認(rèn)識(shí)移動(dòng)機(jī)器人

本篇內(nèi)容將幫助大家認(rèn)識(shí)移動(dòng)機(jī)器人與其開(kāi)發(fā)中的重要框架——機(jī)器人操作系統(tǒng)。

首先我們先介紹一種在我們身邊最為常見(jiàn)的移動(dòng)機(jī)器人——掃地機(jī)器人。

掃地機(jī)器人作為目前出貨量最大的一種移動(dòng)機(jī)器人類型，已成為一種比較常見(jiàn)的家用電器，相信大家在生活當(dāng)中也一定見(jiàn)到過(guò)。

目前中高端的掃地機(jī)器人已經(jīng)裝備了激光雷達(dá)、相機(jī)、超聲波、紅外等多種傳感器，集成SLAM、路徑規(guī)劃、多傳感器融合等眾多算法，確保在家庭復(fù)雜的環(huán)境中依然可以高效的完成掃地、拖地等功能。

這樣一個(gè)小小的掃地機(jī)器人，就是一個(gè)典型的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，我們將從這里展開(kāi)，正式開(kāi)始移動(dòng)機(jī)器人原理與應(yīng)用的學(xué)習(xí)。

1.1.1 移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)器人誕生之后，首先在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，隨著大范圍移動(dòng)的需求，移動(dòng)機(jī)器人這一分支也逐漸產(chǎn)生。時(shí)至今日，移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得以應(yīng)用，我們先通過(guò)兩個(gè)場(chǎng)景案例來(lái)直觀感受下目前移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀。

工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人，也就是我們常說(shuō)的AGV和AMR（AGV：Automated Guided Vehicle，自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車 ；AMR：Autonomous Moblile Robot，自主移動(dòng)機(jī)器人），是目前移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)方向，可能在我們的生活當(dāng)中并不常見(jiàn)，但卻和每一個(gè)人都息息相關(guān)，比如電商會(huì)利用AMR構(gòu)建智能化倉(cāng)庫(kù)；在快遞公司的倉(cāng)庫(kù)中，包裹也是被類似的機(jī)器人快速分揀到去往不同目的地的傳送帶上；還比如一些生產(chǎn)電子產(chǎn)品的工廠，也可以利用類似的移動(dòng)機(jī)器人，替代原本需要很多人才能完成的物料搬運(yùn)工作。

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如果大家覺(jué)得工業(yè)場(chǎng)景距離我們生活稍遠(yuǎn)，那么接下來(lái)我們就再舉一個(gè)離我們生活很近的場(chǎng)景——自動(dòng)駕駛。

自動(dòng)駕駛汽車也是一種典型的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，為了保證絕對(duì)安全的駕駛過(guò)程，汽車上裝配了非常多的傳感器，以及極為復(fù)雜的控制算法。

以上，我們就先通過(guò)這兩個(gè)場(chǎng)景案例來(lái)初步認(rèn)識(shí)一下移動(dòng)機(jī)器人。

移動(dòng)機(jī)器人的概念

移動(dòng)機(jī)器人的概念非常廣泛，自動(dòng)駕駛汽車、無(wú)人機(jī)、水下機(jī)器人等各種位置可變的機(jī)器人都可以算作是“移動(dòng)機(jī)器人”，在這里我們先劃分一下界限，本書(shū)所講的“移動(dòng)機(jī)器人”概念，主要指地面上的移動(dòng)機(jī)器人。

移動(dòng)機(jī)器人：是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。

熱點(diǎn)研究領(lǐng)域：環(huán)境感知與建模、定位與導(dǎo)航、環(huán)境理解、多機(jī)器人協(xié)同、人機(jī)交互等。

移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)展趨勢(shì)：

視覺(jué)SLAM，實(shí)現(xiàn)多傳感器融合；

深度學(xué)習(xí)，加強(qiáng)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的理解；

多機(jī)協(xié)作，機(jī)器人規(guī)?；鹤鳂I(yè)；

數(shù)字孿生，針對(duì)智能制造的全生命跟蹤；

人機(jī)共存，提高生活便捷性，釋放勞動(dòng)力；

…

移動(dòng)機(jī)器人市場(chǎng)發(fā)展情況

接下來(lái)我們通過(guò)工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人近幾年的銷量來(lái)看一下應(yīng)用市場(chǎng)的增長(zhǎng)情況。

圖1-4 2018-2020全球工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模情況（左）

圖1-5 2018-2020全球工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人市場(chǎng)分產(chǎn)品銷售情況（右）

