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机器人操作系统(ROS)史话篇连载1-3

2017年09月25日 ROS 暂无评论 阅读 199 次

作者简介:

张新宇

副教授,浙江大学本科/硕士/ CAD&CG 专业博士。
美国北卡罗来纳大学教堂山分校研究科学家。
韩国梨花女大图形学与虚拟现实研究中心博士后,研究教授。
回国后在华东师范大学创建“智能机器人运动与视觉实验室”,研究方向为机器人运动规划、计算机视觉、虚拟现实、基于物理的计算机模拟等。主持国家级课题:留学归国人员项目(虚拟人)、自然科学基金(服装模拟的关键技术)、大陆-香港联合基金(柔性物体的灵巧手抓取)

全国机器人操作系统(ROS)暑期学校发起人。
原连载系列由  张新宇老师 发表于 ROSEducationFoundation

1 序

机器人是我们这个星球出现的新物种。人类在好奇心的驱使下,在没有上帝的帮助下,完全凭一己之力,用“泥土”,用自己独立创造出来的科学技术捏出来了一个新物种。这个新物种,正经历着前所未有的物种演进。他的细胞快速地分裂者,一变二,二变四,。。。这种指数级别的变化只有到细胞分裂到一定的数量才能表现出强大的力量。

人类站在食物链的最顶端,以主宰者的身份,享受着万物崇拜,这种感觉无比美好。未来,人类是否可以与机器人和睦相处,还是被机器人取代,成为这个星球的被统治物种,被机器人圈养,还是人类在意识到威胁前把机器人驱赶出这个星球。没有人能够预言未来。

2006年,一帮人在好奇心的驱使下,走在一起,组建了一个机器人研究实验室-柳树车库机器人实验室。他们利用开源软件这一无比诱惑人的馅饼,骗取这个星球上千万人加入到这个宏伟计划中。在机器人历史上,从来没有这样的经历,组织全球的力量去去实现一个梦想。机器人操作系统(ROS)就是这一宏伟计划的一部分,一旦人们尝到馅饼的美味,就欲罢不能。ROS打开了,潘多拉魔盒,闸门打开了,洪水汹涌冲进来。

这也是为什么ROS这么令人着迷。但是因为闸门打开的太快了,很多人还没有做好准备,有些人完全没有意识到是怎么回事,就不得不与ROS牵连在一起,卷入到洪流中,在其中奋勇游击。

笔者是想告诉你这一机器人梦想是什么,人们是如何围绕ROS编织这个梦的。笔者希望,大家通过这些史话片段和历史事件,理解构造机器人的艰难,认识到将要面临的挑战。

相比英文的机器人图书和资料,还有关于ROS的中文资料,并不算很多,即使有,也多是翻译外国人的著作。在计算机普及过程中,我们看到很多“手把手教你”系列图书,也见过“24小时精通”系列图书。在此,笔者无意“手把手教你如何进行ROS编程”,也不会宣称让你“24小时精通ROS”。笔者更希望告诉大家机器人的梦想是什么,梦想是如何编织的。当然其中难免会出现一些技术细节,也是不得已留在那里。

此岸与彼岸

如果从中国东海岸或东南海岸的任何一座城市,比如上海,青岛,连云港,温州,福州向东看,是一片汪洋,称为东海。再向东,穿过东海并突破日本弧形岛礁的包围,就进入了地球上最大的水域,太平洋。踏着太平洋,再一路往东,就能看到美国大陆的西海岸。

或者,向西,沿着“一带一路”的陆上丝绸之路,经过中原新兴城市和祥和的农田,穿过西北荒原,沙漠,中亚广袤而安静大地,途径俄罗斯的莫斯科,到达欧洲大陆。站在欧洲的西海岸,面向西方,是地球上第二大水域,大西洋。如果沿着当年泰坦尼克号的既定路线,一路向西,横跨大西洋,就能到达美国大陆的东海岸城市,纽约。

