中數(shù)十個進(jìn)程可以在數(shù)臺機(jī)器上并行運(yùn)行。一種名為ROSLink的新協(xié)議已經(jīng)被提出，它結(jié)合了搭載ROS的機(jī)器人與物聯(lián)網(wǎng)，其目標(biāo)是構(gòu)建一張包含物理對象、車輛及諸如傳感器和制動器之類的其他設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。利用ROS，可以使用精確的物理模擬來測試不同的算法，包括深度學(xué)習(xí)，而不需要昂貴的硬件投資。ROS與不同的機(jī)器人模擬器兼容，這對于原型設(shè)計、新算法驗證，以及機(jī)器人在不同使用場景和環(huán)境下智能行為的培訓(xùn)至關(guān)重要。其中最常用的模擬器是Gazebo，它是ROS的一部分。Gazebo已被廣泛應(yīng)用于學(xué)術(shù)界和工業(yè)界，以促進(jìn)機(jī)器人從研究階段到實際應(yīng)用的發(fā)展。

目前使用案例

ROS的首批應(yīng)用主要是在移動機(jī)器人方面。這些機(jī)器人不光用在傳統(tǒng)的研究和學(xué)術(shù)領(lǐng)域，同時在一些創(chuàng)業(yè)公司中也可以發(fā)現(xiàn)它們的身影：

（1）美國國家航空航天局（NASA）：作為太空和航天領(lǐng)域的關(guān)鍵參與者，它選擇用廉價和方便的ROS來開發(fā)它的“Swarmie”項目。在這個致力于未來火星任務(wù)的關(guān)鍵項目中，NASA在基于ROS的簡單機(jī)器人上模擬螞蟻的協(xié)作行為。

（2）Fetch：很可能是最著名的初創(chuàng)公司，由一幫前WillowGarage人員創(chuàng)立。它推出了專為物流行業(yè)設(shè)計的Fetch機(jī)器人系統(tǒng)，以提高倉庫效率。它的實驗室地面機(jī)器人就是基于ROS界面來實現(xiàn)各種控制器的集成。該公司開發(fā)了一種雙重方法：用一個小且靈活的采摘機(jī)器人——“Fetch”，由一個更大的推車式機(jī)器人——“Freight”來支持。通過這種雙重方法，將多個物品運(yùn)輸?shù)街付ǖ乃拓淈c(diǎn)，也可以加入多個來自不同廠商的機(jī)器人來完成。這種相互作用歸根結(jié)底還是得益于ROS框架。

此外，還有一個很好的例子：Delft大學(xué)在AmazonPickingChallenge上大獲全勝。他們的勝利來自通過利用ROS來幫助資源有限的年輕研究員們開發(fā)先進(jìn)的解決方案。通過ROS，機(jī)器人能夠自主地將物品從標(biāo)準(zhǔn)貨架上移動到包里，或從包里轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)貨架上。根據(jù)Delft團(tuán)隊成員KantervanDeurzen的說法，他們成功的決定性因素是將“最高標(biāo)準(zhǔn)的各個組成部分”作為與“一體化系統(tǒng)”相結(jié)合的“多學(xué)科方法”。這種整合的方法是通過使用基于ROS的軟件而實現(xiàn)的。Delft大學(xué)也正在歐盟范圍內(nèi)推動ROS-I軟件組件達(dá)到一個更高的水平，這個任務(wù)被稱作ROSIN。除了Delft大學(xué)，合作機(jī)構(gòu)還包括德國的Fraunhofer制造工程與自動化研究所和FachhochschuleAachen大學(xué)、哥本哈根IT大學(xué)，以及來自瑞典的機(jī)器人公司ABB和來自西班牙的Tecnalia研究所。

在中國，ROS為眾多新興的服務(wù)機(jī)器人公司奠定了基礎(chǔ)：

（1）Ecovacs和iRobot（清潔機(jī)器人）。

（2）索亞機(jī)器人（迎賓機(jī)器人）。

盡管ROS在中國服務(wù)機(jī)器人的使用范圍很廣，但迄今為止，對于ROS的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)還不大。

值得一提的是，ROS也被用于自動駕駛。例如，寶馬的335IG自動駕駛概念，以及百度的Apollo平臺都是基于定制化的ROS。

目前ROS在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相對較少

目前ROS的工業(yè)級使用率遠(yuǎn)低于學(xué)術(shù)界或服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，主要有以下兩個原因。

