![ROS2ノードライフサイクル
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Inactive
Active
Finalized
CleaningUp
do / onCleanup()
Unconfigured
Configuring
do / onConfigure()
Deactivating
do / onDeactivate()
Activating
do / onActivate()
ErrorProcessing
do / onError()
ShuttingDown
do / onShutdown()
create()
configure()
onCleanup:
[SUCCESS]
onConfigure:
[SUCCESS]
cleanup()
onConfigure:
[FAILURE]
activate()
deactivate()
onActivate:
[SUCCESS]
onDeactivate:
[SUCCESS]
onActivate:
[FAILURE]
shutdown() shutdown()
shutdown()
onShutdown:
[SUCCESS]
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[SUCCESS]
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[FAILURE]
Error Raised
Error Raised
Error Raised
Error Raised
Error Raised
Error Raised
過渡状態を状態とみなしている以外はRTCをほぼ同じ
エラー処理が明確に、終了処理が⼀体になっている
外部からのトリガによる遷移 処理結果による遷移
動作状態
待機状態
終了状態
初期状態](https://image.slidesharecdn.com/211218-01-211218013519/85/NEDO-MoveIt-1-23-320.jpg)
NEDO講座 MoveIt! チュートリアル 第1部
- 2. はじめに • NEDO特別講座について • ROS概要 • ROSの基礎 2
- 4. ロボット活⽤型市場化適⽤技術開発プロジェクト 4 中⼩・中堅企業 社外SIerが開発 プラットフォーム化 Easy to develop化 ロボットのプラットフォーム化により 需要を束ねることでコスト的に⾒合う ビジネスに転換 中⼩・中堅企業 現場作業者が操作 プラットフォーム化 Easy to use化 未活⽤領域 || 多様で⼩規模な需要 既活⽤領域 || 少数の⼤規模な需要 伝 統 的 市 場 ロングテール ロボット数・システム数 需要種別 未活⽤領域へのロボット導⼊拡⼤ ⼤企業 社内SIerを擁する企業 社内SIer 保守要員 ⼩品種⼤量⽣産 モノづくり・三品産業 対物サービス ⽣活⽀援… 本プロジェクト
- 5. 5 ソフトウェアコンソーシアム 市場化プロジェクト実施体制 カワダ ロボティクス 富⼠ソフト ⽇本電産 ライフ ロボティクス セック・THK 名城⼤ 川崎重⼯ YOODS パナソニック 東芝 ハードウェアコンソーシアム RRI（ロボット⾰命イニシア ティブ協議会）WG3におけ る議論を経て2017年度から 開始 事業期間 • 2017〜2019年度 2017年度公募・採択 ハード開発事業者（7事業 者） • カワダロボティクス • 富⼠ソフト・⽇本電産 • 東芝 • セック・THK・名城⼤ • 川崎重⼯ • YOODS • パナソニック ソフト開発事業者（5事業 者） • 産総研 • 東⼤ • TORK • イーソル • JQA
- 7. 7 OS ミドルウェア ナビゲーション マニピュレーショ ン ビジョン アプリケーション 品質保証済み パッケージ 品質保証済み パッケージ 品質保証済み パッケージ 構成管理 機能 運⽤ ﾒﾝﾃﾅﾝｽ 機能 安全監視 機能 （未実現） ｾｷｭﾘﾃｨ 機能 （未実現） AIクラ ウド連携 機能 分野⾮依存の共通機能 品質保証済み パッケージ 機能要件 ⾮機能要件 ・テスト・検証に関するエビデンス ・モジュールの性能指標 ・ドキュメンテーション ・共通インターフェース仕様 ・教育・コミュニティー ・安全規格とのマッチングに関するガイドライン ・ライセンス・特許に関するガイドライン ・⻑期的な保守・運⽤体制 プラットフォーム領域 組込み対応 ROS1/ROS2 ソフトウェアコンソーシアムの取り組み eMCOS POSIX ツールチェーン 機能 安全 ROS2 ROS1 ｓ 安全対策⽀援 ROSコード解析・品質改善 保守・維持管理体制検討 • ロボット安全設計開発 • ロボットソフトウェア特許・ライセンス • ロボットソフトウェアアーキテクチャ • ロボットシステム開発プロセス・品質管理 • 次世代ロボット実装⼿法 • 移動ロボット評価指標 調査検討6委員会
