ロボット開発概要
ROS 1/2やHW選定、四駆・アーム型ロボットについて
過去に弊社が実施した、ロボット開発についての勉強会資料の、まとめ です。一部、正確ではないかもしれない事を、ご容赦下さい。
(日付は投稿日です)
ROS とは？ (ROS 1/2共通)
•Robot Operating Systemの略 (OSと名が付くが、実際には主にLinux上に載るミドルウェアである)
•ロボットを制御するための仕組み
•開発ツールやライブラリーが含まれている
•オープンソースのソフトウェア・プラットフォーム
•Linux系OS上を中心に動く
•世界中の人が使用している
•開発言語: C++、Python等
•RTミドルウェア(RTM)との比較:
•RTMは、Winでも動くが、国内団体が開発したものが多い
•RTMはGUIでの開発だが、ROSはCUIが基本である
→ 世界展開は、ROS程でない (英語のドキュメントやチュートリアルが少ないため)
ROS 1に含まれる内容
- 通信
- 各種ツール
- catkin (ビルドシステム)
- rviz (ロボットの情報を3次元に可視化する)
- ROSbag (ROS メッセージ データを保存するためのファイル形式)
- ROSlaunch (複数のROSノードをまとめて起動/停止するためのツール)
- Gazebo (オープンソースの2D/3Dロボット・シミュレーター)
ROS 通信モデル
トピック通信 (単体)
トピック通信 (複数)
サービス通信
アクション通信
ROS 通信比較
| 種類 | 特徴 | 用途 |
|---|---|---|
| トピック通信 | 連続データ 多対多通信可能 |
センサーデータ ロボット呼び出し状態 |
| サービス通信 | 短時間処理 | 単純呼び出し 状態把握 |
| アクション通信 | 複雑 長時間動作 |
ロボット処理実行 |
catkin とは？ (ROS 1のみ)
- 1例として、次のコマンドを実行するとビルドされる
「イメージ的には」gccやg++みたいなモノ
$ mkdir -p ~/catkin_ws/src (ディレクトリー作成)
$ cd ~/catkin_ws
$ catkin_make
※ catkin build(新コマンド)でも、ビルドできる
(catkin_make後にcatkin buildするのは、移行作業が必要)
rviz とは？ (ROS 1/2 共通)
1.URDFモデル(関節等)を作る
2.ロボットを動かすノードを作る
3.rvizとロボット動作を起動する
LiDARやSLAMで作ったマップ上に、ロボットが動くのが再現される
LiDARとは？ (ROS 1/2 共通)
- LiDAR = Light Detection And Ranging
レーザーを照射して、反射から距離や物体を検知する
SLAM とは？ (ROS 1/2 共通)
- SLAM = Simultaneous Localization And Mapping
自己位置推定と地図作成をするもの
Gazebo とは？ (ROS 1/2 共通)
- ロボットのシミュレーターである
- 例:
1.CADでSTLファイルを作成
2.URDFモデルを作成
3.シミュレーター上で動かす
STL: Standard Triangulated Language
URDF: Unified Robot Description Format
ROSを用いた開発手順 (ROS 1/2 共通)
ROS 2の概要
- 複数台のロボットを同時制御
- 組み込み系のマイコン等、マルチプラットフォーム対応
- 通信品質確保やリアルタイム通信機能を標準対応化
- ROS 1と2の互換性は、低い (ただし、パッケージは移植可能)
- ドキュメントやチュートリアルが少ない
複数台ロボット制御
- Open-RMF等を使って、ロボットを群制御できる
- RMF: Robotics Middleware Framework
- オープンソース
- ロボット群や、ドアやエレベーター、建物を相互運用する
- ロボット同士の干渉を減らす → 処理負荷を軽減
ROS 1からの変更点
- ビルドコマンドが変更 (catkin_make / catkin build → colcon build)
- ROS Master不要 (1は、一々起動する必要があった)
- パラメーターをノード毎に持つようになった (ROS Masterが関係)
- 別マシンとの接続は、自動的に発見される (1は指定しないと、できない)
- msgの型のルールが変更
- ROS時刻が、2種類から3種類に変更された
- 非同期APIがある (1は、同期APIしかなかった)
ROS 1からの変更点
- catkin_make のROS 2版
(ROS 2 PG類をビルドするためのコマンド)
- 例 (ビルドしてから実行する)
$ cd ros2_ws
$ colcon build
$ ros2 run “パッケージ名称” “実行名称”
colcon とは？ (ROS 2のみ)
ノード とは？
- ROS/ROS2のプログラムの単位
- 通信して、他のノードと情報交換を行う
ROS 1/2 のパラメーター機能の違い
- パラメーター
- ノード実行中に変更可能な変数
- 読み書きはサーバーを通じて実施する
- ROS 1/2のサーバー機能の違い:
- ROS 1 ・・・ マスターが持つ
- ROS 2 ・・・ ノードが持つ
別マシンとの接続
- ROS 1
- ROS Master を使用して、IPアドレス等を指定しなければ、ならない
- ROS 2
- OMGのDDS対応
- 自動探索できるので、通信しやすい
- 多様な環境で利用可能
※ OMG: Object Management Group
※ DDS: Data Distribution Service
通信の相違
- ROS 1/2 両対応