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技術(shù)方面

工業(yè)機(jī)器人制造商主要提到了ROS在實時性和穩(wěn)定性方面的弱點(diǎn)，以及數(shù)據(jù)安全問題。這些都可能對制造商產(chǎn)生負(fù)面的品牌影響。

ROS軟件的安全性主要取決于早期貢獻(xiàn)者的責(zé)任感。開發(fā)內(nèi)部軟件時，其整個生命周期都需要控制和維護(hù)，并需要儲存完整的檔案。相比之下，開源軟件是由松散組織的開發(fā)人員開發(fā)的，他們相互信任程度較低，對于檔案保存的標(biāo)準(zhǔn)也較低。此外，對于使用開源的最終用戶來說，與單一制造商或集成商建立合法的雙向關(guān)系很難，因為他們和開發(fā)者之間缺乏有約束力的服務(wù)協(xié)議。據(jù)Fraunhofer制造工程與自動化研究所（IPA）研究員TheoJacobs的說法，除了經(jīng)過驗證的軟件版本，解決方案可能是由一小組程序員維護(hù)的自包含模塊。但通過使用來自主題密鑰驗證消息的發(fā)送者和聽眾的認(rèn)證，可能可以確其保機(jī)密性。

一些專家也擔(dān)心，ROS從未被設(shè)計用于工業(yè)機(jī)器人的傳統(tǒng)典型應(yīng)用，例如噴涂，點(diǎn)焊或弧焊。例如，大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人軟件都可以調(diào)整焊機(jī)上的電壓和電流通道，以確保達(dá)到最佳效果——這不屬于ROS的范疇。然而，通過ROS可以更容易找到一些新的解決方案，例如：如果工程師想要噴涂出一個之前機(jī)器人從未見過的幾何圖形，ROS可以相對容易地為搭載有工業(yè)視覺的噴涂機(jī)器人生成相應(yīng)路徑。

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經(jīng)濟(jì)方面

主要的行業(yè)參與者擔(dān)心其業(yè)務(wù)模式被淡化。開放自己投入了大量研發(fā)資源所獲得的核心知識并非是他們所愿意的。他們所特有的硬件可能會失去其優(yōu)勢，并且可能被其他更便宜的硬件輕松替換，而這些便宜的硬件還可以通過ROS來增強(qiáng)外設(shè)。

在一定程度上，可以將這種困境與蘋果的iOS和Google的Android所采取的做法類比：

（1）蘋果對AppStore始終保持相對嚴(yán)格的控制，并且一直是iOS終端設(shè)備的唯一硬件供應(yīng)商。這有助于建立一個快速、穩(wěn)定和相對安全的系統(tǒng)。其用戶群通常會非?？焖俚馗萝浖?，從而能夠更容易地修復(fù)錯誤和解決安全問題。缺點(diǎn)是用戶基數(shù)較小，未來能為機(jī)器學(xué)習(xí)提供的數(shù)據(jù)較少。

（2）相比之下，Android采取了一種相當(dāng)開放的方式，這帶來了更廣的用戶群體，并且這些用戶群體可以從各種終端設(shè)備中進(jìn)行選擇。但是，這是以反復(fù)出現(xiàn)的接口問題為代價的，并且終端設(shè)備和軟件之間會存在適配錯誤。設(shè)備分化和從第三方安裝應(yīng)用程序使得Android操作系統(tǒng)易受安全問題的困擾。高度的設(shè)備分化也使得Android系統(tǒng)的維護(hù)和缺陷修復(fù)比iOS更困難。

到目前為止，蘋果控制其平臺的模式非常成功。與20世紀(jì)90年代Macintosh不同的是，現(xiàn)今廣大的iOS用戶使得這種模式為蘋果帶來頗豐的收益。與此同時，幾乎沒有一家專注于Android生態(tài)系統(tǒng)的硬件公司能夠長期盈利。

那為什么工業(yè)機(jī)器人制造商們要開放他們的平臺，并提供他們產(chǎn)品控制系統(tǒng)的接口呢？

不同機(jī)器人制造商對這個問題的看法存在分歧。發(fā)那科和庫卡系統(tǒng)相對來說比較封閉，其他廠商則采取更加開放的態(tài)度：

（1）盡管對通過ROS提供自由的第三方訪問也存在著一些擔(dān)憂，但YaskawaMotoman通過高級外設(shè)，利用他們的機(jī)器人的潛力推動了它早期開源的行動，特別是雙臂機(jī)器人在自動化裝配任務(wù)中的使用日益增加。Motoman認(rèn)為，搭建一座與他人之間的橋梁將提高互操作性，并從而吸引更多客戶。