从纽约驾车,横穿美洲大陆,向西,约两天两夜,也能到达美国的西海岸。

西海岸的加州有三个著名的城市,从北往南数是旧金山,洛杉矶,圣地亚哥。最北边的城市是旧金山,华人多,在华人心目中,以唐人街最为有名。在科技圈,旧金山的硅谷和斯坦福大学,最为响当当,被媒体常常提起。以至于到了科技创业圈,言必提硅谷。旧金山往南600多公里,距离大致相当于青岛到上海的路程,就是洛杉矶,加州第一大城市。这里有世界最著名的影视基地,好莱坞。好莱坞星光大道上,镶嵌了很多星星,上面印有影视名人的姓名。那里的中国戏院也是历史悠久,现在还在播放电影。门前有很多明星的脚印,手印和签名。洛杉矶也有世界著名大学,如加州理工学院和南加州大学。圣地亚哥在加州的最南端,与墨西哥接壤。加州大学圣地亚哥分校也很不错。

在东海岸,纽约是全球的金融中心,华尔街是纽约的中心。从纽约往东北350公里是波士顿,这里有麻省理工学院(MIT)。从纽约往西南350公里是华盛顿,美国的首都,政治中心。这里有一所乔治华盛顿大学(GeorgeWashington University)。美国另外还有两所毫不相关的华盛顿大学,一所是位于西海岸西雅图的华盛顿大学(Washingtonof University),位于旧金山北面1300公里处。另一所是圣路易斯华盛顿大学(WashingtonUniversity in St. Louis),位于密苏里州,圣路易斯市,在乔治华盛顿大学西面1300公里处。距离相当于上海到西安的路程。

斯坦福大学位于旧金山湾南部,硅谷的核心地带。胡佛纪念塔是斯坦福大学的地标建筑,登上胡佛纪念塔,整个斯坦福校园就都放在眼里了。站在胡佛纪念塔,西南面5公里处有一片绿地,AltaMesa纪念公园,苹果公司的创始人史蒂夫-乔布斯(SteveJobs)就安葬在那里。在东面10公里处,是谷歌公司(Google)大厦。北面6公里处,一条由西南蜿蜒到东北的小路尽头,是脸书公司(Facebook)的总部。西北面16公里处是甲骨文公司(Oracle)的总部。

2 一场机器人毕业典礼

2010年5月26日,一个人类历史上第一个机器人毕业典礼正在一条蜿蜒的小路旁,临时搭建的一座帐篷中举办。这条路叫柳树路(Willow Road)。5月的加州,凉意浓浓,硅谷的精英们,豪杰和新贵,夹杂着谷歌造就的百万富翁或亿万富翁,从各路赶来。如果从脸书公司的总部沿着这条蜿蜒的小路,沿着这条柳树路,从东北的尽头往西南走,也就是朝着斯坦福大学的方向走,先会穿过101公路,然后左手边路过一个加油站,加油站后面是一个橡树公园,公园斜对面,也就是西面,有一个条胡同,叫纳什胡同(NashAve)。沿纳什胡同走100米,在第一个路口,向左,拐到圣玛格丽塔胡同(SantaMargarita Ave)上,向前走150米,是232号,那里有谷歌诞生的仓库。圣玛格丽塔胡同232号距离胡佛纪念塔大概4公里。这片绿荫覆盖的区域住满了商业精英和IT新贵们,房价也高的离谱。还是沿着圣玛格丽塔胡同,纳什胡同返回到柳树路吧。朝着斯坦福方向前进800米,就能到达机器人毕业典礼的现场,柳树路68号。

这是一处优雅的别墅,边上是公园,小河环绕。别墅的主人是一个叫斯科特-哈森(ScottHassan)的中年人,硅谷的亿万富翁。这里也是一家叫柳树车库(Willow Garage)机器人公司的办公地。

图:柳树车库(WillowGarage)机器人公司的办公地,柳树路68号

今晚,注定是值得纪念的夜晚。无论对柳树车库机器人公司,对机器人学术界,还是工业界都是重大的日子。今晚,柳树车库将为自己研发的机器人,PR2(个人机器人2代),举办一场盛大的毕业典礼。

邀请的来宾有大学教授,有记者,有机器人爱好者,投资人,亿万富翁,当然还有柳树车库的员工们。在300人的营造的喧嚣中,在昏暗的灯光和拥挤的空间里,空气中混杂着音乐,香槟,香水味,柳树车库的创始人,就是那位亿万富翁兼房东,走上舞台,告诉八方来客,自己过去4年思考的三件事:

1  为什么说机器人好?

