ROS1 ROS2 プログラム 高専4年生

【ROS1,ROS2】ROSの概要【ロボットプログラミング】

はじめに：ロボット工学とROSの重要性

ロボットの基本概念

ロボット工学は、機械を設計、構築、運用する技術の一分野です。ロボットは私たちの生活を便利にし、工場での作業、宇宙探査、医療手術など、さまざまな場面で活躍しています。基本的に、ロボットは人間の命令に従って特定の作業を行う機械です。これらのロボットは、センサーで環境を感知し、プログラムされた指示に従って動きます。

ROSとは？

ROS（Robot Operating System）は、「ロボットオペレーティングシステム」と呼ばれ、ロボットをプログラムするためのフレームワークです。しかし、通常のオペレーティングシステム（WindowsやmacOSのような）とは異なり、ROSはロボットの特定の機能を統合しやすくするためのツールやライブラリを提供します。例えば、センサーからデータを読み取ったり、ロボットの動きを制御したりするためのプログラムが含まれています。

近年街中でよく見かけるようになった配膳ロボットもROSを使って自動制御を行っています。これによりプログラムの開発コストが大幅に削減され、身の回りで活用されるようになりました。

ROSの重要性

  1. 標準化と共有：ROSはロボット工学の分野での標準的なツールの一つです。世界中の研究者や開発者がROSを使っています。これにより、人々はコードや知識を共有し、協力しやすくなります。
  2. 多様な用途：ROSは、小さな教育用ロボットから大型産業用ロボットまで、さまざまな種類のロボットに適用できます。
  3. 柔軟性と再利用性：ROSを使うことで、開発者はロボットの異なる部品に対して異なるプログラム（「パッケージ」と呼ばれる）を組み合わせることができます。これにより、既存のコードを再利用して新しいロボットを迅速に開発することが可能になります。

まとめ

この章では、ロボット工学の基礎とROSの概念を紹介しました。ROSは、ロボットの設計とプログラミングをより簡単かつ効率的にするための重要なツールです。次の章では、ROSの第一世代であるROS1について詳しく見ていきましょう。

ROS1について

ROS1の歴史と開発背景

ROS1（Robot Operating System 1）は、2007年にスタンフォード大学の人工知能研究所とウィローガレージ社によって開発されました。最初の目的は、ロボット工学の研究を加速させることでした。ROS1はオープンソースプロジェクトとして始まり、世界中の研究者やエンジニアによって共同で開発され、改善されてきました。

ROS1の基本的な概念と特徴

  1. ノード：ROS1では、ロボットの機能は「ノード」と呼ばれる小さなプログラムに分割されています。各ノードは特定のタスク（例：センサーデータの読み取り、モーターの制御）を実行します。
  2. メッセージ通信：ノード間の通信は「メッセージ」という形式で行われます。これにより、異なるノードが情報を共有し合い、協力して動作することができます。
  3. 柔軟なアーキテクチャ：ROS1はモジュラーな設計を採用しており、開発者は必要な部品だけを選んで使用できます。これにより、さまざまな種類のロボットに適用可能です。

ROS1の主な機能と利用シナリオ

  1. 多様なライブラリとツール：ROS1はロボット制御のための豊富なライブラリとツールを提供しています。これには、3Dセンサーのデータ処理、画像認識、地図作成などが含まれます。
  2. シミュレーション：ROS1は強力なシミュレーションツールを持っており、実際にロボットを動かす前に仮想環境でテストすることができます。
  3. 利用シナリオ：ROS1は主に研究開発用途に使われます。大学や研究機関でのロボット関連のプロジェクト、新しいロボティクス技術の試験などに広く使用されています。

まとめ

ROS1は、ロボット工学におけるオープンソースの革命と言える存在です。その柔軟性、広範な機能、そして強力なコミュニティにより、ロボット開発のプロセスを大幅に促進し、革新的な研究を可能にしています。次の章では、ROS1の進化形であるROS2について掘り下げていきます。

ROS2について

ROS2への移行の理由とその歴史

ROS2は、ROS1の経験とフィードバックに基づいて開発されました。ROS1は多くのロボット工学のプロジェクトで成功を収めましたが、特に大規模かつ複雑なシステムや商用利用において、いくつかの制限が明らかになりました。これに応えて、ROS2はより堅牢でスケーラブル、セキュアなシステムを目指して2014年頃に開発が始まりました。

ROS2の主な改善点と新機能

  1. 改良された通信システム：ROS2では、DDS（Data Distribution Service）を採用しています。これにより、ネットワークの信頼性と性能が向上し、より大規模なシステムやリアルタイムシステムに適しています。
  2. クロスプラットフォームサポート：ROS2は、Windows、macOS、さまざまなLinuxディストリビューションをサポートしています。これにより、より多くの開発者がROSを使用できるようになりました。
  3. セキュリティ強化：ROS2はセキュリティを重視しており、メッセージ通信の暗号化や認証機能を提供します。これにより、商用や安全が重要なアプリケーションに適しています。
  4. リアルタイム処理のサポート：ROS2はリアルタイム処理をサポートしており、一定の時間内にタスクを完了させることが可能です。これは、自動運転車などのリアルタイム性が求められるアプリケーションに重要です。

