劉 鳳 ,楊東升 ,廉夢佳 ,張 展 ,王麗娜

1(中國科學院 沈陽計算技術(shù)研究所,沈陽 110168)2(中國科學院大學,北京 100049)

基于ROS的智能工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺①

劉 鳳1,2,楊東升1,廉夢佳1,2,張 展1,2,王麗娜1,2

1(中國科學院 沈陽計算技術(shù)研究所,沈陽 110168)2(中國科學院大學,北京 100049)

目前,工業(yè)機器人對于機器視覺、自主路徑規(guī)劃等智能化功能需求日益增長.然而在傳統(tǒng)工業(yè)機器人系統(tǒng)中添加智能化功能模塊時需要修改大量的源碼,浪費了人力和成本.本文提出的基于ROS的易擴展機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺,能為開發(fā)者開發(fā)智能工業(yè)機器人系統(tǒng)提供了方便.本平臺分為服務(wù)器端和機器人端.將機器人端作為一級節(jié)點,與安裝ROS的PC服務(wù)器端進行通信.機器人一級節(jié)點由二級功能節(jié)點與功能模塊組成.根據(jù)此平臺開發(fā)實現(xiàn)的JPB06六自由度工業(yè)機器人系統(tǒng)具有機器視覺、自主定位、語音控制等智能化功能,可以滿足工業(yè)機器人對于智能化和實時控制的需求.

工業(yè)機器人; ROS; 系統(tǒng)開發(fā)平臺; 智能化

社會對于工業(yè)機器人智能化、自動化需求的逐漸增長,促進了智能機器人相關(guān)基礎(chǔ)領(lǐng)域的成熟,如計算機視覺、語音識別與合成、室內(nèi)移動機器人算法等,但是這些基礎(chǔ)領(lǐng)域不能很好的結(jié)合,導致了機器人研究過程中需要統(tǒng)一開發(fā)測試平臺.為此,Williow Garage發(fā)布了開源分布式軟件框架ROS[1](robot operating systerm).

ROS起源于2007年斯坦福大學人工智能實驗室與 Williow Garage 公司合作的 PR(personal robot)項目,是運行在主操作系統(tǒng)上的中間件,從本質(zhì)上它是一種分布式模塊化的開源軟件框架.ROS為機器人研發(fā)領(lǐng)域提高代碼復用率,為工業(yè)機器人智能化的發(fā)展提供了方便.ROS主要有以下幾個特點.一、所有進程以及他們所進行的數(shù)據(jù)處理,將會通過一種點對點的網(wǎng)絡(luò)形式表現(xiàn)出來.二、支持多種語言開發(fā).三、集成已有的開源項目代碼.四、工具包豐富.五、開源且免費.但是其缺點是基于Linux的ROS實時性不能滿足工業(yè)需求.

現(xiàn)如今主要有四種解決方法:第一種是將實時系統(tǒng)嵌入ROS中,如美國西南研究院(SwRI)推出ROSIndustrial[2].第二種是在實時系統(tǒng)中植入ROS功能包[3].第三種是開發(fā)實時軟件框架,比如北京航空航天大學推出的 RGMP-ROS[4](RTOS and GTOS on Multi Processors-ROS)將ROS節(jié)點分為實時節(jié)點與非實時節(jié)點,并分別運行在實時系統(tǒng)和非實時系統(tǒng)中.第四種是2016年發(fā)布的符合工業(yè)級標準的ROS2.0[5],因為ROS2.0內(nèi)部的DDS(數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù))消耗過大,并且其穩(wěn)定性比ROS1.0低,所以本文選取ROS1.0.

本文結(jié)合中國科學院沈陽計算技術(shù)研究所工業(yè)機器人與數(shù)控機床數(shù)控系統(tǒng)已有的工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)技術(shù),提出新型易擴展的智能化工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺.該平臺能夠提高工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)的靈活性.