- 8. （成果物）詳細ドキュメント 8 MoveIt! 詳細ドキュメント https://robo-marc.github.io/moveit_documents/ Navigation Stack 詳細ドキュメント https://robo-marc.github.io/navigation_documents/ システム・ノードの仕様レベルまで解説することで、詳 細を知らないソフトエンジニアでも利⽤可能に。 ROSコード改善プロジェクト https://github.com/robo-marc/ros_comm ROS、MoveIt!, NavigationStack等のコードを静的解析 ツールで解析、バグ、記述上の問題点を調査し、改善、 本家へフィードバック RobotWebTool拡張 https://github.com/robo-marc/visualization_rwt ブラウザからROSシステムの操作・モニタなどを⾏う RobotWebToolsを拡張、GUI部品等を追加。Webベース でのシステム構築効率を向上させた。 https://github.com/robo-marc をぜひご覧ください。
- 9. （成果物）簡単に試せる NEDO講座 ROS セット 9 USBメモリ ROS Kinetic ＋川崎重⼯、富⼠ソフト、カワダロボティクス、THKのロボットモデルを動かせます︕︕ Melodicへアップデート
- 11. ROS概要 11
- 12. ロボットミドルウエアについて • ロボットシステム構築を効率化するための共通機 能を提供する基盤ソフトウエア – 「ロボットOS」と呼ばれることもある – インターフェース・プロトコルの共通化、標準化 – 例として • モジュール化・コンポーネント化フレームワークを提供 • モジュール間の通信をサポート • パラメータの設定、配置、起動、モジュールの複合化（結合 ）機能を提供 • 抽象化により、OSや⾔語間連携・相互運⽤を実現 • 2000年ごろから開発が活発化 – 世界各国で様々なミドルウエアが開発・公開されて いる 12
- 14. • Willow Garage – 2007年設⽴のロボットベンチャー（⽶、Menlo Park） – 2014年事業停⽌ – Scott Hassanが出資 • googleの初期エンジンの作者の⼀⼈ – ビジネスモデル • ソフト︓ROS（無償）＋ハード︓PR2 を販売 • PR2を10台無償で⼤学などに配布 • スピンアウト創出を狙う 14 Willow Garage Industrial Perception, Inc.
- 15. 15 ROS（Robot Operating System） 概要︓ Ø ⽶国ベンチャー Willow Garageが開発したロボット⽤OS。 Ø 2007年から開発開始。 Ø オープンソースとして広くソースコードを公開。 Ø 現在はOpen Roboticsが管理。 Ø ロボット機能要素（センサ、モータ、アーム、移動機能）をモジュール化。個別に動くプ ログラムを連携する通信部分を提供。（RTMとコンセプトは同じだが、リアルタイム・密結合機能はない） Ø Linuxのソフトウェア管理機構を活⽤し（Linuxに慣れた⼈なら）インストールが容易。 ユーザ︓ Ø Savioke、Fetchロボティクス、Clearpath Robotics、トヨタなどがロボット⽤OSとして 採⽤。 Ø 学術分野ではデファクトスタンダードとなっている 特徴︓ Ø Ubuntu Linux†上で動作（コマンド⼊⼒による操作が基本）。 Ø 他のOSは公式にはサポートしていない Ø キラーアプリケーションにより⼈気獲得 Ø rviz:ロボットの様々な状態を3Dで表⽰ Ø MoveIT!: アームの軌道計画 Ø Navigation Stack: 地図作成・経路計画 Ø 現在次バージョン︓ROS2に移⾏中 Ø RTM同様の密結合・リアルタイム機能含む Ø 通信はOMGのDDS標準を利⽤（RTMと互換性有） rviz MoveIT!