- Pub & Sub通信 (メッセージを送信して受信する)
- Service通信 (リスエストを送ると、レスポンスが返る)
- Action通信 (数種コマンドを送ると、ステータス結果や応答が返る)
- ROS 1/2 違い
- 通信方法
- ROS 1: TCP (一般にWebブラウジングやファイル転送に使われる)
- ROS 2: UDP (一般にストリーミング等に使われる)
- ROS 2 ではroscore不要
- メッセージ型
- ROS 1: std_msgs::String
- ROS 2: std_msgs::msgs::String
ROS時刻
- ROS1
- ROS時刻はROS::Time
- 実時刻はROS::WallTime
- ROS2
- rclcpp::Timeの1つの型。次から選べる
- RCL_ROS_TIME : システムクロックをダイレクトに取得する
- RCL_SYSTEM_TIME : use_sim_timeがtrueならば、/clockトピックから時刻を計算する
- RCL_STEADY_TIME : HWの周辺機器が絡む時に使う
- 違うオプションのTime同士の演算を行うとexceptionが起きる
対応OS
- ROS 1
- Linux(/Windows)
- ROS 2
- Linux、Windows (10のみサポート)、Mac
組み込みシステムでの利用
- mROS 2
- 例(ESP 32):
- パッケージをgitからクローンする
- 同一NWでの作動が条件
- IPアドレス等を設定する
- 基板上のROS 2で、Pub & Sub通信ができる
ROS 1/2 比較
ROS 2で、出来る事
- 複数のロボット制御にも対応
- 組み込みプラットフォームに対応
- リアルタイム制御可能
- NW品質が、アバウトでよい
- プログラミング形式が、ある程度、固定
- 製品化に対応
ROS 2で、出来ない事・課題
- デバイスを物理的に繋いで、インストールだけすれば動くレベルではない
- ワークスペースやビルドがCUIベースでGUIでない
- RTミドルウェアはGUIである
- マルチOS対応と謳っていても、Linuxが主
- 計算リソースが少ない状態では、動かない
- 制御系の、電源ぶつ切り等に、かなり弱い
- 用途がロボット車両や、せいぜい、アームが主
- 人間型や、四足歩行型には、標準で対応でない
- 作ったモノに、高度な判断能力が無い
- 障害物回避等はできても、状況に合わせた高度な動きは出来ない
- 標準で、音声入力や音声合成に対応していない
- 標準で、生成AIを用いた指令は、できない
- 入出力のI/Fが、ROSに依存している
- rvizやGazebo位がI/Fであり、それ以外は、独自に作る必要がある
- スマホやタブレット対応でない
- 標準で、ブラウザーから、直でプログラム作成や作動等はできない
- Jupyter Notebookのような事は、できない
- HWがROS対応でないと動かない
- 他のIoT機器との連携感が、そんなない
- 標準でデジタルツイン等に対応していない
- ロケットや飛行機 等を全て制御できる等のレベルではない
汎用部品によるロボット開発 (例)
車両型ロボットを想定
- JetsonとRaspberry Piが接続
- Raspberry PiとArduinoが接続
- Jetson/RPiと各モーターが接続
- モーターが車体を進行停止回転
- LiDARカメラが自己位置推定
- 4つの測距センサーが物体との位置を測定
- カメラが前方を記録
- JetsonにはLiDARカメラが ついている
- Raspberry Piにはカメラがついている
- Arduinoには2つの測距センサーがついている
- 耐故障性向上(電源瞬断 等)
- 低価格化
展示会 等で見て説明聞いても分かる事
詳細設計
必要な物理性能
- 汎用マイコン基板
- Raspberry Pi
- Jetson
- Arduino
- ESP 32
- SPRESENSE
- STM 32
- 専用マイコン基板
- PC
Raspberry Pi とは？
- イギリスのラズベリーパイ財団が開発した、手のひらサイズの小型コンピューター
- 小型で、ある程度安価な割に高性能である
- キーボードやディスプレイと接続可能
- センサーやNWで、IoT端末化可能
Raspberry Piの種類
- 最新版は、RPi 5である
- RPi 4と比較して性能が2倍向上したとの事
- RPi Zeroという小型版もある (ロボット制御には性能不足)
- 同じ種類でもRAM容量で、処理速度 等に性能差がある
Raspberry Pi選定で気を付ける事
- RAM
- ロボット制御用は最大容量(8GB)確保した方がよい
- 熱が溜まらないような工夫が必要
- ヒートシンク
- ファン
- 水分や埃に気を付ける
- 専用ケース等を使う
- メモリーカードの選定に気を付ける
- 容量は64GB以上あるとよい (AI用途では更に容量要るが、RPiの性能的に高度化できない)
- スピードに気を遣う (UHS-I、クラス10あると、よい)
- 最近、日本製の方が安い？ (キオクシアさん EXCERIA は2025/3時点で、アマゾンにて665円程度)
Raspberry Pi (価格)
| 製品名 | 日本の実売価格 (2024年) | 公式の定価 |
|---|---|---|
| RPi 5 (8 GB) | 約17,500円～ | 80ドル |
| RPi 5 (4 GB) | 約13,000円～ | 60ドル |
| RPi 4 (8 GB) | 約13,500円～ | 75ドル |
| RPi 4 (4 GB) | 約10,000円～ | 55ドル |
| RPi Zero 2 W | 約3,000円～ | 15ドル |
| RPi 400 | 約14,000円～ | 70ドル |