1 ROS 開源平臺

ROS的主要目標是為機器人研究和開發(fā)提供代碼復用的支持,其最重要的貢獻是提供基于異構(gòu)計算集群的主機操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化通信標準,并且通過使用節(jié)點將代碼和功能解耦,提高了系統(tǒng)容錯能力和可維護性,使系統(tǒng)簡化.目前,開發(fā)者和開源 ROS 開發(fā)人員為ROS共享社區(qū)貢獻了各個領(lǐng)域的軟件包,如SLAM定位算法、坐標轉(zhuǎn)換tf庫、機器視覺開源庫OpenCV和OpenNI等.由于ROS代碼的高可重用性和可擴展性,基于ROS的機器人系統(tǒng)可以通過利用社區(qū)中已有的代碼方便地用于二次開發(fā)和復雜應用,實現(xiàn)了成熟的基礎(chǔ)領(lǐng)域結(jié)合.目前支持ROS的機器人已經(jīng)有40多種,包括FANUC、ABB、安川、ADEPT等大型企業(yè)的工業(yè)機器人.以下分析傳統(tǒng)工業(yè)機器人開發(fā)平臺和單純基于ROS的機器人開發(fā)平臺的利弊,并給出本文提出的系統(tǒng)開發(fā)平臺結(jié)構(gòu).

1.1 傳統(tǒng)工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺

傳統(tǒng)工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺如圖1所示.中間件為應用軟件共享資源提供支撐,提供其運行與開發(fā)環(huán)境.實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)對硬件部件的編程控制和接口操作,為應用軟件提供一個實時的執(zhí)行環(huán)境和對硬件的虛擬接口,滿足工業(yè)機器人對實時性需求.依據(jù)模塊化和分層結(jié)構(gòu)思想,有利于系統(tǒng)整體的開放性和模塊化設(shè)計.但是使用傳統(tǒng)工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺有以下缺點.其一,各大機器人公司的軟件非開源,使得開發(fā)一個機器人系統(tǒng)困難重重,成本巨大.其二,不同的機器人廠商使用的操作系統(tǒng)、中間件以及編程語言各有區(qū)別,使得各種先進的基礎(chǔ)領(lǐng)域不能直接共享.其三,模塊間聯(lián)系緊密,不利于添加或刪除某一模塊.其四,不同的控制系統(tǒng),導致了機器人系統(tǒng)不具備可移植性.其五,人機交互界面不統(tǒng)一使得開發(fā)者和使用者需要具備更專業(yè)水平.綜上所述,傳統(tǒng)工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺并不有利于開發(fā)智能化工業(yè)機器人系統(tǒng).

圖1 傳統(tǒng)工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺

1.2 單純基于ROS的工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺

單純基于ROS的工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺如圖2所示.此平臺提供機器人開發(fā)的統(tǒng)一標準,并且由于ROS內(nèi)部節(jié)點的概念,使得開發(fā)者可以利用ROS社區(qū)共享的豐富軟件包快速開發(fā)機器人系統(tǒng)或者修改、添加、刪除功能節(jié)點.但是,由于ROS是運行在Linux之上的中間件,所以通過該平臺開發(fā)的機器人系統(tǒng)在實時性上滿足不了工業(yè)機器人需求,并且大部分功能包針對 PC 設(shè)計,相比于嵌入式,靈活性低.所以本文提出新型基于ROS的智能工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺.

圖2 單純基于ROS的工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺

1.3 基于ROS的工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺

基于ROS的工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺如圖3所示.該平臺通過使用統(tǒng)一的軟件開發(fā)框架ROS為開發(fā)者開發(fā)智能化工業(yè)機器人系統(tǒng)過程中方便地添加、刪除智能化模塊,并且本平臺利用傳統(tǒng)工業(yè)機器人系統(tǒng)的中間件與RTOS執(zhí)行實時任務(wù),滿足工業(yè)機器人對于實時性需求.該平臺不僅能滿足工業(yè)機器人系統(tǒng)的需求,也可開發(fā)非工業(yè)機器人、多機器人系統(tǒng).