- 16. • aibo – 新AiboではOpen-RではなくROSを 利⽤している模様 • ROS kinetic（バージョン） を利⽤ – 約500以上のオープンソースソフト ウェア（ROS含む）を利⽤している • ライセンスをWebサイト上で明記 • ROSに対して⼿を加えている – 通信効率化の追加モジュール開発 • SDK（ソフトウェア開発キット ） – 将来的にユーザに提供 – ROSベースSDKの予定 16 http://oss.sony.net/License/ERS-1000/ aiboにおける利⽤
- 17. ROSに関連する情報は以下の場所にまとまっています。 • ROS Wiki: http://wiki.ros.org/ja – 様々な情報がwiki上に集約されている • ROS Discourse: https://discourse.ros.org/ – 掲⽰板、メールでも読むことができる • Qiita: https://qiita.com/search?q=ROS – 様々な⼈が解説、導⼊記録等をあげている。体系的ではないが、⾃分と同じ トラブルの場合にはたいへん役に⽴つ。 • Slack: ROS Community, ROS Japan UG などがあります。 • その他、検索すると様々な情報がでてきます。特に、エラーが起こった 場合は、まず エラーメッセージ をそのまま検索窓に⼊れて検索してみ ましょう。 17 ROSの情報を得るには︖
- 18. ROS リリース履歴 • DISTRO (=Distribution) – 配布パッケージのこと – バージョンごとに名前がついている。(⻲に関係がある) – DISTRO nameは覚えておいた⽅がよい。 現⾏Distro: http://wiki.ros.org/Distributions • Kinetic (Kinetic-Kame) – Ubuntu 16.04対応版 – 現⾏で⼀番古いが、まだユーザが多い – 2021年4⽉まで • (Lunar Loggerhead) – 2019年5⽉サポート終了 • Melodic (Melodic Morenia (ビルマメダマガメ)) – Ubuntu 18.04対応版 – 次第にこちらに移りつつある – 2023年5⽉まで • Noetic (Noetic Ninjemys (メイオラン科のカメ)) – 推奨版 – Ubuntu 20.04対応版 – 2025年3⽉まで 18 カメにまつわるコードネーム 頭⽂字はアルファベット順
- 19. ROS2 【ユースケースの変化】 • 複数のロボット • 組込みCPU • リアルタイム • 理想的でない通信環境 • 製品向け使⽤ • あらかじめ規定されたパター ンにのっとった構造化したシ ステム構成 【新たな技術】 • Zeroconf (avahi, bonjour, UPnP等) • Protocol Buffers • ZeroMQ (and the other MQs) • Redis(次世代⾼速key-valueデータストア) • WebSockets • DDS (Data Distribution Service). 19 http://design.ros2.org/articles/why_ros2.html 【ROS1では】 • 単体のロボット • 強⼒なCPU • ⾮リアルタイム • 途切れない通信環境 • 研究向け • ⾃由な枠組み（main関数） ROSを⼤幅に改良したROS2への移⾏を発表 （ROSとの互換性はない）
- 20. ROS2 • 通信︓DDS(OMG標準のpub/sub通信ミドルウエア） – ミドルウェア層を作製し複数のDDS実装（製品も含む）を使え るように – 単⼀障害点がない（ROS1ではmasterが落ちると×） – QoS制御が可能に(History, Depth, Reliability, Durability) • コンポーネントモデルを導⼊ • 複数のOSに対応（Windows、MacOS） • ROS1とはブリッジで通信 – 直接は通信できない、互換性なし • セキュリティ対応（DDSセキュリティを利⽤） • リアルタイム実⾏可能（Linuxのみ） • 組込み対応 20 http://design.ros2.org/articles/ros_middleware_interface.html
- 21. ROS1→ROS2へ • NASAの仕事を請け負った時に、独⾃形式のROS messageはNASAでは使えないから、プロトタイプを ROSで実装後にすべて作り直した • NASAでは何らかの標準に準拠したものでないと使えな い。その時は結局DDSを使⽤した。 • それ以外にもROS1では、1ノード1プロセス、コンポー ネントモデルがないので、モデルベース開発にならない 、ROS masterがSPOFになっているなど不都合な点が 多々ある • それ故、ROS2ではこれらの問題点を克服するため全く 新しい実装にする予定。 21