答案:机器人可以帮助我们提高效率

2  为什么我们还没有机器人?

答案:造一个机器人很难,这方面的投资很少。投资很少是因为市场很小,市场很小是因为机器人能做的事情很有限。没有市场,就没有投资,没有投资就没有人造机器人,没有人造机器人,就没有机器人。

3  如何实现人人拥有机器人的梦想?

答案:我们正在做这件事,但是我们自己无法实现这个梦想,我们通过构建一个社群,让工程师,研究人员,工业企业参与进来,联合起来,一起来做。希望有生之年能实现这个梦想。

 

一群被人们称为PR2的机器人们,在闪烁的彩灯下登上舞台,自由扭动身躯,挥舞手中旗帜,炫耀着自己200公斤重的身躯,ROS的标志高高飘扬。T型舞台中央, 11台PR2机器人排成一列,举起健壮的臂膀,整齐划一地甩头,脚下的舞步潇洒华丽,观众中爆发出阵阵欢呼。

图:斯科特-哈森(Scott Hassan),硅谷的亿万富翁,柳树车库(Willow Garage)机器人公司创始人与投资人。

图:PR2机器人们整齐划一,挥动着ROS大旗。

 

当PR2项目的负责人埃里克·博格(EricBerger)和基南·威罗拜克(Keenan Wyrobek)宣布柳树车库已近开发出来的20台PR2机器人,他们计划将11台PR2机器人赠送给世界知名的机器人实验室。这场机器人毕业典礼仪式高潮才刚刚开始。这些每一位身价高达40万美元的机器人毕业生将真正进入社会,进入11所大学和研机机构,开始他们的机器人科研之旅。通过下面列出的这11所大学和研究机构,我们可以对世界机器人研究力量做一个简单的判断。埃里克·博格和基南·威罗拜克大声念出每一个幸运的大学:

Ÿ  德国弗莱堡大学(Albert-Ludwigs-Universität Freiburg)

Ÿ  博世(Bosch)

Ÿ  美国佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)

Ÿ  比利时荷语天主教鲁汶大学(Katholieke Universiteit Leuven)

Ÿ  美国麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(MIT CSAIL)

Ÿ  美国斯坦福大学(Stanford University)

Ÿ  德国慕尼黑工业大学(Technische Universität München)

Ÿ  美国加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)

Ÿ  美国宾夕法尼亚大学GRASP实验室(University of Pennsylvania, GRASP Laboratory)

Ÿ  美国南加州大学(University of Southern California)

Ÿ  日本东京大学JSK实验室(University of Tokyo, JSK Robotics Laboratory)

 

 

图:从左到右:11所PR2机器人合作研究机构。

每听到一个大学的名字,现场的人们就欢呼,尖叫,伴随着上世纪80年代风行一时的摇滚乐曲《机器人先生》(Mr.Roboto)的音乐,霓虹灯闪烁,旗帜飘飘。11加机器人研究机构将把这些宝贝们领回家,与柳树车库的工程师们,共同创造个人机器人时代。

这晚,柳树车库机器人公司举办了人类历史上第一场个人机器人毕业舞会,这一事件将永久地载入人类史册。

那些狂欢的人们可能不会想到,仅仅过了4年,柳树车库的众将们都各领旗帜,开创自己的机器人事业去了。

3 起源

计算机使用的操作系统,英语称为Operating System,缩写为OS。它是一种计算机程序,帮助使用计算机的人操控计算机硬件、管理各种应用软件。人们听说过的硬件包括:CPU、主板、内存、硬盘、显示器、打印机、U盘等;人们常用的应用软件有:文字处理软件,比如微软开发的Word,幻灯片制作软件,比如微软开发的PowerPoint,看电影的软件,比如微软的视频播放器,浏览网页的软件,比如谷歌的Chrome、聊天软件,比如腾讯的QQ和微信等等。

一开始,计算机比较简单,并没有操作系统,人们通过各种操作按钮就可以控制计算机,但是这种操作方式效率比较低。后来人们通过有孔的纸带将程序输入计算机进行编译,再通过程序员自己编写的程序运行,这种方式效率还是很低。为了更有效的管理计算机硬件,并提高计算机程序的开发效率,就出现了操作系统。

