為什么我選擇并且推崇用ROS開(kāi)發(fā)機器人？

如果我們現在想研發(fā)一款機器人，應該選擇哪一個(gè)操作系統呢?其實(shí)我們大家平常接觸到的操作系統寥寥無(wú)幾，Windows，MacOS，Linux，iOS，Andoird。ROS雖然全名是Robot Operating System，但本質(zhì)上不是操作系統，是Linux發(fā)行版Ubuntu下的一個(gè)用來(lái)開(kāi)發(fā)機器人的Middleware，這個(gè)沒(méi)有什么好辯駁的。Android雖然意思是人形機器人，但是我覺(jué)得這就只是名字而已，Andy Rubin難道真的是想通過(guò)智能手機探秘智能機器人?而且機器人學(xué)里的人形機器人一般寫(xiě)成Humanoid。為了規避因“操作系統”產(chǎn)生的歧義，本文中我們討論研發(fā)一款機器人需要怎樣的“環(huán)境配置”?所以很多概念沒(méi)有區分是否稱(chēng)得上操作系統。

選擇怎樣的環(huán)境配置，有幾點(diǎn)是我們先要搞清楚的。首先我們需要知道實(shí)時(shí)性是不是必須的。簡(jiǎn)單的說(shuō)，如果在系統中是關(guān)鍵變量，系統就需要實(shí)時(shí)，例如雙足機器人動(dòng)態(tài)行走系統就必須實(shí)時(shí)，但是靜態(tài)行走的話(huà)其實(shí)不實(shí)時(shí)也可以。如果實(shí)時(shí)性是必須的，我們可以選擇Windows + VxWorks，這是在傳統運動(dòng)控制領(lǐng)域非常常見(jiàn)的一個(gè)組合。也可以選擇QNX操作系統，或者LabView，不過(guò)這兩個(gè)實(shí)時(shí)的我并沒(méi)有很多經(jīng)驗。我最早接觸的實(shí)時(shí)操作系統是Windows + Ardence RTX，后來(lái)應該改名為IntervalZero。還有就是是否系統需要整體上實(shí)時(shí)?我們在做雙足機器人的時(shí)候，運動(dòng)控制就用到了RTX，但是圖像處理并沒(méi)有。后來(lái)我們將運動(dòng)控制的部分移到了一個(gè)ARM7的下位機，上位機的Windows只需要發(fā)送action的指令。所以，即便是需要實(shí)時(shí)，架構也是很靈活的。上位機是沒(méi)有實(shí)時(shí)性的強需求的。

當我們希望稍微提高一下機器人復雜度的時(shí)候，就會(huì )發(fā)現另一個(gè)需要考慮的問(wèn)題，進(jìn)程間通信。在我們用Windows + RTX的時(shí)候，進(jìn)程間通信使用RTX提供的shared memory，不過(guò)都是比較慢的圖像處理進(jìn)程向shared memory中寫(xiě)數據，決策和運動(dòng)控制進(jìn)程讀數據。shared memory顯然并不是很好的通信方式，這里不再多加討論。ROS則使用了一個(gè)很好的通信架構，并且是ROS整個(gè)框架的一個(gè)基礎(不論是對于ROS中的topic，service，plugin，actionlib等基礎概念還是rviz，navigation package等功能包。想了解這些概念最近多關(guān)注下@Top Liu)，所以很多人簡(jiǎn)單的理解ROS只不過(guò)是做了一個(gè)通信的架構而已。我必須說(shuō)明下，進(jìn)程間通信并不是ROS能夠占領(lǐng)機器人開(kāi)發(fā)環(huán)境的主要原因。在2010年，我們開(kāi)發(fā)一款類(lèi)似Atlas的大型人形軍用機器人的時(shí)候，就用到了進(jìn)程間通信工具IPC。IPC就是Inter ProCESs Communication，開(kāi)發(fā)者是CMU的Reid Simmons，應該是出現在2000年左右。后來(lái)我在幫助本科生參加RoboCup Standard Platform League的時(shí)候用過(guò)Nao的操作系統NAOqi，這個(gè)系統大概是出現在2006年。在NAOqi中，整個(gè)通信的架構和ROS非常像了，ROS中的Node在NAOqi中叫一個(gè)broker，都是占用一個(gè)系統的端口。所以，2010年ROS正式發(fā)布Box turtle的時(shí)候，通信架構并不是顛覆性的。Android的進(jìn)程間通信的機制據我了解也是非常強悍的。根據@邵天蘭 之前的一次講座，我也了解到ROS的通信機制放到現在看其實(shí)已經(jīng)有點(diǎn)過(guò)時(shí)了。所以?xún)H僅從通信機制上評價(jià)ROS，意義不大。再有，ROS中的通信機制并不是說(shuō)不能繞過(guò)，其程序本質(zhì)上還是C++和Python。