- 22. • OMG(Object Management Group)で標準化されたpub- sub型データバスミドルウェア • Pub/sub型通信 – トピックが同じ送受信者間でデー タが配信される仕組み • SPOF（単⼀障害点）がない discoveryメカニズム • OMGのミドルウェアTF(MARS) で最もアクティブに活動してい るTFで策定 – 関連標準仕様は10程度 22 DDS (Data Distribution Service)
- 23. ROS2ノードライフサイクル 23 Inactive Active Finalized CleaningUp do / onCleanup() Unconfigured Configuring do / onConfigure() Deactivating do / onDeactivate() Activating do / onActivate() ErrorProcessing do / onError() ShuttingDown do / onShutdown() create() configure() onCleanup: [SUCCESS] onConfigure: [SUCCESS] cleanup() onConfigure: [FAILURE] activate() deactivate() onActivate: [SUCCESS] onDeactivate: [SUCCESS] onActivate: [FAILURE] shutdown() shutdown() shutdown() onShutdown: [SUCCESS] desstroy() onError: [SUCCESS] onError: [FAILURE] Error Raised Error Raised Error Raised Error Raised Error Raised Error Raised 過渡状態を状態とみなしている以外はRTCをほぼ同じ エラー処理が明確に、終了処理が⼀体になっている 外部からのトリガによる遷移 処理結果による遷移 動作状態 待機状態 終了状態 初期状態
- 24. ROS1とROS2のロジック実⾏⽅法の違い 24 1 TI s TDs Kp + - センサRTC 制御器RTC アクチュエータRTC ロジック ロジック ロジック main() モータ等 ロータリー エンコーダ等 ROS1 ROS2 1 TI s TDs Kp + - センサRTC 制御器RTC アクチュエータRTC Executor ロジック ロジック ロジック 実⾏ 実⾏ 実⾏ モータ等 ロータリー エンコーダ等 ノードの実⾏タイミング・順序は制御できない 複数のノードを密結合してリアルタイムシステムを構成できない ノードの実⾏タイミング・順序をExecutorで決定できる 複数のノードを密結合してリアルタイムシステム化可能 main() main() モジュール （ノード） の粒度 ⼤ モジュール （ノード） の粒度 ⼩
- 25. ROS2 リリース履歴 • Ardent Apalone (2017.12) – コードネーム︓Ardent(熱烈) Apalone (アパロンカメ、北⽶原産のスッポン科のカメ） • Bouncy Bolson (2018.6) – コードネーム︓ Bouncy（弾む） Bolson (メキシコゴファーガメ、Bolson tortoise) • Crystal Clemmys (2018.12) – コードネーム︓ Crystal(透明な) Clemmys (キボシイシガメ Clemmys guttata) • Dashing Diamemata (2019.5→2021.5) – Dashing(⾛る) Diademata (カンムリヤマガメ（Rhinoclemmys diademata)) – Componentノードの推奨、OMG IDL 4.2利⽤開始, MoveIt!2 alpha • Eloquent Elusor • Rolling Ridley: スナップショット開発版 • Foxy Fitzroy (2020.6→2023.5) – Foxy (狐のような) Fitzroy (ハヤセガメ (Fitzroy River turtle)) – バグ修正、雑多なAPI改善, Security Enclave機能（同⼀IDのノードのみのアクセス制御） • Galactic Geochelone (2021.5→2022.11) – Galactic (銀河の) Geochelone (ゾウガメ) – デフォルトのDDSがGalactic Geochelone（ADLINK社製）へ変更 – Nav2 (navigation stack for ROS2)の強化 • Humble Hawksbill (2022.5?) 25 ROS1同様にカメにまつわるコードネーム