如圖1-4所示，2018-2020年，全球工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人銷售數(shù)量和金額逐年增長(zhǎng)；從平均銷售收入來(lái)看，2018-2020年呈現(xiàn)逐年遞減的態(tài)勢(shì)，這說(shuō)明隨著市場(chǎng)和技術(shù)日益完善，產(chǎn)品單價(jià)在逐漸下降。

如圖1-5所示，從銷售的機(jī)器人產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來(lái)看，主要是由AGV和AMR組成，AGV是自動(dòng)引導(dǎo)車，AMR是自主移動(dòng)機(jī)器人，具備更高的智能化水平；從占比變化趨勢(shì)來(lái)看，AMR銷售規(guī)模增長(zhǎng)較快。隨著機(jī)器人智能化算法的成熟與商業(yè)落地，AMR還有進(jìn)一步的增長(zhǎng)空間。對(duì)制造業(yè)柔性的需求、加快產(chǎn)品上市周期、降低成本以及對(duì)提高安全性等需求因素，將驅(qū)動(dòng)AMR市場(chǎng)保持高速增長(zhǎng)，全球移動(dòng)機(jī)器人中對(duì)AMR的需求、收入和銷售額預(yù)計(jì)很快也會(huì)超過(guò)AGV。

不過(guò)，對(duì)于越來(lái)越復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)，已經(jīng)不是一個(gè)人或者一個(gè)團(tuán)隊(duì)可以獨(dú)立完成的了，如何高效開(kāi)發(fā)機(jī)器人，是技術(shù)層面上非常重要的一個(gè)問(wèn)題，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，2007年一群斯坦福大學(xué)的有志青年嘗試給出一個(gè)答案，那就是機(jī)器人操作系統(tǒng)。

1.1.2 機(jī)器人操作系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀

移動(dòng)機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）

機(jī)器人操作系統(tǒng)，Robot Operating System ，簡(jiǎn)稱ROS，歷經(jīng)十幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為機(jī)器人開(kāi)發(fā)中的普遍標(biāo)準(zhǔn)，那么這樣一個(gè)軟件系統(tǒng)，是如何誕生與發(fā)展的呢，接下來(lái)我們一起來(lái)學(xué)習(xí)機(jī)器人操作系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀。

2007年，一群在斯坦福大學(xué)求學(xué)的年輕人，誕生了這樣一個(gè)想法，我們有沒(méi)有可能做一款個(gè)人服務(wù)機(jī)器人，幫助我們完成洗衣做飯收拾家務(wù)等一切我們不想做的事情，甚至還可以在我們無(wú)聊的時(shí)候，陪我們聊天玩耍。最后，他們真的做出來(lái)了。

當(dāng)時(shí)，他們深知做出這樣一款機(jī)器人并不容易，機(jī)械、電路、軟件等都要涉及，而且橫跨很多個(gè)專業(yè)，他們自己肯定是做不到的，此時(shí)他們誕生了這樣一個(gè)想法：既然自己做不到，那為什么不聯(lián)合所有人一起干呢？如果我們?cè)O(shè)計(jì)一套標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人平臺(tái)和其中的軟件，那豈不是可以讓所有人都在這樣一個(gè)平臺(tái)上做應(yīng)用開(kāi)發(fā)了么，因?yàn)閼?yīng)用軟件都基于統(tǒng)一的平臺(tái)，所以我們都有機(jī)會(huì)共享其他人開(kāi)發(fā)的應(yīng)用。

說(shuō)干就干，初期的機(jī)器人原型是用實(shí)驗(yàn)室可以找到的木頭和一些零部件組成的，后期有了充足的資金，才得以實(shí)現(xiàn)如圖1-7中這款外觀精致、性能強(qiáng)悍的機(jī)器人——PR2，Personal Robot 2代。

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PR2這款機(jī)器人中的軟件框架就是我們現(xiàn)在看到ROS的原型，所以ROS因這款個(gè)人服務(wù)機(jī)器人而生，很快也從中獨(dú)立出來(lái)，成為了一款用于更多機(jī)器人的軟件系統(tǒng)。

如圖1-8所示，這是ROS發(fā)展歷程中一些重要的時(shí)間點(diǎn)。

圖1-8 ROS發(fā)展歷程

從這條ROS發(fā)展的時(shí)間軸中，我們不僅可以了解到ROS的發(fā)展過(guò)程，更重要的是熟悉ROS誕生的原因，以及對(duì)之后發(fā)展的影響。目前ROS已經(jīng)在眾多機(jī)器人中廣泛應(yīng)用，無(wú)論是我們平時(shí)開(kāi)發(fā)所使用的機(jī)器人，還是實(shí)際場(chǎng)景中真正運(yùn)行的機(jī)器人。