ROS2の利用シナリオと将来性

  1. 産業用ロボット：ROS2のリアルタイム性能とセキュリティ機能は、製造業界のロボットなど、商用環境での使用に理想的です。
  2. 自動運転技術：ROS2の改良された通信システムとリアルタイムサポートは、自動運転車の開発に不可欠です。
  3. 研究と教育：ROS2は引き続き教育と研究の分野で重要な役割を果たしており、最新のロボティクス技術の開発に貢献しています。

まとめ

ROS2は、ROS1の基盤を活かしつつ、現代のロボット工学の要求に応えるための重要なステップです。その改善された機能と柔軟性により、ROS2は今後もロボット工学の分野でのイノベーションを牽引すると期待されています。次の章では、ROS1とROS2の具体的な比較を行い、それぞれの利点を探ります。

ROS1とROS2の比較

両者の主な違いとそれぞれの利点

  1. 通信システム：
    • ROS1：独自の通信システムを使用。シンプルで使いやすいが、大規模かつ複雑なシステムには不向き。
    • ROS2：DDS（Data Distribution Service）を採用。高性能で堅牢、リアルタイム通信に対応しており、大規模システムや商用用途に適している。
  2. プラットフォームサポート：
    • ROS1：主にLinuxに焦点を当てて開発された。
    • ROS2：Windows、macOS、さまざまなLinuxディストリビューションをサポート。より幅広いプラットフォームでの使用が可能。
  3. リアルタイム処理：
    • ROS1：リアルタイム処理を直接サポートしていない。
    • ROS2：リアルタイム性能を重視した設計。自動運転車などの時間に敏感なアプリケーションに適している。
  4. セキュリティ：
    • ROS1：セキュリティ機能は限定的。
    • ROS2：メッセージ通信の暗号化と認証機能を提供。よりセキュアな環境での利用に適している。

どのようなプロジェクトでROS1またはROS2を選ぶべきか

  1. ROS1の適用例：
    • 教育や研究目的での使用。
    • 既存のROS1コミュニティとの互換性が必要な場合。
    • 簡単なプロトタイピングや小規模なプロジェクト。
  2. ROS2の適用例：
    • 商用プロジェクトや製品開発。
    • 大規模で複雑なシステム、特にリアルタイム性能が求められるアプリケーション。
    • クロスプラットフォームのサポートが必要な場合。

まとめ

ROS1とROS2は、ロボット工学における異なるニーズと要求に応えるために開発されました。ROS1はそのシンプルさと使いやすさで、教育や研究に最適です。一方、ROS2はより高度な機能と性能を持ち、商用や大規模なアプリケーションに適しています。選択はプロジェクトの特性と要件によって異なります。

ROSの学習リソース

ROS1とROS2の学習に役立つ書籍、オンラインコース、チュートリアル

  1. 書籍：ROS1
    • ROSではじめるロボットプログラミング[改訂版] https://amzn.asia/d/iBnwGBi
      初心者向けです。何も知らない人はまずはコレ。とても分かりやすいですが踏み込んだところまでは書かれていません。
    • 実用ロボット開発のためのROSプログラミング　https://amzn.asia/d/3qnkkbE
      OpenCVとの連携やMATLABの連携など具体的な開発テクニックが身に付きます。
    • Unityではじめる ROS・人工知能 ロボットプログラミング実践入門　https://amzn.asia/d/ck9YaEL
      シミュレータ上でロボットを動かす術を学べます。お手軽に購入できるロボットにも対応しており非常におすすめです。ROS2にも対応しています。
  2. 書籍：ROS2
    • ROS2ではじめよう 次世代ロボットプログラミング　https://amzn.asia/d/bZXRQCn
      ROS2の概要がしっかりと書かれています。ちなみに著者は本校のOBです。
    • ROS2とPythonで作って学ぶAIロボット入門 　https://amzn.asia/d/9kTyahy
      知りたいことがぎゅっと詰まっている一冊です。おすすめです。
  3. オンラインコース：
    • ROS1 日本語チュートリアル https://wiki.ros.org/ja/ROS/Tutorials
      公式のチュートリアルです。少し説明が省かれており躓くこともあるかもしれませんが非常に充実しています。
    • ROS2 Foxi 公式ドキュメント https://docs.ros.org/en/foxy/Tutorials.html#
      ROS2はまだ公式日本語のチュートリアルはありません。初心者はまだまだROS1がおすすめです。

コミュニティとサポートのリソース

まとめ：ROSとロボット工学の未来

ROSの重要性と将来の展望

ROSは、ロボット工学の発展において中心的な役割を担っています。オープンソースの哲学と共有の精神に基づき、世界中の開発者と研究者が協力してロボット技術を進化させています。将来的には、より高度な機能、拡張されたプラットフォームのサポート、そして産業界とアカデミアの両方での更なる統合が期待されます。

ロボット工学の進歩におけるROSの役割

ROSは、新しいアイデアや技術の迅速なプロトタイピングと実装を可能にし、ロボット工学のフロンティアを拡張しています。ROSを通じて、自動運転車、家庭用ロボット、医療用ロボットなど、新しいアプリケーションの開発が加速されています。さらに、ROSの普及により、教育と研究の分野でもロボット工学のアクセスが容易になり、次世代のロボット工学者の育成にも寄与しています。

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