- 26. ROSの基礎 26
- 27. • ノード – モジュールプログラム、通常は実⾏可能な⼀つのプログラムとして、ソース およびバイナリが提供される • パッケージ – ノードや設定ファイル、コンパイル⽅法などをまとめたもの • メッセージ – ノード間でやりとりするデータ • トピック – ノード間でやりとりするデータのラベル、同じトピック名を持つ出⼒と⼊⼒はデータ がやり取りされる 27 ROS⽤語 ROS ノード 同⼀トピック間の ポートは⾃動で接続 ROS ノード ROS ノード ROS ノード トピック velocity トピック velocity トピック velocity トピック position
- 28. /rosout パラメータ サーバ • マスター︓ノードの参照やトピッ クを保持するネームサービス – システム全体で原則⼀つ→SPOF （Single Point of Failure） – 他のノードより先に起動しなけ ればならない • パラメータサーバ︓ノードの パラメータを保持するデータ ベース – マスター内で動作、ノードから はXMLRPCでアクセス • rosout: ノードに対してstdout, stderrのような役割を果たす 28 ROS ノード ROS マスター Node0:… Node1:… Node2:… : Topic0:… Topic1:… Topic2:… : ROS ノード ノード参照・ トピックを登録 原則マスターは1つ 他のノードより先に起動 しなければならない #拡張機能でﾏﾙﾁﾏｽﾀｰも可 同⼀トピック間の ポートは⾃動で接続 XMLRPCで通信 ROS独⾃プロトコル ROSの仕組み
- 29. • ワークスペース作成︓ – ⾃作パッケージを置く場所 – 通常ホームdir直下の “~/catkin_ws” とすることが多い – ⾃分で作る必要あり • mkdir catkin_ws • cd catkin_ws ; catkin build ← WS初期化 • パッケージ作成︓ – ワークスペースいかにパッケージを作 成する • catkin create pkg my_pkg <opt> – パッケージ名は⼩⽂字と”_”のみ • ビルド: – catkin build でビルド • cd ~/catkin_ws • catkin build <package name> 29 ROSによるノード開発の流れ ~/catkin_ws/ ←このディレクトリでビルド + .catkin_workspace + build/ + devel/ + src/ + CMakeLists.txt ←最上位のcmake file + PackageA/ + CMakeLists.txt + package.xml ←マニュフェスト + include + パッケージ名 + インクルードファイル + src/ ← ソースファイルディレクトリ + ソースファイル Catkinのワークスペース構成
- 30. • グラフリソース名 – ノード名、トピック名、メッセージタイプ名、サービス名などに付与するユニークな名前 – “/” から始まり、”/”で区切られて階層化される – /<name0>/<name1>/<name2>/… • 相対名 – デフォルトの名前空間が指定されている場合 <名前空間名>/<リソース名> で指定可能 – 先頭に”/” がつかないことで区別される – 環境変数 ROS_NAMESPACE で指定したり、launchファイルで <node ns=“名前空間” /> で指定することができる • プライベート名 – “~” から始まる名前、ノード内でプライベートな名前空間 • アノニマス名 – 多数のノード名を⾃動でつけたい時などに使⽤ – Ros::init()の引数にinit_options::AnonymousName を指定することで、⾃動的にノード type名＋時刻で⼀意な名前を⾃動でつけてくれる 30 グラフリソース名 rxgraphの出⼒例
- 31. • ROSノードをビルドするツール – ROSは独⾃のビルド・パッケージツールを提供している。ROSの特徴の⼀つ 。様々なソフトウェアを効率よく管理・ビルド・配布することができる。 • rosbuild – 廃⽌された最初のROS⽤ビルドツール • catkin (ヤナギなどの尾状花序) – 現⾏のROS⽤ビルドツール ROS2以降 • ament (ヤナギなどの尾状花序) – 最初のROS2⽤ビルドツール – 現在は表向きは次のcolconが利⽤されているが、内部的にはamentが使われている模 様 • colcon (collective construction) – ROS2⽤ビルドツール – メタビルドツール、内部的に⽤途ごとに適切なビルドツールを呼び出す – https://colcon.readthedocs.io/en/released/ 31 ROSのビルドツール (catkin)
