基於機器人作業系統之移動機器人應用介紹

摘要：機器人發展與應用越來越廣泛，除了工廠所使用的工業手臂機器人的應用外一般服務型機器人與專業服務型機器人的應用也逐步受到大眾的接受。但往往廠商研發出新款的感測器與致動器時無法有效與快速地打入機器人供應鏈市場。於是標準快速的通訊平台需求變成機器人整合上的重要指標，ROS平台推出使得各家的周邊元件與機器人演算法相關人員可以更快速地整合讓機器人。

Abstract: The development and applications of robots are becoming more and more extensive. In addition to the industrial robots used in factories, the applications of general and professional service robots are gradually accepted by the public. However, newly developed sensors and actuators cannot be effectively and quickly applied to the robot supply chains. Therefore, a standard fast communication platform becomes a key to the integration of the robot system. ROS platform is then introduced so that engineers can rapidly integrate peripheral components and robot algorithms into robotic systems.

關鍵詞：機器人作業系統、移動機器人、模擬器

Keywords：ROS, Mobile Robot, Simulator

前言
機器人作業系統（robot operating system, ROS）是美國Willow Garage企業於2007基於史丹佛大學機器人軟體技基礎所創造，現在由機器人開源組織（Open Source Robot Foundation, OSRF）維護與營運。機器人作業系統的關鍵任務就是設計出一個標準化、開源的程式框架，以便於在各種現實或模擬器上的虛擬機器人進行控制。在Willow Garage與機器人開源組織努力下，機器人研究員們可以使用其他ROS貢獻者提供的ROS軟體包來進行整合。目前ROS 涵蓋了定位導航、即時定位與地圖構建（Simultaneous localization and mapping, SLAM）、3D物體辨識、機器人動作規劃、多關節機械手臂運動控制、機器學習等等的軟體包。

Willow Garage 也設計出PR2 的機器人圖1來實現ROS系統，PR2身上具有立體視覺、雷射感測器及擁有七個自由度的機械手臂，移動方法使用萬向輪驅動。然而PR2的價格非常昂貴，不是所有研究機構都有能力負擔的起高額的硬體費用，好在ROS平台的成功使得各家硬體更容易地整合於機器人身上，因此更為便宜的ROS相容機器人硬體平台陸續被創造出來，例如iRobot Create 、TurtleBot如圖2、Arduino、LEGO NXT如圖3、Robotis Dynamixels如圖4。

ROS集合了上萬個機器人工程師、軟體工程師、演算法專家的貢獻在其中。基於不要重複打造輪子的概念下，ROS發展了十年下來，快速累積雄厚實力，相關應用及軟硬體也陸續到位，間接促成降低機器人模組成本越來越低廉。目前國際機器人研發社群，皆認為ROS 在往後機器人發展上將會更為重要。

ROS
ROS是用於機器人的一種開源次級作業系統。提供類似作業系統的功能，包含硬體抽象描述、底層驅動管理、程式間的消息傳遞，ROS也提供許多工具程式與函式庫用於建立或運行多機整合的程序。ROS還提供了軟體開發者與機器人工程師相當多的工具來幫助開發。

1. 機器人作業系統
ROS的主要設計是方便機器人研發過程中程式碼可以重複使用，所以ROS使用分散式程式框架，使得各程式開發者可以獨立的設計機器人相關的程式及演算法的實現。在通訊上ROS通過點對點設計以及服務和節點管理等機制可以使得ROS 能夠適用於服務機器人所遇到的挑戰。在程式語言上ROS支援多種程式語言，如C++、Python、Lisp已經可以在ROS上實現編譯與執行。為了支援多程式語言，ROS採用一種語言中立介面定義語言（interface discription language, IDL）來實現個模組之間的消息傳遞。在ROS系統內有三種等級概念，包括文件系統等級、計算圖級、社群等級。