2 基于ROS的工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺

此平臺主要有一下幾個特點.第一,平臺主要分為PC服務(wù)器端和機器人端.運行ROS的服務(wù)器端作為開發(fā)平臺的核心,提供路徑規(guī)劃、視覺、避障等復雜計算的功能,控制機器人端的運動軌跡,并實時展現(xiàn)機器人狀態(tài).相比于傳統(tǒng)基于ROS的機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺中的將所有節(jié)點運行在一起,將高消耗的節(jié)點運行在服務(wù)器端會分散CPU壓力,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性.第二,在此平臺中將一個要開發(fā)的機器人看成一個單獨的一級節(jié)點與服務(wù)器端通信,而不是將機器人內(nèi)部各個傳感器、各功能模塊單獨看做一個節(jié)點.機器人一級節(jié)點由功能二級節(jié)點與傳統(tǒng)工業(yè)機器人各個模塊組成,主要控制機器人的運動.使用機器人一級節(jié)點比繁多的二級節(jié)點更便于多機器人系統(tǒng)開發(fā).第三,相比于圖2,此平臺通過傳統(tǒng)工業(yè)機器人中間件和RTOS為智能化工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)提供實時性.第四,相比于圖1,此平臺利用ROS可以方便的添加智能化模塊,并進行傳感器數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)處理等.

圖3 基于ROS的工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺

2.1 硬件層

工業(yè)機器人的硬件層主要是執(zhí)行器、傳感器和外圍設(shè)備.執(zhí)行器包括輔助機器人完成運動和動作的電機和臂,對于底盤固定的工業(yè)機器人最主要的控制量就是控制機器手臂等關(guān)節(jié)的移動,所以機器人驅(qū)動器中最根本和本質(zhì)的問題就是控制電機,控制電機轉(zhuǎn)的圈數(shù),即控制機器人六個關(guān)節(jié)軸,就可以控制機器人移動的距離和方向、機械手臂的彎曲的程度或者移動的距離等.同時為了保證控制量的精確度,需要各種傳感器反饋,及時對于機械臂控制做出調(diào)整.傳感器,是機器人和現(xiàn)實世界之間的紐帶,包括視覺傳感器、激光傳感器、里程計等.視覺傳感器微軟Kinect可以提供真實環(huán)境的三維深度數(shù)據(jù).由超聲波和激光傳感器組成距離傳感器以提高碰撞檢測時環(huán)境數(shù)據(jù)的精確度.取向傳感器,例如加速度計,里程表和陀螺儀,用于檢測機器人的位姿.

2.2 驅(qū)動層

驅(qū)動層的作用是為系統(tǒng)層程序提供硬件的操作接口,并且實現(xiàn)硬件的驅(qū)動程序.驅(qū)動層主要包括總線驅(qū)動、伺服驅(qū)動、傳感器驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)模塊驅(qū)動等.在驅(qū)動層利用控制器板如Arduino或Raspberry Pi來管理驅(qū)動器和外設(shè).Arduino主要應用于控制電機驅(qū)動和各類傳感器(比如超聲波、IMU等),然后和ROS的上機位通訊,交換數(shù)據(jù).rosserial_arduino 包允許 Arduino 作為一個ROS的節(jié)點,可以直接發(fā)布和訂閱ROS的消息,發(fā)布TF變換,以及獲取ROS的系統(tǒng)時間.

2.3 系統(tǒng)層

在系統(tǒng)層,采用基于Linux的ROS核心庫與基于RTOS的傳統(tǒng)模塊結(jié)合的方式.機器人一級節(jié)點通過ROS核心庫與服務(wù)器通信,并且具有一定的自主運動控制機器人能力.ROS核心庫主要運行在嵌入式Linux中,用于接收服務(wù)器的命令,通過驅(qū)動通信向模塊發(fā)送目標位姿等信息,并且通過驅(qū)動接收各種傳感器的數(shù)據(jù)用于自身的局部路徑規(guī)劃和碰撞檢測等,同時傳送傳感器數(shù)據(jù)給服務(wù)器用于建立現(xiàn)實環(huán)境的三維模型.保留基于RTOS的傳統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)是為了保障機器人的實時性和可靠性.