- 32. • ROSノード（群）を起動するツール – ROSは独⾃のビルド・パッケージツールを提供している。ROS の特徴の⼀つ。様々なソフトウェアを効率よく管理・ビルド・配 布することができる。 • rosrun – ROSノード（1個）を起動するコマンド • roslaunch – ROSノード群（複数）を起動するコマンド – Roslaunch <package> <launch_file> 32 ROSの起動ツール (rosrun/roslaunch)
- 33. • XMLファイルとして記述 – <launch>タグで囲む • <node>タグ︓起動するノードを指定 – Name: インスタンス名、同⼀ノード名でも別名をつけて複数起動させることができる – Pkg: パッケージ名 – Type: ノード名 – Output: 出⼒先、screen で標準出⼒に出⼒される、複数のノードの出⼒を標準出⼒に出⼒可能 • <remap>タグ: トピック名を変更 from, toで改名前後のトピック名指定 • <arg>タグ︓roslaunch起動時にとる引数を宣⾔可能 – nameで引数名、defaultでデフォルト値を指定 • <group>タグ︓グルーピング – If⽂でargの引数をとることができる – 上の例では、mode=falseを指定すると“インスタンス名1”のノードは起動しない – Ex. roslaunch <パッケージ名> <launchファイル>.launch mode:=false ← インスタンス名1を起動させない • <param >タグ︓パラメータ指定 – コード内であらかじめ定義されているパラメータを起動時に指定する – Ex. contentという名前のパラメータ(string型) に “hogehoge” を代⼊ 33 roslaunch launch file <launch> <arg name=“mode” default=“true”> <group if=“$(arg mode)”> <node name=“インスタンス1” pkg=“パッケージ名” type=“ノード名” output=“出力先”/> </group> <node name=“インスタンス名2” pkg=“パッケージ名” type=“ノード名” output=“出力先”> <remap from=“改名前トピック名” to=“改名後トピック名"/> <param name="content" value=“hogehoge"/> </node> </launch> ROS launchファイル例
- 34. • MoveIt! – マニピュレータ（ロボットアーム）のためのモ ーションプラニングのフレームワーク・ライブ ラリ – ⽬的の⼿先位置・姿勢を与えると、マニピュレ ータの⼿先の現在位置・姿勢から⽬的位置・姿 勢までの経路を⾃動的に計算する – 計算結果に基づき、実際にマニピュレータを制 御し移動させる – 障害物の情報があらかじめ与えられている場合 、それらにぶつからない経路を計算することが できる。 • ROS、rviz – MoveIt!には、ROSでMoveIt!利⽤するのに便 利なパッケージ・ノード群っが提供されている 。 – ROSの可視化ツールrvizと連携し、ロボットの 実機がなくても、プランニング結果をアニメー ションで表⽰することが可能 – rviz上からGUIでMoveIt!でロボットの操作が 可能 • MoveIt! Commander – MoveIt!をコマンドラインから使⽤するインタ ーフェース MoveIt!とは︖ ros pkg MoveIt! pkg プランニングIF 衝突検出 プランニング シーン
- 35. 提⾔ • ⾃前主義はやめよう︕︕ – 書きたてのコードより、いろいろな⼈に何万回も実⾏されたコ ードのほうが動くコードである︕︕ – ⾃分にとって本質的でない部分は任せて、本当にやりたい部分 ・やるべき部分のコードを書こう︕︕ – 誰かがリリースしたプログラムは⼀度は動いたことがあるプロ グラムである︕︕ – ⼈のコードを読むのが⾯倒だからと捨ててしまうのはもったい ない︕︕ • オープンソースにコミットしよう︕︕ – 臆せずMLやフォーラムで質問しよう︕︕ – どんなに初歩的な質問でも他の⼈にとっては価値ある情報であ る。 – 要望を積極的にあげよう︕︕ – できればデバッグしてパッチを送ろう︕ 35