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時(shí)至今日，ROS已經(jīng)廣泛用于各種機(jī)器人的開(kāi)發(fā)，無(wú)論是機(jī)械臂、移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人，還是人形機(jī)器人、復(fù)合機(jī)器人，統(tǒng)統(tǒng)都可以看到ROS的身影，可以說(shuō)ROS已經(jīng)成為機(jī)器人領(lǐng)域的普遍標(biāo)準(zhǔn)，如果我們想要開(kāi)發(fā)一款機(jī)器人，也可以參考鏈接http://robots.ros.org中所列出的所有型號(hào)，大部分機(jī)器人在ROS中的軟件都是開(kāi)源的，這些都可以作為我們開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要參考。

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歷經(jīng)了十幾年的發(fā)展，接下來(lái)我們來(lái)看下ROS社區(qū)活躍度的情況。

ROS全球社區(qū)有幾個(gè)重要網(wǎng)站：

第一個(gè)是answers.ros.org，這是一個(gè)ROS問(wèn)答網(wǎng)站，大家可以在這個(gè)網(wǎng)站上提出任何關(guān)于ROS的問(wèn)題，全球很多開(kāi)發(fā)者都很樂(lè)意回答我們的問(wèn)題；第二個(gè)是wiki.ros.org，這是ROS的維基百科，記錄了ROS教程和各種功能包的使用；第三個(gè)是discourse.ros.org，這是ROS論壇，關(guān)于ROS開(kāi)發(fā)的新鮮事都可以在這里發(fā)表和查看，比如ROS的活動(dòng)、新功能包的發(fā)布等等，以上就是我們常用到的三個(gè)網(wǎng)站。

另外兩個(gè)網(wǎng)站，index.ros.org是ROS各種資源的一個(gè)索引網(wǎng)站，packages.ros.org是ROS功能包存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)，大家有興趣也可以看一下。

這幾個(gè)網(wǎng)站的使用情況基本就可以代表ROS社區(qū)的活躍度了。

圖 ROS社區(qū)活躍情況

圖 ROS功能包下載次數(shù)統(tǒng)計(jì)地域排名

總而言之，通過(guò)這些數(shù)據(jù)，我們可以看到ROS發(fā)展迅猛，正在助推機(jī)器人革命這一波大浪潮，大家每一個(gè)人在其中都大有可為。

ROS2

有人之前可能用過(guò)ROS或者聽(tīng)說(shuō)過(guò)ROS2，在這里我們也簡(jiǎn)單介紹下ROS2，基于之前我們所提到的ROS誕生的原因，ROS2也應(yīng)運(yùn)而生，ROS2在2014年提出，2015年開(kāi)始迭代，2017年推出第一個(gè)正式版，此后也在積極的推進(jìn)。

與ROS1不同的是，ROS2誕生的目的就是為了讓更多機(jī)器人使用，所以在設(shè)計(jì)上更加符合技術(shù)的發(fā)展方向，也運(yùn)用了很多最近的技術(shù)框架。從設(shè)計(jì)目標(biāo)上來(lái)講，ROS2會(huì)著重支持以下5個(gè)方面：

比如支持多機(jī)器人協(xié)同控制，這在ROS1中是沒(méi)有成熟的控制方法的；鏟除原型與產(chǎn)品之間的鴻溝，也就是提高ROS自身的穩(wěn)定性，讓ROS可以直接用于產(chǎn)品；支持微控制器，不論是筆記本電腦還是嵌入式系統(tǒng)，都可以使用ROS；支持實(shí)時(shí)控制，在某些對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的底層控制方面，增加了更多保障機(jī)制；跨平臺(tái)支持，Linux、windows、MacOS都可以使用。這五點(diǎn)都是在目前的ROS1當(dāng)中存在缺陷的地方。

但是ROS2目前還處于快速迭代當(dāng)中，很多功能還不穩(wěn)定，資料也比較匱乏，所以本系列內(nèi)容依然以ROS1為主，只要大家熟悉ROS1之后，未來(lái)過(guò)渡到ROS2也會(huì)非常平滑，其中涉及到的眾多概念和編程方法都是類似的。

無(wú)論如何，ROS都是一個(gè)偏向“工具”性質(zhì)的機(jī)器人軟件框架，實(shí)踐是至關(guān)重要的，希望大家可以跟隨我們的書(shū)本內(nèi)容，加強(qiáng)實(shí)際操作的鍛煉，這樣才能掌握這個(gè)重要的開(kāi)發(fā)工具。

審核編輯：黃飛

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