2.4 服務(wù)器層

服務(wù)器收集來自傳感器的數(shù)據(jù)來維護機器人周圍環(huán)境的三維數(shù)據(jù),進行復雜的數(shù)據(jù)處理得出機器人目標位姿.并將目標位姿信息傳遞給機器人一級節(jié)點,用于運動規(guī)劃,進而控制機器臂的運動.同時服務(wù)器通過三維可視化工具RVIZ顯示三維模型和機器人實時狀態(tài).ROS master(節(jié)點管理器)運行在服務(wù)器上,控制所有機器人一級節(jié)點與其他功能節(jié)點通信.用戶可以使用ROS開源社區(qū)提供的功能軟件包來開發(fā)所需的功能,如自主導航、圖像處理、碰撞檢測等.服務(wù)器中的節(jié)點與機器人一級節(jié)點通信通過配置master節(jié)點的ROS_MASTER_URI來通信.基于PC的服務(wù)器在保證整個系統(tǒng)的操作能力外,具有更便利的人機交互能力和在復雜和動態(tài)環(huán)境下,比機器人主機更容易配置的優(yōu)點.此開發(fā)平臺也可滿足多機器人系統(tǒng)的開發(fā),只要將其他機器人一級節(jié)點與master節(jié)點通信即可.

3 JPB06 機器人系統(tǒng)

利用以上設(shè)計的機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺,本節(jié)實現(xiàn)了六自由度串聯(lián)工業(yè)機器人JPB06系統(tǒng).JPB06機器人由機器人本體、PC、控制柜組成,具有視覺、可視化、自主運動規(guī)劃、自主定位等功能,如圖4所示.以下通過PC和控制柜說明本文提出的平臺的應用示例,并給出實驗結(jié)果.

圖4 工業(yè)機器人 JPB06

3.1 PC

PC機作為服務(wù)器端運行Ubuntu14.04與ROS hydro.主要有兩個功能:通過Zynq中采集的數(shù)據(jù)維護機器人工作的三維環(huán)境、提供機器人全局路徑規(guī)劃功能,并將目標位姿信息傳送到Zynq中對應的節(jié)點.提供人機交互服務(wù).

3.2 控制柜

控制柜中主要有兩部分組成,運行ROS的Zynq-7000 EPP,和機器人控制器.

Zynq-7000可擴展處理平臺(EPP)中運行Ubuntu-14.04,并且安裝ROS核心包.Zynq接收底層傳感器的高速數(shù)據(jù),傳感器包括激光傳感器、Kinect傳感器、里程計、陀螺儀、加速度計等.Kinect傳感器數(shù)據(jù)用于服務(wù)器端生成三維地圖.激光傳感器用于地圖數(shù)據(jù)更精確,同時也為機器人在局部運動規(guī)劃時提供更可靠的數(shù)據(jù).里程計、陀螺儀與加速度計用于控制機器人位姿.

工業(yè)機器人功能二級節(jié)點很多,節(jié)點間的信息交互很頻繁,并且信息量大,為了提升系統(tǒng)通信性能,做了以下兩點變化.一、在機器人節(jié)點內(nèi)部使用共享內(nèi)存方法把傳感器數(shù)據(jù)memory-map到內(nèi)存中,只傳遞數(shù)據(jù)的地址和大小信息.相比同一機器中的ROS節(jié)點間的通信使用網(wǎng)絡(luò)棧的loop-back機制,即每一個數(shù)據(jù)包都需要經(jīng)過多層軟件棧處理,數(shù)據(jù)延遲已經(jīng)控制在20us以內(nèi).二、使用輕量級的序列化程序.將ROS的通信棧中傳輸數(shù)據(jù)損耗最大的序列化延時降低50%.

為了保證ROS內(nèi)節(jié)點的安全性,防止某一節(jié)點無限消耗系統(tǒng)內(nèi)存,從而導致的系統(tǒng)崩潰,本平臺采用Linux Container(LXC)來管理每一個ROS節(jié)點進程,LXC有效地將單個操作系統(tǒng)管理的資源劃分到孤立的群組中,以更好地在孤立的群組之間平衡有沖突的資源使用需求.并且LXC消耗極少量的CPU資源.