（2）類似的是，作為ROS-I項目的一部分，工業(yè)機(jī)器人巨頭ABB為其協(xié)作組裝機(jī)器人Yumi開放了ROS接口。

關(guān)于MotomanSIA20D、ABB的YuMi和UniversalRobotsUR5等小型機(jī)器人，它們不再進(jìn)行昂貴的研發(fā)過程，而是直接使用3D感知工具來增強(qiáng)其功能。在不久的將來，為特定需求而編寫的軟件將隨著業(yè)界需求從高容量、可重復(fù)的流程轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合了動態(tài)軌跡算法和傳感器的智能機(jī)器人而變得更有實際價值。

Bosch的研發(fā)部門開始允許他們的工程師“快速、方便地對其系統(tǒng)進(jìn)行可視化、檢查、記錄和模擬”，以便創(chuàng)造更大的效益，這展現(xiàn)了ROS的另一個機(jī)會。前Bosch研究員現(xiàn)任MayfieldRobotics的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席運(yùn).官SarahOstentoski認(rèn)為，以這種方式使用ROS，將使它成為一種“雙向流動的管道”，公司愿意與社區(qū)分享他們的進(jìn)步，社區(qū)也可以憑借它在學(xué)術(shù)系統(tǒng)中的流行度幫助公司網(wǎng)羅更多ROS方面的人才。

更大的驚喜在更遠(yuǎn)的將來

ROS在過去的幾年中增長迅猛，并且在可預(yù)見的未來幾年中將發(fā)揮更重要的作用。

首先是日益增長的服務(wù)機(jī)器人公司的需求。在接下來的十年里，我們將會看到第一輛自動駕駛汽車成功上路。屆時將會出現(xiàn)一批我們今天無法設(shè)想的機(jī)器人和應(yīng)用程序。正如WillowGarage最早成員之一TullyFoote在2007年年末承諾的那樣，在未來，“你將能夠使用任何開源軟件，只需結(jié)合你的商業(yè)模式做一些小小的改動，就能開啟你的創(chuàng)業(yè)之旅”。ROS社區(qū)的發(fā)展將前所未有地使有創(chuàng)意的設(shè)計師和創(chuàng)業(yè)者們站在巨人的肩膀上。

其次，工業(yè)市場上的應(yīng)用也將越來越多。然而目前，對于ROS仍然有限的工作能力和是否應(yīng)該放棄傳統(tǒng)的成功商業(yè)模式，工業(yè)機(jī)器人制造商們?nèi)猿钟幸欢ɡ硇缘念檻]。不過，與此同時，ROS正在以相對簡單的方式來靈活設(shè)計解決方案，以此拓展整個行業(yè)的邊界。

在此背景下，ROS-IndustrialConsortium已經(jīng)向前邁進(jìn)了一步。這個機(jī)構(gòu)由付費(fèi)會員組成，其中大多數(shù)是大型工業(yè)企業(yè)，它們正在投入知識和資金，以加大機(jī)器人的能力范圍并提高質(zhì)量。這其中的重點(diǎn)是用資本來引導(dǎo)研究重點(diǎn)，這樣可以更加有效并且公平地分配資源，并最終分享結(jié)果。雖然進(jìn)入這一協(xié)會的資本壁壘與開源社區(qū)的原則相矛盾，但是它是獨(dú)立開發(fā)者的試錯運(yùn)動和企業(yè)在參與開源擴(kuò)張的同時又能保證自身原有利益之間的一種妥協(xié)，所有高昂的研發(fā)費(fèi)用都是為了整個行業(yè)的共同利益。通過所謂的聚焦技術(shù)項目（FTP），這個行業(yè)的蛋糕需要先被做大，即便需要付費(fèi)成員來決定其味道。

最后，備受矚目的ROS2.0的Beta版本正在測試當(dāng)中。它應(yīng)該解決現(xiàn)有的安全問題，并提高適用于大型項目的技術(shù)能力。實際上，這個版本是為了應(yīng)對“非理想網(wǎng)絡(luò)”和現(xiàn)實中的生產(chǎn)環(huán)境而建立的，它使得在ROS中進(jìn)行實時控制的進(jìn)程和機(jī)器間能夠直接通信。對于ROS1.0在意料之外、情理之中的走紅，其后繼者應(yīng)該為靜態(tài)配置提供清晰的模式和支持配置，從而擴(kuò)大在工業(yè)領(lǐng)域中所占的一席之地。