近年、ロボティクスの世界では多くの進化が見られますが、その背景にはロボットのソフトウェア開発を助けるツールやフレームワークの存在が大きく関わっています。その中でも注目されているのが「ROS(Robot Operating System」です。本シリーズではROSの基本の理解から、実際に手を動かしてセンサやロボットを動かすということをシリーズ記事で解説していきます。
第1回目となる本記事ではROSの基本的な説明から特徴や利点といったところを解説していきます。
１．ROSとは
ROS(Robot Operating System)は、ロボットソフトウェアの開発を助けるためのフレームワークです。WindowsやmacOSといった一般的なOSとは異なり、ROSはロボットシステムのような分散システムのための通信ミドルウェアという役割を担っています。
ここで、ロボットシステムのような分散システムとはどういったものでしょうか？
一般的にロボットはセンサやアクチュエータといった様々なデバイスから構成されています。それらのデバイスを制御するためにロボット内で複数のコンピュータが起動し、複数のプロセスが実行されます。
ロボット全体の制御のために、それぞれのプロセス間での通信が必要となりますが、例えばA社のアクチュエータを使用していたのをB社のアクチュエータに変更するとなった際に通信プロトコルが変更されてしまうと、デバイス変更の度に通信まわりのコード変更が必要になってしまいます。
このような異なるデバイスによる通信まわりの変更の手間を無くすために、ROSでは共通の通信プロトコルを予め定めることで、容易にモジュールの入れ替えや再利用が可能となっています。
２．ROSの特長
前章で大まかなROSの特徴について話しましたが、それ以外のものも含めてまとめると、以下のような特徴があります。
- モジュール性: ROSは「ノード」と呼ばれる小さなプログラムの集合体で構成されており、各ノードが特定のタスクを担当します。ノード同士は共通化された通信システムによって容易に接続することができ、これにより、各プログラムをモジュールとして開発を進めることができます。
- 多言語対応: ROSはC++やPythonなど、複数のプログラミング言語をサポートしています。
- 強力なコミュニティ: ROSはOSSであり、世界中の研究者や開発者によって作られています。各モジュールがウェブ上で共有化されたエコシステムがあり、開発者は必要なモジュールをインストールして使用することができます。また情報共有のためのコミュニティやカンファレンスといった活動が活発に行われており、誰でもコミュニティに参加し、ROSの機能の提案や開発に加わることができます。
３．ROSはどのように活用されているのか？
ROSはロボット技術の多岐にわたる分野で活用されています。以下はその代表的な例です。
- 自動運転車: 多くの自動運転車のプロトタイプでは、ROSがセンサーの統合、データの処理、ナビゲーションのために使われています。特に、LIDARやカメラ、GPSなどの異なるセンサーからの情報を同時に処理する能力は、自動運転車の開発において非常に価値があります。
- サービスロボット: 病院、ホテル、レストランなどのサービス産業でのタスクをサポートするロボットもROSを活用しています。これにより、物の運搬や環境認識、人との対話などの複雑なタスクを効率的に実現できます。
- 研究と学術: 多くの大学や研究機関では、新しいロボティクス技術やアルゴリズムの開発・評価にROSが用いられています。そのモジュール性と拡張性により、研究者は自身の研究に特化した機能を迅速に開発できます。
- 産業ロボット: 工場の生産ラインや倉庫でのロジスティクスなど、産業分野でのロボットもROSの恩恵を受けています。特に、ROS-Industrialというプロジェクトは、産業環境でのROSの適用を推進しています。
- 家庭用ロボット: 掃除ロボットやペットケアロボットなど、家庭での使用を目的としたロボットの開発にもROSが採用されています。これにより、効率的な動きや環境認識を実現することができます。
これらの例からもわかるように、ROSは多様なニーズや要件を持つロボット技術の分野で幅広く活用されています。
４．ROS1とROS2
ROSにはROS1とROS2という2つのバージョンが存在します。ROS2はROS1をさらに進化させた以下の特徴を持っています。
- リアルタイム対応: ROS2はリアルタイムシステムでの動作に焦点を当てて開発されており、より高いパフォーマンス要件を持つアプリケーションに適しています。
- クロスプラットフォーム: ROS2はWindows、macOS、そしてLinuxでの動作がサポートされており、開発の幅を広げています。
- セキュリティの強化: ROS2はセキュリティを初めから考慮して設計されており、ノード間の通信を暗号化することやアクセス制御を導入することが可能です。
ROSの開発サイドとしてはROS2の使用を進めていますが、現状ではまだ移行期間といった感じで、世の中のプロジェクトでは両方が使用されているという状況です。
本シリーズではより長く使われているという実績の観点でROS1を使用していきます。WindowsのWSL上にROSをインストールし、実際にROSを動かすことでその便利さの理解を深めていきたいと思っています。
5．まとめ
ROSはロボットのソフトウェア開発を助ける強力なツールであり、その柔軟性と再利用性、そして強力なコミュニティのサポートにより、多くのロボット研究者や開発者に選ばれています。次回は、ROSを実際にインストールし、基本的な概念、ノードやトピックについて詳しく解説します。
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