我認為ROS最大的貢獻就是制定了機器人開(kāi)發(fā)的統一接口標準。因為Willow Garage當年是做移動(dòng)服務(wù)機器人，所以這些標準是首先在移動(dòng)機器人界統一的。所以ROS的意義，我概括的時(shí)候就是六個(gè)字，“書(shū)同文，車(chē)同軌”，極大加速了交流與進(jìn)步。也是因為這樣，機器人學(xué)界才慢慢能夠形成一些BenchMarking，能夠在開(kāi)源社區形成百花齊放的態(tài)勢，能夠讓大家不再深陷于又要搭建硬件又要搭建軟件的重復造輪子的困境。其實(shí)最主要就是ROS的message，看起來(lái)不過(guò)是一些頭文件，但是可以讓我們輕松的替換各種傳感器和執行機構，替換軟件中的各個(gè)算法，現在搭建機器人在我們眼中，就像玩樂(lè )高積木，組裝一臺電腦。

當然，作為一個(gè)開(kāi)發(fā)工具，只做到這里是不夠的。我看過(guò)LabView的開(kāi)發(fā)工具，支持硬件很多，應該標準也很好。Microsoft Robotics Developer Studio是個(gè)不錯的開(kāi)發(fā)工具，可惜掛掉了，也算是流行了一段時(shí)間。針對機器人開(kāi)發(fā)，ROS則提供了很好的可視化、模擬仿真和Debug的工具，專(zhuān)業(yè)上講是非常developer friendly，這也是很多人說(shuō)為什么ROS適合學(xué)習和做研發(fā)的原因。不過(guò)我覺(jué)得這不能支持ROS不適合做產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的觀(guān)點(diǎn)，因為產(chǎn)品成型后，這些調試工具平時(shí)都是可以去掉的。關(guān)于可視化工具Rviz，模擬仿真的Gazebo，Debug的log等級以及在線(xiàn)調參的rosparam和rqt等等，ROS星火計劃都有詳細的講解。

最后，就要說(shuō)說(shuō)基因，社區，支持和人才的問(wèn)題。ROS的基因是移動(dòng)式服務(wù)機器人，LabView的基因是NI，Android的基因是Google和智能手機。ROS社區還算是活躍，雖然機器人的高端玩家比較多，但是整體開(kāi)發(fā)者數量估計也就在十萬(wàn)的量級(ROS answer注冊用戶(hù)也就三萬(wàn)吧)，總量不能和如日中天的Android相比，也是現在背后支持OSRF和google的差距。我也在不同場(chǎng)合聊過(guò)很多次，硅谷的機器人創(chuàng )業(yè)公司基于ROS開(kāi)發(fā)的比較多(相對國內而言，具體比例不清楚，從RosCon的支持廠(chǎng)商就能看到一些端倪)，但是國內用Android的公司明顯在數量上占據上風(fēng) 。

所以最后要支持本文論點(diǎn)了。不討論工業(yè)機器人(以及類(lèi)工業(yè)機器人的醫療機器人等，以控制為核心)，我們把剩下的機器人品類(lèi)再劃分的細致一些。首先，教育機器人(這里指學(xué)習機器人的套件等，不是說(shuō)用來(lái)學(xué)習英文或者唐詩(shī)的對話(huà)機器人，這個(gè)歸屬到情感陪護類(lèi))，主要面向k-12的學(xué)生，也就是我國高等教育之前的學(xué)生，大多就是scratch+單片機，不需要什么系統。不過(guò)我覺(jué)得這種情況會(huì )在未來(lái)不久發(fā)生改變，主要是教育機器人業(yè)內已經(jīng)有人發(fā)現機器人教育和機器人開(kāi)發(fā)的脫節是個(gè)問(wèn)題，那么也就是個(gè)商機，但是要等到產(chǎn)業(yè)足夠大。玩具類(lèi)機器人不需要開(kāi)發(fā)環(huán)境，所以就是玩各種單片機。這些都不是支撐機器人能成為一項顛覆性技術(shù)的方向。所以以下主要分析用Android和ROS開(kāi)發(fā)的機器人。