与计算机操作系统类似,机器人操作系统的出现也遵循这样一个规律:为了提高机器人设计和开发的效率。机器人操作系统英语称为Robot Operating System,缩写为ROS。

故事起源

ROS最早是在美国斯坦福大学[1]的人工智能实验室和硅谷的一家机器人公司Willow Garage开展的一个个人机器人项目[2]。

ROS的系统架构是由Morgan Quigley设计的,他当时还是美国斯坦福大学博士生,他的博士导师是中国知名度非常高的Andrew Ng(吴恩达)[3]。

在与Willow Garage合作之前,Morgan Quigley就已经开始在美国斯坦福大学人工智能实验室内部的STAIR[4]机器人项目中负责软件架构设计和项目开发了。

当时这个STAIR项目希望完成一个服务机器人原型,在视觉的辅助下,可以在复杂环境中运动,还可以通过机械臂操控环境中的物体。STAIR机器人配备了一个运动底盘,一个小型机械臂,立体摄像头、激光雷达。一个STAIR项目由几个小组分别负责不同的模块,分头推进。Morgan Quigley负责导航组,同时负责软硬件模块的系统集成。Morgan Quigley发现将操控、导航、视觉等各种功能集成在一个机器人上非常不容易,因此他考虑采用“分布式计算”的方式。2007年,Morgan Quigley和吴恩达将STAIR的成果发表在IEEE 国际机器人与自动化会议上,文章的题目是《STAIR: Hardware and Software Architecture》,软件系统的名称是Switchyard[5]。这个Switchyard就是ROS前身。

后来 吴恩达与Willow Garage合作共同开发ROS,Morgan Quigley将前期在STAIR项目积累的经验发挥的淋漓尽致,成为ROS开发框架的核心人物。2009年Morgan Quigley、吴恩达和Willow Garage机器人公司的工程师们,在当年的IEEE 国际机器人与自动化会议上发表了《ROS: An Open-Source Robot Operating System》,正式向外界介绍ROS。

正如文章中说强调的:

ROS is not an operating system in the traditional sense of process management and scheduling; rather, it provides a structured communications layer above the host operating systems of a heterogenous compute cluster. (ROS不是传统意义上的操作系统,不是用于进程管理和调度,而是构建在其它操作系统之上的一种结构化的通讯层。)

 

 

 

图1.1  从左到右: Morgan Quigley,Andrew Ng(吴恩达),美国斯坦福大学的人工智能实验室的STAIR机器人不同版本。人们一般很难想象,老气横秋的大胡子Morgan Quigley是看着青春无限Andrew Ng的学生。吴恩达因为是华人,所以特别受中国人的追捧,中国的互联网公司“百度”一时还聘请他做了首席科学家。

 

从2008年开始, Willow Garage开始主导ROS的开发,Morgan Quigley监督着ROS的进展。

2010年,随着PR2正式对外发布,Willow Garage也正式推出ROS1.0。

 


[1] 斯坦福大学(Stanford University):位于美国硅谷,世界顶级大学,以创新创业出名。想了解斯坦福大学和硅谷的故事,推荐看一看《硅谷传奇》(吴军著)和《大学之路》(吴军著)两本书。

[2] ROS: An Open-Source Robot Operating System,2009年在IEEE机器人与自动化大会发表(IEEE ICRA 2009)

[3] 吴恩达的经历非常丰富,最早成名于斯坦福大学AI实验室,在斯坦福大学开设了一门慕课(MOOC,网上开放课程)“机器学习”,听课的学生有十万多人,后来他跟他的好朋友创办了在线教育平台Coursera。现在Coursera已经发展成世界最大的慕课平台。还在谷歌领导了“谷歌大脑”项目,担任百度公司首席科学家,领导百度的“人工智能研究院”。吴恩达2017年3月从百度离职。

[4] STAIR: STanford Artificial Intelligence Robot

[5] Morgan Quigley, Eric Berger, Andrew Y. Ng. STAIR: Hardware and Software Architecture, IEEE ICRA 2007

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