3.3 實驗結(jié)果

本次實驗通過訊飛語音控制機器人運動驗證本文提出的智能工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺的可行性.語音識別的工作過程如圖5所示.Wakeup節(jié)點監(jiān)聽語音并將聲音信號作為消息發(fā)送到xfwakeup主題,xfasr節(jié)點訂閱了xfwakeup主題,一邊采樣聲音信號,一邊進行識別.若識別成功,則將返回的結(jié)果發(fā)送到xfunderstand主題,將失敗提示語發(fā)送到 xfsaywords主題.explain節(jié)點訂閱xfunderstand主題,通過control_cmd主題發(fā)送識別結(jié)果解析后的消息.機器人控制節(jié)點接收這一消息,并根據(jù)消息內(nèi)容進行不同的控制策略.

圖5 ROS 中訊飛語音包識別語音過程

測試語音為“向下”時,訊飛語音包識別出“向下”命令,并發(fā)送給機器人控制節(jié)點.機器人控制節(jié)點在接到“向下”命令時確定機器人目標位姿,然后控制機器人運動規(guī)劃.(為方便展示,將此目標位姿在機器人控制節(jié)點中與“向下”命令對應.).圖6中間兩個截圖為運動過程中軌跡截圖.實驗顯示,JPB06能夠順利根據(jù)語音指令移動到目標位姿.此實驗表明了本文提出的機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺能夠開發(fā)機器人系統(tǒng).

圖6 RVIZ 中顯示的機器人運動過程

4 總結(jié)

本文提出一種能夠提高工業(yè)機器人智能化水平的機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺,該平臺將運行ROS的PC作為服務(wù)器端,主要負責復雜的計算、可視化和人機交互等任務(wù).單個機器人作為機器人一級節(jié)點,由二級功能節(jié)點和任務(wù)控制等模塊組成.這樣系統(tǒng)可以在智能化和可靠性上都能滿足智能工業(yè)機器人的需求.

本文主要做了語音控制運動實驗驗證了平臺的可行性.本平臺可用于開發(fā)一系列工業(yè)機器人系統(tǒng),也可用于開發(fā)多機器人系統(tǒng)和非工業(yè)機器人系統(tǒng),如足球機器人系統(tǒng)、服務(wù)類機器人系統(tǒng)、無人機系統(tǒng)等.使用本平臺開發(fā)其他具有更多功能模塊的機器人系統(tǒng)時,可以通過ROS社區(qū)提供的全球共享的開源功能包添加所需功能.

1ROS/technical overview.http://wiki.ros.org/.[2016].

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Development Platform of Intelligent Industrial Robot System Based on ROS

LIU Feng1,2,YANG Dong-Sheng1,LIAN Meng-Jia1,2,ZHANG Zhan1,2,WANG Li-Na1,21(Shenyang Institute of Computer Technology,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110168,China)2(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

At present,there is an increasing demand for intelligent functions such as machine vision and autonomous path planning in industrial robots.However,adding intelligent function modules in the traditional industrial robot systems requires a lot of source code modification,wasting manpower and cost.An easy-to-extend robot system development platform based on ROS presented in this paper provides developers with the convenience of developing intelligent industrial robotic systems.The platform is divided into server-side and robot-side.The robot-side as a first-level node,communicates with the server-side installed with the ROS.The first-level node of the robot consists of the second-level functional nodes and functional modules.According to this platform,the JPB06 6-DOF industrial robot system has intelligent function modules,such as machine vision,autonomous positioning and voice control,which can meet the needs of industrial robots for intelligent and real-time control.

industrial robot; ROS; system development platform; intelligence

劉鳳,楊東升,廉夢佳,張展,王麗娜.基于ROS的智能工業(yè)機器人系統(tǒng)開發(fā)平臺.計算機系統(tǒng)應用,2017,26(10):77–81.http://www.c-sa.org.cn/1003-3254/6019.html

2017-01-09; 采用時間:2017-02-23