為什么我選擇并且推崇用ROS開發(fā)機器人？

如果我們現(xiàn)在想研發(fā)一款機器人，應(yīng)該選擇哪一個操作系統(tǒng)呢?其實我們大家平常接觸到的操作系統(tǒng)寥寥無幾，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(tǒng)，是Linux發(fā)行版Ubuntu下的一個用來開發(fā)機器人的Middleware，這個沒有什么好辯駁的。Android雖然意思是人形機器人，但是我覺得這就只是名字而已，Andy Rubin難道真的是想通過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成Humanoid。為了規(guī)避因“操作系統(tǒng)”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”?所以很多概念沒有區(qū)分是否稱得上操作系統(tǒng)。

選擇怎樣的環(huán)境配置，有幾點是我們先要搞清楚的。首先我們需要知道實時性是不是必須的。簡單的說，如果在系統(tǒng)中是關(guān)鍵變量，系統(tǒng)就需要實時，例如雙足機器人動態(tài)行走系統(tǒng)就必須實時，但是靜態(tài)行走的話其實不實時也可以。如果實時性是必須的，我們可以選擇Windows + VxWorks，這是在傳統(tǒng)運動控制領(lǐng)域非常常見的一個組合。也可以選擇QNX操作系統(tǒng)，或者LabView，不過這兩個實時的我并沒有很多經(jīng)驗。我最早接觸的實時操作系統(tǒng)是Windows + Ardence RTX，后來應(yīng)該改名為IntervalZero。還有就是是否系統(tǒng)需要整體上實時?我們在做雙足機器人的時候，運動控制就用到了RTX，但是圖像處理并沒有。后來我們將運動控制的部分移到了一個ARM7的下位機，上位機的Windows只需要發(fā)送action的指令。所以，即便是需要實時，架構(gòu)也是很靈活的。上位機是沒有實時性的強需求的。

當(dāng)我們希望稍微提高一下機器人復(fù)雜度的時候，就會發(fā)現(xiàn)另一個需要考慮的問題，進程間通信。在我們用Windows + RTX的時候，進程間通信使用RTX提供的shared memory，不過都是比較慢的圖像處理進程向shared memory中寫數(shù)據(jù)，決策和運動控制進程讀數(shù)據(jù)。shared memory顯然并不是很好的通信方式，這里不再多加討論。ROS則使用了一個很好的通信架構(gòu)，并且是ROS整個框架的一個基礎(chǔ)(不論是對于ROS中的topic，service，plugin，actionlib等基礎(chǔ)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)，所以很多人簡單的理解ROS只不過是做了一個通信的架構(gòu)而已。我必須說明下，進程間通信并不是ROS能夠占領(lǐng)機器人開發(fā)環(huán)境的主要原因。在2010年，我們開發(fā)一款類似Atlas的大型人形軍用機器人的時候，就用到了進程間通信工具IPC。IPC就是Inter ProCESs Communication，開發(fā)者是CMU的Reid Simmons，應(yīng)該是出現(xiàn)在2000年左右。后來我在幫助本科生參加RoboCup Standard Platform League的時候用過Nao的操作系統(tǒng)NAOqi，這個系統(tǒng)大概是出現(xiàn)在2006年。在NAOqi中，整個通信的架構(gòu)和ROS非常像了，ROS中的Node在NAOqi中叫一個broker，都是占用一個系統(tǒng)的端口。所以，2010年ROS正式發(fā)布Box turtle的時候，通信架構(gòu)并不是顛覆性的。Android的進程間通信的機制據(jù)我了解也是非常強悍的。根據(jù)@邵天蘭 之前的一次講座，我也了解到ROS的通信機制放到現(xiàn)在看其實已經(jīng)有點過時了。所以僅僅從通信機制上評價ROS，意義不大。再有，ROS中的通信機制并不是說不能繞過，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發(fā)的統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)。因為Willow Garage當(dāng)年是做移動服務(wù)機器人，所以這些標(biāo)準(zhǔn)是首先在移動機器人界統(tǒng)一的。所以ROS的意義，我概括的時候就是六個字，“書同文，車同軌”，極大加速了交流與進步。也是因為這樣，機器人學(xué)界才慢慢能夠形成一些BenchMarking，能夠在開源社區(qū)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(fù)造輪子的困境。其實最主要就是ROS的message，看起來不過是一些頭文件，但是可以讓我們輕松的替換各種傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，替換軟件中的各個算法，現(xiàn)在搭建機器人在我們眼中，就像玩樂高積木，組裝一臺電腦。

當(dāng)然，作為一個開發(fā)工具，只做到這里是不夠的。我看過LabView的開發(fā)工具，支持硬件很多，應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)也很好。Microsoft Robotics Developer Studio是個不錯的開發(fā)工具，可惜掛掉了，也算是流行了一段時間。針對機器人開發(fā)，ROS則提供了很好的可視化、模擬仿真和Debug的工具，專業(yè)上講是非常developer friendly，這也是很多人說為什么ROS適合學(xué)習(xí)和做研發(fā)的原因。不過我覺得這不能支持ROS不適合做產(chǎn)品開發(fā)的觀點，因為產(chǎn)品成型后，這些調(diào)試工具平時都是可以去掉的。關(guān)于可視化工具Rviz，模擬仿真的Gazebo，Debug的log等級以及在線調(diào)參的rosparam和rqt等等，ROS星火計劃都有詳細的講解。

最后，就要說說基因，社區(qū)，支持和人才的問題。ROS的基因是移動式服務(wù)機器人，LabView的基因是NI，Android的基因是Google和智能手機。ROS社區(qū)還算是活躍，雖然機器人的高端玩家比較多，但是整體開發(fā)者數(shù)量估計也就在十萬的量級(ROS answer注冊用戶也就三萬吧)，總量不能和如日中天的Android相比，也是現(xiàn)在背后支持OSRF和google的差距。我也在不同場合聊過很多次，硅谷的機器人創(chuàng)業(yè)公司基于ROS開發(fā)的比較多(相對國內(nèi)而言，具體比例不清楚，從RosCon的支持廠商就能看到一些端倪)，但是國內(nèi)用Android的公司明顯在數(shù)量上占據(jù)上風(fēng) 。

所以最后要支持本文論點了。不討論工業(yè)機器人(以及類工業(yè)機器人的醫(yī)療機器人等，以控制為核心)，我們把剩下的機器人品類再劃分的細致一些。首先，教育機器人(這里指學(xué)習(xí)機器人的套件等，不是說用來學(xué)習(xí)英文或者唐詩的對話機器人，這個歸屬到情感陪護類)，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(tǒng)。不過我覺得這種情況會在未來不久發(fā)生改變，主要是教育機器人業(yè)內(nèi)已經(jīng)有人發(fā)現(xiàn)機器人教育和機器人開發(fā)的脫節(jié)是個問題，那么也就是個商機，但是要等到產(chǎn)業(yè)足夠大。玩具類機器人不需要開發(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開發(fā)的機器人。